(57)【要約】【課題】  いくつかの実施形態によれば、ノイズの発生を抑制することができる。【解決手段】  １つの実施形態に係る撮像装置は、光電変換部１および前記光電変換部１で生じた電荷を保持する電荷保持部２をそれぞれが含む複数の画素と、前記光電変換部の上に配された導波路３１と、前記電荷保持部２を覆う遮光部２０３と、を備える。前記導波路３１の底面の幅は１．１μｍより小さい。【選択図】  図４
2018200955.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部および前記光電変換部で生じた電荷を保持する電荷保持部をそれぞれが含む複数の画素と、
前記光電変換部の上に配された導波路と、
前記電荷保持部を覆う遮光部と、を備え、
前記導波路の底面の幅は１．１μｍより小さい
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
光電変換部および前記光電変換部で生じた電荷を保持する電荷保持部をそれぞれが含む複数の画素と、
前記光電変換部の上に配された導波路と、
前記電荷保持部を覆う遮光部と、を備え、
前記導波路の底面の幅が、前記複数の画素の配列された画素ピッチの３２．０％以下である
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
前記導波路の底面の端と前記導波路の上面の端とを結ぶ線と、前記光電変換部が配された基板の表面との成す角度が、６５度以上である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記角度が、６８度以上である
ことを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記角度が、８０度以下である
ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記角度が、７４度以下である
ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記角度が、７２度以下である
ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記導波路の底面の端と前記導波路の上面の端とを結ぶ線と、前記光電変換部が配された基板の表面との成すテーパー角度が、７２度以下である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記導波路の上面の幅が２．１μｍから２．６μｍの範囲に含まれる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記導波路の上面の幅が２．３μｍから２．３μｍの範囲に含まれる
ことを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記導波路の上面の幅が、前記複数の画素の配列された画素ピッチの６０％から７７％の範囲に含まれる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記光電変換部の上の位置において、開口が前記遮光部に設けられ、
前記導波路の底面の幅と前記の開口の幅との差が、０．３μｍ以上であること
を特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記光電変換部の配された基板の表面に対する平面視において、前記導波路の底面の端と前記電荷保持部との距離は０．８μｍ以上である
を特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記光電変換部の配された基板の表面に対する平面視において、前記光電変換部と前記電荷保持部との距離は０．５μｍ以上である
を特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置から出力された信号を処理して画像信号を取得する処理装置と、を備えた撮像システム。
【請求項１６】
移動体であって、
請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置から出力された信号に対して処理を行う処理装置と、
前記処理の結果に基づいて前記移動体を制御する制御手段と、を有することを特徴とする移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は撮像装置、撮像システム、および、移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１−３には、光電変換部と、光電変換部から電荷が転送される電荷保持部とを含む複数の画素を備えた撮像装置が開示されている。電荷保持部は遮光部に覆われている。画素が遮光された電荷保持部を備えているため、これらの撮像装置は電荷の蓄積を全ての画素に対して同時に行うシャッタ動作、いわゆる、グローバル電子シャッタ動作を実現することができる。
【０００３】
各光電変換部の上には、光電変換部への集光のための光導波路が設けられている。光導波路により光電変換部への集光効率を向上するため、感度を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２３８９４９号公報
【特許文献２】特開２０１４−０４９５７５号公報
【特許文献３】特開２０１５−１７６９６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電荷保持部に光が入射すると、電荷保持部で電荷が生成される可能性がある。電荷保持部で生じた電荷は、ノイズの原因となり得る。例えば、グローバル電子シャッタ動作を行う場合、露光期間の終了から電荷保持部の電荷が読み出しまでの時間が行によって異なる。そのため、電荷保持部に光が入射すると、画像にシェーディングが生じる可能性がある。
【０００６】
