JP2015015295A - 固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】より簡単な構成で、位相差画素で高い位相差検出精度を得ることができるようにする。【解決手段】固体撮像装置は、画像生成用の画素である撮像画素と焦点検出用の画素である位相差画素を含む複数の画素が行列状に２次元配置された画素アレイ部を備える。ここで、撮像画素に形成されているマイクロレンズと遮光層との間の所定層は、位相差画素に形成されている所定層の屈折率よりも高い屈折率を有する。本開示の技術は、例えば、裏面照射型の固体撮像装置等に適用できる。【選択図】図２

Description

本開示は、固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子機器に関し、特に、より簡単な構成で、位相差画素で高い位相差検出精度を得ることができるようにする固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子機器に関する。
複数の画素を行列状に２次元配置した画素アレイ部において、画像生成用の通常の画素（以下、撮像画素という。）に加えて、焦点検出用の位相差画素を配置した固体撮像装置がある。
位相差画素で高い位相差検出精度を得るためには、位相差画素が所望の角度の入射光のみを受光して出力するように、感度の角度依存性を高めることが必要である。そして、位相差画素の感度の角度依存性を高めるには、位相差画素の層間膜を増膜（厚膜化）することが最も有効である。
しかしながら、単純に層間膜を増膜すると、撮像画素も同様に増膜することになるため、撮像画素では、斜入射特性が悪化してしまう。すなわち、撮像画素では、入射角度の大きい斜めからの光も受光できることが望ましいが、増膜することで、斜めからの光を受光できなくなり、感度が落ちてしまう。
そこで、位相差画素に対して撮像画素の構造と異なる構造を採用することで、位相差画素の検出精度を向上させる固体撮像装置が提案されている。例えば、特許文献１では、位相差画素に層内レンズを形成し、層内レンズ下に高屈折率層を埋め込むことで、位相差画素の構造を撮像画素と異なる構造とする技術が開示されている。
一方、特許文献２では、撮像画素の構造を変化させる案が開示されている。具体的には、撮像画素に層間レンズと光導波路を設けることで、撮像画素の特性劣化を抑制しつつ、位相差画素を最適化することで、位相差画素の検出精度の向上を図ることが開示されている。
また、位相差画素で高い位相差検出精度を得るためには、瞳分割する遮光層が重要な役割を果たす。そこで、特許文献３には、位相差画素の最上層の配線層の開口幅を撮像画素の開口幅よりも縮小させることで、遮光層を補助するようにした固体撮像装置が開示されている。
特開２０１２−１５１３６７号公報 特開２００８−７１９７２号公報 特開２０１２−１７３４９２号公報
しかしながら、特許文献１に開示の技術では、波面を急峻に曲げるため、受光部での反射損失が増加することが懸念される。また、特許文献２に開示の技術では、撮像画素に層間レンズと光導波路を設けるため、工程数が大幅に増大する。同様に、特許文献３に開示の技術を実現する場合には最低２層の配線が必要となるため、特に裏面照射型の固体撮像装置に適用した場合に、工程数が大幅に増大する。
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、より簡単な構成で、位相差画素で高い位相差検出精度を得ることができるようにするものである。
本開示の第１の側面の固体撮像装置は、画像生成用の画素である撮像画素と焦点検出用の画素である位相差画素を含む複数の画素が行列状に２次元配置された画素アレイ部を備え、前記撮像画素に形成されているマイクロレンズと遮光層との間の所定層は、前記位相差画素に形成されている前記所定層の屈折率よりも高い屈折率を有する。
本開示の第２の側面の固体撮像装置の製造方法は、画像生成用の画素である撮像画素と焦点検出用の画素である位相差画素を含む複数の画素を形成する際に、前記撮像画素のマイクロレンズと遮光層との間の所定層を、前記位相差画素の前記所定層の屈折率よりも高い屈折率を有する材料で形成する。
本開示の第３の側面の電子機器は、画像生成用の画素である撮像画素と焦点検出用の画素である位相差画素を含む複数の画素が行列状に２次元配置された画素アレイ部を備え、前記撮像画素に形成されているマイクロレンズと遮光層との間の所定層は、前記位相差画素に形成されている前記所定層の屈折率よりも高い屈折率を有する固体撮像装置を備える。
本開示の第１乃至第３の側面においては、画像生成用の画素である撮像画素と焦点検出用の画素である位相差画素を含む複数の画素が行列状に２次元配置されている画素アレイ部において、前記撮像画素に形成されているマイクロレンズと遮光層との間の所定層が、前記位相差画素に形成されている前記所定層の屈折率よりも高い屈折率を有している。
本開示の第４の側面の電子機器は、画像生成用の画素である撮像画素と焦点検出用の画素である位相差画素を含む複数の画素が行列状に２次元配置されている画素アレイ部を備え、前記位相差画素の前記遮光層の開口形状が、画素領域の四隅近傍の領域を遮光する形状である固体撮像装置を備える。
本開示の第４の側面においては、画像生成用の画素である撮像画素と焦点検出用の画素である位相差画素を含む複数の画素が行列状に２次元配置されている画素アレイ部において、前記位相差画素の前記遮光層の開口形状が、画素領域の四隅近傍の領域を遮光する形状とされている。
固体撮像装置及び電子機器は、独立した装置であっても良いし、他の装置に組み込まれるモジュールであっても良い。
本開示の第１乃至第４の側面によれば、より簡単な構成で、位相差画素で高い位相差検出精度を得ることができる。
