JP3763715B2 - 受光素子および半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、受光素子および半導体レーザ装置に関し、より特定的には、光ディスクのピックアップ等に利用される受光素子の構造および該受光素子を備えた半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から光ディスクのピックアップに利用される半導体レーザ装置は知られている。この半導体レーザ装置の一例を図５に示す。
【０００３】
図５に示す半導体レーザ装置は、特開平７−１４２８１３号に開示されたものであり、ステム台９と、このステム台９に固定されたステム１１とを備える。ステム１１の側面には半導体レーザチップ１７が取り付けられ、上面には検出用フォトダイオードチップが取り付けられ、ステム台９上には、フォトダイオード（受光素子）１６が取り付けられる。
【０００４】
ステム台９には、窓１３を有するキャップ１２が固定される。キャップ１２上にはガラス１０が搭載され、このガラス１０は接着用樹脂１４によってキャップ１２に固定されている。
【０００５】
上記ステム台９には通気穴１５が設けられており、この通気穴１５を設けることにより、外部から接着用樹脂１４を通じてキャップ１２内の空間に湿気が侵入した場合においても、この湿気を外部に放出することができる。
【０００６】
しかし、上記の半導体レーザ装置では、通気穴１５から上記空間に侵入する湿気により、フォトダイオード（受光素子）１６のボンディングパッド部等のように表面保護膜で保護されていないメタル部分が腐食するという問題が生じる。
【０００７】
かかる問題に対応可能な受光素子として、特開平９−９７８９２号に開示の受光素子を挙げることができる。この公報に記載の受光素子を図６に示す。
【０００８】
図６に示すように、受光素子は、ボンディングパッド部２０と、フォトダイオード部２１と、信号処理回路部２２とを備える。ボンディングパッド部２０はたとえばフォトダイオード部２１と信号処理回路部２２との電気的接続を行ない、フォトダイオード部２１は受光された光を検知し、信号処理回路部２２は光信号を処理する。
【０００９】
また、受光素子は、半導体基板１と、その上に形成された酸化膜２とを備える。半導体基板１は、ｐ型半導体基板１ａと、ｎ型エピタキシャル層１ｂとを有する。半導体基板１内には種々の不純物拡散層が形成され、所定の不純物拡散層と接続されるメタル層（電極）が形成される。
【００１０】
ボンディングパッド部２０は、酸化膜２上に形成されたメタル層４ａの一部で構成され、ボンディングパッド部２０の一部表面は表面保護膜５で覆われていない。この一部表面上に、ＴｉＷ層７およびＡｕ層８のような耐腐食性を有する金属層が形成される。Ａｕ層８は、ボンディング性を向上させるために形成される。
【００１１】
上記のようにＴｉＷ層７等の耐腐食性を有する金属層をボンディングパッド部２０上に形成することにより、前述のように通気穴１５からキャップ１２内の空間に湿気が侵入した場合においても、ボンディングパッド部２０が腐食するのを抑制することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６に示す従来例においても次のような問題が生じていた。この問題について図７を用いて説明する。図７は、ボンディングパッド部２０とその近傍の拡大図である。
【００１３】
図７に示すように、ボンディングパッド部２０上には、ボンディングワイヤ６が形成される。このとき、たとえばメタル層４ａ表面に突起があると、ボンディングワイヤ６のボンディング時にＴｉＷ層７やＡｕ層８に傷が入り、そのためＴｉＷ層７下に位置するメタル層４ａが腐食し、図７に示すように局所的に腐食領域１８が発生する。この腐食領域１８は、主としてボンディングワイヤ６の周囲に発生し、腐食領域１８が配線部２３に達すると、ボンディングワイヤ６と配線部２３とが電気的に導通しなくなるという問題が生じ得る。この問題は、製品テストにおけるプロービング時にＴｉＷ層７等に傷が入った場合にも生じ得る。
【００１４】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものである。本発明の目的は、受光素子の耐腐食性を向上することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る受光素子は、半導体レーザ装置の非気密性パッケージに用いられる受光素子であって、１つの局面では、ボンディングパッド部と、このボンディングパッド部から延びる配線部と、ボンディングパッド部下から配線部下に延在し耐腐食性の材質からなる第１耐腐食性導電層と、ボンディングパッド部上に形成されたボンディングワイヤとを備える。ここで、耐腐食性導電層とは、典型的には、ボンディングパッド部や配線部を構成する材質よりも湿気等の腐食要因に対し腐食性の低い（腐食しにくい）材質よりなる導電層のことを称する。
