(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がマトリクス状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、光吸収層が形成されている光吸収層形成部ＬＡＲと、光吸収層が形成されていない光吸収層非形成部ＮＬＡＲとが規定されている。光吸収層は、ゲルマニウムを含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに反対側に位置する第１主面および第２主面を有する第１半導体基板と、
前記第１半導体基板の前記第１主面に規定され、第１画素が配置された第１画素領域と、
を備え、
前記第１画素は、
前記第１主面の側に設けられ、前記第２主面の側から入射する光を光電変換する第１光電変換部と、
前記第２主面の側に設けられ、前記第１光電変換部の一部と接するように形成された第１半導体層と、
を有し、
前記第１半導体層はゲルマニウムを含む層である、固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１半導体層の基板の厚さ方向における厚さは１０００ｎｍ以下である、請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１半導体層を構成する材料の波長８５０ｎｍの光に対する吸収係数は、前記第１半導体基板を構成する材料の波長８５０ｎｍの光に対する吸収係数より高い、請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
第１半導体基板は単結晶シリコンからなり、
前記第１半導体層はゲルマニウムからなる、請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項５】
第１半導体基板はシリコン単結晶単結晶シリコンからなり、
前記第１半導体層はシリコンゲルマニウムからなる、請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項６】
第１半導体基板は単結晶シリコンからなり、
前記第１半導体層は組成傾斜シリコンゲルマニウム層である、請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第１画素は、平面視において、
前記第１画素の中心を含み、前記第２主面に沿う第１方向に延在する第１領域を有し、
前記第１半導体層は、前記第１領域に形成されている、請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第１領域は、前記第１画素の中心に向かう方向に突出した形状である、請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第１画素は、平面視において、
前記第１画素の中心を含み、前記第２主面に沿う第１方向に延在する第１領域と、
前記第１方向に延在し、前記第１方向に対し直交する第２方向において、前記第１領域に隣接する第２領域と、
を有し、
前記第１半導体層は、前記第２領域に形成されている、請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第１画素は、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、入射する光を前記第１光電変換部へ向けて反射させる第１反射部をさらに有する、請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記第１画素は、前記第２主面の側に設けられ、平面視において、前記第１画素を取り囲む態様で、前記第１反射部と接するように形成された第１金属膜をさらに有する、請求項１０記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
互いに反対側に位置する第１主面および第２主面を有する第１半導体基板と、
前記第１半導体基板の前記第１主面に規定され、複数の画素が配置された第１画素領域と、
を備え、
前記複数の画素は第１画素と、前記第１画素に隣接する第２画素と、を含み、
前記第１画素は、
前記第１主面の側に設けられ、前記第２主面の側から入射する光を光電変換する第１光電変換部と、
前記第２主面の側に設けられ、前記第１光電変換部の一部と接するように形成された第１半導体層と、
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、前記第２主面の側から入射する光を前記第１光電変換部へ向けて反射させる第１反射部と、
前記第２主面の側に設けられ、平面視において、前記第１画素を取り囲む態様で、前記第１反射部と接するように形成された第１金属膜と、を有し、
前記第２画素は、
前記第１主面の側に設けられ、前記第２主面の側から入射する光を光電変換する第２光電変換部と、
前記第２主面の側に設けられ、前記第２光電変換部の一部と接するように形成された第２半導体層と、
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、前記第２主面の側から入射する光を前記第２光電変換部へ向けて反射させる第２反射部と、
前記第２主面の側に設けられ、平面視において、前記第２画素を取り囲む態様で、前記第２反射部と接するように形成された第２金属膜と、を有し、
前記第１半導体層および前記第２半導体層はゲルマニウムを含む、固体撮像装置。
【請求項１３】
複数の前記画素は、平面視において、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１２記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記第１画素は、平面視において、
前記第１画素の中心を含み、前記第２主面に沿う第１方向に延在する第１領域と、
前記第１方向に延在し、前記第１方向に対し直交する第２方向において、前記第１領域に隣接する第２領域と、
を有し、
前記第２画素は、平面視において、
前記第２画素の中心を含み、前記第１方向に延在する第３領域と、
前記第１方向に延在し、前記第２方向において前記第３領域に隣接する第４領域と、
を有し、
前記第１領域は、前記第１画素の中心に向かう方向に突出した形状であり、
前記第３領域は、前記第２画素の中心に向かう方向に突出した形状であり、
前記第１半導体層は、前記第１領域に形成されており、
前記第２半導体層は、前記第２領域に形成されている、請求項１２記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記第１画素と前記第２画素との境界において、前記第１金属膜および前記第２金属膜は形成されていない、請求項１４記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
