WO2022024718A1 - 光検出器、固体撮像素子、及び、光検出器の製造方法 - Google Patents

光検出器、固体撮像素子、及び、光検出器の製造方法 Download PDF

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Abstract

光検出器（１０）は、半導体基板（１００）と、半導体基板（１００）に設けられた光電変換部（１０１）と、光電変換部（１０１）と対向し、透光性を有する集光部（３００）とを備える。集光部（３００）は、平面視した場合に、光電変換部（１０１）と少なくとも一部が重なるように配置された無機材料層（３０１）と、無機材料層（３０１）を被覆するように配置され、無機材料層（３０１）よりも屈折率の低い無機材料層（３０２）と、を有する。

Description

光検出器、固体撮像素子、及び、光検出器の製造方法
　本開示は、光検出器、光検出器を備える固体撮像素子、及び、光検出器の製造方法に関する。
　近年、微弱光を検出する光検出器のひとつとして、アバランシェフォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ　Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＡＰＤ）を利用したフォトン・カウント型の光検出器の開発が進められている。特許文献１～３には、フォトダイオードに関連する技術が開示されている。
特開２０１９－１８００４８号公報 特開２００４－２０９５７号公報 特開２０１０－１４１３５８号公報
　本開示は、従来よりも簡便に製造でき、且つ、光電変換部への集光効率を向上できる光検出器等を提供する。
　本開示の一態様に係る光検出器は、半導体基板と、前記半導体基板に設けられた光電変換部と、前記光電変換部と対向し、透光性を有する集光部と、を備え、前記集光部は、平面視した場合に、前記光電変換部と少なくとも一部が重なるように配置された第１無機材料層と、前記第１無機材料層を被覆するように配置され、前記第１無機材料層よりも屈折率の低い第２無機材料層と、を有する。
　また、本開示の一様態に係る固体撮像素子は、上記記載の光検出器がマトリクス状に配置されることによって得られる画素アレイと、前記画素アレイが出力する信号を読み出す読み出し回路と、を備える。
　また、本開示の一様態に係る光検出器の製造方法は、光電変換部、及び、半導体基板を平面視した場合に前記光電変換部の周囲に位置するように画素分離部を前記半導体基板に形成し、前記光電変換部と対向して配置され、平面視した場合に、前記光電変換部と少なくとも一部が重なるように第１無機材料層を形成し、且つ、前記第１無機材料層を被覆するように、前記第１無機材料層よりも屈折率の低い第２無機材料層を形成することで、前記第１無機材料層及び前記第２無機材料層を有する集光部を形成する。
　本開示によれば、従来よりも簡便に製造でき、且つ、光電変換部への集光効率が向上された光検出器等が提供される。
図１は、実施の形態に係る光検出器を示す断面図である。 図２は、実施の形態に係る集光部を示す平面図である。 図３Ａは、実施の形態に係る光検出器の製造方法を示す第一の断面図である。 図３Ｂは、実施の形態に係る光検出器の製造方法を示す第二の断面図である。 図３Ｃは、実施の形態に係る光検出器の製造方法を示す第三の断面図である。 図３Ｄは、実施の形態に係る光検出器の製造方法を示す第四の断面図である。 図４Ａは、本開示に係る光検出器が備える無機材料層の材質と集光効率との関係を示すグラフである。 図４Ｂは、本開示に係る光検出器が備える無機材料層の幅と集光効率との関係を示すグラフである。 図５は、実施の形態の変形例１に係る光検出器を示す断面図である。 図６は、実施の形態の変形例２に係る光検出器を示す断面図である。 図７は、実施の形態の変形例３に係る光検出器を示す断面図である。 図８は、実施の形態の変形例４に係る光検出器を示す断面図である。 図９は、変形例１に係る集光部を示す平面図である。 図１０は、変形例２に係る集光部を示す平面図である。 図１１は、変形例３に係る集光部を示す平面図である。 図１２は、実施の形態に係る固体撮像素子を示す図である。 図１３は、実施の形態に係る固体撮像素子が備える複数の光検出器の配置レイアウトを示す図である。 図１４は、実施の形態に係る固体撮像素子が備える光検出器の一例を示す断面図である。
　（本開示の基礎となった知見）
　近年、微弱光を検出する光検出器として、ＡＰＤを利用したフォトン・カウント型の光検出器の開発が進められている。ＡＰＤは、所定の逆電圧が印加されることにより、光電流が増倍するフォトダイオードである。光電変換部として、ＡＰＤ等のフォトダイオードを備える光検出器においては、光電変換部への集光の効率を高めることが課題となる。現在、光電変換部への集光の効率を向上するため、上記した特許文献１～３に示すようなオンチップレンズ又は屈折率分布型レンズが提唱されている。
　しかしながら、これらのレンズは、高度なリソグラフィ技術及び高アスペクト比の微細加工を必要とし、また、複数の材料を同時に形成することが要求されるため、レンズを形成することが困難である。そのため、画素の更なる微細化が求められる光検出器において、集光特性を向上するための技術としては、製造方法が簡便であることが求められる。従って、画素サイズの微細化とともに、集光効率を向上するための技術には、検討の余地がある。
　以下では、光検出器等の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態等は一例であり、本開示を限定する主旨ではない。
　なお、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては、同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化される場合がある。
　また、以下の実施の形態で説明に用いられる図面においては、座標軸が示される場合がある。座標軸におけるＺ軸方向は、例えば、積層方向及び鉛直方向であり、Ｚ軸＋側は、上方（上側）と表現され、Ｚ軸－側は、下方（下側）と表現される場合がある。Ｚ軸方向は、言い換えれば、光電変換部が形成される半導体基板の主面（集光部が形成される側の面）に垂直な方向であり、積層方向、又は、半導体基板の厚み方向とも表現される。また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、Ｚ軸方向に垂直な平面（例えば、水平面）上において、互いに直交する方向である。
　また、以下の実施の形態において、「平面視」とは、Ｚ軸方向から光検出器を見ることを意味する。言い換えると、以下の実施の形態において、「平面視」とは、半導体基板の主面の法線方向から光検出器を見た場合を意味する。
　また、本開示は、以下の実施の形態において説明される導電型を逆転させた構造を排除するものではない。具体的には、以下で説明するｐ型とｎ型とは、全てが逆になっていてもよい。
　（実施の形態）
　［光検出器の構成］
　以下、実施の形態に係る光検出器の構成について図面を参照しながら説明する。
　図１は、実施の形態に係る光検出器１０を示す断面図である。なお、図１には、光検出器１０のうち、単位画素に相当する部分を拡大して示している。なお、図１、並びに、以下で説明する図３Ａ～図３Ｄ、図５、及び、図６では、３つの光検出器を示しているが、並びあう３つの光検出器のうち、両端に位置する光検出器については、一部図示を省略している。
　光検出器１０は、入射した光（外光ともいう）を光電変換して出力する検出器である。光検出器１０は、主として近赤外光を対象とする検出器である。近赤外光は、例えば、７５０ｎｍ以上１４００ｎｍ以下の波長帯の光を意味する。
　図１に示されるように、光検出器１０は、半導体基板１００と、積層体２００と、集光部３００と、を備える。
　半導体基板１００は、例えば、シリコン（Ｓｉ）によって形成される。半導体基板１００の導電型は、ｐ型であってもよいし、ｎ型であってもよい。
　なお、以下の説明では、半導体基板１００の上方の面（主面）は、光が入射する面、又は、受光面ともいう。
　半導体基板１００には、光電変換部１０１と、隣り合う光電変換部１０１を単位画素ごとに分離するための画素分離部１０２とが設けられる。
　光電変換部１０１は、半導体基板１００の比較的上方に（具体的には、半導体基板１００の主面１１０に）位置し、入射された外光を光電変換する、言い換えると、光を信号電荷に変換する。光電変換部１０１は、フォトダイオードによって形成される。ここでのフォトダイオードには、アバランシェフォトダイオードが含まれる。光電変換部１０１は、例えば、シリコン基板にイオンが注入されることで形成される。
　画素分離部１０２は、光電変換部１０１を有する画素を分離するために設けられており、光電変換部１０１と交互に配置される半導体基板１００に設けられた分離領域（言い換えると、絶縁領域）である。画素分離部１０２は、隣り合う光検出器１０が備える光電変換部１０１の間に配置されている。例えば、画素分離部１０２は、平面視した場合に光電変換部１０１の周囲に位置するように半導体基板１００に設けられている。画素分離部１０２は、例えば、シリコン基板にイオンが注入されることで形成される。
