JP5956968B2 - 受光素子および光結合型信号絶縁装置 - Google Patents

受光素子および光結合型信号絶縁装置 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、受光素子および光結合型信号絶縁装置に関する。
産業用電子機器や通信機器などでは、ＡＣ電源系、ＤＣ電源系、電話回線系などの異なる電源系が同じ装置内に配置され、電気信号を伝送することが多い。
この場合、入力回路と出力回路とを絶縁した状態で電気信号を伝送できる光結合型絶縁装置を用いると、安定に動作させると共に、安全性が確保できる。
光結合型絶縁装置において、入力端子と出力端子との間に１ｋＶ以上の高電圧が加わると、入力端子と出力端子との間の絶縁層の静電容量により、受光素子にノイズ成分が生じることがある。
ＩＴＯ（Indium Tin Oxide)やメッシュ状金属薄膜などからなる電磁シールド膜により受光素子を覆うと、これらのノイズを低減することができる。ただし、受光素子の製造プロセスにおいて、このような電磁シールド膜の量産性を高めることは困難である。
特開平１１−１３５８２４号公報
ノイズの影響が低減され、量産性に富む受光素子および光結合型絶縁装置を提供する。
実施形態の受光素子は、カソードを含む受光部を有する半導体層と、前記半導体層上に設けられた絶縁層と、前記絶縁層内に設けられ接地された配線層と、一部が前記配線層と重なるように前記配線層と前記カソードとの間の前記絶縁層内に設けられ、前記配線層と接続されるとともに前記受光部を覆う膜であって、金属あるいはＴｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｖ、およびＮｂのうちの少なくともいずれかを含む窒化金属である膜と、を有する。
第１の実施形態にかかる受光素子の模式平面図である。 第１の実施形態の受光素子において、Ａ−Ａ線に沿った受光素子の模式断面図である。 図３（ａ）は電磁シールド膜の厚さに対する透過率の依存性を表すグラフ図、図３（ｂ）は電磁シールド膜の厚さの逆数に対するシート抵抗を表すグラフ図、である。 第１の実施形態の受光素子を有する光結合型絶縁装置の模式断面図である。 図５（ａ）は光結合形絶縁装置の瞬時同相除去電圧の測定系を説明する模式図、図５（ｂ）はパルス電圧の波形図、である。 第２の実施形態にかかる受光素子の模式断面図である。 第２の実施形態の受光素子の変形例の模式断面図である。 図８（ａ）〜（ｆ）は、窒化金属薄膜を用いた電磁シールド膜の製造プロセスを説明する模式図である。 図９（ａ）〜（ｆ）は、窒化金属薄膜を用いた電磁シールド膜の製造プロセスの変形例を説明する模式図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、第１の実施形態にかかる受光素子の模式平面図である。
受光素子１０は、半導体基板と、半導体基板の上に設けられた半導体層と、金属配線層と、絶縁層と、窒化金属薄膜または金属薄膜を含む電磁シールド膜と、を有する。
半導体層は、信号光が入射し電気信号に変換する受光部２０を有する。受光部２０を構成するフォトダイオードの１ユニットの一辺の長さは、２０〜２００μｍなどとでき、このユニットをアレイ形状、またはモザイクアレイ形状に配置することができる。
また、半導体層は、電気信号を処理して出力する信号処理回路部をさらに有することができる。信号処理回路部は、ＴＩＡ（Transimpedance Amp）３２、コンパレータ３４、出力回路３６、電流源３８、アンプバイアス回路４０などを有する。また、受光素子１０は、電極パッド部４２〜４６などを有することができる。
図２は、第１の実施形態の受光素子において、Ａ−Ａ線に沿った受光素子の模式断面図である。
