(57)【要約】【課題】ボイドの発生を低減可能な光導波路の形状を提供する。【解決手段】固体撮像装置は、光電変換部を有する基板と、基板の面の上にあり、光電変換部の上に位置する開口を有する絶縁層と、開口の内部に配された部材と、を備える。開口の深さをｄとして、開口の上端において開口は、基板の面に平行な第１方向における幅と、基板の面に平行で第１方向に直交する第２方向における幅とが互いに異なっており、上端における開口の外周の各点において、外周に接し、開口の外にある部分を含まない直径０．６ｄの円を描くことが可能な形状である。【選択図】図１
2017069553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部を有する基板と、
前記基板の面の上にあり、前記光電変換部の上に位置する開口を有する絶縁層と、
前記開口の内部に配された部材と、を備え、
前記開口の深さをｄとして、前記開口の上端において前記開口は、
前記基板の前記面に平行な第１方向における幅と、前記基板の前記面に平行で前記第１方向に直交する第２方向における幅とが互いに異なっており、
前記上端における前記開口の外周の各点において、前記外周に接し、前記開口の外にある部分を含まない直径０．６ｄの円を描くことが可能な形状であることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
光電変換部を有する基板と、
前記基板の面の上にあり、前記光電変換部の上に位置する開口を有する絶縁層と、
前記開口の内部に配された部材と、を備え、
前記開口の深さをｄとして、前記開口の上端において前記開口は、
前記基板の前記面に平行な第１方向における幅と、前記基板の前記面に平行で前記第１方向に直交する第２方向における幅とが互いに異なっており、
前記開口の上端の外周の各点における曲率半径が０．３ｄ以上である形状であることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１方向における前記幅が、前記第２方向における前記幅の１．５倍よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
光電変換部を有する基板と、
前記基板の面の上にあり、前記光電変換部の上に位置する開口を有する絶縁層と、
前記開口の内部に配された部材と、を備え、
前記開口の上端において、前記基板の前記面に平行な第１方向における幅Ｗｘが、前記基板の前記面に平行で前記第１方向に直交する第２方向における幅Ｗｙよりも大きく、
前記上端における前記開口の外周の各点は、前記外周の２点を結び前記幅Ｗｘに等しい長さを示す線分を直径とする第１円から、前記外周の２点を結び前記幅Ｗｙに等しい長さを有する線分を直径とする第２円までの範囲に位置し、
前記開口の深さをｄとして、
Ｗｙ２／Ｗｘ≧０．６ｄ
を満足することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
光電変換部を有する基板と、
前記基板の面の上にあり、前記光電変換部の上に位置する開口を有する絶縁層と、
前記開口の内部に配された部材と、を備え、
前記開口の上端において前記開口の外周の形状が楕円形であり、前記楕円形における長軸の長さを前記開口の幅Ｗｘとし、前記楕円形における短軸の長さを前記開口の幅Ｗｙとし、前記開口の深さをｄとして、
Ｗｙ２／Ｗｘ≧０．６ｄ
を満足することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
Ｗｙ２／Ｗｘ≦１．２ｄ
を満足することを特徴とする請求項４又は５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
１．０１≦Ｗｘ／Ｗｙ≦１．５
を満足することを特徴とする請求項４乃至６の何れか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第１方向に沿って並んだ複数の前記光電変換部は第１光電変換部と第２光電変換部とを含み、前記第１光電変換部の前記第２光電変換部とは反対側の端から前記第２光電変換部の前記第１光電変換部とは反対側の端までの距離Ｗｗが前記幅Ｗｘよりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
複数の前記光電変換部の上に１つの前記開口が配されることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
複数の前記光電変換部の上に１つの前記開口が配され、
前記複数の光電変換部が前記第１方向に沿って並んでおり、
前記第１方向における前記幅が、前記第２方向における前記幅よりも大きい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。
【請求項１１】
各々が複数の前記光電変換部を含む複数の画素を備え、
