JP6479519B2 - 光電変換素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光電変換素子およびその製造方法に関する。

光電変換素子は、一次元ラインセンサ（ファクシミリやスキャナ等）や二次元エリアセンサ（デジタルカメラやデジタルビデオカム）として利用されている。近年、これらのセンサでは素子の小型化や光電変換の高速化が要求されている。そこで、より少ない光で有効な電気信号を発生する光電変換素子、すなわち感度を向上させた光電変換素子が開発されている。

例えば、特許文献１には、光電変換部と回路部とがシリコンチップに集積された光電変換素子において、シリコンチップ表面に表面保護膜を設けるとともに、その表面保護膜の、光電変換部の受光面上に位置する部分に、表面保護膜を貫通する開口部を形成した光電変換素子が開示されている。その開口部には厚さ３０ｎｍのシリコン酸化膜で構成された反射防止膜が設けられている。反射防止膜は、シリコンチップ表面の光電変換部を覆い、光電変換部へ入射する光のうち、８００ｎｍ波長の光の反射を防止している。

特開平８−２１３５８１号公報

特許文献１の光電変換素子では、反射防止膜は８００ｎｍ波長の光、換言すると特定の波長の光しか反射を防止しない。そのため、特定の波長以外の光は反射され、その多くは光電変換部に入射しない。その結果、特定の波長の光に対してのみ光電変換素子の感度が向上するにすぎない。

特定の波長以外の光が反射されると、反射した光が干渉することにより分光感度特性にフリンジが生じる。フリンジの発生する光の波長は、反射防止膜のわずかな厚さの違いによって変化する。そのため、光電変換素子では反射防止膜を均一な厚さに形成する必要がある。

しかしながら、光電変換素子で大型の一次元ラインセンサや二次元エリアセンサを作製した場合、反射防止膜をセンサ内で均一な厚さに形成することが難しい。そのため、センサ内でフリンジが発生する光の波長がばらついてしまい、その結果、色むら等が発生してセンサの色の再現性が低下する。

特許文献１の光電変換素子では、表面保護膜を貫通する開口部を形成し、その開口部に反射防止膜を設けているため、光電変換素子の製造方法が複雑である。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、特定の波長の光のみならず広範囲の波長の光について反射が低減し、分光感度特性のフリンジが低減した光電変換素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る光電変換素子は、マトリックス状に配列された複数の光電変換部と、光電変換部それぞれの受光面上に形成され、１層以上の光透過膜を有する光透過部と、を備える。複数の光電変換部それぞれの受光面上には、光電変換部に入射する光を散乱する粗面を有する凹凸部が少なくとも１つ形成される。凹凸部は、光透過部が１層の光透過膜を有する場合に、光透過膜と受光面の界面、および光透過膜の上面の少なくとも１つの面に形成され、光透過部が２層以上の光透過膜を有する場合に、最下層の光透過膜と受光面の界面、最上層の光透過膜の上面、および光透過膜と光透過膜との間の界面の少なくとも１つの面に形成される。凹凸部の行方向の周期は、光電変換部の行方向の周期よりも小さい。

本発明は、光電変換部の受光面上に形成された、粗面を有する凹凸部が特定の波長の光だけでなく広範囲の波長の光を散乱する構成であるので、特定の波長の光のみならず広範囲の波長の光について反射が低減し、分光感度特性のフリンジが低減した光電変換素子およびその製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る光電変換素子を示す断面図である。 シリコン酸化膜の上面を示す図である。 光電変換素子の製造過程を示す断面図である。 シリコン酸化膜上にフォトレジストを形成した状態を示す断面図である。 フォトレジストをマスクにしてシリコン酸化膜をエッチングした状態を示す断面図である。 エッチングされたシリコン酸化膜からフォトレジストを除去した状態を示す断面図である。 シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を形成した状態を示す断面図である。 シリコン窒化膜上にカラーフィルターを形成した状態を示す断面図ある。 光電変換素子の製造過程で使用されるフォトレジストを示す平面図である。 本発明の実施の形態２に係る光電変換素子を示す断面図である。 反射防止膜の上面を示す図である。 光電変換素子の製造過程を示す断面図である。 シリコン窒化膜上に反射防止膜を形成した状態を示す断面図である。 反射防止膜上にフォトレジストを形成した状態を示す断面図である。 反射防止膜をエッチングした状態を示す断面図である。 反射防止膜をリフローした状態を示す断面図である。 反射防止膜上にカラーフィルターを形成した状態を示す断面図ある。 光電変換素子の製造過程で使用されるフォトレジストを示す平面図である。 透過部の変形例を示す断面図である。 凹凸部の変形例を示す断面図である。 凹凸部の他の変形例を示す断面図である。 凹凸部の他の変形例を示す断面図である。 フォトレジストの変形例を示す平面図である。 フォトレジストの他の変形例を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一又は同等の部分には同一の符号を付す。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る光電変換素子を示す断面図である。図１に示す光電変換素子１は複数のフォトダイオード２０がマトリックス状に配置され、エリアセンサとして利用される素子である。光電変換素子１では、シリコン基板１０上に格子状に形成された金属配線４０の格子中央にフォトダイオード２０が配置されている。光電変換素子１は、このフォトダイオード２０と、フォトダイオード２０上に形成され、複数の光透過膜で構成される光透過部３０と、で構成されている。

