JP2016225324A - 固体撮像装置 - Google Patents

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中村 哲也
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良平 宮川
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Abstract

【課題】入射光の一部を遮光する焦点検出用画素であっても、感度低下を抑制し隣接画素間の偽信号を低減する固体撮像装置を提供する。【解決手段】複数の画素201、211L、211Rは、入射光の一部を遮る遮光部材212を備えることで受光入射角度を異ならせる第1の画素211L、211Rと、遮光部材212を備えずに受光入射角度を異ならせない第2の画素201とを有し、画素のそれぞれは、フォトダイオード302と、絶縁膜304と、絶縁膜304よりも高い屈折率を有するコア層(高屈折絶縁膜309)とを備え、絶縁膜304のうちコア層と半導体基板301から同じ高さに位置する部分をクラッド層として、コア層は、クラッド層での入射光の反射により光を導く光導波路を形成し、第1の画素のコア層の底面は遮光部材212に接する。【選択図】図2

Description

本開示は、光電変換部等の受光部を備えた固体撮像装置、詳しくは、1つの固体撮像装置で異なる受光入射角で撮像された画像信号を生成することのできる固体撮像装置に関する。
近年、ビデオカメラや電子スチルカメラ等の撮像装置が広く一般に普及している。これらのカメラには、CCDやMOSセンサなどの固体撮像装置が使用されている。
一般に、MOSセンサでは、例えば、受光面において2次元マトリクス状に並べられた画素ごとにフォトダイオードが設けられ、受光時に各フォトダイオードに発生及び蓄積される信号電荷をCMOS回路の駆動でフローティングディフュージョンに転送し、信号電荷を信号電圧に変換して読み取る構成となっている。
上記のようなCMOSセンサなどの固体撮像装置は、例えば、半導体基板に上述のフォトダイオードが形成されており、その上層を被覆して酸化シリコンなどの絶縁膜が形成されており、フォトダイオードへの光の入射を妨げないようにフォトダイオード領域を除く領域において絶縁膜中に配線層が形成された構成となっている。
ところで、カメラなどの撮像装置では、自動焦点調節を実現するため、撮影レンズの焦点調節状態を検出する必要がある。従来は、固体撮像装置とは別個に焦点検出素子が設けられていた。しかし、その場合には、焦点検出素子やこれに光を導く焦点検出用の光学系の分だけコストが増大したり装置が大型になったりする。
そこで、近年、焦点検出方式としていわゆる瞳分割位相差方式(瞳分割方式、または位相差方式などと呼ばれる場合もある)を採用しつつ、焦点検出素子としても用いることができるように構成した固体撮像装置が提案されている。瞳分割位相差方式は、撮影レンズの通過光束を瞳分割して一対の分割像を形成し、そのパターンずれ(位相シフト量)を検出することで、撮影レンズのデフォーカス量を検出するものである。被写体を示す画像信号を形成するための撮像用信号を出力する撮像用画素とは別に、焦点調節状態を検出するための焦点検出信号を生成する焦点検出用画素を複数配置する。
特許文献1には、撮影レンズの通過光束を瞳分割して一対の分割像を形成する焦点検出用画素として、オンチップレンズとフォトダイオードとの間にアルミやタングステンなどの金属を用いた遮光部が設けられた固体撮像装置が開示されている。
特開2003−7994号公報
しかしながら、素子の微細化により受光面の面積が縮小されてきており、これに伴って入射光率が低下して感度が悪化するという問題がある。これは上記のような固体撮像装置の入射光の一部を遮光する焦点検出用画素においては、出力低下が顕著で深刻な課題である。
