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JP6425427B2 - 光電変換装置およびその製造方法、撮像システム - Google Patents

光電変換装置およびその製造方法、撮像システム Download PDF

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Description

本発明は、導光部を有する受光素子装置に関する。
複数の光電変換部を有する画素を用いて、位相差方式により焦点検出を行う光電変換装置が知られている。また、１つの画素が複数の光電変換部を有する構成は、焦点検出のみならず、転送効率の向上による高速化やダイナミックレンジ拡大等、撮像システムの性能向上に有利な点が多い。
特許文献１には、第１の光電変換部及び第２の光電変換部を分割する分割線に沿って、基板上に形成された層間膜に間隙が形成された固体撮像素子が開示されている。
特開２００９−１５８８００号公報
特許文献１の形態では、入射光の損失が大きく、十分な感度が得られないという課題があった。
上記課題を解決するための手段は、受光素子を有する光電変換装置であって、
前記受光素子は、第１光電変換部および第２光電変換部と、前記第１光電変換部と前記第２光電変換部の間に位置する分離部と、少なくとも１つの絶縁層を含む絶縁膜で囲まれ、前記第１光電変換部と第２光電変換部の上に跨って設けられた導光部と、を備え、前記第１光電変換部と前記第２光電変換部が並ぶ方向を第１方向とし、前記第１光電変換部および前記第２光電変換部と前記導光部が並ぶ方向を第２方向として、前記導光部は、前記絶縁層の屈折率と同じかそれよりも低い屈折率を有する低屈折率部と、前記低屈折率部の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部と、を含み、前記低屈折率部は、前記分離部の上に位置し、かつ、前記第１方向において前記高屈折率部に挟まれており、前記第２方向において前記分離部から離れた第１の位置での前記低屈折率部の前記第１方向における幅は、前記第１の位置よりも前記分離部に近い第２の位置での前記低屈折率部の前記第１方向における幅より小さいことを特徴とする。
本発明によれば、入射光を有効利用しつつ、複数の光電変換部へ光を適切に振り分けることができる。
光電変換装置を例示する模式図。 受光素子を例示する模式図。 受光素子を例示する模式図。 光電変換装置の製造方法を例示する模式図。 受光素子を例示する模式図。 受光素子を例示する模式図。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。ただし、以下に説明する形態は、発明の一つの実施形態であって、これに限定されるものではない。なお、以下の説明および図面において、複数の図面に渡って共通の構成については共通の符号を付している。そして、共通する構成を複数の図面を相互に参照して説明し、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。また、以下に説明しない事項に関しては、適当な技術を適用することができる。
図１（ａ）に画素増幅型のイメージセンサーとしての光電変換装置１０の概略を示す。図１（ａ）に示した光電変換装置１０は、１点鎖線で囲んだ領域である受光領域２１と、１点鎖線と２点鎖線の間の領域であり、受光領域２１の周辺の周辺領域２２とを有する。受光領域２１には、複数の受光素子１が行列状あるいは列状に配列されている。受光領域２１を撮像領域や画素領域と呼ぶこともできる。互いに隣り合う受光素子の中心軸同士の間隔（画素ピッチ）は、典型的には、１０μｍ以下であり、５．０μｍ以下であることが好ましい。
周辺領域２２には垂直走査回路２６と、２つの読み出し回路２３と、２つの水平走査回路２４と、２つの出力アンプ２５を含む周辺回路が設けられている。周辺領域２２の読み出し回路２３は、例えば、列アンプ、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路、加算回路等で構成される。読み出し回路２３は、垂直走査回路２６によって選択された行の画素から垂直信号線を介して読み出された信号に対して増幅、加算等を行う。列アンプ、ＣＤＳ回路、加算回路等は、例えば、画素列又は複数の画素列毎に配置される。水平走査回路２４は、読み出し回路２３の信号を順番に読み出すための信号を生成する。出力アンプ２５は、水平走査回路２４によって選択された列の信号を増幅して出力する。以上の構成は、光電変換装置１０の一つの構成例に過ぎず、これに限定されるものではない。読み出し回路２３と水平走査回路２４と出力アンプ２５とは、２系統の出力経路を構成し、受光領域２１を挟んで上下に１つずつ配置されているが、この構成に限ったものではない。
