JP2019114642A - 固体撮像装置、電子機器および輸送機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】固体撮像装置において、ノイズの増加を抑制しつつ、特に近赤外線・赤外線の光電変換における内部量子効率を向上させる技術を提供する。【解決手段】第1の面と第2の面とを有する半導体層に配された光電変換素子をそれぞれ含む複数の画素と第1の面の下方に配された配線層とを備え、画素は第1の面の下方に配された第1の反射膜と第2の面を覆うように配された層間膜と層間膜の中に第2の面を覆うように配された第2の反射膜と層間膜の上方に光電変換素子に対応して配されたマイクロレンズとを含み、第2の面に対する正射影において、第2の反射膜には光電変換素子と重なる部分に開口部が配され、光電変換素子は入射する光に応じて生成された電荷を蓄積する電荷蓄積部を含み、第2の面に対する正射影において開口部の面積は光電変換素子の面積よりも小さく、画素は開口部と第2の面との間に光を偏向させる偏向部をさらに含む。【選択図】図1

Description

本発明は、固体撮像装置、電子機器および輸送機器に関する。
固体撮像装置として、基板の電極や配線などが配された表面とは反対側の裏面から光を照射して光電変換を行う裏面照射型の固体撮像装置(BSIと称する)がある。入射光の光電変換を効率よく行うために、特許文献1には、基板の表面側に光を反射するための反射膜を設け、入射光と反射光とを光電変換に用いることで、光を吸収する半導体層の厚さを実質的に2倍にし、感度を上げることが示されている。反射膜を設けることによって、波長が長い赤色光に対しても高い内部量子効率を得ることが可能となる。
特開2006−261372号公報
特許文献1の構造は、近赤外線・赤外線を検出するためには、不十分である。
本発明は、固体撮像装置において、ノイズの増加を抑制しつつ、特に近赤外線・赤外線の光電変換における内部量子効率を向上させる技術を提供することを目的とする。
上記課題に鑑みて、本発明の実施形態に係る固体撮像装置は、第1の面と第1の面とは反対側の第2の面とを有する半導体層に配された光電変換素子をそれぞれ含む複数の画素と、第1の面の下方に配された配線層と、を備える固体撮像装置であって、複数の画素のそれぞれは、第1の面の下方に配された第1の反射膜と、第2の面を覆うように配された層間膜と、層間膜の中に第2の面を覆うように配された第2の反射膜と、層間膜の上方に光電変換素子に対応して配されたマイクロレンズと、を含み、第2の面に対する正射影において、第2の反射膜には、光電変換素子と重なる部分に開口部が配され、光電変換素子は、入射する光に応じて生成された電荷を蓄積する電荷蓄積部を含み、第2の面に対する正射影において、開口部の面積は、光電変換素子の面積よりも小さく、複数の画素のそれぞれは、開口部と第2の面との間に光を偏向させる偏向部をさらに含むことを特徴とする。
本発明によれば、固体撮像装置において、ノイズの増加を抑制しつつ、特に近赤外線・赤外線の光電変換における内部量子効率を向上させる技術を提供することができる。
本発明の実施形態に係る固体撮像装置の画素の構造例を示す断面図。 図1の固体撮像装置の画素の構造例を示す平面図。 図1の固体撮像装置の画素の変形例を示す断面図。 図1の固体撮像装置の画素の変形例を示す断面図。 図1の固体撮像装置が組み込まれた撮像システムを含むカメラの構成例を示す図。 図1の固体撮像装置が組み込まれた撮像システムを含む自動車の構成例を示す図。 図6の撮像システムの動作例を示すフロー図。
以下、本発明に係る固体撮像装置の具体的な実施形態を、添付図面を参照して説明する。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。そのため、複数の図面を相互に参照して共通する構成を説明し、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。
図1〜4を参照して、本発明の実施形態による固体撮像装置の構造について説明する。本明細書において、固体撮像装置のそれぞれの画素における信号キャリアを電子、信号電荷を蓄積するための電荷蓄積部の導電型をn型として説明する。しかしながら、電子およびホール、n型およびp型の導電型は、それぞれを逆にしても成り立つ。
図1は、本発明の実施形態における固体撮像装置100の構造を示す断面図であり、図2は、固体撮像装置100の光が入射する方向から見た平面図である。固体撮像装置100は、図1に示されるように、入射した光から生成される信号電荷を出力するためのスイッチ素子や配線層114が配された表面131(第1の面)とは反対側の裏面132(第2の面)から光を入射させる複数の画素が配された裏面照射(BSI)型の固体撮像装置である。本明細書において、図1の上側の光を入射させる側を「上」または「上方」と呼び、図1の下側を「下」または「下方」と呼ぶ。
