JP5059476B2 - 半導体装置、光測定装置、光検出装置、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置、光測定装置、光検出装置、及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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本発明は半導体装置、光測定装置、光検出装置、及び半導体装置の製造方法に係り、特に、受光部からの出力信号に基づいて処理を行う信号処理部に入射する光を遮る半導体装置、半導体装置を用いた光測定装置、半導体装置を用いた光検出装置、半導体装置の製造方法に関する。
近年、フロンガスの外気への放出等の環境汚染により、オゾン層が破壊されつつあり、今までオゾン層によって吸収されていた人体に有害な紫外線（ＵＶ：Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）が、以前に比べてより多く地表面に達するようになった。
紫外線は波長の長さにより、ＵＶ−Ａ（紫外線Ａ波：３１５ｎｍ−４００ｎｍ）、ＵＶ−Ｂ(紫外線Ｂ波：２８０ｎｍ−３１５ｎｍ)、ＵＶ−Ｃ(紫外線Ｃ波：１００−２８０ｎｍ)に分けられる。ＵＶ−Ｃはオゾン層で吸収され、地上に達することはない。従って、ＵＶ−ＡとＵＶ−Ｂとが、日常、人体が浴びている紫外線である。これら紫外線から人体を保護する上で、紫外線量を検知することは重要であり、１９９５年に世界保健機構等が毎日の紫外線量の指標となる「ＵＶ Ｉｎｄｅｘ」を作り、マスメディアで天気予報と共にこの値を発表するように勧めている。
さらに、近年、個人が携帯可能な小型の紫外線測定装置が販売されている。これに搭載されている紫外線受光素子として、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＰ等の化合物半導体系の受光素子に紫外線領域の波長の光のみを透過する紫外線測定用フィルターを備えているものがある。そして、受光素子が紫外線を受光して得られた光電流は、信号処理回路で電圧に変換され、増幅器、ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を介して、デジタル信号化された上でＣＰＵにより紫外線量として演算される。演算結果は、メモリへ記憶され、所定の処理が行われ液晶表示部に表示される。
しかしながら、化合物半導体系の受光素子を使用する場合は、紫外線受光素子と信号処理回路等を別チップとしなければならず、その構成を小型化しづらい。一方、シリコン系の材料を使用した紫外線受光素子は、同一半導体基板上に、受光素子と信号処理回路とを作製できるため１チップ化でき、小型化が可能である。
図８（Ａ）、（Ｂ）にシリコン系の材料を用いた受光素子と信号処理回路とを１チップ化した半導体回路である光入射部１２’の構成例を示す。図８（Ａ）は光入射部１２’の上面図、図８（Ｂ）は光入射部１２’の断面図である。
図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、紫外線を受光する光入射部１２’に設けられた、受光素子３６’及び信号処理回路３８’の任意の信号線は、信号入出力用パッド４０’に接続されているワイヤー７８、パッケージ端子４１を介して図示しない他のＬＳＩ等に、電気的に接続されている。
図８（Ｂ）に示すように、光入射部１２’の上面には、紫外線領域の波長の光のみを透過する紫外線測定用フィルター８０が設けられている。紫外線測定用フィルター８０の下面には、紫外線を透過させる透明樹脂８２が設けられ、さらにその下面に受光素子３６’と信号処理回路３８’とが配置される。また、透明樹脂８２と受光素子３６’及び信号処理回路３８’との間には、図示しない保護膜、及び層間膜が介在されている。
また、光入射部１２’は、受光素子３６’のみならず、信号処理回路３８’を含めてチップ表面全体に太陽光が入射する構成となっている。このような構成では、信号処理回路３８’の動作が太陽光の影響により不安定になる。そこで、１チップ上に形成された受光素子３６’と信号処理回路３８’のうち、信号処理回路３８’に対して、遮光層を設けた技術が知られている。
このような信号処理回路上に遮光層を設けた技術として、特許文献１には、シリコン基板上に形成された信号処理回路及び受光素子の上に透明保護膜を形成し、受光素子上と外部導出端子上以外、すなわち主に信号処理回路上の透明保護膜上にアルミニウムなどの金属製の遮光層を形成した技術が開示されている。
受光素子と遮光層を有する信号処理回路とが形成される半導体回路の断面形状を、その製造工程と共に図９（Ａ）乃至図９（Ｇ）に示す。なお、半導体基板はＳＯＩ(Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ)基板とする。これにより、受光素子の上面に紫外線測定用フィルター８０を設ける必要がなくなる。