前記複数の画素の前記第１方向に沿ったピッチが前記複数の画素の前記第２方向に沿ったピッチよりも大きいことを特徴とする請求項１０に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記外周が直線部分を含む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。
【請求項１３】
前記上端において前記開口の形状が長円形であ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。
【請求項１４】
前記上端において前記開口の形状が楕円形であ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。
【請求項１５】
前記開口の上端が、直径０．６ｄ以上の複数の円をずらして重ねることによって得られる形状であることを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
前記開口の上端の形状は、点対称又は線対称であることを特徴とする請求項１乃至１５の何れか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
前記外周は、凸曲線であることを特徴とする請求項１乃至１６の何れか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１８】
前記深さｄが１．０〜３．０μｍであることを特徴とする請求項１乃至１７の何れか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１９】
請求項１乃至１８の何れか１項に記載の固体撮像装置と、
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。
【請求項２０】
固体撮像装置の製造方法であって、
光電変換部を有する基板の上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層のうち前記光電変換部の上にある部分に開口を形成する工程と、
前記開口に、埋め込み部材を形成する工程と、を有し、
第１方向における前記開口の上端の幅と、前記第１方向に直交する第２方向における前記開口の上端の幅とが互いに異なっており、
前記開口の深さをｄとして、前記開口の上端の外周の各点における曲率半径が０．３ｄ以上であることを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置、その製造方法及びカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１の固体撮像装置は、感度を向上させるために、光電変換部を有する基板上の絶縁層内に、当該光電変換部に光を導く光導波路を有する。光導波路は、基板の上の絶縁層に開口を形成し、絶縁層よりも屈折率が高い材料（以下、高屈折率材料）をこの開口に埋め込むことによって形成される。また、この固体撮像装置では、１つの画素が２つの光電変換部を有しており、これらのそれぞれから得られた信号を用いて焦点検出が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１５８８００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に記載された固体撮像装置の光導波路の上面の形状は円である。しかし、１つの画素内の各光電変換部への集光を効率的に行うために、光導波路の上面の形状を円以外にすることが考えられる。また、１つの光電変換部のみを有する画素についても、光電変換部の形状に対応させるべく、光導波路の上面の形状を円以外にすることが考えられる。発明者らは、このような光導波路を形成するために開口に材料を埋め込む際にボイドが発生する場合があることを見出した。光導波路にボイドが存在すると、ボイドによる入射光の反射作用で、光電変換部へ到達する光量が低減してしまう。本発明は、ボイドの発生を低減可能な光導波路の形状を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題に鑑みて、一部の実施形態では、光電変換部を有する基板と、前記基板の面の上にあり、前記光電変換部の上に位置する開口を有する絶縁層と、前記開口の内部に配された部材と、を備え、前記開口の深さをｄとして、前記開口の上端において前記開口は、前記基板の前記面に平行な第１方向における幅と、前記基板の前記面に平行で前記第１方向に直交する第２方向における幅とが互いに異なっており、前記上端における前記開口の外周の各点において、前記外周に接し、前記開口の外にある部分を含まない直径０．６ｄの円を描くことが可能な形状であることを特徴とする固体撮像装置が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
上記手段により、ボイドの発生を低減可能な光導波路の形状が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態の固体撮像装置の構造を説明する図。
