JP2016031993A - Solid state image pickup device and camera - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は固体撮像装置及びカメラに関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and a camera.
特許文献1の固体撮像装置は一部の画素に焦点検出用の画素を有する。焦点検出用の画素は複数の光電変換素子を有しており、当該画素の上に配されたマイクロレンズの相異なる領域を追加した光をこれらの光電変換素子で別々に検知する。複数の光電変換素子で得られた信号に基づいて三角測量による焦点検出が行われる。特許文献1の固体撮像装置では、半導体基板の上に形成された層間絶縁層が、複数の画素を互いに分離するための間隙と、平面視において1つの焦点検出用画素内の複数の光電変換素子を互いに分離するための間隙を有する。 The solid-state imaging device of Patent Document 1 has focus detection pixels in some pixels. The focus detection pixel has a plurality of photoelectric conversion elements, and light obtained by adding different regions of microlenses arranged on the pixels is separately detected by these photoelectric conversion elements. Focus detection by triangulation is performed based on signals obtained by a plurality of photoelectric conversion elements. In the solid-state imaging device of Patent Document 1, an interlayer insulating layer formed on a semiconductor substrate has a gap for separating a plurality of pixels from each other, and a plurality of photoelectric conversion elements in one focus detection pixel in plan view. Have a gap for separating them from each other.
複数の画素を分離するための間隙と、1つの画素内の複数の光電変換素子を分離するための間隙とが、互いに等しい高さ及び幅を有する。発明者は、このような構成では焦点検出を精度よく行うことが困難であることを見出した。本発明は、1つの画素内に複数の光電変換素子を有する固体撮像装置による焦点検出の精度を向上するための技術を提供することを目的とする。 A gap for separating a plurality of pixels and a gap for separating a plurality of photoelectric conversion elements in one pixel have the same height and width. The inventor has found that it is difficult to accurately perform focus detection with such a configuration. An object of the present invention is to provide a technique for improving the accuracy of focus detection by a solid-state imaging device having a plurality of photoelectric conversion elements in one pixel.
上記課題に鑑みて、第1側面では、複数の画素を有する固体撮像装置であって、半導体基板と、前記半導体基板の受光面側に位置する導光構造とを備え、前記複数の画素の少なくとも1つは、焦点検出のための信号を生成するために複数の光電変換素子を前記半導体基板に有し、前記導光構造は、画素間の光路を規定する第1間隙と、前記複数の光電変換素子を有する画素内の光路を規定する第2間隙とを有し、前記第2間隙の前記半導体基板とは反対側の端と前記半導体基板の前記受光面との距離は、前記第1間隙の前記半導体基板とは反対側の端と前記半導体基板の前記受光面との距離よりも短いことを特徴とする固体撮像装置が提供される。第2側面では、複数の画素を有する固体撮像装置であって、半導体基板と、前記半導体基板の受光面側に位置する導光構造とを備え、前記複数の画素の少なくとも1つは、焦点検出のための信号を生成するために複数の光電変換素子を前記半導体基板に有し、前記導光構造は、画素間の光路を規定する第1間隙と、前記複数の光電変換素子を有する画素内の光路を規定する第2間隙とを有し、前記第1間隙の幅は、前記第2間隙の幅よりも広いことを特徴とする固体撮像装置が提供される。第3側面では、複数の画素を有する固体撮像装置であって、半導体基板と、前記半導体基板の受光面側に位置する導光構造と、前記半導体基板の前記受光面とは反対側に位置する配線層及び層間絶縁層とを備え、前記複数の画素の少なくとも1つは、焦点検出のための信号を生成するために複数の光電変換素子を前記半導体基板に有し、前記導光構造は、各画素の光路を規定する第1間隙を有することを特徴とする固体撮像装置が提供される。 In view of the above problems, the first aspect is a solid-state imaging device having a plurality of pixels, comprising a semiconductor substrate and a light guide structure positioned on a light receiving surface side of the semiconductor substrate, and at least one of the plurality of pixels. One has a plurality of photoelectric conversion elements in the semiconductor substrate to generate a signal for focus detection, and the light guide structure includes a first gap that defines an optical path between pixels, and the plurality of photoelectric conversion elements. A second gap defining an optical path in a pixel having a conversion element, and a distance between an end of the second gap opposite to the semiconductor substrate and the light receiving surface of the semiconductor substrate is defined by the first gap. There is provided a solid-state imaging device characterized in that the distance is shorter than the distance between the end opposite to the semiconductor substrate and the light receiving surface of the semiconductor substrate. In a second aspect, the solid-state imaging device includes a plurality of pixels, and includes a semiconductor substrate and a light guide structure positioned on a light receiving surface side of the semiconductor substrate, and at least one of the plurality of pixels includes a focus detection A plurality of photoelectric conversion elements in the semiconductor substrate for generating a signal for the first light source, and the light guide structure includes a first gap that defines an optical path between the pixels, and an inner pixel including the plurality of photoelectric conversion elements. There is provided a solid-state imaging device having a second gap defining an optical path of the first gap, wherein the width of the first gap is wider than the width of the second gap. In a third aspect, a solid-state imaging device having a plurality of pixels, the semiconductor substrate, a light guide structure located on a light receiving surface side of the semiconductor substrate, and a side opposite to the light receiving surface of the semiconductor substrate A wiring layer and an interlayer insulating layer, wherein at least one of the plurality of pixels has a plurality of photoelectric conversion elements on the semiconductor substrate to generate a signal for focus detection, and the light guide structure includes: A solid-state imaging device having a first gap that defines an optical path of each pixel is provided.
