(57)【要約】【課題】量子効率の入射角の依存性を向上させることができる固体撮像装置とその製造方法とを提供する。【解決手段】複数の画素ＰＩＸがマトリクス誦に配置された画素領域ＳＲＥでは、焦点を検出する像面位相差検出画素ＡＦＰ１、ＡＦＰ２が配置されている。像面位相差検出画素ＡＦＰ１、ＡＦＰ２のそれぞれでは、回折格子が形成されている回折格子形成部ＤＦＲと、回折格子が形成されていない回折格子非形成部ＮＤＦＲとが規定されている。回折格子として、四角錐形状の凹凸界面を有するピラミッド型の回折格子が形成されている。【選択図】図３
2020080342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する第１主面および第２主面を有する第１基板と、
前記第１基板に規定され、回折格子を有する回折格子形成画素を含む複数の画素が配置された第１画素領域と
を有し、
前記回折格子形成画素は第１画素を含み、
前記第１画素は、
前記第２主面の側から入射する第１波長を有する第１光を光電変換することによって第１画素信号を生成する第１光電変換部と、
前記第２主面の側に配置され、入射した前記第１光を回折させる前記回折格子としての第１回折格子が形成された第１回折格子形成部と、
前記第１回折格子形成部と隣接するように前記第２主面の側に配置され、前記第１回折格子が形成されていない第１回折格子非形成部と、
前記第１光電変換部を取り囲む態様で、前記第２主面の側から前記第１主面の側に向かって延在するように形成され、回折した前記第１光を前記第１光電変換部へ向けて反射させる第１反射部と
を備えた、固体撮像装置。
【請求項２】
前記回折格子形成画素は第２画素を含み、
前記第２画素は、
前記第２主面の側から入射する前記第１光を光電変換することによって第２画素信号を生成する第２光電変換部と、
前記第２主面の側に配置され、入射した前記第１光を回折させる前記回折格子としての第２回折格子が形成された第２回折格子形成部と、
前記第２回折格子形成部と隣接するように前記第２主面の側に配置され、前記第２回折格子が形成されていない第２回折格子非形成部と、
前記第２光電変換部を取り囲む態様で、前記第２主面の側から前記第１主面の側に向かって延在するように形成され、回折した前記第１光を前記第２光電変換部へ向けて反射させる第２反射部と
を備え
複数の前記画素は、マトリクス状に配置され、
前記第１画素と前記第２画素とは、同一の行または同一の列の少なくともいずれかの位置に配置された、請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
複数の前記画素は、マトリクス状に配置され、
前記第１画素は、前記第１回折格子形成部が前記第１画素領域の外縁側に位置する態様で、最外周に配置された、請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
互いに対向する第３主面および第４主面を有し、前記第１基板における前記第２主面の側に前記第３主面が接合された第２基板と、
前記第１画素領域と対向するように、前記第２基板に規定された第２画素領域と、
前記第２画素領域に形成され、前記第４主面の側から入射した光のうち、前記第１波長よりも短い第２波長を有する第２光を光電変換することによって第３画素信号を生成する第３光電変換部と
を備え、
前記第１画素へは、前記第４主面の側から入射した前記光のうち、前記第２基板を透過した前記第１光が、前記第２主面の側から入射する、請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記回折格子は、四角錐形状の凹凸界面を含む、請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記第１基板はシリコン単結晶基板であり、
前記四角錐形状の凹凸界面は、結晶面としてＳｉ（１１１）面を含む、請求項５記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第１光電変換部に対して、前記第１主面の側に位置する前記第１基板の部分に形成され、前記第２主面の側から入射する前記第１光を前記第２主面の側に向けて反射する第３反射部を備えた、請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項８】
互いに対向する第１主面および第２主面を有する第１基板を用意する工程と、
前記第１基板に第１画素領域を規定する工程と、
前記第１画素領域に、回折格子を有する回折格子形成画素を含む複数の画素を形成する工程と
を有し、
前記回折格子形成画素を形成する工程は、第１画素を形成する工程を含み、
前記第１画素を形成する工程は、
前記第１画素領域における第１領域に、前記第２主面の側から入射する第１波長を有する第１光を光電変換することによって、第１画素信号を生成する第１光電変換部を形成する工程と、
前記第１領域における前記第２主面の側を第１領域第１部と第１領域第２部とに区切り、前記第１領域第２部をマスクした状態で写真製版処理およびエッチング処理を行うことによって、前記第１領域第１部に、入射した前記第１光を回折させる前記回折格子としての第１回折格子を形成する工程と、
前記第１領域に、前記第１光電変換部を取り囲む態様で前記第２主面の側から前記第１主面の側に向かって延在し、回折した前記第１光を前記第１光電変換部へ向けて反射させる第１反射部を形成する工程と
を備えた、固体撮像装置の製造方法。
【請求項９】
回折格子形成画素を形成する工程は、第２画素を形成する工程を含み、
複数の前記画素を形成する工程は、前記第１画素および前記第２画素を含む複数の前記画素をマトリクス状に配置する工程を含み、
前記第２画素を形成する工程は、
前記第１光電変換部と同じ行および同じ列の少なくともいずれかに位置する前記第１画素領域における第２領域に、前記第１光を光電変換することによって、第２画素信号を生成する第２光電変換部を形成する工程と、
前記第２領域における前記第２主面の側を第２領域第１部と第２領域第２部とに区切り、前記第２領域第２部をマスクした状態で前記写真製版処理および前記エッチング処理を行うことによって、前記第２領域第１部に、入射した前記第１光を回折させる前記回折格子としての第２回折格子を形成する工程と、
前記第２領域に、前記第２光電変換部を取り囲む態様で前記第２主面の側から前記第１主面の側に向かって延在し、回折した前記第１光を前記第２光電変換部へ向けて反射させる第２反射部を形成する工程と
を備えた、請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１０】
複数の前記画素を形成する工程は、複数の前記画素を、前記第１画素領域内にマトリクス状に配置する工程を含み、
前記第１画素を形成する工程は、前記第１回折格子が形成される前記第１領域第１部が前記第１画素領域の外縁側に位置する態様で、前記第１光電変換部を最外周に形成する工程を備えた、請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１１】
互いに対向する第３主面および第４主面を有する第２基板を用意する工程と、
前記第２基板に第２画素領域を規定する工程と、
前記第２画素領域に、前記第４主面の側から入射した光のうち、前記第１波長よりも短い第２波長を有する第２光を光電変換することによって第３画素信号を生成する第３光電変換部を形成する工程と、
前記第１画素領域と前記第２画素領域とが対向する態様で、前記第１基板の前記第２主面の側と、前記第２基板の第３主面の側とを接合する工程と
を備えた、請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第１基板を用意する工程は、シリコン単結晶基板を用意する工程を含み、
前記回折格子を形成する工程は、前記写真製版処理および前記エッチング処理を行い、結晶面としてＳｉ（１１１）面を露出することによって、四角錐形状の凹凸界面を形成する工程を含む、請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
【請求項１３】
前記第１光電変換部に対して、前記第１主面の側に位置する前記第１基板の部分に、前記第２主面の側から入射する前記第１光を前記第２主面の側に向けて反射する第３反射部を形成する工程を備えた、請求項８記載の固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置およびその製造方法に関し、たとえば、回折格子を備えた固体撮像装置に好適に利用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
カメラ等の固体撮像装置では、焦点を合わせる方法の一つとして、像面位相差を検出する方法がある。像面位相差を検出する手法を適用した固体撮像装置を開示した文献として、たとえば、特許文献１および特許文献２がある。この種の固体撮像装置では、画像を撮像する通常の画素の中に、像面位相差を検出する一対の像面位相差検出画素が、画素領域における所定の位置に配置されている。
【０００３】
一対の像面位相差検出画素のそれぞれでは、一部の光を遮光させながら入射した光によって出力される画像信号の入射角度の依存性が測定される。一対の像面位相差検出画素のうちの一方の像面位相差検出画素によって出力される画像信号の入射角度の依存性と、他方の像面位相差検出画素によって出力される画像信号の入射角度の依存性とを比較することによって、焦点を合わせるためのレンズを動かす操作が行われることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１３４２６５号公報
【特許文献２】ＷＯ ２０１６/１９４６５４号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】I.Oshiyama et al., “Near-infrared Sensitivity Enhancement of a Back-illuminated Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor with a Pyramid Surface for Diffraction Structure” IEDM,397,(2017).
