JP2010045280A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】多層構造のUVセンサチップ41に対して、斜め上方から光が入射した場合は、遮光用メタル71−1〜71−3及び第4層メタル73の間で光が反射し、回路部60に到達し回路の特性が変化してしまうという課題がある。
【解決手段】UVセンサチップ41の遮光用メタル71−1〜71−3の外周を、上層から下層に向かってその上層の第4層メタル73及び遮光用メタル71−2〜71−33よりも内側に位置するようにしたことにより、斜め上方から入射する光が遮光メタル71−1〜71−3層間で反射して回路部60に到達することが防止される。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば、多層配線構造の大規模集積回路(以下「LSI」という。)等を遮光膜で遮光した半導体装置及びその製造方法、特にその遮光レイアウト技術に関するものである。
近年、健康志向やアンチエイジング志向の高まりとともに、日々の紫外線(以下「UV」という。)受光量に基づき、スキンケアを行うという需要が増大している。UVの受光量を知るため、外出先でも手軽に測ることのできる小型で携帯可能なUVモニタ機器が実用化されている。UVモニタ機器の部品として、相補型金属酸化膜半導体(以下「CMOS」という。)技術により、UVセンサと周辺回路をワンチップ化したUVセンサLSI(以下「UVセンサチップ」という。)が開発されている。このような光の影響を受ける基板内に実装されるLSIは、その光の影響でトランジスタの特性が変化することを防ぐために遮光が必要となる。
図6(a)(b)は、従来のUVセンサチップを示す模式的な構成図であり、同図(a)は平面図、同図(b)は同図(a)中のA1−A2線断面拡大図である。
図6(a)に示すように、UVセンサチップ1は、光P中からUVを受光するUVセンサ2とこの近傍に設けられ、UVセンサ2に対して電気的に接続された内部回路3とから構成されている。UVセンサ2は、光P中のUVを受光してこれを電気信号に変換し、内部回路3に出力する素子である。内部回路3は、例えば、増幅器等の出力回路で構成され、UVセンサ2から出力される電気信号を増幅して外部に出力する回路である。
図6(b)に示すように、UVセンサチップ1は、多層配線構造(例えば、4層構造)をなし、基板10を有している。基板10上には、図示しないUVセンサ2と内部回路3とが形成されている。内部回路3は、回路部20と、この回路部20を遮光する遮光膜30とから構成されている。
回路部20の第1層は、層間絶縁膜11−1に被覆されたトランジスタ、抵抗、コンデンサ等の回路素子21−1を有し、この回路素子21−1が、メタル配線層22−1により接続されている。第2層は、メタル配線層22−1上に積層された層間絶縁膜11−2と、その上部に形成されたメタル配線層22−2とを有している。第3層は、層間絶縁膜11−3に被覆された回路素子21−2を有し、この回路素子21−2が、メタル配線層22−3により接続されている。第4層には、層間絶縁膜11−4が積層されている。
遮光膜部30は、最上層部の第4層メタル33及び回路部20の各層に対応した3層の遮光用メタル31−1〜31−3を有し、各遮光メタル31−1〜31−3が、回路部20の各メタル配線層22−1〜22−3をそれぞれ環状に包囲している。すなわち、遮光膜部30の第1層は、層間絶縁膜11−1と、その上に形成された遮光用メタル31−1とを有し、この遮光用メタル31−1が、メタル配線層22−1を環状に包囲している。第2層は、層間絶縁膜11−2と、その上に形成された遮光用メタル31−2とを有し、この遮光用メタル31−2が、メタル配線層22−2を環状に包囲している。第3層は、層間絶縁膜11−3と、その上に形成された遮光用メタル31−3とを有し、この遮光用メタル31−3が、メタル配線層22−3を環状に包囲している。