それぞれの画素は、半導体層101のn型の導電型のウェル104内に、表面131側の高濃度p型拡散層102、信号電荷が蓄積される電荷蓄積部として機能するn型拡散層103、裏面132側の高濃度p型拡散層105を含む。半導体層101は、入射する光に応じた電荷を生成する光電変換素子として機能しうる。また、複数の画素のそれぞれは、表面131の側に、表面131の下方に配された配線層114と、表面131を覆うように表面131の下方に配された反射膜108と、層間膜117と、を含む。また、複数の画素のそれぞれは、裏面132の側に、裏面132を覆うように裏面132の上方に配された層間膜107と、層間膜107の中に裏面132を覆うように配された反射膜109と、を含む。さらに、複数の画素のそれぞれは、層間膜107の上方に光電変換素子に対応して配されたマイクロレンズ111と、を含む。また、複数の画素のうち互いに隣接する画素と画素との間の部分に、半導体層101に誘電体が埋め込まれた素子分離部106が配される。さらに、複数の画素のそれぞれは、開口部110と半導体層101の裏面132との間に光を偏向させる偏向部として機能する高屈折率膜112を備える。偏向部については後述する。
反射膜108、109は、光電変換素子である半導体層101に入射した光を反射させることによって半導体層101内に閉じ込め、半導体層101を透過する長さが長くなる近赤外光など、より長波長の光に対する量子効率を向上させるために配される。また、光を半導体層101に入射させるため、裏面132に対する正射影において、反射膜109には、光電変換素子と重なる部分に開口部110が配される。マイクロレンズ111は、それぞれの画素に入射する光を開口部110に集光するように配される。ここで、図1、2に示されるように、半導体層101の裏面132に対する正射影において、開口部110の面積は、それぞれの画素において光電変換素子を構成する半導体層101の面積よりも小さい。さらに、半導体層101の裏面132に対する正射影において、開口部110の面積は、電荷蓄積部であるn型拡散層103の面積よりも小さくてもよい。また、半導体層101の裏面132に対する正射影において、開口部110の面積は、光電変換素子と1対1で対応しうるマイクロレンズ111の面積よりも小さくてもよい。開口部110の面積が小さい場合であっても、それぞれの画素の光電変換素子にそれぞれ対応して配されたマイクロレンズ111によって入射光は開口部110に集光されるため、内部量子効率の低下を抑制できる。また、開口部110の面積を小さくすることによって、半導体層101からマイクロレンズ111の方向に向かう光のうち、より多くの光を反射膜109で反射することが可能となる。ここで、光電変換素子の面積について説明する。それぞれの画素には、光電変換素子を形成するための第1活性領域と、増幅トランジスタ、増幅トランジスタに光電変換素子から電荷を転送する転送トランジスタが含まれるトランジスタ領域を形成するための第2活性領域と、をそれぞれ設ける場合がある。この場合、光電変換素子の面積は、光電変換素子を形成するための第1活性領域の面積とすることができる。また、第1活性領域と第2活性領域とを分離する素子分離領域(典型的には、LOCOS法、STI法、DTI法等によって形成される)を設ける場合、素子分離領域によって囲まれる第1活性領域を含む領域の面積を光電変換素子の面積とすることができる。
それぞれの画素の境界部は、素子分離部106によって画定されてもよい。また、図2の平面図に示されるように、それぞれの画素の境界部は、半導体層101の裏面132に対する正射影において、マイクロレンズ111の外縁によって画定されてもよい。ここで、半導体層101の裏面132に対する正射影において、開口部110の面積は、それぞれの画素の面積の40%以下であってもよい。
半導体層101は、本実施形態においてシリコンが用いられる。しかしながら、半導体層101に用いられる材料はシリコンに限られることはなく、ゲルマニウムなどの他の半導体材料が用いられてもよい。層間膜107、117には、例えば酸化シリコンや酸化シリコンを主成分とする絶縁材料が用いられうる。反射膜108、109には、アルミニウム、タングステン、銅やそれらの合金などの金属が用いられうる。素子分離部106には、図1に示されるように、深い溝に酸化シリコンなどの絶縁体(誘電体)が埋め込まれたDTI(Deep Trench Isolation)構造が用いられうる。また、裏面132と層間膜107との間には、図1に示されるように、窒化シリコンなどを用いた反射防止層113が配されてもよい。