半導体基板７０は、たとえば、ＳｉやＳｉＣなどとすることができる。また、Ｓｉなどを含む半導体層７２は、半導体基板７０の上に設けられ、信号光Ｌｉｎが入射し電気信号に変換する受光部２０と、電気信号を処理して出力する信号処理回路部と、を有する。たとえば、半導体基板７０をｐ＋形とし、その上にｎ形層を設ける。受光部２０と信号処理回路部とを分離するために、たとえば、ｐ＋形層７２ａを表面側から半導体基板７０に到達するようにイオン注入法などにより形成する。
半導体層７２には、ｐ形層やｎ形層が設けられ、ＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタが形成され信号処理回路部となる。なお、受光部２０は、高抵抗ｎ形層７２ｂ、ｐ＋形層７２ｃ、ｎ＋形層７２ｄ、などを含む。半導体基板７０と半導体層７２とのそれぞれの領域の導電形は、図２の構造とは、それぞれ反対の導電形であってもよい。
金属配線層５０は、半導体層７２の上部に設けられ、受光部２０と、信号処理回路部３０と、にそれぞれ接続される。また、絶縁層６０を挟んで複数の層が積層された金属配線層５０ａ〜５０ｄの場合、複数の層の所定の箇所で上下の層が必要に応じて接続される。
絶縁層６０は、金属配線層５０ａ〜５０ｄの間を充填するように半導体層７２の表面に設けられる。絶縁層６０は、たとえば、ＳｉＯｘ膜、ＳｉＮｘ膜、低比誘電率（low k）膜などとすることができる。
窒化金属薄膜または金属薄膜を含む（電磁シールド）膜２４は、絶縁層６０を挟んで受光部２０の上面の一部もしくは上面全体を覆い、金属配線層５０の１つを介して接地される。他方、受光素子１０のアノードまたはカソード（図２ではｐ＋形のアノード）も接地される。このようにすると、電磁シールド効果を高めることができる。
図３（ａ）は電磁シールド膜の厚さに対する透過率の依存性を表すグラフ図、図３（ｂ）は電磁シールド膜の厚さの逆数に対するシート抵抗を表すグラフ図、である。
なお、図３では、電磁シールド膜はＴｉＮからなる窒化金属薄膜とする。図３（ａ）において、縦軸は７７０ｎｍの近赤外光における透過率（％）、横軸はＴｉＮ膜の厚さ（ｎｍ）、である。膜厚が略１２ｎｍにおいて透過率が５０％に低下し、膜厚が略４０ｎｍにおいて透過率が１０％に低下する。
図３（ｂ）において、縦軸はシート抵抗（Ω／□）、横軸は膜厚の逆数（１／ｎｍ）である。電磁シールド効果は、シート抵抗が低いほど高い。後に詳細に説明するコモンモードノイズ耐性の評価により、発明者らは、シート抵抗を３５０Ω／□以下（図３（ｂ）に表す適用範囲）とすれば、１ｋＶ／μｓのパルス電圧傾きにより生じるノイズに対して誤動作を低減できることを見出した。ＴｉＮの場合、膜厚を５ｎｍ以上とすると、シート抵抗が３５０Ω／□以下とできる。このとき、透過率は約７５％と高く保つことができ、受光素子の電磁シールド膜として用いることができる。
他方、透過率が３０％よりも低くなると、受光部２０の感度が低下する。すなわち、膜厚を２１ｎｍ以下とし、透過率を３０％以上（図３（ａ）の表す適用範囲）とすることが好ましい。膜厚が２１ｎｍのとき、シート抵抗は約８５Ω／□と小さくでき、電磁シールド効果を高く保つことができる。
窒化金属薄膜は、ＴｉＮに限定されず、ＴａＮ、ＺｒＮ、ＶＮ、ＮｂＮなどとすることができる。２０℃の比抵抗値は、ＴｉＮで２１．７μΩ・ｃｍ、ＴａＮで１３５μΩ・ｃｍ、ＺｒＮで１３．６μΩ・ｃｍ、ＶＮで２００μΩ・ｃｍ、ＮｂＮで２００μΩ、などである。これらの窒化金属薄膜は、Ｓｉにおいて、配線金属層とＳｉとを分離したり、金属の拡散やマイグレーションを抑制するバリア層として用いることができる。すなわち、集積回路の製造プロセスに用いることが容易であり、受光素子１０の生産性を高めることができる。また、電磁シールド膜２４として、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属薄膜を用いてもよい。
他方、電磁シールド膜として、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）のような透明導電膜、多結晶Ｓｉ膜、メッシュ金属膜などを用いる構造もある。ＩＴＯを用いる場合、ＩＴＯ成膜工程は、集積回路の製造プロセスと異なるので、オフラインに専用装置を設けることになり、量産性が低下する。また、ＩＴＯは、段差による膜切れを生じやすく信頼性が十分ではない。さらに、パターン寸法精度および加工再現性が十分とは言えない。
