(57)【要約】  波長毎のフィルタの面積差を小さくし、画素の微細化に対応した光学フィルタを搭載した固体撮像装置を提供することを目的とする。そのため、固体撮像装置は、二次元マトリクス状に配置された受光素子と、受光素子と一対に、それぞれの受光素子の受光面上に配置され、所定波長の光を透過する金属光学フィルタと、を備え、少なくとも一部の金属光学フィルタは、金属膜と、周期的に前記金属膜に配置されたホールと、ＳｉＯ２よりも高屈折率であって前記金属膜を被覆する高屈折率材料と、を有するか、又は、前記高屈折率材料からなる高屈折率層と、前記所定波長未満の周期で前記高屈折率層に配置された金属のアイランドと、を有することを特徴とする。
2014199720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元マトリクス状に配置された受光素子と、
前記受光素子と一対に、それぞれの前記受光素子の受光面上に配置され、所定波長の光を透過する金属光学フィルタと、を備え、
少なくとも一部の前記金属光学フィルタは、
金属膜と、周期的に前記金属膜に配置されたホールと、ＳｉＯ２よりも高屈折率であって前記金属膜を被覆する高屈折率材料と、を有するか、
又は、前記高屈折率材料からなる高屈折率層と、前記所定波長未満の周期で前記高屈折率層に配置された金属のアイランドと、を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
屈折率の異なる前記高屈折率材料を２種以上用いることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
少なくとも一部の前記受光素子の前記ホール又は前記アイランドの大きさが同じであることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記高屈折率材料が、ＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＮ、Ｔａ２Ｏ５、ＡｌＳｉ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＭｇＯ、ＺｒＯ２の何れかを含むことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記金属膜又は前記アイランドが、Ａｌ、ＡｌとＣｕの合金、ＡｌとＳｉの合金、Ｃｕ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔａの何れかを含むことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、デジタルスチルカメラや、カムコーダ、携帯情報端末のカメラなどのように被写体を撮像する電子デバイスでは、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)型やＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型の固体撮像素子が主に採用されている。これらの固体撮像素子の多くは数１００万以上の画素が２次元に配列された画素アレイからなり、各画素は被写体からの光強度に応じた信号電荷を蓄積し、蓄積した電荷量に応じた電気信号をアナログもしくはデジタルデータとして標本化・画像化する。【０００３】
ところで、固体撮像素子は、一般に特定の電磁波波長帯に感度を有する。たとえば、シリコンをベースにした固体撮像素子は近赤外線（〜１．１μｍ）よりも短い波長に対して感度を有する。しかしながら、シリコンベースの固体撮像素子は、電磁波に対してエネルギー分解能（波長分解能）がなく、蓄積された電荷からは、どの波長の光を検出したかを特定することは困難である。【０００４】
そこで、一般的なカラー撮像デバイスでは、カラー画像を取得するために、２次元画素配列の各画素に特定の波長成分を選択的に透過する数種類のオンチップカラーフィルタを備えている。そして、隣接する少数の画素群で複数波長の光強度情報を取得して、デモザイクによる補間処理によってカラー画像を復元する手法が採用されている。特に汎用カメラでは、２×２画素の単位ユニットに対し、ＲＧＢ３原色のオンチップカラーフィルタを千鳥格子状に配置するＢａｙｅｒ方式が一般的である。また感度を高めるために一部の画素にホワイト画素（可視波長帯をすべて透過する画素）を配置したり、シアン・マゼンダ・イエローなどの補色フィルタを配置したり、近赤外線を検出する画素を配置する場合もある。【０００５】
図１０は、従来の固体撮像装置の一例の概略構成を示す図である。この固体撮像装置は、複数の単位画素１２０を行列状に配置してなるイメージエリア１０４と、単位画素１２０を行単位で選択する行選択回路１１０と、信号処理部１１１に単位画素１２０の信号電圧を列単位で伝達する第１の垂直信号線１０９と、第１の垂直信号線１０９を介して伝達された信号電圧を保持し、高周波ノイズをカットする信号処理部１１１と、単位画素１２０を列単位で選択する列選択回路１１２と、信号処理部１１１から出力された信号電圧を出力アンプ１１４に伝達する水平信号線１１３と、出力アンプ１１４と、負荷トランジスタ群１１５とから構成される。【０００６】
イメージエリア１０４は、フォトダイオード１２１、読み出しトランジスタ１２２、リセットトランジスタ１２３、増幅トランジスタ１２４、垂直選択トランジスタ１２６、及び増幅トランジスタ１２４のゲートに直結するフローティングディフュージョン部１２５からなる。【０００７】
