JP2009010288A

JP2009010288A - 半導体装置

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Publication number: JP2009010288A
Application number: JP2007172416A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Kawashima; 貴宏川島; Rui Kurihara; 塁栗原
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; System Solutions Co Ltd
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2009-01-15

Abstract

【課題】受光素子への不要な光の浸入を防止することで、半導体装置の特性ずれを防止することを主たる目的とする。
【解決手段】半導体基板２の表面には、ホトダイオードから成る複数の受光素子３が島状に形成されている。半導体基板１の表面には、受光素子３で変換された電気信号を増幅するためのトランジスタ素子（増幅素子）等から成る集積回路４が形成されている。半導体基板２の側面及び裏面全体は絶縁膜１０で被覆されている。絶縁膜１０上には、パッド電極６と電気的に接続された配線層１１が形成されている。配線層１１上には電極接続層１２及びバンプ電極１４が形成されている。各受光素子３は、垂直方向から見た場合にバンプ電極１４の領域よりも内側に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光信号を電気信号に変換するための素子を備える半導体装置に関するものである。

従来から、光の吸収により光信号を電気信号に変換するための素子（受光素子）としてホトダイオードが知られている。半導体基板上にホトダイオードが形成された従来の半導体装置について図面を参照しながら説明する。図９は、従来の半導体装置１００の概略を示す断面図である。

シリコン（Ｓｉ）等から成る半導体基板１０１の表面には、ホトダイオードから成る受光素子１０２が形成され、更に、受光素子１０２と電気的に接続されたパッド電極１０３が絶縁膜１０４を介して形成されている。パッド電極１０３は、シリコン窒化膜等から成るパッシベーション膜１０５で被覆されている。

半導体基板１０１の表面上には、ガラス基板等の支持体１０６がエポキシ樹脂等から成る接着層１０７を介して貼り合わされている。支持体１０６は、製造工程の中で薄型化される半導体基板１０１を保持し、半導体基板１０１の表面に形成された素子を保護する。

半導体基板１０１の側面及び裏面上にはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等から成る絶縁膜１０８が形成されている。絶縁膜１０８上には、パッド電極１０３と電気的に接続されたアルミニウム等から成る配線層１０９が、半導体基板１０１の側面及び裏面に沿って形成されている。また、絶縁膜１０８及び配線層１０９を被覆して、ソルダーレジスト等から成る保護層１１０が形成されている。保護層１１０の所定領域には開口部が形成され、この開口部を通して配線層１０９と電気的に接続されたボール状のバンプ電極１１１が形成されている。

半導体基板１０１の表面側から入射される光は受光素子１０２で受けられ、受光素子１０２はその光の量に応じた出力電流を流す。そのため、このような半導体装置１００は「明るい」「暗い」といった周囲の明るさを感知するセンサ（照度センサ）や、ＣＤやＤＶＤの光ピックアップ装置等に用いられている。

本発明に関連した技術は、例えば以下の特許文献に記載されている。
特開２００６−９３３６７号公報

上述した半導体装置１００においては、半導体基板１０１の表面側から入射される光の量に応じて所定の電流が出力されるように、受光素子１０２やトランジスタ等の回路素子が設計されていた。

しかしながら、近年は半導体基板１０１の薄型化が進んでいることもあり、半導体基板１０１の裏面側から想定外の光が半導体基板１０１を透過して受光素子１０２に入射し、この誤検知によって受光素子１０２から出力される電流値が目標特性からずれるという問題があった。特に赤外線は半導体基板１０１を透過し易く、裏面側からの赤外線の入射が半導体装置１００の特性ずれに大きな影響を及ぼすことがあった。なお、このような設計上予定しない不要な光の浸入による特性ずれの問題は、照度センサや光ピックアップ装置に限らず、受光素子を備える種々の装置において重要な問題となっている。

そこで本発明は、受光素子への不要な光の浸入を防止することで、半導体装置の特性ずれを防止することを主たる目的とする。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その主な特徴は以下のとおりである。すなわち、本発明の半導体装置は、表面に受光素子が形成された半導体基板と、前記半導体基板の裏面上に、前記半導体基板の裏面方向から表面方向へ入射される光を遮断する金属層とを備え、前記金属層は、前記受光素子の全体を覆っていることを特徴とする。

