JPH02194558A - 半導体装置およびその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、光検出部を通る光子数を増大できるように
改良した光情報の検出用の半導体装置およびその製法に
関する。

［従来の技術］ ｐｎ接合を用いた光検出素子においては、」−記ｐｎ接
合を通る光子数に応じて発電量が設定されるものであり
、上記光子数が１１９大することによって、光検出感度
が向上される。このための光検出素子の検出感度を向上
させるためには、ｐｎ接合部の面積を増大させる必要が
ある。

従来のフォトダイオード等の光検出素子は、例えばシリ
コン基板上に形成されているもので、光検出感度を上昇
させるために、ｐｎ接合の基板上における占有面積が大
きくなる。このため、光検出機能の設定された半導体装
置の動作の高速化、さらには多機能化が困難となる。こ
のような問題点を解決する手段としては、ＳＱ　Ｉ　　
（Ｓｉｌｉｃｏｎ　０ｎＩｎｓｕｔａｔｃｒ）化が提案
されているものであるが、その実用化のためには、検出
素子部の高効率化によって集積度を上げる必要がある。

光検出素子を使用してイメージセンサを構成する場合、
高集積化および多画素化の要求があり、多画素化をすれ
ば必然的に配線領域が増大する。

しかし、この配線領域は金属層によって構成されるもの
であるため、この配線層部によって光の透過が妨げられ
るようになり、光検出感度が落ちる結用となる。

［発明が解決しようとする課題］ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、小型
化して高効率な光検出感度が設定されるようにすると共
に、金属配線層等が光吸収に対して影響を与えないよう
にし、イメージセンサ等が効率的に構成することができ
、高感度センサとすることができるようにする光検出用
の半導体装置およびその製法を提供しようとするもので
ある。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る半導体装置にあっては、光入力を検出す
るｐ０接合の背面部に配線層が形成されるようにするも
のであり、このために例えば基板上に金属薄膜層を形成
し、この金属薄膜層の上にｐｎ接合が形成されようにす
る。あるいは、半導体基板の一方の面上にｐｎ接合を形
成し、このｐｎ接合の上に金属配線層を形成して基板本
体を形成し、この基板本体の上記配線層部に絶縁層を介
して他の基板を接着する。そして、上記ｑ＋ｑ導体基板
の他方の面を」−記ｐｎ接合部の近くまで研磨し、この
研磨面から光入力が得られるようにする。

［作　用］ 上記のように構成される半導体装置にあっては、光を検
知するｐｎ接合部に、金属配線層の部分を通さずに入力
光が供給され、ｐ０接合を通る光子数が容易に増大され
る。したが７て、光入力に対するｐｎ接合における発２
ＴＩ　ＩＳが大きくなり、検出感度が容易に向上される
。また、この半導体装置は、例えば通常のこの種半導体
装置を製作する工程で得られた基板本体を研磨すること
により、容易且つ高精度に製作することができるもので
あり、高集積化も容易に実現できるようになる。

［発明の実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。

第１図乃至第６図は光検出用の半導体装置をその製造過
程にしたがって示すもので、まず第１図で示すようにシ
リコン基板１１に対してイオンを打ち込み、拡散等の手
段によフてｐ−型半導体基板とする。このｐ−がたにし
たシリコン基板１１の一方の面には、ＬＯＣＯ８酸化膜
１２が形成されるもので、この酸化膜１２によってイメ
ージセンサを構成する検出素子形成領域１３ａ、　、　
１３ｂ　、・・・を区画形成する。

次に、第２図に示すように上記検出素子形成領域１３ａ
　、　１３ｂ　％・・・それぞれにイオン打ち込みによ
ってｎ＋領域１４ａ　、　１４ｂ　、・・・を形成する
と共に、この領域１４ａ、１４ｂ　、・・・それぞれに
近接し５た状態でｐ＋領域１５ａ　５ｉ５ｂ　ｓ・・を
形成する。そして、上記ｎ十領域１４ａ　％　１４ｂ　
ｓ・・・それぞれとシリコン基［１，１との間にｐｎ接
合が形成されるようにする。