特許文献１、２は、光導波路と遮光部とを模式的な断面構造で例示している。しかし、光導波路と遮光部との位置関係の定量的な検討はなされていない。特許文献３は、光導波路と遮光部との高さの関係について検討している。しかし、特許文献３においても、光導波路の入射面や出射面のサイズについては検討されていない。本発明者らは、光導波路の入射面のサイズによって、遮光部の遮光性能が大きく変化することを見出した。すなわち、従来技術には、遮光部による遮光性能を向上することが困難であるという課題がある。結果として、ノイズが生じる可能性がある。
【０００７】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、ノイズを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
１つの実施形態に係る撮像装置は、光電変換部および前記光電変換部で生じた電荷を保持する電荷保持部をそれぞれが含む複数の画素と、前記光電変換部の上に配された導波路と、前記電荷保持部を覆う遮光部と、を備え、前記導波路の底面の幅は１．１μｍより小さいことを特徴とする。
【０００９】
別の実施形態に係る撮像装置は、光電変換部および前記光電変換部で生じた電荷を保持する電荷保持部をそれぞれが含む複数の画素と、前記光電変換部の上に配された導波路と、前記電荷保持部を覆う遮光部と、を備え、前記導波路の底面の幅が、前記複数の画素の配列された画素ピッチの３２．０％以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
いくつかの実施形態に係る撮像装置によれば、ノイズを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る撮像装置の画素の回路構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る撮像装置の画素の平面構造を模式的に示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る撮像装置の断面構造を模式的に示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る撮像装置の断面構造を模式的に示す図である。
【図５】第１の実施形態に係る撮像装置の導波路について、（ａ）感度、（ｂ）遮光性能のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】第２の実施形態に係る撮像装置の断面構造を模式的に示す図である。
【図７】第３の実施形態に係る撮像システムのブロック図である。
【図８】第４の実施形態に係る移動体のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る撮像装置の実施形態を詳細に説明する。各図面を通じて同一の構成要素には同一の参照符号を付し、重複する構成要素についてはその説明を省略することもある。また、以下に説明する実施形態は、本発明の一態様を例示的に示すものであって、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１３】
［第１の実施形態］
［画素回路］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る画素の回路構成を示す図である。画素は入射された光を電気信号に変換する素子である。複数の画素を行列状に配置することにより画素アレイが構成される。画素はシリコン（Ｓｉ）等の半導体基板上に形成される。
【００１４】
画素は、光電変換部１、電荷保持部２、フローティングディフュージョン（ＦＤ）部３、及び、オーバーフロードレイン（ＯＦＤ）部１５を備える。画素はこれらの各部の接続／非接続の切替え又は信号増幅のための、第１の転送トランジスタ４、第２の転送トランジスタ５、選択トランジスタ７、リセットトランジスタ９、増幅トランジスタ１０及びＯＦＤトランジスタ１６をさらに備える。各トランジスタはＭＯＳＦＥＴ等により構成される。例えば、各トランジスタは、ドレイン端子およびソース端子と、ドレイン端子−ソース端子間の導通を制御するゲート電極（ゲート端子）を有する。各画素の選択トランジスタ７は、出力線８に接続される。典型的には、１つの出力線８に１つの列に含まれる複数の画素が接続される。
【００１５】
光電変換部１は入射された光量に応じた信号電荷を発生する。電荷保持部２は、第１の転送トランジスタ４を介して光電変換部１に接続される。第１の転送トランジスタ４は、光電変換部１の電荷を電荷保持部２に転送する。電荷保持部２は、等価回路図において、接地容量またはダイオードとして表される。電荷保持部２は光電変換部１から転送された電荷を一時的に保持する。
【００１６】
ＦＤ部３は電荷保持部２から転送された電荷を電圧信号に変換する。ＦＤ部３は第２の転送トランジスタ５を介して電荷保持部２と接続される。第２の転送トランジスタ５は、電荷保持部２の電荷をＦＤ部３に転送する。また、ＦＤ部３はリセットトランジスタ９のソース端子及び増幅トランジスタ１０のゲート端子とも接続される。リセットトランジスタ９のドレイン端子には電源電圧が供給される。リセットトランジスタ９をオンにすることでＦＤ部３の電圧は電源電圧にリセットされる。
【００１７】
増幅トランジスタは、ゲート端子の電圧に応じた信号を、出力線８に出力する。例えば、ＦＤ部３の電圧は電源電圧にリセットされた状態において、増幅トランジスタ１０はリセット信号を出力する。また、転送トランジスタ５がオンになり電荷保持部２からＦＤ部３に電荷が転送された後には、転送された電荷量に対応した画素信号が増幅トランジスタ１０のソース端子に出力される。
【００１８】
増幅トランジスタ１０のソース端子は選択トランジスタ７のドレイン端子に接続される。選択トランジスタ７のソース端子は出力線８に接続される。選択トランジスタ７がオンになると、リセット信号又は画素信号が出力線８に出力される。このようにして、画素からの信号の読み出しが行われる。
