CN108573987B - 光检测器及放射线检测器 - Google Patents

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Abstract

本实施方式的光检测器具备：基板，具有第1面及第2面；及多个像素，设置于基板，各像素具备：设置于基板的第1面的多个光检测单元，各光检测单元具有第1端子和与基板连接的第2端子，并且在从基板的第2面侧观看时，周围被设置于第2面的具有连续的闭曲线形状的第1开口部包围；第1布线，设置于基板的第1面，与多个光检测单元各自的第1端子连接；第1绝缘膜，覆盖基板的第2面、第2开口部的侧面、第1开口部的侧面及底面；多个第1电极，设置于多个第3开口部的每个第3开口部，与基板的第2面连接；第2电极，设置于基板的第2面侧，将多个第1电极连接；及遮光部件，被填充于第1开口部。

Description

光检测器及放射线检测器
关联申请的交叉引用
本申请基于并主张2017年3月9日在日本提交的专利申请2017－045108号的优先权，本申请通过参照而援引该在先申请的全部的内容。
技术领域
本发明的实施方式涉及光检测器及放射线检测器。
背景技术
为了实现高灵敏度的光检测器，正在研究将具有以盖革(Geiger)模式动作的雪崩光电二极管(以下，也称为APD)的光检测单元配置成阵列状的光检测器。该光检测器计数射入到光检测器的光子数。以Geiger模式动作的APD，是每当对光电二极管射入1个光子就放出1个电流脉冲的光电二极管。通过将具有该APD的光检测单元配置成阵列状，可获得与接受了光子的光检测单元的数量成正比的峰值的电流脉冲。通过测定该脉冲的峰值，来测定射入到光检测器的光子数。
这里，在将具有以Geiger模式动作的APD的光检测单元配置成阵列状的情况下，从光子所射入的光检测单元，放射从可见光到远红外光的范围的波段的光，该放射光会射入到相邻的光检测单元(光学的交调失真)这一问题为人们所知。
为了解决该问题，已知有如下技术，即，在相邻的2个具有APD的光检测单元之间，从形成有这些光检测单元的基板的相反一侧即光检测单元侧掘出沟槽，并在该沟槽中埋入黑色抗蚀剂、钨等金属的技术。由此，将相邻的光检测单元间遮光，抑制光学的交调失真。然而，光学的交调失真的抑制并不充分。
在该光学的交调失真的抑制技术中，还存在以下所述的课题。在遮光材料使用了黑色抗蚀剂的情况下，具有APD的光检测单元的制造工艺一般暴露于400℃以上的高温工艺。因此，由于耐热性不足，存在实质上无法使用黑色光致抗蚀剂的问题。
另外，在埋入钨等金属的情况下，一般使用溅射法、CVD(Chemical VaporDeposition：化学气相沉淀)法等。然而，这些方法使用于薄膜形成中，存在对沟槽的填充性差、产生空隙、可靠性降低等问题。
发明内容
本实施方式提供能够进一步抑制光学的交调失真的光检测器及放射线检测器。
本实施方式的光检测器具备：基板，具有第1面及与上述第1面对置的第2面；及多个像素，设置于上述基板，各像素具备：多个光检测单元，该多个光检测单元设置于上述基板的上述第1面，各光检测单元具有第1端子和与上述基板连接的第2端子，并且在从上述基板的上述第2面侧观看时，周围被设置于上述第2面的具有连续的闭曲线形状的第1开口部包围；第1布线，设置于上述基板的上述第1面，与上述多个光检测单元各自的上述第1端子连接；第1绝缘膜，覆盖上述基板的上述第2面、设置于上述基板的上述第2面并贯通上述基板且供上述第1布线的一部分露出的第2开口部的侧面、上述第1开口部的侧面及底面；多个第1电极，设置于多个第3开口部的每个第3开口部，与上述基板的上述第2面连接，该多个第3开口部的每个第3开口部设置于上述第1绝缘膜，并供与上述基板的上述第2面中的上述光检测单元分别对应的区域的一部分露出；第2电极，设置于上述基板的上述第2面侧，将上述多个第1电极连接；以及遮光部件，被填充于上述第1开口部。
