WO2020144971A1 - 固体撮像装置及び電子機器 - Google Patents

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Definitions

  • the method of shortening the optical distance between the metal structures can reduce the shift amount of the peak wavelength in the short wavelength range, it cannot be said to be very effective in the long wavelength region. Therefore, in spectroscopy in a region having a long wavelength or multi-spectrum having a wide wavelength range, there is a problem that an error occurs in the spectroscopy on an image plane having a high image height.
  • a solid-state imaging device includes a pixel array section in which a plurality of photoelectric conversion elements are arranged in a two-dimensional lattice, and a light-receiving surface of each of the plurality of photoelectric conversion elements.
  • a plurality of diffraction gratings provided in a one-to-one correspondence with each other and a pixel circuit that generates a pixel signal based on the charges accumulated in each of the photoelectric conversion elements are provided.
  • the period is different from the period of the second diffraction grating located at the second image height different from the first image height.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a schematic structural example of a unit pixel in the image sensor according to the first embodiment. It is a top view which shows the schematic structural example of the surface plasmon resonance filter which concerns on 1st Embodiment.
  • FIG. 3 is a plan layout diagram showing an arrangement example of the surface plasmon resonance filter according to the first embodiment. It is sectional drawing which shows schematic structure of the surface plasmon resonance filter which concerns on 1st Embodiment. It is a figure for demonstrating the pupil correction which concerns on 1st Embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a schematic structural example of a unit pixel in the image sensor according to the first embodiment. It is a top view which shows the schematic structural example of the surface plasmon resonance filter which concerns on 1st Embodiment.
  • FIG. 3 is a plan layout diagram showing an arrangement example of the surface plasmon resonance filter according to the first embodiment. It is sectional drawing which shows schematic structure of the surface plasmon resonance
  • the column processing circuit 103 performs at least noise removal processing such as CDS (Correlated Double Sampling) processing and DDS (Double Data Sampling) processing as signal processing.
  • CDS Correlated Double Sampling
  • DDS Double Data Sampling
  • the CDS processing removes reset noise and fixed pattern noise peculiar to the pixel such as variation in threshold value of the amplification transistor in the pixel.
  • the column processing circuit 103 also has, for example, an AD (analog-digital) conversion function, and converts an analog pixel signal read from the photoelectric conversion element into a digital signal and outputs the digital signal.
  • AD analog-digital
  • the system control unit 105 includes a timing generator that generates various timing signals, and the like, and based on the various timings generated by the timing generator, the vertical drive circuit 102, the column processing circuit 103, and the horizontal drive circuit 104. Drive control is performed.
  • the floating diffusion layer FD converts the accumulated charge into a voltage having a voltage value according to the amount of the charge.
  • the floating diffusion layer FD may be, for example, a capacitance to ground.
  • the floating diffusion layer FD is not limited to this, and is added by intentionally connecting a capacitor or the like to a node connecting the drain of the transfer transistor 111, the source of the reset transistor 112, and the gate of the amplification transistor 113. It may be the capacity.
  • the surface plasmon resonance filter 10 is provided in the insulating film 134.
  • the position of the surface plasmon resonance filter 10 may be, for example, above the light shielding film 135.
  • the present invention is not limited to this, and various changes can be made as long as the light incident on the photodiode PD can be dispersed while suppressing the diffusion of atoms constituting the surface plasmon resonance filter 10 into the semiconductor substrate 130. Is.
  • FIG. 11 is a plan layout diagram showing an arrangement example of the surface plasmon resonance filter according to the present embodiment.
  • FIG. 11 shows an arrangement example of the surface plasmon resonance filter 10 when the pixel array section 101 (see FIG. 6) is viewed from the light incident direction.
  • FIG. 11 by adjusting the period S and/or the hole diameter ⁇ of the holes 12, spectral characteristics are different from each other, in other words, 16 kinds of color filters having different wavelength components selectively transmitted (see FIG. 11).
  • #1 to #16) in 1) are configured by the surface plasmon resonance filter 10 is illustrated.
  • the configuration is not limited to the configuration illustrated in FIG. 11, and all the surface plasmon resonance filters 10 may be configured to selectively transmit the same wavelength component, or two or more different wavelength components can be selectively selected. It may be configured to be transparent.
  • the image sensor 100 applicable to various applications such as agriculture and living body detection can be realized.
