(57)【要約】【課題】  ノイズの発生を抑制する。【解決手段】  光電変換部が配列された第１領域と、光電変換部が配列された第２領域とが、前記第２領域の前記光電変換部が配列された方向に垂直な方向にて重なり、前記第１領域と前記第２領域との間に絶縁領域が配された光電変換装置であって、前記絶縁領域に、各々が前記第１領域の前記光電変換部および前記第２領域の前記光電変換部の少なくとも一方に対応する導光路が配列されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部が配列された第１領域と、光電変換部が配列された第２領域とが、前記第２領域の前記光電変換部が配列された方向に垂直な方向にて重なり、前記第１領域と前記第２領域との間に絶縁領域が配された光電変換装置であって、
前記絶縁領域に、各々が前記第１領域の前記光電変換部および前記第２領域の前記光電変換部の少なくとも一方に対応する導光路が配列されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記導光路は、前記第２領域の前記光電変換部が配列された前記方向において、前記導光路よりも屈折率の低い物質または遮光体で囲まれていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記導光路は、前記導光路および前記絶縁領域に設けられた絶縁体よりも屈折率の低い領域で囲まれていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記絶縁領域には配線層が設けられており、前記導光路は前記配線層から離れて設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記第１領域には、前記第１領域の前記光電変換部が配列された方向において、前記第１領域の前記光電変換部の間に、当該光電変換部とは屈折率の異なる部分が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記導光路は、第１部分と、前記第１部分と前記第２領域との間に位置する第２部分と、を含み、
前記第１部分の前記第１領域への正射影の面積が、前記第２部分の前記第２領域への正射影の面積と異なることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記導光路は、第１部分と、前記第１部分と前記第２領域との間に位置する第２部分と、を含み、
前記第１部分と、前記第２部分との間には、前記第１部分および前記第２部分の少なくとも一方よりも屈折率の低い誘電体が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記絶縁領域には、第１層間絶縁層と、前記第１層間絶縁層と前記第２光電変換層との間に位置する、第２層間絶縁層とが設けられており、
前記導光路は、前記第１層間絶縁層で囲まれた第１部分と、前記第２層間絶縁層で囲まれた第２部分と、を含み、前記第１部分と前記第２部分の間から、前記第１層間絶縁層と前記第２層間絶縁層との間には、前記第１層間絶縁層および前記第２層間絶縁層よりも屈折率の高い誘電体層が延在していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記第１領域に対して前記第２領域の側とは反対側に、レンズアレイおよび波長選択フィルタが設けられていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１０】
前記第２領域および前記第１領域の一方の光電変換部で得られた信号に基づいて焦点検出が行われることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の光電変換層を有する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換層の分光特性を利用した光電変換装置として、特許文献１には複数段に積層された半導体チップごとに色分離を行う固体撮像装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１３５７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された技術では、適切な光電変換部で光電変換することに関して検討が十分でない。つまり、或る光電変換部において、本来、光電変換されるべきでない光が光電変換され、その結果として生成される信号によって、ノイズが生じる場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するための手段は、光電変換部が配列された第１領域と、光電変換部が配列された第２領域とが、前記第２領域の前記光電変換部が配列された方向に垂直な方向にて重なり、前記第１領域と前記第２領域との間に絶縁領域が配された光電変換装置であって、前記絶縁領域に、各々が前記第１領域の前記光電変換部および前記第２領域の前記光電変換部の少なくとも一方に対応する導光路が配列されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、ノイズの発生が抑制された光電変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】光電変換装置の一例の断面模式図。
【図２】光電変換装置の製造方法の一例の断面模式図。
【図３】光電変換装置の一例の断面模式図。
【図４】光電変換装置の一例の断面模式図。
【図５】フィルタ層のパターンの一例の平面模式図。
【図６】光電変換装置の一例の断面模式図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態を説明する。なお、以下の説明および図面において、複数の図面を相互に参照することができる。また、同一、あるいは類似の構成については共通の符号を付しており、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。
