JP2016058739A - 光学センサー、電子機器及び脈拍計 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化可能な光学センサー及び電子機器等を提供する。
【解決手段】光学センサーは、半導体基板１０、配線層１５、遮光物質２５、フォトダイオード３１、３２、角度制限フィルター４１、４２、傾斜構造体５０（角度構造体）、第１の光バンドパスフィルター６１（第１の多層膜フィルター、第１の誘電体フィルター）、第２の光バンドパスフィルター６２（第２の多層膜フィルター、第２の誘電体フィルター）、絶縁層７０（透明膜）を含む。
【選択図】図２
【解決手段】光学センサーは、半導体基板１０、配線層１５、遮光物質２５、フォトダイオード３１、３２、角度制限フィルター４１、４２、傾斜構造体５０（角度構造体）、第１の光バンドパスフィルター６１（第１の多層膜フィルター、第１の誘電体フィルター）、第２の光バンドパスフィルター６２（第２の多層膜フィルター、第２の誘電体フィルター）、絶縁層７０（透明膜）を含む。
【選択図】図２
Description
本発明は、光学センサー及び電子機器等に関する。
医療や農業、環境等の分野では、対象物の診断や検査をするために分光センサーが用いられている。例えば、医療の分野では、ヘモグロビンの光吸収を利用して血中酸素飽和度を測定するパルスオキシメーターが用いられる。また、農業の分野では、糖分の光吸収を使用して果実の糖度を測定する糖度計が用いられる。
しかしながら、従来の分光センサーでは、小型化が困難であるという課題がある。例えば、連続スペクトルを取得する分光センサーでは、連続スペクトルを生成するためのプリズム等を設けたり、光路長を確保する必要があるため、装置が大型化してしまう。そのため、多数のセンサーを設置したり、センサーを検査対象物に常時設置しておくこと等が困難となってしまう。
ここで、特許文献１には、光ファイバーにより入射光の入射角度を制限することでフィルターの透過波長帯域を制限する手法が開示されている。また、特許文献２には、センサー毎に膜厚の異なる多層膜フィルターを用いて複数波長帯域の光をセンシングする手法が開示されている。
本発明の幾つかの態様によれば、小型化可能な光学センサー及び電子機器等を提供できる。
本発明の一態様は、半導体基板上に形成された、フォトダイオード用の不純物領域と、前記フォトダイオードの受光面に対する入射光の入射角度を制限するための角度制限フィルターと、を含み、前記角度制限フィルターは、前記フォトダイオード用の不純物領域が形成される面を前記半導体基板の表面とする場合に、前記半導体基板の裏面側から前記フォトダイオード用の不純物領域に対して受光用の穴を形成することによって残存する前記半導体基板により形成される光学センサーに関係する。
本発明の一態様によれば、半導体基板の裏面側からフォトダイオード用の不純物領域に対して受光用の穴を形成することによって残存する半導体基板により角度制限フィルターが形成され、その角度制限フィルターによってフォトダイオードの受光領域に対する入射光の入射角度が制限される。これにより、光学センサーの小型化等が可能になる。
また、本発明の一態様では、前記入射光のうちの特定波長の光を透過する光バンドパスフィルターを含んでもよい。
このようにすれば、入射光のうちの特定波長の光を角度制限フィルター及びフォトダイオードの受光領域に入射させることができる。
また、本発明の一態様では、前記光バンドパスフィルターは、前記フォトダイオードの受光面に対する前記入射光の入射角度に応じて透過波長が異なり、前記角度制限フィルターは、前記入射光の入射角度を制限して、前記透過波長の変化範囲を制限し、前記光バンドパスフィルターは、前記角度制限フィルターにより制限された前記透過波長の変化範囲により、透過する前記特定波長の帯域が設定されてもよい。
このようにすれば、光バンドパスフィルターが透過する特定波長の帯域を、角度制限フィルターにより制限された入射角度により設定できる。
また、本発明の一態様では、前記角度制限フィルターは、前記半導体基板に対する平面視において、前記フォトダイオードの受光領域の外周に沿って形成されてもよい。
このようにすれば、半導体基板に対する平面視において、フォトダイオードの受光領域の外周に沿って角度制限フィルターを形成することで、フォトダイオードの受光領域に対する入射光の入射角度を制限できる。
また、本発明の一態様では、前記角度制限フィルターは、前記半導体基板の裏面側に形成された複数の開口を有し、前記複数の開口は、前記フォトダイオードの受光領域の外周に沿って形成され、前記受光領域に対する入射光の入射角度を制限してもよい。
このようにすれば、角度制限フィルターが、フォトダイオードの受光領域の外周に沿って形成された複数の開口を有することで、フォトダイオードの受光領域に対する入射光の入射角度を制限できる。
また、本発明の一態様では、前記光バンドパスフィルターは、前記半導体基板に対して、透過波長に応じた角度で傾斜する多層薄膜により形成されてもよい。
このようにすれば、半導体基板に対して透過波長に応じた角度で傾斜する多層薄膜により光バンドパスフィルターを形成できる。
また、本発明の一態様では、前記光バンドパスフィルターは、透過波長が異なる複数組の多層薄膜により形成され、前記複数組の多層薄膜は、前記半導体基板に対する傾斜角度が透過波長に応じて異なり、同時の薄膜形成工程で形成されてもよい。
このようにすれば、半導体基板に対する傾斜角度が透過波長に応じて異なる複数組の多層薄膜により光バンドパスフィルターを形成し、複数組の多層薄膜を同時の薄膜形成工程で形成できる。
また、本発明の一態様では、前記フォトダイオード用の不純物領域は、トレンチ構造の絶縁体により複数の領域に区切られ、前記光バンドパスフィルターは、透過波長が異なる複数のバンドパスフィルターにより形成され、前記複数のバンドパスフィルターの各バンドパスフィルターは、前記トレンチ構造の絶縁体により区切られた１または複数の領域に対応して設けられてもよい。
