JP4675948B2

JP4675948B2 - 照度センサ

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Publication number: JP4675948B2
Application number: JP2007252905A
Authority: JP
Inventors: 泰明河合
Original assignee: Oki Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: JP2009088042A

Description

本発明は、可視光を受け、その強度に応じた電流を検出する照度センサに関する。

シリコン基板に形成したフォトダイオードを、可視光領域（波長λ＝４００〜８００ｎｍ）の光を検出する照度センサとして用いると、赤外線領域（波長λ＝８００〜９００ｎｍ）に吸収ピークを持つ感度特性となり、人間の目には暗くても、照度センサは明るいとして検出してしまうため、フォトダイオードにおける赤外線領域の感度を抑制することが課題となっている。

この赤外線領域の感度を抑制するために、従来の照度センサは、Ｐ型シリコン基板の表面にＮ型領域を形成し、Ｐ型領域とＮ型領域との間に形成されるフォトダイオードＰＤ１と、Ｎ型領域とＰ型シリコン基板の間に形成されるフォトダイオードＰＤ２とをシリコン基板の深さ方向に配置し、光の波長の吸収係数がシリコン基板の深さに依存することを利用して、フォトダイオードＰＤ１のピークを可視光領域に、フォトダイオードＰＤ２のピークを赤外線領域に設定し、演算回路を用いてフォトダイオードＰＤ１の出力電流から、所定の引き算倍率係数を乗じたフォトダイオードＰＤ２の出力電流を減じて赤外線領域の感度を低減した感度特性を有する照度センサを形成している（例えば、特許文献１参照。）。

また、焦点調節のための画像を撮像する光学機器用焦点検出装置において、光拡散層として入射光を様々な方向に変更する回折格子を用い、光電変換部上に結像させる瞳像の周辺をぼやけた状態にして透過光利用効率を滑らかに低下させ、アポダイゼイションフィルタと同様の作用を得ているものがある（例えば、特許文献２参照。）。
更に、赤外線式ガス検出器において、赤外線光源から放射された被測定ガスの赤外線吸収波長の赤外線を吸収する赤外線センサと、被測定ガスの赤外線吸収波長と重複しない波長の赤外線を吸収する参照用赤外線センサとを並設し、赤外線光源と、赤外線センサおよび参照用赤外線センサとの間に赤外線透過波長選択素子として回折格子を設け、この回折格子で回折させたそれぞれの波長の一次回折光を、赤外線センサおよび参照用赤外線センサに入射させ、被測定ガスの濃度を検出する場合に、参照用赤外線センサの参照信号に基づいて赤外線センサの検出信号を補正しているものもある（例えば、特許文献３参照。）。
特開２００４−６６９４号公報（主に第３頁段落０００３、第５頁段落００１７−第６頁段落００３５、第１図、第３図、第７図）特開２００５−２５２３９１号公報（主に第４頁段落００２２−第５頁段落００２７、第１図、第３図）特開２００６−７１６０１号公報（主に第１０頁段落００６９−第１１頁段落００７４、第４図）

しかしながら、上述した従来の特許文献１の技術においては、シリコン基板の深さ方向に２つのフォトダイオードを形成し、これらから出力される電流を演算処理して赤外線領域の感度を低減した感度特性を得ているため、深さ方向に２つのフォトダイオードを形成するときの、導電性不純物のプロファイル設定の制御が非常に煩雑になり、それぞれのフォトダイオードの感度特性にバラツキが生じやすくなるという問題がある。

また、２つのフォトダイオードから出力される電流を演算処理する演算回路を必要とするため、照度センサの回路構成が複雑になり、センササイズが大型化するという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するために、照度センサが、導電性不純物を拡散させた半導体基板に、前記半導体基板の一の面に、前記半導体基板の導電性不純物とは逆型の導電性不純物を拡散させて形成されたウェル層と、前記ウェル層の前記一の面側に、前記半導体基板の導電性不純物と同型の導電性不純物を拡散させて形成された拡散層とを有するフォトダイオードと、前記半導体基板の一の面上に、透光性を有する絶縁材料で形成された厚さＬ１の第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層上に、前記第１の絶縁層と同じ絶縁材料で形成された厚さＬ２の第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層の上面に、所定のピッチＰで形成された回折格子と、を備え、可視光領域の検出すべき一の波長である特定の波長をλとしたときに、前記半導体基板の上面に沿った距離Ｘを、