また、多結晶Ｓｉ膜は、可視光に近くなると透過率が極端に低下し、近赤外光に対しても光吸収を生じる。光吸収を低減するために厚さを小さくすると、シート抵抗が高くなるとともに、高屈折率により透過率の波長依存性が大きくなる。さらに、多結晶Ｓｉの成膜工程は、５００℃を越えることもあり、金属配線層上に形成することは困難となる。
さらに、メッシュ金属膜では、開口部を大きくすると電磁シールド効果が大幅に低下し、微細メッシュとすると入射光が反射され受光素子の感度が低下する。また、メッシュ形成工程は量産性が十分とは言えない。
このように、透明導電膜、多結晶Ｓｉ膜、メッシュ金属膜を用いた電磁シールド膜は、信頼性および量産性が十分と言えない。これに対して、窒化金属薄膜を用いた電磁シールド膜は、特性および量産性を高めることが容易である。
図４は、第１の実施形態の受光素子を有する光結合型絶縁装置の模式断面図である。
光結合型絶縁装置（フォトカプラおよびフォトリレーを含む）８０は、第１の実施形態の受光素子１０と、受光素子１０と電気的に絶縁され受光部２０へ近赤外光を照射する発光素子８４と、を有している。もし、受光素子１０が信号出力部、すなわち出力リード８３の上に設けられ、発光素子８４が信号入力部、すなわち入力リード８２の上に設けられた場合、互いに対向する発光素子８４と受光素子１０とを包むインナ樹脂層８６とアウタ樹脂層８７とをさらに設けることができる。なお、絶縁基板上に、受光素子と、発光素子と、をそれぞれ設け、樹脂層で封止してもよい。
図５（ａ）は光結合型絶縁装置の瞬時同相除去電圧の測定系を説明する模式図、図５（ｂ）はパルス電圧の変化を説明する波形図、である。
光結合型絶縁装置８０は、入力リード８２（発光素子８４の側）と出力リード８３（受光素子１０の側）とが絶縁されている。このため、入力リード８２と出力リード８３との間に、浮遊容量を有する。入出力リード間に、急激に変化するパルス電圧ＶＣＭを加えると、変位電流が流れ、受光素子１０の出力電圧Ｖｏに誤動作の原因となるノイズを発生する。瞬時同相除去電圧は、コモンモードノイズ耐性（ＣＭＲ：Common Mode Rejection）で表すことができる。すなわち、高いＣＭＲは、ノイズ耐性が高いことを意味する。
ＣＭＲは、電源電圧Ｖｃｃが供給された状態で、入力リード８２ａと出力リード８３ａとの間に、急峻に変化するパルス電圧ＶＣＭを加えたときの受光素子１０の出力電圧Ｖｏの変化として測定される。すなわち、ＣＭＲは、出力電圧Ｖｏの変化が所定値以下となる最大のＶＣＭの電圧傾き（ｋＶ／μｓ）で定義される。たとえば、厚さが２１ｎｍの電磁シールド膜２４の場合、１０ｋＶ／μｓ以上のＣＭＲとすることができる。
図６は、第２の実施形態にかかる受光素子の模式断面図である。
ＴｉＮ薄膜などからなる電磁シールド膜２４は、金属配線層５０ｄを介して光結合型絶縁装置の出力リード（接地側）８３ａに接続される。また、受光部２０の一方の端子と信号処理回路部３０の接地端子とが、出力リード８３ａに接続される。また、たとえば、図５において、受光素子１０のフロントエンドに設けられるＴＩＡアンプ３２の入力端子は、受光部２０の他方の端子と接続される。
図６において、電磁シールド膜２４と、受光部２０を構成するフォトダイオードのカソード（ｎ形拡散層）との間には絶縁層６０が挟まれて浮遊容量Ｃｎｓを生じる。浮遊容量Ｃｎｓは、ＴＩＡアンプ３２の入力端子の容量を増大させ、周波数特性やノイズ特性を低下させるので好ましくない。このため、電磁シールド膜２４と半導体層７２との距離が大きい方が好ましい。たとえば、距離を１μｍ以上などとする。図６では、電磁シールド膜２４を最上層である金属配線層５０ｄと、隣接する金属配線層との中間の位置に設け浮遊容量Ｃｎｓを低減している。
