JP2021086932A - 光検出器、固体撮像素子、及び、光検出器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも簡便に製造でき、且つ、光電変換部への集光効率を向上することができる光検出器を提供する。【解決手段】光検出器１０は、半導体基板１００と、半導体基板１００に設けられた光電変換部１０１と、平面視した場合に光電変換部１０１の周囲に位置するように半導体基板に設けられた画素分離部１０２と、光電変換部１０１と対向し、且つ、平面視した場合に外縁が画素分離部１０２と重なるように配置され、透光性を有する集光部３００と、を備える。集光部３００は、上面３４０における半導体基板１００の主面１１０と平行な方向の端部に、半導体基板１００側に凹んだ段差部３１０を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、光検出器、光検出器を備える固体撮像素子、及び、光検出器の製造方法に関する。

近年、微弱光を検出する光検出器のひとつとして、アバランシェフォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＡＰＤ）を利用したフォトン・カウント型の光検出器の開発が進められている。特許文献１〜３には、フォトダイオードに関連する技術が開示されている。

特開２０１９−１８００４８号公報 特開２００４−２０９５７号公報 特開２０１０−１４１３５８号公報

本開示は、従来よりも簡便に製造でき、且つ、光電変換部への集光効率を向上できる光検出器等を提供する。

本開示の一態様に係る光検出器は、半導体基板と、前記半導体基板に設けられた光電変換部と、平面視した場合に前記光電変換部の周囲に位置するように前記半導体基板に設けられた画素分離部と、前記光電変換部と対向し、且つ、平面視した場合に外縁が前記画素分離部と重なるように配置され、透光性を有する集光部と、を備え、前記集光部は、前記光電変換部と対向する面とは反対側の面における前記半導体基板の主面と平行な方向の端部に、前記半導体基板側に凹んだ段差部を有する。

また、本開示の一態様に係る固体撮像素子は、上記記載の光検出器がマトリクス状に配置されることによって得られる画素アレイと、前記画素アレイが出力する信号を読み出す読み出し回路と、を備える。

本開示の一態様に係る光検出器の製造方法は、光電変換部、及び、平面視した場合に前記光電変換部の周囲に位置するように画素分離部を半導体基板に形成し、前記光電変換部と対向して配置され、且つ、平面視した場合に外縁が前記画素分離部と重なるように配置される集光部であって、前記光電変換部と対向する面とは反対側の面における前記半導体基板の主面と平行な方向の端部に、前記半導体基板側に凹んだ段差部を有する集光部を形成する。

本開示によれば、従来よりも簡便に製造でき、且つ、光電変換部への集光効率が向上された光検出器等が提供される。

図１は、実施の形態に係る光検出器を示す断面図である。 図２は、実施の形態に係る集光部を示す平面図である。 図３Ａは、実施の形態に係る光検出器の製造方法を示す第一の断面図である。 図３Ｂは、実施の形態に係る光検出器の製造方法を示す第二の断面図である。 図３Ｃは、実施の形態に係る光検出器の製造方法を示す第三の断面図である。 図３Ｄは、実施の形態に係る光検出器の製造方法を示す第四の断面図である。 図３Ｅは、実施の形態に係る光検出器の製造方法を示す第五の断面図である。 図３Ｆは、実施の形態に係る光検出器の製造方法を示す第六の断面図である。 図４は、本開示に係る光検出器の集光効率を示すグラフである。 図５は、実施の形態の変形例１に係る光検出器を示す断面図である。 図６は、実施の形態の変形例２に係る光検出器を示す断面図である。 図７は、実施の形態の変形例２に係る集光部を示す平面図である。 図８は、実施の形態の変形例３に係る光検出器を示す断面図である。 図９は、変形例１に係る集光部を示す断面図である。 図１０は、変形例２に係る集光部を示す断面図である。 図１１は、変形例３に係る集光部を示す平面図である。 図１２は、変形例４に係る集光部を示す平面図である。 図１３は、変形例５に係る集光部を示す平面図である。 図１４は、実施の形態に係る固体撮像素子を示す図である。

（本開示の基礎となった知見）
近年、微弱光を検出する光検出器として、ＡＰＤを利用したフォトン・カウント型の光検出器の開発が進められている。ＡＰＤは、所定の逆電圧が印加されることにより、光電流が増倍するフォトダイオードである。光電変換部として、ＡＰＤ等のフォトダイオードを備える光検出器においては、光電変換部への集光の効率を高めることが課題となる。

現在、光電変換部への集光の効率を向上するため、上記した特許文献１〜３に示すようなオンチップレンズ又は屈折率分布型レンズが提唱されている。

しかしながら、これらのレンズは、高度なリソグラフィ技術及び高アスペクト比の微細加工を必要とし、また、複数の材料を同時に形成することが要求されるため、レンズを形成することが困難である。そのため、画素の更なる微細化が求められる光検出器において、集光特性を向上するための技術としては、製造方法が簡便であることが求められる。画素サイズの微細化とともに、集光効率を向上するための技術には、検討の余地がある。

以下では、光検出器等の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態等は一例であり、本開示を限定する主旨ではない。

なお、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては、同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化される場合がある。

また、以下の実施の形態で説明に用いられる図面においては、座標軸が示される場合がある。座標軸におけるＺ軸方向は、例えば、積層方向及び鉛直方向であり、Ｚ軸＋側は、上方（上側）と表現され、Ｚ軸−側は、下方（下側）と表現される場合がある。Ｚ軸方向は、言い換えれば、光電変換部が形成される半導体基板の主面（集光部が形成される側の面）に垂直な方向であり、積層方向、又は、半導体基板の厚み方向とも表現される。また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、Ｚ軸方向に垂直な平面（例えば、水平面）上において、互いに直交する方向である。

また、以下の実施の形態において、「平面視」とは、Ｚ軸方向から光検出器を見ることを意味する。

また、本開示は、以下の実施の形態において説明される導電型を逆転させた構造を排除するものではない。具体的には、以下で説明するｐ型とｎ型とは、全てが逆になっていてもよい。

また、以下で説明する図２、図７、及び、図１１〜図１３では、断面を示すものではないが説明のために一部又は全部の構成要素にハッチングを付している。

（実施の形態）
［光検出器の構成］
以下、実施の形態に係る光検出器の構成について図面を参照しながら説明する。

図１は、実施の形態に係る光検出器１０を示す断面図である。なお、図１には、光検出器１０のうち、単位画素に相当する部分を拡大して示している。なお、図１、並びに、以下で説明する図３Ａ〜３Ｆ及び図５〜図７では、３つの光検出器を示しているが、並びあう３つの光検出器のうち、両端に位置する光検出器については、一部図示を省略している。