【０００９】
図１（ａ）、（ｂ）はそれぞれが光電変換装置の第１実施形態の一例の断面模式図である。図１（ａ）と（ｂ）では後述する導光路の構造が異なるが、まずは図１（ａ）と図１（ｂ）の光電変換装置に共通の事項について説明する。
【００１０】
光電変換装置１００は、光の入射側から順に、第１光電変換層１０１、第２光電変換層１０２および第３光電変換層１０３の３つの光電変換層が積層された構成となっている。ここでは光電変換層を３層としているが、複数層であれば、光電変換層を２層としてもよいし、４層以上としてもよい。
【００１１】
光電変換層の材料は、無機材料であっても有機材料であってもよい。無機材料としては例えば単結晶または多結晶の半導体材料であり、ＳｉやＧｅなどの元素半導体やＧａＡｓやＺｎＯなどの化合物半導体が用いられる。光電変換層毎にその構成材料が異なっていてもよい。
【００１２】
各光電変換層には複数の光電変換部が配列されている。各光電変換部は、フォトダイオードやフォトゲート等の半導体素子によって構成することができる。図１（ａ）、（ｂ）には第１光電変換層１０１の光電変換部として第１光電変換部１０１１，１０１２を示している。同様に第２光電変換層１０２の光電変換部として第２光電変換部１０２１，１０２２を示し、第３光電変換層１０３の光電変換部として第３光電変換部１０３１，１０３２を示している。各光電変換層に配列される光電変換部の数はここでは２であるが、１万以上あるいは１千万以上の光電変換部を例えば行列状に配列することができる。或る光電変換層において光電変換部が配列される方向を配列方向と称する。この配列方向は、光電変換層の主面に沿った方向、すなわち光電変換層の面内方向である。
【００１３】
光電変換層において、光電変換部が配列された領域が光電変換領域である。例えば、第１光電変換層１０１は、第１光電変換部１０１１，１０１２が配列された第１光電変換領域を有する。例えば、第２光電変換層１０２は、第２光電変換部１０２１，１０２２が配列された第２光電変換領域を有する。光電変換領域は光電変換層の全部であっても一部であってもよく、光電変換層は、光電変換領域以外に、光電変換領域で生成された信号を処理する信号処理領域を有することができる。図１では、光電変換層の一部としての光電変換領域を部分的に示している。複数の光電変換層１０１、１０２、１０３は、各光電変換層の光電変換領域が重なるように積層されている。光電変換領域が重なる方向は光電変換層の積層方向と実質的に一致する。第１光電変換層１０１の第１光電変換領域と第２光電変換層１０２の第２光電変換領域が重なる方向は、第２光電変換層１０２の第２光電変換部１０２１，１０２２とが配列された方向に垂直である。第２光電変換層１０２の第２光電変換領域と第３光電変換層１０３の第３光電変換領域）が重なる方向は、第３光電変換層１０３の第３光電変換部１０３１，１０３２が配列された方向に垂直である。第１光電変換層１０１における光電変換部の配列方向は、典型的には、第２光電変換層１０２における光電変換部の配列方向に平行であるが、非平行であってもよい。
【００１４】
ここで、複数の光電変換層の積層方向において互いに重なる光電変換部で構成される光電変換部の群を、光電変換ユニットと称する。本例では、第１光電変換部１０１１と第２光電変換部１０２１と第３光電変換部１０３１が、一つの光電変換ユニットとして、第１光電変換ユニットを構成する。また、第１光電変換部１０１２と第２光電変換部１０２２と第３光電変換部１０３２が、一つの光電変換ユニットとして、第２光電変換ユニットを構成する。光電変換ユニットの数は、各光電変換層に配列される光電変換部の数と一致しても、一致しなくてもよい。例えば、１つの光電変換ユニットは、第１光電変換層１０１の２つの光電変換部と、第２光電変換部１０２の４つの光電変換部とで構成されてもよい。
【００１５】
第１光電変換層１０１、第２光電変換層１０２および第３光電変換層１０３は、それぞれが絶縁領域（第１絶縁領域１０４、第２絶縁領域１０５）を介して積層されている。つまり、複数の光電変換領域の間には絶縁領域が位置している。この絶縁領域により、各光電変換領域に生じた電荷の光電変換領域間での混合が低減される。なお、光電変換領域内での光電変換部間での電荷の混合は、公知の素子分離構造により低減することができる。光電変換領域は単層もしくは複層の絶縁層で構成され、この絶縁層を層間絶縁層と称する。本例の層間絶縁層を構成する絶縁体は固体であるが、液体または気体であってもよい。固体の層間絶縁層は、層間絶縁膜を構成する。層間絶縁膜は、１層の層間絶縁層のみを含む単層膜でもよく、複数の層間絶縁層を含む多層膜であってもよい。本例では、第１光電変換層１０１と第２光電変換層１０２との間には第１絶縁領域１０４を構成する第１層間絶縁膜１１１が設けられている。第２光電変換層１０２と第３光電変換層１０３との間には、第２絶縁領域１０４を構成する第２光電変換層１０２側の第２層間絶縁膜１１２と、第３光電変換層１０３側の第３層間絶縁膜１１３が設けられている。本例では、第１層間絶縁膜１１１、第２層間絶縁膜１１２および第３層間絶縁膜１１３はそれぞれ複数の層間絶縁層を含む多層膜である。
【００１６】
光電変換領域同士の間の絶縁領域には、導光路（例えば第１導光路１３１１と第２導光路１３１２）が配列されている。導光路に対応する光電変換部は、導光路に対して光が入射する側および出射する側の少なくとも一方に位置していればよい。この導光路により、光電変換層間で対応づけられた光電変換部で光を光電変換することができる。そのため、ノイズの発生を抑制することができる。光電変換層間で対応づけられた光電変換部とは、例えば、１つの光電変換ユニットを構成する光電変換部である。導光路の具体的な構造については後述する。
【００１７】