【００１６】
上記のように第１耐腐食性導電層をボンディングパッド部から配線部に延在させることにより、ボンディングワイヤの周囲に位置するボンディングパッド部が腐食したとしても、第１耐腐食性導電層により配線部とボンディングワイヤとを電気的に接続することができる。
【００１７】
本発明に係る受光素子は、上記ボンディングパッド部上に開口を有し配線部を覆う保護膜を備え、第１耐腐食性導電層は保護膜下に延在する。
【００１８】
このように保護膜下にまで延在するように第１耐腐食性導電層を形成することにより、第１耐腐食性導電層でボンディングパッド部と配線部を電気的に接続することができ、上述のような効果が得られる。
【００１９】
また、ボンディングパッド部と上記のボンディングワイヤとの間にさらに第２耐腐食性導電層を形成する。
【００２０】
それにより、ボンディングワイヤの周囲に位置するボンディングパッド部自体の腐食を抑制することができ、配線部とボンディングワイヤとをより確実に接続することができる。
【００２１】
上記ボンディングパッド部および配線部は、絶縁膜上に形成され、絶縁膜と接するように第１耐腐食性導電層を配置する。
【００２２】
このように絶縁膜側に第１耐腐食性導電層を配置することにより、ボンディングパッド部により第１耐腐食性導電層を保護することができる。また、ボンディングワイヤの周囲に位置するボンディングパッド部が腐食した場合でも、絶縁膜と第１耐腐食性導電層との密着強度を維持することができる。その結果、ボンディングパッド部の欠落を効果的に抑制することができる。
【００２３】
本発明に係る受光素子は、他の局面では、絶縁膜上に形成されたＡｌ合金層と、Ａｌ合金層の一部表面上に開口を有しＡｌ合金層を覆う保護膜と、該Ａｌ合金層の一部表面上に形成されるボンディングワイヤとを備える。そして、Ａｌ合金層は、上記開口下から保護膜下に延在する第１ＴｉＷ層を有する。
【００２４】
上記のように耐腐食性導電層の一例である第１ＴｉＷ層を開口下から保護膜下に延在させることにより、開口下に位置するＡｌ合金層が局所的に腐食した場合でも、保護膜下に位置するＡｌ合金層とボンディングワイヤとを第１ＴｉＷ層で電気的に接続することができる。また、受光素子内の回路部の配線材料として使用可能なＡｌ合金や、上記回路部においてバリアメタルとして使用可能なＴｉＷを使用しているので、複雑な工程を追加する必要はない。それにより、素子を安価に提供することができる。
【００２５】
上記第１ＴｉＷ層は、絶縁膜と接するようにＡｌ合金層の下に形成され、Ａｌ合金層とボンディングワイヤとの間にさらに第２ＴｉＷ層およびＡｕ層を形成する。それにより、開口下に位置するＡｌ合金層の腐食を抑制することができ、より確実にＡｌ合金層とボンディングワイヤとを電気的に接続することができる。
【００２６】
上記の受光素子は、好ましくは、信号処理回路を備える。それにより、信号処理回路を内蔵した受光素子の耐腐食性を向上することができる。
【００２７】
本発明に係る半導体レーザ装置は、上述の受光素子を備える。それにより、半導体レーザ装置の耐腐食性を向上することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図４を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
本実施の形態１における受光素子は、図６に示す従来例と同様に、ボンディングパッド部２０と、フォトダイオード部２１と、信号処理回路部２２とを備える。フォトダイオード部２１と信号処理回路部２２の構造については、図６に示す従来例と同様であるので、その説明は省略する。当該受光素子は、通常の半導体プロセスを用いて形成可能である。
【００３０】
図１は、本発明の実施の形態１における受光素子におけるボンディングパッド部２０と配線部２３を示す断面図である。
【００３１】
図１に示すように、本発明に係る受光素子は、半導体基板１と、シリコン酸化膜等よりなる酸化膜（絶縁膜）２と、ＡｌＳｉ層（配線層）４と、シリコン窒化膜等よりなる表面保護膜５と、Ａｕ等よりなるボンディングワイヤ６とを備える。
【００３２】
ＡｌＳｉ層４は、フォトダイオード部２１と信号処理回路部２２との電気的接続を行なうためのボンディングパッド部２０と、このボンディングパッド部２０から周囲に延びる配線部２３と、ボンディングパッド部２０から配線部２３に延在し、ＡｌＳｉ層４よりも湿気等に対し耐腐食性を有するＴｉＷ層３とを有する。ボンディングパッド部２０は、ＡｌＳｉ層４の一部により形成され、たとえば矩形の平面形状を有する。この場合、当該矩形部分から延びる細幅の部分が、上記の配線部２３となる。
