JP3315466B2 - 半導体エネルギー線検出器及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、紫外線やγ線、あるい
は荷電粒子線などの吸収係数が極めて大きいエネルギー
線の照射に対して有効な、裏面照射型の電荷転送型半導
体エネルギー検出器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電荷転送素子（ＣＣＤ）は、アナログ電
荷群を外部からクロックパルスに同期した速度で一方向
に順繰りに送るものであり、一端に出力部を設けておけ
ば、空間情報を時系列信号に変換できる極めて巧妙な機
能デバイスである。一般に、実用的なＣＣＤ撮像デバイ
スとしては、フレーム転送（ＦＴ）、フル・フレーム転
送（ＦＦＴ）、インターライン転送（ＩＴ）構成の三方
式が代表的であり、このうち計測用としては、主にフル
・フレーム転送方式が用いられる。

【０００３】図６及び７はフル・フレーム転送方式の構
成を示すものであり、図６はその上面図、図７はその要
部の断面図である。図６に示すようにこの方式では、基
板に形成されたチャンネルストップ拡散層１によって電
荷転送のチャンネルが垂直方向に分割され、水平画素数
に対応する画素列を形成する。一方、このチャンネルス
トップ拡散層１に直交して転送電極群２を配置してい
る。フル・フレーム転送方式ＣＣＤでは蓄積部はなく、
電荷を転送する時間中即ち読みだし時間中は、シャッタ
を閉じるなどしてＣＣＤに光が入射しないようにしてい
る。なお、垂直方向の４列の画素列の間には３本のオー
バーフロードレイン５が形成されている。

【０００４】図７に示すように、一画素はＣＣＤの一段
分を構成するクロックパルス（φ₁〜φ₄ ）の相数
（４）に対応する数の電極２０とチャンネルストップ拡
散層１で囲まれた面積となる。垂直転送クロックパルス
電極群２はクロックパルスφ₁ 〜φ₄ をポリシリコン電
極２０に供給する。ＰＳＧ（リンガラス）による層間絶
縁膜１９はポリシリコン電極２０の上面に堆積され、こ
の電極２０とシリコン基板４８上のｎ−ウェル２２との
間にはゲート酸化膜２１が介在されている。

【０００５】受光領域に光が入射すると、図７に示すよ
うに励起された信号電荷が一つの転送電極（蓄積電
極）、即ち立ち上がったクロックパルスφ₁ が加えられ
たポリシリコン電極２０下のポテンシャル井戸３に集め
られる。

【０００６】光信号を信号電荷に変換する電荷蓄積時間
が終わると、受光領域上にある垂直転送電極群２に与え
られたクロック電圧φ₁ 〜φ₄ が順次立ち上がり、信号
電荷の読み出しが開始される。しかしフル・フレーム転
送ＣＣＤにおいては、前述したようにＦＴ−ＣＣＤのよ
うな受光部とは別のいわゆる蓄積部というものがない。
このため、信号読み出しを開始する前にシャッタを閉じ
るなどして光信号の入力を遮断しなければ、転送してい
る途中の信号に新たに光信号が混入してくることにな
り、信号純度が低下する。但し、単発現象をとらえる場
合には、信号電荷の転送中に新たな光入力はないと考え
られるから、シャッタ等は必要ない。

【０００７】ここで、図６を用いて信号読みだし動作に
ついて説明する。信号電荷は垂直転送用クロックパルス
電極群２に与えられるパルスφ₁ 〜φ₄ によって１行ず
つ下方に送られ、水平読みだしレジスタ６を通して出力
端に転送される。すなわち同図において、まず一番下の
行にある信号電荷が同時に水平読みだしレジスタ６に送
り込まれ、水平方向に高い周波数のクロックφ₅ 、φ₆
で転送され、時系列信号として出力端から読み出され
る。なお、水平転送クロックφ₅ 、φ₆ は水平転送用ク
ロックパルス電極群７から加えられる。このときすでに
次の信号電荷が垂直レジスタの１段下方に移動している
ので、次の垂直転送クロックパルスで水平読みだしレジ
スタ６に入り、出力端に読み出される。このようにし
て、１画面分の信号電荷が全て水平読み出しレジスタ６
を通して読み出されると、シャッタを開き新たな信号蓄
積動作を開始する。以上のように、水平読みだしレジス
タ６は垂直レジスタに比べて高速で動作するので、２相
クロックパルスφ₅ 、φ₆ として高速転送を可能にして
いる。

【０００８】フル・フレーム転送方式の特徴は、蓄積部
がなく受光部の面積が大きくとれるので、光の利用率が
高く、したがって計測用など微弱光の用途に広く用いら
れる。反面、入射光が転送電極で吸収されるので、波長
が短い青色の光に対する感度低下が著しい。これは、ポ
リシリコン電極２０が隙間なく表面を覆い、またそれぞ
れの電極の分離のため、厚さ数ミクロンにも及ぶＰＳＧ
膜１９が重ねられているので、これらの膜で光が吸収さ
れることに起因している。特に、ポリシリコンは、４０
０ｎｍ以下の波長の光や電子を吸収するという性質があ
る。

