(57)【要約】【課題】ピクセルに入射した大部分の光が光検出器に到達できるような集積導波路を提供する。【解決手段】本発明の提供する集積導波路は、第１主表面を介して第１電磁場分布を受領するよう構成され、第２主表面を備える誘電体構造を有し、この第１電磁場分布は誘電体構造内に第２電磁場分布を生成する。導波路は、第１主表面と第２主表面との間の誘電体構造内に配置された少なくとも１つの金属性要素を更に有し、この少なくとも１つの金属性要素は、第２電磁場分布を生成するよう構成及び配置され、第２主表面の選択された領域に入射する第２電磁場分布の量を増大させる。【選択図】図４
2006157001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積導波路であって、
第１主表面を介して第１電磁場分布を受領するよう構成され、第２主表面を備える誘電体構造であって、前記第１電磁場分布は、前記誘電体構造内に第２電磁場分布を生成する、誘電体構造と、
前記第１主表面および前記第２主表面間の前記誘電体構造内に配置された少なくとも１つの金属性要素であって、前記第２電磁場分布を生成するよう構成及び配置され、前記第２主表面の選択された領域に入射する前記第２電磁場分布の量を増大させる、少なくとも１つの金属性要素と、
を有する集積導波路。
【請求項２】
前記誘電体構造が、固体誘電体材料および複数の誘電体材料のレイヤからなるグループから選択された構造を有する、請求項１記載の導波路。
【請求項３】
前記第１及び第２電磁場分布が可視スペクトルの光を有する、請求項１記載の導波路。
【請求項４】
前記第２主表面の前記選択された領域上に入射する前記第２電磁場分布の量の増大が、選択された波長を備える光に実質的に対応している前記第２電磁場分布の一部分を有する、請求項１記載の導波路。
【請求項５】
前記第２主表面の前記選択された領域上に入射する前記第２電磁場分布の量の増大が、選択された波長範囲内の波長を備える光に実質的に対応している前記第２電磁場分布の一部分を有する、請求項１記載の導波路。
【請求項６】
前記第２主表面の前記選択された領域上に入射する前記第２電磁場分布の量の増大が、選択された入射角度に実質的に等しい前記第１主表面との間の入射角度と、選択された入射角度範囲内の前記第１主表面との間の入射角度と、１つ又は複数の偏光と、から構成されるグループから選択された特性を備える前記第１主表面上に入射する光に実質的に対応している前記第２電磁場分布の一部分を有する、請求項１記載の導波路。
【請求項７】
請求項１記載の前記集積導波路を含むピクセルであって、
入射光を受光するよう構成された受光表面と、
光検出器を含む半導体基板によって形成されたフロアと、をさらに有し、
前記第１主表面は前記受光表面を有しており、前記第２主表面は前記フロアを有しており、前記第２主表面の前記選択された領域は前記光検出器を有しており、前記第１電磁場分布は前記入射光を有しており、前記少なくとも１つの金属性要素は、前記誘電体構造内に配置され、前記光検出器上に入射する前記受光表面上の入射光の量を増大させる、
ピクセル。
【請求項８】
ピクセル内における光の伝播に関連する関数を実質的に最適化するようにピクセルを構成する方法であって、
最適化する関数を選択するステップと、
前記ピクセルの構造を構成するステップであって、前記構造は、表面、光検出器、及び、前記表面と前記光検出器間に配置された１つ又は複数の金属性要素を有している、ステップと、
前記ピクセル構造と前記表面を介して受光された光との間の相互作用によって生成される前記ピクセル内における電磁場分布をシミュレートするステップと、
前記電磁場分布のシミュレーションに基づいて、前記選択された関数の値を算出するステップと、
少なくとも前記金属性要素の中の１つ又は複数を新しい位置に再配置することによって前記ピクセル構造を再構成し、前記選択された関数が実質的に最適化されたことを前記算出値が示すまで、前記シミュレートするステップ、前記算出するステップ、及び前記再構成するステップを実行するステップと、
を有する方法。
【請求項９】
前記電磁場分布をシミュレートするステップが、電磁場ソルバと、前記ピクセル構造を構成する材料のプロパティのモデル化と、前記ピクセル表面を介して受光される前記光の特性のモデル化と、からなるグループから選択された技法を採用するステップを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記電磁場ソルバが、ＦＤＴＤ法を採用している、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記ピクセル構造を再構成するステップが、非線形最適化法を使用して少なくとも１つの金属性要素の新しい位置を求めることと、前記ピクセル構造を構成する材料を変更することと、前記少なくとも１つの金属要素の幾何学的形状を変更することと、からなるグループから選択された技法を採用するステップを有する、請求項８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
撮像（Imaging）技術は、画像を代表的な信号に変換する技術である。撮像システムは、商業、消費者、産業、医療、防衛、及び科学市場を含む多数の分野において広範なアプリケーションを有している。大部分の画像センサは、シリコンベースの半導体デバイスである。このデバイスは、光を採取するピクセルのアレイを採用しており、各ピクセルは、光検出器に入射する光子を対応する電荷に変換するある種の光検出器（例：フォトダイオードまたはフォトゲート）を含んでいる。ＣＣＤ（Charge Coupled Device、電荷結合デバイス）及びＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor、相補型金属酸化膜半導体）画像センサは、最も広範に認知され、採用されているタイプの半導体ベースの画像センサである。
【０００２】
高品質画像を生成する画像センサの能力は、その画像センサの光感度によって左右され、この光感度は、センサのピクセルの量子効率（Quantum Efficiency：ＱＥ）と光学効率（Optical Efficiency：ＯＥ）によって左右される。画像センサは、しばしば、センサのＱＥによって（又は、センサのピクセルのＱＥによって）規定されるが、これは、通常、光検出器に入射する光子を電荷に変換する際のピクセルの光検出器の効率として定義されるものである。ピクセルのＱＥは、一般に、プロセス技術（即ち、シリコンの純度）と、光検出器のタイプ（例：フォトダイオード又はフォトゲート）によって制約される。しかしながら、ピクセルのＱＥを論ずる以前に、まず、電荷に変換する対象であるピクセルに入射する光が、光検出器に到達しなければならない。この点に留意し、本明細書において説明するＯＥとは、光子をピクセル表面から光検出器に搬送する際のピクセルの効率を意味しており、これは、ピクセルの表面に入射した光子の数に対する光検出器に入射した光子の数の比率として定義されるものである。
【０００３】