前記第１画素と前記第２画素との境界において、前記第１反射部および前記第２反射部は形成されていない、請求項１５記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
前記第１画素は、平面視において、
前記第１画素の中心を含み、前記第２主面沿う第１方向に延在する第１領域と、
前記第１方向に延在し、前記第１方向に対し直交する第２方向において、前記第１領域に隣接する第２領域と、
を有し、
前記第２画素は、平面視において、
前記第２画素の中心を含み、前記第１方向に延在する第３領域と、
前記第１方向に延在し、前記第２方向において前記第３領域に隣接する第４領域と、
を有し、
前記第１半導体層は、前記第２領域に形成されており、前記第２半導体層は、前記第４領域に形成されており、
前記第１画素と前記第２画素との境界において、前記第１反射部および前記第２反射部は形成されていない、請求項１２記載の固体撮像装置。
【請求項１８】
互いに反対側に位置する第３主面および第４主面を有し、前記第１半導体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半導体基板と、
前記第１半導体基板の前記第３主面に規定され、複数の画素が配置された第２画素領域と、
をさらに備え、
前記第２画素領域に位置する第３画素は、前記第１光電変換部に対向するように形成された第３光電変換部を有し、
前記第２画素領域に位置する第４画素は、前記第２光電変換部に対向するように形成された第４光電変換部を有し、
前記第１画素および前記第２画素は、前記第４主面の側から入射した光が、前記第２半導体基板を透過して前記第２主面の側から入射される、請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項１９】
互いに反対側に位置する第１主面および第２主面を有する第１半導体基板を用意する工程と、
前記第１半導体基板に第１画素領域を規定する工程と、
前記第１画素領域に、複数の画素を形成する工程と、
を備え、
前記複数の画素を形成する工程は、
前記第１画素領域の前記第１主面の側に設けられ、前記第２主面の側から入射する光を光電変換する第１光電変換部を形成する工程と、
前記第１画素領域の前記第２主面の側に設けられ、前記第１光電変換部の一部と接するように形成された第１半導体層を形成する工程と、
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し、前記第２主面の側から入射する光を前記第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、
前記第２主面の側に設けられ、平面視において、前記第１光電変換部を取り囲む態様で前記第１反射部と接するように形成された金属膜を形成する工程と、を有し、
前記第１半導体層はゲルマニウムを含む層である、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、光吸収層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がある。この種の固体撮像装置では、画像を撮像する画素の中に、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、すなわち、光の入射角度に対する量子効率の変化が測定される。ここで、量子効率とは、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である。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（オートフォーカス）が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１３４２６５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】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低下(劣化)する。特に、入射する光の強度が弱くなる暗所では、画素信号の入射角の依存性が低下（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】
従って、暗所においてオートフォーカスを正常に機能させるためには、光の入射角の依存性を維持しながら量子効率を大きくすることが求められる。
【０００８】
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】
【０００９】
実施の形態に係る固体撮像装置は、第１半導体基板と第１画素領域とを有する。第１半導体基板は、互いに反対側に位置する第１主面および第２主面を有する。第１画素領域は、第１画素が配置されている。第１画素は第２主面の側から入射する光を光電変換する第１光電変換部と、第１光電変換部の一部と接するように形成された第１半導体層とを備えている。第１半導体層はゲルマニウムを含む層である。
【００１０】
実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法は、互いに反対側に位置する第１主面および第２主面を有する第１半導体基板を用意する工程と、第１半導体基板に第１画素領域を規定する工程と、第１画素領域に、複数の画素を形成する工程とを備える。複数の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、前記第２主面の側から入射する光を光電変換する第１光電変換部を形成する。第１光電変換部の一部と接するように形成された第１半導体層を形成する。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、第２主面の側から入射する光を第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。平面視において、第１光電変換部を取り囲む態様で第１反射部と接するように形成された金属膜を形成する。第１半導体層はゲルマニウムを含む層である。
【発明の効果】
【００１１】
実施の形態に係る固体撮像装置によれば、オートフォーカス機能を向上することができる。
【００１２】
実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法によれば、オートフォーカス機能を向上す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】
【００１３】
【図１】図１は実施の形態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】図２は実施の形態１に係る単位画素の回路を示す図である。
【図３】図３は実施の形態１に係る固体撮像装置の要部断面図である。