フォトダイオード２０は、光電変換部と称されるものであり、受光面２５に入射した光エネルギーを電気エネルギーに変換する。フォトダイオード２０は、図示しない複数のトランジスタ、コンデンサ、抵抗等で構成される回路部に接続され、回路部によってスイッチングされる。フォトダイオード２０は金属配線４０に接続され、フォトダイオード２０が変換した電気エネルギーを電気信号として金属配線４０に出力する。

金属配線４０は、シリコン基板１０上に形成された光透過部３０の後述するシリコン酸化膜３１に埋め込まれている。金属配線４０は３層の金属層から構成され、各金属層はシリコン酸化膜３１を介して積層されている。金属配線４０は、図示しないビアを介してシリコン基板１０上のフォトダイオード２０に接続される。金属配線４０はフォトダイオード２０の電気信号を外部の回路（図示しない）へ出力する。

光透過部３０は、シリコン基板１０上に形成されたシリコン酸化膜３１と、シリコン酸化膜３１上に形成されたシリコン窒化膜３２と、シリコン窒化膜３２上に形成されたカラーフィルター３３と、で構成されている。

シリコン酸化膜３１は層間絶縁膜として機能する膜であり、上記のように金属配線４０が埋没されている。また、シリコン酸化膜３１はシリコン基板１０上のフォトダイオード２０の受光面２５を覆っている。シリコン酸化膜３１はほぼ無色の光透過膜であり、その屈折率は約１．４５である。シリコン酸化膜３１の上面には、凹凸部５１が形成されている。

図２はシリコン酸化膜の上面を示す図である。図２に示すように、凹凸部５１は、シリコン酸化膜３１表面に形成された半球状の下側へくぼむ凹部５１Ａで構成されている。凹凸部５１では、多数の凹部５１Ａがいわゆるデルタ配列状に配置されている。具体的には、凹部５１Ａが行方向に周期的に並び、その凹部５１Ａの行が列方向に複数行並んでいる。凹部５１Ａの行と、その行と列方向に隣り合う凹部５１Ａの行とは、凹部５１Ａの最下点からその凹部５１Ａと行方向に隣り合う凹部５１Ａの最下点までを１周期とした場合に、各凹部５１Ａが行方向へ半周期だけずれている。ある行の凹部５１Ａに着目すると、その凹部５１Ａと、その凹部５１Ａに行方向に隣り合う凹部５１Ａと、それらの凹部５１Ａと列方向に隣り合う凹部５１Ａとが正三角形の頂点に位置する。

凹部５１Ａの行または列方向の周期は、各フォトダイオード２０上で同じ散乱分布で光が散乱されるように、フォトダイオード２０とそれに隣接するフォトダイオード２０の行または列方向の周期よりも十分に小さい周期である。例えば、図１に示すように、凹部５１Ａの行方向の周期は、フォトダイオード２０の行方向の周期の約１／３である。凹部５１Ａの行または列方向の周期は、可視光から近赤外光までの波長の光を効果的に散乱するため、好ましくは３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。

シリコン酸化膜３１表面から凹部５１Ａの最下点までの深さは、凹凸部５１の周期とほぼ同じかそれよりも小さい。この深さは、可視光から近赤外光までの波長の光を効果的に散乱するため、好ましくは凹部５１Ａの周期の１／４倍以上１倍以下である。凹部５１Ａがこの深さに形成され、かつ凹部５１Ａが上述した３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の周期で並べられると、凹部５１Ａによって散乱された光が隣接するフォトダイオード２０に入射する迷光を防止しながら、凹凸部５１の最大傾斜角を可能な限り大きくして反射を低減することができる。

