JP2015149350A - 固体撮像装置および撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】撮像信号用の信号を生成する第１の光電変換部の感度の低下を抑制しつつ、位相差検出方式による焦点検出用の信号を生成する第２の光電変換部に入射する光量の低下を抑制し、かつ、精度良く合焦点を検出することが可能な信号を生成することができる固体撮像装置および撮像装置を提供する。【解決手段】遮光部１１１ａは、マイクロレンズＭＬを通過して第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂを透過した光のうち撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方のみを通過した光を選択する。ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂは、遮光部１１１ａによって選択された光を第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂ側に屈折させる。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の基板が重なった構造を有する固体撮像装置および撮像装置に関する。
近年、特許文献１に記載された撮像装置のように、同一の撮像面において、被写体像を撮像する撮像用画素と、撮像レンズの射出瞳（exit pupil）において異なる瞳領域を通過した光を受光する位相差検出用画素とが配置された撮像装置が知られている。この撮像装置は、それぞれの位相差検出用画素で検出された信号より算出された被写体像の位相差に基づいて合焦制御を行う。
以下では、特許文献１に記載された撮像装置の詳細を説明する。この撮像装置では、撮像面の中央付近において、位相差検出が可能な複数のＡＦ領域が存在する。図１２は、ＡＦ領域Ｅｆにおける撮像用画素と位相差検出用画素との配列を示している。
それぞれのＡＦ領域Ｅｆにおいて、青のカラーフィルタが配置されたＢ画素と、緑のカラーフィルタが配置されたＧ画素と、赤のカラーフィルタが配置されたＲ画素とからなる複数の撮像用画素と共に、複数の位相差検出用画素対１ｆが設けられている。位相差検出用画素対１ｆは、撮像レンズの射出瞳における任意の瞳領域を通過した光を、後述する遮光部２ａ，２ｂによって選択する位相差検出用画素１ａ，１ｂのペアである。
ＡＦ領域Ｅｆには、複数の撮像用画素が水平方向に配置された水平ラインとして、ＧｂラインＬ１とＧｒラインＬ２とが形成されている。ＧｂラインＬ１では、Ｇ画素とＢ画素とが水平方向に交互に配置されている。ＧｒラインＬ２では、Ｇ画素とＲ画素とが水平方向に交互に配置されている。ＧｂラインＬ１とＧｒラインＬ２とが垂直方向に交互に配置されることによって、ベイヤー配列が構成される。
また、ＡＦ領域Ｅｆには、位相差検出用画素対１ｆが水平方向に交互に配列されたＡｆラインＬｆが垂直方向に周期的に設けられている。
図１３は、位相差検出用画素対１ｆの構成を示している。図１３では、位相差検出用画素対１ｆの断面が示されている。位相差検出用画素対１ｆは、一対の位相差検出用画素１ａ，１ｂを有する。位相差検出用画素１ａ，１ｂは、マイクロレンズＭＬと、カラーフィルタＣＦと、遮光部２ａ，２ｂと、光電変換部ＰＤとを有する。位相差検出用画素対１ｆの光学的前方（図１３の上方）に撮像レンズの射出瞳ＥＰが配置されている。
遮光部２ａ，２ｂは、撮像レンズの射出瞳ＥＰの左側の瞳領域Ｑａを通過した光Ｔａと、撮像レンズの射出瞳ＥＰの右側の瞳領域Ｑｂを通過した光Ｔｂとを分離する。位相差検出用画素１ａでは、光電変換部ＰＤに対して左側に偏って配置された長方形状（スリット状）の遮光部２ａが設けられている。このため、射出瞳ＥＰの左側の瞳領域Ｑａを通過した光Ｔａが、マイクロレンズＭＬとカラーフィルタＣＦとを介して位相差検出用画素１ａに照射される。
一方、位相差検出用画素１ｂでは、光電変換部ＰＤに対して右側に偏って配置された長方形状（スリット状）の遮光部２ｂが設けられている。このため、射出瞳ＥＰの右側の瞳領域Ｑｂを通過した光Ｔｂが、マイクロレンズＭＬとカラーフィルタＣＦとを介して位相差検出用画素１ｂに照射される。すなわち、位相差検出用画素対１ｆでは、撮像レンズの射出瞳ＥＰにおいて互いに逆方向となる左方向および右方向に偏った左側の瞳領域Ｑａ・右側の瞳領域Ｑｂを通過した光が受光される。
ある１つのＡＦラインＬｆに配置された複数の位相差検出用画素１ａで検出された信号群と、複数の位相差検出用画素１ｂで検出された信号群とが取得される。取得された信号群を用いて、撮像レンズの射出瞳ＥＰにおいて互いに逆方向となる左方向および右方向に偏った左側の瞳領域Ｑａ・右側の瞳領域Ｑｂを通過した光の位相差を検出することによって、合焦点が算出される。
しかしながら、特許文献１に記載された撮像装置では、一部の撮像用画素の代わりに位相差検出用画素が配置されているために、撮像信号の解像度が減少するという問題があった。
この問題を解決するために、特許文献２では、被写体像を撮像するための信号を生成する撮像用画素を有する第１の基板と、被写体像の位相差を検出し合焦点を算出するための信号を生成する位相差検出用画素を有する第２の基板とが積層された固体撮像装置が開示されている。特許文献２に記載された固体撮像装置では、撮像用画素と位相差検出用画素とがそれぞれ第１の基板と第２の基板とに分かれて配置されている。このため、撮像信号の解像度の減少を低減しつつ、位相差検出方式による焦点検出に用いる信号を生成することができる。
以下では、特許文献２に記載された固体撮像装置の詳細を説明する。図１４は、特許文献２に記載された固体撮像装置の構成を示している。図１４では固体撮像装置の断面が示されている。図１４に示す固体撮像装置は、第１の基板８０と、第１の基板８０に積層された第２の基板９０と、第１の基板８０の主面（基板の表面を構成する複数の面のうち最も広い面）に形成されたマイクロレンズＭＬと、カラーフィルタＣＦとを有する。
第１の基板８０の主面にカラーフィルタＣＦが形成され、カラーフィルタＣＦ上にマイクロレンズＭＬが形成されている。図１４では複数のマイクロレンズＭＬが存在するが、代表として１つのマイクロレンズＭＬの符号が示されている。また、図１４では複数のカラーフィルタＣＦが存在するが、代表として１つのカラーフィルタＣＦの符号が示されている。
マイクロレンズＭＬは、固体撮像装置の光学的前方に配置された撮像レンズを通過した、被写体からの光を結像する。カラーフィルタＣＦは、所定の色に対応した波長の光を透過する。例えば、赤、緑、青のカラーフィルタＣＦが、２次元状のベイヤー配列を構成するように配置される。
第１の基板８０は、第１の半導体層８００と、第１の配線層８１０とを有する。第１の半導体層８００は、入射した光を信号に変換する第１の光電変換部８０１ａ，８０１ｂを有する。
第１の配線層８１０は、第１の配線８１１と、第１のビア８１２と、第１の層間絶縁膜８１３とを有する。図１４では複数の第１の配線８１１が存在するが、代表として１つの第１の配線８１１の符号が示されている。また、図１４では複数の第１のビア８１２が存在するが、代表として１つの第１のビア８１２の符号が示されている。
第１の配線８１１は、配線パターンが形成された薄膜である。第１の配線８１１は、第１の光電変換部８０１ａ，８０１ｂで生成された信号やその他の信号（電源電圧、グランド電圧等）を伝送する。図１４に示す例では、４層の第１の配線８１１が形成されている。４層のうち、第２の基板９０に最も近い第４層に形成された第１の配線８１１は、遮光部８１１ａとして形成されている。
遮光部８１１ａは、第１の基板８０に入射した光の一部のみが通過する開口部８１１０ａ，８１１０ｂを有する。開口部８１１０ａ，８１１０ｂは、遮光部８１１ａの側壁で構成されている。
第１のビア８１２は、異なる層の第１の配線８１１を接続する。第１の配線層８１０において、第１の配線８１１および第１のビア８１２以外の部分は、第１の層間絶縁膜８１３で構成されている。
第２の基板９０は、第２の半導体層９００と、第２の配線層９１０とを有する。第２の半導体層９００は、入射した光を信号に変換する第２の光電変換部９０１ａ，９０１ｂを有する。
第２の配線層９１０は、第２の配線９１１と、第２のビア９１２と、第２の層間絶縁膜９１３と、ＭＯＳトランジスタ９２０とを有する。図１４では複数の第２の配線９１１が存在するが、代表として１つの第２の配線９１１の符号が示されている。また、図１４では複数の第２のビア９１２が存在するが、代表として１つの第２のビア９１２の符号が示されている。また、図１４では複数のＭＯＳトランジスタ９２０が存在するが、代表として１つのＭＯＳトランジスタ９２０の符号が示されている。
第２の配線９１１は、配線パターンが形成された薄膜である。第２の配線９１１は、第１の光電変換部８０１ａ，８０１ｂで生成された信号や、第２の光電変換部９０１ａ，９０１ｂで生成された信号、その他の信号（電源電圧、グランド電圧等）を伝送する。図１４に示す例では、２層の第２の配線９１１が形成されている。
第２のビア９１２は、異なる層の第２の配線９１１を接続する。第２の配線層９１０において、第２の配線９１１および第２のビア９１２以外の部分は、第２の層間絶縁膜９１３で構成されている。
ＭＯＳトランジスタ９２０は、第２の半導体層９００に形成された拡散領域であるソース領域およびドレイン領域と、第２の配線層９１０に形成されたゲート電極とを有する。ソース領域およびドレイン領域は、第２のビア９１２と接続されている。ゲート電極は、ソース領域とドレイン領域との間に配置されている。ＭＯＳトランジスタ９２０は、第２の配線９１１および第２のビア９１２によって伝送された信号を処理する。