第4層は、層間絶縁膜11−4と、その上に形成された第4メタル層33とを有し、第4メタル層33は、全面メタル層で形成され、回路部20及び遮光膜部30を覆っている。更に、第4層メタル33及び遮光用メタル31−1〜31−3は、縦方向に貫通しているヴィアプラグ32により電気的に接続されている。第4層メタル層33の表面には、外部環境からの湿気等の影響による劣化を防ぎ、UVセンサチップ1の表面を安定化させるためのパッシベーション層13が形成されている。
図7は、図6(b)中の回路部20及び遮光部30を示す概略の斜視図である。 メタル配線層22−1〜22−3の形状は、方形の薄膜で、その大きさは同一であり、それらを遮光用メタル31−1〜31−3が環状に包囲している。各層の遮光用メタルの幅は、10μm程度である。
このような構成のUVセンサチップ1では、UVセンサ2において、光P中からUVを受光し、これを電気信号に変換して内部回路3に出力する。内部回路3では、その出力を増幅し、外部に出力する。
UVセンサチップやCMOSイメージセンサ等の光センサの遮光レイアウトに関連する従来の技術文献としては、例えば、次のようなものがある。
特開2006−237576
この特許文献1には、CMOSイメージセンサの遮光レイアウトに関する技術が記載されている。CMOSイメージセンサは、CMOSイメージ画素の配列で構成され、各CMOSイメージ画素は、トランジスタ、コンデンサ、感光素子(例えばフォト・ダイオード)を有している。絞りが感光素子の上を覆って形成され、受光素子以外の回路へ到来する光を遮光する一方で受光素子を露光する。このとき、絞りに対して傾斜した角度で入射した光によって、回路に不必要な電流を発生させるクロストークが起こり、CMOSイメージセンサの性能が劣化することがある。これを解決するため、導電性材料による遮光帯が、1乃至複数の金属間誘電体層を貫通して壁状に形成されている。
しかしながら、従来の技術では、図6(b)及び図7に示すように、回路部20への不要な光Pの侵入を防ぐために遮光膜30を設けているが、UVセンサチップ1に対して斜め上方から光Pが入射した場合には、各遮光用メタル層13−1〜13−3間で光が反射し、回路部20内に光が到達してしまい、その光の影響でトランジスタ等の特性が変化するという課題があった。
そこで、このような課題を解決するために、特許文献1に記載された壁状の遮光帯を利用することが考えられる。しかし、内部回路とセンサ部との電気的接続を取るための配線を引き出す部分では、壁状の遮光帯を設けることができないので、完全な遮光はできない。
本発明の半導体装置は、回路素子を有する複数の配線層が積層された回路部と、最上層の前記配線層を覆い前記回路部に対して照射される光を遮蔽する第1の遮光膜と、前記第1の遮光膜により覆われ、前記各配線層をそれぞれ環状に包囲するように形成された複数の第2の遮光膜とを有し、前記複数の第2の遮光膜の外周は、上層から下層に向かって前記第2の遮光膜の内側になるように順に小さく形成されていることを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に、第1の配線層を形成すると共に、前記第1の配線層を環状に包囲する第1の遮光膜を形成する第1の工程と、前記第1の配線層上に、絶縁膜を介して1層又は複数層の第2の配線層を積層すると共に、前記第2の配線層を環状に包囲し、且つ、外周が前記第1の遮光膜の外周よりも外側に位置するように1又は複数の第2の遮光膜を積層する第2の工程と、最上層の前記第2の配線層及び最上層の前記第2の遮光膜上に、絶縁膜を介して、外周が前記最上層の第2の遮光膜の外周よりも外側に位置するように第3の遮光膜を形成する第3の工程とを有することを特徴とする。
本発明によれば、次の(1)〜(2)のような効果がある。
(1) 各層の第2の遮光膜の外周が、上層から下層に向かって内側に順に小さく形成されているので、例えば、半導体装置の斜め上方から光が入射しても、各層の第2の遮光膜で反射されない。そのため、各第2の遮光膜の間で光が反射することにより光が回路部内に到達してしまうことを防止できる。
(2) 遮光のための新たな部材や装置等を必要としないので、半導体装置における形成面積の増加を抑制でき、小型化が可能になる。
