JP3018669B2 - 半導体センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光信号読み出し用のフ
ォトセンサとセンサ出力の増幅部とを具備する薄膜積層
構造の半導体センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、フォトダイオードを有して成るフ
ォトセンサとしては、フォトダイオードの感度を上げる
とともに、センサ全体の面積を減少させる構造として、
ガラス基板上にフォトダイオードを形成し、更にフォト
ダイオード上に電荷蓄積用のコンデンサを積層し、ガラ
ス基板下面より光が入射するフォトセンサが提案されて
いる（特開昭５９ー１３８３７１号公報参照）。

【０００３】他方、図８に示すように、フォトダイオー
ドからの出力を増幅して取り出すため、単結晶シリコン
基板１上に集積された増幅回路上にフォトダイオードを
積層した構造の半導体センサが提案されている（ＩＥＥ
Ｅ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｏｒ
ｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，ＶＯＬ．３７，Ｎｏ．６，ＪＵ
ＮＥ，１９９０，ｐｐ１４３２〜１４３８ 文献参
照）。この半導体センサは、単結晶シリコン基板１上
に、拡散層２，絶縁膜層３，多結晶シリコン４，配線層
５から成る増幅器１０、この増幅器１０上に層間絶縁膜
６を介して金属膜で形成された下部電極７，ＳｉＯ₂ 膜
８ａ，半導体層８ｂ，透明導電膜９で形成された透明電
極９を積層して構成されたフォトダイオードから成るセ
ンサ部２０から構成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の構成によると以下のような欠点があった。すなわ
ち、前記フォトセンサによると、ガラス基板上にフォト
ダイオード及び電荷蓄積用のコンデンサを順次積層し、
ガラス基板下面より光が入射する構造となるので、入射
光がガラス基板を透過する際に影響を受け、フォトダイ
オードで入射光を検出するとき、検出波長帯の短波長
側、特に紫外線域での感度がなくなり広い波長域での光
の読み取りに不利であった。特に、医療用に使用される
センサのように紫外線領域の光についての情報が必要な
場合、該領域の光の感度がなくなってしまう。

【０００５】また、単結晶シリコン基板１上に集積され
た増幅回路１０上にセンサ部２０を積層した場合、電荷
蓄積用コンデンサはフォトダイオードの寄生容量で代用
しているため、高感度化を図ることができない。更に、
センサ部２０の下部電極 に覆われていない部分に形成
された増幅回路１０の回路素子部に光が入射し、不要な
キャリアの発生によるラッチアップ等により増幅回路１
０の動作不安定を生じさせるという問題点があった。

【０００６】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、センサの高感度化を図るとともに、増幅回路の安定
性を向上させることができる半導体センサを提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するべく
請求項１の半導体センサは、半導体基板を有する駆動回
路部と、センサ部と、コンデンサ部と、を具備すること
を特徴としている。センサ部は、前記駆動回路上に設け
られ、光を感受して電荷量に変換する。コンデンサ部
は、前記駆動回路部と前記センサ部との間に設けられ、
前記駆動回路部に入射する少なくとも一部の光を遮断
し、且つ前記センサ部からの電荷を蓄積する。

【０００８】請求項２の半導体センサは、請求項１にお
いて、駆動回路部は、半導体基板上に設けられた少なく
とも１つの第１層間絶縁膜と、この第１層間絶縁膜上に
形成された第１配線層と、を具備することを特徴として
いる。

【０００９】請求項３の半導体センサは、請求項１にお
いて、さらに第２層間絶縁膜と、この第２層間絶縁膜上
に形成された第２配線層とを具備し、この第２配線層
は、前記コンデンサ部と相まって前記駆動回路部に入射
する少なくとも一部の光を遮断することを特徴としてい
る。

【００１０】請求項４の半導体センサは、請求項１にお
いて、駆動回路部は、前記センサ部からのアナログ信号
を処理するアナログ回路部と、デジタル信号を処理する
デジタル回路部とを有し、前記コンデンサ部は、前記ア
ナログ回路部に入射する少なくとも一部の光を遮断する
ことを特徴としている。

【００１１】請求項５の半導体センサは、請求項１にお
いて、半導体基板はシリコン単結晶から成ることを特徴
としている。

【００１２】請求項６の半導体センサは、請求項１にお
いて、センサ部は、下部電極と、この下部電極上に形成
された半導体層と、この半導体層上に形成された透光性
の上部電極とから構成されたことを特徴としている。

【００１３】請求項７の半導体センサは、請求項６にお
いて、コンデンサ部は、コンデンサ電極と、このコンデ
ンサ電極と前記センサ部の下部電極との間に配置された
誘電体層とを有することを特徴としている。