上記手段により、1つの画素内に複数の光電変換素子を有する固体撮像装置による焦点検出の精度を向上するための技術が提供される。 The above means provides a technique for improving the accuracy of focus detection by a solid-state imaging device having a plurality of photoelectric conversion elements in one pixel.
添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について以下に説明する。様々な実施形態を通じて同様の要素には同一の参照符号を付し、重複する説明を省略する。また、各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。以下に説明する実施形態は、固体撮像装置に関し、特にデジタルカメラやデジタルビデオカメラなどに用いられる固体撮像装置に関する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Throughout the various embodiments, similar elements are given the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted. In addition, each embodiment can be appropriately changed and combined. Embodiments described below relate to a solid-state imaging device, and more particularly, to a solid-state imaging device used for a digital camera, a digital video camera, or the like.
<第1実施形態>
本実施形態の固体撮像装置10を、図1A及び図1Bを用いて説明する。図1Aは固体撮像装置10の一部を模式的に示す概略平面図である。この平面図は、固体撮像装置10が有する半導体基板130の表面(受光面)に対する平面視を示す。図1Bは図1A中のA−A´に沿った概略断面図である。固体撮像装置10は2次元アレイ状に配された複数の画素により構成される画素アレイを有する。図1Aでは複数の画素のうちの4つの画素100,100a,100b,100cに着目する。図1Bではこれらの4つの画素のうちの1つの画素100と、画素100に隣接する画素の一部分とに着目する。画素100a,100b,100cや図示していない他の画素は画素100と同様の構造を有していてもよいし、他の構造を有していてもよい。
<First Embodiment>
A solid-
図1Aに示すように、画素100は2つの受光領域102,103と、配線領域104とを有する。受光領域102,103は入射した光に応じた電荷を生じる領域である。配線領域104は導電パターンやプラグなどが配された領域である。受光領域102,103のそれぞれで得られた信号によって、位相差検出方式による焦点検出が行われる。画素100に内接してオンチップレンズ101が配置されている。オンチップレンズ101は画素100に外接するような配置にしてもよい。この場合に、レンズ間ギャップがない集光能力の高いレンズをオンチップレンズ101として用いることができる。
As illustrated in FIG. 1A, the
固体撮像装置10の画素100は、断面図において、図1Bに示すように、例えばn型シリコン基板である半導体基板130と、半導体基板130の受光面側に位置する導光構造180とを有する。半導体基板130に表面側にp型のウエル層131が形成されている。ウエル層131にn型の電荷蓄積部132が形成されている。電荷蓄積部132のうち、画素100に含まれる部分が電荷蓄積部133及び電荷蓄積部134となる。電荷蓄積部133及び電荷蓄積部134の上には高濃度のp型層135が配されている。n型の電荷蓄積部133と、その周囲にあるp型の半導体領域とによって光電変換素子であるフォトダイオードが構成される。このフォトダイオードが図1の受光領域102に対応する。電荷蓄積部134についても同様である。
As shown in FIG. 1B, the
半導体基板130には、画素100と、画素100に隣接する画素との間に、p型の画素間分離部136が配されている。画素間分離部136によって異なる画素に含まれるフォトダイオードが分離される。また、半導体基板130には、電荷蓄積部133と電荷蓄積部134との間に画素内分離部137が配されている。画素内分離部137によって画素100内の2つのフォトダイオードが分離される。画素内分離部137のポテンシャルは画素間分離部136のポテンシャルよりも低くてもよい。図示していないが、p型のウエル層131には、フォトダイオードの電荷を転送し、駆動するためのトランジスタやフローティングディフュージョン層が形成されている。
In the