本発明を実施するための最良の形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
(実施例1の構成)
図1(a)、(b)は、本発明の実施例1における半導体装置(例えば、UVセンサチップ)を示す模式的な構成図であり、同図(a)は全体の平面図、及び同図(b)は同図(a)中のA1−A2線断面拡大図である。
図1(a)に示すように、UVセンサチップ41は、光P中からUVを受光するセンサ部(例えば、UVセンサ)42と、その近傍に設けられ、UVセンサ42に対して電気的に接続された内部回路43とから構成されている。
図1(b)に示すように、UVセンサチップ41は、多層配線構造(例えば、4層構造)をなし、基板50を有している。基板50上には、図1(a)に示されたUVセンサ42と、内部回路43とが形成されている。内部回路43は、回路部60と、この回路部60を遮光する遮光膜(例えば、遮光膜部)70とから構成されている。
回路部60は、第1層〜第4層により構成され、そのうち、第1層は、絶縁膜(例えば、層間絶縁膜)51−1に被覆されたトランジスタ、抵抗、コンデンサ等の回路素子61−1を有し、この回路素子61−1が、配線層(例えば、メタル配線層)62−1により接続されている。第2層は、メタル配線層62−1上に積層された層間絶縁膜51−2とその上部に形成されたメタル配線層62−2を有している。第3層は、層間絶縁膜51−3に被覆された回路素子61−2を有し、回路素子61−2が、メタル配線層62−3により接続されている。第4層には、層間絶縁膜51−4が積層されている。その上に、第4層メタル73が全面メタル層で形成され、回路部60及び遮光部70等を覆っている。メタル配線層62−1と62−2は、ヴィアプラグ63−1により、メタル配線層62−2と62−3は、ヴィアプラグ63−2によりそれぞれ電気的に接続されている。
遮光膜部70は、第4層メタル73と、回路部60の各層に対応した3層の遮光用メタル71−1〜71−3とを有し、遮光メタル71−1〜71−3が、回路部20の各メタル配線層62−1〜62−3をそれぞれ環状に包囲している。すなわち、遮光膜部30の第1層は、層間絶縁膜51−1と、その上に形成された遮光用メタル71−1を有し、この遮光用メタル71−1が、メタル配線層62−1を環状に包囲している。第2層は、層間絶縁膜51−2と、その上に形成された遮光用メタル71−2を有し、遮光用メタル71−2が、メタル配線層62−2を環状に包囲している。第3層は、層間絶縁膜51−3と、その上に形成された遮光用メタル71−3とを有し、この遮光用メタル71−3が、メタル配線層62−3を環状に包囲している。
第4層メタル73及び遮光用メタル71−1〜71−3は、縦方向に貫通しているヴィアプラグ72により電気的に接続されている。第4層メタル73の表面には、外部環境からの湿気等の影響による劣化を防ぎ、半導体装置の表面を安定化させるためのパッシベーション層53が形成されている。
図2は、図1(b)中の回路部60及び遮光部70を示す概略の斜視図である。 メタル配線層62−1〜62−3の形状は、方形の薄膜であり、それらを遮光用メタル71−1〜71−3が環状に包囲している。各層の遮光用メタル71−1〜71−3の幅は、上層から下層に向かって狭くなっており、例えば、遮光用メタル71−1が6μm、遮光用メタル71−2が7μm、遮光用メタル71−3が8μm程度である。
次に、実施例1におけるUVセンサチップ41の動作について説明する。
UVセンサチップ41内のUVセンサ42は、光P中からUVを受光して、これを電気信号に変換し内部回路43に出力する。内部回路43では、これを増幅器等で増幅し外部に出力する。このとき、UVセンサチップ41は、通常、屋外で使用されるため外光にさらされることになり、内部回路43の側面にも外光の光Pが入射してくる。しかし、回路部60の周囲は、遮光膜部70で包囲されており、遮光用メタル71−1〜71−3の外周が、上層から下層に向かって内側に順に小さく形成されているので、例えば、UVセンサチップ41の斜め上方から光Pが入射しても、各遮光用メタル71−1〜71−3の各層で反射さることはない。そのため、光Pが回路部60に到達することはない。内部回路43の近傍には、UVセンサ42が配置されているため、内部回路43の横方向からの光Pの入射量が少ないので、回路素子61−1及び61−2への影響はほとんどない。