この構成において、各単位画素１２０にオンチップカラーフィルタが設置されており、各単位画素１２０はカラーフィルタによって選択された波長領域の光信号のみを光電変換する。このように単位画素１２０毎にカラー信号を得ることができ、これらのカラー信号を合成することでカラー画像を得ることができる。【０００８】
図１１は、従来の固体撮像装置における単位画素１２０の断面図である。従来の固体撮像装置では、フォトダイオード１２１およびフォトダイオード１２１からの電気信号を得るための読み出しトランジスタ１２２などの上方に層間膜２１３を挟んで少なくとも１層の配線２１４が設置されている。さらに、その上方に絶縁膜を挟んで顔料タイプのカラーフィルタ２１５およびマイクロレンズ２１６が設置されている。この単位画素１２０では、カラーフィルタ２１５の上方に設置されたマイクロレンズ２１６で集光された光が、カラーフィルタ２１５を通過し、カラーフィルタ２１５の持つ波長選択性によって、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各波長帯に分離され、色分離化が可能となる。【０００９】
このように、カラーフィルタは顔料などの有機分子を含有する場合が多い。しかしながら有機分子からなるカラーフィルタは波長分解能が低く、特定の狭帯域波長に最適化することが困難であるため、多色化には限界がある。さらに、紫外線などの外的刺激による経年変化で、透過特性が劣化する問題点が指摘されている（例えば、非特許文献１参照）。【００１０】
他方、肉眼では識別できない精細な色情報を取る固体撮像素子もある。たとえば医療用途や学術研究用途などの特殊カメラでは、可視波長を粗く３色に分離して捕らえるだけでは不十分で、高い波長分解能でシームレスなスペクトル情報を取る必要がある。そのような用途に対応するため、高い波長分解能を有するイメージングデバイスが提案さている。【００１１】
例えば、回折格子を用いたスペクトルセンサでは、波長分解能（λ／Δλ）が１００を越えるような非常に高い波長分解能で色スペクトルを取得することができるが、装置が大型であるなど特殊用途に限定されてしまう（例えば、非特許文献２参照）。【００１２】
ところで、金属薄膜に検出波長と同程度もしくはそれよりも微細なホールを周期的に配置したホールアレイ構造、または同構造とネガポジ関係にあるアイランドアレイ構造は、表面プラズモン共鳴構造として知られている。表面プラズモン共鳴構造は、ホールまたはアイランドの周期や、開口、ドット形状などを最適化することで、透過波長を物理構造で調整可能なフィルタとして機能することが報告されている（例えば、非特許文献３および４参照）。【００１３】
例えば、特許文献１および２には、上述の表面プラズモン共鳴構造をカラーフィルタとして用いる技術が開示されている。また、特許文献３には、表面プラズモン共鳴構造を埋める誘電体の屈折率を変えることで、透過光の波長がシフトする技術と、表面プラズモン共鳴構造の異なる個所を屈折率が異なる２種類の誘電体で埋めることで、２波長の透過光を示す技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００８−１７７１９１号公報
【特許文献２】国際公開第２００８／０８２５６９号パンフレット
【特許文献３】特表２０１０−５１２５４４号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｐａｎａｓｏｎｉｃ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ，２００９，Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．４，ｐｐ．１８−２３
【非特許文献２】Ｐｕｂｌ．Ａｓｔｒｏｎ．Ｓｏｃ．Ｊａｐａｎ，２００２，５４，ｐｐ．８１９−８３２
【非特許文献３】Ｔ．Ｗ．Ｅｂｂｅｓｅｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ，１２  Ｆｅｂｒｕａｒｙ  １９９８，Ｖｏｌ．３９１，ｐｐ．６６７−６６９
【非特許文献４】Ｐ．Ｂ．Ｃａｔｒｙｓｓｅ  ａｎｄ  Ｂ．Ａ．Ｗａｎｄｅｌｌ，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ，２００３，Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．１２，ｐｐ．２２９３−２３０６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、上述した特許文献１および２で開示されているカラーフィルタ技術を備えた固体撮像素子は、専用センサを前提としたものである。つまり、本カラーフィルタは、電磁波波長のλ/2などの特定間隔の周期構造を繰り返し備えた構造体により分光機能を発生する。また、本カラーフィルタが、光学フィルタとして機能するためには、ある程度の周期構造の規模が必要である。そのため、波長毎に最低限必要なフィルタ面積が存在する。例えば、青色のカラーフィルタより、赤色のカラーフィルタの方が、フィルタ面積は広くなる。そのため、画素の大きさは赤色のカラーフィルタの面積に依存し、画素の微細化は制限される。【００１７】