【図２】固体撮像装置の製造方法を説明する図。
【図３】固体撮像装置の製造方法を説明する図。
【図４】固体撮像装置に用いられる開口の形状を説明する図。
【図５】固体撮像装置の構造を説明する図。
【図６】固体撮像装置に用いられる開口の形状を説明する図。
【図７】ボイドが発生する場合を説明する図。
【図８】光導波路のサイズによるボイドの発生の有無を説明する図。
【図９】固体撮像装置の画素及び光導波路の位置関係を説明する図。
【図１０】別の実施形態の固体撮像装置の構造を説明する図。
【図１１】固体撮像装置に用いられる開口の形状を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
図１を参照して、本発明の一部の実施形態に係る固体撮像装置１００の構造について説明する。固体撮像装置１００は、２次元アレイ状に配された複数の画素を有する。図１（ａ）は、１つの画素に着目した固体撮像装置１００の断面図を示す。図１（ｂ）は、光電変換部１０２及び光導波路１１０の上面１１０ａに着目した固体撮像装置１００の平面図を示す。
【００１０】
固体撮像装置１００は、シリコン基板などの半導体基板１０１を有する。半導体基板１０１は、光電変換部１０２、素子分離領域１０３及びトランジスタのソース領域・ドレイン領域（不図示）を有する。光電変換部１０２は、フォトダイオードなどの光電変換素子によって構成される。半導体基板１０１の上に、トランジスタのゲート１０５が形成されている。本実施形態では、１つの光電変換部１０２と、当該光電変換部１０２から電荷を読み出すためのトランジスタとによって１つの画素が規定される。
【００１１】
半導体基板１０１の上面及びゲート１０５は絶縁層１０４によって覆われている。絶縁層１０４の上に、配線パターン１０７が形成されている。配線パターン１０７の上に、間隔を置いて配線パターン１０８、１０９が形成されている。絶縁層１０４の上に絶縁層１０６が形成されている。これらの配線パターン１０７〜１０９は、絶縁層１０６によって互いに絶縁されている。また、半導体基板１０１と配線パターン１０７とは、絶縁層１０４によって互いに絶縁されている。そこで、以下の説明では、絶縁層１０４、１０６をまとめて層間絶縁層と呼ぶ。配線パターン同士又は配線パターンと半導体基板１０１の電極又は不純物領域とは、絶縁層１０４、１０６を貫通するコンタクトプラグ１１４によって互いに接続されている。
【００１２】
光電変換部１０２の上に光導波路１１０が形成されている。光導波路１１０は、画素ごとに設けられている。すなわち、固体撮像装置１００は、１つの光電変換部１０２に対して１つの光導波路１１０を有する。光導波路１１０の側面は、層間絶縁層によって囲まれている。光導波路１１０の上面は、層間絶縁層の上面（すなわち、絶縁層１０６の上面）と同一平面上に位置する。光導波路１１０の下面は、層間絶縁層の下面（すなわち、絶縁層１０４の下面）と同一平面上に位置する。これに代えて、光導波路１１０の上面と下面との少なくとも一方が、層間絶縁層の上面と下面との間の位置にあってもよい。
【００１３】
光導波路１１０は、層間絶縁層よりも高い屈折率を有する。例えば、光導波路１１０が屈折率１．８のシリコン窒化物で形成され、層間絶縁層が屈折率１．４６のシリコン酸化物で形成されてもよい。そのため、固体撮像装置１００の外部から光導波路１１０に入射した光は、光導波路１１０と層間絶縁層との界面で反射し、光電変換部１０２へ導かれる。光導波路１１０の上面１１０ａの形状については後述する。層間絶縁層の上に、配線パターン１１１、パッシベーション層１１２及び電極パッド１１３が形成されている。
【００１４】
続いて、図２及び図３を参照して、固体撮像装置１００の製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、光電変換部１０２やその他の不純物領域、素子分離領域１０３が形成された半導体基板１０１を準備する。その後、この半導体基板１０１の上に、ゲート１０５、層間絶縁層（すなわち、絶縁層１０４及び絶縁層１０６）、配線パターン１０７〜１０９及びコンタクトプラグ１１４を形成する。層間絶縁層は例えばシリコン酸化物（ＳｉＯ）で形成される。この工程は、既存の技術を用いて実行してもよいので、その詳細な説明を省略する。
【００１５】
次に、図２（ｂ）に示すように、絶縁層１０６の上に、レジストパターン２００を形成する。レジストパターン２００は、光電変換部１０２の上に開口２０１を有する。開口２０１の下端は、上述の光導波路１１０の上面に対応する形状を有する。レジストパターン２００は例えば、絶縁層１０６の上にレジストを塗布し、このレジストに対して露光・現像を行うことによって形成される。
【００１６】