図1Bに示すように、半導体基板130の上には、ゲート絶縁膜等を含む絶縁層140と、例えばシリコン酸化膜である1つ以上の層間絶縁層141,142,143と、保護膜144とが下側(半導体基板130側)から順に形成されている。図示していないが、ゲート絶縁膜上には前述したトランジスタのゲート電極等が形成されている。また、層間絶縁層141,142,143には例えば銅を主成分とした配線層150,152と、例えばアルミニウムを主成分とした配線層154とが配されている。これにより画素の信号が伝達される。この配線層150,152、154は前述した配線領域104内に配されている。配線層150,152に銅配線を用いる場合は、銅の拡散防止層151,153が配されてもよい。拡散防止層151,153は前述した受光領域102,103において選択的に除去されてもよい。保護膜144の上に、平坦化層160と、カラーフィルタ161,162と、平坦化層163と、オンチップレンズ101とが設けられている。これらの半導体基板130の上に形成された部材によって、導光構造180が構成される。
As shown in FIG. 1B, on the
固体撮像装置10の画素100は、導光構造180に、間隙110と間隙120とを有する。図1Aに示すように、間隙110は、平面視において、画素100の受光領域102,103と、他の画素の受光領域との間に配されている。より具体的に、間隙110は、受光領域102,103と配線領域104との間に配されている。間隙110は、平面視において、受光領域102,103の外周を全周的に囲む。このように、間隙110は、複数の画素の画素間の光路を規定する。間隙120は、画素100の受光領域102と受光領域103との間に配されている。間隙120によって受光領域102と受光領域103とが分割されている。間隙120の両端は間隙110に接している。従って、受光領域102,103はそれぞれ、間隙110及び間隙120によって全周的に囲まれている。このように、間隙120は、画素100の画素内の光路を規定する。
The
図1Bに示すように、間隙110は、3つの層間絶縁層141〜143にわたって形成されている。すなわち、間隙110の下端は層間絶縁層141の下面と同じ高さにあり、間隙110の上端は層間絶縁層143の上面と同じ高さにある。ここで、「高さ」とは半導体基板130の表面からの距離のことである。以下の高さに関する説明においても同様である。また、間隙110の上端とは、間隙110の端のうち、半導体基板130とは反対側にある端のことであり、間隙110の下端とは、間隙110の端のうち、半導体基板側にある端のことである。半導体基板130の上に位置する他の部材の上端、下端についても同様である。間隙120は、1つの層間絶縁層141に形成されている。すなわち、間隙120の下端は層間絶縁層141の下面と同じ高さにあり、間隙120の上端は層間絶縁層141の上面と同じ高さにある。また、間隙120の上端は、配線層150の上面とも同じ高さにある。このように、間隙120の上端の高さは間隙110の上端の高さよりも低い。
As shown in FIG. 1B, the
間隙110,120は、空気又は不活性ガスを含むガスで充填されていてもよいし、真空であってもよい。本実施形態において、間隙110の上端は、保護膜144によって塞がれている。また、間隙120の上端は層間絶縁層142によって塞がれている。しかしながら、他の層間絶縁層、または別の層で間隙110,120が塞がれてもよい。間隙110,120の側面は滑らかな面であってもよい。ここで、「滑らかな面」とは、複数の層間絶縁層の境界において段差や角など有していない面のことをいう。具体的に、間隙110,120の側面は図1Bに示すように平面であってもよいし、滑らかな曲面であってもよい。
The
画素100に第1の方向から入射した光束170は、電荷蓄積部133を含むフォトダイオードに導かれ、画素100に第2の方向から入射した光束171は、電荷蓄積部134を含むフォトダイオードに導かれる。その際に、オンチップレンズ101により収束された成分は、間隙110により、画素100内に閉じ込められる。また、間隙120により、第1の方向から入射した光束170の成分と、第2の方向から入射した光束171の成分とは、電荷蓄積部133側と電荷蓄積部134側とに分けられる。本実施形態において、間隙110の上端は、層間絶縁層143の上面と同じ高さにあるため、画素100に入射した光が画素100以外の画素に漏れにくくなっている。また、間隙120の上端は、間隙110の上端よりも低い位置にあるため、第1の方向から入射した光束170の成分と、第2の方向から入射した光束171の成分とを、電荷蓄積部133側と電荷蓄積部134側とに効率よく分けることができる。これにより、画素間のクロストークを抑制でき、高精度な焦点検出を行うことが可能となる。
The
本実施形態で説明した画素100は、固体撮像装置10のすべての画素に適用してもよい。これに代えて、画素100を固体撮像装置10の一部の画素のみに適用し、他の画素は1つの受光領域のみを有していてもよい。1つの受光領域のみを有する画素は通常の信号処理を行い、焦点検出を行わない。このような画素は、間隙120及び画素内分離部137を有していなくてもよい。
The
上述の例では、間隙110が3つの層間絶縁層にわたって配されたが、2つの層間絶縁層にわたって配されてもよい。また、上述の例では、間隙120が1つの層間絶縁層に配されたが、2つの層間絶縁層にわたって配されてもよい。いずれにせよ。間隙120の上端が間隙110の上端よりも低い位置にあればよい。
In the above-described example, the
<第2実施形態>
第2実施形態の固体撮像装置を、図2を用いて説明する。この固体撮像装置は画素100の代わりに画素200を有する点で固体撮像装置10と異なり、他の点は同様であってもよい。また、画素200は、間隙110,120及び配線層154を有する導光構造180の代わりに、間隙210,220及び配線層154を有する導光構造280を有する点で画素100と異なり、他の点は同様であってもよい。本実施形態の固体撮像装置の平面図は、図1Aと同様であるが、後述するように間隙210,220の幅が間隙110,120とは異なる。間隙210,220の幅は間隙210,220の上端の付近で測定してもよいし、下端の付近で測定してもよいし、他の位置で測定してもよい。間隙210,220の半導体基板130からの高さが同じ位置で測定してもよい。