【００３３】
上記のように、受光素子内の回路部の配線材料として使用可能なＡｌ合金や、当該回路部においてバリアメタルとして使用可能なＴｉＷを使用しているので、複雑な工程を追加する必要がなくなり、素子を安価に提供することができる。
【００３４】
なお、耐腐食性を有する導電層の一例としてＴｉＷ層３を挙げたが、ＡｌＳｉ層４（配線層）よりも耐腐食性を有する導電層であれば、ＴｉＷ層３以外の材質を採用することができる。また、ＡｌＳｉ層４の代わりに、ＡｌＳｉ層以外のＡｌ合金層や、Ａｌ層等を配線層として使用することもできる。
【００３５】
上記のように耐腐食性導電層であるＴｉＷ層３をボンディングパッド部２０から配線部２３に延在させることにより、ボンディングパッド部２３が局所的に腐食して図１に示すように腐食領域１８が発生した場合でも、ＴｉＷ層３で配線部２３とボンディングワイヤ６とを電気的に接続することができる。それにより、受光素子の耐腐食性を向上することができる。
【００３６】
また、ＴｉＷ層３を形成することにより、図７に示す従来例においてボンディングパッド部２０とボンディングワイヤ６と間に形成していたＴｉＷ層７やＡｕ層８を省略することができる。それにより、これらを形成する工程を別途設ける必要がなくなり、受光素子の製造コストを低減することができる。
【００３７】
図１に示す例では、ＴｉＷ層３は酸化膜２と接するようにＡｌＳｉ層４下に配置されている。それにより、従来例のようにＴｉＷ層３に亀裂が入ること等を抑制することができ、より確実にＴｉＷ層３でボンディングパッド部２０と配線部２３とを接続することができる。
【００３８】
また、ボンディングパッド部２０が腐食した場合においても、酸化膜２とＴｉＷ層３との密着強度を維持することができる。それにより、ボンディングパッド部２０の欠落を抑制することができる。
【００３９】
なお、ボンディングパッド部２０から配線部２３へ延在していれば、ＡｌＳｉ層４の内部あるいはＡｌＳｉ層４上を延在するようにＴｉＷ層３を形成しても良い。
【００４０】
表面保護膜５は、ボンディングパッド部２０上に開口５ａを有し配線部２３を覆う。この表面保護膜５下にまでＴｉＷ層３は延在している。それにより、腐食領域１８が配線部２３に達した場合でも、ＴｉＷ層３でボンディングパッド部２０と配線部２３とを電気的に接続することができる。
【００４１】
次に、図２を用いて、図１に示す受光素子の製造方法について説明する。図２（ａ）〜（ｃ）は、図１に示す受光素子の製造工程の第１工程〜第３工程を示す断面図である。
【００４２】
図２（ａ）に示すように、通常の半導体プロセスを経て形成された半導体基板１上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)法等により酸化膜２を形成する。この酸化膜２上に、スパッタリング法等によりＴｉＷ層３を形成する。このＴｉＷ層３上に、スパッタリング法等によりＡｌＳｉ層４を形成する。そして、写真製版技術およびエッチング技術を用いて、上記のＡｌＳｉ層４を所定形状にパターニングする。
【００４３】
具体的には、ボンディングパッド部２０となる部分が矩形となり、配線部２３となる部分がボンディングパッド部２０よりも細幅となるようにパターニングする。このとき、ＴｉＷ層３も、ＡｌＳｉ層４と同形状にパターニングしておく。
【００４４】
次に、図２（ｂ）に示すように、ＡｌＳｉ層４を覆うようにシリコン窒化膜等よりなる表面保護膜５を形成する。この表面保護膜５は、ＡｌＳｉ層４の腐食を防止する目的で設けられ、たとえばＣＶＤ法等により形成される。
【００４５】
次に、図２（ｃ）に示すように、写真製版技術およびエッチング技術を用いて、表面保護膜５にボンディングパッド部２０の一部表面を露出させる開口５ａを形成する。この開口５ａ内に、ワイヤボンディング法により、Ａｕ等よりなるボンディングボンディングワイヤ６を形成する。以上の工程を経て図１に示す構造が得られる。
【００４６】
次に、本実施の形態における受光素子と、図７のタイプの従来の受光素子について耐腐食性試験を行なった結果を図４に示す。この耐腐食性試験は、加速試験としてデバイスの限界を試験する目的で行なった。具体的には、水道水に浸水させた後、デバイス表面に水滴が付着した状態でデバイスに電流を５００μＡ、３０分流すことにより、耐腐食性試験を行なった。そして、さらに強調するために、浸水後通電を繰り返し行なった。
【００４７】
図４に示すように、本実施の形態における受光素子では、１回目の故障個数が０個であり、２回目の故障個数が３個であったのに対し、従来の受光素子では、１回目の故障個数が６個であり、２回目の故障個数が１０個であった。このことより、本発明によって、受光素子の耐腐食性が明らかに向上しているのがわかる。
