JP5814626B2 - 光電変換装置及び光電変換装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は光電変換装置及び光電変換装置の製造方法に関する。

焦点検出機能を有するデジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラが広く一般に普及している。これらカメラにはＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の光電変換装置が使用されている。焦点検出を行う方法の１つとして、光電変換装置に瞳分割位相差方式による焦点検出用の画素を組み込んだ光電変換装置が提案されている。特許文献１では、遮光膜にて光電変換素子の一部が遮光された焦点検出用の画素を組み込んだ光電変換装置が開示されている。

特開２００９−１０９９６５号公報

特許文献１では、焦点検出用の画素の特徴である遮光膜の配置については何ら検討がなされていない。遮光膜の配置は、精度よく焦点検出を行うためには重要である。
そこで、本発明においては精度よく焦点検出を行うための遮光膜の構成及びその製造方法について提供する。

本発明の光電変換装置は、それぞれが光電変換素子を含む複数の焦点検出用の画素と、前記光電変換素子で生じた信号を読み出すための複数の配線層とを有する光電変換装置において、前記複数の配線層の最下層の配線層の下面に比べて、前記光電変換素子の受光面を含み前記受光面に平行な面に近接した下面を有し、前記光電変換素子の一部の上を覆う遮光膜を含む。
本発明の光電変換装置の製造方法は、それぞれ光電変換素子を含む複数の焦点検出用の画素と、前記光電変換素子で生じた信号を読み出すための複数の配線層とを有する光電変換装置の製造方法において、前記光電変換素子を覆う絶縁膜を形成する工程と、コンタクトホールを前記絶縁膜に形成する工程と、前記コンタクトホールにコンタクトプラグを形成する工程と、前記光電変換素子の一部を覆う溝を前記絶縁膜に形成する工程と、前記溝に不透明膜を形成する工程と、を有する。
また、本発明の光電変換装置の製造方法は、それぞれが光電変換素子を含む複数の焦点検出用の画素と、前記光電変換素子で生じた信号を読み出すための複数の配線層とを有する光電変換装置の製造方法において、前記光電変換素子を覆う第１の絶縁膜を形成する工程と、前記第１の絶縁膜を覆う不透明膜を形成する工程と、前記不透明膜をパターニングし、前記光電変換素子の一部を覆う遮光膜を形成する工程と、前記遮光膜を覆う第２の絶縁膜を形成する工程と、前記第２の絶縁膜の上に、前記複数の配線層のうち、最下層の配線層を形成する工程と、を有する。

本発明の光電変換装置によって、焦点検出を精度よく行うことが可能となる。また、本発明の光電変換装置の製造方法によって、精度良い焦点検出を可能にする遮光膜が形成可能となる。

第１の実施例の光電変換装置を説明する断面図である。 第１の実施例の光電変換装置の製造方法を説明する断面図である。 第１の実施例の光電変換装置を説明する回路図及び平面図である。 第１の実施例の光電変換装置を説明する平面図である。 第１の実施例の光電変換装置の変形例を説明する断面図である。 第２の実施例の光電変換装置を説明する断面図である。 第２の実施例の光電変換装置の製造方法を説明する断面図である。 第１の実施例の光電変換装置を説明する断面図である。

本発明の光電変換装置は、それぞれ光電変換素子を含む複数の焦点検出用の画素を有し、その上に配された複数の配線層を含む。そして、光電変換装置は、光電変換素子の一部の上を覆い、下面が複数の配線層のうち最下層の配線層の下面に比べて、光電変換素子の表面に近接する遮光膜を有する。このような遮光膜を有することで、光電変換素子の表面に近接した位置で瞳分割を行うため、焦点検出精度を向上することが可能となる。

また、本発明の光電変換装置の製造方法は、それぞれ光電変換素子を含む複数の焦点検出用の画素と、複数の配線層とを有する光電変換装置における製造方法である。その１つは、光電変換素子を覆う絶縁膜を形成する工程と、コンタクトホールを絶縁膜に形成する工程とを有する。そして、コンタクトホールにコンタクトプラグを形成する工程と、光電変換素子の一部を覆う溝を絶縁膜に形成する工程と、溝に不透明膜を形成する工程を有する。また、別の１つは、光電変換素子を覆う第１の絶縁膜を形成する工程と、第１の絶縁膜を覆う不透明膜を形成する工程とを有する。そして、不透明膜をパターニングし、光電変換素子の一部を覆う遮光膜を形成する工程と、遮光膜を覆う第２の絶縁膜を形成する工程と、第２の絶縁膜の上に、複数の配線層のうち、最下層の配線層を形成する工程と、を有する。これらの製造方法によって、精度良い焦点検出を可能にする遮光膜を容易に形成可能となる。

以下、実施例の説明において、半導体基板の表面から半導体基板の内部に向かう方向を下とし、その反対の方向を上とする。また、配線層は複数の配線パターンを含むものである。つまり、配線層の上面及び下面は、配線パターンの上面及び下面ともいえる。

本実施例の光電変換装置について、図１乃至図４を用いて説明する。まず、本実施例の光電変換装置の画素回路及び撮像領域について、図３（ａ）及び図３（ｂ）を用いて説明する。