【０００９】このような光検出器に関しては、基板４８
を１５μｍから２０μｍ程度に薄くして、光を裏面から
照射するようにしたものがある。光電変換部はゲ−ト酸
化膜２１の下に設けられて、ポリシリコン電極２０が隙
間無く覆い、短波長光を吸収してしまうが、基板４８の
裏面には薄い酸化膜２３の他に障害物はなく、短波長光
に対して高感度が期待できる。この裏面照射型ＣＣＤは
０．１ｎｍ程度の短波長光まで感度があり、更に電子衝
撃型ＣＣＤ撮像デバイスにも応用される。このデバイス
は電子衝撃により生じる信号電荷の増倍作用を利用でき
るので、高感度撮像デバイスとして期待される。

【００１０】この裏面照射型ＣＣＤは新しいタイプのＣ
ＣＤなので、例は少ないのだが、その製造プロセスの例
としてはつぎのものがある。

【００１１】図８（ａ）は、保護板（サブストレイト）
１２０の断面構造を示したものであり、この保護板１２
０の材料には焼結セラミックなどが用いられる。保護板
のうち後にウエファのＣＣＤが形成された部分には貫通
した穴２７が設けられており、セラミックの部分２５に
は金属配線２６が施されている。

【００１２】図８（ｂ）は、ＣＣＤ３１が形成されたウ
エファ１３０の断面を示したものである。このウエファ
１３０は、Ｐ⁺ 型ウエファ２８にＰ型エピ層２９を成長
させた後、ＣＣＤ３１及びＣＣＤ３１と外部回路をつな
ぐ金属配線（パッド）３２を形成したものである。

【００１３】ここで、ウエファ１３０には、Ｐ／Ｐ⁺ 型
エピウエファが用いられ、このエピ層２９の比抵抗及び
厚さは、それぞれ３０Ω−ｃｍ、２０μｍである。Ｐ⁺
型サブストレイト２８の比抵抗及び厚さは、それぞれ
０．０１Ω−ｃｍ、５００μｍである。ＣＣＤは通常Ｐ
／Ｐ⁺ 型エピタキシャル成長ウェファが用いられるのだ
が、これはＣＣＤ内蔵読みだし回路のＦＥＴがＮチャン
ネルになるので、ＰチャンネルＦＥＴに比較してオン抵
抗を小さくでき、発生する熱ノイズ（ジョンソンノイ
ズ）を低減できるから、という理由に基づく。さらに、
基板がＰ／Ｐ⁺ 型であれば、バルク（ウエファ）中の少
数キャリアのライフタイムが短くなり、バルク中の暗電
流成分がＣＣＤのポテンシャル井戸に流れ込んで暗電流
が大きくなるのが抑えられる、という利点がある。

【００１４】また、通常バルク領域は酸素濃度を高くし
ており、プロセス中の熱処理でバルク中には多くの結晶
欠陥が励起されるのであるが、ウェファにはＰ⁺ 型領域
が形成されており、この高濃度層が欠陥のシンクとなる
のを抑え、ＣＣＤを構成する表面付近に結晶欠陥が生じ
るのが抑えられる。

【００１５】保護板１２０及びウエファ１３０の位置合
わせをし、金属配線２６と金属配線３２とをワイアボン
ディングし、ボンディングワイア３８ａで接続する（図
８（ｃ））。つぎに、保護板１２０の貫通穴２７に低融
点ガラスやエポキシ樹脂などの充填物３３を満たす（図
８（ｄ））。この充填物３３は、ＣＣＤ基板１３０と保
護板１２０との接着，ボンディングワイアの保護，ＣＣ
Ｄ基板１３０に薄膜を形成する際のＣＣＤの保護，ＣＣ
Ｄ冷却時の冷却媒体などとして機能する。

【００１６】そして、ＣＣＤ基板１３０の裏面を削って
機械的及び化学的に薄形化する（図９（ｅ））。まず、
グラインダー（ディスコ社）などの機械的な研磨で、Ｃ
ＣＤ基板１３０の残り厚が３０〜４０μｍになるまでＰ
⁺ 型サブストレイト２８を削って機械的なエッチングを
し、バルク中の高濃度欠陥層を除去する。始めに機械的
なエッチングをするのはつぎの理由による。化学的エッ
チングは微視的には酸化−エッチングのプロセスの繰り
返しであり、欠陥層の酸化速度は純粋シリコンの酸化速
度とは異なる。化学的エッチングのみで薄形化するとな
ると、エッチング後の表面に凸凹や曇りを生じそれなり
の手間と工夫が必要になる。そのため、予め機械的なエ
ッチングをある程度行うことで、良好な薄形化を行って
いる。