【００１４】

【作用】本発明の半導体センサによれば、電荷蓄積用の
コンデンサ部上にセンサ部を形成するので、半導体セン
サ平面の面積は、センサ部或いはコンデンサ部のいずれ
かの面積で決まり、半導体センサの小型化，高感度化及
び高集積化を図るのに有利な構造とすることができる。
また、駆動回路部とセンサ部との間にコンデンサ部を設
け、反半導体基板側から光が入射するようにしたので、
入射光が半導体基板材料の影響を受けずセンサ部による
検出波長帯域が拡大する。

【００１５】また、センサ部，コンデンサ部或いは駆動
回路部の配線層の一部のいずれか、またはその組合わせ
を遮光層とすることにより、前記駆動回路部に入射する
少なくとも一部の光を遮断する。

【００１６】

【実施例】次に本発明の半導体センサの一実施例につい
て図１，図２及び図３を参照しながら説明する。図２は
一画素分の半導体センサの平面説明図であり、図１は図
２のＡ−Ａ線断面説明図である。半導体センサは、半導
体基板となる単結晶シリコン基板１上に形成された駆動
回路部１０と、光信号を電気信号に変換するセンサ部２
０と、変換された電気信号を蓄積するための電荷蓄積用
コンデンサ部３０とから構成されている。この半導体セ
ンサは、図１の表裏方向（図２の上下方向）に複数個配
設されることにより、センサアレイを形成している。

【００１７】単結晶シリコン基板１面には、４つの拡散
層１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ及びＳｉＯ2から成
る絶縁層１２が形成され、拡散層１１ａ，１１ｂ，１１
ｃ，１１ｄ間には、トランジスタＴ1，Ｔ2，Ｔ3のゲー
ト電極となる多結晶シリコン層１３ａ，１３ｂ，１３ｃ
が形成されている。前記拡散層１１ａは、センサ部２０
を構成するフォトダイオードのアノード側及びコンデン
サ部３０の下部電極３１に接続されるとともに、前記多
結晶シリコン層１３ｂには配線層１４ａが接続されてい
る。拡散層１１ｂには、駆動回路１０に一定電圧を供給
するための配線１４ｂが接続されている。拡散層１１ｃ
には、駆動回路部１０の出力線となる配線１４ｃが接続
されている。また、多結晶シリコン層１３ａには、配線
１４ｄを介して制御信号が印加され、多結晶シリコン層
１３ｃには、配線１４ｅを介して制御信号が印加されて
いる。また、各配線層１４間には層間絶縁膜１６が形成
されている。

【００１８】駆動回路部１０上には、画素毎に個別化さ
れた誘電体層３２を、同じく画素毎に個別化された下部
電極３１と上部電極３３とで挟んで成るコンデンサ部３
０が形成されている。コンデンサ部３０上には、画素毎
に個別化された半導体層２１及び透明電極２２が積層さ
れ、該透明電極２２と前記コンデンサ部の上部電極３３
とで半導体層２１を挟むことによりフォトダイオードか
ら成るセンサ部２０を構成している。前記コンデンサ部
３０の上部電極３２には、図１の表裏方向（図２の上下
方向）に帯状となる共通電極３４が接続され、この共通
電極３４にはフォトダイオードのバイアス電圧が印加さ
れている。また、センサ部２０の透明電極２２は、絶縁
層２３に形成されたコンタクト孔２４を介してそれぞれ
個別引き出し線２５に接続され、該個別引き出し電極２
３は前記コンデンサ部３０の下部電極３１に接続されて
いる。また、半導体センサ全体は保護のためのパシベー
ション膜２６で被覆されている。センサ部２０を構成す
るフォトダイオードは、上部電極３２をコンデンサ部３
０の電極と共通とし、下部電極３１とセンサ部２０の透
明電極２２に接続される引き出し配線２５が接続されて
いる。また、コンデンサ部３０の下部電極３１及び上部
電極３２と引き出し配線２５とにより、駆動回路部１０
が遮光されるようになっている。

【００１９】従って、上記構造の半導体センサの等価回
路図は、図３のように、センサ部２０とコンデンサ部３
０とが並列に接続されている。トランジスタＴ2のゲー
ト電極１３ｂは、配線１４ａを介してセンサ部２０及び
コンデンサ部３０に接続されている。また、トランジス
タＴ1及びトランジスタＴ2に接続される配線１４ｂには
一定電圧が印加されるとともに、トランジスタＴ1，Ｔ3
のゲート（多結晶シリコン層１３ａ，１３ｃ）には、そ
れぞれ配線１４ａ，配線１４ｃを介して交互にクロック
信号（制御信号）が印加するようになっているので、セ
ンサ部２０のアノード側の電位を転送及び増幅してトラ
ンジスタＴ3の出力端ＶCに出力させるよう動作する。

