WO2020235589A1 - 固体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

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徹 竹田
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ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a solid-state image sensor and a method for manufacturing the same.
  • a solid-state image sensor in which a light-receiving surface of a silicon layer having a photodiode is provided with a minute uneven structure has been proposed.
  • a minute uneven structure is called a moth-eye structure.
  • the moth-eye structure it is possible to reduce the reflection of incident light and improve the sensitivity of the solid-state image sensor.
  • the moth-eye structure may scatter the incident light on each pixel to the adjacent pixels, causing color mixing between the pixels. Therefore, it has been proposed to reduce the color mixing by providing an element separation portion or a light-shielding film in the region between the pixels, but there are cases where the color mixing cannot be sufficiently reduced only by these measures.
  • the present disclosure provides a solid-state image sensor capable of effectively reducing color mixing and a method for manufacturing the same.
  • the solid-state image sensor on the first side surface of the present disclosure includes a substrate and a photoelectric conversion unit provided in the substrate, and a plurality of convex portions are provided on the light incident surface of the substrate, and the width of the convex portions is provided. Decreases as the distance from the center of the plurality of convex portions increases. As a result, the scattering of the incident light can be suppressed by the convex portion, and the color mixing can be effectively reduced.
  • each of the plurality of convex portions may have a ring shape in a plan view.
  • scattering of incident light can be further suppressed by the ring-shaped convex portion, and color mixing can be effectively reduced.
  • the plurality of convex portions may have a concentric ring-shaped shape in a plan view.
  • the incident light can be focused on a point on the central axis by the convex portion having a ring shape, and the color mixing can be effectively reduced.
  • each of the plurality of convex portions may have a circular or quadrangular ring shape in a plan view.
  • the convex portion can be made circular to effectively collect the incident light, and the convex portion can be made quadrangular to easily form the convex portion.
  • a plurality of concave portions are provided alternately with the plurality of convex portions on the light incident surface of the substrate, and the width of the concave portions becomes smaller as the distance from the central portion of the plurality of concave portions increases. May be good. Thereby, an optical element such as a zone plate can be realized by the convex portion and the concave portion.
  • each of the plurality of recesses may have a ring shape in a plan view. As a result, scattering of incident light can be further suppressed by the ring-shaped recesses, and color mixing can be effectively reduced.
  • the solid-state image sensor on the first side surface may further include a first material provided in the convex portion and a second material provided between the convex portions and different from the first material. Good. This makes it possible to realize an optical element that utilizes the difference in light transmittance and refractive index between the first material and the second material.
  • the first material may also serve as a material for the semiconductor region in the photoelectric conversion unit and a material for the convex portion.
  • a convex portion can be formed by using a part of the photoelectric conversion portion.
  • the second material may include a film having a negative fixed charge.
  • the dark current can be reduced at the convex portion by the film having a negative fixed charge.
  • the second material may include a first film which is a film having a negative fixed charge and a second film different from the first film.
  • the solid-state image pickup device on the first side surface further includes an element separating portion provided between the photoelectric conversion portions adjacent to each other, and the second material is an insulating material which is a material of the element separating portion. May include.
  • the convex portion can be formed by the process of forming the element separating portion.
  • the first material and the second material may have different light transmittances or refractive indexes from each other.
  • a phase type zone plate or an amplitude type zone plate can be realized by the convex portion.
  • the solid-state imaging device on the first side surface further includes a lens that collects light and causes it to enter the convex portion, and a color filter layer provided between the lens and the convex portion.
  • the shape of the convex portion may be different depending on the type of color transmitted through the color filter layer. As a result, the performance of the convex portion can be changed according to the color.
  • the solid-state image sensor on the first side surface is provided between the wiring layer provided on the surface of the substrate opposite to the light incident surface and the photoelectric conversion unit and the wiring layer, and is provided for the photoelectric conversion.
  • a reflector that reflects light from the unit may be further provided. As a result, it is possible to prevent the light collected by the convex portion from entering the wiring layer.
  • the surface of the reflector on the photoelectric conversion portion side may have a concave shape. As a result, it is possible to prevent the reflected light from the reflector from being scattered by the adjacent pixels.
  • the solid-state image sensor on the first side surface is provided between the photoelectric conversion unit and the surface of the substrate opposite to the light incident surface, and has a memory unit that holds charges from the photoelectric conversion unit. Further may be provided. As a result, even if the memory unit is provided on the opposite side of the lens to the photoelectric conversion unit, the incident light can be suppressed from being incident on the memory unit by the convex portion.
  • the plurality of convex portions have a concentric ring-shaped shape having a central axis at the same position in a plan view, and the memory portion is provided at a position not overlapping with the central axis. It may have been. As a result, even if the incident light is focused on a point on the central axis by the convex portion, it is possible to suppress the incident light from being incident on the memory portion.
  • the solid-state imaging device on the second side of the present disclosure is provided between a lens that collects light, a photoelectric conversion unit that converts light from the lens into a charge, and the lens and the photoelectric conversion unit. It includes a condensing unit that collects light from the lens on the photoelectric conversion unit. As a result, the incident light can be collected by the condensing unit, and the color mixing can be effectively reduced.
  • the photoelectric conversion unit is provided in the substrate, and the light condensing unit is formed by a plurality of convex portions provided on the light incident surface of the substrate to generate light from the lens. May be focused on the photoelectric conversion unit. As a result, the light-collecting action of the light-collecting portion can be realized by the convex portion.
  • a photoelectric conversion portion is formed in the substrate, a plurality of convex portions are formed on the light incident surface of the substrate, and the width of the convex portions is the plurality of protrusions. It includes forming so as to become smaller as the distance from the center of the convex portion increases. As a result, the scattering of the incident light can be suppressed by the convex portion, and the color mixing can be effectively reduced.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a solid-state image sensor according to the first embodiment.
  • the solid-state image sensor of FIG. 1 is a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) type solid-state image sensor, and has a pixel region 2 having a plurality of pixels 1, a control circuit 3, a vertical drive circuit 4, and a plurality of column signal processes.
  • a circuit 5, a horizontal drive circuit 6, an output circuit 7, a plurality of vertical signal lines 8, and a horizontal signal line 9 are provided.
  • Each pixel 1 is composed of a photoelectric conversion unit including a photodiode and a plurality of pixel transistors and the like.
  • Examples of pixel transistors are four MOS transistors: a transfer transistor, a reset transistor, an amplifier transistor, and a selection transistor.
  • the pixel transistor may be three transistors excluding the selection transistor.
  • the pixel region 2 has a plurality of pixels 1 regularly arranged in a two-dimensional array on the substrate.
  • the pixel region 2 is an effective pixel region that receives light and performs photoelectric conversion, amplifies and outputs the signal charge generated by the photoelectric conversion, and a black reference for outputting optical black that serves as a reference for the black level. It includes a pixel area (not shown). Generally, the black reference pixel region is arranged on the outer peripheral portion of the effective pixel region.
  • the control circuit 3 generates various signals that serve as reference for the operation of the vertical drive circuit 4, the column signal processing circuit 5, the horizontal drive circuit 6, etc., based on the vertical synchronization signal, the horizontal synchronization signal, and the master clock.
  • the signal generated by the control circuit 3 is, for example, a clock signal or a control signal, and is input to the vertical drive circuit 4, the column signal processing circuit 5, the horizontal drive circuit 6, and the like.
  • the vertical drive circuit 4 includes, for example, a shift register, and sequentially selects and scans each pixel 1 in the pixel area 2 in the vertical direction in units of rows.
  • the vertical drive circuit 4 further supplies a pixel signal based on the signal charge generated by each pixel 1 according to the amount of light received to the column signal processing circuit 5 through the vertical signal line 8.
  • the column signal processing circuit 5 is arranged for each column of pixel 1 in the pixel area 2, for example, and performs signal processing of the signal output from pixel 1 for one row for each column based on the signal from the black reference pixel area. To do. Examples of signal processing are noise removal and signal amplification.
  • a horizontal selection switch (not shown) is provided between the output stage of the column signal processing circuit 5 and the horizontal signal line 9.
  • the horizontal drive circuit 6 includes, for example, a shift register, selects each of the column signal processing circuits 5 in order by sequentially outputting horizontal scanning pulses, and outputs pixel signals from each of the column signal processing circuits 5 to horizontal signal lines. Output to 9.
  • the output circuit 7 performs signal processing on the signals sequentially supplied from each of the column signal processing circuits 5 through the horizontal signal line 9, and outputs the signal processed signal.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the solid-state image sensor of the first embodiment.
  • FIG. 2 shows a vertical cross section of the pixel region 2 of FIG.
  • the solid-state image sensor of the present embodiment includes a support substrate 11, a plurality of wiring layers 12, 13, 14 and an interlayer insulating film 15, and a gate electrode 16 and a gate insulating film 17 included in each transfer transistor Tr1. There is.
  • the solid-state image sensor of the present embodiment further includes a substrate 21, a plurality of photoelectric conversion units 22 in the substrate 21, and a p-type semiconductor region 23, an n-type semiconductor region 24, and a p-type semiconductor included in each photoelectric conversion unit 22.
  • a region 25, a zone plate 26 for each photoelectric conversion unit 22, a pixel separation layer 27 in the substrate 21, a p-well layer 28, and a plurality of floating diffusion units 29 are provided.
  • the solid-state image sensor of the present embodiment further includes a groove 31, an element separation unit 32 provided in the groove 31, a fixed charge film (a film having a negative fixed charge) 33 included in the element separation unit 32, and insulation. It includes a film 34, a plurality of light-shielding films 35, a flattening film 36, a plurality of color filter layers 37, and a plurality of on-chip lenses 38.
  • FIG. 2 shows the X-axis, Y-axis, and Z-axis that are perpendicular to each other.
  • the X and Y directions correspond to the lateral direction
  • the Z direction corresponds to the upward direction
  • the ⁇ Z direction corresponds to the downward direction.
  • the ⁇ Z direction may or may not exactly coincide with the direction of gravity.
  • the substrate 21 is, for example, a semiconductor substrate such as a silicon (Si) substrate.
  • the surface of the substrate 21 in the ⁇ Z direction is the front surface of the substrate 21, and the surface of the substrate 21 in the Z direction is the back surface (back surface) of the substrate 21.
  • the color filter layer 37 and the on-chip lens 38 are provided on the back side of the substrate 21, and are located above the substrate 21 in FIG.
  • the back surface of the substrate 21 is the light incident surface of the substrate 21.
  • the wiring layers 12 to 14 are provided on the front side of the substrate 21, and are located below the substrate 21 in FIG.
  • the thickness of the substrate 21 is, for example, 1 ⁇ m to 6 ⁇ m.
  • the photoelectric conversion unit 22 is provided in the substrate 21 for each pixel 1.
  • FIG. 2 illustrates three photoelectric conversion units 22 for three pixels 1.
  • Each photoelectric conversion unit 22 includes a p-type semiconductor region 23, an n-type semiconductor region 24, and a p-type semiconductor region 25, which are sequentially formed in the substrate 21 from the front side to the back side of the substrate 21.
  • a main photodiode is realized by a pn junction between the p-type semiconductor region 23 and the n-type semiconductor region 24 and a pn junction between the n-type semiconductor region 24 and the p-type semiconductor region 25.
  • Photodiodes convert light into charges.
  • the photoelectric conversion unit 22 receives the light incident on the on-chip lens 38 through the color filter layer 37, generates a signal charge according to the amount of the received light, and transfers the generated signal charge to the n-type semiconductor region 24. accumulate.
  • the zone plate 26 is provided for each pixel 1 between the photoelectric conversion unit 22 and the flattening film 36.
  • FIG. 2 illustrates three zone plates 26 for three pixels 1.
  • Each zone plate 26 is realized by a plurality of ring-shaped portions having a ring shape when viewed from the Z direction or the ⁇ Z direction, and these ring-shaped portions include a plurality of first portions including a part of the p-type semiconductor region 25.
  • the ring-shaped portion and a plurality of second ring-shaped portions including a part of the fixed charge film 33 and the insulating film 34 are alternately included.
  • FIG. 2 shows the uneven shape of the zone plate 26, and this uneven shape shows the cross section of the first ring-shaped portion and the second ring-shaped portion.
  • This uneven shape has a plurality of recesses recessed in the ⁇ Z direction (photoelectric conversion unit 22 side) with respect to the back surface of the substrate 21, and projects in the Z direction (opposite side of the photoelectric conversion unit 22) with respect to the bottom surface of these recesses. Contains a plurality of protrusions. Conversely, these recesses are recessed in the ⁇ Z direction with respect to the top surface of the convex portion.
  • the material forming the p-type semiconductor region 25 of the present disclosure is an example of the first material
  • the material forming the fixed charge film 33 and the insulating film 34 of the present disclosure is a second material different from the first material. This is an example of a material.
  • each ring-shaped part is, for example, a circular ring shape in a plan view.
  • the ring shape which is the shape of each ring-shaped portion, may be a shape other than a circle as long as it is a closed curve shape.
  • the shape of each ring-shaped portion may be a quadrangular ring shape such as a square, a rectangle, a rhombus, or a parallelogram in a plan view. The details of the shape of each ring-shaped portion will be described later.
  • the ring-shaped portion of the present embodiment is configured to form a zone plate 26 that collects light. Therefore, in the present embodiment, the light from the on-chip lens 38 is focused on the photoelectric conversion unit 22 by the zone plate 26. This makes it possible to reduce the color mixing between the pixels 1.
  • the zone plate 26 of the present embodiment has a concave-convex shape (concave-convex surface) formed at the boundary between the first material which is the material of the first annular portion and the second material which is the material of the second annular portion.
  • the properties of the zone plate 26 in the form are determined by the size of the uneven shape, the properties of the first material under the zone plate 26, the properties of the second material on the zone plate 26, and the like.
  • the zone plate 26 of the present disclosure is an example of a light collecting unit.
  • the pixel separation layer 27 is a p-type semiconductor region provided between photoelectric conversion units 22 adjacent to each other.
  • the p-well layer 28 is a p-type semiconductor region provided on the front side of the substrate 21 with respect to the pixel separation layer 27.
  • the floating diffusion portion 29 is an n + type semiconductor region provided on the front side of the substrate 21 with respect to the p-well layer 28.
  • the floating diffusion portion 29 is formed by injecting a high concentration of n-type impurities into the p-well layer 28.
  • the p-type semiconductor region and the n-type semiconductor region in the substrate 21 of the present embodiment may be interchanged with each other. That is, the p-type semiconductor region 23, the p-type semiconductor region 25, the pixel separation layer 27, and the p-well layer 28 are changed to the n-type semiconductor region, and the n-type semiconductor region 24 and the floating diffusion portion 29 are changed to the p-type semiconductor region. You may.
  • the groove 31 has a shape extending from the back surface of the substrate 21 in the depth direction ( ⁇ Z direction), and is provided between the photoelectric conversion units 22 adjacent to each other, similarly to the pixel separation layer 27.
  • the groove 31 is formed by forming a recess in the pixel separation layer 27 by etching.
  • the groove 31 of the present embodiment reaches the p-well layer 28, but does not reach the floating diffusion portion 29.
  • the element separation unit 32 includes a fixed charge film 33 and an insulating film 34, which are sequentially formed in the groove 31.
  • the fixed charge film 33 is formed on the side surface and the bottom surface of the groove 31.
  • the insulating film 34 is embedded in the groove 31 via the fixed charge film 33.
  • the fixed charge film 33 is a film having a negative fixed charge, is used as a material for the element separation portion 32, and is embedded in the concave-convex concave portion of the zone plate 26.
  • electric charges may be generated from minute defects existing at the interface of the substrate 21 even in a state where there is no incident light and no signal charges. This charge causes noise called dark current.
  • a film having a negative fixed charge has an effect of suppressing the generation of such a dark current. Therefore, according to the present embodiment, the dark current can be reduced by the fixed charge film 33.
  • the fixed charge film 33 of the present embodiment is arranged not only in the element separating portion 32 but also in the vicinity of the zone plate 26, not only the dark current can be reduced in the element separating portion 32 but also the dark current in the zone plate 26. Can be reduced.
  • the fixed charge film 33 of the present embodiment is formed on the entire back surface of the substrate 21.
  • the fixed charge film 33 is preferably formed of a material capable of generating a fixed charge and strengthening pinning by forming it on a substrate 21 such as a silicon substrate.
  • a fixed charge film 33 is an insulating film such as a high refractive index material film or a high dielectric film.
  • the fixed charge film 33 of the present disclosure is an example of the first film and the insulating material contained in the second material.
  • the fixed charge film 33 is, for example, an oxide film or a nitride film containing at least one metal element of hafnium (Hf), aluminum (Al), zirconium (Zr), tantalum (Ta), and titanium (Ti).
  • the method for forming the fixed charge film 33 is, for example, CVD (Chemical Vapor Deposition), sputtering, ALD (Atomic Layer Deposition), or the like.
  • ALD Atomic Layer Deposition
  • a silicon oxide film which is a film for reducing the interface state can also be formed with a film thickness of about 1 nm.