第１の基板８０と第２の基板９０とは、第１のビア８１２と第２のビア９１２とを介して第１の基板８０と第２の基板９０との界面で電気的に接続されている。
図１４に示す固体撮像装置では、第１の光電変換部８０１ａ，８０１ｂで生成された信号から撮像信号を生成し、第２の光電変換部９０１ａ，９０１ｂで生成された信号から、位相差検出方式による焦点検出に用いる信号（位相差算出用信号）を生成することができる。
特開２００９−２０４９６４号公報 特開２０１３−１８７４７５号公報
特許文献２に記載された固体撮像装置は、撮像用画素を有する第１の基板８０と、位相差検出用画素を有する第２の基板９０とを積層した構造によって、撮像信号の解像度の減少を低減しつつ、位相差検出方式による焦点検出に用いる信号を生成することができる。このため、第１の基板８０に形成された第１の光電変換部８０１ａ，８０１ｂと、第２の基板９０に形成された第２の光電変換部９０１ａ，９０１ｂとの間に、第１の配線層８１０と第２の配線層９１０との厚さの合計に相当する光学的距離が存在する。
撮像信号を生成するための信号を生成する第１の光電変換部８０１ａ，８０１ｂが十分な感度を得るためには、固体撮像装置に入射した光がマイクロレンズＭＬによって結像される位置（結像点）が第１の光電変換部８０１ａ，８０１ｂの近傍である必要がある。すなわち、図１５に示すように、第１の配線層８１０において、第１の光電変換部８０１ａ，８０１ｂに近い位置に遮光部８１１ａを配置する必要がある。
しかしながら、図１６に示すように、開口部８１１０ａを通過した光Ｔａが、第２の光電変換部９０１ａに入射する前に、第２の配線層９１０に設けられた第２の配線９１１に遮られる可能性がある。このため、第２の光電変換部９０１ａで生成された信号に基づく位相差算出用信号を用いて、合焦点を精度良く検出することができない。開口部８１１０ｂを通過した光Ｔｂについても、同様である。
一方、開口部８１１０ａ，８１１０ｂを通過した光が、第２の配線９１１に遮られずに第２の光電変換部９０１ａ，９０１ｂに入射するためには、固体撮像装置に入射した光がマイクロレンズＭＬによって結像される位置（結像点）が第２の光電変換部９０１ａ，９０１ｂの近傍である必要がある。すなわち、第２の配線層９１０において、図１７に示すように、第２の光電変換部９０１ａ，９０１ｂに近い位置の第２の配線９１１を遮光部９１１ａとして用いる必要がある。しかしながら、固体撮像装置に入射した光がマイクロレンズＭＬによって結像される位置（結像点）が第１の光電変換部８０１ａ，８０１ｂの近傍ではないため、第１の光電変換部８０１ａ，８０１ｂが十分な感度を得ることができない。
本発明は、撮像信号用の信号を生成する第１の光電変換部の感度の低下を抑制しつつ、位相差検出方式による焦点検出用の信号を生成する第２の光電変換部に入射する光量の低下を抑制し、かつ、精度良く合焦点を検出することが可能な信号を生成することができる固体撮像装置および撮像装置を提供する。
本発明は、２次元状に配置された複数の第１の光電変換部を有する第１の基板と、２次元状に配置された複数の第２の光電変換部を有し、前記第１の基板に積層された第２の基板と、前記第１の基板の表面に配置され、撮像レンズを通過した光を結像するマイクロレンズと、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部との間に配置され、前記マイクロレンズを通過して前記第１の光電変換部を透過した光のうち前記撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方のみを通過した光を選択する選択部と、前記選択部と前記第２の光電変換部との間に配置され、前記選択部によって選択された光を前記第２の光電変換部側に屈折させる屈折部と、前記第１の基板に配置され、前記複数の第１の光電変換部で生成された撮像信号用の信号を伝送する第１の配線と、前記第２の基板に配置され、前記複数の第２の光電変換部で生成された、位相差検出方式による焦点検出用の信号を伝送する第２の配線と、を有することを特徴とする固体撮像装置である。
また、本発明の固体撮像装置は、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部との間に配置された層間絶縁膜をさらに有し、前記屈折部は、前記層間絶縁膜に埋め込まれ、前記層間絶縁膜よりも屈折率が高い材料により形成されていることを特徴とする。
また、本発明の固体撮像装置において、前記屈折部は、前記第２の光電変換部側に屈折した光を全反射させながら前記第２の光電変換部に導くライトパイプであることを特徴とする。
また、本発明の固体撮像装置において、前記選択部は、前記撮像レンズの前記２つの瞳領域の一方のみを通過した光が通過する位置に形成された開口部を有する遮光部を有することを特徴とする。
また、本発明の固体撮像装置において、前記屈折部の、前記第１の光電変換部と対向する面が前記開口部の近傍に配置されていることを特徴とする。
また、本発明の固体撮像装置において、前記第１の基板または前記第２の基板の主面に垂直な方向に見た場合に、前記屈折部の輪郭線の内部に前記開口部が配置されていることを特徴とする。
また、本発明の固体撮像装置において、前記選択部の、前記第１の光電変換部と対向する面において、前記開口部が形成されている領域以外の領域に、前記第１の光電変換部を透過した光のうち前記撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方のみを通過した光以外の光を吸収する光吸収体が配置されていることを特徴とする。
また、本発明の固体撮像装置において、前記屈折部の、前記第１の光電変換部と対向する面は、前記選択部によって選択された光を集光する曲率を有することを特徴とする。
また、本発明の固体撮像装置において、前記第１の基板または前記第２の基板の主面に垂直な方向に見た場合に、前記複数の第２の光電変換部のそれぞれに対して、前記複数の第１の光電変換部のうちの複数が重なることを特徴とする。
また、本発明は、上記の固体撮像装置を有することを特徴とする撮像装置である。
本発明によれば、選択部と屈折部とが設けられているため、マイクロレンズが光を結像する位置を第１の光電変換部により近付けることが可能になると共に、撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方のみを通過した光が第２の光電変換部に入射しやすくなる。このため、撮像信号用の信号を生成する第１の光電変換部の感度の低下を抑制しつつ、位相差検出方式による焦点検出用の信号を生成する第２の光電変換部に入射する光量の低下を抑制し、かつ、精度良く合焦点を検出することが可能な信号を生成することができる。
本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の平面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例による固体撮像装置の構成例を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例による固体撮像装置の構成例を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例による固体撮像装置の構成例を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例による固体撮像装置の構成例を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例による固体撮像装置の構成例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態による固体撮像装置の平面図である。 本発明の第３の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態による撮像装置の構成例を示すブロック図である。 従来の固体撮像装置のＡＦ領域における撮像用画素と位相差検出用画素との配列を示す参考図である。 従来の固体撮像装置の位相差検出用画素対の構成を示す断面図である。 従来の固体撮像装置の構成を示す断面図である。 従来の固体撮像装置の課題を説明するための断面図である。 従来の固体撮像装置の課題を説明するための断面図である。 従来の固体撮像装置の課題を説明するための断面図である。
以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態を説明する。図１は、本実施形態による固体撮像装置の構成例を示している。図１では固体撮像装置の断面が示されている。図１に示す固体撮像装置は、第１の基板１０と、第１の基板１０に積層された第２の基板２０と、第１の基板１０の表面に形成されたマイクロレンズＭＬと、カラーフィルタＣＦとを有する。
図１に示す固体撮像装置を構成する部分の寸法は、図１に示される寸法に従うわけではない。図１に示す固体撮像装置を構成する部分の寸法は任意であってよい。
第１の基板１０の主面（基板の表面を構成する複数の面のうち最も広い面）にカラーフィルタＣＦが形成され、カラーフィルタＣＦ上にマイクロレンズＭＬが形成されている。図１では複数のマイクロレンズＭＬが存在するが、代表として１つのマイクロレンズＭＬの符号が示されている。また、図１では複数のカラーフィルタＣＦが存在するが、代表として１つのカラーフィルタＣＦの符号が示されている。
マイクロレンズＭＬは、固体撮像装置の光学的前方に配置された撮像レンズを通過した、被写体からの光を結像する。カラーフィルタＣＦは、所定の色に対応した波長の光を透過する。例えば、赤、緑、青のカラーフィルタＣＦが、２次元状のベイヤー配列を構成するように配置される。
