CN102387324B - 固体摄像元件和相机系统 - Google Patents

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Abstract

一种固体摄像元件以及包括该固体摄像元件的相机系统，所述固体摄像元件包括：层叠的多个半导体层；多个叠层连接部，它们用于电连接多个半导体层；像素阵列部，其中以二维形状排列有包括光电转换部和信号输出部的像素单元；以及输出信号线，来自像素单元的信号输出部的信号经由所述输出信号线而传播，其中，多个半导体层包括至少第一半导体层和第二半导体层，并且在第一半导体层中，以二维形状排列多个像素单元，由多个像素单元形成的像素组的信号输出部共用从叠层连接部布线的输出信号线，并且输出信号线具有分离部，该分离部可分离每个输出信号线。根据本发明，可在层叠结构中实现像素的输出信号线的驱动高速化和低功耗。

Description

固体摄像元件和相机系统
相关申请的交叉引用
本申请包含与2010年9月3日向日本专利局提交的日本专利申请JP2010-197734中公开的相关主题并要求其优先权，将其全部内容通过引用并入此处。
技术领域
本发明涉及一种以CMOS图像传感器为代表的固体摄像元件和一种相机系统。
背景技术
一种固体摄像元件，其配置为包括：光电转换单元；电荷电压转换单元，其将累积的电荷转换为电压；以及单位像素，其具有用于读出电荷电压转换单元的电压的放大电路。
目前已提出了一种针对这种固体摄像元件的技术，其中，将布置有晶体管的一面的相反侧(＝背面)设定为光照射面，并且层叠多个半导体层以读出像素的输出信号，从而提高集成度和并行度。
例如，在日本未经审查的专利申请公开2006-049361号中公开了该技术。
图1为表示在日本未经审查的专利申请公开2006-049361号中公开的固体摄像元件的基本配置的图。
在图1中，在感光部侧的第一半导体层1-1上以阵列状布置像素单元2，在阵列部的两侧布置行扫描电路3-1、3-2，并且对应于像素单元2的各行而布置像素驱动电路4-1、4-2。
图2为表示包括四个晶体管的CMOS图像传感器的像素的例子的图。
像素单元2包括例如由光电二极管(PD)构成的光电转换单元(光电转换元件)21。
此外，像素单元2针对一个光电转换单元21包括作为有源元件的四个晶体管，所述四个晶体管包括传输晶体管22、复位晶体管23、放大晶体管24以及选择晶体管25。
光电转换单元21将入射光光电转换为与入射光量对应的量的电荷(这里为电子)。
传输晶体管22连接于光电转换单元21和作为输出节点的浮动扩散部FD之间，并且作为控制信号的传输信号TRG经由传输控制线LTRG而供给传输晶体管22的栅极(传输栅极)。
因此，传输晶体管22将在光电转换单元21中经光电转换的电子传输至浮动扩散部FD。
复位晶体管23连接于电源线LVDD和浮动扩散部FD之间，并且作为控制信号的复位信号RST经由复位控制线LRST而供给复位晶体管23的栅极。
因此，复位晶体管23将浮动扩散部FD的电位复位至电源线LVDD的电位。
放大晶体管24的栅极连接于浮动扩散部FD。放大晶体管24经由选择晶体管25而连接于输出信号线6，并且构成作为像素部外面的恒流源的源极跟随器。
放大晶体管24和选择晶体管25形成放大电路7。
此外，根据地址信号而将作为控制信号的选择信号SEL经由选择控制线LSEL而供给选择晶体管25的栅极，从而使选择晶体管25导通。
如果选择晶体管25导通，则放大晶体管24对浮动扩散部FD的电位进行放大，并且将根据该电位的电压输出至输出信号线6。
图3为表示COMS图像传感器的像素共用的例子的图。
在该配置中，四个像素单元2-1～2-4共用浮动扩散部FD、复位晶体管23以及放大电路7，四个像素单元2-1～2-4分别具有光电转换元件21-1～21-4和传输晶体管22-1～22-4。
在固体摄像元件中，图2的像素单元和图3的像素单元等都可以应用于如图1所示的固体摄像元件中，图2的像素单元具有在第一半导体层1-1上形成的用于一个光电转换单元21的一个放大电路7，图3的像素单元具有用于多个光电转换单元21的一个放大电路7。
此外，在日本未经审查的专利申请公开2006-049361号中公开的固体摄像元件具有这样一种结构，即在该结构中，在像素单元2中连接有叠层连接端子(微凸块或通孔VIA)8，叠层连接端子8将信号传播至不同的层叠的第二半导体层1-2。
换言之，每个叠层连接端子8连接于用于读出信号的放大电路7。
在图2和图3的例子中，用作源极跟随器的恒流源的偏置晶体管(负载MOS)9形成于第二半导体层1-2上。
在上述相关技术的任何情况中，当单位像素的尺寸小于叠层连接端子8的尺寸时，难以为每个单位像素布置叠层连接端子8。
为此，如图4所示，认为多个像素单元的放大电路的输出共用与叠层连接端子连接的输出信号线。
图5为表示图4的固体摄像元件的主要电路的例子的图。