また、本発明の半導体装置は、前記半導体基板の表面に、前記受光素子とは電気的に接続されておらず、受光素子の動作に影響を与えないダミー受光素子を備え、前記金属層は、前記受光素子と前記ダミー受光素子のうち、前記受光素子のみを覆っていることを特徴とする。

また、本発明の半導体装置は、前記半導体基板の表面に、前記受光素子とは電気的に接続されておらず、受光素子の動作に影響を与えないダミー受光素子を備え、前記金属層は、前記ダミー受光素子を部分的に覆っていることを特徴とする。

本発明では、半導体基板の表面のうち、半導体基板の裏面に形成された金属層（バンプ電極や電極接続層等）と対応する領域に受光素子が形成されている。そのため、半導体基板の裏面方向から表面方向に入射される光が仮にあったとしても、当該光は金属層で遮断されて受光素子に到達せず（あるいは到達し難く）、受光素子の動作特性ずれを防止することができる。

次に、本発明の第１の実施形態について図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る半導体装置１の断面図であり、図２は半導体装置１を裏面側から見た平面図の概略である。なお、図１は図２のＸ−Ｘ線に沿った断面図に相当する。

シリコン等から成る半導体基板２の表面には、ホトダイオードから成る複数（本実施形態では４つ）の受光素子３が島状に形成されている。受光素子３は、半導体基板２の表面側から入射される光を電気信号に変換するための素子である。受光素子３のより具体的な断面構造は、後述する受光素子２１（図７参照）と同様である。

半導体基板１の表面には受光素子３以外にも、抵抗（拡散抵抗やポリシリコン抵抗）、容量、受光素子３で変換された電気信号を増幅するためのトランジスタ素子（増幅素子）等から成る集積回路４が形成されている。受光素子３と集積回路４は、不図示の配線を介して相互に接続されている。

半導体基板２の表面上には絶縁膜５（例えば、熱酸化法やＣＶＤ法等によって形成されたシリコン酸化膜）が形成されており、絶縁膜５の一部上には、受光素子３あるいは集積回路４と電気的に接続されたアルミニウム等から成るパッド電極６が形成されている。パッド電極６の形成位置に限定はなく、半導体基板２上に形成されていても良い。

絶縁膜５上には、パッド電極６の一部または全部を被覆するパッシベーション膜７（例えば、ＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜）が形成されている。

半導体基板２の表面上には、エポキシ樹脂やポリイミド，レジスト，アクリル等から成る接着層８を介して支持体９が貼り合わされている。支持体９は、例えばフィルム状の保護テープでもよいし、ガラスや石英，セラミック，金属等の剛性の基板であってもよいし、樹脂から成るものでもよい。支持体９は、半導体装置１を支持すると共にその表面側を保護する機能を有するものであり、その膜厚は例えば約４００μｍ程度である。また、支持体９は透明もしくは半透明の材料から成り、受光素子３が受光すべき波長の光を透過する性状を有するものである。

なお、必要に応じて支持体９を設けずに半導体装置１を構成してもよい。また、受光素子３に入射させたくない特定の波長の光を遮断するためにフィルター層を設けても良い。例えば、赤外線の受光素子３への入射を防止するために、支持体９の半導体基板２の表面側に赤外線フィルター層を設けることができる。

半導体基板２の側面及び裏面全体は絶縁膜１０（例えばプラズマＣＶＤ法によって形成されたシリコン酸化膜やシリコン窒化膜）で被覆されている。絶縁膜１０上には、パッド電極６と電気的に接続されたアルミニウム等から成る配線層１１が、半導体基板２の側面及び裏面に沿って形成されている。

配線層１１上には後述するバンプ電極１４の台座として、電極接続層１２を形成することが好ましい。電極接続層１２を形成するのは、アルミニウム等から成る配線層１１と、ハンダ等から成るバンプ電極１４とが接合し難いという理由や、バンプ電極１４の材料が配線層１１側に流入してくることを防止するという理由による。電極接続層１２は、例えばレジスト層をマスクとしてニッケル（Ｎｉ）層と金（Ａｕ）層等の金属層を配線層１１や絶縁膜１０上に順次スパッタリングし、その後レジスト層を除去するというリフトオフ法や、メッキ法によって形成することができる。なお、電極接続層１２は、配線層１１のバンプ電極１４が形成される予定の領域にのみ形成することもできる。

