WO2018138851A1 - 固体光検出器 - Google Patents

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WO2018138851A1
WO2018138851A1 PCT/JP2017/002834 JP2017002834W WO2018138851A1 WO 2018138851 A1 WO2018138851 A1 WO 2018138851A1 JP 2017002834 W JP2017002834 W JP 2017002834W WO 2018138851 A1 WO2018138851 A1 WO 2018138851A1
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WO
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functional layer
light
solid
light receiving
interference
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/002834
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English (en)
French (fr)
Inventor
須川　成利
理人 黒田
朋宏 柄澤
竜太 廣瀬
哲夫 古宮
森谷　直司
Original Assignee
国立大学法人東北大学
株式会社島津製作所
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Filing date
Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors

Definitions

  • the present invention relates to a solid-state photodetector.
  • solid-state imaging device including a light-receiving unit that outputs a signal corresponding to the intensity of received light
  • solid-state photodetector is disclosed in, for example, US Patent Application Publication No. 2010/0148289, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2016-58507, and Japanese Translation of PCT International Publication No. 2013-518414.
  • a front-illuminated solid-state imaging device described in US Patent Application Publication No. 2010/0148289 includes a semiconductor substrate including a light receiving unit that outputs a signal corresponding to the intensity of received light, a light receiving surface, and a light receiving surface. And a readout wiring portion to be arranged. Further, the light receiving unit and the readout wiring unit are covered with a surface film, and light is incident on the light receiving unit through the surface film from the light receiving unit surface (surface) side.
  • the light shielding film provided on the surface film on the surface side of the semiconductor substrate is formed in an uneven shape.
  • the phase of the light reflected by the light shielding film changes depending on the uneven shape, so that the phase of the light reflected by the light shielding film and the phase of the light incident on the light receiving surface (back surface) from different locations of the semiconductor substrate Can be different.
  • interference between the light incident on the light receiving surface of the light receiving unit and the light reflected on the light shielding film side is suppressed. Thereby, it is suppressed that the intensity
  • a fringe suppression layer made of a refractory metal oxide or a fluoride dielectric is provided on the light-receiving surface of the light-receiving unit (the back surface of the semiconductor substrate). .
  • the light incident on the light receiving surface (the back surface of the semiconductor substrate) of the light receiving portion interferes with the light reflected on the front surface side (the surface opposite to the light receiving surface) of the semiconductor substrate (multiplexing on the semiconductor substrate). Reflection interference) is suppressed by the fringe suppression layer.
  • fluctuations in the intensity of the signal detected by the light receiving unit due to light interference are suppressed.
  • the method of suppressing interference according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-58507 and Japanese Translation of PCT International Publication No. 2013-518414 has the advantage that light reflected from the surface opposite to the light receiving surface through the semiconductor substrate and light incident on the light receiving surface are not affected.
  • This is a method of suppressing interference (multiple reflection interference in a semiconductor substrate), and interference (multiple reflection interference) occurring in a surface film provided on the surface of a light receiving unit in a front-illuminated solid-state imaging device The suppression effect cannot be obtained.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and one object of the present invention is to provide solid light capable of suppressing the influence of multiple reflection interference on a surface film that protects the light receiving surface. It is to provide a detector.
  • a solid-state photodetector includes a plurality of light receiving units that output a signal corresponding to the intensity of received light, a surface film for protecting the light receiving unit, A functional layer provided on the surface of the surface film, the functional layer has a plurality of regions having different interference characteristics, and is configured to reduce the influence of interference by adding the different interference characteristics together Has been.
  • the functional layer has a plurality of regions having different interference characteristics, and is configured to reduce the influence of interference by adding the different interference characteristics. ing.
  • the vibrations (ripples) of the interference characteristics are averaged by adding the light incident on a plurality of regions having different interference characteristics, and the amplitude of the interference ripple is reduced compared to a single interference characteristic. Is done.
  • the refractive index of the functional layer and the refractive index of the surface film are substantially equal, or the functional layer and the surface film are made of the same material. If comprised in this way, it can suppress that light reflects in the interface of a functional layer and a surface film. Thereby, the influence of the multiple reflection interference in the surface film can be further suppressed.
  • the functional layer preferably has a stepped shape including a plurality of surfaces at different height positions formed substantially parallel to the light receiving surface. If comprised in this way, the interference characteristic of the light which injected into the area
  • the surface of the functional layer on which light is incident preferably has a smooth uneven shape. If comprised in this way, unlike the flat surface, the interference characteristic of the light which injects into the surface which has a smooth uneven
  • a functional layer is provided for each light receiving part. If comprised in this way, the influence of multiple reflection interference can be suppressed for every light-receiving part.
  • the surface film and the functional layer are preferably configured integrally. If comprised in this way, since a surface film and a functional layer can be manufactured in the same process, the manufacturing process of a solid-state photodetector can be simplified.
  • FIG. (1) for demonstrating the manufacturing method of the solid-state photodetector by 1st Embodiment.
  • FIG. (2) for demonstrating the manufacturing method of the solid-state photodetector by 1st Embodiment.
  • FIG. (3) for demonstrating the manufacturing method of the solid-state photodetector by 1st Embodiment.
  • It is an AFM image of the functional layer manufactured by the manufacturing method of the solid-state photodetector by 1st Embodiment.
  • the solid-state photodetector 10 includes, for example, a CMOS (complementary metal oxide semiconductor) sensor and a CCD (Charge Coupled Device) sensor including a light receiving unit 11 (photodiode, see FIG. 2).
  • the solid-state photodetector 10 is a surface incident type in which light is incident from the side where the wiring pattern 8 is provided.
  • the front-illuminated solid-state photodetector 10 includes a light receiving unit 11. As shown in FIG. 2, a plurality of light receiving portions 11 are provided. The plurality of light receiving units 11 are arranged in a matrix in a plan view (viewed from the direction in which light enters).
  • the light receiving unit 11 has a light receiving surface 11a. And the light-receiving part 11 is comprised so that the signal according to the intensity
  • the light receiving unit 11 is constituted by, for example, a photodiode.
  • the photodiode is configured to generate an electric charge by irradiating light to a PN junction part included in the semiconductor substrate 11b.
  • a surface film 12 for protecting the light receiving surface 11a is provided on the surface of the light receiving surface 11a.
  • the surface film 12 is made of a material that transmits light, such as silicon oxide, silicon nitride, and sapphire.
  • a wiring pattern 8 is formed in the surface film 12.
  • the thickness d0 of the surface film 12 is substantially constant (flat).
  • the functional layer 13 is provided on the surface of the surface film 12 (surface opposite to the light receiving unit 11 side).
  • the functional layer 13 includes an optical interference characteristic generated between the first region (surface 13a) of light incident on the first region (for example, the surface 13a) and the surface film 12, and a second region (for example, the surface 13a).
  • the optical interference characteristics generated between the second region (the surface 13b or the surface 13c) of the incident light on the surface 13b or the surface 13c) and the surface film 12 are different. A detailed description of the function of the functional layer 13 will be described later.
  • the functional layer 13 has a step shape. That is, the functional layer 13 includes a plurality of surfaces (surfaces 13a, 13b, and 13c) at different height positions that are formed substantially parallel to the light receiving surface 11a. Moreover, the shape of the functional layer 13 provided in each light-receiving part 11 is mutually the same. That is, a step including three surfaces 13a, 13b, and 13c is provided for each light receiving unit 11. Note that the number and height of the steps of the functional layer 13 are not limited to the example shown in FIG. Furthermore, the boundary of one functional unit of the functional layer 13 and the boundary of the light receiving unit 11 do not necessarily coincide with each other. In FIG.
  • FIG. 1 an example in which the functional layer 13 has a one-dimensional step shape along the X direction (that is, a cross section in the X direction at any position of the solid-state photodetector 10 is as shown in FIG. 1).