在该例中，用于读出多个像素单元的放大电路7的输出端子连接至同一输出信号线6，并且该输出端子与输出信号线6的连接节点经由叠层连接端子8而连接至第二半导体层1-2。
像素单元2包括多个如图2所示的光电转换单元(PD)，并且还可共用放大电路7。
如上所述，放大电路7不仅包括放大晶体管24，还包括选择晶体管25，并且放大电路7经由选择晶体管25而连接至输出信号线6。
然而，通过使用复位晶体管23而将非选择像素的FD的电压设定为低，并且通过驱动放大晶体管24处于OFF状态，可省略选择晶体管25。
在图4和图5的配置中，当像素被行扫描电路3选中并通过叠层连接端子8输出信号时，必需驱动与同一叠层连接端子8连接的其他像素的放大电路7的输出端子的寄生电容。
换言之，放大晶体管24的源极端子的寄生电容、选择晶体管25的源极端子的寄生电容或者布线的寄生电容被作为负载电容而加入。
随着包括叠层连接端子8的输出信号线6的寄生电容的增大，在像素选择后使输出信号向目标值收敛所必需的时间延长，从而妨碍了高速化。
当需要进行另外的高速读出操作时，可以考虑例如通过改变施加给偏置晶体管9的栅极的偏置电压Vb而增大流入放大电路7的电流，然而电流的增加成比例地导致功耗的增加。
发明内容
本发明期望提供一种可在层叠结构中实现像素的输出信号线的驱动高速化以及低功耗的固体摄像元件和一种相机系统。
根据本发明的实施方式，提供了一种固体摄像元件，该固体摄像元件包括：层叠的多个半导体层；多个叠层连接部，它们用于电连接多个半导体层；像素阵列部，其中以二维形状排列有包括光电转换部和信号输出部的像素单元；以及输出信号线，来自像素单元的信号输出部的信号经由所述输出信号线而传播，并且其中，所述多个半导体层至少包括第一半导体层和第二半导体层，并且在第一半导体层中，多个像素单元以二维形状排列，由多个像素单元形成的像素组的信号输出部共用从叠层连接部布线的输出信号线，并且输出信号线具有分离部，该分离部可分离在从叠层连接部分支的全部或部分位置被任意分支的每个输出信号线。
根据本发明的另一实施方式，提供了一种相机系统，该相机系统包括：固体摄像元件；光学系统，其用于在所述固体摄像元件上形成拍照对象的图像；以及信号处理电路，其用于对固体摄像元件的输出图像信号进行处理，并且其中，所述固体摄像元件包括：层叠的多个半导体层；多个叠层连接部，它们用于电连接多个半导体层；像素阵列部，其中以二维形状排列有具有光电转换部和信号输出部的像素单元；以及输出信号线，来自像素单元的信号输出部的信号经由所述输出信号线而传播，所述多个半导体层包括至少第一半导体层和第二半导体层，并且，在第一半导体层中，多个像素单元以二维形状排列，由多个像素单元形成的像素组的信号输出部共用从叠层连接部布线的输出信号线，并且输出信号线具有分离部，该分离部可分离从叠层连接部分支的全部或部分位置被任意分支的每个输出信号线。
根据本发明，可在层叠结构中实现像素的输出信号线的驱动高速化和低功耗。
附图说明
图1为表示日本未经审查的专利申请公开2006-049361号中公开的固体摄像元件的基本配置的图；
图2为表示包括四个晶体管的CMOS图像传感器的像素的例子的图；
图3为表示CMOS图像传感器的像素共用的例子的图；
图4为表示其中多个像素单元的放大电路的输出共用与叠层连接端子连接的输出信号线的固体摄像元件的配置例的图；
图5为表示图4的固体摄像元件的主要电路的例子的图；
图6为表示根据本发明的实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的配置例的图；
图7为表示根据本实施方式的包括四个晶体管的CMOS图像传感器的像素的例子的图；
图8为表示根据本发明的第一实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的第一半导体层中的像素、叠层连接端子和分离部的布置例的图；
图9为表示图8的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的主要电路的例子的图；
图10为表示根据本发明的第二实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的主要电路的例子的图；
图11为表示根据本发明的第三实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的第一半导体层中的像素、叠层连接端子和分离部的布置例的图；
图12为表示根据图11的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的主要电路的例子的图；
图13为表示根据本发明的第四实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的第一半导体层中的像素、叠层连接端子和分离部的布置例的图；
