JP6015034B2 - 光学センサー及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、光学センサー及び電子機器等に関する。

例えば特許文献１には、光学センサーの一種であるイメージセンサーが光吸収膜（遮光物質）を有し、隣接する光電変換素子（受光素子）間の光のクロストークを防止する技術が開示されている。

特開２００６−１３５２０号公報

さて、受光素子への入射光の入射角度を制限する角度制限フィルターを、例えば上述のような遮光物質で形成し、その角度制限フィルターの上に更に分光フィルターを形成した光学センサーが考えられる。例えば、分光フィルターの分光特性を向上させるために角度制限フィルターが用いられる。このように角度制限フィルターの上に分光フィルターを形成する場合、分光フィルターの側面から入射する光が角度制限フィルターを通過してしまうと、分光特性が低下するという課題がある。

本発明の幾つかの態様によれば、分光特性の低下を抑制する光学センサー及び電子機器等を提供できる。

本発明の一態様は、受光素子と、前記受光素子の受光領域に対する入射光のうちの特定波長の光を透過する光学フィルターと、前記光学フィルターを透過した前記入射光の入射角度を制限する角度制限フィルターと、を含み、前記角度制限フィルターの制限角度をθＡとし、前記角度制限フィルターの上面から前記光学フィルターの上面までの高さをＲＴＰとする場合に、前記角度制限フィルターの前記上面に対する平面視における、前記光学フィルターの端から前記角度制限フィルターの開口の端までの距離をオーバーラップ距離ＯＶとする場合に、ｔａｎ^−１（ＯＶ／ＲＴＰ）＞θＡを満たす光学センサーに関係する。

本発明の一態様によれば、光学フィルターの端から角度制限フィルターの開口の端までの距離であるオーバーラップ距離ＯＶは、ｔａｎ^−１（ＯＶ／ＲＴＰ）＞θＡを満たす。これにより、分光特性の低下を抑制することが可能になる。

また本発明の一態様では、前記角度制限フィルターの前記開口の幅をｄとし、前記角度制限フィルターの高さをＲＡとする場合に、前記制限角度は、θＡ＝ｔａｎ^−１（ｄ／ＲＡ）であってもよい。

このようにすれば、角度制限フィルターの開口幅と高さを調整することで制限角度を設定でき、設定した制限角度に対してｔａｎ^−１（ＯＶ／ＲＴＰ）＞θＡを満たすオーバーラップ距離を設定できる。

また本発明の一態様では、前記角度制限フィルターと前記光学フィルターとの間に形成される保護膜を含み、前記保護膜の高さをＲＰとし、前記光学フィルターの高さをＲＴとする場合に、前記角度制限フィルターの上面から前記光学フィルターの上面までの高さは、ＲＴＰ＝ＲＰ＋ＲＴであってもよい。

なお本発明の一態様ではこれに限定されず、例えば保護膜を設けない場合、ＲＴＰ＝ＲＴであってもよい。あるいは角度制限フィルターと光学フィルターとの間に厚さＲＰ’の他の層を更に設ける場合、ＲＴＰ＝ＲＰ＋ＲＰ’＋ＲＴであってもよい。

また本発明の一態様では、前記入射光の波長をλとし、前記角度制限フィルターの高さをＲＡとし、前記角度制限フィルターの開口の幅をｄとする場合に、ｄ^２／（λ×ＲＡ）≧２を満たしてもよい。

このようにすれば、ｄ^２／（λ×ＲＡ）≧２の条件を満たすサイズで角度制限フィルターを形成できる。これにより、受光素子に到達する光の入射角度を制限する制限角度を、高精度に制御することが可能になる。

また本発明の一態様では、前記制限角度は、θＡ＝ｔａｎ^−１（ｄ／ＲＡ）＜６０°を満たしてもよい。

角度制限フィルターが無い場合であっても６０°の制限角度が得られるため、ｔａｎ^−１（ｄ／ＲＡ）＜６０°を満たす制限角度を設定することで、角度制限フィルターの角度制限を有効にすることができる。

また本発明の一態様では、光学センサーは、前記入射光を分光するための分光センサーであってもよい。

また本発明の一態様では、光学センサーは、前記入射光の照度を測定するための照度センサーであってもよい。

また本発明の一態様では、光学センサーは、光源の仰角を測定するための仰角センサーであってもよい。

また本発明の他の態様は、上記のいずれかに記載の光学センサーを含む電子機器に関係する。

光学センサーの比較例。 図２（Ａ）は、光学センサーの比較例の分光特性例。図２（Ｂ）は、ショートパスフィルターとロングパスフィルターの分光特性例。 本実施形態の光学センサーの構成例。 本実施形態の光学センサーの分光特性例。 図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、光到達率の角度特性の比較例。 図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は、本実施形態における光到達率の角度特性例。 図７（Ａ）、図７（Ｂ）は、本実施形態における光到達率の開口幅特性例。 分光センサーの構成例の平面視図。 分光センサーの構成例の断面図。 図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）は、光バンドパスフィルターの透過波長帯域についての説明図。 光学センサーの製造方法例。 電子機器の構成例。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

１．比較例
図１に、本実施形態の光学センサーの比較例を示す。図１の光学センサーは、受光素子（フォトセンサー）用の不純物領域１１０が形成された半導体基板１００と、半導体基板１００上に配線プロセスにより遮光物質１２１〜１２４が形成された角度制限フィルター１２０と、角度制限フィルター１２０上に形成される保護膜１３０と、保護膜１３０上に形成されるバンドパスフィルター１４０を含む。

バンドパスフィルター１４０は、例えば薄膜が積層された薄膜フィルターである。薄膜フィルターは入射角度に応じて透過波長が異なるため、入射角度が制限されないと、不純物領域１１０と半導体基板１００により形成される受光素子が検出する波長帯域は、ブロードになる。図１の比較例では、受光素子に入射する光は、角度制限フィルター１２０により入射角度が制限されるため、受光素子が検出する波長帯域を狭くすることが可能である。