Second Embodiment
A solid-state imaging device according to the second embodiment will be described with reference to FIG. This solid-state imaging device is different from the solid-
図2は図1Bに対応する位置における本実施形態の固体撮像装置の概略断面図である。間隙220の上端の高さは、間隙210の上端の高さに等しい。具体的に、両方とも、層間絶縁層143の高さに一致する。また、間隙220の幅は、間隙210の幅よりも狭い。間隙210の幅は、間隙210の任意の位置で一定であってもよい。同様に、間隙220の幅は、間隙220の任意の位置で一定であってもよい。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the solid-state imaging device of the present embodiment at a position corresponding to FIG. 1B. The height of the upper end of the
間隙220の上端の高さが間隙210の上端の高さに等しいので、第1の方向から入射した光束170の成分と、第2の方向から入射した光束171の成分とが間隙220の上端の高さで分離するように、曲率を大きなオンチップレンズ201が用いられる。このような場合は、間隙210から別の画素に漏れこむ成分が増える。そのため、間隙210の幅を間隙220の幅よりも大きくしている。第2の間隙220の幅は例えば100nm以下である。この大きさであれば、間隙220の上端で光が反射することによる入射光量の低下や迷光の発生を許容できる。また、この大きさであれば、間隙220の上端から保護膜144の材料が侵入することを抑制できる。
Since the height of the upper end of the
間隙210の幅は例えば200nm程度である。この大きさであれば、可視光線の帯域の光を十分に分離することができる。間隙210の上端を塞ぐ材料は金属であってもよい。材料が金属であれば、間隙210内に材料が侵入しても光の分離機能が損なわれない。本実施形態においては、間隙210の上端は、配線層254によって塞がれている。本実施形態でも、画素間のクロストークを抑制でき、高精度な焦点検出を行うことが可能となる。
The width of the
<第3実施形態>
第3実施形態の固体撮像装置を、図3を用いて説明する。この固体撮像装置は画素200の代わりに画素300を有する点で第2実施形態の固体撮像装置と異なり、他の点は同様であってもよい。また、画素300は、間隙220を有する導光構造280の代わりに、間隙320を有する導光構造380を有する点で画素200と異なり、他の点は同様であってもよい。本実施形態では、間隙320の上端の高さが間隙210の上端の高さよりも低い。また、間隙320の幅は間隙210の幅よりも狭い。すなわち、本実施形態は、第1実施形態と第2実施形態とを組み合わせた実施形態であるといえる。そのため、これらの実施形態で説明した事項は、本実施形態でも同様に当てはまる。本実施形態でも、画素間のクロストークを抑制でき、高精度な焦点検出を行うことが可能となる。
<Third Embodiment>
A solid-state imaging device according to a third embodiment will be described with reference to FIG. This solid-state imaging device is different from the solid-state imaging device of the second embodiment in that the
<第1変形例>
上述の第1実施形態の固体撮像装置10の第1変形例を、図4を用いて説明する。ここで言及しない事項は、第1実施形態に従いうる。第1実施形態における間隙120の上端は平坦であった。本変形例では、間隙120の代わりに間隙420を有する。間隙420の上端は上に(すなわち、半導体基板130から遠ざかる方向に)凸の形状を有する。
<First Modification>
A first modification of the solid-
以下、このような形状を有する間隙420の製造方法を説明する。まず平坦な層間絶縁層141を成膜した後、層間絶縁層141の所定の場所以外をレジストで保護し、ドライエッチングにより層間絶縁層141に溝を形成する。その後、層間絶縁層142を化学気相成長法により、例えば基板温度:390℃、ガス圧力:360Pa、印加電力:720W、反応ガス比率:テトラエトキシシラン/酸素=1/10の条件で成膜する。これにより、上端が上に凸の形状を有する間隙420が形成される。また、例えば基板温度:410℃、ガス圧力:500Pa、印加電力:800W、反応ガス比率:モノシラン/アンモニア/亜酸化窒素/窒素=1/1/1/40の条件で層間絶縁層142を形成してもよい。さらに、及び基板温度:410℃、ガス圧力:600Pa、印加電力:1200W、反応ガス比率:モノシラン/アンモニア/窒素=2/1/20の条件で層間絶縁層142を形成してもよい。このような条件でも、上端が上に凸の形状を有する間隙420が形成される。