【非特許文献２】Y.Kagawa et al., “Novel Stacked CMOS Image Sensor with Advanced Cu2Cu Hybrid Bonding” IEDM, session 8. 4, (2016).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
固体撮像装置における像面位相差検出画素では、一部の光を遮光させながら光を入射させるために、開口部を設けた金属の遮光膜が形成されている。このため、像面位相差検出画素では、金属の遮光膜が形成されていない通常の画素に比べて、入射する光の量が低下し、像面位相差検出画素によって出力される画像信号の入射角の依存性が劣化（低下）することがある。特に、入射する光の強度が弱くなる夜間では、画素信号の入射角の依存性が劣化しやすくなり、オートフォーカスが正常に機能しないことが想定される。
【０００７】
また、複数の画素が配置された画素領域において、画素領域の中心部から離れた周辺部に位置する画素では、画素領域の中心部に位置する画素と比べて、主光線角度（ＣＲＡ：Chief Ray Angle）が大きくなる。このため、周辺部に位置する画素では、クロストークが大きくなり、中央部に位置する画素と比べて、出力される画像信号が劣化することがある。
【０００８】
像面位相差検出画素等から出力される画像信号は、画素に入射する光子（フォトン）の数に対するフォトダイオードに収集される光生成電子数の割合として定義される量子効率に対応する。固体撮像装置には、この量子効率の入射角の依存性を向上させることが求められている。すなわち、夜間においても、量子効率が大きくなることが求められている。また、主光線角度が大きい場合でも、量子効率が大きくなることが求められている。
【０００９】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付の図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一実施の形態に係る固体撮像装置は、第１基板と第１画素領域とを有する。第１基板は、互いに対向する第１主面および第２主面を有する。第１画素領域は、第１基板に規定され、回折格子を有する回折格子形成画素を含む複数の画素が配置されている。回折格子形成画素は第１画素を含む。第１画素は、第１光電変換部と第１回折格子形成部と第１回折格子非形成部と第１反射部とを備えている。第１光電変換部は、第２主面の側から入射する第１波長を有する第１光を光電変換することによって第１画素信号を生成する。第１回折格子形成部は、第２主面の側に配置され、入射した第１光を回折させる回折格子としての第１回折格子が形成されている。第１回折格子非形成部は、第１回折格子形成部と隣接するように第２主面の側に配置され、第１回折格子が形成されていない。第１反射部は、第１光電変換部を取り囲む態様で、第２主面の側から第１主面の側に向かって延在するように形成され、回折した第１光を第１光電変換部へ向けて反射させる。
【００１１】
他の実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法は、互いに対向する第１主面および第２主面を有する第１基板を用意する工程と、第１基板に第１画素領域を規定する工程と、第１画素領域に、回折格子を有する回折格子形成画素を含む複数の画素を形成する工程とを有する。回折格子形成画素を形成する工程は、第１画素を形成する工程を含む。第１画素を形成する工程は、以下の工程を備えている。第１画素領域における第１領域に、第２主面の側から入射する第１波長を有する第１光を光電変換することによって、第１画素信号を生成する第１光電変換部を形成する。第１領域における第２主面の側を第１領域第１部と第１領域第２部とに区切り、第１領域第２部をマスクした状態で写真製版処理およびエッチング処理を行うことによって、第１領域第１部に、入射した第１光を回折させる回折格子としての第１回折格子を形成する。第１領域に、第１光電変換部を取り囲む態様で第２主面の側から第１主面の側に向かって延在し、回折した第１光を第１光電変換部へ向けて反射させる第１反射部を形成する。
【発明の効果】
【００１２】
一実施の形態に係る固体撮像装置によれば、量子効率の入射角度依存性を向上させることができる。
【００１３】
他の実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法によれば、量子効率の入射角度依存性を向上させることができる固体撮像装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１に係る固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】同実施の形態において、単位画素の回路を示す図である。
【図３】同施の形態において、固体撮像装置の断面図である。
【図４】同実施の形態において、像面位相差検出画素を含む画素部の構造を模式的に示す部分拡大斜視図である。
【図５】同実施の形態において、画素領域における画素のレイアウトの一例を示す平面図である。
【図６】同実施の形態において、固体撮像装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図７】同実施の形態において、図６に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図８】同実施の形態において、図７に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図９】同実施の形態において、図８に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１０】同実施の形態において、図９に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１１】同実施の形態において、図１０に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１２】同実施の形態において、図１１に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１３】同実施の形態において、図１２に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１４】同実施の形態において、図１３に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１５】同実施の形態において、図１４に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１６】同実施の形態において、図１５に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１７】同実施の形態において、図１６に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１８】同実施の形態において、図１７に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図１９】同実施の形態において、図１８に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図２０】同実施の形態において、図１９に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図２１】同実施の形態において、図２０に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図２２】同実施の形態において、図２１に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図２３】同実施の形態において、図２２に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図２４】同実施の形態において、図２３に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図２５】同実施の形態において、図２４に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図２６】同実施の形態において、図２５に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図２７】同実施の形態において、図２６に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図２８】同実施の形態において、像面位相差検出画素によるオートフォーカスの原理を説明するための図である。
