JP2006190958A - 物理情報取得方法および物理情報取得装置、複数の単位構成要素が配列されてなる物理量分布検知の半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】フォトダイオードや画素内アンプなどが形成される半導体素子上に、画素内アンプから画素信号を読み出すための信号線をなす配線層を形成し、この配線層上に、隣接する層間で屈折率が異なり所定の厚みを持つ層を複数積層した構造を有し赤外光IRを反射させ可視光VLを通過させる特性を持った積層膜1を形成する。単位画素マトリクス12を構成する複数の画素に対して、画素ごとに、赤外光をカットしたりしなかったりする。積層膜1上に、カラー画素12R,12G,12Bに対応させて、カラー撮像用の色フィルタ14R,14G,14Bを形成する。積層膜1が形成された画素12R,12G,12Bからの画素信号に基づきカラー画像を得る。積層膜1が形成されていない画素12IRからの画素信号に基づき赤外光画像を得る。
【選択図】図3
Description
図1は、誘電体積層膜を利用して電磁波を所定波長ごとに分光する分波イメージセンサの概念を説明する図である。ここでは、電磁波の一例である光を所定波長ごとに分光する分光イメージセンサを例に説明する。
図2は、誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサの基本構成を説明する概念図である。ここで、図2は、赤外光IR(InfraRed)と可視光VL(Visible Light )とを分光する事例で示している。可視光VLよりも長波長側である赤外領域の波長λ(主に780nmより長波長側)の赤外光IRに対して、高い反射率を持たせるような誘電体積層膜1を形成することで、赤外光IRをカットし、また、このような誘電体積層膜1を形成しないことで、赤外光IRを透過させることができる。
図3は、図2に示した分光イメージセンサ10を利用した分光イメージセンサ11の基本構成を複数の波長分離構成に適用した構成例を示す図である。
<厚みdjの設計手法>
図4〜図6は、誘電体積層膜1を設計する手法の基本概念を説明する図である。ここでは、誘電体積層膜1を、基本的な第1および第2の層材で構成しつつ、赤外光IRを選択的に反射させるような設計例を述べる。
図7〜図9は、反射中心波長λ0の条件を説明する図である。厚みdjの数値条件は、スペクトルの赤外反射領域のバンド幅ΔλIRに依存する。反射スペクトルの概念を示した図7(A)のように、赤外反射領域のバンド幅ΔλIRが広い場合には長波長側に中心波長λ0を持っていかないと可視光VLでの反射が顕著になる。また反射スペクトルの概念を示した図7(B)のように、逆に赤外反射領域のバンド幅ΔλIRが狭い場合には、短波長側に中心波長λ0を持っていかないと可視光VLに近い赤外領域での反射が起こらなくなる。
図10〜図14は、誘電体積層膜1を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ11の第1実施形態を説明する図である。第1実施形態は、誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサの基本的な設計手法を用いて構成されるものである。ここでは、赤外光IRを選択的に反射させるような誘電体積層膜1を利用することで、赤外光IRをカットして可視光VL成分を受光するようにした分光イメージセンサ11の設計例を述べる。
図15〜図18は、誘電体積層膜1を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ11の第2実施形態を説明する図である。第2実施形態は、第1実施形態の設計手法の変形例(その1)を適用して構成されるものであり、図10〜図14にて説明した手法を基本として、可視光領域内における反射を低減するように変形したものである。
