KR101234315B1 - 물리 정보 취득 방법 및 물리 정보 취득 장치, 복수의 단위 구성요소가 배열되어서 되는 물리량 분포 검지의 반도체 장치의 제조 방법, 수광 소자 및 그 제조 방법, 고체 촬상 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
물리 정보 취득 방법 및 물리 정보 취득 장치, 복수의 단위 구성요소가 배열되어서 되는 물리량 분포 검지의 반도체 장치의 제조 방법, 수광 소자 및 그 제조 방법, 고체 촬상 소자 및 그 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
촬상 장치에 있어서, 칼라 화상과 적외광 화상을 1개의 이미지 센서로 독립적으로 동시에 취득할 수 있도록 한다.
포토 다이오드나 화소내 앰프등이 형성되는 반도체소자상에, 화소내 앰프로부터 화소 신호를 읽어내기 위한 신호선을 이루는 배선층을 형성하고, 이 배선층상에, 인접하는 층 사이에서 굴절률이 다른 소정의 두께를 가지는 층을 복수 적층한 구조를 가지며 적외광(IR)을 반사시켜 가시광선(VL)을 통과시키는 특성을 가진 적층막(1)을 형성한다. 단위 화소 매트릭스 (12)를 구성하는 복수의 화소에 대해서, 화소마다, 적외광을 커트하거나 하지 않거나 한다. 적층막(1)상에, 칼라 화소(12R, 12G, 12B)에 대응시키고, 칼라 촬상용의 색필터(14R, 14G, 14B)를 형성한다. 적층막(1)이 형성된 화소(12R, 12G, 12B)로부터의 화소 신호에 근거하여 칼라 화상을 얻는다. 적층막(1)이 형성되어 있지 않은 화소(12IR)로부터의 화소 신호에 근거하여 적외광 화상을 얻는다.
포토 다이오드나 화소내 앰프등이 형성되는 반도체소자상에, 화소내 앰프로부터 화소 신호를 읽어내기 위한 신호선을 이루는 배선층을 형성하고, 이 배선층상에, 인접하는 층 사이에서 굴절률이 다른 소정의 두께를 가지는 층을 복수 적층한 구조를 가지며 적외광(IR)을 반사시켜 가시광선(VL)을 통과시키는 특성을 가진 적층막(1)을 형성한다. 단위 화소 매트릭스 (12)를 구성하는 복수의 화소에 대해서, 화소마다, 적외광을 커트하거나 하지 않거나 한다. 적층막(1)상에, 칼라 화소(12R, 12G, 12B)에 대응시키고, 칼라 촬상용의 색필터(14R, 14G, 14B)를 형성한다. 적층막(1)이 형성된 화소(12R, 12G, 12B)로부터의 화소 신호에 근거하여 칼라 화상을 얻는다. 적층막(1)이 형성되어 있지 않은 화소(12IR)로부터의 화소 신호에 근거하여 적외광 화상을 얻는다.
Description
본 발명은, 물리 정보 취득 방법 및 물리 정보 취득 장치, 복수의 단위 구성요소가 배열되어 있는 물리량 분포 검지의 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 예를 들어 빛이나 방사선등의 외부로부터 입력되는 전자파에 대해서 감응성을 하는 복수의 단위 구성요소가 배열되어, 단위 구성요소에 의해서 상기신호에 변환된 물리량 분포를 상기신호로서 독출 가능한 물리량 분포 검지의 반도체 장치를 이용한 고체 촬상 장치등에의 적용에 매우 적합한 신호 취득 기술에 관한 것이다. 특히, 가시광선 이외의 파장 성분(예를 들어, 적외광)에 의한 촬상도 가능한 촬상 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 실리콘이나 화합물 반도체등의 반도체층내에 광전 변환 소자가 형성된, 수광 소자 및 고체 촬상 소자, 및 이러한 제조 방법과 관계된다.
빛이나 방사선등의 외부로부터 입력되는 전자파등의 물리량 변화에 대해서 감응성을 하는 단위 구성요소(예를 들어 화소)를 라인 형태 혹은 매트릭스 형태로 복수개 배열되어 있는 물리량 분포 검지 반도체 장치가 여러가지 분야에서 사용되고 있다.
예를 들어, 영상 기기의 분야에서는, 물리량의 일례인 빛(전자파의 일례)의 변화를 검지하는 CCD(Charge Coupled Device) 형태 혹은 MOS(Metal Oxide Semiconductor)나 CMOS(Complementary Metal-oxide Semiconductor)형태의 고체 촬상 장치가 사용되고 있다. 이것들은, 단위 구성요소(고체 촬상 장치에 있어서는 화소)에 의해서 상기신호로 변환된 물리량 분포를 상기신호로서 읽어낸다.
예를 들어, 고체 촬상 장치는, 디바이스부의 촬상부(화소부)에 설치되어 있는 광전 변환 소자(수광 소자；포토 센서)인 포토 다이오드에서, 빛이나 방사선등의 외부로부터 입력되는 전자파를 검지하고 신호 전하를 생성/축적하며, 이 축적된 신호 전하(광전자)를, 화상 정보로서 읽어낸다.
또한 최근에는, 가시광선에 의한 이미지와, 적외광에 의한 이미지를 촬상하는 구조가 제안되고 있다(예를 들어 특허 문헌 1~7을 참조). 예를 들어 적외선의 발광점을 미리 준비해 그것을 추적하여, 가시광선의 이미지안에 있는 적외광의 발광점의 위치를 검출할 수 있다. 또한, 가시광선이 없는, 예를 들어 야간에 있어서도 적외광을 조사하여 촬상하여 선명한 이미지를 얻을 수 있다. 게다가 가시광선외에도 적외광을 도입하여 감도를 향상시킬 수 있다.
[특허 문헌 1]특개 2004－103964호 공보
[특허 문헌 2]특개평 10－210486호 공보
[특허 문헌 3]특개 2002－369049호 공보
[특허 문헌 4]특개평 06－121325호 공보
[특허 문헌 5]특개평 09－166493호 공보
[특허 문헌 6]특개평 09－130678호 공보
[특허 문헌 7]특개 2002－142228호 공보
특허 문헌 1에 기재의 구조는, 반도체의 깊이 방향에 있어서의 파장에 의한 흡수 계수의 차이를 이용한 단판식의 것이다.
또한, 특허 문헌 2~4에 기재의 구조는, 입력 광학계에 파장 분리용의 밀러나 프리즘등의 파장 분해 광학계를 사용하고, 가시광선과 적외광을 개별의 촬상 소자로 수광하는 다판식의 것이다.
또한, 특허 문헌 5에 기재의 구조는, 입력 광학계에 회전식의 파장 분해 광학계를 사용하며, 가시광선과 적외광을 동일한 촬상 소자로 수광하는 단판식의 것이다. 예를 들어, 적외광 커트 필터의 삽입／발출을 회전 기구적으로 행하며, 적외광 커트 필터를 삽입하고 있는 경우는 근적외광 및 적외광의 영향이 없는 가시광선 칼라 화상을, 적외광 커트필터를 분리한 경우는 가시광선 및 근적외광의 광강도를 가산한 화상을 출력한다.
또한, 특허 문헌 6에 기재의 구조는, 입력 광학계에 파장 분해 기능을 가지는 조리개 광학계를 사용하며, 가시광선과 적외광을 동일한 촬상 소자로 수광하는 것이다.
또한, 특허 문헌 7에 기재의 구조는, 가시광선 및 근적외광에 감도를 가지는 촬상 소자의 각 화소에, 별개의 필터 특성을 가지는 4종류의 색필터를 규칙적으로 배치하고, 4종류의 색필터를 배치한 각 화소의 출력을 매트릭스 연산함으로써, 가시광선 칼라 화상 및 근적외광 화상을 각각 독립적으로 구하는 것이다.
고체 촬상 소자는, 반도체층내에 광전 변환 소자가 형성되어 구성된다.
그리고, 고체 촬상 소자에 있어서, 광전 변환 소자가 형성된 반도체층의 표면 준위에 기인하여, 소위 암전류가 발생하는 것이 문제가 된다.
이 암전류는, 주로, 도 60a의 포텐셜 도면에 도시한 바와같이, 표면 준위에 포획된 전자가 전도대까지 열적으로 여기되며, 표면 공지층의 전계에 의해서, 광전 변환 소자를 구성하는 포토 다이오드의 n형 반도체 영역까지 이동하기 위해서, 발생하는 것이다.
예를 들면, 반도체층이 실리콘인 경우에는, 그 밴드 갭이 1.1eV이며, 한편 버딩 리미트에 의해서, 이 밴드 갭이 2：1에 분할되는 곳에 표면 준위(및 페르미 레벨)가 존재한다.
따라서, 이 때 표면 준위에 포획되고 있는 전자에 있어서의 포텐셜 장벽은 0.7eV가 된다.
그러므로, 이 표면 준위에 기인하는 암전류를 저감하기 위해서, 포토 다이오드의 표면에 p＋층을 마련하는 방법이 채용되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조.).
이에 의해서, 어느 정도 암전류가 억제되어 있다.
즉, 도 60b의 포텐셜 도면에 도시한 바와같이, p＋층의 존재에 의해서, 표면 준위에 포획된 전자에 있어서의 포텐셜 장벽이 1.0eV가 되어, p＋층이 없는 경우와 비교하면, 0.3 eV만큼 높아진다. 이에 의해, 열에 의해 여기되는 전자수를 저감할 수 있기 때문에, 암전류를 저감할 수 있다.
실리콘 기판의 표면에 p＋층을 설치할 경우에는, 그 실온(T=300 K)에 있어서의 암전류의 양이, p＋층을 설치하지 않는 경우와 비교하면, 페르미디락크의 분포 함수로부터 추측하여도 4자리수 감소한다.
여기서, 페르미디락크의 분포 함수(Fermi-Dirac distribution function)는, 아래와 같이 수식 10이 된다.
수식 10
다만, E는 에너지이며, EF는 페르미 에너지이며, T는 절대온도이며, k는 볼츠만 정수이며, e는 자연대수이다. 그리고, E－EF가, 포텐셜 장벽의 크기에 대응한다.
[특허 문헌 8]특개 2002－252342호 공보(도면 15)
도 53은, 특허 문헌 1에 기재된 센서의 구조를 설명하는 도면이며, 도 53a는 반도체층의 광흡수스펙트럼 특성을 나타내는 도면, 도 53b는, 디바이스의 단면 구조의 모식도이다.
이 구조에 대해서는, Si(실리콘)반도체의 빛의 흡수 계수가 도 53a에 도시한 바와같이 청, 록, 적, 적외광의 순서로 작아진다. 즉 입사광(L1)에 포함되는 청색빛, 녹색빛, 적색빛, 및 적외광에 관해서는, 반도체의 깊이 방향에 대해 파장에 의한 장소 의존성을 나타내는 것을 이용하고, 도 53b에 도시한 바와같이, Si반도체의 표면으로부터 깊이 방향으로 가시광선(청, 초록, 빨강) 및 적외광의 각 색빛을 검출하기 위한 층을 차례차례 설치하고 있다.
그렇지만, 파장에 의한 흡수 계수의 차이를 이용한 특허 문헌 1에 기재의 구조에서는, 이론상 검지할 수 있는 광량이 저하하지 않지만, 청색빛을 검지하는 층에서는 적색빛이나 녹색빛이 통과할 경우에 어느 정도 흡수를 받기 위해서 그러한 빛이 청색빛으로서 검지되어 버린다. 이 때문에, 파랑의 신호가 본래 없는 경우에서도 초록이나 빨강의 신호가 들어가는 것으로 파랑에도 신호가 들어간 가짜 신호가 생겨 버리게 되므로, 충분한 색 재현성을 얻을 수 없다.
이것을 피하기 위해서는, 3원색 전체에서 계산에 의한 신호 처리로 보정을 행할 필요가 있으며, 계산에 필요한 회로를 별도로 필요로 하므로, 그 만큼 회로 구성이 복잡/대규모화 되며, 또 비용적으로 비싸진다. 게다가 예를 들어 3 원색 중 어떤 것이나 1색이 포화하면 그 포화한 빛의 본래의 값을 모르게 되며, 계산에 이상이 생겨 결과적으로 본래의 색과는 다르도록 신호를 처리하게 된다.
또한, 도 53a에 도시한 바와같이, 대부분의 반도체는 적외광에 대해서 흡수 감도를 가진다. 따라서, 예를 들어 Si반도체를 이용한 고체 촬상 장치(이미지 센서)등에 있어 통상, 감소 색필터의 일례로서 유리제의 적외선 커트 필터를 센서의 앞에 배치할 필요가 있다.
따라서, 적외광만, 혹은 가시광선과 적외광을 신호로서 받아 촬상하기 위해서는, 적외선 커트 필터를 제외하던지, 적외광의 커트하는 비율을 낮게 할 필요가 있다.
그런데, 이와 같이 하면, 적외광이 가시광선에 섞여 광전 변환 소자에 입사하게 되므로, 가시광선의 이마지의 색조가 본래의 것과는 다르게 된다. 따라서, 가시광선의 이미지와 적외광만(또는 적외광과 가시광선의 혼합)을 동시에 나누어 각각 적절한 화상을 얻는 것이 곤란하다.
또한, 상술의 과제와는 별도로, 통상의 고체 촬상 장치와 같이 적외선 커트 필터를 이용하여, 가시광선도 여러 번 커트되므로 감도가 떨어지게 된다. 또 적외선 커트 필터를 이용하게 되므로 비용이 비싸진다.
또 특허 문헌 2~4에 기재의 구조는, 파장 분리용의 미러나 프리즘등의 파장분해 광학계가 되므로, 입력 광학계가 크게 되어 버린다.
또한, 특허 문헌 5에 기재의 구조는, 적외광 커트 필터(infrared cut filter)의 삽입／인출기구(insertion/extraction)이기 때문에, 장치가 크게 되며, 적외광 커트 필터의 조작은 자동적으로 행할 수 없다.
또한, 특허 문헌 6에 기재의 구조는, 파장 분해 기능을 가지는 조리개 광학계이기 때문에, 장치가 크게 된다. 게다가, 적외선 화상과 가시광선 화상의 양쪽 모두를 동시에 얻을 수 있지만, 이미지 센서에서는, 이 가시광선 화상 및 적외선 화상을 합성한 상기 신호 밖에 출력하지 못하고, 가시광선 화상만 혹은 적외선 화상만을 출력할 수 없다.
이에 대해서, 특허 문헌 7에 기재의 구조는, 4종류의 색필터를 배치하여 파장분리를 행하므로, 특허 문헌 2~6과 같은 입력 광학계가 크게 되는 문제가 없기는 하지만, 연산 처리에 문제가 있다. 즉, 특허 문헌 7에 기재의 구조는, 별개의 필터 특성을 가지는 4종류의 색필터를 배치한 각 화소의 출력을 매트릭스 연산함으로써, 가시광선 칼라 화상 및 근적외광 화상을 각각 독립적으로 요구하므로, 가시광선 화상과 적외선 화상을 개별적으로 그리고 동시에 출력할 수 있지만, 가시광선 화상을 얻을 때에도, 적외광 성분과의 사이에서 연산 처리가 필요하게 되므로, 전체적으로 연산 처리가 큰 폭으로 된다.
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 상술한 문제의 적어도 1개를 해결할 수 있는 새로운 구조와 그 구조에 사용되는 장치의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일례로서 같은 이미지 센서로서 가시광선 칼라 화상 및 근적외광 화상을 독립적으로 얻는 새로운 구조의 촬상 장치를 제공한다.
또한, 다른 예로서 같은 이미지 센서로서 가시광선에 의한 이미지와 적외광에 의한 이미지를 동시에 촬상하는 경우에, 적외광 커트 필터를 제외함으로써 색조가 본래의 것과 다른 점을 해결하며, 색조가 정확한 가시광선에 의한 이미지와 적외광이나 자외광에 의한 이미지를 동시에 촬상할 수 있는 구조를 제공한다.
또한, 다른 예로서 통상의 이미지 센서와 같이 두께가 있는 유리제의 적외선 커트 필터를 이용하여 비용이 비싸지는 점을 해결할 수 있는 구조를 제공한다.
한편, 화소의 미세화가 진행됨에 따라, 각 화소의 포토 다이오드가 수광하는 광량이 감소하므로, 신호량도 저하하기 때문에, 상대적으로 S／N비가 작아져 버린다.
이 때문에, 실리콘 기판의 표면에 p＋층을 설치하고 암전류의 양이 4자리수 감소해도, 충분한 S／N비를 확보할 수 없게 되어, 예를 들면 야경의 하늘을 촬상해도, 얻을 수 있는 화상에 도트 형태의 노이즈로서 나타나게 된다.
이것은, 통상, 입사 광량이 적은 경우에는, 감도 부족을 보충하기 위해서 화상의 신호를 앰프등으로 게인을 높게 해 신호 강도를 높게 하고 있지만, 이 때 신호 강도와 동시에 노이즈의 강도를 높일 수 있으므로, 결과적으로 화상중의 노이즈가 눈에 띄어 버리기 때문이다.
향후, 새로운 미세화가 진행됨에 따라, 신호 강도가 줄어들기 때문에, 실리콘 기판의 표면에 p＋층을 설치하여 암전류에 의한 노이즈를 저감하는 것만으로는 따라 잡지 못하게 된다.
따라서, 충분한 S／N비를 확보하기 위해서 새로운 대책이 필요하게 된다.
또한, 고체 촬상 소자에 한정하지 않고, 반도체층에 광전 변환 소자를 형성하여 포토 다이오드를 구성한 수광 소자에 대해서도, 수광 소자의 미세화가 진행되면, 똑같이 S／N비가 저하하고, 광전 변환에 의해 얻을 수 있던 신호를, 양호하게 검출할 수 없게 되는 것을 알 수 있다.
상술한 문제의 해결을 위해서, 본 발명에 대해서는, 암전류에 의한 노이즈를 저감하여, 충분한 S／N비를 확보하는 것을 가능하게 하는 수광 소자 및 그 제조 방법, 및 고체 촬상 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명과 관련되는 물리 정보 취득 방법은, 전자파를 검지하는 검지부와, 상기 검지부에서 검지된 전자파량에 근거하여 대응하는 단위 신호를 생성하여 출력하는 단위 신호 생성부를 단위 구성요소내에 포함하며, 상기 단위 구성요소가 소정의 순서에 따라 동일 기판상에 배치된 물리량 분포 검지를 위한 장치를 사용하고, 상기 단위 신호에 근거하여 소정 목적용의 물리 정보를 취득하는 물리 정보 취득 방법에 있어서, 인접하는 층간에서 굴절률이 다르며 소정의 두께를 가지는 층을 복수 적층한 구조를 가지며, 상기 전자파의 소정의 파장 영역 성분을 반사시켜 나머지를 통과시키는 특성을 가지는 적층 부재를 상기 검지부의 상기 전자파가 입사하는 입사면측에 설치한다.
그리고, 상기 적층 부재를 통과한 통과 파장 영역 성분을 상기 검지부에서 검지하고, 이에 의해 상기 단위 신호 생성부로부터 얻을 수 있는 통과 파장 영역 성분의 단위 신호에 근거하여, 상기 소정 목적용의 물리 정보를 취득한다.
한편, "나머지"란, 반사되는 반사파장 영역 성분을 제외한 모든 파장 성분을 의미하는 것이 아니고, 적어도, 반사파장 영역 성분을 사실상 포함하지 않는다면 좋다. “반사파장 영역 성분을 사실상 포함하지 않는다”란, 반사파장 영역 성분의 영향을 거의 전혀 받지 않는 것을 의미하며, 영향을 약간 받는 일이 있어도 괜찮다. 통과 파장측에 대해서는 반사파장 영역의 영향을 무시 가능한 신호를 취득할 수 있으면 좋기 때문이다. 게다가 반사파장 영역에 대해서도, 통과 파장 영역 성분의 영향을 무시 가능한 신호를 취득할 수 있으면 좋다.
본 발명에 관한 물리 정보 취득 장치는, 상기 본 발명과 관련되는 물리 정보 취득 방법을 실시하는데 매우 적합한 장치이며, 검지부의 전자파가 입사하는 입사면측에 배치된, 인접하는 층간에서 굴절률이 달라 소정의 두께를 가지는 층을 복수 적층한 구조를 가지며, 전자파중의 소정의 파장 영역 성분을 반사시키고 나머지를 통과시키는 특성을 가진 적층 부재와 검지부에 의해서 검지되는 적층 부재를 통과한 통과 파장 영역 성분에 근거하여 단위 신호 생성부로부터 얻을 수 있는 통과 파장 영역 성분의 단위 신호에 근거하여, 소정 목적용의 물리 정보를 취득하는 신호 처리부를 그비한 것이다. 적층 부재는, 검지부와 별개의 것이어도 괜찮지만, 검지부와 일체적으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명과 관련되는 반도체 장치의 제조 방법은, 상기 본 발명과 관련되는 장치의 제조에 이용해 매우 적합한 방법이며, 반도체 기판상에 검지부와 단위 신호 생성부를 가지는 반도체소자층을 형성하는 공정과 반도체소자층상에 단위 신호 생성부로부터 단위 신호를 읽어내기 위한 신호선을 이루는 배선층을 형성하는 공정과 배선층상에, 인접하는 층 동안에서 굴절률이 달라 소정의 두께를 가지는 층을 복수 적층한 구조를 가져 전자파 중의 소정의 파장 영역 성분을 반사시켜 나머지를 통과시키는 특성을 가진 적층막을 형성하는 공정을 구비한 것이다.
게다가, 반사파장 영역 성분도 검지 가능한 구성으로 할 수 있도록, 복수의 검지부에 대해서, 각 파장 대응의 검지부에 위치 정합시키고, 적층막의 일부를 규칙적으로 없애는 공정을 마련하여, 적층막을 통과한 통과 파장 영역 성분이 복수의 검지부 중의 한편에서 검지되며, 적층막을 통과하지 않는 반사파장 영역 성분이 복수의 검지부 중의 다른 편으로 검지 되도록 해도 괜찮다. 각 파장 대응의 검지부에 위치 정합시켜 일부를 규칙적으로 없앤다고 하는 점에서는, 적층막은, 검지부와 별개보다는 검지부와 일체적으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 칼라 촬상 용도등으로 하는 경우에는, 적층막상에, 통과 파장 영역 성분내의 소정의 파장 성분을 통과시키는 파장별의 광학 부재를 파장 대응 화소에 위치 정합시켜 형성하는 공정을 더 설치해도 좋다. 각 파장 대응의 검지부에 위치 정합시켜 파장별의 광학 부재를 형성한다고 하는 점에서는, 파장별의 광학 부재는, 적층막이나 검지부와는 별도로 적층막이나 검지부와 일체적으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 종속항에 기재된 발명은, 본 발명의 새로운 유리한 구체적인 예를 규정한다.
예를 들어, 가시광선등의 통과 파장 영역 성분에 대한 적외광등의 반사파장 영역 성분에 관련되는 이미지를 취득할 수 있도록, 반사파장 영역 성분용의 검지부의 전자파가 입사하는 입사면측에 적층 부재를 설치하지 않고, 반사파장 영역 성분을 그 검지부에서 검지하며, 이것에 의해서 단위 신호 생성부로부터 얻을 수 있는 반사파장 영역 성분의 단위 신호에 근거하여, 제 2의 상기 소정 목적용의 물리 정보를 취득하도록 하면 좋다.
또한, 통과 파장 영역 성분의 단위 신호에 근거하는 제1의 물리 정보와 반사파장 영역 성분의 단위 신호에 근거하는 제 2의 물리 정보를, 어느 쪽이나 한편을 선택해 출력하거나, 혹은 쌍방을 동시에 출력하도록 하는 것이 좋다.
또한, 통과 파장 영역 성분을 검지하는 복수의 검지부의 입사면측에 각각, 통과 파장 영역 성분내를 각각 다른 파장 영역 성분으로 분리하는 광학 부재를 설치하며, 각각 다른 통과 파장 영역 성분을 복수의 검지부에서 검지하며, 이것에 의해서 단위 신호 생성부로부터 얻을 수 있는 각각 다른 통과 파장 영역 성분의 각 단위 신호의 합성 처리에 의해, 통과 파장 영역 성분에 관련되는 1개의 물리 정보를 취득하도록 해도 괜찮다. 예를 들어, 광학 부재로서 3개의 검지부에 대해서, 가시 영역의 투과광이 3원색의 파장 성분인 원색계의 색필터를 이용하거나, 혹은, 가시 영역의 투과광이 3원색에 대한 각각의 보색인 보색계의 색필터를 이용하여, 칼라 화상을 촬상하도록 한다.
또한, 반사파장 영역 성분의 신호 취득에 관해서는, 반사파장 영역 성분뿐만이 아니라, 통과 파장 영역 성분의 전부 혹은 일부(예를 들어 3원색의 어느 쪽이나 1개의 파장 성분)를 동시에 검출부에서 받아들이고, 차분 연산 처리에 의해서, 통과 파장 영역 성분의 영향을 무시 가능한, 반사파장 영역 성분만의 신호를 취득하도록 해도 괜찮다. 혹은, 반사파장 영역 성분용의 검지부에는, 미리 통과 파장 영역 성분이 입사하지 않게 하고, 그 입사면측에, 반사파장 영역 성분을 통과시키고, 통과 파장 영역 성분을 커트하는 광학 부재를 설치해도 좋다.
게다가, 반사파장 영역 성분의 신호도 취득하여 그 화상을 생성하는 구성으로 하는 경우, 통과 파장 영역 성분을 검지하는 검지부의 종래의 배치 모양에 대해서, 그 일부를 반사파장 영역 성분을 검지하는 검지부로 치환한 화소 배열 구조로 하지 않으면 안되므로, 각 검지부를 어떻게 배치할 것인지에 따라 해상도에 영향을 줄 수 있다.
이 점에 대해서는, 예를 들어 통과 파장 영역 성분에 근거하는 통상 칼라 화상쪽의 해상도를 중시하는 경우에는, 통상 칼라 화상 생성에 이바지하는 색별의 복수의 검지 요소 중의 있는 파장 성분을 검지하는 것(전형예는 G색용의 화소)이 체크무늬가 되도록 배치하는 것이 좋다. 한편, 반사파장 영역 성분에 근거하는 화상(전형예는 적외광 화상)쪽의 해상도를 중시하는 경우에는, 그 화상 생성에 이바지하는 검지부가 체크무늬가 되도록 배치하는 것이 좋다.