次に、偏向部として機能する高屈折率膜112について説明する。高屈折率膜112は層間膜107よりも屈折率が高い材料で形成される。高屈折率膜112には、層間膜107が酸化シリコンの場合、酸化シリコンよりも屈折率が高い窒化シリコンやポリシリコンなどが用いられうる。高屈折率膜112は、半導体層101の裏面132に対する正射影において開口部110と重なる領域に窪みを有する。この高屈折率膜112の窪みは、負のパワーを有するレンズとして機能することによって光を偏向する。窪みは、図1に示されるように、錐形状であってもよいし、凹レンズ形状であってもよい。また、高屈折率膜112は、図1に示されるように、裏面132に対する正射影において素子分離部106と重なる領域にも窪みを有する。入射光120は、図1に示される軌跡の例のように、反射膜108、109および高屈折率膜112によって反射、屈折を繰り返し、半導体層101の中に閉じ込められる。
より具体的には、反射膜108、109が上下間の光を閉じ込め、素子分離部106が半導体層101内で隣接する画素に光が進行することを妨げる。また、負のパワーのレンズ作用を持つ高屈折率膜112が配されない場合、入射光120のうち反射膜108によって反射された光が再び開口部110を通過し半導体層101から出て行ってしまう割合が高くなる。しかしながら、裏面132に対する正射影において、高屈折率膜112のうち高屈折率膜112と開口部110とが重なる領域に窪みが配されることによって、半導体層101から開口部110に向かう光の方向を偏向できる。これによって、開口部110から出て行く光の割合を低減することができる。一方、高屈折率膜112と開口部110とが重なる領域の窪みにおいて、高屈折率膜112内を隣接する画素の方向(図1において横方向。)に進む光が生ずるため、その光を再び入射した画素内に戻す構造が必要となる。このため、高屈折率膜112は、図1に示されるように、半導体層101の裏面132に対する正射影において素子分離部106と重なる領域にも窪みを有する。また、高屈折率膜112に設けられた窪みは、表面131の側からの反射光を再び光が入射した画素の側に屈折させる効果もある。
裏面照射型の撮像装置において、例えば特許文献1の構造の場合には、発明者の試算によれば、半導体の厚さを3μmとすると波長900nmの近赤外線に対する内部量子効率は19%程度と見積もられる。また、表面照射型の撮像装置を用いた場合、半導体層の厚さを10μm以上にすることで近赤外線・赤外線に対しても高い量子効率を得ることが可能となるが、半導体層を厚くすることによって暗電流が増すため、暗電流ノイズが増えてしまう。
一方、本実施形態では、半導体層101を透過する深さが数十μmとなる近赤外光に対しても、開口部110から再び出てしまうことによるロスが少なく、内部量子効率が高い、つまり、感度が高い固体撮像装置が実現できる。また、素子分離部106によって、隣接する画素への光の漏れも少なく、光を画素内に閉じ込めることができるため、画素間でのクロストークが小さくなる。さらに、半導体層101を透過する深さが長い光であっても、画素内に光を閉じ込めることができるため、半導体層101の厚みを厚くする必要がない。このように、本実施形態の固体撮像装置100は、近赤外光に対してクロストークが小さく量子効率つまり感度が高い撮像素子を暗電流ノイズの増加を伴わずに実現できる。
本実施形態において、高屈折率膜112は、光が入射するマイクロレンズ111が配される側に窪みを有する。しかしながら、これに限られることはなく、高屈折率膜112の半導体層101の側に窪みが配されてもよい。また、本実施形態において、層間膜107よりも屈折率が高い材料を偏向部として用いることによって光を偏向させたが、層間膜107よりも屈折率が低い材料を用いてもよい。この場合、裏面132と重なる領域に凸形状を設けることによって、負のパワーを有するレンズとして機能し、上述と同様の効果を得ることができる。
また、図1に示されるように、開口部110とマイクロレンズ111との間、換言すると層間膜107のうち反射膜109よりもマイクロレンズ111が配される側に、例えば、マイクロレンズ111と開口部110との間の層間膜107に、光を効率的に収集するための層内レンズや導波路が設けられてもよい。