として、前記拡散層の上面の上面中心を、前記回折格子の一のスリットである基準スリットのスリット中心線から、前記距離Ｘの位置に配置し、前記第１の絶縁層の上面に、前記拡散層の幅の上方を覆う信号配線を設けると共に、前記基準スリットで回折された波長λの１次回折光を透過させる間隔を介して、前記基準スリットの下方を覆うカバー配線を設け、前記信号配線とカバー配線との間の間隔を、可視光領域の下限波長以上の間隔で、かつ前記カバー配線が前記基準スリットのスリット幅を超える幅となる間隔以下に設定したことを特徴とする。

これにより、本発明は、信号配線およびカバー配線により高濃度拡散層への０次回折光を遮光して赤外線領域の光の影響を抑制することができ、可視光領域の特定の波長の光の強度に応じた照度を精度よく検出す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の実施例について説明する。

図１は実施例１の照度センサの断面を示す説明図である。
図１において、１は照度センサである。
２は半導体基板としてのシリコン基板であり、シリコン（Ｓｉ）からなる基板にボロン（Ｂ）等のＰ型の導電性不純物（Ｐ型不純物という。）を低濃度に拡散させて形成されている。

３はウェル層としてのＮウェル層であり、シリコン基板２の一の面側にＰ型不純物とは逆型のＮ型の導電性不純物（Ｎ型不純物という。）を比較的深く注入して、Ｎ型不純物を低濃度に拡散させて形成される。
５は拡散層としてのＰ＋拡散層であり、Ｎウェル層３の一の面側にＰ型不純物を比較的浅く注入して、Ｐ型不純物を高濃度に拡散させて形成され、Ｎウェル層３に周囲を囲まれた幅Ｗを有する矩形の領域に形成される。

６は拡散層としてのＮ＋拡散層であり、Ｎウェル層３の一の面にＮ型不純物を比較的浅く注入して、Ｎ型不純物を高濃度に拡散させて形成され、Ｎウェル層３に周囲を囲まれた状態で、スリット中心線ＣＬｓのＰ＋拡散層５を挟んだ反対側で、Ｐ＋拡散層５から離間した位置に形成されている。
上記のＮウェル層３、およびその内部に形成されたＰ＋拡散層５とＮ＋拡散層６により本実施例のフォトダイオード８が形成される。

また、本実施例の照度センサ１は、上記のフォトダイオード８をスリット中心線ＣＬｓを中心として対称に配置した、２つのフォトダイオード８ａ、８ｂを備えている。
１１は第１の絶縁層であり、半導体基板２の一の面上に、ＣＶＤ法等により酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等の透光性を有する絶縁材料で成膜された、フォトダイオード８ａ、８ｂ上を覆う厚さＬ１（本実施例では、Ｌ１＝１０００ｎｍ）の絶縁膜である。

１２は第２の絶縁層であり、第１の絶縁層１１上に、第１の絶縁層１１と同じ成膜条件を用いて、同じ絶縁材料で成膜された厚さＬ２（本実施例では、Ｌ２＝１５００ｎｍ）の絶縁膜である。
１３はコンタクトプラグであり、第１の絶縁層１１を貫通してフォトダイオード８ａ、８ｂのそれぞれのＰ＋拡散層５およびＮ＋拡散層６に達する貫通穴として形成されたコンタクトホールに、スパッタ法等によりアルミニウム（Ａｌ）やタングステン（Ｗ）等の導電性を有する金属材料を埋め込んで形成された導電プラグである。