図３（ａ）は、１つの画素の回路図である。本実施例の光電変換装置が有する撮像用の画素と焦点検出用の画素は、いずれも図３（ａ）に示す回路構成を有している。図３（ａ）においては、トランジスタはＮ型のＭＯＳＦＥＴであり、信号電荷は電子である場合を説明する。図３（ａ）において、画素３０１は、光電変換素子であるフォトダイオード（以下ＰＤ）３０２と、複数のトランジスタを含む。複数のトランジスタは、転送トランジスタ３０３と、リセットトランジスタ３０４と、増幅トランジスタ３０５と、選択トランジスタ３０６とを含む。転送トランジスタ３０３はそのソースに接続したＰＤ３０２から、そのドレインに接続したフローティングディフュージョン部（以下ＦＤ部）へ、信号電荷を転送する。図３（ａ）のノード３０８はＦＤ部のノードである。ノード３０８は、転送トランジスタ３０３のドレインと、増幅トランジスタ３０５のゲート電極と、リセットトランジスタ３０４のソースとを含む。増幅トランジスタ３０５は、ＦＤ部の電位に基づく信号、すなわち信号電荷に基づく信号を出力する。選択トランジスタ３０６は信号線３０７と接続しており、増幅トランジスタ３０５からの信号を出力するタイミングを制御する。リセットトランジスタ３０４は、ＦＤ部の電位をリセットする。つまり、リセットトランジスタ３０４は、ＦＤ部に転送された信号電荷を排出する。

本実施例では、撮像用の画素と焦点検出用の画素はこのような画素回路を有する。なお、光電変換素子はフォトダイオードに限らずフォトゲートなどでもよく、複数のトランジスタが複数の光電変換素子によって共有化されていてもよい。また、選択トランジスタがない画素回路や増幅トランジスタがＰ型のＭＯＳＦＥＴ等、構成は任意に選択可能である。

図３（ｂ）は、撮像用の画素と焦点検出用の画素を有する光電変換装置の平面模式図である。図３（ａ）に示した回路を有する画素３０１が、２次元に配置された撮像領域３２０を示している。撮像領域３２０においては、撮像用の画素３０１ａと焦点検出用の画素３０１ｂがＸＹ方向に配列している。ここで、焦点検出用の画素３０１ｂは、１行（Ｘ方向）と１列（Ｙ方向）に配置され、撮像領域３２０の中心で交差している。つまり、焦点検出用の画素３０１ｂは、十字に配置されている。しかしながら、この配置は適宜変更可能である。

図３（ｂ）は、撮像用の画素３０１ａと焦点検出用の画素３０１ｂのそれぞれは、共に、画素に入射する光を光電変換素子へ集光する光学素子、ここではマイクロレンズ３２４ａ及びマイクロレンズ３２４ｂを有する。撮像用の画素３０１ａの光電変換素子は受光面３２３を有する。焦点検出用の画素３０１ｂは開口３２１を有する遮光膜３２２を有する。遮光膜３２２はハッチングが施されている部分である。そして、焦点検出用の画素３０１ｂの光電変換素子も撮像用の画素３０１ａの光電変換素子の受光面３２３と同様な受光面を有するが、ここでは遮光膜３２２に覆われている。このような配置の焦点検出用の画素３０１ｂを用いて、位相差を測定するための瞳分割された像の信号を入手し、焦点検出を行う。そして、焦点検出用の画素３０１ｂ以外の撮像用の画素３０１ａを用いて、画像生成に使用する信号を入手する。このような焦点検出用の画素３０１ｂの遮光膜について、図１を用いて説明する。

図１は、本実施例の光電変換装置の焦点検出用の画素３０１ｂのＰＤと転送トランジスタの部分の模式的な断面図である。光電変換装置１００は、ＰＤと転送トランジスタを有する半導体基板１０３を有する。半導体基板１０３は、表面Ｓを有し、Ｎ型のシリコン半導体基板の母材部分１０１と、その上に形成された半導体領域１０２とを含みうる。半導体基板はエピタキシャル層を含んでいてもよい。半導体領域１０２は、母材部分であってもよく、イオン注入で形成されたＮ型の半導体領域であってもよいが、ここではイオン注入で形成されたＰ型の半導体領域である。ＰＤは信号電荷を蓄積するＮ型の半導体領域１０５と、その上に設けられたＰ型の半導体領域１０６とを有する。ＰＤの表面、すなわち受光面は、半導体基板１０３の表面Ｓに平行で、表面Ｓに含まれる。転送トランジスタは、ゲート絶縁膜１０９上に配置されたゲート電極１０８を有する。転送トランジスタのソースは半導体領域１０５と一体となっており、転送トランジスタのドレインはＮ型の半導体領域１０７と一体となっている。Ｎ型の半導体領域１０７は、いわゆるＦＤ部である。半導体領域１０７の半導体基板１０３の表面Ｓ側には、半導体領域１０７よりも不純物濃度が高い、コンタクトプラグ１１５との導通を取るための半導体領域１１０が配置されている。ＰＤやＦＤ部は素子分離１０４で分離されている。素子分離１０４はＳＴＩ法やＬＯＣＯＳ法によって形成されている。また、ＰＤやＦＤ部の上、つまり表面Ｓの上にはゲート絶縁膜１０９と一体の絶縁膜、あるいは別体の絶縁膜が設けられていてもよい。例えば、ゲート絶縁膜１０９や別体の絶縁膜は酸化シリコンからなる。