　半導体基板１００の主面１１０には、積層体２００が配置される。
　積層体２００は、光電変換部１０１に入射した外光が光電変換部１０１で光電変換されることで発生した電荷（信号電荷）を取り出すための層である。積層体２００は、例えば、配線層（配線）２０１を含む層である。より具体的には、積層体２００には、複数の配線層（配線）２０１と、複数の層間絶縁膜２０２と、ライナ層（最上層ライナ層）２０５を含む複数のライナ層２０３と、複数のビア２０４と、が含まれる。
　なお、ライナ層２０５は、複数のライナ層２０３のうちで、最上層に位置するライナ層である。具体的には、ライナ層２０５は、複数のライナ層２０３のうちで最も上方に位置する層であって、配線層２０１の上方に位置する層である。
　積層体２００の高さ（つまり、半導体基板１００の主面１１０から積層体２００の上面、言い換えると、集光部３００の下面３１０までの高さ）は、例えば、１．０μｍである。
　配線層２０１は、光検出器１０が有する回路を構成する配線が形成される層である。配線層２０１は、例えば、光電変換部１０１で発生した電荷を後述する読み出し回路５０５等に送るための層である。配線層２０１は、例えば、銅（Ｃｕ）によって形成される。配線層２０１は、アルミニウム（Ａｌ）又はタングステン（Ｗ）等の銅以外の他の金属によって形成されてもよい。
　また、配線層２０１は、平面視した場合に、画素分離部１０２と重なるように配置されている。本実施の形態では、配線層２０１は、画素分離部１０２の直上に配置されている。
　層間絶縁膜２０２は、複数の配線層２０１の間に位置し、配線層２０１間を絶縁するための層である。層間絶縁膜２０２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）又は炭素添加酸化シリコン（ＳｉＯＣ）によって形成される。
　ライナ層２０３は、複数の層間絶縁膜２０２の間、又は、層間絶縁膜２０２上に位置し、光検出器１０を製造する際に行われるエッチングを止めるため、及び／又は、配線層２０１からの金属原子の拡散を抑制するために形成される層である。本実施の形態では、層間絶縁膜２０２とライナ層２０３とは、交互に積層されている。ライナ層２０３は、例えば、炭酸化シリコン（ＳｉＣＯ）、又は、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）によって形成される。
　ビア２０４は、複数の配線層２０１を電気的に接続するための貫通電極である。ビア２０４は、例えば、銅によって形成される。ビア２０４は、アルミニウム又はタングステン等の銅以外の他の金属によって形成されてもよい。
　積層体２００の上方には、集光部３００が配置される。このように、本実施の形態に係る光検出器１０においては、半導体基板１００と、積層体２００と、集光部３００とは、この順に積層されている。つまり、光検出器１０は、半導体基板１００の主面１１０に、複数の配線層２０１及び複数の配線層２０１の間に位置する層間絶縁膜２０２を含む積層体２００が形成されたいわゆるＦＳＩ（Ｆｒｏｎｔ　Ｓｉｄｅ　Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）型の光検出器である。
　集光部３００は、光検出器１０の外部から入射された外光を集光して光電変換部１０１に向けて出射する光学部材である。集光部３００は、透光性（光透過性）を有する。本実施の形態では、光検出器１０は、近赤外光（例えば、７５０ｎｍ～１４００ｎｍ程度の波長の光）を検出するための光検出器である。そのため、本実施の形態では、集光部３００は、７５０ｎｍ～１４００ｎｍの波長の光に対して透光性（例えば、当該光を９０％以上透過する性質）を有する。
　集光部３００は、無機材料層（第１無機材料層）３０１と、無機材料層（第２無機材料層）３０２と、を有する。
　具体的には、集光部３００は、光電変換部１０１と対向し、且つ、平面視した場合に、光電変換部１０１と少なくとも一部が重なるように配置された無機材料層３０１と、無機材料層３０１を被覆するように配置され、無機材料層３０１よりも屈折率の低い無機材料層３０２と、を有する。本実施の形態では、例えば、無機材料層３０１は、平面視した場合に、画素分離部１０２と重なるように配置された配線層２０１より外縁が内側に配置されている。例えば、無機材料層３０２には、平面視した場合に、光電変換部１０１の周囲に位置するように半導体基板１００に設けられた画素分離部１０２と重なるように配置された配線層２０１の上方に、半導体基板１００側に凹んだ溝部３５０が形成されている。
　また、例えば、光検出器１０が複数並んで配置された場合に、隣り合う無機材料層３０１の間の下方に、配線層２０１が配置されている。
　また、ライナ層（最上層ライナ層）２０５の屈折率は、無機材料層３０１の屈折率より低く、且つ、無機材料層３０２の屈折率より高い。
　本実施の形態では、集光部３００は、層状（膜状）であって、積層体２００上に配置された無機材料層３０１と、無機材料層３０１を覆うように層状に形成された無機材料層３０２と、を有する。
　無機材料層３０１は、透光性を有する無機材料で構成された層である。また、無機材料層３０１は、光電変換部１０１の上方に位置する。具体的には、無機材料層３０１は、平面視した場合、光電変換部１０１と少なくとも一部が重なる。本実施の形態では、無機材料層３０１は、平面視した場合、光電変換部１０１と全部が重なる。また、無機材料層３０１の外縁は、平面視した場合に、配線層２０１と重ならないように、配線層２０１より内側に位置するように配置されている。また、無機材料層３０２の外縁は、平面視した場合に、配線層２０１の上方で溝部３５０が形成されている。また、無機材料層３０１は、隣り合って位置する無機材料層３０１とは、区切られて（つまり、接触せずに）配置されている。例えば、平面視において、無機材料層３０１の外周には、配線層２０１の上方にて隣り合う無機材料層３０１と分離するための分離溝３３０が形成されている。
　分離溝３３０は、隣り合う無機材料層３０１を分離するための溝である。本実施の形態では、分離溝３３０には、無機材料層３０２が設けられている。
　無機材料層３０２は、透光性を有する無機材料で構成された層である。また、無機材料層３０２は、無機材料層３０１より屈折率が低い。具体的には、無機材料層３０２を構成する無機材料は、無機材料層３０１を構成する無機材料より屈折率が低い。本実施の形態では、光検出器１０が近赤外光を検出するための光検出器であるため、無機材料層３０２は、無機材料層３０１より近赤外光における屈折率が低い。
　無機材料層３０１の屈折率は、無機材料層３０２の屈折率より高く、且つ、例えば、１．６以上２．５以下である。
　無機材料層３０１は、例えば、Ｓｉと、Ｏ、Ｎ、及び、Ｃの少なくともいずれかと、を含む膜、又は、ＴｉとＯとを含む膜である。具体的には、無機材料層３０１は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、ＳｉＣＮ、ＳｉＣＯ、又は、酸化チタン（ＴｉＯｘ）である。なお、ｘは、１、又は２、である。
　無機材料層３０２の屈折率は、例えば、１．３以上１．６以下である。
　無機材料層３０２は、例えば、Ｓｉと、Ｏ、及び、Ｃの少なくともいずれかと、を含む膜である。具体的には、無機材料層３０２は、例えば、ＳｉＯＸ、又は、ＳｉＯＣである。なお、ｘは、１、又は、２である。
　無機材料層３０２は、無機材料層３０１を被覆するように、つまり、無機材料層３０１の上面及び側面を覆うように、無機材料層３０１と接触して配置されている。
　また、無機材料層３０２は、隣り合う光検出器１０が備える無機材料層３０２と接触して（連続して）形成されている。分離溝３３０が形成されているために、分離溝３３０の上方において、無機材料層３０２には、溝部３５０が形成されている。
　なお、隣り合う光検出器１０におけるそれぞれの無機材料層３０２は、分離されていてもよい。
　集光部３００の高さ（つまり、積層体２００の上面、言い換えると、集光部３００の下面３１０から集光部３００の上面３２０までの高さ）は、例えば、２．０μｍである。また、無機材料層３０１～３０２の高さ（厚み）は、例えば、それぞれ１．０μｍである。
　また、集光部３００の幅（Ｘ軸方向の長さ及びＹ軸方向の長さ）は、無機材料層３０１～３０２で異なる。
　無機材料層３０１の幅Ａ１（例えば、図１に示すＸ軸方向の長さ）は、例えば４．０μｍである。
　また、無機材料層３０１の幅Ａ１は、光検出器１０の幅（セルサイズ）である長さ（距離Ａ３）の５７％以上８３％以下である。具体的には、光電変換部１０１と無機材料層３０１との並び方向（本実施の形態では、Ｚ軸方向）に平行な方向の断面（例えば、図１に示すＸＺ平面における断面）を断面視した場合、無機材料層の幅Ａ１は、光電変換部１０１を介して隣り合う画素分離部１０２のそれぞれの中央位置の距離Ａ３の５７％以上８３％以下である。また、光電変換部１０１と無機材料層３０１との並び方向（本実施の形態では、Ｚ軸方向）に平行な方向の断面（例えば、図１に示すＸＺ平面における断面）を断面視した場合、無機材料層の幅Ａ１は、光電変換部１０１を介して隣り合う画素分離部１０２のそれぞれの中央位置の距離Ａ３の６３％以上７７％以下でもよい。