さて、バンドパスフィルター１４０を構成する薄膜フィルターは、積層された全ての層を入射光が通過して初めて設計通りの特性が発揮されるものである。即ち、図１に示す光線ＬＹのように、バンドパスフィルター１４０の壁面から入射して積層の一部のみを通過した光は、設計通りの帯域制限特性を持っていない。このような光が角度制限フィルター１２０を通過して受光素子に検出されると、光学センサーの帯域制限特性が低下するという課題がある。

例えば図２（Ａ）に、光線ＬＹが受光素子に到達した場合の分光特性例を示す。図１に示すように、バンドパスフィルター１４０が例えばショートパスフィルターＳＰＦとロングパスフィルターＬＰＦにより構成されているとする。図２（Ｂ）のＦ１に示すように、ショートパスフィルターＳＰＦは、所定波長λＳよりも短波長側の帯域を透過する薄膜フィルターであり、Ｆ２に示すように、ロングパスフィルターＬＰＦは、所定波長λＬよりも長波長側の帯域を透過する薄膜フィルターである。これらのフィルターＳＰＦ、ＬＰＦを通過することで入射光の帯域がλＬ〜λＳの波長範囲に制限される。

この場合に、バンドパスフィルター１４０の壁面から入射した光線ＬＹが、ショートパスフィルターＳＰＦの一部しか通過しなかったとする。そうすると、ショートパスフィルターＳＰＦの帯域制限特性が低下し、長波長側の光も通過することになる。図２（Ａ）のＧ１に示すように、バンドパスフィルター１４０全体で見ると、長波長側の光が受光素子に届くため長波長側の阻止域が持ち上がり、阻止率が低下してしまうことになる。

２．光学センサー
図３に、バンドパスフィルターの阻止率が低下するという課題を解決する光学センサーの構成例を示す。

図３の光学センサーは、受光素子用の不純物領域１１０が形成された半導体基板１００と、半導体基板１００上に配線プロセスにより遮光物質１２１〜１２４が形成された角度制限フィルター１２０と、角度制限フィルター１２０上に形成される保護膜１３０と、保護膜１３０上に形成されるバンドパスフィルター１４０（広義には光学フィルター）を含む。ここで、「半導体基板１００上」等の「上」とは、半導体基板１００の平面に垂直な方向のうち、角度制限フィルター１２０等が形成される側の方向を表す。

バンドパスフィルター１４０は、保護膜１３０の上に形成されたロングパスフィルターＬＰＦと、ロングパスフィルターＬＰＦの上に形成されたショートパスフィルターＳＰＦにより構成される。ロングパスフィルターＬＰＦとショートパスフィルターＳＰＦは薄膜が積層された薄膜フィルターであり、例えば図２（Ｂ）で説明した分光特性を有する。なお、ロングパスフィルターＬＰＦとショートパスフィルターＳＰＦの上下は入れ替わってもよい。

不純物領域１１０は、第１導電型（例えばｎ型）の不純物領域であり、半導体基板１００は、第２導電型（例えばｐ型）の不純物領域である。これら不純物領域１１０と半導体基板１００のｐｎ接合により受光素子が形成される。受光素子は、例えばフォトダイオードである。

角度制限フィルター１２０は、半導体プロセスの配線プロセスにより形成される。角度制限フィルター１２０の上面から受光素子に対して直線的に入射する光を想定した場合、入射角度がθＡよりも小さい場合には、その入射光は受光素子に直接的に到達する。入射角度がθＡよりも大きい場合には、その入射光は遮光物１２１〜１２４で遮光され、直接的には受光素子に到達しない。このような角度θＡを制限角度（制御角度）と呼ぶ。なお、入射角度がθＡより大きい場合であっても、光の回折や反射などによる光が間接的に受光素子に到達することはあり得る。このような遮光により、制限角度θＡよりも入射角度が大きい入射光が、受光素子に直接的に到達することを阻止できる。遮光物質１２１〜１２４は、少なくともバンドパスフィルター１４０の透過帯域の光を遮光する物質である。具体的には遮光物質１２１〜１２４は、金属配線に用いられる金属層（例えばアルミ配線層）である。角度制限フィルター１２０の上に積層される保護膜１３０は、少なくともバンドパスフィルター１４０の透過帯域の光を透過する物質で形成される。具体的には、保護膜１３０は、半導体プロセスの絶縁層（例えばＳｉＯ_２層）により形成される。

なお、本実施形態の光学センサーのより詳細な構成や形成プロセスについては、図５（Ａ）〜図１１で後述する。

図３に示すように、バンドパスフィルター１４０の高さをＲＴとし、保護膜の高さをＲＰとし、角度制限フィルター１２０の高さをＲＡとする。例えばＲＴ＝５ｕｍ、ＲＰ＝１ｕｍ、ＲＡ＝５ｕｍである。ここで、「高さ」とは、半導体基板１００の平面に垂直な方向における高さ（又は厚さ）であり、例えばバンドパスフィルター１４０であれば、バンドパスフィルター１４０の下面から上面までの距離に相当する。

また、角度制限フィルター１２０の開口の幅をｄとする。例えばｄ＝３ｕｍである。ここで、角度制限フィルター１２０の「開口」とは、入射光が入射する側の面において遮光物質が存在しない領域であり、角度制限フィルター１２０に対する平面視において入射光が入射する領域である。なお開口の外周は必ずしも遮光物質で閉じている必要はなく、開口の外周に沿って断続的に遮光物質が配されてもよい。また、「開口の幅」とは、遮光物質の壁面から、その壁面に向かい合う遮光物質の壁面までの距離であり、例えば開口が矩形である場合には、その矩形の辺の長さに相当する。「遮光物質の壁面」とは、開口に充填された物質（例えばＳｉＯ_２）と遮光物質との境界面であり、半導体基板１００の平面に交差する（狭義には垂直な）面である。