또한, 이러한 화소를 2차원 격자모양에 배치하는 경우에는, 수직 방향 및 수평 방향의 각 독취 방향에 대해서 평행 및 직교하도록 하는 정방 격자모양으로 배치하는 것보다도, 소정 각도(전형족인 예는 거의 45도)만 회전시킨 상태의 기울기 격자모양으로 배열하면, 수직 방향과 수평 방향의 각 화소 밀도가 증가하게 되므로, 그 방향으로의 해상도를 한층 더 높게 할 수 있다.
그리고, 본 발명의 수광 소자는, 반도체층내에 광전 변환 소자가 형성되며, 반도체층의, 적어도 광전 변환 소자가 형성된 부분 위에, 이 반도체층보다 밴드 갭이 넓은 재료로구성되는 단결정층이 형성되어 있는 것이다.
상술의 본 발명의 수광 소자의 구성에 의하면, 반도체층의, 적어도 광전 변환 소자가 형성된 부분 위에, 이 반도체층보다 밴드 갭이 넓은 재료로부터 완성되는 단결정층이 형성되어 있으므로, 단결정층의 밴드 갭이 넓기 때문에, 표면 준위로부터의 전자에 대한 장벽이 커져, 이 전자에 기인하는 암전류를 저감할 수 있다.
본 발명의 수광 소자의 제조 방법은, 반도체층내에 광전 변환 소자가 형성된 수광 소자를 제조할 때에, 반도체층의 적어도 광전 변환 소자가 형성되는 부분 위에, 반도체층보다 밴드 갭이 넓은 재료로부터 완성되는 단결정층을 형성하는 공정을 가지는 것이다.
상술의 본 발명의 수광 소자의 제조 방법에 의하면, 반도체층의 적어도 광전 변환 소자가 형성되는 부분 위에, 반도체층보다 밴드 갭이 넓은 재료로부터 완성되는 단결정층을 형성하는 공정을 가지므로, 단결정층에 의해 표면 준위로부터의 전자에 대한 장벽이 커져, 이 전자에 기인하는 암전류를 저감 할 수 있는 구조의 수광 소자를 제조할 수 있다.
본 발명의 고체 촬상 소자는, 반도체층내에 광전 변환 소자가 형성되며, 반도체층의, 적어도 광전 변환 소자가 형성된 부분 위에, 이 반도체층보다 밴드 갭이 넓은 재료로부터 완성되는 단결정층이 형성되어 있는 것이다.
상술의 본 발명의 고체 촬상 소자의 구성에 의하면, 반도체층의, 적어도 광전 변환 소자가 형성된 부분 위에, 이 반도체층보다 밴드 갭이 넓은 재료로부터 완성되는 단결정층이 형성되고 있으므로, 단결정층의 밴드 갭이 넓기 때문에, 표면 준위로부터의 전자에 대한 장벽이 커져, 이 전자에 기인하는 암전류를 저감할 수 있다.
본 발명의 고체 촬상 소자의 제조 방법은, 반도체층내에 광전 변환 소자가 형성된 고체 촬상 소자를 제조할 때에, 반도체층의 적어도 광전 변환 소자가 형성되는 부분 위에, 반도체층보다 밴드 갭이 넓은 재료로부터 완성되는 단결정층을 형성하는 공정을 가지는 것이다.
상술의 본 발명의 고체 촬상 소자의 제조 방법에 의하면, 반도체층의 적어도 광전 변환 소자가 형성되는 부분 위에, 반도체층보다 밴드 갭이 넓은 재료로부터 완성되는 단결정층을 형성하는 공정을 가지므로, 단결정층에 의해 표면 준위로부터의 전자에 대한 장벽이 커져, 이 전자에 기인하는 암전류를 저감할 수 있는 구조의 고체 촬상 소자를 제조할 수 있다.
도 1은, 유전체 적층막을 이용해 전자파를 소정 파장마다 분광하는 분파 이미지 센서의 개념을 설명하는 도면이다.
도 2는, 유전체 적층막을 이용한 분파 이미지 센서의 기본 구성을 설명하는 개념도면이다.
도 3은, 도 2에 도시한 분광 이미지 센서의 기본 구성을 복수의 파장 분리 구성에 적용한 구성예를 나타내는 도면이다.
도 4는, 적층막을 설계하는 수법의 기본 개념을 설명하는 구조도면이다.
도 5는, 적층막을 설계하는 수법의 기본 개념을 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 6은, 적층막을 설계하는 수법의 기본 개념을 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 7은, 반사 중심 파장 λ의 조건을 설명하는 도면(반사 스펙트럼의 개념을 나타낸 도면)이다.
도 8은, 반사 중심 파장 λ의 조건을 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 9는, 반사 중심 파장 λ의 조건을 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 10은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 1실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 11은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 1실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 12는, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 1실시 형태를 설명하는 도면(반사 스펙트럼도면；상세)이다.
도 13은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 1실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 14는, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 1실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 15는, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 2실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 16은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 2실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 17은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 2실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 18은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 2실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 19는, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 3실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 20은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 3실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 21은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 3실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 22는, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 3실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 23은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 3실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 24는, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 3실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 25는, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 4실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 26은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 4실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 27은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 5실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 28은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 5실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 29는, 적층막을 IT＿CCD 이미지 센서에 적용했을 경우의 회로도(R, G, B, 적외광(IR)대응)이다.
도 30은, 적층막을 IT＿CCD 이미지 센서에 적용했을 경우의 회로도(가시광선(VL), 적외광(IR)대응)이다.
도 31은, 적층막을 CMOS 고체 촬상 소자에 적용했을 경우의 회로도(R, G, B, 적외광(IR)대응)이다.
도 32는, 적층막을 CMOS 고체 촬상 소자에 적용했을 경우의 회로도(가시광선(VL), 적외광(IR)대응)이다.
도 33은, 분광 이미지 센서를 제조하는 프로세스예를 나타내는 도면이다.
도 34는, 적층막을 이용한 단파장분파 대응의 분광 이미지 센서의 제 6실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 35는, 적층막을 이용한 단파장분파 대응의 분광 이미지 센서의 제 6실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 36은, 적층막을 이용한 단파장분파 대응의 분광 이미지 센서의 제 6실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 37은, 적층막을 이용한 단파장분파 대응의 분광 이미지 센서의 제 6실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 38은, 적층막을 이용한 단파장분파 대응의 분광 이미지 센서의 제 6실시 형태를 설명하는 도면이다.
도 39는, 적층막을 이용한 단파장분파 대응의 분광 이미지 센서의 제 6실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 40은, 적층막을 이용한 단파장분파 대응의 분광 이미지 센서의 제 6실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 41은, 색분리 필터의 제 1구체적인 예의 배치를 나타내는 도면이다.
도 42는, 도 41에 나타낸 색분리 필터의 배치를 가지는 CCD 고체 촬상 소자의 구성예를 설명하는 도면(사시도)이다.
도 43은, 적외광과 가시광선의 2개의 파장 성분을, 동시에 이미지로서 따로 따로 촬상할 수 있도록 한 CCD 고체 촬상 소자의 구성예를 설명하는 도면(단면 구조도)이다.
도 44는, 색분리 필터의 제 2구체적인 예의 배치를 나타내는 도면이다.
도 45는, 도 44에 나타낸 색분리 필터의 배치를 가지는 CCD 고체 촬상 소자의 구성예를 설명하는 도면(사시도)이다.
도 46은, 해상도 저하를 고려한 화소 배열을 설명하는 도면(그 1)이다.
도 47은, 흑색 필터의 투과 스펙트럼 특성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 48은, 해상도 저하를 고려한 화소 배열을 설명하는 도면(그 2)이다.
도 49는, 해상도 저하를 고려한 화소 배열을 설명하는 도면(그 3)이다.
도 50은, 해상도 저하를 고려한 화소 배열을 설명하는 도면(그 4)이다.
도 51은, 해상도 저하를 고려한 화소 배열을 설명하는 도면(그 5)이다.
도 52는, 해상도 저하를 고려한 화소 배열을 설명하는 도면(그 6)이다.
도 53은, 특허 문헌 1에 기재된 센서의 구조를 설명하는 도면이다.
도 54는, 본 발명의 고체 촬상 소자의 제 7실시 형태의 개략 구성도(모식적 평면도)이다.
도 55는, 도 54의 고체 촬상 소자의 단면도면이다.
도 56은, 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 57은, 본 발명의 고체 촬상 소자의 다른 실시의 형태의 개략 구성도(단면도)이다.
도 58은, 도 57의 고체 촬상 소자와는 다른 방법으로 단결정층을 형성했을 경우의 고체 촬상 소자의 개략 구성도(단면도)이다.
도 59는, 본 발명의 고체 촬상 소자의 다른 실시의 형태의 개략 구성도(모식적 평면도)이다.
도 60a는, 종래의 고체 촬상 소자의 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 60b는, 표면에 P＋층을 설치한 구성의 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 2는, 유전체 적층막을 이용한 분파 이미지 센서의 기본 구성을 설명하는 개념도면이다.
도 3은, 도 2에 도시한 분광 이미지 센서의 기본 구성을 복수의 파장 분리 구성에 적용한 구성예를 나타내는 도면이다.
도 4는, 적층막을 설계하는 수법의 기본 개념을 설명하는 구조도면이다.
도 5는, 적층막을 설계하는 수법의 기본 개념을 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 6은, 적층막을 설계하는 수법의 기본 개념을 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 7은, 반사 중심 파장 λ의 조건을 설명하는 도면(반사 스펙트럼의 개념을 나타낸 도면)이다.
도 8은, 반사 중심 파장 λ의 조건을 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 9는, 반사 중심 파장 λ의 조건을 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 10은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 1실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 11은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 1실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 12는, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 1실시 형태를 설명하는 도면(반사 스펙트럼도면；상세)이다.
도 13은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 1실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 14는, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 1실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 15는, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 2실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 16은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 2실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 17은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 2실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 18은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 2실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 19는, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 3실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 20은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 3실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 21은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 3실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 22는, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 3실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 23은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 3실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 24는, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 3실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 25는, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 4실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 26은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 4실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 27은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 5실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 28은, 적층막을 이용한 단파장 분파대응의 분광 이미지 센서의 제 5실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 29는, 적층막을 IT＿CCD 이미지 센서에 적용했을 경우의 회로도(R, G, B, 적외광(IR)대응)이다.
도 30은, 적층막을 IT＿CCD 이미지 센서에 적용했을 경우의 회로도(가시광선(VL), 적외광(IR)대응)이다.
도 31은, 적층막을 CMOS 고체 촬상 소자에 적용했을 경우의 회로도(R, G, B, 적외광(IR)대응)이다.
도 32는, 적층막을 CMOS 고체 촬상 소자에 적용했을 경우의 회로도(가시광선(VL), 적외광(IR)대응)이다.
도 33은, 분광 이미지 센서를 제조하는 프로세스예를 나타내는 도면이다.
도 34는, 적층막을 이용한 단파장분파 대응의 분광 이미지 센서의 제 6실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 35는, 적층막을 이용한 단파장분파 대응의 분광 이미지 센서의 제 6실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 36은, 적층막을 이용한 단파장분파 대응의 분광 이미지 센서의 제 6실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 37은, 적층막을 이용한 단파장분파 대응의 분광 이미지 센서의 제 6실시 형태를 설명하는 구조도면이다.
도 38은, 적층막을 이용한 단파장분파 대응의 분광 이미지 센서의 제 6실시 형태를 설명하는 도면이다.
도 39는, 적층막을 이용한 단파장분파 대응의 분광 이미지 센서의 제 6실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 40은, 적층막을 이용한 단파장분파 대응의 분광 이미지 센서의 제 6실시 형태를 설명하는 반사 스펙트럼도면이다.
도 41은, 색분리 필터의 제 1구체적인 예의 배치를 나타내는 도면이다.
도 42는, 도 41에 나타낸 색분리 필터의 배치를 가지는 CCD 고체 촬상 소자의 구성예를 설명하는 도면(사시도)이다.
도 43은, 적외광과 가시광선의 2개의 파장 성분을, 동시에 이미지로서 따로 따로 촬상할 수 있도록 한 CCD 고체 촬상 소자의 구성예를 설명하는 도면(단면 구조도)이다.
도 44는, 색분리 필터의 제 2구체적인 예의 배치를 나타내는 도면이다.
도 45는, 도 44에 나타낸 색분리 필터의 배치를 가지는 CCD 고체 촬상 소자의 구성예를 설명하는 도면(사시도)이다.
도 46은, 해상도 저하를 고려한 화소 배열을 설명하는 도면(그 1)이다.
도 47은, 흑색 필터의 투과 스펙트럼 특성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 48은, 해상도 저하를 고려한 화소 배열을 설명하는 도면(그 2)이다.
도 49는, 해상도 저하를 고려한 화소 배열을 설명하는 도면(그 3)이다.
도 50은, 해상도 저하를 고려한 화소 배열을 설명하는 도면(그 4)이다.
도 51은, 해상도 저하를 고려한 화소 배열을 설명하는 도면(그 5)이다.
도 52는, 해상도 저하를 고려한 화소 배열을 설명하는 도면(그 6)이다.
도 53은, 특허 문헌 1에 기재된 센서의 구조를 설명하는 도면이다.
도 54는, 본 발명의 고체 촬상 소자의 제 7실시 형태의 개략 구성도(모식적 평면도)이다.
도 55는, 도 54의 고체 촬상 소자의 단면도면이다.
도 56은, 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 57은, 본 발명의 고체 촬상 소자의 다른 실시의 형태의 개략 구성도(단면도)이다.
도 58은, 도 57의 고체 촬상 소자와는 다른 방법으로 단결정층을 형성했을 경우의 고체 촬상 소자의 개략 구성도(단면도)이다.
도 59는, 본 발명의 고체 촬상 소자의 다른 실시의 형태의 개략 구성도(모식적 평면도)이다.
도 60a는, 종래의 고체 촬상 소자의 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 60b는, 표면에 P＋층을 설치한 구성의 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조해 본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다.
＜＜유전체 적층막 이미지 센서의 개념＞＞
도 1은, 유전체 적층막을 이용해 전자파를 소정 파장 마다 분광는 분파 이미지 센서의 개념을 설명하는 도면이다여기에서는, 전자파의 일례인 빛을 소정 파장마다 분광하는 분광 이미지 센서를 예로서 설명한다.
1은 유전체 적층막, 10은 분광 필터를 나타낸다.
유전체 적층막(1)은, 도 1에 도시한 바와같이, 인접하는 층간에서 굴절률 nj(j는 2이상의 정의 정수；이하 같이)가 다르며(굴절률차이 : Δn), 소정의 두께 (dj)를 가지는 층을 복수 적층한 구조를 가지는 적층 부재이다. 이것에 의해서, 후술하는 바와같이, 전자파 중의 소정의 파장 영역 성분을 반사시켜 나머지를 통과시키는 특성을 가지게 된다.
유전체 적층막(1)을 이루는 각 유전체층(1_j)의 층수의 계산하는 방법은, 그 양측의 두꺼운 층(제 n0층(1_0) 및 제 k층(1_k))을 층 수로서 세지 않고 , 예를 들어, 제 1층째로부터 제 k층측으로 향하여 순서대로 센다. 실질적으로는, 양측의 두꺼운 층(제 0층(1_0) 및 제 k층(1_k))을 제거하여 유전체 적층막(1)이 구성된다.
이러한 구조를 가지는 유전체 적층막(1)에 빛을 입사 시키면, 유전체 적층막(1)에서의 간섭에 의해, 반사율(혹은 투과율)이 파장(λ)에 대해서 어느 의존성을 가지게 된다. 빛의 굴절률차이(Δn)가 큰 만큼 그 효과가 강해진다.
특히, 이 유전체 적층막(1)이, 주기적인 구조나, 어느 조건(예를 들어 각층의 두께 d의 조건 d~λ／4 n)을 가지며, 백색광등의 입사광(L1)이 입사하면, 어느 특정 파장역의 빛(특정 파장 영역빛)의 반사율만을 효과적으로 높여 대부분을 반사광 성분(L2)으로 만들며, 즉 투과율을 작게 시키고, 한편, 그 이외의 파장역의 빛의 반사율을 낮게 하여 대부분을 투과광 성분(L3)으로 만들어, 투과율을 크게 시킬 수 있다.
여기서 파장(λ)은, 어느 파장역의 중심 파장이며, n은 그 층의 굴절률이다. 본 실시 형태에서는, 이 유전체 적층막(1)에 의한 반사율(혹은 투과율)의 파장 의존성을 이용하여, 분광 필터(10)를 실현한다.
＜유전체 적층막을 이용한 분파 이미지 센서의 기본 구성＞
도 2는, 유전체 적층막을 이용한 분파 이미지 센서의 기본 구성을 설명하는 개념도면이다. 여기서, 도 2는, 적외광(IR)(InfraRed)과 가시광선(VL)(Visible Light )을 분광하는 사례를 도시하고 있다. 가시광선(VL)보다 장파장측인 적외 영역의 파장(λ)(주로, 780nm보다 장파장측)의 적외광(IR)에 대해서, 높은 반사율을 갖게 하는 유전체 적층막(1)을 형성하여, 적외광(IR)을 커트하고, 또, 이러한 유전체 적층막(1)을 형성하지 않고, 적외광(IR)을 투과시킬 수 있다.
한편, 유전체 적층막(1)을 이루는 각 유전체층(1_j)의 부재(층재)는, 복수의 층으로 유전체 적층막(1)을 구성하므로, 적어도 2종류가 되며, 3층 이상의 경우에는 각 유전체층 (1_j)의 어느 쪽이라도 다른 층재로 구성하여도 괜찮고, 2종(혹은 그 이상)을 교대로 혹은 임의의 순서대로 적층한 것이어도 괜찮다. 또한, 유전체 적층막(1)을, 기본적인 제1 및 제 2의 층재로 구성하면서, 일부를 제 3(혹은 그 이상)의 층재에 대신하도록 해도 괜찮다. 이하, 구체적으로 설명한다.
"유전체 적층막을 이용한 다파장 분파 이미지 센서의 구성"
도 3은, 도 2에 도시한 분광이미지 센서(10)를 이용한 분광이미지 센서(11)의 기본 구성을 복수의 파장 분리 구성에 적용한 구성예를 나타내는 도면이다.
1은 유전체 적층막, 11은 분광 이미지 센서, 12는 단위 화소 매트릭스를 나타낸다.
도 2에서 설명한 것처럼, 유전체 적층막(1)을 형성할 것인가, 하지 않을 것이가에 의해, 적외광(IR)을 커트하거나 투과시키거나 할 수 있다. 이것을 응용하고, 단위 화소 매트릭스(12)를 구성하는 복수의 검지부(예를 들어, 포토 다이오드)에 대해서, 각 파장 대응의 검지부에 위치 정합시켜 적층막의 일부를 규칙적으로 없앤다. 즉, 화소(셀)마다, 적외광을 커트하거나 하지 않거나 하여, 가시광선(VL)만의 촬상과 적외광(IR)만의 촬상, 혹은 가시광선(VL)만의 촬상과 적외광(IR)과 가시광선(VL)을 혼재시킨 촬상을, 동시에 행하도록 할 수 있다.
낮에 있어서의 흑백 화상 혹은 칼라 화상의 촬상시에 적외광(IR)의 영향을 받지 않고, 또, 야간에 있어서, 적외광(IR)에 의한 촬상이 가능해진다. 필요에 따라서, 다른 편의 이미도 동시에 출력할 수도 있다. 그 경우에도, 낮에 있어서, 가시광선(VL)의 영향을 받지 않는 적외광(IR)만의 화상을 얻을 수 있다.
즉, 다파장분파 대응의 분광 이미지 센서(11)는, 상술과 같은 적외광(IR)을 반사 가능한 유전체 적층막(1)을, 화소가 규칙적으로 배열된 단위 화소 매트릭스(12)를 구성하는 각 화소의 주요부를 이루는 포토 다이오드상에 형성하며, 적외광(IR)을 반사시킬 수 있고, 이 화소로부터 얻을 수 있는 화소 신호에 근거하여, 적외광(IR)의 영향을 거의 전혀 받지 않는 가시광선(VL)만의 흑백 화상을 얻을 수 있다. 특개 2002－142228호 공보 기재의 구조와는 달라, 적외광(IR)의 영향을 거의 전혀 받지 않는 가시광선(VL)의 흑백 화상을 얻는 경우, 적외광(IR)의 성분과의 사이에서의 연산 처리가 불필요하다.
게다가 유전체 적층막(1)을 형성한 포토 다이오드상에, 파장 영역 성분내를 소정의 파장 영역 성분으로 분리하는 광학부재의 일례로서 가시광선(VL)영역에 있어서 소정의 파장 투과 특성을 가지는 색필터(14)를 설치하여, 적외광(IR)의 영향을 거의 전혀 받지 않는 가시광선(VL)영역안의 특정 파장 영역만의 이미지를 얻을 수 있다.
또한, 단위 화소 매트릭스(12)를 구성하는 복수의 포토 다이오드상에 일체적으로, 가시광선(VL)영역에 있어서 각각 다른 파장 투과 특성을 가지는 색필터(14 x)를, 각 파장 대응(색별)의 포토 다이오드에 위치 정합시키고, 규칙적으로 배열하여, 가시광선(VL)영역을 파장별(색별)로 분리할 수 있으며, 이러한 색별의 화소로부터 얻을 수 있는 각 화소 신호에 근거하여 합성 처리를 하며, 적외광(IR)의 영향을 거의 전혀 받지 않는 가시광선(VL)만의 칼라 화상(가시광선 칼라 화상)을 얻을 수 있다. 특개 2002－142228호 공보 기재의 구조와는 달리, 적외광(IR)의 영향을 거의 전혀 받지 않는 가시광선(VL)의 칼라 화상을 경우에, 적외광(IR)의 성분과의 사이에서의 연산 처리가 불필요하다.
또한, 동일한 촬상 소자(분광 이미지 센서: 11)에 대하여, 예를 들어 단위 화소 매트릭스(12)중에서, 부분적으로 유전체 적층막(1)을 형성하지 않는 화소를 설치하여, 각 화소의 출력을 매트릭스 연산함으로써, 가시광선(VL)의 흑백 화상, 혹은 칼라 화상과 적외광(IR)의 화상을 각각 독립적으로 구하는 것이 항상 가능해진다. 또한, 포토 다이오드상에 일체적으로 형성된 유전체 적층막(1)의 일부를, 부분적으로 유전체 적층막(1)을 형성하지 않게 하므로, 부분적으로 유전체 적층막(1)이 형성되어 있지 않은 유전체 적층막(1)을 가지는 별개의 광학 부재를 촬상 소자상에 설치하는 경우와는 달리, 위치 정합의 문제가 일어나지 않는다.
예를 들어, 적외광(IR)의 영향을 거의 전혀 받지 않는 가시광선(VL)만의 촬상(흑백 촬상 혹은 칼라 촬상)과 적외광(IR)과 가시광선(VL)을 혼재시킨 촬상을, 동시에 행하도록 할 수 있다. 또한, 가시광선(VL)만의 성분(흑백 이미지 성분 혹은 칼라 이미지 성분)과 적외광(IR)과 가시광선(VL)을 혼재시킨 성분과의 합성 처리(자세한 것은 차분 처리)에 의해, 가시광선(VL)의 영향을 거의 전혀 받지 않는 적외광(IR)만의 촬상을 행하도록 할 수도 있다.
한편 상기에서, “영향을 거의 전혀 받지 않는다”란, 최종적으로 인간의 시각에 의한 것을 고려하며, 일반적으로 인간의 시각에 의해서 명확한 차이가 없는 정도이면, “영향을 약간 받는다”는 일이 있어도 괜찮다. 즉, 적외광(IR)측에 대해서 통과 파장 영역(가시광선(VL))의 영향을 무시 가능한 적외 화상(물리 정보의 일례)을 취득할 수 있으면 좋으며, 가시광선(VL)측에 대해서 반사파장 영역 성분(적외광(IR))의 영향을 무시 가능한 통상 화상(물리 정보의 일례)을 취득할 수 있으면 좋다.
또한, 색필터(14)는, 가시광선(VL)(파장λ=380~780nm)의 3원색인 청색 성분 B(예를 들어, 파장 λ=400~500nm에서 투과율이 거의 1, 그 외는 거의 제로), 녹색 성분 G(예를 들어 파장λ=500~600nm에서 투과율이 거의 1, 그 외는 거의 제로), 적색 성분 R(예를 들어 파장λ=600~700nm에서 투과율이 거의 1, 그 외는 거의 제로)를 중심으로 하는 원색 필터여도 괜찮다.
혹은, 노랑 Ye(예를 들어 파장λ=400~500nm에서 투과율이 거의 제로, 그 외는 거의 1), 마젠다 Mg(예를 들어 파장λ=500~600nm에서 투과율이 거의 제로, 그 외는 거의 1), 시안 Cy(예를 들어 파장λ=600~700nm에서 투과율이 거의 제로, 그 외는 거의 1)등, 가시광선의 3원색 성분에 대해서 거의 제로의 투과율을 가지는 보색계의 색필터가 되어도 괜찮다.
보색계의 색필터는 원색계의 색필터보다 감도가 높기 때문에, 가시 영역의 투과광이 3원색의 각각의 보색인 보색계의 색필터를 사용하여, 촬상 장치의 감도를 높일 수 있다.반대로, 원색계의 색필터를 이용하여, 차분 처리를 행하지 않아도 원색의 색신호를 취득할 수 있으며, 신호 처리가 간단하고 쉽게 되는 이점이 있다.
한편 투과율이“거의 1”이라는 것은, 이상적인 상태를 말한 것이며, 그 파장 영역에서의 투과율이 그 외의 파장 영역에서의 투과율보다 상당히 큰 것이면 좋다. 일부에서는“1”이 아닌 투과율”이 있어도 괜찮다. 또, 투과율이“거의 제로”에 대해서도, 똑같이 이상적인 상태를 말한 것이며, 그 파장 영역에서의 투과율이 그 외의 파장 영역에서의 투과율보다 상당히 작은 것이면 좋다. 일부에“제로”가 아닌 투과율”이 있어도 괜찮다.
또한, 원색계 및 보색계의 어느 쪽도, 통과 파장 영역 성분인 가시광선(VL)영역 중의 소정색(원색 혹은 보색)의 파장 영역 성분을 통과시키는 것이면 좋고, 반사파장 영역 성분인 적외광(IR)영역을 통과시키는지 아닌지, 즉 적외광(IR)에 대한 투과율은 상관없다. 유전체 적층막(1)에 의해서 적외광(IR)성분을 커트하기 때문이다.
