JP2012194055A - 光学センサー及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】側壁にすき間領域があっても高精度に入射角度を制限可能な光学センサー及電子機器等を提供すること。
【解決手段】光学センサーは、半導体基板１０上に形成された、フォトダイオード用の不純物領域３０と、フォトダイオードの受光領域に対する入射光の入射角度を制限する角度制限フィルター４０と、を含む。角度制限フィルター４０は、少なくとも、第１の絶縁層に対応する第１のプラグと、第１の絶縁層よりも上層の第２の絶縁層に対応する第２のプラグにより形成される。第１のプラグと第２のプラグの間には、すき間間隔ｂがλ／２以下のすき間領域がある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学センサー及び電子機器等に関する。

種々の分野において光学センサーによる測定が応用されている。例えば、対象物の診断や検査をするために分光センサーが用いられる。分光センサーには、ヘモグロビンの光吸収を利用して血中酸素飽和度を測定するパルスオキシメーターや、糖分の光吸収を使用して果実の糖度を測定する糖度計がある。また、照度を測定するための照度センサー等が用いられている。

特開平６−１２９９０８号公報 特開２００６−３５１８００号公報

このような光学センサーには、角度制限フィルターを用いて入射光の入射角度を制限するものがある（例えば特許文献１）。しかしながら、角度制限フィルターの側壁にすき間領域が生じると、そのすき間領域から入射光が漏れて角度制御性が劣化するという課題がある。例えば角度制限フィルターを半導体プロセスにより形成して小型化を図ることが考えられる。この場合、すき間領域を埋めようとすると工程数が増えて工程が煩雑になる等の課題がある。

本発明の幾つかの態様によれば、側壁にすき間領域があっても高精度に入射角度を制限可能な光学センサー及電子機器等を提供できる。

本発明の一態様は、半導体基板上に形成された、フォトダイオード用の不純物領域と、前記フォトダイオードの受光領域に対する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は、少なくとも、第１の絶縁層に対応する第１のプラグと、前記第１の絶縁層よりも上層の第２の絶縁層に対応する第２のプラグにより形成され、前記入射光の波長をλとする場合に、前記第１のプラグと前記第２のプラグの間には、すき間間隔がλ／２以下のすき間領域がある光学センサーに関係する。

本発明の一態様によれば、角度制限フィルターを形成する第１のプラグと第２のプラグの間には、間隔がλ／２以下のすき間領域が設けられる。そして、このすき間領域が設けられた角度制限フィルターにより、フォトダイオードの受光領域に対する入射光の入射角度が制限される。これにより、角度制限フィルターにすき間領域がある場合であっても、入射光の入射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、前記第１の絶縁層は、第１の金属層と、前記第１の金属層よりも上層の第２の金属層の間に設けられる絶縁層であり、前記第２の絶縁層は、前記第２の金属層と、前記第２の金属層よりも上層の第３の金属層の間に設けられる絶縁層であり、前記第２の金属層は、前記第１の金属層の厚さよりも厚い金属層であってもよい。

第１の金属層よりも第２の金属層が厚いことで第１のプラグと第２のプラグの間にすき間領域が生じる場合がある。本発明の一態様によれば、このような場合であっても、すき間間隔をλ／２以下にすることですき間領域から光りが漏れないため、角度制御の精度劣化を抑止できる。

また本発明の一態様では、前記フォトダイオードの出力信号を処理する回路であって、少なくとも前記第１〜第３の金属層と前記第１のプラグ及び第２のプラグにより配線が形成される処理回路を含み、前記角度制限フィルターを形成する前記第１、第２のプラグは、前記処理回路の配線層形成工程により形成されてもよい。

このようにすれば、角度制限フィルターと処理回路の配線層を同一の配線形成工程により形成できる。これにより、角度制限フィルターの形成プロセスを別に用意する必要が無くなり、工程を簡素化できる。

また本発明の一態様では、前記処理回路は、前記第２のプラグに対応する前記第２の絶縁層に形成されるＭＩＭ（Metal Insulator Metal）構造のキャパシターを有してもよい。

また本発明の一態様では、前記ＭＩＭ構造のキャパシターは、前記第２の金属層を下部電極とし、前記第２の金属層と前記第３の金属層の間に形成される金属層を上部電極としたキャパシターであってもよい。

第１のプラグと第２のプラグの間にすき間領域が生じないように、第２の絶縁膜のエッチング工程においてオーバーエッチングを行うと、ＭＩＭ型キャパシターの上部電極を第２のプラグが貫通してしまう場合がある。本発明の一態様によれば、このような場合であっても、すき間間隔がλ／２のすき間領域を設けることで、上部電極の貫通を抑止できる。

また本発明の一態様では、前記角度制限フィルターを形成する前記第１のプラグ及び第２のプラグは、前記フォトダイオード用の不純物領域の上に半導体プロセスによって形成された遮光物質であってもよい。

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形成できるため、光学センサーを小型化できる。

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Ｒ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／λＲ≧２を満たしてもよい。

このようにすれば、ｄ^２／λＲ≧２を満たすサイズの角度制限フィルターが形成される。これにより、所望の制限角度で入射光の入射角度を制限することや、光到達率を向上することができる。

また本発明の一態様では、前記入射光のうちの特定波長の光を透過する光バンドパスフィルターを含んでもよい。

このようにすれば、入射光のうちの特定波長の光を角度制限フィルター及びフォトダイオードの受光領域に入射させることができる。

また本発明の一態様では、前記光バンドパスフィルターは、前記フォトダイオードの受光面に対して、透過波長に応じた角度で傾斜する多層薄膜により形成されてもよい。

また本発明の一態様では、前記光バンドパスフィルターは、透過波長が異なる複数組の多層薄膜により形成され、前記複数組の多層薄膜は、前記受光面に対する傾斜角度が透過波長に応じて異なり、同時の薄膜形成工程で形成されてもよい。