また、素子分離部106は、画素間でのクロストークを抑制するために、半導体層101の表面131の側から形成された深い溝に誘電体が埋め込まれる。例えば、表面131から表面と直交する方向に半導体層101の厚さの80%以上の深さの溝に誘電体が埋め込まれてもよい。また、図1に示されるように、誘電体が、半導体層101の表面131から電荷蓄積部であるn型拡散層103とは反対の導電型を有するp型の導電型層である高濃度p型拡散層105まで埋め込まれていてもよい。素子分離部106を半導体層101の裏面132に近い部分まで形成することによって、画素間でのクロストークを低減することが可能となる。
図1に示される構成では、配線層114は、1層のみが示さているが、複数の配線層が固体撮像装置100に配されていてもよい。このとき、配線層は反射膜108と半導体層101の表面131との間の層間膜117の中に配されていてもよいし、反射膜108よりも半導体層101とは反対側の層間膜117の中に配されてもよい。また、配線層114が反射膜108と同様に入射した光を反射する層として機能してもよい。
さらに、偏向部は、窪みが配された高屈折率膜112に限られることはない。例えば、図3に示されるように、偏向部として、裏面132に対する正射影において開口部110と重なる領域に、層間膜107よりも屈折率の高い材料で形成された回折格子212が配されてもよい。回折格子212には、窒化シリコンやポリシリコンなどの材料が用いられうる。回折格子212が配されることによって、半導体層101から開口部110に向かう光を回折(偏向)し、開口部110から出てしまう光の割合を小さくする。例えば一辺が200〜300nmのポリシリコンで形成された立方体を平面的に碁盤の目状に1.8μmおきに配置する。これによって、回折格子212を通る例えば900nmの波長の近赤外光は、30度の回折角を持つ。
回折格子212を通過する光の回折割合は数十%程度であるため、開口部110を通り固体撮像装置100の外に出る光によるロスは、図1に示す高屈折率膜112の窪みを用いた場合と比較して大きくなる可能性がある。しかしながら、窒化シリコンやポリシリコンをパターニングするだけで回折格子212を形成できる上に、厚みも高屈折率膜112よりも薄くできる。このため、反射膜109と半導体層101の間の空間が狭く(薄く)なり、反射膜109で反射した光が、隣接する画素に混入する割合を抑制できる。このため、上述のように、裏面132に対する正射影において素子分離部106と重なる領域に高屈折率膜112を窪ませた領域と同等の機能を有する構造や素子を設けなくてもよい。例えば、回折格子212などの偏向部が、裏面132に対する正射影において素子分離部106と重なる領域に配されなくてもよい。換言すると、回折格子212を偏向部として用いた場合、偏向部は、半導体層101の裏面132に対する正射影において、開口部110と重なる領域にのみ配されうる。ここで、回折格子212は、上述のような周期的構造でなく、非周期的な構造を有する格子であってもよい。非周期的な格子であっても、光を偏向し開口部110から光が漏れだすことを抑制する効果がある。
以上、説明したように、偏向部として回折格子212を開口部110と裏面132との間に配した場合であっても、近赤外光に対して高感度、低クロストーク、暗電流ノイズが小さい固体撮像装置100が実現される。また、偏向部として高屈折率膜112を用いる場合と比較して、回折格子212はより簡単な製造工程によって実現できるため、固体撮像装置100の製造コストが低減されうる。
また、上述の説明において、反射膜108に金属が用いられることを示したが、反射膜108は、金属によって形成されることに限られるものではない。図4に示す構成において、反射膜108は、表面131と接する層間膜107’によって構成される層と、層間膜107’によって構成される層のうち表面131と接する面とは反対の側の面と接する反射層317と、を含む積層構造を備える。反射層317には、層間膜107、107’に用いられる酸化シリコンよりも屈折理が高い窒化シリコンやポリシリコンなどの材料が用いられうる。
ここで、半導体層101と反射層317との間の層間膜107’の厚さをd1(nm)、屈折率をn1とし、反射層317の膜の厚さをd2(nm)、屈折率をn2とする。また、検知する(注目する)光の真空中の波長をλ(nm)とする。この場合、d1=λ/(4・n1)、d2=λ/(4・n2)と設定することによって、半導体層101の側から入射する光に対して反射膜108は、検知光に対して大きな反射率を有することになる。より具体的には、半導体層101がシリコン、層間膜107’が酸化シリコン、反射層317がポリシリコン、検知光の波長を900nmとすると、n1=1.45、n2=3.63となる。この場合、d1=155nm、d2=62nmとすると、900nmの波長の検知光に対する反射膜108の反射率は84%となる。1回の反射における反射層317(ポリシリコン)での光吸収は、厚さが薄いのでほぼ無視できる。
