JP6213937B2 - 受光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、入射光を電気信号に変換する受光デバイス、特に、光電変換機能を有するフォトダイオードによって入射光から変換された信号電荷を読み出す半導体走査回路を有した受光デバイスに関する。

従来の受光デバイスとしては、光電変換部のフォトダイオードと、そこで生成した光電荷を転送する走査素子とを半導体基板上に集積化した受光デバイスが開発され製品化されている。

この受光デバイスは、フォトダイオードと走査素子が同一平面上に配置されているため、開口率（受光面に入射する光量に対する光電変換部に入射する光量の割合）が小さい。そのため、光利用率が低く入射光の損失が大きかった。

オンチップマイクロレンズの開発等により実質開口率は向上するにいたっているが、フォトダイオードと走査素子が同一平面上に配置される限り実質開口率の向上には限界がある。

そこで、光電荷転送用の走査回路基板の上部に、当該光電荷を発生するフォトダイオードを積み重ねた受光デバイスが提案されている。

この受光デバイスは、受光部であるフォトダイオードが走査回路上の全面に設けられているので、開口率を１００％近くにでき、感度の向上が可能となる。

これらの受光デバイスにおいては、通常良好な光応答特性を実現するため、フォトダイオードに対して、電荷の注入を阻止するような接触を有する電極を用いる構造が採用されている。

そのため、素子内部での電荷増倍を利用しない素子では入射光によって生成されたキャリア数以上の信号電荷を取り出すことができず、光電変換の利得は１以下である。

これに対して、光電変換の利得が１を超えるような受光デバイスとして、フォトダイオードに強い電界を印加してアバランシェ増倍現象を発生させて光電変換の利得を１以上にするアバランシェ増倍型の受光デバイスが開発されている。

このようなアバランシェ増倍型受光デバイスでは、入射光子数に対する、フォトダイオード内で生成される光電荷の数の比である利得が、数１０から数１００にもなる。

上記の積層型の受光デバイスは、シリコン基板上に通常の集積回路で用いられる半導体プロセスによって走査回路を形成し、その上にフォトダイオード及び透明導電膜を順次堆積して形成される。

この場合、透明導電膜が形成される前の走査回路は、シリコン基板に複雑なプロセスを経て形成されているため、表面を平滑にすることが極めて難しく、画素電極自身や画素電極の境界部に凹凸が存在する。

そのため、例えば光導電型撮像管のように平滑なガラス基板上に光導電膜を形成する場合と異なり、下地の凹凸に起因する局所的な電界集中によって暗電流が増大し、画面に白点状の欠陥が発生し易いという問題がある。

特に、フォトダイオードでのアバランシェ増倍現象を用いて高い感度を得ようとする場合は、フォトダイオードに強い電界を印加する必要があるため、電界の非一様性による局所的暗電流注入やアバランシェブレークダウンが発生し易い。

上記課題を解決するための従来技術として、特許文献１のように透光性基板上に形成した透明導電膜とフォトダイオードから成る光電変換部を、上記透光性基板とは別の基板上に形成した走査回路の信号読み出し電極に、導電性のマイクロバンプによって接続した構造とする技術がある。

図９は、従来技術の受光デバイスの光電変換部の断面図であり、透光性基板１１３上に、透明導電膜１０３とフォトダイオード１０４を形成した後、表面に所定の大きさと間隔を有して配列するように第１の画素電極１０５が形成されている。走査回路１０８の表面には、第１の画素電極１０５と同じピッチで第２の画素電極１０７が設けられており、さらに第２の画素電極１０７上には、光電変換部１０１と走査回路部１０２とを電気的に接続するためのマイクロバンプ１０６が形成されている。

従来技術による受光デバイスは、以上のように別々に形成された光電変換部１０１と走査回路部１０２とを、図９に示すように前記マイクロバンプ１０６によって電気的に接続した構造を有している。