１５ａ、１５ｂは信号配線であり、第１の絶縁層１１上に、スパッタ法等によりコンタクトプラグ１３と同様の金属材料で形成された金属配線層をエッチングして形成され、信号配線１５ａはコンタクトプラグ１３を介してＰ＋拡散層５と、信号配線１５ｂはコンタクトプラグ１３を介してＮ＋拡散層６と、それぞれ電気的に接続している。
１６はカバー配線であり、第１の絶縁層１１上の左右の信号配線１５ａの間の中央に、それぞれの信号配線１５ａと所定の間隔Ｔを介して配置されており、信号配線１５ａ、１５ｂを形成するときに、これらを形成するための金属配線層を同時にエッチングして形成され、フローティング状態にされている。

１８は回折格子であり、第２の絶縁層１２上に、金属材料で形成された不透光の桟１８ａと、光を透過させるスリット幅Ｓのスリット１８ｂとを、交互に所定のピッチＰで配置して形成され、カバー配線１６および左右の信号配線１５ａ、１５ｂの上方に配置されている。
このような回折格子１８は、第２の絶縁層１２上に、信号配線１５ａ、１５ｂと同様の金属材料で形成された金属配線層をエッチングして形成される図示しない配線パターンと同時に形成され、フローティング状態にされている。

上記の回折格子１８は、入射光の波長に応じた回折角θで複数の次数の回折光に回折させる機能を有しており、そのときの光の波長λと回折角θとの関係は、回折格子１８の所定のピッチをＰとし、次数をｎとすると、
Ｐｓｉｎθ＝ｎλ （ｎ＝０、１，２，３．．．．）・・・・・・・・（１）
で表される。

本実施例の照度センサ１は、可視光領域（λ＝４００〜８００ｎｍ）の一の波長である特定波長の回折光の中で、最も多くのエネルギを有する１次（ｎ＝１）の回折光を検出するので、所定のピッチＰは、検出すべき特定波長（本実施例では、λ＝５５０ｎｍ）を超え、可視光領域の上限波長（λ＝８００ｎｍ）以下の範囲で設定される。
このように設定すれば、式（１）を変形した
ｓｉｎθ＝ｎλ／Ｐ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１ａ）
より、ピッチＰを８００ｎｍ以下に設定してあるので、波長λ＝８００ｎｍを超える赤外光領域の光が入射したときに、λ／Ｐ-＞１となって、ｎ＝０（θ＝０）以外の解が存在しなくなり、赤外光領域の光の１次以上の回折光を除去して、図１に太い破線で示した０次回折光のみとすることができ、ピッチＰを５５０ｎｍを超えるように設定してあるので、本実施例の特定波長（λ＝５５０ｎｍ）の光の２次以上の回折光を発生させないようにすることができる。

このため、本実施例の回折格子１８のピッチＰはＰ＝７２０ｎｍに設定されている。
また、フォトダイオード８ａ、８ｂの受光面であるＰ＋拡散層５の上面の上面中心Ｃｊは、回折格子１８の一のスリット１８ｂ（基準スリットＫという。）のスリット中心線ＣＬｓと、第２の絶縁層１２の上面との交点Ｂｓを基準として、特定波長λの１次回折光の回折角θにおける半導体基板２の上面に沿った距離Ｘの位置に配置する。

この場合の距離Ｘは、以下のようにして求められる。
すなわち、式（１）から、次数ｎ＝１とすると、
Ｐｓｉｎθ＝λ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
なる関係が得られ、第１の絶縁層１１の厚さＬ１と第２の絶縁層１２の厚さＬ２とから、Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２とすると、ｓｉｎθは

で表され、これを式（２）に代入すると、

から、距離Ｘは、

で求められる。
本実施例では、λ＝５５０ｎｍ、Ｐ＝７２０ｎｍ、Ｌ１＝１０００ｎｍ、Ｌ２＝１５００ｎｍであるので、式（５）より、Ｘ＝２９５９ｎｍとなる。

従って、フォトダイオード８ａ、８ｂのそれぞれのＰ＋拡散層５の上面の上面中心Ｃｊは、回折格子１８の基準スリットＫのスリット中心線ＣＬｓから半導体基板２の上面に沿ってＸ＝２９５９ｎｍの位置に対称に配置される。
このような位置に配置されたフォトダイオード８ａ、８ｂのＰ＋拡散層５の上方の第１の絶縁層１１の上面には、Ｐ＋拡散層５の幅Ｗと同等以上の幅で形成された、Ｐ＋拡散層５の上方を覆う信号配線１５ａが配置され、赤外線領域の波長を含む光の０次回折光が、Ｐ＋拡散層５の上面へ直接入射することを防止する。

