JP2007329227A - Solid state imaging apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To acquire a color image and an infrared image by a single image sensor independently and simultaneously in an imaging apparatus. <P>SOLUTION: A solid state imaging apparatus forms a laminate film 1 having a structure in which a wiring layer forming a signal line for reading a pixel signal from an amplifier in a pixel is formed on a semiconductor element on which a photo diode, the amplifier in the pixel and so on are formed, and a plurality of layers different in refractive index between adjacent layers and having a predetermined thickness are laminated on the wiring layer to reflect infrared light IR and allow visible light VL to pass through. It cuts or does not cut the infrared light for each of a plurality pixels constituting a unit pixel matrix 12. It forms color filters 14R, 14G and 14B for color imaging are formed corresponding to color pixels 12R, 12G and 12B on the laminate film 1. It obtains the color image based on pixel signals from the pixels 12R, 12G and 12B in which the laminate film 1 is formed. It obtains the infrared image based on the pixel signal from a pixel 12IR in which the laminate film 1 is not formed. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は固体撮像装置に関する。より詳細には、たとえば外部から入射される光を検知して撮像情報を得る固体撮像装置などへの適用に好適な技術に関する。特に、可視光以外の波長成分(たとえば赤外光)による撮像をも可能とした撮像装置に関する。ここで固体撮像装置は、素子状のもの、複数の素子を組み合わせたものであったもののどちらも含む。   The present invention relates to a solid-state imaging device. More specifically, the present invention relates to a technique suitable for application to, for example, a solid-state imaging apparatus that obtains imaging information by detecting light incident from the outside. In particular, the present invention relates to an imaging apparatus that enables imaging using wavelength components other than visible light (for example, infrared light). Here, the solid-state imaging device includes both an element-like device and a device obtained by combining a plurality of devices.

光や放射線などの外部から入力される電磁波などの物理量変化に対して感応性をする単位構成要素(たとえば画素)をライン状もしくはマトリクス状に複数個配列してなる物理量分布検知半導体装置が様々な分野で使われている。   There are various physical quantity distribution detection semiconductor devices in which a plurality of unit components (for example, pixels) that are sensitive to changes in physical quantity such as light and radiation input from the outside such as electromagnetic waves are arranged in a line or matrix form. Used in the field.

たとえば、映像機器の分野では、物理量の一例である光(電磁波の一例)の変化を検知するCCD(Charge Coupled Device )型あるいはMOS(Metal Oxide Semiconductor)やCMOS(Complementary Metal-oxide Semiconductor )型の固体撮像装置が使われている。これらは、単位構成要素(固体撮像装置にあっては画素)によって電気信号に変換された物理量分布を電気信号として読み出す。   For example, in the field of video equipment, a CCD (Charge Coupled Device) type, a MOS (Metal Oxide Semiconductor) type, or a CMOS (Complementary Metal-oxide Semiconductor) type solid that detects changes in light (an example of an electromagnetic wave) that is an example of a physical quantity. An imaging device is used. These read out, as an electrical signal, a physical quantity distribution converted into an electrical signal by a unit component (a pixel in a solid-state imaging device).

たとえば、固体撮像装置は、デバイス部の撮像部(画素部)に設けられている光電変換素子(受光素子;フォトセンサ)であるフォトダイオードにて、光や放射線などの外部から入力される電磁波を検知して信号電荷を生成・蓄積し、この蓄積された信号電荷(光電子)を、画像情報として読み出す。   For example, in a solid-state imaging device, a photodiode that is a photoelectric conversion element (light receiving element; photosensor) provided in an imaging unit (pixel unit) of a device unit receives electromagnetic waves input from outside such as light and radiation. The signal charges are detected and generated and accumulated, and the accumulated signal charges (photoelectrons) are read out as image information.

また最近では、可視光による像と赤外光による像を撮像する仕組みが提案されている(たとえば特許文献1〜7を参照)。たとえば赤外線の発光点を予め用意してそれを追跡することで、可視光の像の中にある赤外光の発光点の位置を検出することができる。また可視光のない、たとえば夜間においても赤外光を照射して撮像することで鮮明な像を得ることができる。さらに、可視光に加えて赤外光を取り入れることで感度を向上させることができる。
特開2004−103964号公報 特開平10−210486号公報 特開2002−369049号公報 特開平06−121325号公報 特開平09−166493号公報 特開平09−130678号公報 特開2002−142228号公報
Recently, a mechanism for capturing an image by visible light and an image by infrared light has been proposed (see, for example, Patent Documents 1 to 7). For example, by preparing an infrared light emitting point in advance and tracking it, the position of the infrared light emitting point in the visible light image can be detected. Moreover, a clear image can be obtained by irradiating with infrared light and taking an image even at night, for example, without visible light. Furthermore, sensitivity can be improved by incorporating infrared light in addition to visible light.
JP 2004-103964 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-210486 JP 2002-369049 A Japanese Patent Laid-Open No. 06-121325 JP 09-166493 A Japanese Patent Laid-Open No. 09-130678 JP 2002-142228 A

特許文献1に記載の仕組みは、半導体の深さ方向における波長による吸収係数の違いを利用した単板式のものである。   The mechanism described in Patent Document 1 is a single plate type that utilizes the difference in absorption coefficient depending on the wavelength in the depth direction of the semiconductor.

また特許文献2〜4に記載の仕組みは、入力光学系に波長分離用のミラーやプリズムなどの波長分解光学系を使い、可視光と赤外光を個別の撮像素子で受光する多板式のものである。   In addition, the mechanisms described in Patent Documents 2 to 4 use a wavelength separation optical system such as a wavelength separation mirror or prism as an input optical system, and receive visible light and infrared light with separate imaging elements. It is.

また特許文献5に記載の仕組みは、入力光学系に回転式の波長分解光学系を使い、可視光と赤外光を同一の撮像素子で受光する単板式のものである。たとえば、赤外光カットフィルタの挿入/抜出を回転機構的に行ない、赤外光カットフィルタを挿入している場合は近赤外光および赤外光の影響のない可視光カラー画像を、赤外光カットフィルタを抜き出している場合は可視光および近赤外光の光強度を加算した画像を出力する。   The mechanism described in Patent Document 5 is a single-plate type that uses a rotary wavelength resolving optical system as an input optical system and receives visible light and infrared light with the same imaging device. For example, when an infrared light cut filter is inserted / extracted as a rotating mechanism and an infrared light cut filter is inserted, a visible color image that is not affected by near infrared light or infrared light is displayed in red. When the external light cut filter is extracted, an image obtained by adding the light intensities of visible light and near infrared light is output.

また特許文献6に記載の仕組みは、入力光学系に波長分解機能を持つ絞り光学系を使い、可視光と赤外光を同一の撮像素子で受光するものである。   The mechanism described in Patent Document 6 uses a stop optical system having a wavelength resolving function as an input optical system, and receives visible light and infrared light with the same imaging device.

また特許文献7に記載の仕組みは、可視光および近赤外光に感度を有する撮像素子の各画素に、別個のフィルタ特性を有する4種類の色フィルタを規則的に配設し、4種類の色フィルタを配設した各画素の出力をマトリクス演算することにより、可視光カラー画像および近赤外光画像をそれぞれ独立に求めるものである。   Further, the mechanism described in Patent Document 7 is a system in which four types of color filters having separate filter characteristics are regularly arranged in each pixel of an image sensor having sensitivity to visible light and near-infrared light. A visible light color image and a near-infrared light image are obtained independently by performing a matrix operation on the output of each pixel provided with a color filter.

図44は、特許文献1に記載のセンサの仕組みを説明する図であって、図44(A)は半導体層の光吸収スペクトル特性を示す図、図44(B)は、デバイスの断面構造の模式図である。   44A and 44B are diagrams for explaining the mechanism of the sensor described in Patent Document 1. FIG. 44A shows the light absorption spectrum characteristics of the semiconductor layer, and FIG. 44B shows the cross-sectional structure of the device. It is a schematic diagram.

この仕組みにおいては、Si(シリコン)半導体の光の吸収係数が図44(A)に示すように青,緑,赤,赤外光の順に小さくなる、すなわち入射光L1に含まれる青色光、緑色光、赤色光、および赤外光に関しては、半導体の深さ方向において波長による場所依存性を呈することを利用して、図44(B)に示すように、Si半導体の表面から深さ方向に可視光(青,緑,赤)および赤外光の各色光を検出するための層を順次設けている。   In this mechanism, the light absorption coefficient of the Si (silicon) semiconductor decreases in the order of blue, green, red, and infrared light as shown in FIG. 44A, that is, blue light and green contained in the incident light L1. With respect to light, red light, and infrared light, by utilizing the location dependence due to the wavelength in the depth direction of the semiconductor, as shown in FIG. 44 (B), from the surface of the Si semiconductor to the depth direction. Layers for detecting each color light of visible light (blue, green, red) and infrared light are sequentially provided.

しかしながら、波長による吸収係数の違いを利用した特許文献1に記載の仕組みでは、理論上検知できる光量が低下しないが、青色光を検知する層では赤色光や緑色光が通過するときにある程度吸収を受けるためにそれらの光が青色光として検知されてしまう。このために、青の信号が本来ない場合でも緑や赤の信号が入ることで青にも信号が入り偽信号が生じてしまうことになるので、十分な色再現性を得られない。   However, the mechanism described in Patent Document 1 using the difference in absorption coefficient depending on the wavelength does not decrease the amount of light that can be detected theoretically, but the layer that detects blue light absorbs to some extent when red light or green light passes through. In order to receive, those lights will be detected as blue light. For this reason, even if a blue signal is not originally present, if a green or red signal is input, a blue signal is also generated and a false signal is generated, so that sufficient color reproducibility cannot be obtained.

これを避けるためには、3原色全体で計算による信号処理で補正を行なう必要があり、計算に必要な回路を別途必要となるので、その分だけ回路構成が複雑・大規模になり、またコスト的に高くなる。さらに、たとえば3原色のうちどれか1色が飽和するとその飽和した光の本来の値が判らなくなることで計算に狂いが生じ、結果として本来の色とは異なるように信号を処理することになる。   In order to avoid this, it is necessary to perform correction by signal processing by calculation for all three primary colors, and a circuit necessary for the calculation is separately required. Therefore, the circuit configuration is complicated and large in size, and the cost is increased. Become expensive. Further, for example, when one of the three primary colors is saturated, the original value of the saturated light is not known, resulting in a calculation error. As a result, the signal is processed differently from the original color. .

また、図44(A)に示すように、殆どの半導体は赤外光に対して吸収感度を有する。したがって、たとえばSi半導体を用いた固体撮像装置(イメージセンサ)などにおいては通常、減色フィルタの一例としてガラス製の赤外線カットフィルタをセンサの前に入れる必要がある。   As shown in FIG. 44A, most semiconductors have absorption sensitivity to infrared light. Therefore, for example, in a solid-state imaging device (image sensor) using Si semiconductor, for example, it is usually necessary to put an infrared cut filter made of glass as an example of a color reduction filter in front of the sensor.

よって、赤外光のみ、あるいは可視光と赤外光を信号として受け取って撮像するためには、赤外線カットフィルタを外すか、赤外光のカットする割合を低くする必要がある。   Therefore, in order to receive only infrared light, or visible light and infrared light as signals, it is necessary to remove the infrared cut filter or reduce the rate of infrared light cut.

ところが、このようにすると、赤外光が可視光に混じって光電変換素子に入射することになるので、可視光の像の色合いが本来のものとは異なることになる。したがって、可視光の像と赤外光のみ(または赤外光と可視光の混合)を同時に分けて各々適切な画像を得ることが困難である。   However, in this case, infrared light is mixed with visible light and incident on the photoelectric conversion element, so that the color of the visible light image is different from the original one. Therefore, it is difficult to obtain an appropriate image by dividing a visible light image and infrared light alone (or a mixture of infrared light and visible light) simultaneously.

また上述の課題とは別に、通常の固体撮像装置のように赤外線カットフィルタを用いることによって、可視光も幾らかカットされるので感度が落ちることになる。また赤外線カットフィルタを用いることによってコストが高くなる。   In addition to the above-described problems, the use of an infrared cut filter as in a normal solid-state imaging device also reduces the sensitivity because some of the visible light is cut. Further, the use of an infrared cut filter increases the cost.

また特許文献2〜4に記載の仕組みは、波長分離用のミラーやプリズムなどの波長分解光学系のため入力光学系が大がかりとなる。   Further, the mechanisms described in Patent Documents 2 to 4 require a large input optical system because of a wavelength resolving optical system such as a wavelength separating mirror or prism.

また特許文献5に記載の仕組みは、赤外光カットフィルタの挿入/抜出機構のため、装置が大がかりとなるし、赤外光カットフィルタの操作は自動的に行なえない。   In addition, the mechanism described in Patent Document 5 is an infrared light cut filter insertion / extraction mechanism, so that the apparatus becomes large, and the operation of the infrared light cut filter cannot be performed automatically.

また特許文献6に記載の仕組みは、波長分解機能を持つ絞り光学系のため、装置が大がかりとなる。加えて、赤外線画像と可視光線画像の両方を同時に得ることができるものの、イメージセンサからは、この可視光線画像および赤外線画像を合成した電気信号しか出力できず、可視光線画像のみあるいは赤外線画像のみを出力することができない。   Further, since the mechanism described in Patent Document 6 is an aperture optical system having a wavelength resolving function, the apparatus becomes large. In addition, although both an infrared image and a visible light image can be obtained simultaneously, the image sensor can output only an electric signal obtained by synthesizing the visible light image and the infrared image, and only the visible light image or only the infrared image can be output. Cannot output.

これに対して、特許文献7に記載の仕組みは、4種類の色フィルタを配設することで波長分離を行なうので、特許文献2〜6のような入力光学系が大がかりとなる問題がないものの、演算処理に問題がある。すなわち、特許文献7に記載の仕組みは、別個のフィルタ特性を有する4種類の色フィルタを配設した各画素の出力をマトリクス演算することで、可視光カラー画像および近赤外光画像をそれぞれ独立に求めるので、可視光線画像と赤外線画像とを個別かつ同時に出力できるものの、可視光線画像を得る際にも、赤外光成分との間での演算処理が必要になり、全体としての演算処理が大幅になる。   On the other hand, since the mechanism described in Patent Document 7 performs wavelength separation by arranging four types of color filters, there is no problem that the input optical system as in Patent Documents 2 to 6 becomes large. There is a problem with arithmetic processing. In other words, the mechanism described in Patent Document 7 performs a matrix operation on the output of each pixel in which four types of color filters having different filter characteristics are arranged, so that a visible light color image and a near-infrared light image are independent of each other. Although the visible light image and the infrared image can be output individually and simultaneously, when obtaining the visible light image, it is necessary to perform an arithmetic process with the infrared light component. Become significant.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、上述した問題の少なくとも1つを解決し得る新たな固体撮像装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a new solid-state imaging device capable of solving at least one of the above-described problems.

一例として、同じイメージセンサで可視光カラー画像および近赤外光画像を独立に得る新たな仕組みの固体撮像装置を提供する。   As an example, a solid-state imaging device having a new mechanism for independently obtaining a visible light color image and a near-infrared light image with the same image sensor is provided.

また、他の例として、同じイメージセンサで可視光による像と赤外光による像を同時に撮像する場合に、赤外光カットフィルタを外すことによる色合いが本来のものと異なる点を解決することで、色合いが正確な可視光による像と赤外光や紫外光による像を同時に撮像することができる仕組みを提供する。   As another example, when the same image sensor captures both visible light and infrared light simultaneously, it solves the problem that the hue caused by removing the infrared light cut filter differs from the original one. The present invention provides a mechanism capable of simultaneously capturing an image with visible light and an image with infrared light or ultraviolet light with accurate hue.

また、他の例として、通常のイメージセンサのように厚みのあるガラス製の赤外線カットフィルタを用いることによるコストが高くなる点を解決することができる仕組みを提供する。   As another example, there is provided a mechanism capable of solving the high cost due to the use of a thick glass infrared cut filter as in a normal image sensor.

本発明に係る固体撮像装置は、屈折率が異なる層を複数積層した構造を持つ積層膜を利用して通過波長領域成分と反射波長領域成分とを波長分離することで、両者の成分信号を個別の検出部で、独立にあるいは同時に取得するようにしたことに特徴を持つ。   The solid-state imaging device according to the present invention uses a laminated film having a structure in which a plurality of layers having different refractive indexes are laminated to separate the wavelength components of the passing wavelength region component and the reflected wavelength region component, thereby individually separating both component signals. This is characterized in that the detection unit is configured to acquire them independently or simultaneously.

すなわち、本発明に係る固体撮像装置は2次元状に配置された複数の画素を含む撮像領域を有し、前記複数の画素の夫々は基体中に形成された受光素子を含み、前記複数の画素に含まれる第1の画素の前記受光素子の上方に積層部が形成され、前記複数の画素に含まれる第2の画素の前記受光素子の上方に層内レンズが形成され、前記積層部は屈折率の異なる複数層からなる積層構造を含むと共に、所定の波長領域の入射光を反射させ、前記層内レンズは前記積層部の間欠領域に形成されている固体撮像装置である。   That is, the solid-state imaging device according to the present invention has an imaging region including a plurality of pixels arranged two-dimensionally, and each of the plurality of pixels includes a light receiving element formed in a base, and the plurality of pixels A stacked portion is formed above the light receiving element of the first pixel included in the first layer, an intralayer lens is formed above the light receiving element of the second pixel included in the plurality of pixels, and the stacked portion is refracted. The solid-state imaging device includes a laminated structure including a plurality of layers having different rates, reflects incident light in a predetermined wavelength region, and the intra-layer lens is formed in an intermittent region of the laminated portion.

本発明によれば、屈折率が異なる層を複数積層した構造を持つ積層膜を利用して通過波長領域成分と反射波長領域成分とを波長分離し、両者の成分信号を個別の検出部で検知するようにした。   According to the present invention, the wavelength component of the pass wavelength region component and the reflected wavelength region component are separated by using a laminated film having a structure in which a plurality of layers having different refractive indexes are laminated, and the component signals of both are detected by individual detection units. I tried to do it.

これにより、単一の半導体装置(たとえばイメージセンサ)で、反射波長領域成分の影響を無視可能な通過波長領域成分に関わる物理情報を取得することができる。この際、たとえば通過波長領域成分の一例である可視光に対する反射波長領域成分である赤外光をカットする従来のような赤外線カット用の高価なガラス製の光学部材が不要になる。半導体の深さ方向における波長による吸収係数の違いを利用するものではなく、このことに起因した色再現性の問題は生じない。   As a result, it is possible to acquire physical information related to the passing wavelength region component in which the influence of the reflected wavelength region component can be ignored with a single semiconductor device (for example, an image sensor). At this time, for example, an expensive glass-made optical member for cutting infrared rays as in the prior art that cuts infrared light that is a reflected wavelength region component with respect to visible light, which is an example of a passing wavelength region component, becomes unnecessary. The difference in absorption coefficient due to the wavelength in the depth direction of the semiconductor is not utilized, and the problem of color reproducibility due to this does not occur.

また、通過波長領域成分と反射波長領域成分とを別個に検出して、両成分の信号出力を同時に取得する場合、通過波長領域成分については、積層膜によって反射波長領域成分が予めカットされるので、特開2002−142228号公報記載の仕組みとは異なり、反射波長領域成分の影響をほぼ全く受けない通過波長領域成分の信号を得るに際して、反射波長領域成分との間での演算処理が不要である。   In addition, when the transmission wavelength region component and the reflection wavelength region component are separately detected and the signal output of both components is acquired simultaneously, the reflection wavelength region component is cut in advance by the laminated film for the transmission wavelength region component. Unlike the mechanism described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-142228, when obtaining a signal of a passing wavelength region component that is hardly affected by the reflected wavelength region component, there is no need to perform an arithmetic process with the reflected wavelength region component. is there.

もちろん、通過波長領域成分と反射波長領域成分の信号を別個かつ同時に検知できるため、たとえば、赤外光や紫外光と可視光とを分けて検知する構造とすることで、可視光による像と赤外光や紫外光による像を同時に撮像することができるようになる。この際、可視光をさらに3原色信号成分に分けて検知するように構成することで、色合いが正確な可視光による像と、赤外光や紫外光による像を同時に撮像することができるようになる。
また、本発明によれば、積層部の間欠領域に形成された層内レンズを有するため、間欠領域のスペースを利用することができ、層内レンズを設けてもレンズ部分として特別な層厚を追加する必要がなく、受光部上の層の厚さが厚くなりすぎることがない。
Of course, since the signals of the passing wavelength region component and the reflected wavelength region component can be detected separately and simultaneously, for example, by using a structure that separately detects infrared light, ultraviolet light, and visible light, the image of visible light and red Images from external light and ultraviolet light can be taken simultaneously. At this time, the visible light is further divided into the three primary color signal components and detected so that an image of visible light with an accurate hue and an image of infrared light or ultraviolet light can be simultaneously captured. Become.
In addition, according to the present invention, since the in-layer lens is formed in the intermittent region of the laminated portion, the space in the intermittent region can be used, and even if an in-layer lens is provided, a special layer thickness is provided as a lens portion. There is no need to add, and the thickness of the layer on the light receiving portion does not become too thick.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

<<誘電体積層膜イメージセンサの概念>>
図1は、誘電体積層膜を利用して電磁波を所定波長ごとに分光する分波イメージセンサの概念を説明する図である。ここでは、電磁波の一例である光を所定波長ごとに分光する分光イメージセンサを例に説明する。
<< Concept of Dielectric Multilayer Image Sensor >>
FIG. 1 is a diagram for explaining the concept of a demultiplexing image sensor that separates electromagnetic waves for each predetermined wavelength using a dielectric laminated film. Here, a spectral image sensor that separates light, which is an example of electromagnetic waves, for each predetermined wavelength will be described as an example.

誘電体積層膜1は、図1に示すように、隣接する層間で屈折率nj(jは2以上の正の整数;以下同様)が異なり(屈折率差Δn)、所定の厚みdjを持つ層を複数積層した構造を有する積層部材である。これによって、後述するように、電磁波の内の所定の波長領域成分を反射させ残りを通過させる特性を持つようになる。   As shown in FIG. 1, the dielectric laminated film 1 is a layer having a predetermined thickness dj in which the refractive index nj (j is a positive integer of 2 or more; the same shall apply hereinafter) differs between adjacent layers (refractive index difference Δn). Is a laminated member having a structure in which a plurality of layers are laminated. As a result, as described later, it has a characteristic of reflecting a predetermined wavelength region component of the electromagnetic wave and passing the rest.

誘電体積層膜1をなす各誘電体層1_jの層数の数え方は、その両側の厚い層(第n0層1_0および第k層1_k)を層数として数えずに、たとえば、第1層目から第k層側に向けて順に数える。実質的には、両側の厚い層(第0層1_0および第k層1_k)を除いて誘電体積層膜1が構成される。   The number of layers of each dielectric layer 1_j forming the dielectric laminated film 1 is counted without counting the thick layers (n0th layer 1_0 and kth layer 1_k) on both sides as the number of layers, for example, the first layer To the k-th layer side. Substantially, the dielectric laminated film 1 is configured except for the thick layers (the 0th layer 1_0 and the kth layer 1_k) on both sides.