従来技術では例えば十分平坦に研磨された基板を用いることによって、非常に平坦な下地の上にフォトダイオード１０４が形成される。

従って、例えばフォトダイオードでアバランシェ現象による電荷増倍が起こるような高電界を印加して動作させても局所的電界集中による暗電流の増大やアバランシェブレークダウンが起こりにくい。

また、走査回路部１０２と光電変換部１０１は別に作製されているため、走査回路１０８上の第２の画素電極１０７およびフォトダイオード１０４は互いの電気的接合特性を考慮することなく、材料を選択することができる。

即ち、積層型撮像装置であるための制約はなく、最適の材料や構造及び作製法を採用することができる。

したがって、このようなマイクロバンプを用いた積層構造によれば、たとえば、フォトダイオードを形成する基板として、トランジスタの寄生容量を減らし、動作速度向上と消費電力削減に効果があるシリコン基板と表面シリコン層の間にシリコン酸化膜を挿入した構造の基板であるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用い、走査回路とマイクロバンプと積層後シリコンおよびシリコン酸化膜を除去し透明導電膜を形成することによりフォトダイオードの特性をさらに向上させることが出来る。

特開平７−１９２６６３号公報 特表２００５−５３９２１８号公報

しかしながら、フォトダイオードでアバランシェ現象による電荷増倍が起こるような高電界を印加して動作させる場合、フォトダイオード上の透明導電膜に電圧を供給する必要があるが、従来技術の構造では、その方法が言及されておらず、利用者にとって方法が不明確という課題がある。

また、透明導電膜に電圧を供給するために、例えば、図１０に示すように透明導電膜１０３を走査回路部１０２の電極パッド１１０に接続し外部から電圧印加する構造がある。（特許文献２）。

しかしながら、上記構造ではハウジング１１４の段差がある箇所に透明導電膜１０３を形成する際、加工方法によっては上面部より側壁部のほうが薄くなる可能性があり、膜厚不均一の影響で電圧供給が不安定となり、所望の電荷増倍効果および高い感度を得ることが難しい。

また、コーナーエッジ部の応力集中による透明導電膜の破断／断線の発生リスクがある。

上記課題を解決するために、本発明の受光デバイスは、フォトダイオード及び当該フォトダイオードの下面に設けられた画素電極を有する光電変換部と、画素電極と接続された走査回路部と、走査回路部の周辺部に設置された電極パッドと、フォトダイオードの上面から電極パッドに亘って形成され、かつ、フォトダイオードと電極パッドとの間においてフォトダイオードの上面に対して勾配を持つ透明導電膜を備えている。

本発明の受光デバイスによれば、光電変換部の上面端部の角で透明導電膜が急に曲がらないので、当該角での応力集中による透明導電膜の断線を減らすことができる。

また、光電変換部の上面および側面の透明導電膜の成膜膜厚を均一にできるので、安定した電圧供給が可能になり、画像ムラの少ない高感度なセンサーが実現できる。

図１は、第一の実施形態に係る受光デバイスの断面図である。 図２は、第一の実施形態に係る受光デバイスの上面図である。 図３Ａは、第一の実施形態に係る受光デバイスの製造工程における断面図である。 図３Ｂは、第一の実施形態に係る受光デバイスの製造工程における断面図である。 図３Ｃは、第一の実施形態に係る受光デバイスの製造工程における断面図である。 図３Ｄは、第一の実施形態に係る受光デバイスの製造工程における断面図である。 図４は、第一の実施形態の変形例に係る受光デバイスの断面図である。 図５は、第二の実施形態に係る受光デバイスの断面図である。 図６は、第二の実施形態に係る受光デバイスの上面図である。 図７は、第三の実施形態に係る受光デバイスの断面図である。 図８Ａは、第三の実施形態の製造方法に係る半導体装置の断面図である。 図８Ｂは、第三の実施形態の受光デバイスの製造工程における断面図である。 図８Ｃは、第三の実施形態の受光デバイスの製造工程における断面図である。 図８Ｄは、第三の実施形態の受光デバイスの製造工程における断面図である。 図９は、従来技術に係る受光デバイスの光電変換部の断面図である。 図１０は、従来技術に係る受光デバイスの光電変換部の断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら説明する。但し、詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は当業者が本開示を十分に理解するためのものであって、これらによって請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