図19〜図24は、誘電体積層膜1を利用した単波長分波対応の分光フィルタ10および分光イメージセンサ11の第3実施形態を説明する図である。ここで、図19〜図22は、第3実施形態の分光フィルタ10を構成する誘電体積層膜1を説明する図であり、図23〜図24は、第3実施形態の誘電体積層膜1を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ11を説明する図である。
図25および図26は、誘電体積層膜1を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ11の第4実施形態を説明する図である。
図27および図28は、誘電体積層膜1を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ11の第5実施形態を説明する図である。
図29および図30は、上記実施形態で説明した分光イメージセンサ11を、インターライン転送方式のCCD固体撮像素子(IT_CCDイメージセンサ)を用いた撮像装置に適用した場合の回路図である。この撮像装置100は、本発明に係る物理情報取得装置の一例である。
図31および図32は、上記実施形態で説明した分光イメージセンサ11を、CMOS固体撮像素子(CMOSイメージセンサ)を用いた撮像装置に適用した場合の回路図である。この撮像装置100は、本発明に係る物理情報取得装置の一例である。
図33は、上記実施形態で説明したセンサ構造の分光イメージセンサを製造する具体的なプロセス例を示す図である。この図33は、赤外光IR用の受光部と可視光VL用の受光部とを備えた分光イメージセンサの製造プロセス例である。
図34〜図40は、誘電体積層膜1を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ11の第6実施形態を説明する図である。第6実施形態は、図10〜図14にて説明した手法を基本として、メタル配線を考慮して、シリコン基板1_ωよりある程度距離の離れた上側において、誘電体積層膜1をシリコン基板1_ω上に、フォトダイオードなどの検知部と一体的に形成する点に特徴を有する。
図41は、色分離フィルタ配置の第1の具体例(以下第1具体例という)を示す図である。この第1具体例は、可視光カラー画像を撮像するための検知領域以外に、可視光を排除し赤外光のみを受光・検知する検知領域を設けている点に特徴を有する。
図42および図43は、図41に示した色分離フィルタの配置を持ち、赤外光IRのみと可視光VLの2つの波長成分を同時に像として別々に撮像できるようにしたCCD固体撮像素子を説明する図である。ここで、図42は、構造例を示す見取り図(斜視図)である。また、図43は、基板表面付近の断面構造図である。なおここでは、誘電体積層膜1を利用したCCD固体撮像素子101への適用事例で示している。
図44は、色分離フィルタ配置の第2の具体例(以下第2具体例という)を示す図である。この第2具体例は、可視光カラー画像を撮像するための検知領域以外に、赤外光とともに可視光の全波長成分をも受光・検知する検知領域を設ける点に特徴を有する。
図45は、図44に示した色分離フィルタの配置を持ち、赤外光IRと可視光VLの2つの波長成分を同時に像として別々に撮像できるようにしたCCD固体撮像素子を説明する図である。ここで、図45は、構造例を示す見取り図(斜視図)である。なおここでは、誘電体積層膜を利用したCCD固体撮像素子101への適用事例で示している。基板表面付近の断面構造図は図43と同様である。
図46〜図52は、解像度低下を考慮した画素配列を説明する図である。画素配列に関して言えば、図41や図44のような配列構造を適用した場合、単純に従来のRGB原色フィルタやCyMgYe補色フィルタ(あるいは原色フィルタG)の可視光の画素に、赤外光(または赤外光と可視光の混合)検知用の画素を追加することになる。
