特許 6544440 半導体検出器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6544440

(24)【登録日】2019年6月28日

(45)【発行日】2019年7月17日

(54)【発明の名称】半導体検出器

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20190705BHJP

   H01L 27/144 20060101ALI20190705BHJP

   H01L 29/47 20060101ALI20190705BHJP

   H01L 29/872 20060101ALI20190705BHJP

   H01L 31/10 20060101ALI20190705BHJP

   H01L 21/60 20060101ALI20190705BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/146 F

   H01L27/146 A

   H01L27/144 K

   H01L29/48 M

   H01L31/10 H

   H01L21/92 603D

【請求項の数】10

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2017-551472(P2017-551472)

(86)(22)【出願日】2015年11月19日

(86)【国際出願番号】JP2015082605

(87)【国際公開番号】WO2017085842

(87)【国際公開日】20170526

【審査請求日】2018年4月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100093056

【弁理士】

【氏名又は名称】杉谷 勉

(74)【代理人】

【識別番号】100142930

【弁理士】

【氏名又は名称】戸高 弘幸

(74)【代理人】

【識別番号】100175020

【弁理士】

【氏名又は名称】杉谷 知彦

(74)【代理人】

【識別番号】100180596

【弁理士】

【氏名又は名称】栗原 要

(74)【代理人】

【識別番号】100195349

【弁理士】

【氏名又は名称】青野 信喜

(72)【発明者】

【氏名】徳田 敏

(72)【発明者】

【氏名】吉牟田 利典

(72)【発明者】

【氏名】岸原 弘之

(72)【発明者】

【氏名】和田 幸久

【審査官】 安田 雅彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１６５１８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２３０９８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２３４９４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１３３７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０８３００８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１２０５４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０２０５８８７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２７／１４−１４８

Ｇ０１Ｔ １／２０−２４

Ｇ０１Ｔ ７／００

Ｈ０１Ｌ ３１／０２−０２４

Ｈ０１Ｌ ３１／０２４８−０３９２

Ｈ０１Ｌ ３１／０８−１１９

Ｈ０１Ｌ ３１／１８−２０

Ｈ０１Ｌ ２１／６０−６０７

Ｈ０１Ｌ ２９／４７

Ｈ０１Ｌ ２９／８７２

Ｈ０１Ｌ ２１／３２９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光または放射線を検出する光電変換半導体層を有し、複数の画素電極が形成された一方の半導体チップまたは基板と、
各々の前記画素電極に対向した位置に対向画素電極が形成され、前記光電変換半導体層で検出されて得られた信号を読み出す他方の半導体チップまたは基板と、
前記画素電極および前記対向画素電極のいずれかに形成されたバンプ電極とを備え、
前記対向画素電極と前記画素電極上のバンプ電極とが互いに機械的・電気的に接続された構造、あるいは前記画素電極と前記対向画素電極上のバンプ電極とが互いに機械的・電気的に接続された構造を有し、
前記光電変換半導体層に接触する電極の材料が光電変換半導体層に対してショットキー機能を有すると共に、前記光電変換半導体層にＡｌ（アルミニウム）が接して形成された場合にＡｌがショットキー機能を有するように、前記光電変換半導体層が構成され、
当該ショットキー機能を有した電極に形成された最表面の電極の材料と当該ショットキー機能を有した電極の材料とにおける相互拡散係数が、前記最表面の電極の材料とＡｌとにおける相互拡散係数よりも小さくなるように、ショットキー機能を有した電極が形成され、
ショットキー機能を有した電極および最表面の電極の積層構造により前記画素電極が形成される、半導体検出器。

【請求項2】

光または放射線を検出する光電変換半導体層を有し、複数の画素電極が形成された一方の半導体チップまたは基板と、
各々の前記画素電極に対向した位置に対向画素電極が形成され、前記光電変換半導体層で検出されて得られた信号を読み出す他方の半導体チップまたは基板と、
前記画素電極および前記対向画素電極のいずれかに形成されたバンプ電極とを備え、
前記対向画素電極と前記画素電極上のバンプ電極とが互いに機械的・電気的に接続された構造、あるいは前記画素電極と前記対向画素電極上のバンプ電極とが互いに機械的・電気的に接続された構造を有し、
前記光電変換半導体層に接触する電極の材料が光電変換半導体層に対してショットキー機能を有し、
当該ショットキー機能を有した電極、中間の金属層からなる電極、および最表面の電極の順に積層形成されて前記画素電極が形成され、
当該最表面の電極の材料と前記中間の金属層からなる電極の材料とにおける相互拡散係数が、前記最表面の電極の材料と前記ショットキー機能を有した電極の材料とにおける相互拡散係数よりも小さい、
半導体検出器。

【請求項3】

請求項１または２に記載の半導体検出器において、
前記最表面の電極および前記バンプ電極が同一の材料で形成される、半導体検出器。

【請求項4】

請求項１に記載の半導体検出器において、
前記ショットキー機能を有した電極が、Ｔｉ（チタン），Ｃｒ（クロム）のいずれかを含む、半導体検出器。

【請求項5】

請求項２に記載の半導体検出器において、
前記中間の金属層からなる電極が、Ｔｉ（チタン），Ｎｉ（ニッケル），Ｃｒ（クロム）のいずれかを含む、半導体検出器。

【請求項6】

請求項２または請求項５に記載の半導体検出器において、
前記ショットキー機能を有した電極が、Ａｌ（アルミニウム）である、半導体検出器。

【請求項7】

請求項１または請求項２に記載の半導体検出器において、
前記最表面の電極が、Ａｕ（金），Ｃｕ（銅）のいずれかである、半導体検出器。

【請求項8】

請求項７に記載の半導体検出器において、
前記バンプ電極が、前記最表面の電極と同一の材料であるＡｕ（金），Ｃｕ（銅）のいずれかである、半導体検出器。

【請求項9】

請求項１または請求項２に記載の半導体検出器において、前記光電変換半導体層がＣｄＴｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＧａＡｓのいずれかである、半導体検出器。