【００２０】次に、上記構造の半導体センサの製造プロ
セスについて説明する。単結晶シリコン基板１上に、デ
バイス製造領域と他の部分を分離するため、マスクを用
いて厚いＳｉＯ₂ 膜から成る絶縁膜１２を形成する。前
記マスクを除去して全体を酸化させ、薄い酸化膜から成
る層間絶縁膜１６ａを形成する。次に、ポリシリコンを
着膜しフォトリソ及びエッチング法でパターニングして
多結晶シリコン膜１３を形成する。次いで、前記多結晶
シリコン膜１３及びマスクを用いて上部よりイオンを打
込み拡散層１１を形成する。全体を覆うように層間絶縁
膜１６ｂを着膜し、拡散層１１ａ，１１ｂ，１１ｃに対
応する部分にフォトリソ及びエッチング法によりコンタ
クト孔１７を形成する。金属膜を着膜し、フォトリソ及
びエッチング法によりパターニングして配線１４ａ，１
４ｂ，１４ｃを形成する。更に、平坦化のため層間絶縁
膜１６ｃを着膜する。

【００２１】配線１４ａに対応する層間絶縁膜１６ｃに
コンタクト孔１８を形成した後、アルミニウム等の金属
膜を蒸発及びデポジションさせ、フォトリソ及びエッチ
ング法によりパターニングしてコンデンサ部３０の一部
となる方形状の下部電極３１を形成する。ＳｉＮｘをＣ
ＶＤ等で着膜し、フォトリソ及びエッチング法にパター
ニングしてコンデンサ部３０の誘電体層３２を形成す
る。次いで、アルミニウム等の金属膜を蒸発及びデポジ
ションさせ、フォトリソ及びエッチング法によりパター
ニングしてコンデンサ部３０を構成する方形状の上部電
極３３を形成する。

【００２２】次に、半導体膜をＣＶＤ法で着膜し、続い
て酸化インジウム・スズ等の透明導電膜を蒸着及びデポ
ジションし、フォトリソ法によりレジストパターンを形
成し、該レジストパターンを用いたエッチング処理によ
りそれぞれパターニングしてセンサ部２０の半導体層２
１及び透明電極２２を形成する。

【００２３】絶縁膜をＣＶＤ法またはスピンナー法で着
膜し、フォトリソ及びエッチング法によりパターニング
して絶縁層２３及びコンタクト孔２４を形成した後、ア
ルミニウム等の配線材料を蒸着し、フォトリソ及びエッ
チング法によりパターニングして引き出し配線２５及び
共通電極３４を形成する。最後に保護膜として全体を覆
うように、パシベーション膜２６を形成する。

【００２４】上記した構造の半導体センサによれば、単
結晶シリコン基板１上に駆動回路部１０，コンデンサ部
３０，センサ部２０の順に縦方向に重ねて配置したの
で、下部電極３１，誘電体層３２，上部電極３３で形成
されるフォトダイオードの面積は、センサ部２０とコン
デンサ部３０が同一平面上に形成される場合に比較して
小さくすることができ、高感度で小型，高集積の半導体
センサを実現することができる。また、反単結晶基板１
側からセンサ部２０へ光が入射するようにしたので、基
板を介すことなくセンサ部２０に光が入射し、基板材料
により検出波長域の短波長側の感度が低くなることがな
く、検出波長域の広い半導体センサを実現することがで
きる。単結晶シリコン基板１上に集積された駆動回路部
１０は、コンデンサ部３０の下部電極３１及び上部電極
３３と引き出し配線２５とにより遮光されているので、
センサ部２０の受光面以外の部分において光学的な影響
を防止し駆動回路部１０の安定性を確保することができ
る。

【００２５】また、センサ部２０のフォトダイオードと
コンデンサ部３０のコンデンサとは、図３に示すよう
に、並列に接続されているので、特に電荷蓄積モードで
使用する場合のダイナミックレンジを広くでき、フォト
ダイオードの感度を向上させることができる。更に、単
結晶シリコン基板１上に駆動回路１０，コンデンサ部３
０，センサ部２０を集積させたので、センサ部２０から
の信号を直接増幅することができ、ＳＮ比の向上を図る
ことができる。