このような構造を持つ誘電体積層膜1に光を入射させると、誘電体積層膜1での干渉により、反射率(あるいは透過率)が波長λに対してある依存性を持つようになる。光の屈折率差Δnが大きいほどその効果が強くなる。   When light is incident on the dielectric multilayer film 1 having such a structure, the reflectance (or transmittance) has a certain dependency on the wavelength λ due to interference in the dielectric multilayer film 1. The effect increases as the refractive index difference Δn of light increases.

特に、この誘電体積層膜1が、周期的な構造や、ある条件(たとえば各層の厚みdの条件d〜λ/4n)を持つことで、白色光などの入射光L1が入射すると、ある特定波長域の光(特定波長領域光)の反射率だけを効果的に高めて殆どを反射光成分L2にさせ、すなわち透過率を小さくさせて、かつ、それ以外の波長域の光の反射率を低くすることで殆どを透過光成分L3にさせる、すなわち、透過率を大きくさせることができる。   In particular, when this dielectric laminated film 1 has a periodic structure and certain conditions (for example, conditions d to λ / 4n of the thickness d of each layer), when incident light L1 such as white light is incident, a certain specific Only the reflectance of light in the wavelength range (specific wavelength range light) is effectively increased to make most of the reflected light component L2, that is, the transmittance is reduced, and the reflectance of light in other wavelength ranges is increased. By making it low, most of the transmitted light component L3 can be obtained, that is, the transmittance can be increased.

ここで波長λは、ある波長域の中心波長であり、nはその層の屈折率である。本実施形態では、この誘電体積層膜1による反射率(あるいは透過率)の波長依存性を利用することで、分光イメージセンサ10を実現する。   Here, the wavelength λ is the center wavelength in a certain wavelength range, and n is the refractive index of the layer. In the present embodiment, the spectral image sensor 10 is realized by utilizing the wavelength dependency of the reflectance (or transmittance) of the dielectric laminated film 1.

<誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサの基本構成>
図2は、誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサの基本構成を説明する概念図である。ここで、図2は、赤外光IR(InfraRed)と可視光VL(Visible Light)とを分光する事例で示している。可視光VLよりも長波長側である赤外領域の波長λ(主に780nmより長波長側)の赤外光IRに対して、高い反射率を持たせるような誘電体積層膜1を形成することで、赤外光IRをカットし、また、このような誘電体積層膜1を形成しないことで、赤外光IRを透過させることができる。
<Basic configuration of demultiplexing image sensor using dielectric multilayer film>
FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a basic configuration of a demultiplexing image sensor using a dielectric laminated film. Here, FIG. 2 shows an example in which infrared light IR (InfraRed) and visible light VL (Visible Light) are dispersed. The dielectric laminated film 1 is formed so as to have a high reflectance with respect to infrared light IR having a wavelength λ (mainly longer wavelength than 780 nm) in the infrared region which is longer than visible light VL. Thus, the infrared light IR can be transmitted by cutting the infrared light IR and not forming such a dielectric laminated film 1.

なお、誘電体積層膜1をなす各誘電体層1_jの部材(層材)は、複数の層で誘電体積層膜1を構成することから少なくとも2種となり、3層以上の場合には各誘電体層1_jの何れもが異なる層材でなるものであってもよいし、2種(あるいはそれ以上)を交互にあるいは任意の順に積層したものであってもよい。また、誘電体積層膜1を、基本的な第1および第2の層材で構成しつつ、一部を第3(あるいはそれ以上)の層材に代えるようにしてもよい。以下、具体的に説明する。   The members (layer materials) of each dielectric layer 1_j constituting the dielectric laminated film 1 are at least two types because the dielectric laminated film 1 is composed of a plurality of layers. Any of the body layers 1_j may be made of different layer materials, or two (or more) layers may be laminated alternately or in any order. Further, the dielectric laminated film 1 may be configured with basic first and second layer materials, and a part thereof may be replaced with a third (or more) layer material. This will be specifically described below.

<誘電体積層膜を利用した多波長分波イメージセンサの構成>
図3は、図2に示した分光イメージセンサ10の基本構成を複数の波長分離構成に適用した構成例を示す図である。
<Configuration of multi-wavelength demultiplexing image sensor using dielectric laminated film>
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example in which the basic configuration of the spectral image sensor 10 illustrated in FIG. 2 is applied to a plurality of wavelength separation configurations.

図2にて説明したように、誘電体積層膜1を形成するかしないかにより、赤外光IRをカットしたり透過させたりすることができる。これを応用して、単位画素マトリクス12を構成する複数の検知部(たとえばフォトダイオード)に対して、各波長対応の検知部に位置整合させて積層膜の一部を規則的に取り除く、すなわち、画素(セル)ごとに、赤外光をカットしたりしなかったりすることで、可視光VLのみの撮像と赤外光IRのみの撮像、あるいは可視光VLのみの撮像と赤外光IRと可視光VLとを混在させた撮像を、同時に行なうようにすることができる。   As described with reference to FIG. 2, the infrared light IR can be cut or transmitted depending on whether or not the dielectric laminated film 1 is formed. By applying this, for a plurality of detection units (for example, photodiodes) constituting the unit pixel matrix 12, a part of the laminated film is regularly removed by aligning with the detection units corresponding to each wavelength, that is, For each pixel (cell), infrared light is cut or not, so that only visible light VL and infrared light IR are picked up, or only visible light VL is picked up and infrared light IR and visible. Imaging in which the light VL is mixed can be performed simultaneously.

昼間におけるモノクロ画像あるいはカラー画像の撮像時に赤外光IRの影響を受けず、また、夜間などにおいて、赤外光IRによる撮像が可能となる。必要に応じて、他方の像も同時に出力することもできる。その場合でも、昼間において、可視光VLの影響を受けない赤外光IRのみの画像を得ることができる。   It is not affected by the infrared light IR when capturing a monochrome image or a color image in the daytime, and can be imaged with the infrared light IR at night. If necessary, the other image can be output simultaneously. Even in that case, an image of only the infrared light IR that is not affected by the visible light VL can be obtained in the daytime.

すなわち、多波長分波対応の分光イメージセンサ11は、上述のような赤外光IRを反射可能な誘電体積層膜1を、画素が規則的に配列された単位画素マトリクス12を構成する各画素の主要部をなすフォトダイオード上に形成することで、赤外光IRを反射させることができ、この画素から得られる画素信号に基づき、赤外光IRの影響をほぼ全く受けない可視光VLのみのモノクロ画像が得られる。特開2002−142228号公報記載の仕組みとは異なり、赤外光IRの影響をほぼ全く受けない可視光VLのモノクロ画像を得るに際して、赤外光IRの成分との間での演算処理が不要である。   That is, the spectral image sensor 11 that supports multi-wavelength demultiplexing includes the dielectric layered film 1 that can reflect the infrared light IR as described above, and each pixel constituting the unit pixel matrix 12 in which the pixels are regularly arranged. By forming it on the photodiode that forms the main part of the infrared ray, it is possible to reflect infrared light IR, and based on the pixel signal obtained from this pixel, only visible light VL that is hardly affected by infrared light IR. Monochrome image can be obtained. Unlike the mechanism described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-142228, when obtaining a monochrome image of visible light VL that is hardly affected by infrared light IR, there is no need to perform arithmetic processing with components of infrared light IR. It is.

さらに、誘電体積層膜1を形成したフォトダイオード上に、波長領域成分内を所定の波長領域成分に分離する光学部材の一例として、可視光VL領域において所定の波長透過特性を持つ色フィルタ14を設けることで、赤外光IRの影響をほぼ全く受けない可視光VL領域中の特定波長領域のみの像が得られる。   Further, a color filter 14 having a predetermined wavelength transmission characteristic in the visible light VL region is provided as an example of an optical member for separating the wavelength region component into a predetermined wavelength region component on the photodiode on which the dielectric laminated film 1 is formed. By providing, an image of only a specific wavelength region in the visible light VL region that is hardly affected by the infrared light IR can be obtained.

また、単位画素マトリクス12を構成する複数のフォトダイオード上に一体的に、可視光VL領域においてそれぞれ異なる波長透過特性を持つ色フィルタ14xを、各波長対応(色別)のフォトダイオードに位置整合させて、規則的に配列することで、可視光VL領域を波長別(色別)に分離することができ、これらの色別の画素から得られる各画素信号に基づいて合成処理をすることで、赤外光IRの影響をほぼ全く受けない可視光VLのみのカラー画像(可視光カラー画像)が得られる。特開2002−142228号公報記載の仕組みとは異なり、赤外光IRの影響をほぼ全く受けない可視光VLのカラー画像を得るに際して、赤外光IRの成分との間での演算処理が不要である。   In addition, the color filters 14x having different wavelength transmission characteristics in the visible light VL region are integrally aligned with the photodiodes corresponding to each wavelength (color-specific) on the plurality of photodiodes constituting the unit pixel matrix 12. By arranging regularly, the visible light VL region can be separated by wavelength (by color), and by performing synthesis processing based on each pixel signal obtained from these pixels by color, A color image (visible light color image) of only visible light VL that is hardly affected by infrared light IR is obtained. Unlike the mechanism described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-142228, when obtaining a color image of visible light VL that is hardly affected by infrared light IR, there is no need to perform arithmetic processing with components of infrared light IR. It is.

また、同じ撮像素子(分光イメージセンサ11)において、たとえば単位画素マトリクス12の内で、部分的に誘電体積層膜1を形成しない画素を設けることで、各画素の出力をマトリクス演算することにより、可視光VLのモノクロ画像あるいはカラー画像と赤外光IRの画像をそれぞれ独立に求めることが常時可能となる。また、フォトダイオード上に一体的に形成された誘電体積層膜1の一部を、部分的に誘電体積層膜1を形成しないようにするので、部分的に誘電体積層膜1が形成されていない誘電体積層膜1をもつ別個の光学部材を撮像素子上に配設する場合とは異なり、位置合せの問題が起きない。   Further, in the same image pickup device (spectral image sensor 11), for example, by providing pixels in the unit pixel matrix 12 that do not partially form the dielectric multilayer film 1, by performing matrix calculation on the output of each pixel, It is always possible to independently obtain a monochrome image or color image of visible light VL and an image of infrared light IR. Further, a part of the dielectric multilayer film 1 integrally formed on the photodiode is not partially formed so that the dielectric multilayer film 1 is partially formed. Unlike the case where a separate optical member having no dielectric laminated film 1 is provided on the image pickup device, the problem of alignment does not occur.

たとえば、赤外光IRの影響をほぼ全く受けない可視光VLのみの撮像(モノクロ撮像もしくはカラー撮像)と、赤外光IRと可視光VLとを混在させた撮像を、同時に行なうようにすることができる。また、可視光VLのみの成分(モノクロ像成分もしくはカラー像成分)と、赤外光IRと可視光VLとを混在させた成分との合成処理(詳しくは差分処理)により、可視光VLの影響をほぼ全く受けない赤外光IRのみの撮像を行なうようにすることもできる。   For example, imaging with only visible light VL (monochrome imaging or color imaging) that is almost completely unaffected by infrared light IR and imaging that mixes infrared light IR and visible light VL are performed simultaneously. Can do. In addition, the effect of visible light VL is achieved by combining (specifically, differential processing) a component that includes only visible light VL (monochrome image component or color image component) and a component that mixes infrared light IR and visible light VL. It is also possible to perform imaging using only infrared light IR that does not receive substantially any of the above.

なお、上記において、“影響をほぼ全く受けない”とは、最終的に人間の視覚によることを考慮し、一般的に人間の視覚によって明確な差が関知できない程度であれば、“影響を若干受ける”ことがあってもよい。すなわち、赤外光IR側については通過波長領域(可視光VL)の影響を無視可能な赤外画像(物理情報の一例)を取得できればよく、可視光VL側については反射波長領域成分(赤外光IR)の影響を無視可能な通常画像(物理情報の一例)を取得できればよい。   In the above, “substantially unaffected” means that the human visual sense is ultimately taken into account. Generally, if a clear difference cannot be recognized by human visual sense, It may be “received”. In other words, it is only necessary to obtain an infrared image (an example of physical information) that can ignore the influence of the pass wavelength region (visible light VL) on the infrared light IR side, and a reflected wavelength region component (infrared) on the visible light VL side. It is only necessary to obtain a normal image (an example of physical information) that can ignore the influence of (light IR).

また、色フィルタ14は、可視光VL(波長λ=380〜780nm)の3原色である青色成分B(たとえば波長λ=400〜500nmで透過率が略1、その他で略ゼロ)、緑色成分G(たとえば波長λ=500〜600nmで透過率が略1、その他で略ゼロ)、赤色成分R(たとえば波長λ=600〜700nmで透過率が略1、その他で略ゼロ)を中心とする原色フィルタであってもよい。   The color filter 14 includes a blue component B (for example, a transmittance of about 1 at a wavelength λ = 400 to 500 nm and a transmission rate of about 1 for other wavelengths) that is a primary color of visible light VL (wavelength λ = 380 to 780 nm), and a green component G. (For example, the transmittance is approximately 1 at a wavelength λ = 500 to 600 nm, and approximately zero at others), and the primary color filter centering on a red component R (for example, the transmittance is approximately 1 at a wavelength λ = 600 to 700 nm and approximately zero at others). It may be.

あるいは、黄Ye(たとえば波長λ=400〜500nmで透過率が略ゼロ、その他で略1)、マゼンダMg(たとえば波長λ=500〜600nmで透過率が略ゼロ、その他で略1)、シアンCy(たとえば波長λ=600〜700nmで透過率が略ゼロ、その他で略1)など、可視光の3原色成分に対して略ゼロの透過率を持つ補色系の色フィルタであってもよい。   Alternatively, yellow Ye (for example, transmittance is approximately zero at wavelength λ = 400 to 500 nm, approximately 1 for others), magenta Mg (for example, transmittance is approximately zero at wavelength λ = 500 to 600 nm, approximately 1 for others), cyan Cy It may be a complementary color filter having substantially zero transmittance for the three primary color components of visible light, such as (for example, the wavelength λ = 600 to 700 nm and the transmittance is substantially zero, otherwise approximately 1).

補色系の色フィルタは原色系の色フィルタよりも感度が高いので、可視領域の透過光が3原色の各々の補色である補色系の色フィルタを使用することで撮像装置の感度を高めることができる。逆に、原色系の色フィルタを用いることで、差分処理を行なわなくても原色の色信号を取得でき信号処理が簡易になる利点がある。   Since the complementary color filter is more sensitive than the primary color filter, the sensitivity of the imaging apparatus can be increased by using a complementary color filter in which the transmitted light in the visible region is the complementary color of each of the three primary colors. it can. On the other hand, the use of a primary color filter has an advantage that the color signal of the primary color can be acquired without performing the difference processing, and the signal processing is simplified.

なお、透過率が“略1”であるとは、理想的な状態をいったものであり、その波長領域での透過率がその他の波長領域での透過率よりも遙かに大きいものであればよい。一部に“1”でない透過率”があってもよい。また、透過率が“略ゼロ”であるについても、同様に理想的な状態をいったものであり、その波長領域での透過率がその他の波長領域での透過率よりも遙かに小さいものであればよい。一部に“ゼロ”でない透過率”があってもよい。   Note that the transmittance of “approximately 1” means an ideal state, and the transmittance in the wavelength region is much larger than the transmittance in other wavelength regions. That's fine. Some of them may have “transmittance other than“ 1. ”Also, the transmittance is“ nearly zero ”, which is also an ideal state, and the transmittance in that wavelength region. May be much smaller than the transmittance in other wavelength regions, and some may have “non-zero” transmittance.

また、原色系および補色系の何れも、通過波長領域成分である可視光VL領域の内の所定色(原色もしくは補色)の波長領域成分を通過させるものであればよく、反射波長領域成分である赤外光IR領域を通過させるか否かすなわち赤外光IRに対する透過率は不問である。誘電体積層膜1によって赤外光IR成分をカットするからである。   In addition, both the primary color system and the complementary color system need only pass the wavelength region component of a predetermined color (primary color or complementary color) in the visible light VL region, which is a transmission wavelength region component, and are reflected wavelength region components. It does not matter whether the infrared light IR region is transmitted, that is, the transmittance for the infrared light IR. This is because the infrared light IR component is cut by the dielectric laminated film 1.

たとえば、図3に示すように、4つの画素(セル)でなる単位画素マトリクス12の内、1つの画素12IR上だけに誘電体積層膜1を形成せず、他の赤(R)、緑(G)、青(B)の3つの色別の画素12R,12G,12B上に誘電体積層膜1を形成しつつ、それぞれ対応する赤(R)、緑(G)、青(B)の3原色フィルタ14R,14G,14Bを設ける。   For example, as shown in FIG. 3, the dielectric multilayer film 1 is not formed only on one pixel 12IR in a unit pixel matrix 12 composed of four pixels (cells), and other red (R), green ( While forming the dielectric laminated film 1 on the pixels 12R, 12G, and 12B for the three colors G) and blue (B), the corresponding red (R), green (G), and blue (B) 3 Primary color filters 14R, 14G, and 14B are provided.

また、感度を高くするために、図3に示すように、誘電体積層膜1を形成しなかった画素12IRにおいて、赤外光IRだけでなく可視光VLも同時に信号に寄与するように色フィルタ14Cを入れない。こうすることで、実質的に、赤外光用の画素12IRを、赤外光IR用のみでなく、赤外光IR用と可視光VL用を兼ねる画素として機能させることができる。   Further, in order to increase sensitivity, as shown in FIG. 3, in the pixel 12IR in which the dielectric laminated film 1 is not formed, the color filter so that not only the infrared light IR but also the visible light VL simultaneously contributes to the signal. Do not put 14C. By doing so, the infrared light pixel 12IR can substantially function as a pixel that serves not only for the infrared light IR but also for the infrared light IR and the visible light VL.

とりわけ、4つの画素でなる単位画素マトリクス12を、このように画素12R,12G,12B,12IRに分割することで、撮像素子(分光イメージセンサ11)全体の構成が隙間なく配置できるので、設計が容易になる。   In particular, by dividing the unit pixel matrix 12 composed of four pixels into the pixels 12R, 12G, 12B, and 12IR in this way, the entire configuration of the image sensor (spectral image sensor 11) can be arranged without any gap, so that the design can be improved. It becomes easy.

このようにすることで、3つの画素12R,12G,12Bから得られる赤(R)、緑(G)、青(B)の各色成分に基づいて1つの画像を合成することで、赤外光IRの影響をほぼ全く受けない可視光VLのカラー画像(いわゆる通常のカラー画像)が得られ、同時に画素12IRから得られる赤外光IRと可視光VLを混在させた成分に基づき、赤外光IRに関わる像を撮像することが可能になる。   In this way, by combining one image based on each color component of red (R), green (G), and blue (B) obtained from the three pixels 12R, 12G, and 12B, infrared light can be synthesized. A color image of visible light VL that is almost unaffected by IR (so-called normal color image) is obtained, and at the same time, infrared light based on a component that mixes infrared light IR and visible light VL obtained from the pixel 12IR. It is possible to take images related to IR.

ここで、“赤外光IRに関わる像”とは、可視光VLの影響をほぼ全く受けない赤外光IRのみの像や赤外光IRと可視光VLとを混在させた像を意味する。図3に示す構成で可視光VLの影響をほぼ全く受けない赤外光IRのみの像を得るには、たとえば、画素12IRから得られる赤外光IRと可視光VLを混在させた成分と、3つの画素12R,12G,12Bから得られる赤(R)、緑(G)、青(B)の各色成分との差を取るとよい。後述するような緑色フィルタ14Gや黒色フィルタ14BKを設けなくても、可視光VLおよび赤外光IRを受光する画素12IRの出力から、3つの画素12R,12G,12Bで得られる青、赤、緑の強度を減じることで、赤外光IRの強度を求めることができるからである。   Here, “image related to infrared light IR” means an image of only infrared light IR that is not substantially affected by visible light VL, or an image in which infrared light IR and visible light VL are mixed. . In order to obtain an image of only the infrared light IR that is hardly affected by the visible light VL with the configuration shown in FIG. 3, for example, a component in which the infrared light IR obtained from the pixel 12IR and the visible light VL are mixed, It is preferable to take a difference from each color component of red (R), green (G), and blue (B) obtained from the three pixels 12R, 12G, and 12B. Even without providing a green filter 14G or a black filter 14BK, which will be described later, blue, red, and green obtained from the output of the pixel 12IR that receives visible light VL and infrared light IR by the three pixels 12R, 12G, and 12B. This is because the intensity of the infrared light IR can be obtained by reducing the intensity of.

なお、光通信応用や赤外発光点を追跡することで位置検出するような応用など、可視光VLの影響をほぼ全く受けない赤外光IRだけの像を同時に撮像する応用を考えた場合、画素12IR上に、少なくとも反射波長領域成分である赤外光IRを通過させるとともに、通過波長領域成分である可視光VLの内の所定の波長成分を通過させる色フィルタ14Cを入れてもよい。   In addition, when considering applications such as optical communication applications and applications that detect the position by tracking infrared emission points, such as applications that simultaneously capture infrared IR images that are not substantially affected by visible light VL, On the pixel 12IR, a color filter 14C that transmits at least the infrared light IR that is the reflected wavelength region component and the predetermined wavelength component of the visible light VL that is the transmitted wavelength region component may be inserted.

たとえば、色フィルタ14Cとして、赤外光IRと緑色光Gとを通過させる緑色フィルタ14Gを設けることで、画素12IRからは赤外光IRと緑色の可視光LGの混在の成分が得られるが、画素12Gから得られる可視光VLだけの緑色成分との差分を取ることで、可視光VL(ここでは緑色光G)の影響をほぼ全く受けない赤外光IRのみの像が得られる。緑色フィルタ14Gを設ける必要があるものの、緑色フィルタ14Gを設けずに3つの画素12R,12G,12Bで得られる青、赤、緑の強度を減じる場合よりも処理が簡易になる。   For example, by providing a green filter 14G that transmits infrared light IR and green light G as the color filter 14C, a mixed component of infrared light IR and green visible light LG can be obtained from the pixel 12IR. By taking the difference from the green component of only the visible light VL obtained from the pixel 12G, an image of only the infrared light IR that is hardly affected by the visible light VL (here, the green light G) is obtained. Although it is necessary to provide the green filter 14G, the process becomes simpler than the case of reducing the blue, red, and green intensities obtained by the three pixels 12R, 12G, and 12B without providing the green filter 14G.

または、色フィルタ14Cとして、赤外光IRを通過させ可視光VLのみを吸収するような黒色フィルタ14BKを設けると、可視光VLをこの黒色フィルタ14BKで吸収させることで、画素12IRからは赤外光IRのみの成分が得られ、差分処理を行なわなくても、可視光VLの影響をほぼ全く受けない赤外光IRのみの像が得られることになる。   Alternatively, when the black filter 14BK that passes the infrared light IR and absorbs only the visible light VL is provided as the color filter 14C, the visible light VL is absorbed by the black filter 14BK, so that the infrared light is transmitted from the pixel 12IR. A component of only the light IR is obtained, and an image of only the infrared light IR that is hardly affected by the visible light VL can be obtained without performing the difference processing.