このようにすれば、複数のバンドパスフィルターの各バンドパスフィルターを、トレンチ構造の絶縁体により区切られた１または複数の領域に対応して設けることができる。
また、本発明の一態様では、前記角度制限フィルターの上に設けられた傾斜構造体を含み、前記傾斜構造体は、前記半導体基板に対して、前記光バンドパスフィルターの透過波長に応じた角度で傾斜する傾斜面を有し、前記多層薄膜は、前記傾斜面の上に形成されてもよい。
このように半導体基板に対して光バンドパスフィルターの透過波長に応じた角度で傾斜する傾斜面を有する傾斜構造体の上に多層薄膜を形成することで、半導体基板に対して透過波長に応じた角度で傾斜する多層薄膜を形成できる。
また、本発明の一態様では、前記傾斜構造体は、前記角度制限フィルターの上に半導体プロセスにより形成されてもよい。
このようにすれば、角度制限フィルターの上に半導体プロセスにより傾斜構造体を形成できる。
また、本発明の一態様では、前記傾斜構造体は、前記半導体プロセスにより積層された透明膜に段差または粗密パターンが形成され、前記段差または粗密パターンに対して研磨及びエッチングの少なくとも一方が行われることで形成されてもよい。
このようにすれば、段差または粗密パターンが形成された透明膜に対して研磨及びエッチングの少なくとも一方を行うことで、角度制限フィルターの上に半導体プロセスにより傾斜構造体を形成できる。
また、本発明の一態様では、前記受光用の穴を形成することによって残存する前記半導体基板の裏面と、前記受光用の穴の壁面に、遮光物質が配されてもよい。
このようにすれば、受光用の穴を形成することによって残存する半導体基板の裏面と、受光用の穴の壁面に、遮光物質を配すことができる。
また、本発明の一態様では、前記遮光物質は、光吸収物質または光反射物質であってもよい。
このようにすれば、遮光物質を、光吸収物質または光反射物質により形成できる。
また、本発明の一態様では、光学センサーは、入射光を分光するための分光センサーであってもよい。
また、本発明の一態様では、光学センサーは、入射光の照度を測定するための照度センサーであってもよい。
また、本発明の一態様では、光学センサーは、光源の仰角を測定するための仰角センサーであってもよい。
また、本発明の他の態様は、上記のいずれかに記載された光学センサーを含む電子機器に関係する。
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。なお以下では光学センサーが分光センサーである場合を例にとり説明するが、後述するように本実施形態の光学センサーは分光センサーには限定されない。
１．構成例
上述のように、医療・健康等の分野では常時装着等が可能な小型の分光センサーが求められており、分光センサーの小型化が必要であるという課題がある。例えば、測定対象の波長が既知である場合には、連続スペクトルを取得せず、その既知の波長のみを測定するセンサーを設ければよい。
上述のように、医療・健康等の分野では常時装着等が可能な小型の分光センサーが求められており、分光センサーの小型化が必要であるという課題がある。例えば、測定対象の波長が既知である場合には、連続スペクトルを取得せず、その既知の波長のみを測定するセンサーを設ければよい。
しかしながら、分光センサーの波長選択性の向上という課題がある。例えば、透過波長帯域を決める角度制限フィルターや多層膜フィルターを部材で構成すると、部材の接着面で光が拡散減衰するため、波長選択性が低下してしまう。
また、例えば、上述の特許文献１には、光ファイバーにより入射光の入射角度を制限することでフィルターの透過波長帯域を制限する手法が開示されている。しかしながら、この手法では、帯域を狭くするために光ファイバーの開口数を小さくすると、入射光の透過率が低下、波長選択性が低下してしまう。
また、分光センサーの製造プロセスの簡素化という課題がある。例えば、特許文献２には、センサー毎に膜厚の異なる多層膜フィルターを用いる手法が開示されている。しかしながら、この手法では、膜厚毎に別個の多層膜形成工程が必要となるため、多層膜の形成工程が煩雑となってしまう。
そこで、本実施形態では、シリコントレンチにより角度制限フィルターを形成し、半導体プロセスにより多層膜フィルターを形成することで、簡素な製造プロセスにより分光センサーの小型化を実現する。
図１（Ａ）〜図２を用いて本実施形態の分光センサー（広義には光学センサー）の構成例について説明する。なお以下では、簡単のために本実施形態の分光センサーの構成を模式的に図示し、図中の寸法や比率は実際のものとは異なる。
図１（Ａ）、図１（Ｂ）には、分光センサーが形成される半導体基板１０に対する平面視図を示す。図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示す分光センサーは、半導体基板１０、回路２０、第１のフォトダイオード３１（広義には、第１のフォトセンサー、第１のフォトダイオード用の不純物領域）、第２のフォトダイオード３２（広義には、第２のフォトセンサー、第２のフォトダイオード用の不純物領域）、第１の角度制限フィルター４１、第２の角度制限フィルター４２を含む。なお後述のように、角度制限フィルター４１、４２の上には多層膜フィルターが形成されるが、図１（Ａ）、図１（Ｂ）では、簡単のために図示を省略する。
図１（Ａ）は、半導体基板１０の平面に垂直な方向から見た平面視において、不純物領域や配線層等が形成される表面側から見た平面視図である。半導体基板１０は、例えばＰ型やＮ型のシリコン基板（シリコンウエハ）により構成される。この半導体基板１０の表面側には、フォトダイオード３１、３２や回路２０が半導体プロセスにより形成される。回路２０は、例えばフォトダイオード３１、３２からの出力信号を処理するアンプ、Ａ／Ｄ変換回路等により構成される。
図１（Ｂ）は、半導体基板１０の平面に垂直な方向から見た平面視において、裏面側から見た平面視図である。半導体基板１０の裏面には、表面側に形成されたフォトダイオード３１、３２に向かってシリコントレンチにより角度制限フィルター４１、４２が形成される。この角度制限フィルター４１、４２は、例えば平面視において格子状に形成され、フォトダイオード３１、３２に対して半導体基板１０の裏面側から入射する入射光の入射角度を制限する。