【図４】図４は実施の形態１に係る固体撮像装置の像面位相差検出画素が形成された領域を示す平面拡大図である。
【図５】図５は実施の形態１に係る固体撮像装置の像面位相差検出画素が形成された領域を示す拡大斜視図である。
【図６】図６は実施の形態１において、組成傾斜シリコンゲルマニウム層の構造と当該構造に対応するエネルギーバンドを示す図である。
【図７】図７は実施の形態１に係る固体撮像装置の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８】図８は実施の形態１に係る固体撮像装置の製造工程中の断面図である。
【図９】図９は図８に続く実施の形態１に係る固体撮像装置の製造工程中の断面図である。
【図１０】図１０は図９に続く実施の形態１に係る固体撮像装置の製造工程中の断面図である。
【図１１】図１１は図１０に続く実施の形態１に係る固体撮像装置の製造工程中の断面図である。
【図１２】図１２は図１１に続く実施の形態１に係る固体撮像装置の製造工程中の断面図である。
【図１３】図１３は図１２に続く実施の形態１に係る固体撮像装置の製造工程中の断面図である。
【図１４】図１４は図１３に続く実施の形態１に係る固体撮像装置の製造工程中の断面図である。
【図１５】図１５は図１４に続く実施の形態１に係る固体撮像装置の製造工程中の断面図である。
【図１６】図１６は図１５に続く実施の形態１に係る固体撮像装置の製造工程中の断面図である。
【図１７】図１７は実施の形態１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１８】図１８は実施の形態１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図である。
【図１９】図１９は実施の形態１の変形例１に係る固体撮像装置の要部断面図である。
【図２０】図２０は実施の形態１の変形例１に係る固体撮像装置の像面位相差検出画素が形成された領域を示す平面拡大図である。
【図２１】図２１は実施の形態１の変形例２に係る固体撮像装置の要部断面図である。
【図２２】図２２は実施の形態１の変形例２に係る固体撮像装置の像面位相差検出画素が形成された領域を示す平面拡大図である。
【図２３】図２３は実施の形態１の変形例１および変形例２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依存性の評価モデルおよび計算結果を、実施の形態１の計算結果とともに示す図である。
【図２４】図２４は実施の形態１の変形例３に係る固体撮像装置の要部断面図である。
【図２５】図２５は実施の形態１の変形例３に係る固体撮像装置の像面位相差検出画素が形成された領域を示す平面拡大図である。
【図２６】図２６は実施の形態１の変形例３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依存性の評価モデルおよび計算結果を、実施の形態１の変形例２および比較例の計算結果とともに示す図である。
【図２７】実施の形態２に係る固体撮像装置の要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、一実施の形態に係る固体撮像装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、明細書および図面において、同一の構成要件または対応する構成要件には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、各実施の形態と各変形例との少なくとも一部は、互いに任意に組み合わされてもよい。
【００１５】
また、実施の形態で用いる図面においては、断面図または斜視図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。
【００１６】
（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。
【００１７】
（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、制御回路ＣＴＣ、垂直走査回路ＶＤＣ、カラム信号処理回路ＣＳＣ、水平走査回路ＨＤＣおよび出力回路ＯＵＣ等によって構成される。
【００１８】
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。第１方向単位画素ＵＰＩＸでは、フォトダイオードと複数のトランジスタとが形成されている。画素部ＰＩＲでは、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。
【００１９】
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、垂直走査回路ＶＤＣ、カラム信号処理回路ＣＳＣおよび水平走査回路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、垂直走査回路ＶＤＣ、カラム信号処理回路ＣＳＣおよび水平走査回路ＨＤＣ等に入力される。
【００２０】
垂直走査回路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光の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。
【００２１】
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。
【００２２】
水平走査回路ＨＤＣは、たとえば、シフトレジスタによって構成されており、水平走査パルス電圧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。
【００２３】
（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。
【００２４】
図２に示すように、単位画素ＵＰＩＸは、例えば、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。
【００２５】
フォトダイオードＰＤが、電荷読み出しトランジスタＴＴＲのソース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のドレイン電極が、リセットトランジスタＲＴＲのソース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のソース電極が、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。アンプトランジスタＡＴＲのソース電極が、垂直選択トランジスタＶＴＲのソース電極に電気的に接続されている。
【００２６】
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。
【００２７】