図１（ｂ）は受光素子１の一例を表す平面模式図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）のＡ−Ｂ線における受光素子１の断面模式図である。単数の受光素子１は、半導体からなる基板１００の内部に設けられた複数の光電変換部１０１、１０２を備えている。複数の光電変換部１０１、１０２の間には両者の信号電荷を分離するための分離部１０９が設けられる。分離部１０９はＬＯＣＯＳやＳＴＩなどの絶縁体による絶縁分離でなされていてもよいし、光電変換部１０１、１０２の蓄積領域とは反対の導電型の半導体領域による接合分離でなされていてもよい。本例では接合分離を採用している。分離部１０９の分離性能は不完全であってもよく、複数の光電変換部１０１、１０２のどちらで生成された信号電荷が多いかを判別できる程度の分離性能があればよい。そのため、光電変換部１０１で生成れた信号電荷の一部が、光電変換部１０２で生成された信号電荷として検出部で検出されることは許容されうる。
複数の受光素子１の各々の光電変換部１０１、１０２は、共通の基板１００内に、撮像面となる基板１００の主面に沿って配列されている。撮像面の一部が光電変換部１０１、１０２の受光面に一致する。光電変換部１０１、１０２の受光面は基板１００の表面の一部で有り得る。撮像面あるいは受光面に平行で２つの光電変換部１０１、１０２が分離部１０９を介して並ぶ方向をＸ方向とする。２つの光電変換部１０１、１０２が並ぶ方向は、光電変換部１０１を平面視した際の幾何学的重心Ｇ１と、光電変換部１０２を平面視した際の幾何学的重心Ｇ２とを結ぶ直線に平行な方向として定義できる。また、撮像面と平行で、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向とする。典型的には、Ｘ方向は、受光領域２１において行列状に配列された受光素子１の行方向（１行が延在する方向）および列方向（１列が延在する方向）の一方で有り得る。また、典型的には、Ｙ方向は、受光領域２１において行列状に配列された受光素子１の行方向（行に沿った方向）および列方向（列に沿った方向）の他方で有り得る。
本例の光電変換部１０１、１０２は基板１００の内部に、不純物を導入することによって形成されたフォトダイオードである。フォトダイオードとしての光電変換部１０１、１０２は信号電荷を多数キャリアとし、信号電荷を蓄積する第１導電型の半導体領域（蓄積領域）と、第２導電型の半導体領域とのＰＮ接合によって形成される。光電変換部１０１、１０２の別の例としては、フォトゲートであってもよいし、ガラス等の絶縁体からなる基板の上にＭＩＳ型構造あるいはＰＩＮ型構造を有する半導体薄膜として形成されていてもよい。光電変換装置１０の受光領域２１には、受光素子１以外に、光電変換部を１つだけ備える受光素子を含んでいても良い。
光電変換部１０１で得られた信号電荷は、ＭＯＳ構造を有する転送ゲート１０３を介して検出部１０５へ転送され、光電変換部１０２で得られた信号電荷は、ＭＯＳ構造を有する転送ゲート１０４を介して検出部１０６へ転送される。検出部１０５、１０６は例えば一定の静電容量を有する浮遊拡散部を含み、信号電荷の量を電圧に変換することで電荷量を検出することができる。検出部１０５、１０６は増幅トランジスタ１０７、リセットトランジスタ１０８にそれぞれ接続されている。ここでは、光電変換部１０１、１０２毎に検出部１０５、１０６を設けて、別々の光電変換部１０１、１０２からパラレルに信号電荷を転送する構成を示した。しかし、別々の光電変換部１０１、１０２から別々の転送ゲート１０３、１０４を用いてシリアルに信号電荷を転送する場合は、共通の検出部を用いることもできる。
受光素子１を、図１（ａ）で示した光電変換装置１０の受光領域２１に複数配置することで、位相差検出方式によって撮像領域内にて焦点検出（ＡＦ）を可能としている。さらに位相差検出方法を用いて距離測定を行う撮像システム（カメラ）へ応用することができる。また、受光素子１から出力される複数の光電変換部１０１、１０２の少なくとも一方の信号を撮像信号として用いて、撮像も行うことができる。例えば、光電変換部１０１、１０２の信号を合算して、撮像信号とすることができる。このように光電変換部１０１、１０２の信号を焦点検出と撮像の双方に利用することで、本実施形態の光電変換装置１０は、いわゆる像面位相差ＡＦを実現することができる。
基板１００の上には、絶縁膜１１０が設けられている。絶縁膜１１０は透明でありうる。絶縁膜１１０は一種類の材料からなる単層膜であってもよいが、典型的には絶縁膜１１０は互いに異なる材料からなる複数の絶縁層が積層された多層膜である。絶縁膜１１０のある絶縁層は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。また、ある絶縁層はＢＰＳＧ（硼燐珪酸塩ガラス）、ＰＳＧ（燐珪酸塩ガラス）、ＢＳＧ（硼珪酸塩ガラス）などの珪酸塩ガラスでも良い。また、絶縁膜１１０を構成する多層膜のうちある絶縁層は、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）または、炭化シリコン（ＳｉＣ）からなる場合もある。絶縁膜１１０の内部には配線１２０を設けてもよい。配線１２０は、複数の配線層がプラグを介して接続された多層配線であってもよい。図１（ｂ）には、配線１２０を２層とした例を示したが、３層以上の多層配線としてもよい。配線１２０には銅やアルミニウム、タングステン、タンタル、チタン、ポリシリコンなどの導電材料を用いることができる。
