CN1171736C - 自扫描型发光装置的交叉连接金属布线结构 - Google Patents

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Abstract

提供在pnpn结构上构成交叉连接布线的情况下，也可防止闩锁的金属布线结构。该金属布线结构具有：在用隔离沟岛状隔离的pnpn结构的最上层之上设置的下部布线；和通过对覆盖着用隔离沟岛状隔离的pnpn结构的绝缘膜开口的第一接触孔，与下部布线连接的上部布线，通过开口于绝缘膜中的第二接触孔，上部布线与最上层正下方的层连接。

Description

自扫描型发光装置的交叉连接金属布线结构
技术领域
本发明涉及自扫描型发光装置，特别涉及采用交叉连接布线的自扫描型发光装置的金属布线结构。
背景技术
把多个发光元件集成在同一衬底上的发光元件阵列，用作为与其驱动IC组合的光打印机等的写入光源。本发明人关注作为发光元件阵列构成要素的具有pnpn结构的发光半导体开关元件，已经申请能够实现发光点的自扫描专利(特开平1-238962号公报、特开平2-14584号公报、特开平2-92650号公报、特开平2-92651号公报)，披露了作为用于光打印机的光源，在安装上简便，并可使发光元件的节距变小，和可以制作紧凑的发光装置等。
本发明人还提出一种把传输用的发光半导体开关元件和阵列与用于写入的发光半导体开关元件和阵列分开构成的自扫描型发光装置(特开平2-263668号)。
图1中，示出该自扫描型发光装置的等效电路图。该发光装置具有传输元件T1、T2、T3、…的阵列，用于写入的发光元件L1、L2、L3、…的阵列。这些传输元件和发光元件由三端子发光半导体开关元件构成。传输元件部分的结构，利用二极管D1、D2、D3、…来相互电连接传输元件的栅极。VGA是电源(通常5V)，经负荷电阻RL与各传输元件的栅电极G1、G2、G3、…连接。此外，传输元件的栅电极G1、G2、G3、…还与用于写入的发光元件的栅电极连接。在传输元件T1的栅电极上施加起动脉冲φS，在传输元件的阳极上交替地施加用于传输的时钟脉冲φ1、φ2，在用于写入的发光元件的阳极上施加写入信号φI。
再有，图1中，R1、R2、RI分别表示限流电阻。
简单地说明操作。首先，用于传输的时钟脉冲φ1的电压为H电平，则传输元件T2就为导通状态。此时，栅电极G2的电位从VGK的5V降至大致0V。该电位降的影响通过二极管D2传递给栅电极G3，其电位设定为大约1V(二极管D2的正向门限电压(等于扩散电位))。但是，由于二极管D1为逆向偏置状态，因而不进行向栅电极G1的电位连接，栅电极G1的电位仍为5V。发光半导体开关元件的导通电位，近似于栅电极电位+pn结的扩散电位(约1V)，因而设定下一用于传输的时钟脉冲φ2的H电平电压约为2V(传输元件T3导通所必需的电压)以上并且在约4V(传输元件T5导通所必需的电压)以下，于是仅使传输元件T3导通，除此之外的传输元件仍处于截止状态。因此，用二个用于传输的时钟脉冲，来传输导通状态。
起动脉冲φS是用于起动这样的传输操作的脉冲，一旦起动脉冲φS为L电平(约0V)，同时用于传输的时钟脉冲φ2为H电平(约2～约4V)，那么传输元件T1导通。随后，起动脉冲φS立即返回到H电平。
现在，如果传输元件T2处于导通状态，那么栅电极G2的电位就低于VGK(其中假定为5V)，大致为0V。但是，写入信号φI的电压如果在pn结的扩散电位(约1V)以上，那么发光元件L2就可为发光状态。
与此相对，栅电极G1约为5V，则栅电极G3就变为大约1V。但是，发光元件L1的写入电压约为6V，发光元件L3的写入电压就变为大约2V。由此，仅在发光元件L2上写入的写入信号φI的电压变为1～2V的范围。一旦发光元件L2导通，即进入发光状态，那么发光强度由写入信号φI中流动的电流量决定，从而可以按任意强度发光。此外，为了把发光状态传输到下一个发光元件，有必要把写入信号φ1线的电压一度降至0V，使发光的发光元件一次截止。
通过按例如600dpi/128发光点的芯片(长约5.4mm)多个并列来制作这样的自扫描型发光装置。这种芯片制作在晶片上，通过定时来获得。