光電変換装置１００には、第１光電変換層１０１の、第２光電変換層１０２の側とは反対側から、光電変換されるべき光が入射する。光電変換されるべき光とは、例えば、互いに波長が異なる第１種光、第２種光および第３種光である。第１種光の波長をλ１、第２種光の波長をλ２、第３種光の波長をλ３とする。第１種光は第１光電変換層１０１で光電変換され、第２種光は第２光電変換層１０２で光電変換され、第３種光は第３光電変換層１０３で光電変換される。ただし、第１光電変換層１０１では、第１種光以外の第２種光や第３種光も光電変換されうる。第２光電変換層１０２と第３光電変換層１０３についても同様である。第１種光と第２種光と第３種光は、第１光電変換層１０１、第２光電変換層１０２、第３光電変換層１０３における吸光係数が異なる。第１種光の大部分は第１光電変換層１０１で吸収され、第２種光と第３種光の大部分は、第１光電変換層１０１を透過する。第２種光の大部分は第２光電変換層１０２で吸収され、第３種光の大部分は、第２光電変換層１０２を透過する。光電変換層がシリコン層である場合、可視光領域においては短波長ほど吸光係数が高くなる。そのため、第１種光、第２種光、第３種光の順で波長が長くなる（λ１＜λ２＜λ３）。本例では第１種光は青色光であり、第２種光は緑色光であり、第３種光は赤色光である。光電変換装置１００で光電変換される光は、可視光に限ったものではなく、紫外光や赤外光であってもよい。
【００１８】
各光電変換層の厚みは、各光電変換層で主に光電変換される光の波長に応じて設定される。本例では、第１光電変換層１０１、第２光電変換層１０２および第３光電変換層１０３がそれぞれシリコン層である。第１光電変換層１０１としてのシリコン層の厚みは、緑色光と赤色光を透過させて青色光を効率的に吸収できるように０．４μｍ以上０．８μｍ以下である。第２光電変換層１０２としてのシリコン層の厚みは、赤色光を透過させて緑色光を効率的に吸収できるように１．２μｍ以上２．０μｍ以下である。第３光電変換層１０３としてのシリコン層の厚みは、赤色光を効率的に吸収できるように３．０μｍ以上である。なお、本例では、第３光電変換層１０３が光電変換装置１００の支持体として兼用しているので、第３光電変換層１０３の厚みは１００μｍ以上、例えば７００μｍ以上８００μｍ以下である。光電変換層として、上記した厚みのシリコン層を採用することで、第１光電変換層１０１では主に４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満の波長帯域の光（青色光）が光電変換される。第２光電変換層１０２では主に５００ｎｍ以上６００ｎｍ未満の波長帯域の光（緑色光）が光電変換される。第３光電変換層１０３では主に６００ｎｍ以上７００ｎｍ未満の波長帯域の光（赤色光）が光電変換される。本例では、便宜的に第１種光の波長λ１を４５０ｎｍ、第２種光の波長λ２を５５０ｎｍ、第３種光の波長λ３を６５０ｎｍと設定している。
【００１９】
このように、光電変換装置１００では光電変換層自体の分光透過特性により色分離を行うことができる。受光面に対して垂直方向に色分離を行うことができるため、解像度を向上することができる。また、カラーフィルタを設けなくても色分離ができるため、光利用効率が向上する。ただし、色純度を高めたり、特定の波長を選択したりする目的で、光電変換層間や受光面上に原色系（ＲＧＢ）あるいは補色系（ＣＭＹ）のフィルタ（波長選択層）を用いてもよい。例えば、第１光電変換層１０１と第２光電変換層１０２との間には、第１種光を吸収し、第２種光および第３種光を透過するフィルタを設けることができる。また、例えば、第２光電変換層１０２と第３光電変換層１０３との間には、第１種光と第２種光を吸収し、第３種光を透過するフィルタを設けることができる。
【００２０】
光電変換装置１００には、第１光電変換層１０１の、第２光電変換層１０２の側とは反対側、つまり光が入射する側には複数のマイクロレンズで構成されたレンズアレイ１２０が設けられている。光電変換装置１００では１つのマイクロレンズには、複数の光電変換層に渡って配された複数の光電変換部が対応する。本例では、第１マイクロレンズ１２０１には、第１光電変換ユニットの３つの光電変換部１０１１、１０２１、１０３１が対応することになる。同様に、第２マイクロレンズ１２０２には、第２光電変換ユニットの３つの光電変換部１０１２、１０２２、１０３２が対応することになる。
【００２１】
レンズアレイ１２０と第１光電変換層１０１との間には透光膜１２１が設けられている。透光膜１２１は第１種光と第２種光と第３種光の少なくともいずれか２種類を透過する光透過特性を有る。本例の透光膜１２１は１層の透光層からなる単層膜であるが、多層膜であってもよい。透光膜１２１がフィルタ層を有していてもよい。本例の透光膜１２１は第１種光、第２種光および第３種光を透過する光透過特性を有する。
【００２２】
第１層間絶縁膜１１１の内部には第１配線１４１が設けられている。第１配線１４１は、不図示のビアで相互接続された複数の配線層（本例では３層）からなる多層配線である。本例においては、第１層間絶縁膜１１１の各層間絶縁層は、光電変換層間の絶縁に加えて、配線層間の絶縁も果たしている。第１配線１４１は、半導体層である第１光電変換層１０１に、ソース・ドレイン領域やチャネル領域などの半導体領域が設けられたトランジスタなどの半導体素子に接続されている。半導体素子は電荷結合素子（ＣＣＤ）であってもよい。図１（ａ）、（ｂ）にはトランジスタ１５１を示している。トランジスタ１５１の電極（ゲート電極）は第１光電変換層１０１と第１層間絶縁膜１１１との間に位置している。
【００２３】
第２層間絶縁膜１１２の内部には第２配線１４２が設けられている。第２配線１４２も多層配線である。第２配線１４２は、第２光電変換層１０２に半導体領域を有する半導体素子に接続されている。図１（ａ）、（ｂ）には半導体素子としてのトランジスタ１５２を示している。トランジスタ１５２の電極（ゲート電極）は第２光電変換層１０２と第２層間絶縁膜１１２との間に位置している。つまり、トランジスタ１５２は第２光電変換層１０２の第３光電変換層１０３側（第１光電変換層１０１側とは反対側）に位置している。
【００２４】