このような素子の上に、絶縁膜１１１〜１１４が半導体基板１０３の表面Ｓからこの順に設けられている。絶縁膜１１１は窒化シリコンからなり、コンタクトプラグ１１５の周りに配され、ＰＤの受光面を覆って配置されている。絶縁膜１１２〜１１４は、酸化シリコンからなり、いわゆる層間絶縁膜として機能する。絶縁膜１１２〜１１４は、半導体基板１０３と配線層との間、配線層と配線層の間、及び配線層の上に設けられている。絶縁膜１１４の上には、半導体基板の表面Ｓからこの順に、例えば酸窒化シリコンからなる反射防止膜１３０と、窒化シリコンからなる保護膜１３１とが配置されている。そして、保護膜１３１の上には、半導体基板の表面Ｓからこの順に、有機樹脂からなる平坦膜１３２と、カラーフィルタ１３３と、有機樹脂からなる平坦膜１３４と、マイクロレンズ１３５とが配置されている。保護膜１３１と平坦化膜１３２との間に、更に反射防止膜を有していてもよい。

複数の配線層、コンタクトプラグ、及びビアプラグが絶縁膜１１１〜１１４の間に配置されている。半導体基板１０３の素子と接続したコンタクトプラグ１１５は、その側面を絶縁膜１１１及び絶縁膜１１２に囲まれている。コンタクトプラグ１１５の上面は絶縁膜１１２の上面と同一高さにある。ここで、高さとは半導体基板１０３の表面Ｓからの高さ（すなわち距離）である。コンタクトプラグ１１５と接続した配線層１１８は、コンタクトプラグ１１５及び絶縁膜１１２の上に設けられている。配線層１１８の下面１２４は絶縁膜１１２の上面と同一の高さにある。同一の高さとは、実質的に同一の高さである場合を含み、例えば、半導体装置、つまり光電変換装置の製造時の誤差の分の高さが異なる場合を含む。絶縁膜１１３には、配線層１１８と接続したビアプラグ１１６が配置されている。そして、ビアプラグ１１６と接続した第２層の配線層１１９が絶縁膜１１３の上に設けられており、絶縁膜１１４で覆われている。ここで第１層の配線層１１８は、複数の配線層の中で半導体基板の表面Ｓに最も近接して設けられている。つまり、配線層１１８は複数の配線層の中で最も下層の、最下層の配線層である。

このような構成の焦点検出用の画素３０１ｂにおいて、ＰＤの上に、ＰＤの一部を覆う遮光膜１２０が設けられている。遮光膜は不透明膜からなり、例えば、黒樹脂などの有機材料や、シリコンカーバイドなどの無機材料や、タングステンなどの金属材料などが挙げられる。また、不透明膜は低い透過率を有する膜であればよく、完全に不透明でなくてもよい。本実施例では、金属材料のタングステンを用いた場合を示している。遮光膜１２０は開口１２１が設けられており、開口１２１においてはＰＤを遮光していない。この遮光膜１２０は、ＰＤ側の面である下面１２２とその反対の面である上面１２３とを有する。遮光膜１２０は、半導体基板の表面Ｓに最も近接して配された配線層１１８よりも、半導体基板の表面Ｓに近接している。つまり、遮光膜１２０は、半導体基板の表面Ｓに最も近接して配された配線層１１８よりも、低い位置に配置されている。より詳細には、遮光膜１２０の下面１２２は、配線層１１８の下面１２４よりも、半導体基板の表面Ｓに近接している。このような遮光膜を有することで、光電変換素子の表面に近接した位置で瞳分割を行うため、焦点検出精度を向上することが可能となる。ここで、高い、低い、とは半導体基板の表面Ｓを基準とした時の高さ（上方向が高い）を示している。

ここで、遮光膜１２０の高さについて図８を用いて説明する。図８（ａ）及び図８（ｂ）は、焦点検出用の画素３０１ｂにおける光電変換素子であるＰＤと、遮光膜１２０と、マイクロレンズ８０１、８０２と、入射する光束８０３〜８０８を示した模式的な断面図である。ここで、図１と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。