受光素子１は少なくとも１つの導光部１１１を有し、単数の導光部１１１が複数の光電変換部１０１、１０２の上に跨って設けられている。導光部１１１は光電変換部１０１、１０２とＺ方向において並んでいる。Ｚ方向は撮像面に垂直な方向で有り得る。Ｙ方向はＸ方向およびＺ方向に直交する。導光部１１１は、導光部１１１に入射した光を導光部１１１内に閉じ込めて、光電変換部１０１、１０２まで伝搬させる機能を有する。
導光部１１１は絶縁膜１１０で囲まれている。つまり、ＸＹ面内において導光部１１１の周囲に絶縁膜１１０が位置する。導光部１１１の屈折率を絶縁膜１１０の屈折率と異ならせることで、導光部１１１と絶縁膜１１０の界面での反射により、導光部１１１に入射した光を光電変換部１０１、１０２へ導くことができる。導光部１１１の屈折率を絶縁膜１１０の屈折率より高くすることで、全反射を生じさせることができるため、反射効率を向上することができる。
導光部１１１を、導光部１１１および絶縁膜１１０よりも屈折率の低い低屈折率領域（例えばエアギャップ）で囲むこともできる。このような構成では、導光部１１１と低屈折率領域との界面での全反射により、導光部１１１に入射した光を光電変換部１０１、１０２へ導くことができる。また、導光部１１１の側面を金属などの反射体で囲むこともできる。このような構成では、金属反射により、導光部１１１に入射した光を光電変換部１０１、１０２へ導くことができる。低屈折率領域や反射体を設ける場合、導光部１１１の屈折率は絶縁膜１１０の屈折率と異なっていてもよいし、同じであってもよい。
導光部１１１の材料は、有機材料（樹脂）でもよいし、無機材料でもよいが、可視光領域において、より透過率および屈折率が高い材料を選択するとよい。また、信頼性の面で、耐湿性や耐衝撃性も必要である。これらのことを勘案すると、樹脂としては、シロキサン系樹脂やポリイミド系樹脂等が挙げられる。また、無機材料としては、窒化シリコン（ＳｉＸＮＹ）、酸窒化シリコン（ＳｉＸＯＹＮＺ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が好適である。特に、プラズマＣＶＤ法や熱ＣＶＤ法などで容易に形成できる窒化シリコンは非常に好適である。導光部１１１は単一の材料で構成されていてもよいし、複数の材料で構成されていてもよい。
導光部１１１、絶縁膜１１０の材料として例示した材料の屈折率の大まかな値を挙げる。酸化シリコンは１．４〜１．５、酸窒化シリコンは１．６〜１．９、窒化シリコンは１．８〜２．３、酸化チタンは２．５〜２．７、ＢＳＧ、ＰＳＧ、ＢＰＳＧは１．４〜１．６である。上記した値は一例であって、同じ材料であっても、成膜方法を変更することによって、組成比や、材料の密度や空隙率が変化するため、屈折率を適宜設定することが可能である。なお、一般的な樹脂の屈折率は１．３〜１．６、高屈折率樹脂でも１．６〜１．８であるが、金属酸化物等の高屈折率無機材料を含有させることにより、実効的な屈折率を樹脂のみの場合よりも高くすることができる。樹脂に含有させる高屈折率無機材料としては、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウム等が挙げられる。
受光素子１の他の構成について説明するが、これらは適宜変更することができる。導光部１１１および絶縁膜１１０の上に渡って高屈折率膜１１３が設けられている。高屈折率膜１１３は絶縁膜１１０の屈折率よりも高い屈折率を有している。高屈折率膜１１３は導光部１１１と同じ材料で構成することもできる。その場合、高屈折率膜１１３と導光部１１１の境界が、絶縁膜１１０の上面の高さと同じ高さに位置するとみなすことができる。
高屈折率膜１１３の上には低屈折率膜１１４を挟んで層内レンズ１１５が設けられている。層内レンズ１１５を省略する場合、層内レンズ１１５の代わりに平坦なパッシベション膜を層内レンズ１１５の位置に配置することもできる。低屈折率膜１１４は層内レンズ１１５及び高屈折率膜１１３（あるいは導光部１１１）の少なくとも一方よりも低い屈折率を有する。低屈折率膜１１４は層内レンズ１１５と導光部１１１との距離を調節する機能、平坦化の機能、光の屈折による集光機能の少なくともいずれかを有し得る。層内レンズ１１５の上には平坦化膜１１６を介して波長選択部１１７が設けられている。波長選択部１１７はカラーフィルタやダイクロイックミラーであり、ベイヤー配列などに従って、受光領域２１の受光素子１毎に異なる波長透過特性を有している。波長選択部１１７の上にはマイクロレンズとして形成された集光部１１８が設けられている。複数の光電変換部１０１、１０２に、単数の導光部１１１、単数の層内レンズ１１５、単数の波長選択部１１７、単数の集光部１１８が対応する。
なお、以下の説明では、「絶縁膜１１０の屈折率」を絶縁膜１１０の或る絶縁層の屈折率として説明する。また「導光部１１１の屈折率」を導光部１１１の或る部分を成す材料の屈折率として説明する。導光部１１１の或る部分の屈折率は、絶縁膜１１０のある絶縁層の屈折率より高い。ただし、絶縁膜１１０は導光部１１１の或る部分の屈折率よりも高い屈折率を有する絶縁層を含みうる。絶縁膜１１０の大部分が導光部１１１の大部分の屈折率よりも高いことが好ましい。導光部１１１の或る部分の屈折率よりも高い屈折率を有する絶縁層は導光部１１１の或る部分の屈折率よりも低い屈折率を有する絶縁層よりも薄いことが好ましい。
