CN111989784A - 受光元件以及受光元件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种受光元件，其具备：具有包含受光部和遮光部的第一面的半导体部；以及设置于所述遮光部上的用于遮光的金属膜，所述金属膜具有面向与所述第一面相反一侧且接受光的入射的第二面，在所述第二面形成有多个凹部，所述凹部的内表面包含以沿所述第二面的方向的所述凹部的尺寸随着从所述第二面朝向所述凹部的底部而缩小的方式弯曲的曲面部。

Description

受光元件以及受光元件的制造方法
技术领域
本发明的一个方面涉及一种受光元件、以及受光元件的制造方法。
背景技术
专利文献1公开了一种光导型红外线检测器。该检测器相对于吸收红外线的晶体设置遮光掩模。在遮光掩模设置有提供受光部的开口。另外，在遮光掩模上形成有周期性的凹凸。并且，该凹凸的间隔以及台阶差所涉及的参数以满足相对于从遮光掩模直接回到成像装置的光学系统的红外线互相削弱的干涉条件的方式设定。
专利文献2公开了一种半导体受光装置。该受光装置具备：n型InP基板；形成于n型InP基板上的n型InP层；形成于n型InP层上的p型InP层；以在p型InP层的一部分开口的方式形成于p型InP层上的电介质膜；以及形成于电介质膜上且将向受光部以外入射的光遮光的遮光掩模用的金属层。在金属层的表面形成有凹凸。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平4-84462号公报
专利文献2：日本专利第2774006号公报
发明内容
发明想要解决的技术问题
在专利文献1中公开的检测器中，通过将遮光掩模的周期性的凹凸的参数以满足相对于返回光互相削弱的干涉条件的方式设定，谋求消除红外图像的失真。另外，在专利文献2中公开的受光装置中，通过在遮光掩模用的金属层的表面形成凹凸使入射光漫反射，来谋求防止由返回光引起的噪声。这样，在上述技术领域中期望降低遮光部的反射率。
本发明的一个方面的目的在于提供一种能够降低遮光部的反射率的受光元件、以及受光元件的制造方法。
用于解决技术问题的技术手段
本发明的一个方面所涉及的受光元件具备：具有包含受光部和遮光部的第一面的半导体部；以及设置于遮光部上的用于遮光的金属膜，金属膜具有面向与第一面相反一侧且接受光的入射的第二面，在第二面形成有多个凹部，凹部的内表面包含以沿第二面的方向的凹部的尺寸随着从第二面朝向凹部的底部而缩小的方式弯曲的曲面部。
在该受光元件中，在半导体部的第一面的遮光部上形成有用于遮光的金属膜。金属膜具有面向与第一面相反一侧的第二面。在第二面形成有多个凹部。并且，凹部的内表面包含以凹部随着从金属膜的第二面朝向凹部的底部而缩小的方式弯曲的曲面部。因此，入射于金属膜的第二面的光的一部分通过凹部的内表面的曲面部在各种方向上反射并扩散。其结果，遮光部的反射率降低。
在本发明的一个方面所涉及的受光元件中，曲面部也可以以构成底部的方式延伸。在这种情况下，由于凹部的内表面的整体成为曲面部，因此，可以使入射光可靠地扩散。
在本发明的一个方面所涉及的受光元件中，第二面的凹部的尺寸也可以是交叉于第二面的方向上的金属膜的尺寸以下。在这种情况下，即使将第二面的凹部的尺寸设定为直径的半球面状地形成曲面部，也可以使金属膜残留于凹部的底部的正下方并充分地维持遮光性。
在本发明的一个方面所涉及的受光元件中，第二面也可以包含设置于凹部的周围的平坦的区域。在这种情况下，通过在第二面的平坦的区域反射的光与在凹部的内表面反射的光的干涉，能够可靠地降低反射率。
