JP7325249B2

JP7325249B2 - Solid-state imaging device and imaging device

Info

Publication number: JP7325249B2
Application number: JP2019127016A
Authority: JP
Inventors: 健満仲; 大紀佐藤
Original assignee: シャープセミコンダクターイノベーション株式会社
Priority date: 2019-07-08
Filing date: 2019-07-08
Publication date: 2023-08-14
Anticipated expiration: 2039-07-08
Also published as: JP2021012971A

Description

本発明は、生体組織測定用センサに好適な固体撮像素子、及び生体組織測定や観察に有用な撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device suitable for a sensor for measuring biological tissue, and an imaging apparatus useful for measuring and observing biological tissue.

生化学、生物学、医学等の分野において、生体細胞、タンパク等の各種生体組織の光学的な現象を観察するバイオイメージング技術が注目されている。観察方法の１つとしてインビトロ（ｉｎｖｉｔｒｏ）による蛍光バイオイメージングが知られている。 BACKGROUND ART In the fields of biochemistry, biology, medicine, and the like, attention has been focused on bioimaging techniques for observing optical phenomena of various living tissues such as living cells and proteins. In vitro fluorescence bioimaging is known as one of observation methods.

図６における点線Ｌ２に囲まれた図に示すように、半導体基板１Ｂ上に設けられたフォトダイオード１０１Ｂを含む固体撮像素子１００Ｂの表面を被覆する膜１０２Ｂ上に、生体から採取した細胞等の測定試料３を直接載せる。光源２が測定試料３に対して上から励起光パルスＥＸを照射する。これにより、固体撮像素子１００Ｂ内のフォトダイオード１０１Ｂは、膜１０２Ｂを介して、測定試料３から発する蛍光ＦＬを検出する。 As shown in the diagram surrounded by the dotted line L2 in FIG. 6, measurement of cells or the like collected from a living body is performed on a film 102B covering the surface of a solid-state imaging device 100B including a photodiode 101B provided on a semiconductor substrate 1B. Place sample 3 directly. The light source 2 irradiates the measurement sample 3 with an excitation light pulse EX from above. Thereby, the photodiode 101B in the solid-state imaging device 100B detects the fluorescence FL emitted from the measurement sample 3 via the film 102B.

図６に示す蛍光測定では、単純に測定試料３に励起光パルスＥＸを入射させているため、通常では、図６における点線Ｌ１に囲まれた図のように、測定試料３を透過した励起光パルスＥＸ１と蛍光ＦＬとが混在する。蛍光ＦＬのみをフォトダイオード１０１Ｂに入射させるためには、測定材料３を透過した励起光パルスＥＸ１と蛍光ＦＬとを分離する必要がある。 In the fluorescence measurement shown in FIG. 6, the excitation light pulse EX is simply incident on the measurement sample 3, so normally, as shown in the diagram surrounded by the dotted line L1 in FIG. 6, the excitation light transmitted through the measurement sample 3 Pulse EX1 and fluorescence FL are mixed. In order to allow only the fluorescence FL to enter the photodiode 101B, it is necessary to separate the excitation light pulse EX1 transmitted through the measurement material 3 and the fluorescence FL.

一般に、励起光パルスＥＸの波長は、蛍光ＦＬの波長とは異なり、さらに蛍光ＦＬの波長は、励起光パルスＥＸの波長に比べて長いことが多い。このため、図６における点線Ｌ２に囲まれた図のように、蛍光ＦＬの波長域のみを通過させ、励起光ＥＸの波長域を遮断する波長フィルタとして膜１０２Ｂを設けることがある。 Generally, the wavelength of the excitation light pulse EX is different from the wavelength of the fluorescence FL, and the wavelength of the fluorescence FL is often longer than the wavelength of the excitation light pulse EX. Therefore, as shown in FIG. 6 surrounded by a dotted line L2, a film 102B may be provided as a wavelength filter for passing only the wavelength band of the fluorescence FL and blocking the wavelength band of the excitation light EX.

しかしながら、蛍光ＦＬの波長域をほとんど減衰させずに通過させ、かつ、励起光パルスＥＸの減衰が大きい波長フィルタの膜１０２Ｂを半導体基板１Ｂ上に設けることは、製造工程が複雑である。このため、固体撮像素子１００Ｂの製造は、容易ではない。また、波長フィルタの膜１０２Ｂの形成は、減衰させる励起光パルスＥＸの波長範囲と、通過させる蛍光ＦＬの波長範囲と、が制限されるため、様々な励起光パルスＥＸの波長と蛍光ＦＬの波長とを組み合わせて評価することは難しく、汎用性に欠ける。 However, providing on the semiconductor substrate 1B the wavelength filter film 102B that passes the wavelength band of the fluorescence FL without being attenuated and that greatly attenuates the excitation light pulse EX requires a complicated manufacturing process. Therefore, manufacturing the solid-state imaging device 100B is not easy. In addition, since the wavelength range of the excitation light pulse EX to be attenuated and the wavelength range of the fluorescence FL to be passed are limited by the formation of the wavelength filter film 102B, various wavelengths of the excitation light pulse EX and the wavelength of the fluorescence FL It is difficult to evaluate in combination with and lacks versatility.

そこで、図７に示す特許文献１に記載の蛍光測定では、半導体基板１Ｃ内のフォトダイオード２０１上に形成する開口部について、半導体基板１Ｃに設けられた金属配線層２０２，２０３及び層間絶縁膜２０４を少しずつ水平方向にずらす。これにより、開口方向が垂直線から所定角度だけ傾斜した窓開口２０５が、フォトダイオード２０１毎に形成されている。 Therefore, in the fluorescence measurement described in Patent Document 1 shown in FIG. slightly horizontally. As a result, a window opening 205 whose opening direction is inclined by a predetermined angle from the vertical line is formed for each photodiode 201 .

この場合、垂直に入射される励起光パルスＥＸは、金属配線層２０２により遮断されてフォトダイオード２０１に到達しない。窓開口２０５上にある測定試料３の蛍光ＦＬは、励起光パルスＥＸの入射方向に寄らず発光するため、窓開口２０５の開口方向に沿ってフォトダイオード２０１に到達する。これにより、励起光パルスＥＸと蛍光ＦＬとが分離される。 In this case, the vertically incident excitation light pulse EX is blocked by the metal wiring layer 202 and does not reach the photodiode 201 . The fluorescence FL of the measurement sample 3 on the window opening 205 emits light regardless of the incident direction of the excitation light pulse EX, so it reaches the photodiode 201 along the opening direction of the window opening 205 . Thereby, the excitation light pulse EX and the fluorescence FL are separated.