各凹部５１Ａの表面は粗面に形成されている。各凹部５１Ａの粗面は入射光Ｉを散乱する。

図１に戻って、シリコン窒化膜３２はシリコン酸化膜３１を保護するパッシベーション膜である。また、シリコン窒化膜３２はシリコン酸化膜３１と同様のほぼ無色の光透過膜である。その屈折率は約２．００である。シリコン窒化膜３２は、ほぼ均一な膜厚に形成され、その上面にはシリコン酸化膜３１の凹凸部５１とほぼ同じ形状の凹凸部５２が形成されている。シリコン窒化膜３２の凹凸部５２の表面は粗面であり、凹凸部５２はシリコン酸化膜３１の凹凸部５１と同様に光を散乱する。シリコン窒化膜３２の凹凸部５２の上にはカラーフィルター３３が形成されている。

カラーフィルター３３は、特定の波長領域の光を透過させる光透過膜であり、特定の色、例えば、赤、青、または緑に着色されている。カラーフィルター３３の屈折率は約１．５０である。カラーフィルター３３に入射した入射光Ｉは、以下のように、フォトダイオード２０の受光面２５に達する。

入射光Ｉは、カラーフィルター３３からシリコン窒化膜３２へ入射する。上記のように、カラーフィルター３３とシリコン窒化膜３２は屈折率が異なっている。また、カラーフィルター３３とシリコン窒化膜３２の界面には凹凸部５２が形成されている。そのため、入射光Ｉは凹凸部５２によって散乱する。

散乱光Ｓはシリコン窒化膜３２からシリコン酸化膜３１へ入射する。上記のように、シリコン窒化膜３２とシリコン酸化膜３１は屈折率が異なっている。また、シリコン窒化膜３２とシリコン酸化膜３１の界面には凹凸部５１が形成されている。そのため、入射した光は凹凸部５１によって散乱される。散乱した光はフォトダイオード２０の受光面２５へ入射する。

凹凸部５１、５２が形成されていない場合、入射光Ｉはカラーフィルター３３とシリコン窒化膜３２の界面、シリコン窒化膜３２とシリコン酸化膜３１の界面でフォトダイオード２０の受光面２５の反対側へ反射する。これに対して、上記のように、実施の形態１では、凹凸部５１、５２によって入射光Ｉが散乱しながらフォトダイオード２０の受光面２５へ入射する。そのため、より多くの光がフォトダイオード２０の受光面２５へ達する。この凹凸部５１、５２が形成された光電変換素子１は以下のように製造される。

図３Ａ〜図３Ｆは光電変換素子の製造過程を示す断面図である。図４は光電変換素子の製造過程で使用されるフォトレジストを示す平面図である。なお、図３Ｂ〜図３Ｆでは、製造過程の理解を容易にするため、シリコン酸化膜３１よりも下層のシリコン基板１０、フォトダイオード２０の表示を省略している。図３Ａに示すように、まず、シリコン基板１０上にフォトダイオード２０を形成し、フォトダイオード２０上に光透過部３０のシリコン酸化膜３１を形成する。金属配線４０と図示しない回路部を形成し、その表面をシリコン酸化膜３１で覆う。

次に、図３Ｂに示すように、シリコン酸化膜３１上にパターニングされたフォトレジスト６０を形成する。フォトレジスト６０を、フォトリソグラフィによって、図４に示す多数の平面視円形状の孔６１が等間隔に配置された形状にパターニングする。このパターニングでは、孔６１を行方向へ等間隔に配置して孔６１の行を形成するとともに、孔６１の行と孔６１の行とを列方向へ等間隔に配置する。隣合う行では孔６１の位置を半ピッチだけずらし、孔を交互に並べる。

次に、フォトレジスト６０をマスクにしてシリコン酸化膜３１をエッチングする。エッチングは緩衝フッ酸等を薬液とするウエットエッチングである。シリコン酸化膜３１は、マスク表面に平行な方向および垂直な方向へほぼ同じ比率でエッチングされる。すなわち、シリコン酸化膜３１は等方性エッチングされる。エッチングを一定の時間行うと、シリコン酸化膜３１の表面の一部が除去される。図３Ｃに示すように、シリコン酸化膜３１の、フォトレジスト６０の孔６１の下側の部分に凹部５１Ａが形成される。その結果、シリコン酸化膜３１上面に凹凸部５１が形成される。

