JP7325249B2 - 固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、生体組織測定用センサに好適な固体撮像素子、及び生体組織測定や観察に有用な撮像装置に関する。

生化学、生物学、医学等の分野において、生体細胞、タンパク等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が注目されている。観察方法の１つとしてインビトロ（ｉｎ ｖｉｔｒｏ）による蛍光バイオイメージングが知られている。

図６における点線Ｌ２に囲まれた図に示すように、半導体基板１Ｂ上に設けられたフォトダイオード１０１Ｂを含む固体撮像素子１００Ｂの表面を被覆する膜１０２Ｂ上に、生体から採取した細胞等の測定試料３を直接載せる。光源２が測定試料３に対して上から励起光パルスＥＸを照射する。これにより、固体撮像素子１００Ｂ内のフォトダイオード１０１Ｂは、膜１０２Ｂを介して、測定試料３から発する蛍光ＦＬを検出する。

図６に示す蛍光測定では、単純に測定試料３に励起光パルスＥＸを入射させているため、通常では、図６における点線Ｌ１に囲まれた図のように、測定試料３を透過した励起光パルスＥＸ１と蛍光ＦＬとが混在する。蛍光ＦＬのみをフォトダイオード１０１Ｂに入射させるためには、測定材料３を透過した励起光パルスＥＸ１と蛍光ＦＬとを分離する必要がある。

一般に、励起光パルスＥＸの波長は、蛍光ＦＬの波長とは異なり、さらに蛍光ＦＬの波長は、励起光パルスＥＸの波長に比べて長いことが多い。このため、図６における点線Ｌ２に囲まれた図のように、蛍光ＦＬの波長域のみを通過させ、励起光ＥＸの波長域を遮断する波長フィルタとして膜１０２Ｂを設けることがある。

しかしながら、蛍光ＦＬの波長域をほとんど減衰させずに通過させ、かつ、励起光パルスＥＸの減衰が大きい波長フィルタの膜１０２Ｂを半導体基板１Ｂ上に設けることは、製造工程が複雑である。このため、固体撮像素子１００Ｂの製造は、容易ではない。また、波長フィルタの膜１０２Ｂの形成は、減衰させる励起光パルスＥＸの波長範囲と、通過させる蛍光ＦＬの波長範囲と、が制限されるため、様々な励起光パルスＥＸの波長と蛍光ＦＬの波長とを組み合わせて評価することは難しく、汎用性に欠ける。

そこで、図７に示す特許文献１に記載の蛍光測定では、半導体基板１Ｃ内のフォトダイオード２０１上に形成する開口部について、半導体基板１Ｃに設けられた金属配線層２０２，２０３及び層間絶縁膜２０４を少しずつ水平方向にずらす。これにより、開口方向が垂直線から所定角度だけ傾斜した窓開口２０５が、フォトダイオード２０１毎に形成されている。

この場合、垂直に入射される励起光パルスＥＸは、金属配線層２０２により遮断されてフォトダイオード２０１に到達しない。窓開口２０５上にある測定試料３の蛍光ＦＬは、励起光パルスＥＸの入射方向に寄らず発光するため、窓開口２０５の開口方向に沿ってフォトダイオード２０１に到達する。これにより、励起光パルスＥＸと蛍光ＦＬとが分離される。

図８は、微弱な蛍光ＦＬの強度や蛍光寿命を評価するために、フォトダイオード２０１にシングルフォトンアバランシェダイオード３０１（以下、ＳＰＡＤ３０１と記載）を利用した構成を示す。図８における点線Ｌ３に囲まれた図に示すように、ＳＰＡＤ３０１にアバランシェ増倍が発生するような大きな電圧（Ｖｂｄ＋ΔＶ、ここでＶｂｄは衝突電離を起こし始める電圧、ΔＶはさらに掛ける超過電圧とする）を与えておく。これにより、単一光子の入射によってアバランシェ増倍を起こし、ＳＰＡＤ３０１に大電流が流れる。