  • surfaces having different heights are two-dimensionally arranged in various orders in the X direction and the Y direction (for example, the surfaces 13a, 13b, and 13c in the X direction).
  • the surface 13a, the surface 13c, and the surface 13b may be arranged in order in the Y direction.
  • the refractive index of the functional layer 13 and the refractive index of the surface film 12 are substantially equal.
  • the functional layer 13 is made of the same material as the surface film 12 (for example, a material such as silicon oxide, silicon nitride, or sapphire). Note that the material of the functional layer 13 and the material of the surface film 12 may be different as long as the refractive indexes are substantially equal.
  • a part of the light that has entered the inside of the surface film 212 is reflected at the reflection angle ⁇ 2 at the boundary between the surface film 212 and the light receiving unit 211.
  • a part of the light that has entered the surface film 212 is refracted at the refraction angle ⁇ 3 , enters the light receiving unit 211, and is detected by the light receiving unit 211.
  • part of the light reflected at the reflection angle ⁇ 2 at the boundary between the surface film 212 and the light receiving unit 211 is refracted at the boundary between the air layer and the surface film 212 and enters the air layer (reflected light).
  • the light C2 enters the point P2 from the air layer.
  • a part of the light C2 is refracted at the refraction angle ⁇ 2 and enters the surface film 212. That is, the light C1 and the light C2 interfere (intensify each other or weaken each other).
  • the following formula (1) is the intensity of transmitted light with respect to the intensity of incident light when multiple reflection interference occurs in the surface film 212 in the three-layer structure including the air layer, the surface film 212, and the light receiving portion 211.
  • E t and E i represent the transmitted light electric field strength and the incident light electric field strength, respectively.
  • T a represents the amplitude transmittance of light incident on the surface film 212 from the air layer.
  • t c represents the amplitude transmittance of light incident on the light receiving unit 211 from the surface film 212.
  • r 1 represents the amplitude reflectance of light incident on the surface film 212 from the air layer.
  • r 3 represents the amplitude reflectance of light incident on the surface film 212 from the light receiving unit 211.
  • n 2 represents the refractive index of the surface film 212.
  • ⁇ 2 represents the refraction angle of light incident on the surface film 212 from the air layer.
  • ⁇ 0 represents the wavelength of light in vacuum.
  • d represents the thickness of the surface film 212.
  • n 1 represents the refractive index of the air layer.
  • ⁇ 1 represents an incident angle of light incident on the surface film 212 from the air layer.
  • m represents an integer.
  • the horizontal axis represents the wavelength of light
  • the vertical axis represents the transmittance of the SiO 2 film (surface film).
  • the transmittance vibrates (ripple) more like a vibration waveform than when there is no light interference (broken line). For this reason, since the intensity of light reaching the light receiving unit 211 varies, the signal output from the light receiving unit 211 is difficult to stabilize.
  • the relationship between the ripple interval ( ⁇ ) and the wavelength ⁇ is expressed by the following equation (3).
  • the following formula (3) assumes that light is incident on a parallel plate having a thickness d and is incident on a first point of the parallel plate and undergoes an optical action including reflection and refraction, and the first
  • the condition in which the light incident on the second point different from the region is strengthened is based on the fact that the optical path difference between the two lights is an integral multiple.
  • ⁇ represents the incident angle of light incident on the parallel plate. From the above equation (3), it can be seen that as the thickness d increases, ⁇ decreases with respect to the same wavelength ⁇ . That is, it turns out that it becomes a different interference characteristic.
  • FIG. 3 shows the state of light reflection / refraction when the refractive index of the surface film 12 and the refractive index of the functional layer 13 are equal.
  • the hatching applied to the surface film 12 and the functional layer 13 is omitted.
  • the thickness d1 of the portion corresponding to the surface film 12 and the surface 13a of the functional layer 13 (distance between the surface 13a and the light receiving surface 11a of the light receiving unit 11), and the light receiving surface 11a of the light receiving unit 11
  • the thickness d2 of the portion corresponding to the surface 13b of the functional layer 13 and the thickness d3 of the portion corresponding to the light receiving surface 11a of the light receiving portion 11 and the surface 13c of the functional layer 13 are different from each other (d1> d2> d3).
  • light incident on one point of the surface 13a and having undergone an optical action including reflection and refraction and light incident on another point different from the one point are mutually connected.
  • FIGS. 6A to 6D show optical elements in a structure provided with a surface film 12 and a functional layer 13 having different thicknesses d11 to d14 on an infinitely thick Si substrate obtained by calculation.
  • the interference characteristic is shown.
  • the material of the functional layer is SiO 2
  • the thicknesses d11 to d14 are 1770 nm, 1800 nm, 1815 nm, and 1845 nm, respectively.
  • optical interference characteristics are different from each other because the thicknesses d11 to d14 of the surface film 12 and the functional layer 13 are different from each other. It was confirmed that it was different.
  • FIG. 6 (e) shows an average of the transmittances of FIGS. 6 (a) to 6 (d).
  • the signal output from the light receiving unit 11 has a characteristic including a relatively large ripple. That is, the change in the sensitivity of the solid-state photodetector 10 when the wavelength is changed increases. That is, even if the wavelength of incident light is slightly shifted, the sensitivity of the solid-state photodetector 10 changes. Therefore, by providing the functional layer 13 to suppress (reduce) the influence of multiple reflection interference on the surface film 12, the ripple of sensitivity to the wavelength of the solid-state photodetector 10 is reduced. This makes it difficult for the sensitivity to change even if the wavelength of the incident light shifts. That is, the sensitivity of the solid-state photodetector 10 can be stabilized.
  • a light receiving portion 11 having a light receiving surface 11a and outputting a signal corresponding to the intensity of light received on the light receiving surface 11a is formed.
  • a light-receiving portion made of a photodiode or the like is obtained by repeating steps such as oxidation on the surface of the semiconductor substrate 11b, implantation of impurities (boron, arsenic, etc.) into the semiconductor substrate 11b, thermal diffusion of impurities, etching, and the like. 11 is formed.
  • the wiring pattern 8 (see FIG. 1) is formed by sputtering on the light receiving surface 11a side of the semiconductor substrate 11b.
  • a plurality of light receiving portions 11 are formed in a matrix.
  • a surface film (passivation film) 12 for protecting the light receiving surface 11a is formed on the surface of the light receiving surface 11a.
  • the surface film 12 is formed so as to cover the entire area of the plurality of light receiving units 11 arranged in a matrix.
  • the layer 250 serving as a base of the functional layer 13 is formed on the surface of the surface film 12.
  • the layer 250 serving as the base of the functional layer 13 is made of a material having a refractive index substantially equal to the refractive index of the surface film 12 and is, for example, silicon oxide, silicon nitride, sapphire, or the like.
  • the functional layer 13 is formed by etching the layer 250 that is the base of the functional layer 13 provided on the surface of the surface film 12.
  • the functional layer 13 has a step shape (see FIG. 1) including a plurality of surfaces (surface 13a, surface 13b, surface 13c) at different height positions formed substantially parallel to the light receiving surface 11a.
  • the underlying layer 250 is etched.
  • the layer 250 that is the source of the functional layer 13 is partially removed using a chemical solution or a gas activated by plasma discharge.
  • Etching using a chemical is called wet etching, and etching by plasma discharge is called dry etching.
  • Etching includes isotropic etching in which etching proceeds in the same ratio in the horizontal and vertical directions during etching, and anisotropic etching in which etching proceeds only in the vertical direction.
  • Etching progress length increases with processing time. For this reason, the processing time for obtaining a desired depth (length) is determined based on the progress length per unit time determined by the chemical solution or gas used.
  • the formation of the functional layer 13 having a step shape will be specifically described.
