JP3678065B2

JP3678065B2 - 集積化フォトセンサ

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Publication number: JP3678065B2
Application number: JP23297299A
Authority: JP
Inventors: 稲男豊田; 吉孝後藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-08-19
Filing date: 1999-08-19
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2019-08-19
Also published as: JP2001060677A; US6333544B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上に受光素子、信号処理回路用素子を集積形成してなる集積化フォトセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の集積化フォトセンサとしては、特開平１０−２８９９９４号公報に記載のものが提案されている。このものは、１つのチップ上に受光素子、信号処理回路用素子を形成し、チップ表面を選択的に受光領域を設定するための遮光膜を配設して構成したものである。それによって、集積化する際にチップサイズを極力小さくして、かつ、信号処理回路用素子が光を受けることによる誤動作を極力防止することができるとされている。また、このようなセンサにおいては、一般に、センサを保護するためにチップ上を樹脂等よりなる保護膜で覆っていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記フォトセンサにおいては、遮光膜は受光素子以外の領域を覆うように設けられ、遮光膜の下には信号処理回路用素子（デジタル回路用、アナログ回路用、調整用等の各回路素子）との電気的絶縁を確保するためのシリコン酸化膜等よりなる絶縁膜（層間絶縁膜）が介在されている。
【０００４】
そして、この層間絶縁膜が受光素子上に存在すると光学特性が光の干渉によって波長毎にばらつく。この光学特性のばらつきを防止するために、受光素子上では層間絶縁膜を除去した構成としている。しかし、この場合、除去する工程が追加され製造コストがかかるという問題がある。また、この場合、受光素子上に上記保護膜が載った形となるが、保護膜の種類によってはセンサ感度がばらつく可能性がある。
【０００５】
ちなみに、特開平８−３２０４５号公報では、集積化フォトセンサにおいて、受光素子上に層間絶縁膜を残した構造とし、この受光素子上の層間絶縁膜上に、層間絶縁膜に対して屈折率の近い膜（プラズマＣＶＤによる酸化膜、以下、Ｐ−ＳｉＯ₂膜という）を用いることで、この屈折率の近い膜と層間絶縁膜との界面における反射を抑制するようにしている。
【０００６】
しかしながら、この構成においては、上記Ｐ−ＳｉＯ₂膜の膜厚が薄いため、受光素子上に屈折率の大きく異なるＳｉＮ膜を残す場合に比べて、界面での反射は抑えられるものの、干渉による影響を排除することは難しく、光学特性の変動を十分抑制できてはいない。また、上記Ｐ−ＳｉＯ₂膜を形成するにあたっては、成膜プロセスにおける膜厚等の制御が難しいため、膜厚に影響を及ぼし、光学特性のばらつきを引き起こす。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、簡単に製造でき、且つ、干渉による影響から生ずる光学特性のばらつきを適切に抑制することのできる集積化フォトセンサを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１〜請求項８記載の発明は、１つのチップ（１）上に、光を受光して電気信号に変換する受光素子（４）と、該受光素子からの電気信号を処理する信号処理回路用素子（５、６）とを互いに別部位に形成し、該チップ上における該信号処理回路用素子の形成領域に、受光領域を設定するための遮光膜（３４）を形成し、該遮光膜と該チップとの間に、電気絶縁性を有する層間絶縁膜（３０）を介在設定させてなる集積化フォトセンサについて、為されたものである。
