JP7346071B2 - 光電変換装置、撮像システム、および、移動体 - Google Patents

Description

本発明は、光電変換装置、撮像システム、および、移動体に関する。

ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサ等の撮像装置（光電変換装置）は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどに広く用いられている。

また、近年、フォトダイオードやトランジスタなどが形成される半導体基板に配線層が積層される表面に対して反対側となる裏面側に光が照射される裏面照射型の撮像装置が実用化されている。裏面照射型の固体撮像装置では、光照射側に配線層や回路素子などが構成されないため、半導体基板に形成された受光部の開口率を高くでき、入射光が配線層などに反射されることなく受光部に入射されるため、感度の向上が図られる。

一方、裏面照射型の固体撮像装置では、斜め光の入射などにより、隣接する画素へ光が漏れ込むことにより、光学的なノイズが発生することがある。

そこで、例えば、特許文献１には、半導体基板にトレンチを形成し、トレンチ部を遮光膜で構成し、隣接する画素への光の漏れ込みを抑制する固体撮像装置が開示されている。

特開２０１１－３８６０号公報

特許文献１の固体撮像装置では、トレンチ部を遮光膜で構成することにより、隣接する画素に直接入射する光を抑制している。

しかしながら、受光部に入射した光が、半導体基板と配線層との界面や配線層内の配線で反射し、隣接する画素に間接的に入射することがある。この場合には、隣接画素に光が漏れ混むことにより光学的なノイズが発生し、画素信号が劣化することがある。

本発明の目的は、より良好な画素信号を得ることができる光電変換装置を提供することである。

本発明の第一の態様は、受光した光を電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部の受光面と反対側に光学構造を有し、前記光学構造は、複数の第一の絶縁部と複数の第二の絶縁部とを含んで構成されており、前記第一の絶縁部の屈折率は前記第二の絶縁部の屈折率より低く、前記第一の絶縁部と前記第二の絶縁部とは検出対象の光の波長よりも短い間隔で配置され、前記光学構造の有効屈折率は、基準点において最も高く基準点から離れるほど低いか、または基準点において最も高く基準点から離れるほど低い、ことを特徴とする光電変換装置である。

本発明の第二の態様は、受光した光を電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部の受光面と反対側に光学構造を有し、前記光学構造は、複数の第一の絶縁部と複数の第二の絶縁部とを含んで構成されており、前記第一の絶縁部の屈折率は前記第二の絶縁部の屈折
率より低く、前記第一の絶縁部と前記第二の絶縁部とは検出対象の光の波長よりも短い間隔で配置され、前記光学構造における前記第二の絶縁部の体積比率は、基準点において最も小さく基準点から離れるほど大きいか、または基準点において最も大きく基準点から離れるほど小さい、ことを特徴とする光電変換装置である。

本発明の第三の態様は、受光した光を電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部の受光面と反対側に光学構造を有し、前記光学構造は、前記光電変換部が設けられる半導体基板に隣接する配線層の表面に配置され、前記光学構造は、複数の第一の絶縁部と複数の第二の絶縁部とを含んで構成されており、前記第一の絶縁部の屈折率は前記第二の絶縁部の屈折率より低く、前記第一の絶縁部と前記第二の絶縁部は円環形状または多角環形状であり交互に配置され、前記第一の絶縁部と前記第二の絶縁部の幅は検出対象の光の波長よりも短く、前記第一の絶縁部の幅は基準点に近いほど大きく前記基準点から離れるほど小さい、および／または、前記第二の絶縁部の幅は前記基準点に近いほど小さく前記基準点から離れるほど大きい、ことを特徴とする光電変換装置である。

本発明の第四の態様は、受光した光を電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部の受光面と反対側に光学構造を有し、前記光学構造は、前記光電変換部が設けられる半導体基板に隣接する配線層の内部に配置され、前記光学構造は、複数の第一の絶縁部と複数の第二の絶縁部とを含んで構成されており、前記第一の絶縁部の屈折率は前記第二の絶縁部の屈折率より低く、前記第一の絶縁部と前記第二の絶縁部は円環形状または多角環形状であり交互に配置され、前記第一の絶縁部と前記第二の絶縁部の幅は検出対象の光の波長よりも短く、前記第一の絶縁部の幅は基準点に近いほど小さく前記基準点から離れるほど大きい、および／または、前記第二の絶縁部の幅は前記基準点に近いほど大きく前記基準点から離れるほど小さい、ことを特徴とする光電変換装置である。

本発明によれば、より良好な画素信号を得ることができる。

実施形態１に係る画素の断面的な構成例を示す図である。 実施形態１に記載の平面レンズ構造を示す図である。 実施形態１に係る画素の別の構成例を示す図である。 実施形態１の平面レンズ構造のレイアウトパターン例を示す図である。 図４Ａに示すレイアウトパターンの有効屈折率の分布を示す図である。 実施形態１の平面レンズ構造の別のレイアウトパターン例を示す図である。 実施形態２に係る画素の断面的な構成例を示す図である。 実施形態２に記載の平面レンズ構造を示す図である。 実施形態２に係る画素の別の構成例を示す図である。 実施形態２の平面レンズ構造のレイアウトパターン例を示す図である。 図１０Ａに示すレイアウトパターンの有効屈折率の分布を示す図である。 実施形態３に係る画素の断面的な構成例を示す図である。 実施形態４に係る撮像システムの構成例を表す図である。 実施形態５に係る撮像システムおよび移動体の構成例を表す図である。