本開示に係る固体撮像装置の概略構成を示す図である。 画素の第１の実施の形態に係る断面構成図である。 第１の実施の形態の画素構造の斜入射特性を説明する図である。 第１の実施の形態に係る画素の製造方法を説明する図である。 画素の第２の実施の形態に係る断面構成図である。 画素の第３の実施の形態に係る断面構成図である。 第３の実施の形態に係る画素の製造方法を説明する図である。 画素の第４の実施の形態に係る断面構成図である。 第４の実施の形態に係る画素の製造方法を説明する図である。 画素の第５の実施の形態に係る断面構成図である。 位相差画素の遮光層の平面図である。 位相差画素の遮光層の開口形状を説明する図である。 本開示の画素構造の効果を説明する図である。 位相差画素の開口幅の変形例を示す図である。 位相差画素の開口方向の変形例を示す図である。 位相差画素の開口形状の変形例を示す図である。 表面照射型の固体撮像装置の場合の画素の断面構成図である。 表面照射型の固体撮像装置の場合の斜入射特性を説明する図である。 本開示に係る電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。
以下、本開示を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．本開示に係る固体撮像装置の概略構成例
２．画素の第１の実施の形態（高屈折率層と低屈折率層がカラーフィルタ層とマイクロレンズの間にある形態）
３．画素の第２の実施の形態（高屈折率層及び低屈折率層とマイクロレンズとの間に平坦化膜がある形態）
４．画素の第３の実施の形態（高屈折率層と低屈折率層がカラーフィルタ層と平坦化膜の間にある形態）
５．画素の第４の実施の形態（カラーフィルタ層が高屈折率層となる形態）
６．画素の第５の実施の形態（透明カラーフィルタ層が低屈折率層となる形態）
７．遮光層の開口形状
８．遮光層の開口幅の変形例
９．遮光層の開口方向の変形例
１０．遮光層の開口形状の変形例
１１．表面照射型への適用例
１２．本開示に係る電子機器の構成例
＜１．固体撮像装置の概略構成例＞
図１は、本開示に係る固体撮像装置の概略構成を示している。
図１の固体撮像装置１は、半導体として例えばシリコン（Si）を用いた半導体基板１２に、画素２が行列状に２次元配置されている画素アレイ部３と、その周辺の周辺回路部とを有して構成される。周辺回路部には、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、水平駆動回路６、出力回路７、制御回路８などが含まれる。
画素アレイ部３において、行列状に２次元配置された画素２には、画像生成用の信号を生成する撮像画素２Aと、焦点検出用の信号を生成する位相差画素２Bとがある。撮像画素２Aと位相差画素２Bの違いについては後述する。
画素２は、光電変換素子としてのフォトダイオードと、複数の画素トランジスタ（いわゆるMOSトランジスタ）を有して成る。複数の画素トランジスタは、例えば、転送トランジスタ、選択トランジスタ、リセットトランジスタ、及び、増幅トランジスタの４つのMOSトランジスタで構成される。
また、画素２は、共有画素構造とすることもできる。この画素共有構造は、複数のフォトダイオードと、複数の転送トランジスタと、共有される１つのフローティングディフージョン（浮遊拡散領域）と、共有される１つずつの他の画素トランジスタとから構成される。すなわち、共有画素では、複数の単位画素を構成するフォトダイオード及び転送トランジスタが、他の１つずつの画素トランジスタを共有して構成される。
制御回路８は、入力クロックと、動作モードなどを指令するデータを受け取り、また固体撮像装置１の内部情報などのデータを出力する。すなわち、制御回路８は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、制御回路８は、生成したクロック信号や制御信号を、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６等に出力する。
垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素駆動配線１０を選択し、選択された画素駆動配線１０に画素２を駆動するためのパルスを供給し、行単位で画素２を駆動する。すなわち、垂直駆動回路４は、画素アレイ部３の各画素２を行単位で順次垂直方向に選択走査し、各画素２の光電変換部において受光量に応じて生成された信号電荷に基づく画素信号を、垂直信号線９を通してカラム信号処理回路５に供給する。
カラム信号処理回路５は、画素２の列ごとに配置されており、１行分の画素２から出力される信号を画素列ごとにノイズ除去などの信号処理を行う。例えば、カラム信号処理回路５は、画素固有の固定パターンノイズを除去するためのCDS(Correlated Double Sampling：相関２重サンプリング)およびAD変換等の信号処理を行う。
水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を水平信号線１１に出力させる。
出力回路７は、カラム信号処理回路５の各々から水平信号線１１を通して順次に供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。出力回路７は、例えば、バファリングだけする場合もあるし、黒レベル調整、列ばらつき補正、各種デジタル信号処理などが行われる場合もある。入出力端子１３は、外部と信号のやりとりをする。
以上のように構成される固体撮像装置１は、CDS処理とAD変換処理を行うカラム信号処理回路５が画素列ごとに配置されたカラムAD方式と呼ばれるCMOSイメージセンサである。
また、固体撮像装置１は、画素トランジスタが形成される半導体基板１２の表面側と反対側の裏面側から光が入射される裏面照射型のMOS型固体撮像装置である。
＜２．画素の第１の実施の形態＞
＜画素の断面構成図＞
図２は、画素２の第１の実施の形態に係る断面構成図である。図２では、画素アレイ部３内の隣接している撮像画素２Aと位相差画素２Bの断面構成が示されている。
図２を参照して、撮像画素２Aと位相差画素２Bの構造について説明する。
固体撮像装置１は、半導体基板１２の、例えば、P型（第１導電型）の半導体領域４１に、N型（第２導電型）の半導体領域４２を画素２ごとに形成することにより、フォトダイオードPDが、画素単位に形成されている。半導体基板１２の表裏両面に臨むP型の半導体領域４１は、暗電流抑制のための正孔電荷蓄積領域を兼ねている。