【図２９】同実施の形態において、固体撮像装置の像面位相差検出画素による量子効率の入射角の依存性の評価モデルおよび計算結果を、比較例の評価モデルおよび計算結果とともに示す第１の図である。
【図３０】同実施の形態において、固体撮像装置の像面位相差検出画素による量子効率の入射角の依存性の評価モデルおよび計算結果を、比較例の評価モデルおよび計算結果とともに示す第２の図である。
【図３１】同実施の形態において、図２９に示される量子効率の入射角の依存性の評価モデルおよび計算結果の一部と、図３０に示される量子効率の入射角の依存性の評価モデルおよび計算結果の一部とを取り出して示す図である。
【図３２】同実施の形態において、画素領域における像面位相差検出画素の配置パターンの第１例を示す部分平面図である。
【図３３】同実施の形態において、画素領域における像面位相差検出画素の配置パターンの第２例を示す部分平面図である。
【図３４】同実施の形態において、画素領域における像面位相差検出画素の配置パターンの第３例を示す部分平面図である。
【図３５】実施の形態２に係る固体撮像装置の画素領域における回折格子形成画素の配置パターンの一例を示す平面図である。
【図３６】同実施の形態において、固体撮像装置の画素領域のコーナーに配置される格子形成画素による量子効率の入射角の依存性の評価モデルおよび計算結果を、画素領域の中央部に配置される格子形成画素による量子効率の入射角の依存性の評価モデルおよび計算結果とともに示す図である。
【図３７】実施の形態３に係る固体撮像装置の断面図である。
【図３８】同実施の形態において、固体撮像装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図３９】同実施の形態において、図３８に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図４０】同実施の形態において、図３９に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図４１】同実施の形態において、図４０に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。
【図４２】同実施の形態において、固体撮像装置の動作の一例を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１
実施の形態１に係る固体撮像装置の一例について説明する。はじめに、固体撮像装置の全体構成について説明する。固体撮像装置は、たとえば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型イメージセンサである。
【００１６】
（固体撮像装置の全体構成）
図１に示すように、固体撮像装置ＳＩＳＤは、画素部ＰＩＲ、垂直駆動回路ＶＤＣ、カラム信号処理回路ＣＳＣ、水平駆動回路ＨＤＣ、出力回路ＯＵＣおよび制御回路ＣＴＣ等によって構成される。
【００１７】
画素部ＰＩＲには、複数の画素ＰＩＸが配置されている。複数の画素ＰＩＸでは、単位画素ＵＰＩＸが二次元アレイ状（マトリクス状）に配置されている。単位画素ＵＰＩＸでは、フォトダイオードと複数の画素トランジスタとが形成されている。画素部ＰＩＲでは、実際に入射した光を受光し、フォトダイオードによって光電変換された信号電荷が増幅される。
【００１８】
制御回路ＣＴＣでは、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ＶＤＣ、カラム信号処理回路ＣＳＣおよび水平駆動回路ＨＤＣ等の動作の基準となるクロック信号および制御信号等が生成される。生成されたクロック信号および制御信号等は、垂直駆動回路ＶＤＣ、カラム信号処理回路ＣＳＣおよび水平駆動回路ＨＤＣ等に入力される。
【００１９】
垂直駆動回路ＶＤＣは、たとえば、シフトレジスタによって構成されており、画素部ＰＩＲの単位画素ＵＰＩＸを行単位で順次垂直方向に選択走査する。各単位画素ＵＰＩＸのフォトダイオードにおいて受光した受光量に応じて生成された信号電荷に基づく画素信号を、垂直信号線ＶＳＬを通してカラム信号処理回路ＣＳＣに供給する。
【００２０】
カラム信号処理回路ＣＳＣは、たとえば、単位画素ＵＰＩＸの列ごとに配置されている。１行分の単位画素ＵＰＩＸのそれぞれから出力される信号を、単位画素の列ごとに黒基準画素領域（図示せず）からの信号によって、ノイズの除去および信号増幅等の信号処理を行う。なお、黒基準画素領域は、有効画素領域の周囲に形成される。カラム信号処理回路ＣＳＣの出力段と水平信号線ＨＳＬとの間には、水平選択スイッチ（図示せず）が設けられている。
【００２１】
水平駆動回路ＨＤＣは、たとえば、シフトレジスタによって構成されており、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路ＣＳＣのそれぞれを順番に選択し、カラム信号処理回路ＣＳＣのそれぞれから、画素信号を水平信号線ＨＳＬに出力させる。出力回路ＯＵＣは、カラム信号処理回路ＣＳＣのそれぞれから水平信号線ＨＳＬを通して、順次供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。
【００２２】
（単位画素の等価回路）
次に、画素ＰＩＸを構成する単位画素ＵＰＩＸ（図１参照）の等価回路について説明する。
【００２３】
図２に示すように、単位画素ＵＰＩＸは、１つのフォトダイオードＰＤと、４つの画素トランジスタとしてのＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタＴＲＳとによって構成される。４つのＭＯＳトランジスタＴＲＳとは、電荷読み出しトランジスタＴＴＲ、リセットトランジスタＲＴＲ、アンプトランジスタＡＴＲおよび垂直選択トランジスタＶＴＲである。
【００２４】
フォトダイオードＰＤが、電荷読み出しトランジスタＴＴＲの一方の主電極に電気的に接続されている。電荷読み出しトランジスタＴＴＲの他方の主電極が、リセットトランジスタＲＴＲの一方の主電極に電気的に接続されている。リセットトランジスタＲＴＲの他方の主電極が、アンプトランジスタＡＴＲの一方の主電極に電気的に接続されている。アンプトランジスタＡＴＲの他方の主電極が、垂直選択トランジスタＶＴＲの一方の主電極に電気的に接続されている。
【００２５】
電荷読み出しトランジスタＴＴＲとリセットトランジスタＲＴＲとの接続中点に対応する部分に、フローティング・ディフージョン（領域）が形成されている。そのフローティング・ディフージョンが、アンプトランジスタＡＴＲのゲート電極に電気的に接続されている。リセットトランジスタＲＴＲとアンプトランジスタＡＴＲとの接続中点が、電源配線ＰＷＬに電気的に接続されている。電源配線ＰＷＬは、電源ＶＤＤに電気的に接続されている。
【００２６】
垂直選択トランジスタＶＴＲの他方の主電極が、垂直信号線ＶＳＬに電気的に接続されている。垂直信号線ＶＳＬと水平信号線（図示せず）との間に、水平選択トランジスタＨＴＲが電気的に接続されている。電荷読み出しトランジスタＴＴＲのゲート電極には、垂直読み出しパルスφＴＧが印加される。リセットトランジスタＲＴＲのゲート電極には、リセットパルスφＲが印加される。垂直選択トランジスタＶＴＲのゲート電極には、垂直選択パルスφＳＥＬが印加される。固体撮像装置の画素ＰＩＸでは、このような単位画素ＵＰＩＸが、二次元のマトリクス状に配列されている。
【００２７】
単位画素ＵＰＩＸに光が入射すると、光電変換によってフォトダイオードＰＤに信号電荷（画素信号）が蓄積される。電荷読み出しトランジスタＴＴＲのゲート電極に垂直読み出しパルスφＴＧが印加されることにより、電荷読み出しトランジスタＴＴＲが導通し、フォトダイオードＰＤの信号電荷が、フローティング・ディフュージョンに転送されて、フローティング・ディフュージョンの電位が変化する。このフローティング・ディフュージョンの信号電圧が、アンプトランジスタＡＴＲのゲート電極に印加されて、アンプトランジスタＡＴＲによって信号電流に変換される。
【００２８】
一方、垂直選択トランジスタＶＴＲのゲート電極に、垂直選択パルスφＳＥＬが印加されることで、垂直選択トランジスタＶＴＲが導通し、信号電流が垂直信号線ＶＳＬに流れる。この信号電流は、水平選択パルスにより水平選択トランジスタＨＴＲを経て、水平信号線ＨＳＬ（図１参照）に流れ、出力回路ＯＵＣ（図１参照）から出力される。
【００２９】
（固体撮像装置の構造）
次に、実施の形態１に係る固体撮像装置の構造の一例について具体的に説明する。固体撮像装置は、裏面照射型（ＢＳＩ：Back Side Illumination）である。裏面照射型の固体撮像装置では、半導体基板の表面（第１主面）の側に形成されたフォトダイオードに対して、半導体基板の裏面（第２主面）の側から光を入射させる。