（第一の実施形態）
図１は第一の実施形態に係る受光デバイスの断面図（後述する図２の１−１線における断面図）である。この受光デバイスは、光電変換部１０１と、走査回路部１０２と、マイクロバンプ１０６とを有し、光電変換部１０１と走査回路部１０２とがマイクロバンプ１０６を介して積層されている、すなわち、この受光デバイスはいわゆる積層型のデバイスである。

図１に示す第一の実施形態に係る受光デバイスをより具体的に述べる。光電変換部１０１は、フォトダイオード１０４と、フォトダイオード１０４に所定の大きさと間隔を有して配列するように形成された第１の画素電極１０５とを有する。走査回路部１０２は、第１の画素電極１０５と同じピッチで形成された第２の画素電極１０７と、複数の電極パッド１１０と、第２の画素電極１０７と電極パッド１１０との間に形成されたダミーバンプ１１６と、を有する。第１の画素電極１０５と第２の画素電極１０７とは、マイクロバンプ１０６によって接続されている。マイクロバンプ１０６の周囲は封止樹脂１０９により覆われており、封止樹脂１０９はダミーバンプ１１６からフォトダイオード１０４の上面まで到達するなだらかなフィレットを形成している。すなわち、光電変換部１０１の周囲に形成された封止樹脂１０９は、フォトダイオード１０４の上面に対して勾配をなすフィレット状の形状を有し、フォトダイオード１０４の上面エッジまで到達している。フォトダイオード１０４上および封止樹脂１０９のフィレット上には透明導電膜１０３が形成されており、透明導電膜１０３は走査回路部１０２上の少なくとも２つ以上の電極パッド１１０と接続されている。

以上のように、透明導電膜１０３は、フォトダイオード１０４の上面から電極パッド１１０に亘って形成され、かつ、フォトダイオード１０４と電極パッド１１０との間においてフォトダイオード１０４の上面に対して勾配を持つ。特に、フォトダイオード１０４の端と電極パッド１１０との間において封止樹脂１０９の表面はフォトダイオード１０４の上面に対し勾配、特に４５°以下の勾配を有する。すなわち、透明導電膜１０３のフォトダイオード１０４の上面に対する勾配は、４５°以下である。

この受光デバイスによれば、半導体基板の上に設けられた光電変換部１０１と電極パッド１１０との間に設けられた封止樹脂１０９が勾配を有するので、光電変換部１０１の上面端部の角で透明導電膜１０３が急に曲がらず、光電変換部１０１の上面端部における応力集中による透明導電膜１０３の断線を減らすことができる。

また、光電変換部１０１の上面および側面において透明導電膜１０３の成膜膜厚を均一にできるので、安定した電圧供給が可能になり、画像ムラの少ない高感度な受光デバイスが実現できる。

図２は第一の実施形態に係る受光デバイスの上面図である。封止樹脂１０９は、光電変換部１０１の周囲を囲っている。透明導電膜１０３は、光電変換部１０１および封止樹脂１０９の全面を覆っており、走査回路部１０２上の電極パッド１１０と接続されている。