角度制限フィルター１２０の高さＲＡ、開口の幅ｄより、制限角度はθＡ＝ｔａｎ^−１（ｄ／ＲＡ）である。例えばＲＡ＝５ｕｍ、ｄ＝３ｕｍの場合、θＡ＝３１°である。制限角度θＡよりも入射角度が大きい光は遮光され、受光素子には入射しない。この制限角度θＡに対して、角度制限フィルター１２０とバンドパスフィルター１４０とのオーバーラップ距離ＯＶは、下式（１）を満たすように設定される。ここで、「制限角度」等の「角度」とは、半導体基板１００の平面に垂直な方向に対する角度のことである。
θＡ＝ｔａｎ^−１（ｄ／ＲＡ）＜θＴ＝ｔａｎ^−１（ＯＶ／（ＲＴ＋ＲＰ）） （１）

図３に示すように、角度制限フィルター１２０のうち最も外側の開口端に到達する入射光のうち、角度θＴ＝ｔａｎ^−１（ＯＶ／（ＲＴ＋ＲＰ））よりも大きな入射角度の光は、バンドパスフィルター１４０の壁面を通過した光である。即ち、上式（１）のように制限角度θＡを角度θＴよりも小さい角度に設定することで、バンドパスフィルター１４０の壁面を通過した光を遮光することができる。ここで、「オーバーラップ距離」とは、半導体基板１００に対する平面視において、バンドパスフィルター１４０の形成領域と非形成領域の境界（バンドパスフィルター１４０の壁面）から、角度制限フィルター１２０のうち最も外側の開口端までの距離のことである。また、「最も外側の開口端」とは、半導体基板１００に対する平面視において、角度制限フィルター１２０の最も外側に形成された開口の内壁面に相当する。

図４に、本実施形態の光学センサーの分光特性例を示す。本実施形態の光学センサーでは、バンドパスフィルター１４０の壁面を通過した光が受光素子に入射しないため、バンドパスフィルター１４０の本来の特性を発揮することができる。即ち、図４に示すように、透過帯域ＴＢに比べて阻止域ＫＢ１、ＫＢ２の光強度が十分に小さくなり、上述の比較例と比べて帯域制限特性が低下しない。

なお上記では、光学フィルターがバンドパスフィルターであり、バンドパスフィルター１４０がショートパスフィルターＳＰＦとロングパスフィルターＬＰＦにより構成される場合を例に説明したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば光学フィルターはバンドパスフィルター以外の分光特性を有するフィルターであってもよい。また、バンドパスフィルター１４０は、ショートパスフィルターＳＰＦとロングパスフィルターＬＰＦが別々に積層されたものでなくともよい。

以上の実施形態によれば、図３に示すように、光学センサーは、受光素子と、受光素子の受光領域に対する入射光のうちの特定波長の光を透過する光学フィルター１４０と、光学フィルター１４０を透過した入射光の入射角度を制限する角度制限フィルター１２０と、を含む。角度制限フィルター１２０の制限角度をθＡとし、角度制限フィルター１２０の上面（開口面、入射面）から光学フィルターの上面（入射面）までの高さをＲＴＰとする場合に、角度制限フィルター１２０の上面に対する平面視において光学フィルター１４０の端から角度制限フィルターの開口の端までの距離であるオーバーラップ距離ＯＶは、ｔａｎ^−１（ＯＶ／ＲＴＰ）＞θＡを満たす。

ここで、「角度制限フィルター１２０の上面」とは、半導体プロセスにより形成された角度制限フィルター１２０の層の上側の面であり、角度制限フィルター１２０の層と、角度制限フィルター１２０の上に形成された層（例えば保護膜１３０）との境界面である。また、「光学フィルター１４０の上面」とは、積層された光学フィルター１４０の上側の面である。「上」とは、半導体基板１００の平面から離れていく方向であり、半導体基板１００の平面の法線方向のうち、角度制限フィルター１２０等が形成される側の法線方向である。また、「受光領域」とは、受光素子を構成する不純物領域１１０において、角度制限フィルター１２０を通過した入射光が到達しうる領域である。

このようにすれば、図３等で説明したように、角度制限フィルター１２０を通過する光は、光学フィルター１４０の上面から入射して光学フィルター１４０の全層を通過した光となる。これにより、図４等で説明したように、光学フィルター１４０の一部の層のみを通過した光によって阻止域ＫＢ１、ＫＢ２の阻止率が低下してしまうことを防止できる。

また本実施形態では、角度制限フィルター１２０の開口の幅をｄとし、角度制限フィルター１２０の高さをＲＡとする場合に、制限角度は、θＡ＝ｔａｎ^−１（ｄ／ＲＡ）である。

このようにすれば、角度制限フィルター１２０の開口幅ｄと高さＲＡを調整することで制限角度θＡを設定でき、その制限角度θＡに対してｔａｎ^−１（ＯＶ／ＲＴＰ）＞θＡを満たすオーバーラップ距離ＯＶを設定することができる。

また本実施形態では、角度制限フィルター１２０と光学フィルター１４０との間に形成される保護膜１３０を含み、保護膜１３０の高さ（厚さ）をＲＰとし、光学フィルター１４０の高さ（厚さ）をＲＴとする場合に、角度制限フィルター１２０の上面から光学フィルター１４０の上面までの高さは、ＲＴＰ＝ＲＰ＋ＲＴである。

なお図３ではＲＴＰ＝ＲＰ＋ＲＴである場合を例に説明したが、本実施形態ではこれに限定されない。例えば、保護膜１３０を省略し、ＲＴＰ＝ＲＴであってもよい。あるいは、角度制限フィルター１２０と光学フィルター１４０との間に厚さＲＰ’の他の層を更に設け、ＲＴＰ＝ＲＰ＋ＲＰ’＋ＲＴであってもよい。

３．角度制限フィルターの開口幅、高さ
次に、角度制限フィルター１２０の開口幅ｄや高さＲＡを設定する手法について説明する。本実施形態では、以下に述べる手法で設定した開口幅ｄや高さＲＡに対して、上式（１）を満たすオーバーラップ距離ＯＶを設定する。なお以下では、角度制限フィルター１２０の高さＲＡをＲと表し、制限角度θＡをθと表す。