本発明は、波長毎のフィルタの面積差を小さくし、画素の微細化に対応した光学フィルタを搭載した固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために本発明の固体撮像装置は、二次元マトリクス状に配置された受光素子と、前記受光素子と一対に、それぞれの前記受光素子の受光面上に配置され、所定波長の光を透過する金属光学フィルタと、を備え、少なくとも一部の前記金属光学フィルタは、金属膜と、周期的に前記金属膜に配置されたホールと、ＳｉＯ２よりも高屈折率であって前記金属膜を被覆する高屈折率材料と、を有するか、又は、前記高屈折率材料からなる高屈折率層と、前記所定波長未満の周期で前記高屈折率層に配置された金属のアイランドと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、少なくとも一部の金属光学フィルタにＳｉＯ２よりも高い屈折率を有する高屈折率材料を用いることで、選択波長領域を広げることができる。よって、高屈折材料の種類によって透過させる波長を種々設定することができるので、波長毎のフィルタの面積差を小さくでき、画素の微細化に対応した光学フィルタを搭載した固体撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態のプラズモンフィルタの模式平面図の一例である。
【図１Ｂ】本発明の第１実施形態のプラズモンフィルタの模式平面図の一例である。
【図１Ｃ】本発明の第１実施形態のプラズモンフィルタの模式平面図の一例である。
【図１Ｄ】図１ＣのＡ−Ａ’線での断面図である。
【図２Ａ】本発明の第１実施形態における２種類のプラズモンフィルタの分光特性を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａの一方のプラズモンフィルタの構造を示す平面図である。
【図２Ｃ】図２Ａの他方のプラズモンフィルタの構造を示す平面図である。
【図３】本発明の第１実施形態における３種類のプラズモンフィルタの分光スペクトルを示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態における３種類のプラズモンフィルタの透過ピーク波長とホールの周期との関係を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態のプラズモンフィルタのＳＥＭ写真である。
【図６Ａ】本発明の第３実施形態のプラズモンフィルタの模式平面図の一例である。
【図６Ｂ】本発明の第３実施形態のプラズモンフィルタの模式平面図の一例である。
【図７】本発明の第４実施形態のプラズモンフィルタの配置形態の一例を示す図である。
【図８】本発明の第５実施形態の固体撮像装置の模式断面図である。
【図９】本発明の第６実施形態の固体撮像装置の模式断面図である。
【図１０】従来の固体撮像装置の一例の概略構成を示す図である。
【図１１】従来の固体撮像装置における単位画素の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＜第１実施形態＞
本実施形態に係る固体撮像装置では、受光した光を電気信号に変換するフォトダイオード等の光電変換素子（受光素子）の上方に絶縁膜を挟んで所望の波長の光を透過させる金属光学フィルタが形成されている。金属光学フィルタは誘電体で被覆された金属薄膜で構成され、金属光学フィルタには複数のホール（開口）が二次元状に周期的に設置されている。ホールとは、金属光学フィルタに形成された凹部（非貫通穴）又は貫通穴をいう。
【００２２】
本実施形態に係る固体撮像装置では、光電変換素子が二次元状に配置され、金属光学フィルタが複数の光電変換素子のそれぞれと一対に配置されることにより２次元状に配置されている。具体的には、撮像される画像を構成する最小単位である画素ごとに光電変換素子が設けられ、それぞれの光電変換素子の上方に金属光学フィルタが形成されており、画素単位で金属光学フィルタにホールが設けられている。
【００２３】
次に、本実施形態に係る金属光学フィルタに用いられる表面プラズモン共鳴構造について図１Ａ〜図１Ｄを参照して説明する。
【００２４】
表面プラズモン共鳴構造は、紫外線波長帯にプラズマ周波数を有する金属素材からなる薄膜に微細加工を施したサブ波長構造である。金属素材としては、Ａｌ、ＡｌとＣｕの合金、ＡｌとＳｉの合金、Ｃｕ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔａなどの金属を用いることが好ましい。表面プラズモン共鳴構造は、金属の物性と、パターン周期、開口径、ドットサイズ、膜厚、構造体の周囲の媒質などによって決定される共鳴波長を有する。
【００２５】
表面プラズモン共鳴構造の基本構造はホールアレイ構造であり、透過光の波長よりも小さい径を有するホール（貫通穴または非貫通穴）が二次元状に配置された構造であって、ホールには金属薄膜を被覆している誘電体が充填されていてもよい。ホールの配置は、ハニカムまたは直交行列に配置するのが好適であり、また、その他の配列でも周期性がある構造であれば適用することができる。
【００２６】
例えば、図１Ａに示されているプラズモンフィルタ（金属光学フィルタ）６１Ａは、誘電体で被覆された金属薄膜６２Ａに貫通穴（ホール）６３Ａがハニカム状に配置されたプラズモン共鳴体により構成されている。また、図１Ｂに示されているプラズモンフィルタ６１Ｂは、誘電体で被覆された金属薄膜６２Ｂに貫通穴６３Ｂが直行行列状に配置された表面プラズモン共鳴構造により構成されている。
