JP2010040805A - 照度センサおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】照度センサの受光素子の小型化を図る。
【解決手段】第１導電型半導体基板３の表面側４に、第２導電型ウェル領域５と、このウェル領域５内に第１導電型領域７と第２導電型領域６とを有する第１フォトダイオード２ａと第２フォトダイオード２ｂとを備えた照度センサであって、第１フォトダイオード２ａ上に第１の絶縁膜部分１１ａと、第２フォトダイオード２ｂ上に第１の膜より厚い第２の絶縁膜部分１１ｂとを有し、第１の絶縁膜部分１１ａを貫通して第１フォトダイオード２ａの第１導電型領域７に接続する第１電極１３ａと、第１の絶縁膜部分１１ａを貫通して第１フォトダイオードの第２導電型領域に接続する第２電極と、第２の絶縁膜部分を貫通して第２フォトダイオード２ｂの第１導電型領域７に接続する第３電極１３ｄと、第２の絶縁膜部分１１ｂを貫通して第２フォトダイオード２ｂの第２導電型領域６に接続する第４電極１３ｃと、を設ける。
【選択図】図１
【解決手段】第１導電型半導体基板３の表面側４に、第２導電型ウェル領域５と、このウェル領域５内に第１導電型領域７と第２導電型領域６とを有する第１フォトダイオード２ａと第２フォトダイオード２ｂとを備えた照度センサであって、第１フォトダイオード２ａ上に第１の絶縁膜部分１１ａと、第２フォトダイオード２ｂ上に第１の膜より厚い第２の絶縁膜部分１１ｂとを有し、第１の絶縁膜部分１１ａを貫通して第１フォトダイオード２ａの第１導電型領域７に接続する第１電極１３ａと、第１の絶縁膜部分１１ａを貫通して第１フォトダイオードの第２導電型領域に接続する第２電極と、第２の絶縁膜部分を貫通して第２フォトダイオード２ｂの第１導電型領域７に接続する第３電極１３ｄと、第２の絶縁膜部分１１ｂを貫通して第２フォトダイオード２ｂの第２導電型領域６に接続する第４電極１３ｃと、を設ける。
【選択図】図１
Description
本発明は、可視光領域の光の照度を測定する照度センサおよびその製造方法に関する。
一般に、バックライト等の点灯制御や輝度制御を行う照度センサの分光感度特性のピーク感度は、５００ｎｍ〜６００ｎｍ程度になってきており、人間の視感度特性のピーク感度である５５５ｎｍに近づきつつある。
しかしながら、光源が蛍光灯である場合と太陽光である場合とでは、同じ照度であっても出力電流が異なるといった不具合が生じる場合がある。これは、光源によって発光スペクトルに差があること、照度センサが、人間の目には感知されない赤外光（波長７００ｎｍ以上）や紫外光（波長４００ｎｍ以下）にも感度を有すること等に起因する。つまり、照度センサの感度を人間の視感度特性に一致させるためには、分光感度特性のピーク波長を合せるだけでなく、ピーク感度から長波長側と短波長側のそれぞれの分光感度特性を人間の視感度特性に合せる必要がある。
しかしながら、光源が蛍光灯である場合と太陽光である場合とでは、同じ照度であっても出力電流が異なるといった不具合が生じる場合がある。これは、光源によって発光スペクトルに差があること、照度センサが、人間の目には感知されない赤外光（波長７００ｎｍ以上）や紫外光（波長４００ｎｍ以下）にも感度を有すること等に起因する。つまり、照度センサの感度を人間の視感度特性に一致させるためには、分光感度特性のピーク波長を合せるだけでなく、ピーク感度から長波長側と短波長側のそれぞれの分光感度特性を人間の視感度特性に合せる必要がある。
このような所望の分光感度特性を得ようとする場合に、一般的にはフォトダイオード上に光学フィルタを形成して、人間の視感度に近い分光感度特性を得ている。
この光学フィルタを用いる場合には、製造コストが増加するという問題が生ずるため、従来の受光素子は、Ｎ型半導体基板のおもて面側にＰウェル層を形成し、そのＰウェル層の表層にＮ型拡散層を形成してフォトダイオードを形成し、この同一構成のフォトダイオードを３つ並列に配置して、それぞれのフォトダイオード上にフォトリソ・エッチングにより膜厚の異なるポリシリコンからなるフィルタ膜を形成すると共に、フィルタ膜上に赤外線カットフィルタを形成し、ポリシリコンがその膜厚によって異なる波長領域の光を通過させる性質を利用して、各フォトダイオードから３つの異なる波長領域の輝度の信号を出力させ、これらの出力を演算処理して、青色領域、緑色領域、赤色領域に分離した色信号を検出している（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−１７５４３０号公報（段落００３０、段落００４１−００５８、第２図）
この光学フィルタを用いる場合には、製造コストが増加するという問題が生ずるため、従来の受光素子は、Ｎ型半導体基板のおもて面側にＰウェル層を形成し、そのＰウェル層の表層にＮ型拡散層を形成してフォトダイオードを形成し、この同一構成のフォトダイオードを３つ並列に配置して、それぞれのフォトダイオード上にフォトリソ・エッチングにより膜厚の異なるポリシリコンからなるフィルタ膜を形成すると共に、フィルタ膜上に赤外線カットフィルタを形成し、ポリシリコンがその膜厚によって異なる波長領域の光を通過させる性質を利用して、各フォトダイオードから３つの異なる波長領域の輝度の信号を出力させ、これらの出力を演算処理して、青色領域、緑色領域、赤色領域に分離した色信号を検出している（例えば、特許文献１参照。）。
