(57)【要約】  本開示は、光を受光する特性の改善を図ることができるようにするセンサ素子および製造方法、並びに電子機器に関する。センサ素子は、光が入射する第１の面と第１の面に対して反対側を向く第２の面とを有する半導体基板と、半導体基板に設けられた光電変換を行う光電変換領域を含む複数の画素と、画素の第１の面に設けられた複数の溝とを備える。そして、溝は、断面視で、半導体基板の第２の面に対して垂直な方向に沿って設けられた第１の溝側面と、垂直な方向とは異なる方向に設けられた第２の溝側面とを有する。本技術は、例えば、CMOSイメージセンサに適用できる。
2020085115.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光が入射する第１の面と前記第１の面に対して反対側を向く第２の面とを有する半導体基板と、
前記半導体基板に設けられた光電変換を行う光電変換領域を含む複数の画素と、
前記画素の前記第１の面に設けられた複数の溝と
を備え、
前記溝は、断面視で、前記半導体基板の前記第２の面に対して垂直な方向に沿って設けられた第１の溝側面と、前記垂直な方向とは異なる方向に設けられた第２の溝側面とを有する
センサ素子。
【請求項２】
前記画素内に設けられた複数の前記溝は、断面視で、前記画素の中心部を基準とした前記垂直な方向に対して線対称に、前記第１の溝側面と前記第２の溝側面とが設けられる
請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項３】
前記画素内に設けられた個々の前記溝は、断面視で、前記溝の底部を基準とした前記垂直な方向に対して非対称に、前記第１の溝側面と前記第２の溝側面とが設けられる
請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項４】
前記溝は、断面視で、前記第１の溝側面の長さと前記第２の溝側面の長さとが異なる
請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項５】
複数の前記溝により前記画素ごとに光を集光する集光構造が設けられ、
前記集光構造として、前記第１の溝側面である垂直面と、前記画素の中央から外側に向かうに従い凹部が深くなるように傾斜する傾斜面である前記第２の溝側面とによる凹凸形状が、複数、前記画素の中央を対称に設けられる
請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項６】
前記凹凸形状の高さは、複数の前記溝について略均一に形成される
請求項５に記載のセンサ素子。
【請求項７】
前記凹凸形状の高さは、複数の前記溝について、前記画素の中央から外側に向かうに従って大きくなるように形成される
請求項５に記載のセンサ素子。
【請求項８】
前記半導体基板の受光面の前記集光構造の凹凸形状に沿うように成膜される反射防止膜と、
前記反射防止膜に対して成膜され、前記集光構造の凹部を埋め込むように形成される保護膜と
をさらに備える請求項５に記載のセンサ素子。
【請求項９】
前記半導体基板において、隣接する前記画素どうしを分離する素子分離部が形成されている
請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項１０】
前記画素ごとに、それぞれの画素が受光する色の光を透過するカラーフィルタと、
前記画素ごとに、それぞれの画素が受光する光を集光するオンチップレンズと
をさらに備える請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項１１】
前記集光構造は、平面的に見て直線形状に形成される
請求項５に記載のセンサ素子。
【請求項１２】
前記集光構造は、平面的に見て正方形型に形成される
請求項５に記載のセンサ素子。
【請求項１３】
前記集光構造は、平面的に見て丸型に形成される
請求項５に記載のセンサ素子。
【請求項１４】
前記集光構造が、像高に応じて瞳補正された形状に形成される
請求項１３に記載のセンサ素子。
【請求項１５】
前記溝が、前記半導体基板を異方性エッチングすることにより形成されている
請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項１６】
光が入射する第１の面と前記第１の面に対して反対側を向く第２の面とを有する半導体基板と、前記半導体基板に設けられた光電変換を行う光電変換領域を含む複数の画素と、前記画素の前記第１の面に設けられた複数の溝とを備えるセンサ素子を製造する製造装置が、
前記溝は、断面視で、前記半導体基板の前記第２の面に対して垂直な方向に沿って設けられた第１の溝側面と、前記垂直な方向とは異なる方向に設けられた第２の溝側面とを有するように形成すること
を含む製造方法。
【請求項１７】
前記溝は、前記半導体基板を異方性エッチングすることにより形成される
請求項１６に記載の製造方法。
【請求項１８】
前記溝は、ナノインプリントにより作成されたレジストを前記半導体基板に転写することにより形成される
請求項１６に記載の製造方法。
【請求項１９】
光が入射する第１の面と前記第１の面に対して反対側を向く第２の面とを有する半導体基板と、
前記半導体基板に設けられた光電変換を行う光電変換領域を含む複数の画素と、
前記画素の前記第１の面に設けられた複数の溝と
を備え、
前記溝は、断面視で、前記半導体基板の前記第２の面に対して垂直な方向に沿って設けられた第１の溝側面と、前記垂直な方向とは異なる方向に設けられた第２の溝側面とを有する
センサ素子を備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、センサ素子および製造方法、並びに電子機器に関し、特に、光を受光する特性の改善を図ることができるようにしたセンサ素子および製造方法、並びに電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像機能を備えた電子機器においては、例えば、CCD（Charge Coupled Device）やCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどの固体撮像素子が使用されている。例えば、固体撮像素子は、被写体からの光を受光する受光面に複数の画素がアレイ状に配置されて構成されており、光を良好に受光することができるように、画素ごとの光の集光を改善したり、受光面における反射を防止したりすることが試みられている。【０００３】