次に、図２（ｂ）に示すように、レジストパターン２００の開口２０１を通じて層間絶縁層をドライエッチングすることによって層間絶縁層に開口２０２を形成し、その後にレジストパターン２００を除去する。開口２０２の深さｄは例えば１．５μｍであり、開口２０２の側壁の傾斜角は例えば８０度〜９０度である。開口２０２の側壁の傾斜角が９０度の場合に、開口２０２の幅は開口２０２の深さによらず一定である。開口２０２の側壁の傾斜角が９０度未満の場合に、開口２０２は、深い位置ほど幅が狭いテーパー形状を有する。また、開口２０２の側壁の傾斜角は一定ではなく、深さによって異なっていてもよい。深さｄの実用的な範囲は例えば０．５〜５．０μｍであり、本実施形態では１．０〜３．０μｍであってもよく、さらに１．０〜２．０μｍであってもよい。開口２０２の上端２０２ａの形状については後述する。
【００１７】
次に、図３（ａ）に示すように、ＣＶＤ（化学気相成長）法を用いて、層間絶縁層の上に埋め込み部材３００を形成する。埋め込み部材３００の一部は開口２０２の内部に埋め込まれる。開口２０２の内部に埋め込まれる部材は光透過性を有する材料であり、例えばシリコン酸化物や樹脂などでもよい。光導波路１１０を形成するために、埋め込み部材３００として、層間絶縁層よりも屈折率が高い材料からなる部材、例えばシリコン窒化物（ＳｉＮ）やシリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）を用いてもよい。埋め込み部材３００はＣＶＤ法を用いて形成されうる。特に、埋め込み部材３００は高密度プラズマ（ＨＤＰ）ＣＶＤ法を用いて形成されてもよい。高密度プラズマＣＶＤ法では、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）方式でプラズマ放電が行われる装置において、ＳｉＨ４、Ｎ２、ＮＨ３、Ａｒ、Ｈｅなどのガスが用いられる。チャンバー圧力は１〜１０ｍＴｏｒｒ程度に制御される。また半導体基板１０１はＥＳＣ（Electrostatic chuck）により静電固定され、１３．５６ＭＨｚのバイアス電力が印加され、埋め込み部材３００が形成される。
【００１８】
次に、図３（ｂ）に示すように、ＣＭＰなどの方法を用いて埋め込み部材３００の上面を平坦化する。この平坦化は層間絶縁層の上面が露出するまで行われる。その結果、埋め込み部材３００のうち開口２０２に埋め込まれた部分が残る。この残った部分が光導波路１１０となる。その後、層間絶縁層の上に、配線パターン１１１、パッシベーション層１１２及び電極パッド１１３を形成することによって、図１の固体撮像装置１００が形成される。
【００１９】
続いて、上述の光導波路１１０の上面１１０ａの形状について説明する。まず、図８を参照して本発明の原理について説明する。図８は、上面が円形である光導波路を形成した場合にボイドが発生するどうかを様々なサイズ（高さ及び直径）について実験した結果を示すグラフである。図８の横軸は光導波路の高さ（μｍ）を表し、縦軸は光導波路の上面（円形）の直径（μｍ）を表す。図８において、○印はボイドが発生しなかった光導波路のサイズを示し、×印はボイドが発生した光導波路のサイズを示す。図８の直線８０１よりも上にあるサンプルではボイドが発生していないことが読み取れる。すなわち、光導波路の高さをｈとした場合に、光導波路の上面の直径が０．６ｈ以上であれば光導波路の形成時にボイドが発生しにくい。
【００２０】
次に、上面が円以外の形状である光導波路の形成時にボイドが発生しにくい条件について検討する。光導波路の高さをｈとした場合に、光導波路の上面が直径０．６ｈ以上の円に基づく形状を有していれば、光導波路の形成時にボイドが発生しにくいと考えられる。ここで、直径０．６ｈ以上の円に基づく形状とは、（１）このような円を移動させることによって得られる軌跡、（２）このような円を互いにずらして重ね合わせることによって得られる形状、及び（３）これらの組み合わせを含む。直径が０．６ｈよりも大きな円は、直径０．６ｈの円を移動させることによって得られる軌跡で表すことができる。そのため、直径０．６ｈ以上の円に基づく形状は、直径０．６ｈの円に基づく形状と表しうる。光導波路の上面が直径０．６ｈの円に基づく形状である場合に、当該上面の外周の各点について、当該点において外周に接しており、当該上面の外にある部分を含まない直径０．６ｈの円を描くことが可能である。また、当該上面の外周が凸曲線である場合に、光導波路の上面が直径０．６ｈ以上の円に基づく形状であることと、光導波路の上面の外周の各点における曲率半径が０．３ｈ以上であることとは等価である。ここで、凸曲線とは、ユークリッド平面における曲線であって、「曲線上のすべての点が接線の片側（接線上を含む）のみに存在する」という条件が曲線上の各点について成り立つ曲線のことである。また、光導波路の上面の外周の各点における曲率半径に一致する半径を有する円は曲率円と言われる。なお、上面の外周は曲線の部分だけでなく直線の部分も有することもできる。直線の部分の曲率半径は無限大であるから、光導波路の上面の外周の各点における曲率半径の上限は特に設定されなくてもよい。以下、具体的にこのような形状の例について説明する。
【００２１】