在本发明的一个方面所涉及的受光元件中，凹部也可以沿第二面以一定的间距排列。在这种情况下，可以使凹部的形成容易化。
在此，本发明的一个方面所涉及的受光元件的制造方法具备：通过在半导体部的第一面的一部分上形成用于遮光的金属膜，从而在第一面形成从金属膜露出的受光部和被金属膜覆盖的遮光部的第一工序；以及通过金属膜中的面向与第一面相反一侧的第二面的各向同性的蚀刻，在第二面形成多个凹部的第二工序。
根据该制造方法，可以制造具备具有包含受光部和遮光部的第一面的半导体部；以及设置于遮光部上且形成有多个凹部的金属膜的受光元件。特别地，通过金属膜的第二面的各向同性蚀刻，可以以包含曲面部的方式形成凹部的内表面，其中，曲面部以凹部随着从金属膜的第二面朝向凹部的底部缩小的方式弯曲。因此，根据该制造方法，可以制造遮光部的反射率降低的受光元件。
在本发明的一个方面所涉及的受光元件的制造方法中，各向同性的蚀刻是湿式蚀刻。在这种情况下，与干式蚀刻相比，通过蚀刻形成的凹部的内表面粗糙化。因此，可以制造遮光部的反射率进一步降低的受光元件。
发明的效果
根据本发明的一个方面，可以提供一种能够降低遮光部的反射率的受光元件、以及受光元件的制造方法。
附图说明
图1是示出实施方式的旋转编码器的示意性立体图。
图2是图1所示的受光元件的俯视图。
图3是沿图2的III-III线的部分截面图。
图4是示出图3所示的凹部的图。
图5是示出简化了图3所示的受光元件的受光元件的部分截面图。
图6是示出图5所示的受光元件的制造方法的主要工序的部分截面图。
图7是示出图5所示的受光元件的制造方法的主要工序的部分截面图。
图8是示出图5所示的受光元件的制造方法的主要工序的部分截面图。
图9是示出图5所示的受光元件的制造方法的主要工序的部分截面图。
图10示出图5所示的受光元件的制造方法的主要工序的部分截面图。
图11是示出实施例和变形例所涉及的受光元件的金属膜的一部分的照片。
图12是示出实施例和比较例所涉及的受光元件的反射率的图表。
图13是示出变形例所涉及的受光元件的部分截面图。
图14是示出变形例所涉及的金属膜的图。
图15是示出变形例所涉及的金属膜的俯视图。
图16是示出变形例所涉及的金属膜的俯视图。
符号的说明：
1、10、10A…受光元件；1s…第一面；1A…受光部；1B…遮光部；2…半导体部；5…金属膜；5s…第二面；6…凹部；6s…内表面；6b…底部；7…曲面部；R…区域。
具体实施方式
在下文中，参照附图对本发明的一个方面的一个实施方式进行详细地说明。此外，在各图中，对相同的要素彼此、或者相当的要素彼此互相赋予相同的符号，有时省略重复的说明。
图1是示出实施方式的旋转编码器的示意性立体图。如图1所示，旋转编码器100具备码盘101、旋转轴102、发光元件103以及受光元件1。码盘101例如由玻璃或金属等形成为圆板状。在码盘101的外周部，沿圆周方向形成有多个狭缝101s。旋转轴102设置于码盘101的中心，根据与未图示的驱动部的动作对应的旋转量，使码盘101旋转。
发光元件103及受光元件1以夹持码盘101的方式相互相对地配置。发光元件103例如是半导体发光元件，并且是发光二极管或激光二极管等。未图示的固定狭缝板介于码盘101与发光元件103之间。受光元件1例如是半导体受光元件，并且是光电二极管等。受光元件1的受光面(后述的第一面1s及第二面5s)与码盘101的板面相对。受光元件1与未图示的计算机等电连接，对应于入射光输出产生的电信号。
在旋转编码器100中，从发光元件103射出的光经由固定缝隙板的狭缝及码盘101的狭缝101s而入射到受光元件1。此时，入射光的光量通过码盘101的旋转而周期性地变化。受光元件1输出与光量的变化对应的电信号。通过从受光元件1输出的电信号输入计算机等，检测码盘101的旋转量。