ＳＰＡＤ３０１に接続される負荷３０２に電流が流れると、ＳＰＡＤ３０１に掛かる電圧が下がってＶｂｄに達する。これにより、アバランシェ増倍は停止するが、負荷３０２によって放電され、ＳＰＡＤ３０１に掛かる電圧は、初期電圧のＶｂｄ＋ΔＶに再び戻る。この一連の動作信号を画素回路３０３等で整形することで、単一光子の到来時間を開始点とする電気パルスを計測すると、蛍光は、励起光を照射された後、時間遅延して発光する。

蛍光による単一光子を検出するまでのタイミングを励起光パルスＥＸ毎に計測し、その時間と回数とをヒストグラムに表示させることで、図８における点線Ｌ４に囲まれた図に示す時間毎の蛍光減衰曲線を得ることができる。また、時定数を計算することで蛍光寿命を計算することができる。例えば、励起光パルスＥＸとＳＰＡＤ３０１とを同期させて計測を行うことで、蛍光による単一光子の各到来時間に対する到達回数を評価することができる。

特開２００７－２０７７８９号公報

しかしながら、ＳＰＡＤの構造によっては、単一光子が入射する位置により、単一光子の入射からアバランシェ増倍を起こすまでの時間が一様ではないことが知られている。図９に、ＳＰＡＤ３０１の断面構造と、単一光子３０２Ａ，３０２Ｂが入射したときの一動作例を示す。単一光子３０２Ａが、ＳＰＡＤ３０１のカソード３０４付近に入射した場合、空乏層３０５の領域からカソード３０４までの距離が小さいため、アバランシェ増倍が瞬時に起こって増倍電流３０６が瞬時に発生する。

単一光子３０２Ｂが、ＳＰＡＤ３０１の中央付近に入射した場合、空乏層３０５の領域が大きくなるまでに時間が掛かることで、単一光子３０２Ｂが、中間層３０７に一時的に吸収され、経路３０８のような迷走経路を辿る。これにより、単一光子３０２Ｂは、時間遅延した後にアバランシェ増倍を起こし、増倍電流３０９が発生する。

このため、後述の第１タイミングと第２タイミングとが重なると、蛍光信号（＝Ｓ）と励起光信号（＝Ｎ）とからなるＳ／Ｎの区別をすることができなくなる。第１タイミングとは、励起光パルスＥＸによる単一光子３０２Ｂが時間遅延してアバランシェ増倍するとともに、増倍電流３０９が発生するタイミングである。第２タイミングとは、例えば、測定試料３に励起光パルスＥＸが入射されることで蛍光ＦＬが発生し、蛍光ＦＬによる単一光子がＳＰＡＤ３０１に入射してアバランシェ増倍するタイミングである。

また、同じタイミングで発生した蛍光ＦＬでも、単一光子３０２Ａ，３０２Ｂと同様に、ＳＰＡＤ３０１への入射位置のバラつきにより、アバランシェ増倍する時間がバラつくと、蛍光減衰曲線の評価結果に影響が出る。特許文献１に記載の構造は、励起光と蛍光との直接的な分離を目的にしている。しかし、測定試料によって反射された励起光が入射されると、蛍光によるアバランシェ増倍を起こしたものと、反射された励起光が入射し、かつ、迷走した後にアバランシェ増倍を起こしたものと、の判別をすることができない。

本発明の一態様は、設計上対応が容易な方法で固体撮像素子を実現し、垂直上方向から入射する励起光を遮断しつつ、測定試料から放出された蛍光を選択的に検出することを目的とする。

前記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像素子は、半導体基板上に設けられた光電変換部と、前記半導体基板の上面から見て、前記光電変換部の表面を被覆するように設けられた第１の遮光層及び第２の遮光層と、を有し、前記第１の遮光層は、前記光電変換部の面積よりも小さい面積で前記光電変換部の上面に形成されることで前記光電変換部の表面の一部を被覆し、前記第２の遮光層は、前記第１の遮光層とは離れて配置されており、前記第２の遮光層に窓開口が形成されていることにより、前記第２の遮光層は、前記半導体基板の上面から見て、前記光電変換部の表面のうち前記第１の遮光層によって被覆される部分以外の部分を被覆することを特徴とする。

