(57)【要約】【課題】構造色フィルタを用いるにも関わらず、主光線角度の変化による透過効率の低下を抑制すること。【解決手段】本開示に係る固体撮像素子は、複数の画素を構成する受光素子と、少なくとも一部の前記受光素子の上方に位置しており、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタと、前記受光素子の下方に位置しており、前記受光素子による光の検出信号を取得するための配線層と、を備え、前記構造色フィルタは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、前記主光線角度＝０°における前記周期開口パターンの前記構造周期に対して、前記主光線角度が大きくなるほど前記周期開口パターンの前記構造周期が小さくなっている。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を構成する受光素子と、
少なくとも一部の前記受光素子の上方に位置しており、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタと、
前記受光素子の下方に位置しており、前記受光素子による光の検出信号を取得するための配線層と、
を備え、
前記構造色フィルタは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、前記主光線角度＝０°における前記周期開口パターンの前記構造周期に対して、前記主光線角度が大きくなるほど前記周期開口パターンの前記構造周期が小さくなっている、固体撮像素子。
【請求項２】
前記構造色フィルタは、金属表面と誘電体との界面に生ずる表面プラズモン・ポラリトンを利用した構造フィルタである、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記構造色フィルタにおける前記周期開口パターンは、円形又は矩形の開口形状を有する複数の開口部で構成されており、
それぞれの前記開口部は、前記構造色フィルタの開口面を仮想的に平面充填する略三角形の頂点の位置に設けられている、請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記構造色フィルタにおける前記周期開口パターンは、円形又は矩形の開口形状を有する複数の開口部で構成されており、
それぞれの前記開口部は、前記構造色フィルタの開口面を仮想的に平面充填する正方形又は長方形の頂点の位置に設けられている、請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記構造色フィルタは、アルミニウム、銅、銀、金、チタン、タングステン又はこれら元素の合金を主成分とする金属膜を有する、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記構造色フィルタにおける前記周期開口パターンを構成する複数の開口部それぞれの大きさは、５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内であり、
互いに隣り合う前記開口部の間隔は、１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内である、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記構造色フィルタにおける前記金属膜の厚みは、当該構造色フィルタに入射する光の波長において光学的に不透明となる厚みである、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記構造色フィルタにおける前記金属膜の厚みは、５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内である、請求項７に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記構造色フィルタは、電気的に接地されている、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記構造色フィルタの前記受光素子側の面と、前記受光素子と、の間に、第１の集光レンズ構造が位置しており、
前記第１の集光レンズ構造の屈折率は、当該第１の集光レンズ構造が設けられている周囲の屈折率よりも大きな値を有する、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記構造色フィルタの開口面の表面形状は、前記第１の集光レンズ構造の表面形状と相似するように湾曲している、請求項１０に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
前期構造色フィルタの前記受光素子とは逆側の面の上方に、第２の集光レンズ構造が位置している、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
前記構造色フィルタの前記受光素子側の面と、前記受光素子と、の間に、第１の集光レンズ構造が位置し、かつ、前期構造色フィルタの前記受光素子とは逆側の面の上方に、第２の集光レンズ構造が位置しており、
前記第１の集光レンズ構造の屈折率は、当該第１の集光レンズ構造が設けられている周囲の屈折率よりも大きな値であり、
前記第２の集光レンズ構造の曲率は、前記第１の集光レンズ構造の曲率よりも大きい、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１４】
前記構造色フィルタの前記受光素子とは逆側の面の上方に、平坦な表面を有する層を備える、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１５】
前記受光素子の上方に、所定波長の光を吸収する吸収型の色フィルタを更に備える、請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１６】
前記吸収型の色フィルタは、所定波長の光を吸収して、可視光帯域の波長の光を選択的に透過させる色フィルタである、請求項１５に記載の固体撮像素子。
【請求項１７】
前記吸収型の色フィルタは、所定波長の光を吸収して、可視光帯域の光を選択的に透過させる色フィルタと、前記受光素子が感度を有する電磁波波長帯域の光に対して透明なホワイトフィルタと、を有する、請求項１５に記載の固体撮像素子。
【請求項１８】
前記吸収型の色フィルタは、有機系素材又は無機系素材からなる、請求項１５に記載の固体撮像素子。
【請求項１９】
複数の画素を構成する受光素子と、前記受光素子の下方に位置しており、前記受光素子による光の検出信号を取得するための配線層と、を備える固体撮像素子の少なくとも一部の前記受光素子の上方に、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタを配置すること
を含み、
前記構造色フィルタは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、前記主光線角度＝０°における前記周期開口パターンの前記構造周期に対して、前記主光線角度が大きくなるほど前記周期開口パターンの前記構造周期が小さくなっている、固体撮像素子の瞳補正方法。
【請求項２０】
複数の画素を構成する受光素子と、少なくとも一部の前記受光素子の上方に位置しており、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタと、前記受光素子の下方に位置しており、前記受光素子による光の検出信号を取得するための配線層と、を有し、前記構造色フィルタは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、前記主光線角度＝０°における前記周期開口パターンの前記構造周期に対して、前記主光線角度が大きくなるほど前記周期開口パターンの前記構造周期が小さくなっている固体撮像素子と、
前記固体撮像素子へと光を導光する光学系と、
を少なくとも備える、撮像装置。
【請求項２１】
複数の画素を構成する受光素子と、少なくとも一部の前記受光素子の上方に位置しており、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタと、前記受光素子の下方に位置しており、前記受光素子による光の検出信号を取得するための配線層と、を有し、前記構造色フィルタは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、前記主光線角度＝０°における前記周期開口パターンの前記構造周期に対して、前記主光線角度が大きくなるほど前記周期開口パターンの前記構造周期が小さくなっている固体撮像素子と、
前記固体撮像素子へと光を導光する光学系と、
を少なくとも有する撮像装置を備える、情報処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、固体撮像素子、固体撮像素子の瞳補正方法、撮像装置及び情報処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属構造に対して周期的な微細加工が施された、いわゆるプラズモニックフィルタ等の構造色フィルタを、２次元固体撮像素子の波長選択素子として利用する技術が提案されている（例えば、以下の特許文献１及び非特許文献１を参照。）。【０００３】
一方、携帯情報端末やパーソナルユースの可搬型コンピュータ等に搭載されるカメラモジュールは、小型化及び薄型化という要請から、２次元撮像画像の中心から周辺部になるにつれて主光線角度（Ｃｈｉｅｆ  Ｒａｙ  Ａｎｇｌｅ：ＣＲＡ）が大きくなる、いわゆる瞳補正技術を採用している（例えば、以下の特許文献２を参照。）。かかる瞳補正技術を採用することで、カメラモジュールの小型化及び薄型化を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１７７１９１号公報
【特許文献２】特開平６−１４０６０９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｓ．Ｙｏｋｏｇａｗａ，Ｓ．Ｐ．Ｂｕｒｇｏｓ，ａｎｄ  Ｈ．Ａ．Ａｔｗａｔｅｒ，“Ｐｌａｓｍｏｎｉｃ  ｃｏｌｏｒ  ｆｉｌｔｅｒｓ  ｆｏｒ  ＣＭＯＳ  ｉｍａｇｅ  ｓｅｎｓｏｒ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，１２．８（２０１２），ｐ．４３４９−４３５４．
【非特許文献２】Ｓ．Ｐ．Ｂｕｒｇｏｓ，Ｓ．Ｙｏｋｏｇａｗａ，ａｎｄ  Ｈ．Ａ．Ａｔｗａｔｅｒ，“Ｃｏｌｏｒ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｖｉａ  ｎｅａｒｅｓｔ  ｎｅｉｇｈｂｏｒ  ｈｏｌｅ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｉｎ  ｐｌａｓｍｏｎｉｃ  ｃｏｌｏｒ  ｆｉｌｔｅｒｓ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｏｎｔｏ  ａ  ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｉｍａｇｅ  ｓｅｎｓｏｒ”，Ａｃｓ  Ｎａｎｏ，７．１１（２０１３），ｐ．１００３８−１００４７．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１及び非特許文献２に開示されているような構造色フィルタにおいて斜めから光が入射した場合には、光の入射角度に応じて光の透過波長のピーク位置が長波長方向にシフトしたり、透過効率が低減したりする等といった特性変動が生じる（例えば、上記非特許文献２を参照。）。しかしながら、現在のところ、構造色フィルタにおいて、このような特性変動については、何ら対策が行われていない。【０００７】