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電圧パルス電圧電圧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、リセットパルス電圧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、垂直選択パルス電圧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。
【００２８】
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電圧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。
【００２９】
一方、垂直選択トランジスタＶＴＲのゲート電極に、垂直選択パルス電圧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、水平選択パルス電圧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。
【００３０】
（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、第１主面の反対側に位置する半導体基板の裏面（第２主面）の側から光を入射させる。
【００３１】
図３に示すように、半導体基板ＳＵＢ１には、画素領域ＳＲＥおよび周辺回路領域ＰＣＲが規定されている。画素領域ＳＲＥおよび周辺回路領域ＰＣＲが規定されている箇所には素子分離絶縁膜ＥＩが形成されている。画素領域ＳＲＥには、画素部ＰＩＲ（図１参照）が形成されている。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
半導体基板の裏面（第２主面）の側から見て、フォトダイオードＰＤの下方には反射部ＢＦＲが形成されている。反射部ＢＦＲは多層配線構造体ＭＭＬを構成する複数の配線層の一部に形成されている配線であり、フォトダイオードＰＤを透過した光をフォトダイオードＰＤに向けて反射する機能を有する。これにより、フォトダイオードＰＤの光電変換の効率が向上する。
【００３５】
画素ＰＩＸの構造について、さらに詳しく説明する。図３、図４および図５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。
【００３６】
像面位相差検出画素ＡＦＰ１および像面位相差検出画素ＡＦＰ２では、光吸収層が形成されている光吸収層形成部ＬＡＲと、光吸収層が形成されていない光吸収層非形成部ＮＬＡＲとが規定されている。光吸収層形成部ＬＡＲと光吸収層非形成部ＮＬＡＲとは、像面位相差検出画素（ＡＦＰ１およびＡＦＰ２）内において隣接している。
【００３７】
光吸収層形成部ＬＡＲには光吸収層が形成されている。第１光吸収層ＡＢＬ１は像面位相差検出画素ＡＦＰ１の第２主面側の一部に形成されており、第２光吸収層ＡＢＬ２は像面位相差検出画素ＡＦＰ２の第２主面側の一部に形成されている。すなわち、第１光吸収層ＡＢＬ１および第２光吸収層ＡＢＬ２はいずれも像面位相差検出画素の第２主面側の全面には形成されていない。なお、図３、図４および図５では、像面位相差検出画素内の左側に光吸収層非形成部が形成され、右側に光吸収層形成部が形成されているが、当該配置に限られず、これらの左右が入れ替わってもよい。
【００３８】
光吸収層（ＡＢＬ１およびＡＢＬ２）は光の吸収係数が高い材料で形成される。そのような材料は、たとえば、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含む材料である。ゲルマニウムを含む材料としてはゲルマニウムや、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）がある。また、光吸収層はゲルマニウムを含む材料に限られず、インジウムリン（ＩｎＰ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、グラフェンであってもよい。
【００３９】
光吸収層（ＡＢＬ１およびＡＢＬ２）の材料は、好適には、ゲルマニウムが用いられる。波長８５０ｎｍである赤外光におけるゲルマニウムの光の吸収係数は４５３０３ｍ-1であり、シリコン（Ｓｉ）の光の吸収係数７６０ｍ-1より約６０倍大きい。両者の吸収係数の違いは、エネルギーギャップ（バンドギャップ）に起因する。すなわち、光の吸収係数は物質のエネルギーギャップと関連し、赤外光における光の吸収係数はエネルギーギャップが小さい方が高くなる。ここで、温度が３００Ｋのときのゲルマニウムのエネルギーギャップは０．６６ｅＶであり、シリコンのエネルギーギャップは１．１２ｅＶである。したがって、ゲルマニウムはシリコンと比較し、エネルギーギャップが小さく、赤外光を吸収しやすい材料であることがわかる。ここで、ゲルマニウム層は、たとえば、エピタキシャル成長により形成された層である。
【００４０】
また、光吸収層（ＡＢＬ１およびＡＢＬ２）は、光吸収層の厚さ方向にシリコンゲルマニウムの組成を徐々に変化させた組成傾斜シリコンゲルマニウム層とすることができる。なお、組成傾斜とは、シリコンゲルマニウムの場合、Ｓｉ(１-ｘ)Ｇｅｘのxを徐々に変化させることを意味する。
【００４１】
組成傾斜シリコンゲルマニウム層について説明する。シリコンの格子定数は５．４３１Åであり、ゲルマニウムの格子定数は５．６５６Åである。ここで、格子定数とは、結晶の格子点間距離の最小単位の値をいう。両者の格子不整合率はおよそ４．１％である。このことは、シリコンゲルマニウムの結晶はゲルマニウムの濃度を０％〜４．１％まで変化させることができることを意味している。
【００４２】
単結晶シリコン上にゲルマニウム層をエピタキシャル成長させると、両者の格子不整合により、シリコンとゲルマニウムとの界面に歪が生じる。そして、この歪が緩和して当該界面に不整合転位が発生する。不整合転位では、電子と正孔が結合して消滅する確率、すなわち電子―正孔再結合率が高くなる。つまり、不整合転位は、ゲルマニウム層によって光電変換により生成した電子（電荷）を消滅させてしてしまう。したがって、単結晶シリコン上に直接、ゲルマニウム層を形成すると量子効率が低下する課題がある。
【００４３】
当該課題を解決する方法として組成傾斜シリコンゲルマニウム層の構造が知られている。図６を用いて組成傾斜シリコンゲルマニウム層の構造を説明する。図６Ａに示すように、組成傾斜シリコンゲルマニウム層は、ゲルマニウム層の上下に、シリコンゲルマニウム層を、Ｓｉ(１-ｘ)Ｇｅｘ (ｘ=０．９, ０．８, ０．７) と階段状に組成を変えて形成されている。シリコンゲルマニウムの組成を徐々に変化さることにより、シリコンとゲルマニウムとの界面に不整合転位が生じることを抑制できる。
【００４４】