このようにすれば、光バンドパスフィルターを多層薄膜により形成し、その多層薄膜の傾斜角度により透過波長を設定できる。また、透過波長が異なる複数の多層薄膜を同時に形成できる。

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

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

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

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

本実施形態の光学センサーの構成例。 青色ＬＥＤのスペクトルの例。 通常の半導体プロセスについての説明図。 比較例の半導体プロセスについての説明図。 本実施形態の半導体プロセスについての説明図。 シミュレーション条件についての説明図。 入射角度に対する光到達率のシミュレーション結果。 図８（Ａ）、図８（Ｂ）は、本実施形態についての原理的な説明図。 図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、比較例における光到達率の角度特性例。 図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）は、本実施形態における光到達率の角度特性例。 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１３（Ａ）、図１３（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。 光学センサーの製造方法例。 光学センサーの製造方法例。 光学センサーの製造方法の変形例。 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。なお以下では光学センサーが分光センサーである場合を例にとり説明するが、後述するように本実施形態の光学センサーは分光センサーには限定されない。

１．構成
図１に本実施形態の分光センサーの構成例を示す。なお以下では、簡単のために本実施形態の構成を模式的に図示し、図中の寸法や比率は実際のものとは異なる。

図１には、半導体基板１０の平面に垂直な面における分光センサーの断面図を示す。分光センサーは、半導体基板１０、フォトダイオード３０（広義にはフォトセンサー、フォトダイオード用の不純物領域）、角度制限フィルター４０、光バンドパスフィルター６０（多層膜フィルター、誘電体フィルター）、周辺回路２００を含む。

フォトダイオード３０と角度制限フィルター４０は、後述するように半導体プロセスにより半導体基板１０の上に形成される。ここで、半導体基板１０の上とは、半導体基板１０の平面に垂直な方向のうち、角度制限フィルター４０等が形成される側の方向を表す。

角度制限フィルター４０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３０に対する入射光の入射角度を制限する。具体的には、角度制限フィルター４０は、フォトダイオード３０により検出される波長に対して遮光性のある物質（例えばタングステンプラグ）により形成され、入射角度が制限角度θ［°］より大きい光がフォトダイオード３０に入射しないように遮光する。

角度制限フィルター４０の側壁には、下式（１）を満たすすき間間隔ｂ［ｎｍ］のすき間領域が開いている。λ［ｎｍ］は、角度制限フィルター４０に入射する入射光の波長である。このすき間領域は、後述するように半導体プロセスの配線形成工程で生じるものであり、プラグ形成のエッチング工程等を制御することで下式（１）が実現される。なお以下では、すき間領域をすき間と適宜省略する。またすき間間隔を間隔と適宜省略する。

ｂ≦λ／２ （１）
角度制限フィルター４０への入射光は、例えば青色ＬＥＤ３００（広義には光源）の光を測定対象物に照射し、その測定対象物により反射又は散乱された光である。図２に、青色ＬＥＤ３００のスペクトル（波長特性）例を示す。図２のＦ１にはプロセスバラツキのミニマムケース、Ｆ２にはティピカルケース、Ｆ３にはマックスケースを示す。図２に示すように、角度制限フィルター４０に入射する可能性のある最短波長はλｍｉｎ＝４１０ｎｍである。この場合、すき間の間隔は下式（２）に設定される。

ｂ≦λｍｉｎ／２＝２０５ｎｍ （２）
光バンドパスフィルター６０は、角度制限フィルター４０の上に積層された多層薄膜により形成される。後述するように、角度制限フィルター４０により入射角度が制限されることで光バンドパスフィルター６０の透過波長帯域が制限され、所望の波長分解能の分光特性を得ることができる。

周辺回路２００は、半導体基板１０上に形成される回路であり、例えばフォトダイオード３０により検出された信号の処理を行う。周辺回路２００は、トランジスター２１０や配線２３０、配線２３０に含まれる金属層の間に形成されたＭＩＭ（Metal Insulator Metal）型キャパシター２２０を含む。配線２３０とＭＩＭ型キャパシター２２０を形成する工程により角度制限フィルター４０が形成される。

以上の実施形態によれば、半導体プロセスにより角度制限フィルター４０を形成することで光学センサーを小型化できる。しかしながら、半導体プロセスにおいて角度制限フィルター４０の側壁にすき間が生じないようにすると、工程が煩雑になるという課題がある。この点本実施形態によれば、間隔ｂ≦λ／２のすき間を許容することで工程を簡素化でき、すき間から光が漏れることがない。

２．工程の簡素化
この工程の簡素化について比較例を用いて詳細に説明する。間隔ｂ≦λ／２の条件で漏光が無いことについては後述する。

まず図３を用いて通常の半導体プロセスについて説明する。図３に示すように、半導体基板１０の上にトランジスター２１０、絶縁層ＳＬＺ（酸化膜）、タングステンプラグＨＬＺ（導電性プラグ）、アルミ層ＡＬＡ〜ＡＬＥ（金属層）、絶縁層ＳＬＡ〜ＳＬＤ（酸化膜）、タングステンプラグＨＬＡ〜ＨＬＤ（導電性プラグ）が形成される。

絶縁層ＳＬＺは、アルミ層ＡＬＡとトランジスター２１０の間を絶縁する。プラグＨＬＺは、アルミ層ＡＬＡとトランジスター２１０の拡散層との間を接続する。絶縁層ＳＬＡ〜ＳＬＤは、アルミ層ＡＬＡ〜ＡＬＥの各層の間を絶縁する。プラグＨＬＡ〜ＨＬＤは、アルミ層ＡＬＡ〜ＡＬＥの各層の間を接続する。