このエッチングでは、エッチング条件を調整して、所望の角度の傾斜面を有する凹部５１Ａを形成する。具体的には、まずフォトダイオード２０の平面視における画素サイズ、光透過部３０上面からフォトダイオード２０の受光面２５までの距離、フォトダイオード２０の活性領域の深さの関係から、作製する凹部５１Ａの最大傾斜面の角度を決定する。最大傾斜面の角度とエッチング条件（例えば、薬液の種類や濃度、時間等）との関係を予め実験によって求めておき、その関係と決定された最大傾斜面の角度からエッチング条件を決定する。そのエッチング条件によって所望の方向へ光を散乱させる凹部５１Ａを形成することができる。このエッチングでは、好ましくは凹部５１Ａと隣り合う凹部５１Ａとを接するように形成する。

次に、フォトレジスト６０を除去して、図３Ｄに示すように、凹凸部５１を表面に露出させる。例えば、プラズマアッシングによってフォトレジスト６０を除去する。フォトレジスト６０を除去した後、シリコン酸化膜３１をライトエッチングしてシリコン酸化膜３１の表面を粗面化する。この粗面化によって凹凸部５１での光の散乱角を最適化する。

次に、図３Ｅに示すように、シリコン酸化膜３１上にパッシベーション膜であるシリコン窒化膜３２を形成する。例えば、スパッタリングまたはＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）によってシリコン窒化膜３２を形成する。シリコン窒化膜３２の形成では膜厚をほぼ均一にする。シリコン酸化膜３１上に凹凸部５１があるため、シリコン窒化膜３２に凹凸部５１と同様の形状の凹凸部５２が形成される。必要に応じて、シリコン酸化膜３１表面をライトエッチングして粗面化する。

次に、図３Ｆに示すように、シリコン窒化膜３２上にカラーフィルター３３を形成する。カラーフィルター３３は回転塗布法で形成する。カラーフィルター３３には必要に応じてパターニングする。以上の工程によって光電変換素子１が完成する。

以上のように、実施の形態１に係る光電変換素子１は、フォトダイオード２０と、フォトダイオード２０の受光面２５上に形成された光透過部３０と、を備えている。光透過部３０には、フォトダイオード２０の受光面２５上に配置され、表面が粗面に形成された凹凸部５１、５２が形成されている。凹凸部５１、５２は広範囲の波長の光を散乱する。実施の形態１によれば、特定の波長の光のみならず広範囲の波長の光について反射が低減する。その結果、広範囲の波長の光について光電変換素子１の感度が向上する。

入射光Ｉの反射が低減するので、反射光によって発生する光の干渉が生じにくくなる。実施の形態１によれば、光電変換素子１の分光感度特性のフリンジが低減する。その結果、光電変換素子１では色むら等の発生が防止される。光電変換素子１の色再現性が向上する。

凹凸部５１、５２は様々な角度に光を散乱する。シリコン窒化膜３２やシリコン酸化膜３１の表面が平らである場合と比較して、より多くの光がフォトダイオード２０の受光面２５に到達する。そのため、光電変換素子１の感度がより向上する。また、凹凸部５１、５２で散乱された光は、散乱する方向によって光透過部３０における光路長が異なっている。そのため、散乱光Ｓが互いに干渉することが防止される。実施の形態１によれば、光電変換素子１の分光感度特性にフリンジが生じにくい。

従来、光電変換素子では、シリコン酸化膜の、フォトダイオードの受光面が位置する部分に、シリコン酸化膜を貫通する開口部を形成していた（特許文献１参照）。シリコン酸化膜は、数ミクロン程度の厚さがあるため、均一な形状の開口部の形成は困難であった。これに対し、実施の形態１に係る光電変換素子１では、シリコン酸化膜３１の表面の一部をエッチングして凹凸部５１を形成している。そのため、従来と比較して容易に光電変換素子１を形成することができる。

従来、シリコン酸化膜を貫通する開口部を形成し、その上にカラーフィルターを形成する場合、開口部とシリコン酸化膜上面との段差が大きく、均一な厚みのカラーフィルターを形成することが困難であった。その結果、色ムラ等が発生し、光電変換素子の色の再現性が低下していた。これに対し、実施の形態１に係る光電変換素子１では、シリコン酸化膜３１の表面の一部をエッチングして凹凸部５１を形成している。従来のシリコン酸化膜を貫通する開口部の場合と比較して、凹凸部５１の最上点と最下点との高低差は小さい。また、凹凸部５１と同様の形状の凹凸部５２も高低差が小さい。そのため、光電変換素子１では、従来と比較して均一な厚みのカラーフィルター３３を形成することが容易である。カラーフィルター３３が均一な厚みに形成されると、光電変換素子１の色の再現性が高まる。

