(57)【要約】【課題】高精度な光検出を実現可能な半導体装置を提供する。【解決手段】例えば、フォトダイオードＰＤの一部領域である受光部２０１以外の領域がメタル第２層Ｍ２などの遮光膜によって覆われた構成において、受光部２０１から絶縁膜ＩＳＬ１，ＩＳＬ２を介して遮光膜下部の領域に洩れ込んだ入射光をコンタクト層ＣＮＴ１ｂ，ＣＮＴ２ａによって遮断する。このようなコンタクト層ＣＮＴ１ｂ，ＣＮＴ２ａの構造は、例えば、半導体基板を上面から見て、ＣＮＴ１ｂ，ＣＮＴ２ａを形成する各コンタクトホールが千鳥配置となったものや、ＣＮＴ１ｂ，ＣＮＴ２ａのそれぞれを壁状の形状（Ｙ軸方向に連続する形状）にしたものなどが挙げられる。【選択図】図３
2007110046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光部を含み、前記受光部に照射された入射光の光強度に応じて電気信号を生成する受光素子と、前記生成した電気信号を検出し、所望の処理を行う処理回路とが半導体基板上に設けられ、
前記半導体基板上で、前記受光部を除く領域は、遮光のための第１メタル配線層によって覆われており、
前記第１メタル配線層の下層領域には、絶縁膜を介して上層と下層間を接続する複数のコンタクト層が設けられ、
前記複数のコンタクト層の内、前記受光部の近辺に配置されたコンタクト層が、前記半導体基板の横方向と同じ方向性を備えた前記入射光を遮断する構造となっていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記第１メタル配線層の下層領域には、
前記受光素子の一端のノードに該当する拡散層と、
前記第１メタル配線層の下層配線層となる第２メタル配線層と、
前記拡散層と前記第２メタル配線層とを接続する第１コンタクト層と、
前記第２メタル配線層と前記第１メタル配線層とを接続する第２コンタクト層とが含まれ、
前記受光部の近辺に配置された前記第１コンタクト層および前記第２コンタクト層が、前記半導体基板の横方向と同じ方向性を備えた前記入射光を遮断する構造となっていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置において、
前記入射光を遮断する構造を備えたコンタクト層は、前記半導体基板を上面から見て、前記コンタクト層を形成する複数のコンタクトホールが千鳥配置で設けられたような形状となっていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置において、
前記入射光を遮断する構造を備えたコンタクト層は、前記半導体基板を上面から見て、前記受光部を取り囲む壁のような形状になっていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に、受光素子とその受光信号レベルを検出する処理回路とを備えた光電スイッチ用の半導体装置に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、光線を照射して物体の有無を検出する装置である光電スイッチと呼ばれるものが広く知られている。このような光電スイッチには、透過方式を用いたものや反射方式を用いたものなどが存在している。透過方式とは、例えば、光線を照射する投光器とそれと対向配置された受光器とを備え、投光器からの光が物体で遮断された際に受光器に到達した光量を検出する方式である。一方、反射方式とは、例えば、投光回路部と受光回路部を備えた投・受光器を備え、投光回路部からの光線が物体で反射された際に受光回路部に到達した光量を検出する方式である。このような受光器および受光回路部は、例えば、フォトトランジスタやフォトダイオードからなる受光素子と、その受光信号レベルを検出する処理回路によって構成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前述したような受光器および受光回路部は、通常、受光素子以外の部分（すなわち、処理回路の部分）は、外乱光による誤動作を防止するため遮光する必要がある。これは、例えば、処理回路内のトランジスタなどが光を受けると、この光によって発生した電流または電圧によって検出結果に誤差が生じるためである。このような誤動作を防止するための遮光は、例えば、半導体チップにおける処理回路部の上層をメタル配線層などで覆う構造によって実現することが可能である。
【０００４】