図８は、微弱な蛍光ＦＬの強度や蛍光寿命を評価するために、フォトダイオード２０１にシングルフォトンアバランシェダイオード３０１（以下、ＳＰＡＤ３０１と記載）を利用した構成を示す。図８における点線Ｌ３に囲まれた図に示すように、ＳＰＡＤ３０１にアバランシェ増倍が発生するような大きな電圧（Ｖｂｄ＋ΔＶ、ここでＶｂｄは衝突電離を起こし始める電圧、ΔＶはさらに掛ける超過電圧とする）を与えておく。これにより、単一光子の入射によってアバランシェ増倍を起こし、ＳＰＡＤ３０１に大電流が流れる。 FIG. 8 shows a configuration using a single photon avalanche diode 301 (hereinafter referred to as SPAD 301) as the photodiode 201 in order to evaluate the intensity and fluorescence lifetime of weak fluorescence FL. As shown in the diagram surrounded by the dotted line L3 in FIG. 8, a large voltage (Vbd + ΔV, where Vbd is the voltage at which impact ionization begins, and ΔV is the excess voltage to be applied) that causes avalanche multiplication in the SPAD 301. give As a result, single photon incidence causes avalanche multiplication, and a large current flows through the SPAD 301 .

ＳＰＡＤ３０１に接続される負荷３０２に電流が流れると、ＳＰＡＤ３０１に掛かる電圧が下がってＶｂｄに達する。これにより、アバランシェ増倍は停止するが、負荷３０２によって放電され、ＳＰＡＤ３０１に掛かる電圧は、初期電圧のＶｂｄ＋ΔＶに再び戻る。この一連の動作信号を画素回路３０３等で整形することで、単一光子の到来時間を開始点とする電気パルスを計測すると、蛍光は、励起光を照射された後、時間遅延して発光する。 When a current flows through the load 302 connected to the SPAD 301, the voltage across the SPAD 301 drops and reaches Vbd. This stops avalanche multiplication, but is discharged by load 302 and the voltage across SPAD 301 returns to the initial voltage of Vbd+ΔV again. By shaping this series of operating signals with the pixel circuit 303 or the like, when an electric pulse is measured with the arrival time of a single photon as a starting point, the fluorescence emits light with a time delay after being irradiated with the excitation light. .

蛍光による単一光子を検出するまでのタイミングを励起光パルスＥＸ毎に計測し、その時間と回数とをヒストグラムに表示させることで、図８における点線Ｌ４に囲まれた図に示す時間毎の蛍光減衰曲線を得ることができる。また、時定数を計算することで蛍光寿命を計算することができる。例えば、励起光パルスＥＸとＳＰＡＤ３０１とを同期させて計測を行うことで、蛍光による単一光子の各到来時間に対する到達回数を評価することができる。 By measuring the timing until a single photon due to fluorescence is detected for each excitation light pulse EX, and displaying the time and the number of times in a histogram, the fluorescence at each time shown in the figure surrounded by the dotted line L4 in FIG. A decay curve can be obtained. Also, the fluorescence lifetime can be calculated by calculating the time constant. For example, by synchronizing the excitation light pulse EX and the SPAD 301 for measurement, it is possible to evaluate the number of arrivals of single photons due to fluorescence for each arrival time.

特開２００７－２０７７８９号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-207789

しかしながら、ＳＰＡＤの構造によっては、単一光子が入射する位置により、単一光子の入射からアバランシェ増倍を起こすまでの時間が一様ではないことが知られている。図９に、ＳＰＡＤ３０１の断面構造と、単一光子３０２Ａ，３０２Ｂが入射したときの一動作例を示す。単一光子３０２Ａが、ＳＰＡＤ３０１のカソード３０４付近に入射した場合、空乏層３０５の領域からカソード３０４までの距離が小さいため、アバランシェ増倍が瞬時に起こって増倍電流３０６が瞬時に発生する。 However, depending on the structure of the SPAD, it is known that the time from the incidence of a single photon to the occurrence of avalanche multiplication is not uniform depending on the position of the single photon incidence. FIG. 9 shows the cross-sectional structure of the SPAD 301 and an example of operation when single photons 302A and 302B are incident. When a single photon 302A is incident near the cathode 304 of the SPAD 301, the distance from the depletion layer 305 region to the cathode 304 is small, so avalanche multiplication occurs instantaneously and a multiplication current 306 is generated instantaneously.

単一光子３０２Ｂが、ＳＰＡＤ３０１の中央付近に入射した場合、空乏層３０５の領域が大きくなるまでに時間が掛かることで、単一光子３０２Ｂが、中間層３０７に一時的に吸収され、経路３０８のような迷走経路を辿る。これにより、単一光子３０２Ｂは、時間遅延した後にアバランシェ増倍を起こし、増倍電流３０９が発生する。 When the single photon 302B is incident near the center of the SPAD 301, it takes time for the region of the depletion layer 305 to grow. Follow a stray route like this. As a result, the single photon 302B undergoes avalanche multiplication after a time delay, and a multiplication current 309 is generated.

このため、後述の第１タイミングと第２タイミングとが重なると、蛍光信号（＝Ｓ）と励起光信号（＝Ｎ）とからなるＳ／Ｎの区別をすることができなくなる。第１タイミングとは、励起光パルスＥＸによる単一光子３０２Ｂが時間遅延してアバランシェ増倍するとともに、増倍電流３０９が発生するタイミングである。第２タイミングとは、例えば、測定試料３に励起光パルスＥＸが入射されることで蛍光ＦＬが発生し、蛍光ＦＬによる単一光子がＳＰＡＤ３０１に入射してアバランシェ増倍するタイミングである。 For this reason, when the first timing and the second timing, which will be described later, overlap, it becomes impossible to distinguish between the S/N ratios of the fluorescence signal (=S) and the excitation light signal (=N). The first timing is the timing at which the single photon 302B by the excitation light pulse EX is time-delayed and avalanche multiplied, and the multiplication current 309 is generated. The second timing is, for example, the timing at which the excitation light pulse EX is incident on the measurement sample 3 to generate the fluorescence FL, and the single photon from the fluorescence FL is incident on the SPAD 301 for avalanche multiplication.

また、同じタイミングで発生した蛍光ＦＬでも、単一光子３０２Ａ，３０２Ｂと同様に、ＳＰＡＤ３０１への入射位置のバラつきにより、アバランシェ増倍する時間がバラつくと、蛍光減衰曲線の評価結果に影響が出る。特許文献１に記載の構造は、励起光と蛍光との直接的な分離を目的にしている。しかし、測定試料によって反射された励起光が入射されると、蛍光によるアバランシェ増倍を起こしたものと、反射された励起光が入射し、かつ、迷走した後にアバランシェ増倍を起こしたものと、の判別をすることができない。 Also, even with the fluorescence FL generated at the same timing, as with the single photons 302A and 302B, if the avalanche multiplication time varies due to variations in the incident position on the SPAD 301, the evaluation result of the fluorescence decay curve is affected. . The structure described in WO 2005/010003 aims at direct separation of excitation light and fluorescence. However, when the excitation light reflected by the sample to be measured is incident, avalanche multiplication occurs due to fluorescence, and avalanche multiplication occurs after the reflected excitation light enters and strays. cannot be determined.