その結果、波長選択素子として上記のような構造色フィルタを用いた場合、構造色フィルタに対してほぼ垂直に光が入射するような光学系を採用するほかなく、カメラモジュールをコンパクトに設計することが困難となっている状況にある。【０００８】
また、上記特許文献１及び非特許文献２に開示されているプラズモニックフィルタ等の構造色フィルタは、周期的な微細加工によって金属構造に複数の開口部が設けられたものであり、近傍の開口部の表面プラズモン・ポラリトンの干渉によって、透過効率が決まるものである。そのため、各画素がいわゆるオンチップ型の集光素子を有する従来の２次元固体撮像素子の集光方式をそのまま用いて構造色フィルタを搭載した場合、入射光が構造色フィルタ面にスポットを結んでしまう。その結果、構造色フィルタの周期構造の外周部分では共鳴効果が弱まり、フィルタ全面で積分した際の透過効率が低下してしまうことが予想される。【０００９】
そこで、本開示では、上記事情に鑑みて、構造色フィルタを用いるにも関わらず、主光線角度の変化による透過効率の低下を抑制することが可能な固体撮像素子及び固体撮像素子の瞳補正方法と、かかる固体撮像素子を用いた撮像装置及び情報処理装置と、を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示によれば、複数の画素を構成する受光素子と、少なくとも一部の前記受光素子の上方に位置しており、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタと、前記受光素子の下方に位置しており、前記受光素子による光の検出信号を取得するための配線層と、を備え、前記構造色フィルタは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、前記主光線角度＝０°における前記周期開口パターンの前記構造周期に対して、前記主光線角度が大きくなるほど前記周期開口パターンの前記構造周期が小さくなっている固体撮像素子が提供される。【００１１】
また、本開示によれば、複数の画素を構成する受光素子と、前記受光素子の下方に位置しており、前記受光素子による光の検出信号を取得するための配線層と、を備える固体撮像素子の少なくとも一部の前記受光素子の上方に、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタを配置することを含み、前記構造色フィルタは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、前記主光線角度＝０°における前記周期開口パターンの前記構造周期に対して、前記主光線角度が大きくなるほど前記周期開口パターンの前記構造周期が小さくなっている固体撮像素子の瞳補正方法が提供される。【００１２】
また、本開示によれば、上記のような固体撮像素子と、かかる固体撮像素子へと光を導光する光学系と、を少なくとも備える撮像装置が提供される。【００１３】
また、本開示によれば、上記のような固体撮像素子と、かかる固体撮像素子へと光を導光する光学系と、を少なくとも有する撮像装置を備える情報処理装置が提供される。【００１４】
本開示によれば、固体撮像素子が有する構造色フィルタでは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、主光線角度＝０°における周期開口パターンの構造周期に対して、主光線角度が大きくなるほど周期開口パターンの構造周期が小さくなるため、構造色フィルタの光学特性の均質性が高まる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように本開示によれば、構造色フィルタを用いるにも関わらず、主光線角度の変化による透過効率の低下を抑制することが可能な固体撮像素子及び固体撮像素子の瞳補正方法と、かかる固体撮像素子を用いた撮像装置及び情報処理装置と、を実現することができる。【００１６】
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、又は、上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、又は、本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本開示の実施形態に係る固体撮像素子の全体構造を模式的に示した説明図である。
【図２】同実施形態に係る固体撮像素子における単位画素の等価回路図である。
【図３】一般的な構造色フィルタにおける光学特性の変化について説明するための説明図である。
【図４Ａ】一般的な構造色フィルタにおける光学特性の変化について説明するための説明図である。
【図４Ｂ】一般的な構造色フィルタにおける光学特性の変化について説明するための説明図である。
【図４Ｃ】一般的な構造色フィルタにおける光学特性の変化について説明するための説明図である。
【図５】一般的な薄型レンズモジュールにおける光学特性の変化について説明するための説明図である。
【図６】一般的な薄型レンズモジュールにおける光学特性の変化について説明するための説明図である。
【図７】一般的な構造色フィルタにおける光学特性の変化について説明するための説明図である。
【図８Ａ】一般的な構造色フィルタにおける光学特性の変化について説明するための説明図である。
【図８Ｂ】一般的な構造色フィルタにおける光学特性の変化について説明するための説明図である。
【図９Ａ】同実施形態に係る固体撮像素子における瞳補正方法について説明するための説明図である。
【図９Ｂ】同実施形態に係る固体撮像素子における瞳補正方法について説明するための説明図である。
【図１０】同実施形態に係る固体撮像素子における瞳補正方法について説明するための説明図である。
【図１１Ａ】同実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部における構造色フィルタについて説明するための説明図である。
【図１１Ｂ】同実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部における構造色フィルタについて説明するための説明図である。
【図１２】同実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部を模式的に示した説明図である。
【図１３】同実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での単画素の構造の一例を模式的に示した説明図である。
【図１４】同実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での単画素の構造の他の一例を模式的に示した説明図である。
【図１５Ａ】高さ１０００ｎｍのオンチップレンズを設けた固体撮像素子の画素アレイ部における構造色フィルタ透過後の電場強度分布を示したグラフ図である。
【図１５Ｂ】オンチップレンズを設けない固体撮像素子の画素アレイ部における構造色フィルタ透過後の電場強度分布を示したグラフ図である。
【図１６】オンチップレンズの高さと感度との関係を示したグラフ図である。
【図１７】同実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での単画素の構造の他の一例を模式的に示した説明図である。
【図１８】同実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での単画素の構造の他の一例を模式的に示した説明図である。
【図１９】同実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での画素構造の一例を模式的に示した説明図である。
【図２０】同実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での画素構造の他の一例を模式的に示した説明図である。
【図２１】同実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での画素構造の他の一例を模式的に示した説明図である。
【図２２】同実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での画素構造の他の一例を模式的に示した説明図である。
【図２３】同実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での画素構造の他の一例を模式的に示した説明図である。
【図２４】同実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での画素構造の他の一例を模式的に示した説明図である。
【図２５】同実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での画素構造の他の一例を模式的に示した説明図である。
【図２６Ａ】同実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部における構造色フィルタの配置状態の一例について模式的に示した説明図である。
【図２６Ｂ】同実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部における構造色フィルタの配置状態の一例について模式的に示した説明図である。
【図２７Ａ】同実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部における構造色フィルタの配置状態の一例について模式的に示した説明図である。
【図２７Ｂ】同実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部における構造色フィルタの配置状態の一例について模式的に示した説明図である。
【図２７Ｃ】同実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部における色フィルタの配置状態の一例について模式的に示した説明図である。
【図２８】同実施形態に係る固体撮像素子を有する撮像装置の構成の一例を模式的に示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１９】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．第１の実施形態
１．１．固体撮像素子の全体構成について
１．２．単位画素の等価回路図について
１．３．構造色フィルタの構造及び瞳補正方法について
１．４．画素アレイ部の構造について
１．５．撮像装置の構成について
１．６．固体撮像素子の製造方法について
２．まとめ
【００２０】
（第１の実施形態）
＜固体撮像素子の全体構成について＞