【００１７】また、機械的なエッチングの後に化学的エ
ッチングを行うのは、機械的エッチングの後はどうして
も表面破砕層が残り、その除去が必要なのと、所定の厚
さにＣＣＤ基板１３０をコントロールする必要があるた
めであり、フッ酸−硝酸−酢酸系のエッチング液で化学
的エッチングを行う。例えば、ＨＦ：ＨＮＯ₃ ：ＣＨ₃
ＣＯＯＨ＝１：３：８の割合のエッチング液を用いる
と、数μｍ／min の速度でエッチングされるが、０．０
６８Ω−cm以上の比抵抗を持つＰ層はエッチングされな
い。したがって、Ｐ／Ｐ⁺ 型エピウエファのうち機械的
なエッチングでＰ⁺ 層３４を残した状態から化学的エッ
チングを行うと２０μｍのエピタキシャル成長層２９は
完全に残り、さらに１０¹⁸ｃｍ^-3のＰ⁺ 層を残した状態
でエッチングはストップする。このプロセスにより、２
０μｍの膜厚のコントロールとアキュムレーションが同
時に行われることになり、Ｐ⁺ 層３４がアキュムレーシ
ョン層として機能することになる（アキュムレーション
については後述する）。

【００１８】エネルギー線がＵＶ光である場合、反射防
止膜としてＳｉ酸化膜３５を形成する（図９（ｅ）の符
号３５）。その条件としては１２０℃水蒸気中で４８時
間酸化を行う。

【００１９】つぎに、ダイシングを行い、個々のチップ
１４０に分割する（図９（ｆ）、符号３６はダイシング
ラインを示す）。分割された個々のチップ１４０のアセ
ンブリを行う（図９（ｆ））。まず、セラミックパッケ
ージ３７にチップ１４０をダイボンディングし、チップ
１４０の金属配線２６とパッケージ３７の端子４１とを
ワイアボンディングし、ボンディングワイア３８ｂで接
続する。そして、チップ１４０の低融点ガラスの充填物
３３と熱的に容易に接続できるように、熱容量が小さい
充填物３９を介して放熱用の冷却ブロック４０で封止す
る。ＣＣＤを冷却してリーク電流やｒｍｓノイズを下げ
ることは微弱光を計測するのに適したものにしている。

【００２０】裏面照射型ＣＣＤでは、アキュムレーショ
ン層が必要なのはつぎの理由による。

【００２１】前述したように、裏面照射型ＣＣＤは、Ｃ
ＣＤの裏面が光の入射面となる。通常ＣＣＤを形成する
シリコンウエファの厚さは４００〜６００μｍである。
また、２００ｎｍから３００ｎｍの光は吸収係数が非常
に大きく、そのほとんどが表面からわずかに入ったとこ
ろ（具体的には０．０１μｍ程度）で吸収されてしま
う。したがって、数百μｍの厚さを有するＣＣＤをその
まま裏面照射型として使用しても、裏面で発生した光電
子は表面にあるＣＣＤのポテンシャル井戸に拡散してい
くことができず、ほとんどは再結合して失われてしま
う。また、そのうちのいくらかはポテンシャル井戸まで
到達できたとしても、長い道のりを拡散してくる間に信
号同士が混じり合い、いわゆる解像度を著しく低下させ
る。そこで、裏面照射型ＣＣＤでは、受光面である裏面
をエッチング、研磨によって薄くして、発生した電子が
最短距離で表面のポテンシャル井戸に到達できるように
している。

【００２２】しかし、酸化膜には酸化膜電荷や界面準位
が必ず存在し、これらはいずれもＰ型シリコン基板の表
面を空乏化させるように働く。そのため、裏面から浅い
ところで生じた光電子はＣＣＤのポテンシャル井戸には
行くことができず、裏面酸化膜とシリコンの界面に押し
やられ再結合するのを待つ運命となる。したがって、受
光部を薄形化し裏面にＰ型シリコンの表面をアキューム
レーション状態にすることにより、裏面の浅いところで
生じた光電子も効率よく表面側のＣＣＤのポテンシャル
井戸に到達することができる。

【００２３】図１０は、ポテンシャルプロファイルを比
較して示したものであり、実線はアキュームレーション
層がない場合、点線はある場合を示す。左側が裏面、右
側が表面を表している。基板４８の裏面には、保護膜で
ある酸化膜２３が成長されている。なお、代表的な検出
器において受光面のシリコンの厚さは１０〜１５μｍ程
度であり、酸化膜２３は、厚さ数十オングストロームか
ら数百オングストロームである。実線のように、裏面か
ら浅いところで生じた光電子は、裏面酸化膜２３とシリ
コンの界面に押しやられ再結合し、ＣＣＤ表面に形成さ
れた蓄積用のポテンシャル井戸には行くことが難しいも
のになる。これに対し、点線のように、裏面の酸化膜２
３に近付くにしたがって電子に対するポテンシャルが高
くなり、裏面から電極側に傾斜を持つポテンシャルが形
成されることにより、光電子が効率よく表面側に到達す
ることができるようになる。

