(57)【要約】【課題】高い光感度と高い精度とを有する光電変換装置および電子機器を提供する。【解決手段】光電変換装置としてのイメージセンサー１００は、基板１上に配置されたフォトダイオード２０とトランジスター１０と平坦化層７とを備え、平坦化層７は、開口部８ａと、開口部８ａを囲むように配置された傾斜部７ａと、トランジスター１０を覆う平坦部７ｂとを有し、フォトダイオード２０は開口部８ａ内に形成されており、平坦化層７の傾斜部７ａの上と平坦部７ｂの上とには反射膜１１が形成されていることを特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に配置された光検出素子とトランジスターと絶縁層とを備え、
前記絶縁層は、開口部と、前記開口部を囲むように配置された第１部分と、前記トランジスターを覆う第２部分と、を有し、
前記光検出素子は、前記開口部内に形成されており、
前記絶縁層の前記第１部分の上と前記第２部分の上とには、金属膜が形成されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光電変換装置であって、
前記光検出素子は、ｎ型半導体膜とｐ型半導体膜との積層膜であることを特徴とする光電変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光電変換装置であって、
前記第１部分は、前記積層膜の側面に対向するように配置されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の光電変換装置であって、
前記基板の表面に対する前記第１部分の角度は、３０°から６０°の範囲であることを特徴とする光電変換装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の光電変換装置と、前記光電変換装置に積層された発光装置と、を備えていることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光検出素子を備えた光電変換装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の光電変換装置では、光検出素子の周囲に入射する光がトランジスターに入射しないように、光検出素子の下部電極（第１電極）がトランジスターを遮光する遮光膜を兼ねた構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１６９５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、光電変換装置の光感度を向上させるためには、光検出素子に入射する光の光量をより多くすることが望ましい。しかしながら、特許文献１に記載の光電変換装置では、光検出素子の周囲に入射する光は光電変換には利用されない。そのため、例えば、光電変換装置に照射される光の光量が少ない場合や、照射される光の波長帯域に対して光検出素子の光吸収率が低い場合に、光電変換装置の光感度が低下してしまうおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］本適用例の光電変換装置は、基板上に配置された光検出素子とトランジスターと絶縁層とを備え、前記絶縁層は、開口部と、前記開口部を囲むように配置された第１部分と、前記トランジスターを覆う第２部分と、を有し、前記光検出素子は、前記開口部内に形成されており、前記絶縁層の前記第１部分の上と前記第２部分の上とには、金属膜が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、光検出素子が絶縁層の開口部内に配置されており、開口部を囲むように絶縁層の第１部分が配置され、第１部分の上に金属膜が形成されている。そのため、光検出素子の周囲に入射する光を、第１部分の上に形成された金属膜を反射膜として反射させて、光検出素子に入射させることができる。これにより、光検出素子に入射する光の光量が多くなり、光の利用効率が向上するので、光電変換装置の光感度を向上させることができる。また、絶縁層のうちトランジスターを覆う第２部分の上にも金属膜が形成されているので、この金属膜を遮光膜としてトランジスターに向かう光を遮光できる。反射膜と遮光膜とは、ともに絶縁層上に配置されているので、反射膜と遮光膜とを同一の金属膜で構成できる。したがって、簡易な構成で高い光感度を有する光電変換装置を実現できる。
【０００８】
［適用例２］上記適用例の光電変換装置であって、前記光検出素子は、ｎ型半導体膜とｐ型半導体膜との積層膜であることが好ましい。
【０００９】
この構成によれば、基板上に配置された光検出素子がｎ型半導体膜とｐ型半導体膜との積層膜であるので、光検出素子の上方から入射する光だけでなく側面から入射する光も光電変換に利用できる。したがって、光検出素子の周囲に入射する光を金属膜で反射させて光検出素子の側面に入射させることで、光検出素子に入射する光の光量を多くして、光の利用効率を向上させることができる。
【００１０】
［適用例３］上記適用例の光電変換装置であって、前記第１部分は、前記積層膜の側面に対向するように配置されていることが好ましい。
【００１１】
この構成によれば、絶縁層の第１部分がｎ型半導体膜とｐ型半導体膜との積層膜の側面に対向するように配置されているので、光検出素子の周囲に入射する光を金属膜で反射させて光検出素子の側面に向かわせることができる。
【００１２】
