(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射された伝播光を電気信号に変換する複数の画素と、
前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素間を接続するように設けられ、入射された伝播光を近接場光に変換するとともに前記近接場光を伝播する近接場光導波路と、
を備えていることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】
前記近接場光導波路は、伝播光を近接場光に変換する凸形状の変換部を備えていることを特徴とする請求項１記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記複数の画素は、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｒ（赤）の画素を有し、前記近接場光導波路はＧの画素を接続するように設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のイメージセンサ。
【請求項４】
各画素に対応してマイクロレンズが設けられ、前記近接場光導波路は前記マイクロレンズと、前記画素との間に設けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のイメージセンサ。
【請求項５】
前記マイクロレンズと前記近接場光導波路との間に、前記マイクロレンズによって集光された光を対応する画素に入射させるバッファ層を更に備えていることを特徴とする請求項４記載のイメージセンサ。
【請求項６】
前記バッファ層は、ファーフィールド光が隣接する画素へ到達しにくいようにする高屈折率部と、隣接する画素への光を遮光する遮光部とを備えていることを特徴とする請求項５記載のイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、イメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
イメージセンサは、光を電気信号に変換し、画像を取得する装置であり、フォトダイオードや半導体デバイスとの組み合わせで構成された素子である。近年の開発方針は、高画素数化、高感度化、小型化である。画素数は数１００万画素クラスまでとなっており、２ｋ×４ｋ（２０００×４０００）の画素数も開発の目標となってきている。搭載アプリケーションは主に携帯電話に搭載のカメラが中心となっている。
【０００３】
イメージセンサはＣＣＤ、ＣＭＯＳイメージセンサの二種類に分類される。イメージセンサは、高画素数化、１画素の面積の微細化が進んでいる。微細化に関しては、微細化すると感度が低下する傾向にあり、画質のノイズが多くなる。これにより、画像間の境界が曖昧になる。この画像間の境界の曖昧さを画像処理で行うことが考えられる。この画像処理はデジタル回路で行われるが、画素数が多くなると情報処理量は指数関数的に多くなる。例えば、オートフォーカスは画像処理の結果により集光レンズの位置が決められるが、画素数が多くなれば、オートフォーカスの速度が遅くなるという問題がある。また、当然ながら、記録デバイスに書き込まれる時間が長くなり、連写等に影響を与える。
【０００４】
イメージセンサは高画素数化が開発の傾向であるが、画素数が多くなると画像処理速度が遅くなり、オートフォーカスや連写機能に悪影響を与える。特に画像間の境界線に影響を与え易く、画像間の境界が曖昧になり易い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３９２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、画像処理速度が速いとともに、画像間の境界が曖昧になるのを抑制することのできるイメージセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態のイメージセンサは、入射された伝播光を電気信号に変換する複数の画素と、前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素間を接続するように設けられ、入射された伝播光を近接場光に変換するとともに前記近接場光を伝播する近接場光導波路と、を備えていることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）、１（ｂ）は近接場光導波路に関する実験を説明する図。
【図２】図２（ａ）、２（ｂ）は近接場光導波路に関する実験を説明する図。
【図３】第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの断面図。
【図４】第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造工程を説明する断面図。
【図５】第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造工程を説明する断面図。
【図６】第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造工程を説明する断面図。
【図７】第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造工程を説明する断面図。
【図８】第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造工程を説明する断面図。
