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WO2014199720A1 - 固体撮像装置 - Google Patents

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WO2014199720A1
WO2014199720A1 PCT/JP2014/060778 JP2014060778W WO2014199720A1 WO 2014199720 A1 WO2014199720 A1 WO 2014199720A1 JP 2014060778 W JP2014060778 W JP 2014060778W WO 2014199720 A1 WO2014199720 A1 WO 2014199720A1
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WO
WIPO (PCT)
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metal
solid
imaging device
state imaging
filter
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2014/060778
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English (en)
French (fr)
Inventor
貴司 中野
数也 石原
信義 粟屋
夏秋　和弘
瀧本　貴博
雅代 内田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
Priority to JP2015522621A priority Critical patent/JP6105728B2/ja
Publication of WO2014199720A1 publication Critical patent/WO2014199720A1/ja
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/10—Integrated devices
    • H10F39/12—Image sensors
    • H10F39/199—Back-illuminated image sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/10—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof for transforming different wavelengths into image signals
    • H04N25/11—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics
    • H04N25/13—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics characterised by the spectral characteristics of the filter elements
    • H04N25/134—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics characterised by the spectral characteristics of the filter elements based on three different wavelength filter elements
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    • G—PHYSICS
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    • H10F39/806—Optical elements or arrangements associated with the image sensors
    • H10F39/8067—Reflectors

Definitions

  • the present invention relates to a solid-state imaging device.
  • CCD Charge Coupled Device
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • Many of these solid-state imaging devices are composed of a pixel array in which millions of pixels are two-dimensionally arranged. Each pixel accumulates signal charges according to the light intensity from the subject, and according to the accumulated charge amount. The electrical signal is sampled and imaged as analog or digital data.
  • the solid-state imaging device generally has sensitivity in a specific electromagnetic wave wavelength band.
  • a solid-state imaging device based on silicon is sensitive to wavelengths shorter than near infrared ( ⁇ 1.1 ⁇ m).
  • silicon-based solid-state imaging devices do not have energy resolution (wavelength resolution) with respect to electromagnetic waves, and it is difficult to specify which wavelength of light is detected from the accumulated charges.
  • a general color imaging device includes several types of on-chip color filters that selectively transmit specific wavelength components to each pixel of the two-dimensional pixel array in order to acquire a color image.
  • a technique is adopted in which light intensity information of a plurality of wavelengths is acquired from a small number of adjacent pixel groups, and a color image is restored by interpolation processing using demosaic.
  • the Bayer method in which on-chip color filters of RGB three primary colors are arranged in a staggered pattern for a unit unit of 2 ⁇ 2 pixels is common.
  • white pixels pixels that transmit all visible wavelength bands
  • complementary color filters such as cyan, magenta, and yellow are placed
  • pixels that detect near infrared rays are placed.
  • FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration of an example of a conventional solid-state imaging device.
  • This solid-state imaging device includes an image area 104 in which a plurality of unit pixels 120 are arranged in a matrix, a row selection circuit 110 that selects the unit pixels 120 in units of rows, and a signal voltage of the unit pixels 120 in the signal processing unit 111.
  • the first vertical signal line 109 that transmits the signal in units of columns
  • the signal processing unit 111 that holds the signal voltage transmitted through the first vertical signal line 109 and cuts high frequency noise
  • the unit pixels 120 are arranged in columns.
  • a column selection circuit 112 that is selected in units, a horizontal signal line 113 that transmits a signal voltage output from the signal processing unit 111 to the output amplifier 114, an output amplifier 114, and a load transistor group 115 are included.
  • the image area 104 includes a photodiode 121, a read transistor 122, a reset transistor 123, an amplification transistor 124, a vertical selection transistor 126, and a floating diffusion portion 125 directly connected to the gate of the amplification transistor 124.
  • an on-chip color filter is installed in each unit pixel 120, and each unit pixel 120 photoelectrically converts only an optical signal in a wavelength region selected by the color filter. In this way, a color signal can be obtained for each unit pixel 120, and a color image can be obtained by combining these color signals.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the unit pixel 120 in the conventional solid-state imaging device.