しかしながら、上述した従来の技術においては、フィルタ膜として導電性を有するポリシリコン膜を用いているため、Ｎ型拡散層等からフォト電流を取出すための電極を特許文献１の図３において紙面の鉛直方向のフィルタ膜が存在しない領域から取出すことになり、そのためのスペースを要し、受光素子が大型化するという問題がある。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、照度センサの受光素子の小型化を図る手段を提供することを目的とする。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、照度センサの受光素子の小型化を図る手段を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するために、第１導電型不純物を拡散させた半導体基板と、前記半導体基板のおもて面側に、第１導電型不純物とは異なる導電型の第２導電型不純物を拡散させて形成されたウェル領域と、前記ウェル領域内のおもて面側に並列に配置された、第１導電型不純物を拡散させて形成された第１導電型拡散領域と、第２導電型不純物を拡散させて形成された第２導電型拡散領域とを有する第１のフォトダイオードと、前記第１のフォトダイオードに並列に配置された、前記第１のフォトダイオードと同一構成を有する第２のフォトダイオードと、を備えた照度センサであって、前記第１のフォトダイオードのおもて面および前記第２のフォトダイオードのおもて面に形成され、前記第１のフォトダイオード上に第１の膜厚を有する第１の絶縁膜部分と、前記第２のフォトダイオード上に前記第１の膜厚より厚い第２の膜厚を有する第２の絶縁膜部分とを有し、透光性および絶縁性を有する絶縁膜と、前記第１の絶縁膜部分を貫通して、前記第１のフォトダイオードの前記第１導電型拡散領域に電気的に接続する第１の電極と、前記第１の絶縁膜部分を貫通して、前記第１のフォトダイオードの前記第２導電型拡散領域に電気的に接続する第２の電極と、前記第２の絶縁膜部分を貫通して、前記第２のフォトダイオードの前記第１導電型拡散領域に電気的に接続する第３の電極と、前記第２の絶縁膜部分を貫通して、前記第２のフォトダイオードの前記第２導電型拡散領域に電気的に接続する第４の電極と、を設けたことを特徴とする。
これにより、本発明は、同一構成の第１および第２のフォトダイオードであっても、第１の絶縁膜部分の第１の膜厚と、第２の絶縁膜部分の第２の膜厚との膜厚の相違による光の透過率の変化を利用して第１および第２のフォトダイオードから検出されるフォト電流の分光感度特性を異なる特性とすることができ、これらを演算処理して可視光領域にピーク感度を有する照度センサを得ることができると共に、フィルタとして機能する第１および第２の絶縁膜部分の絶縁性を利用して、第１および第２のフォトダイオードのそれぞれの第１導電型拡散領域および第２導電型拡散領域に接続する第１ないし第４の電極を、第１および第２のフォトダイオード上の第１および第２の絶縁膜部分上に直接形成することが可能になり、上面視における受光素子の面積を減少させて照度センサの小型化を図ることができるという効果が得られる。
以下に、図面を参照して本発明による照度センサおよびその製造方法の実施例について説明する。
図１は実施例の受光素子の断面を示す説明図、図２は実施例の受光素子の上面を示す説明図、図３は実施例の演算回路の等価回路を示す回路図、図４、図５は実施例の受光素子の製造方法を示す説明図である。
なお、図２は電極および配線を除いた状態で示した上面図である。
発明者は、最近の照度センサの開発実験において、層間絶縁膜等の透光性（透明または半透明であること等により光を透過させる性質をいう。）を有する酸化シリコンからなる絶縁膜が、その厚さによって透過させる光の波長領域が異なることに気付いた。
なお、図２は電極および配線を除いた状態で示した上面図である。
発明者は、最近の照度センサの開発実験において、層間絶縁膜等の透光性（透明または半透明であること等により光を透過させる性質をいう。）を有する酸化シリコンからなる絶縁膜が、その厚さによって透過させる光の波長領域が異なることに気付いた。
これを検証するために、発明者は、膜厚の異なる絶縁膜を形成した複数のフォトダイオードを作成し、それらに３００ｎｍ〜１１００ｎｍの波長成分を含む光を波長毎に照射して、フォトダイオードから検出されるフォト電流の波長依存性について調査した。
図６は膜厚３００ｎｍ以上、３５０ｎｍ以下の絶縁膜を形成したフォトダイオードのフォト電流の波長依存性であり、そのフォト電流Ｉｐ１は、波長５５５〜５８０ｎｍ付近にピーク感度を有する分光感度特性になる。
図６は膜厚３００ｎｍ以上、３５０ｎｍ以下の絶縁膜を形成したフォトダイオードのフォト電流の波長依存性であり、そのフォト電流Ｉｐ１は、波長５５５〜５８０ｎｍ付近にピーク感度を有する分光感度特性になる。
また、図７は膜厚４００ｎｍ以上、４５０ｎｍ以下の絶縁膜を形成したフォトダイオードのフォト電流の波長依存性であり、そのフォト電流Ｉｐ２は、波長５００〜６００ｎｍ付近にピーク感度を有し、７００ｎｍ以上の赤外光領域に高い分光感度を有する分光感度特性になる。
これらの膜厚の異なる絶縁膜を形成した２つのフォトダイオードの分光感度特性を利用して、それぞれのフォト電流Ｉｐ１、Ｉｐ２を、演算処理により赤外光領域の分光感度を相殺すれば、可視光領域にピーク感度を有する照度センサを得ることが可能であり、フィルタとして機能する絶縁膜に電極を形成すれば、照度センサの小型化を図ることが可能になることが判った。