  • the pupil correction is performed such that the cycle S of the holes 12 becomes shorter in a region having a higher image height where the incident angle ⁇ of the chief ray becomes larger. As a result, it is possible to obtain image data that has been accurately dispersed without depending on the image height.
  • FIG. 22 shows the spectral characteristic of the surface plasmon resonance filter
  • the chief ray L22 passing through a position displaced by 258 nm in the direction of arrow A3 ( ⁇ X direction) from the center O1 on the incident surface of the surface plasmon resonance filter 10 can be incident on the center O2 of the light receiving surface of the photodiode PD. ..
  • the ultraviolet curable resin film 232a is exposed by irradiating the ultraviolet curable resin film 232a on the resin film 232b against the ultraviolet curable resin film 232a while pressing the surface of the mold 234 on which the recess 234B is formed. Let it harden.
  • the surface plasmon resonance filter 10 has, for example, a plurality of metal nanostructures in the pixel region 110R corresponding to each unit pixel 110. 411 has a configuration in which the elements are arranged periodically.
  • the metal nanostructure 411 is The period S35 is set to 287 nm from the above formula (3) or formula (4).
  • FIG. 41 is a diagram showing a spectral characteristic of plant reflectance. 41, the spectral characteristic W1 indicates the reflectance of healthy plants, the spectral characteristic W2 indicates the reflectance of weakened plants, and the spectral characteristic W3 indicates the spectral characteristics of dead plants.
  • the reflectance of the plant may be a value mainly determined by the reflectance of the leaves of the plant.
  • the vegetation state of the plant may be determined by the processor 1040 (see FIG. 5) based on the image data acquired by the image sensor 100, or the image data may be transmitted to an external server or the like. , A server or the like.

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Abstract

広い波長レンジにおける分光性能を向上する。実施形態に係る固体撮像装置は、複数の光電変換素子(PD)が2次元格子状に配列する画素アレイ部(101)と、前記複数の光電変換素子の受光面それぞれに対して一対一に設けられた複数の回折格子(12)と、前記光電変換素子それぞれに蓄積された電荷に基づいて画素信号を生成する画素回路(112、113、114)とを備え、第1像高に位置する第1回折格子の周期は、前記第1像高とは異なる第2像高に位置する第2回折格子の周期とは異なる。

Description

固体撮像装置及び電子機器
 本開示は、固体撮像装置及び電子機器に関する。
 近年、ナノスケールの金属構造体の表面に発生する自由電子の集団的振動(表面プラズモン共鳴)を利用したカラーフィルタが開発されている。このような表面プラズモン共鳴を利用したカラーフィルタを用いたイメージセンサでは、像高の高い領域において主光線が斜めに入射するため、分光スペクトルのピーク波長が長波長側にシフトしてしまう。このような問題を解決する方法としては、例えば、プラズモン共鳴フィルタを構成する金属構造体間の光学的距離を短くすることで、ピーク波長のシフト量を小さくする方法が考えられる(特許文献1参照)。
特開2010-170085号公報
 しかしながら、金属構造体間の光学的距離を短くする方法では、波長が短い範囲におけるピーク波長のシフト量を小さくすることはできるものの、波長が長い領域ではあまり効果的であるとは言えない。そのため、波長の長い領域での分光や波長レンジの広いマルチ分光などでは、像高の高い像面において分光に誤差が生じてしまうという問題が発生する。
 そこで本開示では、広い波長レンジにおける分光性能を向上することが可能な固体撮像装置及び電子機器を提案する。
 上記の課題を解決するために、本開示に係る一形態の固体撮像装置は、複数の光電変換素子が2次元格子状に配列する画素アレイ部と、前記複数の光電変換素子の受光面それぞれに対して一対一に設けられた複数の回折格子と、前記光電変換素子それぞれに蓄積された電荷に基づいて画素信号を生成する画素回路とを備え、第1像高に位置する第1回折格子の周期は、前記第1像高とは異なる第2像高に位置する第2回折格子の周期とは異なる。
実施形態に係る表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す平面図である。 伝搬型の表面プラズモン共鳴フィルタの原理を説明するための図である。 イメージセンサに入射する光の傾斜角度を説明するための図である。 表面プラズモン共鳴フィルタのピーク波長が像高に応じてシフトすることを示す図である。 第1の実施形態に係るイメージセンサを搭載した電子機器の概略構成例を示すブロック図である。 第1の実施形態に係るイメージセンサの概略構成例を示すブロック図である。 第1の実施形態に係る単位画素の概略構成例を示す回路図である。 第1の実施形態に係るイメージセンサの積層構造例を示す図である。 第1の実施形態に係るイメージセンサにおける単位画素の概略構造例を示す断面図である。 第1の実施形態に係る表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である。 第1の実施形態に係る表面プラズモン共鳴フィルタの配列例を示す平面レイアウト図である。 第1の実施形態に係る表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成を示す断面図である。 第1の実施形態に係る瞳補正を説明するための図である。 第1の実施形態に係る入射角度θがゼロとなる領域に位置する単位画素が備える表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である。 第1の実施形態に係る入射角度θが25°となる領域に位置する単位画素が備える表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である。 第1の実施形態に係る入射角度θが30°となる領域に位置する単位画素が備える表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である。 第1の実施形態に係る入射角度θが35°となる領域に位置する単位画素が備える表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である。 瞳補正無しの場合で入射角度θ=25°となる領域に位置する単位画素に対して設けられる表面プラズモン共鳴フィルタの分光特性を示す図である。 瞳補正無しの場合で入射角度θ=30°となる領域に位置する単位画素に対して設けられる表面プラズモン共鳴フィルタの分光特性を示す図である。 瞳補正無しの場合で入射角度θ=35°となる領域に位置する単位画素に対して設けられる表面プラズモン共鳴フィルタの分光特性を示す図である。 第1の実施形態に係る入射角度θ=25°となる領域に位置する単位画素に対して設けられる表面プラズモン共鳴フィルタの分光特性を示す図である。 第1の実施形態に係る入射角度θ=30°となる領域に位置する単位画素に対して設けられる表面プラズモン共鳴フィルタの分光特性を示す図である。 第1の実施形態に係る入射角度θ=35°となる領域に位置する単位画素に対して設けられる表面プラズモン共鳴フィルタの分光特性を示す図である。 イメージセンサに入射した光の伝搬を説明するための図である。 第2の実施形態に係る表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である(シフト量=-258nm)。 第2の実施形態に係る表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である(シフト量=-120nm)。 第2の実施形態に係る表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である(シフト量=0nm)。 第2の実施形態に係る表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である(シフト量=120nm)。 第2の実施形態に係る表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である(シフト量=258nm)。 入射角度θ=35°傾いて入射する光に対する図25~図29に例示する表面プラズモン共鳴フィルタそれぞれの分光特性を示す図である。 第3の実施形態に係るイメージセンサにおける単位画素の概略構造例を示す断面図である。 第3の実施形態の変形例1に係るイメージセンサにおける単位画素の概略構造例を示す断面図である。 第3の実施形態の変形例2に係るイメージセンサにおける単位画素の概略構造例を示す断面図である。 第3の実施形態の変形例2に係るモスアイ構造の製造プロセスを示す断面図である(その1)。 第3の実施形態の変形例2に係るモスアイ構造の製造プロセスを示す断面図である(その2)。 第3の実施形態の変形例2に係るモスアイ構造の製造プロセスを示す断面図である(その3)。 第4の実施形態に係る局在型表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である(入射角度θ=0)。 第4の実施形態に係る入射角度θが25°となる領域に位置する単位画素が備える局在型表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である。 第4の実施形態に係る入射角度θが30°となる領域に位置する単位画素が備える局在型表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である。 第4の実施形態に係る入射角度θが35°となる領域に位置する単位画素が備える局在型表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である。 植物の反射率の分光特性を示す図である。 人肌の反射率の分光特性を示す図である。