　なお、本実施の形態では、平面視した場合に、光電変換部１０１は、長方形である。また、平面視した場合に、画素分離部１０２は、光電変換部１０１の周囲を囲むように、且つ、幅が一様に形成された環状となっており、外周形状が長方形となっている。
　また、例えば、断面視において、複数の配線層２０１間の距離Ａ４、より具体的には、図１に示す２つの画素分離部１０２のうちの一方の直上に位置する配線層２０１と、他方の直上に位置する配線層２０１との最近接距離である距離Ａ４は、無機材料層３０１の幅Ａ１より大きい。また、例えば、無機材料層３０２の幅Ａ２は、複数の配線層２０１間の距離Ａ４より大きい。
　また、無機材料層３０２の幅Ａ２（例えば、図１に示すＸ軸方向の長さの最大幅）は、例えば、６．０μｍである。
　無機材料層３０２は、無機材料層３０１に対してコンフォーマルに形成されるため、高さ（Ｚ軸方向の厚み）と無機材料層３０１からの幅（Ｘ軸方向の厚み）とが略一致している。
　また、本実施の形態では、無機材料層３０１は、後述する図２に示すように、いずれもＸ軸方向とＹ軸方向との長さが同じ正方形となっている。
　なお、集光部３００の高さ、及び、無機材料層３０１～３０２のそれぞれの高さは、任意でよい。
　図２は、実施の形態に係る集光部３００を示す平面図である。
　図２に示されるように、無機材料層３０１～３０２は、上方に位置するにつれて平面視における面積が大きくなっている。具体的には、無機材料層３０１の上面に、無機材料層３０１を覆うように形成された無機材料層３０２は、無機材料層３０１より平面視における面積が大きい。
　本実施の形態では、無機材料層３０１及び無機材料層３０２は、それぞれ、平面視した場合に、矩形（より具体的には、正方形）であって、中心位置が重なるように配置されている。なお、図示しないが、光検出器１０では、平面視した場合に、無機材料層３０１と無機材料層３０２と光電変換部１０１とは、中心位置が重なるように配置されている。
　なお、上記したように、集光部３００は、透光性を有していてもよい。例えば、集光部３００は、光検出器１０が近赤外光を検出するために用いられる場合、近赤外光に対する透光性を有する。
　例えば、集光部３００は、無機材料を用いて形成される。
　ここで、集光部３００における下層の無機材料層３０１の屈折率は、無機材料層３０１を覆う上層の無機材料層３０２よりも屈折率の高い膜で形成される。具体的には、無機材料層３０１は、近赤外光における屈折率が、無機材料層３０２よりも高い。
　無機材料層３０１は、例えば、ＳｉＮによって形成されるＳｉＮ層である。
　また、無機材料層３０２は、例えば、オルトケイ酸テトラエチル（Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｌ　Ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ：ＴＥＯＳ）によって形成されるＳｉＯ２層である。
　また、無機材料層３０２は、無機材料層３０１の角部（図１に示す段差面３４０）において、丸みを帯びている。つまり、無機材料層３０２における上面の外縁は、湾曲している。より具体的には、無機材料層３０２における上面の外縁（つまり、段差面３４０）は、集光部３００の外方に向けて凸になるように、且つ、角丸となるように湾曲している。
　集光部３００は、段差面３４０が丸みを帯びていることで、オンチップレンズ（従来の上面全体が湾曲したレンズ）と局所的に（つまり、角部が）同じ形状となる。
　これによれば、無機材料層３０２に入射した外光は、当該丸みを円の一部と考えた場合の当該円の中心に屈折されやすくなる。そのため、当該丸みの曲率が適切に設定されることで、集光部３００（より具体的には、無機材料層３０２）に入射した外光を光電変換部１０１に向かわせやすくすることができる。これにより、光検出器１０の集光効率は、向上され得る。
　また、集光部３００は、無機材料層３０１～３０２の２層構造で説明したが、特に２層に限定する必要はなく、無機材料層３０１及び無機材料層３０２は、複数層であってもよい。
　［製造方法］
　次に、光検出器１０の製造方法について図３Ａ～図３Ｄを参照しながら説明する。図３Ａ～図３Ｄは、光検出器１０の製造方法を説明するための断面図である。
　まず、光電変換部１０１、及び、半導体基板１００を平面視した場合に光電変換部１０１の周囲に位置するように画素分離部１０２を半導体基板１００に形成する。具体的には、図３Ａに示されるように、半導体基板１００に光電変換部１０１及び画素分離部１０２が形成され、半導体基板１００上（具体的には、主面１１０）に積層体２００が形成される。
　光電変換部１０１及び画素分離部１０２の形成には、例えば、イオン注入法が用いられる。シリコンによって形成される半導体基板１００の主面１１０側からイオン注入を行うことにより、半導体基板１００内部の比較的上部に、例えば、主面１１０から露出されるように、光電変換部１０１及び画素分離部１０２がそれぞれ形成される。
　積層体２００は、以下の手順で形成される。
　まず、光電変換部１０１及び画素分離部１０２が形成された半導体基板１００の主面１１０上にデュアルダマシン（Ｄｕａｌ　Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）法により、Ｃｕ多層配線構造を形成する。デュアルダマシン法では、元の配線層を形成した後、化学気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法により、ライナ層２０３及び層間絶縁膜２０２が堆積される。
　続いて、リソグラフィ法により、配線溝（言い換えると、トレンチ）及びビア（より具体的には、ビア２０４が形成される貫通孔）のパターンニングが行われる。その後、ドライエッチング法により、層間絶縁膜２０２の内部にトレンチとビア（貫通孔）とが形成される。
　続いて、物理気相成長（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ）法により、トレンチ及びビア（貫通孔）の内壁面に、Ｃｕの拡散を抑制するバリア膜と、電解めっきの際に電流を流すためのＣｕシード層とが堆積される。その後、Ｃｕ電解メッキ法により、トレンチ及びビア（貫通孔）の中にＣｕ膜が埋め込まれる。
　さらに、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）法により、配線層の表面の余剰なＣｕ膜とバリア膜とが除去されることにより、配線層２０１及びビア２０４を有する最終的な配線層２０１が形成される。このプロセスを繰り返し実施することにより、所望の数の配線層２０１を有するＣｕ多層配線構造を得ることができる。つまり、デュアルダマシン法により、積層体２００が形成される。
　次に、図３Ｂに示されるように、集光部３００を形成するための無機材料層３０３を積層体２００上にＣＶＤ法で堆積する。集光部３００は、以下の手順で形成される。
　リソグラフィ法により、穴（図３Ｃに示す分離溝３３０）を形成するためにレジスト膜（図示せず）が堆積され、堆積されたレジスト膜をマスクとしてドライエッチングが行われる。
　これにより、図３Ｃに示すように、光検出器１０毎のサイズの無機材料層３０１と、画素（つまり、光検出器１０）毎に無機材料層３０１を区切るための分離溝３３０と、が形成される。エッチングガスとしては、例えば、フッ化炭素（ＣＦ）系のガスが用いられる。この後、レジスト膜は、アッシングが行われることにより除去される。
　次に、図３Ｄに示されるように、ＣＶＤ法により、無機材料層３０１を覆うように、無機材料層３０１よりも屈折率の低い無機材料を用いて無機材料層３０２を堆積する。
　図３Ｂ～図３Ｄに示すプロセスによって、光電変換部１０１と対向して、平面視した場合に少なくとも一部が重なるように配置され、且つ、平面視した場合に、画素分離部１０２と重なるように配置された配線層２０１より外縁が内側に位置するように無機材料層３０１を形成し、且つ、無機材料層３０１を被覆するように、無機材料層３０１よりも屈折率の低い無機材料層３０２を形成することで、無機材料層３０１及び無機材料層３０２を有する集光部３００を形成する。具体的には、さらに、平面視した場合に、画素分離部１０２と重なるように形成された配線層２０１を含む積層体２００を半導体基板１００上に形成し、積層体２００上に、集光部３００を形成する。
　以上説明したような光検出器１０の製造方法によれば、配線層２０１を有する積層体２００の最表面（積層体２００の上面）に、画素分離部１０２及び配線層２０１の上方で分離溝３３０によって区切られた（つまり、分離された）無機材料層３０１が設けられ、無機材料層３０１の上部に、無機材料層３０１を被覆し、且つ、画素分離部１０２及び配線層２０１の上方に溝部３５０が形成された無機材料層３０２が形成され得る。