なお、現状一般的に用いられるR,G,Bの各色フィルタは、可視光帯内では、R,G,Bの各々に対して透過率が高くその他の色(たとえばRであればGやB)の透過率が低いが、可視光帯外の透過率に関しては規定外であり、通常、その他の色(たとえばRであればGやB)の透過率よりも高く、たとえば各フィルタともに赤外領域に感度を持ち、赤外領域において光の透過がある。しかしながら、本実施形態では、このような可視光帯外で透過率が高い特性であっても、影響を受けない。   It should be noted that R, G, and B color filters that are generally used at present are highly transmissive with respect to each of R, G, and B in the visible light band, for example, other colors (for example, G and B for R). ) Is low, but the transmittance outside the visible light band is not specified, and is usually higher than the transmittance of other colors (for example, G or B for R). It has sensitivity in the region and has light transmission in the infrared region. However, in this embodiment, even such a characteristic having a high transmittance outside the visible light band is not affected.

<<誘電体積層膜の設計手法;赤外光カットの例>>
<厚みdjの設計手法>
図4〜図6は、誘電体積層膜1を設計する手法の基本概念を説明する図である。ここでは、誘電体積層膜1を、基本的な第1および第2の層材で構成しつつ、赤外光IRを選択的に反射させるような設計例を述べる。
<< Design method of dielectric laminated film; Infrared light cut example >>
<Design method of thickness dj>
4-6 is a figure explaining the basic concept of the method of designing the dielectric laminated film 1. FIG. Here, a design example will be described in which the dielectric laminated film 1 is composed of basic first and second layer materials and selectively reflects infrared light IR.

図4にその構造図を示すように、本実施形態で用いる誘電体積層膜1は、両側(以下、光入射側を第0層、反対側を第k層と称する)の厚い酸化シリコンSiO2(以下SiO2と記す)に挟まれて、第1および第2の層材でなる複数の誘電体層1_jが積層されて構成されている。図示した例では、誘電体層1_jをなす第1および第2の層材として何れも一般的な材料を用いることとし、シリコンナイトライドSi34(以下SiNと記す)を第1の層材、酸化シリコンSiO2を第2の層材とする2種を用いて、これらを交互に積層している。また、誘電体積層膜1の構造は、上下に十分に厚い酸化シリコンSiO2層がある場合(d0=dk=∞)を仮定している。 As shown in the structural diagram of FIG. 4, the dielectric laminated film 1 used in the present embodiment has thick silicon oxide SiO 2 on both sides (hereinafter, the light incident side is referred to as the 0th layer and the opposite side is referred to as the kth layer). A plurality of dielectric layers 1_j made of first and second layer materials are stacked between each other (hereinafter referred to as SiO2). In the illustrated example, a general material is used for both the first and second layer materials forming the dielectric layer 1_j, and silicon nitride Si 3 N 4 (hereinafter referred to as SiN) is used as the first layer material. These are alternately laminated by using two kinds of silicon oxide SiO2 as the second layer material. In addition, the structure of the dielectric laminated film 1 assumes that there are sufficiently thick silicon oxide SiO2 layers above and below (d0 = dk = ∞).

このような誘電体積層膜1は、下記式(1)の条件を満たすことで、反射率を有効に高くすることができる。   Such a dielectric laminated film 1 can effectively increase the reflectance by satisfying the condition of the following formula (1).

Figure 2007329227
Figure 2007329227

ここでdj(jは層番号;以下同様)は、誘電体積層膜1を構成する各誘電体層1_jの厚みであり、njは、その各誘電体層1_jの屈折率であり、λ0は反射波長領域の中心波長(以下反射中心波長という)である。   Here, dj (j is the layer number; hereinafter the same) is the thickness of each dielectric layer 1_j constituting the dielectric multilayer film 1, nj is the refractive index of each dielectric layer 1_j, and λ0 is the reflection The center wavelength in the wavelength region (hereinafter referred to as the reflection center wavelength).

誘電体積層膜1をなす各誘電体層1_jの層数の数え方は、その両側の厚い酸化シリコンSiO2を層数として数えずに、たとえば、第1層目から第k層側に向けて順に、SiN層/SiO2層/SiN層で3層、SiN層/SiO2層/SiN層/SiO2層/SiN層で5層というように数える。図4では、7層構造を示している。   The number of layers of each dielectric layer 1_j constituting the dielectric laminated film 1 is counted, for example, in order from the first layer to the k-th layer side without counting the thick silicon oxide SiO2 on both sides as the number of layers. , SiN layer / SiO 2 layer / SiN layer 3 layers, SiN layer / SiO 2 layer / SiN layer / SiO 2 layer / SiN layer 5 layers. FIG. 4 shows a seven-layer structure.

また、反射波長領域である赤外光IRの反射中心波長λ0=900nmとして、奇数番目の層をなすシリコンナイトライドSiNの屈折率nα=2.03、0番目、偶数番目、およびk番目の層をなす酸化シリコンSiO2の屈折率nβ=1.46としており、屈折率差Δnは、0.57である。   Further, the refractive index nα = 2.03 of the silicon nitride SiN forming the odd-numbered layer, the zeroth-numbered, even-numbered and k-th layers, with the reflection center wavelength λ0 = 900 nm of the infrared light IR being the reflection wavelength region. The refractive index nβ = 1.46 of the silicon oxide SiO2 forming the refractive index difference Δn is 0.57.

また、上記式(1)に従い、シリコンナイトライドSiNの厚みdα(=d1,d3,…;j=奇数)は111nm、酸化シリコンSiO2層の厚みdβ(=d2,d4,…;j=偶数)は154nmとしている。   Further, according to the above formula (1), the silicon nitride SiN thickness dα (= d1, d3,..., J = odd) is 111 nm, and the silicon oxide SiO2 layer thickness dβ (= d2, d4,..., J = even). Is 154 nm.

図5は、一般的な材料を用いた図4の構造について、層数を変えて、有効フレネル係数法で計算した反射率Rの結果(反射スペクトル図)を示し、これにより、反射スペクトルの層数依存特性が分かる。   FIG. 5 shows the result (reflection spectrum diagram) of the reflectance R calculated by the effective Fresnel coefficient method for the structure of FIG. 4 using a general material while changing the number of layers. You can see the number-dependent characteristics.

図5の結果から、層数が増えるに従い、赤外光IRの反射中心波長λ0=900nmを中心に反射率Rが高くなっているのが分かる。さらに、このように波長900nmを反射中心波長λ0に選ぶことで、ほぼ赤外光IRと可視光VLを分けていることが分かる。ここでは、5層以上にすることで、反射率Rが0.5以上、特に、7層以上にすることで、反射率が0.7を超えて望ましいことが分かる。   From the results of FIG. 5, it can be seen that as the number of layers increases, the reflectance R increases with the reflection center wavelength λ0 = 900 nm of the infrared light IR as the center. Furthermore, it can be seen that the infrared light IR and the visible light VL are substantially separated by selecting the wavelength 900 nm as the reflection center wavelength λ0 in this way. Here, it can be seen that the reflectivity R is 0.5 or more by using 5 layers or more, and particularly the reflectivity exceeds 0.7 by using 7 layers or more.

図6は、誘電体層1_jの厚みの変動依存性(ばらつきとの関係)を説明する図である。ここでは、7層の場合を例に、各誘電体層1_jの厚みdjを±10%変えて計算した結果(反射スペクトル図)を示している。   FIG. 6 is a diagram illustrating the variation dependency (relationship with variation) of the thickness of the dielectric layer 1_j. Here, the result (reflection spectrum diagram) calculated by changing the thickness dj of each dielectric layer 1_j by ± 10% is shown by taking the case of seven layers as an example.

条件式(1)は、フレネル係数法による理想的な計算値であるが、実際には式(1)の条件はゆるやかで幅がある。たとえば、±10%の厚みdjの誤差があっても有効に反射率を高くできることがフレネル係数法による計算で分かった。   Conditional expression (1) is an ideal calculated value by the Fresnel coefficient method, but in reality, the condition of expression (1) is gentle and wide. For example, it has been found by calculation using the Fresnel coefficient method that the reflectivity can be effectively increased even if there is an error in the thickness dj of ± 10%.

たとえば、図6に示すように、厚みdjにばらつきの差があっても、有効に反射率Rを高くできることが分かった。たとえば、赤外光IRの反射中心波長λ0=900nmにおいて反射率Rが0.5以上という十分な反射率Rが得られているし、赤外光IR全体(主に780nmより長波長側)においても、反射が強いことが分かる。したがって、実際には、ばらつきも加味すれば、誘電体層1_jの厚みdjは、下記式(2)の範囲であれば、反射率を有効に高くする上で、十分な効果が得られることになる。   For example, as shown in FIG. 6, it has been found that the reflectance R can be effectively increased even if the thickness dj varies. For example, a sufficient reflectance R of 0.5 or more is obtained at the reflection center wavelength λ0 = 900 nm of the infrared light IR, and the entire infrared light IR (mainly longer wavelength side than 780 nm) is obtained. However, it turns out that reflection is strong. Therefore, in practice, if the thickness dj of the dielectric layer 1_j is in the range of the following formula (2), taking into account variations, a sufficient effect can be obtained in effectively increasing the reflectance. Become.

Figure 2007329227
Figure 2007329227

<反射中心波長λ0の設計手法>
図7〜図9は、反射中心波長λ0の条件を説明する図である。厚みdjの数値条件は、スペクトルの赤外反射領域のバンド幅ΔλIRに依存する。反射スペクトルの概念を示した図7(A)のように、赤外反射領域のバンド幅ΔλIRが広い場合には長波長側に中心波長λ0を持っていかないと可視光VLでの反射が顕著になる。また反射スペクトルの概念を示した図7(B)のように、逆に赤外反射領域のバンド幅ΔλIRが狭い場合には、短波長側に中心波長λ0を持っていかないと可視光VLに近い赤外領域での反射が起こらなくなる。
<Design method of reflection center wavelength λ0>
7 to 9 are diagrams for explaining conditions of the reflection center wavelength λ0. The numerical condition of the thickness dj depends on the bandwidth ΔλIR of the infrared reflection region of the spectrum. As shown in FIG. 7A showing the concept of the reflection spectrum, when the bandwidth ΔλIR of the infrared reflection region is wide, reflection with visible light VL is remarkable unless the center wavelength λ0 is provided on the long wavelength side. Become. On the contrary, as shown in FIG. 7B showing the concept of the reflection spectrum, when the bandwidth ΔλIR of the infrared reflection region is narrow, it is close to the visible light VL unless the center wavelength λ0 is provided on the short wavelength side. Reflection in the infrared region does not occur.

ところで図#2−1に示したシリコンSiの吸収スペクトルのグラフから、赤外領域の内、0.78μm≦λ≦0.95μmの範囲の赤外光IRを反射させれば、赤外カット効果として十分になることが分かる。これは、波長0.95μmより長波長側の光は殆どシリコンSi内部で吸収されず、光電変換されないからである。したがって0.78μm≦λ≦0.95μmの範囲の波長の赤外光IRを反射できるように反射中心波長λ0を選べばよいことになる。   By the way, if the infrared light IR in the range of 0.78 μm ≦ λ ≦ 0.95 μm in the infrared region is reflected from the graph of the absorption spectrum of silicon Si shown in FIG. As you can see it will be enough. This is because light having a wavelength longer than the wavelength of 0.95 μm is hardly absorbed inside the silicon Si and is not photoelectrically converted. Therefore, the reflection center wavelength λ0 may be selected so that infrared light IR having a wavelength in the range of 0.78 μm ≦ λ ≦ 0.95 μm can be reflected.

また、可視光VLでも、赤(R)領域の内、640〜780nmの範囲の光は視感度が低いために反射されてもされなくても特に撮像素子の性能に影響はないと考えてよい。したがって640〜780nmの波長領域に反射が生じていても不都合がない。   Further, even in the visible light VL, it may be considered that the light in the range of 640 to 780 nm in the red (R) region does not particularly affect the performance of the image sensor even if it is reflected or not because of low visibility. . Therefore, there is no problem even if reflection occurs in the wavelength region of 640 to 780 nm.

さらに、赤外反射領域のバンド幅ΔλIRは、誘電体積層膜1の屈折率差Δnが大きいときには広くなり、逆に屈折率差Δnが小さいときには狭くなる。したがって、赤外反射領域のバンド幅λIRは、SiN/SiO2多層膜の場合には狭く、Si/SiO2多層膜の場合には広くなる。   Further, the bandwidth ΔλIR of the infrared reflection region becomes wider when the refractive index difference Δn of the dielectric laminated film 1 is large, and conversely becomes narrower when the refractive index difference Δn is small. Therefore, the bandwidth λIR of the infrared reflection region is narrow in the case of the SiN / SiO 2 multilayer film and wide in the case of the Si / SiO 2 multilayer film.

これらのことから、SiN/SiO2多層膜(屈折率差Δn=0.57)の場合には、図8の反射スペクトル図に示す780nmと950nmの反射中心波長λ0の計算から、780nm≦λ0≦950nmの範囲であれば、ほぼ上述の条件を満たすことが分かる。ところで、図8は後述する図13のような積層構造で、λ0=780nmとλ0=950nmになるように、誘電体層1_jの膜厚djだけを変えて計算されたものである。   From these facts, in the case of a SiN / SiO 2 multilayer film (refractive index difference Δn = 0.57), 780 nm ≦ λ0 ≦ 950 nm is calculated from the reflection center wavelengths λ0 of 780 nm and 950 nm shown in the reflection spectrum diagram of FIG. If it is in the range, it can be seen that the above-mentioned conditions are substantially satisfied. Incidentally, FIG. 8 has a laminated structure as shown in FIG. 13 described later, and is calculated by changing only the film thickness dj of the dielectric layer 1_j so that λ0 = 780 nm and λ0 = 950 nm.

また同様に、Si/SiO2多層膜(屈折率差Δn=2.64)の場合、図9の反射スペクトル図に示すように900nm≦λ0≦1100nmの範囲であれば、ほぼ上述の条件を満たす。   Similarly, in the case of a Si / SiO 2 multilayer film (refractive index difference Δn = 2.64), as shown in the reflection spectrum diagram of FIG. 9, the above condition is substantially satisfied if it is in the range of 900 nm ≦ λ0 ≦ 1100 nm.

以上のことから、シリコンナイトライドSiNやシリコンSiと酸化シリコンSiO2の組合せにおいては、反射中心波長λ0としては、下記式(3−1)を満たせばよいことになる。好ましくは、下記式(3−2)を満たすのがよい。これらは、900nm近傍を反射中心波長λ0とするのが理想的であることを意味する。   From the above, in the combination of silicon nitride SiN or silicon Si and silicon oxide SiO2, the following formula (3-1) should be satisfied as the reflection center wavelength λ0. Preferably, the following formula (3-2) is satisfied. These mean that it is ideal that the vicinity of 900 nm be the reflection center wavelength λ0.

Figure 2007329227
Figure 2007329227

もちろん、上記で示した材料は一例に過ぎず、上述のような効果は必ずしも酸化シリコンSiO2とシリコンナイトライドSiN層の組み合わせに限ったことでなく、屈折率差が0.3以上、さらに望ましくは0.5以上あるような材料を選べば同様な効果があることが計算によって見積もられた。   Of course, the materials shown above are only examples, and the effects as described above are not necessarily limited to the combination of silicon oxide SiO2 and silicon nitride SiN layer, and the refractive index difference is 0.3 or more, more preferably It was estimated by calculation that a similar effect can be obtained by selecting a material having 0.5 or more.

たとえばSiN膜は、作製条件によって多少の組成のばらつきがあってもよい。また、誘電体積層膜1を構成する誘電体層1_jとしては、酸化シリコンSiO2やシリコンナイトライドSiNの他に、アルミナAl23やジルコニアZrO2(屈折率2.05)や酸化チタンTiO2(屈折率2.3〜2.55)や酸化マグネシウムMgOや酸化亜鉛ZnO(屈折率2.1)などの酸化物あるいはポリカーボネートPC(屈折率1.58)やアクリル樹脂PMMA(屈折率1.49)などの高分子材料、炭化珪素SiC(屈折率2.65)やゲルマニウムGe(屈折率4〜5.5)などの半導体材料も使用可能である。
高分子材料を用いることで、従来のガラス製にはない特徴を持った光学フィルタを構成することができる。すなわち、プラスチック製にすることができ、軽量で耐久性(高温、高湿、衝撃)に優れる。
For example, the composition of the SiN film may vary slightly depending on the manufacturing conditions. Further, as the dielectric layer 1_j constituting the dielectric laminated film 1, alumina Al 2 O 3 , zirconia ZrO 2 (refractive index 2.05), titanium oxide TiO 2 in addition to silicon oxide SiO 2 and silicon nitride SiN. (Refractive index 2.3 to 2.55), oxides such as magnesium oxide MgO and zinc oxide ZnO (refractive index 2.1), polycarbonate PC (refractive index 1.58), and acrylic resin PMMA (refractive index 1.49). ) And other semiconductor materials such as silicon carbide SiC (refractive index 2.65) and germanium Ge (refractive index 4 to 5.5) can also be used.
By using a polymer material, an optical filter having characteristics not found in conventional glass can be configured. That is, it can be made of plastic and is lightweight and excellent in durability (high temperature, high humidity, impact).

<<誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサ;第1実施形態>>
図10〜図14は、誘電体積層膜1を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ10の第1実施形態を説明する図である。第1実施形態は、誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサの基本的な設計手法を用いて構成されるものである。ここでは、赤外光IRを選択的に反射させるような誘電体積層膜1を利用することで、赤外光IRをカットして可視光VL成分を受光するようにした分光イメージセンサ10の設計例を述べる。
<< Demultiplexing Image Sensor Using Dielectric Multilayer Film; First Embodiment >>
10 to 14 are views for explaining a first embodiment of the spectral image sensor 10 that supports the single wavelength demultiplexing using the dielectric laminated film 1. The first embodiment is configured using a basic design method of a demultiplexing image sensor using a dielectric laminated film. Here, the spectral image sensor 10 is designed to receive the visible light VL component by cutting the infrared light IR by using the dielectric laminated film 1 that selectively reflects the infrared light IR. An example is given.

図4〜図6を用いて説明した誘電体積層膜1をシリコン(Si)フォトディテクタなどの検知素子が形成された屈折率が誘電体積層膜1をなす各誘電体層1_jよりも大きい半導体素子層上に作製するに当たっては、半導体素子層から誘電体積層膜1までの距離、すなわち第k層の誘電体層1_kをなす酸化シリコンSiO2層の厚みdkが重要である。   4 to 6 is a semiconductor element layer in which the refractive index of the sensing element such as a silicon (Si) photodetector formed on the dielectric laminated film 1 is larger than each dielectric layer 1_j forming the dielectric laminated film 1 In manufacturing the above, the distance from the semiconductor element layer to the dielectric laminated film 1, that is, the thickness dk of the silicon oxide SiO2 layer forming the kth dielectric layer 1_k is important.

これは図10の構造図に示すように、たとえばシリコンSi(屈折率4.1)でなる半導体素子層(フォトディテクタなど)の表面であるシリコン基板1_ωの表面からの反射光L4との干渉効果によって、トータルな反射光LRtotalのスペクトルが変化することを意味する。   As shown in the structural diagram of FIG. 10, this is due to an interference effect with the reflected light L4 from the surface of the silicon substrate 1_ω, which is the surface of a semiconductor element layer (photodetector, etc.) made of silicon Si (refractive index 4.1), for example. This means that the spectrum of the total reflected light LRtotal changes.

図11は、トータルな反射光LRtotalの、誘電体層1_kをなす酸化シリコンSiO2層の厚みdkの変動依存性を説明する反射スペクトル図である。ここでは、図4に示した7層構造の誘電体積層膜1について、誘電体層1_kの厚みdkを変えて計算した結果を示している。図11内の各図において、横軸は波長λ(μm)で、縦軸は反射率Rである。   FIG. 11 is a reflection spectrum diagram for explaining the dependence of the total reflected light LRtotal on the variation of the thickness dk of the silicon oxide SiO2 layer forming the dielectric layer 1_k. Here, the calculation result of the dielectric multilayer film 1 having the seven-layer structure shown in FIG. 4 while changing the thickness dk of the dielectric layer 1_k is shown. In each figure in FIG. 11, the horizontal axis is the wavelength λ (μm), and the vertical axis is the reflectance R.

図11内の各図から分かるように、厚みdk=0.154μmのとき、すなわち赤外光IRの反射中心波長λ0に対して、条件式(1)を満たす値のときに、反射スペクトルは殆ど影響を受けず、赤外光IR(波長λ≧780nm)を強く反射していることが分かる。それに対して厚みdk=0.3〜50μmまでのスペクトルには、厚みdk=∞の反射スペクトルに比べて別の振動が生じていることが分かる。それによって赤外での反射がディップ状に低下している波長域が存在するのが分かる。   As can be seen from each diagram in FIG. 11, when the thickness is dk = 0.154 μm, that is, when the reflection center wavelength λ0 of the infrared light IR is a value satisfying the conditional expression (1), the reflection spectrum is almost the same. It can be seen that infrared light IR (wavelength λ ≧ 780 nm) is strongly reflected without being affected. On the other hand, it can be seen that another vibration occurs in the spectrum of thickness dk = 0.3 to 50 μm, compared to the reflection spectrum of thickness dk = ∞. As a result, it can be seen that there is a wavelength region in which the reflection in the infrared is dip-shaped.

ただし、厚みdk=2.5μm以上になると、赤外でのディップの半値幅が30nm以下になり、とりわけ厚みdk=5.0μm以上になるとその半値幅が20nm以下となり、一般的なブロードな自然光に対して十分に半値幅が狭くなるので平均化された反射率となる。さらに、厚みdk=0.3〜1.0μmのスペクトルに関しては、可視光VLでの反射率が高いことも分かる。これらのことから、望ましくは、厚みdk=0.154μm付近、すなわち条件式(1)を満たす値のときが最適であると言える。   However, when the thickness dk = 2.5 μm or more, the half width of the infrared dip becomes 30 nm or less, and particularly when the thickness dk = 5.0 μm or more, the half width becomes 20 nm or less. On the other hand, the half-value width is sufficiently narrowed, so that the averaged reflectance is obtained. Further, it can be seen that the reflectance with visible light VL is high with respect to the spectrum having a thickness dk = 0.3 to 1.0 μm. From these facts, it can be said that the thickness dk = 0.154 μm, that is, the value satisfying the conditional expression (1) is optimal.

図12は、誘電体層1_kをなす酸化シリコンSiO2層の厚みdkの変動依存性を説明する反射スペクトル図であって、特に、厚みdk=0.154μm付近で、厚みdkの値を変えて計算した結果を示すものである。図12内の各図において、横軸は波長λ(μm)で、縦軸は反射率Rである。   FIG. 12 is a reflection spectrum diagram illustrating the variation dependency of the thickness dk of the silicon oxide SiO2 layer forming the dielectric layer 1_k, and is calculated by changing the value of the thickness dk, particularly in the vicinity of the thickness dk = 0.154 μm. The results are shown. In each figure in FIG. 12, the horizontal axis is the wavelength λ (μm), and the vertical axis is the reflectance R.

この結果から分かるように、条件式(1)を満たす厚みdk=0.154μmを中心として、厚みdk=0.14〜0.16μmの範囲であれば、可視光VLでの反射が抑えられることが分かる。   As can be seen from this result, reflection with visible light VL can be suppressed if the thickness dk = 0.154 to 0.16 μm with the thickness dk = 0.154 μm satisfying the conditional expression (1) as the center. I understand.