【００３０】
図３に示すように、半導体基板ＳＵＢ１には、素子分離絶縁膜ＥＩによって、デバイス領域ＤＲＥおよびパッド領域ＰＲＮが規定されている。さらに、デバイス領域ＤＲＥでは、画素領域ＳＲＥおよび周辺回路領域ＰＣＲとが規定されている。画素領域ＳＲＥには、画素部ＰＩＲ（図１参照）が形成されている。
【００３１】
画素領域ＳＲＥには、画素部ＰＩＲの画素ＰＩＸを構成する単位画素ＵＰＩＸのフォトダイオードＰＤおよび電荷読み出しトランジスタＴＴＲ等が形成されている。フォトダイオードＰＤは、互いに接合するｎ型領域ＮＲとｐ型領域ＰＲとによって形成されている。周辺回路領域ＰＣＲには、周辺トランジスタＰＴＲ等が形成されている。パッド領域ＰＲＮには、パッドメタルＰＭＥが形成されている。
【００３２】
半導体基板ＳＵＢ１の一方の主面（第１主面）の側には、金属配線と層間絶縁膜を含む多層配線構造体ＭＭＬが形成されている。電荷読み出しトランジスタＴＴＲ、周辺トランジスタＰＴＲおよびパッドメタルＰＭＥ等のそれぞれは、多層配線構造体ＭＭＬにおける所定の金属配線に電気的に接続されている。その多層配線構造体ＭＭＬには、支持基板ＳＳＢが接合されている。
【００３３】
画素ＰＩＸの構造について、さらに詳しく説明する。図３および図４に示すように、画素領域ＳＲＥに配置された複数の画素ＰＩＸのうち、焦点を検出する単位画素ＵＰＩＸとして、像面位相差検出画素ＡＦＰ１（第１画素）および像面位相差検出画素ＡＦＰ２（第２画素）が配置されている。
【００３４】
像面位相差検出画素ＡＦＰ１では、回折格子が形成されている回折格子形成部ＤＦＲ（第１回折格子形成部）と、回折格子が形成されていない回折格子非形成部ＮＤＦＲ（第１回折格子非形成部）とが規定されている。像面位相差検出画素ＡＦＰ２では、回折格子が形成されている回折格子形成部ＤＦＲ（第２回折格子形成部）と、回折格子が形成されていない回折格子非形成部ＮＤＦＲ（第２回折格子非形成部）とが規定されている。
【００３５】
回折格子として、たとえば、四角錐形状の凹凸界面を有するピラミッド型（ＰＴＩＤ：Pyramid Texture Interface for Diffraction）の回折格子が形成されている。なお、作図の都合上、図３では、Ｘ軸方向に３つのピラミッド型の回折格子を示し、図４では、Ｘ軸方向に２つのピラミッド型の回折格子を示す。後述するように、ピラミッド型の回折格子は、シリコンの結晶面としてＳｉ（１１１）面を露出することによって形成される。
【００３６】
像面位相差検出画素ＡＦＰ１には、第１回折格子ＰＴＩＤ１が形成されている。像面位相差検出画素ＡＦＰ２には、第２回折格子ＰＴＩＤ２が形成されている。像面位相差検出画素ＡＦＰ１と像面位相差検出画素ＡＦＰ２とは、たとえば、像面位相差検出画素ＡＦＰ１の回折格子非形成部ＮＤＦＲと、像面位相差検出画素ＡＦＰ２の回折格子非形成部ＮＤＦＲとが互いに隣り合う態様で配置されている。
【００３７】
図５に示すように、像面位相差検出画素ＡＦＰ１と像面位相差検出画素ＡＦＰ２とは、画素領域ＳＲＥにマトリクス状に配置された複数の画素ＰＩＸにおいて、同一の行または同一の列の少なくともいずれかの位置に配置されている。図３および図４に示すように、像面位相差検出画素ＡＦＰ１と像面位相差検出画素ＡＦＰ２とは、像面位相差検出画素ＡＦＰ１と像面位相差検出画素ＡＦＰ２との間に、他の画素を配置させない態様で配置されていてもよい。また、像面位相差検出画素ＡＦＰ１と像面位相差検出画素ＡＦＰ２との間に、他の画素（図示せず）を配置させた態様で配置されていてもよい。
【００３８】
（固体撮像装置の製造工程）
次に、上述した固体撮像装置の製造方法の一例について説明する。図６に示すように、まず、互いに対向する第１主面ＦＨ１および第２主面ＦＨ２を有する半導体基板ＳＵＢを用意する。次に、半導体基板ＳＵＢの第１主面ＦＨ１側に素子分離絶縁膜ＥＩを形成することによって、画素領域ＳＲＥおよび周辺回路領域ＰＣＲを含むデバイス領域ＤＲＥならびにパッド領域ＰＲＮがそれぞれ規定される。
【００３９】
次に、図７に示すように、たとえば、熱酸化法によって、半導体基板ＳＵＢの第１主面ＦＨ１にゲート絶縁膜ＧＩＦが形成される。次に、そのゲート絶縁膜ＧＩＦを覆うように、たとえば、ポリシリコン膜（図示せず）が形成される。次に、ポリシリコン膜に写真製版処理およびエッチング処理を行うことによって、ゲート電極ＴＧＥおよびゲート電極ＰＧＥ等が形成される。次に、図８に示すように、所定の写真製版処理とイオン注入処理を行うことによって、ｎ型領域ＮＲとｐ型領域ＰＲとを含むフォトダイオードＰＤが形成される。
【００４０】
次に、図９に示すように、ゲート電極ＴＧＥの側壁面等を覆うように、サイドウォール絶縁膜ＳＷＦが形成される。次に、ゲート電極ＴＧＥおよびサイドウォール絶縁膜ＳＷＦ等を注入マスクとして、イオン注入処理を行うことにより、フローティング・ディフュージョンＦＤＲおよびソース・ドレイン拡散層ＰＳＤが形成される。
【００４１】
これにより、画素領域ＳＲＥでは、ゲート電極ＴＧＥとフローティング・ディフュージョンＦＤＲとを有する電荷読み出しトランジスタＴＴＲが形成されることになる。周辺回路領域ＰＣＲでは、ゲート電極ＰＧＥとソース・ドレイン拡散層ＰＳＤとを有する周辺トランジスタＰＴＲが形成されることになる。
【００４２】
次に、図１０に示すように、電荷読み出しトランジスタＴＴＲおよび周辺トランジスタＰＴＲ等を覆うように、第１層間絶縁膜ＳＩ１が形成される。次に、その第１層間絶縁膜ＳＩ１に所定の写真製版処理およびエッチング処理を行うことにより、デバイス領域ＤＲＥにはコンタクトホール（図示せず）が形成される。
【００４３】
次に、コンタクトホールを埋め込む態様で、第１層間絶縁膜ＳＩ１を覆うように、導電膜（図示せず）が形成される。次に、導電膜にエッチング処理等を行うことにより、第１層間絶縁膜ＳＩ１の上面上に位置する導電膜の部分が除去される。デバイス領域ＤＲＥには、コンタクトホール内に残された導電膜の部分によって、コンタクトヴィアＳＣＶが形成される。
【００４４】
次に、図１１に示すように、第１層間絶縁膜ＳＩ１を覆うように、第２層間絶縁膜ＳＩ２が形成される。次に、たとえば、ダマシン法によって、デバイス領域ＤＲＥに、たとえば、銅膜を含む金属材料によって第１金属配線ＳＭ１が形成される。第１金属配線ＳＭ１はコンタクトヴィアＳＣＶと電気的に接続される。
【００４５】
次に、図１２に示すように、第２層間絶縁膜ＳＩ２を覆うように、第３層間絶縁膜ＳＩ３が形成される。次に、たとえば、ダマシン法によって、デバイス領域ＤＲＥに、第１ヴィアＳＶ１および第２金属配線ＳＭ２が形成される。第１ヴィアＳＶ１は、第１金属配線ＳＭ１と電気的に接続される。
【００４６】
次に、第３層間絶縁膜ＳＩ３を覆うように、第４層間絶縁膜ＳＩ４が形成される。次に、たとえば、ダマシン法によって、デバイス領域ＤＲＥに、第２ヴィアＳＶ２および第３金属配線ＳＭ３が形成される。第２ヴィアＳＶ２は、第２金属配線ＳＭ２と電気的に接続される。次に、第３金属配線ＳＭ３および第４層間絶縁膜ＳＩ４を覆うように、第５層間絶縁膜ＳＩ５が形成される。次に、図１３に示すように、第５層間絶縁膜ＳＩ５（図１２参照）の表面に、支持基板ＳＳＢが接合される。
【００４７】
次に、図１４に示すように、半導体基板ＳＵＢの第２主面ＦＨ２（裏面：図６参照）から研削を行うことによって、半導体基板ＳＵＢの厚さを薄くする。次に、図１５に示すように、半導体基板ＳＵＢの第２主面を覆うように、ハードマスクとなるシリコン酸化膜ＨＭが形成される。次に、シリコン酸化膜ＨＭを覆うように、反射防止膜ＡＲＦが形成される。次に、反射防止膜ＡＲＦを覆うように、シリコン酸化膜ＳＦが形成される。次に、シリコン酸化膜ＳＦの上にフォトレジストＲＰＰが塗布される。
【００４８】
次に、図１６に示すように、ピラミッド型の回折格子を形成するための所定の写真製版処理を行うことによって、フォトレジストＲＰＰのパターンが形成される。フォトレジストＲＰＰのパターンでは、回折格子形成部ＤＦＲに対応する領域（第１領域第１部、第２領域第１部）に、シリコン酸化膜ＳＦを露出する開口部が形成される。一方、回折格子非形成部ＮＤＦＲ（図３等参照）に対応する領域（第１領域第２部、第２領域第２部）は、フォトレジストＲＰＰによって覆われた状態にある。
【００４９】
