WO2018088281A1 - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

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WO2018088281A1
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WO
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imaging device
solid
state imaging
insulating film
light receiving
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PCT/JP2017/039440
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English (en)
French (fr)
Inventor
横山　敏史
嘉昭 西
Original Assignee
パナソニック・タワージャズセミコンダクター株式会社
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith

Definitions

  • the technique described in the present specification relates to a solid-state imaging device including a plurality of light receiving units.
  • solid-state imaging device solid-state imaging device
  • AF autofocus
  • Patent Literature 1 and Non-Patent Literature 1 a photodiode provided in each pixel is divided into left and right parts, and autofocus is realized by detecting a phase difference of light incident on each photodiode. Is described. According to this technique, it is not necessary to repair an image, and all the pixels can be used for phase difference detection.
  • the present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that enables focusing by a phase difference autofocus method and has good incident angle characteristics.
  • the solid-state imaging device disclosed in the present specification is a solid-state imaging device including a substrate on which a plurality of pixels are formed.
  • the solid-state imaging device is provided at an upper portion of the substrate, and is formed at each of the plurality of pixels, and is provided with a light receiving unit that performs photoelectric conversion, and is provided above the substrate and at least a plurality of metal wirings are formed.
  • One wiring layer, at least a part of the insulating film provided between the plurality of metal wirings in the wiring layer, and provided in the wiring layer of the insulating film immediately above the light receiving portion A transparent insulating film penetrating through the portion and having a higher refractive index than the insulating film.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the solid-state imaging device according to the first embodiment.
  • 2 is a cross-sectional view of the solid-state imaging device according to the first embodiment taken along line II-II shown in FIG.
  • FIG. 3 shows a simulation result comparing the incident angle characteristics of the solid-state imaging device between the case where the wiring is embedded only with the silicon oxide material and the case where the silicon nitride material is embedded between the wirings above the light receiving portion.
  • FIG. FIG. 4A is a diagram illustrating quantum efficiency in the light receiving portions PD1 and PD2 when the incident angle of light is changed in a solid-state imaging device in which two light receiving portions PD1 and PD2 adjacent to each other are provided in a pixel.
  • FIG. 4B is a diagram illustrating a relationship between the sensitivity ratio of the light receiving unit PD1 and the light receiving unit PD2 and the incident angle of light when the same solid-state imaging device as that in FIG. 4A is targeted.
  • FIG. 5A is a plan view showing the shape of the condensing spot 30 in the light receiving parts PD1 and PD2 in the solid-state imaging device in which the transparent insulating film does not have a protrusion.
  • FIG. 5B is a plan view showing the shape of the condensing spot 30 at the light receiving portions 3A and 3B in the solid-state imaging device in which the transparent insulating film 10 has the first protrusions 5.
  • FIG. 5A is a plan view showing the shape of the condensing spot 30 in the light receiving parts PD1 and PD2 in the solid-state imaging device in which the transparent insulating film does not have a protrusion.
  • FIG. 5B is a plan view showing the shape of the condensing spot 30 at the
  • 6A is a diagram illustrating a relationship between the sensitivity ratio of the light receiving unit PD1 and the light receiving unit PD2 and the incident angle in the solid-state imaging device in the case where the transparent insulating film does not have a protrusion.
  • 6B is a diagram illustrating a relationship between the sensitivity ratio and the incident angle of the light receiving unit 3A and the light receiving unit 3B in the solid-state imaging device illustrated in FIG. 1 in which the transparent insulating film 10 includes the first protrusions 5.
  • FIG. FIG. 7A is a cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the solid-state imaging device according to the first embodiment.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the solid-state imaging device according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a solid-state imaging device according to a first modification of the first embodiment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a solid-state imaging device according to a second modification of the first embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a solid-state imaging device according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a solid-state imaging device according to the third embodiment.
  • a pixel means the minimum unit of an area for generating one pixel signal in an imaging area of a solid-state imaging device.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a solid-state imaging device according to the first embodiment disclosed in this specification.
  • 2 is a cross-sectional view of the solid-state imaging device according to the first embodiment taken along line II-II shown in FIG.
  • the solid-state imaging device includes a substrate 1 on which a plurality of pixels are formed.
  • the plurality of pixels are arranged in a matrix (not shown) in the imaging region of the solid-state imaging device.
  • the solid-state imaging device of the present embodiment includes light receiving units 3A (PD1) and 3B (PD2) that are provided for each pixel on the substrate 1 and perform photoelectric conversion.
  • PD1 and 3B light receiving units 3A and 3B
  • the solid-state imaging device of the present embodiment includes light receiving units 3A (PD1) and 3B (PD2) that are provided for each pixel on the substrate 1 and perform photoelectric conversion.
  • PD2 light receiving units 3A
  • PD2 light receiving units 3A and 3B (PD2) that are provided for each pixel on the substrate 1 and perform photoelectric conversion.
  • three or more light receiving units may be provided adjacent to each other, but in the following, an example in which two light receiving units 3A and 3B are formed adjacent to each other in one pixel will be given. I will explain.
  • the solid-state imaging device is also provided on a region of the substrate 1 that is located on the side of the light receiving units 3A and 3B, and transfers the charges generated by the corresponding light receiving units 3A and 3B.
  • at least one wiring layer 6 provided above the substrate 1 and provided with a plurality of metal wirings 20, and at least a part of the insulating film 12 provided between the plurality of metal wirings 20 in the wiring layer 6.
  • a transparent insulating film 10 that penetrates through a portion of the insulating film 12 provided in the wiring layer 6 and has a higher refractive index than the insulating film 12 immediately above the light receiving portions 3A and 3B.
  • the substrate 1 a known semiconductor substrate or the like is used, and for example, a silicon substrate can be used.
  • the substrate 1 includes an n-type substrate region 1a, a p-type layer 2 provided on the substrate region 1a, light receiving portions 3A and 3B, and light reception provided in pixels adjacent to each other. And a p-type region 19 that electrically isolates the portions PD.
  • the p-type layer 2 is provided in order to prevent electric charges generated in the light receiving portions 3A and 3B from leaking, but may not be formed.
  • the light receiving part PD when the individual light receiving parts are not distinguished, the light receiving part may be referred to as “light receiving part PD”.
  • the light receiving unit 3A is, for example, a photodiode composed of an n-type region 26A formed on the top of the substrate 1 and a p-type region 27A formed on the n-type region 26A.
  • 1 is a photodiode composed of an n-type region 26B formed on the upper portion of 1 and a p-type region 27B formed on the n-type region 26B.
  • the concentration of the n-type impurity contained in the n-type regions 26A and 26B is about 1 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 to 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 , and the p-type contained in the p-type regions 27A and 27B.
  • the impurity concentration is about 1 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 to 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 .
  • the light receiving portions 3A and 3B are not limited to photodiodes as long as they have a structure capable of converting incident light into electric charges.
