(57)【要約】【課題】位相差検出の特性を向上させる。【解決手段】実施形態の固体撮像素子は、上面と下面とを有する半導体基板であって、前記上面から前記下面に向かって第１受光素子領域および第２受光素子領域が設けられ、前記第２受光素子領域は、前記第１受光素子領域に並ぶ半導体基板と、前記第１受光素子領域の上に選択的に設けられた第１遮光膜と、前記第１受光素子領域の上および前記第１遮光膜の上に設けられた第１樹脂層と、前記第１樹脂層の上に設けられた第１レンズと、前記第２受光素子領域の上に選択的に設けられた第２遮光膜と、前記第２受光素子領域の上および前記第２遮光膜の上に設けられた第２樹脂層と、前記第２樹脂層の上に設けられた第２レンズと、を備える。【選択図】図１
2017054984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面と下面とを有する半導体基板であって、前記上面から前記下面に向かって第１受光素子領域および第２受光素子領域が設けられ、前記第２受光素子領域は、前記第１受光素子領域に並ぶ半導体基板と、
前記第１受光素子領域の上に選択的に設けられた第１遮光膜と、
前記第１受光素子領域の上および前記第１遮光膜の上に設けられた第１樹脂層と、
前記第１樹脂層の上に設けられた第１レンズと、
前記第２受光素子領域の上に選択的に設けられた第２遮光膜と、
前記第２受光素子領域の上および前記第２遮光膜の上に設けられた第２樹脂層と、
前記第２樹脂層の上に設けられた第２レンズと、
を備え、
前記第１受光素子領域が設けられた領域において、前記半導体基板の前記上面は、前記第１遮光膜が設けられた第１面と、前記第１遮光膜が設けられていない第２面とを含み、
前記半導体基板の前記下面と前記第１面との間の距離は、前記半導体基板の前記下面と前記第２面との間の距離よりも短く、
前記第２受光素子領域が設けられた領域において、前記半導体基板の前記上面は、前記第２遮光膜が設けられた第３面と、前記第２遮光膜が設けられていない第４面とを含み、
前記半導体基板の前記下面と前記第３面との間の距離は、前記半導体基板の前記下面と前記第４面との間の距離よりも短く、
前記第１受光素子領域から前記第２受光素子領域に向かう方向において、前記第２面は、前記第１遮光膜と前記第４面との間に位置し、前記第４面は、前記第２面と前記第２遮光膜との間に位置する固体撮像素子。
【請求項２】
前記第１遮光膜の上面と前記第２面との間には段差がなく、
前記第２遮光膜の上面と前記第４面との間には段差がない請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記第１レンズの焦点および前記第２レンズの焦点は、前記半導体基板の前記上面に位置する請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記第１樹脂層と、前記第２樹脂層と、を囲む絶縁層をさらに備え、
前記絶縁層の屈折率は、前記第１樹脂層の屈折率および前記第２樹脂層の屈折率と異なる請求項１〜３のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記第１樹脂層の屈折率は、前記第１レンズの屈折率と同じであり、
前記第２樹脂層の屈折率は、前記第２レンズの屈折率と同じである請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動焦点機能を有するカメラでは、ＣＣＤ型またはＣＭＯＳ型の固体撮像素子が利用される場合がある。このような固体撮像素子では、光電変換素子（以下、受光素子領域）を含む画素が二次元状に配置されている。さらに、自動焦点機能では、位相差方式の焦点検出方法が採用される場合がある。
【０００３】
しかし、位相差方式の焦点検出機能を備えた画素（以下、位相差検出用画素）では、遮光膜によって受光素子領域の一部が遮光される。受光素子領域の一部が遮光膜によって遮光されると、良好な位相差検出特性が得られなくなる場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５１５７４３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、位相差検出の特性を向上させた固体撮像素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の固体撮像素子は、上面と下面とを有する半導体基板であって、前記上面から前記下面に向かって第１受光素子領域および第２受光素子領域が設けられ、前記第２受光素子領域は、前記第１受光素子領域に並ぶ半導体基板と、前記第１受光素子領域の上に選択的に設けられた第１遮光膜と、前記第１受光素子領域の上および前記第１遮光膜の上に設けられた第１樹脂層と、前記第１樹脂層の上に設けられた第１レンズと、前記第２受光素子領域の上に選択的に設けられた第２遮光膜と、前記第２受光素子領域の上および前記第２遮光膜の上に設けられた第２樹脂層と、前記第２樹脂層の上に設けられた第２レンズと、を備える。
【０００７】