（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２に係る光電変換素子を示す断面図である。図５に示す光電変換素子１では、光透過部３０が反射防止膜３５を備えている。以下、実施の形態１と異なる構成について説明する。

反射防止膜３５は、シリコン窒化膜３２とカラーフィルター３３との間に形成されている。一般に層と層との界面では、層間の屈折率の差が大きい場合に反射率が高くなる。そこで、実施の形態２では、反射防止膜３５がシリコン窒化膜３２の屈折率とカラーフィルター３３の屈折率の間の値の屈折率を有する物質で形成されている。反射防止膜３５は、シリコン窒化膜３２とカラーフィルター３３の界面で屈折率の差を小さくし、この界面での光の反射を低減する。反射防止膜３５は、例えば、ポリホスホネートやポリフェロセン等の高屈折率高分子物質や、有機高分子マトリックスと高屈折無機ナノ粒子を組み合わせた高屈折率ナノコンポジット材料等で形成される。シリコン窒化膜３２の屈折率が約２．００、カラーフィルター３３の屈折率が約１．５０である場合、反射防止膜３５の屈折率は、シリコン窒化膜３２の屈折率よりも小さくカラーフィルター３３の屈折率よりも大きいとよく、好ましくは１．６０以上１．８０以下である。

反射防止膜３５の表面には凹凸部５５が形成されている。図６は反射防止膜の上面を示す図である。凹凸部５５は、図６に示すように、反射防止膜３５の上面に形成された、先端が略正方形状に出っ張った多数の凸部５５Ａで構成されている。凹凸部５５では、多数の凸部５５Ａが、実施の形態１と同様に、いわゆるデルタ配列状に配置されている。凸部５５Ａの表面は粗面であり、この粗面で入射光Ｉを散乱する。凹凸部５５の周期および凸部から凹部までの深さは、実施の形態１で説明した凹凸部５１、５２と同様である。

一方、シリコン酸化膜３１、およびシリコン窒化膜３２の表面には、凹凸部５１、５２が形成されていない。実施の形態２では、反射防止膜３５の凹凸部５５が入射光Ｉを散乱する。凹凸部５５が形成された光電変換素子１は以下のように製造される。

図７Ａ〜図７Ｆは光電変換素子の製造過程を示す断面図である。図８は光電変換素子の製造過程で使用されるフォトレジストを示す平面図である。なお、図７Ｂ〜図７Ｆでは、製造過程の理解を容易にするため、シリコン酸化膜３１よりも下層のシリコン基板１０、フォトダイオード２０の表示を省略している。図７Ａに示すように、まず、シリコン基板１０上にフォトダイオード２０を形成し、その上に光透過部３０のシリコン酸化膜３１とシリコン窒化膜３２と積層する。シリコン酸化膜３１は実施の形態１と同様に、金属配線４０と図示しない回路部の表面を覆うように形成する。

次に、図７Ｂに示すように、シリコン窒化膜３２上に反射防止膜３５を形成する。例えば、ポリホスホネート等の高屈折率高分子物質を回転塗布法で成膜して反射防止膜３５を形成する。

次に、図７Ｃに示すように、反射防止膜３５上にパターニングされたフォトレジスト６０を形成する。フォトレジスト６０のパターニングはフォトリソグラフィによって行う。フォトレジスト６０を、図８に示す多数の平面視正方形の島状構造物がシリコン窒化膜３２上にデルタ配列状に点在するようにパターニングする。

次に、フォトレジスト６０をマスクにして、反射防止膜３５をエッチングする。エッチングはドライエッチング等で行い、反射防止膜３５を異方性エッチングする。その後、フォトレジスト６０を除去する（図７Ｄ参照）。

次に、反射防止膜３５を熱処理する。熱処理によって反射防止膜３５をリフローさせ、所望の形状に変形させる。この処理によって、図７Ｅに示す凹凸部５５が反射防止膜３５に形成される。

次に、反射防止膜３５の表面に粗面化処理を施す。例えば、反射防止膜３５の表面をライトエッチングする。反射防止膜３５の表面はリフロー後、滑らかになっている。粗面化処理をすることによって、反射防止膜３５の表面で光が散乱するようになる。