  • a photoresist 300 (photosensitive resin) is applied on the surface of the layer 250 that is the base of the functional layer 13.
  • a photomask 310 (a glass plate on which a metal pattern is formed) is disposed on the surface of the photoresist 300. Then, ultraviolet rays are irradiated from the surface of the photomask 310. If the photoresist 300 is a positive type, the photoresist 300 is changed to a material soluble in a developer by depolymerization or the like, and if the photoresist 300 is a negative type, it is polymerized and cured to the developer. Changes to an insoluble material. Thereafter, as shown in FIG. 8, the soluble portion is dissolved with a developer. For example, the portion corresponding to the surface 13 a of the layer 250 that is the basis of the functional layer 13 is covered with the photoresist 300.
  • the surface 13 b is formed by removing portions other than the portion corresponding to the surface 13 a of the layer 250 that is the basis of the functional layer 13 by, for example, anisotropic etching. Is done. Thereafter, the photoresist 300 is removed. Further, a portion corresponding to the surface 13 b (and the surface 13 a) of the layer 250 that is the basis of the functional layer 13 is covered with the photoresist 300. Thus, the surface 13c (see FIG.
  • FIGS. 10 to 12 the functional layer manufactured based on the above method has four height positions.
  • FIG. 13 shows the transmittance of the functional layer.
  • FIG. 14 a functional layer having two different height positions with the same area ratio is prepared, and the maximum value of the transmittance change at a wavelength of 200 to 1000 nm when one of the height positions is changed is shown.
  • a plot is shown in FIG. As shown in FIG. 15, it was confirmed that the change in transmittance was minimized when the difference between the two height positions was 40 nm. This tendency did not depend on the maximum height position (initial film thickness).
  • FIG. 16 shows the transmittance when the height position of the functional layer is the same, that is, when the functional layer has a flat surface and when the two height positions have a difference of 40 nm. It has been confirmed that the amplitude of the interference ripple is particularly reduced for light having a wavelength of 200 to 400 nm.
  • FIG. 17 shows a plot of the amount of change in transmittance (absolute value of the slope of transmittance). It can be seen that when the film thickness is one type, the rate of change is 1.2% at the maximum, but is decreased to 0.4%.
  • FIG. 19 is a plot of the maximum change in transmittance at a wavelength of 200 to 1000 nm when the height position differences d1 and d2 are changed.
  • FIG. 19 shows the transmittance when the functional layer has the same height position, that is, has a flat surface, and when the four height positions have differences of 30 nm, 45 nm, and 75 nm, respectively. It has been confirmed that the amplitude of the interference ripple is particularly reduced for light having a wavelength of 200 to 400 nm.
  • FIG. 21 shows the amount of change in transmittance as in the case of two different heights. The transmittance when the four height positions have differences of 30 nm, 45 nm, and 75 nm, respectively. However, it was confirmed that the amount of change in transmittance was small.
  • the steps corresponding to 1 / 3.2 to 1 ⁇ 4 wavelength with respect to the shortest wavelength (200 nm) of the target wavelength are used. It was confirmed that the transmittance variation was minimized when it was provided. In other words, by providing a step corresponding to 1 / 3.2 to 1 ⁇ 4 wavelength with respect to the shortest wavelength of the optical wavelength band for which the influence of the interference ripple is to be reduced, the influence of the interference ripple is maximized in the optical wavelength band. It becomes possible to reduce.
  • the transmittance fluctuation can be further reduced by changing the area ratio of four different height regions.
  • the four different heights (film thicknesses) of the functional layers are the same as the above experimental results, and are 1800 nm, 1770 nm, 1755 nm, and 1725 nm.
  • “Equal area ratio” is the result when the area ratio of each region is 1: 1: 1: 1 as shown in FIG. 18, and “Area optimization” is the result of changing the area ratio of each region as shown in FIG. The result of optimization so that the maximum value of the transmittance change amount is minimized is shown.
  • the maximum value of the transmittance change amount in the equal area ratio is reduced from about 0.2% to about 0.16% (FIG. 6).
  • the transmittance change amount was 0.2% or less above, but here it is over 0.2% because of the difference between experiment and calculation. .
  • the optical interference characteristic generated between the first region of the light incident on the first region and the surface film 12 on the surface of the surface film, and the second A functional layer 13 configured to have different optical interference characteristics between the second region of incident light and the surface film 12 in the region is provided.
  • the vibration (ripple) of the interference characteristic is averaged by adding the light incident on the first region and the light incident on the second region, and the interference ripple is compared with the single interference characteristic.
  • the magnitude of the amplitude is reduced.
  • the influence of the multiple reflection interference in the surface film 12 that protects the light receiving surface 11a can be suppressed.
  • the refractive index of the functional layer 13 and the refractive index of the surface film 12 are substantially equal, or the functional layer 13 and the surface film 12 are made of the same material. Is done. Thereby, it can suppress that light reflects in the interface of the functional layer 13 and the surface film 12. FIG. As a result, the influence of multiple reflection interference on the surface film 12 can be further suppressed.
  • the functional layer 13 has a step shape including a plurality of surfaces with different height positions formed substantially parallel to the light receiving surface 11a.
  • region (surface 13a, surface 13b, surface 13c) from which a height position mutually differs of a step-shaped functional layer can be varied.
  • the influence of multiple reflection interference can be suppressed by adding together different interference characteristics that occur in regions having different height positions.
  • the functional layer 13 is provided for each light receiving unit 11 as described above. Thereby, the influence of multiple reflection interference can be suppressed for each light receiving unit 11.
  • the functional layer 73 has a smooth uneven shape.
  • the surface 73a on the side on which the light of the functional layer 73 is incident has a smooth uneven shape.
  • the surface 73a has a sin wave shape.
  • the functional layer 73 has a sin wave shape along the X direction and is formed to extend linearly along the Y direction. Further, as shown in FIG. 26, a functional layer 73 having a sin wave shape along the X direction and a functional layer 73 having a sin wave shape along the Y direction may be mixed. Further, as shown in FIG. 27, a plurality of mountain-shaped functional layers 73 may be arranged in a staggered pattern. As shown in FIG. 28, a plurality of mountain-shaped functional layers 73 may be arranged in a matrix.
  • the layer 260 that is the base of the functional layer 73 is etched so that the surface 73a on the light incident side of the functional layer 73 has a smooth uneven shape. Specifically, as shown in FIG. 29, first, a photoresist 320 (photosensitive resin) is applied on the surface of the layer 260 that is the basis of the functional layer 73.
  • a photoresist 320 photosensitive resin
  • a photomask 330 (a glass plate on which a metal pattern is formed) is disposed on the surface of the photoresist 320. Then, ultraviolet rays are irradiated from the surface of the photomask 330. Thereafter, as shown in FIG. 30, the soluble portion is dissolved by the developer. As a result, a portion of the layer 260 that is the basis of the functional layer 73 is covered with the photoresist 320 at a portion corresponding to the convex and concave portion.
  • a portion not covered with the photoresist 320 is removed.
  • a portion other than the convex and concave portions is removed by, for example, isotropic etching. Thereafter, the photoresist 320 is removed. As a result, a functional layer 73 having an uneven shape is formed.
  • the ripple was also reduced (see the dotted line in FIG. 31) in the functional layer 73 from the short wavelength side to the long wavelength side.
  • the ripple amplitude is reduced to 1 ⁇ 2 or less. That is, it was confirmed that the influence of multiple reflection interference was suppressed.
  • the thickness of the functional layer 73 changes continuously, the interference characteristic of the light which injected into the functional layer 73 also changes continuously (changes). Thereby, since the number of different interference characteristics is larger than that of the step-shaped functional layer 13 (see FIG. 1), it is considered that the effect of suppressing the influence of the multiple reflection interference is higher.