ｐ十領域１５ａ　、　１．５ｂ　、　、、、はｐ−のシ
リコン基板１１の電極部として用いられる。

このようにしてｎ小領域１．４ａ　、１４ｂ　、・・・
およびｐ十領域１５ａ　％　！、５ｂ−・・・が形成さ
れたならば、第３図に示すようにシリコン基板１１の全
面に、例えばＢＰＳＧ等による層間絶縁層重６を例えば
１〕、６μｍの厚さで形成する。この絶縁層１Ｇには上
記ｎ＋領領域４ａ　、　！４ｂ　、・・・　およびｐ十
領域１５ａ　、　Ｌ５ｂ　、・・・にそれぞれ対応して
コンタクトホールを形成し、このコンタクトホール部を
含む状態で、例えば０．９μｍのアルミニウムによる金
属配線層１７を形成する。この配線層は、例えばエツチ
ング工程により所定のパターンに形成され。

そして、第４図に示すように配線層１７が形成された層
間絶縁層１Ｇの上にさらに層間絶縁層１８を形成し、そ
の面を平滑面とすることによって基板本体部１９が構成
されるようにする。

このように構成された基板本体部１９の上記層間絶縁層
Ｉ８の表面部には、第５図で示すように他の半導体基板
２０をウェハ接着技術によって接着する。

そして、この半導体基板２０が接着されて強度部材が形
成された状態で、上記シリコン基板１１の他方の面を研
磨し、第６図で示すように薄膜化する。

この場合上記研磨する範囲は、ＬＯＣＯ３酸化膜１２に
当たるまで行われるもので、この酸化［１２により区画
された領域部には、ｐ−型のシリコン基板１１が残され
、その各区画領域においてｐ−の層が独立的に形成され
、その各区画においてそれぞれ検出素子を構成するｐｎ
接合が形成されるようにして、光検出用半導体装置が完
成される。

この半導体装置に対する光入力は、上記シリコン基板１
１の研磨面の方向から与えられるようになる。したがっ
て、この半導体装置にあっては、ｐｎ接合部に」二部配
線エリアを通すことなく光入力が与えられるものであり
、金属配線層１７によって光が遮られることがない。こ
のため、高効率なイメージセンサが構成できる。そして
、この半導体装置の製造過程の特に研磨工程におい“Ｃ
は、ＬＯＧＯＳ酸化膜Ｊ酸化膜面２研磨のス！・ツバと
して使用できるものであるため、この基板１１の研磨が
自己整合的に実施でき、したがってこの研磨工程は非常
に容易に実施できるものである。

このような光検出半導体装置は、それ自体独立的な構成
要素として形成されるものであるが、この装置によって
構成されるイメージセンサを３次元化することによって
、高速高機能化することができる。

第７図は３次元的に構成した例を示すもので、第４図で
示されるように１に成した基板本体１９の層間絶縁層１
８の表面部にポリシリコン層またはゾーンメルティング
等により単結晶シリコン層２１ａ。

２１ｂ　、・・・を形成し、イオン打ち込み等によりこ
のり１結晶シリコン層にｐｎ接合を形成する。そして、
このｐｎ接合に対してゲート電極２２ａ　、　２２ｂ　
、・・・を形成すると共に、その表面部を層間絶縁層２
３で被覆し、上記ｐｎ接合およびゲート電極が、それぞ
れアルミニウムによる金属配線２４に接続されるように
する。そして、上記層間絶縁層２３０面上にさらに層間
絶縁層２５を形成し、その上に第６図で示したと同様に
甲導体基板２０を接着する。

このようにして基板本体１９の層間絶縁層１８の表面側
にｐｎ接合を形成したポリシリコン層２１ａ　。

２１ｂ１・・・部でそれぞれトランジスタが形成される
ようになるものであり、トランジスタそれぞれには、ｎ
十領域１４ａ　Ｓ１４．ｂ　、・・・それぞれが配線層
１７を介して接続され、各光検出素子部で検出した信号
が、上記各トランジスタ部で増幅され出力されるように
している。第８図は上記１つの光検出部に対応する回路
構成を示している。

