JP6074274B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明の一態様は、半導体装置に関する。
近年、入射する光の照度に応じた値のデータを生成することが可能な光検出回路（フォトセンサともいう）を用いて情報を入力する光検出装置（半導体装置）、または該光検出回路を用いて情報を入力し、かつ入力した情報に応じて情報を出力する光検出装置などの技術開発が進められている。
光検出装置としては、例えばイメージセンサが挙げられる。イメージセンサとしては、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサまたはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサなどが挙げられる（例えば特許文献１）。
特許文献１に示す光検出装置では、透過光の波長の制御が可能なカラーフィルターを用いて、互いに平行で透過光を透過する複数枚の干渉膜同士の間隔を変化させることにより、透過光の波長を制御でき、複数種類の波長の光を選択的に透過させて検出できる。
しかしながら、上記光検出装置のようにカラーフィルターを用いて特定の色を検知する場合、カラーフィルターやＩＲフィルター（赤外光を遮蔽するためのフィルター）により、受光部へ到達する光が低減してしまう。
また、インセル方式の光学式タッチパネルでは、受光部の膜厚を大きくすることができないため、受光部中を透過する過程で発生する光電効果が十分起きず、受光部の量子効率が低下し、光検出装置の感度が悪くなってしまう。
本発明の一態様では、カラーフィルターを用いずにマイクロキャビティ効果を利用して特定の色を検知することにより、受光部の量子効率を向上させることを課題の一とする。
また、本発明の一態様では、受光部の膜厚を小さくしても、光検出装置の感度がよく、特定の色を検知することを課題の一とする。
上記課題を鑑み、本発明の一態様は、光入射側に第１の光学距離調整膜と、第１の光学距離調整膜上に設けられた第２の光学距離調整膜と、第２の光学距離調整膜上に設けられた検出光の波長が異なる複数の受光素子と、複数の受光素子上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に複数の受光素子のぞれぞれと重畳するように設けられた反射膜と、を有し、複数の受光素子のぞれぞれは受光部の膜厚が異なっており、該膜厚は検出光の光学距離が該検出光の波長の４分の２の整数倍となる厚さである半導体装置である。
また、本発明の他の一態様は、上記構成において、第１の光学距離調整膜の屈折率は、第２の光学距離調整膜の屈折率よりも大きく、複数の受光素子の屈折率は、第２の光学距離調整膜および絶縁膜の屈折率より大きく、反射膜の屈折率は、絶縁膜の屈折率より大きいことが好ましい。
また、本発明の他の一態様は、上記構成において、第１の光学距離調整膜の下に接する第３の光学距離調整膜と、第３の光学距離調整膜の下に接する第４の光学距離調整膜と、を有し、第３の光学距離調整膜は、第１の光学距離調整膜より屈折率が小さく、第４の光学距離調整膜は、第３の光学距離調整膜より屈折率が大きいことが好ましい。
また、本発明の他の一態様は、第１の光学距離調整膜と、第１の光学距離調整膜上に設けられた第２の光学距離調整膜と、第２の光学距離調整膜上に設けられた複数の受光素子と、複数の受光素子上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に複数の受光素子のぞれぞれと重畳するように設けられた反射膜と、を有し、受光素子は、階段状に設けられた第３の光学距離調整膜と、第３の光学距離調整膜上に設けられた検出光の波長が異なる複数の受光部と、を含み、複数の受光素子が重畳する箇所において、第３の光学距離調整膜は膜厚がそれぞれ異なっており、該膜厚と複数の受光部の膜厚の合計は、検出光の光学距離が該検出光の波長の４分の２の整数倍となる厚さである半導体装置である。
また、本発明の他の一態様は、上記構成において、第１の光学距離調整膜の屈折率は、第２の光学距離調整膜の屈折率より大きく、第２の光学距離調整膜の屈折率は、第３の光学距離調整膜の屈折率より小さく、複数の受光部の屈折率は、第３の光学距離調整膜および絶縁膜の屈折率より大きく、反射膜の屈折率は、絶縁膜の屈折率より大きいことが好ましい。
また、本発明の他の一態様は、上記構成において、第１の光学距離調整膜の下に接する第４の光学距離調整膜と、第４の光学距離調整膜の下に接する第５の光学距離調整膜と、を有し、第４の光学距離調整膜は、第１の光学距離調整膜より屈折率が小さく、第５の光学距離調整膜は、第４の光学距離調整膜より屈折率が大きいことが好ましい。
複数の受光素子のぞれぞれは、受光部に検出光が入射する方向と交差する方向に電界が印加されるように配線が設けられている。
本発明の一態様により、受光部の量子効率が向上した光検出装置を提供することができる。
また、本発明の一態様により、受光部の膜厚を小さくしても、感度がよく、特定の色を検知することが可能な光検出装置を提供することができる。
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
また、本明細書等において接続とは電気的な接続を意味しており、電流、電圧または電位が、供給可能、或いは伝送可能な状態に相当する。従って、接続している状態とは、直接接続している状態を必ずしも指すわけではなく、電流、電圧または電位が、供給可能、或いは伝送可能であるように、配線、抵抗、ダイオード、トランジスタなどの回路素子を介して間接的に接続している状態も、その範疇に含む。
また、本明細書等において「上」や「下」という用語は、構成要素の位置関係が「直上」または「直下」であることを限定するものではない。例えば、「絶縁膜上の電極」という表現であれば、絶縁膜と電極との間に他の構成要素を含むものを除外しない。
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置およびその作製方法の一形態について図面を参照して説明する。なお、本実施の形態では、半導体装置の一例として受光部を含むセンサを示す。
本実施の形態では、本発明の一態様である半導体装置およびその作製方法の一形態について図面を参照して説明する。なお、本実施の形態では、半導体装置の一例として受光部を含むセンサを示す。
図１は、センサ１５０の示す断面図であり、各受光素子（Ｒ：赤、Ｇ：緑、Ｂ：青）の一部分のみを示している。図１に示すセンサ１５０は、基板１００と、光学距離調整膜１０２と、光学距離調整膜１０４と、受光部１１０ａと、受光部１１０ｂと、受光部１１０ｃと、絶縁膜１１２と、反射膜１１４ａと、反射膜１１４ｂと、反射膜１１４ｃと、絶縁膜１１６と、配線１１８ａ乃至配線１１８ｆと、を有する。
ここで、上記構成の位置関係、接続関係について説明する。
基板１００上に光学距離調整膜１０２が設けられ、光学距離調整膜１０２上に光学距離調整膜１０４が設けられている。また、光学距離調整膜１０２の屈折率は、光学距離調整膜１０４の屈折率より大きい。
受光部１１０ａ、受光部１１０ｂおよび受光部１１０ｃは、光学距離調整膜１０４上に設けられており、絶縁膜１１２は、光学距離調整膜１０４、受光部１１０ａ、受光部１１０ｂおよび受光部１１０ｃ上に設けられている。
反射膜１１４ａ、反射膜１１４ｂおよび反射膜１１４ｃは、受光部１１０ａ、受光部１１０ｂおよび受光部１１０ｃとそれぞれ重畳するように絶縁膜１１２上に設けられている。
図１３（Ａ）に示すように基板１００側から入射された光のうち、受光部１１０（受光部１１０ａ、受光部１１０ｂおよび受光部１１０ｃ）を透過する光は、一部が図中の図１３（Ｂ）に示すように受光部１１０と絶縁膜１１２の境界面で反射され、基板１００側に進行する。なお、本明細書でいう「光」とは、少なくとも青色領域の波長、緑色領域の波長、赤色領域の波長の光を含むものを指す。
図１３（Ａ）のように基板１００側から入射された光は、基板１００と反射膜１１４間に存在する膜の境界面（基板１００と光学距離調整膜１０２の境界面、光学距離調整膜１０２と光学距離調整膜１０４の境界面、光学距離調整膜１０４と受光部１１０の境界面、受光部１１０と絶縁膜１１２の境界面および、絶縁膜１１２と反射膜１１４の境界面）で、その一部が反射される。