【００１９】
光電変換部１には、ＯＦＤトランジスタ１６を介してＯＦＤ部１５が接続される。ＯＦＤトランジスタ１６がオンになると、光電変換部１に蓄積されている電荷はＯＦＤ部１５に排出される。全画素に対し同時にＯＦＤ部１５へ電荷を排出し、その後、蓄積された電荷を電荷保持部２に転送することにより、全画素に対し同時かつ一定の露光時間を設定するグローバル電子シャッタが実現される。これにより、各画素から順次電荷を読み出すために生じる露光タイミングのずれが抑制され、画像の歪みが低減される。なお、グローバル電子シャッタ動作は、本実施形態の撮像装置に適用可能な駆動方法の一つの例である。本実施形態の撮像装置は、ローリングシャッタ動作だけを行ってもよい。
【００２０】
［画素構造］
図２は、本発明の第１の実施形態に係る画素の平面構造を模式的に示す図である。図２は光電変換部１などが配される基板の表面についての平面視である。基板の表面は、例えば、シリコンなどの半導体材料と絶縁体材料との接する面である。図３は、図２のＸ−Ｘ’における断面構造を模式的に示す図である。図４は、図３の一部を拡大した図である。図１の回路と対応する部分には同一の符号が付されており、既に説明した構成及び機能については説明を省略することもある。トランジスタに対応する符号は、各トランジスタのゲート電極（ゲート端子）を指している。
【００２１】
図２が示すように、光電変換部１は、同じ画素の電荷保持部２と、隣接する画素の電荷保持部２との間に配される。したがって、第１の方向（図２の上下方向）に沿って、光電変換部１と電荷保持部２とが交互に並ぶ。一方、光電変換部１と、ＦＤ部３、ＯＦＤ部１５、トランジスタなどの配された領域とが、第１の方向に交差する第２の方向に沿って配される。
【００２２】
図３を用いて光電変換部１及び電荷保持部２の構造を説明する。光電変換部１は第１導電型の第１の半導体領域１１、第２導電型の第２の半導体領域１２を含む。第２の半導体領域１２は基板の表面に接するように形成される。第１の半導体領域１１は第２の半導体領域１２の直下に配置される。以下、第１導電型はｎ型、第２導電型はｐ型として説明するが、その逆であってもよい。第１の半導体領域１１及び第２の半導体領域１２の接合界面はＰＮ接合を形成する。ＰＮ接合界面は基板内部にあり、基板表面に接しない。すなわち、光電変換部１は埋め込み型のフォトダイオードである。埋め込み型の構造では、ＰＮ接合界面が基板中に埋め込まれているため、基板表面のノイズの影響が抑制される。
【００２３】
第１の半導体領域１１の直下にはさらにｎ型の第３の半導体領域１３が形成されている。第３の半導体領域１３の不純物濃度は第１の半導体領域１１の不純物濃度よりも低い。これにより、第３の半導体領域１３で光電変換された電子を第１の半導体領域１１に集めることができる。なお、第３の半導体領域１３はｐ型であってもよい。
【００２４】
第３の半導体領域１３の下部には第４の半導体領域１７が形成され、第４の半導体領域１７は、電荷保持部２及びＦＤ部３の領域に延在している。第４の半導体領域１７はｐ型の半導体領域である。光電変換部１で発生する電子に対して、第４の半導体領域１７はポテンシャルバリアとして働き、電子が基板に漏出することを抑制する機能を持つ。
【００２５】
電荷保持部２はｎ型の第５の半導体領域２０１及びｐ型の第６の半導体領域２０２を有する。第６の半導体領域２０２は基板の表面に接するように形成される。第５の半導体領域２０１は第６の半導体領域２０２の直下に配置される。電荷保持部２は光電変換部１と同様に埋め込み型の構造である。そのため、基板表面で生じる電荷がノイズとして電荷保持部２に蓄積されることを抑制することができる。なお、第６の半導体領域２０２を省略し、第５の半導体領域２０１のみを配置して電荷保持部２とすることも可能である。その場合は第１の転送トランジスタ４のゲート電極を、電荷保持部２を覆うように延在させ、該電極には負電位を与えてホールを表面に誘起させることにより界面で発生するノイズを抑制することができる。
【００２６】
［光学系および配線構造］
図３が示すように、光電変換部１の上に、光学系として、カラーフィルタ１００、マイクロレンズ１０１、層内レンズ１０２及び導波路３１が配置される。光電変換部１の上方から入射した光はマイクロレンズ１０１、カラーフィルタ１００、層内レンズ１０２、導波路３１を順に通過して、光電変換部１に入射する。光電変換部１に入射した光は電子に変換される。撮像装置は信号の伝達等のための配線４１、４２、４３を有する。配線４１、４２、４３は導電度の高いアルミニウムや銅等の材料で形成される。配線４１、４２、４３は導波路３１の周囲に配置される。なお、層内レンズ１０２、導波路３１、配線４１、４２、４３、光電変換部１等の各部材の間は、図面上空隙として図示されているが、これらの空隙部には層間絶縁層（不図示）や平坦化層（不図示）が形成されている。
【００２７】
マイクロレンズ１０１及び層内レンズ１０２は、入射された光を光電変換部１に集中させることができる。結果として、感度を向上させることが可能である。カラーフィルタ１００は特定の波長の光を選択的に透過させる薄膜である。カラーフィルタ１００により、色情報を含む画像信号を得ることができる。
【００２８】
導波路３１は、入射された光を光電変換部１に集中させる機能を有する。導波路３１により光電変換部１に入射される光量が増加するため、導波路３１が無い場合に比べ感度が向上する。特に、光電変換部１の面積が小さい場合又はＦナンバーが大きい場合、感度低下の課題が生じる可能性がある。これに対して、導波路３１を設けることによりこの影響を抑制することが可能となる。
【００２９】