【図９】第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの製造工程を説明する断面図。
【図１０】近接場光導波路に関する実験を説明する図。
【図１１】第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの断面図。
【図１２】図１２（ａ）、１２（ｂ）は、第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサを説明する図。
【図１３】図１３（ａ）乃至１３（ｄ）は、第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサに関する効果を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施形態を説明する前に、本実施形態に至った経緯について説明する。
【００１０】
まず、図１（ａ）に示すように、光が照射されたときに近接場光を発生する断面が台形状の複数の変換部２ａと、発生された近接場光を伝播する導波路２ｂとを有する金からなる近接場光導波路２を用意する。複数の変換部２ａは、各変換部２ａの幅が２００ｎｍで、５６０ｎｍの間隔で、導波路２ｂの一方の面に配置されている。
【００１１】
この近接場光導波路２に対して複数の変換部２ａが設けられた側と反対側の面に近接して近接場光学顕微鏡のプローブ４を配置するとともに、凸部２ａが設けられた側から光６を照射し、近接場光導波路２内を近接場光が伝播する様子を近接場光顕微鏡で観察した。その結果、隣接する変換部２ａ間から近接場光が発生したことが観察された。
【００１２】
これに対して、図１（ｂ）に示すように比較例として、両面が平坦な金からなる部材３を用意し、この部材３の一方の面に近接して近接場光学顕微鏡のプローブ４を配置するとともに、他方の面側から円形パターンの光６を照射し、近接場光の発生の有無を近接場光顕微鏡で観察した。この比較例においては、近接場光は発生しなかった。
【００１３】
そして、近接場光導波路２の場合には、図２（ａ）に示すように、第１組となる隣接する２つの変換部２ａ１と、この第１組の変換部２ａ１に隣接し第２組となる隣接する２つの変換部２ａ２とを選び、これらの二組の変換部２ａ１、２ａ２のみに円形状の光を照射した。すると、第１組の変換部２ａ１間から近接場光８ａ１が発生するとともに、第２組の変換部２ａ２間から近接場光８ａ２が発生することが近接場光顕微鏡で観察された。その後、図２（ｂ）に示すように、これらの近接場光８ａ１、８ａ２は導波路２ｂを伝播し、第１組の変換部２ａ１と、第２組の変換部２ａ２との間にも近接場光８ｂが伝播された。この近接場光８ｂは、近接場光８ａ１、８ａ２がそれぞれ半分ずつ伝播したものであり、近接場光８ａ１、８ａ２に比べてわずかに広がりを有することが近接場光顕微鏡で観察された。
【００１４】
以上の実験結果から、本発明者達は、イメージセンサの画素のそれぞれに対応して、伝播光を近接場光に変換する変換部と、これらの変換部を接続し近接場光を導波させる導波路と、を有する近接場光導波路を設ければ、信号が入った画素の間に信号が入らない画素があった場合でも、信号が入らない画素にも両側の画素から半分ずつの信号が入り、画素が埋まり、境界面がはっきりした画像が得られると考えた。
【００１５】
以下に、実施形態を説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサを図３に示す。この第１実施形態のＣＭＯＳイメージセンサ１０は、単色の画素が正方格子状に配列した裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサであり、層間絶縁膜１２ａに形成された配線１２ｂが多層に積層された多層配線１２を備えている。この多層配線１２上には、複数の画素１４と、画素１４からの信号の読み出し等の処理を行うトランジスタを含む処理回路１６が設けられている。各画素１４上には近接場光導波路１８が設けられている。この近接場光導波路１８は、各画素１４上に設けられ照射された光を近接場光に変換する変換部１８ａと、変換部１８ａによって変換された近接場光を伝播する導波路１８ｂとを有している。この近接場光導波路１８の上方には各画素１４に対応してマイクロレンズ２８が設けられている。この近接場光導波路１８とマイクロレンズ２８との間には、マイクロレンズ２８によって集光された光を、より効率的に対応する画素に入射させるバッファ層２０が設けられている。このバッファ層２０は、各画素１４に対応して、各画素１４上に設けられファーフィールド光が隣接する画素へ到達しにくいようにする高屈折率部２２と、この高屈折率部２２を取り囲むように設けられ、光を透過する材料、例えばＳｉＯ２からなるＳｉＯ２膜２４と、このＳｉＯ２膜２４を取り囲むように設けられ、光を遮光する遮光部２６とを備えている。
【００１７】
次に、第１実施形態のＣＭＯＳイメージセンサ１の製造方法について図４乃至図９を参照して説明する。
【００１８】
まず、濃度が１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ３〜１０１７ａｔｏｍ／ｃｍ３程度のｎ型シリコン層を有するＳＯＩ基板４０を用意し、上記ｎ型シリコン層上に濃度が１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ３〜１０１７ａｔｏｍ／ｃｍ３程度のｎ型シリコン層４２を形成する（図４）。