マイクロレンズ８０１、８０２は、焦点検出用の画素及び撮像用の画素にも設けられており、１つの画素に対して１つが配置されている。図８（ａ）のマイクロレンズ８０１の焦点Ｆ１は遮光膜１２０近傍にあり、図８（ｂ）のマイクロレンズ８０２の焦点Ｆ２は、図８（ａ）よりも遮光膜１２０から離れている。図８（ａ）及び図８（ｂ）において、２つに分けた射出瞳領域の一方からの光束８０３、８０５、８０７（Ａ像を形成）と、他方からの光束８０４、８０６、８０８（Ｂ像を形成）を示している。なお、これらＡ像とＢ像を比較することで、焦点検出に必要な信号を取得することが出来る。そして、光束８０３〜８０８のうち、ハッチングが施された光束８０４〜８０６はＰＤに入射し、ハッチングが施されていない光束８０３、８０７、８０８はＰＤに入射しない。図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、マイクロレンズの焦点が遮光膜に近い図８（ａ）の方が、Ａ像を形成する光束を遮光し、Ｂ像を形成する光束を入射させることが出来る。

ここで、遮光膜１２０が半導体基板の表面Ｓから離れていると、回折によって所望の光が広がりＰＤに入射する量が低減してしまう。また、一般に複数の配線層のうちの１層、あるいは複数の配線層の配線パターンが光電変換素子への入射光を規定する。このような開口を規定する配線層よりも上、つまり遮光膜１２０が半導体基板の表面Ｓから離れていると、光束の分離時あるいは分離後に隣接画素からの迷光が混入しやすくなってしまう。よって、焦点検出に必要な情報が減少したり、不必要な情報が混入するため、焦点検出精度が低下してしまう。したがって、図１に示すように遮光膜１２０が最下層の配線層１１８よりも半導体基板の表面Ｓに近いことで、最下層の配線層１１８によって隣接画素からの迷光を低減しつつ、光束の分離をすることが可能となる。また、回折した光が最下層の配線層１１８にて蹴られることがないため、隣接画素への迷光になることも低減される。

また、遮光膜１２０が半導体基板の表面Ｓから離れている場合には、図８（ａ）及び図８（ｂ）の比較より、マイクロレンズの焦点位置も半導体基板の表面Ｓから離れた位置に設けることが望ましい。つまり、マイクロレンズの曲率を高める必要がある。しかしながら、一般のマイクロレンズの製造方法においては、曲率を高めることは難しい。よって、図１に示すように遮光膜１２０が半導体基板の表面Ｓに近い、つまり、最も半導体基板に近接する層の配線層１１８よりも半導体基板の表面Ｓに近いことが望ましい。また、撮像用の画素のマイクロレンズは焦点がＰＤの受光面に設けられるように設計されうる。よって、遮光膜が最も半導体基板に近接する層の配線層よりも半導体基板の表面Ｓに近いことで、焦点検出精度を低下させずに、撮像用の画素のマイクロレンズと同一のマイクロレンズを焦点検出用の画素に適用することが可能である。

なお、図１において、遮光膜１２０の上面１２３は、配線層１１８の下面１２４、コンタクトプラグ１１５の上面、あるいは、絶縁膜１１２の上面と実質的に同一高さに位置している。本実施例において、実質的に同一高さとは、製造時の誤差等の分、高さが異なる場合を含むものとする。

次に、図２（ａ）〜図２（ｆ）を用いて、図１に示した光電変換装置の焦点検出用の画素３０１ｂの部分の製造方法を説明する。図２（ａ）〜図２（ｆ）は図１に対応した光電変換装置の焦点検出用の画素３０１ｂの断面図であり、対応した構成については同一の符号を付しており、説明を省略する。

まず、図２（ａ）に示すように、素子が形成された半導体基板を準備する。ここでは、半導体基板１０３にＰＤと転送トランジスタのみが設けられているが、もちろん、画素のトランジスタや画素領域以外の回路を構成するトランジスタ等が形成されている（不図示）。

図２（ａ）のような半導体基板１０３の上に素子を覆う絶縁膜２０１と絶縁膜２０２を形成する。絶縁膜２０１は窒化シリコンからなり、後の絶縁膜１１１となる。絶縁膜２０１は、プラズマＣＶＤ法や低圧プラズマＣＶＤ法等によって形成される。絶縁膜２０１はゲート電極１０８等の形状を踏襲した表面を有する。絶縁膜２０２は酸化シリコンやＢＰＳＧからなり、後の絶縁膜１１２となる。ここでは、絶縁膜２０２は、酸化シリコンでありプラズマＣＶＤ法によって形成される。そして、絶縁膜２０２の表面は、例えばＣＭＰ法によって平坦化されている（図２（ｂ））。

次に、図２（ｃ）に示すように、絶縁膜２０２の上にフォトレジストパターン２０３を形成する。フォトレジストパターン２０３は、フォトレジスト膜を所望のパターンにパターニングされて形成されている。ここで、フォトレジストパターン２０３は、開口２０４を有している。この状態で、フォトレジストパターン２０３をマスクとして、絶縁膜２０２に対してエッチングを行う。続いて、絶縁膜２０１に対してエッチングを行い、図１に示したコンタクトプラグ１１５のためのコンタクトホールを形成する。絶縁膜２０２は図２（ｄ）に示すようなコンタクトホール２０７を有する絶縁膜２０６となる。絶縁膜２０１は、絶縁膜２０２に対するエッチングの際のエッチングストップとして機能しうる。そして、エッチングが完了した後に、フォトレジストパターン２０３を除去する。