例えば、特許文献１には、赤外光検出部の画素の中央部を中心にして、この中心部から周辺にかけ、曲率半径を段ごとに次第に変化させて、中央部への集光を可能にした集光レンズを形成した構造の固体撮像素子が開示されている。【０００４】
また、特許文献２には、複数の画素ごとに光電変換部が形成される半導体基板と、その半導体基板に光が入射する光入射面側に設けられ、高さの異なる複数種類の突起部が形成された構造である反射防止構造とを備えた構造の固体撮像素子が開示されている。この固体撮像素子は、それぞれ異なる加工条件より複数段階に分けて半導体基板の光入射面を掘り込む加工を行うことにより反射防止構造が形成される。そして、反射防止構造は、所定の高さの第１の突起部の間に、第１の突起部よりも高さの低い第２の突起部が形成された構造となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６１−１４５８６１号公報
【特許文献２】特開２０１５−２２０３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１および２で開示されている固体撮像素子は、光が左右に散乱して隣接画素の混色が悪化することが懸念され、赤外線などの単色光の撮影での用途しかないと想定される。特に、特許文献２に開示されている固体撮像素子の構造では、フレネルレンズのような集光を実現することが想定されておらず、画素ごとのオンチップレンズで光を集光するため、低背化および感度向上を実現することは困難であった。【０００７】
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、光を受光する特性の改善を図ることができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一側面のセンサ素子は、光が入射する第１の面と前記第１の面に対して反対側を向く第２の面とを有する半導体基板と、前記半導体基板に設けられた光電変換を行う光電変換領域を含む複数の画素と、前記画素の前記第１の面に設けられた複数の溝とを備え、前記溝は、断面視で、前記半導体基板の前記第２の面に対して垂直な方向に沿って設けられた第１の溝側面と、前記垂直な方向とは異なる方向に設けられた第２の溝側面とを有する。【０００９】
本開示の一側面の製造方法は、光が入射する第１の面と前記第１の面に対して反対側を向く第２の面とを有する半導体基板と、前記半導体基板に設けられた光電変換を行う光電変換領域を含む複数の画素と、前記画素の前記第１の面に設けられた複数の溝とを備えるセンサ素子を製造する製造装置が、前記溝は、断面視で、前記半導体基板の前記第２の面に対して垂直な方向に沿って設けられた第１の溝側面と、前記垂直な方向とは異なる方向に設けられた第２の溝側面とを有するように形成することを含む。【００１０】
本開示の一側面の電子機器は、光が入射する第１の面と前記第１の面に対して反対側を向く第２の面とを有する半導体基板と、前記半導体基板に設けられた光電変換を行う光電変換領域を含む複数の画素と、前記画素の前記第１の面に設けられた複数の溝とを備え、前記溝は、断面視で、前記半導体基板の前記第２の面に対して垂直な方向に沿って設けられた第１の溝側面と、前記垂直な方向とは異なる方向に設けられた第２の溝側面とを有するセンサ素子を備える。【００１１】
本開示の一側面においては、溝は、断面視で、半導体基板の第２の面に対して垂直な方向に沿って設けられた第１の溝側面と、垂直な方向とは異なる方向に設けられた第２の溝側面とを有する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本技術を適用した画素の第１の実施の形態の構成例を示す図である。
【図２】図１の画素のフレネル構造を拡大して示す図である。
【図３】図１の画素を有する撮像素子の第１の構成例を示す図である。
【図４】本技術を適用した画素の第２の実施の形態の構成例を示す図である。
【図５】図４の画素のフレネル構造を拡大して示す図である。
【図６】図４の画素を有する撮像素子の第２の構成例を示す図である。
【図７】撮像素子の第３の構成例を示す図である。
【図８】撮像素子の第４の構成例を示す図である。
【図９】集光する光の色に応じたフレネル構造の一例を示す図である。
【図１０】撮像素子の第５の構成例を示す図である。
【図１１】図１０の撮像素子の画素の構造を示す図である。
【図１２】図１１の画素の変形例を示す図である。
【図１３】直線形状に形成された集光構造の平面的なレイアウト例を示す図である。
【図１４】正方形型に形成された集光構造の平面的なレイアウト例を示す図である。
【図１５】丸型に形成された集光構造の平面的なレイアウト例を示す図である。
【図１６】丸型に形成された集光構造に、瞳補正を適用した構成の平面的なレイアウト例を示す図である。
【図１７】集光構造の瞳補正について説明する図である。
【図１８】瞳補正を適用した集光構造の平面的なレイアウト例を示す図である。
【図１９】集光構造および反射集光構造の瞳補正について説明する図である。
【図２０】画素の第１の製造方法について説明する図である。
【図２１】画素の第１の製造方法について説明する図である。
【図２２】画素の第１の製造方法について説明する図である。
【図２３】画素の第２の製造方法について説明する図である。
【図２４】撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【図２５】イメージセンサを使用する使用例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本技術を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
＜画素の第１の構成例＞
図１は、本技術を適用した画素の第１の実施の形態の構成例を示す図である。