次に、フォトレジストＲＰＰのパターンをエッチングマスクとして、たとえば、プラズマエッチング処理を行うことによって、シリコン酸化膜ＨＭのハードマスクとしてのパターンが形成される（図１７参照）。次に、図１７に示すように、ハードマスクとしてのシリコン酸化膜ＨＭをエッチングマスクとして、たとえば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液によるウェットエッチング処理が行われる。これにより、シリコンの結晶面としてＳｉ（１１１）面が露出する。次に、図１８に示すように、ハードマスクとしてのシリコン酸化膜ＨＭが除去される。この時点で、回折格子形成部ＤＦＲに対応する領域では、半導体基板ＳＵＢ１の表面には平らな部分が残されている。
【００５０】
次に、図１９に示すように、その半導体基板ＳＵＢ１の平らな表面の部分がなくなるまで、ウェットエッチング処理がさらに行われる。これにより、像面位相差検出画素ＡＦＰ１では、回折格子形成部ＤＦＲとして、四角錐形状のピラミッド型の第１回折格子ＰＴＩＤ１が選択的に形成される。一方、第１回折格子ＰＴＩＤ１が形成されない領域は、回折格子非形成部ＮＤＦＲとなる。像面位相差検出画素ＡＦＰ２では、回折格子形成部ＤＦＲとして、四角錐形状のピラミッド型の第２回折格子ＰＴＩＤ２が選択的に形成される。一方、第２回折格子ＰＴＩＤ２が形成されない領域は、回折格子非形成部ＮＤＦＲとなる。
【００５１】
次に、図２０に示すように、ピラミッド型の第１回折格子ＰＴＩＤ１の凹みの部分とピラミッド型の第２回折格子ＰＴＩＤ２の凹みの部分とを埋め込むように、埋め込み絶縁膜ＢＩＦが形成される。埋め込み絶縁膜ＢＩＦとして、暗電流対策のためにホールを誘起する多層膜が形成される。次に、図２１に示すように、半導体基板ＳＵＢの第２主面を覆うように、シリコン酸化膜ＳＯＦおよびシリコン窒化膜ＳＮＦが順次形成される。シリコン酸化膜ＳＯＦおよびシリコン窒化膜ＳＮＦは、反射防止膜となる。
【００５２】
次に、所定の写真製版処理およびエッチング処理を行うことによって、画素領域ＳＲＥにトレンチＴＲＣが形成される。トレンチＴＲＣは、平面視的に各画素ＰＩＸを取り囲むように形成される。次に、トレンチＴＲＣを埋め込むように、たとえば、タングステン膜（図示せず）が形成される。次に、たとえば、化学的機械研磨処理またはエッチング処理を行うことによって、シリコン窒化膜ＳＮＦの上面上に位置するタングステン膜の部分が除去される。
【００５３】
これにより、図２２に示すように、トレンチＴＲＣ内に残されたタングステン膜の部分によって、反射部ＤＴＩ１、ＤＴＩ２が形成される。反射部ＤＴＩ１、ＤＴＩ２は、半導体基板ＳＵＢ１の第２主面ＦＨ２の側から第１主面ＦＨ１（図６参照）の側に向かって筒状に延在する。反射部ＤＴＩ１、ＤＴＩ２は、像面位相差検出画素ＡＦＰ１、ＡＦＰ２によって回折された光を含む、画素ＰＩＸに入射してきた光を、フォトダイオードＰＤに向けて反射させる機能を有する。
【００５４】
次に、図２３に示すように、所定の写真製版処理およびエッチング処理を行うことによって、パッド領域ＰＲＮに、パッド接続孔ＰＣＯが形成される。次に、図２４に示すように、パッド接続孔ＰＣＯの側面に露出している半導体基板ＳＵＢ１の部分を覆うように、絶縁膜ＰＩＦが形成される。次に、パッド接続孔ＰＣＯ内に、パッドメタルＰＭＥが形成される。パッドメタルＰＭＥは、第１金属配線ＳＭ１（図１１参照）と電気的に接続される。
【００５５】
次に、半導体基板ＳＵＢ１を覆うように、たとえば、タングステン、アルミニウムまたは銅等の金属膜（図示せず）が形成される。次に、所定の写真製版処理およびエッチング処理が行われる。これにより、図２５に示すように、画素領域ＳＲＥにメタルグリッドＭＧＤが形成される。メタルグリッドＭＧＤは、画素ＰＩＸの境界に形成される。メタルグリッドＭＧＤは、クロストークを防止する機能を有する。
【００５６】
次に、半導体基板ＳＵＢ１を覆うように、シリコン酸化膜等の絶縁膜（図示せず）が形成される。次に、所定の写真製版処理およびエッチング処理が行われる。これにより、図２６に示すように、画素領域ＳＲＥに平坦化膜ＦＬＦが形成される。次に、図２７に示すように、平坦化膜ＦＬＦの上にマイクロレンズＭＬＥが形成される。これにより、固体撮像装置の主要部分が完成する。
【００５７】
（機能等）
上述した固体撮像装置ＳＩＳＤでは、回折格子形成部ＤＦＲおよび回折格子非形成部ＮＤＦＲをそれぞれ備えた像面位相差検出画素ＡＦＰ１、ＡＦＰ２が配置されている。発明者らのＭａｘｗｅｌｌ方程式を厳密に解く三次元の電磁界シミュレーションによる評価によれば、量子効率の入射角の依存性を向上させることができ、より精度の高いオートフォーカスを行うことができることが判明した。このことについて、金属遮光膜に開口部が形成された像面位相差検出画素の場合と比べて説明する。
【００５８】
まず、像面位相差検出画素によるオートフォーカスの原理について説明する。図２８に、固体撮像装置のレンズの焦点が画素領域ＳＲＥよりも前に位置している状態（前ピン）と、レンズの焦点が画素領域ＳＲＥに位置している状態（合焦）と、レンズの焦点が画素領域ＳＲＥよりも後に位置している状態（後ピン）とをそれぞれ示す。なお、画素領域ＳＲＥでは、各画素ごとにマイクロレンズ（図示せず）が配置されている。
【００５９】
画素領域ＳＲＥには、レンズの右半分を透過した光（光束）が入射する像面位相差検出画素（検出画素Ａ）と、レンズの左半分を透過した光（光束）が入射する像面位相差検出画素（検出画素Ｂ）とが配置されている。検出画素Ａによって撮像される像を検出画像Ａとし、検出画素Ｂによって撮像される像を検出画像Ｂとする。
【００６０】
前ピンの場合には、検出画像Ａは光軸よりも左側にシフトし、検出画像Ｂは光軸よりも右側にシフトする。後ピンの場合には、検出画像Ａは光軸よりも右側にシフトし、検出画像Ｂは光軸よりも左側にシフトする。合焦の場合には、検出画像Ａと検出画像Ｂとが最も重なることになる。検出画像Ａと検出画像Ｂとの相対的な位置を検出することで、合焦からのずれ量（デフォーカス量）が検出されて、レンズの焦点の位置が調整される。
【００６１】
次に、シミュレーションに適用した検出画素Ａ、Ｂの構造（モデル）について説明する。まず、実施の形態１に係る固体撮像装置ＳＩＳＤの像面位相差検出画素ＡＦＰ１、ＡＦＰ２について説明する。図２９の上段に示すように、検出画素Ａとして、像面位相差検出画素ＡＦＰ１を設定した。像面位相差検出画素ＡＦＰ１では、Ｘ軸方向の中心に対して、Ｘ軸負側（向かって左側）の領域に、第１回折格子ＰＴＩＤ１が形成された回折格子形成部ＤＦＲを設定し、残りの領域に、回折格子非形成部ＮＤＦＲを設定した。第１回折格子ＰＴＩＤ１として設定した四角錐形状の回折格子の数として、Ｘ軸方向に１つの回折格子に設定し、Ｙ軸方向に４つの回折格子を設定した（１×４）。また、回折格子のピッチ（四角錐形状の底面に対応する部分の一辺の長さ）を、４００ｎｍに設定した。
【００６２】
また、検出画素Ｂとして像面位相差検出画素ＡＦＰ２を設定した。像面位相差検出画素ＡＦＰ２では、Ｘ軸方向の中心に対して、Ｘ軸正側（向かって右側）の領域に、第２回折格子ＰＴＩＤ２が形成された回折格子形成部ＤＦＲを設定し、残りの領域に、回折格子非形成部ＮＤＦＲを設定した。第２回折格子ＰＴＩＤ２として設定した四角錐形状の回折格子の数として、Ｘ軸方向に１つの回折格子を設定し、Ｙ軸方向に４つの回折格子を設定した（１×４）。また、回折格子のピッチ（四角錐形状の底面に対応する部分の一辺の長さ）を、４００ｎｍに設定した。
【００６３】
次に、比較例（リファレンス）について説明する。図２９の中段に示すように、リファレンスの検出画素Ａとして、金属の遮光膜を適用した像面位相差検出画素ＲＡＦＬを設定した。像面位相差検出画素ＲＡＦＬでは、Ｘ軸方向の中心に対して、Ｘ軸負側（向かって左側）の領域に、遮光膜ＬＳＦに開口部ＳＰが形成された状態を設定し、Ｘ軸正側（向かって右側）の領域に、遮光膜ＬＳＦによって覆われた状態を設定した。
【００６４】
また、リファレンスの検出画素Ｂとして、金属の遮光膜を適用した像面位相差検出画素ＲＡＦＲを設定した。像面位相差検出画素ＲＡＦＲでは、Ｘ軸方向の中心に対して、Ｘ軸負側（向かって左側）の領域に、遮光膜ＬＳＦによって覆われた状態を設定し、Ｘ軸正側（向かって右側）の領域に、遮光膜ＬＳＦに開口部ＳＰが形成された状態を設定した。
【００６５】
図２９の下段に、像面位相差検出画素ＡＦＰ１によって検出される検出画像Ａの量子効率の入射角の依存性のグラフＧＡと、像面位相差検出画素ＡＦＰ２によって検出される検出画像Ｂの量子効率の入射角の依存性のグラフＧＢとを示す。リファレンスとして、像面位相差検出画素ＲＡＦＬによって検出される検出画像Ａの量子効率の入射角の依存性のグラフＲＡと、像面位相差検出画素ＲＡＦＲによって検出される検出画像Ｂの量子効率の入射角の依存性のグラフＲＢとを示す。光の波長を８５０ｎｍに設定した。入射角θは、Ｘ−Ｚ面内において変化させた。グラフの横軸は入射角θである。グラフの縦軸は量子効率であり、感度に対応する。
【００６６】