まず、図１を参照しながら、本開示の第１の実施形態に係る固体撮像素子の全体構成について、簡単に説明する。図１は、本実施形態に係る固体撮像素子の全体構成を模式的に示した説明図である。なお、以下では、固体撮像素子として、４トランジスタ型の裏面照射型のイメージセンサを例に挙げて説明を行うものとする。
【００２１】
本実施形態に係る固体撮像素子１００は、図１に模式的に示したように、画素アレイ部１０と、垂直駆動部２０と、カラム処理部３０と、水平駆動部４０と、システム制御部５０と、を備える。なお、画素アレイ部１０、垂直駆動部２０、カラム処理部３０、水平駆動部４０及びシステム制御部５０は、例えば、未図示の一枚の半導体基板（チップ）上に形成される。
【００２２】
また、固体撮像素子１００は、更に、信号処理部６０及びデータ格納部７０を備えることが好ましい。なお、信号処理部６０及びデータ格納部７０は、固体撮像素子１００とは別の基板に設けられた、例えばＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）やソフトウェアにより処理を行う外部信号処理部で構成してもよい。また、信号処理部６０及びデータ格納部７０を、例えば画素アレイ部１０等が形成される半導体基板と同じ半導体基板上に搭載してもよい。
【００２３】
画素アレイ部１０は、行列状に２次元配置された複数の単位画素（以下、単に「画素」ともいう。）を備える。また、各画素には、入射光量に対応した電荷量（以下、単に「電荷」という）を発生して内部に蓄積する光電変換素子（本実施形態では、フォトダイオードである。）が設けられる。
【００２４】
画素アレイ部１０は、更に、行列状に２次元配置された画素の行ごとに、行方向（図１における左右方向）に沿って形成された画素駆動線Ｌ１と、列ごとに、列方向（図１における上下方向）に沿って形成された垂直信号線Ｌ２と、を備える。なお、各画素駆動線Ｌ１は、対応する行の画素に接続され、各垂直信号線Ｌ２は、対応する列の画素に接続される。
【００２５】
また、画素駆動線Ｌ１の一端は、かかる画素駆動線Ｌ１に対応する垂直駆動部２０の行の出力端に接続され、垂直信号線Ｌ２の一端は、かかる垂直信号線Ｌ２に対応するカラム処理部３０の列の入力端に接続される。なお、図１では、説明を簡略化するため、行ごとの画素駆動線Ｌ１を１本の信号線で示すが、後述のように、通常、画素を構成する複数のトランジスタをそれぞれ駆動する複数の信号線が行ごとに設けられる。
【００２６】
垂直駆動部２０は、例えば、シフトレジスタ、アドレスデコーダ等の回路素子により実現される。垂直駆動部２０は、画素アレイ部１０の各画素に各種駆動信号を出力して、各画素を駆動し、各画素から信号を読み出す。
【００２７】
カラム処理部３０は、画素アレイ部１０の画素の列ごとに、選択行の所定の画素から垂直信号線Ｌ２を介して出力される画素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。
【００２８】
具体的には、カラム処理部３０は、信号処理として少なくとも、例えばＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ：相関二重サンプリング）処理等のノイズ除去処理を行う。カラム処理部３０におけるＣＤＳ処理により、例えば、リセットノイズ、増幅トランジスタの閾値ばらつき等に起因する画素固有の固定パターンノイズを除去することができる。なお、上述したノイズ除去機能以外に、例えば、ＡＤ（Ａｎａｌｏｇ  ｔｏ  Ｄｉｇｉｔａｌ）変換機能をカラム処理部３０に設けて、デジタル信号を出力する構成としてもよい。
【００２９】
水平駆動部４０は、例えば、シフトレジスタ、アドレスデコーダ等の回路素子により実現される。水平駆動部４０は、カラム処理部３０の列ごとに設けられた単位回路（図示せず。）を順次、選択走査する。この水平駆動部４０の選択走査により、カラム処理部３０の各単位回路で信号処理された画素信号は、順次、信号処理部６０に出力される。
【００３０】
システム制御部５０は、固体撮像素子１００の各種動作のタイミング信号を生成する例えばタイミングジェネレータ等により実現される。そして、システム制御部５０で生成された各種タイミング信号は、垂直駆動部２０、カラム処理部３０及び水平駆動部４０に供給され、これらのタイミング信号に基づいて各部が駆動制御される。
【００３１】
信号処理部６０は、カラム処理部３０から出力される画素信号に対して、例えば加算処理等の各種の信号処理を実施する。また、データ格納部７０は、信号処理部６０で所定の信号処理を行う際に必要なデータを、一時的に格納する。
【００３２】
以上、図１を参照しながら、本実施形態に係る固体撮像素子１００の全体構成を簡単に説明した。
【００３３】
＜単位画素の等価回路図について＞
次に、図１に示したような４トランジスタ型のイメージセンサにおける単位画素の等価回路図について、図２を参照しながら簡単に説明する。
【００３４】
画素は、通常、一つのフォトダイオード１００１（光電変換素子）と、かかる一つのフォトダイオード１００１に対して設けられたＭＯＳトランジスタからなる各種能動素子と、フローティングディフュージョン（ＦＤ）領域１０１１と、を備える。図２に示した例では、画素は、各種能動素子として、転送トランジスタ１００３、増幅トランジスタ１００５、リセットトランジスタ１００７及び選択トランジスタ１００９を有している。なお、図２では、各種トランジスタをキャリア極性がＮ型のＭＯＳトランジスタで構成した例を図示している。
【００３５】
また、図２に示す例では、一つの画素に対して、行方向（図２における左右方向）に転送配線１０１３、リセット配線１０１５及び選択配線１０１７の３本の信号配線（画素駆動線Ｌ１）が設けられており、列方向（図２における上下方向）に垂直信号線Ｌ２が設けられている。なお、図２には図示していないが、画素には、画素境界部分及び黒レベル検出画素に、遮光膜として利用される２次元配線も設けられる。
【００３６】
フォトダイオード１００１は、入射光を、入射光の光量に対応する量の電荷（ここでは電子である。）へと変換する（すなわち、入射光が電荷へと光電変換される。）。なお、フォトダイオード１００１のアノードは、図２に示したように接地されている。
【００３７】
転送トランジスタ１００３は、フォトダイオード１００１のカソードと、ＦＤ領域１０１１との間に設けられる。転送トランジスタ１００３は、そのゲートに垂直駆動部Ｌ１から転送配線１０１３を介してハイレベルの信号が入力された際にオン状態となり、フォトダイオード１００１で光電変換された電荷（電子）をＦＤ領域１０１１に転送する。なお、ＦＤ領域１０１１に転送された電荷は、ＦＤ領域１０１１において、電圧（電位）に変換される。
【００３８】
増幅トランジスタ１００５のゲートは、ＦＤ領域１０１１に接続される。また、増幅トランジスタ１００５のドレインは、電源電圧Ｖｄｄの供給端子に接続され、増幅トランジスタ１００５のソースは、選択トランジスタ１００９を介して垂直信号線Ｌ２に接続される。増幅トランジスタ１００５は、ＦＤ領域１０１１の電位（電圧信号）を増幅し、その増幅信号を光蓄積信号（画素信号）として選択トランジスタ１００９に出力する。
【００３９】
リセットトランジスタ１００７は、電源電圧Ｖｄｄの供給端子とＦＤ領域１０１１との間に設けられる。リセットトランジスタ１００７は、そのゲートに垂直駆動部２０からリセット配線１０１５を介してハイレベルの信号が入力された際にオン状態となり、ＦＤ領域１０１１の電位を電源電圧Ｖｄｄにリセットする。
【００４０】
選択トランジスタ１００９は、増幅トランジスタ１００５と垂直信号線Ｌ２との間に設けられる。選択トランジスタ１００９は、そのゲートに垂直駆動部２０から選択配線１０１７を介してハイレベルの信号が入力された際にオン状態となり、増幅トランジスタ１００５で増幅された電圧信号を垂直信号線Ｌ２に出力する。すなわち、固体撮像素子１００が４トランジスタ型のイメージセンサである場合、画素の選択及び非選択の切り替えは、選択トランジスタ１００９により制御される。なお、垂直信号線Ｌ２に出力された各画素の電圧信号は、カラム処理部３０に転送される。
【００４１】
以上、図２を参照しながら、４トランジスタ型のイメージセンサにおける単位画素の等価回路図について、簡単に説明した。
【００４２】
＜構造色フィルタの構造及び瞳補正方法について＞
以下では、図３〜図１１Ｂを参照しながら、構造色フィルタにおける光学特性の変化について説明するとともに、本実施形態に係る固体撮像素子における構造色フィルタの構造及び瞳補正方法について詳細に説明する。
図３、図４Ａ〜図４Ｃ、図７、図８Ａ及び図８Ｂは、一般的な構造色フィルタにおける光学特性の変化について説明するための説明図である。図５及び図６は、一般的な薄型モジュールレンズにおける光学特性の変化について説明するための説明図である。図９Ａ及び図９Ｂは、本実施形態に係る固体撮像素子における瞳補正方法について説明するための説明図であり、図１０は、本実施形態に係る固体撮像素子における瞳補正方法について説明するための説明図である。図１１Ａ及び図１１Ｂは、本実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部における構造色フィルタについて説明するための説明図である。
【００４３】
［一般的な構造色フィルタについての検討］
図３は、構造色フィルタの構造を模式的に示した説明図である。
代表的な構造色フィルタの１種であるプラズモニックフィルタは、金属と、かかる金属の表面に設けられた誘電体と、を有する構造フィルタであり、金属と誘電体との界面に生ずる表面プラズモン・ポラリトンを利用した構造フィルタである。かかる構造色フィルタは、生じた表面プラズモン・ポラリントンの干渉や共鳴を利用して、入射する光（フォトン）のうち特定波長を有するものを、選択的に透過したり、反射したり、吸収したりする。
【００４４】
かかる構造色フィルタＰＦは、サブ波長スケールの周期的な微細構造パターンを有している。図３に示した構造色フィルタＰＦでは、誘電体（図示せず。）が設けられた金属薄膜に対し、かかる構造色フィルタＰＦが設けられる固体撮像素子で検出される光の波長よりも小さい径（すなわち、サブ波長スケールの径）を有する微細な開口（ホール）ＭＡが複数設けられている。また、かかる微細な開口ＭＡは、金属薄膜に対して、２次元配列状に配置されている。
【００４５】
構造色フィルタＰＦは、その構造と、金属及び金属の表面に存在する誘電体の物性と、に起因した特徴的な透過性を有している。すなわち、構造色フィルタＰＦにおいては、金属表面に微細な周期構造が存在することで、金属薄膜表面とその周囲の誘電体との境界で発生した表面プラズモン・ポラリトンが干渉し、その構造と物性値とに特有の透過波長プロファイルを有することになる。また、表面プラズモン・ポラリトンの分散関係は、金属と金属表面の極近傍（表面から数１００ｎｍの範囲）の誘電体との複素屈折率に依存するため、その狭い領域の屈折率変化に高い感度を有している。
【００４６】
構造色フィルタＰＦは、上記のような構造と物性値とに特有の透過波長プロファイルを有していることから、光が垂直入射した場合（図３においてＡで示した光入射の場合）のフィルタ応答と、光が斜めに入射した場合（図３においてＢで示した光入射の場合）のフィルタ応答とは、異なることが一般的である。
【００４７】
