(57)【要約】【課題】オンチップ蛍光イメージングに際し、励起光の影響を軽減して高いＳ／Ｎ比及びＤレンジで以て蛍光を検出する。【解決手段】フォトダイオード１１等を形成した半導体基体１０表層の上に積層する多層の金属配線層１３１〜１３４に設ける開口部を該配線層の厚さや絶縁層間膜１４の厚さを考慮したずらし量ずつ水平方向にずらすことにより、開口方向が垂直線から所定角度θ0だけ傾斜した窓開口１６を各フォトダイオード１１毎に設ける。垂直入射光Ｌ１は金属配線層１３により遮断されてフォトダイオード１１に到達せず、開口方向に沿って逆向きに入射してくる斜め入射光Ｌ２は窓開口１６を通してフォトダイオード１１に到達する。保護膜１５上に試料を載置し該試料に励起光を垂直入射すると、試料を透過した励起光は遮断され、試料中で広い角度範囲に放出される蛍光の一部は窓開口１６を経てフォトダイオード１１に達して検出される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基体の表層に設けられた光電変換部と、前記半導体基体の表層を被覆するように設けられた複数層の遮光層と、を有し、前記複数の遮光層にそれぞれ形成した開口部により、最も上層の遮光層の外側から入射した光が前記光電変換部に到達し得るような窓開口を形成して成り、
前記複数の遮光層の開口部を層毎に該層の延展方向にずらすことによって前記窓開口の開口方向を光電変換部に垂直な方向から所定角度傾斜させたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
各遮光層の開口部のずらし量が、該遮光層の厚さ、及び、厚さ方向に隣接する遮光層間に層間膜が存在する場合にはその層間膜の厚さを考慮して設定されて成ることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記遮光層は金属配線層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】
前記遮光層は多結晶シリコン層をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記遮光層はレジスト層をさらに含むことを特徴とする請求項３又は４に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記光電変換部は複数であって各光電変換部毎に前記窓開口が形成され、各光電変換部の窓開口の開口方向を揃えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記光電変換部は複数であって各光電変換部毎に前記窓開口が形成され、光電変換部の窓開口の開口方向が相違するものが混在されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項８】
請求項６に記載の固体撮像素子を利用した撮像装置であって、該固体撮像素子の上面に撮像対象物を配置し、該撮像対象物に前記窓開口の開口方向と相対しない方向から光を照射する光照射手段を備え、該照射光に応じて撮影対象物から放出された反射光、散乱光又は蛍光を前記窓開口を通して光電変換部に導入して検出することを特徴とする撮像装置。
【請求項９】
請求項６に記載の固体撮像素子を利用した撮像装置であって、該固体撮像素子の上面に形成した光導波路層と、該光導波路層に前記窓開口の開口方向に依存する所定方向から光を導入する光導入手段とを備え、前記光導波路層の上面に撮像対象物を配置し、前記光導波路層内を通る光のうちの上面側の界面を透過する又は該界面から滲み出す光を受けて撮影対象物から放出された反射光、散乱光又は蛍光を前記窓開口を通して光電変換部に導入して検出することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮影対象物から到来する光の強度を検出し電気信号として出力する固体撮像素子及び該素子を用いた撮像装置に関し、特に、生体組織測定用イメージセンサに好適な固体撮像素子及びそうした測定・観察に有用な撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子では、画素と呼ばれる単位構造を二次元的に多数配列し、各画素の光電変換部に入射する光の分布を画像として取り出すことができる。