根据这样构成的光检测器，能够进一步抑制光学的交调失真。
附图说明
图1是表示第1实施方式的光检测器的剖视图。
图2是表示第1实施方式的光检测器的俯视图。
图3是表示第1实施方式的光检测器中的1个像素的俯视图。
图4是表示第1实施方式的光检测器中的遮光槽的俯视图。
图5是表示第1实施方式的光检测器的制造方法的剖视图。
图6是表示第1实施方式的光检测器的制造方法的剖视图。
图7是表示第1实施方式的光检测器的制造方法的剖视图。
图8是表示第1实施方式的光检测器的制造方法的剖视图。
图9是表示第1实施方式的光检测器的制造方法的剖视图。
图10是表示第1实施方式的光检测器的制造方法的剖视图。
图11是表示第1实施方式的光检测器的制造方法的剖视图。
图12是表示第1实施方式的光检测器的制造方法的剖视图。
图13是表示第1实施方式的光检测器的制造方法的剖视图。
图14是表示第2实施方式的光检测器的剖视图。
图15是表示第2实施方式的光检测器的制造方法的剖视图。
图16是表示第2实施方式的光检测器的制造方法的剖视图。
图17是表示第3实施方式的放射线检测器的剖视图。
附图标记说明
1···光检测器，10···像素，12···硅基板，14···外延层，16···绝缘膜(元件分离用)，18···淬灭电阻(quench resistance)，19a、19b···层间绝缘膜，20···光检测单元，28···绝缘膜(硅氧化膜)，30···遮光部，30a···遮光槽，30b···遮光部件，32a、32b···阻挡金属层，34a、34b···电极层，34c···金属层，40、40a、40b···布线(铝)，50···TSV电极，60···背面电极，70···阻焊膜，72···粘接层，80···透明的支承体，86···粘接层，90···闪烁器，100···放射线检测器
具体实施方式
本实施方式的光检测器具备：基板，具有第1面及与上述第1面对置的第2面；及多个像素，设置于上述基板，各像素具备：多个光检测单元，该多个光检测单元设置于上述基板的上述第1面，各光检测单元具有第1端子和与上述基板连接的第2端子，并且在从上述基板的上述第2面侧观看时，周围被设置于上述第2面的具有连续的闭曲线形状的第1开口部包围；第1布线，设置于上述基板的上述第1面，与述多个光检测单元各自的上述第1端子连接；第1绝缘膜，覆盖上述基板的上述第2面、设置于上述基板的上述第2面并贯通上述基板且上述第1布线的一部分露出的第2开口部的侧面、上述第1开口部的侧面及底面；多个第1电极，设置于多个第3开口部的每个第3开口部，与上述基板的上述第2面连接，该多个第3开口部的每个第3开口部设置于上述第1绝缘膜，并供与上述基板的上述第2面中的上述光检测单元分别对应的区域的一部分露出；第2电极，设置于上述基板的上述第2面侧，将上述多个第1电极连接；以及遮光部件，被填充于上述第1开口部。
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。其中，应当注意的是，附图是示意性的，厚度与平面尺寸的关系、各层的厚度的比率等与现实中的不同。因此，具体的厚度、尺寸，应当参照以下的说明来判断。另外，在附图相互间当然也包含有彼此的尺寸的关系、比率不同的部分。
(第1实施方式)
关于第1实施方式的光检测器，参照图1至图4来说明。图1是第1实施方式的光检测器1的剖视图。图2是第1实施方式的光检测器1的俯视图，图3是表示第1实施方式的光检测器1中的1个像素的俯视图。图4是表示第1实施方式的光检测器1中的遮光槽(开口部)的俯视图。