  • a boundary region 17 that electrically separates the light receiving unit 3A and the light receiving unit 3B is formed between the light receiving unit 3A and the light receiving unit 3B.
  • the boundary region 17 is a p-type region including a p-type impurity of, for example, about 1 ⁇ 10 16 atoms / cm 3 to 1 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 . According to this configuration, when light enters the boundary region 17, the generated charges can be collected in one of the light receiving units 3 ⁇ / b> A and 3 ⁇ / b> B by a potential gradient.
  • the charges generated and accumulated in the light receiving portions 3A and 3B are transferred by the gate portions 4 adjacent to each other and can be read out separately.
  • the solid-state imaging device of this embodiment is a so-called CMOS type, and the gate unit 4 functions as a gate electrode of the transfer transistor.
  • the lower portion of the transparent insulating film 10 is a first protrusion 5 having a downwardly convex semi-cylindrical shape (cylindrical shape).
  • regions located on both sides in the width direction of the first protrusion 5 are flat surfaces 25.
  • the “semi-cylindrical shape” mentioned here allows not only a shape having a semicircular cross section in the width direction but also a columnar shape having a cross section in the width direction formed of a downward curve, such as a semi-elliptical shape.
  • the 1st projection part 5 is formed so that the axial direction (length direction) of the 1st projection part 5 may correspond with the direction where the boundary area
  • the transparent insulating film 10 is embedded in the insulating film 12, and the insulating film 12 is also provided between the light receiving portions 3A and 3B and the lower surface of the transparent insulating film 10.
  • the side surface and the lower surface of the transparent insulating film 10 (that is, the lower surface of the first protrusion 5 and the flat surface 25) are in contact with the insulating film 12 having a lower refractive index.
  • the solid-state imaging device of the present embodiment also includes a passivation film (transparent protective film) 7 that covers the wiring layer 6 and the transparent insulating film 10 and has a higher refractive index than the insulating film 12, as well as the transparent insulating film 10.
  • a color filter 8 provided on the passivation film 7 so as to be positioned above the light receiving portions 3A and 3B, a planarizing film 11 provided on the color filter 8 and having a flat upper surface, and on-chip And a lens 9.
  • the color filter 8 may not be provided.
  • the passivation film 7 and the transparent insulating film 10 are composed of the same transparent material film.
  • the transparent insulating film 10 and the passivation film 7 are made of a silicon nitride (SiN) material having a refractive index of about 2.0.
  • the insulating film 12 is formed of a silicon oxide (SiO 2 ) material having a refractive index of about 1.45.
  • the refractive index of the transparent insulating film 10 and the passivation film 7 should be at least higher than the refractive index of the insulating film 12.
  • the refractive index difference between the transparent insulating film 10 and the insulating film 12 can be easily increased.
  • the refractive index difference between the insulating film 12 and the transparent insulating film 10 can be easily increased.
  • the light collected by the on-chip lens 9 can be more effectively confined and collected in the light receiving unit 3A and the light receiving unit 3B.
  • the light incident on the transparent insulating film 10 from the oblique direction is guided to the light receiving portions 3A and 3B by the light confinement effect and the total reflection effect, a favorable incident angle characteristic can be obtained by the above combination. .
  • FIG. 3 shows a simulation result comparing the incident angle characteristics of the solid-state imaging device between the case where the wiring is embedded only with the silicon oxide material and the case where the silicon nitride material is embedded between the wirings above the light receiving portion.
  • the incident angle characteristic on the vertical axis is represented by 1 as the output from the light receiving unit when light is vertically incident from above. Comparison of incident angle characteristics is generally performed using an incident angle range that is 0.8 times the center output. A wide incident angle range means that the incident angle characteristics are good. To do. According to this index, the incident angle range when only the silicon oxide material is embedded between the wirings is 40 °, whereas the incident angle range when the silicon nitride material is embedded between the wirings is 50 °. It can be seen that it is greatly improved.
  • the incident angle characteristic is greatly improved by providing the transparent insulating film 10 through the portion of the insulating film 12 provided between the wirings.
  • the lower portion of the transparent insulating film 10 is a semi-cylindrical first protrusion 5 that protrudes downward. Since the first protrusion 5 is also made of silicon nitride and has a higher refractive index than the insulating film 12 in contact with the lower surface, the first protrusion 5 functions as a convex lens. The effect of the 1st projection part 5 is demonstrated below.
  • FIG. 4A is a diagram showing quantum efficiency in the light receiving portions PD1 and PD2 when the incident angle of light is changed in a solid-state imaging device in which two light receiving portions PD1 and PD2 adjacent to each other are provided in the pixel. 4A is intended for the solid-state imaging device shown in FIG. 1 in which the first protrusion 5 is removed from the lower portion of the transparent insulating film 10. When the light is incident vertically, the light receiving portions PD1 and PD2 are designed so that the quantum efficiencies thereof are the same.
  • the phase difference is determined by detecting the sensitivity ratio between the light receiving part PD1 and the light receiving part PD2. It can be detected.
  • FIG. 4B is a diagram illustrating the relationship between the sensitivity ratio of the light receiving unit PD1 and the light receiving unit PD2 and the incident angle of light when the same solid-state imaging device as FIG. 4A is targeted.
  • (sensitivity of the light receiving unit PD1 / sensitivity of the light receiving unit PD2) is expressed as “PD1 / PD2”
  • (sensitivity of the light receiving unit PD2 / sensitivity of the light receiving unit PD1) is expressed as “PD2 / PD1”.
  • the sensitivity of the light receiving portions PD1 and PD2 is the same, so PD1 / PD2 and PD2 / PD1 are both 1.
  • the incident angle characteristic expressed using the above sensitivity ratio changes greatly.
  • the narrower the incident angle the better the phase difference detection accuracy.
  • the incident angle characteristic can be determined based on the width of the incident angle at the position where the sensitivity ratio between the light receiving part PD1 and the light receiving part PD2 is 0.2.
  • FIG. 5A is a plan view showing the shape of the condensing spot 30 at the light receiving portions PD1 and PD2 in the solid-state imaging device in which the transparent insulating film does not have a protrusion.
  • FIG. 5B is a plan view showing the shape of the condensing spot 30 in the light receiving portions 3A and 3B in the solid-state imaging device of the present embodiment in which the transparent insulating film 10 has the first protrusions 5.
  • the spot diameter W increases. In this case, even if the condensing spot W slightly moves in the width direction from the center, a difference in the amount of light entering the PD1 and the PD2 when the oblique light is incident hardly occurs.
  • the condensing spot 30 becomes long in the axial direction (length direction) of the 1st projection part 5, and becomes a shape short in the width direction. .
  • the incident light is collected so that the width of the condensing spot 30 is narrow because the first protrusion 5 has a semi-cylindrical shape.