［適用例４］上記適用例の光電変換装置であって、前記基板の表面に対する前記第１部分の角度は、３０°から６０°の範囲であることが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、絶縁層の第１部分は基板の表面に対して傾斜しているので、光検出素子の周囲に入射する光を金属膜で反射させて、光検出素子に入射させることができる。また、第１部分の傾斜角度が３０°から６０°の範囲にあるので、垂直光だけでなく斜め光も金属膜で反射させて光検出素子に入射させることができる。これにより、光の利用効率をより向上させることができる。
【００１４】
［適用例５］本適用例の電子機器は、上記の光電変換装置と、前記光電変換装置に積層された発光装置と、を備えていることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、発光装置から照射され生体などの対象物で反射された光を、光の利用効率が高い光電変換装置で受光するので、生体情報などの情報を高い感度で検出可能な電子機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る電子機器の一例としての生体情報取得装置の構成を示す斜視図。
【図２】生体情報取得装置の電気的な構成を示すブロック図。
【図３】センサー部の構成を示す概略斜視図。
【図４】センサー部の構造を示す概略断面図。
【図５】本実施形態に係るフォトセンサーの構成を示す概略図。
【図６】本実施形態に係るフォトセンサーに入射する入射光を説明する図。
【図７】本実施形態に係るフォトセンサーの製造方法を説明する図。
【図８】本実施形態に係るフォトセンサーの製造方法を説明する図。
【図９】比較例としてのフォトセンサーの構成を示す概略図。
【図１０】比較例としてのフォトセンサーに入射する入射光を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大、縮小、あるいは誇張して表示している。また、説明に必要な構成要素以外は図示を省略する場合がある。
【００１８】
なお、以下の形態において、例えば「基板上に」と記載された場合、基板の上に接するように配置される場合、または基板の上に他の構成物を介して配置される場合、または基板の上に一部が接するように配置され、一部が他の構成物を介して配置される場合を表すものとする。
【００１９】
本実施形態では、光電変換装置の例としてイメージセンサーを挙げ、電子機器の例としてこのイメージセンサーを適用した生体情報取得装置を例に挙げて説明する。
【００２０】
＜電子機器＞
次に、本実施形態に係る光電変換装置を備えた電子機器の一例としての生体情報取得装置について、図１および図２を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る電子機器の一例としての生体情報取得装置の構成を示す斜視図である。図２は、生体情報取得装置の電気的な構成を示すブロック図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態に係る生体情報取得装置２００は、人体Ｍの手首（リスト）に装着する携帯型の情報端末装置である。生体情報取得装置２００では、手首の内部における血管の画像情報から生体における血管の位置を特定することや、非侵襲で光学的に当該血管の血液中の特定成分、例えばグルコースなどの含有量を検出することで血糖値を特定することができる。
【００２２】
生体情報取得装置２００は、手首に装着可能な環状のベルト１６４と、ベルト１６４の外側に取り付けられた本体部１６０と、本体部１６０に対して対向する位置においてベルト１６４の内側に取り付けられたセンサー部１５０とを有している。
【００２３】
本体部１６０は、本体ケース１６１と、本体ケース１６１に組み込まれた表示部１６２とを有している。本体ケース１６１には、表示部１６２だけでなく、操作ボタン１６３や、後述する制御部１６５などの回路系（図２参照）、電源としての電池などが組み込まれている。
【００２４】
センサー部１５０は、本実施形態に係る光電変換装置としてのイメージセンサー１００を受光部として備えている（図２参照）。センサー部１５０は、ベルト１６４に組み込まれた配線（図１では図示を省略）により本体部１６０と電気的に接続されている。イメージセンサー１００は、光電変換素子として複数のフォトセンサー５０を備え、各フォトセンサー５０は光検出素子としてフォトダイオード２０を有している（図４参照）。
【００２５】
このような生体情報取得装置２００は、手の甲と反対の手のひら側の手首にセンサー部１５０が接するように手首に装着して用いられる。このように装着することで、センサー部１５０が皮膚の色によって検出感度が変動することを避けることができる。
【００２６】
なお、本実施形態に係る生体情報取得装置２００では、ベルト１６４に対して本体部１６０とセンサー部１５０とを分けて組み込んだ構成となっているが、本体部１６０とセンサー部１５０とを一体としベルト１６４に組み込んだ構成としてもよい。
【００２７】
図２に示すように、生体情報取得装置２００は、制御部１６５と、制御部１６５に電気的に接続されたセンサー部１５０と、記憶部１６７と、出力部１６８と、通信部１６９とを有している。また、出力部１６８に電気的に接続された表示部１６２を有している。
【００２８】
