JPWO2018030213A1 - 固体撮像素子、固体撮像素子の瞳補正方法、撮像装置及び情報処理装置 - Google Patents
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Abstract
Description
1.第1の実施形態
1.1.固体撮像素子の全体構成について
1.2.単位画素の等価回路図について
1.3.構造色フィルタの構造及び瞳補正方法について
1.4.画素アレイ部の構造について
1.5.撮像装置の構成について
1.6.固体撮像素子の製造方法について
2.まとめ
<固体撮像素子の全体構成について>
まず、図1を参照しながら、本開示の第1の実施形態に係る固体撮像素子の全体構成について、簡単に説明する。図1は、本実施形態に係る固体撮像素子の全体構成を模式的に示した説明図である。なお、以下では、固体撮像素子として、4トランジスタ型の裏面照射型のイメージセンサを例に挙げて説明を行うものとする。
次に、図1に示したような4トランジスタ型のイメージセンサにおける単位画素の等価回路図について、図2を参照しながら簡単に説明する。
以下では、図3〜図11Bを参照しながら、構造色フィルタにおける光学特性の変化について説明するとともに、本実施形態に係る固体撮像素子における構造色フィルタの構造及び瞳補正方法について詳細に説明する。
図3、図4A〜図4C、図7、図8A及び図8Bは、一般的な構造色フィルタにおける光学特性の変化について説明するための説明図である。図5及び図6は、一般的な薄型モジュールレンズにおける光学特性の変化について説明するための説明図である。図9A及び図9Bは、本実施形態に係る固体撮像素子における瞳補正方法について説明するための説明図であり、図10は、本実施形態に係る固体撮像素子における瞳補正方法について説明するための説明図である。図11A及び図11Bは、本実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部における構造色フィルタについて説明するための説明図である。
図3は、構造色フィルタの構造を模式的に示した説明図である。
代表的な構造色フィルタの1種であるプラズモニックフィルタは、金属と、かかる金属の表面に設けられた誘電体と、を有する構造フィルタであり、金属と誘電体との界面に生ずる表面プラズモン・ポラリトンを利用した構造フィルタである。かかる構造色フィルタは、生じた表面プラズモン・ポラリントンの干渉や共鳴を利用して、入射する光(フォトン)のうち特定波長を有するものを、選択的に透過したり、反射したり、吸収したりする。
図5及び図6に模式的に示したように、一般的な薄型モジュールレンズにおいて、固体撮像素子の有効画素領域PAの中央部分では像高は低く、主光線角度CRAは0度となる。また、一般的な薄型モジュールレンズにおいて、有効画素領域PAの周辺部分に近づくほど像高は高くなり、主光線角度CRAは大きな値となる。このような現象に対して、画素特性及び色を一定に保つための処理が瞳補正処理であり、一般的な薄型の固体撮像素子では、集光素子及びカラーフィルタを、画素に対して水平面内で水平シフトさせる方法が一般的であった。
以上説明したように、構造色フィルタを固体撮像素子に対して適用するためには、主光線角度CRAが変化した場合に生じる透過ピーク波長の長波長シフトを抑制し、図9Aに模式的に示したように、主光線角度CRAが変化した(中央部分に比べて大きくなった)としても、透過ピーク波長のシフトが生じないようにすることが重要である。また、構造色フィルタを固体撮像素子に対して適用するに際しては、主光線角度CRAが変化した場合に生じる透過率の低下を抑制することが更に好ましい。そのために、本実施形態に係る固体撮像素子では、以下で詳述するような瞳補正処理が行われる。これにより、以下で詳述する本実施形態に係る固体撮像素子では、波長方向の有効画素領域内での分布(色シェーディング)の変化や強度分布(輝度シェーディング)の変化を最小化することが可能になる。
図10下段に、2次元固体撮像素子の有効画素領域PAを模式的に示した。かかる有効画素領域PAの中に、横X画素・縦Y画素(例えばFull HDの固体撮像素子の場合、X=1920、Y=1080)の2次元配列状に画素が配置されている。また、かかるXYよりも小さい数の部分画素領域xy(横x,縦y,例えばx=y=2)に対して、周期的に存在する複数の微細開口MA’を有する金属薄膜からなる構造色フィルタPF’が設けられる。
続いて、図12〜図27Cを参照しながら、上記のような本実施形態に係る構造色フィルタを備える画素アレイ部の構造について、具体的に説明する。