以下、実施形態に係る光電変換装置について図面を参照しながら説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

［実施形態１］
本実施形態の光電変換装置は、ＣＭＯＳイメージセンサである。一般的に、ＣＭＯＳイ
メージセンサは、画素アレイ部、垂直駆動部、カラム処理部、水平駆動部、システム制御部などを含んで構成される。画素アレイ部には、入射光量に応じた電荷量の光電荷を発生して内部に蓄積する光電変換素子を有する単位画素が二次元配置されている。なお、イメージセンサではなく単に光センサとして光電変換装置が用いられる場合、光電変換装置は少なくとも１つの画素を有していればよく、複数の画素を有していなくてもよい。

図１は、実施形態１に係る画素の断面的な構成例を示す図である。図１のように、画素１１は、図１の下側から順に、配線層１１４、半導体基板１１０、誘電材料層５３、カラーフィルタ層５４、およびオンチップレンズ１０９が積層されて構成されている。なお、画素１１は、半導体基板１１０の表面、図１における上面から入射光が照射される、いわゆる裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサである。図１には、説明の簡略化のため２画素のみ示しているが、ＣＭＯＳイメージセンサはより多くの画素が２次元配列されている。

配線層１１４は、複数層の配線１０１を含み、光電変換部１０７の受光面と反対側に形成される。配線層１１４は、たとえば、その下側に配置されている基板支持材（不図示）により支持されており、半導体基板１１０に形成されている光電変換部１０７の電荷の読み出しなどを行う複数の配線１０１が層間絶縁膜１０２に埋めこまれて構成されている。配線１０１は、例えば、アルミニウムや銅などの導電体で形成されている。層間絶縁膜１０２は、例えば、シリコン酸化物で形成されている。また、配線層１１４に、電荷の読み出し回路を形成し、ＡＤ変換回路およびその後段の回路を基板支持材に形成することにより、イメージセンサを高速に駆動させることができる。

また、配線層１１４には、浮遊拡散層１０６および光電変換部１０７の間の領域に、半導体基板１１０に対して酸化膜１０４を介して、転送ゲート１０３が配置されている。転送ゲート１０３に所定の電圧が印加されることにより、光電変換部１０７に蓄積されている電荷が浮遊拡散層１０６に転送される。なお、酸化膜１０４は、絶縁性を備えており、例えば、シリコン酸化物で形成されている。

上記構成、言い換えると配線層１１４に平面レンズ構造（光学構造）を有しない構成では、オンチップレンズ１０９で集光された光の一部が、配線層１１４と半導体基板１１０の界面に反射し、隣接した光電変換部１０７に入射することがある。

近年、光リソグラフィ並びに電子線リソグラフィに代表されるプロセス技術の発展に伴い、入射光の波長以下（サブ波長領域）の寸法を持つ微細パターンの形成が可能となっている。これに伴い、屈折率の異なる材料をサブ波長領域の周期的な構造として形成することで、光学構造あるいは平面レンズ構造（ＳｕｂＷａｖｅＬｅｎｇｔｈ Ｌｅｎｓ：ＳＷ
ＬＬ）を実現できる。「サブ波長領域」とは、対象とする光の波長と同程度かそれよりも小さい波長領域をいう。

なお、本実施形態においては、例えば、可視光の波長範囲（４００ｎｍ～７５０ｎｍ）あるいは可視光および近赤外光の波長範囲（４００ｎｍ～１１００ｎｍ）を検出する。もっとも、本実施形態は、より広い波長範囲またはより狭い波長範囲の光を検出するように構成されても構わない。

本実施形態では、配線層１１４と半導体基板１１０の界面での反射光が隣接する光電変換部１０７に入射するのを防止するために、配線層１１４中の平面ＰＬ１に、半導体基板１１０に接するように平面レンズ構造１０５が設けられる。平面ＰＬ１は、配線層１１４の表面である。

図２に、図１に示されている平面レンズ構造１０５の拡大図を示す。図２の例では、平
面レンズ構造１０５は、点線で囲まれる構造、すなわち最外周の第二の絶縁部１１３を含む第一の絶縁部１１２と第二の絶縁部１１３で構成される周期的な構造から構成される。

平面レンズ構造１０５は、半導体基板１１０と配線層１１４の界面１１１に接するように配線層１１４の表面に形成されている。平面レンズ構造１０５は、複数の第一の絶縁部１１２と複数の第二の絶縁部１１３とで構成されており、第一の絶縁部１１２の屈折率は第二の絶縁部１１３の屈折率より低い。第一の絶縁部１１２と第二の絶縁部１１３の少なくとも一方は、光電変換部１０７の検出する光の波長域よりも小さい幅で構成されている。言い換えると、第一の絶縁部１１２と第二の絶縁部１１３の少なくとも一方は検出対象の光の波長よりも短い間隔で交互に配置されている。例えば、半導体基板１１１がシリコンで構成される場合、層間絶縁部１０２および第一の絶縁部１１２をシリコン酸化物、第二の絶縁部１１３を炭素、酸素、窒素のいずれかを含むシリコン系化合物で構成することができる。

第一の絶縁部１１２と第二の絶縁部１１３は、平面レンズ構造１０５における有効屈折率が中心において最も低く中心から離れるほど高くなるように、配置される。したがって、平面レンズ構造１０５における第二の絶縁部１１３の体積比率が平面レンズ構造１０５の中心領域から周辺領域に向かって徐々に大きくなるように構成される。なお、有効屈折率は、検出対象の光の波長と同程度またはそれ以上の大きさの領域における平均的な屈折率である。