  • the fixed charge film 33 examples include lantern (La), placeodim (Pr), cerium (Ce), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), uropyum (Eu), gadrinium (Gd), An oxide or nitride containing at least one metal element of terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), samarium (Tm), ytterbium (Yb), lutetium (Lu), and ytterbium (Y). is there. Further, the fixed charge film 33 may be a hafnium oxynitride film or an aluminum oxynitride film.
  • Silicon (Si) or nitrogen (N) may be added to the fixed charge film 33 as long as its insulating property is not impaired. This makes it possible to improve the heat resistance of the fixed charge film 33 and the ability to prevent ion implantation.
  • the element separation portion 32 and the zone plate 26 are realized by a fixed charge film 33 or the like, and an inversion layer is formed on a surface in contact with the fixed charge film 33. Therefore, since the interface of the substrate 21 is pinned by the inversion layer, the generation of dark current is suppressed.
  • the groove 31 is formed on the substrate 21, physical damage may occur on the side surface and the bottom surface of the groove 31, and pinning detachment may occur in the peripheral portion of the groove 31.
  • the pinning detachment can be prevented by forming the fixed charge film 33 on the side surface and the bottom surface of the groove 31. This also applies to the physical damage that occurs when forming the zone plate 26.
  • the insulating film 34 is used as a material for the element separation portion 32 together with the fixed charge film 33, and also enters the concave-convex concave portion of the zone plate 26 together with the fixed charge film 33.
  • the insulating film 34 of the present disclosure is an example of the second film and the insulating material contained in the second material.
  • the insulating film 34 is preferably formed of a material having a refractive index different from that of the fixed charge film 33. Examples of such an insulating film 34 are a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, a resin film, and the like. Further, the insulating film 34 may be a film having no positive fixed charge or a film having a small positive fixed charge.
  • the insulating film 34 of the present embodiment is formed on the entire back surface of the substrate 21.
  • the groove 31 is embedded by the insulating film 34 or the like, so that the photoelectric conversion portions 22 are separated from each other by the insulating film 34 or the like. Therefore, it becomes difficult for the signal charge to leak from each pixel 1 to the adjacent pixel 1, and when a signal charge exceeding the saturated charge amount is generated, the photoelectric conversion unit 22 overflowing with the signal charge is transferred to the adjacent photoelectric conversion unit 22. It is possible to reduce the leakage of signal charges. As a result, color mixing between the pixels 1 can be suppressed.
  • the zone plate 26 is also formed by the process of forming the element separation portion 32. Can be formed.
  • the fixed charge film 33 and the insulating film 34 on the zone plate 26 can play the role of an antireflection film due to the difference in the refractive index. This makes it possible to suppress the reflection of the light incident on the back surface of the substrate 21. In the present embodiment, such an effect can be obtained by forming the ring-shaped portion (second ring-shaped portion) on the zone plate 26 by using the fixed charge film 33 and the insulating film 34.
  • the light-shielding film 35 is formed in a predetermined region on the insulating film 34 formed on the back surface of the substrate 21, and has an effect of blocking light from the on-chip lens 38. In the pixel region 2, the light-shielding film 35 is formed in a grid pattern so that the photoelectric conversion unit 22 opens with respect to the on-chip lens 38, and specifically, is formed on the element separation unit 32.
  • the light-shielding film 35 is a film formed of a material that blocks light, and is a film containing an element such as tungsten (W), aluminum (Al), or copper (Cu).
  • the flattening film 36 is formed on the entire surface of the insulating film 34 so as to cover the light-shielding film 35, whereby the surface on the back surface of the substrate 21 is flat.
  • the flattening film 36 is, for example, an organic film such as a resin film.
  • the color filter layer 37 is formed on the flattening film 36 for each pixel 1.
  • the color filter layers 37 for red (R), green (G), and blue (B) are arranged above the photoelectric conversion unit 22 of the red, green, and blue pixels 1, respectively.
  • these color filter layers 37 may include a color filter layer 37 for infrared light above the photoelectric conversion unit 22 of the infrared light pixel 1.
  • Each color filter layer 37 has a property of being able to transmit light having a predetermined wavelength, and the light transmitted through each color filter layer 37 is incident on the photoelectric conversion unit 22 via the zone plate 26.
  • the on-chip lens 38 is formed on the color filter layer 37 for each pixel 1.
  • Each on-chip lens 38 has a property of condensing incident light, and the light collected by each on-chip lens 38 is transferred to the photoelectric conversion unit 22 via the color filter layer 37 and the zone plate 26. Incident.
  • the support substrate 11 is provided on the front side of the substrate 21 via an interlayer insulating film 15, and is provided to ensure the strength of the substrate 21.
  • the support substrate 11 is, for example, a semiconductor substrate such as a silicon (Si) substrate.
  • the wiring layers 12 to 14 are provided in the interlayer insulating film 15 provided on the front side of the substrate 21 to form a multilayer wiring structure.
  • the multi-layer wiring structure of the present embodiment includes three wiring layers 12 to 14, but may include four or more wiring layers.
  • Each of the wiring layers 12 to 14 includes various wirings, and a pixel transistor such as the transfer transistor Tr1 is driven by using these wirings.
  • the wiring layers 12 to 14 are metal layers containing elements such as tungsten, aluminum, and copper.
  • the interlayer insulating film 15 is, for example, an insulating film such as a silicon oxide film.
  • each transfer transistor Tr1 is provided under the p-well layer 28 between the p-type semiconductor region 23 and the floating diffusion portion 29 via a gate insulating film 17.
  • Each transfer transistor Tr1 can transfer the signal charge in the photoelectric conversion unit 22 to the floating diffusion unit 29.
  • the gate electrode 16 and the gate insulating film 17 are provided in the interlayer insulating film 15.
  • the solid-state image sensor of the present embodiment light is irradiated from the back side of the substrate 21, and the light is incident on the on-chip lens 38.
  • the light incident on the on-chip lens 38 is collected by the on-chip lens 38 and incident on the photoelectric conversion unit 22 via the color filter layer 37 and the zone plate 26.
  • the photoelectric conversion unit 22 converts this light into an electric charge by photoelectric conversion to generate a signal charge.
  • the signal charge is output as a pixel signal via the vertical signal line 8 in the wiring layers 12 to 14 provided on the front side of the substrate 21.
  • FIG. 3 is a plan view showing the structure of the solid-state image sensor of the first embodiment.
  • FIG. 3 shows a state in which the planar structure of the pixel region 2 of FIG. 1 is viewed from the ⁇ Z direction.
  • FIG. 3 shows four transfer transistors Tr1, two reset transistors Tr2, two amplifier transistors Tr3, and two selection transistors Tr4 shared by these pixels 1.
  • the transfer transistor Tr1 includes a gate electrode 16 provided on the front side of the substrate 21 via a gate insulating film 17 (FIG. 2).
  • the reset transistor Tr2, the amplifier transistor Tr3, and the selection transistor Tr4 each include gate electrodes 41, 42, and 43 provided on the front side of the substrate 21 via a gate insulating film (not shown).
  • the solid-state image sensor of the present embodiment further includes source / drain regions 44, 45, 46, 47 for the reset transistor Tr2, the amplifier transistor Tr3, and the selection transistor Tr4 in the substrate 21. These four types of transistors function as pixel transistors of the solid-state image sensor.
  • FIG. 3 shows a p-type semiconductor region 23 provided in each of the four pixels 1, a p-well layer 28 interposed between the p-type semiconductor regions 23, and a floating diffusion portion 29 shared by the four pixels 1. It shows that. FIG. 3 further shows the position of the element separating portion 32 with a dotted line.
  • the gate electrodes 16 of the four transfer transistors Tr1 are arranged so as to straddle the corresponding p-type semiconductor region 23 and the floating diffusion portion 29, respectively. These transfer transistors Tr1 can transfer the signal charge in the corresponding photoelectric conversion unit 22 to the floating diffusion unit 29.
  • 4 and 5 are cross-sectional views showing a method of manufacturing the solid-state image sensor of the first embodiment.
  • the p-type semiconductor region 23, the n-type semiconductor region 24, the p-type semiconductor region 25, the pixel separation layer 27, the p-well layer 28, and the floating diffusion are formed in the substrate 21 or on the substrate 21.
  • a portion 29, a gate insulating film 17, a gate electrode 16, and the like are formed.
  • the reset transistor Tr2, the amplifier transistor Tr3, the gate insulating film for the selection transistor Tr4, the gate electrodes 41 to 43, and the source / drain regions 44 to 47 are also formed. In this way, the photoelectric conversion unit 22 and the pixel transistor are formed.
  • the interlayer insulating film 15 and the wiring layers 12 to 14 are alternately formed on the front side of the substrate 21.
  • the step A in FIG. 4 is executed with the front side of the substrate 21 facing up and the back side of the substrate 21 facing down.
  • FIG. 4B shows a state in which the front side of the substrate 21 faces downward and the back side of the substrate 21 faces upward.
  • a groove 31 having a predetermined depth is formed in the substrate 21 by etching.
  • the groove 31 is formed in the pixel separation layer 27 from the back surface of the substrate 21.
  • the depth of the groove 31 is preferably 0.2 ⁇ m or more, and more preferably 1.0 ⁇ m or more from the back surface of the substrate 21 in consideration of spectral characteristics.
  • the width of the groove 31 is preferably 0.02 ⁇ m or more in consideration of the spectral characteristics.
  • the groove 31 of the present embodiment is formed to a depth that reaches the p-well layer 28 and does not reach the floating diffusion portion 29 or the source / drain regions 44 to 47.
  • the back surface of the substrate 21 is processed by etching to form the first ring-shaped portion of the zone plate 26 in the p-type semiconductor region 25.
  • the first ring-shaped portion of the zone plate 26 is formed after the formation of the groove 31 in the present embodiment, but may be formed before the formation of the groove 31. Details of the formation process of the zone plate 26 will be described later.
  • a fixed charge film 33 and an insulating film 34 are formed in order on the back surface of the substrate 21.
  • the fixed charge film 33 is formed on the side surface and the bottom surface of the groove 31 and the side surface and the bottom surface of the gap between the first ring-shaped portions of the zone plate 26.
  • the insulating film 34 is embedded in the groove 31 via the fixed charge film 33, and is also embedded in the gap between the first ring-shaped portions of the zone plate 26 via the fixed charge film 33.
  • the element separation portion 32 is formed in the groove 31, and the zone plate 26 including the plurality of first ring-shaped portions and the plurality of second ring-shaped portions alternately is formed on the photoelectric conversion portion 22. ..
  • the second ring-shaped portion is formed in the gap between the first ring-shaped portions by the fixed charge film 33 and the insulating film 34.
  • the fixed charge film 33 is formed by, for example, CVD, sputtering, or ALD.
  • the insulating film 34 is formed by, for example, CVD.
  • a light-shielding film 35 is formed in a predetermined region on the insulating film 34 formed on the back surface of the substrate 21.
  • the light-shielding film 35 is formed, for example, by forming a material layer of the light-shielding film 35 on the insulating film 34 and patterning the material layer in a predetermined shape.
  • the light-shielding film 35 of the present embodiment is formed above the element separation unit 32, and specifically, above the element separation unit 32 extending in the Y direction between pixels 1 adjacent to each other in the X direction, or in the Y direction. It is formed above the element separating portion 32 extending in the X direction between adjacent pixels 1.
  • the flattening film 36 is formed on the insulating film 34 via the light-shielding film 35, the color filter layer 37 is formed on the flattening film 36, and the on-chip lens 38 is formed on the color filter layer 37. In this way, the solid-state image sensor shown in FIG. 2 is manufactured.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the shape of the zone plate 26 of the first embodiment.
  • FIG. 6 shows a vertical cross section of the zone plate 26 as in FIG.
  • the zone plate 26 of the present embodiment is realized by a plurality of ring-shaped portions having a ring shape when viewed from the Z direction or the ⁇ Z direction. These ring-shaped portions alternately include a plurality of first ring-shaped portions 51 including a p-type semiconductor region 25, and a plurality of second ring-shaped portions 52 including a fixed charge film 33 and an insulating film 34.
  • the fixed charge film 33 is not shown in order to make the drawing easier to see.
  • the shape and arrangement of the fixed charge film 33 are shown in FIG. 2 and the like.
  • the zone plate 26 of the present embodiment further includes an acyclic portion 53 having a non-ring shape when viewed from the Z direction or the ⁇ Z direction inside the first and second ring portions 51 and 52.
  • the non-ring-shaped portion 53 of the present embodiment includes a fixed charge film 33 and an insulating film 34.
  • the material forming the p-type semiconductor region 25 of the present disclosure is an example of the first material
  • the material forming the fixed charge film 33 and the insulating film 34 of the present disclosure is a second material different from the first material. This is an example of a material.
  • FIG. 6 shows the uneven shape of the zone plate 26, and this uneven shape shows the cross section of the first ring-shaped portion 51, the second ring-shaped portion 52, and the non-ring-shaped portion 53.
  • the shape of the first ring-shaped portion 51 and the second ring-shaped portion 52 is, for example, a circular or quadrangular ring shape.
  • the shape of the non-ring-shaped portion 53 is, for example, a circle or a quadrangle.
  • the material of the p-type semiconductor region 25 also serves as a material of the photoelectric conversion unit 22 and a material facing the uneven shape of the zone plate 26.
  • the fixed charge film 33 also serves as a material for the element separation portion 32 and a material facing the uneven shape of the zone plate 26.
  • FIG. 6 further shows the back surface S of the substrate 21.
  • a first ring-shaped portion 51 is formed between the plurality of ring-shaped recesses ⁇ and one non-ring-shaped recess ⁇ by etching on the back surface S of the substrate 21. Further, by embedding the fixed charge film 33 and the insulating film 34 in the recess ⁇ , the second ring-shaped portion 52 and the non-ring-shaped portion 53 are formed in the recess ⁇ . Therefore, the uneven shape of the zone plate 26 in FIG.
  • the zone plate 26 has an uneven shape including a top surface S1 of the convex portion ⁇ , a bottom surface S2 of the concave portion ⁇ , and a side surface S3 between the top surface S1 and the bottom surface S2.
  • Each convex portion ⁇ has a top surface S1 and a side surface S3
  • each concave portion ⁇ has a bottom surface S2 and a side surface S3, and the side surface S2 is shared by the convex portion ⁇ and the concave portion ⁇ .
  • FIG. 6 illustrates four first ring-shaped portions 51a to 51d as the first ring-shaped portion 51, and four second ring-shaped portions 52a to 52d as the second ring-shaped portion 52.
  • the first ring-shaped portions 51a to 51d are arranged far from the center of these ring-shaped portions in the order of 51a, 51b, 51c, 51d.
  • the second ring-shaped portions 52a to 52d are arranged far from the center of these ring-shaped portions in the order of 52a, 52b, 52c, 52d.
  • FIG. 6 further shows the widths Pa to Pd of the first ring-shaped portions 51a to 51d, the widths Qa to Qd of the second ring-shaped portions 52a to 52d, and the width R of the non-ring-shaped portion 53.
  • the widths Pa to Pd of the first ring-shaped portions 51a to 51d are set so as to become smaller as the distance from the center of these ring-shaped portions increases (that is, Pa> Pb> Pc> Pd).
  • the widths Qa to Qd of the second ring-shaped portions 52a to 52d are set so as to become smaller as the distance from the center of these ring-shaped portions increases (that is, Qa> Qb> Qc> Qd).
  • the width R of the non-ring-shaped portion 53 is set wider than the width Qa of the innermost second ring-shaped portion 52a (R> Qa).
  • these ring-shaped portions and non-ring-shaped portions can function as a zone plate 26 that collects light.
  • the zone plate 26 of the present disclosure is an example of a light collecting unit.
  • the first ring-shaped portions 51a to 51d and the second ring-shaped portions 52a to 52d of the present embodiment have a concentric ring-shaped shape having a central axis L at the same position.
  • the shapes of the first and second ring-shaped portions 51 and 52 are circular rings
  • the first and second ring-shaped portions 51 and 52 have a concentric shape centered on the central axis L.
  • the non-ring-shaped portion 53 also has a shape centered on the central axis L. Therefore, the zone plate 26 of the present embodiment can collect light at a point on the central axis L.
  • the zone plate 26 examples include a phase-type zone plate realized by utilizing the difference in the refractive index of light between the first ring-shaped portion 51 and the second ring-shaped portion 52, and the first ring-shaped portion 51 and the second ring-shaped portion 52. It is an amplitude type zone plate realized by utilizing the difference in light transmittance between.
  • the suitable width and suitable height of the first and second ring-shaped portions 51 and 52 vary depending on the type of such zone plate 26 and the wavelength of light to be handled. Details of the phase type zone plate and the amplitude type zone plate will be described later.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view for comparing the solid-state image sensor of the comparative example with the solid-state image sensor of the first embodiment.
  • a of FIG. 7 shows a vertical cross section of the solid-state image sensor of the comparative example
  • B of FIG. 7 shows a vertical cross section of the solid-state image sensor of the present embodiment.
  • the components of the comparative example are shown using the same reference numerals as the components of the present embodiment.
  • components not directly related to the description such as the photoelectric conversion unit 22, the element separation unit 32, and the fixed charge film 33 are omitted (the same applies to FIG. 8 and the like described later).