前記第１受光素子領域が設けられた領域において、前記半導体基板の前記上面は、前記第１遮光膜が設けられた第１面と、前記第１遮光膜が設けられていない第２面とを含む。前記半導体基板の前記下面と前記第１面との間の距離は、前記半導体基板の前記下面と前記第２面との間の距離よりも短い。前記第２受光素子領域が設けられた領域において、前記半導体基板の前記上面は、前記第２遮光膜が設けられた第３面と、前記第２遮光膜が設けられていない第４面とを含む。前記半導体基板の前記下面と前記第３面との間の距離は、前記半導体基板の前記下面と前記第４面との間の距離よりも短い。前記第１受光素子領域から前記第２受光素子領域に向かう方向において、前記第２面は、前記第１遮光膜と前記第４面との間に位置し、前記第４面は、前記第２面と前記第２遮光膜との間に位置する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）は、本実施形態に係る固体撮像素子を表す模式的断面図である。図１（ｂ）は、本実施形態に係る固体撮像素子を表す模式的平面図である。
【図２】図２（ａ）は、第１参考例に係る固体撮像素子を表す模式的断面図および第１参考例に係るカメラを表す模式図である。図２（ｂ）は、第１参考例に係る固体撮像素子における光の入射角度と受光素子領域の光強度との関係を表すグラフ図である。
【図３】図３（ａ）は、第１参考例に係る固体撮像素子を表す模式的断面図および第１参考例に係るカメラを表す模式図である。図３（ｂ）は、第１参考例に係る固体撮像素子における光の入射角度と受光素子領域の光強度との関係を表すグラフ図である。
【図４】図４（ａ）は、第２参考例に係る固体撮像素子を表す模式的断面図および第２参考例に係るカメラを表す模式図である。図４（ｂ）は、第２参考例に係る固体撮像素子における光の入射角度と受光素子領域の光強度との関係を表すグラフ図である。
【図５】図５（ａ）は、第２参考例に係る固体撮像素子を表す模式的断面図および第２参考例に係るカメラを表す模式図である。図５（ｂ）は、第２参考例に係る固体撮像素子における光の入射角度と受光素子領域の光強度との関係を表すグラフ図である。
【図６】図６は、本実施形態に係る固体撮像素子を表す模式的断面図および本実施形態に係るカメラを表す模式図である。
【図７】図７は、本実施形態に係る固体撮像素子を表す模式的断面図および本実施形態に係るカメラを表す模式図である。
【図８】図８は、本実施形態に係る固体撮像素子における光の入射角度と受光素子領域の光強度との関係を表すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。図面には、ＸＹＺ座標が使用される場合がある。
【００１０】
図１（ａ）は、本実施形態に係る固体撮像素子を表す模式的断面図である。図１（ｂ）は、本実施形態に係る固体撮像素子を表す模式的平面図である。図１（ａ）には、図１（ｂ）のＡ１−Ａ２線に沿った位置での断面が表されている。
【００１１】
本実施形態に係る固体撮像素子１は、第１受光素子領域１１と、第２受光素子領域１２と、を含む半導体基板１０と、第１遮光膜２１と、第１樹脂層３１と、第１レンズ４１と、第２遮光膜２２と、第２樹脂層３２と、第２レンズ４２と、を有する。
【００１２】
半導体基板１０は、上面１０ｕと下面１０ｄとを有する。半導体基板１０は、例えば、シリコン基板である。半導体基板１０は、窒化物半導体基板、ガリウムヒ素基板、炭化ケイ素基板のいずれかであってもよい。
【００１３】
実施形態の図において、半導体基板１０の下面１０ｄから上面１０ｕに向かう方向は、Ｚ方向である。Ｚ方向に直交する方向は、Ｘ方向またはＹ方向である。Ｘ方向は、Ｙ方向と直交している。例えば、第１受光素子領域１１から第２受光素子領域１２に向かう方向は、Ｙ方向である。
【００１４】
第１受光素子領域１１は、半導体基板１０の上面１０ｕから下面１０ｄに向けて設けられている。半導体基板１０の上面１０ｕは、第１受光素子領域１１の上端でもある。第１受光素子領域１１は、第１レンズ４１を介して第１受光素子領域１１に入射した光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換素子を含む。この光電変換素子は、Ｓｉフォトダイオードである。
【００１５】
第１遮光膜２１は、第１受光素子領域１１の上に選択的に設けられている。第１遮光膜２１の下面２１ｄは、半導体基板１０の上面１０ｕより下に位置する。第１遮光膜２１は、第１受光素子領域１１に埋め込まれている。第１受光素子領域１１が設けられた領域において、半導体基板１０の上面１０ｕは、第１遮光膜２１が設けられた第１面１０−１と、前記第１遮光膜２１が設けられていない第２面１０−２とを含む。半導体基板１０の下面１０ｄと第１面１０−１との間の距離は、半導体基板１０の下面１０ｄと第２面１０−２との間の距離よりも短い。第１面１０−１と第２面１０−２との間には段差がある。第１遮光膜２１の材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）またはタングステン（Ｗ）などを含む。
【００１６】
第１樹脂層３１は、第１受光素子領域１１の上および第１遮光膜２１の上に設けられている。第１樹脂層３１は、第１遮光膜２１の上面２１ｕと、第１受光素子領域１１の上端、すなわち、半導体基板１０の上面１０ｕと、に接している。第１樹脂層３１は、透光性樹脂を含む。第１樹脂層３１は、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂等の少なくとも１つを含む。
【００１７】
第１レンズ４１は、第１樹脂層３１の上に設けられている。第１レンズ４１の焦点ｆ１は、半導体基板１０の上面１０ｕに位置する。第１レンズ４１の焦点ｆ１は、例えば、半導体基板１０の第２面１０−２に位置する。第１レンズ４１は、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂等の少なくとも１つを含む。第１樹脂層３１の屈折率は、第１レンズ４１の屈折率と同じであってもよい。