図９（Ａ）は、ＳＯＩ基板であり、Ｐ型Ｓｉ基板の上層に埋め込み酸化膜が形成され、さらにその上層にシリコン薄膜層が形成されている。そして、既知のフォトリソ・エッチングで、異なる厚さとされた第1シリコン薄膜層と第２シリコン薄膜層とを形成する（図９（Ｂ））。第１シリコン薄膜層に受光素子３６’が、第２シリコン薄膜層に信号処理回路３８’が形成される。次に、酸化工程を経た後、受光素子３６’、及び信号処理回路３８’が形成される部分を低濃度拡散層（低濃度Ｐ−型拡散層）にするためのインプラ工程を行い、さらに、ゲート酸化膜及びゲート電極を形成する（図９（Ｃ））。次に、高濃度Ｎ＋型拡散層を形成する（図９（Ｄ））。続いて、高濃度Ｐ＋型拡散層を形成する（図９（Ｅ））。次に、第１配線層５０Ａ’と第１コンタクトプラグ５２Ａ’とを設ける（図９（Ｆ））。さらに、図示しない層間膜を形成後、第２配線層５０Ｂ’と第２コンタクトプラグ５２Ｂ’とを形成し、さらに層間膜を形成後、第３配線層５０Ｃ’と第３コンタクトプラグ５２Ｃ’とを形成する。そして、さらに層間膜を形成後、遮光層として使用される第４配線層５０Ｄ’を形成する。そして、第４配線層５０Ｄ’の上に、層間膜を形成し、紫外線が透過可能な紫外線透過保護膜５６’を設ける（図９（Ｇ））。
特開２０００−２９４７５５公報
しかしながら、特許文献１に開示されているように、遮光層を信号処理回路３８’上に形成しても、図９（Ｇ）の線Ａに示されるように、遮光層に遮られることなく、信号処理回路３８’に対して斜めに太陽光が入射する場合がある。
図１０は、受光素子３６’から出力される信号を信号処理回路３８’で電圧値に変換した実測値と、受光素子３６’へ入射した紫外線の強度を示す光電流との関係を表したものである。実測値例１は設計値と比較して特性がずれており、実測値例２は設計値と比較して線形性が失われている。この実測値例１及び実測値例２と設計値とのずれは、製造プロセス、温度、及び電源のバラツキとは無関係であり、遮光層に遮られることなく、信号処理回路３８’に対して斜めに入射してくる太陽光が原因で信号処理回路の動作が不安定になるためと考えられる。また、遮光層に太陽光が照射されることで遮光層に浮遊電荷が生じ、当該浮遊電荷が遮光層に溜まることの影響で信号処理回路の動作が不安定になる場合もある。
なお、このような、信号処理回路に対して斜めに入射してくる太陽光により生じる問題は、紫外線測定装置だけでなく、紫外線の波長領域とは異なる波長領域の光を測定するための信号処理回路にも生じる問題である。
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、信号処理部に対して斜めに入射することで遮光層により遮られない光によって、信号処理部の動作が不安定にならないようにし、且つ遮光層に照射される光によって生じる浮遊電荷の影響で信号処理部の動作が不安定にならないようにする半導体装置、光測定装置、光検出装置、及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、基板上に形成された受光部と、前記基板上に形成され、かつ前記受光部からの出力信号に基づいて処理を行う信号処理部と、前記信号処理部の上方に配置され、かつ前記信号処理部を完全に覆って形成されている遮光層と、前記遮光層の端部において前記遮光層と前記基板との間に形成され、かつ各々が離間して形成される複数の電気的接続部材とを有し、前記複数の電気的接続部材はグランドもしくは前記遮光層に生じる浮遊電荷を引き抜くのに十分な電位に接続されるとともに、前記信号処理部を囲んで配置されることを特徴とする。
請求項１に記載の半導体装置によれば、信号処理部によって、受光部からの出力信号に基づいて処理が行われる。そして、遮光層が当該信号処理部の上方に、これを完全に覆うように配置され、複数の電気的接続部材が遮光層の端部において遮光層と前記基板との間に形成される。なお、複数の電気的接続部材は各々が離間して形成され、信号処理部を囲んで配置される。また、当該複数の電気的接続部材は、グランドもしくは前記遮光層に生じる浮遊電荷を引き抜くのに十分な電位に接続される。
このように、請求項１に記載の半導体装置によれば、信号処理部に対して斜めに入射することで遮光層により遮られず、信号処理部に達する光を電気的接続部材が遮るので、信号処理部に光が入射することで動作が不安定にならないようにできる。また、遮光層に光が照射されることによって、浮遊電荷が生じこれにより信号処理部の動作が不安定になる場合がある。しかし、遮光層に接続される電気的接続部材がグランドもしくは遮光層に生じる浮遊電荷を引き抜くのに十分な電位に接続されるので、浮遊電荷が遮光層に溜まることは無く浮遊電荷の影響で動作信号処理部が不安定にならないようにできる。
なお、本発明は、請求項２２に記載の発明のように、基板上に受光部、及び遮光層を備え前記受光部からの出力信号に基づいて処理を行う信号処理部を有する半導体装置の製造方法であって、前記受光層を構成する複数の第１の拡散層と、前記信号処理部を構成する複数のトランジスタのソースおよびドレインと、グランドもしくは前記遮光層に生じる浮遊電荷を引き抜くのに十分な電位に固定するための第２の拡散層とを、前記基板表面に同時に形成する工程と、前記第１及び第２の拡散層、前記ソース、および前記ドレインの夫々に電気的接続部材を同時に形成する工程と、前記第２の拡散層と前記電気的接続部材を介して電気的に接続され、かつ前記信号処理部を完全に覆うように前記遮光層を形成する工程とを有し、前記複数の電気的接続部材は、前記信号処理部を囲んで配置されることを特徴とする。