예를 들어, 도 3에 도시한 바와같이, 4개의 화소(셀)로 구성되는 단위 화소 매트릭스(12)중, 1개의 화소(12IR)위에만 유전체 적층막(1)을 형성하지 않고, 다른 적(R), 초록(G), 파랑(B)의 3개의 색별의 화소(12R, 12G, 12B)상에 유전체 적층막(1)을 형성하면서, 각각 대응하는 적(R), 초록(G), 파랑(B)의 3 원색 필터(14R, 14G, 14B)를 설치한다.
또한, 감도를 높게 하기 위해서, 도 3에 도시한 바와같이, 유전체 적층막(1)을 형성하지 않았던 화소(12IR)에 있어서, 적외광(IR)뿐만이 아니고 가시광선(VL)도 동시에 신호에 기여하도록 색필터(14C)를 삽입하지 않는다. 이렇게 하여, 실질적으로, 적외광용의 화소(12IR)를, 적외광(IR)용 뿐만 아니라, 적외광(IR)용과 가시광선(VL)용을 겸하는 화소로서 기능시킬 수 있다.
특히, 4개의 화소로 구성되는 단위 화소 매트릭스(12)를, 이와 같이 화소(12R, 12G, 12B, 12IR)로 분할하여, 촬상 소자(분광 이미지 센서 : 11) 전체의 구성을 틈새 없게 배치할 수 있으므로, 설계가 용이하게 된다.
이와 같이 하여, 3개의 화소(12R, 12G, 12B)로부터 얻을 수 있는 적(R), 초록(G), 파랑(B)의 각 색성분에 근거하여 1개의 화상을 합성함으로써, 적외광(IR)의 영향을 거의 전혀 받지 않는 가시광선(VL)의 칼라 화상(이른바 통상의 칼라 화상)을 얻을 수 있으며, 동시에 화소(12IR)로부터 얻을 수 있는 적외광(IR)과 가시광선(VL)을 혼재시킨 성분에 근거하여, 적외광(IR)에 관련되는 이미지를 촬상하는 것이 가능하게 된다.
여기서, “적외광(IR)에 관련되는 이미지”란, 가시광선(VL)의 영향을 거의 전혀 받지 않는 적외광(IR)만의 이미지 또는 적외광(IR)과 가시광선(VL)을 혼재시킨 이미지를 의미한다. 도 3에 도시한 구성으로 가시광선(VL)의 영향을 거의 전혀 받지 않는 적외광(IR)만의 이미지를 얻으려면, 예를 들어, 화소(12IR)로부터 얻을 수 있는 적외광(IR)과 가시광선(VL)을 혼재시킨 성분과 3개의 화소(12R, 12G, 12B)로부터 얻을 수 있는 적(R), 초록(G), 파랑(B)의 각 색성분과의 차이를 취하면 좋다. 후술하는 녹색 필터(14G)나 흑색 필터(14BK)를 마련하지 않아도, 가시광선(VL)및 적외광(IR)을 수광하는 화소(12IR)의 출력으로부터, 3개의 화소(12R, 12G, 12B)로부터 얻을 수 있는 청, 빨강, 초록의 강도를 줄임으로써, 적외광(IR)의 강도를 구할 수 있기 때문이다.
한편 광통신 응용이나 적외 발광점을 추적하여 위치 검출하는 응용등, 가시광선(VL)의 영향을 거의 전혀 받지 않는 적외광(IR)만의 이미지를 동시에 촬상하는 응용을 생각했을 경우, 화소(12IR)위에, 적어도 반사파장 영역 성분인 적외광(IR)을 통과시키는 것과 동시에, 통과 파장 영역 성분인 가시광선(VL)중의 소정의 파장 성분을 통과시키는 색필터(14C)를 넣어도 괜찮다.
예를 들어, 색필터(14C)로서 적외광(IR)과 녹색광(G)을 통과시키는 녹색 필터(14G)를 설치하여, 화소(12IR)에서는 적외광(IR)과 녹색의 가시광선(LG)의 혼재의 성분을 얻을 수 있지만, 화소(12G)로부터 얻을 수 있는 가시광선(VL)만의 녹색 성분과의 차분을 취하여, 가시광선(VL)(여기에서는 녹색광 : G)의 영향을 거의 전혀 받지 않는 적외광(IR)만의 이미지를 얻을 수 있다. 녹색 필터(14G)를 설치할 필요가 있지만, 녹색 필터(14G)를 설치하지 않고, 3개의 화소(12R, 12 G, 12B)로부터 얻을 수 있는 청, 빨강, 초록의 강도를 줄이는 경우보다 처리가 간단하고 쉽게 된다.
또한, 색필터(14C)로서 적외광(IR)을 통과시켜 가시광선(VL)만을 흡수하는 흑색 필터(14BK)를 설치하면, 가시광선(VL)을 이 흑색 필터(14BK)에서 흡수시키고, 화소(12IR)에서는 적외광(IR)만의 성분을 얻을 수 있으므로, 차분 처리를 행하지 않아도, 가시광선(VL)의 영향을 거의 전혀 받지 않는 적외광(IR)만의 이미지를 얻을 수 있게 된다.
한편, 현상 일반적으로 이용되는 R, G, B의 각 색필터는, 가시광선대내에서는, R, G, B의 각각에 대해서 투과율이 높고, 그 외의 색(예를 들어 R이면 G나 B)의 투과율이 낮지만, 가시광선대외의 투과율에 관해서는 규정외이며, 통상, 그 외의 색(예를 들어 R이면 G나 B)의 투과율보다 높고, 예를 들어 각 필터 모두 적외 영역에 감도를 가지며, 적외 영역에 있어서 빛의 투과가 있다. 그렇지만, 본 실시 형태에서는, 이러한 가시광선대외에서 투과율이 높은 특성이어도, 영향을 받지 않는다.
＜＜유전체 적층막의 설계 수법；적외광 커트의 예＞＞
＜두께 (dj)의 설계 수법＞
도 4~도 6은, 유전체 적층막(1)을 설계하는 수법의 기본 개념을 설명하는 도면이다. 여기에서는, 유전체 적층막(1)을, 기본적인 제 1 및 제 2의 층재로 구성하면서, 적외광(IR)을 선택적으로 반사시키는 설계예를 기술한다.
도 4에 그 구조도를 도시한 바와같이, 본 실시 형태로 이용하는 유전체 적층막(1)은, 양측(이하, 광입사측을 제 0층, 반대측을 제 k층이라고 칭한다)의 두꺼운 산화 실리콘 SiO2(이하 SiO2라고 적는다)에 삽입되고, 제 1 및 제 2의 층재로 구성되는 복수의 유전체층(1_j)이 적층되어 구성되어 있다. 도시한 예에서는, 유전체층(1_j)을 이루는 제 1 및 제 2의 층재로서 어느 쪽도 일반적인 재료를 이용하며, 실리콘 질화물(Si3N4)(이하 SiN라고 적는다)를 제 1의 층재, 산화 실리콘(SiO2)을 제 2의 층재로 하는 2종을 이용하고, 이것들을 교대로 적층하고 있다. 또한, 유전체 적층막(1)의 구조는, 상하에 충분히 두꺼운 산화 실리콘(SiO2)층이 있는 경우(d0=dk=∞)를 가정하고 있다.
이러한 유전체 적층막(1)은, 아래와 같은 수식(1)의 조건을 만족하며, 반사율을 유효하게 높게 할 수 있다.
수식 1
여기서 (dj)(j는 층 번호；이하 같이)는, 유전체 적층막(1)을 구성하는 각 유전체층(1_j)의 두께이며, nj는, 그 각 유전체층(1_j)의 굴절률이며, λ0은 반사파장 영역의 중심 파장(이하 반사 중심 파장이라고 한다)이다.
유전체 적층막(1)을 이루는 각 유전체층(1_j)의 층수의 세는 방법은, 그 양측의 두꺼운 산화 실리콘(SiO2)을 층 수로서 세지 않고 , 예를 들어, 제 1층째로부터 제 k층측으로 향하여 순서대로, SiN층／SiO2층／SiN층으로 3층, SiN층／SiO2층／SiN층／SiO2층／SiN층으로 5층과 같이 되도록 센다. 도 4에서는, 7층 구조를 나타내고 있다.
또한, 반사파장 영역인 적외광(IR)의 반사 중심 파장λ0=900nm로서 홀수 번째의 층을 이루는 실리콘 질화물 SiN의 굴절률 nα=2.03, 0번째, 짝수 번째, 및 k번째의 층을 이루는 산화 실리콘(SiO2)의 굴절률 nβ=1.46으로 하고 있으며, 굴절률차이(Δn)는, 0.57이다.
또한, 상기 수식(1)에 따라, 실리콘 질화물 SiN의 두께 dα(=d1, d3,…；j=홀수)는 111nm, 산화 실리콘 (SiO2)층의 두께 dβ(=d2, d4,…；j=짝수)는 154nm로 하고 있다.
도 5는, 일반적인 재료를 이용한 도 4의 구조에 대해서, 층수를 바꾸고, 유효 프레넬 계수법으로 계산한 반사율 R의 결과(반사 스펙트럼도)를 나타내며, 이것에 의해, 반사 스펙트럼의 층수 의존특성을 알 수 있다.
도 5의 결과로부터, 층수가 증가함에 따라, 적외광(IR)의 반사 중심 파장 λ0=900nm를 중심으로 반사율 R이 높아지고 있다는 것을 알 수 있다. 게다가 이와 같이 파장 900nm를 반사 중심 파장( λ0)으로 선택함으로써, 거의 적외광(IR)과 가시광선(VL)을 나눌 수 있다는 것을 알 수 있다. 여기에서는, 5층 이상으로 하며, 반사율 R이 0.5이상, 특히, 7층 이상으로 하면, 반사율이 0.7을 넘는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.
도 6은, 유전체층(1_j)의 두께의 변동 의존성(격차와의 관계)을 설명하는 도면이다. 여기에서는, 7층의 경우를 예로서 나타내며, 각 유전체층(1_j)의 두께(dj)를 ±10％바꾸어 계산한 결과(반사 스펙트럼도)를 나타내고 있다.
수식(1)은, 프레넬 계수법에 따르는 이상적인 계산치이지만, 실제로는 수식(1)의 조건은 완만하고 폭이 있다. 예를 들어, ±10％의 두께(dj)의 오차가 있어도 유효하게 반사율을 높게 할 수 있는 것이 프레넬 계수법에 따르는 계산으로 알았다.
예를 들어, 도 6에 도시한 바와같이, 두께(dj)에 격차의 차이가 있어도, 유효하게 반사율(R)을 높게 할 수 있다는 것을 알았다. 예를 들어, 적외광(IR)의 반사 중심 파장 λ0=900nm에 대해 반사율(R)이 0.5이상이 되는 충분한 반사율(R)을 얻을 수 있고, 적외광(IR) 전체(주로 780nm보다 장파장측)에 대해서도, 반사가 강한 것이 밝혀졌다. 따라서, 실제로는, 격차도 고려하면, 유전체층(1_j)의 두께(dj)는, 아래와 같은 수식(2)의 범위가 되면, 반사율을 유효하게 높게 하는데 있어서, 충분한 효과를 얻을 수 있게 된다.
수식 2
＜반사 중심 파장 λ0의 설계 수법＞
도7 ~ 도 9는, 반사 중심 파장(λ0)의 조건을 설명하는 도면이다. 두께(dj)의 수치 조건은, 스펙트럼의 적외 반사 영역의 밴드폭(ΔλIR)에 의존한다. 반사 스펙트럼의 개념을 나타낸 도 7a와 같이, 적외 반사 영역의 밴드폭(ΔλIR)가 넓은 경우에는 장파장측에 중심 파장(λ0)을 가지고 있지 않으면 가시광선(VL)에 의한 반사가 현저하게 된다.또한, 반사 스펙트럼의 개념을 나타낸 도 7와 같이, 반대로 적외 반사 영역의 밴드폭(ΔλIR)가 좁은 경우에는, 단파장 측에 중심 파장(λ0)을 가지고 있지 않으면 가시광선(VL)에 가까운 적외 영역에서의 반사가 일어나지 않게 된다.
그런데 도＃2－1에 나타낸 실리콘(Si)의 흡수스펙트럼의 그래프로부터, 적외 영역중, 0.78μm≤λ≤0.95μm의 범위의 적외광(IR)을 반사시키면, 적외 커트 효과로서 충분히 되는 것을 알 수 있다. 이것은, 파장 0.95μm보다 장파장측의 빛은 대부분 실리콘(Si)내부에서 흡수되지 않고, 광전 변환되지 않기 때문이다. 따라서 0.78μm≤λ≤0.95μm의 범위의 파장의 적외광(IR)을 반사할 수 있도록 반사 중심 파장(λ0)을 선택하면 좋게 된다.
또한, 가시광선(VL)에서도, 빨강(R)영역중, 640~780nm의 범위의 빛은 시감도가 낮기 때문에 반사되거도 되지 않아도 특히 촬상 소자의 성능에 영향은 없다고 생각해도 좋다.따라서 640~780nm의 파장 영역에 반사가 생겨도 문제가 없다.
게다가 적외 반사 영역의 밴드폭(ΔλIR)은, 유전체 적층막(1)의 굴절률차이(Δn)가 클 때에는 넓어지며, 반대로 굴절률차이(Δn)가 작을 때에는 좁아진다. 따라서, 적외 반사 영역의 밴드폭(ΔλIR)은, SiN／SiO2 다층막의 경우에는 좁고, Si／SiO2 다층막의 경우에는 넓어진다.
이러한 사실로부터, SiN／SiO2 다층막(굴절률차이 Δn=0.57)의 경우에는, 도 8의 반사 스펙트럼도에 표시된 780 nm와 950nm의 반사 중심 파장(λ0)의 계산으로부터, 780nm≤λ0≤950nm의 범위이면, 거의 상술의 조건을 만족시키는 것을 알 수 있다. 그런데, 도 8은 후술하는 도 13과 같은 적층 구조이며, λ0=780nm와 λ0=950nm가 되도록, 유전체층 (1_j)의 막 두께(dj)만을 바꾸어 계산된 것이다.
또한 마찬가지로, Si／SiO2 다층막(굴절률차이 Δn=2.64)의 경우, 도 9의 반사 스펙트럼도에 도시한 바와같이 900nm≤λ0≤1100nm의 범위이면, 거의 상술의 조건을 만족시킨다.
이상으로부터, 실리콘 질화물(SiN)나 실리콘(Si)와 산화 실리콘(SiO2)의 조합에 있어서는, 반사 중심 파장(λ0)으로서는, 아래와 같이 수식(3－1)을 만족시키면 좋으며, 바람직하게는, 아래와 같이 수식(3－2)을 만족시키는 것이 좋다. 이것은, 900nm근방을 반사 중심 파장(λ0)으로 하는 것이 이상적인 것을 의미한다. 수식 3
물론, 상기에서 가리킨 재료는 일례에 지나지 않고, 상술과 같은 효과는 반드시 산화 실리콘(SiO2)과 실리콘 질화물(SiN)층의 조합에 한정한 것이 아니고, 굴절률 차이가 0.3이상, 한층 더 바람직하게는 0.5이상 되는 재료를 선택하면 동일한 효과가 있는 것이 계산에 의해서 추측되었다.
예를 들어 SiN막은, 제작 조건에 의해서 다소의 조성의 격차가 있어도 괜찮다. 또한, 유전체 적층막(1)을 구성하는 유전체층(1_j)으로서는, 산화 실리콘(SiO2)이나 실리콘 질화물(SiN) 외에, 알루미나(Al2O3) 또는 산화 지르코늄(ZrO2)(굴절률 2.05)나 산화 티탄(TiO2)(굴절률 2.3~2.55)이나 산화 마그네슘(MgO)이나 산화 아연(ZnO)(굴절률 2.1)등의 산화물 혹은 폴리카보네이트(polycarbonate)(PC)(굴절률 1.58)나 아크릴 수지(PMMA)(굴절률 1.49)등의 고분자 재료, 탄화규소(SiC)(굴절률 2.65) 또는 게르마늄(Ge)(굴절률 4~5.5)등의 반도체 재료도 사용 가능하다.
고분자 재료를 이용하여, 종래의 유리제에는 없는 특징을 가진 광학 필터를 구성할 수 있다. 즉, 플라스틱제로 할 수 있어 경량으로 내구성(고온, 고습, 충격)이 뛰어난다.
또한, 본 발명에서는, 전술한 과제를 감안하여, 암전류를 유효적으로 줄이는 수단으로서 와이드 밴드 갭의 재료로구성되는 단결정층을, 광전 변환 소자가 형성된 반도체층(반도체 기판, 반도체 에피텍셜층, 반도체 기판 및 그 위의 반도체 에피텍셜층등, 단결정의 반도체층이 해당한다)의 표면에 접합시키고, 높은 포텐셜 장벽을 쌓아 올린다.
예를 들면, 포토 다이오드가 형성된 n형 Si층의 표면에 입방정계의 SiC층을 접합시키면, SiC의 밴드 갭을 2.2eV로 하면, 깊이 방향의 포텐셜 분포를 도 56에 도시한 바와같이, 포텐셜 장벽이 1.5eV가 되어, 도 60a나 도 60b에 도시한 경우보다 장벽이 커지므로, 암전류가 감소한다.
이 경우, 전술한 페르미디락크의 분포 함수로부터, 실온에 대해 12자리수 정도 암전류가 감소하게 된다.
이와 같이, 암전류가 감소하므로, 노이즈가 저감되며, S／N비가 높아진다. 이에 의해, 입사 광량이 낮은 경우에 앰프로 신호를 증폭해도, 노이즈가 눈에 띄지 않게 된다.
상술한 와이드 밴드 갭 재료로서는, 각종의 재료가 고려된다.
예를 들면, 화합물 반도체인 혼정계의 조성비를 바꾸어, 밴드 갭을 제어할 수 있다. 예를 들면 AlGaInP계 혼정이나 SiC계 혼정이나 ZnCdSe계 혼정이나 AlGaInN계 혼정을 들 수 있다.
그리고, 광전 변환 소자를 형성하는 반도체층으로서 실리콘층을 이용했을 경우에는, 제조의 용이함 등도 고려하면, 같은 VI족원소를 이용한 SiC계가 더욱 선호된다.
그렇지만, 실리콘과 SiC와의 격자 부정의 절대치가 크기 위해, 접합계면의 위치에서 미스 피트(misfit) 전위가 발생하기 쉽다. 여기서 말하고 있는 격자 부정(Δa)이란, 다음의 수식 11에서 정의할 수 있다.
수식 11
여기서, aSiC, aSi는, 각각 SiC와 Si의 격자 정수이다.
이 미스 피트전위의 발생을 막기 위해서는, 예를 들면 SiC의 막 두께를 임계 막후 두께 정도 이하로 얇게 하면 좋다. 예를 들면, SiC의 막 두께를 30nm이하로 하면 좋다는 것을 실험적으로 알고 있다.
게다가, Si와 C의 조성비가 1：1과 같이 C의 조성비가 높은 경우에는, 한층 더 막 두께를 15nm이하 보다 얇게 하면 좋다.
또한, SiC에 Ge를 함유시켜 SiGeC계 혼정으로 하여, 격자 부정(Δa)의 절대치를 작게 해도 좋다.
여기서, 표 1에 Si, Ge, C의 결정 구조와 격자 정수를 나타내고 있다.
표 1
표 1에 도시한 바와같이, C의 격자 정수가 Si의 격자 정수보다 작기 때문에, SiC계만으로는 격자 부정(Δa)의 절대치가 커진다.
그리고, Si의 격자 정수보다 큰 Ge를 SiC에 혼합하여, 격자 부정(Δa)의 절대치를 어느 정도 작게 할 수 있다.
이와 같이 SiGeC에 의해 단결정층을 형성하는 경우에도, 단결정층의 막 두께를, 바람직하게는 30nm이하, 보다 바람직하게는 15nm이하로 한다.
한편 C를 포함하지 않는 SiGe는, 밴드 갭이 Si보다 작기 때문에, 이 SiGeC계를 단결정층에 이용하는 경우에는, C를 함유시킬 필요가 있다.
위에서 설명한 바와 같이 Ge를 넣어 SiGeC계 혼정으로 함으로써 결정성을 높일 수 있지만, 다른 방법에서도 결정성을 높게 하는 것도 가능하다.
즉, Si층등의 반도체층과, SiC층 또는 SiGeC층등의 단결정층과의 사이의 계면에, 두께 15nm이하의 왜곡 초격자를 1층 이상 삽입함으로써, 이 왜곡 초격자에 의해, 왜곡이 완화되거나, 전위가 막의 면방향으로 향하게 되므로, 결정성이 높아진다. 이 경우의 초격자의 박막은, Si와 격자 정수가 다른 것이면 좋다. 즉, 예를 들면 SiGeC계로 조성비가 다른 층을 Si기판 위에 다층으로 적층해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
상술한 화합물의 단결정층의 박막을 얻기 위해서는, CVD(화확적 기상 성장)법, MOCVD(유기 금속 CVD)법, 플라스마 CVD법, MBE(분자선 에피택시)법, 레이저 어브레이션법, 스패터링법등, 일반적인 결정 성장 방법이면 가능하다.
또한, 카본등 탄소계의 재료를 실리콘의 표면에 부착시킨 후에, 아닐 처리를 가하는 등의 방법에 따라 실리콘의 표면을 탄화시킴으로써, 표면에 SiC층을 형성해도 좋다.
상술한 밴드 갭이 넓은 단결정층은, 전술한 것처럼, 막두께를 너무 두껍게 하면, 반도체층과의 사이에 미스 피트 전이가 발생하기 때문에, 수십 nm이하로 하는 것이 바람직하다.
한편, 막 두께를 너무 얇게 하면, 터널 효과가 생기고, 장벽으로서의 역할을 충분히 완수할 수 없게 되므로, 2nm이상, 보다 바람직하게는 5nm이상으로 한다.
한편 밴드 갭이 넓은 층을, 단결정층이 아니고, 비정질층이나 다결정층으로 하면, 아래의 반도체층과의 계면에 준위가 형성되고, 암전류를 충분히 저감할 수 없게 되므로, 바람직하지 않다.
＜＜유전체 적층막을 이용한 분파 이미지 센서；제 1실시 형태＞＞
도 10 ~ 도 14는, 유전체 적층막(1)을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서(11)의 제 1실시 형태를 설명하는 도면이다. 제 1실시 형태는, 유전체 적층막을 이용한 분파 이미지 센서의 기본적인 설계 수법을 이용해 구성되는 것이다. 여기에서는, 적외광(IR)을 선택적으로 반사시키는 유전체 적층막(1)을 이용하여, 적외광(IR)을 커트하여 가시광선(VL)성분을 수광하는 광이미지 센서(11)의 설계예를 기술한다.
도 4~도 6을 이용하여 설명한 유전체 적층막(1)을 실리콘(Si) 포토 디텍터등의 검지 소자가 형성된 굴절률이, 유전체 적층막(1)을 이루는 각 유전체층(1_j)보다 큰 반도체소자층상에 제작하는 경우에는, 반도체 소자층으로부터 유전체 적층막(1)까지의 거리, 즉 제 k층의 유전체층(1_k)을 이루는 산화 실리콘(SiO2)층의 두께 dk가 중요하다.
이것은 도 10의 구조도에 도시한 바와같이, 예를 들어 실리콘(Si)(굴절률 : 4.1)으로 구성되는 반도체 소자층(포토디텍터등)의 표면이 되는 실리콘 기판(1_ω)의 표면으로부터의 반사광(L4)의 간섭 효과에 의해서, 토탈 반사광(LRtotal) 의 스펙트럼이 변화하는 것을 의미한다.
도 11은, 토탈 반사광(LRtotal)의, 유전체층(1_k)을 이루는 산화 실리콘(SiO2)층의 두께(dk)의 변동 의존성을 설명하는 반사 스펙트럼 도면이다. 여기에서는, 도 4에 도시한 7층 구조의 유전체 적층막(1)에 대해서, 유전체층(1_k)의 두께(dk)를 바꾸어 계산한 결과를 나타내고 있다. 도 11의 각 도에 있어서, 횡축은 파장(λ)( μm)으로, 세로축은 반사율(R)이다.
도 11의 각 도로부터 알 수 있듯이, 두께 dk=0.154μm 일때, 즉 적외광(IR)의 반사 중심 파장(λ0)에 대해서, 조건수식(1)을 만족하는 값이 존재하는 경우에, 반사 스펙트럼은 대부분 영향을 받지 않고, 적외광(IR)(파장λ≥780nm)을 강하게 반사하고 있는 것을 알 수 있다. 그에 대한 두께 dk=0.3~50μm까지의 스펙트럼에는, 두께 dk=∞의 반사 스펙트럼에 비해 다른 진동이 생기고 있다는 것을 알 수 있다. 이에 의해 적외에 의한 반사가 딥 형태(dip format)로 저하하고 있는 파장역이 존재한다는 것을 알 수 있다.
다만, 두께 dk=2.5μm이상이 되면, 적외에 의한 딥의 반값폭이 30nm이하가 되며, 특히 두께 dk=5.0μm이상이 되면 그 반값폭이 20nm이하가 되어, 일반적인 대역폭이 되는 자연광에 대해서 충분히 반값폭이 좁아지므로, 평균화된 반사율이 된다. 게다가 두께 dk=0.3~1.0μm의 스펙트럼에 관해서는, 가시광선(VL)으로의 반사율이 높다는 것을 알 수 있다. 이에 의해, 바람직하게는, 두께 dk=0.154μm부근, 즉 조건 수식(1)을 만족하는 값이 존재하는 경우에 최적이라고 말할 수 있다.
도 12는, 유전체층(1_k)을 구성하는 산화 실리콘(SiO2)층의 두께(dk)의 변동 의존성을 설명하는 반사 스펙트럼 도면이며, 특히, 두께 dk=0.154μm부근에서, 두께(dk)의 값을 바꾸어 계산한 결과를 나타내는 도면이다. 도 12의 각 도에 있어서, 횡축은 파장λ(μm)이며, 세로축은 반사율(R)이다.
이 결과로부터 알 수 있듯이, 조건 수식(1)을 만족하는 두께 dk=0.154μm를 중심으로 하면, 두께 dk=0.14~0.16μm의 범위이면, 가시광선(VL)으로의 반사가 억제되는 것을 알 수 있다.