 以下に、本開示の一実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態において、同一の部位には同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。
 また、以下に示す項目順序に従って本開示を説明する。
  1.はじめに
  2.第1の実施形態
   2.1 電子機器の構成例
   2.2 固体撮像装置の構成例
   2.3 単位画素の構成例
   2.4 単位画素の基本機能例
   2.5 固体撮像装置の積層構造例
   2.6 単位画素の断面構造例
   2.7 表面プラズモン共鳴フィルタ
   2.8 配置パターン
   2.9 瞳補正
   2.10 瞳補正ありの表面プラズモン共鳴フィルタ
   2.11 シミュレーション結果
   2.12 作用・効果
  3.第2の実施形態
  4.第3の実施形態
   4.1 変形例1
   4.2 変形例2
  5.第4の実施形態
   5.1 局在型表面プラズモン共鳴フィルタ
   5.2 瞳補正
   5.3 瞳補正ありの局在型表面プラズモン共鳴フィルタ
   5.4 作用・効果
  6.第5の実施形態
  7.第6の実施形態
 1.はじめに
 本開示に係る実施形態を説明するにあたり、まず、表面プラズモン共鳴を利用した波長選択性フィルタの原理について説明する。図1は、以下の実施形態において用いられる伝搬型の表面プラズモン共鳴を利用した波長選択性フィルタ(以下、表面プラズモン共鳴フィルタという)の概略構成例を示す平面図である。図2は、伝搬型の表面プラズモン共鳴フィルタの原理を説明するための図である。
 図1に示すように、表面プラズモン共鳴フィルタ10は、金属膜11に複数の孔12が周期的に設けられた構成を備える。複数の孔12は、回折格子として機能し、孔12の周期S及び/又は孔径φを制御することで、分光特性を制御することが可能である。
 このような構造を備える表面プラズモン共鳴フィルタ10では、図2に示すように、金属膜11の表面に入射した光が表面プラズモンに変換され、金属膜11の表面(入射面)において共鳴する。共鳴する表面プラズモンのうち、構造条件と物性条件とを満たす成分は、孔12を通過して、金属膜11の裏面にまで達する。例えば、図2に示す例において、光L1を赤色の光、光L2を緑色の光、光L3を青色の光とし、表面プラズモン共鳴フィルタ10の構造条件及び物性条件が緑色の光L2を透過するように設計されていたとすると、金属膜11の表面において共鳴する表面プラズモンのうち、緑色の光L2に対応する成分の表面プラズモン13が孔12を通過して、金属膜11の裏面にまで達する。その際、孔12が形成する導波管のカットオフ周波数よりも低周波、すなわち、長波長の成分であっても、孔12を通過することができる。
 金属膜11の裏面に到達した表面プラズモン13は、この裏面において再び光L2に変換されて射出される。なお、ここでは伝播型表面プラズモンによる分光について例を挙げて説明したが、ナノスケールの金属製の柱状構造物(以下、金属ナノ構造体という)が周期的に配列する構造を備えた局在型の表面プラズモン共鳴フィルタ(以下、局在型表面プラズモン共鳴フィルタという)についても、同様の原理で分光することが可能である。
 以上のような表面プラズモン共鳴を利用した分光では、斜めに入射した光に対して分光特性が変化する。例えば、像面に対して斜入射する光に対しては、表面プラズモン共鳴フィルタの分光スペクトルにおけるピーク波長が長波長側にシフトするという現象が発生する。
 このことを図3及び図4に示す例を用いて説明する。図3に例示するように、像高が高くなるにつれて、言い換えれば、固体撮像装置100の受光面の中心Oに対して垂直に入射する光の主光線L0に対する傾きが大きいほど、この光の主光線L10がレンズ14を介して固体撮像装置100の受光面に入射する角度(Chief Ray Angle:CRA)θが大きくなる。そうすると、図4に例示するように、分光スペクトルのピーク波長が、入射角度θの大きさに応じて矢印A1の方向にシフトする。
 このようなピーク波長のシフトが発生すると、固体撮像装置100が取得する情報の精度が低下してしまう。これは、例えば、植生状態の評価としての農業応用や人肌等の生体検知としての生体認知応用において誤った判断が発生する可能性を高めるという課題にも繋がる。
 そこで以下の実施形態では、像高が高い領域で発生する分光スペクトルのピーク波長の長波長側へのシフトを瞳補正により低減する構成及び方法について、具体例を挙げて説明する。
 2.第1の実施形態
 まず、第1の実施形態に係る固体撮像装置及び電子機器について、図面を参照して詳細に説明する。
 2.1 電子機器の構成例
 図5は、第1の実施形態に係る固体撮像装置を搭載した電子機器の概略構成例を示すブロック図である。図5に示すように、電子機器1000は、例えば、撮像レンズ1020と、固体撮像装置100と、記憶部1030と、プロセッサ1040とを備える。
 撮像レンズ1020は、入射光を集光してその像を固体撮像装置100の受光面に結像する光学系の一例である。受光面とは、固体撮像装置100における光電変換素子が配列する面であってよい。固体撮像装置100は、入射光を光電変換して画像データを生成する。また、固体撮像装置100は、生成した画像データに対し、ノイズ除去やホワイトバランス調整等の所定の信号処理を実行する。
 記憶部1030は、例えば、フラッシュメモリやDRAM(Dynamic Random Access Memory)やSRAM(Static Random Access Memory)等で構成され、固体撮像装置100から入力された画像データ等を記録する。
 プロセッサ1040は、例えば、CPU(Central Processing Unit)等を用いて構成され、オペレーティングシステムや各種アプリケーションソフトウエア等を実行するアプリケーションプロセッサや、GPU(Graphics Processing Unit)やベースバンドプロセッサなどが含まれ得る。プロセッサ1040は、固体撮像装置100から入力された画像データや記憶部1030から読み出した画像データ等に対し、必要に応じた種々処理を実行したり、ユーザへの表示を実行したり、所定のネットワークを介して外部へ送信したりする。
 2.2 固体撮像装置の構成例
 図6は、第1の実施形態に係るCMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)型の固体撮像装置(以下、単にイメージセンサという)の概略構成例を示すブロック図である。ここで、CMOS型のイメージセンサとは、CMOSプロセスを応用して、または、部分的に使用して作成されたイメージセンサである。例えば、本実施形態に係るイメージセンサ100は、裏面照射型のイメージセンサで構成されている。
 本実施形態に係るイメージセンサ100は、例えば、画素アレイ部101が形成された半導体チップと、周辺回路が形成された半導体チップとが積層されたスタック構造を有する。周辺回路には、例えば、垂直駆動回路102、カラム処理回路103、水平駆動回路104及びシステム制御部105が含まれ得る。
 イメージセンサ100は更に、信号処理部108及びデータ格納部109を備えている。信号処理部108及びデータ格納部109は、周辺回路と同じ半導体チップに設けられてもよいし、別の半導体チップに設けられてもよい。
 画素アレイ部101は、受光した光量に応じた電荷を生成しかつ蓄積する光電変換素子を有する単位画素(以下、単に「画素」と記述する場合もある)110が行方向及び列方向に、すなわち、行列状に2次元格子状に配置された構成を有する。ここで、行方向とは画素行の画素の配列方向(図面中、横方向)をいい、列方向とは画素列の画素の配列方向(図面中、縦方向)をいう。単位画素の具体的な回路構成や画素構造の詳細については後述する。
 画素アレイ部101では、行列状の画素配列に対し、画素行ごとに画素駆動線LDが行方向に沿って配線され、画素列ごとに垂直信号線VSLが列方向に沿って配線されている。画素駆動線LDは、画素から信号を読み出す際の駆動を行うための駆動信号を伝送する。図6では、画素駆動線LDが1本ずつの配線として示されているが、1本ずつに限られるものではない。画素駆動線LDの一端は、垂直駆動回路102の各行に対応した出力端に接続されている。
 垂直駆動回路102は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、画素アレイ部101の各画素を全画素同時あるいは行単位等で駆動する。すなわち、垂直駆動回路102は、当該垂直駆動回路102を制御するシステム制御部105と共に、画素アレイ部101の各画素の動作を制御する駆動部を構成している。この垂直駆動回路102はその具体的な構成については図示を省略するが、一般的に、読出し走査系と掃出し走査系との2つの走査系を備えている。
 読出し走査系は、単位画素から信号を読み出すために、画素アレイ部101の単位画素を行単位で順に選択走査する。単位画素から読み出される信号はアナログ信号である。掃出し走査系は、読出し走査系によって読出し走査が行われる読出し行に対して、その読出し走査よりも露光時間分だけ先行して掃出し走査を行う。
 この掃出し走査系による掃出し走査により、読出し行の単位画素の光電変換素子から不要な電荷が掃き出されることによって当該光電変換素子がリセットされる。そして、この掃出し走査系で不要電荷を掃き出す(リセットする)ことにより、所謂電子シャッタ動作が行われる。ここで、電子シャッタ動作とは、光電変換素子の電荷を捨てて、新たに露光を開始する(電荷の蓄積を開始する)動作のことを言う。
 読出し走査系による読出し動作によって読み出される信号は、その直前の読出し動作または電子シャッタ動作以降に受光した光量に対応している。そして、直前の読出し動作による読出しタイミングまたは電子シャッタ動作による掃出しタイミングから、今回の読出し動作による読出しタイミングまでの期間が、単位画素における電荷の蓄積期間(露光期間ともいう)となる。
 垂直駆動回路102によって選択走査された画素行の各単位画素から出力される信号は、画素列ごとに垂直信号線VSLの各々を通してカラム処理回路103に入力される。カラム処理回路103は、画素アレイ部101の画素列ごとに、選択行の各画素から垂直信号線VSLを通して出力される信号に対して所定の信号処理を行うとともに、信号処理後の画素信号を一時的に保持する。
 具体的には、カラム処理回路103は、信号処理として少なくとも、ノイズ除去処理、例えばCDS(Correlated Double Sampling:相関二重サンプリング)処理や、DDS(Double Data Sampling)処理を行う。例えば、CDS処理により、リセットノイズや画素内の増幅トランジスタの閾値ばらつき等の画素固有の固定パターンノイズが除去される。カラム処理回路103は、その他にも、例えば、AD(アナログ-デジタル)変換機能を備え、光電変換素子から読み出され得たアナログの画素信号をデジタル信号に変換して出力する。
 水平駆動回路104は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、カラム処理回路103の画素列に対応する読出し回路(以下、画素回路という)を順番に選択する。この水平駆動回路104による選択走査により、カラム処理回路103において画素回路ごとに信号処理された画素信号が順番に出力される。
 システム制御部105は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータなどによって構成され、当該タイミングジェネレータで生成された各種のタイミングを基に、垂直駆動回路102、カラム処理回路103、及び、水平駆動回路104などの駆動制御を行う。
 信号処理部108は、少なくとも演算処理機能を有し、カラム処理回路103から出力される画素信号に対して演算処理等の種々の信号処理を行う。データ格納部109は、信号処理部108での信号処理にあたって、その処理に必要なデータを一時的に格納する。
