JP2021097238A - 光検出装置、および測距センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】本技術は、幅広い波長帯域の入射光の反射を抑制することができるようにする。【解決手段】Siなどの基板に対して、入射光の入射方向となる基板上に設けられ、基板における入射光の反射を調整する、基板上に形成される第１層と、第１層上に形成される第２層からなる反射率調整層が設けられる。第１層は、基板上に設けられる凹凸構造と、その凹凸構造上の凹部に充填される基板よりも低屈折率の材料とから構成され、第２層が、第１層の屈折率よりも低屈折率の材料とから構成される。薄膜の干渉の原理を応用することで、Siなどの基板の反射率を低減させることができる。本技術が、固体撮像素子に適用することができる。【選択図】図１

Description

本技術は、固体撮像素子に関し、特に、幅広い波長帯域の入射光の反射を抑制できるようにした固体撮像素子に関する。
固体撮像素子は、小型化かつ多画素化が要求されており、そのため画素の縮小化が進められている。ところが、画素の縮小に伴い感度が低下するのに対し、開口率の縮小による感度低下を補償し、感度を向上させることが求められている。このような固体撮像素子においては、Si基板の表面において入射光が反射するため、受光部まで到達する光の強度が損失し、感度が低下すると共に、意図せぬ光路からの入射光によりフレアやゴーストを生じさせていた。
そこで、受光部に入射する光の波長領域に応じた凹凸構造（モスアイ構造とも称する）からなる反射防止層を形成することにより、受光部に入射する光の全ての波長領域（全ての可視光）に対してその入射光の反射を効果的に抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。 そこで、受光部に入射する光の波長領域に応じた凹凸構造（モスアイ構造とも称する）からなる反射防止層を形成することにより、受光部に入射する光の全ての波長領域（全ての可視光）に対してその入射光の反射を効果的に抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００９−２１８３５７号公報
ところで、上述した特許文献１で採用されたモスアイ構造を用いる場合、狭ピッチで、かつ、深い凹凸構造が必要とされるが、リソグラフィやドライエッチングによる加工で、例えば、100nm未満程度の厚さで実現するのは技術的に難易度の高いものとなる。
また、モスアイ構造を用いる場合、少なくとも100nm程度の厚さが確保できないと、十分に反射率を低減することができない。
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、特に、Si基板の表面に薄膜による干渉の原理を応用して、幅広い波長帯域の入射光の反射を抑制できるようにするものである。
本技術の一側面の光検出装置、および測距センサは、半導体基板と、前記半導体基板内に設けられた光電変換部を有する第１画素と、断面視で前記第１画素と隣接する複数の画素との間に設けられたトレンチと、前記光電変換部上に設けられ、断面視で凹凸構造を有する第１層と、前記第１層上に設けられ、第１絶縁膜のみを有する第２層と、前記第２層上に設けられ、第２絶縁膜を有する第３層とを有し、前記第１絶縁膜は、第１の屈折率を有し、前記第２絶縁膜は、第２の屈折率を有し、前記第１層は、第１絶縁膜を有し、前記第１の屈折率は、前記半導体基板の屈折率よりも小さく、前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率よりも小さく、平面視において前記凹凸構造は、前記第１画素内において格子形状を形成する光検出装置、および測距センサである。
本技術の一側面においては、半導体基板と、前記半導体基板内に設けられた光電変換部を有する第１画素と、断面視で前記第１画素と隣接する複数の画素との間に設けられたトレンチと、前記光電変換部上に設けられ、断面視で凹凸構造を有する第１層と、前記第１層上に設けられ、第１絶縁膜のみを有する第２層と、前記第２層上に設けられ、第２絶縁膜を有する第３層とが設けられ、前記第１絶縁膜は、第１の屈折率であり、前記第２絶縁膜は、第２の屈折率であり、前記第１層には、第１絶縁膜が設けられ、前記第１の屈折率は、前記半導体基板の屈折率よりも小さく、前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率よりも小さく、平面視において前記凹凸構造は、前記第１画素内において格子形状が形成される。
本技術を適用した固体撮像素子の第１の実施の形態の構成例を説明する図である。 図１の固体撮像素子におけるSi基板からの反射を低減させるための構成を説明する図である。 図２の構成を説明する斜視図である。 図１の固体撮像素子における図２の構成の製造方法を説明するフローチャートである。 従来の入射光の波長と反射率との関係を説明する図である。 図２の構成を用いたときの入射光の波長と反射率との関係を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第２の実施の形態の構成例を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第３の実施の形態の構成例を説明する図である。 図８の固体撮像素子におけるSi基板からの反射を低減させるための構成を用いたときの入射光の波長と反射率との関係を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第４の実施の形態の構成例を説明する図である。 