以上のことから、分光イメージセンサ10の最適構造は、図13の構造図に示すように、実質的には、第k層の誘電体層1_kを含めて8層構造の誘電体積層膜1Aを有するものとなり、その反射スペクトルの計算結果は図14に示す反射スペクトル図のようになる。言い換えると、誘電体積層膜1Aは、シリコン基板1_ω上に、第2の層材である酸化シリコンSiO2でなる層を4周期分設けた構造をなしている。   From the above, the optimum structure of the spectroscopic image sensor 10 is, as shown in the structural diagram of FIG. 13, substantially the dielectric layered film 1A having an eight-layer structure including the kth dielectric layer 1_k. The calculation result of the reflection spectrum is as shown in the reflection spectrum diagram of FIG. In other words, the dielectric laminated film 1A has a structure in which a layer made of silicon oxide SiO2 that is the second layer material is provided for four periods on the silicon substrate 1_ω.

<<誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサ;第2実施形態>>
図15〜図18は、誘電体積層膜1を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ10の第2実施形態を説明する図である。第2実施形態は、第1実施形態の設計手法の変形例(その1)を適用して構成されるものであり、図10〜図14にて説明した手法を基本として、可視光領域内における反射を低減するように変形したものである。
<< Demultiplexing Image Sensor Using Dielectric Multilayer Film; Second Embodiment >>
FIGS. 15 to 18 are diagrams illustrating a second embodiment of the spectral image sensor 10 that supports the single wavelength demultiplexing using the dielectric laminated film 1. The second embodiment is configured by applying a modification (No. 1) of the design method of the first embodiment, and is based on the method described in FIGS. 10 to 14 in the visible light region. It is modified so as to reduce reflection.

変形例(その1)は、第k層目の誘電体層1_kとシリコン基板1_ωとの間に、第k層目の誘電体層1_kの屈折率nkとシリコン基板1_ωの屈折率nω(=4.1)に対して中間的な屈折率をもつ第3の層材を追加した点に特徴を有する。   In the first modification, the refractive index nk of the kth dielectric layer 1_k and the refractive index nω of the silicon substrate 1_ω (= 4) are provided between the kth dielectric layer 1_k and the silicon substrate 1_ω. .1) is characterized in that a third layer material having an intermediate refractive index is added.

またこの変形に対応して、誘電体積層膜1の第1層目から第7層目の定数設計に際して、赤外光IRの反射中心波長λ0を900nmではなくより低い側の852nmに変更しており、シリコンナイトライドSiNの厚みdα(=d1,d3,…;j=奇数)は105nm、酸化シリコンSiO2層の厚みdβ(=d2,d4,…;j=偶数)は146nmとしている。これは、薄いSiN層(30nm)を新たに挿入することで可視光での反射率が減少するとともに同時に可視光と赤外光の境界780nm付近の反射率も低下するので、全体を短波長側にシフトさせてこの低下分を補うため、すなわち境界付近の赤外を効率よくカットするためである。もちろん、赤外光IRの反射中心波長λ0を900nmにしたままとしてもよい。   Corresponding to this deformation, in the constant design of the first to seventh layers of the dielectric laminated film 1, the reflection center wavelength λ0 of the infrared light IR is changed to 852 nm on the lower side instead of 900 nm. The thickness dα (= d1, d3,..., J = odd) of silicon nitride SiN is 105 nm, and the thickness dβ (= d2, d4,..., J = even) of the silicon oxide SiO2 layer is 146 nm. This is because the reflectance of visible light is reduced by newly inserting a thin SiN layer (30 nm), and at the same time, the reflectance near the boundary between visible light and infrared light is reduced to 780 nm. This is to compensate for this decrease by shifting to, that is, to efficiently cut infrared light near the boundary. Of course, the reflection center wavelength λ0 of the infrared light IR may be kept at 900 nm.

具体的には、図15に示す第1の変形例の構造においては、第k層目の酸化シリコンSiO2とシリコン基板1_ωとの間に厚みdγが比較的薄いシリコンナイトライドSiN層1_γを第3の層材として積層した構造をなしている。ここでは、厚みdγ=0.030μmとしている。その反射スペクトルの計算結果は図16に示すようになる。   Specifically, in the structure of the first modified example shown in FIG. 15, a third silicon nitride SiN layer 1_γ having a relatively thin thickness dγ is provided between the silicon oxide SiO2 of the kth layer and the silicon substrate 1_ω. It has a laminated structure as a layer material. Here, the thickness dγ = 0.030 μm. The calculation result of the reflection spectrum is as shown in FIG.

なお、第1の変形例で追加した第3の層材は、第1の層材であるシリコンナイトライドSiNと同じであるが、シリコン基板1_ωよりも大きな屈折率を持つ部材であればよく、その他の部材であってもよい。   The third layer material added in the first modification is the same as the silicon nitride SiN that is the first layer material, but any member having a refractive index larger than that of the silicon substrate 1_ω may be used. Other members may be used.

第1例の変形例の誘電体積層膜1を有する分光イメージセンサ10は、実質的には、7層の誘電体積層膜1と、第k層の誘電体層1_k(酸化シリコンSiO2層)とシリコンナイトライドSiN層1_γの2層分を含めて、全体として9層構造の誘電体積層膜1Bを有するものとなる。   The spectroscopic image sensor 10 having the dielectric multilayer film 1 of the modification of the first example is substantially composed of a seven-layer dielectric multilayer film 1, a k-th dielectric layer 1_k (silicon oxide SiO2 layer), and Including the two layers of the silicon nitride SiN layer 1_γ, the dielectric multilayer film 1B having a nine-layer structure as a whole is provided.

また、図17に示す第2の変形例の構造においては、第1の変形例で追加した第3の層材とシリコン基板1_ωとの間に、第3の層材よりも小さな屈折率をもつ第4の層材を積層した構造をなしている。具体的には、第3の層材である厚みdγのシリコンナイトライドSiN層1_γとシリコン基板1_ωとの間に、第4の層材として、酸化シリコンSiO2層1_δを用いて、その厚みdδ=0.010μmとしている。その反射スペクトルの計算結果は図18に示すようになる。   In the structure of the second modification example shown in FIG. 17, the third layer material added in the first modification example and the silicon substrate 1_ω have a refractive index smaller than that of the third layer material. The fourth layer material is laminated. Specifically, a silicon oxide SiO2 layer 1_δ is used as a fourth layer material between a silicon nitride SiN layer 1_γ having a thickness dγ and a silicon substrate 1_ω, and the thickness dδ = It is 0.010 μm. The calculation result of the reflection spectrum is as shown in FIG.

なお、第2の変形例で追加した第4の層材は、第2の層材である酸化シリコンSiO2と同じであるが、第3の層材(本例ではシリコンナイトライドSiN)よりも小さな屈折率を持つ部材であればよく、その他の部材であってもよい。   The fourth layer material added in the second modification is the same as the second layer material, silicon oxide SiO2, but is smaller than the third layer material (silicon nitride SiN in this example). Any member having a refractive index may be used, and other members may be used.

第2例の変形例の誘電体積層膜1を有する分光イメージセンサ10は、実質的には、7層の誘電体積層膜1に、第k層の誘電体層1_k(酸化シリコンSiO2層)とシリコンナイトライドSiN層1_γと酸化シリコンSiO2層1_δの3層分を含めて、全体として10層構造の誘電体積層膜1Cを有するものとなる。言い換えると、誘電体積層膜1Cは、シリコン基板1_ω上に、第2の層材である酸化シリコンSiO2でなる層を5周期分設けた構造をなしている。   The spectral image sensor 10 having the dielectric multilayer film 1 of the modification of the second example substantially includes a seven-layer dielectric multilayer film 1 and a k-th dielectric layer 1_k (silicon oxide SiO2 layer). A dielectric laminated film 1C having a 10-layer structure as a whole is provided, including three layers of the silicon nitride SiN layer 1_γ and the silicon oxide SiO2 layer 1_δ. In other words, the dielectric multilayer film 1C has a structure in which five layers of silicon oxide SiO2 that is the second layer material are provided on the silicon substrate 1_ω.

第1例と第2例とでは、酸化シリコンSiO2層1_δの有無の違いがあるが、図16および図18から分かるように、何れも、可視光VLでの反射率が十分に低下する。また、第2例のように、酸化シリコンSiO2層1_δを追加することで、暗電流を低減できる効果が得られる。なお、酸化シリコンSiO2層1_δを追加することで、シリコンナイトライドSiN層1_γを追加することによる効果が低減することのないように、両者の厚みの関係はdδ<<dγとするのがよい。   In the first example and the second example, there is a difference in the presence or absence of the silicon oxide SiO 2 layer 1_δ, but as can be seen from FIGS. 16 and 18, the reflectance with visible light VL is sufficiently lowered. Moreover, the effect which can reduce a dark current is acquired by adding silicon oxide SiO2 layer 1_delta like a 2nd example. It should be noted that the relationship between the thicknesses of both layers is preferably dδ << dγ so that the effect of adding the silicon nitride SiN layer 1_γ is not reduced by adding the silicon oxide SiO 2 layer 1_δ.

このように、第k層目の酸化シリコンSiO2とシリコン基板1_ωとの間に、屈折率nk(=nSiO2)と屈折率nω(=nSi)に対して中間的な屈折率nγ(=nSiN)をもつ部材として薄いシリコンナイトライドSiN層1_γを中間層として追加することで、可視光VLでの反射を抑えることが可能となる。これは、以下のように考えると理解される。   In this way, an intermediate refractive index nγ (= nSiN) between the refractive index nk (= nSiO2) and the refractive index nω (= nSi) between the silicon oxide SiO2 of the kth layer and the silicon substrate 1_ω. By adding a thin silicon nitride SiN layer 1_γ as an intermediate layer as an intermediate member, reflection by visible light VL can be suppressed. This is understood when considered as follows.

まず、可視光VLの波長をλVL,その層の中間的な屈折率をNmでその層の厚みをdmとすると、条件式(1)と同様の低反射膜の理論から、条件式(4)が得られ、条件式(4)を満たすときに、十分な効果を示すことになる。   First, when the wavelength of visible light VL is λVL, the intermediate refractive index of the layer is Nm, and the thickness of the layer is dm, the conditional expression (4) is obtained from the theory of the low reflection film similar to the conditional expression (1). When the conditional expression (4) is satisfied, a sufficient effect is exhibited.

Figure 2007329227
Figure 2007329227

ここで、波長λVLは可視光VL全体を指すので、その波長域は式(5)で与えられる。   Here, since the wavelength λVL indicates the entire visible light VL, the wavelength range is given by Expression (5).

Figure 2007329227
Figure 2007329227

第1例および第2例の各変形例では、中間層としてシリコンナイトライドSiN層1_γを追加しており、屈折率nγ(=nSiN=Nm)であるから、波長域を示した式(5)は、中間層の厚みdmすなわちシリコンナイトライドSiN層1_γの厚みdγを示した式(6)のように変形できる。   In each modification of the first example and the second example, the silicon nitride SiN layer 1_γ is added as an intermediate layer and the refractive index is nγ (= nSiN = Nm). Can be transformed as shown in the equation (6) showing the thickness dm of the intermediate layer, that is, the thickness dγ of the silicon nitride SiN layer 1 — γ.

Figure 2007329227
Figure 2007329227

中間層の厚みdmは、式(6)を満足することが理想的ではあるが、それよりも少し外れていてもよく、実験によれば、特に薄い方に対しては余裕があり、図16および図18から分かるように、一例としては、dm=30nmの場合でも効果があることを確認することができた。もちろん、第k層目の酸化シリコンSiO2とシリコン基板1_ωとの間に中間層(第3の層材)を追加するということであるから、薄い方は0nmよりも大きい(0nmを含まない)ことはいうまでもない。つまり、第k層目の酸化シリコンSiO2とシリコン基板1_ωとの間に中間層を追加するに際しては、その中間層の厚みdm,dγは、式(7)を満足すればよいことになる。   Although it is ideal that the thickness dm of the intermediate layer satisfies the expression (6), it may be slightly deviated from that, and according to an experiment, there is a margin especially for the thinner one. As can be seen from FIG. 18, as an example, it was confirmed that there was an effect even when dm = 30 nm. Of course, since an intermediate layer (third layer material) is added between the silicon oxide SiO2 of the kth layer and the silicon substrate 1_ω, the thinner one is larger than 0 nm (not including 0 nm). Needless to say. That is, when an intermediate layer is added between the kth silicon oxide SiO2 and the silicon substrate 1_ω, the thicknesses dm and dγ of the intermediate layer only need to satisfy Expression (7).

Figure 2007329227
Figure 2007329227

<<誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサ;第3実施形態>>
図19〜図24は、誘電体積層膜1を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ10の第3実施形態を説明する図である。ここで、図19〜図22は、第3実施形態の分光イメージセンサ10を構成する誘電体積層膜1を説明する図であり、図23〜図24は、第3実施形態の誘電体積層膜1を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ10を説明する図である。
<< Demultiplexing Image Sensor Using Dielectric Multilayer Film; Third Embodiment >>
FIGS. 19 to 24 are views for explaining a third embodiment of the spectral image sensor 10 that supports the single wavelength demultiplexing using the dielectric laminated film 1. Here, FIGS. 19 to 22 are diagrams for explaining the dielectric laminated film 1 constituting the spectral image sensor 10 of the third embodiment, and FIGS. 23 to 24 are dielectric laminated films of the third embodiment. 1 is a diagram for explaining a spectral image sensor 10 that supports single wavelength demultiplexing using 1. FIG.

第3実施形態は、第1実施形態の設計手法の変形例(その2)を適用して構成されるものであり、誘電体積層膜1をなす誘電体層1_jの層数を低減する点に特徴を有する。この層数低減に当たっては、誘電体積層膜1内において、この誘電体積層膜1を構成する基本的な第1および第2の層材よりも大きな屈折率をもつ部材(層材)を追加した点に特徴を有する。   The third embodiment is configured by applying a modification (No. 2) of the design method of the first embodiment, in that the number of dielectric layers 1_j forming the dielectric multilayer film 1 is reduced. Has characteristics. In reducing the number of layers, a member (layer material) having a refractive index larger than that of the basic first and second layer materials constituting the dielectric multilayer film 1 is added in the dielectric multilayer film 1. Characterized by points.

この大きな屈折率をもつ部材を追加するに当たっては、基本的な2つの層材の内の屈折率の大きい方を、さらに大きな屈折率をもつ第5の層材に代えるようにすればよい。この変形例(その2)の誘電体積層膜1は、実質的には、第5の層材1_ηを含めた構造の誘電体積層膜1Dとなる。言い換えると、誘電体積層膜1Dは、シリコン基板1_ω上に、第2の層材である酸化シリコンSiO2でなる層をN周期分設けた構造をなしている。   In adding this member having a large refractive index, the larger one of the basic two layer materials may be replaced with the fifth layer material having a larger refractive index. The dielectric laminated film 1 of this modified example (No. 2) is substantially a dielectric laminated film 1D having a structure including the fifth layer material 1_η. In other words, the dielectric multilayer film 1D has a structure in which a layer made of silicon oxide SiO2 that is the second layer material is provided for N periods on the silicon substrate 1_ω.

第5の層材の厚みdηに関しても、その屈折率をnηとしたとき、条件式(1)と同様の低反射膜の理論から、条件式(8)が得られ、条件式(8)を満たすときに、十分な効果を示すことになる。   Regarding the thickness dη of the fifth layer material, when the refractive index is nη, the conditional expression (8) is obtained from the theory of the low reflection film similar to the conditional expression (1), and the conditional expression (8) When satisfied, it will show a sufficient effect.

Figure 2007329227
Figure 2007329227

たとえば、図19の構造図に示す例では、シリコンナイトライドSiNおよび酸化シリコンSiO2よりも高い屈折率=4.1を持つ厚みdη=61nmのシリコンSi層を第5の層材として、シリコンナイトライドSiNに代えて1層だけ(中間の第3層目の誘電体層1_3に代えて)追加している。その反射スペクトルの計算結果は図20に示す反射スペクトル図のようになる。   For example, in the example shown in the structural diagram of FIG. 19, a silicon nitride layer having a refractive index = 4.1 higher than silicon nitride SiN and silicon oxide SiO 2 and having a thickness dη = 61 nm is used as the fifth layer material. Instead of SiN, only one layer is added (in place of the intermediate third dielectric layer 1_3). The calculation result of the reflection spectrum is as shown in the reflection spectrum diagram shown in FIG.

ここで、図22では、総層数が奇数の誘電体積層膜1の丁度真ん中の層をなすシリコンナイトライドSiNをシリコンSiに変更する場合において、その総層数を変えて計算した結果を示している。   Here, FIG. 22 shows the calculation result when the total number of layers is changed when the silicon nitride SiN forming the middle layer of the dielectric multilayer film 1 having an odd total number of layers is changed to silicon Si. ing.

なお、図19では、誘電体積層膜1の各層の定数設計に際して、赤外光IRの反射中心波長λ0を900nmではなく1000nmに変更しており、シリコンナイトライドSiNの厚みdα(=d1,d3,…;j=奇数)は123nm、酸化シリコンSiO2層の厚みdβ(=d2,d4,…;j=偶数)は171nmとしている。   In FIG. 19, in the constant design of each layer of the dielectric laminated film 1, the reflection center wavelength λ0 of the infrared light IR is changed to 1000 nm instead of 900 nm, and the thickness dα (= d1, d3) of the silicon nitride SiN is changed. ,...; J = odd) is 123 nm, and the thickness dβ (= d2, d4,...; J = even) of the silicon oxide SiO 2 layer is 171 nm.

また、図21の構造図に示す例では、誘電体積層膜1の各層の定数設計に際して、赤外光IRの反射中心波長λ0を900nmにしており、シリコンナイトライドSiNの厚みdα(=d1,d3,…;j=奇数)は111nm、酸化シリコンSiO2層の厚みdβ(=d2,d4,…;j=偶数)は154nmとし、厚みdη=55nmのシリコンSi層を第5の層材として、シリコンナイトライドSiNに代えて1層だけ追加している。その反射スペクトルの計算結果は図22に示す反射スペクトル図のようになる。   Further, in the example shown in the structural diagram of FIG. 21, in the constant design of each layer of the dielectric laminated film 1, the reflection center wavelength λ0 of the infrared light IR is set to 900 nm, and the thickness dα of silicon nitride SiN (= d1, .., j = odd) is 111 nm, the thickness dβ (= d2, d4,...; j = even) of the silicon oxide SiO 2 layer is 154 nm, and a silicon Si layer having a thickness dη = 55 nm is used as the fifth layer material. Instead of silicon nitride SiN, only one layer is added. The calculation result of the reflection spectrum is as shown in the reflection spectrum diagram shown in FIG.

第2の変形例で追加した第5の層材は、半導体素子層をなすシリコン基板1_ωと同じであるが、誘電体積層膜1をなす第5の層材以外の誘電体層1_jよりも大きな屈折率を持つ部材であればよく、その他の部材であってもよい。   The fifth layer material added in the second modification is the same as the silicon substrate 1_ω that forms the semiconductor element layer, but is larger than the dielectric layer 1_j other than the fifth layer material that forms the dielectric multilayer film 1. Any member having a refractive index may be used, and other members may be used.

図20および図#A4−8に示に示す反射スペクトルの計算結果から分かるように、誘電体積層膜1をなす第5の層材以外の誘電体層1_jよりも大きな屈折率を持つ層材を追加することで、少ない層数で十分な反射率が得られるようになる。特に5層の場合、可視光VLでのバンド幅が十分に広く、可視光VLと赤外光IRを分けるには最適であることが分かる。   As can be seen from the calculation results of the reflection spectra shown in FIG. 20 and FIG. # A4-8, a layer material having a refractive index larger than that of the dielectric layer 1_j other than the fifth layer material forming the dielectric multilayer film 1 is used. By adding, sufficient reflectance can be obtained with a small number of layers. In particular, in the case of five layers, it can be seen that the bandwidth in the visible light VL is sufficiently wide and is optimal for separating the visible light VL and the infrared light IR.

第1実施形態における図10〜図12を用いて説明したことと同様に、誘電体積層膜1Dを半導体素子層(シリコン基板1_ω)上に作製するに当たっては、半導体素子層から誘電体積層膜1Dまでの距離、すなわち第k層の誘電体層1_kをなす酸化シリコンSiO2層の厚みdkが重要である。   As described with reference to FIGS. 10 to 12 in the first embodiment, when the dielectric multilayer film 1D is formed on the semiconductor element layer (silicon substrate 1_ω), the dielectric multilayer film 1D is formed from the semiconductor element layer. Distance, that is, the thickness dk of the silicon oxide SiO2 layer forming the kth dielectric layer 1_k is important.

これは図23の構造図に示すように、たとえばシリコンSi(屈折率4.1)でなる半導体素子層(フォトディテクタなど)の表面であるシリコン基板1_ωの表面からの反射光LRとの干渉効果によって、トータルな反射光LRtotalのスペクトルが変化することを意味する。   As shown in the structural diagram of FIG. 23, this is due to an interference effect with the reflected light LR from the surface of the silicon substrate 1_ω, which is the surface of a semiconductor element layer (such as a photodetector) made of silicon Si (refractive index 4.1), for example. This means that the spectrum of the total reflected light LRtotal changes.

図24は、図21に示した5層構造の誘電体積層膜1Dについて、トータルな反射光LRtotalの、誘電体層1_kをなす酸化シリコンSiO2層の厚みdkの変動依存性を説明する反射スペクトル図である。図24内の各図において、横軸は波長λ(μm)で、縦軸は反射率Rである。   FIG. 24 is a reflection spectrum diagram for explaining the dependence of the total reflected light LRtotal on the thickness dk of the silicon oxide SiO2 layer forming the dielectric layer 1_k in the five-layered dielectric laminated film 1D shown in FIG. It is. In each figure in FIG. 24, the horizontal axis is the wavelength λ (μm), and the vertical axis is the reflectance R.

図24内の各図から分かるように、厚みdk=0.15μmのとき、すなわち赤外光IRの反射中心波長λ0に対して、条件式(1)を満たす値dk=0.154μm近傍のときに、反射スペクトルは殆ど影響を受けず、赤外光IR(波長λ≧780nm)を強く反射していることが分かる。それに対して厚みdk=0.3〜50μmまでのスペクトルには、厚みdk=∞の反射スペクトルに比べて別の振動が生じていることが分かる。それによって赤外での反射がディップ状に低下している波長域が存在するのが分かる。このことは、第1実施形態における図11および図12を用いて説明したことと同様である。   As can be seen from each figure in FIG. 24, when the thickness dk = 0.15 μm, that is, when the reflection center wavelength λ0 of the infrared light IR satisfies the value dk = 0.154 μm that satisfies the conditional expression (1). Further, it can be seen that the reflection spectrum is hardly affected, and the infrared light IR (wavelength λ ≧ 780 nm) is strongly reflected. On the other hand, it can be seen that another vibration occurs in the spectrum of thickness dk = 0.3 to 50 μm, compared to the reflection spectrum of thickness dk = ∞. As a result, it can be seen that there is a wavelength region in which the reflection in the infrared is dip-shaped. This is the same as described with reference to FIGS. 11 and 12 in the first embodiment.

<<誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサ;第4実施形態>>
図25および図26は、誘電体積層膜1を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ10の第4実施形態を説明する図である。
<< Demultiplexing Image Sensor Using Dielectric Multilayer Film; Fourth Embodiment >>
FIGS. 25 and 26 are diagrams illustrating a fourth embodiment of the spectral image sensor 10 compatible with single wavelength demultiplexing using the dielectric laminated film 1.