例えば、構造色フィルタに対して光が垂直（Ｎｏｒｍａｌ  Ｉｎｃｉｄｅｎｔ  Ａｎｇｌｅ）に入射した場合Ａと、斜め（Ｎｏｎ−ｎｏｒｍａｌ  Ｉｎｃｉｄｅｎｔ  Ａｎｇｌｅ）に入射したした場合Ｂ（例えば、入射角度＝１５度で入射した場合）とを取り上げる。この場合に、入射する光の波長を変化させると、構造色フィルタの透過率がどのように変化するのかについて、その変化の様子を図４Ａに模式的に示した。図４Ａから明らかなように、光が斜めに入射することで、構造色フィルタを透過する光の波長は長波長シフトし、また、透過率も変化する。図４Ｂは、一般的な構造を有する構造色フィルタに対して光が垂直に入射した場合Ａと、入射角度＝１５度で斜めに入射した場合Ｂと、の双方について、構造色フィルタの透過率の変化を具体的に検証した結果を示している。図４Ｂからも明らかなように、光が斜めに入射することで、構造色フィルタを透過する光の波長は長波長シフトし、また、透過率も変化することがわかる。同様にして、光の入射角度範囲を０度から１８度まで変化させ、構造色フィルタの透過率を市販のアプリケーションを用いてシミュレートすると、図４Ｃに示したように、入射角度が大きくなるにつれて、透過ピーク波長が５５０ｎｍ近傍から６００ｎｍ程度にまでシフトすることが確認された。
【００４８】
続いて、一般的なスマートフォンや携帯情報端末等に採用されている薄型モジュールレンズの主光線角度（Ｃｈｉｅｆ  Ｒａｙ  Ａｎｇｌｅ：ＣＲＡ）と像高（Ｉｍａｇｅ  Ｈｅｉｇｈｔ）との関係を、図５及び図６を参照しながら説明する。
図５及び図６に模式的に示したように、一般的な薄型モジュールレンズにおいて、固体撮像素子の有効画素領域ＰＡの中央部分では像高は低く、主光線角度ＣＲＡは０度となる。また、一般的な薄型モジュールレンズにおいて、有効画素領域ＰＡの周辺部分に近づくほど像高は高くなり、主光線角度ＣＲＡは大きな値となる。このような現象に対して、画素特性及び色を一定に保つための処理が瞳補正処理であり、一般的な薄型の固体撮像素子では、集光素子及びカラーフィルタを、画素に対して水平面内で水平シフトさせる方法が一般的であった。
【００４９】
続いて、図７〜図８Ｂを参照しながら、一般的な構造色フィルタ（プラズモニックフィルタ）に対して、図６に示したような主光線角度特性を有するレンズモジュールを採用した場合に発生する光学特性の変化について、説明する。
【００５０】
プラズモニックフィルタに代表される一般的な構造色フィルタＰＦでは、図３で模式的に示したように、微細な開口ＭＡが周期的に形成されている。ここで、一般的な構造色フィルタＰＦでは、開口ＭＡの大きさ（例えば、図７における開口ＭＡの直径（Ｄｉａｍｅｔｅｒ））や、互いに隣り合う開口ＭＡ間の距離（例えば、図７におけるＰｉｔｃｈで示した、互いに隣り合う開口の中心間距離）は、構造色フィルタＰＦの開口面の全ての領域で一定となっている。一方で、先だって言及したように、固体撮像素子の有効画素領域ＰＡは、中央から高像高になるにつれて、主光線角度ＣＲＡが大きくなる。そのため、プラズモニックフィルタに代表される一般的な構造色フィルタＰＦでは、図８Ａに模式的に示したように、光が垂直入射した場合と比べ、主光線角度ＣＲＡが大きくなるにつれて、透過ピーク波長が長波長シフトしたり透過率が低下したりしてしまう。図８Ｂには、図７におけるＰｉｃｈを３５０ｎｍとし、Ｄｉａｍｅｔｅｒを２１０ｎｍとした場合に、光が垂直入射又は入射角度＝１５度で入射する場合のフィルタ透過率の挙動と、図７におけるＰｉｔｃｈを３００ｎｍとし、Ｄｉａｍｅｔｅｒを１８０ｎｍとした場合に、光が入射角度＝１５度で入射する場合のフィルタ透過率の挙動と、を併せて示した。図８Ｂにおいて同一のＰｉｔｃｈ及びＤｉａｍｅｔｅｒを有する場合の結果を比較すると明らかなように、光が斜めから入射することで、透過ピーク波長が長波長シフトし、かつ、透過率が低下することがわかる。一方、同一の入射角度でありながらＰｉｔｃｈ及びＤｉａｍｅｔｅｒが異なる２つの例を比較すると明らかなように、Ｐｉｔｃｈ及びＤｉａｍｅｔｅｒが小さな値に設定されている例では、斜入射に対しても透過ピーク波長が短波長側に存在していることがわかる。この結果からも明らかなように、一般的な構造色フィルタＰＦを用いる場合、有効画素領域ＰＡの中央部分と周辺部分とで、光学特性に変化が生じてしまう。
【００５１】
［本実施形態に係る構造色フィルタの構造及び瞳補正方法］
以上説明したように、構造色フィルタを固体撮像素子に対して適用するためには、主光線角度ＣＲＡが変化した場合に生じる透過ピーク波長の長波長シフトを抑制し、図９Ａに模式的に示したように、主光線角度ＣＲＡが変化した（中央部分に比べて大きくなった）としても、透過ピーク波長のシフトが生じないようにすることが重要である。また、構造色フィルタを固体撮像素子に対して適用するに際しては、主光線角度ＣＲＡが変化した場合に生じる透過率の低下を抑制することが更に好ましい。そのために、本実施形態に係る固体撮像素子では、以下で詳述するような瞳補正処理が行われる。これにより、以下で詳述する本実施形態に係る固体撮像素子では、波長方向の有効画素領域内での分布（色シェーディング）の変化や強度分布（輝度シェーディング）の変化を最小化することが可能になる。
【００５２】
具体的には、本実施形態に係る構造色フィルタでは、図７で模式的に示したような開口の間隔（Ｐｉｔｃｈ）について、有効画素領域周辺部の開口の間隔（Ｐｉｔｃｈ）を、有効画素領域中央部での開口の間隔よりも小さくする。これにより、本実施形態に係る構造色フィルタでは、主光線角度ＣＲＡの変化に伴う透過ピーク波長のシフト量を補正して、透過ピーク波長がほぼ均質となるようにする。また、主光線角度ＣＲＡの変化に伴う透過率の変化が顕著である場合、本実施形態に係る構造色フィルタでは、図７で模式的に示したような開口の大きさ（Ｄｉａｍｅｔｅｒ）を調整することで、主光線角度ＣＲＡの変化に伴う透過率の変化を均質化することができる。すなわち、固体撮像素子の像面の像高に応じ、有効画素領域周辺部ほど開口の大きさが小さくなるようにすることで、主光線角度ＣＲＡの変化に伴う透過率の変化を均質化することができる。
【００５３】
図９Ｂには、図７におけるＰｉｔｃｈを３５０ｎｍとし、Ｄｉａｍｅｔｅｒを１８０ｎｍとした場合に、光が垂直入射又は入射角度＝１５度で入射する場合のフィルタ透過率の挙動と、図７におけるＰｉｃｈを３５０ｎｍとし、Ｄｉａｍｅｔｅｒを２１０ｎｍとした場合に、光が入射角度＝１５度で入射する場合のフィルタ透過率の挙動と、を併せて示した。図９Ｂにおいて、Ｐｉｔｃｈは異なるものの同一のＤｉａｍｅｔｅｒを有する場合の結果を比較すると明らかなように、有効画素領域の周辺部ほどＰｉｔｃｈを小さくすることで、光が斜めから入射した場合であっても、透過ピーク波長のシフト及び透過率の低下を抑制できていることがわかる。一方で、Ｐｉｔｃｈが同一である例を比較すると明らかなように、有効画素領域の中央部分と周辺部分とでＰｉｔｃｈを同一とした場合には、透過ピーク波長のシフトを抑制できないことがわかる。
【００５４】
以下では、図１０〜図１１Ｂを参照しながら、本実施形態に係る構造色フィルタの構造、及び、かかる構造色フィルタで実現される瞳補正方法について、より詳細に説明する。
図１０下段に、２次元固体撮像素子の有効画素領域ＰＡを模式的に示した。かかる有効画素領域ＰＡの中に、横Ｘ画素・縦Ｙ画素（例えばＦｕｌｌ  ＨＤの固体撮像素子の場合、Ｘ＝１９２０、Ｙ＝１０８０）の２次元配列状に画素が配置されている。また、かかるＸＹよりも小さい数の部分画素領域ｘｙ（横ｘ，縦ｙ，例えばｘ＝ｙ＝２）に対して、周期的に存在する複数の微細開口ＭＡ’を有する金属薄膜からなる構造色フィルタＰＦ’が設けられる。
【００５５】
かかる構造色フィルタＰＦ’は、一般的な構造色フィルタＰＦと同様に、金属と、かかる金属の表面に設けられた誘電体と、を有する構造フィルタであり、金属と誘電体との界面に生ずる表面プラズモン・ポラリトンを利用した構造フィルタであることが好ましい。かかる構造色フィルタＰＦ’は、生じた表面プラズモン・ポラリントンの干渉や共鳴を利用して、入射する光（フォトン）のうち特定波長を有するものを、選択的に透過したり、反射したり、吸収したりする。
【００５６】
ここで、構造色フィルタＰＦ’に用いられる金属は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）又はこれら元素の合金を主成分とするものであることが好ましい。また、構造色フィルタＰＦ’に用いられる誘電体は、酸化シリコン、窒化シリコン、フッ化マグネシウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化タンタルの少なくとも何れかであることが好ましい。
【００５７】
かかる構造色フィルタＰＦ’は、サブ波長スケールの周期的な微細構造パターンを有している。かかる構造色フィルタＰＦ’では、誘電体（図示せず。）が設けられた金属薄膜に対し、かかる構造色フィルタＰＦ’が設けられる固体撮像素子で検出される光の波長よりも小さい径（すなわち、サブ波長スケールの径）を有する微細開口（ホール）ＭＡ’が複数設けられている。また、かかる微細開口ＭＡ’は、金属薄膜に対して、１次元配列状、又は、２次元配列状に配置されている。
【００５８】
かかる構造色フィルタＰＦ’についても、その構造と、金属及び金属の表面に存在する誘電体の物性と、に起因した特徴的な透過性を有している。すなわち、構造色フィルタＰＦ’においては、金属表面に微細な周期構造が存在することで、金属薄膜表面とその周囲の誘電体との境界で発生した表面プラズモン・ポラリトンが干渉し、その構造と物性値とに特有の透過波長プロファイルを有することになる。また、表面プラズモン・ポラリトンの分散関係は、金属と金属表面の極近傍（表面から数１００ｎｍの範囲）の誘電体との複素屈折率に依存するため、その狭い領域の屈折率変化に高い感度を有している。
【００５９】
本実施形態に係る構造色フィルタＰＦ’において、微細開口ＭＡ’は、例えば図１０に示したように、略円形の開口形状を有していてもよい。また、それぞれの微細開口ＭＡ’は、例えば図１０に示したように、構造色フィルタＰＦ’の開口面を仮想的に平面充填する三角形（例えば、正三角形）の頂点の位置に設けられていることが好ましい。
【００６０】
本実施形態に係る構造色フィルタＰＦ’では、複数種類の構造色フィルタからなるフィルタ群の中で、特定の色に相当するフィルタＡを考えた場合に、有効画素領域の中央領域に位置する構造色フィルタαと、中央よりやや外側の領域に位置する構造色フィルタβと、有効画素領域の外周領域の位置する構造色フィルタγとで、互いに隣り合う微細開口ＭＡ’間のピッチ（隣り合う開口ＭＡの中心を結ぶ線分の長さ）が異なっている。具体的には、図１０に模式的に示したように、像高０割（すなわち、中央領域）での隣接開口間ピッチに比べ、周辺像高（＞０割）であるほど、隣接開口間ピッチが小さくなっている。なお、図１０において、上段の図に破線で示した隣接開口間ピッチは、像高０割（すなわち、中央領域）での隣接開口間ピッチを示している。
【００６１】
ここで、それぞれの像高に対して隣接開口間ピッチをどのように小さくするかについては、周辺像高であるほど隣接開口間ピッチが小さく設定されるものであれば、特に限定されるものではない。例えば、像高が高くなるにつれて中央領域での隣接開口間ピッチから一定の割合で徐々に隣接開口間ピッチが小さくなるように、周辺部の隣接開口間ピッチを設定してもよい。また、隣接開口間ピッチは、一定の割合で徐々に小さくならなくともよく、段階的に隣接開口間ピッチの大きさが変化してもよい。