该第1实施方式的光检测器1如图2所示，具备排列成阵列状的多个像素10。在图2中，示出了排列成5×5的阵列状的像素阵列。如图3所示，各像素例如具有：形成于n型的硅基板12上并排列成阵列状的多个光检测单元20、由例如Al(铝)构成的布线40、TSV(ThroughSilicon Via)电极50及背面电极60。由Al构成的布线40具有设置于光检测单元的附近的布线40a及与布线40a连接并设置于像素阵列的周围的布线40b。此外，如后所述，TSV电极50及背面电极60设置于硅基板12的设置有光检测单元20一面的相反一侧的面。
各光检测单元20具有APD(雪崩光电二极管)。各光检测单元20的第1端子经由例如布线40a与后述的淬灭电阻的一端连接。淬灭电阻的另一端与布线40b连接，布线40b与在各像素10的一端部、在图3中为左上的端部所设置的TSV电极50连接。
各光检测单元20的第2端子经由硅基板12及后述的背面触头与背面电极60连接。另外，背面电极60设置于与设置有TSV电极50的端部不同的端部、图3中左下的端部。因此，多个光检测单元20分别经由对应的淬灭电阻18并联地连接。
接下来，参照图1对第1实施方式的光检测器1的截面构造进行说明。在n型的硅基板12上配置有p－型外延层14，在该外延层14设置具有APD的光检测单元(也称为光检测部)20。光检测单元20例如具有p+型半导体层，通过该p+型半导体层、p－型外延层14及n型的硅基板12构成APD。
光检测单元20通过配置在外延层14上的由例如氧化硅构成的绝缘膜16被元件分离。因此，光检测单元20的上面上未被绝缘膜16覆盖，而成为供光射入的开口。该绝缘膜16通过例如LOCOS(Local oxidation Of Silicon)法形成。
在绝缘膜16上，与各光检测单元20对应地、设置有由例如多晶硅构成的淬灭电阻18。这些淬灭电阻18、光检测单元20及绝缘膜16，被由例如氧化硅构成的层间绝缘膜19a覆盖。该层间绝缘膜19a上设置有与光检测单元20连接的由例如Al构成的第1触头、与淬灭电阻18连接的由例如Al构成的第2触头。这些第1触头及第2触头通过设置在层间绝缘膜19a上的Al布线40a连接。另外，在层间绝缘膜19a上，配置与TSV电极50连接的Al布线40b。此外，淬灭电阻18经由Al布线40a与对应的光检测单元20串联地连接。
以覆盖层间绝缘膜19a及Al布线18的方式设置有由例如氧化硅构成的层间绝缘膜19b。在该层间绝缘膜19b上隔着粘接层72设置有由例如玻璃构成的透明支承体80。光通过该透明支承体80射入到光检测单元20。粘接层72具有光透射的透明度。另外，粘接层72的厚度大致为数10μm～100μm左右。
在硅基板12的设置有光检测单元20的面(表面)的相反一侧的面(背面)，设置TSV电极50、背面电极60及遮光部30。TSV电极50设置于在硅基板12的背面侧所形成的第1开口部。该第1开口部的底面到达Al布线40b。以覆盖上述第1开口部的侧面及硅基板12的背面的方式配置由例如氧化硅构成的绝缘膜28。TSV电极50具备：以覆盖上述第1开口部的底面并且覆盖配置在第1开口部的侧面上的绝缘膜28的方式设置的由例如Ti构成的阻挡金属层32a、及以覆盖该阻挡金属层32a的方式设置的由例如Cu构成的电极层34a。因此，TSV电极50的阻挡金属层32a通过由例如氧化硅构成的绝缘膜28而与硅基板12、外延层14电气绝缘。
背面电极60设置在硅基板12的背面侧。针对每个光检测单元20，在绝缘膜28上设置到达硅基板12的背面的开口，并以覆盖该开口的底面及侧面的方式形成由例如Ti(钛)构成的阻挡金属层32b、和以覆盖该阻挡金属层32b的方式设置的由例如Cu(铜)构成的电极层34b(也称为背面触头34b)。同时，将光检测单元20间的电极层34b连接，并与背面电极60电连接。