図２（ｃ）の工程の後、絶縁膜２０６の上に、フォトレジストパターン２０８を形成する。フォトレジストパターン２０８は、図１に示した遮光膜のための開口２０９を有する。また、フォトレジストパターン２０８は図１に示したコンタクトプラグ１１５のためのコンタクトホール２０７を埋める。そして、フォトレジストパターン２０８をマスクとして、絶縁膜２０６に対してエッチングを行い、図２（ｅ）に示す遮光膜のための溝２１０を形成する。絶縁膜２０６は図２（ｅ）に示す溝２１０を有する絶縁膜１１２となる。本実施例において、このエッチングは、エッチングによって形成される溝が、コンタクトホール２０７よりも浅くなるように制御される。つまり、後に形成されるコンタクトプラグの上面と下面の間は、遮光膜の上面と下面の間よりも長くなる。そして、エッチングが完了した後に、フォトレジストパターン２０８を除去する。

図２（ｅ）では、コンタクトホール２０７によって半導体基板の表面Ｓが露出している領域に、コンタクトプラグの接続のための半導体領域１１０を形成する。半導体領域１１０は絶縁膜１１２をマスクとしてイオン注入を行うことで形成される。ここでは、イオン注入はｎ型の半導体領域を形成可能なヒ素やリンを用いて行われる。また、このイオン注入は、図２（ｃ）のコンタクトホール形成後に、フォトレジストパターン２０３を用いて行ってもよい。

図２（ｅ）の後に、コンタクトプラグ及び遮光膜となる金属を形成する。絶縁膜１１２の上面、コンタクトホール２０７、及び溝２１０を覆って埋める金属膜、例えばタングステンをＣＶＤによって形成する。その後、絶縁膜１１２の上面を覆う余剰の金属膜を、ＣＭＰ法あるいはエッチング法によって除去し、コンタクトプラグ１１５と遮光膜１２０とを形成する。ここで、コンタクトプラグ１１５と遮光膜１２０と絶縁膜１１２の上面は、実質的に同一の面に含まれる。その後、配線層、絶縁膜、及びプラグを一般の半導体プロセスによって形成することで、図１の光電変換装置が形成される。以上の製造方法において、金属膜、コンタクトプラグ、あるいは配線層は、主にそれらを構成する金属層の他にバリアメタルを有していることは言うまでもない。また、本実施例では、コンタクトプラグ１１５を形成する工程と遮光膜１２０を形成する工程とを同一工程（同じタイミング）で行っているが、別のタイミングで行ってもよい。以上述べてきたように、本実施例の光電変換装置の製造方法によって、精度良い焦点検出を可能にする遮光膜が形成可能となる。

次に、遮光膜１２０の平面レイアウトについて図４を用いて説明する。図４（ａ）は、図１の光電変換装置の平面模式図である。この平面模式図は、表面Ｓの垂直上方から表面Ｓに向かってみた時の、任意の構成の表面Ｓへの投影図である。図４（ａ）では、ＰＤを形成する半導体領域１０５と、ゲート電極１０８と、遮光膜１２０と、ＦＤ部を形成する半導体領域１０７と、配線層１１９とを示している。半導体領域１０５と半導体領域１０７との間にゲート電極１０８が配置されており、半導体領域１０７と重なるようにして配線層１１９が配置されている。ここで、遮光膜１２０は、半導体領域１０５と重なるように配置されている。遮光膜１２０はゲート電極１０８の少なくとも一部と重なるように配置されている。また、遮光膜１２０は半導体領域１０７の少なくとも一部と重なるように配置されている。実際には、半導体領域１０５の上とゲート電極１０８の上と半導体領域１０７の一部の上に配置されている。半導体領域１０５の上から、ゲート電極１０８と半導体領域１０７の上まで延在しているともいえる。このような構成によって、所望の光以外の光（迷光）が光電変換素子、及び半導体領域１０７に混入することを低減させることが可能となる。なお、半導体領域１０７には、コンタクトプラグ１１５が配置される。よって、半導体領域１０７の全面には遮光膜１２０が延在していないことが好ましく、より半導体領域１０７の上に配置されていないことが望ましい。コンタクトプラグ１１５と遮光膜１２０との電気的接続を防ぐためである。

また、表面ＳにおけるＰＤを構成する半導体領域１０５の４辺４０１〜４０４が形成する領域の面積よりも遮光膜１２０の外縁が形成する領域の面積の方が大きい。このように遮光膜１２０を半導体領域１０５よりも大きく配置することで、所望の光以外の光（迷光）が光電変換素子に混入することを低減させることが可能となる。更に、遮光膜１２０と配線層１１９とが重なっている。このような構成によって、更に半導体領域１０７に、望まぬ光が入射することを低減することが可能となる。