 なお、信号処理部108から出力された画像データは、例えば、イメージセンサ100を搭載する電子機器1000におけるプロセッサ1040等において所定の処理が実行されたり、所定のネットワークを介して外部へ送信されたりしてもよい。
 2.3 単位画素の構成例
 図7は、本実施形態に係る単位画素の概略構成例を示す回路図である。図7に示すように、単位画素110は、フォトダイオードPDと、転送トランジスタ111と、リセットトランジスタ112と、増幅トランジスタ113と、選択トランジスタ114と、浮遊拡散層FDとを備える。
 選択トランジスタ114のゲートには、画素駆動線LDに含まれる選択トランジスタ駆動線LD114が接続され、リセットトランジスタ112のゲートには、画素駆動線LDに含まれるリセットトランジスタ駆動線LD112が接続され、転送トランジスタ111のゲートには、画素駆動線LDに含まれる転送トランジスタ駆動線LD111が接続されている。また、増幅トランジスタ113のドレインには、カラム処理回路103に一端が接続される垂直信号線VSLが選択トランジスタ114を介して接続されている。
 以下の説明において、リセットトランジスタ112、増幅トランジスタ113と及び選択トランジスタ114は、まとめて画素回路とも称される。この画素回路には、浮遊拡散層FD及び/又は転送トランジスタ111が含まれてもよい。
 フォトダイオードPDは、入射した光を光電変換する。転送トランジスタ111は、フォトダイオードPDに発生した電荷を転送する。浮遊拡散層FDは、転送トランジスタ111が転送した電荷を蓄積する。増幅トランジスタ113は、浮遊拡散層FDに蓄積された電荷に応じた電圧値の画素信号を垂直信号線VSLに出現させる。リセットトランジスタ112は、浮遊拡散層FDに蓄積された電荷を放出する。選択トランジスタ114は、読出し対象の単位画素110を選択する。
 フォトダイオードPDのアノードは、接地されており、カソ-ドは、転送トランジスタ111のソースに接続されている。転送トランジスタ111のドレインは、リセットトランジスタ112のソースおよび増幅トランジスタ113のゲートに接続されており、これらの接続点であるノードが浮遊拡散層FDを構成する。なお、リセットトランジスタ112のドレインは、不図示の垂直リセット入力線に接続されている。
 増幅トランジスタ113のソースは、不図示の垂直電流供給線に接続されている。増幅トランジスタ113のドレインは、選択トランジスタ114のソースに接続されており、選択トランジスタ114のドレインは、垂直信号線VSLに接続されている。
 浮遊拡散層FDは、蓄積している電荷をその電荷量に応じた電圧値の電圧に変換する。なお、浮遊拡散層FDは、例えば、対接地容量であってもよい。ただし、これに限定されず、浮遊拡散層FDは、転送トランジスタ111のドレインとリセットトランジスタ112のソースと増幅トランジスタ113のゲートとが接続するノードにキャパシタなどを意図的に接続することで付加された容量であってもよい。
 2.4 単位画素の基本機能例
 次に、単位画素110の基本機能について、図7を参照して説明する。リセットトランジスタ112は、垂直駆動回路102からリセットトランジスタ駆動線LD112を介して供給されるリセット信号RSTに従って、浮遊拡散層FDに蓄積されている電荷の排出(リセット)を制御する。なお、リセットトランジスタ112がオン状態であるときに転送トランジスタ111をオン状態とすることで、浮遊拡散層FDに蓄積されている電荷に加え、フォトダイオードPDに蓄積されている電荷を排出(リセット)することも可能である。
 リセットトランジスタ112のゲートにHighレベルのリセット信号RSTが入力されると、浮遊拡散層FDが垂直リセット入力線を通して印加される電圧にクランプされる。これにより、浮遊拡散層FDに蓄積されていた電荷が排出(リセット)される。
 また、リセットトランジスタ112のゲートにLowレベルのリセット信号RSTが入力されると、浮遊拡散層FDは、垂直リセット入力線と電気的に切断され、浮遊状態になる。
 フォトダイオードPDは、入射光を光電変換し、その光量に応じた電荷を生成する。生成された電荷は、フォトダイオードPDのカソード側に蓄積する。転送トランジスタ111は、垂直駆動回路102から転送トランジスタ駆動線LD111を介して供給される転送制御信号TRGに従って、フォトダイオードPDから浮遊拡散層FDへの電荷の転送を制御する。
 例えば、転送トランジスタ111のゲートにHighレベルの転送制御信号TRGが入力されると、フォトダイオードPDに蓄積されている電荷が浮遊拡散層FDに転送される。一方、転送トランジスタ111のゲートにLowレベルの転送制御信号TRGが供給されると、フォトダイオードPDからの電荷の転送が停止する。
 浮遊拡散層FDは、上述したように、フォトダイオードPDから転送トランジスタ111を介して転送された電荷をその電荷量に応じた電圧値の電圧に変換する機能を持つ。したがって、リセットトランジスタ112がオフした浮遊状態では、浮遊拡散層FDの電位は、それぞれが蓄積する電荷量に応じて変調される。
 増幅トランジスタ113は、そのゲートに接続された浮遊拡散層FDの電位変動を入力信号とする増幅器として機能し、その出力電圧信号は選択トランジスタ114を介して垂直信号線VSLに画素信号として出現する。
 選択トランジスタ114は、垂直駆動回路102から選択トランジスタ駆動線LD114を介して供給される選択制御信号SELに従って、増幅トランジスタ113による画素信号の垂直信号線VSLへの出現を制御する。例えば、選択トランジスタ114のゲートにHighレベルの選択制御信号SELが入力されると、増幅トランジスタ113による画素信号が垂直信号線VSLに出現される。一方、選択トランジスタ114のゲートにLowレベルの選択制御信号SELが入力されると、垂直信号線VSLへの画素信号の出現が停止される。これにより、複数の単位画素110が接続された垂直信号線VSLにおいて、選択した単位画素110の出力のみを取り出すことが可能となる。
 2.5 固体撮像装置の積層構造例
 図8は、本実施形態に係るイメージセンサの積層構造例を示す図である。図8に示すように、イメージセンサ100は、受光チップ121と回路チップ122とが上下に積層された構造を備える。受光チップ121は、例えば、フォトダイオードPDが配列する画素アレイ部101を備える半導体チップであり、回路チップ122は、例えば、図7に示す画素回路が配列する半導体チップである。
 受光チップ121と回路チップ122との接合には、例えば、それぞれの接合面を平坦化して両者を電子間力で貼り合わせる、いわゆる直接接合を用いることができる。ただし、これに限定されず、例えば、互いの接合面に形成された銅(Cu)製の電極パッド同士をボンディングする、いわゆるCu-Cu接合や、その他、バンプ接合などを用いることも可能である。
 また、受光チップ121と回路チップ122とは、例えば、半導体基板を貫通するTSV(Through-Silicon Via)などの接続部を介して電気的に接続される。TSVを用いた接続には、例えば、受光チップ121に設けられたTSVと受光チップ121から回路チップ122にかけて設けられたTSVとの2つのTSVをチップ外表で接続する、いわゆるツインTSV方式や、受光チップ121から回路チップ122まで貫通するTSVで両者を接続する、いわゆるシェアードTSV方式などを採用することができる。
 ただし、受光チップ121と回路チップ122との接合にCu-Cu接合やバンプ接合を用いた場合には、Cu-Cu接合部やバンプ接合部を介して両者が電気的に接続される。
 2.6 単位画素の断面構造例
 図9は、本実施形態に係るイメージセンサにおける単位画素の概略構造例を示す断面図である。なお、図9には、説明の簡略化のため、図8における受光チップ121の断面構造例が示され、回路チップ122の断面構造例が省略されている。また、図9では、転送トランジスタ111及び受光チップ121から回路チップ122までの電気的な接続を構成する配線層も省略されている。
 図9に示すように、単位画素110は、半導体基板130と、半導体基板130の裏面(図面では上面)に設けられた絶縁膜134と、絶縁膜134上に設けられた反射防止膜136と、反射防止膜136上に設けられた酸化防止膜137と、酸化防止膜137上に設けられた反射防止膜138と、反射防止膜138上に設けられた最上層のパッシベーション膜139とを備える。
 絶縁膜134及びパッシベーション膜139には、例えば、酸化シリコン(SiO)などの絶縁材料を用いることができる。反射防止膜136及び138には、例えば、酸窒化シリコン(SiON)などの高屈折材料を用いることができる。酸化防止膜137には、例えば、窒化シリコン(SiN)など、水分子の拡散を抑制する機能を備えた材料を用いることができる。
 半導体基板130には、例えば、裏面において2次元格子状に配列する矩形の領域それぞれにN型のドーパントを拡散することで形成されたN型半導体領域132と、各N型半導体領域132を囲むP型半導体領域131とが設けられている。これらN型半導体領域132とP型半導体領域131とは、光電変換素子であるフォトダイオードPDを構成する。
 また、各単位画素110間における絶縁膜134中には、ある単位画素110に斜めに入射した光がこの単位画素110に隣接する他の単位画素(以下、隣接画素ともいう)110のフォトダイオードPDへ漏れ込むことを低減するための遮光膜135が設けられている。遮光膜135には、例えば、タングステン(W)などの遮光材料を用いることが可能である。
 なお、図示されていないが、半導体基板130における各単位画素110間には、隣接するフォトダイオードPD間を分離する画素分離部が設けられていてもよい。この画素分離部は、例えば、半導体基板130における隣接するフォトダイオードPD間に形成されたトレンチ内に絶縁膜を埋め込むことで形成されていてもよい。その際、トレンチの内部には、空隙が残っていてもよい。
 また、画素分離部が形成されるトレンチは、半導体基板130の裏面から表面まで達していてもよいし、半導体基板130の裏面から中腹までに形成されていてもよい。以下の説明において、トレンチが半導体基板130の裏面から表面まで達している構成をFFTI(Front Full Trench Isolation)型といい、半導体基板130の裏面から中腹までである構成をRDTI(Reverse Deep Trench Isolation)型という。
 以上のような構成において、例えば、絶縁膜134中には、表面プラズモン共鳴フィルタ10が設けられている。表面プラズモン共鳴フィルタ10の位置は、例えば、遮光膜135よりも上であってもよい。ただし、これに限定されず、表面プラズモン共鳴フィルタ10を構成する原子の半導体基板130への拡散を抑えつつ、フォトダイオードPDに入射する光を分光し得る位置であれば、種々変更することが可能である。
 2.7 表面プラズモン共鳴フィルタ
 図10は、本実施形態に係る表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である。なお、図10には、1つの単位画素110に対して設けられる表面プラズモン共鳴フィルタ10が示されている。
 図10に示すように、表面プラズモン共鳴フィルタ10は、例えば、図1等を用いても説明したように、金属膜11に複数の孔12が周期的に設けられた構成を備える。
 金属膜11には、例えば、Al(アルミニウム)-Cu(銅)などを用いることができる。ただし、これに限定されず、アルミニウム(Al)やアルミニウム合金や金(Au)や銀(Ag)など、表面プラズモンを発生し得る種々の金属材料を用いることが可能である。また、その膜厚は、例えば、150nmとすることができる。
 各孔12の内部は、例えば、誘電体により埋められていてもよい。この誘電体には、絶縁膜134と同じ絶縁材料を用いることができる。孔12内に埋め込む材料を絶縁膜134と同じ絶縁材料とすることで、絶縁膜134及び表面プラズモン共鳴フィルタ10の製造工程を容易化することができる。
 なお、孔12の開口形状は、円形に限定されず、楕円形、正方形や正六角形などの正多角形、長方形、菱形など、種々変形することが可能である。
 また、孔12の配列は、図10に例示するような、菱形の配列を単位胞とした配列(六方細密配列ともいう)に限定されず、孔12が行列方向に配列する正方配列など、等間隔で周期的に孔12が配列する構成であれば、種々変形することが可能である。
 2.8 配置パターン