ここで、シリコントレンチとは、半導体プロセスまたはＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System）技術により半導体基板１０を掘削する手法である。例えば、シリコン基板に対するドライエッチングにより穴や溝、段差等を形成する手法である。
なお、本実施形態の分光センサーは図１（Ａ）、図１（Ｂ）の構成に限定されず、その構成要素の一部（回路２０）を省略したり、他の構成要素を追加したりする等の種々の変形実施が可能である。例えば、フォトダイオードや角度制限フィルターは、上述のように２つであってもよく、１または複数個形成されてもよい。また、角度制限フィルター４１、４２は、上述のように平面視において格子状であってもよく、他の形状であってもよい。
図２に、図１（Ｂ）に示すＡＡ断面における分光センサーの断面図を示す。図２に示す分光センサーは、半導体基板１０、配線層１５、遮光物質２５、フォトダイオード３１、３２、角度制限フィルター４１、４２、傾斜構造体５０（角度構造体）、第１の光バンドパスフィルター６１（第１の多層膜フィルター、第１の誘電体フィルター）、第２の光バンドパスフィルター６２（第２の多層膜フィルター、第２の誘電体フィルター）、絶縁層７０（広義には透明膜）を含む。
ここで、本実施形態で言う「上」とは、半導体基板１０の平面に垂直な方向であり、半導体基板１０から離れていく方向である。
図２に示すように、半導体基板１０の表面側にはフォトダイオード３１、３２が形成される。後述するように、このフォトダイオード３１、３２は、イオン注入等により不純物領域が形成されることで形成される。例えば、フォトダイオード３１、３２は、Ｐ基板上に形成されたＮ型不純物領域と、Ｐ基板との間のＰＮ接合により実現される。あるいは、ディープＮウェル（Ｎ型不純物領域）上に形成されたＰ型不純物領域と、ディープＮウェルとの間のＰＮ接合により実現される。
フォトダイオード３１、３２の上には、配線層１５が形成される。この配線層１５は、上述の回路２０等の形成工程により積層されたものであり、例えばＳｉＯ２等の絶縁層、アルミ配線等の配線層、タングステンプラグ等のコンタクトにより形成される。フォトダイオード３１、３２からの出力信号は、この配線層１５内の配線によって上述の回路２０等に入力され、検出処理される。
半導体基板１０の裏面側には、角度制限フィルター４１、４２が形成される。この角度制限フィルター４１、４２は、シリコントレンチにより残った半導体基板１０により形成される。シリコントレンチにより掘られた穴の側面（壁面）と、半導体基板１０の裏面には、遮光物質２５（光吸収物質または光反射物質）が配される（形成される、積層される）。一方、フォトダイオードの受光面である穴の底面には、遮光物質が配されない。そして、シリコントレンチにより掘られた穴の壁面が角度制限フィルター４１、４２の壁面となり、制限角度以上の入射光がフォトダイオード３１、３２に入射しないように遮光する。角度制限フィルター４１、４２の底辺の長さ（例えば底面の最長対角線や、長径）と高さのアスペクト比は、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長帯域（例えば図７（Ｂ）で後述するＢＷ１、ＢＷ２）に応じて設定される。
角度制限フィルター４１、４２の上には、角度制限フィルター４１、４２の開口部（中空部）を充填する絶縁膜７０が形成される。例えば、絶縁膜７０は、ＳｉＯ２（シリコン酸化膜）等の絶縁膜により形成される。なお、絶縁膜７０は、必ずしも絶縁性を有する必要はなく、フォトダイオード３１、３２により検出される波長に対して透明な物質であればよい。
絶縁膜７０の上には、傾斜構造体５０が形成される。この傾斜構造体５０は、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長に応じて異なる傾斜角の傾斜面を有する。具体的には、フォトダイオード３１の入射光に対する傾斜面として、半導体基板１０の平面に対する傾斜角θ１の傾斜面が複数形成され、フォトダイオード３２の入射光に対する傾斜面として、θ１とは異なる傾斜角θ２の傾斜面が複数形成される。後述するように、この傾斜構造体５０は、例えばＳｉＯ２等の絶縁膜をエッチングまたはＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）、グレースケールリソグラフィー技術等により加工することで形成される。
傾斜構造体５０の上には、光バンドパスフィルター６１、６２を形成する多層薄膜６０が積層される。この光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長帯域は、傾斜構造体５０の傾斜角θ１、θ２と、角度制限フィルター４１、４２の入射光制限角度（アスペクト比）により決まる。光バンドパスフィルター６１、６２は、傾斜角度に応じて透過波長が異なる構成のため、透過波長毎に別個の工程で積層するのではなく、同一の多層膜形成工程により積層される。
以上では、本実施形態の光学センサーが分光センサーである場合について説明したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、本実施形態の光学センサーは照度センサーであってもよく、仰角センサーであってもよい。
照度センサーは、自然光や照明光の照度（ルクス、またはルーメン／平方メートル）を測定する光学センサーである。本実施形態では、角度制限フィルターにより入射角度が制限されるため、測定対象の入射光の入射方向を制限できる。
仰角センサーは、太陽や照明光源の方向と基準面との間の成す角度である仰角を測定する光学センサーである。基準面は、例えば水平面である。本実施形態では、角度制限フィルターにより入射角度が制限されるため、仰角を測定できる。
さて上述のように、従来の分光センサーでは、分光センサーの波長選択性の向上や、製造プロセスの簡素化という課題があった。