　［実験結果］
　続いて、本開示に係る光検出器１０の集光効率の実験結果（シミュレーション結果）について説明する。
　図４Ａは、本開示に係る光検出器１０の集光効率を示すグラフである。なお、図４Ａに示すグラフの縦軸は、主面１１０に直交する方向から集光部３００に向けて光（外光）を入射した光量に対する、光電変換部１０１に到達した光の光量（つまり、集光効率）を、比較例１に係る光検出器の集光効率（図４Ａの左端に示す実験結果）で規格化している。比較例１に係る光検出器は、積層体２００の上方には何も有しておらず、空気と接触する位置に積層体２００が形成されている構成となっている。また、比較例２に係る光検出器は、集光部が従来から一般的に使用されている有機材料を用いて形成された上面全体が丸いレンズであること以外は、本開示に係る光検出器と同様の構成である。
　また、図４Ａには、光検出器１０が備える無機材料層３０１及び無機材料層３０２のそれぞれに用いられる無機材料の４通りの集光効率について示している。図４Ａに示す実験結果は、左から順に、比較例１の結果、比較例２の結果、無機材料層３０１にＳｉＮが用いられ、且つ、無機材料層３０２にＴＥＯＳが用いられた場合の結果（ＴＥＯＳ／ＳｉＮ）、無機材料層３０１にＴＥＯＳが用いられ、且つ、無機材料層３０２にＳｉＮが用いられた場合の結果（ＳｉＮ／ＴＥＯＳ）、無機材料層３０１及び無機材料層３０２のそれぞれにＴＥＯＳが用いられた場合の結果（ＴＥＯＳ単層）、及び、無機材料層３０１及び無機材料層３０２のそれぞれにＳｉＮが用いられた場合の結果（ＳｉＮ単層）である。
　なお、図４Ａに示すシミュレーションでは、ＳｉＮの屈折率は、１．９とし、ＴＥＯＳの屈折率は、１．４６としている。
　また、図４Ａに示すシミュレーションでは、集光部に入射させる外光の波長を９４０ｎｍとしている。
　図４Ａに示すように、集光部３００に無機材料層３０１にＳｉＮが用いられ、且つ、無機材料層３０２にＴＥＯＳが用いられた場合（図４Ａに示す（ＴＥＯＳ／ＳｉＮ））、比較例１よりも高い集光効率であり、且つ、有機材料を用いて形成された比較例２に係る集光部と同等以上の集光効率が得られることがわかる。
　一方で、集光部が単層となっている場合（図４Ａに示すＴＥＯＳ単層及びＳｉＮ単層の場合）、及び、集光部３００に無機材料層３０１にＴＥＯＳが用いられ、且つ、無機材料層３０２にＳｉＮが用いられた場合（図４Ａに示す（ＳｉＮ／ＴＥＯＳ））、比較例１よりも集光効率が良好ではあるが、比較例２と比較すると集光効率が悪い。
　このように、無機材料層３０１と、無機材料層３０１よりも屈折率の低い無機材料層３０２とを有する集光部３００であれば、簡便に製造でき、且つ、各比較例と比較して同等以上の集光効率を得ることができる。
　図４Ｂは、本開示に係る光検出器１０が備える無機材料層３０１の幅Ａ１と集光効率との関係を示すグラフである。
　なお、図４Ｂに示すグラフの縦軸は、主面１１０に直交する方向から集光部３００に向けて光（外光）を入射した光量に対する、光電変換部１０１に到達した光の光量（つまり、集光効率）を、比較例１に係る光検出器の集光効率（図４Ｂの左端に示す実験結果）で規格化している。比較例１に係る光検出器は、積層体２００の上方には何も有しておらず、空気と接触する位置に積層体２００が形成されている構成となっている。また、比較例２に係る光検出器は、集光部が一般的に使用されている有機材料を用いて形成された上面全体が丸いレンズであること以外は、本開示に係る光検出器と同様の構成である。
　また、図４Ｂには、光検出器１０が備える無機材料層３０１の幅Ａ１が異なる７通りの集光効率について示している。
　図４Ｂに示す実験結果は、左から順に、比較例１の結果、比較例２の結果、無機材料層３０１の幅Ａ１を２．６μｍにした場合の結果、無機材料層３０１の幅Ａ１を３．０μｍにした場合の結果、３．４μｍにした場合の結果、無機材料層３０１の幅Ａ１を３．６μｍにした場合の結果、無機材料層３０１の幅Ａ１を３．８μｍにした場合の結果、無機材料層３０１の幅Ａ１を４．２μｍにした場合の結果、無機材料層３０１の幅Ａ１を４．６μｍにした場合の結果、無機材料層３０１の幅Ａ１を４．８μｍにした場合の結果、無機材料層３０１の幅Ａ１を５．０μｍにした場合の結果、及び、無機材料層３０１の幅Ａ１を５．４μｍにした場合の結果である。
　また、図４Ｂに示すシミュレーションでは、無機材料層３０１をＳｉＮとし、無機材料層３０２をＴＥＯＳとしている。また、図４Ｂに示すシミュレーションでは、ＳｉＮの屈折率は、１．９とし、ＴＥＯＳの屈折率は、１．４６としている。また、図４Ｂに示すシミュレーションでは、集光部に入射させる外光の波長を９４０ｎｍとしている。
　また、図４Ｂに示すシミュレーションでは、図１に示す距離Ａ３は、６．０μｍとしている。そのため、幅Ａ１は、２．６μｍにした場合、距離Ａ３の約０．４３倍（４３％）である。また、幅Ａ１は、３．０μｍにした場合、距離Ａ３の約０．５倍（５０％）である。また、幅Ａ１は、３．４μｍにした場合、距離Ａ３の約０．５７倍（５７％）である。また、幅Ａ１は、３．６μｍにした場合、距離Ａ３の約０．６倍（６０％）である。また、幅Ａ１は、３．８μｍにした場合、距離Ａ３の約０．６３倍（６３％）である。また、幅Ａ１は、４．２μｍにした場合、距離Ａ３の０．７倍（７０％）である。また、幅Ａ１は、４．６μｍにした場合、距離Ａ３の約０．７７倍（７７％）である。また、幅Ａ１は、４．８μｍにした場合、距離Ａ３の約０．８倍（８０％）である。また、幅Ａ１は、５．０μｍにした場合、距離Ａ３の約０．８３倍（８３％）である。また、幅Ａ１は、５．４μｍにした場合、距離Ａ３の約０．９倍（９０％）である。
　なお、幅Ａ１を４．８μｍ以上にした場合、平面視において、無機材料層３０１の一部が配線層２０１と重なる。
　図４Ｂに示すように、無機材料層３０１及び無機材料層３０２を形成することで、比較例１よりも集光効率が向上できている。さらには、幅Ａ１が３．４μｍ以上５．０μｍ以下では、比較例２に対して０．９倍（９０％）の集光効率を確保できている。さらには、幅Ａ１が３．８μｍ以上４．６μｍ以下では、比較例２と同等以上の集光効率が得られた。これは、幅Ａ１が４．８μｍ以上の場合では、平面視において、無機材料層３０１の一部が配線層２０１と重なるために、配線層２０１で光が反射又は吸収されたためと考えられる。また、幅Ａ１が３．６μｍ以下の場合では、平面視において、無機材料層３０１の面積が、光検出器１０の幅（セルサイズ）に対して狭いために、集光効率が劣化したと考えられる。
　以上のことから、平面視した場合に無機材料層３０１の外縁が画素分離部１０２の直上に配置された配線層２０１より内側に位置するように無機材料層３０１を配置することで、集光効率の低下を抑制できる。
　例えば、幅Ａ１を距離Ａ３の０．５７倍（５７％）以上０．８３倍（８３％）以下とすることで、比較例２に対して９０％以上の集光効率が実現される。さらには、例えば、幅Ａ１を距離Ａ３の０．６３倍（６３％）以上０．７７倍（７７％）以下とすることで、比較例２と同等以上の集光効率が実現される。
　［効果等］
　以上説明したように、光検出器１０は、半導体基板１００と、半導体基板１００に設けられた光電変換部１０１と、光電変換部１０１と対向し、透光性を有する集光部３００と、を備える。集光部３００は、平面視した場合に、光電変換部１０１と少なくとも一部が重なるように配置された無機材料層３０１と、無機材料層３０１を被覆するように配置され、無機材料層３０１よりも屈折率の低い無機材料層３０２と、を有する。
　これによれば、無機材料層３０１及び無機材料層３０２によって、光の集光効率が向上され得る。また、無機材料層３０１を覆うように無機材料層３０２を形成するだけで集光効率を向上させることができるために、集光部３００は、従来の有機材料を用いて形成された上面全体が丸いレンズ（集光部）よりも簡便に形成され得る。また、光検出器１０は、光電変換部１０１への集光効率を向上できる。
　また、従来の有機材料を用いて形成されたレンズは、有機材料のため温度特性に乏しく、例えば２００℃以上の温度をかけるとレンズ特性が劣化するため、レンズ形成後の製造プロセスが制限される。一方、集光部３００は無機材料で形成しているため、温度特性は非常に良好であり、レンズ形成後でも高温の製造プロセスの適用が可能であることから、製造プロセスの選択肢を広げることができ、また、レンズ特性の信頼性も向上させることが可能となる。
　また、例えば、無機材料層３０１は、平面視した場合に、光電変換部１０１の周囲に位置するように半導体基板１００に設けられた画素分離部１０２と重なるように配置された配線層２０１より外縁が内側に配置されている。
　これによれば、図４Ｂを用いて説明したように、平面視した場合に無機材料層３０１の外縁が画素分離部１０２の直上に配置された配線層２０１より内側に位置するように無機材料層３０１を配置することで、集光効率の低下が抑制され得る。