【００１８】
第２受光素子領域１２は、半導体基板１０の上面１０ｕから下面１０ｄに向けて設けられている。Ｙ方向において、第２受光素子領域１２は、第１受光素子領域１１の横に設けられている。半導体基板１０の上面１０ｕは、第２受光素子領域１２の上端でもある。第２受光素子領域１２は、第２レンズ４２を介して第２受光素子領域１２に入射した光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換素子を含む。この光電変換素子は、Ｓｉフォトダイオードである。
【００１９】
第２遮光膜２２は、第２受光素子領域１２の上に選択的に設けられている。第２遮光膜２２の下面２２ｄは、半導体基板１０の上面１０ｕより下に位置する。第２遮光膜２２は、第２受光素子領域１２に埋め込まれている。第２受光素子領域１２が設けられた領域において、半導体基板１０の上面１０ｕは、第２遮光膜２２が設けられた第３面１０−３と、第２遮光膜２２が設けられていない第４面１０−４とを含む。半導体基板１０の下面１０ｄと第３面１０−３との間の距離は、半導体基板１０の下面１０ｄと第４面１０−４との間の距離よりも短い。第３面１０−３と第４面１０−４との間には段差がある。第２遮光膜２２の材料は、第１遮光膜２１の材料と同じでもよい。第２遮光膜２２の材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）またはタングステン（Ｗ）などを含む。
【００２０】
第２樹脂層３２は、第２受光素子領域１２の上および第２遮光膜２２の上に設けられている。第２樹脂層３２は、第２遮光膜２２の上面２２ｕと、第２受光素子領域１２の上端、すなわち、半導体基板１０の上面１０ｕと、に接している。第２樹脂層３１は、透光性樹脂を含む。第２樹脂層３２は、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂等の少なくとも１つを含む。第２樹脂層３２の屈折率は、第２レンズ４２の屈折率と同じであってもよい。
【００２１】
第２レンズ４２は、第２樹脂層３２の上に設けられている。第２レンズ４２の焦点ｆ２は、半導体基板１０の上面１０ｕに位置する。第２レンズ４２の焦点ｆ２は、半導体基板１０の第４面１０−４に位置する。第２レンズ４２は、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂等の少なくとも１つを含む。
【００２２】
Ｙ方向において、第１遮光膜２１と第２遮光膜２２との間に、第１受光素子領域１１の一部１１ａおよび第２受光素子領域１２の一部１２ａが設けられている。例えば、Ｙ方向において、第１遮光膜２１、第１受光素子領域１１の一部１１ａ、第２遮光膜２２、および第２受光素子領域１２の一部１２ａは、この順に並んでいる。第２受光素子領域１２の一部１２ａは、Ｙ方向において第１受光素子領域１１の一部１１ａに並んでいる。Ｙ方向において、半導体基板１０の第２面１０−２は、第１遮光膜２１と第４面１０−４との間に位置する。また、Ｙ方向において、半導体基板１０の第４面１０−４は、第２面１０−２と第２遮光膜２２との間に位置する。
【００２３】
第１遮光膜２１と第１受光素子領域１１の一部１１ａとの間には段差がない。第１遮光膜２１の上面２１ｕと半導体基板１０の第２面１０−２との間には段差がない。半導体基板１０の下面１０ｄと第１遮光膜２１の上面２１ｕとの間の距離は、半導体基板１０の下面１０ｄと第１受光素子領域１１の上端、すなわち、半導体基板１０の上面１０ｕとの間の距離と同じである。第１遮光膜２１の上面２１ｕと、第１遮光膜２１に隣接する半導体基板１０の上面１０ｕと、によって平坦面が形成される。
【００２４】
第２遮光膜２２と第２受光素子領域１２の一部１２ａとの間には段差がない。第２遮光膜２２の上面２２ｕと半導体基板１０の第４面１０−４との間には段差がない。半導体基板１０の下面１０ｄと第２遮光膜２２の上面２２ｕとの間の距離は、半導体基板１０の下面１０ｄと第２受光素子領域１２の上端、すなわち、半導体基板１０の上面１０ｕとの間の距離と同じである。第２遮光膜２２と半導体基板１０の上面１０ｕとの間には段差がない。第２遮光膜２２の上面２２ｕと、第２遮光膜２２に隣接する半導体基板１０の上面１０ｕと、によって平坦面が形成される。
【００２５】
また、固体撮像素子１は、第３樹脂層３３と、第３レンズ４３と、を備える。第３樹脂層３３は、例えば、赤色光を優先的に透過するカラーフィルタ層である。半導体基板１０は、Ｙ方向において、第２受光素子領域１２に並ぶ第３受光素子領域１３をさらに有する。第３受光素子領域１３は、第３レンズ４３を介して第３受光素子領域１３に入射した光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換素子を含む。この光電変換素子は、Ｓｉフォトダイオードである。
【００２６】
第３樹脂層３３は、第３受光素子領域１３の上に設けられている。第３レンズ４３は、第３樹脂層３３の上に設けられている。第３レンズ４３の焦点ｆ３は、半導体基板１０の上面１０ｕに位置する。第３レンズ４３は、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂等の少なくとも１つを含む。