第4実施形態は、誘電体積層膜1をなす誘電体層1_jの層数を低減するようにした第3実施形態に対する変形例であって、層数をさらに低減するようにした点に特徴を有する。具体的には、層数低減に当たって、誘電体積層膜1内において、この誘電体積層膜1を構成する基本的な第1および第2の層材よりも大きな屈折率をもつ複数の部材(層材)を追加した点に特徴を有する。この大きな屈折率をもつ複数の部材を追加するに当たっては、基本的な2つの層材の内の屈折率の大きい方を、さらに大きな屈折率をもつ第5の層材に代えるようにすればよい。この変形例の誘電体積層膜1は、実質的には、複数の第5の層材1_ηを含めた構造の誘電体積層膜1Eとなる。   The fourth embodiment is a modification of the third embodiment in which the number of dielectric layers 1_j forming the dielectric multilayer film 1 is reduced, and is characterized in that the number of layers is further reduced. Have. Specifically, in reducing the number of layers, a plurality of members (layers) having a refractive index larger than the basic first and second layer materials constituting the dielectric multilayer film 1 in the dielectric multilayer film 1. It is characterized by the addition of material. In adding a plurality of members having a large refractive index, the larger one of the basic two layer materials may be replaced with a fifth layer material having a larger refractive index. . The dielectric multilayer film 1 of this modification is substantially a dielectric multilayer film 1E having a structure including a plurality of fifth layer materials 1_η.

複数の第5の層材1_ηに関しては、第3実施形態と同様に、ベースとする誘電体積層膜1をなす第5の層材以外の誘電体層1_jよりも大きな屈折率を持つ部材であればよい。また複数の何れもが同じ部材であってもよいし、それぞれ異なる部材であってもよい。   The plurality of fifth layer materials 1_η may be members having a refractive index larger than that of the dielectric layer 1_j other than the fifth layer material forming the base dielectric multilayer film 1 as in the third embodiment. That's fine. Further, all of the plurality of members may be the same member or different members.

複数の第5の層材の厚みdηpに関しても、その屈折率をnηpとしたとき、条件式(1)と同様の低反射膜の理論から、条件式(9)が得られ、条件式(9)を満たすときに、十分な効果を示すことになる。   Regarding the thickness dηp of the plurality of fifth layer materials, when the refractive index is nηp, the conditional expression (9) is obtained from the theory of the low reflection film similar to the conditional expression (1), and the conditional expression (9 ) Will be fully effective.

Figure 2007329227
Figure 2007329227

たとえば、図25の構造図に示す例では、3層構造の誘電体積層膜1Eを構成するようにし、シリコンナイトライドSiNおよび酸化シリコンSiO2よりも高い屈折率=4.1を持つ厚みdη=61nmのシリコンSi層を第5の層材として、シリコンナイトライドSiNに代えて2層設けている。その反射スペクトルの計算結果は図26に示す反射スペクトル図のようになる。言い換えると、誘電体積層膜1Eは、シリコン基板1_ω上に、第2の層材である酸化シリコンSiO2でなる層を2周期分設けた構造をなしている。   For example, in the example shown in the structural diagram of FIG. 25, a dielectric laminated film 1E having a three-layer structure is formed, and a thickness dη = 61 nm having a refractive index = 4.1 higher than that of silicon nitride SiN and silicon oxide SiO2. Two layers of silicon Si layers are provided as a fifth layer material in place of silicon nitride SiN. The calculation result of the reflection spectrum is as shown in the reflection spectrum diagram shown in FIG. In other words, the dielectric laminated film 1E has a structure in which a layer made of silicon oxide SiO2 that is the second layer material is provided for two periods on the silicon substrate 1_ω.

なお、誘電体積層膜1の各層の定数設計に際して、赤外光IRの反射中心波長λ0を1000nmにしており、第5の層材でなるシリコンSi層の厚みdη(=d1,d3)は61nm、酸化シリコンSiO2層の厚みdβ(=d2)およびdkは171nmとしている。   In the constant design of each layer of the dielectric laminated film 1, the reflection center wavelength λ0 of the infrared light IR is set to 1000 nm, and the thickness dη (= d1, d3) of the silicon Si layer as the fifth layer material is 61 nm. The thicknesses dβ (= d2) and dk of the silicon oxide SiO 2 layer are 171 nm.

<<誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサ;第5実施形態>>
図27および図28は、誘電体積層膜1を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ10の第5実施形態を説明する図である。
<< Demultiplexing Image Sensor Using Dielectric Multilayer Film; Fifth Embodiment >>
FIGS. 27 and 28 are diagrams for explaining a fifth embodiment of the spectral image sensor 10 compatible with single wavelength demultiplexing using the dielectric laminated film 1.

第5実施形態は、第3あるいは第4実施形態の分光イメージセンサ10に対して、第2実施形態と同様に、可視光領域内における反射を低減するように変形したものである。   In the fifth embodiment, the spectral image sensor 10 of the third or fourth embodiment is modified so as to reduce reflection in the visible light region as in the second embodiment.

図27の構造図に示す例では、図25に示した第4実施形態の誘電体積層膜1Eに対して、第k層目の誘電体層1_kとシリコン基板1_ωとの間に、第k層目の誘電体層1_kの屈折率nkとシリコン基板1_ωの屈折率nω(=4.1)に対して中間的な屈折率をもつ第3の層材を追加している。なお、第2実施形態とは異なり、赤外光IRの反射中心波長λ0を1000nmにしたままとしている。もちろん、第2実施形態と同様に、赤外光IRの反射中心波長λ0を1000nmではなくより低い側に変更してもよい。   In the example shown in the structural diagram of FIG. 27, with respect to the dielectric multilayer film 1E of the fourth embodiment shown in FIG. 25, the k-th layer is provided between the k-th dielectric layer 1_k and the silicon substrate 1_ω. A third layer material having an intermediate refractive index is added to the refractive index nk of the dielectric layer 1_k of the eye and the refractive index nω (= 4.1) of the silicon substrate 1_ω. Unlike the second embodiment, the reflection center wavelength λ0 of the infrared light IR is kept at 1000 nm. Of course, as in the second embodiment, the reflection center wavelength λ0 of the infrared light IR may be changed to a lower side instead of 1000 nm.

具体的には、図27に示す構造においては、第2実施形態における第1の変形例と同様に、第k層目の酸化シリコンSiO2とシリコン基板1_ωとの間に厚みdγが比較的薄いシリコンナイトライドSiN層1_γを第3の層材として積層した構造をなしている。ここでは、厚みdγ=0.030μmとしている。その反射スペクトルの計算結果は図28に示す反射スペクトル図のようになる。この変形例の誘電体積層膜1を有する分光イメージセンサ10は、実質的には、3層の誘電体積層膜1に、第k層の誘電体層1_k(酸化シリコンSiO2層)とシリコンナイトライドSiN層1_γの2層を含めて、全体として5層構造の誘電体積層膜1Fを有するものとなる。   Specifically, in the structure shown in FIG. 27, as in the first modification of the second embodiment, silicon having a relatively thin thickness dγ between the silicon oxide SiO2 in the k-th layer and the silicon substrate 1_ω. The nitride SiN layer 1_γ is stacked as a third layer material. Here, the thickness dγ = 0.030 μm. The calculation result of the reflection spectrum is as shown in the reflection spectrum diagram shown in FIG. The spectral image sensor 10 having the dielectric multilayer film 1 of this modification is substantially composed of a dielectric multilayer film 1 of three layers, a dielectric layer 1_k (silicon oxide SiO2 layer) of the kth layer, and silicon nitride. As a whole, including the two layers of the SiN layer 1_γ, the dielectric laminated film 1F having a five-layer structure is provided.

なお、この変形例で追加した第3の層材は、第1の層材であるシリコンナイトライドSiNと同じであるが、シリコン基板1_ωよりも大きな屈折率を持つ部材であればよく、その他の部材であってもよい。   The third layer material added in this modification is the same as the silicon nitride SiN that is the first layer material, but any member having a higher refractive index than the silicon substrate 1_ω may be used. It may be a member.

図示を割愛するが、第2実施形態における第2の変形例と同様に、この変形例で追加した第3の層材とシリコン基板1_ωとの間に、第3の層材よりも小さな屈折率をもつ第4の層材を積層した構造とすることもできる。   Although not shown, like the second modification example in the second embodiment, a refractive index smaller than that of the third layer material is provided between the third layer material added in this modification example and the silicon substrate 1_ω. It is also possible to have a structure in which a fourth layer material having a thickness is laminated.

何れも、第2実施形態と同様に、可視光VL領域での反射率を低下させることができ、特に青色B成分(波長420nm近傍)や緑色G成分(波長520nm近傍)での反射率は若干増加するものの、赤色R成分(波長600nm近傍)での反射率を十分に低下させることができ、赤外光IRとの分離に適するようになる。   In any case, as in the second embodiment, the reflectance in the visible light VL region can be reduced, and in particular, the reflectance in the blue B component (wavelength near 420 nm) and the green G component (wavelength near 520 nm) is slightly higher. Although increasing, the reflectance in the red R component (wavelength near 600 nm) can be sufficiently lowered, and is suitable for separation from infrared light IR.

<分光イメージセンサを適用した撮像装置;CCD対応>
図29および図30は、上記実施形態で説明した分光イメージセンサ10,11を、インターライン転送方式のCCD固体撮像素子(IT_CCDイメージセンサ)を用いた撮像装置に適用した場合の回路図である。この撮像装置100は、本発明に係る物理情報取得装置の一例である。
<Imaging device with spectral image sensor; CCD compatible>
29 and 30 are circuit diagrams in the case where the spectral image sensors 10 and 11 described in the above embodiment are applied to an imaging apparatus using an interline transfer type CCD solid-state imaging device (IT_CCD image sensor). The imaging apparatus 100 is an example of a physical information acquisition apparatus according to the present invention.

ここで、図29は図3と同様に、可視光VL帯内をR,G,Bの各色成分に分けつつ赤外光IRを検知するようにした構造を示し、可視光VLの内の青色光B、緑色光G、および赤色光Rと、赤外光IRとを、それぞれ独立に検知する構造であり、実質的には1つの単位画素マトリクス12内において波長別に画素(光電変換素子)12B,12G,12Rを形成しつつ、誘電体積層膜1を有していない画素12IRを有した構造である。   Here, FIG. 29 shows a structure in which the infrared light IR is detected while dividing the visible light VL band into R, G, and B color components as in FIG. The light B, the green light G, the red light R, and the infrared light IR are each independently detected, and the pixels (photoelectric conversion elements) 12B for each wavelength in one unit pixel matrix 12 substantially. , 12G, 12R, and the pixel 12IR that does not have the dielectric laminated film 1.

たとえば、図29(A)に示すように、CCD固体撮像素子101は、単位画素マトリクス12の他に、垂直転送方向に、垂直転送CCD122が複数本並べられて設けられている。垂直転送CCD122の電荷転送方向すなわち画素信号の読出方向が縦方向(図中のX方向)である。   For example, as shown in FIG. 29A, the CCD solid-state imaging device 101 is provided with a plurality of vertical transfer CCDs 122 arranged in the vertical transfer direction in addition to the unit pixel matrix 12. The charge transfer direction of the vertical transfer CCD 122, that is, the readout direction of the pixel signal is the vertical direction (X direction in the figure).

さらに、垂直転送CCD122と各単位画素マトリクス12との間には読出ゲート124(波長別には124B,124G,124R,124IR)をなすMOSトランジスタが介在し、また各ユニットセル(単位構成要素)の境界部分には図示しないチャネルストップが設けられる。   Further, between the vertical transfer CCD 122 and each unit pixel matrix 12, a MOS transistor forming a readout gate 124 (124B, 124G, 124R, 124IR for each wavelength) is interposed, and the boundary of each unit cell (unit component). The part is provided with a channel stop (not shown).

なお、図29から分かるように、1つの単位画素マトリクス12が、青色光B、緑色光G、赤色光B、および赤外光IRを独立に検知する構造であり、実質的には1つの単位画素マトリクス12内において波長(色)別に画素12B,12G,12R,12IRを形成した構造である。これら単位画素マトリクス12を有して構成されるセンサ部112の垂直列ごとに設けられ、各センサ部から読出ゲート124によって読み出された信号電荷を垂直転送する複数本の垂直転送CCD122によって撮像エリア110が構成される。   As can be seen from FIG. 29, one unit pixel matrix 12 has a structure in which the blue light B, the green light G, the red light B, and the infrared light IR are independently detected. In the pixel matrix 12, pixels 12B, 12G, 12R, and 12IR are formed for each wavelength (color). An imaging area is provided by a plurality of vertical transfer CCDs 122 that are provided for each vertical column of the sensor units 112 configured to include these unit pixel matrices 12 and vertically transfer the signal charges read from the sensor units by the read gate 124. 110 is configured.

ここで、色フィルタ14の配列としては、たとえば、シリコン基板1_ωの受光面側における、垂直転送CCD122の縦方向(X方向)に青、緑、赤、IR、青、緑、赤、IR、…の順となり、また、複数の垂直転送CCD122の同一行方向(Y方向)にも、青、緑、赤、IR、青、緑、赤、IR、…の順となるようにする。   Here, as the arrangement of the color filters 14, for example, blue, green, red, IR, blue, green, red, IR,... In the vertical direction (X direction) of the vertical transfer CCD 122 on the light receiving surface side of the silicon substrate 1_ω. In the same row direction (Y direction) of the plurality of vertical transfer CCDs 122, the order is blue, green, red, IR, blue, green, red, IR,.

センサ部112の単位画素マトリクス12(各画素12B,12G,12R,12IR)に蓄積された信号電荷は、読出ゲート124に読出パルスROGに対応するドライブパルスφROGが印加されることで、同一垂直列の垂直転送CCD122に読み出される。垂直転送CCD122は、たとえば3相〜8相などの垂直転送クロックVxに基づくドライブパルスφVxよって転送駆動され、読み出された信号電荷を水平ブランキング期間の一部にて1走査線(1ライン)に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送する。この1ラインずつの垂直転送を、特にラインシフトという。   The signal charges accumulated in the unit pixel matrix 12 (each pixel 12B, 12G, 12R, 12IR) of the sensor unit 112 are applied to the readout gate 124 by applying a drive pulse φROG corresponding to the readout pulse ROG to the same vertical column. To the vertical transfer CCD 122. The vertical transfer CCD 122 is driven to transfer by a drive pulse φVx based on a vertical transfer clock Vx such as 3 phase to 8 phase, for example, and the read signal charge is one scanning line (one line) in a part of the horizontal blanking period. Are transferred in the vertical direction one by one in order. This vertical transfer for each line is called a line shift.

また、CCD固体撮像素子101には、複数本の垂直転送CCD122の各転送先側端部すなわち、最後の行の垂直転送CCD122に隣接して、所定(たとえば左右)方向に延在する水平転送CCD126(Hレジスタ部、水平転送部)が1ライン分設けられる。この水平転送CCD126は、たとえば2相の水平転送クロックH1,H2に基づくドライブパルスφH1,φH2によって転送駆動され、複数本の垂直転送CCD122から転送された1ライン分の信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において順次水平方向に転送する。このため2相駆動に対応する複数本(2本)の水平転送電極が設けられる。   Further, the CCD solid-state imaging device 101 includes a horizontal transfer CCD 126 extending in a predetermined (for example, left and right) direction adjacent to each transfer destination side end of the plurality of vertical transfer CCDs 122, that is, the vertical transfer CCD 122 in the last row. (H register unit, horizontal transfer unit) are provided for one line. The horizontal transfer CCD 126 is driven by, for example, drive pulses φH 1 and φH 2 based on the two-phase horizontal transfer clocks H 1 and H 2, and the signal charge for one line transferred from the plurality of vertical transfer CCDs 122 is transferred to the horizontal blanking period. The data is sequentially transferred in the horizontal direction in the subsequent horizontal scanning period. For this reason, a plurality of (two) horizontal transfer electrodes corresponding to two-phase driving are provided.

水平転送CCD126の転送先の端部には、たとえばフローティング・ディフュージョン・アンプ(FDA)構成の電荷電圧変換部を有する出力アンプ128が設けられる。出力アンプ128は、物理情報取得部の一例であって、電荷電圧変換部において、水平転送CCD126によって水平転送されてきた信号電荷を順次電圧信号に変換し所定レベルに増幅して出力する。この電圧信号は、被写体からの光の入射量に応じたCCD出力(Vout)として画素信号が導出される。以上により、インターライン転送方式のCCD固体撮像素子11が構成される。   At the end of the transfer destination of the horizontal transfer CCD 126, for example, an output amplifier 128 having a charge-voltage conversion unit having a floating diffusion amplifier (FDA) configuration is provided. The output amplifier 128 is an example of a physical information acquisition unit. In the charge-voltage conversion unit, the signal charge horizontally transferred by the horizontal transfer CCD 126 is sequentially converted into a voltage signal, amplified to a predetermined level, and output. From this voltage signal, a pixel signal is derived as a CCD output (Vout) corresponding to the amount of incident light from the subject. The interline transfer type CCD solid-state imaging device 11 is configured as described above.

CCD出力(Vout)として出力アンプ128から導出された画素信号は、図29(B)に示す画像信号処理部140に入力される。画像信号処理部140には、信号切替制御部の一例である画像切替制御部142からの画像切替制御信号が入力されるようになっている。   The pixel signal derived from the output amplifier 128 as the CCD output (Vout) is input to the image signal processing unit 140 shown in FIG. The image signal processing unit 140 receives an image switching control signal from an image switching control unit 142 which is an example of a signal switching control unit.

画像切替制御部142は、画像信号処理部140の出力を赤外光IRの影響をほぼ全く受けない可視光VLのモノクロ画像やカラー画像と、可視光VLの影響をほぼ全く受けない赤外光IRの画像の何れか一方のみ、もしくはこれらの双方、あるいは可視光VLと赤外光IRの混在画像すなわち赤外光IRの輝度を加算した擬似モノクロ画像あるいは擬似カラー画像にするかの切替えを指令する。つまり、可視光VLの画像と赤外光IRに関わる画像との同時撮像出力や切替撮像出力を制御する。   The image switching control unit 142 outputs the output of the image signal processing unit 140 to a monochrome image or a color image of visible light VL that is hardly affected by infrared light IR, and infrared light that is hardly affected by visible light VL. Command to switch to either one of IR images, or both of them, or a mixed image of visible light VL and infrared light IR, that is, a pseudo-monochrome image or a pseudo-color image in which the brightness of infrared light IR is added To do. That is, simultaneous imaging output and switching imaging output of an image of visible light VL and an image related to infrared light IR are controlled.

この指令は、撮像装置を操作する外部入力によってもよく、また、画像信号処理部140の赤外光IRのない可視光輝度により画像切替制御部142が自動処理により切替えを指令してもよい。   This command may be an external input for operating the imaging device, or the image switching control unit 142 may command switching by an automatic process based on visible light luminance without infrared light IR of the image signal processing unit 140.

ここで、画像信号処理部140は、たとえば、各画素の撮像データR,G,B,IRを同時化する同時化処理、スミア現象やブルーミング現象によって生じる縦縞のノイズ成分を補正する縦縞ノイズ補正処理、ホワイトバランス(WB;White Balance)調整を制御するWB制御処理、階調度合いを調整するガンマ補正処理、電荷蓄積時間の異なる2画面の画素情報を利用してダイナミックレンジを拡大するダイナミックレンジ拡大処理、あるいは輝度データ(Y)や色データ(C)を生成するYC信号生成処理などを行なう。これにより、赤(R),緑(G),青(B)の原色の撮像データ(R,G,B,IRの各画素データ)二基づく可視光VL帯の画像(いわゆる通常画像)が得られる。   Here, the image signal processing unit 140, for example, a synchronization process that simultaneously synchronizes the imaging data R, G, B, and IR of each pixel, and a vertical stripe noise correction process that corrects a vertical stripe noise component caused by a smear phenomenon or a blooming phenomenon. , WB control processing for controlling white balance (WB) adjustment, gamma correction processing for adjusting the gradation level, and dynamic range expansion processing for expanding the dynamic range using pixel information of two screens having different charge accumulation times Alternatively, YC signal generation processing for generating luminance data (Y) and color data (C) is performed. As a result, an image (so-called normal image) in the visible light VL band based on the imaging data (R, G, B, and IR pixel data) of the primary colors of red (R), green (G), and blue (B) is obtained. It is done.

また、画像信号処理部140は、赤外光IRの画素データを用いて、赤外光IRに関わる画像を生成する。たとえば、誘電体積層膜1を形成しなかった画素12IRにおいて、赤外光IRだけでなく可視光VLも同時に信号に寄与するように色フィルタ14Cを入れない場合には、画素12IRからの画素データを用いることで、高感度の画像が得られる。あるいは、色フィルタ14Cとして、緑色フィルタ14Gを入れる場合には、画素12IRからは赤外光IRと緑色の可視光LGの混在の像が得られるが、画素12Gから得られる緑色成分との差分を取ることで、赤外光IRのみの像が得られる。あるいは、色フィルタ14Cとして黒色フィルタ14BKを設ける場合には、画素IRからの画素データを用いることで赤外光IRのみの像が得られる。   Further, the image signal processing unit 140 generates an image related to the infrared light IR using the pixel data of the infrared light IR. For example, in the pixel 12IR in which the dielectric laminated film 1 is not formed, when not including the color filter 14C so that not only the infrared light IR but also the visible light VL simultaneously contributes to the signal, the pixel data from the pixel 12IR By using, a highly sensitive image can be obtained. Alternatively, when the green filter 14G is inserted as the color filter 14C, a mixed image of the infrared light IR and the green visible light LG is obtained from the pixel 12IR, but the difference from the green component obtained from the pixel 12G is obtained. By taking it, an image of only infrared light IR can be obtained. Alternatively, when the black filter 14BK is provided as the color filter 14C, an image of only the infrared light IR can be obtained by using pixel data from the pixel IR.

このようにして生成された各画像は、図示しない表示部に送られ、操作者に可視画像として提示されたり、あるいはそのままハードディスク装置などの記憶装置に記憶・保存されたり、またはその他の機能部に処理済みデータとして送られる。   Each image generated in this manner is sent to a display unit (not shown) and presented to the operator as a visible image, or stored and stored in a storage device such as a hard disk device as it is, or to other functional units. Sent as processed data.

また、図30は、可視光VL(青色光、緑色光、および赤色光)と赤外光IRとを独立に検知する構造を示す。詳細な説明は割愛するが、基本的な構成は、図29に示したと同様であり、実質的には1つの単位画素マトリクス12(フォトダイオード群)内において可視光VL用の画素12Wを形成しつつ、誘電体積層膜1を有していない画素12IRを有した構造である。基本的には、色フィルタ14の配列が異なるだけで、その他の点は図29と同様である。   FIG. 30 shows a structure for independently detecting visible light VL (blue light, green light, and red light) and infrared light IR. Although the detailed description is omitted, the basic configuration is the same as that shown in FIG. 29, and the visible light VL pixel 12W is formed in one unit pixel matrix 12 (photodiode group) substantially. However, the pixel 12IR does not have the dielectric laminated film 1. Basically, the arrangement of the color filter 14 is different, and the other points are the same as those in FIG.