このようなピクセルのＯＥに大きな影響を与える可能性を有するファクタとしては、少なくとも２つのものが存在している。第１のファクタは、デジタルカメラのレンズシステムなどのホストデバイスの撮像光学部品に関するアレイ内のピクセルの位置である。なぜなら、このピクセル位置が、ピクセルの表面に光が入射する角度に影響を及ぼすためである。第２のファクタは、ピクセル構造のその他の要素に関するピクセルの光検出器の幾何学的な配置である。なぜなら、この配置が正しく構成されていないと、これらの構造要素が、ピクセル表面から光検出器への光の伝播状態に悪影響を与えるためである。後者は、特にＣＭＯＳ画像センサに当てはまるものである。このＣＭＯＳセンサは、それぞれのピクセル内に、リセット及びアクセストランジスタと、これらに関連する相互接続回路及び選択回路などの能動要素と、を通常含んでいる。又、ＣＯＭＳ画像センサの中には、それぞれのピクセル内に、増幅及びアナログ／デジタル変換回路を更に含んでいるタイプのものも存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
入射した光がピクセル内を伝播する状態を予測し、これにより、ピクセルに入射した大部分の光が光検出器に到達できるようにするピクセル構成を求めるために、ピクセル構造のその他の要素に関する光検出器の配置を光学的にモデル化する研究が既に行われている。しかしながら、これらの研究は、通常、光線追跡法（Ray Tracing Technique）などの標準的な幾何光学に基づいたものであり、これは、画像センサのスケールにおける光の振る舞いを正確にモデル化するものではない。これは、ディープ・サブミクロン（Deep Sub-Micron：ＤＳＭ）技術によって実装されたＣＭＯＳ画像センサのように、技術スケールとピクセル要素が光の波長に相当するレベルになっているケースに特に当てはまることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様において、本発明は、集積導波路（integrated waveguide）を提供する。この集積導波路は、第１主表面を介して第１電磁場分布を受領するよう構成され、第２主表面を備える誘電体構造を有し、この第１電磁場分布は誘電体構造内に第２電磁場分布を生成する。導波路は、第１主表面と第２主表面との間の誘電体構造内に配置された少なくとも１つの金属性要素を更に有し、この少なくとも１つの金属性要素は、第２電磁場分布を生成するよう構成及び配置され、第２主表面の選択された領域に入射する第２電磁場分布の量を増大させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の実施例については、添付の図面を参照することにより、十分に理解することができよう。尚、これらの添付図面の要素は、必ずしも互いの縮尺を正確に反映したものにはなっていない。又、これらの添付図面においては、類似の参照符号を使用して、対応する類似の部分を示している。
【０００７】
以下の詳細な説明においては、本明細書の一部を構成する添付の図面を参照しており、これらの図面には、一例として、本発明を実施可能な特定の実施例が示されている。この観点において、「上部」、「底部」、「前」、「後」、「先行」、及び「尾行」などの方向を示す用語は、その説明対象である図面の向きを基準として使用されている。そして、本発明の実施例のコンポーネントは、いくつかの異なる向きに配置可能であるため、これらの方向を示す用語は、例示を目的として使用されるものであり、限定を意図するものではない。本発明の範囲を逸脱することなしに、その他の実施例も利用可能であり、構造的又は論理的な変更を加えることが可能であることを理解されたい。従って、以下の詳細な説明は、限定を意図するものとして解釈されてはならず、本発明の範囲は、添付の請求項に定義されているとおりである。
【０００８】
図１は、ＣＭＯＳアクティブピクセル画像センサ（Active Pixel Image Sensor：ＡＰＳ）３０の一実施例を示す概略ブロックダイアグラムである。このセンサは、シリコン基板３５上に形成され、電磁場シミュレーション法に基づいて実装されたピクセル３４の焦点面（focal array）アレイ３２を含む。このＡＰＳ３０は、コントローラ３６、行選択回路３８、および列選択／読み出し回路４０を含んでいる。アレイ３２は、複数の行及び列として構成されており、ピクセル３４のそれぞれの行は、行信号バス４２を介して行選択回路３８に接続されており、ピクセル３４のそれぞれの列は、出力ライン４４を介して列選択／読み出し回路４０に接続されている。又、この図１に概略的に示されているように、それぞれのピクセル３４は、光検出器４６、電荷転送セクション４８、及び読み出し（readout）回路５０を含んでいる。この光検出器４６は、例えば、フォトダイオードやフォトゲートなどの入射光子を電子に変換する手段から構成されている。
【０００９】
このＣＭＯＳ画像センサ３０は、コントローラ３６によって動作しており、このコントローラは、行選択回路３８及び列選択／読み出し回路４０を介して適切な行信号ライン４２及び出力ライン４４をそれぞれ選択及び起動することにより、蓄積期間中にピクセル３４によって蓄積された電荷の読み出しを制御している。通常、このピクセル３４の読み出しは、一度に一行単位で実行される。即ち、選択された行のすべてのピクセル３４が、その対応する行信号ライン４２によって同時に起動され、この起動された行のピクセル３４の蓄積された電荷が、出力ライン４４を起動することにより、列選択／読み出し回路４０によって読み出されることになる。
【００１０】
図２Ａは、図１のＡＰＳ３４などのＡＰＳの一実施例を示す概略ブロックダイアグラムである。このＡＰＳ３４は、光検出器４６、電荷転送セクション４８、及び読み出し回路５０を含んでいる。電荷転送セクション４８は、転送ゲート５２（これは、しばしば、アクセストランジスタとも呼ばれる）、フローティングディフュージョン（Floating Diffusion）領域５４、及びリセットトランジスタ５６を更に含んでいる。そして、読み出し回路５０は、行選択トランジスタ５８とソースフォロアトランジスタ６０を更に含んでいる。
【００１１】
コントローラ３６が、行信号バス４２ａを介して、リセット、アクセス、及び行選択信号を供給することにより、このＡＰＳ３４は、集積（integration）と読み出しという２つのモードにおいて動作し、この行信号バスは、図示のごとく、別個のリセット信号バス６２、アクセス信号バス６４、及び行選択信号バス６６を有している。尚、この図には、１つのピクセル３４のみが示されているが、行信号バス６２、６４、及び６６は、所与の行のすべてのピクセルにわたって延長しており、画像センサ３０のピクセルのそれぞれの行は、それぞれに対応した行信号バス６２、６４、及び６６の組を備えている。ピクセル３４は、当初、リセット状態にあり、転送ゲート５２及びリセットゲート５６がターンオンしている。集積を開始するには、リセットトランジスタ５６と転送ゲート５２をターンオフする。この集積期間中には、ピクセル３４の各部分を通じて内部伝播し光検出器４６に入射したピクセル３４に入射した光子束６８の一部分に比例した光生成電荷を光検出器４６が蓄積する。この蓄積された電荷の量は、光検出器４６に入射した光の強度を表している。