(実施例1の製造方法)
図3(a)〜(e)は、図1のUVセンサチップ41の製造方法を示す製造工程図である。
本実施例1のUVセンサチップ41は、例えば、以下の(1)〜(6)の工程により製造される。
(1) 図3(a)の第1層メタル形成工程
熱酸化法等により、シリコン基板等の基板50を酸素又は水蒸気と反応させて表面を酸化し、絶縁膜を成長させる。更に、基板50上に、シリコン酸化膜等の層間絶縁膜51−1を介して、トランジスタ、抵抗、コンデンサ等の回路素子61−1を形成し、化学的気相成長法(以下「CVD法」という)等により、これらの回路素子61−1を層間絶縁膜51―1で覆い表面を平坦にする。リソグラフィ技術とエッチング技術により、接続すべき回路素子61−1上の層間絶縁膜51−1にコンタクトホールを開口する。次に、スパッタリング法により、層間絶縁膜51−1上にアルミニューム等の金属膜を積層し全面メタル層81を成膜する。
(2) 図3(b)の第1層メタルエッチング工程
リソグラフィ技術とエッチング技術により、全面メタル層81をエッチングし、メタル配線層62−1及び遮光用メタル71−1を形成する。
(3) 図3(c)の第2層メタル形成工程
メタル配線層62−1及び遮光用メタル71−1上を層間絶縁膜51−2で覆い表面を平坦にし、スパッタリング法等により、層間絶縁膜51−2上に金属膜を積層し全面メタル層82を成膜する。
(4) 図3(d)の第2層メタルエッチング工程
リソグラフィ技術とエッチング技術により、全面メタル層82をエッチングし、メタル配線層62−2及び遮光用メタル71−2を形成する。
(5) 図3(e)第3層及び第4層メタル形成等の工程
メタル配線層62−2及び遮光用メタル71−2を層間絶縁膜51―3で覆い表面を平坦にする。層間絶縁膜51−3を介して、トランジスタ、抵抗、コンデンサ等の回路素子61−2を形成し、これらの回路素子61−2を層間絶縁膜51―3で覆い表面を平坦にする。スパッタリング法により、層間絶縁膜51−3上に金属膜を積層し全面メタル層83を成膜する。
リソグラフィ技術とエッチング技術により、全面メタル層83をエッチングし、メタル配線層62−3及び遮光用メタル71−3を形成し、同時に遮光用メタル71−1〜71−3にヴィアプラグ用の穴(ヴィアホ−ル)を開口する。めっき等により、ヴィアホールにメタルを充填してヴィアプラグ72を遮光用メタル71−1〜71−3に形成する。
次に、メタル配線層62−3及び遮光用メタル71−3上を層間絶縁膜51−4で覆い、表面を平坦にする。ヴィアプラグ72を含めて、全面に最上層の第4層メタル73を形成する。これにより、第4層メタル14から遮光用メタル71−1〜71−3が電気的に接続される。最後に、第4層メタル73上に酸化シリコン又はエンプラ(ポリイミド樹脂)等によるパッシベーション層53等を形成すれば、図1のUVセンサチップ41の製造が完了する。
(6)UVセンサの製造工程
UVセンサ42は、前記の製造工程(1)〜(5)において、基板50上に適宜形成すればよい。
(実施例1の効果)
本実施例によれば、次の(1)〜(2)のような効果がある。
(1) 遮光用メタル71−1〜71−3の外周が、上層から下層に向かって内側に順に小さく形成されているので、例えば、UVセンサチップ41の斜め上方から光が入射しても、その入射角が一定の値θ1を超えるまで、各層の遮光用メタル71−1〜71−3で反射されない。そのため、各層の遮光用メタル71−1〜71−3の間で光が反射することにより光が回路部60内に到達してしまうことを防止できる。
(2) 遮光のための新たな部材や装置等を必要としないので、UVセンサチップ41における形成面積の増加を抑制でき、小型化が可能になる。