  • the width of the focused spot 30 is smaller than when the lower surface of the transparent insulating film 10 is flat.
  • the 1st projection part 5 is a semi-cylinder shape, it becomes possible to collect a wide range of light compared with the case where the 1st projection part 5 is a hemisphere which has a spherical planar shape.
  • FIG. 6A is a diagram showing the relationship between the sensitivity ratio and the incident angle of the light receiving part PD1 and the light receiving part PD2 in the solid-state imaging device when the transparent insulating film has no protrusions
  • FIG. 6B shows the transparent insulating film In the solid-state imaging device shown in FIG. 1 in which 10 has a first protrusion 5
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the sensitivity ratio of the light receiving part 3A and the light receiving part 3B and the incident angle.
  • the range of the incident angle when the value of the sensitivity ratio is 0.2 is 16 ° when the protrusion is not provided, and the first protrusion 5 is provided. It can be seen that the angle is 13 ° in the case of the solid-state imaging device of the present embodiment.
  • the first protrusion 5 it is easy to detect a difference between signals generated by a plurality of light receiving units. Therefore, if the solid-state imaging device of the present embodiment is used, it is possible to greatly improve the determination accuracy of whether or not the lens position of the imaging device is appropriate.
  • the flat surface 25 is formed in a region located on the side of the first protrusion 5 on the lower surface of the transparent insulating film 10. Assuming that the entire lower surface of the transparent insulating film 10 is a curved surface, the incident angle of oblique light passing through the lower surface of the transparent insulating film 10 is increased, so that the function as an optical waveguide is weakened, and the light receiving units 3A and 3B are moved to. It becomes difficult to concentrate. On the other hand, if a part of the lower surface of the transparent insulating film 10 is the flat surface 25, the width of the condensing spot 30 can be reduced without greatly reducing the amount of light incident on the light receiving portions 3A and 3B. it can.
  • the solid-state imaging device can achieve high-speed and high-precision focusing by the phase difference autofocus method while having excellent incident angle characteristics.
  • FIGS. 7A and 7B are cross-sectional views for explaining the method for manufacturing the solid-state imaging device according to the first embodiment. An example of a method for manufacturing the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to these drawings.
  • a p-type impurity and n-type impurity ions are appropriately implanted into the upper portion of a substrate 1 made of silicon or the like by using a known ion implantation method, whereby a substrate region 1a, a p-type layer 2,
  • the light receiving portions 3A and 3B, the boundary region 17 and the p-type region 19 are formed.
  • the light receiving portions 3A and 3B and the boundary region 17 are formed for each pixel.
  • the gate portion 4 made of a conductive material such as polysilicon is formed on the p-type region 19 using a known lithography technique or etching technique.
  • silicon oxide (SiO 2 ) is deposited on the gate portion 4 and the substrate 1 by a known method such as a chemical vapor deposition (CVD) method.
  • CVD chemical vapor deposition
  • insulating layers made of silicon oxide and metal wirings 20 the wiring layer 6 including the plurality of metal wirings 20, the metal wirings 20 in the wiring layer 6, and the wiring layers 6.
  • a buried insulating film 12 is formed.
  • the metal wiring 20 is formed using, for example, a metal material mainly composed of aluminum or copper.
  • the uppermost metal wiring 20 is exposed by a mechanical chemical polishing (CMP) method or the like, and the upper surface of the insulating film 12 is flattened.
  • CMP mechanical chemical polishing
  • a resist (mask) 13 is formed on the metal wiring 20 and the insulating film 12 by coating, exposure and development processing are performed. Thereby, a concave groove having a downward convex shape and flat surfaces located on both sides of the concave groove are formed in the resist 13.
  • the resist 13 can be processed without using a plurality of masks.
  • a gray tone mask it is possible to process the resist 13 by a single exposure development process by forming a slit having a predetermined width below the resolution of the exposure machine at a position corresponding to the groove and the flat surface. It becomes.
  • the resist 13 can be processed by a single exposure and development process, as in the case of using a gray tone mask.
  • the groove 45 and the concave groove 45 are formed in the insulating film 12 above the light receiving portions 3A and 3B.
  • the flat surfaces 43 on both sides of the groove 45 are formed. Thereafter, the resist 13 is removed.
  • silicon nitride is deposited on the substrate by a known method such as a CVD method. Thereby, the transparent insulating film 10 embedded in the recess including the recess 45 and the passivation film 7 are formed simultaneously. Next, the upper surface of the passivation film 7 is flattened by etching back the passivation film 7 in which the unevenness remains.
  • a color filter 8 made of a transparent polymer resin or the like, a planarizing film 11 and an on-chip lens 9 are formed by a known method such as a spin coating method. With the above method, the solid-state imaging device of the present embodiment can be manufactured.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a solid-state imaging device according to a first modification of the first embodiment.
  • the solid-state imaging device according to this modification has the flat bottom surface of the transparent insulating film 33 made of silicon nitride and the first protrusion 5 is not formed. This is different from the solid-state imaging device shown in FIG.
  • the width W of the condensing spot is larger than that of the solid-state imaging device according to FIGS. Is provided above the light receiving portions 3A and 3B, the light incident on the transparent insulating film 33 can be effectively confined. Therefore, the amount of light incident on the light receiving portions 3A and 3B can be increased as compared with the case where the transparent insulating film 33 is not provided, and as a result, the sensitivity can be improved while enabling focusing by the phase difference autofocus method. Is possible. It is also possible to improve the incident angle characteristics.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a solid-state imaging device according to a second modification of the first embodiment.
  • the entire lower surface of the transparent insulating film 36 provided above the light receiving portions 3A and 3B may be a curved surface.
  • the transparent insulating film 36 functions as a convex lens by making the refractive index of the transparent insulating film 36 higher than the refractive index of the insulating film 12, the width of the condensing spot can be reduced in the width direction. Further, the incident angle characteristic can be improved as compared with the case where the transparent insulating film 36 is not provided.
  • the solid-state imaging device of the present modification for example, the light 42 that is perpendicularly incident on the lower surface of the transparent insulating film 36 cannot be collected into the light receiving unit 3A. For this reason, the solid-state imaging device shown in FIGS. 1 and 2 exhibits higher sensitivity and better incident angle characteristics than the solid-state imaging device according to this modification.
  • the shape of the first protrusion 5 is not limited to a semi-cylindrical shape, and may be, for example, a downwardly projecting half-rectangular column shape that does not include a flat lower surface. .
  • the 1st projection part 5 may be hemispherical depending on the case. For example, since the width of the condensing spot 30 can be narrowed even if the first protrusion 5 has a triangular prism shape having a top portion below, detection by a phase difference can be performed compared to the case where the first protrusion 5 is not provided. Accuracy can be increased.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a solid-state imaging device according to the second embodiment. In the following, description will be made centering on differences from the solid-state imaging device of the first embodiment shown in FIGS.