이상으로부터, 분광 이미지 센서(11)의 최적 구조는, 도 13의 구조도에 도시한 바와같이, 실질적으로는, 제 k층의 유전체층(1_k)을 포함하여 8층 구조의 유전체 적층막(1A)을 가지게 되며, 그 반사 스펙트럼의 계산 결과는 도 14에 도시한 반사 스펙트럼 도면과 같이 된다. 바꾸어 말하면, 유전체 적층막(1A)은, 실리콘 기판(1_ω)상에, 제 2의 층재인 산화 실리콘(SiO2)으로 구성되는 층을 4주기분 설계한 구조를 이루고 있다.
＜＜유전체 적층막을 이용한 분파 이미지 센서；제 2실시 형태＞＞
도 15 ~ 도 18은, 유전체 적층막(1)을 이용한 단파장분파 대응의 분광 이미지 센서(11)의 제 2실시 형태를 설명하는 도면이다. 제 2실시 형태는, 제 1실시 형태의 설계 수법의 변형예(그 1)를 적용해 구성된 것이며, 도 10 ~ 도 14에서 설명한 수법을 기본으로 하여 가시광선 영역내에 있어서의 반사를 저감하도록 변형한 것이다.
변형예(그 1)는, 제 k층째의 유전체층(1_k)과 실리콘 기판(1_ω)과의 사이에, 제 k층째의 유전체층(1_k)의 굴절률 (nk)과 실리콘 기판(1_ω)의 굴절률(nω)(=4.1)에 대해서 중간적인 굴절률을 가지는 제 3의 층재를 추가한 점이 특징이 된다.
또한, 이 변형에 대응하여, 유전체 적층막(1)의 제 1층째로부터 제 7층째의 정수 설계에 대해서는, 적외광(IR)의 반사 중심 파장(λ0)을 900 nm가 아니라 보다 낮은 852nm로 변경해 두며, 실리콘 질화물(SiN)의 두께(dα)(=d1, d3,…；j=홀수)는 105nm, 산화 실리콘(SiO2)층의 두께(dβ)(=d2, d4,…；j=짝수)는 146nm로 하고 있다. 이것은, 얇은 SiN층(30nm)을 새롭게 삽입하여 가시광선에 의해 반사율이 감소하는 것과 동시에 가시광선과 적외광의 경계 780 nm부근의 반사율도 저하하므로, 전체를 단파장측으로 시프트 시켜, 이 저하분을 보충하고, 즉 경계 부근의 적외를 효율적으로 커트하기 때문이다. 물론, 적외광(IR)의 반사 중심 파장(λ0)을 900nm로 그대로 두어도 좋다.
구체적으로는, 도 15에 도시한 제 1의 변형 예의 구조에 대해서는, 제 k층째의 산화 실리콘(SiO2)과 실리콘 기판(1_ω)과의 사이에 두께(dγ)가 비교적 얇은 실리콘 질화물 SiN층(1_γ)을 제 3의 층재로서 적층한 구조를 이루고 있다. 여기에서는, 두께 dγ=0.030μm로 하고 있다. 그 반사 스펙트럼의 계산 결과는 도 16에 도시되어 있다.
한편, 제 1의 변형예에서 추가한 제 3의 층재는, 제 1의 층재인 실리콘 질화물(SiN)와 같지만, 실리콘 기판(1_ω)보다 큰 굴절률을 가지는 부재이면 좋고, 그 외의 부재가 사용될 수 있다.
제 1예의 변형예의 유전체 적층막(1)을 가지는 분광 이미지 센서(11)는, 실질적으로는, 7층의 유전체 적층막(1)과 제 k층의 유전체층(1_k)(산화 실리콘(SiO2)층)과 실리콘 질화물 SiN층(1_γ)의 2층을 포함하고, 전체적으로 9층 구조의 유전체 적층막(1B)를 가지는 것이 된다.
또한, 도 17에 도시한 제 2의 변형 예의 구조에 대해서는, 제 1의 변형예에서 추가한 제 3의 층재와 실리콘 기판(1_ω)과의 사이에, 제 3의 층재보다 작은 굴절률을 가지는 제 4의 층재를 적층한 구조를 이루고 있다. 구체적으로는, 제 3의 층재인 두께(dγ)의 실리콘 질화물 SiN층(1_γ)과 실리콘 기판(1_ω)과의 사이에, 제 4의 층재로서 산화 실리콘(SiO2)층(1_δ)을 이용하고, 그 두께는, dδ=0.010μm로 하고 있다. 그 반사 스펙트럼의 계산 결과는 도 18에 도시되어 있다.
한편, 제 2의 변형예에서 추가한 제 4의 층재는, 제 2의 층재인 산화 실리콘(SiO2)과 같지만, 제 3의 층재(본 예에서는 실리콘 질화물(SiN))보다 작은 굴절률을 가지는 부재이면 좋고, 그 외의 부재여도 괜찮다
제 2예의 변형 예의 유전체 적층막(1)을 가지는 분광 이미지 센서(11)은, 실질적으로는, 7층의 유전체 적층막(1)에, 제 k층의 유전체층(1_k)(산화 실리콘(SiO2)층)과, 실리콘 질화물 SiN층(1_γ)과 산화 실리콘(SiO2)층(1_δ)의 3층분을 포함하고, 전체적으로 10층 구조의 유전체 적층막(1C)를 가지는 것이 된다. 바꾸어 말하면, 유전체 적층막(1C)은, 실리콘 기판(1_ω)상에, 제 2의 층재인 산화 실리콘 (SiO2)으로 구성되는 층을 5주기분 설계한 구조를 이루고 있다.
제 1예와 제 2예는, 산화 실리콘(SiO2)층(1_δ)의 유무의 차이가 있지만, 도 16 및 도 18로부터 알 수 있듯이, 어느 쪽도, 가시광선(VL)으로의 반사율이 충분히 저하한다. 또한, 제 2예의 같이, 산화 실리콘(SiO2)층(1_δ)을 추가하여, 암전류를 저감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 한편 산화 실리콘(SiO2)층(1_δ)을 추가함으로써 효과가 저감하지 않도록, 양자의 두께의 관계는 dδ＜＜dγ로 하는 것이 좋다.
이와 같이, 제 k층째의 산화 실리콘(SiO2)과 실리콘 기판(1_ω)과의 사이에, 굴절률 nk(=nSiO2)와 굴절률 nω(=nSi)에 대해서 중간적인 굴절률 nγ(=nSiN)를 가지는 부재로서 얇은 실리콘 질화물 SiN층(1_γ)을 중간층으로서 추가하여, 가시광선(VL)으로의 반사를 억제하는 것이 가능해진다. 이것은, 이하와 같이 생각한다고 이해된다.
우선, 가시광선(VL)의 파장을 λVL, 그 층의 중간적인 굴절률을 Nm으로 하고, 그 층의 두께를 dm으로 하면, 조건 수식(1)과 같은 저반사막의 이론으로부터, 조건 수식(4)를 얻을 수 있으며, 이 조건 수식(4)를 만족하였을 때에, 충분한 효과를 나타내게 된다.
수식 4
여기서, 파장(λVL)은 가시광선(VL)전체를 가리키므로, 그 파장역은 수식(5)로 표시된다.
수식 5
제 1예 및 제 2예의 각 변형예에서는, 중간층으로서 실리콘 질화물 SiN층(1_γ)을 추가하고 있으며, 굴절률 nγ(=nSiN=Nm)가 되므로, 파장역을 나타낸 수식(5)는, 중간층의 두께(dm), 즉 실리콘 질화물 SiN층(1_γ)의 두께(dγ)를 나타낸 수식(6)과 같이 변형할 수 있다.
수식 6
중간층의 두께(dm)는, 수식(6)을 만족하는 것이 이상적이기는 하지만, 그것보다 조금 빗나가도 좋으며, 실험에 의하면, 특히 얇은 부분에 대해서는 여유가 있으며, 도 16 및 도 18로부터 알 수 있듯이, 일례로서는, dm=30nm의 경우에서도 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다. 물론, 제 k층째의 산화 실리콘(SiO2)과 실리콘 기판(1_ω)과의 사이에 중간층( 제 3의 층재)을 추가할 수 있으므로, 얇은 부분은 0nm보다 크다(0nm를 포함하지 않는다)는 것은 말할 필요도 없다. 즉, 제 k층째의 산화 실리콘(SiO2)과 실리콘 기판(1_ω)과의 사이에 중간층을 추가하는 경우에, 그 중간층의 두께(dm, dγ)는, 수식(7)을 만족하면 된다.
수식 7
＜＜유전체 적층막을 이용한 분파 이미지 센서；제 3 실시 형태＞＞
도 19~도 24는, 유전체 적층막(1)을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 필터(10) 및 분광 이미지 센서(11)의 제 3실시 형태를 설명하는 도면이다. 여기서, 도 19 ~ 도 22는, 제 3실시 형태의 분광 필터(10)를 구성하는 유전체 적층막(1)을 설명하는 도면이며, 도 23 ~ 도 24는, 제 3실시 형태의 유전체 적층막(1)을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서(11)를 설명하는 도면이다.
제 3실시 형태는, 제 1실시 형태의 설계 수법의 변형예(그 2)를 적용하여 구성된 것이며, 유전체 적층막(1)을 이루는 유전체층(1_j)의 층수를 저감한다는 점에 특징을 가진다.이 층수저감에 있어서는, 유전체 적층막(1)에 있어서, 이 유전체 적층막(1)을 구성하는 기본적인 제 1 및 제 2의 층재보다 큰 굴절률을 가지는 부재(층재)를 추가한 점에 특징을 가진다.
이 큰 굴절률을 가지는 부재를 추가하는데 있어서는, 기본적인 2개의 층재중 굴절률이 큰 쪽을, 더욱 큰 굴절률을 가지는 제 5의 층재 대신에 사용하면 좋다. 이 변형예(그 2)의 유전체 적층막(1)은, 실질적으로는, 제 5의 층재(1_η)를 포함한 구조의 유전체 적층막(1D)이 된다. 바꾸어 말하면, 유전체 적층막(1D)은, 실리콘 기판(1_ω)상에, 제 2의 층재인 산화 실리콘(SiO2)으로 구성되는 층을 N주기분 설계한 구조를 이루고 있다.
제 5의 층재의 두께(dη)에 관해서도, 그 굴절률을 nη으로 했을 때, 조건 수식(1)과 같은 저반사막의 이론으로부터, 조건 수식(8)을 얻을 수 있으며, 조건 수식(8)을 만족할 때, 충분한 효과를 나타내게 된다.
수식 8
예를 들어, 도 19의 구조도에 도시한 예에서는, 실리콘 질화물(SiN) 및 산화 실리콘(SiO2)보다 높은 굴절률=4.1을 가지는 두께 dη=61 nm의 실리콘 Si층을 제 5의 층재로서, 실리콘 질화물(SiN)대신 1층만(중간의 제 3층째의 유전체층(1_3)대신에)추가하고 있다. 그 반사 스펙트럼의 계산 결과는 도 20에 도시한 반사 스펙트럼 도면과 같이 된다.
여기서, 도 22에서는, 총 층수가 홀수의 유전체 적층막(1)의 정가운데의 층을 이루는 실리콘 질화물(SiN)를 실리콘(Si)으로 변경하는 경우에, 그 총 층수를 바꾸어 계산한 결과를 나타내고 있다.
한편 도 19에서는, 유전체 적층막(1)의 각층의 정수 설계에 있어서, 적외광(IR)의 반사 중심 파장(λ0)을 900nm가 아니라, 1000nm로 변경하고 있으며, 실리콘 질화물(SiN)의 두께 dα(=d1, d3,…；j=홀수)는 123nm, 산화 실리콘(SiO2)층의 두께 dβ(=d2, d4,…；j=짝수)는 171nm로 하고 있다.
또한, 도 21의 구조도에 도시한 예에서는, 유전체 적층막(1)의 각층의 정수 설계에 있어서, 적외광(IR)의 반사 중심 파장(λ0)을 900nm로 하고 있으며, 실리콘 질화물(SiN)의 두께 dα(=d1, d3,…；j=홀수)는 111nm, 산화 실리콘(SiO2)층의 두께 dβ(=d2, d4,…；j=짝수)는 154nm로 하며, 두께 dη=55nm의 실리콘(Si)층을 제 5의 층재로서, 실리콘 질화물(SiN)대신 1층만 추가하고 있다. 그 반사 스펙트럼의 계산 결과는 도 22에 나타내는 반사 스펙트럼 도면과 같이 된다.
제 2의 변형예서 추가한 제 5의 층재는, 반도체 소자층을 이루는 실리콘 기판(1_ω)과 같지만, 유전체 적층막(1)을 이루는 제 5의 층재 이외의 유전체층(1_j)보다 큰 굴절률을 가지는 부재이면 좋고, 그 외의 부재여도 괜찮다.
도 20 및 도 22에 시에 나타내는 반사 스펙트럼의 계산 결과로부터 알 수 있듯이, 유전체 적층막(1)을 이루는 제 5의 층재 이외의 유전체층(1_j)보다 큰 굴절률을 가지는 층 재를 추가하여, 적은 층수로 충분한 반사율을 얻을 수 있게 된다. 특히 5층의 경우, 가시광선(VL)으로의 밴드폭이 충분히 넓고, 가시광선(VL)과 적외광(IR)을 분리하기 위해서는 최적이라는 것을 알 수 있다.
제 1실시 형태에 있어서의 도 10 ~도 12를 이용해 설명한 것과 같이, 유전체 적층막(1D)을 반도체 소자층(실리콘 기판(1_ω)) 상에 제작하는 경우에, 반도체 소자층으로부터 유전체 적층막(1D)까지의 거리, 즉 제 k층의 유전체층(1_k)을 이루는 산화 실리콘(SiO2)층의 두께 dk가 중요하다.
이것은 도 23의 구조도에 도시한 바와같이, 예를 들어 실리콘(Si)(굴절률 : 4.1)으로 구성되는 반도체 소자층(포토디텍터등)의 표면이 되는 실리콘 기판(1_ω) 표면으로부터의 반사광(LR)의 간섭 효과에 의해서, 토탈 반사광(LRtotal )의 스펙트럼이 변화하는 것을 의미한다.
도 24는, 도 21에 도시한 5층 구조의 유전체 적층막(1 D)에 대해서, 토탈 반사광(LRtotal)의, 유전체층(1_k)을 이루는 산화 실리콘(SiO2)층의 두께(dk)의 변동 의존성을 설명하는 반사 스펙트럼 도면이다. 도 24의 각 도에 있어서, 횡축은 파장 λ(μm)이며, 세로축은 반사율(R)이다.
도 24의 각 도면으로부터 알 수 있듯이, 두께 dk=0.15μm 일때, 즉 적외광(IR)의 반사 중심 파장(λ0)에 대해서, 조건 수식(1)을 만족하는 값, dk=0.154μm근방일 때에, 반사 스펙트럼은 대부분 영향을 받지 않고, 적외광(IR)(파장λ≥780nm)을 강하게 반사하고 있디는 것을 알 수 있다. 그에 대해서 두께 dk=0.3~50μm까지의 스펙트럼에는, 두께 dk=∞의 반사 스펙트럼에 비해 다른 진동이 생기고 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, 적외에 의한 반사가 딥 형태(dip format)로 저하하고 있는 파장역이 존재한다는 것을 알 수 있다. 이것은, 제 1 실시 형태에 있어서의 도 11 및 도 12를 이용해 설명한 것과 같다.
＜＜유전체 적층막을 이용한 분파 이미지 센서；제 4실시 형태＞＞
도 25 및 도 26은, 유전체 적층막(1)을 이용한 단파장분파 대응의 분광 이미지 센서(11)의 제 4실시 형태를 설명하는 도면이다.
제 4실시 형태는, 유전체 적층막(1)을 이루는 유전체층 (1_j)의 층수를 저감하도록 한 제 3실시 형태에 대한 변형예이며, 층수를 한층 더 저감 하도록 한 점에 특징을 가진다.구체적으로는, 층수 저감의 경우, 유전체 적층막(1)내에 있어서, 이 유전체 적층막(1)을 구성하는 기본적인 제 1 및 제2의 층재보다 큰 굴절률을 가지는 복수의 부재(층재)를 추가한 점에 특징을 가진다. 이 큰 굴절률을 가지는 복수의 부재를 추가하는데 있어서는, 기본적인 2개의 층재 중의 굴절률이 큰 쪽을, 더욱 큰 굴절률을 가지는 제 5의 층재 대신 사용하면 좋다. 이 변형 예의 유전체 적층막(1)은, 실질적으로는, 복수의 제 5의 층재(1_η)를 포함한 구조의 유전체 적층막(1E)이 된다.
제 5의 층재의 두께(dη)에 관해서도, 그 굴절률을 nη으로 했을 때, 조건 수식(1)과 같은 저반사막의 이론으로부터, 조건 수식(9)를 얻을 수 있으며, 조건 수식(9)를 만족할 때, 충분한 효과를 나타내게 된다.
수식 9
예를 들어, 도 25의 구조도에 도시한 예에서는, 3층 구조의 유전체 적층막(1E) 을 구성하도록 하여, 실리콘 질화물(SiN) 및 산화 실리콘(SiO2)보다 높은 굴절률=4.1을 가지는 두께 dη=61 nm의 실리콘 Si층을 제 5의 층재로서, 실리콘 질화물(SiN)대신 2층 설계한다. 그 반사 스펙트럼의 계산 결과는 도 26에 도시한 반사 스펙트럼 도면과 같이 된다. 바꾸어 말하면, 유전체 적층막(1E)은, 실리콘 기판(1_ω)상에, 제 2의 층재인 산화 실리콘(SiO2)으로 구성되는 층을 2주기분 설계한 구조를 이루고 있다.
한편, 유전체 적층막(1)의 각층의 정수 설계에 대해서는, 적외광(IR)의 반사 중심 파장(λ0)을 1000nm로 하며, 제 5의 층재로 구성되는 실리콘(Si)층의 두께 dη(=d1, d3)는 61nm, 산화 실리콘(SiO2)층의 두께 dβ(=d2) 및 dk는 171nm로 하고 있다.
＜＜유전체 적층막을 이용한 분파 이미지 센서；제 5실시 형태＞＞
도 27 및 도 28은, 유전체 적층막(1)을 이용한 단파장분파 대응의 분광 이미지 센서(11)의 제 5실시 형태를 설명하는 도면이다.
제 5실시 형태는, 제 3 혹은 제 4실시 형태의 분광 이미지 센서(11)에 대해서, 제 2실시 형태와 같이, 가시광선 영역내에 있어서의 반사를 저감하도록 변형한 것이다.
도 27의 구조도에 도시한 예에서는, 도 25에 도시한 제4실시 형태의 유전체 적층막(1E)에 대해서, 제 k층째의 유전체층(1_k)과 실리콘 기판(1_ω)과의 사이에, 제 k층째의 유전체층(1_k)의 굴절률 (nk)과 실리콘 기판(1_ω)의 굴절률(nω)(=4.1)에 대해서 중간적인 굴절률을 가지는 제 3의 층재를 추가하고 있다. 한편, 제 2실시 형태와는 달리, 적외광(IR)의 반사 중심 파장(λ0)을 1000nm로 그대로 두고 있다. 물론, 제 2실시 형태와 같이, 적외광(IR)의 반사 중심 파장(λ0)을 1000nm가 아니라 보다 낮은 측으로 변경해도 좋다.
구체적으로는, 도 27에 도시한 구조에 대해서는, 제 2 실시 형태에 있어서의 제 1의 변형예와 같이, 제 k층째의 산화 실리콘(SiO2)과 실리콘 기판(1_ω)과의 사이에 두께(dγ)가 비교적 얇은 실리콘 질화물 SiN층(1_γ)을 제 3의 층재로서 적층한 구조를 이루고 있다. 여기에서는, 두께 dγ=0.030μm로 하고 있다. 그 반사 스펙트럼의 계산 결과는 도 28에 도시한 반사 스펙트럼 도면과 같이 된다. 이 변형 예의 유전체 적층막(1)을 가지는 분광 이미지 센서(11)는, 실질적으로는, 3층의 유전체 적층막(1)에, 제 k층의 유전체층(1_k)(산화 실리콘(SiO2)층)과 실리콘 질화물 SiN층( 1_γ)의 2층을 포함하며, 전체적으로 5층 구조의 유전체 적층막(1F)을 가지는 것이 된다.
한편, 이 변형예에서 추가한 제 3의 층재는, 제 1의 층재인 실리콘 질화물(SiN)와 같지만, 실리콘 기판(1_ω)보다 큰 굴절률을 가지는 부재이면 좋고, 그 외의 부재여도 괜찮다.
도시를 하지 않았지만, 제 2실시 형태에 있어서의 제 2의 변형예와 같이, 이 변형예에서 추가한 제 3의 층재와 실리콘 기판(1_ω)과의 사이에, 제 3의 층재보다 작은 굴절률을 가지는 제 4의 층재를 적층한 구조로 할 수도 있다.
어느 쪽도, 제 2실시 형태와 같이, 가시광선(VL)영역에서의 반사율을 저하시킬 수 있으며, 특히 청색 B성분(파장 420nm근방)이나 녹색 G성분(파장 520nm근방)으로의 반사율은 약간 증가하지만, 적색 R성분(파장 600nm근방)으로의 반사율을 충분히 저하시킬 수 있으며, 적외광(IR)과의 분리에 적절하게 된다.
＜분광 이미지 센서를 적용한 촬상 장치；CCD 대응＞
도 29 및 도 30은, 상기 실시 형태에서 설명한 분광이미지 센서(11)를, 인터 라인 전송 방식의 CCD 고체 촬상 소자(IT_CCD 이미지 센서)를 이용한 촬상 장치에 적용했을 경우의 회로 도면이다. 이 촬상 장치(100)는, 본 발명과 관련되는 물리 정보 취득 장치의 일례이다.
11은 분광 이미지 센서, 12는 단위 화소 매트릭스, 100은 촬상 장치, 101은 CCD 고체 촬상 소자, 122는 수직 전송 CCD, 124는 독출게이트, 126은 수평 전송 CCD, 128은 출력 앰프, 140은 화상 신호 처리부, 142는 화상 전환 제어부, 146은 구동 제어부를 나타낸다.
여기서, 도 29는 도 3과 같이, 가시광선(VL)대역을 R, G, B의 각 색성분으로 나누면서 적외광(IR)을 검지하도록 한 구조를 나타내며, 가시광선(VL)중의 청색광B, 녹색광G, 및 적색광 R과 적외광(IR)을, 각각 독립적으로 검지하는 구조이며, 실질적으로는 1개의 단위 화소 매트릭스(12)내에 있어 서 파장별로 화소(광전 변환 소자)(12B, 12G, 12R)를 형성하면서, 유전체 적층막(1)을 가지지 않은 화소(12IR)를 가진 구조이다.
예를 들어, 도 29a에 도시한 바와같이, CCD 고체 촬상 소자(101)는, 단위 화소 매트릭스(12)외에, 수직 전송 방향으로, 수직 전송 CCD(122)가 복수 라인 배열되어 설치되어 있다. 수직 전송 CCD(122)의 전하 전송 방향, 즉 화소 신호의 독출방향이 세로 방향(도중의 X방향)이다.
게다가 수직 전송 CCD(122)와 각 단위 화소 매트릭스 (12)의 사이에는 독출게이트(124)(파장별로는 124B, 124G, 124R, 124IR)를 구성하는 MOS 트랜지스터가 중간에 배치되며, 또한 각 유니트 셀(단위 구성요소)의 경계 부분에는 도시하지 않는 채널 스톱이 설치된다.
한편, 도 29로부터 알 수 있듯이, 1개의 단위 화소 매트릭스(12)가, 청색광(B), 녹색광(G), 적색광(B), 및 적외광(IR)을 독립적으로 검지하는 구조이며, 실질적으로는 1개의 단위 화소 매트릭스(12)내에 있어서 파장(색)별로 화소(12 B, 12G, 12R, 12IR)를 형성한 구조이다. 이 단위 화소 매트릭스(12)를 가지고 구성되는 센서부(112)의 각 수직열에 설치된, 각 센서부로부터 독출게이트(124)에 의해서 독출된 신호 전하를 수직 전송하는 복수 라인의 수직 전송 CCD(122)에 의해서 촬상 영역(110)이 구성된다.
여기서, 색필터(14)의 배열로서는, 예를 들어, 실리콘 기판(1_ω)의 수광면측에 있어서, 수직 전송 CCD(122)의 세로 방향(X방향)으로 청, 록, 적, IR, 청, 록, 적, IR,…의 순서가 되며, 또한, 복수의 수직 전송 CCD(122)의 동일 행방향(Y방향)에도, 청, 록, 적, IR, 청, 록, 적, IR,…의 순서가 되도록 한다.
센서부(112)의 단위 화소 매트릭스(12)(각 화소 : 12 B, 12G, 12R, 12IR)에 축적된 신호 전하는, 독출게이트(124)에 독출펄스(ROG)에 대응하는 드라이브 펄스(φROG)가 인가되어, 동일 수직열의 수직 전송 CCD(122)에 독출된다. 수직 전송 CCD(122)는, 예를 들어 3상~8상등의 수직 전송 클락(Vx)에 근거하는 드라이브 펄스(φVx)에 의해 전송 구동되어 독출되는 신호 전하를, 수평 블랭킹 기간의 일부에서 1 주사선(1 라인)에 상당하는 부분씩 순서대로 수직 방향으로 전송한다. 이 1 라인씩의 수직 전송을, 특히 라인 시프트라고 한다.
또한, CCD 고체 촬상 소자(101)에는, 복수 라인의 수직 전송 CCD(122)의 각 전송측 단부 즉, 마지막 행의 수직 전송 CCD(122)에 인접하고, 소정(예를 들어, 좌우)방향으로 연재 하는 수평 전송 CCD(126)(H레지스터부, 수평 전송부)가 1라인분 설치된다. 이 수평 전송 CCD(126)는, 예를 들어 2상의 수평 전송 클락(H1, H2)에 근거하는 드라이브 펄스(φH1,φH2)에 의해서 전송 구동되어, 복수 라인의 수직 전송 CCD(122)로부터 전송된 1라인 분의 신호 전하를, 수평 블랭킹 기간 후의 수평 주사기간에 있어서, 차례차례 수평 방향으로 전송한다. 이 때문에 2상구동에 대응하는 복수 라인(2개)의 수평 전송 전극이 설치된다.
수평 전송 CCD(126)의 전송측의 단부에는, 예를 들어 플로팅/디퓨전·앰프(FDA)구성의 전하 전압 변환부를 가지는 출력 앰프(128)가 설치된다. 출력 앰프(128)는, 물리 정보 취득부의 일례이며, 전하 전압 변환부에 있고, 수평 전송 CCD(126)에 의해서 수평 전송된 신호 전하를 차례차례 전압 신호로 변환하며, 소정 레벨로 증폭하여 출력한다. 이 전압 신호는, 피사체로부터의 빛의 입사량에 대응하는 CCD 출력(Vout)으로서 화소 신호가 도출된다. 이에 의해, 인터 라인 전송 방식의 CCD 고체 촬상 소자(11)가 구성된다.
