JP6232589B2 - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本開示は、固体撮像装置に関する。
カメラセットの小型化とフォーカス速度の向上のために、焦点検出機能を持つ固体撮像装置が提案されており、焦点検出方式の一つとして位相差検出方式が知られている。
特許文献１および２に示された固体撮像装置では受光部（フォトダイオード）の半分程度を、金属材料等により形成された遮光帯により遮光し、それにより位相差検出を行う方式が開示されている。
特開２００９−１０５３５８号公報 特開２００９−９９８１７号公報
光電変換膜を備える固体撮像装置に、背景技術と同じように、位相差検出方式を行うための画素（焦点検出用画素）として光電変換膜（受光部）の上に遮光帯を形成すると、焦点検出用画素の周辺で光電変換膜上に段差が生じる。このため、焦点検出用画素周辺のカラーフィルタおよびマイクロレンズの形成が不均一となり、画質特性が悪化する。
本開示は、画質の劣化を抑制しつつ、高精度の焦点検出用画素を搭載した固体撮像装置およびその製造方法を提供する。
本開示の一態様に係る固体撮像装置は、複数の画素が配置された撮像領域を有する固体撮像装置であって、前記複数の画素は、複数の撮像用画素と複数の焦点検出用画素とを含み、前記複数の撮像用画素のそれぞれは、第１の下部電極と、前記第１の下部電極の上に形成された光電変換膜と、前記光電変換膜の上に形成された上部電極とを備え、前記複数の焦点検出用画素のそれぞれは、第２の下部電極と、前記第２の下部電極の上に形成された前記光電変換膜と、前記光電変換膜の上に形成された上部電極とを備え、前記第２の下部電極は、前記第１の下部電極よりも面積が小さく、前記複数の焦点検出用画素に含まれる２つの焦点検出用画素は、それぞれの第２の下部電極が、画素中心から互いに異なる方向に偏心して配置されていることを特徴とする。
本開示によれば、画質の劣化を抑制しつつ、高精度の焦点検出用画素を搭載した固体撮像装置を提供することが可能となる。
図１は、実施の形態１に係る固体撮像装置の回路構成を示す図である。 図２Ａは、実施の形態１に係る固体撮像装置の断面構造を示す図である。 図２Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像装置の平面構造を示す図である。 図３Ａは、実施の形態１の変形例に係る固体撮像装置の断面構造を示す図である。 図３Ｂは、実施の形態１の変形例に係る固体撮像装置の平面構造を示す図である。 図４は、焦点検出用画素で光電変換した電荷の動きを示す図である。 図５は、実施の形態１に係る固体撮像装置の製造方法を説明する工程断面図である。 図６Ａは、実施の形態２に係る固体撮像装置の断面構造を示す図である。 図６Ｂは、実施の形態２に係る固体撮像装置の平面構造を示す図である。 図７Ａは、実施の形態３に係る固体撮像装置の断面構造を示す図である。 図７Ｂは、実施の形態３に係る固体撮像装置の平面構造を示す図である。 図８Ａは、実施の形態３の変形例に係る固体撮像装置の断面構造を示す図である。 図８Ｂは、実施の形態３の変形例に係る固体撮像装置の平面構造を示す図である。 図９は、実施の形態４に係る固体撮像装置の平面構造を示す図である。 図１０は、実施の形態５に係る固体撮像装置の断面構造を示す図である。 図１１は、実施の形態６に係る固体撮像装置の断面構造を示す図である。
（本開示の基礎となった知見）
本開示にかかる固体撮像装置の実施の形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見について説明する。
イメージセンサの画素サイズは、最新の微細加工技術を用いてもなお、受光部（フォトダイオード）に利用可能なスペースは限られている。画素面積のほとんどが、駆動回路のために必要とされる電子部品（電界効果トランジスタなど）によって占有されている為である。
この問題を解決するため、シリコン基板上に受光部を設けるのではなく、光電変換膜を、有機材料などを用いて上層に配置した固体撮像装置が提案されている。
しかしながら、上層に光電変換膜を備える固体撮像装置に位相差検出方式を適用しようとした場合、従来技術と同じように、焦点検出用画素として光電変換膜（受光部）の上に遮光帯を形成すると、焦点検出用画素の周辺で光電変換膜上に段差が生じることになる。このため、光電変換膜の上に形成されるカラーフィルタおよびマイクロレンズの形成が不均一となり、画質特性が悪化する。従って、上層に光電変換膜を備える固体撮像装置にあっては、画質特性の悪化を抑制しつつ位相差検出方式を実現可能な技術が求められている。
以下、図面を参照しながら、本実施の形態に係る固体撮像装置の詳細を説明する。なお、以下の実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものであり、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、一例であり、本開示を限定するものではない。
（実施の形態１）
［１．回路構成］
図１は、実施の形態１に係る固体撮像装置の回路構成を示す図である。
本実施の形態に係る固体撮像装置１００は、行列状に単位セル２０が配置された撮像領域を有する。図１に記載された単位セル２０は、増幅トランジスタ２１と、リセットトランジスタ２２と、アドレストランジスタ２３と、入射光を受ける画素である光電変換素子２４（後述する図２における光電変換膜１０４）と、これらを結線する配線（金属配線）とで構成された繰り返し単位となるセルであり、入射光に応じた画素信号を生成する。