图2中概略示出自扫描型发光装置芯片内的元件配置一例。图中，L1～L128表示发光元件，T1～T128表示传输元件，40、50表示用于时钟脉冲φ1、φ2的键合焊盘，60表示用于起动脉冲φS的键合焊盘，70表示用于写入信号φI的键合焊盘，80表示用于电源VGK的键合焊盘，90表示用于输出DOUT的键合焊盘。参考标号100表示芯片的外形线。
在这样的元件配置中，由于阵列状连接发光元件和传输元件，因而需要多根金属布线。特别是，设置于芯片中央部的键合焊盘40、50、70的周边，如图所示，φ1、φ2、VGK、二极管连接的四根布线迂回。
图3是展示用于φ1的键合焊盘40的周边布线图。该图中，示出用于φ1的限流电阻R1(参照图1)集成在芯片内的情况例。图中，2表示φ1布线，3表示φ2布线，4表示VGK布线，5表示二极管连接布线。由图可知，这些布线绕键合焊盘40迂回设计。
这种布线的迂回存在芯片尺寸较大的问题。为了改善该问题，考虑如图4所示的使布线二层化的措施。即，在φ1布线2和φ2布线3的下侧配置示VGK布线4和二极管连接布线5。图4中，布线4、5与φ1、φ2布线2、3交叉的部分作为交叉连接布线部分6用虚线表示。此外，在φ1、φ2布线2、3交叉的部分、把φ2布线3配置在φ1布线2的下侧。图4中，φ1布线2与φ2布线3交叉的部分作为交叉连接布线部分8用虚线表示。
图5是图4的交叉连接布线部分8的剖面图。构成发光半导体开关元件的pnpn结构构成为：在p型半导体衬底10上按顺序层叠p型半导体层30、n型半导体层32、p型半导体层34、n型半导体层36。再有，pnpn结构也可以是在n型半导体衬底上按顺序层叠n型半导体层、p型半导体层、n型半导体层、p型半导体层的pnpn结构。
在用隔离沟22岛状隔离的pnpn结构部分之上，设置下部布线18，通过pnpn结构，下部布线18与衬底10电隔离。
通过对形成于上述结构上的绝缘膜14开孔的接触孔20，下部布线18与上部布线16连接，形成交叉连接布线。上部布线16与下部布线18形成一根布线即φ2布线3(参照图4)。图5中，与φ2布线3交叉的一根上部布线25与图4的φ1布线2相当。这样的下部布线18通过绝缘膜14与上部布线25电隔离，从而使两根布线的交叉成为可能。
自扫描型发光装置由于以pnpn结构的发光半导体开关元件作为基础，因而如图5所示，如果从用隔离沟岛状隔离的pnpn结构上的金属布线向pnpn结构施加电压，那么产生称为闩锁的现象。一旦发生闩锁，半导体开关元件不仅不能正常地操作，而且在半导体开关元件中流过大电流，有引起破坏的危险性。
本发明的目的在于提供一种在pnpn结构上构成交叉连接布线的情况下，也能防止闩锁的金属布线结构。
本发明提供一种交叉连接金属布线结构，在自扫描型发光装置中，其中该自扫描型发光装置由自扫描型传输元件阵列和发光元件阵列构成，该自扫描型传输元件阵列用第一电气部件使配置多个pnpn结构的三端子传输元件的三端子传输元件阵列的各传输元件的控制电极相互连接，同时用第二电气部件使电源线与各传输元件的控制电极连接，并且使时钟线与各传输元件的其余两个端子之一连接，该发光元件阵列配有多个pnpn结构的三端子发光元件，所述发光元件阵列的各控制电极与所述传输元件的控制电极连接，设有在各发光元件的其余两个端子之一上施加用于发光的电流的写入信号线，交叉连接金属布线结构形成在用隔离沟岛状隔离的所述pnpn结构上。
按照本发明，在用隔离沟岛状隔离的所述pnpn结构上形成交叉连接布线时，可防止因在pnpn结构的发光半导体开关元件上施加电压而产生的闩锁，可以采取如下所述的措施。
(1)在pnpn结构的上部二层上不要形成电位差。
(2)选择下部布线的材料，使pnpn结构的最上层与其上设置的下部布线为非欧姆接触。
(3)在pnpn结构的最上层与其上设置的下部布线之间形成绝缘型半导体层。
(4)除去pnpn结构的最上层，作为pnp或npn结构，在其上形成下部布线。
按照根据这些措施的本发明的交叉连接金属布线结构的第一方式，具有：在用隔离沟岛状隔离的所述pnpn结构的最上层之上设置的下部布线；通过对覆盖着由所述隔离沟岛状隔离的所述pnpn结构的绝缘膜开口的第一接触孔，与所述下部布线连接的上部布线。通过对覆盖着由所述隔离沟岛状隔离的所述pnpn结构的所述绝缘膜开口的第二接触孔，所述上部布线与所述最上层紧下方的层连接。