Hereinafter, a method for manufacturing the
このように間隙420の上端が上に凸の形状を有することによって、間隙420の上端における光の反射を低減し、入射光量の低下や迷光の発生を抑制することができる。また、間隙120だけでなく、間隙110の上端も上に凸の形状を有するようにしてもよい。第1変形例は、第2実施形態や第3実施形態にも適用可能である。
Since the upper end of the
<第2変形例>
上述の第1実施形態の固体撮像装置10の第2変形例を、図5を用いて説明する。ここで言及しない事項は、第1実施形態に従いうる。第1実施形態において、固体撮像装置10の画素100は2つの受光領域102,103を有する。第2変形例の固体撮像装置は、画素100の代わりに、図5(a)に示す画素500を有する。図5(a)は画素500を模式的に示す概略平面図を示す。画素500の断面構造は画素100の断面構造と同様のため、重複する説明を省略する。
<Second Modification>
A second modification of the solid-
図5(a)に示すように、画素500は4つ受光領域530〜533と、配線領域104とを有する。受光領域530〜533は入射した光に応じた電荷を生じる領域である。受光領域530〜533のそれぞれで得られた信号によって焦点検出が行われる。受光領域530〜533にはフォトダイオード540〜543が1対1に配置されている。
As illustrated in FIG. 5A, the
画素500は、1つ以上の層間絶縁層141,142,143に、間隙510と間隙520,521とを有する。図5(a)に示すように、間隙510は、平面視において、画素500の受光領域530〜533と、他の画素の受光領域との間に配されている。より具体的に、間隙510は、受光領域530〜533と配線領域104との間に配されている。間隙510は、平面視において、受光領域530〜533の外周を全周的に囲む。
The
間隙520は、画素アレイの列方向(図面の上下方向)に延びており、受光領域530〜533のうち列方向に隣接した2つの受光領域の間に位置し、両領域を分離する。間隙520の両端は間隙510に接している。間隙521は、画素アレイの行方向(図面の左右方向)に延びており、受光領域530〜533のうち行方向に隣接した2つの受光領域の間に位置し、両領域を分離する。間隙521の両端は間隙510に接している。
The
第1実施形態と同様に、間隙520,521の上端の高さは、間隙510の上端の高さよりも低い。間隙520の上端の高さと間隙521の上端の高さとは互いに等しくてもよいし、異なっていてもよい。画素500のような構成であれば、2方向の焦点検出が可能となる。
Similar to the first embodiment, the height of the upper ends of the
固体撮像装置の有する複数の画素は、画素500を含む代わりに、図5(b)に示す画素501と図5(c)に示す画素502とを含んでもよい。画素501は、間隙521を含まない点で画素500と異なり、他の点は同様であってもよい。画素501は、間隙520によって分割された2つの受光領域534,535を有する。従って、画素アレイの行方向の焦点検出が可能となる。画素502は、間隙520を含まない点で画素500と異なり、他の点は同様であってもよい。画素502は、間隙521によって分割された2つの受光領域536,537を有する。従って、画素アレイの列方向の焦点検出が可能となる。このように、固体撮像装置が画素501と画素502との両方を有することによって、画素500を有していなくても、2方向の焦点検出が可能となる。焦点検出を行わない画素も4つのフォトダイオードを有するように構成することによって、焦点検出方向が異なる画素と、焦点検出を行わない画素と行う画素との構成の差を低減してもよい。第2変形例は、第2実施形態や第3実施形態にも適用可能である。また、第1変形例と合わせて第2変形例を適用してもよい。
A plurality of pixels included in the solid-state imaging device may include a
<第4実施形態>
本実施形態の固体撮像装置60を、図6A及び図6Bを用いて説明する。図6Aは固体撮像装置60の一部を模式的に示す概略平面図である。この平面図は、固体撮像装置60が有する半導体基板630の表面(受光面)に対する平面視を示す。図6Bは図6A中のB−B´に沿った概略断面図である。固体撮像装置60は2次元アレイ状に配された複数の画素により構成される画素アレイを有する。図6Aでは複数の画素のうちの4つの画素600,600a,600b,600cに着目する。図6Bではこれらの4つの画素のうちの1つの画素600と、画素600に隣接する画素の一部分とに着目する。画素600a,600b,600cや図示していない他の画素は画素600と同様の構造を有していてもよいし、他の構造を有していてもよい。固体撮像装置60はいわゆる裏面照射型の固体撮像装置である。
<Fourth embodiment>
A solid-
図6Aに示すように、画素600は2つの受光領域602,603を有する。受光領域602,603は入射した光に応じた電荷を生じる領域である。配線領域604は導電パターンやプラグなどが配された領域である。受光領域602,603のそれぞれで得られた信号によって焦点検出が行われる。画素600に内接してオンチップレンズ601が配置されている。オンチップレンズ601は画素600に外接するような配置にしてもよい。この場合に、レンズ間ギャップがない集光能力の高いレンズをオンチップレンズ601として用いることができる。