しかしながら、このような構造は、半導体チップの上面に対して垂直に照射される入射光に対しては十分に遮光が行えるが、半導体チップの上面に対して斜め方向に照射される入射光に対しては、十分には行えない。すなわち、斜め方向に照射された光が、例えば、半導体チップ上の絶縁膜を介して半導体基板上の処理回路を担う拡散層等に照射される可能性が懸念される。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、高精度な光検出を実現可能な半導体装置を提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【０００７】
本発明の半導体装置は、半導体基板上に受光素子と処理回路が設けられた構成となっている。受光素子は、受光部を含み、この受光部に照射された入射光の光強度に応じて電気信号を生成するものであり、処理回路は、受光素子で生成した電気信号を検出し、例えば増幅等の所望の処理を行うものである。そして、半導体基板上で、受光部を除く領域は、遮光膜となるメタル配線層によって覆われており、この遮光膜の下層領域には、絶縁膜を介して上層と下層間を接続する複数のコンタクト層が設けられている。ここで、この複数のコンタクト層の内の受光部の近辺に配置されたコンタクト層が、半導体基板の横方向と同じ方向性を備えた入射光を遮断する構造を備えることが特徴となっている。
【０００８】
このような構成を用いると、受光部から遮光膜下部の絶縁膜を介して半導体基板の横方向に入射した光を遮ることが可能となる。これによって、遮光膜下部の処理回路等に光が照射されるのを防止でき、高精度な光検出が実現可能となる。
【０００９】
なお、前述したコンタクト層による入射光の遮断は、例えば、半導体基板を上面から見て、コンタクト層を形成する複数のコンタクトホールを千鳥配置（または互い違いの配置）にしたような形状によって実現することが可能である。また、例えば、コンタクト層を、半導体基板上面から見て、受光部を取り囲む壁のような形状にすることでも実現可能である。
【発明の効果】
【００１０】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、光の検出精度を向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施の形態による半導体装置において、その全体構成の一例を示すブロック図である。図１に示す半導体装置は、例えば、フォトダイオード（受光素子）ＰＤと、光量系アナログ回路１０１、基準電圧回路１０２と、コンパレータ１０３と、ロジック回路１０４と、出力ドライバ１０５などを含んでいる。更には、レギュレータ回路１０６と、クロック発生回路１０８と、投光回路１０９なども含まれる。
【００１３】
ＰＤは、入射光を受け、その光強度に応じて電気信号（光電流）を生成する。光量系アナログ回路１０１は、ＰＤで生成した光電流を検出し、その検出信号を増幅する。コンパレータ１０３は、基準電圧と、光量系アナログ回路１０１の出力信号レベルを比較する。ロジック回路１０４は、クロック発生回路１０８からの基準クロック信号と、コンパレータ１０３の出力信号を用いて各種信号処理を行う。出力ドライバ１０５は、ロジック回路１０４の出力を受けて、出力端子ＰＯＵＴを介して外付けのトランジスタスイッチやＬＥＤ等を駆動する。
【００１４】
レギュレータ回路１０６は、電源端子ＶＣＣから例えば３０Ｖ等の外部電源電圧を受けて、例えば５Ｖ等の内部電源電圧を生成する。投光回路１０９は、出力端子ＴＯを介してＰＤが受光する光源となる投光側素子を駆動するための回路である。このように、図１の半導体装置は、受光素子ＰＤと、ＰＤで生成された電気信号の検出および処理などを主に行う各種処理回路１０１〜１０９によって構成される。そして、ＰＤおよび各種処理回路は、１つの半導体基板上に形成されている。
【００１５】
図２は、図１の半導体装置の外形の一例を示す上面図である。図２には、例えば、図１のような回路構成を備えた半導体チップ（半導体基板）２００が示されている。半導体チップ２００の中心部分には、フォトダイオードＰＤが配置され、更にＰＤの一部の領域が入射光を受光可能な受光部２０１となっている。この受光部２０１以外の領域は、ＰＤの他の一部と、前述した各種処理回路１０１〜１０９が配置され、この領域は、上面が遮光膜（メタル配線層）２０２によって覆われている。なお、このような半導体チップ２００をパッケージングした場合は、例えば、受光部２０１の上部に当たるパッケージ樹脂が空洞となり、そこにレンズ等が取り付けられたような構成となる。
【００１６】