按照第二方式，具有通过对覆盖着用隔离沟岛状隔离的所述pnpn结构的绝缘膜开口的接触孔，与下部布线连接的上部布线，下部布线由与所述最上层形成非欧姆接触的材料构成。
按照第三方式，具有在用隔离沟岛状隔离的所述pnpn结构的最上层之上设置的绝缘层；在绝缘层上设置的下部布线；和通过对覆盖着用隔离沟岛状隔离的所述pnpn结构的绝缘膜开口的接触孔，与下部布线连接的上部布线。
按照第四方式，pnpn结构的部分除去最上层，变成pnp结构或npn结构，所述交叉连接金属布线结构具有：在用隔离沟岛状隔离的所述pnp结构或npn结构的最上层之上设置的下部布线；和通过对覆盖着用隔离沟岛状隔离的所述pnp结构或npn结构的绝缘膜开口的接触孔，与下部布线连接的上部布线。
附图说明
图1是自扫描型发光装置的等效电路图。
图2展示自扫描型发光装置的芯片内的元件配置一例。
图3展示φ1键合焊盘的周边布线。
图4展示二重化的布线。
图5是交叉连接布线部分的剖面图。
图6是展示一实施例的交叉连接金属布线的剖面图。
图7是展示另一实施例的交叉连接金属布线的剖面图。
具体实施方式
下面，根据实施例来说明本发明的实施方式。
实施例1
图6是展示第一实施例的交叉连接金属布线结构的剖面图。图6中，与图5相同的结构元件被标以相同的参考符号。
p型GaAs被用于半导体衬底10，p型GaAs被用于p型半导体层30、34，n型GaAs被用于n型半导体层32、36，SiO2被用于绝缘膜14。此外，上部布线16、25采用Al，下部布线18采用AuZn。
该实施例中，为了防止pnpn结构的半导体开关元件的闩锁，构成为在pnpn结构上层的半导体层34、36上不产生电位差。即，p型半导体层34与n型半导体层36为同电位。为此，在p型半导体层34上设置与该半导体层进行欧姆接触的电极24，通过开在绝缘膜14中的接触孔23与上部布线16连接，p型半导体层34与n型半导体层36通过上部布线16连接。由此，半导体层36与34经常为同电位，由半导体层30、32、34、36构成的pnpn结构的半导体开关元件不会闩锁。
实施例2
作为防止pnpn结构的半导体开关元件闩锁的其它方法，也可以在pnpn结构中不流动保持电流。为此，在作为以往例所示的图5结构中，使下部布线18的材料不与由n型GaAs构成的最上层的n型半导体层36欧姆接触，而是选择非欧姆接触(例如，肖特基接触)。
具体地说，使用AuZn作为下部布线18。这种情况下，金属-半导体(n型)间的整流特性在金属侧正电位时成为正向特性。由于这与P型衬底10上的pnpn结构的正向相反，因而不能流过保持电流。
期望这样的下部布线18使用p型半导体层34所用的电极材料。通过与用于p型半导体层的电极同时形成下部布线18，因而这还可简化工序。
实施例3
按照本实施例，在图5的以往的金属布线结构中，在pnpn结构上形成绝缘型半导体层(图中未示出)，然后在其上设置下部布线18。作为绝缘型半导体层的材料，可使用不掺杂的GaAs。
按照该结构，由于在pnpn结构上存在绝缘型半导体层，因而在pnpn结构上不施加电压，从而不会引起闩锁。
实施例4
在该实施例中，除去pnpn结构最上层的n型半导体层，使用pnp结构，使下部布线与衬底隔离。
图7展示该实施例的剖面。图7中，通过作为除去n型GaAs层36之后的结构的pnp结构(30，32，34)，下部布线18与p型GaAs衬底10隔离。通过这样的pnp结构，在pnpn结构中具有的产生闩锁的问题就不会出现。
本实施例中，显然也可采用npn结构。
以上用四个实施例来说明了本发明的实施方式，但本发明并不限于以pnpn结构作为基础的半导体器件的自扫描型发光装置。
按照本发明，在pnpn结构上构成交叉连接布线的情况下也可防止闩锁发生。

Claims (5)

1.一种交叉连接金属布线结构，用于自扫描型发光装置，其中该自扫描型发光装置由自扫描型传输元件阵列和发光元件阵列构成，该自扫描型传输元件阵列通过二极管使配置有多个pnpn结构的传输用三端子发光半导体开关元件的三端子发光半导体开关元件阵列的所述各发光半导体开关元件的栅极相互连接，同时通过负载电阻使电源线与所述各发光半导体开关元件的栅极连接，并且使时钟线与所述各发光半导体开关元件的正极或负极连接；该发光元件阵列配置有多个pnpn结构的三端子发光半导体开关元件，