【００６２】
より具体的には、本実施形態に係る構造色フィルタＰＦ’において、隣接開口間ピッチの大きさは、１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内で変化していることが好ましい。隣接開口間ピッチの大きさが１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内であることで、可視光波長帯域〜赤外波長帯域の光について、主光線角度の変化に伴う透過ピーク波長のシフトを抑制しながらほぼ均質に透過させることが可能となる。
【００６３】
また、本実施形態に係る構造色フィルタＰＦ’では、複数種類の構造色フィルタからなるフィルタ群の中で、特定の色に相当するフィルタＡを考えた場合に、有効画素領域の中央領域に位置する構造色フィルタαと、中央よりやや外側の領域に位置する構造色フィルタβと、有効画素領域の外周領域の位置する構造色フィルタγとで、微細開口ＭＡ’の大きさが一定であってもよく、異なっていてもよい。各位置での構造色フィルタにおいて、微細開口ＭＡ’の大きさを異ならせる場合には、周辺像高であるほど微細開口ＭＡ’の大きさが小さくなるようにすればよい。
【００６４】
この際、それぞれの像高に対して微細開口ＭＡ’の大きさをどのように小さくするかについては、周辺像高であるほど微細開口ＭＡ’の大きさが小さく設定されるものであれば、特に限定されるものではない。例えば、像高が高くなるにつれて中央領域での微細開口ＭＡ’の大きさから一定の割合で徐々に大きさが小さくなるように、周辺部の微細開口ＭＡ’の大きさを設定してもよい。また、微細開口ＭＡ’の大きさは、一定の割合で徐々に小さくならなくともよく、段階的に微細開口ＭＡ’の大きさが変化してもよい。
【００６５】
より具体的には、本実施形態に係る構造色フィルタＰＦ’において、微細開口ＭＡ’の大きさ（例えば、図１０における微細開口ＭＡ’の直径）は、５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内の値を有していることが好ましい。また、本実施形態に係る構造色フィルタＰＦ’において、微細開口ＭＡ’の大きさを変化させる場合には、微細開口ＭＡ’の大きさ（例えば、図１０における微細開口ＭＡ’の直径）は、５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内で変化していることが好ましい。微細開口ＭＡ’の大きさを５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内とすることで、可視光波長帯域〜赤外波長帯域の光について、主光線角度の変化に伴う透過率の低下を抑制しながら、ほぼ均質に透過させることが可能となる。
【００６６】
ここで、図１０では、構造色フィルタＰＦ’に設けられる複数の微細開口ＭＡ’が、構造色フィルタＰＦ’の開口面を仮想的に平面充填する略三角形の頂点の位置に設けられる場合について図示した。しかしながら、微細開口ＭＡ’の配置方法は、図１０に示したような三角配列に限定されるものではなく、図１１Ａに示したような正方配列であってもよい。すなわち、図１１Ａに模式的に示したように、構造色フィルタＰＦ’の開口面を仮想的に平面充填する正方形又は長方形の頂点の位置に設けられていてもよい。
【００６７】
また、図１０では、構造色フィルタＰＦ’に設けられる複数の微細開口ＭＡ’が、略円形の開口形状を有している場合について図示した。しかしながら、微細開口ＭＡ’の開口形状は、図１０に示したような略円形の開口形状に限定されるものではなく、図１１Ｂに模式的に示したように、略矩形の開口形状を有していてもよい。なお、図１１Ｂでは、略矩形の開口形状を有する微細開口ＭＡ’が三角配列で配置される場合について図示を行っているが、略矩形の開口形状を有する微細開口ＭＡ’が、図１１Ａに示したような正方配列で配列されてもよいことは言うまでもない。
【００６８】
以上、本実施形態に係る構造色フィルタの構造及び瞳補正方法について、詳細に説明した。
【００６９】
＜画素アレイ部の構造について＞
続いて、図１２〜図２７Ｃを参照しながら、上記のような本実施形態に係る構造色フィルタを備える画素アレイ部の構造について、具体的に説明する。
図１２は、本実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部を模式的に示した説明図であり、図１３は、本実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での単画素の構造の一例を模式的に示した説明図である。図１４は、本実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での単画素の構造の他の一例を模式的に示した説明図である。図１５Ａは、高さ１０００ｎｍのオンチップレンズを設けた固体撮像素子の画素アレイ部における構造色フィルタ透過後の電場強度分布を示したグラフ図であり、図１５Ｂは、オンチップレンズを設けない固体撮像素子の画素アレイ部における構造色フィルタ透過後の電場強度分布を示したグラフ図である。図１６は、オンチップレンズの高さと感度との関係を示したグラフ図である。図１７及び図１８は、本実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での単画素の構造の他の一例を模式的に示した説明図である。図１９は、本実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での画素構造の一例を模式的に示した説明図であり、図２０〜図２５は、本実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部での画素構造の他の一例を模式的に示した説明図である。図２６Ａ〜図２７Ｂは、本実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部における構造色フィルタの配置状態の一例について模式的に示した説明図であり、図２７Ｃは、本実施形態に係る固体撮像素子の画素アレイ部における色フィルタの配置状態について模式的に示した説明図である。
【００７０】
本実施形態に係る固体撮像素子１００の画素アレイ部１０は、図１２に模式的に示したように、受光素子１０１を用いて形成されており、受光素子１０１には、行列状（アレイ状）に２次元配置された複数の画素１０３が構成されている。図１２に示したように、受光素子１０１の受光素子面を便宜的にｘｙ平面とし、画素アレイ部１０の高さ方向を便宜的にｚ軸正方向とすると、複数の画素１０３は、ｘｙ平面上に２次元配置されていることとなる。
【００７１】
本実施形態に係る画素アレイ部１０の画素１０３は、例えば図１３に模式的に示したように、複数の画素を構成する受光素子１０１と、受光素子１０１の下方に位置しており、受光素子１０１による光の検出信号を取得するための配線層１１１と、少なくとも一部の受光素子１０１の上方に位置しており、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタ１１３と、を少なくとも備える。また、本実施形態に係る画素アレイ部１０の画素１０３は、例えば図１３に模式的に示したように、波長選択フィルタ１１５と、平坦化膜１１７と、トレンチ構造１１９と、遮光部１２１と、を更に有していることが好ましい。
【００７２】
受光素子１０１は、図２に示した等価回路図におけるフォトダイオード１００１として機能する部位である。この受光素子１０１は、化合物半導体を含む公知の半導体を用いて形成することが可能である。このような半導体は、特に限定されるものではないが、一般的には、３μｍ程度の厚み（ｚ軸方向の高さ）を有する単結晶シリコンが用いられることが多い。このような半導体が、可視光帯域や赤外光帯域に属する光を吸収する光吸収層として機能する。
【００７３】
また、本実施形態に係る画素１０３では、受光素子１０１の表面に、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）素材を主成分とする誘電体層（図示せず。）が設けられていてもよい。このような誘電体層を設けることで、受光素子１０１として用いる半導体材料のフェルミレベルをピニングすることが可能となるとともに、後述する平坦化膜１１７と受光素子１０１との間の屈折率の変化度合いをなだらかなものとすることが可能となる。なお、誘電体層に用いられる高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）素材は、特に限定されるものではなく、公知の高誘電率素材を用いることが可能である。このような高誘電率素材としては、例えば、ハフニウム系酸化物であるＨｆＯ２や、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）や、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や、酸化チタン（ＴｉＯ２）等といった各種の金属酸化物を挙げることができる。
【００７４】
受光素子１０１の下方には、図１３に示したように、受光素子１０１による光の検出信号を取得するための配線層１１１が設けられる。かかる配線層１１１の詳細な構造については、特に限定されるものではなく、各種の配線方法を実現するための様々な構造を適宜適用することが可能である。受光素子１０１による光の検出信号は、かかる配線層１１１を介して外部へと取り出され、各種の信号処理が施されることとなる。
【００７５】
一方、受光素子１０１の上層に、平坦化膜１１７が設けられることが好ましい。かかる平坦化膜１１７が設けられることで、受光素子１０１と構造色フィルタ１１３との接触、及び、構造色フィルタ１１３と波長選択フィルタ１１５との接触がそれぞれ良好なものとなる。かかる平坦化膜１１７は、着目する波長帯域の光に対して透明な誘電体素材を用いて形成することが可能である。このような誘電体素材は、特に限定されるものではないが、例えば、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）又はシリコン窒化物（ＳｉＮ）等を用いることが可能である。
【００７６】
また、本実施形態に係る画素１０３では、互いに隣り合う画素１０３との混色を防止する目的で、画素１０３の端部付近に、素子分離構造であるトレンチ構造１１９が形成されることが好ましい。
【００７７】
かかるトレンチ構造１１９は、誘電体素材を主成分とするトレンチ構造とすることができる。ここで、トレンチ構造１１９に利用される誘電体素材としては、例えば、可視光及び近赤外光を反射又は吸収する誘電体素材、及び、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）素材を挙げることができる。可視光及び近赤外光を反射又は吸収する誘電体素材としては、特に限定されるものではないが、例えば、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）、シリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）、シリコン窒化物（ＳｉＮ）等を用いることが可能である。また、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）素材としては、ハフニウム系酸化物であるＨｆＯ２や、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）や、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や、酸化チタン（ＴｉＯ２）等といった各種の金属酸化物を用いることが可能である。