この点、本実施形態の光学センサーは、半導体基板１０上に形成された、フォトダイオード３１、３２用の不純物領域と、フォトダイオード３１、３２の受光領域に対する入射光の入射角度を制限するための角度制限フィルター４１、４２と、を含む。そして、角度制限フィルター４１、４２は、半導体基板１０の裏面側からフォトダイオード３１、３２用の不純物領域に対して、壁面および裏面側面に遮光物質２５（光吸収物質または光反射物質）を配して成る受光用の穴を形成することにより形成される。
このようにすれば、光学センサーを半導体プロセスやＭＥＭＳ技術を利用して構成できるため、光学センサーの小型化等が可能になる。すなわち、フォトダイオード３１、３２を半導体プロセスにより形成し、角度制限フィルター４１、４２を半導体基板１０の裏面掘削により形成することで、容易に微細加工を行い、小型化することができる。また、光バンドパスフィルターと組み合わせた場合には、角度制限フィルター等を別部材で構成し、その別部材をフォトダイオードと貼り合わせて構成した光学センサーと比べて、透過波長の波長選択性を向上できる。また、例えば、角度制限フィルターとして光ファイバーを用いた場合に比べて、制限角度（開口数）の減少による透過光の減少を抑制し、波長選択性を向上できる。
ここで、フォトダイオードの受光領域とは、角度制限フィルター４１、４２を通過した入射光が入射される、フォトダイオード用の不純物領域３１、３２上の領域である。例えば図１（Ｂ）において、格子状の角度制限フィルター４１、４２の各開口に対応する領域である。あるいは、図２において、角度制限フィルター４１、４２を形成する半導体基板１０（または遮光物質２５）に囲まれた領域（例えば、領域ＬＲＡ）である。
また、半導体プロセスとは、半導体基板にトランジスターや、抵抗素子、キャパシター、絶縁層、配線層等を形成するプロセスである。例えば、半導体プロセスは、不純物導入プロセスや、薄膜形成プロセス、フォトリソグラフィープロセス、エッチングプロセス、平坦化プロセス、熱処理プロセスを含むプロセスである。
また、本実施形態の光学センサーは、入射光のうちの特定波長の光を透過する光バンドパスフィルター６１、６２を含む。
このようにすれば、入射光のうちの特定波長の光を角度制限フィルター４１、４２やフォトダイオード３１、３２用の不純物領域に入射できる。図７（Ａ）等で後述のように、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長は入射角度によって変化するが、角度制限フィルター４１、４２により透過波長帯域を制限することができる。
また、本実施形態では、角度制限フィルター４１、４２は、半導体基板１０に対する平面視において、フォトダイオード３１、３２の受光領域の外周に沿って形成される。具体的には、フォトダイオード３１、３２用の不純物領域に複数の受光領域が設定され、その複数の受光領域の外周に沿って複数の開口が形成される。例えば図１に示すように、平面視において正方形の遮光物質（光吸収物質または光反射物質）が各受光領域を囲み、その正方形が格子状に配列されることで角度制限フィルター４１、４２が形成される。
このようにすれば、角度制限フィルター４１、４２がフォトダイオード３１、３２の各受光領域の外周に沿って形成されることで、フォトダイオード３１、３２の各受光領域に対する入射光の入射角度を制限できる。
なお、本実施形態では、角度制限フィルター４１、４２が複数の開口を有する場合に限定されず、フォトダイオード３１、３２用の不純物領域がそれぞれ１つの受光領域であり、その不純物領域の外周を囲むそれぞれ１つの角度制限フィルターが形成されてもよい。また、本実施形態では、角度制限フィルター４１、４２が受光領域の外周に沿って閉じている場合に限定されず、外周に沿って非連続的な部分があったり、外周に沿って断続的に配置されたりしてもよい。
また、本実施形態では、光バンドパスフィルター６１、６２は、半導体基板１０に対して、透過波長に応じた角度θ１、θ２で傾斜する多層薄膜により形成される。より具体的には、光バンドパスフィルター６１、６２は、各組の透過波長が異なる複数組の多層薄膜により形成される。そして、その複数組の多層薄膜は、半導体基板１０に対する傾斜角度θ１、θ２が透過波長に応じて異なり、同時の薄膜形成工程で形成される。例えば、図２に示すように、傾斜角θ１の複数の多層薄膜が連続して配列されることで１組の多層薄膜が形成される。あるいは、図５で後述するように、異なる傾斜角θ１〜θ３の多層薄膜が隣接して配置され、この傾斜角θ１〜θ３の多層薄膜が繰り返し配置される場合に、同じ傾斜角θ１の複数の多層薄膜により１組の多層薄膜が形成されてもよい。
このようにすれば、透過波長に応じた角度θ１、θ２で傾斜する多層薄膜により光バンドパスフィルター６１、６２を形成できる。これにより、透過波長に応じた膜厚の多層薄膜を透過波長毎に別個の工程で積層する必要がなくなり、多層薄膜の形成工程を簡素化できる。
ここで、同時の薄膜形成工程とは、第１組の多層薄膜を形成した後に第２組の多層薄膜を形成するといった同一工程を順次繰り返す工程ではなく、複数組の多層薄膜を同じ（同時の、１回の）薄膜形成工程で形成することをいう。
また、本実施形態では、角度制限フィルター４１、４２の上に設けられた傾斜構造体５０を含む。そして、傾斜構造体５０は、半導体基板１０に対して、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長に応じた角度θ１、θ２で傾斜する傾斜面を有し、多層薄膜がその傾斜面の上に形成される。
このようにすれば、傾斜構造体５０の傾斜面に多層薄膜を形成することで、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長に応じた角度θ１、θ２で傾斜する多層薄膜を形成できる。
具体的には、本実施形態では、傾斜構造体５０が角度制限フィルター４１、４２の上に半導体プロセスにより形成される。例えば図１３等で後述するように、傾斜構造体５０は、半導体プロセスにより積層された透明膜（絶縁膜）に段差または粗密パターンが形成され、その段差または粗密パターンに対して研磨（例えばＣＭＰ）及びエッチングの少なくとも一方が行われることで形成される。