 以上のような構成を備える表面プラズモン共鳴フィルタ10は、上述したように、回折格子として機能する孔12の周期S及び/又は孔径φを制御することで、分光特性を制御することが可能である(例えば、図1及び図2参照)。そこで本実施形態では、孔12の周期S及び/又は孔径φを調整することで、赤色(R)の波長成分や緑色(G)の波長成分や青色(B)の波長成分や赤外光(IR)の波長成分などの特定の波長成分を選択的に透過するカラーフィルタを構成する。
 図11は、本実施形態に係る表面プラズモン共鳴フィルタの配列例を示す平面レイアウト図である。なお、図11には、画素アレイ部101(図6参照)を光の入射方向から見た場合の表面プラズモン共鳴フィルタ10の配列例が示されている。また、図11には、孔12の周期S及び/又は孔径φを調整することで、分光特性が互いに異なる、言い換えれば、選択的に透過する波長成分が互いに異なる16種類のカラーフィルタ(図11における#1~#16)を表面プラズモン共鳴フィルタ10にて構成した場合が例示されている。
 図11に例示するように、分光特性が互いに異なる16種類の表面プラズモン共鳴フィルタ10にてカラーフィルタを構成した場合のカラーフィルタ配列20は、例えば、16種類のカラーフィルタを1つずつ含む16個の表面プラズモン共鳴フィルタ10を4行4列に配列し、この4行4列の配置パターンを繰返しの単位パターン21とした配列を備える。
 ただし、図11に例示する構成に限定されず、全ての表面プラズモン共鳴フィルタ10が同じ波長成分を選択的に透過するように構成されてもよいし、2種類以上の異なる波長成分を選択的に透過するように構成されてもよい。
 また、単位パターン21も、4行4列に限定されず、5行5列や6行6列など、n行n列(nは正の整数)の配列や、m行n列(mは正の整数)の配列とすることも可能である。
 このように、分光特性が互いに異なる複数種類の表面プラズモン共鳴フィルタ10を設けることで、マルチ分光(ハイパースペクトルともいう)の画像データを取得することが可能となる。それより、農業や生体検知などの様々なアプリケーションに応用可能なイメージセンサ100を実現することが可能となる。
 ただし、マルチ分光に限定されず、例えば、ベイヤー配列やクワッドベイヤー配列など、一般的に使用されるカラーフィルタ配列を、表面プラズモン共鳴フィルタ10を用いて実現することも可能である。
 2.9 瞳補正
 次に、本実施形態に係る瞳補正について説明する。本実施形態では、孔12の周期S及び/又は孔径φを制御することで分光特性を制御することができるという表面プラズモン共鳴フィルタ10の特徴を、瞳補正に応用する。すなわち、本実施形態では、孔12の周期S及び/又は孔径φを制御することで、像高が高い領域で発生する分光スペクトルのピーク波長の長波長側へのシフトを瞳補正により低減する。
 図12及び図13は、第1の実施形態に係る瞳補正を説明するための図であり、図12は、表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成を示す断面図であり、図13は、本実施形態に係る瞳補正を説明するための図である。
 図12に例示される表面プラズモン共鳴フィルタ10は、所定の周期Sで配列する複数の孔12による回折格子を備えている。このような構造の表面プラズモン共鳴フィルタ10に発生する表面プラズモンの波数KSPの構造条件は、入射光L11の波数kの矢印A2方向(X方向)の成分ksinθと回折格子の波数2πm/Sとから、以下の式(1)で表すことができる。式(1)において、波数kと入射角度θとは、それぞれ入射光L11の波数と入射角度とである。また、mは次数、Sは孔12が構成する回折格子の周期である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 また、金属膜11の構成材料とその周辺媒質とで決まる表面プラズモンの波数kSPの物性条件は、以下の式(2)で表すことができる。式(2)において、cは光速、ωは周波数、ε1は金属の誘電率、ε2は周辺媒質の誘電率である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 そこで、表面プラズモンの共鳴条件を満たすためには、式(1)と式(2)との両方を満たす必要がある。
 ここで、光が垂直(θ=0°)に入射した場合に比べて、入射光L11が角度θ傾いて斜入射した場合では、式(1)における左項の波数成分Ksinθが減少する。そのため、分光スペクトルにおけるピーク波長が長波長側へシフトする。
 これを図13を用いて説明する。なお、図13において、直線C0は、光が垂直(θ=0°)に入射した場合の構造条件を示し、直線C1は、光が入射角度θで斜入射した場合(瞳補正無し)を示し、直線C2は、光が入射角度θで斜入射した場合(瞳補正あり)を示している。また、図13では、瞳補正無しの孔12の周期をSとし、瞳補正ありの孔12の周期をSとしている。
 図13に示すように、光が垂直(θ=0°)に入射した場合(構造条件C0)に比べて、入射光L11が角度θ傾いて斜入射した場合(構造条件C1)では、式(1)における左項の波数成分Ksinθが減少することで、構造条件C1と物性条件P1との交点CP1が、交点CP0よりも低波数側へシフトしている。これは、分光スペクトルにおけるピーク波長が長波長側へシフトしたことを示している。
 そこで本実施形態では、入射光L11が角度θ傾いて斜入射した場合の構造条件が物性条件P1と交点CP0で交差する構造条件C2となるように、孔12の周期Sを周期Sから周期Sに変化させる。具体的には、瞳補正後の周期(以下、補正周期ともいう)Sを、以下の式(3)により求まる値とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 ただし、式(3)に代えて、以下の式(4)を用いることで、補正周期Sを近似的に求めることも可能である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 以上のように、孔12の周期Sを補正することで、物性条件がシフトするため、分光スペクトルにおけるピーク波長の長波長側へのシフトを抑制することが可能となる。
 なお、図13において、物性条件P1は、以下の式(5)に漸近する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 また、式(5)において、ωは、プラズマ周波数であり、真空の誘電率εから以下の式(6)により決定される角振動数ωとなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 2.10 瞳補正ありの表面プラズモン共鳴フィルタ
 つづいて、瞳補正ありの表面プラズモン共鳴フィルタ10の構造例について、以下に例を挙げて説明する。
 図14は、入射角度θがゼロとなる領域に位置する単位画素が備える表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である。図15は、入射角度θが25°となる領域に位置する単位画素が備える表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である。図16は、入射角度θが30°となる領域に位置する単位画素が備える表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である。図17は、入射角度θが35°となる領域に位置する単位画素が備える表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である。
 まず、図14に示すように、入射角度θ=0°となる領域、すなわち、像高がゼロの領域(画素アレイ部101における中央付近)に位置する単位画素110に対して設けられる表面プラズモン共鳴フィルタ10-0は、例えば、孔12の周期S0を350nmとし、孔12の孔径φを210nmとした構造を備える。
 また、図15に示すように、入射角度θ=25°となる領域に位置する単位画素110に対して設けられる表面プラズモン共鳴フィルタ10-25では、例えば、孔12の周期S25が、上述した式(3)又は式(4)から、317nmと設定される。なお、孔12の孔径φは、入射角度θ=0°の表面プラズモン共鳴フィルタ10-0と同様に、210nmとされてよい。
 さらに、図16に示すように、入射角度θ=30°となる領域に位置する単位画素110に対して設けられる表面プラズモン共鳴フィルタ10-30では、例えば、孔12の周期S30が、上述した式(3)又は式(4)から、300nmと設定される。なお、孔12の孔径φは、入射角度θ=0°の表面プラズモン共鳴フィルタ10-0と同様に、210nmとされてよい。
 さらにまた、図17に示すように、入射角度θ=35°となる領域に位置する単位画素110に対して設けられる表面プラズモン共鳴フィルタ10-35では、例えば、孔12の周期S35が、上述した式(3)又は式(4)から、287nmと設定される。なお、孔12の孔径φは、入射角度θ=0°の表面プラズモン共鳴フィルタ10-0と同様に、210nmとされてよい。
 このように、本実施形態では、主光線の入射角度θが大きくなる像高の高い領域ほど、孔12の周期Sが短くなるように、瞳補正が施される。それにより、像高に依存することなく、正確に分光された画像データを取得することが可能となる。
 なお、上記した瞳補正は、例えば、4行4列の単位パターン21を1つのまとまりとして施されてもよいし、単位画素110ごとに施されてもよい。また、上述における入射角度θ=0°、25°、30°及び35°は、単なる例であり、より細かい角度ステップや粗い角度ステップやで瞳補正が施されてよい。同様に、より広い角度範囲や狭い角度範囲で瞳補正が施されてもよい。
 2.11 シミュレーション結果
 つづいて、瞳補正ありの表面プラズモン共鳴フィルタ10が備える分光特性を、シミュレーション結果を用いて説明する。なお、本シミュレーションでは、金属膜11の材料をAl(アルミニウム)-Cu(銅)とし、金属膜11の厚さを150nmとし、孔12の配列を六方細密配列とし、入射角度θ=0°の場合の孔12の周期S0を350nmとし、孔12の孔径φを210nmとした場合を例示する。ただし、孔12の配列を六方細密配列とした場合、入射光が行方向(例えば、図14~図17中、X方向)に傾いて入射した場合(以下、X方向入射という)と、列方向(例えば、図14~図17中、Y方向)に傾いて入射した場合(以下、Y方向入射という)とで、孔12の周期Sが等価ではないため、以下の説明では、それら両方についてシミュレーションを行なった結果を示す。
 図18~図20は、瞳補正無しの場合の表面プラズモン共鳴フィルタの分光特性を示す図であり、図18は、入射角度θ=25°となる領域に位置する単位画素に対して設けられる表面プラズモン共鳴フィルタの分光特性を示し、図19は、入射角度θ=30°となる領域に位置する単位画素に対して設けられる表面プラズモン共鳴フィルタの分光特性を示し、図20は、入射角度θ=35°となる領域に位置する単位画素に対して設けられる表面プラズモン共鳴フィルタの分光特性を示している。
 また、図21~図23は、瞳補正ありの場合のプラズモン共鳴フィルタの分光特性を示す図であり、図21は、入射角度θ=25°となる領域に位置する単位画素に対して設けられる表面プラズモン共鳴フィルタの分光特性を示し、図22は、入射角度θ=30°となる領域に位置する単位画素に対して設けられる表面プラズモン共鳴フィルタの分光特性を示し、図23は、入射角度θ=35°となる領域に位置する単位画素に対して設けられる表面プラズモン共鳴フィルタの分光特性を示している。
 なお、図18~図23には、比較として、入射角度θ=0°となる領域、すなわち、像高がゼロの領域に位置する単位画素110に対して設けられる表面プラズモン共鳴フィルタ10-0(周期S0=350nm、孔径φ=210nm)の分光スペクトルT0も示されている。
 まず、図18~図20に示すように、周期Sに対する瞳補正無しの場合、言い換えれば、周期S=350nm、孔径φ=210nmの条件を固定した場合、入射角度θ=25°、30°及び35°のそれぞれにおいて、X方向入射の分光スペクトルT25X、T30X及びT35Xと、Y方向入射の分光スペクトルT25Y、T30Y及びT35Yとの双方で、それぞれのピーク波長が長波長側へシフトしている。これは、図18~図20それぞれに並記されている表面プラズモン共鳴フィルタ10-0(入射角度θ=0)の分光スペクトルT0のピーク波長を基準とすることで、明確に読み取ることができる。