最上層のアルミ層ＡＬＥと、その１つ下層のアルミ層ＡＬＤの間には、ＭＩＭ型キャパシターの上部電極２２１が形成される。ＭＩＭ型キャパシターの下部電極２２２は、アルミ層ＡＬＤにより形成される。上部電極２２１はＭＩＭ用金属層により形成され、上部電極２２１と下部電極２２２の間にはＳｉＯ_２等の絶縁膜（誘電体）が形成される。上部電極２２１は、プラグＨＬＤによりアルミ層ＡＬＥに接続される。

図４に本実施形態の比較例を示す。この比較例では、プラグＨＬＤをオーバーエッチングしてプラグＨＬＣに接続する。なお図４では角度制限フィルター４０の側壁の１つのみを示すが、他の側壁も同様である。

図４に示すように、角度制限フィルター４０の側壁はプラグＨＬＡ〜ＨＬＤにより形成される。プラグＨＬＡ〜ＨＬＤを埋め込むためのホールは、絶縁層ＳＬＡ〜ＳＬＤをエッチングすることで形成される。通常はアルミ層ＡＬＡ〜ＡＬＥがストッパーとなってエッチングが止まるが、角度制限フィルター４０ではアルミ層ＡＬＡ〜ＡＬＥが無いため通常よりも３０００〜４０００Å深くエッチングされる。アルミ層ＡＬＡ〜ＡＬＣの厚さは３０００〜４０００Åであるため、プラグＨＬＢ、ＨＬＣは下層のプラグまで達する。

一方、アルミ層ＡＬＤの厚さは５０００〜６０００Åであるため、プラグＨＬＤのホールは下層のプラグに達するまでエッチングされない。そのため、プラグＨＬＤとプラグＨＬＣの間には１８００〜２２００Åのすき間が開いてしまう。このすき間を埋めるためには、さらに１８００〜２２００Åのオーバーエッチングが必要である。しかしながら、オーバーエッチングによりプラグＨＬＤがＭＩＭ型キャパシターの上部電極２２１を貫通してしまい、ショート等の故障を生じてしまう。このようなオーバーエッチングによる貫通を避けるためには、角度制限フィルター４０と周辺回路２００でプラグＨＬＤのマスクを別個に用意し、別々の工程でエッチングを行う必要がある。

このように、角度制限フィルター４０の側壁をタングステンプラグで形成し、プラグ間のすき間を無くそうとすると、工程数が増えてプロセスが煩雑になるという課題がある。

この点本実施形態によれば、入射光が漏れない間隔ｂ≦λ／２のすき間を、プラグＨＬＤとプラグＨＬＣの間に設けることで、工程を簡素化できる。即ち、角度制限フィルター４０と周辺回路２００でプラグＨＬＤのマスクを別個に用意する必要がなくなり、通常の配線形成工程により角度制限フィルター４０の側壁を形成できる。

図５を用いて、このような本実施形態の半導体プロセスについて詳細に説明する。なお以下では、図２で上述したｂ≦λｍｉｎ／２＝２０５ｎｍ（２０５０Å）の場合を例にとり説明する。

図５に示すように、角度制限フィルター４０の側壁はプラグＨＬＡ〜ＨＬＤにより形成される。プラグＨＬＢ、ＨＬＣは、図４で上述した工程と同様にして下層のプラグに接続される。一方、プラグＨＬＤのホールを形成するエッチング工程は、図４で上述した３０００〜４０００Åのエッチングと１５０Åの追加エッチングにより行われる。３０００〜４０００ÅのエッチングによりプラグＨＬＤの下端からプラグＨＬＣの上端までの間隔は１８００〜２２００Åとなる。そして、１５０Åの追加エッチングにより、間隔は２０５０Åより小さくなり、間隔ｂ≦２０５０Åを満たすことができる。ＭＩＭ型キャパシターの上部電極２２１は、１５０Åの追加エッチングに対して十分な厚さがあるため、プラグＨＬＤが貫通することはない。

なお、３０００〜４０００Åのエッチングと１５０Åの追加エッチングは、３１５０〜４１５０Åの１回のエッチングにより実現されてもよいし、別々のエッチングにより実現されてもよい。また、１５０Åの追加エッチングは必ず実行される必要はなく、例えば３０００〜４０００Åのエッチング後にホール下端からプラグＨＬＣまでの膜厚を測定し、測定された膜厚が２０５０Å以上である場合にのみ追加エッチングを行ってもよい。

以上の実施形態によれば、図１に示すように、光学センサーはフォトダイオード用の不純物領域３０と角度制限フィルター４０を含む。フォトダイオード用の不純物領域３０は半導体基板１０上に形成される。角度制限フィルター４０は、フォトダイオードの受光領域に対する入射光の入射角度を制限する。図５に示すように、角度制限フィルター４０は、少なくとも、第１の絶縁層（ＳＬＣ）に対応する第１のプラグ（ＨＬＣ）と、第２の絶縁層（ＳＬＤ）に対応する第２のプラグ（ＨＬＤ）により形成される。入射光の波長をλとする場合に、第１のプラグ（ＨＬＣ）と第２のプラグ（ＨＬＤ）の間にはすき間間隔ｂがλ／２以下のすき間領域がある。