【０００９】
まず、請求項１の発明では、層間絶縁膜（３０）を受光素子（４）上にも形成し、該受光素子上に形成された層間絶縁膜（３０ａ）上を、該層間絶縁膜と略同等の屈折率を有する光透過性ゲル（１００）にて覆うようにしたことを特徴としている。
【００１０】
本発明のように、受光素子（４）上に形成された層間絶縁膜（３０ａ）と略同等の屈折率を有する光透過性ゲル（１００）を用いれば、当該ゲルの膜厚を干渉が発生しない程度に十分に厚くできる。また、従来のＰ−ＳｉＯ₂膜のように膜厚が薄いと、膜厚ばらつきが光学特性に影響を与えるが、光透過性ゲルは十分に膜厚を厚くできるから、多少、当該ゲルの膜厚がばらついたところで、光学特性に影響を殆ど及ぼさない。
【００１１】
更には、光透過性ゲルの厚さを干渉が起きない程度に厚くできるため、層間絶縁膜を厚いものとできるとともに、層間絶縁膜の厚さがばらついても、光学特性への影響を抑制することができる。そのため、受光素子上の層間絶縁膜の除去工程が不要とできる。また、当該ゲルは、塗布等にて簡単に層間絶縁膜上に配設することができる。従って、本発明によれば、簡単に製造でき、且つ、干渉による影響から生ずる光学特性のばらつきを適切に抑制することのできる集積化フォトセンサを提供することができる。
【００１２】
また、請求項２の発明では、層間絶縁膜（３０）を受光素子（４）上にも形成し、該受光素子上に形成された層間絶縁膜（３０ａ）上を、該層間絶縁膜と略同等の屈折率を有する光透過性ゲル（１００）にて覆うとともに、この光透過性ゲルを、該遮光膜よりも厚く且つ該遮光膜と該受光素子上に形成された層間絶縁膜との間に生じる段差を埋めるように形成したことを特徴としている。
【００１３】
本発明のように、受光素子（４）上に形成された層間絶縁膜（３０）上を被覆し且つ該層間絶縁膜と略同等の屈折率を有する光透過性ゲル（１００）を、遮光膜（３４）よりも厚く且つ該遮光膜と受光素子上に形成された層間絶縁膜との間に生じる段差を埋めるように形成すれば、当該ゲルの厚さを十分に厚くできるため、請求項１の発明と同様の作用効果を効率よく発揮することができる。
【００１４】
また、請求項３の発明では、光透過性ゲル（１００）を、遮光膜（３４）上も覆うものとし且つチップ（１）を保護するに十分な厚さを有するものとすれば、当該ゲルを、チップ全体を覆うほど厚く形成されたものとできるから、光学特性ばらつきとなるような入射光の干渉をより効率良く抑制できる。また、請求項４の発明のように、光透過性ゲル（１００）の厚さを、受光素子（４）上に形成された層間絶縁膜（３０ａ）の厚さの１００倍以上（より好ましくは２００倍以上）とすることによっても、光の干渉を十分に抑制できる厚さが実現できる。
【００１６】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は本実施形態に係る集積化フォトセンサの要部であるセンサ部２００の縦断面構成について必要な素子形成領域を選択的に示した模式図である。なお、図１に示すセンサ部２００は、上記特開平１０−２８９９９４号公報に記載のものを、その基本構造としていおり、シリコン基板１の１チップ単位に形成されたものである。
【００１８】
半導体基板としてのｐ形（図中、高濃度領域はｐ＋、ｎ＋で示す）シリコン基板（本発明でいうチップ）１は、面方位が（１００）のものを用いており、低濃度のｎ形（図中、低濃度領域はｐ−、ｎ−で示す）エピタキシャル層が積層されている（図中、シリコン基板１の上側の破線で示す領域に相当する）。このエピタキシャル層２には素子形成領域単位で分離されるように、周囲を高濃度ｐ形分離拡散領域３として形成している。
【００１９】
この場合、分離拡散領域３は、予めエピタキシャル層２を形成する前に埋込形成している不純物層を熱拡散することにより上方に向けてｐ形領域３ａを形成すると共に、エピタキシャル層２を形成した状態で、上方から不純物を熱拡散することにより下方に向けてｐ形領域３ｂを形成することにより、両ｐ形領域３ａ、３ｂが連結するように形成したものである。
【００２０】