また、単位セル２０の光電変換素子２４（後述する図２における光電変換膜１０４）は、後述する図（図２等）に示すように、画像撮像を行う画素（撮像用画素４０）と、オートフォーカスなどの焦点を検知するための画素（焦点検出用画素４１Ａ、４１Ｂ）とが含まれる。焦点を検出するための画素とは、具体的には、結像した２つの画像の間隔からピントの方向と量を判断するための画素である。
増幅トランジスタ２１のソースには、垂直方向に走る電源配線２７が接続されている。リセットトランジスタ２２のゲートには、水平方向に走るリセット信号線２８が接続され、ソースには垂直方向に走るフィードバック信号線３０が接続されている。アドレストランジスタ２３のゲートには、水平方向に走るアドレス信号線２９が接続され、ドレインには垂直方向に走る垂直信号線２６が接続されている。
垂直信号線２６は、列毎に配置され、画素信号を周辺回路へ伝達する主信号線である。電源配線２７は、列毎に配置され、対応する列に属する単位セル２０に電源電圧を供給する。フィードバック信号線３０は、列毎に配置され、周辺回路からのフィードバック信号を対応する列に属する単位セル２０に伝達する。
単位セル２０内の光電変換素子２４で生成された信号電荷は、電荷蓄積ノード２５で電圧に変換され、増幅トランジスタ２１で増幅され、画素信号として垂直信号線２６に出力される。画素信号が読み出された後、電荷蓄積ノード２５に蓄積された電荷はリセットされる。ここで、リセット後に残存するランダムノイズの乗った蓄積電荷を打ち消すために、フィードバック信号線３０とフィードバックアンプ３１とが１対１で配置されている。フィードバックアンプ３１の負入力端子には垂直信号線２６が接続され、フィードバックアンプ３１の出力端子には、スイッチを介してフィードバック信号線３０が接続されている。
上記構成において、電荷蓄積ノード２５に蓄積された電荷がリセットトランジスタ２２によりリセットされる際（リセットトランジスタ２２が導通状態）、電荷蓄積ノード２５に発生するランダムノイズは、増幅トランジスタ２１、アドレストランジスタ２３、垂直信号線２６、周辺回路の一部であるフィードバックアンプ３１およびフィードバック信号線３０を介して、リセットトランジスタ２２のソースに負帰還フィードバックされる。これにより、電荷蓄積ノード２５のノイズ成分が打ち消され、ランダムノイズを低減することができる。
すなわち、信号電荷を転送またはリセットする際に、ランダムノイズが発生する。リセット時にランダムノイズが残存すると、次に蓄積される信号電荷は残存ノイズに加算される為、当該信号電荷を読み出す際に当該ランダムノイズが重畳された信号が出力されることになる。そこで、本実施の形態に係る固体撮像装置は、このランダムノイズを除去するためにフィードバック回路を備え、各単位セルから出力されたランダムノイズ信号を検知して、ランダムノイズが重畳された蓄積電荷を打ち消すように各単位セルへ信号をフィードバックさせている。
［２．画素構成］
図２Ａは、実施の形態１に係る固体撮像装置の断面構造を示す図である。同図に示された固体撮像装置は、半導体基板１０１上に複数の配線層１０２が形成されている。複数の配線層１０２上に、第１の下部電極１０３Ａおよび第２の下部電極１０３Ｂが形成されている。第１の下部電極１０３Ａおよび第２の下部電極１０３Ｂの上に、光電変換膜１０４が形成され、光電変換膜１０４上に、透明な上部電極１０５が形成されている。また、上部電極１０５上に、カラーフィルタ１０６が形成され、カラーフィルタ１０６上に、マイクロレンズ１０７が形成されている。
本実施の形態に係る固体撮像装置１００は、複数の撮像用画素４０と焦点検出用画素４１Ａおよび４１Ｂとを有する。つまり、固体撮像装置１００は、複数の撮像用画素と一対の焦点検出用画素とで構成される。
撮像用画素４０は、半導体基板１０１上に形成された配線層１０２と、配線層１０２上に形成された第１の下部電極１０３Ａと、第１の下部電極１０３Ａの上に形成された光電変換膜１０４と、光電変換膜１０４の上に形成された上部電極１０５とを備える。つまり、撮像用画素４０は、上部電極１０５と第１の下部電極１０３Ａとで光電変換膜１０４が挟まれた撮像構造を有する。
焦点検出用画素４１Ａおよび４１Ｂは、それぞれ、半導体基板１０１上に形成された配線層１０２と、配線層１０２上に形成された、第１の下部電極１０３Ａよりも面積の小さい第２の下部電極１０３Ｂと、第２の下部電極１０３Ｂの上に形成された光電変換膜１０４と、光電変換膜１０４の上に形成された上部電極１０５とを備える。さらに、焦点検出用画素である一対の焦点検出用画素４１Ａおよび４１Ｂでは、撮像領域を平面視した場合、第２の下部電極１０３Ｂが画素中心から互いに異なる方向に偏心して配置されている。つまり、焦点検出用画素４１Ａおよび４１Ｂは、それぞれ、第１の下部電極１０３Ａよりも面積の小さい第２の下部電極１０３Ｂと上部電極１０５とで光電変換膜１０４が挟まれた焦点検出構造を有する。
また、本実施の形態に係る固体撮像装置は、光電変換膜１０４に用いる材料として、光から電荷へ変換する効率が高い有機材料または無機材料など、あらゆる材料を用いることができる。特に、有機材料により光電変換膜を形成した場合、受光すべき入射光の波長帯域に応じて最適材料を選択することが可能であるため、光電変換膜の膜厚や形状を画素ごとに調整する必要がない。このため、画素間で、波長帯域に対応させて光電変換膜およびその周辺のマイクロレンズおよびカラーフィルタなどの形状を変化させる必要がない。