　また、例えば、光電変換部１０１と無機材料層３０１との並び方向に平行な方向の断面を断面視した場合、無機材料層３０１の幅は、光電変換部１０１を介して隣り合う画素分離部１０２のそれぞれの中央位置の距離の５７％以上８３％以下である。
　このような構成によれば、図４Ｂを用いて説明したように、光検出器１０は、有機材料が用いられた従来のレンズの９０％以上の集光効率を実現できる。
　また、例えば、光電変換部１０１と無機材料層３０１との並び方向に平行な方向の断面を断面視した場合、無機材料層３０１の幅は、光電変換部１０１を介して隣り合う画素分離部１０２のそれぞれの中央位置の距離の６３％以上７７％以下である。
　このような構成によれば、図４Ｂを用いて説明したように、光検出器１０は、有機材料が用いられた従来のレンズと同等以上の集光効率を実現できる。
　また、例えば、光検出器１０は、配線層２０１を含む積層体２００を備える。本実施の形態では、半導体基板１００と、積層体２００と、集光部３００とは、この順に積層されている。
　つまり、本実施の形態係る光検出器１０によれば、ＦＳＩ型の光検出器として実現し得る。
　また、例えば、無機材料層３０２の屈折率は、１．３以上１．６以下である。
　無機材料層３０２は、空気と接触する位置に配置される。空気の屈折率は、１程度であるため、無機材料層３０２の屈折率を、空気の屈折率に近づけることで、例えば、１．３以上１．６以下とすることで、無機材料層３０２と空気との界面における光の反射を抑制できる。そのため、このような構成によれば、光検出器１０の集光効率を向上できる。
　また、例えば、無機材料層３０２は、Ｓｉと、Ｏ、及び、Ｃの少なくともいずれかと、を含む膜であり、具体的に例えば、ＳｉＯｘ、又は、ＳｉＯＣである。
　これによれば、例えば、無機材料層３０２の屈折率を１．３以上１．６以下にできる。そのため、このような構成によれば、光検出器１０の集光効率を向上できる。
　また、例えば、無機材料層３０１の屈折率は、１．６以上２．５以下である。
　これによれば、無機材料層３０２は、無機材料層３０１との屈折率差によって、入射された外光を光電変換部１０１に向けて出射しやすくなる。また、無機材料層３０１の屈折率を２．２以下とすることで、無機材料層３０１と無機材料層３０２との界面での外光の反射を抑制できる。そのため、このような構成によれば、光検出器１０の集光効率を向上できる。
　また、例えば、無機材料層３０１は、Ｓｉと、Ｏ、Ｎ、及び、Ｃの少なくともいずれかと、を含む膜、又は、ＴｉとＯとを含む膜であり、具体的に例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮ、ＳｉＣＯ、又は、ＴｉＯｘである。
　これによれば、例えば、無機材料層３０１の屈折率を１．６以上２．５以下にできる。そのため、このような構成によれば、光検出器１０の集光効率を向上できる。
　また、例えば、集光部３００は、近赤外光に対して透光性を有する。より具体的には、無機材料層３０１及び無機材料層３０２は、それぞれ、近赤外光に対して透光性を有する。
　つまり、光検出器１０は、例えば、近赤外光を検出することにより対象物を撮像する用途が想定される。この場合、光検出器１０が検出する光の波長（波長領域）は、近赤外光の波長領域である７５０ｎｍ以上１４００ｎｍ以下であり、可視光と比較すると長波長である。したがって、近赤外光を集光するための構造が採用された集光部３００は、可視光を集光するための構造が採用された集光部と比較して、大きく設計（製造）しても、効率よく近赤外光を集光できる。そのため、光検出器１０は、さらに簡易に製造できる。また、これによれば、簡便な製造プロセスで実現され得るため、画素サイズの微細化に対しても、集光効率を向上するために簡便に集光部３００を製造できる。
　また、例えば、無機材料層３０２における上面の外縁は、湾曲している。
　これによれば、無機材料層３０２における上面の外縁が尖っている場合と比較して、当該外縁での光の反射を抑制できる。また、当該外縁の曲率を適切に設定することで、無機材料層３０２に入射された光（外光）を適切に光電変換部１０１に向かうように屈折させることができる。そのため、このような構成によれば、光検出器の集光効率をさらに向上できる。
　また、例えば、無機材料層３０２には、平面視した場合に、光電変換部１０１の周囲に位置するように半導体基板１００に設けられた画素分離部１０２と重なるように配置された配線層２０１の上方に、半導体基板１００側に凹んだ溝部３５０が形成されている。
　このような構成によれば、例えば、溝部３５０によって無機材料層３０２の外縁が段差面３４０のように湾曲するために、外光を光電変換部１０１に向かうようにしやすくできる。
　また、例えば、光検出器１０が複数並んで配置された場合に、隣り合う無機材料層３０１の間の下方に、配線層２０１が配置されている。
　このような構成によれば、配線層２０１によって外光が光電変換部１０１に入射されることが阻害されることを抑制できる。
　また、例えば、光検出器１０は、さらに、配線層２０１と、配線層２０１の上方に位置するライナ層２０５とを含む積層体２００を備える。この場合、例えば、ライナ層２０５の屈折率は、無機材料層３０１の屈折率より低く、且つ、無機材料層３０２の屈折率より高い。
　このような構成によれば、無機材料層３０１とライナ層２０５との界面での光の反射を抑制できる。そのため、集光部３００で集光し光電変換部１０１に入射する光をさらに多くできる。
　また、実施の形態に係る光検出器１０の製造方法は、光電変換部１０１を半導体基板１００に形成し、光電変換部１０１と対向して配置され、平面視した場合に、光電変換部１０１と少なくとも一部が重なるように無機材料層３０１を形成し、且つ、無機材料層３０１を被覆するように、無機材料層３０１よりも屈折率の低い無機材料層３０２を形成することで、無機材料層３０１及び無機材料層３０２を有する集光部３００を形成する。
　これによれば、無機材料層３０１及び無機材料層３０２によって集光効率が向上された光検出器１０を簡便に製造することができる。
　また、例えば、実施の形態に係る光検出器１０の製造方法は、さらに、平面視した場合に、画素分離部１０２と重なるように形成された配線層２０１を含む積層体２００を半導体基板１００上に形成し、積層体２００上に、集光部３００を形成する。
　これによれば、無機材料層３０１及び無機材料層３０２によって集光効率が向上されたＦＳＩ型の光検出器１０を簡便に製造できる。
　［光検出器の変形例］
　以下、光検出器の変形例について説明する。なお、以下の各変形例の説明では、光検出器１０との相違点を中心に説明が行われ、光検出器１０と同一の構成については詳細な説明が省略又は簡略化される場合がある。
　＜変形例１＞
　図５は、実施の形態の変形例１に係る光検出器１０ａを示す断面図である。
　図５に示すように、光検出器１０ａは、光検出器１０の構成に加えて、さらに導波路４００を備える。
　光検出器１０においては、集光部３００は、金属配線を有する積層体２００の最表面に形成されたが、集光部３００は、積層体２００ａ中に形成した導波路４００の最表面に形成してもよい。
　積層体２００ａは、光検出器１０が備える積層体２００に、導波路４００が配置される溝が形成された多層膜である。
　図５に示される光検出器１０ａは、光電変換部１０１と集光部３００との間に積層体２００ａを貫通して配置され、光電変換部１０１に光を導入するための導波路４００を備える。
　導波路４００は、透光性を有し、入射した光を光電変換部１０１に導入するための光導波路である。導波路４００に採用される材料は、例えば、窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭窒化シリコン、炭素添加酸化シリコン、又は、酸化シリコンである。
　導波路４００は、光電変換部１０１と集光部３００との間に配置される。具体的には、導波路４００は、積層体２００ａを貫通して光電変換部１０１と集光部３００との間に配置されている。言い換えると、積層体２００ａは、内部に光電変換部１０１と集光部３００との間に位置する導波路４００を有する。
　なお、本変形例では、導波路４００は、積層体２００ａを貫通し、導波路４００と光電変換部１０１とが接しているが、導波路４００と光電変換部１０１との間に層間絶縁膜２０２が位置してもよい。
　導波路４００の立体形状は、例えば、略四角錐台である。断面図における導波路４００の径（言い換えれば、幅）は、積層方向において光電変換部１０１から離れるほど拡大する。例えば、光電変換部１０１から最も近い最下部における導波路４００の径は、３．６μｍ程度であり、光電変換部１０１から最も遠い最上部における導波路４００の径は、４．０μｍである。
　導波路４００は、例えば、積層体２００を形成した後、リソグラフィ法とドライエッチングとによりパターンニングすることで積層体２００ａを形成し、その後、ＣＶＤ法により窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭窒化シリコン、炭素添加酸化シリコン等の高屈折率の無機材料、又は、酸化シリコン膜を堆積することにより、形成される。