反射膜108に金属を用いた場合、固体撮像装置100を製造するための半導体製造工程において、金属(反射膜108)の半導体層101の側には通常、拡散防止層として金属原子が半導体層101に拡散することを防ぐための層が配される。これは、金属原子が拡散し半導体層101を汚染した場合、白点キズなどの原因となりうるためである。拡散防止層は金属以外の材料が用いられる場合が多いため、光の反射率が低下してしまう場合がある。一方、高い光の反射率を得るために、金属による反射膜108に対して拡散防止層を配さない場合、白点キズなどが生じ固体撮像装置100の特性が低下しうる。そこで、図4に示すように、金属反射膜を用いずに非金属材料によって反射膜108を形成することによって、金属汚染の懸念が抑制される。
このように、半導体層101の表面131の側の反射膜108を非金属材料によって形成することで、近赤外光に対して高感度、低クロストーク、暗電流ノイズが小さい撮像素子を、白点キズなどの固体撮像装置の性能低下の原因を増やさずに実現できる。また、半導体層101の裏面132の側の反射膜109については、裏面132の側を形成する際の工程は、所謂、後工程の低温プロセスでありうる。このため、裏面132の側の反射膜109による金属汚染の可能性は、表面131の側の反射膜108よりは低い。したがって、開口部110を設ける工程を考慮し、反射膜109は、上述のように金属材料などを用いて形成してもよい。また、図4に示す構成において、偏向部として図1に示されるような高屈折率膜112を用いる例を示したが、図2に示されるような回折格子212を用いてもよい。
以下、上述の実施形態に係る固体撮像装置100の応用例として、固体撮像装置100が組み込まれたカメラやスマートフォンなどの電子機器、自動車などの輸送機器について例示的に説明する。ここで、カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置(例えば、パーソナルコンピュータやタブレットのような携帯端末など)も含まれる。
図5は、本実施形態による撮像システム500の構成を示すブロック図である。本実施例の撮像システム500は、上述の固体撮像装置100の何れかの構成を含む。撮像システム500の具体例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダー、監視カメラなどが挙げられる。図5に、上述の固体撮像装置100を適用したデジタルスチルカメラの構成例を示す。
図5に例示した撮像システム500は、固体撮像装置100、被写体の光学像を固体撮像装置100に結像させるレンズ5020、レンズ5020を通過する光量を可変にするための絞り504、レンズ5020の保護のためのバリア506を有する。レンズ5020および絞り504は、固体撮像装置100に光を集光する光学系である。
撮像システム500は、また、固体撮像装置100から出力される出力信号の処理を行う信号処理部5080を有する。信号処理部5080は、必要に応じて入力信号に対して各種の補正、圧縮を行って出力する信号処理の動作を行う。信号処理部5080は、固体撮像装置100から出力される出力信号に対してAD変換処理を実施する機能を備えていてもよい。この場合、固体撮像装置100の内部には、必ずしもAD変換回路を有する必要はない。
撮像システム500は、さらに、画像データを一時的に記憶するためのバッファメモリ部510、外部コンピュータなどと通信するための外部インターフェース部(外部I/F部)512を有する。さらに撮像システム500は、撮像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリなどの記録媒体514、記録媒体514に記録または読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部(記録媒体制御I/F部)516を有する。なお、記録媒体514は、撮像システム500に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。
さらに撮像システム500は、各種演算を行うとともにデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部518、固体撮像装置100と信号処理部5080に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部520を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システム500は、少なくとも固体撮像装置100と、固体撮像装置100から出力された出力信号を処理する信号処理部5080とを有すればよい。全体制御・演算部518及びタイミング発生部520は、固体撮像装置100の制御機能の一部または全部を実施するように構成してもよい。