【００２７】
半導体基板１０の上面１０ｕからの第１樹脂層３１、第２樹脂層３２、および第３樹脂層３３のそれぞれの高さは、同じである。第１レンズ４１の焦点距離、第２レンズ４２の焦点距離、および第３レンズ４３の焦点距離は、同じである。
【００２８】
また、固体撮像素子１は、金属層２３、金属層２４、金属層２５、金属層２６、および絶縁層５３を備える。金属層２３、金属層２４、金属層２５、および金属層２６のそれぞれは、第１遮光膜２１の材料または第２遮光膜２２と同じ材料を含む。絶縁層５３は、例えば、シリコン酸化物を含む。
【００２９】
また、固体撮像素子１は、フォトダイオードを含む受光素子領域１４、１５、樹脂層３４、３５、レンズ４４、４５を備える。図１（ａ）では、受光素子領域１４、１５、樹脂層３４、３５、レンズ４４、４５のそれぞれは、半分の断面が表示されている。樹脂層３４は、例えば、赤色光を優先的に透過するカラーフィルタ層である。樹脂層３５は、例えば、緑色光を優先的に透過するカラーフィルタ層である。
【００３０】
金属層２３は、第１遮光膜２１に接続されている。金属層２５は、第２遮光膜２２に接続されている。Ｙ方向において、第１樹脂層３１と第２樹脂層３２との間には、金属層２４および絶縁層５３が設けられている。Ｙ方向において、樹脂層３４と第１樹脂層３１との間には、金属層２３および絶縁層５３が設けられている。Ｙ方向において、第２樹脂層３２と第３樹脂層３３との間には、金属層２５および絶縁層５３が設けられている。Ｙ方向において、第３樹脂層３３と樹脂層３５との間には、金属層２６および絶縁層５３が設けられている。絶縁層５３は、Ｘ−Ｙ平面において、第１樹脂層３１、第２樹脂層３２、および第３樹脂層３３のそれぞれを囲む。
【００３１】
このほか、固体撮像素子１においては、受光素子領域１１〜１５以外の受光素子領域が半導体基板１０の上面１０ｕに二次元状（Ｘ方向およびＹ方向）に複数、配置されている。複数の受光素子領域のそれぞれ上には、カラーフィルタ層が設けられている。ここで、カラーフィルタ層は、赤色光、緑色光、および青色光のいずれかを優先的に透過するカラーフィルタ層である。さらに、複数の受光素子領域のそれぞれ上には、カラーフィルタ層を介してレンズが設けられている。
【００３２】
図１（ｂ）では、Ｘ方向に延在する破線とＹ方向に延在する破線とによって９個の画素と、半分の平面が表示された６個の画素とが表されている。第１遮光膜２１は、第１受光素子領域１１の略半分を覆う。第２遮光膜２２は、第２受光素子領域１２の略半分を覆う。第１遮光膜２１および第２遮光膜２２の外形は、例えば、矩形である。
【００３３】
第１遮光膜２１または第２遮光膜２２が配置された画素は、位相差検出用画素である。本実施形態では、図１（ｂ）に向かって左側の位相差検出用画素を左画素１ＰＬ、右側の位相差検出用画素を右画素１ＰＲとする。左画素１ＰＬおよび右画素１ＰＲ以外の画素はイメージセンサ用の画素として機能する。また、位相差検出用画素は、左画素１ＰＬおよび右画素１ＰＲの一組とは限らず、複数の組が半導体基板１０に配置されてもよい。
【００３４】
固体撮像素子１の作用を説明する前に、第１参考例に係る固体撮像素子１００の作用について説明する。
【００３５】
図２（ａ）は、第１参考例に係る固体撮像素子を表す模式的断面図および第１参考例に係るカメラを表す模式図である。図２（ｂ）は、第１参考例に係る固体撮像素子における光の入射角度と受光素子領域の光強度との関係を表すグラフ図である。
【００３６】
第１参考例に係る固体撮像素子１００においては、第１受光素子領域１１が設けられた領域において、半導体基板１０の上面１０ｕに段差が形成されていない。また、第２受光素子領域１２が設けられた領域において、半導体基板１０の上面１０ｕに段差が形成されていない。
【００３７】
固体撮像素子１００においては、第１遮光膜２１の上面２１ｕと半導体基板１０の上面１０ｕとの間に段差がある。また、第２遮光膜２２の上面２２ｕと半導体基板１０の上面１０ｕとの間に段差がある。固体撮像素子１００においては、平坦な半導体基板１０の上面１０ｕに、第１遮光膜２１と第２遮光膜２２とが設けられている。
【００３８】
固体撮像素子１００においては、第１レンズ４１の焦点および第２レンズ４２の焦点が半導体基板１０の上面１０ｕに位置している。固体撮像素子１００は、例えば、カメラ２００内に設けられたイメージセンサ２０２に組み込まれている。例えば、イメージセンサ２０２には、Ｘ−Ｙ面内において、複数の固体撮像素子１００が周期的に配置されている。イメージセンサ２０２は、カメラレンズ２０１に対向している。
【００３９】
また、第１遮光膜２１と第２遮光膜２２とが設けられている画素に注目した場合、図２（ａ）に向かって左側の画素を左画素１００ＰＬ、右側の画素を右画素１００ＰＲとする。
【００４０】
例えば、カメラレンズ２０１の焦点２０１ｆがイメージセンサ２０２の手前に位置し、カメラレンズ２０１を通して光束Ｐｆ１が固体撮像素子１００のいずれかに入射される場合（前ピント（front focus））、固体撮像素子１００の第１レンズ４１および第２レンズ４２には、半導体基板１０に対する法線Ｃ１から右に傾いた光束Ｐｆ１が入射する。
【００４１】