光電変換部１０１において、例えばＳＯＩ基板上にフォトダイオード１０４が形成されている。

走査回路部１０２は、例えばシリコン材料からなる半導体基板上に、電荷蓄積部、電荷読出し部およびゲート電極からなるＭＯＳトランジスタが各画素単位に形成されている。

透明導電膜１０３としては、アンチモンやフッ素をドーパントとして含む酸化錫（ＳｎＯ_２）、アルミニウム、ガリウム、インジウム、スズをドーパントとして含む酸化亜鉛（ＺｎＯ）、スズ、タングステン、チタンをドーパントとして含む酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）等が使用される。特に、スズ（錫）をドーパントとして含む酸化インジウム膜、すなわちＩｎ_２Ｏ_３−Ｓｎ系膜はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）膜と称され、低抵抗の透明導電膜が容易に得られることから、透明導電膜１０３として好ましい材料である。封止樹脂１０９は、例えばエポキシ系やアクリル系のアンダーフィル樹脂を用いるが、これに限定するものではない。この封止樹脂１０９は、ダミーバンプ１１６により走査回路部１０２上の電極パッド１１０には到達しないよう、濡れ性等を考慮して加工されている。

また、マイクロバンプ１０６は、第１の画素電極１０５と第２の画素電極１０７との上に、高さが数μｍから数１０μｍのバンプ（突起電極）として形成される。なお、マイクロバンプ１０６の製造方法にはいくつかの方法があり、めっき法によるもの、フォトリソグラフィ法によるもの等がある。

マイクロバンプ１０６を形成する材料としては、なるべく低抵抗の導電材であることが必要である。低抵抗の金属材料としては、Ｓｎ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎを使用することができる。また、マイクロバンプ１０６の構造として、これらの金属材料の単層構造、異なる金属材料の層を複数積層した構造や合金とした構造などがある。

また、マイクロバンプ１０６として、導電性粒子を接着剤に混ぜてペースト状にしたもの、例えばＡｇ又はＡｇ‐Ｐｄペーストを読み出し電極上に印刷するもの、Ａｕ、Ｉｎ単体あるいはＩｎ合金など展性、密着性のよい金属を読み出し電極上に柱状、あるいは円錐状に形成させるもの、および導電性ペーストと併用するものがある。バンプ下構造については、Ａｌでもよいし、ＳｉＮ膜などでもシード層が形成できれば特に問わない。

図３Ａ〜図３Ｄは第一の実施形態に係る受光デバイスの各製造工程における断面図である。

図３Ａに示すように、まずシリコン基板１１１とシリコン酸化膜１１２およびそれらの上に形成したフォトダイオード１０４からなる光電変換部１０１と走査回路部１０２の、それぞれの画素電極上に形成したマイクロバンプ１０６とダミーバンプ１１６を所望の位置に位置合わせを実施した後、互いのマイクロバンプ１０６を接触させて接続する。

次に、図３Ｂに示すように、シリコン基板１１１およびシリコン酸化膜１１２をウエット方式もしくはドライ方式で除去し、フォトダイオード１０４を上面から露出させる。

次に、図３Ｃに示すように、例えばエポキシ系の封止樹脂１０９を光電変換部１０１の周辺端部と、光電変換部１０１と走査回路部１０２との間に形成された隙間に注入し、一定の温度にて硬化させて樹脂モールドする。

次に、図３Ｄに示すように、蒸着法により透明導電膜１０３をフォトダイオード１０４上および封止樹脂１０９のフィレット上、走査回路部１０２上に形成する。その後、不要な透明導電膜１０３を除去し、走査回路部１０２上の電極パッド１１０と透明導電膜１０３とを接続する。

以上に説明した受光デバイスによれば、半導体基板の上に設けられた光電変換部１０１と電極パッド１１０との間に設けられた封止樹脂１０９が勾配を有するので、光電変換部１０１の上面端部の角で透明導電膜１０３が急に曲がらず、光電変換部１０１の上面端部における応力集中による透明導電膜１０３の断線を抑えることができる。

また、光電変換部１０１の上面および側面において透明導電膜１０３の成膜膜厚を均一にできるので、安定した電圧供給が可能になり、画像ムラの少ない高感度な受光デバイスが実現できる。

