JP2017123380A - 固体撮像素子および製造方法、並びに電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のセンサ層を積層して構成される固体撮像素子の性能向上を図る。
【解決手段】
光が入射してくる側である上層に積層される上側センサ層を構成し、平面的に配置される複数の上層画素ごとにフォトダイオードが設けられる半導体基板と、上側センサ層に対して下層側に積層される下側センサ層を構成し、少なくとも１つの下層画素ごとに１つ以上のフォトダイオードが設けられる半導体基板との間に、絶縁膜が設けられる。その絶縁膜の屈折率よりも高屈折率の材料により構成され、下層画素に向かって絶縁膜を貫通するように導波路が設けられる。本技術は、例えば、複数のセンサ層を積層して構成される積層型のイメージセンサに適用できる。
【選択図】図１

Description

本開示は、固体撮像素子および製造方法、並びに電子機器に関し、特に、複数のセンサ層を積層して構成される固体撮像素子の性能向上を図ることができるようにした固体撮像素子および製造方法、並びに電子機器に関する。

近年、固体撮像素子の高機能化に伴って、複数のセンサ層を積層して構成される積層型のイメージセンサの開発が行われている。

例えば、本願出願人は、入射光の互いに異なる波長域成分を光電変換する２層のセンサ層が積層されて構成され、より容易に多様な光電変換出力を得ることができる撮像素子を提案している（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−７００３０号公報

しかしながら、上述したような複数のセンサ層を積層して構成される積層型のイメージセンサでは、上側のセンサ層を光が通過する際に、例えば、上側のセンサ層に存在するメタル配線などによって光が反射または回折したり、高入射角の光が大きく広がったりすることがあった。これにより、下層側のセンサ層に配置されるフォトダイオードが、所望の光量の光を受光することができず、下層側のセンサ層において、十分な性能を得ることが困難であった。

本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、複数のセンサ層を積層して構成される固体撮像素子の性能向上を図ることができるようにするものである。

本開示の一側面の固体撮像素子は、光が入射してくる側である上層に積層される第１のセンサ層を構成し、平面的に配置される複数の画素ごとに上側光電変換部が設けられる第１の半導体基板と、前記第１のセンサ層に対して下層側に積層される第２のセンサ層を構成し、少なくとも１つの前記画素ごとに１つ以上の下側光電変換部が設けられる第２の半導体基板と、前記第１のセンサ層および前記第２のセンサ層が少なくとも積層される積層構造における前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板との間に設けられる絶縁膜と、前記絶縁膜の屈折率よりも高屈折率の材料により構成され、前記第２の半導体基板の前記下側光電変換部に向かって前記絶縁膜を貫通するように設けられる導波路とを備える。

本開示の一側面の固体撮像素子の製造方法は、光が入射してくる側である上層に積層される第１のセンサ層を構成し、平面的に配置される複数の画素ごとに上側光電変換部が設けられる第１の半導体基板と、前記第１のセンサ層に対して下層側に積層される第２のセンサ層を構成し、少なくとも１つの前記画素ごとに１つ以上の下側光電変換部が設けられる第２の半導体基板との間に絶縁膜を設けて、前記第１のセンサ層および前記第２のセンサ層が少なくとも積層される積層構造とし、前記絶縁膜の屈折率よりも高屈折率の材料により構成され、前記第２の半導体基板の前記下側光電変換部に向かって前記絶縁膜を貫通するように導波路を設けるステップを含む。

本開示の一側面の電子機器は、光が入射してくる側である上層に積層される第１のセンサ層を構成し、平面的に配置される複数の画素ごとに上側光電変換部が設けられる第１の半導体基板と、前記第１のセンサ層に対して下層側に積層される第２のセンサ層を構成し、少なくとも１つの前記画素ごとに１つ以上の下側光電変換部が設けられる第２の半導体基板と、前記第１のセンサ層および前記第２のセンサ層が少なくとも積層される積層構造における前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板との間に設けられる絶縁膜と、前記絶縁膜の屈折率よりも高屈折率の材料により構成され、前記第２の半導体基板の前記下側光電変換部に向かって前記絶縁膜を貫通するように設けられる導波路とを有する固体撮像素子を備える。

本開示の一側面においては、光が入射してくる側である上層に積層される第１のセンサ層を構成し、平面的に配置される複数の画素ごとに上側光電変換部が設けられる第１の半導体基板と、第１のセンサ層に対して下層側に積層される第２のセンサ層を構成し、少なくとも１つの画素ごとに１つ以上の下側光電変換部が設けられる第２の半導体基板との間に絶縁膜を設けて、第１のセンサ層および第２のセンサ層が少なくとも積層される積層構造とされる。そして、絶縁膜の屈折率よりも高屈折率の材料により構成され、第２の半導体基板の下側光電変換部に向かって絶縁膜を貫通するように導波路が設けられる。

本開示の一側面によれば、複数のセンサ層を積層して構成される固体撮像素子の性能向上を図ることができる。

本技術を適用した固体撮像素子の第１の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。 固体撮像素子の第２の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。 フォトダイオードの出力特性の一例を示す図である。 固体撮像素子の第３の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。 固体撮像素子の第４の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。 フォトダイオードの出力特性の一例を示す図である。 固体撮像素子の第５の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。 フォトダイオードの出力特性の一例を示す図である。 固体撮像素子の第６の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。 固体撮像素子の第７の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。 固体撮像素子の第８の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。 固体撮像素子の第９の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。 固体撮像素子の第１０の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。 固体撮像素子の第１１の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。 固体撮像素子の第１２の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。 固体撮像素子の第１３の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。 固体撮像素子の第１４の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。 固体撮像素子の製造方法の第１の工程を示す図である。 固体撮像素子の製造方法の第２の工程を示す図である。 固体撮像素子の製造方法の第３の工程を示す図である。 固体撮像素子の製造方法の第４の工程を示す図である。 固体撮像素子の製造方法の第５の工程を示す図である。 固体撮像素子の製造方法の第６の工程を示す図である。 電子機器に搭載される撮像装置の構成例を示すブロック図である。 イメージセンサを使用する使用例を示す図である。

以下、本技術を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本技術を適用した固体撮像素子の第１の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。

図１に示すように、固体撮像素子１１は、上側センサ層１２および下側センサ層１３が積層されて構成されている。また、固体撮像素子１１では、上側センサ層１２にフォトダイオード３１が設けられる上層画素１４と、下側センサ層１３にフォトダイオード４１が設けられる下層画素１５とが平面状に配置されている。

例えば、上側センサ層１２の上層画素１４から出力される画素信号は、固体撮像素子１１により撮像される通常の画像を構築するのに用いられる。また、下側センサ層１３の下層画素１５から出力される画素信号は、通常の画像よりも低解像度の画像や、赤外線画像、フォーカス制御などに用いられる。

上側センサ層１２は、半導体基板２１の表面側に配線層２２が積層され、上側センサ層１２の裏面側にフィルタ層２３およびオンチップレンズ層２４が積層されて構成される。下側センサ層１３は、半導体基板２５に絶縁層２６が積層されて構成される。そして、上側センサ層１２の配線層２２と下側センサ層１３の絶縁層２６とが、破線で図示されている接合面において機械的および電気的に接合されている。

半導体基板２１は、例えば、単結晶のシリコンが薄くスライスされたウェハであり、上層画素１４ごとに、光を光電変換するフォトダイオード３１が形成される。また、半導体基板２１は、下層画素１５が設けられる箇所に開口部が形成されており、その開口部に埋め込まれた絶縁膜の中に、半導体基板２１を貫通して半導体基板２５に向かって延在する導波路４２が配置される。