固体撮像装置100は、画像用信号を信号処理部5080に出力する。信号処理部5080は、固体撮像装置100から出力される画像用信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。また、信号処理部5080は、画像用信号を用いて、画像を生成する。
上述した固体撮像装置100を用いて撮像システムを構成することにより、より良質の画像が取得可能な撮像システムを実現することができる。
また、固体撮像装置100の組み込まれたカメラは、監視カメラや、自動車や鉄道車両などの輸送機器に搭載される車載カメラなどにも適用されうる。ここでは、固体撮像装置100が組み込まれたカメラを輸送機器に適用した例を説明する。輸送機器700は、例えば、図6(a)、6(b)に示す撮像システム701(車載カメラ)を備えた自動車である。図6(a)は撮像システム701、図6(b)は輸送機器700の主な構成例を模式的に示している。図7は、撮像システム701の動作を示すフロー図である。
撮像システム701は、撮像装置702、画像前処理部715、集積回路703、光学系714を含む。光学系714は、撮像装置702に被写体の光学像を結像する。撮像装置702は、光学系714により結像された被写体の光学像を電気信号に変換する。撮像装置702は、上述の固体撮像装置100である。画像前処理部715は、撮像装置702から出力された信号に対して所定の信号処理を行う。画像前処理部715の機能は、撮像装置702内に組み込まれていてもよい。撮像システム701には、光学系714、撮像装置702及び画像前処理部715が、少なくとも2組設けられており、各組の画像前処理部715からの出力が集積回路703に入力されるようになっている。
集積回路703は、撮像システム用途向けの集積回路であり、メモリ705を含む画像処理部704、光学測距部706、視差演算部707、物体認知部708、異常検出部709を含む。画像処理部704は、画像前処理部715の出力信号に対して、現像処理や欠陥補正などの画像処理を行う。メモリ705は、撮像画像の一次記憶、撮像画素の欠陥位置を格納する。光学測距部706は、被写体の合焦や、測距を行う。視差演算部707は、複数の撮像装置702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。物体認知部708は、車、道、標識、人等の被写体の認知を行う。異常検出部709は、撮像装置702の異常を検出すると、主制御部713に異常を発報する。
集積回路703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し、これらの組合せによって実現されてもよい。また、FPGA(Field Programmable Gate Array)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)など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。
主制御部713は、撮像システム701、車両センサ710、制御ユニット720などの動作を統括・制御する。なお、主制御部713を持たず、撮像システム701、車両センサ710、制御ユニット720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)方法も取りうる。
集積回路703は、主制御部713からの制御信号を受け或いは自身の制御部によって、撮像装置702へ制御信号や設定値を送信する機能を有する。例えば、集積回路703は、撮像装置702内の電圧スイッチ13をパルス駆動させるための設定や、フレーム毎に電圧スイッチ13を切り替える設定などを送信する。
撮像システム701は、車両センサ710に接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの自車両走行状態及び自車外環境や他車・障害物の状態を検出することができる。車両センサ710は、視差画像から対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段でもある。また、撮像システム701は、自動操舵、自動巡行、衝突防止機能などの種々の運転支援を行う運転支援制御部711に接続されている。特に、衝突判定機能に関しては、撮像システム701や車両センサ710の検出結果を基に他車・障害物との衝突推定・衝突有無を判定する。これにより、衝突が推定される場合の回避制御、衝突時の安全装置起動を行う。