また、素子の微細化により画素間の距離が縮小されてきており、これに伴って隣接画素への漏れこみが増加するという問題がある。これは上記のような固体撮像装置の入射光の一部を遮光する焦点検出用画素においては、隣接画素への偽信号や、隣接画素からの偽信号により検出精度が低下するという課題となる。
本開示は、このような事情に鑑みてなされたもので、入射光の一部を遮光する焦点検出用画素であっても、感度低下を抑制し、隣接画素間の偽信号を低減する固体撮像装置を提供する。
上記課題を解決するため本開示における固体撮像装置は、2次元状に配置された複数の画素を有する固体撮像装置であって、前記複数の画素は、入射光の一部を遮る遮光部材を備えることで受光入射角度を異ならせる第1の画素と、前記遮光部材を備えずに受光入射角度を異ならせない第2の画素とを有し、前記複数の画素のそれぞれは、半導体基板に形成されたフォトダイオードと、前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記フォトダイオードの上方部分において前記絶縁膜に形成された凹部に埋め込まれて形成され、前記絶縁膜よりも高い屈折率を有するコア層とを備え、前記絶縁膜のうち前記コア層と前記半導体基板から同じ高さに位置する部分をクラッド層として、前記コア層は、前記クラッド層での前記入射光の反射により光を導く光導波路を形成し、前記第1の画素のコア層の底面は、前記遮光部材に接する。
この構成によれば、入射光の一部を遮光する焦点検出用画素であっても、感度低下を抑制し、隣接画素間の偽信号を低減することができる。具体的には、光導波路がない場合に比べて、光の減衰による感度低下と隣接画素との混色を低減できる。さらに、コア層の底面と遮光部材とが接していることから、コア層と遮光部材との間に絶縁膜が介在する場合に比べて隣接画素への漏れこみによる偽信号を低減し、本来遮光すべき光の自画素への漏れこみを低減できる。
ここで、前記遮光部材は、金属配線層に形成された金属膜であってもよい。
この構成によれば、遮光部材が金属膜であることによって高い遮光性を確保でき、しかも、遮光部材は金属配線層を形成するプロセスで金属配線と同時に形成できるので製造コストの上昇を抑えることができる。
ここで、前記遮光部材が形成される前記金属配線層は、複数の金属配線層のうち前記半導体基板に最も近い金属配線層であってもよい。
この構成によれば、半導体基板に最も近い金属配線層以外の金属配線層を用いた場合に比べて、感度低下が少なく、隣接画素への漏れこみを低減できる。
ここで、前記半導体基板表面から、前記遮光部材が形成される前記金属配線層と、前記コア層との界面の高さに、前記クラッド層よりも高い屈折率を有するライナー膜を備えていてもよい。
この場合でもコア層底面が遮光部材との間にクラッド層が存在する場合に比べて隣接画素への漏れこみを低減できる。
ここで、前記第1の画素の前記コア層の底面は、前記第2の画素の前記コア層の底面と、前記半導体基板表面からの距離が異なっていてもよい。
この構成によれば、第2の画素の感度低下をさらに低減できる。
ここで、前記複数の画素のそれぞれは、カラーフィルタ層を有し、前記第2の画素の前記コア層の底面の前記半導体基板表面からの距離は、前記カラーフィルタの色毎に異なっていてもよい。
この構成によれば、コア層の底面と半導体基板表面からの高さ(距離)を、受光する光の波長(色)により光の反射を最小化する膜厚に最適化できるので、入射される光の感度低下を波長毎に低減でき、画質低下を軽減することができる。
ここで、前記コア層は、前記酸化シリコンよりも高い屈折率を有する窒化シリコンにより形成されてもよい。
この構成によれば、特別な材料と使用することなく通常のプロセスで製造することができる。
本開示における固体撮像装置によれば、焦点検出用画素の微細化による、光の回折と減衰による感度低下と隣接画素間の偽信号を低減できる。