As shown in FIG. 6A, the
固体撮像装置60の画素600は、断面図において、図6Bに示すように、例えばn型シリコン基板である半導体基板630と、半導体基板630の下面側に位置する導光構造680とを有する。半導体基板630に表面側にp型のウエル層631が形成されている。ウエル層631にn型の電荷蓄積部632が形成されている。電荷蓄積部632のうち、画素600に含まれる部分が電荷蓄積部633及び電荷蓄積部634となる。電荷蓄積部633及び電荷蓄積部634の上には高濃度のp型層635が配されている。n型の電荷蓄積部633と、その周囲にあるp型の半導体領域とによって光電変換素子であるフォトダイオードが構成される。このフォトダイオードが図6Aの受光領域602に対応する。電荷蓄積部634についても同様である。
As shown in FIG. 6B, the
半導体基板630には、画素600と、画素600に隣接する画素との間に、p型の画素間分離部636が配されている。画素間分離部636によって異なる画素に含まれるフォトダイオードが分離される。また、半導体基板630には、電荷蓄積部633と電荷蓄積部634との間に画素内分離部637が配されている。画素内分離部637によって画素600内の2つのフォトダイオードが分離される。画素内分離部637のポテンシャルは画素間分離部636のポテンシャルよりも低くてもよい。図示していないが、ウエル層631には、フォトダイオードの電荷を転送し、駆動するためのトランジスタやフローティングディフュージョン層が形成されている。
In the
図6Bに示すように、半導体基板630の上には、ゲート絶縁膜等を含む絶縁層640と、例えばシリコン酸化膜である1つ以上の層間絶縁層641,642,643と、保護膜644とが下側(半導体基板630側)から順に形成されている。図示していないが、ゲート絶縁膜上には前述したトランジスタのゲート電極等が形成されている。また、層間絶縁層641,642,643には例えば銅を主成分とした配線層650,652と、例えばアルミニウムを主成分とした配線層654とが配されている。これにより画素の信号が伝達される。配線層650,652に銅配線を用いる場合は、銅の拡散防止層651,653が配されてもよい。保護膜644の上にはハンドル基板672が貼り合わされている。
As shown in FIG. 6B, on the
半導体基板630の裏面は、半導体基板630の厚さが例えば3μmになるように研磨された後、高濃度のp型層674が形成される。図6Bに示すように、半導体基板630の裏面には反射防止膜等を含む絶縁層684と、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁層681,682,683が半導体基板630側から順に形成されている。絶縁層681〜683は例えば有機膜で形成されてもよい。また、絶縁層681〜683は何層で形成されてもよい。絶縁層683の下側(光入射側)には、平坦化層660、カラーフィルタ661,662、平坦化層663、オンチップレンズ601が設けられている。これらの半導体基板630の下に形成された部材によって、導光構造680が構成される。カラーフィルタ661とカラーフィルタ662との間には間隙691が設けられている。絶縁層681,682の厚さの合計は、例えば1μm以上であってもよい。この厚さを有することによって、裏面照射側の固体撮像装置であっても、高精度な焦点検出を行うことが可能である。
The back surface of the
固体撮像装置60の画素600は、導光構造680に、間隙610と間隙620とを有する。図6Aに示すように、間隙610は、平面視において、画素600の受光領域602,603と、他の画素の受光領域との間に配されている。より具体的に、間隙610は格子形状を有し、各格子に1つの画素の受光領域が含まれる。間隙610は、平面視において、受光領域602,603の外周を全周的に囲む。このように、間隙610は、複数の画素の画素間の光路を規定する。間隙620は、画素600の受光領域602と受光領域603との間に配されている。間隙620によって受光領域602と受光領域603とが分割されている。間隙620の両端は間隙610に接している。従って、受光領域602,603はそれぞれ、間隙610及び間隙620によって全周的に囲まれている。このように、間隙620は、画素600の画素内の光路を規定する。
The
図6Bに示すように、間隙610は、2つの絶縁層681〜682にわたって形成されている。すなわち、間隙610の下端は絶縁層682の下面と同じ高さにあり、間隙610の上端は絶縁層681の上面と同じ高さにある。ここで、間隙610の端のうち、図面において上側(絶縁層681〜682からみて半導体基板630側)の端を上端と呼び、図面において下側(絶縁層681〜682からみて半導体基板630とは反対側)の端を下端と呼ぶ。半導体基板630の下に位置する他の部材の上端、下端についても同様である。「高さ」とは半導体基板630の表面からの距離である。以下の高さに関する説明においても同様である。また、間隙620は、1つの絶縁層681に形成されている。すなわち、間隙620の下端は絶縁層681の下面と同じ高さにあり、間隙620の上端は絶縁層681の上面と同じ高さにある。このように、間隙620の上端の高さは間隙610の上端の高さよりも低い。
As shown in FIG. 6B, the