  • the solid-state image sensor of the comparative example includes a moth-eye structure 26'instead of the zone plate 26. Similar to the zone plate 26, the moth-eye structure 26'is formed by forming a plurality of recesses on the back surface of the substrate 21 and embedding the fixed charge film 33 and the insulating film 34 in these recesses. According to the moth-eye structure 26', the reflection of incident light can be reduced and the sensitivity of the solid-state image sensor can be improved.
  • the recesses of the moth-eye structure 26' are not formed in a ring shape, but are formed in a two-dimensional array in which a plurality of recesses are present in a grid pattern along the X and Y directions. Therefore, the moth-eye structure 26'may scatter the incident light A1 on each pixel 1 on the adjacent pixels 1 (see scattered light A2) to cause color mixing between the pixels 1.
  • the solid-state image sensor of the present embodiment includes a zone plate 26. Since the zone plate 26 has a concave-convex shape similar to the moth-eye structure 26', it is possible to reduce the reflection of incident light and improve the sensitivity of the solid-state image sensor. In addition, the uneven shape of the zone plate 26 is formed by the first ring-shaped portion 51, the second ring-shaped portion 52, and the like, and the zone plate 26 generally has a light-collecting action like a lens. Therefore, since the zone plate 26 can collect the incident light B1 on each pixel 1 (see focused light B2), it is possible to reduce the color mixing between the pixels 1.
  • the zone plate 26 may have a shape such that the incident light is less scattered to the adjacent pixel 1. The reason is that if the scattering of the incident light is small, the color mixing between the pixels 1 can be reduced.
  • the first and second ring-shaped portions 51 and 52 have central axes at the same position in the present embodiment, but may have central axes at different positions from each other.
  • the width of the first ring-shaped portion 51 and the width of the second ring-shaped portion 52 satisfy the condition that the width becomes smaller as the distance from the center of these ring-shaped portions increases, but this condition is not satisfied. May be good.
  • the zone plate 26 may be replaced with another optical element capable of condensing the incident light and / or suppressing scattering of the incident light.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining the operation of the zone plate 26 of the first embodiment.
  • FIG. 8 shows the incident light C1 to the second ring-shaped portion 52, the incident light C2 to the first ring-shaped portion 51, the incident light C3 to the non-ring-shaped portion 53, and the incident light C4 to the first ring-shaped portion 51.
  • the incident light C5 on the second ring-shaped portion 52 is schematically shown. At least a part of the incident light C1 to C5 passes through the first ring-shaped portion 51, the second ring-shaped portion 52, and the non-ring-shaped portion 53.
  • the first ring-shaped portion 51 in FIG. 8 has a refractive index different from that of the second ring-shaped portion 52 and the non-ring-shaped portion 53. Therefore, a phase difference occurs between the incident lights C2 and C4 in the first ring-shaped portion 51 and the incident lights C1, C3, and C5 in the second ring-shaped portion 52 and the non-ring-shaped portion 53. After that, when these incident lights C1 to C5 pass through the zone plate 26 and are diffracted, the phases of these incident lights C1 to C5 are aligned at a predetermined point F (focus) in the photoelectric conversion unit 22. In this way, the incident lights C1 to C5 are focused on the point F.
  • the point F is located on the above-mentioned central axis L.
  • the zone plate 26 shown in FIG. 8 is a phase type zone plate.
  • the substrate 21 included in the first ring-shaped portion 51 is, for example, a silicon substrate.
  • the fixed charge film 33 and the insulating film 34 included in the second ring-shaped portion 52 and the non-ring-shaped portion 53 are, for example, a tantalum oxide film and a silicon oxide film, respectively.
  • the first ring-shaped portion 51 has a refractive index different from that of the second ring-shaped portion 52 and the non-ring-shaped portion 53.
  • the refractive index of the second ring-shaped portion 52 and the non-ring-shaped portion 53 is the average refractive index of the fixed charge film 33 and the insulating film 34, but when the fixed charge film 33 is significantly thinner than the insulating film 34.
  • the refractive index of the second ring-shaped portion 52 and the non-ring-shaped portion 53 roughly matches the refractive index of the insulating film 34.
  • 9 to 11 are cross-sectional views showing a method of forming the zone plate 26 of the first embodiment.
  • FIG. 9 shows the substrate 21 in a state where the front side of the substrate 21 is facing downward and the back side of the substrate 21 is facing upward. Therefore, the upper surface of the substrate 21 of FIG. 9A is the back surface of the substrate 21.
  • the back surface of the substrate 21 is polished by CMP (Chemical Mechanical Polishing).
  • CMP Chemical Mechanical Polishing
  • a hard mask layer 61 is placed on the back surface of the substrate 21.
  • the hard mask layer 61 is, for example, a silicon oxide film.
  • the BARC layer 62 is, for example, an organic film.
  • the BARC layer 62 and the resist layer 63 are formed by, for example, a coating method.
  • a resist pattern 64 composed of a plurality of recesses is formed in the resist layer 63 by photolithography. These recesses have a planar shape corresponding to the second ring-shaped portion 52 and the non-ring-shaped portion 53.
  • the resist pattern 64 is transferred to the substrate 21 (p-type semiconductor region 25) by etching.
  • the first ring-shaped portion 51 for the zone plate 26 is formed between the recesses transferred to the substrate 21.
  • a fixed charge film 33 is formed on the back surface of the substrate 21.
  • the fixed charge film 33 is formed on the side surface and the bottom surface of the recess between the first ring-shaped portions 51.
  • an insulating film 34 is formed on the back surface of the substrate 21.
  • the insulating film 34 is embedded in the recess between the first ring-shaped portions 51 via the fixed charge film 33.
  • a second ring-shaped portion 52 and a non-ring-shaped portion 53 for the zone plate 26 are formed in these recesses.
  • zone plate 26 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 12 to 15.
  • FIG. 12 is a plan view showing an example of the zone plate 26 of the first embodiment.
  • the shapes of the upper and lower first and second ring-shaped portions 51 and 52 of each zone plate 26 are circular ring shapes. Further, the shape of the non-ring-shaped portion 53 is circular.
  • Such a zone plate 26 has an advantage that, for example, the light condensing performance is high.
  • a in FIG. 12 shows nine zone plates 26 provided for the nine pixels 1.
  • each zone plate 26 is quadrangular (square) rings. Further, the shape of the non-ring-shaped portion 53 is a quadrangle.
  • Such a zone plate 26 has an advantage that, for example, the zone plate 26 can be easily formed.
  • B in FIG. 12 shows nine zone plates 26 provided for the nine pixels 1.
  • each zone plate 26 In C of FIG. 12, the shapes of the upper and lower first and second ring-shaped portions 51 and 52 of each zone plate 26 are quadrangular rings like B of FIG. However, each side of the quadrangle B in FIG. 12 is parallel to the X direction or the Y direction, whereas each side of the quadrangle C in FIG. 12 is non-parallel to the X direction and the Y direction. .. FIG. 12C shows nine zone plates 26 provided for the nine pixels 1.
  • the shapes of the upper and lower first and second ring-shaped portions 51 and 52 of each zone plate 26 are quadrangular ring shapes as in C of FIG.
  • the zone plate 26 is provided at the position of each pixel 1
  • the zone plate 26 is provided at the position between the pixels 1 as indicated by reference numeral 1'.
  • the solid-state image sensor of the present embodiment may include more zone plates 26 than the number of pixels 1.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing another example of the zone plate 26 of the first embodiment.
  • the zone plate 26 shown in A of FIG. 13 is a two-level phase type zone plate similar to the zone plate 26 shown in FIG. Therefore, the first ring-shaped portion 51 in this case has a refractive index different from that of the second ring-shaped portion 52 and the non-ring-shaped portion 53.
  • the zone plate 26 shown in B of FIG. 13 is a 4-level phase type zone plate, and the first ring-shaped portion 51 in this case has three kinds of thicknesses.
  • the non-ring portion 54 including the p-type semiconductor region 25 in the substrate 21 is provided under the non-ring portion 53 including the fixed charge film 33 and the insulating film 34.
  • the first ring-shaped portion 51 and the non-ring-shaped portion 54 have a refractive index different from that of the second ring-shaped portion 52 and the non-ring-shaped portion 53.
  • the zone plate 26 shown in C of FIG. 13 is an N-level (N is an integer of 2 or more) phase type zone plate, and the first ring-shaped portion 51 in this case has an N-1 type of thickness.
  • the non-ring portion 54 including the p-type semiconductor region 25 in the substrate 21 is provided under the non-ring portion 53 including the fixed charge film 33 and the insulating film 34.
  • the first ring-shaped portion 51 and the non-ring-shaped portion 54 have a refractive index different from that of the second ring-shaped portion 52 and the non-ring-shaped portion 53.
  • the zone plate 26 shown in FIG. 13C is called a Blaze Kinoform and has a shape similar to a Fresnel lens.
  • the zone plate 26 of the present embodiment may have any of the shapes A to C in FIG.
  • the zone plate 26 shown in FIG. 13A has an advantage that it is easy to manufacture, for example.
  • the zone plate 26 shown in FIGS. 13B and 13 has an advantage that, for example, good light collection performance can be easily realized.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing another example of the zone plate 26 of the first embodiment.
  • the zone plate 26 shown in A of FIG. 14 is an amplitude type zone plate. Therefore, the first ring-shaped portion 51 in this case has a transmittance different from that of the second ring-shaped portion 52 and the non-ring-shaped portion 53.
  • the first ring-shaped portion 51 includes an insulating film 71 provided on the back surface of the substrate 21 instead of the substrate 21.
  • the insulating film 71 is, for example, an organic film.
  • the fixed charge film 33 and the insulating film 34 are, for example, a tantalum oxide film and a silicon oxide film, respectively.
  • the transmittance of the second ring-shaped portion 52 and the non-ring-shaped portion 53 is the average transmittance of the fixed charge film 33 and the insulating film 34, but when the fixed charge film 33 is significantly thinner than the insulating film 34.
  • the transmittance of the second ring-shaped portion 52 and the non-ring-shaped portion 53 roughly matches the transmittance of the insulating film 34.
  • the zone plate 26 shown in A of FIG. 14 is called a Fresnel zone plate.
  • the zone plate 26 shown in B of FIG. 14 is also an amplitude type zone plate. Therefore, the first ring-shaped portion 51 in this case has a transmittance different from that of the second ring-shaped portion 52 and the non-ring-shaped portion 53.
  • the first ring-shaped portion 51 includes an insulating film 72 provided on the back surface of the substrate 21 instead of the substrate 21.
  • the insulating film 72 is, for example, an organic film.
  • the fixed charge film 33 and the insulating film 34 are, for example, a tantalum oxide film and a silicon oxide film, respectively.
  • each first ring-shaped portion 51 in this case has a structure in which the transmittance gradually changes from the vicinity of the center thereof to the vicinity of the outer surface thereof.
  • Such a first ring-shaped portion 51 can be realized, for example, by gradually changing the concentration of an organic substance in the organic film (insulating film 72) from the vicinity of the center of each first ring-shaped portion 51 to the vicinity of the outer surface.
  • the zone plate 26 shown in B of FIG. 14 is called a Gabor zone plate.
  • the zone plate 26 of this embodiment may have any of the shapes A and B in FIG.
  • the zone plate 26 shown in FIG. 14A has an advantage that it is easy to manufacture, for example.
  • the zone plate 26 shown in FIG. 14B has an advantage that, for example, good light collection performance can be easily realized.
  • the first ring-shaped portion 51 for the zone plate 26 of the present embodiment may be formed by using the substrate 21 as shown in FIGS. 13A to 13C, or may be formed by using the substrate 21 as shown in FIGS. It may be formed using another film above.
  • the former case for example, there is an advantage that the cost and labor for forming another film on the substrate 21 can be reduced.
  • the first ring-shaped portion 51 having desired characteristics can be easily realized.
  • FIG. 15 is a plan view showing another example of the zone plate 26 of the first embodiment.
  • FIG. 15 shows a zone plate 26 for the red pixel 1, a zone plate 26 for the green pixel 1, and a zone plate 26 for the blue pixel 1.
  • the shape of the zone plate 26 is different for each type of color of pixel 1 (that is, for each type of color transmitted through the corresponding color filter layer 37).
  • the width of each first ring-shaped portion 51, the width of each second ring-shaped portion 52, and the width of the non-ring-shaped portion 53 are the zone plate 26 for red, the zone plate 26 for green, and the width for blue. It is different from each other with the zone plate 26 of.
  • the zone plate 26 can exhibit different performance depending on the color (wavelength) of the incident light.
  • the difference in the shape of the zone plate 26 for each color may be realized by a method other than changing the width of the ring-shaped portion or the non-ring-shaped portion.
  • the shape of each ring-shaped portion of the zone plate 26 of a certain color may be set to a circular ring shape, and the shape of each ring-shaped portion of the zone plate 26 of another color may be set to a quadrangular ring shape.
  • the solid-state image sensor of the present embodiment includes a zone plate 26 provided between the photoelectric conversion unit 22 and the on-chip lens 38. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to reduce the color mixing between the pixels 1 by condensing the incident light from the on-chip lens 38 by the zone plate 26. Further, according to the present embodiment, even when the color mixing cannot be sufficiently reduced only by the element separating portion 32 and the light-shielding film 35, the zone plate 26 can effectively reduce the color mixing.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view showing the structure of the solid-state image sensor of the second embodiment and the solid-state image sensor of a modified example thereof.
  • a and B of FIG. 16 components not directly related to the description such as the photoelectric conversion unit 22, the element separation unit 32, and the fixed charge film 33 and other components sufficiently shown in the drawings are omitted. There is.
  • a of FIG. 16 shows a vertical cross section of the solid-state image sensor of the present embodiment, and more specifically, shows a vertical cross section of the pixel region 2 of FIG.
  • the configuration shown in FIG. 1 is common to the first embodiment and the present embodiment.
  • the solid-state image sensor of the present embodiment includes a reflector 81 provided for each pixel 1 in addition to the components shown in FIG.
  • the reflector 81 is provided in the interlayer insulating film 15, and specifically, is provided between the substrate 21 (photoelectric conversion unit 22) and the wiring layers 12 to 14.
  • the reflector 81 is a layer made of a material that reflects light, and is a layer containing an element such as tungsten, aluminum, or copper. According to the present embodiment, it is possible to suppress the light collected by the zone plate 26 from entering the wiring layers 12 to 14 from the photoelectric conversion unit 22, and by reflecting this light on the photoelectric conversion unit 22. The sensitivity of the solid-state image sensor can be improved.
  • the zone plate 26 of this embodiment collects light at a point on the central axis L. Therefore, it is desirable that the reflector 81 is arranged at a position overlapping the central axis L. As a result, the reflector 81 can be arranged at a position where the light intensity is strong, and the light that has passed through the substrate 21 can be effectively reflected by the reflector 81.
  • the reflector 81 may have a large area that occupies most of the area of each pixel 1, or conversely, may have only a narrow area. It is considered that the larger the area of the reflector 81, the more effectively the light can be reflected by the reflector 81. However, in the present embodiment, since the zone plate 26 collects the light on the photoelectric conversion unit 22, the light can be sufficiently reflected by the reflector 81 even if the area of the reflector 81 is small. In other words, according to the present embodiment, the reflector 81 can be miniaturized by condensing light by the zone plate 26.
  • the reflector 81 may be formed by using the same material as the wiring layers 12 to 14. In this case, the reflector 81 can be formed in the same manner as the wiring layers 12 to 14. The reflector 81 may be provided in the wiring layer including the wiring and the reflector 81. On the other hand, when the gate electrodes 16, 41, 42, 43 are formed by using a metal material, the reflector 81 is placed in the metal layer including the gate electrodes 16, 41, 42, 43 and the reflector 81. It may be provided.
  • FIG. 16B shows a vertical cross section of the solid-state image sensor of the modified example of the present embodiment, and more specifically, shows a vertical cross section of the pixel region 2 of FIG.
  • the solid-state image sensor of this modification has a structure in which the reflector 81 of the solid-state image sensor of FIG. 16A is replaced with a reflector 82.
  • the upper surface of the reflector 82 (the surface on the substrate 21 side) has a concave shape. Therefore, the reflector 82 of each pixel 1 can reflect the light that has passed through the substrate 21 so as to be focused on the corresponding photoelectric conversion unit 22. This makes it possible to prevent the reflected light from the reflector 82 from being scattered by the adjacent pixel 1.
  • Other properties of the reflector 82 are the same as those of the reflector 81 described above.
  • the present embodiment it is possible to improve the sensitivity of the solid-state image sensor by reflecting the light that has passed through the substrate 21 by the reflector 81 and the reflector 82.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view showing the structure of the solid-state image sensor of the third embodiment.
  • components not directly related to the description such as the element separation unit 32 and the fixed charge film 33 and components sufficiently shown in other drawings are not shown.
  • FIG. 17 shows a vertical cross section of the solid-state image sensor of the present embodiment, and more specifically, shows a vertical cross section of the pixel region 2 of FIG.
  • the configuration shown in FIG. 1 is common to the first embodiment and the present embodiment.
  • the solid-state image sensor of the present embodiment includes a memory unit 91, a gate electrode 92 of a MOS transistor for the memory unit 91, and a gate insulating film 93, in addition to the components shown in FIG.