本実施の形態において、受光部１１０ａ乃至受光部１１０ｃには単結晶シリコン膜を用いているため、光学距離調整膜１０２、光学距離調整膜１０４および絶縁膜１１２（たとえば、酸化シリコンや酸化チタンなど）と比較して屈折率が大きく、故に、上述光の反射は、光学距離調整膜１０４と受光部１１０の境界面、および受光部１１０と絶縁膜１１２の境界面で主に生じる。そこで、まずは以下にて光学距離調整膜１０４と受光部１１０の境界面、および受光部１１０と絶縁膜１１２の境界面で生じる光の反射についての説明を行う。
図１３（Ａ）に示すように基板１００側から入射された光のうち、受光部１１０（受光部１１０ａ、受光部１１０ｂおよび受光部１１０ｃ）を透過する光は、一部が図１３（Ｂ）に示すように受光部１１０と絶縁膜１１２の境界面で反射され、基板１００側に進行する。
図１３（Ｂ）で示される光は、受光部１１０中を透過する際、図１３（Ａ）で示した光と位相が同じであるため、光の干渉効果により、ある一定波長の光の強度が強調される（マイクロキャビティなどともいう）。なお、強調される光の波長は、光学距離を調整することにより、任意に変化させることが可能である。
また、図１３（Ｂ）に示すように受光部１１０と絶縁膜１１２の境界面で反射された光の一部は、図１３（Ｃ）に示すように第２の光学距離調整膜１０４と受光部１１０の境界面で反射され、再度、反射膜１１４側に進行する。
図１３（Ｃ）で示される光についても、図１３（Ｂ）で示される光と同様に、図１３（Ａ）で示した光と位相が同じであるため、光の干渉効果が生じる。
このように、基板１００に入射された光は、光学距離調整膜１０４および受光部１１０の境界面と、受光部１１０および絶縁膜１１２の境界面の間で複数回の反射（以下、多重反射という）が生じて何度も光が干渉するため、一定の波長が強く強調される。なお、強調される光の波長は、受光部の膜厚（受光部の光学距離とも言える。）を調整することにより、任意に変化させることが可能である。
次に、上述以外の境界面で生じる光の反射についての説明を行う。
受光部１１０と絶縁膜１１２の境界面で反射されなかった光は、図１３（Ｄ）の点線に示すように絶縁膜１１２を透過して反射膜１１４により反射され、図１３（Ｄ）の実線に示すように基板１００側に進行する。
図１３（Ｄ）の実線に示すような光は、受光部１１０中を透過する際、図１３（Ａ）で示した光と位相が同じであるため、光の干渉効果により、ある一定波長の光の強度が強調される。
受光部１１０と光学距離調整膜１０４の境界面で反射されなかった光は、図１３（Ｅ）に示すように光学距離調整膜１０４を透過して、光学距離調整膜１０４と光学距離調整膜１０２の境界面で反射される。そして、反射された光は、再度、受光部１１０中を透過する。この際、当該光は図１３（Ａ）で示した光と位相が同じであるため、光の干渉効果により、ある一定波長の光の強度が強調される。
このように、反射膜１１４に反射した光および、光学距離調整膜１０２と光学距離調整膜１０４の境界面で反射された光についても、上述の光学距離調整膜１０４と受光部１１０の境界面、および受光部１１０と絶縁膜１１２の境界面で生じる光の反射と同様に、受光部１１０において一定の波長が強調される。
そこで、本実施の形態では、受光部１１０ａを含む多重反射領域において青色領域の波長λＢ（４５０ｎｍ乃至４８５ｎｍ）が強調されるように、受光部１１０ａの膜厚を調整した。また、受光部１１０ｂを含む多重反射領域において緑色領域の波長λＧ（５００ｎｍ乃至５６５ｎｍ）が強調されるように、受光部１１０ｂの膜厚を調整した。また、受光部１１０ｃを含む多重反射領域において赤色領域の波長λＲ（６２５ｎｍ乃至７４０ｎｍ）が強調されるように、受光部１１０ｃの膜厚を調整した。
そして、光学距離調整膜１０２、光学距離調整膜１０４、受光部１１０、絶縁膜１１２および反射膜１１４を順に積層した構造とすることで、基板１００と光学距離調整膜１０２の境界面および絶縁膜１１２と反射膜１１４の境界面で、光の干渉効果によって一定波長の光が強調され、当該光が受光部１１０で受光されるため、カラーフィルターを用いずに特定の色を検知することができ、また、受光部の膜厚を小さくしても、感度よく、特定の色を検知することができる。
配線１１８ａおよび配線１１８ｂは、絶縁膜１１２および絶縁膜１１６に設けられた開口を介して受光部１１０ａと接続されるように絶縁膜１１６上に設けられ、配線１１８ｃおよび配線１１８ｄは、絶縁膜１１２および絶縁膜１１６に設けられた開口を介して受光部１１０ｂと接続されるように絶縁膜１１６上に設けられ、配線１１８ｅおよび配線１１８ｆは、絶縁膜１１２および絶縁膜１１６に設けられた開口を介して受光部１１０ｃと接続されるように絶縁膜１１６上に設けられている。
配線１１８ａ、配線１１８ｃおよび配線１１８ｅは、信号線などに電気的に接続され、配線１１８ｂ、配線１１８ｄおよび配線１１８ｆは、各画素のトランジスタのゲート電極に電気的に接続されている。また、配線１１８ｂ、配線１１８ｄおよび配線１１８ｆは、各受光素子の反射膜を介してトランジスタのゲート電極に電気的に接続されていてもよい。また、受光部に検出光が入射する方向と交差する方向に電界が印加されるように配線が設けられている。
以下に、センサ１５０の作製工程の一例を示す。
まず、絶縁表面を有する基板１００上に光学距離調整膜１０２を形成し、光学距離調整膜１０２上に光学距離調整膜１０４を形成する（図２（Ａ）参照）。
絶縁表面を有する基板１００に使用することができる基板に大きな制限はないが、少なくとも、後の熱処理に耐えうる程度の耐熱性、および透光性を有していることが必要となる。例えば、バリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、石英基板、サファイア基板などを用いることができる。基板１００は、耐久性を考慮した厚さである０．３ｍｍ以上０．７ｍｍ以下が好ましい。
また、基板１００は薄い方が隣の画素へ光が漏れにくくなるため好ましい。
光学距離調整膜１０２としては、透明または半透明の材料であり、かつ、基板１００および光学距離調整膜１０４よりも屈折率の高い材料を用いることができ、屈折率が１．８以上３．０以下の材料を用いることが好ましい。例えば、酸化チタンを用いることができる。また、光学距離調整膜１０２は、３００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の可視光領域の波長を５０％以上透過する材料を用いることが好ましい。
また、光学距離調整膜１０４としては、透明または半透明の材料であり、かつ、光学距離調整膜１０２よりも屈折率の低い材料を用いることができ、屈折率が１．０以上１．７以下の材料を用いることが好ましい。例えば、酸化シリコンを用いることができる。また、光学距離調整膜１０４は、３００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の可視光領域の波長を５０％以上透過する材料を用いることが好ましい。
また、光学距離調整膜１０２および光学距離調整膜１０４は、所望の設計波長（本実施の形態では、５３０ｎｍ）が強調されるように以下の数式を用いてそれぞれの膜厚を調整する。ここで、本明細書でいう「設計波長」とは、設計者が設計する波長のことを指す。例えば、５３０ｎｍの波長だけ反射率を高くする場合や透過率を高くする場合の設計波長は５３０ｎｍとなる。また、設計波長は、４５０ｎｍ以上７４０ｎｍ以下の範囲で設計することができる。また、以下の数式から得られた膜厚を微調整しても構わない。そうすることで、各受光素子の波長（λＢ、λＧ、λＲ）の光の吸収率のピークを調整することができ、λＢ、λＧ、λＲの光の吸収率を揃えることができる。
ここで、λは波長［ｎｍ］、ｎは屈折率［任意単位］、ｄは膜厚［ｎｍ］をそれぞれ表している。なお、本明細書で指している「光学距離」とは、屈折率と膜厚の積である「ｎｄ」で表される。
光学距離調整膜１０２の光学距離および光学距離調整膜１０４の光学距離は、設計波長の４分の１とする。上記光学距離を設計波長の４分の１することで、基板１００側に戻ってきた光が再度、基板１００と光学距離調整膜１０２の境界面、または、光学距離調整膜１０２と光学距離調整膜１０４の境界面により反射され、受光部１１０に光が戻ってくる。その光を、受光部１１０において、光の干渉効果により一定波長の光を強調することができる。