これらの膜厚の異なる絶縁膜を形成した２つのフォトダイオードの分光感度特性を利用して、それぞれのフォト電流Ｉｐ１、Ｉｐ２を、演算処理により赤外光領域の分光感度を相殺すれば、可視光領域にピーク感度を有する照度センサを得ることが可能であり、フィルタとして機能する絶縁膜に電極を形成すれば、照度センサの小型化を図ることが可能になることが判った。
以下に、上記の知見に基づいた本実施例の照度センサについて説明する。
図１、図２において、１は受光素子であり、並列に配置された同一の構成からなる第１のフォトダイオード２ａと第２のフォトダイオード２ｂとを備えている。
なお、本説明では第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂを区別する必要がない場合には、単にフォトダイオード２という。
図１、図２において、１は受光素子であり、並列に配置された同一の構成からなる第１のフォトダイオード２ａと第２のフォトダイオード２ｂとを備えている。
なお、本説明では第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂを区別する必要がない場合には、単にフォトダイオード２という。
３は半導体基板であり、シリコン（Ｓｉ）からなる基板に、ボロン（Ｂ）や２フッ化ボロン（ＢＦ２）等の第１導電型不純物としてのＰ型不純物を拡散させて形成されている。
本実施例の半導体基板３は、Ｐ型不純物としてのボロンを、１×１０１５／ｃｍ３程度の濃度で拡散させて形成されている。
５はウェル領域としてのＮウェル領域であり、半導体基板３のおもて面４側に、第１導電型不純物とは異なる導電型のリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）等の第２導電型不純物としてのＮ型不純物を拡散させて形成されている。
本実施例の半導体基板３は、Ｐ型不純物としてのボロンを、１×１０１５／ｃｍ３程度の濃度で拡散させて形成されている。
５はウェル領域としてのＮウェル領域であり、半導体基板３のおもて面４側に、第１導電型不純物とは異なる導電型のリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）等の第２導電型不純物としてのＮ型不純物を拡散させて形成されている。
本実施例のＮウェル領域５は、Ｎ型不純物としてのリンを、１×１０１７／ｃｍ３程度の濃度で拡散させて形成されている。
６は第１導電型拡散領域としてのＰ型拡散領域であり、Ｎウェル領域５内のおもて面４側に、Ｐ型不純物を比較的高濃度に拡散させて形成されており、おもて面４側から照射された光の受光領域として機能する。
６は第１導電型拡散領域としてのＰ型拡散領域であり、Ｎウェル領域５内のおもて面４側に、Ｐ型不純物を比較的高濃度に拡散させて形成されており、おもて面４側から照射された光の受光領域として機能する。
本実施例のＰ型拡散領域６は、Ｐ型不純物としての２フッ化ボロンを、１×１０２０／ｃｍ３以上の濃度で拡散させて形成されている。
７は第２導電型拡散領域としてのＮ型拡散領域であり、Ｎウェル領域５内のおもて面４側に、Ｎ型不純物を比較的高濃度に拡散させて形成され、Ｎウェル領域５内にＰ型拡散領域６と離間した状態で並列に配置されており、後述する第２の電極１３ａおよび第４の電極１３ｄとそれぞれのＮウェル領域５とをオーミック接触させるために形成される。
７は第２導電型拡散領域としてのＮ型拡散領域であり、Ｎウェル領域５内のおもて面４側に、Ｎ型不純物を比較的高濃度に拡散させて形成され、Ｎウェル領域５内にＰ型拡散領域６と離間した状態で並列に配置されており、後述する第２の電極１３ａおよび第４の電極１３ｄとそれぞれのＮウェル領域５とをオーミック接触させるために形成される。
本実施例のＮ型拡散領域７は、Ｎ型不純物としてのリンを、１×１０２０／ｃｍ３以上の濃度で拡散させて形成されている。
上記の半導体基板３、おもて面４側に形成されたＮウェル領域５およびＮウェル領域５内に並列に配置されたＰ型拡散領域６とＮ型拡散領域７により本実施例のフォトダイオード２が形成され、Ｐ型拡散領域６とＮウェル領域５とで形成される第１のＰＮ接合と、Ｐ型の半導体基板３とＮウェル領域５とで形成される第２のＰＮ接合とを有している。
上記の半導体基板３、おもて面４側に形成されたＮウェル領域５およびＮウェル領域５内に並列に配置されたＰ型拡散領域６とＮ型拡散領域７により本実施例のフォトダイオード２が形成され、Ｐ型拡散領域６とＮウェル領域５とで形成される第１のＰＮ接合と、Ｐ型の半導体基板３とＮウェル領域５とで形成される第２のＰＮ接合とを有している。
本実施例の第１のＰＮ接合は、半導体基板３のおもて面４から７００ｎｍ程度の深さに設けられている。
１１は絶縁膜であり、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる電気的な絶縁性および透光性を有する絶縁膜であって、第１のフォトダイオード２ａのおもて面４上に形成された第１の膜厚を有する第１の絶縁膜部分１１ａと、第２のフォトダイオード２ｂのおもて面４上に形成された第１の膜厚より厚い第２の膜厚を有する第２の絶縁膜部分１１ｂとで構成されており、それぞれ第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂの光のフィルタとして機能すると共に、受光素子１の保護膜としても機能する。