ここで、色フィルタ14の配列としては、たとえば、シリコン基板1_ωの受光面側における、垂直転送CCD122の縦方向(X方向)に可視光VL、赤外光IR、可視光VL、赤外光IR、…の順となり、また、複数の垂直転送CCD122の同一行方向(Y方向)にも、可視光VL、赤外光IR、可視光VL、赤外光IR、…の順となるようにする。   Here, the arrangement of the color filters 14 is, for example, visible light VL, infrared light IR, visible light VL, infrared light IR in the vertical direction (X direction) of the vertical transfer CCD 122 on the light receiving surface side of the silicon substrate 1_ω. In this order, visible light VL, infrared light IR, visible light VL, infrared light IR,... Are also arranged in the same row direction (Y direction) of the plurality of vertical transfer CCDs 122. .

<分光イメージセンサを適用した撮像装置;CMOS対応>
図31および図32は、上記実施形態で説明した分光イメージセンサ10を、CMOS固体撮像素子(CMOSイメージセンサ)を用いた撮像装置に適用した場合の回路図である。この撮像装置100は、本発明に係る物理情報取得装置の一例である。
<Image sensor using spectral image sensor; CMOS compatible>
31 and 32 are circuit diagrams when the spectral image sensor 10 described in the above embodiment is applied to an imaging apparatus using a CMOS solid-state imaging device (CMOS image sensor). The imaging apparatus 100 is an example of a physical information acquisition apparatus according to the present invention.

ここで、図31は図3と同様に、可視光VL帯内をR,G,Bの各色成分に分けつつ赤外光IRを検知するようにした構造を示し、可視光VLの内の青色光B、緑色光G、および赤色光Rと、赤外光IRとを、それぞれ独立に検知する構造であり、実質的には1つの単位画素マトリクス12内において波長別に画素(光電変換素子)12B,12G,12Rを形成しつつ、誘電体積層膜1を有していない画素12IRを有した構造である。   Here, like FIG. 3, FIG. 31 shows a structure in which infrared light IR is detected while dividing the visible light VL band into R, G, B color components, and the blue light in the visible light VL is shown. The light B, the green light G, the red light R, and the infrared light IR are each independently detected, and the pixels (photoelectric conversion elements) 12B for each wavelength in one unit pixel matrix 12 substantially. , 12G, 12R, and the pixel 12IR that does not have the dielectric laminated film 1.

また、図32は、可視光VL(青色光、緑色光、および赤色光)と赤外光IRとを独立に検知する構造を示し、実質的には1つの単位画素マトリクス12(フォトダイオード群)内において可視光VL用の画素12Wを形成しつつ、誘電体積層膜1を有していない画素12IRを有した構造である。基本的には、色フィルタ14の配列が異なる(図30と同様)だけで、その他の点は図31と同様である。   FIG. 32 shows a structure in which visible light VL (blue light, green light, and red light) and infrared light IR are independently detected, and substantially one unit pixel matrix 12 (photodiode group). In this structure, a pixel 12W for visible light VL is formed, and a pixel 12IR that does not have the dielectric laminated film 1 is provided. Basically, only the arrangement of the color filters 14 is different (similar to FIG. 30), and the other points are the same as those of FIG.

分光イメージセンサをCOMSに応用した場合、単位画素マトリクス12内の1つ1つの画素(光電変換素子)12B,12G,12R,12IRに対してセルアンプを1つ持つ構造となる。よってこの場合、図31(A)および図32のような構造となる。画素信号はセルアンプで増幅された後にノイズキャンセル回路などを通して出力される。   When the spectral image sensor is applied to the COMS, each cell (photoelectric conversion element) 12B, 12G, 12R, 12IR in the unit pixel matrix 12 has one cell amplifier. Therefore, in this case, the structure is as shown in FIG. The pixel signal is amplified by a cell amplifier and then output through a noise cancellation circuit or the like.

たとえばCMOS固体撮像素子201は、入射光量に応じた信号を出力する受光素子(電荷生成部の一例)を含む複数個の画素が行および列に配列された(すなわち2次元マトリクス状の)画素部を有し、各画素からの信号出力が電圧信号であって、CDS(Correlated Double Sampling;相関2重サンプリング)処理機能部やデジタル変換部(ADC;Analog Digital Converter)などが列並列に設けられている、いわゆる典型的なカラム型となっている。   For example, the CMOS solid-state imaging device 201 includes a pixel unit in which a plurality of pixels including a light receiving element (an example of a charge generation unit) that outputs a signal corresponding to the amount of incident light is arranged in rows and columns (that is, in a two-dimensional matrix). A signal output from each pixel is a voltage signal, and a CDS (Correlated Double Sampling) processing function unit, a digital conversion unit (ADC), etc. are provided in parallel in a column. It is a so-called typical column type.

具体的には、図31に示すように、CMOS固体撮像素子201は、複数の画素12が行および列に配列された画素部(撮像部)210と、画素部210の外側に設けられた駆動制御部207と、カラム処理部226と、出力回路228とを備えている。   Specifically, as shown in FIG. 31, the CMOS solid-state imaging device 201 includes a pixel unit (imaging unit) 210 in which a plurality of pixels 12 are arranged in rows and columns, and a drive provided outside the pixel unit 210. A control unit 207, a column processing unit 226, and an output circuit 228 are provided.

なお、カラム処理部226の前段または後段には、必要に応じて信号増幅機能を持つAGC(Auto Gain Control)回路などをカラム処理部226と同一の半導体領域に設けることも可能である。カラム処理部226の前段でAGCを行なう場合にはアナログ増幅、カラム処理部226の後段でAGCを行なう場合にはデジタル増幅となる。nビットのデジタルデータを単純に増幅してしまうと、階調が損なわれてしまう可能性があるため、どちらかというとアナログにて増幅した後にデジタル変換するのが好ましいと考えられる。   Note that an AGC (Auto Gain Control) circuit having a signal amplifying function or the like may be provided in the same semiconductor region as the column processing unit 226 if necessary before or after the column processing unit 226. When AGC is performed before the column processing unit 226, analog amplification is performed. When AGC is performed after the column processing unit 226, digital amplification is performed. If the n-bit digital data is simply amplified, the gradation may be lost. Therefore, it is preferable to perform digital conversion after amplification by analog.

駆動制御部207は、画素部210の信号を順次読み出すための制御回路機能を備えている。たとえば、駆動制御部207としては、列アドレスや列走査を制御する水平走査回路(列走査回路)212と、行アドレスや行走査を制御する垂直走査回路(行走査回路)214と、外部との間でのインタフェース機能や内部クロックを生成するなどの機能を持つ通信・タイミング制御部220とを備えている。   The drive control unit 207 has a control circuit function for sequentially reading signals from the pixel unit 210. For example, the drive control unit 207 includes a horizontal scanning circuit (column scanning circuit) 212 that controls column addresses and column scanning, a vertical scanning circuit (row scanning circuit) 214 that controls row addresses and row scanning, And a communication / timing control unit 220 having functions such as an inter-interface function and an internal clock generation function.

水平走査回路212は、カラム処理部226からカウント値を読み出す読出走査部の機能を持つ。これらの駆動制御部207の各要素は、画素部210とともに、半導体集積回路製造技術と同様の技術を用いて単結晶シリコンなどの半導体領域に一体的に形成され、半導体システムの一例である固体撮像素子(撮像デバイス)として構成される。   The horizontal scanning circuit 212 has a function of a reading scanning unit that reads a count value from the column processing unit 226. Each element of these drive control units 207 is formed integrally with a pixel unit 210 in a semiconductor region such as single crystal silicon using a technique similar to a semiconductor integrated circuit manufacturing technique, and is an example of a solid-state imaging that is an example of a semiconductor system It is configured as an element (imaging device).

図31では、簡単のため行および列の一部を省略して示しているが、現実には、各行や各列には、数十から数千の画素12が配置される。この画素12は、典型的には、受光素子(電荷生成部)としての単位画素マトリクス12と、増幅用の半導体素子(たとえばトランジスタ)を有する画素内アンプ(セルアンプ;画素信号生成部)205(色別には205B,205G,205R)とから構成される。   In FIG. 31, for the sake of simplicity, some of the rows and columns are omitted, but in reality, tens to thousands of pixels 12 are arranged in each row and each column. The pixel 12 typically includes an intra-pixel amplifier (cell amplifier; pixel signal generation unit) 205 (color) having a unit pixel matrix 12 as a light receiving element (charge generation unit) and an amplification semiconductor element (for example, a transistor). Separately, 205B, 205G, 205R).

また、図31から分かるように、1つの単位画素マトリクス12が、青色光B、緑色光G、赤色光R、および赤外光IRを独立に検知する構造であり、実質的には1つの単位画素マトリクス12内において波長(色)別に画素12B,12G,12R,12IRを形成した構造である。   Further, as can be seen from FIG. 31, one unit pixel matrix 12 has a structure for independently detecting blue light B, green light G, red light R, and infrared light IR, and substantially one unit. In the pixel matrix 12, pixels 12B, 12G, 12R, and 12IR are formed for each wavelength (color).

ここで、色フィルタ14の配列としては、たとえば、シリコン基板1_ωの受光面側におけるX方向に青、緑、赤、IR、青、緑、赤、IR、…の順となり、またX方向と直交するY方向にも、青、緑、赤、IR、青、緑、赤、IR、…の順となるようにする。   Here, the arrangement of the color filters 14 is, for example, blue, green, red, IR, blue, green, red, IR,... In the X direction on the light receiving surface side of the silicon substrate 1_ω, and orthogonal to the X direction. Also in the Y direction, the order is blue, green, red, IR, blue, green, red, IR,.

画素内アンプ205としては、たとえばフローティングディフュージョンアンプ構成のものが用いられる。一例としては、電荷生成部に対して、電荷読出部(転送ゲート部/読出ゲート部)の一例である読出選択用トランジスタ、リセットゲート部の一例であるリセットトランジスタ、垂直選択用トランジスタ、およびフローティングディフュージョンの電位変化を検知する検知素子の一例であるソースフォロア構成の増幅用トランジスタを有する、CMOSセンサとして汎用的な4つのトランジスタからなる構成のものを使用することができる。   As the intra-pixel amplifier 205, for example, a floating diffusion amplifier configuration is used. As an example, with respect to the charge generation unit, a read selection transistor that is an example of a charge readout unit (transfer gate unit / read gate unit), a reset transistor that is an example of a reset gate unit, a vertical selection transistor, and a floating diffusion As a CMOS sensor having a source follower-amplifying transistor, which is an example of a detection element for detecting a change in potential, a sensor composed of four general-purpose transistors can be used.

あるいは、特許第2708455号公報に記載のように、電荷生成部により生成された信号電荷に対応する信号電圧を増幅するための、ドレイン線(DRN)に接続された増幅用トランジスタと、画素内アンプ205をリセットするためのリセットトランジスタと、垂直シフトレジスタより転送配線(TRF)を介して走査される読出選択用トランジスタ(転送ゲート部)を有する、3つのトランジスタからなる構成のものを使用することもできる。   Alternatively, as described in Japanese Patent No. 2708455, an amplifying transistor connected to a drain line (DRN) and an in-pixel amplifier for amplifying a signal voltage corresponding to the signal charge generated by the charge generating unit It is also possible to use a transistor composed of three transistors, including a reset transistor for resetting 205 and a read selection transistor (transfer gate portion) scanned from a vertical shift register via a transfer wiring (TRF). it can.

画素12は、行選択のための行制御線215を介して垂直走査回路214と、また垂直信号線219を介してカラム処理部226と、それぞれ接続されている。ここで、行制御線215は垂直走査回路214から画素に入る配線全般を示す。一例として、この行制御線215は、長尺状の散乱体3に対して平行な方向に配される。   The pixels 12 are connected to the vertical scanning circuit 214 via a row control line 215 for row selection and to the column processing unit 226 via a vertical signal line 219, respectively. Here, the row control line 215 indicates the entire wiring that enters the pixel from the vertical scanning circuit 214. As an example, the row control line 215 is arranged in a direction parallel to the long scatterer 3.

水平走査回路212や垂直走査回路214は、たとえばシフトレジスタやデコーダを含んで構成され、通信・タイミング制御部220から与えられる制御信号に応答してアドレス選択動作(走査)を開始するようになっている。このため、行制御線215には、画素12を駆動するための種々のパルス信号(たとえば、リセットパルスRST、転送パルスTRF、DRN制御パルスDRNなど)が含まれる。   The horizontal scanning circuit 212 and the vertical scanning circuit 214 include, for example, a shift register and a decoder, and start an address selection operation (scanning) in response to a control signal given from the communication / timing control unit 220. Yes. Therefore, the row control line 215 includes various pulse signals (for example, a reset pulse RST, a transfer pulse TRF, a DRN control pulse DRN, etc.) for driving the pixels 12.

通信・タイミング制御部220は、図示しないが、各部の動作に必要なクロックや所定タイミングのパルス信号を供給するタイミングジェネレータTG(読出アドレス制御装置の一例)の機能ブロックと、端子220aを介してマスタークロックCLK0を受け取り、また端子220bを介して動作モードなどを指令するデータDATAを受け取り、さらにCMOS固体撮像素子201の情報を含むデータを端子220cを介して出力する通信インタフェースの機能ブロックとを備える。   Although not shown, the communication / timing control unit 220 is a master via a functional block of a timing generator TG (an example of a read address control device) that supplies a clock signal necessary for the operation of each unit and a pulse signal of a predetermined timing, and a terminal 220a. A communication interface functional block for receiving a clock CLK0, receiving data DATA for instructing an operation mode or the like via a terminal 220b, and outputting data including information of the CMOS solid-state imaging device 201 via a terminal 220c.

たとえば、水平アドレス信号を水平デコーダへ、また垂直アドレス信号を垂直デコーダへ出力し、各デコーダは、それを受けて対応する行もしくは列を選択し、駆動回路を介して画素12やカラム処理部226を駆動する。   For example, the horizontal address signal is output to the horizontal decoder and the vertical address signal is output to the vertical decoder, and each decoder receives it and selects the corresponding row or column, and the pixel 12 and the column processing unit 226 via the drive circuit. Drive.

この際、画素12を2次元マトリックス状に配置してあるので、画素内アンプ(画素信号生成部)205により生成され垂直信号線219を介して列方向に出力されるアナログの画素信号を行単位で(列並列で)アクセスし取り込む(垂直)スキャン読みを行ない、この後に、垂直列の並び方向である行方向にアクセスし画素信号(たとえばデジタル化された画素データ)を出力側へ読み出す(水平)スキャン読みを行なうようにすることで、画素信号や画素データの読出しの高速化を図るのがよい。もちろん、スキャン読みに限らず、読み出したい画素12を直接にアドレス指定することで、必要な画素12の情報のみを読み出すランダムアクセスも可能である。   At this time, since the pixels 12 are arranged in a two-dimensional matrix, an analog pixel signal generated by the in-pixel amplifier (pixel signal generation unit) 205 and output in the column direction via the vertical signal line 219 is row-by-row. (Column parallel) to access and capture (vertical) scan reading, and then access the row direction, which is the arrangement direction of the vertical columns, and read out pixel signals (for example, digitized pixel data) to the output side (horizontal ) It is preferable to speed up reading of pixel signals and pixel data by performing scanning reading. Of course, not only scanning reading but also random access for reading out only necessary pixel 12 information by directly addressing the pixel 12 to be read out is possible.

また、通信・タイミング制御部220では、端子220aを介して入力されるマスタークロック(マスタークロック)CLK0と同じ周波数のクロックCLK1や、それを2分周したクロックやより分周した低速のクロックをデバイス内の各部、たとえば水平走査回路212、垂直走査回路214、カラム処理部226などに供給する。   In the communication / timing control unit 220, a clock CLK1 having the same frequency as the master clock (master clock) CLK0 input via the terminal 220a, a clock obtained by dividing the clock CLK1, and a low-speed clock obtained by further dividing the clock are used as devices. For example, a horizontal scanning circuit 212, a vertical scanning circuit 214, a column processing unit 226, and the like.

垂直走査回路214は、画素部210の行を選択し、その行に必要なパルスを供給するものである。たとえば、垂直方向の読出行を規定する(画素部210の行を選択する)垂直デコーダと、垂直デコーダにて規定された読出アドレス上(行方向)の画素12に対する行制御線215にパルスを供給して駆動する垂直駆動回路とを有する。なお、垂直デコーダは、信号を読み出す行の他に、電子シャッタ用の行なども選択する。   The vertical scanning circuit 214 selects a row of the pixel portion 210 and supplies a necessary pulse to the row. For example, a pulse is supplied to a vertical decoder that defines a readout row in the vertical direction (selects a row of the pixel unit 210) and a row control line 215 for the pixel 12 on the readout address (in the row direction) defined by the vertical decoder. And a vertical drive circuit for driving. Note that the vertical decoder selects a row for electronic shutter in addition to a row from which a signal is read.

水平走査回路212は、低速クロックCLK2に同期してカラム処理部226内の図示しないカラム回路を順番に選択し、その信号を水平信号線(水平出力線)218に導くものである。たとえば、水平方向の読出列を規定する(カラム処理部226内の個々のカラム回路を選択する)水平デコーダと、水平デコーダにて規定された読出アドレスに従って、選択スイッチ227にてカラム処理部226の各信号を水平信号線218に導く水平駆動回路とを有する。なお、水平信号線218は、たとえばカラムAD回路が取り扱うビット数n(nは正の整数)分、たとえば10(=n)ビットならば、そのビット数分に対応して10本配置される。   The horizontal scanning circuit 212 sequentially selects column circuits (not shown) in the column processing unit 226 in synchronization with the low-speed clock CLK2, and guides the signal to a horizontal signal line (horizontal output line) 218. For example, a horizontal decoder that defines a read column in the horizontal direction (selects individual column circuits in the column processing unit 226), and a read address defined by the horizontal decoder, the selection switch 227 causes the column processing unit 226 to A horizontal drive circuit for guiding each signal to a horizontal signal line 218. For example, if the horizontal signal line 218 corresponds to the number of bits n (n is a positive integer) handled by the column AD circuit, for example, 10 (= n) bits, 10 horizontal signal lines 218 are arranged corresponding to the number of bits.

このような構成のCMOS固体撮像素子201において、画素12から出力された画素信号は、垂直列ごとに、垂直信号線219を介して、カラム処理部226のカラム回路に供給される。ここで、単位画素マトリクス12(各画素12B,12G,12R,12IR)に蓄積された信号電荷は、同一垂直列の垂直信号線219を介して読み出される。   In the CMOS solid-state imaging device 201 having such a configuration, the pixel signal output from the pixel 12 is supplied to the column circuit of the column processing unit 226 via the vertical signal line 219 for each vertical column. Here, the signal charges accumulated in the unit pixel matrix 12 (the respective pixels 12B, 12G, 12R, and 12IR) are read out through the vertical signal lines 219 in the same vertical column.

カラム処理部226の各カラム回路は、1列分の画素の信号を受けて、その信号を処理する。たとえば、各カラム回路は、アナログ信号を、たとえば低速クロックCLK2を用いて、たとえば10ビットのデジタルデータに変換するADC(Analog Digital Converter)回路を持つ。   Each column circuit of the column processing unit 226 receives a pixel signal for one column and processes the signal. For example, each column circuit has an ADC (Analog Digital Converter) circuit that converts an analog signal into, for example, 10-bit digital data using, for example, a low-speed clock CLK2.

また、回路構成を工夫することで、垂直信号線219を介して入力された電圧モードの画素信号に対して、画素リセット直後の信号レベル(ノイズレベル)と真の(受光光量に応じた)信号レベルVsigとの差分をとる処理を行なうことができる。これにより、固定パターンノイズ(FPN;Fixed Pattern Noise)やリセットノイズといわれるノイズ信号成分を取り除くことができる。   In addition, by devising the circuit configuration, the signal level (noise level) immediately after pixel reset and the true signal (depending on the amount of received light) for the voltage mode pixel signal input via the vertical signal line 219 A process for obtaining a difference from the level Vsig can be performed. Thereby, it is possible to remove a noise signal component called fixed pattern noise (FPN) or reset noise.

このカラム回路で処理されたアナログの画素信号(あるいはデジタルの画素データ)は、水平走査回路212からの水平選択信号により駆動される水平選択スイッチ217を介して水平信号線218に伝達され、さらに出力回路228に入力される。なお、10ビットは一例であって、10ビット未満(たとえば8ビット)や10ビットを超えるビット数
(たとえば14ビット)など、その他のビット数としてもよい。
The analog pixel signal (or digital pixel data) processed by the column circuit is transmitted to the horizontal signal line 218 via the horizontal selection switch 217 driven by the horizontal selection signal from the horizontal scanning circuit 212, and further output. Input to the circuit 228. Note that 10 bits is an example, and other bit numbers such as less than 10 bits (for example, 8 bits) and more than 10 bits (for example, 14 bits) may be used.

このような構成によって、電荷生成部としての単位画素マトリクス12(画素12B,12G,12R,12IR)が行列状に配された画素部210からは、行ごとに各垂直列について画素信号が順次出力される。そして、受光素子が行列状に配された画素部210に対応する1枚分の画像すなわちフレーム画像が、画素部210全体の画素信号の集合で示されることとなる。   With such a configuration, pixel signals are sequentially output for each vertical column for each row from the pixel unit 210 in which the unit pixel matrix 12 (pixels 12B, 12G, 12R, and 12IR) as the charge generation unit is arranged in a matrix. Is done. Then, one image corresponding to the pixel unit 210 in which the light receiving elements are arranged in a matrix, that is, a frame image, is shown as a set of pixel signals of the entire pixel unit 210.

出力回路228は、CCD固体撮像素子101における出力アンプ128に対応するものであって、その後段には、CCD固体撮像素子101と同様に、図31(B)に示すように、画像信号処理部140が設けられる。画像信号処理部140には、CCD固体撮像素子101の場合と同様に、画像切替制御部142からの画像切替制御信号が入力されるようになっている。   The output circuit 228 corresponds to the output amplifier 128 in the CCD solid-state image sensor 101, and in the subsequent stage, as shown in FIG. 140 is provided. As in the case of the CCD solid-state imaging device 101, the image signal processing unit 140 receives an image switching control signal from the image switching control unit 142.

これにより、赤(R),緑(G),青(B)の原色の撮像データ(R,G,B,IRの各画素データ)もしくは可視光VL用の画素データに基づく可視光VL帯の画像(いわゆる通常画像)が得られるとともに、赤外光IRの画素データを用いることで、赤外光IRに関わる画像を得ることができる。   As a result, the red (R), green (G), and blue (B) primary color imaging data (R, G, B, and IR pixel data) or the visible light VL band based on the visible light VL pixel data can be obtained. An image (so-called normal image) can be obtained, and an image related to the infrared light IR can be obtained by using the pixel data of the infrared light IR.

なお、図示を割愛するが、図29や図31を基本構成として利用しつつ、赤外光IR用の画素12IRを取り除くことで、可視光VL帯内をR,G,Bの各色成分に分けて検知するようにした構造とすることもできる。   Although illustration is omitted, the visible light VL band is divided into R, G, and B color components by removing the infrared light IR pixel 12IR while using FIG. 29 and FIG. 31 as basic configurations. It is also possible to adopt a structure that detects the above.