このため、第１の絶縁層１１の厚さＬ１は、Ｌ１＞Ｗ／（２ｔａｎθ）で、かつ配線間の絶縁容量が回路動作上の許容範囲以上となるように設定される。
また、信号配線１５ａのスリット中心線ＣＬｓ側に間隔Ｔを介して配置されるカバー配線１６は、少なくとも基準スリットＫのスリット幅Ｓの下方を覆うように配置され、基準スリットＫからの０次回折光が、第１の絶縁層１１へ入射することを防止する。

この場合に、間隔Ｔは、基準スリットＫで回折された特定波長の光の１次回折光を透過させる位置となるように配置され、その間隔Ｔは、可視光領域の下限波長（λ＝４００ｎｍ）以上の間隔で、カバー配線１６の幅が、基準スリットＫのスリット幅Ｓを超える幅となる間隔以下に設定される。
このようにすれば、可視光領域の光が、間隔Ｔの間を通過するときに回折することを防止することができ、基準スリットＫで回折された特定波長の光の１次回折光の直進性を損なうことはなく、カバー配線１６の幅を基準スリットＫからの０次回折光の遮光に有効な幅とすることができるからである。

また、本実施例の第１および第２の絶縁層１１、１２は、同じ成膜条件を用いて、同じ絶縁材料で形成されているので、第１の絶縁層１１と第２の絶縁層１２との境界における屈折の影響は無視できる。
上記のように構成された本実施例の照度センサ１においては、フォトダイオード８ａ、８ｂのそれぞれのＰ＋拡散層５とＮ＋拡散層６との間に、所定の電圧を印加してＰ＋拡散層５のＮウェル層３との界面の近傍に空乏層を形成しておき、回折格子１８の上方から光を入射させると、主に回折格子１８で回折された特定波長の光の１次回折光が、Ｐ＋拡散層５の上面から回折角θで入射し、発生したキャリアの電流値を信号配線１５ａ、１５ｂを介して検出すれば、特別な演算回路を設けることなく、特定波長の可視光の強度に応じた照度を検出することが可能になる他、特別な演算回路が不要であるので、照度センサ１の小型化を図ることができる。

また、本実施例の信号配線１５ａは、Ｐ＋拡散層５の上方を覆っており、カバー配線１６が、基準スリットＫから第１の絶縁層１１への０次回折光を遮光しているのでので、赤外線領域の光が直接入射することはなく、赤外線領域の光の影響を抑制して可視光領域の光の強度を精度よく検出することができる。
更に、本実施例では、Ｐ＋拡散層５およびＮ＋拡散層６に接続するコンタクトプラグ１３を、スリット中心線ＣＬｓの反対側に配置してあるので、Ｐ＋拡散層５の上面への１次回折光の入射を妨げることはなく、フォトダイオード８ａ、８ｂから出力される電流を増加させることができる。

更に、本実施例の信号配線１５ａ、１５ｂには微弱な電流が流れ、他のカバー配線１６や回折格子１８はフローティング状態にされていので、信号配線１５ａ、１５ｂに流れる電流により形成される磁界による影響を、無視できる程度に小さくすることができる。
なお、本実施例では、フォトダイオード８は、基準スリットＫのスリット中心線ＣＬｓの両側に対称に配置するとして説明したが、本実施例の照度センサ１は、特別な演算回路を設ける必要がないので、いずれか一方のフォトダイオード８を設ければ、上記と同様の作用を得ることができると共に、照度センサ１の更なる小型化を図ることが可能になる。