【００１５】
図１に示すように、画素１１は、半導体基板２１、反射防止膜２２、および保護膜２３が積層されて構成され、半導体基板２１の表面に集光構造２４が形成されている。
【００１６】
半導体基板２１には、画素１１に照射される光を受光して光電変換を行う光電変換部（図示せず）が形成される。
【００１７】
反射防止膜２２は、半導体基板２１の表面に対して成膜され、半導体基板２１に照射される光の反射を防止する。例えば、反射防止膜２２は、固定電荷膜および酸化膜が積層された積層構造が、集光構造２４の形状に沿うように形成される。また、反射防止膜２２として、例えば、ALD（Atomic Layer Deposition）法による高誘電率（High-k）の絶縁薄膜を用いることができる。具体的には、反射防止膜２２として、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）や、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、ＳＴＯ（Strontium Titan Oxide）などを用いることができる。そして、反射防止膜２２として、例えば、酸化ハフニウム膜、酸化アルミニウム膜、および酸化シリコン膜の積層構造を用いることが好適である。
【００１８】
保護膜２３は、反射防止膜２２に対して成膜され、集光構造２４を保護する。例えば、保護膜２３は、透明な無機材料または有機材料によって、集光構造２４の凹部を埋め込んで、その表面を平坦化するように形成される。
【００１９】
集光構造２４は、半導体基板２１の表面形状が、画素１１の中央から外側に向かうに従い凹部が深くなるような傾斜が、複数、画素１１の中央を対称として形成された凹凸形状からなり、半導体基板２１に入射する光を画素１１の中央に向かって集光する。即ち、集光構造２４の凹凸形状は、画素１１の中央に向かって光を集光するように傾斜面および垂直面からなる凹部が複数形成されている。以下、集光構造２４のように、光を集光する機能を備えた凹凸形状をフレネル形状とも称する。
【００２０】
即ち、図２に示すように、集光構造２４は、断面視で、半導体基板２１の受光面に対して反対側を向く面（図３の配線層２５が積層される面）に対して垂直な方向に沿って設けられた垂直面（第１の溝側面）と、垂直な方向とは異なる方向に設けられた傾斜面（第２の溝側面）とを有する複数の溝により構成される。ここで、半導体基板２１の受光面に対して反対側を向く面に対して垂直な方向とは、図示する垂直面に沿った方向である。
【００２１】
例えば、画素１１内において、集光構造２４を構成する複数の溝は、断面視で、画素１１の中心部を基準とした垂直な方向に対して線対称となるように、垂直面と傾斜面とが設けられる。また、画素１１内において、集光構造２４を構成する個々の溝は、断面視で、それぞれの溝の底部を基準とした垂直な方向に対して非対称となるように、垂直面と傾斜面とが設けられる。また、垂直面と傾斜面とは、断面視で、それぞれ長さが異なっている。
【００２２】
さらに、集光構造２４は、フレネル形状の高さが均一で、かつ、フレネル形状の幅が均等に、または、外側に向かうに従い小さくなるように形成される。
【００２３】
即ち、図２に示すように、集光構造２４は、フレネル形状の凹部から凸部までの高さｈが、製造誤差の範囲内で、均一となるように形成される。例えば、集光構造２４は、５個の凹凸形状からなる構成では、フレネル形状の高さｈ０乃至ｈ４の全てが均一となっている。例えば、集光構造２４は、ｎ個の凹凸形状からなる構成において、フレネル形状の高さｈ０乃至ｈｎが、ｈ０＝ｈ１＝ｈ２＝ｈ３＝ｈ４＝・・・＝ｈｎの関係となるように形成される。
【００２４】
また、図２に示すように、集光構造２４は、フレネル形状の凹部から凸部までの幅ｄが、製造誤差の範囲内で、均等となるように形成される。例えば、集光構造２４は、５個の凹凸形状からなる構成では、フレネル形状の幅ｄ０乃至ｄ４の全てが均等となっている。即ち、集光構造２４は、ｎ個の凹凸形状からなる構成において、フレネル形状の幅ｄ０乃至ｄｎが、ｄ０＝ｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝・・・＝ｄｎの関係となるように形成される。
【００２５】
このように集光構造２４を形成することによって、半導体基板２１に入射する光を画素１１の中央に向かって集光することができる。従って、図１の白抜きの矢印で示すように、半導体基板２１に入射する光が画素１１の中央に向かって屈折して、画素１１の中央に向かって集光することができる。
【００２６】
なお、集光構造２４は、フレネル形状の高さｈが均一となるように形成され、かつ、フレネル形状の幅ｄが画素１１の中央から外側に向かうに従って小さく（即ち、ｄ０≧ｄ１≧ｄ２≧ｄ３≧ｄ４≧・・・≧ｄｎ）なるように形成してもよい。このような集光構造２４によって、半導体基板２１に入射する光を、外側になるほど画素１１の中央に向かって大きく屈折させ、画素１１の中央に向かって効果的に集光することができる。
【００２７】
＜撮像素子の第１の構成例＞
図３には、複数の画素が配置されて構成される撮像素子の第１の構成例が示されている。
【００２８】
図３に示すように、撮像素子３１は、パッケージ３２の内部に収納されており、パッケージ３２の開口部分は透明ガラス３３により封止されている。
【００２９】
撮像素子３１は、半導体基板２１の受光面に対して反対側の面に、画素１１を駆動するための駆動信号を伝送する配線や画素１１から出力される画素信号を伝送する配線などが形成される配線層２５が積層された構造となっている。また、図３に示す構成例の撮像素子３１では、保護膜２３の表面が平坦に形成されている。
【００３０】
さらに、撮像素子３１は、半導体基板２１において隣接する画素１１どうしを分離するために、半導体基板２１を彫り込んで形成されるトレンチに遮光性を有する材料が埋め込まれた素子分離部２６が設けられる構造となっている。例えば、素子分離部２６は、半導体基板２１が光を受光する受光面側から設けられたトレンチ、または、その受光面に対して反対となる面（即ち、配線層２５が積層される面）側から設けられたトレンチにより構成される。