  • the surface 73a on which the light of the functional layer 73 is incident has a smooth uneven shape.
  • the interference characteristics of light incident on the surface 73a having a smooth uneven shape are continuously different. By adding these together, it is possible to further suppress the influence of multiple reflection interference.
  • a plurality of functional layers 83 are arranged for one light receiving unit 11 (a region surrounded by a thick line).
  • the functional layer 83 includes two functional layers 13 (see FIG. 1) and two functional layers 73 (see FIG. 24).
  • the areas of the four functional layers 83 in plan view are configured to be substantially equal to each other, while the shapes and areas of the four functional layers 83 may be different from each other.
  • a plurality of functional layers 83 are provided for one light receiving unit 11. Thereby, even when the influence of the multiple reflection interference on the surface film 12 cannot be suppressed by one certain functional layer 83, the influence of the multiple reflection interference on the surface film 12 can be suppressed by the other functional layer 83.
  • a fourth embodiment will be described with reference to FIG.
  • a functional layer 93 having a single shape is provided across the plurality of light receiving portions 11.
  • the functional layer 93 has a substantially rectangular shape in plan view, and the plurality of functional layers 93 having a substantially rectangular shape are each in a matrix. You may partially cover the some light-receiving part 11 arrange
  • the plurality of functional layers 93 may have different shapes from each other.
  • one shape of the functional layer 93 is provided across the plurality of light receiving units 11. Thereby, compared with the case where the functional layer 93 is formed for every several light-receiving part 11, the magnitude
  • the functional layer of the present invention is applied to the front-illuminated solid-state photodetector
  • the functional layer for example, functional layer 13
  • the functional layer may be provided in a back-illuminated solid-state photodetector that receives light from the side opposite to the side where the wiring pattern is provided.
  • the functional layer is provided on the back surface (light incident surface).
  • the example in which the refractive index of the functional layer and the refractive index of the surface film are substantially equal is shown, but the present invention is not limited to this.
  • the refractive index of the functional layer and the refractive index of the surface film may be somewhat different.
  • the functional layer and the surface film are provided as separate bodies.
  • the present invention is not limited to this.
  • the surface film may be configured to serve as a functional layer.
  • the functional layer is formed by etching
  • the present invention is not limited to this.
  • the functional layer may be formed by polishing, vapor deposition, crystal growth, or the like.

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Abstract

この固体光検出器（１０）では、機能層（１３）は、複数の異なる干渉特性となる領域を有し、それらの異なる干渉特性を足し合わせることにより、干渉の影響を低減するように構成されている。

Description

固体光検出器
　本発明は、固体光検出器に関する。
　従来、受光した光の強度に応じた信号を出力する受光部を備える固体撮像装置（固体光検出器）が開示されている。このような固体光検出器は、たとえば、米国特許出願公開第２０１０／０１４８２８９号明細書、特開２０１６－５８５０７号公報および特表２０１３－５１８４１４号公報に開示されている。
　米国特許出願公開第２０１０／０１４８２８９号明細書に記載の表面入射型の固体撮像装置は、受光した光の強度に応じた信号を出力する受光部を含む半導体基板と、受光面と受光面上に配置される読出し配線部とを備えている。また、受光部および読出し配線部は、表面膜で覆われおり、光は、受光部面（表面）側から表面膜を介して受光部に入射される。
　しかしながら、米国特許出願公開第２０１０／０１４８２８９号明細書に記載の表面入射型の固体撮像装置では、受光部の表面で反射した光と、表面膜の光入射面の異なる箇所（反射した光が入射された箇所とは異なる箇所）から入射した光とが干渉（多重反射干渉）し、感度が不安定になるという問題点があった。
　また、特開２０１６－５８５０７号公報の裏面入射型の固体撮像装置では、半導体基板の表面側の表面膜に設けられる遮光膜を凹凸形状に形成している。これにより、遮光膜によって反射される光の位相が、凹凸形状により変化するので、遮光膜により反射される光の位相と、半導体基板の異なる箇所から受光面（裏面）に入射する光の位相とを異ならせることができる。その結果、受光部の受光面に入射する光と、遮光膜側で反射された光とが干渉（半導体基板における多重反射干渉）するのが抑制される。これにより、光の干渉に起因して、受光部により検出される信号の強度が変動するのが抑制される。