  • the conventional solid-state imaging device at least one layer of wiring 214 is disposed above the photodiode 121 and the readout transistor 122 for obtaining an electric signal from the photodiode 121 with the interlayer film 213 interposed therebetween.
  • a pigment type color filter 215 and a microlens 216 are provided above the insulating film with an insulating film interposed therebetween.
  • the light collected by the micro lens 216 installed above the color filter 215 passes through the color filter 215, and R (red), G ( It is separated into each wavelength band of green) and B (blue), and color separation is possible.
  • color filters often contain organic molecules such as pigments.
  • color filters made of organic molecules have low wavelength resolution and are difficult to optimize for a specific narrow band wavelength, there is a limit to increasing the number of colors.
  • transmission characteristics deteriorate due to secular changes caused by external stimuli such as ultraviolet rays (for example, see Non-Patent Document 1).
  • a spectrum sensor using a diffraction grating can acquire a color spectrum with a very high wavelength resolution such that the wavelength resolution ( ⁇ / ⁇ ) exceeds 100, but is limited to special applications such as a large apparatus.
  • ⁇ / ⁇ wavelength resolution
  • a hole array structure in which holes having the same degree as or smaller than a detection wavelength are periodically arranged in a metal thin film or an island array structure having a negative-positive relationship with the structure is known as a surface plasmon resonance structure. It has been reported that the surface plasmon resonance structure functions as a filter whose transmission wavelength can be adjusted by the physical structure by optimizing the period of the holes or islands, the aperture, the dot shape, etc. (for example, non-patent literature) 3 and 4).
  • Patent Documents 1 and 2 disclose a technique using the surface plasmon resonance structure described above as a color filter.
  • Patent Document 3 discloses a technique for shifting the wavelength of transmitted light by changing the refractive index of a dielectric material that fills the surface plasmon resonance structure, and two types of dielectrics having different refractive indexes.
  • a technique that shows transmitted light of two wavelengths by filling with a body is disclosed.
  • the solid-state imaging device provided with the color filter technology disclosed in Patent Documents 1 and 2 described above is based on a dedicated sensor.
  • the color filter generates a spectral function by a structure that repeatedly includes a periodic structure with a specific interval such as ⁇ / 2 of the electromagnetic wave wavelength.
  • a certain scale of periodic structure is required. Therefore, there is a minimum necessary filter area for each wavelength. For example, the filter area of the red color filter is larger than that of the blue color filter. Therefore, the size of the pixel depends on the area of the red color filter, and pixel miniaturization is limited.
  • An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device equipped with an optical filter that reduces the area difference of the filter for each wavelength and is compatible with pixel miniaturization.
  • a solid-state imaging device of the present invention includes a light receiving element arranged in a two-dimensional matrix, a pair of the light receiving element and a light receiving surface of each of the light receiving elements, and having a predetermined wavelength.
  • a metal optical filter that transmits light, and at least a part of the metal optical filter includes a metal film, holes periodically arranged in the metal film, and a refractive index higher than that of SiO 2 ,
  • a high-refractive-index material that covers the metal film, or a high-refractive-index layer made of the high-refractive-index material, and a metal island disposed in the high-refractive-index layer with a period less than the predetermined wavelength It is characterized by having.
  • the selection wavelength region can be expanded by using a high refractive index material having a refractive index higher than that of SiO 2 for at least some of the metal optical filters. Accordingly, various wavelengths can be set depending on the type of highly refractive material, so that the difference in filter area for each wavelength can be reduced, and a solid-state imaging device equipped with an optical filter that can cope with pixel miniaturization is realized. Can do.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 1C. It is a figure which shows the spectral characteristics of two types of plasmon filters in 1st Embodiment of this invention. It is a top view which shows the structure of one plasmon filter of FIG. 2A. It is a top view which shows the structure of the other plasmon filter of FIG. 2A.
  • a metal optical filter that transmits light of a desired wavelength with an insulating film interposed above a photoelectric conversion element (light receiving element) such as a photodiode that converts received light into an electric signal is provided. Is formed.