ここで、膜境界面での反射について図１４を用いて説明する。図１４（Ａ）に示すように屈折率ｎが大きい膜から屈折率ｎの小さい膜に光が進行している場合、屈折率ｎが大きい膜と屈折率ｎの小さい膜の境界面で反射される光は、位相変化がない。つまり、図１４（Ｂ）に示すように光が反射され、進行する。また、図１４（Ｃ）に示すように、屈折率ｎが小さい膜から屈折率ｎの大きい膜に光が進行している場合、屈折率ｎが小さい膜と屈折率ｎの大きい膜の境界面で反射される光は、位相が１８０°変化する。つまり、境界面で光が反転され、図１４（Ｄ）に示すように光が反射され、進行する。
本発明では、上記で説明した反射による位相変化を考慮して光学距離を決定している。光学距離調整膜だけでなく、受光部１１０および絶縁膜１１２も同様である。本実施の形態では、光学距離調整膜１０２を５５ｎｍ形成し、光学距離調整膜１０４を９０ｎｍ形成した。
本実施の形態では、設計波長を緑色領域付近に調整する。緑色領域は、赤色領域、青色領域のほぼ中央値であるため、設計波長を緑色領域付近にすることで、赤色、青色を検知する場合、赤色領域、青色領域の設計波長との誤差が小さくなる。この誤差は、その後、光が透過する膜（受光部、絶縁膜）の膜厚で調整できるので、設計波長は青色領域〜赤色領域の間ぐらいであれば、特に問題はない。
また、光学距離調整膜１０２の下に接して光学距離調整膜１０２より屈折率の小さい光学距離調整膜Ａを設けてもよいし、さらに光学距離調整膜Ａの下に接して光学距離調整膜Ａより屈折率の大きい光学距離調整膜Ｂを設けてもよい。それぞれの膜厚を所望の設計波長が強調されるように調整することで各境界面で反射し、さらに光を強調することができる。なお、光学距離調整膜Ａを透過する光の光学距離および光学距離調整膜Ｂを透過する光の光学距離は、設計波長の４分の１とする。
次に光学距離調整膜１０４上に受光膜を形成し、受光膜上にレジストマスク１０５ａを形成し、選択的に受光膜をエッチングして受光膜１０６ａを形成する（図２（Ｂ）参照）。
次に受光膜１０６ａ上にレジストマスク１０５ｂを形成し、選択的に受光膜１０６ａをエッチングして受光膜１０６ｂを形成する（図２（Ｃ）参照）。
受光膜１０６ｂを階段状に形成したのち、レジストマスク１０５ａおよびレジストマスク１０５ｂを除去する。次に図２（Ｃ）のような階段状の受光膜１０６ｂ上の各段差にレジストマスク１０９ａ、レジストマスク１０９ｂおよびレジストマスク１０９ｃを形成し、選択的に受光膜１０６ｂをエッチングして受光部１１０ａ、受光部１１０ｂおよび受光部１１０ｃを形成する（図３（Ａ）参照）。
受光部１１０ａ、受光部１１０ｂおよび受光部１１０ｃは、それぞれの受光部を透過する光の光学距離がλＢ、λＧおよびλＲの波長の４分の２になるように膜厚を調整する。また、受光部１１０ａ、受光部１１０ｂおよび受光部１１０ｃは、例えば、シリコン等を用いることができる。
本実施の形態では、受光部１１０ａ、受光部１１０ｂおよび受光部１１０ｃであるシリコン膜をそれぞれ５３ｎｍ、６８ｎｍ、８６ｎｍ形成した。
次にレジストマスク１０９ａ、レジストマスク１０９ｂおよびレジストマスク１０９ｃを除去し、光学距離調整膜１０４、受光部１１０ａ、受光部１１０ｂおよび受光部１１０ｃ上に絶縁膜１１２を形成する（図３（Ｂ）参照）。
絶縁膜１１２の膜厚は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とし、スパッタリング法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法、パルスレーザー堆積法、ＡＬＤ法等を適宜用いることができる。
絶縁膜１１２の材料としては、酸化シリコン膜、酸化ガリウム膜、酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化窒化アルミニウム膜、または窒化酸化シリコン膜等を用いて形成することができる。
また、絶縁膜１１２の材料として酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌｘＯｙ（ｘ＞０、ｙ＞０））、窒素が添加されたハフニウムシリケート、窒素が添加されたハフニウムアルミネートなどのｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることでリーク電流を低減できる。さらに、絶縁膜１１２は、単層構造としても良いし、積層構造としても良い。
絶縁膜１１２を透過する光の光学距離は、設計波長の４分の１とする。
また、絶縁膜１１２は、所望の設計波長が強調されるように先の数式を用いて膜厚を調整する。本実施の形態では、９４ｎｍ形成した。
以上のように光学距離調整膜１０２、光学距離調整膜１０４および絶縁膜１１２を透過する光の光学距離を設計波長の４分の１に調整することで受光部１１０から出た光が基板１００と光学距離調整膜１０２の境界面、光学距離調整膜１０２と光学距離調整膜１０４の境界面および絶縁膜１１２と反射膜１１４の境界面で反射し、その反射光が受光部１１０内部を透過する光の位相と同じ位相となり、光が強められる。さらに受光部１１０を透過する光の光学距離をλＢ、λＧおよびλＲの波長の４分の２に調整することで光学距離調整膜１０４と受光部１１０の境界面および受光部１１０と絶縁膜１１２の境界面で反射し、その反射光が受光部１１０内部を透過する光の位相と同じ位相となり、光がさらに強められる。つまり、二重の反射構造になっており、光を効率よく強めることができる。
次に絶縁膜１１２上に、導電膜を形成したのち、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程により反射膜１１４ａ、反射膜１１４ｂおよび反射膜１１４ｃを形成する（図３（Ｂ）参照）。
反射膜１１４ａ、反射膜１１４ｂおよび反射膜１１４ｃは、絶縁膜１１２上に導電膜を形成した後、該導電膜をフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程により、形成することができる。該導電膜の形成には、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、スピンコート法等を用いることができる。反射膜１１４ａ、反射膜１１４ｂおよび反射膜１１４ｃとなる導電膜は、アルミニウム、金、白金、銀、ニッケル、タングステン、クロム、モリブデン、鉄、コバルト、銅、またはパラジウム等から選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。また、アルミニウム、銅などの金属膜の下側若しくは上側にクロム、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンなどの高融点金属膜を積層させた構成としても良い。また、アルミニウムまたは銅は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム、イットリウム等を用いることができる。また、アルミニウム、タングステンなどの反射率が高い材料を用いることが好ましい。
導電膜形成後に加熱処理を行う場合には、この加熱処理に耐える耐熱性を導電膜に持たせることが好ましい。
また、反射膜１１４ａ、反射膜１１４ｂおよび反射膜１１４ｃは、導電膜を形成後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング法、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）エッチング法、平行平板型（容量結合型）エッチング法、マグネトロンプラズマエッチング法、２周波プラズマエッチング法またはヘリコン波プラズマエッチング法等を用い、エッチング条件（コイル型の電極層に印加される電力量、基板側の電極層に印加される電力量、基板側の電極温度等）を適宜調節することにより、所望のテーパー形状を有するようにエッチングすることができる。また、テーパー形状は、マスクの形状によっても角度等を制御することができる。なお、エッチング用ガスとしては、塩素、塩化硼素、塩化シリコンもしくは四塩化炭素などの塩素系ガス、四弗化炭素、弗化硫黄もしくは弗化窒素などのフッ素系ガスまたは酸素を適宜用いることができる。