本発明の一態様によれば、設計上対応が容易な方法で固体撮像素子を実現することができ、垂直上方向から入射する励起光を遮断しつつ、測定試料から放出された蛍光を選択的に検出することができる。

本発明の実施形態に係る固体撮像素子を備える撮像装置の概略構成を示す図である。 図１に示す固体撮像素子において、蛍光がＳＰＡＤに入射する範囲を示す図である。 図１に示す撮像装置の変形例としての撮像装置を示す概略断面図である。 図１に示す固体撮像素子に関して、半導体基板に画素を複数形成するとともに、窓開口が形成された固体撮像素子上に、測定試料を載せた場合の全体構成図である。 図１に示す固体撮像素子に関して、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。 従来の固体撮像素子を示す概略断面図である。 特許文献１に記載の従来技術を示す概略断面図である。 従来技術としてフォトダイオードを利用した構成と、蛍光減衰曲線と、を示す図である。 ＳＰＡＤの断面構造と、単一光子が入射したときの一動作例を示す図である。

〔実施形態〕
（撮像装置１０の構成）
以下、本発明に係る固体撮像素子１００の一実施例である、半導体基板１上に設けられたＳＰＡＤ１１（ＳＰＡＤ：シングルフォトンアバランシェダイオード）と、ＳＰＡＤ１１を用いた撮像装置１０と、について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子１００を備える撮像装置１０の概略構成を示す図である。図１におけるＰ１で示された図は、撮像装置１０における１画素上に、主として細胞等の生体分子である測定試料３（撮像対象物）を載せた場合の概略断面図である。測定試料３は、固体撮像素子１００の上面に配置される。

図１におけるＰ２で示された図は、撮像装置１０における１画素上に測定試料３を載せていない場合の概略上面図である。撮像装置１０の垂直上方に設置された光源２（光照射手段）より励起光パルスＥＸを測定試料３に入射する。換言すると、光源２は、測定試料３に窓開口１５の開口方向の垂直上より光を照射する。これにより、測定試料３の蛍光ＦＬの特性を測定する。撮像装置１０は、固体撮像素子１００を利用した装置である。光源２は、例えばレーザである。

本実施例の撮像装置１０は、光源２と、固体撮像素子１００と、を備えている。固体撮像素子１００は、半導体基板１上に、ＳＰＡＤ１１（光電変換部）と、第１の金属配線層１２１（第１の遮光層）と、第２の金属配線層１４（第２の遮光層）と、を備えている。撮像装置１０は、固体撮像素子１００として、半導体基板１上に設けられたＳＰＡＤ１１の上面に、最下層（最下位層）の金属配線層（ＳＰＡＤ１１に最も近い金属配線層）で形成される第１の金属配線層１２１が形成される。

第１の金属配線層１２１は、半導体基板１における励起光パルスＥＸの入射側とは反対側の表面に最も近い金属配線層である。第１の金属配線層１２１は、ＳＰＡＤ１１の面積Ｓ１よりも小さい面積Ｓ２でＳＰＡＤ１１の上面に形成されることでＳＰＡＤ１１の一部を被覆する。つまり、第１の金属配線層１２１の面積Ｓ２は、ＳＰＡＤ１１の面積Ｓ１より小さい。面積Ｓ１及び面積Ｓ２は、それぞれ、励起光パルスＥＸの入射側から固体撮像素子１００を見た場合の面積である。

第１の金属配線層１２１によって遮光されていないＳＰＡＤ１１の端の部分は、第２の金属配線層１４によって遮光される。つまり、第２の金属配線層１４は、第１の金属配線層１２１の端を起点に、第１の金属配線層１２１とは異なる層で、窓開口１５とＳＰＡＤ１１との残りの面積を遮光するように形成される。これにより、第１の金属配線層１２１及び第２の金属配線層１４によって、直上から見て少なくともＳＰＡＤ１１の全体が被覆される。