【００７８】
また、本実施形態に係るトレンチ構造１１９として、可視光及び近赤外光を反射又は吸収する金属を主成分とする金属トレンチ構造を設けてもよい。かかる金属トレンチ構造は、トレンチ構造として形成した凹部に対して、可視光及び近赤外光を反射又は吸収する金属を充填することで実現される。このような可視光及び近赤外光を反射又は吸収する金属については、特に限定するものではないが、例えば、タングステン、チタン、銅、アルミニウム及びこれらの合金からなる群より選択される少なくとも１つの金属を挙げることができる。
【００７９】
以上説明したようなトレンチ構造１１９を設けることで、単位画素１０３を構成する受光素子１０１の内部で回折した光が、隣接する画素１０３へと透過していくことを防止でき、結果として、隣り合う画素間のクロストークを防止することが可能となる。
【００８０】
また、互いに隣り合う画素１０３との混色を更に防止するために、上記のようなトレンチ構造１１９の上方には、図１３に示したように、遮光部１２１が設けられることが好ましい。
【００８１】
図１３に模式的に示したように、受光素子１０１の上方には、受光素子１０１で検出される光の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタ１１３が設けられる。かかる構造色フィルタ１１３は、図１０〜図１１Ｂを参照しながら詳細に説明したような、入射する光の主光線角度に応じて構造周期が異なっており、主光線角度＝０°における周期開口パターンの構造周期に対して、主光線角度が大きくなるほど周期開口パターンの構造周期が小さくなっている構造色フィルタＰＦ’である。
【００８２】
かかる構造色フィルタ１１３が設けられることで、本実施形態に係る固体撮像素子１００では、従来構造色フィルタでは行われてこなかった瞳補正処理が行われることとなり、構造色フィルタを用いるにも関わらず、透過効率の低下を抑制することが可能となって、固体撮像素子１００の小型化・薄型化を実現することが可能となる。
【００８３】
ここで、本実施形態に係る構造色フィルタ１１３は、図１３に模式的に示したように、電気的に接地されていることが好ましい。
【００８４】
また、かかる構造色フィルタ１１３の厚みは、かかる構造色フィルタ１１３に入射する光の波長において光学的に不透明となる厚みであることが好ましい。ここで、具体的な構造色フィルタ１１３の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば、５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内とすることが好ましく、１５０ｎｍ程度とすることが更に好ましい。なお、構造色フィルタ１１３の厚みが５０ｎｍ未満となる場合には、構造色フィルタ１１３が光学的に半透明となってしまう可能性がある。また、構造色フィルタ１１３の厚みが３００ｎｍを超えると、構造色フィルタ１１３に入射した光が、構造色フィルタ１１３に設けられた開口部を通過する間に光の強度が減衰してしまう可能性がある。
【００８５】
図１３に示したように、かかる構造色フィルタ１１３の上方には、受光素子１０１に結像する光の波長を選択するための波長選択フィルタ１１５が設けられることが好ましい。かかる波長選択フィルタ１１５としては、所定波長の光を吸収する吸収型の色フィルタを用いることが好ましい。波長選択フィルタ１１５として、所定波長の光を吸収する吸収型の色フィルタを用いることで、かかる吸収型の色フィルタは、所定波長の光を吸収して、可視光帯域の波長の光を選択的に透過させることが可能となる。その結果、かかる吸収型の色フィルタは、可視光帯域の波長の光を選択的に透過させて、例えば、赤色光を選択的に透過させる波長選択フィルタ、緑色光を選択的に透過させる波長選択フィルタ、又は、青色光を選択的に透過させる波長選択フィルタとして機能する。
【００８６】
なお、上記のような吸収型の色フィルタとして、所定波長の光を吸収して、可視光帯域の光を選択的に透過させる色フィルタと、受光素子が感度を有する電磁波波長帯域の光（例えば、紫外光、可視光、近赤外光など）に対して透明なホワイトフィルタと、を有する色フィルタを用いることも可能である。
【００８７】
上記のような波長選択フィルタ１１５として用いられる吸収型の色フィルタは、特に限定されるものではなく、着目している画素１０３に結像させたい波長帯域に応じて、かかる波長帯域の光を透過させ、他の波長帯域の光を吸収するような公知の有機系素材又は無機系素材を用いて形成することが可能である。
【００８８】
また、図１３に模式的に示したように、波長選択フィルタ１１５の上方に更に平坦化膜１１７を設け、画素１０３の表面を平坦なものとしてもよい。
【００８９】
ここで、通常の２次元固体撮像素子では、受光素子に効率良く光を導入するために、各画素が集光素子を設けていることが一般的である。一方で、本実施形態で着目しているような表面プラズモン・ポラリトンを利用した構造色フィルタを固体撮像素子に適用する場合には、以下で述べるような点に注意することが重要である。
【００９０】
本実施形態に係る構造色フィルタ１１３を有する画素１０３が集光素子（いわゆる、集光構造素子（ｏｎ−ｃｈｉｐ−ｌｅｎｓ：ＯＣＬ））１２３を有する場合の画素構造を、図１４に示した。図１４から明らかなように、画素１０３に入射する光を適切に受光素子１０１に結像させるための集光素子１２３は、波長選択フィルタ１１５及び平坦化膜１１７の上方に設けられる。かかる集光素子１２３は、第２の集光レンズ構造の一例である。
【００９１】
集光素子１２３は、ある一定の曲率を有する曲面を有しており、かかる曲面が各画素の中央部にフォーカスを結ぶことで、画素間の障害物などとの干渉を軽減し、結果として高い開口効率を維持することが可能となる。
【００９２】
高さ（図１４におけるｈ）が１０００ｎｍである集光素子１２３を有する画素において、構造色フィルタ１１３の裏面（すなわち、受光素子１０１側の面）での電場強度分布のシミュレーション結果を、図１５Ａに示した。ここで、かかるシミュレーションでは、２×２の構造色フィルタ１１３を有する４つの画素１０３を想定し、かかる構造色フィルタ１１３の上層に、ＲＧＢの有機系素材又は無機系素材からなる光吸収型のフィルタが波長選択フィルタ１１５として設けられているとした。また、かかる画素において、図１５Ａ中右上及び左下に位置する画素には、緑色光を選択的に透過させる波長選択フィルタ１１５が位置しているものとし、緑色光が４つの画素１０３に入射した場合を想定した。
【００９３】
図１５Ａに示した結果のうち、左上に位置する画素と右下に位置する画素には、それぞれ赤色光を透過させる波長選択フィルタ１１５、及び、青色光を透過させる波長選択フィルタ１１５が存在しているため、緑色光の透過率は小さいことがわかる。一方、緑色光を透過させる波長選択フィルタ１１５が存在している画素では、集光素子１２３のために、電場分布が画素サイズよりも小さくスポットを結んでいる様子が分かる。プラズモニックフィルタに代表される構造色フィルタは、隣接開口部間の干渉により透過波長及び透過効率が決まるため、光が小さくフォーカスを結ぶと構造色フィルタ外周部の透過効率が小さくなり、結果的に、全体の透過効率又はセンサ感度が低くなることが分かる。
【００９４】
図１６は、集光素子１２３の高さｈを可変とした場合のセンサ感度のシミュレーション結果を示したものである。図１６から明らかなように、集光素子１２３の高さｈが薄くなるほど（換言すれば、集光素子１２３の曲面の曲率が大きくなるほど）、感度が上がっていくことがわかる。また、集光素子１２３の高さｈが薄い極限（すなわち、曲面の曲率が∞となる場合に相当するフラットな表面、換言すれば、集光素子１２３を設けない場合）での電場強度分布の結果を、図１５Ｂに示している。図１５Ｂ及び図１６からわかるように、集光素子１２３を設けない場合には、構造色フィルタの全面に光が照射され、結果的に透過効率が最大となることがわかる。
【００９５】
このような観点から、集光素子１２３を設ける場合の集光素子１２３の高さｈについて鋭意検討を行った結果、集光素子１２３の高さｈは、画素１０３の大きさ（画素サイズ）に対して、１０％〜３０％程度とすることが好ましいことが明らかとなった。
【００９６】
図１３に示したような、集光素子１２３を設けない場合の画素１０３では、図１５Ｂに例示したような電界強度分布が実現されるわけであるが、このような場合であっても、構造色フィルタ１１３を透過した光を、受光素子１０１に効率良く導入することが重要である。そのため、図１７に模式的に示したように、構造色フィルタ１１３の受光素子１０１側の面と、受光素子１０１と、の間に、第１の集光レンズ構造として、層内レンズ１２５を設けることが好ましい。ここで、層内レンズ１２５の屈折率は、かかる層内レンズ１２５が設けられている周囲（すなわち、平坦化膜１１７）の屈折率よりも大きな値であることが好ましい。このような層内レンズ１２５を設けることで、構造色フィルタ１１３を透過した光を効率良く受光素子１０１に集光することが可能となり、本実施形態に係る構造色フィルタ１１３を有する画素１０３の感度を最大化することができる。
【００９７】
また、図１８に模式的に示したように、本実施形態に係る固体撮像素子１００では、画素１０３に対して、上記のような集光素子１２３と層内レンズ１２５の双方を設けることも可能であることは、言うまでもない。なお、画素１０３に対して、集光素子１２３と層内レンズ１２５の双方を設ける場合には、集光素子１２３の曲面の曲率を、層内レンズ１２５の曲面の曲率よりも大きくする（換言すれば、集光素子１２３の高さを、層内レンズ１２３の高さよりも低くする）ことが好ましい。集光素子１２３及び層内レンズ１２５の曲面の曲率を上記のような関係とすることで、構造色フィルタ１１３を透過した光を更に効率良く受光素子１０１に導入することが可能となる。
【００９８】
［画素アレイ部の具体例］
以下では、図１９〜図２５を参照しながら、本実施形態に係る画素アレイ部１０の構造を、より具体的に説明する。
図１９は、集光素子１２３及び層内レンズ１２５を有しない場合の画素アレイ部１０の構造の一例である。図１９に示した例では、各画素１０３は、最表層に平坦化膜１１７が設けられることでフラットな表面が実現されており、平坦化膜１１７の下層に、波長選択フィルタ１１５Ｒ，１１５Ｇ，１１５Ｂが設けられている。ここで、波長選択フィルタ１１５Ｒは、赤色光を透過させる吸収型の色フィルタで形成された波長選択フィルタであり、波長選択フィルタ１１５Ｇは、緑色光を透過させる吸収型の色フィルタで形成された波長選択フィルタであり、波長選択フィルタ１１５Ｂは、青色光を透過させる吸収型の色フィルタで形成された波長選択フィルタである。また、各波長選択フィルタ１１５の下方には、図１０〜図１１Ｂを参照しながら詳細に説明したような、本実施形態に係る構造色フィルタ１１３が設けられている。また、かかる構造色フィルタ１１３の下方には、例えば結晶質シリコン等を用いた光吸収層を有する受光素子１０１が設けられており、受光素子１０１の更に下層には、配線層１１１が設けられている。更に、互いに隣り合う受光素子１０１間には、トレンチ構造１１９が設けられており、各トレンチ構造１１９の上方には、遮光部１２１が設けられている。