【００２７】
プラズモンフィルタ６１Ａにおいて隣接する貫通穴６３Ａどうしの間隔（周期）Ｄ１を調整することで、プラズモンフィルタ６１Ａを透過する透過波長が設定される。同様に、プラズモンフィルタ６１Ｂにおいて隣接する貫通穴６３Ｂどうしの間隔Ｄ２を調整することで、プラズモンフィルタ６１Ｂを透過する透過波長が設定される。具体的には、媒質中での実効的な電磁波波長の半波長が好適であり、設計自由度を考慮して、１／４波長から１波長の範囲が好適である。
【００２８】
そして、貫通穴６３Ａ、６３Ｂの開口径は、透過させたい光の波長よりも小さくなければならなく、設計の自由度を考慮して、周期Ｄ１の４０％〜８０％径の範囲が好適である。また、金属薄膜６２Ａ、６２Ｂの厚みは、１００ｎｍ程度が好適であり、設計の自由度を考慮して、１０〜２００ｎｍの範囲とすることができる。
【００２９】
なお、所望の電磁波を透過させるのに、ホールの周期間隔（間隔Ｄ１またはＤ２）を設定する他、例えば、ホール形状を最適化してもよい。ホール形状としては、例えば、円形や、方形（正方形または長方形）、多角形、十字形などが、シミュレーション結果などに応じて適宜選択されうる。
【００３０】
また、プラズモン共鳴体は、ホールアレイ構造に設けられる全てのホールが金属薄膜を貫通している必要はなく、一部のホールを金属上に凹構造を有する非貫通穴により構成しても、フィルタとして機能する。例えば、図１Ｃには、金属薄膜６２Ｃに貫通穴６３Ｃおよび非貫通穴６３Ｃ’がハニカム状に配置された表面プラズモン共鳴構造により構成されたプラズモンフィルタ６１Ｃの平面図が、図１Ｄには、そのＡ−Ａ’線での断面図が示される。即ち、プラズモンフィルタ６１Ｃは、貫通穴６３Ｃと非貫通穴６３Ｃ’とが入り混じって周期的に配置されて構成されている。
【００３１】
次に、図２Ａは、２種類のプラズモンフィルタの分光特性を示す図である。図２Ａにおいて、２Ｂの線は、図２Ｂに示すようなＡｌ膜（膜厚１５０ｎｍ）に周期３６０ｎｍで開口径１８０ｎｍの穴（ホール）を１．５μｍ四方の領域に三角格子配列させたプラズモンフィルタの分光特性を示し、２Ｃの線は、図２Ｃに示すようなＡｌ膜（膜厚１５０ｎｍ）に周期３６０ｎｍで開口径１８０ｎｍの穴を２．０μｍ四方の領域に三角格子配列させたプラズモンフィルタの分光特性を示す。これらの結果から、金属薄膜の周期開口構造によって形成されるプラズモンフィルタには、最低限の周期数が存在することがわかる。
【００３２】
図３は、３種類のプラズモンフィルタの分光スペクトルを示す図である。３種類のプラズモンフィルタは全てＡｌ膜（膜厚１５０ｎｍ）に周期２６０ｎｍで開口径１３０ｎｍの穴（ホール）を三角配列させたものであり、それぞれ金属薄膜を被覆する誘電体が異なる。１つ目のプラズモンフィルタは、誘電体にＳｉＯ２（屈折率：ｎ＝１．４６）を用い、２つ目のプラズモンフィルタは、誘電体にＡｌ２Ｏ３（ｎ＝１．７６）を用い、３つ目のプラズモンフィルタは、誘電体にＴｉＯ２（ｎ＝２．５２）を用いている。
【００３３】
図３から、誘電体にＳｉＯ２を用いたプラズモンフィルタが４００ｎｍ帯の光を透過し、誘電体にＡｌ２Ｏ３を用いたプラズモンフィルタが５００ｎｍ帯の光を透過し、誘電体にＴｉＯ２を用いたプラズモンフィルタが６００〜７００ｎｍ帯の光を透過していることがわかる。よって、誘電体の屈折率が高い程、同一周期構造で長波長の光を透過する光学フィルタとなることがわかる。
【００３４】
図４は、３種類のプラズモンフィルタの透過ピーク波長とホールの周期との関係を示す図である。３種類のプラズモンフィルタは全てＡｌ膜（膜厚１５０ｎｍ）に開口径／周期＝０．５で三角配列の穴（ホール）を形成したものであり、それぞれ金属薄膜を被覆する誘電体が異なる。１つ目のプラズモンフィルタは、誘電体にＳｉＯ２（屈折率：ｎ＝１．４６）を用い、２つ目のプラズモンフィルタは、誘電体にＡｌ２Ｏ３（ｎ＝１．７６）を用い、３つ目のプラズモンフィルタは、誘電体にＴｉＯ２（ｎ＝２．５２）を用いている。
【００３５】
例えば、画素面積が２．０μｍ四方の時、図４の構造の場合、周期３６０ｎｍが最大周期となる。プラズモンフィルタの金属薄膜を被覆する誘電体がＳｉＯ２のみであると、透過波長は５４０ｎｍ以下に限定され、少なくとも可視光領域（３８０ｎｍ〜７５０ｎｍ）をカバーすることができない状況になる。そこで、一部の画素上のプラズモンフィルタの金属薄膜を被覆する誘電体をＳｉＯ２よりも高い屈折率を有する高屈折率材料にすることで、本実施形態の固体撮像装置の選択波長領域を広げることができる。よって、金属薄膜を被覆する誘電体の材料を変えるだけで透過させる波長を種々設定することができるので、波長毎のフィルタの面積差を小さくでき、画素の微細化に対応した光学フィルタを実現することができる。高屈折率材料としては、ＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＮ、Ｔａ２Ｏ５、ＡｌＳｉ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＭｇＯ、ＺｒＯ２などを用いることができる。
【００３６】
このように、画素ごとに光電変換素子の上方に金属薄膜を被覆する誘電体の材料又は周期構造の周期が異なる金属光学フィルタを設置することにより、各画素で異なる色信号を得るように金属光学フィルタの分光特性を設計することができる。
【００３７】