配線層２２は、複数層で形成された配線３４と、遮光性を備えた金属製の遮光膜３５とが層間絶縁膜中に形成された構成となっている。配線３４は、例えば、上層画素１４を駆動する複数のトランジスタ（図示せず）とフォトダイオード３１とを接続する。遮光膜３５は、下層画素１５が設けられる箇所に開口部３６が形成されるとともに、それ以外の箇所を遮光するように成膜される。そして、遮光膜３５の開口部３６を貫通するように、導波路４２が設けられる。従って、遮光膜３５は、上層画素１４に照射された光を遮光し、下層画素１５に照射された光のみが下側センサ層１３まで届くように構成される。

フィルタ層２３には、下層画素１５および上層画素１４それぞれが受光する色に対応するカラーフィルタ３２が、下層画素１５および上層画素１４ごとに配置される。例えば、後述の図１６に示すように、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇｒ，Ｇｂ）、および青色（Ｂ）のカラーフィルタ３２が、いわゆるベイヤー配列で配置される。

オンチップレンズ層２４には、下層画素１５および上層画素１４それぞれが受光する光を集光するマイクロレンズ３３が、下層画素１５および上層画素１４ごとに配置される。

半導体基板２５は、例えば、単結晶のシリコンが薄くスライスされたウェハであり、下層画素１５ごとに、光を光電変換するフォトダイオード４１が形成される。なお、図１では、１つの下層画素１５に対応して配置される１つのフォトダイオード４１だけが図示されているが、後述の図１６に示すように、複数の下層画素１５それぞれに対応するように複数のフォトダイオード４１が配置される。

絶縁層２６は、上側センサ層１２の配線層２２との接合を行うために半導体基板２５の表面または裏面に積層される。

そして、固体撮像素子１１では、下層画素１５に入射した光を半導体基板２５のフォトダイオード４１まで導く導波路４２が、下層画素１５ごとに形成される。図１に示す構成例では、導波路４２は、その上面（図１の上側を向く面）が半導体基板２１の裏面と平坦となり、半導体基板２１、配線層２２、および絶縁層２６を貫通して、その下面（図１の下側を向く面）が半導体基板２５に達するように形成される。

ここで、導波路４２は、少なくとも半導体基板２１の下面（図１の下側を向く面）よりも上側から、フォトダイオード４１が形成される半導体基板２５の上面（図１の上側を向く面）まで形成されている。または、導波路４２は、半導体基板２５の上面の近傍まで形成されていてもよく、例えば、導波路４２から放出される光がフォトダイオード４１から漏れない程度に近傍の距離まで形成されていればよい。即ち、導波路４２から光が出る出口となる下面と、フォトダイオード４１の上面とは、光が漏れ出ることのない間隔未満に設定される。

また、導波路４２は、配線層２２および絶縁層２６を構成する層間絶縁膜の屈折率よりも高屈折率の材料により構成される。

例えば、配線層２２および絶縁層２６を構成する層間絶縁膜には、シリコン酸化膜（屈折率：1.46程度）や低誘電体膜（いわゆるlow-k膜）などが採用される。これに対し、導波路４２には、シリコン窒化膜（屈折率：2.0程度）や酸化アルミニウム膜（屈折率：1.77程度）などを採用することができ、これらの材料に限定されることなく、層間絶縁膜よりも屈折率の高い材料を採用してもよい。

また、導波路４２と、配線層２２および絶縁層２６を構成する層間絶縁膜との屈折率の比が大きいほど、導波路４２に光を閉じ込める効果が大きくなる。このことより、そのような屈折率の材料を導波路４２に採用することによって、より確実にフォトダイオード４１に光を届けることができる。

このように構成される固体撮像素子１１では、導波路４２を設けることによってフォトダイオード４１に所望の光量の光が照射されるように構成することができ、下側センサ層１３の性能向上を図ることができる。

次に、図２は、固体撮像素子の第２の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。なお、図２に示す固体撮像素子１１Ａにおいて、図１に示した固体撮像素子１１と共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図２に示すように、固体撮像素子１１Ａでは、上側センサ層１２および下側センサ層１３が積層されて構成されるとともに、上層画素１４は、図１の固体撮像素子１１の上層画素１４と同様の構造となっている。一方、固体撮像素子１１Ａでは、下層画素１５Ａが、図１の固体撮像素子１１の下層画素１５と異なる構造となっている。

即ち、固体撮像素子１１Ａの下層画素１５Ａは、フォトダイオード４１および導波路４２が、それぞれ同一の個数に分割されて構成される。例えば、下層画素１５Ａでは、４つのフォトダイオード４１−１乃至４１−４が半導体基板２５に形成されており、フォトダイオード４１−１乃至４１−４それぞれに対応するように４つの導波路４２Ａ−１乃至４２Ａ−４が配置されている。導波路４２Ａ−１乃至４２Ａ−４は、図１の導波路４２と同様に、例えば、少なくとも半導体基板２１の下面よりも上側から、フォトダイオード４１が形成される半導体基板２５の上面まで形成されている。

なお、図２において、フォトダイオード４１−１乃至４１−４および導波路４２Ａ−１乃至４２Ａ−４は、固体撮像素子１１Ａを断面的に見て一列に並ぶように分割された構成で図示されているが、それらが図面の奥行き方向に分割されていてもよい。例えば、奥行き方向にも４分割される構成とした場合、１６個のフォトダイオード４１と１６個の導波路４２Ａが、固体撮像素子１１Ａを平面的に見て４×４に配置されるような構成となる。また、例えば、奥行き方向に２分割される構成とした場合、８個のフォトダイオード４１と８個の導波路４２Ａが、固体撮像素子１１Ａを平面的に見て４×２に配置されるような構成となる。このように、１つの下層画素１５において、フォトダイオード４１および導波路４２を設ける個数は、下側センサ層１３が備える特性に応じて適宜設定してもよい。

そして、固体撮像素子１１Ａは、撮像面に対して光の入射角度が傾斜していても、光を真下に誘導することができる。これにより、固体撮像素子１１Ａは、フォトダイオード４１および導波路４２Ａを分割した構成とすることにより、位相差情報を取得することができる。

例えば、図３には、照射光の入射角度に対するフォトダイオード４１−１乃至４１−４の出力特性の一例が示されている。図３では、横軸が、照射光の入射角度を示し、縦軸が、フォトダイオード４１−１乃至４１−４の出力（例えば、蓄積された電荷）を示している。

例えば、図３に示すように、フォトダイオード４１−１は、約−３２度の入射角度で照射光が入射するときにピークを示す出力特性を有し、フォトダイオード４１−２は、約−５度の入射角度で照射光が入射するときにピークを示す出力特性を有している。同様に、フォトダイオード４１−３は、約５度の入射角度で照射光が入射するときにピークを示す出力特性を有し、フォトダイオード４１−４は、約３２度の入射角度で照射光が入射するときにピークを示す出力特性を有している。

このように、フォトダイオード４１−１乃至４１−４は、照射光の入射角度に応じて異なる出力特性を有していることより、固体撮像素子１１では、下層画素１５Ａを位相差の検出に利用することができる。

従って、固体撮像素子１１Ａを搭載した撮像装置では、上側センサ層１２により通常画像の撮像を行う際に、下側センサ層１３により検出される位相差に基づいて、フォーカス制御を行うことができる。

次に、図４は、固体撮像素子の第３の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。なお、図４に示す固体撮像素子１１Ｂにおいて、図１に示した固体撮像素子１１と共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図４に示すように、固体撮像素子１１Ｂでは、上側センサ層１２および下側センサ層１３が積層されて構成されるとともに、上層画素１４は、図１の固体撮像素子１１の上層画素１４と同様の構造となっている。一方、固体撮像素子１１Ｂでは、下層画素１５Ｂが、図１の固体撮像素子１１の下層画素１５と異なる構造となっている。