この構成により、平面レンズ構造１０５は、上に凹のレンズ構造と同様の効果が得られる。平面レンズ構造１０５の凹レンズ効果により、図２に示されるように、全反射角を超えた光線２０１は平面レンズ構造１０５の中心方向に反射される。なお、第一の絶縁部１１２と第二の絶縁部１１３がシリコン酸化物である場合は、第一の絶縁部１１２と第二の絶縁部１１３の屈折率が異なる膜で構成する。本構成により、界面１１１で反射する光が隣接した光電変換部１０７に入射することを抑制することができるとともに、感度が向上し、より良好な画素信号を得ることができる。

平面レンズ構造１０５は、平面レンズ構造１０５の最外周部が図１のように光電変換部１０７を覆うように配置することが望ましい。それにより、オンチップレンズ１０９で集光された光の界面１１１で反射する光が隣接した光電変換部に入射することを効果的に抑制することができる。ただし、光電変換部１０７の周縁部に入射する光量は少ないので、平面レンズ構造１０５は光電変換部１０７の一部、例えば中央部分のみを覆い周縁部を覆わない構成としても構わない。

また、図１では光電変換部１０７を覆うように平面レンズ構造１０５を配置しているが、図３に示すように、画素１２は、光電変換部１０７の領域を除く画素領域を第二の絶縁部１１３で覆うように配置することもできる。本構成により、光電変換部１０７の領域を除く画素領域においても、屈折率の変化が大きい界面を減少させることができ、半導体基板１１０と配線層１１４の界面での反射光のさらなる低減につなげることができる。

次に、図１に示す平面レンズ構造１０５におけるレイアウトパターンの具体例を、図４Ａ～４Ｃを用いて説明する。図４Ａ～４Ｃは、それぞれ、平面レンズ構造１０５におけるレイアウトパターンの具体例を示す図である。図４Ａ～４Ｃは、ハッチングで示した領域が第二の絶縁部１１３の占める領域であり、ハッチングで示した領域の間における白色で示した領域が第一の絶縁部１１２の占める領域である。

図４Ａに示すレイアウトパターンは、図１の平面ＰＬ１上に配されており、円環形状の第一の絶縁部１１２および第二の絶縁部１１３が、同心円状に交互に配置されるパターン
である。同心円状のパターンは、平面レンズ構造１０５において要求される、あらかじめ定められた第二の絶縁部１１３の体積比率分布を持つように形成される。同心円の平面レンズ構造１０５の中心領域において、第一の絶縁部１１２の屈折率よりも高い屈折率を有する第二の絶縁部１１３の体積比率が小さい。また、同心円の平面レンズ構造１０５の周辺領域においては、高い屈折率を有する第二の絶縁部１１３の体積比率が大きい。これにより、平面レンズ構造１０５の中心領域の有効屈折率が周辺領域の有効屈折率より低くなる。なお、中心領域および周辺領域は、両辺が光電変換部１０７の検出する光の波長域程度の平面領域である。つまり、体積比率の分母は、平面領域と平面レンズ構造１０５の高さとを乗算した値となる。また、体積比率の分子は、平面領域において第一の絶縁部１１２または第二の絶縁部１１３が占める面積と平面レンズ構造１０５の高さとを乗算した値である。

図４Ａに示すレイアウトパターンにおいて、ＡＡ’断面における複数点における有効屈折率を計算したところ、図５に示すシミュレーション結果が得られた。なお、有効屈折率は、ある入射光の波長に対するある位置の実質的な屈折率を示す数値であり、その位置近傍の屈折率の平均値にほぼ等しい。

平面パターンは波長以下の微細なパターンであるため、波長より短い周期で屈折率の異なる膜が存在する。図４Ａのように同心円の平面レンズ構造１０５の中心領域では、第二の絶縁部１１３の体積比率が小さく、同心円の周辺領域では、第二の絶縁部１１３の体積比率が大きい。これにより有効屈折率は、同心円の中心領域が最も低く、周辺領域に近づくにつれ大きくなる。

図４Ａに示す第一の絶縁部１１２の幅をＤ１、第二の絶縁部１１３の幅をＤ２とする。幅Ｄ１および幅Ｄ２は、具体的には、平面レンズ構造１０５の中心を通る任意の直線（例えば、ＡＡ’）上での第一の絶縁部１１２および第二の絶縁部１１３の長さである。図４Ａに示す例では、第一の絶縁部１１２の幅Ｄ１は、中心に近いほど大きく、中心から遠ざかるほど小さく形成される。また、第二の絶縁部１１３の幅Ｄ２は、中心に近いほど小さく、中心から遠ざかるほど大きく形成される。このようにすれば、中心領域ほど第二の絶縁部１１３の体積比率が小さく、周辺領域ほど第二の絶縁部１１３の体積比率が大きくなる。言い換えると、中心領域ほど有効屈折率が低くなり、周辺領域ほど有効屈折率が高くなる。

ただし、第一の絶縁部１１２の幅Ｄ１と第二の絶縁部１１３の幅Ｄ２を同時に変化させる以外の平面パターンを採用してもよい。例えば、第一の絶縁部１１２の幅Ｄ１を変えずに第二の絶縁部１１３の幅Ｄ２を中心から遠ざかるほど大きくしたり、第二の絶縁部１１３の幅Ｄ２を変えずに第一の絶縁部１１３の幅Ｄ１を中心から遠ざかるほど小さくしたりするパターンを採用してもよい。