このようにすれば、側壁にすき間領域があっても高精度に入射角度を制限することが可能になる。また、すき間領域を設けることで角度制限フィルターの形成工程を簡素化できる。即ち、図４で上述のようにプラグＨＬＤを下層のプラグＨＬＣに接続するためには、角度制限フィルター４０と周辺回路２００でＨＬＤのマスクを分ける必要がある。この点本実施形態によれば、図５で上述のようにマスクを分ける必要が無く通常の配線形成工程により角度制限フィルター４０を形成できる。また、図７等で後述するようにｂ≦λ／２ではすき間領域を光が通過しないため、ｂ＝０の場合と同じ角度制限を実現できる。

ここで、すき間領域とは、角度制限フィルターの開口と、その開口に隣接する他の開口とを遮光する側壁を貫通する領域（遮光物質が存在しない部分）である。すき間領域は、側壁の外周に沿って一周する連続したものであってもよいし、断続的に開いた穴であってもよい。また、すき間領域は、側壁に空いた１又は複数の穴であってもよい。

また、すき間間隔ｂとは、すき間領域の一方の壁から他方の壁までの距離である。例えば、プラグＨＬＤとプラグＨＬＣの間のすき間領域は、側壁の外周に沿って一周する連続したすき間領域であり、半導体基板１０に平行である。この場合、すき間領域の上壁であるプラグＨＬＤの下端から、すき間領域の下壁であるプラグＨＬＣまでの距離が、すき間間隔ｂである。また、例えばすき間領域が長方形の穴である場合、長方形の長辺間の距離がすき間間隔ｂである。

また本実施形態では、第１の絶縁層（ＳＬＣ）は、第１の金属層（ＡＬＣ）と、第１の金属層（ＡＬＣ）よりも上層の第２の金属層（ＡＬＤ）の間に設けられる絶縁層である。第２の絶縁層（ＳＬＤ）は、第２の金属層（ＡＬＤ）と、第２の金属層（ＡＬＤ）よりも上層の第３の金属層（ＡＬＥ）の間に設けられる絶縁層である。第２の金属層（ＡＬＤ）は、第１の金属層（ＡＬＣ）の厚さ（例えば３０００〜４０００Å）よりも厚い（５０００〜６０００Å）金属層である。即ち、半導体プロセスにより積層される金属の層の厚さが、第１の金属層よりも第２の金属層の方が厚い。

図４で上述のように、アルミ層ＡＬＣよりもアルミ層ＡＬＤが厚いことでプラグＨＬＤとプラグＨＬＣの間にすき間領域が生じる。本実施形態によれば、このすき間領域をｂ≦λ／２にコントロールすることで漏光を抑止して所望の制限角度を得ることができる。

また本実施形態の光学センサーは、図１に示すように、フォトダイオード３０の出力信号を処理する処理回路（周辺回路２００）を含む。図５に示すように、処理回路は、少なくとも第１〜第３の金属層（ＡＬＣ〜ＡＬＥ）と第１、第２のプラグ（ＨＬＣ、ＨＬＤ）により配線が形成される。そして角度制限フィルター４０を形成する第１のプラグ（ＨＬＣ）及び第２のプラグ（ＨＬＤ）は、処理回路の配線層形成工程により形成される。例えば、角度制限フィルター４０は、ＳｉＯ_２デポジションによる絶縁膜形成、タングステンデポジションによるプラグ形成等により形成される。

このようにすれば、角度制限フィルター４０と処理回路の配線層を同じ（同時の）配線形成工程により形成できる。これにより、角度制限フィルター４０の形成プロセスを別に用意する必要が無くなり、工程を簡素化できる。また、処理回路をフォトダイオード３０や角度制限フィルター４０と同じチップ上に集積できるため、光学センサーの小型化が可能である。

また本実施形態では、図１に示すように、処理回路はＭＩＭ型キャパシター２２０を有する。図５に示すように、ＭＩＭ型キャパシターは、第２のプラグ（ＨＬＤ）に対応する第２の絶縁層（ＳＬＤ）に形成される。具体的には、ＭＩＭ構造のキャパシターは、第２の金属層（ＡＬＤ）を下部電極とし、第２の金属層（ＡＬＤ）と第３の金属層（ＡＬＥ）の間に形成される金属層を上部電極２２１としたキャパシターである。

図５で上述のように、プラグＨＬＤとプラグＨＬＣの間に生じるすき間領域をエッチングにより埋めようとすると、ＭＩＭ型キャパシターの上部電極２２１をプラグＨＬＤが貫通してしまう。本実施形態によれば、すき間領域をｂ≦λ／２にコントロールすることで、この貫通の問題点を解消できる。

ここで、処理回路は、トランジスター、キャパシター、抵抗などの回路素子により形成され、そのキャパシターがＭＩＭ構造のキャパシターにより形成される。例えば、処理回路は演算増幅器を含み、その演算増幅器の位相補償用キャパシターがＭＩＭ構造のキャパシターにより形成される。

以上では、本実施形態の光学センサーが分光センサーである場合について説明したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、光バンドパスフィルター６０を省略し、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。

３．すき間間隔と制限角度の関係
上述のように、すき間間隔がｂ≦λ／２を満たす場合には角度制限フィルターの側壁から漏光しないため、すき間領域が無い場合と同様の制限角度を得ることができる。この点について、図６〜図８を用いて説明する。

まず、間隔ｂを変えたときの制限角度のシミュレーション結果について説明する。図６にはシミュレーション条件を示す。図６に示すように、角度制限フィルターの開口幅をｄ＝１．４μｍとし、高さをＲ＝５μｍとし、側壁の厚さを０．２μｍとする。この場合、制限角度はθ＝ｔａｎ^−１（ｄ／Ｒ）＝１５．６°である。角度制限フィルターの開口はＳｉＯ_２酸化膜で充填されているとする。側壁のすき間の間隔をｂとし、光源からの入射光の入射角度をαとする。光源からの入射光の波長はλ＝５００ｎｍである。