図９は従来知られている固体撮像素子の一個の画素の概略縦断面構造を示す図である。Ｓｉ基板１０の表層には、光電変換部としてのフォトダイオード１１やフォトダイオード１１で得られた信号を読み出すためのゲート回路などを含むＭＯＳトランジスタ（ＣＭＯＳ方式固体撮像素子の場合）又は電荷転送素子（ＣＣＤ方式固体撮像素子）による画素回路１２が形成されている。そして、その表層の上には、それぞれＳｉＯ２などの絶縁層間膜１４を挟んで多層の金属配線層１３（１３１〜１３４）が形成され、その最も上の金属配線層１３４の上には保護膜１５が形成されている。なお、ここでは金属配線層１３は４層としてあるが、回路が複雑になるに伴いさらに多層化する場合もある。
【０００３】
金属配線層１３の金属としては一般にアルミニウムなどが使用されるが、金属配線層１３自体は光を遮る。フォトダイオード１１には検出対象である光を入射させる必要があるから、フォトダイオード１１の直上には金属配線層１３は設けられておらず、光を透過する絶縁層間膜１４及び保護膜１５が存在するだけである。一方、フォトダイオード１１以外の画素回路１２や各画素で得られた信号を保持・転送する図示しないレジスタ回路などに光が入射すると、これがノイズとなって誤動作や画質劣化の一因となる。そこで、フォトダイオード１１直上以外の部分は金属配線層１３で被覆して遮光を行い、フォトダイオード１１の直上においては金属配線層１３に開口部を設け、上から入射する光がフォトダイオード１１に到達するようにしている。
【０００４】
ところで、近年、生化学、分子生物学、臨床医学等の分野において、生体細胞、タンパク質、ＤＮＡ、ペプチド、糖類などの各種生体組織の光学的な現象を観察するバイオイメージング技術の重要性が非常に増大している。こうした観察方法の１つとしてインビトロ（in vitro）によるオンチップ型蛍光イメージングが知られている（特許文献１など参照）。即ち、図１０に示すように、生体から採取した単離細胞や試験管内等で培養した細胞などの測定試料Ｓを固体撮像素子３０の表面を被覆するように設けた生体に適合する膜３１上に直接載せる。そして、この測定試料Ｓに対し上から励起光を照射し、それに応じて測定試料Ｓから発せられた蛍光を膜３１を介して固体撮像素子３０の表層のフォトダイオードに導入して検出する。
【０００５】
このような蛍光測定では励起光と蛍光とが混在するため、励起光と蛍光とを分離して蛍光のみをフォトダイオードに入射させる必要がある。一般に励起光と蛍光との波長は異なることが多いため、従来、励起光の波長域を減衰させる一方、蛍光の波長域を透過させるような光学特性を持つフィルタ膜を固体撮像素子の表面に形成し、このフィルタ膜により励起光を遮断（減衰）して蛍光のみをフォトダイオードに導入するようにしている。こうしたフィルタ膜としては例えばレジスト層が利用される。
【０００６】
しかしながら、上記のようなフィルタ膜では励起光を十分に減衰できないことも多く、蛍光が励起光に比べて微弱である場合には、励起光の影響により蛍光検出のＳ／Ｎ比やダイナミックレンジを高くするのが困難である。励起光の減衰を大きくするにはフィルタ膜の厚さを厚くすることが考えられるが、レジスト層を複数回塗布する等、製造工程が煩雑になってコスト上昇要因となる。さらに上述したようなオンチップ型蛍光イメージングでは、フィルタ膜が厚くなると測定試料Ｓとフォトダイオードとの厚さ方向の距離が大きくなり、撮像がぼける等の問題が生じる。また、励起光波長域と蛍光波長域とが近い又は重なっている場合には、そもそも光学特性を利用したフィルタ膜による遮光は有用でない。