【００１２】
ピクセル３４が所望の期間にわたって蓄積した後に、行選択トランジスタ５８をターンオンし、リセットトランジスタ５６を制御して、フローティングディフュージョン領域５４をＶＤＤ７０に略等しいレベルにリセットする。そして、このリセットレベルを、ソースフォロアトランジスタ６０及び出力ライン４４ａを介して、列選択／読み出し回路４０によってサンプリングする。続いて、転送ゲート５２をターンオンし、蓄積された電荷を光検出器４２からフローティングディフュージョン領域５４に転送する。この電荷転送の結果、フローティングディフュージョン領域５４の電位が、略ＶＤＤ７０であるそのリセット値から、蓄積された光生成電荷によって左右される信号値に変化する。次いで、この信号値を、ソースフォロアトランジスタ６０及び出力ライン４４ａを介して、列選択／読み出し回路４０によってサンプリングする。この信号値とリセット値間の差は、光検出器４６に入射した光の強度に比例しており、画像信号を構成する。
【００１３】
図２Ｂは、図２Ａに示されているＡＰＳ３４の従来のレイアウトを示す例である。ピクセル制御要素（即ち、リセットトランジスタ５６、行選択トランジスタ５８、ソースフォロアトランジスタ６０）と、これらに関連する相互接続回路（即ち、信号バス６２、６４、６６、及びこれらに関係するトランジスタ接続）は、通常、光検出器４６がその内部に配置されているシリコン基板の上部を覆う金属性レイヤ内に実装されている。その他のレイアウト設計も可能であるが、そのレイアウト設計とは拘りなく、ピクセル制御要素と、これらに関連する相互接続回路が、ＡＰＳ３４内において大量の空間を消費することは明らかである。このような空間の消費は、それぞれのピクセル内にアナログ／デジタル変換手段を含むデジタルピクセルセンサ（Digital Pixel Sensor：ＤＰＳ）の場合には、更に大きなものになる。
【００１４】
図３は、ＡＰＳ３４などの従来のＣＭＯＳピクセルの断面図の例である。光検出器４６は、ピクセルフロアを形成するシリコン（Ｓｉ）基板７０内に配置されている。ピクセル制御要素と、これらに関係する相互接続回路は、参照符号７２によって概略的に示されており、複数の誘電体絶縁レイヤ（ＳｉＯ２）７６によって分離された複数の金属レイヤ７４内に配置されている。垂直の相互接続スタブ（又は、ビア）７８が、異なる金属レイヤ７４内に配置されている要素を電気的に接続している。誘電体パッシベーションレイヤ７８が、交互に変化する金属レイヤ７４と誘電体絶縁レイヤ７６上に配置されている。このパッシベーションレイヤ７８上には、レジスト材料からなるカラーフィルタレイヤ８０（例：ベイヤー（Bayer）パターンの赤、緑、又は青色）が配置されている。光感度を改善するべく、誘電体材料（例：ＳｉＯ２）からなるドーム形のマイクロレンズ８２が、ピクセル上に全体を覆うように堆積されており、この結果、ピクセルに入射した光が、光検出器４６に向かってリダイレクトされるようになっている。このマイクロレンズ８２によれば、入射光子が光検出器に入射する角度を改善することにより、ピクセルの「フィルファクタ（Fill Factor）」（これは、通常、ピクセルの合計面積に対する感光面積の比率として定義される）を効果的に増大させることができる。尚、以下においては、ピクセルのこれらの要素を、一括して、ピクセル構造と総称することにする。
【００１５】
前述のように、ピクセルの光感度は、ピクセル構造のその他の要素に対する光検出器の幾何学的な配置状態の影響を受けることになり、この構造が、ピクセルの表面から光検出器への光の伝播（即ち、光学効率）に影響を与えることになる。実際に、光検出器のサイズと形状、光検出器からピクセルの表面までの距離、及び光検出器に対する制御及び相互接続回路の配置状態のいずれもが、ピクセルのＯＥに影響を与えることになる。
【００１６】
従来、ピクセルの光感度を極大化するべく、画像センサの設計者は、本能的に、光検出器とマイクロレンズ間のピクセル領域から金属の相互接続を排除するべく試みており、これは、この結果、これらの障害物によって光が「遮断」されないようにすることを目的としていた。この結果、設計者は、通常、光検出器とマイクロレンズ間に幾何光学に基づいた光経路８４（又は、光コーン）を生成している。この光経路８４は、金属を含んでおらず、誘電体パッシベーションレイヤ７８と複数の誘電体絶縁レイヤ７６のみから構成されている。尚、この光経路８４は、図には円錐であるものとして示されているが、同様にその他の形状を備えることも可能である。しかしながら、この光経路８４の形状とは拘りなく、技術的な形状のサイズが小さくなるに伴って、この方法は、益々その実装が困難になり、光の伝播に対するピクセル構造の影響が増大することになる可能性が高い。
【００１７】
ピクセル構造がピクセル内の入射光の光経路に対して影響を及ぼす様子をシミュレートするべく、ピクセル構造と入射光を光学的にモデル化するための研究が既に行われている。１つの方法は、幾何学的な光線追跡技法（例：Ｚｅｍａｘ（登録商標））の使用法を拡張したものであり、これらは、通常、デジタルカメラのレンズなどの画像センサの前方に位置する結像レンズをモデル化するのに使用されている。この「幾何学的」な方法によれば、マイクロレンズの屈折特性をモデル化し、ピクセル制御要素と相互接続を表すべく、特定の反射特性を備える小さな「障害物」を採用し、これらをマイクロレンズと光検出器を表す面の間に配置する。次いで、入射光を表す光線を「追跡」し、ピクセル内におけるその光経路を予測する。この方法の結果は、通常、これらの障害物によって、光検出器面に、実質的に幾何学的な影が単純に生成されることを示すことになる。
【００１８】
このような幾何学的な方法は、結像レンズをモデル化するのには十分なものであろうが、この場合には、入射光と、ピクセル構造の金属性要素間における電磁的な相互作用がモデル化されていない。このような電磁的な相互作用は、ＤＳＭ（Deep Sub-Micron）技術によって実装されたＣＭＯＳ画像センサなどのように、特に、その技術スケールとピクセル要素が光の波長に相当するレベルになるに伴って、ピクセル内における光の伝播に大きな影響を及ぼすことになり、このようなスケールにおいては、相互接続ワイヤなどのサブ波長の金属性要素の電磁的な断面は、その幾何学的なプロファイルとは異なったものになる。
【００１９】
位相空間（Phase Space：ＰＳ）法と呼ばれる別のモデル化法は、スカラー回折理論に基づいたものであり、スカラー回折理論においては、光を、光線としてではなく、場（Field）として説明している。但し、このＰＳ法は、前述の幾何学的な方法と比べ、光の波の特性に関する相対的に正確な説明を提供するが、この場合には、光のベクトル特性が考慮されていない。ＰＳ法は、スカラー理論に基づいており、電気又は磁気場成分のいずれかを無視している。ＰＳ法においては、これらの場成分が相互作用せず、且つ、これらの場成分のいずれか１つによって光が適切に説明されることを前提としている。尚、このＰＳ法に関する模範的な開示内容については、Peter B. Catrysse and Brian A. Wandell, “Optical efficiency of image sensor pixels”, J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 19, No. 8, pp. 1610-1620, 2002を参照されたい。