このようにすれば、傾斜構造体を半導体プロセスにより形成できる。これにより、傾斜構造体の形成工程を簡素化できる。また、傾斜構造体を別部材で構成する場合と比べてコストを削減できる。また、別部材の傾斜構造体との接着面での光量減少を避けることができる。
ここで、絶縁膜の段差とは、例えば、半導体基板の断面における半導体基板表面からの絶縁膜表面の高低差である。また、絶縁膜の粗密パターンとは、例えば、半導体基板の断面における半導体基板表面からの絶縁膜表面の高低のパターンであり、高い部分と低い部分の比率により絶縁膜の粗密が形成される。
なお、傾斜構造体５０は、段差または粗密パターンの研磨またはエッチングによる形成に限らず、グレースケールリソグラフィー技術により形成されてもよい。グレースケールリソグラフィー技術では、濃淡を持ったグレースケールマスクを用いてレジストを露光、露光レジストを使ってエッチングし傾斜構造体を形成する。
２．第１の変形例
上記実施形態では、傾斜構造体５０を半導体プロセスにより形成する構成例について説明したが、本実施形態では、種々の変形実施が可能である。
上記実施形態では、傾斜構造体５０を半導体プロセスにより形成する構成例について説明したが、本実施形態では、種々の変形実施が可能である。
図３には、傾斜構造体５０を別部材で形成して貼り合わせる第１の変形例を示す。図３に示す分光センサーは、半導体基板１０、配線層１５、遮光物質２５、フォトダイオード３１、３２、角度制限フィルター４１、４２、傾斜構造体５０、光バンドパスフィルター６１、６２、絶縁層７０、接着層８０（接着剤）を含む。なお以下では、図２等で上述した構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
この第１の変形例では、角度制限フィルター４１、４２や絶縁層７０を上述の構成例と同様に半導体プロセス等により形成する。傾斜構造体５０は、低融点ガラス等の別部材により構成され、傾斜構造体５０の上には傾斜面と多層薄膜が形成される。そして、傾斜構造体５０と絶縁層７０は、センシングする波長を透過する透明な接着剤により貼り付けされる。
３．第２の変形例
図４には、傾斜構造体５０を用いず、半導体基板１０に平行な多層薄膜を形成する第２の変形例を示す。図４に示す分光センサーは、半導体基板１０、配線層１５、遮光物質２５、フォトダイオード３１、３２、角度制限フィルター４１、４２、光バンドパスフィルター６１、６２、絶縁層７０を含む。
図４には、傾斜構造体５０を用いず、半導体基板１０に平行な多層薄膜を形成する第２の変形例を示す。図４に示す分光センサーは、半導体基板１０、配線層１５、遮光物質２５、フォトダイオード３１、３２、角度制限フィルター４１、４２、光バンドパスフィルター６１、６２、絶縁層７０を含む。
この第２の変形例では、角度制限フィルター４１、４２や絶縁層７０を上述の構成例と同様に半導体プロセス等により形成する。そして、絶縁層７０の上に光バンドパスフィルター６１、６２の多層薄膜を形成する。この多層薄膜は、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長に応じて膜厚が異なり、透過波長毎に別々の形成工程により積層される。すなわち、光バンドパスフィルター６１、６２の一方を形成する際には、他方をフォトレジスト等で覆って多層薄膜を積層することで、異なる膜厚の多層薄膜を形成する。
４．第３の変形例
図５には、フォトダイオード用の不純物領域をトレンチにより区切る第３の変形例を示す。図５に示す分光センサーは、半導体基板１０、配線層１５、遮光物質２５、フォトダイオード３１、３２、角度制限フィルター４１、４２、傾斜構造体５０、光バンドパスフィルター６１〜６３、絶縁層７０を含む。なお、フォトダイオード３２、角度制限フィルター４２は、フォトダイオード３１、角度制限フィルター４１と同様のため図示及び説明を省略する。
図５には、フォトダイオード用の不純物領域をトレンチにより区切る第３の変形例を示す。図５に示す分光センサーは、半導体基板１０、配線層１５、遮光物質２５、フォトダイオード３１、３２、角度制限フィルター４１、４２、傾斜構造体５０、光バンドパスフィルター６１〜６３、絶縁層７０を含む。なお、フォトダイオード３２、角度制限フィルター４２は、フォトダイオード３１、角度制限フィルター４１と同様のため図示及び説明を省略する。
この第３の変形例では、フォトダイオード３１の不純物領域がトレンチ９０により区切られ、フォトダイオード３１−１〜３１−３が形成される。トレンチ９０は、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）等の絶縁体トレンチ構造により形成される。傾斜構造体５０には傾斜角度θ１〜θ３の傾斜面が形成され、各傾斜面はそれぞれフォトダイオード３１−１〜３１−３に対応する。そして、各フォトダイオード３１−１〜３１−３の上に、傾斜角度の異なる光バンドパスフィルター６１〜６３がそれぞれ形成される。
なお図５では、１つの光バンドパスフィルターが、トレンチ構造で区切られた１つのフォトダイオード（１つの領域）の上に設けられるが、本実施形態では、１つの光バンドパスフィルターが、トレンチ構造で区切られた複数のフォトダイオード（複数の領域）の上に設けられてもよい。
５．第４の変形例
図６には、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ：Micro-Lens Array）により入射光量を増加させる第４の変形例を示す。図６に示す分光センサーは、半導体基板１０、配線層１５、遮光物質２５、フォトダイオード３１、３２、角度制限フィルター４１、４２、傾斜構造体５０、光バンドパスフィルター６１、６２、絶縁層７０、マイクロレンズアレイ９５を含む。なお、フォトダイオード３２、角度制限フィルター４２、光バンドパスフィルター６２は、フォトダイオード３１、角度制限フィルター４１、光バンドパスフィルター６１と同様のため図示及び説明を省略する。