如上所述，受光元件1的受光面与码盘101的板面相互接近且相对地配置。因此，存在受光面上的反射光在码盘101的板面反射并再次入射到受光面的担忧。为了抑制其，一种方案是在码盘101的板面形成防反射膜。然而，在这种情况下，码盘101的制造成本增大。因此，为了解决该问题，认为降低受光元件1的受光面的反射率是有效的。另外，降低受光面的反射率的要求不限于将受光元件1用于旋转编码器100的情况，在与受光面相对的其它的构件接近地配置的结构、或在其它的结构中也同样地存在。
接下来，对受光元件1进行说明。图2是图1所示的受光元件的俯视图。图3是沿图2的III-III线的部分截面图。如图2、图3所示，受光元件1具备半导体部2、绝缘膜3A、3B、配线层4和金属膜5。半导体部2例如包含硅(作为一例，为硅基板)。半导体部2包含作为受光面的第一面1s。在半导体部2的第一面1s侧的一部分区域，以露出于第一面1s的方式形成有扩散层2m。
第一面1s包含多个受光部1A和单个遮光部1B。受光部1A与扩散层2m对应地设置。即，受光部1A在半导体部2中成为针对将入射光转换成电信号的区域的光入射部。遮光部1B由配线层4和/或金属膜5遮光。换句话说，从与第一面1s交叉(正交)的方向观察，第一面1s中的被配线层4和/或金属膜5覆盖的区域是遮光部1B，从配线层4和/或金属膜5露出的区域是受光部1A。在此，由设置于金属膜5的开口5h提供受光部1A。
绝缘膜3A设置于第一面1s上。绝缘膜3A例如由硅氧化物(例如SiO2)构成。配线层4设置于绝缘膜3A上。配线层4例如由铝、铝合金(例如，铝与铜或硅的合金)、钨、钛、或者氮化钛等构成。在绝缘膜3A形成有开口3Ah(接触孔)，配线层4经由该开口3Ah与半导体部2(扩散层2m)接触并电连接。
绝缘膜3B设置于绝缘膜3A及配线层4上。绝缘膜3B例如由硅氧化物(例如SiO2)构成。在绝缘膜3B形成有开口3Bh，配线层4经由该开口3Bh而露出于外部。配线层4中的从开口3Bh露出的部分用作例如连接有用于从受光元件1提取电信号的导线的焊盘部。
金属膜5设置于绝缘膜3A、3B以及配线层4上。即，金属膜5经由绝缘膜3A、3B以及配线层4形成于第一面1s(遮光部1B)上。此外，金属膜5仅接触于绝缘膜3B。因此，即使从与第一面1s交叉的方向观察时金属膜5与配线层4重复，绝缘膜3B也介于彼此之间，并相互电分离。另一方面，在金属膜5，在与开口3Bh对应的位置形成有开口5p。因此，在遮光部1B中的与开口5p对应的位置未设置金属膜5，但是配置有配线层4。即，在受光元件1中，在遮光部1B上配置有金属膜5和配线层4中的至少一种金属，由此可以遮光。
金属膜5例如由铝、铝合金(例如，铝与铜或硅的合金)、钨、钛、或者氮化钛等构成。金属膜5例如也可以通过与配线层4相同的工序·材料构成。金属膜5具有面向与半导体部2的第一面1s相反一侧的第二面5s。第二面5s露出于外部。因此，第二面5s也是接受光的入射的受光面。在第二面5s形成有多个凹部6。凹部6遍及第二面5s的整体而形成。接下来，对凹部6进行说明。
图4是示出图3所示的凹部的图。图4的(a)是图3的区域A的放大俯视图，图4的(b)、(c)是示出单个凹部的截面图。如图4所示，在此，从与第二面5s交叉(正交)的方向观察，凹部6是圆形形状。凹部6的直径D(第二面5s上的凹部6的尺寸的最大值)例如为0.3μm～5μm。金属膜5的厚度T(与第二面5s交叉的方向上的金属膜5的尺寸)例如为0.1μm～5μm左右。凹部6的直径D不取决于金属膜5的厚度T。例如，在通过湿式蚀刻形成凹部6的情况下，可以通过以使金属膜5残留于凹部6的底部6b的正下方可以充分地维持遮光性的方式控制湿式蚀刻所需的时间，来任意地形成。