請求項２２に記載の半導体装置の製造方法によると、電気的接続部材を第１及び第２の拡散層、ソース、ドレインの夫々に同時に形成する工程、並びに第２の拡散層と電気的接続部材を介して電気的に接続される遮光層を形成する工程は、半導体装置のコンタクトプラグや配線層を形成する工程と共にできるので、電気的接続部材と遮光層とを従来の製造工程に比べ工程数を増やすことなく作製することができる。
以上説明した如く本発明によれば、信号処理部に対して斜めに入射することで遮光層により遮られない光によって、信号処理部の動作が不安定にならないようにし、且つ遮光層に照射される光によって生じる浮遊電荷の影響で信号処理部の動作が不安定にならないようにすることができる、という優れた効果を有する。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、ここでは、本発明を紫外線の測定に適した場合の実施の形態例について説明する。
図１に示すように、図１の紫外線測定装置１０は、光入射部１２を備えている。光入射部１２は、紫外線を受光し、受光した紫外線の強度に基づいた信号を出力する。なお、光入射部１２の詳細は後述する。
また、紫外線測定装置１０は、各種操作ボタンを備えている。操作ボタンのうち、電源ボタン１４を押圧操作することにより、紫外線測定装置１０の動作が開始される。そして、測定ボタン１６を押圧操作することで、光入射部１２に入射する太陽光のうち、紫外線の波長領域の受光量の測定が開始される。また、停止ボタン１８を押圧操作することで、紫外線の測定が終了される。
液晶表示部２０には、測定された紫外線量が表示される。液晶表示部２０は、ＵＶ−Ａ領域の紫外線量、ＵＶ−Ｂ領域の紫外線量、及びＵＶ Ｉｎｄｅｘの値をデジタル表示する。
図２（Ａ）に、紫外線測定装置１０の電気系の要部構成について示す。
紫外線測定装置１０は、光入射部１２の他、ＣＰＵ３０、メモリ３２、表示用ドライバ３４、液晶表示部２０を含んで構成されている。
光入射部１２は、ＳＯＩ基板に形成されており、光入射部１２には受光素子３６、信号処理回路３８、及び信号入出力用パッド４０が設けられている。また、信号処理回路３８の上面には遮光層４２（図２（Ａ）の一点鎖線で囲まれた斜線部分）が設けられている。なお、遮光層４２を、信号処理回路３８の上面だけでなく図２（Ｂ）に示されるように、受光素子３６と信号入出力用パッド４０が設けられた領域を避けて形成し、図２（Ａ）に示される遮光層４２に比べより広い範囲を遮光するようにとしてもよい。
受光素子３６は、紫外線の受光量に応じた光電流を発生し、発生した光電流を信号処理回路３８へ出力する。信号処理回路３８は、光電流を電圧に変換し変換した電圧を増幅し、その後ＡＤＣによりＣＰＵ３０で処理が可能なようにデジタル信号に変換する。信号入出力用パッド４０からは、受光素子３６や信号処理回路３８を動作させるための信号や電力が供給される。
ＣＰＵ３０は、紫外線測定装置１０の全体の制御を司り、また、所定の計算式を用いて変換後のデジタル信号から紫外線量を算出し、紫外線量を示す紫外線量データをメモリ３２に記憶する。
表示用ドライバ３４は、メモリ３２に記憶された紫外線量データを、液晶表示部２０に表示できるように所定の処理を行い、数値やドット（絵）を表示するための表示回路などのＬＳＩを介して、液晶表示部２０に光入射部１２に入射した紫外線量を表示させる。
なお、光入射部１２とＣＰＵ３０、メモリ３２、及び表示用ドライバ３４等、これら全てを１チップ上に構成しても良い。
次に、光入射部１２の断面形状を、その製造工程と共に図３（Ａ）乃至図３（Ｇ）に示す。
図３（Ａ）は、ＳＯＩ基板であり、Ｐ型シリコン（Ｓｉ）基板の上層に埋め込み酸化膜が形成され、さらにその上層にシリコン薄膜層が形成されている。
受光素子３６はＳＯＩ基板のシリコン薄膜層に形成される。受光素子３６が形成されるシリコン薄膜層の厚さを、紫外線領域の太陽光のみを吸収し可視光領域等の太陽光を透過させる厚さにすることで、紫外線領域の光のみに感度を有する受光素子３６とすることができる。
そして、第１シリコン薄膜層に受光素子３６を、第２シリコン薄膜層に信号処理回路３８を各々形成するために最適な厚さとなるように、既知のフォトリソ・エッチングで第１シリコン薄膜層と第２シリコン薄膜層との厚さを調整する（図３（Ｂ））。なお、紫外線を吸収し且つ可視光線等を透過させる受光素子３６とするために適した第１シリコン薄膜層の厚さは、例えば３ｎｍ〜３６ｎｍである。また、厚さ調整が必要のない場合は、本工程をスキップしてもよい。
次に素子領域と素子領域以外とを電気的に絶縁するためのフィールド酸化膜領域を形成する酸化工程を行う。その後、受光素子３６、及び信号処理回路３８が形成される部分を低濃度拡散層（低濃度Ｐ−型拡散層）にするためのインプラ工程を行い、さらに、ゲート酸化膜及びゲート電極を形成する（図３（Ｃ））。なお、図３（Ｃ）には、低濃度Ｐ−型拡散層が示されているが、本工程での低濃度拡散層は、Ｎ型（Ｎ−）、Ｐ型（Ｐ−）のインプラ工程を両方実施する。
次に、高濃度Ｎ＋型拡散層を形成する（図３（Ｄ））。高濃度Ｎ＋型拡散層は、シリコン薄膜層にリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などのＮ型不純物を比較的高濃度に拡散させて形成された拡散層である
続いて、高濃度Ｐ＋型拡散層を形成する（図３（Ｅ））。高濃度Ｐ＋型拡散層は、シリコン薄膜層にボロン（Ｂ）などのＰ型不純物を比較的高濃度に拡散させて形成された拡散層である。