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２２７１５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その主な目的は、上記のような蛍光測定において励起光や蛍光の波長とは無関係に、励起光の影響を十分に軽減して高いＳ／Ｎ比やダイナミックレンジで以て蛍光を検出することができる固体撮像素子を提供することにある。また、本発明の他の目的はそうした固体撮像素子を利用して生体組織のイメージングなどを良好に行うことができる撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明に係る固体撮像素子は、半導体基体の表層に設けられた光電変換部と、前記半導体基体の表層を被覆するように設けられた複数層の遮光層と、を有し、前記複数の遮光層にそれぞれ形成した開口部により、最も上層の遮光層の外側から入射した光が前記光電変換部に到達し得るような窓開口を形成して成り、
前記複数の遮光層の開口部を層毎に該層の延展方向にずらすことによって前記窓開口の開口方向を光電変換部に垂直な方向から所定角度傾斜させたことを特徴としている。
【００１０】
本発明に係る固体撮像素子の形態としては、複数の光電変換部が二次元的に配置されたイメージセンサを含むのはもちろんのこと、光電変換部が唯一設けられた単体のフォトダイオード素子や、複数の光電変換部が一列に並んで配列されたラインセンサなども含むものとする。
【００１１】
一般に固体撮像素子を始めとする集積回路では２層以上の多層配線が利用されるから、前記遮光層としてこの多層配線のために半導体基体上に積層される金属配線層を用いることができる。また、金属配線層以外に、ＭＯＳトランジスタのゲート電極やコンデンサを形成するために用いられる多結晶シリコン層を用いてもよく、さらに、カラーフィルタ等のフィルタ膜に使用されているレジスト層を用いてもよい。
【００１２】
本発明に係る固体撮像素子では、光電変換部に光を導入するための窓開口の開口方向が該光電変換部に垂直な方向ではなく、これから所定角度だけ傾斜された方向になっている。即ち、その傾斜した開口方向から到来する光は遮光層により遮られずに窓開口を通って光電変換部に到達し、光の入射方向がそこから大きくずれた場合には光は窓開口を通過し得ずに遮光層によって遮断される。これにより、この固体撮像素子は検出可能な光について入射角選択性を有することになり、最も受光感度が高くなる入射光の到来方向を各光電変換部に垂直な線から任意な角度だけ傾斜させた方向に設定することができる。
【００１３】
窓開口の開口方向は複数の遮光層にそれぞれ設けられた開口部、具体的には例えば遮光層が金属配線層である場合にはその金属が堆積されていない領域、のずらし量と各遮光層の厚さ方向のサイズとに依存するが、遮光層の厚さは各層毎に相違する場合がある。そこで、各遮光層の開口部のずらし量は、該遮光層の厚さと、厚さ方向に隣接する遮光層間に遮光性に寄与しないＳｉＯ２などの層間膜が存在する場合にはその層間膜の厚さをも考慮して、決めるようにするとよい。これによれば、筒状の窓開口の内周壁面の凹凸が軽減され、受光感度の入射角依存性が所望の通りになり易く、光の散乱などによる影響も生じにくい。
【００１４】
上述したように本発明に係る固体撮像素子では、複数の遮光層にそれぞれ設ける開口部の位置をずらすことにより窓開口を形成するので、製造過程において各遮光層を順次形成するためのマスクのパターンを変更することで対応が可能である。また、半導体基体の表層に例えば二次元的に多数形成される光電変換部毎に窓開口の開口方向を自在に設定することができる。そのため、本発明の一実施態様として、光電変換部が複数であって各光電変換部毎に窓開口が形成される構成において、全ての或いは受光領域内の特定範囲に含まれる複数の光電変換部について各光電変換部の窓開口の開口方向を揃えた構成とすることができる。或いは、別の実施態様として、光電変換部の窓開口の開口方向が相違するものが混在されている構成とすることもできる。
【００１５】