【００３１】
素子分離部２６には、誘電体材料が埋め込まれ、または、誘電体材料と遮光膜とが埋め込まれる。この誘電体は、シリコン酸化物や、ハフニウム酸化膜、アルミニウム酸化物、シリコン窒化膜などの材料により構成することができる。
【００３２】
また、遮光膜は、例えば、特定の金属、金属合金、金属窒化物、または、金属シリサイドを含む材料により構成することができる。具体的には、遮光膜は、W（タングステン）や、Ti（チタン）、Ta（タンタル）、Ni（ニッケル）、Mo（モリブデン）、Cr（クロム）、Ir（イリジウム）、白金イリジウム、TiN（チタンナイトライド）、タングステンシリコン化合物などにより構成される。なお、これら以外の材料により素子分離部２６を構成してもよく、例えば、金属以外の遮光性を有する物質を用いることができる。
【００３３】
撮像素子３１は、それぞれの画素１１に集光構造２４が設けられる構造によって、より安価に撮像素子３１を製造することができる。
【００３４】
以上のように構成される撮像素子３１は、半導体基板２１の受光面に集光構造２４を設けることによって、画素１１の中央に光を集光して光電変換効率を向上させ、画素１１ごとの光を受光する特性の改善を図ることができる。
【００３５】
また、撮像素子３１は、集光構造２４によって、画素１１に照射される光が左右に散乱することを防止することができ、例えば、隣接する画素１１への混色を軽減させることができる。そして、半導体基板２１の受光面に集光構造２４を設ける構造によって、撮像素子３１の低背化および感度向上を図るとともに、低コスト化を実現することができる。
【００３６】
＜画素の第２の構成例＞
図４は、本技術を適用した画素の第２の実施の形態の構成例を示す図である。
【００３７】
図４に示すように、画素１１Ａは、図１の画素１１と同様に、半導体基板２１、反射防止膜２２、および保護膜２３が積層されて構成される。そして、画素１１Ａは、集光構造２４Ａの形状が、図１の画素１１の集光構造２４と異なる形状となっている。
【００３８】
即ち、集光構造２４Ａは、フレネル形状の凹部から凸部までの高さｈが、画素１１Ａの中央から外側に向かうに従って大きくなるように形成される。
【００３９】
例えば、図５に示すように、集光構造２４Ａは、５個の凹凸形状からなる構成では、画素１１Ａの中央から１番目のフレネル形状の高さｈ０が最も小さく、画素１１Ａの中央から２番目のフレネル形状の高さｈ１は高さｈ０よりも大きくなる。以下同様に、画素１１Ａの中央から５番目のフレネル形状の高さｈ４が最も大きくなる。即ち、集光構造２４Ａは、ｎ個の凹凸形状からなる構成において、フレネル形状の高さｈ０乃至ｈｎが、ｈ０≦ｈ１≦ｈ２≦ｈ３≦ｈ４≦・・・≦ｈｎの関係となるように形成される。
【００４０】
また、図５に示すように、集光構造２４Ａは、フレネル形状の凹部から凸部までの幅ｄが、画素１１Ａの中央から外側に向かうに従って均等または小さくなるように形成される。例えば、集光構造２４Ａは、５個の凹凸形状からなる構成では、画素１１Ａの中央から１番目のフレネル形状の幅ｄ０が最も大きく、画素１１Ａの中央から２番目のフレネル形状の幅ｄ１は幅ｄ０よりも小さくなる。以下同様に、画素１１Ａの中央から５番目のフレネル形状の幅ｄ４が最も小さくなる。即ち、集光構造２４Ａは、ｎ個の凹凸形状からなる構成において、フレネル形状の幅ｄ０乃至ｄｎが、ｄ０≧ｄ１≧ｄ２≧ｄ３≧ｄ４≧・・・≧ｄｎの関係となるように形成される。
【００４１】
このように集光構造２４Ａを形成することによって、画素１１Ａの中心付近では光の屈折を小さくし、画素１１Ａの外側に向かうに従って屈折を大きくすることができる。従って、図４の白抜きの矢印で示すように、半導体基板２１に入射する光を、外側になるほど画素１１Ａの中央に向かって大きく屈折させ、画素１１Ａの中央に向かって効果的に集光することができる。
【００４２】
なお、集光構造２４Ａは、フレネル形状の高さｈが画素１１Ａの中央から外側に向かうに従って大きくなるように形成されていて、かつ、フレネル形状の幅ｄを、製造誤差の範囲内で、均等（即ち、ｄ０＝ｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝・・・＝ｄｎ）に形成してもよい。このような集光構造２４Ａによっても、半導体基板２１に入射する光を画素１１Ａの中央に向かって集光することができ、画素１１Ａの感度を向上させることができる。
【００４３】
＜撮像素子の第２の構成例＞
図６には、複数の画素が配置されて構成される撮像素子の第２の構成例が示されている。
【００４４】
図６に示すように、撮像素子３１Ａは、図３の撮像素子３１と同様に、半導体基板２１に配線層２５が積層され、保護膜２３の表面が平坦に形成されている。また、撮像素子３１Ａにおいても、半導体基板２１において隣接する画素１１Ａどうしを分離する素子分離部２６が形成されている。
【００４５】
そして、撮像素子３１Ａでは、画素１１Ａごとに、図４および図５を参照して説明したような集光構造２４Ａが、半導体基板２１の表面に形成されている。
【００４６】
なお、図示しないが、撮像素子３１Ａも、図３の撮像素子３１と同様に、パッケージ３２の内部に収納され、パッケージ３２の開口部分は透明ガラス３３により封止される。
【００４７】
以上のように構成される撮像素子３１Ａは、図３の撮像素子３１と同様に、画素１１Ａごとの光を受光する特性の改善を図ることができる。
【００４８】
＜撮像素子の第３の構成例＞
図７には、複数の画素が配置されて構成される撮像素子の第３の構成例が示されている。
【００４９】
図７に示すように、撮像素子３１Ｂは、図３の撮像素子３１と同様に、半導体基板２１に配線層２５が積層され、半導体基板２１において隣接する画素１１Ｂどうしを分離する素子分離部２６が形成されている。また、撮像素子３１Ｂでは、画素１１Ｂごとに、図６の撮像素子３１Ａの集光構造２４Ａと同様の形状の集光構造２４Ｂが、半導体基板２１の表面に形成されている。
【００５０】
そして、撮像素子３１Ｂは、半導体基板２１の受光面側に、反射防止膜２２を介して、カラーフィルタ２７およびオンチップレンズ２８が積層されて構成されている。
【００５１】