【請求項10】

請求項１または請求項２に記載の半導体検出器において、光または放射線を検出する光電変換半導体層を有した一方の半導体チップまたは基板の導電性がＰ型または真性である、半導体検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、医療分野、工業分野、さらには原子力分野等に用いられる半導体検出器に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体チップの電極と信号読出し基板上の電極とを向かい合わせにして、導電性バンプ（バンプ電極）を介して両者を電気的に接続する、いわゆる「フリップチップボンディング」は図６のような構造である。図６の符号１０１は信号読出し基板であり、符号１０２は半導体チップであり、符号１０３は画素電極であり、符号１０４は導電性バンプであり、符号１０５は絶縁層である。

【0003】

信号読出し基板１０１は、例えば画素電極１０３を２次元マトリックス状に配置したＣＭＯＳ集積回路等の信号読出し基板である。なお、半導体チップの替わりに対向基板などに代表される基板を用いてもよい。画素電極１０３は信号読出し基板１０１に形成されている。導電性バンプ１０４は、画素電極１０３に対向した位置に対向画素電極として半導体チップ１０２に形成されている。

【0004】

図６に示すフリップチップボンディングは光検出器や放射線検出器に用いられ、光や放射線を検出し、検出されて得られた信号を取り出す。なお、フリップチップボンディングは、はんだバンプや金バンプなどを用いた金属接合方式の他に、有機材料を用いた接合である導電性樹脂接合や、異方性導電部材接合などの接着接合方式もある。フリップチップボンディング以外に、接合の対象として基板を両方用いる場合にも適用することができる。

【0005】

なお、光や放射線を検出する半導体チップや基板は光電変換半導体層を有している。光や放射線の入射側にバイアス電圧を印加する共通電極を有し、当該共通電極と上述した画素電極とで光電変換半導体層を挟持して構成されている（例えば、特許文献１参照）。

【0006】

対向画素電極にバンプ電極が形成される場合には、金バンプなどを用いた金属接合では、バンプ電極と画素電極との接合面に、圧力，熱または超音波等のエネルギーを加えることにより、バンプ材料および電極材料間の金属の相互拡散により接合する圧着方式を用いることにより、強度および信頼性の高い接合が得られる。バンプ材料および電極材料として、物理的・化学的に安定で、かつ適度な拡散係数を有した上述したようなＡｕ（金）が用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００１−１７７１４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、圧着方式で接合を行う際には、以下のような問題点がある。すなわち、半導体を上述した光電変換半導体層（検出層）とする光または放射線検出器では、リーク電流を抑制する必要があり、高抵抗半導体が使用される。リーク電流をさらに抑制する場合には、ショットキー機能を有した電極（ショットキー電極）の障壁が利用される。Ｐ型半導体の場合、ショットキー電極として、上述した特許文献１：特開２００１−１７７１４１号公報のようなＩｎ（インジウム），Ａｌ（アルミニウム）等の仕事関数が小さな金属が用いられるが、これらの金属は熱拡散を生じやすい。

【0009】

そのため、半導体上の画素電極に上述した仕事関数が小さな金属を用いる場合、熱圧着時にバンプ材料のＡｕとショットキー電極との間で相互拡散を生じ、接合不良を起こすことがわかった。具体的には、ＩｎやＡｌがＡｕバンプ中に拡散した結果、バンプ電極が合金化してしまい、バンプ電極と対向画素電極との間で接合不良を起こす。また、Ｉｎを画素電極材料として用いると、Ｉｎの半導体中での拡散係数が非常に大きいので、微細ピッチの検出器では、画素間リークが増大し空間分解能が劣化する。

【0010】

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、低リーク電流で、さらに機械的強度・信頼性の高い接合が得られる半導体検出器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、この発明に係る半導体検出器（前者）は、光または放射線を検出する光電変換半導体層を有し、複数の画素電極が形成された一方の半導体チップまたは基板と、各々の前記画素電極に対向した位置に対向画素電極が形成され、前記光電変換半導体層で検出されて得られた信号を読み出す他方の半導体チップまたは基板と、前記画素電極および前記対向画素電極のいずれかに形成されたバンプ電極とを備え、前記対向画素電極と前記画素電極上のバンプ電極とが互いに機械的・電気的に接続された構造、あるいは前記画素電極と前記対向画素電極上のバンプ電極とが互いに機械的・電気的に接続された構造を有し、前記光電変換半導体層に接触する電極の材料が光電変換半導体層に対してショットキー機能を有すると共に、前記光電変換半導体層にＡｌ（アルミニウム）が接して形成された場合にＡｌがショットキー機能を有するように、前記光電変換半導体層が構成され、当該ショットキー機能を有した電極に形成された最表面の電極の材料と当該ショットキー機能を有した電極の材料とにおける相互拡散係数が、前記最表面の電極の材料とＡｌとにおける相互拡散係数よりも小さくなるように、ショットキー機能を有した電極が形成され、ショットキー機能を有した電極および最表面の電極の積層構造により前記画素電極が形成されるものである。

【0012】

また、前者とは別の発明に係る半導体検出器（後者）は、光または放射線を検出する光電変換半導体層を有し、複数の画素電極が形成された一方の半導体チップまたは基板と、各々の前記画素電極に対向した位置に対向画素電極が形成され、前記光電変換半導体層で検出されて得られた信号を読み出す他方の半導体チップまたは基板と、前記画素電極および前記対向画素電極のいずれかに形成されたバンプ電極とを備え、前記対向画素電極と前記画素電極上のバンプ電極とが互いに機械的・電気的に接続された構造、あるいは前記画素電極と前記対向画素電極上のバンプ電極とが互いに機械的・電気的に接続された構造を有し、前記光電変換半導体層に接触する電極の材料が光電変換半導体層に対してショットキー機能を有し、当該ショットキー機能を有した電極、中間の金属層からなる電極、および最表面の電極の順に積層形成されて前記画素電極が形成され、当該最表面の電極の材料と前記中間の金属層からなる電極の材料とにおける相互拡散係数が、前記最表面の電極の材料と前記ショットキー機能を有した電極の材料とにおける相互拡散係数よりも小さいものである。