次に表面凹凸を低減するために、絶縁膜１１２、反射膜１１４ａ、反射膜１１４ｂおよび反射膜１１４ｃ上に絶縁膜１１６を形成し、表面を平坦化する（図３（Ｃ）参照）。
絶縁膜１１６としては、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン系樹脂等の有機材料を用いることができる。また、上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、表面を平坦化させてもよい。
次に絶縁膜１１２および絶縁膜１１６に設けられた開口を介して、それぞれ配線１１８ａおよび配線１１８ｂは、受光部１１０ａと接続され、配線１１８ｃおよび配線１１８ｄは、受光部１１０ｂと接続され、配線１１８ｅおよび配線１１８ｆは、受光部１１０ｃと接続される。
配線１１８ａ乃至配線１１８ｆは、絶縁膜１１６上に導電膜を形成した後、該導電膜をフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程により、形成することができる。該導電膜の形成には、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、スピンコート法等を用いることができる。配線１１８ａ乃至配線１１８ｆとなる導電膜は、アルミニウム、クロム、銅、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンから選ばれた元素、または上述した元素を成分とする合金か、上述した元素を組み合わせた合金膜等が挙げられる。また、アルミニウム、銅などの金属膜の下側若しくは上側にクロム、タンタル、チタン、モリブデン、タングステンなどの高融点金属膜を積層させた構成としても良い。また、アルミニウムまたは銅は、耐熱性や腐食性の問題を回避するために、高融点金属材料と組み合わせて用いると良い。高融点金属材料としては、モリブデン、チタン、クロム、タンタル、タングステン、ネオジム、スカンジウム、イットリウム等を用いることができる。
また、配線１１８ａ乃至配線１１８ｆとなる導電膜は、単層構造でも、２層以上の積層構造としてもよい。例えば、シリコンを含むアルミニウム膜の単層構造、アルミニウム膜上にチタン膜を積層する２層構造、チタン膜と、そのチタン膜上に重ねてアルミニウム膜を積層し、さらにその上にチタン膜を成膜する３層構造などが挙げられる。
また、配線１１８ａ乃至配線１１８ｆとなる導電膜としては、導電性の金属酸化物で形成しても良い。導電性の金属酸化物としては酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム酸化スズ、酸化インジウム酸化亜鉛、または金属酸化物材料にシリコン若しくは酸化シリコンを含ませたものを用いることができる。
導電膜形成後に加熱処理を行う場合には、この加熱処理に耐える耐熱性を導電膜に持たせることが好ましい。
なお、マスクを用いずに、液滴吐出法を用いて選択的に配線１１８ａ乃至配線１１８ｆを形成しても良い。液滴吐出法とは、所定の組成物を含む液滴を細孔から吐出または噴出することで所定のパターンを形成する方法を意味し、インクジェット法などがその範疇に含まれる。
また、配線１１８ａ乃至配線１１８ｆは、導電膜を形成後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング法、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）エッチング法、平行平板型（容量結合型）エッチング法、マグネトロンプラズマエッチング法、２周波プラズマエッチング法またはヘリコン波プラズマエッチング法等を用い、エッチング条件（コイル型の電極層に印加される電力量、基板側の電極層に印加される電力量、基板側の電極温度等）を適宜調節することにより、所望のテーパー形状を有するようにエッチングすることができる。また、テーパー形状は、マスクの形状によっても角度等を制御することができる。なお、エッチング用ガスとしては、塩素、塩化硼素、塩化シリコンもしくは四塩化炭素などの塩素系ガス、四弗化炭素、弗化硫黄もしくは弗化窒素などのフッ素系ガスまたは酸素を適宜用いることができる。
以上により、屈折率の大小関係が交互になっている積層構造にすることにより、所望の設計波長が強調されるようにそれぞれの膜厚を調整するにすることによって、受光部に到達する光を強調することができ、カラーフィルターを用いずに特定の色を検知することができる。また、受光部の膜厚を小さくしても、感度よく、特定の色を検知することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態２）
本実施の形態では、本発明の他の一態様である半導体装置およびその作製方法の一形態について図面を参照して説明する。なお、本実施の形態では、半導体装置の一例としてフォトダイオード（受光部）を含むセンサを示す。
本実施の形態では、本発明の他の一態様である半導体装置およびその作製方法の一形態について図面を参照して説明する。なお、本実施の形態では、半導体装置の一例としてフォトダイオード（受光部）を含むセンサを示す。
図４は、センサ２５０の示す断面図であり、各受光素子（Ｒ：赤、Ｇ：緑、Ｂ：青）の一部分のみを示している。図４に示すセンサ２５０は、基板２００と、光学距離調整膜２０２ｂと、光学距離調整膜２０４と、光学距離調整膜２０６と、光学距離調整膜２０８と、受光部２１０ａと、受光部２１０ｂと、受光部２１０ｃと、絶縁膜２１２と、反射膜２１４ａと、反射膜２１４ｂと、反射膜２１４ｃと、絶縁膜２１６と、配線２１８ａ乃至配線２１８ｆとを有する。
ここで、上記構成の位置関係、接続関係について説明する。
基板２００上に光学距離調整膜２０２ｂが設けられ、光学距離調整膜２０２ｂ上に光学距離調整膜２０４が設けられ、光学距離調整膜２０４上に光学距離調整膜２０６が設けられ、光学距離調整膜２０６上に光学距離調整膜２０８が設けられている。また、光学距離調整膜２０８の屈折率は、光学距離調整膜２０６の屈折率より大きく、受光部２１０（受光部２１０ａ、受光部２１０ｂおよび受光部２１０ｃ）の屈折率は、光学距離調整膜２０８の屈折率および絶縁膜２１２の屈折率より大きく、反射膜２１４（反射膜２１４ａ、反射膜２１４ｂおよび反射膜２１４ｃ）の屈折率は、絶縁膜２１２の屈折率より小さい。
受光部２１０は、光学距離調整膜２０８上に設けられており、絶縁膜２１２は、光学距離調整膜２０８、受光部２１０ａ、受光部２１０ｂおよび受光部２１０ｃ上に設けられている。
反射膜２１４ａ、反射膜２１４ｂおよび反射膜２１４ｃは、受光部２１０ａ、受光部２１０ｂおよび受光部２１０ｃとそれぞれ重畳するように絶縁膜２１２上に設けられている。
このような構成にすることで、先の実施の形態と同様に基板２００に入射された光は、光学距離調整膜２０６と光学距離調整膜２０８の境界面と、受光部２１０と絶縁膜２１２の境界面の間で複数回の反射（以下、多重反射という）が生じる。なお、本実施の形態の光学距離調整膜２０８と受光部２１０の積層構造は、実施の形態１の受光部１１０に相当し、同様の機能を有する。なお、上述の多重反射が生じる多重反射領域は、光学距離調整膜２０４、光学距離調整膜２０６、光学距離調整膜２０８、受光部２１０および絶縁膜２１２の積層領域である。
多重反射領域では、光の干渉効果により、ある一定波長の光の強度が強調される（マイクロキャビティなどともいう）。なお、強調される光の波長は、光学距離を調整することにより、任意に変化させることが可能である。
そこで、本実施の形態では、受光部２１０ａを含む多重反射領域において青色領域の波長λＢ（４５０ｎｍ乃至４８５ｎｍ）が強調されるように、受光部２１０ａが重畳する光学距離調整膜２０８の膜厚を調整した。また、受光部２１０ｂを含む多重反射領域において緑色領域の波長λＧ（５００ｎｍ乃至５６５ｎｍ）が強調されるように、受光部２１０ｂが重畳する光学距離調整膜２０８の膜厚を調整した。また、受光部２１０ｃを含む多重反射領域において赤色領域の波長λＲ（６２５ｎｍ乃至７４０ｎｍ）が強調されるように、受光部２１０ｃが重畳する光学距離調整膜２０８の膜厚を調整した。
上述した光学距離調整膜２０６、光学距離調整膜２０８、受光部２１０および絶縁膜２１２が順に積層されているキャビティ構造を採用することによって、カラーフィルターを用いずに特定の色を検知することができ、また、受光部の膜厚を小さくしても、感度よく、特定の色を検知することができる。