CCD 출력(Vout)으로서 출력 앰프(128)로부터 도출된 화소 신호는, 도 29b에 도시한 화상 신호 처리부(140)에 입력된다. 화상 신호 처리부(140)에는, 신호 전환 제어부의 일례인 화상 전환 제어부(142)로부터의 화상 전환 제어 신호가 입력되게 되어 있다. CCD 고체 촬상 소자(101)는, 구동 제어부(구동부의 일례)(146)로부터의 구동 펄스의 소스로 구동된다.
화상 전환 제어부(142)는, 화상 신호 처리부(140)의 출력을 적외광(IR)의 영향을 거의 전혀 받지 않는 가시광선(VL)의 흑백 화상이나, 칼라 화상과 가시광선(VL)의 영향을 거의 전혀 받지 않는 적외광(IR)의 화상의 어느 쪽이나 한편만, 혹은 이러한 쌍방, 혹은 가시광선(VL)과 적외광(IR)의 혼재 화상, 즉 적외광(IR)의 휘도를 가산한 의사 흑백 화상 , 혹은 의사 칼라 화상으로의 변환을 지령한다. 즉, 가시광선(VL)의 화상과 적외광(IR)에 관련되는 화상과의 동시 촬상 출력이나 전환 촬상 출력을 제어한다.
이 지령은, 촬상 장치를 조작하는 외부 입력에 의해서 수행되어도 좋으며, 또한, 화상 신호 처리부(140)의 적외광(IR)이 없는 가시광선 휘도에 근거하여 화상 전환 제어부(142)가 자동 처리에 의해 변환을 지령해도 괜찮다.
여기서, 화상 신호 처리부(140)는, 예를 들어, 각 화소의 촬상 데이터(R, G, B,IR)를 동시화하는 동시화 처리, 스미어(smear) 현상이나 블루밍(blooming) 현상에 의해서 생기는 세로의 줄무늬의 노이즈 성분을 보정하는 세로의 줄무늬 노이즈 보정 처리, 화이트 밸런스(WB；White Balance) 조정을 제어하는 WB제어 처리, 계조 정도를 조정하는 감마 보정 처리, 전하 축적 시간이 다른 2화면의 화소 정보를 이용하여 다이나믹 레인지를 확대하는 다이나믹 레인지 확대 처리, 혹은 휘도 데이터(Y)나 색데이터(C)를 생성하는 YC신호 생성 처리등을 행한다. 이에 의해, 적(R), 록(G), 청(B)의 원색의 촬상 데이터(R, G, B, IR)의 각 화소 데이터에 근거하는 가시광선(VL)대역의 화상(이른바, 통상 화상)을 얻을 수 있다.
또한, 화상 신호 처리부(140)는, 적외광(IR)의 화소 데이터를 이용하고, 적외광(IR)에 관련되는 화상을 생성한다.예를 들어, 유전체 적층막(1)을 형성하지 않았던 화소 (12IR)에 있어서, 적외광(IR)뿐만이 아니라 가시광선(VL)도 동시에 신호에 기여하도록 색필터(14C)를 넣지 않는 경우에는, 화소(12IR)로부터의 화소 데이터를 이용하여, 고감도의 화상을 얻을 수 있다. 혹은, 색필터(14C)로서 녹색 필터 (14G)를 넣는 경우에는, 화소(12IR)에서는 적외광(IR)과 녹색의 가시광선(LG)의 혼재의 이미지를 얻을 수 있지만, 화소 (12G)로부터 얻을 수 있는 녹색 성분과의 차분을 취하여, 적외광(IR)만의 이미지를 얻을 수 있다. 혹은, 색필터(14C)로서 흑색 필터(14BK)를 설치한 경우에는, 화소(IR)로부터의 화소 데이터를 이용하여 적외광(IR)만의 이미지를 얻을 수 있다.
이와 같이 생성된 각 화상은, 도시하지 않는 표시부에 보내져 조작자에게 가시 화상으로서 제시되거나 혹은 그대로 하드 디스크 장치등의 기억장치에 기억/보존되거나 또한 그 외의 기능부에 처리되는 데이터로서 보내진다.
또한, 도 30은, 가시광선(VL)(청색빛, 녹색빛, 및 적색빛)과 적외광(IR)을 독립적으로 검지하는 구조를 나타낸다.상세한 설명은 생략하지만, 기본적인 구성은, 도 29에 도시한 바와같이, 실질적으로는 1개의 단위 화소 매트릭스(12)(포토 다이오드군)내에 있어서 가시광선(VL)용의 화소(12W)를 형성하면서, 유전체 적층막(1)을 가지지 않은 화소 12(IR)를 가지는 구조이다. 기본적으로는, 색필터(14)의 배열이 다른 다는 것외에, 다른 점은 도 29와 같다.
여기서, 색필터(14)의 배열로서는, 예를 들면, 실리콘 기판(1＿ω)의 수광면측에 있어서의, 수직전송(CCD122)의 세로방향(X방향)에 가시광(VL), 적외광(IR), 가시광(VL), 적외광(IR),…의 순서로 되며, 또, 복수의 수직전송(CCD122)의 동일 행방향(Y방향)에도, 가시광(VL), 적외광(IR), 가시광(VL), 적외광(IR),…의 순서가 되도록 한다.
＜분광이미지센서를 적용한 촬상장치；CMOS 대응＞
도 31 및 도 32는, 상기 실시형태에서 설명한 분광이미지센서(11)를, CMOS 고체촬상소자(CMOS 이미지센서)를 이용한 촬상장치에 적용했을 경우의 회로도이다. 이 촬상장치(100)는, 본 발명에 관계되는 물리정보취득장치의 일례이다.
100은 촬상장치, 201은 CMOS 고체촬상소자, 205는 화소내 앰프, 207은 구동 제어부, 219는 수직신호선, 226은 컬럼 처리부를 나타낸다.
여기서, 도 31은 도 3과 동일하게, 가시광(VL) 띠내를 R, G, B의 각 색성분으로 나누면서 적외광(IR)을 검지하도록 한 구조를 나타내고, 가시광(VL) 내의 청색광(B), 녹색광(G) 및 적색광(R)과 적외광(IR)을, 각각 독립으로 검지하는 구조이며, 실질적으로는 1개의 단위 화소 매트릭스(12)내에 있어서 파장별로 화소(광전 변환소자)(12B, 12G, 12R)를 형성하면서, 유전체 적층막(1)을 가지지 않은 화소(12IR)를 가진 구조이다.
또, 도 32는, 가시광(VL)(청색빛, 녹색빛 및 적색빛)과 적외광(IR)을 독립으로 검지하는 구조를 나타내고, 실질적으로는 1개의 단위화소 매트릭스(12)(포토 다이오드군) 내에 있어서 가시광(VL)용의 화소(12W)를 형성하면서, 유전체 적층막(1)을 가지지 않은 화소(12IR)를 가진 구조이다. 기본적으로는, 색필터(14)의 배열이 다른(도 30과 동일)것 만으로, 그 외의 점은 도 31과 같다.
분광 이미지센서를 COMS에 응용했을 경우, 단위화소 매트릭스(12)내의 하나 하나의 화소(광전변환소자)(12B, 12G, 12R, 12IR)에 대하여 셀 앰프를 하나 가지는 구조로 된다. 따라서 이 경우, 도 31a 및 도 32와 같은 구조가 된다. 화소신호는 셀 앰프로 증폭된 후에 노이즈 캔슬 회로등을 통해 출력된다.
예를 들면 CMOS 고체촬상소자(201)는, 입사 광량에 따른 신호를 출력하는 수광소자(전하 생성부의 일례)를 포함하는 복수개의 화소가 행 및 열에 배열된(즉 2 차원 매트릭스형의) 화소부를 가지고, 각 화소로부터의 신호출력이 전압신호이며, CDS(Correlated Double Sampling；상관 2중샘플링)처리 기능부나 디지털 변환부(ADC；Analog Digital Converter)등이 열병렬로 설치되어 있다. 이른바 전형적인 컬럼형으로 되어 있다.
구체적으로는, 도 31에 도시된 바와 같이, CMOS 고체촬상소자(201)는, 복수의 화소(12)가 행 및 열에 배열된 화소부(촬상부)(210)와 화소부(210)의 외측에 설치된 구동제어부(207)와 컬럼 처리부(226)와 출력회로(228)를 갖추고 있다.
또한, 컬럼 처리부(226)의 전단 또는 후단에는, 필요에 따라서 신호 증폭 기능을 가지는 AGC(Auto Gain Control)회로등을 컬럼 처리부(226)와 동일한 반도체 영역에 설치하는 것도 가능하다. 컬럼 처리부(226)의 전단에서 AGC를 행하는 경우에는 아날로그 증폭, 컬럼 처리부(226)의 후단에서 AGC를 행하는 경우에는 디지털 증폭으로 된다. n비트의 디지털 데이터를 단순하게 증폭해 버리면, 계조가 손상되어 버릴 가능성이 있기 때문에, 어느 쪽인가 하면 아날로그에서 증폭한 후에 디지털 변환하는 것이 바람직하다고 생각된다.
구동제어부(207)은, 화소부(210)의 신호를 순차 읽어내기 위한 제어회로기능을 갖추고 있다. 예를 들면, 구동제어부(207)로서는, 열어드레스나 열주사를 제어하는 수평주사회로(열주사 회로)(212)와 행어드레스나 행주사를 제어하는 수직주사회로(행 주사회로)(214)와 외부와의 사이에서의 인터페이스 기능이나 내부클록을 생성하는 등의 기능을 가지는 통신·타이밍 제어부(220)를 갖추고 있다.
수평주사회로(212)는, 컬럼 처리부(226)로부터 카운트 값을 읽어내는 독출주사부의 기능을 가진다. 이들 구동제어부(207)의 각 요소는, 화소부(210)와 함께, 반도체 집적회로 제조기술과 같은 기술을 이용하여 단결정 실리콘등의 반도체 영역에 일체적으로 형성되며, 반도체 시스템의 일례인 고체촬상소자(촬상 디바이스)로서 구성된다.
도 31에서는, 간단히 하기 위해 행 및 열의 일부를 생략하여 나타내고 있지만, 현실에는, 각 행이나 각 열에는, 수십에서 수천의 화소(12)가 배치된다. 이 화소(12)는, 전형적으로는, 수광소자(전하 생성부)로서의 단위화소 매트릭스(12)와, 증폭용의 반도체소자(예를 들면 트랜지스터)를 가지는 화소내 앰프(셀 앰프；화소신호생성부)(205)(색별로는 205B, 205G, 205R)로 구성된다.
또, 도 31에서 알 수 있는 바와 같이, 하나의 단위화소 매트릭스(12)가, 청색광(B), 녹색광(G), 적색광(R) 및 적외광(IR)을 독립으로 검지하는 구조이며, 실질적으로는 하나의 단위화소 매트릭스(12)내에 있어서 파장(색)별로 화소(12B, 12G, 12R, 12IR)를 형성한 구조이다.
여기서, 색필터(14)의 배열로서는, 예를 들면, 실리콘 기판(1＿ω)의 수광면측에 있어서의 X방향으로 청, 녹, 적, IR, 청, 녹, 적, IR,…의 순서로 되며, 또 X방향과 직교하는 Y방향에도, 청, 녹, 적, IR, 청, 녹, 적, IR,…의 순으로 되도록 한다.
화소내 앰프(205)로서는, 예를 들면 플로팅 디퓨전 앰프 구성의 것이 이용된다. 일례로서는, 전하 생성부에 대하여, 전하독출부(전송 게이트부／독출게이트부)의 일례인 독출선택용 트랜지스터, 리셋 게이트부의 일례인 리셋 트랜지스터, 수직 선택용 트랜지스터 및 플로팅 디퓨전의 전위 변화를 검지하는 검지소자의 일례인 소스 팔로워 구성의 증폭용 트랜지스터를 가지는, CMOS 센서로서 범용적인 4개의 트랜지스터로 이루어지는 구성의 것을 사용할 수 있다.
혹은, 특허 제 2708455호 공보에 기재와 같이, 전하 생성부에 의해 생성된 신호전하에 대응하는 신호전압을 증폭하기 위한 , 드레인선(DRN)에 접속된 증폭용 트랜지스터와, 화소내 앰프(205)를 리셋하기 위한 리셋 트랜지스터와 수직시프트 레지스터에서 전송배선(TRF)을 거쳐서 주사되는 독출선택용 트랜지스터(전송 게이트부)를 가지는, 3개의 트랜지스터로 이루어지는 구성의 것을 사용할 수도 있다.
화소(12)는, 행 선택을 위한 행 제어선(215)을 거쳐서 수직주사회로(214)와 또 수직신호선(219)을 거쳐서 컬럼 처리부(226)와 각각 접속되어 있다. 여기서, 행 제어선(215)은 수직주사회로(214)로부터 화소에 들어가는 배선 전반을 나타낸다. 일례로서 이 행 제어선(215)은, 긴 자모양의 산란체(3)에 대하여 평행한 방향으로 배치된다.
수평주사회로(212)나 수직주사회로(214)는, 예를 들면 시프트 레지스터나 디코더를 포함하여 구성되며, 통신·타이밍 제어부(220)로부터 부여되는 제어신호에 응답하여 어드레스 선택동작(주사)을 개시하게 되어 있다. 이 때문에, 행 제어선(215)에는, 화소(12)를 구동하기 위한 여러 가지의 펄스신호(예를 들면, 리셋 펄스(RST), 전송 펄스(TRF), DRN 제어펄스(DRN)등)가 포함된다.
통신·타이밍 제어부(220)는, 도시하지 않지만, 각부의 동작에 필요한 클락이나 소정 타이밍의 펄스 신호를 공급하는 타이밍 제네레이터(TG)(독출어드레스 제어장치의 일례)의 기능 블록과, 단자(220a)를 거쳐서 마스터 클락(CLK0)을 받고, 또 단자(220b)를 거쳐서 동작 모드등을 지령하는 데이터(DATA)를 받고, 또한 CMOS 고체촬상소자(201)의 정보를 포함하는 데이터를 단자(220c)를 거쳐서 출력하는 통신 인터페이스의 기능 블록을 갖춘다.
예를 들면, 수평어드레스 신호를 수평 디코더에, 또 수직어드레스 신호를 수직 디코더에 출력하고, 각 디코더는, 그것을 받아 대응하는 행 혹은 열을 선택하고, 구동회로를 거쳐서 화소(12)나 컬럼 처리부(226)를 구동한다.
이 때, 화소(12)를 2차원 매트릭스형으로 배치되어 있으므로, 화소내 앰프(화소신호생성부)(205)에 의해 생성되며 수직신호선(219)을 거쳐서 열방향으로 출력되는 아날로그의 화소신호를 행 단위로(열병렬로) 액세스하여 받아들이는(수직) 스캔 읽기를 행하고, 이 후에, 수직열의 늘어 선방향인 행방향에 액세스하여 화소신호(예를 들어 디지털화된 화소 데이터)를 출력측으로 읽어내는(수평) 스캔 읽기를 행하도록 하는 것으로, 화소신호나 화소 데이터의 독출의 고속화를 도모하는 것이 좋다. 물론, 스캔 읽기에 한정하지 않고, 읽어 내고 싶은 화소(12)를 직접 어드레스 지정하는 것으로, 필요한 화소(12)의 정보만을 읽어 내는 랜덤 엑세스도 가능하다.
또, 통신·타이밍 제어부(220)에서는, 단자(220a)를 거쳐서 입력되는 마스터 클락(마스터 클락)(CLK0)과 같은 주파수의 클락(CLK1)이나, 그것을 2분주한 클락이나 보다 분주한 저속의 클락을 디바이스내의 각부, 예를 들면 수평주사회로(212), 수직주사회로(214), 컬럼 처리부(226)등에 공급한다.
수직주사회로(214)는, 화소부(210)의 행을 선택하고, 그 행에 필요한 펄스를 공급하는 것이다. 예를 들면, 수직방향의 독출행을 규정하는 (화소부(210)의 행을 선택한다) 수직디코더와 수직디코더에서 규정된 독출 어드레스상(행방향)의 화소(12)에 대한 행 제어선(215)에 펄스를 공급하여 구동하는 수직구동회로를 가진다. 또한, 수직디코더는, 신호를 읽어내는 행 외에, 전자 셔터용의 행등도 선택한다.
수평주사회로(212)는, 저속 클락(CLK2)에 동기하여 컬럼 처리부(226)내의 도시하지 않는 컬럼회로를 차례로 선택하고, 그 신호를 수평신호선(수평 출력선)(218)에 이끄는 것이다. 예를 들면, 수평방향의 독출열을 규정하는 (컬럼 처리부(226)내의 개개의 컬럼회로를 선택한다) 수평디코더와 수평디코더에서 규정된 독출 어드레스에 따라서, 선택 스위치(227)에서 컬럼 처리부(226)의 각 신호를 수평 신호선(218)에 이끄는 수평구동회로를 가진다. 또한, 수평 신호선(218)은, 예를 들면 컬럼 AD회로가 취급하는 비트수(n)(n은 양의 정수)만큼 , 예를 들면 10(=n) 비트라면, 그 비트수 만큼에 대응하여 10개 배치된다.
이와 같은 구성의 CMOS 고체촬상소자(201)에 있어서, 화소(12)로부터 출력된 화소신호는, 수직열 마다, 수직신호선(219)을 거쳐서, 컬럼 처리부(226)의 컬럼 회로에 공급된다. 여기서, 단위화소 매트릭스(12)(각 화소(12B, 12G, 12R, 12IR))에 축적된 신호전하는, 동일 수직열의 수직신호선(219)을 거쳐서 읽어내진다.
컬럼 처리부(226)의 각 컬럼 회로는, 1열만큼의 화소의 신호를 받고, 그 신호를 처리한다. 예를 들면, 각 컬럼 회로는, 아날로그 신호를, 예를 들면 저속 클락(CLK2)을 이용하고, 예를 들면 10비트의 디지털 데이터로 변환하는 ADC(Analog Digital Converter)회로를 가진다.
또, 회로구성을 궁리하는 것으로, 수직신호선(219)을 거쳐서 입력된 전압 모드의 화소신호에 대하여, 화소 리셋 직후의 신호레벨(노이즈 레벨)과 진정한(수광 광량에 따른) 신호레벨(Vsig)과의 차분을 취하는 처리를 행할 수 있다. 이것에 의해, 고정 패턴 노이즈(FPN；Fixed Pattern Noise )나 리셋 노이즈라고 하는 노이즈 신호성분을 없앨 수 있다.
이 컬럼 회로에서 처리된 아날로그의 화소신호(혹은 디지털의 화소 데이터)는, 수평주사회로(212)로부터의 수평선택신호에 의해 구동되는 수평선택스위치(217)를 거쳐서 수평신호선(218)에 전달되며, 또한, 출력회로(228)에 입력된다. 또한, 10비트는 일례이며, 10비트 미만(예를 들면 8비트)이나 10비트를 넘는 비트수(예를 들면 14비트)등, 그 외의 비트 수로 해도 좋다.
이와 같은 구성에 의하여, 전하 생성부로서의 단위화소 매트릭스(12)(화소(12B, 12G, 12R, 12IR))가 행렬형으로 배치된 화소부(210)에서는, 행 마다 각 수직열에 대하여 화소신호가 차례차례 출력된다. 그리고, 수광소자가 행렬형으로 배치된 화소부(210)에 대응하는 1매 분의 화상 즉 프레임 화상이, 화소부(210) 전체의 화소신호의 집합으로 나타나게 된다.
출력회로(228)는, CCD 고체촬상소자(101)에 있어서의 출력앰프(128)에 대응하는 것이며, 그 후단에는, CCD 고체촬상소자(101)와 동일하게, 도 31b에 도시된 바와 같이, 화상신호처리부(140)가 설치된다. 화상신호처리부(140)에는, CCD 고체촬상소자(101)의 경우와 동일하게, 화상전환제어부(142)로부터의 화상전환제어 신호가 입력되도록 되어 있다.
이것에 의해, 적(R), 녹(G), 청(B)의 원색의 촬상 데이터(R, G, B, IR의 각 화소 데이터) 혹은 가시광(VL)용의 화소 데이터에 근거하는 가시광(VL)띠의 화상(이른바 통상 화상)이 얻어지는 동시에, 적외광(IR)의 화소 데이터를 이용하는 것으로, 적외광(IR)에 관계되는 화상을 얻을 수 있다.
또한, 도시를 생략 하지만, 도 29나 도 31을 기본 구성으로서 이용하면서, 적외광(IR)용의 화소(12IR)를 없애는 것으로, 가시광(VL)띠 내를 R, G, B의 각 색성분으로 나누어 검지하도록 한 구조로 할 수도 있다.
색필터(14)의 배열로서는, 예를 들면, 실리콘 기판(1＿ω)의 수광면측에 있어서의, 수직전송(CCD122)의 세로방향(X방향)에 청, 녹, 적, 녹, 청, 녹, 적, 녹, 청,…의 순서로 되며, 또, 복수의 수직전송(CCD122)의 동일 행방향(Y방향)에도, 청, 녹, 적, 녹, 청, 녹, 적, 녹, 청,…의 순서로 되도록 한다. 혹은, 2행 2열의 단위화소 매트릭스(12)내에 있어서, 2개의 G색과 각각 하나의 R색 및 B색을 배치한 이른바 베이어 배열로 할 수도 있다. 또, B, G, R의 3색에 제 4색(예를 들면 에메랄드)을 더하는 것으로 색 재현범위를 확장하도록 해도 좋다.
이들의 경우, 가시광(VL)영역만의 촬상으로는 되지만, 감색필터의 일례로서 적외선 커트 필터를 센서 앞에 넣을 필요가 없어진다. 고가인 적외선 커트 필터를 불필요하게 하는 것이며, 코스트를 큰폭으로 저감 할 수 있다. 또, 두께나 무게가 있는 적외선 커트 필터를 불필요하게 하는 것으로, 광학계를 경량 또한 컴팩트로 할 수 있다. 물론, 적외선 커트 필터의 삽입／인출 기구가 불필요하며, 장치가 대규모로 되는 것도 없다.
물론, 이와 같이 비용적으로 유리하게 되는 점은, 기존의 유리제의 적외광 커트 필터를 유전체 적층막에 대신한, 촬상센서와 유전체 적층막이 별체의 구성(검지부와 유전체 적층막이 일체 구성이 아니다)에서도 말할 수 있는 것이다.
예를 들면, 기존의 유리제의 적외광 커트 필터를 이용하는 경우에 비하여, 코스트적으로 유리하게 되며, 컴팩트로 되고 휴대성등에 뛰어난 디지털 카메라등의 촬상장치를 제공할 수 있다.
또, 적외선 커트 필터를 센서 앞에 넣는 구성에서는, 유리 기판을 CCD나 CMOS등의 촬상소자의 앞에 넣는 것으로 광로의 도중에 공기와 유리계면이 생겨 버린다. 따라서, 투과하여 원하는 가시광의 빛까지가 그 계면에서 반사되어 버리고, 감도 저하를 야기하는 문제가 생긴다. 또한, 이와 같은 계면이 많아지는 것으로, 기울기 입사에 있어서의 (유리내에서) 굴절하는 각도가 파장에 의하여 다르며, 광로의 변화에 의한 초점 흐림을 일으킨다. 이것에 대하여, 유전체 적층막을 이용하는 것으로, 이와 같은 파장에 의한 초점 흐림이 없어지는 이점이 얻어진다.
＜＜제조 프로세스의 구체적인 예＞＞
도 33은, 상기 실시형태로 설명한 센서 구조의 분광 이미지센서를 제조하는 구체적인 프로세스예를 나타내는 도면이다. 이 도 33은, 적외광(IR)용의 수광부와 가시광(VL)용의 수광부를 갖춘 분광 이미지센서의 제조 프로세스예이다.
이 구조의 제작에 있어서는, 도 29 및 도 30 혹은 도 31 및 도 32에 도시된 바와 같이 일반적인 CCD나 CMOS 구조의 회로를 우선 형성한다(도 33a). 이 후에, Si 포토다이오드위에 예를 들면 CVD(Chemical Vapor Deposition ；화학 기상 성장법)등을 이용하여 SiO2막과 SiN을 차례차례 적층한다(도 33b).
이 후, 예를 들면 4개의 화소중 1개만을 RIE(Reactive Ion Etching)법등을 이용하여 에칭하는 것으로, 적외광(IR)용의 수광부에 최하층의 SiO2막에 이르는 개구부를 설치한다(도 33e).
이 후, 유전체 적층막(1)등의 보호를 위해서, 일부에 개구부가 설치된 유전체 적층막(1)상에 예를 들면 재차 CVD등을 이용하여 SiO2막을 적층한다(도 33f). 물론, 이 프로세스는 필수는 아니다.
또한, 이 때, 가시광(VL)용의 3개의 화소(R, G, B성분용)를 에칭하지 않도록, 적외광(IR)용의 수광부에 개구부가 설치된 포토레지스트(photoresist)를 이용해도 좋다(도 33c, 도 3d). 이 경우, 유전체 적층막(1)상에 SiO2막을 적층하기 전에, 포토레지스트(photoresist)를 제거할 필요가 있다(도 33d→도 3e).
또, 도시를 생략하지만, 또한 게다가 색필터나 마이크로 렌즈를 화소에 대응하도록 형성해도 좋다.
또한, 약간의 적외광(IR)이 새어 가시광(VL)용의 광전변환소자(포토 다이오드등)에 입사하는 경우, 전체에 약한 적외선 커트 필터를 넣어도 좋다. 예를 들면 50％이하의 적외선 커트 필터를 넣는 것으로, 가시광(VL)에 대하여 대부분 문제가 없는 레벨까지 컷 해도 적외광(IR)용의 광전변환소자(포토 다이오드등)에서는, 적외광(IR)이 집광하므로 충분한 감도로 된다.
*또한, 이와 같은 제조 프로세스에서는, Si기판 표면 근처까지 에칭한다, 즉 적외광(IR)용의 수광부에 최하층의 SiO2막에 이르는 개구부를 설치하기 위해(도 33e), 에칭에 의한 손상이 문제로 되는 것이 있다. 이 경우는, Si기판 바로 윗쪽의 SiO2층의 두께(d)를 크게 하여 손상을 저감하는 것도 가능하다.