【００２０】
図４は、本発明による集積導波路１００の一実施例を示すブロックダイアグラムである。この集積導波路１００は、電磁場シミュレーション法を使用して実装されており、この技法は、入射光と集積導波路の構造間における相互作用によって生成される電磁場分布をシミュレートするものである。尚、この電磁場シミュレーション法については、後程詳述する。
【００２１】
この集積導波路１００は、第１表面１０２、第２表面１０４、及びこれら第１表面１０２と第２表面１０４間の誘電体構造１０８内に配設された複数の金属性要素１０６を含んでいる。この集積導波路１００は、第１表面１０２を介して第１電磁場分布１１０を受領するべく構成されており、この第１電磁場分布により、誘電体構造１０８内に第２電磁場分布が生成される。そして、第２表面１０４の選択された領域に入射する第２電磁場分布の量が増大するように第２電磁場分布を生成するべく、金属性要素１０６が構成及び配置されている。一実施例においては、図示のように、電磁場分布１１０は、第１表面１０２との間の１つ又は複数の入射角度と、１つ又は複数の偏光と、を有する可視光の１つ又は複数の波長を有している。従って、一実施例においては、金属性要素１０６は、さもなければ選択された領域１１２に入射することにはならない光１１０の選択された部分を、選択された領域１１２にリダイレクトするべく構成及び配置されている。
【００２２】
一実施例においては、これらの金属性要素１０６によってリダイレクトされる第１表面１０２に入射した光１１０の選択された部分は、例えば、５５０ナノメートルの所与の波長を備える光（即ち、緑色光）から構成されている。一実施例においては、この光１１０の選択された部分は、通常、例えば、５２５ナノメートル〜５７５ナノメートルの所与の波長範囲内の光から構成されている。一実施例においては、金属性要素１０６によってリダイレクトされる光１１０の選択された部分は、第１表面１０２との間の所与の入射角度を備える光から構成されている。一実施例においては、金属性要素１０６によってリダイレクトされる光１１０の選択された部分は、所与の入射角度の範囲内の光から構成されてている。
【００２３】
一実施例においては、図示のごとく、金属性要素１０６は、望ましい幾何学的な形状を備えるように形成されており、望ましい電磁場分布を形成するべく、第１表面１０２と第２表面１０４間において、垂直及び水平に、且つ、互い対して、並びに、望ましい領域１１２に対して配置されている。又、この集積導波路１００は、図４には、立方体として概略的に示されているが、この誘電体導波路１００は、任意の数の三次元形状（例：円筒形や円錐形など）として構成することが可能である。
【００２４】
図５は、ＡＰＳ３４などの本発明によるピクセルの一実施例を示す断面図であり、この場合には、ピクセル制御要素と相互接続回路７２は、ピクセルの光学効率を改善する集積導波路を形成するべく、ＡＰＳ３４内に配置されている。従来の方式とは異なり、このピクセル制御要素及び相互接続回路７２は、光検出器４６に近接した状態で配置されている。実際に、一実施例においては、図示のごとく、ピクセル制御要素及び相互接続回路の一部は、従来においては金属が排除されていた光経路８４内に配置されている。このピクセル制御要素及び相互接続回路７２は、さもなければ光検出器４６に入射することにはならないマイクロレンズ８２に入射する光１２２の少なくとも一部１２０を光検出器４６に選択的にリダイレクトする電磁場分布を形成するべく、光検出器４６とマイクロレンズ８２間に構成及び配置されている。このように、ピクセル制御要素及び相互接続回路７２を配置し、誘電体及び金属性レイヤ７４及び７６を通じて、光１２０を光検出器４６にリダイレクトする集積導波路を形成することにより、ＡＰＳ３４の光学効率が改善されることになる。
【００２５】
図６は、本発明による集積導波路法を使用して実装されたＡＰＳ３４などのピクセルの別の実施例を示す断面図である。図示のように、互いに電気的に絶縁され、またピクセル制御要素及び相互接続回路７２から電気的に絶縁された複数の金属性要素１２４（４つが示されている）が、光検出器４６とマイクロレンズ８２間の従来は金属が排除されていた光経路８４内に配設されている。これらの電気的要素１２４は、さもなければ光検出器４６に入射することにはならないマイクロレンズ８２に入射した光１２２の一部１２０を光検出器４６に対して選択的にリダイレクトする電磁場分布を生成する電磁アンテナ１２６を形成するべく、互いに、並びに光検出器４６に対して、構成及び配置されている。この場合にも、「障害物」が排除された状態に光経路を維持する従来の方式とは異なり、この電磁アンテナ１２６を配置して、誘電体及び金属性レイヤ７４及び７６を通じた集積導波路を形成することにより、光１２０が光検出器１４６にリダイレクトされることによってＡＰＳ３４の光学効率が改善されることになる。一実施例においては、これらの金属性要素１２４は、ピクセル制御要素及び相互接続回路７２と電気的に絶縁されておらず、ピクセル制御要素及び相互接続回路７２の非電流搬送アペンデージ（non-current carrying appendage）から構成されている。
【００２６】
尚、以上においては、ＣＭＯＳ技術に関連して主に説明しているが、本発明による本明細書に記述されている電磁場シミュレーション術は、ＣＣＤタイプの画像センサなどのその他のタイプの固体撮像センサにも同様に適用可能であることに留意されたい。
【００２７】
図７は、ピクセルの光学効率を改善又は大幅に最適化するピクセル構成を判定するべく、電磁場シミュレーション法を採用したプロセス１４０の一実施例を示すフローチャートである。このプロセス１４０は、ステップ１４２において始まっており、ここで、図２Ａ及び図２Ｂに示されているＡＰＳ３４のレイアウトなどの提案するピクセルの初期構成又は構造のレイアウトを決定する。そして、ステップ１５０として一括で示されているステップ１４４、１４６、及び１４８は、電磁場シミュレーションツールに関係すると共に／又は、これによって実行されるステップである。
【００２８】