絶縁膜１０や電極接続層１２を被覆して、ソルダーレジストやポリイミド系樹脂等から成る保護層１３が形成されている。保護層１３の所定領域には開口部が形成され、この開口部を通して電極接続層１２と電気的に接続されたハンダ等から成るバンプ電極１４が形成されている。バンプ電極１４は、プリント基板等の回路基板に当該半導体装置を実装する際の外部電極であり、電極接続層１２，配線層１１，及びパッド電極６を介して受光素子３及び集積回路４と電気的に接続されている。

なお、図１ではバンプ電極１４が半導体基板２の裏面上に形成されているが、その一部を半導体基板２の側面に延在するように形成させることも可能である。かかる構成によれば、バンプ電極１４の平面的な面積が拡がり、半導体基板２の側面側及び裏面側から受光素子３方向への光の浸入を遮断する効果を向上させることができる。

次に、半導体装置１の裏面側から見た平面構造について説明する。各受光素子３は、図２に示すように、垂直方向（半導体基板２の厚み方向）からみた場合にバンプ電極１４と重畳しており、更に言えば各受光素子３は各バンプ電極１４の形成領域よりも内側に形成されている。また、集積回路４も同様にしてバンプ電極１４の形成領域よりも内側に形成されている。換言すれば、バンプ電極１４は、受光素子３及び集積回路４の全体を覆っている。

以上のように構成された半導体装置１は、バンプ電極１４を介してプリント基板等に実装される。そして、バンプ電極１４から電極接続層１２，配線層１１，及びパッド電極６を介して受光素子３のカソード電極及びアノード電極に所定の電位（例えば、カソード電極に電源電位、アノード電極に接地電位）が印加され、逆バイアス状態で動作させる。この逆バイアスによって空乏層が形成され、光の入射を受けた際、光の量に応じて受光素子３に電流が発生する。

第１の実施形態に係る半導体装置１では、複数の受光素子３が形成され、各受光素子３はバンプ電極１４と対応する領域内に形成されている。そのため、半導体基板２の裏面側から受光素子３の方向に想定外の光が入射したとしても、当該光はバンプ電極１４で遮断されて受光素子３まで到達しない。従って、半導体基板２の表面側からの光のみを受光素子３で正確に受光することができ、誤動作（不要な電流の発生）のない、所望の特性を持った半導体装置１を得ることができる。特に、赤外線のような透過し易い光の裏面側からの入射を効果的に防止できる点が優れている。なお、半導体基板２の表面側からも受光素子３に赤外線を入射させたくない場合には、上記のとおり赤外線フィルター層を受光素子３の上方に設ければよい。

なお、図３に示すように、半導体基板２の表面のうち電極接続層１２に対応する領域内に受光素子３を形成しても、受光素子３まで不要な光が到達することを防ぐことができる。つまり、半導体基板２の裏面上で受光素子３を覆う構成要素は、光を吸収あるいは反射させる等して光の透過を遮断できる材料から成るものであればよく、バンプ電極１４や電極接続層１２に限らず配線層１１であってもよい。

このように、半導体基板２の裏面側や側面側に形成された金属層（本実施形態ではバンプ電極１４，電極接続層１２，配線層１１）に、本来の機能（半導体素子への電源供給を介在する機能）に加えて、遮光機能を持たせるようにすることで、別途遮光層を半導体基板２の裏面側に形成することを要しない。従って、製造工程を簡略化して製造コストを抑えるとともに、半導体装置の生産性を向上させることができる。

また、本実施形態では集積回路４が、バンプ電極１４や電極接続層１２の形成領域よりも内側に形成されている。そのため、集積回路４を構成する素子にも半導体基板２の裏面側からの光が到達せず、集積回路４に形成されたバイポーラトランジスタ等の増幅素子の誤動作を防止することができる。

また、本実施形態における受光素子は単一ではなく、半導体基板２の表面上において複数の受光素子が島状に形成されており、一つの受光素子が機能しない状況下であっても他の領域に形成された受光素子が機能する。そのため、半導体装置１がプリント基板等のずれた位置に実装されたり、受光窓が形成された鏡筒部内等に半導体装置１を配置する際に受光窓と半導体装置１との位置関係が目的位置から僅かにずれたとしても、受光素子３へ入射する光量を出来る限り確保することが出来る。