第３層間絶縁膜１１３の内部には第３配線１４３が設けられている。第３配線１４３も多層配線である。第３配線１４３は、第３光電変換層１０３に半導体領域を有する半導体素子に接続されている。図１（ａ）、（ｂ）には半導体素子としてのトランジスタのゲート電極１５３を示している。ゲート電極１５３は第３光電変換層１０３と第３層間絶縁膜１１３の間に位置している。つまり、ゲート電極１５３は第３光電変換層１０３の第２光電変換層１０２側に位置している。このように、トランジスタ１５１とトランジスタ１５２は、それぞれが対応する光電変換層の、光の入射側とは反対側に配置されている。これにより、例えば、第１光電変換層１０１を透過した第２種光が、第２光電変換層１０２のゲート電極１５２で散乱されて、第１光電変換層１０１の光電変換部へ入射して光電変換されることを低減できる。本例では、トランジスタ１５２とトランジスタ１５３は第２光電変換層１０２と第３光電変換層１０３の間に位置している。しかしトランジスタ１５１、１５２と同様に、トランジスタ１５３を第３光電変換層１０３の第２光電変換層１０２側とは反対側に配置することもできる。
【００２５】
トランジスタとしては、対応する光電変換部の信号電荷を転送する転送トランジスタや、信号電荷から電気信号を生成する増幅トランジスタでありうる。そのほか、信号電荷をリセットするリセットトランジスタや、増幅トランジスタの出力を制御する選択トランジスタであってもよい。光電変換部が配列された領域の周辺には、例えばシフトレジスタ、デコーダ、ＡＤコンバータ等で構成される周辺回路が含まれる。周辺回路を光電変換層毎に設けることができる。
【００２６】
配線層の材料の主成分としては、アルミニウム、銅、金、タングステン、チタン、タンタル、窒化チタン、窒化タンタルなどを用いることができる。必要に応じて、電極の材料としてはポリシリコンや金属を用いることができる。透明電極を用いることもできる。
【００２７】
本実施形態の光電変換装置は、様々な用途に用いられる。もっとも典型的には撮像装置（イメージセンサ）である。撮像装置では１つのマイクロレンズに対応して別々の光電変換層に設けられた複数の光電変換部、つまり１つの光電変換ユニットが１つの画素を構成することが可能である。各光電変換層の光電変換部で得られた色毎の信号を処理することでカラー画像を得ることができる。光電変換層毎に、光電変換部で光電変換されて生じた信号電荷の量に応じた電圧あるいは電流である電気信号を生成するための信号生成回路を設けることができる。また、光電変換層毎に、上記電気信号を処理する信号処理回路を設けることもできる。第１光電変換層１０１で光電変換される光は第１種光に対応した信号として扱われる。そのため、第１光電変換層１０１で光電変換された第２種光や第３種光が存在すると、第１種光の信号に混色となって現れる。光電変換層の上面および下面の少なくとも一方に反射防止膜を設けることで、本来、第２光電変換層１０２で光電変換されるべき第２種光の反射光が第１光電変換層１０１で光電変換される現象を抑制できる。そのため、混色が低減される。
【００２８】
撮像装置以外では測光装置（ＡＥセンサ）や焦点検出装置（ＡＦセンサ）などとしても用いることができる。複数の光電変換層のある光電変換層が撮像機能を有し、別の光電変換層が焦点検出機能や測光機能を有する形態を採用することもできる。また、光電変換装置は太陽電池などの発電装置としても用いることができる。太陽電池においては、ある波長の光をより量子効率の高い光電変換層で光電変換することで、発電効率の向上が見込まれる。
【００２９】
導光路について図１（ａ）を用いて第１例を説明する。第１光電変換層１０１と第２光電変換層１０２の間の絶縁領域には第１導光路１３１１と第２導光路１３１２が配されている。第１導光路１３１１は第１光電変換ユニットを構成する第１光電変換層１０１の第１光電変換部１０１１と第２光電変換層１０２の第２光電変換部１０２１との間に位置している。第２導光路１３１２は第２光電変換ユニットを構成する第１光電変換層１０１の第１光電変換部１０１２と第２光電変換層１０２の第２光電変換部１０２２との間に位置している。
【００３０】
配列された複数の導光路の各々は、例えば複数の光電変換層の一方の光電変換層の光電変換部と、他方の光電変換層の光電変換部の間に設けることができる。各導光路は複数の光電変換層の積層方向において、対応する上下の光電変換部の間に配することが好ましい。また、斜め入射光に対応するため、積層方向に対して傾いた方向において１つの光電変換ユニットを構成する光電変換部の組に対応させて、導光路を配してもよい。これにより、導光路は、対応関係に無い光電変換部へ光が入射することでその光電変換部で発生するノイズを抑制することができる。導光路に対して光が入射する側には、信号を検出するための光電変換部が存在せずに、導光路へ入射する光は単に光電変換層を透過するだけであってもよい。あるいは、導光路に対して光が出射する側には、信号を検出するための光電変換部が存在せずに、導光路へ入射する光は単に光電変換層に透過するあるいは吸収されるだけであってもよい。
【００３１】
同様に、第２光電変換層１０２と第３光電変換層１０３の間の絶縁領域には第１導光路上部１３２１と第２導光路上部１３２２が配されている。また、第２光電変換層１０２と第３光電変換層１０３の間の絶縁領域には第１導光路下部１３３１と第２導光路下部１３３２が配されている。第１導光路上部１３２１と第１導光路下部１３３１は第１光電変換ユニットを構成する第２光電変換層１０２の第２光電変換部１０２１と第３光電変換層１０３の第３光電変換部１０３１との間に位置している。第２導光路上部１３２２と第２導光路下部１３３２は第２光電変換ユニットを構成する第２光電変換層１０２の第２光電変換部１０２２と第３光電変換層１０３の第３光電変換部１０３２との間に位置している。第２導光路上部は導光路の第１部分、第２導光路下部は導光路の第２部分と言い換えることができる。
【００３２】