図12は、本実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部を模式的に示した説明図であり、図13は、本実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での単画素の構造の一例を模式的に示した説明図である。図14は、本実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での単画素の構造の他の一例を模式的に示した説明図である。図15Aは、高さ1000nmのオンチップレンズを設けた固体撮像素子の画素アレイ部における構造色フィルタ透過後の電場強度分布を示したグラフ図であり、図15Bは、オンチップレンズを設けない固体撮像素子の画素アレイ部における構造色フィルタ透過後の電場強度分布を示したグラフ図である。図16は、オンチップレンズの高さと感度との関係を示したグラフ図である。図17及び図18は、本実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での単画素の構造の他の一例を模式的に示した説明図である。図19は、本実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での画素構造の一例を模式的に示した説明図であり、図20〜図25は、本実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での画素構造の他の一例を模式的に示した説明図である。図26A〜図27Bは、本実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部における構造色フィルタの配置状態の一例について模式的に示した説明図であり、図27Cは、本実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部における色フィルタの配置状態について模式的に示した説明図である。
以下では、図19〜図25を参照しながら、本実施形態に係る画素アレイ部10の構造を、より具体的に説明する。
図19は、集光素子123及び層内レンズ125を有しない場合の画素アレイ部10の構造の一例である。図19に示した例では、各画素103は、最表層に平坦化膜117が設けられることでフラットな表面が実現されており、平坦化膜117の下層に、波長選択フィルタ115R,115G,115Bが設けられている。ここで、波長選択フィルタ115Rは、赤色光を透過させる吸収型の色フィルタで形成された波長選択フィルタであり、波長選択フィルタ115Gは、緑色光を透過させる吸収型の色フィルタで形成された波長選択フィルタであり、波長選択フィルタ115Bは、青色光を透過させる吸収型の色フィルタで形成された波長選択フィルタである。また、各波長選択フィルタ115の下方には、図10〜図11Bを参照しながら詳細に説明したような、本実施形態に係る構造色フィルタ113が設けられている。また、かかる構造色フィルタ113の下方には、例えば結晶質シリコン等を用いた光吸収層を有する受光素子101が設けられており、受光素子101の更に下層には、配線層111が設けられている。更に、互いに隣り合う受光素子101間には、トレンチ構造119が設けられており、各トレンチ構造119の上方には、遮光部121が設けられている。
以下では、図26A〜図27Cを参照しながら、本実施形態に係る画素アレイ部10における構造色フィルタ113の配置例について、具体的に説明する。
次に、図28を参照しながら、本実施形態に係る固体撮像素子100を備える撮像装置1の構成について、簡単に説明する。図28は、本実施形態に係る固体撮像素子を有する撮像装置の構成を模式的に示した説明図である。
次に、本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を、簡単に説明する。
本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法では、まず、上記のような金属薄膜に対して、主光線角度=0°における周期開口パターンの構造周期に対して、主光線角度が大きくなるほど周期開口パターンの構造周期が小さくなるように、所定の開口形状を有する開口部を形成する。その上で、周期開口パターンの形成された金属薄膜の表面に対して、先だって説明したような誘電体を利用した誘電体層を形成して、構造色フィルタ113とする。
以上説明したように、本開示の実施形態に係る固体撮像素子では、レンズモジュールを備えたカメラシステムを実現する上で、2次元画素アレイの中央領域(低像高領域)から外周領域(高像高領域)まで、光学特性の変化量(すなわち、波長シフト及び感度シェーディング)の小さい均質な光学特性を実現することが可能となる。また、各領域における構造色フィルタの光学特性の均質性が高まるため、これら光学特性の補正処理の負荷を軽減することができる。
(1)
複数の画素を構成する受光素子と、