また、バンプ電極１４や電極接続層１２等の面積を拡張させ、その一部を半導体基板２の裏面だけに限らず側面に延在するように形成することで、受光素子３や集積回路４を覆ってもよい。こうすることで、半導体基板２の裏面に対して斜め方向から受光素子３への光の浸入を遮断する効果を向上させることもできる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置２０について図４乃至図７を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成については同一記号を用いてその説明を省略する。図４は半導体装置２０を裏面側から見た平面図であり、図５は図４のＹ−Ｙ線に沿った断面図であり、図６は半導体装置２０の使用例を示す回路図であり、図７は図４及び図５における受光素子２１とダミー受光素子２２の構造の一例を示す断面図である。なお、図７では、配線層１１やバンプ電極１４等を便宜上省略して描いている。

半導体基板２の表面には、図４及び図５に示すように、ホトダイオードから成る複数（本実施形態では４つ）の受光素子２１と、受光素子２１に隣接して複数（本実施形態では５つ）の領域に区分されたダミー受光素子２２とが形成されている。ここで、受光素子２１は半導体基板２の表面のうちバンプ電極１４や電極接続層１２と重畳した領域に形成され、ダミー受光素子２２はバンプ電極１４や電極接続層１２と重畳しない領域に大部分が形成されている点が特徴である。つまり、バンプ電極１４あるいは電極接続層１２は、半導体基板２の裏面側から受光素子２１を覆っているが、ダミー受光素子２２を覆っていない。本実施形態では、受光素子２１とダミー受光素子２２の境界が、バンプ電極１４あるいは電極接続層１２の外周上に配置されるようになっている。

受光素子２１は半導体基板２の表面側から入射される光を電気信号に変換するための素子であって、図６に示すように集積回路４と接続されている。各受光素子４のアノード電極は相互に接続されていてもよい。ダミー受光素子２２は、実質的に受光素子２１と同一の構造（アノード領域やカソード領域）を備えるが、図６に示すように、集積回路４や受光素子３とは電気的に接続されておらず、受光素子３の動作を含めて本来的な回路動作に影響を与えない素子である。

図７を用いて、図４のＹ−Ｙ線における受光素子２１とダミー受光素子２２の断面構造の一例を説明する。Ｐ型の半導体基板２上には、ノンドープのエピタキシャル層２５、及びエピタキシャル層２５を複数の島状の領域に分離するためのＰ^＋分離層２６が形成されている。エピタキシャル層２５は、公知のエピタキシャル結晶成長法にて形成することができる。また、Ｐ^＋分離層２６は、Ｐ型不純物から成る上分離層２６ａ及び下分離層２６ｂがエピタキシャル層２５内で重畳して一体化した構成になっている。上分離層２６ａは、エピタキシャル層２５の上面からボロン（Ｂ）等のＰ型不純物を下方拡散することにより形成される。一方、下分離層２６ｂは、半導体基板２の底部側からボロン（Ｂ）等のＰ型不純物を上方拡散することにより形成される。Ｐ^＋分離層２６によって隣り合う受光素子２１、ダミー受光素子２２は電気的に分離される。

エピタキシャル層２５の表面には、受光領域となるＮ^＋半導体層２７，２８が形成されている。Ｎ^＋半導体層２７，２８は、エピタキシャル層２５の所定領域上に開口部を有するレジスト層をマスクとしてヒ素（Ａｓ）等のＮ型不純物をイオン注入することで形成される。

エピタキシャル層２５上には絶縁膜５が形成されており、当該絶縁膜５に部分的に形成されたコンタクトホールを介してアルミニウム等から成るカソード電極２９、ダミーカソード電極３０がＮ^＋半導体層２７，２８と接続して形成されている。また、Ｐ^＋分離層２６の所定領域上にもアノード電極３１，ダミーアノード電極３２が形成されている。これら各電極は、不図示の配線を介してパッド電極６と接続されている。

以上のように構成された半導体装置２０では、受光素子２１のカソード電極２９及びアノード電極３１に所定の電位を印加して逆バイアス状態で動作させる。また、ダミー受光素子２２は、ダミーカソード電極３０及びダミーアノード電極３２を図６に示すように接地する等して実際の回路動作に影響を与えないようにする。