即ち、固体撮像素子１１Ｂの下層画素１５Ｂは、フォトダイオード４１および導波路４２が、それぞれ異なる個数に分割されて構成される。例えば、下層画素１５Ｂでは、４つのフォトダイオード４１−１乃至４１−４が半導体基板２５に形成されている。そして、フォトダイオード４１−１および４１−２に対応して導波路４２Ｂ−１が配置されるとともに、フォトダイオード４１−３および４１−４に対応して導波路４２Ｂ−２が配置されている。

このように、固体撮像素子１１Ｂの下層画素１５Ｂは、４つのフォトダイオード４１−１乃至４１−４に対して、それらの個数よりも少ない２つの導波路４２Ｂ−１および４２Ｂが配置された構成となっている。

これにより、固体撮像素子１１Ｂは、図２の固体撮像素子１１Ａと比較して位相差情報が削減されることになる一方で、画像情報としての解像度を維持することができる。さらに、図２の固体撮像素子１１Ａよりも導波路４２の個数が削減され、導波路４２Ｂどうし間の層間絶縁膜の割合が低減することによって、感度ロスの発生を抑制することができる上、図２の固体撮像素子１１Ａよりも製造プロセスを簡略化することができる。

次に、図５は、固体撮像素子の第４の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。なお、図５に示す固体撮像素子１１Ｃにおいて、図２に示した固体撮像素子１１Ａと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図５に示すように、固体撮像素子１１Ｃは、図２の固体撮像素子１１Ａと同様に、半導体基板２５にフォトダイオード４１−１乃至４１−４が形成されている。そして、固体撮像素子１１Ｃでは、フォトダイオード４１−１乃至４１−４それぞれに対応して配置される４つの導波路４２Ｃ−１乃至４２Ｃ−４が、図２の固体撮像素子１１Ａと異なる構造となっている。

即ち、固体撮像素子１１Ｃでは、下層画素１５Ｃに照射される光が導波路４２Ｃ−１乃至４２Ｃ−４に入射する間口となる入射口について、高さ方向（固体撮像素子１１Ｃの厚み方向）に間隔Ｄが設けられている。例えば、固体撮像素子１１Ｃでは、外側に配置される導波路４２Ｃ−１および４２Ｃ−４の入射口から間隔Ｄを隔てて、内側に配置される導波路４２Ｃ−２および４２Ｃ−３の入射口が配置されるように、導波路４２Ｃ−２および４２Ｃ−３の高さが低く形成される。

このように、導波路４２Ｃ−１および４２Ｃ−４の入射口よりも導波路４２Ｃ−２および４２Ｃ−３の入射口が低くなるように設定することで、固体撮像素子１１Ｃでは、フォトダイオード４１−１乃至４１−４の出力特性を調整することができる。

図６には、下層画素１５Ｃにおいて、照射光の入射角度に対するフォトダイオード４１−１乃至４１−４の出力特性の一例が示されている。図６では、横軸が、照射光の入射角度を示し、縦軸が、フォトダイオード４１−１乃至４１−４の出力を示している。

図６Ａは、導波路４２Ｃ−１および４２Ｃ−４の入射口と導波路４２Ｃ−２および４２Ｃ−３の入射口とが同じ高さに配置されるように、即ち、間隔Ｄが０μｍとなるように形成された固体撮像素子１１Ｃ（つまり、図２の固体撮像素子１１Ａと同様の構成）の出力特性を示している。

また、図６Ｂは、導波路４２Ｃ−１および４２Ｃ−４の入射口よりも導波路４２Ｃ−２および４２Ｃ−３の入射口が、高さ方向に間隔Ｄが0.5μｍとなるように低く形成された固体撮像素子１１Ｃの出力特性を示している。同様に、図６Ｃは、導波路４２Ｃ−１および４２Ｃ−４の入射口よりも導波路４２Ｃ−２および４２Ｃ−３の入射口が、高さ方向に間隔Ｄが1.0μｍとなるように低く形成された固体撮像素子１１Ｃの出力特性を示している。

図６に示すように、間隔Ｄを大きく設定することにより、導波路４２Ｃ−２および４２Ｃ−３の出力を低下させることができる。従って、導波路４２Ｃ−２および４２Ｃ−３を導波路４２Ｃ−１および４２Ｃ−４よりも低く形成することによって、それらの相対的な感度を適切に調整することができる。

また、例えば、下層画素１５Ｃを像面位相差の検出用に使用するときには、導波路４２Ｃ−１乃至４２Ｃ−４の入射口の高さを適切に変更することで、照射光が入射する角度を測定する分解能を調整することができる。

なお、図５において、フォトダイオード４１−１乃至４１−４および導波路４２Ｃ−１乃至４２Ｃ−４が、固体撮像素子１１Ｃを断面的に見て一列に並ぶように分割された構成で図示されているが、それらが図面の奥行き方向に分割されていてもよい。例えば、奥行き方向にも４分割される構成とした場合、１６個のフォトダイオード４１と１６個の導波路４２Ｃが、固体撮像素子１１Ｃを平面的に見て４×４に配置されるような構成となる。また、例えば、奥行き方向に２分割される構成とした場合、８個のフォトダイオード４１と８個の導波路４２Ｃが、固体撮像素子１１Ｃを平面的に見て４×２に配置されるような構成となる。

このような構成において、最も外側に配置される導波路４２Ｃの入射口の高さが、少なくとも半導体基板２１の下面よりも上側に配置され、その導波路４２Ｃが半導体基板２５の上面の近傍まで形成されていればよい。

次に、図７は、固体撮像素子の第５の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。なお、図７に示す固体撮像素子１１Ｄにおいて、図２に示した固体撮像素子１１Ａと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図７に示すように、固体撮像素子１１Ｄは、図２の固体撮像素子１１Ａと同様に、半導体基板２５にフォトダイオード４１−１乃至４１−４が形成されている。そして、固体撮像素子１１Ｄでは、フォトダイオード４１−１乃至４１−４それぞれに対応して配置される４つの導波路４２Ｄ−１乃至４２Ｄ−４が、図２の固体撮像素子１１Ａと異なる構造となっている。

即ち、固体撮像素子１１Ｄでは、下層画素１５Ｄに照射される光が導波路４２Ｄ−１乃至４２Ｄ−４に入射する間口となる入射口の面積が調整されている。例えば、固体撮像素子１１Ｄでは、外側に配置される導波路４２Ｄ−１および４２Ｄ−４の入射口の面積Ａ１よりも、内側に配置される導波路４２Ｃ−２および４２Ｃ−３の入射口の面積Ａ２が小面積となるように、導波路４２Ｄ−２および４２Ｄ−３の断面形状（高さ方向に対して直交する断面の形状）が形成される。

例えば、導波路４２Ｄ−１乃至４２Ｄ−４の入射口が円形である場合、導波路４２Ｄ−２および４２Ｄ−３の入射口の直径が、導波路４２Ｄ−１および４２Ｄ−４の入射口の直径よりも短く設定される。また、導波路４２Ｄ−１乃至４２Ｄ−４の入射口が矩形である場合、導波路４２Ｄ−２および４２Ｄ−３の入射口の一辺の長さが、導波路４２Ｄ−１および４２Ｄ−４の入射口の一辺の長さよりも短く設定される。

このように、導波路４２Ｄ−１および４２Ｄ−４の入射口よりも導波路４２Ｄ−２および４２Ｄ−３の入射口の面積が小さくなるように設定することで、固体撮像素子１１Ｄでは、フォトダイオード４１−１乃至４１−４の出力特性を調整することができる。