光検出器１０は、入射した光（外光ともいう）を光電変換して出力する検出器である。光検出器１０は、主として近赤外光を対象とする検出器である。近赤外光は、例えば、７５０ｎｍ以上１４００ｎｍ以下の波長帯の光を意味する。

図１に示されるように、光検出器１０は、半導体基板１００と、積層体２００と、集光部３００と、を備える。

半導体基板１００は、例えば、シリコン（Ｓｉ）によって形成される基板である。半導体基板１００の導電型は、ｐ型であってもよいし、ｎ型であってもよい。

なお、以下の説明では、半導体基板１００の上方の面（主面）は、光が入射する面、又は、受光面ともいう。

半導体基板１００には、光電変換部１０１と、隣り合う光電変換部１０１を単位画素ごとに分離するための画素分離部１０２とが設けられる。

光電変換部１０１は、半導体基板１００の比較的上方に（具体的には、半導体基板１００の主面１１０に）位置し、入射された外光を光電変換する、言い換えると、光を信号電荷に変換する。光電変換部１０１は、フォトダイオードによって形成される。ここでのフォトダイオードには、アバランシェフォトダイオードが含まれる。光電変換部１０１は、例えば、シリコン基板にイオンが注入されることで形成される。

画素分離部１０２は、光電変換部１０１を有する画素を分離するために設けられており、光電変換部１０１と交互に配置される半導体基板１００に設けられた分離領域（言い換えると、絶縁領域）である。画素分離部１０２は、隣り合う光検出器１０が備える光電変換部１０１の間に配置されている。例えば、画素分離部１０２は、平面視した場合に光電変換部１０１の周囲に位置するように半導体基板１００に設けられている。画素分離部１０２は、例えば、シリコン基板にイオンが注入されることで形成される。

半導体基板１００の主面１１０には、積層体２００が配置される。

積層体２００は、光電変換部１０１に入射した外光が光電変換部１０１で光電変換されることで発生した電荷（信号電荷）を取り出すための層である。積層体２００には、複数の配線層２０１と、複数の層間絶縁膜２０２と、複数のライナ層２０３と、複数のビア２０４と、が含まれる。

積層体２００の高さ（つまり、半導体基板１００の主面１１０から積層体２００の上面、言い換えると、集光部３００の下面３５０までの高さ）は、例えば、１．０μｍである。

配線層２０１は、光検出器１０が有する回路を構成する配線が形成される層である。配線層２０１は、例えば、銅（Ｃｕ）によって形成される。配線層２０１は、アルミニウム（Ａｌ）又はタングステン（Ｗ）等の銅以外の他の金属によって形成されてもよい。

層間絶縁膜２０２は、複数の配線層２０１の間に位置し、配線層２０１間を絶縁するための層である。層間絶縁膜２０２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）又は炭素添加酸化シリコン（ＳｉＯＣ）によって形成される。

ライナ層２０３は、複数の層間絶縁膜２０２の間に位置し、光検出器１０を製造する際に用いられるエッチングを止めるため層である。ライナ層２０３は、例えば、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）又は炭素添加酸化シリコンによって形成される。

ビア２０４は、複数の配線層２０１を電気的に接続するための貫通電極である。ビア２０４は、例えば、銅によって形成される。ビア２０４は、アルミニウム又はタングステン等の銅以外の他の金属によって形成されてもよい。

積層体２００の上方には、集光部３００が配置される。このように、本実施の形態に係る光検出器１０においては、半導体基板１００と、積層体２００と、集光部３００とは、この順に積層されている。つまり、光検出器１０は、半導体基板１００の主面１１０に、複数の配線層２０１及び複数の配線層２０１の間に位置する層間絶縁膜２０２を含む積層体２００が形成されたいわゆるＦＳＩ（Ｆｒｏｎｔ Ｓｉｄｅ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）型の光検出器である。

集光部３００は、光検出器１０の外部から入射された外光を集光して光電変換部１０１に向けて出射する光学部材である。集光部３００は、透光性を有する。本実施の形態では、光検出器１０は、近赤外光（例えば、７５０ｎｍ〜１４００ｎｍ程度の波長の光）を検出するための光検出器である。そのため、本実施の形態では、集光部３００は、７５０ｎｍ〜１４００ｎｍの波長の光に対して透光性（例えば、当該光を９０％以上透過する性質）を有する。また、集光部３００は、光電変換部１０１と対向し、且つ、平面視した場合に外縁が画素分離部１０２と重なるように配置されている。つまり、集光部３００の外縁（最外縁）は、画素分離部１０２の直上に位置する。集光部３００の外縁とは、例えば、集光部３００の最下層である無機材料層３０１の外縁であり、後述する図２に平面視で示す無機材料層３０１の外縁である。集光部３００の最下層である無機材料層３０１の外縁ではない無機材料層３０２〜３０４の外縁は、平面視で画素分離部１０２とは重ならなくてもよい。

本実施の形態では、集光部３００は、層状に配置された、具体的には、積層された複数の膜（層）を有する。より具体的には、集光部３００には、無機材料層３０１〜３０４が含まれる。集光部３００の高さ（つまり、積層体２００の上面、言い換えると、集光部３００の下面３５０から集光部３００の上面３４０までの高さ）は、例えば、２．０μｍである。また、無機材料層３０１〜３０４の高さ（厚み）は、例えば、それぞれ５００ｎｍである。また、集光部３００の幅（Ｘ軸方向の長さ及びＹ軸方向の長さ）は、無機材料層３０１〜３０４のそれぞれで異なる。無機材料層３０１の幅は、例えば、５．０μｍである。また、無機材料層３０２の幅は、例えば、４．０μｍである。無機材料層３０３の幅は、例えば、３．０μｍである。無機材料層３０４の幅は、例えば、２．０μｍである。また、本実施の形態では、無機材料層３０１〜３０４は、後述する図２に示すように、いずれもＸ軸方向とＹ軸方向との長さが同じ正方形となっている。また、本実施の形態では、無機材料層３０１〜３０４は、いずれも上面視における中心が中心位置３６０（図２参照）となっている。これにより、後述する段差幅Ｗは、５００ｎｍとなっている。

なお、集光部３００の高さ、及び、無機材料層３０１〜３０４のそれぞれの高さは、任意でよい。無機材料層３０１〜３０４のそれぞれの高さは、例えば、後述する段差幅Ｗと同じ条件で設定される高さでもよい。

集光部３００中の最も下側に位置する無機材料層３０１は、画素分離部１０２の上方で、隣あって位置する光検出器１０とは、区切られて位置する層である。言い換えると、平面視において、無機材料層３０１の外周には、隣り合う光検出器１０が備える無機材料層３０１と分離するための分離溝３３０が形成されている。