여기서 dk=2.5μm이상으로 되면, 도 11과 같이 반사 스펙트럼의 적외광(IR)영역에서의 딥의 반값 폭이 좁아지므로, 일반적인 광대역이 되는 자연광에 대하여 평균화된 반사율로 되므로, 적외광의 반사가 가능해진다. 따라서 바람직하게는 제 k번째의 유전체층(1_k)의 두께(dk)를 2.5μm이상으로 하는 것이 좋다. 또한 바람직하게는, 5μm이상의 두께로 하면 더욱 좋다.
또, 실리콘 기판(1_ω)상에 형성되는 포토 다이오드나 화소내 앰프등을 위한 메탈 배선, 즉, 단위신호생성부로서의 화소내 앰프등에서 단위 신호로서의 화소 신호를 촬상부(검출영역)로부터 읽어내기 위한 신호선을 이루는 배선층을 실리콘 기판(1_ω) 바로 윗쪽에 형성하는 경우, 실리콘 기판(1_ω) 바로 윗쪽에 유전체 적층막(1)을 설치한 구조보다는, 실리콘 기판(1_ω)상 정도 떼어 놓은 곳에 유전체 적층막(1)을 형성한다. 즉 메탈 배선보다 위쪽에 유전체 적층막(1)을 형성하는 것으로, 프로세스가 용이하게 되며, 코스트가 낮게 억제되는 메리트가 얻어진다. 자세한 것은 후술하지만, 유전체 적층막(1)을 이루는 층수를 늘리는 것으로, 어느 정도 좋은 결과가 얻어진다. 이하, 메탈 배선을 고려한 분광 이미지센서에 대하여 설명한다.
＜＜유전체 적층막을 이용한 분파 이미지센서；제 6실시형태＞＞
도 34~도 40은, 유전체 적층막(1)을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서(11)의 제 6 실시형태를 설명하는 도면이다. 제 6 실시형태는, 도 10~도 14에서 설명한 수법을 기본으로서, 메탈 배선을 고려하고, 실리콘 기판(1_ω)보다 어느 정도 거리가 떨어진 상측에 있어서, 유전체 적층막(1)을 실리콘 기판(1_ω)상에, 포토 다이오드등의 검지부와 일체적으로 형성하는 점에 특징을 가진다.
예를 들면, 도 34와 같이, CMOS 구조를 생각하면, 포토 다이오드등의 검지부가 형성된 반도체 소자층상에 배선층을 하나 가지며, 그 두께가 0.7μm정도인 경우에 있어서, 포토 다이오드등이 형성되는 실리콘 기판(1_ω)보다도 대략 0.7μm상에 다층막구조를 일체적으로 형성하는 경우, 제 1층째 배선층의 프로세스의 뒤에 유전체 적층막(1)을 형성하면 좋다. 이렇게 하는 것으로, 두께(dk)≒0.7μm를 가지는 제 k층내에 배선층을 설치할 수 있다.
또한, 도 35와 같이, 반도체소자층상에 배선층을 3개 가지고, 그들 총 두께가 3.2μm정도 있는 경우에 있어서, 포토 다이오드등이 형성되는 실리콘 기판(1_ω)보다도 대략 3.2μm상에 다층막구조를 일체적으로 형성하는 경우, 최상인 제 3층째의 배선층의 프로세스의 후에 유전체 적층막(1)을 형성하면 좋게 된다. 이렇게 하는 것으로, 두께(dk)=3.2μm를 가지는 제 k층내에 배선층을 설치할 수 있다.
이 보기에서는, 도면에 도시한 바와같이, 약 “3.2μm”라고 기재한 것은, 실리콘 기판(1_ω)상에 두께가 10nm정도의 SiO2층(δ층)을 설치하고, 그 위에, 두께가 65nm 정도의 SiN층(층)을 포함하는 k층의 두께를 의미한다.
색필터(14)나 마이크로 렌즈등은, 이 유전체 적층막(1)을 형성한 후에 형성하면 좋다.
이에 대응하는 분광 이미지 센서(11)로서, 예를 들면, 도 36에 도시된 바와같이, 도 17에 도시한 제 2실시형태의 7층 구조로 하면서, 제 k층의 유전체층(1_k)(산화 실리콘층 : SiO2)과 실리콘 질화물 SiN층(1_)과 산화 실리콘(SiO2)층(1_δ)의 3층분을 가지는 유전체 적층막(1C)을 베이스로서, 제 k층의 유전체층(1_k)의 두께를 700nm로 하고 있다. 또, 제 k층째의 산화 실리콘(SiO2)과 실리콘 기판(1_ω)과의 사이에 65nm 또는 100nm 의 두께(d)의 비교적 얇은 실리콘 질화물 SiN층(1_)을 제 3층재로서 적층하고, 그리고, 이 추가한 제 3층재와 실리콘 기판(1_ω)과의 사이에, 제 3의 층재보다도 작은 굴절률을 가지는 제 4의 층재로서의 산화 실리콘(SiO2)층(1_δ)을 두께(dδ)=10nm로 적층한 유전체 적층막(1C)으로 하고 있다.
또, 도 37에서는, 기본으로 되는 유전체 적층막(1)을 9충 구조로 하면서, 제 k층의 유전체층(1_k)의 두께를 700nm 또는 3.2μm로 하고 있다. 또한, 제 k층째의 산화 실리콘(SiO2)과 실리콘 기판(1_ω)과의 사이에 65nm 의 비교적 얇은 실리콘 질화물 SiN층(1_)을 제 3층재로서 적층하고, 그리고, 이 추가한 제 3층재와 실리콘 기판(1_ω)과의 사이에, 제 3의 층재보다도 작은 굴절률을 가지는 제 4의 층재로서의 산화 실리콘(SiO2)층(1_δ)을 두께(dδ)=10nm로 적층한 유전체 적층막(1C)으로 하고 있다.
이들 반사 스펙트럼의 계산결과는 도 38~도 40에 도시된 바와 같이 된다. 도 37이나 도 36에서 알 수 있는 바와 같이, 0.7μm나 3.2μm정도 실리콘 기판(1_ω) 위쪽에 유전체 적층막(1)을 형성하는 것으로, 배선 프로세스가 용이하게 된다. 또한, 정확하게는, 실리콘 기판(1_ω) 바로 윗쪽에는 제 4의 층재인 SiO2층과 제 3의 층재인 SiN층의 순서로 각각 10nm와 65nm(혹은 100nm)의 두께가 존재하므로, 그것보다 위쪽으로 된다.
여기에서는 SiN막과 SiO2막을 가지는 유전체 적층막(1)에 있어서, 7층의 경우와 9층의 경우를 계시했지만, 도 39에서 알 수 있는 바와 같이, 7층의 경우에 비하여 9층까지 다층 구조의 층수를 늘리면, 적외광(IR)영역에서의 반사율(R)이 0.9를 넘어 충분히 되는 것을 알 수 있다.
또 도 40에서 알 수 있는 바와 같이, 제 k번째의 유전체층(1_k)의 두께(dk)가 3.2μm의 7층 구조에서는, 적외광 반사 영역에서의 딥이 크고, 결과적으로 반사가 크게 저하되고 있는 것을 알 수 있다. 그렇지만, 이것도 9층까지 층수를 늘리면, 이들 딥이 작게 되며, 적외광(IR)영역에서의 반사가 충분히 되는 것을 알 수 있다.
또, 도 38에서 알 수 있는 바와 같이, 제 3의 층재가 되 냐ㅜ층의 두께(d )가 두꺼우면, 가시광(VL)영역에서의 반사가 높아진다. 이것은, 제 2 실시형태에 있어서 설명한 바와 같이, 중간층으로서 설치하는 제 3의 층재는, 가시광선 영역내에 있어서의 반사를 저감하는 것을 목적으로 하는 것이며, 중간층으로 하여 설치한 유전체층(1_)층의 두께(d)는, 수식 (6)을 만족시키는 것이 이상적이며, 얇은 쪽에는 충분한 여유가 있지만, 큰 쪽에는 여유가 적은 것으로써 고려된다.
이와 같이, 종래의 배선 프로세스를 행한 후에, 유전체 적층막(1)을 형성하는 쪽이 제조가 용이하게 되며, 새로운 프로세스의 검토가 불필요로 되어 코스트적으로 좋다. 즉 도 35와 같은 CMOS 구조를 제작하는 것으로, 프로세스도 용이하게 할 수 있고, 또한 유효한 효과가 얻어지게 된다. 유전체 적층막(1)을 형성하고 나서 배선 프로세스를 하면, 유전체 적층막(1)의 제거등을 행하는 등 프로세스적으로 곤란하게 되는 것과 큰 차이이다.
또한, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명한다.
본 발명의 제 7 실시형태로서, 고체촬상소자의 개략 구성도(모식적 평면도)를 도 54에 나타낸다.
본 실시의 형태는, 본 발명의 고체촬상소자를 CCD 고체촬상소자에 적용한 것이다.
1001은 고체촬상소자, 1002는 수직 CCD레지스터, 1003은 수평 CCD레지스터, 1004는 출력 앰프를 나타낸다.
이 고체촬상소자(1001)는, 수광부로서 포토 다이오드(PD)가 매트릭스형으로 다수 배치되며, 수광부(포토 다이오드(PD))의 각 열에 대응하고, 각각 수직방향(도면중 세로방향)으로 늘어나는 수직 CCD레지스터(1002)가 설치되며, 각 수직 CCD레지스터(1002)의 일단에 수평방향(도면중 가로방향)으로 늘어나는 수평 CCD레지스터(1003)가 접속되며, 또한 수평 CCD레지스터(1003)의 일단에, 출력 앰프(1004)를 거쳐서 출력부(1005)가 접속되어 구성되어 있다.
또, 도 54의 고체촬상소자(1001)의 수광부를 포함하는 단면도를 도 55에 나타낸다.
1001은 고체촬상소자, 1002는 수직 CCD레지스터, 1011은 실리콘 기판, 1012는 p형 반도체 웰 영역, 1013은 (n형의) 전하축적영역, 1015는 전송채널영역, 1019는 전송전극, 1021은 차광막, 1025는 단결정층, PD는 포토 다이오드를 나타낸다.
도 55에 도시된 바와 같이, n형의 실리콘 기판(1011)의 상부에 p형 반도체 웰 영역(1012)이 형성되며, 이 p형 반도체 웰 영역(1012)에, 포토 다이오드(PD) 및 수직 CCD레지스터(1002)를 구성하는 반도체 영역이 형성되어 있다.
포토 다이오드(PD)는, 이른바 광전변환소자로 되는 것이며, p형 반도체 웰 영역(1012)의 상부에 n형의 전하축적영역(1013)이 형성되며, 이들 영역(1012, 1013)에 의해 다이오드가 구성되어 있다.
수직CCD레지스터(1002)에서는, p형 반도체 웰 영역(1012)의 표면 부근에, 신호 전하가 전송되는 n형 전송채널영역(1015)이 형성되며, n형 전송채널영역(1015) 아래에 제 2의 p형 반도체 웰 영역(1014)이 형성되어 있다.
또, 포토 다이오드(PD)의 n형의 전하축적영역(1013)과 우측의 n형 전송채널영역(1015)과의 사이에는, p형의 채널스톱영역(1016)이 형성되고 있고, 이 채널스톱영역(1016)에 의해, 신호 전하가 n형의 전하축적영역(1013)으로부터 우측의 n형 전송채널영역(1015)에 흘러들지 않게 하고 있다.
포토 다이오드(PD)의 n형의 전하축적영역(1013)과 좌측의 n형 전송채널영역(1015)과의 사이는, 독출게이트영역(1017)으로 되어 있다.
실리콘 기판(1011)상에는, 게이트 절연막(1018)을 거쳐서, 다결정 실리콘으로부터 이루어지는 전송 전극(1019)가 형성되어 있다. 전송 전극(1019)은, 독출 게이트부(1017)와 전송채널영역(1015)상과 채널스톱영역(1016)상에 걸쳐 형성되며, 이 전송 전극(1019)의 개구에 대응하여 포토 다이오드(PD)의 전하축적영역(1013)이 형성되어 있다.
전송 전극(1019)상에는, SiO2로 이루어지는 층간절연막(1020)을 거쳐서, Al으로 이루어지는 차광막(1021)이 형성되어 있다. 이 차광막(1021)은, 전송 전극(1019)의 윗쪽에서 측면에 걸쳐 형성되며, 또한 포토 다이오드(PD)의 전하축적영역(1013)상에 개구를 가지고 있다.
본 실시의 형태의 고체촬상소자(1001)에 있어서는, 특히, 수광부의 포토 다이오드(광전변환소자)(PD)가 형성된 실리콘 기판(1011)상에 접합하고, 실리콘 기판(1011)의 실리콘보다도 밴드 갭의 넓은 재료, 예를 들면 SiC나 SiGeC로 이루어지는 단결정층(1025)을 설치하고 있다.
이 단결정층(1025)을 설치함으로써, 종래의 구성과 비교하여, 암전류를 큰폭으로 저감 할 수 있다.
상술한 바와 같이, SiC나 SiGeC를 단결정층(25)에 이용하는 경우에는, 단결정층(1025)의 막두께를 30nm이하로 하는 것이 바람직하다. 예를 들면 10nm정도의 막두께로 한다.
단결정층(1025)을 형성하는 공정은, 예를 들면 CVD법등, 상술한 각종 방법을 채용할 수 있다.
상술의 본 실시형태의 고체촬상소자(1001)의 구성에 의하면, 포토 다이오드(PD)가 형성된 실리콘 기판(1011)상에 접합하고, 실리콘 기판(1011)의 실리콘보다도 밴드 갭의 넓은 재료로 이루어지는 단결정층(1025)을 설치함으로써, 이 단결정층(1025)의 밴드 갭이 넓기 때문에, 표면 준위로부터의 전자에 대한 장벽이 크게 되며, 이 전자에 기인하는 암전류를 저감할 수 있다. 그리고, 암전류를 예를 들면 12자리수로 큰폭으로 저감하는 것도 가능하게 되며, 입사광에 의한 신호의 S／N비를 비약적으로 개선할 수 있다.
이것에 의해, 어두운 방등의 입사광량이 적은 촬상조건에 있어서, 고감도화를 위해 신호의 게인을 높게 설정해도, 노이즈가 드러나지 없는 화상을 얻는 것이 가능하게 된다.
또, 고체촬상소자(1001)가 저감도라도, 입사광량에 관계없이, 앰프의 증폭만으로 고화질 화상을 얻는 것이 가능하게 된다.
그리고, 고체촬상소자(1001)의 화소를 미세화하여 입사광량이 적게 되어도, 충분한 S／N비를 확보하는 것이 가능하게 되기 때문에, 감도 부족을 보충하기 위해서 앰프로 증폭하는 것만으로, 노이즈가 눈에 띄지 않는 양호한 화상이 얻어진다.
따라서, 고체촬상소자(1001)의 화소를 미세화함으로써, 고체촬상소자(1001)의 다화소화나 고체촬상장치의 소형화를 도모할 수 있다.
(실시예)
여기서, 실제로, 본 실시형태의 고체촬상소자(1001)을 제작하고, 특성을 조사했다.
우선, 단결정층(1025)로서 SiC층을 형성한, 고체촬상소자(1001)를 제작했다.
실리콘 기판(1011)상에, 예를 들면 CVD법을 이용하고, 단결정층(1025)으로서 SiC층을 예를 들면 막두께 10nm정도 결정 성장시켰다. 이 때, 예를 들면, 원료로서 C3H8과 모노실란(SiH4)를 사용하고, 기판온도를 1100℃이하로 했다.
또한, CVD법 이외의 다른 방법에 의해, SiC층을 형성하는 것도 가능하다. 예를 들면, 레이저 어블레이션법에서는, 타겟 재료에 SiC를 이용하여 결정 성장시키는 것이 가능하다.
그 후에, 통상의 CCD 고체촬상소자의 제조공정과 같은 공정을 행하고, 도 54및 도 55에 나타낸 본 실시형태의 고체촬상소자(1001)를 제작했다.
제작한 고체촬상소자(1)를 사용하고, 실제로 촬상을 행하였는데, 암전류가 매우 적게 되며, 어두운 조건에서 촬상해도 노이즈가 눈에 띄지 않는 화상을 얻을 수 있었다.
다음에, 단결정층(1025)로서 SiGeC층을 형성한, 고체촬상소자(1001)를 제작했다.
실리콘 기판(1011)을, NH4OH, H2O2, H2O의 혼합액(혼합비는 1：1：5)에 10분간 담금으로써, 표면을 세정했다.
그 후, HF(HF：H2O=1：50)처리를 10초 행함으로써, 실리콘 기판(1011)표면의 자연 산화막을 제거했다.
이러한 공정을 거침으로써, 실리콘 기판(1011)의 표면을 청정화하면, 그 후의 결정성장의 결정성이 향상한다.
이와 같이 사전 처리를 행하고, 자연 산화막을 제거한 실리콘 기판(1011)을 기판홀더에 설치했다.
다음에, 감압CVD법을 이용하고, 실리콘 기판(1011)상에 단결정층(1025)으로 되는 SiGeC층을 성막했다.
우선, 압력 1×104Pa, 기판온도 1150℃에서, 수소가스의 유량을 1리터／분으로 한 조건아래에서, 또한 프로판(C3H8)을 450μmol／분의 조건으로 공급하고, 이 상태로 2분간 보관 유지함으로써, 실리콘 기판(1011)의 표면을 탄화시켰다.
또한, 감압 CVD법에 의하여, 원료 가스의 모노실란(SiH4)과 C3H8와 GeH4을, 각각, 36μmol／분과 59μmol／분과 10μmol／분의 조건으로 동시 공급함으로써, SiGeC결정을 실리콘 기판상에 30초간 성장시켰다. 이 결과, 단결정층(1025)으로 되는 SiGeC층을 거의 10nm의 막두께로 성막 할 수 있었다.
또한, 여기에서는 감압 CVD법을 이용했지만, 그 외의 방법에 의해 SiGeC층을 형성하는 것도 가능하다. 예를 들면, 레이저 어브레이션법에서는, 타겟 재료에 SiGeC를 이용하여 결정 성장시키는 것이 가능하고, 유기 시란계 재료등의 유기 금속계 재료를 이용한 가스 소스 MBE법에서도 결정 성장시키는 것이 가능하다.
그 후에, 통상의 CCD 고체촬상소자의 제조공정과 동일 공정을 행하고, 도 54및 도 55에 나타낸 본 실시형태의 고체촬상소자(1001)를 제작했다.
제작한 고체촬상소자(1001)를 사용하고, 실제로 촬상을 행한바, 암전류가 매우 적게 되어, 어두운 조건에서 촬상해도 노이즈가 눈에 띄지 않는 화상을 얻을 수 있었다.
상술의 실시형태에서는, 단결정층(1025)을, 실리콘 기판(1011)상에 전면적으로 형성했지만, 예를 들면, 전기 특성을 좋게 하는 등의 목적으로, 포토 다이오드(PD)부 이외의 단결정층을, RIE(반응성 이온에칭)법등의 에칭방법으로 제거해도 좋다. 이 경우, 리소그래피기술로 포토 다이오드부를 마스크로 보호하고 나서 에칭을 행해도 좋다.
이 경우의 실시형태를 다음에 나타낸다.
계속하여, 본 발명의 다른 실시형태의 고체촬상소자의 개략 구성도(단면도)를 도 57에 나타낸다.
1030은 고체촬상소자, 1002는 수직CCD레지스터, 1011은 실리콘 기판, 1012는 p형 반도체 웰 영역, 1013은 (n형의) 전하축적영역, 1015는 전송채널영역, 1019는 전송 전극, 1021은 차광막, 1026은 단결정층, 1051은 셀 앰프, PD는 포토 다이오드를 나타낸다.
본 실시형태의 고체촬상소자(1030)에서는, 예를 들면 SiC 또는 SiGeC로 이루어지는 단결정층(1026)이, 실리콘 기판(1011)의 포토 다이오드(PD)부만의 표면에 형성되어 있다. 이 단결정층(1026)은, 실리콘 기판(1011)상에 접합하여 형성되어 있다.
그 외의 구성은, 앞의 실시형태의 고체촬상소자(1001)와 동일하기 때문에, 동일 부호를 대하여 중복 설명을 생략한다.
단결정층(1026)은, 예를 들면, 전면적으로 단결정층(1026)으로 되는 막을 성막한 후에, 포토 다이오드(PD)부 이외의 단결정층을, RIE(반응성 이온에칭)법등의 에칭방법으로 제거함으로써, 형성할 수 있다.
*상술의 본 실시형태의 고체촬상소자(1030)의 구성에 의하면, 실리콘 기판(1011)의 포토 다이오드(PD)부상에 접합하고, 실리콘 기판(1011)의 실리콘보다도 밴드 갭이 넓은 재료로 이루어지는 단결정층(1026)을 설치하고 있음으로써, 이 단결정층(1026)의 밴드 갭이 넓기 때문에, 표면 준위로부터의 전자에 대한 장벽이 그케 되고, 이 전자에 기인하는 암전류를 저감할 수 있다. 그리고, 암전류를 예를 들면 12자리수로 큰폭으로 저감하는 것도 가능하게 되며, 입사광에 의한 신호의 S／N비를 비약적으로 개선할 수 있다.
이것에 의해, 어두운 방등의 입사광량이 적은 촬상조건에 있어서, 고감도화를 위해 신호의 게인을 높게 설정해도, 노이즈가 드러나지 않는 화상을 얻는 것이 가능하게 된다.
또, 고체촬상소자(1030)가 저감도에서도, 입사광량에 관계없이, 앰프의 증폭만으로 고화질의 화상을 얻는 것이 가능하게 된다.
그리고, 고체촬상소자(1030)의 화소를 미세화 하여 입사광량이 적게 되어도, 충분한 S／N비를 확보하는 것이 가능하게 되기 때문에, 감도 부족을 보충하기 위해서 앰프로 증폭하는 것만으로, 노이즈가 눈에 띄지 않는 양호한 화상을 얻을 수 있다.
따라서, 고체촬상소자(1030)의 화소를 미세화함으로써, 고체촬상소자(1030)의 다화소화나 고체 촬상장치의 소형화를 도모할 수 있다.
여기서, 실제로, 도 57에 나타낸 실시형태의 고체촬상소자(1030)를 제작하고, 특성을 조사했다.
상술한 것과 동일하게, 사전처리 및 SiGeC층의 성막을 행하고, 실리콘 기판(1011)상에 단결정층(1026)으로 되는 SiGeC층을 형성했다.
다음에, 리소그래피기술과 RIE기술에 의해, 포토 다이오드(PD)부 이외의 SiGeC층을 제거하고, 포토 다이오드(PD)부에만 SiGeC로 이루어지는 단결정층(1026)을 남겼다.
그 후에, 통상의 CCD 고체촬상소자의 제조공정과 같은 공정을 행하고, 도 57에 나타낸 본 실시형태의 고체촬상소자(1030)를 제작했다.
제작한 고체촬상소자(1030)를 사용하고, 실제로 촬상을 행한바, 암전류가 매우 적게 되어, 어두운 조건에서 촬상해도 노이즈가 눈에 띄지 않는 화상을 얻을 수 있었다.
또한, 마스크를 이용하고, 포토 다이오드(PD)부에만 단결정층이 형성되도록 해도 좋다.
예를 들면, 포토 다이오드(PD)부 이외의 실리콘 기판(1011) 위를 마스크로 가리고, 실리콘 기판(1011)의 표면을 탄화시킨다. 이것에 의해, 포토 다이오드(PD)부에만 단결정층이 형성된다.
도 58은 도 57의 고체촬상소자와는 다른 방법으로 단결정층을 형성했을 경우의 고체촬상소자의 대략 구성도(단면도)이다.
1040은 고체촬상소자, 1002는 수직 CCD레지스터, 1011은 실리콘 기판, 1012는 p형 반도체 웰 영역, 1013은 (n형의) 전하축적영역, 1015는 전송채널영역, 1019는 전송 전극, 1021은 차광막, 1027은 단결정층, PD는 포토 다이오드를 나타낸다.
또한, 이 경우에 제작되는 고체촬상소자는, 그 단면도를 도 58에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드(PD)부에 형성되는 단결정층(1027)이, 실리콘 기판(1011)의 내부에 들어가 형성되는 점이 도 57의 구성과는 다르다.
상술의 각 실시형태에서는, 실리콘 기판(1011)에 SiC 또는 SiGeC로 이루어지는 단결정층(1025, 1026, 1027)을 형성하고 있었지만, 단결정층에는, 기판(1011)의 실리콘보다도 밴드 갭이 넓고 그 외의 재료를 이용하는 것도 가능하다.
여기서, SiC 이외의, 밴드 갭이 실리콘(Si)보다도 넓은 재료를, 이하에 격자 정수와 함께 리스트업 한다. 이하에 든 재료는, 모두 실리콘(Si)과 같은 입방정계를 가지는 것이다. 이것은, 실리콘상에 에피택셜 성장 시키기 위해서는, 같은 입방정계(立方晶系)인 것이 바람직하기 때문이다.
재료 밴드 갭 Eg(eV) 격자 정수 a(Å)
GaAs 1.43 5.654
AlAs 2.16 5.66
GaN 3.27 4.55
AlN 6.8 4.45
ZnSe 2.67 5.667
ZnS 3.70 5.41
MgSe 3.6 5.62
MgS 4.5 5.89
여기서, GaAs와 AlAs와 GaN과 AlN는 III－V족 화합물반도체이며, AlGaAs계 3원혼정(混晶)에서도 AlGaN계 3원혼정으로 해도 좋다. 이 이외의 III－V족 화합물반도체로서 AlGaInP계 4원혼정등도 존재한다.
또, ZnSe와 ZnS는 II－VI족 화합물반도체이며, ZnMgSSe계 4원혼정으로 해도 좋다. II－VI족 화합물반도체에서는, 그 밖에 ZnMgO계 3원혼정등도 존재한다.
또, 본 발명은, 실리콘 이외의 반도체층에 광전변환소자를 형성한 고체촬상소자에도 적용할 수 있다.
예를 들면, 화합물 반도체층에 광전변환소자(포토 다이오드)를 형성한 고체촬상소자에 대해서도, 본 발명을 적용할 수 있다.
0.9μm~1.7μm의 파장영역의 적외선을 검지하는데에는, 광전변환소자를 형성하는 반도체층에, GaInAs등의 화합물이 사용된다.
또, 3μm~5μm의 파장영역의 적외선을 검지하는데에는, 광전변환소자를 형성하는 반도체층에, InSb나 PtSi등의 화합물이 사용된다.