図８には、下層画素１５Ｄにおいて、照射光の入射角度に対するフォトダイオード４１−１乃至４１−４の出力特性の一例が示されている。図８では、横軸が、照射光の入射角度を示し、縦軸が、フォトダイオード４１−１乃至４１−４の出力を示しており、導波路４２Ｄ−１乃至４２Ｄ−４の入射口を矩形とする。

図８Ａは、導波路４２Ｄ−２および４２Ｄ−３の入射口の一辺の長さを0.625μｍに設定した固体撮像素子１１Ｄの出力特性であり、図８Ｂは、導波路４２Ｄ−２および４２Ｄ−３の入射口の一辺の長さを0.425μｍに設定した固体撮像素子１１Ｄの出力特性である。また、図８Ｃは、導波路４２Ｄ−２および４２Ｄ−３の入射口の一辺の長さを0.425μｍに設定した固体撮像素子１１Ｄの出力特性である。

図８に示すように、導波路４２Ｄの入射口の面積を小さく設定することにより、導波路４２Ｄ−２および４２Ｄ−３の出力を低下させることができる。従って、導波路４２Ｄ−２および４２Ｄ−３の入射口の面積を、導波路４２Ｄ−１および４２Ｄ−４の入射口の面積よりも小さく形成することによって、それらの相対的な感度を適切に調整することができる。

また、例えば、下層画素１５Ｃを像面位相差の検出用に使用するときには、導波路４２Ｃ−１乃至４２Ｃ−４の入射口の面積を適切に変更することで、照射光が入射する角度を測定する分解能を調整することができる。

なお、図７において、固体撮像素子１１Ｄは、フォトダイオード４１−１乃至４１−４および導波路４２Ｄ−１乃至４２Ｄ−４が、断面的に見て一列に並ぶように分割された構成で図示されているが、それらが図面の奥行き方向に分割されていてもよい。例えば、奥行き方向にも４分割される構成とした場合、１６個のフォトダイオード４１と１６個の導波路４２Ｄが、固体撮像素子１１Ｄを平面的に見て４×４に配置されるような構成となる。また、例えば、奥行き方向に２分割される構成とした場合、８個のフォトダイオード４１と８個の導波路４２Ｄが、固体撮像素子１１Ｄを平面的に見て４×２に配置されるような構成となる。

また、導波路４２Ｄの断面形状としては、長方形、正方形、真円形、または楕円形などを採用することができる。さらに、このような構成において、最も外側に配置される導波路４２Ｄの入射口の高さが、少なくとも半導体基板２１の下面よりも上側に配置され、その導波路４２Ｄが半導体基板２５の上面の近傍まで形成されていればよい。

次に、図９は、固体撮像素子の第６の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。なお、図９に示す固体撮像素子１１Ｅにおいて、図２に示した固体撮像素子１１Ａと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図９に示すように、固体撮像素子１１Ｅは、図２の固体撮像素子１１Ａと同様に、半導体基板２５にフォトダイオード４１−１乃至４１−４が形成されている。そして、固体撮像素子１１Ｅでは、フォトダイオード４１−１乃至４１−４それぞれに対応して配置される４つの導波路４２Ｅ−１乃至４２Ｅ−４が、図２の固体撮像素子１１Ａと異なる構造となっている。

即ち、固体撮像素子１１Ｅでは、導波路４２Ｅ−１および４２Ｅ−４の入射口から間隔Ｄを隔てて導波路４２Ｅ−２および４２Ｅ−３の入射口が配置され、かつ、導波路４２Ｅ−１および４２Ｅ−４の入射口の面積Ａ１よりも導波路４２Ｅ−２および４２Ｅ−３の入射口の面積Ａ２が小面積となるように、導波路４２Ｅ−２および４２Ｅ−３が形成される。つまり、固体撮像素子１１Ｅは、図５の固体撮像素子１１Ｃおよび図７の固体撮像素子１１Ｄを組み合わせた構成となっている。

このように導波路４２Ｅ−１乃至４２Ｅ−４の入射口を設定することで、固体撮像素子１１Ｅでは、図５の固体撮像素子１１Ｃおよび図７の固体撮像素子１１Ｄよりも詳細に、フォトダイオード４１−１乃至４１−４の出力特性を調整することができる。具体的には、図５の固体撮像素子１１Ｃの構成の場合、ピーク強度を調整する事が出来ると共に、分布の裾ひきも小さくなる出力特性を有する。一方、図７の固体撮像素子１１Ｄの構成の場合、ピーク強度を調整する事が出来るのは同様であるが、分布の裾ひきをあまり変える事なく調整する事ができるという出力特性を有する点が異なる。これらの出力特性を組み合わせることで、固体撮像素子１１Ｅは、図５の固体撮像素子１１Ｃおよび図７の固体撮像素子１１Ｄそれぞれ単独では実現できない新規の出力特性となるように調整することが可能となる。

なお、図９において、フォトダイオード４１−１乃至４１−４および導波路４２Ｅ−１乃至４２Ｅ−４が、固体撮像素子１１Ｅを断面的に見て一列に並ぶように分割された構成で図示されているが、それらが図面の奥行き方向に分割されていてもよい。例えば、奥行き方向にも４分割される構成とした場合、１６個のフォトダイオード４１と１６個の導波路４２Ｅが、固体撮像素子１１Ｅを平面的に見て４×４に配置されるような構成となる。また、例えば、奥行き方向に２分割される構成とした場合、８個のフォトダイオード４１と８個の導波路４２Ｅが、固体撮像素子１１Ｅを平面的に見て４×２に配置されるような構成となる。

さらに、このような構成において、最も外側に配置される導波路４２Ｅの入射口の高さが、少なくとも半導体基板２１の下面よりも上側に配置され、その導波路４２Ｅが半導体基板２５の上面の近傍まで形成されていればよい。

ここで、図１乃至図９を参照して上述した各実施の形態においては、半導体基板２１に開口部が設けられ、半導体基板２１を貫通するように導波路４２が設けられる構成について説明した。これに対し、以下では、半導体基板２１を透過した光を導波路４２に入射して、フォトダイオード４１に受光させる構成例について説明する。

即ち、下層画素１５では、以下で説明するように、半導体基板２１のフォトダイオード３１を透過した光を半導体基板２５のフォトダイオード４１が受光する。このとき、下層画素１５のカラーフィルタ３２としては、赤色よりも波長の長い光を透過すればよく、赤色または白色など、半導体基板２１を透過する波長に利用できるものが採用される。これにより、半導体基板２５で受光される光は、半導体基板２１で吸収されなかった光となり、基本的に、赤色から赤外の光となる。

次に、図１０は、固体撮像素子の第７の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。なお、図１０に示す固体撮像素子１１Ｆにおいて、図１に示した固体撮像素子１１と共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１０に示すように、固体撮像素子１１Ｆでは、上側センサ層１２および下側センサ層１３が積層されて構成されるとともに、上層画素１４は、図１の固体撮像素子１１の上層画素１４と同様の構造となっている。一方、固体撮像素子１１Ｆでは、下層画素１５Ｆが、図１の固体撮像素子１１の下層画素１５と異なる構造となっている。

即ち、固体撮像素子１１Ｆの下層画素１５Ｆは、半導体基板２１の下層画素１５Ｆに対応する箇所にフォトダイオード３１が形成されており、フォトダイオード３１を透過した光をフォトダイオード４１が受光するように構成されている。

また、下層画素１５Ｆに設けられる導波路４２Ｆは、フォトダイオード３１を透過した光をフォトダイオード４１まで導くように設けられ、その上面（図１０の上側を向く面）が、少なくとも配線３４の上面よりも上側から、配線層２２および絶縁層２６を貫通して、その下面（図１０の下側を向く面）が半導体基板２５に達するように形成される。なお、導波路４２Ｆは、図１の導波路４２と同様の材質を採用することができ、上述したように、導波路４２から放出される光がフォトダイオード４１から漏れない程度に、半導体基板２５の上面の近傍まで形成されていていればよい。

