JP5375840B2 - 光センサ - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板に、光を電気信号に変換する受光素子が形成され、半導体基板における受光素子の形成面上に、透光膜を介して遮光膜が形成され、遮光膜に、受光素子に対応した透光用の開口部が形成された光センサに関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、半導体チップにフォトセンサと信号処理回路が形成された半導体装置が提案されている。この半導体装置では、フォトセンサと信号処理回路の上に、第１の光透過性絶縁膜、光透過性層間絶縁膜、受光面が開窓された遮光膜、及び、光透過性チップ保護膜が順に積層されており、第１の光透過性絶縁膜の受光面上に積層された他の層が除去されて、第１の光透過性絶縁膜が露出されている。これにより、半導体装置に入射する光の強度が微弱な場合でも、光強度を精度良く検出することが可能となっている。また、多層膜に光が入射した場合、フォトセンサに到達するまでに、光は、層間で反射と透過とを行いながら進行するので、フォトセンサに入射する光には、干渉による強弱が生じることとなるが、第１の光透過性絶縁膜の受光面上に積層された他の層が除去されているので、フォトセンサに入射する光に干渉による強弱が含まれることが抑制されている。

特開昭６３−１１６４５８号公報

ところで、フォトセンサに入射する光の量（光強度）は、光の入射角度に依存するが、特許文献１に示される半導体装置では、光の入射角度を検出する機能を有していない。そのため、検出する光強度に、光の入射角度による強弱が含まれることとなり、光強度の検出精度に問題があった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、光強度の検出精度が向上された光センサを提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体基板（１０）の一面側に、光を電気信号に変換する受光素子（２０）が複数形成され、半導体基板（１０）における受光素子（２０）の形成面上に、透光膜（３０）を介して遮光膜（４０）が形成され、遮光膜（４０）に、受光素子（２０）それぞれに対応した透光用の開口部（４１）が形成された光センサであって、受光素子（２０）として、光強度検出用の受光素子（２１）と、光入射角度検出用の受光素子（２２）とが半導体基板（１０）に形成されており、光強度検出用の受光素子（２１）の上方に位置する透光膜（３０）、遮光膜（４０）それぞれが除去されていることを特徴とする。

このように本発明によれば、光強度検出用の受光素子（２１）の上方に位置する透光膜（３０）と遮光膜（４０）それぞれが除去されている。これによれば、半導体基板（１０）に入射する光の強度が微弱な場合でも、光強度を精度良く検出することができる。また、半導体基板（１０）の一面上に形成された各層間での光の反射に起因する光の干渉効果が、光強度検出用の受光素子（２１）の出力信号に含まれることが抑制される。更に、本発明では、光入射角度検出用の受光素子（２２）を有する。これによれば、光強度検出用の受光素子（２１）の出力信号と光入射角度検出用の受光素子（２２）の出力信号とに基づいて、光強度を検出することができるので、検出する光強度に、光の入射角度による強弱が含まれることが抑制される。これにより、光強度の検出精度が向上される。

なお、光入射角度検出用の受光素子（２２）に入射する光の角度を規定するために、請求項２に記載のように、光強度検出用の受光素子（２１）の上方に位置する透光膜（３０）、遮光膜（４０）それぞれが除去される一方、光入射角度検出用の受光素子（２２）の上方に位置する透光膜（３０）、遮光膜（４０）それぞれが残された構成が採用される。

請求項３に記載のように、光強度検出用の受光素子（２１）の受光面を底面とし、透光膜（３０）と遮光膜（４０）それぞれを側壁とする凹部（５０）が構成されており、光強度検出用の受光素子（２１）の上方に向うにしたがって、凹部（５０）の開口面積が増大するように、凹部（５０）の側壁が傾斜した構成が好ましい。これによれば、光強度検出用の受光素子（２１）に入射する光の量を増大することができる。

請求項４に記載のように、光強度検出用の受光素子（２１）の受光面積の方が、光入射角度検出用の受光素子（２２）の受光面積よりも大きい構成が良い。これによれば、光強度検出用の受光素子（２１）に入射する光の量を増大することができる。

請求項５に記載のように、半導体基板（１０）の一面上に、受光素子（２０）の受光面を保護する、透光性の保護膜が形成されており、透光膜（３０）及び遮光膜（４０）が、保護膜の上に形成された構成が良い。これによれば、受光面が外部に晒されないので、受光素子（２０）の耐久性が向上される。