１１は絶縁膜であり、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる電気的な絶縁性および透光性を有する絶縁膜であって、第１のフォトダイオード２ａのおもて面４上に形成された第１の膜厚を有する第１の絶縁膜部分１１ａと、第２のフォトダイオード２ｂのおもて面４上に形成された第１の膜厚より厚い第２の膜厚を有する第２の絶縁膜部分１１ｂとで構成されており、それぞれ第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂの光のフィルタとして機能すると共に、受光素子１の保護膜としても機能する。
本実施例の第１の膜厚は、３００ｎｍ以上、３５０ｎｍ以下の範囲の厚さに設定され、第２の膜厚は、４００ｎｍ以上、４５０ｎｍ以下の範囲の厚さに設定されている。
１３ａは第２の電極、１３ｂは第１の電極、１３ｃは第３の電極、１３ｄは第４の電極であり、アルミニウム（Ａｌ）等の導電材料で形成され、第２の電極１３ａは、第１の絶縁膜部分１１ａを貫通して第１のフォトダイオード２ａのＮ型拡散領域７に電気的に接続し、第１の電極１３ｂは、第１の絶縁膜部分１１ａを貫通して第１のフォトダイオード２ａのＰ型拡散領域６に電気的に接続し、第３の電極１３ｃは、第２の絶縁膜部分１１ｂを貫通して第２のフォトダイオード２ｂのＰ型拡散領域６に電気的に接続し、第４の電極１３ｄは、第２の絶縁膜部分１１ｂを貫通して第２のフォトダイオード２ｂのＮ型拡散領域７に電気的に接続している。
１３ａは第２の電極、１３ｂは第１の電極、１３ｃは第３の電極、１３ｄは第４の電極であり、アルミニウム（Ａｌ）等の導電材料で形成され、第２の電極１３ａは、第１の絶縁膜部分１１ａを貫通して第１のフォトダイオード２ａのＮ型拡散領域７に電気的に接続し、第１の電極１３ｂは、第１の絶縁膜部分１１ａを貫通して第１のフォトダイオード２ａのＰ型拡散領域６に電気的に接続し、第３の電極１３ｃは、第２の絶縁膜部分１１ｂを貫通して第２のフォトダイオード２ｂのＰ型拡散領域６に電気的に接続し、第４の電極１３ｄは、第２の絶縁膜部分１１ｂを貫通して第２のフォトダイオード２ｂのＮ型拡散領域７に電気的に接続している。
図２に２点鎖線で示す１４ａ〜１４ｄは配線であり、第１ないし第４の電極１３ａ〜１３ｄと同じ導電材料で形成され、Ｐ型拡散領域６に照射される光を極力遮断しないように、配線１４ｂおよび１４ａは、第１および第２の電極１３ｂ、１３ａから、並列に配置された第２のフォトダイオード２ｂと反対方向に、配線１４ｃおよび１４ｄは、第３および第４の電極１３ｃ、１３ｄから、並列に配置された第１のフォトダイオード２ａと反対方向にそれぞれ延在して、演算回路１５の所定の部位に接続している。
本実施例のＰ型の半導体基板３には、上記した受光素子１と共に、図３に示す演算回路１５を構成するトランジスタＯ１〜Ｏ４や配線パターン等が形成されている。
この演算回路１５は、光照射によって第１のフォトダイオード２ａ（図３に示すＰＤ１）および第２のフォトダイオード２ｂ（ＰＤ２）から生成されるフォト電流を演算処理して所定の波長（本実施例では、約５７０ｎｍ）にピークを有する出力電流（Ｉｏｕｔ）を出力する機能を有している。なお、図３に示す矢印は電流の流れる方向を示している。
この演算回路１５は、光照射によって第１のフォトダイオード２ａ（図３に示すＰＤ１）および第２のフォトダイオード２ｂ（ＰＤ２）から生成されるフォト電流を演算処理して所定の波長（本実施例では、約５７０ｎｍ）にピークを有する出力電流（Ｉｏｕｔ）を出力する機能を有している。なお、図３に示す矢印は電流の流れる方向を示している。
本実施例の照度センサは、この演算回路１５と、膜厚の異なる第１および第２の絶縁層１１ａ、１１ｂが設けられた第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂを備えた受光素子１とによって形成される。
図４において、１６は保護層であり、半導体基板３のおもて面４に形成された酸化シリコン等からなる膜厚１０ｎｍ程度の絶縁層であって、イオン注入工程における半導体基板３のおもて面４の損傷緩和を目的として形成される。
図４において、１６は保護層であり、半導体基板３のおもて面４に形成された酸化シリコン等からなる膜厚１０ｎｍ程度の絶縁層であって、イオン注入工程における半導体基板３のおもて面４の損傷緩和を目的として形成される。
１８はレジストマスクであり、フォトリソグラフィにより半導体基板３のおもて面４側にスピンコート法等により塗布されたポジ型またはネガ型のレジストを露光および現像処理して形成されたマスクパターンであって、本実施例のエッチング工程やイオン注入工程等におけるマスクとして機能する。
以下に、図４、図５にＰで示す工程に従って、本実施例の受光素子の製造方法について説明する。
以下に、図４、図５にＰで示す工程に従って、本実施例の受光素子の製造方法について説明する。
Ｐ１（図４）、Ｐ型の半導体基板３を準備し、熱酸化法により半導体基板３のおもて面４を熱酸化して、酸化シリコンからなる膜厚１０ｎｍ程度の保護層１６を形成する。
そして、フォトリソグラフィにより、保護層１６上に、第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂのそれぞれのＮウェル領域５の形成領域の保護層１６を露出させたレジストマスク１８を形成し、これをマスクとして、Ｎ型不純物（本実施例では、リン）を、注入エネルギ２０００〜２４００ＫｅＶでイオン注入して、保護層１６下の半導体基板３のおもて面４側に、不純物濃度が１×１０１７／ｃｍ３程度のＮウェル領域５を形成する。