平面レンズ構造１０５における第二の絶縁部１１３の体積比率をさせる方法は上記以外にも存在し、上記の具体例に限られるものではない。図２の例では、第一の絶縁膜１１２と第二の絶縁部１１３の高さを一定としているが、第一の絶縁膜１１２と第二の絶縁部１１３の高さを位置に応じて変えてもよい。

本構成により、全反射角を超えた光線２０１は同心円中心方向に反射させることができ、隣接した光電変換部への反射光を低減する。これにより、より良好な画素信号を得ることができる。

同様に、図４Ｂに示すレイアウトパターンは、図１の平面ＰＬ１上に配されており、四角環形状の第一の絶縁部１１２および第二の絶縁部１１３が、同心四角環形状に交互に配
置されるパターンである。同心四角環形状のパターンは、平面レンズ構造１０５において要求される、あらかじめ定められた体積比率分布を持つように形成される。同心四角形の平面レンズ構造１０５の中心領域において、第一の絶縁部１１２の屈折率よりも高い屈折率を有する第二の絶縁部１１３の体積比率が小さい。また、同心四角形の平面レンズ構造１０５の周辺領域においては、高い屈折率を有する第二の絶縁部１１３の体積比率が大きい。これにより、平面レンズ構造１０５の中心領域の有効屈折率が周辺領域の有効屈折率より低くなる。

同様に、図４Ｃに示すレイアウトパターンは、図１の平面ＰＬ１上に配されており、多角環形状の第一の絶縁部１１２および第二の絶縁部１１３が、同心多角環状に交互に配置されるパターン（例えば、八角形）である。図４Ｃでは八角形を示しているが、その他の多角形の環状パターンであってもよい。同心多角環形状のパターンは、平面レンズ構造１０５において要求される、あらかじめ定められた体積比率分布を持つように形成される。同心多角形の平面レンズ構造１０５の中心領域において、第一の絶縁部１１２の屈折率よりも高い屈折率を有する第二の絶縁部１１３の体積比率が小さい。また、同心多角形の平面レンズ構造１０５の周辺領域においては、高い屈折率を有する第二の絶縁部１１３の体積比率が大きい。これにより、平面レンズ構造１０５の中心領域の有効屈折率が周辺領域の有効屈折率より低くなる。

また、画素アレイにおける画素の位置により、入射光の傾きが異なる場合においては、図６Ａ～６Ｃのように、レイアウトパターンの平面レンズ構造１０５における体積比率分布に偏りを持たせることもある。本構成により、より効果的に半導体基板１１０と配線層１１４の界面での反射光の、隣接した光電変換部への入射を低減することができる。

図６Ａ～６Ｃにおけるパターンでは、有効屈折率が最も小さい位置が、平面レンズ構造１０５の中心または光電変換部１０７の中心から偏心している。以下、平面レンズ構造１０５において有効屈折率が最も小さい位置を、基準点と称する。これらの例では、平面レンズ構造１０５の基準点７１を通る任意の直線７２上において、第一の絶縁部１１２の幅Ｄ１は、基準点７１に近いほど大きく、基準点７１から遠ざかるほど小さく形成される。また、第二の絶縁部１１３の幅Ｄ２は、基準点７１に近いほど小さく、基準点７１から遠ざかるほど大きく形成される。なお、図６Ａ～図６Ｃにおける幅Ｄ１および幅Ｄ２は、具体的には、平面レンズ構造１０５の基準点７１を通る任意の直線７２上での第一の絶縁部１１２および第二の絶縁部１１３の長さとする。このようにすれば、基準点７１に近い領域ほど第二の絶縁部１１３の体積比率が小さく、基準点７１から遠い領域ほど第二の絶縁部１１３の体積比率が大きくなる。言い換えると、基準点７１に近い領域ほど有効屈折率が低くなり、基準点７１から領域ほど有効屈折率が高くなる。

なお、図４Ａ～図４Ｃは、基準点が平面レンズ構造１０５の中心または光電変換部１０７の中心と一致している場合のパターンを示していると捉えることができる。

また、平面レンズ構造１０５は、円環形状または多角環形状の第一の絶縁部１１２および第二の絶縁部１１３が交互に配置されるパターン以外のパターンとして構成されてもよい。平面レンズ構造１０５の有効屈折率が上述したように基準点において最も小さく基準点から離れるほど大きくなり、凹レンズとなるパターンであれば任意のパターンを採用できる。例えば、第一の絶縁部１１２と第二の絶縁部１１３がチェッカーパターンで配置され、位置に応じて個々の絶縁部の大きさを異なるようなレイアウトパターンの平面レンズ構造を採用しても構わない。

［実施形態２］
図７は、実施形態２に係る画素の断面的な構成例を示す図である。

図７のように、画素１３は、図１の下側から順に、配線層１１４、半導体基板１１０、誘電材料層５３、カラーフィルタ層５４、およびオンチップレンズ１０９が積層されて構成されている。

なお、画素１３は、半導体基板１１０の表面、図７における上面から入射光が照射される、いわゆる裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサである。図７では、説明の簡略化のため２画素のみ示しているが、ＣＭＯＳイメージセンサはより多くの画素が２次元配列されている。