検出画素Ａとして、像面位相差検出画素ＡＦＰ１と像面位相差検出画素ＲＡＦＬとを比較する。像面位相差検出画素ＲＡＦＬでは、入射角−θから入射角＋θに変化するにしたがい、量子効率は徐々に低くなってくることがわかる。一方、像面位相差検出画素ＡＦＰ１では、入射角−θから入射角０°に変化するにしたがい、量子効率は徐々に低くなり、入射角０°から入射角＋θに変化するにしたがい、量子効率は徐々に高くなることがわかる。
【００６７】
また、入射角−θから入射角＋θにわたり、像面位相差検出画素ＡＦＰ１の量子効率は、像面位相差検出画素ＲＡＦＬの量子効率よりも高いことがわかる。このシミュレーションによる評価結果から、像面位相差検出画素ＡＦＰ１では、像面位相差検出画素ＲＡＦＬに比べて、量子効率の入射角の依存性が大幅に向上することがわかった。
【００６８】
検出画素Ｂとして、像面位相差検出画素ＡＦＰ２と像面位相差検出画素ＲＡＦＲとを比較する。像面位相差検出画素ＲＡＦＲでは、入射角−θから入射角＋θに変化するにしたがい、量子効率は徐々に高くなってくることがわかる。一方、像面位相差検出画素ＡＦＰ２では、入射角−θから入射角０°に変化するにしたがい、量子効率は徐々に低くなり、入射角０°から入射角＋θに変化するにしたがい、量子効率は徐々に高くなることがわかる。
【００６９】
また、入射角−θから入射角＋θにわたり、像面位相差検出画素ＡＦＰ２の量子効率は、像面位相差検出画素ＲＡＦＲの量子効率よりも高いことがわかる。このシミュレーションによる評価結果から、像面位相差検出画素ＡＦＰ２では、像面位相差検出画素ＲＡＦＲに比べて、量子効率の入射角の依存性が大幅に向上することがわかった。
【００７０】
この評価結果について、発明者らは次のように考えた。像面位相差検出画素ＡＦＰ１では、第１回折格子ＰＴＩＤ１によって、入射した光が回折される。回折した光は、反射部ＤＴＩ１によって、フォトダイオードＰＤへ向かうように多重反射されることになる。さらに、フォトダイオードＰＤ（半導体基板ＳＵＢ１の部分）を透過した光は、反射部ＢＦＲによって、フォトダイオードＰＤに向けて反射される。こうして、像面位相差検出画素ＡＦＰ１では、回折光が多重反射等することで、入射した光が直進する場合と比べて光路長が長くなる。
【００７１】
また、像面位相差検出画素ＡＦＰ２では、第２回折格子ＰＴＩＤ２によって、入射した光が回折される。回折した光は、反射部ＤＴＩ２によって、フォトダイオードＰＤへ向かうように多重反射されることになる。さらに、フォトダイオードＰＤ（半導体基板ＳＵＢ１の部分）を透過した光は、反射部ＢＦＲによって、フォトダイオードＰＤに向けて反射される。こうして、像面位相差検出画素ＡＦＰ１では、回折光が多重反射等することで、入射した光が直進する場合と比べて光路長が長くなる。こうして、像面位相差検出画素ＡＦＰ２では、回折光が多重反射等することで、入射した光が直進する場合と比べて光路長が長くなる。
【００７２】
入射した光の光路長が長くなることで、像面位相差検出画素ＡＦＰ１、ＡＦＰ２のそれぞれに入射する光（光子（フォトン））の数に対して、フォトダイオードＰＤに収集されて生成される光生成電子数の割合（量子効率）が高くなると考えられる。特に、入射する光の量が少なくなる暗所において、像面位相差検出画素ＡＦＰ１、ＡＦＰ２のそれぞれに入射した赤外線による量子効率の向上を図ることができる。
【００７３】
また、像面位相差検出画素ＡＦＰ１、ＡＦＰ２のそれぞれにおける回折格子非形成部ＮＤＦＲでは、金属の遮光膜は形成されていない。このため、像面位相差検出画素ＡＦＰ１、ＡＦＰ２に入射する光の量は、金属の遮光膜が形成された比較例に係る像面位相差検出画素ＲＡＦＬ、ＲＡＦＲに入射する光の量よりも多くなることも、量子効率の向上に寄与すると考えられる。
【００７４】
以上の評価結果と考察とを踏まえて、発明者らは、実施の形態１に係る固体撮像装置ＳＩＳＤでは、特に、暗所における撮像の際に、精度の高いオートフォーカスを機能させることができると考えた。なお、シミュレーションでは、近赤外線の波長（８５０ｎｍ）を適用した。固体撮像装置ＳＩＳＤでは、撮像する画像の波長によって、回折格子のピッチ（四角錐形状の底面に対応する部分の一辺の長さ）を適宜変更することで、量子効率を向上させることができ、精度の高いオートフォーカスに寄与することができる。
【００７５】
（変形例）
変形例に係る固体撮像装置として、回折格子の配置のバリエーションの一例について説明する。
【００７６】
まず、シミュレーションに適用した検出画素Ａ、Ｂの構造（モデル）について説明する。図３０の上段に示すように、検出画素Ａとしての像面位相差検出画素ＡＦＰ１の第１回折格子ＰＴＩＤ１１には、図２９の上段に示される像面位相差検出画素ＡＦＰ１の第１回折格子ＰＴＩＤ１に加えて、さらに、２つの回折格子を設定した（（１×４）＋（１×２））。また、回折格子のピッチ（四角錐形状の底面に対応する部分の一辺の長さ）を、４００ｎｍに設定した。
【００７７】
検出画素Ｂとしての像面位相差検出画素ＡＦＰ２の第２回折格子ＰＴＩＤ２２には、図２９の上段に示される像面位相差検出画素ＡＦＰ２の第２回折格子ＰＴＩＤ２に加えて、さらに、２つの回折格子を設定した（（１×４）＋（１×２））。また、回折格子のピッチ（四角錐形状の底面に対応する部分の一辺の長さ）を、４００ｎｍに設定した。一方、図３０の中段に示すように、比較例（リファレンス）は、図２９の中段に示されるのと同様に、像面位相差検出画素ＲＡＦＬと像面位相差検出画素ＲＡＦＲとを設定した。
【００７８】
図３０の下段に、像面位相差検出画素ＡＦＰ１によって検出される検出画像Ａの量子効率の入射角の依存性のグラフＧＡＡと、像面位相差検出画素ＡＦＰ２によって検出される検出画像Ｂの量子効率の入射角の依存性のグラフＧＢＢとを、リファレンスのグラフＲＡ、ＲＢとともに示す。グラフＧＡＡ、ＧＢＢに示されるように、前述した固体撮像装置の場合と同様に、入射角−θから入射角＋θにわたり、像面位相差検出画素ＡＦＰ１、ＡＦＰ２の量子効率は、リファレンスの像面位相差検出画素ＲＡＦＬ、ＲＡＦＲの量子効率よりも高いことがわかる。これにより、変形例に係る固体撮像装置においても、前述した固体撮像装置の場合と同様に、精度の高いオートフォーカスを行うことができる。
【００７９】
さらに、変形例に係る固体撮像装置と前述した固体撮像装置とを比べる。図３１に示すように、たとえば、グラフＧＢＢとグラフＧＢとを比較すると、第２回折格子ＰＴＩＤ２２が形成された像面位相差検出画素ＡＦＰ２では、第２回折格子ＰＴＩＤ２が形成された像面位相差検出画素ＡＦＰ２と比べて、量子効率が向上していることがわかる。このことから、変形例に係る固体撮像装置では、前述した固体撮像装置に比べて、特に、暗い場所において、精度の高いオートフォーカスの機能を発揮させることができる。また、量子効率と入射角とが１対１に対応する関数になるため、入射角を判定する後段の回路を簡略化することができ、精度の高いオートフォーカスの機能を発揮させることができる。
【００８０】
（像面位相差検出画素の配置）
（第１配置例）
第１配置例では、近赤外線を受光するモノクロ検出用の画素がマトリクス状に配置された固体撮像装置の一例について説明する。
【００８１】
図３２に示すように、固体撮像装置の画素部ＰＩＲでは、画素領域ＳＲＥに、近赤外線を受光するモノクロ検出用の画素ＰＩＸが、マトリクス状に配置されている。マトリクス状に配置される複数の画素ＰＩＸのうち、同一の行または列に、一対の像面位相差検出画素ＡＦＰ１と像面位相差検出画素ＡＦＰ２とが配置されている。
【００８２】
像面位相差検出画素ＡＦＰ１および像面位相差検出画素ＡＦＰ２のそれぞれでは、回折格子形成部ＤＦＲと回折格子非形成部ＮＤＦＲとが配置されている。回折格子形成部ＤＦＲには、四角錐形状の界面を有する回折格子が形成されている。これにより、上述したように、赤外線のモノクロ画像を撮像する際に、一対の像面位相差検出画素ＡＦＰ１と像面位相差検出画素ＡＦＰ２とによって、精度の高いオートフォーカスを行うことができる。
【００８３】
（第２配置例）
第２配置例では、カラー仕様の画素がマトリクス状に配置された固体撮像装置について説明する。カラー仕様の固体撮像装置では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の３色のうちのいずれか１色のカラーフィルター層が配置されている。カラーフィルター層の配置のさせ方（パターン）にベイヤ配列がある。ベイヤ配列では、マトリクス状に配置される画素の行方向には、一つの画素おきに緑のカラーフィルター層が配置されている。また、画素の列方向には、一つの画素おきに緑のカラーフィルター層が配置されている。
【００８４】