この場合、垂直上方より入射される励起光パルスＥＸは、第１の金属配線層１２１と第２の金属配線層１４との組み合わせにより遮光されるため、直接的にはＳＰＡＤ１１に到達しない。つまり、第１の金属配線層１２１及び第２の金属配線層１４は、半導体基板１の上面から見て、ＳＰＡＤ１１の表層を被覆するように設けられている。

しかしながら、窓開口１５上にある測定試料３からの蛍光ＦＬは、励起光パルスＥＸの入射方向に寄らず発光する。このため、第１の金属配線層１２１及び第２の金属配線層１４の面積や位置が、それぞれの深さ方向に応じて適切に決定されることで、蛍光ＦＬは、蛍光ＦＬの入射角度によってＳＰＡＤ１１のガードリング層１６への接続付近（範囲１７）のみに入射する。ガードリング層１６は、保護膜やカソードとしての層である。

よって、励起光パルスＥＸと蛍光ＦＬとの直接的な分離を行いつつ、光電変換部としてのＳＰＡＤ１１の中心付近には、励起光パルスＥＸ及び蛍光ＦＬによる単一光子が入射されない。このため、単一光子が入射されてからアバランシェ増倍するまでの、入射位置による時間のバラつきが抑制される。このため、蛍光信号（＝Ｓ）と励起光信号（＝Ｎ）とからなるＳ／Ｎの区別をしやすくすることができる。

（蛍光ＦＬがＳＰＡＤ１１に入射する範囲について）
図２は、図１に示す固体撮像素子１００において、蛍光ＦＬがＳＰＡＤ１１に入射する範囲を示す図である。範囲ＡＬは、図２における点線Ｌ５で囲まれた図に示すように、ＳＰＡＤ１１の左端に届く蛍光ＦＬの範囲であり、範囲ＡＲは、図２における点線Ｌ６で囲まれた図に示すように、ＳＰＡＤ１１の右端に届く蛍光ＦＬの範囲である。範囲ＡＬと範囲ＡＲとからなる領域は、蛍光ＦＬがＳＰＡＤ１１に入射する範囲に対する総範囲となる。

ここで、特徴的なことは、第２の金属配線層１４に形成された窓開口１５の開口面積と同じ面積で第１の金属配線層１２１が形成されていることである。つまり、第１の金属配線層１２１の面積は、窓開口１５の開口面積と同じである。これらの面積は、それぞれ、励起光パルスＥＸの入射側から固体撮像素子１００を見た場合の面積である。なお、第１の金属配線層１２１や第２の金属配線層１４の金属の縁端部等に当たって反射・散乱した光がＳＰＡＤ１１に入射することはあり得るが、そのときのＳＰＡＤ１１への入射光の強度は、垂直入射する元の励起光パルスＥＸの強度に比べて格段に小さい。

第２の金属配線層１４は、半導体基板１の上面に最も近い最上位層で形成された金属配線層で形成されている。つまり、第２の金属配線層１４は、半導体基板１における励起光パルスＥＸの入射側の表面に最も近い金属配線層である。また、第２の金属配線層１４は、実質的にほぼベタパターンの接地電位（ＧＮＤ）または電源として利用されている。

前述した通り、第１の金属配線層１２１は、最下層であり、第２の金属配線層１４は、最上位層である。この構成によれば、誘電体膜の形成のような特別なプロセスを追加することなく、同一半導体プロセス上で固体撮像素子１００を構成することができる。このため、励起光パルスＥＸと蛍光ＦＬとの分離や、単一光子が例えばＳＰＡＤ１１に入射する位置によるアバランシェ増倍までの時間のバラつきを抑制することができる。

窓開口１５以外から光が入射しないように、半導体基板１に設けられた金属配線層１２及び層間絶縁膜１３で遮光する。多層の金属配線層１２は、層間絶縁膜１３を挟んで設けられている。複数の層間絶縁膜１３も、金属配線層１２を挟んで設けられている。第１の金属配線層１２１は、アノード端子Ａ１としてＳＰＡＤ１１の中央位置に接続することで、金属配線の配置の複雑さが解消される。測定試料３が細胞のような微小分子である場合、窓開口１５上に測定試料３を固定することで詳細な評価をすることができる。