配線２１８ａおよび配線２１８ｂは、絶縁膜２１２および絶縁膜２１６に設けられた開口を介して受光部２１０ａと接続されるように絶縁膜２１６上に設けられ、配線２１８ｃおよび配線２１８ｄは、絶縁膜２１２および絶縁膜２１６に設けられた開口を介して受光部２１０ｂと接続されるように絶縁膜２１６上に設けられ、配線２１８ｅおよび配線２１８ｆは、絶縁膜２１２および絶縁膜２１６に設けられた開口を介して受光部２１０ｃと接続されるように絶縁膜２１６上に設けられている。
配線２１８ａ、配線２１８ｃおよび配線２１８ｅは、信号線などに接続され、配線２１８ｂ、配線２１８ｄおよび配線２１８ｆは、各画素のトランジスタのゲート電極に電気的に接続されている。また、配線２１８ｂ、配線２１８ｄおよび配線２１８ｆは、各受光素子の反射膜２１４を介してトランジスタのゲート電極に電気的に接続されていてもよい。また、受光部に検出光が入射する方向と交差する方向に電界が印加されるように配線が設けられている。
以下に、センサ２５０の作製工程の一例を示す。
まず、絶縁表面を有する基板２００上に光学距離調整膜２０２を形成する（図５（Ａ）参照）。
絶縁表面を有する基板２００は、先の実施の形態の基板１００を参酌することができる。
光学距離調整膜２０２の形成方法、材料などは、先の実施の形態の光学距離調整膜１０４を参酌することができる。
次に光学距離調整膜２０２上にレジストマスク２０３ａを形成し、選択的に光学距離調整膜２０２をエッチングして光学距離調整膜２０２ａを形成する（図５（Ｂ）参照）。
次に光学距離調整膜２０２ａ上にレジストマスク２０３ｂを形成し、選択的に光学距離調整膜２０２ａをエッチングして光学距離調整膜２０２ｂを形成する（図５（Ｃ）参照）。
光学距離調整膜を階段状に形成したのち、レジストマスク２０３ａおよびレジストマスク２０３ｂを除去する。このように光学距離調整膜を階段状にすることで後に形成される光学距離調整膜２０８を平坦化したときに青色領域、緑色領域および赤色領域の光学距離調整膜２０８の膜厚を異なるものとすることができる。
次に光学距離調整膜２０２ｂ上に光学距離調整膜２０４を形成し、光学距離調整膜２０４上に光学距離調整膜２０６を形成する（図６（Ａ）参照）。
光学距離調整膜２０４の形成方法、材料などは、先の実施の形態の光学距離調整膜１０２を参酌することができる。また、光学距離調整膜２０６は、光学距離調整膜２０２と同様の材料を用いることができる。
次に光学距離調整膜２０６上に光学距離調整膜２０８を形成する（図６（Ｂ）参照）。
光学距離調整膜２０８は、光学距離調整膜２０４と同様の材料を用いることができる。
光学距離調整膜２０８の形成後、平坦化処理を施し、透過する波長の一部が強調されるように光学距離調整膜２０８の膜厚を調整する。光学距離調整膜２０８の膜厚の調整は、所望の色の波長に光学距離が合致するように行う。
光学距離調整膜２０２ｂ、光学距離調整膜２０４、光学距離調整膜２０６および光学距離調整膜２０８は所望の設計波長（本実施の形態では、５３０ｎｍ）が強調されるように先の数式を用いてそれぞれの膜厚を調整する。
光学距離調整膜２０４を透過する光の光学距離および光学距離調整膜２０６を透過する光の光学距離は、設計波長の４分の１とする。先の実施の形態と同様で、反射膜２１４で反射され、基板２００側に戻ってきた光を再度、受光部２１０側に進ませることができる。
本実施の形態では、エッチングにより１４０ｎｍ、１２０ｎｍ、１００ｎｍの膜厚をもつ階段状の光学距離調整膜２０２ｂを形成し、光学距離調整膜２０４を４０ｎｍ形成し、光学距離調整膜２０６を１００ｎｍ形成し、平坦化処理により４０ｎｍ、６０ｎｍ、８０ｎｍの膜厚をもつ階段状の光学距離調整膜２０８を形成した。
設計波長は、本実施の形態では、緑色領域付近に調整する。緑色領域は、赤色領域、青色領域のほぼ中央値であるため、設計波長を緑色領域付近にすることで、赤色、青色を検知する場合、赤色領域、青色領域の設計波長との誤差が小さくなる。この誤差は、その後、光が透過する膜（受光部、絶縁膜）の膜厚で調整できるので、設計波長は青色領域〜赤色領域の間ぐらいであれば、特に問題はない。
また、光学距離調整膜２０２ｂの下に接して光学距離調整膜２０２ｂより屈折率の大きい光学距離調整膜Ｃを設けてもよいし、さらに光学距離調整膜Ｃの下に接して光学距離調整膜Ｃより屈折率の小さい光学距離調整膜Ｄを設けてもよい。また、光学距離調整膜Ｃまたは光学距離調整膜Ｄの一方を光学距離調整膜２０２ｂのように階段状し、光学距離調整膜２０２ｂを階段状にしないような構成としてもよい。先の実施の形態で用いた数式を用いてそれぞれの膜厚を所望の設計波長が強調されるように調整することでさらに光を強調することができる。なお、光学距離調整膜Ｃを透過する光の光学距離および光学距離調整膜Ｄを透過する光の光学距離は、設計波長の４分の１とする。
次に光学距離調整膜２０８上に、受光膜を形成したのち、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程により受光部２１０ａ、受光部２１０ｂおよび受光部２１０ｃを形成する（図６（Ｃ）参照）。
階段状の光学距離調整膜２０８を透過する光の光学距離および受光部２１０ａを透過する光の光学距離の合計、階段状の光学距離調整膜２０８を透過する光の光学距離および受光部２１０ｂを透過する光の光学距離の合計、および階段状の光学距離調整膜２０８を透過する光の光学距離および受光部２１０ｃを透過する光の光学距離の合計がそれぞれλＢ、λＧおよびλＲの波長の４分の２になるように膜厚を調整する。また、受光部２１０ａ、受光部２１０ｂおよび受光部２１０ｃの材料などは先の実施の形態の受光部１１０ａ、受光部１１０ｂおよび受光部１１０ｃを参酌することができる。
本実施の形態では、受光部２１０ａ、受光部２１０ｂおよび受光部２１０ｃであるシリコン膜を３５ｎｍ形成した。
次に光学距離調整膜２０８、受光部２１０ａ、受光部２１０ｂおよび受光部２１０ｃ上に絶縁膜２１２を形成する（図７（Ａ）参照）。
絶縁膜２１２の形成方法、材料などは先の実施の形態の絶縁膜１１２を参酌することができる。
絶縁膜２１２を透過する光の光学距離は、設計波長の４分の１とする。
以上のように光学距離調整膜２０４、光学距離調整膜２０６および絶縁膜２１２を透過する光の光学距離を設計波長の４分の１に調整することで受光部２１０から出た光が光学距離調整膜２０２ｂと光学距離調整膜２０４の境界面、光学距離調整膜２０４と光学距離調整膜２０６の境界面および絶縁膜２１２と反射膜２１４の境界面で反射し、その反射光が光学距離調整膜２０８および受光部２１０内部を透過する光の位相と同じ位相となり、光が強められる。さらに光学距離調整膜２０８および受光部２１０を透過する光の光学距離をλＢ、λＧおよびλＲの波長の４分の２に調整することで光学距離調整膜２０６と光学距離調整膜２０８の境界面および受光部２１０と絶縁膜２１２の境界面で反射し、その反射光が光学距離調整膜２０８および受光部２１０内部を透過する光の位相と同じ位相となり、光がさらに強められる。つまり、二重の反射構造になっており、光を効率よく強めることができる。
次に絶縁膜２１２上に、導電膜を形成したのち、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程により反射膜２１４ａ、反射膜２１４ｂおよび反射膜２１４ｃを形成する（図７（Ａ）参照）。
反射膜２１４ａ、反射膜２１４ｂおよび反射膜２１４ｃの形成方法、材料などは先の実施の形態の反射膜１１４ａ、反射膜１１４ｂおよび反射膜１１４ｃを参酌することができる。
本実施の形態では、絶縁膜２１２を９４ｎｍ形成し、反射膜２１４ａ、反射膜２１４ｂおよび反射膜２１４ｃであるタングステン膜を３７０ｎｍ形成した。
次に表面凹凸を低減するために、絶縁膜２１２、反射膜２１４ａ、反射膜２１４ｂおよび反射膜２１４ｃ上に絶縁膜２１６を形成し、表面を平坦化する（図７（Ｂ）参照）。
絶縁膜２１６の形成方法、材料などは先の実施の形態の絶縁膜１１６を参酌することができる。
次に絶縁膜２１２および絶縁膜２１６に設けられた開口を介して、それぞれ配線２１８ａおよび配線２１８ｂは、受光部２１０ａと接続され、配線２１８ｃおよび配線２１８ｄは、受光部２１０ｂと接続され、配線２１８ｅおよび配線２１８ｆは、受光部２１０ｃと接続される。