  • the metal optical filter is composed of a metal thin film covered with a dielectric, and a plurality of holes (openings) are periodically arranged in a two-dimensional manner in the metal optical filter.
  • a hole refers to a recess (non-through hole) or a through hole formed in the metal optical filter.
  • the photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged, and the metal optical filter is arranged in a two-dimensional manner by being paired with each of the plurality of photoelectric conversion elements.
  • a photoelectric conversion element is provided for each pixel that is the minimum unit constituting an image to be captured, and a metal optical filter is formed above each photoelectric conversion element.
  • the surface plasmon resonance structure is a sub-wavelength structure in which a thin film made of a metal material having a plasma frequency in the ultraviolet wavelength band is finely processed.
  • a metal material it is preferable to use a metal such as Al, an alloy of Al and Cu, an alloy of Al and Si, Cu, W, Ag, Au, and Ta.
  • the surface plasmon resonance structure has a resonance wavelength determined by the physical properties of the metal, the pattern period, the aperture diameter, the dot size, the film thickness, the medium around the structure, and the like.
  • the basic structure of the surface plasmon resonance structure is a hole array structure, in which holes (through holes or non-through holes) having a diameter smaller than the wavelength of transmitted light are arranged two-dimensionally.
  • a dielectric covering the thin film may be filled. It is preferable to arrange the holes in a honeycomb or orthogonal matrix, and any other arrangement can be applied as long as it has a periodic structure.
  • the plasmon filter (metal optical filter) 61A shown in FIG. 1A is composed of a plasmon resonator in which through holes (holes) 63A are arranged in a honeycomb shape in a metal thin film 62A covered with a dielectric.
  • the plasmon filter 61B shown in FIG. 1B has a surface plasmon resonance structure in which through holes 63B are arranged in an orthogonal matrix in a metal thin film 62B covered with a dielectric.
  • the transmission wavelength that passes through the plasmon filter 61A is set.
  • the transmission wavelength that passes through the plasmon filter 61B is set.
  • a half wavelength of an effective electromagnetic wave wavelength in the medium is preferable, and a range from 1 ⁇ 4 wavelength to 1 wavelength is preferable in consideration of design freedom.
  • the opening diameters of the through holes 63A and 63B must be smaller than the wavelength of light to be transmitted, and a range of 40% to 80% of the period D1 is preferable in consideration of design freedom.
  • the thickness of the metal thin films 62A and 62B is preferably about 100 nm, and can be in the range of 10 to 200 nm in consideration of the degree of design freedom.
  • a hole shape may be optimized.
  • a circular shape, a square shape (square or rectangular shape), a polygonal shape, a cross shape, or the like can be appropriately selected according to a simulation result or the like.
  • FIG. 1C shows a plan view of a plasmon filter 61C configured by a surface plasmon resonance structure in which through holes 63C and non-through holes 63C ′ are arranged in a honeycomb shape in a metal thin film 62C, and FIG. A cross-sectional view along the line -A 'is shown.
  • the plasmon filter 61C is configured by periodically arranging through holes 63C and non-through holes 63C '.
  • FIG. 2A is a diagram showing the spectral characteristics of two types of plasmon filters.
  • the line 2B represents a plasmon filter in which holes (holes) having a period of 360 nm and an opening diameter of 180 nm are arranged in a 1.5 ⁇ m square area in an Al film (thickness 150 nm) as shown in FIG. 2B.
  • 2C shows the spectral characteristics of a plasmon filter in which holes having a period of 360 nm and an opening diameter of 180 nm are arranged in a triangular lattice in a 2.0 ⁇ m square area in an Al film (thickness 150 nm) as shown in FIG. 2C. Indicates. From these results, it is understood that the plasmon filter formed by the periodic opening structure of the metal thin film has a minimum number of periods.
  • FIG. 3 is a diagram showing spectral spectra of three types of plasmon filters.
