JP2017168535A

JP2017168535A - 光センサ

Info

Publication number: JP2017168535A
Application number: JP2016050185A
Authority: JP
Inventors: 直樹小笠原; Naoki Ogasawara
Original assignee: Seiko NPC Corp
Current assignee: Seiko NPC Corp
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2017-09-21
Anticipated expiration: 2036-03-14
Also published as: JP6654067B2

Abstract

【課題】半導体基板表面の段差に起因して生ずるフィルタの光学特性劣化を少なくした光センサを提供する。【解決手段】半導体基板１の表面の素子分離領域１３上に層間絶縁膜１４を受光部を除き素子分離領域１３を被覆するように形成し、層間絶縁膜１４上にメタル配線１５を形成する。メタル配線１５を被覆するように層間絶縁膜１４上にパッシベーション膜１６が形成される。パッシベーション膜１６は、受光部を露出させることによって受光素子に対応する開口を有する。層間絶縁膜１４も受光素子に対応する開口を有するので、受光素子はこれら開口内で露出している。半導体基板１上に露出する受光素子、層間絶縁膜１４、パッシベーション膜１６を被覆して誘電体多層膜フィルタ１７を形成する。この受光部を囲むようにフィルタ１７上に遮光膜１１が形成され光センサである。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板に形成された光学的フィルタを有し、フィルタからのリーク光を有効に遮光する光センサに関するものである。

シリコンなどの半導体基板上に形成したフォトダイオード等の光電変換素子を使った光センサは知られており、とくに、受光する光をフィルタを通してフォトダイオードへ入射させる構造が周知である。フィルタは、光センサが受光する光のうち所定波長をカットして必要な波長のみフォトダイオードに入射させるものである。例えば、蛍光マークなどの検出を行う場合、光源には紫外光ランプが用いられるため、受光部上には紫外線を通さないフィルタを形成し、紫外線光の直接の反射光には反応せず、対象物の蛍光反応による可視光のみを検出するものがある。
このフィルタは、例えば、シリコン基板上の受光部全体に、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に複数積層した誘電体多層膜を形成することで構成され、カットしたい波長は誘電体多層膜の構造（各層の屈折率、膜厚、積層数）を制御することによって選択される。
フォトダイオード上に誘電体多層膜によるフィルタを形成して、不要な光の入射をカットする構造は、例えば、特許文献１に記載されている（図５参照）。従来の光センサは、このようなフォトダイオード等の受光素子（光電変換素子）が形成された受光部と、受光素子の出力信号をサンプリング及び増幅する内部回路とを同一半導体基板に形成することにより得られる。

図４は、従来の光センサの受光部を説明する半導体基板の平面図及び部分段面図である。半導体基板１００の表面にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜を順次形成した後、シリコン窒化膜の一部を除去し、この状態で熱処理を行うことによってシリコン窒化膜が除去された領域にフィールド酸化膜を形成する。その後、熱処理の際にマスクとなった残りのシリコン窒化膜を除去することにより、上記フィールド酸化膜からなる素子分離領域１０３を形成し、素子分離領域１０３に囲まれた領域を受光部１０２とする。この受光部１０２の表面領域には受光素子が形成される。この図では受光素子を構成する表面拡散層１０１が示されている。受光部１０２において受光素子を形成してから、半導体基板１００上にシリコン酸化膜などの層間絶縁膜１０４を形成し、これをパターニングして受光素子を露出させる。次に、層間絶縁膜１０４上にメタル配線１０５を形成する。メタル配線１０５は、半導体基板１００に形成された受光素子で生成された信号をこの半導体基板に形成された内部回路で処理するために用いられる。次に、更に層間絶縁膜を形成するか或いは最終的な絶縁保護膜（パッシベーション膜）１０６が形成される。その後、光学フィルタとして用いられる誘電体多層膜フィルタ１０７を形成して光センサが形成される。