【００９９】
図２０は、図１９に示した画素１０３の最表層に、集光素子１２３を設けた場合の構造の一例である。図２０に示した例では、それぞれの画素１０３の最表層に、オンチップ型の集光素子１２３が設けられており、各集光素子１２３の下方には、平坦化膜１１７を介して、波長選択フィルタ１１５Ｒ，１１５Ｇ，１１５Ｂが設けられている。また、各波長選択フィルタ１１５の下方には、図１０〜図１１Ｂを参照しながら詳細に説明したような、本実施形態に係る構造色フィルタ１１３が設けられている。また、かかる構造色フィルタ１１３の下方には、例えば結晶質シリコン等を用いた光吸収層を有する受光素子１０１が設けられており、受光素子１０１の更に下層には、配線層１１１が設けられている。更に、互いに隣り合う受光素子１０１間には、トレンチ構造１１９が設けられており、各トレンチ構造１１９の上方には、遮光部１２１が設けられている。
【０１００】
図２１は、図１９に示した画素１０３に対して、層内レンズ１２５を設けた場合の構造の一例である。図２１に示した例では、各画素１０３は、最表層に平坦化膜１１７が設けられることでフラットな表面が実現されており、平坦化膜１１７の下層に、波長選択フィルタ１１５Ｒ，１１５Ｇ，１１５Ｂが設けられている。また、各波長選択フィルタ１１５の下方には、図１０〜図１１Ｂを参照しながら詳細に説明したような、本実施形態に係る構造色フィルタ１１３が設けられており、構造色フィルタ１１３の下方には、平坦化膜１１７を介して層内レンズ１２５が設けられている。更に、層内レンズ１２５の下方には、平坦化膜１１７を介して、例えば結晶質シリコン等を用いた光吸収層を有する受光素子１０１が設けられており、受光素子１０１の更に下層には、配線層１１１が設けられている。更に、互いに隣り合う受光素子１０１間には、トレンチ構造１１９が設けられており、各トレンチ構造１１９の上方かつ層内レンズ１２５の下方に位置する場所には、遮光部１２１が設けられている。
【０１０１】
図２２は、図１９に示した画素１０３に対して、集光素子１２３及び層内レンズ１２５を設けた場合の構造の一例である。図２２に示した例では、それぞれの画素１０３の最表層に、オンチップ型の集光素子１２３が設けられており、各集光素子１２３の下方には、平坦化膜１１７を介して、波長選択フィルタ１１５Ｒ，１１５Ｇ，１１５Ｂが設けられている。また、各波長選択フィルタ１１５の下方には、図１０〜図１１Ｂを参照しながら詳細に説明したような、本実施形態に係る構造色フィルタ１１３が設けられている。また、構造色フィルタ１１３の下方には、平坦化膜１１７を介して層内レンズ１２５が設けられており、層内レンズ１２５の下方には、平坦化膜１１７を介して、例えば結晶質シリコン等を用いた光吸収層を有する受光素子１０１が設けられている。更に、受光素子１０１の更に下層には、配線層１１１が設けられている。また、互いに隣り合う受光素子１０１間には、トレンチ構造１１９が設けられており、各トレンチ構造１１９の上方かつ層内レンズ１２５の下方に位置する場所には、遮光部１２１が設けられている。
【０１０２】
ここで、それぞれの画素１０３に設けられる集光素子１２３は、図２０及び図２２に示したようなものに限定されるものではなく、例えば図２３に模式的に示したように、画素よりも小さな集光素子を、１つの画素に対して縦横Ｎ個ずつ設けるようにしてもよい。
【０１０３】
また、波長選択フィルタ１１５の位置についても、図１９〜図２３に示した位置に限定されるものではなく、受光素子１０１の上方であれば任意の位置に設けることが可能であり、例えば図２４に示したように、構造色フィルタ１１３及び層内レンズ１２５の下方であり、かつ、受光素子１０１の上方である位置に、波長選択フィルタ１１５を設けても良い。ただ、本実施形態に係る構造色フィルタ１１３は、特定波長の光を透過させると同時に、それ以外の波長の光を反射したり吸収したりする特性を有している。そのため、構造色フィルタ１１３によって反射された光は、周辺画素への迷光成分となってしまう可能性がある。そのため、波長選択フィルタ１１５の配置位置は、受光素子１０１の上方であれば任意の位置に設けることが可能であるものの、波長選択フィルタ１１５を、構造色フィルタ１１３の上方に設けることが好ましい。構造色フィルタ１１３の上方に波長選択フィルタ１１５が存在することで、波長選択フィルタ１１５がバンドパスフィルタとして機能して、構造色フィルタ１１３に入射する光成分のうち反射成分となるものの割合を、大幅に低減することが可能となる。その結果、迷光成分に起因する画質の低下を抑制することが可能となる。
【０１０４】
また、以上説明した例では、本実施形態に係る構造色フィルタ１１３の開口面は、受光素子１０１の開口面と略平行となっている場合を取り上げて図示を行っているが、図２５に示したように、構造色フィルタ１１３の開口面の表面形状を、層内レンズ１２５の表面形状と相似するように湾曲させてもよい。このような形状とすることで、構造色フィルタ１１３に対して斜めに入射する光が存在したとしても、構造色フィルタ１１３の光学特性の変化を更に抑制することが可能となる。
【０１０５】
以上、図１９〜図２５を参照しながら、本実施形態に係る画素アレイ部１０の構造を、より具体的に説明した。
【０１０６】
［画素アレイ部における構造色フィルタの配置例］
以下では、図２６Ａ〜図２７Ｃを参照しながら、本実施形態に係る画素アレイ部１０における構造色フィルタ１１３の配置例について、具体的に説明する。
【０１０７】
図２６Ａ及び図２６Ｂは、縦４画素×横４画素で１つの画素ユニットを構成する場合における構造色フィルタ１１３の配置例を示したものである。かかる場合、１つの画素ユニットに対して、最大１６種類の構造色フィルタ１１３を配置することが可能である。この際に、構造色フィルタを透過する光の波長帯域が可視光帯域である場合には、透過ピーク波長が緑色光に近い構造色フィルタ１１３をベイヤ配列におけるＧ画素のように市松状に配置すると、一般的なカラーイメージセンサの信号処理と親和性が高く好ましい。この場合、例えば図２６Ａに示したような１６種類の周期構造パターンを有する構造色フィルタ１１３を配置して、画素ユニットを図２６Ｂに示したように機能させることが可能である。しかしながら、ベイヤ配列以外のフィルタ配置で構造色フィルタ１１３を配置してもよいことは言うまでもなく、６×６＝３６種類や８×８＝６４種類など、より多数の構造色フィルタ群を、１つの画素ユニットとして機能させることが可能である。
【０１０８】
図２７Ａ及び図２７Ｂは、８×８＝６４画素で１つの画素ユニットを構成する場合の構造色フィルタ１１３の配置例を模式的に示したものである。かかる場合、１つの画素ユニットに対して、最大６４種類の構造色フィルタ１１３を配置することが可能であるが、図２７Ａ及び図２７Ｂでは、１５種類の構造色フィルタ１１３を配置する場合を模式的に示している。この際に、構造色フィルタを透過する光の波長帯域が可視光帯域である場合には、透過ピーク波長が緑色光に近い構造色フィルタ１１３をベイヤ配列におけるＧ画素のように市松状に配置すると、一般的なカラーイメージセンサの信号処理と親和性が高く好ましいが、ベイヤ配列以外のフィルタ配置を採用してもよいことは、言うまでもない。
【０１０９】
また、図２７Ａ及び図２７Ｂに示したような構造色フィルタ１１３群と、図２７Ｃに示したような吸収型の色フィルタを用いた波長選択フィルタ１１５群と、を組み合わせることで、フィルタの組み合わせ数を、波長選択フィルタＮ種類×構造色フィルタＭ種類の計Ｎ×Ｍ種類に増やすことが可能となる。更には、吸収型の色フィルタで所望の透過帯域以外の成分を吸収することが可能となるため、構造色フィルタ１１３での反射成分の軽減が可能となる。このような波長選択フィルタ１１５と構造色フィルタ１１３との組み合わせを利用した固体撮像素子を、スペクトル情報を取得可能なマルチ分光カメラや、マルチカラーカメラに適用することで、より細かな波長方向の情報を取得することが可能となる。
【０１１０】
＜撮像装置の構成について＞
次に、図２８を参照しながら、本実施形態に係る固体撮像素子１００を備える撮像装置１の構成について、簡単に説明する。図２８は、本実施形態に係る固体撮像素子を有する撮像装置の構成を模式的に示した説明図である。
【０１１１】
本実施形態に係る撮像装置１は、以上説明したような固体撮像素子１００と、固体撮像素子１００へと光を導光する光学系２００と、を少なくとも備える。
【０１１２】
このような撮像装置１として、例えば、図２８に示したような撮像装置１を挙げることができる。本例において、固体撮像素子１００には、先だって説明したような本実施形態に係る構造色フィルタ１１３を少なくとも一部の画素に有する画素アレイ部１０が設けられている。画素アレイ部１０の画素の少なくとも一部に、本実施形態に係る構造色フィルタ１１３を部分的に設けることで、固体撮像素子１００の機能を増やすことができる。
【０１１３】
入射光が光学系２００に入射すると、レンズ制御部２１０によって制御された任意の光学レンズ群２３０によって、固体撮像素子１００の画素アレイ部１０へと結像され、画素アレイ部１０からの画像出力は、信号処理部６０により各種の信号処理が施される。その後、信号処理が施された画像出力は、データ格納部７０、又は、固体撮像素子１００の外部に設けられたストレージに蓄積される。また、撮像装置１に設けられた画素アレイ部１０及びレンズ制御部２１０は、例えばシステム制御部５０によって駆動制御される。
【０１１４】
ここで、本実施形態に係る固体撮像素子１００では、本実施形態に係る構造色フィルタ１１３が設けられることで適切に瞳補正されているため、構造色フィルタを用いるにも関わらず、透過効率の低下を抑制することが可能となる。
【０１１５】
また、以上説明したような撮像装置１を、可搬型のコンピュータやスマートフォン等の携帯情報端末に代表される各種の情報処理装置に対して実装することも可能である。
【０１１６】
＜固体撮像素子の製造方法について＞
次に、本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法を、簡単に説明する。
本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法では、まず、上記のような金属薄膜に対して、主光線角度＝０°における周期開口パターンの構造周期に対して、主光線角度が大きくなるほど周期開口パターンの構造周期が小さくなるように、所定の開口形状を有する開口部を形成する。その上で、周期開口パターンの形成された金属薄膜の表面に対して、先だって説明したような誘電体を利用した誘電体層を形成して、構造色フィルタ１１３とする。
【０１１７】