  • a second protrusion 14 having a semi-cylindrical shape (cylindrical shape) that protrudes upward is formed on the passivation film 7.
  • the refractive index of the second protrusion 14 is higher than the refractive index of the color filter 8.
  • the light collecting ability in the width direction can be improved.
  • the size of the focused spot in the width direction can be made smaller than that of the solid-state imaging device according to the first embodiment. Therefore, according to the solid-state imaging device of the present embodiment, it is possible to further improve the determination accuracy of whether or not the position of the camera lens is appropriate.
  • the incident angle characteristic expressed using the sensitivity ratio between the light receiving unit 3A and the light receiving unit 3B is improved to 11 °.
  • the 2nd projection part 14 is not restricted to the semi-cylindrical shape convex upwards, and may be a hemispherical column shape convex in an upward direction, or a hemisphere depending on the case.
  • the width of the second protrusion 14 > (the width of the first protrusion 5) may be satisfied. Since the incident light can be concentrated in the width direction by the second protrusion 14, the light can be condensed in the width direction even if the width of the first protrusion 5 is reduced. By reducing the width of the first protrusion 5, it is possible to further improve the incident angle characteristic expressed using the sensitivity ratio between the light receiving unit 3 ⁇ / b> A and the light receiving unit 3 ⁇ / b> B.
  • a resist is first formed on the passivation film 7, and the upper portion of the resist is processed into a rectangular shape by patterning. Thereafter, heat is applied to the resist to fluidize the surface layer portion, and the upper portion of the resist is formed into a semi-cylindrical shape. Next, by etching back the upper portion of the passivation film 7 using this resist, the second protrusion 14 made of the same silicon nitride as the passivation film 7 can be formed.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a solid-state imaging device according to the third embodiment. In the following, description will be made centering on differences from the solid-state imaging device of the first embodiment shown in FIGS.
  • the width of the first protrusion 5 (that is, the length in the width direction) is the same as that of the color filter 8 provided in each pixel. It changes according to the color.
  • a color filter 8 of any one of R (red), G (green), and B (blue) is disposed in each pixel.
  • the light transmitted through the color filter 8 is any one of R, G, and B monochromatic light. Since the refractive index of silicon nitride constituting the first protrusion 5 varies depending on the wavelength of light, the light collection state varies depending on each color. In general, blue light has a high refractive index and is easy to condense, and red light has a low refractive index and is difficult to condense.
  • the solid-state imaging device of this embodiment the curvature of the first protrusion 5 It has become a W G> W R in order to adjust the. Not shown for the blue pixels, but if the width of the first protrusion 5 in the blue pixel and W B, and has a W B> W G> W R .
  • the passivation film 7 and the transparent insulating film 10 may be made of different transparent materials, and the position where the flat surface 25 of the transparent insulating film 10 is formed is not limited to only both sides of the first protrusion 5. .