＜第２実施形態＞
本実施形態に係る固体撮像装置は、光電変換素子上のプラズモンフィルタの開口形状がライン形状（スリット形状）で１次元状に配置されている点で第１実施形態と異なり、他の構成は第１実施形態と同様である。以下では第１実施形態と異なる点について異なる点について説明し、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００３８】
図５に、第２実施形態のプラズモンフィルタのＳＥＭ写真を示す。本実施形態のプラズモンフィルタにおいては、スリット構造に設けられる全てのスリットが誘電体で被覆された金属薄膜を貫通している必要はなく、一部のスリットを誘電体で被覆された金属薄膜上に凹構造を有する非貫通溝により構成してもよい。周期Ｄ３は第１実施形態と同等の長さとし、スリットの幅は、周期Ｄ３に対して１０％〜３０％の幅である。
【００３９】
本実施形態によれば、第１実施形態と同様、画素ごとに光電変換素子の上方に金属薄膜を被覆する誘電体の材料または周期構造の周期が異なる金属光学フィルタを設置することにより、各画素で異なる色信号を得るよう金属光学フィルタの分光特性を設計することができる。
【００４０】
＜第３実施形態＞
本実施形態に係る固体撮像装置は、光電変換素子上のプラズモンフィルタにおいて誘電体層上に金属がアイランドアレイ状に配置されている点で第１実施形態と異なり、他の構成は第１実施形態と同様である。以下では第１実施形態と異なる点について異なる点について説明し、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００４１】
図６Ａ、図６Ｂは、本実施形態のプラズモンフィルタの平面図である。図６Ａのプラズモンフィルタ６１Ａ’は、図１Ａのプラズモンフィルタ６１Ａのプラズモン共鳴体に対してネガポジ反転した構造、即ち、アイランド６４Ａが誘電体層６５Ａにハニカム状に配置されたプラズモン共鳴体により構成されている。同様に、図６Ｂに示されているプラズモンフィルタ６１Ｂ’は、図１Ｂのプラズモンフィルタ６１Ｂのプラズモン共鳴体に対してネガポジ反転した構造、即ち、アイランド６４Ｂが誘電体層６５Ｂに直行行列状に配置されたプラズモン共鳴体構造により構成されている。
【００４２】
誘電体層６５Ａ、６５Ｂとしては、第１実施形態の金属薄膜を被覆する誘電体と同じ材料を用いることができる。すなわち、ＳｉＯ２や高屈折率材料（ＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＮ、Ｔａ２Ｏ５、ＡｌＳｉ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＭｇＯ、ＺｒＯ２など）である。
【００４３】
金属素材であるアイランド６４Ａどうしの間は誘電体層６５Ａで充填されており、アイランド６４Ｂどうしの間は誘電体層６５Ｂで充填されている。隣接するアイランド６４Ａどうしの間隔Ｄ１、および、隣接するアイランド６４Ｂどうしの間隔Ｄ２は、図１の間隔Ｄ１およびＤ２と同様に、媒質中での実効的な電磁波波長の半波長が好適であり、設計自由度を考慮して、１／４波長から１波長の範囲が好適である。また、アイランド６４Ａ、６４Ｂは、周期Ｄ２の５０％〜８０％のサイズの円形等である。
【００４４】
なお、所望の電磁波を透過させるのに、プラズモンフィルタのアイランドの周期間隔（間隔Ｄ１またはＤ２）を設定する他、例えば、アイランド形状を最適化してもよい。アイランド形状としては、例えば、円形や、方形（正方形または長方形）、多角形、十字形などが、シミュレーション結果などに応じて適宜選択される。
【００４５】
本実施形態によれば、第１実施形態と同様、画素ごとに光電変換素子の上方に誘電体層の材料または周期構造の周期が異なる金属光学フィルタを設置することにより、各画素で異なる色信号を得るよう金属光学フィルタの分光特性を設計することができる。
【００４６】
＜第４実施形態＞
本実施形態は第１〜第３実施形態の固体撮像装置におけるプラズモンフィルタの配置形態を示すものである。図７に、本実施形態のプラズモンフィルタの配置形態の一例を示す。画素アレイにおいて行列状に配置されている画素が破線で表されている。
【００４７】
プラズモンフィルタでは、プラズモン共鳴体を構成するホールまたはアイランドまたはライン形状（スリット形状）の周期に応じて、例えば、図１Ａの貫通穴６３Ａどうしの間隔Ｄ１に応じて、プラズモンフィルタを透過する光の波長（透過波長）が設定される。ここで、ホールまたはアイランドの周期により定められるプラズモンフィルタの格子係数λを、可視波長帯において透過波長の短い方から順番に、格子係数λ１、格子係数λ２、・・・、格子係数λｎとする。
【００４８】
また、１つの画素に対して１種類のプラズモンフィルタが対応することが、即ち、画素とプラズモンフィルタとが１対１となるように対応することが基本であるが、複数の画素に対して１種類のプラズモンフィルタを対応させてもよい。即ち、Ｎ×Ｍの複数の画素単位に対して１種類のプラズモンフィルタを配置してもよい（ここで、ＮおよびＭは、１以上の整数である）。
【００４９】
例えば、図７では、２×２の４画素単位に対して１種類のプラズモンフィルタが配置されている（即ち、Ｎ＝２，Ｍ＝２）。ここで、複数の画素が１つのユニットとして配置されるプラズモンフィルタを、以下、適宜、プラズモンフィルタユニットと称する。
【００５０】