【発明の効果】

【0013】

この発明に係る半導体検出器（前者）によれば、ショットキー機能を有した電極に形成された最表面の電極の材料と当該ショットキー機能を有した電極の材料とにおける相互拡散係数が、最表面の電極の材料とＡｌ（アルミニウム）とにおける相互拡散係数よりも小さくなるように、ショットキー機能を有した電極が形成されている。したがって、最表面の電極の材料がショットキー機能を有した電極中に拡散することなくショットキー機能を維持しつつ、ショットキー機能を有した電極の材料が最表面の電極中に拡散することなく最表面の電極の合金化を防止することができる。その結果、低リーク電流で、さらに機械的強度・信頼性の高い接合が得られる。
また、前者とは別の発明に係る半導体検出器（後者）によれば、ショットキー機能を有した電極，中間の金属層からなる電極，最表面の電極の順に積層形成されている。そして、当該最表面の電極の材料と中間の金属層からなる電極の材料とにおける相互拡散係数が、最表面の電極の材料とショットキー機能を有した電極の材料とにおける相互拡散係数よりも小さくなるように、各電極が形成されている。したがって、最表面の電極の材料がショットキー機能を有した電極中に拡散することなくショットキー機能を維持しつつ、ショットキー機能を有した電極の材料が最表面の電極中に拡散することなく最表面の電極の合金化を防止することができる。また、光電変換半導体層に接触する電極の材料に中間の金属層よりも光電変換半導体とのショットキーバリア障壁の高い材料を用いることにより、機械的強度・信頼性が高く、さらに低リークの接合が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施例１に係る半導体検出器（放射線検出器）の概略断面図である。

【図2】各実施例に係る半導体検出器（放射線検出器）の半導体チップおよび対向基板（信号読出し基板）の具体的な構成を示した概略断面図である。

【図3】各実施例に係る半導体検出器（放射線検出器）の対向基板（信号読出し基板）の単位画素当たりの等価回路である。

【図4】熱圧着時の電極金属間の拡散距離比較である。

【図5】実施例２に係る半導体検出器（放射線検出器）の概略断面図である。

【図6】フリップチップ接続構造の概略図である。

【図7】各種画素電極高抵抗Ｐ型ＣｄＴｅ結晶素子のリーク電流測定データ（界面金属の仕事関数依存性）である。

【実施例1】

【0015】

以下、図面を参照してこの発明の実施例１を説明する。図１は、実施例１に係る半導体検出器（放射線検出器）の概略断面図であり、図２は、各実施例に係る半導体検出器（放射線検出器）の半導体チップおよび対向基板（信号読出し基板）の具体的な構成を示した概略断面図であり、図３は、各実施例に係る半導体検出器（放射線検出器）の対向基板（信号読出し基板）の単位画素当たりの等価回路である。後述する実施例２も含めて、本実施例１では、半導体検出器は、放射線検出器として用いられる。なお、図２ではバンプ電極の図示を省略する。

【0016】

放射線検出器は、図１〜図３に示すように、半導体チップ１と、半導体チップ１に対向配置した対向基板２とを備えている。半導体チップ１は、共通電極１１，光電変換半導体層１３，画素電極１５の順に積層形成されて構成されている。一方、対向基板２は、２次元マトリックス状に配置された各々の対向画素電極２１およびそれらを配列する画素配列層を含んだ信号読出し基板で構成されている。対向画素電極２１は、画素電極１５に対向した位置に形成されている。具体的には、スパッタ蒸着もしくはスクリーン印刷，めっき等によって形成されたバンプ電極３により半導体チップ１の画素電極１５と対向基板２の対向画素電極２１とを互いに対向させて貼り合わせる。

【0017】

対向基板２はＳｉ（シリコン）あるいはガラス基板で形成されている。対向基板２には、上述の対向画素電極２１の他に、画素容量２２，スイッチングトランジスタ２３が２次元マトリックス状に形成され、走査線２４（図３を参照）および信号読出線２５（図３を参照）が行および列方向にそれぞれ縦横にパターン形成されている。

【0018】

具体的には、図２に示すように、対向基板２上に画素容量２２の基準電極２２ａおよびスイッチングトランジスタ２３のゲート電極２３ａが積層形成され層間絶縁膜３１で覆われている。その層間絶縁膜３１に、画素容量２２の容量電極２２ｂが、層間絶縁膜３１を介在させて基準電極２２ａに対向するように積層形成され、スイッチングトランジスタ２３のソース電極２３ｂおよびドレイン電極２３ｃが積層形成され、対向画素電極２１が存在する部分を除いて封止材料３２で覆われている。なお、容量電極２２ｂとソース電極２３ｂとは相互に電気的に接続される。図２に示すように、容量電極２２ｂおよびソース電極２３ｂを一体的に同時形成すればよい。基準電極２２ａについては接地する。層間絶縁膜３１には、例えばプラズマＳｉＮが使用される。

【0019】

図３に示すように、走査線２４は、スイッチングトランジスタ２３のゲート電極２３ａ（図２を参照）に電気的に接続され、信号読出線２５は、スイッチングトランジスタ２３のドレイン電極２３ｃ（図２を参照）に電気的に接続されている。走査線２４は、各々の画素の行方向にそれぞれ延びており、信号読出線２５は、各々の画素の列方向にそれぞれ延びている。走査線２４および信号読出線２５は互いに直交している。図３の符号１３は、光電変換半導体層の等価回路である。これら走査線２４や信号読出線２５を含めて、画素容量２２、スイッチングトランジスタ２３および層間絶縁膜３１は、半導体薄膜製造技術や微細加工技術を用いて対向基板２の表面に画素配列層としてパターン形成されている。

【0020】

放射線検出する半導体チップ１として、ＣｄＴｅ（テルル化カドミウム），ＺｎＴｅ（テルル化亜鉛），ＣｄＺｎＴｅ（テルル化カドミウム亜鉛），ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）等を用いる。

【0021】

上述したように、半導体チップ１の画素電極１５と対向基板２の対向画素電極２１とは、互いに対向させて貼り合わされる。層間絶縁膜３１で覆われていない箇所の対向画素電極２１に、スパッタ蒸着もしくはスクリーン印刷，メッキ等により形成されたバンプ電極３を接続することにより、半導体チップ１の画素電極１５と対向基板２の対向画素電極２１とを互いに対向させて貼り合わせる。具体的な画素電極１５や対向画素電極２１の構造，製造方法，材料および寸法（サイズ）については詳しく後述する。