第1の実施形態に係る固体撮像装置(14×14画素)の例の例を示す平面図である。 第1の実施形態に係る焦点検出用画素の模式断面図である。 遮光部材と、光導波路(コア層)の底面である高屈折絶縁膜の底面が接することなく離れた場合の焦点検出用画素の模式断面図である。 第2の実施の形態に係る(a)撮像用画素および(b)焦点検出用画素の模式断面図である。 第2の実施形態に係る撮像用画素の反射率と光導波路底面の高さとの依存性を示す図である。 第2の実施の形態に係る固体撮像装置の光導波路を形成する製造方法の一工程を示す模式断面図である。 第2の実施の形態に係る固体撮像装置の光導波路を形成する製造方法の一工程を示す模式断面図である。 第2の実施の形態に係る固体撮像装置の光導波路を形成する製造方法の一工程を示す模式断面図である。 第2の実施の形態に係る固体撮像装置の光導波路を形成する製造方法の一工程を示す模式断面図である。 第2の実施の形態に係る固体撮像装置の光導波路を形成する製造方法の一工程を示す模式断面図である。 第2の実施の形態に係る固体撮像装置の光導波路を形成する製造方法の一工程を示す模式断面図である。 第2の実施の形態に係る固体撮像装置の光導波路を形成する製造方法の一工程を示す模式断面図である。 第2の実施の形態に係る固体撮像装置の光導波路を形成する製造方法の一工程を示す模式断面図である。
以下、各実施形態に係る固体撮像装置について、MOSイメージセンサ(CMOSイメージセンサ)を例として図面を参照しながら説明する。
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係る固体撮像装置(14×14画素)の例を示す平面図である。実際の固体撮像装置では数百万画素の規模で、この配列で規則正しく配置して使用している。画素サイズは2.0μm以下であり、本実施例では1.1μmである。
この固体撮像装置は、2次元状に配置された複数の画素を有する。複数の画素は、撮像用画素201と、焦点検出用画素211L、211Rの2種類の画素を有している。各画素はマイクロレンズ202(オンチップレンズ)を有し、各画素に表記された「R」「G」「B」の文字は、各画素が受光する光の成分(赤色、緑色、青色)を示す。撮像用画素201のカラーフィルタは3原色ベイヤ配列のもので、その中に焦点検出用画素211L、211Rが複数配置されている。同図における焦点検出用画素211L、211Rの配置の仕方は一例であり、この限りではない。
焦点検出用画素211L、211Rはそれぞれ、入射光の一部を遮る遮光部材を備えることで受光入射角度を異ならせる画素であり、第1の画素とも呼ぶ。焦点検出用画素211L、211Rは、撮影レンズの通過光束を瞳分割して一対の分割像を形成するため、画素の中に遮光部材212を配置している。焦点検出用画素211Lは画素の右側を遮光部材212により遮光しており、逆に、焦点検出用画素211Rは左側を遮光部材212により遮光している。本例では、遮光部材212を焦点検出用画素211R、211Lの左、右に配置して左右に瞳分割しているが、遮光部材212を画素の上下に配置することで通過光束を上下に瞳分割して一対の分割像を形成してもよい。また、本例では、焦点検出用画素211L、211Rは「G」成分を受光するような配置にしているが、焦点検出をするためには、その他の「R」「B」成分でも良いし、無色(成分制限なし)でもよい。
撮像用画素201は、遮光部材を備えずに受光入射角度を異ならせない画素であり、第2の画素とも呼ぶ。
なお、焦点検出用画素211Lは、上記のように、焦点検出用画素211Rとは遮光部材212の配置位置が異なっている以外は、焦点検出用画素211Rと同様の構成なので、以下では、焦点検出用画素211Rを中心に説明する。
図2は、第1の実施形態に係る焦点検出用画素211Rの模式断面図である。同図のように、焦点検出用画素211Rは、半導体基板301上に形成され、フォトダイオード302と、ゲート電極303と、絶縁膜304と、銅配線305と、ライナー膜306と、銅配線307と、ライナー膜308と、高屈折絶縁膜309と、カラーフィルタ310と、隔壁311とを備える。