次に、図１１は、固体撮像素子の第８の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。なお、図１１に示す固体撮像素子１１Ｇにおいて、図２に示した固体撮像素子１１Ａと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１１に示すように、固体撮像素子１１Ｇでは、上側センサ層１２および下側センサ層１３が積層されて構成されるとともに、上層画素１４は、図２の固体撮像素子１１Ａの上層画素１４Ａと同様の構造となっている。一方、固体撮像素子１１Ｇでは、下層画素１５Ｇが、図２の固体撮像素子１１Ａの下層画素１５Ａと異なる構造となっている。

即ち、固体撮像素子１１Ｇの下層画素１５Ｇは、半導体基板２１の下層画素１５Ｇに対応する箇所にフォトダイオード３１が形成されており、フォトダイオード３１を透過した光をフォトダイオード４１−１乃至４１−４が受光するように構成されている。

そして、固体撮像素子１１Ｇの下層画素１５Ｇにおいても、図２の固体撮像素子１１Ａの上層画素１４Ａと同様に、４つのフォトダイオード４１−１乃至４１−４それぞれに対応するように４つの導波路４２Ｇ−１乃至４２Ｇ−４が配置されている。導波路４２Ｇ−１乃至４２Ｇ−４は、図１０の導波路４２Ｆと同様に、例えば、その上面が配線層２２の上面から、配線層２２および絶縁層２６を貫通して、その下面が半導体基板２５に達するように形成される。

なお、図１１において、フォトダイオード４１−１乃至４１−４および導波路４２Ｇ−１乃至４２ＡＧ−４は、固体撮像素子１１Ｇを断面的に見て一列に並ぶように分割された構成で図示されているが、それらが図面の奥行き方向に分割されていてもよい。例えば、奥行き方向にも４分割される構成とした場合、１６個のフォトダイオード４１と１６個の導波路４２Ｇが、固体撮像素子１１Ｇを平面的に見て４×４に配置されるような構成となる。また、例えば、奥行き方向に２分割される構成とした場合、８個のフォトダイオード４１と８個の導波路４２Ｇが、固体撮像素子１１Ａを平面的に見て４×２に配置されるような構成となる。このように、１つの下層画素１５において、フォトダイオード４１および導波路４２を設ける個数は、下側センサ層１３が備える特性に応じて適宜設定してもよい。

このように構成される固体撮像素子１１Ｇにおいても、図２の固体撮像素子１１Ａと同様に、フォトダイオード４１および導波路４２Ｇを分割した構成とすることにより、位相差情報を取得することができる。

従って、固体撮像素子１１Ｇを搭載した撮像装置では、上側センサ層１２により通常画像の撮像を行う際に、下側センサ層１３により検出される位相差に基づいて、フォーカス制御を行うことができる。

次に、図１２は、固体撮像素子の第９の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。なお、図１２に示す固体撮像素子１１Ｈにおいて、図３に示した固体撮像素子１１Ｂと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１２に示すように、固体撮像素子１１Ｈでは、上側センサ層１２および下側センサ層１３が積層されて構成されるとともに、上層画素１４は、図３の固体撮像素子１１Ｂの上層画素１４Ｂと同様の構造となっている。一方、固体撮像素子１１Ｈでは、下層画素１５Ｈが、図２の固体撮像素子１１Ｂの下層画素１５Ｂと異なる構造となっている。

即ち、下層画素１５Ｈは、図２の下層画素１５Ｂと同様に、半導体基板２５に形成される４つのフォトダイオード４１−１乃至４１−４に対して、２本の導波路４２Ｈ−１および４２Ｈ−２が設けられている。そして、下層画素１５Ｈでは、半導体基板２１のフォトダイオード３１を透過した光が導波路４２Ｈ−１および４２Ｈ−２を介して、フォトダイオード４１−１乃至４１−４に導かれるように構成されている。また、導波路４２Ｈ−１および４２Ｈ−２は、図１０の導波路４２Ｆと同様に、例えば、その上面が配線層２２の上面から、配線層２２および絶縁層２６を貫通して、その下面が半導体基板２５に達するように形成される。

このように構成される固体撮像素子１１Ｈにおいても、図３の固体撮像素子１１Ｂと同様に、下側センサ層１３において良好な性能を得ることができる。

次に、図１３は、固体撮像素子の第１０の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。なお、図１３に示す固体撮像素子１１Ｊにおいて、図５に示した固体撮像素子１１Ｃと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１３に示すように、固体撮像素子１１Ｊでは、上側センサ層１２および下側センサ層１３が積層されて構成されるとともに、上層画素１４は、図５の固体撮像素子１１Ｃの上層画素１４Ｃと同様の構造となっている。一方、固体撮像素子１１Ｊでは、下層画素１５Ｊが、図３の固体撮像素子１１Ｃの下層画素１５Ｃと異なる構造となっている。

即ち、下層画素１５Ｊは、図５の下層画素１５Ｃと同様に、外側に配置される導波路４２Ｊ−１および４２Ｊ−４の入射口から間隔Ｄを隔てて、内側に配置される導波路４２Ｊ−２および４２Ｊ−３の入射口が配置されるように、導波路４２Ｊ−２および４２Ｊ−３の高さが低く形成される。そして、下層画素１５Ｊでは、半導体基板２１のフォトダイオード３１を透過した光が導波路４２Ｊ−１乃至４２Ｊ−４を介して、それぞれフォトダイオード４１−１乃至４１−４に導かれるように構成されている。

つまり、下層画素１５Ｊでは、導波路４２Ｊ−１および４２Ｊ−４は、その上面が配線層２２の上面と同じ高さから形成され、導波路４２Ｊ−２および４２Ｊ−３は、その上面が配線層２２の上面から間隔Ｄだけ隔てた高さから形成される。

このように構成される固体撮像素子１１Ｊにおいても、図５の固体撮像素子１１Ｃと同様に、導波路４２Ｊ−２および４２Ｊ−３の感度を調整することができる。

なお、図１３において、フォトダイオード４１−１乃至４１−４および導波路４２Ｊ−１乃至４２Ｊ−４が、固体撮像素子１１Ｊを断面的に見て一列に並ぶように分割された構成で図示されているが、それらが図面の奥行き方向に分割されていてもよい。例えば、奥行き方向にも４分割される構成とした場合、１６個のフォトダイオード４１と１６個の導波路４２Ｊが、固体撮像素子１１Ｊを平面的に見て４×４に配置されるような構成となる。また、例えば、奥行き方向に２分割される構成とした場合、８個のフォトダイオード４１と８個の導波路４２ｊが、固体撮像素子１１Ｊを平面的に見て４×２に配置されるような構成となる。

このような構成において、最も外側に配置される導波路４２Ｊの入射口の高さが、少なくとも半導体基板２１の下面よりも上側に配置され、その導波路４２Ｊが半導体基板２５の上面の近傍まで形成されていればよい。

次に、図１４は、固体撮像素子の第１１の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。なお、図１４に示す固体撮像素子１１Ｋにおいて、図７に示した固体撮像素子１１Ｄと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１４に示すように、固体撮像素子１１Ｋでは、上側センサ層１２および下側センサ層１３が積層されて構成されるとともに、上層画素１４は、図７の固体撮像素子１１Ｄの上層画素１４Ｄと同様の構造となっている。一方、固体撮像素子１１Ｋでは、下層画素１５Ｋが、図７の固体撮像素子１１Ｄの下層画素１５Ｄと異なる構造となっている。