게다가 8μm~14μm의 파장영역을 검출하는데에는 , 광전변환소자를 구성하는 반도체층에, HgCdTe등의 화합물이 자주 사용된다.
이와 같은 적외영역을 검지함으로써, 예를 들면, 석영유리섬유의 광통신용의 포토 다이오드나 온도정보를 얻는 고체촬상소자(통칭；적외선 서모그래피)에도 본 발명을 적용할 수 있다.
이들 재료는 밴드 갭이 좁기 때문에, 광전변환소자를 형성하는 반도체층에 이용하고, 그 표면에, 보다 넓은 밴드 갭을 가지는 단결정층을 접합시킴으로써, 실리콘 기판과 SiC계와의 접합과 동일하게, 암전류를 저감하는 효과가 얻어진다.
또, 화합물 반도체에 한정하지 않고, 실리콘 이외의 IV족 원소 예를 들면 Ge로 이루어지는 반도체층에 광전변환소자(포토 다이오드)를 형성한 구성에도, 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.
상술의 각 실시형태에서는, CCD 고체촬상소자에 본 발명을 적용했지만, 본 발명은, 그 외의 구성의 고체촬상소자, 예를 들면 CMOS형 고체촬상소자에도 적용할 수 있다.
본 발명의 고체촬상소자의 또 다른 실시형태의 개략 구성도(모식적 평면도)를 도 59에 나타낸다. 본 실시형태는, 본 발명을 CMOS형 고체촬상소자에 적용한 것이다.
1050은 고체촬상소자, 1051은 셀 앰프, 1052는 수직신호선, 1053은 수평신호선, 1054는 수직시프트레지스터, 1055는 노이즈 캔슬 회로, 1056은 수평시프트레지스터, PD는 포토 다이오드를 나타낸다.
도 59에 도시된 바와 같이, 이 고체촬상소자(1050)는, 수광부로 되는 포토 다이오드(PD)가 매트릭스형으로 배치되며, 각 포토 다이오드(PD)가 각각 셀 앰프(1051)를 거쳐서 신호선(1052, 1053)에 접속되어서 이루어진다. 신호선은, 수직시프트레지스터(1054)에 접속된 수직신호선(1052)과 수평신호선(1053)으로 이루어지며, 이들 신호선(1052, 1053)의 교점 부근에 각 화소의 포토 다이오드(PD)가 설치되어 있다.
수평신호선(1053)은, 노이즈 캔슬 회로(1055)와 그 도면중 하부의 MOS트랜지스터를 거쳐서, 신호전압을 출력하는 신호선에 접속되어 있다.
MOS트랜지스터의 게이트는, 수평시프트레지스터(1056)에 접속되며, 수평시프트레지스터(1056)에 의하여 MOS트랜지스터의 온·오프가 행해진다.
본 실시형태에서는, 도시는 생략 하지만, 포토 다이오드(PD)나 MOS트랜지스터의 소스·드레인영역이 형성된 반도체층의, 적어도 포토 다이오드(PD)부상에, 반도체층보다도 밴드 갭이 넓은 단결정층을 설치한다.
이것에 의해, 상술한 CCD 고체촬상소자에 적용한 각 실시형태와 동일하게, 암전류를 큰폭으로 저감하는 것이 가능하게 되며, 고체촬상소자(50)의 화소를 미세화하여 입사광량이 적게 되어도, 충분한 S／N비를 확보하는 것이 가능하게 되기 때문에, 감도 부족을 보충하기 위해서 앰프로 증폭하는 것만으로, 노이즈가 눈에 띄지 않는 양호한 화상을 얻을 수 있다.
따라서, 고체촬상소자(1050)의 화소를 미세화함으로써, 고체촬상소자(1050)의 다화소화나 고체 촬상장치의 소형화를 도모할 수 있다.
또, 본 발명은, 포토 다이오드(PD)등의 광전변환소자를 매트릭스형으로 배치한 구성에 한하지 않고, 광전변환소자로 이루어지는 화소를 일렬마다 엇갈림에 (대략 체크무늬모양으로) 배치한 구성이나, 화소를 일렬 또는 수열 배치한 구성(라인 센서등)에도 적용하는 것이 가능하다.
또, 본 발명은, 고체촬상소자에 한하지 않고, 단결정 반도체층에 포토 다이오드(광전변환소자)를 형성하여 이루어지는 수광소자에도 적용하는 것이 가능하다.
그리고, 예를 들면, 노이즈가 적은 고성능인 센서로서 포토 다이오드 또는 PIN 포토 다이오드나 쇼트 키형 광센서에도 적용하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명을 적용한 수광소자와 반도체 레이저나 발광다이오드등의 발광소자를, 공통 기판에 설치하여 하이브리드(hybrid)인 구성으로 하거나 반도체기판이나 반도체층을 공용함으로써 모노리식인 광학장치를 구성하거나 하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명에 관계되는 수광소자 및 고체촬상소자를 제조할 때에, 반도체층에 광전변환소자를 구성하는 반도체영역이나 그 외의 반도체영역을 형성하는 공정과, 다결정층을 형성하는 공정은, 어느 쪽의 공정을 먼저 행해도 상관없다.
본 발명은, 상술의 실시형태로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 그 외 여러가지 구성을 취할 수 있다.
＜색분리 필터 배열；제 1예＞
도 41은, 색분리 필터 배치의 제 1의 구체적인 예(이하 제 1구체예라고 한다)를 나타내는 도면이다. 이 제 1 구체예는, 가시광 컬러화상을 촬상하기 위한 검지영역 이외에, 가시광을 배제하여 적외광만을 수광·검지하는 검지영역을 설치하고 있는 점에 특징을 가진다.
도 41a에 도시된 바와 같이, 각 색의 필터를 모자이크모양으로 배치한 이른바 베이야(Bayer) 배열의 기본형의 컬러필터를 이용하고 있고, 먼저, 정사각 격자모양으로 배치된 단위화소가 적(R), 녹(G), 청(B)의 3색컬러필터에 대응하도록, 색분리필터의 반복단위가 2화소×2화소로 배치되어 화소부를 구성하도록 한다. 또, 가시광을 배제하여 적외광만을 수광·검지하는 검지부(검지영역)를 설치할 수 있도록, 2개의 녹(G)중 한쪽을 흑색필터(BK)로 치환한다. 즉, 가시광 컬러화상용에 원색필터(R, G, B) 3개의 파장영역(색성분)용의 것과, 원색필터(R, G, B)의 성분과는 다른 적외광용의 흑색필터(BK)라고 하는 별개의 필터특성을 가지는 4종류의 색필터를 규칙적으로 설치하고 있다.
예를 들어, 짝수행 홀수열에는 제 1의 컬러(빨강；R)를 감지하기 위한 제 1의 컬러화소를 배치하고, 홀수행 홀수열에는 제 2의 컬러(초록；G)를 감지하기 위한 제 2의 컬러화소를 배치하고, 홀수행 짝수열에는 제 3의 컬러(파랑；B)를 감지하기 위한 제 3의 컬러화소를 배치하고, 짝수행 짝수열에는 적외광(IR)을 감지하기 위한 제 4의 컬러화소(여기에서는 흑색보정화소)를 배치하고 있어 행 마다 다른 G／B, 또는 R／BK의 화소가 체크무늬모양으로 배치되어 있다. 이와 같은 베이야 배열의 기본형의 컬러필터의 색배열은, 행방향 및 열방향의 어느 쪽에 대해서도, G／B 또는 R／BK의 2색이 2개 마다 반복된다.
원색필터(R, G, B)를 통하여 대응하는 검지부에서 검지하는 것으로 가시광 컬러화상을 촬상할 수 있는 동시에, 흑색필터(BK)를 통하여 대응하는 검지부에서 검지하는 것으로 적외광 화상을 가시광 컬러화상과는 독립 또한 동시에 촬상할 수 있다. 원색필터(R, G, B)가 배치되는 검지부(검지요소)는, 통과 파장영역인 가시광영역을 한층 더 파장분리하여 검지하기 위한의 것이다.
또한, 상기 예에서는, 가시광선 컬러화상 촬상용의 색필터(14)로서, 원색필터(14R, 14G, 14B)를 이용하고 있지만, 보색필터(Cy, Mg, Ye)를 이용할 수도 있다. 보색필터(Cy, Mg, Ye)가 배치되는 검지부(검지요소)는, 통과 파장영역인 가시광영역을 한층 더 파장 분리하여 검지하기 위한 것이다. 이 경우 예를 들면, 도 41b에 도시된 바와 같이, 원색필터(14R)를 옐로우(Ye)로, 원색필터(14G)를 마젠타(Mg)로, 원색필터(14B)를 시안(Cy)으로, 각각 치환하면 좋다. 그리고, 대각에 2개 존재하게 되는 마젠타(Mg)의 한쪽에, 보정화소로서의 흑색필터(BK)를 배치한다.
흑색 필터가 배치되는 화소를 제외한 화소(12Cy, 12Mg, 12Ye)상에는 유전체 적층막(1)이 형성되며, 또한 게다가, 보색필터(14Cy, 14Mg, 14Ye)가 설치되며, 보색필터(14Cy, 14Mg, 14Ye)를 통하여 가시광(VL)중의 대응하는 시안(Cy), 마젠타(Mg) 및 옐로우(Ye)의 각 색을 수광하도록 한다. 즉, 유전체 적층막을 보색계의 컬러필터가 있는 화소의 검지부상에 형성하는 것으로, 적외광을 효과적으로 컷 할 수 있는 기능을 갖게 한다.
또, Cy, Mg, Ye의 보색필터만의 조합에 한정하지 않고, 원색필터의 하나인 녹색필터(G)나 백색필터(W)를 보색필터와 조합한 것에 대해서도, 보정화소를 이루는 흑색필터(BK)의 화소를 설치할 수도 있다. 예를 들면, 도 41c에 도시된 바와 같이, Cy, Mg의 2개의 보색필터와 G의 원색필터를 조합한 필드 축적 주파수 인터리브방식용에 있어서, 4화소내에 2개 존재하는 원색필터(G)중의 한쪽을 보정화소로 작용하는 흑색필터(BK)로 치환하여도 좋다.
＜센서구조의 구체예 1；CCD 대응＞
도 42 및 도 43은, 도 41에 나타낸 색분리필터의 배치를 가지며, 적외광(IR)만과 가시광(VL)의 2개의 파장성분을 동시에 상(傷)으로서 따로 따로 촬상할 수 있도록 한 CCD 고체촬상소자를 설명하는 도면이다. 여기서, 도 42는, 구조예를 나타내는 약식도(사시도)이다. 또, 도 43은, 기판표면부근의 단면 구조도이다. 또한 여기에서는, 유전체 적층막(1)을 이용한 CCD 고체촬상소자(101)로의 적용 사례로 나타내고 있다.
1은 유전체 적층막, 11은 분광 이미지센서, 12는 단위화소 매트릭스를 나타낸다.
도 42에 나타내는 CCD 고체촬상소자(101)의 구조에 대해서는, 4화소로 이루어지는 단위화소 매트릭스(12)만을 나타내고 있지만, 실제로는 이것을 가로방향으로 반복하고, 그것을 또한 세로방향에 반복한 구조이다.
단위화소 매트릭스(12)를 이루는 주기 배열의 4화소중, 1개의 화소(12IR)상에는 유전체 적층막(1)이 형성되어 있지 않지만, 흑색필터(14BK)가 설치되어 있고, 이 흑색필터(14BK)를 통하여 적외광(IR)만을 수광하게 되어 있다. 즉, 적외광(IR)의 화소(12IR)상에, 색필터(14)로서 흑색필터(14BK)를 이용함으로써, 가시광(VL)을 커트하고, 적외광(IR)만을 수광할 수 있도록 하고 있다. 이 흑색필터(14BK)가 설치된 화소(12IR)를 흑색화소(12BK)라고도 부른다.
한편, 다른 3개의 화소(12B, 12G, 12R)상에는 유전체 적층막(1)이 형성되며, 또한 게다가 원색필터(14R, 14G, 14B)가 설치되어 있고, 원색필터(14R, 14G, 14B)를 통하여 가시광(VL)중의 대응하는 청색(B), 녹색(G) 및 적색(R)의 3원색을 수광하도록 하고 있다. 즉, 유전체 적층막을 3원색계의 컬러필터가 있는 화소의 검지부상에 형성하는 것으로, 적외광을 효과적으로 컷 할 수 있는 기능을 갖게 하고 있다. 또한, 회로구성은, 도 29에 나타나는 것을 채용했다.
또 기판 표면부근의 단면 구조도를 나타낸 도 43에서는, 가시광(VL)만을 수광하는 화소를 나타내고 있다. 적외광(IR)을 수광하는 화소(12IR)는, 유전체 적층막(1) 및 흑색필터(14BK)가 없는 구조이다. 즉, 도 33에서 설명한 제작 프로세스공정과 같이 유전체 적층막을 도 13에 나타낸 구조로 CVD법으로 SiN층과 SiO2층을 차례차례 적층한 후, 리소그래피기술과 RIE법에 의하여 적외광(IR)을 수광하는 화소에만 있어 제거한다. 그 후, 다시 SiO2층을 적층하여 평탄화 했다.
이와 같은 구조로 제작된 촬상소자를 이용하는 것으로, 3원색성분에 근거하는 가시광선 컬러화상과, 적외광(IR)만의 상(像)을 동시에 촬상할 수 있는 것을 알았다. 즉, 색필터(14C)로서 가시광(VL)만을 흡수하도록 흑색필터(14BK)를 설치하면, 가시광(VL)을 이 흑색필터(14BK)에서 흡수시킬 수 있고, 적외광(IR)의 화소(12IR)로부터의 화상데이터에 근거하여 적외광(IR)만의 상을 얻을 수 있게 된다.
＜색분리 필터 배열；제 2예＞
도 44는, 색분리필터 배치의 제 2의 구체예(이하 제 2 구체예라고 한다)를 나타내는 도면이다. 이 제 2구체적인 예는, 가시광 컬러화상을 촬상하기 위한 검지영역 이외에, 적외광과 함께 가시광의 전파장성분도 수광·검지하는 검지영역을 설치하는 점에 특징을 가진다.
도 44a에 도시된 바와 같이, 이른바 베이야 배열의 기본형의 컬러필터를 이용하고 있고, 먼저, 정사각 격자모양으로 배치된 단위화소가 적(R), 녹(G), 청(B)의 3색컬러필터에 대응하도록, 색분리필터의 반복단위가 2화소×2화소로 배치되어 화소부를 구성하도록 한다. 또, 적외광과 함께 가시광선의 전파장성분을 수광·검지하는 검지부(검지영역)를 설치할 수 있도록, 2개의 초록(G)중 한쪽을 백색필터(W)로 치환한다. 즉, 가시광선 컬러화상용에 원색필터(R, G, B)의 3개의 파장영역(색성분)용의 것과, 원색필터(R, G, B)의 성분과는 다른 적외광용의 백색필터(W)라고 하는 별개의 필터특성을 가지는 4종류의 색필터를 규칙적으로 설치하고 있다.
또한, 백색필터(W)가 배치되는 백색화소는, 가시광에서 적외광(특히 근적외광)까지의 전(全)파장의 성분을 통과시키는 것이며, 이 점에 있어서는, 사실상, 컬러필터를 설치하지 않는 구성을 채용할 수 있다.
예를 들면, 짝수행 홀수열에는 제 1의 컬러(빨강；R)를 감지하기 위한 제 1의 컬러화소를 배치하고, 홀수행 홀수열에는 제 2의 컬러(초록；G)를 감지하기 위한 제 2의 컬러화소를 배치하고, 홀수행 짝수열에는 제 3의 컬러(파랑；B)를 감지하기 위한 제 3의 컬러화소를 배치하고, 짝수행 짝수열에는 적외광(IR)을 감지하기 위한 제 4의 컬러화소(여기에서는 백화소)를 배치하고 있고, 행 마다 다른 G／B, 또는 R／W의 화소가 체크무늬모양으로 배치되어 있다. 이와 같은 베이야 배열의 기본형의 컬러필터의 색배열은, 행방향 및 열방향의 어느 쪽에 대해서도, G／B 또는 R／W의 2색이 2개마다 반복된다.
원색필터(R, G, B)를 통하여 대응하는 검지부에서 검지하는 것으로 가시광 컬러화상을 촬상할 수 있는 동시에, 백색필터(W)를 통하여 대응하는 검지부에서 검지하는 것으로 적외광 화상, 혹은 적외광과 가시광의 혼재화상을 가시광 컬러화상과는 독립 또한 동시에 촬상할 수 있다. 예를 들면, 적외광(IR)과 가시광(VL)의 혼합성분을 수광하는 화소(12IR)로부터의 화소데이터를 그대로 이용하는 것으로, 적외광(IR)과 가시광(VL)의 혼합성분의 상을 얻을 수 있고, 감도를 높게 할 수 있다. 또, 적외광(IR)과 가시광(VL)의 혼합성분의 상과 함께 가시광(VL)의 상을 얻을 수 있지만, 양자의 차분을 취하는 것으로, 적외광(IR)만의 상이 얻어진다.
또한, 상기 예에서는, 가시광 컬러 화상 촬상용의 색필터(14)로서, 원색필터(14R, 14G, 14B)를 이용하고 있었지만, 보색필터(Cy, Mg, Ye)를 이용할 수도 있다. 이 경우 예를 들면, 도 44b에 도시된 바와 같이, 원색필터(14R)를 옐로우(Ye)로, 원색필터(14G)를 마젠타(Mg)로, 원색필터(14B)를 시안(Cy)으로, 각각 치환하여도 좋다. 그리고, 대각에 2개 존재하게 되는 마젠타(Mg)의 한쪽에, 적외광상 취득용의 백색필터(W)를 배치한다.
백색필터가 배치되는 화소를 제외한 화소(12Cy, 12Mg, 12Ye)상에는 유전체 적층막(1)이 형성되며, 또한, 게다가, 보색필터(14Cy, 14Mg, 14Ye)가 설치되며, 보색필터(14Cy, 14Mg, 14Ye)를 통하여 가시광(VL)내에 대응하는 시안(Cy), 마젠타(Mg) 및 옐로우(Ye)의 각 색을 수광하도록 한다. 즉, 유전체 적층막을 보색계의 컬러필터가 있는 화소의 검지부상에 형성하는 것으로, 적외광을 효과적으로 컷 할 수 있는 기능을 갖게 한다.
또, Cy, Mg, Ye의 보색필터만의 조성에 한정하지 않고, 원색필터의 하나인 녹색필터(G)를 보색필터와 조합한 것에 대해서도, 보정화소를 이루는 백색필터(W)의 화소를 설치할 수도 있다. 예를 들면, 도 44c에 도시된 바와 같이, Cy, Mg의 2개의 보색필터와 G의 원색필터를 조합한 필드 축적 주파수 인터리브 방식용의 것에 있어서, 4화소내에 2개 존재하는 원색필터(G)중의 한쪽을 보정화소로 작용하는 백색필터(W)로 치환하여도 좋다.
그런데, 백색 보정화소(12W)는, 가시광(VL)에서 적외광(IR)까지 넓은 파장영역에 있어서 감도가 있으므로, 가시광선 컬러 화상 촬상용의 화소(여기에서는 원색필터가 배치된 원색화소)에 비하여 신호가 포화하기 쉽고, 특히 밝은 환경하에서의 촬상에 있어서는, 이 포화현상이 문제로 될 수 있다. 구체적으로는, 밝은 환경하에서는, 적정한 적외광 화상을 취득할 수 없다.
이 포화의 문제를 해소하는데에는, 백색필터(W)가 배치되는 검지부의 검지시간을 구동제어부(146)에 의하여 제어하면 좋다. 예를 들면, 밝은 환경하에서의 촬상에 있어서는, 셔터 기능(메카 셔터에 한정하지 않고 전자 셔터를 포함한다)을 이용한 노광제어를 이용하고, 고속으로 촬상하도록 하면 좋다. 예를 들면, 촬상소자에 대하여 짧은 주기로 노광을 행하고, 그 촬상소자(자세한 것은 검지부)로부터 화소신호를 읽어내고, 그것을 화상신호처리부(140)에 보내도 좋다.
이 경우, 예를 들면 60프레임／초 보다 높은 레이트로 노광과 신호 독출을 행하는 것으로 포화에 대하여 효과가 높아진다. 혹은 단지 0.01667초보다 짧은 시간(축적시간)에서 신호독출을 실행할 수 있으면 바람직하다. 이 경우, 예를 들면, 오버플로우를 이용하여 기판측에 전하신호를 배출하는 것으로 실효적으로 짧은 시간으로의 전하의 축적을 읽어내도 좋다.
또한, 바람직하게는 240프레임／초 보다 높은 레이트로 노광과 신호 독출 행하는 것으로 포화에 대해서의 효과를 한층 더 향상시킬 수 있다. 혹은 단지 4.16 밀리 초보다 짧은 시간(축적시간)에서 신호독출을 행할 수 있으면 바람직하다.
또한, 이와 같이 포화하지 않도록 짧은 시간(축적시간)에 전하를 읽어내는 대상화소는, 백색 보정화소(12W)만이라고 해도 좋고, 가시광 컬러화상 촬상용의 다른 화소(여기에서는 원색필터가 배치된 원색화소)를 포함하는 전(全)화소로 해도 좋다.
또, 또한 짧은 노광시간에서 읽어낸 신호를 2회 이상 적산하는 것으로, 암부에 있어서의 약한 신호를 강한 신호로 변환하고, S／N비를 높여도 좋다. 예를 들면, 이와 같이 하는 것으로, 어두운 환경하에서 촬상해도, 또 밝은 환경하에서 촬상해도 적절한 감도와 높은 S／N비가 얻어지며, 다이나믹 레인지가 퍼지게 된다. 즉, 고속으로 촬상하는 것으로 백색 보정화소(12W)에서의 포화가 일어나기 어려워지는 동시에, 신호를 적산하는 것으로 넓은 다이나믹 레인지를 취할 수 있게 된다.
＜센서구조의 구체예 2；CCD 대응＞
도 45는, 도 44에 나타낸 색분리필터의 배치를 가지고, 적외광(IR)과 가시광(VL)의 2개의 파장성분을 동시에 상으로서 따로 따로 촬상할 수 있도록 한 CCD 고체촬상소자를 설명하는 도면이다. 여기서, 도 45는, 구조예를 나타내는 약식도(사시도)이다. 또한 여기에서는, 유전체 적층막을 이용한 CCD 고체촬상소자(101)로의 적용 사례로 나타내고 있다. 기판 표면부근의 단면 구조도는 도 43과 동일하다.
도 45에 나타내는 CCD 고체촬상소자(101)의 구조에 있어서는, 4화소로 이루어지는 단위화소 매트릭스(12)만을 나타내고 있지만, 실제로는 이것을 가로방향으로 반복하고, 그것을 또한 세로방향으로 반복한 구조이다.
단위화소 매트릭스(12)를 이루는 주기 배열의 4화소중, 1개의 화소(12IR)상에는 유전체 적층막(1)이 형성되어 있지 않고 색필터(14)가 설치되어 있지 않고, 색필터(14)를 통하지 않고 적외광(IR)을 수광하도록 되어 있다. 이 경우, 화소(12IR)에서는, 적외광(IR)과 가시광(VL)의 혼합 성분을 수광할 수 있게 된다. 이 색필터(14)가 설치되어 있지 않은 화소(12IR)를 백색 화소(12W) 혹은 전역 통과 화소라고 부른다.
이와 같이, 유전체 적층막(1)을 형성하지 않았던 화소(12IR)에 있어서, 적외광(IR)뿐만 아니라 가시광(VL)도 동시에 신호에 기여하도록, 백색 화소(12W)에 대해서는, 색필터(14)를 넣지 않는다. 이렇게 하는 것으로, 실질적으로, 적외광용의 화소(12IR)를, 적외광(IR)용 뿐만 아니라, 적외광(IR)용과 가시광(VL)용을 겸하는 화소로서 기능시킬 수 있다.
한편, 다른 3개의 화소(12B, 12G, 12R)상에는 유전체 적층막(1)이 형성되며, 또한 게다가, 원색필터(14R, 14G, 14B)가 설치되어 있고, 원색필터(14R, 14G, 14B)를 통하여 가시광(VL)내의 대응하는 청색(B), 녹색(G) 및 적색(R)의 3원색을 수광하도록 하고 있다. 즉, 유전체 적층막을 3원색계의 컬러필터가 있는 화소의 검지부상에 형성하는 것으로, 적외광을 효과적으로 컷 할 수 있는 기능을 갖게 하고 있다.
제 2구체예에 있어서 이용하는 원색필터(14R, 14G, 14B)로서는, 도 64a에 나타낸 제 1구체예와 동일의 것을 이용할 수 있다. 또한, 회로구성은, 도 29에 나타내는 것을 채용했다.
이와 같은 구조로 제작된 촬상소자를 이용하는 것으로, 3원색성분에 근거하는 가시광 컬러화상과, 적외광(IR)만의 상 또는 적외광(IR)과 가시광(VL)의 혼합의 상을 동시에 촬상할 수 있는 것을 알수 있었다. 예를 들면, 적외광(IR)과 가시광(VL)의 혼합성분을 수광하는 화소(12IR)에서의 화소데이터를 그대로 이용하는 것으로, 적외광(IR)과 가시광(VL)의 혼합성분의 상을 얻을 수 있고, 감도를 높게 할 수 있다. 또, 적외광(IR)과 가시광(VL)의 혼합성분의 상과 함께 가시광(VL)의 상이 얻어지지만, 양자의 차분을 취하는 것으로, 적외광(IR)만의 상이 얻어진다.
또한, 도시하지는 않았지만, 백색필터(14W)를 가시광선 영역중의 G색성분과 적외광 성분을 통과시키고, 나머지(가시광영역 중의 B색성분과 R색성분)를 차단하는 녹색필터로 치환하며, 적외광과 함께 가시광내에 있는 특정의 파장성분을 수광·검지하는 검지영역을 설치하는 구성을 채용할 수도 있다.
이 경우에서도, 적외광(IR)과 가시광(VL)중에 있는 파장성분을 수광하는 화소(12IR)에서의 화소데이터를 그대로 이용하는 것으로, 적외광(IR)과 가시광(VL) 내에 있는 파장성분의 혼합성분의 상을 얻을 수 있고, 감도를 높게 할 수 있다. 또, 그 혼합성분의 상과 함께 가시광(VL)의 상이 얻어지지만, 가시광(VL)의 상(像) 중 상기 어느 파장성분과의 차분을 취하는 것으로, 적외광(IR)만의 상이 얻어진다.