図１０の固体撮像素子におけるSi基板からの反射を低減させるための構成を用いたときの入射光の波長と反射率との関係を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第５の実施の形態の構成例を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第５の実施の形態の第１の変形例を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第６の実施の形態の構成例を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第６の実施の形態の第１の変形例を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第６の実施の形態の第２の変形例を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の第６の実施の形態の第３の変形例を説明する図である。 本技術に係る固体撮像素子が適用される電子機器の適用例を示す概略図である。 本技術に係る固体撮像素子の使用例を説明する図である。
＜第１の実施の形態＞
＜本技術を適用した固体撮像素子の実施の形態の構成例＞
図１は、本技術を適用した固体撮像素子の一実施の形態の構成例を示した側面断面図である。
図１の固体撮像素子１１は、図中上から、レンズ３１、カラーフィルタ３２、平坦化膜３３、遮光膜３４、酸化膜（SiO2）３５、中間第２層３６、中間第１層３７、およびSi基板３８を備えている。
図１の固体撮像素子１１においては、図中の上方から入射する光を受光し、受光した光量に応じた画素信号を生成する。
より詳細には、レンズ３１は、Si基板３８内に画素単位で設けられた図示せぬ光電変換素子に入射光を集光する。なお、図中においては、レンズ３１における図中上方への凸部が各画素に対応する構成とされており、図１においては、水平方向に３画素が配設されている例が示されている。
カラーフィルタ３２は、入射光のうち、特定の波長の光のみを透過させるフィルタであり、例えば、RGB（赤色、緑色、青色）のいずれかに対応する波長の光を抽出して、後段の構成に透過させる。
平坦化膜３３は、カラーフィルタ３２、および酸化膜３５を密着して接続させる。
遮光膜３４は、例えば、W（タングステン）などの金属製の膜からなり、隣接する画素への入射光を遮光して、画素間での入射光のクロストークを防止する。
酸化膜３５は、隣接する画素間を電気的に絶縁し、隣接する画素間での画素信号のクロストークを防止する。特に、各画素間の境界に設けられたトレンチに設けられた、酸化膜３５と同一の材質で構成される境界部３５ａは、水平方向に隣接する画素に画素信号が漏れないように構成されている。尚、レンズ３１、カラーフィルタ３２、平坦化膜３３、遮光膜３４、および酸化膜３５は、以降の構成に対して、これらを総称して環境媒質または環境媒質層とも称するものとする。
中間第１層３７、および中間第２層３６は、２層により疑似高屈折層からなる中間層を形成し、Si基板３８における反射を抑制する反射率調整層として機能する。ここで、中間第２層３６は、酸化膜３５と同一の材質からなり画素単位の境界に設けられた境界部３５ａを取り囲むように境界部３６ａを備えている。この境界部３５ａにより各画素間において電気的に絶縁されて、隣接画素間における画素信号のクロストークが抑制される。
より詳細には、図１における点線で囲まれた範囲で示される入射光の反射を抑制するための構造である反射率調整層は、図２で示されるような構成となる。
図２は、図１の固体撮像素子１１における点線部で囲まれた、入射光の反射を抑制するための構造である反射率調整層の構成を示す図である。図２においては、上から酸化膜３５、中間第２層３６、中間第１層３７、およびSi基板３８が設けられている。このうち、中間第２層３６、および中間第１層３７が反射率調整層として機能する。
中間第２層３６は、例えば、SiN、HfO2、Ta2O5、Nb2O5、TiO2などの屈折率n2が1.9乃至2.3の材料から形成される。
また、中間第１層３７は、例えば、中間第２層３６を形成する材質と、Si基板３８を形成する材質Siとからが混合配置された構成とされている。より詳細には、図３で示されるように、Si基板３８上に凹凸構造が形成され、そのうちの凹部３７ａに中間第２層３６を形成する材質が充填された構成とされる。尚、図３においては、凹部３７ａに中間第２層３６を形成する材質が充填されることで、角柱状に形成されてSi基板３８上の凹凸構造における凹部３７ａに設けられた構造となっている。ここで、凹部３７ａに形成される構造については、角柱状に限るものではなく、その他の形状であってもよく、例えば、円柱状の構造でもよい。また、中間第１層３７は、凹部３７ａの高さd1が、20乃至60nm程度の範囲で、Si基板３８を形成する材質と、中間第２層３６を形成する材質との体積比が所定値とされて混合配置された構成とされることで、中間第１層３７の屈折率n1が全体として2.6乃至3.7とされている。
より詳細には、中間第１層３７は、消衰係数0で屈折率が2.6乃至3.7とされる物質により構成されることが理想的であるが、消衰係数0で屈折率が2.6乃至3.7とされる物質が現実的には存在しない。そこで、中間第１層３７は、屈折率ns＝4.1のSi基板３８を形成する材質と、屈折率n2が、Si基板より低屈折率の1.9乃至2.3の屈折率調整材料（ここでは、中間第２層３６を形成する材料と同一の材料）との体積比により、混合配置することで、全体として屈折率を平均化して、屈折率n1が2.6乃至3.7となるように形成されている。