凹部6沿第二面5s(在至少一个方向上)以一定的间距P排列。间距P是相互相邻的凹部6的中心彼此的间隔。在此，凹部6在沿第二面5s的两个方向(相互正交的方向)上以相同的间距P排列。间距P例如为0.6μm～20μm。此外，间距P比凹部6的直径D大。因此，在以间距P相互相邻的凹部6之间，产生并非凹部的平坦的区域R。换句话说，第二面5s包含设置于凹部6的周围的平坦的区域R。进一步，换句话说，在第二面5s上，凹部6彼此不连续，且相互分离。
凹部6的内表面6s具有曲面部7。在此，曲面部7从第二面5s向凹部6的底部6b延伸，并且以凹部6的尺寸随着从第二面5s朝向底部6b而缩小的方式弯曲。曲面部7的截面形状例如是圆弧状。如图4的(b)所示，凹部6的内表面6s有时包含从第二面5s延伸的曲面部7和位于底部6b上的平坦部8。或者，如图4的(c)所示，凹部6的内表面6s整体也可以是曲面部7。在这种情况下，曲面部7以构成凹部6的底部6b的方式延伸。在这种情况下，凹部6的直径D为金属膜5的厚度T以下。
接下来，对受光元件的制造方法进行说明。在此，为了容易说明，对简化了受光元件1的结构的受光元件的制造方法进行说明。图5是示出简化了图3所示的受光元件的受光元件的部分截面图。如图5所示，受光元件10在不具有绝缘膜3B的方面、和具备焊盘部4A来替代配线层4的方面，与受光元件1不同。受光元件10的其它的方面与受光元件1相同。
在该制造方法中，首先，如图6的(a)所示，制备具有半导体部2、以及形成有开口3Ah的绝缘膜3A的基体50(工序S101)。接下来，如图6的(b)所示，在绝缘膜3A上，将用于金属膜5和焊盘部4A的金属膜51成膜(工序S102，第一工序)。接下来，如图7的(a)所示，在金属膜51上涂布抗蚀剂52(工序S103，第一工序)。接下来，如图7的(b)所示，进行通过抗蚀剂52的曝光及显影的图案化，形成掩模53(工序S104，第一工序)。在掩模53，在与受光部1A对应的位置形成有开口53h。
接下来，如图8的(a)所示，使用掩模53来蚀刻金属膜51(工序S105，第一工序)。由此，去除金属膜51中的露出于开口53h的部分，形成金属膜54及焊盘部4A。金属膜54是之后成为金属膜5的部分。然后，如图8的(b)所示，去除掩模53(工序S106)。通过利用以上的工序S101～S106，在半导体部2的第一面1s的一部分形成用于遮光的金属膜54，从而在第一面1s形成从金属膜54露出的受光部1A和被金属膜54覆盖的遮光部1B。
接下来，如图9的(a)所示，在金属膜54、绝缘膜3A、以及焊盘部4A上，涂布抗蚀剂55(工序S201，第二工序)。接下来，如图9的(b)所示，进行通过抗蚀剂55的曝光及显影的图案化，形成掩模56(工序S202，第二工序)。在掩模56，以与凹部6对应的方式形成有多个开口56h。
接下来，如图10的(a)所示，通过使用掩模56蚀刻金属膜54，在金属膜54形成多个凹部6，并形成金属膜5(工序S203，第二工序)。此处的蚀刻是例如湿式蚀刻等的各向同性的蚀刻。在此，可以通过控制掩模56的开口56h的尺寸及间距、工序S203的蚀刻时间等，来控制凹部6的直径D及间距P。
然后，如图10的(b)所示，去除掩模56(工序S204)。通过利用以上的工序S201～S204，金属膜54中的面向与第一面1s相反一侧的第二面的各向同性的蚀刻，在第二面(第二面5s)形成多个凹部6。由此，可以得到受光元件10。