【0022】

このようにして放射線検出器は、放射線の入射により放射線の情報を電荷情報（電子−正孔対キャリア）に変換することで放射線を検出する。以上をまとめると、放射線検出器は、半導体チップ１と対向基板２とを備えており、半導体チップ１の光電変換半導体層１３が放射線を検出し、検出されて得られた信号を対向基板２のスイッチングトランジスタ２３を介して読み出す。半導体チップ１は、バイアス電圧（各実施例では−０．１Ｖ／μｍ〜１Ｖ／μｍの負のバイアス電圧）を印加する共通電極１１、および放射線の情報を電荷情報（電子−正孔対キャリア）に変換する光電変換半導体層１３を含んでいる。対向基板２は、電荷情報（電子−正孔対キャリア）をそれぞれ読み出す２次元マトリックス状に配置された各々の対向画素電極２１およびそれらを配列する画素配列層を含んでいる。

【0023】

放射線検出器の動作を、図１〜図３を参照して説明する。共通電極１１にバイアス電圧を印加した状態で、放射線（例えばＸ線）が入射することにより光電変換半導体層１３で電子−正孔対キャリアが生成され、画素容量２２に一旦蓄積される。必要なタイミングで走査線２４を駆動させることで、当該走査線２４に接続されたスイッチングトランジスタ２３がＯＮ状態に移行し、画素容量２２に蓄積された電子−正孔対キャリアが信号電荷として読み出され、スイッチングトランジスタ２３に接続された信号読出線２５を介して後段の信号収集回路（図示省略）に読み出される。

【0024】

各々の画素電極１５や対向画素電極２１は各々の画素にそれぞれ対応しているので、画素電極１５や対向画素電極２１に対応して読み出された信号電荷を画素値に変換することで、画素に応じた画素値を２次元に並べて２次元画像（２次元分布を有した放射線画像）を取得することができる。

【0025】

画素電極１５や対向画素電極２１の構造，製造方法，材料および寸法（サイズ）について、図４を参照して説明する。図４は、熱圧着時の電極金属間の拡散距離比較である。なお、図４中の１．Ｅｎ（ｎは整数）は１．０×１０^ｎ（すなわち指数表記）を表す。例えば、図４中の「１．Ｅ＋０６」は１．０×１０^６を表し、図４中の「１．Ｅ＋００」は１．０×１０^０（＝１．０）を表し、図４中の「１．Ｅ−１２」は１．０×１０^−１２を表す。

【0026】

例えば、ＣｄＴｅ結晶の裏面にＰｔの共通電極を形成し、Ｔｉのショットキー機能を有した電極（ショットキー電極）およびＡｕの最表面の電極の積層構造からなる画素電極をＣｄＴｅ結晶の対向面（表面）に形成する場合について説明する。先ず、ショットキーバリアを立たせるために、ＣｄＴｅ結晶の対向面に対してプラズマ処理または上述した特許文献１：特開２００１−１７７１４１号公報のようにＢｒ（臭素）メタノール処理で化学反応により不純物を除去することで、ＣｄＴｅ結晶の対向面（界面）を洗浄する。

【0027】

次に、ＣｄＴｅ結晶の裏面（略全面）にＰｔの共通電極１１（図１を参照）を形成し、裏面（略全面）にＰｔの共通電極１１を形成したＣｄＴｅ結晶からなる光電変換半導体層１３（図１を参照）の対向面に、□２０μｍピッチ，□１０μｍのＡｕの最表面の電極１５ａ（図１を参照）およびＴｉのショットキー機能を有した電極（ショットキー電極）１５ｃ（図１を参照）の積層構造からなる（Ａｕ／Ｔｉ）画素電極１５（図１を参照）を形成する。さらに、各画素電極１５の中心にφ３μｍ×ｔ０．２５μｍのＡｕバンプ電極３（図１を参照）を形成する。なお、□は平方を表し、φは直径を表し、ｔは厚みを表す。例えば、「□１０μｍ」は１０μｍ平方（＝１０μｍ×１０μｍ）を表す。

【0028】

画素電極１５については、フォトリソグラフィーにより画素電極が形成されていない箇所（非画素電極）にレジストパターンを形成した後、蒸着もしくはスパッタリング法によりＴｉのショットキー電極１５ｃ，Ａｕの最表面の電極１５ａを所定の膜厚で順次に成膜する。本実施例１では、ｔ０．０５μｍのＴｉのショットキー電極１５ｃを形成した後、ｔ０．１μｍのＡｕの最表面の電極１５ａを形成する。

【0029】

一方、Ｓｉの対向基板２にも、画素電極１５と同様の方法で、□２０μｍピッチ，□１０μｍ×ｔ０．１μｍの（Ａｕ／Ｔｉ）対向画素電極２１（図１を参照）を形成する。さらに、各画素電極１５の中心にφ３μｍ×ｔ０．２５μｍのＡｕバンプ電極３（図１を参照）を形成する。なお、後述する実施例２も含めて、本実施例１では、Ａｕバンプ電極３をＣｄＴｅ結晶（一方の半導体チップ）の画素電極１５に形成したが、Ｓｉの対向基板２の対向画素電極２１に形成してもよい。

【0030】

いずれの場合も、フリップチップボンダーを用いてＣｄＴｅ結晶およびＳｉ対向基板を加熱しつつ対向位置で近接させ、ＣｄＴｅ結晶の画素電極とＳｉ対向基板の対向画素電極との位置を合わせた後に両電極を接触させ、一定時間荷重を加え両者を接合する。

【0031】

対向画素電極２１における最表面の電極２１ａ（図１を参照）をＡｕで形成することで、バンプ電極３が、最表面の電極１５ａ，２１ａと同一の材料であるＡｕで形成される。図４に示すように、１５０℃／３分の熱負荷を加えた場合、Ａｕ同士の拡散距離Ｌが約１．０×１０^−３（ｎｍ）とＡｕの自己拡散係数が大きいので、バンプ電極３が、最表面の電極１５ａ，２１ａに直接に接触することにより、熱圧着接合が良好となる。