電磁場シミュレーションツール（Electromagnetic Field Simulation Tool：ＥＦＳＴ）１５０は、電磁的な問題を解明及びシミュレートするための数値的な方法から構成されている。このようなシミュレーションを実行するための周知の方法には、ＦＥＭ（Finite Element Method、有限要素法）、ＦＤＦＤ法（Finite-Difference Frequency-Domain Method、有限差分周波数領域法）、及びＦＤＴＤ法（Finite-Difference Time-Domain Method、有限差分時間領域法）を含むいくつかのものが存在している。オリジナルのソフトウェアコードを開発して、このような電磁場シミュレーションツールを実装することも可能であるが、利用可能ないくつかの市販製品も存在している。特に好適であると考えられるこの種の市販製品の１つは、カナダのオタワに所在するオプティウェーブ社（Optiwave Corporation）から販売されているＯｐｔｉＦＤＴＤ（登録商標）である。その名前のとおり、このＯｐｔｉＦＤＴＤ（登録商標）という製品は、電磁場シミュレーションを実行するべく、ＦＤＴＤを採用している。以下、本明細書においては、このＯｐｔｉＦＤＴＤ（登録商標）シミュレーションツールを、ＥＦＳＴ１５０と呼ぶこととする。
【００２９】
ステップ１４４において、シミュレーションの実行に必要なデータをＥＦＳＴ１５０に入力する。ステップ１４２の初期ピクセル構造の三次元の幾何学的モデルをＥＦＳＴ１５０に入力する。そして、このステップ１４４においては、ピクセルの幾何学的モデル化に加え、ピクセル構造のそれぞれのコンポーネントの材料特性をも入力する。ＦＤＴＤ法においては、基本的に、永久的な双極材料（例：水など）、誘電体材料、及び電導性材料という３つのタイプの材料をモデル化する。そして、これらの材料の特性を説明するのに採用可能な周知のモデルには、電導性材料用のＤｒｕｄｅモデルや、多損失誘電体材料用のＬｏｒｅｎｔｚモデルなど、多数のものが存在している。尚、このピクセル構造の幾何学形状と材料特性をモデル化するのに使用する方法、方式、及び技法は、使用する特定のＥＦＳＴに応じて変化することになる。又、このステップ１４４においては、提案するピクセルに入射するシミュレート対象の光源（励起入力）の選択したタイプを表すデータをも入力する。採用するＥＦＳＴに応じて、光源が連続波源であるかパルス源であるか、その中心波長、光源とピクセル構造間における入射角度、並びに振幅などの入射光の様々な特性をモデル化可能である。そして、最後に、その提案するピクセル構成において、ピクセルの光検出器を表す平坦な観察領域／容積を定義する。
【００３０】
次いで、ステップ１４６において、ＥＦＳＴ１５０が、ステップ１４４において入力されたピクセル構成、材料特性、選択された入射光源、及び光検出器領域について、選択された持続時間にわたって、電磁場シミュレーションを実行する。ＥＦＳＴ１５０は、ＦＤＴＤ法に従って電気及び磁気場対時間を算出することにより、モデル化されたピクセル構造内における選択された入射光源の電磁場伝播をシミュレートする。
【００３１】
次いで、ステップ１４８において、ＥＦＳＴ１５０は、ステップ１４６のシミュレーションにおいて取得された電気及び磁気場データから、そのモデル化されたピクセルのＯＥ（光学効率）を算出する。前述のように、ＯＥは、ピクセルの光検出器に入射するスペクトル放射照度に対するピクセルの表面に入射するスペクトル放射照度の比率であり、これは、波長に伴って変化するスペクトル量である。スペクトル放射照度は、単位面積当たり並びに波長当たりに受光した光パワーとして定義されるものである。ＥＦＳＴ１５０は、ＦＤＴＤ法を使用し、取得した電気及び磁気場データから、入力面におけるポインティングベクトル（Poynting vector）と、光検出器面におけるポインティングベクトルと、を算出することにより、ＯＥを判定する。これらのポインティングベクトルの比率が、そのモデル化されたピクセルのＯＥを構成する。尚、このＯＥの算出方法の更に詳細な説明については、Peter B. Catrysse and Brian a. Wandell, “Integrated color pixels in 0.18-μm complementary metal oxide semiconductor technology”, J. Opt. Soc. Am. A, VOL. 20, NO. 12, PP. 2293-2306, 2003を参照されたい。
【００３２】
一実施例においては、ＯＥを算出した後に、プロセス１４０は、ステップ１５２に進み、この算出されたＯＥを評価する。そして、この算出されたＯＥが、所望の値以上である場合には、そのモデル化されたピクセルの構成は、許容可能であると判断され、プロセス１４０は、ステップ１５４に示されているように、完了することになる。一方、算出されたＯＥが、望ましい値を下回っている場合には、ピクセル構造の幾何学的なレイアウトをステップ１５６において再構成することになる。このような再構成ステップは、光検出器に対してピクセル構造の選択されたコンポーネントを再配置するステップを単純に有するか、又は、必要なピクセル構造からの投射を追加するステップ、又は、必要なピクセル構造から電気的に絶縁された金属性要素を追加するステップを有することができる。一実施例においては、材料特性を調節することにより、選択されたシステムコンポーネント及び絶縁された金属性要素の代替材料の使用をシミュレートすることも可能である。
【００３３】
ステップ１４４において、この再構成されたピクセルの幾何学形状及び／又は材料特性をＥＦＳＴ１５０に入力する。次いで、ＥＦＳＴ１５０は、この再構成されたピクセルについて、ステップ１４６及びステップ１４８において、電磁場シミュレーションとＯＥの演算を実行する。そして、算出されたＯＥをステップ１５２において評価し、望ましい値を上回るＯＥの算出値を備えるピクセル構造が判定されるまで、前述のプロセスを反復することになる。従って、このプロセス１４０を採用することにより、望ましいＯＥを備えるピクセルレイアウトを設計し、これを実際に製造する前に、シミュレートすることが可能である。
【００３４】
図８Ａ及び図８Ｂは、モデル化されたピクセル構造内における入射光のシミュレートされた伝播を示すＯｐｔｉＦＤＴＤ（登録商標）ツールによって提供されたグラフィカルな出力である。図７Ａ及び図７Ｂ（図８？）は、ピクセル内における入射光の伝播に対する金属要素（又は、ワイヤ）の影響を示す本発明による電磁場シミュレーションに基づいたシミュレーションの例を示している。
【００３５】
図８Ａは、図３に示されているＡＰＳ３４と同様に、光経路内に金属性要素を備えていないピクセルの例のピクセル表面から光検出器への垂直面（即ち、垂直断面）における入射光１７２の伝播シミュレーションを示している。従って、このシミュレート対象のピクセルは、マイクロレンズレイヤ８２、カラーフィルタレイヤ８０、パッシベーションレイヤ７８、レイヤ１７０として集合的に表されている交互に変化する金属性及び絶縁レイヤ７４及び７６、及びシリコン基板７０内の光検出器４６を含んでいる。このシミュレーションにおいては、入射光１７２は、傾斜した入射光としてマイクロレンズレイヤ８２に入射する連続光源（パルス源ではない）から構成されている。そして、この傾斜した入射光１７２が、マイクロレンズレイヤ８２から略シリコン基板７０に向かってピクセル内を伝播した結果、入射光１７２の大きな部分が光検出器４６に入射しないことは明らかである。
【００３６】