色フィルタ14の配列としては、たとえば、シリコン基板1_ωの受光面側における、垂直転送CCD122の縦方向(X方向)に青、緑、赤、緑、青、緑、赤、緑、青、…の順となり、また、複数の垂直転送CCD122の同一行方向(Y方向)にも、青、緑、赤、緑、青、緑、赤、緑、青、…の順となるようにする。あるいは、2行2列の単位画素マトリクス12内において、2つのG色とそれぞれ1つのR色およびB色を配したいわゆるベイヤ配列とすることもできる。また、B,G,Rの3色に第4色(たとえばエメラルド)を加えることで色再現範囲を拡張するようにしてもよい。   As the arrangement of the color filters 14, for example, blue, green, red, green, blue, green, red, green, blue,... In the vertical direction (X direction) of the vertical transfer CCD 122 on the light receiving surface side of the silicon substrate 1_ω. Also, the same row direction (Y direction) of the plurality of vertical transfer CCDs 122 is arranged in the order of blue, green, red, green, blue, green, red, green, blue,. Alternatively, a so-called Bayer arrangement in which two G colors and one R color and B color are arranged in the unit pixel matrix 12 of 2 rows and 2 columns may be employed. Further, the color reproduction range may be extended by adding a fourth color (for example, emerald) to the three colors B, G, and R.

これらの場合、可視光VL領域のみの撮像にはなるが、減色フィルタの一例として赤外線カットフィルタをセンサの前に入れる必要がなくなる。高価な赤外線カットフィルタを不要にすることで、コストを大幅に低減できる。また、厚みや重さのある赤外線カットフィルタを不要にすることで、光学系を軽量かつコンパクトにできる。もちろん、赤外線カットフィルタの挿入/抜出機構が不要であり、装置が大がかりになることもない。   In these cases, only the visible light VL region is imaged, but it is not necessary to place an infrared cut filter in front of the sensor as an example of a color reduction filter. Costs can be significantly reduced by eliminating the need for expensive infrared cut filters. Further, by eliminating the need for an infrared cut filter having a thickness or weight, the optical system can be made light and compact. Of course, an infrared cut filter insertion / extraction mechanism is not required, and the apparatus does not become large.

もちろん、このようなコスト的に有利になるなどの点は、既存のガラス製の赤外光カットフィルタを誘電体積層膜に代えた、撮像センサと誘電体積層膜とが別体の構成(検知部と誘電体積層膜とが一体構成でない)でも言えることである。   Of course, this is advantageous in terms of cost, for example, because the existing infrared filter cut out of glass is replaced with a dielectric laminated film, and the imaging sensor and the dielectric laminated film are separated (detection). This is also true even if the portion and the dielectric laminated film are not integrated.

たとえば、既存のガラス製の赤外光カットフィルタを用いる場合に比べて、コスト的に有利になるし、コンパクトになって携帯性などに優れたデジタルカメラなどの撮像装置を提供することができる。   For example, it is advantageous in terms of cost as compared with the case of using an existing infrared cut filter made of glass, and can provide an imaging device such as a digital camera that is compact and excellent in portability.

また、赤外線カットフィルタをセンサの前に入れる構成では、ガラス基板をCCDやCMOSなどの撮像素子の前に入れることで光路の途中に空気とガラス界面が生じてしまう。したがって、透過してほしい可視光の光までがその界面で反射されてしまい、感度低下を導く問題が生じる。さらにこのような界面が多くなることで、斜め入射における(ガラス内で)屈折する角度が波長によって異なり、光路の変化による焦点ぼけを引き起こす。
これに対して、誘電体積層膜を用いることで、このような波長による焦点ぼけがなくなる利点が得られる。
Further, in the configuration in which the infrared cut filter is placed in front of the sensor, the glass substrate is placed in front of an image sensor such as a CCD or CMOS, so that an air / glass interface is generated in the middle of the optical path. Therefore, even visible light desired to be transmitted is reflected at the interface, which causes a problem of lowering sensitivity. Further, since the number of such interfaces increases, the angle of refraction at oblique incidence (within the glass) varies depending on the wavelength, causing defocus due to a change in the optical path.
On the other hand, by using a dielectric laminated film, there is an advantage that the defocus due to such a wavelength is eliminated.

<<製造プロセスの具体例>>
図33は、上記実施形態で説明したセンサ構造の分光イメージセンサを製造する具体的なプロセス例を示す図である。この図33は、赤外光IR用の受光部と可視光VL用の受光部とを備えた分光イメージセンサの製造プロセス例である。
<< Specific Example of Manufacturing Process >>
FIG. 33 is a diagram showing a specific process example for manufacturing the spectral image sensor having the sensor structure described in the above embodiment. FIG. 33 shows an example of a manufacturing process of a spectral image sensor including a light receiving unit for infrared light IR and a light receiving unit for visible light VL.

この構造の作製に当たっては、図29および図30あるいは図31および図32に示されるような一般的なCCDやCMOS構造の回路をまず形成する(図33(A))。この後に、Siフォトダイオードの上にたとえばCVD(Chemical Vapor Deposition;化学気相成長法)などを用いてSiO2膜とSiNを順次積層する(図33(B))。   In manufacturing this structure, a general CCD or CMOS structure circuit as shown in FIG. 29 and FIG. 30 or FIG. 31 and FIG. 32 is first formed (FIG. 33A). Thereafter, an SiO 2 film and SiN are sequentially stacked on the Si photodiode by using, for example, CVD (Chemical Vapor Deposition) (FIG. 33B).

この後、たとえば4つの画素の内1つだけをRIE(Reactive Ion Etching)法などを用いてエッチングすることで、赤外光IR用の受光部に最下層のSiO2膜に達する開口部を設ける(図33(E))。   Thereafter, for example, only one of the four pixels is etched by using an RIE (Reactive Ion Etching) method or the like, so that an opening reaching the lowermost SiO2 film is provided in the light receiving part for infrared light IR ( FIG. 33 (E)).

この後、誘電体積層膜1などの保護のために、一部に開口部が設けられた誘電体積層膜1上にたとえば再度CVDなどを用いてSiO2膜を積層する(図33(F))。もちろん、このプロセスは必須ではない。   Thereafter, in order to protect the dielectric laminated film 1 and the like, an SiO 2 film is laminated again on the dielectric laminated film 1 having an opening partly by using, for example, CVD (FIG. 33F). . Of course, this process is not essential.

なお、この際、可視光VL用の3つの画素(R,G,B成分用)をエッチングしないように、赤外光IR用の受光部に開口部が設けられたフォトレジストを用いてもよい(図33(C),(D))。この場合、誘電体積層膜1上にSiO2膜を積層する前に、フォトレジストを除去する必要がある(図33(D)→(E))。   At this time, a photoresist in which an opening is provided in a light receiving portion for infrared light IR may be used so that the three pixels (for R, G, and B components) for visible light VL are not etched. (FIGS. 33 (C) and (D)). In this case, it is necessary to remove the photoresist before laminating the SiO 2 film on the dielectric laminated film 1 (FIG. 33 (D) → (E)).

また、図示を割愛するが、さらにその上に色フィルタやマイクロレンズを画素に対応するように形成してもよい。   Although not shown in the figure, color filters and microlenses may be formed thereon so as to correspond to the pixels.

さらに若干の赤外光IRが漏れて可視光VL用の光電変換素子(フォトダイオードなど)に入射する場合、全体に弱い赤外線カットフィルタを入れてもよい。たとえば50%以下の赤外線カットフィルタを入れることで、可視光VLに対して殆ど問題のないレベルまでカットしても赤外光IR用の光電変換素子(フォトダイオードなど)では、赤外光IRが集光するので十分な感度となる。   Further, when some infrared light IR leaks and enters a photoelectric conversion element (photodiode or the like) for visible light VL, a weak infrared cut filter may be inserted in the whole. For example, if an infrared cut filter of 50% or less is inserted, the infrared light IR will be reduced in the infrared light IR photoelectric conversion element (photodiode, etc.) even if it is cut to a level where there is almost no problem with the visible light VL. Condensation is sufficient to provide sufficient sensitivity.

なお、このような製造プロセスでは、Si基板表面近くまでエッチングする、すなわち赤外光IR用の受光部に最下層のSiO2膜に達する開口部を設けるため(図33(E))、エッチングによるダメージが問題になることがある。この場合は、Si基板直上のSiO2層の厚みdを大きくしてダメージを低減することも可能である。   In such a manufacturing process, etching is performed up to the surface of the Si substrate, that is, an opening reaching the lowermost SiO2 film is provided in the light receiving portion for infrared light IR (FIG. 33E), and thus damage caused by etching. May be a problem. In this case, it is also possible to reduce the damage by increasing the thickness d of the SiO2 layer immediately above the Si substrate.

ここでdk=2.5μm以上になると、図11のように反射スペクトルの赤外光IR領域でのディップの半値幅が狭くなるので、一般的なブロードな自然光に対して平均化された反射率となるので、赤外光の反射が可能となる。したがって望ましくは第k番目の誘電体層1_kの厚みdkを2.5μm以上にするのがよい。さらに望ましくは、5μm以上の厚みにするとなおよい。   Here, when dk = 2.5 μm or more, the half-value width of the dip in the infrared IR region of the reflection spectrum becomes narrow as shown in FIG. 11, so the reflectance averaged for general broad natural light. Therefore, infrared light can be reflected. Therefore, the thickness dk of the kth dielectric layer 1_k is preferably 2.5 μm or more. More desirably, the thickness is 5 μm or more.

また、シリコン基板1_ω上に形成されるフォトダイオードや画素内アンプなどためのメタル配線、すなわち、単位信号生成部としての画素内アンプなどから単位信号としての画素信号を撮像部(検出領域)から読み出すための信号線をなす配線層をシリコン基板1_ω直上に形成する場合、シリコン基板1_ω直上に誘電体積層膜1を設けた構造よりは、シリコン基板1_ω上である程度離したところに誘電体積層膜1を形成する、すなわちメタル配線より上側に誘電体積層膜1を形成することで、プロセスが容易になり、コストが低く抑えられるメリットが得られる。詳しくは後述するが、誘電体積層膜1をなす層数を増やすことで、ある程度よい結果が得られる。以下、メタル配線を考慮した分光イメージセンサについて説明する。   Further, a pixel wiring as a unit signal is read out from an imaging unit (detection region) from a metal wiring for a photodiode, an amplifier in a pixel, etc. formed on the silicon substrate 1_ω, that is, an amplifier in a pixel as a unit signal generation unit. When the wiring layer forming the signal line for forming the dielectric layer 1 is formed immediately above the silicon substrate 1_ω, the dielectric layered film 1 is located at a certain distance on the silicon substrate 1_ω rather than the structure in which the dielectric layer film 1 is provided directly on the silicon substrate 1_ω. By forming the dielectric laminated film 1 above the metal wiring, the process can be facilitated, and the merit of reducing the cost can be obtained. As will be described in detail later, a good result can be obtained to some extent by increasing the number of layers forming the dielectric laminated film 1. Hereinafter, a spectral image sensor considering metal wiring will be described.

<<誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサ;第6実施形態>>
図34〜図40は、誘電体積層膜1を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ10の第6実施形態を説明する図である。第6実施形態は、図10〜図14にて説明した手法を基本として、メタル配線を考慮して、シリコン基板1_ωよりある程度距離の離れた上側において、誘電体積層膜1をシリコン基板1_ω上に、フォトダイオードなどの検知部と一体的に形成する点に特徴を有する。
<< Demultiplexing Image Sensor Using Dielectric Multilayer Film; Sixth Embodiment >>
34 to 40 are views for explaining a sixth embodiment of the spectral image sensor 10 that supports the single wavelength demultiplexing using the dielectric laminated film 1. In the sixth embodiment, based on the method described with reference to FIGS. 10 to 14, in consideration of metal wiring, the dielectric multilayer film 1 is placed on the silicon substrate 1_ω on the upper side that is a certain distance away from the silicon substrate 1_ω. It is characterized in that it is formed integrally with a detector such as a photodiode.

たとえば、図34のように、CMOS構造を考えると、フォトダイオードなどの検知部が形成された半導体素子層上に配線層を1つ有し、その厚みが0.7μm程度ある場合において、フォトダイオードなどが形成されるシリコン基板1_ωよりも略0.7μm上に多層膜構造を一体的に形成する場合、第1層目の配線層のプロセスの後に誘電体積層膜1を形成すればよい。こうすることで、厚みdk≒0.7μmを持つ第k層内に配線層を設けることができる。   For example, when considering a CMOS structure as shown in FIG. 34, when one wiring layer is provided on a semiconductor element layer on which a detection unit such as a photodiode is formed and the thickness thereof is about 0.7 μm, the photodiode When the multilayer film structure is integrally formed on approximately 0.7 μm above the silicon substrate 1_ω on which the dielectric layer is formed, the dielectric laminated film 1 may be formed after the process of the first wiring layer. In this way, a wiring layer can be provided in the kth layer having a thickness dk≈0.7 μm.

また、図35のように、半導体素子層上に配線層を3つ有し、それらの総厚みが3.2μm程度ある場合において、フォトダイオードなどが形成されるシリコン基板1_ωよりも略3.2μm上に多層膜構造を一体的に形成する場合、最上である第3層目の配線層のプロセスの後に誘電体積層膜1を形成すればよいことになる。こうすることで、厚みdk=3.2μmを持つ第k層内に配線層を設けることができる。   Further, as shown in FIG. 35, when three wiring layers are provided on the semiconductor element layer and the total thickness thereof is about 3.2 μm, it is approximately 3.2 μm than the silicon substrate 1_ω on which the photodiode and the like are formed. When the multilayer film structure is integrally formed thereon, the dielectric laminated film 1 may be formed after the process of the uppermost third wiring layer. In this way, a wiring layer can be provided in the kth layer having a thickness dk = 3.2 μm.

ここで、“略3.2μm”と記載したのは、図示のように、本例では、シリコン基板1_ω上に厚みが10nm程度のSiO2層(δ層)を設け、その上に、厚みが65nm程度のSiN層(γ層)を設けており、“3.2μm”は、これらγ,δ層を除くk層の厚さを意味するからである。   Here, “approximately 3.2 μm” is described, as shown in the figure, in this example, a SiO 2 layer (δ layer) having a thickness of about 10 nm is provided on the silicon substrate 1_ω, and the thickness is 65 nm. This is because an approximately SiN layer (γ layer) is provided, and “3.2 μm” means the thickness of the k layer excluding these γ and δ layers.

色フィルタ14やマイクロレンズなどは、この誘電体積層膜1を形成した後に形成すればよい。   The color filter 14 and the microlens may be formed after the dielectric laminated film 1 is formed.

これらに対応する分光イメージセンサ10として、たとえば、図36では、図17に示した第2実施形態の7層構造としつつ、第k層の誘電体層1_k(酸化シリコンSiO2層)とシリコンナイトライドSiN層1_γと酸化シリコンSiO2層1_δの3層分を持つ誘電体積層膜1Cをベースとして、第k層の誘電体層1_kの厚さを700nmにしている。また、第k層目の酸化シリコンSiO2とシリコン基板1_ωとの間に厚みdγ=65nmもしくは100nmの比較的薄いシリコンナイトライドSiN層1_γを第3の層材として積層し、さらに、この追加した第3の層材とシリコン基板1_ωとの間に、第3の層材よりも小さな屈折率をもつ第4の層材としての酸化シリコンSiO2層1_δを厚みdδ=10nmで積層した誘電体積層膜1Cにしている。   As the spectral image sensor 10 corresponding to these, for example, in FIG. 36, the seven-layer structure of the second embodiment shown in FIG. 17 is used, while the kth dielectric layer 1_k (silicon oxide SiO2 layer) and silicon nitride. The thickness of the dielectric layer 1_k of the kth layer is set to 700 nm based on the dielectric laminated film 1C having three layers of the SiN layer 1_γ and the silicon oxide SiO2 layer 1_δ. In addition, a relatively thin silicon nitride SiN layer 1_γ having a thickness dγ = 65 nm or 100 nm is stacked as a third layer material between the silicon oxide SiO2 of the kth layer and the silicon substrate 1_ω. A dielectric laminated film 1C in which a silicon oxide SiO 2 layer 1_δ as a fourth layer material having a refractive index smaller than that of the third layer material is laminated with a thickness dδ = 10 nm between the layer material 3 and the silicon substrate 1_ω. I have to.

また、図37では、基本となる誘電体積層膜1を9層構造としつつ、第k層の誘電体層1_kの厚さを700nmもしくは3.2μmにしている。また、第k層目の酸化シリコンSiO2とシリコン基板1_ωとの間に厚みdγ=65nmの比較的薄いシリコンナイトライドSiN層1_γを第3の層材として積層し、さらに、この追加した第3の層材とシリコン基板1_ωとの間に、第3の層材よりも小さな屈折率をもつ第4の層材としての酸化シリコンSiO2層1_δを厚みdδ=10nmで積層した誘電体積層膜1Cにしている。   In FIG. 37, the basic dielectric multilayer film 1 has a nine-layer structure, and the thickness of the kth dielectric layer 1_k is set to 700 nm or 3.2 μm. Further, a relatively thin silicon nitride SiN layer 1_γ having a thickness dγ = 65 nm is laminated as a third layer material between the kth layer silicon oxide SiO2 and the silicon substrate 1_ω, and this additional third layer is added. A dielectric laminated film 1C in which a silicon oxide SiO 2 layer 1_δ as a fourth layer material having a refractive index smaller than that of the third layer material is laminated with a thickness dδ = 10 nm between the layer material and the silicon substrate 1_ω. Yes.

これらの反射スペクトルの計算結果は図38〜図40に示すようになる。図37や図36から分かるように、0.7μmや3.2μmほどシリコン基板1_ωり上側に誘電体積層膜1を形成することで、配線プロセスが容易になる。なお、正確には、シリコン基板1_ω直上には第4の層材であるSiO2層と第3の層材であるSiN層の順にそれぞれ10nmと65nm(あるいは100nm)の厚が存在するので、それより上側になる。   The calculation results of these reflection spectra are as shown in FIGS. As can be seen from FIGS. 37 and 36, the wiring process is facilitated by forming the dielectric laminated film 1 on the upper side of the silicon substrate 1_ω by about 0.7 μm or 3.2 μm. To be precise, since the SiO2 layer as the fourth layer material and the SiN layer as the third layer material have thicknesses of 10 nm and 65 nm (or 100 nm), respectively, immediately above the silicon substrate 1_ω. On the top.

ここではSiN膜とSiO2膜とを有する誘電体積層膜1において、7層の場合と9層の場合を示したたが、図39から分かるように、7層の場合に比べて9層まで多層構造の層数を増やすと、赤外光IR領域での反射率Rが0.9を超えて十分になるのが分かる。   Here, in the dielectric laminated film 1 having the SiN film and the SiO 2 film, the case of 7 layers and the case of 9 layers have been shown. However, as can be seen from FIG. It can be seen that when the number of layers of the structure is increased, the reflectance R in the infrared IR region exceeds 0.9 and becomes sufficient.

また図40から分かるように、第k番目の誘電体層1_kの厚みdkが3.2μmの7層構造では、赤外光反射領域でのディップが大きく、結果として反射が大きく低下していることが分かる。しかしながら、これも9層まで層数を増やすと、これらのディップが小さくなり、赤外光IR領域での反射が十分になることが分かる。   As can be seen from FIG. 40, in the seven-layer structure in which the thickness dk of the kth dielectric layer 1_k is 3.2 μm, the dip in the infrared light reflection region is large, and as a result, the reflection is greatly reduced. I understand. However, it can also be seen that when the number of layers is increased to 9 layers, these dips become smaller and reflection in the infrared light IR region becomes sufficient.

また、図38から分かるように、第3の層材であるSiN層の厚さdγが厚いと、可視光VL領域での反射が高くなる。これは、第2実施形態において説明したように、中間層として設ける第3の層材は、可視光領域内における反射を低減することを目的とするものであり、中間層とし設けた誘電体層1_γの厚みdγは、式(6)を満足することが理想的であり、薄い方には十分な余裕があるが、大きい方には余裕が少ないことによると考えられる。   Further, as can be seen from FIG. 38, when the thickness dγ of the SiN layer as the third layer material is thick, the reflection in the visible light VL region becomes high. This is because, as described in the second embodiment, the third layer material provided as the intermediate layer is intended to reduce reflection in the visible light region, and the dielectric layer provided as the intermediate layer. It is ideal that the thickness dγ of 1_γ satisfies the formula (6), and it is considered that the thinner one has a sufficient margin but the larger one has a smaller margin.

このように、従来の配線プロセスを行なった後に、誘電体積層膜1を形成する方が製造が容易となり、新たなプロセスの検討が不必要となりコスト的によい。すなわち図35のようなCMOS構造を作製することで、プロセスも容易にできて、かつ有効な効果が得られることになる。誘電体積層膜1を形成してから配線プロセスをすると、誘電体積層膜1の除去などを行なうなどプロセス的に困難になるのと大きな違いである。   As described above, after the conventional wiring process is performed, the formation of the dielectric laminated film 1 is easier to manufacture, and it is unnecessary to examine a new process, which is good in terms of cost. That is, by producing a CMOS structure as shown in FIG. 35, the process can be facilitated and an effective effect can be obtained. If the wiring process is performed after the dielectric laminated film 1 is formed, it is a big difference from the fact that the process becomes difficult, for example, the dielectric laminated film 1 is removed.

<センサ構造の具体例1;CCD対応>
図41および図42は、上記製造プロセスを例として作製した、赤外光IRのみまたは赤外光IRと可視光VLとの混合成分と、可視光VLの2つの波長成分を、同時に像として別々に撮像できるようにしたCCD固体撮像素子の第1の構成例を説明する図である。ここで、図41は、構造例を示す見取り図(斜視図)である。また、図42は、基板表面付近の断面構造図である。
<Specific example 1 of sensor structure; compatible with CCD>
FIG. 41 and FIG. 42 show the infrared light IR alone or the mixed component of the infrared light IR and the visible light VL, and the two wavelength components of the visible light VL, which are produced by taking the above manufacturing process as an example, separately as images. It is a figure explaining the 1st structural example of the CCD solid-state image sensor which enabled it to image. Here, FIG. 41 is a sketch (perspective view) showing a structural example. FIG. 42 is a cross-sectional structure diagram in the vicinity of the substrate surface.

図41に示すCCD固体撮像素子101の構造においては、4画素でなる単位画素マトリクス12だけを示しているが、実際には、画素に対して一方向に並列に垂直CCDを配し、それを繰返し複数列配した構造である。   In the structure of the CCD solid-state imaging device 101 shown in FIG. 41, only the unit pixel matrix 12 consisting of four pixels is shown. However, in reality, a vertical CCD is arranged in parallel in one direction with respect to the pixels. It is a structure in which multiple rows are arranged repeatedly.

単位画素マトリクス12をなす周期配列の4画素の内、1つの画素12IR上には誘電体積層膜1が形成されておらず赤外光IRと可視光VLの混合成分を受光し、他の3つの画素12B,12G,12R上には誘電体積層膜1が形成されさらにその上に色フィルタ14(14R,14B,14B)が設けられていて、可視光VLの内の対応する青色B、緑色G、および赤色Rの3原色を受光するようにしている。なお、回路構成は、図29に示されるものを採用した。   Of the four pixels in the periodic array forming the unit pixel matrix 12, the dielectric laminated film 1 is not formed on one pixel 12IR, and a mixed component of infrared light IR and visible light VL is received, and the other three The dielectric laminated film 1 is formed on the two pixels 12B, 12G, and 12R, and the color filter 14 (14R, 14B, and 14B) is provided thereon, and the corresponding blue B and green in the visible light VL are provided. The three primary colors G and red R are received. The circuit configuration shown in FIG. 29 was adopted.