たとえば、RGB原色フィルタを用いつつ可視光カラー画像の解像度低下を抑えるには、可視光領域のGの画素の配置密度を維持し、可視光領域の残りのRもしくはBの画素を、補正用の黒画素や白画素や緑色画素に置き換えるとよい。たとえば図46に示すように、2行2列の単位画素マトリクス12内において、先ず、奇数行奇数列および偶数行偶数列に可視光領域の緑色成分を感知するためのカラー画素Gを配し、偶数行奇数列には補正用の黒画素(図46(A))や白画素(図46(B))や緑色画素(図示せず)を配する。
また、CyMgYe補色フィルタを用いつつ可視光カラー画像の解像度低下を抑えるには、可視光領域のMgの画素の配置密度を維持し、可視光領域の残りのRもしくはBの画素を、赤外光画像取得用の黒画素や白画素や緑色画素に置き換えるとよい。たとえば図50に示すように、2行2列の単位画素マトリクス12内において、先ず、奇数行奇数列および偶数行偶数列に可視光領域のマゼンタ色成分を感知するためのカラー画素Mgを配し、偶数行奇数列には赤外光画像取得用の黒画素(図50(A))や白画素(図50(B))やマゼンタ色画素(図示せず)を配する。なお、マゼンタ色Mgの内の一方を緑色Gに置き換えることもできる。
なお、上記例では、正方格子状に色フィルタを配置する事例を説明したが、斜め格子状に配列することもできる。たとえば、図52(A)に示す配置態様は、図46(B)に示す配置態様を、右回りに略45度だけ回転させた状態の画素配列になっている。また図52(B)に示す配置態様は、図48(B)に示す配置態様を、右回りに略45度だけ回転させた状態の画素配列になっている。このように、斜め格子状に配列すると、垂直方向と水平方向の各画素密度が増すことになり、その方向での解像度をさらに高くすることができるのである。
Claims (39)
- 電磁波を検知する検知部と、前記検知部で検知された電磁波量に基づいて対応する単位信号を生成して出力する単位信号生成部を単位構成要素内に含み、当該単位構成要素が所定の順に同一基板上に配された物理量分布検知のための装置を使用して、前記単位信号に基づいて所定目的用の物理情報を取得する物理情報取得方法であって、
隣接する層間で屈折率が異なり所定の厚みを持つ層を複数積層した構造を有し、前記電磁波の内の所定の波長領域成分を反射させ残りを通過させる特性を持った積層部材を前記検知部の前記電磁波が入射する入射面側に設け、
前記積層部材を通過した通過波長領域成分を前記検知部で検知し、これによって前記単位信号生成部から得られる通過波長領域成分の単位信号に基づき、前記所定目的用の物理情報を取得する
ことを特徴とする物理情報取得方法。 - 前記通過波長領域成分用の一方の検知部とは異なる他方の検知部の前記電磁波が入射する入射面側に前記積層部材を設けずに、前記反射波長領域成分を前記検知部で検知し、これによって前記単位信号生成部から得られる前記反射波長領域成分の単位信号に基づき、第2の前記所定目的用の物理情報を取得する
ことを特徴とする請求項1に記載の物理情報取得方法。 - 前記通過波長領域成分の単位信号に基づく第1の物理情報と、前記反射波長領域成分の単位信号に基づく第2の物理情報とを、何れか一方を選択して出力する、もしくは双方を同時に出力する
ことを特徴とする請求項2に記載の物理情報取得方法。 - 前記通過波長領域成分を検知する複数の前記検知部の前記電磁波が入射する入射面側にそれぞれ、前記通過波長領域成分内をそれぞれ異なる波長領域成分に分離する光学部材を設け、
それぞれ異なる通過波長領域成分を前記複数の検知部で検知し、これによって前記単位信号生成部から得られるそれぞれ異なる通過波長領域成分の各単位信号の合成処理により、前記通過波長領域成分に関わる1つの物理情報を取得する
ことを特徴とする請求項1に記載の物理情報取得方法。 - 前記光学部材として、3つの検知部に対して、可視領域の透過光が3原色の波長成分である原色系の色フィルタを用いる
ことを特徴とする請求項4に記載の物理情報取得方法。 - 前記光学部材として、3つの検知部に対して、可視領域の透過光が3原色に対する各々の補色である補色系の色フィルタを用いる