半導体基板１２の表面側（図中下側）には、フォトダイオードPDに蓄積された電荷の読み出し等を行う複数の画素トランジスタTrと、複数の配線層４３と層間絶縁膜４４とからなる多層配線層４５が形成されている。
半導体基板１２の裏面側（図中上側）の界面には、屈折率の異なる複数層、例えば、ハフニウム酸化（HfO2）膜とシリコン酸化膜の２層の膜からなる反射防止膜（絶縁層）４６が形成されている。
反射防止膜４６の上側の一部には、遮光層４７が形成される。より具体的には、撮像画素２Aでは、フォトダイオードPD全面に光が入射されるように、反射防止膜４６上の画素境界のみに遮光層４７が形成されている。一方、位相差画素２Bでは、画素境界に加えて、フォトダイオードPDの受光面の片側半分（図２では、左側半分）も遮光されるように遮光層４７が形成されている。
位相差画素２Bには、例えば、フォトダイオードPDの受光面の左側半分が開口されたタイプAと、右側半分が開口されたタイプBの２種類があり、これら２種類が対となって画素アレイ部３の所定の位置に配置されている。タイプAからの画素信号とタイプBの画素信号とでは、開口部の形成位置の違いにより、像のずれが発生する。この像のずれから、位相ずれ量を算出してデフォーカス量を算出し、撮影レンズを調整（移動）することで、オートフォーカスを達成することができる。
遮光層４７は、光を遮光する材料であればよいが、遮光性が強く、かつ微細加工、例えばエッチングで精度よく加工できる材料が望ましい。遮光層４７は、例えば、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Al）、銅（Cu）、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、ニッケル(Ni)などの金属膜で形成することができる。
遮光層４７を含む反射防止膜４６の上には、平坦化膜４８が形成されている。平坦化膜４８は、例えば、樹脂などの有機材料を回転塗布することによって形成される。また、平坦化膜４８は、例えばSiO2等の無機膜を成膜して、CMP（Chemical Mechanical Polishing）により平坦化することで形成されてもよい。
平坦化膜４８上には、カラーフィルタ層４９が画素毎に形成される。カラーフィルタ層４９は、例えば顔料や染料などの色素を含んだ感光性樹脂を回転塗布することによって形成される。カラーフィルタ層４９の配列としては、R（赤）、G（緑）、B（青）の各色が、例えばベイヤ配列により配置されることとするが、その他の配列方法で配置されてもよい。図２の例では、左側の撮像画素２Aには、G（緑）のカラーフィルタ層４９が形成され、右側の位相差画素２Bには、B（青）のカラーフィルタ層４９が形成されている。なお、位相差画素２BがBのカラーフィルタ層４９に限られるわけではない。
カラーフィルタ層４９の上側には、撮像画素２Aと位相差画素２Bとで屈折率の異なる層が形成されている。
具体的には、撮像画素２Aのカラーフィルタ層４９の上側には、屈折率ｎａの高屈折率層５０が形成され、位相差画素２Bのカラーフィルタ層４９の上側には、屈折率ｎｂの低屈折率層５１が形成されている。ここで、高屈折率層５０と低屈折率層５１の屈折率差は0.2以上である（ｎａ−ｎａ≧0.2）。高屈折率層５０と低屈折率層５１は、位相差画素２Bにおいて十分な位相差検出精度が得られる厚みとなるように、例えば、約１μｍ程度の同一の厚みで形成される。
高屈折率層５０は、例えば、窒化膜（SiN）、酸窒化膜（SiON）、炭化珪素（SiC）等の無機膜で形成される。一方、低屈折率層５１は、例えば、酸化膜（SiO2）や、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン−アクリル共重合系樹脂、またはシロキサン系樹脂等の樹脂系材料で形成される。
カラーフィルタ層４９の上には、マイクロレンズ（オンチップレンズ）５２が画素ごとに形成されている。マイクロレンズ５２には、低屈折率層５１と同程度の屈折率となる材料が用いられる。マイクロレンズ５２は、例えば、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン−アクリル共重合系樹脂、またはシロキサン系樹脂等の樹脂系材料で形成される。
固体撮像装置１の画素アレイ部３の撮像画素２Aと位相差画素２Bは、以上のように構成されている。
＜画素の斜入射特性＞
図３は、第１の実施の形態の画素構造の斜入射特性を説明するための、斜入射光の伝搬の様子を示す図である。
一般的な裏面照射型の固体撮像装置の構造は、図２に示した第１の実施の形態の構造から、高屈折率層５０と低屈折率層５１を取り除いた構造に相当する。この場合、マイクロレンズ５２から遮光層４７までの距離が短いため、感度の角度依存性が十分に得られず、位相差検出精度が低くなる。
本実施の形態の構造では、位相差画素２Bに対しては、カラーフィルタ層４９の上に低屈折率層５１を形成することで、感度の角度依存性が高められている。すなわち、所望の角度以外の斜めの入射光は遮光層４７の開口部以外に外れるように、低屈折率層５１が増膜されており、デフォーカス量に対する出力の変化が大きくなり、位相差検出精度を向上させている。
これに対して、撮像画素２Aにおいては、低屈折率層５１ではなく、低屈折率層５１との屈折率差が0.2以上の高屈折率層５０が、カラーフィルタ層４９の上に形成されている。これにより、撮像画素２Aでは、位相差画素２Bと等しいデバイス高さながら、高屈折率層５０による屈折の効果により、角度依存性を小さくすることができる。したがって、第１の実施の形態の画素構造を採用した固体撮像装置１によれば、位相差画素２Bでは高い位相差検出精度を実現しつつ、撮像画素２Aの特性の劣化を最小限に抑えることが可能となる。
＜第１の実施の形態に係る画素の製造方法＞
次に、図４を参照して、上述した第１の実施の形態に係る画素２の製造方法について説明する。