図８Ｂは、図６に示されているＡＰＳ３４に類似した光検出器４６とマイクロレンズレイヤ８２間に位置する電気的に絶縁された電磁アンテナ１２６を更に含むようにピクセルがモデル化されていることを除いて、図８Ａのシミュレーションに採用された同一のピクセル内における傾斜した入射光１７２の伝播シミュレーションを示している。このシミュレーションにおいては、傾斜した入射光１７２が、ＡＰＳ３４を通じて伝播した結果、電磁アンテナ１２６との電磁的な相互作用により、さもなければ、光検出器４６に入射することにはならない入射光１３２の少なくとも一部が光検出器４６に対してリダイレクトされている。従って、従来の方式とは逆に、光検出器４６に近接した状態で、且つ、光経路８４の内部に、電磁アンテナ１２６を配置することにより、誘電体トンネルを金属性要素が排除された状態に維持する場合と比べて、ＡＰＳ３４の光学効率を増大させることができる。
【００３７】
図７を参照して前述したピクセルの光学効率を算出及び改善する電磁シミュレーション法を拡張することにより、ピクセル性能に関連するその他の目標（又は、計測可能な基準）を改善及び／又は最適化することが可能である。これらの性能基準には、ピクセル応答、ピクセル色応答（Ｒ、Ｇ、Ｂ応答）、及びピクセルクロストークが含まれる。
【００３８】
ピクセル応答は、定義された蓄積期間中にピクセルの光検出器によって蓄積される電荷の量として定義されるものである。ピクセル応答は、次の式（１）によって表現可能である。
【数１】
2006157001.tif 000003
【００３９】
ここで、Ｃ１＝ピクセル応答、Ａ＝光検出器の面積、Ｔ＝集積期間、ＯＥ（λ）＝光学効率の波長依存関数（図７のステップ１４８において算出されるもの）、ＱＥ（λ）＝光検出器の量子効率の波長依存関数、ＥＤ６５＝日光を表す標準的な波長依存関数（等価色温度：６５００°Ｋ）である。
【００４０】
ピクセル応答Ｃ１を算出するには、式（１）を波長の範囲（例：４００〜７００ナノメール）にわたって積分する。このＣ１の値が大きいほど、ピクセルの応答は良好である。尚、前述の式（１）においては、標準的な関数ＥＤ６５を採用しているが（これは、日光の照明を表すものである）、蛍光又はタングステン光源を表す関数などのその他の光源の波長依存関数を採用することも可能である。式（１）に、このＥＤ６５関数が示されている理由は、これが、光学装置を試験する際に通常採用される標準的な光源を表しているためである。
【００４１】
図１に示されているピクセルアレイ３２などのカラー画像センサのピクセルアレイは、しばしば、アレイのそれぞれのピクセルが別個の原色を検知するように割り当てられるべく通常構成されている。このような割り当ては、ピクセルアレイ上にカラーフィルタアレイを配置することによって行われ、それぞれのピクセルは、その割り当てられた原色に対応した関連するフィルタを備えている。このようなカラーフィルタが、図３のＡＰＳ３４のカラーフィルタレイヤ８０によって示されている。光が、このカラーフィルタを通過するに際に、割り当てられている原色の波長のみが通過することになる。多くのカラーフィルタアレイが既に開発されているが、一般的に使用されているカラーフィルタアレイの１つが、ベイヤーパターンである。ベイヤーパターンにおいては、緑のピクセル間に挟まれた赤のピクセルと、緑のピクセル間に挟まれた青のピクセルの交互に変化する行を採用している。従って、ベイヤーパターンは、赤ピクセル又は青ピクセルの２倍の緑のピクセルを備えている。ベイヤーパターンにおいては、シャープネスを定義する際に緑の照度の影響を最も強く知覚する人間の眼の傾向を利用しており、ベイヤーパターンを採用したピクセルアレイは、そのアレイが水平又は垂直のいずれに配置されている場合にも、実質的に等しい画像検知応答を提供する。
【００４２】
緑、青、又は赤色を検知するべく割り当てられたベイヤーパターンに応じて構成されたピクセルアレイの一部を構成するピクセルなどの特定の波長又は波長の範囲を検知するべく構成されたピクセルをレイアウトする際には、その割り当てられている色に対するピクセル応答を判定可能であることが有利である。選択された色のピクセルの色応答は、次の式（２）によって表現可能である。
【数２】
2006157001.tif 000004
【００４３】
ここで、Ｃ２＝選択された色Ｘのピクセル応答、ＯＥＸ（λ）＝選択された色又は波長Ｘ（例：赤、緑、又は青）の光学効率の波長依存関数、ＱＥ（λ）＝光検出器の量子効率の波長依存関数、ＥＤ６５＝日光を表す標準的な波長依存関数（等価色温度：６５００°Ｋ）である。
【００４４】
所望の色Ｘのピクセル色応答Ｃ２を算出するには、この式（２）を、例えば、可視スペクトルを表す４００〜７００ナノメートルなどの波長範囲にわたって積分する。このＣ２の値が大きいほど、ピクセルの色応答は良好である。又、この式（２）においては、標準的な光源関数ＥＤ６５を採用しているが、蛍光光源を表す関数など、その他の光源用のその他の波長依存関数をこの式に採用することも可能であろう。
【００４５】
カラー画像センサにおける「ピクセルクロストーク」という用語は、通常、そのピクセルに割り当てられている色とは異なる色（即ち、波長）を備えたピクセルの光検出器に入射する光によるピクセル応答の部分又は量を意味するものである。このようなクロストークは、その割り当てられている色に応答してピクセルが収集する電荷の量を歪曲するため、望ましいものではない。例えば、「緑色」ピクセルの光検出器に影響を与える可視スペクトルの赤及び／又は青色部分の光により、「緑色」ピクセルは、可視スペクトルの緑色の部分の光のみが光検出器に影響を与えた場合に収集されるであろうものと比べて、多くの電荷を収集することになる。このようなクロストークは、歪曲やアーチファクトを生成可能であり、従って、検知される画像の品質が低下することになる。このようなピクセルのクロストークは、次の式（３）によって表現可能である。
【数３】
2006157001.tif 000005
【００４６】
Ｃ３＝ピクセルクロストーク、ＯＥＧ（λ）＝緑色光の光学効率の波長依存関数、ＯＥＲ，Ｂ（λ）＝赤及び青色光の光学効率の波長依存関数、ＱＥ（λ）＝光検出器の量子効率の波長依存関数、ＥＤ６５＝日光を表す標準的な波長依存関数（等価色温度：６５００°Ｋ）であり、λεＧ＝可視スペクトルの緑色部分を表す波長の範囲における蓄積を示している。
【００４７】
この式からわかるように、式（３）は、緑色ピクセルのピクセルクロストークの算出法を示している。従って、分子は、可視スペクトルの緑色部分の光のピクセル応答を表しており、分母は、可視スペクトルの赤及び青色部分の光のピクセル応答の組み合わせを表している。このＣ３の値が大きいほど、そのピクセルにおけるクロストークは小さい。尚、この説明においては、緑色ピクセルのピクセルクロストークの算出法を示しているが、この式（３）は、赤及び青色ピクセルのクロストークを同様に表すように、容易に修正可能である。
【００４８】