配線２１８ａ乃至配線２１８ｆの形成方法、材料などは先の実施の形態の配線１１８ａ乃至配線１１８ｆを参酌することができる。
以上により、屈折率の大小関係が交互になっている積層構造にすることにより、所望の設計波長が強調されるようにそれぞれの膜厚を調整するにすることによって、受光部に到達する光を強調することができ、カラーフィルターを用いずに特定の色を検知することができる。また、受光部の膜厚を小さくしても、感度よく、特定の色を検知することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態３）
実施の形態１で示したフォトダイオード（受光部ともいう）を含むセンサを用いて、対象物の情報を読み取るイメージセンサ機能を有する半導体装置を作製することができる。
実施の形態１で示したフォトダイオード（受光部ともいう）を含むセンサを用いて、対象物の情報を読み取るイメージセンサ機能を有する半導体装置を作製することができる。
図８に、イメージセンサ機能を有する半導体装置の一例を示す。図８（Ａ）はセンサの等価回路であり、図８（Ｂ）はセンサの一部を示す断面図である。なお、図８（Ｂ）に示す各受光素子のフォトダイオード３１０ａ、フォトダイオード３１０ｂおよびフォトダイオード３１０ｃは、図８（Ａ）のフォトダイオード３１０と置き換えることができる。
フォトダイオード３１０は、一方の配線（図８（Ｂ）では、配線３１８ａ、配線３１８ｃおよび配線３１８ｅ）がフォトダイオードリセット信号線３５８に、他方の配線（図８（Ｂ）では、配線３１８ｂ、配線３１８ｄおよび配線３１８ｆ）が反射膜を介してトランジスタ３４０のゲート電極に電気的に接続されている。トランジスタ３４０は、ソース電極またはドレイン電極の一方がセンサ基準信号線３７２に、ソース電極またはドレイン電極の他方がトランジスタ３５６のソース電極またはドレイン電極の一方に電気的に接続されている。トランジスタ３５６は、ゲート電極がゲート信号線３５９に、ソース電極またはドレイン電極の他方がセンサ出力信号線３７１に電気的に接続されている。
図８（Ｂ）は、各受光素子（Ｒ：赤、Ｇ：緑、Ｂ：青）のセンサおよびトランジスタ３４０を示す断面図である。
絶縁表面を有する基板３００上には、光学距離調整膜３０２および光学距離調整膜３０４が設けられている。光学距離調整膜３０２の屈折率は、光学距離調整膜３０４の屈折率より大きい。
フォトダイオード３１０ａ、フォトダイオード３１０ｂ、フォトダイオード３１０ｃおよびトランジスタ３４０は、光学距離調整膜３０４上に設けられている。フォトダイオード３１０ａ、フォトダイオード３１０ｂ、フォトダイオード３１０ｃ上には、絶縁膜３１２が設けられている。トランジスタ３４０上には接着膜３２０を用いて基板３２３が設けられている。
また、フォトダイオード３１０ａ、フォトダイオード３１０ｂおよびフォトダイオード３１０ｃは、透過する波長の一部が強調されるようにそれぞれ光学距離が調整されており、フォトダイオード３１０ａの膜厚は、フォトダイオード３１０ｂの膜厚より小さく、フォトダイオード３１０ｂの膜厚は、フォトダイオード３１０ｃの膜厚より小さくなっている。
本実施の形態では、フォトダイオード３１０ａを含む多重反射領域において青色領域の波長λＢ（４５０ｎｍ乃至４８５ｎｍ）が強調されるように、フォトダイオード３１０ａの膜厚を調整した。また、フォトダイオード３１０ｂを含む多重反射領域において緑色領域の波長λＧ（５００ｎｍ乃至５６５ｎｍ）が強調されるように、フォトダイオード３１０ｂの膜厚を調整した。また、フォトダイオード３１０ｃを含む多重反射領域において赤色領域の波長λＲ（６２５ｎｍ乃至７４０ｎｍ）が強調されるように、フォトダイオード３１０ｃの膜厚を調整した。
トランジスタ３４０上には絶縁膜３１６が設けられている。反射膜３１４ａ、反射膜３１４ｂおよび反射膜３１４ｃは、各画素のトランジスタ３４０のゲート電極と電気的に接続されており、フォトダイオード３１０ａ、フォトダイオード３１０ｂおよびフォトダイオード３１０ｃは、各画素のトランジスタ３４０と電気的に接続されている。
また、上記フォトダイオードに、光学距離調整膜３０４側から順に第１の半導体膜としてｐ型の導電型を有する半導体膜と、第２の半導体膜として高抵抗な半導体膜（ｉ型半導体膜）、第３の半導体膜としてｎ型の導電型を有する半導体膜を積層するｐｉｎ型のフォトダイオードを用いてもよい。
第１の半導体膜はｐ型半導体膜であり、ｐ型を付与する不純物元素を含む非晶質シリコン膜により形成することができる。第１の半導体膜の形成には１３族の不純物元素（例えばホウ素）を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはモノシラン（ＳｉＨ４）、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４などを用いればよい。また、不純物元素を含まない非晶質シリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該非晶質シリコン膜に不純物元素を導入してもよい。また、イオン注入法などにより不純物元素を導入した後に加熱などを行うことで、不純物元素を拡散させると好ましい。この場合に非晶質シリコン膜を形成する方法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法などを用いればよい。第１の半導体膜の膜厚は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下となるよう形成することが好ましい。
第２の半導体膜は、ｉ型半導体膜であり、非晶質シリコン膜により形成する。第２の半導体膜の形成には、半導体材料ガスを用いて、非晶質シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしては、モノシラン（ＳｉＨ４）、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４などを用いればよい。第２の半導体膜の形成には、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法などを用いればよい。第２の半導体膜の膜厚は２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。
第３の半導体膜は、ｎ型半導体膜であり、ｎ型を付与する不純物元素を含む非晶質シリコン膜により形成する。第３の半導体膜の形成には、１５族の不純物元素（例えばリン）を含む半導体材料ガスを用いて、プラズマＣＶＤ法により形成する。半導体材料ガスとしてはモノシラン（ＳｉＨ４）、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ４などを用いればよい。また、不純物元素を含まない非晶質シリコン膜を形成した後に、拡散法やイオン注入法を用いて該非晶質シリコン膜に不純物元素を導入してもよい。イオン注入法等により不純物元素を導入した後に加熱等を行うことで、不純物元素を拡散させるとよい。この場合に非晶質シリコン膜を形成する方法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法またはスパッタリング法などを用いればよい。
また、第１の半導体膜、第２の半導体膜および第３の半導体膜は、非晶質半導体ではなく、多結晶半導体を用いて形成してもよいし、微結晶半導体を用いて形成してもよい。
また、光電効果により発生した正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、ｐｉｎ型のフォトダイオードは、ｐ型の半導体膜側を受光面とする方がよい特性を示す。
本実施の形態では、基板３００の面からフォトダイオード３１０ａ、フォトダイオード３１０ｂおよびフォトダイオード３１０ｃが受ける光３２２を電気信号に変換する例を示す。また、ｐｉｎ型のフォトダイオードの場合、受光面とした半導体膜側とは逆の導電型を有する半導体膜側からの光は外乱光となるため、配線は遮光性を有する導電膜を用いるとよい。また、ｎ型の半導体膜側を受光面として用いることもできる。