配線層１１４は、複数層の配線１０１を含み、光電変換部１０７の受光面と反対側に形成される。配線層１１４は、たとえば、その下側に配置されている基板支持材（不図示）により支持されており、半導体基板１１０に形成されている光電変換部１０７の電荷の読み出しなどを行う複数の配線１０１が層間絶縁膜１０２に埋めこまれて構成されている。配線１０１は、例えば、アルミニウムや銅などの導電体で形成されている。層間絶縁膜１０２は、例えば、シリコン酸化物で形成されている。

また、配線層１１４には、浮遊拡散層１０６および光電変換部１０７の間の領域に、半導体基板１１０に対して酸化膜１０４を介して、転送ゲート１０３が配置されている。転送ゲート１０３に所定の電圧が印加されることにより、光電変換部１０７に蓄積されている電荷が浮遊拡散層１０６に転送される。なお、酸化膜１０４は、絶縁性を備えており、例えば、シリコン酸化物で形成されている。

上記構成では、すなわち配線層１１４にレンズ構造（光学構造）を有しない構成では、オンチップレンズ１０９で集光された光の一部は、配線１０１に反射し、隣接した光電変換部１０７に入射することがある。

本実施形態では、配線層１１４中の配線１０１での反射光が隣接する光電変換部１０７へ入射するのを防止するために、配線１０１と半導体基板１０８との間の平面ＰＬ２に平面レンズ構造１１５を構成する。平面ＰＬ２は、配線層１１４の表面から所定距離離れ表面と平行な面である。

図８に、図７に示されている平面レンズ構造（光学構造）１１５の拡大図を示す。図８の例では、平面レンズ構造１１５は、点線で囲まれる構造、すなわち最外周の第二の絶縁部１１３を含む第一の絶縁部１１２と第二の絶縁部１１３で構成される周期的な構造から構成される。

配線層１１４中に、平面レンズ構造１１５が形成されている。平面レンズ構造１１５は、複数の第一の絶縁部１１２と複数の第二の絶縁部１１３とで構成されており、第一の絶縁部１１２の屈折率は第二の絶縁部１１３の屈折率より低い。第一の絶縁部１１２と第二の絶縁部１１３は交互に配置され、第一の絶縁部１１２と第二の絶縁部１１３の少なくとも一方は、光電変換部１０７が検出する光の波長域よりも小さい幅で構成されている。例えば、層間絶縁膜１０２および第一の絶縁部１１２をシリコン酸化物、第二の絶縁部１１３を炭素、酸素、窒素のいずれかを含むシリコン系化合物で構成することができる。

第一の絶縁部１１２と第二の絶縁部１１３は、平面レンズ構造１０５における有効屈折率が中心において最も大きく中心から離れるほど小さくなるように、配置される。したがって、平面レンズ構造１１５における第二の絶縁部１１３の体積比率が平面レンズ構造１１５の中心領域から周辺領域に向かって徐々に小さくなるように構成する。なお、有効屈折率は、検出対象の光の波長と同程度またはそれ以上の大きさの領域における平均的な屈
折率である。

この構成により、平面レンズ構造１１５は、上に凸のレンズ構造と同様の効果が得られる。平面レンズ構造１１５の凸レンズ効果により、図８に示されるように、光線２０２は平面レンズ構造１１５の中心方向に屈折させることができる。本構成により、配線１０１で反射する光が隣接した光電変換部１０７に入射することを抑制することができる。

また、平面レンズ構造１１５の直下に、配線１０１を配置することが望ましい。それにより、平面レンズ構造１１５で中心方向に屈折した光が、光電変換部１０７に戻ることにより感度向上につながる。

図７では、光電変換部１０７を覆うように平面レンズ構造１１５を配置しているが、図９に示すように、画素１４は、光電変換部１０７の領域を除く画素領域を第二の絶縁部１１３で覆うように配置することもできる。本構成により、配線層１１４の平坦性を向上させることができる。

次に、図７に示す平面レンズ構造１１５におけるレイアウトパターンの具体例を、図１０Ａ～１０Ｃを用いて説明する。図１０Ａ～１０Ｃは、それぞれ、平面レンズ構造１１５におけるレイアウトパターンの具体例を示す図である。図１０Ａ～１０Ｃは、ハッチングで示した領域が第二の絶縁部１１３の占める領域であり、ハッチングで示した領域の間における白色で示した領域が第一の絶縁部１１２の占める領域である。

図１０Ａに示すレイアウトパターンは、図７の平面ＰＬ２上に配されており、同心円状のパターンである。同心円状のパターンは、平面レンズ構造１１５において要求される、あらかじめ定められた第二の絶縁部１１３の体積比率分布を持つように形成される。同心円の平面レンズ構造１１５の中心領域において、第一の絶縁部１１２の屈折率よりも高い屈折率を有する第二の絶縁部１１３の体積比率が大きい。また、同心円の平面レンズ構造１１５の周辺領域においては、高い屈折率を有する第二の絶縁部１１３の体積比率が小さい。これにより、平面レンズ構造１１５の中心領域の有効屈折率が周辺領域の有効屈折率より高くなる。

例えば、図１０Ａに示すレイアウトパターンにおいて、ＢＢ’断面における複数点における有効屈折率を計算したところ、図１１に示すシミュレーション結果が得られた。なお、有効屈折率は、ある入射光の波長に対するある位置の実質的な屈折率を示す数値であり、その位置近傍の屈折率の平均値にほぼ等しい。

平面パターンは波長以下の微細なパターンであるため、波長より短い周期で屈折率の異なる膜が存在する。図１０Ａのように同心円の平面レンズ構造１１５の中心領域では、第二の絶縁部１１３の体積比率が大きく、同心円の平面レンズ構造１１５の周辺領域では、第二の絶縁部１１３の体積比率が小さい。これにより有効屈折率は、同心円の中心領域が最も高く、周辺領域に近づくにつれ小さくなる。