受光素子３６は、図３（Ｃ）から図３（Ｅ）に示される工程により、高濃度Ｎ＋型拡散層及び高濃度Ｐ＋型拡散層よりもインプラ濃度が低い拡散層（低濃度Ｐ−型拡散層又は低濃度Ｎ−型拡散層）が、横方向の一方で高濃度Ｎ＋型拡散層と接触し、もう一方で高濃度Ｐ＋型拡散層と接触するように配置される構造として形成される（ラテラルダイオード）。
次に、図示しない層間膜形成後、第１配線層５０Ａと第１コンタクトプラグ５２Ａとを設ける（図３（Ｆ））。第１コンタクトプラグ５２Ａは、層間膜にコンタクトホールを形成した後にスパッタ法あるいはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により導電材料を成膜することで、コンタクト孔内に導電材料を埋め込んで形成される。この様に形成された第１コンタクトプラグ５２Ａは、高濃度Ｐ＋型拡散層および高濃度Ｎ＋型拡散層とその後に形成される第１配線層５０Ａとを電気的に接続する。なお、導電材料としては、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、半導体基板にドープされたポリシリコン等が挙げられる。
また、第１コンタクトプラグ５２Ａを形成するためにコンタクトホールに導電材料を埋め込む工程では、層間膜の上面にも導電材料が成膜されるため、第１コンタクトプラグ５２Ａを残しつつ層間膜の上面に成膜された導電材料をエッチング処理により導電材料を除去する。そして、その後に層間膜の上面に第１配線層５０Ａを形成する。
第１配線層５０Ａを形成後、図示しない層間膜を形成し、第１コンタクトプラグ５２Ａと第１配線層５０Ａとの形成工程と同様にして、第２コンタクトプラグ５２Ｂと第２配線層５０Ｂとを形成する。さらに、第２配線層５０Ｂを形成後、図示しない層間膜を形成し、第３コンタクトプラグ５２Ｃと第３配線層５０Ｃとを形成する。
そして、さらに第１配線層５０Ａを形成後、図示しない層間膜を形成し、第４コンタクトプラグ５２Ｄと遮光層４２として用いる第４配線層５０Ｄを形成する。この第４配線層５０Ｄは、その上面から照射される太陽光を下面へ透過させないために金属層とする。そして、第４配線層５０Ｄの上に、さらに層間膜を形成し、さらにその上面に紫外線を透過可能な紫外線透過保護膜５６を形成する（図３（Ｇ））。
なお、図３（Ｆ）、（Ｇ）に示される工程において、信号処理回路３８に対して斜めに入射してくる太陽光に対する遮光性を高めるために、信号処理回路３８を囲むように第１コンタクトプラグ５２Ａ、第２コンタクトプラグ５２Ｂ、第３コンタクトプラグ５２Ｃを設ける。なお、第１コンタクトプラグ５２Ａ、第２コンタクトプラグ５２Ｂ、第３コンタクトプラグ５２Ｃについて、第１、第２、第３を区別する必要がない場合は、第１、第２、第３及びＡ、Ｂ、Ｃを省略し、単にコンタクトプラグ５２と言う。また、第１配線層５０Ａ、第２配線層５０Ｂ、第３配線層５０Ｃ、第４配線層５０Ｄ、についても、第１、第２、第３、第４を区別する必要がない場合は、第１、第２、第３、第４及びＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを省略し、単に配線層５０と言う。
コンタクトプラグ５２は、遮光層４２となる第４配線層５０Ｄが高濃度拡散層と電気的に接続されるように設ける。図３（Ｇ）では、第４配線層５０Ｄと接続されているコンタクトプラグ５２が、高濃度Ｎ＋型拡散層に接続されている。コンタクトプラグ５２が接続されている高濃度Ｎ＋型拡散層の電位レベルがグランドレベルの場合、第４配線層５０Ｄの電位レベルは、コンタクトプラグ５２を介してグランドレベルとなる。また、コンタクトプラグ５２が接続されている高濃度Ｎ＋型拡散層の電位レベルが第４配線層５０Ｄに生じる浮遊電荷を引き抜くことが可能な電位レベルの場合、第４配線層５０Ｄの電位レベルは、コンタクトプラグ５２を介して第４配線層に生じる浮遊電荷を引き抜くことが可能な電位レベルとなる。なお、第４配線層に生じる浮遊電荷を引き抜くことが可能な電位レベルは図示しない電源によって任意に設定することができる。
なお、本製造工程では、コンタクトプラグ５２並びに配線層５０を形成するときに層間膜の上面に成膜される導電材料をエッチングにより除去しているが、層間膜の上面に成膜される導電材料を配線層５０を形成するのに十分な量とし、エッチングにより除去せずにそのまま配線層５０として用いても良い。こうすることで、コンタクトプラグ５２と配線層５０を同時に形成することができ、コンタクトプラグ５２を形成するときに層間膜の上面に成膜される導電材料を除去する工程を省くことができる。
次に、受光素子３６、信号処理回路３８及びコンタクトプラグ５２の位置関係を図４（Ａ）に示す。図４（Ａ）の上の図が光入射部１２の断面図であり、下の図がコンタクトプラグ５２の配置位置を示す模式図である。なお、図４（Ａ）の下の図において、受光素子３６、信号処理回路３８に設けられるコンタクトプラグ５２は、省略する。
図４（Ａ）に示されるように、コンタクトプラグ５２は、信号処理回路３８を囲む様に配置される。なお、コンタクトプラグ５２は、受光素子３６と信号処理回路３８とを接続する配線を遮断しないように設けられている。
図４（Ｂ）乃至図４（Ｄ）は、図４（Ａ）の受光素子３６と信号処理回路３８との間の破線で囲まれた部分を拡大して示した図である。