本発明の一態様は、設計上対応が容易な方法で固体撮像素子を実現し、垂直上方向から入射する励起光を遮断しつつ、測定試料から放出された蛍光を選択的に検出することを目的とする。 One aspect of the present invention is to realize a solid-state imaging device by a method that is easy to handle in terms of design, and to selectively detect fluorescence emitted from a measurement sample while blocking excitation light incident from the vertical direction. aim.

前記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像素子は、半導体基板上に設けられた光電変換部と、前記半導体基板の上面から見て、前記光電変換部の表面を被覆するように設けられた第１の遮光層及び第２の遮光層と、を有し、前記第１の遮光層は、前記光電変換部の面積よりも小さい面積で前記光電変換部の上面に形成されることで前記光電変換部の表面の一部を被覆し、前記第２の遮光層は、前記第１の遮光層とは離れて配置されており、前記第２の遮光層に窓開口が形成されていることにより、前記第２の遮光層は、前記半導体基板の上面から見て、前記光電変換部の表面のうち前記第１の遮光層によって被覆される部分以外の部分を被覆することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a solid-state imaging device according to an aspect of the present invention includes a photoelectric conversion unit provided on a semiconductor substrate, and a surface of the photoelectric conversion unit covered when viewed from above the semiconductor substrate. The first light shielding layer is formed on the upper surface of the photoelectric conversion part with an area smaller than that of the photoelectric conversion part. The second light shielding layer is arranged apart from the first light shielding layer, and a window opening is formed in the second light shielding layer. is formed, the second light shielding layer covers a portion of the surface of the photoelectric conversion unit other than the portion covered by the first light shielding layer when viewed from above the semiconductor substrate. It is characterized by

本発明の一態様によれば、設計上対応が容易な方法で固体撮像素子を実現することができ、垂直上方向から入射する励起光を遮断しつつ、測定試料から放出された蛍光を選択的に検出することができる。 According to one aspect of the present invention, a solid-state imaging device can be realized by a method that is easy to handle in terms of design. can be detected.

本発明の実施形態に係る固体撮像素子を備える撮像装置の概略構成を示す図である。It is a figure showing a schematic structure of an imaging device provided with a solid-state image sensing device concerning an embodiment of the present invention. 図１に示す固体撮像素子において、蛍光がＳＰＡＤに入射する範囲を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a range in which fluorescence is incident on SPAD in the solid-state imaging device shown in FIG. 1; 図１に示す撮像装置の変形例としての撮像装置を示す概略断面図である。2 is a schematic cross-sectional view showing an imaging device as a modified example of the imaging device shown in FIG. 1; FIG. 図１に示す固体撮像素子に関して、半導体基板に画素を複数形成するとともに、窓開口が形成された固体撮像素子上に、測定試料を載せた場合の全体構成図である。FIG. 2 is an overall configuration diagram of the solid-state imaging device shown in FIG. 1 in which a plurality of pixels are formed on a semiconductor substrate and a measurement sample is placed on the solid-state imaging device in which window openings are formed; 図１に示す固体撮像素子に関して、撮像装置を利用した場合の測定方法を示す概略断面図である。2 is a schematic cross-sectional view showing a measurement method when using an imaging device with respect to the solid-state imaging device shown in FIG. 1; FIG. 従来の固体撮像素子を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the conventional solid-state image sensor. 特許文献１に記載の従来技術を示す概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the prior art described in Patent Document 1; 従来技術としてフォトダイオードを利用した構成と、蛍光減衰曲線と、を示す図である。FIG. 2 shows a prior art configuration using a photodiode and a fluorescence decay curve; ＳＰＡＤの断面構造と、単一光子が入射したときの一動作例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional structure of a SPAD and an example of operation when a single photon is incident;

〔実施形態〕
（撮像装置１０の構成）
以下、本発明に係る固体撮像素子１００の一実施例である、半導体基板１上に設けられたＳＰＡＤ１１（ＳＰＡＤ：シングルフォトンアバランシェダイオード）と、ＳＰＡＤ１１を用いた撮像装置１０と、について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子１００を備える撮像装置１０の概略構成を示す図である。図１におけるＰ１で示された図は、撮像装置１０における１画素上に、主として細胞等の生体分子である測定試料３（撮像対象物）を載せた場合の概略断面図である。測定試料３は、固体撮像素子１００の上面に配置される。 [Embodiment]
(Configuration of imaging device 10)
A SPAD 11 (SPAD: single photon avalanche diode) provided on a semiconductor substrate 1 and an imaging device 10 using the SPAD 11, which is an embodiment of the solid-state imaging device 100 according to the present invention, will be described below with reference to the drawings. to explain. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an imaging device 10 having a solid-state imaging device 100 according to an embodiment of the present invention. A diagram indicated by P1 in FIG. 1 is a schematic cross-sectional view when a measurement sample 3 (imaging object), which is mainly a biomolecule such as a cell, is placed on one pixel of the imaging device 10. FIG. A measurement sample 3 is arranged on the upper surface of the solid-state imaging device 100 .

図１におけるＰ２で示された図は、撮像装置１０における１画素上に測定試料３を載せていない場合の概略上面図である。撮像装置１０の垂直上方に設置された光源２（光照射手段）より励起光パルスＥＸを測定試料３に入射する。換言すると、光源２は、測定試料３に窓開口１５の開口方向の垂直上より光を照射する。これにより、測定試料３の蛍光ＦＬの特性を測定する。撮像装置１０は、固体撮像素子１００を利用した装置である。光源２は、例えばレーザである。 A diagram indicated by P2 in FIG. 1 is a schematic top view when the measurement sample 3 is not placed on one pixel of the imaging device 10. FIG. An excitation light pulse EX is incident on the measurement sample 3 from a light source 2 (light irradiation means) installed vertically above the imaging device 10 . In other words, the light source 2 irradiates the measurement sample 3 with light from vertically above the opening direction of the window opening 15 . Thereby, the characteristics of the fluorescence FL of the measurement sample 3 are measured. The imaging device 10 is a device using a solid-state imaging device 100 . The light source 2 is, for example, a laser.