少なくとも一部の前記受光素子の上方に位置しており、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタと、
前記受光素子の下方に位置しており、前記受光素子による光の検出信号を取得するための配線層と、
を備え、
前記構造色フィルタは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、前記主光線角度=0°における前記周期開口パターンの前記構造周期に対して、前記主光線角度が大きくなるほど前記周期開口パターンの前記構造周期が小さくなっている、固体撮像素子。
(2)
前記構造色フィルタは、金属表面と誘電体との界面に生ずる表面プラズモン・ポラリトンを利用した構造フィルタである、(1)に記載の固体撮像素子。
(3)
前記構造色フィルタにおける前記周期開口パターンは、円形又は矩形の開口形状を有する複数の開口部で構成されており、
それぞれの前記開口部は、前記構造色フィルタの開口面を仮想的に平面充填する略三角形の頂点の位置に設けられている、(1)又は(2)に記載の固体撮像素子。
(4)
前記構造色フィルタにおける前記周期開口パターンは、円形又は矩形の開口形状を有する複数の開口部で構成されており、
それぞれの前記開口部は、前記構造色フィルタの開口面を仮想的に平面充填する正方形又は長方形の頂点の位置に設けられている、(1)又は(2)に記載の固体撮像素子。
(5)
前記構造色フィルタは、アルミニウム、銅、銀、金、チタン、タングステン又はこれら元素の合金を主成分とする金属膜を有する、(1)〜(4)の何れか1つに記載の固体撮像素子。
(6)
前記構造色フィルタにおける前記周期開口パターンを構成する複数の開口部それぞれの大きさは、50nm〜500nmの範囲内であり、
互いに隣り合う前記開口部の間隔は、100nm〜1000nmの範囲内である、(1)〜(5)の何れか1つに記載の固体撮像素子。
(7)
前記構造色フィルタにおける前記金属膜の厚みは、当該構造色フィルタに入射する光の波長において光学的に不透明となる厚みである、(1)〜(6)の何れか1つに記載の固体撮像素子。
(8)
前記構造色フィルタにおける前記金属膜の厚みは、50nm〜300nmの範囲内である、(1)〜(7)の何れか1つに記載の固体撮像素子。
(9)
前記構造色フィルタは、電気的に接地されている、(1)〜(8)の何れか1つに記載の固体撮像素子。
(10)
前記構造色フィルタの前記受光素子側の面と、前記受光素子と、の間に、第1の集光レンズ構造が位置しており、
前記第1の集光レンズ構造の屈折率は、当該第1の集光レンズ構造が設けられている周囲の屈折率よりも大きな値を有する、(1)〜(9)の何れか1つに記載の固体撮像素子。
(11)
前記構造色フィルタの開口面の表面形状は、前記第1の集光レンズ構造の表面形状と相似するように湾曲している、(10)に記載の固体撮像素子。
(12)
前期構造色フィルタの前記受光素子とは逆側の面の上方に、第2の集光レンズ構造が位置している、(1)〜(11)の何れか1つに記載の固体撮像素子。
(13)
前記構造色フィルタの前記受光素子側の面と、前記受光素子と、の間に、第1の集光レンズ構造が位置し、かつ、前期構造色フィルタの前記受光素子とは逆側の面の上方に、第2の集光レンズ構造が位置しており、
前記第1の集光レンズ構造の屈折率は、当該第1の集光レンズ構造が設けられている周囲の屈折率よりも大きな値であり、
前記第2の集光レンズ構造の曲率は、前記第1の集光レンズ構造の曲率よりも大きい、(1)〜(12)の何れか1つに記載の固体撮像素子。
(14)
前記構造色フィルタの前記受光素子とは逆側の面の上方に、平坦な表面を有する層を備える、(1)〜(11)の何れか1つに記載の固体撮像素子。
(15)
前記受光素子の上方に、所定波長の光を吸収する吸収型の色フィルタを更に備える、(1)〜(14)の何れか1つに記載の固体撮像素子。
(16)
前記吸収型の色フィルタは、所定波長の光を吸収して、可視光帯域の波長の光を選択的に透過させる色フィルタである、(15)に記載の固体撮像素子。
(17)
前記吸収型の色フィルタは、所定波長の光を吸収して、可視光帯域の光を選択的に透過させる色フィルタと、前記受光素子が感度を有する電磁波波長帯域の光に対して透明なホワイトフィルタと、を有する、(15)に記載の固体撮像素子。
(18)
前記吸収型の色フィルタは、有機系素材又は無機系素材からなる、(15)〜(17)の何れか1つに記載の固体撮像素子。
(19)
複数の画素を構成する受光素子と、前記受光素子の下方に位置しており、前記受光素子による光の検出信号を取得するための配線層と、を備える固体撮像素子の少なくとも一部の前記受光素子の上方に、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタを配置すること
を含み、