導波路３１は、層内レンズ１０２側と対向し、光が入射される上面（入射部）と、光電変換部１と対向し、光が出射される底面（出射部）とを有する。本実施形態では、導波路３１の底面は、導波路３１を構成する部材と導波路３１の下に配された部材との接触面である。導波路３１の下に配される部材は、例えば、エッチストッパ層や層間絶縁層である。また、本実施形態では、導波路３１の上面は、導波路３１を構成する部材と導波路３１の上に配された部材との接触面である。導波路３１の上には、層間絶縁層や平坦化層が配される。図３に示された断面において、導波路３１の上面の幅が底面の幅に比べて広い。つまり、当該断面において、導波路３１は台形形状を有している。
【００３０】
図２に示されるように、導波路３１の上面の端部３１ｂと底面の端部３１ａは円形である。図２において、ｄ０２は、導波路３１の底面における導波路３１の幅を表す。ｄ０３は、導波路３１の上面における導波路３１の幅を表す。本実施形態では、導波路３１の上面の形状および底面の形状は円形であるため、それぞれの幅は円の直径である。導波路３１の上面の形状および底面の形状は、楕円、正方形、長方形、多角形等であってもよい。上面または底面の形状が楕円の場合、導波路３１の幅は、長軸の長さである。上面または底面の形状が正方形、長方形、正六角形など平行な２辺を含む場合、導波路３１に幅は、平行な２辺の間隔、あるいは、重心と対角にある２つの頂点とを通る線分の長さである。それ他の形状の場合、導波路３１の幅は、導波路３１の内部を通り、上面または底面の端部を両端とする線分のなかで最も長いものの長さである。
【００３１】
本実施形態では、配線４１、４２、４３の間の層間絶縁層の材料には屈折率約１．５のシリコン酸化膜（ＳｉＯ）が用いられる。導波路３１の材料には屈折率約２．０のシリコン窒化膜（ＳｉＮ）が用いられる。導波路３１と層間絶縁層の界面に対し、所定の角度で斜めに入射された光は界面で全反射される。よって、光は層間絶縁層に漏出せず導波路３１内を伝搬し、光電変換部１に導かれる。
【００３２】
層間絶縁層と導波路３１の材料はシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の組合せに限定されない。導波路３１の屈折率が層間絶縁層の屈折率よりも高くなるように材料が組合せられていればよく、任意の材料を選択可能である。例えば、層間絶縁層がシリコン酸化膜であり、導波路３１が屈折率約１．８のシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）であってもよい。また、有機膜材料及び有機膜材料に酸化チタン等の粒子を混入した材料を導波路３１に用いてもよい。層間絶縁層が異なる材料からなる積層膜で形成されていてもよく、その場合は、導波路３１の屈折率がその周りの層間絶縁層の屈折率の体積平均よりも高くなるように構成すればよい。
【００３３】
導波路３１の側壁の傾斜角度はスネルの法則により決定できる。例えば導波路３１の屈折率が１．９、層間絶縁層の屈折率が１．４６の場合、導波路３１の側壁の垂線に対して、５０．２度以上の入射角で入射した光が全反射する。例えば、導波路３１の側壁の角度を基板の垂直方向に対し３９．８度以下とすれば、導波路３１に垂直に入射した光の漏出は抑制され、光電変換部１に到達する。層間絶縁層に対する導波路３１の屈折率の比率が大きいほど全反射し得る入射角の範囲が広くなり、側壁の角度の設計自由度が向上する。
【００３４】
導波路３１の上面と層内レンズ１０２の間、底面と光電変換部１の間などの入射光の光路内に反射防止層が備えられていてもよい。反射による光量の損失が低減され、入射光の透過率が向上するため、感度を向上させることができる。
【００３５】
［遮光部構造］
図３が示すように、撮像装置は、少なくとも電荷保持部２の一部を覆う遮光部２０３をさらに備える。遮光部２０３は、好適には、電荷保持部２及び第１の転送トランジスタ４のゲート電極を覆うように配置される。さらに好適には、遮光部２０３は、光電変換部１の直上以外の領域を覆う。遮光部２０３は電荷保持部２等への光の入射を抑制する。これにより、入射光によって電荷保持部２で電荷が生成され、ノイズが発生することが抑制される。
【００３６】
遮光部２０３は例えばタングステン、タングステンシリサイド、タングステン酸化膜、アルミニウム又はそれらの合金膜等の可視光を透過しにくい材料を用いて形成することができる。遮光部２０３の膜厚は、例えば１００〜２００ｎｍ程度である。遮光部２０３は、ゲート電極が配置されている部分と配置されていない部分とに一括で形成されるので、ゲート電極の膜厚に起因する凹凸を有する。
【００３７】
光電変換部１以外の部分は遮光され、一方、光電変換部１には光が照射されるように、遮光部２０３は光電変換部１の直上に開口を有する。遮光部２０３の一部が、光電変換部１の端部の上に配されていてもよい。図２において、ｄ０１が遮光部２０３の開口の幅を表している。図２に示された例では、遮光部２０３の開口の幅は、２つの電荷保持部２が並ぶ方向における遮光部２０３の開口の端部の間隔である。遮光部２０３の開口の端部が、互いに平行な２つの辺を含む場合には、図２のように、当該２つの辺の間隔が遮光部２０３の開口の幅であってもよい。
【００３８】
［導波路の詳細説明］
図４（ａ）および（ｂ）は、本実施形態における遮光部２０３と導波路３１との位置関係を説明する図である。図４（ａ）および（ｂ）は、図２（ａ）のＸ−Ｘ”に沿った断面構造を模式的に示す図であり、図３の光電変換部１の近傍の部分の拡大図である。
【００３９】
図４の符号ｈ２０３１、ｈ２０３２、ｈ２０３３、ｈ３１１で示される点線は遮光部２０３及び導波路３１と基板表面との距離（基板表面からの高さ）を示している。例えば、符号ｈ３１１が付されている点線は、導波路３１の底面（出射部）の位置が高さｈ３１１であることを意味する。以下の説明では、この符号を用いて、「導波路３１の底面の高さはｈ３１１」等と表現することもある。
【００４０】
