(57)【要約】  電磁ビーム（１７）の検出用の1つ又は複数のビーム感応ゾーン（７，８，９）を有する半導体チップ（２）を有するビーム検出光電素子において、ビーム感応ゾーン（７，８，９）内の電磁ビーム（１７）のフォーカシングが、回折素子（１）によって行われ、この回折素子（１）は、有利には、半導体チップ（２）内に集積化されている。回折素子（１）は、殊に、ゾーンプレートにするとよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁ビーム（１７）の検出用の少なくとも1つのビーム感応ゾーン（７，８，９）を有する半導体チップ（２）と、前記ビーム感応ゾーン（７，８，９）内の前記電磁ビーム（１７）のフォーカシング用の光学素子を有する光電素子において、
光学素子は、電磁ビーム（１７）の波長の大きさの構造部（１４，１５）を有する回折素子（１）を有することを特徴とする光電素子。
【請求項２】
回折素子（１）は、ゾーンプレートである請求項１記載の光電素子。
【請求項３】
回折素子（１）は、半導体チップ（２）内に集積化されている請求項１又は２記載の光電素子。
【請求項４】
検出すべきビーム（１７）は、１００ｎｍ〜５μｍの波長を有している請求項１から３迄の何れか１記載の光電素子。
【請求項５】
検出すべきビーム（１７）は、約４００ｎｍ〜８００ｎｍの可視スペクトル領域内の光である請求項４記載の光電素子。
【請求項６】
回折素子（１）とビーム感応ゾーン（７，８，９）との間隔は、２０μｍよりも小さい請求項１から５迄の何れか１記載の光電素子。
【請求項７】
波長λのビームは、ビーム感応ゾーン（７，８，９）内でゾーンプレート（１）から距離Ｒで検出され、該検出時に、前記ゾーンプレート（１）は、直径Ｄを有しており、前記ゾーンプレート（１）のフレネル数Ｆに対して：
Ｆ＝（Ｄ２／λＲ）＞１
が成立する請求項２から６迄の何れか１記載の光電素子。
【請求項８】
波長５５０ｎｍのビームのゾーンプレート（１）は、１μｍ〜２０μｍである請求項２から７迄の何れか１記載の光電素子。
【請求項９】
半導体チップ（２）は、複数のビーム感応ゾーン（７，８，９）を有しており、入射ビーム（１７）の方向での比較的短い波長用の前記ビーム感応ゾーンは、比較的長い波長用のビーム感応ゾーンの後ろ側に設けられている請求項１から８迄の何れか１記載の光電素子。
【請求項１０】
ビーム感応ゾーン（７，８，９）は各々１つの色用の回折素子（１）の焦点面（１１，１２，１３）内に設けられている請求項９記載の光電素子。
【請求項１１】
半導体チップ（２）は、３つのビーム感応ゾーン（７，８，９）を有しており、前記３つのビーム感応ゾーン（７，８，９）は、原色の赤、緑、青の各々１つ用の、回折素子（１）の焦点面（１１，１２，１３）内に設けられている請求項１０記載の光電素子。
【請求項１２】
回折素子（１）は、半導体チップ（２）上に堆積された層、又は、前記半導体チップ（１）内に含まれている層の構造化によって製造される請求項１から１１迄の何れか１記載の光電素子。
【請求項１３】
構造化された層は、金属層である請求項１２記載の光電素子。
【請求項１４】
ゾーンプレート（１）は、位相ゾーンプレートとして、異なった屈折率ｎ１及びｎ２の２つの透光性材料（１４，１５）から形成される請求項２から１３迄の何れか１記載の光電素子。
【請求項１５】
２つの材料のうちの１つは、シリコン酸化物を含み、前記２つの材料の第２は、シリコン窒化物を含む請求項１４記載の光電素子。
【請求項１６】
請求項１から１５迄の何れか１記載の光電素子の製造方法において、
回折光学素子（１）を、半導体チップ（２）上に堆積された層又は前記半導体チップ（２）内に含まれている層の構造化によって製造することを特徴とする方法。
【請求項１７】
半導体チップ（２）に集積回路を含ませる請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