上述のように複数の光電変換部にそれぞれ設けられた各窓開口の開口方向が特定方向に揃っている固体撮像素子を用いることにより、特にオンチップ型の蛍光イメージング測定・観察に有用な撮像装置を実現することができる。
【００１６】
即ち、本発明に係る撮像装置の一態様は、上述のように各光電変換部の窓開口の開口方向が特定方向に揃っている固体撮像素子を用いた撮像装置であって、該固体撮像素子の上面に撮像対象物を配置し、該撮像対象物に前記窓開口の開口方向と相対しない方向から光を照射する光照射手段を備え、該照射光に応じて撮影対象物から放出された反射光、散乱光又は蛍光を前記窓開口を通して光電変換部に導入して検出することを特徴としている。
【００１７】
例えば固体撮像素子の上面に配置された撮像対象物に対して光照射手段から光を励起光として照射し、それに応じて撮像対象物から蛍光を放出させる。蛍光は励起光の照射方向に依らずにほぼ全方向に放出されるため、少なくともその一部は遮光層に全く遮られることなく窓開口を通過して光電変換部に到達する。一方、蛍光に比べれば格段に高い平行性を有する励起光は遮光層に遮られて光電変換部に到達しない。したがって、この発明に係る撮像装置によれば、例えば撮像対象物についての蛍光測定・観察を行う場合に、励起光の影響を排除又は軽減して蛍光を高い感度で以て検出することができる。この場合、重要なのは励起光の入射方向と蛍光の入射方向との相違であるから、両者の光の波長域が同一であっても励起光の影響の排除又は軽減が可能である。
【００１８】
また、上述のように各光電変換部の窓開口の開口方向が特定方向に揃っている固体撮像素子を用い、撮像対象物に対する光の照射方法を工夫することにより、オンチップ型のみならず生体への埋め込みに適した撮像装置を実現することもできる。
【００１９】
即ち、本発明に係る撮像装置の別の態様は、上述のように各光電変換部の窓開口の開口方向が特定方向に揃っている固体撮像素子を用いた撮像装置であって、該固体撮像素子の上面に形成した光導波路層と、該光導波路層に前記窓開口の開口方向に依存する所定方向から光を導入する光導入手段とを備え、前記光導波路層の上面に撮像対象物を配置し、前記光導波路層内を通る光のうちの上面側の界面を透過する又は該界面から滲み出す光を受けて撮影対象物から放出された反射光、散乱光又は蛍光を前記窓開口を通して光電変換部に導入して検出することを特徴としている。
【００２０】
光導入手段により光導波路層内に導入された光は上下の界面で反射を繰り返しながら進行するが、その際に一部の光は上面側界面で反射せずに該界面を透過して撮像対象物に例えば励起光として当たる。つまりは、この態様では、撮像対象物を挟んで固体撮像素子と反対側に光源（光照射手段）が位置するのではなく、撮像対象物と固体撮像素子との間に薄い光源が配置されているとみることができる。光導波路層内で反射を繰り返す際に下側の界面を透過する光もあるが、その光の進行方向は光導入手段による光の導入方向等に依存するから、窓開口を通過しないように決めることができる。したがって、この構成でも、例えば撮像対象物についての蛍光測定・観察を行う場合に、励起光の影響を排除又は軽減して蛍光を高い感度で以て検出することができる。なお、光導波路層の上面側界面に当たる際の光の入射角によっては光は全反射するが、その場合でも界面からの滲み出し光（近接場光）を利用して同様の蛍光測定・観察が可能である。
【発明の効果】
【００２１】