ゲート電極が無い領域における、遮光部２０３と基板表面との距離（基板表面からの高さ）をｈ２０３１とする。ゲート電極が無い領域における遮光部２０３の上面の高さをｈ２０３２とする。遮光部２０３のゲート電極の上に形成された部分の上面の高さをｈ２０３３とする。基板表面から導波路３１までの距離ｈ３１１は、基板表面から遮光部２０３までの距離ｈ２０３１より長いことが好適である。本実施形態では、導波路３１の底面の高さｈ３１１は高さｈ２０３２と高さｈ２０３３の間にある。
【００４１】
基板表面から導波路３１までの距離ｈ３１１が基板表面から遮光部２０３までの距離ｈ２０３１より短い場合、導波路３１の底面から放射された光が回折により拡がり、電荷保持部２に入射する可能性がある。光が電荷保持部２に入射すると、電荷保持部２で電荷が発生し、この電荷がノイズの原因となり得る。これに対して本実施形態では、導波路の底面が遮光部２０３の下端の高さｈ２０３１より高い位置にある。よって、導波路３１の底面から放射された光は回折により拡がったとしても、遮光部２０３により遮られる。これにより、光が電荷保持部２に入射されることを軽減又は防止できるため、ノイズの発生を抑制できる。
【００４２】
図４（ｂ）は導波路３１と遮光部２０３の位置関係の変形例を説明する図である。図４（ｂ）では、図４（ａ）に示した構成に対し導波路３１の底面の位置が異なっている。
【００４３】
図４（ｂ）において、導波路３１の底面の高さｈ３１１は、遮光部２０３の下端の高さｈ２０３１とゲート電極が無い領域の上面の高さｈ２０３２の間となっている。この場合、導波路３１の底面から放射され、回折した光は、遮光部２０３の側面で反射される。したがって、上述の場合と同様に電荷保持部に入射されることを軽減又は防止できるため、ノイズの発生を抑制できる。遮光部２０３の側面で反射された光は光電変換部１に入射され得る。遮光部２０３の上面で反射される成分が減少し、遮光部２０３の側面で反射されて光電変換部１に集光される光量が増加するため、より高い感度を得ることができる。
【００４４】
続いて、図４（ａ）を用いて、本実施形態における導波路３１の幅、および、遮光部２０３の開口の幅、ならびに、それらの関係について説明する。本明細書で、導波路３１の幅と遮光部２０３の開口の幅との関係について言及する時は、それぞれの幅は同じ直線状で測定されるものである。したがって、例えば、導波路３１と遮光部２０３の開口とを含む断面において、導波路３１および遮光部２０３の開口のそれぞれの幅を測定することにより、両者の幅の関係を特定することができる。
【００４５】
まず、導波路３１の底面の幅ｄ０２について説明する。導波路３１の底面の幅ｄ０２は、約１．１μｍ（マイクロメートル）未満の値に設定される。あるいは、導波路３１の底面の幅ｄ０２は、画素ピッチ（画素サイズ）の約３２．０％以下に設定される。具体的に、本実施形態では、画素ピッチは約３．４μｍであり、本実施形態の導波路３１の底面の幅ｄ０２は約０．８μｍである。
【００４６】
本発明者らは、導波路３１の底面の幅ｄ０２を小さくすることにより、遮光部２０３による遮光性能を向上させることができることを見出した。この遮光性能の向上の効果について説明する。
【００４７】
図５（ａ）は、導波路３１のサイズと感度の関係を示すシミュレーションである。図５（ｂ）は、導波路３１のサイズと遮光性能の関係を示すシミュレーションである。いずれの図においても、横軸は導波路３１の底面（出射部）の幅ｄ０２を表し、縦軸は導波路３１の上面（入射部）の幅ｄ０３を表す。両図とも、最も評価の高い数値を１００％として規格化されている。感度は、撮像装置へ入射する光の量に対する光電変換部１に入射する光の量の比率である。遮光性能は、一定の量の光を撮像装置に入射したときの、光電変換部１に入射する光の量と電荷保持部２に入射する光の量との比である。
【００４８】
図５のシミュレーションに用いられた主な条件は以下の通りである。入射光の波長は５５０ｎｍである。光の入射角度は０度である。導波路３１の高さは２．０μｍである。画素ピッチは３．４μｍである。光電変換部１の幅は１．６５μｍである。遮光部２０３の開口の幅ｄ０１は１．３μｍである。
【００４９】
図５（ａ）から、導波路３１の底面の幅ｄ０２が１．１μｍ前後の場合に高い感度が得られることがわかる。しかし、図５（ｂ）が示すように、遮光性能を向上させるためには、導波路３１の底面の幅ｄ０２は、１．１μｍより小さいことが好ましい。本実施形態において、導波路３１の底面の幅ｄ０２が１．１μｍ以上の場合、遮光性能は最良値の４０％程度となる。導波路３１の底面と電荷保持部２との距離が短くなるため、導波路３１から出射した光が電荷保持部２に入射しやすくなることが１つの理由と考えられる。
【００５０】
本実施形態では画素ピッチ（画素サイズ）が約３．４μｍである。画素ピッチが大きくなると、好適な遮光性能を得られる導波路３１の底面の幅ｄ０２の最大値は変化する。本発明者等の検討によれば、導波路３１の底面の幅ｄ０２が画素ピッチの約３２．０％以下の場合に、遮光性能を向上させることができることがわかった。例えば、画素ピッチが３．８μｍであり、導波路３１の底面の幅ｄ０２が約１．２μｍの実施形態において、高い遮光性能を得ることができる。当然、画素ピッチが約３．８μｍの場合に、導波路３１の底面の幅ｄ０２が１．１μｍより小さければ、遮光性能を向上させることができる。
【００５１】
一方、画素ピッチが３．０μｍよりも小さい場合は、導波路３１の底面の幅ｄ０２が画素ピッチの３２．０％よりも大きくても、遮光性能を向上させることができる。画素ピッチの小さい実施形態では、導波路３１の底面の幅ｄ０２が１．１μｍより小さい場合に、遮光性能を向上させることができる。
【００５２】
以上の検討から、本発明者らは、導波路３１の底面の幅ｄ０２が１．１μｍより小さい、あるいは、導波路３１の底面の幅ｄ０２が画素ピッチの約３２．０％以下であるという構成により、遮光性能を向上させることができるという知見を得た。従来技術では感度を向上させることで遮光性能も最適化されると考えられていた。しかし、遮光性能に好適な導波路３１のサイズは、従来技術で検討されていた感度の向上に適切な条件とは異なる。したがって、本発明者が得た新たな知見により、撮像装置で生じるノイズを低減することができる。