カラーフィルタ２７は、画素１１Ｂごとに、それぞれの画素１１Ｂが受光する色の光を透過する。例えば、図７に示す構成例では、カラーフィルタ２７−１は赤色（Ｒ）の光を透過し、カラーフィルタ２７−２は緑色（Ｇ）の光を透過し、カラーフィルタ２７−３は青色（Ｂ）の光を透過し、カラーフィルタ２７−４は赤色（Ｒ）の光を透過する。なお、このような構成の他、例えば、近赤外光を透過するフィルタや、透明のフィルタ、他の色を透過するカラーフィルタを用いる構成としてもよい。
【００５２】
オンチップレンズ２８は、画素１１Ｂごとに、それぞれの画素１１Ｂが受光する光を集光する。
【００５３】
なお、図示しないが、撮像素子３１Ｂも、図３の撮像素子３１と同様に、パッケージ３２の内部に収納され、パッケージ３２の開口部分は透明ガラス３３により封止される。
【００５４】
以上のように構成される撮像素子３１Ｂは、図３の撮像素子３１と同様に、画素１１Ｂごとの光を受光する特性の改善を図ることができる。さらに、撮像素子３１Ｂは、光の混色を低減することで、上述した特許文献１に開示されている固体撮像素子と異なって、赤外線などの単色光だけではなく、他の波長を含めたカラー画像の撮像を行うことができる。
【００５５】
＜撮像素子の第４の構成例＞
図８には、複数の画素が配置されて構成される撮像素子の第４の構成例が示されている。
【００５６】
図８に示すように、撮像素子３１Ｃは、図７の撮像素子３１Ｂと同様に、半導体基板２１に配線層２５が積層され、半導体基板２１の受光面側に、反射防止膜２２を介して、カラーフィルタ２７およびオンチップレンズ２８が積層されて構成されている。また、撮像素子３１Ｃにおいても、半導体基板２１において隣接する画素１１Ｃどうしを分離する素子分離部２６が形成されている。
【００５７】
そして、撮像素子３１Ｃは、画素１１Ｃごとに、それぞれのカラーフィルタ２７が透過する光の色（波長）に応じて、集光構造２４Ｃの形状が異なるように構成されている。
【００５８】
例えば、図９に示すように、波長が長い赤色の光を透過するカラーフィルタ２７−１が配置される画素１１Ｃ−１は、半導体基板２１の奥深い領域で光が集光されるように、フレネル形状の凹部が浅く、傾斜が緩い角度となる形状で集光構造２４Ｃ−１が形成される。
【００５９】
また、波長が短い青色の光を透過するカラーフィルタ２７−３が配置される画素１１Ｃ−３は、半導体基板２１の浅い領域で光が集光されるように、フレネル形状の凹部が深く、傾斜が急峻な角度となる形状で集光構造２４Ｃ−３が形成される。
【００６０】
また、赤色より波長が短く、かつ、青色より波長が長い緑色の光を透過するカラーフィルタ２７−２が配置される画素１１Ｃ−２は、集光構造２４Ｃ−１と集光構造２４Ｃ−３との中間の領域で光が集光されるように、フレネル形状の凹部および傾斜の角度が、それらの中間となる形状で集光構造２４Ｃ−２が形成される。
【００６１】
このように構成される撮像素子３１Ｃは、図３の撮像素子３１と同様に、画素１１Ｃごとに、光を受光する特性の改善を図ることができる。そして、撮像素子３１Ｃは、画素１１Ｃが受光する光の色ごとに、集光を最適化することができる。
【００６２】
なお、例えば、カラーフィルタ２７に替えて、近赤外光を透過するフィルタを用いる構成では、集光構造２４は、カラーフィルタ２７−１が配置される画素１１Ｃ−１よりも、半導体基板２１のさらに奥深い領域まで光が届くような形状で集光構造２４Ｃ形成される。
【００６３】
＜撮像素子の第５の構成例＞
図１０には、複数の画素が配置されて構成される撮像素子の第５の構成例が示されている。
【００６４】
図１０に示すように、撮像素子３１Ｄは、図７の撮像素子３１Ｂと同様に、半導体基板２１に配線層２５が積層され、半導体基板２１の受光面側に、反射防止膜２２を介して、カラーフィルタ２７およびオンチップレンズ２８が積層されて構成されている。また、撮像素子３１Ｄでは、半導体基板２１において隣接する画素１１Ｄどうしを分離する素子分離部２６が形成され、図６の撮像素子３１Ａの集光構造２４Ａと同様の形状の集光構造２４Ｄが、半導体基板２１の表面に形成されている。
【００６５】
そして、撮像素子３１Ｄは、半導体基板２１および配線層２５の間に、画素１１Ｄごとに、反射膜２９が設けられており、反射膜２９に反射集光構造３０が形成されて構成されている。
【００６６】
反射膜２９は、半導体基板２１の受光面に対して反対側の面に成膜される金属により構成され、半導体基板２１を透過する光を反射する。
【００６７】
反射集光構造３０は、反射膜２９において反射される光が、画素１１Ｄの中央に向かうようなフレネル形状に形成される。
【００６８】
例えば、図１１に示すように、反射膜２９の反射集光構造３０は、半導体基板２１を透過する光を、画素１１Ｄの中央に向かって反射する。
【００６９】
以上のように構成される撮像素子３１Ｄは、図３の撮像素子３１と同様に、画素１１Ｄごとの光を受光する特性の改善を図ることができる。さらに、撮像素子３１Ｄは、反射集光構造３０を有する反射膜２９によって、さらなる感度向上を図ることができる。
【００７０】
なお、図１２の画素１１Ｅのように、反射集光構造３０を有する反射膜２９を設け、反射膜２９による集光を行うような構成では、半導体基板２１の受光面に設けられる集光構造２４Ｅが平坦に形成される変形例を採用してもよい。
【００７１】
＜フレネル構造の平面的なレイアウト例＞
図１３乃至図１６を参照して、集光構造２４の平面的なレイアウトについて説明する。
【００７２】
図１３には、平面的に見て細長い直線形状に形成された集光構造２４Ｆの平面的なレイアウトの一例が示されている。
【００７３】
図１３のＡには、集光構造２４Ｆが設けられた画素１１Ｆの平面的な構成が示されており、図１３のＢには、集光構造２４Ｆが設けられた画素１１Ｆの断面的な構成（図１３のＡに示す一点鎖線Ａ−Ｂに沿った断面図）が示されている。集光構造２４Ｆは、図１の集光構造２４と同様の斜面が設けられ、その斜面が画素１１Ｆの両側に向かって傾斜するような線対称となる形状となっている。
【００７４】