また、図４（ａ）において、遮光膜１２０の開口１２１の中心は、半導体領域１０５の中心からオフセットしている。図４（ａ）において、半導体領域１０５は少なくとも３つの辺４０１〜４０３によって構成されている。そして、平面的に見ると、半導体領域１０５は、ゲート電極１０８の一辺である辺４０４と、辺４０１〜４０３によって外縁が規定される。ここで、このような４つの辺で囲まれた領域、つまり半導体基板の表面Ｓにおける半導体領域１０５の領域の中心を位置Ｏとする。また、図４（ａ）において、遮光膜１２０の開口１２１の中心は位置Ａである。ここで、位置Ｏと位置Ａとはオフセットしている。ここで、オフセットの量は、距離Ｘ１である。また、表面Ｓにおける半導体領域１０５を規定する辺、例えば辺４０１に対して、位置Ａと辺４０１との距離は位置Ｏと辺４０１との距離よりも小さい。例えば、光電変換素子ＰＤが矩形である場合には４つの辺のうち、対向する２辺の間において、位置Ａは２辺のうちのいずれか１辺との距離が位置Ｏといずれか１辺との距離よりも小さくなるように配置されている。また、位置Ｏは辺４０１から距離Ｘ１と距離Ｘ２の和だけ離れており、位置Ａは辺４０１から距離Ｘ２だけ離れている。このような構成によって、瞳分割された像を光電変換素子へ入射させることが可能となる。ここで、距離とは位置Ｏあるいは位置Ａとある１辺とを最短に結ぶ線分の長さである。

また、開口１２１を規定する辺のうち、位置Ｏに近い開口を規定する辺４０５は、位置Ｏあるいは位置Ｏよりも辺４０１側に配置されている。瞳分割された像を光電変換素子へ入射させることが可能となる。

なお、対となる焦点検出画素においては、図４（ａ）の配置を有する画素がゲート電極１０８のチャネル幅方向に平行な線分を基準に線対称に配置される。あるいは、図４（ａ）の配置において、位置Ｏと辺４０４との距離よりも位置Ａと辺４０４との距離の方が小さくなるように開口が配置される。

次に、図４（ａ）の遮光膜の変形例について図４（ｂ）を用いて説明する。図４（ｂ）は図４（ａ）に対応した平面模式図であり、同一の構成については同一の符号を付し説明を省略する。ここで、図４（ｂ）の図４（ａ）との違いは、遮光膜及びその開口の形状である。図４（ｂ）では、遮光膜４０６は開口４０７を有する。ここで、開口４０７は図４（ａ）の開口１２１と比べて遮光膜で囲まれていない。開口４０７は、スリットや、遮光膜の間隔ともいえる。このような場合の開口４０７の中心は、遮光膜の外縁である辺４０８と辺４０９と、半導体領域１０５の辺４０２と辺４０３とで囲まれる領域の中心である位置Ｂとする。位置Ｂも図４（ａ）の位置Ａと同様に位置Ｏからオフセットしており、その量は距離Ｘ１である。その他の関係は図４（ａ）と同様である。このように、スリットのような開口４０７の場合には、半導体領域１０５と遮光膜４０６の外縁が囲む領域の中心を取ればよい。このように、開口は遮光膜に囲まれていなくてもよい。

また、図４（ａ）及び図４（ｂ）において、遮光膜は画素ごとに設けられていてもよく、隣接画素へ延在する、つまり隣接画素の遮光膜と一体であってもよい。この場合には、遮光性能がより高い遮光膜を提供することが可能である。

また、本発明の製造方法は、本実施例の製造方法に限らない。例えば、コンタクトホール２０７よりも先に溝２１０を形成してもよく、コンタクトホール２０７にプラグを形成した後に溝２１０を形成してもよい。

また、上述の実施例において、焦点検出量の画素の説明を行ったが、撮像用の画素については、遮光膜を設けない構成を有している。その製造方法についても、一般の半導体プロセスによって製造可能である。

本実施例の光電変換装置について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は光電変換装置の模式的な断面図である。図５（ａ）は図１に対応しており、図１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。図５（ａ）において、図１と異なる構成は、遮光膜の構造である。図１において遮光膜１２０は絶縁膜１１２の上部に設けられているが、図５（ａ）において、遮光膜５０１は絶縁膜５０５を貫通して設けられている。つまり、遮光膜５０１の一部の底面５０３は、絶縁膜１１１の上面を含む面に含まれる。また、遮光膜５０１の上面５０４は、絶縁膜５０５の上面、及び配線層１１８の下面１２４を含む面に含まれる。このように、図１の構成に比べて、遮光膜５０１がＰＤの受光面の近くまで配置されていることで、所望の光以外の光の入射を低減することが可能となる。また、このような構成によって、遮光膜５０１の側面５０６が光を反射させることが可能であり、遮光膜５０１の開口５０２を通過した光をＰＤに入射させることが容易となる。

図５（ａ）の構成は、実施例１の製造方法を一部変更することで形成可能である。具体的には、図２（ｄ）の工程において、絶縁膜２０６のエッチングの量を実施例１の製造方法における量よりも多くする。例えば、絶縁膜１１１をエッチングストップとして機能させるように、絶縁膜２０６をエッチングする。そして、図２（ｅ）にある溝２１０ではなく、開口を形成する。その後、図２（ｅ）以降は実施例１と同様の製造方法を実施することで、図５（ａ）の構成が得られる。エッチングストップとして機能する絶縁膜１１１を有することで、エッチング量を精度よく制御することが出来る。また、エッチングストップとして機能する絶縁膜１１１を有することでＰＤにかかるエッチングダメージを低減することもできる。