【００５３】
導波路３１の底面の幅ｄ０２の下限については、特に制限はない。ただ、光の局在による導光効果を考慮すると、少なくとも可視光の波長程度の幅があるとよい。たとえば、導波路３１の底面の幅ｄ０２は、０．７μｍ以上であることが好適である。
【００５４】
続いて、導波路３１の底面の幅ｄ０２と上面の幅ｄ０３との好適な関係について説明する。まず、図３の断面において、導波路３１の底面の端部３１ａと上面の端部３１ｂを結ぶ直線と、基板表面とが成す角度をテーパー角度と呼ぶ。導波路３１の側面が基板表面に対して垂直である場合、テーパー角度は９０度である。
【００５５】
遮光性能をより向上させるためには、テーパー角度が、６５度以上であることが好ましい。より好適には、テーパー角度は６８度以上であってもよい。テーパー角度が小さいと、導波路３１に入射した光が導波路３１から外に漏れる可能性がある。臨界角より大きな角度で、導波路３１の側面に到達する光が増えるためである。導波路３１から漏れた光は、配線などによって反射され、電荷保持部２に入射しうる。結果として、遮光性能が低下する可能性がある。
【００５６】
例えば、図５（ｂ）が示すように、テーパー角度が６５度以上の場合には、概ね遮光性能が最良値の４０％以上の値となる。導波路３１の底面の幅ｄ０２が０．８μｍであり、導波路３１の上面の幅ｄ０３が２．５μｍの場合、テーパー角度は約６６．８度である。シミュレーションによれば、この時の遮光性能は最良値の約４０％であった。テーパー角度が６８度以上の場合には、概ね遮光性能が最良値の６０％以上の値となる。導波路３１の底面の幅ｄ０２が０．８μｍであり、導波路３１の上面の幅ｄ０３が２．４μｍの場合、および、導波路３１の底面の幅ｄ０２が０．９μｍであり、導波路３１の上面の幅ｄ０３が２．５μｍの場合、テーパー角度は約６８．０度である。これらのケースでは、遮光性能は最良値の６０％前後であった。
【００５７】
テーパー角度の好適な範囲の上限は、優先する性能によって変わる。導波路３１の形成プロセスの容易性のためには、テーパー角度は８０度以下であることが好適である。テーパー角度が９０度に近いほど、導波路３１の形成が容易になるためである。したがって、遮光性能と導波路３１の形成プロセスの容易性を両立させるためには、テーパー角度が６５度から８０度までの範囲に含まれることが好ましい。
【００５８】
遮光性能の観点からテーパー角度の上限を定めてもよい。具体的には、テーパー角度が７４度以下の場合、遮光性能を向上させることができる。より好適には、テーパー角度は７２度以下であってもよい。テーパー角度が９０度に近いと、導波路３１の上面（入射部）の幅ｄ０３が小さくなる。そのため、導波路３１に入射する光の量が減る可能性がある。導波路３１に入射しない光は、配線などによって反射され、電荷保持部２に入射しうる。結果として、遮光性能が低下する可能性がある。
【００５９】
例えば、図５（ｂ）が示すように、テーパー角度が７４度以下の場合には、概ね遮光性能が最良値の４０％以上の値となる。導波路３１の底面の幅ｄ０２が１．０μｍであり、導波路３１の上面の幅ｄ０３が２．２μｍの場合、テーパー角度は約７３．２度である。この条件でのシミュレーションによれば、遮光性能は最良値の約４０％であった。また、導波路３１の底面の幅ｄ０２が１．０μｍであり、導波路３１の上面の幅ｄ０３が２．３μｍの場合、テーパー角度は約７１．９度である。このケースでは、遮光性能は最良値の約６０％であった。
【００６０】
まとめると、遮光性能を向上させることを優先する場合には、テーパー角度が６５度から７４度の範囲に含まれることが好ましい。これにより、概ね、最良値の約４０％以上の遮光性能を得ることができる。より好適なテーパー角度の範囲は、６８度から７２度である。これにより、概ね、最良値の約６０％以上の遮光性能を得ることができる。
【００６１】
従来技術では、典型的には導波路の感度のみを評価していた。感度は、導波路３１の上面の幅ｄ０３を大きくすることで、感度を向上させることができる。これに対して、本発明者等は、導波路３１の上面の幅ｄ０３が大きすぎると遮光性能が低下する可能性があるという新たな知見を得た。これにより、従来技術に比較して、遮光性能を向上させることが可能である。
【００６２】
なお、テーパー角度を所定の範囲に含めることは、より遮光性能を高めるために付加的に採用される手段である。テーパー角度が上述の範囲に含まれなくても、従来技術に比較して遮光性能を向上させることができる。
【００６３】
導波路３１の上面の幅ｄ０３に着目すると、上面の幅ｄ０３は、約２．１μｍから約２．６μｍの範囲に含まれることが好ましい。図５（ｂ）のシミュレーション結果からわかる通り、導波路３１の上面の幅ｄ０３が上述の範囲に含まれると、比較的高い遮光性能を得ることができる。より好適には、導波路３１の上面の幅ｄ０３は、約２．２μｍから約２．３μｍの範囲に含まれうる。また、画素ピッチ（画素サイズ）との関係を検討した結果、導波路３１の上面の幅ｄ０３は、画素ピッチの約６０％から約７７％の範囲に含まれることが好ましいことがわかった。
【００６４】
次に、遮光部２０３の開口の幅ｄ０１について説明する。遮光部２０３の開口の幅ｄ０１と、導波路３１の底面の幅ｄ０２との差が、０．３μｍ以上であることが好ましい。本実施形態では、例えば、遮光部２０３の開口の幅ｄ０１は約１．３μｍであり、導波路の導波路３１の底面の幅ｄ０２は約０．８μｍである。導波路３１の底面（出射部）と開口端との距離が離れるため、導波路３１から出射した光が、電荷保持部２に入射する可能性を低減することができる。
【００６５】