図５は、従来の光センサを構成する受光素子（フォトダイオード）が形成された受光部を示す半導体基板の断面図である。受光素子は、ｐ⁻型半導体基板１００の表面に形成された寄生抵抗を低減するためのｎ^＋型埋め込み拡散層１１２と、半導体基板１００上に形成されたｎ⁻型エピタキシャル層１１３と、ｎ⁻型エピタキシャル層１１３の表面に形成され、このエピタキシャル層１１３とｐｎ接合を形成し、且つ受光領域であるｐ^＋型拡散層１１４と、ｐ^＋型拡散層１１４上を除き、ｎ⁻型エピタキシャル層１１３を含めた半導体基板１００上に形成されたフィールド酸化膜１０３と、ｐ^＋型拡散層１１４の表面上に光学フィルタとして形成された誘電体多層膜１１５とを有する。また、ｎ⁻型エピタキシャル層１１３には逆バイアスを印加する電極１１６が接続され、ｐ^＋型拡散層１１４には信号取り出し用の電極１１７が接続されている。

特許文献１には、受光素子であるフォトダイオード上に誘電体多層膜を光学フィルタとして形成した受光素子及びその製造方法が開示されている。半導体基板上に形成されたエピタキシャル層と、エピタキシャル層の表面に形成された受光領域の表面上のフィールド酸化膜が除去され、受光領域の表面上に光学フィルタとして形成された誘電体多層膜が形成されている。リップル（波）のないフラットな分光感度特性を得ることが可能である。また、紫外域の光をカットし、視感度特性に合った分光感度特性を得ることができる。

特開２００４−１１９６７８号公報

光センサは、半導体基板が複数の受光素子形成された受光部及び受光素子間を絶縁分離する素子分離領域に分かれており、その上に誘電体多層膜フィルタが形成されている構造となっている（図４参照）。ところが、受光部は、受光素子であるフォトダイオードが半導体基板表面領域に形成されて露出しており、その表面に前記フィルタが被覆しているのに対して、素子分離領域１０３上に誘電体多層膜フィルタを被覆した構造は、光学設計にて考慮していない。また、層間絶縁膜や最終保護膜（パッシベーション膜）、メタル配線等が形成されるので、いずれかの膜の端部がそこに位置した場合には、そこに段差が生じる。そして、その段差に起因して誘電体多層膜が薄くなる部分ができることがあり、その結果フィルタ特性が悪くなる可能性が高くなる。また、その段差に起因して誘電体多層膜が高さ方向に対して傾いて積層され、極端な場合には、各層が縦になる場合もある。従来、これらの現象によりフィルタの光学特性が不十分になるという問題があった。例えば、フォトダイオード周辺部分では、そこに形成されたフィルタによって遮光されるはずの波長の光がフォトダイオードまで到達したり、光が斜め入射となる段差側壁に沿って堆積したフィルタは、入射光に対する光学特性がシフトする（設計通りにならない）という問題があった。
本発明は、このような事によりなされたものであり、下地となる半導体基板表面の段差に起因して生ずるフィルタの光学特性劣化を少なくした光センサを提供する。

本発明の光センサの一態様は、半導体基板の表面に形成された受光素子と、前記半導体基板の表面に形成され前記受光素子を区画する素子分離領域と、前記素子分離領域及び前記受光素子の周縁領域を覆って形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成された配線層と、前記配線層を覆って形成されると共に、前記受光素子に対応する開口を有し、前記開口の端部が前記素子分離領域の上方に位置するパッシベーション膜と、
前記開口から露出する受光素子上を含み、前記パッシベーション膜を覆って形成された誘電体多層膜からなるフィルタと、前記パッシベーション膜の前記開口の端部を覆っている前記フィルタの領域を覆うように形成された遮光膜とを有することを特徴としている。

前記誘電体多層膜によってカットする波長は紫外線であり、前記遮光膜はポリイミドからなるようにしてもよい。前記遮光膜を構成する材料は、他に、黒レジストなどのレジスト系材料からなるようにしてもよい。

本発明は、受光素子周辺の段差部分を覆って遮光膜を形成することにより、段差部分の上部からの入射光が遮断されるため、フィルタ層においては、その光学特性が設計値からシフトした部分での遮光波長のリークを防ぐことができ、光センサとしての光学特性への影響を無くすことができる。特に、遮光膜にポリシリコンを用いると、この材料は、可視光、赤外線を透過し、紫外光の透過を遮断する為、紫外光をカットするフィルタと組み合わせた場合には、可視・赤外線波長域の感度を低下させずに所望の光学特性を有する光センサとすることができる。