 また、図18~図20に示すように、入射角度θが大きくなるほど、X方向入射の分光スペクトルT25Xと、Y方向入射の分光スペクトルT25Yとの両方で、その主ピーク強度が低下するとともに、X方向入射の分光スペクトルT25XとY方向入射の分光スペクトルT25Yとの乖離が大きくなる傾向にある。
 これに対し、図21~図23に示すように、周期Sに対する瞳補正ありの場合、入射角度θ=25°、30°及び35°のそれぞれにおいて、X方向入射の分光スペクトルU25X、U30X及びU35Xと、Y方向入射の分光スペクトルU25Y、U30Y及びU35Yとの双方で、それぞれのピーク波長の長波長側へのシフトが低減又は解消されている。
 具体的には、図18と図21とを比較すると明らかなように、入射角度θ=25°の表面プラズモン共鳴フィルタ10-25における孔12の周期S25を上述した式(3)又は式(4)に基づいて瞳補正することで(例えば、補正周期S25=317nm)、X方向入射の分光スペクトルU25Xと、Y方向入射の分光スペクトルU25Yとの両方で、それぞれのピーク波長を、表面プラズモン共鳴フィルタ10-0(入射角度θ=0)の分光スペクトルT0のピーク波長と略一致させることが可能となる。
 同様に、図19と図22とを比較すると明らかなように、入射角度θ=30°の表面プラズモン共鳴フィルタ10-30における孔12の周期S30を上述した式(3)又は式(4)に基づいて瞳補正することで(例えば、補正周期S30=300nm)、X方向入射の分光スペクトルU30Xと、Y方向入射の分光スペクトルU30Yとの両方で、それぞれのピーク波長を、表面プラズモン共鳴フィルタ10-0(入射角度θ=0)の分光スペクトルT0のピーク波長と略一致させることが可能となる。
 さらに同様に、図20と図23とを比較すると明らかなように、入射角度θ=35°の表面プラズモン共鳴フィルタ10-35における孔12の周期S35を上述した式(3)又は式(4)に基づいて瞳補正することで(例えば、補正周期S35=287nm)、X方向入射の分光スペクトルU35Xと、Y方向入射の分光スペクトルU35Yとの両方で、それぞれのピーク波長を、表面プラズモン共鳴フィルタ10-0(入射角度θ=0)の分光スペクトルT0のピーク波長と略一致させることが可能となる。
 また、図18~図20と図21~図23とを比較すると分かるように、入射角度θに依存したX方向入射の分光スペクトル及びY方向入射の分光スペクトルの主ピーク強度の低下を抑制することもできるとともに、入射角度θに依存したX方向入射の分光スペクトルとY方向入射の分光スペクトルとの乖離を低減することも可能である。
 2.12 作用・効果
 以上のように、本実施形態によれば、入射角度θに依存して分光特性のピーク波長が長波長側へシフトする現象を瞳補正により抑制することが可能となるため、像高の低い領域から高い領域までの全域において良好な分光特性を備えるイメージセンサ100を実現することが可能となる。それにより、本実施形態に係るイメージセンサ100を植生状態の評価としての農業応用や人肌等の生体検知としての生体認知応用に用いた場合でも、精度の高い情報に基づいて正しい判断をすることが可能となる。
 3.第2の実施形態
 次に、第2の実施形態に係る固体撮像装置及び電子機器について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、第1の実施形態と同様の構成については、それを引用することで、その重複する説明を省略する。
 光が斜めに入射する像高の高い領域では、表面プラズモン共鳴フィルタ10の入射面における中心に光が入射したとしても、その光は、フォトダイオードPDの受光面における中心から外れた位置に入射する。
 これを、図24を用いて説明する。なお、説明の簡略化のため、図24中では、絶縁膜134よりも上層の層構造が省略されている。また、図24では、明確化のため、絶縁膜134と半導体基板130とのハッチングが省略されている。
 図24に例示するように、例えば、半導体基板130上の絶縁膜134が屈折率約1.5の二酸化シリコン(SiO)で構成されている場合、-X方向に入射角度θ1=35°傾いて入射した主光線L21及びL22の絶縁膜134中での傾きθ2は、スネルの法則に基づいて、23.3°となる。
 そのため、例えば、表面プラズモン共鳴フィルタ10の入射面からフォトダイオードPDの受光面までの距離を533nmとした場合、表面プラズモン共鳴フィルタ10の入射面の中心O1を通る主光線L21は、フォトダイオードPDの受光面の中心O2からX方向に258nm外れた位置に入射することとなる。
 このように、受光面の中心O2から外れた位置に入射した光に対しては、フォトダイオードPDの量子効率が低下してしまう場合がある。
 一方で、表面プラズモン共鳴フィルタ10の入射面における中心O1から矢印A3方向(-X方向)に258nmずれた位置を通る主光線L22は、フォトダイオードPDの受光面の中心O2に入射することができる。
 ただし、第1の実施形態でも例示したように、各単位画素110の表面プラズモン共鳴フィルタ10に対して像高に応じた瞳補正をかけた場合、孔12の周期Sが像高に応じて短くなることで、孔12が各単位画素110の表面プラズモン共鳴フィルタ10における入射面の中央付近に集まり、それにより、各単位画素110の表面プラズモン共鳴フィルタ10の入射面における外周付近には、孔12が存在しないこととなる(例えば、図14~図17参照)。
 そのため、図24に例示する主光線L22の光のように、表面プラズモン共鳴フィルタ10の入射面における中心O1から外れた位置を通過する主光線の光に対しては、表面プラズモン共鳴フィルタ10の分光性能を十分に発揮できない場合が存在する。
 そこで本実施形態では、表面プラズモン共鳴フィルタ10の孔12の周期Sに対する瞳補正に併せて、孔12の形成位置も補正する。具体的には、各フォトダイオードPDの受光面の中心O2を通る主光線(例えば、図24における主光線L22)に対して、各表面プラズモン共鳴フィルタ10における孔12が形成された領域(以下、孔形成領域という)の中心が通るように、孔形成領域をずらす。
 図25~図29は、絶縁膜の屈折率を1.5とし、主光線が-X方向に入射角度θ=35°傾いて入射する場合、言い換えれば、-X方向からX方向へ向けて入射角度θ=35°で主光線が入射する場合の、本実施形態に係る瞳補正が施された表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図であって、図25は、孔形成領域R35を-X方向に258nmシフトした場合の表面プラズモン共鳴フィルタ10-35aを示し、図26は、孔形成領域R35を-X方向に120nmシフトした場合の表面プラズモン共鳴フィルタ10-35bを示し、図27は、孔形成領域R35を中央に配置した場合(シフト量=0)の表面プラズモン共鳴フィルタ10-35cを示し、図28は、孔形成領域R35をX方向に120nmシフトした場合の表面プラズモン共鳴フィルタ10-35dを示し、図29は、孔形成領域R35をX方向に258nmシフトした場合の表面プラズモン共鳴フィルタ10-35eを示している。
 また、図30は、主光線がX方向に入射角度θ=35°傾いて入射する条件に対する図25~図29に示す表面プラズモン共鳴フィルタそれぞれの分光特性を示す図である。なお、図30において、分光特性U35aは、図25に示す表面プラズモン共鳴フィルタ10-35aの分光特性を示し、分光特性U35bは、図26に示す表面プラズモン共鳴フィルタ10-35bの分光特性を示し、分光特性U35cは、図27に示す表面プラズモン共鳴フィルタ10-35cの分光特性を示し、分光特性U35dは、図28に示す表面プラズモン共鳴フィルタ10-35dの分光特性を示し、分光特性U35eは、図29に示す表面プラズモン共鳴フィルタ10-35eの分光特性を示している。
 図30に示されるように、絶縁膜の屈折率が1.5であって、主光線が-X方向に入射角度θ=35°傾いて入射する場合、孔形成領域R35が-X方向に258nmシフトされた表面プラズモン共鳴フィルタ10-35a(図25参照)が最も感度の高い良好な分光特性を発揮し得ることが分かる。これは、フォトダイオードPDの中心を通る主光線が表面プラズモン共鳴フィルタ10の孔形成領域R35の中心を通るように孔形成領域R35をシフトすることで、表面プラズモン共鳴フィルタ10の分光特性を最も向上させることが可能であることを示している。
 以上のように、本実施形態によれば、主光線がフォトダイオードPDの中心を通る主光線が表面プラズモン共鳴フィルタの孔形成領域R35の中心を通るように、像高に応じて孔形成領域R35がシフトされるため、像高の低い領域から高い領域までの全域において、フォトダイオードPDの量子効率を改善しつつ、より良好な分光特性を備えるイメージセンサ100を実現することが可能となる。
 その他の構成、動作及び効果は、上述した実施形態と同様であってよいため、ここでは詳細な説明を省略する。
 4.第3の実施形態
 上述した実施形態では、パッシベーション膜139(図9参照)に酸化シリコン(SiO)などの絶縁材料を用いた場合を例示した。これに対し、第3の実施形態では、酸化シリコン(SiO)などの絶縁材料によるパッシベーション膜139に代えて、樹脂材料によるパッシベーション膜を設けた場合について、例を挙げて説明する。なお、以下の説明において、上述した実施形態と同様の構成については、それを引用することで、その重複する説明を省略する。
 図31は、本実施形態に係るイメージセンサにおける単位画素の概略構造例を示す断面図である。なお、図31には、図9と同様に、説明の簡略化のため、図8における受光チップ121の断面構造例が示され、回路チップ122の断面構造例が省略されている。また、図31では、転送トランジスタ111及び受光チップ121から回路チップ122までの電気的な接続を構成する配線層も省略されている。
 図31に示すように、本実施形態に係る単位画素110は、図9に例示した単位画素110と同様の構成において、最上層のパッシベーション膜139が、応力緩和膜231と、樹脂膜232と、反射防止膜233とに置き換えられた構成を備える。
 樹脂膜232は、例えば、樹脂材料を用いて形成されたパッシベーションとして機能する膜であり、その膜厚は、例えば、3μm程度とすることができる。
 反射防止膜138と樹脂膜232との間の応力緩和膜231は、例えば、樹脂材料を用いて形成された層であってよく、その膜厚は、例えば、0.35μm程度とすることができる。
 この応力緩和膜231は、例えば、反射防止膜138以下の積層構造物の線膨張計数と、樹脂膜232の線膨張計数との差等により発生する応力を吸収して緩和する層として機能し得る。それにより、温度上昇等で発生した内部応力や外部応力によって樹脂膜232が剥がれることを低減することが可能となる。
 また、応力緩和膜231は、例えば、直下に位置する反射防止膜138に対する密着性を向上させる層としても機能し得る。それにより、イメージセンサ100を個片化する際のダイシング時に樹脂膜232が剥がれることを低減することが可能となる。
 さらに、反射防止膜138と樹脂膜232との間の応力緩和膜231を介在させることで、分光特性に生じる光干渉による分光振動を抑制することも可能となる。
 樹脂膜232上の反射防止膜233は、例えば、イメージセンサ100のチップ内部で反射した光が樹脂膜232の上面で全反射して再びフォトダイオードPDへ向かうことを抑制するための層であり、例えば、樹脂膜232に用いられた材料よりも高い屈折率を備える樹脂材料が用いられた層であってよい。なお、この反射防止膜233は、省略されてもよい。
 また、以上のように、イメージセンサ100の上層を樹脂層に置き換えた構造とすることで、成膜プロセスを容易化することも可能となる。それにより、イメージセンサ100の量産性を向上することが可能となる。
 その他の構成、動作及び効果は、上述した実施形態と同様であってよいため、ここでは詳細な説明を省略する。
 4.1 変形例1
 図32は、第3の実施形態の変形例1に係るイメージセンサにおける単位画素の概略構造例を示す断面図である。図32に例示するように、樹脂膜232の上面232Aに曲率を持たせることで、樹脂膜232を単位画素110ごとのオンチップレンズとして機能させることも可能である。これにより、入射光をフォトダイオードPDの受光面における中央部分に集めることが可能となるため、各単位画素110の感度を向上させることが可能となる。なお、樹脂膜232の上面232Aの曲率は、例えば、エッチバックなどの技術を用いて与えることが可能である。