また、エピタキシャル層２を形成する際には、素子形成領域のうちで必要に応じて高濃度ｎ形不純物領域を埋込形成しており、素子形成後に横方向に対する電流が流れやすくなるように低抵抗領域として形成されている。そして、素子形成領域には、後述するように、受光素子としてのフォトダイオード４、デジタル回路用素子としてのＩＩＬ素子５、アナログ回路用素子としてのバイポーラトランジスタ６、調整用回路素子としての薄膜抵抗素子７が形成される他に、拡散抵抗、キャパシタあるいはダイオードなどの各種回路用素子が形成されると共に、電極パッド８が形成されている。
【００２１】
フォトダイオード４は、エピタキシャル層２を分離形成された素子形成領域４ａに設けられている。素子形成領域４ａには、基板１との界面部に予め高濃度ｎ形埋込拡散領域９が形成されており、その周辺部位に表面までつながった状態で形成された高濃度ｎ形領域１０が設けられると共に、表層部分にはコンタクト用の高濃度ｎ形領域１１が形成されている。また、素子形成領域４ａの内側には受光部となるｐｎ接合を構成する高濃度ｐ形拡散領域１２が形成されていると共に、コンタクトをとるための高濃度ｐ形拡散領域１３がその一端側に形成されている。
【００２２】
ＩＩＬ素子５は、エピタキシャル層２を分離形成された素子形成領域５ａに設けられている。素子形成領域５ａには、基板１との界面部に予め高濃度ｎ形埋込拡散領域１４が形成されており、また、その周辺部位に表面までつながった状態で形成された高濃度ｎ形領域１５が設けられると共に、表層部分にはコンタクト用の高濃度ｎ形領域１６が形成されている。また、素子形成領域５ａの内側には低濃度ｐ形ベース層１７及びこのベース層１７へのコンタクト用の高濃度ｐ形領域１８を形成すると共に、高濃度ｐ形インジェクタ層１９を形成している。また、ベース層１７内には、３つの高濃度ｎ形エミッタ層２０が形成されている。
【００２３】
バイポーラトランジスタ６は、エピタキシャル層２を分離形成された素子形成領域６ａに設けられており、その素子形成領域６ａには、基板１との界面部に予め高濃度ｎ形埋込拡散領域２１が形成されている。そして、素子形成領域６ａには、高濃度ｐ形ベース領域２２が形成されると共に、高濃度ｎ形コレクタ領域２３及びベース領域２１内に高濃度ｎ形エミッタ領域２４が形成されている。
【００２４】
薄膜抵抗素子７は、エピタキシャル層２を分離形成された素子形成領域７ａに設けられており、その素子形成領域７ａの表面部には高濃度ｎ形領域２５が形成されている。また、この素子形成領域７ａの上部には、所定膜厚の酸化膜（シリコン酸化膜）２６を介した状態でＣｒＳｉ（クロムシリコン）製の薄膜抵抗体２７が所定形状に積層形成されている。
【００２５】
電極パッド８は、エピタキシャル層２を分離形成した素子形成領域８ａの上の基板表面に形成された酸化膜２６上に、配線用材料のアルミニウムなどによりパターニングされた電極パターン２８及び電極パターン２９を積層してなるもので、この部分はボンディング工程にて外部と電気的に接続されるようになっている。
【００２６】
上述のようにして基板１内部に形成された各種回路用素子４〜８に対して、表面部には酸化膜２６が形成されると共に、端子に対応する部分に所定の電極パターン２８（膜厚は例えば１．１μｍ程度）が上述のアルミニウム配線処理工程を経て形成されている。ここで、フォトダイオード４上の酸化膜２６は熱酸化されたシリコン酸化膜（熱酸化膜）である。
【００２７】
そして、このようにして形成された基板１の表面には、平坦化処理用の電気絶縁性を有する絶縁膜としての第１のＴＥＯＳ（テトラエトキシシリコン）膜３１（膜厚は例えば２００ｎｍ程度）、例えばＢＰＳＧ（Boron−Phospho−Silicated Glass）等のＳＯＧ（スピンオンガラス）３２及び第２のＴＥＯＳ膜３３（膜厚は例えば７００ｎｍ程度）が順次積層形成されている。これによって、アルミニウム配線用のパターニングによる段差部分がＳＯＧ３２により埋められ、第２のＴＥＯＳ膜３３を積層することにより、急峻な段差部の無い平坦化された表面が得られる。本実施形態では、これら各膜３１〜３３により本発明でいう層間絶縁膜３０が構成されている。
【００２８】