ビーム検出半導体チップ（２）の１つ又は複数のビーム感応ゾーン（７，８，９）内で、電磁ビーム（１７）をフォーカシング及び／又は波長選択のための、ゾーンプレート（１）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁ビームの検出用の少なくとも1つのビーム感応ゾーンを有する半導体チップと、ビーム感応ゾーン内の電磁ビームのフォーカシング用の光学素子を有する光電素子、そのような光電素子の製造方法、並びに、そのような光電素子でのゾーンプレートの使用に関する。
【０００２】
ビーム検出半導体素子の感度は、検出すべきビームを感光領域内でフォーカシングすることによって改善することができる。例えば、米国特許第６２２１６８７号明細書及び米国特許第６３６２４９８号明細書から、フォトダイオード上に受光されたビームのフォーカシング用に使われるマイクロレンズの集積アレイを有するイメージセンサが公知である。この刊行物に記載されたイメージセンサでは、種々異なる波長乃至色に対する感度を実施するために色フィルタが使用されている。同様の光電素子が、米国特許第２００２／０１９７７６３号明細書からも公知である。
【０００３】
色感応性のビーム検出半導体素子の別の実施例は、米国特許第５９６５８７５号明細書、及び、米国特許第２００３／００３８２９６号明細書から公知である。この素子では、半導体は、垂直方向に重畳して設けられた、複数のビーム感応性のｐ−ｎ接合部を有している。その際、半導体内の比較的強い吸収に起因して、波長の比較的短い光子は、有利には、半導体部の上側の領域内で吸収され、波長の比較的長い光子は、半導体部の深い位置の領域内で吸収されるということに基づいて色感度が得られる。
【０００４】
前述のビーム検出素子では、ビームのフォーカシングは、ビームの波長よりも著しく長い屈折光学素子を用いて行われる。
【０００５】
光のフォーカシング及び／又は偏向のために、光波長の大きさの構造を有する、光回折の原理に基づく回折素子が公知である。フォーカシング回折素子は、例えば、ゾーンプレートである。ゾーンプレートは、例えば、種々異なる物質間の屈折率の僅かな差と強い吸収のために、レンズを用いるのは有意義ではないX線ビームの領域で、ビームのフォーカシングのために使われ、例えば、ドイツ連邦共和国特許公開第３６４２５７号公報から公知のX線顕微鏡で使われている。
【０００６】
ゾーンプレートは、同心状リングの構造から形成されており、その際、リングの幅は外側に行く程狭くなる。そのようなゾーンプレートの算出の際、二アフィールドの回折（フレネル回折）の領域での使用と、ファーフィールドの回折（フラウンホーファー回折）の領域での使用とを区別することができる。
【０００７】
フレネルゾーンプレートの算出は、例えば、Ｅ．Ｈｅｃｈｔ，”Ｏｐｔｉｋ”，Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ（１９８９）から公知である。更に、振幅ゾーンプレートと位相ゾーンプレートが区別される。振幅ゾーンプレートの場合には、各２番目のフレネルゾーンのビームが吸収材料によって吸収されて減弱（ａｕｓｇｅｂｌｅｎｄｅｔ）され、位相ゾーンプレートの場合には、隣り合った２つのゾーン間に、各ゾーンの材料の屈折率及び／又は厚みが異なることによって光路差が生じる。ゾーンプレートの両実施形式の場合に、各々入射ビームの波長に位置が依存する焦点内に、構造的な干渉が生じてしまう。
【０００８】
本発明の課題は、光電素子のビーム検出を改善すること、殊に、感度を改善し、波長選択性のビーム検出を可能とすることにある。更に、そのような光電素子の製造方法を提供することにある。
【０００９】
この課題は、本発明によると、請求項１記載の、光学素子は、電磁ビームの波長の大きさの構造部を有する回折素子を有する光電素子、請求項１６記載の、回折光学素子を、半導体チップ上に堆積された層又は半導体チップ内に含まれている層の構造化によって製造する方法、請求項１８記載の、ビーム検出半導体チップの１つ又は複数のビーム感応ゾーン内で、電磁ビームをフォーカシング及び／又は波長選択のための、ゾーンプレートの使用によって解決される。