図２は、実施の形態に係る集光部３００を示す平面図である。なお、図２においては、説明のために集光部３００に加えて光電変換部１０１及び画素分離部１０２を示している。

図２に示されるように、無機材料層３０１〜３０４は、上方に位置するにつれて段階的に平面視における面積が小さくなっている。具体的には、無機材料層３０３に上面に積層された無機材料層３０４は、無機材料層３０３より平面視における面積が小さい。また、無機材料層３０２に上面に積層された無機材料層３０３は、無機材料層３０２より平面視における面積が小さい。無機材料層３０１に上面に積層された無機材料層３０２は、無機材料層３０１より平面視における面積が小さい。このように、複数の膜（無機材料層３０１〜３０４）のうち、半導体基板１００側に配置されている膜（例えば、無機材料層３０１）は、半導体基板１００とは反対側に配置されている膜（例えば、無機材料層３０２〜３０４）よりも、平面視で面積が大きい。

これにより、無機材料層３０２〜３０４のそれぞれの外縁には、段差部３１０が設けられる。

段差部３１０（より具体的には、段差面３２０）は、集光部３００を通過する光の屈折を生じさせるための集光部３００の一部である。段差部３１０によって、光電変換部１０１への外光の集光が実現される。段差部３１０は、光電変換部１０１と対向する面（下面３５０）とは反対側の面（上面３４０）における半導体基板１００の主面１１０と平行な方向の端部に設けられている。本実施の形態では、無機材料層３０２〜３０４と、無機材料層３０１〜３０３のそれぞれが備える段差面３２０とから、複数の段差部３１０が形成されている。

また、集光部３００を断面視した場合、主面１１０と平行な方向の長さ（幅）である段差幅Ｗは、集光部３００に集光させる光の波長以下となっている。例えば、段差幅Ｗは、断面視における段差面３２０の幅である。また、例えば、光検出器１０が近赤外光を光電変換するための光検出器である場合、段差幅Ｗは、近赤外光の波長以下すなわち７５０ｎｍ以下である。これにより、集光部３００を通過する近赤外光の段差部３１０での屈折効果を最大化することができる。

以上のように、段差幅Ｗを所望の波長以下とすることで、光電変換部１０１への集光効率をさらに向上することができる。段差幅Ｗは、例えば、積層された２つの層（膜）における、平面視における、上方に位置する膜の外縁から、下方に位置する膜の外縁までの距離である。段差幅Ｗは、例えば、積層された２つの層（膜）における、平面視における、上方に位置する膜の外縁から、下方に位置する膜の外縁までの距離が７５０ｎｍ以下となる箇所があればよい。或いは、段差幅Ｗは、例えば、積層された２つの層（膜）における、平面視における、上方に位置する膜の外縁から、下方に位置する膜の外縁までの距離の平均値が７５０ｎｍ以下であればよい。

なお、段差幅Ｗの下限は、特に限定されない。段差幅Ｗは、４００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下でもよいし、６００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下でもよいし、７００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下でもよい。

また、平面視した場合、集光部３００の無機材料層３０４の中心位置は、例えば、光電変換部１０１の中心位置である光学中心とオーバーラップしている。本実施の形態では、平面視した場合、無機材料層３０１〜３０４のそれぞれの中心位置は、光電変換部１０１の中心位置と図２に示す中心位置３６０で重なる。これにより、光電変換部１０１への集光効率を最大化することができる。

なお、上記したように、集光部３００は、透光性を有していればよい。集光部３００は、光検出器１０が近赤外光を検出するために用いられる場合、近赤外光に対する光透過性を有していればよい。この場合、集光部３００は、可視光（例えば、４００ｎｍ〜７５０ｎｍ程度の波長の光）に対して光透過性を有さなくてもよい。例えば、集光部３００は、無機材料を用いて形成される。具体的には、無機材料層３０１〜３０４は、例えば、オルトケイ酸テトラエチル（Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｌ Ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ：ＴＥＯＳ）、又は、窒化シリコン（ＳｉＮ）によって形成される。

また、集光部３００は、段差部３１０が形成されていればよく、複数の膜（層）により構成されたいわゆる多層膜でなくてもよい。無機材料層３０１〜３０４は、例えば、一体的に形成された凸型でもよい。

また、集光部３００は、無機材料層３０１〜３０４の４層構造で説明したが、特に４層に限定する必要はなく、複数層であればよい。これによれば、集光部３００に、１つ以上の段差部３１０が形成される。

また、本実施の形態では、段差部３１０の数は、断面視でＸ軸方向の両側それぞれに３つずつあるが、１つずつ以上あればよい。また、段差部３１０は、集光部３００の上面３４０における側端の少なくとも一部に形成されていればよい。もちろん、段差部３１０は、集光部３００の上面３４０における側端の全部に形成されているとよい。本実施の形態では、図２に示すように、平面視において全周にわたって段差部３１０が集光部３００に設けられている。

また、段差面３２０は、主面１１０と完全には平行でなくてもよい。例えば、段差面３２０は、丸みを帯びていてもよい。集光部３００は、段差面３２０が丸みを帯びていることで、局所的にオンチップレンズ（従来の上面全体が湾曲したレンズ）と同じ形状となる。これによれば、段差面３２０に入射した外光は、当該丸みを円の一部と考えた場合の当該円の中心に屈折されやすくなる。そのため、当該丸みの曲率が適切に設定されることで、集光部３００（より具体的には、段差面３２０）に入射した外光を光電変換部１０１に向かわせやすくすることができる。これにより、光検出器１００の集光効率は、向上され得る。

また、段差部３１０におけるＺ軸と平行な面（つまり、無機材料層３０２〜３０４の端面）は、完全にはＺ軸と平行でなくてもよい。例えば、当該面は、丸みを帯びていてもよい。これらのように、無機材料層３０１〜３０４の端部は、丸みを帯びていてもよい、言い換えると、無機材料層３０１〜３０４の端部は、角丸でもよい。

［製造方法］
次に、光検出器１０の製造方法について図３Ａ〜図３Ｆを参照しながら説明する。図３Ａ〜図３Ｆは、光検出器１０の製造方法を説明するための断面図である。

まず、光電変換部１０１、及び、平面視した場合に光電変換部１０１の周囲に位置するように画素分離部１０２を半導体基板１００に形成する。具体的には、図３Ａに示されるように、半導体基板１００に光電変換部１０１及び画素分離部１０２が形成され、半導体基板１００上（具体的には、主面１１０）に積層体２００が形成される。

光電変換部１０１及び画素分離部１０２の形成には、例えば、イオン注入法が用いられる。シリコンによって形成される半導体基板１００の主面１１０側からイオン注入を行うことにより、半導体基板１００内部の比較的上部に、例えば、主面１１０から露出されるように、光電変換部１０１及び画素分離部１０２がそれぞれ形成される。