【００２４】上述の工程では、エピウエファは予めアル
ミニウム（Ａｌ）配線工程まで含めたすべてのＣＣＤ製
造プロセスを終了させている。そのため、後の工程で受
光部シリコンの薄形化後にアルミニウム配線を施す場合
と比較して、薄形化した膜の部分に写真食刻法を用いる
のは困難であり、またアルミニウム配線プロセス中に薄
形化した部分が割れるなどのおそれがある、という問題
が抑えられるので、その意味では良好な工程と考えられ
る。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、つぎのような
問題点がある。まず第１に、図８（ｃ）において保護板
１２０及びＣＣＤ基板１３０の位置合わせを必要として
いるが、この作業は非常に微妙なものであり、熟練を要
し、作業時間やコストなどを大幅に削減するのは困難で
ある。

【００２６】第２に、ボンディングワイアで保護板１２
０とＣＣＤ基板１３０との電気的な接続を行っている
が、ボンディングワイアが形成するワイアーループのた
め、図の横方向に余分な面積を必要とする。例えば、チ
ップの両側にワイアボンディングする場合、トータルで
およそ２mmチップが長くなる。１チップが大きくなれば
１枚のウェファからの取れ数が減りチップ単価を上げる
ことになる。また、チップが大きくなった分だけ装置全
体が大きくなり、それだけ熱容量が大きくなる。そのた
め、冷却時の効率が悪くなり、装置の小形化、軽量化の
妨げになる。

【００２７】第３に、図８（ｄ）において充填物３３を
満たす必要があるが、ボンディングワイアを保護するた
めに、ワイアーループを覆えるだけの厚みで充填物３３
を満たす必要がある。したがって、その分だけ余分な充
填物３３を必要とし、その分だけ装置全体が大きくな
り、それだけ熱容量が大きくなる。そのため、冷却時の
効率が悪くなり、装置の小形化、軽量化の妨げになる。
信頼性の観点からボンディングワイアの保護は不可欠で
あり、これによる厚さの増加はおよそ５００μｍと、お
よそ倍の厚みになる。

【００２８】また、第４に、充填物３３は保護板１２０
及びＣＣＤ基板１３０を十分に接着するだけの強度を要
するので硬化後に堅くなるものでなければならない。し
かも、その後の工程や使用環境を加味すれば、保護板１
２０及びＣＣＤ基板１３０と熱膨張率が良くあってお
り、ボンディングワイアに応力を与えないような材料が
必要である。接着強度の観点からは低融点ガラスが望ま
しいが、低融点ガラスは硬化後は非常に堅くなる一方、
熱膨張率がＣＣＤ基板１３０の材料であるＳｉとやや異
なる。そのため、冷却時或いは室温に戻す際非常にゆっ
くり行う必要がある。低融点ガラス以外の硬化後はあま
り堅くならず、ある程度柔らかな材料（例えば、ゲル状
の樹脂）を用いれば、Ｓｉと熱膨張率が完全に一致して
いなくても急冷急熱を行った場合にただちに破損すると
いうのが少なくなるが、保護板１２０及びＣＣＤ基板１
３０の接着強度が十分でなく、その後の工程を加味すれ
ば好ましいものではない。このように、充填物３３に用
いる材料は限られているうえに使用上の制限がある。

【００２９】そこで本発明は、上記の問題点を解決した
半導体エネルギー検出器を提供することを目的とする。

【００３０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の半導体エネルギー線検出器は、撮像機能を
持つ回路がその一方の面に形成され、他方の面から入射
したエネルギー線を検出するための基板と、基板をその
内部に格納すると共に外部との電気的接続をするための
リード配線を持つパッケージと、基板を一方の面の側か
ら保護するとともに、リード配線と基板に形成された回
路とを電気的に接続するための保護板とを備え、基板と
保護板、保護板とリード配線はそれぞれバンプボンディ
ングされるとともに、保護板はバンプボンディングされ
た部分に凹部が設けられていることを特徴とする。

【００３１】保護板は、基板に形成された回路上に開口
部を有するとともに前記開口部には硬化した充填物がつ
められていることを特徴としても良い。

【００３２】パッケージは、充填物若しくは保護板を介
して基板で発生した熱を放熱するとともに、パッケージ
と充填物との間には熱抵抗を低下させるための熱媒体が
塗布されていることを特徴としても良い。

【００３３】凹部に導電材料をさらに有することを特徴
としても良い。

【００３４】また、本発明の半導体エネルギー線検出器
の製造方法は、基板の一方の面に形成された撮像機能を
持つ回路の端子にバンプを形成する第１の工程と、保護
板に、基板上の回路の位置に対応して開口部と、回路の
各端子及びパッケージのリード配線の位置に対応して凹
部と、回路に電気的に接続するための配線とを設けてお
き、凹部とバンプとを重ね合わせて保護板と基板とのバ
ンブボンディングをする第２の工程と、開口部に硬化性
の流動物をいれて硬化させ、開口部に充填物をつめる第
３の工程と、回路が形成された反対側の基板の面を機械
的或いは化学的に削る第４の工程と、保護板及び基板を
回路ごとに切断し、切断された保護板及び基板をパッケ
ージにいれて保護板の配線と前記リード配線とのバンブ
ボンディングをする第５の工程とを有する。