この平坦化された第２ＴＥＯＳ膜３３の上には所定の遮光領域にアルミニウム系金属（Ａｌ−Ｓｉ）よりなる遮光膜３４（膜厚は例えば１．３μｍ）が積層形成されている。この場合、遮光膜３４は、ＩＩＬ素子５、バイポーラトランジスタ６などの信号処理を行う信号処理回路用素子の表面を覆うように配置形成されている。また、遮光膜３４の形成と共に同時に、そのＡｌ−Ｓｉにより電極パッド８の電極パターン２９も形成してパターニングしている。また、この遮光膜３４は、所定部位３４ａで下層のアルミニウム電極２８ａを介して基板１のｐ形分離拡散領域３と電気的に接続された状態とされ、その電位が基板１の電位と同じになるように設定されている。
【００２９】
さらに、この遮光膜３４の上部に保護用のシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）３５（膜厚は例えば１．６μｍ程度）が積層形成されている。なお、上述した電極パターン２９の面にはＳｉＮ膜３５は配置形成されないで、電極パターン２９の面が露出される状態に形成される。また、フォトダイオード４の受光面部分には、遮光膜３４及びＳｉＮ膜３５のいずれも配置されていない。
【００３０】
図１に示すセンサ部２００は、以上のように、上記特開平１０−２８９９９４号公報に記載の構成、即ち、１つのシリコン基板（チップ）１上に、受光素子４と信号処理回路用素子５、６とを互いに別部位に形成し、基板１上に受光領域を設定するための遮光膜３４を形成し、遮光膜３４と基板１との間に層間絶縁膜３０を介在設定した構成を基本構造としているが、本実施形態では、次に述べるように、当該公報とは異なる独自の構成を有している。
【００３１】
まず、本実施形態では、図１に示す様に、ＳｉＮ膜３５及び遮光膜３４が存在しない領域であるフォトダイオード４の受光面部分に、層間絶縁膜３０（３１〜３３）を残している。ここで、フォトダイオード４上の酸化膜２６の上に形成された層間絶縁膜３０を、符号を代えて層間絶縁膜３０ａとする。そして、フォトダイオード４上に形成された層間絶縁膜３０ａの上を、層間絶縁膜３０と略同等の屈折率を有する光透過性ゲル１００にて覆った構成としている。なお、ＳＯＧ３２は両ＴＥＯＳ膜３１、３３の段差を埋めるものであり、フォトダイオード４上に形成された層間絶縁膜３０ａにおいては平坦なためＳＯＧ３２は存在せず、該層間絶縁膜３０ａは両ＴＥＯＳ膜３１、３３の２層膜から構成されている。
【００３２】
層間絶縁膜３０の屈折率は１．４６程度であり、この光透過性ゲル１００は屈折率が層間絶縁膜３０と略同等（例えば１．０〜２．１３程度の屈折率）のシリコンゲルよりなる。また、この光透過性ゲル１００は、遮光膜３４上（ＳｉＮ膜３５上）も覆っており、チップとしてのシリコン基板１全体を保護するに十分な厚さを有し、チップとしてのシリコン基板１を保護する保護材としても機能している。
【００３３】
この光透過性ゲル１００の厚さは、遮光膜３４（膜厚は例えば１．３μｍ）よりも厚く、且つ、フォトダイオード４上に形成された層間絶縁膜３０ａの厚さの１００倍以上とすることが好ましい。例えば、光透過性ゲル１００の厚さは２００μｍ程度とできる。そして、このように厚く形成された光透過性ゲル１００は、遮光膜３４とフォトダイオード４上の層間絶縁膜３０ａとの間に生じる段差を埋めるように配置されている。
【００３４】
そして、本センサ部２００においては、上記図１に示す構成がシリコン基板１における１つのチップ単位内に形成されており、チップ化されたセンサ部２００は、図２に示すように組み付けられて、本発明の集積化フォトセンサとして使用される。図２は、本発明の集積化フォトセンサを示す概略断面図である。このフォトセンサは、例えば、車載用光センサとして用いられ、自動車の照明を周囲環境に応じてオンオフ制御するときの周囲照度を検知するセンサ（以下、照度検知センサという）、または、オートエアコン制御に用いる日射センサとして適用される。
【００３５】
図２において、２０１はコネクタケースであり、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の樹脂等よりなるケース本体２０２に、金属製のリードフレーム２０３が内蔵されている。コネクタケース２０１の一端側（図中、下方側端部）は、配線部材（図示せず）等を介して図示しない外部回路（自動車のＥＣＵ等）に接続されるようになっている。
【００３６】