次に、図７Ｆに示すように、反射防止膜３５上にカラーフィルター３３を形成する。以上の工程によって光電変換素子１が完成する。

以上のように、実施の形態２に係る光電変換素子１では、シリコン窒化膜３２とカラーフィルター３３の界面に反射防止膜３５が設けられている。実施の形態２によれば、光電変換素子１における光の反射が低減する。

反射防止膜３５は特定の波長の光が反射することを防止する。一方、反射防止膜３５には粗面を有する凹凸部５５が形成され、凹凸部５５は特定の波長の光のみならず、広範囲の波長の光を散乱する。そのため、実施の形態２によれば、特定の波長の光のみならず広範囲の波長の光について反射が低減する。その結果、広範囲の波長の光について光電変換素子１の感度が向上する。

光の反射が低減するため、反射光による光の干渉が生じにくくなる。実施の形態２においても、光電変換素子１の分光感度特性のフリンジが低減する。その結果、色むら等の発生が防止され、色の再現性が向上する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は実施の形態１および２に限定されない。例えば、実施の形態１および２では、光透過部３０がカラーフィルター３３を有していたが、本発明はこれに限定されない。本発明では、光透過部３０が光電変換部であるフォトダイオード２０の受光面２５上に形成されるとともに、光透過部３０が１層以上の光透過膜を有していればよい。

図９は透過部の変形例を示す断面図である。図９に示すように、例えば、光透過部３０がカラーフィルター３３を有していなくてもよい。この場合、光透過部３０がシリコン酸化膜３１およびシリコン窒化膜３２のみから構成されてもよい。この構成ではシリコン酸化膜３１表面に粗面を有する凹凸部５１が形成され、シリコン窒化膜３２表面に粗面を有する凹凸部５２が形成されてもよい。空気と接するシリコン窒化膜３２表面の凹凸部５２で入射光Ｉが散乱され、入射光の反射が低減する。また、光透過部３０がシリコン酸化膜３１、シリコン窒化膜３２、反射防止膜３５およびカラーフィルター３３以外の光透過膜を有していてもよい。例えば、光透過部３０が有機絶縁物質で構成される平坦化膜をさらに有していてもよい。

実施の形態１ではシリコン酸化膜３１およびシリコン窒化膜３２の表面に凹凸部５１、５２が形成され、実施の形態２では反射防止膜３５に凹凸部５５が形成されていた。しかし、本発明はこれに限定されない。本発明では、光透過部３０が１層の光透過膜を有する場合、光透過膜とフォトダイオード２０の受光面２５の界面、および光透過膜の上面の少なくとも１つの面に、凹凸部５１、５２、５５の少なくとも１つが形成されていればよい。また、光透過部３０が２層以上の光透過膜を有する場合、最下層の光透過膜とフォトダイオード２０の受光面２５の界面、最上層の光透過膜の上面、および光透過膜と光透過膜との間の界面の少なくとも１つの面に、凹凸部５１、５２、５５の少なくとも１つが形成されていればよい。

図１０は凹凸部の変形例を示す断面図である。光透過部３０がカラーフィルター３３を有さず、シリコン酸化膜３１、シリコン窒化膜３２、および反射防止膜３５を有する場合、図１０に示すように、シリコン酸化膜３１、シリコン窒化膜３２、反射防止膜３５のそれぞれに凹凸部５１、５２、５５が形成されてもよい。光電変換素子１が複数の凹凸部５１、５２、５５を有するため、実施の形態２と比較してより散乱効果が高まる。

なお、この場合、反射防止膜３５は、シリコン窒化膜３２の屈折率と空気の屈折率との間の値の屈折率を有するとよい。シリコン窒化膜３２の屈折率は空気の屈折率よりも大きいので、反射防止膜３５の屈折率は、シリコン窒化膜３２の屈折率よりも小さく、空気の屈折率よりも大きいとよい。例えば反射防止膜３５はシリコン酸化膜３１（屈折率１．４５）やフッ化マグネシウム膜（屈折率１．４０）等であってもよい。またこれらの膜が積層されることによって、反射防止膜３５が形成されてもよい。

図１１および図１２は凹凸部の他の変形例を示す断面図である。図１１に示すように、フォトダイオード２０の受光面２５に凹凸部５０が形成されてもよい。また、図１２に示すように、凹凸部５０に加えて、シリコン酸化膜３１の凹凸部５１、シリコン窒化膜３２の凹凸部５２が設けられてもよい。