ここで、上記基板本体１９部の層間絶縁層１８の内部に
は、光検出素子部とトランジスタ領域とを区画するよう
にして金属薄膜層２Ｂを形成する。この金属薄膜層２６
は光検出素子部とトランジスタ部とのクロストークを阻
止するシールドとして作用すると共に、入力光に対する
反射板としても作用し、入力光が効率的にｐｒ＋接合部
に導かれ、高感度の光検出動作が実行されるようにして
いる。

このように構成される半導体装置にあっては、最も結晶
性の優れたシリコン基板ＩＩに対して光検出部が構成で
きるものであるため、高速で高機能とされる高感度の光
検出装置とすることができる。

第９図に示す実施例にあっては、層間絶縁層１６に形成
される金属配線層１７の構成を変えたもので、この配線
層が層間絶縁層１６の上でほぼ全面に広がるように形成
されている。すなわち、このように金属配線層１７を構
成することにより、入射された光かｐｎ接合を通ってこ
の金属配線層１７に当り、反射されて再びｐｎ接合を通
るようになり、光電流が効果的に増大されて、その光検
出感度が向上される。

第１０図に示す実施例では、ｎ十領域１４ａ　。

１４ｈ、・・・をＬＯＣＯＳ酸化膜１２により区画され
た素子領域の全体に亙って形成し、ｐｎ接合を通る光子
数カ目曽大されるようにしている。この場合ｐ−型領領
域端子部となるｐ十領域１５ａ　、　１５ｂ、・・は、
シリコン基板１１を研磨した面に形成されるようにし１
、この研磨面に対して透明電極層２９を形成し、ｐ十領
域１５ａ　、　１５ｂ　、・・・が透明電極３０によっ
て几通に接続されるようにする。

すなわち、入力光は透明電極３０を透過してｐｎ接合に
供給されるようになるものであるが、このｐｎ接合を形
成するｎ十領域の光入射面積が最大限に設定することが
でき、光検出感度が向上されるようになる。この場合、
各検出素子を構成するダイオードは並列接続設定されて
いる。

上記のように１つの基板に２個以上の光検出素子（ダイ
オード）が形成される場合、第１０図で示した例のよう
に各ダイオードを並列接続できるものであるが、これを
直列接続状態とすることも可能である。

第１１図は例えば２個のダイオードが直列に接続設定さ
れるようにした例を示すもので、ＬＯＧＯＳ絶縁膜１２
によって区画された各領域には、順次ｐ−層１１ａおよ
びｎ−層ｉｔｂが形成されるようにする。これは第１図
で示す製造工程で、ＬＯＧＯＳ酸化膜１２が形成された
後、区画設定された検出素子形成領域１３ａ　、ｊ３ｂ
　、・・・それぞれに所定のにイオンを打ち込み、上記
ｐ″″層１．　］、　ａおよびｎ−層１１ｂが形成され
るようにすればよい。

そして、このｐ−層１１ａおよびｎ″″層１１ｂには、
それぞれｎ十領域３１ａおよびｐ中領域３１ｂを形成し
、またシリコン基板１１のｖ１磨面にｐ半領域３２ａお
よびｎ＋領域３２ｂを形成する。そして、このｐ１領域
３２ａおよびｎ÷領域３２ｂそれぞれに独立的に接続さ
れるようにして、上記シリコン基板ＩＩの研磨面に透明
電極層３０ａおよび３０ｂを形成する。

ここで、上記ｎ十領域３１ａおよびＩ）　”　６Ｊ′ｉ
域３１ｂにそれぞれ金属配線層１７が接続されるもので
、この金属配線層１７は層間絶縁層１６の面上を被覆す
るように形成し、上記領域３１ａ　、３１ｂを共通に接
続するようにしている。