【００３５】第２の工程では、凹部に導電材料を注入し
た後にバンブボンディングをすることを特徴としても良
い。

【００３６】第５の工程では、パッケージと充填物との
間には熱抵抗を低下させるための熱媒体を塗布すること
を特徴としても良い。

【００３７】

【作用】本発明の半導体エネルギー線検出器では、保護
板で製造時及び使用時で基板の機械的な保護がなされる
ので、基板を薄くして基板上の回路を冷却しやすくな
る。そのため、より感度の良くエネルギー線（例えば、
紫外線、軟Ｘ線、電子線など）を検出できる。

【００３８】ここで、基板と保護板、保護板とリード配
線がバンプボンディングで重なるように接続・接着がな
されることから、保護板、基板及びパッケージの面積及
び体積を小さくすることができる。また、保護板には凹
部が設けられ、これにあわせてバンプボンディングが可
能であることから、電気的接続・機械的接着をより確実
にして小形化することができる。

【００３９】また、開口部に硬化した充填物を詰めるよ
うにすることで、基板上の回路へのダメージを減少させ
ることができ、熱抵抗を低下させるための液体が塗布さ
れていることでより放熱しやすいものになる。さらに、
凹部または貫通口に導電材料をさらに有することで、電
気的接続をより確実にすることができる。

【００４０】本発明の半導体エネルギー線検出器の製造
方法では、予め保護板にもうけられた凹部または貫通口
がバンブとあわさるので、基板と保護板、保護板とリー
ド配線の位置合わせが簡単になる。そのため、簡単にバ
ンブボンディングが可能で、基板と保護板、保護板とリ
ード配線の電気的接続・及び接着が簡単なものになる。
保護板で基板の機械的保護がなされることから、基板の
面を機械的薄く削ることができ、開口部につめた充填物
で回路が保護されるから、合わせて化学的に精密に削る
こともできる。そして、保護板及び基板がバンプボンデ
ィングで重なるように接続・接着がなされることから、
保護板、基板及びパッケージの面積及び体積を小さくす
ることができる。

【００４１】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。
前述の従来例と同一または同等のものについてはその説
明を簡略化し若しくは省略するものとする。

【００４２】図１は、本発明の半導体エネルギー線検出
器の実施例についての構造を示したものである。この検
出器は、パッケージ３７の内部に、ＣＣＤ基板１３０，
保護板２２０を有し、パッケージ３７にはセラミックパ
ッケージが用いられ、基板１３０上の回路３１で発生し
た熱を放熱し冷却できるようになっている。また、ＣＣ
Ｄ基板１３０の電極３２と保護板２２０の電極１２６が
バンプ１４３で、保護板２２０の電極１２６とパッケー
ジ３７のリード配線４２とがバンプ１４４で接続され、
バンプ１４３，１４４が形成される位置に保護板２２０
に凹部が設けられている点に特徴を有する。

【００４３】ＣＣＤ基板１３０は、パッケージ３７の内
部にその底面を図の上側にしてバンプボンディングさ
れ、表面には撮像のためのフルフレーム転送方式のＣＣ
Ｄ３１が形成されている。ＣＣＤ３１の表面には、ｐｏ
ｌｙ−Ｓｉ電極，層間絶縁膜であるＰＳＧが形成されて
いる。ここで、表面側では吸収係数が大きいエネルギー
線（例えば、紫外線、軟Ｘ線、電子線など）を吸収して
しまうので、表面照射型ＣＣＤはこのようなエネルギー
線に対して感度が持たない。また、無理に照射を行え
ば、ＣＣＤを構成するゲート酸化膜がいわゆる照射損傷
を受け、転送効率が低下する、ノイズが増大するなどの
損傷を生じる。図１の検出器では、吸収係数が大きいエ
ネルギー線に感度を持つようにするために、裏面型ＣＣ
Ｄの構造を持たせ図の上方からの入射光ｈνを検出する
ようになっている。

【００４４】また、通常のＣＣＤを作る基板の厚みは４
００μｍであるのに対し、図１の検出器では、ＣＣＤ基
板１３０を１５μｍ程度まで薄形化し、その後裏面をイ
オン注入などでアキュムレーション状態にしている。通
常の基板をそのまま用いると、基板の裏面入射面付近で
生じた信号電荷は、表面にあるＣＣＤポテンシャル井戸
まで拡散で移動しなければならず、途中で再結合で失わ
れたり、長い距離を拡散してくる間に横方向に広がり、
解像度を著しく悪化させる。しかし、図１の検出器で
は、裏面界面付近で生じた信号電荷が効率良くＣＣＤポ
テンシャル井戸に流れる構造にし、入射面である裏面か
ら表面にあるＣＣＤポテンシャル井戸までの物理的な距
離を短くして、解像度の劣化を抑えている。そして、使
用時には、ペルチェ素子などでパッケージ３７を冷却す
ることにより、ＣＣＤ３１の冷却がなされ、ＣＣＤ３１
で発生するノイズの低減が図られている。

