(57)【要約】【課題】広い波長レンジにおける分光性能を向上する。【解決手段】実施形態に係る固体撮像装置は、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。【選択図】図９
2020113630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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Ｓ０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Ｓ１とした場合、以下の式（１）を満足する
【数１】
2020113630.tif 000011
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項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Ｓ０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Ｓ１とした場合、以下の式（２）を満足する
【数２】
2020113630.tif 000012
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、固体撮像装置及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１７００８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】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。
【図２】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３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】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。
【図１５】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。
【図１６】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。
【図１７】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。
【図１８】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。
【図１９】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。
【図２０】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。
【図２１】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。
【図２２】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。
【図２３】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。
【図２４】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。
【図２５】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）。
【図２６】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）。
【図２７】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）。
【図２８】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）。
【図２９】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）。
【図３０】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。
【図３１】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。
【図３２】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３３】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３４】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）。
【図３５】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）。
【図３６】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）。
【図３７】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）。
【図３８】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。
【図３９】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。
【図４０】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。
【図４１】植物の反射率の分光特性を示す図である。
【図４２】人肌の反射率の分光特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
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
４．１  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
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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（ＳｉＯ２）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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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ｋ０の矢印Ａ２方向（Ｘ方向）の成分ｋ０ｓｉｎθ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ｋ０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。
【数１】
2020113630.tif 000003
【００８１】
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。
【数２】
2020113630.tif 000004
【００８２】
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。
【００８３】
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Ｋ０ｓｉｎθ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。
【００８４】
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Ｓ０とし、瞳補正ありの孔１２の周期をＳ１としている。
【００８５】
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Ｋ０ｓｉｎθ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。
【００８６】
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Ｓ０から周期Ｓ１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）Ｓ１を、以下の式（３）により求まる値とする。
【数３】
2020113630.tif 000005
【００８７】
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Ｓ１を近似的に求めることも可能である。
【数４】
2020113630.tif 000006
【００８８】
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。
【００８９】
なお、図１３において、物性条件Ｐ１は、以下の式（５）に漸近する。
【数５】
2020113630.tif 000007
【００９０】
また、式（５）において、ωＰは、プラズマ周波数であり、真空の誘電率ε０から以下の式（６）により決定される角振動数ωＰとなる。
【数６】
2020113630.tif 000008
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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（ＳｉＯ２）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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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）。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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（ＳｉＯ２）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（ＳｉＯ２）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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
４．１  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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
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。
【０１７０】
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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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。
【０１７４】
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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
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。
【０１８４】
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。
【０１８５】
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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
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。
【０１８８】
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Ｓ０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Ｓ１とした場合、以下の式（７）を満足する
【数７】
2020113630.tif 000009
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Ｓ０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Ｓ１とした場合、以下の式（８）を満足する
【数８】
2020113630.tif 000010
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。
【符号の説明】
【０１８９】
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
【図１】
2020113630.tif 000013
【図２】
2020113630.tif 000014
【図３】
2020113630.tif 000015
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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