センサー部１５０は、発光装置１３０と、イメージセンサー１００とを備えている。発光装置１３０とイメージセンサー１００とは、それぞれ制御部１６５に電気的に接続されている。発光装置１３０は、波長が７００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲の近赤外光ＩＬを発する光源部を有している。制御部１６５は発光装置１３０を駆動して近赤外光ＩＬを発光させる。近赤外光ＩＬは人体Ｍの内部に伝播して散乱する。人体Ｍの内部で散乱した近赤外光ＩＬの一部を反射光ＲＬとしてイメージセンサー１００で受光することができる構成となっている。
【００２９】
制御部１６５は、イメージセンサー１００により受光した反射光ＲＬの情報を記憶部１６７に記憶させることができる。そして、制御部１６５は、当該反射光ＲＬの情報を出力部１６８で処理させる。出力部１６８は、当該反射光ＲＬの情報を血管の画像情報に変換して出力したり、血液中の特定成分の含有情報に変換して出力したりする。また、制御部１６５は、変換された血管の画像情報や血液中の特性成分の情報を表示部１６２に表示させることができる。そして、これらの情報を通信部１６９から他の情報処理装置に送信することができる。
【００３０】
また、制御部１６５は、通信部１６９を介して他の情報処理装置からプログラムなどの情報を受け取って記憶部１６７に記憶させることができる。通信部１６９は有線によって他の情報処理装置と接続される有線通信手段でもよいし、ブルートゥース（Blue tooth（登録商標））などの無線通信手段であってもよい。なお、制御部１６５は、取得した血管や血液に纏わる情報を表示部１６２に表示させるだけでなく、記憶部１６７に予め記憶させたプログラムなどの情報や、現在時刻などの情報を表示部１６２に表示させてもよい。また、記憶部１６７は脱着可能なメモリーであってもよい。
【００３１】
＜センサー部＞
次に、本実施形態に係る生体情報取得装置２００が有するセンサー部１５０について、図３および図４を参照して説明する。図３は、センサー部の構成を示す概略斜視図である。図４は、センサー部の構造を示す概略断面図である。
【００３２】
図３に示すように、センサー部１５０は、イメージセンサー１００と遮光部１１０と可変分光部１２０と発光装置１３０と保護部１４０とを有している。これらの各部はそれぞれ板状であって、イメージセンサー１００上に、遮光部１１０、可変分光部１２０、発光装置１３０、保護部１４０の順に積層された構成となっている。
【００３３】
なお、センサー部１５０は、各部が積層された積層体を収容し、ベルト１６４に取り付け可能なケース（図示省略）を有している。以下の説明では、上記積層体の一辺部に沿った方向をＸ方向とし、一辺部と直交する他の辺部に沿った方向をＹ方向とし、上記積層体の厚み方向に沿った方向をＺ方向とする。また、センサー部１５０を保護部１４０の法線方向（Ｚ方向）から見ることを「平面視」という。
【００３４】
図４に示すように、発光装置１３０は、透光性の基板本体１３１と、基板本体１３１の一方の面１３１ａに設けられた光源部１３３と、透光部１３２とを有している。光源部１３３としては、例えば、ＬＥＤ素子や有機エレクトロルミネッセンス素子などを用いることができる。光源部１３３や透光部１３２と重なるように保護部１４０が設けられている。保護部１４０は、例えば、カバーガラスやプラスチックなどの透明な板である。
【００３５】
保護部１４０の一方の面１４０ａに接するように人体Ｍが配置される。光源部１３３は、保護部１４０側に近赤外光ＩＬが射出される構成となっており、人体Ｍの内部で散乱した近赤外光ＩＬの一部である反射光ＲＬは透光部１３２を透過して、下層の可変分光部１２０へ導かれる。
【００３６】
可変分光部１２０は、固定基板１２１と、可動基板１２２とを含む。可変分光部１２０では、固定基板１２１と可動基板１２２との間の隙間（ギャップ）を電気的に制御することで、可変分光部１２０を透過する反射光ＲＬの分光分布（分光特性）を変えることができる。可変分光部１２０を透過した反射光ＲＬは下層の遮光部１１０に導かれる。
【００３７】
遮光部１１０は、透光性の基板本体１１１と、基板本体１１１の可変分光部１２０側の面１１１ａに対して反対側の面１１１ｂに設けられた遮光膜１１３とを有している。遮光膜１１３には、発光装置１３０の透光部１３２の配置に対応する位置に開口部（ピンホール）１１２が形成されている。遮光部１１０は、開口部１１２を透過した反射光ＲＬだけがフォトダイオード２０に導かれ、それ以外の反射光ＲＬが遮光膜１１３によって遮光されるように、可変分光部１２０とイメージセンサー１００との間に配置されている。
【００３８】
イメージセンサー１００は、近赤外光に対して高い光感度を有している。イメージセンサー１００の詳細構成については後述する。イメージセンサー１００は、フォトダイオード２０が設けられた側が遮光部１１０と対向するように配置される。複数のフォトダイオード２０のそれぞれは、遮光部１１０における開口部１１２の配置に対応した位置に配置される。開口部１１２を透過した反射光ＲＬは、フォトダイオード２０に入射する。
【００３９】
上記の構成に加えて、フォトダイオード２０に入射する反射光ＲＬに可視光が混ざることを抑制するために、例えば可視光波長範囲（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の光をカットするフィルターが、発光装置１３０の透光部１３２や、遮光部１１０の開口部１１２に対応して配置されていてもよい。
【００４０】
なお、センサー部１５０の構成は、これに限定されるものではない。例えば、発光装置１３０は、保護部１４０を含む構成としてもよく、保護部１４０によって光源部１３３を封止する構造としてもよい。また、透光部１３２を透過した光は、屈折率が異なる部材の界面で反射して減衰するおそれがあるので、例えば、発光装置１３０の基板本体１３１の面１３１ｂと、可変分光部１２０とが接するように、発光装置１３０と可変分光部１２０とを貼り合わせてもよい。また、可変分光部１２０と遮光部１１０の面１１１ａとが接するように貼り合わせてもよい。このようにすれば互いの厚み方向（Ｚ方向）における位置関係をより確実なものとすることができる。