図７に、入射角度αに対する光到達率の特性を上記の条件によりシミュレーションした結果を示す。光到達率とは、角度制限フィルターの開口に入射する光量と、フォトダイオードに到達する光量との比率である。なお以下では制限角度θを、光到達率が、入射角度α＝０°における光到達率の１／２になるときの入射角度αとする。なお本実施形態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７のＧ１に示すように、すき間の間隔ｂ＝０ｎｍの場合には制限角度θ＝１５°となる。Ｇ２に示すように、間隔ｂ＝２５０ｎｍの場合には、ｂ＝０ｎｍと同じ制限角度θ＝１５°となる。このようにｂ≦λ／２＝２５０ｎｍを満たす間隔ｂでは、すき間の影響が無く、所望の制限角度１５．６°に近い制限角度を得られることが分かる。一方、Ｇ３に示すように、ｂ＝５００ｎｍでｂ＞λ／２の場合には、制限角度θ＝２０°となり、すき間から漏光して所望の制限角度が得られないことが分かる。

次に、ｂ≦λ／２の条件式について原理的に説明する。図８（Ａ）に示すように、角度制限フィルターの側壁に開いた間隔ｂの狭い空間を光が伝搬する場合、光は空間の壁面に反射されながら伝搬する。空間の入り口から右斜め上に進む光Ｅ^＋は下式（３）で表される。空間の入り口から右斜め下に進む光Ｅ⁻は下式（４）で表される。

Ｅ^＋＝ｓｉｎ（ｋｘｃｏｓβ＋ｋｘｓｉｎβ−ωｔ） （３）
Ｅ⁻＝ｓｉｎ（−ｋｘｃｏｓβ＋ｋｘｓｉｎβ−ωｔ） （４）
ここで、βは、壁面に垂直な方向と光の進行方向との成す角度である。ｋ＝２π／λは光の波数である。ｘ軸は、壁面に垂直な方向に沿った座標軸であり、Ｚ軸は、ｘ軸に垂直で壁面に平行な方向に沿った座標軸である。ωは光の各周波数である。ｔは時間である。

空間内での光Ｅは、下式（５）に示すように、Ｅ^＋とＥ⁻の足し合わせで表される。

Ｅ＝Ｅ^＋−Ｅ⁻
＝２ｓｉｎ（ｋｘｃｏｓβ）ｃｏｓ（ｋｘｓｉｎβ−ωｔ） （５）
導体の壁面では境界条件Ｅ＝０を満たす必要がある。壁面をｘ＝０、ｂとすると、ｘ＝０ではＥ＝０となり境界条件を満たす。ｘ＝ｂでは、ｓｉｎ（ｋｘｃｏｓβ）＝０の場合に境界条件を満たすため、下式（６）の角度βのみが許される。ここでｎは自然数である。

ｋｄｃｏｓβ＝（２πｂ／λ）ｃｏｓβ＝ｎπ （６）
ｂ＝λ／２とすると下式（７）となり、β＝０°のみが許される。図８（Ｂ）に示すようにβ＝０°では光が空間内を伝搬できないため、ｂ≦λ／２では側壁のすき間から漏光しない。

（２πｂ／λ）ｃｏｓβ＝（２π（λ／２）／λ）ｃｏｓβ
＝πｃｏｓβ
＝ｎπ （７）
以上の実施形態によれば、すき間の間隔ｂ≦λ／２では所望の制限角度が得られる。そして上述のように、このようなすき間を設けることでプロセスの簡素化を実現できる。

４．開口サイズ
さて本実施形態では、角度制限フィルターの開口幅と高さを適切に設定することで、角度制御性や光到達率を高めることができる。この点について詳細に説明する。

図１に示すように、角度制限フィルター４０の開口幅をｄ［μｍ］とし、高さをＲ［μｍ］とする。角度制限フィルター４０に対する入射光の波長をλ［μｍ］とする。この場合、下式（８）に示す条件を満たすように角度制限フィルター４０が形成される。

ｄ^２／（λ×Ｒ）≧２ （８）
また、制限角度θが下式（９）に示す条件を満たすように角度制限フィルター４０が形成される。これは、角度制限フィルター４０が無い場合であっても、入射光の入射角度が６０°になるとフォトダイオード３０に到達する光量が入射光量に対して１／２になるためである。即ち、到達光量が１／２になる入射角度を制限角度とする場合、角度制限フィルター４０の角度制限を有効にするためにはθ＜６０°が必要である。

６０°＞θ＝ｔａｎ^−１（ｄ／Ｒ） （９）
次に、上式（８）について、ｄ^２／（λ×Ｒ）＜２の角度制限フィルターを比較例として説明する。図９（Ａ）〜図９（Ｃ）に比較例の角度特性の測定値を示す。図９（Ａ）〜図９（Ｃ）には、波長λ＝０．５μｍ、高さＲ＝５μｍにおける測定値を示す。

図９（Ａ）には、角度制限フィルターが無い場合における入射角度０°の光到達率を１とした光到達率特性を示す。光到達率とは、角度制限フィルターの開口に入射する光量と、フォトダイオードに到達する光量との比率である。

図９（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９（Ｂ）には、図９（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２（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θ＝１５°の場合の測定値を示し、Ｂ３にはθ＝２０°の場合の測定値を示す。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、所望の角度制御性が得られていない。

図９（Ｃ）は、上記の測定値をまとめたものである。図２（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。