このように、半導体基板301内に、受光面となる撮像領域において、画素ごとに電荷を蓄積するフォトダイオード302が構成されており、さらに、フォトダイオード302に隣接して半導体基板301上にゲート電極303が形成されている。
上記の半導体基板301には、フローティングディフュージョンにフォトダイオード302に生成及び蓄積される信号電荷または信号電荷に応じた電圧を読み取る信号読み取り部が形成されており、ゲート電極303への電圧の印加によって信号電荷が転送されるように構成されている。
また、フォトダイオード302を被覆して、半導体基板301上に、それぞれ例えば酸化シリコンからなる絶縁膜304と、例えば炭化シリコン(屈折率1.7〜1.9)、または窒化シリコン(屈折率1.9〜2.1)からなるライナー膜306、及び、ライナー膜308が積層して、絶縁膜が構成されている。
また、銅配線305、307は、異なる金属配線層に形成された銅配線である。ただし、例えばダマシンプロセスで形成された、タンタル/窒化タンタルからなるバリアメタル層が銅配線の外周部に形成される場合もある。銅配線305は、金属配線層のうち半導体基板301に最も近い最下層の金属配線層に形成されている。
上記のライナー膜306、308は、ビア形成時のエッチストップ膜であるとともに金属配線層を構成する銅の拡散を防止するための膜でもある。
上記のようにして、上記の積層された絶縁膜中に配線層が埋め込まれている。上記の銅配線305、銅配線307は、それぞれ、例えばデュアルダマシンプロセスによる、配線用溝の底面から下層配線への開口部内におけるビア部と一体に形成された配線構造であってもよい。
フォトダイオード302の上方部分において、上記のように積層して形成された絶縁膜304及びライナー膜306、308に対して凹部が形成されている。上記凹部の側壁および底面に、酸化シリコン(屈折率1.4〜1.5)よりも高い屈折率を有する高屈折絶縁膜309が形成されている。高屈折絶縁膜309は、窒化シリコン膜(屈折率1.9〜2.0)などで形成する。高屈折絶縁膜309は、その断面において、半導体基板301側が狭く、マイクロレンズ202側が広く形成されている。つまり、図2に示す断面図において、半導体基板301側に近づくに従って、高屈折絶縁膜309の幅が小さくなっている。
上記のように、屈折率が絶縁膜304よりも高い高屈折絶縁膜309を用いることで、絶縁膜304がクラッド層、高屈折絶縁膜309がコア層となり、カラーフィルタ310を通過した光をフォトダイオード302に導く光導波路としての機能を有することとなる。言い換えれば、絶縁膜304のうち高屈折絶縁膜309(コア層)と半導体基板301から同じ高さに位置する部分をクラッド層として、高屈折絶縁膜309(コア層)は、クラッド層での入射光の反射により光を導く光導波路を形成している。
カラーフィルタ310は、フォトダイオード302への入射光を波長(図1の例ではRGBの色)により選択する。カラーフィルタ310は、例えば各色用の顔料が有機材料(例えば、アクリル樹脂)に混入されてなる。この場合のカラーフィルタ310の屈折率は、1.5〜1.7である。カラーフィルタ310は、島状(各画素部に対応して個別に形成された状態である。)に形成されている。図1の例では、焦点検出用画素211Rは「G」成分を受光するような配置にしているが、焦点検出をするためには、その他の「R」「B」成分でも良いし、波長を選択しない透明膜「W」でもよい。カラーフィルタ310は、その断面において、半導体基板301側が狭く、マイクロレンズ202側が広く形成されている。つまり、図2に示す断面図において、半導体基板301側に近づくに従って、カラーフィルタ310の幅が小さくなっている。このようにカラーフィルタ310の断面形状は、逆台形形状をしている。つまり、半導体基板301側の底辺が、マイクロレンズ202側の上辺より幅の小さな台形状をしている。