【００４１】
＜光電変換装置＞
次に、本実施形態に係る光電変換装置としてのイメージセンサー１００の構成について、図５を参照して説明する。上述したように、イメージセンサー１００は、光電変換素子として複数のフォトセンサー５０を備えている。図５は、本実施形態に係るフォトセンサーの構成を示す概略図である。詳しくは、図５（ａ）はフォトセンサーの要部の配置を示す概略平面図であり、図５（ｂ）はフォトセンサーの構造を示す概略断面図である。なお、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図に相当するが、図５（ａ）に示す要部だけでなくトランジスター１０を含むより広い範囲まで図示している。
【００４２】
図５（ａ）に示すように、下部電極２１および上部電極２３は平面視で略円形状の電極部と、電極部から延出する配線部とを有している。下部電極２１の電極部と上部電極２３の電極部とは、フォトダイオード２０と平面視で重なるように配置されている。下部電極２１の配線部および上部電極２３の配線部の延在方向に沿った方向がＹ方向であり、Ｙ方向と交差する方向がＸ方向である。
【００４３】
そして、フォトセンサー５０の厚み方向に沿った方向がＺ方向である。図５（ｂ）はＹ−Ｚ断面図である。以下では、＋Ｚ方向側を上方といい、−Ｚ方向側を下方という。また、図５（ａ）に示すように、フォトダイオード２０上に位置する上部電極２３の表面の法線方向（Ｚ方向）から見ることを「平面視」といい、図５（ｂ）に示す断面図で手前側からＸ方向に見ることを「断面視」という。
【００４４】
図５（ｂ）に示すように、本実施形態に係るフォトセンサー５０は、基板１と下地絶縁膜１ａとトランジスター１０とゲート絶縁膜３と層間絶縁膜４と配線５と下部電極２１とフォトダイオード２０と下部絶縁膜６と平坦化層７と反射膜１１と遮光膜１２と上部絶縁膜９と上部電極２３とを備えている。
【００４５】
基板１は、例えば、透明なガラスや不透明なシリコンなどからなる。下地絶縁膜１ａは、例えばＳｉＯ2（酸化シリコン）などの絶縁材料によって、基板１の表面を覆うように形成されている。トランジスター１０は、半導体膜２とゲート電極３ｇとを有している。半導体膜２は、例えば、多結晶シリコンで形成され、下地絶縁膜１ａ上に島状に設けられている。半導体膜２は、チャネル領域２ｃとドレイン領域２ｄとソース領域２ｓとを有している。
【００４６】
半導体膜２を覆うように、例えばＳｉＯ2などの絶縁材料によってゲート絶縁膜３が形成されている。ゲート電極３ｇは、ゲート絶縁膜３上において、半導体膜２のチャネル領域２ｃに対向する位置に形成されている。層間絶縁膜４は、例えばＳｉＯ2などの絶縁材料によってゲート絶縁膜３とゲート電極３ｇとを覆うように形成されている。層間絶縁膜４上には、例えばＭｏ（モリブデン）やＡｌ（アルミニウム）などの金属材料を用いて、配線５と下部電極２１とが形成されている。
【００４７】
配線５は、層間絶縁膜４とゲート絶縁膜３とを貫通する貫通孔を介して半導体膜２のドレイン領域２ｄに電気的に接続されている。下部電極２１は、フォトダイオード２０に平面視で重なる略円形状の電極部（図５（ａ）参照）においてフォトダイオード２０に電気的に接続され、配線部において層間絶縁膜４を貫通する貫通孔を介してゲート電極３ｇに電気的に接続されている。
【００４８】
下部絶縁膜６は、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）などの絶縁材料によって、配線５と下部電極２１とを覆うように形成されている。下部絶縁膜６には、下部電極２１とフォトダイオード２０とに平面視で重なる領域に開口部６ａが形成されている。
【００４９】
絶縁層としての平坦化層７は、下部絶縁膜６を覆うように形成されている。平坦化層７は、下層側に設けられたトランジスター１０、配線５、下部電極２１などに起因する凹凸を緩和して上面側を略平坦化するためのものである。平坦化層７は、例えば、アクリル樹脂などを用いて、２μｍ程度の層厚で形成されている。平坦化層７は、開口部８ａと、開口部８ｂと、第１部分としての傾斜部７ａと、第２部分としての平坦部７ｂとを有している。
【００５０】
平坦化層７の下面側（下部絶縁膜６側）に設けられた開口部が開口部８ａであり、平坦化層７の上面側（上部絶縁膜９側）に設けられた開口部が開口部８ｂである、図５（ａ）に示すように、開口部８ａは、フォトダイオード２０を囲むようにフォトダイオード２０よりも大きな略円形状に形成されている。開口部８ｂは、開口部８ａを囲むように開口部８ａよりも大きな略円形状に形成されている。
【００５１】
図５（ａ）に右下に向かう斜線を付して示すように、傾斜部７ａは、平坦化層７のうち開口部８ａの周囲かつ開口部８ｂの内側に配置された環状の部分である。図５（ｂ）に示すように、傾斜部７ａは、開口部８ａから開口部８ｂまでの傾斜面を有している。傾斜部７ａの傾斜面は、フォトダイオード２０の周囲を囲むとともに、フォトダイオード２０の側面に対向するように配置されている。平坦部７ｂは、平坦化層７のうち、傾斜部７ａ以外の領域に配置された略平坦な上面を有する部分である。平坦部７ｂは、トランジスター１０を覆っている。
【００５２】