遮光部30具备贯通硅基板12及外延层14且底面到达绝缘膜16的遮光槽30a、及埋入该遮光槽30a的遮光部件30b。在该第1实施方式中，作为遮光部件30b使用黑色抗蚀剂。另外，在第1实施方式中，在遮光槽30a的底面及侧面与遮光部件30b之间设置有绝缘膜28。此外，如果遮光部件30b用绝缘性的材料构成，则在遮光槽30a的底面及侧面与遮光部件30b之间也可以不设置绝缘膜28。另外，遮光部件30b形成为埋入遮光槽30a，但也可以沿着遮光槽30a的底面及侧面形成为膜。
遮光槽30a如图4所示，在从硅基板12的背面侧观看时，设置为包围各光检测单元20，在遮光槽30a上未设置间隙。即，遮光槽30a构成为，在从硅基板12的背面侧观看时具有包围各光检测单元20的连续的闭曲线形状。通过这样构成，各光检测单元20在硅基板12上被遮光槽30a完全地截断，因此能够大幅地降低光检测单元间的光学的交调失真。
另一方面，为了获得各光检测单元20的硅基板12的电气上的导通，如上所述，在各光检测单元20形成电极层34b，并将这些光检测单元间的电极层34b连接。
再次回到图1，TSV电极50、背面电极60及遮光部30被例如阻焊膜70所覆盖。并且，在阻焊膜70上设置有与TSV电极50及背面电极60分别连通的开口。TSV电极50及背面电极60通过各自的开口，与未图示的安装基板的焊盘连接。
(制造方法)
接下来，关于第1实施方式的光检测器1的制造方法，参照图5至图13来说明。首先，如图5所示，使用周知的技术，在硅基板12上形成多个光检测单元20(光检测部)。硅基板12是例如厚度为725μm的n型硅基板上形成有厚度2μm的p型外延层14的Si的外延基板。在外延层14中形成多个光检测单元20。在各光检测单元20，具有与外延层14相比p型杂质的浓度更高的p+层，该p+层通过对外延层14注入p型的杂质而形成。由此，该p+层、外延层14及n型硅基板12构成雪崩光电二极管(APD)。
然后，在光检测单元20上形成未图示的由例如氮化膜构成的掩模，在露出的外延层14上使用Locos法形成绝缘膜16。由此，相邻的光检测单元通过绝缘膜16来元件分离。
在该绝缘膜16上，形成由例如多晶硅构成的淬灭电阻18。然后，将光检测单元20上的上述掩模去除。
接着，以覆盖光检测单元20、淬灭电阻18及绝缘膜16的方式形成由例如氧化硅构成的层间绝缘膜19a。在该层间绝缘膜19a上形成分别与光检测单元20及淬灭电阻18连通的接触孔。然后，以埋入这些接触孔的方式在层间绝缘膜19a上形成由例如Al构成的金属布线层。此时，在接触孔内埋入Al而形成触头。通过对该金属布线层进行图案形成，形成Al布线40a、40b。以覆盖这些Al布线40a、40b的方式在层间绝缘膜19a上形成由例如氧化硅构成的层间绝缘膜19b(图5)。
接下来，如图6所示，在层间绝缘膜19b上涂布粘接层72，在该粘接层72上载置由例如玻璃构成的透明的支承体80，经由粘接层72将层间绝缘膜19b与透明支承体80接合。透明支承体80的厚度设为例如350μm
然后，如图7所示，将透明支承体80作为支承部件研磨硅基板12，减薄到10μm～40μm左右的厚度。
接下来，如图8所示，在要形成TSV电极及遮光部的位置使用RIE(Reactive IonEtching)法形成开口74a、74b。TSV电极用的开口74a的底面到达层间绝缘膜19a，遮光部用的开口74b的底面到达绝缘膜16。开口74b成为遮光槽30a。该开口74b(遮光槽30a)形成为，在从硅基板12的背面侧观看时成为包围对应的光检测单元20的连续的闭曲线形状。
接着，如图9所示，使用CVD(Chemical Vapor Deposition)法，在开口74a、74b的底面及侧面和露出的硅基板12的背面形成硅氧化膜28。
接下来，如图10所示，在TSV电极用的开口74a的底部形成用于与Al布线40b导通的开口75，并且在各光检测单元20上要形成背面触头的位置，形成底面到达硅基板12的背面的开口76。