【0032】

図４に示すように、Ａｕ／Ａｕの熱圧着接合を想定した１５０℃／３分の熱負荷を加えた場合、ＡｕとＡｌとにおける相互拡散係数が大きい（図４のＡｕとＡｌとの拡散距離Ｌを参照）ので、従来のようにショットキー電極をＡｌで形成するとバンプ材料のＡｕとショットキー電極材料のＡｌとの間で相互拡散を生じる。「発明が解決しようとする課題」の欄でも述べたように、ＡｌがＡｕバンプ中に拡散した結果、バンプ電極が合金化してしまい、バンプ電極と対向画素電極との間で接合不良を起こす。逆に、ＡｕがＡｌショットキー電極中に拡散すると、ショットキー電極としての機能を果たさなくなる。その結果、従来のようにショットキー電極をＡｌで形成すると、ショットキー電極としての機能を果たさないとともに、Ａｕのバンプ接合表面にもＡｌが拡散析出し、圧着することができない。

【0033】

そこで、ショットキー電極に形成された最表面の電極の材料と当該ショットキー電極の材料とにおける相互拡散係数が、最表面の電極の材料とＡｌとにおける相互拡散係数よりも小さくなるように、ショットキー電極を形成する。最表面の電極がＡｕで形成され、かつショットキー機能を有した電極の材料との組み合わせは、図４に示すようにＡｕ・Ａｌの他に、Ａｕ・Ｔｉがある。また、図４では省略しているが、Ａｕ・Ｃｒ（クロム）がある。Ａｕ・Ｔｉにおける相互拡散係数やＡｕ・Ｃｒにおける相互拡散係数は、Ａｕ・Ａｌにおける相互拡散係数よりも小さいので、最表面の電極をＡｕで形成する場合には、ショットキー電極をＴｉまたはＣｒで形成する。

【0034】

このように、ＴｉまたはＣｒのショットキー電極，Ａｕの最表面の電極の順に積層形成し、Ａｕの最表面の電極およびＴｉ（またはＣｒ）のショットキー電極の積層構造により画素電極１５、さらに対向画素電極２１を形成することで、熱圧着接合の負荷に対してショットキー電極・最表面の電極の相互作用（相互拡散）が十分に抑制される。その結果、ショットキー障壁によるリーク電流抑制を維持することができ、かつＡｕバンプとの熱圧着接合が可能になることを確認した。

【0035】

上述の構成を備えた本実施例１に係る放射線検出器によれば、光電変換半導体層１３に接触する電極（ショットキー電極１５ｃ）の材料が光電変換半導体層１３に対してショットキー機能を有するように形成されているので、低リーク電流に抑えることができる。また、当該ショットキー機能を有した電極（ショットキー電極１５ｃ）に形成された最表面の電極１５ａの材料と当該ショットキー機能を有した電極（ショットキー電極１５ｃ）の材料とにおける相互拡散係数が、最表面の電極１５ａの材料とＡｌとにおける相互拡散係数よりも小さくなるように、ショットキー機能を有した電極（ショットキー電極１５ｃ）が形成されている。したがって、最表面の電極１５ａの材料がショットキー機能を有した電極（ショットキー電極１５ｃ）中に拡散することなくショットキー機能を維持しつつ、ショットキー機能を有した電極（ショットキー電極１５ｃ）の材料が最表面の電極１５ａ中に拡散することなく最表面の電極１５ａの合金化を防止することができる。その結果、低リーク電流で、さらに機械的強度・信頼性の高い接合が得られる。

【0036】

本実施例１では、最表面の電極１５ａおよびバンプ電極３が同一の材料で形成されている。特に、本実施例１では、最表面の電極１５ａはＡｕであり、バンプ電極３が最表面の電極１５ａと同一の材料であるＡｕである。また、対向画素電極２１における最表面の電極２１ａもＡｕで形成することで、バンプ電極３が、最表面の電極１５ａ，２１ａと同一の材料であるＡｕで形成される。Ａｕの自己拡散係数が大きいので、熱負荷を加えた場合にバンプ電極３が最表面の電極１５ａ，２１ａに直接に接触することにより、熱圧着接合が良好となる。

【0037】

なお、最表面の電極およびバンプ電極としてＡｕの代わりにＣｕ（銅）を用いてもよい。Ｃｕを用いる場合においても、Ａｕを用いる場合と同様の作用・効果を奏する。

【0038】

画素ピッチが５０μｍ未満（各実施例では２０μｍ）になるように、画素電極１５，対向画素電極２１およびバンプ電極３が１次元もしくは２次元（各実施例では２次元）に配置されている。本実施例１では、ショットキー機能を有した電極（ショットキー電極１５ｃ）が、Ｔｉ，Ｃｒのいずれかを含んでいるので、従来のようなショットキー電極としてＩｎを用いた場合と相違して、画素ピッチが５０μｍ未満である微細ピッチの検出器でも、画素間リークを抑えることができ、空間分解能が劣化することがない。

【0039】

一方の半導体チップまたは基板（各実施例では半導体チップ１）の光電変換半導体層１３は、ＣｄＴｅ，ＺｎＴｅ，ＣｄＺｎＴｅ，ＧａＡｓのいずれかである。

【実施例2】

【0040】

次に、図面を参照してこの発明の実施例２を説明する。図５は、実施例２に係る半導体検出器（放射線検出器）の概略断面図である。上述した実施例１と共通する構成については、同じ符号を付して、その説明を省略するとともに、図示を省略する。

【0041】

上述した実施例１では、図１に示すように、ショットキー電極１５ｃおよび最表面の電極１５ａの積層構造により画素電極１５が形成されているのに対して、本実施例２では、図５に示すように、ショットキー電極１５ｃ，中間の金属層（「バリアメタル」とも呼ばれる）からなる電極１５ｂおよび最表面の電極１５ａの積層構造により画素電極１５が形成されている。つまり、ショットキー電極１５ｃと最表面の電極１５ａとの間に中間の金属層（バリアメタル）を挟んで画素電極１５が形成されている。