  • the three types of plasmon filters are all Al films (thickness 150 nm) in which holes (holes) having a period of 260 nm and an opening diameter of 130 nm are arranged in a triangular pattern, and the dielectrics covering the metal thin film are different.
  • a plasmon filter using SiO 2 as a dielectric transmits 400 nm band light
  • a plasmon filter using Al 2 O 3 as a dielectric transmits 500 nm light
  • TiO 2 is used as a dielectric. It can be seen that the plasmon filter used transmits light in the 600 to 700 nm band. Therefore, it can be seen that the higher the refractive index of the dielectric, the more the optical filter can transmit long-wavelength light with the same periodic structure.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the transmission peak wavelengths of three types of plasmon filters and the hole period.
  • the period of 360 nm is the maximum period in the structure of FIG.
  • the dielectric covering the metal thin film of a plasmon filter is only SiO 2
  • the transmission wavelength is limited to 540nm or less, the situation can not cover at least the visible light region (380nm ⁇ 750nm). Therefore, by selecting a dielectric that covers the metal thin film of the plasmon filter on some pixels as a high refractive index material having a higher refractive index than SiO 2 , the selected wavelength region of the solid-state imaging device of this embodiment is expanded. be able to.
  • various wavelengths can be set by simply changing the dielectric material that covers the metal thin film, so that the difference in filter area for each wavelength can be reduced, and an optical filter corresponding to pixel miniaturization can be realized.
  • the high refractive index material can be TiO 2, Si 3 N 4, SiN, Ta 2 O 5, AlSi, AlN, Al 2 O 3, HfO 2, MgO, and ZrO 2 is used.
  • the metal optical filter with a different period of the dielectric material or the periodic structure covering the metal thin film above the photoelectric conversion element for each pixel, the metal optical so as to obtain a different color signal in each pixel.
  • the spectral characteristics of the filter can be designed.
  • the solid-state imaging device is different from the first embodiment in that the opening shape of the plasmon filter on the photoelectric conversion element is a line shape (slit shape) and is arranged in a one-dimensional manner. This is the same as in the first embodiment.
  • different points from the first embodiment will be described, and description of the same configurations as those of the first embodiment will be omitted.
  • FIG. 5 shows an SEM photograph of the plasmon filter of the second embodiment.
  • the plasmon filter of this embodiment it is not necessary that all slits provided in the slit structure penetrate through the metal thin film covered with the dielectric, and some slits are formed on the metal thin film covered with the dielectric.
  • the period D3 is the same length as that of the first embodiment, and the width of the slit is 10% to 30% of the period D3.
  • each pixel is provided with a metal optical filter having a different period of the dielectric material or the periodic structure covering the metal thin film above the photoelectric conversion element for each pixel.
  • the spectral characteristics of the metal optical filter can be designed to obtain different color signals.
  • the solid-state imaging device is different from the first embodiment in that the metal is arranged in an island array shape on the dielectric layer in the plasmon filter on the photoelectric conversion element, and the other configuration is the first embodiment. It is the same.
  • different points from the first embodiment will be described, and description of the same configurations as those of the first embodiment will be omitted.
  • FIG. 6A and 6B are plan views of the plasmon filter of the present embodiment.
  • the plasmon filter 61A ′ of FIG. 6A has a structure that is negative-positive-inverted with respect to the plasmon resonator of the plasmon filter 61A of FIG. Yes.
  • the plasmon filter 61B ′ shown in FIG. 6B has a negative-positive inversion structure with respect to the plasmon resonator of the plasmon filter 61B in FIG. 1B, that is, the islands 64B are arranged in a matrix in the dielectric layer 65B. It has a plasmon resonator structure.
  • the same material as the dielectric covering the metal thin film of the first embodiment can be used. That is, it is SiO 2 or a high refractive index material (TiO 2 , Si 3 N 4 , SiN, Ta 2 O 5 , AlSi, AlN, Al 2 O 3 , HfO 2 , MgO, ZrO 2, etc.).
  • a half wavelength of an effective electromagnetic wave wavelength in the medium is suitable, as in the distances D1 and D2 in FIG.