  • the configuration of the solid-state imaging device according to the above-described embodiment and its modification may be combined as appropriate.
  • the upwardly convex second protrusion 14 shown in FIG. 10 may be provided.
  • the technique described in this specification is useful for an imaging apparatus that employs a phase difference detection method.

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Abstract

固体撮像装置は、基板(１)の上部に設けられ、複数の画素の各々に複数形成された受光部(３Ａ、３Ｂ)と、基板(１)の上方に設けられ、複数の金属配線(２０)が形成された少なくとも一層の配線層(６)と、少なくとも一部が配線層(６)内の、複数の金属配線(２０)間に設けられた絶縁膜(１２)と、受光部(３Ａ、３Ｂ)の直上において、絶縁膜(１２)のうち配線層(６)内に設けられた部分を貫通し、絶縁膜(１２)よりも高い屈折率を有する透明絶縁膜(１０)とを備えている。

Description

固体撮像装置及びその製造方法
　本明細書に記載された技術は、複数の受光部を備えた固体撮像装置に関する。
　カメラ等の撮像装置の高機能化に対応するための、イメージセンサ（固体撮像装置）が要望されている。この要望に応えるため、入射光の位相差を利用して高速にピント合わせを行うオートフォーカス（ＡＦ）機能を実現したり、様々な交換用レンズに対応できる入射角特性を持った固体撮像装置が研究されている。
　例えば、特許文献１及び非特許文献１には、各画素内に設けられたフォトダイオードを左右に二分割し、各々のフォトダイオードに入射する光の位相差を検出してオートフォーカスを実現する技術が記載されている。この技術によれば、画像の補修が不要になるうえ、全画素を位相差検出に使用することが可能となる。
特開２０１３－８４７４２号公報
M.Kobayashi et.al, A Low Noise and High Sensitivity Image Sensor with Imaging and Phase-Difference Detection AF in All Pixels. IISW2015.
　しかしながら、特許文献１及び非特許文献１に記載された固体撮像装置では、フォトダイオードに集光できる光の入射角範囲が十分に広くないため、Ｆ値の小さな明るいレンズを用いた場合、画素領域の周辺部で十分な感度を確保しづらくなる。
　本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、位相差オートフォーカス方式によるピント合わせを可能にし、良好な入射角特性を有する固体撮像装置を提供することにある。
　本明細書に開示された固体撮像装置は、複数の画素が形成された基板を備えた固体撮像装置である。この固体撮像装置は、前記基板の上部に設けられ、前記複数の画素の各々に複数形成され、光電変換を行う受光部と、前記基板の上方に設けられ、複数の金属配線が形成された少なくとも一層の配線層と、少なくとも一部が前記配線層内の、前記複数の金属配線間に設けられた絶縁膜と、前記受光部の直上において、前記絶縁膜のうち前記配線層内に設けられた部分を貫通し、前記絶縁膜よりも高い屈折率を有する透明絶縁膜とを備えている。
　本明細書に開示された固体撮像装置によれば、位相差オートフォーカス方式によるピント合わせを可能にしつつ、入射角特性の改善を図ることができる。
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。 図２は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の、図１に示すII-II線における断面図である。 図３は、受光部の上方において、配線間を酸化シリコン材料のみで埋め込んだ場合と、配線間に窒化シリコン材料を埋め込んだ場合とで、固体撮像装置の入射角特性を比較したシミュレーション結果を示す図である。 図４Ａは、画素中に互いに隣接する２つの受光部ＰＤ１、ＰＤ２が設けられた固体撮像装置において、光の入射角を変えた場合の受光部ＰＤ１、ＰＤ２での量子効率を示す図である。 図４Ｂは、図４Ａと同じ固体撮像装置を対象とした場合の、受光部ＰＤ１と受光部ＰＤ２の感度比と光の入射角との関係を示す図である。 図５Ａは、透明絶縁膜が突起部を有していない固体撮像装置において、受光部ＰＤ１、ＰＤ２での集光スポット３０の形状を示す平面図である。 図５Ｂは、透明絶縁膜１０が第１突起部５を有している固体撮像装置において、受光部３Ａ、３Ｂでの集光スポット３０の形状を示す平面図である。 図６Ａは、透明絶縁膜が突起部を有していない場合の固体撮像装置において、受光部ＰＤ１と受光部ＰＤ２の感度比と入射角との関係を示す図である。 図６Ｂは、透明絶縁膜１０が第１突起部５を有している図１に示す固体撮像装置において、受光部３Ａと受光部３Ｂの感度比と入射角との関係を示す図である。 図７Ａは、第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。 図７Ｂは、第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。 図８は、第１の実施形態の第１の変形例に係る固体撮像装置を示す断面図である。 図９は、第１の実施形態の第２の変形例に係る固体撮像装置を示す断面図である。 図１０は、第２の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。 図１１は、第３の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本明細書においては説明の便宜上、平面視において、互いに隣接する受光部３Ａ、３Ｂの境界領域１７が延びる方向を長さ方向と呼び、長さ方向と直交する方向を幅方向と呼ぶこととする。また、本明細書において、画素とは、固体撮像装置の撮像領域において、１つの画素信号を生成する領域の最小単位を意味するものとする。
　　（第１の実施形態）
　図１は、本明細書に開示された第１の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。図２は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の、図１に示すII-II線における断面図である。
　本実施形態に係る固体撮像装置は、複数の画素が形成された基板１を備えている。複数の画素は、例えば、固体撮像装置の撮像領域において、行列状に配置されている（図示せず）。
　図１、２に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、基板１の上部に画素ごとに設けられ、光電変換を行う受光部３Ａ（ＰＤ１）、３Ｂ（ＰＤ２）を備えている。各画素において、３つ以上の受光部が互いに隣接して設けられていてもよいが、以下では、１つの画素内に２つの受光部３Ａ、３Ｂが互いに隣接して形成されている例を挙げて説明する。
　本実施形態の固体撮像装置はまた、基板１のうち、受光部３Ａ、３Ｂの側方に位置する領域上に設けられ、対応する受光部３Ａ、３Ｂにより生成された電荷を転送させるゲート部４と、基板１の上方に設けられ、複数の金属配線２０が形成された少なくとも一層の配線層６と、少なくとも一部が配線層６内の、複数の金属配線２０間に設けられた絶縁膜１２と、受光部３Ａ、３Ｂの直上において、絶縁膜１２のうち配線層６内に設けられた部分を貫通し、絶縁膜１２よりも高い屈折率を有する透明絶縁膜１０とを備えている。