また、撮像システム701は、衝突判定部での判定結果に基づいて、ドライバーに警報を発する警報装置712にも接続されている。例えば、衝突判定部の判定結果として衝突可能性が高い場合、主制御部713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712は、音などの警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムやメーターパネルなどの表示部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。
本実施例では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム701で撮影する。図6(b)に、車両前方を撮像システム701で撮像する場合の撮像システム701の配置例を示す。
2つの撮像装置702は、輸送機器700の前方に配置される。具体的には、輸送機器700の進退方位または外形(例えば車幅)に対する中心線を対称軸に見立て、その対称軸に対して2つの撮像装置702が線対称に配置される。この配置によって、輸送機器700と被写対象物との間の距離情報の取得や衝突可能性の判定を行う上で、判定の精度がより高くなりうる。また、撮像装置702は、運転者が運転席から輸送機器700の外の状況を視認する際に運転者の視野を妨げない配置でありうる。警報装置712は、運転者の視野に入りやすい配置であってもよい。
次に、撮像システム701における撮像装置702の故障検出動作について、図7を用いて説明する。撮像装置702の故障検出動作は、図7に示すステップS810〜S880に従って実施される。
ステップS810は、撮像装置702のスタートアップ時の設定を行うステップである。すなわち、撮像システム701の外部(例えば主制御部713)または撮像システム701の内部から、撮像装置702の動作のための設定を送信し、撮像装置702の撮像動作および故障検出動作を開始する。
次いで、ステップS820において、有効画素から画素信号を取得する。また、ステップS830において、故障検出用に設けた故障検出画素からの出力値を取得する。この故障検出画素は、有効画素と同じく光電変換部を備える。この光電変換部には、所定の電圧が書き込まれる。故障検出用画素は、この光電変換部に書き込まれた電圧に対応する信号を出力する。なお、ステップS820とステップS830とは逆でもよい。
次いで、ステップS840において、故障検出画素の出力期待値と、実際の故障検出画素からの出力値との該非判定を行う。
ステップS840における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致している場合は、ステップS850に移行し、撮像動作が正常に行われていると判定し、処理ステップがステップS860へと移行する。ステップS860では、走査行の画素信号をメモリ705に送信して一次保存する。そののち、ステップS820に戻り、故障検出動作を継続する。
一方、ステップS840における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致していない場合は、処理ステップはステップS870に移行する。ステップS870において、撮像動作に異常があると判定し、主制御部713、又は警報装置712に警報を発報する。警報装置712は、表示部に異常が検出されたことを表示させる。その後、ステップS880において撮像装置702を停止し、撮像システム701の動作を終了する。
なお、本実施形態では、1行毎にフローチャートをループさせる例を例示したが、複数行毎にフローチャートをループさせてもよいし、1フレーム毎に故障検出動作を行ってもよい。
ここで、ステップS870の警報の発報は、無線ネットワークを介して、車両の外部に通知するようにしてもよい。
また、本実施形態では、他の車両と衝突しない制御を説明したが、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。さらに、撮像システム701は、自動車などの車両に限らず、例えば、船舶、航空機或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)など、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