図７の撮像領域５２には、格子係数λ１〜λ８の８種類のプラズモンフィルタユニット７１ａ〜７１ｈが配置されている。プラズモンフィルタユニット７１ａ〜７１ｈは、格子係数λの大きさに従った順番で、一方向に（撮像領域５２の右端から左端への方向に）並べられた配置となっている。そのため、長波長の光を通すある格子係数以上のプラズモンフィルタは、高屈折率材料で個々ではなく複数の格子係数のプラズモンフィルタを被覆している。
【００５１】
プラズモンフィルタユニット７１ａの光学的黒領域５３側には、透過波長が次に短い格子係数λ２のプラズモンフィルタユニット７１ｂが配置される。以下、同様に、透過波長が短い順番でプラズモンフィルタユニット７１ｃ〜７１ｇが順次配置され、光学的黒領域５３に隣接してプラズモンフィルタユニット７１ｈが配置される。
【００５２】
このように、隣接するプラズモンフィルタユニットに格子係数λが大きく異ならないプラズモンフィルタユニットを配置することで、プラズモンフィルタユニットどうしの境界での周期の不連続性の影響が最小限となるようにすることができる。
【００５３】
＜第５実施形態＞
本実施形態は第１〜第４実施形態の固体撮像装置における層構成の一形態を示すものである。図８に、本実施形態の固体撮像装置の模式断面図を示す。
【００５４】
図８において、固体撮像装置１１は、撮像領域５２の画素２１ａ〜２１ｃ、及び光学的黒領域５３の画素２１ｄが隣接して配置された構成となっている。なお、図８では、固体撮像装置１１として、裏面照射型のＣＭＯＳ型固体撮像素子が採用された構成例を示しているが、光電変換素子部分がＣＣＤ型固体撮像素子であるもの、または、有機光電変換膜や量子ドット構造などを内包したフォトコンダクタ構造のものを採用してもよい。
【００５５】
画素２１ａ〜２１ｄは、それぞれ上側から順に、オンチップマイクロレンズ８１、カラーフィルタ層８２、遮光領域層８３、光電変換素子層８４、および信号配線層８５が積層されて構成されている。
【００５６】
オンチップマイクロレンズ８１は、画素２１ａ〜２１ｄそれぞれの光電変換素子層８４に光を集光するための光学素子である。カラーフィルタ層８２は、撮像領域５２にある画素２１ａ〜２１ｃによりカラー画像を得るための光学素子である。
【００５７】
遮光領域層８３は、Ａｌ、ＡｌとＣｕの合金、ＡｌとＳｉの合金、Ｃｕ、Ｗ、Ａｇ、Ｔａなどの遮光性を備えた金属を有しており、光学的黒領域５３では、画素２１ｄをすべて覆って遮光する。また、遮光領域層８３は、撮像領域５２では、上述したようなホールアレイ構造またはアイランドアレイ構造で金属が配置され、プラズモンフィルタとして機能する。
【００５８】
光電変換素子層８４は、受光した光を電荷に変換する。また、光電変換素子層８４は、画素２１ａ〜２１ｄどうしの間を素子分離層により電気的に分離している。信号配線層８５には、光電変換素子層８４に蓄積された電荷を読み取るための配線などが設けられる。
【００５９】
このように、固体撮像装置１１では、遮光領域層８３が、光学的黒領域５３において遮光する機能と、撮像領域５２において分光フィルタとしての機能とを兼ね備えて構成されている。さらに、分光フィルタとしてプラズモンフィルタを採用したので、ホールやアイランドの周期を調整するだけで、多種類の色スペクトルを取得することができる。
【００６０】
また、光学的黒領域５３における遮光膜と、撮像領域５２におけるプラズモンフィルタとが、同一の遮光領域層８３において同一素材で実装されるので、従来の製造プロセスから変更が少なく、また、少ない工数でプラズモンフィルタを製造することができる。
【００６１】
＜第６実施形態＞
本実施形態は第１〜第４実施形態の固体撮像装置における層構成の一形態を示すものである。図９に、本実施形態の固体撮像装置の模式断面図を示す。
【００６２】
図９において、固体撮像装置１２は、撮像領域５２の画素２１ａ〜２１ｃ、及び光学的黒領域５３の画素２１ｄが隣接して配置された構成となっている。なお、図９では、固体撮像装置１２として、裏面照射型のＣＭＯＳ型固体撮像素子が採用された構成例を示しているが、光電変換素子部分がＣＣＤ型固体撮像素子であるもの、または、有機光電変換膜や量子ドット構造などを内包したフォトコンダクタ構造のものを採用してもよい。
【００６３】
画素２１ａ〜２１ｄは、それぞれ上側から順に、オンチップマイクロレンズ８１、カラーフィルタ層８２、金属粒子層８６、遮光領域層８３、光電変換素子層８４、および信号配線層８５が積層されて構成されている。
【００６４】
金属粒子層８６は、撮像領域５２において、上述したようなホールアレイ構造またはアイランドアレイまたはライン形状（スリット形状）の構造で金属が配置され、プラズモンフィルタとして機能する。即ち、図８の構成例では、遮光領域層８３にプラズモンフィルタとしての機能が備えられていたが、図９の構成例では、遮光領域層８３とは別に、プラズモンフィルタの機能を備える金属粒子層８６が設けられている。
【００６５】
このように、固体撮像装置１２では、金属粒子層８６が、撮像領域５２において分光フィルタとしての機能を持ち、通常撮像の機能はそれ以外の領域で実現することができるため、多機能センサを平易に実現することが可能となる。
【００６６】
＜固体撮像装置の製造方法＞