　基板１としては、公知の半導体基板等が用いられ、例えばシリコン基板を用いることができる。図１に示す例では、基板１は、ｎ型の基板領域１ａと、基板領域１ａ上に設けられたｐ型層２と、受光部３Ａ、３Ｂと、互いに隣接する画素内に設けられた受光部ＰＤ間を電気的に分離するｐ型領域１９とを有している。ｐ型層２は受光部３Ａ、３Ｂで生じた電荷が漏れるのを防ぐために設けられているが、形成されていなくてもよい。なお、本明細書において、個々の受光部を区別しない場合、受光部を「受光部ＰＤ」と呼ぶ場合がある。
　受光部３Ａは、例えば、基板１の上部に形成されたｎ型領域２６Ａと、ｎ型領域２６Ａ上に形成されたｐ型領域２７Ａとで構成されたフォトダイオードであり、受光部３Ｂは、基板１の上部に形成されたｎ型領域２６Ｂと、ｎ型領域２６Ｂ上に形成されたｐ型領域２７Ｂとで構成されたフォトダイオードである。この場合、ｎ型領域２６Ａ、２６Ｂに含まれるｎ型不純物の濃度は１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３～１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度であり、ｐ型領域２７Ａ、２７Ｂに含まれるｐ型不純物の濃度は１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３～１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度である。ただし、受光部３Ａ、３Ｂは、入射した光を電荷に変換できる構造を有していれば、フォトダイオードに限られない。
　受光部３Ａと受光部３Ｂとの間には、両者を電気的に分離する境界領域１７が形成されている。境界領域１７は、例えば１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３～１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度のｐ型不純物を含むｐ型領域である。この構成によれば、境界領域１７に光が入射した場合、発生した電荷を電位勾配によって受光部３Ａ、３Ｂのいずれかに集めることができる。
　受光部３Ａ、３Ｂでそれぞれ生成され、蓄積された電荷は、各々に隣接したゲート部４によって転送され、別個に読み出し可能となっている。なお、本実施形態の固体撮像装置は、いわゆるＣＭＯＳ型であり、ゲート部４は、転送トランジスタのゲート電極として機能する。
　オートフォーカスを行う際には、受光部３Ａと受光部３Ｂでそれぞれ発生した電荷の量を比較することにより、撮像装置のレンズの焦点位置が、適正位置からどの程度ずれているかを判断できる。一方、撮影時には、受光部３Ａ、３Ｂで生成された電荷を合計して１つの画素信号として読み出すことが可能となっている。
　本実施形態の固体撮像装置において、透明絶縁膜１０の下部は、下に凸な半円柱形状（シリンドリカル形状）の第１突起部５となっている。透明絶縁膜１０の下面のうち、第１突起部５の幅方向の両側に位置する領域は、平坦面２５となっている。ここで言う「半円柱形状」とは、幅方向の断面が半円形の形状だけでなく、半楕円形等、幅方向の断面が下向きの曲線で構成された柱状も許容するものとする。なお、第１突起部５の軸方向（長さ方向）を、平面視における境界領域１７の延びる方向と一致するように第１突起部５が形成されていれば、受光部３Ａ、３Ｂの狭い領域に効果的に光を集めることができる。また、第１突起部５の最深部（半円柱形状の下側頂部）が境界領域１７の直上方に位置するように当該第１突起部５が形成されていれば、多くの場合で受光部３Ａと受光部３Ｂとに入射する光量の差を小さくすることができる。
　図１、２に示す例では、絶縁膜１２に透明絶縁膜１０が埋め込まれており、絶縁膜１２は受光部３Ａ、３Ｂと透明絶縁膜１０の下面との間にも設けられている。透明絶縁膜１０の側面と下面（すなわち、第１突起部５の下面及び平坦面２５）とは、より屈折率の低い絶縁膜１２と接していることになる。
　本実施形態の固体撮像装置はまた、配線層６上及び透明絶縁膜１０上を覆い、透明絶縁膜１０と同じく絶縁膜１２よりも高い屈折率を有するパッシベーション膜（透明保護膜）７と、各画素において、パッシベーション膜７上に、受光部３Ａ、３Ｂの上方に位置するように設けられたカラーフィルター８と、カラーフィルター８上に設けられ、平坦な上面を有する平坦化膜１１と、オンチップレンズ９とを備えている。カラー画像が必要とされない用途に用いられる場合、カラーフィルター８は設けられていなくてもよい。
　図１、２に示す例では、パッシベーション膜７と透明絶縁膜１０とは同一の透明材料膜で構成されている。本実施形態の固体撮像装置において、透明絶縁膜１０及びパッシベーション膜７は、２．０程度の屈折率を示す窒化シリコン（ＳｉＮ）材料で構成されている。一方、絶縁膜１２は、屈折率が１．４５前後の酸化シリコン（ＳｉＯ２）材料で形成されている。透明絶縁膜１０及びパッシベーション膜７の屈折率は、少なくとも絶縁膜１２の屈折率より高ければよい。
　しかし、窒化シリコン材料と酸化シリコン材料との組み合わせを用いれば、透明絶縁膜１０と絶縁膜１２との屈折率差を容易に大きくすることが可能となる。絶縁膜１２と透明絶縁膜１０との屈折率差を大きくすることで、オンチップレンズ９によって集光された光をより効果的に閉じ込めて、受光部３Ａ及び受光部３Ｂへと集めることができる。また、斜め方向から透明絶縁膜１０へ入射した光は、光の閉じ込め効果および全反射効果により受光部３Ａ、３Ｂへと導かれるので、上述の組み合わせにより、良好な入射角特性を得ることができる。
　図３は、受光部の上方において、配線間を酸化シリコン材料のみで埋め込んだ場合と、配線間に窒化シリコン材料を埋め込んだ場合とで、固体撮像装置の入射角特性を比較したシミュレーション結果を示す図である。
　縦軸の入射角特性は、光を上方から垂直に入射させたときの受光部からの出力を１として表される。入射角特性の比較は、中心出力の０．８倍となる入射角の範囲を用いて行うのが一般的であり、入射角の範囲が広いことは、入射角特性が良好であることを意味する。この指標によれば、配線間に酸化シリコン材料のみが埋め込まれた場合の入射角の範囲が４０°であるのに対し、窒化シリコン材料が配線間に埋め込まれた場合の入射角の範囲は５０°と、大幅に改善されることが分かる。
　この結果から、本実施形態の固体撮像装置では、絶縁膜１２のうち、配線間に設けられた部分を貫通して透明絶縁膜１０が設けられていることにより、入射角特性が大幅に改善されていることが分かる。
　さらに、本実施形態の固体撮像装置では、上述のように、透明絶縁膜１０の下部が下に凸な半円柱形状の第１突起部５となっている。第１突起部５も窒化シリコンで構成されており、下面が接する絶縁膜１２よりも屈折率が高いので、第１突起部５は凸レンズとして機能する。第１突起部５の効果について、以下に説明する。
　図４Ａは、画素中に互いに隣接する２つの受光部ＰＤ１、ＰＤ２が設けられた固体撮像装置において、光の入射角を変えた場合の受光部ＰＤ１、ＰＤ２での量子効率を示す図である。図４Ａでは、図１に示す固体撮像装置において、透明絶縁膜１０の下部から第１突起部５を除いた固体撮像装置を対象としている。光が垂直に入射する場合、受光部ＰＤ１とＰＤ２の量子効率は同じとなるように、これらの受光部は設計される。
　図４Ａに示すように、受光部ＰＤ１と受光部ＰＤ２とは量子効率のピークを示す入射角がずれているので、受光部ＰＤ１と受光部ＰＤ２との感度比を検出することにより、位相差を検出できる。
　図４Ｂは、図４Ａと同じ固体撮像装置を対象とした場合の、受光部ＰＤ１と受光部ＰＤ２の感度比と光の入射角との関係を示す図である。同図では、（受光部ＰＤ１の感度／受光部ＰＤ２の感度）を「ＰＤ１／ＰＤ２」と表記し、（受光部ＰＤ２の感度／受光部ＰＤ１の感度）を「ＰＤ２／ＰＤ１」と表記する。
　入射光が基板に対して垂直である場合、受光部ＰＤ１とＰＤ２の感度が同じであるので、ＰＤ１／ＰＤ２とＰＤ２／ＰＤ１は、共に１となる。これに対し、光が斜めから入射すると、片方の受光部ＰＤに多くの光が入射するため、上記の感度比を用いて表される入射角特性は大きく変化する。ここで、図４Ｂに示す入射角特性のグラフにおいて、入射角の幅が狭い程、位相差の検出精度は良くなる。図４Ｂに示すグラフでは、受光部ＰＤ１と受光部ＰＤ２の感度比が０．２になる箇所での入射角の幅を基準として入射角特性を判断することができる。