図２（ｂ）には、入射角度（θ）と信号電荷の光強度（a.u.:arbitrary unit）との関係が表されている。ここで、横軸の入射角度（θ）で、縦軸の光強度を積分した値が複数の固体撮像素子１００で光を受光した光強度に対応している。また、固体撮像素子１００の位置がイメージセンサ２０２の中心２０２ｃから遠く離れるほど、入射角度（θ）の絶対値が大きくなる。また、３０°は、第１レンズ４１および第２レンズ４２に入射する光束の臨界角度である。
【００４２】
例えば、左画素１００ＰＬでは、光束Ｐｆ１が半導体基板１０に対して垂直（θ：０°）に入射するときが最も光強度が高くなる。但し、左画素１００ＰＬでは、光束Ｐｆ１が少しでも右に傾くと、光束Ｐｆ１が第１遮光膜２１に当たってしまう。これにより、左画素１００ＰＬでは、入射角度（θ）の絶対値の増加とともに、その光強度が減衰していく。この様子が、曲線Ａとして描かれている。
【００４３】
一方、右画素１００ＰＲでは、光束Ｐｆ１の入射角度（θ）が垂直（θ：０°）のとき、その光強度は左画素１００ＰＬと同じである。右画素１００ＰＲでは、光束Ｐｆ１が僅かに右に傾いたとしても、光束Ｐｆ１が第２受光素子領域１２に当たる。つまり、右画素１００ＰＲの光強度は、左画素１００ＰＬの光強度よりも高くなる。そして、右画素１００ＰＲでは、入射角度（θ）の絶対値の増加とともに、一旦、光強度が極大となり、その後、入射角度（θ）が臨界角度に近づき、やがて光強度が減衰する。この様子が、曲線Ｂとして描かれている。
【００４４】
但し、第１参考例では、第２レンズ４２の焦点が第２受光素子領域１２の上端に位置している。これにより、右画素１００ＰＲでは、光束Ｐｆ１の一部が第２遮光膜２２に遮られる。例えば、図２（ａ）には、光束Ｐｆ１の一部が第２遮光膜２２によって反射される様子が示されている。
【００４５】
次に、カメラレンズ２０１の焦点２０１ｆがイメージセンサ２０２の後ろに位置し、カメラレンズ２０１を通して光束Ｐｆ１が固体撮像素子１００に入射される場合（後ピント（back focus））の様子を説明する。図３（ａ）は、第１参考例に係る固体撮像素子を表す模式的断面図および第１参考例に係るカメラを表す模式図である。図３（ｂ）は、第１参考例に係る固体撮像素子における光の入射角度と受光素子領域の光強度との関係を表すグラフ図である。
【００４６】
例えば、カメラレンズ２０１の焦点２０１ｆがイメージセンサ２０２の後ろに位置し、カメラレンズ２０１を通して光束Ｐｆ１が固体撮像素子１００のいずれかに入射される場合）、固体撮像素子１００の第１レンズ４１および第２レンズ４２には、半導体基板１０に対する法線Ｃ１から左に傾いた光束Ｐｆ１が入射する。
【００４７】
図３（ｂ）には、入射角度（θ）と信号電荷の光強度（a.u.:arbitrary unit）との関係が表されている。ここで、横軸の入射角度（θ）で、縦軸の光強度を積分した値が複数の固体撮像素子１００で光を受光した光強度に対応している。また、固体撮像素子１００の位置がイメージセンサ２０２の中心２０２ｃから遠く離れるほど、入射角度（θ）の絶対値が大きくなる。ここで、−３０°は、第１レンズ４１および第２レンズ４２に入射する光束の臨界角度である。また、右に傾いた角度は、プラス値で表され、左に傾いた角度は、マイナス値で表される。また、図３（ｂ）には、上述した固体撮像素子１００の結果も、重ねて表示されている。
【００４８】
例えば、右画素１００ＰＲでは、光束Ｐｆ１が半導体基板１０に対して垂直（θ：０°）に入射するときが最も光強度が高くなる。但し、右画素１００ＰＲでは、光束Ｐｆ１が少しでも左に傾くと、光束Ｐｆ１が第２遮光膜２２に当たってしまう。これにより、右画素１００ＰＲでは、入射角度（θ）の絶対値の増加とともに、その光強度が減衰していく。この様子が曲線Ｂとして描かれている。
【００４９】
一方、左画素１００ＰＬでは、光束Ｐｆ１の入射角度（θ）が垂直（θ：０°）のとき、その光強度は右画素１００ＰＲと同じである。左画素１００ＰＬでは、光束Ｐｆ１が僅かに左に傾いたとしても、光束Ｐｆ１が第１受光素子領域１１に当たる。つまり、左画素１００ＰＬの光強度は、右画素１００ＰＲの光強度よりも高くなる。そして、左画素１００ＰＬでは、入射角度（−θ）の絶対値の増加とともに、一旦、光強度が極大となり、その後、入射角度（θ）が臨界角度に近づき、やがて光強度が減衰する。この様子が曲線Ａとして描かれている。
【００５０】
但し、第１参考例では、第１レンズ４１の焦点が第１受光素子領域１１の上端に位置している。これにより、左画素１００ＰＬでは、光束Ｐｆ１の一部が第１遮光膜２１に遮られる。例えば、図３（ａ）には、光束Ｐｆ１の一部が第１遮光膜２１によって反射される様子が示されている。
【００５１】
なお、入射角度（θ）と光強度との関係のデータが取得され、入射角度（θ）で光強度を積分した光強度が右画素１００ＰＲと左画素１００ＰＬで同じになったとき、カメラレンズ２０１はイメージセンサ２０２に合焦していることになる。
【００５２】
図４（ａ）は、第２参考例に係る固体撮像素子を表す模式的断面図および第２参考例に係るカメラを表す模式図である。図４（ｂ）は、第２参考例に係る固体撮像素子における光の入射角度と受光素子領域の光強度との関係を表すグラフ図である。
【００５３】
図４（ａ）、（ｂ）に示す例においては、固体撮像素子１０１においては、第１レンズ４１の焦点が第１遮光膜２１の上面２１ｕに位置し、第２レンズ４２の焦点が第２遮光膜２２の上面２２ｕに位置している。このほかの固体撮像素子１０１の構成は、固体撮像素子１００の構成と同じである。固体撮像素子１０１は、例えば、カメラ２００内に設けられたイメージセンサ２０２に組み込まれている。イメージセンサ２０２には、Ｘ−Ｙ面内において、例えば、複数の固体撮像素子１０１が周期的に配置されている。