  • a range of 1 ⁇ 4 wavelength to 1 wavelength is preferable.
  • the islands 64A and 64B are circular or the like having a size of 50% to 80% of the period D2.
  • the island shape in addition to setting the periodic interval (interval D1 or D2) of the islands of the plasmon filter, for example, the island shape may be optimized.
  • the island shape for example, a circular shape, a square shape (square or rectangular shape), a polygonal shape, a cross shape, or the like is appropriately selected according to a simulation result or the like.
  • a metal optical filter having a different material of the dielectric layer or a period of the periodic structure above the photoelectric conversion element for each pixel by installing a metal optical filter having a different material of the dielectric layer or a period of the periodic structure above the photoelectric conversion element for each pixel, a color signal that is different for each pixel.
  • the spectral characteristics of the metal optical filter can be designed to obtain
  • This embodiment shows the arrangement of plasmon filters in the solid-state imaging devices of the first to third embodiments.
  • FIG. 7 an example of the arrangement
  • the wavelength of light that passes through the plasmon filter according to the period of holes, islands, or lines (slit shape) constituting the plasmon resonator, for example, according to the interval D1 between the through holes 63A in FIG. 1A. (Transmission wavelength) is set.
  • the lattice coefficient ⁇ of the plasmon filter determined by the period of holes or islands is set to the lattice coefficient ⁇ 1, the lattice coefficient ⁇ 2,..., And the lattice coefficient ⁇ n in order from the shorter transmission wavelength in the visible wavelength band.
  • one type of plasmon filter corresponds to one pixel, that is, basically the pixel and the plasmon filter correspond to each other one by one, but 1 to a plurality of pixels.
  • Different types of plasmon filters may be supported. That is, one type of plasmon filter may be arranged for a plurality of N ⁇ M pixel units (where N and M are integers of 1 or more).
  • a plasmon filter in which a plurality of pixels are arranged as one unit is hereinafter referred to as a plasmon filter unit as appropriate.
  • the plasmon filter units 71a to 71h include eight types of plasmon filter units 71a to 71h having lattice coefficients ⁇ 1 to ⁇ 8.
  • the plasmon filter units 71a to 71h are arranged in one direction (in the direction from the right end to the left end of the imaging region 52) in the order according to the magnitude of the lattice coefficient ⁇ . For this reason, a plasmon filter having a certain grating coefficient or higher that transmits light having a long wavelength covers a plasmon filter having a plurality of grating coefficients instead of individual ones with a high refractive index material.
  • a plasmon filter unit 71b having a grating coefficient ⁇ 2 having the next shortest transmission wavelength is disposed on the optical black region 53 side of the plasmon filter unit 71a.
  • the plasmon filter units 71 c to 71 g are sequentially arranged in the order of short transmission wavelength, and the plasmon filter unit 71 h is arranged adjacent to the optical black region 53.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the solid-state imaging device of the present embodiment.
  • the solid-state imaging device 11 has a configuration in which the pixels 21a to 21c in the imaging region 52 and the pixel 21d in the optical black region 53 are arranged adjacent to each other. 8 shows a configuration example in which a back-illuminated CMOS solid-state image sensor is employed as the solid-state image pickup device 11.
  • the photoelectric conversion element portion is a CCD solid-state image sensor, or an organic A photoconductor structure including a photoelectric conversion film or a quantum dot structure may be employed.
  • the pixels 21a to 21d are each configured by laminating an on-chip microlens 81, a color filter layer 82, a light shielding region layer 83, a photoelectric conversion element layer 84, and a signal wiring layer 85 in order from the upper side.
  • the on-chip microlens 81 is an optical element for condensing light on the photoelectric conversion element layer 84 of each of the pixels 21a to 21d.
  • the color filter layer 82 is an optical element for obtaining a color image by the pixels 21 a to 21 c in the imaging region 52.
  • the light shielding region layer 83 includes a metal having light shielding properties such as Al, an alloy of Al and Cu, an alloy of Al and Si, Cu, W, Ag, and Ta. In the optical black region 53, the pixel 21d. Cover all and shield from light. Further, in the imaging region 52, the light shielding region layer 83 has a metal arranged in the hole array structure or the island array structure as described above, and functions as a plasmon filter.