本実施の形態に係る固体撮像装置は、焦点検出用画素４１Ａおよび４１Ｂの構造により、光電変換膜１０４の上に、例えば金属材料により遮光帯を形成する必要がない。そのため、光電変換膜１０４上に段差が生じないので、光電変換膜１０４の上に形成すべきマイクロレンズおよびカラーフィルタなどの形状を変化させる必要がなく、撮像用画素４０の特性を均一にして画質劣化を防ぎ、かつ、焦点検出を高精度に実施できるという顕著な効果を得ることが可能となる。
図２Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像装置の平面構造を示す図である。同図には、第１の下部電極１０３Ａおよび第２の下部電極１０３Ｂの平面構造が示されている。なお、図２Ａは、図２ＢにおけるＸ−Ｘ断面図である。図２Ｂに示すように、固体撮像装置１００は、複数の単位セルが平面状に配置された撮像領域３５のなかで、撮像用画素４０の一部が焦点検出用画素４１Ａおよび４１Ｂに置き換えて割り当てられている構成である。また、焦点検出用画素は、撮像領域３５内に２箇所以上設けられるが２箇所（一対）に限定するものではなく３箇所以上設けても良い。
撮像用画素４０において、光電変換膜１０４中で光電変換により発生した電荷は、上部電極１０５と第１の下部電極１０３Ａとの間に電界をかけることによって、第１の下部電極１０３Ａへ集められ、画素信号として出力される。
焦点検出用画素４１Ａおよび４１Ｂでは、それぞれ、第２の下部電極１０３Ｂが設けられ、それぞれの焦点検出用画素４１Ａおよび４１Ｂは、別々の電荷検出ノード２５に接続される。焦点検出用画素４１Ａおよび４１Ｂにおいて、第２の下部電極１０３Ｂの近傍で発生した電荷は、電界に応じて、第２の下部電極１０３Ｂに集められ、焦点検出用信号として出力される。一方、第２の下部電極１０３Ｂから離れた領域で発生した電荷は、電子・ホールの再結合により第２の下部電極１０３Ｂに到達する前に消滅するため、信号検出されない。
ここで、焦点検出用画素４１Ａおよび４１Ｂでは、撮像領域を平面視した場合、第２の下部電極１０３Ｂが画素中心から互いに異なる方向に偏心して配置されている。これにより、焦点検出用画素４１Ａの第２の下部電極１０３Ｂに集められた電荷量と、焦点検出用画素４１Ｂの第２の下部電極１０３Ｂに集められた電荷量とを、例えば、同一光源からの入射光に対して異ならせることが可能となり、これらの電荷量の差分に基づいて、焦点検出をすることが可能となる。
つまり、本実施の形態に係る固体撮像装置１００は、入射光を左右２つの光に分けて２つの分割像を生成し、その２つの分割像のパターンずれを検出して撮影レンズのピント方向とフォーカス位置からのずれ量を判断する、いわゆる位相差検知方式が採用される。
［３．変形例の画素構成］
次に、本実施の形態の変形例を図３Ａ、図３Ｂに基づいて説明する。本変形例に係る固体撮像装置２００は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００と比較して、焦点検出用画素４２Ａおよび４２Ｂに、第１の下部電極１０３Ａおよび第２の下部電極１０３Ｂと異なる第３の下部電極１０３Ｃが形成されている点が構成として異なる。以下、固体撮像装置２００の構成について、固体撮像装置１００と異なる点を中心に説明する。
図３Ａは、実施の形態１の変形例に係る固体撮像装置の断面構造を示す図である。同図に示された固体撮像装置２００は、半導体基板１０１上に配線層１０２が形成され、その上に、第１の下部電極１０３Ａ、第２の下部電極１０３Ｂおよび第３の下部電極１０３Ｃが形成されている。また、これら第１の下部電極１０３Ａ、第２の下部電極１０３Ｂおよび第３の下部電極１０３Ｃの上に跨るように、光電変換膜１０４が形成されている。光電変換膜１０４上には、透明な上部電極１０５が形成されている。また、本変形例に係る固体撮像装置２００は、複数の撮像用画素４０と焦点検出用画素４２Ａおよび４２Ｂとを有する。つまり、固体撮像装置２００は、複数の撮像用画素と一対の焦点検出用画素とで構成される。
撮像用画素４０は、上部電極１０５と第１の下部電極１０３Ａとで光電変換膜１０４が挟まれた撮像構造を有する。
焦点検出用画素４２Ａは、第２の下部電極１０３Ｂおよび第３の下部電極１０３Ｃと、上部電極１０５とで光電変換膜１０４が挟まれた焦点検出構造を有する。第２の下部電極１０３Ｂは第１の下部電極１０３Ａよりも面積が小さい。第３の下部電極１０３Ｃは配線層１０２を介して電源接続または接地されている。
つまり、本変形例に係る焦点検出用画素４２Ａおよび４２Ｂのそれぞれは、第２の下部電極１０３Ｂに加え、さらに、配線層１０２を介して電源接続または接地された第３の下部電極１０３Ｃを、配線層１０２と光電変換膜１０４との間に有している。
図３Ｂは、実施の形態１の変形例に係る固体撮像装置の平面構造を示す図である。同図は、具体的には第１の下部電極１０３Ａ、第２の下部電極１０３Ｂおよび第３の下部電極１０３Ｃの平面構造である。なお、図３Ａは、図３ＢにおけるＹ−Ｙ断面図である。また、図４は、焦点検出用画素で光電変換した電荷の動きを示す図である。固体撮像装置２００は、複数の単位セルが平面状に配置された撮像領域３５の中で、撮像用画素４０の一部が焦点検出用画素４２Ａおよび４２Ｂに置き換えて割り当てられている。焦点検出用画素は、撮像領域３５内に２以上設けられるが２箇所（一対）に限定するものではなく３箇所以上設けても良い。