 その他の構成、動作及び効果は、上述した実施形態と同様であってよいため、ここでは詳細な説明を省略する。
 4.2 変形例2
 図33は、第3の実施形態の変形例2に係るイメージセンサにおける単位画素の概略構造例を示す断面図である。図33に例示するように、樹脂膜232の上面に複数の凸部232Bを設けることで、樹脂膜232の上面をモスアイ構造とすることも可能である。
 各凸部232Bは、例えば、表面プラズモン共鳴フィルタ10の分光スペクトルにおける主ピーク波長λ以下の周期(例えば、1/3λ以下)で、樹脂膜232の上面に配列していてもよい。また、各凸部232Bは、例えば、先端が尖がった形状の突起物であってもよい。なお、各凸部232Bの先端は、鋭角であってもよいし、鈍角であってもよい。
 このように、樹脂膜232の上面をモスアイ構造とすることで、入射光の主光線に沿った実効的な屈折率プロファイルを空気の屈折率(n=1)から樹脂膜232の屈折率まで連続的に滑らかに変化するプロファイルとすることが可能となる。それにより、反射面として機能する空気層と樹脂膜232との界面を光学的に解消することが可能となるため、入射光に対する反射率を下げて受光効率を高めることが可能となる。
 また、このような構成により、光干渉によって分光に現れる振動を低減することも可能となるため、表面プラズモン共鳴フィルタ10の分光性能を向上することも可能となる。
 図34~図36は、樹脂膜232の上面にモスアイ構造を作成するための製造プロセスの一例を説明するための図である。樹脂膜232の上面のモスアイ構造は、波長λ以下の微細加工が必要であるため、量産性に乏しいという問題がある。そこで本変形例2では、ナノインプリント技術を用いることで、量産性を向上する。以下の説明では、半導体基板130の裏面側の応力緩和膜231上に樹脂膜232のベース部分である樹脂膜232bまでが形成されているものとする。
 本製造プロセスを実行するにあたり、事前に、凸部232Bと同形状の窪み234Bが凸部232Bと同様に配列したモールド234が用意される。このようなモールド234は、例えば、電子線リソグフィーにより波長λのオーダよりも小さいパターンのレジスト膜をシリコン基板に形成し、このレジスト膜をマスクとして用いつつシリコン基板を異方性ドライエッチングすることで作製することができる。
 以上のようなモールド234を準備すると、まず、図34に示すように、半導体基板130の裏面側に形成された樹脂膜232b上に、例えば、紫外線硬化樹脂をスピンコートする。
 次に、図35に示すように、樹脂膜232b上の紫外線硬化樹脂膜232aにモールド234の窪み234Bが形成された面を押し当てた状態で紫外線を照射することで、紫外線硬化樹脂膜232aを硬化させる。
 その後、図36に示すように、モールド234を剥離することで、樹脂膜232bの上面に所定の周期で配列する複数の凸部232Bが形成された構造を備える樹脂膜232が形成される。
 なお、本変形例2では、半導体基板130の裏面側に直接、モスアイ構造を備える樹脂膜232を形成する場合を例示したが、このような製造プロセスに限定されず、例えば、半導体基板130とは別にモスアイ構造を備える基板を作製し、その後、この基板と半導体基板130とを貼り合わせる工程とすることも可能である。
 その他の構成、動作及び効果は、上述した実施形態と同様であってよいため、ここでは詳細な説明を省略する。
 5.第4の実施形態
 上述において触れたように、斜入射の光に対する分光特性の長波長側へのシフトは、金属ナノ構造体が周期的に配列するフィルタ構造による局在型表面プラズモンを利用した共鳴フィルタ(以下、局在型表面プラズモン共鳴フィルタという)においても同様に発生し得る。
 そこで第4の実施形態では、上述した実施形態における表面プラズモン共鳴フィルタ10に代えて、金属ナノ構造体が周期的に配列する局在型表面プラズモン共鳴フィルタを用いた場合について、以下に例を挙げて説明する。なお、以下の説明において、第1の実施形態と同様の構成については、それを引用することで、その重複する説明を省略する。
 5.1 局在型表面プラズモン共鳴フィルタ
 図37は、本実施形態に係る局在型表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である。なお、図37には、1つの単位画素110に対して設けられる局在型表面プラズモン共鳴フィルタ410が示されている。
 図37に示すように、表面プラズモン共鳴フィルタ10は、上述した実施形態に係る表面プラズモン共鳴フィルタ10とは逆に、例えば、各単位画素110に対応する画素領域110Rに、複数の金属ナノ構造体411が周期的に配列した構成を備える。
 金属ナノ構造体411には、金属膜11と同様に、例えば、Al(アルミニウム)-Cu(銅)などを用いることができる。ただし、これに限定されず、アルミニウム(Al)やアルミニウム合金や金(Au)や銀(Ag)など、局在型表面プラズモンを発生し得る種々の金属材料を用いることが可能である。
 また、金属ナノ構造体411の上底面の直径D及び周期Sは、例えば、上述した実施形態における孔12の孔径φ及び周期Sと同様であってよい。また、その高さは、金属膜11の膜厚と同様に、例えば、150nmとすることができる。
 各金属ナノ構造体411間の領域は、例えば、誘電体により埋められていてもよい。この誘電体には、絶縁膜134と同じ絶縁材料を用いることができる。これにより、絶縁膜134及び局在型表面プラズモン共鳴フィルタ410の製造工程を容易化することができる。
 なお、金属ナノ構造体411の上底面の形状は、円形に限定されず、楕円形、正方形や正六角形などの正多角形、長方形、菱形など、種々変形することが可能である。
 また、金属ナノ構造体411の配列は、図37に例示するような、菱形の配列を単位胞とした配列(六方細密配列ともいう)に限定されず、金属ナノ構造体411が行列方向に配列する正方配列など、等間隔で周期的に金属ナノ構造体411が配列する構成であれば、種々変形することが可能である。
 5.2 瞳補正
 以上のような構成を備える局在型表面プラズモン共鳴フィルタ410は、上述した実施形態に係る表面プラズモン共鳴フィルタ10と同様に、回折格子として機能する金属ナノ構造体411の周期S及び/又は直径Dを制御することで、分光特性を制御することが可能である(例えば、図1及び図2参照)。そこで本実施形態では、上述した実施形態と同様に、金属ナノ構造体411の周期S及び/又は直径Dを制御することで、像高が高い領域で発生する分光スペクトルのピーク波長の長波長側へのシフトを瞳補正により低減する。
 なお、本実施形態に係る瞳補正の詳細については、第1の実施形態において図12及び図13を用いて説明した瞳補正と同様であってよいため、ここでは詳細な説明を省略する。
 5.3 瞳補正ありの局在型表面プラズモン共鳴フィルタ
 つづいて、瞳補正ありの局在型表面プラズモン共鳴フィルタ410の構造例について、以下に例を挙げて説明する。
 図38は、入射角度θが25°となる領域に位置する単位画素が備える局在型表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である。図39は、入射角度θが30°となる領域に位置する単位画素が備える局在型表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である。図40は、入射角度θが35°となる領域に位置する単位画素が備える局在型表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例を示す上視図である。なお、入射角度θがゼロとなる領域に位置する単位画素が備える局在型表面プラズモン共鳴フィルタの概略構成例は、図37に示した局在型表面プラズモン共鳴フィルタ410と同様であってよいため、ここではそれを引用する。
 まず、図37に示すように、入射角度θ=0°となる領域、すなわち、像高がゼロの領域(画素アレイ部101における中央付近)に位置する単位画素110に対して設けられる局在型表面プラズモン共鳴フィルタ410は、例えば、金属ナノ構造体411の周期S0を350nmとし、金属ナノ構造体411の直径Dを210nmとした構造を備える。
 また、図38に示すように、入射角度θ=25°となる領域に位置する単位画素110に対して設けられる局在型表面プラズモン共鳴フィルタ410-25では、例えば、金属ナノ構造体411の周期S25が、上述した式(3)又は式(4)から、317nmと設定される。なお、金属ナノ構造体411の直径Dは、入射角度θ=0°の局在型表面プラズモン共鳴フィルタ410同様に、210nmとされてよい。
 さらに、図39に示すように、入射角度θ=30°となる領域に位置する単位画素110に対して設けられる局在型表面プラズモン共鳴フィルタ410-30では、例えば、金属ナノ構造体411の周期S30が、上述した式(3)又は式(4)から、300nmと設定される。なお、金属ナノ構造体411の直径Dは、入射角度θ=0°の局在型表面プラズモン共鳴フィルタ410と同様に、210nmとされてよい。
 さらにまた、図40に示すように、入射角度θ=35°となる領域に位置する単位画素110に対して設けられる局在型表面プラズモン共鳴フィルタ410-35では、例えば、金属ナノ構造体411の周期S35が、上述した式(3)又は式(4)から、287nmと設定される。なお、金属ナノ構造体411の直径Dは、入射角度θ=0°の局在型表面プラズモン共鳴フィルタ410と同様に、210nmとされてよい。
 このように、本実施形態では、主光線の入射角度θが大きくなる像高の高い領域ほど、金属ナノ構造体411の周期Sが短くなるように、瞳補正が施される。それにより、像高に依存することなく、正確に分光された画像データを取得することが可能となる。
 なお、上記した瞳補正は、例えば、図11に例示した4行4列の単位パターン21を1つのまとまりとして施されてもよいし、単位画素110ごとに施されてもよい。また、上述における入射角度θ=0°、25°、30°及び35°は、単なる例であり、より細かい角度ステップや粗い角度ステップやで瞳補正が施されてよい。同様に、より広い角度範囲や狭い角度範囲で瞳補正が施されてもよい。
 5.4 作用・効果
 以上のような構成とすることで、上述した実施形態と同様に、入射角度θに依存して分光特性のピーク波長が長波長側へシフトする現象を瞳補正により抑制することが可能となるため、像高の低い領域から高い領域までの全域において良好な分光特性を備えるイメージセンサ100を実現することが可能となる。それにより、本実施形態に係るイメージセンサ100を植生状態の評価としての農業応用や人肌等の生体検知としての生体認知応用に用いた場合でも、精度の高い情報に基づいて正しい判断をすることが可能となる。
 なお、本実施形態では、第1の実施形態をベースとして表面プラズモン共鳴フィルタ10を局在型表面プラズモン共鳴フィルタ410に置き換えた場合を例示したが、これに限定されず、例えば、第2の実施形態や第3の実施形態など、他の実施形態をベースとすることも可能である。
 その他の構成、動作及び効果は、上述した実施形態と同様であってよいため、個々では詳細な説明を省略する。
 6.第5の実施形態
 上述においても触れたように、上述した各実施形態に係るイメージセンサ100は、農業用や医療用のイメージセンサとして応用することが可能である。そこで第5の実施形態では、上述した実施形態に係るイメージセンサ100を農業や植物の育成等のNDVI(Normalized Difference Vegetation Index)に応用した場合について説明する。
 図41は、植物の反射率の分光特性を示す図である。なお、図41において、分光特性W1は、健康な植物の反射率を示し、分光特性W2は、弱った植物の反射率を示し、分光特性W3は、枯れた植物の分光特性を示している。なお、植物の反射率は、主に植物の葉の反射率によって決まる値であってよい。
 図41に示すように、波長600~800nmの帯域における植物の反射率は、その植物の植生状態に依存して大きく変化する。そこで、少なくとも波長600~800nmを挟む2つの帯域で、又は、波長600~800nmの帯域内で、2つ以上の波長成分によるマルチな分光特性を取得することで、植物の植生状態を判別することが可能である。