本発明において単に屈折率という場合には絶対屈折率を意味している。屈折率は波長によって異なるが、少なくとも光電変換部１０１で信号電荷を生成し得る光の波長に対する屈折率である。光電変換部で最も多く光電変換される光の波長を基準にすることが好ましい。光電変換装置１０がカラーフィルタ等の波長選択部を有している場合には、当該波長選択部を透過した光の波長、特に主透過波長を用いることがより好ましい。特に、５５０ｎｍ付近にピークを有する緑色のカラーフィルタを有する受光素子１を基準にすることが好ましい。なお、波長選択部の選択性は不完全であってもよい。つまり、波長選択部にて選択された波長の透過率は１００％未満であってよいし、波長選択部にて選択されない波長の透過率は０％でなくてもよい。
図２を用いて、導光部１１１の構造の好ましい形態についてより詳細に説明する。図２において、絶縁膜１１０は低屈折率絶縁層１１０１、１１０３、１１０５、１１０７と、高屈折率絶縁層１１０２、１１０４、１１０６、１１０８とが、図２に示すように交互に積層されている。低屈折率絶縁層１１０１、１１０３、１１０５、１１０７は複数の配線層かららなる配線１２０の層間絶縁層として機能し、酸化シリコン系の材料で構成される。高屈折率絶縁層１１０２、１１０４、１１０６、１１０８は配線１２０に含まれる銅の拡散防止層として機能し、窒化シリコン系または炭化シリコン系の材料で構成される。低屈折率絶縁層１１０１、１１０３、１１０５、１１０７の各々は、隣接する高屈折率絶縁層１１０２、１１０４、１１０６、１１０８よりも低い屈折率と大きい厚みを有する。
導光部１１１は絶縁膜１１０の各絶縁層で囲まれている。導光部１１１は低屈折率部２０６と高屈折率部２０７とを含む。高屈折率部２０７の屈折率は、低屈折率部２０６の屈折率はよりも高い。
導光部１１１を構成する高屈折率部２０７は、それを囲む低屈折率絶縁層１１０１、１１０３、１１０５、１１０７よりも高い屈折率を有しうる。これによって、低屈折率絶縁層１１０１、１１０３、１１０５、１１０７と高屈折率部２０７との界面で全反射を生じさせることができる。高屈折率絶縁層１１０２、１１０４、１１０６、１１０８の屈折率は高屈折率部２０７の屈折率よりも高くてもよい。上述のように、高屈折率部２０７と絶縁膜１１０との間に、高屈折率部２０７および絶縁膜１１０よりも低い屈折率を有する低屈折率領域や反射体を設けることでも導光部１１１を構成できる。その場合には、高屈折率部２０７は絶縁膜１１０の屈折率よりも高くする必要はない。
導光部１１１の高屈折率部２０７が複数の光電変換部１０１、１０２の上に位置している。光電変換部１０１の上の高屈折率部２０７と、光電変換部１０２上の高屈折率部２０７は連続していてもよいし、非連続であってもよい。
分離部１０９の上には低屈折率部２０６が位置している。低屈折率部２０６は、絶縁膜１１０の屈折率と同じかそれよりも低い屈折率を有しうる。低屈折率部２０６の屈折率は、高屈折率絶縁層１１０２、１１０４、１１０６、１１０８の屈折率よりも低く、さらに、低屈折率絶縁層１１０１、１１０３、１１０５、１１０７の屈折率よりも低い。低屈折率部２０６は固体であっても液体であってもよいが、気体または真空空間であることが好ましい。気体または真空空間としての低屈折率部２０６の可視光領域における屈折率は１．０である。したがって、気体または真空空間としての低屈折率部２０６は、可視光領域において１．４〜２．４の範囲の屈折率を有する絶縁層で構成された絶縁膜１１０よりも十分に低い屈折率を有することができる。低屈折率部２０６は、その内部を光が伝搬する可能性があるが、低屈折率部２０６内を伝搬する光は非常に少ないか、無い。しかし、低屈折率部２０６の存在は、導光部１１１内における光の挙動を制御する上で非常に重要である。
光電変換部１０１、１０２が並ぶＸ方向において、低屈折率部２０６の両側には、高屈折率部２０７が位置する。詳細には、高屈折率部２０７は、その一部であって光電変換部１０１の上に位置する第１部分２０７１と、その別の一部であって光電変換部１０２の上に位置する第２部分２０７２と、を含む。従って、低屈折率部２０６は、第１部分２０７１と第２部分２０７２の間に設けられていることになる。また、第１部分２０７１と第２部分２０７２の各々が導光部１１１を成すため、低屈折率部２０６はＸ方向において導光部１１１の高屈折率部２０７に挟まれているといえる。第１部分２０７１と第２部分２０７２の形状は、分離部１０９上に規定されたＹ−Ｚ面に対して面対称でありうる。
低屈折率部２０６はＺ方向に延びた形状を有する。そして、低屈折率部２０６のＸ方向における幅は、Ｚ方向に沿って分離部１０９から離れるほど小さくなる。
図３を用いて、低屈折率部２０６の形状をより詳細に説明する。図３にはＺ方向における位置（分離部１０９からの高さ）をＨ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４で示している。Ｈ１は導光部１１１の入射端２０１の近傍における高さである。Ｈ２、３は導光部１１１の入射端２０１と出射端２０２の間における高さである。Ｈ４は導光部１１１の出射端２０２の近傍における高さである。各位置Ｈ１〜４の分離部１０９からの距離は、Ｈ１＞Ｈ２＞Ｈ３＞Ｈ４の関係にある。位置Ｈ１〜Ｈ４を示す線を引き出す形で、位置Ｈ１〜Ｈ４の各々における受光素子１のＺ方向に垂直な面での断面形状を記載している。