前記構造色フィルタは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、前記主光線角度=0°における前記周期開口パターンの前記構造周期に対して、前記主光線角度が大きくなるほど前記周期開口パターンの前記構造周期が小さくなっている、固体撮像素子の瞳補正方法。
(20)
複数の画素を構成する受光素子と、少なくとも一部の前記受光素子の上方に位置しており、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタと、前記受光素子の下方に位置しており、前記受光素子による光の検出信号を取得するための配線層と、を有し、前記構造色フィルタは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、前記主光線角度=0°における前記周期開口パターンの前記構造周期に対して、前記主光線角度が大きくなるほど前記周期開口パターンの前記構造周期が小さくなっている固体撮像素子と、
前記固体撮像素子へと光を導光する光学系と、
を少なくとも備える、撮像装置。
(21)
複数の画素を構成する受光素子と、少なくとも一部の前記受光素子の上方に位置しており、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタと、前記受光素子の下方に位置しており、前記受光素子による光の検出信号を取得するための配線層と、を有し、前記構造色フィルタは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、前記主光線角度=0°における前記周期開口パターンの前記構造周期に対して、前記主光線角度が大きくなるほど前記周期開口パターンの前記構造周期が小さくなっている固体撮像素子と、
前記固体撮像素子へと光を導光する光学系と、
を少なくとも有する撮像装置を備える、情報処理装置。
20 垂直駆動部
30 カラム処理部
40 水平駆動部
50 システム制御部
60 信号処理部
70 データ格納部
100 固体撮像素子
101 受光素子
103 画素
111 配線層
113 構造色フィルタ
115 波長選択フィルタ
117 平坦化膜
119 トレンチ構造
121 遮光部
123 集光素子
125 層内レンズ
Claims (21)
- 複数の画素を構成する受光素子と、
少なくとも一部の前記受光素子の上方に位置しており、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタと、
前記受光素子の下方に位置しており、前記受光素子による光の検出信号を取得するための配線層と、
を備え、
前記構造色フィルタは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、前記主光線角度=0°における前記周期開口パターンの前記構造周期に対して、前記主光線角度が大きくなるほど前記周期開口パターンの前記構造周期が小さくなっている、固体撮像素子。 - 前記構造色フィルタは、金属表面と誘電体との界面に生ずる表面プラズモン・ポラリトンを利用した構造フィルタである、請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記構造色フィルタにおける前記周期開口パターンは、円形又は矩形の開口形状を有する複数の開口部で構成されており、
それぞれの前記開口部は、前記構造色フィルタの開口面を仮想的に平面充填する略三角形の頂点の位置に設けられている、請求項2に記載の固体撮像素子。 - 前記構造色フィルタにおける前記周期開口パターンは、円形又は矩形の開口形状を有する複数の開口部で構成されており、
それぞれの前記開口部は、前記構造色フィルタの開口面を仮想的に平面充填する正方形又は長方形の頂点の位置に設けられている、請求項2に記載の固体撮像素子。 - 前記構造色フィルタは、アルミニウム、銅、銀、金、チタン、タングステン又はこれら元素の合金を主成分とする金属膜を有する、請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記構造色フィルタにおける前記周期開口パターンを構成する複数の開口部それぞれの大きさは、50nm〜500nmの範囲内であり、
互いに隣り合う前記開口部の間隔は、100nm〜1000nmの範囲内である、請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記構造色フィルタにおける前記金属膜の厚みは、当該構造色フィルタに入射する光の波長において光学的に不透明となる厚みである、請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記構造色フィルタにおける前記金属膜の厚みは、50nm〜300nmの範囲内である、請求項7に記載の固体撮像素子。