（変形例）
図４は第一の実施形態の変形例に係る受光デバイスの断面図である。フィレットを形成する封止樹脂１０９の代わりに、フォトダイオード１０４の上面に対応する位置に開口部があり光電変換部１０１を包む容器１２０の側面上に、透明導電膜１０３が形成される。透明導電膜１０３は走査回路部１０２周囲の電極パッド１１０と接続されている。なお、容器１２０は走査回路部１０２の上に設けられており、容器１２０の側面はフォトダイオード１０４の上面に対し勾配、特に４５°以下の勾配を有している。

以上のように、本変形例に係る受光デバイスにおいて、走査回路部１０２は、容器１２０を有し、容器１２０は、光電変換部１０１の周囲に、フォトダイオード１０４の上面に対して勾配を持つ側面を有し、透明導電膜１０３は容器１２０の側面に形成されている。

この構成によれば、上記第一の実施形態に係る受光デバイスと同様の効果が得られる。さらに、この構成によれば、容器１２０によって、所望の勾配を有する透明導電膜１０３をより確実に形成することができる。

（第二の実施形態）
図５は第二の実施形態に係る受光デバイスの断面図である。

第一の実施形態のダミーバンプ１１６の代わりに保護膜１１７を形成して、封止樹脂１０９を走査回路部１０２上の電極パッド１１０には到達しないようにする。

図６は第二の実施形態に係る受光デバイスの上面図である。封止樹脂１０９は、光電変換部１０１の周囲を囲っている。透明導電膜１０３は、光電変換部１０１および封止樹脂１０９の全面を覆っており、走査回路部１０２上の電極パッド１１０と接続されている。

走査回路部１０２の最表面保護膜をグレースケールマスクを用いて、フォトリソグラフィとエッチング処理を行施して保護膜に凸部を形成する。電極パッド１１０上の保護膜をエッチングするときに保護膜１１７を同時形成するので工程が増えることは無い。

なお、封止樹脂１０９は保護膜１１７からフォトダイオード１０４の上面のエッジまで到達するなだらかなフィレットを形成しており、フィレットの走査回路部１０２の主面に対する傾きは、４５°以下である。

この第二の実施形態に係る構成によれば、第一の実施形態に係る受光デバイスと同様の効果が得られる。

（第三の実施形態）
図７は第三の実施形態に係る受光デバイスの断面図である。

光電変換部１０１に形成された第１の画素電極１０５と走査回路部１０２に形成された第２の画素電極１０７がマイクロバンプ１０６によって接続された積層型のデバイス構造であって、前記マイクロバンプ１０６の周囲はダミーバンプ１１６から封止樹脂１０９により覆われており、さらに封止樹脂１０９が光電変換部１０１の上面部のシリコン窒化膜１１５まで乗り上げている。

乗り上げている領域は、通常の受光デバイス同様に、画素値の「黒」のレベルを規定するオプティカルブラック（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌａｃｋ）領域である。この封止樹脂１０９は、フォトダイオード１０４の遮光効果を持つ。すなわち、この封止樹脂１０９は、遮光膜の役割を果たす。また、封止樹脂１０９が光電変換部１０１（フォトダイオード１０４）の上面の一部であるのコーナーエッジ部を覆い隠すことにより、より応力集中を緩和することができる。

なお、封止樹脂１０９はダミーバンプ１１６からフォトダイオード１０４の上面まで到達するなだらかなフィレットを形成しており、フィレットの走査回路部１０２の主面に対する傾きは、４５°以下である。

図８Ａ〜図８Ｄは第三の実施形態に係る受光デバイスの各製造工程における断面図である。

図８Ａに示すように、まず、光電変換部１０１及び走査回路部１０２の、それぞれの画素電極上に形成したマイクロバンプ１０６とダミーバンプ１１６とを、所望の位置に位置合わせした後、互いのマイクロバンプ１０６を接触させて接続する。ここで、フォトダイオード１０４及び第１の画素電極１０５から構成される光電変換部１０１は、シリコン窒化膜１１５が埋め込まれたシリコン酸化膜１１２ａ上に形成される。シリコン酸化膜１１２ａは、シリコン酸化膜１１２上に形成される。シリコン酸化膜１１２は、シリコン基板１１１上に形成される。