隔壁311は、マイクロレンズ202やカラーフィルタ310から入射した光が、隣の画素部に入射するのを防止する。隔壁311は、平面視において、カラーフィルタ310に相当する部分が開口する格子状(網の目状)をしている。なお、図2の断面図では、各隔壁311は独立したように見える。隔壁311の断面形状は、ここでは、全体として台形状をしている。ここでの台形状は、半導体基板301側の底辺がマイクロレンズ202側の上辺より長い形状である。つまり、半導体基板301から離れるに従って幅が細くなる形状をしている。隔壁311は、カラーフィルタ310を構成する材料よりも屈折率が低い材料、例えばシリコン酸化膜(TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)膜、屈折率1.4〜1.5)により構成されている。このため、カラーフィルタ310内を斜め方向に進行する光は、隔壁311の表面に達した際に反射する。この際、隔壁311は半導体基板301から離れるに従って幅が細くなる形状をしているため、反射した光がフォトダイオード302側へと向かう。
マイクロレンズ202は、上方から入射する光を対応する画素部のフォトダイオード302に集光させるものである。マイクロレンズ202は、ここでは、半導体基板301から離れる方向に突出する凸レンズである。
遮光部材212は、図2に示すように、焦点検出用画素211Rでは、画素の左側を遮光することにより、右斜め上方向からの角度の入射光を遮光する構成となっている。遮光部材212は、金属配線層のうちの最下層の銅配線305と同層で、同時に形成することが可能である。このとき、遮光部材212と、光導波路コア層の底面である高屈折絶縁膜309の底面は接している。
次に、図2に示す焦点検出用画素211Rの比較対象例として、コア層の底面と遮光部材212との間に絶縁膜が介在する構成例について説明する。
図3は、遮光部材212と、光導波路(コア層)の底面である高屈折絶縁膜309の底面が接することなく離れた場合の焦点検出用画素の模式断面図である。このとき、光導波路コア層の底面である高屈折絶縁膜309の底面と、遮光部材212の界面との間に、絶縁膜304のクラッド層が存在するため、光導波路効果が発揮できず、図3に示すように、焦点検出用画素211Rでは右斜め上方向からの角度の入射光の一部は、隣接画素、もしくは、下層である直下のフォトダイオード302に漏れこみ、偽信号となってしまう。
第1の実施形態に係る固体撮像装置の焦点検出用画素211R、211Lは、フォトダイオード302の上層に形成された絶縁膜304にフォトダイオード302の上方において凹部が形成され、凹部内に高屈折絶縁膜309が埋め込まれて光導波路が構成されており、光導波路がない場合に比べて、光の減衰による感度低下と隣接画素との混色を低減できる構成である。また、遮光部材212は最下層の金属配線層の金属配線膜を用いているので、上層配線層を用いた場合に比べて、感度低下が少なく、隣接画素への漏れこみを低減できる。さらに、埋め込み層による光導波路のコア層である高屈折絶縁膜309の底面は、受光入射角度を異ならせるための入射光の一部を遮る遮光部材212に接しているので、光導波路であるコア層の底面である高屈折絶縁膜309の底面と、遮光部材212の界面との間に、絶縁膜304が存在する場合に比べて隣接画素への漏れこみや、本来遮光すべき光の自画素への漏れこみを低減(つまり遮光性を増大)できる。
遮光部材212である前記最下層の金属配線層の金属膜と、埋め込み層による光導波路のコア層である高屈折絶縁膜309の底面との間に、絶縁膜304によるクラッド層よりも屈折率が高いライナー膜306を介していてもよい。
ライナー膜306の屈折率はクラッド層よりも高く、厚みも60nm以下と薄いため、光導波路効果の低下は軽微で、隣接画素への漏れこみはほとんど発生しないためである。
[第2の実施形態]
図4は、第2の実施形態に係る(a)撮像用画素201および(b)焦点検出用画素211Rの模式断面図である。
図4(a)に示す撮像用画素201の、光導波路のコア層である高屈折絶縁膜309の底面と半導体基板301表面からの高さ(距離)Hnormは、図4(b)に示す焦点検出用画素211Rの、光導波路のコア層である高屈折絶縁膜309の底面と半導体基板301表面からの高さ(距離)Hafと異なっている。