なお、第１の実施の形態の画素２において、平坦化膜４８上にカラーフィルタ層４９が形成されるまでの製造工程は、裏面照射型の固体撮像装置の従来の製造方法と同様であり、図４では、フォトダイオードPDが形成されている半導体基板１２とその表面側の多層配線層４５の図示が簡略化または省略されている。
まず、図４Aに示されるように、半導体基板１２の裏面側に、反射防止膜４６、遮光層４７、平坦化膜４８、およびカラーフィルタ層４９が順に形成される。ここまでの製造方法は、裏面照射型の固体撮像装置の従来の製造方法と同様である。
次に、図４Bに示されるように、カラーフィルタ層４９の上に、低屈折率層５１が、例えば、CVD法で堆積時間を長く設定することより増膜（成膜）される。
次に、図４Cに示されるように、画素アレイ部３の位相差画素２Bの領域のみにレジスト７１をパターニングしてエッチングすることにより、図４Dに示されるように、撮像画素２Aの領域の低屈折率層５１が除去される。
そして、図４Eに示されるように、低屈折率層５１が除去された撮像画素２Aの領域に、高屈折率層５０が、例えば、CVD法により増膜（成膜）される。
最後に、図４Fに示されるように、マイクロレンズ５２が、低屈折率層５１と同程度の屈折率を有する樹脂系材料で形成される。マイクロレンズ５２は、例えば、感光性の樹脂材料をリソグラフィ技術でパターン加工した後に、リフロー処理でレンズ形状に変形させることで形成することができる。
＜３．画素の第２の実施の形態＞
＜画素の断面構成図＞
図５は、画素２の第２の実施の形態に係る断面構成図である。図５では、図２に示した第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付してあり、その部分の説明は適宜省略する。
図５の第２の実施の形態では、高屈折率層５０及び低屈折率層５１と、マイクロレンズ５２との間に、平坦化膜８１が形成されている点が、図２の第１の実施の形態と異なる。
平坦化膜８１は、例えば、アクリル系樹脂により形成される。また、平坦化膜８１は、例えばSiO2等の無機膜を成膜して、CMPにより平坦化することで形成されてもよい。平坦化膜８１の膜厚は、例えば、３００ｎｍ程度とすることができる。
平坦化膜８１は、低屈折率層５１と同程度の屈折率を有するものであれば、低屈折率層５１と同じ材料を用いてもよいし、異なる材料で形成されてもよい。したがって、第２の実施の形態では、高屈折率層５０及び低屈折率層５１とマイクロレンズ５２との間に、高屈折率層５０よりも屈折率が低い層が形成されている。
第２の実施の形態においても、低屈折率層５１と高屈折率層５０の屈折率差は0.2以上に設定されている。これにより、撮像画素２Aでは、高屈折率層５０による屈折の効果により角度依存性を小さくし、位相差画素２Bでは、低屈折率層５１により角度依存性が高められている。したがって、第２の実施の形態の画素構造を採用した固体撮像装置１においても、位相差画素２Bでは高い位相差検出精度を実現しつつ、撮像画素２Aの特性の劣化を最小限に抑えることが可能となる。
第２の実施の形態の画素２の製造方法について図４を利用して説明する。
第２の実施の形態の画素２は、図４Eのように、カラーフィルタ層４９の上に、高屈折率層５０及び低屈折率層５１が形成された後、平坦化膜８１が形成される。平坦化膜８１は、例えば、アクリル系の樹脂材料をスピンコート法によって塗布し、熱硬化処理を実施することで形成することができる。その後、マイクロレンズ５２が、低屈折率層５１と同程度の屈折率を有する樹脂系材料で形成される。
＜４．画素の第３の実施の形態＞
＜画素の断面構成図＞
図６は、画素２の第３の実施の形態に係る断面構成図である。図６においても、図２に示した第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付してあり、その部分の説明は適宜省略する。
図６の第３の実施の形態では、高屈折率層５０及び低屈折率層５１とカラーフィルタ層４９の層が、図２の第１の実施の形態と反対である点が異なる。
すなわち、第３の実施の形態では、平坦化膜４８の上側の撮像画素２Aの領域には高屈折率層５０が形成されており、平坦化膜４８の上側の位相差画素２Bの領域には低屈折率層５１が形成されている。そして、高屈折率層５０と低屈折率層５１の上側に、カラーフィルタ層４９が形成されている。
第３の実施の形態においても、低屈折率層５１と高屈折率層５０の屈折率差は0.2以上に設定されている。これにより、撮像画素２Aでは、高屈折率層５０による屈折の効果により角度依存性を小さくし、位相差画素２Bでは、低屈折率層５１により角度依存性が高められている。したがって、第３の実施の形態の画素構造を採用した固体撮像装置１においても、位相差画素２Bでは高い位相差検出精度を実現しつつ、撮像画素２Aの特性の劣化を最小限に抑えることが可能となる。
＜第３の実施の形態に係る画素の製造方法＞
図７を参照して、第３の実施の形態に係る画素２の製造方法について説明する。
なお、図７において、半導体基板１２とその表面側の多層配線層４５の図示が簡略化または省略されている点は、図４と同様である。
まず、図７Aに示されるように、半導体基板１２の裏面側に、反射防止膜４６、遮光層４７、および平坦化膜４８が順に形成される。ここまでの製造方法は、裏面照射型の固体撮像装置の従来の製造方法と同様である。
次に、図７Bに示されるように、平坦化膜４８の上に、低屈折率層５１が、例えば、CVD法により増膜（成膜）される。なお、平坦化膜４８と低屈折率層５１は同一の材料で形成することができ、その場合、平坦化膜４８と低屈折率層５１を合わせた膜厚となるまで、同一工程で形成することができる。
次に、図７Cに示されるように、上述した図４Dと同様に、レジスト７１をパターニングしてエッチングすることにより、撮像画素２Aの領域の低屈折率層５１が除去される。
そして、図７Dに示されるように、低屈折率層５１が除去された撮像画素２Aの領域に、高屈折率層５０が、例えば、CVD法により増膜（成膜）される。
次に、図７Eに示されるように、高屈折率層５０と低屈折率層５１の上側に、例えば、顔料や染料などの色素を含んだ感光性樹脂を塗布してパターン加工することにより、カラーフィルタ層４９が形成される。