図４（Ｂ）の配置例では、コンタクトプラグ５２が１列のみ配置されている。この場合は、図４（Ｂ）の線Ａや線Ｂのように入射してくる一部の太陽光は遮光されずに信号処理回路３８に達してしまう。また、コンタクトプラグ５２から信号処理回路３８の距離を短くすると、光入射部１２の大きさを小さくすることができるが、コンタクトプラグ５２で遮光できなかった太陽光による信号処理回路３８に対する影響が大きくなる。そのため、信号処理回路３８の動作への太陽光の影響が強いほど、複数列にコンタクトプラグ５２を配置することが考えられる。
図４（Ｃ）の配置例では、コンタクトプラグ５２が２列配置された構造となっている。この構造の場合は、コンタクトプラグ５２が１列のみ配置されている場合に比べ、図４（Ｃ）の線Ｂの様に角度を有して入射してくる太陽光をより多く遮光することができる。
図４（Ｄ）の配置例は、３列のコンタクトプラグ５２が基板面に対して千鳥格子状に立設された配置となっている。このような配置の場合は、図４（Ｂ）、（Ｃ）では遮光することができなかった線Ａ、Ｂのように入射してくる太陽光も遮光することができる。図４（Ｄ）では、遮光層の端部に沿って３列のコンタクトプラグ５２を千鳥格子状に配列しているが、これに限らず２列のコンタクトプラグ５２を千鳥格子状に配列するものとしても良い。
上述の図４に示している遮光の役目をする配線及びコンタクトプラグ５２は、受光素子３６及び信号処理回路３８に対して寄生容量となりうるが、信号処理の遅延等に影響のない構成をしている。
なお、コンタクトプラグ５２の径（四角形の場合は１辺）をＤ(μｍ)、コンタクトプラグ５２間の最小間隔をＳ（μｍ）とした場合、ＤはＳより大きいことが好ましい。
以上のように、受光素子３６と受光素子３６から出力される信号を処理する信号処理回路３８とがＳＯＩ基板上に形成された光入射部１２において、信号処理回路３８上の配線層のうち最上層を、太陽光を遮光する遮光層４２とし、遮光層４２と接続される複数のコンタクトプラグ５２が遮光層の端部に沿ってＳＯＩ基板の厚さ方向に積層される。そのため、信号処理回路３８に対して斜めに入射することで遮光層４２により遮ることができない太陽光を遮光することができ、信号処理回路３８の動作が太陽光の影響を受けて不安定にならないようにすることができる。
また、遮光層４２は、コンタクトプラグ５２と電気的に接続されている。そのため、遮光層４２は、コンタクトプラグ５２を介してグランドレベル又は、遮光層４２に生じる浮遊電荷を引き抜くことが可能な任意の電位レベルとされ、遮光層４２に生じる浮遊電荷を逃がすことができ、浮遊電荷が遮光層４２に溜まることが無くなり浮遊電荷が信号処理回路３８に影響を与えることが無くなる。
また、受光素子３６と信号処理回路３８とを製造する工程で作製されるコンタクトプラグ５２を、遮光部材として用いるため、遮光部材を従来の製造工程を用いて簡易に作製することができる。
ここで、図５に、受光素子３６から出力される信号を信号処理回路３８で電圧値に変換した実測値と、受光素子３６に入射した紫外線の強度を示す光電流との関係を表す。図５の、遮光部材無し実測値例１及び遮光部材無し実測値例２とは、図１０で説明したように、設計値からのずれが生じている。しかし、遮光部材有り実施例は、遮光部材無し実測値例１、２に比べ設計値からのずれが小さく、また受光素子３６から出力される光電流と信号処理回路３８で変換された後の電圧値との関係も直線性を示し、遮光部材による遮光の効果を確認することができる。
（第１の変形例）
上記実施の形態では、遮光層４２である第４配線層５０Ｄと接続されているコンタクトプラグ５２を、電位レベルがグランドレベル又は第４配線層５０Ｄに生じる浮遊電荷を引き抜くことが可能な電位レベルとされる高濃度Ｎ＋型拡散層に接続される場合を説明したが、これとは異なる接続方法により第４配線層５０Ｄの電位レベルを、グランドレベル又は第４配線層５０Ｄに生じる浮遊電荷を引き抜くことが可能な電位レベルとしても良い。
ここで、図６に、第４配線層５０Ｄの電位をグランドレベル又は浮遊電荷を引き抜くことが可能な電位レベルにする場合の変形例を示す。
図６（Ａ）に示される光入射部１２の線Ａ−Ａの断面図を、図６（Ｂ）乃至（Ｄ）に示す。図６（Ｂ）乃至（Ｄ）は、各々異なる接続方法で、第４配線層５０Ｄの電位をグランド（ＧＮＤ）レベル又は第４配線層５０Ｄの浮遊電荷を引き抜くことが可能な電位レベルとしている。
図６（Ｂ）では、第４配線層５０Ｄに接続されているコンタクトプラグ５２が、グランドレベル又は第４配線層５０Ｄに生じる浮遊電荷を引き抜くことが可能な電位レベルとされる高濃度Ｎ＋型拡散層に接続されており、且つ第１配線層５０Ａを介して受光素子３６の第１コンタクトプラグ５２Ａと接続されている。受光素子３６の前記第１コンタクトプラグ５２Ａは、高濃度Ｐ＋型拡散層に接続されている。この高濃度Ｐ＋型拡散層の電位レベルは、グランドレベル又は第４配線層５０Ｄに生じる浮遊電荷を引き抜くことが可能な電位レベルとされる。これにより、第４配線層５０Ｄに生じる浮遊電荷の引き抜きをより強化することができる。