第１の基板１０は、第１の半導体層１００と、第１の配線層１１０とを有する。第１の半導体層１００と第１の配線層１１０とは、第１の基板１０の主面を横切る方向（例えば、主面にほぼ垂直な方向）に重なっている。また、第１の半導体層１００と第１の配線層１１０とは互いに接触している。
第１の半導体層１００は、第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂを有する。第１の半導体層１００は、シリコン（Ｓｉ）等の半導体を含む材料で構成されている。第１の半導体層１００は、第１の配線層１１０と接触している第１の面と、カラーフィルタＣＦと接触している、第１の面とは反対側の第２の面とを有する。第１の半導体層１００の第２の面は第１の基板１０の主面の１つを構成する。第１の半導体層１００の第２の面に入射した光が、第１の半導体層１００内を進んで第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂに入射する。第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂは、例えば第１の半導体層１００を構成する半導体材料とは不純物濃度が異なる半導体材料で構成されている。第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂは、入射した光を信号に変換する。
固体撮像装置は、複数の第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂを有する。第１の基板１０または第２の基板２０の主面に垂直な方向から見た場合、すなわち第１の基板１０または第２の基板２０を平面的に見た場合に、複数の第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂは行列状に配置されている。
第１の配線層１１０は、第１の配線１１１と、第１のビア１１２と、第１の層間絶縁膜１１３とを有する。図１では複数の第１の配線１１１が存在するが、代表として１つの第１の配線１１１の符号が示されている。また、図１では複数の第１のビア１１２が存在するが、代表として１つの第１のビア１１２の符号が示されている。
第１の配線１１１は、導電性を有する材料（例えば、アルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）等の金属）で構成されている。第１の配線層１１０は、第２の基板２０と接触している第１の面と、第１の半導体層１００と接触している、第１の面とは反対側の第２の面とを有する。第１の配線層１１０の第１の面は第１の基板１０の主面の１つを構成する。
第１の配線１１１は、配線パターンが形成された薄膜である。第１の配線１１１は、第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂで生成された撮像信号用の信号と、その他の信号（電源電圧、グランド電圧等）とを伝送する。１層のみの第１の配線１１１が形成されていてもよいし、複数層の第１の配線１１１が形成されていてもよい。図１に示す例では、４層の第１の配線１１１が形成されている。４層のうち、第１の半導体層１００に最も近い第１層に形成された第１の配線１１１は、遮光部１１１ａとして形成されている。遮光部１１１ａについては後述する。
第１のビア１１２は、導電性を有する材料で構成されている。第１のビア１１２は、異なる層の第１の配線１１１を接続する。第１の配線層１１０において、第１の配線１１１および第１のビア１１２以外の部分は、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ２）等で形成された第１の層間絶縁膜１１３で構成されている。
第２の基板２０は、第２の半導体層２００と、第２の配線層２１０とを有する。第２の半導体層２００と第２の配線層２１０とは、第２の基板２０の主面を横切る方向（例えば、主面にほぼ垂直な方向）に重なっている。また、第２の半導体層２００と第２の配線層２１０とは互いに接触している。
第２の半導体層２００は、第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂを有する。第２の半導体層２００は、シリコン（Ｓｉ）等の半導体を含む材料で構成されている。第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂは、例えば第２の半導体層２００を構成する半導体材料とは不純物濃度が異なる半導体材料で構成されている。第１の光電変換部１０１ａと対応する領域に第２の光電変換部２０１ａが形成され、第１の光電変換部１０１ｂと対応する領域に第２の光電変換部２０１ｂが形成されている。第２の半導体層２００は、第２の配線層２１０と接触している第１の面と、第１の面とは反対側の第２の面とを有する。第２の半導体層２００の第２の面は第２の基板２０の主面の１つを構成する。第２の半導体層２００の第１の面に入射した光が、第２の半導体層２００内を進んで第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに入射する。第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂは、入射した光を信号に変換する。
固体撮像装置は、複数の第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂを有する。第１の基板１０または第２の基板２０の主面に垂直な方向から見た場合、すなわち第１の基板１０または第２の基板２０を平面的に見た場合に、複数の第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂは行列状に配置されている。
第２の配線層２１０は、第２の配線２１１と、第２のビア２１２と、第２の層間絶縁膜２１３と、ＭＯＳトランジスタ２２０とを有する。図１では複数の第２の配線２１１が存在するが、代表として１つの第２の配線２１１の符号が示されている。また、図１では複数の第２のビア２１２が存在するが、代表として１つの第２のビア２１２の符号が示されている。また、図１では複数のＭＯＳトランジスタ２２０が存在するが、代表として１つのＭＯＳトランジスタ２２０の符号が示されている。
第２の配線２１１は、導電性を有する材料（例えば、アルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）等の金属）で構成されている。第２の配線層２１０は、第１の配線層１１０と接触している第１の面と、第２の半導体層２００と接触している、第１の面とは反対側の第２の面とを有する。第２の配線層２１０の第１の面は第２の基板２０の主面の１つを構成する。
第２の配線２１１は、配線パターンが形成された薄膜である。第２の配線２１１は、第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂで生成された撮像信号用の信号と、第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂで生成された、位相差検出方式による焦点検出用の信号と、その他の信号（電源電圧、グランド電圧等）とを伝送する。１層のみの第２の配線２１１が形成されていてもよいし、複数層の第２の配線２１１が形成されていてもよい。図１に示す例では、２層の第２の配線２１１が形成されている。
第２のビア２１２は、導電性を有する材料で構成されている。第２のビア２１２は、異なる層の第２の配線２１１を接続する。第２の配線層２１０において、第２の配線２１１および第２のビア２１２以外の部分は、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ２）等で形成された第２の層間絶縁膜２１３で構成されている。
ＭＯＳトランジスタ２２０は、第２の半導体層２００に形成された拡散領域であるソース領域およびドレイン領域と、第２の配線層２１０に形成されたゲート電極とを有する。ソース領域およびドレイン領域は、第２のビア２１２と接続されている。ゲート電極は、ソース領域とドレイン領域との間に配置されている。ＭＯＳトランジスタ２２０は、第２の配線２１１および第２のビア２１２によって伝送された信号を処理する。
第１の基板１０と第２の基板２０とは、第１の基板１０の第１の配線層１１０と第２の基板２０の第２の配線層２１０とが向かい合った状態で接続されている。第１の配線層１１０の第１のビア１１２と、第２の配線層２１０の第２のビア２１２とは、第１の基板１０と第２の基板２０との界面で電気的に接続されている。
遮光部１１１ａは、第１の基板１０または第２の基板２０の主面に垂直な方向において、マイクロレンズＭＬによって光が結像される位置（結像点）に配置されている。また、遮光部１１１ａは、撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方のみを通過した光が結像する位置に形成された開口部１１１０ａ，１１１０ｂを有する。開口部１１１０ａ，１１１０ｂは、遮光部１１１ａの側壁で構成されている。
開口部１１１０ａは、第１の光電変換部１０１ａに対応して配置されている。開口部１１１０ａは、マイクロレンズＭＬを通過して第１の光電変換部１０１ａを透過した光のうち撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方のみを通過した光が通過する位置に形成されている。開口部１１１０ａは、マイクロレンズＭＬの中心よりも右側に偏った位置に形成されている。