ことを特徴とする請求項4に記載の物理情報取得方法。 - 前記反射波長領域成分の単位信号と前記通過波長領域成分の単位信号との差分処理により、前記第2の物理情報として、前記通過波長領域成分の影響を無視可能な物理情報を取得する
ことを特徴とする請求項2に記載の物理情報取得方法。 - 前記通過波長領域成分を検知する一方の前記検知部の前記電磁波が入射する入射面側に、前記通過波長領域成分内の所定の波長成分を通過させる光学部材を設け、
前記反射波長領域成分を検知する他方の前記検知部の前記電磁波が入射する入射面側に、前記反射波長領域成分と前記通過波長領域成分内の前記所定の波長成分とを通過させる光学部材を設け、
前記通過波長領域成分内の前記所定の波長成分と、前記反射波長領域成分と前記通過波長領域成分内の前記所定の波長成分の合成成分とをそれぞれの検知部で検知し、これによって前記単位信号生成部から得られるそれぞれ異なる波長領域成分の各単位信号の差分処理により、前記第2の物理情報として、前記通過波長領域成分の影響を無視可能な物理情報を取得する
ことを特徴とする請求項7に記載の物理情報取得方法。 - 前記反射波長領域成分を検知する他方の前記検知部の前記電磁波が入射する入射面側に、前記反射波長領域成分を通過させかつ前記通過波長領域成分を遮断する光学部材を設け、
前記通過波長領域成分が遮断された前記反射波長領域成分を前記他方の検知部で検知し、これによって前記単位信号生成部から得られる前記反射波長領域成分の単位信号により、前記第2の物理情報として、前記通過波長領域成分の影響を無視可能な物理情報を取得する
ことを特徴とする請求項2に記載の物理情報取得方法。 - 電磁波を検知する検知部と、前記検知部で検知された電磁波量に基づいて対応する単位信号を生成して出力する単位信号生成部を単位構成要素内に含み、当該単位構成要素が所定の順に同一基板上に配された物理量分布検知のための装置を使用して、前記単位信号に基づいて所定目的用の物理情報を取得する物理情報取得装置であって、
前記検知部の前記電磁波が入射する入射面側に配された、隣接する層間で屈折率が異なり所定の厚みを持つ層を複数積層した構造を有し、前記電磁波の内の所定の波長領域成分を反射させ残りを通過させる特性を持った積層部材と、
前記検知部によって検知される前記積層部材を通過した通過波長領域成分に基づいて前記単位信号生成部から得られる通過波長領域成分の単位信号に基づき、前記所定目的用の物理情報を取得する信号処理部と
を備えたことを特徴とする物理情報取得装置。 - 前記積層部材は、前記検知部と一体的に構成されている
ことを特徴とする請求項10に記載の物理情報取得装置。 - 前記信号処理部は、前記通過波長領域成分用の一方の検知部とは異なる他方の検知部によって検知される前記積層部材を通過しない反射波長領域成分に基づいて前記単位信号生成部から得られる前記反射波長領域成分の単位信号に基づき、第2の前記所定目的用の物理情報を取得する
ことを特徴とする請求項11に記載の物理情報取得装置。 - 前記通過波長領域成分の単位信号に基づく第1の物理情報と、前記反射波長領域成分の単位信号に基づく第2の物理情報とを、何れか一方を選択して出力する、もしくは双方を同時に出力するように、前記信号処理部を制御する信号切替制御部
をさらに備えたことを特徴とする請求項12に記載の物理情報取得装置。 - 前記通過波長領域成分内をそれぞれ異なる波長領域成分に分離する光学部材を、前記通過波長領域成分を検知する複数の前記検知部の前記電磁波が入射する入射面側に備え、
前記信号処理部は、それぞれ異なる通過波長領域成分を前記複数の検知部で検知し、これによって前記単位信号生成部から得られるそれぞれ異なる通過波長領域成分の各単位信号の合成処理により、前記通過波長領域成分に関わる1つの物理情報を取得する
ことを特徴とする請求項12に記載の物理情報取得装置。 - 前記光学部材は、3つの検知部に対して、可視領域の透過光が3原色の波長成分である原色系の色フィルタである