図４は、光導波路１１０の上面１１０ａに着目した図である。上面１１０ａの外周は、半径ｒの２つの半円４０１、４０２と、これらの半円４０１、４０２の端部同士を滑らかに接続する２つの直線部分４０３、４０４とで構成される。このような形状は一般に長円形と呼ばれる。長円形の図形の外周は凸曲線である。光導波路１１０の高さをｈとした場合に、２ｒ≧０．６ｈとすることによって、上面１１０ａは直径０．６ｈの円に基づく形状を有する。この場合に、上面１１０ａの外周の各点について、当該点において外周に接しており、当該上面の外にある部分を含まない直径０．６ｈの円を描くことが可能である。また、上面１１０ａの外周の各点における曲率半径が０．３ｈ以上となる。換言すると、上面１１０ａの外周における曲率半径の最小値が０．３ｈとなる。なお、光導波路を極端に大きくしても光利用効率の向上には限界があり、極端に大きな光導波路は、却って解像度の低下を生じうる。そのため、光導波路１１０の上面１１０ａの外周の曲率半径の最小値は０．６ｈ以下（０．６ｄ以下）であってもよい。つまり、光導波路１１０の上面１１０ａの外周の曲率円の直径の最小値は１．２ｈ以下（１．２ｄ以下）であってもよい。光導波路１１０の高さｈが１．０μｍの場合に、半径ｒは０．３μｍ以上であればよく、例えば０．４μｍであってもよい。
【００２２】
図４の直交座標系４００に示すようにｘ軸及びｙ軸を定義する。ｘ軸とｙ軸は互いに直交する。ｘ軸に沿った方向をｘ方向、ｙ軸に沿った方向をｙ方向と称する。ｘ軸とｘ方向は平行であり、ｙ軸とｙ方向は平行であり、ｘ方向とｙ方向は互いに直交する。ｘ方向およびｙ方向は半導体基板１０１の上面に平行である。不図示のｚ軸はｘ軸およびｙ軸に垂直であり、半導体基板１０１の上面に垂直である。ｘ方向における上面１１０ａの幅の最大値をＷｘとし、ｙ方向における上面１１０ａの幅の最大値をＷｙとする。以下の説明では、「幅の最大値」を単に「幅」と称する。幅Ｗｘは、ｙ軸に垂直な面への上面１１０ａの射影の、ｘ方向における幅と同一である。ｙ軸に垂直な面はｘ軸に平行な面であり、ｙ軸に垂直な面への射影とは、典型的にはｙ方向における射影、すなわち正射影である。幅Ｗｙは、ｘ軸に垂直な面への上面１１０ａの射影の、ｙ方向における幅と同一である。ｘ軸に垂直な面はｙ軸に平行な面であり、ｘ軸に垂直な面への射影とは、典型的にはｘ方向における射影、すなわち正射影である。上面１１０ａは円以外の形状を有するので、Ｗｘ≠Ｗｙである。図４の例で、ＷｘはＷｙの１．５倍よりも大きくてもよい。
【００２３】
上述の製造方法では、開口２０２の上端２０２ａと光導波路１１０の上面１１０ａとは互いにほぼ同じ形状を有する。そのため、光導波路１１０の上面１１０ａが上述のような形状を有するようにするためには、開口２０２の上端２０２ａの形状が直径０．６ｄの円（ただし、ｄは開口２０２の深さ）に基づく形状であればよい。上述の光導波路１１０の上面１１０ａの形状についての説明は、開口２０２の上端２０２ａの形状についての説明に置き換わる。つまり、光導波路の高さｈは開口２０２の深さｄに一致するため、０．６ｈ等の値は、開口２０２の深さｄを用いて、０．６ｄ等と読み替えることができる。例えば、すなわち、直径０．６ｈ以上の円は、直径０．６ｄ以上の円と読み替えることができる。開口２０２の上端２０２ａが、当該上端２０２ａの外周の各点について、当該点において外周に接しており、当該上面の外にある部分を含まない直径０．６ｄの円を描くことが可能である形状を有していればよい。
【００２４】
続いて、図７（ａ）〜（ｃ）を参照して、比較例に係る光導波路の上面の形状を示す。これらの何れの上面も直径０．６ｈの円に基づく形状ではないので、ボイドが発生する恐れがある。図７（ａ）に、光導波路の上面７００の外周が楕円形である場合を示す。楕円形は凸曲線である。楕円上にあり曲率半径が最小となる点に接する直径０．６ｈの円７０１は、どのように描かれても、上面７００の外側にある部分を含んでしまう。そのため、楕円上にあり曲率半径が最小となる点の付近でボイドＶが発生する恐れがある。楕円上の点の曲率半径の最小値を０．３ｈ以上に変更すれば、本実施形態の範疇となる。図７（ｂ）に、光導波路の上面７１０の外周が、丸みを帯びた角を有する矩形である場合を示す。この形状の外周は凸曲線である。角の付近にある点に接する直径０．６ｈの円７１２は、どのように描かれても、上面７１０の外側にある部分を含んでしまう。そのため、角の付近にある点の付近でボイドＶが発生する恐れがある。図７（ｂ）の角の形状を直径０．６ｈ以上の大きさの円に基づく形状（角丸四角形）に変更すれば、本実施形態の範疇となる。図７（ｃ）に、光導波路の上面７２０の外周が、ダンベルのような形状である場合を示す。この形状の外周は凸曲線ではない。直線部分の上にある点に接する直径０．６ｈの円７２１は、どのように描かれても、上面７２０の外側にある部分を含んでしまう。そのため、直線部分の付近でボイドＶが発生する恐れがある。直線部分の太さを直径０．６ｈ以上に変更すれば、本実施形態の範疇となる。
【００２５】
以上のように、本実施形態のような形状を有する光導波路１１０であれば、形成時のボイドの発生を抑制できる。その結果、光電変換部１０２へ導かれる光量の損失を抑制できる。