本実施例の撮像装置１０は、光源２と、固体撮像素子１００と、を備えている。固体撮像素子１００は、半導体基板１上に、ＳＰＡＤ１１（光電変換部）と、第１の金属配線層１２１（第１の遮光層）と、第２の金属配線層１４（第２の遮光層）と、を備えている。撮像装置１０は、固体撮像素子１００として、半導体基板１上に設けられたＳＰＡＤ１１の上面に、最下層（最下位層）の金属配線層（ＳＰＡＤ１１に最も近い金属配線層）で形成される第１の金属配線層１２１が形成される。 An imaging device 10 of this embodiment includes a light source 2 and a solid-state imaging device 100 . The solid-state imaging device 100 includes a SPAD 11 (photoelectric conversion section), a first metal wiring layer 121 (first light shielding layer), and a second metal wiring layer 14 (second light shielding layer) on a semiconductor substrate 1. and have. As a solid-state imaging device 100, the imaging device 10 has a first metal wiring layer formed on the upper surface of a SPAD 11 provided on a semiconductor substrate 1 and formed of a metal wiring layer of the lowest layer (lowest layer) (a metal wiring layer closest to the SPAD 11). of metal wiring layer 121 is formed.

第１の金属配線層１２１は、半導体基板１における励起光パルスＥＸの入射側とは反対側の表面に最も近い金属配線層である。第１の金属配線層１２１は、ＳＰＡＤ１１の面積Ｓ１よりも小さい面積Ｓ２でＳＰＡＤ１１の上面に形成されることでＳＰＡＤ１１の一部を被覆する。つまり、第１の金属配線層１２１の面積Ｓ２は、ＳＰＡＤ１１の面積Ｓ１より小さい。面積Ｓ１及び面積Ｓ２は、それぞれ、励起光パルスＥＸの入射側から固体撮像素子１００を見た場合の面積である。 The first metal wiring layer 121 is the closest metal wiring layer to the surface of the semiconductor substrate 1 opposite to the incident side of the excitation light pulse EX. The first metal wiring layer 121 is formed on the upper surface of the SPAD 11 with an area S2 smaller than the area S1 of the SPAD 11, thereby partially covering the SPAD 11. As shown in FIG. That is, the area S2 of the first metal wiring layer 121 is smaller than the area S1 of the SPAD 11. FIG. The area S1 and the area S2 are areas when the solid-state imaging device 100 is viewed from the incident side of the excitation light pulse EX.

第１の金属配線層１２１によって遮光されていないＳＰＡＤ１１の端の部分は、第２の金属配線層１４によって遮光される。つまり、第２の金属配線層１４は、第１の金属配線層１２１の端を起点に、第１の金属配線層１２１とは異なる層で、窓開口１５とＳＰＡＤ１１との残りの面積を遮光するように形成される。これにより、第１の金属配線層１２１及び第２の金属配線層１４によって、直上から見て少なくともＳＰＡＤ１１の全体が被覆される。 The end portion of the SPAD 11 not shielded by the first metal wiring layer 121 is shielded by the second metal wiring layer 14 . That is, the second metal wiring layer 14 is a layer different from the first metal wiring layer 121, starting from the end of the first metal wiring layer 121, and shields the remaining area between the window opening 15 and the SPAD 11. is formed as As a result, at least the entire SPAD 11 is covered with the first metal wiring layer 121 and the second metal wiring layer 14 when viewed from directly above.

この場合、垂直上方より入射される励起光パルスＥＸは、第１の金属配線層１２１と第２の金属配線層１４との組み合わせにより遮光されるため、直接的にはＳＰＡＤ１１に到達しない。つまり、第１の金属配線層１２１及び第２の金属配線層１４は、半導体基板１の上面から見て、ＳＰＡＤ１１の表層を被覆するように設けられている。 In this case, the excitation light pulse EX incident vertically above is shielded by the combination of the first metal wiring layer 121 and the second metal wiring layer 14 and therefore does not reach the SPAD 11 directly. That is, the first metal wiring layer 121 and the second metal wiring layer 14 are provided so as to cover the surface layer of the SPAD 11 when viewed from above the semiconductor substrate 1 .

しかしながら、窓開口１５上にある測定試料３からの蛍光ＦＬは、励起光パルスＥＸの入射方向に寄らず発光する。このため、第１の金属配線層１２１及び第２の金属配線層１４の面積や位置が、それぞれの深さ方向に応じて適切に決定されることで、蛍光ＦＬは、蛍光ＦＬの入射角度によってＳＰＡＤ１１のガードリング層１６への接続付近（範囲１７）のみに入射する。ガードリング層１６は、保護膜やカソードとしての層である。 However, the fluorescence FL from the measurement sample 3 above the window opening 15 emits light regardless of the incident direction of the excitation light pulse EX. Therefore, by appropriately determining the areas and positions of the first metal wiring layer 121 and the second metal wiring layer 14 according to the respective depth directions, the fluorescence FL can be changed depending on the incident angle of the fluorescence FL. Incident only in the vicinity of the connection of the SPAD 11 to the guard ring layer 16 (range 17). The guard ring layer 16 is a layer as a protective film or a cathode.

よって、励起光パルスＥＸと蛍光ＦＬとの直接的な分離を行いつつ、光電変換部としてのＳＰＡＤ１１の中心付近には、励起光パルスＥＸ及び蛍光ＦＬによる単一光子が入射されない。このため、単一光子が入射されてからアバランシェ増倍するまでの、入射位置による時間のバラつきが抑制される。このため、蛍光信号（＝Ｓ）と励起光信号（＝Ｎ）とからなるＳ／Ｎの区別をしやすくすることができる。 Therefore, while the excitation light pulse EX and the fluorescence FL are directly separated, a single photon from the excitation light pulse EX and the fluorescence FL does not enter near the center of the SPAD 11 as the photoelectric conversion unit. For this reason, variations in the time from incidence of a single photon to avalanche multiplication depending on the incident position are suppressed. Therefore, it is possible to easily distinguish the S/N ratio between the fluorescence signal (=S) and the excitation light signal (=N).

（蛍光ＦＬがＳＰＡＤ１１に入射する範囲について）
図２は、図１に示す固体撮像素子１００において、蛍光ＦＬがＳＰＡＤ１１に入射する範囲を示す図である。範囲ＡＬは、図２における点線Ｌ５で囲まれた図に示すように、ＳＰＡＤ１１の左端に届く蛍光ＦＬの範囲であり、範囲ＡＲは、図２における点線Ｌ６で囲まれた図に示すように、ＳＰＡＤ１１の右端に届く蛍光ＦＬの範囲である。範囲ＡＬと範囲ＡＲとからなる領域は、蛍光ＦＬがＳＰＡＤ１１に入射する範囲に対する総範囲となる。 (Regarding the range in which the fluorescence FL enters the SPAD 11)
FIG. 2 is a diagram showing a range in which the fluorescence FL is incident on the SPAD 11 in the solid-state imaging device 100 shown in FIG. Range AL is the range of fluorescence FL reaching the left end of SPAD 11 as shown in the diagram surrounded by dotted line L5 in FIG. 2, and range AR is the range surrounded by dotted line L6 in FIG. This is the range of fluorescence FL reaching the right end of SPAD11. A region consisting of the range AL and the range AR is the total range for the range in which the fluorescence FL is incident on the SPAD 11 .