図３３および図３４のそれぞれに、ベイヤ―配列されたカラーフィルター層を備えた画素部ＰＩＲの例を示す。図３３および図３４のそれぞれでは、赤のカラーフィルター層が配置された画素ＰＩＸが、「Ｒ」で示されている。緑のカラーフィルター層が配置された画素ＰＩＸが、「Ｇｂ」または「Ｇｒ」で示されている。青のカラーフィルター層が配置された画素ＰＩＸが、「Ｂ」で示されている。なお、「Ｇｒ」は、「Ｒ」の隣に配置されている、緑のカラーフィルター層が配置された画素ＰＩＸを示す。「Ｇｂ」は、「Ｂ」の隣に配置されている、緑のカラーフィルター層が配置された画素ＰＩＸを示す。
【００８５】
図３３に示す固体撮像装置では、マトリクス状に配置される画素ＰＩＸのうち、「Ｂ」の隣に配置されている、緑のカラーフィルター層が配置された画素ＰＩＸ（「Ｇｂ」）が、像面位相差検出画素ＡＦＰ１または像面位相差検出画素ＡＦＰ２に置き換えられている。一対の像面位相差検出画素ＡＦＰ１および像面位相差検出画素ＡＦＰ２は、同一の行または列に配置されている。
【００８６】
図３４に示す固体撮像装置では、マトリクス状に配置される画素ＰＩＸのうち、「Ｒ」の隣に配置されている、緑のカラーフィルター層が配置された画素ＰＩＸ（「Ｇｒ」）が、像面位相差検出画素ＡＦＰ１または像面位相差検出画素ＡＦＰ２に置き換えられている。一対の像面位相差検出画素ＡＦＰ１および像面位相差検出画素ＡＦＰ２は、同一の行または列に配置されている。
【００８７】
像面位相差検出画素ＡＦＰ１および像面位相差検出画素ＡＦＰ２のそれぞれでは、回折格子形成部ＤＦＲと回折格子非形成部ＮＤＦＲとが配置されている。回折格子形成部ＤＦＲには、四角錐形状の界面を有する回折格子が形成されている。これにより、上述したように、カラーの画像を撮影する際に、一対の像面位相差検出画素ＡＦＰ１と像面位相差検出画素ＡＦＰ２とによって、精度の高いオートフォーカスを行うことができる。
【００８８】
実施の形態２
前述した固体撮像装置では、回折格子が形成された回折格子形成部と、回折格子が形成されていない回折格子非形成部とが配置された画素を、像面位相差検出画素に適用する場合について説明した。ここでは、そのような画素を、画素領域の外縁に沿って配置させた固体撮像装置の一例について説明する。
【００８９】
カメラ等の固体撮像装置では、薄型化が求められており、薄型化に伴って、固体撮像装置のレンズと画素部との距離が短くなる。このため、画素部の画素領域の周辺に配置された画素では、画素領域の中央に配置された画素に比べて、画素に入射する光の入射角が非常に大きくなる。
【００９０】
画素に入射する光の入射角が大きくなると、入射した光がその画素に隣接する他の画素に入射してしまい、たとえば、光（色）が混ざる等のクロストークが発生することがある。また、画素において光を集める集光能力（集光率）が低下することがある。このため、画素領域の周辺に配置された画素の量子効率が、画素領域の中央に配置された画素の量子効率よりも低くなり、輝度ムラ（シェーディング）が顕著になる。
【００９１】
図３５に示すように、実施の形態２に係る固体撮像装置における画素部ＰＩＲの画素領域ＳＲＥには、画素ＰＩＸが、マトリクス状に配置されている。複数の画素ＰＩＸは、回折格子形成画素ＰＤＮを含む。回折格子形成画素ＰＤＮには、回折格子が形成された回折格子形成部ＤＦＲと、回折格子が形成されていない回折格子非形成部ＮＤＦＲとが配置されている。
【００９２】
回折格子形成画素ＰＤＮは、画素領域ＳＲＥの外縁（周辺）に沿って配置されている。画素領域ＳＲＥの四隅に配置された回折格子形成画素ＰＤＮでは、回折格子形成部ＤＦＲは、画素領域ＳＲＥのコーナー側に位置するように配置されている。画素領域ＳＲＥのコーナー以外の画素領域ＳＲＥの外縁に沿って配置された回折格子形成画素ＰＤＮでは、回折格子形成部ＤＦＲは、画素領域ＳＲＥの外縁側に位置するように配置されている。なお、上述した固体撮像装置は、回折格子の配置パターンを変更するだけで、前述した固体撮像装置の製造方法と実質的に同じ製造方法によって製造することができる。
【００９３】
図３６の上段に示すように、画素領域ＳＲＥでは、画素領域ＳＲＥの中央に位置する画素ＰＩＸから離れるにしたがい、主光線角度θが大きくなる。このため、画素領域ＳＲＥにおける外周（外縁側）に配置された画素ＰＩＸでは、主光線角度θが大きくなることに伴ってクロストーク等が発生しやすくなり、量子効率が低下することがある。
【００９４】
上述した固体撮像装置では、回折格子形成画素ＰＤＮが、画素領域ＳＲＥの外縁に沿って配置されている。発明者らのＭａｘｗｅｌｌ方程式を厳密に解く三次元の電磁界シミュレーションによる評価によれば、量子効率の入射角の依存性を向上させることができ、シェーディングを抑制できることが判明した。このことについて説明する。
【００９５】
まず、シミュレーションに適用した回折格子形成画素の構造（モデル）について説明する。図３６の中段に示すように、画素領域ＳＲＥのコーナーに配置される回折格子形成画素ＰＤＮＫを設定した。回折格子形成画素ＰＤＮＫでは、画素領域ＳＲＥにおけるコーナー側に対応する部分に、四角錐形状の界面を有する回折格子を設定した。回折格子の数として、Ｘ軸方向に２つの回折格子を設定し、Ｙ軸方向に２つの回折格子を設定した（２×２）。また、回折格子のピッチ（四角錐形状の底面に対応する部分の一辺の長さ）を、４００ｎｍに設定した。
【００９６】
また、画素領域ＳＲＥの中央に配置される画素を比較の対象として、回折格子形成画素ＰＤＮＣを設定した。回折格子形成画素ＰＤＮＣでは、回折格子形成画素ＰＤＮＣにおける中央部に四角錐形状の界面を有する回折格子を設定した。回折格子の数として、Ｘ軸方向に２つの回折格子を設定し、Ｙ軸方向に２つの回折格子を設定した（２×２）。
【００９７】
図３６の下段に、回折格子形成画素ＰＤＮＫによって検出される像の量子効率の入射角の依存性のグラフＧＫと、回折格子形成画素ＰＤＮＣによって検出される像の量子効率の入射角の依存性のグラフＧＣとを示す。光の波長を８５０ｎｍに設定した。入射角θは、画素の対角線方向（矢印参照）に変化させた。グラフの横軸は入射角θ（主光線角度）である。グラフの縦軸は量子効率であり、感度に対応する。
【００９８】
回折格子形成画素ＰＤＮＫ（グラフＧＫ）と回折格子形成画素ＰＤＮＣ（グラフＧＣ）とを比較する。回折格子形成画素ＰＤＮＣでは、入射角θが０°の場合に、量子効率が最も高く、入射角０°から入射角−θまたは入射角＋θに変化するにしたがい、量子効率は徐々に低くなることがわかる。一方、回折格子形成画素ＰＤＮＫでは、入射角−θから入射角＋θへ変化するにしたがい、全体的には、量子効率は高くなる傾向になることがわかる。
【００９９】
この評価結果から、画素領域ＳＲＥのコーナーに位置し、主光線角度θが大きくなってシェーディングが生じやすくなる画素として、回折格子が形成された回折格子形成画素ＰＤＮＫを配置することで、画素領域ＳＲＥの中央に位置する回折格子形成画素ＰＤＮＣの量子効率と同程度の量子効率が得られて、シェーディングを抑制できることがわかる。
【０１００】
また、図３５に示すように、回折格子が形成された画素としては、画素領域ＳＲＥのコーナーに位置する回折格子形成画素ＰＤＮＫに限られず、画素領域ＳＲＥの外縁に沿って位置する画素として回折格子形成画素ＰＤＮＥを適用することで、シェーディングを抑制することができる。
【０１０１】
実施の形態３
たとえば、監視用のカメラのオプションとして、赤外線画像を撮像することができるカメラがある。ここでは、可視光画像と赤外線画像との双方の画像を撮像することができる固体撮像装置の一例について説明する。
【０１０２】
固体撮像装置では、可視光画像を撮像する固体撮像装置を一のチップとし、赤外線画像を撮像する固体撮像装置を他のチップとして、その一のチップと他のチップとが、三次元ハイブリッド接合されている。三次元ハイブリッド接合は、たとえば、非特許文献２に開示されている。
【０１０３】
図３７に示すように、固体撮像装置では、可視光撮像部ＶＬＤと赤外線撮像部ＩＲＤとが三次元ハイブリッド接合されている。赤外線撮像部ＩＲＤは、実施の形態１において説明した固体撮像装置ＳＩＳＤが適用されており、像面位相差検出画素ＡＦＰ１、ＡＦＰ２が形成されている。一方、可視光撮像部ＶＬＤでは、可視光の画像を撮像するために、画素領域ＳＲＥにカラーフィルターＣＬＦが配置されている。カラーフィルターＣＬＦは、たとえば、前述したベイヤ―配列にしたがって配置されている。
【０１０４】
可視光撮像部ＶＬＤは、赤外線撮像部ＩＲＤに対して、光が入射する側に接合されている。可視光撮像部ＶＬＤを透過した赤外線を、クロストークを防止しながら画素ＰＩＸ（ＡＦＰ１、ＡＦＰ２）へ入射させるために、赤外線撮像部ＩＲＤの画素ＰＩＸの上方には、平面視的に各画素ＰＩＸを取り囲むように、金属配線が形成されている。なお、その他の構造については、図３等に示す固体撮像装置ＳＩＳＤの構造と同様なので、同一部材は同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