そして、フォトリソグラフィにより、保護層１６上に、第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂのそれぞれのＮウェル領域５の形成領域の保護層１６を露出させたレジストマスク１８を形成し、これをマスクとして、Ｎ型不純物（本実施例では、リン）を、注入エネルギ２０００〜２４００ＫｅＶでイオン注入して、保護層１６下の半導体基板３のおもて面４側に、不純物濃度が１×１０１７／ｃｍ３程度のＮウェル領域５を形成する。
Ｐ２（図４）、工程Ｐ１で形成したレジストマスク１８を除去し、フォトリソグラフィにより、保護層１６上に、第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂのそれぞれのＰ型拡散領域６の形成領域の保護層１６を露出させたレジストマスク１８を形成し、これをマスクとして、Ｐ型不純物（本実施例では、２フッ化ボロン）を、注入エネルギ４０〜７０ＫｅＶでイオン注入して、保護層１６下のＮウェル層５のおもて面４側に、おもて面４からの深さが７００ｎｍ程度で、不純物濃度が１×１０２０／ｃｍ３程度のＰ型拡散領域６を形成する。
Ｐ３（図４）、工程Ｐ２で形成したレジストマスク１８を除去し、フォトリソグラフィにより、保護層１６上に、第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂのそれぞれのＮ型拡散領域７の形成領域の保護層１６を露出させたレジストマスク１８を形成し、これをマスクとして、Ｎ型不純物（本実施例では、リン）を、注入エネルギ６０ＫｅＶでイオン注入して、保護層１６下のＮウェル層５のおもて面４側に、Ｐ型拡散領域６に並列に配置された、不純物濃度が１×１０２０／ｃｍ３程度のＮ型拡散領域７を形成する。
Ｐ４（図４）、工程Ｐ３で形成したレジストマスク１８を除去し、ウェットエッチングにより保護層１６を除去した後に、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、半導体基板３のおもて面４上に酸化シリコンを堆積して膜厚４００ｎｍ以上、４５０ｎｍ以下の第２の膜厚を有する絶縁膜１１を形成する。
そして、フォトリソグラフィにより、絶縁膜１１上に、第１の絶縁膜部分１１ａの形成領域の絶縁膜１１を露出させた、つまり第２の絶縁膜部分１１ｂの形成領域を覆うレジストマスク１８を形成し、これをマスクとして、異方性エッチングにより、絶縁膜１１をエッチングして、第１のフォトダイオード２ａ上に膜厚３００ｎｍ以上、３５０ｎｍ以下の第１の膜厚を有する第１の絶縁膜部分１１ａを形成すると共に、第２のフォトダイオード２ｂ上に膜厚４００ｎｍ以上、４５０ｎｍ以下の第２の膜厚を有する第２の絶縁膜部分１１ｂを形成する。
そして、フォトリソグラフィにより、絶縁膜１１上に、第１の絶縁膜部分１１ａの形成領域の絶縁膜１１を露出させた、つまり第２の絶縁膜部分１１ｂの形成領域を覆うレジストマスク１８を形成し、これをマスクとして、異方性エッチングにより、絶縁膜１１をエッチングして、第１のフォトダイオード２ａ上に膜厚３００ｎｍ以上、３５０ｎｍ以下の第１の膜厚を有する第１の絶縁膜部分１１ａを形成すると共に、第２のフォトダイオード２ｂ上に膜厚４００ｎｍ以上、４５０ｎｍ以下の第２の膜厚を有する第２の絶縁膜部分１１ｂを形成する。
Ｐ５（図５）、工程Ｐ４で形成したレジストマスク１８を除去し、フォトリソグラフィにより、第１および第２の絶縁膜部分１１ａ、１１ｂ上に、第１のフォトダイオード２ａのＮ型拡散領域７の第２の電極１３ａとＰ型拡散領域６の第１の電極１３ｂとのコンタクトホールの形成領域の第１の絶縁膜部分１１ａ、および第２のフォトダイオード２ｂのＰ型拡散領域６の第３の電極１３ｃとＮ型拡散領域７の第４の電極１３ｄとのコンタクトホールの形成領域の第２の絶縁膜部分１１ｂを露出させた開口部を有するレジストマスク１８（不図示）を形成し、これをマスクとして異方性エッチングにより、第１および第２の絶縁膜部分１１ａ、１１ｂをエッチングして、第１のフォトダイオード２ａのＮ型拡散領域７とＰ型拡散領域６、および第２のフォトダイオード２ｂのＰ型拡散領域６とＮ型拡散領域７にそれぞれ達するコンタクトホールを形成する。
前記のレジストマスク１８を除去し、スパッタ法により、各コンタクトホール内、並びに第１および第２の絶縁膜部分１１ａ、１１ｂ上にアルミニウムからなる導電材料を堆積して、各コンタクトホール内に導電材料を埋め込むと共に、第１および第２の絶縁膜部分１１ａ、１１ｂ上に導電材料膜を形成する。
次いで、フォトリソグラフィにより、導電材料膜上に、第１ないし第４の電極１３ａ〜１３ｄおよび配線１４ａ〜１４ｄの形成領域の導電材料膜を覆うレジストマスク１８（不図示）を形成し、これをマスクとして異方性エッチングにより、導電材料膜をエッチングして第１および第２の絶縁膜部分１１ａ、１１ｂを露出させ、第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂのそれぞれのＰ型拡散領域６およびＮ型拡散領域７に電気的に接続する第１ないし第４の電極１３ａ〜１３ｄおよび配線１４ａ〜１４ｄを形成する。