  • the memory unit 91 is provided below the photoelectric conversion unit 22 in the substrate 21, and is provided on the front side of the substrate 21 with respect to the photoelectric conversion unit 22. In other words, the memory unit 91 is provided in the substrate 21 between the photoelectric conversion unit 22 and the surface of the substrate 21 in the ⁇ Z direction.
  • the photoelectric conversion unit 22 includes a p-type semiconductor region 23, an n-type semiconductor region 24, and a p-type semiconductor region 25, which are sequentially formed in the substrate 21 from the front side to the back side of the substrate 21. ..
  • the memory unit 91 of the present embodiment also has a p-type semiconductor region, an n-type semiconductor region, and a p-type semiconductor region (not shown) sequentially formed in the substrate 21 from the front side to the back side of the substrate 21. I have.
  • the memory unit 91 functions as a charge holding unit that holds the signal charge generated by the photoelectric conversion unit 22.
  • the memory unit 91 of the present embodiment is provided at a position that does not overlap with the central axis L.
  • the gate electrode 92 of the MOS transistor for the memory unit 91 is provided under the region (p-well layer 28) between the photoelectric conversion unit 22 and the memory unit 91 via the gate insulating film 93.
  • This MOS transistor can transfer the signal charge in the photoelectric conversion unit 22 to the memory unit 91.
  • the gate electrode 92 and the gate insulating film 93 are provided in the interlayer insulating film 15 in the same manner as the gate electrode 16 and the gate insulating film 17 of the transfer transistor Tr1.
  • the memory unit 91 Since the memory unit 91 is provided to hold the signal charge generated by the photoelectric conversion unit 22, it is not preferable that light is incident on the memory unit 91. When light is incident on the memory unit 91, a problem called PLS (Parasitic Light Sensitivity) may occur in the memory unit 91. Therefore, it is conceivable to form some kind of film around the memory unit 91, but in that case, a step of forming the film is required.
  • PLS Physical Light Sensitivity
  • the solid-state image sensor of the present embodiment includes a zone plate 26 that collects the light from the on-chip lens 38 on the photoelectric conversion unit 22. Therefore, if the memory unit 91 is arranged away from the point where the light is collected by the zone plate 26, it is possible to suppress the light from entering the memory unit 91. Therefore, the memory unit 91 of the present embodiment is provided at a position that does not overlap with the central axis L including the point where the light from the zone plate 26 is collected. As a result, even if the memory unit 91 is provided below the photoelectric conversion unit 22, it is possible to suppress the incident light from entering the memory unit 91, and it is possible to reduce the occurrence of PLS in the memory unit 91. It becomes.
  • the incident light can be suppressed from being incident on the memory unit 91.
  • the memory unit 91 by providing the memory unit 91 at a position that does not overlap with the central axis L, even if the incident light from the zone plate 26 is focused on a point on the central axis L, the incident light is stored in the memory. It is possible to suppress the incident on the portion 91.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view showing the shape of the zone plate 26 of the fourth embodiment.
  • the zone plate 26 of the present embodiment corresponds to a modified example of the zone plate 26 shown in FIG. 6 in the first embodiment.
  • the configurations shown in FIGS. 1 and 2 are common to the first embodiment and the present embodiment.
  • the fixed charge film 33 is not shown in order to make the drawing easier to see.
  • the shape and arrangement of the fixed charge film 33 are shown in FIG. 2 and the like.
  • the zone plate 26 of the present embodiment has a plurality of first ring-shaped portions 51 including a p-type semiconductor region 25, and a plurality of second rings including a fixed charge film 33 and an insulating film 34. It is realized by the ring-shaped portion 52 and the non-ring-shaped portion 53.
  • the first ring-shaped portion 51, the second ring-shaped portion 52, and the non-ring-shaped portion 53 are formed on the substrate 21 around the zone plate 26. It is provided at a position higher than the back surface S.
  • the first ring-shaped portion 51 is formed on the back surface S of the substrate 21 by etching, the entire region around the region forming the first ring-shaped portion 51 of the back surface S of the substrate 21 is etched. It is possible to do so. However, it is not necessary to etch the region where the groove 31 is formed at this time.
  • FIG. 18 shows the uneven shape of the zone plate 26, and this uneven shape shows the cross sections of the first ring-shaped portion 51, the second ring-shaped portion 52, and the non-ring-shaped portion 53.
  • the uneven shape of the zone plate 26 in FIG. 18 includes a plurality of convex portions ⁇ projecting in the Z direction with respect to the back surface S of the substrate 21, and a plurality of concave portions ⁇ recessed in the ⁇ Z direction with respect to the top surface S1 of the convex portion ⁇ . Includes.
  • the convex portion ⁇ projects in the Z direction with respect to the bottom surface S2 of the concave portion ⁇ .
  • the zone plate 26 has an uneven shape including a top surface S1 of the convex portion ⁇ , a bottom surface S2 of the concave portion ⁇ , and a side surface S3 between the top surface S1 and the bottom surface S2.
  • the structure shown in FIG. 18 may be applied to the zone plate 26 (amplitude type zone plate) shown in FIGS. 14A and 14B.
  • the first ring-shaped portion 51 is formed by using the insulating film 71 (or the insulating film 72) provided on the back surface S of the substrate 21.
  • FIG. 18 illustrates four first ring-shaped portions 51a to 51d as the first ring-shaped portion 51, and three second ring-shaped portions 52a to 52c as the second ring-shaped portion 52. Since the position of the back surface S is different between FIGS. 6 and 18, the number of the second ring-shaped portions 52 is different between FIGS. 6 and 18.
  • FIG. 18 further shows the widths Pa to Pd of the first ring-shaped portions 51a to 51d, the widths Qa to Qc of the second ring-shaped portions 52a to 52c, and the width R of the non-ring-shaped portion 53.
  • the shapes and materials of the first ring-shaped portion 51, the second ring-shaped portion 52, and the non-ring-shaped portion 53 of the present embodiment are the same as those of the zone plate 26 shown in FIG.
  • the zone plate 26 in which the position of the back surface S is different from that of the zone plate 26 of the first embodiment.
  • the zone plate 26 of the first embodiment has an advantage that, for example, when the first ring-shaped portion 51 is formed by using the p-type semiconductor region 25, the etching amount of the p-type semiconductor region 25 can be small.
  • the zone plate 26 of the present embodiment has an advantage that, for example, when the first ring-shaped portion 51 is formed by using the insulating film 71, the unnecessary insulating film 71 does not remain on the substrate 21.
  • the zone plate 26 has been described as an example of the condensing unit between the on-chip lens 38 and the photoelectric conversion unit 22, but as shown in FIG. 19, the other condensing unit 26 ” May be provided between the on-chip lens 38 and the photoelectric conversion unit 22.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view showing the shape of the condensing unit 26 "of the modified examples of the first to fourth embodiments.
  • a of FIG. 19 shows an XZ cross section of the condensing unit 26", and B of FIG. Indicates an XY cross section of the condensing unit 26 ".
  • the condensing unit 26" extends linearly in the Y direction, and is linear with a plurality of first straight portions 101 including the p-type semiconductor region 25 in the Y direction. It extends in a shape and is realized by a plurality of second straight portions 102 including a fixed charge film 33 and an insulating film 34.
  • the first straight line portion 101 and the second straight line portion 102 are provided alternately.
  • the fixed charge film 33 is not shown in order to make the drawings easier to see.
  • a and B in FIG. 19 exemplify six first straight line portions 101a to 101f as the first straight line portion 101, and exemplify seven second straight line portions 102a to 102g as the second straight line portion 102.
  • the first straight line portions 101a to 101f are arranged far from the center of these straight line portions in the order of 101c, 101b, 101a and the order of 101d, 101e, 101f.
  • the second straight line portions 102a to 102g are arranged far from the center of these straight line portions in the order of 102d, 102c, 102b, 102a and the order of 102d, 102e, 102f, 102g.
  • a and B in FIG. 19 further show the widths Ua to Uf of the first straight line portions 101a to 101g and the widths Va to Vg of the second straight line portions 102a to 102d.