焦点検出用画素４２Ａおよび４２Ｂには、それぞれ、第２の下部電極１０３Ｂおよび第３の下部電極１０３Ｃが設けられ、それぞれ、別々の配線に接続される。第２の下部電極１０３Ｂの近傍で発生した電荷は、電界に応じて、第２の下部電極１０３Ｂに集められて焦点検出用の信号として用いられる。第３の下部電極１０３Ｃの近傍で発生した電荷は、電界に応じて、第３の下部電極１０３Ｃに集められて電源用配線または接地配線を介して排出される。すなわち、それぞれの第２の下部電極１０３Ｂには、その近傍の電荷を中心に集まるので、焦点検出精度が高くなる。
また、実施の形態１およびその変形例において、焦点検出用画素４２Ａおよび４２Ｂは、必ずしも隣接している必要はない。また、第２の下部電極１０３Ｂの画素中心からの偏心方向も上記パターンに限定されない。例えば、第２の下部電極１０３Ｂは、焦点検出用画素４２Ａでは、図２Ｂおよび図３Ｂ上において紙面上方向に偏心し、焦点検出用画素４２Ｂでは、図２Ｂおよび図３Ｂ上において紙面下方向に偏心してもよい。
［４．固体撮像装置の製造方法］
次に、実施の形態１に係る固体撮像装置の製造方法について説明する。
図５は、実施の形態１に係る固体撮像装置の製造方法を説明する工程断面図である。なお、図５には、本実施の形態の変形例１に係る固体撮像装置２００の製造工程が示されている。これに対して、本実施の形態に係る固体撮像装置１００の製造方法は、図５に示された製造工程から、第３の下部電極１０３Ｃの形成工程を省略することで実現される。
まず、図５の（ａ）に示すように、半導体基板１０１上に、複数の信号読み出し回路を形成し、半導体基板１０１上に配線層１０２を形成する。図５の（ａ）に示す工程は、周知の半導体製造プロセスを用いて行われる。
次に、図５の（ｂ）に示すように、配線層１０２上に、絶縁膜４０１（たとえばシリコン酸化膜）を、例えばプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法にて堆積する。例えば、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の膜厚とする。絶縁膜４０１は、配線層１０２の最上層と下部電極との層間絶縁膜とする。絶縁膜４０１上に、リソグラフィ技術にてレジストパターンを形成する。上記レジストパターンは、配線層１０２の最上層と下部電極とを電気的に接続する部分を開口させるパターンとする。そして、プラズマエッチングなどの異方性エッチングを実施し、配線層１０２の最上層と下部電極の接続部を形成する。
次に、図５の（ｃ）に示すように、絶縁膜４０１中に、パターン形成した部分に、例えばスパッタリング法などにより金属層４０２（たとえば、タングステンなど）を埋め込んだ後、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法にて平坦化を実施する。そして、金属層４０３をスパッタリング法などにより堆積する。例えば、１０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の膜厚とする。金属層４０３の材料は、たとえば、銅、アルミニウム、チタン、タンタルなどである。
次に、図５の（ｄ）に示すように、金属層４０３上に、リソグラフィ技術にてレジストパターンを形成する。上記レジストパターンは、第１の下部電極１０３Ａ、第２の下部電極１０３Ｂおよび第３の下部電極１０３Ｃとなる部分にレジストが残るパターンとする。そして、プラズマエッチングなどの異方性エッチングにより第１の下部電極１０３Ａ、第２の下部電極１０３Ｂおよび第３の下部電極１０３Ｃを形成する。つまり、第１の下部電極１０３Ａ、第２の下部電極１０３Ｂおよび第３の下部電極１０３Ｃは、同じ層に同一材料で形成されている。
ここで、本工程では、配線層１０２上であって複数の撮像用画素４０のそれぞれが形成される撮像用領域１４０に、第１の下部電極１０３Ａを形成する。また、配線層１０２上であって焦点検出用画素４１Ａおよび４１Ｂのそれぞれが形成される焦点検出用領域１４２Ａおよび１４２Ｂに、第１の下部電極１０３Ａよりも面積が小さく、かつ、一対の焦点検出用領域１４２Ａおよび１４２Ｂにおいて画素中心から互いに異なる方向に偏心して配置されるように、第２の下部電極１０３Ｂを形成する。
次に、図５の（ｅ）に示すように、第１の下部電極１０３Ａ、第２の下部電極１０３Ｂおよび第３の下部電極１０３Ｃの上に絶縁膜４０４（たとえばシリコン酸化膜）を堆積する。
次に、図５の（ｆ）に示すように、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法にて平坦化を実施し、第１の下部電極１０３Ａ、第２の下部電極１０３Ｂおよび第３の下部電極１０３Ｃを表面に露出させる。このときの下部電極の膜厚は、たとえば５０ｎｍ〜２００ｎｍとする。
次に、図５の（ｇ）に示すように、第１の下部電極１０３Ａ、第２の下部電極１０３Ｂおよび第３の下部電極１０３Ｃ上に、光電変換膜１０４を形成し、次いで透明な上部電極１０５を形成する。このときの光電変換膜１０４の膜厚は、例えば２５０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下であり、上部電極１０５の膜厚は、例えば５０ｎｍ以下である。
最後に、図５の（ｈ）に示すように、上部電極１０５の上に、カラーフィルタ１０６を形成し、次いでマイクロレンズ１０７を形成する。