接下来，如图11所示，在遮光槽30a中作为遮光材料而选择性地填充黑色抗蚀剂，形成遮光部30。
接下来，如图12所示，在TSV电极的开口74a、各光检测单元20的开口76的底面及侧面，形成具有由Ti构成的阻挡金属层32a、32b与由Cu构成的电极层34a、34b的层叠构造的电极层。与此同时，连接光检测单元20间的电极层，实现电气上的导通。由Ti构成的阻挡金属层32a、32b的形成使用溅射法，由Cu构成的电极层34a、34b的形成使用能够形成厚膜的电镀法。此外，在电极用电镀法形成的情况下，能够代替Cu，而使用从由Au(金)、Ag(银)、Ni(镍)、锌(Zn)、Cr(铬)及Sn(锡)构成的组中选择的至少一种金属。
然后，如图13所示，以覆盖TSV电极50、背面电极60及遮光部30的方式，在硅基板12的背面涂布阻焊膜70。接下来，在分别形成了与TSV电极50、背面电极60连通的开口后，在200℃以下进行热固化处理。由此，第1实施方式的光检测器1完成。
如以上说明那样，根据第1实施方式，将遮光槽30a设置在硅基板12的背面侧，由此能够在形成了APD后对遮光槽30a填充黑色抗蚀剂，也可以不经过用于形成APD的高温工艺(例如，400℃以上)。因此，能够使用耐热性不高的黑色抗蚀剂作为遮光部件30b。另外，通过设为将各光检测单元20的周围用遮光槽30a包围的连续的闭曲线形状，能够大幅减轻光交调失真。
(第2实施方式)
将第2实施方式的光检测器的剖视图示于图14。该第2实施方式的光检测器1，具有在图1所示的第1实施方式的光检测器中使用金属例如Cu代替黑色抗蚀剂30b作为遮光材料的构成。
接下来，关于第2实施方式的光检测器1的制造方法，参照图15及图16来说明。
在图10所示的工序之前，与第1实施方式的制造方法同样地进行。即，在形成TSV电极用的开口74a及各光检测单元20的背面触头用的开口74b之前，与第1实施方式同样地进行。
接着，在图10所示的TSV电极用的开口74a、各光检测单元20的背面触头用的开口74b及遮光槽的各个底面及侧面，依次形成由例如Ti构成的阻挡金属层32a、32b、由例如Cu构成的金属层34a、34b的层叠构造的电极层，并进行图案形成，由此形成具备阻挡金属层32a及金属层34a的TSV电极50、具备阻挡金属层32b及金属层34b的光检测单元20的背面电极60、具备阻挡金属层32b及金属层34c的具有遮光材料遮光部30。此时，同时将光检测单元间的电极层34b与遮光部30的金属层34c连接，实现电气上导通(图15)。由Ti构成的阻挡金属层使用溅射法形成，由Cu构成的金属层，使用电镀法形成。此外，作为该金属层，能够代替Cu，而使用从由Au(金)、Ag(银)、Ni(镍)、锌(Zn)、Cr(铬)及Sn(锡)构成的组中选择出的至少一种金属。这样，通过在遮光材料的形成中使用电镀法，由此能够抑制在遮光部30中发生空隙的产生并能够填充。
接下来，如图16所示，以覆盖TSV电极50、背面电极60及遮光部30的方式，在硅基板12的背面涂布阻焊膜70。接下来，在分别形成与TSV电极50、背面电极60连通的开口后，在200℃以下进行热固化处理。由此，第2实施方式的光检测器1完成。
如以上说明那样，根据第2实施方式，使用电镀法形成金属层作为遮光部件，所以在遮光槽不会产生空隙，并能够填充。由此，即使遮光部件使用金属，也能够提高光检测器的可靠性。
另外，能够在TSV电极的阻挡金属层及电极层、背面电极的阻挡金属层及电极层的制造的同时，形成遮光部的阻挡金属层及金属层，与第1实施方式相比，能够简化制造工艺。
(第3实施方式)