光強度を検出する構成としては、請求項６に記載のように、光入射角度検出用の受光素子（２２）の出力信号に基づいて、半導体基板（１０）に入射する光の角度を算出し、算出した光の角度と、光強度検出用の受光素子（２１）の出力信号とに基づいて、光強度を算出する算出部を有する構成を採用することができる。

請求項７に記載のように、少なくとも３つの光入射角度検出用の受光素子（２２）の中心と、各受光素子（２２）に対応する開口部（４１）の中心とを結ぶ仮想直線それぞれの仰角及び左右角の少なくとも一方が異なった構成が良い。これによれば、光入射角度検出用の受光素子（２２）によって、光の強度と角度とを含む、それぞれの値が異なる出力信号を、少なくとも３つ得ることができる。

光の入射角度の算出としては、請求項８に記載のように、算出部は、少なくとも３つの光入射角度検出用の受光素子（２２）の出力信号の比を算出することで、光の入射角度を算出する方法を採用することができる。

請求項９に記載のように、遮光膜（４０）は、透光膜（３０）に多層に形成され、各層の遮光膜（４０）に形成された開口部（４１）によって、光の仰角が規定された構成が好ましい。

これによれば、ある開口部から入射した光が、その開口部（４１）と対応する受光素子（２０）以外の受光素子（２０）に入射することが抑制される。これにより、各受光素子（２０）の出力信号に、外乱出力が含まれることが抑制される。

第１実施形態に係る光センサの概略構成を示す断面図である。 光入射角検出用の受光素子と開口部それぞれの位置を説明するための平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 光センサの変形例を説明するための断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光センサの概略構成を示す断面図である。図２は、光入射角検出用の受光素子と開口部それぞれの位置を説明するための平面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。なお、図２では、後述する光入射角度検出用の受光素子２２を破線で示し、図３では、層３０〜４０を簡略化している。また、図３では、光入射角度検出用の受光素子２２の中心と、各受光素子２２に対応する開口部４１の中心とを結ぶ仮想直線を破線で示した。

図１〜図３に示すように、光センサ１００は、要部として、半導体基板１０と、受光素子２０と、透光膜３０と、遮光膜４０と、を有する。半導体基板１０の一面側に受光素子２０が形成され、その受光素子２０の形成面上に透光膜３０が形成され、その透光膜３０に遮光膜４０が形成されている。そして、遮光膜４０には、透光用の開口部４１が形成されており、この開口部４１を介して、光が受光素子２０に入射するようになっている。受光素子２０と算出部（図示略）とが電気的に接続されており、受光素子２０の出力信号は、算出部にて処理される。算出部は、後述する受光素子２１，２２の出力信号に基づいて、光センサ１００に入射する光の強度、仰角、及び左右角を算出する。以下においては、先ず、光センサ１００の要部１０〜４０の概略構成を示した後に、光センサ１００の特徴点とその作用効果を説明する。

半導体基板１０は矩形状を成し、上記した受光素子２０や、上記した算出部を構成する電子素子（図示略）が形成されている。これら電子素子は、半導体基板１０に形成された配線パターン１１を介して電気的に接続されている。

受光素子２０は、光を電気信号に変換するものであり、光強度検出用の受光素子２１（以下、強度受光素子２１と示す）と、光入射角度検出用の受光素子２２（以下、角度受光素子２２と示す）とが半導体基板１０に形成されている。受光素子２１，２２それぞれは、ＰＮ接合を有するフォトダイオードであり、強度受光素子２１の受光面積の方が、角度受光素子２２の受光面積よりも大きくなっている。

透光膜３０は、光透過性と絶縁性とを有する材料から成る。このような性質を有する材料としては、例えば酸化シリコンがある。図１に示すように、透光膜３０は、半導体基板１０の形成面上に、多層に形成されている。本実施形態では、４層の透光膜３０が形成面上に形成されており、形成面の直上に位置する透光膜３０が、特許請求の範囲に記載の保護膜に相当する。

遮光膜４０は、遮光性と導電性を有する材料から成る。このような性質を有する材料としては、例えばアルミニウムがある。図１に示すように、遮光膜４０は、２層の透光膜３０の間に形成されており、多層の遮光膜４０が、透光膜３０を介して半導体基板１０の形成面上に形成されている。本実施形態では、３つの遮光膜４０が透光膜３０に形成されており、各層の遮光膜４０それぞれに、受光素子２１，２２それぞれに対応した、開口部４１が形成されている。本実施形態では、各遮光膜４０に形成された開口部４１の開口面積が等しくなっており、これら各層の開口部４１によって、受光素子２１，２２それぞれの受光面に平行な直線と光の進行方向とによって形成される光の仰角が規定されている。図１に示すように、遮光膜４０は、配線パターン１１と電気的に接続されており、半導体基板１０に形成された電子素子を電気的に接続する配線としての機能も果たしている。