導光路は、その上方に位置する、ある光電変換ユニットの光電変換部を透過した光を、同じ光電変換ユニットに属し、その導光路の下方に位置する光電変換部へ導く。そして、導光路は、その上下に位置する光電変換部を透過した光が、当該光電変換部が属する光電変換ユニット以外の光電変換ユニットの光電変換部へ光が入射することを抑制する。例えば、第１光電変換ユニットの第１光電変換部１０１１と第２光電変換部１０２１との間に位置する第１導光路１３１１は、第１光電変換部１０１１を透過した光が、第２光電変換ユニットの第２光電変換部１０２２へ入射することを抑制する。
【００３３】
上述したように、導光路の光入射側および光出射側の一方に、対応する光電変換部が存在しない場合にもノイズの抑制に有用である。例えば、或る第１光電変換部を透過した光が、当該第１光電変換部に対応しない第２光電変換部で光電変換されないようにすることができる。また、例えば、第１光電変換層では信号として用いられない光のみを第２光電変換層の第２光電変換部で信号として用いて光電変換することができる。この際に、第１光電変換部を透過した光が、第２光電変換部で光電変換されることによってノイズとなることを抑制できる。
【００３４】
導光路は、上記効果を得るために、導光路から出射しようとする光に対する障壁を伴う構造を有する。この障壁は、光の反射を利用した障壁でありうるが、光の吸収を利用した障壁であってもよい。光の反射を利用した障壁としては、屈折率の差によって生じる反射や、金属反射によって生じる反射があげられる。屈折率の差によって生じる反射としては、導光路に、その周囲の物質よりも屈折率が高い物質を用いて全反射を生じさせる、いわゆるコア‐クラッドを用いることが望ましい。しかし、屈折率が異なれば反射は生じるから、導光路の屈折率がその周囲の物質（絶縁体）よりも低くてもよい。また、光の吸収を利用した障壁としては、導光路に透明な物質を用い、その周囲に反射率の低い、黒色材料などの遮光体を配置して構成することができる。
【００３５】
導光路は、光が配線層で反射して迷光となることを抑制することもできる。もちろんこのような迷光もノイズの原因となる。そのため、導光路の厚み（積層方向における導光路の長さ）は、或る配線層を構成する配線パターンの厚み（配線層の厚み）よりも大きいことが好ましい。また、配線層は導光路から離れて配されることが好ましい。そのためには、導光路の幅（配列方向における導光路の長さ）を、導光路の周囲の或る配線層を構成する配線パターンの間隔よりも小さくすればよい。
【００３６】
図１（ａ）の例では、第１導光路１３１１と第２導光路１３１２は、それぞれが配列方向に沿った方向において第１層間絶縁膜１１１に囲まれている。本例の導光路１３１１、１３１２は、これを囲む第１層間絶縁膜１１１の少なくとも１つの絶縁層とは異なる屈折率を有している。導光路の周囲の絶縁層と導光路の屈折率差によって導光路と絶縁層の界面で生じる光の反射により、対応する一方の光電変換部から出射した光を対応する他方の光電変換部へ入射するように導くことができる。例えば、第１光電変換層１０１の第１光電変換部１０１１を出射した光は、第１導光路１３１１により、第２光電変換層１０２の第２光電変換部１０２１へ導かれる。
【００３７】
導光路は、周囲の絶縁層よりも高い屈折率を有することが好ましい。そうすれば、導光路と絶縁層の界面で全反射を生じる条件を満たす光を、低損失で第２光電変換層１０２の光電変換部へ入射させることができる。例えば、導光路に１．６〜２．１の屈折率を有する窒素シリコンか酸窒化シリコン、樹脂を用い、層間絶縁膜の絶縁層に１．５程度の屈折率を有する酸化シリコンを用いることで実現できる。
【００３８】
導光路について図１（ｂ）を用いて第２例を説明する。本例でも第１光電変換層１０１と第２光電変換層１０２の間には第１導光路１３１１と第２導光路１３１２が配されている。第２光電変換層１０２と第３光電変換層１０３の間には第１導光路上部１３２１と第２導光路上部１３２２が配されている。また、第２光電変換層１０２と第３光電変換層１０３の間には第１導光路下部１３３１と第２導光路下部１３３２が配されている。
【００３９】
第１導光路１３１１と第２導光路１３１２は、それぞれが配列方向に沿った方向において、第１層間絶縁膜１１１と第１導光路１３１１または第２導光路１３１２との間に位置する分離部１６１に囲まれている。同様に、第１導光路上部１３２１と第２導光路上部１３２２は、それぞれが配列方向に沿った方向において、第２層間絶縁膜１１２と、第１導光路上部１３２１または第２導光路上部１３２２との間に位置する上部分離部１６２に囲まれている。また、第１導光路下部１３３１と第２導光路下部１３３２は、それぞれが配列方向に沿った方向において、第３層間絶縁膜１１３と第１導光路下部１３３１または第２導光路下部１３３２との間に位置する下部分離部１６３に囲まれている。
【００４０】
分離部１６１、上部分離部１６２および下部分離部１６２の各分離部は、それらが囲む導光路とは異なる屈折率を有する領域でありうる。分離部は、その分離部が囲む導光路よりも低い屈折率を有する領域であることが好ましい。これにより分離部と導光路の界面で全反射を生じることができ、対応づけられた光電変換部へ光を導くことができる。分離部を構成する物質は気体、液体、固体のいずれでも構わないし、分離部は真空空間であってもよい。
【００４１】
このような分離部を用いた場合、導光路の屈折率は分離部の外側に位置する層間絶縁膜の屈折率と同じであってもよく、導光路と層間絶縁膜は同じ材料であってもよい。例えば、導光路は、層間絶縁膜の内の層間絶縁膜に形成された溝で囲まれた部分でありうる。分離部はこの溝の領域に対応する。
【００４２】
このように導光路とは異なる屈折率を有する分離部に代えて、導光路よりも光透過性が低い物質（遮光体）を用いて分離部を形成してもよい。光透過性が低い材料としては金属や黒色の部材などがあげられる。金属を用いれば、分離部の遮光性と、反射による感度の向上を高いレベルで実現することができる。
【００４３】