開口部１１１０ｂは、第１の光電変換部１０１ｂに対応して配置されている。開口部１１１０ｂは、マイクロレンズＭＬを通過して第１の光電変換部１０１ｂを透過した光のうち撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方（開口部１１１０ａを通過する光が通過した瞳領域とは異なる瞳領域）のみを通過した光が通過する位置に形成されている。開口部１１１０ｂは、マイクロレンズＭＬの中心よりも左側に偏った位置に形成されている。
遮光部１１１ａは、第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂと第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂとの間に配置され、マイクロレンズＭＬを通過して第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂを透過した光のうち撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方のみを通過した光を選択する選択部として機能する。
第１の基板１０の主面に平行な平面において、マイクロレンズＭＬが光を結像する位置は、その光が通過した瞳領域に応じた位置である。開口部１１１０ａは、撮像レンズの左右の瞳領域のうち左側の瞳領域を通過した光が結像する位置に形成されている。したがって、遮光部１１１ａは、左側の瞳領域を通過した光を選択的に開口部１１１０ａに通過させる。また、開口部１１１０ｂは、撮像レンズの左右の瞳領域のうち右側の瞳領域を通過した光が結像する位置に形成されている。したがって、遮光部１１１ａは、右側の瞳領域を通過した光を選択的に開口部１１１０ｂに通過させる。本実施形態では、第１の配線１１１の１つの層が遮光部１１１ａを構成しているが、第１の配線１１１とは別の構造により遮光部を実現してもよい。
第１の配線層１１０と第２の配線層２１０とにまたがってライトパイプ２３０ａ，２３０ｂが形成されている。ライトパイプ２３０ａは、第１の光電変換部１０１ａと第２の光電変換部２０１ａとの間かつ遮光部１１１ａと第２の光電変換部２０１ａとの間に形成されている。ライトパイプ２３０ｂは、第１の光電変換部１０１ｂと第２の光電変換部２０１ｂとの間かつ遮光部１１１ａと第２の光電変換部２０１ｂとの間に形成されている。
ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂは、第１の基板１０の主面を横切る方向（例えば、主面にほぼ垂直な方向）に細長い柱状の構造体であり、第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂと対向する第１の面と、第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂと対向する第２の面と、第１の面および第２の面に接続された第３の面（側面）とを有する。ライトパイプ２３０ａは、開口部１１１０ａに対応する位置に配置されている。第１の光電変換部１０１ａを透過し、遮光部１１１ａによって選択されて開口部１１１０ａを通過した光がライトパイプ２３０ａの第１の面に入射する。また、ライトパイプ２３０ｂは、開口部１１１０ｂに対応する位置に配置されている。第１の光電変換部１０１ｂを透過し、遮光部１１１ａによって選択されて開口部１１１０ｂを通過した光がライトパイプ２３０ｂの第１の面に入射する。ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第２の面は第２の半導体層２００と接触している。
ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂは、第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂと第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂとの間に配置された第１の層間絶縁膜１１３と第２の層間絶縁膜２１３とに埋め込まれ、第１の層間絶縁膜１１３および第２の層間絶縁膜２１３よりも屈折率が高い材料により形成されている。例えば、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂは、第１の層間絶縁膜１１３および第２の層間絶縁膜２１３よりも屈折率が高い誘電体（絶縁体）により形成されている。
ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂは、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面に入射した光を、第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂ側に屈折させる屈折部として機能する。これによって、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂは、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面に入射した光の方向を、第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに対して垂直な方向（第１の基板１０または第２の基板２０の主面に垂直な方向）により近付ける。
ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂは、第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂ側に屈折した光をライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの側面で全反射させながら第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに導く。これによって、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂは、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂが設けられていない場合よりも多くの光を第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに入射させる。ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂは、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面に入射した光を第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに導く光導波路として機能する。
開口部１１１０ａ，１１１０ｂを通過した、より多くの光をライトパイプ２３０ａ，２３０ｂに入射させるため、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面が開口部１１１０ａ，１１１０ｂの近傍に配置されていることが望ましい。また、第１の基板１０または第２の基板２０の主面に垂直な方向に見た場合、すなわち第１の基板１０または第２の基板２０を平面的に見た場合に、開口部１１１０ａ，１１１０ｂとライトパイプ２３０ａ，２３０ｂとの少なくとも一部が重なることが望ましい。
ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面に入射した全ての光が全反射によってライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの内部に閉じ込められて第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに導かれることが望ましいが、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面に入射した光の一部がライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの側面を通過して第１の層間絶縁膜１１３に入射することがありうる。その場合でも、光がライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面で第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂ側に屈折してライトパイプ２３０ａ，２３０ｂ内を進むことにより、光が第１の配線１１１と第２の配線２１１とに遮られずに第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに到達する可能性が高まる。
図２は、図１に示す固体撮像装置を平面的に見た状態を示している。図２では、第２の基板２０のうち、第１の基板１０と接続されている主面側から固体撮像装置を見た状態が示されている。
第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂは２次元の行列状に配置されている。１つの第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに対応して１つのマイクロレンズＭＬが配置されている。図２では第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂが省略されているが、図２において第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂと重なる位置に第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂが配置されている。