コネクタケース２０１の他端側には凹部が形成され、この凹部に露出したリードフレーム２０３上に上記センサ部２００が接着剤等により接着固定されている。また、このセンサ部２００における電極パッド８は、ボンディングワイヤ２０４を介してリードフレーム２０３に結線されている。そして、上記凹部を埋めるように配された光透過性ゲル１００によって、センサ部２００は封入され、且つ、保護されている。また、ゲル１００及びセンサ部２００上を覆うように、透光性樹脂よりなるカバー２０５が、ケース本体２０２に取り付けられている。
【００３７】
かかる、集積化フォトセンサにおいては、カバー２０５方向から検出対称となる光が、カバー２０５を通過してセンサ部２００に入射される。この入射光は、ゲル１００、層間絶縁膜３０ａを通過して、フォトダイオード４に受光される。すると、受光量等に応じてフォトダイオード４に光電流（本発明でいう電気信号）が発生し、この光電流は、ＩＩＬ素子５及びバイポーラトランジスタ６よりなる信号処理回路用素子にて信号処理され、電極パッド８から、ワイヤ２０４、リードフレーム２０３を通って、外部回路に出力される。
【００３８】
また、上記センサ部２００は、上記特開平１０−２８９９９４号公報に記載の製造工程に準じて製造することができる。詳細は当該公報に譲って、ここではセンサ部２００の製造工程の概略を述べることとする。まず、シリコン基板１上に通常のＩＣ製造技術に用いられる手段（イオンインプランテーション、拡散等）を用いて、フォトダイオード４等の各種回路用素子４〜８及び酸化膜２６を形成する。その後、金属薄膜であるＡｌを成膜し、これをフォトエッチングすることによって、回路素子の配線用電極（電極パターン２８）を形成する。
【００３９】
その後、第１のＴＥＯＳ膜３１、ＳＯＧ３２及び第２のＴＥＯＳ膜３３からなる層間絶縁膜３０を形成し、次に、遮光膜３４となるＡｌ−Ｓｉ膜を成膜し、遮光膜３４のパターンにフォトエッチングする。次に、保護膜としてのＳｉＮ膜をＣＶＤ法によって成膜し、フォトエッチングによって、フォトダイオード４の受光面上のＳｉＮ膜をドライエッチングによって除去する。
【００４０】
このようにして作製したシリコン基板１を個々のチップに切り出し、該チップ（即ち、上記センサ部２００）をコネクタケース２０１のリードフレーム２０３上に接着剤にて接着した後、センサ部２００の電極パッド８とリードフレーム２０３とをワイヤボンディングにより電気的に接続する。その後、センサ部２００上に、光透過性ゲル１００を塗布し、続いて、熱処理を施した後、カバー２０２をケース本体２０２に接着固定する。こうして、上記図２に示す集積化フォトセンサが完成する。
【００４１】
ところで、本実施形態によれば、フォトダイオード（受光素子）４上に形成された層間絶縁膜３０ａと同等の屈折率を有する光透過性ゲル１００を用いれば、当該ゲル１００の膜厚を干渉が発生しない程度に十分に厚くできる。本実施形態では、光透過性ゲル１００は、遮光膜３４上（さらにはＳｉＮ膜３５上）も覆っており、チップとしてのシリコン基板１全体を保護するに十分な厚さを有し、遮光膜３４とフォトダイオード４上の層間絶縁膜３０ａとの間に生じる段差を埋めるように配置されている。
【００４２】
このように厚く形成された光透過性ゲル１００によって、光学特性ばらつきとなるような入射光の干渉をより効率良く抑制できる。つまり、上記特開平８−３２０４５号公報記載のＰ−ＳｉＯ₂膜のように膜厚が薄いと、膜厚ばらつきが光学特性に影響を与えるが、光透過性ゲル１００は十分に膜厚を厚くできるから、多少、当該ゲル１００の膜厚がばらついたところで、光学特性に影響を殆ど及ぼさない。
【００４３】
更には、光透過性ゲル１００の厚さを干渉が起きない程度に厚くできるため、フォトダイオード４上の層間絶縁膜３０ａを厚いものとできるとともに、該層間絶縁膜３０ａの厚さがばらついても、光学特性への影響を抑制することができる。よって、従来のように受光素子上の層間絶縁膜を除去する工程が不要であり、製造コスト的に有利である。また、当該ゲル１００は、上記従来のＰ−ＳｉＯ₂膜のように成膜装置を用いて配設するものではなく、塗布にて簡単に層間絶縁膜３０ａ上に配設することができるため、製造も容易である。
【００４４】
このように、本実施形態では、塗布により簡単にしかも厚く配設できるというゲルの特性に着目して光透過性ゲル１００を採用した構成としている。従って、本実施形態によれば、簡単に製造でき、且つ、干渉による影響から生ずる光学特性のばらつきを適切に抑制することのできる集積化フォトセンサを提供することができる。