また基板表面付近の断面構造図を示した図42では、可視光VLのみを受光する画素を示している。赤外光IRと可視光VLの混合を受光する画素12IRは、誘電体積層膜および色フィルタ14がない構造である。すなわち、図33で説明した作製プロセス工程のように誘電体積層膜を図13に示した構造でCVD法でSiN層とSiO2層を順次積層した後、リソグラフィ技術とRIE法によって赤外光IRを受光する画素のみにおいて除去する。その後、再びSiO2層を積層して平坦化した。   FIG. 42 showing a cross-sectional structure near the substrate surface shows a pixel that receives only visible light VL. The pixel 12IR that receives the mixture of the infrared light IR and the visible light VL has a structure without the dielectric laminated film and the color filter 14. That is, after the SiN layer and the SiO 2 layer are sequentially laminated by the CVD method with the structure shown in FIG. 13 as in the manufacturing process steps described in FIG. 33, infrared light IR is applied by the lithography technique and the RIE method. It is removed only at the pixels that receive light. Thereafter, the SiO2 layer was laminated again and planarized.

このような構造で作製された撮像素子を用いることで、3原色の可視光VLの像と、赤外光IRのみの像または赤外光IRと可視光VLの混合の像を同時に撮像できることが分かった。
たとえば、赤外光IRと可視光VLの混合成分を受光する画素12IRからの画素データをそのまま用いることで、赤外光IRと可視光VLの混合成分の像を得ることができ、感度を高くすることができる。また、赤外光IRと可視光VLの混合成分の像とともに可視光VLの像が得られるが、両者の差分を取ることで、赤外光IRのみの像が得られる。
By using an image sensor made with such a structure, it is possible to simultaneously capture an image of three primary colors of visible light VL and an image of only infrared light IR or an image of a mixture of infrared light IR and visible light VL. I understood.
For example, by using the pixel data from the pixel 12IR that receives the mixed component of the infrared light IR and the visible light VL as they are, an image of the mixed component of the infrared light IR and the visible light VL can be obtained, and the sensitivity is increased. can do. Further, an image of visible light VL is obtained together with an image of a mixed component of infrared light IR and visible light VL. By taking the difference between the two, an image of only infrared light IR can be obtained.

<センサ構造の具体例2;CCD対応>
図43は、上記製造プロセスを例として作製した、赤外光IRのみと可視光VLの2つの波長成分を同時に像として別々に撮像できるようにしたCCD固体撮像素子の第2の構成例を説明する図である。ここで、図43は、構造例を示す見取り図である。
<Specific example 2 of sensor structure; compatible with CCD>
FIG. 43 illustrates a second configuration example of a CCD solid-state imaging device manufactured by taking the above manufacturing process as an example so that two wavelength components of only infrared light IR and visible light VL can be separately imaged simultaneously. It is a figure to do. Here, FIG. 43 is a sketch showing a structural example.

図43に示すCCD固体撮像素子101の構造においては、4画素でなる単位画素マトリクス12だけを示しているが、実際にはこれを横方向に繰り返し、それをさらに縦方向に繰り返した構造である。   In the structure of the CCD solid-state imaging device 101 shown in FIG. 43, only the unit pixel matrix 12 consisting of four pixels is shown, but in actuality, this is repeated in the horizontal direction and further repeated in the vertical direction. .

単位画素マトリクス12をなす周期配列の4画素の内、1つの画素12IRが赤外光IRのみ(または赤外光IRと可視光VLの混合)を受光し、他の3つの画素12B,12G,12Rが、可視光VLの内の対応する青色B、緑色G、および赤色Rの3原色を受光するようにしている。なお、回路構成は、図29に示されるものを採用した。   Of the four pixels in the periodic array forming the unit pixel matrix 12, one pixel 12IR receives only infrared light IR (or a mixture of infrared light IR and visible light VL), and the other three pixels 12B, 12G, The 12R receives the three primary colors of blue B, green G, and red R corresponding to the visible light VL. The circuit configuration shown in FIG. 29 was adopted.

第1の構成例との違いは、赤外光IRの画素12IRの上に、色フィルタ14として黒色フィルタ14BKを用いることによって、可視光VLをカットし、赤外光IRのみを受光できるようにしている点である。その他の構成や構造は第1の構成例と同じである。   The difference from the first configuration example is that the visible light VL is cut off and only the infrared light IR can be received by using the black filter 14BK as the color filter 14 on the pixel 12IR of the infrared light IR. It is a point. Other configurations and structures are the same as those in the first configuration example.

このような第2の構成例で作製された撮像素子を用いることで、3原色の可視光の像と赤外光の像を同時に撮像できることが分かった。すなわち、色フィルタ14Cとして、可視光VLのみを吸収するような黒色フィルタ14BKを設けると、可視光VLをこの黒色フィルタ14BKで吸収させることができ、赤外光IRの画素12IRからの画像データに基づいて赤外光IRのみの像が得られることになる。   It has been found that by using the imaging device manufactured in such a second configuration example, it is possible to simultaneously capture an image of three primary colors of visible light and an image of infrared light. That is, when the black filter 14BK that absorbs only the visible light VL is provided as the color filter 14C, the visible light VL can be absorbed by the black filter 14BK, and the image data from the pixel 12IR of the infrared light IR is added. Based on this, an image of only infrared light IR is obtained.

以上、本発明を実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。   As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. Various changes or improvements can be added to the above-described embodiment without departing from the gist of the invention, and embodiments to which such changes or improvements are added are also included in the technical scope of the present invention.

また、上記の実施形態は、クレーム(請求項)にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組合せの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。前述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜の組合せにより種々の発明を抽出できる。実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、効果が得られる限りにおいて、この幾つかの構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。   Further, the above embodiments do not limit the invention according to the claims (claims), and all combinations of features described in the embodiments are not necessarily essential to the solution means of the invention. Absent. The embodiments described above include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. Even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, as long as an effect is obtained, a configuration from which these some constituent requirements are deleted can be extracted as an invention.

上記で説明した構造は、本発明の一実施形態を示したものであり、上記で説明したように、隣接する層間で屈折率が異なり所定の厚みを持つ層を複数積層した構造を有し、電磁波の内の所定の波長領域成分を反射させ残りを通過させる特性を持った積層部材(誘電体積層膜)を用いて波長分別可能にするのは、他の同様な構造でも可能である。   The structure described above shows an embodiment of the present invention, and as described above, has a structure in which a plurality of layers having different refractive indexes and a predetermined thickness are stacked between adjacent layers, Other similar structures can be used to enable wavelength separation using a laminated member (dielectric laminated film) having a characteristic of reflecting a predetermined wavelength region component of electromagnetic waves and allowing the remainder to pass therethrough.

さらに上述の技術は必ずしも可視光と赤外光の分光に限った技術ではない。たとえば、可視光と紫外光の分光や検知も可能となり、可視光とともに紫外光も同時に検出してイメージ化できる。また、同時に検出する可視光については、分光せずにモノクロ画像を検知することに限らず、上述のようにして色別の色フィルタを用いて可視光帯内をたとえば3原色成分に分光することでカラー画像を検知することもできる。   Furthermore, the above-described technique is not necessarily limited to visible light and infrared light spectroscopy. For example, visible light and ultraviolet light can be separated and detected, and ultraviolet light can be detected and imaged simultaneously with visible light. In addition, the visible light detected at the same time is not limited to detecting a monochrome image without splitting, and the visible light band is split into, for example, three primary color components using the color filters for each color as described above. Can also detect color images.

これにより、眼で見ることができる可視光のイメージ像(モノクロ画像あるいはカラー画像)と対応して、眼で見ることのできない紫外光の像情報を同時に取得することができる。これによって光合成監視カメラなどの新しい情報システムのキーデバイスとして応用が広がる。   Accordingly, it is possible to simultaneously acquire image information of ultraviolet light that cannot be seen by the eye, corresponding to an image image (monochrome image or color image) of visible light that can be seen by the eye. This expands the application as a key device for new information systems such as photosynthetic surveillance cameras.

たとえば、可視光VLを反射波長領域成分とし、通過波長領域成分を可視光VLよりも低波長側(たとえば紫外光)とする誘電体積層膜1を利用することで、可視光VLと可視光VLよりも低波長側(たとえば紫外光)の分光や検知も可能となる。   For example, the visible light VL and the visible light VL are obtained by using the dielectric laminated film 1 in which the visible light VL is a reflected wavelength region component and the passing wavelength region component is a lower wavelength side (for example, ultraviolet light) than the visible light VL. It is also possible to perform spectroscopy and detection on the lower wavelength side (for example, ultraviolet light).

たとえば、図示を割愛するが、図41において、単位画素マトリクス12をなす周期配列の4画素の内、1つの画素12IR上には可視光VL以上の波長成分を反射する誘電体積層膜1を形成することで、可視光VLよりも低波長側(紫外光)のみを受光し、他の3つの画素12B,12G,12R上には誘電体積層膜1を形成せず、色フィルタ14(14R,14B,14B)を設けることで、可視光VLの内の対応する青色B、緑色G、および赤色Rの3原色を低波長側(紫外光)とともに受光するようにする。   For example, although not shown, in FIG. 41, the dielectric laminated film 1 that reflects a wavelength component of visible light VL or more is formed on one pixel 12IR out of four pixels of the periodic array forming the unit pixel matrix 12. Thus, only the wavelength lower than the visible light VL (ultraviolet light) is received, the dielectric laminated film 1 is not formed on the other three pixels 12B, 12G, and 12R, and the color filter 14 (14R, 14B, 14B), the corresponding three primary colors of blue B, green G and red R in the visible light VL are received together with the low wavelength side (ultraviolet light).

通過波長領域成分の影響をほぼ全く受けない反射波長領域成分としての可視光VLの信号を得るに際しては、通過波長領域成分である紫外光成分との間での演算処理を行なえばよい。なお、色フィルタ14(14R,14B,14B)の特性として、通過波長領域成分である紫外光成分に対する透過率が略ゼロであるものを使用すれば、可視光VLよりも低波長側(紫外光)の成分が色フィルタ14(14R,14B,14B)によってかっとされるので、この演算処理が不要になる。   In order to obtain a visible light VL signal as a reflected wavelength region component that is substantially unaffected by the transmitted wavelength region component, an arithmetic process with the ultraviolet light component that is the transmitted wavelength region component may be performed. In addition, if the thing with the transmittance | permeability with respect to the ultraviolet-light component which is a passage wavelength area component is used as a characteristic of the color filter 14 (14R, 14B, 14B), it is a low wavelength side (ultraviolet light) from visible light VL. ) Is removed by the color filter 14 (14R, 14B, 14B), so this calculation process is not necessary.

<<製造プロセスおよびデバイス構造に関する他の実施例>>
図45に本実施例におけるイメージセンサの断面構造を示す。
図33では、誘電体積層膜1が取り除かれたエリア(図45のエリア101)にはSiO2膜が埋め込まれているが、本実施例では、レンズ102が形成されており、この部分が特徴となる。
これにより、図35に比較して、全体の高さを抑えつつ、レンズがなくなることによる集光のロスを極力抑えた構造となる。
図46乃至図48に特徴となる製造プロセスについて記載する。
図33より、図46(A)を得る。次いで、図46(B)のようにリソグラフィー工程によりレジストパターン103を形成する。
次いで、このレジストをマスクとし、等方性のエッチングを行い、図46(C)のような形状を得る。この際の等方性エッチングは、ウェット式のエッチングでも、ドライ式のエッチングでもどちらでも良い。
その後、残ったレジストを除去し、図46(D)となる。
次に異方性エッチングにより、SiO2膜104を全体的に薄膜化し、図47(E)とする。この際の異方性エッチングでは、誘電体積層膜1の最上層のSiN膜105と、被エッチング材料であるSiO2膜104の選択比が高い条件(SiO2のエッチングレートが早い)にて処理することが望ましい。
次に、SiO2膜104よりも屈折率の高い材料、ここでは、SiN膜106を堆積させる(図47(F))。
次にレジスト107を塗布し(図47(G))、その後、全面をエッチバックする(図47(H))。この際のエッチング条件としては、SiN膜106とレジスト107でエッチングレートが等しいことが望ましい。
最後にパッシベーション用のSiN108を堆積させ、図48(I)となる。
この後は、カラーフィルタや、オンチップレンズなどの製造工程であり、これらは既存のプロセスを用いれば良い。
<< Other Examples of Manufacturing Process and Device Structure >>
FIG. 45 shows a cross-sectional structure of the image sensor in this embodiment.
In FIG. 33, the SiO 2 film is embedded in the area from which the dielectric laminated film 1 has been removed (area 101 in FIG. 45), but in this embodiment, a lens 102 is formed. Become.
Thereby, compared with FIG. 35, it becomes the structure which suppressed the loss of condensing as much as possible, suppressing the whole height and eliminating a lens.
The manufacturing process that is characteristic of FIGS. 46 to 48 will be described.
FIG. 46A is obtained from FIG. Next, as shown in FIG. 46B, a resist pattern 103 is formed by a lithography process.
Next, using this resist as a mask, isotropic etching is performed to obtain a shape as shown in FIG. The isotropic etching at this time may be either wet etching or dry etching.
Thereafter, the remaining resist is removed, resulting in FIG.
Next, the SiO 2 film 104 is entirely thinned by anisotropic etching, and the result is shown in FIG. In the anisotropic etching at this time, the processing is performed under the condition that the selective ratio between the uppermost SiN film 105 of the dielectric laminated film 1 and the SiO 2 film 104 as the material to be etched is high (the etching rate of SiO 2 is fast). Is desirable.
Next, a material having a higher refractive index than the SiO 2 film 104, here, a SiN film 106 is deposited (FIG. 47F).
Next, a resist 107 is applied (FIG. 47G), and then the entire surface is etched back (FIG. 47H). As etching conditions at this time, it is desirable that the SiN film 106 and the resist 107 have the same etching rate.
Finally, a passivation SiN 108 is deposited, resulting in FIG.
The subsequent steps are for manufacturing color filters, on-chip lenses, etc., and these may be performed using existing processes.

誘電体積層膜を利用して電磁波を所定波長ごとに分光する分波イメージセンサの概念を説明する図である。It is a figure explaining the concept of the demultiplexing image sensor which separates electromagnetic waves for every predetermined wavelength using a dielectric laminated film. 誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサの基本構成を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the basic composition of the demultiplexing image sensor using a dielectric laminated film. 図2に示した分光イメージセンサの基本構成を複数の波長分離構成に適用した構成例を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example in which the basic configuration of the spectral image sensor illustrated in FIG. 2 is applied to a plurality of wavelength separation configurations. 積層膜を設計する手法の基本概念を説明する構造図である。It is a structure figure explaining the basic concept of the method of designing a laminated film. 積層膜を設計する手法の基本概念を説明する反射スペクトル図である。It is a reflection spectrum figure explaining the basic concept of the method of designing a laminated film. 積層膜を設計する手法の基本概念を説明する反射スペクトル図である。It is a reflection spectrum figure explaining the basic concept of the method of designing a laminated film. 反射中心波長λの条件を説明する図(反射スペクトルの概念を示した図)である。It is a figure explaining the conditions of reflection center wavelength (lambda) (the figure which showed the concept of the reflection spectrum). 反射中心波長λの条件を説明する反射スペクトル図である。It is a reflection spectrum figure explaining the conditions of reflection center wavelength (lambda). 反射中心波長λの条件を説明する反射スペクトル図である。It is a reflection spectrum figure explaining the conditions of reflection center wavelength (lambda). 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第1実施形態を説明する構造図である。1 is a structural diagram illustrating a first embodiment of a spectral image sensor that supports single wavelength demultiplexing using a laminated film. FIG. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第1実施形態を説明する反射スペクトル図である。It is a reflection spectrum figure explaining 1st Embodiment of the spectral image sensor corresponding to a single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第1実施形態を説明する図(反射スペクトル図;詳細)である。It is a figure (reflection spectrum figure; details) explaining 1st Embodiment of the spectral image sensor corresponding to a single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第1実施形態を説明する構造図である。1 is a structural diagram illustrating a first embodiment of a spectral image sensor that supports single wavelength demultiplexing using a laminated film. FIG. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第1実施形態を説明する反射スペクトル図である。It is a reflection spectrum figure explaining 1st Embodiment of the spectral image sensor corresponding to a single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第2実施形態を説明する構造図である。FIG. 5 is a structural diagram illustrating a second embodiment of a spectral image sensor that supports single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第2実施形態を説明する反射スペクトル図である。It is a reflection spectrum figure explaining 2nd Embodiment of the spectral image sensor corresponding to a single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第2実施形態を説明する構造図である。FIG. 5 is a structural diagram illustrating a second embodiment of a spectral image sensor that supports single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第2実施形態を説明する反射スペクトル図である。It is a reflection spectrum figure explaining 2nd Embodiment of the spectral image sensor corresponding to a single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第3実施形態を説明する構造図である。FIG. 6 is a structural diagram illustrating a third embodiment of a spectral image sensor that supports single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第3実施形態を説明する反射スペクトル図である。It is a reflection spectrum figure explaining 3rd Embodiment of the spectral image sensor corresponding to a single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第3実施形態を説明する構造図である。FIG. 6 is a structural diagram illustrating a third embodiment of a spectral image sensor that supports single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第3実施形態を説明する反射スペクトル図である。It is a reflection spectrum figure explaining 3rd Embodiment of the spectral image sensor corresponding to a single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第3実施形態を説明する構造図である。FIG. 6 is a structural diagram illustrating a third embodiment of a spectral image sensor that supports single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第3実施形態を説明する反射スペクトル図である。It is a reflection spectrum figure explaining 3rd Embodiment of the spectral image sensor corresponding to a single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第4実施形態を説明する構造図である。It is a structure figure explaining 4th Embodiment of the spectral image sensor corresponding to a single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第4実施形態を説明する反射スペクトル図である。It is a reflection spectrum figure explaining 4th Embodiment of the spectral image sensor corresponding to a single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第5実施形態を説明する構造図である。It is a structure figure explaining 5th Embodiment of the spectral image sensor corresponding to a single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第5実施形態を説明する反射スペクトル図である。It is a reflection spectrum figure explaining 5th Embodiment of the spectral image sensor corresponding to a single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜をIT_CCDイメージセンサに適用した場合の回路図(R,G,B,赤外光IR対応)である。It is a circuit diagram (R, G, B, infrared light IR correspondence) at the time of applying a laminated film to an IT_CCD image sensor. 積層膜をIT_CCDイメージセンサに適用した場合の回路図(可視光VL、赤外光IR対応)である。FIG. 6 is a circuit diagram (corresponding to visible light VL and infrared light IR) when a laminated film is applied to an IT_CCD image sensor. 積層膜をCMOS固体撮像素子に適用した場合の回路図(R,G,B,赤外光IR対応)である。It is a circuit diagram (R, G, B, infrared light IR correspondence) at the time of applying a laminated film to a CMOS solid-state image sensor. 積層膜をCMOS固体撮像素子に適用した場合の回路図(可視光VL、赤外光IR対応)である。FIG. 6 is a circuit diagram (corresponding to visible light VL and infrared light IR) when a laminated film is applied to a CMOS solid-state imaging device. 分光イメージセンサを製造するプロセス例を示す図である。It is a figure which shows the example of a process which manufactures a spectral image sensor. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第6実施形態を説明する構造図である。FIG. 11 is a structural diagram illustrating a sixth embodiment of a spectral image sensor that supports single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第6実施形態を説明する構造図である。FIG. 11 is a structural diagram illustrating a sixth embodiment of a spectral image sensor that supports single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第6実施形態を説明する構造図である。FIG. 11 is a structural diagram illustrating a sixth embodiment of a spectral image sensor that supports single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第6実施形態を説明する構造図である。FIG. 11 is a structural diagram illustrating a sixth embodiment of a spectral image sensor that supports single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第6実施形態を説明する図である。It is a figure explaining 6th Embodiment of the spectral image sensor corresponding to a single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第6実施形態を説明する反射スペクトル図である。It is a reflection spectrum figure explaining 6th Embodiment of the spectral image sensor corresponding to a single wavelength demultiplexing using a laminated film. 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第6実施形態を説明する反射スペクトル図である。It is a reflection spectrum figure explaining 6th Embodiment of the spectral image sensor corresponding to a single wavelength demultiplexing using a laminated film. 赤外光と可視光の2つの波長成分を、同時に像として別々に撮像できるようにしたCCD固体撮像素子の第1の構成例を説明する図(斜視図)である。It is a figure (perspective view) explaining the 1st structural example of the CCD solid-state image sensor which enabled it to image two wavelength components of infrared light and visible light separately as an image simultaneously. 赤外光と可視光の2つの波長成分を、同時に像として別々に撮像できるようにしたCCD固体撮像素子の第1の構成例を説明する図(断面構造図)である。It is a figure (sectional structure diagram) explaining the 1st structural example of the CCD solid-state image sensor which enabled it to image two wavelength components of infrared light and visible light separately as an image simultaneously. 赤外光と可視光の2つの波長成分を、同時に像として別々に撮像できるようにしたCCD固体撮像素子の第2の構成例を説明する図(斜視図)である。It is a figure (perspective view) explaining the 2nd structural example of the CCD solid-state image sensor which enabled it to image two wavelength components of infrared light and visible light separately as an image simultaneously. 特許文献1に記載のセンサの仕組みを説明する図である。It is a figure explaining the mechanism of the sensor given in patent documents 1. 本実施例におけるイメージセンサの断面構造図である。It is sectional structure drawing of the image sensor in a present Example. 製造プロセス例を示す図である。It is a figure which shows the example of a manufacturing process. 製造プロセス例を示す図である。It is a figure which shows the example of a manufacturing process. 製造プロセス例を示す図である。It is a figure which shows the example of a manufacturing process.

符号の説明Explanation of symbols

1…誘電体積層膜、10,11…分光イメージセンサ、12…単位画素マトリクス、100…撮像装置、101…CCD固体撮像素子、122…垂直転送CCD、124…読出ゲート、126…水平転送CCD、128…出力アンプ、201…CMOS固体撮像素子、205…画素内アンプ、207…駆動制御部、219…垂直信号線、226…カラム処理部。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Dielectric laminated film 10, 11 ... Spectral image sensor, 12 ... Unit pixel matrix, 100 ... Imaging device, 101 ... CCD solid-state image sensor, 122 ... Vertical transfer CCD, 124 ... Read-out gate, 126 ... Horizontal transfer CCD, DESCRIPTION OF SYMBOLS 128 ... Output amplifier, 201 ... CMOS solid-state image sensor, 205 ... In-pixel amplifier, 207 ... Drive control part, 219 ... Vertical signal line, 226 ... Column processing part.

Claims (1)

2次元状に配置された複数の画素を含む撮像領域を有し、
前記複数の画素の夫々は基体中に形成された受光素子を含み、
前記複数の画素に含まれる第1の画素の前記受光素子の上方に積層部が形成され、
前記複数の画素に含まれる第2の画素の前記受光素子の上方に層内レンズが形成され、
前記積層部は屈折率の異なる複数層からなる積層構造を含むと共に、所定の波長領域の入射光を反射させ、
前記層内レンズは前記積層部の間欠領域に形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
An imaging region including a plurality of pixels arranged two-dimensionally;
Each of the plurality of pixels includes a light receiving element formed in the substrate,
A stacked portion is formed above the light receiving element of the first pixel included in the plurality of pixels;
An in-layer lens is formed above the light receiving element of the second pixel included in the plurality of pixels;
The laminated portion includes a laminated structure composed of a plurality of layers having different refractive indexes, reflects incident light in a predetermined wavelength region,
The in-layer lens is formed in an intermittent region of the laminated portion.
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