ことを特徴とする請求項14に記載の物理情報取得装置。 - 前記光学部材は、3つの検知部に対して、可視領域の透過光が3原色に対する各々の補色である補色系の色フィルタである
ことを特徴とする請求項14に記載の物理情報取得装置。 - 前記信号処理部は、前記反射波長領域成分の単位信号と前記通過波長領域成分の単位信号との差分処理により、前記第2の物理情報として、前記通過波長領域成分の影響を無視可能な物理情報を取得する
ことを特徴とする請求項12に記載の物理情報取得装置。 - 前記通過波長領域成分を検知する一方の前記検知部の前記電磁波が入射する入射面側に、前記通過波長領域成分内の所定の波長成分を通過させる光学部材を備え、
前記反射波長領域成分を検知する他方の前記検知部の前記電磁波が入射する入射面側に、前記反射波長領域成分と前記通過波長領域成分内の前記所定の波長成分とを通過させる光学部材を備え、
前記信号処理部は、前記通過波長領域成分内の前記所定の波長成分に基づく前記単位信号生成部から得られる前記所定の波長成分の単位信号と、前記反射波長領域成分と前記通過波長領域成分内の前記所定の波長成分の合成成分に基づく前記単位信号生成部から得られる前記合成成分の単位信号との間で差分処理を行なうことで、前記第2の物理情報として、前記通過波長領域成分の影響を無視可能な物理情報を取得する
ことを特徴とする請求項17に記載の物理情報取得装置。 - 前記通過波長領域成分用の一方の検知部とは異なる前記反射波長領域成分を検知する他方の検知部の前記電磁波が入射する入射面側に、前記反射波長領域成分を通過させ、かつ前記通過波長領域成分を遮断する光学部材を備え、
前記信号処理部は、前記通過波長領域成分が遮断された前記反射波長領域成分に基づき前記単位信号生成部から得られる前記反射波長領域成分の単位信号を使用して、前記第2の物理情報として、前記通過波長領域成分の影響を無視可能な物理情報を取得する
ことを特徴とする請求項12に記載の物理情報取得装置。 - 前記積層部材を構成する第j番目の層の部材は、屈折率をnj、厚みをdj、前記反射波長領域成分の中心波長をλ0としたとき、下記の条件式(A)を満たす
ことを特徴とする請求項10に記載の物理情報取得装置。
0.9×λ0/4n≦dj≦1.1×λ0/4n …(A) - 前記反射波長領域成分の中心波長λ0は、下記の条件式(B)を満たす
ことを特徴とする請求項10に記載の物理情報取得装置。
780nm≦λ0≦1100nm …(B) - 前記反射波長領域成分の中心波長λ0は、略900nmである
ことを特徴とする請求項21に記載の物理情報取得装置。 - 前記積層部材を構成する前記検知部側のγ層の部材は、屈折率をnγ、厚みをdγ、前記通過波長領域λ1を下記の条件式(C1)としたとき、下記の条件式(C2)を満たす
ことを特徴とする請求項10に記載の物理情報取得装置。
380nm≦λ1≦780nm …(C1)
0nm<dγ≦96nm …(C2) - 前記γ層の部材は、下記の条件式(C3)を満たす
ことを特徴とする請求項23に記載の物理情報取得装置。
47nm≦dγ≦96nm …(C3) - 前記積層部材は、シリコンナイトライド、酸化シリコン、アルミナ、ジルコニア、酸化チタン、酸化マグネシウム、および酸化亜鉛などの酸化物、あるいはポリカーボネートやアクリル樹脂などの高分子材料、炭化珪素やゲルマニウムGeなどの半導体材料のうちの少なくとも2種を層材として有する
ことを特徴とする請求項10に記載の物理情報取得装置。 - 前記積層部材は、シリコンナイトライドを第1の層材とし、酸化シリコンを第2の層の層材とし、これらを交互に積層した構造を有する
ことを特徴とする請求項25に記載の物理情報取得装置。 - 前記積層部材は、前記単位信号生成部から前記単位信号を読み出すための信号線をなす配線層を前記検知部側に備え、隣接する層間で屈折率が異なり所定の厚みを持つ層を複数積層した構造を有し前記電磁波の内の所定の波長領域成分を反射させ残りを通過させる特性を持った積層膜が前記配線層上に形成されている