次に、図８Ｂに示すように、シリコン基板１１１、シリコン酸化膜１１２およびシリコン酸化膜１１２ａをウエット方式もしくはドライ方式のエッチングで除去し、フォトダイオード１０４を上面から露出させる。シリコン窒化膜１１５はエッチングレート差から１０４上面に残っている。

次に、図８Ｃに示すように、例えばエポキシ系の封止樹脂１０９を、光電変換部１０１の周辺端部と、光電変換部１０１及び走査回路部１０２の間に形成された隙間とに注入し、光電変換部１０１の上面部のシリコン窒化膜１１５まで覆い、一定の温度にて硬化させて樹脂モールドする。

次に、図８Ｄに示すように、蒸着法により透明導電膜１０３をフォトダイオード１０４上および封止樹脂１０９のフィレット上、走査回路部１０２上に形成した後、不要な透明導電膜１０３を除去し、走査回路部１０２上の電極パッド１１０と接続する。

この第三の実施形態に係る構成によれば、第一の実施形態に係る受光デバイスと同様の効果が得られる。

なお、上記第１〜第３の実施形態およびその変形例において、受光デバイスは、フォトダイオード１０４内で電荷増倍作用が生じる強さの電圧をフォトダイオード１０４に印加する手段をさらに備えてもよい。すなわち、フォトダイオード１０４はアバランシェダイオードであってもよい。

本発明は、例えば、小型、高機能、高感度、低コストが要求される受光デバイスに好適に利用可能である。

１０１ 光電変換部
１０２ 走査回路部
１０３ 透明導電膜
１０４ フォトダイオード
１０５ 第１の画素電極
１０６ マイクロバンプ
１０７ 第２の画素電極
１０８ 走査回路
１０９ 封止樹脂
１１０ 電極パッド
１１１ シリコン基板
１１２ シリコン酸化膜
１１３ 透光性基板
１１４ ハウジング

Claims (8)

1. フォトダイオード及び当該フォトダイオードの下面に設けられた画素電極を有する光電変換部と、
   前記画素電極と接続された走査回路部と、
   前記走査回路部の周辺部に設置された電極パッドと、
   前記フォトダイオードの上面から前記電極パッドに亘って形成され、かつ、前記フォトダイオードと前記電極パッドとの間において前記フォトダイオードの上面に対して勾配を持つ透明導電膜を備え、
   前記光電変換部と前記走査回路部との隙間及び前記光電変換部の周囲の前記透明導電膜の下部に充填された封止樹脂を備えている、
   受光デバイス。
2. 前記勾配の角度が４５°以下である、
   請求項１に記載の受光デバイス。
3. 前記走査回路部は、容器を有し、
   前記容器は、前記光電変換部の周囲に、前記フォトダイオードの上面に対して勾配を持つ側面を有し、
   前記透明導電膜は、前記容器の側面に形成されている、
   請求項１または２に記載の受光デバイス。
4. 前記画素電極と前記走査回路部とはマイクロバンプによって接続されている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の受光デバイス。
5. 前記封止樹脂が前記フォトダイオードの上面エッジまで到達している、
   請求項４に記載の受光デバイス。
6. 前記封止樹脂が前記フォトダイオードの上面の一部を覆っている、
   請求項４に記載の受光デバイス。
7. 前記フォトダイオードの上面部の一部を覆っている封止樹脂が前記フォトダイオードの遮光効果を持つ、
   請求項６に記載の受光デバイス。
8. 前記フォトダイオード内で電荷増倍作用が生じる強さの電圧を前記フォトダイオードに印加する手段をさらに備える、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の受光デバイス。

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