【００１９】
次に、ｎ型シリコン層４２に公知の方法でＣＭＯＳ構造を有するセンサ部を形成する。このセンサ部は、複数の画素１４と、画素１４からの信号の読み出し等の処理を行うトランジスタを含む処理回路１６とを有している（図５）。続いて、公知の技術を用いて、層間絶縁膜１２ａに設けられた配線１２ｂが多層に積層された多層配線１２を形成する（図６）。
【００２０】
次に、ＳＯＩ基板４０を研磨することにより削除し（図７）、上記センサ部上に、リソグラフィ技術を用いて、画素１４間を接続する近接場光導波路１８を形成する（図８）。近接場光導波路１８は、センサ部に近接させる必要があり、密着しているとなお良い。近接場光導波路１８は金属細線や、金属−エアギャップ構造、金属や半導体の粒子配列、またはナノ粒子分散型構造等があり、これらのいずれでも良い。近接場光導波路１８の材質としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｂｉ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、II−VI族半導体、III−Ｖ族半導体を用いることができる。近接場光導波路１８は干渉させて導波させた方が、信号が入らない画素の信号を効率よく補うことができる。また、伝播光と近接場光との変換の効率が向上させるために、本実施形態においては、近接場光導波路１８は金で形成し、近接場光導波路１８の変換部１８ａの形状を楔形とした。なお、変換部１８ａの材料として、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｂｉ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、II−VI族半導体、III−Ｖ族半導体、グラフェン、またはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いることができる。また変換部１８ａの形状は三角錐（楔）、球、台形であることが好ましい。なお、変換部１８ａは、伝播光を近接場光に効率良く変換させるものであって、設けなくともよい。
【００２１】
次に、図９に示すように、近接場光導波路１８上に、マイクロレンズの焦点距離を調整するバッファ層２０を形成する。このバッファ層２０には、ファーフィールド光が隣接する画素へ到達しにくいように各画素１４の上部に透明性の高い材料の高屈折部２２と、この高屈折部２２を取り囲むように設けられるＳｉＯ２膜２４と、このＳｉＯ２膜２４を取り囲むように設けられ例えばＳｉからなる遮光部２６と、を備えている。なお、高屈折部２２は設けなくともよく、この場合、代わりにＳｉＯ２膜を設ける。また、遮光部２６を形成すると伝播光による画像の境界面でのにじみを低減することができる。続いて、バッファ層２０上に、各画素に対応してマイクロレンズ２８を形成する（図９）。
【００２２】
このように構成された第１実施形態のイメージセンサにおいては、マイクロレンズ２８を通過した伝播光が近接場光導波路１８に照射し、近接場光に変換される。変換されない成分は、直接画素に入力される。変換された近接場光は、一部が隣接する画素に伝わり、画像の境界面における「ぼやけ」または「曖昧さ」を塗りつぶすように働く。
【００２３】
近接場光導波路１８は、その特性により伝播距離を制御することができる。例えば、金属ナノ粒子分散系では金属種や金属ナノ粒子間の距離を変えることにより、近接場相互作用の強さが変化し、導波距離を制御することができる。金属細線では、金属種や線幅で制御が可能である。本実施形態の場合、金属ナノ粒子に平均粒径約１０ｎｍの金を用い、粒間距離に約５ｎｍの距離を開けて分散させているが、構造は、オレイルアミンをリガンドとするコアシェル型金ナノ粒子である。シェル厚を２ｎｍ〜３ｎｍにすることにより、粒子間隔を５ｎｍ程度にすることができているが、粒子間隔を広げると、伝播長を短くすることができる。金属細線では、幅を広げると伝播長が短くなる。
【００２４】
以上説明したように、第１実施形態によれば、近接場光を利用して画像間の境界が曖昧になるのを抑制することができる。このため、画像間の境界が曖昧になるのを抑制する画像処理を近接場光で補っているので、画像処理速度を早く行うことができる。これにより、フォーカシングの時間を短くすることが可能となり、動画でも単焦点動作ではなく、対象物の動きに合わせてフォーカス動作を行うことができる。なお、画像間の境界が曖昧になるのを抑制することが可能となるので、暗く、曖昧な画像の境界をくっきりさせることができ、画像を見やすくすることができる。また、近接場光の導波速度は真空中の光の速度の数分の１程度である。したがって、画素間を導波する時間は、１０−１５秒程度であるので、デジタル回路による画像処理速度に比べると処理時間はほとんどゼロと言ってよい。このため、近接場光で処理する量だけ全体の処理速度が速くなる。
【００２５】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサについて図１０乃至図１３を参照して説明する。
【００２６】
まず、第２実施形態のＣＭＯＳイメージセンサについて説明する前に、図１０に示すように、近接場光導波路２の光が入射する側にＧ（緑）のカラーフィルタ５０を形成し、近接場光導波路２のカラーフィルタ５０が形成され側と反対側の面に近接して近接場光顕微鏡のプローブ４を配置した模擬的な撮像素子を用意する。なお、近接場光導波路２は、薄い部分２ｂの厚みが５０ｎｍ、幅（紙面に対して直交する方向のサイズ）が１００ｎｍ、突起２ａの周期が約８００ｎｍ、その高さが５０ｎｍ、突起２ａの長さ（紙面に平行な方向のサイズ）が１００ｎｍとした。そして、この撮像素子にカラーフィルタ５０側から白色光を入射し、近接場光顕微鏡により、近接場光の伝播の様子を観察した。この観察結果によれば、近接場光の広がりによりが画像の境界がはっきりすることが分かった。