图14A～图14D-3为具体表示根据第四实施方式的像素、叠层连接端子和分离部的布置例的图；
图15A和图15B为表示其中元件布置为使得分支点处的分离部的开关和伪晶体管保持周期性的例子的图；
图16为表示其中元件布置为使得分支点处的分离部开关和伪晶体管保持周期性并且伪晶体管具有预定的功能的例子的图；
图17为表示当4×4像素单元共用叠层连接端子时的布局例的图；
图18为表示根据本发明的第五实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的第一半导体层和第二半导体层的层叠结构例的图；
图19为表示根据本发明的第六实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的第一半导体层和第二半导体层的层叠结构例的图；
图20为表示根据本发明的第七实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的第一半导体层和第二半导体层的层叠结构例的图；
图21为表示根据本发明的第八实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的第一半导体层、第二半导体层和第三半导体层的层叠结构例的图；
图22为表示根据本发明的第九实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的第一半导体层和第二半导体层的层叠结构例的图；并且
图23为表示根据本发明的实施方式的固体摄像元件所适用的相机系统的配置的例子的图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。
以下列顺序进行说明：
1.固体摄像元件的总体配置例
2.采用层叠结构的特征配置的基本概念
3.第一实施方式
4.第二实施方式
5.第三实施方式
6.第四实施方式
7.第五实施方式
8.第六实施方式
9.第七实施方式
10.第八实施方式
11.第九实施方式
12.第十实施方式(相机系统的配置例)
<1.固体摄像元件的总体配置例>
图6为表示根据本发明的实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的配置例的图。
CMOS图像传感器100包括像素阵列部110、作为像素驱动单元的行选择电路(Vdec)120以及读出电路(AFE)130。
在本实施方式中，例如，在上面布置有晶体管的一面的相反侧(＝背面)被设定为光照射面，并且堆叠并形成多个半导体层以读出像素的输出信号。
在后面说明对应于半导体层的层叠结构的特征配置。
像素阵列部110以M行×N列的二维形状(矩阵形状)布置有多个像素单元110A。
图7为表示包括根据本实施方式的四个晶体管的CMOS图像传感器的像素的例子的图。
像素单元110A包括光电转换单元(光电转换元件)111，光电转换单元111例如包括光电二极管(PD)。
此外，像素单元110A针对一个光电转换单元111而具有作为有源元件的四个晶体管，所述四个晶体管包括传输晶体管112、复位晶体管113、放大晶体管114以及选择晶体管115。
光电转换单元111将入射光光电转换为与入射光量对应的量的电荷(这里为电子)。
传输晶体管112连接于光电转换单元111和作为输出节点的浮动扩散部FD之间，并且作为控制信号的传输信号TRG经由传输控制线LTRG而供给传输晶体管112的栅极(传输栅极)。
于是，传输晶体管112将在光电转换单元111中经光电转换的电子传输至浮动扩散部FD。
复位晶体管113连接于电源线LVREF和浮动扩散部FD之间，并且作为控制信号的复位信号RST经由复位控制线LRST而供给复位晶体管113的栅极。
于是，复位晶体管113将浮动扩散部FD的电位复位至电源线LVREF的电位。
浮动扩散部FD连接于放大晶体管114的栅极。放大晶体管114经由选择晶体管115而连接于输出信号线116，并且构成作为像素部外面的恒流源的源极跟随器。
由放大晶体管114和选择晶体管115形成作为信号输出部的放大电路117。
此外，将作为对应于地址信号的控制信号的选择信号SEL经由选择控制线LSEL供给选择晶体管115的栅极，从而使选择晶体管115导通。
如果选择晶体管115导通，则放大晶体管114对浮动扩散部FD的电位进行放大，并且将对应于该电位的电压输出至输出信号线116。
从每个像素输出的电压通过输出信号线116而输出至读出电路130。
因为例如传输晶体管112、复位晶体管113和选择晶体管115的各栅极以行为单位彼此连接，故针对一行像素同时进行这些操作。
如上所述，放大电路117不仅包括放大晶体管114，还包括选择晶体管115，并且放大电路117通过选择晶体管115连接于输出信号线116。
然而，通过由复位晶体管113将非选择像素的FD的电压设定为低，并且通过将放大晶体管114驱动为截止，可省略选择晶体管115。