【0042】

上述した実施例１と同様に、本実施例２においても、画素電極１５や対向画素電極２１の構造，製造方法，材料および寸法（サイズ）について、上述した図４を参照して説明する。

【0043】

例えば、ＣｄＴｅ結晶の裏面にＰｔの共通電極を形成し、Ａｌのショットキー機能を有した電極（ショットキー電極），ＴｉのバリアメタルおよびＡｕの最表面の電極の積層構造からなる画素電極をＣｄＴｅ結晶の対向面（表面）に形成する場合について説明する。先ず、上述した実施例１と同様に、ＣｄＴｅ結晶の対向面に対してプラズマ処理またはＢｒメタノール処理で化学反応により不純物を除去することで、ＣｄＴｅ結晶の対向面（界面）を洗浄する。

【0044】

次に、ＣｄＴｅ結晶の裏面（略全面）にＰｔの共通電極１１（図５を参照）を形成し、裏面（略全面）にＰｔの共通電極１１を形成したＣｄＴｅ結晶からなる光電変換半導体層１３（図５を参照）の対向面に、□２０μｍピッチ，□１０μｍのＡｕの最表面の電極１５ａ（図５を参照），Ｔｉの中間の金属層からなる電極１５ｂ（図５を参照）およびＡｌのショットキー電極１５ｃ（図５を参照）からなる（Ａｕ／Ｔｉ／Ａｌ）画素電極１５（図５を参照）を形成する。さらに、各画素電極１５の中心にφ３μｍ×ｔ０．２５μｍのＡｕバンプ電極３（図５を参照）を形成する。

【0045】

画素電極１５については、フォトリソグラフィーにより画素電極が形成されていない箇所（非画素電極）にレジストパターンを形成した後、蒸着もしくはスパッタリング法によりＡｌのショットキー電極１５ｃ，Ｔｉの中間の金属層からなる電極１５ｂ，Ａｕの最表面の電極１５ａを所定の膜厚で順次に成膜する。本実施例２では、ｔ０．０５μｍのＴｉのショットキー電極１５ｃを形成した後、ｔ０．０５μｍのＴｉの中間の金属層からなる電極１５ｂを形成し、ｔ０．１μｍのＡｕの最表面の電極１５ａを形成する。

【0046】

一方、上述した実施例１と同様に、Ｓｉの対向基板２にも、画素電極１５と同様の方法で、□２０μｍピッチ，□１０μｍ×ｔ０．１μｍの（Ａｕ／Ｔｉ）対向画素電極２１（図５を参照）を形成する。さらに、各画素電極１５の中心にφ３μｍ×ｔ０．２５μｍのＡｕバンプ電極３（図５を参照）を形成する。なお、上述した実施例１でも述べたように、本実施例２においても、Ａｕバンプ電極３をＣｄＴｅ結晶（一方の半導体チップ）の画素電極１５に形成したが、Ｓｉの対向基板２の対向画素電極２１に形成してもよい。

【0047】

いずれの場合も、上述した実施例１と同様に、フリップチップボンダーを用いてＣｄＴｅ結晶およびＳｉ対向基板を加熱しつつ対向位置で近接させ、ＣｄＴｅ結晶の画素電極とＳｉ対向基板の対向画素電極との位置を合わせた後に両電極を接触させ、一定時間荷重を加え両者を接合する。

【0048】

上述した実施例１でも述べたように、対向画素電極２１における最表面の電極２１ａ（図１を参照）をＡｕで形成することで、バンプ電極３が、最表面の電極１５ａ，２１ａと同一の材料であるＡｕで形成される。図４に示すように、１５０℃／３分の熱負荷を加えた場合、Ａｕの自己拡散係数が大きいので、バンプ電極３が、最表面の電極１５ａ，２１ａに直接に接触することにより、熱圧着接合が良好となる。

【0049】

上述した実施例１でも述べたように、Ａｕ／Ａｕの熱圧着接合を想定した１５０℃／３分の熱負荷を加えた場合、ＡｕとＡｌとにおける相互拡散係数が大きいので、従来のようにショットキー電極をＡｌで形成するとバンプ材料のＡｕとショットキー電極材料のＡｌとの間で相互拡散を生じる。その結果、従来のようにショットキー電極をＡｌで形成してＡｕバンプを直接に接合すると、ショットキー電極としての機能を果たさないとともに、Ａｕのバンプ接合表面にもＡｌが拡散析出し、圧着することができない。

【0050】

そこで、最表面の電極の材料と中間の金属層からなる電極の材料とにおける相互拡散係数が、最表面の電極の材料とショットキー電極の材料とにおける相互拡散係数よりも小さくなるように、各電極を形成する。最表面の電極がＡｕで形成され、かつショットキー電極がＡｌで形成される場合において、中間の金属層（バリアメタル）との組み合わせは、図４に示すようにＡｕ・ＴｉやＡｕ・Ｎｉ（ニッケル）がある。また、図４では省略しているが、上述した実施例１でも述べたように、Ａｕ・Ｃｒがある。最表面の電極の材料と中間の金属層からなる電極の材料とにおける相互拡散係数として、Ａｕ・Ｔｉにおける相互拡散係数やＡｕ・Ｎｉにおける相互拡散係数やＡｕ・Ｃｒにおける相互拡散係数は、最表面の電極の材料とショットキー電極の材料とにおける相互拡散係数としてのＡｕ・Ａｌにおける相互拡散係数よりも小さい。そのために、最表面の電極がＡｕで形成され、かつショットキー電極がＡｌで形成される場合には、中間の金属層（バリアメタル）をＴｉ，ＮｉまたはＣｒで形成する。