【００２７】
第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサを図１１に示す。この第２実施形態のＣＭＯイメージセンサは、裏面照射型のカラーイメージセンサであって、図３に示す第１実施形態のイメージセンサにおいて、バッファ層２０とマイクロレンズ２８との間に、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｒ（赤）からなるカラーフィルタ２７Ｇ、２７Ｂ、２７Ｒを設けた構成となっている。なお、図１１においては、近接場光導波路１８の変換部を表示していないが、図３に示す第１実施形態の場合と同様に、変換部となる突起部を設けてもよい。なお、第２実施形態においては、近接場光導波路１８は、入射された光を近接場光に変換する機能を有している。
【００２８】
また、第２実施形態においては、図１２（ａ）に示すように、Ｇのカラーフィルタ２７Ｇは、ＢおよびＲのカラーフィルタ２７Ｂ、２７Ｒのそれぞれの個数よりも２倍の個数となるように、カラーフィルタが構成されている。この第２実施形態においては、Ｇのカラーフィルタは図１２（ａ）に示すように斜めに隣接した構成である。一つの色の画素のサイズは、縦、横が約７８０ｎｍであり、Ｇ、Ｂ、Ｒ、Ｇからなる４画素で１組のカラーフィルタのセルを構成している。また、図１２（ｂ）に示すように、Ｇの画素間を５０ｎｍ幅の金の細線からなる近接場光導波路１８で結合させている。
【００２９】
近接場光導波路１８は、金属−エアギャップ構造、金属や半導体の細線やナノ粒子分散構造、グラフェン、またはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）のいずれかで構成することができる。近接場光導波路１８に変換部を設ける場合は、この変換部の材料として、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｂｉ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、II−VI族半導体、III−Ｖ族半導体、グラフェン、またはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いることができる。
【００３０】
第２実施形態のイメージセンサに、円形の光を、焦点をややずらして照射した結果を図１３（ａ）乃至１３（ｄ）に示す。図１３（ａ）はＲの画素またはＢの画素の境界における原画像を示し、図１３（ｂ）は上記原画像に対して第２実施形態によって撮像した、上記境界における画像を模式的に示す図である。図１３（ｃ）はＧの画素の境界における原画像を示し、図１３（ｄ）は上記原画像に対して第２実施形態によって撮像した、上記境界における画像を模式的に示す図である。図１３（ａ）乃至１３（ｄ）からわかるように、Ｇの画素では、円形界面形状がくっきりし、Ｒ、Ｂの画素画像では、元のややぼやけた画像が得られた。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態のイメージセンサにおいては、Ｇ画像の境界面をくっきりさせることができた。
【００３２】
この第２実施形態も第１実施形態と同様に、近接場光を利用して画像間の境界が曖昧になるのを抑制することができる。このため、画像間の境界が曖昧になるのを抑制する画像処理を近接場光で補っているので、画像処理速度を早く行うことができる。これにより、フォーカシングの時間を短くすることが可能となり、動画でも単焦点動作ではなく、対象物の動きに合わせてフォーカス動作を行うことができる。なお、画像間の境界が曖昧になるのを抑制することが可能となるので、暗く、曖昧な画像の境界をくっきりさせることができ、画像を見やすくすることができる。また、近接場光で処理する量だけ全体の処理速度を速くすることができる。なお、本実施形態は、ＣＭＯＳイメージセンサーに限ったことではなく、ＣＣＤにて適用できる。
【００３３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３４】
２  近接場光導波路
２ａ  変換部
２ａ１、２ａ２  変換部
２ｂ  導波路
３  部材
４  近接場光学顕微鏡のプローブ
６  光
８ａ１、８ａ２  近接場光
８ｂ  近接場光
１０  ＣＭＯＳイメージセンサ
１２  多層配線
１２ａ  配線
１２ｂ  層間絶縁膜
１４  画素
１６  処理回路
１８  近接場光導波路
１８ａ  変換部
１８ｂ  導波路
２０  バッファ層
２２  高屈折率部
２４  ＳｉＯ２膜
２６  遮光部
２７Ｇ  緑色フィルタ
２７Ｂ  青色フィルタ
２７Ｒ  赤色フィルタ
２８  マイクロレンズ
４０  ＳＯＩ基板
４２  ｎ型Ｓｉ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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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