実施例１に係るフィルタを有し光センサが形成された半導体基板の部分断面図。実施例１に係る光センサが形成された半導体基板の平面図。実施例１に係る光センサが形成された半導体基板の平面図及び平面図に示されたＡ−Ａ´部分の部分断面図。従来の光センサが形成された半導体基板の平面図及び平面図に示されたＡ−Ａ´部分の部分断面図。従来の光センサが形成された半導体基板の内部構造を説明する断面図。

本発明の光センサは、受光素子領域上を含んでその上部に誘電体多層膜フィルタが形成され、誘電体多層膜フィルタ上において、フォトダイオード周辺部の段差を被覆するよう遮光膜が形成されることを特徴としている。そして、この遮光膜によって、段差部分の上部からの入射光が遮断されるため、段差に起因して当該フィルタからリークすることが想定される遮光波長帯の光が、当該フィルタへ入射すること自体が妨げられる。
以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。

図１乃至図３を参照して実施例１を説明する。
図２に示すように、この実施例の光センサは、シリコン等の半導体基板１に形成されたフォトダイオード等の受光素子１０が複数形成された受光部と、受光素子の出力信号をサンプリング及び増幅する内部回路２０とを備えている。受光素子の内部構造は、図５に記載された従来のものと同じ構成である。

図１は、実施例１の光センサを説明する半導体基板の断面図であり、受光素子周辺部の段差部分とその周辺を示している。図３は、この半導体基板の平面図及び部分段面図である。平面図では、メタル配線の形状を明確に示す為にメタル配線上に配置されたパッシベーション膜、誘電体多層膜フィルタ及び遮光膜は表示しない。部分断面図は、受光部上の略中央部分の断面図である。
半導体基板１の表面にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜を順次形成した後、シリコン窒化膜の一部を除去し、この状態で熱処理を行うことによってシリコン窒化膜が除去された領域にフィールド酸化膜を形成する。その後、熱処理の際にマスクとなった残りのシリコン窒化膜を除去することにより。上記フィールド酸化膜からなる素子分離領域１３を形成し、素子分離領域１３に囲まれた領域を受光部とする。この受光部の表面領域に受光素子が形成される。図１及び図３では受光素子を構成する表面拡散層１２を受光素子そのものとして表示する。その後、半導体基板１上にシリコン酸化膜、ＢＰＳＧなどの層間絶縁膜１４を受光部及び素子分離領域１３を被覆するように形成し、これをパターニングして受光素子を露出させ、更に、層間絶縁膜１４上にメタル配線１５を形成する。メタル配線１５は、半導体基板１に形成された受光素子で生成された信号を半導体基板１に形成された内部回路２０で処理するために用いられる。実施例１では、層間絶縁膜は１層であるが、必要に応じて、更に層間絶縁膜を重ねて多層配線層を形成するようにしてもよい。

次に、メタル配線１５を被覆するように層間絶縁膜１４上にパッシベーション膜１６が形成される。パッシベーション膜１６は、パターニングされ、受光部を露出させることによって受光素子に対応する開口を有する。同様に、層間絶縁膜１４も先のパターニングにより受光素子に対応する開口を有するので、受光素子はこの開口内で露出している。パッシベーション膜１６を形成後、半導体基板１上に露出する受光素子、層間絶縁膜１４、パッシベーション膜１６を被覆するように、光学フィルタとして用いられる誘電体多層膜フィルタ１７を形成する。
そして、この受光部を囲むように誘電体多層膜フィルタ１７上に遮光膜１１が形成される。実施例１では黒レジストを遮光膜１１の材料として用いる。このようにして光センサが形成される。

この誘電体多層膜フィルタ１７は、受光部及びここから離れた素子分離領域１３上は平坦に形成されているが、パッシベーション膜１６や層間絶縁膜１４の開口部分は段差になるので、段差の側壁に形成される誘電体多層膜フィルタ１７の各層は、その積層方向が半導体基板１の表面に対してほぼ垂直に形成される。このような部分が存在すると、外部から受光面に垂直に入射する光に対して、フィルタリングされるべき波長の光がリークしてしまうなど、誘電体多層膜フィルタ１７としての所望のフィルタ特性が得られない。