【００４８】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における受光素子におけるボンディングパッド部２０と配線部２３を示す断面図である。
【００４９】
図３に示すように、ボンディングパッド部２０とボンディングワイヤ６との間に、さらにＴｉＷ層７およびＡｕ層８を形成してもよい。それにより、ボンディングワイヤ６の周囲に位置するボンディングパッド部２０が腐食するのを抑制することができ、配線部２３とボンディングワイヤ６とをより確実に接続することができる。
【００５０】
上述のように本発明に係る受光素子の構造例について説明したが、この受光素子は、たとえば半導体レーザ装置内で使用することができる。半導体レーザ装置の構造については、図５に示す場合と同様でよい。半導体レーザ装置が本発明に係る受光素子を備えることにより、半導体レーザ装置の耐腐食性を向上することができ、半導体レーザ装置の信頼性を向上することができる。
【００５１】
なお、本発明に係る受光素子は、図５に示すような非気密パッケージに搭載される場合に有用であるが、かかるパッケージ内で使用されるなら、上記の半導体レーザ装置以外の装置あるいはシステム内で使用可能である。
【００５２】
以上のようにこの発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の受光素子によれば、ボンディングパッド部が局所的に腐食した場合においても耐腐食性導電層により配線部とボンディングワイヤとを電気的に接続することができるので、受光素子の耐腐食性を向上することができる。それにより、受光素子の信頼性を向上することができる。
【００５４】
本発明の半導体レーザ装置は、上記の受光素子を備えているので、信頼性の高い半導体レーザ装置となり得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１における受光素子の部分断面図である。
【図２】 （ａ）〜（ｃ）は，図１に示す受光素子の製造工程の第１工程〜第３工程を示す断面図である。
【図３】 本発明の実施の形態２における受光素子の部分断面図である。
【図４】 （ａ）は本発明の受光素子におけるボンディングパッド部の腐食試験結果であり、（ｂ）は従来の受光素子におけるボンディングパッド部の腐食試験結果である。
【図５】 従来の半導体レーザ装置の断面図である。
【図６】 従来の受光素子の断面図である。
【図７】 従来の受光素子の部分断面図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板、２ 酸化膜、３，７ ＴｉＷ層、４ ＡｌＳｉ層、５ 表面保護膜、５ａ 開口、６ ボンディングワイヤ、８ Ａｕ層、１８ 腐食領域、２０ ボンディングパッド部、２１ フォトダイオード部、２２ 信号処理回路部、２３ 配線部。

Claims (6)

1. 半導体レーザ装置の非気密性パッケージに用いられる受光素子であって、
   ボンディングパッド部と、
   前記ボンディングパッド部から延びる配線部と、
   前記ボンディングパッド部下から前記配線部下に延在し、耐腐食性の材質からなる第１耐腐食性導電層と、
   前記ボンディングパッド部上に形成されたボンディングワイヤと、
   前記ボンディングパッド部と前記ボンディングワイヤとの間に第２耐腐食性導電層と、を備えた、受光素子。
2. 前記ボンディングパッド部上に開口を有し前記配線部を覆う保護膜を備え、
   前記第１耐腐食性導電層は、前記保護膜下に延在する、請求項１に記載の受光素子。
3. 前記ボンディングパッド部および前記配線部は、絶縁膜上に形成され、
   前記絶縁膜と接するように前記第１耐腐食性導電層を配置する、請求項１または請求項２に記載の受光素子。
4. 半導体レーザ装置の非気密性パッケージに用いられる受光素子であって、
   絶縁膜上に形成されたＡｌ合金層と、
   前記Ａｌ合金層の一部表面上に開口を有し、前記Ａｌ合金層を覆う保護膜と、
   前記Ａｌ合金層の一部表面上に形成されるボンディングワイヤと、
   前記Ａｌ合金層の下に形成され、前記開口下から前記保護膜下に延在する第１ＴｉＷ層と、
   前記Ａｌ合金層と前記ボンディングワイヤとの間に第２ＴｉＷ層およびＡｕ層と、
   を備えた、受光素子。
5. 信号処理回路を備えた、請求項１から請求項４のいずれかに記載の受光素子。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の受光素子を備えた、半導体レーザ装置。

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