  • the widths Ua to Uf of the first straight line portions 101a to 101f are set so as to become smaller as the distance from the center of these straight line portions increases.
  • the widths Va to Vg of the second straight line portions 102a to 102g are set so as to become smaller as the distance from the center of these straight line portions increases.
  • the first straight line portions 101a to 101f and the second straight line portions 102a to 102g of this modification have a shape symmetrical with respect to the plane M.
  • the widths Ua, Ub, and Uc are equal to the widths Uf, Ue, and Ud, respectively, and the widths Va, Vb, and Vc are equal to the widths Vg, Vf, and Ve, respectively.
  • the concavo-convex shape of the light collecting portion 26 "in FIG. 19A is a plurality of recesses ⁇ recessed in the ⁇ Z direction with respect to the back surface S of the substrate 21, and a plurality of recesses ⁇ protruding in the Z direction with respect to the bottom surface S2 of these recesses ⁇ .
  • the convex portion ⁇ is included.
  • the concave portion ⁇ is recessed in the ⁇ Z direction with respect to the top surface S1 of the convex portion ⁇ .
  • the light collecting unit 26 "condenses light only in the X direction and does not collect light in the Y direction. However, such a light collecting unit 26" also collects light. , It is possible to reduce the color mixing between the pixels 1.
  • the condensing unit 26 which is different from the zone plate 26.
  • the structure is simple and easy to manufacture as compared with the zone plate 26.
  • the zone plates 26 of the first to fourth embodiments have an advantage that, for example, light can be easily focused near the center of each pixel 1, and color mixing between the pixels 1 can be effectively reduced. ..
  • each of the plurality of convex portions has a ring shape in a plan view.
  • each of the plurality of convex portions has a circular or quadrangular ring shape in a plan view.
  • each of the plurality of recesses has a ring shape in a plan view.
  • each of the plurality of recesses has a circular or quadrangular ring shape in a plan view.
  • the solid according to (6) which is provided inside the plurality of convex portions, has a non-ring-shaped shape in a plan view, and further includes a concave portion recessed on the photoelectric conversion portion side with respect to the top surface of the convex portion.
  • Image sensor
  • an element separation unit provided between the photoelectric conversion units adjacent to each other is provided.
  • a lens that collects light and causes it to enter the convex portion A color filter layer provided between the lens and the convex portion is further provided.
  • a wiring layer provided on the surface of the substrate opposite to the light incident surface, A reflector provided between the photoelectric conversion unit and the wiring layer and reflecting light from the photoelectric conversion unit, The solid-state image sensor according to (1).
  • the plurality of convex portions have a concentric ring shape having a central axis at the same position in a plan view.
  • the reflector is provided at a position overlapping the central axis.
  • the plurality of convex portions have a concentric ring shape having a central axis at the same position in a plan view.
  • the memory unit is provided at a position that does not overlap with the central axis.
  • a solid-state image sensor provided between the lens and the photoelectric conversion unit to collect light from the lens on the photoelectric conversion unit.
  • the photoelectric conversion unit is provided in the substrate, and the photoelectric conversion unit is provided in the substrate.
  • the solid-state image pickup device according to (23), wherein the light condensing unit collects light from the lens onto the photoelectric conversion unit by a plurality of convex portions provided on a light incident surface of the substrate.
  • the solid-state image sensor includes a plurality of the lenses, a plurality of the photoelectric conversion units, and a plurality of the light collecting units.
  • a photoelectric conversion unit is formed in the substrate, A plurality of convex portions are formed on the light incident surface of the substrate so that the width of the convex portions becomes smaller as the width of the convex portions is separated from the central portion of the plurality of convex portions.
  • a method of manufacturing a solid-state image sensor including the above.

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Abstract

［課題］混色を効果的に低減することが可能な固体撮像装置およびその製造方法を提供する。 ［解決手段］本開示の固体撮像装置は、基板と、前記基板内に設けられた光電変換部とを備えている。この固体撮像装置においては、前記基板の光入射面に、複数の凸部が設けられている。この固体撮像装置ではさらに、前記凸部の幅が、前記複数の凸部の中心部から離れるほど小さくなる。

Description

固体撮像装置およびその製造方法
　本開示は、固体撮像装置およびその製造方法に関する。
　入射光の反射を低減するために、フォトダイオードを有するシリコン層の受光面に微小な凹凸構造が設けられた固体撮像装置が提案されている。このような微小な凹凸構造は、モスアイ構造と呼ばれる。モスアイ構造によれば、入射光の反射を低減して固体撮像装置の感度を向上させることができる。
特開２０１５－２９０５４号公報 特開２０１７－１０８０６２号公報
　しかしながら、モスアイ構造は、各画素への入射光を隣接画素に散乱させて、画素間の混色を発生させるおそれがある。そのため、画素間の領域に素子分離部や遮光膜を設けることで混色を低減することが提案されているが、これらの対策だけでは混色を十分に低減できない場合がある。
　そこで、本開示は、混色を効果的に低減することが可能な固体撮像装置およびその製造方法を提供する。
　本開示の第１の側面の固体撮像装置は、基板と、前記基板内に設けられた光電変換部とを備え、前記基板の光入射面に複数の凸部が設けられ、前記凸部の幅は前記複数の凸部の中心部から離れるほど小さくなる。これにより、入射光の散乱を凸部により抑制し、混色を効果的に低減することができる。
　また、この第１の側面において、前記複数の凸部の各々は、平面視で環形の形状を有していてもよい。これにより、入射光の散乱を環形の形状の凸部によりさらに抑制し、混色を効果的に低減することができる。
　また、この第１の側面において、前記複数の凸部は、平面視で同心状の環形の形状を有していてもよい。これにより、入射光を環形の形状の凸部により中心軸上の点に集光し、混色を効果的に低減することができる。
　また、この第１の側面において、前記複数の凸部の各々は、平面視で円形または四角形の環形の形状を有していてもよい。これにより、凸部を円形にして入射光を効果的に集光することや、凸部を四角形にして凸部を簡単に形成することができる。
　また、この第１の側面において、前記基板の光入射面に前記複数の凸部と交互に複数の凹部が設けられ、前記凹部の幅は前記複数の凹部の中心部から離れるほど小さくなっていてもよい。これにより、凸部と凹部によりゾーンプレート等の光学素子を実現することができる。
　また、この第１の側面において、前記複数の凹部の各々は、平面視で環形の形状を有していてもよい。これにより、入射光の散乱を環形の形状の凹部によりさらに抑制し、混色を効果的に低減することができる。
　また、この第１の側面の固体撮像装置は、前記凸部内に設けられた第１材料と、前記凸部間に設けられ、前記第１材料と異なる第２材料と、をさらに備えていてもよい。これにより、第１材料と第２材料との間の光の透過率や屈折率の違いを利用した光学素子を実現することができる。
　また、この第１の側面において、前記第１材料は、前記光電変換部内の半導体領域の材料と、前記凸部の材料とを兼ねていてもよい。これにより、光電変換部の一部を用いて凸部を形成することができる。
　また、この第１の側面において、前記第２材料は、負の固定電荷を有する膜を含んでいてもよい。これにより、負の固定電荷を有する膜により凸部にて暗電流を低減することができる。
　また、この第１の側面において、前記第２材料は、負の固定電荷を有する膜である第１膜と、前記第１膜と異なる第２膜とを含んでいてもよい。これにより、負の固定電荷を有する膜とその他の膜とで凸部間の領域を埋め込むことができる。
　また、この第１の側面の固体撮像装置は、互いに隣接する前記光電変換部同士の間に設けられた素子分離部をさらに備え、前記第２材料は、前記素子分離部の材料である絶縁材料を含んでいてもよい。これにより、素子分離部の形成工程により凸部を形成することができる。
　また、この第１の側面において、前記第１材料と前記第２材料は、光の透過率または屈折率が互いに異なっていてもよい。これにより、凸部により位相型ゾーンプレートや振幅型ゾーンプレートを実現することができる。
　また、この第１の側面の固体撮像装置は、光を集光して前記凸部に入射させるレンズと、前記レンズと前記凸部との間に設けられたカラーフィルタ層とをさらに備え、前記凸部の形状は、前記カラーフィルタ層を透過する色の種類ごとに異なっていてもよい。これにより、凸部の性能を色に応じて変えることができる。
　また、この第１の側面の固体撮像装置は、前記基板の光入射面と反対側の面に設けられた配線層と、前記光電変換部と前記配線層との間に設けられ、前記光電変換部からの光を反射する反射板と、をさらに備えていてもよい。これにより、凸部により集光された光が配線層に入射することを抑制することができる。
　また、この第１の側面において、前記反射板の前記光電変換部側の面は、凹型の形状を有していてもよい。これにより、反射板からの反射光が隣接画素に散乱されることを抑制することができる。
　また、この第１の側面の固体撮像装置は、前記光電変換部と、前記基板の光入射面と反対側の面との間に設けられ、前記光電変換部からの電荷を保持するメモリ部をさらに備えていてもよい。これにより、光電変換部に対してレンズの反対側にメモリ部を設けても、入射光がメモリ部に入射することを凸部により抑制することができる。
　また、この第１の側面において、前記複数の凸部は、平面視で同じ位置に中心軸を有する同心状の環形の形状を有し、前記メモリ部は、前記中心軸と重ならない位置に設けられていてもよい。これにより、入射光を凸部により中心軸上の点に集光しても、入射光がメモリ部に入射することを抑制することができる。
　本開示の第２の側面の固体撮像装置は、光を集光するレンズと、前記レンズからの光を電荷に変換する光電変換部と、前記レンズと前記光電変換部との間に設けられ、前記レンズからの光を前記光電変換部に集光する集光部とを備える。これにより、入射光を集光部により集光し、混色を効果的に低減することができる。
　また、この第２の側面において、前記光電変換部は、基板内に設けられており、前記集光部は、前記基板の光入射面に設けられた複数の凸部により、前記レンズからの光を前記光電変換部に集光してもよい。これにより、集光部の集光作用を凸部により実現することができる。
　本開示の第３の側面の固体撮像装置の製造方法は、前記基板内に光電変換部を形成し、前記基板の光入射面に、複数の凸部を、前記凸部の幅が前記複数の凸部の中心部から離れるほど小さくなるように形成することを含む。これにより、入射光の散乱を凸部により抑制し、混色を効果的に低減することができる。
第１実施形態の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。 第１実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図である。 第１実施形態の固体撮像装置の構造を示す平面図である。 第１実施形態の固体撮像装置の製造方法を示す断面図(1/2)である。 第１実施形態の固体撮像装置の製造方法を示す断面図(2/2)である。 第１実施形態のゾーンプレートの形状を示す断面図である。 比較例の固体撮像装置と第１実施形態の固体撮像装置とを比較するための断面図である。 第１実施形態のゾーンプレートの作用を説明するための断面図である。 第１実施形態のゾーンプレートの形成方法を示す断面図(1/3)である。 第１実施形態のゾーンプレートの形成方法を示す断面図(2/3)である。 第１実施形態のゾーンプレートの形成方法を示す断面図(3/3)である。 第１実施形態のゾーンプレートの例を示す平面図である。 第１実施形態のゾーンプレートの別の例を示す断面図である。 第１実施形態のゾーンプレートの別の例を示す断面図である。 第１実施形態のゾーンプレートの別の例を示す平面図である。 第２実施形態の固体撮像装置とその変形例の固体撮像装置の構造を示す断面図である。 第３実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図である。 第４実施形態のゾーンプレートの形状を示す断面図である。 第１から第４実施形態の変形例の集光部の形状を示す断面図である。
　以下、本開示の実施形態を、図面を参照して説明する。
　（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
　図１の固体撮像装置は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像装置であり、複数の画素１を有する画素領域２と、制御回路３と、垂直駆動回路４と、複数のカラム信号処理回路５と、水平駆動回路６と、出力回路７と、複数の垂直信号線８と、水平信号線９とを備えている。
　各画素１は、フォトダイオードを含む光電変換部と、複数の画素トランジスタ等により構成されている。画素トランジスタの例は、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、アンプトランジスタ、選択トランジスタの４つのＭＯＳトランジスタである。ただし、画素トランジスタは、選択トランジスタを除いた３つのトランジスタでもよい。
　画素領域２は、基板上に２次元アレイ状に規則的に配列された複数の画素１を有している。画素領域２は、光を受光して光電変換を行い、光電変換により生成された信号電荷を増幅して出力する有効画素領域と、黒レベルの基準になる光学的黒を出力するための黒基準画素領域（図示せず）とを含んでいる。一般に、黒基準画素領域は有効画素領域の外周部に配置されている。
　制御回路３は、垂直同期信号、水平同期信号、およびマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、水平駆動回路６等の動作の基準となる種々の信号を生成する。制御回路３により生成される信号は、例えばクロック信号や制御信号であり、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、水平駆動回路６等に入力される。
　垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタを含んでおり、画素領域２の各画素１を行単位で順次垂直方向に選択走査する。垂直駆動回路４はさらに、各画素１が受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号を、垂直信号線８を通してカラム信号処理回路５に供給する。
　カラム信号処理回路５は、例えば画素領域２の画素１の列ごとに配置されており、１行分の画素１から出力される信号の信号処理を黒基準画素領域からの信号に基づいて列ごとに行う。信号処理の例は、ノイズ除去や信号増幅である。カラム信号処理回路５の出力段には、水平選択スイッチ（図示せず）が水平信号線９との間に設けられている。
　水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタを含んでおり、水平走査パルスを順次出力することによりカラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を水平信号線９に出力させる。
　出力回路７は、カラム信号処理回路５の各々から水平信号線９を通して順次に供給される信号に対し信号処理を行い、信号処理が行われた信号を出力する。
　図２は、第１実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図である。図２は、図１の画素領域２の縦断面を示している。
　本実施形態の固体撮像装置は、支持基板１１と、複数の配線層１２、１３、１４と、層間絶縁膜１５と、各転送トランジスタＴｒ１に含まれるゲート電極１６およびゲート絶縁膜１７とを備えている。
　本実施形態の固体撮像装置はさらに、基板２１と、基板２１内の複数の光電変換部２２と、各光電変換部２２に含まれるｐ型半導体領域２３、ｎ型半導体領域２４、およびｐ型半導体領域２５と、各光電変換部２２用のゾーンプレート２６と、基板２１内の画素分離層２７、ｐウェル層２８、および複数のフローティングディフュージョン部２９とを備えている。
　本実施形態の固体撮像装置はさらに、溝３１と、溝３１内に設けられた素子分離部３２と、素子分離部３２等に含まれる固定電荷膜（負の固定電荷を有する膜）３３および絶縁膜３４と、複数の遮光膜３５と、平坦化膜３６と、複数のカラーフィルタ層３７と、複数のオンチップレンズ３８とを備えている。
　図２は、互いに垂直なＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を示している。Ｘ方向やＹ方向は横方向に相当し、Ｚ方向は上方向に相当し、－Ｚ方向は下方向に相当する。－Ｚ方向は、厳密に重力方向に一致していてもよいし、厳密には重力方向に一致していなくてもよい。
　基板２１は例えば、シリコン（Ｓｉ）基板等の半導体基板である。図２において、基板２１の－Ｚ方向の面は、基板２１の表側の面であり、基板２１のＺ方向の面は、基板２１の裏側の面（裏面）である。本実施形態の固体撮像装置は裏面照射型であるため、カラーフィルタ層３７やオンチップレンズ３８は、基板２１の裏側に設けられており、図２では基板２１の上方に位置している。基板２１の裏面は、基板２１の光入射面となる。一方、配線層１２～１４は、基板２１の表側に設けられており、図２では基板２１の下方に位置している。基板２１の厚さは、例えば１μｍ～６μｍである。
　光電変換部２２は、基板２１内に画素１ごとに設けられている。図２は、３つの画素１用の３つの光電変換部２２を例示している。各光電変換部２２は、基板２１の表側から裏側に向かって基板２１内に順に形成されたｐ型半導体領域２３、ｎ型半導体領域２４、およびｐ型半導体領域２５を備えている。光電変換部２２では、ｐ型半導体領域２３とｎ型半導体領域２４との間のｐｎ接合と、ｎ型半導体領域２４とｐ型半導体領域２５との間のｐｎ接合により、主なフォトダイオードが実現されており、フォトダイオードが光を電荷に変換する。光電変換部２２は、オンチップレンズ３８に入射した光をカラーフィルタ層３７を介して受光し、受光した光の光量に応じた信号電荷を生成し、生成した信号電荷をｎ型半導体領域２４に蓄積する。
　ゾーンプレート２６は、光電変換部２２と平坦化膜３６との間に画素１ごとに設けられている。図２は、３つの画素１用の３つのゾーンプレート２６を例示している。各ゾーンプレート２６は、Ｚ方向または－Ｚ方向から見て環形の形状を有する複数の環形部により実現されており、これらの環形部は、ｐ型半導体領域２５の一部を含む複数の第１環形部と、固定電荷膜３３および絶縁膜３４の一部を含む複数の第２環形部とを交互に含んでいる。図２は、ゾーンプレート２６の凹凸形状を示しているが、この凹凸形状は、第１環形部や第２環形部の断面を示している。この凹凸形状は、基板２１の裏面に対し－Ｚ方向（光電変換部２２側）に窪んだ複数の凹部と、これらの凹部の底面に対しＺ方向（光電変換部２２の反対側）に突出した複数の凸部とを含んでいる。逆に言うと、これらの凹部は、上記凸部の頂面に対し－Ｚ方向に窪んでいる。本開示のｐ型半導体領域２５を形成している材料は、第１材料の一例であり、本開示の固定電荷膜３３および絶縁膜３４を形成している材料は、第１材料と異なる第２材料の一例である。
　各環形部の形状は、例えば平面視で円形の環形である。ただし、各環形部の形状である環形は、閉曲線の形状であれば、円形以外の形状でもよい。例えば、各環形部の形状は、平面視で正方形、長方形、ひし形、平行四辺形等の四角形の環形でもよい。各環形部の形状の詳細については後述する。
　本実施形態の環形部は、光を集光するゾーンプレート２６を形成するように構成されている。よって、本実施形態では、オンチップレンズ３８からの光が、ゾーンプレート２６により光電変換部２２に集光される。これにより、画素１間の混色を低減することが可能となる。本実施形態のゾーンプレート２６は、第１環状部の材料である第１材料と第２環状部の材料である第２材料との境界に形成される凹凸形状（凹凸面）であり、本実施形態のゾーンプレート２６の性質は、凹凸形状の寸法や、ゾーンプレート２６下の第１材料の性質や、ゾーンプレート２６上の第２材料の性質などにより決定される。本開示のゾーンプレート２６は、集光部の一例である。
　画素分離層２７は、互いに隣接する光電変換部２２同士の間に設けられたｐ型半導体領域である。ｐウェル層２８は、画素分離層２７に対して基板２１の表側に設けられたｐ型半導体領域である。フローティングディフュージョン部２９は、ｐウェル層２８に対して基板２１の表側に設けられたｎ＋型半導体領域である。フローティングディフュージョン部２９は、ｐウェル層２８内にｎ型不純物を高濃度に注入することで形成される。
　なお、本実施形態の基板２１内のｐ型半導体領域とｎ型半導体領域は、互いに入れ替えてもよい。すなわち、ｐ型半導体領域２３、ｐ型半導体領域２５、画素分離層２７、およびｐウェル層２８をｎ型半導体領域に変更し、ｎ型半導体領域２４およびフローティングディフュージョン部２９をｐ型半導体領域に変更してもよい。
　溝３１は、基板２１の裏面から深さ方向（－Ｚ方向）に延びる形状を有しており、画素分離層２７と同様に、互いに隣接する光電変換部２２同士の間に設けられている。溝３１は、画素分離層２７内にエッチングにより凹部を形成することで形成される。本実施形態の溝３１は、ｐウェル層２８に達しているが、フローティングディフュージョン部２９には達していない。
　素子分離部３２は、溝３１内に順に形成された固定電荷膜３３および絶縁膜３４を含んでいる。固定電荷膜３３は、溝３１の側面および底面に形成されている。絶縁膜３４は、溝３１内に固定電荷膜３３を介して埋め込まれている。
　固定電荷膜３３は、負の固定電荷を有する膜であり、素子分離部３２の材料となっており、かつ、ゾーンプレート２６の凹凸形状の凹部内に入り込んでいる。一般に固体撮像装置では、入射光がなく信号電荷がない状態でも、基板２１の界面に存在する微小欠陥から電荷が発生することがある。この電荷は、暗電流と呼ばれるノイズの原因となる。しかしながら、負の固定電荷を有する膜には、このような暗電流の発生を抑制する作用がある。よって、本実施形態によれば、固定電荷膜３３により暗電流を低減することが可能となる。本実施形態の固定電荷膜３３は、素子分離部３２内だけでなくゾーンプレート２６付近にも配置されているため、素子分離部３２にて暗電流を低減できるだけでなく、ゾーンプレート２６でも暗電流を低減することができる。本実施形態の固定電荷膜３３は、基板２１の裏面全体に形成されている。
　固定電荷膜３３は、シリコン基板等の基板２１上に形成することにより固定電荷を発生させてピニングを強化させることが可能な材料で形成することが好ましい。このような固定電荷膜３３の例は、高屈折率材料膜や高誘電体膜等の絶縁膜である。本開示の固定電荷膜３３は、第２材料に含まれる第１膜や絶縁材料の例である。
　固定電荷膜３３は例えば、ハフニウム（Ｈｆ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、およびチタン（Ｔｉ）のうち少なくとも１つの金属元素を含む酸化膜または窒化膜である。固定電荷膜３３の形成方法は例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、スパッタリング、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）等である。ＡＬＤを用いる場合には、固定電荷膜３３を形成する工程において、界面準位を低減する膜である酸化シリコン膜も１ｎｍ程度の膜厚で形成することができる。固定電荷膜３３のその他の例は、ランタン（Ｌａ）、プラセオジム（Ｐｒ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）、およびイットリウム（Ｙ）のうち少なくとも１つの金属元素を含む酸化物または窒化物である。また、固定電荷膜３３は、酸窒化ハフニウム膜または酸窒化アルミニウム膜でもよい。
　固定電荷膜３３には、その絶縁性を損なわない範囲でシリコン（Ｓｉ）や窒素（Ｎ）を添加してもよい。これにより、固定電荷膜３３の耐熱性やイオン注入阻止能力を向上させることが可能になる。
　本実施形態では、素子分離部３２およびゾーンプレート２６が固定電荷膜３３等により実現されており、固定電荷膜３３に接する面に反転層が形成される。よって、基板２１の界面が反転層によりピニングされるため、暗電流の発生が抑制される。本実施形態では、基板２１に溝３１を形成することから、溝３１の側面および底面に物理的ダメージが発生し、溝３１の周辺部でピニング外れが発生する可能性がある。しかしながら、本実施形態では、溝３１の側面および底面に固定電荷膜３３を形成することで、ピニング外れを防止することができる。これは、ゾーンプレート２６を形成する際に発生する物理的ダメージについても同様である。
　絶縁膜３４は、固定電荷膜３３と共に素子分離部３２の材料となっており、かつ、固定電荷膜３３と共にゾーンプレート２６の凹凸形状の凹部内に入り込んでいる。本開示の絶縁膜３４は、第２材料に含まれる第２膜や絶縁材料の例である。絶縁膜３４は、固定電荷膜３３と異なる屈折率を有する材料で形成することが好ましい。このような絶縁膜３４の例は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、樹脂膜等である。また、絶縁膜３４は、正の固定電荷を持たない膜や、正の固定電荷が少ない膜としてもよい。本実施形態の絶縁膜３４は、基板２１の裏面全体に形成されている。
　本実施形態では、溝３１が絶縁膜３４等により埋め込まれることで、光電変換部２２同士が絶縁膜３４等により分離される。よって、各画素１から隣接画素１に信号電荷が漏れ込みにくくなるため、飽和電荷量を超えた信号電荷が発生した場合に、信号電荷があふれた光電変換部２２から隣接する光電変換部２２に信号電荷が漏れ込むことを低減することができる。これにより、画素１間の混色を抑制することができる。
　本実施形態の固定電荷膜３３と絶縁膜３４は、素子分離部３２の材料となり、かつ、ゾーンプレート２６の凹凸形状の凹部内に埋め込まれるため、素子分離部３２の形成工程によりゾーンプレート２６も形成することができる。ゾーンプレート２６上の固定電荷膜３３と絶縁膜３４は、その屈折率の違いにより反射防止膜の役割を果たすことができる。これにより、基板２１の裏面に入射した光が反射されることを抑制することが可能となる。本実施形態では、ゾーンプレート２６上の環形部（第２環形部）を固定電荷膜３３と絶縁膜３４をを用いて形成することで、このような効果を得ることができる。
　遮光膜３５は、基板２１の裏面に形成された絶縁膜３４上の所定の領域に形成されており、オンチップレンズ３８からの光を遮光する作用を有する。画素領域２では、遮光膜３５は、光電変換部２２がオンチップレンズ３８に対して開口するように格子状に形成されており、具体的には、素子分離部３２上に形成されている。遮光膜３５は、光を遮光する材料で形成された膜であり、例えば、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、または銅（Ｃｕ）といった元素を含む膜である。
　平坦化膜３６は、遮光膜３５を覆うように絶縁膜３４の全面に形成されており、これにより基板２１の裏面上の面が平坦となっている。平坦化膜３６は例えば、樹脂膜等の有機膜である。
　カラーフィルタ層３７は、平坦化膜３６上に画素１ごとに形成されている。例えば、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）用のカラーフィルタ層３７がそれぞれ、赤色、緑色、青色の画素１の光電変換部２２の上方に配置されている。また、これらのカラーフィルタ層３７は、赤外光の画素１の光電変換部２２の上方に赤外光用のカラーフィルタ層３７を含んでいてもよい。各カラーフィルタ層３７は、所定の波長の光が透過できる性質を有しており、各カラーフィルタ層３７を透過した光が、ゾーンプレート２６を介して光電変換部２２に入射する。
　オンチップレンズ３８は、カラーフィルタ層３７上に画素１ごとに形成されている。各オンチップレンズ３８は、入射した光を集光する性質を有しており、各オンチップレンズ３８により集光された光は、カラーフィルタ層３７およびゾーンプレート２６を介して光電変換部２２に入射する。
　支持基板１１は、基板２１の表側に層間絶縁膜１５を介して設けられており、基板２１の強度を確保するために設けられている。支持基板１１は例えば、シリコン（Ｓｉ）基板等の半導体基板である。
　配線層１２～１４は、基板２１の表側に設けられた層間絶縁膜１５内に設けられ、多層配線構造をなしている。本実施形態の多層配線構造は、３層の配線層１２～１４を含んでいるが、４層以上の配線層を含んでいてもよい。配線層１２～１４の各々は、種々の配線を含んでおり、転送トランジスタＴｒ１等の画素トランジスタは、これらの配線を用いて駆動される。配線層１２～１４は例えば、タングステン、アルミニウム、または銅といった元素を含む金属層である。層間絶縁膜１５は例えば、酸化シリコン膜等の絶縁膜である。
　各転送トランジスタＴｒ１のゲート電極１６は、ｐ型半導体領域２３とフローティングディフュージョン部２９との間のｐウェル層２８の下にゲート絶縁膜１７を介して設けられている。各転送トランジスタＴｒ１は、光電変換部２２内の信号電荷をフローティングディフュージョン部２９に転送することができる。ゲート電極１６およびゲート絶縁膜１７は、層間絶縁膜１５内に設けられている。
　本実施形態の固体撮像装置では、基板２１の裏側から光が照射され、オンチップレンズ３８に光が入射する。オンチップレンズ３８に入射した光は、オンチップレンズ３８により集光され、カラーフィルタ層３７およびゾーンプレート２６を介して光電変換部２２に入射する。光電変換部２２は、この光を光電変換により電荷に変換して、信号電荷を生成する。信号電荷は、基板２１の表側に設けられた配線層１２～１４内の垂直信号線８を介して画素信号として出力される。
　図３は、第１実施形態の固体撮像装置の構造を示す平面図である。図３は、図１の画素領域２の平面構造を－Ｚ方向から見た様子を示している。
　図３では、４つの画素１が画素トランジスタを共有している。図３は、これらの画素１が共有する４つの転送トランジスタＴｒ１、２つのリセットトランジスタＴｒ２、２つのアンプトランジスタＴｒ３、および２つの選択トランジスタＴｒ４を示している。
　転送トランジスタＴｒ１は、基板２１の表側にゲート絶縁膜１７（図２）を介して設けられたゲート電極１６を備えている。同様に、リセットトランジスタＴｒ２、アンプトランジスタＴｒ３、および選択トランジスタＴｒ４はそれぞれ、基板２１の表側にゲート絶縁膜（図示せず）を介して設けられたゲート電極４１、４２、４３を備えている。本実施形態の固体撮像装置はさらに、リセットトランジスタＴｒ２、アンプトランジスタＴｒ３、および選択トランジスタＴｒ４用のソース・ドレイン領域４４、４５、４６、４７を基板２１内に備えている。これら４種類のトランジスタが、固体撮像装置の画素トランジスタとして機能する。
　図３は、４つの画素１のそれぞれに設けられたｐ型半導体領域２３と、これらのｐ型半導体領域２３の間に介在するｐウェル層２８と、４つの画素１が共有するフローティングディフュージョン部２９とを示している。図３はさらに、素子分離部３２の位置を点線で示している。４つの転送トランジスタＴｒ１のゲート電極１６はそれぞれ、対応するｐ型半導体領域２３とフローティングディフュージョン部２９とにまたがるように配置されている。これらの転送トランジスタＴｒ１は、対応する光電変換部２２内の信号電荷をフローティングディフュージョン部２９に転送することができる。
　図４および図５は、第１実施形態の固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。
　まず、図４のＡに示すように、基板２１内や基板２１上に、ｐ型半導体領域２３、ｎ型半導体領域２４、ｐ型半導体領域２５、画素分離層２７、ｐウェル層２８、フローティングディフュージョン部２９、ゲート絶縁膜１７、ゲート電極１６等を形成する。この段階で、リセットトランジスタＴｒ２、アンプトランジスタＴｒ３、および選択トランジスタＴｒ４用のゲート絶縁膜、ゲート電極４１～４３、およびソース・ドレイン領域４４～４７も形成される。このようにして、光電変換部２２や画素トランジスタが形成される。次に、図４のＡに示すように、基板２１の表側に、層間絶縁膜１５と配線層１２～１４とを交互に形成する。なお、図４のＡの工程は、基板２１の表側を上向きにし、基板２１の裏側を下向きにした状態で実行される。
　次に、図４のＢに示すように、基板２１の表側に層間絶縁膜１５を介して支持基板１１を接着させた後、基板２１の上下を反転させる。図４のＢは、基板２１の表側を下向きにし、基板２１の裏側を上向きにした状態を示している。
　次に、図４のＢに示すように、基板２１を裏面から薄膜化した後、基板２１内に所定の深さの溝３１をエッチングにより形成する。溝３１は、基板２１の裏面から画素分離層２７内に形成される。溝３１の深さは、分光特性を考慮して、基板２１の裏面から０．２μｍ以上であることが好ましく、１．０μｍ以上であることがより好ましい。また、溝３１の幅は、分光特性を考慮して、０．０２μｍ以上であることが好ましい。溝３１の幅を広く設定することで溝３１の加工が容易になるが、溝３１の幅が広いほど分光特性や飽和電荷量が低下するため、溝３１の幅は０．０２μｍ程度であることがより望ましい。本実施形態の溝３１は、ｐウェル層２８に達し、かつ、フローティングディフュージョン部２９やソース・ドレイン領域４４～４７に達しない深さに形成される。
　次に、図４のＢに示すように、基板２１の裏面をエッチングにより加工して、ｐ型半導体領域２５内にゾーンプレート２６の第１環形部を形成する。ゾーンプレート２６の第１環形部は、本実施形態では溝３１の形成後に形成するが、溝３１の形成前に形成してもよい。ゾーンプレート２６の形成工程の詳細は後述する。
　次に、図５のＡに示すように、基板２１の裏面に固定電荷膜３３と絶縁膜３４とを順に形成する。その結果、固定電荷膜３３が、溝３１の側面および底面や、ゾーンプレート２６の第１環形部間の隙間の側面および底面に形成される。さらには、絶縁膜３４が、溝３１内に固定電荷膜３３を介して埋め込まれると共に、ゾーンプレート２６の第１環形部間の隙間に固定電荷膜３３を介して埋め込まれる。このようにして、溝３１内に素子分離部３２が形成されると共に、複数の第１環形部と複数の第２環形部とを交互に含むゾーンプレート２６が光電変換部２２上に形成される。第２環形部は、固定電荷膜３３および絶縁膜３４により第１環形部間の隙間内に形成される。固定電荷膜３３は、例えばＣＶＤ、スパッタリング、またはＡＬＤにより形成される。絶縁膜３４は、例えばＣＶＤにより形成される。
　次に、図５のＢに示すように、基板２１の裏面に形成された絶縁膜３４上の所定の領域に遮光膜３５を形成する。遮光膜３５は例えば、絶縁膜３４上に遮光膜３５の材料層を形成し、材料層を所定の形状にパターニングすることで形成される。本実施形態の遮光膜３５は、素子分離部３２の上方に形成され、具体的には、Ｘ方向に互いに隣接する画素１間をＹ方向に延びる素子分離部３２の上方や、Ｙ方向に互いに隣接する画素１間をＸ方向に延びる素子分離部３２の上方に形成される。