図６には、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ：Micro-Lens Array）により入射光量を増加させる第４の変形例を示す。図６に示す分光センサーは、半導体基板１０、配線層１５、遮光物質２５、フォトダイオード３１、３２、角度制限フィルター４１、４２、傾斜構造体５０、光バンドパスフィルター６１、６２、絶縁層７０、マイクロレンズアレイ９５を含む。なお、フォトダイオード３２、角度制限フィルター４２、光バンドパスフィルター６２は、フォトダイオード３１、角度制限フィルター４１、光バンドパスフィルター６１と同様のため図示及び説明を省略する。
この第４の変形例では、角度制限フィルター４１の各開口にマイクロレンズを形成し、これらの複数のマイクロレンズによりマイクロレンズアレイ９５が構成される。このマイクロレンズアレイは、角度制限フィルター４１に対する入射光をフォトダイオード３１の受光面に集光（狭義には焦点）させ、受光面の受光量を増加させる。例えば、マイクロレンズアレイ９５は、角度制限フィルター４１形成後にＳｉＯ２膜で開口を充填し、フォトリソグラフィーによりパターンを形成し、ＳｉＯ２膜をエッチングし、ＳｉＯ２よりも高屈折率の物質をデポジションすることで形成される。
６．光バンドパスフィルターの透過波長帯域
上述のように、光バンドパスフィルターの透過波長帯域は、多層薄膜の傾斜角度と角度制限フィルターの制限角度により設定される。この点について、図７（Ａ）、図７（Ｂ）を用いて具体的に説明する。なお、説明を簡単にするために、以下では多層薄膜６１、６２の膜厚が同じ場合を例に説明するが、本実施形態では、多層薄膜６１、６２の膜厚が傾斜角θ１、θ２に応じて異なってもよい。例えば、薄膜のデポジションにおいて、半導体基板に対して垂直な方向に薄膜を成長させた場合、多層薄膜６１、６２の膜厚がｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２に比例してもよい。
上述のように、光バンドパスフィルターの透過波長帯域は、多層薄膜の傾斜角度と角度制限フィルターの制限角度により設定される。この点について、図７（Ａ）、図７（Ｂ）を用いて具体的に説明する。なお、説明を簡単にするために、以下では多層薄膜６１、６２の膜厚が同じ場合を例に説明するが、本実施形態では、多層薄膜６１、６２の膜厚が傾斜角θ１、θ２に応じて異なってもよい。例えば、薄膜のデポジションにおいて、半導体基板に対して垂直な方向に薄膜を成長させた場合、多層薄膜６１、６２の膜厚がｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２に比例してもよい。
図７（Ａ）に示すように、多層薄膜６１、６２は、厚さｄ１〜ｄ３（ｄ２＜ｄ１、ｄ３＜ｄ１）の薄膜により形成される。厚さｄ１の薄膜の上下に、厚さｄ２、ｄ３の薄膜が交互に複数層積層される。厚さｄ２の薄膜は、厚さｄ１、ｄ３の薄膜とは異なる屈折率の物質により形成される。なお、図７（Ａ）では、簡単のために、厚さｄ２、ｄ３の薄膜の層数を省略したが、実際には、厚さｄ１の薄膜の上下に数十層〜数百層の薄膜が積層される。また、図７（Ａ）では、簡単のために厚さｄ１の薄膜を１層としたが、実際には複数層形成される場合が多い。
多層薄膜６１は、フォトダイオード３１の受光面に対して傾斜角θ１を有するため、受光面に対して垂直な光線は、多層薄膜６１に対してθ１の角度で入射する。そして、角度制限フィルター４１の制限角度をΔθとすると、多層薄膜６１に対してθ１−Δθ〜θ１＋Δθで入射する光線がフォトダイオード３１の受光面に到達する。同様に、フォトダイオード３２の受光面には、多層薄膜６２に対してθ２−Δθ〜θ２＋Δθで入射する光線が到達する。
図７（Ｂ）に示すように、多層薄膜６１の透過波長帯域ＢＷ１は、λ１−Δλ〜λ１＋Δλである。このとき、入射角度θ１の光線に対する透過波長はλ１＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓθ１である。ここで、ｎは厚さｄ１の薄膜の屈折率である。また、λ１−Δλ＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓ（θ１＋Δθ）、λ１＋Δλ＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓ（θ１−Δθ）である。入射角度θ１の光線に対する透過波長の半値幅ＨＷ（例えばＨＷ＜ＢＷ１）は、多層膜の積層数により決まる。フォトダイオード３１の受光量は、受光面に垂直となる入射角（薄膜に対してθ１）で最大であり、制限角度でゼロとなるため、入射光全体での受光量は点線でしめす曲線により表されることとなる。多層薄膜６２の透過波長帯域ＢＷ２も同様に、λ２−Δλ〜λ２＋Δλである。例えばθ２＜θ１の場合、λ２＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓθ２＜λ１＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓθ１である。
上記実施形態によれば、角度制限フィルター４１、４２は、入射光の入射角度をθ１−Δθ〜θ１＋Δθ、θ２−Δθ〜θ２＋Δθに制限して、透過波長の変化範囲をλ１−Δλ〜λ１＋Δλ、λ２−Δλ〜λ２＋Δλに制限する。光バンドパスフィルターは、角度制限フィルター４１、４２により制限された透過波長の変化範囲λ１−Δλ〜λ１＋Δλ、λ２−Δλ〜λ２＋Δλにより、透過する特定波長の帯域ＢＷ１、ＢＷ２が設定される。
このようにすれば、角度制限フィルター４１、４２により光バンドパスフィルターの透過波長帯域ＢＷ１、ＢＷ２を制限し、測定対象の波長帯域の光だけをセンシングすることができる。例えば、角度制限フィルター４１、４２の制限角度はΔθ≦３０°に設定される。望ましくは、角度制限フィルター４１、４２の制限角度はΔθ≦２０°である。
７．製造方法