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て形成された半導体基板に、半導体基板の一の面に、Ｐ型不純物とは逆型のＮ型不純物を拡散させて形成されたＮウェル層と、Ｎウェル層の一の面側にＰ型不純物を拡散させて形成されたＰ＋拡散層とを有するフォトダイオードと、半導体基板の一の面上に透光性を有する絶縁材料で形成された厚さＬ１の第１の絶縁層と、第１の絶縁層上に第１の絶縁層と同じ絶縁材料で形成された厚さＬ２の第２の絶縁層と、第２の絶縁層の上面に所定のピッチＰで形成された回折格子とを備えた照度センサにおいて、可視光領域の検出すべき一の波長である特定波長をλとしたときに、半導体基板の上面に沿った距離Ｘを、

として、Ｐ＋拡散層の上面の上面中心Ｃｊを、回折格子の一のスリットである基準スリットＫのスリット中心線ＣＬｓから距離Ｘの位置に配置し、第１の絶縁層の上面に、Ｐ＋拡散層の幅Ｗの上方を覆う信号配線を設けると共に、基準スリットＫで回折された波長λの１次回折光を透過させる間隔Ｔを介して、基準スリットＫの下方を覆うカバー配線を設け、その間隔Ｔを、可視光領域の下限波長以上の間隔で、かつカバー配線が基準スリットのスリット幅を超える幅となる間隔以下に設定したことによって、信号配線およびカバー配線によりＰ＋拡散層への０次回折光を遮光して赤外線領域の光の影響を抑制することができ、特別な演算回路を設けることなく、可視光領域の特定波長の光の強度に応じた照度を精度よく検出することができる。

図２は実施例２の照度センサの断面を示す説明図である。
なお、上記実施例１と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施例の第２の絶縁層１２の上面には、スリット中心線ＣＬｓを中心として対称に配置されたフォトダイオード８ａ、８ｂのそれぞれのＰ＋拡散層５のスリット中心線ＣＬｓ側の端面間の領域の上方に開口部２１ａを有し、フォトダイオード８ａ、８ｂの形成領域を覆う遮光カバー２１が形成されており、その遮光カバー２１の開口部２１に、上記実施例１と同様に構成された回折格子１８が設けられている。

このような遮光カバー２１および回折格子１８は、第２の絶縁層１２上に、上記実施例１と同様に、図示しない配線パターンを形成するときの金属配線層のエッチングにより同時に形成され、フローティング状態にされている。
このようにすれば、上記実施例１と同様の効果に加えて、遮光カバーにより照度センサの外部から内部に入射する光を遮光することができ、赤外線領域の光の影響を更に抑制することができる。

なお、本実施例では、第２の絶縁層１２の上面に遮光カバー２１のみを設けるとして説明したが、図３に示すように、フォトダイオード８ａ、８ｂのそれぞれの信号配線１５ａと、遮光カバー２１との間を接続するフローティング状態の複数の柱状プラグ２５を設け、これらの柱状プラグ２５を互いの隙間を覆うように千鳥状に配置するようにしてもよい。

このような柱状プラグ２５は、第２の絶縁層１２を貫通して第１の絶縁層１１上の信号配線１５ａ、１５ｂに達する図示しないビアプラグを形成するときに、ビアプラグと同形状にして、同時に形成するとよい。
このようにすれば、上記と同様の効果に加えて、フォトダイオードの形成領域以外の周辺回路等からの光の入射を防止することができる。

なお、本実施例において、フォトダイオード８を一つにした照度センサ１を形成するときは、第２の絶縁層１２の上面に形成する遮光カバー２１の開口部２１ａを、フォトダイオード８をスリット中心線ＣＬｓを中心として対称に配置したときに、それぞれのＰ＋拡散層５のスリット中心線ＣＬｓ側の端面間となる領域の上方に配置し、その開口部２１ａに回折格子１８を設けるようにするとよい。

また、柱状プラグ２５は、第１の絶縁層１１の上面の、信号配線１５ａをスリット中心線ＣＬｓを中心として対称に配置したときに信号配線１５ａとなる領域にダミー配線を設け、このダミー配線および信号配線１５ａと、遮光カバー２１とを接続するように千鳥状に配置した複数の柱状プラグを形成するとよい。
上記各実施例においては、高濃度拡散層は、Ｐ型不純物を拡散させて形成するとして説明したが、半導体基板および各拡散層に拡散させる導電性不純物をそれぞれ逆型にして、高濃度拡散層にＮ型の不純物を高濃度に拡散させて形成しても、上記と同様の効果を得ることができる。