金属膜としての反射膜１１は、平坦化層７の傾斜部７ａを覆うとともに平坦部７ｂに乗り上げるように形成されている。図５（ａ）に左下に向かう斜線を付して示すように、反射膜１１は、平面視でフォトダイオード２０を囲むように環状に形成されており、フォトダイオード２０よりも大きな開口部１１ａを有している。
【００５３】
図５（ｂ）に示すように、反射膜１１の傾斜部７ａを覆う部分は、フォトダイオード２０の側面に対向するように配置されている。反射膜１１は、フォトダイオード２０の周囲に入射する光を反射してフォトダイオード２０に入射させることにより、フォトセンサー５０における光の利用効率を向上させるためのものである。反射膜１１は、例えば、Ａｌ（アルミニウム）と銅（Ｃｕ）との合金などの光を反射する金属材料で形成されている。
【００５４】
金属膜としての遮光膜１２は、平坦化層７の平坦部７ｂ上に形成されている。すなわち、遮光膜１２は、反射膜１１のうち平坦部７ｂに乗り上げた部分と同層に形成されている。遮光膜１２は、トランジスター１０と平面視で重なるように配置されている。遮光膜１２は、フォトセンサー５０に入射する光のうちトランジスター１０に向かう光を遮光して、光によるトランジスター１０の誤動作やリーク電流の増大を抑止するためのものである。遮光膜１２は、反射膜１１と同じ金属材料で形成されている。遮光膜１２は、反射膜１１と一体で形成されていてもよい。
【００５５】
フォトダイオード２０は、平坦化層７の開口部８ａ内において、下部電極２１上に形成されている。フォトダイオード２０は、図示を省略するが、下部電極２１側から順に積層されたｎ型半導体膜とｐ型半導体膜との積層膜で構成されている。フォトダイオード２０のｎ型半導体膜およびｐ型半導体膜は、例えば、微結晶（マイクロクリスタル）シリコンで形成されている。フォトダイオード２０のｎ型半導体膜およびｐ型半導体膜は、非晶質（アモルファス）シリコンや多結晶（ポリ）シリコンで形成されていてもよい。フォトダイオード２０の下層側の半導体膜（ｎ型半導体膜）は、下部電極２１に電気的に接続されている。
【００５６】
上部絶縁膜９は、例えばＳｉＯ2などの絶縁材料によって、平坦化層７の平坦部７ｂと反射膜１１と遮光膜１２とを覆うように形成されている。上部絶縁膜９は、平坦化層７の開口部８ａ内において、フォトダイオード２０を囲むとともに、フォトダイオード２０と反射膜１１との間で下部絶縁膜６に接するように形成されている。
【００５７】
上部電極２３は、上部絶縁膜９上に形成されている。上部電極２３は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）やＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）などの透光性を有する導電膜で形成されている。上部電極２３は、フォトダイオード２０に平面視で重なる略円形状の電極部（図５（ａ）参照）においてフォトダイオード２０の上層側の半導体膜（ｐ型半導体膜）に電気的に接続され、配線部において図示しない電源線に電気的に接続されている。
【００５８】
本実施形態に係るイメージセンサー１００では、露光期間中にフォトダイオード２０に光が入射すると、入射光の光量に応じてフォトダイオード２０の接合リーク電流が変化し、接合リーク電流に応じてトランジスター１０のゲート電位が変化する。この結果生ずるトランジスター１０のコンダクタンスの変化を、読み出し期間中にフォトセンサー５０毎に計測することにより、露光期間中に照射された光量を測定できる。
【００５９】
＜反射膜＞
続いて、本実施形態に係るフォトセンサー５０が備える反射膜１１の機能について、図６を参照してさらに説明する。図６は、本実施形態に係るフォトセンサーに入射する入射光を説明する図である。詳しくは、図６（ａ）は図５（ｂ）と同様のＹ−Ｚ断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）の部分拡大図である。また、図９は比較例としてのフォトセンサーの構成を示す概略図であり、図１０は比較例としてのフォトセンサーに入射する入射光を説明する図である。詳しくは、図９（ａ）は図５（ａ）の平面図に相当し、図９（ｂ）は図５（ｂ）の断面図に相当し、図１０は図６（ａ）に相当する。
【００６０】
まず、比較例として反射膜１１を備えていないフォトセンサー６０について説明する。図９（ａ）および（ｂ）に示すように、比較例としてのフォトセンサー６０は、反射膜１１を備えていない点以外は本実施形態に係るフォトセンサー５０と同様の構成を有している。フォトセンサー６０では、平坦化層７の傾斜部７ａがフォトダイオード２０の周囲に環状に配置されているが、傾斜部７ａの傾斜面を覆う反射膜１１は設けられていない。
【００６１】
図１０に示すように、上方からフォトセンサー６０に入射する光のうち、フォトダイオード２０上に位置する上部電極２３の表面の法線方向に沿って、フォトダイオード２０の上面に入射する垂直光Ｌ１は、フォトダイオード２０に入射する。したがって、垂直光Ｌ１は、フォトダイオード２０により光電変換に利用されるので、フォトセンサー６０における光量測定の対象となる。
【００６２】
また、本実施形態に係るフォトダイオード２０は、下部電極２１上に積層形成された半導体膜で構成されるので、シリコン基板内に形成されたフォトダイオードと比べて、光が入射することが可能な側面を有している。したがって、フォトダイオード２０の周囲に入射する斜め光Ｌ３のように、フォトダイオード２０の上面に入射しない光であってもフォトダイオード２０の側面に入射する光は光電変換に利用される。
【００６３】