積層体２００は、以下の手順で形成される。

まず、光電変換部１０１及び画素分離部１０２が形成された半導体基板１００の主面１１０上にデュアルダマシン（Ｄｕａｌ Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法により、Ｃｕ多層配線構造を形成する。デュアルダマシン法では、元の配線層を形成した後、化学気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法により、ライナ層２０３及び層間絶縁膜２０２が堆積される。

続いて、リソグラフィ法により、配線溝（言い換えると、トレンチ）及びビア（より具体的には、ビア２０４が形成される貫通孔）のパターンニングが行われる。その後、ドライエッチング法により、層間絶縁膜２０２の内部にトレンチとビア（貫通孔）とが形成される。

続いて、物理気相成長（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ）法により、トレンチ及びビア（貫通孔）の内壁面に、Ｃｕの拡散を抑制するバリア膜と、電解めっきの際に電流を流すためのＣｕシード層とが堆積される。その後、Ｃｕ電解メッキ法により、トレンチ及びビア（貫通孔）の中にＣｕ膜が埋め込まれる。

さらに、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）法により、配線層の表面の余剰なＣｕ膜とバリア膜とが除去されることにより、配線層２０１及びビア２０４を有する最終的な配線層２０１が形成される。このプロセスを繰り返し実施することにより、所望の数の配線層２０１を有するＣｕ多層配線構造を得ることができる。つまり、デュアルダマシン法により、積層体２００が形成される。

次に、図３Ｂに示されるように、集光部３００を形成するための無機材料膜３０５を積層体２００上に堆積する。集光部３００は、以下の手順で形成される。

リソグラフィ法により、画素分離部１０２の上方に、穴３０６を形成するためにレジスト膜（図示せず）が堆積され、堆積されたレジスト膜をマスクとしてドライエッチングが行われる。これにより、図３Ｃに示すように、積層体２００上に一様に堆積された無機材料膜３０５を光検出器１０毎のサイズ、言い換えると、画素毎に区切るための穴３０６が形成される。エッチングガスとしては、例えば、フッ化炭素（ＣＦ）系のガスが用いられる。この後、レジスト膜は、アッシングが行われることにより除去される。

次に、図３Ｄに示されるように、リソグラフィ法により、穴３０６より大きい面積の穴３０７を形成するためにレジスト膜（図示せず）が堆積され、堆積されたレジスト膜をマスクとしてドライエッチングが行われる。これにより、無機材料膜３０５中に穴３０７が形成され、合わせて積層体２００上に複数の無機材料層のうちの最下層に位置する無機材料層３０１が形成される。また、穴３０６は、平面視した場合に無機材料膜３０５（より具体的には、集光部３００）の外縁が画素分離部１０２と重なるように形成される。

以降、図３Ｅ〜図３Ｆに示されるように、リソグラフィ法とドライエッチングとを繰り返すことにより、無機材料層３０１上に段階的に平面視における面積の小さい無機材料層３０２〜３０４が形成されることで、集光部３００が形成される。これによれば、光電変換部１０１と対向して配置され、且つ、平面視した場合に外縁が画素分離部１０２と重なるように配置される集光部であって、外縁に半導体基板１００側に凹んだ段差部３１０を有する集光部３００が形成される。

以上説明したような光検出器１０の製造方法によれば、配線層２０１を有する積層体２００の最表面（積層体２００の上面）に、画素分離部１０２の上方で分離溝３３０によって区切られた（つまり、分離された）無機材料層３０１が設けられ、その上部に段階的に面積の小さい所望の数の無機材料層３０２〜３０４が形成され得る。

［実験結果］
続いて、本開示に係る光検出器の集光効率の実験結果（シミュレーション結果）について説明する。

図４は、本開示に係る光検出器の集光効率を示すグラフである。なお、図４に示すグラフの縦軸は、主面１１０に直交する方向から集光部に向けて光（外光）を入射した光量に対する、光電変換部に到達した光の光量を示す。なお、図４に示すグラフのそれぞれは、比較例に係る集光部を用いた場合の集光効率で規格化している。比較例に係る光検出器は、集光部が有機材料を用いて形成された凸レンズであること以外は、本開示に係る光検出器と同様の構成である。また、図４に示す、６ＴＥＯＳ、６ＳｉＮ、４ＴＥＯＳ／２ＳｉＮ、３ＴＥＯＳ／３ＳｉＮ、及び、２ＴＥＯＳ／４ＳｉＮは、いずれも本開示に係る光検出器が備える集光部の一例である。例えば、６ＴＥＯＳは、６層からなる集光部であって、いずれの層もＴＥＯＳを用いて形成された集光部である。また、例えば、６ＳｉＮは、６層からなる集光部であって、いずれの層もＳｉＮを用いて形成された集光部である。また、例えば、４ＴＥＯＳ／２ＳｉＮは、６層からなる集光部であって、上方側に位置する４層がＴＥＯＳを用いて形成され、下方側に位置する２層はＳｉＮを用いて形成された集光部である。また、例えば、３ＴＥＯＳ／３ＳｉＮは、６層からなる集光部であって、上方側に位置する３層がＴＥＯＳを用いて形成され、下方側に位置する３層はＳｉＮを用いて形成された集光部である。また、例えば、２ＴＥＯＳ／４ＳｉＮは、６層からなる集光部であって、上方側に位置する２層がＴＥＯＳを用いて形成され、下方側に位置する４層はＳｉＮを用いて形成された集光部である。

なお、ＴＥＯＳの屈折率は、１．４６とし、ＳｉＮの屈折率は、１．９としている。

また、図４に示すシミュレーションでは、集光部に入射させる外光の波長を９４０ｎｍとしている。

図４に示すように、６ＴＥＯＳ、６ＳｉＮ、４ＴＥＯＳ／２ＳｉＮ、３ＴＥＯＳ／３ＳｉＮ、及び、２ＴＥＯＳ／４ＳｉＮのいずれの集光部を用いた場合でも、比較例に係る集光部と同程度（例えば、集光効率が比較例に対して９０％以上）の集光効率が得られることがわかる。このように、段差部３１０を有する集光部３００であれば、従来よりも簡便に製造でき、且つ、従来と同程度の集光効率を得ることができる。

［効果等］
以上説明したように、光検出器１０は、半導体基板１００と、半導体基板１００に設けられた光電変換部１０１と、平面視した場合に光電変換部１０１の周囲に位置するように半導体基板１００に設けられた画素分離部１０２と、光電変換部１０１と対向し、且つ、平面視した場合に外縁が画素分離部１０２と重なるように配置され、透光性を有する集光部３００と、を備える。集光部３００は、光電変換部１０１と対向する面（下面３５０）とは反対側の面（上面３４０）における半導体基板１００の主面１１０と平行な方向の端部に、半導体基板１００側に凹んだ段差部３１０を有する。