図３は、図２の半導体装置において、そのＡ−Ａ’間の構成例を示す断面図である。図３に示す半導体装置は、図２における受光部２０１と遮光膜２０２の境目部分となる領域２０３の部分に対して、そのＡ−Ａ’間の断面構成例を示している。図２では、例えば、Ｐ型の半導体基板Ｐ−ｓｕｂ上に、Ｎ型のウェル領域ＮＷと、Ｐ型のウェル領域ＰＷが設けられている。ＮＷ上には、比較的高濃度のＮ型半導体領域（拡散層）Ｎ＋が設けられ、この半導体領域Ｎ＋上には、酸化膜等の絶縁膜ＩＳＬ１が形成されている。一方、ＰＷ上には、比較的高濃度のＰ型半導体領域（拡散層）Ｐ＋が設けられ、この半導体領域Ｐ＋上には、Ｎ＋と同様に絶縁膜ＩＳＬ１が形成されている。
【００１７】
半導体領域Ｎ＋は、絶縁膜ＩＳＬ１を貫通するコンタクト層ＣＮＴ１ａによって、上層のメタル第１層Ｍ１ａに接続される。一方、半導体領域Ｐ＋は、絶縁膜ＩＳＬ１を貫通するコンタクト層ＣＮＴ１ｂによって、上層のメタル第１層Ｍ１ｂに接続される。メタル第１層Ｍ１ｂ上には、絶縁膜ＩＳＬ２が形成され、ＩＳＬ２上にはメタル第２層Ｍ２が形成される。Ｍ１ｂとＭ２は、絶縁膜ＩＳＬ２を貫通するコンタクト層ＣＮＴ２ａ，ＣＮＴ２ｂによって接続される。また、メタル第２層Ｍ２上には、パッシベーション膜ＰＢが形成される。
【００１８】
ここで、メタル第２層Ｍ２は、図２の遮光膜２０２に該当し、このＭ２の下層部分に向けた入射光の照射を防止する役目を担う。一方、Ｍ２に覆われない部分、すなわち、図３のＰ−ｓｕｂ、ＮＷおよびＮ＋の部分は、入射光を受光する受光部２０１となっている。そして、この受光部２０１の領域と、ＰＷおよびＰ＋の領域を含めた部分で、ＰＮ接合のフォトダイオードＰＤが構成される。なお、図３において、ＰＤより右側に位置する図示から外れる領域には、図１の各種処理回路１０１〜１０９が形成されており、これらの領域の上層は、勿論、メタル第２層Ｍ２によって遮光されている。
【００１９】
ＰＤの一端となるカソードノードは、Ｎ＋の領域に接続されたメタル第１層Ｍ１ａであり、このＭ１ａは、前述したＭ２の下層に位置する各種処理回路（図１の例では、光量系アナログ回路１０１）に接続される。一方、ＰＤの他端となるアノードノードは、Ｐ＋の領域に接続されたメタル第２層Ｍ２である。すなわち、このＭ２は、アノードノードとしての機能と遮光膜としての機能を兼ね備えたものとなっている。なお、実使用上、このＭ２は、接地電圧ＧＮＤとして使用される。
【００２０】
このような構成において、本発明の主要な特徴は、遮光膜となるメタル第２層Ｍ２下部の各種コンタクト層ＣＮＴ１ｂ，ＣＮＴ２ａ，ＣＮＴ２ｂが、半導体基板の横方向の方向性を備えた入射光を遮断する機能を備えていることにある。すなわち、従来技術においては、横方向の方向性を備えた入射光が、絶縁膜ＩＳＬ１，ＩＳＬ２を介してＭ２の下部に位置する各種処理回路に照射されることで、不具合が発生する恐れがあった。とりわけ、図１の１０１〜１０３のようなアナログ系の処理回路では、光照射が行われると大きな誤差が発生してしまう。
【００２１】
そこで、本実施の形態においては、図３に示すように、コンタクト層ＣＮＴ１ｂ，ＣＮＴ２ａ，ＣＮＴ２ｂのそれぞれを、例えば、複数の列で構成することで、横方向の入射光を遮光する。すなわち、図３のコンタクト層ＣＮＴ１ｂ，ＣＮＴ２ａ，ＣＮＴ２ｂを、例えば、図４のような構造にする。
【００２２】
図４は、図３の半導体装置において、そのコンタクト層の構成例を模式的に示す上面図である。図４において、コンタクト層ＣＮＴ２ａは、まず、半導体基板の平面空間にＸ軸およびＹ軸を定義すると、半導体基板上の絶縁膜内を通してＸ軸方向に入射光が洩れ込むのに対して、この入射光を遮るＹ軸方向に向けてある間隔で複数のコンタクトホールＣＨが配置されている。そして、この複数のコンタクトホールＣＨをコンタクト列と呼ぶと、Ｘ軸方向に向けてもある間隔でコンタクト列が配置され、隣接するコンタクト列は、互いにＹ軸方向にずらした形で配置されている。ここでは、ＣＮＴ２ａが、３列構成のコンタクト列となっている。
【００２３】
ここで、この３列構成のコンタクト列に含まれる個々のコンタクトホールＣＨを見ると、それぞれは、半導体基板を上面から見て千鳥配置（または互い違いの配置）となっている。すなわち、前段のコンタクト列における各コンタクトホールＣＨの間から漏れた光を後段のコンタクト列で遮る構造となっている。また、同様にして、コンタクト層ＣＮＴ１ｂ，ＣＮＴ２ｂも、それぞれ２列構成のコンタクト列を備えている。このような構成を用いると、図３の絶縁膜ＩＳＬ１を介して洩れ込んだ光は、コンタクト層ＣＮＴ１ｂによって遮断され、絶縁膜ＩＳＬ２を介して洩れ込んだ光は、コンタクト層ＣＮＴ２ａによって遮断される。
【００２４】