図5は、第2の実施形態に係る撮像用画素201の反射率と光導波路底面の高さとの依存性を示す図である。つまり、撮像用画素201における入射光反射率の、光導波路のコア層である高屈折絶縁膜309の底面と半導体基板301表面からの高さ(距離)Hnorm依存性を示す。高屈折絶縁膜309の屈折率と、高屈折絶縁膜309の底面と半導体基板301表面からの高さ(距離)と、その間に介する絶縁膜304の屈折率との相互関係により、波長(色)により反射率が極小となる高さHnormが異なる(Hnorm_B、Hnorm_G、Hnorm_R)。
第2の実施形態に係る固体撮像装置の焦点検出用画素211Rは、撮像用画素201の、光導波路のコア層である高屈折絶縁膜309の底面と半導体基板301表面からの高さ(距離)Hnormと、焦点検出用画素211Rの、光導波路のコア層である高屈折絶縁膜309の底面と半導体基板301表面からの高さ(距離)Hafと異ならせることで、撮像用画素の感度低下をさらに低減できる。
さらに、撮像用画素201のコア層の底面と半導体基板301表面からの距離は、受光する光の波長毎(例えば、RGBの色毎)により異なってもよい。これにより、コア層の底面と半導体基板301表面からの高さ(距離)Hnormを、受光する光の波長(例えば、色)により光の反射を最小化する膜厚に設定できるので、入射される光の感度低下を波長毎に低減でき、画質低下を軽減することができる。
次に、第2の実施形態に係る固体撮像装置の特徴部分となる配線層部への光導波形成部分についての詳細な製造方法について、図6A〜図6Hを用いて説明する。
図6A〜6Hはそれぞれ、第2の実施の形態に係る固体撮像装置の光導波路を形成する製造方法の一工程を示す模式断面図である。
図6Aは製造工程において銅配線が形成されたあとの断面図を示している。先ず、半導体基板301の一方の主面(上面)の表層内部に、複数のフォトダイオード302を形成する。半導体基板301は、例えば、シリコン基板であって、フォトダイオード302は、半導体基板301の上面からボロン(B)などの不純物をイオン注入することにより形成される。なお、フォトダイオード302は、n型の電荷注入層とp+型の表面層とのpn接合により構成される(詳細な図示を省略)。複数のフォトダイオード302は、半導体基板301をZ軸方向上方より平面視する場合、例えば、マトリクス状に配置されている。マトリクス状配置の中に撮像用画素201と焦点検出用画素211Rが両方配置されている構造となっている。
この後、ゲート絶縁膜を形成した後、電荷転送のためのゲート電極303などを形成する。これらフォトダイオード302やゲート電極303などの形成は、一般的なフォトリソグラフィ工程、イオン注入工程、成膜工程および熱拡散工程を適宜用いることでなされる。
また、半導体基板301上に対して、絶縁膜304を積層し、当該絶縁膜304の上面から内部(Z軸方向下側)に向けて銅配線305を形成する。銅配線305の形成は、一般的なダマシン配線工程の実行による場合、絶縁膜304を積層した後、銅配線305を形成しようとする部分をリソグラフィ工程およびエッチング工程を実行して溝を形成し、当該溝内に銅(Cu)を埋め込んでCMP(Chemical Mechanical Polishing)工程などを実行することによりなされる。ライナー膜306はその後に形成される。なお、焦点検出用画素211Rには遮光部材212が形成されているが、これは銅配線305形成と同じタイミングで焦点検出用画素211Rを形成する部分をリソグラフィ工程およびエッチング工程を実行して溝を形成し、当該溝内に銅(Cu)を埋め込んでCMP(Chemical Mechanical Polishing)工程などを実行して形成している。
上記のような工程を繰り返すことにより、複数の絶縁膜304と複数の銅配線305、307およびライナー膜306、308を有する配線層を形成することができる。