例えば、中間第１層３７を形成する凹部３７ａの体積V1と、（凹部３７ａに対しては凸部となる）Si基板３８と同一の材質からなる範囲の体積V2とが、V1:V2＝3:2である場合、Si基板３８の材質Siの屈折率nsが4.1であって、中間第２層３６を形成する材質が、屈折率n2が2.2のTa2O5であるとき、その体積比に応じて混合配置されることで平均化された屈折率n1が3.3程度からなる中間第１層３７が成膜される。
ただし、SiO2からなる酸化膜３５の屈折率niが1.46であって、かつ、Si基板３８の屈折率nsが4.1である場合、屈折率ni＜屈折率n2＜屈折率n1＜屈折率nsが満たされれば、他の屈折率の物質により中間第１層３７および中間第２層３６を形成するようにしてもよい。尚、Si基板３８については、屈折率が4.0程度のInGaAsからなる基板であっても同様である。
＜製造方法＞
次に、図４のフローチャートを参照して、酸化膜３５、中間第２層３６、中間第１層３７、およびSi基板３８からなる、図１の点線で囲まれる反射率を低減させるための構造である反射率調整層の製造方法について説明する。
ステップＳ１１において、図示せぬ光電変換素子を含むSi基板３８上に中間第１層３７が形成される範囲において、例えば、フォトリソグラフィにより所定のピッチp1、幅w1、および、高さ（深さ）d1の凹部３７ａが形成される。ここで、図２，図３で示される凹部３７ａは、例えば、高さ（深さ）d1が31nm、幅w1が57nm、およびピッチp1が90nmの角柱状の構成である。従って、Si基板３８のSiが残された凸部は、33nm幅となる。このような構成により、例えば、Si基板３８を形成するSiにより形成される体積V1と、凹部３７ａの体積V2との体積比は、3:2となされる。
尚、ピッチについては、隣接する中間第２層３６における波長以下であることが望ましいので、例えば、最短波長を400nmとし、中間第２層３６の屈折率を2.2とするとき、ピッチp1は、中間第２層３６中における波長λ2（＝182nm＝400/2.2）以下であることが望ましい。また、凹部３７ａの高さd1については、薄膜の干渉における、薄膜中の光の往復光路2×屈折率（n1）×高さ（d1）が半波長（λ/2）となることが理想条件（n1×d1＝λ/4）となるが、中間第２層３６との屈折率と高さとの調整自由度が存在するため、n1×d1＜3λ/8の範囲であればよい。すなわち、高さd1は、62.5（＝3×550/8/3.3）nmよりも小さい31nmとされている。
ステップＳ１２において、凹部３７ａに、屈折率調整材料が充填されることで、中間第１層３７が成膜される。図２の例においては、屈折率調整材料は、中間第２層３６を構成する材料と同一の材料であり、例えば、入射光が550nmの光であるとき、屈折率n2が2.2となるTa2O5が充填されて、中間第１層３７が成膜される。
ステップＳ１３において、中間第２層３６が形成される。すなわち、図２においては、屈折率調整材料と同一の、入射光が550nmの光であるとき、屈折率n2が、2.2となるNb2O5の高さd2が54nmとなるように積層されて成膜される。
ステップＳ１４において、中間第２層３６の上面にCMP（Chemical Mechanical Polishing）を掛けることにより、中間第１層３７の上面の凹凸に応じた凹凸が平坦化される。例えば、図２においては、中間第２層３６の高さd2が54nmとなるようにする。すなわち、中間第２層３６の高さd2については、薄膜の干渉における、薄膜中の光の往復光路2×屈折率（n2）×高さ（d2）が半波長（λ/2）となることが理想条件（n2×d2＝λ/4）となるが、中間第１層３７との屈折率と高さとの調整自由度が存在するため、n2×d2＜3λ/8の範囲であればよい。すなわち、高さd2は、93.8（＝3×550/8/2.2）nmよりも小さい54nmとされている。
なお、平坦化されればよいものであるので、この処理は、CMP以外の処理でもよく、例えば、エッチングなどを利用して平坦化するようにしてもよい。また、CMPは省略しても改善効果は低減するものの効果を得ることができるので、CMPを省略するようにしてもよい。
ステップＳ１５において、SiO2からなる酸化膜３５が成膜され、以降において、図１における酸化膜３５以上の構成が環境媒質層として形成される。
このような処理により製造される構成により、例えば、図２において、中間第１層３７は全体として、屈折率n1が3.3とされて、全体としてSi基板３８からの反射を抑制することが可能となる。
ここで、以上の処理における条件を整理する。
屈折率n1は、Si基板３８におけるSiの屈折率nsと、中間第２層３６における材料と同一の屈折率調整材料の屈折率n2とにより、以下の式（１）で表される。
n1＝ns×rs＋r2×n2
・・・（１）
式（１）において、rsおよびr2は、中間第１層３７におけるSi基板３８を形成するSiにより形成される体積V1と、凹部３７ａの体積V2との比から求められる重み係数を表しており、V1:V2＝rs:r2であり、かつ、rs+r2＝1である。
また、中間第１層３７の高さ（深さ）d1と、中間第１層３７の屈折率n1との関係は、透過する光の波長をλとするとき、一般化すると、以下の式（２）で表される。
n1×d1＜3λ/8
・・・（２）
ここで、式（２）の根拠は、薄膜の干渉における往復光路差と波長との関係から得られるものとなるが、薄膜の干渉における最も反射率が低減される条件は、以下の式（３）で示される半波長位相がずれた関係が成り立つときとなる。