間隙610,620は、空気又は不活性ガスを含むガスで充填されていてもよいし、真空であってもよい。本実施形態において、間隙610の上端は、例えば金属層である遮光層690によって塞がれている。また、間隙620の上端は絶縁層682によって塞がれている。しかしながら、他の絶縁層、または別の層で間隙610,620が塞がれてもよい。間隙610,620の側面は滑らかな面であってもよい。
The
画素600に第1の方向から入射した光束670は、電荷蓄積部633を含むフォトダイオードに導かれ、画素600に第2の方向から入射した光束671は、電荷蓄積部634を含むフォトダイオードに導かれる。その際に、オンチップレンズ601により収束された成分は、間隙610により、画素600内に閉じ込められる。また、間隙620により、第1の方向から入射した光束670の成分と、第2の方向から入射した光束671の成分とは、電荷蓄積部633側と電荷蓄積部633側とに分けられる。本実施形態において、間隙610の下端は、絶縁層682の下面と同じ高さにあるため、画素600に入射した光が画素600以外の画素に漏れにくくなっている。また、間隙620の下端は、間隙610の下端よりも低い位置(半導体基板630に近い位置)にあるため、第1の方向から入射した光束670の成分と、第2の方向から入射した光束671の成分とを、電荷蓄積部633側と電荷蓄積部633側とに効率よく分けることができる。これにより、裏面照射型の固体撮像装置においても、画素間のクロストークを抑制でき、高精度な焦点検出を行うことが可能となる。
The
本実施形態で説明した画素600は、固体撮像装置60のすべての画素に適用してもよい。これに代えて、画素600を固体撮像装置60の一部の画素のみに適用し、他の画素は1つの受光領域のみを有していてもよい。1つの受光領域のみを有する画素は通常の信号処理を行い、焦点検出を行わない。このような画素は、間隙620及び画素内分離部637を有していなくてもよい。また、上述の構成において、遮光層690を含まなくてもよいし、間隙620を含まなくてもよい。カラーフィルタ161とカラーフィルタ162との間の間隙691は、第1実施形態〜第3実施形態にも適用可能である。
The
<その他の実施形態>
以下、上記の各実施形態に係る固体撮像装置の応用例として、この固体撮像装置が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に有する装置(例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末、自動車等)も含まれる。また、カメラはたとえばカメラヘッドなどのモジュール部品であってもよい。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、この固体撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部とを含む。この信号処理部は、例えば、固体撮像装置からで得られた信号に基づくデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。このデジタルデータを生成するためのA/D変換器を、固体撮像装置の半導体基板に設けてもよいし、別の半導体基板に設けてもよい。
<Other embodiments>
Hereinafter, as an application example of the solid-state imaging device according to each of the above embodiments, a camera in which the solid-state imaging device is incorporated will be exemplarily described. The concept of a camera includes not only a device mainly intended for photographing but also a device (for example, a personal computer, a portable terminal, a car, etc.) having a photographing function as an auxiliary. The camera may be a module component such as a camera head. The camera includes a solid-state imaging device according to the present invention exemplified as the above-described embodiment, and a signal processing unit that processes a signal output from the solid-state imaging device. The signal processing unit can include, for example, a processor that processes digital data based on a signal obtained from the solid-state imaging device. The A / D converter for generating the digital data may be provided on the semiconductor substrate of the solid-state imaging device, or may be provided on another semiconductor substrate.