　また、導波路４００に採用される材料は、集光部３００（より具体的には、無機材料層３０１）と屈折率が同じ材料でもよい。具体的には、導波路４００と無機材料層３０１とは、同じ材料で構成されてもよい。
　また、集光部３００と導波路４００とは、接触して形成されてもよい。つまり、集光部３００と導波路４００とは、連続して形成されてもよい。言い換えると、集光部３００と導波路４００とは、一体に形成されてもよい。
　これによれば、導波路４００と無機材料層３０１とが屈折率が同じで、且つ、別部材を介さずに直接接触して形成されているために、集光部３００と導波路４００との間での光の反射は、抑制される。そのため、光検出器１０ａの集光効率は、向上される。
　このように、光検出器１０ａは、光検出器１０の構成（つまり、半導体基板１００と、積層体２００ａと、集光部３００とがこの順に積層されたＦＳＩ構造）に加えて、さらに、光電変換部１０１と集光部３００との間に積層体２００ａを貫通して配置され、光電変換部１０１に光を導入するための導波路４００を備える。
　これにより、導波路４００によって集光部３００で集光した外光を光電変換部１０１に効率的に導くことが可能になる。そのため、光検出器１０ａの更なる集光効率の向上が可能となる。
　＜変形例２＞
　図６は、実施の形態の変形例２に係る光検出器１０ｂを示す断面図である。
　図１に示す光検出器１０は、半導体基板１００の主面１１０に配線層２０１等を含む積層体２００が形成されたいわゆるＦＳＩ型の光検出器である。しかしながら、本開示に係る光検出器は、これに限定されない。
　例えば、光検出器１０ｂは、半導体基板１００の主面１１０ａとは反対側の面である裏面１２０に、配線層２０１を含む（より具体的には、複数の配線層２０１及び複数の配線層２０１の間に位置する層間絶縁膜２０２を含む）積層体２００が形成されたいわゆるＢＳＩ（Ｂａｃｋ　Ｓｉｄｅ　Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）型の光検出器でもよい。つまり、本変形例に係る光検出器１０ｂにおいては、積層体２００と、半導体基板１００ａと、集光部３００とは、この順に積層されている。
　また、本実施の形態では、配線層２０１は、画素分離部１０２の直下に配置されている。
　実施の形態の変形例２に係る光検出器１０ｂは、例えば、半導体基板１００ａと、積層体２００と、集光部３００と、支持基板４０１と、を備える。
　半導体基板１００ａは、光電変換部１０１と画素分離部１０２とを含む半導体基板である。
　また、半導体基板１００ａの主面１１０ａ側には、層間絶縁膜２０２が形成されている。つまり、光検出器１０ｂでは、半導体基板１００ａが備える層間絶縁膜２０２の上面である主面１１０ａに、集光部３００が形成されている。これにより、半導体基板１００ａと集光部３００とは、電気的に絶縁される。
　支持基板４０１は、積層体２００を支持するための基板である。支持基板４０１に採用される材料は、特に限定されない。支持基板４０１は、セラミック基板でもよいし、半導体基板でもよい。
　＜変形例３＞
　図７は、実施の形態の変形例３に係る光検出器１０ｇを示す断面図である。
　光検出器１０ｇは、集光部３００の上方に配置された波長選択部６０１を備える。具体的には、波長選択部６０１は、集光部３００の上面に配置されている。
　波長選択部６０１は、所定の波長の光を選択的に光電変換部１０１に入射させるための光学部材である。具体的には、波長選択部６０１は、外光の少なくとも一部の波長の光を吸収又は反射する等してカットし、所定の波長のみの光を通過させる。波長選択部６０１は、例えば、カラーフィルタである。カラーフィルタを構成する材料は、例えば、外光の一部の波長の光（例えば、可視域の光）を遮断し、所定の波長の光を透過する有機樹脂である。
　なお、波長選択部６０１は、フォトニックフィルタであってもよい。フォトニックフィルタは、低屈折率の材料と高屈折率の材料とを波長程度の周期で交互に積層した積層周期構造を有するフィルタである。フォトニックフィルタは、構造パラメータで定まる特定の波長帯域の光を遮断する。
　波長選択部６０１の直下には、集光部３００に形成された溝部３５０の段差を埋めるために平坦化層６０２が設けられている。
　平坦化層６０２は、波長選択部６０１を適切配置しやすくするために、上面が平坦な層である。平坦化層６０２に採用される材料は、透光性を有していればよく、樹脂材料、ガラス材料等、任意の材料が採用されてよい。
　本変形例によれば、各画素（例えば、複数の光検出器１０ｇを備える固体撮像素子の当該複数の光検出器１０ｇ）のそれぞれで、同じ又は異なる波長選択性を有することが可能となる。
　＜変形例４＞
　図８は、実施の形態の変形例４に係る光検出器１０ｈを示す断面図である。
　光検出器１０ｈは、集光部３００と配線層２０１との間に波長選択部６０１を備える。具体的には、波長選択部６０１は、集光部３００の下方で、且つ、配線層２０１の上方に配置されている。
　波長選択部６０１の直上には、無機材料層３０１を形成する際に波長選択部６０１への加工ダメージを抑制するために、保護膜６０３が配置されている。
　保護膜６０３は、無機材料層３０１を形成する際に波長選択部６０１への加工ダメージを抑制するための保護層である。保護膜６０３に採用される材料は、透光性を有していればよく、樹脂材料、ガラス材料等、任意の材料が採用されてよい。
　本変形例によれば、変形例３と同様に、各画素（例えば、複数の光検出器１０ｈを備える固体撮像素子の当該複数の光検出器１０ｈ）のそれぞれで、同じ又は異なる波長選択性を有することが可能となる。
　また、光検出器１０ｈの積層構造における最上層に集光部３００が位置しているため、外光を集光してから集光した当該外光の波長を波長選択部６０１により選択することができるため、画素間での混色を抑制しやすくできる。
　［集光部の変形例］
　以下、光検出器が備える集光部の変形例について説明する。なお、以下の各変形例の説明では、光検出器１０が備える集光部３００との相違点を中心に説明が行われ、集光部３００と同一の構成については詳細な説明が省略又は簡略化される場合がある。
　＜変形例１＞
　図９は、変形例１に係る集光部３００ａを示す平面図である。
　集光部３００ａは、平面視において円形である。より具体的には、集光部３００ａが備える無機材料層３０１ａ、及び、無機材料層３０２ａは、いずれも平面視において円形であり、中心位置が略一致している。
　＜変形例２＞
　図１０は、変形例２に係る集光部３００ｂを示す平面図である。
　集光部３００ｂは、平面視において楕円形である。より具体的には、集光部３００ｂが備える無機材料層３０１ｂ、及び、無機材料層３０２ｂは、いずれも平面視において楕円形であり、中心位置が略一致している。
　＜変形例３＞
　図１１は、変形例３に係る集光部３００ｃを示す平面図である。
　集光部３００ｃは、平面視において六角形（より具体的には、正六角形）である。より具体的には、集光部３００ｃが備える無機材料層３０１ｃ、及び、無機材料層３０２ｃはいずれも平面視において六角形であり、中心位置が略一致している。
　以上変形例１～３で説明したように、図２に示す集光部３００は、例えば、平面視に示す四角形（具体的には矩形、より具体的には、正方形）であるが、本開示に係る光検出器が備える集光部の平面視形状は、特に限定されない。
　なお、光電変換部１０１の平面視形状は、特に限定されないが、集光部の平面視形状と略一致しているとよい。これによれば、集光部で集光された外光は、さらに効率よく光電変換部１０１に入射され得る。
　［固体撮像素子の構成］
　本発明は、半導体基板１００に複数の光電変換部１０１がライン状に配置されることにより、ラインセンサとして実現されてもよい。また、本発明は、半導体基板１００に複数の光電変換部１０１がマトリクス状に配置されることにより、固体撮像素子として実現されてもよい。
　図１２は、実施の形態に係る固体撮像素子５００を示す図である。
　図１２に示されるように、固体撮像素子５００は、複数の画素５０１を含む画素アレイ５０２、垂直走査回路５０３、水平走査回路５０４、読み出し回路５０５、及び、バッファアンプ（増幅回路）５０６を備える。画素アレイ５０２は、光検出器１０、光検出器１０ａ、又は、光検出器１０ｂにおいて、光電変換部１０１がＸＹ平面に沿ってマトリクス状に複数配置されることによって得られる。図１２の例では、光電変換部１０１は、アバランシェフォトダイオードであり、ＡＰＤとも記載される。読み出し回路５０５は、画素アレイ５０２が出力する信号を読み出す回路である。
　画素５０１は、ＡＰＤ、転送トランジスタＴＲＮ、リセットトランジスタＲＳＴ、浮遊拡散領域ＦＤ、増幅トランジスタＳＦ、選択トランジスタＳＥＬ、及び、オーバーフロートランジスタＯＶＦを含む画素回路ＰＣを有する。
　なお、本実施の形態において、単に「トランジスタ」と記載した場合は、ＭＯＳ型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を意味する。ただし、固体撮像素子５００の画素回路を構成するトランジスタは、ＭＯＳ型トランジスタに限られず、ジャンクション型トランジスタ（ＪＦＥＴ）、バイポーラトランジスタ、又は、これらの混在であってもよい。