如以上所说明的，在受光元件1、10中，在半导体部2的第一面1s的遮光部1B上，形成有用于遮光的金属膜5。金属膜5具有面向与第一面1s相反一侧的第二面5s。在第二面5s形成有多个凹部6。并且，凹部6的内表面6s包含以凹部6随着从金属膜5的第二面5s朝向凹部6的底部6b而缩小的方式弯曲的曲面部7。因此，入射于金属膜5的第二面5s的光的一部分通过凹部6的内表面6s的曲面部7向各种方向反射并扩散。其结果，遮光部1B的反射率降低。
另外，在受光元件1、10中，凹部6的直径D不取决于金属膜5的厚度T。例如，在通过湿式蚀刻形成凹部6的情况下，可以通过以使金属膜5残留于凹部6的底部6b的正下方可以充分地维持遮光性的方式控制湿式蚀刻所需的时间，来任意地形成。
另外，在受光元件1、10中，曲面部7可以以构成底部6b的方式延伸。在这种情况下，由于凹部6的内表面6s整体成为曲面部7，因此，可以使入射光可靠地扩散。
另外，在受光元件1、10中，第二面5s包含设置于凹部6的周围的平坦的区域R。因此，通过在第二面5s的平坦区域R反射的光与在凹部6的内表面6s反射的光的干涉，能够可靠地降低反射率。
另外，在受光元件1、10中，凹部6沿第二面5s以一定的间距P排列。因此，可以使凹部6的形成容易化。
在此，根据上述的制造方法，可以制造具备具有包含受光部1A和遮光部1B的第一面1s的半导体部2、以及设置于遮光部1B且形成有多个凹部6的金属膜5的受光元件1、10。特别地，通过金属膜54的第二面的各向同性蚀刻，可以以包含曲面部7的方式形成凹部6的内表面6s，其中，曲面部7以凹部6随着从金属膜5的第二面5s朝向凹部6的底部6b缩小的方式弯曲。因此，根据该制造方法，可以制造遮光部1B的反射率降低的受光元件1、10。
另外，在上述制造方法中，各向同性的蚀刻是湿式蚀刻。因此，与干式蚀刻相比，通过蚀刻形成的凹部6的内表面6s粗糙化。因此，可以制造遮光部1B的反射率进一步降低的受光元件1、10。
接下来，对上述的受光元件的实施例及比较例进行说明。图11是示出实施例和比较例所涉及的受光元件的金属膜的一部分的照片。图11的(a)是实施例所涉及的受光元件的金属膜的第二面的照片。图11的(b)是比较例所涉及的受光元件的金属膜的第二面的照片。在图11所示的实施例中，将金属膜5的材料设定为铝，掩模56的开口56h的尺寸设定为0.8μm，通过湿式蚀刻进行了10秒钟的蚀刻。蚀刻剂是含有磷酸的混合酸。另一方面，在比较例中，将金属膜的材料和掩模的开口的尺寸设定为与实施例相同，并且进行了32秒钟的干式蚀刻。在此，各向异性的干式蚀刻设定为ECR方式(但是，各向异性的干式蚀刻也可以设定为ICP方式)。
如图11的(a)所示，在实施例中，形成有包含以随着从第二面朝向底部缩小的方式弯曲的曲面部的多个凹部6。相对于此，如图11的(b)所示，在比较例中，形成有在从第二面朝向底部的方向上平坦地延伸的内表面的凹部6A。
图12是示出实施例和比较例所涉及的受光元件的反射率的图表。在图12中，用实线表示实施例所涉及的受光元件(金属膜)的反射率L1，用虚线表示比较例所涉及的受光元件(金属膜)的反射率L2。如图12所示，实施例所涉及的反射率L1在波长380nm～波长1040nm的测量范围的几乎整个区域内，低于比较例所涉及的反射率L2。特别地，实施例所涉及的反射率L1在波长580nm～波长1040nm的范围内低于20％，确认了反射率充分地降低。
以上的实施方式说明了本发明的一个方面所涉及的受光元件、以及受光元件的制造方法的一个实施方式。因此，本发明的一个方面所涉及的受光元件、以及受光元件的制造方法不限于上述的实施方式，可以任意地变更。接下来，对变形例进行说明。