図２及び図３に示すように、角度受光素子２２と開口部４１とが、バツ印で記された基準点Ｐから放射状に延びる複数の仮想直線（図示略）上に位置しており、基準点Ｐから離れるにしたがって、角度受光素子２２と開口部４１との離間距離が長くなっている。この構成により、各角度受光素子２２に対応する開口部４１によって規定される仰角が異なり、仰角及び左右角の少なくとも一方が異なる９つの出力信号が得られる。算出部は、９つの出力信号に基づいて、光の角度（仰角や左右角）を検出し、検出した光の角度と、強度受光素子２１の出力信号とに基づいて、光の強度を検出する。具体的に言えば、９つの角度受光素子２２の出力信号の比を算出することで、光の入射角度を算出し、算出した光の入射角度と、強度受光素子２１の出力信号とに基づいて、光強度を算出する。

次に、本実施形態に係る光センサ１００の特徴点とその作用効果を説明する。図１に示すように、光強度検出用の強度受光素子２１の上方に位置する４層の透光膜３０の内の３層と、３層全ての遮光膜４０とが除去されており、強度受光素子２１の受光面上に、１層の透光膜３０だけが形成されている。これによれば、半導体基板１０に入射する光の強度が微弱な場合でも、光強度を精度良く検出することができる。また、半導体基板１０の形成面上に形成された各層間での光の反射に起因する光の干渉効果が、強度受光素子２１の出力信号に含まれることが抑制される。また、本実施形態では、角度受光素子２２の出力信号に基づいて光の入射角度を算出し、算出した光の入射角度と、強度受光素子２１の出力信号とに基づいて、光強度を算出する。これによれば、光強度に、光の入射角度による強弱が含まれることが抑制され、光強度の検出精度が向上される。

上記したように、受光素子２１、２２のうち、強度受光素子２１のみが透光膜３０が除去された状態となっている。つまり、角度受光素子２２は、透光膜３０が除去されていない状態である。角度受光素子２２は、複数の角度受光素子２２の各出力を比較して光の角度（相対値）を出力するものであるから、上述の光の干渉効果を受けても、全ての角度受光素子２２が同様の影響を受けていれば出力にはなんら問題がない。そのため、角度受光素子２２は、敢えて露出させず、透光膜３０を残した状態としている。一方、強度受光素子２１は、角度検出素子２２のような相対値を出力するものではなく、絶対値を出力するものである。その為、光の干渉効果による影響は、光強度の検出精度の向上を阻害する。従って、本実施形態では、強度受光素子２１のみが露出した状態としている。このように、本実施形態の特徴点は、複数の受光素子２１，２２を有する光センサ１００において、単に任意の受光素子が露出する状態となっていることではなく、強度受光素子２１のみが露出する状態となっていることにある。

本実施形態では、強度受光素子２１の受光面積の方が、角度受光素子２２の受光面積よりも大きくなっている。これによれば、強度受光素子２１に入射する光の量を増大することができる。

受光素子２１，２２それぞれの受光面が、透光膜３０によって被覆されている。これによれば、受光面が外部に晒されないので、受光素子２１，２２それぞれの耐久性が向上される。

本実施形態では、透光膜３０に遮光膜４０が多層に形成され、隣接する開口部４１の間に、多層の遮光膜４０が形成されている。これにより、ある開口部４１から入射した光が、その開口部４１と対応する受光素子２０以外の受光素子２０に入射することが抑制される。この結果、各受光素子２０の出力信号に、外乱出力が含まれることが抑制される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

図１に示すように、本実施形態では、強度受光素子２１の受光面を底面とし、透光膜３０と遮光膜４０それぞれを側壁とする凹部５０が構成されており、凹部５０の開口面積が一定となっている。しかしながら、図４に示すように、凹部５０の開口面積が、強度受光素子２１の上方に向うにしたがって増大するように、凹部５０の側壁が傾斜した構成を採用することもできる。これによれば、強度受光素子２１に入射する光の量が増大される。図４は、光センサの変形例を説明するための断面図である。