ここで、特徴的なことは、第２の金属配線層１４に形成された窓開口１５の開口面積と同じ面積で第１の金属配線層１２１が形成されていることである。つまり、第１の金属配線層１２１の面積は、窓開口１５の開口面積と同じである。これらの面積は、それぞれ、励起光パルスＥＸの入射側から固体撮像素子１００を見た場合の面積である。なお、第１の金属配線層１２１や第２の金属配線層１４の金属の縁端部等に当たって反射・散乱した光がＳＰＡＤ１１に入射することはあり得るが、そのときのＳＰＡＤ１１への入射光の強度は、垂直入射する元の励起光パルスＥＸの強度に比べて格段に小さい。 What is characteristic here is that the first metal wiring layer 121 is formed with the same area as the opening area of the window opening 15 formed in the second metal wiring layer 14 . That is, the area of the first metal wiring layer 121 is the same as the opening area of the window opening 15 . These areas are areas when the solid-state imaging device 100 is viewed from the incident side of the excitation light pulse EX. It is possible that the light reflected and scattered by hitting the edges of the metals of the first metal wiring layer 121 and the second metal wiring layer 14 is incident on the SPAD 11. The intensity is much smaller than the intensity of the original excitation light pulse EX that is vertically incident.

第２の金属配線層１４は、半導体基板１の上面に最も近い最上位層で形成された金属配線層で形成されている。つまり、第２の金属配線層１４は、半導体基板１における励起光パルスＥＸの入射側の表面に最も近い金属配線層である。また、第２の金属配線層１４は、実質的にほぼベタパターンの接地電位（ＧＮＤ）または電源として利用されている。 The second metal wiring layer 14 is formed of a metal wiring layer formed in the uppermost layer closest to the upper surface of the semiconductor substrate 1 . That is, the second metal wiring layer 14 is the closest metal wiring layer to the surface of the semiconductor substrate 1 on the incident side of the excitation light pulse EX. In addition, the second metal wiring layer 14 is used as a substantially solid pattern ground potential (GND) or power source.

前述した通り、第１の金属配線層１２１は、最下層であり、第２の金属配線層１４は、最上位層である。この構成によれば、誘電体膜の形成のような特別なプロセスを追加することなく、同一半導体プロセス上で固体撮像素子１００を構成することができる。このため、励起光パルスＥＸと蛍光ＦＬとの分離や、単一光子が例えばＳＰＡＤ１１に入射する位置によるアバランシェ増倍までの時間のバラつきを抑制することができる。 As described above, the first metal wiring layer 121 is the bottom layer, and the second metal wiring layer 14 is the top layer. According to this configuration, the solid-state imaging device 100 can be constructed on the same semiconductor process without adding a special process such as formation of a dielectric film. Therefore, it is possible to suppress the separation of the excitation light pulse EX and the fluorescence FL and the variation in the time until the avalanche multiplication due to the position at which the single photon enters the SPAD 11, for example.

窓開口１５以外から光が入射しないように、半導体基板１に設けられた金属配線層１２及び層間絶縁膜１３で遮光する。多層の金属配線層１２は、層間絶縁膜１３を挟んで設けられている。複数の層間絶縁膜１３も、金属配線層１２を挟んで設けられている。第１の金属配線層１２１は、アノード端子Ａ１としてＳＰＡＤ１１の中央位置に接続することで、金属配線の配置の複雑さが解消される。測定試料３が細胞のような微小分子である場合、窓開口１５上に測定試料３を固定することで詳細な評価をすることができる。 The metal wiring layer 12 and the interlayer insulating film 13 provided on the semiconductor substrate 1 shield light so that light does not enter from other than the window opening 15 . A multilayer metal wiring layer 12 is provided with an interlayer insulating film 13 interposed therebetween. A plurality of interlayer insulating films 13 are also provided with the metal wiring layer 12 interposed therebetween. The first metal wiring layer 121 is connected to the central position of the SPAD 11 as the anode terminal A1, thereby eliminating the complexity of the metal wiring arrangement. If the measurement sample 3 is a minute molecule such as a cell, fixing the measurement sample 3 on the window opening 15 enables detailed evaluation.

（変形例）
図３は、図１に示す撮像装置１０の変形例としての撮像装置１０Ａを示す概略断面図である。撮像装置１０Ａは、固体撮像素子１００Ａを備え、固体撮像素子１００Ａは、固体撮像素子１００と比べて、誘電泳動電極２０を備えている点が異なる。図３に示すように、半導体基板１には、第２の金属配線層１４と同じ金属配線層で形成された誘電泳動電極２０が形成されている。つまり、誘電泳動電極２０の材質は、第２の金属配線層１４の材質と同じである。 (Modification)
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an imaging device 10A as a modified example of the imaging device 10 shown in FIG. The imaging device 10A includes a solid-state imaging device 100A, and the solid-state imaging device 100A differs from the solid-state imaging device 100 in that it includes a dielectrophoretic electrode 20 . As shown in FIG. 3, a semiconductor substrate 1 is formed with a dielectrophoretic electrode 20 made of the same metal wiring layer as the second metal wiring layer 14 . That is, the material of the dielectrophoretic electrode 20 is the same as the material of the second metal wiring layer 14 .

誘電泳動電極２０は、第１の金属配線層１２１の上方に形成されている。誘電泳動電極２０の近傍に測定試料３が存在した場合、誘電泳動電極２０に与える各周波数ωの繰り返し信号によって、液体２１中の測定試料３に及ぼされる誘電泳動力は、以下の式（１）で表される。 The dielectrophoretic electrode 20 is formed above the first metal wiring layer 121 . When the measurement sample 3 exists in the vicinity of the dielectrophoresis electrode 20, the dielectrophoretic force exerted on the measurement sample 3 in the liquid 21 by the repeated signals of each frequency ω given to the dielectrophoresis electrode 20 is expressed by the following equation (1). is represented by

なお、前記の式（１）においては、液体２１の複素誘電率をε_ｍ ^＊＝ε_ｍ－ｊσ_ｍ／ω、測定試料３の複素誘電率をε_ｐ ^＊＝ε_ｐ－ｊσ_ｐ／ω、測定試料３の半径をｒ、繰り返し信号によって発生する電界強度の実効値をＥ_ＲＭＳとする。また、誘電泳動力を以下の（２）に示す通りとする。 In the above equation (1), the complex dielectric constant of the liquid 21 is ε _m ^* = ε _m - jσ _m /ω, the complex dielectric constant of the measurement sample 3 is ε _p ^* = ε _p - jσ _p / ω, Let r be the radius of the measurement sample 3, and E _RMS be the effective value of the electric field intensity generated by the repetitive signal. Also, the dielectrophoretic force is as shown in (2) below.