【００４５】保護板２２０は、薄形化したＣＣＤ基板１
３０を組み立て時及び使用時において保護するとともに
電極１２６を介してパッケージ３７のピン４２（外部と
の電気的接続用）とＣＣＤ３１との電気的に接続をも兼
ねている。保護板２２０の電極１２６との接続が、バン
ブ１４３，１４４で（導電ペーストを介して）なされ、
バンプ１４３が形成される位置に凹部が設けられている
ことから、保護板２２０と重なるようにして接続される
ので、この装置全体を小さく製作することが可能にな
る。これによって良好な冷却が行われ、リーク電流やｒ
ｍｓノイズを下げて微弱光を計測するのに適したものに
している。

【００４６】このように、図１の検出器は、薄くなった
シリコンのＣＣＤ基板１３０を十分に保護するとともに
暗電流を低減するための冷却も十分に行える構造になっ
ている。この構造を持つ検出器を良好に製作するには、
その製造工程もそれが十分に配慮されたものであること
を要する。図２，３，４は、図１の検出器の組み立て工
程を示したものであり、この工程は次のようになる。

【００４７】図２（ａ）は、図１の検出器に用いられる
保護板２２０の断面構造を示したものである。保護板２
２０は、前述の従来例と同様にＣＣＤ基板１３０のＣＣ
Ｄ３１が形成された部分には貫通した穴１２７が設けら
れ、セラミックの部分１２５には金属配線１２６が施さ
れている。さらに、ＣＣＤ基板１３０の金属配線（パッ
ド）３２のバンプが設けられる部分に凹部１４１ａが設
けられ、保護板の反対側にも凹部１４１ｃが設けられ、
これらの凹部１４１ａ，１４１ｃはバンプに対して余裕
を持った大きさで形成され、凹部１４１ａ，１４１ｃま
で金属配線１２６が施されている点に特徴がある。ま
た、この保護板１２０の材料には、シリコン，ガラス，
窒化アルミニウムなどの研磨性セラミックを用いること
ができ、ＣＣＤ基板１３０とよく熱膨張率があったもの
を用いるのがより望ましく、厚さは２００μｍ程度の薄
いものを用いる。

【００４８】図２（ｂ）は、ＣＣＤ基板１３０を示した
ものであり、このＣＣＤ基板１３０は、前述の従来例と
同様に、シリコンＰ⁺ 型ウエファ２８にＰ型エピ層２９
を成長させた後、ＣＣＤ３１を形成し、外部回路につな
ぐ金属配線（パッド）３２が設けられたものである。

【００４９】まず、保護板２２０の凹部１４１ａに熱硬
化性の導電ペースト１４２（例えば、銀ガラスなど、導
電性があって硬化前には液相の物質）をいれる（図２
（ｃ））。つぎに、ＣＣＤ基板１３０の金属配線３２に
金属バンプ１４３を形成する（図２（ｄ））。このバン
プ１４３は、ワイヤーボンダーを使用することにより、
直径６０μｍ，高さ８０μｍのものが容易に形成でき
る。

【００５０】そして、導電ペースト１４２が入った保護
板２２０（図２（ｃ））と、金属バンプ１４３を形成し
たＣＣＤ基板１３０（図２（ｄ））とのバンプボンディ
ングを行う（図２（ｅ））。このとき、保護板２２０の
凹部１４１ａがバンプ１４３が設けられる部分に設けら
れていることから、凹部１４１ａがバンプ１４３にかみ
あわさるので、保護板２２０とＣＣＤ基板１３０との位
置合わせは容易になされる。また、凹部１４１ａの中に
バンプ１４３が入り込むので、ボンディング後の厚さが
より小さなものになる。そのため、より小さなものにす
ることができる。

【００５１】ここで、保護板２２０の配線１２６が金
で、バンプ１４３が金であるならば互いに溶着するの
で、両者の接続に敢えて銀ガラスを使用する必要はない
ともいえる。しかし、バンプの高さのバラツキにより、
接続不良がないとはいえないので、電気的な伝導をより
確実にするため、銀ガラスを介したバンプボンディング
を行っている。