以上の式（１）〜式（３）は、ピクセルの性能と関連するＯＥ依存基準の特定の例を示すものである。これらの特定の例に加え、ピクセルと関連する多数のその他のＯＥに依存した性能基準が存在している。図９は、この式（１）〜式（３）による前述の性能基準などのピクセルの選択された性能基準を実質的に最適化するピクセル構成を判定するための電磁場シミュレーションを採用したプロセス１８０の一実施例を示すフローチャートである。
【００４９】
ステップ１４２から始まるこのプロセス１８０の最初の４つのステップは、図７に示されているＯＥを算出するプロセス１４０の最初の４つのステップと同一である。そして、ステップ１８２、１８４、及び１８６は、演算コード（Computation Code：ＣＣ）１８８によって実行される。尚、オリジナルの演算コードを開発することも可能であるが、市販の演算コードが、いくつか存在している。好適な演算コードの１つは、MathWorks社から提供されているＭＡＴＬＡＢ６．５（登録商標）である。
【００５０】
ステップ１８２において、ＣＣ１８８は、算出されたＯＥをＥＦＳＴ１５０から受信し、対応するＯＥ依存関数を使用することにより、選択された性能基準（Ｃｉ）を演算する。この選択された性能基準には、式（１）〜式（３）によってそれぞれ示されているＯＥ依存関数によって表示されるピクセル応答（Ｃ１）、ピクセル色応答（Ｃ２）、及びピクセルクロストーク（Ｃ３）を含むことができる。そして、このＣｉの現時点において算出された値が、ステップ１４２の初期ピクセル構成に対応している場合には、プロセス１８０は、ステップ１８４に移動することになる。
【００５１】
一方、Ｃｉの現時点において演算された値が、ステップ１４２の初期ピクセル構成に対応していない場合には、現在のピクセル構成に対応しているＣｉの現時点において算出された値を、以前のピクセル構成に対応しているＣｉの以前に演算された値と比較する。そして、Ｃｉの現時点において演算された値が、Ｃｉの以前に演算された値と比べて、選択された性能基準における改善を示している場合には、プロセス１８０は、ステップ１８４に進む。
【００５２】
ステップ１８４においては、ピクセル構造の様々な要素の新しい位置を備える再構成されたピクセル構造を生成する非線形最適化手順を採用している。尚、このような非線形最適化手順に関する模範的な開示内容について、Philip E. Gill, Walter Murray, and Margaret H. Wright, “Practical Optimization”, Academic Press, Inc., San Diego, CA, 1981を参照されたい。一実施例においては、この再構成されたピクセル構造には、ピクセル構造内における追加的な電気的に絶縁された金属性要素の配置及び／又は必要なピクセルコンポーネントの非電流搬送金属性アペンデージ（non-current carrying metallic apendage）の配置が含まれている。一実施例においては、再構成されたピクセル構造には、ピクセル構造の各部分に採用される材料の変更と、従って、ピクセル構造の各部分の材料特性の変更が含まれている。一実施例においては、再構成されたピクセル構造には、必要なピクセルコンポーネントの幾何学的な形状及び／又は電気的に絶縁された金属性要素の幾何学的な形状の変更が含まれている。尚、この場合にも、オリジナルのコードを開発可能であるが、好適な市販コードの１つは、MATLAB6.5（登録商標）のOptimization Toolbox 2.2（登録商標）である。
【００５３】
再構成されたピクセル構造を生成した後に、プロセス１８０は、ステップ１８６に進み、ここで、ＣＣ１８８は、その再構成されたピクセル構造をＥＦＳＴ１５０に自動的に入力する。そして、ＥＦＳＴ１５０は、その再構成されたピクセル構造のＯＥを算出し、算出されたＯＥをＣＣ１８８に供給する。ステップ１８２において、ＣＣ１８８は、現在の（再構成された）ピクセル構造のＣｉの現時点における値を演算し、このＣｉの現時点において演算された値を、以前のピクセル構成に対応するＣｉの保存されている値と比較する。そして、プロセス１８０は、Ｃｉの現時点において算出された値が、以前のピクセル構成のＣｉの値と比べて、選択された性能基準における改善を示している場合に、この最適化プロセス（ステップ１８２、１８４、１８６、１４４、１４６、及び１４８）を継続する。一方、Ｃｉの現時点において算出された値が、以前のピクセル構成のＣｉの値と比べて、選択された性能基準の悪化を示した時点において、この最適化プロセスは中止され、プロセス１８０は、ステップ１９０に進み、ここで、Ｃｉの以前の値に対応しているピクセル構造が、選択された性能基準Ｃｉを実質的に最適化するのに最も好適な構造であるものとして示されることになる。
【００５４】
図７及び図９のプロセス１４０及び１８０は、単一のピクセルについて選択された性能基準を最適化するためのピクセル構造を構成する方法を示すものであるが、図１のＡＰＳ３０などの画像センサの性能を最適化するべく、これらのプロセス１４０及び１８０を個別にアレイのそれぞれのピクセルに適用可能である。入射光の角度は、アレイ内のそれぞれのピクセルごとに固有のものであるため、プロセス１４０及び１８０のステップ１４４において、それぞれのピクセルに対応する入射光の固有の特徴をＥＦＳＴ１５０に入力可能である。又、アレイのそれぞれのピクセルが、異なる性能基準を最適化するべく設計された構成を備えることも可能である。例えば、緑色チャネルのピクセルは、可視スペクトルの緑色の部分の光に対するその応答を最適化するピクセル構造を有するように構成可能であり、赤チャネルのピクセルは、可視スペクトルの赤色部分の光に対するその応答を最適化するピクセル構造アレイを有するように構成可能である。アレイ内のその他のピクセルは、クロストークを極小化する構造を有するように構成可能である。従って、プロセス１４０及び１８０によれば、アレイのそれぞれのピクセルを個別に構築することにより、アレイのすべてのピクセルを組み合わせた効果によって、画像センサの性能の少なくとも１つの側面を最適化することができる。
【００５５】
式（１）〜式（３）によって示されているものなどの前述の直接的に計測可能な性能基準に加え、人間の視覚と関連する性能基準を最適化するべくＣＣ１８２を構成することも可能である。但し、このような性能基準のためには、そのピクセルアレイによって提供される結果的に生成された画像が人間の視覚の観点で最適化されるようにアレイのそれぞれのピクセルのピクセル構成を提供するべく、ＣＣ１８２による人間の視覚をモデル化したＯＥ依存関数の演算を実現するＣ−ＩＥＬＡＢ（登録商標）やＳ−Ｃ−ＩＥＬＡＢ（登録商標）などの比色分析法をＣＣ１８２に含むことが必要である。即ち、人間の視覚に基づいた最適な画像は、直接計測可能な性能基準に基づいた最適な画像に対応していない可能性を有しているのである。