前記の式（１）中のＲｅ［（ε_ｐ ^＊－ε_ｍ ^＊）／（ε_ｐ ^＊＋２ε_ｍ ^＊）］が正である場合、測定試料３から誘電泳動電極２０に対し、電界強度が強い方向へ向かう力（正の誘電泳動力）が働く。このため、窓開口１５内にある誘電泳動電極２０上に測定試料３を留めることができる。窓開口１５上に留めた測定試料３から発光する蛍光ＦＬをＳＰＡＤ１１にて評価し、細胞の特性を把握する。つまり、半導体基板１に誘電泳動電極２０を形成することにより、細胞等の測定試料３を窓開口１５の上方にトラップすることができるため、細胞の蛍光寿命等を定量的に評価することができる。 When Re[( _εp ^* _−εm ^* )/( _εp ^* + _2εm ^* )] in the above formula (1) is positive, the electric field strength from the measurement sample 3 to the dielectrophoresis electrode 20 is strong. A directional force (positive dielectrophoretic force) acts. Therefore, the measurement sample 3 can be retained on the dielectrophoresis electrode 20 within the window opening 15 . Fluorescence FL emitted from the measurement sample 3 held on the window opening 15 is evaluated by the SPAD 11 to grasp cell characteristics. That is, by forming the dielectrophoresis electrode 20 on the semiconductor substrate 1, the measurement sample 3 such as cells can be trapped above the window opening 15, so that the fluorescence lifetime and the like of the cells can be quantitatively evaluated. .

（撮像装置１０における１画素が複数構成される場合）
次に、上記１画素が複数構成され、窓開口１５付近で発光した蛍光ＦＬのみを受光する固体撮像素子１００と、固体撮像素子１００を用いた蛍光の撮像装置１０の測定方法と、について例を挙げて説明する。図４は、図１に示す固体撮像素子１００に関して、半導体基板１に画素を複数形成するとともに、窓開口１５が形成された固体撮像素子１００上に、測定試料３を載せた場合の全体構成図である。図５は、図１に示す固体撮像素子１００に関して、撮像装置１０を利用した場合の測定方法を示す概略断面図である。 (When one pixel in the imaging device 10 is composed of a plurality of pixels)
Next, an example of a solid-state imaging device 100 configured with a plurality of pixels and receiving only the fluorescence FL emitted near the window opening 15 and a measurement method of the fluorescence imaging device 10 using the solid-state imaging device 100 will be described. I will list and explain. FIG. 4 is an overall configuration diagram of the solid-state imaging device 100 shown in FIG. 1 in which a plurality of pixels are formed on the semiconductor substrate 1 and the measurement sample 3 is placed on the solid-state imaging device 100 in which the window opening 15 is formed. is. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a measurement method when using the imaging device 10 with respect to the solid-state imaging device 100 shown in FIG.

図５に示すように、ＳＰＡＤ１１は複数存在し、第２の金属配線層１４には、第１の金属配線層１２１の垂直上において、窓開口１５がＳＰＡＤ１１毎に形成される。前記構成によれば、窓開口１５の上方に複数の測定試料３をそれぞれ配置することにより、複数の測定試料３に対して評価をすることができる。このため、測定試料３の評価の作業を効率的に進めることができる。 As shown in FIG. 5 , there are a plurality of SPADs 11 , and a window opening 15 is formed for each SPAD 11 in the second metal wiring layer 14 vertically above the first metal wiring layer 121 . According to the above configuration, by arranging the plurality of measurement samples 3 above the window opening 15, the plurality of measurement samples 3 can be evaluated. Therefore, the work of evaluating the measurement sample 3 can proceed efficiently.

撮像装置１０は、例えば、測定試料３ａ，３ｂ，３ｃの蛍光イメージングをオンチップで行うものであり、図４に示すように、半導体基板１上に測定試料３ａ，３ｂ，３ｃが積載される。測定試料３ａ，３ｂ，３ｃの直上には、測定試料３ａ，３ｂ，３ｃに励起光を照射するための光源２が配置されている。 The imaging device 10 performs, for example, on-chip fluorescence imaging of measurement samples 3a, 3b, and 3c. As shown in FIG. A light source 2 for irradiating the measurement samples 3a, 3b and 3c with excitation light is arranged directly above the measurement samples 3a, 3b and 3c.

ＳＰＡＤ１１による検出信号は、図示しない画像データ処理部に送られ、該画像データ処理部で所定の画像処理が実行される。その結果、撮像装置１０は、画像を得るものとする。つまり、撮像装置１０は、光源２による照射光に応じて測定試料３ａ，３ｂ，３ｃから放出された反射光、散乱光または蛍光を、窓開口１５を通してＳＰＡＤ１１の端に導入して検出する。前記構成によれば、撮像装置１０は、適切な方向から測定試料３ａ，３ｂ，３ｃに光を照射し、ＳＰＡＤ１１に対して適切に光を導入する。これにより、撮像装置１０は、画像処理を適切に行うことができ、測定試料３ａ，３ｂ，３ｃに対して評価を正確に行うことができる。 A detection signal from the SPAD 11 is sent to an image data processing section (not shown), and predetermined image processing is performed in the image data processing section. As a result, the imaging device 10 obtains an image. That is, the imaging device 10 introduces the reflected light, scattered light, or fluorescence emitted from the measurement samples 3a, 3b, and 3c in accordance with the irradiation light from the light source 2 to the end of the SPAD 11 through the window opening 15 and detects them. According to the above configuration, the imaging device 10 irradiates the measurement samples 3a, 3b, and 3c with light from appropriate directions, and introduces the light to the SPAD 11 appropriately. As a result, the imaging device 10 can appropriately perform image processing and accurately evaluate the measurement samples 3a, 3b, and 3c.