最後に、図７Fに示されるように、マイクロレンズ５２が、低屈折率層５１と同程度の屈折率を有する樹脂系材料で形成される。
＜５．画素の第４の実施の形態＞
＜画素の断面構成図＞
図８は、画素２の第４の実施の形態に係る断面構成図である。図８においても、図２に示した第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付してあり、その部分の説明は適宜省略する。
図８の第４の実施の形態では、低屈折率層５１が、撮像画素２Aと位相差画素２Bの平坦化膜４８の上側に、十分な位相差検出精度が得られる厚みで形成されている。低屈折率層５１は、その下側の平坦化膜４８と同一の材料を用いて形成されてもよいし、異なる材料で形成されてもよい。
そして、低屈折率層５１の上側の撮像画素２Aの領域には、カラーフィルタ層４９が形成されている。カラーフィルタ層４９は、顔料や染料などの色素を含んだ感光性の樹脂材料を用いて形成され、高屈折率層５０と同等の屈折率を有する。
一方、高屈折率層５０と同一層となる位相差画素２Bの領域には、マイクロレンズ５２の材料が埋め込まれ、各画素２の最上部に形成されるマイクロレンズ５２と一体に形成されている。
第４の実施の形態では、カラーフィルタ層４９が高屈折率層５０と同等の高い屈折率（ｎａ）を有し、マイクロレンズ５２が低屈折率層５１と同等の低い屈折率（ｎｂ）を有することから、撮像画素２Aのカラーフィルタ層４９と、同一厚みのマイクロレンズ５２の材料層とで、屈折率差が0.2以上となるように構成されている。これにより、撮像画素２Aでは、カラーフィルタ層４９による屈折の効果により角度依存性を小さくし、位相差画素２Bでは、マイクロレンズ５２の材料層により角度依存性が高められている。したがって、第４の実施の形態の画素構造を採用した固体撮像装置１においても、位相差画素２Bでは高い位相差検出精度を実現しつつ、撮像画素２Aの特性の劣化を最小限に抑えることが可能となる。
また、第４の実施の形態では、位相差画素２Bに高屈折率のカラーフィルタ層４９が形成されている場合と比べて、少ない増膜量で十分な角度依存性が得られるため、撮像画素２Aの特性劣化を抑えることができる。また、位相差画素２Bでは、カラーフィルタ層４９による吸収がなくなるので、感度が向上する。したがって、位相差画素２Bでは高い位相差検出精度を得ることができる。
＜第４の実施の形態に係る画素の製造方法＞
図９を参照して、第４の実施の形態に係る画素２の製造方法について説明する。
図９において、半導体基板１２とその表面側の多層配線層４５の図示が簡略化または省略されている点は、図４と同様である。
まず、図９Aに示されるように、半導体基板１２の裏面側に、反射防止膜４６、遮光層４７、および平坦化膜４８が順に形成される。ここまでの製造方法は、裏面照射型の固体撮像装置の従来の製造方法と同様である。
次に、図９Bに示されるように、平坦化膜４８の上に、低屈折率層５１が、例えば、CVD法により、十分な位相差検出精度が得られる厚みとなるまで増膜（成膜）される。
次に、図９Cに示されるように、平坦化膜４８上の全面に、例えば、顔料や染料などの色素を含んだ感光性樹脂をスピンコート法などのコーティング方法によって塗布し、熱硬化処理を施すことで、カラーフィルタ層４９が形成される。
そして、図９Dに示されるように、撮像画素２Aの領域のみにレジスト７１をパターニングしてエッチングすることにより、位相差画素２Bの領域のカラーフィルタ層４９が除去される。
そして、レジスト７１が剥離された後、図９Eに示されるように、マイクロレンズ５２の材料が埋め込まれ、各画素２の最上部に形成されるマイクロレンズ５２と一体に形成される。
＜６．画素の第５の実施の形態＞
＜画素の断面構成図＞
図１０は、画素２の第５の実施の形態に係る断面構成図である。
図８に示した第４の実施の形態では、撮像画素２Aでカラーフィルタ層４９が形成されている位相差画素２Bの対応部分にマイクロレンズ５２の材料が埋め込まれていた。第５の実施の形態では、図１０に示すように、屈折率が低屈折率層５１と同程度（即ち、ｎｂ）の材料を用いた透明な（Whiteの）カラーフィルタ層４９Bが、位相差画素２Bの対応部分に形成されている。なお、位相差画素２Bの対応部分には、低屈折率層５１そのものを埋め込んでもよい。
＜７．遮光層の開口形状＞
次に、固体撮像装置１の位相差画素２Bの遮光層４７の開口形状について説明する。
図１１Aおよび図１１Bは、従来の遮光層の平面図であり、図１１Cおよび図１１Dは、位相差画素２Bの遮光層４７の平面図である。
従来の遮光層の開口形状は、図１１Aおよび図１１Bに示されるように、フォトダイオードPDの受光面を、左側半分と右側半分に瞳分割した四角形形状となっている。
これに対して、固体撮像装置１の位相差画素２Bの遮光層４７の開口形状は、図１１Cおよび図１１Dに示されるように、左側半分と右側半分に瞳分割した従来の開口形状からさらに、矩形の画素領域の四隅近傍の領域を遮光する六角形形状となっている。このように、矩形の画素領域の四隅近傍の領域を狭めた多角形形状とすることで、従来、画素領域の四隅近傍のマイクロレンズ５２の平坦部（Gap部）から入射される不要な光を遮光することができる。
図１２は、右側半分を瞳分割した従来の遮光層と位相差画素２Bの遮光層４７に、光の通過領域８１を重畳した図である。
図１２Aおよび図１２Bに示される光の通過領域８１のうち、破線で囲まれている画素領域の四隅近傍の領域８１ａは、矩形の画素領域の四隅近傍のマイクロレンズ５２の平坦部（Gap部）から入射された不要な光の領域である。
図１２Bに示されるように、遮光層４７が画素領域の四隅近傍の領域を狭めた六角形形状となっていることで、位相差画素２Bでは、領域８１ａの不要な光を遮光することができる。これにより、画素信号のS/N比を向上させ、位相差画素２Bの角度依存性を向上させることができるので、高い位相差検出精度を実現することができる。
＜本開示の画素構造による効果＞
図１３を参照して、本開示の画素構造の効果を説明する。