図１に示すように、本実施形態では、１つの強度受光素子２１が半導体基板１０に形成された例を示した。しかしながら、複数の強度受光素子２１が半導体基板１０に形成されていても良い。その際、保護膜としての機能を果たす、形成面の直上に位置する透光膜３０の厚さを、複数の強度受光素子２１にて異なるようにすることで、各強度受光素子２１の分光感度特性を異ならせても良い。また、ＰＮ接合を有するフォトダイオードである強度受光素子２１の拡散層の厚さを異なるようにすることで、各強度受光素子２１の分光感度特性を異ならせても良い。

本実施形態では、９つの角度受光素子２２が半導体基板１０に形成された例を示した。しかしながら、角度受光素子２２の数としては、３つ以上であればよく、上記例に限定されない。

本実施形態では、透光膜３０が４層であり、遮光膜４０が３層である例を示した。しかしながら、透光膜３０及び遮光膜４０それぞれの層数は上記例に限定されず、例えば、透光膜３０が３層であり、遮光膜４０が２層である構成を採用することもできる。

本実施形態では、遮光膜４０が、遮光性と導電性を有する材料から成る例を示した。しかしながら、遮光膜４０によって、半導体基板１０に形成された各電子素子を電気的に接続しなくとも良い場合、遮光膜４０を、光を吸収する性質のみを有する材料によって形成しても良い。

１０・・・半導体基板
２０・・・受光素子
２１・・・強度受光素子
２２・・・角度受光素子
３０・・・透光膜
４０・・・遮光膜
４１・・・開口部
１００・・・光センサ

Claims (9)

1. 半導体基板（１０）の一面側に、光を電気信号に変換する受光素子（２０）が複数形成され、前記半導体基板（１０）における前記受光素子（２０）の形成面上に、透光膜（３０）を介して遮光膜（４０）が形成され、前記遮光膜（４０）に、前記受光素子（２０）それぞれに対応した透光用の開口部（４１）が形成された光センサであって、
   前記受光素子（２０）として、光強度検出用の受光素子（２１）と、光入射角度検出用の受光素子（２２）とが前記半導体基板（１０）に形成されており、
   前記光強度検出用の受光素子（２１）の上方に位置する透光膜（３０）、遮光膜（４０）それぞれが除去されていることを特徴とする光センサ。
2. 前記光強度検出用の受光素子（２１）の上方に位置する透光膜（３０）、遮光膜（４０）それぞれが除去される一方、前記光入射角度検出用の受光素子（２２）の上方に位置する透光膜（３０）、遮光膜（４０）それぞれが残されていることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
3. 前記光強度検出用の受光素子（２１）の受光面を底面とし、前記透光膜（３０）と前記遮光膜（４０）それぞれを側壁とする凹部（５０）が構成されており、
   前記光強度検出用の受光素子（２１）の上方に向うにしたがって、前記凹部（５０）の開口面積が増大するように、前記凹部（５０）の側壁が傾斜していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光センサ。
4. 前記光強度検出用の受光素子（２１）の受光面積の方が、前記光入射角度検出用の受光素子（２２）の受光面積よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の光センサ。
5. 前記半導体基板（１０）の一面上に、前記受光素子（２０）の受光面を保護する、透光性の保護膜が形成されており、前記透光膜（３０）及び前記遮光膜（４０）は、前記保護膜の上に形成されていることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の光センサ。
6. 前記光入射角度検出用の受光素子（２２）の出力信号に基づいて、前記半導体基板（１０）に入射する光の角度を算出し、算出した光の角度と、前記光強度検出用の受光素子（２１）の出力信号とに基づいて、光強度を算出する算出部を有することを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の光センサ。
7. 少なくとも３つの前記光入射角度検出用の受光素子（２２）の中心と、各受光素子（２２）に対応する前記開口部（４１）の中心とを結ぶ仮想直線それぞれの仰角及び左右角の少なくとも一方が異なっていることを特徴とする請求項６に記載の光センサ。
8. 前記算出部は、少なくとも３つの前記光入射角度検出用の受光素子（２２）の出力信号の比を算出することで、光の入射角度を算出することを特徴とする請求項７に記載の光センサ。
9. 前記遮光膜（４０）は、前記透光膜（３０）に多層に形成され、各層の遮光膜（４０）に形成された開口部（４１）によって、光の仰角が規定されていることを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載の光センサ。

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