以上の構成により、本変形例に係る固体撮像装置２００は、焦点検出用画素４２Ａおよび４２Ｂを搭載することで、光電変換膜１０４上に遮光帯を形成することなく位相差検知方式による焦点検出信号を得ることができる。
さらに、焦点検出用画素４２Ａおよび４２Ｂの周辺において、光電変換膜１０４上に遮光帯を形成した場合には、焦点検出用画素の周辺において光電変換膜上に段差が生じる。これに対し、本実施の形態に係る固体撮像装置１００および２００は、光電変換膜１０４上に遮光帯を形成しないので、焦点検出用画素周辺のカラーフィルタおよびマイクロレンズの形成が不均一となることを防ぎ、撮像領域３５内における撮像用画素４０の特性不均一による画質劣化を防ぐことが出来る。
さらに、光電変換膜１０４上に遮光帯を形成する場合には、ドライエッチングによる光電変換膜へのダメージにより、固体撮像装置の特性劣化および信頼性が低下してしまう。これに対し、本実施の形態に係る固体撮像装置１００および２００は、上記特性劣化および信頼性の低下を防ぐことも出来る。
以上、本実施の形態に係る固体撮像装置１００、２００、または、これらの製造方法によれば、光電変換膜１０４を備えた固体撮像装置であっても、焦点検出を高精度に実施できる。
（実施の形態２）
以下、図面を参照しながら、実施の形態２に係る固体撮像装置の構成および動作について、実施の形態１との相違点を中心に説明する。
図６Ａは、実施の形態２に係る固体撮像装置の断面構造を示す図であり、図６Ｂは、実施の形態２に係る固体撮像装置の平面構造を示す図である。なお、図６Ａは、図６ＢにおけるＺ−Ｚ断面図である。
本実施の形態に係る固体撮像装置３００は、実施の形態１に係る固体撮像装置１００に対して、隣接した焦点検出用画素４３Ａおよび４３Ｂに設けられた第３の下部電極の構成が異なる。
焦点検出用画素４３Ａおよび４３Ｂでは、光電変換膜１０４中で光電変換により発生した電荷は、上部電極１０５と第２の下部電極１０３Ｂおよび第３の下部電極２０３Ｃとの間に電界をかけることによって、第２の下部電極１０３Ｂまたは第３の下部電極２０３Ｃへ集められ、電気信号として出力される。第２の下部電極１０３Ｂの近傍で発生した電荷は、電界に応じて、第２の下部電極１０３Ｂに集められ、第３の下部電極２０３Ｃの近傍で発生した電荷は、電界に応じて、第３の下部電極２０３Ｃに集められる。第２の下部電極１０３Ｂに集められた電荷は焦点検出用の信号として用いられ、第３の下部電極２０３Ｃに集められた電荷は電源用配線に接続または接地されることで排出される。
図６Ａおよび図６Ｂに示されるように、隣接する焦点検出用画素４３Ａおよび４３Ｂの間で、１つの第３の下部電極２０３Ｃが共有されている。これにより、レイアウトが簡素になり配線数および電源数が削減される。よって、動作速度が向上すると同時に、不良率の低減を実現できる。
（実施の形態３）
以下、図面を参照しながら、実施の形態３に係る固体撮像装置の構成および動作について、実施の形態１との相違点を中心に説明する。
図７Ａは、実施の形態３に係る固体撮像装置の断面構造を示す図であり、図７Ｂは、実施の形態３に係る固体撮像装置の平面構造を示す図である。なお、図７Ａは、図７ＢにおけるＶ−Ｖ断面図である。
本実施の形態に係る固体撮像装置は、実施の形態１に係る固体撮像装置に対して、撮像領域３５に配置されたすべての画素に共通した第４の下部電極３０４Ｄが接続される点が異なる。
第４の下部電極３０４Ｄは、複数の第１の下部電極１０３Ａおよび複数の第２の下部電極１０３Ｂのうちの隣接する下部電極の間であって、第１の下部電極１０３Ａおよび第２の下部電極１０３Ｂとは異なる下部電極である。
具体的には、撮像用画素４５、焦点検出用画素４４Ａおよび４Ｂの境界領域に、格子状に配置されている。言い換えると、第４の下部電極３０４Ｄは、複数の第１の下部電極１０３Ａおよび複数の第２の下部電極１０３Ｂの間であって、少なくとも行方向または列方向に延在するように配置されている。ここで、第４の下部電極３０４Ｄは、配線層１０２を介して電源接続または接地されたシールド電極である。
図７Ａおよび図７Ｂに示されるように、すべての第４の下部電極３０４Ｄを共通化することにより、レイアウトが簡素になり、配線数および電源数を削減することができると同時に不良率の低減を実現できる。
また、図７Ｂに示すように、各画素の第１の下部電極１０３Ａおよび第２の下部電極１０３Ｂを、第４の下部電極３０４Ｄで囲む配置とすることで、隣接する画素の第１の下部電極１０３Ａおよび第２の下部電極１０３Ｂの間の容量カップリングを抑制できる。この構成とすることにより、隣接画素の信号レベルの影響の大幅な低減を実現できる。なお、第４の下部電極３０４Ｄは、容量カップリングを抑制するだけでなく、第４の下部電極３０４Ｄ近傍の電荷を引き抜く機能も有する。つまり、隣接する画素間で発生する電荷を排出することにより、入射光が光電変換膜に到達するまでの間に生じた光学的なクロストークを抑制する効果も得られる。
［変形例の画素構成］
次に、本実施の形態の変形例を図８Ａ、図８Ｂに基づいて説明する。本変形例に係る固体撮像装置５００は、実施の形態３に係る固体撮像装置４００と比較して、焦点検出用画素４６Ａおよび４６Ｂに、第２の下部電極１０３Ｂと第２の下部電極１０３Ｂと異なる別の下部電極が形成されている点が構成として異なる。以下、固体撮像装置５００の構成について、固体撮像装置４００と異なる点を中心に説明する。
図８Ａは、実施の形態３の変形例に係る固体撮像装置の断面構造を示す図であり、図８Ｂは、実施の形態３の変形例に係る固体撮像装置の平面構造を示す図である。なお、図８Ａは、図８ＢにおけるＷ−Ｗ断面図である。