図５（ｂ）に、図５（ａ）の構成の変形例を示す。図５（ｂ）は図５（ａ）に対応した模式的な断面図であり、同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。図５（ｂ）において、図５（ａ）と異なる点は、絶縁膜５１５を有している点が異なる。絶縁膜５１５は、遮光膜５１１と絶縁膜５０５との間に設けられている。絶縁膜５１５は、例えば窒化シリコンであり、ゲート電極１０８と遮光膜５１１、あるいはＰＤと遮光膜５１１との絶縁を保障することが可能である。また、絶縁膜５１５は遮光膜５１１の金属が半導体基板中に拡散することを抑制することが可能である。

図５（ｂ）の構成は、図５（ａ）の製造方法に準じる。但し、図２（ｅ）に示す溝２１０の代わりに形成した開口に窒化シリコンを形成した後に、図２（ｆ）に示すように金属膜を形成する工程を行う。このようにして、図５（ｂ）の構成は形成可能である。また、開口及び窒化シリコンを形成した後に、コンタクトホールを形成してもよい。製造方法の工程順は任意に選択可能である。

本実施例の光電変換装置について、図６を用いて説明する。図６は光電変換装置の模式的な断面図である。図６は図１に対応しており、図１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。図６において、図１と異なる構成は、遮光膜及び絶縁膜の構造である。

図６において、遮光膜６０３は、開口６０４を有する。そして、遮光膜６０３は、その下層の構造物の形状、ここではゲート電極１０８の形状を踏襲した上面６０６及び下面６０５を有する。遮光膜６０３の上面６０６は、絶縁膜６０７によって覆われている。遮光膜６０３の下面６０５は、半導体基板の表面Ｓに最も近接して配された配線層１１８の下面１２４よりも表面Ｓに近い。また、遮光膜６０３の上面６０６は、コンタクトプラグ１１５の上面あるいは配線層１１８の下面１２４を含む面に含まれず、それらよりも表面Ｓに近い。このような構成によって、遮光膜６０３は瞳分割された像のうち、必要な光を制御よくＰＤへ入射させることが出来る。

次に、図７（ａ）〜図７（ｅ）を用いて、図６に示した光電変換装置の焦点検出用の画素の部分の製造方法を説明する。図７（ａ）〜図７（ｅ）は図６に対応した光電変換装置の焦点検出用の画素の断面図であり、対応した構成については同一の符号を付しており、説明を省略する。また、図２と同様の工程については、説明を省略する。

まず、図７（ａ）に示すように素子が形成された半導体基板を準備する。この工程は図２（ａ）と同様である。そして、図７（ａ）に示すように、表面Ｓ及びゲート電極１０８を覆う窒化シリコンからなる絶縁膜７０１を例えば、ＣＶＤ法によって形成する。他の実施例と同様に表面Ｓの上にはゲート絶縁膜１０９と一体の膜あるいは別体の膜である酸化シリコンからなる絶縁膜（不図示）が設けられていてもよく、その場合には、絶縁膜（不図示）は絶縁膜７０１と表面Ｓとの間に存在する。そして、絶縁膜７０１を覆う酸化シリコンからなる絶縁膜７０２をＣＶＤ法によって形成する。ここで、絶縁膜７０１は、半導体領域１０５と絶縁膜７０２の間の屈折率の有し、後に反射防止膜として機能しうる。そして、絶縁膜７０２を覆うタングステンからなる金属膜７０３を形成する。ここで、絶縁膜７０１、絶縁膜７０２、及び金属膜７０３の上面は、ゲート電極１０８などの構造物の形状を踏襲した形状を有する。そして、絶縁膜７０１、絶縁膜７０２、及び金属膜７０３の順に、その上面の凹凸は低減され、絶縁膜７０１の上面よりも絶縁膜７０２の上面の方が、例えばゲート電極１０８の段差による凹凸が小さく、なだらかな形状を有する。

次に、図７（ｂ）に示すようなフォトレジストパターン７０４を金属膜７０３の上に形成する。フォトレジストパターン７０４は開口７０５を有している。開口７０５は、遮光膜の開口を形成したい領域、あるいは遮光膜を除去したい領域に対応して設けられている。このフォトレジストパターン７０４をマスクとして、金属膜７０３に対してエッチングを行うことで、金属膜７０３をパターニングし、遮光膜６０３を形成する。ここで、絶縁膜７０２が金属膜７０３の下層に設けられていることで、ゲート電極１０８の凹凸が緩和される。よって、図７（ｂ）において、絶縁膜７０２の上面が緩やかであるため、金属膜７０３が除去されやすい。仮に、絶縁膜７０２がない場合には、ゲート電極１０８の側壁を覆う絶縁膜７０１の側壁において、不要な金属膜７０３が除去しきれない可能性がある。このような不要な金属膜７０３があると、リーク等が生じ、歩留まりを低下させる可能性がある。よって、本実施例のように絶縁膜７０２を有することで金属膜７０３による歩留まり低下を低減することが可能となる。