  • the photoelectric conversion element layer 84 converts the received light into electric charges.
  • the pixels 21a to 21d are electrically separated by the element separation layer.
  • the signal wiring layer 85 is provided with wiring for reading charges accumulated in the photoelectric conversion element layer 84.
  • the light shielding region layer 83 has a function of shielding light in the optical black region 53 and a function as a spectral filter in the imaging region 52. Furthermore, since a plasmon filter is employed as a spectral filter, it is possible to acquire a wide variety of color spectra simply by adjusting the period of holes and islands.
  • the light shielding film in the optical black region 53 and the plasmon filter in the imaging region 52 are mounted with the same material in the same light shielding region layer 83, there are few changes from the conventional manufacturing process and less man-hours.
  • a plasmon filter can be manufactured.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the solid-state imaging device of the present embodiment.
  • the solid-state imaging device 12 has a configuration in which the pixels 21a to 21c in the imaging region 52 and the pixel 21d in the optical black region 53 are arranged adjacent to each other.
  • FIG. 9 shows a configuration example in which a back-illuminated CMOS solid-state image sensor is employed as the solid-state image pickup device 12, but the photoelectric conversion element portion is a CCD solid-state image sensor, or an organic A photoconductor structure including a photoelectric conversion film or a quantum dot structure may be employed.
  • Each of the pixels 21a to 21d is configured by laminating an on-chip microlens 81, a color filter layer 82, a metal particle layer 86, a light shielding region layer 83, a photoelectric conversion element layer 84, and a signal wiring layer 85 in order from the upper side. Yes.
  • the metal particle layer 86 has a hole array structure, an island array, or a line-shaped (slit-shaped) structure, and functions as a plasmon filter. That is, in the configuration example of FIG. 8, the light shielding region layer 83 has a function as a plasmon filter. However, in the configuration example of FIG. 9, a metal particle layer having a function of a plasmon filter is provided separately from the light shielding region layer 83. 86 is provided.
  • the metal particle layer 86 has a function as a spectral filter in the imaging region 52, and the normal imaging function can be realized in other regions. Can be realized.
  • a manufacturing method thereof will be described using the solid-state imaging device 11 of the fifth embodiment as an example.
  • an insulating layer is formed on the upper surface of the light-receiving surface serving as a substrate, and a metal film made of aluminum is coated on the entire surface of the insulating layer by sputtering (Physical Vapor Deposition (PVD)).
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • a photomask is coated on the entire upper surface of the metal film.
  • a positive resist can be used for the photomask, and the resist is applied and baked.
  • a metal pattern corresponding to the plasmon resonator is transferred to the resist in the imaging region 52, and a light shielding metal pattern is transferred to the resist in the optical black region 53.
  • ArF ArF
  • F2 excimer laser F2 excimer laser
  • EUV Extreme Ultra Violet Lithography
  • EUVL Electron Projection Lithography
  • Lithography using X-ray lithography or the like is preferable.
  • electron beam lithography that directly draws with an electron beam.
  • the plasmon resonator structure is selectively covered with a dielectric by a mask process. Then, the color filter layer 82 and the on-chip microlens 81 are stacked to obtain the solid-state imaging device 12.
  • one or a plurality of dielectric films are finely processed by a thermal cycle nanoimprint method or an optical nanoimprint method, and a metal layer is filled in a groove portion formed by the fine processing, You may employ
  • CMOS solid-state imaging device manufacturing process a method for mounting a spectral filter using a plasmon resonator using aluminum used as a signal wiring layer or a light shielding film in a general CMOS solid-state imaging device manufacturing process is described.
  • metals other than aluminum for example, an alloy of Al and Cu, an alloy of Al and Si, Cu, W, Ag, Ta, or the like may be used.
  • the light shielding region (for example, a region that covers the optical black region 53 with the light shielding region layer 83 in FIG. 8) is realized by not providing a periodic opening with a metal pattern. Omitted.