上述したように本発明に係る固体撮像素子によれば、遮光層を形成するマスクのパターンを変更する等、設計上で対応容易な方法で以て、つまりは従来の固体撮像素子の製造工程を殆ど変更することなく、受光感度について任意の入射角選択性を持たせることができる。これにより、例えば特定方向から到来する励起光を遮断しつつ、撮像対象物から放出された蛍光を選択的に検出するような撮像装置を実現することができる。そのため、インビトロ（つまりオンチップ型）とインビボ（つまり生体埋め込み型）とのいずれの形態でも、蛍光イメージング測定などの生体試料の測定・観察に非常に有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明に係る固体撮像素子の一実施例であるＣＭＯＳ型イメージセンサについて図面を参照して説明する。図１は本実施例によるイメージセンサ１の一個の画素の概略縦断面構造を示す図、図２はこのイメージセンサ１におけるフォトダイオード１１の受光感度の入射角依存性を示す図、図３はこのイメージセンサ１における窓開口１６の構成を説明するための上面平面図である。図１において、既述の図９と同一の構成要素に同一符号を付して対応関係を明確にしておく。
【００２３】
本実施例のイメージセンサ１においては、従来と同様に、半導体基体であるＳｉ基板１０の表層に、光電変換部としてのフォトダイオード１１やフォトダイオード１１で得られた信号を読み出すためのゲート回路などを含むＭＯＳトランジスタによる画素回路１２が形成されている。フォトダイオード１１は１画素に１個設けられ、図示しないが、Ｓｉ基板１０の表層のＸ−Ｙ平面内に二次元状に多数の画素が配置されている。そして、その表層の上には、それぞれ絶縁層間膜１４を挟んで４層の金属配線層１３が形成され、その最上層の上には保護膜１５が形成されている。金属配線層１３は形成の順番に、下層から第１金属配線層１３１、第２金属配線層１３２、第３金属配線層１３３、第４金属配線層１３４となっている。
【００２４】
図３（ｂ）〜（ｅ）に示すように、各金属配線層１３１〜１３４にはそれぞれ、斜線で示す金属配線が全く存在しない開口部１６１〜１６４が設けられており、この開口部１６１〜１６４によって、フォトダイオード１１に光を入射させるための略筒状の窓開口１６が形成される。ここで特徴的なことは、開口部１６１〜１６４は最下層の第１金属配線層１３１から上層に向かって各層毎にＹ方向に位置がずらされていることである。Ｙ方向は金属配線層１３１〜１３４の延展方向の１つである。
【００２５】
ここでは第１及び第２金属配線層１３１、１３２の２層が実質的なパターン配線に利用され、第３及び第４金属配線層１３３、１３４はほぼベタパターンの接地電位（ＧＮＤ）及び電源として利用されている。したがって、パターン配線の制約上或いは電気的特性を損なわないために開口部１６１〜１６４は各層毎に完全な平行移動状配置になっているとは限らず、例えば図３（ｃ）に示すように第２金属配線層１３２では開口部１６２の面積が他の開口部１６１、１６３、１６４よりも小さくなっている。このように各開口部１６１〜１６４のずれが理想的ではなくても、後述するような本発明が奏する効果を大きく損なうものではない。
【００２６】
上述のように各金属配線層１３１〜１３４の開口部１６１〜１６４が全体として同じ方向（本例ではＹ方向）に段階的にずらされていることにより、窓開口１６の開口方向はフォトダイオード１１の真上ではなく、おおよそその鉛直線から所定角度θ０だけ傾いた方向になっている。即ち、真上から窓開口１６を覗いてもフォトダイオード１１は見えず、窓開口１６の開口方向の斜め上方から窓開口１６を覗いたときにフォトダイオード１１が見えるようになっている。したがって、図１に示すように垂直入射光Ｌ１が到来したとき、垂直入射光Ｌ１は遮光層として機能する金属配線層１３１〜１３４に遮断されて直接はフォトダイオード１１に到達しない。なお、金属配線層１３１〜１３４の金属の縁端部等に当たって反射・散乱した光がフォトダイオード１１に入射することはあり得るが、そのときの入射光は元の垂直入射光Ｌ１の強度に比べて格段に弱くなり無視できる。
【００２７】
これに対し、図１に示すように窓開口１６の開口方向に相対する（同一線上で方向が逆である）方向から斜め入射光Ｌ２が到来したとき、これは金属配線層１３１〜１３４に遮断されることなく窓開口１６を通過して（実際には窓開口１６に満ちている絶縁層間膜１４中を透過して）直接フォトダイオード１１に到達し得る。したがって、このフォトダイオード１１の受光感度の入射角依存性は図２に示すようになる。即ち、入射角θがθ０であるときに受光感度は最大になり、入射角θがθ０より小さくなっても大きくなっても受光感度は低下する。即ち、このイメージセンサ１は入射角θ０で以て入射する光を高い感度で検出する入射角選択性を有していると言える。なお、図２では参考のために図９に示した従来の固体撮像素子におけるフォトダイオード１１の受光感度の入射角依存性を点線で示している。