図２の平面図において、導波路３１の底面の端部３１ａと電荷保持部２との距離は０．８μｍ以上であることが好ましい。導波路３１の出射部と電荷保持部２とが離れているほど、より高い遮光性能を得ることできる。典型的には、光電変換部１と電荷保持部２の間に、第１の転送トランジスタ４のゲート電極が配される。この場合、導波路３１の底面の端部３１ａとゲート電極の電荷保持部２の側の端との距離が、０．８μｍ以上であるとよい。
【００６６】
図２の平面図において、光電変換部１と電荷保持部２との距離は０．５μｍ以上であってもよい。このような構成によれば、光電変換部１と電荷保持部２とを適切に電気的に分離することが容易になる。また、光電変換部１は光を入射すべき領域であり、一方、電荷保持部２は遮光すべき領域である。そのため、両者が離れているほど、遮光性能を向上させるのには有利である。
【００６７】
図２の平面図が示すように、２つの電荷保持部２の間に光電変換部１が配されている。このようなレイアウトでは、導波路３１の底面の幅ｄ０２が小さいことによる遮光性能の向上の効果がより顕著となる。
【００６８】
以上に説明した通り、本実施形態では、導波路３１の底面の幅ｄ０２が１．１μｍより小さい。あるいは、導波路３１の底面の幅ｄ０２が、画素ピッチの３２．０％以下である。このような構成によれば、遮光部２０３の遮光性能を向上させることが可能である。
【００６９】
［第２の実施形態］
第２の実施形態について説明する。本実施形態では、導波路３１の上面、および、底面の構成が、第１の実施形態のそれらと異なっている。以下では、主として第１の実施形態との相違点を説明する。
【００７０】
図６は第２の実施形態における画素の断面構造を模式的に示している。図６は図２のＸ−Ｘ”に相当する箇所の断面図である。第１の実施形態と同じ部分には同じ符号を付し、説明を省略する。
【００７１】
図６における導波路３１は、第１の実施形態と同様に断面において台形形状を成す部分を含む。当該部分の上部に、導波路３１の外側に延在する層が配される。台形形状を成す部分と、導波路３１の外側に延在する層とは、同じ材料で構成されうる。すなわち、導波路３１は、断面においてＴ字型を持つ構造体の一部として形成される。
【００７２】
本実施例においては、導波路３１の上面の端部３１ｂは、導波路３１の台形形状の部分と導波路３１の上部の層との間で、導波路３１を構成する部材が屈曲している部分である。したがって、本実施形態においては、図６のｗ３１ｂが導波路３１の上面の幅を表している。
【００７３】
また、図６における導波路３１の底面には、導波路３１を形成する際のエッチングストップ層（ＥＳＬ）３２が設けられている。ＥＳＬ３２は安定して所定の深さでエッチング工程を完了させるための層である。ＥＳＬ３２には、導波路３１と同じ材料が用いられてもよい。ＥＳＬ３２が導波路３１と同等の屈折率の場合は、ＥＳＬ３２は導波路３１と同様に集光の効果を有する。そのため、感度を向上させることが可能である。
【００７４】
この場合、導波路３１の底面の端部３１ａは、導波路３１の台形形状の部分と導波路３１の上部の層との間で、導波路３１を構成する部材が屈曲している部分である。したがって、本実施形態においては、図６のｗ３１ａが導波路３１の上面の幅を表している。
【００７５】
本実施形態において、導波路３１の底面の幅ｄ０２が１．１μｍより小さい。あるいは、導波路３１の底面の幅ｄ０２が、画素ピッチの３２．０％以下である。このような構成により、第１の実施形態と同様に、遮光部２０３の遮光性能を向上させることが可能である。
【００７６】
第１の実施形態と同様に、導波路３１の底面の高さ３１１は遮光部２０３の下端の高さｈ２０３１よりも高い。この構成による効果は第１の実施形態において上述したとおりである。これに加え、本実施形態では、遮光部２０３の開口の幅ｗ２０３ａが、導波路の底面の幅ｗ３１ａよりも大きく、導波路の上面の幅ｗ３１ｂよりも小さい。このとき、遮光部２０３の端部２０３ａは、導波路３１の光軸方向から見て導波路３１の底面の端部３１ａと導波路３１の上面の端部３１ｂの間に位置する。このような構成によれば、導波路３１の底面から出力された光は遮光部２０３で反射されにくくなり、感度を向上させることが可能である。
【００７７】
［第３の実施形態］
図７は、本発明の第３の実施形態に係る撮像システムの構成を示す図である。撮像システム８００は、光学部８１０、撮像装置８２０、映像信号処理部８３０、記録・通信部８４０、タイミング制御部８５０、システム制御部８６０、及び再生・表示部８７０を備える。撮像装置８２０には、第１〜第２の実施形態として前述した撮像装置が用いられる。
【００７８】
レンズ等の光学系である光学部８１０は、被写体からの光を撮像装置８２０の、複数の画素が２次元状に配列された画素アレイに結像させ、被写体の像を形成する。撮像装置８２０は、タイミング制御部８５０からの信号に基づくタイミングで、画素に結像された光に応じた信号を出力する。撮像装置８２０から出力された信号は、映像信号処理部８３０に入力される。映像信号処理部８３０は、プログラム等によって定められた方法に従って、入力された信号の処理を行う。映像信号処理部８３０での処理によって得られた信号は画像データとして記録・通信部８４０に送られる。記録・通信部８４０は、画像を形成するための信号を再生・表示部８７０に送り、再生・表示部８７０に動画や静止画像を再生・表示させる。記録・通信部８４０は、また、映像信号処理部８３０からの信号を受けて、システム制御部８６０と通信を行うほか、不図示の記録媒体に、画像を形成するための信号を記録する動作も行う。
【００７９】
システム制御部８６０は、撮像システム８００の動作を統括的に制御するものであり、光学部８１０、タイミング制御部８５０、記録・通信部８４０、及び再生・表示部８７０の駆動を制御する。また、システム制御部８６０は、例えば記録媒体である不図示の記憶装置を備え、ここに撮像システム８００の動作を制御するのに必要なプログラム等が記録される。また、システム制御部８６０は、例えばユーザの操作に応じて駆動モードを切り替える信号を撮像システム８００内に供給する。具体的には、読み出す行やリセットする行の変更、電子ズームに伴う画角の変更や、電子防振に伴う画角のずらし等の切り替えを行うための信号が供給される。タイミング制御部８５０は、システム制御部８６０による制御に基づいて撮像装置８２０及び映像信号処理部８３０の駆動タイミングを制御する。