(3) 例えば、図2に示す第4層メタル73の平面から見て、複数のヴィアプラグ72を千鳥状に設けると、遮光部60に対し横方向からの光Pをある程度遮光できるので、遮光膜部70全体の遮光効果がより向上する。
図4(a)、(b)は、本発明の実施例2におけるUVセンサチップを示す部分断面図である。
本実施例2のUVセンサチップ41では、遮光用メタル71−2〜71−3及び第4層メタル73の外縁部が下方に湾曲していることが特徴であり、その他の構成については、実施例1と同様である。
本実施例2におけるUVセンサチップ41の製造方法は、実施例1の図3(a)〜(e)とほぼ同様である。
但し、図3の(c)の工程において、遮光用メタル71−1及びメタル配線層62−1上に層間絶縁膜51−2を被覆し、層間絶縁膜51−2の表面を平坦にするが、遮光用メタル71−1及びメタル配線層62−1の配線部分が盛り上がっているため、平坦化処理にも拘らず、段差が生じることになる。この状態で、スタッパリング法等で、遮光用メタル71−2を形成すると、段差の効果と図3(e)の工程で行うパッシベーション層53の形成時の応力によって、遮光用メタル71−2、3及び第4層メタル73の外縁部が下方に垂れ下がり、遮光膜部70の側面が包み込まれる。なお、遮光用メタル71−1は、その下部が平坦であり段差がないため、その外縁部が下方に垂れ下がらない。
(実施例2の効果)
実施例1の効果に加え、次の効果がある。
(1) 遮光用メタル71−2、71−3及び第4層メタル73の外縁部が下方に垂れ下がり、遮光膜部70の側面を包み込むように形成されている。このため、斜め上方からの光Pが入射角θ1を超えても、一定値θ2(>θ1)を超えるまでは、各層の遮光用メタル71−1〜71−3で反射されない。そのため、実施例1に比べ更に遮光性が向上する。
図5は、本発明の実施例3の遮光用メタル71−1〜71−3及び第4層メタル73を示す説明図である。
実施例2のUVセンサチップ41の遮光用メタル72−2〜72−3及び第4層メタル73の突き出し部74の外縁部にスリット75を入れた構成である。
本実施例3におけるUVセンサチップ41の製造方法は、実施例1の図3(a)〜(e)とほぼ同様である。
但し、図3の(d)及び(e)の実施例1の製造工程において、エッチングにより遮光用メタル71−2〜71−3及び第4層メタル73を形成する際に、同時に突き出し部74の外縁部にスリットを形成している。
本実施例3では、実施例2の効果に加え、遮光用メタル72−2〜72−3及び第4層メタル73の外縁部にスリット75を入れたことにより、外縁部が下方に垂れ下がりやすくなり、回路部60の包み込み効果が更に向上する。
(変形例)
本発明は、上記の実施例に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の(a)〜(e)がある。
(a)図2において、メタル配線層62−1〜62−3及び遮光用メタル71−1〜71−3の形状を方形で説明したが、楕円、多角形等の形状でもよい。
(b)図2において、メタル配線層62−1〜3及び遮光用メタル71−1〜71−3の大きさが上層から下層に向かって、方形の全辺で順に小さくなるように図示したが、メタル配線層62−1〜62−3及び遮光用メタル71−1〜71−3の右辺(左辺)を固定し、右辺(左辺)から左辺(右辺)までの長さを順に小さくしてもよい。
(c)図2において、メタル配線層62−1〜62−3及び遮光用メタル71−1〜71−3の大きさが上層から下層に向かって、方形の全辺で順に小さくなるように図示したが、メタル配線層62−1〜62−3の大きさを変えずに、遮光用メタル71−1〜71−3の大きさのみを変化させてもよい。
(d)図1及び図2において、メタル配線層62−1〜3及び遮光用メタル71−1〜3を、3層で説明したが4層以上であってもよい。
(e)図3の製造方法の説明での材料及び方法は、例示であり他の材料及び方法により製造してもよい。