【００２８】
図１の例でもそうであるが、一般に、多層金属配線では各金属配線層の厚さは設計上同一ではなく、また各層間の絶縁層間膜の厚さも設計上同一ではない。したがって、窓開口１６の内周面に向いた各金属配線層１３１〜１３４のエッジが開口方向に揃うようにするには、各金属配線層１３１〜１３４及び各絶縁層間膜１４の厚さを考慮して、各層毎の開口部１６１〜１６４のＹ方向へのずらし量を設定することが望ましい。
【００２９】
次に、上記構成により入射角選択性を与えられたイメージセンサ１を用いた撮像装置とそれを用いた蛍光イメージング測定方法について例を挙げて説明する。図４はこのイメージセンサ１を使用した撮像装置の全体構成図、図５はこの撮像装置を利用した場合の測定方法を示す概略断面図である。
【００３０】
この撮像装置は例えば細胞などの測定試料についての蛍光イメージングをオンチップで行うものであり、図４に示すように、図１０と同様に、イメージセンサ１の上面に測定試料Ｓが載置され、その直上には測定試料Ｓに励起光を照射するための光源４０が配置されている。イメージセンサ１による検出信号は画像データ処理部４１に送られ、ここで所定の画像処理が実行され、その結果得られた画像が表示部４２に表示される。
【００３１】
図５に示すように、イメージセンサ１のＳｉ基板１０の表層に多数形成されたそれぞれのフォトダイオード１１の上には、上記のように金属配線層１３のパターンによって開口方向が同一の斜め上方に指向した窓開口１６が形成されている。即ち、全てのフォトダイオード１１は同一の入射角選択性を有している。保護膜１５の上に載置された測定試料Ｓに対し、上方から真下に向かって平行性の高い励起光Ｌｅが照射される。この励起光を受けて測定試料Ｓからは蛍光Ｌｆが放出される。励起光Ｌｅの到来方向に拘わらず、蛍光Ｌｆはほぼ全方向に放出される。そのため、蛍光Ｌｆの一部は図中に矢印で示したように、保護膜１５を透過し窓開口１６を通過してフォトダイオード１１に到達する。一方、励起光Ｌｅはその一部が測定試料Ｓに吸収されるものの、残りの殆どは測定試料Ｓを透過して保護膜１５に入射する。ところが、上述したように金属配線層１３は真上から到来した光を遮断するために励起光Ｌｅはフォトダイオード１１に入射しない。これにより、各フォトダイオード１１は励起光Ｌｅの影響を殆ど受けずに蛍光Ｌｆに対応した検出信号を出力し、画像データ処理部４１はこの検出信号に基づいて正確な蛍光イメージングを行うことができる。
【００３２】
上記のような励起光Ｌｅの遮断及び蛍光Ｌｆの透過はその方向性の相違のみを利用したものであるので、励起光と蛍光の波長が全く同一であっても問題ない。したがって、上記構成の撮像装置は様々な種類の蛍光イメージングに利用することができる。もちろん、励起光Ｌｅの入射方向は上記のように真上からでなくてもよく、窓開口１６を通して光が透過しないような方向に設定しさえすればよい。
【００３３】
次に、同様の入射角選択性を有するイメージセンサを用いた他の撮像装置とそれを用いた蛍光イメージング測定方法について説明する。図６はこの撮像装置の全体構成図、図７はこの撮像装置を利用した場合の測定方法を示す概略断面図である。図４の構成では、測定試料Ｓを挟んでイメージセンサ１と反対側から励起光を照射する必要があるから、基本的には試料を生体から切除等により採取して用意する必要がある。これに対し、図６及び図７の構成は、試料を生体から採取することなく例えば生体内に埋め込んだ状態での測定を行えるようにしたものである。
【００３４】