位置Ｈ３での低屈折率部２０６のＸ方向における幅ＷＸ３は、位置Ｈ３よりも分離部１０９に近い位置Ｈ４での低屈折率部２０６のＸ方向における幅ＷＸ４よりも、小さい（ＷＸ３＜ＷＸ４）。本例では、低屈折率部２０６のＸ方向における幅は分離部１０９から離れるにしたがって単調に減少するが、段階的に減少してもよいし、途中で増加してもよい。このように分離部１０９から離れた位置で低屈折率部２０６の幅を小さくすることで、低屈折率部２０６へ入射する光を減少することができる。そのため、低屈折率部２０６における光の損失を低減し、より多くの光を光電変換部１０１、１０２へ導くことができる。
一方、高屈折率部２０７のＸ方向における幅は、Ｚ方向に沿って光電変換部１０１、１０２から離れるほど大きくなる。位置Ｈ３での高屈折率部２０７（第１部分２０７１あるいは第２部分２０７２）のＸ方向における幅Ｔ３は、位置Ｈ３よりも分離部１０９に近い位置Ｈ４での高屈折率部２０７のＸ方向における幅Ｔ４よりも、大きい。本例では、高屈折率部２０７のＸ方向における幅は光電変換部１０１、１０２から離れるにしたがって単調に増加するが、段階的に増加してもよいし、途中で減少してもよい。このように光電変換部１０１、１０２から離れた位置で高屈折率部２０７の幅を大きくすることで、より多くの光を光電変換部１０１、１０２へ導くことができる。
さらに、位置Ｈ３での低屈折率部２０６のＹ方向における幅ＷＹ３は、同位置Ｈ３での低屈折率部２０６のＸ方向における幅ＷＸ３よりも大きい。同様に、位置Ｈ４での低屈折率部２０６のＹ方向における幅ＷＹ４は、同位置Ｈ４での低屈折率部２０６のＸ方向における幅ＷＸ４よりも大きい。このように、低屈折率部２０６を分離部１０９の延在方向であるＹ方向に長くすることで、導光部１１１における光の振り分け精度を向上することができる。本例では、位置Ｈ３やＨ４における低屈折率部２０６の断面形状は略楕円形になっている。これは位置Ｈ３やＨ４における導光部１１１の断面形状が円形であることに起因するものである。すなわち、低屈折率部２０６の断面形状は、導光部１１１の断面形状をＸ方向において圧縮した形状を有し得る。導光部１１１の断面形状が略正方形である場合には、低屈折率部２０６の断面形状は略長方形を有し得る。
分離部１０９の上には、中間部２０３が位置する。中間部２０３のＸ方向における幅は、Ｘ方向における分離部１０９の幅と同じかそれよりも小さいことが好ましい。
中間部２０３は分離部１０９に沿って延びている。中間部２０３の少なくとも一部は低屈折率部２０６の上に位置する。つまり、Ｘ方向において、中間部２０３と分離部１０９との間に低屈折率部２０６が位置する。中間部２０３は、光電変換部１０１の上に位置する高屈折率部２０７（第１部分２０７１）と、光電変換部１０２の上に位置する高屈折率部２０７（第２部分２０７２）とのつなぎ目（シーム）である。この中間部２０３は光電変換部１０１、１０２の上の高屈折率部２０７（第１部分２０７１、第２部分２０７２）と同じ材料で構成されうる。しかし、中間部２０３は、光電変換部１０１、１０２の上の高屈折率部２０７（第１部分２０７１、第２部分２０７２）とは異質な部分であり、例えば密度、組成が異なる部分である。そのため、断面ＳＥＭなどで観察すると、中間部２０３は、光電変換部１０１、１０２の上の高屈折率部２０７とは異なる明るさで観察することができる。そして、中間部２０３は、光電変換部１０１、１０２の上の高屈折率部２０７とは屈折率も異なっている。そのため、中間部２０３は光電変換部１０１の上に位置する高屈折率部２０７と、光電変換部１０２の上に位置する高屈折率部２０７との間で光に対する障壁として機能しうる。中間部２０３は光電変換部１０１、１０２の上の高屈折率部２０７よりも低い屈折率、密度を有し得る。中間部２０３は低屈折率部２０６よりも高い屈折率を有することが好ましい。中間部２０３の上には凹部２０５が設けられている。凹部の側面は高屈折率部２０７で凹部の底面は中間部２０３で構成されうるが、その凹部の側面と底面の境界は明確でなくてよい。代わりに、凹部２０５の内面が高屈折率部２０７のみあるいは中間部２０３のみで構成され得る。凹部２０５の内部には導光部１１１の上に位置する高屈折率膜１１３あるいは低屈折率膜１１４の一部が位置しうる。凹部２０５は、その中に導光部１１１の屈折率よりも低い屈折率を有する部材（例えば低屈折率膜１１４）が配される場合に、発散レンズとして機能し得る。そのため、凹部２０５に入射した光は低屈折率部２０６を避けて、高屈折率部２０７の第１部分２０７１あるいは第２部分２０７２へ振り分けられ、光電変換部１０１、１０２へ導かれる。そのため、光利用効率が向上する。
なお、図２に示した符号２０４は後述する製造工程で用いられる遮蔽部材が存在する位置を示している。遮蔽部材２０４は製造工程中のみで用いられ、製造工程の途中で除去される。しかし、遮蔽部材２０４を光電変換装置の一部として残存させることも可能である。凹部２０５、中間部２０３、低屈折率部２０６および分離部１０９は遮蔽部材２０４の下に位置する。
図３に示すように、Ｚ方向において、分離部１０９の上方の領域について、位置Ｈ２では低屈折率部２０６は存在せずに、中間部２０３で占められている。位置Ｈ１では低屈折率部２０６も中間部２０３も存在せずに、凹部２０５で占められている。また、図３に示すように、Ｙ方向において、分離部１０９の上方の位置Ｈ３では、低屈折率部２０６が中間部２０３に挟まれている。