図８〜図１４を用いて、傾斜構造体を半導体プロセスにより形成する場合の本実施形態の分光センサーの製造方法の例について説明する。
図８〜図１４を用いて、傾斜構造体を半導体プロセスにより形成する場合の本実施形態の分光センサーの製造方法の例について説明する。
まず図８のＳ１に示すように、フォトリソグラフィー、イオン注入、フォトレジスト剥離の工程により、Ｐ型シリコン基板上にＮ型拡散層（フォトダイオードの不純物領域）を形成する。Ｓ２に示すように、フォトリソグラフィー、イオン注入、フォトレジスト剥離、熱処理の工程により、Ｐ型シリコン基板上にＰ型拡散層を形成する。このＮ型拡散層がフォトダイオードのカソードとなり、Ｐ型拡散層（Ｐ型シリコン基板）がアノードとなる。
次に図９のＳ３に示すように、ＳｉＯ２のデポジション、ＣＭＰによる平坦化の工程により、絶縁膜を形成し、フォトリソグラフィー、ＳｉＯ２の異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、コンタクトホールを形成する。そして、ＴｉＮのスパッタリング、Ｗ（タングステン）のデポジション、Ｗのエッチバックの工程により、コンタクトホールの埋め込みを行う。そして、ＡＬ（アルミ）のスパッタリング、ＴｉＮのスパッタリング、フォトリソグラフィー、ＡＬとＴｉＮの異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、第１ＡＬ配線を形成する。なお、簡単のためコンタクトホールのＴｉＮ膜の図示を省略した。
次にＳ４に示すように、上記Ｓ３と同様の工程によりビアコンタクトと第２ＡＬ配線を形成し、同様の工程を必要回数繰り返して配線層を積層する。図９には、第３ＡＬ配線まで形成した場合を図示する。Ｓ５に示すように、ＳｉＯ２のデポジション、ＣＭＰによる平坦化の工程により、絶縁膜を形成する。ポリイミド塗布、キュアの工程により、絶縁膜の上に保護膜（パシベーション）を形成する。以上により半導体基板表面側の配線層が形成される。
次に図１０のＳ６に示すように、Ｐ型シリコン基板の裏面を研削してＰ型シリコン基板の厚さを調整する。そして、Ｓ７に示すように、フォトリソグラフィー、Ｐ型シリコン基板の異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、シリコントレンチを形成する。
次に、図１１のＳ８に示すように、ＴｉＮ膜のデポジション、ＴｉＮ膜の異方性ドライエッチングの工程により、シリコントレンチの側面（内壁）と半導体基板の裏面にＴｉＮの光吸収膜（反射防止膜）を形成する。そして、Ｓ９に示すように、ＳｉＯ２膜のデポジション（点線により図示）、ＣＭＰによるＳｉＯ２膜の平坦化の工程により、シリコントレンチの埋め込みを行う。このように上記Ｓ６〜Ｓ９の工程により角度制限フィルターが形成される。
次に図１２のＳ１０に示すように、ＳｉＯ２膜のデポジション、フォトリソグラフィー、ＳｉＯ２膜の異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、絶縁膜の段差（Ｓ１０’）または粗密パターン（Ｓ１０”）を形成する。
次に図１３のＳ１１に示すように、ＣＭＰによるＳｉＯ２膜の研磨の工程により、傾斜構造体の傾斜面を形成する。このとき、傾斜構造体の傾斜面は、絶縁膜の段差や粗密パターンの形状に応じた傾斜角度に加工される。
次に図１４のＳ１２に示すように、ＴｉＯ２（チタン酸化膜）のスパッタリングとＳｉＯ２のスパッタリングを交互に行い、傾斜面に多層薄膜を形成する。ＴｉＯ２膜は高屈折率の薄膜であり、ＳｉＯ２膜は低屈折率の薄膜である。
８．第１の変形例の製造方法
図１５〜図１７を用いて、傾斜構造体を別部材で形成する第１の変形例の分光センサーの製造方法の例について説明する。
図１５〜図１７を用いて、傾斜構造体を別部材で形成する第１の変形例の分光センサーの製造方法の例について説明する。
まず図１５のＳ１０１に示すように、加熱して溶融した低融点ガラスを金型に注入し、Ｓ１０２に示すように、傾斜面のついた金型で低融点ガラスをプレス成形することで傾斜構造体を形成する。
次に図１６のＳ１０３に示すように、ＴｉＯ２のスパッタリングとＳｉＯ２のスパッタリングを交互に行い、低融点ガラスの傾斜構造体に多層薄膜を形成する。
次に図１７のＳ１０４に示すように、多層薄膜が形成された傾斜構造体を、角度制限フィルターの絶縁層に接着剤（分光対象波長に対して透明な接着剤）で接着する。なお、フォトダイオードや角度制限フィルターや配線層は、図８〜図１１で上述したＳ１〜Ｓ９の工程により形成される。
９．電子機器
図１８に、本実施形態の分光センサーを含む電子機器の構成例を示す。例えば、電子機器として、脈拍計、パルスオキシメーター、血糖値測定器、果実糖度計などが想定される。
図１８に、本実施形態の分光センサーを含む電子機器の構成例を示す。例えば、電子機器として、脈拍計、パルスオキシメーター、血糖値測定器、果実糖度計などが想定される。
図１８に示す電子機器は、分光センサー装置９００、マイクロコンピューター９７０（ＣＰＵ）、記憶装置９８０、表示装置９９０を含む。分光センサー装置９００は、ＬＥＤ９５０（光源）、ＬＥＤドライバー９６０、分光センサー９１０を含む。分光センサー９１０は、例えば１チップのＩＣに集積され、フォトダイオード９２０、検出回路９３０、Ａ／Ｄ変換回路９４０を含む。
ＬＥＤ９５０は、例えば白色光を観察対象に照射する。分光センサー装置９００は、観察対象からの反射光や透過光を分光し、各波長の信号を取得する。マイクロコンピューター９７０は、ＬＥＤドライバー９６０の制御や、分光センサー９１０からの信号の取得を行う。マイクロコンピューター９７０は、取得した信号に基づく表示を表示装置９９０（例えば液晶表示装置）に表示したり、取得した信号に基づくデータを記憶装置９８０（例えばメモリーや、磁気ディスク）に記憶する。