已知有组合了闪烁器和光检测器的放射线检测器。在放射线射入闪烁器时，产生可见光。通过光电二极管、光电子倍增管等的光检测器检测该可见光。此时，具有从闪烁器放出的可见光的光子数与射入到闪烁器的放射线能量成正比的特性。因此，如果使用将具有以Geiger模式动作的APD的光检测单元配置成阵列状的光检测器，则能够计数从闪烁器放出的可见光的光子数，因此能够测定放射线的能量。将该放射线检测器作为第3实施方式在以下说明。
将第3实施方式的放射线检测器的截面示于图17。该第3实施方式的放射线检测器100，具备第1至第2实施方式的任一个光检测器1及受到放射线并放射可见光的闪烁器90。在图17中，作为光检测器1，使用第1实施方式的光检测器。光检测器1和闪烁器90通过粘接层86而接合。作为闪烁器90，能够使用LGSO、LYSO等的材料。粘接层86具有使闪烁器90产生的可见光透射的透明度。另外，粘接层86的厚度大致为数10μm～100μm左右。
根据该第3实施方式，在光检测器1中，将遮光槽30a设置在硅基板12的背面侧，由此在形成了APD后，能够在遮光槽30a中填充黑色抗蚀剂，也可以不经过用于形成APD的高温工艺(例如，400℃以上)。另外，通过采用将各光检测单元20的周围用遮光槽30a包围的连续的闭曲线形状，由此能够大幅减轻光交调失真。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子提示的，无意限定发明的范围。这些实施方式能够以其他各种各样的方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形，包含于发明的范围及主旨，同样地也包含于权利要求书记载的发明及其等同的范围。

Claims (9)

1.一种光检测器，具备：
基板，具有第1面及与上述第1面对置的第2面；及
多个像素，设置于上述基板，
各像素具备：
多个光检测单元，该多个光检测单元设置于上述基板的上述第1面，各光检测单元具有第1端子和与上述基板连接的第2端子，并且在从上述基板的上述第2面侧观看时，周围被设置于上述第2面的具有连续的闭曲线形状的第1开口部包围；
第1布线，设置于上述基板的上述第1面，与上述多个光检测单元各自的上述第1端子连接；
第1绝缘膜，覆盖上述基板的上述第2面、设置于上述基板的上述第2面并贯通上述基板且供上述第1布线的一部分露出的第2开口部的侧面、上述第1开口部的侧面及底面；
多个第1电极，设置于多个第3开口部的每个第3开口部，与上述基板的上述第2面连接，该多个第3开口部的每个第3开口部设置于上述第1绝缘膜，并供与上述基板的上述第2面中的上述光检测单元分别对应的区域的一部分露出；
第2电极，设置于上述基板的上述第2面侧，将上述多个第1电极连接；以及
遮光部件，被填充于上述第1开口部。
2.根据权利要求1所述的光检测器，还具备第3电极，该第3电极设置于上述第2开口部，与上述第1布线连接。
3.根据权利要求1或2所述的光检测器，上述遮光部件是黑色抗蚀剂。
4.根据权利要求1或2所述的光检测器，上述遮光部件是金属。
5.根据权利要求1所述的光检测器，上述基板具备n型基板及设置在上述n型基板上的p型外延层，上述光检测单元设置于上述p型外延层。
6.根据权利要求1所述的光检测器，上述像素排列为阵列状。
7.根据权利要求1所述的光检测器，上述光检测单元分别包括雪崩光电二极管。
8.根据权利要求1所述的光检测器，还具备：
第2绝缘膜，设置于上述基板的上述第1面，覆盖上述多个光检测单元及上述第1布线；以及
透明的支承体，设置在上述第2绝缘膜上与上述基板相反一侧，隔着粘接件与上述第2绝缘膜接合。
9.一种放射线检测器，具备：
闪烁器，将放射线变换为可见光；以及
接收通过上述闪烁器变换后的可见光的权利要求1所述的光检测器。
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