次に、第５実施形態の固体撮像装置１１を例にその製造方法について説明する。まず、基板となる受光面上層に絶縁層を作製し、その絶縁層の上にアルミニウムからなる金属膜をスパッタリング（物理的薄膜形成技術（PVD：Physical Vapor Deposition））により全面被覆させる。次に、全面被覆された金属膜上層にフォトマスクを被覆する。フォトマスクにはポジ型のレジストを採用することができ、レジストを塗布した後にベークする。
そして、縮小投影露光により、撮像領域５２のレジストにプラズモン共鳴体に応じた金属パターンを転写し、光学的黒領域５３のレジストに遮光のための金属パターンを転写する。金属パターンの転写には、高解像度での加工に適したＡｒＦ（フッ化アルゴン）レーザ、Ｆ２エキシマレーザ、極端紫外線露光（EUVL：Extreme Ultra Violet Lithography）、電子線縮小転写露光（Electron Projection Lithography）、Ｘ線リソグラフィなどを用いたリソグラフィが好適である。その他、電子線で直接描画する電子線リソグラフィを用いることができる。
【００６７】
その後、不要な金属膜を反応性イオンエッチングにより除去してホールを作製することで、所望の金属パターンによるプラズモン共鳴体構造が実現される。そして、マスクプロセスによって、プラズモン共鳴体構造を選択的に誘電体で被覆する。そして、カラーフィルタ層８２、オンチップマイクロレンズ８１を積層して固体撮像装置１２を得る。
【００６８】
なお、その他の加工方法としては、１つまたは複数の誘電体膜に熱サイクルナノインプリント法や光ナノインプリント法などにより微細加工を施し、その微細加工により形成された溝部分に金属層を充填して、表面を研磨する方法を採用してもよい。
【００６９】
また、上述の製造方法では、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子の製造プロセスで信号配線層や遮光膜として用いられているアルミニウムを利用してプラズモン共鳴体を利用した分光フィルタを実装する手法について説明したが、アルミニウム以外の金属、例えば、ＡｌとＣｕの合金、ＡｌとＳｉの合金、Ｃｕ、Ｗ、Ａｇ、Ｔａなどを利用してもよい。
【００７０】
なお、遮光領域（例えば、図８の遮光領域層８３で光学的黒領域５３を覆う領域）は、金属パターンによる周期開口を設けないことで実現されるが、公知構造であるため詳細な説明は省略する。
【００７１】
なお、本明細書において、プラズモン共鳴体とは、図１Ａおよび図１Ｂに示したように所定の周期でホール（貫通穴６３Ａおよび６３Ｂ）が微細加工により形成された金属の構造体や、図１Ｃに示したように所定の周期でホール（貫通穴６３Ｃおよび非貫通穴６３Ｃ’）が微細加工により形成された金属の構造体、図６Ａおよび図６Ｂに示したように所定の周期で金属の粒子（アイランド６４Ａおよび６４Ｂ）が微細加工により形成された構造体や、図５に示したように図１のホールまたは図６Ａのアイランドが１次元配列（線状に配置）された構造体などを含むものである。また、所定の周期で凹凸構造を持つ金属の構造体と言うこともできる。即ち、プラズモン共鳴体は、ホールまたはアイランドが所定の周期で繰り返して配置されるパターン構造を有していればよい。
【００７２】
また、このプラズモン共鳴体構造は、画素上にシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などからなる絶縁層を介して金属薄膜を配置する構造を基本とする。そして、光電変換素子としては、ＣＭＯＳ型固体撮像素子に限定されるものではなく、ＣＣＤ型固体撮像素子でもよいし、光電変換機能を有する素子であれば任意の素子を採用してもよいことは言うまでもない。また、光電変換素子の構造および製造方法については、既に公知技術であるため詳細な説明は省略する。
【００７３】
また、本発明の固体撮像装置は、デジタルスチルカメラや撮像デバイスを備えたカムコーダや情報端末装置に適用することができる。また、撮像領域に設けられるカラーフィルタに、プラズモンフィルタを採用してもよい。なお、本発明の実施形態は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明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。
【００７４】
以下に本発明の実施形態についてまとめる。本発明の一実施形態の固体撮像装置は、二次元マトリクス状に配置された受光素子（光電変換素子層８４）と、前記受光素子と一対に、それぞれの前記受光素子の受光面上に配置され、所定波長の光を透過する金属光学フィルタ（遮光領域層８３）と、を備え、少なくとも一部の前記金属光学フィルタは、金属膜（金属薄膜６２Ａ）と、周期的に前記金属膜（金属薄膜６２Ａ）に配置されたホール（貫通穴６３Ａ）と、ＳｉＯ２よりも高屈折率であって前記金属膜（金属薄膜６２Ａ）を被覆する高屈折率材料と、を有するか、又は、前記高屈折率材料からなる高屈折率層（誘電体層６５Ａ）と、前記所定波長未満の周期で前記高屈折率層に配置された金属のアイランド６４Ａと、を有する構成とする。
【００７５】
この構成によれば、少なくとも一部の金属光学フィルタにＳｉＯ２よりも高い屈折率を有する高屈折率材料を用いることで、選択波長領域を広げることができる。よって、高屈折材料の種類によって透過させる波長を種々設定することができるので、波長毎のフィルタの面積差を小さくでき、画素の微細化に対応した光学フィルタを搭載した固体撮像装置を実現することができる。
【００７６】
上記の固体撮像装置において、屈折率の異なる前記高屈折率材料を２種以上用いることで、透過させる波長を種々設定することができる。