　その後、絶縁膜３４上に遮光膜３５を介して平坦化膜３６が形成され、平坦化膜３６上にカラーフィルタ層３７が形成され、カラーフィルタ層３７上にオンチップレンズ３８が形成される。このようにして、図２に示す固体撮像装置が製造される。
　図６は、第１実施形態のゾーンプレート２６の形状を示す断面図である。図６は、図２と同様にゾーンプレート２６の縦断面を示している。
　本実施形態のゾーンプレート２６は、Ｚ方向または－Ｚ方向から見て環形の形状を有する複数の環形部により実現されている。これらの環形部は、ｐ型半導体領域２５を含む複数の第１環形部５１と、固定電荷膜３３および絶縁膜３４を含む複数の第２環形部５２とを交互に含んでいる。図６では、図面を見やすくするために、固定電荷膜３３の図示が省略されている。固定電荷膜３３の形状や配置については、図２等に示されている。本実施形態のゾーンプレート２６はさらに、Ｚ方向または－Ｚ方向から見て非環形の形状を有する非環形部５３を、第１および第２環形部５１、５２の内側に含んでいる。本実施形態の非環形部５３は、固定電荷膜３３および絶縁膜３４を含んでいる。本開示のｐ型半導体領域２５を形成している材料は、第１材料の一例であり、本開示の固定電荷膜３３および絶縁膜３４を形成している材料は、第１材料と異なる第２材料の一例である。
　図６は、ゾーンプレート２６の凹凸形状を示しているが、この凹凸形状は、第１環形部５１、第２環形部５２、および非環形部５３の断面を示している。第１環形部５１や第２環形部５２の形状は、例えば円形または四角形の環形である。また、非環形部５３の形状は、例えば円形または四角形である。ｐ型半導体領域２５の材料は、光電変換部２２の材料と、ゾーンプレート２６の凹凸形状に面する材料とを兼ねている。同様に、固定電荷膜３３は、素子分離部３２の材料と、ゾーンプレート２６の凹凸形状に面する材料とを兼ねている。
　図６はさらに、基板２１の裏面Ｓを示している。本実施形態では、基板２１の裏面Ｓにエッチングによって複数の環形の凹部βと１つの非環形の凹部βとを形成することで、これらの凹部β間に第１環形部５１を形成する。さらには、凹部β内に固定電荷膜３３および絶縁膜３４を埋め込むことで、凹部β内に第２環形部５２と非環形部５３とを形成する。よって、図６のゾーンプレート２６の凹凸形状は、基板２１の裏面Ｓに対し－Ｚ方向に窪んだ複数の凹部βと、所定の面、具体的には、これらの凹部βの底面Ｓ２に対しＺ方向に突出した複数の凸部αとを含んでいる。逆に言うと、凹部βは、凸部αの頂面Ｓ１に対し－Ｚ方向に窪んでいる。ゾーンプレート２６は、凸部αの頂面Ｓ１と、凹部βの底面Ｓ２と、頂面Ｓ１と底面Ｓ２との間の側面Ｓ３とを含む凹凸形状を有している。各凸部αは、頂面Ｓ１と側面Ｓ３とを有し、各凹部βは、底面Ｓ２と側面Ｓ３とを有しており、側面Ｓ２は、凸部αと凹部βにより共有されている。
　図６は、第１環形部５１として４つの第１環形部５１ａ～５１ｄを例示し、第２環形部５２として４つの第２環形部５２ａ～５２ｄを例示している。第１環形部５１ａ～５１ｄは、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄの順番でこれらの環形部の中心部から遠くに配置されている。同様に、第２環形部５２ａ～５２ｄは、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄの順番でこれらの環形部の中心部から遠くに配置されている。
　図６はさらに、第１環形部５１ａ～５１ｄの幅Ｐａ～Ｐｄと、第２環形部５２ａ～５２ｄの幅Ｑａ～Ｑｄと、非環形部５３の幅Ｒとを示している。本実施形態では、第１環形部５１ａ～５１ｄの幅Ｐａ～Ｐｄが、これらの環形部の中心部から離れるほど小さくなるように設定されている（すなわち、Ｐａ＞Ｐｂ＞Ｐｃ＞Ｐｄ）。さらには、第２環形部５２ａ～５２ｄの幅Ｑａ～Ｑｄが、これらの環形部の中心部から離れるほど小さくなるように設定されている（すなわち、Ｑａ＞Ｑｂ＞Ｑｃ＞Ｑｄ）。また、非環形部５３の幅Ｒは、最も内側の第２環形部５２ａの幅Ｑａよりも広く設定されている（Ｒ＞Ｑａ）。これにより、これらの環形部や非環形部を、光を集光するゾーンプレート２６として機能させることが可能となる。本開示のゾーンプレート２６は、集光部の一例である。
　本実施形態の第１環形部５１ａ～５１ｄと第２環形部５２ａ～５２ｄは、同じ位置に中心軸Ｌを有する同心状の環形の形状を有している。例えば、第１および第２環形部５１、５２の形状が円形の環形である場合には、第１および第２環形部５１、５２は、中心軸Ｌを中心とする同心円状の形状を有している。本実施形態では、非環形部５３も、中心軸Ｌを中心とする形状を有している。よって、本実施形態のゾーンプレート２６は、中心軸Ｌ上の点に光を集光することができる。
　ゾーンプレート２６の例は、第１環形部５１と第２環形部５２との光の屈折率の違いを利用して実現される位相型ゾーンプレートや、第１環形部５１と第２環形部５２との光の透過率の違いを利用して実現される振幅型ゾーンプレートである。第１および第２環形部５１、５２の好適な幅や好適な高さは、このようなゾーンプレート２６のタイプや、取り扱う光の波長に応じて変化する。位相型ゾーンプレートや振幅型ゾーンプレートの詳細については後述する。
　図７は、比較例の固体撮像装置と第１実施形態の固体撮像装置とを比較するための断面図である。
　図７のＡは、比較例の固体撮像装置の縦断面を示し、図７のＢは、本実施形態の固体撮像装置の縦断面を示している。なお、説明を分かりやすくするために、比較例の構成要素は、本実施形態の構成要素と同じ参照符号を用いて示されている。また、図７のＡやＢにおいて、光電変換部２２、素子分離部３２、固定電荷膜３３など、説明に直接関係しない構成要素の図示は省略されている（後述する図８等でも同様）。
　図７のＡに示すように、比較例の固体撮像装置は、ゾーンプレート２６の代わりにモスアイ構造２６’を備えている。モスアイ構造２６’は、ゾーンプレート２６と同様に、基板２１の裏面に複数の凹部を形成し、これらの凹部内に固定電荷膜３３および絶縁膜３４を埋め込むことで形成される。モスアイ構造２６’によれば、入射光の反射を低減して固体撮像装置の感度を向上させることができる。
　しかしながら、モスアイ構造２６’の凹部は、環形の形状ではなく、Ｘ方向およびＹ方向に沿って複数の凹部が格子状に存在する２次元アレイ状に形成される。そのため、モスアイ構造２６’は、各画素１への入射光Ａ１を隣接画素１に散乱させて（散乱光Ａ２を参照）、画素１間の混色を発生させるおそれがある。
　一方、図７のＢに示すように、本実施形態の固体撮像装置は、ゾーンプレート２６を備えている。ゾーンプレート２６は、モスアイ構造２６’と同様に凹凸形状を有しているため、入射光の反射を低減して固体撮像装置の感度を向上させることができる。加えて、ゾーンプレート２６の凹凸形状は、第１環形部５１や第２環形部５２等により形成されており、ゾーンプレート２６は一般にレンズのような集光作用を有する。そのため、ゾーンプレート２６は、各画素１への入射光Ｂ１を集光することができることから（集束光Ｂ２を参照）、画素１間の混色を低減することができる。
　なお、ゾーンプレート２６は、隣接画素１への入射光の散乱が少ないような形状を有していてもよい。理由は、入射光の散乱が少なければ、画素１間の混色を低減できるからである。例えば、第１および第２環形部５１、５２は、本実施形態では同じ位置に中心軸を有しているが、互いに異なる位置に中心軸を有していてもよい。また、第１環形部５１の幅や第２環形部５２の幅は、本実施形態ではこれらの環形部の中心部から離れるほど小さくなるという条件を満たしているが、この条件を満たしていなくてもよい。また、ゾーンプレート２６は、入射光の集光が可能でかつ／または入射光の散乱の抑制が可能なその他の光学素子に置き換えてもよい。
　図８は、第１実施形態のゾーンプレート２６の作用を説明するための断面図である。
　図８は、第２環形部５２への入射光Ｃ１と、第１環形部５１への入射光Ｃ２と、非環形部５３への入射光Ｃ３と、第１環形部５１への入射光Ｃ４と、第２環形部５２への入射光Ｃ５とを模式的に示している。入射光Ｃ１～Ｃ５の少なくとも一部は、これらの第１環形部５１、第２環形部５２、および非環形部５３を通過する。
　図８の第１環形部５１は、第２環形部５２や非環形部５３の屈折率と異なる屈折率を有している。そのため、第１環形部５１内の入射光Ｃ２、Ｃ４と、第２環形部５２や非環形部５３内の入射光Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５との間に位相差が生じる。その後、これらの入射光Ｃ１～Ｃ５がゾーンプレート２６を通過して回折すると、これらの入射光Ｃ１～Ｃ５の位相が光電変換部２２内の所定の点Ｆ（焦点）でそろう。このようにして、入射光Ｃ１～Ｃ５が点Ｆに集光されることになる。点Ｆは、上述の中心軸Ｌ上に位置している。
　図８に示すゾーンプレート２６は、位相型ゾーンプレートである。第１環形部５１に含まれる基板２１は、例えばシリコン基板である。また、第２環形部５２や非環形部５３に含まれる固定電荷膜３３と絶縁膜３４はそれぞれ、例えば酸化タンタル膜と酸化シリコン膜である。これにより、第１環形部５１は、第２環形部５２や非環形部５３の屈折率と異なる屈折率を有することになる。第２環形部５２や非環形部５３の屈折率は、固定電荷膜３３と絶縁膜３４との平均的な屈折率であるが、固定電荷膜３３が絶縁膜３４に比べて大幅に薄い場合には、第２環形部５２や非環形部５３の屈折率は、おおむね絶縁膜３４の屈折率に一致する。
　図９～図１１は、第１実施形態のゾーンプレート２６の形成方法を示す断面図である。
　図９のＡは、基板２１の表側を下向きにし、基板２１の裏側を上向きにした状態の基板２１を示している。よって、図９のＡの基板２１の上面は、基板２１の裏面である。
　まず、図９のＢに示すように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により基板２１の裏面を研磨する。これにより、上述のように基板２１が裏面から薄膜化される。
　次に、図９のＣ、図１０のＡ、および図１０のＢに示すように、基板２１の裏面上にハードマスク層６１、ＢＡＲＣ（Bottom Anti-Reflective Coating）層６２、およびレジスト層６３を順に形成する。ハードマスク層６１は、例えば酸化シリコン膜である。ＢＡＲＣ層６２は、例えば有機膜である。ＢＡＲＣ層６２とレジスト層６３は、例えば塗布法により形成される。
　次に、図１０のＣに示すように、フォトリソグラフィによりレジスト層６３に、複数の凹部からなるレジストパターン６４を形成する。これらの凹部は、第２環形部５２や非環形部５３に対応する平面形状を有している。
　次に、図１１Ａに示すように、エッチングによりレジストパターン６４を基板２１（ｐ型半導体領域２５）に転写する。これにより、基板２１に転写された凹部間に、ゾーンプレート２６用の第１環形部５１が形成される。
　次に、図１１Ｂに示すように、基板２１の裏面に固定電荷膜３３を形成する。これにより、固定電荷膜３３が、第１環形部５１間の凹部の側面および底面に形成される。
　次に、図１１Ｃに示すように、基板２１の裏面に絶縁膜３４を形成する。これにより、絶縁膜３４が、第１環形部５１間の凹部に固定電荷膜３３を介して埋め込まれる。その結果、これらの凹部内にゾーンプレート２６用の第２環形部５２や非環形部５３が形成される。
　このようにして、図６に示すゾーンプレート２６が形成される。
　以下、図１２～図１５を参照して、本実施形態のゾーンプレート２６の種々の例を説明する。
　図１２は、第１実施形態のゾーンプレート２６の例を示す平面図である。
　図１２のＡでは、各ゾーンプレート２６の上下の第１および第２環形部５１、５２の形状が、円形の環形となっている。また、非環形部５３の形状は、円形となっている。このようなゾーンプレート２６には例えば、光の集光性能が高いという利点がある。図１２のＡは、９個の画素１用に設けられた９個のゾーンプレート２６を示している。
　図１２のＢでは、各ゾーンプレート２６の上下の第１および第２環形部５１、５２の形状が、四角形（正方形）の環形となっている。また、非環形部５３の形状は、四角形となっている。このようなゾーンプレート２６には例えば、ゾーンプレート２６を形成しやすいという利点がある。図１２のＢは、９個の画素１用に設けられた９個のゾーンプレート２６を示している。
　図１２のＣでは、各ゾーンプレート２６の上下の第１および第２環形部５１、５２の形状が、図１２のＢと同様に、四角形の環形となっている。ただし、図１２のＢの四角形の各辺は、Ｘ方向またはＹ方向に平行であるのに対し、図１２のＣの四角形の各辺は、Ｘ方向およびＹ方向に対し非平行となっている。図１２のＣは、９個の画素１用に設けられた９個のゾーンプレート２６を示している。
　図１２のＤでは、各ゾーンプレート２６の上下の第１および第２環形部５１、５２の形状が、図１２のＣと同様に、四角形の環形となっている。ただし、図１２のＤでは、各画素１の位置にゾーンプレート２６が設けられているだけでなく、符号１’で示すように画素１間の位置にもゾーンプレート２６が設けられている。このように、本実施形態の固体撮像装置は、画素１の個数よりも多くのゾーンプレート２６を備えていてもよい。
　図１３は、第１実施形態のゾーンプレート２６の別の例を示す断面図である。
　図１３のＡに示すゾーンプレート２６は、図８に示すゾーンプレート２６と同様に、２レベルの位相型ゾーンプレートである。よって、この場合の第１環形部５１は、第２環形部５２や非環形部５３の屈折率と異なる屈折率を有している。
　図１３のＢに示すゾーンプレート２６は、４レベルの位相型ゾーンプレートであり、この場合の第１環形部５１は、３種類の厚さを有している。この場合には、固定電荷膜３３および絶縁膜３４を含む非環形部５３の下に、基板２１内のｐ型半導体領域２５を含む非環形部５４が設けられている。この場合の第１環形部５１と非環形部５４は、第２環形部５２や非環形部５３の屈折率と異なる屈折率を有している。
　図１３のＣに示すゾーンプレート２６は、Ｎレベル（Ｎは２以上の整数）の位相型ゾーンプレートであり、この場合の第１環形部５１は、Ｎ－１種類の厚さを有している。この場合には、固定電荷膜３３および絶縁膜３４を含む非環形部５３の下に、基板２１内のｐ型半導体領域２５を含む非環形部５４が設けられている。この場合の第１環形部５１と非環形部５４は、第２環形部５２や非環形部５３の屈折率と異なる屈折率を有している。より詳細には、図１３のＣに示すゾーンプレート２６は、Ｂｌａｚｅ　Ｋｉｎｏｆｏｒｍと呼ばれ、Ｆｒｅｓｎｅｌレンズに似た形状を有している。
　本実施形態のゾーンプレート２６は、図１３のＡからＣのいずれの形状を有していてもよい。なお、図１３のＡに示すゾーンプレート２６には、例えば作製しやすいという利点がある。一方、図１３のＢやＣに示すゾーンプレート２６には、例えば良好な集光性能を実現しやすいという利点がある。
　図１４は、第１実施形態のゾーンプレート２６の別の例を示す断面図である。
　図１４のＡに示すゾーンプレート２６は、振幅型ゾーンプレートである。よって、この場合の第１環形部５１は、第２環形部５２や非環形部５３の透過率と異なる透過率を有している。この第１環形部５１は、基板２１ではなく、基板２１の裏面上に設けられた絶縁膜７１を含んでいる。絶縁膜７１は、例えば有機膜である。一方、固定電荷膜３３と絶縁膜３４はそれぞれ、例えば酸化タンタル膜と酸化シリコン膜である。第２環形部５２や非環形部５３の透過率は、固定電荷膜３３と絶縁膜３４との平均的な透過率であるが、固定電荷膜３３が絶縁膜３４に比べて大幅に薄い場合には、第２環形部５２や非環形部５３の透過率は、おおむね絶縁膜３４の透過率に一致する。図１４のＡに示すゾーンプレート２６は、Ｆｒｅｓｎｅｌゾーンプレートと呼ばれる。
　図１４のＢに示すゾーンプレート２６も、振幅型ゾーンプレートである。よって、この場合の第１環形部５１は、第２環形部５２や非環形部５３の透過率と異なる透過率を有している。この第１環形部５１は、基板２１ではなく、基板２１の裏面上に設けられた絶縁膜７２を含んでいる。絶縁膜７２は、例えば有機膜である。一方、固定電荷膜３３と絶縁膜３４はそれぞれ、例えば酸化タンタル膜と酸化シリコン膜である。また、この場合の各第１環形部５１は、その中心付近からその外表付近へと透過率が徐々に変化する構造を有している。このような第１環形部５１は例えば、有機膜（絶縁膜７２）中の有機物の濃度を、各第１環形部５１の中心付近から外表付近へと徐々に変化させることで実現可能である。図１４のＢに示すゾーンプレート２６は、Ｇａｂｏｒゾーンプレートと呼ばれる。
　本実施形態のゾーンプレート２６は、図１４のＡおよびＢのいずれの形状を有していてもよい。なお、図１４のＡに示すゾーンプレート２６には、例えば作製しやすいという利点がある。一方、図１４のＢに示すゾーンプレート２６には、例えば良好な集光性能を実現しやすいという利点がある。
　また、本実施形態のゾーンプレート２６用の第１環形部５１は、図１３のＡからＣのように基板２１を用いて形成してもよいし、図１４のＡおよびＣのように基板２１上の別の膜を用いて形成してもよい。前者の場合には例えば、基板２１上に別の膜を形成するコストや手間を削減できるという利点がある。一方、後者の場合には例えば、所望の特性の第１環形部５１を実現しやすいという利点がある。
　図１５は、第１実施形態のゾーンプレート２６の別の例を示す平面図である。
　図１５は、赤色の画素１用のゾーンプレート２６と、緑色の画素１用のゾーンプレート２６と、青色の画素１用のゾーンプレート２６とを示している。図１５では、ゾーンプレート２６の形状が、画素１の色の種類ごと（すなわち、対応するカラーフィルタ層３７を透過する色の種類ごと）に異なっている。具体的には、各第１環形部５１の幅、各第２環形部５２の幅、および非環形部５３の幅が、赤色用のゾーンプレート２６と、緑色用のゾーンプレート２６と、青色用のゾーンプレート２６との間で互いに異なっている。これにより、例えば入射光の色（波長）ごとに異なった性能をゾーンプレート２６に発揮させることが可能となる。
　なお、色ごとのゾーンプレート２６の形状の違いは、環形部や非環形部の幅を変える以外の方法で実現してもよい。例えば、ある色のゾーンプレート２６の各環形部の形状を円形の環形に設定し、別の色のゾーンプレート２６の各環形部の形状を四角形の環形に設定してもよい。
　以上のように、本実施形態の固体撮像装置は、光電変換部２２とオンチップレンズ３８との間に設けられたゾーンプレート２６を備えている。よって、本実施形態によれば、オンチップレンズ３８からの入射光をゾーンプレート２６により集光することで、画素１間の混色を低減することが可能となる。また、本実施形態によれば、素子分離部３２や遮光膜３５だけでは混色を十分に低減できない場合でも、ゾーンプレート２６により混色を効果的に低減することが可能となる。
　（第２実施形態）
　図１６は、第２実施形態の固体撮像装置とその変形例の固体撮像装置の構造を示す断面図である。図１６のＡやＢにおいて、光電変換部２２、素子分離部３２、固定電荷膜３３など、説明に直接関係しない構成要素や他の図に十分に示されている構成要素の図示は省略されている。
　図１６のＡは、本実施形態の固体撮像装置の縦断面を示しており、より詳細には、図１の画素領域２の縦断面を示している。図１に示す構成は、第１実施形態と本実施形態とで共通である。本実施形態の固体撮像装置は、図２に示す構成要素に加えて、画素１ごとに設けられた反射板８１を備えている。
　反射板８１は、層間絶縁膜１５内に設けられており、具体的には、基板２１（光電変換部２２）と配線層１２～１４との間に設けられている。反射板８１は、光を反射する材料で形成された層であり、例えば、タングステン、アルミニウム、または銅といった元素を含む層である。本実施形態によれば、ゾーンプレート２６により集光された光が光電変換部２２から配線層１２～１４に入射することを抑制することができ、この光を光電変換部２２に反射することで固体撮像装置の感度を向上させることができる。
　本実施形態のゾーンプレート２６は、中心軸Ｌ上の点に光を集光する。そのため、反射板８１は、中心軸Ｌと重なる位置に配置することが望ましい。これにより、光の強度が強い位置に反射板８１を配置することができ、基板２１を通過した光を反射板８１により効果的に反射することができる。
　反射板８１は、各画素１の面積の大部分を占める広い面積を有していてもよいし、逆に狭い面積しか有していなくてもよい。反射板８１の面積が広いほど、光を反射板８１により効果的に反射できると考えられる。ただし、本実施形態では、ゾーンプレート２６が光電変換部２２に光を集光するため、反射板８１の面積が狭くても、光を反射板８１により十分に反射することができる。別言すると、本実施形態によれば、ゾーンプレート２６により光を集光することで、反射板８１を小型化することが可能となる。
　反射板８１は例えば、配線層１２～１４と同じ材料を用いて形成してもよい。この場合、反射板８１は、配線層１２～１４と同様の方法で形成することができる。反射板８１は、配線と反射板８１とを含む配線層内に設けられていてもよい。一方、ゲート電極１６、４１、４２、４３が金属材料を用いて形成されている場合には、反射板８１は、ゲート電極１６、４１、４２、４３と反射板８１とを含む金属層内に設けられていてもよい。