これによれば、段差部３１０によって、光の集光効率が向上され得る。また、集光部３００の外縁に半導体基板１００側に凹んだ段差部３１０を設けるだけで集光効率を向上させることができるために、集光部３００は、従来の上面全体が丸いレンズよりも簡便に形成され得る。そのため、光検出器１０は、従来よりも簡便に製造でき、且つ、光電変換部１０１への集光効率を向上できる。

また、例えば、段差部３１０における半導体基板１００の主面１１０に平行な方向の長さは、７５０ｎｍ以下である。つまり、集光部３００の段差幅Ｗは、近赤外光の波長以下に設定されている。

光検出器１０は、例えば、近赤外光を検出することにより対象物を撮像する用途が想定される。この場合、光検出器１０が検出する光の波長（波長領域）は、７５０ｎｍ〜１４００ｎｍであり、可視光と比較すると長波長である。したがって、近赤外光を集光するための構造は、可視光を集光するための構造と比較して大きく設計（製造）できる。そのため、光検出器１０は、さらに簡易に製造できる。また、これによれば、簡便な製造プロセスで実現され得るため、画素サイズの微細化に対しても、集光効率を向上するための技術として適用できる。

また、例えば、集光部３００は、層状に配置された複数の膜を有する。この場合、例えば、当該複数の膜のうち、半導体基板１００側に配置されている膜は、半導体基板１００とは反対側に配置されている膜よりも、平面視で面積が大きい。

これによれば、無機材料層３０１〜３０４となる膜を複数積層するだけで簡便に段差部３１０を形成することができる。

また、例えば、光検出器１０は、さらに、複数の配線層２０１及び複数の配線層２０１の間に位置する層間絶縁膜２０２を含む積層体２００を備える。本実施の形態では、半導体基板１００と、積層体２００と、集光部３００とは、この順に積層されている。

つまり、本実施の形態は、ＦＳＩ型の光検出器１０として実現され得る。

また、実施の形態に係る光検出器１０の製造方法は、光電変換部１０１、及び、平面視した場合に光電変換部１０１の周囲に位置するように画素分離部１０２を半導体基板１００に形成し、光電変換部１０１と対向して配置され、且つ、平面視した場合に外縁が画素分離部１０２と重なるように配置される集光部３００であって、光電変換部１０１と対向する面（下面３５０）とは反対側の面（上面３４０）における半導体基板１００の主面１１０と平行な方向の端部に、半導体基板１００側に凹んだ段差部３１０を有する集光部３００を形成する。

これによれば、段差部３１０によって集光効率が向上された光検出器１０を簡便に製造することができる。

［光検出器の変形例］
以下、光検出器の変形例について説明する。なお、以下の各変形例の説明では、光検出器１０との相違点を中心に説明が行われ、光検出器１０と同一の構成については詳細な説明が省略又は簡略化される場合がある。

＜変形例１＞
図５は、実施の形態の変形例１に係る光検出器１０ａを示す断面図である。

図５に示すように、光検出器１０ａは、光検出器１０の構成に加えて、さらに導波路４００を備える。

光検出器１０においては、集光部３００は、金属配線を有する積層体２００の最表面に形成されたが、集光部３００は、積層体２００中に形成した導波路４００の最表面に形成してもよい。

図５に示される光検出器１０ａは、積層体２００の内部に光電変換部１０１に光を導入するための導波路４００を含む。

導波路４００は、透光性を有し、入射した光を光電変換部１０１に導入するための光導波路である。導波路４００に採用される材料は、例えば、窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭窒化シリコン、又は、酸化シリコンである。

導波路４００は、光電変換部１０１と集光部３００との間に配置される。具体的には、導波路４００は、積層体２００ａを貫通して光電変換部１０１と集光部３００との間に配置されている。言い換えると、積層体２００ａは、内部に光電変換部１０１と集光部３００との間に位置する導波路４００を有する。

なお、本変形例では、導波路４００は、積層体２００を貫通し、導波路４００と光電変換部１０１とが接しているが、導波路４００と光電変換部１０１との間に層間絶縁膜２０２が位置してもよい。

導波路４００の立体形状は、例えば、略四角錐台である。断面図における導波路４００の径（言い換えれば、幅）は、積層方向において光電変換部１０１から離れるほど拡大する。例えば、光電変換部１０１から最も近い最下部における導波路４００の径は、４．５μｍ程度であり、光電変換部１０１から最も遠い最上部における導波路４００の径は、４．９μｍである。

導波路４００は、例えば、積層体２００を形成した後、リソグラフィ法とドライエッチングとによりパターンニングし、その後、ＣＶＤ法により窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭窒化シリコン等の高屈折率の無機材料、又は、酸化シリコン膜を堆積することにより、形成される。

導波路４００に材料される材料は、特に限定されない。導波路４００に採用される材料は、例えば、ＴＥＯＳ、又は、ＳｉＮ等である。導波路４００に採用される材料は、集光部３００（より具体的には、無機材料層３０１）と屈折率が同じ材料でもよい。これによれば、集光部３００と導波路４００との間での光の反射は、抑制される。そのため、光検出器１０ａの集光効率は、向上される。

このように、光検出器１０ａは、光検出器１０の構成に加えて、さらに、光電変換部１０１と集光部３００との間に積層体２００ａを貫通して配置され、光電変換部１０１に光を導入するための導波路４００を備える。

これにより、導波路４００によって集光部３００で集光した外光を光電変換部１０１に効率的に導くことが可能になる。そのため、光検出器１０ａの更なる集光効率の向上が可能となる。

＜変形例２＞
図６は、実施の形態の変形例２に係る光検出器１０ｂを示す断面図である。図７は、実施の形態の変形例２に係る集光部３００ａを示す平面図である。なお、図７に示す集光部３００ａは、断面を示すものではないが、説明のためにハッチングを付している。

光検出器１０においては、集光部３００は、同一の無機材料によって形成されたが、異なる無機材料によって形成されてもよい。具体的には、集光部が備える複数の無機材料層は、同じ材料が採用されてもよいし、異なる材料が採用されてもよい。

光検出器１０ｂが備える集光部３００ａは、積層数の過半数以上の層を窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭窒化シリコン等の高屈折率の無機材料で形成し、残りの層を酸化シリコン等の低屈折率の無機材料で形成される。また、高屈折率の無機材料は、集光部３００ａの下層とされ、低屈折率の無機材料は、集光部３００ａの上層とされている。

具体的には、図６に示すように、集光部３００ａは、無機材料層３０１ａ、３０２ａ、３０３、３０４を備える。集光部３００ａが備える複数の無機材料層のうち、集光部３００ａの下面３５０ａ側に位置する無機材料層３０１ａと無機材料層３０２ａとは、同じ材料で形成されている。また、集光部３００ａが備える複数の無機材料層のうち、集光部３００ａの上面３４０ａ側に位置する無機材料層３０３と無機材料層３０４とは、同じ材料で形成されている。