（変形例）
図３は、図１に示す撮像装置１０の変形例としての撮像装置１０Ａを示す概略断面図である。撮像装置１０Ａは、固体撮像素子１００Ａを備え、固体撮像素子１００Ａは、固体撮像素子１００と比べて、誘電泳動電極２０を備えている点が異なる。図３に示すように、半導体基板１には、第２の金属配線層１４と同じ金属配線層で形成された誘電泳動電極２０が形成されている。つまり、誘電泳動電極２０の材質は、第２の金属配線層１４の材質と同じである。

誘電泳動電極２０は、第１の金属配線層１２１の上方に形成されている。誘電泳動電極２０の近傍に測定試料３が存在した場合、誘電泳動電極２０に与える各周波数ωの繰り返し信号によって、液体２１中の測定試料３に及ぼされる誘電泳動力は、以下の式（１）で表される。

なお、前記の式（１）においては、液体２１の複素誘電率をε_ｍ ^＊＝ε_ｍ－ｊσ_ｍ／ω、測定試料３の複素誘電率をε_ｐ ^＊＝ε_ｐ－ｊσ_ｐ／ω、測定試料３の半径をｒ、繰り返し信号によって発生する電界強度の実効値をＥ_ＲＭＳとする。また、誘電泳動力を以下の（２）に示す通りとする。

前記の式（１）中のＲｅ［（ε_ｐ ^＊－ε_ｍ ^＊）／（ε_ｐ ^＊＋２ε_ｍ ^＊）］が正である場合、測定試料３から誘電泳動電極２０に対し、電界強度が強い方向へ向かう力（正の誘電泳動力）が働く。このため、窓開口１５内にある誘電泳動電極２０上に測定試料３を留めることができる。窓開口１５上に留めた測定試料３から発光する蛍光ＦＬをＳＰＡＤ１１にて評価し、細胞の特性を把握する。つまり、半導体基板１に誘電泳動電極２０を形成することにより、細胞等の測定試料３を窓開口１５の上方にトラップすることができるため、細胞の蛍光寿命等を定量的に評価することができる。

（撮像装置１０における１画素が複数構成される場合）
次に、上記１画素が複数構成され、窓開口１５付近で発光した蛍光ＦＬのみを受光する固体撮像素子１００と、固体撮像素子１００を用いた蛍光の撮像装置１０の測定方法と、について例を挙げて説明する。図４は、図１に示す固体撮像素子１００に関して、半導体基板１に画素を複数形成するとともに、窓開口１５が形成された固体撮像素子１００上に、測定試料３を載せた場合の全体構成図である。図５は、図１に示す固体撮像素子１００に関して、撮像装置１０を利用した場合の測定方法を示す概略断面図である。

図５に示すように、ＳＰＡＤ１１は複数存在し、第２の金属配線層１４には、第１の金属配線層１２１の垂直上において、窓開口１５がＳＰＡＤ１１毎に形成される。前記構成によれば、窓開口１５の上方に複数の測定試料３をそれぞれ配置することにより、複数の測定試料３に対して評価をすることができる。このため、測定試料３の評価の作業を効率的に進めることができる。

撮像装置１０は、例えば、測定試料３ａ，３ｂ，３ｃ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、半導体基板１上に測定試料３ａ，３ｂ，３ｃが積載される。測定試料３ａ，３ｂ，３ｃの直上には、測定試料３ａ，３ｂ，３ｃに励起光を照射するための光源２が配置されている。