図６Ｂは図６Ａの各層に対応するエネルギーバンドの模式図である。Ｅｃは伝導帯の下端のエネルギーを、Ｅｖは価電子帯の上端のエネルギーを、Ｅｆはフェルミレベルを示している。ＥｃとＥｖとの差がエネルギーバンドギャップに相当する。当該エネルギーバンドギャップは、ゲルマニウム層で最も狭く、シリコンの組成(１−ｘ)が増えるにつれて、広くなっている。すなわち、組成傾斜シリコンゲルマニウム層は、シリコンとゲルマニウムとの界面に不整合転位を生じることなく、かつ、単結晶シリコン上にエネルギーバンドギャップが狭いゲルマニウム層を形成できる構造である。当該構造により量子効率が低下することなく、赤外光を吸収することが可能である。
【００４５】
図３、図４および図５の説明に戻る。光吸収層（ＡＢＬ１およびＡＢＬ２）は、平面視において、像面位相差検出画素の中心に向かう方向に突出した形状（凸型の形状）をしている。言い換えれば、光吸収層は、図４に示すように、一の単位画素を構成する像面位相差検出画素の４辺のいずれか１辺の内側に延在する矩形形状の第１部分ＡＢＰ１と、当該第１部分の像面位相差検出画素の中心の側の端部から像面位相差検出画素の中心に向かう方向に突出した矩形形状の第２部分ＡＢＰ２を有している。また、第２部分は像面位相差検出画素の中心を含むように形成されている。なお、光吸収層は凸型の形状に限られず、像面位相差検出画素の中心を含むように形成された略楔型の形状（図示せず）であってもよい。
【００４６】
ここで、光吸収層を像面位相差検出画素の中心を含むように形成する理由を説明する。前述の通り、シリコンの赤外光に対する光の吸収係数は低い。したがって、入射した光が赤外光であり、半導体基板ＳＵＢ１がシリコンであるとき、所定の厚さである数半導体基板ＳＵＢ１は、入射した赤外光の全てを吸収できず、一部は半導体基板ＳＵＢ１を透過してしまう。透過した赤外光はフォトダイオードＰＤの光電変換に寄与せず、量子効率が低下する。さらに、入射角が半導体基板ＳＵＢ１の受光面に対して垂直である場合、すなわち光の入射角が０°の場合、半導体基板ＳＵＢ１を透過する赤外光の光路長は最も短くなる。光路長が短くなると半導体基板ＳＵＢ１を透過する赤外光が相対的に多くなる。すなわち、フォトダイオードＰＤの光電変換の効率が低下し、量子効率が低下する。
【００４７】
そこで、光吸収層を像面位相差検出画素の中心を含むように形成することで、光の入射角が０°の場合における量子効率の低下を抑制できる。
【００４８】
また、後述する、像面位相差検出画素の量子効率の入射角依存性を所望の特性とするために光吸収層の一部の厚さを選択的に変えてもよい。すなわち、光吸収層の厚さは、前記第１部分と前記第２部分とで異なってもよい。
【００４９】
光吸収層の最大の厚さは、たとえば、１０００ｎｍ以下であることが好ましい。ここで、光吸収層の最大の厚さを１０００ｎｍ以下としたのは、光吸収層がゲルマニウム層の場合、欠陥を形成せずにエピタキシャル成長させる最大膜厚、すなわち、臨界膜厚が１０００ｎｍ程度であるためである。
【００５０】
画素領域ＳＲＥにはメタルグリッドＭＧＤ１、ＭＧＤ２が形成されている。メタルグリッドＭＧＤ１、ＭＧＤ２は、画素ＰＩＸの境界に形成されている。また、メタルグリッドＭＧＤ１は後述の反射部ＤＴＩ１と接するように形成されている。また、メタルグリッドＭＧＤ２は後述の反射部ＤＴＩ２と接するように形成されている。メタルグリッドＭＧＤ１、ＭＧＤ２は、クロストークを防止する機能を有する。
【００５１】
画素領域ＳＲＥには反射部ＤＴＩ１、ＤＴＩ２が形成される。図３に示すように、反射部ＤＴＩ１、ＤＴＩ２は各画素ＰＩＸを取り囲むように形成された素子分離絶縁膜ＥＩに対して、半導体基板ＳＵＢ１の厚さ方向に対向している。また、図４に示すように、反射部ＤＴＩ１、ＤＴＩ２は平面視的に各画素ＰＩＸを取り囲むように形成されている。また、図５に示すように、反射部ＤＴＩ１、ＤＴＩ２は半導体基板ＳＵＢ１の受光面からフォトダイオードＰＤを取り囲むように、受光面とは反対の方向に向かって、すなわち、第２主面から第１主面の方向に向かって筒状に延在している。反射部ＤＴＩ１、ＤＴＩ２は、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。
【００５２】
反射部ＤＴＩ１、ＤＴＩ２は光を反射しやすい構造で形成される、そのような構造は、たとえば、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等からなる高誘電体材料と、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）、シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）等の絶縁材料との多層膜からなる。また、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の金属と、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の絶縁材料との多層膜からなる。また、空孔構造とし、窒素、空気等を充填してもよい。または、当該空孔構造の中を真空としてもよい。
【００５３】
図７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、図４および図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、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。すなわち、像面位相差検出画素ＡＦＰ１と像面位相差検出画素ＡＦＰ２とは隣接している態様である。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。
【００５４】
（固体撮像装置の製造方法）
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８に示すように、まず、互いに反対側に位置する第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がそれぞれ規定される。
【００５５】
次に、図９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、ポリシリコン膜にフォトリソグラフィ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が形成される。次に、所定のフォトリソグラフィ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。
【００５６】
次に、図１０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。
【００５７】
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。