次いで、フォトリソグラフィにより、導電材料膜上に、第１ないし第４の電極１３ａ〜１３ｄおよび配線１４ａ〜１４ｄの形成領域の導電材料膜を覆うレジストマスク１８（不図示）を形成し、これをマスクとして異方性エッチングにより、導電材料膜をエッチングして第１および第２の絶縁膜部分１１ａ、１１ｂを露出させ、第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂのそれぞれのＰ型拡散領域６およびＮ型拡散領域７に電気的に接続する第１ないし第４の電極１３ａ〜１３ｄおよび配線１４ａ〜１４ｄを形成する。
なお、第１および第２の絶縁膜部分１１ａ、１１ｂは異なる膜厚に形成されているが、本実施例の第１の絶縁膜部分１１ａの第１の膜厚と、第２の絶縁膜部分１１ｂの第２の膜厚との膜厚差は、５０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度であるので、レジストマスク１８の露光時における焦点や、エッチングにおける過エッチングを考慮する必要はなく、膜厚の異なる第１および第２の絶縁膜部分１１ａ、１１ｂに対して第１ないし第４の電極１３ａ〜１３ｄを同時に形成することができる。
このようにして、本実施例の受光素子１が形成される。
上記の受光素子１を用いて照度測定を行う場合は、第１のフォトダイオード２ａの第２の電極１３ａに接続する配線１４ａ、および第２のフォトダイオード２ｂの第４の電極１３ｄに接続する配線１４ｄをバイアス電源の正側端子に接続し、第１のフォトダイオード２ａの第１の電極１３ｂに接続する配線１４ｂ、および第２のフォトダイオード２ｂの第３の電極１３ｃに接続する配線１４ｃをバイアス電源の負側端子に接続して、それぞれに１Ｖ程度の逆バイアス電圧を印加すると、図８に示すように、この逆バイアス電圧によって第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂのそれぞれのＮウェル領域５とＰ型拡散領域６とで形成される第１のＰＮ接合の近傍に、網掛けを付して示す空乏層２０が形成される。
上記の受光素子１を用いて照度測定を行う場合は、第１のフォトダイオード２ａの第２の電極１３ａに接続する配線１４ａ、および第２のフォトダイオード２ｂの第４の電極１３ｄに接続する配線１４ｄをバイアス電源の正側端子に接続し、第１のフォトダイオード２ａの第１の電極１３ｂに接続する配線１４ｂ、および第２のフォトダイオード２ｂの第３の電極１３ｃに接続する配線１４ｃをバイアス電源の負側端子に接続して、それぞれに１Ｖ程度の逆バイアス電圧を印加すると、図８に示すように、この逆バイアス電圧によって第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂのそれぞれのＮウェル領域５とＰ型拡散領域６とで形成される第１のＰＮ接合の近傍に、網掛けを付して示す空乏層２０が形成される。
そして、この状態の受光素子１に、太陽光または蛍光灯の光に相当する光である３００〜１１００ｎｍの波長成分を含む光を照射すると、フォトダイオード２ａ、２ｂの各領域に電子正孔対が生成され、空乏層２０の中では、その内部に生じている電界の作用によって、電子はＮ型拡散領域７またはＮウェル領域５に向けて加速され、正孔はＰ型拡散領域６またはＰ型の半導体基板３に向けて加速され、フォト電流値が第２の電極１３ａと第４の電極１３ｄとから検出される。
この場合に、膜厚３００ｎｍ以上、３５０ｎｍ以下の第１の膜厚を有する第１の絶縁膜部分１１ａを形成した第１のフォトダイオード２ａから検出されるフォト電流Ｉｐ１の波長依存性は、図６に示すように、波長５５５〜５８０ｎｍ付近にピーク感度を有する分光感度特性になる。
また、膜厚４００ｎｍ以上、４５０ｎｍ以下の第２の膜厚を有する第２の絶縁膜部分１１ｂを形成した第２のフォトダイオード２ｂから検出されるフォト電流Ｉｐ２は、波長５００〜６００ｎｍ付近にピーク感度を有し、７００ｎｍ以上の赤外光領域に高い分光感度を有する分光感度特性になる。
また、膜厚４００ｎｍ以上、４５０ｎｍ以下の第２の膜厚を有する第２の絶縁膜部分１１ｂを形成した第２のフォトダイオード２ｂから検出されるフォト電流Ｉｐ２は、波長５００〜６００ｎｍ付近にピーク感度を有し、７００ｎｍ以上の赤外光領域に高い分光感度を有する分光感度特性になる。
これは、同一の構成を有する第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂであっても、光を照射したときに、それぞれに形成した第１の絶縁膜部分１１ａの第１の膜厚と、第２の絶縁膜部分１１ｂの第２の膜厚との膜厚の違いによる光の透過率の相違によって、それぞれが光を選択的に透過させるフィルタとして機能し、第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂに到達する光の波長領域が異なるからである。
これらの第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂで検出されるフォト電流Ｉｐ１、Ｉｐ２を、上記した演算回路１５によって、
Ｉｏｕｔ＝Ｉｐ１−Ｋ×Ｉｐ２ ・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
を用いて演算処理を行うと、図９に示すように、約５７０ｎｍの波長にピーク感度を有する分光感度特性が得られ、人間の視感度特性のピーク感度（波長５５５ｎｍ）に近いピーク感度（波長約５７０ｎｍ）を有する可視光領域の光の照度を測定する照度センサが形成される。
Ｉｏｕｔ＝Ｉｐ１−Ｋ×Ｉｐ２ ・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