すなわち、複数のｐｎ接合が金属配線層１７によって順
次直列状態に接続されるようになる。そして、金属配線
層１７は第９図で示した例と同様に反射面を形成するよ
うになり、ｐｎ接合を通った光を再びｐｎ接合に導き、
光検出感度を効果的に向」二させるようになる。またｐ
ｎ接合の光が辿る部分の面積も最大限に設定され、検出
感度の向上に作用するようになっている。

上記実施例では金属配線層１７によって複数の検出素子
を形成するダイオードが直列接続されるようにしたが、
第１２図で示すようにシリコン基板１１のｖ１磨而に設
定される透明電極層３ｏによって直列接続されるように
してもよい。この場合、ｎ÷領域３１ａおよびｐ十領域
３１ｂからは、それぞれ独ｑ的に金属配線層１７が導出
されている。

これまでの実施例では、第１−図乃至第６図で示した製
造方法によって得られる構造を基本としているものであ
るが、この製法に限らず一ヒ記同様の目的が達成できる
半導体装置を製造できる。

第１３図はさらに他の実施例を説明するもので、この実
施例の半導体装置はＳＯＩ構造で構成される。まず（Ａ
）図で示すように例えばシリコン等の基板４１の表面上
に、例えば１μｍの厚さで５ｉ０２からなる絶縁層４２
を形成する。次に（Ｂ）図で示すように、この絶縁層４
２上に、検出素子を形成する領域に対応して、例えば厚
さ０．５μｍでＷ等による金属薄膜層４３を形成する。

このように金属薄膜層４３が形成されたならば、（Ｃ）
図に示すようにこの金属薄膜層４３１−に厚さ０．６μ
ｍでポリシリコン層４４および４５を形成し、イオン打
ち込みによって（Ｄ）図に示すようにこのポリシリコン
層４４および４５に、積層する状態でｐＷＩＩ４４１お
よび４５２と、０層４４２および４５１を層状に形成し
、それぞれｐｎ接合を形成する。この場合、ポリシリコ
ン層４４および４５において、９層および０層が逆の順
位の層となっているもので、ポリシリコン層４４のｎｔ
ｉ４４２およびポリシリコン層４５のｐ層４５２が、共
に金属薄膜層４３に接触されている。

すなわち、ポリシリコン層４４および４５部でそれぞれ
ｐｎ接合が形成され、それぞれ独立した光検出素子が形
成されるようになるもので、この２つ検出素子が金属薄
膜層４３によって直列に接続されるようになる。

その後、（Ｅ）図に示すように上記ポリシリコン層４４
および４５上を層間絶縁層４Ｇにより保護すると共に、
この絶縁層４６に形成されたコンタクトホールを介して
形成されたアルミニウムによる配線４７および４８によ
り、上記９層４４１および０層４５１をそれぞれ導出し
、光検出用の半導体装置が構成されるようにする。

このように構成される半導体装置にあっては、金属薄膜
層４３は、上記したように光検出素子となるダイオード
を直列接続するための使用されると共に、上方から光が
入力されたときには、この人力光の反ａ−１部材として
も作用する。すなわぢ、」二方からの入射光は原則とし
てｐｎ接合に入射されるものであるが、このｐｎ接合部
を通過した光は、金属薄膜層４３により反射されて、再
びｐｎ接合に入るようになり、このｐｎ接合を通る光子
数が充分に増大されるようになる。すなわち、この装置
の光検出感度が増強されることになる。