また、絶縁膜７０２（第２の絶縁膜）が、金属膜７０３をパターニングする際のエッチングストップとして機能しうる。よって、絶縁膜７０２によって、エッチングダメージがＰＤや絶縁膜７０１に及ぶことを低減することが出来る。絶縁膜７０１がエッチングにさらされるとその膜厚が変化してしまう。ここで、絶縁膜７０１は後に絶縁膜１１１としてＰＤの受光面の反射防止膜としても機能しうる。つまり、反射防止膜の膜厚は光学特性を鑑みて設定されるが、エッチングによって膜厚が変化してしまうと、光学特性が低下してしまう。よって、絶縁膜７０２があることで、光学特性を維持することが可能となる。

次に、図７（ｃ）に示すように絶縁膜７０２及び遮光膜６０３を覆って、絶縁膜７０８（第１の絶縁膜）を形成する。絶縁膜７０８は、例えば酸化シリコンからなり、ＣＶＤ法によって形成される。そして、絶縁膜７０８の上に、フォトレジストパターン（不図示）を形成し、それをマスクとして絶縁膜７０８及び絶縁膜７０２をエッチングする。その後、露出した絶縁膜７０１をエッチングにて除去する。そして、フォトレジストパターンを除去する。このような工程によって、図７（ｄ）に示すコンタクトホール７１０を有する絶縁膜６０７、絶縁膜６０２及び絶縁膜１１１が形成される。

そして、コンタクトホール７１０の下に半導体領域１１０を形成し、コンタクトホール７１０に金属を埋め込みコンタクトプラグ１１５を形成する。この工程は、図２（ｄ）及び図２（ｆ）に準じた半導体プロセスによって形成可能であるため、説明を省略する。その後、その後、配線層、絶縁膜、及びプラグを一般の半導体プロセスによって形成することで、図６の光電変換装置が形成される。

本実施例では、絶縁膜７０１及び絶縁膜７０２、つまり絶縁膜１１１及び絶縁膜６０２を形成したが、絶縁膜７０２を設けずに絶縁膜７０１を厚く形成してもよい。この場合には絶縁膜７０１がエッチングストップとしても機能し、ＰＤへのエッチングダメージも低減することが可能である。また、絶縁膜７０１を設けずに絶縁膜７０２を厚く形成してもよい。

上述の各実施例に係る光電変換装置の撮像システムへの応用例として、該光電変換装置が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る光電変換装置と、該光電変換装置から出力される信号を処理する信号処理部とを含む。該信号処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、および、該Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。

また、本発明の光電変換装置は、焦点検出用の画素のみを有していてもよいが撮像用の画素も有していることが好ましい。

本実施例の光電変換装置によれば、光電変換素子の表面に近接した位置で瞳分割を行うため、焦点検出精度を向上することが可能となる。また、本実施例の製造方法によれば、精度良い焦点検出を可能にする遮光膜が形成可能となる。

１０３ 半導体基板
Ｓ 表面
１０５ 半導体領域
１２０ 遮光膜
１２１ 開口
１１８ 配線層
１２４ 下面
１２２ 下面
１２３ 上面
１０８ ゲート電極

Claims (10)

1. 複数の焦点検出用の画素を有する光電変換装置であって、
   受光面を有し、焦点検出用の信号を生じさせる光電変換素子と、
   前記光電変換素子で生じた信号を読み出すための複数の配線層と、
   前記複数の配線層の中で最も下層に設けられた最下層の配線層とフローティングディフュージョン部との導通をとるコンタクトプラグと、
   前記光電変換素子の一部の上を覆う遮光膜と、を有し、
   前記遮光膜の下面は、前記最下層の配線層の下面よりも、前記光電変換素子の受光面に近接して設けられており、
   前記コンタクトプラグは、前記最下層の配線層の下面の高さから前記遮光膜の下面の高さまで延在していることを特徴とする光電変換装置。
2. 前記遮光膜は、開口を有し、
   前記開口の中心が前記光電変換素子の受光面の中心からオフセットしている請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記最下層の配線層の下面と前記遮光膜の上面は同一高さに位置している請求項１あるいは２のいずれかに記載の光電変換装置。
4. 前記コンタクトプラグの上面と前記遮光膜の上面は同一高さに位置している請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
5. 前記コンタクトプラグの上面と下面との距離は、前記遮光膜の上面と下面との距離よりも長い請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
6. 前記焦点検出用の画素は、前記信号を読み出すための転送トランジスタを有し、
   前記遮光膜は、前記光電変換素子の一部の上から前記転送トランジスタのゲート電極の少なくとも一部の上に延在している請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
7. 前記遮光膜が前記転送トランジスタのドレインの上には延在しない請求項６に記載の光電変換装置。
8. 前記光電変換装置は、更に複数の撮像用の画素を有する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
9. 前記光電変換装置は、前記複数の撮像用の画素と前記複数の焦点検出用の画素とに配されたマイクロレンズを有する請求項８に記載の光電変換装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置からの信号を処理する信号処理部と、を有する撮像システム。

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