n1×d1＝λ/4
・・・（３）
しかしながら、中間第２層３６においても、同様の干渉作用が期待できるため、中間第２層３６の屈折率n2と高さd2との組み合わせにより生じる自由度を考慮して、上述した式（２）の関係が満たされるときとなる。
同様に、中間第２層３６の高さd2と、屈折率n2との関係は、透過する光の波長をλとするとき、一般化すると、以下の式（４）で表される。
n2×d2＜3λ/8
・・・（４）
ここでも、式（４）の根拠は、薄膜の干渉における往復光路差と波長との関係から得られるものとなるが、薄膜の干渉における最も反射率が低減される条件は、以下の式（５）で示される半波長位相がずれた関係が成り立つときとなる。
n2×d2＝λ/4
・・・（５）
しかしながら、中間第１層３７においても、同様の干渉作用が期待できるため、中間第１層３７の屈折率n1と高さd1との組み合わせにより生じる自由度を考慮して、上述した式（４）の関係が満たされるときとなる。
すなわち、以上の条件をまとめると、第１の条件として、Si基板３８、中間第１層３７、中間第２層３６、酸化膜３５の各屈折率が、ns、n1、n2、niであるとき、以下の式（６）が満たされ、かつ、上述した式（２），式（４）の条件が満たされるとき、レンズ３１、およびカラーフィルタ３２を透過して、入射する光の、Si基板３８による反射を、薄膜の干渉の原理を利用して低減させることが可能となる。
ns＞n1＞n2＞ni
・・・（６）
ここで、Si基板３８における反射を低減させるための機構は、モスアイのように、厚みを利用した段階的な屈折により低減させる機構ではなく、複数の膜を用いて、薄膜の干渉作用を応用して反射率を低減させる機構であるため、モスアイよりも、より薄い構成でSi基板３８からの反射を低減させることが可能となる。
また、通常、550nmを中心波長とする入射光が想定された屈折率が1.9乃至2.4の薄膜のみを用いた場合、図５で示されるように、入射光の波長を代えて反射率を測定したとき、中心波長である550nmの周辺波長の光については反射率が1.5程度となるが、それ以外の波長帯の入射光に対しては、反射率が全体として2を超えた値となる。
しかしながら、本技術を適用した固体撮像素子においては、図６で示されるように、波長帯域が400nm乃至700nmという広い帯域で、全体として反射率を１程度とすることが可能となり、広い波長帯域の入射光に対する反射率を低減させることが可能となる。
結果として、固体撮像素子１１におけるSi基板３８による反射を抑制することが可能となり、光電変換素子における感度の低下を抑制することが可能になると共に、隣接画素へと入射することがなくなるので、フレアやゴーストを低減させることが可能となる。さらに、モスアイとは異なり、薄膜の干渉による効果を応用した構成でSi基板３８における反射を抑制することが可能となるので、モスアイを利用して反射を抑制する構成よりも、より薄い構成、例えば、100nmよりも薄い構成で反射を抑制する反射率調整層を実現することが可能となる。
尚、凹部３７を構成するにあたって、テーパー（面積比で0.2程度までの変化）、凹凸の上下端それぞれの滑らかな裾野形状、およびラフネスによる影響はほぼ無視できるものとすることができる。
また、ステップＳ１１の処理において、凹部３７ａを設けるに当たっては、フォトリソグラフィを用いる例について説明してきたが、上述した体積比を実現できれば、他の方法でもよく、例えば、自己組織化材料（DSA: Directed Self Assembly）を用いて、Si基板３８の材質となるSiの体積と、凹部３７ａとの体積とが上述した体積比となるように構成させ、エッチングにより凹部３７ａを形成するようにしてもよい。
また、いずれかの層間に屈折率niaであって、かつ、高さdiaからなる層が形成され、nia×dia＜λ/2のような関係が満たされる様な場合でも、隣接する層との屈折率差が１割程度であれば、影響は小さいため、連続する層に含めた構成と考えるようにしても良い。
さらに、いずれかの層間に屈折率niaであって、かつ、高さdiaからなる層が形成され、ni2×di2＜λ/10が満たされる様な場合、挿入された層の膜厚は極めて薄い層であると考えることができるので、干渉の影響はないものとみなし、その層を無視するようにしてもよい。例えば、Nb2O5などのn=2.2程度の高屈折率層があったとしても、膜厚となる高さが5nmなど、膜厚として十分に薄ければほぼ影響を無視して扱うようにしても良い。さらに、上述した条件の層が、複数であった場合でも同様に取り扱うようにすることができる。
＜第２の実施の形態＞
以上においては、中間第１層３７における凹部３７ａに充填される屈折率調整材料として、中間第２層３６において使用される材質と同一の材質を用いる例について説明してきたが、上述した様に、上述した式（２），式（４），式（６）の条件が満たされれば、屈折率調整材料は、中間第２層３６において使用される材質とは異なる材質でもよい。
すなわち、例えば、図７で示されるように、凹部３７ａに対応する、円柱状の凹部３７ａ’に、屈折率が1.6となるAl2O3が充填されるようにしても良い。
この場合、中間第１層３７におけるSiとAl2O3との体積比は、67:33となる。このため、双方の重み係数rs、およびrAl2O3は、それぞれ0.67および0.33となる。
この結果、中間第１層３７の高さd12は、例えば、31nmとなり、中間第２層３６の高さd11は、例えば、54nmとなり、円柱状の凹部３７ａ’のピッチp11は、例えば、90nmとなり、円柱状の凹部３７ａ’の幅（直径）w12は、例えば、59nmとなる。