【００１０】
電磁ビームの検出用の少なくとも1つのビーム感応ゾーンを有する半導体チップと、ビーム感応ゾーン内の電磁ビームのフォーカシング用の光学要素を有する光電素子において、光学素子は、回折光学素子である。
【００１１】
ビーム感応領域内で、回折素子によって電磁ビームをフォーカシングする利点は、電磁ビームの波長の大きさの回折素子の構造を、半導体チップの製造の際に通常用いられているフォトリソグラフィプロセスによって製造することができるという点にある。殊に、集積回路で、例えば、ＣＭＯＳ技術で、既に形成されている金属及び／又は誘電体層を、回折素子の製造のために使うことができる。
【００１２】
屈折光学素子と比較して特に有利に、回折光学素子は、平坦な構造として半導体チップの面内に形成することができる。例えば、それにより、マイクロレンズの製造と比較して、技術的に比較し得る程コスト高な、半導体チップの面に対して垂直方向及び／又は斜め方向の入射ビームの方向に凸状の構造を製造しないでよい。
【００１３】
検出すべきビームは、例えば、約１００ｎｍの紫外線スペクトル領域〜約５μｍの赤外線スペクトル領域の波長を有することができる。殊に、検出すべきビームは、約４００ｎｍ〜８００ｎｍの可視スペクトル領域の光にするとよい。
【００１４】
回折素子と半導体チップのビーム感応ゾーンとの間の距離は、有利には、２０μｍよりも短い。
【００１５】
回折素子は、殊に、ゾーンプレートである。有利には、ゾーンプレートのフレネル数Ｆは、
Ｆ＝Ｄ２／λＲ＞１
が成立し、その際、Ｄは、ゾーンプレートの直径、Ｒは、波長λのビームが検出される、ゾーンプレートとビーム感応ゾーンとの距離である。その際、ビーム感応ゾーンは、ゾーンプレートの二アフィールドに位置しており、つまり、フレネルゾーンプレートである。
【００１６】
半導体チップは、複数のビーム感応ゾーンを有していてもよい。特に有利には、ゾーンプレートの色収差は、ビーム検出素子の色感度を形成するために利用される。有利には、そのために、入射ビームの方向に複数のビーム感応ゾーンが相互に並べて配列され、その際、比較的短い波長用のビーム感応ゾーンは、比較的長い波長用のビーム感応ゾーンの後ろ側に設けられている。ゾーンプレートを用いると、ビームのフォーカシングも、波長選択も同時に達成される。例えば、原色赤、緑、青用の３つのビーム感応ゾーンを、各色用の種々の焦点面内に設けることができる。
【００１７】
ゾーンプレートは、例えば、振幅ゾーンプレートであり、この振幅ゾーンプレートは、交互に透光性材料製のゾーンと吸収材料製のゾーンとから形成されている。吸収材料は、例えば、金属である。
【００１８】
有利には、ゾーンプレートは、バイナリ位相ゾーンプレートである。その際、ゾーンは、交互に各々２つの透光性材料のうちの１つから形成されている。例えば、この材料は、シリコン酸化物又はシリコン窒化物である。位相ゾーンプレートでは、振幅ゾーンプレートとは異なって、全てのゾーンの半分が吸収によって減弱されないので、位相ゾーンプレートの焦点でのビームの振幅は、ほぼファクタ２だけ大きく、つまり、強度は、振幅ゾーンプレートの場合よりもほぼファクタ４だけ大きい。
【００１９】
本発明について、以下、図１及び図２に示した実施例を用いて詳細に説明する。
【００２０】
その際：
図１は、本発明の光電構成素子の実施例の横方向断面略図、
図２は、ゾーンプレートの実施例の平面略図
である。
【００２１】
図で、同じ又は同じ作用をする要素は、同じ参照番号で示されている。
【００２２】
図１に示されたビーム検出半導体チップ２は、例えば、基本材料シリコンで形成された、各々２つのｎドーピング領域４，６及びｐドーピング領域３，５を有している。ｐドーピング領域とｎドーピング領域との接合領域は、ビーム感応ゾーン７，８，９として機能する。半導体構成素子の電気コンタクト及び回路接続は、例えば、コンタクト面１９内で金属導体路１６によって行うことができる。