図６（Ｃ）は、第４配線層５０Ｄに接続されているコンタクトプラグ５２に接続される高濃度Ｎ＋型拡散層の電位が、グランドレベル又は第４配線層５０Ｄに生じる浮遊電荷を引き抜くことが可能な電位レベルとされていない場合である。この場合は、第１配線層５０Ａを介して信号処理回路３８における第１コンタクトプラグ５２Ａと接続される。前記第１コンタクトプラグ５２Ａは、グランドレベル又は第４配線層５０Ｄに生じる浮遊電荷を引き抜くことが可能な電位レベルとされる高濃度Ｎ＋型拡散層、又は高濃度Ｐ＋型拡散層に接続されている（図６（Ｃ）では高濃度Ｎ＋型拡散層に接続）。これにより、第４配線層５０Ｄと接続されるコンタクトプラグ５２が直接、グランドレベル又は第４配線層５０Ｄに生じる浮遊電荷を引き抜くことが可能な電位レベルとされる拡散領域に接続されていなくても、第４配線層５０Ｄに生じる浮遊電荷を引き抜きくことができる。
図６（Ｄ）では、第４配線層５０Ｄに接続されているコンタクトプラグ５２が、グランドレベル又は第４配線層５０Ｄに生じる浮遊電荷を引き抜くことが可能な電位レベルとされる高濃度Ｎ＋型拡散層に接続しており、且つ第１配線層５０Ｂを介して受光素子３６の第１コンタクトプラグ５２Ａと、信号処理回路３８の第１コンタクトプラグ５２Ａと接続される。これにより、第４配線層５０Ｄに生じる浮遊電荷の引き抜きをより強化することができる。
（第２の変形例）
本実施の形態では、配線層５０を４層とし、遮光層４２を第４配線層５０Ｄとし第３配線層５０Ｃ以下を信号線としているが、これに限られず、複数の配線層５０のうち最上層を遮光層４２とすれば良く、例えば、配線層５０を５層とし第５配線層を遮光層４２とする場合は、第４配線層５０Ｄ以下を信号線として使用される配線層５０とする。また、例えば、配線層５０を３層とし第３配線層を遮光層４２とする場合は、第２配線層５０Ｂ以下を信号線として使用される配線層５０とする。
ここで、図７に、配線層が４層で第４配線層５０Ｄ以外の配線層５０も遮光層４２とする場合の変形例を示す。
図７（Ａ）に示される光入射部１２の線Ａ−Ａの断面図を、図７（Ｂ）、（Ｃ）に示す。
図７（Ｂ）では、第４配線層５０Ｄの他に第３配線層５０Ｃが、遮光層４２とされている。この場合、遮光層４２となる第４配線層４０Ｄと第３配線層５０Ｃとの間の第４コンタクトプラグ５２Ｄを、図３（Ｂ）乃至（Ｄ）に示されるように遮光層の端部に沿って複数本設けることで、信号処理回路３８に入射してくる太陽光を遮光する。
また、図７（Ｃ）では、第４配線層５０Ｄの他に第２配線層５０Ｂが、遮光層４２とされている。この場合、遮光層４２となる第４配線層４０Ｄと第２配線層５０Ｂとの間の第３コンタクトプラグ５２Ｃ、第４コンタクトプラグ５２Ｄを、図３（Ｂ）乃至（Ｄ）に示されるように複数本設けることで、信号処理回路３８に入射してくる太陽光を遮光する。
なお、図７（Ｂ）、（Ｃ）では、特に図示していないが、遮光層４２とされる各配線層に接続されるコンタクトプラグ５２は、グランドレベル又は遮光層４２に生じる浮遊電荷を引き抜くことが可能な電位レベルとされる高濃度Ｎ＋型拡散層に接続される。しかし、これに限らず、図７（Ｂ）、（Ｃ）の遮光層４２の電位レベルをグランドレベル又は遮光層４２に生じる浮遊電荷を引き抜くことが可能な電位レベルとするための接続関係を図６（Ｂ）乃至（Ｄ）に示されるような接続関係としても良い。
また、本実施の形態、第１の変形例、及び第２の変形例では、遮光層４２を遮光専用の層としているが、遮光層４２にも信号線を形成し、そして信号線と電気的に接触しないように金属膜を形成しても良い。なお、配線層の信号線のうち、グランドレベル又は遮光層４２に生じる浮遊電荷を引き抜くことが可能な任意の電位レベル等に接続される信号線以外は、遮光層４２と接続されないようにする。また、最上層の遮光層４２は、例えば、レーザーを使用したトリミングのために遮光層４２の一部を開口しても良い。この場合、信号処理回路３８が開口部から斜めに入射してくる太陽光の影響を受けないようにするために、この開口部端で配線層５０及びコンタクトプラグ５２を用いて遮光を行う。さらに、開口部の直下やその付近には、光照射による特性の変化の大きなトランジスタ等を配置しないようにする。
さらに、本実施の形態、第１の変形例、及び第２の変形例では、光入射部１２に紫外線透過保護膜５６を設けているが、光入射部１２に紫外線透過保護膜５６を設けない構造としてもよい。
また、本実施の形態、第１の変形例、及び第２の変形例では、光入射部１２が構成される基板を、シリコン基板の表面に絶縁層としてシリコン酸化膜層が形成され、当該シリコン酸化膜層の表面にシリコン薄膜層が形成されるＳＯＩ基板として説明したが、絶縁層としてのサファイア基板上にシリコン薄膜層を形成したＳＯＳ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ）構造や、絶縁層としてのクオーツ基板上にシリコン薄膜層を形成したＳＯＱ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｑｕａｒｔｚ）構造の基板としてもよい。また、光入射部１２が構成されるシリコン基板を、ＳＯＩ基板等の絶縁層を有するシリコン基板ではなく、シリコン単結晶のみで構成されるバルク基板としても良い。この場合、バルク基板上に形成される受光素子３６は、紫外線領域の光以外に可視光領域の光等にも感度を有するため、受光素子３６の上方に紫外線領域以外の太陽光を遮光するフィルターを設ける構造とする。そして、信号処理回路３８に対して遮光層４２と遮光部材とを設け、前記フィルターを透過する紫外線領域の太陽光と一部の可視光領域及び赤外線領域の太陽光とが信号処理回路３８に入射しないようにする。