【００２６】図４及び図５は本発明の他の実施例を示す
もので、２層メタルプロセスを使用して半導体センサを
形成したものである。図４は図５のＢ−Ｂ線断面説明図
である。本実施例では、層間絶縁膜１６ｄを介して２層
配線層１９を形成して２層の配線構造としている。従っ
て、アナログ・デジタル変換器のように多くの素子を必
要とする回路を単結晶シリコン基板１上に集積すること
ができる。すなわち、単結晶シリコン基板１上に形成さ
れた駆動回路部１０のデジタル回路１０ａ上にコンデン
サ部３０及びセンサ部２０を形成している。また、駆動
回路部１０のデジタル回路１０ａ及びアナログ回路１０
ｂを遮光する遮光層としては、２層配線層１９，コンデ
ンサ部３０の下部電極３１及び上部電極３３，センサ部
２０に接続される引き出し配線２５及び共通電極３４を
用いている。本実施例では、デジタル回路１０ａ上にコ
ンデンサ部３０及びセンサ部２０を形成したが、アナロ
グ回路１０ｂ上に形成してもよいことは勿論である。図
中、図１と同一符号を付した部分は同一の回路部を構成
しており、各部分の説明及び製造プロセスの説明を省略
する。

【００２７】図６及び図７は本発明の他の実施例を示す
もので、図４及び図５と同様に２層メタルプロセスを使
用している。図６は図７のＣ−Ｃ線断面説明図である。
本実施例では、デジタル回路１０ａ及びアナログ回路１
０ｂを構成する各２層配線層１９，１９を中央側に延長
形成し、これにより駆動回路図１０のデジタル回路１０
ａ及びアナログ回路１０ｂの遮光を行なう。他の構成は
図４及び図５の半導体センサと同様であるので、同一符
号を付して説明を省略する。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、駆動回路上にコンデン
サ部及びセンサ部を積層する構造としたので、センサ部
の高密度化が達成できるともにセンサ部からの信号を直
接増幅することができるので、半導体センサの高集積化
及び高感度化を図ることができる。また、センサ部やコ
ンデンサ部若しくは駆動回路部を構成する電極や配線を
遮光膜として用いることにより、基板上に形成された駆
動回路部の素子を光学的妨害から保護することができ、
半導体センサの安定性を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る半導体センサの一実施例を示す
断面説明図である。

【図２】 図１の半導体センサの平面説明図である。

【図３】 半導体センサの等価回路図である。

【図４】 半導体センサの他の実施例を示す断面説明図
である。

【図５】 図４の半導体センサの全体をあらわす平面図
である。

【図６】 半導体センサの他の実施例を示す断面説明図
である。

【図７】 図６の半導体センサの全体をあらわす平面図
である。

【図８】 従来の半導体センサの断面説明図である。

【符号の説明】

１…単結晶シリコン基板、 １０…駆動回路部、 １０
ａ…デジタル回路、１０ｂ…アナログ回路、 １４…配
線層、 １６…層間絶縁膜、 １９…２層配線層、 ２
０…センサ部、 ２１…半導体層、 ２２…透明電極、
２３…絶縁層、２５…引き出し配線、 ３０…コンデ
ンサ部、 ３１…下部電極、 ３２…誘電体層、 ３３
…上部電極、 ３４…共通電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 27/146 H04N 5/335

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板を有する駆動回路部と、この
   駆動回路上に設けられ、光を感受して電荷量に変換する
   センサ部と、前記駆動回路部と前記センサ部との間に設
   けられ、前記駆動回路部に入射する少なくとも一部の光
   を遮断し、且つ前記センサ部からの電荷を蓄積するコン
   デンサ部と、を具備する半導体センサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体センサにおいて、
   駆動回路部は、半導体基板上に設けられた少なくとも１
   つの第１層間絶縁膜と、この第１層間絶縁膜上に形成さ
   れた第１配線層と、を具備する半導体センサ。
3. 【請求項３】 請求項１記載の半導体センサにおいて、
   さらに第２層間絶縁膜と、この第２層間絶縁膜上に形成
   された第２配線層とを具備し、この第２配線層は、前記
   コンデンサ部と相まって前記駆動回路部に入射する少な
   くとも一部の光を遮断する半導体センサ。
4. 【請求項４】 請求項１記載の半導体センサにおいて、
   駆動回路部は、前記センサ部からのアナログ信号を処理
   するアナログ回路部と、デジタル信号を処理するデジタ
   ル回路部とを有し、前記コンデンサ部は、前記アナログ
   回路部に入射する少なくとも一部の光を遮断する半導体
   センサ。
5. 【請求項５】 請求項１記載の半導体センサにおいて、
   半導体基板はシリコン単結晶から成る半導体センサ。
6. 【請求項６】 請求項１記載の半導体センサにおいて、
   センサ部は、下部電極と、この下部電極上に形成された
   半導体層と、この半導体層上に形成された透光性の上部
   電極とから構成された半導体センサ。
7. 【請求項７】 請求項６記載の半導体センサにおいて、
   コンデンサ部は、コンデンサ電極と、このコンデンサ電
   極と前記センサ部の下部電極との間に配置された誘電体
   層とを有する半導体センサ。