【0051】

このように、Ａｌのショットキー電極，Ｔｉ，ＮｉまたはＣｒの中間の金属層からなる電極，Ａｕの最表面の電極の順に積層形成し、Ａｕの最表面の電極，Ｔｉ（，ＮｉまたはＣｒ）の中間の金属層からなる電極，Ａｌのショットキー電極の積層構造により画素電極１５、さらに対向画素電極２１を形成する。つまり、Ａｕの電極層とＡｌの電極層との間に、Ａｕ・Ａｌにおける相互拡散係数よりも小さなＴｉやＮｉやＣｒ等の中間の金属層（バリアメタル）を挟むことで、熱圧着接合の負荷に対してショットキー電極・最表面の電極（Ａｕ・Ａｌ）の相互作用（相互拡散）が十分に抑制される。その結果、ショットキー障壁によるリーク電流抑制を維持することができ、かつＡｕバンプとの熱圧着接合が可能になることを確認した。

【0052】

上述の構成を備えた本実施例２に係る放射線検出器によれば、上述した実施例１に係る放射線検出器と同様に光電変換半導体層１３に接触する電極（ショットキー電極１５ｃ）の材料が光電変換半導体層１３に対してショットキー機能を有するように形成されているので、低リーク電流に抑えることができる。また、当該ショットキー機能を有した電極（ショットキー電極１５ｃ），中間の金属層からなる電極１５ｂ，最表面の電極１５ａの順に積層形成されている。そして、当該最表面の電極１５ａの材料と中間の金属層からなる電極１５ｂの材料とにおける相互拡散係数が、最表面の電極１５ａの材料とショットキー機能を有した電極（ショットキー電極１５ｃ）の材料とにおける相互拡散係数よりも小さくなるように、各電極が形成されている。したがって、最表面の電極１５ａの材料がショットキー機能を有した電極（ショットキー電極１５ｃ）中に拡散することなくショットキー機能を維持しつつ、ショットキー機能を有した電極（ショットキー電極１５ｃ）の材料が最表面の電極１５ａ中に拡散することなく最表面の電極１５ａの合金化を防止することができる。また、光電変換半導体層に接触する電極の材料に中間の金属層よりも光電変換半導体とのショットキーバリア障壁の高い材料を用いることにより、機械的強度・信頼性が高く、さらに低リークの接合が得られる。

【0053】

上述した実施例１と同様に、本実施例２では、最表面の電極１５ａおよびバンプ電極３が同一の材料で形成されている。特に、本実施例２では、最表面の電極１５ａはＡｕであり、バンプ電極３が最表面の電極１５ａと同一の材料であるＡｕである。また、対向画素電極２１における最表面の電極２１ａもＡｕで形成することで、バンプ電極３が、最表面の電極１５ａ，２１ａと同一の材料であるＡｕで形成される。Ａｕの自己拡散係数が大きいので、熱負荷を加えた場合にバンプ電極３が最表面の電極１５ａ，２１ａに直接に接触することにより、熱圧着接合が良好となる。

【0054】

なお、上述した実施例１でも述べたように、本実施例２においても、最表面の電極およびバンプ電極としてＡｕの代わりにＣｕ（銅）を用いてもよい。Ｃｕを用いる場合においても、Ａｕを用いる場合と同様の作用・効果を奏する。

【0055】

画素ピッチが５０μｍ未満（各実施例では２０μｍ）になるように、画素電極１５，対向画素電極２１およびバンプ電極３が１次元もしくは２次元（各実施例では２次元）に配置されている。本実施例２では、ショットキー機能を有した電極（ショットキー電極１５ｃ）が、Ａｌであるので、従来のようなショットキー電極としてＩｎを用いた場合と相違して、画素ピッチが５０μｍ未満である微細ピッチの検出器でも、画素間リークを抑えることができ、空間分解能が劣化することがない。

【0056】

本実施例２では、最表面の電極が、Ａｕ，Ｃｕのいずれかである。また、上述した実施例１と同様に、一方の半導体チップまたは基板（各実施例では半導体チップ１）の光電変換半導体層１３は、ＣｄＴｅ，ＺｎＴｅ，ＣｄＺｎＴｅ，ＧａＡｓのいずれかである。

【0057】

［作製評価試料の結果］
表１に作製評価試料の電極構造および熱処理条件を示す。試料として、Ｓｉ基板にＡｌ，Ａｕを順次に成膜したもの（表１では「Ａｕ／Ａｌ／Ｓｉ」で表記）、Ｓｉ基板にＡｌ，Ｔｉ，Ａｕを順次に成膜したもの（表１では「Ａｕ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｓｉ」で表記）、Ｓｉ基板にＩｎ，Ｔｉ，Ａｕを順次に成膜したもの（表１では「Ａｕ／Ｔｉ／Ｉｎ／Ｓｉ」で表記）、Ｓｉ基板にＩｎ，Ｎｉ，Ａｕを順次に成膜したもの（表１では「Ａｕ／Ｎｉ／Ｉｎ／Ｓｉ」で表記）の４種類を準備している。

【0058】

【表1】

【0059】

表１中の「ＮＴ」はNon Treatment、すなわち熱処理を行わない常温を表し、表１中の「golden」は、電極間の相互作用（相互拡散）が抑制された結果、電極表面がＡｕの状熊を維持し、表面色が金色であることを表し、表１中の「silver」は、電極表面にＡｌが拡散析出した結果、表面色がＡｌの銀白色であることを表し、表１中の「golden/gray(mosaic)」は、ＩｎがＳｉ中に拡散した結果、表面色が金色・灰色のモザイク模様であることを表す。

【0060】

表１の結果から、従来のようなＡｕ／Ａｌ／Ｓｉの場合、１００℃／５分の熱負荷では電極表面がＡｕの状熊を維持して表面色が金色であるが、１５０℃／５分の熱負荷や２００℃／５分の熱負荷では電極表面がＡｕの状熊を維持することができずに表面色がＡｌの銀白色となることが確認される。それに対して、実施例２のような中間の金属層（バリアメタル）がＴｉであるＡｕ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｓｉの場合、２００℃／５分の熱負荷でも電極表面がＡｕの状熊を維持して表面色が金色であることが確認される。