これによりSi基板３８上に凹部３７ａ’にAl2O3が充填された中間第１層３７が形成される。なお、中間第１層３７における屈折率n1と、高さd1とがn1×d1<λ/10以下となるような膜厚であれる場合、干渉の影響はほぼ存在しないものと見なすことができるので、中間第１層３７のうち、Si基板３８からの凸部が露出するまでCMPで研磨する必要は必ずしもなく、凹部３７’に充填されたAl2O3が10nm程度残るような構成としても良い。
また、中間第１層３７における凹部３７ａに充填される屈折率調整材料としては、上述した式（２），式（４），式（６）の条件が満たされれば、さらにその他の材質でもよく、例えば、Hf,Al,Ti,Zr,Ta,Nb,Y、およびSrのうち少なくとも一種類以上を含む酸化膜、または窒化膜などであってもよく、例えば、ZrO2でもよい。
このような構成により、上述した図２における場合の構成と同様の効果を奏することが可能となる。
また、Si基板３８上部にAl2O3といった、いわゆるhigh-k材料と呼ばれる高誘電率の材質が用いられることにより、Si基板３８を加工する際にドライエッチングなどによるダメージを保護することが可能となり、さらに、Al2O3など固定電荷を有する膜により界面状態を保護することが可能となる。
＜第３の実施の形態＞
以上においては、中間第１層３７は、１層で形成される例について説明してきたが、中間第１層３７を複数の層で形成されるようにしても良い。
すなわち、例えば、図８で示されるように、中間第１層３７を中間第１層３７−１，３７−２の２層で構成されるようにしてもよい。
図８においては、中間第１層３７が中間第１層３７−１，３７−２の２層で構成されており、中間第１層３７−１においては、凹部３７ａ−１がピッチp11で、高さd11-1で、かつ、幅w11-1で設けられており、中間第１層３７−２においては、凹部３７ａ−２がピッチp11で、高さd11-2で、かつ、幅w11-2で設けられている。
この場合、各層における屈折率の関係により条件が変化する。まず、各層における屈折率の関係については、中間第１層３７−１，３７−２の屈折率が、それぞれn11およびn12である場合、上述した式（６）の関係に対応して、以下の式（７）の関係を満たすことが望ましい。
ns＞n11＞n12＞n2＞ni
・・・（７）
さらに、中間第１層３７−１，３７−２間の屈折率差が所定値（例えば、Si基板３８の屈折率と、中間第１層３７−１の屈折率との差（ns-n11））よりも大きい（n11-n12＞ns-n11）とき、中間第１層３７−１，３７−２のそれぞれにおいて、干渉の効果が大きいとみなせるので、中間第１層３７−１，３７−２の各層において、それぞれ式（２）の関係が満たされるようにする。
一方、中間第１層３７−１，３７−２間の屈折率差が所定値（例えば、Si基板３８の屈折率と、中間第１層３７−１の屈折率との差（ns-n11））よりも小さい（n11-n12＜ns-n11）とき、中間第１層３７−１，３７−２のそれぞれにおいて、干渉の効果が小さいとみなせるので、中間第１層３７−１，３７−２を併せて同一の層とみなし、以下の式（８）の関係が満たされるようにする。
n11×d11-1＋n12×d11-2＋・・・＜3λ/8
・・・（８）
尚、式（８）では、中間第１層３７が３層以上で構成される場合も含む式とされており、その場合、第３層目以降の屈折率は、n13，n14・・・であり、各高さは、d11-3，d11-4・・・となる。図８においては、２層で構成される例が示されているので、式（８）は、「n11×d11-1＋n12×d11-2＜3λ/8」とされる。
中間第１層３７−１，３７−２間の屈折率差が所定値よりも大きく（n11-n12＞ns-n11）、式（２）の条件が満たされる例として、例えば、中間第１層３７−１，３７−２の屈折率が、それぞれn11=3.7、n12=3.1である場合、d11-1=37nm、d11-2=34nmであって、屈折率調整材料がNb2O5（屈折率2.2）のとき、中間第１層３７−１，３７−２の屈折率n11，n12を満たすように、凹部３７ａ−１，３７ａ−２が四角柱により構成されると、ピッチp11は90nmとなり、幅は、それぞれ幅w11-1=42nm、幅w11-2=65nmとなる。
このような構成により、例えば、図９で示されるように、入射光の波長帯が400nm乃至800nmの広い帯域において、Si基板３８からの反射率を2以下に設定することが可能となる。特に、波長λが500乃至520nm前後においては、反射率をほぼ0とすることができる。
＜第４の実施の形態＞
以上においては、中間第１層３７を複数の層で形成する例について説明してきたが、同様に、中間第２層３６を複数の層で形成するようにしてもよい。
すなわち、例えば、図１０で示されるように、中間第２層３６を中間第２層３６−１，３６−２の２層で構成されるようにしてもよい。
図１０においては、中間第２層３６が中間第２層３６−１，３６−２の２層で構成されており、例えば、中間第２層３６−１が、Nb2O5（屈折率2.2）により、高さd12-1で形成され、中間第２層３６−２がAo2O3（屈折率1.65）により、高さd12-2で形成されている。
尚、中間第１層３７については、凹部３７ａが高さd11、幅d11、およびピッチp11で形成されている。
この場合、各層における屈折率の関係により条件が変化する。まず、各層における屈折率の関係については、中間第２層３６−１，３６−２の屈折率が、それぞれn21およびn22である場合、上述した式（６）の関係に対応して、以下の式（９）の関係を満たすことが望ましい。
ns＞n1＞n21＞n22＞ni
・・・（９）