図１０Ａに示す第一の絶縁部１１２の幅をＤ１、第二の絶縁部１１３の幅をＤ２とする。幅Ｄ１および幅Ｄ２は、具体的には、平面レンズ構造１０５の中心を通る任意の直線（例えば、ＡＡ’）上での第一の絶縁部１１２および第二の絶縁部１１３の長さである。図１０Ａに示す例では、第一の絶縁部１１２の幅Ｄ１は、中心に近いほど小さく、中心から遠ざかるほど大きく形成される。また、第二の絶縁部１１３の幅Ｄ２は、中心に近いほど大きく、中心から遠ざかるほど小さく形成される。このようにすれば、中心領域ほど第二の絶縁部１１３の体積比率が大きく、周辺領域ほど第二の絶縁部１１３の体積比率が小さくなる。言い換えると、中心領域ほど有効屈折率が大きくなり、周辺領域ほど有効屈折率
が小さくなる。

ただし、第一の絶縁部１１２の幅Ｄ１と第二の絶縁部１１３の幅Ｄ２を同時に変化させる以外の平面パターンを採用してもよい。例えば、第一の絶縁部１１２の幅Ｄ１を変えずに第二の絶縁部１１３の幅Ｄ２を中心から遠ざかるほど小さくしたり、第二の絶縁部１１３の幅Ｄ２を変えずに第一の絶縁部１１３の幅Ｄ１を中心から遠ざかるほど大きくしたりするパターンを採用してもよい。

平面レンズ構造１１５における第二の絶縁部１１３の体積比率をさせる方法は上記以外にも存在し、上記の具体例に限られたものではない。

本構成により、光線２０２は平面レンズ構造１１５の中心方向に屈折させることができる。本構成により、配線１０１で反射する光が隣接した光電変換部に入射することを抑制することができ、より良好な画素信号を得ることができる。

同様に、図１０Ｂに示すレイアウトパターンは、平面ＰＬ２上に配されており、同心四角環形状のパターンである。同心四角環形状のパターンは、平面レンズ構造１１５において要求される、あらかじめ定められた体積比率分布を持つように形成される。同心四角環の平面レンズ構造１１５の中心領域において、第一の絶縁部１１２の屈折率よりも高い屈折率を有する第二の絶縁部１１３の体積比率が大きい。また、同心四角環の平面レンズ構造１１５の周辺領域においては、高い屈折率を有する第二の絶縁部１１３の体積比率が小さい。これにより、平面レンズ構造１１５の中心領域の有効屈折率が周辺領域の有効屈折率より高くなる。

同様に、図１０Ｃに示すレイアウトパターンは、平面ＰＬ２上に配されており、同心多角環形状のパターン（例えば、八角形）である。図１０Ｃでは八角形を示しているが、その他の多角環のパターンであってもよい。同心多角形状のパターンは、平面レンズ構造１１５において要求される、あらかじめ定められた体積比率分布を持つように形成される。同心多角環の平面レンズ構造１１５の中心領域において、第一の絶縁部１１２の屈折率よりも高い屈折率を有する第二の絶縁部１１３の体積比率が大きい。また、同心多角環の平面レンズ構造１１５の周辺領域においては、高い屈折率を有する絶縁部１１３の体積比率が小さい。これにより、平面レンズ構造１１５の中心領域の有効屈折率が周辺領域の有効屈折率より高くなる。

実施形態１で記載したため、図は省略するが、画素アレイにおける画素の位置により、入射光の傾きが異なる場合においては、レイアウトパターンの平面レンズ構造１１５における体積比率分布に偏りを持たせてもよい。すなわち、平面レンズ構造１１５において有効屈折率が最も高い位置（基準点）は、平面レンズ構造１１５の中心または光電変換部１０７の中心から偏心していてもよい。本構成により、より効果的に配線１０１で反射する光が隣接した光電変換部に入射することを抑制することができ、より良好な画素信号を得ることができる。

［実施形態３］
図１２は、実施形態３に係る画素の断面的な構成例を示す図である。以下では、実施形態１との相違点について主に説明する。本実施形態に係る画素は、光電変換部１０７において蓄積された電荷を一時的に保持する電荷保持部１１６を有する点が実施形態１と異なる点の一つである。電荷保持部１１６を有するために、各画素での露光タイミングを同時とすることができ、いわゆるグローバルシャッターが実現できる。

図１２に示すように、半導体基板１１０には、光電変換部１０７と隣接して電荷保持部
１１６が設けられる。なお、転送ゲート１０３は、本実施形態は、光電変換部１０７に蓄積されている電荷を電荷保持部１１６に転送する。

誘電材料層５３には、遮光性を有する材料により形成されている遮光膜１１８と遮光壁１１７とが、埋め込まれて形成されている。遮光膜１１８は、光電変換部１０７の受光面側（図の上方向側）に形成される。遮光膜１１８は、少なくとも電荷保持部１１６の一部を覆うように形成され、好ましくは、電荷保持部１１６の全部を覆うように形成される。遮光膜１１８が電荷保持部１１６を覆うとは、平面視において遮光膜１１８の領域の中に電荷保持部１１６の領域が含まれることを意味する。さらに好ましくは、遮光膜１１８は、光電変換部１０７の領域を除く全ての領域を覆うように形成される。これにより、電荷保持部１１６への入射光をより低減することができる。また、遮光膜１１８は、タングステンやアルミ、銅等の材料で形成することで、電荷保持部１１６への入射光の侵入をより効果的に防ぐことができる。