【００５４】
例えば、カメラレンズ２０１の焦点２０１ｆがイメージセンサ２０２の手前に位置した場合、いずれかの固体撮像素子１０１の第１レンズ４１および第２レンズ４２には、半導体基板１０に対する法線Ｃ１から右に傾いた光束Ｐｆ１が入射する。
【００５５】
図４（ｂ）には、入射角度（θ）と信号電荷の光強度（a.u.）との関係が表されている。横軸の入射角度（θ）で、縦軸の光強度を積分した値が複数の固体撮像素子１０１で光を受光した光強度に対応している。また、固体撮像素子１０１の位置がイメージセンサ２０２の中心２０２ｃから遠く離れるほど、入射角度（θ）の絶対値が大きくなる。また、図４（ｂ）には、上述した固体撮像素子１００の結果も、重ねて表示されている。
【００５６】
例えば、左画素１０１ＰＬでは、光束Ｐｆ１が半導体基板１０に対して垂直（θ：０°）に入射するときが最も光強度が高くなる。但し、左画素１０１ＰＬでは、光束Ｐｆ１が少しでも右に傾くと、光束Ｐｆ１が第１遮光膜２１に当たってしまう。これにより、左画素１０１ＰＬでは、入射角度（θ）の絶対値の増加とともに、その光強度が減衰していく。この様子が曲線Ｃとして描かれている。
【００５７】
一方、右画素１０１ＰＲでは、光束Ｐｆ１の入射角度（θ）が垂直（θ：０°）のとき、その光強度は左画素１０１ＰＬと同じである。右画素１０１ＰＲでは、光束Ｐｆ１が僅かに右に傾いたとしても、光束Ｐｆ１が第２受光素子領域１２に当たる。つまり、右画素１０１ＰＲの光強度は、左画素１０１ＰＬの光強度よりも高くなる。そして、右画素１０１ＰＲでは、入射角度（θ）の絶対値の増加とともに、一旦、光強度が極大となり、その後、入射角度（θ）が臨界角度に近づき、やがて光強度が減衰する。この様子が曲線Ｄとして描かれている。
【００５８】
また、第２参考例では、第２レンズ４２の焦点が第２遮光膜２２の上面２２ｕに位置している。これにより、第２レンズ４２を通して、第２樹脂層３２に到達した光束Ｐｆ１は、第２遮光膜２２と金属層２４との間を通り、第２受光素子領域１２にまで到達する。
【００５９】
但し、右画素１０１ＰＲでは、光束Ｐｆ１の一部が第２遮光膜２２の角部２２ｃに当たり、この角部２２ｃによって光束Ｐｆ１の一部が遮られる。また、第２遮光膜２２の上面に焦点が合っていると、位相差検出用画素以外の画素の焦点は、受光素子の上面からずれ、受光素子領域が受光する光強度が低下する。
【００６０】
次に、第２参考例において、カメラレンズ２０１の焦点２０１ｆがイメージセンサ２０２の後に位置した場合の様子を説明する。図５（ａ）は、第２参考例に係る固体撮像素子を表す模式的断面図および第２参考例に係るカメラを表す模式図である。図５（ｂ）は、第２参考例に係る固体撮像素子における光の入射角度と受光素子領域の光強度との関係を表すグラフ図である。
【００６１】
例えば、カメラレンズ２０１の焦点２０１ｆがイメージセンサ２０２の後に位置した場合、いずれかの固体撮像素子１０１の第１レンズ４１および第２レンズ４２には、半導体基板１０に対する法線Ｃ１から左に傾いた光束Ｐｆ１が入射する。
【００６２】
図５（ｂ）には、入射角度（θ）と信号電荷の光強度（a.u.）との関係が表されている。横軸の入射角度（θ）で、縦軸の光強度を積分した値が複数の固体撮像素子１０１で光を受光した光強度に対応している。また、固体撮像素子１０１の位置がイメージセンサ２０２の中心２０２ｃから遠く離れるほど、入射角度（θ）の絶対値が大きくなる。
【００６３】
例えば、右画素１０１ＰＲでは、光束Ｐｆ１が半導体基板１０に対して垂直（θ：０°）に入射するときが最も光強度が高くなる。但し、右画素１０１ＰＲでは、光束Ｐｆ１が少しでも左に傾くと、光束Ｐｆ１が第２遮光膜２２に当たってしまう。これにより、右画素１０１ＰＲでは、入射角度（θ）の絶対値の増加とともに、その光強度が減衰していく。この様子が曲線Ｄとして表されている。
【００６４】
一方、左画素１０１ＰＬでは、光束Ｐｆ１の入射角度（θ）が垂直（θ：０°）のとき、その光強度は右画素１０１ＰＲと同じである。左画素１０１ＰＬでは、光束Ｐｆ１が僅かに左に傾いたとしても、光束Ｐｆ１が第１受光素子領域１１に当たる。つまり、左画素１０１ＰＬの光強度は、右画素１０１ＰＲの光強度よりも高くなる。そして、左画素１０１ＰＬでは、入射角度（θ）の絶対値の増加とともに、一旦、光強度が極大となり、その後、入射角度（θ）が臨界角度に近づき、やがて光強度が減衰する。この様子が曲線Ｃとして描かれている。
【００６５】
また、第２参考例では、第１レンズ４１の焦点が第１遮光膜２１の上面２１ｕに位置している。これにより、第１レンズ４１を通して、第１樹脂層３１に到達した光束Ｐｆ１は、第１遮光膜２１と金属層２４との間を通り、第１受光素子領域１１にまで到達する。
【００６６】
但し、左画素１０１ＰＬでは、光束Ｐｆ１の一部が第１遮光膜２１の角部２１ｃに当たり、この角部２１ｃによって光束Ｐｆ１の一部が遮られる。また、第１遮光膜２１の上面に焦点が合っていると、位相差検出用画素以外の画素の焦点が受光素子の上面からずれ、受光素子領域が受光する光強度が低下する。
【００６７】
本実施形態に係る固体撮像素子１の作用について説明する。
【００６８】