ここで、無機材料層３０１ａ及び無機材料層３０２ａと、無機材料層３０３及び無機材料層３０４とは、異なる材料で形成されている。具体的には、無機材料層３０１ａ及び無機材料層３０２ａと、無機材料層３０３及び無機材料層３０４とは、屈折率が異なる材料で形成されている。また、無機材料層３０１ａ及び無機材料層３０２ａは、無機材料層３０３及び無機材料層３０４よりも、屈折率が低い材料で形成されている。例えば、無機材料層３０１ａ及び無機材料層３０２ａは、ＳｉＮ（屈折率が１．９程度）で形成され、無機材料層３０３及び無機材料層３０４は、ＴＥＯＳ（屈折率が１．４６程度）で形成されている。光検出器１０ｂが備える集光部３００ａは、例えば、積層数の過半数以上の層を窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭窒化シリコン等の高屈折率の無機材料で形成し、残りの層を酸化シリコン膜などの低屈折率の無機材料で形成される。

このように、例えば、集光部３００ａは、異なる無機材料によって形成されてもよい。具体的には、集光部３００ａは、第１屈折率を有する第１集光部（本実施の形態では、例えば、無機材料層３０３及び無機材料層３０４）と、第１屈折率よりも高い第２屈折率を有する第２集光部（本実施の形態では、例えば、無機材料層３０１ａ及び無機材料層３０２ａ）と、を有する。

これによれば、第１集光部と第２集光部とが適切に配置されることによって、光電変換部１０１への集光効率を向上させることができる。

また、例えば、第２集光部は、平面視で第１集光部の周囲に位置する。

これによれば、第１集光部よりも高い屈折率を有する第２集光部によって、入射した光を第１集光部よりも大きく曲げて、光電変換部１０１に入射させやすくすることができる。そのため、光検出器１０ｂの集光効率は、さらに向上される。

また、例えば、第１集光部及び第２集光部は、層状に配置されている。例えば、第２集光部は、第１集光部よりも光電変換部１０１側に配置されており、平面視で第１集光部よりも面積が大きい。つまり、高屈折率を有する無機材料層（本実施の形態では、例えば、無機材料層３０１ａ及び無機材料層３０２ａ）は、集光部３００ａの下層側に配置され、低屈折率を有する無機材料層（本実施の形態では、例えば、無機材料層３０３及び無機材料層３０４）は、集光部３００ａの上層に配置されている。

これによれば、集光部３００ａは、上方側が低屈折率のため空気（屈折率が１．０程度）との屈折率差が少なくなる。そのため、集光部３００ａの表面での光の反射は、抑制される。また、集光部３００ａの下層は、高屈折率のため大きく光を屈折させることができる。これにより、光電変換部１０１への光の集光効率を向上できる。

このように、光検出器１０ｂが備える集光部３００ａは、互いに異なる屈折率を有する複数の屈折率材料を備える。従来、光電変換部１０１への集光効率を向上するために広く使用されているオンチップレンズにおいては、複数の屈折率材料で構成することは、プロセス上非常に困難であるために、単一の材料で構成されている。一方、集光部３００ａは、従来のレンズと異なり多層膜で形成されているために、簡便なプロセスで製造され得る。そのため、光検出器１０ｂによれば、簡便に製造でき、且つ、入射される光の反射と屈折とを良好にして光の集光効率を向上させることができる。

＜変形例３＞
図８は、実施の形態の変形例３に係る光検出器１０ｃを示す断面図である。

図１に示す光検出器１０は、半導体基板１００の主面１１０に配線層２０１等を含む積層体２００が形成されたいわゆるＦＳＩ型の光検出器である。しかしながら、本開示に係る光検出器は、これに限定されない。

例えば、光検出器１０ｃは、半導体基板１００の主面１１０ａとは反対側の面である裏面１２０に、複数の配線層２０１及び複数の配線層２０１の間に位置する層間絶縁膜２０２を含む積層体２００が形成されたいわゆるＢＳＩ（Ｂａｃｋ Ｓｉｄｅ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）型の光検出器でもよい。つまり、本変形例に係る光検出器１０ｃにおいては、積層体２００と、半導体基板１００ａと、集光部３００とは、この順に積層されている。

実施の形態の変形例３に係る光検出器１０ｃは、例えば、半導体基板１００ａと、積層体２００と、集光部３００と、支持基板４０１と、を備える。

半導体基板１００ａは、光電変換部１０１と画素分離部１０２とを含む半導体基板である。また、半導体基板１００ａの上面側には、層間絶縁膜２０２が形成されている。つまり、光検出器１０ｃでは、半導体基板１００ａが備える層間絶縁膜２０２の上面である主面１１０ａに、集光部３００が形成されている。よって、これにより、半導体基板１００ａと集光部３００とは、電気的に絶縁される。

支持基板４０１は、積層体２００を支持するための基板である。支持基板４０１に採用される材料は、特に限定されない。支持基板４０１は、セラミック基板でもよいし、半導体基板でもよい。

［集光部の変形例］
以下、光検出器が備える集光部の変形例について説明する。なお、以下の各変形例の説明では、光検出器１０が備える集光部３００との相違点を中心に説明が行われ、集光部３００と同一の構成については詳細な説明が省略又は簡略化される場合がある。

＜変形例１＞
図９は、変形例１に係る集光部３００ｂを示す断面図である。

集光部３００ｂは、無機材料層３０１ｂと、無機材料層３０２ｂと、の２つの層を備える。このように、集光部３００ｂが備える無機材料層の数は、複数であればよく、特に限定されない。

無機材料層３０１ｂは、無機材料層３０２ｂの上面に積層されている。また、無機材料層３０１ｂは、無機材料層３０２ｂよりも平面視で面積が小さい。また、平面視において、無機材料層３０１ｂの中心と、無機材料層３０２ｂの中心とは、略一致する。これにより、段差部３１０ａ（より具体的には、段差面３２０ａ）が形成される。

また、本実施の形態では、無機材料層３０１ｂよりも無機材料層３０２ｂの方が、屈折率が高い。例えば、無機材料層３０１ｂは、ＴＥＯＳで形成され、無機材料層３０２ｂは、ＳｉＮで形成される。このように、上方側に位置する無機材料層３０２ｂの方が、下方側に位置する無機材料層３０１ｂよりも屈折率が高くてもよい。

＜変形例２＞
図１０は、変形例２に係る集光部３００ｃを示す断面図である。

集光部３００ｃは、無機材料層３０１ｃと、無機材料層３０２ｃと、を備える。このように、集光部３００ｃは、段差部３１０ｂ（より具体的には、段差面３２０ｂ）を有していればよく、多層膜でなくてもよい。