平面レンズ構造１０５は、屈折率の異なる第一の絶縁部１１２と第二の絶縁部１１３で構成され、上に凹のレンズ構造と同様の効果を果たす。平面レンズ構造１０５の構成やレイアウトパターンは、実施形態１と同様であるため説明を省略する。

本実施形態によれば、界面１１１で反射する光が隣接した光電変換部に入射することを抑制するだけでなく、オンチップレンズ１０９で集光された光が直接的に、電荷保持部１０６へ侵入することを低減することができ、より良好な画素信号を得ることができる。

また、図１２で示した平面レンズ構造１０５の代わりに、図７（実施形態２）で示したように、配線１０１と半導体基板１０８との間に平面レンズ構造１１５を構成することもできる。平面レンズ構造１１５は、上に凸のレンズ構造と同様の効果を果たす。これにより、配線１０１で反射する光が隣接した光電変換部に入射することを抑制するだけでなく、オンチップレンズ１０９で集光された光が直接的に、電荷保持部１０６へ侵入することを低減することができ、より良好な画素信号を得ることができる。

［実施形態４］
本発明の実施形態４による撮像システムについて、図１３を用いて説明する。図１３は、本実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。

上記実施形態１～３で述べた固体撮像装置（光電変換装置）は、種々の撮像システムに適用可能である。適用可能な撮像システムとしては、特に限定されるものではないが、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星、医療用カメラなどの各種の機器が挙げられる。また、レンズなどの光学系と固体撮像装置（光電変換装置）とを備えるカメラモジュールも、撮像システムに含まれる。図１３にはこれらのうちの一例として、デジタルスチルカメラのブロック図を例示している。

撮像システム２０００は、図１３に示すように、撮像装置１００、撮像光学系２００２、ＣＰＵ２０１０、レンズ制御部２０１２、撮像装置制御部２０１４、画像処理部２０１６、絞りシャッター制御部２０１８を備える。撮像システム２０００は、また、表示部２０２０、操作スイッチ２０２２、記録媒体２０２４を備える。

撮像光学系２００２は、被写体の光学像を形成するための光学系であり、レンズ群、絞り２００４等を含む。絞り２００４は、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行なう機能を備えるほか、静止画撮影時には露光秒時調節用シャッターとしての機能も備える。レンズ群及び絞り２００４は、光軸方向に沿って進退可能に保持されており、これ
らの連動した動作によって変倍機能（ズーム機能）や焦点調節機能を実現する。撮像光学系２００２は、撮像システムに一体化されていてもよいし、撮像システムへの装着が可能な撮像レンズでもよい。

撮像光学系２００２の像空間には、その撮像面が位置するように撮像装置１００が配置されている。撮像装置１００は、実施形態１～３で説明した固体撮像装置（光電変換装置）であり、ＣＭＯＳセンサ（画素部）とその周辺回路（周辺回路領域）とを含んで構成される。撮像装置１００は、複数の光電変換部を有する画素が２次元配置され、これらの画素に対してカラーフィルタが配置されることで、２次元単板カラーセンサを構成している。撮像装置１００は、撮像光学系２００２により結像された被写体像を光電変換し、画像信号や焦点検出信号として出力する。

レンズ制御部２０１２は、撮像光学系２００２のレンズ群の進退駆動を制御して変倍操作や焦点調節を行うためのものであり、その機能を実現するように構成された回路や処理装置により構成されている。絞りシャッター制御部２０１８は、絞り２００４の開口径を変化して（絞り値を可変として）撮影光量を調節するためのものであり、その機能を実現するように構成された回路や処理装置により構成される。

ＣＰＵ２０１０は、カメラ本体の種々の制御を司るカメラ内の制御装置であり、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェイス回路等を含む。ＣＰＵ２０１０は、ＲＯＭ等に記憶されたコンピュータプログラムに従ってカメラ内の各部の動作を制御し、撮像光学系２００２の焦点状態の検出（焦点検出）を含むＡＦ、撮像、画像処理、記録等の一連の撮影動作を実行する。ＣＰＵ２０１０は、信号処理部でもある。

撮像装置制御部２０１４は、撮像装置１００の動作を制御するとともに、撮像装置１００から出力された信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ２０１０に送信するためのものであり、それら機能を実現するように構成された回路や制御装置により構成される。Ａ／Ｄ変換機能は、撮像装置１００が備えていてもかまわない。画像処理部２０１６は、Ａ／Ｄ変換された信号に対してγ変換やカラー補間等の画像処理を行って画像信号を生成する処理装置であり、その機能を実現するように構成された回路や制御装置により構成される。表示部２０２０は、液晶表示装置（ＬＣＤ）等の表示装置であり、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像、撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態等を表示する。操作スイッチ２０２２は、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等で構成される。記録媒体２０２４は、撮影済み画像等を記録するためのものであり、撮像システムに内蔵されたものでもよいし、メモリカード等の着脱可能なものでもよい。

このようにして、実施形態１～３による撮像装置１００を適用した撮像システム２０００を構成することにより、高性能の撮像システムを実現することができる。

［実施形態５］
本発明の実施形態５による撮像システム及び移動体について、図１４Ａ及び図１４Ｂを用いて説明する。図１４Ａ及び図１４Ｂは、本実施形態による撮像システム及び移動体の構成を示す図である。