　次に、図５Ａは、透明絶縁膜が突起部を有していない固体撮像装置において、受光部ＰＤ１、ＰＤ２での集光スポット３０の形状を示す平面図である。図５Ｂは、透明絶縁膜１０が第１突起部５を有している本実施形態の固体撮像装置において、受光部３Ａ、３Ｂでの集光スポット３０の形状を示す平面図である。
　図５Ａに示すように、透明絶縁膜１０に第１突起部５が設けられない場合、スポット径Ｗは大きくなる。この場合、集光スポットＷが中心から幅方向に若干動いたとしても、斜め光が入射したときのＰＤ１とＰＤ２に入る光量の差は発生しにくい。
　一方、第１突起部５が設けられている場合、集光スポット３０は、図５Ｂに示すように、第１突起部５の軸方向（長さ方向）で長く、幅方向で短い形状となる。これは、第１突起部５が半円柱形状であるため、集光スポット３０の幅が狭くなるように入射光が集められることによる。特に、第１突起部５の下面が曲面で構成されていることにより、透明絶縁膜１０の下面が平坦である場合に比べて集光スポット３０の幅は小さくなっている。なお、第１突起部５が半円柱形状であることにより、第１突起部５が球形の平面形状を有する半球状である場合に比べて広範囲の光を集めることが可能となる。
　図６Ａは、透明絶縁膜が突起部を有していない場合の固体撮像装置における受光部ＰＤ１と受光部ＰＤ２の感度比と入射角との関係を示す図であり、図６Ｂは、透明絶縁膜１０が第１突起部５を有している図１に示す固体撮像装置において、受光部３Ａと受光部３Ｂの感度比と入射角との関係を示す図である。
　図６Ａ、図６Ｂに示すように、上記感度比の値が０．２である場合の入射角の範囲は、突起部が設けられていない場合で１６°、第１突起部５が設けられた本実施形態の固体撮像装置の場合で１３°となることが分かる。このように、本実施形態に係る固体撮像装置では、第１突起部５を設けることにより、複数の受光部で生成された信号の差異を検出しやすくなっている。そのため、本実施形態の固体撮像装置を用いれば、撮像装置のレンズの位置が適正かどうかの判別精度を大幅に向上させることができる。
　また、本実施形態の固体撮像装置では、透明絶縁膜１０の下面のうち第１突起部５の側方に位置する領域に平坦面２５が形成されている。仮に、透明絶縁膜１０の下面全体が曲面であるとすると、透明絶縁膜１０の下面を通過する斜め光の入射角が大きくなるので、光導波路としての機能が弱くなり、受光部３Ａ、３Ｂへと集光されにくくなる。これに対し、透明絶縁膜１０の下面の一部が平坦面２５となっていれば、受光部３Ａ、３Ｂに入射する光量を大きく低減させることなく、集光スポット３０の幅を小さくすることができる。
　以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置は、優れた入射角特性を有しつつ、位相差オートフォーカス方式による高速で高精度なピント合わせを可能にすることができる。
　－固体撮像装置の製造方法ー
　図７Ａ及び図７Ｂは、第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明するための断面図である。これらの図を用いて、本実施形態の固体撮像装置の製造方法の一例を説明する。
　まず、図７Ａに示すように、シリコン等からなる基板１の上部に公知のイオン注入法を用いてｐ型不純物及びｎ型不純物イオンを適宜注入することにより、基板領域１ａ、ｐ型層２、受光部３Ａ、３Ｂ、境界領域１７及びｐ型領域１９を形成する。受光部３Ａ、３Ｂ及び境界領域１７は、画素ごとに形成する。
　次いで、公知のリソグラフィー技術やエッチング技術を用いて、ポリシリコン等の導電材料からなるゲート部４を、ｐ型領域１９上に形成する。続いて、Chemical Vapor Deposition（ＣＶＤ）法等の公知の方法によってゲート部４上及び基板１上に酸化シリコン（ＳｉＯ２）を堆積する。次いで、酸化シリコンからなる絶縁層と、金属配線２０とを交互に形成することにより、複数の金属配線２０を含む配線層６と、配線層６内の金属配線２０間、及び配線層６間に埋め込まれた絶縁膜１２を形成する。金属配線２０は例えば、アルミニウム又は銅を主成分とする金属材料を用いて形成される。
　次に、絶縁膜１２を形成した後、機械的化学的研磨（ＣＭＰ）法等により最上層の金属配線２０を露出させるとともに、絶縁膜１２の上面を平坦化する。次いで、金属配線２０及び絶縁膜１２の上にレジスト（マスク）１３を塗布により形成した後、露光及び現像処理を行う。これにより、レジスト１３に、下に凸な形状の凹溝と、凹溝の両側に位置する平坦面とを形成する。
　レジスト１３の凹溝及び平坦面を形成する際に、グレイトーンマスクやグレイスケールマスクを用いれば、複数のマスクを用いることなくレジスト１３を加工することが可能となる。例えばグレイトーンマスクを用いる場合、凹溝及び平坦面に対応する位置に露光機の解像度以下の所定幅のスリットを形成しておくことで、一度の露光現像処理でレジスト１３を加工することが可能となる。グレイスケールマスクを用いる場合も、グレイトーンマスクを用いる場合と同様に、一度の露光現像処理でレジスト１３を加工することが可能である。
　次に、図７Ｂに示すように、以上の加工を行ったレジスト１３を用いて絶縁膜１２のエッチングを行うことにより、受光部３Ａ、３Ｂの上方において、絶縁膜１２に凹溝４５と、凹溝４５の両側の平坦面４３とを形成する。その後、レジスト１３を除去する。
　次いで、ＣＶＤ法等の公知の方法によって、基板上に例えば窒化シリコンを堆積させる。これにより、凹溝４５を含む凹部に埋め込まれた透明絶縁膜１０と、パッシベーション膜７とを同時に形成する。次に、凸凹が残るパッシベーション膜７をエッチバックすることにより、パッシベーション膜７の上面を平坦化する。
　続いて、スピンコート法等の公知の方法によって、透明な高分子樹脂等からなるカラーフィルター８、平坦化膜１１及びオンチップレンズ９（図１参照）をそれぞれ形成する。以上の方法により、本実施形態の固体撮像装置を製造することができる。
　－第１の実施形態の変形例ー
　図８は、第１の実施形態の第１の変形例に係る固体撮像装置を示す断面図である。同図に示すように、本変形例に係る固体撮像装置は、窒化シリコンからなる透明絶縁膜３３の下面が平坦となっており、第１突起部５が形成されていない点が、図１、２に示す固体撮像装置と異なっている。
　本変形例に係る固体撮像装置によれば、図１、２に係る固体撮像装置に比べて集光スポットの幅Ｗは大きくなっているものの、絶縁膜１２よりも屈折率の高い透明絶縁膜３３が受光部３Ａ、３Ｂの上方に設けられているので、透明絶縁膜３３に入射した光を効果的に閉じ込めることができる。そのため、透明絶縁膜３３が設けられない場合に比べて受光部３Ａ、３Ｂに入射する光量を増やすことができ、その結果、位相差オートフォーカス方式によるピント合わせを可能にしつつ、感度を向上させることが可能となっている。また、入射角特性を改善することも可能となっている。
　また、図９は、第１の実施形態の第２の変形例に係る固体撮像装置を示す断面図である。同図に示すように、受光部３Ａ、３Ｂの上方に設けられた透明絶縁膜３６の下面全体が曲面となっていてもよい。この場合、透明絶縁膜３６の屈折率を絶縁膜１２の屈折率よりも高くすることで、透明絶縁膜３６が凸レンズとして機能するので、集光スポットの幅を幅方向に狭くすることができる。また、透明絶縁膜３６が設けられない場合に比べて入射角特性を改善することができる。ただし、本変形例の固体撮像装置では、例えば透明絶縁膜３６の下面に垂直に入射する光４２を受光部３Ａへと集めることができない。このため、図１、２に示す固体撮像装置の方が、本変形例に係る固体撮像装置よりも高感度で良好な入射角特性を示す。
　なお、図１、２に示す本実施形態の固体撮像装置において、第１突起部５の形状は半円柱状に限られず、例えば平坦な下面を含まない下に凸な半角柱状であってもよい。また、第１突起部５は、場合によっては半球状であってもよい。例えば、第１突起部５が下に頂部を有する三角柱状であっても集光スポット３０の幅を狭くすることができるので、第１突起部５を設けない場合に比べて位相差による検出の精度を高めることができる。