第２の光電変換部２０１ａと重なる位置に、第２の光電変換部２０１ａに対して右側に偏って配置された長方形状の開口部１１１０ａが形成されている。一方、第２の光電変換部２０１ｂと重なる位置に、第２の光電変換部２０１ｂに対して左側に偏った長方形状の開口部１１１０ｂが形成されている。
開口部１１１０ａと開口部１１１０ｂとは、それぞれの画素内の平面的な位置が左右対称となるように配置されている。したがって、第２の光電変換部２０１ａと第２の光電変換部２０１ｂとでは、撮像レンズの射出瞳において互いに逆方向となる左方向および右方向に偏った左側・右側の瞳領域をそれぞれ通過した光が受光される。固体撮像装置の撮像面内では、開口部１１１０ａと開口部１１１０ｂとに代表される開口部が左右対称あるいは上下対称な位置に配置された、対となる複数の画素が２次元状に配置されている。
図２ではライトパイプ２３０ａ，２３０ｂは省略されている。ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面と第２の面との形状は、例えば四角形や六角形等の多角形または円である。ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面と第２の面との形状を円にすることによって、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面に入射して第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに導かれる光の利用効率を最も高くすることができる。
固体撮像装置に入射した光は、マイクロレンズＭＬとカラーフィルタＣＦとを通過し、第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂに入射する。第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂに入射した光は、第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂによって、第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂに入射した光量に応じた第１の信号に変換される。第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂで生成された第１の信号は、第１の配線層１１０における第１の配線１１１と第１のビア１１２とを介して、第２の基板２０に伝送される。第２の基板２０に伝送された第１の信号は、第２の配線層２１０における第２の配線２１１と第２のビア２１２とを介して伝送され、ＭＯＳトランジスタ２２０などで処理される。ＭＯＳトランジスタ２２０などで処理された第１の信号は最終的に撮像信号として固体撮像装置から出力される。
また、第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂを透過した光のうち、撮像レンズの左側・右側の瞳領域を通過した光は、開口部１１１０ａ，１１１０ｂを通過する。開口部１１１０ａ，１１１０ｂを通過した光はライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面を通過してライトパイプ２３０ａ，２３０ｂに入射する。ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面を通過する際、光が第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂ側に屈折する。
ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂに入射した光の大部分はライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの側面で全反射しながらライトパイプ２３０ａ，２３０ｂ内を進む。さらに、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂ内を進んだ光はライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第２の面を通過して第２の半導体層２００に入射する。第２の半導体層２００に入射した光は第２の半導体層２００内を進んで第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに入射する。
ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂを介して第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに入射する光は、撮像レンズの左側・右側の瞳領域を通過した光である。この光は第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂによって、第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに入射した光量に応じた第２の信号に変換される。第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂで生成された第２の信号は、第２の配線層２１０における第２の配線２１１と第２のビア２１２とを介して伝送され、ＭＯＳトランジスタ２２０などで処理される。ＭＯＳトランジスタ２２０などで処理された第２の信号は焦点検出用の信号となる。
以下では、本実施形態における焦点検出方法を説明する。第２の光電変換部２０１ａは、開口部１１１０ａを通過し、ライトパイプ２３０ａを伝送した光を受光する。すなわち、第２の光電変換部２０１ａは、撮像レンズの射出瞳において左側の瞳領域を通過した光を受光する。一方、第２の光電変換部２０１ｂは、開口部１１１０ｂを通過し、ライトパイプ２３０ｂを伝送した光を受光する。すなわち、第２の光電変換部２０１ｂは、撮像レンズの射出瞳において右側の瞳領域を通過した光を受光する。したがって、第２の光電変換部２０１ａと第２の光電変換部２０１ｂとでは、撮像レンズの射出瞳において互いに逆方向となる左方向および右方向に偏った瞳領域を通過した光が受光される。
撮像レンズの射出瞳における異なる瞳領域を通過した光に基づいて生成された第２の光電変換部２０１ａの信号群と、第２の光電変換部２０１ｂの信号群とが取得される。これらの信号群を用いて、撮像レンズの射出瞳において互いに逆方向となる左方向および右方向に偏った左側・右側の瞳領域を通過した光の位相差を検出することによって、合焦点が算出される。合焦点の算出は、固体撮像装置内で行ってもよいし、固体撮像装置の外部で行ってもよい。
カラーフィルタＣＦと、第１のビア１１２と、第２のビア２１２と、ＭＯＳトランジスタ２２０とは、本実施形態による固体撮像装置の特徴的な構造ではない。また、これらの構造は、本実施形態による固体撮像装置の特徴的な効果を得るために必須の構造ではない。
本実施形態によれば、２次元状に配置された複数の第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂを有する第１の基板１０と、２次元状に配置された複数の第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂを有し、第１の基板１０に積層された第２の基板２０と、第１の基板１０の表面に配置され、撮像レンズを通過した光を結像するマイクロレンズＭＬと、第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂと第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂとの間に配置され、マイクロレンズＭＬを通過して第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂを透過した光のうち撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方のみを通過した光を選択する選択部（遮光部１１１ａ）と、選択部と第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂとの間に配置され、選択部によって選択された光を第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂ側に屈折させる屈折部（ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂ）と、第１の基板１０に配置され、複数の第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂで生成された撮像信号用の信号を伝送する第１の配線１１１と、第２の基板２０に配置され、複数の第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂで生成された、位相差検出方式による焦点検出用の信号を伝送する第２の配線２１１と、を有することを特徴とする固体撮像装置が構成される。
本実施形態では、第１の基板１０と第２の基板２０との両方に光電変換部が配置されるので、撮像信号用の信号を生成する光電変換部と、焦点検出用の信号を生成する光電変換部とが同一平面に配置される場合と比較して、撮像信号の解像度の低下を低減しつつ位相差検出方式による焦点検出を行うことができる。