この点本実施形態によれば、上式（８）に示すようにｄ^２／（λ×Ｒ）≧２を満たすように角度制限フィルターを形成することで、角度制御性や光到達率を向上できる。図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）を用いて詳細に説明する。図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）には、波長λ＝０．５μｍ、高さＲ＝５μｍにおける測定値を示す。

図１０（Ａ）には、角度制限フィルターが無い場合における入射角度０°の光到達率を１とした光到達率特性を示す。図１０（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、本実施形態では光到達率が５０％よりも大きい。

図１０（Ｂ）には、図１０（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１０（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θ＝２５°の場合の測定値を示し、Ｄ３にはθ＝３０°の場合の測定値を示す。Ｄ２、Ｄ３に示すように、実際に測定された制限角度はそれぞれ２４°〜２５°、２８°〜２９°であり、所望の角度制御性が得られている。

図１０（Ｃ）は、上記の測定値をまとめたものである。図１０（Ｃ）に示すように、θ＝２５°、３０°いずれの場合も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、例えば分光センサーで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（１０）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（１１）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 （１０）
ｄ^２／（λ×Ｒ）＝３．６４^２／（０．５×１０）＝２．６５≧２ （１１）
以上の実施形態によれば、角度制限フィルターの高さをＲ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／λＲ≧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や、光到達率を向上することが可能になる。即ち、図９（Ｃ）に示すｄ^２／λＲ＜２での測定値に比べて、図１０（Ｃ）に示すｄ^２／λＲ≧２での測定値では所望の制限角度が実現され、光到達率が高くなっている。

ここで、制限角度θとは、角度制限フィルター４０に対して入射光が入射角度０°で入射する場合に受光面に到達する光量と、角度制限フィルター４０に対して入射光が入射角度θで入射する場合に受光面に到達する光量との比が、所定の減衰率となる場合の角度θである。例えば所定の減衰率は１／２である。

また、角度制限フィルター４０の高さＲとは、半導体基板１０の平面に垂直な方向における高さであり、例えば角度制限フィルター４０を形成する遮光物質の下端から上端までの高さである。

また、角度制限フィルター４０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４０に対し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、開口の開口幅ｄとは、制限角度θ（開口幅ｄと高さＲのアスペクト比）を規定する長さであり、例えば正方形の開口の場合にはその正方形の一辺の長さである。あるいは、長方形の開口の場合にはその長方形の最長辺の長さであり、円の開口の場合にはその円の直径であり、楕円の開口の場合にはその楕円の長径である。

５．分光センサー
上述した本実施形態の分光センサーの詳細な構成例について説明する。

図９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９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１１では、簡単のために図示を省略する。

図１１に示す分光センサーは、半導体基板１０、回路２０、第１のフォトダイオード３１（広義には、第１のフォトセンサー、第１のフォトダイオード用の不純物領域）、第２のフォトダイオード３２（広義には、第２のフォトセンサー、第２のフォトダイオード用の不純物領域）、第１の角度制限フィルター４１、第２の角度制限フィルター４２を含む。

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１１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１２に、分光センサーの断面図を示す。図１２は、図１１に示すＡＡ断面における断面図である。図１２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１３（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度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とは異なる傾斜角度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の傾斜角度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。

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。

この点本実施形態の光学センサーは、フォトダイオード用の不純物領域３１、３２と、角度制限フィルター４０を含む。フォトダイオード用の不純物領域３１、３２は、半導体基板１０上に形成される。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１１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１２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、後述する図１４に示すように、角度制限フィルター４１、４２は、半導体基板１０の上に積層された絶縁膜に空けられたコンタクトホールの導電性プラグにより形成される。即ち、アルミ配線等の金属配線層を用いず、ＳｉＯ_２等の絶縁膜に形成されたタングステンプラグ等の導電性プラグのみにより形成される。

このようにすれば、角度制限フィルター４１、４２を導電性プラグにより形成することができる。具体的には、光吸収物質であるタングステンプラグにより形成できるため、遮光性を向上できる。

ここで、コンタクトホールとは、配線層と半導体基板を導通するコンタクトのために空けられるコンタクトホール、または配線層と配線層を導通するビアコンタクトのために空けられるコンタクトホールである。

なお、角度制限フィルター４１、４２は、光反射物質のアルミ配線層や、光吸収物質のタングステンコンタクトに限らず、光吸収物質から成る配線層や、光反射物質から成るコンタクトにより形成されてもよい。ただし、光吸収物質から成る程遮光性は高まる。

また、角度制限フィルター４１、４２は、光吸収物質である窒化チタン（ＴｉＮ）等の膜付きのアルミ配線層や、タングステンコンタクトにより形成されてもよい。アルミ配線層が光吸収に変わり、タングステンより窒化チタン（ＴｉＮ）の方が光吸収性が高いためコンタクトの光吸収性も上がる。これにより遮光性をより高めることができる。

また本実施形態では、角度制限フィルター４１、４２は、半導体プロセスにより形成される導電層または導電性プラグにより形成され、フォトダイオード３１、３２用の不純物領域からの信号を取得する電極であってもよい。例えば、フォトダイオード３１、３２用の不純物領域がＰ型不純物領域である場合、そのＰ型不純物領域に導通する角度制限フィルター４１、４２が、フォトダイオード３１、３２のアノード電極を兼ねてもよい。

このようにすれば、導電層または導電性プラグにより形成される角度制限フィルター４１、４２を、フォトダイオード３１、３２の電極として用いることができる。これにより、角度制限フィルター４１、４２以外に電極を設ける必要が無くなり、電極による入射光量の低下を避けることができる。

また本実施形態の光学センサーは、入射光のうちの特定波長の光を透過する光バンドパスフィルター６１、６２を含む。例えば本実施形態では、半導体基板１０、角度制限フィルター４１、４２、光バンドパスフィルター６１、６２の順に半導体プロセスにより順次積層される。