本変形例に係る固体撮像装置５００は、実施の形態３に係る固体撮像装置５００と同様に、撮像領域３５に配置されたすべての画素に共通した第４の下部電極３０５Ｄが接続されている。
第４の下部電極３０５Ｄは、撮像用画素４５、焦点検出用画素４６Ａおよび４６Ｂの境界領域に、格子状に配置されている。言い換えると、第４の下部電極３０５Ｄは、複数の第１の下部電極１０３Ａおよび複数の第２の下部電極１０３Ｂの間に、少なくとも行方向または列方向に延在するように形成されている。ここで、第４の下部電極３０５Ｄは、配線層１０２を介して電源接続または接地されたシールド電極である。
また、第４の下部電極３０５Ｄは、焦点検出用画素４６Ａおよび４６Ｂにおける第２の下部電極１０３Ｂが形成されていない領域にも配置されている。つまり、本変形例に係る固体撮像装置５００では、実施の形態１の変形例に係る固体撮像装置２００における第３の下部電極１０３Ｃと、実施の形態３に係る固体撮像装置４００における第４の下部電極３０４Ｄとが分離されず連続形成されている。これにより、第４の下部電極３０５Ｄが形成され、隣接画素の容量カップリングを抑制できるとともに、焦点検出用画素４６Ａおよび４６Ｂにおける、不要電荷の排出が強化される。
（実施の形態４）
以下、図面を参照しながら、実施の形態４に係る固体撮像装置の構成および動作について、実施の形態３との相違点を中心に説明する。
図９は、実施の形態４に係る固体撮像装置の平面構造を示す図である。
本実施の形態に係る固体撮像装置は、実施の形態３に係る固体撮像装置４００と比較して、焦点検出用画素４８Ａおよび４８Ｂの中に、撮像用画素４７に配置される第１の下部電極２０３Ａが設けられている点が構造として異なる。これにより、焦点検出用画素４８Ａおよび４８Ｂは、撮像用画素および焦点検出用画素の機能を兼ね備えた撮像用兼焦点検出用画素を実現している。言い換えると、複数の撮像用画素４７のうち、一部の撮像用画素には、焦点検出の機能を持たせている。
本実施の形態に係る固体撮像装置６００は、複数の撮像用画素４７と焦点検出用画素４８Ａおよび４８Ｂとを有する。つまり、固体撮像装置６００は、複数の撮像用画素と複数の焦点検出用画素とで構成される。
撮像用画素４７は、上部電極１０５と第１の下部電極２０３Ａとで光電変換膜１０４が挟まれた撮像構造を有する。
焦点検出用画素４８Ａおよび４８Ｂは、それぞれ、第１の下部電極２０３Ａおよび第１の下部電極２０３Ａよりも面積の小さい第２の下部電極２０３Ｂと上部電極１０５とで光電変換膜１０４が挟まれた撮像構造かつ焦点検出構造を有する。つまり、焦点検出用画素４８Ａおよび４８Ｂは、配線層１０２と光電変換膜１０４との間に形成された第２の下部電極２０３Ｂを備え、さらに、配線層１０２と光電変換膜１０４との間に形成された第１の下部電極２０３Ａを備える。
第４の下部電極２０３Ｄは、撮像用画素４７、焦点検出用画素４８Ａおよび４８Ｂの境界領域に、格子状に配置されている。ここで、第４の下部電極２０３Ｄは、配線層１０２を介して電源接続または接地されたシールド電極である。
実施の形態１〜３では、撮像領域３５の画素の一部を、撮像用画素から焦点検出用画素に置き換えた場合、焦点検出用画素での画像情報が欠落するため、焦点検出用画素の周辺の撮像用画素の信号情報を用いて補完することで画像処理を実施することにより、欠落した画素の補正を行っている。
これに対して、本実施の形態の構成をとることにより、焦点検出用画素であっても、焦点検出機能を保持したまま、撮像機能の欠落がない構成とできるため、画像補正が不要な焦点検出機能を持つ固体撮像装置を実現できる。
（実施の形態５）
以下、図面を参照しながら、実施の形態５に係る固体撮像装置の構成および動作について、実施の形態１〜４との相違点を中心に説明する。
図１０は、実施の形態５に係る固体撮像装置の断面構造を示す図である。
本実施の形態に係る固体撮像装置７００は、実施の形態１〜４に係る固体撮像装置に対して、焦点検出用画素４６Ａおよび４６Ｂ上のマイクロレンズ２０７の中心が、対応する焦点検出用画素４６Ａおよび４６Ｂの中心に対し、それぞれの第２の下部電極１０３Ｂが偏心する方向にずれている点が異なる。こうすることで、焦点検出用画素内において光電変換膜中に発生する電荷量に偏りが生じる。本実施の形態では、第２の下部電極１０３Ｂの近傍の電荷量が少なくなる。その結果、左右の焦点検出用画素４６Ａおよび４６Ｂで受ける焦点検出信号を、より高精度にコントロールすることが可能になるため、焦点検出精度の向上を実現できる。
なお、マイクロレンズ２０７は、例えば、位置によって異なる光透過率を持つグレイスケールマスク（フォトマスク）を用いてリソグラフィを実施することにより形成することができる。
（実施の形態６）
以下、図面を参照しながら、実施の形態６に係る固体撮像装置の構成および動作について、実施形態１〜４との相違点を中心に説明する。
図１１は、実施の形態６に係る固体撮像装置の断面構造を示す図である。
本実施の形態に係る固体撮像装置８００は、実施形態１〜４に係る固体撮像装置に対して、隣接する焦点検出用画素４６Ａおよび４６Ｂ上のマイクロレンズ３０７が共通化されている点が異なる。
隣接する焦点検出用画素４６Ａおよび４６Ｂ上のマイクロレンズ３０７を共通化することにより、焦点検出用画素上のマイクロレンズが非対称な構成となるため、実施の形態５と同様に、焦点検出精度の向上を実現できる。