図１３は、光が入射されるときの入射角度と信号出力との関係を示す入射角度依存特性を、本開示の画素構造と従来の画素構造とで比較した図である。
ここで、従来の画素構造とは、従来の裏面照射型の画素構造に対して位相差画素で位相差検出精度を高めるため、撮像画素も含めた各画素に低屈折率層を増膜するとともに、遮光層の開口形状を図１１Aおよび図１１Bのように四角形形状とした構造をいう。換言すれば、従来の画素構造は、高屈折率層５０を設けずに、低屈折率層５１のみを全画素に増膜し、かつ、遮光層の開口形状を図１１Aおよび図１１Bの四角形形状とした構造である。
図１３において、実線の入射角度依存特性は、撮像画素２Aと位相差画素２Bの入射角度依存特性を示し、破線の入射角度依存特性は、従来構造の撮像画素と位相差画素の入射角度依存特性を示している。なお、位相差画素２Bについては、図１１Dの右側半分を光が通過する位相差画素２B(右)と、図１１Cの左側半分を光が通過する位相差画素２B（左）の２種類が表示されている。従来の位相差画素についても同様である。
図１３に示される入射角度依存特性によれば、撮像画素２Aでは、高屈折率層５１が設けられていることにより、従来の画素構造と比較して、斜めの入射角度での信号出力が増大しており、斜入射特性の劣化が低く抑えられている。
また、位相差画素２Bでは、低屈折率層５１の増膜と、マイクロレンズ５２の平坦部（Gap部）から入射される不要な光を遮光する六角形形状の遮光層４７により、従来よりも、感度の角度依存性が高められている。すなわち、従来の画素構造における場合よりも、位相差画素２B(右)と位相差画素２B（左）の出力が切り替わる０°の入射角度付近で、入射角度の微小な変化に対して出力が大きく変化している。
したがって、本開示の画素構造によれば、位相差画素２Bでは高い位相差検出精度を実現しつつ、撮像画素２Aの特性の劣化を最小限に抑えることが可能となる。
＜８．遮光層の開口幅の変形例＞
上述した各実施の形態では、位相差画素２Bの遮光層４７の開口部が、図１１Cおよび図１１Dに示したように、いわゆる像高０割と呼ばれる、光軸（受光領域）の中心を境界として、右側半分と、左側半分に瞳分割されている例について説明した。
しかしながら、図１４に示されるように、プラス側（＋側）の像高で瞳分割した開口部の遮光層４７を有する位相差画素２Bの対や、マイナス側（−側）の像高で瞳分割した開口部の遮光層４７を有する位相差画素２Bの対を、画素アレイ部３の任意の位置に配置することができる。すなわち、画素アレイ部３には、遮光層４７の開口幅（瞳分割方向の幅）が異なる複数の位相差画素２Bの対を配置することができる。
＜９．遮光層の開口方向の変形例＞
また、図１４は、左右方向で瞳分割し、位相差画素２Bの開口部の開口方向を左右方向とする例であるが、開口部の開口方向は、左右方向に限られず、図１５に示されるような上下方向や、斜め方向（不図示）としてもよい。
さらには、遮光層４７の開口方向が上下方向の位相差画素２Bと左右方向の位相差画素２Bが混在するなど、画素アレイ部３内に、遮光層４７の開口方向が異なる複数の位相差画素２Bが混在していてもよい。
＜１０．遮光層の開口形状の変形例＞
図１６は、位相差画素２Bの遮光層４７の開口形状のその他の例を示している。
位相差画素２Bの遮光層４７の開口形状は、矩形の画素領域の四隅近傍の領域を狭めた形状であれば、図１１Cおよび図１１Dに示したような六角形形状に限られない。例えば、位相差画素２Bの遮光層４７の開口形状として、図１６A乃至図１６Cのような形状を採用することができる。
図１６Aは、位相差画素２Bの遮光層４７の開口形状が、正十二角形形状を所定の像高で瞳分割した形状である八角形形状の例を示している。
図１６Bは、位相差画素２Bの遮光層４７の開口形状が、円形状を所定の像高で瞳分割した形状である半円形状の例を示している。
図１６Cは、位相差画素２Bの遮光層４７の開口形状が、菱形を所定の像高で瞳分割した形状である三角形形状の例を示している。
＜１１．表面照射型への適用例＞
本開示の画素構造は、裏面照射型だけに限らず、表面照射型の固体撮像装置にも適用することができる。
図１７は、本開示の画素構造を表面照射型の固体撮像装置に適用した場合の撮像画素２Aと位相差画素２Bの断面構成を示している。
固体撮像装置１では、半導体基板１１２の、例えば、P型の半導体領域１４１に、N型の半導体領域１４２が画素２ごとに形成されることにより、フォトダイオードPDが、画素単位に形成されている。
半導体基板１１２の上側には、遮光層１４７、複数の配線層１４３、層間絶縁膜１４４とからなる多層配線層１４５が形成されている。
多層配線層１４５の上側には、撮像画素２Aの領域に、屈折率ｎａの高屈折率層１５０が形成されており、位相差画素２Bの領域に、屈折率ｎｂの低屈折率層１５１が形成されている。ここで、高屈折率層１５０と低屈折率層１５１の屈折率差は0.2以上である（ｎａ−ｎａ≧0.2）。
そして、高屈折率層１５０と低屈折率層１５１の上側には、反射防止膜１５２、窒化膜（SiN）等で形成されるパッシベーション膜１５３、平坦化膜１５４が、順に形成されている。
さらに、平坦化膜１５４の上には、カラーフィルタ層１５５とマイクロレンズ１５６が形成されている。
図１８は、表面照射型の撮像画素２Aと位相差画素２Bの断面構成図に、斜入射光の伝搬の様子を示した図である。
表面照射型の固体撮像装置においても、撮像画素２Aには高屈折率層１５０が増膜され、位相差画素２Bには低屈折率層１５１が増膜されている。そして、撮像画素２Aの高屈折率層１５０と位相差画素２Bの低屈折率層１５１の屈折率差は0.2以上に設定されている。これにより、撮像画素２Aでは、高屈折率層１５０による屈折の効果により角度依存性を小さくし、位相差画素２Bでは、低屈折率層１５１により角度依存性が高められている。したがって、本開示の画素構造を採用した表面照射型の固体撮像装置においても、位相差画素２Bでは高い位相差検出精度を実現しつつ、撮像画素２Aの特性の劣化を最小限に抑えることが可能となる。