【００５６】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、入射光の光経路内の金属性要素によってピクセル内に生成される「影（shadow）」をシミュレートする際に、（光線追跡などの）幾何学的な分析法と電磁場シミュレーション法によって得られる結果の不一致を示すべく収録されているものである。図１０Ａは、この幾何学的及び電磁場シミュレーションの両方によって採用されている単純化されたピクセル２００の構造を示す断面図である。このピクセル２００は、シリコン基板２０２、誘電体レイヤ２０４、及び金属性ワイヤ２０６を含んでいる。そして、このピクセル２００は、参照符号２０８によって示されているように、３．３μｍのピクセルであり、ワイヤ２０６は、０．２８μｍの幅２１０と、０．４７５μｍの深さ２１２を備えており、参照符号２１６によって示されているように、シリコン基板２０２の表面２１４から１．２４μｍの位置に位置している。
【００５７】
図１０Ｂは、ピクセル２００の上部表面２２４に垂直に入射する光２２２から誘電体レイヤ２０４を介して表面２１４において受光される光の強度を示すグラフ２２０である。この光の強度は、参照符号２２６によって示されているように、ｙ軸上に示されている。そして、シリコン基板の表面２１４に沿った位置が、参照符号２２８によって示されているように、ｘ軸に沿って示されており、この場合には、参照符号２３０によって示されているように、ゼロの位置は、ピクセル２００の中心に対応している。曲線２３２は、幾何学的な分析法に基づいた表面２１４における光の強度を示している。参照符号２３４によって示されているように、幾何学的な分析法は、ワイヤ２０６の直接下方の表面２１４における光の強度がゼロであって、表面２１４の残りの部分における強度は、１の値で一定であることを示している。即ち、この曲線２３２が示しているように、幾何学的な分析法においては、ワイヤ２０６が表面２１４上に単純な幾何学的な「陰」を投影することにより、ワイヤ２０６の直接下方の表面２１４における光の強度にのみ影響が及ぶと予測しているのである。
【００５８】
曲線２３６及び２３８は、電磁場シミュレーションに基づいた表面２２４における垂直入射光２２２から表面２１４に到達する光の強度を示している。尚、曲線２３６は、５５０ナノメートル（ｎｍ）の波長を備える緑色光の表面２１４において受光される光の強度を示しており、曲線２３８は、６５０ｎｍの波長を備える赤色光の強度を示している。これらの曲線２３６及び２３８から明らかなように、電磁場シミュレーション法に基づけば、ワイヤ２０６は、単純な「陰」を投影するのではなく、表面２１４の全体の幅２０８にわたって、光の強度に影響を与えている。即ち、曲線２３６及び２３８は、ワイヤ２０６が、ワイヤ２０６の略下方の領域内において、表面２１４の光の強度を最も低減させることを示すと共に、ワイヤ２０６のために、光の強度が、ピクセル２００の幅にわたって周期的に増減し、この効果が、ワイヤ２０６からの距離に伴って減少していることをも示している。又、図１０Ｂは、赤及び緑色光における光強度のみの説明を含んでいるが、ワイヤ２０６の表面２１４における光の強度に対する影響が、入射光２２２の波長によって左右され、これによって変化することが、これらの曲線２３６及び２３８から明らかである。
【００５９】
要すれば、本発明による電磁場シミュレーション法によれば、光の電磁的特性を考慮することにより、ピクセル内における入射光の伝播に対するピクセル構造の影響を相対的に正確にモデル化することができる。そして、これらの技法を使用することにより、ピクセルまたは撮像センサのピクセル・アレイを製造する前に、ピクセルの性能と関連する選択された基準を最適化するべく、ピクセル構造を自動的に判定及びシミュレート可能であり、この結果、設計コストを低減すると共に、性能を改善することができる。又、これらの技法によれば、ピクセルの表面とその関連する光検出器間における金属性要素の意図的な配置や、可能な限り遠くにではなく、光検出器に近接した状態での金属性要素の配置など、従来の設計技法とは異なるピクセル構成を結果的に実現することができる。
【００６０】
以上、特定の実施例について例示及び説明したが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなしに、図示及び説明したこれらの特定の実施例を様々な代替及び／又は等価な実装によって置換可能であることを理解するであろう。本出願は、本明細書に記述した特定の実施例の適合や変形をも含むことを意図するものである。従って、本発明を限定するものは、添付の請求項とその等価物のみである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明による電磁場シミュレーション技法を使用して実装された画像センサの一実施例を示す概略ブロックダイアグラムである。
【図２Ａ】アクティブピクセルセンサの一実施例を示す概略ブロックダイアグラムである。
【図２Ｂ】図２Ａのアクティブピクセルセンサのレイアウトの例を示している。
【図３】アクティブピクセルセンサの断面図の例である。
【図４】本発明による集積導波路の一実施例を示す概略図である。
【図５】集積導波路を形成するべく構成された構造を備えるアクティブピクセルセンサの断面図の例である。
【図６】集積導波路を形成するべく構成された構造を備えるアクティブピクセルセンサの断面図の例である。
【図７】ピクセルの光学効率を最適化するピクセル構成を判定するためのプロセスの一実施例を示すフローチャートである。
【図８Ａ】電磁場シミュレーション法を使用するピクセルの例における入射光の伝播シミュレーションを示している。
【図８Ｂ】電磁場シミュレーション法を使用するピクセルの例における入射光の伝播シミュレーションを示している。
【図９】選択されたピクセル性能基準を最適化するピクセル構成を判定するためのプロセスの一実施例を示すフローチャートである。
【図１０Ａ】ピクセルの例の一部分の断面を示している。
【図１０Ｂ】幾何学的シミュレーション及び電磁場シミュレーション法を使用した図１０Ａのピクセルの基板上における光の強度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６２】
３４  ピクセル
４６  光検出器
７０  フロア
８２  受光表面
１００  導波路
１０２  第１主表面
１０４  第２主表面
１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ  金属性要素
１０８  誘電体構造
１１０  第１電磁場分布
１１２  選択された領域
１２２  入射光
【図１】
2006157001.tif 000006
【図２Ａ】
2006157001.tif 000007
【図２Ｂ】
2006157001.tif 000008
【図３】
2006157001.tif 000009
【図４】
2006157001.tif 000010
【図５】
2006157001.tif 000011
【図６】
2006157001.tif 000012
【図７】
2006157001.tif 000013
【図８Ａ】
2006157001.tif 000014
【図８Ｂ】
2006157001.tif 000015
【図９】
2006157001.tif 000016
【図１０Ａ】
2006157001.tif 000017
【図１０Ｂ】
2006157001.tif 000018