【００７７】
また上記の固体撮像装置において、少なくとも一部の前記受光素子の前記ホール又は前記アイランドの大きさが同じであることとしてもよい。この場合でも、高屈折材料の種類によって透過させる波長を種々設定することができるので、波長毎のフィルタの面積差を小さくでき、画素の微細化に対応した光学フィルタを搭載した固体撮像装置を実現することができる。
【００７８】
また上記の固体撮像装置において、前記高屈折率材料が、ＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＮ、Ｔａ２Ｏ５、ＡｌＳｉ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＭｇＯ、ＺｒＯ２の何れかを含むことが好ましい。
【００７９】
また上記の固体撮像装置において、前記金属膜又は前記アイランドが、Ａｌ、ＡｌとＣｕの合金、ＡｌとＳｉの合金、Ｃｕ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔａの何れかを含むことが好ましい。
【符号の説明】
【００８０】
１１、１２  固体撮像装置
６２Ａ、６２Ｂ  金属薄膜
６３Ａ、６３Ｂ、６３Ｃ、６３Ｃ’  貫通穴、非貫通穴（ホール）
６４Ａ、６４Ｂ  アイランド
６５Ａ、６５Ｂ  誘電体層（高屈折率層）
８３  遮光領域層（金属光学フィルタ）
８４  光電変換素子層（受光素子）
【図１Ａ】
2014199720.tif 000003
【図１Ｂ】
2014199720.tif 000004
【図１Ｃ】
2014199720.tif 000005
【図２Ａ】
2014199720.tif 000006
【図２Ｂ】
2014199720.tif 000007
【図２Ｃ】
2014199720.tif 000008
【図３】
2014199720.tif 000009
【図４】
2014199720.tif 000010
【図６Ａ】
2014199720.tif 000011
【図６Ｂ】
2014199720.tif 000012
【図７】
2014199720.tif 000013
【図８】
2014199720.tif 000014
【図９】
2014199720.tif 000015
【図１０】
2014199720.tif 000016
【図１１】
2014199720.tif 000017
【図１Ｄ】
2014199720.tif 000018
【図５】
2014199720.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月20日(2016.10.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元マトリクス状に配置された受光素子と、
前記受光素子と一対に、それぞれの前記受光素子の受光面上に配置され、所定波長の光を透過する金属光学フィルタと、を備え、
前記金属光学フィルタは誘電体を含み、
少なくとも一部の前記金属光学フィルタは、
金属膜と、周期的に前記金属膜に配置されたホールと、前記誘電体を構成してＳｉＯ２によりも高屈折率の高屈折率材料であるとともに前記金属膜を被覆する材料と、を有するか、又は、
前記高屈折材料からなる高屈折率層と、前記所定波長未満の周期で前記高屈折率層に配置された金属のアイランドと、を有し、
Ｎ×Ｍ個（なお、Ｎ及びＭは１以上の整数）の画素で構成される画素単位毎に、異なる種類の前記金属光学フィルタが配置され、
互いに種類の異なる前記金属光学フィルタの少なくとも一部は、前記誘電体の材料が互いに異なることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記画素単位毎に１つのユニットとして配置される前記金属光学フィルタをフィルタユニットとした場合に、
複数種類の前記フィルタユニットが、前記ホールまたは前記アイランドの周期によって定められる格子係数の大きさに従った順番で一方向に並ぶことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
少なくとも一部の前記受光素子の前記ホール又は前記アイランドの大きさが同じであることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記高屈折率材料が、ＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＮ、Ｔａ２Ｏ５、ＡｌＳｉ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＭｇＯ、ＺｒＯ２のいずれかを含むことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記金属膜又は前記アイランドが、Ａｌ、ＡｌとＣｕの合金、ＡｌとＳｉの合金、Ｃｕ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔａの何れかを含むことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の固体撮像装置。
【国際調査報告】
2014199720.tif 000020
2014199720.tif 000021
2014199720.tif 000022
2014199720.tif 000023