さらに、中間第２層３６−１，３６−２間の屈折率差（n21-n22）が所定値（例えば、酸化膜３５の屈折率と、中間第２層３６−２の屈折率との差（n22-ni））よりも大きい（n21-n22＞n22-ni）とき、中間第２層３６−１，３６−２のそれぞれにおいて、干渉の効果が大きいとみなせるので、中間第２層３６−１，３６−２の各層において、それぞれ式（４）の関係が満たされるようにする。
一方、中間第２層３６−１，３６−２間の屈折率差（n21-n22）が所定値（例えば、酸化膜３５の屈折率と、中間第２層３６−２の屈折率との差（n22-ni））よりも小さい（n21-n22＜n22-ni）とき、中間第２層３６−１，３６−２のそれぞれにおいて、干渉の効果が小さいとみなせるので、中間第２層３６−１，３６−２を併せて同一の層とみなし、以下の式（１０）の関係が満たされるようにする。
n21×d12-1＋n22×d12-2＋・・・＜3λ/8
・・・（１０）
尚、式（１０）では、中間第２層３６が３層以上で構成される場合も含む式とされており、その場合、第３層目以降の屈折率は、n23，n24・・・であり、各高さは、d12-3，d12-4・・・となる。図１０においては、２層で構成される例が示されているので、式（１０）は、「n21×d12-1＋n22×d12-2＜3λ/8」とされる。
中間第２層３６−１，３６−２間の屈折率差（n21-n22）が所定値よりも大きく（n21-n22＞n22-ni）、式（４）の条件が満たされる例として、例えば、中間第２層３６−１，３６−２の屈折率が、それぞれn21=2.2、n22=1.65である場合、高さd12-1=58nm、d12-2=55nmであって、屈折率調整材料がNb2O5（屈折率2.2）のとき、中間第１層３７の屈折率n11を満たすように、凹部３７ａが四角柱により構成されると、ピッチp11が90nmとなり、高さd11が34nmとなり、幅w11は57nmとなる。
このような構成により、例えば、図１１で示されるように、入射光の波長帯が400nm乃至800nmの広い帯域において、Si基板３８からの反射率を1.5以下に設定することが可能となる。特に、波長λが430nmおよび700nm前後においては、反射率をほぼ0とすることができる。
＜第５の実施の形態＞
以上においては、図１で示されるように各画素間にトレンチを形成して、酸化膜３５と同一の材質（SiO2）からなる境界部３５ａを形成することで、隣接する画素間の画素信号のクロストークを低減させる例について説明してきたが、境界部３５ａに代えて、図１２で示されるように、遮光膜３４を構成する金属、例えば、W（タングステン）などからなる境界部３４ａを形成するようにしても良い。
尚、図１２における固体撮像素子１１において、図１における固体撮像素子１１と同一の機能を備えた構成については同一の名称、および同一の符号を付しており、その説明は省略するものとし、以降においても同様とする。
図１２の固体撮像素子１１において、図１の固体撮像素子１１と異なるのは、境界部３５ａに代えて、金属からなる境界部３４ａを遮光膜３４と接続した状態で設けた点である。このようにすることで、電気的な絶縁のみならず、隣接する画素間で遮光することが可能となるので、クロストークをより高い精度で防止することが可能となる。
＜第５の実施の形態の第１の変形例＞
以上においては、遮光膜３４に接続した状態で境界部３４ａが設けられる例について説明してきたが、例えば、遮光膜３４を設けず、境界部３４ａのみを設けるようにしても良い。
すなわち、図１３の固体撮像素子１１で示されるように、遮光膜３４を設けず、境界部３４ａを設けるようにしても良い。
このような構成とすることで、遮光膜３４が設けられていない状態であっても、境界部３４ａが形成されることで、同様の効果を奏することが可能となる。
＜第６の実施の形態＞
以上においては、通常の撮像用の画素について説明してきたが、例えば、画素の一部が遮光されている像面位相差フォーカス画素（ZAF画素）に適用するようにしても良い。
すなわち、図１４の固体撮像素子１１における点線部で囲まれた、ZAF画素として設定された図中の左端の画素については、上面の一部に遮光膜３４が形成されている。このような画素に対しても画素単位でトレンチを設けて、酸化膜３５と同様の材質からなる境界部３５ａを設けるようにすることで、通常画素間のクロストークのみならず、ZAF画素におけるクロストークをも抑制することが可能となる。尚、図１４の固体撮像素子１１においては、ZAF画素においては、遮光膜３４により一部が遮光されるので、Si基板３８の反射を低減させるための構成となる中間第１層３７が形成されていない。
＜第６の実施の形態の第１の変形例＞
以上においては、画素間に酸化膜３５と同一の材質からなる境界部３５ａを設ける例について説明してきたが、図１２における固体撮像素子１１と同様に、画素間に境界部３５ａに代えて、遮光膜３４を構成する金属と同一の材質からなる境界部３４ａを設けるようにしても良い。
すなわち、図１５における固体撮像素子１１で示されるように、画素間に境界部３５ａに代えて、遮光膜３４を構成する金属と同一の材質からなる境界部３４ａが設けられている。
このような構成により、より高い精度で、通常画素間のクロストークのみならず、ZAF画素におけるクロストークをも抑制することが可能となる。
＜第６の実施の形態の第２の変形例＞
以上においては、画素間に遮光膜３４を構成する金属と同一の材質からなる境界部３４ａを設けるようにした例について説明してきたが、さらに、図１３の固体撮像素子１１と同様に、遮光膜３４を設けず、境界部３４ａのみを設けるようにしても良い。