【００２３】
半導体チップ２に入射した電磁ビーム１７は、ゾーンプレート１によってビーム感応ゾーン７，８，９内でフォーカシングされる。このフォーカシングによって、一方では、構成素子の感度が向上し、他方では、ゾーンプレートの色誤差（色収差）の利用によって色感度が達成される。レンズと違って、ゾーンプレートでは、光の波長が長くなるにつれて、焦点距離は短くなる。そのために、波長選択性のビーム検出は、光１７の入射方向に複数のビーム感応ゾーン７，８，９を順次連続して配設することによって達成することができ、その際、比較的短い波長用のビーム感応ゾーンは、比較的長い波長用のビーム感応ゾーンの後ろ側に配設されている。
【００２４】
例えば、半導体チップ２は、ビーム感応ゾーン７は、赤い光用の焦点面１１内に含まれており、入射光１７の方向で後続の第２のビーム感応ゾーン８は、緑の光用の焦点面１２内に含まれており、後続して、第３のビーム感応ゾーン９は、青い光用の焦点面１３内に含まれている。つまり、この例では、ビーム検出器は、３原色用に構成されている。本発明の範囲内で、別の個数のビーム検出領域及び検出すべき波長領域乃至色の別の選択も可能である。
【００２５】
ゾーンプレート１は、有利には、半導体チップ２の集積化構成部品である。例えば、半導体チップ内で、金属化導体路１６が形成されているコンタクト面１９に続いて、誘電体層１８が形成され、この誘電体層１８の上に、金属又は誘電体層が堆積され、この金属又は誘電体層内に、フォトリソグラフィによる構造化によって、ゾーンプレート１の構造が形成される。ゾーンプレート１は、異なる材料製の交番領域１４，１５を含む、同心状のリング構造を有している。領域１４，１５は、異なる屈折率ｎ１及びｎ２の材料製か、又は、各々吸収材料及び透光性材料から形成することができる。ゾーンプレートは、例えば、ゾーンプレートの保護のために使われる透光性層２１で被覆されている。しかし、ゾーンプレートを、択一的に、半導体チップ２の表面に形成してもよい。
【００２６】
コンタクト面１９とゾーンプレート１が形成される層、並びに、コンタクト面１９とゾーンプレート１との間に形成される誘電体層１８は、有利には、集積回路の層構造の構成部分である。集積回路は、金属層と誘電体層から形成された層列を有しているので、ゾーンプレート１は、有利には、既存の層の１つの中に、半導体技術で通常使われているプロセス、例えば、フォトリソグラフィを用いて製造される。製造コストは、それにより、有利に低減される。
【００２７】
ゾーンプレート１を半導体チップ２内に集積化する別の利点は、別個に製造されたゾーンプレートの組み立てと比べて、調整用の別のコストが掛からないという点にある。殊に、集積化構造形式によって、ビーム感応ゾーン７，８，９に対して相対的に焦点面１１，１２，１３をずらしてゾーンプレート１を再調整する必要はない。
【００２８】
７つのゾーンを含み、波長５５０ｎｍで焦点距離３μｍ用に算出されたフレネルゾーンプレート１の平面略図が、図２に示されている。ゾーンプレート１の直径は、この例では、Ｄ＝１２．３２μｍ、最も外側のリングゾーンの幅は、３０７ｎｍである。
【００２９】
ゾーンプレート１は、振幅ゾーンプレート又は位相ゾーンプレートにするとよい。振幅ゾーンプレートは、交互に、非透光性のリングゾーン１４と透光性リングゾーン１５とを有している。非透光性のリングゾーン１４は、例えば、金属を含み、透光性のリングゾーン１５は、誘電体を含む。択一的に、透光性の領域１５は、材料なしでもよい。
【００３０】
ゾーンプレート１は、位相ゾーンプレートとして構成してもよい。この場合、ゾーンプレートは、屈折率ｎ１の金属製のリングゾーン１４と、屈折率ｎ２の材料製の隣のリングゾーン１５を含んでおり、各リングゾーンは、両方とも各々透光性である。
【００３１】