ＳＰＡＤ１１による検出信号は、図示しない画像データ処理部に送られ、該画像データ処理部で所定の画像処理が実行される。その結果、撮像装置１０は、画像を得るものとする。つまり、撮像装置１０は、光源２による照射光に応じて測定試料３ａ，３ｂ，３ｃから放出された反射光、散乱光または蛍光を、窓開口１５を通してＳＰＡＤ１１の端に導入して検出する。前記構成によれば、撮像装置１０は、適切な方向から測定試料３ａ，３ｂ，３ｃに光を照射し、ＳＰＡＤ１１に対して適切に光を導入する。これにより、撮像装置１０は、画像処理を適切に行うことができ、測定試料３ａ，３ｂ，３ｃに対して評価を正確に行うことができる。

図５に示すように、半導体基板１の表層に複数形成されたＳＰＡＤ１１のそれぞれの上に窓開口１５が形成される。すなわち、全てのＳＰＡＤ１１の上に形成される各窓開口１５の開口面積は、互いに同一であり、複数の窓開口１５のそれぞれから蛍光ＦＬの入射が行われる。ガードリング層１６上に積載された測定試料３ａ，３ｂ，３ｃに対し、上方から真下に向かって平行性の高い励起光パルスＥＸが照射される。

測定試料３ａ，３ｂ，３ｃが励起光パルスＥＸを受けることで、測定試料３ａ，３ｂ，３ｃからはほぼ全方向に蛍光ＦＬが放出される。このため、測定試料３ａ，３ｂ，３ｃにおいて蛍光ＦＬが発する位置により、蛍光ＦＬは、複数存在する窓開口１５を通過して、各ＳＰＡＤ１１に到達する。一方、励起光パルスＥＸは、その一部が測定試料３ａ，３ｂ，３ｃに吸収される。

励起光パルスＥＸの残りのほとんどは、測定試料３ａ，３ｂ，３ｃを透過するが、第１の金属配線層１２１及び第２の金属配線層１４により遮断される。このため、ＳＰＡＤ１１は、励起光パルスＥＸの影響をほとんど受けずに、測定試料３ａ，３ｂ，３ｃより放出される蛍光ＦＬのみに対応した検出信号を出力する。撮像装置１０は、この検出信号に基づいて蛍光信号を測定する。

上記のような励起光パルスＥＸの遮断と蛍光ＦＬの受光とは、これらの方向性の相違のみを利用している。パルス光や連続波からなる励起光と、その蛍光の波長が重なる場合や場合によって異なる波長の励起光と、を交互に入射しても問題がない。窓開口１５を通して、垂直上方から入射される励起光が測定試料３ａ，３ｂ，３ｃを直接的に透過しない構成や、ＳＰＡＤ１１の中心部に単一光子が入射しないような構成であればよい。さらに、ＳＰＡＤ１１は、ガードリング層１６付近の感度がより高くなるような注入濃度で形成されることで、単一光子をより効率的に受光できるようにしてもよい。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る固体撮像素子は、半導体基板上に設けられた光電変換部と、前記半導体基板の上面から見て、前記光電変換部の表層を被覆するように設けられた第１の遮光層及び第２の遮光層と、を有し、前記第１の遮光層は、前記光電変換部の面積よりも小さい面積で前記光電変換部の上面に形成されることで前記光電変換部の一部を被覆し、前記第２の遮光層は、前記第１の遮光層の端を起点に、前記第１の遮光層とは異なる層で、窓開口と前記光電変換部との残りの面積を遮光するように形成されることで、少なくとも前記光電変換部の全体を被覆することを特徴とする。

前記構成によれば、励起光と蛍光との直接的な分離を行いつつ、例えば、ＳＰＡＤで構成される光電変換部の中心に単一光子が入射されない構成になっているため、単一光子が入射されてからアバランシェ増倍するまでの時間のバラつきが抑制される。このため、蛍光信号（＝Ｓ）と励起光信号（＝Ｎ）とからなるＳ／Ｎの区別をしやすくすることができる。

本発明の態様２に係る固体撮像素子は、前記態様１において、前記第１の遮光層は、前記光電変換部に最も近い金属配線層で形成されていてもよい。また、本発明の態様３に係る固体撮像素子は、前記態様１または２において、前記第２の遮光層は、前記半導体基板の上面に最も近い最上位層で形成された金属配線層で形成されていてもよい。