【００２６】
図５を参照して、本発明の一部の実施形態に係る固体撮像装置５００の構造について説明する。固体撮像装置５００は、２次元アレイ状に配された複数の画素を有する。図５（ａ）は、１つの画素に着目した固体撮像装置５００の断面図を示す。図５（ｂ）は、光電変換部５０１、５０２及び光導波路５０３の上面５０３ａに着目した固体撮像装置５００の平面図を示す。固体撮像装置５００は、光電変換部１０２の代わりに光電変換部５０１、５０２を有し、光導波路１１０の代わりに光導波路５０３を有する点で固体撮像装置１００とは異なり、他の点は同様であってもよい。光導波路５０３は形状のみが光導波路１１０とは異なり、材料や位置などの他の点に関しては光導波路１１０と同じであってもよい。固体撮像装置５００の製造方法は、固体撮像装置１００の製造方法と同様のため、重複する説明を省略する。
【００２７】
光電変換部５０１、５０２は、フォトダイオードなどの光電変換素子によって構成される。本実施形態では、２つの光電変換部５０１、５０２と、当該光電変換部５０１、５０２から電荷を読み出すためのトランジスタとによって１つの画素が規定される。１つの画素に含まれる２つの光電変換部５０１、５０２のそれぞれから読み出された信号を用いて焦点検出が行われてもよい。さらに、１つの画素が２つ以上の光電変換部を有してもよい。
【００２８】
光導波路５０３は、互いに隣接する２つの光電変換部５０１、５０２の上に形成されている。図６は、光導波路５０３の上面５０３ａに着目した図である。上面５０３ａの外周は、半径ｒの２つの円弧６０１、６０２の端部同士を接続することによって得られる。ただし、円弧６０１、６０２はそれぞれ半円よりも長い。言い換えると、上面５０３ａは、２つの円をずらして重ねることによって得られる形状である。光導波路５０３の高さをｈとした場合に、２ｒ≧０．６ｈとすることによって、上面５０３ａは直径０．６ｈの円に基づく形状を有する。この場合に、上面５０３ａの外周の各点について、当該点において外周に接しており、当該上面の外にある部分を含まない直径０．６ｈの円を描くことが可能である。光導波路５０３の高さｈが１．２４μｍの場合に、半径ｒは０．３７２μｍ以上であればよく、例えば０．４μｍであってもよい。
【００２９】
図６の直交座標系６００に示すようにｘ軸及びｙ軸を定義する。ｘ軸に平行な方向に沿った上面５０３ａの幅の最大値をＷｘとし、ｙ軸に平行な方向に沿った上面５０３ａの幅の最大値をＷｙとする。上面５０３ａは円以外の形状を有するので、Ｗｘ≠Ｗｙである。図６の例で、Ｗｘ＞１．５Ｗｙであってもよい。
【００３０】
固体撮像装置５００は、光導波路５０３の代わりに光導波路１１０を有してもよい。また、固体撮像装置１００は、光導波路１１０の代わりに光導波路５０３を有してもよい。図９を参照して、固体撮像装置５００の画素の配置について説明する。この例では、固体撮像装置５００は、光導波路５０３の代わりに光導波路１１０を有する。上述のように各画素は、２つの光電変換部５０１、５０２を有する。図９の直交座標系９００に示すようにｘ軸及びｙ軸を定義する。２つの光電変換部５０１、５０２は、ｘ軸に平行な方向に沿って並んでいる。複数の画素は、ｘ軸に平行な方向に沿ったピッチＰｘが、ｙ軸に平行な方向に沿ったピッチＰｙよりも大きくなるように行列状に配されている。また、各光導波路１１０は、上面１１０ａが横長になるように配置されている。すなわち、光導波路１１０は、ｘ軸に平行な方向に沿った上面５０３ａの幅の最大値Ｗｘが、ｙ軸に平行な方向に沿った上面５０３ａの幅の最大値Ｗｙよりも大きくなるように配されている。このように光電変換部５０１、５０２及び光導波路１１０を配することによって、半導体基板１０１のうち、光導波路１１０の上面１１０ａで覆われる部分の面積を大きくすることができる。
【００３１】
図１０、１１を参照して、本発明の一部の実施形態に係る固体撮像装置１０００の構造について説明する。固体撮像装置１０００は、光導波路５０３の代わりに光導波路５０４を有する点で固体撮像装置５００とは異なる。以下に説明する点以外は固体撮像装置５００と同様であってもよい。図１０は、１つの画素に着目した固体撮像装置１０００の断面図を示す。図１１は、光電変換部５０１、５０２及び光導波路５０４の上面５０４ａに着目した固体撮像装置１０００の平面図を示す。なお、以下に説明する事項は、固体撮像装置１００、５００にも適用可能である。
【００３２】
図１０に示すように、光導波路５０４と実質的に同じ材料からなる光透過膜５０５が、光導波路５０４の上面５０４ａと絶縁層１０６の上面とを覆っている。例えば、光導波路５０４がシリコン窒化物で構成される場合に、光透過膜５０５はシリコン窒化膜である。光導波路５０４と光透過膜５０５は同じ材料からなるので、上面５０４ａは明確な界面として観察することはできない。光導波路５０４の上面５０４ａは絶縁層１０６の上面を仮想的に延長した面に相当し、開口２０２の側面の上縁で囲まれた範囲に相当する。このような構造は、図３（ｂ）の工程において、層間絶縁層の上面が露出する前に埋め込み部材３００の研磨を終了することで得られる。この場合に、埋め込み部材３００の一部が層間絶縁層の上に残り、層間絶縁層の上に残った埋め込み部材３００の一部が光透過膜５０４となる。開口２０２の外であって、層間絶縁層の上に残った埋め込み部材３００の一部は、層間絶縁層で囲まれていないため、実質的に光導波路５０４としては機能しない。よって、光導波路５０４は開口２０２の中のみに形成されると考えてよい。従って、光導波路５０４の高さ（長さ）ｈは、開口２０２の深さｄと一致する。