また、無機材料層３０１ｃは、平面視において、無機材料層３０２ｃの周囲に配置されている。また、無機材料層３０１ｃよりも無機材料層３０２ｃの方が、屈折率が低い。例えば、無機材料層３０２ｃは、ＴＥＯＳで形成され、無機材料層３０１ｃは、ＳｉＮで形成される。このように、例えば、平面視において中央側に位置する無機材料層の方が、外縁側に位置する無機材料層よりも屈折率が低くてもよい。

平面視における集光部３００ｃの周縁側に入射された外光は、平面視における集光部３００ｃの中央側に入射された外光よりも、大きく屈折させるとよい。これによれば、平面視における集光部３００ｃの周縁側に入射された外光は、より多く光電変換部１０１に集光される。そのため、集光部３００ｃによれば、集光効率は、向上され得る。

＜変形例３＞
図１１は、変形例３に係る集光部３００ｄを示す平面図である。

なお、図１１及び後述する図１２及び図１３に示す集光部は、断面を示すものではないが、説明のためにハッチングを付している。

集光部３００ｄは、平面視において円形である。より具体的には、集光部３００ｄが備える無機材料層３０１ｄ、無機材料層３０２ｄ、無機材料層３０３ｄ、及び、無機材料層３０４ｄは、いずれも平面視において円形であり、中心が略一致している。

このように、図２に示すように、集光部３００は、平面視に示す四角形（具体的には、矩形、より具体的には、正方形）であるが、集光部の平面視形状は、特に限定されない。

＜変形例４＞
図１２は、変形例４に係る集光部３００ｅを示す断面図である。

集光部３００ｅは、平面視において円形である。より具体的には、集光部３００ｅが備える無機材料層３０１ｅ、無機材料層３０２ｅ、無機材料層３０３ｅ、及び、無機材料層３０４ｅは、いずれも平面視において楕円形であり、中心が略一致している。

＜変形例５＞
図１３は、変形例５に係る集光部３００ｆを示す断面図である。

集光部３００ｆは、平面視において六角形（より具体的には、正六角形）である。より具体的には、集光部３００ｆが備える無機材料層３０１ｆ、無機材料層３０２ｆ、無機材料層３０３ｆ、及び、無機材料層３０４ｆは、いずれも平面視において楕円形であり、中心が略一致している。

なお、光電変換部１０１の平面視形状は、特に限定されないが、集光部３００ｆの平面視形状と略一致しているとよい。これによれば、集光部３００ｆで集光された外光は、さらに効率よく光電変換部１０１に入射され得る。

［固体撮像素子の構成］
本開示は、半導体基板１００に複数の光電変換部１０１がライン状に配置されることにより、ラインセンサとして実現されてもよい。また、本開示は、半導体基板１００に複数の光電変換部１０１がマトリクス状に配置されることにより、固体撮像素子として実現されてもよい。

図１４は、固体撮像素子５００の構成の一例を示す図である。

図１４に示されるように、固体撮像素子５００は、複数の画素５０１を含む画素アレイ５０２、垂直走査回路５０３、水平走査回路５０４、読み出し回路５０５、及び、バッファアンプ（増幅回路）５０６を備える。画素アレイ５０２は、光検出器１０、光検出器１０ａ、光検出器１０ｂ、又は、光検出器１０ｃにおいて、光電変換部１０１がＸＹ平面に沿ってマトリクス状に複数配置されることによって得られる。図１４の例では、光電変換部１０１は、アバランシェフォトダイオードであり、ＡＰＤとも記載される。読み出し回路５０５は、画素アレイ５０２が出力する信号を読み出す回路である。

画素５０１は、ＡＰＤ、転送トランジスタＴＲＮ、リセットトランジスタＲＳＴ、浮遊拡散領域ＦＤ、増幅トランジスタＳＦ、選択トランジスタＳＥＬ、及び、オーバーフロートランジスタＯＶＦを含む画素回路ＰＣを有する。

なお、本実施の形態において、単に「トランジスタ」と記載した場合は、ＭＯＳ型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を意味する。ただし、固体撮像素子５００の画素回路を構成するトランジスタは、ＭＯＳ型トランジスタに限られず、ジャンクション型トランジスタ（ＪＦＥＴ）、バイポーラトランジスタ、又は、これらの混在であってもよい。

ＡＰＤによって検出された信号電荷は、転送トランジスタＴＲＮを通じて浮遊拡散領域ＦＤに転送され、垂直走査回路５０３及び水平走査回路５０４で順次選択された画素５０１で検出された信号電荷の量に対応する信号が増幅トランジスタＳＦを介して読み出し回路５０５に伝送される。

画素５０１で得られた信号は、読み出し回路５０５からバッファアンプ５０６を経て信号処理回路（図示せず）に出力され、信号処理回路（図示せず）でホワイトバランス等の信号処理が施された後にディスプレイ（図示せず）又はメモリ（図示せず）に転送され、画像化することが可能となる。

また、オーバーフロートランジスタＯＶＦは、ＡＰＤの電位が一定値となったときに電流が流れ始める保護素子である。つまり、オーバーフロートランジスタＯＶＦは、ＡＰＤに印加される電圧を制限する。オーバーフロートランジスタＯＶＦによれば、ＡＰＤが高い増倍率で光を検出した場合に、ＡＰＤの電圧が転送トランジスタＴＲＮの破壊耐圧を超える前にオーバーフロートランジスタＯＶＦに電流が流れ始める。また、ＡＰＤが強い光を検出することによりリセット時の電圧から負の電圧に振れたときにもＡＰＤの電圧が転送トランジスタＴＲＮの破壊耐圧を超える前にオーバーフロートランジスタＯＶＦに電流が流れ始める。つまり、オーバーフロートランジスタＯＶＦによれば、固体撮像素子５００は、ＡＰＤの電圧がトランジスタの破壊耐圧に到達しないように設計できる。ＡＰＤに印加される電圧の上限は、オーバーフロートランジスタＯＶＦの閾値電圧、オーバーフロートランジスタＯＶＦのゲートに印加される電圧、又は、オーバーフロートランジスタＯＶＦのドレイン電圧（ＶＯＶＦ）で調整が可能である。

なお、図１４に示される画素回路ＰＣでは、画素アレイ５０２に、周辺回路（垂直走査回路５０３、水平走査回路５０４、読み出し回路５０５、及び、バッファアンプ５０６）が付加されていたが、固体撮像素子５００には、必ずしも周辺回路が含まれなくてもよい。

また、画素回路ＰＣは、５個のトランジスタ（転送トランジスタＴＲＮ、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＳＦ、選択トランジスタＳＥＬ、及び、オーバーフロートランジスタＯＶＦ）と浮遊拡散領域ＦＤとで構成されたが、このような構成に限られず、固体撮像素子５００が動作可能な範囲でより多い個数又は少ない個数のトランジスタで構成されてもよい。