【００４５】
このように、本実施形態では、シリコンよりなるフォトダイオード（受光素子）４の上に、酸化膜２６及び層間絶縁膜３０ａよりなるシリコン酸化膜、光透過性ゲル（本例ではシリコンゲル）１００が順次積層形成された独自の構成とすることにより、上記の種々の効果を奏するが、次に、このような構成による、より具体的な作用効果について説明していく。
【００４６】
シリコン（本実施形態ではフォトダイオード４に相当）の屈折率をｎ₂、シリコン酸化膜（本実施形態では酸化膜２６と層間絶縁膜３０ａに相当）の屈折率をｎ₁、シリコン酸化膜上の物質（本実施形態では光透過性ゲル１００に相当）の屈折率をｎ₀とし、受光素子上方から光を入射した時にシリコンに透過する光の透過率Ｔを下記の数式１に示す。なお、本実施形態において、酸化膜２６と層間絶縁膜３０ａとは、製法は異なるが共にシリコン酸化膜であるから、互いに屈折率は略同じであり、屈折率ｎ₁は層間絶縁膜３０ａの屈折率とみなすことができる。
【００４７】
【数１】
Ｔ＝ａ／（ｂ＋ｃ・ｃｏｓ（２λ・ｎ₁・ｄ）
ここで、λは照射光の波長であり、ｄはシリコン酸化膜の厚さ（膜厚）であり、数式１中のａ、ｂ、ｃは下記の数式２にて示されるものである。
【００４８】
【数２】
ａ＝８ｎ₀・ｎ₁ ²・ｎ₂
ｂ＝（ｎ₀ ²＋ｎ₁ ²）（ｎ₁ ²＋ｎ₂ ²）＋４ｎ₀・ｎ₁ ²・ｎ₂
ｃ＝（ｎ₀ ²−ｎ₁ ²）（ｎ₁ ²−ｎ₂ ²）
これらの数式を用いて、シリコン酸化膜上の物質が空気（屈折率が１）である場合（つまり、光透過性ゲル１００が無い場合）の透過率Ｔを計算した比較例を、図３に示す。ここで、シリコンの屈折率ｎ₀を３．４５、シリコン酸化膜の屈折率ｎ₁を１．４６とした。
【００４９】
図３では、シリコン酸化膜の厚さｄが１０００ｎｍの場合（図中、実線図示）と、シリコン酸化膜の厚さｄが１００ｎｍの場合（図中、破線図示）とについて、透過率Ｔの照射光波長λ（単位：ｎｍ）に対する依存性を示している。これより、シリコン酸化膜の厚さｄが厚いときに、透過率Ｔが大きく変化することがわかる。
【００５０】
透過率Ｔが変化すると、受光素子で検出される光の量が変わってしまうため、光強度の検出特性のばらつき要因となるほか、光の波長によっても透過率Ｔが異なるため、同じ明るさでも光の波長によって光強度の検出特性が異なる。特に、車載用として用いられる上記照度検知センサや日射センサでは、太陽光をはじめとして車外の種々の光が検出対象となるため、波長依存性が大きいことは問題となる。比較例の場合では、透過率Ｔの変化を小さくするためには、１００ｎｍ程度の薄い膜厚のシリコン酸化膜を用い、且つ、その膜厚を精度良く制御する必要がある。
【００５１】
これに対し、シリコン上にシリコン酸化膜２６、３０ａが形成され、これらシリコン酸化膜２６、３０ａ上に光透過性ゲル１００が形成されている本実施形態の場合について、上記数式１及び２を用いて検討した例を示す。光透過性ゲル１００として、その屈折率が１．４１のシリコンゲルを用いた時の透過率Ｔを計算したものを、図４に示す。なお、上記比較例と同様、シリコンの屈折率ｎ₀を３．４５、シリコン酸化膜の屈折率ｎ₁を１．４６とした。
【００５２】
図４では、シリコン酸化膜の厚さｄが１０００ｎｍの場合（図中、実線図示）と、シリコン酸化膜の厚さｄが１００ｎｍの場合（図中、破線図示）とについて、透過率Ｔの照射光の波長（単位：ｎｍ）に対する依存性を示している。これより、本実施形態では比較例に比べて、シリコン酸化膜の厚さｄが厚い場合でも、透過率Ｔの変化が非常に小さいことがわかる。
【００５３】
このため、受光素子（フォトダイオード４）上のシリコン酸化膜２６、３０ａを薄くする必要が無く、また、従来のように、受光素子上の層間絶縁膜等を除去する必要がない。また、受光素子上のシリコン酸化膜の膜厚がばらついても、殆ど透過率変化に影響しないため、従来のように、シリコン酸化膜の厚さを精度良く制御する必要が無くなる。
【００５４】
また、上記数式１において、右辺のｃｏｓ（２λ・ｎ₁・ｄ）は、λやｄの値によって−１から＋１の間を振動する。従って、下記の数式３に示されるように、透過率Ｔの最小値Ｔmin及び透過率Ｔの最大値Ｔmaxが求められ、更には、これら最大値及び最小値から、光の波長λやシリコン酸化膜の厚さｄが変化したときの透過率Ｔの変動ΔＴが求められる。