透光性材料は、両方とも、例えば、シリコン酸化物及びシリコン窒化物にするとよい。この各材料の利点は、典型的に、集積回路の構造で含まれる点にある。従って、ゾーンプレートの製造は、比較的簡単に集積回路の製造プロセスに集積化することができる。この各材料の屈折率は、例えば、波長λ＝５５０ｎｍで、ｎＳｉＯ２＝１．４６及びｎＳｉ３Ｎ４＝２．０５である。これらの材料製の各リングゾーン１４，１５間の光路差を波長λから形成するために、ゾーンプレート１の厚みｄは、
ｄ＝λ／（ｎＳｉ３Ｎ４−ｎＳｉＯ２）＝９３２ｎｍ
にしなければならない。そのような層厚は、半導体製造で通常の領域内にある。振幅ゾーンプレートは、入射ビームのほぼ半分を吸収するものとすると、位相ゾーンプレートの焦点での強度は、有利にも、振幅ゾーンプレートでの強度のほぼ４倍である。
表１：
【００３２】
【表１】
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【００３３】
表１には、例えば、直径Ｄ、及び、最も外側のリングゾーンの幅によって与えられる最少構造長ｌｍｉｎが、各々所定基本波長λ０の場合にｆ０＝７μｍの焦点距離を有しているゾーンプレートに対して示されている。上述の直径Ｄ及び最少構造長は、各々５つのゾーンを有するゾーンプレートに該当する。更に、色収差に起因して変化する、各々のゾーンプレートの焦点距離が、λ＝３００ｎｍ〜λ＝８５０ｎｍの範囲内の種々の波長に対して示されている。
【００３４】
基本波長λ０で焦点距離ｆ０を有するゾーンプレートの焦点距離ｆは、波長λで：
ｆ＝λ／４＋（４ｆ０λ０＋λ０２）／４λ
となる。
【００３５】
基本波長λ０よりも短い波長λでは、ゾーンプレートの焦点距離は長くなり、基本波長λ０よりも長い波長λでは、ゾーンプレートの焦点距離は短くなる。所定の焦点距離ｆ０では、ゾーンプレートの最少構造長ｌｍｉｎは、基本波長λ０が短くなるにつれて短くなる。表から分かるように、例えば、λ０＝８５０ｎｍの場合にｌｍｉｎ＝５５０ｎｍであり、λ０＝３００ｎｍの場合にｌｍｉｎ＝２９７ｎｍである。
【００３６】
これら各量の構造は、フォトリソグラフィによって製造可能である。例えば、先ず、感光性レジスト層が、連続的な金属層の上に堆積され、この金属層の上に、続いて、ゾーンプレートの構造を有するマスクが投影される。有利には、マスクは、極めて縮小されて感光性レジスト上に結像され、それにより、マスクがゾーンプレートとして作用して、露光に使われる光をフォーカシングするのが回避される。続いて、感光性レジストが現像され、その際、感光性レジストは、例えば、露光個所で除去され、後続して、感光性レジストで被覆されていない個所で、リング構造がエッチングされる。エッチングプロセスは、例えば、異方性エッチングプロセスにするとよい。それに続いて、各リングゾーン間の中間スペースは、選択的に誘電体で充填されるか、又は、あけられたままにされる。
【００３７】
位相ゾーンプレートの場合、ゾーンプレート構造は、第１の誘電体内にエッチングされ、それに続いて、第２の誘電体で充填される。半導体チップの表面にゾーンプレートが設けられている場合、エッチングプロセス後、中間スペースをあけたままにしてもよい。有利には、続いて、表面が、例えば、化学−機械研摩（ＣＭＰ）によって平坦化される。
【００３８】
本発明について、実施例を用いて説明したが、本発明は、この実施例に限定されるものではないことは当然である。本発明は、開示された各要件が個別であっても各要件を相互に組み合わせたとしても（この組合せが請求項に明示的に記載されていないとしても）、これらの開示された要件を有している。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の光電構成素子の実施例の横方向断面略図
【図２】ゾーンプレートの実施例の平面略図
【図１】
2007534158.tif 000004
【図２】