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語（フォトセンサー、薄膜フィルター、半導体基板等）と共に記載された用語（フォトダイオード、光バンドパスフィルター、シリコン基板等）は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、分光センサー、分光センサー装置、電子機器等の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。
１０ 半導体基板、１５ 配線層、２０ 回路、３１，３２ フォトダイオード、
４１，４２ 角度制限フィルター、５０ 傾斜構造体、６０ 多層薄膜、
６１，６２ 光バンドパスフィルター、７０ 絶縁層、８０ 接着層、
９０ トレンチ、９５ マイクロレンズアレイ、
９００ 分光センサー装置、９１０ 分光センサー、９２０ フォトダイオード、
９３０ 検出回路、９４０ Ａ／Ｄ変換回路、９５０ ＬＥＤ、
９６０ ＬＥＤドライバー、９７０ マイクロコンピューター、９８０ 記憶装置、
９９０ 表示装置、
ＢＷ１，ＢＷ２ 透過波長帯域、ＬＲＡ 受光領域、θ１，θ２ 傾斜角度、
λ１，λ２透過波長
４１，４２ 角度制限フィルター、５０ 傾斜構造体、６０ 多層薄膜、
６１，６２ 光バンドパスフィルター、７０ 絶縁層、８０ 接着層、
９０ トレンチ、９５ マイクロレンズアレイ、
９００ 分光センサー装置、９１０ 分光センサー、９２０ フォトダイオード、
９３０ 検出回路、９４０ Ａ／Ｄ変換回路、９５０ ＬＥＤ、
９６０ ＬＥＤドライバー、９７０ マイクロコンピューター、９８０ 記憶装置、
９９０ 表示装置、
ＢＷ１，ＢＷ２ 透過波長帯域、ＬＲＡ 受光領域、θ１，θ２ 傾斜角度、
λ１，λ２透過波長
本発明は、光学センサー、電子機器及び脈拍計等に関する。
Claims (17)
- 半導体基板上に形成された、フォトダイオード用の不純物領域と、
前記フォトダイオードの受光面に対する入射光の入射角度を制限するための角度制限フィルターと、
を含み、
前記角度制限フィルターは、
前記フォトダイオード用の不純物領域が形成される面を前記半導体基板の表面とする場合に、前記半導体基板の裏面側から前記フォトダイオード用の不純物領域に対して受光用の穴を形成することによって残存する前記半導体基板により形成されることを特徴とする光学センサー。 - 請求項１において、
前記入射光のうちの特定波長の光を透過する光バンドパスフィルターを含むことを特徴とする光学センサー。 - 請求項２において、
前記光バンドパスフィルターは、
前記フォトダイオードの受光面に対する前記入射光の入射角度に応じて透過波長が異なり、
前記角度制限フィルターは、
前記入射光の入射角度を制限して、前記透過波長の変化範囲を制限し、
前記光バンドパスフィルターは、
前記角度制限フィルターにより制限された前記透過波長の変化範囲により、透過する前記特定波長の帯域が設定されることを特徴とする光学センサー。 - 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記角度制限フィルターは、
前記半導体基板に対する平面視において、前記フォトダイオードの受光領域の外周に沿って形成されることを特徴とする光学センサー。 - 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記角度制限フィルターは、
前記半導体基板の裏面側に形成された複数の開口を有し、
前記複数の開口は、
前記フォトダイオードの受光領域の外周に沿って形成され、前記受光領域に対する入射光の入射角度を制限することを特徴とする光学センサー。 - 請求項２または３において、
前記光バンドパスフィルターは、
前記半導体基板に対して、透過波長に応じた角度で傾斜する多層薄膜により形成されることを特徴とする光学センサー。 - 請求項６において、
前記光バンドパスフィルターは、
透過波長が異なる複数組の多層薄膜により形成され、
前記複数組の多層薄膜は、
前記半導体基板に対する傾斜角度が透過波長に応じて異なり、同時の薄膜形成工程で形成されることを特徴とする光学センサー。 - 請求項６において、
前記フォトダイオード用の不純物領域は、
トレンチ構造の絶縁体により複数の領域に区切られ、
前記光バンドパスフィルターは、
透過波長が異なる複数のバンドパスフィルターにより形成され、
前記複数のバンドパスフィルターの各バンドパスフィルターは、
前記トレンチ構造の絶縁体により区切られた１または複数の領域に対応して設けられることを特徴とする光学センサー。 - 請求項６において、
前記角度制限フィルターの上に設けられた傾斜構造体を含み、
前記傾斜構造体は、
前記半導体基板に対して、前記光バンドパスフィルターの透過波長に応じた角度で傾斜する傾斜面を有し、
前記多層薄膜は、
前記傾斜面の上に形成されることを特徴とする光学センサー。 - 請求項９において、
前記傾斜構造体は、
前記角度制限フィルターの上に半導体プロセスにより形成されることを特徴とする光学センサー。 - 請求項１０において、
前記傾斜構造体は、
前記半導体プロセスにより積層された透明膜に段差または粗密パターンが形成され、前記段差または粗密パターンに対して研磨及びエッチングの少なくとも一方が行われることで形成されることを特徴とする光学センサー。 - 請求項１乃至１１のいずれかにおいて、
前記受光用の穴を形成することによって残存する前記半導体基板の裏面と、前記受光用の穴の壁面に、遮光物質が配されることを特徴とする光学センサー。 - 請求項１２において、
前記遮光物質は、
光吸収物質または光反射物質であることを特徴とする光学センサー。 - 請求項１乃至１３のいずれかにおいて、
入射光を分光するための分光センサーであることを特徴とする光学センサー。 - 請求項１乃至１３のいずれかにおいて、
入射光の照度を測定するための照度センサーであることを特徴とする光学センサー。 - 請求項１乃至１３のいずれかにおいて、
光源の仰角を測定するための仰角センサーであることを特徴とする光学センサー。 - 請求項１乃至１６のいずれかに記載された光学センサーを含むことを特徴とする電子機器。
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