図６は、本実施形態に係る固体撮像素子を表す模式的断面図および本実施形態に係るカメラを表す模式図である。図７は、本実施形態に係る固体撮像素子を表す模式的断面図および本実施形態に係るカメラを表す模式図である。図８は、本実施形態に係る固体撮像素子における光の入射角度と受光素子領域の光強度との関係を表すグラフ図である。図８においては、横軸の入射角度（θ）で、縦軸の光強度を積分した値が複数の固体撮像素子１で光を受光した光強度に対応している。また、固体撮像素子１の位置がイメージセンサ２０２の中心２０２ｃから遠く離れるほど、入射角度（θ）の絶対値が大きくなる。また、図８には、上述した固体撮像素子１００、１０１の結果も、重ねて表示されている。
【００６９】
固体撮像素子１は、例えば、カメラ２００内に設けられたイメージセンサ２０２に組み込まれている。例えば、イメージセンサ２０２には、Ｘ−Ｙ面内において、複数の固体撮像素子１が周期的に配置されている。
【００７０】
光束Ｐｆ１がいずれかの固体撮像素子１に右斜めから入射するときの作用について説明する。
【００７１】
例えば、図６に表すように、カメラレンズ２０１の焦点２０１ｆは、イメージセンサ２０２の手前に位置している。これにより、固体撮像素子１の第１レンズ４１および第２レンズ４２には、半導体基板１０に対する法線Ｃ１から右に傾いた光束Ｐｆ１が入射する。
【００７２】
例えば、左画素１ＰＬでは、光束Ｐｆ１が半導体基板１０に対して垂直（θ：０°）に入射するときが最も光強度が高くなる。但し、左画素１ＰＬでは、光束Ｐｆ１が少しでも右に傾くと、光束Ｐｆ１が第１遮光膜２１に当たってしまう。これにより、左画素１ＰＬでは、入射角度（θ）の絶対値の増加とともに、その光強度が減衰していく。この様子が図８では、曲線αとして描かれている。
【００７３】
一方、右画素１ＰＲでは、光束Ｐｆ１の入射角度（θ）が垂直（θ：０°）のとき、その光強度は左画素１ＰＬと同じである。右画素１ＰＲでは、光束Ｐｆ１が僅かに右に傾いたとしても、光束Ｐｆ１が第２受光素子領域１２に当たる。つまり、右画素１ＰＲの光強度は、左画素１ＰＬの光強度よりも高くなる。そして、右画素１ＰＲでは、入射角度（θ）の絶対値の増加とともに、一旦、光強度が極大となり、その後、入射角度（θ）が臨界角度に近づき、やがて光強度が減衰する。この様子が図８では、曲線βとして描かれている。
【００７４】
光束Ｐｆ１が固体撮像素子１に左斜めから入射するときの作用について説明する。
【００７５】
例えば、図７に表すように、カメラレンズ２０１の焦点２０１ｆは、イメージセンサ２０２の後に位置している。これにより、いずれかの固体撮像素子１の第１レンズ４１および第２レンズ４２には、半導体基板１０に対する法線Ｃ１から左に傾いた光束Ｐｆ１が入射する。
【００７６】
例えば、右画素１ＰＲでは、光束Ｐｆ１が半導体基板１０に対して垂直（θ：０°）に入射するときが最も光強度が高くなる。但し、右画素１ＰＲでは、光束Ｐｆ１が少しでも左に傾くと、光束Ｐｆ１が第２遮光膜２２に当たってしまう。これにより、右画素１ＰＲでは、入射角度（θ）の絶対値の増加とともに、その光強度が減衰していく。この様子が図８では、曲線βとして描かれている。
【００７７】
一方、左画素１ＰＬでは、光束Ｐｆ１の入射角度（θ）が垂直（θ：０°）のとき、その光強度は右画素１ＰＲと同じである。左画素１ＰＬでは、光束Ｐｆ１が僅かに左に傾いたとしても、光束Ｐｆ１が第１受光素子領域１１に当たる。つまり、左画素１ＰＬの光強度は、右画素１ＰＲの光強度よりも高くなる。そして、左画素１ＰＬでは、入射角度（θ）の絶対値の増加とともに、一旦、光強度が極大となり、その後、入射角度（θ）が臨界角度に近づき、やがて光強度が減衰する。この様子が図８では、曲線αとして描かれている。
【００７８】
本実施形態では、第２受光素子領域１２の第４面１０−４と、第２遮光膜２２の上面２２ｕとの間において段差がない。これにより、本実施形態では、光束Ｐｆ１の一部が第２遮光膜２２によって遮られる現象（第１参考例）が起き難くなる。また、第１受光素子領域１１の第２面１０−４と、第１遮光膜２１の上面２１ｕとの間において段差がない。これにより、本実施形態では、光束Ｐｆ１の一部が第１遮光膜２２によって遮られる現象（第１参考例）が起き難くなる。これにより、本実施形態では、第１参考例に比べて、信号電荷の感度が増加する。
【００７９】
また、第２受光素子領域１２の第４面１０−４と、第２遮光膜２２の上面２２ｕとの間における段差が無くなると、光束Ｐｆ１の一部が第２遮光膜２２の角部２２ｃによって遮られる現象（第２参考例）が起き難くなっている。また、第１受光素子領域１１の第２面１０−２と、第１遮光膜２１の上面２１ｕとの間における段差が無くなると、光束Ｐｆ１の一部が第１遮光膜２１の角部２１ｃによって遮られる現象（第２参考例）が起き難くなっている。
【００８０】
また、本実施形態では、第２レンズ４２の焦点が半導体基板１０の上面１０ｕに位置している。これにより、本実施形態では、第２レンズ４２の焦点が第２参考例に比べて第２受光素子領域１２のｐｎ接合に近づく。また、本実施形態では、第１レンズ４１の焦点が半導体基板１０の上面１０ｕに位置している。これにより、本実施形態では、第１レンズ４１の焦点が第１参考例に比べて第１受光素子領域１１のｐｎ接合に近づく。これにより、本実施形態では、第２参考例に比べて、信号電荷の感度がさらに増加する。つまり、位相差検出特性の向上と、位相差検出用画素ではない画素の受光領域が受光する光強度の向上と、が両立できる。
【００８１】
これにより、本実施形態では、参考例に比べて、位相差検出の特性が向上する。