所述发光元件阵列的各发光半导体开关元件的栅极与所述自扫描型传输元件阵列的各发光半导体开关元件的栅极连接，并设有在所述发光元件阵列的各发光半导体开关元件的正极或负极上施加用于发光的电流的写入信号线，其特征在于，具有：
在用隔离沟来岛状隔离的所述pnpn结构的最上层之上设置的下部布线；和
通过开设于绝缘膜上的第一接触孔(20)而与所述下部布线连接的上部布线，其中该绝缘膜覆盖着用所述隔离沟来岛状隔离的所述pnpn结构，
通过开设于所述绝缘膜上的第二接触孔(23)，所述上部布线与所述最上层紧下方的层连接。
2.一种交叉连接金属布线结构，用于自扫描型发光装置，其中该自扫描型发光装置由自扫描型传输元件阵列和发光元件阵列构成，该自扫描型传输元件阵列通过二极管使配置有多个pnpn结构的传输用三端子发光半导体开关元件的三端子发光半导体开关元件阵列的所述各发光半导体开关元件的栅极相互连接，同时通过负载电阻使电源线与所述各发光半导体开关元件的栅极连接，并且使时钟线与所述各发光半导体开关元件的正极或负极连接；该发光元件阵列配置有多个pnpn结构的三端子发光半导体开关元件，
所述发光元件阵列的各发光半导体开关元件的栅极与所述自扫描型传输元件阵列的各发光半导体开关元件的栅极连接，并设有在所述发光元件阵列的各发光半导体开关元件的正极或负极上施加用于发光的电流的写入信号线，其特征在于，具有：
在用隔离沟来岛状隔离的所述pnpn结构的最上层之上设置的下部布线；和
通过开设于绝缘膜上的接触孔而与所述下部布线连接的上部布线，其中该绝缘膜覆盖着用所述隔离沟来岛状隔离的所述pnpn结构，
所述下部布线由与所述最上层之间形成非欧姆性接触的材料构成。
3.如权利要求2所述的交叉连接金属布线结构，其特征在于，所述非欧姆性接触是肖特基接触。
4.一种交叉连接金属布线结构，用于自扫描型发光装置，其中该自扫描型发光装置由自扫描型传输元件阵列和发光元件阵列构成，该自扫描型传输元件阵列通过二极管使配置有多个pnpn结构的传输用三端子发光半导体开关元件的三端子发光半导体开关元件阵列的所述各发光半导体开关元件的栅极相互连接，同时通过负载电阻使电源线与所述各发光半导体开关元件的栅极连接，并且使时钟线与所述各发光半导体开关元件的正极或负极连接；该发光元件阵列配置有多个pnpn结构的三端子发光半导体开关元件，
所述发光元件阵列的各发光半导体开关元件的栅极与所述自扫描型传输元件阵列的各发光半导体开关元件的栅极连接，并设有在所述发光元件阵列的各发光半导体开关元件的正极或负极上施加用于发光的电流的写入信号线，其特征在于，具有：
在用隔离沟来岛状隔离的所述pnpn结构的最上层之上设置的绝缘层；
在所述绝缘层上设置的下部布线；和
通过开设于绝缘膜上的接触孔而与所述下部布线连接的上部布线，其中该绝缘膜覆盖着用所述隔离沟来岛状隔离的所述pnpn结构。
5.一种交叉连接金属布线结构，用于自扫描型发光装置，其中该自扫描型发光装置由自扫描型传输元件阵列和发光元件阵列构成，该自扫描型传输元件阵列通过二极管使配置有多个pnpn结构的传输用三端子发光半导体开关元件的三端子发光半导体开关元件阵列的所述各发光半导体开关元件的栅极相互连接，同时通过负载电阻使电源线与所述各发光半导体开关元件的栅极连接，并且使时钟线与所述各发光半导体开关元件的正极或负极连接；该发光元件阵列配置有多个pnpn结构的三端子发光半导体开关元件，
所述发光元件阵列的各发光半导体开关元件的栅极与所述自扫描型传输元件阵列的各发光半导体开关元件的栅极连接，并设有在所述发光元件阵列的各发光半导体开关元件的正极或负极上施加用于发光的电流的写入信号线，其特征在于，具有：
是在用隔离沟来岛状隔离的所述pnpn结构的部分之上形成的交叉连接布线部分的金属布线结构，
所述pnpn结构的部分中除去最上层，成为pnp结构或npn结构，
所述金属布线结构具有：在用隔离沟来岛状隔离的所述pnp结构或npn结构的最上层之上设置的下部布线；和
通过开设于绝缘膜上的接触孔而与所述下部布线连接的上部布线，该绝缘膜覆盖着用所述隔离沟来岛状隔离的所述pnp结构或npn结构。
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