即ち、下層画素１５Ｋは、図７の下層画素１５Ｄと同様に、外側に配置される導波路４２Ｋ−１および４２Ｋ−４の入射口の面積Ａ１よりも、内側に配置される導波路４２Ｋ−２および４２Ｋ−３の入射口の面積Ａ２が小面積となるように、導波路４２Ｋ−２および４２Ｋ−３の断面形状（高さ方向に対して直交する断面の形状）が形成される。そして、下層画素１５Ｋでは、半導体基板２１のフォトダイオード３１を透過した光が導波路４２Ｋ−１乃至４２Ｋ−４を介して、それぞれフォトダイオード４１−１乃至４１−４に導かれるように構成されている。また、導波路４２Ｋ−１乃至４２Ｋ−２は、図１０の導波路４２Ｆと同様に、例えば、その上面が配線層２２の上面から、配線層２２および絶縁層２６を貫通して、その下面が半導体基板２５に達するように形成される。

このように構成される固体撮像素子１１Ｋにおいても、図７の固体撮像素子１１Ｄと同様に、導波路４２Ｋ−２および４２Ｋ−３の感度を調整することができる。

なお、図１４において、固体撮像素子１１Ｋは、フォトダイオード４１−１乃至４１−４および導波路４２Ｋ−１乃至４２Ｋ−４が、断面的に見て一列に並ぶように分割された構成で図示されているが、それらが図面の奥行き方向に分割されていてもよい。例えば、奥行き方向にも４分割される構成とした場合、１６個のフォトダイオード４１と１６個の導波路４２Ｋが、固体撮像素子１１Ｋを平面的に見て４×４に配置されるような構成となる。また、例えば、奥行き方向に２分割される構成とした場合、８個のフォトダイオード４１と８個の導波路４２Ｋが、固体撮像素子１１Ｋを平面的に見て４×２に配置されるような構成となる。

また、導波路４２Ｋの断面形状としては、長方形、正方形、真円形、または楕円形などを採用することができる。さらに、このような構成において、最も外側に配置される導波路４２Ｋの入射口の高さが、少なくとも半導体基板２１の下面よりも上側に配置され、その導波路４２Ｋが半導体基板２５の上面の近傍まで形成されていればよい。

次に、図１５は、固体撮像素子の第１２の実施の形態の断面的な構成例を示す図である。なお、図１５に示す固体撮像素子１１Ｌにおいて、図９に示した固体撮像素子１１Ｅと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１５に示すように、固体撮像素子１１Ｌでは、上側センサ層１２および下側センサ層１３が積層されて構成されるとともに、上層画素１４は、図９の固体撮像素子１１Ｅの上層画素１４Ｅと同様の構造となっている。一方、固体撮像素子１１Ｌでは、下層画素１５Ｌが、図９の固体撮像素子１１Ｅの下層画素１５Ｅと異なる構造となっている。

即ち、下層画素１５Ｌは、図７の下層画素１５Ｅと同様に、導波路４２Ｌ−１および４２Ｌ−４の入射口から間隔Ｄを隔てて導波路４２Ｌ−２および４２Ｌ−３の入射口が配置され、かつ、導波路４２Ｌ−１および４２Ｌ−４の入射口の面積Ａ１よりも導波路４２Ｌ−２および４２Ｌ−３の入射口の面積Ａ２が小面積となるように、導波路４２Ｌ−２および４２Ｌ−３が形成される。そして、下層画素１５Ｌでは、半導体基板２１のフォトダイオード３１を透過した光が導波路４２Ｌ−１乃至４２ｌ−４を介して、それぞれフォトダイオード４１−１乃至４１−４に導かれるように構成されている。つまり、固体撮像素子１１Ｌは、図１３の固体撮像素子１１Ｊおよび図１４の固体撮像素子１１Ｋを組み合わせた構成となっている。

このように導波路４２Ｌ−１乃至４２Ｌ−４の入射口を設定することで、固体撮像素子１１Ｌでは、図１３の固体撮像素子１１Ｊおよび図１４の固体撮像素子１１Ｋよりも詳細に、フォトダイオード４１−１乃至４１−４の出力特性を調整することができる。具体的には、図１３の固体撮像素子１１Ｊの構成の場合、ピーク強度を調整する事が出来ると共に、分布の裾ひきも小さくなる出力特性を有する。一方、図１４の固体撮像素子１１Ｋの構成の場合、ピーク強度を調整する事が出来るのは同様であるが、分布の裾ひきをあまり変える事なく調整する事ができるという出力特性を有する点が異なる。これらの出力特性を組み合わせることで、固体撮像素子１１Ｌは、図１３の固体撮像素子１１Ｊおよび図１４の固体撮像素子１１Ｋそれぞれ単独では実現できない新規の出力特性となるように調整することが可能となる。

なお、図１５において、固体撮像素子１１Ｌは、フォトダイオード４１−１乃至４１−４および導波路４２Ｌ−１乃至４２Ｌ−４が、断面的に見て一列に並ぶように分割された構成で図示されているが、それらが図面の奥行き方向に分割されていてもよい。例えば、奥行き方向にも４分割される構成とした場合、１６個のフォトダイオード４１と１６個の導波路４２Ｌが、固体撮像素子１１Ｌを平面的に見て４×４に配置されるような構成となる。また、例えば、奥行き方向に２分割される構成とした場合、８個のフォトダイオード４１と８個の導波路４２Ｌが、固体撮像素子１１Ｌを平面的に見て４×２に配置されるような構成となる。

このような構成において、最も外側に配置される導波路４２Ｌの入射口の高さが、少なくとも配線３４の上面より上側に配置され、その導波路４２Ｌが半導体基板２５の上面の近傍まで形成されていればよい。

次に、図１６は、固体撮像素子の第１３の実施の形態の斜視的な構成例を示す図である。なお、図１６に示す固体撮像素子１１Ｍにおいて、図１に示した固体撮像素子１１と共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

例えば、図１では、固体撮像素子１１が有する１つの下層画素１５の構造について説明したのに対し、図１６に示す固体撮像素子１１Ｍでは、複数の下層画素１５を有する構造について説明する。

図１６に示すように、固体撮像素子１１Ｍには、４つの下層画素１５Ｍ（Ｒ）、下層画素１５Ｍ（Ｇｒ）、下層画素１５Ｍ（Ｂ）、下層画素１５Ｍ（Ｇｂ）が配置されている。

例えば、上側センサ層１２では、赤色のカラーフィルタ３２（Ｒ）、緑色のカラーフィルタ３２（Ｇｒ）、青色のカラーフィルタ３２（Ｂ）、緑色のカラーフィルタ３２（Ｇｂ）の４つが２×２単位で、いわゆるベイヤー配列で配置されている。これにより、下層画素１５では上側センサ層１２においてフォトダイオード３１を設けずに下側センサ層１３に光を透過させる構成（透過型）において、下側センサ層１３においても、ベイヤー配列を実現することができる。

なお、カラーフィルタ３２の組み合わせとしては、その他の組み合わせを採用してもよく、例えば、ホワイト画素を含む配列や、補色フィルタなどの配列も可能である。更には、マルチカラーセンサーも実現可能である。

次に、図１７は、固体撮像素子の第１４の実施の形態の斜視的な構成例を示す図である。なお、図１７に示す固体撮像素子１１Ｎにおいて、図２に示した固体撮像素子１１Ａと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１７に示すように、固体撮像素子１１Ｎは、図２の固体撮像素子１１Ａと同様に、半導体基板２５にフォトダイオード４１−１乃至４１−４が形成されている。そして、固体撮像素子１１Ｎでは、フォトダイオード４１−１乃至４１−４それぞれに対応して配置される４つの導波路４２Ｎ−１乃至４２Ｎ−４が、図２の固体撮像素子１１Ａと異なる構造となっている。