【００５８】
次に、図１１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に所定のフォトリソグラフィ処理およびエッチング処理を行うことにより、コンタクトホール（図示せず）が形成される。
【００５９】
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。そして、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。
【００６０】
次に、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、ダマシン法により、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。
【００６１】
次に、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、デュアルダマシン法により、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。
【００６２】
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、デュアルダマシン法により、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１２に示すように、第５層間絶縁膜ＳＩ５（図１１参照）の表面に、支持基板ＳＳＢが接合される。
【００６３】
なお、実施の形態１では、複数の第１金属配線ＳＭ１の一部が、図３において説明した反射部ＢＦＲを構成している。図１２以降では、複数の第１金属配線ＳＭ１の一部を反射部ＢＦＲとして説明する。以上により、半導体基板ＳＵＢ１上に、第１層間絶縁膜ＳＩ１〜第５層間絶縁膜ＳＩ５、コンタクトヴィアＳＣＶ、第１ヴィアＳＶ１〜第３ヴィアＳＶ３および第１金属配線ＳＭ１〜第３金属配線ＳＭ３を含む多層配線構造体ＭＭＬが形成される。
【００６４】
次に、図１３に示すように、半導体基板ＳＵＢ１の第２主面ＦＨ２（裏面：図８参照）から研削を行うことによって、半導体基板ＳＵＢ１の厚さを薄くする。次に、半導体基板ＳＵＢ１の第２主面を覆うように、絶縁膜（図示せず）が形成される。次に、絶縁膜に所定のフォトリソグラフィ処理およびエッチング処理を行うことによってハードマスクパターンＨＭが形成される。このとき、ハードマスクパターンＨＭが残される領域は光吸収層非形成部ＮＬＡＲ（図３参照）に対応している。また、ハードマスクパターンＨＭが除去される領域は光吸収層形成部ＬＡＲ（図３参照）に対応している。
【００６５】
次に、ハードマスクパターンＨＭをマスクとして、所定のエッチング処理を行うことによって半導体基板ＳＵＢ１に開口部ＯＰを形成する。開口部ＯＰの底面はフォトダイオードＰＤのｎ型領域ＮＲの一部に達している。図１３では、開口部ＯＰの底面はｎ型領域ＮＲの端部に接するように形成されているが、このような形状に限られず、開口部ＯＰの底面がｎ型領域ＮＲの一部の内部に位置してもよい。
【００６６】
次に、開口部ＯＰに光吸収層ＡＢＬ１、ＡＢＬ２が形成される。光吸収層ＡＢＬ１、ＡＢＬ２は、たとえば、ゲルマニウム層である。ゲルマニウム層はエピタキシャル法を用いて、開口部ＯＰにゲルマニウムを選択的に成長させることにより形成される。また、光吸収層ＡＢＬ１、ＡＢＬ２は、上述の組成傾斜シリコンゲルマニウム層とすることもできる。その後、ハードマスクパターンＨＭは、ウェットエッチング処理などによって除去される。
【００６７】
また、光吸収層ＡＢＬ１、ＡＢＬ２をシリコンゲルマニウム層とすることもできる。シリコンゲルマニウム層は、半導体基板ＳＵＢ１の第２主面上に、開口部ＯＰを覆うように所定のＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって成膜される。そして、開口部ＯＰ外に形成されたシリコンゲルマニウムを化学的機械研磨処理によって除去することで、シリコンゲルマニウム層が形成される。
【００６８】
ここで、シリコンゲルマニウム層は、イオン注入処理を行うことにより、形成することもできる。この場合、半導体基板ＳＵＢ１はシリコンからなり、開口部ＯＰを形成せずに、ハードマスクパターンＨＭをマスクとして、ゲルマニウムイオンを半導体基板ＳＵＢ１に注入する。このとき、半導体基板ＳＵＢ１の深さ方向にゲルマニウムの濃度のピークを持つ分布を有するシリコンゲルマニウム層が形成される。
【００６９】
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、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。
【００７０】
次に、所定のフォトリソグラフィ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（図示せず）が形成される。トレンチは、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、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。
【００７１】
これにより、トレンチ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。
【００７２】
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が形成される。次に、当該金属膜に対して、所定のフォトリソグラフィ処理およびエッチング処理が行われる。これにより当該金属膜がパターニングされ、図１６に示すように、画素領域ＳＲＥにメタルグリッドＭＧＤ１、ＭＧＤ２が形成される。平面視においてメタルグリッドＭＧＤ１およびＭＧＤ２は、画素ＰＩＸの境界に形成される。
【００７３】
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が形成される。次に、所定のフォトリソグラフィ処理およびエッチング処理が行われる。これにより、画素領域ＳＲＥに平坦化膜ＦＬＦが形成される。次に、平坦化膜ＦＬＦの上にマイクロレンズＭＬＥが形成される。以上により、図３に示す、固体撮像装置（ＳＩＳＤ）の主要部分が完成する。
【００７４】
（機能等）
上述した固体撮像装置ＳＩＳＤでは、光吸収層形成部ＬＡＲおよび光吸収層非形成部ＮＬＡＲ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リファレンス像面位相差検出画素の場合と比べて説明する。
【００７５】
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１７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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