また、図１３では、半導体基板２１に形成される光電変換部４１が破線で示されており、図１３のＣには、複数の画素１１Ｆが行列状に配置された状態が光電変換部４１の破線によって表されている。図示するように、集光構造２４Ｆは、複数の画素１１Ｆにわたって列方向に沿うように形成される。例えば、このような集光構造２４Ｆは、ライン型センサに適用するのに好適である。
【００７５】
図１４には、平面的に見て正方形型に形成された集光構造２４Ｇの平面的なレイアウトの一例が示されている。
【００７６】
図１４のＡには、集光構造２４Ｇが設けられた画素１１Ｇの平面的な構成が示されており、図１４のＢには、集光構造２４Ｇが設けられた画素１１Ｇの断面的な構成（図１４のＡに示す一点鎖線Ａ−Ｂに沿った断面図）が示されている。集光構造２４Ｇは、図１の集光構造２４と同様の斜面が設けられ、その斜面が画素１１Ｇの四方に向かって傾斜するような、画素１１Ｇの中心で点対称となる形状となっている。
【００７７】
また、図１４では、半導体基板２１に形成される光電変換部４１が破線で示されており、図１４のＣには、複数の画素１１Ｇが行列状に配置された状態が光電変換部４１の破線によって表されている。図示するように、集光構造２４Ｇは、複数の画素１１Ｇごとに正方形型が行方向および列方向に繰り返すように形成される。
【００７８】
図１５には、平面的に見て丸型に形成された集光構造２４Ｈの平面的なレイアウトの一例が示されている。
【００７９】
図１５のＡには、集光構造２４Ｈが設けられた画素１１Ｈの平面的な構成が示されており、図１５のＢには、集光構造２４Ｈが設けられた画素１１Ｈの断面的な構成（図１５のＡに示す一点鎖線Ａ−Ｂに沿った断面図）が示されている。集光構造２４Ｈは、図４の集光構造２４Ａと同様の斜面が設けられ、その斜面が画素１１Ｈの外周に向かって傾斜するような、画素１１Ｈの中心に対して同心円となる形状（いわゆるフレネルレンズ形状）となっている。
【００８０】
また、図１５では、半導体基板２１に形成される光電変換部４１が破線で示されており、図１５のＣには、複数の画素１１Ｈが行列状に配置された状態が光電変換部４１の破線によって表されている。図示するように、集光構造２４Ｈは、複数の画素１１Ｇごとに丸型が行方向および列方向に繰り返すように形成される。
【００８１】
図１６には、平面的に見て丸型となる集光構造２４Ｈに、瞳補正を適用した構成における平面的なレイアウトの一例が示されている。
【００８２】
図１６では、図１５のＣと同様に、複数の画素１１Ｈが行列状に配置された状態が光電変換部４１の破線によって表されている。図１６に示すように、瞳補正を適用した集光構造２４Ｈでは、全体の中央に配置される画素１１Ｈでは、集光構造２４Ｈの中心が中央に配置される形状となり、外側に配置される画素１１Ｈほど、集光構造２４Ｈの中心が全体の中央部に近づくような形状となる。例えば、このような瞳補正を適用した集光構造２４Ｈは、点光源に対するセンサに適用するのに好適である。
【００８３】
なお、集光構造２４の平面的な形状は、図１３乃至図１６に示したような構成例に限定されることなく、その他の様々な形状を採用することができる。
【００８４】
＜集光構造の瞳補正＞
図１７乃至図１９を参照して、集光構造２４の瞳補正について説明する。
【００８５】
図１７には、撮像素子３１Ｊの左端近傍に配置される画素１１Ｊ−１、撮像素子３１Ｊの中央部に配置される画素１１Ｊ−２、および撮像素子３１Ｊ−３の右端近傍に配置される画素１１Ｊ−３の概略的な断面構成が示されている。
【００８６】
図示するように、撮像素子３１Ｊの中央部に配置される画素１１Ｊ−２では、半導体基板２１の受光面に集光構造２４Ｊ−２が形成される。そして、撮像素子３１Ｊの像高が高い外側程、画素１１Ｊ−１の集光構造２４Ｊ−１および撮像素子３１Ｊ−３の集光構造２４Ｊ−３は、フレネル形状の凹部が深くなるように形成される。
【００８７】
また、瞳補正は、点光源に対して、オンチップレンズ２８およびカラーフィルタ２７の配置をずらし、半導体基板２１の表面に形成される集光構造２４Ｊが、それぞれの配置に応じて画素１１Ｊの中央に光が集光されるように形成される。
【００８８】
図１８には、このように形成される集光構造２４Ｊの平面的なレイアウトの一例が示されている。図１８に示すように、全体の中央部から外側に向かって、平面的に見て扇形の形状の集光構造２４Ｊとなっている。
【００８９】
図１９を参照して、図１０を参照して説明したような反射集光構造３０を有する反射膜２９を有する画素１１Ｋに瞳補正を適用した撮像素子３１Ｋの構成例について説明する。
【００９０】
図１９には、撮像素子３１Ｋの左端近傍に配置される画素１１Ｋ−１、撮像素子３１Ｋの中央部に配置される画素１１Ｋ−２、および撮像素子３１Ｋ−３の右端近傍に配置される画素１１Ｋ−３の概略的な断面構成が示されている。
【００９１】
図示するように、撮像素子３１Ｋの中央部に配置される画素１１Ｋ−２では、半導体基板２１の受光面に集光構造２４Ｋ−２が平坦に形成されるとともに、反射膜２９Ｋの反射集光構造３０Ｋが平坦に形成される。そして、撮像素子３１Ｋの像高が高い外側程、画素１１Ｋ−１の集光構造２４Ｋ−１および撮像素子３１Ｋ−３の集光構造２４Ｋ−３は、フレネル形状の凹部が深くなるように形成されるとともに、反射膜２９Ｋの反射集光構造３０Ｋもフレネル形状の凹部が深くなるように形成される。即ち、反射膜２９Ｋは、像高によって大きさが異なり、それぞれの配置に応じて画素１１Ｊの中央に光が集光されるように形成される。
【００９２】
＜画素の製造方法＞
図２０乃至図２２を参照して、図１の画素１１の製造方法について説明する。
【００９３】
第１の工程において、図２０の上から１段目に示すように、半導体基板２１の受光面に対してＳｉＮ膜５１を成膜し、ＳｉＮ膜５１に対してレジスト５２でマスクを形成する。
【００９４】
第２の工程において、図２０の上から２段目に示すように、レジスト５２をマスクとしてＳｉＮ膜５１をドライエッチングする。
【００９５】
第３の工程において、図２０の上から３段目に示すように、レジスト５２を除去し、ＳｉＮ膜５１をマスクとして半導体基板２１をドライエッチングして、トレンチを形成する。
【００９６】
第４の工程において、図２０の上から４段目に示すように、ＳｉＮ膜５１を除去する。
【００９７】