図７に示すように、このイメージセンサ２にあっては、Ｓｉ基板１０の表層に多数形成されたそれぞれのフォトダイオード１１の上には、図５と同様に開口方向が同一の斜め上方に指向した窓開口１６が形成されているが、さらにその上層に所定厚さの光導波路層１７が形成されており、この光導波路層１７の上に保護膜１５が形成されている。このイメージセンサ２の縁端部には光源４０から出射した光を案内する光ファイバを含む光導入部４３が設けられ、この光導入部４３により光導波路層１７内に光が導入される。導入された光は基本的に光導波路層１７の上下の界面で反射を繰り返しながら進行する。このとき、光導波路層１７の上下の界面に対する光の入射角が全反射角よりも大きく設定されている場合には界面に当たった光の一部は界面を透過し残りが反射する。したがって、この透過光が試料に対する励起光となる。一方、光導波路層１７の上下の界面に対する光の入射角が全反射角以下に設定されている場合には界面に当たった光は全反射するが、その場合でも近接場（エバネセント）光と呼ばれる光の滲み出しが生じる。したがって、この近接場光が試料に対する励起光となる。
【００３５】
測定に際しては、図６に示すように保護膜１５の上に測定試料Ｓを載置してもよいが、このイメージセンサ２全体を生体に埋め込んで測定を行うこともできる。いずれにしても、保護膜１５に測定試料Ｓを密着させた状態で測定を実行する。図７に示すように、光導波路層１７内に導入された励起光Ｌｅは上下界面で反射を繰り返し、その間に上界面を透過した透過光又は上界面から滲み出した近接場光が保護膜１５を通過して測定試料Ｓに照射される。この励起光Ｌｅの照射に応じて測定試料Ｓから蛍光Ｌｆがほぼ全方向に放出されるから、蛍光Ｌｆの一部は保護膜１５及び光導波路層１７を透過し、窓開口１６を通過してフォトダイオード１１に到達する。
【００３６】
一方、光導波路層１７内で反射を繰り返す励起光Ｌｅの一部が光導波路層１７の下界面を透過する場合がある（なお、そのときに該界面を挟んだ両側の物質の屈折率の差により励起光Ｌｅの出射方向は曲がるものの実質的には無視できる程度である）。しかしながら、界面を透過して来る光の入射方向は光導波路層１７内への励起光Ｌｅの導入方向に依存しており、窓開口１６の開口方向とは全く異なるものとなっているため、励起光Ｌｅが窓開口１６を通過するおそれはなく金属配線層１３で遮断される。したがって、この構成においても、各フォトダイオード１１は励起光Ｌｅの影響を殆ど受けずに蛍光Ｌｆに対応した検出信号を出力し、画像データ処理部４１はこの検出信号に基づいて正確な蛍光イメージングを行うことができる。
【００３７】
この撮像装置ではイメージセンサ２自体が面状に試料に光を照射する光照射手段を有しているから、イメージセンサ２の保護膜１５が測定対象物に接するように該イメージセンサ２を生体内に埋め込むことにより、生体内での蛍光イメージング測定・観察を達成することができる。
【００３８】
なお、上記説明では、測定試料に励起光を照射し、試料から放出される蛍光を検出する場合について述べたが、測定試料から出る反射光、散乱光などを利用した測定にも本実施例のようなイメージセンサを利用することができる。
【００３９】
ところで、上記実施例によるイメージセンサ１、２ではいずれも各フォトダイオード１１毎に設けられた窓開口１６の開口方向が略同一方向に揃っていることを前提としていたが、本発明に係る固体撮像素子では、フォトダイオード毎に窓開口１６の開口方向を任意に決めることができるから、異なる開口方向の窓開口１６を持つフォトダイオード１１を混在させることができる。図８はこうした構成のイメージセンサ３の概略断面図である。
【００４０】
この例では、開口方向がそれぞれ異なる３種の窓開口１６ａ、１６ｂ、１６ｃがフォトダイオード１１ａ、１１ｂ、１１ｃの上に設けられている。即ち、フォトダイオード１１ａ、１１ｂ、１１ｃはそれぞれ異なる入射角選択性を有している。したがって、例えば図８中に白抜き矢印で記載のように入射光が到来した場合、フォトダイオード１１ｃのみがこの入射光を検出可能であって他のフォトダイオード１１ａ、１１ｂには光が入らない。換言すれば、フォトダイオード１１ｃのみから検出信号が得られる場合には、入射光の方向が図８に示した方向又はそれに近い方向であることが判別でき、入射光到来方向の識別に利用できる。したがって、試料のイメージングと同時に入射光の到来方向の計測も可能である。