このようにすれば、入射光のうちの特定波長の光を角度制限フィルター４１、４２やフォトダイオード３１、３２用の不純物領域に入射できる。図１３（Ａ）等で後述のように、光バンドパスフィルター６１、６２の透過波長は入射角度によって変化するが、角度制限フィルター４１、４２により透過波長帯域を制限することができる。

また本実施形態では、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。そして、その複数組の多層薄膜は、半導体基板１０に対する傾斜角度θ１、θ２が透過波長に応じて異なり、同時の薄膜形成工程で形成される。例えば、図１２に示すように、傾斜角度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、異なる傾斜角度θ１〜θ３の多層薄膜が隣接して配置され、この傾斜角度θ１〜θ３の多層薄膜が繰り返し配置される場合に、同じ傾斜角の複数の多層薄膜により１組の多層薄膜が形成されてもよい。

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

ここで、同時の薄膜形成工程とは、第１組の多層薄膜を形成した後に第２組の多層薄膜を形成するといった同一工程を順次繰り返す工程ではなく、複数組の多層薄膜を同じ（１回の）薄膜形成工程で形成することをいう。

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

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

また本実施形態では、傾斜構造体５０は、角度制限フィルター４１、４２の上に半導体プロセスにより形成される。例えば図１５等で後述するように、傾斜構造体５０は、半導体プロセスにより積層された透明膜（絶縁膜）に段差または粗密パターンが形成され、その段差または粗密パターンに対して研磨（例えばＣＭＰ）及びエッチングの少なくとも一方が行われることで形成される。

このようにすれば、傾斜構造体を半導体プロセスにより形成できる。これにより、傾斜構造体の形成工程を簡素化できる。また、傾斜構造体を別部材で構成する場合と比べてコストを削減できる。また、別部材の傾斜構造体との接着面での光量減少を避けることができる。

ここで、絶縁膜の段差とは、例えば、半導体基板の断面における半導体基板表面からの絶縁膜表面の高低差である。また、絶縁膜の粗密パターンとは、例えば、半導体基板の断面における半導体基板表面からの絶縁膜表面の高低のパターンであり、高い部分と低い部分の比率により絶縁膜の粗密が形成される。

なお、傾斜構造体５０は、段差または粗密パターンの研磨またはエッチングによる形成に限らず、グレースケールリソグラフィー技術により形成されてもよい。グレースケールリソグラフィー技術では、濃淡を持ったグレースケールマスクを用いてレジストを露光、露光レジストを使ってエッチングし傾斜構造体を形成する。

６．光バンドパスフィルターの透過波長帯域
上述のように、光バンドパスフィルターの透過波長帯域は、多層薄膜の傾斜角度と角度制限フィルターの制限角度により設定される。この点について、図１３（Ａ）、図１３（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度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１３（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１３（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１３（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度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１３（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。

上記実施形態によれば、角度制限フィルター４１、４２は、入射光の入射角度をθ１−Δθ〜θ１＋Δθ、θ２−Δθ〜θ２＋Δθに制限して、透過波長の変化範囲をλ１−Δλ〜λ１＋Δλ、λ２−Δλ〜λ２＋Δλに制限する。光バンドパスフィルターは、角度制限フィルター４１、４２により制限された透過波長の変化範囲λ１−Δλ〜λ１＋Δλ、λ２−Δλ〜λ２＋Δλにより、透過する特定波長の帯域ＢＷ１、ＢＷ２が設定される。

このようにすれば、角度制限フィルター４１、４２により光バンドパスフィルターの透過波長帯域ＢＷ１、ＢＷ２を制限し、測定対象の波長帯域の光だけをセンシングすることができる。例えば、角度制限フィルター４１、４２の制限角度はΔθ≦３０°に設定される。望ましくは、角度制限フィルター４１、４２の制限角度はΔθ≦２０°である。

７．製造方法
図１４〜図１６を用いて、傾斜構造体を半導体プロセスにより形成する場合の本実施形態の分光センサーの製造方法の例について説明する。

まず図１４のＳ１に示すように、フォトリソグラフィー、イオン注入、フォトレジスト剥離の工程により、Ｐ型基板上にＮ型拡散層（フォトダイオードの不純物領域）を形成する。Ｓ２に示すように、フォトリソグラフィー、イオン注入、フォトレジスト剥離、熱処理の工程により、Ｐ型基板上に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Ｓ３に示すように、ＳｉＯ_２のデポジション、ＣＭＰによる平坦化の工程により、絶縁膜を形成する。Ｓ４に示すように、フォトリソグラフィー、ＳｉＯ_２の異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、コンタクトホールを形成する。Ｓ５に示すように、ＴｉＮのスパッタリング、Ｗ（タングステン）のデポジション、Ｗのエッチバックの工程により、コンタクトホールの埋め込みを行う。Ｓ６に示すように、ＡＬ（アルミ）のスパッタリング、ＴｉＮのスパッタリング、フォトリソグラフィー、ＡＬとＴｉＮの異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、第１ＡＬ配線を形成する。

次にＳ７に示すように、上記Ｓ３〜Ｓ６と同様の工程によりビアコンタクトと第２ＡＬ配線を形成する。Ｓ７の工程を必要回数繰り返す。図１４には、第３ＡＬ配線まで形成した場合を図示する。最上層の第３ＡＬ配線と下層の第２ＡＬ配線を接続するビアコンタクトの形成工程では、ＳｉＯ_２の異方性ドライエッチング工程において、コンタクトホールの下端から下層のビアコンタクト上端までの間隔をｂ≦λ／２に調整するためのエッチングを行う。次にＳ８に示すように、ＳｉＯ_２のデポジションを行い、絶縁膜を形成する。Ｓ８’に示すように、ＣＭＰによる平坦化の工程を行う。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。