絶縁膜３１６としては、絶縁性材料を用いて、その材料に応じて、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法（インクジェット法等）、印刷法（スクリーン印刷、オフセット印刷等）、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等を用いて形成することができる。
絶縁膜３１６としては、表面凹凸を低減するため平坦化絶縁膜として機能する絶縁膜が好ましい。絶縁膜３１６としては、例えば、ポリイミド、アクリル樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂等も、耐熱性を有する有機絶縁材料を用いることができる。また、上記有機絶縁材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ−ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等の単層、または積層を用いることができる。
光学距離調整膜３０２および光学距離調整膜３０４は先の実施の形態と同様にフォトダイオードに到達する光３２２が強調されるようにそれぞれの膜厚が調整されている。
フォトダイオードに到達する光３２２を検出することによって、被検出物の情報を読み取ることができる。なお、被検出物の情報を読み取る際にバックライトなどの光源を用いることができる。
以上により、屈折率の大小関係が交互になっている積層構造にすることにより、所望の設計波長が強調されるようにそれぞれの膜厚を調整するにすることによって、フォトダイオードに到達する光を強調することができ、カラーフィルターを用いずに特定の色を検知することができる。また、受光部の膜厚を小さくしても、感度よく、特定の色を検知することができる。
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
本実施例では、実施の形態１について作製した本発明の一態様に係る半導体装置の特性について計算した結果を用いて説明する。
まずは、実施例試料の構成について図９を用いて説明する。
絶縁表面上に光学距離調整膜である酸化チタン膜（ＴｉＯ２）４０２を５５ｎｍ形成し、酸化チタン膜４０２上に光学距離調整膜である酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）４０４を９０ｎｍ形成する。酸化チタン膜４０２の屈折率ｎは２．４、酸化シリコン膜４０４の屈折率ｎは１．４６である。
次に、酸化シリコン膜４０４上に受光部４１０ａ、受光部４１０ｂ、受光部４１０ｃであるシリコン膜をそれぞれ５３ｎｍ、６８ｎｍ、８６ｎｍ形成する。形成方法は実施の形態１を参酌することができる。シリコン膜の屈折率ｎは３．９１である。
次に、酸化シリコン膜４０４およびシリコン膜上に絶縁膜である酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）４１２を９０ｎｍ形成し、酸化シリコン膜４１２上に受光部４１０ａ、受光部４１０ｂおよび受光部４１０ｃとそれぞれ重畳するように反射膜４１４ａ、反射膜４１４ｂおよび反射膜４１４ｃであるタングステン膜を３７０ｎｍ形成する。形成方法は実施の形態１を参酌することができる。タングステン膜の屈折率ｎは３．１である。
本実施例では、絶縁表面側から順に酸化チタン膜４０２（ｎ＝２．４）、酸化シリコン膜４０４（ｎ＝１．４６）、シリコン膜（ｎ＝３．９１）、酸化シリコン膜４１２（ｎ＝１．４６）、タングステン膜（ｎ＝３．１）と積層されているように、ある膜Ａに接して積層する膜Ｂ（例えば、酸化チタン膜４０２に積層する酸化シリコン膜４０４）の屈折率の方が膜Ａと比較して小さい場合（ｎは、膜Ａ＞膜Ｂ）は、膜Ｂの上に接して積層される膜Ｃ（例えば、シリコン膜）の屈折率は膜Ｂより大きくなっている（ｎは、膜Ｃ＞膜Ｂ）。同様に、ある膜Ｄに接して積層する膜Ｅ（例えば、酸化シリコン膜４０４に積層するシリコン膜）の屈折率の方が膜Ｄと比較して大きい場合（ｎは、膜Ｄ＜膜Ｅ）は、膜Ｅの上に接して積層される膜Ｆ（例えば、酸化シリコン膜４１２）の屈折率は膜Ｅより小さくなっている（ｎは、膜Ｆ＜膜Ｅ）。
このように屈折率の大小関係が交互になっている積層構造（マイクロキャビティ構造）を採用し、所望の設計波長が強調されるようにそれぞれの膜厚を調整するにすることによって、受光部に到達する光を強調することができる。
図１０は、受光部４１０ａ、受光部４１０ｂおよび受光部４１０ｃであるシリコン膜における吸収率を示している。図１０の縦軸は吸収率［％］、横軸は波長［ｎｍ］を示し、図中の細線は受光部４１０ａの分光特性、太線は受光部４１０ｂの分光特性、破線は受光部４１０ｃの分光特性を表している。
図１０に示すように、シリコン膜の膜厚が５５ｎｍである受光部４１０ａは、波長４５０ｎｍ付近において、吸収率が高いことが確認できる。また、シリコン膜の膜厚が６８ｎｍである受光部４１０ｂは、波長５３０ｎｍ付近において、吸収率が高いことが確認できる。また、シリコン膜の膜厚が８６ｎｍである受光部４１０ｃは、波長６３０ｎｍ付近において、吸収率が高いことが確認できる。
上記のように、受光部４１０ａ、受光部４１０ｂおよび受光部４１０ｃにおいて、青色領域の波長、緑色領域の波長、赤色領域の波長の吸収率が増加するピークになっている。
以上のように、屈折率の大小関係が交互になっている積層構造を採用し、所望の設計波長が強調されるようにそれぞれの膜厚を調整するにすることによって、受光部に到達する光を強調することができ、カラーフィルターを用いずに特定の色を検知することができる。また、受光部の膜厚を小さくしても、感度よく、特定の色を検知することができる。
本実施例では、反射膜として用いる金属について計算にて評価を行う。
本実施例は、反射膜にタングステン膜を用いている実施例１の試料Ａと反射膜にアルミニウム膜を用い、他の構成は実施例１と同様である試料Ｂについてシリコン膜の光の吸収率を比較する。なお、試料Ａのタングステン膜および試料Ｂのアルミニウム膜の膜厚は共に３７０ｎｍである。
図１１は、反射膜の違いによるシリコン膜の光の吸収率を示している。図１１（Ａ）は試料Ａのシリコン膜の光の吸収率、図１１（Ｂ）は試料Ｂのシリコン膜の光の吸収率を示している。図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）の縦軸は吸収率［％］、横軸は波長［ｎｍ］を示し、図中の細線は受光部４１０ａの分光特性、太線は受光部４１０ｂの分光特性、破線は受光部４１０ｃの分光特性を表している。
図１１に示すように反射膜がアルミニウム膜の方がシリコン膜の光の吸収率が高くなっていることが確認できる。これは、金属膜の反射率の違いによるものであり、タングステンの反射率は５０〜６０％であるのに対し、アルミニウムの反射率は９０〜９５％と高いことが分かる。反射率が高いことによって、シリコン膜に反射光が集まり、シリコン膜の光の吸収率が高くなることが確認できた。
本実施例では、半導体装置の各構成の膜厚を微調整したときのシリコン膜の光の吸収率について計算にて評価を行う。
本実施例は、実施例２の試料Ｂと試料Ｂの各構成の膜厚を微調整した試料Ｃについてシリコン膜の光の吸収率を比較する。
試料Ｃの各構成について図９を用いて説明する。
絶縁表面上に光学距離調整膜である酸化チタン膜（ＴｉＯ２）４０２を５７ｎｍ形成し、酸化チタン膜４０２上に光学距離調整膜である酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）４０４を７０ｎｍ形成する。酸化チタン膜４０２の屈折率ｎは２．４、酸化シリコン膜４０４の屈折率ｎは１．４６である。
次に、酸化シリコン膜４０４上に受光部４１０ａ、受光部４１０ｂおよび受光部４１０ｃであるシリコン膜をそれぞれ５５ｎｍ、７０ｎｍ、８８ｎｍ形成する。形成方法は実施の形態１を参酌することができる。シリコン膜の屈折率ｎは３．９１である。
次に、酸化シリコン膜４０４およびシリコン膜上に絶縁膜である酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）４１２を９４ｎｍ形成し、酸化シリコン膜４１２上に受光部４１０ａ、受光部４１０ｂおよび受光部４１０ｃとそれぞれ重畳するように反射膜４１４ａ、反射膜４１４ｂおよび反射膜４１４ｃであるアルミニウム膜を３７０ｎｍ形成する。形成方法は実施の形態１を参酌することができる。アルミニウム膜の屈折率ｎは３．１である。