【００５２】つぎに、低融点ガラス，エポキシ樹脂，ゲ
ル状樹脂など、硬化前には液相の充填物３３を、保護板
２２０とＣＣＤ基板１３０とで形成された窪み（保護板
２２０の穴１２７の部分）に充填した後、充填物３３を
硬化する（図３（ｆ））。充填物３３は、電気的に絶縁
性であることを要し、さらに、保護板２２０及びＣＣＤ
基板１３０と熱膨張係数があっていること、熱伝導が良
いことが重要で、シリコンのエッチングに用いるエッチ
ャント（酸またはアルカリ系）に耐えること、数百℃以
上の高温に耐えること、アウトガスがないことがさらに
望ましい。これは、数百℃以上の高温に耐えうること
で、薄形化後のアキュムレーションで熱処理が行いやす
いし、アウトガスがなければ、エレクトロンボンバート
メント用として電子管に封入するのに適するからであ
る。

【００５３】また、つぎの薄形化の工程の前に充填物３
３を硬化させているので、もし硬化時に充填物３３が体
積減少を起こしても、ＣＣＤ基板に凸凹が生じることは
なく、薄形化の工程の後に入射面に凸凹が生じることも
少ない。また、従来構造では、充填物３３は、接着剤と
しての機能が強く要求され、保護板２２０とＣＣＤ基板
１３０とを強く接着することを要するのだが、本実施例
では、保護板２２０とＣＣＤ基板１３０とはバンプで強
く固定されているので、それほど接着剤としての機能が
要求されず、硬化後は若干柔らかくても良い。

【００５４】そして、前述の従来例と同様に、ＣＣＤ基
板１３０の裏面を削って機械的または化学的に薄形化す
る（図３（ｇ））。化学的エッチングのみで薄形化する
となると、基板のＰ⁺ 層は高濃度欠陥層を有し、欠陥層
の酸化速度は純粋シリコンの酸化速度とは異なるので、
エッチング後の表面に凸凹や曇りを生じそれなりの手間
と工夫が必要になる。しかし、この製造工程において
は、保護板２２０とＣＣＤ基板１３０とがバンプボンデ
ィングされ、充填物３３が満たされた構造になっている
ので、ＣＣＤ基板１３０全体が補強され、グラインダー
（ディスコ社）などの機械的な研磨での薄形化が可能と
なっている。薄形化後、裏面のアキュムレーション及び
酸化を行ってアキュムレーション層３４及び酸化膜３５
を形成する。

【００５５】つぎに、ダイシングを行い、個々のチップ
１４０に分割する（図３（ｈ）、符号３６はダイシング
ラインを示す）。そして、分割された個々のチップ１４
０のアセンブリを行う。まず、保護板２２０の凹部１４
１ｂに導電ペースト１４２をいれ（図４（ｉ））、パッ
ケージのリード配線４２にバンプを形成する（図４
（ｊ））。チップ１４０の低融点ガラスの充填物３３と
熱的に容易に接続できるようにシリコン樹脂３９を予め
ぬっておいてから、チップ１４０の裏面を上にしてバン
プボンディングをした後（図４（ｋ））、封止する。

【００５６】このように、本製造工程では、まず、保護
板２２０とＣＣＤ基板１３０との位置合わせが、凹部１
４１ａ及びバンプ１４３でなされるので、高価で取扱い
の面倒なフリップチップボンダーを使用せずに容易に組
み立てが行える。また、従来例のように、保護板２２０
とＣＣＤ基板１３０との電気的接続をワイアボンディン
グで行う場合、ワイヤーループのために横方向と高さ方
向に余分なスペースを必要とし、チップ自体も離して配
置する必要があったので、１枚あたりのウエファのとれ
数が少なくなる。それに加えて、縦，横，高さ共に大き
くなり小型軽量化が困難なうえに、おおきくなった分熱
容量が大きく、パワーの大きな冷却装置（ペルチェ素
子）を必要としていた。しかし、本発明では、保護板２
２０とＣＣＤ基板１３０との電気的接続がバンプ１４３
でなされるため、薄く小さく構成できるので、小型軽量
化が行え、熱容量が小さくなって冷却効率が向上する。

【００５７】さらに、バンプ１４３で保護板２２０とリ
ード配線４２との接続がなされことから、ワイアボンデ
ィングで行う場合と比較するとワイヤーループのための
スペースを必要としないので、より小型軽量化が行える
（従来例に対し、約１／１０程度の熱容量と見積られ
る）。

【００５８】また、本製造工程では、薄形化の際、保護
板２２０とＣＣＤ基板１３０とがバンプボンディングさ
れ、充填物３３が満たされた構造で行っている。そのた
め、ＣＣＤ基板１３０上のＣＣＤは保護された構造であ
り、薄形化後に入射面に凸凹が生じることもない。さら
に、ＣＣＤがある部分は保護板２２０に穴が開けられて
おり、ＣＣＤの保護は充填物３３でなされる形なので、
保護板２２０とＣＣＤ基板１３０との間に熱抵抗の大き
な空気層が入り込む可能性がほとんど無い。したがっ
て、ＣＣＤの冷却時に暗電流のユニフォミティが悪化す
るのが小さくなることになる。また、ＣＣＤ基板１３０
全体を薄形化するので、機械研磨でほとんど削ってから
最後の仕上げで化学的なエッチングを行うことも可能で
あり、エッチング液の周り込みなどで生じるエッチング
の不均一も生じない。