以上、本発明に係る実施形態を示したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。
100:固体撮像装置、101:半導体層、107,117:層間膜、108,109:反射膜、110:開口部、111:マイクロレンズ、114:配線層

Claims (13)

  1. 第1の面と前記第1の面とは反対側の第2の面とを有する半導体層に配された光電変換素子をそれぞれ含む複数の画素と、前記第1の面の下方に配された配線層と、を備える固体撮像装置であって、
    前記複数の画素のそれぞれは、前記第1の面の下方に配された第1の反射膜と、前記第2の面を覆うように配された層間膜と、前記層間膜の中に前記第2の面を覆うように配された第2の反射膜と、前記層間膜の上方に前記光電変換素子に対応して配されたマイクロレンズと、を含み、
    前記第2の面に対する正射影において、前記第2の反射膜には、前記光電変換素子と重なる部分に開口部が配され、
    前記光電変換素子は、入射する光に応じて生成された電荷を蓄積する電荷蓄積部を含み、
    前記第2の面に対する正射影において、前記開口部の面積は、前記光電変換素子の面積よりも小さく、
    前記複数の画素のそれぞれは、前記開口部と前記第2の面との間に光を偏向させる偏向部をさらに含むことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記偏向部は、前記第2の面を覆うように配され、前記層間膜の屈折率よりも高い材料を用いた高屈折率膜を含み、
    前記高屈折率膜は、前記第2の面に対する正射影において前記開口部と重なる領域に、窪みを有することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. 前記固体撮像装置は、前記複数の画素のうち互いに隣接する画素と画素との間の部分に、前記半導体層に誘電体が埋め込まれた素子分離部をさらに含み、
    前記高屈折率膜は、前記第2の面に対する正射影において前記素子分離部と重なる領域に、窪みを有することを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。
  4. 前記偏向部は、前記第2の面に対する正射影において前記開口部と重なる領域に、前記層間膜の屈折率よりも高い材料を用いた回折格子を含むことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  5. 前記固体撮像装置は、前記複数の画素のうち互いに隣接する画素と画素との間の部分に、前記半導体層に誘電体が埋め込まれた素子分離部をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。
  6. 前記偏向部は、前記第2の面に対する正射影において前記素子分離部と重なる領域に、配されないことを特徴とする請求項5に記載の固体撮像装置。
  7. 前記半導体層のうち前記第2の面には、前記電荷蓄積部とは反対の導電型を有する第1の導電型層が配され、
    前記誘電体が、前記第1の面から前記第1の導電型層まで埋め込まれていることを特徴とする請求項3、5および6の何れか1項に記載の固体撮像装置。
  8. 前記第1の反射膜が、前記第1の面と接する第1の層と、前記第1の層のうち前記第1の面と接する面とは反対の側の面と接する第2の層と、を含む積層構造を備え、
    前記第2の層が、前記第1の層よりも屈折率が高いことを特徴とする請求項1乃至7の何れか1項に記載の固体撮像装置。
  9. 前記第1の層が酸化シリコンを含み、前記第2の層が窒化シリコンまたはポリシリコンを含むことを特徴とする請求項8に記載の固体撮像装置。
  10. 前記層間膜が酸化シリコンを含み、前記偏向部が窒化シリコンまたはポリシリコンを含むことを特徴とする請求項1乃至9の何れか1項に記載の固体撮像装置。
  11. 前記第2の面と前記層間膜との間に反射防止層が配されることを特徴とする請求項1乃至10の何れか1項に記載の固体撮像装置。
  12. 請求項1乃至11の何れか1項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から出力された信号を処理する処理装置と、
    を備えることを特徴とする電子機器。
  13. 駆動装置を具備する輸送機器であって、請求項1乃至11の何れか1項に記載の固体撮像装置を搭載し、前記固体撮像装置で得られた情報に基づいて前記駆動装置を制御する制御装置を備えることを特徴とする輸送機器。
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