次に、シミュレーションに適用した検出画素のモデルについて説明する。図１８の上段に示すように、像面位相差検出画素ＡＦＰ１と、像面位相差検出画素ＡＦＰ２とを設定する。像面位相差検出画素ＡＦＰ１では、Ｘ軸方向の中心に対して、Ｘ軸正側（向かって右側）の領域に、第１光吸収層ＡＢＬ１が形成された光吸収層形成部ＬＡＲを設定し、残りの領域に、光吸収層非形成部ＮＬＡＲを設定する。面位相差検出画素ＡＦＰ２も同様に設定する。第１光吸収層ＡＢＬ１の形状は、像面位相差検出画素ＡＦＰ１の中心方向に突出した形状（凸型の形状）であり、Ｘ軸方向の長さＤ１は６２０ｎｍ、Ｄ２は４９０ｎｍ、Ｙ軸方向の長さＤ３とＤ５とは４９０ｎｍ、Ｄ４は６２０ｎｍ、Ｚ軸方向の長さ（深さ）Ｄ６は２００ｎｍである。なお、第２光吸収層ＡＢＬ２の形状は、第１光吸収層ＡＢＬ１の形状と同じである。
【００７９】
次に、比較例について説明する。図１８の中段に示すように、金属の遮光膜を適用したリファレンス像面位相差検出画素ＲＡＦ１と、リファレンス像面位相差検出画素ＲＡＦ２をそれぞれ設定する。リファレンス像面位相差検出画素ＲＡＦ１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する。リファレンス像面位相差検出画素ＲＡＦ２についても同様に設定する。
【００８０】
図１８の下段に、像面位相差検出画素およびリファレンス像面位相差検出画素におけるそれぞれの量子効率の入射角依存性を示す。グラフの横軸は光の入射角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。シミュレーションにおいて、入射する光の波長は８５０ｎｍに設定した。光吸収層はゲルマニウム層である。また、入射角θは、Ｘ−Ｚ面内において変化させた。
【００８１】
実施の形態１における像面位相差検出画素と、比較例におけるリファレンス像面位相差検出画素とを比較する。像面位相差検出画素では、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ることがわかる。また、リファレンス像面位相差検出画素では、入射角−θから入射角０°に変化するにしたがい、量子効率は徐々に高くなることがわかる。すなわち、像面位相差検出画素の量子効率とリファレンス像面位相差検出画素の量子効率とは、同様の光の入射角の依存性を有している。このことから、像面位相差検出画素は、リファレンス像面位相差検出画素と同様に像面位相差画素として機能することがわかる。
【００８２】
また、入射角−θから入射角＋θいずれの入射角においても、像面位相差検出画素の量子効率はリファレンス像面位相差検出画素の量子効率より高い。このことから、像面位相差検出画素はリファレンス像面位相差検出画素と比較して感度が高いことがわかる。
【００８３】
（実施の形態１の効果）
所定の形状の光吸収層を、像面位相差検出画素における所定の位置に配置することにより、固体撮像装置ＳＩＳＤは、比較例における像面位相差検出画素と同様の光の入射角の依存性を有し、像面位相差画素として機能する。これにより、固体撮像装置ＳＩＳＤは、オートフォーカスを機能させることができる。
【００８４】
また、光の吸収係数が高いゲルマニウム層を像面位相差検出画素に適用することで、金属の遮光膜を適用した比較例における像面位相差検出画素と比較し、固体撮像装置ＳＩＳＤは、量子効率を向上させることができる。これにより、固体撮像装置ＳＩＳＤは、入射する光の量が少なくなる暗所において、オートフォーカスを機能させることができる。
【００８５】
（実施の形態１の変形例１）
実施の形態１では、像面位相差検出画素ＡＦＰ１とＡＦＰ２との境界に、メタルグリッドＭＧＤ１、ＭＧＤ２が形成されている。これに対して、本変形例１では、当該境界にメタルグリッドを形成しない場合の固体撮像装置の一例について説明する。
【００８６】
図１９および図２０に示すように、本変形例１では像面位相差検出画素ＡＦＰ１とＡＦＰ２との境界に、メタルグリッドＭＧＤ１、ＭＧＤ２が形成されていない。すなわち、像面位相差検出画素ＡＦＰ１とＡＦＰ２とを取り囲むようにメタルグリッドが形成されているが、像面位相差検出画素ＡＦＰ１とＡＦＰ２との境界に形成された反射部ＤＴＩ１、ＤＴＩ２上にはメタルグリッドＭＧＤ１、ＭＧＤ２が形成されていない。他の構成は実施の形態１における図３および図４と同じである。
【００８７】
（実施の形態１の変形例２）
実施の形態１では、像面位相差検出画素ＡＦＰ１とＡＦＰ２との境界に、メタルグリッドＭＧＤ１、ＭＧＤ２と反射部ＤＴＩ１、ＤＴＩ２とが形成されている。これに対して、本変形例２では、当該境界にメタルグリッドと反射部との両方を形成しない場合の固体撮像装置の一例について説明する。
【００８８】
図２１および図２２に示すように、本変形例２では像面位相差検出画素ＡＦＰ１とＡＦＰ２との境界に、メタルグリッドＭＧＤ１、ＭＧＤ２と反射部ＤＴＩ１、ＤＴＩ２とが形成されていない。すなわち、像面位相差検出画素ＡＦＰ１とＡＦＰ２とを取り囲むようにメタルグリッドと反射部とが形成されているが、像面位相差検出画素ＡＦＰ１とＡＦＰ２との境界を画する素子分離絶縁膜ＥＩに、半導体基板ＳＵＢ１の厚さ方向に対して対向するようにメタルグリッドＭＧＤ１、ＭＧＤ２と反射部ＤＴＩ１、ＤＴＩ２とが形成されていない。他の構成は実施の形態１における図３および図４と同じである。
【００８９】
（実施の形態１の変形例１および変形例２の効果）
図２３の上段と中段はシミュレーションに適用した検出画素のモデルある。図２３の上段は、実施の形態１の変形例１のモデルであり、図２３の中段は、実施の形態１の変形例２のモデルである。光吸収層はゲルマニウム層であり、光吸収層の形状は実施の形態１の形状と同じである。
【００９０】
図２３の下段に、実施の形態１、実施の形態１の変形例１および実施の形態１の変形例２それぞれにおける像面位相差検出画素ＡＦＰ１の量子効率の入射角依存性を示す。シミュレーションにおいて、入射する光の波長は８５０ｎｍに設定した。また、入射角θは、Ｘ−Ｚ面内において変化させた。なお、図２３の下段のグラフの縦軸のレンジは量子効率の差をわかりやすくするために、図１８の下段のグラフの縦軸のレンジと比較し、４倍にしている。
【００９１】
実施の形態１の変形例１および実施の形態１の変形例２のそれぞれにおける像面位相差検出画素では、入射角が０から＋θに変化するにしたがい、量子効率は高くなることがわかる。そして、入射角＋θでは、実施の形態１と比較し、実施の形態１の変形例１、実施の形態１の変形例２の順に量子効率が高いことがわかる。入射角が＋θのときの量子効率が高い方が位相差検出の精度が高く、カメラ等の固体撮像装置のオートフォーカス機能をより向上することができる。したがって、実施の形態１の変形例１の構造とすることで、実施の形態１と比較し、オートフォーカスの機能が向上する。また、実施の形態１の変形例２の構造とすることで、さらにオートフォーカス機能を向上する。