【００８０】
第１〜第２の実施形態に係る撮像装置８２０を搭載することにより、ノイズの発生が抑制された撮像システム８００を実現することができる。
【００８１】
［第４の実施形態］
移動体の実施例について説明する。本実施例の移動体は、車載カメラを備えた自動車である。図８（ａ）は、自動車２１００の外観と主な内部構造を模式的に示している。自動車２１００は、撮像装置２１０２、撮像システム用集積回路（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）２１０３、警報装置２１１２、主制御部２１１３を備える。
【００８２】
撮像装置２１０２には、上述の各実施例で説明した撮像装置が用いられる。警報装置２１１２は、撮像システム、車両センサ、制御ユニットなどから異常を示す信号を受けたときに、運転手へ向けて警告を行う。主制御部２１１３は、撮像システム、車両センサ、制御ユニットなどの動作を統括的に制御する。なお、自動車２１００が主制御部２１１３を備えていなくてもよい。この場合、撮像システム、車両センサ、制御ユニットが個別に通信インターフェースを有して、それぞれが通信ネットワークを介して制御信号の送受を行う（例えばＣＡＮ規格）。
【００８３】
図８（ｂ）は、自動車２１００のシステム構成を示すブロック図である。自動車２１００は、第１の撮像装置２１０２と第２の撮像装置２１０２を含む。つまり、本実施例の車載カメラはステレオカメラである。撮像装置２１０２には、光学部２１１４により被写体像が結像される。撮像装置２１０２から出力された画素信号は、画像前処理部２１１５によって処理され、そして、撮像システム用集積回路２１０３に伝達される。画像前処理部２１１５は、Ｓ−Ｎ演算や、同期信号付加などの処理を行う。
【００８４】
撮像システム用集積回路２１０３は、画像処理部２１０４、メモリ２１０５、光学測距部２１０６、視差演算部２１０７、物体認知部２１０８、異常検出部２１０９、および、外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部２１１６を備える。画像処理部２１０４は、画素信号を処理して画像信号を生成する。また、画像処理部２１０４は、画像信号の補正や異常画素の補完を行う。メモリ２１０５は、画像信号を一時的に保持する。また、メモリ２１０５は、既知の撮像装置２１０２の異常画素の位置を記憶していてもよい。光学測距部２１０６は、画像信号を用いて被写体の合焦または測距を行う。視差演算部２１０７は、視差画像の被写体照合（ステレオマッチング）を行う。物体認知部２１０８は、画像信号を解析して、自動車、人物、標識、道路などの被写体の認知を行う。異常検出部２１０９は、撮像装置２１０２の故障、あるいは、誤動作を検知する。異常検出部２１０９は、故障や誤動作を検知した場合には、主制御部２１１３へ異常を検知したことを示す信号を送る。外部Ｉ／Ｆ部２１１６は、撮像システム用集積回路２１０３の各部と、主制御部２１１３あるいは種々の制御ユニット等との間での情報の授受を仲介する。
【００８５】
自動車２１００は、車両情報取得部２１１０および運転支援部２１１１を含む。車両情報取得部２１１０は、速度・加速度センサ、角速度センサ、舵角センサ、測距レーダ、圧力センサなどの車両センサを含む。
【００８６】
運転支援部２１１１は、衝突判定部を含む。衝突判定部は、光学測距部２１０６、視差演算部２１０７、物体認知部２１０８からの情報に基づいて、物体との衝突可能性があるか否かを判定する。光学測距部２１０６や視差演算部２１０７は、対象物までの距離情報を取得する距離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。距離情報取得手段は、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よって実現されてもよい。
【００８７】
運転支援部２１１１が他の物体と衝突しないように自動車２１００を制御する例を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。
【００８８】
自動車２１００は、さらに、エアバッグ、アクセル、ブレーキ、ステアリング、トランスミッション等の走行に用いられる駆動部を具備する。また、自動車２１００は、それらの制御ユニットを含む。制御ユニットは、主制御部２１１３の制御信号に基づいて、対応する駆動部を制御する。
【００８９】
本実施例に用いられた撮像システムは、自動車に限らず、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（移動装置）に適用することができる。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。
【００９０】
以上に説明した通り、自動車の実施例において、撮像装置２１０２には、第１〜第２の実施形態のいずれかの撮像装置が用いられる。このような構成によれば、ノイズの発生を抑制することができる。
【符号の説明】
【００９１】
１  光電変換部
２  電荷保持部
３１  導波路
２０３  遮光部
【図１】
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【図２】
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【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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