【００５５】
【数３】
Ｔmin＝ａ／（ｂ＋ｃ）
Ｔmax＝ａ／（ｂ−ｃ）
ΔＴ＝│Ｔmax−Ｔmin│
図５は、透過率の変動ΔＴがシリコン酸化膜上の物質の屈折率ｎ₀によってどのように変わるかを示すものである。
【００５６】
図５からわかるように、シリコン酸化膜上の物質（本実施形態の光透過性ゲル１００に相当）の屈折率ｎ₀が、シリコン酸化膜の屈折率ｎ₁（上記のように、実質的には層間絶縁膜３０の屈折率に相当、本例では１．４６）と完全に同等（つまりｎ₀＝ｎ₁）である時、最も透過率変動は小さくなる。また、図５から、光透過性ゲル１００の屈折率ｎ₀が１〜２．１３の範囲に有れば、ゲル１００が無い状態即ち空気（ｎ₀＝１）に比べて透過率の変化が小さくなるため、好ましいことがわかる。
【００５７】
次に、本発明者等の試作検討に基づく、本実施形態の具体的効果を図６〜図９を参照して述べる。図６は、フォトダイオード４上にシリコン酸化膜２６、３０ａを厚さ２７０ｎｍにて形成し、シリコンゲル（光透過性ゲル１００）は形成しないもの、図７は、フォトダイオード４上にシリコン酸化膜２６、３０ａを厚さ２７０ｎｍにて形成し、該シリコンゲルを厚さ２００μｍにて形成したものである。
【００５８】
また、図８は、フォトダイオード４上にシリコン酸化膜２６、３０ａを厚さ１０１０ｎｍにて形成し、該シリコンゲルは形成しないもの、図９は、フォトダイオード４上にシリコン酸化膜２６、３０ａを厚さ１０１０ｎｍにて形成し、該シリコンゲルを厚さ２００μｍにて形成したものである。ここで、各図６〜図９において、フォトダイオード４の屈折率ｎ₂、シリコン酸化膜ｎ₁、及びシリコンゲルの屈折率ｎ₀は、それぞれ、上記と同様、３．４５、１．４６、１．４１とした。そして、図６〜図９においては、センサ感度（相対感度で示す）の光波長依存性を示してある。
【００５９】
図６と図８との比較からわかるように、シリコン酸化膜２６、３０ａを薄く形成すれば、光透過性ゲル１００が無い場合でもセンサ感度は良好となる。しかし、図６のように、シリコン酸化膜２６、３０ａを薄く形成する場合には、受光素子４上の該酸化膜を除去する工程が追加され、製造コストの上昇につながる。また、図８のように、該酸化膜を除去せず厚く形成した場合には、干渉によって受光特性（センサ感度）は光波長によるばらつきを生じてしまう。
【００６０】
一方、図７及び図９に示す様に、本実施形態の光透過性ゲル１００をシリコン酸化膜２６、３０ａの膜厚に比べて厚く形成した場合には、シリコン酸化膜２６、３０ａの膜厚に関係なく、良好なセンサ感度を示していることが確認された。ここで、光透過性ゲル１００の膜厚は、シリコン酸化膜２６、３０ａの膜厚（実質的には層間絶縁膜３０ａの膜厚）の１００倍（より好ましくは２００倍）以上であることが好ましい。なお、図９では、ゲル２００の膜厚を該酸化膜の膜厚の２００倍程度とした例を示してある。
【００６１】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、受光素子上の層間絶縁膜３０ａとしてシリコン酸化膜を用いたが、シリコン窒化膜を用いた場合でも、同様に、光透過性ゲルによる効果が得られる。この場合、シリコン窒化膜の屈折率は、約２であり、光透過性ゲル１００の屈折率ｎ₀が１以上４．０以下の範囲にあれば、当該ゲル１００が無い状態即ち空気（ｎ₀＝１）に比べて透過率の変化を小さくでき、好ましい。また、当該ゲル１００としては、フッ素ゲル、フロロシリコンゲル等も用いることができる。
【００６２】
また、上記実施形態では、受光素子４上に形成された層間絶縁膜３０ａの上は、層間絶縁膜３０（３０ａ）と同等の屈折率を有する光透過性ゲル１００が直接接して覆われているが、当該ゲル１００と層間絶縁膜３０ａとの間に、層間絶縁膜３０ａと屈折率の同等の膜（ＳｉＯ₂膜等）が別途介在していても良い。
【００６３】