第２例では、光電変換層内にも分離部を配置した構成となっている。光電変換層内の分離部は、光電変換部に対する光の障壁の機能を有する。かかる分離部としては、光電変換層の材料（例えばシリコン）よりも低屈折率である材料（例えば酸化シリコンや窒化シリコン）あるいは空隙を、光電変換部の周囲に配置することで実現が可能である。本例では、第１光電変換層１０１には第１光電変換部１０１１、１０１２の周囲に第１分離部１７１が配されている。第２光電変換層１０２には第２光電変換部１０２１、１０２２の周囲に第２分離部１７２が配されている。例えば、第３光電変換層１０３には第３光電変換部１０３１、１０３２の周囲に第３分離部１７３が配されている。なお、第１例にも光電変換層内に分離部を設けることもできるし、第２例において光電変換層内に分離部を設けなくてもよい。
【００４４】
本実施形態のように絶縁領域を介して光電変換領域が重なる構造では、次のような特徴がある。すなわち、一方の光電変換領域（例えば第１光電変換層１０１）から他方の光電変換層（例えば第３光電変換層１０３）から離れている。そのため、斜め光が入射する場合には、異なる光電変換層間での光電変換部の配列方向における光のズレ量が大きくなる。つまり、異なる光電変換ユニットの光電変換部に誤入射する可能性が高くなる。屈折などを無視した単純なモデルでは、複数の光電変換層間の距離をｇ、入射角をθとして、ズレ量はｇ×ｔａｎθで表される。これに対して、導光路を設けることで、斜め入射光が不適切な光電変換部で光電変換されることを抑制することができる。
【００４５】
次いで、本実施例に係る光電変換装置の製造方法について、図２（ａ−１）、（ａ−２）、（ａ−３）、（ｂ）、（ｃ）を用いて詳細に説明する。図２（ａ−１）、（ａ−２）、（ａ−３）は光電変換層が積層化される前の部材を示している。図２（ａ−１）は第１光電変換層１０１の母材となる第１基板１０１０を含む第１部材１０を示している。図２（ａ−２）は第２光電変換層１０２の母材となる第２基板１０２０を含む第２部材２０を示している。図２（ａ−３）は第３光電変換層１０３の母材となる第３基板１０３０を含む第３部材３０を示している。各部材の母材となる基板には光電変換部１０１１、１０１２、１０２１、１０２２、１０３１、１０３２が形成されている。各基板としては、バルクシリコンウエハやＳＯＩウエハなどを用いることができる。
【００４６】
前述したように各光電変換部は、光電変換層毎に光電変換する波長領域が異なる。そのため、各光電変換部を形成する際の不純物注入の注入エネルギーを個別に設定することで所望の深さで形成している。また、詳細は省略しているが、各部材には転送トランジスタ、増幅トランジスタ、リセットトランジスタ、選択トランジスタなどが設けられ、光電変換された電気信号を読み出し回路などが形成されている。また、各基板の上には、各回路を構成する配線（１４１、１４２、１４３）、層間絶縁膜（１１１、１１２、１１３）、導光路（１３１１、１３１２、１３２１、１３２２、１３３１、１３３２）が形成されている。
【００４７】
各部材に形成されている導光路の形成方法について、第１部材１０を例に説明する。第１基板１０１０上に第１配線１４１、そして導光路のクラッドとなる１．４〜１．６の屈折率を有する酸化シリコン層を層間絶縁層として含む第１層間絶縁膜１１１を形成する。そして、第１層間絶縁膜１１１にドライエッチングにて開口部を形成する。さらに、１．６〜２．５の屈折率を有する窒化シリコンや酸窒化シリコン、酸化チタン、樹脂などの高屈折率材料を上記ドライエッチングにより形成した開口部に埋め込み、導光路のコアを形成する。さらにＣＭＰやエッチバックなどの平坦化手法を用いて、高屈折率材料の表面を平坦化して導光路を形成する。本実施例では、上述した高屈折率材料を埋め込んで導光路が形成されているが、第１層間絶縁膜１１１に設けた溝を分離部と用いるなど、その他の構成を用いても導光路を形成することが出来る。
【００４８】
次いで、図２（ａ−１）〜（ａ−３）に示す３つの部材を積層化する工程について図２（ｂ）、（ｃ）を用いて説明する。まず、第３部材３０の上に、第３層間絶縁膜１１３と第２層間絶縁膜１１２が対向して接するように、接合面１１５を境界として第２部材２０と第３部材３０を貼り合わせる。本例では、第２部材２０と第３部材３０のいずれにも導光路を形成しており、それらが一体となることで上部と下部を有する導光路が形成される構成としている。ただし、二つ導光路が接することは必須ではなく、第１導光路上部１３２１および第２導光路上部１３２２が第２層間絶縁膜１１２に、第１導光路下部１３３１および第２導光路下部１３３２が第３層間絶縁膜１１３にそれぞれ埋め込まれている形態でも構わない。また、導光路が、第２部材２０と第３部材３０のどちらか一方のみに形成されている構成であってもよい。このようにして図２（ｂ）に示す積層構造体が得られる。
【００４９】
次いで、第３部材３０に貼り合わせた第２部材２０の第２基板１０２０に対して、研削、研磨、エッチングなどの処理を施すことにより、所望の厚さまで薄化する。本例では、第２光電変換層１０２で赤色の光を透過させてなおかつ緑色の光を効率的に取り込めるように１．２μｍ〜２．０μｍの厚みのシリコン層を形成する。なお、本例では第２基板１０２０にはバルクシリコンウエハを用いているが、ＳＯＩウエハを用いることでＢＯＸ層を研磨ストップ、及びエッチストップ層として用いてウエハを薄化する手法を適用しても良い。
【００５０】
その後、薄化されて第２基板１０２０から得られた第２光電変換層１０２の表面に誘電体膜１２２を形成する。この誘電体膜１２２は、例えば酸化シリコン層と窒化シリコン層の積層膜、あるいは酸化ハフニウム層や酸化タンタル層の積層など、異なる屈折率を有する層を積層して反射防止効果を得る構成にしてもよい。
【００５１】