2007534158.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成17年6月10日(2005.6.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁ビーム（１７）の検出用の複数のビーム感応ゾーン（７，８，９）を有する半導体チップ（２）と、前記ビーム感応ゾーン（７，８，９）内の前記電磁ビーム（１７）のフォーカシング用の光学素子を有しており、光学素子は、電磁ビーム（１７）の波長の大きさの構造部（１４，１５）を有する回折素子（１）を有する光電素子において、
比較的短い波長用のビーム感応ゾーンは、入射ビーム（１７）の方向に、比較的長い波長用のビーム感応ゾーンの後ろ側に配設されている
ことを特徴とする光電素子。
【請求項２】
回折素子（１）は、ゾーンプレートである請求項１記載の光電素子。
【請求項３】
回折素子（１）は、半導体チップ（２）内に集積化されている請求項１又は２記載の光電素子。
【請求項４】
検出すべきビーム（１７）は、１００ｎｍ〜５μｍの波長を有している請求項１から３迄の何れか１記載の光電素子。
【請求項５】
検出すべきビーム（１７）は、約４００ｎｍ〜８００ｎｍの可視スペクトル領域内の光である請求項４記載の光電素子。
【請求項６】
回折素子（１）とビーム感応ゾーン（７，８，９）との間隔は、２０μｍよりも小さい請求項１から５迄の何れか１記載の光電素子。
【請求項７】
波長λのビームは、ビーム感応ゾーン（７，８，９）内でゾーンプレート（１）から距離Ｒで検出され、該検出時に、前記ゾーンプレート（１）は、直径Ｄを有しており、前記ゾーンプレート（１）のフレネル数Ｆに対して：
Ｆ＝（Ｄ２／λＲ）＞１
が成立する請求項２から６迄の何れか１記載の光電素子。
【請求項８】
波長５５０ｎｍのビームのゾーンプレート（１）は、１μｍ〜２０μｍである請求項２から７迄の何れか１記載の光電素子。
【請求項９】
ビーム感応ゾーン（７，８，９）は各々１つの色用の回折素子（１）の焦点面（１１，１２，１３）内に設けられている請求項１から８迄の何れか１記載の光電素子。
【請求項１０】
半導体チップ（２）は、３つのビーム感応ゾーン（７，８，９）を有しており、前記３つのビーム感応ゾーン（７，８，９）は、原色の赤、緑、青の各々１つ用の、回折素子（１）の焦点面（１１，１２，１３）内に設けられている請求項１から９迄の何れか１記載の光電素子。
【請求項１１】
回折素子（１）は、半導体チップ（２）上に堆積された層、又は、前記半導体チップ（１）内に含まれている層の構造化によって製造される請求項１から１０迄の何れか１記載の光電素子。
【請求項１２】
構造化された層は、金属層である請求項１１記載の光電素子。
【請求項１３】
ゾーンプレート（１）は、位相ゾーンプレートとして、異なった屈折率ｎ１及びｎ２の２つの透光性材料（１４，１５）から形成される請求項１から１２迄の何れか１記載の光電素子。
【請求項１４】
２つの材料のうちの１つは、シリコン酸化物を含み、前記２つの材料の第２は、シリコン窒化物を含む請求項１３記載の光電素子。
【請求項１５】
請求項１から１４迄の何れか１記載の光電素子の製造方法において、
回折光学素子（１）を、半導体チップ（２）上に堆積された層又は前記半導体チップ（２）内に含まれている層の構造化によって製造することを特徴とする方法。
【請求項１６】
半導体チップ（２）に集積回路を含ませる請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
ビーム検出半導体チップ（２）の１つ又は複数のビーム感応ゾーン（７，８，９）内で、電磁ビーム（１７）をフォーカシング及び／又は波長選択のための、ゾーンプレート（１）の使用。
【国際調査報告】
2007534158.tif 000006
2007534158.tif 000007
2007534158.tif 000008
2007534158.tif 000009
2007534158.tif 000010
2007534158.tif 000011