また、画素回路ＰＣの回路構成は、一例である。画素回路ＰＣは、ＡＰＤに蓄積している信号電荷の読み出しが可能なその他の回路構成を有してもよい。

以上、実施の形態に係る固体撮像素子５００は、上記した光検出器（例えば、光検出器１０、光検出器１０ａ、光検出器１０ｂ、又は、光検出器１０ｃ）がマトリクス状に配置されることによって得られる画素アレイ５０２と、画素アレイ５０２が出力する信号を読み出す読み出し回路５０５と、を備える。

これによれば、固体撮像素子５００は、上記した光検出器（例えば、光検出器１０、光検出器１０ａ、光検出器１０ｂ、又は、光検出器１０ｃ）と同様に、従来よりも簡便に製造でき、且つ、光電変換部１０１への集光効率が向上される。

なお、固体撮像素子５００が備える光検出器は、光検出器１０でもよいし、光検出器１０ａでもよいし、光検出器１０ｂでもよいし、光検出器１０ｃでもよい。また、固体撮像素子５００は、これらの光検出器１０、１０ａ〜１０ｃのうちの任意の２以上の光検出器を備えてもよい。また、固体撮像素子５００は、外光の一部の波長の光を遮断するカラーフィルタ等を備えてもよい。

（その他の実施の形態）
以上、実施の形態及び各変形例に係る光検出器等について説明したが、本開示は、上記実施の形態及び各変形例に限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態において説明に用いられた数値は、全て開示を具体的に説明するために例示するものであり、本開示は例示された数値に限定されない。

また、上記実施の形態及び上記各変形例は、任意に組み合わされてよい。

また、上記実施の形態では、光検出器が有する積層構造の各層を構成する主たる材料について例示しているが、光検出器が有する積層構造の各層には、上記実施の形態の積層構造と同様の機能を実現できる範囲で他の材料が含まれてもよい。また、図面上においては、各構成要素の角部及び辺は直線的に記載されているが、製造上の理由などにより、角部及び辺が丸みを帯びたものも本開示に含まれる。

その他、各実施の形態に対して当事者が思いつく各種変形を施して得られる形態、または、本開示の主旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。例えば、本開示は、光検出器の製造方法として実現されてもよい。

本開示の光検出器は、高い集光効率を有する光検出器として利用できる。

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 光検出器
１００、１００ａ 半導体基板
１０１ 光電変換部
１０２ 画素分離部
１１０、１１０ａ 主面
１２０ 裏面
２００、２００ａ 積層体
２０１ 配線層
２０２ 層間絶縁膜
２０３ ライナ層
２０４ ビア
３００、３００ａ、３００ｂ、３００ｃ、３００ｄ、３００ｅ、３００ｆ 集光部
３０１〜３０４、３０１ａ、３０２ａ、３０１ｂ、３０２ｂ、３０１ｃ、３０２ｃ、３０１ｄ〜３０４ｄ、３０１ｅ〜３０４ｅ、３０１ｆ〜３０４ｆ 無機材料層
３０５ 無機材料膜
３０６、３０７ 穴
３１０、３１０ａ、３１０ｂ 段差部
３２０、３２０ａ、３２０ｂ 段差面
３３０ 分離溝
３４０、３４０ａ 上面
３５０、３５０ａ 下面
３６０ 中心位置
４００ 導波路
４０１ 支持基板
５００ 固体撮像素子
５０１ 画素
５０２ 画素アレイ
５０３ 垂直走査回路
５０４ 水平走査回路
５０５ 読み出し回路
５０６ バッファアンプ
ＡＭ 増倍領域
ＦＤ 浮遊拡散領域
Ｍ 配線
ＯＶＦ オーバーフロートランジスタ
ＰＣ 画素回路
ＲＳＴ リセットトランジスタ
ＳＥＬ 選択トランジスタ
ＳＦ 増幅トランジスタ
ＳＰ 分離領域
ＴＲＮ 転送トランジスタ
Ｗ 段差幅

Claims (11)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板に設けられた光電変換部と、
   平面視した場合に前記光電変換部の周囲に位置するように前記半導体基板に設けられた画素分離部と、
   前記光電変換部と対向し、且つ、平面視した場合に外縁が前記画素分離部と重なるように配置され、透光性を有する集光部と、を備え、
   前記集光部は、前記光電変換部と対向する面とは反対側の面における前記半導体基板の主面と平行な方向の端部に、前記半導体基板側に凹んだ段差部を有する
   光検出器。
2. 前記段差部における前記半導体基板の主面に平行な方向の長さは、７５０ｎｍ以下である
   請求項１に記載の光検出器。
3. 前記集光部は、層状に配置された複数の膜を有し、
   前記複数の膜のうち、前記半導体基板側に配置されている膜は、前記半導体基板とは反対側に配置されている膜よりも、平面視で面積が大きい
   請求項１又は２に記載の光検出器。
4. 前記集光部は、第１屈折率を有する第１集光部と、前記第１屈折率よりも高い第２屈折率を有する第２集光部と、を有する
   請求項１又は２に記載の光検出器。
5. 前記第２集光部は、平面視で前記第１集光部の周囲に位置する
   請求項４に記載の光検出器。
6. 前記第１集光部及び第２集光部は、層状に配置されており、
   前記第２集光部は、前記第１集光部よりも前記光電変換部側に配置されており、平面視で前記第１集光部よりも面積が大きい
   請求項４又は５に記載の光検出器。
7. さらに、複数の配線層及び前記複数の配線層の間に位置する層間絶縁膜を含む積層体を備え、
   前記半導体基板と、前記積層体と、前記集光部とは、この順に積層されている
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の光検出器。
8. さらに、前記光電変換部と前記集光部との間に前記積層体を貫通して配置され、前記光電変換部に光を導入するための導波路を備える
   請求項７に記載の光検出器。
9. さらに、複数の配線層及び前記複数の配線層の間に位置する層間絶縁膜を含む積層体を備え、
   前記積層体と、前記半導体基板と、前記集光部とは、この順に積層されている
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の光検出器。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の光検出器がマトリクス状に配置されることによって得られる画素アレイと、
    前記画素アレイが出力する信号を読み出す読み出し回路と、を備える
    固体撮像素子。
11. 光電変換部、及び、平面視した場合に前記光電変換部の周囲に位置するように画素分離部を半導体基板に形成し、
    前記光電変換部と対向して配置され、且つ、平面視した場合に外縁が前記画素分離部と重なるように配置される集光部であって、前記光電変換部と対向する面とは反対側の面における前記半導体基板の主面と平行な方向の端部に、前記半導体基板側に凹んだ段差部を有する集光部を形成する
    光検出器の製造方法。

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