- 前記構造色フィルタは、電気的に接地されている、請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記構造色フィルタの前記受光素子側の面と、前記受光素子と、の間に、第1の集光レンズ構造が位置しており、
前記第1の集光レンズ構造の屈折率は、当該第1の集光レンズ構造が設けられている周囲の屈折率よりも大きな値を有する、請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記構造色フィルタの開口面の表面形状は、前記第1の集光レンズ構造の表面形状と相似するように湾曲している、請求項10に記載の固体撮像素子。
- 前期構造色フィルタの前記受光素子とは逆側の面の上方に、第2の集光レンズ構造が位置している、請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記構造色フィルタの前記受光素子側の面と、前記受光素子と、の間に、第1の集光レンズ構造が位置し、かつ、前期構造色フィルタの前記受光素子とは逆側の面の上方に、第2の集光レンズ構造が位置しており、
前記第1の集光レンズ構造の屈折率は、当該第1の集光レンズ構造が設けられている周囲の屈折率よりも大きな値であり、
前記第2の集光レンズ構造の曲率は、前記第1の集光レンズ構造の曲率よりも大きい、請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記構造色フィルタの前記受光素子とは逆側の面の上方に、平坦な表面を有する層を備える、請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記受光素子の上方に、所定波長の光を吸収する吸収型の色フィルタを更に備える、請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記吸収型の色フィルタは、所定波長の光を吸収して、可視光帯域の波長の光を選択的に透過させる色フィルタである、請求項15に記載の固体撮像素子。
- 前記吸収型の色フィルタは、所定波長の光を吸収して、可視光帯域の光を選択的に透過させる色フィルタと、前記受光素子が感度を有する電磁波波長帯域の光に対して透明なホワイトフィルタと、を有する、請求項15に記載の固体撮像素子。
- 前記吸収型の色フィルタは、有機系素材又は無機系素材からなる、請求項15に記載の固体撮像素子。
- 複数の画素を構成する受光素子と、前記受光素子の下方に位置しており、前記受光素子による光の検出信号を取得するための配線層と、を備える固体撮像素子の少なくとも一部の前記受光素子の上方に、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタを配置すること
を含み、
前記構造色フィルタは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、前記主光線角度=0°における前記周期開口パターンの前記構造周期に対して、前記主光線角度が大きくなるほど前記周期開口パターンの前記構造周期が小さくなっている、固体撮像素子の瞳補正方法。 - 複数の画素を構成する受光素子と、少なくとも一部の前記受光素子の上方に位置しており、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタと、前記受光素子の下方に位置しており、前記受光素子による光の検出信号を取得するための配線層と、を有し、前記構造色フィルタは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、前記主光線角度=0°における前記周期開口パターンの前記構造周期に対して、前記主光線角度が大きくなるほど前記周期開口パターンの前記構造周期が小さくなっている固体撮像素子と、
前記固体撮像素子へと光を導光する光学系と、
を少なくとも備える、撮像装置。 - 複数の画素を構成する受光素子と、少なくとも一部の前記受光素子の上方に位置しており、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタと、前記受光素子の下方に位置しており、前記受光素子による光の検出信号を取得するための配線層と、を有し、前記構造色フィルタは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、前記主光線角度=0°における前記周期開口パターンの前記構造周期に対して、前記主光線角度が大きくなるほど前記周期開口パターンの前記構造周期が小さくなっている固体撮像素子と、
前記固体撮像素子へと光を導光する光学系と、
を少なくとも有する撮像装置を備える、情報処理装置。
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