本実施形態では、下式（２）を満たすように角度制限フィルターの開口幅ｄ及び高さＲを設定する。これにより、実測の制限角度を開口幅ｄや高さＲの調整で制御できる角度制御性や、角度制限フィルターの開口に入射する光量と受光素子に到達する光量との比率である光到達率を、向上できる。この点について、図５（Ａ）〜図７（Ｂ）を用いて詳細に説明する。
ｄ^２／（λ×Ｒ）≧２ （２）

まず図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に、比較例として、ｄ^２／（λ×Ｒ）＜２の場合における光到達率特性を示す。図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、波長λ＝０．５μｍ、高さＲ＝５μｍにおいて、入射光の入射角度を変化させた場合における光到達率の測定値である。

図５（Ａ）には、角度制限フィルターが無いときの入射角度０°の光到達率を１とした場合における光到達率特性を示す。図５（Ａ）のＡ１に示すように、角度制限フィルターが無い場合には、入射角度（入射角度の絶対値）が増加するに従って光到達率が緩やかに減衰する。Ａ２に示すように、制限角度θ＝１５°、開口幅ｄ＝１．３４μｍの場合には、光到達率の最大値は０．２３である。Ａ３に示すように、制限角度θ＝２０°、開口幅ｄ＝１．８２μｍの場合には、光到達率の最大値は０．４５である。

このように、比較例の角度制限フィルターでは、光到達率が５０％を切っており、入射光が暗いときにはセンサー感度が不足する可能性がある。

図５（Ｂ）には、図５（Ａ）の光到達率特性を、入射角度０°において１に正規化したものを示す。なお以下では、光到達率が、入射角度０°における光到達率の１／２になる場合の入射角度を制限角度θとして説明するが、本実施形態ではこれに限定されず、光到達率が他の比になる場合の入射角度によりθを定義してもよい。

図５（Ｂ）のＢ１に角度制限フィルターが無い場合の測定値を示し、Ｂ２には、設計上の制限角度がθ＝１５°の場合の測定値を示し、Ｂ３には、設計上の制限角度がθ＝２０°の場合の測定値を示す。ここで、「設計上の制限角度」とは、θ＝ｔａｎ^−１（ｄ／Ｒ）である。Ｂ２、Ｂ３に示すように、実際に測定された制限角度はいずれも２２°程度であり、設計上の制限角度が得られておらず、角度制御性が悪いことがわかる。

図５（Ｃ）は、上記の測定値をまとめたものである。図５（Ｃ）に示すように、θ＝１５°、２０°いずれの場合もｄ^２／（λ×Ｒ）＜２であり、この範囲では角度制御性や光到達率が十分に得られないことがわかる。

次に、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）に、上式（２）のｄ^２／（λ×Ｒ）≧２を満たす場合の光到達率特性を示す。図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は、波長λ＝０．５μｍ、高さＲ＝５μｍにおいて、入射光の入射角度を変化させた場合における光到達率の測定値である。

図６（Ａ）には、角度制限フィルターが無いときの入射角度０°の光到達率を１とした場合における光到達率特性を示す。図６（Ａ）のＣ１に示すように、角度制限フィルターが無い場合の特性は比較例と変わりがない。Ｃ２に示すように、制限角度θ＝２５°、開口幅ｄ＝２．３３μｍの場合には、光到達率の最大値は０．５４である。Ｃ３に示すように、制限角度θ＝３０°、開口幅ｄ＝２．８９μｍの場合には、光到達率の最大値は０．６４である。このように、上式（２）のｄ^２／（λ×Ｒ）≧２を満たすことで、光到達率の最大値（入射角度０°のときの光到達率）が５０％よりも大きくなるため、入射光が暗いときでも十分なセンサー感度を得ることが可能である。

図６（Ｂ）には、図６（Ａ）の光到達率特性を、入射角度０°において１に正規化したものを示す。図６（Ｂ）のＤ１に角度制限フィルターが無い場合の測定値を示し、Ｄ２には、設計上の制限角度がθ＝２５°の場合の測定値を示し、Ｄ３には、設計上の制限角度がθ＝３０°の場合の測定値を示す。設計上の制限角度は、θ＝ｔａｎ^−１（ｄ／Ｒ）である。Ｄ２、Ｄ３に示すように、実際に測定された制限角度（光到達率が０．５になる制限角度）は、それぞれ２４°〜２５°、２８°〜２９°である。これらの制限角度は、設計上の制限角度とほぼ一致しており、所望の角度制御性が得られていることが分かる。

図６（Ｃ）は、上記の測定値をまとめたものである。図６（Ｃ）に示すように、θ＝２５°、３０°いずれの場合も上式（２）のｄ^２／（λ×Ｒ）≧２の条件を満たしており、この範囲では角度制御性や光到達率が十分に得られていることが分かる。このように、角度制御性が向上することで、例えば光学センサーが分光センサーである場合には、所望の波長分解能が実現できる。また比較例に比べて光到達率が大きくなることで、光量が少なくても高感度にセンシング可能になる。

例えば、上述した比較例のθ＝１５°の角度制限フィルターをｄ^２／（λ×Ｒ）≧２の範囲で設計すれば、下式（３）に示すようにｄ＝４．０２μｍ、Ｒ＝１５μｍとすればよい。またθ＝２０°の角度制限フィルターは、下式（４）に示すようにｄ＝３．６４μｍ、Ｒ＝１０μｍとすればよい。
ｄ^２／（λ×Ｒ）＝４．０２^２／（０．５×１５）＝２．１５≧２ （３）
ｄ^２／（λ×Ｒ）＝３．６４^２／（０．５×１０）＝２．６５≧２ （４）
次に、上式（２）の条件と最大光到達率の関係についてより詳細に説明する。図７（Ａ）に、入射角度０°の入射光の光到達率特性を示す。図７（Ａ）のＥ１には、波長λ＝０．５μｍ、高さＲ＝５μｍにおいて、開口幅ｄを変化させた場合の測定値を示す。Ｅ２には、波長λ＝０．９μｍ、高さＲ＝５μｍにおいて、開口幅ｄを変化させた場合の測定値を示す。