また、選択部として機能する遮光部１１１ａと、屈折部として機能するライトパイプ２３０ａ，２３０ｂとが設けられているため、マイクロレンズＭＬが光を結像する位置を第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂにより近付けることが可能になると共に、撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方のみを通過した光が第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに入射しやすくなる。このため、撮像信号用の信号を生成する第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂの感度の低下を抑制しつつ、位相差検出方式による焦点検出用の信号を生成する第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに入射する光量の低下を抑制し、かつ、精度良く合焦点を検出することが可能な信号を生成することができる。
（変形例）
カラーフィルタＣＦは、赤、緑、および青以外のフィルタ（例えば、シアン、イエロー、およびマゼンダなどの補色系のフィルタ）であってもよい。また、カラーフィルタＣＦの配列は、ベイヤー配列以外の配列であってもよい。
本実施形態では、遮光部１１１ａが第１の配線層１１０の第１層に配置されているが、遮光部１１１ａが第１の配線層１１０の第２層または第３層に配置されてもよい。
図１に示す固体撮像装置は２枚の基板を有しているが、固体撮像装置が３枚以上の基板を有していてもよい。固体撮像装置が有する複数の基板のうちの隣接する２枚の基板が第１の基板１０および第２の基板２０と同様の構造を有していればよい。
本実施形態では、撮像レンズの射出瞳における瞳領域を通過した光を選択する方法として、遮光部１１１ａが設けられているが、他の方法を用いてもよい。以下では、撮像レンズの射出瞳における瞳領域を通過した光を選択する他の方法を説明する。
図３は、本変形例による固体撮像装置の構成例を示している。図３では固体撮像装置の断面が示されている。既に説明した部分については説明を省略する。
図３では、遮光部１１１ａは設けられていない。ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの面のうち、第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂと対向する第１の面は、撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方のみを通過した光が入射する位置に配置されている。すなわち、撮像レンズを通過した光のうち、撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方のみを通過した光がライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面に入射する。図３に示す固体撮像装置では、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面が、マイクロレンズＭＬを通過して第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂを透過した光のうち撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方のみを通過した光を選択する選択部として機能する。
ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面に入射した光の大部分は、前述したように、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂによって第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに導かれる。図３では、遮光部１１１ａが設けられていないため、撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方以外を通過した光も第２の半導体層２００に入射する。この光が第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに入射しないようにするため、第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂは、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの近傍に形成されている。図３における第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂの水平方向の幅は、図１における第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂの水平方向の幅よりも小さい。
図１に示す固体撮像装置では、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面の幅（面積）と第２の面の幅（面積）とが同一であるが、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面の幅と第２の面の幅とが異なっていてもよい。以下では、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面の幅と第２の面の幅とが異なる固体撮像装置の例を説明する。
図４は、本変形例による固体撮像装置の他の構成例を示している。図４では固体撮像装置の断面が示されている。既に説明した部分については説明を省略する。
図４に示す固体撮像装置では、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面の幅が第２の面の幅よりも大きい。これによって、開口部１１１０ａ，１１１０ｂを通過する際に開口部１１１０ａ，１１１０ｂによって回折される光がライトパイプ２３０ａ，２３０ｂに入射しやすくなる。
図１に示す固体撮像装置では、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面が開口部１１１０ａ，１１１０ｂの近傍に配置されているが、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面が開口部１１１０ａ，１１１０ｂから離れていてもよい。以下では、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面が開口部１１１０ａ，１１１０ｂから離れている固体撮像装置の例を説明する。
図５は、本変形例による固体撮像装置の他の構成例を示している。図５では固体撮像装置の断面が示されている。既に説明した部分については説明を省略する。
図５に示す固体撮像装置では、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの高さが、図１に示す固体撮像装置におけるライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの高さよりも低い。このため、図５に示す固体撮像装置では、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂと開口部１１１０ａ，１１１０ｂとの距離が、図１に示す固体撮像装置におけるライトパイプ２３０ａ，２３０ｂと開口部１１１０ａ，１１１０ｂとの距離よりも大きい。
また、図５に示す固体撮像装置では、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面の幅が開口部１１１０ａ，１１１０ｂの幅よりも大きい。さらに、図５に示す固体撮像装置では、第１の基板１０または第２の基板２０の主面に垂直な方向に見た場合、すなわち第１の基板１０または第２の基板２０を平面的に見た場合に、ライトパイプ２３０ａの輪郭線（ライトパイプ２３０ａの第１の面の輪郭線）の内部に開口部１１１０ａが配置されていると共に、ライトパイプ２３０ｂの輪郭線（ライトパイプ２３０ｂの第１の面の輪郭線）の内部に開口部１１１０ｂが配置されている。これによって、開口部１１１０ａ，１１１０ｂを通過する際に開口部１１１０ａ，１１１０ｂによって回折される光がライトパイプ２３０ａ，２３０ｂに入射しやすくなる。
図１に示す固体撮像装置では、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面は平面であるが、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面に曲面が形成されていてもよい。以下では、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面に曲面が形成されている固体撮像装置の例を説明する。
図６は、本変形例による固体撮像装置の他の構成例を示している。図６では固体撮像装置の断面が示されている。既に説明した部分については説明を省略する。
図６に示す固体撮像装置では、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面にマイクロレンズ２３１ａ，２３１ｂが形成されている。マイクロレンズ２３１ａ，２３１ｂの表面は、遮光部１１１ａによって選択された光、すなわち開口部１１１０ａ，１１１０ｂを通過した光を集光する曲率を有する。ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂとマイクロレンズ２３１ａ，２３１ｂとが、マイクロレンズ２３１ａ，２３１ｂの表面に入射した光を、第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂ側に屈折させる屈折部として機能する。マイクロレンズ２３１ａ，２３１ｂが形成されていることによって、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂに入射する光量が増加する。
ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの屈折率とマイクロレンズ２３１ａ，２３１ｂの屈折率とが同一であってもよいし、異なっていてもよい。ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面を凸型に加工することによって、マイクロレンズ２３１ａ，２３１ｂと同様の構造をライトパイプ２３０ａ，２３０ｂに形成してもよい。
図１に示す固体撮像装置では、第１の基板１０の第１の配線層１１０と第２の基板２０の第２の配線層２１０とが接続されているが、第１の基板１０の第１の配線層１１０と第２の基板２０の第２の半導体層２００とが接続されていてもよい。以下では、第１の基板１０の第１の配線層１１０と第２の基板２０の第２の半導体層２００とが接続されている固体撮像装置の例を説明する。
図７は、本変形例による固体撮像装置の他の構成例を示している。図７では固体撮像装置の断面が示されている。既に説明した部分については説明を省略する。
図７に示す固体撮像装置では、第２の基板２０は、第２の半導体層２００と、第２の配線層２１０と、第３の半導体層２４０とを有する。図１に示す固体撮像装置では、第１の基板１０の第１の配線層１１０と第２の基板２０の第２の配線層２１０とが向かい合った状態で第１の基板１０と第２の基板２０とが接続されているが、図７に示す固体撮像装置では、第１の基板１０の第１の配線層１１０と第２の基板２０の第２の半導体層２００とが向かい合った状態で第１の基板１０と第２の基板２０とが接続されている。
第２の半導体層２００と第２の配線層２１０とは、第２の基板２０の主面を横切る方向（例えば、主面にほぼ垂直な方向）に重なっている。また、第２の半導体層２００と第２の配線層２１０とは互いに接触している。
第２の配線層２１０と第３の半導体層２４０とは、第２の基板２０の主面を横切る方向（例えば、主面にほぼ垂直な方向）に重なっている。また、第２の配線層２１０と第３の半導体層２４０とは互いに接触している。
第２の半導体層２００は、第２の配線層２１０と接触している第１の面と、第１の配線層１１０と接触している、第１の面とは反対側の第２の面とを有する。第２の半導体層２００の第２の面は第２の基板２０の主面の１つを構成する。
第２の配線層２１０は、第３の半導体層２４０と接触している第１の面と、第２の半導体層２００と接触している、第１の面とは反対側の第２の面とを有する。第３の半導体層２４０は、第１の面と、第２の配線層２１０と接触している、第１の面とは反対側の第２の面とを有する。第３の半導体層２４０の第１の面は第２の基板２０の主面の１つを構成する。ＭＯＳトランジスタ２２０のソース領域およびドレイン領域は第３の半導体層２４０に形成されている。
第１の配線層１１０の第１のビア１１２と、第２の配線層２１０から第２の半導体層２００を貫通した第２のビア２１２とは、第１の基板１０と第２の基板２０との界面で電気的に接続されている。また、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第２の面は第２の半導体層２００の第２の面と接触している。
図７に示す固体撮像装置においても、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂの第１の面に入射した光の大部分を、ライトパイプ２３０ａ，２３０ｂによって第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに導くことができる。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。図８は、本実施形態による固体撮像装置の構成例を示している。図８では固体撮像装置の断面が示されている。既に説明した部分については説明を省略する。
第１の実施形態による固体撮像装置では、第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂは第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂと１対１の関係で形成されていたのに対して、第２の実施形態による固体撮像装置では、２つの第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂに対して、１つの第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂが形成されている。言い換えると、第１の実施形態による固体撮像装置では、第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂと第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂとの数が同一であり、１つの第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂのみを透過した光が１つの第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに入射する。これに対して、第２の実施形態による固体撮像装置では、第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂの数が第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂの数の２倍となっており、２つの第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂを透過した光が１つの第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに入射する。
図９は、図８に示す固体撮像装置を平面的に見た状態を示している。図９では、第２の基板２０のうち、第１の基板１０と接続されている主面側から固体撮像装置を見た状態が示されている。
第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂは２次元の行列状に配置されている。１つの第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに対応して２つのマイクロレンズＭＬが配置されている。図９では第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂが省略されているが、１つの第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに対応して２つの第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂが配置されている。第１の基板１０または第２の基板２０の主面に垂直な方向に見た場合、すなわち第１の基板１０または第２の基板２０を平面的に見た場合に、複数の第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂのそれぞれに対して、複数の第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂのうちの複数が重なる。本実施形態では、１つの第２の光電変換部２０１ａに対して２つの第１の光電変換部１０１ａが重なると共に、１つの第２の光電変換部２０１ｂに対して２つの第１の光電変換部１０１ｂが重なる。
第２の光電変換部２０１ａと重なる位置に、第２の光電変換部２０１ａに対して右側に偏って配置された長方形状の開口部１１１０ａが形成されている。一方、第２の光電変換部２０１ｂと重なる位置に、第２の光電変換部２０１ｂに対して左側に偏った長方形状の開口部１１１０ｂが形成されている。
開口部１１１０ａと開口部１１１０ｂとは、それぞれの画素内の平面的な位置が左右対称となるように配置されている。したがって、第２の光電変換部２０１ａと第２の光電変換部２０１ｂとでは、撮像レンズの射出瞳において互いに逆方向となる左方向および右方向に偏った左側・右側の瞳領域をそれぞれ通過した光が受光される。
２つの第１の光電変換部１０１ａを透過してライトパイプ２３０ａを通過した光が１つの第２の光電変換部２０１ａに入射する。また、２つの第１の光電変換部１０１ｂを透過してライトパイプ２３０ｂを通過した光が１つの第２の光電変換部２０１ｂに入射する。
このため、本実施形態では、第１の実施形態と比較して、第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに入射する光量が増加する。したがって、第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂで生成される信号のＳ／Ｎ比が増加する。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。図１０は、本実施形態による固体撮像装置の構成例を示している。図１０では固体撮像装置の断面が示されている。既に説明した部分については説明を省略する。