図１２は、シリコン膜の光の吸収率を示している。図１２（Ａ）は試料Ｂのシリコン膜の光の吸収率、図１２（Ｂ）は試料Ｃのシリコン膜の光の吸収率を示している。図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）の縦軸は吸収率［％］、横軸は波長［ｎｍ］を示し、図中の細線は受光部４１０ａの分光特性、太線は受光部４１０ｂの分光特性、破線は受光部４１０ｃの分光特性を表している。
図１２に示すように各構成の膜厚を微調整した試料Ｃは、試料Ｂより各波長領域のシリコン膜の光の吸収率がほぼ揃っていることが確認できる。微調整することによって、シリコン膜の光の吸収率を同程度にできることが確認できた。
１００ 基板
１０２ 光学距離調整膜
１０４ 光学距離調整膜
１０５ａ レジストマスク
１０５ｂ レジストマスク
１０６ａ 受光膜
１０６ｂ 受光膜
１０９ａ レジストマスク
１０９ｂ レジストマスク
１０９ｃ レジストマスク
１１０ 受光部
１１０ａ 受光部
１１０ｂ 受光部
１１０ｃ 受光部
１１２ 絶縁膜
１１４ 反射膜
１１４ａ 反射膜
１１４ｂ 反射膜
１１４ｃ 反射膜
１１６ 絶縁膜
１１８ａ 配線
１１８ｂ 配線
１１８ｃ 配線
１１８ｄ 配線
１１８ｅ 配線
１１８ｆ 配線
１５０ センサ
２００ 基板
２０２ 光学距離調整膜
２０２ａ 光学距離調整膜
２０２ｂ 光学距離調整膜
２０３ａ レジストマスク
２０３ｂ レジストマスク
２０４ 光学距離調整膜
２０６ 光学距離調整膜
２０８ 光学距離調整膜
２１０ 受光部
２１０ａ 受光部
２１０ｂ 受光部
２１０ｃ 受光部
２１２ 絶縁膜
２１４ 反射膜
２１４ａ 反射膜
２１４ｂ 反射膜
２１４ｃ 反射膜
２１６ 絶縁膜
２１８ａ 配線
２１８ｂ 配線
２１８ｃ 配線
２１８ｄ 配線
２１８ｅ 配線
２１８ｆ 配線
２５０ センサ
３００ 基板
３０２ 光学距離調整膜
３０４ 光学距離調整膜
３１０ フォトダイオード
３１０ａ フォトダイオード
３１０ｂ フォトダイオード
３１０ｃ フォトダイオード
３１２ 絶縁膜
３１４ａ 反射膜
３１４ｂ 反射膜
３１４ｃ 反射膜
３１６ 絶縁膜
３１８ａ 配線
３１８ｂ 配線
３１８ｃ 配線
３１８ｄ 配線
３１８ｅ 配線
３１８ｆ 配線
３２０ 接着膜
３２２ 光
３２３ 基板
３４０ トランジスタ
３５６ トランジスタ
３５８ フォトダイオードリセット信号線
３５９ ゲート信号線
３７１ センサ出力信号線
３７２ センサ基準信号線
４０２ 酸化チタン膜
４０４ 酸化シリコン膜
４１０ａ 受光部
４１０ｂ 受光部
４１０ｃ 受光部
４１２ 酸化シリコン膜
４１４ａ 反射膜
４１４ｂ 反射膜
４１４ｃ 反射膜
１０２ 光学距離調整膜
１０４ 光学距離調整膜
１０５ａ レジストマスク
１０５ｂ レジストマスク
１０６ａ 受光膜
１０６ｂ 受光膜
１０９ａ レジストマスク
１０９ｂ レジストマスク
１０９ｃ レジストマスク
１１０ 受光部
１１０ａ 受光部
１１０ｂ 受光部
１１０ｃ 受光部
１１２ 絶縁膜
１１４ 反射膜
１１４ａ 反射膜
１１４ｂ 反射膜
１１４ｃ 反射膜
１１６ 絶縁膜
１１８ａ 配線
１１８ｂ 配線
１１８ｃ 配線
１１８ｄ 配線
１１８ｅ 配線
１１８ｆ 配線
１５０ センサ
２００ 基板
２０２ 光学距離調整膜
２０２ａ 光学距離調整膜
２０２ｂ 光学距離調整膜
２０３ａ レジストマスク
２０３ｂ レジストマスク
２０４ 光学距離調整膜
２０６ 光学距離調整膜
２０８ 光学距離調整膜
２１０ 受光部
２１０ａ 受光部
２１０ｂ 受光部
２１０ｃ 受光部
２１２ 絶縁膜
２１４ 反射膜
２１４ａ 反射膜
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２１４ｃ 反射膜
２１６ 絶縁膜
２１８ａ 配線
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２５０ センサ
３００ 基板
３０２ 光学距離調整膜
３０４ 光学距離調整膜
３１０ フォトダイオード
３１０ａ フォトダイオード
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３１６ 絶縁膜
３１８ａ 配線
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３１８ｅ 配線
３１８ｆ 配線
３２０ 接着膜
３２２ 光
３２３ 基板
３４０ トランジスタ
３５６ トランジスタ
３５８ フォトダイオードリセット信号線
３５９ ゲート信号線
３７１ センサ出力信号線
３７２ センサ基準信号線
４０２ 酸化チタン膜
４０４ 酸化シリコン膜
４１０ａ 受光部
４１０ｂ 受光部
４１０ｃ 受光部
４１２ 酸化シリコン膜
４１４ａ 反射膜
４１４ｂ 反射膜
４１４ｃ 反射膜
Claims (5)
- 光入射側に第１の光学距離調整膜と、
前記第１の光学距離調整膜上に設けられた第２の光学距離調整膜と、
前記第２の光学距離調整膜上に設けられた検出光の波長が異なる複数の受光素子と、
前記複数の受光素子上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に前記複数の受光素子のぞれぞれと重畳するように設けられた反射膜と、を有し、
前記複数の受光素子のぞれぞれは受光部の膜厚が異なっており、該膜厚は検出光の光学距離が該検出光の波長の４分の２の整数倍となる厚さであり、
前記第１の光学距離調整膜の屈折率は、前記第２の光学距離調整膜の屈折率よりも大きく、
前記複数の受光素子の屈折率は、前記第２の光学距離調整膜および前記絶縁膜の屈折率より大きく、
前記反射膜の屈折率は、前記絶縁膜の屈折率より大きく、
前記第１の光学距離調整膜、前記第２の光学距離調整膜及び前記絶縁膜の膜厚は、検出光の光学距離が該検出光の波長の４分の１となる厚さである半導体装置。 - 前記第１の光学距離調整膜の下に接する第３の光学距離調整膜と、
前記第３の光学距離調整膜の下に接する第４の光学距離調整膜と、を有し、
前記第３の光学距離調整膜は、前記第１の光学距離調整膜より屈折率が小さく、
前記第４の光学距離調整膜は、前記第３の光学距離調整膜より屈折率が大きい請求項１に記載の半導体装置。 - 光入射側に第１の光学距離調整膜と、
前記第１の光学距離調整膜上に設けられた第２の光学距離調整膜と、
前記第２の光学距離調整膜上に設けられた複数の受光素子と、
前記複数の受光素子上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に前記複数の受光素子のぞれぞれと重畳するように設けられた反射膜と、を有し、
前記受光素子は、
階段状に設けられた第３の光学距離調整膜と、
前記第３の光学距離調整膜上に設けられた検出光の波長が異なる複数の受光部と、を含み、
前記複数の受光素子が重畳する箇所において、前記第３の光学距離調整膜は膜厚がそれぞれ異なっており、該膜厚と複数の受光部の膜厚の合計は、検出光の光学距離が該検出光の波長の４分の２の整数倍となる厚さであり、
前記第１の光学距離調整膜の屈折率は、前記第２の光学距離調整膜の屈折率より大きく、
前記第２の光学距離調整膜の屈折率は、前記第３の光学距離調整膜の屈折率より小さく、
前記複数の受光部の屈折率は、前記第３の光学距離調整膜および前記絶縁膜の屈折率より大きく、
前記反射膜の屈折率は、前記絶縁膜の屈折率より大きく、
前記第１の光学距離調整膜、前記第２の光学距離調整膜及び前記絶縁膜の膜厚は、検出光の光学距離が該検出光の波長の４分の１となる厚さである半導体装置。 - 前記第１の光学距離調整膜の下に接する第４の光学距離調整膜と、
前記第４の光学距離調整膜の下に接する第５の光学距離調整膜と、を有し、
前記第４の光学距離調整膜は、前記第１の光学距離調整膜より屈折率が小さく、
前記第５の光学距離調整膜は、前記第４の光学距離調整膜より屈折率が大きい請求項３に記載の半導体装置。 - 前記複数の受光素子のぞれぞれは、前記受光部に検出光が入射する方向と交差する方向に電界が印加されるように配線が設けられている請求項１乃至請求項４に記載の半導体装置。
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