Ｅ１に示す特性では、開口幅ｄ＝２．３μｍ近傍において接線の傾きが急激に変化する。以下ではこの点を境界点と呼ぶ。境界点よりも開口幅ｄが小さくなると、光到達率が急速に低下することが分かる。即ち、境界点までのｄ≦２．３μｍの範囲を第１の特性領域Ｒ１とすると、第１の特性領域Ｒ１では一定（ほぼ一定）の第１の傾きで光到達率が上昇する。境界点以降の２．３μｍ≦ｄ≦８μｍの範囲を第２の特性領域Ｒ２とすると、第２の特性領域Ｒ２では第１の傾きよりも小さい一定（ほぼ一定）の第２の傾きで光到達率が変化する。

Ｅ２に示す特性では、境界点はｄ＝３μｍであり、第１の特性領域はｄ≦３μｍであり、第２の特性領域は３μｍ≦ｄ≦８μｍである。Ｅ２に示す特性においても、境界点よりも開口幅ｄが小さくなると、光到達率が低下して０．５を下回ることが分かる。

図７（Ｂ）に示すように、上記の境界点は、ｄ^２／（λ×Ｒ）＝２とした場合のｄの値に一致（ほぼ一致）する。即ち、境界点よりも開口幅ｄが大きくなるように角度制限フィルターを形成することでｄ^２／（λ×Ｒ）≧２の条件を満たし、角度制御性や光到達率を向上できることがわかる。このように、本実施形態では開口幅ｄに対する光到達率特性からも角度制限フィルターのサイズを決定することができる。

なお本実施形態では、境界点であるｄ^２／（λ×Ｒ）＝２の近傍となるように角度制限フィルターを構成することが望ましい。境界点では角度制限フィルターの高さＲを最小限にして光学センサーを小型化できる。即ち、制限角度θ＝ｔａｎ^−１（ｄ／Ｒ）であるためθが決まればアスペクト比ｄ／Ｒは固定される。従って、ｄ^２／（λ×Ｒ）≧２を満たす範囲でｄが最小となる境界点ではＲも最小にすることができる。

以上の実施形態によれば、上式（２）で説明したように、入射光の波長をλとし、角度制限フィルターの高さをＲ（＝ＲＡ）とし、角度制限フィルターの開口の幅をｄとする場合に、ｄ^２／（λ×Ｒ）≧２を満たす。

これにより、入射光の入射制限角度θを高精度に制御することが可能になる。また、光到達率を向上することが可能になる。即ち、図５（Ｃ）に示すｄ^２／λＲ＜２での測定値に比べて、図６（Ｃ）に示すｄ^２／λＲ≧２での測定値では所望の制限角度を実現でき、また光到達率を高くできる。

また本実施形態では、角度制限フィルターの制限角度θ（＝θＡ）はθ＝ｔａｎ^−１（ｄ／Ｒ）＜６０°を満たす。

さて、角度制限フィルターが無い場合に、強度Ｌｉの入射光が入射角度αで受光素子に入射したとする。この場合、受光素子の受光面における光強度ＬｐはＬｐ＝Ｌｉ×ｃｏｓαで表される。

Ｌｐ＝Ｌｉ×ｃｏｓαは、α＝６０°においてＬｐ／Ｌｉ＝１／２であり、制限角度が６０°であることに等しい。即ち、光到達率が１／２となる入射角度を制限角度θと定義する場合には、角度制限フィルターがなくても制限角度θ＝６０°となる。そのため、仮に制限角度θ＞６０°の角度制限フィルターがあったとしても制限角度はθ＝６０°となり、角度制限フィルターの角度制御性は失われてしまう。この点、本実施形態によれば、制限角度がθ＜６０°に設定されるため、角度制限フィルターの角度制御性を発揮させることができる。

４．光学センサー
上述した本実施形態の光学センサーの詳細な構成例について説明する。なお以下では光学センサーが、測定対象物に対して複数の波長帯域で分光測定を行う分光センサーである場合を例に説明するが、後述するように本実施形態はこれに限定されない。

図８に、分光センサーが形成される半導体基板１０に対する平面視図を示す。図８は、半導体基板１０の平面に垂直な方向から見た平面視において、回路２０や角度制限フィルター４１等が形成される表面側から見た平面視図である。後述のように角度制限フィルター４１、４２の上には多層膜フィルターが形成されるが、図８では、簡単のために図示を省略する。

図８に示す分光センサーは、半導体基板１０、回路２０、第１のフォトダイオード３１（広義には、第１の受光素子、第１の受光素子用の不純物領域）、第２のフォトダイオード３２（広義には、第２の受光素子、第２の受光素子用の不純物領域）、第１の角度制限フィルター４１、第２の角度制限フィルター４２を含む。

半導体基板１０は、例えばＰ型やＮ型のシリコン基板（シリコンウエハ）により構成される。この半導体基板１０の上には、回路２０、フォトダイオード３１、３２、角度制限フィルター４１、４２が半導体プロセスにより形成される。

角度制限フィルター４１、４２は、例えば平面視において格子状に形成され、フォトダイオード３１、３２に対する入射光の入射角度を制限する。回路２０は、例えばフォトダイオード３１、３２からの出力信号を処理するアンプ、Ａ／Ｄ変換回路等により構成される。

なお、本実施形態の分光センサーは図８の構成に限定されず、その構成要素の一部（回路２０）を省略したり、他の構成要素を追加したりする等の種々の変形実施が可能である。例えば、フォトダイオードや角度制限フィルターは、上述のように２つであってもよく、１または複数個形成されてもよい。また、角度制限フィルター４１、４２は、上述のように平面視において格子状であってもよく、他の形状であってもよい。

図９に、分光センサーの断面図を示す。図９は、図８に示すＡＡ断面における断面図である。図９に示す分光センサーは、半導体基板１０、フォトダイオード３１、３２、角度制限フィルター４１、４２、傾斜構造体５０（角度構造体）、第１の光バンドパスフィルター６１（第１の多層膜フィルター、第１の誘電体フィルター）、第２の光バンドパスフィルター６２（第２の多層膜フィルター、第２の誘電体フィルター）を含む。