なお、この各コンタクト列のＸ軸方向の間隔や、各コンタクトホールのＹ軸方向の間隔は、プロセスの精度などに応じて定められる。また、コンタクト層ＣＮＴ２ａは、ここでは３列構成とした。更に列を加えるか否かは、プロセスの違いや光を遮断する程度等に応じて定められる。さらに、図４のような千鳥配置構造は、図３の受光部２０１と遮光膜（メタル配線層）Ｍ２との境目の位置から最も近い位置に存在するコンタクト層に適用することが望ましい。この部分で十分に光を遮光できれば、例えば、図３のコンタクト層ＣＮＴ２ｂは、必ずしも千鳥配置構造にする必要はなく、コンタクト列としても問題はない。また、図３，図４では、図２における一部の領域２０３を示したが、全体領域で見ると、図２の受光部２０１の近くで、その周囲を囲むように、コンタクトホールが千鳥配置されていることになる。
【００２５】
以上、図３および図４に示すような、千鳥配置のコンタクトホールを備えた半導体装置を用いることで、受光部以外となる遮光膜下部の処理回路に光が照射されるのを防止でき、これによって、高精度な光強度の検出が実現可能となる。
【００２６】
図５は、図３の半導体装置において、そのコンタクト層の他の構成例を模式的に示す上面図である。図５において、コンタクト層ＣＮＴ２ａ１（図３のＣＮＴ２ａの箇所に該当）は、図４と同様にＸ軸方向に入射光が洩れ込むのに対して、この入射光を遮るＹ軸方向に向けて連続する形状を備えたものとなっている。同様に、コンタクト層ＣＮＴ１ｂ１（図３のＣＮＴ１ｂの箇所に該当）およびＣＮＴ２ｂ１（図３のＣＮＴ２ｂの箇所に該当）も、Ｙ方向に向けて連続する形状を備えたものとなっている。
【００２７】
このような構造を用いると、この連続する形状を備えたコンタクト層によって光を遮断することが可能となる。したがって、図５では便宜上示しているが、ＣＮＴ２ｂ１は、特に、このような連続する形状にする必要はない。また、このようなコンタクト層は、図２で見ると、受光部２０１の領域を取り囲む壁のような形状となる。
【００２８】
このように、図３および図５に示すような、壁状のコンタクト層を備えた半導体装置を用いることで、図４と同様に、受光部以外となる遮光膜下部の処理回路に光が照射されるのを防止でき、これによって、高精度な光強度の検出が実現可能となる。
【００２９】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００３０】
例えば、本実施の形態では、受光素子としてフォトダイオードを用いたが、勿論フォトトランジスタなどを用いても同様に適用可能である。さらに、本実施の形態では、光電スイッチ用の半導体装置を一例として説明を行ったが、入射光に対する受光部と遮光部を有する半導体装置であれば、その境目部分の遮光部下部のコンタクト層に対して前述したような形状を適用することで、同様の効果を得ることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の半導体装置は、特に、受光素子と処理回路を備えた光電スイッチ用のＩＣに適用して有益な技術であり、これに限らず、受光素子を搭載し、受光部と遮光部を備えたＩＣ全般に対して広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施の形態による半導体装置において、その全体構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図１の半導体装置の外形の一例を示す上面図である。
【図３】図２の半導体装置において、そのＡ−Ａ’間の構成例を示す断面図である。
【図４】図３の半導体装置において、そのコンタクト層の構成例を模式的に示す上面図である。
【図５】図３の半導体装置において、そのコンタクト層の他の構成例を模式的に示す上面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０１  光量系アナログ回路
１０２  基準電圧回路
１０３  コンパレータ
１０４  ロジック回路
１０５  出力ドライバ
１０６  レギュレータ回路
１０８  クロック発生回路
１０９  投光回路
２００  半導体チップ
２０１  受光部
２０２  遮光膜
２０３  領域
Ｐ−ｓｕｂ  半導体基板
ＮＷ，ＰＷ  ウェル領域
Ｎ＋，Ｐ＋  半導体領域
ＣＮＴ  コンタクト層
ＣＨ  コンタクトホール
Ｍ１  メタル第１層
Ｍ２  メタル第２層
ＩＳＬ  絶縁膜
ＰＢ  パッシベーション膜
ＰＤ  フォトダイオード
【図１】
2007110046.tif 000003
【図２】
2007110046.tif 000004
【図３】
2007110046.tif 000005
【図４】
2007110046.tif 000006
【図５】
2007110046.tif 000007