図５に示すように、半導体基板１の表層に複数形成されたＳＰＡＤ１１のそれぞれの上に窓開口１５が形成される。すなわち、全てのＳＰＡＤ１１の上に形成される各窓開口１５の開口面積は、互いに同一であり、複数の窓開口１５のそれぞれから蛍光ＦＬの入射が行われる。ガードリング層１６上に積載された測定試料３ａ，３ｂ，３ｃに対し、上方から真下に向かって平行性の高い励起光パルスＥＸが照射される。 As shown in FIG. 5, window openings 15 are formed on each of the SPADs 11 formed on the surface layer of the semiconductor substrate 1 . That is, the window openings 15 formed on all the SPADs 11 have the same opening area, and the fluorescence FL is incident from each of the plurality of window openings 15 . The measurement specimens 3a, 3b, and 3c placed on the guard ring layer 16 are irradiated from above directly downward with a highly parallel excitation light pulse EX.

測定試料３ａ，３ｂ，３ｃが励起光パルスＥＸを受けることで、測定試料３ａ，３ｂ，３ｃからはほぼ全方向に蛍光ＦＬが放出される。このため、測定試料３ａ，３ｂ，３ｃにおいて蛍光ＦＬが発する位置により、蛍光ＦＬは、複数存在する窓開口１５を通過して、各ＳＰＡＤ１１に到達する。一方、励起光パルスＥＸは、その一部が測定試料３ａ，３ｂ，３ｃに吸収される。 When the measurement samples 3a, 3b, and 3c receive the excitation light pulse EX, fluorescence FL is emitted in almost all directions from the measurement samples 3a, 3b, and 3c. Therefore, the fluorescence FL passes through a plurality of window openings 15 and reaches each SPAD 11 depending on the position where the fluorescence FL is emitted in the measurement samples 3a, 3b, and 3c. On the other hand, the excitation light pulse EX is partially absorbed by the measurement samples 3a, 3b, and 3c.

励起光パルスＥＸの残りのほとんどは、測定試料３ａ，３ｂ，３ｃを透過するが、第１の金属配線層１２１及び第２の金属配線層１４により遮断される。このため、ＳＰＡＤ１１は、励起光パルスＥＸの影響をほとんど受けずに、測定試料３ａ，３ｂ，３ｃより放出される蛍光ＦＬのみに対応した検出信号を出力する。撮像装置１０は、この検出信号に基づいて蛍光信号を測定する。 Most of the rest of the excitation light pulse EX passes through the measurement samples 3a, 3b, and 3c, but is blocked by the first metal wiring layer 121 and the second metal wiring layer . Therefore, the SPAD 11 outputs detection signals corresponding only to the fluorescence FL emitted from the measurement samples 3a, 3b, and 3c without being affected by the excitation light pulse EX. The imaging device 10 measures the fluorescence signal based on this detection signal.

上記のような励起光パルスＥＸの遮断と蛍光ＦＬの受光とは、これらの方向性の相違のみを利用している。パルス光や連続波からなる励起光と、その蛍光の波長が重なる場合や場合によって異なる波長の励起光と、を交互に入射しても問題がない。窓開口１５を通して、垂直上方から入射される励起光が測定試料３ａ，３ｂ，３ｃを直接的に透過しない構成や、ＳＰＡＤ１１の中心部に単一光子が入射しないような構成であればよい。さらに、ＳＰＡＤ１１は、ガードリング層１６付近の感度がより高くなるような注入濃度で形成されることで、単一光子をより効率的に受光できるようにしてもよい。 The blocking of the excitation light pulse EX and the reception of the fluorescence FL as described above utilize only these differences in directionality. There is no problem even if the excitation light composed of pulsed light or continuous wave and the excitation light of different wavelength depending on the case where the wavelength of the fluorescence overlaps or is alternately entered. Any configuration may be used as long as the excitation light incident from above vertically through the window opening 15 does not directly pass through the measurement samples 3a, 3b, and 3c, and the configuration prevents single photons from entering the center of the SPAD 11. FIG. Furthermore, the SPAD 11 may be formed with an injection concentration that increases the sensitivity in the vicinity of the guard ring layer 16 so that single photons can be received more efficiently.

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る固体撮像素子は、半導体基板上に設けられた光電変換部と、前記半導体基板の上面から見て、前記光電変換部の表層を被覆するように設けられた第１の遮光層及び第２の遮光層と、を有し、前記第１の遮光層は、前記光電変換部の面積よりも小さい面積で前記光電変換部の上面に形成されることで前記光電変換部の一部を被覆し、前記第２の遮光層は、前記第１の遮光層の端を起点に、前記第１の遮光層とは異なる層で、窓開口と前記光電変換部との残りの面積を遮光するように形成されることで、少なくとも前記光電変換部の全体を被覆することを特徴とする。〔summary〕
A solid-state imaging device according to aspect 1 of the present invention comprises a photoelectric conversion unit provided on a semiconductor substrate, and a first photoelectric conversion unit provided to cover a surface layer of the photoelectric conversion unit when viewed from above the semiconductor substrate A light shielding layer and a second light shielding layer are provided, and the first light shielding layer is formed on the upper surface of the photoelectric conversion unit with an area smaller than that of the photoelectric conversion unit, thereby blocking the photoelectric conversion unit. The second light shielding layer is a layer different from the first light shielding layer starting from the end of the first light shielding layer and covering the remaining area between the window opening and the photoelectric conversion part. is formed so as to shield the light from the light, thereby covering at least the entire photoelectric conversion section.

前記構成によれば、励起光と蛍光との直接的な分離を行いつつ、例えば、ＳＰＡＤで構成される光電変換部の中心に単一光子が入射されない構成になっているため、単一光子が入射されてからアバランシェ増倍するまでの時間のバラつきが抑制される。このため、蛍光信号（＝Ｓ）と励起光信号（＝Ｎ）とからなるＳ／Ｎの区別をしやすくすることができる。 According to the above configuration, while the excitation light and the fluorescence are directly separated, for example, a single photon is not incident on the center of the photoelectric conversion unit composed of SPAD. Variation in time from incidence to avalanche multiplication is suppressed. Therefore, it is possible to easily distinguish the S/N ratio between the fluorescence signal (=S) and the excitation light signal (=N).

本発明の態様２に係る固体撮像素子は、前記態様１において、前記第１の遮光層は、前記光電変換部に最も近い金属配線層で形成されていてもよい。また、本発明の態様３に係る固体撮像素子は、前記態様１または２において、前記第２の遮光層は、前記半導体基板の上面に最も近い最上位層で形成された金属配線層で形成されていてもよい。 In the solid-state imaging device according to aspect 2 of the present invention, in aspect 1, the first light shielding layer may be formed of a metal wiring layer closest to the photoelectric conversion section. Further, in the solid-state imaging device according to aspect 3 of the present invention, in aspect 1 or 2, the second light shielding layer is formed of a metal wiring layer formed of the uppermost layer closest to the upper surface of the semiconductor substrate. may be

前記構成によれば、誘電体膜の形成のような特別なプロセスを追加することなく、同一半導体プロセス上で固体撮像素子を構成することができる。このため、励起光と蛍光との分離や、単一光子が例えばＳＰＡＤに入射する位置によるアバランシェ増倍までの時間のバラつきを抑制することができる。 According to the above configuration, a solid-state imaging device can be configured on the same semiconductor process without adding a special process such as formation of a dielectric film. For this reason, it is possible to suppress the separation of the excitation light and the fluorescence, and the variation in the time until avalanche multiplication depending on the position at which a single photon is incident on, for example, the SPAD.