【００４１】
上記実施例では、多層の金属配線層にそれぞれ設けた開口部をずらすことにより開口方向を斜め上方にした窓開口を形成していたが、半導体基体の表層に形成され、遮光性を有する層であれば、金属配線層以外の層を遮光層として利用することができる。具体的には、例えば一般にＬＳＩ製造プロセスにおいて少なくとも１層（又は２層以上）積層される多結晶シリコン層を遮光層として利用することもできる。多結晶シリコン層は通常ＭＯＳトランジスタのゲートや平行平板コンデンサを形成するために利用され、図１において第１金属配線層１３１とＳｉ基板１０表層との間に配設される。また、上述したような光学特性を持たせるためのフィルタなどを最上層に形成するために利用されるレジスト層についても、その厚さを制御する等によって遮光層として利用できる。
【００４２】
なお、上述したように励起光を排除して蛍光のみを検出したい場合に窓開口の開口方向を利用するだけでなく、これに従来のような光学フィルタを併用してもよい。両者を併用することにより、蛍光が励起光に比べて格段に微弱な場合でも、励起光の強度を蛍光検出に問題ない程度まで十分に減衰させることが容易になる。
【００４３】
なお、上記各実施例はいずれも本発明の一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正、追加を行っても、本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。具体的には、上記実施例ではＣＭＯＳ型のイメージセンサに本発明を適用した例について述べたが、ＣＣＤ型のイメージセンサにも本発明を適用できることは明らかである。また、フォトダイオードを二次元的に配置したイメージセンサのみならず、フォトダイオードを一列に配列したラインセンサや、１個のフォトダイオードのみを有する単体の素子にも本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施例によるイメージセンサの一個の画素の概略縦断面構造図。
【図２】本実施例のイメージセンサにおけるフォトダイオードの受光感度の入射角依存性を示す図。
【図３】本実施例のイメージセンサにおける窓開口の構成を説明するための上面平面図。
【図４】本実施例のイメージセンサを使用した撮像装置の全体構成図。
【図５】図４の撮像装置を利用した場合の測定方法を示す概略断面図。
【図６】本実施例のイメージセンサを使用した他の撮像装置の全体構成図。
【図７】図６の撮像装置を利用した場合の測定方法を示す概略断面図。
【図８】本発明の他の実施例によるイメージセンサの概略断面図。
【図９】従来知られている固体撮像素子の一個の画素の概略縦断面構造図。
【図１０】オンチップ型の生体試料の観察形態を示す図。
【符号の説明】
【００４５】
１、２、３…イメージセンサ
１０…Ｓｉ基板
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…フォトダイオード
１２…画素回路
１３…金属配線層
１３１…第１金属配線層
１３２…第２金属配線層
１３３…第３金属配線層
１３３…第４金属配線層
１４…絶縁層間膜
１５…保護膜
１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ…窓開口
１６１〜１６４…開口部
１７…光導波路層
４０…光源
４１…画像データ処理部
４２…表示部
４３…光導入部
Ｌｅ…励起光
Ｌｆ…蛍光
Ｓ…測定試料
【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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