半導体基板１０にフォトダイオード３１、３２が形成される。後述するように、このフォトダイオード３１、３２は、イオン注入等により不純物領域が形成されることで形成される。例えば、フォトダイオード３１、３２は、Ｐ基板上に形成されたＮ型不純物領域と、Ｐ基板との間のＰＮ接合により実現される。あるいは、ディープＮウェル（Ｎ型不純物領域）上に形成されたＰ型不純物領域と、ディープＮウェルとの間のＰＮ接合により実現される。

角度制限フィルター４１、４２は、フォトダイオード３１、３２により検出される波長に対して遮光性のある遮光物質（例えば、光吸収物質または光反射物質）により形成される。具体的には、角度制限フィルター４１、４２は、半導体プロセスの配線形成工程により形成され、例えばタングステン（広義には光吸収物質）プラグ等の導電性プラグにより形成される。また、角度制限フィルター４１、４２は、アルミ（広義には光反射物質）配線層等の導電層を含んで形成されてもよい。

角度制限フィルター４１、４２の底辺の開口幅と高さのアスペクト比は、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長帯域（例えば図１０（Ｂ）で後述するＢＷ１、ＢＷ２）に応じて設定される。角度制限フィルター４１、４２の開口部（中空部）は、フォトダイオード３１、３２により検出される波長に対して透明な物質により形成され、例えば、ＳｉＯ_２（シリコン酸化膜）等の絶縁層により形成（充填）される。

傾斜構造体５０は、角度制限フィルター４１、４２の上に形成され、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長に応じて異なる傾斜角の傾斜面を有する。具体的には、フォトダイオード３１の上には、半導体基板１０の平面に対する傾斜角θ１の傾斜面が複数形成され、フォトダイオード３２の上には、θ１とは異なる傾斜角θ２の傾斜面が複数形成される。後述するように、この傾斜構造体５０は、例えばＳｉＯ_２等の絶縁膜をエッチングまたはＣＭＰ、グレースケールリソグラフィー技術等により加工することで形成される。

光バンドパスフィルター６１、６２は、傾斜構造体５０の上に積層された多層薄膜７０により形成される。光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長帯域は、傾斜構造体５０の傾斜角θ１、θ２と、角度制限フィルター４１、４２の入射光制限角度（アスペクト比）により決まる。光バンドパスフィルター６１、６２は、傾斜角度に応じて透過波長が異なる構成のため、透過波長毎に別個の工程で積層するのではなく、同一の多層膜形成工程により積層される。

なお上記では、光学センサーが分光センサーである場合について説明したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、本実施形態の光学センサーを照度センサーや、仰角センサーに適用してもよい。

ここで、照度センサーとは、自然光や照明光の照度（ルクス、またはルーメン／平方メートル）を測定する光学センサーである。本実施形態では、角度制限フィルターにより入射角度が制限されるため、測定対象以外からの不要な光の入射を制限できる。例えば、自動車の前照灯を進行方向の明るさに応じて自動的に点灯するシステムに本実施形態を適用することが考えられる。例えばトンネル進入時に、不要な光に反応しなくなるため、適切な自動点灯が可能になる。

また、仰角センサーとは、太陽や照明光源の方向と基準面との間の成す角度である仰角を測定する光学センサーである。基準面は、例えば水平面である。本実施形態では、角度制限フィルターにより入射角度が制限されるため、仰角の測定ができる。例えば、太陽光発電システムに本実施形態を適用することが考えられる。この場合、太陽の方向を高精度に測定し、その方向に太陽電池パネルを向けることで高効率な発電が可能になる。

さて従来の光学センサーでは、小型化が困難であるという課題がある。例えば、連続スペクトルを取得する分光センサーでは、連続スペクトルを生成するためのプリズム等を設けたり、光路長を確保する必要があるため、装置が大型化してしまう。そのため、多数のセンサーを設置したり、センサーを検査対象物に常時設置しておくこと等が困難となってしまう。

この点本実施形態によれば、フォトダイオード（受光素子）は、半導体基板１０上に形成された、フォトダイオード用の不純物領域３１、３２（受光素子用の不純物領域）により形成される。

また本実施形態では、角度制限フィルター４１、４２は、フォトダイオード用の不純物領域３１、３２の上に半導体プロセスによって形成された遮光物質によって形成される。

このようにすれば、光学センサーの各構成要素を半導体プロセスにより構成できるため、光学センサーの小型化等が可能になる。即ち、フォトダイオード３１、３２や角度制限フィルター４１、４２を半導体プロセスにより形成することで、容易に微細加工を行い、小型化することができる。また、部材を貼り合わせて構成する場合と比べて、透過波長選択性を向上できる。また、角度制限フィルターとして光ファイバーを用いた場合に比べて、制限角度（開口数）の減少による透過光の減少を抑制し、波長選択性を向上できる。

ここで、半導体プロセスとは、半導体基板にトランジスターや、抵抗素子、キャパシター、絶縁層、配線層等を形成するプロセスである。例えば、半導体プロセスは、不純物導入プロセスや、薄膜形成プロセス、フォトリソグラフィープロセス、エッチングプロセス、平坦化プロセス、熱処理プロセスを含むプロセスである。

また、フォトダイオードの受光領域とは、角度制限フィルター４１、４２を通過した入射光が入射される、フォトダイオード用の不純物領域３１、３２上の領域である。例えば図８において、格子状の角度制限フィルター４１、４２の各開口に対応する領域である。あるいは、図９において、角度制限フィルター４１、４２を形成する遮光物質に囲まれた領域（例えば、領域ＬＲＡ）である。

また、遮光物質とは、光吸収物質または光反射物質である。光吸収物質は例えばタングステンであり、光反射物質は例えばアルミである。

なお、角度制限フィルター４１、４２は、受光領域の外周に沿って閉じている場合に限らず、外周に沿って非連続的な部分があったり、外周に沿って断続的に配置されたりしてもよい。