図１４Ａは、車載カメラに関する撮像システム２１００の一例を示したものである。撮像システム２１００は、撮像装置２１１０を有する。撮像装置２１１０は、上述の実施形態１～３に記載の固体撮像装置（光電変換装置）のいずれかである。撮像システム２１００は、画像処理部２１１２と視差取得部２１１４を有する。画像処理部２１１２は、撮像
装置２１１０により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う処理装置である。視差取得部２１１４は、撮像装置２１１０により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う処理装置である。また、撮像システム２１００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する処理装置である距離取得部２１１６と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する処理装置である衝突判定部２１１８と、を有する。ここで、視差取得部２１１４や距離取得部２１１６は、対象物までの距離情報等の情報を取得する情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部２１１８はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。上述の処理装置は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールに基づいて演算を行う汎用のハードウェアによって実現されてもよい。また、処理装置はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。

撮像システム２１００は、車両情報取得装置２１２０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、撮像システム２１００は、衝突判定部２１１８での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ２１３０が接続されている。すなわち、制御ＥＣＵ２１３０は、距離情報に基づいて移動体を制御する移動体制御手段の一例である。また、撮像システム２１００は、衝突判定部２１１８での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置２１４０とも接続されている。例えば、衝突判定部２１１８の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ２１３０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置２１４０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。

本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム２１００で撮像する。図１４Ｂに、車両前方（撮像範囲２１５０）を撮像する場合の撮像システム２１００を示した。車両情報取得装置２１２０は、撮像システム２１００を動作させ撮像を実行させるように指示を送る。上述の実施形態１～３の撮像装置を撮像装置２１１０として用いることにより、本実施形態の撮像システム２１００は、測距の精度をより向上させることができる。

以上の説明では、他の車両と衝突しないように制御する例を述べたが、他の車両に追従して自動運転する制御、車線からはみ出さないように自動運転する制御等にも適用可能である。更に、撮像システムは、自動車等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（輸送機器）に適用することができる。移動体（輸送機器）における移動装置はエンジン、モーター、車輪、プロペラなどの各種の駆動源である。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。

１０５、１１５ 平面レンズ構造
１０７ 光電変換部
１１２ 第一の絶縁部
１１３ 第二の絶縁部

Claims (12)

1. 受光した光を電荷に変換する光電変換部が設けられる半導体基板と、
   前記光電変換部の受光面と反対側に配置される光学構造と、を有し、
   前記光学構造は、複数の第一の絶縁部と複数の第二の絶縁部とを同一平面に含んで構成されており、
   前記第一の絶縁部の屈折率は前記第二の絶縁部の屈折率より低く、
   前記第一の絶縁部と前記第二の絶縁部との少なくとも一方は検出対象の光の波長よりも短い間隔で配置され、
   前記光学構造の有効屈折率は、基準点において最も低く基準点から平面方向に離れるほど高いことを特徴とする光電変換装置。
2. 受光した光を電荷に変換する光電変換部が設けられる半導体基板と、
   前記光電変換部の受光面と反対側に配置される光学構造と、を有し、
   前記光学構造は、複数の第一の絶縁部と複数の第二の絶縁部とを同一平面に含んで構成されており、
   前記第一の絶縁部の屈折率は前記第二の絶縁部の屈折率より低く、
   前記第一の絶縁部と前記第二の絶縁部との少なくとも一方は検出対象の光の波長よりも短い間隔で配置され、
   前記光学構造における前記第二の絶縁部の体積比率は、基準点において最も小さく基準点から平面方向に離れるほど大きい
   ことを特徴とする光電変換装置。
3. 前記第一の絶縁部と前記第二の絶縁部とは円環形状または多角環形状であり、
   前記第一の絶縁部と前記第二の絶縁部とは交互に配置され、
   前記第一の絶縁部と前記第二の絶縁部の少なくとも一方の幅は検出対象の光の波長よりも短く、
   前記第一の絶縁部の幅は基準点に近いほど大きく前記基準点から平面方向に離れるほど小さい、および／または、前記第二の絶縁部の幅は前記基準点に近いほど小さく前記基準点から平面方向に離れるほど大きい、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
4. 前記光学構造は凹レンズ効果を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか1項
   に記載の光電変換装置。
5. 前記光学構造は、前記光電変換部が設けられる半導体基板に隣接する配線層の表面に配置されることを特徴とする、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
6. 前記基準点は、前記光学構造の中心または前記光電変換部の中心である、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
7. 前記基準点は、前記光学構造の平面視における中心または前記光電変換部の平面視における中心から偏心した位置である、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
8. 前記第二の絶縁部は、平面視において前記光電変換部の領域を除く画素領域を覆うように配置される、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
9. 前記光電変換部から転送された電荷を一時的に保持する電荷保持部と、
   前記光電変換部の受光面側に配置された、少なくとも電荷保持部の一部を覆う遮光膜と、
   をさらに備える、請求項１から８のいずれか１項に記載の光電変換装置。
10. 前記光電変換部と前記電荷保持部との間に配置された遮光壁をさらに備える
    請求項９に記載の光電変換装置。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置から出力される信号を処理する信号処理部と、
    を有することを特徴とする撮像システム。
12. 移動体であって、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    移動装置と、
    前記光電変換装置から出力される信号から情報を取得する処理装置と、
    前記情報に基づいて前記移動装置を制御する制御装置と、
    を有することを特徴とする移動体。

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