次に図１５のＳ９に示すように、ＳｉＯ_２のデポジション、フォトリソグラフィー、Ｓ
ｉＯ_２の異方性ドライエッチング、フォトレジスト剥離の工程により、絶縁膜の段差（Ｓ９’）または粗密パターン（Ｓ９”）を形成する。

次に図１６のＳ１０に示すように、ＣＭＰによる研磨の工程により、傾斜構造体の傾斜面を形成する。このとき、傾斜構造体の傾斜面は、絶縁膜の段差や粗密パターンの形状に応じた傾斜角度に加工される。

次にＳ１１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。

８．製造方法の変形例
図１７を用いて、傾斜構造体を別部材で形成する第１の変形例の製造方法の例について説明する。

まず図１７のＳ１０１に示すように、加熱して溶融した低融点ガラスを金型に注入し、傾斜面のついた金型で低融点ガラスをプレス成形することで傾斜構造体を形成する。

次にＳ１０２に示すように、ＴｉＯ_２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、低融点ガラスの傾斜構造体に多層薄膜を形成する。

次にＳ１０３に示すように、多層薄膜が形成された傾斜構造体を、角度制限フィルターの絶縁層に接着剤（分光対象波長に対して透明な接着剤）で接着する。なお、フォトダイオードや角度制限フィルターは、図１４で上述したＳ１〜Ｓ８の工程により形成される。

９．電子機器
図１８に、本実施形態の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１８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１８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、３０，３１，３２ フォトダイオード、
４０，４１，４２ 角度制限フィルター、５０ 傾斜構造体、
６０，６１，６２ 光バンドパスフィルター、７０ 多層薄膜、
２００ 周辺回路、２１０ トランジスター、２２０ ＭＩＭ型キャパシター、
２２１ 上部電極、２２２ 下部電極、２３０ 配線、３００ 青色ＬＥＤ、
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、
ＡＬＡ〜ＡＬＥ，ＡＬＺ アルミ層、ＢＷ１，ＢＷ２ 透過波長帯域、
ＨＬＡ〜ＨＬＤ，ＨＬＺ タングステンプラグ、ＨＷ 半値幅、
ＳＬＡ〜ＳＬＤ，ＳＬＺ 絶縁層、ｂ 間隔、ｄ 開口幅、α 入射角度、
θ，Δθ 制限角度、θ１，θ２ 傾斜角度、λ 波長、λ１，λ２ 透過波長

Claims (14)

1. 半導体基板上に形成された、フォトダイオード用の不純物領域と、
   前記フォトダイオードの受光領域に対する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は、
   少なくとも、第１の絶縁層に対応する第１のプラグと、前記第１の絶縁層よりも上層の第２の絶縁層に対応する第２のプラグにより形成され、
   前記入射光の波長をλとする場合に、前記第１のプラグと前記第２のプラグの間には、すき間間隔がλ／２以下のすき間領域が設けられることを特徴とする光学センサー。
2. 請求項１において、
   前記第１の絶縁層は、
   第１の金属層と、前記第１の金属層よりも上層の第２の金属層の間に設けられる絶縁層であり、
   前記第２の絶縁層は、
   前記第２の金属層と、前記第２の金属層よりも上層の第３の金属層の間に設けられる絶縁層であり、
   前記第２の金属層は、
   前記第１の金属層の厚さよりも厚い金属層であることを特徴とする光学センサー。
3. 請求項２において、
   前記フォトダイオードの出力信号を処理する回路であって、少なくとも前記第１〜第３の金属層と前記第１、第２のプラグにより配線が形成される処理回路を含み、
   前記角度制限フィルターを形成する前記第１のプラグ及び前記第２のプラグは、
   前記処理回路の配線層形成工程により形成されることを特徴とする光学センサー。
4. 請求項３において、
   前記処理回路は、
   前記第２のプラグに対応する前記第２の絶縁層に形成されるＭＩＭ（Metal Insulator Metal）構造のキャパシターを有することを特徴とする光学センサー。
5. 請求項４において、
   前記ＭＩＭ構造のキャパシターは、
   前記第２の金属層を下部電極とし、前記第２の金属層と前記第３の金属層の間に形成される金属層を上部電極としたキャパシタ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５のいずれかにおいて、
   前記角度制限フィルターを形成する前記第１のプラグ及び前記第２のプラグは、
   前記フォトダイオード用の不純物領域の上に半導体プロセスによって形成された遮光物質であることを特徴とする光学センサー。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記角度制限フィルターの高さをＲ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／λＲ≧２
   を満たすことを特徴とする光学センサー。
8. 請求項１乃至７のいずれかにおいて、
   前記入射光のうちの特定波長の光を透過する光バンドパスフィルターを含むことを特徴とする光学センサー。
9. 請求項８において、
   前記光バンドパスフィルターは、
   前記フォトダイオードの受光面に対して、透過波長に応じた角度で傾斜する多層薄膜により形成されることを特徴とする光学センサー。
10. 請求項９において、
    前記光バンドパスフィルターは、
    透過波長が異なる複数組の多層薄膜により形成され、
    前記複数組の多層薄膜は、
    前記受光面に対する傾斜角度が透過波長に応じて異なり、同時の薄膜形成工程で形成されることを特徴とする光学センサー。
11. 請求項１乃至１０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。
12. 請求項１乃至１０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。
13. 請求項１乃至１０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。
14. 請求項１乃至１３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。

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