第５の工程において、図２１の上から１段目に示すように、ＳｉＮ膜５３を成膜し、半導体基板２１のトレンチ内にもＳｉＮ膜５３を充填する。
【００９８】
第６の工程において、図２１の上から２段目に示すように、ＳｉＮ膜５３に対してレジスト５４でマスクを形成する。
【００９９】
第７の工程において、図２１の上から３段目に示すように、レジスト５４をマスクとしてＳｉＮ膜５３をドライエッチングする。
【０１００】
第８の工程において、図２１の上から４段目に示すように、ＳｉＮ膜５３をマスクとして半導体基板２１をウェットエッチングまたはドライエッチングする。このとき、異方性エッチングを行う（Si100面を使用する）ことで、集光構造２４となる傾斜が形成される。
【０１０１】
第９の工程において、図２２の上から１段目に示すように、ＳｉＮ膜５３およびレジスト５４を除去する。
【０１０２】
第１０の工程において、図２２の上から２段目に示すように、集光構造２４に対してＳＩＯを形成して、反射防止膜２２を成膜する。例えば、反射防止膜２２は、上述したように、酸化ハフニウム膜、酸化アルミニウム膜、および酸化シリコン膜の積層構造とすることができる。
【０１０３】
第１１の工程において、図２２の上から３段目に示すように、保護膜２３を成膜することにより、半導体基板２１の受光面に集光構造２４が形成された画素１１が製造される。
【０１０４】
図２３を参照して、図４の画素１１Ａの製造方法について説明する。
【０１０５】
第２１の工程において、図２３の上から１段目に示すように、ナノインプリントの型枠に所望の形状として、集光構造２４Ａに対応するフレネル形状を形成する。そして、ナノインプリントで、フレネル形状のレジスト５５を、半導体基板２１の受光面上に作成する。
【０１０６】
第２２の工程において、図２３の上から２段目に示すように、ドライエッチングで加工することにより、レジスト５５のフレネル形状が、半導体基板２１の受光面に転写されて、集光構造２４Ａが形成される。
【０１０７】
第２３の工程において、図２３の上から３段目に示すように、集光構造２４Ａに反射防止膜２２を成膜した後、カラーフィルタ２７およびオンチップレンズ２８を形成することにより、半導体基板２１の受光面に集光構造２４Ａが形成された画素１１Ａが製造される。
【０１０８】
＜電子機器の構成例＞
上述したような撮像素子３１は、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像システム、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えた他の機器といった各種の電子機器に適用することができる。
【０１０９】
図２４は、電子機器に搭載される撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【０１１０】
図２４に示すように、撮像装置１０１は、光学系１０２、撮像素子１０３、信号処理回路１０４、モニタ１０５、およびメモリ１０６を備えて構成され、静止画像および動画像を撮像可能である。
【０１１１】
光学系１０２は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの像光（入射光）を撮像素子１０３に導き、撮像素子１０３の受光面（センサ部）に結像させる。
【０１１２】
撮像素子１０３としては、上述した撮像素子３１が適用される。撮像素子１０３には、光学系１０２を介して受光面に結像される像に応じて、一定期間、電子が蓄積される。そして、撮像素子１０３に蓄積された電子に応じた信号が信号処理回路１０４に供給される。
【０１１３】
信号処理回路１０４は、撮像素子１０３から出力された画素信号に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路１０４が信号処理を施すことにより得られた画像（画像データ）は、モニタ１０５に供給されて表示されたり、メモリ１０６に供給されて記憶（記録）されたりする。
【０１１４】
このように構成されている撮像装置１０１では、上述した撮像素子３１を適用することで、例えば、より高感度で画像を撮像することができる。
【０１１５】
＜イメージセンサの使用例＞
図２５は、上述のイメージセンサ（撮像素子）を使用する使用例を示す図である。
【０１１６】
上述したイメージセンサは、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
【０１１７】
・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
【０１１８】
＜構成の組み合わせ例＞
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
光が入射する第１の面と前記第１の面に対して反対側を向く第２の面とを有する半導体基板と、
前記半導体基板に設けられた光電変換を行う光電変換領域を含む複数の画素と、
前記画素の前記第１の面に設けられた複数の溝と
を備え、
前記溝は、断面視で、前記半導体基板の前記第２の面に対して垂直な方向に沿って設けられた第１の溝側面と、前記垂直な方向とは異なる方向に設けられた第２の溝側面とを有する
センサ素子。
（２）
前記画素内に設けられた複数の前記溝は、断面視で、前記画素の中心部を基準とした前記垂直な方向に対して線対称に、前記第１の溝側面と前記第２の溝側面とが設けられる
上記（１）記載のセンサ素子。
（３）
前記画素内に設けられた個々の前記溝は、断面視で、前記溝の底部を基準とした前記垂直な方向に対して非対称に、前記第１の溝側面と前記第２の溝側面とが設けられる
上記（１）または（２）に記載のセンサ素子。
（４）
前記溝は、断面視で、前記第１の溝側面の長さと前記第２の溝側面の長さとが異なる
上記（１）から（３）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（５）
複数の前記溝により前記画素ごとに光を集光する集光構造が設けられ、
前記集光構造として、前記第１の溝側面である垂直面と、前記画素の中央から外側に向かうに従い凹部が深くなるように傾斜する傾斜面である前記第２の溝側面とによる凹凸形状が、複数、前記画素の中央を対称に設けられる