図6Bでは、リソグラフィ工程を用いて配線上にレジスト膜401を形成した後、撮像用画素201のフォトダイオード302上面のレジストを除去した後の形態を示している。このとき焦点検出用画素211Rにはレジストの開口部は設けていない。
図6Cは上記レジスト膜401開口部をマスクとしてエッチング処理により絶縁膜304、ライナー膜306、308を開口した後に断面を示している。このとき、エッチングは、まずライナー膜306をエッチストップ膜としておこない、次に時間調整によって撮像用画素に最適な光導波路のコア層である高屈折絶縁膜の底面と半導体基板表面からの高さ(距離)Hafとなるようにエッチングの詳細調整をおこなう。
この後アッシング処理および洗浄処理によりレジスト膜401を除去する(図6D)。
次に、図6Eはリソグラフィ工程を用いてレジスト膜401を生成した後、焦点検出用画素211Rのフォトダイオード302の上面のレジストを除去した後の形態を示している。このとき撮像用画素201に開口した開口部はレジスト膜401により埋め込まれており、次のエッチング時に開口部が保護されている状態になっている。
図6Fは上記レジスト膜401開口部をマスクとしてエッチング処理により絶縁膜304ライナー膜306、308を開口した後に断面を示している。このとき、エッチングは、まずライナー膜306をエッチストップ膜としておこなう。この後アッシング処理および洗浄処理によりレジスト膜401と、ライナー膜306(もしくはライナー膜306の一部上層)を除去する(図6G)。
この後、撮像用画素201、焦点検出用画素211Rそれぞれに開口した開口部にSiN等の高屈折絶縁膜309を埋め込むことにより光導波路構造のコア部を形成することが出来る(図6H)。
なお、図6Dの状態で撮像用画素の絶縁膜に開口部を形成した後、開口部の側壁を保護する目的でSiN等の膜を形成し、その後焦点検出用画素211R部の開口を行うというフローおよび構造を用いても本開示の目的を達成する構造として適当である。
以上の工程により、図4に示す固体撮像装置が形成される。
本開示における固体撮像装置の焦点検出用画素211R、211L(第1の画素)は、フォトダイオードの上層に形成された絶縁膜にフォトダイオード302の上方において凹部が形成され、凹部内に高屈折絶縁膜309が埋め込まれて光導波路が構成されており、光導波路がない場合に比べて、光の減衰による感度低下と、隣接画素間の混色を低減できる構成である。このとき、埋め込み層による光導波路のコア層(高屈折絶縁膜309)の底面は、受光入射角度を異ならせるための入射光の一部を遮る遮光部材212に接しているので、コア層底面が遮光部材212との間にクラッド層が存在する場合に比べて隣接画素への漏れこみを低減できる。
また、前記固体撮像装置の焦点検出用画素の、受光入射角度を異ならせるための入射光の一部を遮る遮光部材212は、通常はフォトダイオード302への光の入射を妨げないようにフォトダイオード302の領域を除く領域において絶縁膜304中に配線を形成するアルミやタングステン、銅などの金属配線層の金属膜を使用してもよい。このとき、金属配線層は半導体基板からの距離が一番短い最下層の金属配線層の金属膜を遮光部材212にした方が、上層の金属配線層に遮光部材を備える場合に比べて、感度低下が少なく、隣接画素への漏れこみを低減できる。
また、遮光部材212である前記最下層の金属配線層と、埋め込み層のコア層との間に、絶縁膜304によるクラッド層よりも屈折率が高いライナー膜306を介していてもよい。ライナー膜306の厚みは60nm以下と薄く、屈折率はクラッド層よりも高いので、この場合でもコア層底面と遮光部材との間にクラッド層が存在する場合に比べて隣接画素への漏れこみを低減できる。