この実施例では、このフィルタ特性の劣化を補償するものであり、遮光膜１１がこの補償を行う。遮光膜１１は、パッシベーション膜１６および層間絶縁膜１４の開口の端部の上方を覆うように配置されており、受光面に垂直に入射する光の段差部分への入射を妨げ、段差でのフィルタ特性の劣化による光センサの光学特性への影響を補うようになっている。
誘電体多層膜フィルタ１７は、膜厚２０００ナノメートル程度であり、ＳiＯ2、MgF2、Al2O3などの低屈折材料と、Ｎb2Ｏ5、TiO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2などの高屈折率材料とを組み合わせた多層膜から構成され、必要としない波長の光をカットするものである。また、遮光膜１１を構成する材料は、黒レジストなどのレジスト系の材料、ポリイミドを用いることができる。

次に、光センサの製造方法を説明する。
光センサは、半導体基板１に形成されたフォトダイオード等の受光素子１０が複数形成された受光部と、受光素子の出力信号をサンプリング及び増幅する内部回路２０とを備えている（図２参照）。
まず、半導体基板１の表面領域に各受光素子を区画する素子分離領域１３を形成し、区画された領域に表面拡散領層１２を形成することにより複数の受光素子を形成する。次に、半導体基板１上に層間絶縁膜１４を形成する。層間絶縁膜１４は、素子分離領域１３及び受光素子の周辺領域を被覆するが、受光素子の中心部分は被覆しないので、受光素子に対応する開口が形成されている。次に、層間絶縁膜１４上にメタル配線１５を形成する。メタル配線１５は、この開口を囲むように形成されている（図３参照）。次に、メタル配線１５を被覆し、受光素子に対応する開口を有するパッシベーション膜１６を形成する。パッシベーション膜１６の開口の端部は、素子分離領域１３の上方に位置する。次に、パッシベーション膜１６の開口から露出する受光素子上を含み、パッシベーション膜１６及び層間絶縁膜１４を覆って誘電体多層膜フィルタ１７を形成する。次に、層間絶縁膜１４の開口端部の段差部分及びパッシベーション膜の開口端部の段差部分を被覆する誘電体多層膜フィルタ１７の段差部分を被覆するように遮光膜１１を形成する。

以上、この実施例では、受光素子周辺の段差部分を覆って遮光膜を形成することにより、段差部分の上部からの入射光が遮断されるため、フィルタ層においては、その光学特性が設計値からシフトした部分での遮光波長のリークを防ぐことができ、光センサとしての光学特性への影響を無くすことができる。

次に、実施例２を説明する。
この実施例は、誘電体多層膜フィルタ及び遮光膜の材料に特徴がある。即ち、誘電体多層膜フィルタ１７には４００ｎｍ以下の波長の光をカットするＵＶカットフィルタを使用し、遮光膜１１にはポリイミドを用いる（図１参照）。ポリイミドを用いた遮光膜は、紫外線領域を遮光し、可視光・赤外線は透過する。
したがって、ＵＶカットフィルタを使用し、ポリイミド遮光膜を用いると、可視・赤外線波長域の感度を低下させずに所望の光学特性を有する光センサとすることができる。

１・・・半導体基板
１０・・・受光素子
１１・・・遮光膜
１２・・・表面拡散層
１３・・・素子分離領域
１４・・・層間絶縁膜
１５・・・メタル配線
１６・・・パッシベーション膜
１７・・・誘電体多層膜フィルタ
２０・・・内部回路

Claims

半導体基板の表面に形成された受光素子と、前記半導体基板の表面に形成され前記受光素子を区画する素子分離領域と、前記素子分離領域及び前記受光素子の周縁領域を覆って形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成された配線層と、前記配線層を覆って形成されると共に、前記受光素子に対応する開口を有し、前記開口の端部が前記素子分離領域の上方に位置するパッシベーション膜と、前記開口から露出する受光素子上を含み、前記パッシベーション膜を覆って形成された誘電体多層膜フィルタと、前記パッシベーション膜の前記開口の端部を覆っている前記フィルタの領域を覆うように形成された遮光膜とを有することを特徴とする光センサ。
前記誘電体多層膜によってカットする波長は紫外線であり、前記遮光膜はポリイミドからなることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
前記遮光膜は、ポリイミド、黒レジスト、カラーレジストの少なくともいずれか１種を含む材料からなることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。