また本実施形態では、光バンドパスフィルター６１、６２は、半導体基板１０に対して、透過波長に応じた角度θ１、θ２で傾斜する多層薄膜により形成される。より具体的には、光バンドパスフィルター６１、６２は、透過波長が異なる複数組の多層薄膜により形成される。例えば、図９に示すように、傾斜角θ１の複数の多層薄膜が連続して配列されることで１組の多層薄膜が形成される。あるいは、異なる傾斜角θ１、θ２の多層薄膜が隣接して配置され、この傾斜角θ１、θ２の多層薄膜が繰り返し配置され、同じ傾斜角（例えばθ１）の複数の多層薄膜により１組の多層薄膜が形成されてもよい。

このようにすれば、透過波長に応じた角度θ１、θ２で傾斜する多層薄膜により光バンドパスフィルター６１、６２を形成できる。これにより、透過波長に応じた膜厚の多層薄膜を透過波長毎に別個の工程で積層する必要がなくなり、多層薄膜の形成工程を簡素化できる。

また本実施形態では、角度制限フィルター４１、４２の上に設けられた傾斜構造体５０を含む。そして、傾斜構造体５０は、半導体基板１０に対して、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長に応じた角度θ１、θ２で傾斜する傾斜面を有し、多層薄膜がその傾斜面の上に形成される。

このようにすれば、傾斜構造体５０の傾斜面に多層薄膜を形成することで、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長に応じた角度θ１、θ２で傾斜する多層薄膜を形成できる。

５．光バンドパスフィルターの透過波長帯域
上述のように、光バンドパスフィルターの透過波長帯域は、多層薄膜の傾斜角度と角度制限フィルターの制限角度により設定される。この点について、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）を用いて具体的に説明する。なお、説明を簡単にするために、以下では光バンドパスフィルター６１、６２の多層薄膜の膜厚が同じ場合を例に説明するが、本実施形態では、光バンドパスフィルター６１、６２の多層薄膜の膜厚が傾斜角θ１、θ２に応じて異なってもよい。例えば、薄膜のデポジションにおいて、半導体基板に対して垂直な方向に薄膜を成長させた場合、光バンドパスフィルター６１、６２の多層薄膜の膜厚がｃｏｓθ１、ｃｏｓθ２に比例してもよい。

図１０（Ａ）に示すように、光バンドパスフィルター６１、６２の多層薄膜は、厚さｄ１〜ｄ３（ｄ２＜ｄ１、ｄ３＜ｄ１）の薄膜により形成される。厚さｄ１の薄膜の上下に、厚さｄ２、ｄ３の薄膜が交互に複数層積層される。厚さｄ２の薄膜は、厚さｄ１、ｄ３の薄膜とは異なる屈折率の物質により形成される。なお、図１０（Ａ）では、簡単のために、厚さｄ２、ｄ３の薄膜の層数を省略したが、実際には、厚さｄ１の薄膜の上下に数十層〜数百層の薄膜が積層される。また、図１０（Ａ）では、簡単のために厚さｄ１の薄膜を１層としたが、実際には複数層形成される場合が多い。

光バンドパスフィルター６１の多層薄膜は、フォトダイオード３１の受光面に対して傾斜角θ１を有するため、受光面に対して垂直な光線は、光バンドパスフィルター６１の多層薄膜に対してθ１の角度で入射する。そして、角度制限フィルター４１の制限角度をΔθとすると、光バンドパスフィルター６１の多層薄膜に対してθ１−Δθ〜θ１＋Δθで入射する光線がフォトダイオード３１の受光面に到達する。同様に、フォトダイオード３２の受光面には、光バンドパスフィルター６２の多層薄膜に対してθ２−Δθ〜θ２＋Δθで入射する光線が到達する。

図１０（Ｂ）に示すように、光バンドパスフィルター６１の透過波長帯域ＢＷ１は、λ１−Δλ〜λ１＋Δλである。このとき、入射角度θ１の光線に対する透過波長λ１＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓθ１である。ここで、ｎは厚さｄ１の薄膜の屈折率である。また、λ１−Δλ＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓ（θ１＋Δθ）、λ１＋Δλ＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓ（θ１−Δθ）である。入射角度θ１の光線に対する透過波長の半値幅ＨＷ（例えばＨＷ＜ＢＷ１）は、多層膜の積層数により決まる。フォトダイオード３１の受光量は、受光面に垂直となる入射角θ１で最大であり、制限角度でゼロとなるため、入射光全体での受光量は点線でしめす曲線により表されることとなる。光バンドパスフィルター６２の透過波長帯域ＢＷ２も同様に、λ２−Δλ〜λ２＋Δλである。例えばθ２＞θ１の場合、λ２＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓθ２＜λ１＝２×ｎ×ｄ１×ｃｏｓθ１である。

なお、角度制限フィルター４１、４２の制限角度は例えばΔθ≦３０°に設定される。望ましくは、角度制限フィルター４１、４２の制限角度は例えばΔθ≦２０°である。

６．製造方法
図１１を用いて、傾斜構造体を半導体プロセスにより形成する場合の本実施形態の分光センサーの製造方法の例について説明する。なお、より詳細な製造方法については、例えば特開２０１１−２０３２４７に記載されている。

まず図１１のＳ１に示すように、Ｐ型基板上にＮ型拡散層（フォトダイオードの不純物領域）を形成し、Ｐ型基板上にＰ型拡散層を形成する。このＮ型拡散層がフォトダイオードのカソードとなり、Ｐ型拡散層（Ｐ型基板）がアノードとなる。

次にＳ２に示すように、絶縁膜を形成し、絶縁膜にコンタクトホールを形成し、コンタクトホールの埋め込みを行い、第１ＡＬ配線を形成する。次に、上記と同様の工程によりビアコンタクトと第２ＡＬ配線を形成し、この工程を必要回数繰り返す。図１１には、第３ＡＬ配線まで形成した場合の例を図示する。次に、絶縁膜を形成し、ＣＭＰによる絶縁膜の平坦化工程を行う。以上の配線形成工程により、角度制限フィルターを構成するＡＬ配線やタングステンプラグが積層される。