　また、特表２０１３－５１８４１４号公報の裏面入射型の固体撮像装置では、受光部の受光面（半導体基板の裏面）に耐火金属酸化物またはフッ化物誘電体からなる縞抑制層が設けられている。これにより、受光部の受光面（半導体基板の裏面）に入射する光と、半導体基板の表面側（受光面とは反対側の面）で反射された光とが干渉すること（半導体基板における多重反射干渉）が、縞抑制層により抑制される。その結果、光の干渉に起因して、受光部により検出される信号の強度が変動するのが抑制される。
米国特許出願公開第２０１０／０１４８２８９号明細書 特開２０１６－５８５０７号公報 特表２０１３－５１８４１４号公報
　しかしながら、特開２０１６－５８５０７号公報および特表２０１３－５１８４１４号公報による干渉の抑制方法は、半導体基板を介して受光面とは反対側の面で反射された光と受光面に入射した光の干渉（半導体基板内における多重反射干渉）の抑制方法であり、表面入射型の固体撮像装置における受光部の表面上に設けられる表面膜内で生じる干渉（多重反射干渉）については、光の干渉を抑制する効果が得られない。
　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、受光面を保護する表面膜における多重反射干渉の影響を抑制することが可能な固体光検出器を提供することである。
　上記目的を達成するために、この発明の一の局面における固体光検出器は、受光した光の強度に応じた信号を出力する複数の受光部と、受光部を保護するための表面膜と、表面膜の表面上に設けられる機能層とを備え、機能層は、複数の異なる干渉特性となる領域を有し、それらの異なる干渉特性を足し合わせることにより、干渉の影響を低減するように構成されている。
　この発明の一の局面による固体光検出器では、機能層は、複数の異なる干渉特性となる領域を有し、それらの異なる干渉特性を足し合わせることにより、干渉の影響を低減するように構成されている。これにより、複数の異なる干渉特性となる領域に入射した光を足し合わせることにより干渉特性の振動（リプル）が平均化され、単一の干渉特性と比較して干渉リプルの振幅の大きさが低下される。その結果、受光面を保護する表面膜における多重反射干渉の影響を抑制することができる。これにより、感度が不安定になるのを抑制することができる。
　上記一の局面による固体光検出器において、好ましくは、機能層の屈折率と、表面膜の屈折率とは、略等しい、または、機能層と表面膜とは、同一物質で構成される。このように構成すれば、機能層と表面膜との界面において光が反射するのを抑制することができる。これにより、表面膜における多重反射干渉の影響をより抑制することができる。
　上記一の局面による固体光検出器において、好ましくは、機能層は、受光面に略平行に形成される互いに異なる高さ位置の面を複数含む段差形状を有する。このように構成すれば、段差形状の機能層の互いに高さ位置の異なる領域（第１の領域、第２の領域）に入射した光の干渉特性を異ならせることができる。これにより、高さ位置の異なる領域に入射し、異なる干渉特性を有する光を足し合わせることにより、多重反射干渉の影響を抑制することができる。
　上記一の局面による固体光検出器において、好ましくは、機能層の光が入射される側の面は、滑らかな凹凸形状を有する。このように構成すれば、平坦な面と異なり、滑らかな凹凸形状を有する面に入射する光の干渉特性は連続的に異なる。これらを足し合わせることにより、多重反射干渉の影響をより抑制することができる。
　上記一の局面による固体光検出器において、好ましくは、機能層が、受光部毎に設けられている。このように構成すれば、受光部毎に、多重反射干渉の影響を抑制することができる。
　上記一の局面による固体光検出器において、好ましくは、表面膜と機能層とは、一体的に構成されている。このように構成すれば、表面膜と機能層とを同一の工程で製造することができるので、固体光検出器の製造工程を簡略化することができる。
第１実施形態による固体光検出器の断面図である。 第１実施形態による固体光検出器（受光部）の平面図である。 第１実施形態による固体光検出器の光学的な干渉特性を説明するための図である。 比較例による固体光検出器の表面膜における光の干渉を説明するための図である。 波長と透過率との関係を説明するための図である。 互いに異なる干渉特性を足し合わせることにより、光の干渉の大きさを低減することを説明するための図である。 第１実施形態による固体光検出器の製造方法を説明するための図（１）である。 第１実施形態による固体光検出器の製造方法を説明するための図（２）である。 第１実施形態による固体光検出器の製造方法を説明するための図（３）である。 第１実施形態による固体光検出器の製造方法により製作した機能層のＳＥＭ像である。 第１実施形態による固体光検出器の製造方法により製作した機能層のＡＦＭ像である。 図１１の機能層の断面プロファイルである。 第１実施形態による固体光検出器の製造方法により製作した機能層による光の干渉の大きさを低減することを説明するための図である。 膜厚の異なる領域の平面図である。 膜厚差と透過率変化量との関係を示す図である。 波長と透過率との関係を示す図である。 波長と透過率変化量との関係を示す図である。 等面積の段差形状の製造方法を説明するための図である。 厚みｄ１、ｄ２と、透過率変化量との関係を示す図である。 波長と透過率との関係を示す図である。 波長と透過率変化量との関係を示す図である。 面積最適化の段差形状の製造方法を説明するための図である。 波長と透過率変化量との関係を示す図である。 第２実施形態による固体光検出器の断面図である。 第２実施形態による固体光検出器の機能層を示す図（１）である。 第２実施形態による固体光検出器の機能層を示す図（２）である。 第２実施形態による固体光検出器の機能層を示す図（３）である。 第２実施形態による固体光検出器の機能層を示す図（４）である。 第２実施形態による固体光検出器の製造方法を説明するための図（１）である。 第２実施形態による固体光検出器の製造方法を説明するための図（２）である。 第２実施形態による固体光検出器の機能層の効果を説明するための図である。 第３実施形態による固体光検出器の平面図である。 第４実施形態による固体光検出器の平面図である。 第１実施形態の変形例による固体光検出器の断面図である。
　以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
　［第１実施形態］
　図１～図６を参照して、本発明の第１実施形態による固体光検出器１０の構成について説明する。
　（固体光検出器の構成）
　固体光検出器１０は、たとえば、受光部１１（フォトダイオード、図２参照）を含むＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　ｍｅｔａｌ　ｏｘｉｄｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサおよびＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）センサからなる。第１実施形態では、固体光検出器１０は、配線パターン８が設けられる側から光が入射される表面入射型である。
　図１に示すように、表面入射型の固体光検出器１０は、受光部１１を備えている。図２に示すように、受光部１１は、複数設けられている。複数の受光部１１は、平面視において（光が入射する方向側から見て）、マトリクス状に配置されている。
　また、図１に示すように、受光部１１は、受光面１１ａを有する。そして、受光部１１は、受光面１１ａから入射した光の強度に応じた信号を出力するように構成されている。また、受光部１１は、たとえばフォトダイオードにより構成されている。フォトダイオードは、半導体基板１１ｂに含まれるＰＮ接合部に光が照射されることにより電荷を発生するように構成されている。
　また、受光面１１ａの表面上には、受光面１１ａを保護するための表面膜１２が設けられている。表面膜１２は、たとえば、シリコン酸化物、シリコン窒化物、サファイアなどの光を透過する材料からなる。また、表面膜１２の中には配線パターン８が形成されている。なお、表面膜１２の厚みｄ０は略一定（平坦）である。
　ここで、第１実施形態では、表面膜１２の表面（受光部１１側とは反対側の面）上には、機能層１３が設けられている。機能層１３は、第１の領域（たとえば、面１３ａ）に入射した光の第１の領域（面１３ａ）と表面膜１２との間で生じる光学的な干渉特性と、第２の領域（たとえば、面１３ｂまたは面１３ｃ）の入射した光の第２の領域（面１３ｂまたは面１３ｃ）と表面膜１２との間で生じる光学的な干渉特性とが異なるように構成されている。なお、機能層１３の機能の詳細な説明は後述する。