第２の実施形態に係る半導体装置２０では、受光素子２１がそれぞれ、半導体基板２の表面のうちバンプ電極１４や電極接続層１２等の金属層と重畳した領域に形成されており、ダミー受光素子２２が、半導体基板２の表面のバンプ電極１４や電極接続層１２と重畳しない領域に形成されている。そのため、第１の実施形態で得られた効果に加えて以下の効果を有する。つまり、半導体基板２の裏面側からの光は、ダミー受光素子２２のアノード領域及びカソード領域で吸収される。そして、生成されたキャリアの殆どは当該ダミー受光素子２２の電流と成るため、受光素子２１及び集積回路４には裏面側からの光の影響が及ばず、半導体基板２の表面側からの光のみを受光素子２１で正確に受光することができ、所望の特性を持った半導体装置２０を得ることができる。

また、図４で示したダミー受光素子２２を、図８で示したように外側に一定距離拡張させ、バンプ電極１４あるいは電極接続層１２をダミー受光素子２２と部分的に重畳させるように設計することもできる。この場合、受光素子２１はバンプ電極１４や電極接続層１２の形成領域の、より内側に配置される。かかる構成によれば、半導体基板２の裏面の斜め方向から入射する光をダミー受光素子２２の光電流として効果的に捕獲することができ、不要な光が受光素子２１及び集積回路４に到達することを防ぐことができる。従って、半導体基板２の裏面の斜め方向から入射する光が懸念される状況下であっても、半導体基板２の表面側からの光のみを受光素子２１で正確に受光することができ、誤動作（不要な電流の発生）が少ない、所望の特性を持った半導体装置２０を得ることができる。なお、ダミー受光素子２２は、図４で示したように複数の領域に区分して形成しても良いし、図８に示すように単一の領域に形成してもよい。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更が可能である。例えば、上記実施形態ではボール状のバンプ電極１４を有するＢＧＡ(Ball Grid Array)型の半導体装置について説明したが、ＬＧＡ(Land Grid Array)やその他のＣＳＰ型，フリップチップ型の半導体装置に適用するものであっても構わない。本発明は、受光素子への不要な光の浸入を防止する技術として広く適用できるものである。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の使用例を示す回路図である。本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。従来の半導体装置を示す断面図である。

符号の説明

１半導体装置２半導体基板３受光素子
４集積回路５絶縁膜６パッド電極７パッシベーション膜
８接着層９支持体１０絶縁膜１１配線層１２電極接続層
１３保護層１４バンプ電極２０半導体装置２１受光素子
２２ダミー受光素子２５エピタキシャル層２６Ｐ＋分離層
２６ａ上分離層２６ｂ下分離層２７Ｎ＋半導体層
２８Ｎ＋半導体層２９カソード電極３０ダミーカソード電極
３１アノード電極３２ダミーアノード電極１００半導体装置
１０１半導体基板１０２受光素子１０３パッド電極
１０４絶縁膜１０５パッシベーション膜１０６支持体
１０７接着層１０８絶縁膜１０９配線層１１０保護層
１１１バンプ電極

Claims

表面に受光素子が形成された半導体基板と、
前記半導体基板の裏面上に、前記半導体基板の裏面方向から表面方向へ入射される光を遮断する金属層とを備え、
前記金属層は、前記受光素子の全体を覆っていることを特徴とする半導体装置。
前記半導体基板の表面に、前記受光素子とは電気的に接続されておらず、受光素子の動作に影響を与えないダミー受光素子を備え、
前記金属層は、前記受光素子と前記ダミー受光素子のうち、前記受光素子のみを覆っていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記半導体基板の表面に、前記受光素子とは電気的に接続されておらず、受光素子の動作に影響を与えないダミー受光素子を備え、
前記金属層は、前記ダミー受光素子を部分的に覆っていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記受光素子は、前記半導体基板の表面上に複数形成され、
前記金属層は、前記複数の受光素子のそれぞれを覆っていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
前記受光素子に接続された増幅素子を含む集積回路と、
前記半導体基板の表面側に形成された、前記受光素子または前記集積回路と電気的に接続された電極とを備え、
前記金属層は、前記電極を介して前記受光素子または前記集積回路と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体装置。
前記金属層はバンプ電極であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体装置。