本発明の態様４に係る固体撮像素子は、前記態様１から３のいずれかにおいて、前記光電変換部は、シングルフォトンアバランシェダイオードであってもよい。 In the solid-state imaging device according to aspect 4 of the present invention, in any one of aspects 1 to 3, the photoelectric conversion unit may be a single-photon avalanche diode.

本発明の態様５に係る固体撮像素子は、前記態様１から４のいずれかにおいて、前記光電変換部は複数存在し、前記光電変換部毎に前記第２の遮光層にて形成された前記窓開口が形成されていてもよい。前記構成によれば、窓開口の上方に複数の測定試料をそれぞれ配置することにより、複数の測定試料に対して評価をすることができる。このため、測定試料の評価の作業を効率的に進めることができる。 A solid-state imaging device according to aspect 5 of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of aspects 1 to 4, wherein a plurality of the photoelectric conversion units are present, and the window is formed of the second light shielding layer for each photoelectric conversion unit. An opening may be formed. According to the above configuration, it is possible to evaluate a plurality of measurement samples by arranging the plurality of measurement samples above the window opening. Therefore, it is possible to efficiently proceed with the work of evaluating the measurement sample.

本発明の態様６に係る撮像装置は、前記態様１から５のいずれかにおいて、前記固体撮像素子を利用した撮像装置であって、前記第１の遮光層の上方に、前記第２の遮光層と同じ金属配線層で形成された誘電泳動電極が形成されていてもよい。前記構成によれば、細胞等の測定試料を窓開口の上方にトラップすることができるため、細胞の蛍光寿命等を定量的に評価することができる。 An imaging device according to aspect 6 of the present invention is an imaging device according to any one of aspects 1 to 5, which uses the solid-state imaging device, wherein the second light shielding layer is provided above the first light shielding layer. A dielectrophoretic electrode formed of the same metal wiring layer as that may be formed. According to the above configuration, since the measurement sample such as cells can be trapped above the window opening, it is possible to quantitatively evaluate the fluorescence lifetime and the like of the cells.

本発明の態様７に係る撮像装置は、前記態様６において、前記固体撮像素子の上面に撮像対象物を配置し、該撮像対象物に前記窓開口の開口方向の垂直上より光を照射する光照射手段を備え、該照射光に応じて前記撮像対象物から放出された反射光、散乱光または蛍光を、前記窓開口を通して前記光電変換部の端に導入して検出してもよい。 An imaging device according to aspect 7 of the present invention is the imaging device according to aspect 6, wherein an object to be imaged is arranged on the upper surface of the solid-state imaging device, and light is irradiated onto the object to be imaged from vertically above the opening direction of the window opening. An irradiation means may be provided, and reflected light, scattered light, or fluorescence emitted from the object to be imaged in accordance with the irradiation light may be introduced into the end of the photoelectric conversion section through the window opening and detected.

前記構成によれば、撮像装置は、適切な方向から撮像対象物に光を照射し、光電変換部に対して適切に光を導入する。これにより、撮像装置は、画像処理を適切に行うことができ、測定試料３に対して評価を正確に行うことができる。 According to the above configuration, the imaging device irradiates the object to be imaged with light from an appropriate direction, and appropriately introduces the light into the photoelectric conversion unit. As a result, the imaging device can appropriately perform image processing and accurately evaluate the measurement sample 3 .

本発明は前述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be modified in various ways within the scope of the claims, and can be obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. is also included in the technical scope of the present invention. Furthermore, new technical features can be formed by combining the technical means disclosed in each embodiment.

１半導体基板
２光源（光照射手段）
３、３ａ、３ｂ、３ｃ測定試料（撮像対象物）
１０、１０Ａ撮像装置
１１ＳＰＡＤ（光電変換部）
１４第２の金属配線層（第２の遮光層）
１５窓開口
２０誘電泳動電極
１００、１００Ａ固体撮像素子
１２１第１の金属配線層（第１の遮光層）
Ｓ１ＳＰＡＤの面積
Ｓ２第１の金属配線層の面積 1 semiconductor substrate 2 light source (light irradiation means)
3, 3a, 3b, 3c Measurement sample (imaging object)
10, 10A imaging device 11 SPAD (photoelectric conversion unit)
14 Second metal wiring layer (second light shielding layer)
15 window opening 20 dielectrophoretic electrode 100, 100A solid-state imaging element 121 first metal wiring layer (first light shielding layer)
S1 Area of SPAD S2 Area of first metal wiring layer

Claims

a photoelectric conversion unit provided on a semiconductor substrate;
a first light shielding layer and a second light shielding layer provided so as to cover the surface of the photoelectric conversion unit when viewed from the upper surface of the semiconductor substrate;
the first light shielding layer is formed on an upper surface of the photoelectric conversion body with an area smaller than that of the photoelectric conversion body to partially cover the surface of the photoelectric conversion body;
The second light shielding layer is arranged apart from the first light shielding layer,
A window opening is formed in the second light shielding layer, so that the second light shielding layer is covered with the first light shielding layer on the surface of the photoelectric conversion section when viewed from above the semiconductor substrate. A solid-state imaging device characterized by covering a portion other than the portion to be covered .

2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first light shielding layer is formed of a metal wiring layer closest to the photoelectric conversion section.

3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein said second light shielding layer is formed of a metal wiring layer formed in the uppermost layer closest to the upper surface of said semiconductor substrate.

4. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion section is a single photon avalanche diode.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein a plurality of said photoelectric conversion parts exist, and said window opening formed of said second light shielding layer is formed for each said photoelectric conversion part. The solid-state imaging device described.

An imaging device using the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 5, wherein the same metal wiring layer as the second light shielding layer is formed above the first light shielding layer An imaging device, comprising: a dielectrophoretic electrode.

An object to be imaged is arranged on the upper surface of the solid-state imaging device, and light irradiation means is provided for irradiating the object to be imaged with light from vertically above the opening direction of the window opening, and the object to be imaged is emitted according to the irradiation light. 7. The image pickup apparatus according to claim 6, wherein the emitted reflected light, scattered light, or fluorescence is introduced to the end of the photoelectric conversion section through the window opening and detected.