　また、第１実施形態では、機能層１３は、段差形状を有する。すなわち、機能層１３は、受光面１１ａに略平行に形成される互いに異なる高さ位置の面（面１３ａ、面１３ｂおよび面１３ｃ）を複数含む。また、各受光部１１に設けられる機能層１３の形状は、互いに同一である。すなわち、各受光部１１に対して、３つの面１３ａ、面１３ｂおよび面１３ｃを含む段差が設けられている。なお、機能層１３の段差の数、高さは、図１に示す例に限らない。さらに、機能層１３の一機能単位の境界と、受光部１１の境界は、必ずしも一致していなくても良い。なお、図１では、機能層１３がＸ方向に沿って１次元的に段差形状を有する（すなわち、固体光検出器１０のいずれの位置におけるＸ方向の断面が図１のようになる）例を示している。一方、互いに異なる高さ位置の面（面１３ａ、面１３ｂおよび面１３ｃ）がＸ方向およびＹ方向に様々な順で２次元的に配置（たとえば、Ｘ方向に面１３ａ、面１３ｂおよび面１３ｃの順、Ｙ方向に面１３ａ、面１３ｃおよび面１３ｂの順など）されていてもよい。
　また、第１実施形態では、機能層１３の屈折率と、表面膜１２の屈折率とは、略等しい。具体的には、機能層１３は、表面膜１２と同じ材料（たとえば、シリコン酸化物、シリコン窒化物、サファイアなどの材料）から構成されている。なお、屈折率が略等しければ、機能層１３の材料と、表面膜１２の材料とは異なっていてもよい。
　（機能層の機能の説明）
　次に、図３～図６を参照して機能層１３の機能について説明する。
　まず、図４に示すように、機能層１３が設けられない比較例による固体光検出器２００では、表面膜２１２の第１の点Ｐ１に入射角θ1で入射した光（単色光、光Ｃ１）の一部は、表面膜２１２の表面上（空気層との境界）において反射角θ1で反射される。表面膜２１２の第１の点Ｐ１に入射角θ1で入射した光の一部は、屈折角θ2で屈折されて、表面膜２１２の内部に侵入する。また、表面膜２１２の内部に侵入した光の一部は、表面膜２１２と受光部２１１との境界において反射角θ2で反射される。また、表面膜２１２の内部に侵入した光の一部は、屈折角θ3で屈折されて、受光部２１１の内部に侵入し、受光部２１１により検出される。
　また、表面膜２１２と受光部２１１との境界において反射角θ2で反射された光の一部は、空気層と表面膜２１２との境界において屈折するとともに、空気層へ入射する（反射光）。一方、表面膜２１２と受光部２１１との境界において反射角θ2で反射された光の一部は、空気層と表面膜２１２との境界の点Ｐ２において、反射角θ2で反射して再び表面膜２１２を介して受光部２１１側に向かって進む。ここで、点Ｐ２には、空気層から光Ｃ２が入射される。光Ｃ２の一部は、屈折角θ2で屈折されて、表面膜２１２の内部に侵入する。すなわち、光Ｃ１と光Ｃ２とが干渉する（互いに強め合う、または、互いに弱め合う）。
　以下に、光の干渉が生じる場合について、詳細に説明する。下記の式（１）は、空気層、表面膜２１２、および、受光部２１１からなる３層の構造において、表面膜２１２内で多重反射干渉が生じた場合の入射光の強度に対する透過光の強度を表している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、ＥtおよびＥiは、それぞれ、透過光電界強度、および、入射光電界強度を表す。また、ｔaは、空気層から表面膜２１２に入射する光の振幅透過率を表す。ｔcは、表面膜２１２から受光部２１１に入射する光の振幅透過率を表す。ｒ1は、空気層から表面膜２１２に入射する光の振幅反射率を表す。ｒ3は、受光部２１１から表面膜２１２に入射する光の振幅反射率を表す。ｎ2は、表面膜２１２の屈折率を表す。θ2は、空気層から表面膜２１２に入射する光の屈折角を表す。ｋ0（＝２π／λ）は、真空中の波数を表す。λ0は、真空中の光の波長を表す。ｄは、表面膜２１２の厚みを表す。
　そして、上記の式（１）の左辺が極大になるときの条件は、下記の式（２）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 ここで、ｎ1は、空気層の屈折率を表す。θ1は、空気層から表面膜２１２に入射する光の入射角を表す。ｍは、整数を表す。この式（２）から、光の光路長（式（２）の左辺）が、波長の整数倍になるときに、多重反射干渉の強め合いが生じることがわかる。すなわち、互いに平行な２つの光Ｃ１および光Ｃ２において、光Ｃ１の光路長と光Ｃ２の光路長との差が波長の整数倍になるとき、２つの光（Ｃ１、Ｃ２）において、多重反射干渉の強め合いが生じる。
　次に、図５を参照して、Ｓｉ基板（半導体基板）上に形成されたＳｉＯ2膜（表面膜）の光の干渉について説明する。図５では、横軸は、光の波長を表し、縦軸は、ＳｉＯ2膜（表面膜）の透過率を表す。
　光の干渉（多重反射干渉）がある場合（実線）は、光の干渉が無い場合（破線）に比べて、透過率が振動波形のように激しく振動（リプル）している。このため、受光部２１１に到達する光の強度が変動してしまうので、受光部２１１から出力される信号が安定し難くなる。
　また、リプルの間隔（Δλ）と、波長λとの関係は、下記の式（３）により表される。なお、下記の式（３）は、厚みｄの平行平板に入射した光を想定して、平行平板の第１の点に入射するとともに反射および屈折を含む光学的作用を経た光と、第１の領域とは異なる第２の点に入射した光とが互いに強め合う条件が、２つの光の光路差が整数倍になるということに基づいて求められている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 ここで、θは、平行平板に入射する光の入射角を表す。上記の式（３）から、厚みｄが大きくなる程、同じ波長λに対してΔλが小さくなることがわかる。即ち、異なる干渉特性
となることがわかる。
　次に、図３を参照して、第１実施形態の固体光検出器１０のように、表面膜１２の表面上に機能層１３を設けた場合の光の干渉について説明する。なお、図３では、表面膜１２の屈折率と機能層１３の屈折率とが等しい場合の光の反射・屈折の状態が表されている。また、図３では、図１と異なり、表面膜１２および機能層１３に施されたハッチングは省略されている。
　図３に示すように、表面膜１２および機能層１３の面１３ａに対応する部分の厚みｄ１（面１３ａと受光部１１の受光面１１ａとの間の距離）と、受光部１１の受光面１１ａおよび機能層１３の面１３ｂに対応する部分の厚みｄ２と、受光部１１の受光面１１ａおよび機能層１３の面１３ｃに対応する部分の厚みｄ３とは、互いに異なる（ｄ１＞ｄ２＞ｄ３）。ここで、図４に示されるように、面１３ａの一の点に入射するとともに反射および屈折を含む光学的作用を経た光と、一の点とは異なる他の点に入射した光とが互いに平行になり、干渉する（図５参照）。面１３ｂおよび面１３ｃについても同様である。しかしながら、面１３ａ、面１３ｂおよび面１３ｃにそれぞれ対応する部分の厚みｄ１、ｄ２およびｄ３が互いに異なるため、面１３ａ、面１３ｂおよび面１３ｃにおける光学的な干渉特性が互いに異なる。
　図６（ａ）～（ｄ）には、計算により求められた、無限に厚いＳｉ基板の上に互いに異なる厚みｄ１１～ｄ１４を有する表面膜１２および機能層１３を備えた構造における、各々の光学的な干渉特性を示している。ここで機能層の材質はＳｉＯ2であり、厚みｄ１１～ｄ１４は、それぞれ１７７０ｎｍ、１８００ｎｍ、１８１５ｎｍ、１８４５ｎｍである。図６（ａ）～（ｄ）に示すように、表面膜１２および機能層１３の厚みｄ１１～ｄ１４が互いに異なることに起因して、光学的な干渉特性（リプルの振幅、周期など）が互いに異なることが確認された。そして、図６（ａ）～（ｄ）に示される光学的な干渉特性を足し合わせると、図６（ｅ）の太線に示されるように、リプルの振幅が小さくなることが判明した。つまり、互いに異なる複数の光学的な干渉特性を足し合わせると、干渉特性の振動（リプル）が平均化され、単一の干渉特性と比較して干渉リプルの振幅が低下される。これにより、受光面１１ａを保護する表面膜１２における多重反射干渉の影響が抑制されることが確認された。なお、図６（ｆ）は、図６（ａ）～（ｄ）の透過率を平均したものを表している。
　また、表面膜１２における多重反射干渉の影響が大きい場合、受光部１１から出力される信号は、比較的大きいリプルを含む特性となる。つまり、波長を変化させた場合の固体光検出器１０の感度の変化が大きくなる。つまり、入射光の波長が僅かにずれただけでも、固体光検出器１０の感度が変化してしまう。そこで、機能層１３を設けて表面膜１２における多重反射干渉の影響を抑制（低減）することによって、固体光検出器１０の波長に対する感度のリプルが小さくなる。これにより、入射光の波長がずれても感度が変化しにくくなる。すなわち、固体光検出器１０の感度を安定化させることが可能になる。
　（固体光検出器の製造方法）
　次に、図７～図９を参照して、固体光検出器１０の製造方法について説明する。
　図７に示すように、受光面１１ａを有し、受光面１１ａにおいて受光した光の強度に応じた信号を出力する受光部１１を形成する。具体的には、半導体基板１１ｂの表面上の酸化、半導体基板１１ｂへの不純物（ボロン、ヒ素など）の打ち込み、不純物の熱拡散、エッチングなどの工程を繰り返すことにより、フォトダイオードなどからなる受光部１１を形成する。また、半導体基板１１ｂの受光面１１ａ側に配線パターン８（図１参照）をスパッタリングにより形成する。また、受光部１１は、マトリクス状に複数形成される。