また、本実施の形態においては、焦点検出用画素上のマイクロレンズの平面状の寸法が大きいため、寸法制御性（撮像領域内の寸法均一性）に優れている。
また、本実施の形態においては、グレイスケールマスクを使用する必要がなく、つまり、一般的なフォトマスクの使用による低コストの製造方法によって焦点検出精度の向上を実現できる。但し、固体撮像装置の他特性との両立を考慮し、マイクロレンズの形状を更に最適化しようとしてグレイスケールマスクを用いることも出来る。
（効果など）
以上のように、上記実施の形態に係る固体撮像装置の一態様は、複数の画素が配置された撮像領域を有する固体撮像装置であって、複数の画素は、複数の撮像用画素４０と複数の焦点検出用画素４１Ａ及び４１Ｂとを含み、複数の撮像用画素４０のそれぞれは、第１の下部電極１０３Ａと、第１の下部電極１０３Ａの上に形成された光電変換膜１０４と、光電変換膜１０４の上に形成された上部電極１０５とを備え、複数の焦点検出用画素４１Ａ及び４１Ｂのそれぞれは、第２の下部電極１０３Ｂと、第２の下部電極１０３Ｂの上に形成された光電変換膜１０４と、光電変換膜１０４の上に形成された上部電極１０５とを備え、第２の下部電極１０３Ｂは、第１の下部電極１０３Ａよりも面積が小さく、焦点検出用画素４１Ａ及び４１Ｂは、それぞれの第２の下部電極１０３Ｂが、画素中心から互いに異なる方向に偏心して配置されている。
これによれば、撮像領域内における撮像用画素４０の特性を均一にして画質劣化を防ぎ、かつ、焦点検出を高精度に実施できる。
ここで、第１の下部電極と第２の下部電極とは、同じ層に形成されていることが望ましい。これにより光電変換膜の表面をより平坦化することができる。
ここで、焦点検出用画素４２Ａ及び４２Ｂのそれぞれは、第２の下部電極１０３Ｂとは異なる第３の下部電極１０３Ｃを備え、第３の下部電極１０３Ｃは、電源に接続または接地されていてもよい。
これにより、それぞれの第２の下部電極１０３Ｂには、その近傍の電荷を中心に集まるので、焦点検出精度が高くなる。
ここで、複数の焦点検出用画素４３Ａ及び４３Ｂは、第３の下部電極２０３Ｃを共有していてもよい。
これにより、レイアウトが簡素になり、不良率を低減できる。
ここで、隣接する第１の下部電極１０３Ａと第２の下部電極１０３Ｂとの間に形成された、第１の下部電極１０３Ａおよび第２の下部電極１０３Ｂとは異なる第４の下部電極３０４Ｄを備えてもよい。
これにより、第１の下部電極１０３Ａおよび第２の下部電極１０３Ｂの間の容量カップリングを抑制できるので、互いに信号レベルの変動の影響を受けにくくなる。
ここで、第３の下部電極と第４の下部電極３０５Ｄとは、連続形成されているもよい。
これにより、第３の下部電極と第４の下部電極とをそれぞれ独立して電源に接続または接地する必要がなくなる。
ここで、焦点検出用画素４８Ａおよび４８Ｂのそれぞれは、第１の下部電極２０３Ａを備えてもよい。
これにより、画像補正が不要な焦点検出機能を持つ固体撮像装置を実現できる。
ここで、焦点検出用画素４６Ａおよび４６Ｂのそれぞれの上に配置されたマイクロレンズを備え、それぞれのマイクロレンズの中心は、対応する焦点検出用画素の中心に対し、第２の下部電極が偏心する方向にずれていてもよい。
これにより、左右の焦点検出用画素４６Ａおよび４６Ｂで受ける焦点検出信号を、より高精度にコントロールすることが可能になるため、焦点検出精度の向上を実現できる。
ここで、隣接した焦点検出用画素４６Ａおよび４６Ｂの上に、共有される一のマイクロレンズが配置されていてもよい。
これにより、マイクロレンズの平面状の寸法が大きいため、寸法制御性（撮像領域内の寸法均一性）が向上する。
ここで、光電変換膜１０４は、有機材料で構成されてもよい。
これにより、波長帯域に対応させて光電変換膜およびその周辺のマイクロレンズおよびカラーフィルタなどの形状を変化させる必要がない。
また、上記実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の一態様は、複数の撮像用画素４０と複数の焦点検出用画素４２Ａおよび４２Ｂとが行列状に配置された撮像領域を有する固体撮像装置の製造方法であって、半導体基板上に配線層１０２を形成する工程と、配線層１０２上であって複数の撮像用画素４０のそれぞれが形成される撮像用領域１４０に、第１の下部電極１０３Ａを形成する工程と、配線層１０２上であって焦点検出用画素４２Ａおよび４２Ｂのそれぞれが形成される焦点検出用領域１４２Ａおよび１４２Ｂに、第１の下部電極１０３Ａよりも面積が小さく、かつ、画素中心から互いに異なる方向に偏心して配置されるように、第２の下部電極１０３Ｂを形成する工程と、第１の下部電極１０３Ａ上および第２の下部電極１０３Ｂ上に、光電変換膜１０４を形成する工程と、光電変換膜１０４の上に上部電極１０５を形成する工程とを含む。
（その他の実施の形態）
以上、本開示の固体撮像装置およびその製造方法について、実施の形態１〜６に基づいて説明してきたが、本開示に係る固体撮像装置およびその製造方法は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態に対して本開示の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本開示に係る固体撮像装置を内蔵した各種機器も本開示に含まれる。
例えば、実施の形態１〜６において、焦点検出用画素は、撮像領域３５内に２つ以上あればよく、また、実施の形態１〜６のように互いに隣接していなくてもよい。焦点検出用画素の配置数および配置位置は、固体撮像装置の要求性能および仕様により決定される。