  • the plasmon resonator is a metal structure in which holes (through holes 63A and 63B) are formed by fine processing at a predetermined cycle as shown in FIGS. 1A and 1B, or FIG. 1C.
  • this plasmon resonator structure is based on a structure in which a metal thin film is disposed on a pixel via an insulating layer made of a silicon oxide film or a silicon nitride film.
  • a photoelectric conversion element it is not limited to a CMOS type solid-state image sensor, A CCD type solid-state image sensor may be sufficient, and arbitrary elements may be employ
  • the solid-state imaging device of the present invention can be applied to a camcorder or an information terminal device equipped with a digital still camera or an imaging device.
  • a plasmon filter may be employed as the color filter provided in the imaging region.
  • a solid-state imaging device is arranged on a light receiving surface of each light receiving element in a pair with a light receiving element (photoelectric conversion element layer 84) arranged in a two-dimensional matrix.
  • a metal optical filter (light shielding region layer 83) that transmits light of a predetermined wavelength, and at least a part of the metal optical filter includes a metal film (metal thin film 62A) and the metal film (metal thin film) periodically. 62A) and a high refractive index material having a higher refractive index than SiO 2 and covering the metal film (metal thin film 62A), or the high refractive index.
  • a high refractive index layer (dielectric layer 65A) made of a refractive index material and a metal island 64A arranged in the high refractive index layer with a period of less than the predetermined wavelength.
  • the selected wavelength region can be expanded by using a high refractive index material having a refractive index higher than that of SiO 2 for at least some of the metal optical filters. Accordingly, various wavelengths can be set depending on the type of highly refractive material, so that the difference in filter area for each wavelength can be reduced, and a solid-state imaging device equipped with an optical filter that can cope with pixel miniaturization is realized. Can do.
  • the size of the holes or the islands of at least some of the light receiving elements may be the same. Even in this case, it is possible to set various wavelengths for transmission depending on the type of high refractive material, so that the area difference of the filter for each wavelength can be reduced, and a solid-state imaging device equipped with an optical filter corresponding to pixel miniaturization is realized. can do.
  • the high refractive index material may be any one of TiO 2 , Si 3 N 4 , SiN, Ta 2 O 5 , AlSi, AlN, Al 2 O 3 , HfO 2 , MgO, and ZrO 2. It is preferable to include.
  • the metal film or the island includes any one of Al, an alloy of Al and Cu, an alloy of Al and Si, Cu, W, Ag, Au, and Ta.

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Abstract

　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。

Description

固体撮像装置
　本発明は、固体撮像装置に関する。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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）。
　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。
　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）。
　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）。
　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。
特開２００８－１７７１９１号公報 国際公開第２００８／０８２５６９号パンフレット 特表２０１０－５１２５４４号公報
Ｐａｎａｓｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ，２００９，Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．４，ｐｐ．１８－２３ Ｐｕｂｌ．Ａｓｔｒｏｎ．Ｓｏｃ．Ｊａｐａｎ，２００２，５４，ｐｐ．８１９－８３２ Ｔ．Ｗ．Ｅｂｂｅｓｅｎ　ｅｔ　ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ，１２　Ｆｅｂｒｕａｒｙ　１９９８，Ｖｏｌ．３９１，ｐｐ．６６７－６６９ Ｐ．Ｂ．Ｃａｔｒｙｓｓｅ　ａｎｄ　Ｂ．Ａ．Ｗａｎｄｅｌｌ，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ，２００３，Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．１２，ｐｐ．２２９３－２３０６
　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。
　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。
　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。
　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。
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。 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。 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のＡ－Ａ’線での断面図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 従来の固体撮像装置の一例の概略構成を示す図である。 従来の固体撮像装置における単位画素の断面図である。
＜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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
＜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。
　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。
　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。
＜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。
　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。
　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。
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。
　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。
　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。
＜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。
　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。
　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）。
　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。
　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。
　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。
　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。
＜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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
＜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。
　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。
　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。
　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。
　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。
＜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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　　　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）

Claims (5)

  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
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