［発明の効果］ 以」二のにようにこの発明に係る光検出用の半導体装置
によれば、ｐｎ接合部に対して入射光が効率的に供給さ
れるようになると共に、このｐｎ接合の光入射面積を充
分に拡大できるものであり、高効率および高感度の光検
出素子が構成されるようになる。またその製造に際して
も、簡単にｐｎ接合を光入射面の部分に設定できるもの
であり、容易に且つ確実に高効率の光検出素子が形成さ
れ、イメージセンサの解像度の向上等にも大きな効果が
発揮される。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６図はこの発明の一実施例に係る半導体装
置をその製造工程にしたがって説明する断面構成図、第
７図はこの発明の他の実施例を説明する断面構成図、第
８図は上記実施例によって構成される光検出回路を示す
図、第９図乃至第１．２ ５図はそれぞれこの発明の他の実施例を説明する断面構
成図、第１３図の（Ａ）乃至（Ｅ）はこの発明のさらに
他の実施例に係る半導体装置をその製造過程にしたがっ
て説明する断面構成ずである。 ｉｉ、　、ｉｉ・・シリコン基板、１２・・・ＬＯＣＯ
Ｓ酸化膜、１３ａ　　１３ｂ−・検出素子形成領域、１
４ａ、１４ｂ−ｎ＋領領域１５ａ　、　１５ｂ−ｐ＋領
領域１６．１８・・・層間絶縁層、１７・・・金属配線
層、１９・・・基板本体、２０・・・半導体基板、３０
．３１ａ　、３１ｂ・・・透明電極、４２・・・絶縁層
、４３・・・金属薄膜層、４４．４５・・ポリシリコン
層。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第 図 第６図 第３図 第４図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板と、 この基板の光入射側の面に設定され、光検出素子を形成
   するｐｎ接合と、 このＰｎ接合と上記基板との間に形成され、上記ｐｎ接
   合に接続されるようになる金属配線層とを具備し、 この配線層部を経由しないで上記ｐｎ接合に光が入力さ
   れるようにしたことを特徴とする半導体装置。
2. （２）上記基板は半導体基板で構成され、上記金属配線
   層は上記半導体基板の表面に形成される絶縁層を介して
   薄膜状に形成されるもので、この薄膜状金属配線層上に
   ポリシリコン層を形成し、このポリシリコン層にｐ層お
   よびｎ層が積層される状態で形成されるようにした請求
   項１の半導体装置。
3. （３）それぞれ絶縁物層により区画されたｐあるいはｎ
   の一方の導電型に設定される第１の導電型領域と、 この第１の導電型領域それぞれの内部に形成され、この
   第１の導電型領域とｐｎ接合を形成する第２の導電型領
   域と、 この第２の導電型領域の上記第１の導電型領域とは反対
   側の背面側に、少なくとも上記第２の導電型領域に接続
   される金属配線導体層と、 この金属配線層を有する面に形成された保護用の絶縁物
   層と、 この絶縁物層の面に接着設定された基板とを具備し、 上記第１の導電型領域の面から光が入射されるようにし
   たことを特徴とする半導体装置。
4. （４）上記第２の導電型領域の背面部に絶縁層を形成し
   、この絶縁層上に広がるように上記金属配線導体層が形
   成されるようにし、上記入射された光が上記金属配線導
   体層で反射されて上記ｐｎ接合部に導かれるようにした
   請求項３の半導体装置。
5. （５）上記第１の導電型領域の表面部には、透明な電極
   層を形成し、この電極層が上記第１の導電型領域に電気
   的に接続されるようにした請求項３の半導体装置。
6. （６）第１の導電型に設定される半導体基板の一方の面
   に絶縁物層により複数の第１の導電型領域を区分設定す
   る第１の工程と、 上記区分された第１の導電型領域の表面部に第２の導電
   型領域を形成する第２の工程と、上記第２の導電型領域
   の形成された上記半導体基板の一方の面上に第１の絶縁
   保護層を形成する第３の工程と、 この絶縁保護層上に上記第１および第２の導電型領域の
   少なくとも一方に電気的に接続された金属配線層を形成
   する第４の工程と、 この金属配線層が形成される面に第２の絶縁保護層を形
   成する第５の工程と、 上記半導体基板の上記第２の絶縁保護層を有する面に他
   の基板を接着する第６の工程と、上記半導体基板の他方
   の面を、上記絶縁層に当たるまで研磨する第７の工程と
   を具備し、この研磨面から光が入力されるようにした半
   導体装置の製法。