すなわち、図１６における固体撮像素子１１で示されるように、画素間に遮光膜３４を設けず、遮光膜３４を構成する金属と同一の材質からなる境界部３４ａが設けられている。
このような構成により、より高い精度で、通常画素間のクロストークのみならず、ZAF画素におけるクロストークをも抑制することが可能となる。
＜第６の実施の形態の第３の変形例＞
以上においては、像面位相差フォーカス画素（ZAF画素）において、中間第１層３７が形成されない例について説明してきたが、ZAF画素においても、中間第１層３７が設けられるようにしてもよい。
すなわち、図１７の固体撮像素子１１で示されるように、ZAF画素として設定された図中の左端の画素についても中間第１層３７が形成されている。このような構成により、ZAF画素に対してもSi基板３８における反射光を抑制することが可能となり、より高い精度で、かつ、高速にフォーカスを合わせることが可能となる。尚、図示しないが、図１７における固体撮像素子１１に対しても、境界部３５ａに変えて、境界部３４ａを設けるようにしても良いし、遮光膜３４を省略して、境界部３４ａのみを設けるようにしても良い。
＜電子機器への適用例＞
上述した固体撮像素子は、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装置、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１８は、本技術を適用した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１８に示される撮像装置２０１は、光学系２０２、シャッタ装置２０３、固体撮像素子２０４、駆動回路２０５、信号処理回路２０６、モニタ２０７、およびメモリ２０８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２０２は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの光（入射光）を固体撮像素子２０４に導き、固体撮像素子２０４の受光面に結像させる。
シャッタ装置２０３は、光学系２０２および固体撮像素子２０４の間に配置され、駆動回路１００５の制御に従って、固体撮像素子２０４への光照射期間および遮光期間を制御する。
固体撮像素子２０４は、上述した固体撮像素子を含むパッケージにより構成される。固体撮像素子２０４は、光学系２０２およびシャッタ装置２０３を介して受光面に結像される光に応じて、一定期間、信号電荷を蓄積する。固体撮像素子２０４に蓄積された信号電荷は、駆動回路２０５から供給される駆動信号（タイミング信号）に従って転送される。
駆動回路２０５は、固体撮像素子２０４の転送動作、および、シャッタ装置２０３のシャッタ動作を制御する駆動信号を出力して、固体撮像素子２０４およびシャッタ装置２０３を駆動する。
信号処理回路２０６は、固体撮像素子２０４から出力された信号電荷に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路２０６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２０７に供給されて表示されたり、メモリ２０８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２０１においても、上述した固体撮像素子２０４に代えて、固体撮像素子１１を適用することにより、Si基板３８における反射を抑制し、感度を向上すると共に、フレアやゴーストを低減することが可能となる。
＜固体撮像素子の使用例＞
図１９は、上述の固体撮像素子を使用する使用例を示す図である。
上述した固体撮像素子は、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
尚、本技術は、以下のような構成も取ることができる。
＜１＞ 半導体基板と、
前記半導体基板内に設けられた光電変換部を有する第１画素と、
断面視で前記第１画素と隣接する複数の画素との間に設けられたトレンチと、
前記光電変換部上に設けられ、断面視で凹凸構造を有する第１層と、
前記第１層上に設けられ、第１絶縁膜のみを有する第２層と、
前記第２層上に設けられ、第２絶縁膜を有する第３層とを有し、
前記第１絶縁膜は、第１の屈折率を有し、
前記第２絶縁膜は、第２の屈折率を有し、
前記第１層は、前記第１絶縁膜を有し、
前記第１の屈折率は、前記半導体基板の屈折率よりも小さく、
前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率よりも小さく、
平面視において前記凹凸構造は、前記第１画素内において格子形状を形成する
光検出装置。
＜２＞ 前記トレンチは、平面視で前記第１画素を完全に取り囲む
＜１＞に記載の光検出装置。
＜３＞ 前記トレンチは、前記第１絶縁膜を含む
＜１＞に記載の光検出装置。
＜４＞ 前記第１絶縁膜は、金属酸化膜である
＜１＞に記載の光検出装置。
＜５＞ 前記金属酸化膜は、酸化ハフニウムである
＜４＞に記載の光検出装置。
＜６＞ 前記第２絶縁膜は、酸化シリコンである
＜１＞乃至＜５＞のいずれかに記載の光検出装置。
＜７＞ 前記半導体基板の光入射面とは反対となる面側に配線層をさらに有する
＜１＞乃至＜６＞のいずれかに記載の光検出装置。
＜８＞ 前記トレンチの上方に遮光膜をさらに有する
＜１＞乃至＜７＞のいずれかに記載の光検出装置。
＜９＞ 前記遮光膜は、金属を含む
＜８＞に記載の光検出装置。
＜１０＞ 前記金属は、タングステンである
＜９＞に記載の光検出装置。
＜１１＞ 前記遮光膜は、前記トレンチの内部に設けられている
＜８＞に記載の光検出装置。