これに対して、上方からフォトセンサー６０に入射する光のうち、フォトダイオード２０の周囲に入射する垂直光Ｌ２は、フォトダイオード２０に入射しないので、光電変換に利用されない。また、フォトダイオード２０の周囲の領域に入射する斜め光のうち、フォトダイオード２０の側面に入射しない斜め光Ｌ４も光電変換に利用されない。このように、フォトセンサー６０では、フォトダイオード２０の周囲に入射する光の多くは利用されない光となる。
【００６４】
一方、上方から入射する光の他に、例えば隣り合うフォトセンサー６０に入射した斜め光が配線５や下部電極２１と遮光膜１２との間で反射を繰り返して横方向（Ｙ方向）に伝播し、迷光Ｌ５となってフォトダイオード２０の側面に入射する場合がある。このような場合、フォトダイオード２０に直接入射する垂直光Ｌ１や斜め光Ｌ３とともに、迷光Ｌ５も光電変換に利用されてしまう。そうすると、フォトセンサー６０における光量の測定に、本来入射するべき光以外の光が混在することとなるため、イメージセンサーの検出精度の低下を招いてしまう。
【００６５】
図６（ａ）に示すように、本実施形態に係るフォトセンサー５０では、フォトダイオード２０の周囲に入射する垂直光Ｌ２は、反射膜１１で反射されてフォトダイオード２０の側面に入射する。また、フォトダイオード２０の側面に直接入射しない斜め光Ｌ４も、反射膜１１で反射されてフォトダイオード２０の側面に入射する。
【００６６】
したがって、フォトセンサー５０では、垂直光Ｌ１や斜め光Ｌ３のようにフォトダイオード２０に直接入射する光だけでなく、垂直光Ｌ２や斜め光Ｌ４のように直接入射しない光も反射膜１１で反射されてフォトダイオード２０に入射する。そして、これら垂直光Ｌ１，Ｌ２および斜め光Ｌ３，Ｌ４が光電変換に利用され、フォトセンサー５０における光量測定の対象となる。
【００６７】
このように、本実施形態に係るフォトセンサー５０の構成によれば、図５（ａ）に左下に向かう斜線を付して示す反射膜１１により、フォトダイオード２０の周囲に入射する光の多くを反射して、フォトダイオード２０に入射させることができる。これにより、反射膜１１を有していないフォトセンサー６０と比べて、光の利用効率が向上するので、イメージセンサー１００の光感度を向上させることができる。
【００６８】
一方、図６（ａ）に示すように、フォトセンサー５０では、横方向からの迷光Ｌ５は、傾斜部７ａに到達しても傾斜部７ａを覆う反射膜１１で反射（遮光）されるため、フォトダイオード２０の側面には入射しない。したがって、迷光Ｌ５のように本来入射するべき光以外の光がフォトダイオード２０に入射することを抑止できる。要するに、迷光Ｌ５のようなノイズ光を抑制できるので、シグナル／ノイズ比（ＳＮ比）を高めることができ、イメージセンサー１００の検出精度を向上させることができる。
【００６９】
続いて、反射膜１１の好適な傾斜角度について、図６（ｂ）を参照して説明する。図６（ｂ）に示すＹ−Ｚ断面において、下部絶縁膜６の上面は、基板１の上面やフォトダイオード２０の上面およびフォトダイオード２０上に位置する上部電極２３の表面（図６（ａ）参照）と平行であり、Ｘ−Ｙ平面と平行であるものとする。下部絶縁膜６の表面の法線をＮ１とし、下部絶縁膜６の表面に平行な線をＮ２とする。フォトダイオード２０の側面が法線Ｎ１と平行であるとすると、フォトダイオード２０の側面の法線はＮ２となる。
【００７０】
反射膜１１の表面である反射面を１１ｂとし、下部絶縁膜６の上面に対する反射面１１ｂの傾斜角度をθとする。そして、反射面１１ｂの法線をＮ３とする。なお、反射面１１ｂのＹ−Ｚ断面は直線状であるものとする。フォトダイオード２０の周囲に入射する光を入射光Ｌａとし、法線Ｎ１に対する入射光Ｌａの傾斜角度をαとする。そして、入射光Ｌａの反射面１１ｂでの反射光をＬｂとする。反射面１１ｂの法線Ｎ３に対する入射光Ｌａの入射角度をφとすると、反射面１１ｂの法線Ｎ３に対する反射光Ｌｂの反射角度もφとなる。
【００７１】
フォトダイオード２０の側面の法線Ｎ２に対する反射光Ｌｂの傾斜角度をβとする。フォトダイオード２０の側面の法線Ｎ２と反射面１１ｂとがなす角度はθであるので、法線Ｎ２に対する反射光Ｌｂの傾斜角度βは、β＝φ＋θ−９０°となる。ここで、フォトダイオード２０の側面に反射光Ｌｂが入射する場合、反射光Ｌｂはフォトダイオード２０の側面の法線Ｎ２に平行に入射すること、すなわちβ＝０°であることが好ましい。そこで、β＝０°とすると、φ＝９０°−θとなる。
【００７２】
なお、本実施形態では、フォトダイオード２０の光屈折率が、フォトダイオード２０と接する上部絶縁膜９（図６（ａ）参照）の光屈折率よりも大きくなるように、フォトダイオード２０の材質と上部絶縁膜９の材質とを選定している。そのため、反射光Ｌｂがフォトダイオード２０の側面で全反射されることはなく、効率的に光をフォトダイオード２０に導くことができる。
【００７３】
一方、反射面１１ｂと法線Ｎ１がなす角度は９０°−θであるので、法線Ｎ１に対する入射光Ｌａの傾斜角度αは、α＝φ＋９０°−θ−９０°＝φ−θとなる。入射光Ｌａの傾斜角度αに関わらずβ＝０°とすると、上述したようにφ＝９０°−θとなるので、α＝９０°−２θとなる。したがって、β＝０°となる反射面１１ｂの傾斜角度θは、θ＝（９０°−α）／２で求められる。
【００７４】
図４に示す様に、本実施形態では、透光部１３２と可変分光部１２０と開口部１１２とがフォトセンサー５０の法線に直交する平面（フォトセンサー５０が配置されている平面、すなわちＸ−Ｙ平面）に関してアライメントされている。この結果、フォトセンサー５０に入射する光は垂直光Ｌ１，Ｌ２のような傾斜角度α＝０°の垂直光を最も多く含むこととなり、斜め光としては法線に対する傾斜角度αがほぼ３０°の範囲内に収まるものが主体となる。すなわち、図６（ｂ）に示す入射光Ｌａの法線Ｎ１に対する傾斜角度αは−３０°≦α≦３０°であり、α＝０°の入射光Ｌａが最も多くなる。