【００９２】
（実施の形態１の変形例３）
実施の形態１では、像面位相差検出画素ＡＦＰ１とＡＦＰ２との境界に、反射部ＤＴＩ１、ＤＴＩ２とが形成されている。また、第１光吸収層ＡＢＬ１および第２光吸収層ＡＢＬ２は像面位相差検出画素の中心方向に突出した形状（凸型の形状）をしている。これに対して、本変形例３では、当該境界に反射部を形成せず、かつ、光吸収層が像面位相差検出画素の中心方向に突出していない形状の場合の固体撮像装置の一例について説明する。
【００９３】
図２４に示すように、本変形例３では像面位相差検出画素ＡＦＰ１とＡＦＰ２との境界に、反射部ＤＴＩ１、ＤＴＩ２とが形成されていない。また、図２５に示すように、第１光吸収層ＡＢＬ１および第２光吸収層ＡＢＬ２は像面位相差検出画素の中心方向に突出していない形状である。他の構成は実施の形態１における図３および図４と同じである。
【００９４】
（実施の形態１の変形例３の効果）
図２６の上段はシミュレーションに適用した検出画素のモデルである。光吸収層はゲルマニウム層である。
【００９５】
図２６の下段に、実施の形態１の変形例３、実施の形態１の変形例２および比較例のそれぞれにおける像面位相差検出画素の量子効率の入射角依存性を示す。シミュレーションにおいて、入射する光の波長は８５０ｎｍに設定した。また、入射角θを、Ｘ−Ｚ面内において変化させた。
【００９６】
実施の形態１の変形例３では、入射角が０から＋θに変化するに従い、量子効率は高くなることがわかる。また、入射角−θから入射角＋θの間のいずれの入射角において、実施の形態１の変形例３は、実施の形態１の変形例２と比較すると、量子効率は低いが、比較例と比較すると、量子効率は高いことがわかる。したがって、実施の形態１の変形例３の構造においても、従来技術と比較し、カメラ等の固体撮像装置のオートフォーカス機能が向上する。
【００９７】
（実施の形態２）
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。
【００９８】
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１に開示されている。
【００９９】
図２７に示すように、固体撮像装置では、互いに反対側に位置する第３主面ＦＨ３および第４主面ＦＨ４を有する第２半導体基板ＳＵＢ２に形成された可視光撮像部ＶＬＤと、第１半導体基板ＳＵＢ１に形成された赤外線撮像部ＩＲＤとが三次元ハイブリッド接合されている。すなわち、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（第４主面ＦＨ４側）とは反対側の面（第３主面ＦＨ３側）とが対向するように、接合面ＢＲＥにて接合されている。接合面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、対応する金属配線と、対応する絶縁膜とが接合されている。
【０１００】
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ＣＬＦ１とカラーフィルターＣＬＦ２とが配置されている。カラーフィルターＣＬＦ１とカラーフィルターＣＬＦ２とは、たとえば、ベイヤ―配列にしたがって配置されている。
【０１０１】
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および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。
【０１０２】
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２７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。
【０１０３】
なお、各実施の形態において、裏面照射型の固体撮像装置について説明したが、固体撮像装置は裏面照射型に限られず、表面照射型（ＦＳＩ：Front Side Illumination）であってもよい。
【０１０４】
また、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。
【０１０５】
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。
【符号の説明】
【０１０６】
ＡＢＬ１、ＡＢＬ２    光吸収層
ＡＢＰ１    第１部分
ＡＢＰ２    第２部分
ＡＦＰ１、ＡＦＰ２    像面位相差検出画素
ＡＴＲ    アンプトランジスタ
ＢＲＥ    接合面
ＣＦＬ１、ＣＦＬ２    カラーフィルター
ＣＳＣ    カラム信号処理回路
ＣＴＣ    制御回路
ＤＴＩ１、ＤＴＩ２、ＢＲＦ    反射部
ＥＩ    素子分離絶縁膜
ＦＤＲ、ＰＳＤ    ソース・ドレイン領域
ＦＨ１    第１主面
ＦＨ２    第２主面
ＦＨ３    第３主面
ＦＨ４    第４主面
ＦＬＦ    平坦化膜
ＧＩＦ    ゲート絶縁膜
ＨＤＣ    水平走査回路
ＨＳＬ    水平信号線
ＨＴＲ    水平選択トランジスタ
ＩＲＤ    赤外線撮像部
ＬＳＦ    遮光膜
ＭＧＤ、ＭＧＤ１、ＭＧＤ２    金属グリッド
ＭＬＥ    マイクロレンズ
ＭＭＬ    多層配線構造体
ＮＲ    ｎ型領域
ＯＰ    開口部
ＯＵＣ    出力回路
ＰＣＲ    周辺回路領域
ＰＤ    フォトダイオード
ＰＩＲ    画素部
ＰＩＸ    画素
ＰＲ    ｐ型領域
ＰＴＲ    周辺トランジスタ
ＰＷＬ    電源配線
ＲＡＦ１、ＲＡＦ２    リファレンス像面位相差検出画素
ＲＴＲ    リセットトランジスタ
ＳＣＶ    コンタクトヴィア
ＳＩ１    第１層間絶縁膜
ＳＩ２    第２層間絶縁膜
ＳＩ３    第３層間絶縁膜
ＳＩ４    第４層間絶縁膜
ＳＩ５    第５層間絶縁膜
ＳＩＳＤ    固体撮像装置
ＳＭ１    第１金属配線
ＳＭ２    第２金属配線
ＳＭ３    第３金属配線
ＳＮＦ    シリコン窒化膜
ＳＯＦ    シリコン酸化膜
ＳＲＥ    画素領域
ＳＳＢ    支持基板
ＳＵＢ１    第１半導体基板
ＳＵＢ２    第２半導体基板
ＳＶ１    第１ヴィア
ＳＶ２    第２ヴィア
ＳＷＦ    サイドウォール絶縁膜
ＴＧＥ、ＰＧＥ    ゲート電極
ＴＲＳ    トランジスタ
ＴＴＲ    読み出しトランジスタ
ＵＰＩＸ    単位画素
ＶＤＣ    垂直走査回路
ＶＤＤ    電源
ＶＬＤ    可視光撮像部
ＶＳＬ    垂直信号線
ＶＴＲ    垂直選択トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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