なお、電磁シールド膜２４で電磁シールド効果が高められた光結合型絶縁装置８０は、信号処理回路部３０を差動型とすることにより、誤動作をさらに低減できる。
図７は、第２の実施形態の受光素子の変形例の模式断面図である。
ＴｉＮなどの電磁シールド膜２４は、複数の層からなる金属配線層５０のうち最上層の上面と接して接続される。このため、金属配線層５０ｄと、電磁シールド膜２４と、の間に、絶縁層６０の内部に導通ホールを設ける必要が無く、かつ浮遊容量Ｃｎｓを低減できる。なお、受光素子１０はｐ形基板に限定されず、ｎ形基板であってもよい。また、金属配線層５０は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉなどの金属とすることができる。
図８（ａ）〜（ｆ）は、窒化金属薄膜を用いた電磁シールド膜２４の製造プロセスを説明する模式図である。すなわち、図８（ａ）は複数の金属配線層のうち、最上層の金属配線層５０ｄを示す図である。図８では半導体層と最上層である金属配線層５０ｄとの間に位置する金属配線層は図示を省略している。図８（ｂ）はさらにフォトレジスト９０がパターニングされた構造、図８（ｃ）は金属配線層がさらに選択的に除去された構造、図８（ｄ）は窒化金属薄膜が設けられ構造、図８（ｅ）はフォトレジスト９１がパターニングされた構造、図８（ｆ）は受光部の外側領域の窒化金属薄膜が除去された構造、のそれぞれの模式断面図である。
本図では、電磁シールド膜２４は、ＴｉＮとする。また、電磁シールド膜２４は、最上層の金属配線層５０ｄの上に、接触して設けられているが、最上層に限る必要はない。
図８（ａ）に表すように、受光部２０と信号処理回路部３０が設けられた半導体層７２の上方に金属配線層５０ｄが形成されている。なお、金属配線層５０ｄはその両側に薄いバリア層５１、５２が設けられているものとする。もし、金属配線層５０をＡｌ（たとえば、厚さが２００〜１５００ｎｍ）とする場合、バリア層５１、５２（たとえば、厚さが１０〜３０ｎｍ）は、ＴｉＮとしてもよい。バリア層５１はＴｉのマイグレーションを抑制し、バリア層５２は露光プロセスにおける反射を防止できる。
図８（ｂ）に表すように、少なくとも受光部２０の表面の上部を開口するように、フォトレジスト９０をパターニングする。続いて、図８（ｃ）のように、少なくとも受光部２０の上方の金属配線層５０ｄとその両側のバリア層５１、５２を除去し、フォトレジスト９０をさらに除去する。なお、本図では、受光部２０を囲む領域のバリア層５２および金属配線層５０ｄの一部も除去される。
次に、図８（ｄ）に表すように、受光部２０の上方および金属配線層５０ｄの上のバリア層５２の一部にスパッタリング法などを用いて、厚さが４〜２０ｎｍなどの（ＴｉＮ）電磁シールド膜２４を形成する。なお、受光部２０の上方に絶縁層６０が残っている場合もある。
次に、図８（ｅ）のように、受光部２０の上方を含む領域を覆うようにフォトレジスト９１をパターニングする。さらに、フォトレジスト９１に覆われていない領域の（ＴｉＮ）電磁シールド膜２４をＲＩＥ（Reactive Ion Etching)法などを用いて除去し、フォトレジスト９１をさらに除去すると図８（ｆ）の構造が得られる。なお、受光部２０の上方の電磁シールド膜２４は受光部２０の端部近傍に残されたバリア層５２を介して、金属配線層５０に接続されている。ＴｉＮを含む電磁シールド膜２４は半導体装置のバリア層などとして用いられるので、受光素子１０の量産性を高めることが可能となる。
図９（ａ）〜（ｆ）は、窒化金属薄膜を用いた電磁シールド膜の製造プロセスの変形例を説明する模式図である。すなわち、図９（ａ）は半導体層の上方に第１の金属配線層が設けられた構造、図９（ｂ）はさらにフォトレジスト９０がパターニングされた構造、図９（ｃ）は金属配線層５０ｄがさらに選択的に除去された構造、図９（ｄ）は電磁シールド膜が設けられ構造、図９（ｅ）はフォトレジスト９１がパターニングされた構造、図９（ｆ）は電磁シールド膜２４が選択的に除去された構造、のそれぞれの模式断面図である。なお、図８と同様に、半導体層と最上層である金属配線層５０ｄとの間に位置する金属配線層は図示を省略している。また、金属配線層は最上層に限る必要はない。