10 固体撮像装置、100 画素、102,103 受光領域、110,120 間隙、130 半導体基板、180 導光構造
DESCRIPTION OF
Claims (14)
半導体基板と、
前記半導体基板の受光面側に位置する導光構造とを備え、
前記複数の画素の少なくとも1つは、焦点検出のための信号を生成するために複数の光電変換素子を前記半導体基板に有し、
前記導光構造は、画素間の光路を規定する第1間隙と、前記複数の光電変換素子を有する画素内の光路を規定する第2間隙とを有し、
前記第2間隙の前記半導体基板とは反対側の端と前記半導体基板の前記受光面との距離は、前記第1間隙の前記半導体基板とは反対側の端と前記半導体基板の前記受光面との距離よりも短いことを特徴とする固体撮像装置。 A solid-state imaging device having a plurality of pixels,
A semiconductor substrate;
A light guide structure located on the light receiving surface side of the semiconductor substrate,
At least one of the plurality of pixels has a plurality of photoelectric conversion elements on the semiconductor substrate to generate a signal for focus detection,
The light guide structure has a first gap that defines an optical path between pixels, and a second gap that defines an optical path in a pixel having the plurality of photoelectric conversion elements;
The distance between the end of the second gap opposite to the semiconductor substrate and the light receiving surface of the semiconductor substrate is the distance between the end of the first gap opposite to the semiconductor substrate and the light receiving surface of the semiconductor substrate. A solid-state imaging device characterized by being shorter than the distance.
半導体基板と、
前記半導体基板の受光面側に位置する導光構造とを備え、
前記複数の画素の少なくとも1つは、焦点検出のための信号を生成するために複数の光電変換素子を前記半導体基板に有し、
前記導光構造は、画素間の光路を規定する第1間隙と、前記複数の光電変換素子を有する画素内の光路を規定する第2間隙とを有し、
前記第1間隙の幅は、前記第2間隙の幅よりも広いことを特徴とする固体撮像装置。 A solid-state imaging device having a plurality of pixels,
A semiconductor substrate;
A light guide structure located on the light receiving surface side of the semiconductor substrate,
At least one of the plurality of pixels has a plurality of photoelectric conversion elements on the semiconductor substrate to generate a signal for focus detection,
The light guide structure has a first gap that defines an optical path between pixels, and a second gap that defines an optical path in a pixel having the plurality of photoelectric conversion elements;
The width of the first gap is wider than the width of the second gap.
前記第1画素の光路を規定する前記第2間隙は、前記半導体基板の前記受光面に対する平面視において第1方向に延びており、
前記第2画素の光路を規定する前記第2間隙は、前記平面視において前記第1方向とは異なる第2方向に延びていることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の固体撮像装置。 The at least one pixel includes a first pixel and a second pixel;
The second gap defining the optical path of the first pixel extends in a first direction in a plan view with respect to the light receiving surface of the semiconductor substrate,
The second gap that defines the optical path of the second pixel extends in a second direction different from the first direction in the plan view. Solid-state imaging device.
前記第1間隙及び前記第2間隙は前記層間絶縁層に含まれることを特徴とする請求項1乃至9の何れか1項に記載の固体撮像装置。 The light guide structure further includes a wiring layer and an interlayer insulating layer,
10. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first gap and the second gap are included in the interlayer insulating layer. 11.
半導体基板と、
前記半導体基板の受光面側に位置する導光構造と、
前記半導体基板の前記受光面とは反対側に位置する配線層及び層間絶縁層とを備え、
前記複数の画素の少なくとも1つは、焦点検出のための信号を生成するために複数の光電変換素子を前記半導体基板に有し、
前記導光構造は、各画素の光路を規定する第1間隙を有することを特徴とする固体撮像装置。 A solid-state imaging device having a plurality of pixels,
A semiconductor substrate;
A light guide structure located on the light receiving surface side of the semiconductor substrate;
A wiring layer and an interlayer insulating layer located on the opposite side of the light receiving surface of the semiconductor substrate;
At least one of the plurality of pixels has a plurality of photoelectric conversion elements on the semiconductor substrate to generate a signal for focus detection,
The solid-state imaging device, wherein the light guide structure has a first gap that defines an optical path of each pixel.
前記固体撮像装置によって得られた信号を処理する信号処理部と、
を備えることを特徴とするカメラ。 A solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 13,
A signal processing unit for processing a signal obtained by the solid-state imaging device;
A camera comprising:
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