前記構成によれば、誘電体膜の形成のような特別なプロセスを追加することなく、同一半導体プロセス上で固体撮像素子を構成することができる。このため、励起光と蛍光との分離や、単一光子が例えばＳＰＡＤに入射する位置によるアバランシェ増倍までの時間のバラつきを抑制することができる。

本発明の態様４に係る固体撮像素子は、前記態様１から３のいずれかにおいて、前記光電変換部は、シングルフォトンアバランシェダイオードであってもよい。

本発明の態様５に係る固体撮像素子は、前記態様１から４のいずれかにおいて、前記光電変換部は複数存在し、前記光電変換部毎に前記第２の遮光層にて形成された前記窓開口が形成されていてもよい。前記構成によれば、窓開口の上方に複数の測定試料をそれぞれ配置することにより、複数の測定試料に対して評価をすることができる。このため、測定試料の評価の作業を効率的に進めることができる。

本発明の態様６に係る撮像装置は、前記態様１から５のいずれかにおいて、前記固体撮像素子を利用した撮像装置であって、前記第１の遮光層の上方に、前記第２の遮光層と同じ金属配線層で形成された誘電泳動電極が形成されていてもよい。前記構成によれば、細胞等の測定試料を窓開口の上方にトラップすることができるため、細胞の蛍光寿命等を定量的に評価することができる。

本発明の態様７に係る撮像装置は、前記態様６において、前記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の垂直上より光を照射する光照射手段を備え、該照射光に応じて前記撮像対象物から放出された反射光、散乱光または蛍光を、前記窓開口を通して前記光電変換部の端に導入して検出してもよい。

前記構成によれば、撮像装置は、適切な方向から撮像対象物に光を照射し、光電変換部に対して適切に光を導入する。これにより、撮像装置は、画像処理を適切に行うことができ、測定試料３に対して評価を正確に行うことができる。

本発明は前述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１ 半導体基板
２ 光源（光照射手段）
３、３ａ、３ｂ、３ｃ 測定試料（撮像対象物）
１０、１０Ａ 撮像装置
１１ ＳＰＡＤ（光電変換部）
１４ 第２の金属配線層（第２の遮光層）
１５ 窓開口
２０ 誘電泳動電極
１００、１００Ａ 固体撮像素子
１２１ 第１の金属配線層（第１の遮光層）
Ｓ１ ＳＰＡＤの面積
Ｓ２ 第１の金属配線層の面積

Claims (7)

1. 半導体基板上に設けられた光電変換部と、
   前記半導体基板の上面から見て、前記光電変換部の表面を被覆するように設けられた第１の遮光層及び第２の遮光層と、を有し、
   前記第１の遮光層は、前記光電変換部の面積よりも小さい面積で前記光電変換部の上面に形成されることで前記光電変換部の表面の一部を被覆し、
   前記第２の遮光層は、前記第１の遮光層とは離れて配置されており、
   前記第２の遮光層に窓開口が形成されていることにより、前記第２の遮光層は、前記半導体基板の上面から見て、前記光電変換部の表面のうち前記第１の遮光層によって被覆される部分以外の部分を被覆することを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記第１の遮光層は、前記光電変換部に最も近い金属配線層で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記第２の遮光層は、前記半導体基板の上面に最も近い最上位層で形成された金属配線層で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
4. 前記光電変換部は、シングルフォトンアバランシェダイオードであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
5. 前記光電変換部は複数存在し、前記光電変換部毎に前記第２の遮光層にて形成された前記窓開口が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像素子を利用した撮像装置であって、前記第１の遮光層の上方に、前記第２の遮光層と同じ金属配線層で形成された誘電泳動電極が形成されていることを特徴とする撮像装置。
7. 前記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の垂直上より光を照射する光照射手段を備え、該照射光に応じて前記撮像対象物から放出された反射光、散乱光または蛍光を、前記窓開口を通して前記光電変換部の端に導入して検出することを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。

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