　図１６のＢは、本実施形態の変形例の固体撮像装置の縦断面を示しており、より詳細には、図１の画素領域２の縦断面を示している。本変形例の固体撮像装置は、図１６のＡの固体撮像装置の反射板８１を反射板８２に置き換えた構造を有している。
　反射板８２の上面（基板２１側の面）は、凹型の形状を有している。よって、各画素１の反射板８２は、基板２１を通過した光を、対応する光電変換部２２に集光するように反射することができる。これにより、反射板８２からの反射光が隣接画素１に散乱されることを抑制することが可能となる。反射板８２のその他の性質は、上述の反射板８１と同様である。
　以上のように、本実施形態によれば、基板２１を通過した光を反射板８１や反射板８２により反射することで、固体撮像装置の感度を向上させることが可能となる。
　（第３実施形態）
　図１７は、第３実施形態の固体撮像装置の構造を示す断面図である。図１７において、素子分離部３２や固定電荷膜３３など、説明に直接関係しない構成要素や他の図に十分に示されている構成要素の図示は省略されている。
　図１７は、本実施形態の固体撮像装置の縦断面を示しており、より詳細には、図１の画素領域２の縦断面を示している。図１に示す構成は、第１実施形態と本実施形態とで共通である。本実施形態の固体撮像装置は、図２に示す構成要素に加えて、メモリ部９１と、メモリ部９１用のＭＯＳトランジスタのゲート電極９２およびゲート絶縁膜９３とを備えている。
　メモリ部９１は、基板２１内において光電変換部２２の下方に設けられており、光電変換部２２に対して基板２１の表側に設けられている。別言すると、メモリ部９１は、基板２１内において、光電変換部２２と、基板２１の－Ｚ方向の面との間に設けられている。上述のように、光電変換部２２は、基板２１の表側から裏側に向かって基板２１内に順に形成されたｐ型半導体領域２３、ｎ型半導体領域２４、およびｐ型半導体領域２５を備えている。同様に、本実施形態のメモリ部９１も、基板２１の表側から裏側に向かって基板２１内に順に形成されたｐ型半導体領域、ｎ型半導体領域、およびｐ型半導体領域（図示せず）を備えている。メモリ部９１は、光電変換部２２により生成された信号電荷を保持する電荷保持部として機能する。本実施形態のメモリ部９１は、中心軸Ｌと重ならない位置に設けられている。
　メモリ部９１用のＭＯＳトランジスタのゲート電極９２は、光電変換部２２とメモリ部９１との間の領域（ｐウェル層２８）の下にゲート絶縁膜９３を介して設けられている。このＭＯＳトランジスタは、光電変換部２２内の信号電荷をメモリ部９１に転送することができる。ゲート電極９２およびゲート絶縁膜９３は、転送トランジスタＴｒ１のゲート電極１６およびゲート絶縁膜１７と同様に、層間絶縁膜１５内に設けられている。
　メモリ部９１は、光電変換部２２により生成された信号電荷を保持するために設けられているため、メモリ部９１に光が入射することは好ましくない。メモリ部９１に光が入射すると、メモリ部９１でＰＬＳ（Parasitic Light Sensitivity）と呼ばれる問題が生じるおそれがある。そこで、メモリ部９１の周囲に何らかの膜を形成することが考えられるが、その場合には膜を形成する工程が必要となる。
　しかしながら、本実施形態の固体撮像装置は、オンチップレンズ３８からの光を光電変換部２２に集光するゾーンプレート２６を備えている。よって、ゾーンプレート２６により光が集光される点から離れてメモリ部９１を配置しておけば、メモリ部９１に光が入射することを抑制することができる。そのため、本実施形態のメモリ部９１は、ゾーンプレート２６からの光が集光される点を含む中心軸Ｌと重ならない位置に設けられている。これにより、光電変換部２２の下方にメモリ部９１を設けても、入射光がメモリ部９１に入射することを抑制することが可能となり、メモリ部９１でＰＬＳが生じることを低減することが可能となる。
　以上のように、本実施形態によれば、オンチップレンズ３８と光電変換部２２との間にゾーンプレート２６を設けることで、光電変換部２２の下方にメモリ部９１を設けても、入射光がメモリ部９１に入射することを抑制することが可能となる。
　さらに、本実施形態によれば、メモリ部９１を中心軸Ｌと重ならない位置に設けることで、ゾーンプレート２６からの入射光が中心軸Ｌ上の点に集光しても、入射光がメモリ部９１に入射することを抑制することが可能となる。
　（第４実施形態）
　図１８は、第４実施形態のゾーンプレート２６の形状を示す断面図である。本実施形態のゾーンプレート２６は、第１実施形態において図６に示すゾーンプレート２６の変形例に相当する。図１や図２に示す構成は、第１実施形態と本実施形態とで共通である。図１８では、図面を見やすくするために、固定電荷膜３３の図示が省略されている。固定電荷膜３３の形状や配置については、図２等に示されている。
　本実施形態のゾーンプレート２６は、図６に示すゾーンプレート２６と同様に、ｐ型半導体領域２５を含む複数の第１環形部５１と、固定電荷膜３３および絶縁膜３４を含む複数の第２環形部５２および非環形部５３により実現されている。
　ただし、本実施形態のゾーンプレート２６では、図６に示すゾーンプレート２６とは異なり、第１環形部５１、第２環形部５２、および非環形部５３が、ゾーンプレート２６の周囲の基板２１の裏面Ｓよりも高い位置に設けられている。このような構造は、基板２１の裏面Ｓにエッチングにより第１環形部５１を形成する際に、基板２１の裏面Ｓのうち、第１環形部５１を形成する領域の周囲の領域をすべてエッチングすることで実現可能である。ただし、溝３１が形成された領域等はこの際にエッチングする必要はない。
　図１８は、ゾーンプレート２６の凹凸形状を示しているが、この凹凸形状は、第１環形部５１、第２環形部５２、および非環形部５３の断面を示している。図１８のゾーンプレート２６の凹凸形状は、基板２１の裏面Ｓに対しＺ方向に突出した複数の凸部αと、凸部αの頂面Ｓ１に対し－Ｚ方向に窪んだ複数の凹部βとを含んでいる。逆に言うと、凸部αは、凹部βの底面Ｓ２に対しＺ方向に突出している。ゾーンプレート２６は、凸部αの頂面Ｓ１と、凹部βの底面Ｓ２と、頂面Ｓ１と底面Ｓ２との間の側面Ｓ３とを含む凹凸形状を有している。
　なお、図１４のＡやＢに示すゾーンプレート２６（振幅型ゾーンプレート）に、図１８に示す構造を適用してもよい。ただし、この場合には、第１環形部５１は、基板２１の裏面Ｓ上に設けられた絶縁膜７１（または絶縁膜７２）を用いて形成される。
　図１８は、第１環形部５１として４つの第１環形部５１ａ～５１ｄを例示し、第２環形部５２として３つの第２環形部５２ａ～５２ｃを例示している。図６と図１８とで裏面Ｓの位置が異なるため、第２環形部５２の本数が図６と図１８とで異なっている。図１８はさらに、第１環形部５１ａ～５１ｄの幅Ｐａ～Ｐｄと、第２環形部５２ａ～５２ｃの幅Ｑａ～Ｑｃと、非環形部５３の幅Ｒとを示している。本実施形態の第１環形部５１、第２環形部５２、および非環形部５３の形状や材質は、図６に示すゾーンプレート２６と同様である。
　以上のように、本実施形態によれば、裏面Ｓの位置が第１実施形態のゾーンプレート２６と異なるゾーンプレート２６を提供することができる。第１実施形態のゾーンプレート２６には例えば、第１環形部５１をｐ型半導体領域２５を用いて形成する際に、ｐ型半導体領域２５のエッチング量が少なくて済むという利点がある。一方、本実施形態のゾーンプレート２６には例えば、第１環形部５１を絶縁膜７１を用いて形成する際に、不要な絶縁膜７１を基板２１上に残存させずに済むという利点がある。
　（変形例）
　第１から第４実施形態では、オンチップレンズ３８と光電変換部２２との間の集光部の例としてゾーンプレート２６を説明したが、図１９に示すように、その他の集光部２６”をオンチップレンズ３８と光電変換部２２との間に設けてもよい。
　図１９は、第１から第４実施形態の変形例の集光部２６”の形状を示す断面図である。図１９のＡは、集光部２６”のＸＺ断面を示し、図１９のＢは、集光部２６”のＸＹ断面を示している。集光部２６”は、Ｙ方向に直線状に延び、ｐ型半導体領域２５を含む複数の第１直線部１０１と、Ｙ方向に直線状に延び、固定電荷膜３３および絶縁膜３４を含む複数の第２直線部１０２により実現されている。これらの第１直線部１０１と第２直線部１０２は、交互に設けられている。図１９のＡとＢでは、図面を見やすくするために、固定電荷膜３３の図示が省略されている。
　図１９のＡとＢは、第１直線部１０１として６本の第１直線部１０１ａ～１０１ｆを例示し、第２直線部１０２として７本の第２直線部１０２ａ～１０２ｇを例示している。第１直線部１０１ａ～１０１ｆは、１０１ｃ、１０１ｂ、１０１ａの順番や１０１ｄ、１０１ｅ、１０１ｆの順番で、これらの直線部の中心部から遠くに配置されている。同様に、第２直線部１０２ａ～１０２ｇは、１０２ｄ、１０２ｃ、１０２ｂ、１０２ａの順番や１０２ｄ、１０２ｅ、１０２ｆ、１０２ｇの順番で、これらの直線部の中心部から遠くに配置されている。
　図１９のＡとＢはさらに、第１直線部１０１ａ～１０１ｇの幅Ｕａ～Ｕｆと、第２直線部１０２ａ～１０２ｄの幅Ｖａ～Ｖｇとを示している。本変形例では、第１直線部１０１ａ～１０１ｆの幅Ｕａ～Ｕｆが、これらの直線部の中心部から離れるほど小さくなるように設定されている。さらには、第２直線部１０２ａ～１０２ｇの幅Ｖａ～Ｖｇが、これらの直線部の中心部から離れるほど小さくなるように設定されている。本変形例の第１直線部１０１ａ～１０１ｆと第２直線部１０２ａ～１０２ｇは、平面Ｍに対して対称な形状を有している。よって、本変形例では、幅Ｕａ、Ｕｂ、Ｕｃはそれぞれ幅Ｕｆ、Ｕｅ、Ｕｄと等しく、幅Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃはそれぞれ幅Ｖｇ、Ｖｆ、Ｖｅと等しい。
　図１９のＡの集光部２６”の凹凸形状は、基板２１の裏面Ｓに対し－Ｚ方向に窪んだ複数の凹部βと、これらの凹部βの底面Ｓ２に対しＺ方向に突出した複数の凸部αとを含んでいる。逆に言うと、凹部βは、凸部αの頂面Ｓ１に対し－Ｚ方向に窪んでいる。
　この集光部２６”は、各実施形態のゾーンプレート２６とは異なり、Ｘ方向にのみ光を集光し、Ｙ方向には光を集光しない。しかしながら、このような集光部２６”も、画素１間の混色を低減することが可能である。
　以上のように、本変形例によれば、ゾーンプレート２６と異なる集光部２６”により、画素１間の混色を低減することが可能となる。本変形例の集光部２６”には例えば、一般にゾーンプレート２６に比べて構造がシンプルで作製しやすいという利点がある。一方、第１から第４実施形態のゾーンプレート２６には例えば、光を各画素１の中心部付近に集光しやすくなり、画素１間の混色を効果的に低減しやすくなるという利点がある。
　以上、本開示の実施形態について説明したが、これらの実施形態は、本開示の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の変更を加えて実施してもよい。例えば、２つ以上の実施形態を組み合わせて実施してもよい。
　なお、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
　（１）
　基板と、
　前記基板内に設けられた光電変換部と、
　を備え、
　前記基板の光入射面に複数の凸部が設けられ、前記凸部の幅は前記複数の凸部の中心部から離れるほど小さくなる、固体撮像装置。
　（２）
　前記複数の凸部の各々は、平面視で環形の形状を有する、（１）に記載の固体撮像装置。
　（３）
　前記複数の凸部は、平面視で同心状の環形の形状を有する、（２）に記載の固体撮像装置。
　（４）
　前記複数の凸部の各々は、平面視で円形または四角形の環形の形状を有する、（２）に記載の固体撮像装置。
　（５）
　前記基板の光入射面に前記複数の凸部と交互に複数の凹部が設けられ、前記凹部の幅は前記複数の凹部の中心部から離れるほど小さくなる、（１）に記載の固体撮像装置。
　（６）
　前記複数の凹部の各々は、平面視で環形の形状を有する、（５）に記載の固体撮像装置。
　（７）
　前記複数の凹部は、平面視で同心状の環形の形状を有する、（６）に記載の固体撮像装置。
　（８）
　前記複数の凹部の各々は、平面視で円形または四角形の環形の形状を有する、（６）に記載の固体撮像装置。
　（９）
　前記複数の凸部の内側に設けられ、平面視で非環形の形状を有し、前記凸部の頂面に対し前記光電変換部側に窪んだ凹部をさらに備える、（６）に記載の固体撮像装置。
　（１０）
　前記非環形の形状の前記凹部は、平面視で円形または四角形の形状を有する、（９）に記載の固体撮像装置。
　（１１）
　前記凸部内に設けられた第１材料と、
　前記凸部間に設けられ、前記第１材料と異なる第２材料と、
　をさらに備える、（１）に記載の固体撮像装置。
　（１２）
　前記第１材料は、前記光電変換部内の半導体領域の材料と、前記凸部の材料とを兼ねている、（１１）に記載の固体撮像装置。
　（１３）
　前記第２材料は、負の固定電荷を有する膜を含んでいる、（１１）に記載の固体撮像装置。
　（１４）
　前記第２材料は、負の固定電荷を有する膜である第１膜と、前記第１膜と異なる第２膜とを含んでいる、（１３）に記載の固体撮像装置。
　（１５）
　互いに隣接する前記光電変換部同士の間に設けられた素子分離部をさらに備え、
　前記第２材料は、前記素子分離部の材料である絶縁材料を含んでいる、（１１）に記載の固体撮像装置。
　（１６）
　前記第１材料と前記第２材料は、光の透過率または屈折率が互いに異なる、（１１）に記載の固体撮像装置。
　（１７）
　光を集光して前記凸部に入射させるレンズと、
　前記レンズと前記凸部との間に設けられたカラーフィルタ層とをさらに備え、
　前記凸部の形状は、前記カラーフィルタ層を透過する色の種類ごとに異なる、（１）に記載の固体撮像装置。
　（１８）
　前記基板の光入射面と反対側の面に設けられた配線層と、
　前記光電変換部と前記配線層との間に設けられ、前記光電変換部からの光を反射する反射板と、
　をさらに備える（１）に記載の固体撮像装置。
　（１９）
　前記反射板の前記光電変換部側の面は、凹型の形状を有する、（１８）に記載の固体撮像装置。
　（２０）
　前記複数の凸部は、平面視で同じ位置に中心軸を有する同心状の環形の形状を有し、
　前記反射板は、前記中心軸と重なる位置に設けられている、
　（１８）に記載の固体撮像装置。
　（２１）
　前記光電変換部と、前記基板の光入射面と反対側の面との間に設けられ、前記光電変換部からの電荷を保持するメモリ部をさらに備える、（１）に記載の固体撮像装置。
　（２２）
　前記複数の凸部は、平面視で同じ位置に中心軸を有する同心状の環形の形状を有し、
　前記メモリ部は、前記中心軸と重ならない位置に設けられている、
　（２１）に記載の固体撮像装置。
　（２３）
　光を集光するレンズと、
　前記レンズからの光を電荷に変換する光電変換部と、
　前記レンズと前記光電変換部との間に設けられ、前記レンズからの光を前記光電変換部に集光する集光部と、
　を備える固体撮像装置。
　（２４）
　前記光電変換部は、基板内に設けられており、
　前記集光部は、前記基板の光入射面に設けられた複数の凸部により、前記レンズからの光を前記光電変換部に集光する、（２３）に記載の固体撮像装置。
　（２５）
　前記固体撮像装置は、複数の前記レンズと、複数の前記光電変換部と、複数の前記集光部とを備え、
　各集光部は、対応する１つのレンズと対応する１つの光電変換部との間に設けられている、（２３）に記載の固体撮像装置。
　（２６）
　前記基板内に光電変換部を形成し、
　前記基板の光入射面に、複数の凸部を、前記凸部の幅が前記複数の凸部の中心部から離れるほど小さくなるように形成する、
　ことを含む固体撮像装置の製造方法。
　（２７）
　前記凸部は、前記光電変換部内の半導体領域を加工することで前記半導体領域に形成される、（２６）に記載の固体撮像装置の製造方法。
　（２８）
　前記凸部内の第１材料と異なる第２材料を前記凸部間に埋め込むことをさらに含む、（２６）に記載の固体撮像装置の製造方法。
　１：画素、２：画素領域、３：制御回路、４：垂直駆動回路、
　５：カラム信号処理回路、６：水平駆動回路、７：出力回路、
　８：垂直信号線、９：水平信号線、１１：支持基板、
　１２、１３、１４：配線層、１５：層間絶縁膜、１６：ゲート電極、
　１７：ゲート絶縁膜、２１：基板、２２：光電変換部、
　２３：ｐ型半導体領域、２４：ｎ型半導体領域、
　２５：ｐ型半導体領域、２６：ゾーンプレート、２６’：モスアイ構造、
　２６”：集光部、２７：画素分離層、２８：ｐウェル層、
　２９：フローティングディフュージョン部、３１：溝、
　３２：素子分離部、３３：固定電荷膜、３４：絶縁膜、
　３５：遮光膜、３６：平坦化膜、３７：カラーフィルタ層、
　３８：オンチップレンズ、４１、４２、４３：ゲート電極、
　４４、４５、４６、４７：ソース・ドレイン領域、５１：第１環形部、
　５２：第２環形部、５３、５４：非環形部、６１：ハードマスク層、
　６２：ＢＡＲＣ層、６３：レジスト層、６４：レジストパターン、
　７１、７２：絶縁膜、８１、８２：反射板、９１：メモリ部、
　９２：ゲート電極、９３：ゲート絶縁膜、
　１０１：第１直線部、１０２：第２直線部

Claims (20)

  1. 　基板と、
    　前記基板内に設けられた光電変換部と、
    　を備え、
    　前記基板の光入射面に複数の凸部が設けられ、前記凸部の幅は前記複数の凸部の中心部から離れるほど小さくなる、固体撮像装置。
  2. 　前記複数の凸部の各々は、平面視で環形の形状を有する、請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 　前記複数の凸部は、平面視で同心状の環形の形状を有する、請求項２に記載の固体撮像装置。
  4. 　前記複数の凸部の各々は、平面視で円形または四角形の環形の形状を有する、請求項２に記載の固体撮像装置。
  5. 　前記基板の光入射面に前記複数の凸部と交互に複数の凹部が設けられ、前記凹部の幅は前記複数の凹部の中心部から離れるほど小さくなる、請求項１に記載の固体撮像装置。
  6. 　前記複数の凹部の各々は、平面視で環形の形状を有する、請求項５に記載の固体撮像装置。
  7. 　前記凸部内に設けられた第１材料と、
    　前記凸部間に設けられ、前記第１材料と異なる第２材料と、
    　をさらに備える、請求項１に記載の固体撮像装置。
  8. 　前記第１材料は、前記光電変換部内の半導体領域の材料と、前記凸部の材料とを兼ねている、請求項７に記載の固体撮像装置。
  9. 　前記第２材料は、負の固定電荷を有する膜を含んでいる、請求項７に記載の固体撮像装置。
  10. 　前記第２材料は、負の固定電荷を有する膜である第１膜と、前記第１膜と異なる第２膜とを含んでいる、請求項９に記載の固体撮像装置。
  11. 　互いに隣接する前記光電変換部同士の間に設けられた素子分離部をさらに備え、
    　前記第２材料は、前記素子分離部の材料である絶縁材料を含んでいる、請求項７に記載の固体撮像装置。
  12. 　前記第１材料と前記第２材料は、光の透過率または屈折率が互いに異なる、請求項７に記載の固体撮像装置。
  13. 　光を集光して前記凸部に入射させるレンズと、
    　前記レンズと前記凸部との間に設けられたカラーフィルタ層とをさらに備え、
    　前記凸部の形状は、前記カラーフィルタ層を透過する色の種類ごとに異なる、請求項１に記載の固体撮像装置。
  14. 　前記基板の光入射面と反対側の面に設けられた配線層と、
    　前記光電変換部と前記配線層との間に設けられ、前記光電変換部からの光を反射する反射板と、
    　をさらに備える請求項１に記載の固体撮像装置。
  15. 　前記反射板の前記光電変換部側の面は、凹型の形状を有する、請求項１４に記載の固体撮像装置。
  16. 　前記光電変換部と、前記基板の光入射面と反対側の面との間に設けられ、前記光電変換部からの電荷を保持するメモリ部をさらに備える、請求項１に記載の固体撮像装置。
  17. 　前記複数の凸部は、平面視で同じ位置に中心軸を有する同心状の環形の形状を有し、
    　前記メモリ部は、前記中心軸と重ならない位置に設けられている、
    　請求項１６に記載の固体撮像装置。
  18. 　光を集光するレンズと、
    　前記レンズからの光を電荷に変換する光電変換部と、
    　前記レンズと前記光電変換部との間に設けられ、前記レンズからの光を前記光電変換部に集光する集光部と、
    　を備える固体撮像装置。
  19. 　前記光電変換部は、基板内に設けられており、
    　前記集光部は、前記基板の光入射面に設けられた複数の凸部により、前記レンズからの光を前記光電変換部に集光する、請求項１８に記載の固体撮像装置。
  20. 　前記基板内に光電変換部を形成し、
    　前記基板の光入射面に、複数の凸部を、前記凸部の幅が前記複数の凸部の中心部から離れるほど小さくなるように形成する、
    　ことを含む固体撮像装置の製造方法。
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