また、前記固体撮像装置は、通常の遮光部材212を設けずに受光入射角度を異ならせない撮像用画素201(第2の画素)のコア層の底面は、焦点検出用画素211R、211Lのコア層の底面と、半導体基板表面からの高さが異なってもよい。さらに、通常の遮光部材212を設けずに受光入射角度を異ならせない撮像用画素201(第2の画素)のコア層の底面は、入射する光の波長毎(例えば、カラーフィルタ310の色毎)により異なってもよい。これにより、コア層の底面と半導体基板301表面からの距離を、入射される光の波長により光の反射を最小化する膜厚に設定できるので、入射される光の波長毎に反射を最小化することができ、画質低下を軽減することができる。
なお、撮像用画素201の半分を焦点検出用画素211R、残り半分を211Lとして構成してもよい。こうすれば、受光入射角度の異なる2つの映像(視差を有する2つの画像)を撮影することができ、3Dカメラに用いることができる。もちろん、この場合でも焦点検出用画素211Rと焦点検出用画素211Lを自動焦点調節(オートフォーカス)に用いることができる。
本開示は、固体撮像装置に利用可能であり、特に自動焦点調節を有するビデオカメラや電子スチルカメラ等の撮像装置に利用可能であり、産業上有用である。
201 撮像用画素
202 マイクロレンズ
211L、211R 焦点検出用画素
212 遮光部材
301 半導体基板
302 フォトダイオード
303 ゲート電極
304 絶縁膜
305、307 銅配線
306、308 ライナー膜
309 高屈折絶縁膜
310 カラーフィルタ
311 隔壁
401 レジスト膜

Claims (7)

  1. 2次元状に配置された複数の画素を有する固体撮像装置であって、
    前記複数の画素は、
    入射光の一部を遮る遮光部材を備えることで受光入射角度を異ならせる第1の画素と、
    前記遮光部材を備えずに受光入射角度を異ならせない第2の画素とを有し、
    前記複数の画素のそれぞれは、
    半導体基板に形成されたフォトダイオードと、
    前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
    前記フォトダイオードの上方において前記絶縁膜に形成された凹部に形成され、前記絶縁膜よりも高い屈折率を有するコア層(309)とを備え、
    前記絶縁膜のうち前記コア層と前記半導体基板から同じ高さに位置する部分をクラッド層として、前記コア層は、前記クラッド層での前記入射光の反射により光を導く光導波路を形成し、
    前記第1の画素のコア層の底面は、前記遮光部材に接する
    固体撮像装置。
  2. 前記遮光部材は、金属配線層に形成された金属膜である
    請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. 前記遮光部材が形成される前記金属配線層は、複数の金属配線層のうち前記半導体基板に最も近い金属配線層である
    請求項2に記載の固体撮像装置。
  4. 前記半導体基板表面から、前記遮光部材が形成される前記金属配線層と、前記コア層との界面の高さに、前記クラッド層よりも高い屈折率を有するライナー膜を備える
    請求項2または3に記載の固体撮像装置。
  5. 前記半導体基板表面から前記第1の画素の前記コア層の底面までの距離は、前記半導体基板表面から前記第2の画素の前記コア層の底面までの距離と異なる
    請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  6. 前記複数の画素のそれぞれは、カラーフィルタ層を有し、
    前記半導体基板表面から前記第2の画素の前記コア層の底面までの距離は、前記カラーフィルタの色毎に異なる
    請求項5に記載の固体撮像装置。
  7. 前記クラッド層は、酸化シリコンにより形成され、
    前記コア層は、前記酸化シリコンよりも高い屈折率を有する窒化シリコンにより形成される
    請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
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