　　（第２の実施形態）
　図１０は、第２の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。以下では、図１、２に示す第１の実施形態の固体撮像装置と異なる部分を中心に説明を行う。
　本実施形態の固体撮像装置では、パッシベーション膜７上に、上に凸な半円柱状（シリンドリカル形状）の第２突起部１４が形成されている。図１０に示す例では、第２突起部１４の屈折率は、カラーフィルター８の屈折率よりも高くなっている。
　第１突起部５に加えて第２突起部１４を設けることにより、幅方向の集光能力を向上させることができる。このため、本実施形態の固体撮像装置では、集光スポットの幅方向のサイズを、第１の実施形態の固体撮像装置に比べてより小さくすることが可能となる。従って、本実施形態の固体撮像装置によれば、カメラレンズの位置が適正かどうかの判別精度をより向上させることができる。なお、本構造を採用することで、受光部３Ａと受光部３Ｂの感度比を用いて表される入射角特性が１１°に改善される。また、第２突起部１４は上に凸な半円柱状に限られず、場合によって上に凸な半角柱状や、半球状であってもよい。
　本実施形態では、（第２突起部１４の幅）＞（第１突起部５の幅）としてもよい。第２突起部１４によって入射光を幅方向に集約させることができるので、第１突起部５の幅を小さくしても幅方向の集光を行うことができる。第１突起部５の幅を小さくすることにより、受光部３Ａと受光部３Ｂの感度比を用いて表される入射角特性をより改善することができる。
　なお、上述の第２突起部１４を形成する際には、まずパッシベーション膜７上にレジストを形成し、パターニングを行ってレジストの上部を矩形状に加工する。その後、レジストに熱を加えて表層部分を流動化させ、レジストの上部を半円柱形状にする。次いで、このレジストを用いてパッシベーション膜７の上部をエッチバックすることにより、パッシベーション膜７と同じ窒化シリコンからなる第２突起部１４を形成することができる。
　（第３の実施形態）
　図１１は、第３の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。以下では、図１、２に示す第１の実施形態の固体撮像装置と異なる部分を中心に説明を行う。
　本実施形態の固体撮像装置では、第１の実施形態に係る固体撮像装置と異なり、第１突起部５の幅（すなわち、幅方向の長さ）を、各画素に設けられたカラーフィルター８の色に応じて変えている。
　カラー画像の信号を出力する固体撮像装置では、各画素に、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のいずれか１色のカラーフィルター８が配置されている。カラーフィルター８を透過した光は、Ｒ、Ｇ、Ｂのいずれかの単色光となる。第１突起部５を構成する窒化シリコンの屈折率は、光の波長によって異なるので、集光状態は各色によって異なる。一般的に青色光に対しては屈折率が高く集光が容易で、赤色光に対しては屈折率が低くなるため集光しにくくなる。よって、赤色画素での第１突起部５の幅をＷＲ、緑色画素での第１突起部５の幅をＷＧとすると、本実施形態の固体撮像装置では、第１突起部５の曲率を調整するためにＷＧ＞ＷＲとなっている。青色画素については図示していないが、青色画素での第１突起部５の幅をＷＢとすると、ＷＢ＞ＷＧ＞ＷＲとなっている。
　このような構造を採用することで、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの画素での集光スポットの形状をほぼ同じにすることが可能となる。このため、Ｒ、Ｇ、Ｂを含む全画素から出力される信号を同様の方法で演算処理して位相差検出を行うことが可能となる。
　以上で説明した実施形態及びその変形例に係る固体撮像装置の構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、パッシベーション膜７と透明絶縁膜１０とは、異なる透明材料で構成されていてもよく、透明絶縁膜１０の平坦面２５が形成される位置も第１突起部５の両側だけに限られない。
　また、上述した実施形態及びその変形例に係る固体撮像装置の構成を適宜組み合わせてもよい。例えば、図１１に示す第３の実施形態に係る固体撮像装置において、図１０に示す上に凸な形状の第２突起部１４を設けてもよい。
　以上説明したように、本明細書に記載された技術は、位相差検出方式を採用する撮像装置に有用である。
１　　　基板
１ａ　　基板領域
２　　　ｐ型層
３Ａ、３Ｂ、ＰＤ１、ＰＤ２　　受光部
４　　　ゲート部
５　　　第１突起部 
６　　　配線層
１０、３３、３６　　　透明絶縁膜
１１　　　平坦化膜 
１２　　　絶縁膜
１４　　　第２突起部
１７　　　境界領域
２０　　　金属配線
２５、４３　　　平坦面
２６Ａ、２６Ｂ　ｎ型領域
２７Ａ、２７Ｂ　ｐ型領域
３０　　　集光スポット
４５　　　凹溝

Claims (7)

  1. 　複数の画素が形成された基板を備えた固体撮像装置であって、
    　前記基板の上部に設けられ、前記複数の画素の各々に複数形成され、光電変換を行う受光部と、
    　前記基板の上方に設けられ、複数の金属配線が形成された少なくとも一層の配線層と、
    　少なくとも一部が前記配線層内の、前記複数の金属配線間に設けられた絶縁膜と、
    　前記受光部の直上において、前記絶縁膜のうち前記配線層内に設けられた部分を貫通し、前記絶縁膜よりも高い屈折率を有する透明絶縁膜とを備えている固体撮像装置。
  2. 　請求項１に記載の固体撮像装置において、
    　前記透明絶縁膜の下部は、下に凸な形状の第１突起部となっており、
    　前記透明絶縁膜の各々の下面のうち、前記第１突起部の両側に位置する領域は平坦面となっており、
    　前記絶縁膜は、前記受光部と前記透明絶縁膜の下面との間にも設けられていることを特徴とする固体撮像装置。
  3. 　請求項２に記載の固体撮像装置において、
    　前記第１突起部は、下に凸な半円柱状又は平坦な下面を含まない下に凸な半角柱状であることを特徴とする固体撮像装置。
  4. 　請求項１～３のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置において、
    　前記透明絶縁膜上に設けられた、上に凸な第２突起部をさらに備えていることを特徴とする固体撮像装置。
  5. 　請求項２又は３に記載の固体撮像装置において、
    　前記複数の画素内の前記透明絶縁膜の上方には、複数色から選ばれた色のカラーフィルターが設けられており、
    　前記第１突起部の幅は、画素に設けられた前記カラーフィルターの色に応じて異なっていることを特徴とする固体撮像装置。
  6. 　請求項２、３及び５のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置において、
    　前記複数の画素の各々には、境界領域を挟んで互いに隣接する２つの受光部が形成されており、
    　平面視において、前記第１突起部の軸方向は、前記境界領域の延びる方向と一致していることを特徴とする固体撮像装置。
  7. 　複数の画素が形成された基板を備えた固体撮像装置の製造方法であって、
    　前記複数の画素の各々において、光電変換を行う複数の受光部を前記基板の上部に形成する工程と、
    　前記基板の上方に、複数の金属配線を含む少なくとも一層の配線層を形成するとともに、前記基板上に前記複数の金属配線同士を電気的に分離する絶縁膜を形成する工程と、
    　前記配線層及び前記絶縁膜の上にマスクを形成した後、グレイトーンマスク又はグレイスケールマスクを用いて前記マスクを加工する工程と、
    　前記マスクを用いて前記絶縁膜のエッチングを行い、前記複数の受光部の上方において、下に凸な形状を有する凹溝と、前記凹溝の両側の平坦面とを形成する工程とを備えている固体撮像装置の製造方法。
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