【０１０５】
次に、上述した固体撮像装置の製造方法の一例について説明する。図６〜図２２に示す工程と同様の工程を経た後、図３８に示すように、画素領域ＳＲＥにメタルグリッドＭＧＤが形成される。次に、層間絶縁膜と金属膜とが、写真製版処理およびエッチング処理を行いながら積層される。これにより、図３９に示すように、平面視的に各画素ＰＩＸを取り囲むように、金属配線ＭＢ（または金属の構造体）が形成される。
【０１０６】
次に、図４０に示すように、パッド領域ＰＲＮに、パッドメタルＰＭＥが形成される。これにより、赤外線撮像部ＩＲＤとしてのチップが形成される。一方、図６〜図１４、図２１〜図２７（回折格子を形成する工程を除く）に示す工程と実質的に同様の工程を経て、可視光撮像部ＶＬＤ（図４１参照）としてのチップが形成される。
【０１０７】
次に、赤外線撮像部ＩＲＤと可視光撮像部ＶＬＤとの接合が行われる。図４１に示すように、赤外線撮像部ＩＲＤに光が入射する側の面（第２主面ＦＨ２側）と、可視光撮像部ＶＬＤに光が入射する側とは反対側の面（第３主面ＦＨ３側）とが対向するように、赤外線撮像部ＩＲＤと可視光撮像部ＶＬＤとが配置される。
【０１０８】
次に、赤外線撮像部ＩＲＤと可視光撮像部ＶＬＤとが所定の接合条件のもとで接合される。接合部ＢＲＥでは、赤外線撮像部ＩＲＤおよび可視光撮像部ＶＬＤのそれぞれに形成された対応する金属配線等（図示せず）同士が接合される。こうして、図３７に示す固体撮像装置の主要部分が完成する。
【０１０９】
上述した固体撮像装置では、可視光画像とともに赤外線画像が撮像される。図４２に示すように、可視光画像は、可視光撮像部ＶＬＤに入射した可視光を受光することよって撮像される。赤外線画像は、点線矢印に示すように、可視光撮像部ＶＬＤ（半導体基板等）を透過して赤外線撮像部ＩＲＤに入射した赤外線を受光することによって撮像される。撮像された可視光画像および赤外線画像のそれぞれは、固体撮像装置の外部に信号として出力される。この固体撮像装置では、特に、夜間等の光量の少ない場合において、赤外線による精度の高いオートフォーカスの機能を発揮させることができる。
【０１１０】
なお、上述した各実施の形態において説明した固体撮像装置では、回折格子が形成された回折格子形成部ＤＦＲと回折格子が形成されていない回折格子非形成部ＮＤＦＲとが配置された像面位相差検出画素ＡＦＰ１、ＡＦＰ２を例に挙げて説明した。像面位相差検出画素としては、回折格子非形成部ＮＤＦＲに、金属膜の遮光膜を配置させてもよい。つまり、金属膜の遮光膜に形成された開口部の部分に、回折格子を配置させた像面位相差検出画素であってもよい。
【０１１１】
この場合においても、入射した赤外線が回折格子によって回折し、反射部ＤＴＩ１、ＤＴＩ２によって反射されることで光路長が長くなる。これにより、図２９に示される比較例に係る像面位相差検出画素ＲＡＦＬ、ＲＡＦＲと比べて量子効率が向上し、より精度の高いオートフォーカスを行うことができる。また、シェーディングの抑制に寄与する回折格子形成画素ＰＤＮについても、同様である。
【０１１２】
また、回折格子としては、四角錐形状のピラミッド型の界面を有する回折格子を例に挙げて説明した。回折格子としては、入射光を回折させて反射部に反射させ、光路長を長くすることができる回折格子であれば、四角錐形状の回折格子には限られない。
【０１１３】
各実施の形態において説明した固体撮像装置については、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。
【０１１４】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【０１１５】
ＳＩＳＤ  固体撮像装置、ＰＩＲ  画素部、ＶＤＣ  垂直駆動回路、ＨＤＣ  水平駆動回路、ＣＳＣ  カラム信号処理回路、ＯＵＣ  出力回路、ＣＴＣ  制御回路、ＨＳＬ  水平信号線、ＴＲＳ  トランジスタ、ＴＴＲ  読み出しトランジスタ、ＲＴＲ  リセットトランジスタ、ＡＴＲ  アンプトランジスタ、ＶＴＲ  垂直選択トランジスタ、ＨＴＲ  水平選択トランジスタ、ＰＷＬ  電源配線、ＶＳＬ  垂直信号線、ＨＳＬ  水平信号線、ＰＣＲ  周辺回路領域、ＰＴＲ  周辺トランジスタ、ＰＧＥ  ゲート電極、ＰＳＤ  ソース・ドレイン領域、ＳＵＢ１  第１半導体基板、ＦＨ１  第１主面、ＦＨ２  第２主面、ＤＲＥ  デバイス領域、ＳＲＥ  画素領域、ＰＩＸ  画素、ＵＰＩＸ  単位画素、ＥＩ  素子分離絶縁膜、ＰＤ  フォトダイオード、ＮＲ  ｎ型領域、ＰＲ  ｐ型領域、ＧＩＦ  ゲート絶縁膜、ＴＧＥ  ゲート電極、ＦＤＲ  ソース・ドレイン拡散層、ＭＭＬ  配線構造体、ＳＩ１  第１層間絶縁膜、ＳＣＶ  コンタクトヴィア、ＳＩ２  第２層間絶縁膜、ＳＭ１  第１金属配線、ＳＩ３  第３層間絶縁膜、ＳＶ１  第１ヴィア、ＳＭ２  第２金属配線、ＳＩ４  第４層間絶縁膜、ＳＶ２  第２ヴィア、ＳＭ３  第３金属配線、ＳＩ５  第５層間絶縁膜、ＳＯＦ  シリコン酸化膜、ＳＮＦ  シリコン窒化膜、ＳＩＦ  シリコン酸化膜、ＭＧＤ  金属グリッド、ＭＬＥ  マイクロレンズ、ＦＬＦ  平坦化膜、ＰＲＮ  パッド領域、ＰＣＯ  パッド接続孔、ＰＩＦ  絶縁膜、ＰＭＥ  パッドメタル、ＳＳＢ  支持基板、ＡＦＰ１、ＡＦＰ２  像面位相差検出画素、ＤＦＲ  回折格子形成部、ＰＴＩＤ１  第１回折格子、ＰＴＩＤ２  第２回折格子、ＮＤＦＲ  回折格子非形成部、ＴＲＣ  トレンチ、ＤＴＩ１、ＤＴＩ２、ＢＲＦ  反射部、ＩＲＤ  赤外線撮像部、ＶＬＤ  可視光撮像部、ＭＢ  金属配線、ＢＲＥ  接合部、ＳＵＢ２  第２半導体基板、ＳＨ１  第３主面、ＳＨ２  第４主面、ＣＦＬ  カラーフィルター、ＳＷＦ  サイドウォール絶縁膜、ＨＭ  シリコン酸化膜、ＡＲＦ  反射防止膜、ＳＦ  シリコン酸化膜、ＲＰＰ  フォトレジスト、ＢＩＦ  埋め込み絶縁膜、ＰＤＮ  回折格子形成画素、ＰＤＮＣ、ＰＤＮＥ、ＰＤＮＫ  画素、ＲＡＦＬ、ＲＡＦＲ  像面位相差検出画素、ＬＳＦ  遮光膜、ＳＰ  開口部。
【図１】
2020080342.tif 000003
【図２】
2020080342.tif 000004
【図３】
2020080342.tif 000005
【図４】
2020080342.tif 000006
【図５】
2020080342.tif 000007
【図６】
2020080342.tif 000008
【図７】
2020080342.tif 000009
【図８】
2020080342.tif 000010
【図９】
2020080342.tif 000011
【図１０】
2020080342.tif 000012
【図１１】
2020080342.tif 000013
【図１２】
2020080342.tif 000014
【図１３】
2020080342.tif 000015
【図１４】
2020080342.tif 000016
【図１５】
2020080342.tif 000017
【図１６】
2020080342.tif 000018
【図１７】
2020080342.tif 000019
【図１８】
2020080342.tif 000020
【図１９】
2020080342.tif 000021
【図２０】
2020080342.tif 000022
【図２１】
2020080342.tif 000023
【図２２】
2020080342.tif 000024
【図２３】
2020080342.tif 000025
【図２４】
2020080342.tif 000026
【図２５】
2020080342.tif 000027
【図２６】
2020080342.tif 000028
【図２７】
2020080342.tif 000029
【図２８】
2020080342.tif 000030
【図２９】
2020080342.tif 000031
【図３０】
2020080342.tif 000032
【図３１】
2020080342.tif 000033
【図３２】
2020080342.tif 000034
【図３３】
2020080342.tif 000035
【図３４】
2020080342.tif 000036
【図３５】
2020080342.tif 000037
【図３６】
2020080342.tif 000038
【図３７】
2020080342.tif 000039
【図３８】
2020080342.tif 000040
【図３９】
2020080342.tif 000041
【図４０】
2020080342.tif 000042
【図４１】
2020080342.tif 000043
【図４２】
2020080342.tif 000044