また、上記各実施例においては、回折格子は第２の絶縁層上に形成するとして説明したが、絶縁層が３以上ある場合には、第２の絶縁層より上の絶縁層に回折格子を形成するようにしてもよい。

実施例１の照度センサの断面を示す説明図実施例２の照度センサの断面を示す説明図実施例２の照度センサの他の態様を示す説明図

符号の説明

１照度センサ
２半導体基板
３Ｎウェル層
５Ｐ＋拡散層
６Ｎ＋拡散層
８、８ａ、８ｂフォトダイオード
１１第１の絶縁層
１２第２の絶縁層
１３コンタクトプラグ
１５ａ、１５ｂ信号配線
１６カバー配線
１８回折格子
１８ａ桟
１８ｂスリット
２１遮光カバー
２１ａ開口部
２５柱状プラグ

Claims

導電性不純物を拡散させた半導体基板に、前記半導体基板の一の面に、前記半導体基板の導電性不純物とは逆型の導電性不純物を拡散させて形成されたウェル層と、前記ウェル層の前記一の面側に、前記半導体基板の導電性不純物と同型の導電性不純物を拡散させて形成された拡散層とを有するフォトダイオードと、
前記半導体基板の一の面上に、透光性を有する絶縁材料で形成された厚さＬ１の第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層上に、前記第１の絶縁層と同じ絶縁材料で形成された厚さＬ２の第２の絶縁層と、
前記第２の絶縁層の上面に、所定のピッチＰで形成された回折格子と、を備え、
可視光領域の検出すべき一の波長である特定の波長をλとしたときに、前記半導体基板の上面に沿った距離Ｘを、

として、
前記拡散層の上面の上面中心を、前記回折格子の一のスリットである基準スリットのスリット中心線から、前記距離Ｘの位置に配置し、
前記第１の絶縁層の上面に、前記拡散層の幅の上方を覆う信号配線を設けると共に、前記基準スリットで回折された波長λの１次回折光を透過させる間隔を介して、前記基準スリットの下方を覆うカバー配線を設け、
前記信号配線とカバー配線との間の間隔を、可視光領域の下限波長以上の間隔で、かつ前記カバー配線が前記基準スリットのスリット幅を超える幅となる間隔以下に設定したことを特徴とする照度センサ。
請求項１において、
前記フォトダイオードおよび前記第１の絶縁層の上面の前記信号配線を、前記スリット中心線を中心として対称に配置すると共に、
前記第２の絶縁層の上面に、それぞれのフォトダイオードの前記拡散層の前記スリット中心線側の端面間の領域の上方に開口部を有する遮光カバーを設け、
前記遮光カバーの開口部に、前記回折格子を設けたことを特徴とする照度センサ。
請求項２において、
前記それぞれの信号配線と、前記遮光カバーとを接続する複数の柱状プラグを設け、
前記柱状プラグを、互いの隙間を覆うように千鳥状に配置し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２の絶縁層の上面に、開口部を有する遮光カバーを設け、
前記開口部を、前記フォトダイオードを前記スリット中心線を中心として対称に配置したときに、それぞれのフォトダイオードの前記拡散層の前記スリット中心線側の端面間となる領域の上方に配置し、
前記遮光カバーの開口部に、前記回折格子を設けたことを特徴とする照度センサ。
請求項４において、
前記第１の絶縁層の上面の、前記信号配線を前記スリット中心線を中心として対称に配置したときに前記信号配線となる領域にダミー配線を設けると共に、
前記信号配線およびダミー配線と、前記遮光カバーとを接続する複数の柱状プラグを設け、
前記柱状プラグを、互いの隙間を覆うように千鳥状に配置したことを特徴とする照度センサ。
請求項１ないし請求項５のいずれか一項において、
前記拡散層と、前記信号配線とを電気的に接続するコンタクトプラグを設け、
前記コンタクトプラグを、前記スリット中心線の反対側に配置したことを特徴とする照度センサ。