次いで、形成した積層された第２光電変換層１０２に対して、誘電体膜１２２と第１層間絶縁膜１１１が対向して接するように、接合面１１６を境界として第１部材１０を貼り合わせる。次いで、上述した第２光電変換層１０２の薄化と同様の手法を用いて第１基板１０１０を薄化して、第１光電変換層１０１を形成する。本実施例では、第１光電変換層１０１で緑色と赤色の光を透過させてなおかつ青色の光を効率的に取り込めるように０．４〜０．８μｍの範囲内のシリコン膜厚としている。その後、透光膜１２１とレンズアレイ１２０を形成する。また、ここでは図示していないが、部材１０、２０、３０が重ねられた積層構造体に対して、周辺回路部に貫通電極等を形成することによって、各光電変換層において得られた電気信号を読み出すことが可能である。この貫通電極は、光電変換層を３層全て積層してから形成しても構わない。
【００５２】
光電変換装置の第２実施形態について、図３（ａ）に第１例を、図３（ｂ）に第２例を、図４（ａ）に第３例を、図４（ｂ）に第４例の断面模式図を示す。
【００５３】
第２実施形態では、第１光電変換層１０１と第２光電変換層１０２との間の絶縁領域１０４に、各々が第１光電変換ユニットに対応する第１導光路上部１３４１および第１導光路下部１３５１が設けられている。また、第１光電変換層１０１と第２光電変換層１０２との間の絶縁領域１０４に、各々が第２光電変換ユニットに対応する第２導光路上部１３４２および第２導光路下部１３５２が設けられている。第１導光路下部１３５１は第１導光路上部１３４１と第２光電変換層１０２の第２光電変換部１０２１との間に位置し、第２導光路下部１３５２は第２導光路上部１３４２と第２光電変換層１０２の第２光電変換部１０２２との間に位置している。
【００５４】
また、第１光電変換層１０１と第２光電変換層１０２との間には、第１層間絶縁膜１１１および第１配線１４１と、第２層間絶縁膜１１２および第２配線１４２が設けられている。第１導光路上部１３４１と第２導光路上部１３４２はそれぞれ第１層間絶縁膜１１１で囲まれている。第１導光路下部１３５１と第２導光路下部１３５２はそれぞれ第２層間絶縁膜１１２で囲まれている。より詳細には、各導光路は、その周囲に設けられた１層以上の層間絶縁層で囲まれている。第１層間絶縁膜１１１を代表する層間絶縁層を第１層間絶縁層と称し、第２層間絶縁膜１１２を代表する層間絶縁層を第２層間絶縁層と称する。
【００５５】
本実施形態における光電変換装置の構成部材の位置関係は、第１実施形態における第２光電変換層１０２と第３光電変換層１０３との間の関係と同様になっている。
【００５６】
図３（ａ）に示した第１例では、接合面１１７を介して、第１導光路上部１３４１と第１導光路下部１３５１が接している。
【００５７】
図３（ｂ）に示した第２例では、第１導光路上部１３４１の幅Ｒ１が第１導光路下部１３５１の幅Ｒ２と異なっている。そして、第１導光路上部１３４１の第１光電変換層１０１（または第２光電変換層１０２）への正射影の面積が、第１導光路下部１３５１の第２光電変換層１０２（または第１光電変換層１０１）への正射影の面積と異なっている。ここではＲ１＜Ｒ２となっているが、Ｒ１＞Ｒ２としてもよい。第２導光路上部１３４２と第２導光路下部１３５２についても同様に幅および正射影の面積が異なっている。
【００５８】
このようにすることで、接合面１１７で第１導光路上部１３４１と第１導光路下部１３５１とにアライメントずれが発生した場合においてもその影響を小さくすることが可能となる。さらにＲ１＜Ｒ２とすることで、第１導光路上部１３４１を通過した光を第１導光路下部１３５１へ効率的に導くことができる。そのため、隣接する光電変換ユニットへの漏れ光をより安定して抑制することが出来る。
【００５９】
図４（ａ）に示した第３例では、第１導光路上部１３４１と第１導光路下部１３５１との間には、第１導光路上部１３４１の屈折率および第１導光路下部１３５１の屈折率よりも低い屈折率を有する誘電体が位置している。具体的には、第１低屈折率誘電体層１１１０と第２低屈折率誘電体層１１２０である。この第１低屈折率誘電体層１１１０、第２低屈折率誘電体層１１２０は、第２導光路上部１３４２と第２導光路下部１３５２との間に延在している。低屈折率誘電体層１１１０と低屈折率誘電体層１１２０との間に接合面１１７が位置している。
【００６０】
図４（ｂ）に示した第４例では、第１導光路上部１３４１と第１導光路下部１３５１との間には、第１高屈折率誘電体層１３１０、第２高屈折率誘電体層１３２０が位置している。高屈折率誘電体層１３１０、１３２０は、第１層間絶縁膜１１１の屈折率および第２層間絶縁膜１１２の屈折率の少なくとも一方よりも高い屈折率を有する。高屈折率誘電体層１３１０、１３２０の屈折率は、導光路上部１３４１および導光路下部１３５１の少なくとも一方の屈折率よりも高くてもよいし低くてもよいし、これらと同じであってもよい。本例では、高屈折率誘電体層１３１０は導光路上部１３４１と、高屈折率誘電体層１３２０は導光路下部と、それぞれ同じ材料からなり、これらとほぼ同じ屈折率を有している。
【００６１】
この高屈折率誘電体層１３１０、１３２０は、第２導光路上部１３４２と第２導光路下部１３５２との間に延在している。高屈折率誘電体層１３１０と高屈折率誘電体層１３２０との間に接合面１１７が位置している。
【００６２】
第３例、第４例では、接合面１１７の両側が、複数の光電変換ユニットに渡って均質な誘電体層で構成されているため、接合時のボイドなどの接合不良を抑制することができる。第３例、第４例においても、図３（ｂ）に示した第２例と同様に導光路上部と導光路下部の径を異ならせることができる。
【００６３】
第２実施形態の第１例では、透光膜１２１がフィルタ層（波長選択層）１２１２を有している。同様に、第１実施形態や第２実施形態の他の例においても同様にフィルタ層を有する透光膜１２１を用いることができる。
【００６４】
図５（ａ）〜（ｆ）は、フィルタ層１２１２の平面レイアウトの一例である。図５（ａ）〜（ｇ）にはそれぞれ、４×４の１６の光電変換ユニットに対応するフィルタの透過光の種類を示している。Ｉｒは赤外光、Ｒは赤色光、Ｙは黄色光（あるいは赤色光および緑色光）、Ｇは緑色光、Ｂは青色光、Ｗは白色光（あるいは赤色光、緑色光および青色光）である。これらが可視光に対して波長選択性を有すれば、その波長選択フィルタをカラーフィルタと呼ぶことができる。