また、本実施の形態、第１の変形例、及び第２の変形例では、光入射部１２を受光素子３６に入射した紫外線量を測定する紫外線測定装置１０に用いているが、光入射部１２を紫外線検出装置に用いても良い。紫外線検出装置は、受光素子３６への紫外線の入射の有無を検出し、その結果を表示部に表示する。より具体的には、制御部が受光素子３６に紫外線が入射したことにより出力される信号を信号処理回路３８が処理し、信号処理回路３８により処理された信号に基づいて、受光素子３６に紫外線が入射したか否かを表示部に表示させるように制御部が表示部を制御する。
本実施の形態に係る、紫外線測定装置の外観図を示す図である。 本実施の形態に係る、紫外線測定装置の電気系の要部構成を示す図である。 本実施の形態に係る、遮光部材を有する光入射部の断面形状を、製造工程と共に示す図である。 本実施の形態に係る、受光素子、信号処理回路及びコンタクトプラグの位置関係を示す図である。 本実施の形態に係る、受光素子から出力される信号を遮光部材を有する信号処理回路で電圧値に変換した実測値と、受光素子へ入射した紫外線の強度を示す光電流との関係を示す図である。 第１の変形例に係る、遮光層がグランドレベル又は浮遊電荷を引き抜くことが可能な任意の電位レベルに接続される場合を示す図である。 第２の変形例に係る、最上層の配線層以外の配線層を遮光層として用いる場合の例を示す図である。 受光素子と信号処理回路とを有する半導体回路の上面図及び断面図である。 光入射部の断面形状を製造工程と共に示す図である。 受光素子から出力される信号を信号処理回路で電圧値に変換した実測値と、受光素子へ入射した紫外線の強度を示す光電流との関係を示す図である。
符号の説明
１０ 紫外線測定装置
１２ 光入射部（半導体装置）
３６ 受光素子（受光部）
３８ 信号処理回路（信号処理部）
４２ 遮光層
５２ コンタクトプラグ（電気的接続部）

Claims (35)

  1. 基板上に形成された受光部と、
    前記基板上に形成され、かつ前記受光部からの出力信号に基づいて処理を行う信号処理部と、
    前記信号処理部の上方に配置され、かつ前記信号処理部を完全に覆って形成されている遮光層と、
    前記遮光層の端部において前記遮光層と前記基板との間に形成され、かつ各々が離間して形成される複数の電気的接続部材とを有し、
    前記複数の電気的接続部材は、グランドもしくは前記遮光層に生じる浮遊電荷を引き抜くのに十分な電位に接続されるとともに、前記信号処理部を囲んで配置されることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記複数の電気的接続部材は、前記遮光層の端部に沿って１列に配置されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記複数の電気的接続部材は、前記遮光層の端部に沿って複数列に配置されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  4. 前記遮光層の端部に沿って複数列に配置される前記複数の電気的接続部材は、千鳥格子状に配置されることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
  5. 前記複数の電気的接続部材は、前記受光部においてグランドもしくは前記遮光層に生じる浮遊電荷を引き抜くのに十分な電位に接続されると電気的に接続されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  6. 前記複数の電気的接続部材は、前記信号処理部においてグランドもしくは前記遮光層に生じる浮遊電荷を引き抜くのに十分な電位に接続されると電気的に接続されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  7. 前記複数の電気的接続部材は、前記受光部および前記信号処理部においてグランドもしくは前記遮光層に生じる浮遊電荷を引き抜くのに十分な電位に接続されると電気的に接続されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  8. 前記遮光層は、前記信号処理部の上方に形成される複数の配線層のうち最上層で形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  9. 前記遮光層は、前記信号処理部の上方に形成される複数の配線層のうち中間配線層で形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  10. 前記遮光層は、前記信号処理部の上方に形成される複数の配線層のうち最上層及び中間配線層で形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  11. 前記電気的接続部材は、前記基板の厚さ方向に複数個積層されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  12. 前記電気的接続部材は、コンタクトプラグであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  13. 前記コンタクトプラグは、タングステン、銅、アルミニウム、アルミニウム合金、モリブデン、ドープされたポリシリコンの少なくとも一つから選ばれた材料からなることを特徴とする請求項１２記載の半導体装置。