を用いて演算処理を行うと、図９に示すように、約５７０ｎｍの波長にピーク感度を有する分光感度特性が得られ、人間の視感度特性のピーク感度（波長５５５ｎｍ）に近いピーク感度（波長約５７０ｎｍ）を有する可視光領域の光の照度を測定する照度センサが形成される。
なお、式（１）におけるＫは、フォト電流Ｉｐ１の赤外光領域の分光感度を、フォト電流Ｉｐ２の分光感度で相殺するために設定された定数である。
上記のように、本実施例では、同一の半導体基板３に同一構成の第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂを並列に配置し、それぞれに膜厚の異なる第１および第２の絶縁膜部分１１ａ、１１ｂを形成するので、同一構成の第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂであっても、第１および第２の絶縁膜部分１１ａ、１１ｂの膜厚の相違によって、透過する光の透過率が変化する性質を利用して、これらが形成された第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂから検出されるフォト電流Ｉｐ１、Ｉｐ２の分光感度特性を異なる特性とすることができ、これらを演算処理して、可視光領域にピーク感度を有する照度センサを実現することができる。
上記のように、本実施例では、同一の半導体基板３に同一構成の第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂを並列に配置し、それぞれに膜厚の異なる第１および第２の絶縁膜部分１１ａ、１１ｂを形成するので、同一構成の第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂであっても、第１および第２の絶縁膜部分１１ａ、１１ｂの膜厚の相違によって、透過する光の透過率が変化する性質を利用して、これらが形成された第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂから検出されるフォト電流Ｉｐ１、Ｉｐ２の分光感度特性を異なる特性とすることができ、これらを演算処理して、可視光領域にピーク感度を有する照度センサを実現することができる。
また、第１の絶縁膜部分１１ａの第１の膜厚を、３００ｎｍ以上、３５０ｎｍ以下の範囲の厚さとし、第２の絶縁膜部分１１ｂの第２の膜厚を、４００ｎｍ以上、４５０ｎｍ以下の範囲の厚さとしたことによって、第１のフォトダイオード２ａから検出されるフォト電流Ｉｐ１を、波長５５５〜５８０ｎｍ付近にピーク感度を有する分光感度特性とし、第２のフォトダイオード２ｂから検出されるフォト電流Ｉｐ２を、波長５００〜６００ｎｍ付近にピーク感度を有し、７００ｎｍ以上の赤外光領域に高い分光感度を有する分光感度特性とすることができ、これらを用いた演算処理により、赤外光領域の分光感度を相殺して、人間の視感度特性のピーク感度に近いピーク感度を有する可視光領域の光の照度を測定する照度センサを得ることができる。
更に、本実施例のフィルタとして機能する第１および第２の絶縁膜部分１１ａ、１１ｂは、絶縁材料で形成されているので、第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂのそれぞれのＰ型拡散領域６およびＮ型拡散領域７に接続する第１ないし第４の電極１３ａ〜１３ｄおよび配線１４ａ〜１４ｄを、第１および第２のフォトダイオード２ａ、２ｂ上に直接形成された第１および第２の絶縁膜部分１１ａ、１１ｂ上に直接形成することが可能になり、上面視における受光素子１の面積を減少させると共に、受光素子１の厚さを薄くして、照度センサの小型化を図ることができる。
以上説明したように、本実施例では、Ｐ型不純物を拡散させた半導体基板のおもて面側に形成されたＮウェル領域と、Ｎウェル領域内のおもて面側に、並列に配置されたＰ型拡散領域とＮ型拡散領域とを有する同一構成の第１および第２のフォトダイオードを備えた照度センサにおいて、第１のフォトダイオードのおもて面上および第２のフォトダイオードのおもて面上に、第１の膜厚を有する第１の絶縁膜部分、および第１の膜厚より厚い第２の膜厚を有する第２の絶縁膜部分を、透光性および絶縁性を有する絶縁膜で形成し、第１の絶縁膜部分上に第１のフォトダイオードのＰ型拡散領域およびＮ型拡散領域にそれぞれ電気的に接続する第１および第２の電極と、第２の絶縁膜部分上に、第２のフォトダイオードのＰ型拡散領域およびＮ型拡散領域にそれぞれ電気的に接続する第３および第４の電極とを設けたことによって、同一構成の第１および第２のフォトダイオードであっても、第１の絶縁膜部分の第１の膜厚と、第２の絶縁膜部分の第２の膜厚との膜厚の相違による光の透過率の変化を利用して第１および第２のフォトダイオードから検出されるフォト電流の分光感度特性を異なる特性とすることができ、これらを演算処理して可視光領域にピーク感度を有する照度センサを得ることができる。
また、フィルタとして機能する第１および第２の絶縁膜部分の絶縁性を利用して、第１および第２のフォトダイオードのそれぞれのＰ型拡散領域およびＮ型拡散領域に接続する各電極を、第１および第２のフォトダイオード上の第１および第２の絶縁膜部分上に直接形成することが可能になり、上面視における受光素子の面積を減少させると共に、受光素子の厚さを薄くして、照度センサの小型化を図ることができる。