【００５９】さらに、セラミックパッケージで放熱を行
っていることから、放熱のための組み立て部品が減少
し、構成が簡素化するうえ、より小型軽量化が行える。

【００６０】図５は、本発明の検出器の変形例を示した
ものであり、保護板２２０の配線１２６をスルーホール
で貫通するように構成したものである。（ａ）はダイシ
ング後のチップ１４０の外観を、（ｂ）は組み立て後の
チップ１４０の外観を示したものである。これらの場合
も図１と同様に組み立てられる。

【００６１】

【発明の効果】以上の通り本発明の半導体エネルギー線
検出器によれば、保護板、基板及びパッケージの面積及
び体積を小さくすることができ、保護板の凹部にあわせ
てバンプボンディングをして電気的接続をより確実にし
て小形化することができるので、より感度の良いエネル
ギー線の検出をすることができる。

【００６２】また、本発明の半導体エネルギー線検出器
の製造方法によれば、保護板と基板との電気的接続・及
び接着が簡単なものになり、保護板で基板の機械的保護
がなされて基板の面を機械的薄く削ることができるの
で、上記半導体エネルギー線検出器を小さく製造する事
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体エネルギー線検出器の第１実施
例の構成図である。

【図２】第１実施例の製造工程図である。

【図３】第１実施例の製造工程図である。

【図４】第１実施例の製造工程図である。

【図５】本発明の半導体エネルギー線検出器の変形例の
構成図である。

【図６】フル・フレーム転送方式の構成を示す上面図で
ある。

【図７】フル・フレーム転送方式の要部を示す断面図で
ある。

【図８】従来例の製造工程図である。

【図９】従来例の製造工程図である。

【図１０】従来の裏面照射型検出器のポテンシャルプロ
ファイルを示す図である。

【符号の説明】

３１…ＣＣＤ、３２…配線、３７…パッケージ、４２…
リード配線、１２６…配線、１３０…ＣＣＤ基板、１４
１ａ，ｃ…凹部、１４２…導電ペースト、１４３，１４
４…金属バンプ、２２０…保護板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−159760（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 27/14

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 撮像機能を持つ回路がその一方の面に形
   成され、他方の面から入射したエネルギー線を検出する
   ための基板と、 前記基板をその内部に格納すると共に外部との電気的接
   続をするためのリード配線を持つパッケージと、 前記基板を前記一方の面の側から保護するとともに、前
   記リード配線と前記基板に形成された回路とを電気的に
   接続するための保護板とを備え、 前記基板と前記保護板、前記保護板と前記リード配線は
   それぞれバンプボンディングされるとともに、前記保護
   板はバンプボンディングされた部分に凹部が設けられて
   いることを特徴とする半導体エネルギー線検出器。
2. 【請求項２】 前記保護板は、前記基板に形成された回
   路上に開口部を有するとともに前記開口部には硬化した
   充填物がつめられていることを特徴とする請求項１記載
   の半導体エネルギー線検出器。
3. 【請求項３】 前記パッケージは、前記充填物若しくは
   前記保護板を介して前記基板で発生した熱を放熱すると
   ともに、前記パッケージと前記充填物との間には熱抵抗
   を低下させるための熱媒体が塗布されていることを特徴
   とする請求項２記載の半導体エネルギー線検出器。
4. 【請求項４】 前記凹部に導電材料をさらに有すること
   を特徴とする請求項１記載の半導体エネルギー線検出
   器。
5. 【請求項５】 基板の一方の面に形成された撮像機能を
   持つ回路の端子にバンプを形成する第１の工程と、 保護板に、前記基板上の前記回路の位置に対応して開口
   部と、前記回路の各端子及びパッケージのリード配線の
   位置に対応して凹部と、前記回路に電気的に接続するた
   めの配線とを設けておき、前記凹部と前記バンプとを重
   ね合わせて前記保護板と前記基板とのバンブボンディン
   グをする第２の工程と、 前記開口部に硬化性の流動物をいれて硬化させ、前記開
   口部に充填物をつめる第３の工程と、 前記回路が形成された反対側の前記基板の面を機械的或
   いは化学的に削る第４の工程と、 前記保護板及び前記基板を前記回路ごとに切断し、切断
   された前記保護板及び前記基板をパッケージにいれて前
   記保護板の配線と前記リード配線とのバンブボンディン
   グをする第５の工程とを有する半導体エネルギー線検出
   器の製造方法。
6. 【請求項６】 前記第２の工程では、前記凹部に導電材
   料を注入した後にバンブボンディングをすることを特徴
   とする請求項５記載の半導体エネルギー線検出器の製造
   方法。
7. 【請求項７】 前記第５の工程では、前記パッケージと
   前記充填物との間には熱抵抗を低下させるための熱媒体
   を塗布することを特徴とする請求項５記載の半導体エネ
   ルギー線検出器の製造方法。