また、光透過性ゲル１００は少なくとも受光素子４上に形成された層間絶縁膜３０ａを覆っていれば良く、遮光膜３４等、受光素子４以外の領域を覆っていなくても良い。また、光透過性ゲル１００は、干渉を抑制するに十分な厚さで有れば、遮光膜３４と受光素子４上に形成された層間絶縁膜３０ａとの間に生じる段差を埋めるように形成されていなくとも良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る集積化フォトセンサ要部の模式的断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る集積化フォトセンサの概略全体断面図である。
【図３】シリコン酸化膜上の物質を空気とした比較例における透過率の波長依存性を示す図である。
【図４】シリコン酸化膜上の物質を本発明の光透過性ゲルとした場合における透過率の波長依存性を示す図である。
【図５】受光素子における透過率の変動がシリコン酸化膜上の物質の屈折率によってどのように変わるかを示す図である。
【図６】フォトダイオード上にシリコン酸化膜を厚さ２７０ｎｍにて形成し、シリコンゲルは形成しない場合の相対感度の光波長依存性示すグラフである。
【図７】フォトダイオード上にシリコン酸化膜を厚さ２７０ｎｍにて形成し、シリコンゲルを厚さ２００μｍにて形成した場合の相対感度の光波長依存性示すグラフである。
【図８】フォトダイオード上にシリコン酸化膜を厚さ１０１０ｎｍにて形成し、シリコンゲルは形成しない場合の相対感度の光波長依存性示すグラフである。
【図９】フォトダイオード上にシリコン酸化膜を厚さ１０１０ｎｍにて形成し、シリコンゲルを厚さ２００μｍにて形成した場合の相対感度の光波長依存性示すグラフである。
【符号の説明】
１…シリコン基板、４…フォトダイオード、５…ＩＩＬ素子、
６…バイポーラトランジスタ、３０…層間絶縁膜、
３０ａ…フォトダイオード上に形成された層間絶縁膜、３４…遮光膜、
１００…光透過性ゲル。

Claims

１つのチップ（１）上に、光を受光して電気信号に変換する受光素子（４）と、該受光素子からの電気信号を処理する信号処理回路用素子（５、６）とが互いに別部位に形成されており、前記チップ上における前記信号処理回路用素子の形成領域には、受光領域を設定するための遮光膜（３４）が形成されており、この遮光膜と前記チップとの間には、電気絶縁性を有する層間絶縁膜（３０）が介在設定されている集積化フォトセンサにおいて、前記層間絶縁膜は前記受光素子上にも形成されており、前記受光素子上に形成された層間絶縁膜（３０ａ）の上は、前記層間絶縁膜と略同等の屈折率を有する光透過性ゲル（１００）にて覆われていることを特徴とする集積化フォトセンサ。
１つのチップ（１）上に、光を受光して電気信号に変換する受光素子（４）と、該受光素子からの電気信号を処理する信号処理回路用素子（５、６）とが互いに別部位に形成されており、前記チップ上における前記信号処理回路用素子の形成領域には、受光領域を設定するための遮光膜（３４）が形成されており、この遮光膜と前記チップとの間には、電気絶縁性を有する層間絶縁膜（３０）が介在設定されている集積化フォトセンサにおいて、前記層間絶縁膜は前記受光素子上にも形成されており、前記受光素子上に形成された層間絶縁膜（３０ａ）の上は、前記層間絶縁膜と略同等の屈折率を有する光透過性ゲル（１００）にて覆われており、この光透過性ゲルは、前記遮光膜よりも厚く、且つ、前記遮光膜と前記受光素子上に形成された層間絶縁膜との間に生じる段差を埋めるように形成されていることを特徴とする集積化フォトセンサ。
前記光透過性ゲル（１００）は前記遮光膜（３４）上も覆うものであり、且つ、前記チップ（１）を保護するに十分な厚さを有するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の集積化フォトセンサ。
前記光透過性ゲル（１００）は、その厚さが前記受光素子（４）上に形成された層間絶縁膜（３０ａ）の厚さの１００倍以上である請求項１ないし３のいずれか１つに記載の集積化フォトセンサ。
前記受光素子（１００）はシリコンからなり、前記層間絶縁膜（３０）はシリコン酸化膜からなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の集積化フォトセンサ。
前記受光素子（４）はシリコンからなり、前記層間絶縁膜（３０）はシリコン窒化膜からなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の集積化フォトセンサ。