即ち、図１７の固体撮像素子１１Ｎは、導波路４２Ｎ−１乃至４２Ｎ−４それぞれの上部に、カラーフィルタ４３−１乃至４３−４が挿入されて構成される。これにより、フォトダイオード４１−１乃至４１−４それぞれが分光特性を備えることができる。

また、導波路４２Ｎ−１乃至４２Ｎ−４ごとにカラーフィルタ４３−１乃至４−４の色を異なるものとし、例えば、導波路４２Ｎ−１乃至４２Ｎ−４が平面的に見て２×２で配置されているとき、カラーフィルタ４３−１乃至４３−４をそれぞれＲ，Ｇｒ，Ｂ，Ｇｂに光を透過するようにすることで、ベイヤー配列とすることができる。また、その他の色の配列や、マルチカラーセンサーを実現することができる。

なお、下層画素１５のカラーフィルタ３２は、光が干渉しないようにホワイトフィルタを採用することが望ましいが、カラーフィルタ３２とカラーフィルタ４３−１乃至４３−４の乗算により得られる分光特性が所望の特性であれば、必ずしもホワイトフィルタを採用しなくてもよい。また、カラーフィルタとは、一般に撮像素子で用いられている有機材料を用いたものの他に、プラズモンを利用したプラズモニックフィルターや、光の干渉を利用したファブリペロー干渉計などでも良く、それらの何れか限定されるものではない。

次に、図１８乃至図２３を参照して、図２の固体撮像素子１１Ａを製造する製造方法について説明する。

まず、図１８に示すように、第１の工程において、下側センサ層１３を作成する。例えば、下側センサ層１３が裏面照射型である場合、半導体基板２５にフォトダイオード４１−１乃至４１−４を形成した後、半導体基板２５の裏面に絶縁層２６をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などによって成膜する。

そして、図１９に示すように、第２の工程において、導波路４２Ａ−１乃至４２Ａ−４を埋め込む部分に、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法などによってエッチングを行って開口部を形成する。そして、それらの開口部に、導波路４２Ａ−１乃至４２Ａ−４の下側部分となる材料（例えば、上述したシリコン窒化物など）を埋め込み、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Planarization）法などによって表面の平坦化を行う。

その後、図２０に示すように、第３の工程において、薄膜化が行われる前の上側センサ層１２を下側センサ層１３と、フォトダイオード３１とフォトダイオード４１−１乃至４１−４との位置合わせを行って貼り合わせる。

また、図２１に示すように、第４の工程において、上側センサ層１２の半導体基板２１が所望の厚みとなるまで、半導体基板２１の裏面側を研磨する。

続いて、図２２に示すように、第５の工程において、下層画素１５Ａとなる箇所に対応する半導体基板２１の一部分をＲＩＥ法などによってエッチングにより除去し、開口部５１を形成する。その後、ＣＶＤ法などによって配線層２２の層間絶縁膜と同じ絶縁物を開口部５１に埋め込み、ＣＭＰ法などによって表面の平坦化を行う。なお、開口部５１に埋め込む絶縁膜は、配線層２２の絶縁膜と必ずしも同じでなくてよいが、埋め込む導波路よりも屈折率が低い材料を選択する必要がある。

そして、図２３に示すように、第６の工程において、導波路４２Ａ−１乃至４２Ａ−４に対応する部分を、ＲＩＥ法などにより絶縁膜をエッチングして開口部を形成し、導波路４２Ａ−１乃至４２Ａ−４の上側部分となる材料をＣＶＤ法などによって埋め込む。さらに、ＣＭＰ法などによって表面の平坦化を行う。

その後、図２に示したように、フィルタ層２３およびオンチップレンズ層２４を積層することにより、固体撮像素子１１Ａを製造する工程が完了する。

以上のように、導波路４２Ａ−１乃至４２Ａ−４が設けられた固体撮像素子１１Ａを製造することができる。

なお、本実施の形態においては、例えば、半導体基板２１および半導体基板２５にシリコン基板を採用してフォトダイオード２１およびフォトダイオード４１を用いる構成としたが、光電変換部としての機能を備えていれば、シリコン基板に限定されることはない。例えば、光電変換部として、InGaAs系（0.9~2.6umの波長を主に吸収）の材質を含む物質、PbS, PbSe, Ge系(1~1.6umの波長を主に吸収), InAs, InSb(1~5.5.umの波長を主に吸収), HgCdTeの材質を含む物質、GaN, InGaN, AlGaN系(0.2~0.4umの波長を主に吸収)の材質を含む物質、更には有機膜からなる有機光電変換膜等、光電変換機能を有するもので良い。

＜電子機器の構成例＞

なお、上述したような各実施の形態の固体撮像素子１１は、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像システム、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えた他の機器といった各種の電子機器に適用することができる。

図２４は、電子機器に搭載される撮像装置の構成例を示すブロック図である。

図２４に示すように、撮像装置１０１は、光学系１０２、撮像素子１０３、信号処理回路１０４、モニタ１０５、およびメモリ１０６を備えて構成され、静止画像および動画像を撮像可能である。

光学系１０２は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの像光（入射光）を撮像素子１０３に導き、撮像素子１０３の受光面（センサ部）に結像させる。

撮像素子１０３としては、上述した各実施の形態の固体撮像素子１１が適用される。撮像素子１０３には、光学系１０２を介して受光面に結像される像に応じて、一定期間、電子が蓄積される。そして、撮像素子１０３に蓄積された電子に応じた信号が信号処理回路１０４に供給される。

信号処理回路１０４は、撮像素子１０３から出力された画素信号に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路１０４が信号処理を施すことにより得られた画像（画像データ）は、モニタ１０５に供給されて表示されたり、メモリ１０６に供給されて記憶（記録）されたりする。

このように構成されている撮像装置１０１では、上述した各実施の形態の固体撮像素子１１を適用することで、例えば、下側センサ層１３を利用した低解像度画像や赤外線画像などの撮像、または、フォーカス制御において所望の性能を得ることができる。