【００７５】
α＝０°の場合、反射面１１ｂの傾斜角度θは、θ＝９０°／２、すなわち、４５°であることが好ましい。そして、反射面１１ｂの傾斜角度θは、α＝−３０°の場合はθ＝１２０°／２＝６０°であることが好ましく、α＝３０°の場合はθ＝６０°／２＝３０°であることが好ましい。したがって、反射面１１ｂの傾斜角度θは、概ね３０°≦θ≦６０°の範囲内とするのが好ましく、理想的には４５°である。なお、反射面１１ｂの傾斜角度θは、法線Ｎ１に対する入射光Ｌａの傾斜角度αの分布状況に応じて、概ね３０°≦θ≦６０°の範囲内で適宜設定すればよい。
【００７６】
反射膜１１は平坦化層７の傾斜部７ａを覆って形成されているので、反射面１１ｂの傾斜角度θは傾斜部７ａの傾斜角度によって決まる。反射膜１１の膜厚が均一であるとすれば、傾斜部７ａの傾斜面は反射面１１ｂと平行であり、傾斜部７ａの傾斜角度はθとなる。したがって、入射光Ｌａの傾斜角度αの分布状況に応じて、傾斜部７ａの傾斜角度θを３０°≦θ≦６０°の範囲内で適宜設定すればよいこととなる。
【００７７】
なお、上記の説明では、反射面１１ｂのＹ−Ｚ断面は直線状であることとしたが、反射面１１ｂのＹ−Ｚ断面は曲線状であってもよい。すなわち、傾斜部７ａの傾斜面のＹ−Ｚ断面は曲線状であってもよい。
【００７８】
以上述べたように、本実施形態に係るイメージセンサー１００の構成によれば、フォトセンサー５０が、半導体の積層膜からなるフォトダイオード２０と、その周囲にフォトダイオード２０の側面に対向するように傾斜部７ａに配置された反射膜１１とを備えている。そのため、フォトダイオード２０の周囲に入射する光を反射膜１１で反射して、フォトダイオード２０の側面に入射させることができるので、フォトダイオード２０に入射する光の光量が多くなる。また、反射膜１１が傾斜部７ａを覆うように設けられているので、横方向からの迷光Ｌ５は遮光される。したがって、光の利用効率が高く迷光の入射を抑止できるフォトセンサー５０を備えた、高い光感度と高い精度とを有するイメージセンサー１００を提供することができる。
【００７９】
＜光電変換装置の製造方法＞
次に、本実施形態に係る光電変換装置の製造方法について、図７および図８を参照して説明する。ここでは、本発明の特徴であるフォトセンサー５０の製造方法を説明する。図７および図８は、本実施形態に係るフォトセンサーの製造方法を説明する図である。なお、図７および図８の各図は、図５（ｂ）の断面図に相当する。
【００８０】
図７（ａ）に示す工程の前に、基板１上に下地絶縁膜１ａとトランジスター１０とゲート絶縁膜３と層間絶縁膜４と配線５と下部電極２１と下部絶縁膜６とを公知の半導体製造技術を用いて形成する。図７（ａ）に示す工程では、下部絶縁膜６を覆うように平坦化層７を形成する。平坦化層７は、例えば、アクリル樹脂をスピンコート法などを用いて２μｍ程度の膜厚で塗布して成膜する。平坦化層７の上面は、トランジスター１０、配線５、下部電極２１などに起因する凹凸が緩和された略平坦な面となる。
【００８１】
次に、図７（ｂ）に示すように、平坦化層７の下部電極２１と平面視で重なる領域に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、開口部８ａと開口部８ｂとを形成する。平坦化層７の上面（表面）側から、例えばウエットエッチングなどの等方性エッチングを施すことにより、平坦化層７のうち下面側から上面側に向かうほど径が大きくなる略円錐状の範囲が除去される。これにより、平坦化層７の下面側（下部絶縁膜６側）の開口部が開口部８ａとなり、上面側の開口部が開口部８ｂとなり、開口部８ａから開口部８ｂまでが傾斜面となる。
【００８２】
この結果、平坦化層７のうち、開口部８ａから開口部８ｂまでの傾斜面を有する部分が傾斜部７ａとなり、残りの略平坦な面を有する部分が平坦部７ｂとなる。このように、傾斜面を有する傾斜部７ａは、後述する下部電極２１上にフォトダイオード２０を形成する工程で必要となる開口部８ａを形成するための通常のプロセスにおいて形成されるものである。したがって、傾斜部７ａを形成するための追加のプロセスを必要としない。傾斜部７ａの傾斜角度は、エッチング条件などにより制御することができる。
【００８３】
なお、図７（ａ）に示す工程で感光性のアクリル樹脂を用いて平坦化層７を成膜し、図７（ｂ）に示す工程で感光性のアクリル樹脂を露光し現像することにより開口部８ａおよび開口部８ｂを形成してもよい。この場合、傾斜部７ａの傾斜角度は、露光条件などにより制御することができる。
【００８４】
次に、図７（ｃ）に示すように、平坦化層７上に反射膜１１と遮光膜１２とを形成する。反射膜１１と遮光膜１２とは、平坦化層７と下部絶縁膜６とを覆うように、物理気相堆積法（ＰＶＤ：Physical Vapor Deposition）を用いてＡｌとＣｕとの合金などの光を反射する金属材料で金属膜を成膜し、パターニングして形成される。すなわち、成膜された金属膜のうち、平坦化層７の傾斜部７ａを覆うとともに平坦部７ｂに乗り上げた部分が反射膜１１となり、トランジスター１０と平面視で重なる部分が遮光膜１２となり、不要な部分は除去される。反射膜１１と遮光膜１２とを一体で形成してもよい。
【００８５】