本開示に係る固体撮像装置は、画質劣化を伴わずに、高速で高精度な位相差検知方式のオートフォーカス機能を提供でき、特にデジタルカメラ等に有効である。
２０ 単位セル
２１ 増幅トランジスタ
２２ リセットトランジスタ
２３ アドレストランジスタ
２４ 光電変換素子
２５ 電荷蓄積ノード
２６ 垂直信号線
２７ 電源配線
２８ リセット信号線
２９ アドレス信号線
３０ フィードバック信号線
３１ フィードバックアンプ
３５ 撮像領域
４０，４５，４７ 撮像用画素
４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂ，４４Ａ，４４Ｂ，４６Ａ，４６Ｂ，４８Ａ，４８Ｂ 焦点検出用画素
１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００ 固体撮像装置
１０１ 半導体基板
１０２ 配線層
１０３Ａ，２０３Ａ 第１の下部電極
１０３Ｂ，２０３Ｂ 第２の下部電極
１０３Ｃ，２０３Ｃ 第３の下部電極
１０４ 光電変換膜
１０５ 上部電極
１０６ カラーフィルタ
１０７，２０７，３０７ マイクロレンズ
１４０ 撮像用領域
１４２Ａ，１４２Ｂ 焦点検出用領域
２０３Ｄ，３０４Ｄ，３０５Ｄ 第４の下部電極
４０１，４０４ 絶縁膜
４０２，４０３ 金属層
９０１ 受光部
９０２ 遮光帯

Claims (10)

  1. 複数の画素が配置された撮像領域を有する固体撮像装置であって、
    前記複数の画素は、複数の撮像用画素と複数の焦点検出用画素とを含み、
    前記複数の撮像用画素のそれぞれは、
    第１の下部電極と、
    前記第１の下部電極の上に形成された光電変換膜と、
    前記光電変換膜の上に形成された上部電極とを備え、
    前記複数の焦点検出用画素のそれぞれは、
    第２の下部電極と、
    前記第２の下部電極の上に形成された前記光電変換膜と、
    前記光電変換膜の上に形成された上部電極と、
    前記第２の下部電極とは異なる第３の下部電極を備え、
    前記第２の下部電極は、前記第１の下部電極よりも面積が小さく、
    前記複数の焦点検出用画素に含まれる２つの焦点検出用画素は、それぞれの第２の下部電極が、画素中心から互いに異なる方向に偏心して配置されており、
    前記第３の下部電極は、電源に接続または接地されている、
    固体撮像装置。
  2. 前記第１の下部電極と第２の下部電極とは、同じ層に形成されている、
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記複数の焦点検出用画素は、前記第３の下部電極を共有している、
    請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
  4. 隣接する第１の下部電極と第２の下部電極との間に形成された、前記第１の下部電極および前記第２の下部電極とは異なる第４の下部電極を備える、
    請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
  5. 前記第３の下部電極と前記第４の下部電極とは、連続形成されている、
    請求項４に記載の固体撮像装置。
  6. 前記複数の焦点検出用画素のそれぞれは、前記第１の下部電極を備える、
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  7. 前記複数の焦点検出用画素のそれぞれの上に配置されたマイクロレンズを備え、それぞれのマイクロレンズの中心は、対応する焦点検出用画素の中心に対し、第２の下部電極が偏心する方向にずれている、
    請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  8. 隣接した前記焦点検出用画素の上に、共有される一のマイクロレンズが配置されている、
    請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  9. 前記光電変換膜は、有機材料で構成されている、
    請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  10. 複数の撮像用画素と複数の焦点検出用画素とが行列状に配置された撮像領域を有する固体撮像装置の製造方法であって、
    半導体基板上に配線層を形成する工程と、
    前記配線層上であって前記複数の撮像用画素のそれぞれが形成される撮像用領域に、第１の下部電極を形成する工程と、
    前記配線層上であって前記焦点検出用画素のそれぞれが形成される焦点検出用領域に、前記第１の下部電極よりも面積が小さく、かつ、画素中心から互いに異なる方向に偏心して配置されるように、第２の下部電極を形成する工程と、
    前記配線層上であって前記焦点検出用画素のそれぞれが形成される焦点検出用領域に、前記第２の下部電極とは異なり、かつ電源に接続または接地されている第３の下部電極を形成する工程と、
    前記第１の下部電極上、前記第２の下部電極上、および前記第３の下部電極上に、光電変換膜を形成する工程と、
    前記光電変換膜の上に上部電極を形成する工程とを含む
    固体撮像装置の製造方法。
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