【００３３】
光透過膜５０５は画素回路部ＰＸに配されていて、トランジスタ２０５や配線パターン１１１、電極パッド１１３が配された周辺回路部ＰＲの少なくとも一部には配されていないが、光透過膜５０５を周辺回路部ＰＲにも配することができる。
【００３４】
光導波路５０４は半導体基板１０１から離れており、光導波路５０４と光電変換部５０１、５０２との間には絶縁層１０４が位置している。光導波路５０４と絶縁層１０４との界面が光導波路５０４の下面５０４ｂとなる。光導波路５０４の高さ（長さ）ｈは、光導波路５０４の上面５０４ａと光導波路５０４の下面５０４ｂとの距離に一致する。光導波路５０４の高さｈと開口２０２の深さｄも一致する。本例では、図２（ｂ）〜（ｃ）に相当する工程で、絶縁層１０６をエッチングして開口２０２を形成する際に、絶縁層１０４をエッチングストッパとして用いている。なお、エッチングストッパとして用いる絶縁層は、コンタクトプラグ１１４のためのコンタクトホールを形成する際に用いるエッチングストッパと同層であってもよい。または、ダマシン構造の配線パターン１０７のためのトレンチを形成する際に用いるエッチングストッパと同層であってもよい。また、開口２０２のためのエッチングストッパは、配線パターン１０７に含まれる銅の拡散防止層と同層であってもよい。
【００３５】
固体撮像装置１０００も、上述した固体撮像装置と同様に、上面５０４ａの形状は、直径０．６ｄ（０．６ｈ）の円を描くことが可能な形状となっている。図１１（ａ）に示すように、上面５０４ａの外周５０４ｃは楕円形となっている。上面５０４ａの幅Ｗｘが楕円の長径に相当し、上面５０４ａの幅Ｗｙが楕円の短径に相当する（Ｗｘ＞Ｗｙ）。楕円の長軸の長さ２ａ（長径２ａ）、短軸の長さ２ｂ（短径２ｂ）とする（ｂ＜ａ）と、ａ＝Ｗｘ／２、ｂ＝Ｗｙ／２となる。
【００３６】
図１１（ａ）には、外周５０４ｃの曲率半径の最小値Ｒを、半径Ｒの曲率円１１０１で示している。曲率円１１０１は長軸と外周５０４ｃとの交点において外周５０４ｃに内接している。また、長軸と外周５０４ｃとの交点において外周５０４ｃに内接する半径ｒの内接円１１０２も示している。ここで、ｒ＝０．３ｄ＝０．３ｈである。曲率円１１０１は内接円１１０２よりも大きく（Ｒ＞ｒ）、曲率半径の最小値Ｒと深さｄ、高さｈの関係が、Ｒ≧ｒ＝０．３ｄ＝０．３ｈを満たすことを示している。
【００３７】
幾何学的に考察すると、長軸の長さ２ａ（長径２ａ）、短軸の長さ２ｂ（短径２ｂ）とした楕円の曲率半径の最大値はａ２／ｂ、最小値はｂ２／ａである（ｂ＜ａ）。本実施形態は光導波路５０４の上面５０４ａの外周５０４ｃの曲率半径の最小値が０．３ｄ以上（０．３ｈ以上）であればよい。つまり、Ｗｙ２／２Ｗｘ≧０．３ｄ、すなわち、Ｗｙ２／Ｗｘ≧０．６ｄであればよい。解像度の低下を抑制するため、Ｗｙ２／２Ｗｘ≦０．６ｄ、（Ｗｙ２／Ｗｘ≦１．２ｄ）としてもよい。また、上面５０４ａが極端に細長い光導波路は感度の入射角依存性を低下させるため、ｘ方向の幅Ｗｘとｙ方向の幅Ｗｙの比はそれほど大きくしなくてもよい。例えば、１．０＜Ｗｘ／Ｗｙ≦１．５であってもよく、１．１０＜Ｗｘ／Ｗｙ＜１．３０とすることもできる。なお、１．０＜Ｗｘ／Ｗｙについては、幅Ｗｘと幅Ｗｙの違いが１％未満である場合は、幅Ｗｘと幅Ｗｙに有意差がないと考えることもできるため、厳密には１．０１≦Ｗｘ／Ｗｙと表記できる。
【００３８】
光導波路の上面５０４の外周５０４ｃが楕円以外であっても、楕円に基づく幅の条件であるＷｙ２／Ｗｘ≧０．６ｄを、近似的に適用することができる。特に、光導波路の上面５０４ａの外周５０４ｃが全周に渡って凸曲線であれば、近似が適切である。楕円以外である場合に近似が適切な例を、図１１（ｂ）を用いて説明する。図１１（ｂ）には図１１（ａ）と同じ形状を有する上面５０４ａおよびその外周５０４ｃを記載している。ｘ方向において、外周５０４ｃの２点を結び上面５０４ａが最大の幅（幅Ｗｘ）に等しい長さを有する線分１１０３ａを直径とする大円１１０３を定義する。図１１（ｂ）において大円１１０３を一点鎖線で示している。この大円１１０３は、外周５０４ｃに外接する円であり、上面５０４ａが楕円であれば、楕円の長軸を直径とする円である。大円１１０３は、外周５０４ｃに外接する最小径の外接円でありうる。ｙ方向において、外周５０４ｃの２点を結び上面５０４ａが最大の幅（幅Ｗｙ）に等しい長さを有する線分１１０４ａを直径とする小円１１０４を定義する。図１１（ｂ）において小円１１０４を二点鎖線で示している。この小円１１０４は、外周５０４ｃに内接する円であり、上面５０４ａが楕円であれば、楕円の短軸を直径とする円である。小円１１０４は、外周５０４ｃに内接する最大径の内接円でありうる。外周５０４ｃの各点が、大円１１０３から小円１１０４までの範囲、すなわち、大円１１０３上、小円１１０４上あるいは大円１１０３と小円１１０４の間のいずれかに位置すれば、外周５０４ｃを楕円と近似することが適切である。外周５０４ｃが、大円１１０３の外側に位置する部分や小円１１０４の内側に位置する部分を有すると、これらの部分の近傍でボイドが生じやすくなる。従って、Ｗｙ２／Ｗｘ≧０．６ｄの関係を満足するように、深さｄに基づいて上面５０４ａおよび外周５０４ｃの形状を設計すればよい。