次にＳ３に示すように、デポジションしたＳｉＯ_２の異方性ドライエッチングにより、段差または粗密パターンを有する絶縁膜を形成し、その絶縁膜に対してＣＭＰによる研磨の工程を行い、傾斜構造体の傾斜面を形成する。

次にＳ４に示すように、ＴｉＯ_２（チタン酸化膜）のスパッタリングとＳｉＯ_２のスパッタリングを交互に行い、傾斜面に多層薄膜を形成する。ＴｉＯ_２膜は高屈折率の薄膜であり、ＳｉＯ_２膜は低屈折率の薄膜である。

なお上記では、配線プロセスにより角度制限フィルターを形成する場合を例に説明したが、本実施形態ではこれに限定されず、例えば半導体基板を裏面から掘削することで角度制限フィルターを形成してもよい（例えば特開２０１１−２０５０８８）。また、上記では傾斜構造体を半導体プロセスにより角度制限フィルターと一体に形成する場合を例に説明したが、本実施形態ではこれに限定されず、例えば金型等により傾斜構造体を別体に形成し、その傾斜構造体を角度制限フィルターの上に貼り合わせてもよい（例えば特開２０１１−２０３２４７）。

７．電子機器
図１２に、本実施形態の光学センサーを含む電子機器の構成例を示す。例えば、電子機器として、脈拍計、パルスオキシメーター、血糖値測定器、果実糖度計などが想定される。なお本実施形態は図１２の構成に限定されず、例えばＬＥＤ９５０を省略して仰角測定装置や照度計等に用いてもよい。

図１２に示す電子機器は、光学センサー装置９００、マイクロコンピューター９７０（ＣＰＵ）、記憶装置９８０、表示装置９９０を含む。光学センサー装置９００は、ＬＥＤ９５０（光源）、ＬＥＤドライバー９６０、光学センサー９１０を含む。光学センサー９１０は、例えば１チップのＩＣに集積され、フォトダイオード９２０、検出回路９３０、Ａ／Ｄ変換回路９４０を含む。

ＬＥＤ９５０は、例えば白色光を観察対象に照射する。光学センサー装置９００は、観察対象からの反射光や透過光を分光し、各波長の信号を取得する。マイクロコンピューター９７０は、ＬＥＤドライバー９６０の制御や、光学センサー９１０からの信号の取得を行う。マイクロコンピューター９７０は、取得した信号に基づく表示を表示装置９９０（例えば液晶表示装置）に表示したり、取得した信号に基づくデータを記憶装置９８０（例えばメモリーや、磁気ディスク）に記憶する。

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また光学センサー、電子機器等の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。

１０ 半導体基板、２０ 回路、３１ 第１のフォトダイオード、
３２ 第２のフォトダイオード、４１ 第１の角度制限フィルター、
４２ 第２の角度制限フィルター、５０ 傾斜構造体、
６１ 第１の光バンドパスフィルター、６２ 第２の光バンドパスフィルター、
７０ 多層薄膜、１００ 半導体基板、１１０ 不純物領域、
１２０ 角度制限フィルター、１３０ 保護膜、
１４０ バンドパスフィルター（光学フィルター）、９００ 光学センサー装置、
９１０ 光学センサー、９２０ フォトダイオード、９３０ 検出回路、
９４０ Ａ／Ｄ変換回路、９５０ ＬＥＤ、９６０ ＬＥＤドライバー、
９７０ マイクロコンピューター、９８０ 記憶装置、９９０ 表示装置、
ＢＷ１，ＢＷ２ 透過波長帯域、ｄ 開口幅、ＨＷ 半値幅、
ＬＰＦ ロングパスフィルター、ＯＶ オーバーラップ距離、
Ｒ１ 第１の特性領域、Ｒ２ 第２の特性領域、ＳＰＦ ショートパスフィルター、
θ，θＡ 制限角度、θ１，θ２ 傾斜角、θＴ 角度、λ 波長、
λ１，λ２ 透過波長

Claims (8)

1. 受光素子と、
   前記受光素子の受光領域に入射する入射光のうちの特定波長の光を透過する多層膜フィルターと、
   前記多層膜フィルターを透過した前記入射光の入射角度を制限する角度制限フィルターと、
   を含み、
   前記特定波長をλとし、前記角度制限フィルターの高さをＲＡとし、前記角度制限フィルターの開口の幅をｄとする場合に、
   １０＞ｄ^２／（λ×ＲＡ）≧２
   を満たし、且つ、
   前記角度制限フィルターの制限角度をθＡとし、前記角度制限フィルターの上面から前記多層膜フィルターの上面までの高さをＲＴＰとする場合に、
   前記角度制限フィルターの前記上面に対して垂直な方向からの平面視における、前記多層膜フィルターの端から前記角度制限フィルターの前記多層膜フィルターの端に最も近い開口の端までの距離をＯＶとする場合に、ｔａｎ^−１（ＯＶ／ＲＴＰ）＞θＡを満たすことを特徴とする光学センサー。
2. 請求項１において、
   前記角度制限フィルターの前記開口の幅をｄとし、前記角度制限フィルターの高さをＲＡとする場合に、
   前記制限角度は、θＡ＝ｔａｎ^−１（ｄ／ＲＡ）であることを特徴とする光学センサー。
3. 請求項１又は２において、
   前記角度制限フィルターと前記多層膜フィルターとの間に設けられた保護膜を含み、
   前記保護膜の高さをＲＰとし、前記多層膜フィルターの高さをＲＴとする場合に、
   前記角度制限フィルターの上面から前記多層膜フィルターの上面までの高さは、ＲＴＰ＝ＲＰ＋ＲＴであることを特徴とする光学センサー。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記制限角度は、
   θＡ＝ｔａｎ^−１（ｄ／ＲＡ）＜６０°
   を満たすことを特徴とする光学センサー。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記入射光を分光するための分光センサーであることを特徴とする光学センサー。
6. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記入射光の照度を測定するための照度センサーであることを特徴とする光学センサー。
7. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   光源の仰角を測定するための仰角センサーであることを特徴とする光学センサー。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の光学センサーを含むことを特徴とする電子機器。