薄膜として形成されている遮光部１１１ａの２つの面のうち、第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂと対向する面において、開口部１１１０ａ，１１１０ｂが形成されている領域以外の領域に、第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂを透過した光のうち撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方のみを通過した光以外の光を吸収する光吸収体１１４が配置されている。言い換えると、光吸収体１１４は、第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂを透過した光のうち撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方のみを通過した光以外の光の反射を抑制する。光吸収体１１４は薄膜として形成され、遮光部１１１ａと接触している。
光吸収体１１４は可視光を吸収する。例えば、光吸収体１１４は、低屈折率の誘電体と高屈折率の誘電体とをそれぞれ１層ずつ以上積層した誘電体多層膜として形成されている。光吸収体１１４は１層のみの誘電体で構成されていてもよい。
遮光部１１１ａはアルミニウムまたは銅等の金属で構成されており、可視光領域において高い反射特性を持つ。第１の実施形態では、遮光部１１１ａの上面に光吸収体が設けられていないため、遮光部１１１ａの表面で反射した光が第１の配線層１１０と第１の半導体層１００との界面や第１の半導体層１００とカラーフィルタＣＦとの界面等で反射することによって多重反射が発生する可能性がある。
本来、開口部１１１０ａに対応する位置に形成された第２の光電変換部２０１ａは、撮像レンズの射出瞳において左側の瞳領域を通過した光を受光する。しかし、遮光部１１１ａの表面で反射し上記のように多重反射した光がライトパイプ２３０ａに入射し、第２の光電変換部２０１ａに入射する可能性がある。すなわち、撮像レンズの射出瞳において右側の瞳領域を通過した光を第２の光電変換部２０１ａが受光する恐れがある。同様のことが、開口部１１１０ｂに対応する位置に形成された第２の光電変換部２０１ｂでもいえる。
本実施形態では、可視光を吸収する光吸収体１１４を、第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂと対向する遮光部１１１ａの面に設けることによって、多重反射の原因となる光を遮光部１１１ａに吸収させることができる。これによって、撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方のみを通過した光がライトパイプ２３０ａ，２３０ｂに入射しやすくなる。
したがって、第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂが、撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方のみを通過した光を受光しやすくなると共に、それ以外の光を受光しにくくなる。これによって、第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂで生成される第２の信号に基づく焦点検出用の信号を用いて、合焦点を精度良く検出することができる。
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態を説明する。本実施形態では、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態のいずれかによる固体撮像装置を搭載した撮像装置について説明する。図１１は、本実施形態による撮像装置の構成例を示している。本実施形態による撮像装置は、撮像機能を有する電子機器であればよく、デジタルカメラのほか、デジタルビデオカメラ、内視鏡等であってもよい。
図１１に示す撮像装置７は、固体撮像装置１と、レンズユニット部２と、画像信号処理装置３と、記録装置４と、カメラ制御装置５と、表示装置６とを有する。
レンズユニット部２は、カメラ制御装置５によってズーム、フォーカス、絞りなどが駆動制御され、被写体からの光を固体撮像装置１に結像させる。固体撮像装置１は、カメラ制御装置５によって駆動制御され、レンズユニット部２を介して固体撮像装置１に入射した光を電気信号に変換し、入射光量に応じた撮像信号と焦点検出用の信号とを画像信号処理装置３に出力する。
画像信号処理装置３は、固体撮像装置１から入力された撮像信号に対して、信号の増幅、画像データへの変換および各種の補正を行い、その後、画像データの圧縮などの処理を行う。また、画像信号処理装置３は、固体撮像装置１から入力された焦点検出用の信号を用いて、合焦点を算出する。固体撮像装置１が合焦点の算出を行ってもよい。画像信号処理装置３は、各処理における画像データ等の一時記憶手段として図示しないメモリを利用する。
記録装置４は、半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体であり、画像データの記録または読み出しを行う。表示装置６は、画像信号処理装置３によって処理された画像データ、または記録装置４から読み出された画像データに基づく画像を表示する液晶などの表示装置である。カメラ制御装置５は、撮像装置７の全体の制御を行う制御装置である。
本実施形態によれば、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態のいずれかによる固体撮像装置１を有することを特徴とする撮像装置７が構成される。
本実施形態では、撮像信号用の信号を生成する第１の光電変換部１０１ａ，１０１ｂの感度の低下を抑制しつつ、位相差検出方式による焦点検出用の信号を生成する第２の光電変換部２０１ａ，２０１ｂに入射する光量の低下を抑制することができる。したがって、撮像信号の解像度の低下を抑制しつつ合焦点の検出精度の低下を抑制することができる。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
１ 固体撮像装置
２ レンズユニット部
３ 画像信号処理装置
４ 記録装置
５ カメラ制御装置
６ 表示装置
７ 撮像装置
１０ 第１の基板
２０ 第２の基板
１００，２００ 第１の半導体層
１０１ａ，１０１ｂ 第１の光電変換部
１１０ 第１の配線層
１１１ 第１の配線
１１１ａ 遮光部
１１２ 第１のビア
１１３ 第１の層間絶縁膜
１１４ 光吸収体
２００ 第２の半導体層
２０１ａ，２０１ｂ 第２の光電変換部
２１０ 第２の配線層
２１１ 第２の配線
２１２ 第２のビア
２１３ 第２の層間絶縁膜
２２０ ＭＯＳトランジスタ
２３０ａ，２３０ｂ ライトパイプ
２３１ａ，２３１ｂ，ＭＬ マイクロレンズ
２４０ 第３の半導体層
ＣＦ カラーフィルタ

Claims (10)

  1. ２次元状に配置された複数の第１の光電変換部を有する第１の基板と、
    ２次元状に配置された複数の第２の光電変換部を有し、前記第１の基板に積層された第２の基板と、
    前記第１の基板の表面に配置され、撮像レンズを通過した光を結像するマイクロレンズと、
    前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部との間に配置され、前記マイクロレンズを通過して前記第１の光電変換部を透過した光のうち前記撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方のみを通過した光を選択する選択部と、
    前記選択部と前記第２の光電変換部との間に配置され、前記選択部によって選択された光を前記第２の光電変換部側に屈折させる屈折部と、
    前記第１の基板に配置され、前記複数の第１の光電変換部で生成された撮像信号用の信号を伝送する第１の配線と、
    前記第２の基板に配置され、前記複数の第２の光電変換部で生成された、位相差検出方式による焦点検出用の信号を伝送する第２の配線と、
    を有することを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部との間に配置された層間絶縁膜をさらに有し、
    前記屈折部は、前記層間絶縁膜に埋め込まれ、前記層間絶縁膜よりも屈折率が高い材料により形成されている
    ことを特徴とする請求項１に係る固体撮像装置。
  3. 前記屈折部は、前記第２の光電変換部側に屈折した光を全反射させながら前記第２の光電変換部に導くライトパイプであることを特徴とする請求項２に係る固体撮像装置。
  4. 前記選択部は、前記撮像レンズの前記２つの瞳領域の一方のみを通過した光が通過する位置に形成された開口部を有する遮光部を有することを特徴とする請求項１に係る固体撮像装置。
  5. 前記屈折部の、前記第１の光電変換部と対向する面が前記開口部の近傍に配置されていることを特徴とする請求項４に係る固体撮像装置。
  6. 前記第１の基板または前記第２の基板の主面に垂直な方向に見た場合に、前記屈折部の輪郭線の内部に前記開口部が配置されていることを特徴とする請求項４に係る固体撮像装置。
  7. 前記選択部の、前記第１の光電変換部と対向する面において、前記開口部が形成されている領域以外の領域に、前記第１の光電変換部を透過した光のうち前記撮像レンズの射出瞳における２つの瞳領域の一方のみを通過した光以外の光を吸収する光吸収体が配置されていることを特徴とする請求項４に係る固体撮像装置。
  8. 前記屈折部の、前記第１の光電変換部と対向する面は、前記選択部によって選択された光を集光する曲率を有することを特徴とする請求項１に係る固体撮像装置。
  9. 前記第１の基板または前記第２の基板の主面に垂直な方向に見た場合に、前記複数の第２の光電変換部のそれぞれに対して、前記複数の第１の光電変換部のうちの複数が重なることを特徴とする請求項１に係る固体撮像装置。
  10. 請求項１に係る固体撮像装置を有することを特徴とする撮像装置。
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