【００３９】
図１０、１１に示した構造について、さらに説明する。１つの画素に含まれる２つ以上の光電変換部５０１、５０２はＰＮ接合分離や絶縁体分離などによる分離部５１０によって、互いに別々に電荷を読み出せるように分離されている。光電変換部５０１で生成された電荷は転送部５１１を介して検出部５１３に転送され、光電変換部５０２で生成された電荷は転送部５１２を介して検出部５１３に転送される。転送部５１１、５１２はＭＩＳ（ＭＯＳ）ゲート、検出部５１３はフローティングディフュージョンである。
【００４０】
光透過膜５０５の上には絶縁層１１８が配されている。絶縁層１１８は周辺回路部ＰＲにも延在している。周辺回路部ＰＲにおいて、配線パターン１０９と配線パターン１１１とを接続するビアプラグあるいは配線パターン１０９と電極パッド１１３とを接続するビアプラグが絶縁層１１８を貫通して設けられている。本例のパッシベーション層１１２は光電変換部５０１、５０２の上方に位置するレンズ部１１２ａを有しており、レンズ部１１２ａはいわゆる層内レンズとして機能する。パッシベーション層１１２の上には平坦化層１１５、カラーフィルタ層１１６、光透過層１１７がこの順で設けられている。光透過層１１７はレンズ部１１７ａを有しており、レンズ部１１７ａはいわゆるトップレンズとして機能する。絶縁層１１８は酸化シリコン層、パッシベーション層１１２は窒化シリコン層であり、平坦化層１１５、カラーフィルタ層１１６、光透過層１１７は樹脂層である。このように、層内レンズとしてのレンズ部１１２ａを設けることにより、微細な光導波路５０４に適切に光を集光することができる。
【００４１】
図１１（ａ）に示した点線の円１１０５はレンズ部１１２ａ、レンズ部１１７ａによって集光される光束を模式的に示している。複数の光電変換部５０１、５０２で受光される光が共通のレンズ部１１２ａ、１１７ａによって集光されるため、複数の光電変換部５０１、５０２で１つの画素を構成することができる。このような構成は、撮像面での位相差検出方式によるオートフォーカス用の焦点検出を行う上で有利である。
【００４２】
図１１（ａ）に示すように、複数の光電変換部５０１、５０２はｘ方向に並んでおり、ｘ方向における外周５０４ｃの幅Ｗｘもｙ方向における外周５０４ｃの幅Ｗｙよりも大きくなっている。このように、外周５０４ｃの幅が大きい方向を、複数の光電変換部５０１、５０２が並ぶ方向に沿わせることで光導波路５０４に入射した光が複数の光電変換部５０１、５０２に適切に振り分けられ、焦点検出の精度が向上する。また、本例では複数の光電変換部５０１、５０２および分離部５１０を併せた幅に相当する距離Ｗｗが幅Ｗｘよりも大きくなっている（Ｗｘ＜Ｗｗ）。距離Ｗｗとは、光電変換部５０１の光電変換部５０２側とは反対側の端から、光電変換部５０２の光電変換部５０１側とは反対側の端までの距離のことである。幅Ｗｘが距離Ｗｗよりも小さくなるような開口２０２であっても、開口２０２の上面２０２ａの形状が上述した様々な関係を満足することで、ボイドの発生を抑制し、光導波路５０４の性能を向上することができる。また、幅Ｗｘが距離Ｗｗよりも小さく、さらに幅Ｗｙが幅Ｗｘよりも小さい開口２０２であっても、レンズ部１１７ａとレンズ部１１２ａを併用することで、光を光導波路５０４に入射させることができる。
【００４３】
上述の光導波路の上面は何れも点対称且つ線対称の形状であった。しかし、他の実施形態の光導波路の上面は、点対称且つ非線対称であってもよいし、非点対称且つ線対称であってもよいし、非点対称且つ非線対称であってもよい。また、光導波路の上面は、３つ以上の複数の円をずらして重ねることによって得られる形状であってもよい。光導波路の上面の中心と光電変換部の中心とは半導体基板１０１の上面に直交する方向から見て同じ位置にあってもよいし、別の位置にあってもよい。
【００４４】
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。
【符号の説明】
【００４５】
１００  固体撮像装置、１０１  半導体基板、１０４  絶縁層、１０６  絶縁層、１１０  光導波路
【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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