图13是变形例所涉及的受光元件的图。例如，上述的受光元件10可以如图13所示地变更。图13所示的受光元件10A与受光元件10相比，改变了扩散层2m。在受光元件10A中，扩散层2m从受光部1A的下部的区域，越过金属膜5及遮光部1B的下部的区域延伸。并且，扩散层2m在与金属膜5的开口5p对应的位置，与焊盘部4A接触并电连接。这样，也可以将扩散层2m作为配线层使用。
图14是示出变形例所涉及的金属膜的图。在图14所示的金属膜5中，凹部6的间距P与凹部6的直径D大致一致。因此，在以间距P相互相邻的凹部6之间，实质上未形成平坦的区域R。然而，在以与间距P不同的间距相邻的凹部6(在与间距P下的两个排列方向交叉的方向上相邻的凹部6)之间，形成有平坦的区域R。在这种情况下，与图4的(a)所示的情况相比，第二面5s中的凹部6所占的面积与区域R所占的面积的比例不同。这样，可以根据期望的反射的形态，适当控制凹部6与区域R的面积比。
图15和图16是示出变形例所涉及的金属膜的俯视图。如图15的(a)所示，在金属膜5中，也可以将凹部6的间距和尺寸设定为随机。此外，也可以将凹部6的间距和尺寸中的任一者设定为随机。另外，如图15的(b)和图16的(b)所示，可以将凹部6的平面形状设定为如六边形形状或四边形形状那样圆形形状以外的形状。此外，如图15的(b)和图16的(a)所示，也可以使凹部6的排列的间距在以互为45°的角度交叉的两个方向上相等，并将凹部6三角格子状地排列。
另外，在上述实施方式中，作为用于凹部6的形成的各向同性的蚀刻例示出湿式蚀刻，例如也可以利用化学干蚀刻(Chemical dry etching)之类的各向同性的干式蚀刻。
此外，在上述实施方式中，对受光元件1用于旋转编码器的例子进行了说明，但是本实施方式所涉及的受光元件1、10、10A不限于此，可以在任意的状况下使用。
工业上利用的可能性
可以提供一种能够降低遮光部的反射率的受光元件、以及受光元件的制造方法。

Claims (7)

1.一种受光元件，其特征在于，
具备：
具有包含受光部和遮光部的第一面的半导体部；以及
设置于所述遮光部上的用于遮光的金属膜，
所述金属膜具有面向与所述第一面相反一侧且接受光的入射的第二面，
在所述第二面形成有多个凹部，
所述凹部的内表面包含以沿所述第二面的方向的所述凹部的尺寸随着从所述第二面朝向所述凹部的底部而缩小的方式弯曲的曲面部。
2.根据权利要求1所述的受光元件，其特征在于，
所述曲面部以构成所述底部的方式延伸。
3.根据权利要求2所述的受光元件，其特征在于，
所述第二面的所述凹部的尺寸为交叉于所述第二面的方向上的所述金属膜的尺寸以下。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的受光元件，其特征在于，
所述第二面包含设置于所述凹部的周围的平坦的区域。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的受光元件，其特征在于，
所述凹部沿所述第二面以一定的间距排列。
6.一种受光元件的制造方法，其特征在于，
具备：
通过在半导体部的第一面的一部分上形成用于遮光的金属膜，从而在所述第一面形成从所述金属膜露出的受光部和被所述金属膜覆盖的遮光部的第一工序；以及
通过所述金属膜中的面向与所述第一面相反一侧的第二面的各向同性的蚀刻，从而在所述第二面形成多个凹部的第二工序。
7.根据权利要求6所述的受光元件的制造方法，其特征在于，
所述各向同性的蚀刻是湿式蚀刻。
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