　ＡＰＤによって検出された信号電荷は、転送トランジスタＴＲＮを通じて浮遊拡散領域ＦＤに転送され、垂直走査回路５０３及び水平走査回路５０４で順次選択された画素５０１で検出された信号電荷の量に対応する信号が増幅トランジスタＳＦを介して読み出し回路５０５に伝送される。
　画素５０１で得られた信号は、読み出し回路５０５からバッファアンプ５０６を経て信号処理回路（図示せず）に出力され、信号処理回路（図示せず）でホワイトバランス等の信号処理が施された後にディスプレイ（図示せず）又はメモリ（図示せず）に転送され、画像化することが可能となる。
　また、オーバーフロートランジスタＯＶＦは、ＡＰＤの電位が一定値となったときに電流が流れ始める保護素子である。つまり、オーバーフロートランジスタＯＶＦは、ＡＰＤに印加される電圧を制限する。オーバーフロートランジスタＯＶＦによれば、ＡＰＤが高い増倍率で光を検出した場合に、ＡＰＤの電圧が転送トランジスタＴＲＮの破壊耐圧を超える前にオーバーフロートランジスタＯＶＦに電流が流れ始める。また、ＡＰＤが強い光を検出することによりリセット時の電圧から負の電圧に振れたときにもＡＰＤの電圧が転送トランジスタＴＲＮの破壊耐圧を超える前にオーバーフロートランジスタＯＶＦに電流が流れ始める。つまり、オーバーフロートランジスタＯＶＦによれば、固体撮像素子５００は、ＡＰＤの電圧がトランジスタの破壊耐圧に到達しないように設計できる。ＡＰＤに印加される電圧の上限は、オーバーフロートランジスタＯＶＦの閾値電圧、オーバーフロートランジスタＯＶＦのゲートに印加される電圧、又は、オーバーフロートランジスタＯＶＦのドレイン電圧（ＶＯＶＦ）で調整が可能である。
　なお、図１２に示される画素回路ＰＣでは、画素アレイ５０２に、周辺回路（垂直走査回路５０３、水平走査回路５０４、読み出し回路５０５、及び、バッファアンプ５０６）が付加されていたが、固体撮像素子５００には、必ずしも周辺回路が含まれなくてもよい。
　また、画素回路ＰＣは、５個のトランジスタ（転送トランジスタＴＲＮ、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＳＦ、選択トランジスタＳＥＬ、及び、オーバーフロートランジスタＯＶＦ）と浮遊拡散領域ＦＤとで構成されたが、このような構成に限られず、固体撮像素子５００が動作可能な範囲でより多い個数又は少ない個数のトランジスタで構成されてもよい。
　また、画素回路ＰＣの回路構成は、一例である。画素回路ＰＣは、ＡＰＤに蓄積している信号電荷の読み出しが可能なその他の回路構成を有してもよい。
　図１３は、実施の形態に係る固体撮像素子５００が備える複数の光検出器の配置レイアウトを示す図である。図１４は、実施の形態に係る固体撮像素子５００が備える光検出器の一例を示す断面図である。なお、図１３では、画素アレイ５０２が備える複数の光検出器をそれぞれ矩形で示し、複数の光検出器のそれぞれが備える光電変換部１０１の中心位置を〇で示し、複数の光検出器のそれぞれが備える第１無機材料層（無機材料層３０１）の中心位置を×で示している。
　図１３に示すように、固体撮像素子５００が備える複数の光検出器は、平面視した場合に、マトリクス状に配置されている。なお、図１３では、複数の光検出器のうちの一部の図示を省略している。
　ここで、固体撮像素子５００が備える複数の光検出器は、それぞれ、当該光検出器が備える各構成要素の配置が完全に一致していなくてもよい。例えば、平面視した場合、画素アレイ５０２において中央部に位置する光検出器と、端部に位置する光検出器とで、光電変換部１０１の中心位置に対する無機材料層３０１の中心位置が異なってもよい。
　図１３に示すように、例えば、固体撮像素子５００は、平面視した場合に、画素アレイ５０２において中央部に光検出器１０を備え、端部（より具体的には、画素アレイ５０２におけるＸ軸正方向側の端部）に光検出器１０ｃを備える。
　光検出器１０は、図１及び図１３に示すように、平面視した場合に、光電変換部１０１の中心位置と無機材料層３０１の中心位置とが重なる。具体的には、光検出器１０は、平面視した場合に、光電変換部１０１の中心位置と無機材料層３０１の中心位置と無機材料層３０２の中心位置とが重なる。
　一方、光検出器１０ｃは、図１３及び図１４に示すように、平面視した場合に、光電変換部１０１の中心位置と無機材料層３０１の中心位置とがずれている。具体的には、光検出器１０ｃは、光電変換部１０１の中心位置Ｃ１に対して無機材料層３０１の中心位置Ｃ２がＸ軸正方向側にずれている。より具体的には、光検出器１０ｃは、光電変換部１０１の中心位置Ｃ１に対して、無機材料層３０１の中心位置Ｃ２及び無機材料層３０２の中心位置がＸ軸正方向側にずれており、無機材料層３０１の中心位置Ｃ２及び無機材料層３０２の中心位置が、平面視した場合に重なる。
　同様に、画素アレイ５０２においてＹ軸正方向側の端部に位置する光検出器１０ｄは、光電変換部１０１の中心位置に対して無機材料層３０１の中心位置がＹ軸正方向側にずれている。また、画素アレイ５０２においてＸ軸負方向側の端部に位置する光検出器１０ｅは、光電変換部１０１の中心位置に対して無機材料層３０１の中心位置がＸ軸負方向側にずれている。また、画素アレイ５０２においてＹ軸負方向側の端部に位置する光検出器１０ｆは、光電変換部１０１の中心位置に対して無機材料層３０１の中心位置がＹ軸負方向側にずれている。
　このように、例えば、画素アレイ５０２の中央部に位置する光検出器は、平面視した場合に、光電変換部１０１の中心位置と無機材料層３０１の中心位置とが重なる。一方、画素アレイ５０２の端部に位置する光検出器は、光電変換部１０１の中心位置に対して無機材料層３０１の中心位置が中央部から離れる向きにずれている。より具体的には、画素アレイ５０２の中央部から所定の方向に離れた端部に位置する光検出器は、光電変換部１０１の中心位置に対して無機材料層３０１の中心位置が中央部から当該所定の方向に離れる向きにずれている。
　なお、上記した中心位置は、例えば、重心位置でもよいし、ｎ回回転中心（ｎ：２以上の整数）でもよい。
　また、例えば、上記した中央部及び端部は、任意に設定されてよい。例えば、平面視した場合に画素アレイ５０２における最外周に位置する光検出器を端部に位置する光検出器とし、それ以外を中央部に位置する光検出器としてもよい。或いは、例えば、画素アレイ５０２がＮ個×Ｍ個（Ｎ、Ｍ：それぞれ３以上の整数）の光検出器を備える場合、平面視した場合に画素アレイ５０２における中央側に位置するＮ／２個×Ｍ／２個の光検出器を中央部に位置する光検出器とし、それ以外を端部に位置する光検出器としてもよい。例えば、Ｎ、Ｍが奇数の場合、小数点以下を切り捨ててもよい。
　また、平面視した場合における光電変換部１０１の中心位置と無機材料層３０１の中心位置とのずれ量は、任意に設定されてよい。例えば、平面視した場合における中央部からの距離に応じて、光電変換部１０１の中心位置と無機材料層３０１の中心位置とのずれ量を決定してもよい。例えば、平面視した場合における中央部からの距離が長い程、光電変換部１０１の中心位置と無機材料層３０１の中心位置とのずれ量を大きく設定してもよい。
　また、図示しないが、固体撮像素子５００が備える複数の光検出器のうち、隣り合う光検出器がそれぞれ備える無機材料層３０１の間の下方に、光検出器と読み出し回路５０５とを接続する配線層２０１が配置されている。
　以上、実施の形態に係る固体撮像素子５００は、上記した光検出器（例えば、光検出器１０、光検出器１０ａ、又は、光検出器１０ｂ）がマトリクス状に配置されることによって得られる画素アレイ５０２と、画素アレイ５０２が出力する信号を読み出す読み出し回路５０５と、を備える。
　これによれば、固体撮像素子５００は、上記した光検出器（例えば、光検出器１０、光検出器１０ａ、又は、光検出器１０ｂ）と同様に、従来よりも簡便に製造でき、且つ、光電変換部１０１への集光効率が向上される。
　なお、固体撮像素子５００は、光検出器として、光検出器１０を備えてもよいし、光検出器１０ａを備えてもよいし、光検出器１０ｂを備えてもよい。また、固体撮像素子５００は、これらの光検出器１０、１０ａ、１０ｂのうちの任意の２以上の光検出器を備えてもよい。
　また、本実施の形態では、平面視した場合、画素アレイ５０２において中央部に位置する光検出器（例えば、図１３に示す光検出器１０）と、端部に位置する光検出器（例えば、図１３に示す光検出器１０ｃ～１０ｆ）とで、光電変換部１０１の中心位置に対する無機材料層３０１の中心位置が異なる。より具体的には、本実施の形態では、平面視した場合に、中央部に位置する光検出器は、光電変換部１０１の中心位置と無機材料層３０１の中心位置とが重なり、端部に位置する光検出器は、光電変換部１０１の中心位置に対して無機材料層３０１の中心位置が中央部から離れる向きにずれている。