【００６５】
図５（ａ）は２×２の区画にＲ、Ｇ、Ｂのフィルタが従来から知られているベイヤー方式に配列されている形態であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＧの一部をＩｒで置き換えたものである。図５（ｂ）の例では、例えばＲ（ＧまたはＢ）のフィルタを有する光電変換ユニットでは、第１光電変換層１０１で赤色光（緑色光または青色光）をそれぞれ光電変換する。一方、Ｉｒのフィルタを有する光電変換ユニットでは、第２光電変換層１０２で赤外光を光電変換することができる。また、Ｒ、Ｇ、Ｂのフィルタが赤外光をも透過するように設定することで、Ｒ、Ｇ、Ｂの光電変換ユニットにおいても第２光電変換層１０２で赤外光を光電変換することができる。
【００６６】
図５（ｃ）は、Ｒ、Ｇ、Ｂのフィルタに加えてＷのフィルタを設けたものである。本例では、Ｗのフィルタを配置することにより白色光の強度を検知することが出来る。第１光電変換層１０１の飽和電荷量を超えない強度の光は、第１光電変換層１０１にて検知することが出来る。そして、第１光電変換層１０１の飽和電荷量を超える強い強度の光については、第１光電変換層１０１だけでなく、第１光電変換層１０１を透過してきた光を第２光電変換層１０２にて検知することが可能である。これら第１光電変換層１０１で得られた信号と第２光電変換層１０２で得られた信号を加算することで、実際の光の強度を検知することができる。このように、本実施例では、光の強弱の検知範囲（ダイナミックレンンジ）を広くすることができる。
【００６７】
さらに、Ｗのフィルタに対応する光電変換ユニットの出力を、その近傍のＲ、Ｇ、Ｂのフィルタを有する光電変換ユニットの出力に基づいて演算処理することにより、得られる画像のダイナミックレンジの拡大が可能となる。
【００６８】
図５（ｃ）のＷとＲＧＢのレイアウトは一例であって、図５（ｃ）よりもＷのフィルタの割合を減らしてもよいし、増やしてもよい。
【００６９】
図５（ｄ）は、Ｙのフィルタを用いたものである。Ｙのフィルタは緑色光と、赤色光を透過させる。その透過してきた入射光の内、緑色光は第１光電変換層１０１で光電変換され、赤色光は、第１光電変換層１０１を透過して第２光電変換層１０２で光電変換される。このようにすることで、Ｙのフィルタを有する光電変換ユニットでの光利用効率を高めることが出来る。ここでは黄色光を透過するフィルタを用いたが、シアン光（青色光および緑色光）やマゼンタ光（赤色光および青色光）を透過するフィルタを用いてもよい。
【００７０】
図６に第３実施形態の光電変換装置の一例を示す。本例では、第１光電変換層１０１の第１主面側（入射光と反対側）に設けられた第２光電変換層１０２が焦点検出（ＡＦ：オートフォーカス）機能を構成する例である。焦点検出方式としては、位相差検出式の焦点検出やコントラスト検出式の焦点検出を用いることができるが、位相差検出式がより好ましい。
【００７１】
位相差検出方式における第２光電変換層１０２の構成を説明する。視点Ａを通過した光束を捕らえるＡ像用光電変換領域１０２１Ａ、１０２２Ａと、視点Ｂを通過した光束を捕らえるＢ像用光電変換領域１０２１Ｂ、１０２２Ｂが設けられている。１つのマイクロレンズ１２０１が、第２光電変換部１０２１のＡ像用光電変換領域１０２１ＡおよびＢ像用光電変換領域１０２１Ｂに対応する。別の１つのマイクロレンズ１２０２が、第２光電変換部１０２２のＡ像用光電変換領域１０２２ＡおよびＢ像用光電変換領域１０２２Ｂに対応する。Ａ像用光電変換領域からは、視点Ａの光束を捕らえたＡ像データが、Ｂ像用光電変換領域からは視点Ｂの光束を捕らえたＢ像データが得られる。それらの相関演算を行うことで、デフォーカス量を検出し、光学系を所望の状態に変化させ、焦点検出を行うことができる。
【００７２】
本形態では、第１光電変換層１０１で光電変換され撮像に用いられる像と、第２光電変換層１０２で光電変換され焦点検出に用いられる像との対応関係のズレを小さくできる。つまり、一眼レフカメラなどのレフレックス構造を用いた撮像システムに比べて高精度な焦点検出を実現することができる。また、位相差検出式を用いれば、コントラスト検出式に比べて高速な焦点検出が可能となる。そして、本実施形態では、第１光電変換層１０１と第２光電変換層１０２の間に第１導光路１３６１、第２導光路１３６２が配列されている。そのため、第１光電変換層１０１と第２光電変換層１０２との間での光の損失が低減されて、十分な光量でもって第２光電変換層１０２で焦点検出を行うことができる。また、誤った光電変換部からの信号に基づく焦点検出が生じにくいため焦点検出精度が向上する。
【００７３】
ここでは２つの光電変換層を用いた光電変換装置における２層目の光電変換層で焦点検出を行う例を示したが、１層目で行ってもよいし、３層以上の光電変換層を用いて、３層目以降の光電変換層で焦点検出を行ってもよい。
【００７４】
以上説明した光電変換装置では、第１光電変換層と第２光電変換層とが、第１光電変換層と第２光電変換層との間に配された層間絶縁層を介して積層されている。第１光電変換層には光電変換部が配列され、第２光電変換層にも光電変換部が配列されている。そして、第１光電変換層と第２光電変換層との間に、導光路が配列されている。これにより、ノイズの発生が抑制された、性能の良い光電変換装置を提供することができる。本発明は、その技術的思想を逸脱しない範囲で、適宜に改変を行うことができる。
【符号の説明】
【００７５】
１０１  第１光電変換層
１０１１、１０１２  第１光電変換部
１１１  層間絶縁膜
１１３１  第１導光路
１１３２  第２導光路
１０２  第２光電変換層
１０２１、１０２２  第２光電変換部
【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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