＜１２＞ 前記トレンチは、前記凹凸構造における凹部よりも前記半導体基板の厚さ方向に深い
＜１＞乃至＜１１＞のいずれかに記載の光検出装置。
＜１３＞ 前記第３層の上方にカラーフィルタをさらに有する
＜１＞乃至＜１２＞のいずれかに記載の光検出装置。
＜１４＞ 前記カラーフィルタの上方にレンズをさらに有する
＜１３＞に記載の光検出装置。
＜１５＞ 前記凹凸構造における凹部は、第１の幅と、前記第１の幅とは異なる第２の幅を有する
＜１＞乃至＜１４＞のいずれかに記載の光検出装置。
＜１６＞ 前記第２層と前記第３層との間に膜厚が5nm以下の膜をさらに有する
＜１＞乃至＜１５＞のいずれかに記載の光検出装置。
＜１７＞ 半導体基板と、
前記半導体基板内に設けられた光電変換部を有する第１画素と、
断面視で前記第１画素と隣接する複数の画素との間に設けられたトレンチと、
前記光電変換部上に設けられ、断面視で凹凸構造を有する第１層と、
前記第１層上に設けられ、第１絶縁膜のみを有する第２層と、
前記第２層上に設けられ、第２絶縁膜を有する第３層とを有し、
前記第１絶縁膜は、第１の屈折率を有し、
前記第２絶縁膜は、第２の屈折率を有し、
前記第１層は、前記第１絶縁膜を有し、
前記第１の屈折率は、前記半導体基板の屈折率よりも小さく、
前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率よりも小さく、
平面視において前記凹凸構造は、前記第１画素内において格子形状を形成する
測距センサ。
１１ 固体撮像素子， ３１ レンズ， ３２ カラーフィルタ， ３３ 平坦化膜， ３４ 遮光膜， ３４ａ 境界部， ３５ 酸化膜， ３５ａ 境界部， ３６，３６−１，３６−２ 中間第２層， ３６ａ 境界部， ３７，３７−１，３７−２ 中間第１層， ３７ａ，３７ａ’ 凹部， ３８ Si基板

Claims (17)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板内に設けられた光電変換部を有する第１画素と、
    断面視で前記第１画素と隣接する複数の画素との間に設けられたトレンチと、
    前記光電変換部上に設けられ、断面視で凹凸構造を有する第１層と、
    前記第１層上に設けられ、第１絶縁膜のみを有する第２層と、
    前記第２層上に設けられ、第２絶縁膜を有する第３層とを有し、
    前記第１絶縁膜は、第１の屈折率を有し、
    前記第２絶縁膜は、第２の屈折率を有し、
    前記第１層は、前記第１絶縁膜を有し、
    前記第１の屈折率は、前記半導体基板の屈折率よりも小さく、
    前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率よりも小さく、
    平面視において前記凹凸構造は、前記第１画素内において格子形状を形成する
    光検出装置。
  2. 前記トレンチは、平面視で前記第１画素を完全に取り囲む
    請求項１に記載の光検出装置。
  3. 前記トレンチは、前記第１絶縁膜を含む
    請求項１に記載の光検出装置。
  4. 前記第１絶縁膜は、金属酸化膜である
    請求項１に記載の光検出装置。
  5. 前記金属酸化膜は、酸化ハフニウムである
    請求項４に記載の光検出装置。
  6. 前記第２絶縁膜は、酸化シリコンである
    請求項１に記載の光検出装置。
  7. 前記半導体基板の光入射面とは反対となる面側に配線層をさらに有する
    請求項１に記載の光検出装置。
  8. 前記トレンチの上方に遮光膜をさらに有する
    請求項１に記載の光検出装置。
  9. 前記遮光膜は、金属を含む
    請求項８に記載の光検出装置。
  10. 前記金属は、タングステンである
    請求項９に記載の光検出装置。
  11. 前記遮光膜は、前記トレンチの内部に設けられている
    請求項８に記載の光検出装置。
  12. 前記トレンチは、前記凹凸構造における凹部よりも前記半導体基板の厚さ方向に深い
    請求項１に記載の光検出装置。
  13. 前記第３層の上方にカラーフィルタをさらに有する
    請求項１に記載の光検出装置。
  14. 前記カラーフィルタの上方にレンズをさらに有する
    請求項１３に記載の光検出装置。
  15. 前記凹凸構造における凹部は、第１の幅と、前記第１の幅とは異なる第２の幅を有する
    請求項１に記載の光検出装置。
  16. 前記第２層と前記第３層との間に膜厚が5nm以下の膜をさらに有する
    請求項１に記載の光検出装置。
  17. 半導体基板と、
    前記半導体基板内に設けられた光電変換部を有する第１画素と、
    断面視で前記第１画素と隣接する複数の画素との間に設けられたトレンチと、
    前記光電変換部上に設けられ、断面視で凹凸構造を有する第１層と、
    前記第１層上に設けられ、第１絶縁膜のみを有する第２層と、
    前記第２層上に設けられ、第２絶縁膜を有する第３層とを有し、
    前記第１絶縁膜は、第１の屈折率を有し、
    前記第２絶縁膜は、第２の屈折率を有し、
    前記第１層は、前記第１絶縁膜を有し、
    前記第１の屈折率は、前記半導体基板の屈折率よりも小さく、
    前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率よりも小さく、
    平面視において前記凹凸構造は、前記第１画素内において格子形状を形成する
    測距センサ。
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