次に受光素子１における光束の経路について説明する。受光素子１内部の光束の経路は、フレネル回折を考慮した物理光学的シミュレーションで波面形状を求めるが、理解しやすくするため幾何光学的に説明する。
光電変換部１０１、１０２の寸法（０．１〜１０μｍ）からすると光電変換部１０１、１０２のはるか遠方にある撮影レンズ（不図示）の射出瞳から光が光電変換装置１０に入射する。射出瞳の或る一部（例えば右半分）から、図１（ａ）に示した集光部１１８に入射する光束Ｌは、波長選択部１１７、層内レンズ１１５を透過し、図２、図３において矢印で示す光路を取る。そして、導光部１１１内の第１部分２０７１に入射する。同様に、撮影レンズ射出瞳の別の一部（例えば左半分）から、同受光素子１の集光部１１８に入射する光束Ｌ’（不図示）は、導光部１１１内の第２部分２０７２に光が入射する。このように、１つの集光部に対して複数の光電変換部１０１、１０２を設けることで射出瞳を分割している。
そして、光束Ｌの一部は中間部２０３で反射し、さらに導光部１１１の絶縁膜１１０との界面や高屈折率部２０７と低屈折率部２０６との界面とで反射されて、下部にある光電変換部１０１に導かれる。一方、光束Ｌ’は、上記と反対方向で、下部にある光電変換部１０２に導かれる。瞳分割された２つの光束は、中間部２０３および低屈折率部２０６の少なくとも一方が隔壁となり２つに分離されて光電変換部１０１あるいは光電変換部１０２に導かれる。そのため、クロストークの発生が抑制され、精度よく光を複数の光電変換部１０１、１０２に振り分けることができる。
このように、導光部１１１に挟まれた低屈折率部２０６の上部の幅（ＷＸ３）を下部の幅（ＷＸ４）よりも小さくすることで、低屈折率部２０６での光の損失を小さくできる。その結果、入射光を有効利用しつつ、複数の光電変換部へ光を適切に振り分けることができる。さらに、図３に示すように、高屈折率部２０７の形状は半円形から三日月形に徐々に変形するので、高屈折率部２０７中の波面も徐々に変換され、光の伝搬が遮断されることなく、下部にある光電変換部１０１あるいは光電変換部１０２に到達する。したがって、高屈折率部２０７内での光の損失も低減される。
次に、図２、３に示した構造を有する光電変換装置１０の製造方法を図４を用いて説明する。分離部１０９を介して複数の光電変換部１０１、１０２が配された基板１００を形成する（図４（ａ））。次に、基板１００の上に多層配線プロセスにより絶縁膜１１０および配線１２０を形成する（図４（ｂ））。配線１２０を避けて絶縁膜１１０をエッチングすることで、絶縁膜１１０の光電変換部１０１、１０２上に位置する部分に、開口部１３０を形成する（図４（ｃ））。開口部１３０に犠牲部材１３５を埋め込み、必要に応じて犠牲部材１３５の上面を平坦化する（図４（ｄ））。犠牲部材１３５の上面から絶縁膜１１０の上面に跨って、遮蔽部材２０４となる部材１４０を形成する（図４（ｅ））。部材１４０の形成に当たっては部材１４０の材料からなる膜を成膜し、この膜をレジストを用いたエッチングあるいはダマシン法によりパターニングすることで形成可能である。部材１４０は、分離部１０９に沿ってパターニングするとよい。次に、犠牲部材１３５を開口部１３０から除去する。これにより部材１４０の下に空間１５０が形成され、部材１４０は遮蔽部材２０４となる（図４（ｆ））。遮蔽部材２０４は絶縁膜１１０の上に位置する部分で支えられて橋桁状になっている。遮蔽部材２０４の存在下で開口部１３０の側面や底面上に高屈折率部２０７となる材料（高屈折率材料）を堆積させる。高屈折率材料の堆積を進めていくことにより、高屈折率部２０７が形成される。この時、遮蔽部材２０４の下方では遮蔽部材２０４によって高屈折率材料の供給が妨げられる。そのため、高屈折率材料が欠乏した領域にボイドが形成される。このボイドが低屈折率部２０６となる（図４（ｇ））。なお、図４（ｇ）では、高屈折率部２０７の形成途中における、高屈折率材料で形成された膜（高屈折率膜１６０）の形状を示している。開口部１３０の側面と底面に対して異方的に堆積が進行する。具体的には、開口部１３０の側面での堆積が底面での堆積よりも速く進むことにより、開口部１３０の上部において、ボイドが形成された状態で開口部１３０が閉塞するのである。また、遮蔽部材２０４の直下では高屈折率材の原料の供給が不足することにより、遮蔽部材２０４の直下にも空隙１７０が形成される。この空隙１７０の下には開口部１３０Ｘ方向において対向する側面から堆積が進行して高屈折率膜の間隔が狭くなっていく。そして高屈折率膜同士が接触することで中間部２０３が形成される。高屈折率膜の間隔が狭くなるにつれて、高屈折率材料の原料（ガス）の供給が減少するため、中間部２０３の密度は同じ高屈折率材料からなる他の部分（高屈折率部２０７）に比べて小さくなると考えられる。
その後、遮蔽部材２０４を除去する（図４（ｈ））。遮蔽部材２０４を残しておくことも可能であるが、遮蔽部材２０４の存在は光の損失や散乱を生じるため、これを除去しておくことが好ましい。遮蔽部材２０４の除去にはドライエッチングやウェットエッチングを使用でき、他にはＣＭＰ法などの機械的な除去方法も使用できる。遮蔽部材２０４の直下の空隙１７０は、遮蔽部材２０４が除去されることで上部が解放され、凹部２０５となる。