実施の形態１では、凹凸部５１が多数の凹部５１Ａで構成され、実施の形態２では凹凸部５５が多数の凸部５５Ａで構成されていた。しかし、本発明はこれに限定されない。本発明では、凹凸部５１、５５が形成される膜の表面が凹凸していればよい。

実施の形態１および２では、凹凸部５１、５５が粗面化処理されていたが、本発明はこれに限定されない。本発明では、凹凸部５１、５５が粗面を有していればよく、粗面化処理されるか否かは問わない。例えば、シリコン酸化膜３１をエッチングして凹凸部５１を形成する場合に、シリコン酸化膜３１のエッチングで表面が粗面化しているのであれば、粗面化処理をする必要はない。

実施の形態１では、凹凸部５１がデルタ配列状に配置された凹部５１Ａで構成されていた。実施の形態２では、凹凸部５５がデルタ配列状に配置された凸部５５Ａで構成されていた。換言すると、実施の形態１および２では、凹凸部５１、５５が２次元で周期的に凹凸する構造物で構成されていた。しかし、本発明はこれに限定されない。本発明では、凹凸部５１、５２、５５がフォトダイオード２０の受光面２５上に少なくとも１つ配置されるとともに、凹凸部５１、５２、５５がフォトダイオード２０に入射する光を散乱する粗面を有していればよい。例えば、凹凸部５１、５５が１次元で周期的に凹凸する構造物で構成されてもよい。

具体的には、シリコン酸化膜３１表面に列方向へ伸び、互いに平行な溝状の凹部５１Ａが形成されてもよい。図１３はフォトレジストの変形例を示す平面図である。この溝状の凹部５１Ａの場合、図１３に示す、複数のスリットがマトリックスの列方向へ平行に伸びるフォトレジスト６０が用いられて凹部５１Ａが形成されてもよい。凹部５１Ａと凹部５１Ａとが互いに接するように配置するため、スリットの幅はスリットのピッチよりも小さくするとよい。

また、反射防止膜３５の表面に列方向へ伸び、互いに平行なストライプ状の凸部５５Ａが形成されてもよい。図１４はフォトレジストの他の変形例を示す平面図である。このストライプ状の凸部５５Ａの場合、図１４に示す、スリットの幅をスリットのピッチ約半分にしたフォトレジスト６０が用いられて凸部５５Ａが形成されてもよい。反射防止膜３５の厚さは、スリットのピッチの１．５倍以上３倍以下が好ましい。

なお、図１３および図１４に示すフォトレジスト６０の形状の場合、スリットのピッチは３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であればよい。

本発明では、反射防止膜３５が、下層側に配置される光透過膜またはフォトダイオード２０の構成物質の屈折率と、上層側に配置される光透過膜または上側にある空気の屈折率との間の値の屈折率を有すればよい。この条件を満たす限り、反射防止膜３５の素材は問わない。例えば、反射防止膜３５は、高屈折率物質が微粒子状にされ、その微粒子がシリコン窒化膜３２に付着した、いわゆる島状の薄膜であってもよい。

凹凸部５１、５２、５５は周期的に凹凸する構造物であることが好ましいが、ランダムに凹凸する構造物であってもよい。この場合、凹凸部５１、５２、５５の凸部および凹部の平面的な大きさは、フォトダイオード２０の受光面２５の大きさよりも小さいとよい。
このような形態であっても、入射光Ｉを散乱し、反射を低減することができる。

本発明は、ＣＣＤエリアセンサ、ＣＣＤラインセンサ、ＣＭＯＳエリアセンサ、およびＣＭＯＳラインセンサに利用すると好適である。実施の形態１および２では、金属配線４０が３層の金属層で構成されていたが、本発明が適用されるセンサに応じて、例えば、金属配線４０が２層の金属層で構成されてもよいし、４層以上の金属層で構成されてもよい。

１ 光電変換素子、１０ シリコン基板、２０ フォトダイオード、２５ 受光面、３０ 光透過部、３１ シリコン酸化膜、３２ シリコン窒化膜、３３ カラーフィルター、３５ 反射防止膜、４０ 金属配線、５０，５１，５２，５５ 凹凸部、５１Ａ 凹部、５５Ａ 凸部、６０ フォトレジスト、６１ 孔、Ｉ 入射光、Ｓ 散乱光。

Claims (12)