ことを特徴とする請求項11に記載の物理情報取得装置。 - 前記積層膜は、シリコンナイトライドを第1の層材、酸化シリコンを第2の層の層材とし、前記第1の層材が両外に配され、交互に、全体として9層以上積層した構造を有し、
前記積層膜と前記検知部との間が略700nmである
ことを特徴とする請求項27に記載の物理情報取得装置。 - 前記積層膜は、シリコンナイトライドを第1の層材、酸化シリコンを第2の層の層材とし、前記第1の層材が両外に配され、交互に、全体として9層以上積層した構造を有し、
前記積層膜と前記検知部との間が略3.2nmである
ことを特徴とする請求項27に記載の物理情報取得装置。 - 前記他方の検知部の検知時間を制御する駆動部を備えている
ことを特徴とする請求項12に記載の物理情報取得装置。 - 前記信号処理部は、前記他方の検知部で検知される前記反射波長領域成分の単位信号を複数回積算し、この積算後の前記反射波長領域成分の単位信号を使って前記第2の所定目的用の物理情報を取得する
ことを特徴とする請求項12に記載の物理情報取得装置。 - 前記通過波長領域成分を検知する検知部と前記反射波長領域成分を検知する検知部とが、一定の数比を持って周期的に配されている
ことを特徴とする請求項12に記載の物理情報取得装置。 - 複数の前記通過波長領域成分を検知する検知部に対して1つの前記反射波長領域成分を検知する検知部が配されている
ことを特徴とする請求項32に記載の物理情報取得装置。 - 前記通過波長領域成分を検知する検知部と前記反射波長領域成分を検知する検知部とが1対1に配されている
ことを特徴とする請求項12に記載の物理情報取得装置。 - 前記通過波長領域成分を検知する検知部は前記通過波長領域をさらに波長分離して検知する複数の検知要素の組合せからなり、
前記通過波長領域成分を検知する検知部の前記複数の検知要素と前記反射波長領域成分を検知する検知部とが2次元格子状に配されており、かつ、前記複数の検知要素の内のある波長成分を検知するものが市松模様となるように配されている
ことを特徴とする請求項12に記載の物理情報取得装置。 - 前記通過波長領域成分を検知する検知部は前記通過波長領域をさらに波長分離して検知する複数の検知要素の組合せからなり、
前記通過波長領域成分を検知する検知部の前記複数の検知要素と前記反射波長領域成分を検知する検知部とが2次元格子状に配されており、かつ、前記反射波長領域成分を検知する検知部が市松模様となるように配されている
ことを特徴とする請求項12に記載の物理情報取得装置。 - 電磁波を検知する検知部と、前記検知部で検知された電磁波量に基づいて対応する単位信号を生成して出力する単位信号生成部を単位構成要素内に含み、当該単位構成要素が所定の順に同一の半導体基板上に配された物理量分布検知のための半導体装置を製造する方法であって、
前記半導体基板上に前記検知部と前記単位信号生成部とを有する半導体素子層を形成する工程と、
前記半導体素子層上に前記単位信号生成部から前記単位信号を読み出すための信号線をなす配線層を形成する工程と、
前記配線層上に、隣接する層間で屈折率が異なり所定の厚みを持つ層を複数積層した構造を有し前記電磁波の内の所定の波長領域成分を反射させ残りを通過させる特性を持った積層膜を形成する工程と
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 複数の前記検知部に対して、各波長対応の検知部に位置整合させて、前記積層膜の一部を取り除く工程
をさらに備えたことを特徴とする請求項37に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記積層膜上に、前記通過波長領域成分内の所定の波長成分を通過させる光学部材を、各波長対応の検知部に位置整合させて形成する工程
をさらに備えたことを特徴とする請求項37に記載の半導体装置の製造方法。
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