【0061】

また、図７に、各種画素電極高抵抗Ｐ型ＣｄＴｅ結晶素子のリーク電流測定データ（界面金属の仕事関数依存性）を示す。Ａｕ／ＴｉおよびＡｕ／Ｃｒ電極高抵抗Ｐ型ＣｄＴｅ結晶素子のリーク電流をＡｕ／Ｔｉ／Ａｌ電極素子と併せて示す。ＣｄＴｅ結晶素子のリーク電流は、界面電極金属の仕事関数に対して指数的に増加する。Ｔｉの仕事関数（４．３５ｅＶ）は、Ａｌ（４．２８ｅＶ）よりやや大きいので、リーク電流は３倍程度大きいが、多くの用途では許容範囲であり、テープ剥離試験によりＣｄＴｅ結晶に対する密着性がＡｌより良好であることを確認した。

【0062】

なお、ショットキー電極としてＡｌの代わりにＩｎを用いた場合には、「発明が解決しようとする課題」の欄でも述べたように、Ｉｎの半導体中での拡散係数が非常に大きいので、画素間リークが増大する。したがって、中間の金属層（バリアメタル）を挟んでも、相互拡散の抑制効果が不十分で、ショットキー整流特性およびＡｕバンプとの圧着接合性が劣化する。このことは、表１の結果（表１の「Ａｕ／Ｔｉ／Ｉｎ／Ｓｉ」や「Ａｕ／Ｎｉ／Ｉｎ／Ｓｉ」を参照）からも確認される。

【0063】

この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

【0064】

（１）上述した各実施例では、半導体検出器は、放射線検出器として用いられていたが、光を検出する光検出器として用いられてもよい。具体的には、一方の半導体チップまたは基板（各実施例では半導体チップ１）の光電変換半導体層が光を検出し、検出されて得られた信号を他方の半導体チップまたは基板（各実施例では対向基板２）から取り出して読み出す構造の光検出器に適用する。

【0065】

（２）上述した各実施例では、光電変換半導体層を有し、画素電極を形成する対象は半導体チップであるとともに、対向画素電極を形成し、光電変換半導体層で検出されて得られた信号を読み出す対象は基板（各実施例では対向基板２）であったが、半導体チップ・基板を互いに入れ替えてもよい。例えば、半導体チップ・基板を互いに入れ替えることにより、光電変換半導体層を有し、画素電極を形成する対象として基板を用いて、対向画素電極を形成し、光電変換半導体層で検出されて得られた信号を読み出す対象として半導体チップを用いてもよい。また、半導体チップを両方用いてもよいし、基板を両方用いてもよい。

【0066】

（３）上述した各実施例では、画素ピッチが５０μｍ未満（各実施例では２０μｍ）になるように、画素電極，対向画素電極およびバンプ電極が２次元に配置されていたが、画素電極，対向画素電極およびバンプ電極が１次元に配置された構造の半導体検出器にも適用することができる。

【0067】

（４）半導体検出器において、一方の半導体チップ／基板と、対向した他方の半導体チップ／基板とを接合する際には、接合面に、圧力，熱または超音波等のエネルギーを加えることにより行う。

【0068】

（５）上述した各実施例では、光電変換半導体層はＰ型半導体であり、仕事関数が小さな金属を用いることによりショットキー機能を有したが、Ｎ型半導体からなる光電変換半導体層の半導体検出器に適用してもよい。Ｎ型半導体からなる光電変換半導体層の半導体検出器に適用する場合には、仕事関数が大きな金属を用いることによりショットキー機能を有する。したがって、ショットキー電極の材料は、実施例１のようなＴｉ，Ｃｒや実施例２のようなＡｌに限定されず、光電変換半導体層の材料や最表面の電極の材料や中間の金属層からなる電極の材料に応じてショットキー電極の材料を選択すればよい。また、光または放射線を検出する光電変換半導体層を有した一方の半導体チップまたは基板の導電性は、Ｐ型または真性のいずれでもよい。

【0069】

（６）上述した各実施例では、最表面の電極およびバンプ電極が同一の材料で形成されていたが、必ずしも最表面の電極およびバンプ電極が同一の材料で形成される必要はない。ただし、圧着接合を容易にするために、上述した各実施例のように最表面の電極およびバンプ電極を同一の材料で形成するのが好ましい。

【0070】

（７）上述した各実施例では、対向画素電極も積層構造により形成されていたが、必ずしも対向画素電極は積層構造により形成される必要はない。単一の金属層で対向画素電極を形成してもよい。

【0071】

（８）上述した各実施例では、最表面の電極はＡｕ，Ｃｕのいずれかであったが、最表面の電極として、Ａｕ，Ｃｕ以外の金属を用いてもよい。ただし、実施例１では、最表面の電極の材料とショットキー電極の材料とにおける相互拡散係数が、最表面の電極の材料とＡｌとにおける相互拡散係数よりも小さくなるように、ショットキー電極の材料および最表面の電極の材料をそれぞれ選択する。同様に、実施例２では、最表面の電極の材料と中間の金属層からなる電極の材料とにおける相互拡散係数が、最表面の電極の材料とショットキー電極の材料とにおける相互拡散係数よりも小さくなるように、各電極の材料をそれぞれ選択する。

【0072】

（９）上述した実施例２では、中間の金属層からなる電極が、Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｒのいずれかであったが、Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｒに限定されない。最表面の電極の材料やショットキー電極の材料に応じて中間の金属層からなる電極の材料を選択すればよい。ただし、最表面の電極の材料と中間の金属層からなる電極の材料とにおける相互拡散係数が、最表面の電極の材料とショットキー電極の材料とにおける相互拡散係数よりも小さくなるように、中間の金属層からなる電極の材料を選択する。

【符号の説明】

【0073】

１ … 半導体チップ
１１ 共通電極
１３ … 光電変換半導体層
１５ … 画素電極
１５ａ … 最表面の電極
１５ｂ … 中間の金属層からなる電極
１５ｃ … ショットキー機能を有した電極（ショットキー電極）
２ … 対向基板
２１ … 対向画素電極
２２ … 画素容量
２３ … スイッチングトランジスタ
２４ … 走査線
２５ … 信号読出線
３ … バンプ電極
３１ … 層間絶縁膜
３２ … 封止材料
１０１ … 信号読出し基板
１０２ … 半導体チップ
１０３ … 画素電極
１０４ … 導電性バンプ
１０５ … 絶縁層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】