このように、トランジスター１０を遮光するために必要となる遮光膜１２を形成するプロセスで、同じ金属膜から反射膜１１を形成するので、反射膜１１を形成するための追加のプロセスを必要としない。また、平坦化層７に開口部８ａを形成するプロセスで形成される傾斜面を有する傾斜部７ａの表面に反射膜１１を形成することで、フォトダイオード２０の側面に対向するように反射膜１１を配置することができる。
【００８６】
次に、図８（ａ）に示すように、下部絶縁膜６に開口部６ａを形成する。開口部６ａは、開口部８ａの内側に開口部８ａよりも小さい径で形成される。換言すれば、開口部８ａが、予め開口部６ａよりも大きくなるように形成されている。これにより、開口部６ａ内に下部電極２１が露出する。
【００８７】
次に、図８（ｂ）に示すように、開口部６ａ内において下部電極２１上に、ｎ型半導体膜とｐ型半導体膜との積層膜からなるフォトダイオード２０を形成する。例えば、非晶質（アモルファス）シリコンを化学気相成長法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）を用いて成膜し、室温でレーザーアニールを行うことで、微結晶（マイクロクリスタル）シリコンからなる半導体膜が得られる。このようにして積層形成したｎ型半導体膜とｐ型半導体膜とをパターニングすることにより、フォトダイオード２０が得られる。フォトダイオード２０は、下部電極２１に電気的に接続され、下部電極２１を介してトランジスター１０のゲート電極３ｇに電気的に接続される。
【００８８】
本実施形態では、基板１上に形成された下部電極２１上に半導体の積層膜からなるフォトダイオード２０を形成するので、従来のようにシリコン基板内にフォトダイオードを形成する構成と比べて、外部からの光が入射することが可能な側面を有するフォトダイオード２０を形成できる。
【００８９】
次に、図８（ｃ）に示すように、平坦化層７と反射膜１１と遮光膜１２とフォトダイオード２０とを覆うように、例えばＳｉＯ2などの絶縁材料により上部絶縁膜９を形成し、パターニングしてフォトダイオード２０の上面を露出させる。
【００９０】
続いて、図５（ｂ）に示すように、フォトダイオード２０と上部絶縁膜９とを覆うように、物理気相堆積法を用いてＩＴＯやＩＺＯなどの透光性を有する導電膜を形成し、パターニングすることにより、上部電極２３を形成する。これにより、上部電極２３がフォトダイオード２０に電気的に接続されて、フォトセンサー５０が構成される。
【００９１】
以上により、本実施形態に係るイメージセンサー１００が完成する。本実施形態に係る光電変換装置の製造方法によれば、高い光感度と高い精度とを有するイメージセンサー１００を通常のプロセスを用いて製造することができる。
【００９２】
なお、フォトダイオード２０のうちｐ型半導体膜を、ＣＩＳ（ＣｕＩｎＳｅ2）系膜やＣＩＧＳ（Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ2）系膜からなるカルコパイライト構造の半導体膜で構成してもよい。ｐ型半導体膜をカルコパイライト構造の半導体膜とする場合、フォトダイオード２０の下層側がｐ型半導体膜となる。また、ＣＩＳ系膜やＣＩＧＳ系膜を形成するため、例えば、銅（Ｃｕ）とインジウム（Ｉｎ）を含む金属膜を高温下でセレン化する工程が必要となる。したがって、カルコパイライト構造の半導体膜とする場合、平坦化層７をＳｉＯ2やＳｉＮなどの無機材料で形成してもよいし、アクリル樹脂からなる平坦化層７を形成する前にフォトダイオード２０を形成するようにしてもよい。
【００９３】
上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。変形例としては、例えば、以下のようなものが考えられる。
【００９４】
（変形例１）
上記実施形態では、光電変換装置として、フォトダイオード２０を備えたイメージセンサー１００を例に挙げて説明したが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。光電変換装置は、フォトダイオード２０を備えた太陽電池であってもよい。
【００９５】
（変形例２）
上記実施形態では、電子機器として、血管の画像情報や血液中の特定成分などの情報を入手可能な携帯型の情報端末装置である生体情報取得装置２００を例に挙げて説明したが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。電子機器は、据置型など異なる形態の情報端末装置であってもよいし、指の静脈の画像情報を取得し予め登録された静脈の画像情報と比較することで個人を特定する生体認証装置であってもよい。また、電子機器は、指紋や眼球の虹彩などを撮像する固体撮像装置であってもよい。
【符号の説明】
【００９６】
１…基板、７…平坦化層（絶縁層）、７ａ…傾斜部（第１部分）、７ｂ…平坦部（第２部分）、８ａ…開口部、８ｂ…開口部、１０…トランジスター、１１…反射膜（金属膜）、１２…遮光膜（金属膜）、２０…フォトダイオード（光検出素子）、１００…光電変換装置としてのイメージセンサー、１３０…発光装置、２００…電子機器としての生体情報取得装置。
【図１】
2016111211.tif 000003
【図２】
2016111211.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2016111211.tif 000009
【図８】
2016111211.tif 000010
【図９】
2016111211.tif 000011
【図１０】
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