その上で、受光素子として機能する基材の表面に対して、化学気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）、プラズマ化学気相成長法（Ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＣＶＤ）、原子層堆積法（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ）、真空蒸着、スパッタリング等といった公知の方法を利用して、平坦化膜１１７、層内レンズ１２５等といった中間層を形成し、かかる中間層の上層に、上記の構造色フィルタ１１３を配置する。その後、先だって説明したような公知の素材を利用して、波長選択フィルタ１１５及び集光素子１２３を順に形成する。これにより、本実施形態に係る固体撮像素子１００の画素アレイ部１０を製造することができる。
【０１１８】
以上、本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法について、簡単に説明した。
【０１１９】
（まとめ）
以上説明したように、本開示の実施形態に係る固体撮像素子では、レンズモジュールを備えたカメラシステムを実現する上で、２次元画素アレイの中央領域（低像高領域）から外周領域（高像高領域）まで、光学特性の変化量（すなわち、波長シフト及び感度シェーディング）の小さい均質な光学特性を実現することが可能となる。また、各領域における構造色フィルタの光学特性の均質性が高まるため、これら光学特性の補正処理の負荷を軽減することができる。
【０１２０】
また、プラズモニックフィルタに代表される構造色フィルタは、近傍開口部間の表面プラズモン・ポラリトンの干渉により透過効率が決まるため、フィルタ面に小さくスポットを結ぶような場合は、その透過効率が最大限には発揮されなくなってしまう可能性がある。そこで、画素内に層内レンズ１２５を設けることで、構造色フィルタ１１３の開口面には広い面積で光を照射しつつ、構造色フィルタ１１３を透過した成分を、効率良く受光素子１０１に集光させることが可能になり、結果として、デバイスのシステム感度の最大化を図ることが可能となる。
【０１２１】
更に、画素ユニット全体として設けられる構造色フィルタの種類をＭ種類とし、波長選択フィルタの種類をＮ種類とした場合に、フィルタの組み合せ種類はＮ×Ｍ種類となるため、非常に多くのフィルタの組み合わせを実現することができる。また、構造色フィルタ１１３は、特定の波長を透過させると同時に、それ以外の波長成分を反射・吸収する特性を有し、反射成分は迷光成分となるが、構造色フィルタ１１３の上層に吸収型の色フィルタからなる波長選択フィルタ１１５を設けることで、構造色フィルタ１１３での反射成分の強度を軽減して、画質の低下を軽減することができる。
【０１２２】
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１２３】
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、又は、上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
【０１２４】
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
複数の画素を構成する受光素子と、
少なくとも一部の前記受光素子の上方に位置しており、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタと、
前記受光素子の下方に位置しており、前記受光素子による光の検出信号を取得するための配線層と、
を備え、
前記構造色フィルタは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、前記主光線角度＝０°における前記周期開口パターンの前記構造周期に対して、前記主光線角度が大きくなるほど前記周期開口パターンの前記構造周期が小さくなっている、固体撮像素子。
（２）
前記構造色フィルタは、金属表面と誘電体との界面に生ずる表面プラズモン・ポラリトンを利用した構造フィルタである、（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
前記構造色フィルタにおける前記周期開口パターンは、円形又は矩形の開口形状を有する複数の開口部で構成されており、
それぞれの前記開口部は、前記構造色フィルタの開口面を仮想的に平面充填する略三角形の頂点の位置に設けられている、（１）又は（２）に記載の固体撮像素子。
（４）
前記構造色フィルタにおける前記周期開口パターンは、円形又は矩形の開口形状を有する複数の開口部で構成されており、
それぞれの前記開口部は、前記構造色フィルタの開口面を仮想的に平面充填する正方形又は長方形の頂点の位置に設けられている、（１）又は（２）に記載の固体撮像素子。
（５）
前記構造色フィルタは、アルミニウム、銅、銀、金、チタン、タングステン又はこれら元素の合金を主成分とする金属膜を有する、（１）〜（４）の何れか１つに記載の固体撮像素子。
（６）
前記構造色フィルタにおける前記周期開口パターンを構成する複数の開口部それぞれの大きさは、５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内であり、
互いに隣り合う前記開口部の間隔は、１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内である、（１）〜（５）の何れか１つに記載の固体撮像素子。
（７）
前記構造色フィルタにおける前記金属膜の厚みは、当該構造色フィルタに入射する光の波長において光学的に不透明となる厚みである、（１）〜（６）の何れか１つに記載の固体撮像素子。
（８）
前記構造色フィルタにおける前記金属膜の厚みは、５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内である、（１）〜（７）の何れか１つに記載の固体撮像素子。
（９）
前記構造色フィルタは、電気的に接地されている、（１）〜（８）の何れか１つに記載の固体撮像素子。
（１０）
前記構造色フィルタの前記受光素子側の面と、前記受光素子と、の間に、第１の集光レンズ構造が位置しており、
前記第１の集光レンズ構造の屈折率は、当該第１の集光レンズ構造が設けられている周囲の屈折率よりも大きな値を有する、（１）〜（９）の何れか１つに記載の固体撮像素子。
（１１）
前記構造色フィルタの開口面の表面形状は、前記第１の集光レンズ構造の表面形状と相似するように湾曲している、（１０）に記載の固体撮像素子。
（１２）
前期構造色フィルタの前記受光素子とは逆側の面の上方に、第２の集光レンズ構造が位置している、（１）〜（１１）の何れか１つに記載の固体撮像素子。
（１３）
前記構造色フィルタの前記受光素子側の面と、前記受光素子と、の間に、第１の集光レンズ構造が位置し、かつ、前期構造色フィルタの前記受光素子とは逆側の面の上方に、第２の集光レンズ構造が位置しており、
前記第１の集光レンズ構造の屈折率は、当該第１の集光レンズ構造が設けられている周囲の屈折率よりも大きな値であり、
前記第２の集光レンズ構造の曲率は、前記第１の集光レンズ構造の曲率よりも大きい、（１）〜（１２）の何れか１つに記載の固体撮像素子。
（１４）
前記構造色フィルタの前記受光素子とは逆側の面の上方に、平坦な表面を有する層を備える、（１）〜（１１）の何れか１つに記載の固体撮像素子。
（１５）
前記受光素子の上方に、所定波長の光を吸収する吸収型の色フィルタを更に備える、（１）〜（１４）の何れか１つに記載の固体撮像素子。
（１６）
前記吸収型の色フィルタは、所定波長の光を吸収して、可視光帯域の波長の光を選択的に透過させる色フィルタである、（１５）に記載の固体撮像素子。
（１７）
前記吸収型の色フィルタは、所定波長の光を吸収して、可視光帯域の光を選択的に透過させる色フィルタと、前記受光素子が感度を有する電磁波波長帯域の光に対して透明なホワイトフィルタと、を有する、（１５）に記載の固体撮像素子。
（１８）
前記吸収型の色フィルタは、有機系素材又は無機系素材からなる、（１５）〜（１７）の何れか１つに記載の固体撮像素子。
（１９）
複数の画素を構成する受光素子と、前記受光素子の下方に位置しており、前記受光素子による光の検出信号を取得するための配線層と、を備える固体撮像素子の少なくとも一部の前記受光素子の上方に、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタを配置すること
を含み、
前記構造色フィルタは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、前記主光線角度＝０°における前記周期開口パターンの前記構造周期に対して、前記主光線角度が大きくなるほど前記周期開口パターンの前記構造周期が小さくなっている、固体撮像素子の瞳補正方法。
（２０）
複数の画素を構成する受光素子と、少なくとも一部の前記受光素子の上方に位置しており、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタと、前記受光素子の下方に位置しており、前記受光素子による光の検出信号を取得するための配線層と、を有し、前記構造色フィルタは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、前記主光線角度＝０°における前記周期開口パターンの前記構造周期に対して、前記主光線角度が大きくなるほど前記周期開口パターンの前記構造周期が小さくなっている固体撮像素子と、
前記固体撮像素子へと光を導光する光学系と、
を少なくとも備える、撮像装置。
（２１）
複数の画素を構成する受光素子と、少なくとも一部の前記受光素子の上方に位置しており、所定の波長よりも小さい構造周期で周期開口パターンが設けられた金属膜を有する構造色フィルタと、前記受光素子の下方に位置しており、前記受光素子による光の検出信号を取得するための配線層と、を有し、前記構造色フィルタは、入射する光の主光線角度に応じて当該構造周期が異なっており、前記主光線角度＝０°における前記周期開口パターンの前記構造周期に対して、前記主光線角度が大きくなるほど前記周期開口パターンの前記構造周期が小さくなっている固体撮像素子と、
前記固体撮像素子へと光を導光する光学系と、
を少なくとも有する撮像装置を備える、情報処理装置。
【符号の説明】
【０１２５】
１０    画素アレイ部
２０    垂直駆動部
３０    カラム処理部
４０    水平駆動部
５０    システム制御部
６０    信号処理部
７０    データ格納部
１００    固体撮像素子
１０１    受光素子
１０３    画素
１１１    配線層
１１３    構造色フィルタ
１１５    波長選択フィルタ
１１７    平坦化膜
１１９    トレンチ構造
１２１    遮光部
１２３    集光素子
１２５    層内レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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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２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２７Ｃ】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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