 例えば、波長600~700nmの帯域で植物の反射率を測定し、波長700~800nmの帯域で植物の反射率をさらに測定することで、測定された2つの反射率の関係から、植物の植生状態を判別することが可能となる。
 若しくは、波長400~600nmの帯域で植物の反射率を測定し、波長800~1000nmの帯域で植物の反射率をさらに測定することでも、測定された2つの反射率の関係から、植物の植生状態を判別することが可能となる。
 さらに、判別精度を上げるために、3つ以上の複数の帯域で植物の反射率を測定するように構成することも可能である。
 以上のような、2つ以上の帯域での反射率を測定する1又は複数のイメージセンサ100を、ドローンなどの無人航空機やヘリコプターや小型飛行機などの有人航空機等に搭載し、上空から農作物の育成状態を観測する構成とすることで、広範囲での作物の育成状態を判別可能なように構成することも可能となる。
 なお、植物の植生状態の判別は、例えば、イメージセンサ100で取得された画像データに基づいて、プロセッサ1040(図5参照)が実行してもよいし、外部のサーバ等へ画像データを送信し、サーバ等で実行されてもよい。
 7.第6の実施形態
 また、第6の実施形態では、上述した実施形態に係るイメージセンサ100を生体認証に応用した場合について説明する。
 図42は、人肌の反射率の分光特性を示す図である。なお、図42において、分光特性W11は、モンゴロイドの反射率を示し、分光特性W12は、白人種の反射率を示し、分光特性W13は、ネグロイドの反射率を示している。
 図42に示すように、波長450~650nmの帯域における人の反射率は、その人の人種に依存して大きく変化する。このような反射率の変化は、被写体が人肌か否かの認証に利用することができる。
 例えば、波長450nmと波長550nmと波長650nmとの3つの分光を検知することで、被写体が人肌か否かを判別することができる。これは、被写体が人肌でない別の物体であれば、反射率の変化が図42に例示されるそれらとは異なるためである。
 このような反射率の変化の特徴を利用することで、顔や指紋や虹彩等の偽造を防止することが可能な認証システムを構築することが可能となり、より精度の高い生体認証を実現することが可能となる。
 なお、生体認証は、例えば、イメージセンサ100で取得された画像データに基づいて、プロセッサ1040(図5参照)が実行してもよいし、外部のサーバ等へ画像データを送信し、サーバ等で実行されてもよい。
 以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示の技術的範囲は、上述の実施形態そのままに限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、異なる実施形態及び変形例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
 また、本明細書に記載された各実施形態における効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、他の効果があってもよい。
 なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
(1)
 複数の光電変換素子が2次元格子状に配列する画素アレイ部と、
 前記複数の光電変換素子の受光面それぞれに対して一対一に設けられた複数の回折格子と、
 前記光電変換素子それぞれに蓄積された電荷に基づいて画素信号を生成する画素回路と、
 を備え、
 第1像高に位置する第1回折格子の周期は、前記第1像高とは異なる第2像高に位置する第2回折格子の周期とは異なる
 固体撮像装置。
(2)
 前記画素アレイ部の中央に位置する前記回折格子の周期をSとし、入射光の主光線が角度θ傾く位置に存在する前記回折格子の周期をSとした場合、以下の式(7)を満足する
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 前記(1)に記載の固体撮像装置。
(3)
 前記画素アレイ部の中央に位置する前記回折格子の周期をSとし、入射光の主光線が角度θ傾く位置に存在する前記回折格子の周期をSとした場合、以下の式(8)を満足する
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 前記(1)に記載の固体撮像装置。
(4)
 前記回折格子それぞれの当該回折格子が対応する前記光電変換素子の前記受光面に対する位置は、当該回折格子が位置する場所の像高に応じて異なる前記(1)~(3)の何れか1項に記載の固体撮像装置。
(5)
 前記回折格子それぞれの当該回折格子が対応する前記光電変換素子の前記受光面に対する位置は、前記受光面と平行な方向であって当該回折格子に入射する入射光の主光線の傾く方向と同じ方向に、当該回折格子が位置する前記場所の前記像高に応じてシフトしている前記(4)に記載の固体撮像装置。
(6)
 前記回折格子は、複数の孔が周期的に配列する金属膜を備える伝搬型表面プラズモン共鳴フィルタである前記(1)~(5)の何れか1項に記載の固体撮像装置。
(7)
 前記回折格子は、金属製の複数の柱状構造物が周期的に配列する局在型表面プラズモン共鳴フィルタである前記(1)~(5)の何れか1項に記載の固体撮像装置。
(8)
 前記複数の回折格子は、第1波長成分の光を選択的に透過する第3回折格子と、前記第1波長成分とは異なる第2波長成分の光を選択的に透過する第4回折格子とを含む前記(1)~(7)の何れか1項に記載の固体撮像装置。
(9)
 前記第1波長成分の光は、赤外光である前記(8)に記載の固体撮像装置。
(10)
 前記回折格子それぞれを挟んで前記光電変換素子とは反対側に位置する樹脂膜を備える前記(1)~(9)の何れか1項に記載の固体撮像装置。
(11)
 前記樹脂膜の表面は、曲率を持つ前記(10)に記載の固体撮像装置。
(12)
 前記樹脂膜の表面は、複数の凸部が周期的に配列するモスアイ構造を備える前記(10)に記載の固体撮像装置。
(13)
 固体撮像装置と、
 入射光を前記固体撮像装置の受光面に結像する光学系と、
 前記固体撮像装置を制御するプロセッサと、
 を備え、
 前記固体撮像装置は、
  複数の光電変換素子が2次元格子状に配列する画素アレイ部と、
  前記複数の光電変換素子の受光面それぞれに対して一対一に設けられた複数の回折格子と、
  前記光電変換素子それぞれに蓄積された電荷に基づいて画素信号を生成する画素回路と、
 を備え、
 第1像高に位置する第1回折格子の周期は、前記第1像高とは異なる第2像高に位置する第2回折格子の周期とは異なる
 電子機器。
(14)
 前記プロセッサは、前記固体撮像装置で撮像された画像データに基づいて、植物の植生状態を判別する前記(13)に記載の電子機器。
(15)
 前記プロセッサは、前記固体撮像装置で撮像された画像データに基づいて、被写体の生体認証を実行する前記(13)に記載の電子機器。
 10、10-0、10-25、10-30、10-35、10-35a、10-35b、10-35c、10-35d、10-35e 表面プラズモン共鳴フィルタ
 11 金属膜
 12 孔
 13 表面プラズモン
 14 レンズ
 20 カラーフィルタ配列
 21 単位パターン
 100 固体撮像装置
 101 画素アレイ部
 102 垂直駆動回路
 103 カラム処理回路
 104 水平駆動回路
 105 システム制御部
 108 信号処理部
 109 データ格納部
 110 単位画素
 110R 画素領域
 111 転送トランジスタ
 112 リセットトランジスタ
 113 増幅トランジスタ
 114 選択トランジスタ
 121 受光チップ
 122 回路チップ
 130 半導体基板
 131 P型半導体領域
 132 N型半導体領域
 134 絶縁膜
 135 遮光膜
 136、138、233 反射防止膜
 137 酸化防止膜
 139 パッシベーション膜
 231 応力緩和膜
 232、232b 樹脂膜
 232a 紫外線硬化樹脂膜
 232A 上面
 232B 凸部
 234 モールド
 410、410-25、410-30、410-35 局在型表面プラズモン共鳴フィルタ
 411 金属ナノ構造体
 1000 電子機器
 1020 撮像レンズ
 1030 記憶部
 1040 プロセッサ
 L1~L3 光
 L10 主光線
 L11 入射光
 LD 画素駆動線
 LD111 転送トランジスタ駆動線
 LD112 リセットトランジスタ駆動線
 LD114 選択トランジスタ駆動線
 O1、O2 中心
 PD フォトダイオード
 R35 孔形成領域
 VSL 垂直信号線

Claims (15)

  1.  複数の光電変換素子が2次元格子状に配列する画素アレイ部と、
     前記複数の光電変換素子の受光面それぞれに対して一対一に設けられた複数の回折格子と、
     前記光電変換素子それぞれに蓄積された電荷に基づいて画素信号を生成する画素回路と、
     を備え、
     第1像高に位置する第1回折格子の周期は、前記第1像高とは異なる第2像高に位置する第2回折格子の周期とは異なる
     固体撮像装置。
  2.  前記画素アレイ部の中央に位置する前記回折格子の周期をSとし、入射光の主光線が角度θ傾く位置に存在する前記回折格子の周期をSとした場合、以下の式(1)を満足する
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     請求項1に記載の固体撮像装置。
  3.  前記画素アレイ部の中央に位置する前記回折格子の周期をSとし、入射光の主光線が角度θ傾く位置に存在する前記回折格子の周期をSとした場合、以下の式(2)を満足する
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     請求項1に記載の固体撮像装置。
  4.  前記回折格子それぞれの当該回折格子が対応する前記光電変換素子の前記受光面に対する位置は、当該回折格子が位置する場所の像高に応じて異なる請求項1に記載の固体撮像装置。
  5.  前記回折格子それぞれの当該回折格子が対応する前記光電変換素子の前記受光面に対する位置は、前記受光面と平行な方向であって当該回折格子に入射する入射光の主光線の傾く方向と同じ方向に、当該回折格子が位置する前記場所の前記像高に応じてシフトしている請求項4に記載の固体撮像装置。
  6.  前記回折格子は、複数の孔が周期的に配列する金属膜を備える伝搬型表面プラズモン共鳴フィルタである請求項1に記載の固体撮像装置。
  7.  前記回折格子は、金属製の複数の柱状構造物が周期的に配列する局在型表面プラズモン共鳴フィルタである請求項1に記載の固体撮像装置。
  8.  前記複数の回折格子は、第1波長成分の光を選択的に透過する第3回折格子と、前記第1波長成分とは異なる第2波長成分の光を選択的に透過する第4回折格子とを含む請求項1に記載の固体撮像装置。
  9.  前記第1波長成分の光は、赤外光である請求項8に記載の固体撮像装置。
  10.  前記回折格子それぞれを挟んで前記光電変換素子とは反対側に位置する樹脂膜を備える請求項1に記載の固体撮像装置。
  11.  前記樹脂膜の表面は、曲率を持つ請求項10に記載の固体撮像装置。
  12.  前記樹脂膜の表面は、複数の凸部が周期的に配列するモスアイ構造を備える請求項10に記載の固体撮像装置。
  13.  固体撮像装置と、
     入射光を前記固体撮像装置の受光面に結像する光学系と、
     前記固体撮像装置を制御するプロセッサと、
     を備え、
     前記固体撮像装置は、
      複数の光電変換素子が2次元格子状に配列する画素アレイ部と、
      前記複数の光電変換素子の受光面それぞれに対して一対一に設けられた複数の回折格子と、
      前記光電変換素子それぞれに蓄積された電荷に基づいて画素信号を生成する画素回路と、
     を備え、
     第1像高に位置する第1回折格子の周期は、前記第1像高とは異なる第2像高に位置する第2回折格子の周期とは異なる
     電子機器。
  14.  前記プロセッサは、前記固体撮像装置で撮像された画像データに基づいて、植物の植生状態を判別する請求項13に記載の電子機器。
  15.  前記プロセッサは、前記固体撮像装置で撮像された画像データに基づいて、被写体の生体認証を実行する請求項13に記載の電子機器。
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