1. マトリックス状に配列された複数の光電変換部と、
   該光電変換部それぞれの受光面上に形成され、１層以上の光透過膜を有する光透過部と、
   を備え、
   前記複数の光電変換部それぞれの前記受光面上には、前記光電変換部に入射する光を散乱する粗面を有する凹凸部が少なくとも１つ形成され、
   前記凹凸部は、前記光透過部が１層の光透過膜を有する場合に、該光透過膜と前記受光面の界面、および該光透過膜の上面の少なくとも１つの面に形成され、前記光透過部が２層以上の光透過膜を有する場合に、最下層の光透過膜と前記受光面の界面、最上層の光透過膜の上面、および光透過膜と光透過膜との間の界面の少なくとも１つの面に形成され、
   前記凹凸部の行方向の周期は、前記光電変換部の行方向の周期よりも小さい、
   光電変換素子。
2. 前記凹凸部は３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の周期で前記受光面上に複数個形成された請求項１に記載の光電変換素子。
3. 前記光透過膜は前記受光面上に形成された透明絶縁膜である請求項１または２に記載の光電変換素子。
4. 前記光透過部は、２層以上の光透過膜を有し、
   該２層以上の光透過膜は、前記受光面上に形成された透明絶縁膜と、前記透明絶縁膜上に形成されたカラーフィルターと、を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光電変換素子。
5. 前記光透過部は、２層以上の光透過膜を有し、
   該２層以上の光透過膜のうちの１層は、中間層または最上層に形成された反射防止膜であり、
   該反射防止膜は、該反射防止膜が中間層に形成された場合に、下層側の光透過膜または光電変換部の屈折率と上層側の光透過膜の屈折率との間の値の屈折率を有し、該反射防止膜が最上層に形成された場合に、下層側の光透過膜の屈折率と空気の屈折率との間の値の屈折率を有する請求項１から４のいずれか１項に記載の光電変換素子。
6. 前記凹凸部は、列方向へ伸び、互いに平行な複数の溝によって形成されている請求項１から５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
7. マトリックス状に配列された複数の光電変換部を形成する工程と、
   該光電変換部それぞれの受光面上に光透過膜を１層以上積層して光透過部を形成する工程と、
   を備え、
   前記光透過部を形成する工程では、
   前記複数の光電変換部それぞれの前記受光面上に前記光電変換部に入射する光を散乱する粗面を有する凹凸部を少なくとも１つ形成し、
   前記凹凸部を少なくとも１つ形成する工程では、
   前記光透過部を形成する工程が光透過膜を１層積層する場合に、該光透過膜と前記受光面の界面、および該光透過膜の上面の少なくとも１つの面に凹凸部を形成し、前記光透過部を形成する工程が光透過膜を２層以上積層する場合に、最下層の光透過膜と前記受光面の界面、最上層の光透過膜の上面、および光透過膜と光透過膜との間の界面の少なくとも１つの面に凹凸部を形成し、
   前記凹凸部の行方向の周期を、前記光電変換部の行方向の周期よりも小さく形成する、
   光電変換素子の製造方法。
8. 前記凹凸部を少なくとも１つ形成する工程では、前記凹凸部を３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の周期で前記受光面上に複数個形成する請求項７に記載の光電変換素子の製造方法。
9. 前記光透過部を形成する工程は、前記受光面上に透明絶縁膜を積層する工程を含む請求項７または８に記載の光電変換素子の製造方法。
10. 前記光透過部を形成する工程は、光透過膜を２層以上積層する工程を含み、
    該光透過膜を２層以上積層する工程は、前記受光面上に透明絶縁膜を積層する工程と、
    前記透明絶縁膜上にカラーフィルターを形成する工程と、を含む請求項７から９のいずれか１項に記載の光電変換素子の製造方法。
11. 前記光透過部を形成する工程は、光透過膜を２層以上積層する工程を含み、
    該光透過膜を２層以上積層する工程のうち、光透過膜を１層積層する工程は、中間層または最上層に反射防止膜を形成する工程であり、
    該反射防止膜を形成する工程は、該反射防止膜を中間層に形成する場合、下層側の光透過膜または光電変換部の屈折率と上層側の光透過膜の屈折率との間の値の屈折率を有する物質で該反射防止膜を形成し、該反射防止膜を最上層に形成する場合、下層側の光透過膜の屈折率と空気の屈折率との間の値の屈折率を有する物質で該反射防止膜を形成する請求項７から１０のいずれか１項に記載の光電変換素子の製造方法。
12. 前記凹凸部を少なくとも１つ形成する工程では、列方向へ伸び、互いに平行な複数の溝を形成する請求項７から１１のいずれか１項に記載の光電変換素子の製造方法。

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