　例えば、画素アレイ５０２においては、光検出器は、端部に位置する程、受光面（例えば、主面１１０）に対して斜め（本実施の形態では、Ｚ軸に交差する方向）から外光が入射されると、光電変換部１０１に適切に外光が入射されにくくなる。つまり、画素アレイ５０２の端部においては、光検出器の斜入射特性が劣化する。そこで、画素アレイ５０２の端部に位置する光検出器は、光電変換部１０１の中心位置に対して無機材料層３０１の中心位置が中央部から離れる向きにずれている。より具体的には、画素アレイ５０２の中央部から所定の方向に離れた端部に位置する光検出器は、光電変換部１０１の中心位置に対して無機材料層３０１の中心位置が中央部から当該所定の方向に離れる向きにずれている。これによれば、例えば、画素アレイ５０２における端部に、主面１１０の法線に対して傾斜した角度で外光が入射された場合に、無機材料層３０１に当該外光を入射させやすくできることから、光検出器の斜入射特性の劣化を抑制できるため、固体撮像素子５００の集光効率は、向上される。
　また、例えば、隣り合う光検出器１０がそれぞれ備える無機材料層３０１の間の下方に、光検出器１０と読み出し回路５０５とを接続する配線層２０１が配置されている。
　このような構成によれば、配線層２０１によって外光が光電変換部１０１に入射されることが阻害されることを抑制できる。
　（その他の実施の形態）
　以上、実施の形態及び各変形例に係る光検出器等について説明したが、本開示は、上記実施の形態及び各変形例に限定されるものではない。
　例えば、上記実施の形態において説明に用いられた数値は、全て開示を具体的に説明するために例示するものであり、本開示は例示された数値に限定されない。
　また、上記実施の形態及び上記各変形例は、任意に組み合わされてよい。
　また、上記実施の形態では、光検出器が有する積層構造の各層を構成する主たる材料について例示しているが、光検出器が有する積層構造の各層には、上記実施の形態の積層構造と同様の機能を実現できる範囲で他の材料が含まれてもよい。また、図面上においては、各構成要素の角部及び辺は直線的に記載されているが、製造上の理由などにより、角部及び辺が丸みを帯びたものも本開示に含まれる。
　その他、各実施の形態に対して当事者が思いつく各種変形を施して得られる形態、または、本開示の主旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。例えば、本開示は、光検出器の製造方法として実現されてもよい。
　本開示の光検出器は、高い集光効率を有する光検出器として利用できる。
　１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ　　光検出器
　１００、１００ａ　　半導体基板
　１０１　　光電変換部
　１０２　　画素分離部
　１１０、１１０ａ　　主面
　１２０　　裏面
　２００、２００ａ　　積層体
　２０１　　配線層（配線）
　２０２　　層間絶縁膜
　２０３　　ライナ層
　２０４　　ビア
　２０５　　ライナ層（最上層ライナ層）
　３００、３００ａ、３００ｂ、３００ｃ　　集光部
　３０１、３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ　　無機材料層（第１無機材料層）
　３０２、３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ　　無機材料層（第２無機材料層）
　３０３　　無機材料層
　３１０　　下面
　３２０　　上面
　３３０　　分離溝
　３４０　　段差面
　３５０　　溝部
　４００　　導波路
　４０１　　支持基板
　５００　　固体撮像素子
　５０１　　画素
　５０２　　画素アレイ
　５０３　　垂直走査回路
　５０４　　水平走査回路
　５０５　　読み出し回路
　５０６　　バッファアンプ（増幅回路）
　６０１　　波長選択部
　６０２　　平坦化層
　６０３　　保護膜
　Ａ１、Ａ２　　幅
　Ａ３、Ａ４　　距離
　Ｃ１、　Ｃ２　中心位置
　ＦＤ　　浮遊拡散領域
　ＯＶＦ　　オーバーフロートランジスタ
　ＰＣ　　画素回路
　ＲＳＴ　　リセットトランジスタ
　ＳＥＬ　　選択トランジスタ
　ＳＦ　　増幅トランジスタ
　ＴＲＮ　　転送トランジスタ

Claims (19)

  1. 　半導体基板と、
    　前記半導体基板に設けられた光電変換部と、
    　前記光電変換部と対向し、透光性を有する集光部と、を備え、
    　前記集光部は、
    　平面視した場合に、前記光電変換部と少なくとも一部が重なるように配置された第１無機材料層と、
    　前記第１無機材料層を被覆するように配置され、前記第１無機材料層よりも屈折率の低い第２無機材料層と、を有する
    　光検出器。
  2. 　前記第２無機材料層には、
    　平面視した場合に、前記光電変換部の周囲に位置するように前記半導体基板に設けられた画素分離部と重なるように配置された配線の上方に、前記半導体基板側に凹んだ溝部が形成されている
    　請求項１に記載の光検出器。
  3. 　さらに、前記配線と、前記配線の上方に位置するライナ層とを含む積層体を備え、
    　前記ライナ層の屈折率は、前記第１無機材料層の屈折率より低く、且つ、前記第２無機材料層の屈折率より高い
    　請求項２に記載の光検出器。
  4. 　前記第１無機材料層は、Ｓｉと、Ｏ、Ｎ、及び、Ｃの少なくともいずれかと、を含む膜、又は、ＴｉとＯとを含む膜である
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の光検出器。
  5. 　前記第２無機材料層は、Ｓｉと、Ｏ、及び、Ｃの少なくともいずれかと、を含む膜である
    　請求項１～４のいずれか１項に記載の光検出器。
  6. 　前記半導体基板と、前記積層体と、前記集光部とは、この順に積層されている
    　請求項３に記載の光検出器。
  7. 　さらに、前記光電変換部と前記集光部との間に前記積層体を貫通して配置され、前記光電変換部に光を導入するための導波路を備える
    　請求項６に記載の光検出器。
  8. 　前記導波路と前記第１無機材料層とは、同じ材料で構成されている
    　請求項７に記載の光検出器。
  9. 　前記導波路と前記第１無機材料層とは、接触している
    　請求項８に記載の光検出器。
  10. 　前記積層体と、前記半導体基板と、前記集光部とは、この順に積層されている
    　請求項３に記載の光検出器。
  11. 　前記集光部は、近赤外光に対して透光性を有する
    　請求項１～１０のいずれか１項に記載の光検出器。
  12. 　さらに、前記集光部の上方に、所定の波長の光を選択的に前記光電変換部に入射させるための波長選択部を備える
    　請求項１～１１のいずれか１項に記載の光検出器。
  13. 　さらに、前記集光部の下方で、且つ、前記配線の上方に、所定の波長の光を選択的に前記光電変換部に入射させるための波長選択部を備える
    　請求項２、３、及び、６～１０のいずれか１項に記載の光検出器。
  14. 　請求項１～１３のいずれか１項に記載の光検出器がマトリクス状に配置されることによって得られる画素アレイと、
    　前記画素アレイが出力する信号を読み出す読み出し回路と、を備える
    　固体撮像素子。
  15. 　平面視した場合、前記画素アレイにおいて中央部に位置する前記光検出器と、端部に位置する前記光検出器とで、前記光電変換部の中心位置に対する前記第１無機材料層の中心位置が異なる
    　請求項１４に記載の固体撮像素子。
  16. 　平面視した場合に、
    　前記中央部に位置する前記光検出器は、前記光電変換部の中心位置と前記第１無機材料層の中心位置とが重なり、
    　前記端部に位置する前記光検出器は、前記光電変換部の中心位置に対して前記第１無機材料層の中心位置が前記中央部から離れる向きにずれている
    　請求項１５に記載の固体撮像素子。
  17. 　隣り合う前記光検出器がそれぞれ備える前記第１無機材料層の間の下方に、前記光検出器と前記読み出し回路とを接続する配線が配置されている
    　請求項１４～１６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  18. 　光電変換部、及び、半導体基板を平面視した場合に前記光電変換部の周囲に位置するように画素分離部を前記半導体基板に形成し、
    　前記光電変換部と対向して配置され、平面視した場合に、前記光電変換部と少なくとも一部が重なるように第１無機材料層を形成し、且つ、前記第１無機材料層を被覆するように、前記第１無機材料層よりも屈折率の低い第２無機材料層を形成することで、前記第１無機材料層及び前記第２無機材料層を有する集光部を形成する
    　光検出器の製造方法。
  19. 　さらに、平面視した場合に、前記画素分離部と重なるように形成された配線を含む積層体を前記半導体基板上に形成し、
    　前記積層体上に、前記集光部を形成する
    　請求項１８に記載の光検出器の製造方法。
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