上記（１）から（４）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（６）
前記凹凸形状の高さは、複数の前記溝について略均一に形成される
上記（５）記載のセンサ素子。
（７）
前記凹凸形状の高さは、複数の前記溝について、前記画素の中央から外側に向かうに従って大きくなるように形成される
上記（５）記載のセンサ素子。
（８）
前記半導体基板の受光面の前記集光構造の凹凸形状に沿うように成膜される反射防止膜と、
前記反射防止膜に対して成膜され、前記集光構造の凹部を埋め込むように形成される保護膜と
をさらに備える上記（５）から（７）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（９）
前記半導体基板において、隣接する前記画素どうしを分離する素子分離部が形成されている
上記（１）から（８）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（１０）
前記画素ごとに、それぞれの画素が受光する色の光を透過するカラーフィルタと、
前記画素ごとに、それぞれの画素が受光する光を集光するオンチップレンズと
をさらに備える上記（１）から（９）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（１１）
前記集光構造は、平面的に見て直線形状に形成される
上記（５）から（１０）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（１２）
前記集光構造は、平面的に見て正方形型に形成される
上記（５）から（１０）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（１３）
前記集光構造は、平面的に見て丸型に形成される
上記（５）から（１０）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（１４）
前記集光構造が、像高に応じて瞳補正された形状に形成される
上記（１３）に記載のセンサ素子。
（１５）
前記溝が、前記半導体基板を異方性エッチングすることにより形成されている
上記（１）から（１０）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（１６）
光が入射する第１の面と前記第１の面に対して反対側を向く第２の面とを有する半導体基板と、前記半導体基板に設けられた光電変換を行う光電変換領域を含む複数の画素と、前記画素の前記第１の面に設けられた複数の溝とを備えるセンサ素子を製造する製造装置が、
前記溝は、断面視で、前記半導体基板の前記第２の面に対して垂直な方向に沿って設けられた第１の溝側面と、前記垂直な方向とは異なる方向に設けられた第２の溝側面とを有するように形成すること
を含む製造方法。
（１７）
前記溝は、前記半導体基板を異方性エッチングすることにより形成される
上記（１６）に記載の製造方法。
（１８）
前記溝は、ナノインプリントにより作成されたレジストを前記半導体基板に転写することにより形成される
上記（１６）に記載の製造方法。
（１９）
光が入射する第１の面と前記第１の面に対して反対側を向く第２の面とを有する半導体基板と、
前記半導体基板に設けられた光電変換を行う光電変換領域を含む複数の画素と、
前記画素の前記第１の面に設けられた複数の溝と
を備え、
前記溝は、断面視で、前記半導体基板の前記第２の面に対して垂直な方向に沿って設けられた第１の溝側面と、前記垂直な方向とは異なる方向に設けられた第２の溝側面とを有する
センサ素子を備える電子機器。
【０１１９】
なお、本実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、他の効果があってもよい。
【符号の説明】
【０１２０】
１１  画素，  ２１  半導体基板，  ２２  反射防止膜，  ２３  保護膜，  ２４  集光構造，  ２５  配線層，  ２６  素子分離部，  ２７  カラーフィルタ，  ２８  オンチップレンズ，  ２９  反射膜，  ３０  反射集光構造，  ３１  撮像素子，  ３２  パッケージ，  ３３  透明ガラス，  ４１  光電変換部
【図１】
2020085115.tif 000003
【図２】
2020085115.tif 000004
【図３】
2020085115.tif 000005
【図４】
2020085115.tif 000006
【図５】
2020085115.tif 000007
【図６】
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【図７】
2020085115.tif 000009
【図８】
2020085115.tif 000010
【図９】
2020085115.tif 000011
【図１０】
2020085115.tif 000012
【図１１】
2020085115.tif 000013
【図１２】
2020085115.tif 000014
【図１３】
2020085115.tif 000015
【図１４】
2020085115.tif 000016
【図１５】
2020085115.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
2020085115.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2020085115.tif 000021
【図２０】
2020085115.tif 000022
【図２１】
2020085115.tif 000023
【図２２】
2020085115.tif 000024
【図２３】
2020085115.tif 000025
【図２４】
2020085115.tif 000026
【図２５】
2020085115.tif 000027
【国際調査報告】
2020085115.tif 000028
2020085115.tif 000029
2020085115.tif 000030
2020085115.tif 000031