ＴｉＮからなる電磁シールド膜２４をＲＩＥ法などで除去する場合、ＴｉＮと共に、その下のバリア層５２と金属配線層５０ｄの上部とが除去されることがある。変形例では、図９（ｅ）に表すように、フォトレジスト９１をパターニングすることにより、金属配線層５０ｄとバリア層５１、５２とＴｉＮとを同一のフォトレジストパターンを用いて、連続したプロセスでエッチングできる。このため、バリア層５２および金属配線層５０ｄの一部が除去されず、金属配線層として用いることが可能となる。
また、金属配線層５０ｄの側面にＴｉＮ薄膜が形成される工程がないことから、金属配線層５０ｄの側面に設けられたＴｉＮ薄膜がＲＩＥ法に用いるイオンビームに照射されることはない。このため、側面から剥がれたＴｉＮなどがダストとなりＲＩＥ装置内を汚し、歩留まりを低下することが抑制される。
本実施形態によれば、ノイズの影響が低減され、量産性に富む受光素子が提供される。また、この受光素子を有する光結合型絶縁装置によれば、たとえば、ＣＭＲを１ｋＶ／μｓ以上とし、誤動作を抑制することが容易となる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０ 受光素子、２０ 受光部、２４ （電磁シールド）膜、３０ 信号処理回路部、５０、５０ａ〜５０ｄ 金属配線層、６０ 絶縁層、７２ 半導体層、８０ 光結合型絶縁装置、８２ 入力リード、８３ 出力リード、８４ 発光素子

Claims (8)

  1. カソードを含む受光部を有する半導体層と、
    前記半導体層の上に設けられた絶縁層と、
    前記絶縁層内に設けられ接地された配線層と、
    一部が前記配線層と重なるように前記配線層と前記カソードとの間の前記絶縁層内に設けられ、前記配線層と接続されるとともに前記受光部を覆う膜であって、金属あるいはＴｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｖ、およびＮｂのうちの少なくともいずれかを含む窒化金属である膜と、
    を備えた受光素子。
  2. 前記受光部は、アノードをさらに含み、
    前記膜は、前記配線層を介して、前記アノードまたは前記カソードに接続された請求項１記載の受光素子。
  3. 前記半導体層は、前記受光部に接続され、前記電気信号を処理して出力する信号処理回路部をさらに有し、
    前記膜は、前記配線層を介して前記信号処理回路部の接地に接続された請求項１記載の受光素子。
  4. 前記配線層は、前記絶縁膜を間に挟んで設けられる複数の配線層のうち、前記半導体層から最も離れた位置に設けられた請求項１記載の受光素子。
  5. 前記膜は、前記配線層の上面の少なくとも一部に接して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
  6. 前記金属は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕのいずれかを含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の受光素子。
  7. 前記膜は、ＴｉＮからなり、２１ｎｍ以下の厚さを有する請求項１〜６のいずれか１つに記載の受光素子。
  8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の受光素子と、
    前記受光部へ前記信号光を照射する発光素子と、
    前記発光素子が設けられた信号入力部と、
    前記受光素子が設けられ、前記信号入力部と絶縁された出力部と、
    を備えた光結合型絶縁装置。
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