　次に、受光面１１ａの表面上に、受光面１１ａを保護するための表面膜（パッシベーション膜）１２を形成する。表面膜１２は、マトリクス状に配置された複数の受光部１１の全域に渡るように形成される。
　次に、表面膜１２の表面上に機能層１３の元となる層２５０を形成する。機能層１３の元となる層２５０は、表面膜１２の屈折率と略等しい屈折率を有する材料からなり、たとえば、シリコン酸化物、シリコン窒化物、サファイアなどである。
　次に、表面膜１２の表面上に設けられる機能層１３の元となる層２５０をエッチングすることにより、機能層１３を形成する。具体的には、受光面１１ａに略平行に形成される互いに異なる高さ位置の面（面１３ａ、面１３ｂ、面１３ｃ）を複数含む段差形状（図１参照）を有するように機能層１３の元となる層２５０をエッチングする。
　なお、エッチングの工程では、薬液、または、プラズマ放電により活性化されたガスを用いて、機能層１３の元となる層２５０を部分的に除去する。薬液を用いるエッチングは、ウェットエッチングと呼ばれ、プラズマ放電によるエッチングは、ドライエッチングと呼ばれる。また、エッチングには、エッチング時に水平方向および垂直方向に同じ比率でエッチングが進む等方性エッチングと、垂直方向のみにエッチングが進む異方性エッチングとがある。エッチングの進行長さ（除去の大きさ）は、処理時間に応じて大きくなる。このため、用いる薬液やガスによって定まる単位時間当たりの進行長さに基づいて、所望の深さ（長さ）を得るための処理時間が決定される。以下、段差形状を有する機能層１３の形成について具体的に説明する。
　まず、図７に示すように、機能層１３の元となる層２５０の表面上にホトレジスト３００（感光性の樹脂）が塗布される。
　次に、ホトレジスト３００の表面上に、ホトマスク３１０（金属のパターンが形成されたガラス板）が配置される。そして、ホトマスク３１０の表面上から紫外線を照射する。そして、ホトレジスト３００がポジ型であれば、ホトレジスト３００は、解重合などにより現像液に対して可溶性の材質に変化し、ホトレジスト３００がネガ型であれば、重合して硬化して現像液に対して不溶性の材質に変化する。その後、図８に示すように、現像液により、可溶性の部分を溶解する。たとえば、機能層１３の元となる層２５０の、面１３ａに対応する部分がホトレジスト３００により覆われる。
　そして、エッチングを行うことにより、ホトレジスト３００によって覆われていない部分が除去される。具体的には、図９に示すように、機能層１３の元となる層２５０の、面１３ａに対応する部分以外の部分が、たとえば異方性エッチングにより除去されることにより、面１３ｂが形成される。その後、ホトレジスト３００を除去する。さらに、機能層１３の元となる層２５０の、面１３ｂ（および面１３ａ）に対応する部分をホトレジスト３００により覆う。これにより、機能層１３の元となる層２５０の、面１３ａおよび面１３ｂに対応する部分以外の部分がエッチングにより除去されることにより面１３ｃ（図１参照）が形成される。その後、ホトレジスト３００を除去する。これにより、段差形状を有する機能層１３が形成される。
　上記の方法に基づいて製作した第１実施形態における機能層およびその多重反射干渉の影響低減の効果について、図１０～図１３を用いて述べる。図１０～図１２に示すように、上記の方法に基づいて製作された機能層は、４つの高さ位置を有する。そして、図１３は前記の機能層の透過率を示した物であるが、上記の方法に基づいて製作された機能層を設けることにより、機能層を設けない場合に比べて、干渉の影響が低減できていることが確認された。
　上記の方法に基づいて、さらに別に製作した第１実施形態における機能層およびその多重反射干渉の影響低減の効果について図１４～図１７を用いて述べる。図１４に示すように、異なる２種類の高さ位置を同じ面積比で有する機能層を用意し、その一方の高さ位置を変化させたときの波長２００～１０００ｎｍにおける透過率変化の最大値をプロットしたものが図１５である。図１５に示すように、２つの高さ位置の差が４０ｎｍの時、透過率変化が最小になることが確認された。この傾向は、最大の高さ位置（初期膜厚）に依存しなかった。機能層の高さ位置が同一である、即ち平坦な面を有する場合と、２つの高さ位置が４０ｎｍの差を有する場合の透過率を図１６に示した。波長２００～４００ｎｍの光に対して、特に干渉リプルの振幅が低減されることが確認された。また、図１７に透過率の変化量（透過率の傾きの絶対値）をプロットしたものを示す。膜厚が1種類の場合、変化率が最大で１．２％であったのに対し、０．４％まで低下していることが分かる。
　さらに、上記とは別に製作した、第１実施形態における機能層およびその多重反射干渉の影響低減の効果について図１８～図２１を用いて述べる。ここでは、２種類の深さのエッチングを重ねることにより、厚みが、初期膜厚（―０）、－ｄ１、－ｄ２、－（ｄ１＋ｄ２）という４種類の面を作る。これらの面の面積比は、互いに等しい（１：１：１：１）。これにより、４種類の異なる高さ位置を有し、それらの高さの差をｄ１、ｄ２とするとき、ｄ１、ｄ２がそれぞれ異なる組み合わせとなる機能層が形成される。これらの機能層において、高さ位置の差ｄ１、ｄ２を変化させた時の波長２００～１０００ｎｍにおける透過率変化の最大値をプロットしたものが図１９である。図１９に示すように、ｄ１＝３０ｎｍ、ｄ２＝４５ｎｍのとき、透過率変化が最小となることが判明した。機能層の高さ位置が同一である、即ち平坦な面を有する場合と、４つの高さ位置がそれぞれ３０ｎｍ、４５ｎｍ、７５ｎｍの差を有する場合の透過率を図２０に示した。波長２００～４００ｎｍの光に対して、特に干渉リプルの振幅が低減されることが確認された。また、図２１は、異なる高さが２種類の場合と同様、透過率の変化量を示したもので、４つの高さ位置がそれぞれ３０ｎｍ、４５ｎｍ、７５ｎｍの差を有する場合の透過率の方が、透過率の変化量が小さくなることが確認された。
　図１４～図２１を用いて説明した、２つの機能層の例において、いずれも対象とする波長の最短の波長（２００ｎｍ）に対して、１／３．２～１／４波長分の段差を設けたときに、透過率変動が最小になるということが確認された。つまり、干渉リプルの影響を低減させたい光波長帯域の、最短の波長に対して１／３．２～１／４波長分の段差を設けることにより、その光波長帯域において干渉リプルの影響を最も低減することが可能になる。
　さらに、図２２～図２３を参照して、異なる４つの高さ領域の面積比を変化させることで透過率変動を更に低減できることを示す。これは計算の結果であり、実験値ではない。機能層の異なる４つの高さ（膜厚）は上記実験結果と同じで、１８００ｎｍ，１７７０ｎｍ，１７５５ｎｍ，１７２５ｎｍである。「等面積比」は、図１８のように各領域の面積比が１：１：１：１の場合の結果を、「面積最適化」は図２２のように、各領域の面積比を変えて透過率変化量の最大値が最小になるように最適化した結果を示している。最適化の結果、等面積比では透過率変化量の最大値が約０．２％であったのが約０．１６％まで低減していることが分かる（図６）。この時、膜厚の面積比は、１８００ｎｍ：１７７０ｎｍ：１７５５ｎｍ：１７２５ｎｍ ＝ ０．２１９ ： ０．２７７ ： ０．２５６ ： ０．２４９であった。なお、等面積比の結果で、透過率変化量が上では０．２％以下であったのが、こちらでは０．２％を超えているのは、実験と計算の違いによるものと考えられる。
　（第１実施形態の効果）
　第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
　第１実施形態では、上記のように、表面膜の表面上に、第１の領域に入射した光の第１の領域と表面膜１２との間で生じる光学的な干渉特性と、第２の領域の入射した光の第２の領域と表面膜１２との間で生じる光学的な干渉特性とが異なるように構成されている機能層１３が設けられている。これにより、第１の領域に入射した光と、第２の領域の入射した光とを足し合わせることにより干渉特性の振動（リプル）が平均化され、単一の干渉特性と比較して干渉リプルの振幅の大きさが低下される。これにより、受光面１１ａを保護する表面膜１２における多重反射干渉の影響を抑制することができる。その結果、感度が不安定となるのを抑制することができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、機能層１３の屈折率と、表面膜１２の屈折率とは、略等しい、または、機能層１３と表面膜１２とは、同一の物質で構成される。これにより、機能層１３と表面膜１２との界面において光が反射するのを抑制することができる。その結果、表面膜１２における多重反射干渉の影響をより抑制することができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、機能層１３は、受光面１１ａに略平行に形成される互いに異なる高さ位置の面を複数含む段差形状を有する。これにより、段差形状の機能層の互いに高さ位置の異なる領域（面１３ａ、面１３ｂ、面１３ｃ）に入射した光による干渉特性を異ならせることができる。その結果、高さ位置の異なる領域で生じる異なる干渉特性を足し合わせることにより、多重反射干渉の影響を抑制することができる。