＜색분리필터의 다른 배치예＞
도 46~도 52는, 해상도 저하를 고려한 화소배열을 설명하는 도면이다. 화소배열에 관하여 말하면, 도 41이나 도 44와 같은 배열구조를 적용했을 경우, 단순하게 종래의 RGB원색필터나 CyMgYe보색필터(혹은 원색필터(G))의 가시광의 화소에, 적외광(또는 적외광과 가시광의 혼합) 검지용의 화소를 추가하게 된다.
예를 들면, 본래, 가시광 컬러화상 촬상용의 녹색화소(G)나 마젠타색화소(Mg)가, 흑색 보정화소나 백색화소나 녹색 보정화소 혹은 마젠타 색보정화소로 치환됨으로써, 가시광 컬러화상 및 적외광 화상의 어느 쪽에 대해서도, 해상도 저하를 초래할 가능성이 있다. 예를 들면, 종래의 RGB 베이야 배열의 G의 하나의 화소를 적외화소로 치환하여도, 해상도가 저하한다. 그렇지만, 보정화소와 해상도에 크게 기여하는 파장성분의 화소(예를 들면 녹색화소(G))의 배치모양을 궁리하는 것으로, 이 해상도 저하의 문제를 해소할 수 있다.
이 때에 중요한 것은, 종래와 동일하게, 각 색의 필터를 모자이크모양으로 배치한 색분리필터 구조를 채용하는 경우, 적외광(또는 적외광과 가시광의 혼재)의 화소가 어느 일정한 격자 간격을 가지고 모자이크모양으로 되도록 하는 동시에, 가시광선 원색계(RGB) 또는 보색계(CyMgYe) 화소중의 하나의 화소가 어느 일정한 격자간격을 가지고 모자이크모양으로 되도록 배치하는 것이다.
여기서, 「모자이크모양으로 되도록 한다」는, 어느 색화소에 주목했을 때, 그들이 어느 일정한 격자 간격을 가지고 격자모양으로 배열되도록 하는 것을 의미한다. 반드시, 그 색화소가 인접하는 것을 필수라고는 하지 않는다. 또한, 색화소가 인접하는 배치모양을 채용했을 경우의 전형예로서는, 적외광의 화소와 그 외의 색화소의 정사각형을 엇갈려 늘어놓은 바둑판 눈모양(체크무늬)으로 되도록 하는 배치모양이 있다. 혹은, 가시광의 원색계(RGB) 또는 보색계(CyMgYe) 화소 중의 하나의 화소와 그 외의 색화소의 정사각형을 엇갈려 늘어놓은 바둑판 눈모양(체크무늬)이 되도록 하는 배치상태가 있다.
＜원색필터로의 적용예＞
예를 들면, RGB원색필터를 이용하면서 가시광선 컬러화상의 해상도 저하를 억제하는 데에는, 가시광선영역의 G화소의 배치밀도를 유지하고, 가시광선영역의 나머지 R 혹은 B의 화소를, 보정용의 흑화소나 백화소나 녹색화소로 치환하여도 좋다. 예를 들면 도 46에 도시된 바와 같이, 2행 2열의 단위화소 매트릭스(12)내에 있어서, 먼저, 홀수행 홀수열 및 짝수행 짝수열에 가시광 영역의 녹색 성분을 감지하기 위한 컬러화소(G)를 배치하고, 짝수행 홀수열에는 보정용의 흑화소(도 46a)나 백화소(도 46b)나 녹색 화소(도시하지 않음)를 배치한다.
또, 단위화소 매트릭스(12)의 열방향의 홀수 번째에 있어서는, 행방향의 홀수번째의 단위화소 매트릭스(12)에 있어서의 홀수행 짝수열에 가시광영역의 청색 성분을 감지하기 위한 컬러화소(B)를 배치하고, 행방향의 짝수번째의 단위화소 매트릭스(12)에 있어서의 홀수행 짝수열에 가시광영역의 적색성분을 감지하기 위한 컬러화소(R)를 배치한다. 단위화소 매트릭스(12)의 열방향의 짝수번째에 있어서는, 컬러화소(B)와 컬러화소(R)의 배치를 반대로 한다. 전체로서는, 색필터(14)의 반복 사이클은, 2×2의 단위화소 매트릭스(12)로 완결하게 된다.
이 도 46에 나타내는 바와 같은 배치형태의 경우, 가시광의 원색계(RGB) 화소중 하나의 화소(G)와 그 외의 색화소의 정사각형을 엇갈려 늘어놓은 체크무늬의 배치모양을 채용하고 있고, 가시광 컬러화상에 있어서의 해상도에 크게 기여하는 컬러화소(G)의 배치밀도를 베이야 배열과 같게 할 수 있으므로, 가시광 컬러화상의 해상도의 저하는 없어진다.
다만, 컬러화소(R)와 컬러화소(B)의 배치밀도는 베이야 배열에 대하여 1／2로 되므로 컬러 분해가능이 저하한다. 그렇지만, 색에 관한 인간의 시감도는, 초록(G)에 비해 적(B)이나 청(B)은 뒤떨어지므로, 큰 문제는 되지 않는다고 생각해도 좋다. 한편, 보정화소를 이용한 적외광 화상에 관해서는, 보정화소의 배치밀도가, 가시광영역의 녹색 성분을 감지하기 위한 컬러화소(G)에 대하여 1／2로 되므로, 분해가능은 가시광선 컬러화상보다 뒤떨어진다.
예를 들면, 도 47에 나타내는 바와 같은 투과 스펙트럼 특성을 나타내는 흑색필터(14BK)를 이용하고, 도 46a에 나타내는 바와 같은 배치모양으로 흑색 보정화소를 배치한, 도 31에 나타내는 층구조(가시광을 수광하는 화소에 대응하는 단면 구조도는 도 35)의 CMOS 고체촬상소자(화소회로구성은 도 31)를 도 33의 제작 프로세스공정과 같이 제조하여 실험을 해 보았는데, 3원색의 가시광의 고해상도 컬러 화상과, 컬러 화상보다는 저해상도이지만 비교적 고해상도의 적외광의 상을 동시에 촬상할 수 있는 것을 알수 있었다.
또, 도 46b에 나타내는 배치모양으로 백색 화소를 배치한, 도 37에 나타내는 층구조(가시광을 수광하는 화소에 대응하는 단면 구조도는 도 35)의 CMOS 고체촬상소자(화소회로구성은 도 31)를 도 33의 제작 프로세스 공정과 같이 하여 제조하여 실험을 해 보았는데, 3원색의 가시광선의 고해상도 컬러화상과, 컬러화상보다는 저해상도이지만 비교적 고해상도의 적외광과 가시광이 혼재한 화상을 동시에 촬상할 수 있고, 또 3원색의 가시광화소(R, G, B)로 검지되는 청, 적, 녹의 강도를 줄이는 것으로, 적외광만의 화상을 동시에 촬상할 수 있는 것을 알수 있었다.
또, 포화하지 않도록, 모든 화소를 짧은 시간으로 노광하여 전하신호를 읽어내고, 한층 더 짧은 시간에 판독한 신호를 2회이상 적산(積算)하는 것으로, 큰 신호로 변환할 수 있고, 어두운 환경하에서 촬상해도, 또 밝은 환경하에서 촬상해도, 적절한 감도를 얻을 수 있고, 다이나믹 레인지가 퍼지는 것을 확인했다.
또, 도 46a에 나타내는 바와 같은 흑색 보정화소와 다층막을 조합한 구조나 도 46b에 나타내는 바와 같은 백색 화소와 다층막을 조합한 구조는, CMOS 고체촬상소자뿐만 아니라, 도 43에 나타내는 바와 같은 CCD구조로 제작해도 동일한 효과가 확인되었다.
또, 적외광 화상의 해상도 저하를 억제하는데에는, 예를 들면 도 48에 도시된 바와 같이, 도 46에 나타내는 가시광선 영역의 녹색 성분을 감지하기 위한 컬러화소(G)와 보정용의 흑화소(도 48a)나 백화소(도 48b)나 녹색화소(도시하지 않음)의 배치를 바꿔 넣으면 좋다. 이 경우, 보정화소로서의 적외광의 화소와 그 외의 색화소의 정사각형을 엇갈려 늘어놓은 체크무늬의 배치모양을 채용하고 있고, 보정화소의 배치밀도를 베이야 배열의 경우와 동일하게 할 수 있으므로, 적외광 화상의 해상도의 저하는 없어진다. 다만, 가시광선 컬러화상에 있어서의 해상도에 크게 기여하는 컬러화소(G)의 배치밀도는, 보정화소에 대하여 1／2로 되므로, 가시광선 컬러화상은, 적외광 화상의 분해능보다 뒤떨어진다. 컬러 분해능에 관해서는, 도 46의 경우와 동일하다.
예를 들면, 도 47에 나타내는 바와 같은 투과 스펙트럼 특성을 나타내는 흑색필터(14BK)를 이용하고, 도 48a에 나타내는 바와 같은 배치모양으로 흑색 보정화소를 배치한 CCD 고체촬상소자(화소회로구성은 도 29, 가시광선을 수광하는 화소에 대응하는 단면 구조도는 도 43)를 제조하여 실험을 해 보았는데, 고해상도의 적외광 화상과, 적외광 화상보다는 저해상도이지만 비교적 고해상도의 가시광 컬러화상을 동시에 촬상할 수 있는 것을 알수 있었다.
또, 도 46b에 나타내는 바와 같은 배치모양으로 백색화소를 배치한 CCD 고체촬상소자(화소회로구성은 도 29, 가시광을 수광하는 화소에 대응하는 단면 구조도는 도 43)를 제조하여 실험을 해 보았는데, 고해상도의 적외광과 가시광이 혼재한 화상을 동시에 촬상할 수 있고, 또 3원색의 가시광화소(R, G, B)로 검지되는 청, 적, 녹의 강도를 줄이는 것으로 고해상도의 적외광만의 화상을 촬상할 수 있고, 동시에, 적외광 화상보다는 저해상도이지만 비교적 고해상도의 가시광선 컬러화상을 촬상할 수 있는 것을 알수 있었다.
어느 쪽도, 적외광 커트 필터를 사용하지 않아도, 적외광의 어떤 환경하에서 촬상해도 색 재현이 좋고, 또 백색화소를 배치한 구성의 경우에는, 백색화소로부터 얻어지는 가시광 성분을 사용하여, 3원색의 가시광화소에 근거하여 얻어지는 휘도신호에 보정을 더하는 것으로, 한층 더 색 재현성과는 독립하고, 가시광 컬러화상의 고감도화를 도모할 수 있는 일도 확인되었다.
또, 포화하지 않도록, 백화소만을 오버플로우를 이용하여 짧은 시간에 전하를 읽어내고, 한층 더 짧은 시간에 판독한 신호를 2회이상 적산하는 것으로, 큰 신호로 변환할 수 있고, 어두운 환경하에서 촬상해도, 또 밝은 환경하에서 촬상해도, 적절한 감도를 얻을 수 있고, 다이나믹 레인지가 퍼지는 것을 확인했다.
또, 도 48a에 나타내는 바와 같은 흑색 보정화소와 다층막을 조합한 구조나 도 48b에 나타내는 바와 같은 백색화소와 다층막을 조합한 구조는, CCD 고체촬상소자뿐만 아니라, CMOS 고체촬상소자구조로 제작해도 동일한 효과가 확인되었다.
도 49는, 가시광선 컬러 화상과는 독립으로 적외광화상을 취득하기 위한 화소를 설치하는 경우에 있어서의 다른 화소 배열을 설명하는 도면이다. 이 변형모양은, 적외광 화상 취득용의 화소에 배치하는 색필터의 색을 복수 조합하는 점에 특징을 가진다. 예를 들면, 도 49에 나타내는 예에서는, 제 1구체예와 제 2구체예를 조합하고 있고, 적외광화상 취득용의 화소로서 흑색필터(14BK)와 백색필터(14W)를 단위화소 매트릭스(12)에 대하여 교대로 배치하고 있다. 여기서, 도 49a는 도 41과 도 44와의 조합, 도 49b는 도 46a, 도 46b의 조합, 도 49c는 도 48a, 도 48b의 조합이다.
이와 같은 조합의 배치모양으로 하는 것으로, 예를 들면 백색화소(12W)는 주로 고감도화를 위해 사용하고, 흑색화소(12BK)는 통상의 조도(照度)나 고조도시를 위해 사용할 수 있다. 또, 양자의 출력을 합성하는 것으로, 저조도 레벨에서 고조도 레벨까지의 재현역을 가지도록 할 수 있고, 다이나믹 레인지의 확대를 도모할 수도 있다.
＜보색필터로의 적용예＞
또, CyMgYe보색필터를 이용하면서 가시광 컬러화상의 해상도 저하를 억제하는데에는, 가시광영역(Mg) 화소의 배치밀도를 유지하고, 가시광영역 나머지의 R 혹은 B의 화소를, 적외광 화상 취득용의 흑화소나 백화소나 녹색화소로 치환하여도 좋다. 예를 들면 도 50에 도시된 바와 같이, 2행 2열의 단위화소 매트릭스(12)내에 있어서, 먼저, 홀수행 홀수열 및 짝수행 짝수열에 가시광영역의 마젠타색성분을 감지하기 위한 컬러화소(Mg)를 배치하고, 짝수행 홀수열에는 적외광 화상 취득용의 흑화소(도 50a)나 백화소(도 50b)나 마젠타색화소(도시하지 않음)를 배치한다. 또한, 마젠타색(Mg) 내의 한쪽을 녹색(G)으로 치환할 수도 있다.
이 경우, 가시광의 보색계(CyMgYe) 화소 중 하나의 화소(Mg)와 그 외의 색화소의 정사각형을 엇갈려 늘어 놓은 체크무늬의 배치모양을 채용하고 있고, 가시광 컬러화상에 있어서의 해상도에 크게 기여하는 컬러화소(Mg)의 배치밀도를 베이야 배열과 동일하게 할 수 있으므로, 가시광 컬러화상의 해상도의 저하는 없어진다.
또한, 컬러화소(Cy)와 컬러화소(Ye)의 배치밀도는 컬러화소(Mg)의 배열에 대하여 1／2로 되므로 컬러 분해능이 저하하지만, 색에 관한 인간의 시감도는 낮고 큰 문제로는 되지 않는다고 생각해도 좋다. 또, 보정화소를 이용한 적외광 화상에 관해서는, 보정화소(적외광 화소)의 배치밀도가, 가시광영역의 마젠타색성분을 감지하기 위한 컬러화소(Mg)에 대하여 1／2로 되므로, 분해능은 가시광선 컬러 화상보다 뒤떨어진다.
또, 적외광 화상의 해상도 저하를 억제하는데에는, 예를 들면 도 51에 나타내느 바와 같이, 가시광 영역의 마젠타색성분을 감지하기 위한 컬러화소(Mg)와, 적외광 화상 취득용의 흑화소(도 51a)나 백화소(도 51a)나 마젠타색화소(도시하지 않음)의 배치를 바꿔 넣으면 좋다. 이 경우, 보정화소로서의 적외광의 화소와 그 외의 색화소의 정사각형을 엇갈려 늘어놓은 체크무늬의 배치모양을 채용하고 있고, 보정화소의 배치밀도를 베이야 배열의 경우와 동일하게 할 수 있으므로, 적외광 화상의 해상도의 저하는 없어진다. 다만, 가시광 컬러화상에 있어서의 해상도에 크게 기여하는 컬러화소(Mg)의 배치밀도는, 보정화소에 대하여 1／2로 되므로, 가시광선 컬러화상은, 적외광 화상의 분해능보다 뒤떨어진다. 컬러 분해능에 관해서는, 도 50의 경우와 동일하다.
또한, 해상도 저하를 억제하기 위해 상기의 배치 모양예에서는, 녹색(G) 또는 마젠타색(Mg)의 화소를 가능한 한 고밀도로 모자이크 모양(정형예로서의 체크무늬)으로 되도록 배치하고 있지만, 그 외의 색(R, B 또는 Cy, Ye)의 화소를 체크무늬로 되도록 배치해도, 거의 같은 효과를 얻을 수 있다. 물론, 해상도나 색분해능을 높인후에는, 시감도의 높은 색성분의 필터를 가능한 한 고밀도로 모자이크모양으로 되도록 배치하는 것이 바람직하다.
＜기울기배치로의 적용예＞
또한, 상기 예에서는, 정방 격자모양으로 색필터를 배치하는 사례를 설명했지만, 기울기 격자모양으로 배열할 수도 있다. 예를 들면, 도 52a에 나타내는 배치모양은, 도 46b에 나타내는 배치모양을, 우회전으로 대략 45도만 회전시킨 상태의 화소배열로 되어 있다. 또 도 52b에 나타내는 배치모양은, 도 48b에 나타내는 배치모양을, 우회전으로 대략 45도만 회전시킨 상태의 화소 배열로 되어 있다. 이와 같이, 기울기 격자모양으로 배열하면, 수직방향과 수평방향의 각 화소밀도가 증가함으로써, 그 방향으로의 해상도를 한층 더 높게 할 수 있는 것이다.
이상, 본 발명을 실시형태를 이용하여 설명했지만, 본 발명의 기술적 범위는 상기 실시형태에 기재의 범위에는 한정되지 않는다. 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 상기 실시형태에 다양한 변경 또는 개량을 부가할 수 있고, 그와 같은 변경 또는 개량을 부가한 형태도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
*또, 상기의 실시형태는, 클레임(청구항)에 이러한 발명을 한정하는 것이 아니고, 또 실시형태 중에서 설명되고 있는 특징의 조합의 모두가 발명의 해결수단에 필수라고는 할 수 없다. 상술한 실시형태에는 여러 가지 단계의 발명이 포함되어 있고, 개시되는 복수의 구성 요건에 있어서의 적당의 조합에 의해 여러 가지의 발명을 추출할 수 있다. 실시형태에 나타내는 전(全)구성 요건으로부터 몇개의 구성 요건이 삭제되어도, 효과가 얻어지는 한에 있어서, 이 몇개의 구성 요건이 삭제된 구성이 발명으로서 추출될 수 있다.
상기에서 설명한 구조는, 본 발명의 일실시형태를 나타낸 것이며, 상기에서 설명한 바와 같이, 인접하는 층 사이에서 굴절율이 달라 소정의 두께를 가지는 층을 복수 적층한 구조를 가지고, 전자파중의 소정의 파장영역 성분을 반사시켜 나머지를 통과시키는 특성을 가진 적층부재(유전체 적층막)를 이용하여 파장분별 가능하게 하는 것은, 다른 동일한 구조에서도 가능하다.
또한, 상술의 기술은 반드시 가시광과 적외광의 분광에 한정한 기술은 아니다. 예를 들면, 가시광과 자외광의 분광이나 검지도 가능하게 되며, 가시광과 함께 자외광도 동시에 검출하여 이미지화할 수 있다. 또, 동시에 검출하는 가시광에 대해서는, 분광하지 않고 흑백화상을 검지하는 것에 한정하지 않고, 상술한 바와 같이 하여 색별의 색필터를 이용하여 가시광선대내를 예를 들면 3원색성분에 분광하는 것으로 컬러화상을 검지할 수도 있다.
이것에 의해, 눈으로 볼 수 있는 가시광선의 이미지상(흑백화상 혹은 컬러 화상)과 대응하고, 눈으로 볼 수 없는 자외광의 상(像)정보를 동시에 취득할 수 있다. 이것에 의해서 광합성 감시카메라등이 새로운 정보 시스템의 키 디바이스로서 응용이 확대된다.
예를 들면, 가시광(VL)을 반사파장영역 성분으로 하고, 통과 파장영역 성분을 가시광(VL)보다도 저파장측(예를 들면 자외광)으로 하는 유전체 적층막(1)을 이용하는 것으로, 가시광(VL)과 가시광(VL)보다도 저파장측(예를 들면 자외광)의 분광이나 검지도 가능해진다.
예를 들면, 도시를 생략하지만, 도 41에 있어서, 단위화소 매트릭스(12)를 이루는 주기배열의 4화소중, 하나의 화소(12IR)상에는 가시광(VL) 이상의 파장성분을 반사하는 유전체 적층막(1)을 형성하는 것으로, 가시광(VL)보다도 저파장측(자외광)만을 수광하고, 다른 3개의 화소(12B, 12G, 12R)상에는 유전체 적층막(1)을 형성하지 않고, 색필터(14)(14R, 14B, 14B)를 설치하는 것으로, 가시광(VL)내의 대응하는 청색(B), 녹색(G) 및 적색(R)의 3원색을 저파장측(자외광)과 함께 수광하도록 한다.
통과 파장영역 성분의 영향을 거의 전혀 받지 않는 반사파장영역 성분으로서의 가시광(VL)의 신호를 얻을 때에는, 통과 파장영역 성분인 자외광 성분과의 사이에서의 연산처리를 행하면 좋다. 또한, 색필터(14)(14R, 14B, 14B)의 특성으로서, 통과 파장영역 성분인 자외광 성분에 대한 투과율이 대략 제로인 것을 사용하면, 가시광(VL)보다도 저파장측(보라색 외광) 성분이 색필터(14)(14R, 14B, 14B)에 의하여 환하게 되므로, 이 연산처리가 불필요하게 된다.
본 발명에 의하면, 굴절률이 다른 층을 복수 적층한 구조를 가지는 적층막을 이용하여 통과 파장 영역 성분과 반사파장 영역 성분을 파장 분리하며, 양자의 성분 신호를 개별의 검출부에서 검지하도록 했다.
이것에 의해, 단일의 반도체 장치(예를 들어 이미지 센서)로, 반사파장 영역 성분의 영향을 무시 가능한 통과 파장 영역 성분에 관련되는 물리 정보를 취득할 수 있다. 이 때, 예를 들어 통과 파장 영역 성분의 일례인 가시광선에 대한 반사파장 영역 성분인 적외광을 커트하는 종래와 같은 적외선 커트용의 고가의 유리제의 광학 부재가 불필요하게 된다.
반도체의 깊이 방향에 있어서의 파장에 의한 흡수 계수의 차이를 이용하는 것이 아니며, 이것에 기인한 색 재현성의 문제는 생기지 않는다.
또한, 통과 파장 영역 성분과 반사파장 영역 성분을 별개로 검출하고, 양 성분의 신호 출력을 동시에 취득하는 경우, 통과 파장 영역 성분에 대해서는, 적층막에 의해서 반사파장 영역 성분이 미리 커트되므로, 특개 2002－142228호 공보 기재의 구조와는 달리, 반사파장 영역 성분의 영향을 거의 전혀 받지 않는 통과 파장 영역 성분의 신호를 얻는 경우에, 반사파장 영역 성분과의 사이에서 연산 처리가 불필요하다.
물론, 통과 파장 영역 성분과 반사파장 영역 성분의 신호를 별개로 그리고 동시에 검지할 수 있으므로, 예를 들어, 적외광이나 자외광과 가시광선을 나누어 검지하는 구조로 하여, 가시광선에 의한 이미지와 적외광이나 자외광에 의한 이미지를 동시에 촬상할 수 있게 된다. 이 때, 가시광선을 추가로 3원색 신호 성분으로 나누어 검지하도록 구성하여, 색조가 정확한 가시광선에 의한 이미지와 적외광이나 자외광에 의한 이미지를 동시에 촬상할 수 있게 된다.
또한, 상술의 본 발명에 의하면, 단결정층에 의해 표면 준위로부터의 전자에 대한 장벽이 커져, 이 전자에 기인하는 암전류를 저감할 수 있으며, 예를 들면 12자리수와 큰폭으로 저감하는 것도 가능하게 되기 때문에, 입사빛에 의한 신호의 S／N비를 비약적으로 개선하는 것이 가능하게 된다.
이에 의해, 어두운 방등의 입사 광량이 적은 촬상 조건에 대해서, 고감도화를 위해 신호의 게인을 높게 설정해도, 노이즈가 없는 화상을 얻는 것이 가능하게 된다.
또한, 비록 저감도의 촬상 소자라도, 입사 광량에 관계없이, 앰프의 증폭만으로 고화질의 화상을 얻는 것이 가능하게 된다.
그리고, 소자를 미세화하여 입사광량이 적게 되어도, 충분한 S／N비를 확보하는 것이 가능하게 되기 때문에, 감도 부족을 보충하기 위해서 앰프로 증폭하는 것만으로, 노이즈가 눈에 띄지 않는 양호한 화상을 얻을 수 있다.
따라서, 소자를 미세화하여, 고체 촬상 소자의 다화소화를 도모할 수 있으며, 또한 수광 소자를 이용한 광학 장치나 고체 촬상 장치의 소형화를 도모할 수 있다.
Claims (9)
- 반도체층내에 광전 변환 소자가 형성되며,
상기 반도체층의, 적어도 상기 광전 변환 소자가 형성된 부분 위에, 상기 반도체층보다 밴드 갭이 넓은 재료로 구성되는 단결정층이 형성되어 있으며,
상기 반도체층과 상기 단결정층과의 사이에, 격자가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 수광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 반도체층이 실리콘으로 구성되며, 상기 단결정층이 SiC 또는 SiGeC로 구성되는 것을 특징으로 하는 수광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 단결정층의 두께가, 30nm이하인 것을 특징으로 하는 수광 소자. - 반도체층내에 광전 변환 소자가 형성된 수광 소자를 제조하는 방법에 있어서,
상기 반도체층의, 적어도 상기 광전 변환 소자가 형성되는 부분 위에, 상기 반도체층보다 밴드 갭이 넓은 재료로구성되는 단결정층을 형성하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 수광 소자의 제조 방법. - 반도체층내에 광전 변환 소자가 형성되며,
상기 반도체층의, 적어도 상기 광전 변환 소자가 형성된 부분 위에, 상기 반도체층보다 밴드 갭이 넓은 재료로 구성되는 단결정층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 제 5항에 있어서,
상기 반도체층이 실리콘으로 구성되며, 상기 단결정층이 SiC 또는 SiGeC로 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 제 5항에 있어서,
상기 단결정층의 두께가, 30nm이하인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 제 5항에 있어서,
상기 반도체층과 상기 단결정층과의 사이에, 격자가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 반도체층내에 광전 변환 소자가 형성된 고체 촬상 소자를 제조하는 방법에 있어서,
상기 반도체층의, 적어도 상기 광전 변환 소자가 형성되는 부분 위에, 상기 반도체층보다 밴드 갭이 넓은 재료로구성되는 단결정층을 형성하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제조 방법.
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