遮蔽部材２０４の材料は、高屈折率材料を開口部１３０に埋め込む工程（図４（ｇ））において、下部にある光電変換部１０１、１０２に金属汚染物質が拡散しないよう、スパッタされにくい材料であることが望ましい。具体的には、プラズマＣＶＤ法で高屈折率材料を堆積する場合は、高融点金属であるタングステンやタンタル、またその化合物などが特に好ましい。塗布やリフローで高屈折率部２０７を形成する場合は、耐薬品性と耐熱性を兼備した樹脂や窒化シリコン膜や酸化シリコン膜、アルミナ、酸化チタンなどの無機材料を遮蔽部材２０４に使用することが望ましい。
図５（ａ）は遮蔽部材２０４を使用しない場合の例を示す。高屈折率材料の開口部１３０内面への堆積に伴ってボイドとしての低屈折率部２０６が形成される。そして、位置Ｈ４よりも位置Ｈ３、位置Ｈ３よりも位置Ｈ２において、低屈折率部２０６の幅は小さくなる。これは、高屈折率材料の原料（ガス）は、その多くが開口部１３０の入口付近で消費されて高屈折率材料となり、開口部１３０の底部付近に到達する原料は相対的に少なくなってしまうことによる。つまり、高屈折率材料の原料の供給量に応じて、堆積によって形成される高屈折率膜の厚みは開口部１３０の入口付近で大きく、開口部１３０の底付近で小さくなる。
このように、遮蔽部材２０４を用いずとも低屈折率部２０６のＸ方向における幅をＺ方向における位置に応じて異ならせることができる。しかし、遮蔽部材２０４を用いない場合には、位置Ｈ３や位置Ｈ４における低屈折率部２０６の断面形状を制御することが困難である。具体的には位置Ｈ３においては、低屈折率部２０６のＸ方向における幅ＷＸ３とＹ方向における幅ＷＹ３が等しくなる（ＷＸ３＝ＷＹ３）。同様に、位置Ｈ４においては、低屈折率部２０６のＸ方向における幅ＷＸ４とＹ方向における幅ＷＹ４が等しくなる（ＷＸ４＝ＷＹ４）。これは、開口部１３０の側壁から等方的に高屈折率材料が堆積するためである。開口部１３０のＺ方向に垂直な断面形状が円形であれば、低屈折率部２０６のＺ方向に垂直な断面形状も円形となる。これに対して、開口部１３０の形状を、Ｘ方向よりもＹ方向に長い断面形状、例えば楕円形や長方形に変更することもできる。そうすれば、遮蔽部材２０４を用いずとも、低屈折率部２０６の形状について、Ｘ方向における幅ＷＹ３やＷＹ４を、Ｘ方向における幅ＷＸ３やＷＸ４よりも大きくすることができる。ただし、このように開口部１３０の形状を制御する方法では、高屈折率部２０７の形状が感度向上や光の振り分けに不利となる場合がある。そのため、遮蔽部材２０４を用いて低屈折率部２０６の形状を制御することが好ましい。
図５（ｂ）は、開口部１３０の径を、開口部１３０の入口付近で不連続に大きくしたものである。これにより高屈折率材料の開口部１３０への埋め込み性が向上する。それに伴って、低屈折率部２０６の高さは減少し、低屈折率部２０６による光の損失を低減することができる。
図５（ｃ）、（ｄ）は、遮蔽部材２０４の形状を変更した例である。遮蔽部材２０４の下面を下凸形状にしておくことで、遮蔽部材２０４を除去した際に、遮蔽部材２０４の下面の形状に応じた凹部２０５が高屈折率部２０７に転写される。図５（ｄ）の例では、遮蔽部材２０４の上面を上凸形状にしておくことで、遮蔽部材２０４に堆積した高屈折率材料が開口部１３０への埋め込みを阻害しないようにしている。また、図５（ｄ）の例では、遮蔽部材２０４を除去せずに残存させても、遮蔽部材２０４の上面での反射光が導光部１１１へ導かれる構成となる。そのため、遮蔽部材２０４を残存させても、遮蔽部材２０４よる光の損失を低減できる構成となる。
１つの受光素子１が有する光電変換部の数は３つ以上であってもよい。図６の右下の図は、１つの受光素子１において互いに分離部を介して分離された４つの光電変換部１０１１、１０２１、１０１２、１０２２を設けた形態である。図６の右下の図に示した光電変換部１０１１と光電変換部１０１２は、分離部（不図示）を介して、図６の左の図において光電変換部１０１として示した領域に配置される。図６の右下の図における光電変換部１０２１と光電変換部１０２２は、分離部（不図示）を介して、図６の左の図において光電変換部１０２として示した領域に配置される。また、１つの受光素子１が有する導光部１１１は、図３の形態のようにＺ方向に平行な軸に対して２回回転対称であってもよいが、図６のようにＺ方向に平行な軸に対して４回回転対称であってもよい。分離部１０９は略十字形状になっており、それに合わせて遮蔽部材２０４も略十字形状としている。略十字形状の遮蔽部材２０４を用いることで、Ｚ方向に対して垂直な面での低屈折率部２０６の断面形状もまた、略十字型となっている。凹部２０５もまた、略十字型となっている。光電変換部１０１１と光電変換部１０２１、光電変換部１０１２と光電変換部１０２２がそれぞれ並ぶＸ方向において、低屈折率部２０６の幅は分離部１０９から離れるほど小さくなっている。また、光電変換部１０１１と光電変換部１０１２、光電変換部１０２１と光電変換部１０２２が並ぶＹ方向において、低屈折率部２０６の幅はＸ方向における幅よりも大きくなっている。