なお、図１７および図１８の例では、多層配線層１４５と反射防止膜１５２との間に、高屈折率層１５０と低屈折率層１５１が増膜されていたが、高屈折率層１５０と低屈折率層１５１を配置する場所（層）は、上述した裏面照射型の場合と同様に、多層配線層１４５とマイクロレンズ１５６との間の任意の場所とすることができる。
また、上述した例では、第１導電型をP型、第２導電型をN型として、電子を信号電荷とした固体撮像装置について説明したが、本開示の技術は正孔を信号電荷とする固体撮像装置にも適用することができる。
＜１２．本開示に係る電子機器の構成例＞
さらに本開示の技術は、固体撮像装置への適用に限られるものではない。即ち、本開示の技術は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像装置を用いる複写機など、画像取込部（光電変換部）に固体撮像装置を用いる電子機器全般に対して適用可能である。固体撮像装置は、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
図１９は、本開示に係る電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。
図１９の撮像装置１００は、レンズ群などからなる光学部１０１、図１の固体撮像装置１の構成が採用される固体撮像装置（撮像デバイス）１０２、およびカメラ信号処理回路であるDSP(Digital Signal Processor)回路１０３を備える。また、撮像装置１００は、フレームメモリ１０４、表示部１０５、記録部１０６、操作部１０７、および電源部１０８も備える。DSP回路１０３、フレームメモリ１０４、表示部１０５、記録部１０６、操作部１０７および電源部１０８は、バスライン１０９を介して相互に接続されている。
光学部１０１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで固体撮像装置１０２の撮像面上に結像する。固体撮像装置１０２は、光学部１０１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この固体撮像装置１０２として、図１の固体撮像装置１、即ち、位相差画素では高い位相差検出精度を実現しつつ、撮像画素の特性の劣化を最小限に抑えた固体撮像装置を用いることができる。
表示部１０５は、例えば、液晶パネルや有機ＥＬ(Electro Luminescence)パネル等のパネル型表示装置からなり、固体撮像装置１０２で撮像された動画または静止画を表示する。記録部１０６は、固体撮像装置１０２で撮像された動画または静止画を、ハードディスクや半導体メモリ等の記録媒体に記録する。
操作部１０７は、ユーザによる操作の下に、撮像装置１００が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源部１０８は、DSP回路１０３、フレームメモリ１０４、表示部１０５、記録部１０６および操作部１０７の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
固体撮像装置１０２として、上述した固体撮像装置１を用いることで、位相差画素では高い位相差検出精度を実現しつつ、撮像画素の特性の劣化を最小限に抑えることができる。従って、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置１００においても、撮像画像の高画質化を図ることができる。
また、本開示の技術は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像装置への適用に限らず、赤外線やＸ線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像装置や、広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像装置（物理量分布検知装置）全般に対して適用可能である。
本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
なお、本開示は以下のような構成も取ることができる。
（１）
画像生成用の画素である撮像画素と焦点検出用の画素である位相差画素を含む複数の画素が行列状に２次元配置された画素アレイ部を備え、
前記撮像画素に形成されているマイクロレンズと遮光層との間の所定層は、前記位相差画素に形成されている前記所定層の屈折率よりも高い屈折率を有する
固体撮像装置。
（２）
前記撮像画素の前記所定層と前記位相差画素の前記所定層の屈折率差は0.2以上である
前記（１）に記載の固体撮像装置。
（３）
前記所定層は、前記遮光層の上側のカラーフィルタ層と、前記マイクロレンズとの間に配置されている
前記（１）または（２）に記載の固体撮像装置。
（４）
前記画素の前記所定層と前記マイクロレンズとの間には、前記撮像画素の前記所定層よりも屈折率の低い層がさらに配置されている
前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（５）
前記所定層は、前記マイクロレンズの下側のカラーフィルタ層と前記遮光層との間に配置されている
前記（１）または（２）に記載の固体撮像装置。
（６）
前記所定層は、カラーフィルタ層である
前記（１）または（２）に記載の固体撮像装置。
（７）
前記位相差画素の前記所定層は、透明なカラーフィルタ層である
前記（６）に記載の固体撮像装置。
（８）
前記撮像画素の前記所定層は、カラーフィルタ層であり、
前記位相差画素の前記所定層は、前記マイクロレンズと同一材料で形成されている
前記（１）または（２）に記載の固体撮像装置。
（９）
前記位相差画素の前記所定層は、前記遮光層の上部を平坦化する平坦化膜と同一材料で形成されている
前記（１）または（２）に記載の固体撮像装置。
（１０）
前記位相差画素の前記遮光層の開口形状は、矩形の画素領域の四隅近傍の領域を狭めた形状である
前記（１）乃至（９）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（１１）
前記位相差画素の前記遮光層の開口形状は、多角形形状である