　また、第１実施形態では、上記のように、機能層１３が、受光部１１毎に設けられている。これにより、受光部１１毎に、多重反射干渉の影響を抑制することができる。
　［第２実施形態］
　次に、図２４～図３１を参照して、第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、機能層７３は、滑らかな凹凸形状を有する。
　図２４に示すように、第２実施形態の固体光検出器７０では、機能層７３の光が入射される側の面７３ａは、滑らかな凹凸形状を有する。たとえば、面７３ａは、ｓｉｎ波形状を有する。
　具体的には、図２５に示すように、機能層７３は、Ｘ方向に沿ってｓｉｎ波形状を有するとともに、Ｙ方向に沿って直線状に延びるように形成されている。また、図２６に示すように、Ｘ方向に沿ってｓｉｎ波形状を有する機能層７３と、Ｙ方向に沿ってｓｉｎ波形状を有する機能層７３とが混在するようにしてもよい。また、図２７に示すように、複数の山状の機能層７３を千鳥格子状に配列してもよい。また、図２８に示すように、複数の山状の機能層７３をマトリクス状に配列してもよい。
　（固体光検出器の製造方法）
　次に、図２９および図３０を参照して、固体光検出器７０の製造方法について説明する。なお、受光部１１、表面膜１２、および、機能層７３の元となる層２６０の製造工程は、上記第１実施形態と同様である。
　機能層７３の光が入射される側の面７３ａが滑らかな凹凸形状を有するように機能層７３の元となる層２６０をエッチングする。具体的には、図２９に示すように、まず、機能層７３の元となる層２６０の表面上にホトレジスト３２０（感光性の樹脂）が塗布される。
　次に、ホトレジスト３２０の表面上に、ホトマスク３３０（金属のパターンが形成されたガラス板）が配置される。そして、ホトマスク３３０の表面上から紫外線を照射する。その後、図３０に示すように、現像液により、可溶性の部分が溶解される。その結果、機能層７３の元となる層２６０のうち、凹凸形状の凸の部分に対応する部分がホトレジスト３２０により覆われる。
　そして、エッチングを行うことにより、ホトレジスト３２０によって覆われていない部分が除去される。たとえば、機能層７３の元となる層２６０のうち、凹凸形状の凸の部分以外の部分が、たとえば等方性エッチングにより除去される。その後、ホトレジスト３２０を除去する。その結果、凹凸形状を有する機能層７３が形成される。
　また、図３１に示すように、機能層７３についても、短波長側から長波長側に渡って、リプルが低減（図３１の点線参照）されていることが確認された。また、短波長側において、リプルの振幅は、１／２以下に低減されている。すなわち、多重反射干渉の影響が抑制されていることが確認された。なお、機能層７３の厚みが連続的に変化するので、機能層７３に入射した光の干渉特性も連続的に異なる（変化する）。これにより、階段形状の機能層１３（図１参照）よりも、互いに異なる干渉特性の数が多くなるので、多重反射干渉の影響の抑制の効果がより高いと考えられる。
　（第２実施形態の効果）
　第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
　第２実施形態では、上記のように、機能層７３の光が入射される側の面７３ａは、滑らかな凹凸形状を有する。これにより、平坦な面と異なり、滑らかな凹凸形状を有する面７３ａに入射する光の干渉特性は連続的に異なる。これらを足し合わせることにより、多重反射干渉の影響をより抑制することができる。
　［第３実施形態］
　次に、図３２を参照して、第３実施形態について説明する。この第３実施形態では、１つの受光部１１に対して互いに異なる形状を有する複数の機能層８３が設けられている。
　図３２に示すように、第３実施形態の固体光検出器８０では、１つの受光部１１（太い線で囲まれた領域）に対して、複数の機能層８３が配置されている。たとえば、機能層８３は、２つの機能層１３（図１参照）と、２つの機能層７３（図２４参照）を含む。また、図３２では、平面視における４つの機能層８３の面積が互いに略等しく構成されている一方、４つの機能層８３の形状および面積はそれぞれ互いに異ならせてもよい。
　（第３実施形態の効果）
　第３実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
　第３実施形態では、上記のように、１つの受光部１１に対して複数の機能層８３が設けられている。これにより、ある１つの機能層８３によって表面膜１２における多重反射干渉の影響を抑制できない場合でも、他の機能層８３によって表面膜１２における多重反射干渉の影響を抑制することができる。
　［第４実施形態］
　次に、図３３を参照して、第４実施形態について説明する。この第４実施形態では、複数の受光部１１に渡って１つの形状の機能層９３が設けられている。
　図３３に示す固体光検出器９０の機能層９３のように、機能層９３が平面視において略矩形形状を有しており、略矩形形状を有する複数の機能層９３が、各々、マトリクス状に配置されている複数の受光部１１を部分的に覆っていてもよい。この場合、機能層９３同士の境界と、受光部１１同士の境界とが一致していなくてもよい。なお、複数の機能層９３は、それぞれが互いに異なる形状を有していてもよい。
　（第４実施形態の効果）
　第４実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
　第４実施形態では、上記のように、複数の受光部１１に渡って１つの形状の機能層９３が設けられている。これにより、複数の受光部１１毎に機能層９３を形成する場合に比べて、機能層９３の大きさが大きくなるので、機能層９３を容易に形成することができる。
　［変形例］
　なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
　たとえば、上記第１～第４実施形態では、表面入射型の固体光検出器に本発明の機能層を適用する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、配線パターンが設けられる側の反対側から光が入射される裏面入射型の固体光検出器に本発明の機能層（たとえば、機能層１３）を設けてもよい。なお、その場合に機能層は裏面（光の入射面）に設けられる。
　また、上記第１～第４実施形態では、機能層の屈折率と表面膜の屈折率とが略等しい例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、機能層の屈折率と表面膜の屈折率とがある程度異なっていてもよい。
　また、上記第１～第４実施形態では、機能層と表面膜とは別体として設けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図３４の第１実施形態の変形例による固体光検出器１５０のように、表面膜が機能層の役割を果たすように構成されても良い。
　また、上記第１～第２実施形態では、機能層をエッチングにより形成する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、機能層を研磨、蒸着、結晶成長などにより形成してもよい。
　８　配線パターン
　１０、７０、８０、９０、１５０　固体光検出器
　１１　受光部
　１１ａ　受光面
　１１ｂ　半導体基板
　１２　表面膜
　１３、７３、８３、９３、１５３　機能層
　１３ａ、１３ｂ、１３ｃ　面
　７３ａ　面

Claims (6)

  1. 　受光した光の強度に応じた信号を出力する複数の受光部と、前記受光部を保護するための表面膜と、前記表面膜の表面上に設けられる機能層とを備え、
    　前記機能層は、複数の異なる干渉特性となる領域を有し、それらの異なる干渉特性を足し合わせることにより、干渉の影響を低減するように構成されている、固体光検出器。
  2. 　前記機能層の屈折率と、前記表面膜の屈折率とは、略等しい、または、前記機能層と前記表面膜とは、同一物質で構成される、請求項１に記載の固体光検出器。
  3. 　前記機能層は、受光面に略平行に形成される互いに異なる高さ位置の面を複数含む段差形状を有する、請求項１または２に記載の固体光検出器。
  4. 　前記機能層の光が入射される側の面は、滑らかな凹凸形状を有する、請求項１または２に記載の固体光検出器。
  5. 　前記機能層が、前記受光部毎に設けられている、請求項１または２に記載の固体光検出器。
  6. 　前記表面膜と前記機能層とは、一体的に構成されている、請求項１または２に記載の固体光検出器。
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