＜イメージセンサの使用例＞

図２５は、上述のイメージセンサ（固体撮像素子１１）を使用する使用例を示す図である。

上述したイメージセンサは、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。

・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置

なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
光が入射してくる側である上層に積層される第１のセンサ層を構成し、平面的に配置される複数の画素ごとに上側光電変換部が設けられる第１の半導体基板と、
前記第１のセンサ層に対して下層側に積層される第２のセンサ層を構成し、少なくとも１つの前記画素ごとに１つ以上の下側光電変換部が設けられる第２の半導体基板と、
前記第１のセンサ層および前記第２のセンサ層が少なくとも積層される積層構造における前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板との間に設けられる絶縁膜と、
前記絶縁膜の屈折率よりも高屈折率の材料により構成され、前記第２の半導体基板の前記下側光電変換部に向かって前記絶縁膜を貫通するように設けられる導波路と
を備える固体撮像素子。
（２）
前記第１の半導体基板は、前記第２の半導体基板の前記下側光電変換部に対応する箇所に開口部が設けられており、
前記導波路は、前記第１の半導体基板の下方を向く面よりも上側から前記第２の半導体基板の近傍まで前記絶縁膜を貫通するように設けられる
上記（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
前記第１の半導体基板は、前記第２の半導体基板の前記下側光電変換部に対応する箇所に前記上側光電変換部が設けられており、
前記導波路は、前記上側光電変換部を透過した光を前記下側光電変換部に導くように、前記第１の半導体基板の下方を向く面から前記第２の半導体基板の近傍まで前記絶縁膜を貫通するように設けられる
上記（１）に記載の固体撮像素子。
（４）
前記第２の半導体基板において、１つの前記画素に対して所定個数の前記下側光電変換部が設けられ、
所定個数の前記下側光電変換部それぞれに対応して、所定本数の前記導波路が設けられる
上記（１）から（３）までのいずれかに記載の固体撮像素子。
（５）
前記第２の半導体基板において、１つの前記画素に対して所定個数の前記下側光電変換部が設けられ、
複数個の前記下側光電変換部ごとに対応して、所定個数よりも少ない本数の前記導波路が設けられる
上記（１）から（３）までのいずれかに記載の固体撮像素子。
（６）
前記導波路に光を入射する入射口の高さについて、所定本数の前記導波路のうち、外側に配置される前記導波路の前記入射口よりも、内側に配置される前記導波路の入射口が低く設定される
上記（４）または（５）に記載の固体撮像素子。
（７）
前記導波路に光を入射する入射口の面積について、所定本数の前記導波路のうち、外側に配置される前記導波路の前記入射口よりも、内側に配置される前記導波路の入射口が小面積に設定される
上記（４）または（５）に記載の固体撮像素子。
（８）
前記導波路に光を入射する入射口の高さについて、所定本数の前記導波路のうち、外側に配置される前記導波路の前記入射口よりも、内側に配置される前記導波路の入射口が低く設定され、かつ、前記導波路に光を入射する入射口の面積について、所定本数の前記導波路のうち、外側に配置される前記導波路の前記入射口よりも、内側に配置される前記導波路の入射口が小面積に設定される
上記（４）または（５）に記載の固体撮像素子。
（９）
光が入射してくる側である上層に積層される第１のセンサ層を構成し、平面的に配置される複数の画素ごとに上側光電変換部が設けられる第１の半導体基板と、前記第１のセンサ層に対して下層側に積層される第２のセンサ層を構成し、少なくとも１つの前記画素ごとに１つ以上の下側光電変換部が設けられる第２の半導体基板との間に絶縁膜を設けて、前記第１のセンサ層および前記第２のセンサ層が少なくとも積層される積層構造とし、
前記絶縁膜の屈折率よりも高屈折率の材料により構成され、前記第２の半導体基板の前記下側光電変換部に向かって前記絶縁膜を貫通するように導波路を設ける
ステップを含む固体撮像素子の製造方法。
（１０）
光が入射してくる側である上層に積層される第１のセンサ層を構成し、平面的に配置される複数の画素ごとに上側光電変換部が設けられる第１の半導体基板と、
前記第１のセンサ層に対して下層側に積層される第２のセンサ層を構成し、少なくとも１つの前記画素ごとに１つ以上の下側光電変換部が設けられる第２の半導体基板と、
前記第１のセンサ層および前記第２のセンサ層が少なくとも積層される積層構造における前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板との間に設けられる絶縁膜と、
前記絶縁膜の屈折率よりも高屈折率の材料により構成され、前記第２の半導体基板の前記下側光電変換部に向かって前記絶縁膜を貫通するように設けられる導波路と
を有する固体撮像素子を備える電子機器。

なお、本実施の形態は、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。

１１ 固体撮像素子， １２ 上側センサ層， １３ 下側センサ層， １４ 上層画素， １５ 下層画素， ２１ 半導体基板， ２２ 配線層， ２３ フィルタ層， ２４ オンチップレンズ層， ２５ 半導体基板， ２６ 絶縁層， ３１ フォトダイオード， ３２ カラーフィルタ， ３３ マイクロレンズ， ３４ 配線， ３５ 遮光膜， ３６ 開口部， ４１ フォトダイオード， ４２ 導波路， ５１ 開口部

Claims (10)

1. 光が入射してくる側である上層に積層される第１のセンサ層を構成し、平面的に配置される複数の画素ごとに上側光電変換部が設けられる第１の半導体基板と、
   前記第１のセンサ層に対して下層側に積層される第２のセンサ層を構成し、少なくとも１つの前記画素ごとに１つ以上の下側光電変換部が設けられる第２の半導体基板と、
   前記第１のセンサ層および前記第２のセンサ層が少なくとも積層される積層構造における前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板との間に設けられる絶縁膜と、
   前記絶縁膜の屈折率よりも高屈折率の材料により構成され、前記第２の半導体基板の前記下側光電変換部に向かって前記絶縁膜を貫通するように設けられる導波路と
   を備える固体撮像素子。
2. 前記第１の半導体基板は、前記第２の半導体基板の前記下側光電変換部に対応する箇所に開口部が設けられており、
   前記導波路は、前記第１の半導体基板の下方を向く面よりも上側から前記第２の半導体基板の近傍まで前記絶縁膜を貫通するように設けられる
   請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記第１の半導体基板は、前記第２の半導体基板の前記下側光電変換部に対応する箇所に前記上側光電変換部が設けられており、
   前記導波路は、前記上側光電変換部を透過した光を前記下側光電変換部に導くように、前記第１の半導体基板の下方を向く面から前記第２の半導体基板の近傍まで前記絶縁膜を貫通するように設けられる
   請求項１に記載の固体撮像素子。
4. 前記第２の半導体基板において、１つの前記画素に対して所定個数の前記下側光電変換部が設けられ、
   所定個数の前記下側光電変換部それぞれに対応して、所定本数の前記導波路が設けられる
   請求項１に記載の固体撮像素子。
5. 前記第２の半導体基板において、１つの前記画素に対して所定個数の前記下側光電変換部が設けられ、
   複数個の前記下側光電変換部ごとに対応して、所定個数よりも少ない本数の前記導波路が設けられる
   請求項１に記載の固体撮像素子。
6. 前記導波路に光を入射する入射口の高さについて、所定本数の前記導波路のうち、外側に配置される前記導波路の前記入射口よりも、内側に配置される前記導波路の入射口が低く設定される
   請求項４に記載の固体撮像素子。
7. 前記導波路に光を入射する入射口の面積について、所定本数の前記導波路のうち、外側に配置される前記導波路の前記入射口よりも、内側に配置される前記導波路の入射口が小面積に設定される
   請求項４に記載の固体撮像素子。
8. 前記導波路に光を入射する入射口の高さについて、所定本数の前記導波路のうち、外側に配置される前記導波路の前記入射口よりも、内側に配置される前記導波路の入射口が低く設定され、かつ、前記導波路に光を入射する入射口の面積について、所定本数の前記導波路のうち、外側に配置される前記導波路の前記入射口よりも、内側に配置される前記導波路の入射口が小面積に設定される
   請求項４に記載の固体撮像素子。
9. 光が入射してくる側である上層に積層される第１のセンサ層を構成し、平面的に配置される複数の画素ごとに上側光電変換部が設けられる第１の半導体基板と、前記第１のセンサ層に対して下層側に積層される第２のセンサ層を構成し、少なくとも１つの前記画素ごとに１つ以上の下側光電変換部が設けられる第２の半導体基板との間に絶縁膜を設けて、前記第１のセンサ層および前記第２のセンサ層が少なくとも積層される積層構造とし、
   前記絶縁膜の屈折率よりも高屈折率の材料により構成され、前記第２の半導体基板の前記下側光電変換部に向かって前記絶縁膜を貫通するように導波路を設ける
   ステップを含む固体撮像素子の製造方法。
10. 光が入射してくる側である上層に積層される第１のセンサ層を構成し、平面的に配置される複数の画素ごとに上側光電変換部が設けられる第１の半導体基板と、
    前記第１のセンサ層に対して下層側に積層される第２のセンサ層を構成し、少なくとも１つの前記画素ごとに１つ以上の下側光電変換部が設けられる第２の半導体基板と、
    前記第１のセンサ層および前記第２のセンサ層が少なくとも積層される積層構造における前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板との間に設けられる絶縁膜と、
    前記絶縁膜の屈折率よりも高屈折率の材料により構成され、前記第２の半導体基板の前記下側光電変換部に向かって前記絶縁膜を貫通するように設けられる導波路と
    を有する固体撮像素子を備える電子機器。

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