前記（１０）に記載の固体撮像装置。
（１２）
前記位相差画素の前記遮光層の開口形状は、半円形状である
前記（１０）に記載の固体撮像装置。
（１３）
前記遮光層の開口幅が異なる複数の前記位相差画素が存在する
前記（１）乃至（１２）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（１４）
前記遮光層の開口方向が異なる複数の前記位相差画素が存在する
前記（１）乃至（１３）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（１５）
画像生成用の画素である撮像画素と焦点検出用の画素である位相差画素を含む複数の画素を形成する際に、前記撮像画素のマイクロレンズと遮光層との間の所定層を、前記位相差画素の前記所定層の屈折率よりも高い屈折率を有する材料で形成する
固体撮像装置の製造方法。
（１６）
画像生成用の画素である撮像画素と焦点検出用の画素である位相差画素を含む複数の画素が行列状に２次元配置された画素アレイ部を備え、
前記撮像画素に形成されているマイクロレンズと遮光層との間の所定層は、前記位相差画素に形成されている前記所定層の屈折率よりも高い屈折率を有する
固体撮像装置
を備える電子機器。
（１７）
画像生成用の画素である撮像画素と焦点検出用の画素である位相差画素を含む複数の画素が行列状に２次元配置された画素アレイ部を備え、
前記位相差画素の前記遮光層の開口形状が、矩形の画素領域の四隅近傍の領域を遮光する形状である
固体撮像装置
を備える電子機器。
１ 固体撮像装置， ２A 撮像画素， ２B 位相差画素， ３ 画素アレイ部， ４７ 遮光層， ４８ 平坦化膜， ４９ カラーフィルタ層， ５０ 高屈折率層， ５１ 低屈折率層， ５２ マイクロレンズ， ８１ 平坦化膜， １００ 撮像装置， １０２ 固体撮像装置

Claims (17)

  1. 画像生成用の画素である撮像画素と焦点検出用の画素である位相差画素を含む複数の画素が行列状に２次元配置された画素アレイ部を備え、
    前記撮像画素に形成されているマイクロレンズと遮光層との間の所定層は、前記位相差画素に形成されている前記所定層の屈折率よりも高い屈折率を有する
    固体撮像装置。
  2. 前記撮像画素の前記所定層と前記位相差画素の前記所定層の屈折率差は0.2以上である
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記所定層は、前記遮光層の上側のカラーフィルタ層と、前記マイクロレンズとの間に配置されている
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  4. 前記画素の前記所定層と前記マイクロレンズとの間には、前記撮像画素の前記所定層よりも屈折率の低い層がさらに配置されている
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  5. 前記所定層は、前記マイクロレンズの下側のカラーフィルタ層と前記遮光層との間に配置されている
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  6. 前記所定層は、カラーフィルタ層である
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  7. 前記位相差画素の前記所定層は、透明なカラーフィルタ層である
    請求項６に記載の固体撮像装置。
  8. 前記撮像画素の前記所定層は、カラーフィルタ層であり、
    前記位相差画素の前記所定層は、前記マイクロレンズと同一材料で形成されている
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  9. 前記位相差画素の前記所定層は、前記遮光層の上部を平坦化する平坦化膜と同一材料で形成されている
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  10. 前記位相差画素の前記遮光層の開口形状は、矩形の画素領域の四隅近傍の領域を狭めた形状である
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  11. 前記位相差画素の前記遮光層の開口形状は、多角形形状である
    請求項１０に記載の固体撮像装置。
  12. 前記位相差画素の前記遮光層の開口形状は、半円形状である
    請求項１０に記載の固体撮像装置。
  13. 前記遮光層の開口幅が異なる複数の前記位相差画素が存在する
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  14. 前記遮光層の開口方向が異なる複数の前記位相差画素が存在する
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  15. 画像生成用の画素である撮像画素と焦点検出用の画素である位相差画素を含む複数の画素を形成する際に、前記撮像画素のマイクロレンズと遮光層との間の所定層を、前記位相差画素の前記所定層の屈折率よりも高い屈折率を有する材料で形成する
    固体撮像装置の製造方法。
  16. 画像生成用の画素である撮像画素と焦点検出用の画素である位相差画素を含む複数の画素が行列状に２次元配置された画素アレイ部を備え、
    前記撮像画素に形成されているマイクロレンズと遮光層との間の所定層は、前記位相差画素に形成されている前記所定層の屈折率よりも高い屈折率を有する
    固体撮像装置
    を備える電子機器。
  17. 画像生成用の画素である撮像画素と焦点検出用の画素である位相差画素を含む複数の画素が行列状に２次元配置された画素アレイ部を備え、
    前記位相差画素の前記遮光層の開口形状が、矩形の画素領域の四隅近傍の領域を遮光する形状である
    固体撮像装置
    を備える電子機器。
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