以上説明した実施形態の要旨は、次のようになる。光電変換装置１０の受光素子１は、光電変換部１０１および光電変換部１０２と、光電変換部１０１と光電変換部１０２の間に位置する分離部１０９とを備える。また、受光素子１は、少なくとも１つの絶縁層１１０５を含む絶縁膜１１０で囲まれ、光電変換部１０１と光電変換部１０２の上に跨って設けられた導光部１１１を備える。光電変換部１０１と光電変換部１０２が並ぶ方向をＸ方向とし、光電変換部１０１および光電変換部１０２と導光部１１１が並ぶ方向をＺ方向とする。導光部１１１は、絶縁層１１０５の屈折率と同じかそれよりも低い屈折率を有する低屈折率部２０６と、低屈折率部２０６の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部２０７と、を含む。低屈折率部２０６は、分離部１０９の上に位置し、かつ、Ｘ方向において高屈折率部２０７に挟まれている。Ｚ方向において分離部１０９から離れた位置Ｈ３での低屈折率部２０６のＸ方向における幅ＷＸ３は、位置Ｈ３よりも分離部１０９に近い位置Ｈ４での低屈折率部２０６のＸ方向における幅ＷＸ４より小さい。Ｘ方向およびＺ方向に直交する方向をＹ方向として、位置Ｈ３での低屈折率部２０６のＹ方向における幅ＷＹ３は、位置Ｈ３での低屈折率部２０６のＸ方向における幅ＷＸ３より大きい。このような構成によれば、入射光を有効利用しつつ、複数の光電変換部へ光を適切に振り分けることができる。
１ 受光素子
１０ 光電変換装置
１０１、１０２ 光電変換部
１０９ 分離部
１１０ 絶縁膜
１１１ 導光部
２０６ 低屈折率部
２０７ 高屈折率部

Claims (9)

  1. 受光素子を有する光電変換装置であって、
    前記受光素子は、第１光電変換部および第２光電変換部と、前記第１光電変換部と前記第２光電変換部の間に位置する分離部と、少なくとも１つの絶縁層を含む絶縁膜で囲まれ、前記第１光電変換部と第２光電変換部の上に跨って設けられた導光部と、を備え、
    前記第１光電変換部と前記第２光電変換部が並ぶ方向を第１方向とし、前記第１光電変換部および前記第２光電変換部と前記導光部が並ぶ方向を第２方向とし、平面視において前記第１方向と直交する方向を第３方向として、
    前記導光部は、前記絶縁層の屈折率と同じかそれよりも低い屈折率を有する低屈折率部と、前記低屈折率部の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部と、を含み、前記低屈折率部は、前記分離部の上に位置し、かつ、前記第１方向において前記高屈折率部に挟まれており、
    前記第２方向において前記分離部から離れた第１の位置での前記低屈折率部の前記第１方向における幅は、前記第１の位置よりも前記分離部に近い第２の位置での前記低屈折率部の前記第１方向における幅より小さく、
    前記第１の位置における前記第３方向における幅が、前記第２の位置における前記第３方向における幅よりも小さいことを特徴とする光電変換装置。
  2. 前記第１の位置において、前記低屈折率部の前記第３方向における幅は前記第１方向における幅よりも大きく、
    前記第２の位置において、前記低屈折率部の前記第３方向における幅は前記第１方向における幅よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
  3. 前記高屈折率部は、前記絶縁層の屈折率よりも高い屈折率を有する、請求項１または２に記載の光電変換装置。
  4. 前記低屈折率部は、気体または真空空間によって構成されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  5. 前記導光部の上に第２高屈折率部が配され、前記低屈折率部は、前記第２方向において、前記第２高屈折率部と前記分離部の間に位置する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  6. 前記受光素子は、前記第３方向において前記第１光電変換部に並ぶ第３光電変換部と、前記第３方向において前記第２光電変換部に並ぶ第４光電変換部と、をさらに備え、前記第２の位置での前記低屈折率部の前記第１方向および前記第３方向に沿った平面における断面形状は十字形である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  7. 請求項１乃至６に記載の光電変換装置の製造方法であって、
    前記絶縁膜に設けられた開口部の上に部材を形成し、
    前記部材を遮蔽部材として、前記開口部内に前記高屈折率部となる材料を堆積させることで、前記遮蔽部材の下に前記低屈折率部を形成する、光電変換装置の製造方法。
  8. 前記開口部の上に部材を形成する工程では、前記開口部内に犠牲部材を形成し、前記犠牲部材の上に前記遮蔽部材となる前記部材を形成し、前記犠牲部材を除去する、請求項７に記載の光電変換装置の製造方法。
  9. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置を備える撮像システムであって、前記受光素子で得られた信号に基づいて撮像および焦点検出を行う撮像システム。
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