【００８２】
また、本実施形態では、位相差検出用の画素（左画素１ＰＬ、右画素１ＰＲ）に配置されたレンズ（第１レンズ４１、第２レンズ４２）の焦点が半導体基板１０の上面１０ｕに位置している。さらに、イメージセンサ用の画素に配置された第３レンズ４３の焦点も、半導体基板１０の上面１０ｕに位置している。これにより、固体撮像素子１の中、第１レンズ４１の焦点および第２レンズ４２の焦点のみを選択的に変更する製造プロセスが不要になる。
【００８３】
また、本実施形態では、第１遮光膜２１の上および第１受光素子領域１１の上に第１樹脂層３１が設けられている。第１樹脂層３１の屈折率が第１レンズ４１の屈折率と同じとき、第１レンズ４１から入射される光は、第１樹脂層３１と第１レンズ４１との界面によって反射されることなく第１受光素子領域１１にまで届く。また、第２遮光膜２２の上および第２受光素子領域１２の上に第２樹脂層３２が設けられている。第２樹脂層３２の屈折率が第２レンズ４２の屈折率と同じとき、第２レンズ４２から入射される光は、第２樹脂層３２と第２レンズ４２との界面によって反射されることなく第２受光素子領域１２にまで到達する。
【００８４】
また、本実施形態では、第１樹脂層３１および第２樹脂層３２のそれぞれが絶縁層５３に囲まれている。絶縁層５３の屈折率は、第１樹脂層３１の屈折率および第２樹脂層３２の屈折率と異なってもよい。例えば、絶縁層５３の屈折率が第１樹脂層３１の屈折率および第２樹脂層３２の屈折率よりも低いとき、第１樹脂層３１と絶縁層５３との界面および第２樹脂層３２と絶縁層５３との界面で、光の反射（例えば、全反射）が起き易くなる。これにより、第１受光素子領域１１および第２受光素子領域１２における光収集が促進する。
【００８５】
また、絶縁層５３の下には、金属層２３、２４、２５が設けられている。金属層２３、２４、２５によっても光が反射されて、第１受光素子領域１１および第２受光素子領域１２における光収集が促進する。
【００８６】
第１樹脂層３１または第２樹脂層３２は、カラーフィルタ層であってもよい。例えば、第１樹脂層３１または第２樹脂層３２がカラーフィルタ層であれば、特定の波長帯の光が第１樹脂層３１または第２樹脂層３２を透過する。
【００８７】
これにより、色収差による第１レンズ４１における焦点ｆ１の位置ずれ、色収差による第２レンズ４２における焦点ｆ２の位置ずれが抑制される。
【００８８】
上記の実施形態では、「ＡはＢの上に設けられている」と表現された場合の「の上に」とは、ＡがＢに接触して、ＡがＢの上に設けられている場合の他に、ＡがＢに接触せず、ＡがＢの上方に設けられている場合との意味で用いられる場合がある。また、「ＡはＢの上に設けられている」は、ＡとＢとを反転させてＡがＢの下に位置した場合や、ＡとＢとが横に並んだ場合にも適用される場合がある。これは、実施形態に係る半導体装置を回転しても、回転前後において半導体装置の構造は変わらないからである。
【００８９】
以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、実施形態はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、実施形態の特徴を備えている限り、実施形態の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
【００９０】
また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも実施形態の特徴を含む限り実施形態の範囲に包含される。その他、実施形態の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても実施形態の範囲に属するものと了解される。
【００９１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９２】
１、１００、１０１  固体撮像素子、  １ＰＬ  左画素、  １ＰＲ  右画素、  １０  半導体基板、  １０−１  第１面、  １０−２  第２面、  １０−３  第３面、  １０−４  第４面、  １０ｄ  下面、  １０ｕ  上面、  １１  第１受光素子領域、  １１ａ  一部、  １２  第２受光素子領域、  １２ａ  一部、  １３  第３受光素子領域、  １４、１５  受光素子領域、  ２１  第１遮光膜、  ２１ｃ  角部、  ２１ｄ  下面、  ２１ｕ  上面、  ２２  第２遮光膜、  ２２ｃ  角部、  ２２ｄ  下面、  ２２ｕ  上面、  ２３、２４、２５、２６  金属層、  ３１  第１樹脂層、  ３２  第２樹脂層、  ３３  第３樹脂層、  ３４、３５  樹脂層、  ４１  第１レンズ、  ４２  第２レンズ、  ４３  第３レンズ、  ４４、４５  レンズ、  ５３  絶縁層、  １００ＰＬ、１０１ＰＬ  左画素、  １００ＰＲ、１０１ＰＲ  右画素、  ２００  カメラ、  ２０１  カメラレンズ、  ２０１ｆ  焦点、  ２０２  イメージセンサ、  Ｃ１  法線、  Ｐｆ１  光束、  ｆ１、ｆ２、ｆ３  焦点
【図２】
2017054984.tif 000003
【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１】
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