  14. 前記コンタクトプラグがこのコンタクトプラグと接続される配線層と同じ材料で一体化形成されていることを特徴とする請求項１２記載の半導体装置。
  15. 前記コンタクトプラグ及び配線層は、タングステン、銅、アルミニウム、アルミニウム合金の少なくとも一つから選ばれた材料からなることを特徴とする請求項１４記載の半導体装置。
  16. 前記基板は、シリコン層を有するＳＯＩ基板であり、前記受光部および前記信号処理部が前記シリコン層に形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  17. 前記受光部の前記シリコン層は、紫外線の波長帯域の光のみを吸収できるように膜厚を設定されることを特徴とする請求項１６記載の半導体装置。
  18. 前記シリコン層の膜厚は、３ｎｍ〜３６ｎｍであることを特徴とする請求項１７記載の半導体装置。
  19. 前記基板はバルク基板であり、前記受光部の上方に紫外線の波長帯域の光のみを透過させるフィルターを備えることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  20. 請求項１〜請求項１９の何れか１項記載の半導体装置と、
    前記半導体装置の前記受光部に入射した光量を表示する表示手段と、
    前記半導体装置からの出力信号に基づいて前記受光部に入射した光量を表示するように前記表示手段を制御する制御手段と、
    を有することを特徴とする光測定装置。
  21. 請求項１〜請求項１９の何れか１項記載の半導体装置と、
    前記半導体装置の前記受光部への光の入射の有無を表示する表示手段と、
    前記半導体装置からの出力信号に基づいて前記受光部への光の入射の有無を表示するように前記表示手段を制御する制御手段と、
    を有することを特徴とする光検出装置。
  22. 基板上に受光部、及び遮光層を備え前記受光部からの出力信号に基づいて処理を行う信号処理部を有する半導体装置の製造方法であって、
    前記受光層を構成する複数の第１の拡散層と、前記信号処理部を構成する複数のトランジスタのソースおよびドレインと、グランドもしくは前記遮光層に生じる浮遊電荷を引き抜くのに十分な電位に固定するための第２の拡散層とを、前記基板表面に同時に形成する工程と、
    前記第１及び第２の拡散層、前記ソース、および前記ドレインの夫々に電気的接続部材を同時に形成する工程と、
    前記第２の拡散層と前記電気的接続部材を介して電気的に接続され、かつ前記信号処理部を完全に覆うように前記遮光層を形成する工程とを有し、
    前記複数の電気的接続部材は、前記信号処理部を囲んで配置されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  23. 前記受光部および前記信号処理部に夫々形成される電気的接続部材の寸法は実質的に同一であることを特徴とする請求項２２記載の半導体装置の製造方法。
  24. 前記第２の拡散層を前記信号処理部の端部に形成することを特徴とする請求項２２記載の半導体装置の製造方法。
  25. 前記第２の拡散層に形成される複数の前記電気的接続部材はその上面で配線と共通接続されていることを特徴とする請求項２４記載の半導体装置の製造方法。
  26. 前記複数の電気的接続部材は、前記遮光層の端部に沿って１列に配置されることを特徴とする請求項２２記載の半導体装置の製造方法。
  27. 前記複数の電気的接続部材は、前記遮光層の端部に沿って複数列に配置されることを特徴とする請求項２２記載の半導体装置の製造方法。
  28. 前記遮光層の端部に沿って複数列に配置される前記複数の電気的接続部材は、千鳥格子状に配置されることを特徴とする請求項２７記載の半導体装置の製造方法。
  29. 前記遮光層は、前記信号処理部の複数の配線層のうち最上層であることを特徴とする請求項２２記載の半導体装置の製造方法。
  30. 前記遮光層は、前記信号処理部の複数の配線層のうち中間配線層であることを特徴とする請求項２２記載の半導体装置の製造方法。
  31. 前記遮光層は、前記信号処理部の上方に形成される複数の配線層のうち最上層及び中間配線層で形成されていることを特徴とする請求項２２記載の半導体装置の製造方法。
  32. 前記電気的接続部材は、前記コンタクトプラグとして形成されることを特徴とする請求項２２記載の半導体装置の製造方法。
  33. 前記コンタクトプラグは、タングステン、銅、アルミニウム、アルミニウム合金、モリブデン、ドープされたポリシリコンの少なくとも一つから選ばれた材料からなることを特徴とする請求項２２記載の半導体装置の製造方法。
  34. 前記基板は、シリコン層を有するＳＯＩ基板であり、前記受光部および前記信号処理部が前記シリコン層に形成されることを特徴とする請求項２２記載の半導体装置の製造方法。
  35. 前記基板はバルク基板であり、前記受光部の上方に紫外線の波長帯域の光のみを透過させるフィルターが形成されることを特徴とする請求項２２記載の半導体装置の製造方法。
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