なお、上記実施例においては、第１導電型不純物はＰ型不純物、第２導電型不純物はＮ型不純物であるとして説明したが、これらを逆にして、第１導電型不純物をＮ型不純物、第２導電型不純物をＰ型不純物として受光素子を形成するようにしてもよい。
１ 受光素子
２ フォトダイオード
２ａ 第１のフォトダイオード
２ｂ 第２のフォトダイオード
３ 半導体基板
４ おもて面
５ Ｎウェル領域
６ Ｐ型拡散領域
７ Ｎ型拡散領域
１１ 絶縁膜
１１ａ 第１の絶縁膜部分
１１ｂ 第２の絶縁膜部分
１３ａ 第２の電極
１３ｂ 第１の電極
１３ｃ 第３の電極
１３ｄ 第４の電極
１４ａ〜１４ｄ 配線
１５ 演算回路
１６ 保護層
１８ レジストマスク
２０ 空乏層
２ フォトダイオード
２ａ 第１のフォトダイオード
２ｂ 第２のフォトダイオード
３ 半導体基板
４ おもて面
５ Ｎウェル領域
６ Ｐ型拡散領域
７ Ｎ型拡散領域
１１ 絶縁膜
１１ａ 第１の絶縁膜部分
１１ｂ 第２の絶縁膜部分
１３ａ 第２の電極
１３ｂ 第１の電極
１３ｃ 第３の電極
１３ｄ 第４の電極
１４ａ〜１４ｄ 配線
１５ 演算回路
１６ 保護層
１８ レジストマスク
２０ 空乏層
Claims (5)
- 第１導電型不純物を拡散させた半導体基板と、前記半導体基板のおもて面側に、第１導電型不純物とは異なる導電型の第２導電型不純物を拡散させて形成されたウェル領域と、前記ウェル領域内のおもて面側に並列に配置された、第１導電型不純物を拡散させて形成された第１導電型拡散領域と、第２導電型不純物を拡散させて形成された第２導電型拡散領域とを有する第１のフォトダイオードと、
前記第１のフォトダイオードに並列に配置された、前記第１のフォトダイオードと同一構成を有する第２のフォトダイオードと、を備えた照度センサであって、
前記第１のフォトダイオードのおもて面および前記第２のフォトダイオードのおもて面に形成され、前記第１のフォトダイオード上に第１の膜厚を有する第１の絶縁膜部分と、前記第２のフォトダイオード上に前記第１の膜厚より厚い第２の膜厚を有する第２の絶縁膜部分とを有し、透光性および絶縁性を有する絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜部分を貫通して、前記第１のフォトダイオードの前記第１導電型拡散領域に電気的に接続する第１の電極と、
前記第１の絶縁膜部分を貫通して、前記第１のフォトダイオードの前記第２導電型拡散領域に電気的に接続する第２の電極と、
前記第２の絶縁膜部分を貫通して、前記第２のフォトダイオードの前記第１導電型拡散領域に電気的に接続する第３の電極と、
前記第２の絶縁膜部分を貫通して、前記第２のフォトダイオードの前記第２導電型拡散領域に電気的に接続する第４の電極と、を設けたことを特徴とする照度センサ。 - 請求項１において、
前記第１の膜厚を、３００ｎｍ以上、３５０ｎｍ以下の範囲の厚さとし、前記第２の膜厚を、４００ｎｍ以上、４５０ｎｍ以下の範囲の厚さとしたことを特徴とする照度センサ。 - 請求項１または請求項２において、
前記第１のフォトダイオードで検出されるフォト電流と、前記第２のフォトダイオードで検出されるフォト電流とから、演算処理により赤外光領域の分光感度を相殺して、可視光領域にピーク感度を有する分光感度特性を得ることを特徴とする照度センサ。 - 第１導電型不純物を拡散させた半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板のおもて面側の、第１および第２のフォトダイオードのウェル領域の形成領域に、第１導電型不純物とは異なる導電型の第２導電型不純物を拡散させて、それぞれのウェル領域を形成する工程と、
前記ウェル領域内のおもて面側の、前記第１および第２のフォトダイオードの第１導電型拡散領域の形成領域に、第１導電型不純物を拡散させてそれぞれの第１導電型拡散領域を形成する工程と、
前記ウェル領域内のおもて面側の、前記第１および第２のフォトダイオードの前記第１導電型拡散領域に並列に配置された第２導電型拡散領域の形成領域に、第２導電型不純物を拡散させてそれぞれの第２導電型拡散領域を形成する工程と、
前記第１および第２のフォトダイオードのおもて面に、透光性および絶縁性を有する絶縁材料からなる、第２の膜厚を有する絶縁膜を形成する工程と、
前記第１のフォトダイオード上の前記絶縁膜をエッチングして、前記第１のフォトダイオード上に、前記第２の膜厚より薄い第１の膜厚を有する第１の絶縁膜部分を形成すると共に、前記第２のフォトダイオード上に、前記第２の膜厚を有する第２の絶縁膜部分を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜部分を貫通して、前記第１のフォトダイオードの第１導電型拡散領域および第２導電型拡散領域にそれぞれ電気的に接続する第１および第２の電極を形成すると共に、前記第２の絶縁膜部分を貫通して、前記第２のフォトダイオードの第１導電型拡散領域および第２導電型拡散領域にそれぞれ電気的に接続する第３および第４の電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする照度センサの製造方法。 - 請求項４において、
前記第１の膜厚を、３００ｎｍ以上、３５０ｎｍ以下の範囲の膜厚に形成すると共に、前記第２の膜厚を、４００ｎｍ以上、４５０ｎｍ以下の範囲の膜厚に形成することを特徴とする照度センサの製造方法。
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