本発明の実施例1における半導体装置(例えば、UVセンサチップ)を示す模式的な構成図である。 図1(b)中の回路部60及び遮光部70を示す概略の斜視図である。 図1のUVセンサチップの製造方法を示す製造工程図である。 本発明の実施例2におけるUVセンサチップを示す部分断面図である。 本発明の実施例3の遮光用メタル及び第4層メタルを示す説明図である。 従来のUVセンサチップを示す模式的な構成図である。 図6(b)中の回路部20及び遮光部30を示す概略の斜視図である。
符号の説明
41 UVセンサチップ
42 UVセンサ
50 基板
51−1〜51−4 層間絶縁膜
61−1、61−2 回路素子
62−1〜62−3 メタル配線層
71−1〜71−3 遮光用メタル
73 第4層メタル
81〜84 全面メタル層

Claims (12)

  1. 回路素子を有する複数の配線層が積層された回路部と、
    最上層の前記配線層を覆い前記回路部に対して照射される光を遮蔽する第1の遮光膜と、
    前記第1の遮光膜により覆われ、前記各配線層をそれぞれ環状に包囲するように形成された複数の第2の遮光膜とを有し、
    前記複数の第2の遮光膜の外周は、上層から下層に向かって前記第2の遮光膜の内側になるように順に小さく形成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第1及び第2の遮光膜の外縁部は、下方に湾曲していることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記第1及び第2の遮光膜の外縁部には、スリットが形成されていることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
  4. 前記各配線層間は、絶縁膜によりそれぞれ絶縁されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置は、更に、
    前記回路部の近傍に形成され、前記光を受光するセンサ部を有することを特徴とする半導体装置。
  6. 前記第1及び第2の遮光膜は、メタルにより形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。
  7. 前記センサ部は、紫外線を受光して電気信号に変換し、前記回路部に出力する紫外線センサであることを特徴とする請求項5又は6記載の半導体装置。
  8. 基板上に、第1の配線層を形成すると共に、前記第1の配線層を環状に包囲する第1の遮光膜を形成する第1の工程と、
    前記第1の配線層上に、絶縁膜を介して1層又は複数層の第2の配線層を積層すると共に、前記第2の配線層を環状に包囲し、且つ、外周が前記第1の遮光膜の外周よりも外側に位置するように1又は複数の第2の遮光膜を積層する第2の工程と、
    最上層の前記第2の配線層及び最上層の前記第2の遮光膜上に、絶縁膜を介して、外周が前記最上層の第2の遮光膜の外周よりも外側に位置するように第3の遮光膜を形成する第3の工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 前記第1、第2及び第3の工程では、
    前記第1、第2及び第3の遮光膜における外縁部を下方に湾曲させることを特徴とする請求項8記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記第1、第2及び第3の遮光膜における外縁部には、
    スリットが形成されていることを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造方法。
  11. 請求項8〜10のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第1、第2及び第3の遮光膜は、光を受光するセンサ部の近傍に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  12. 前記センサ部は、紫外線を受光する紫外線センサであることを特徴とする請求項11記載の半導体装置の製造方法。
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