在像素阵列部110中布线的复位控制线LRST、传输控制线LTRG以及选择控制线LSEL被以像素阵列的行为单位而布线。
由行选择电路120对复位控制线LRST、传输控制线LTRG以及选择控制线LSEL进行驱动。
行选择电路120对在像素阵列部110的任意行中布置的像素的操作进行控制。行选择电路120用作像素驱动单元，该像素驱动单元通过控制线LSEL、LRST、LTRG来控制像素的驱动。
读出电路130对来自通过行选择电路120的驱动来选择或预选择的读出行中的每个像素单元110A而经由输出信号线116输出的信号VSL进行预定的处理，并且读出电路130暂时保持例如经信号处理的像素信号。
读出电路130适用于包括采样保持电路的电路配置，该采样保持电路对通过输出信号线116输出的信号进行采样和保持。
或者，读出电路130包括采样保持电路，并且适用于具有下述功能的电路配置，即，通过CDS(相关双采样)处理而去除复位噪声以及诸如放大晶体管114的阈值不均的像素所固有的固定模式噪声。
此外，读出电路130具有模数(AD)转换功能，并且适用于将信号电平设定为数字信号的配置。
下面，详述与根据本实施方式的CMOS图像传感器100中的半导体层的层叠结构对应的特征配置。
<2.采用层叠结构的特征配置的基本概念>
首先，说明采用层叠结构的特征配置的基本概念。
在CMOS图像传感器(固体摄像元件)100中，基本上，多个层叠半导体层通过多个叠层连接端子(叠层连接部)而彼此电连接。
在第一半导体层上二维排列光电转换单元111和具有信号输出部的单位像素单元110A。
包括多个像素单元的像素组的信号输出部共用从叠层连接端子布线的输出信号线116。
此外，输出信号线116具有分离部，该分离部可分离在从叠层连接端子分支的全部或部分位置中被任意分支的每个输出信号线116。
更具体地，包括多个放大晶体管的放大电路117的输出连接于叠层连接端子，并且叠层连接端子和放大电路117之间的部分或全部分支点具有分离部，该分离部用于分离输出信号线116。
CMOS图像传感器(固体摄像元件)100在布置有晶体管和布线的一面的相反侧例如具有光照射面。
在CMOS图像传感器100中，当输出信号传播至通过叠层连接端子而层叠的第一半导体层和不同半导体层时，布置叠层连接端子的自由度升高，并且可在像素阵列内以少的数量额外布置晶体管，而无需缩减光电转换单元的大小。
通过利用上述优点，当通过放大电路117以读出像素的信号时，可通过诸如开关的分离部来降低实际负载电容，该分离部在从叠层连接端子至每个单位像素的布线所分支的节点处分离每个分支布线。
在本实施方式中，叠层连接端子的特征在于，该端子布置于它所连接的像素组的中央附近。
而且，通过在可满意地布置叠层连接端子的间隔范围内将叠层连接端子布置在它所连接的像素组的中央附近，叠层连接端子可平分在分离部处所分离的每个布线的寄生电容。
于是，当通过放大电路117读出每个像素的信号时，可使实际负载电容最小化。
在本实施方式中，分支点的特征在于，分支点布置于在该分支点之后连接的像素组的中央附近。
而且，通过将分支点布置于在分支点之后连接的像素组的中央附近，分支点可平分在分离部处所分离的每个布线的寄生电容。
因此，当通过放大电路117读出每个像素的信号时，可使实际负载电容最小化。
在本实施方式中，在分支点处布置的分离部的特征在于，与分离部相同的元件虚设在未布置分离部的区域中，以便在布置上具有周期性。
因此，可使像素和电路的布局具有周期性、使摄像特性和晶体管的工作特性均一化、并且避免诸如固定模式噪声等图像劣化。
在本实施方式中，二维排列的像素组连接于同一叠层连接端子。
通过不仅将以行或列方向二维排列的像素组连接至同一叠层连接端子，即使在连接至叠层连接端子的像素数相同的情况下，仍可使从叠层连接端子距最远的像素的距离最小化。
因此，在本实施方式中，可通过每个像素的寄生电阻而使读出电压的压降均一化。
例如，可将像素中的放大晶体管114和源极跟随器电路作为像素的输出信号的一般读出电路，该源极跟随器电路包括通过偏置晶体管与输出信号线116连接的恒流源。
因为输出信号线116的寄生电容以恒定电流放电，具体来说，在输出的收敛时间内以电容分量为主，故可实现与电容的分离成比例的高速化或低功耗。
另一方面，因为占主要的是电容性放电而非布线的时间常数，故特征在于，收敛时间主要不被电阻分量劣化，并且几乎没有由增加开关作为分离部而引起的成本。
另一方面，认为均一性在输出信号线116的电阻分量中很重要。源极跟随器电路的输入电压输出至放大晶体管114的源极端子。
为此，通过从放大晶体管114至作为输出端子的叠层连接端子的布线电阻以及在作为电流源的负载MOS(偏置晶体管)中产生的恒定电流的乘积，使得叠层连接端子中的输出电压偏置。
偏置电压可易于被诸如相关双采样的CDS单元抵消，但如果所述电压对于每个像素不同，则可被输入至输出端子之后的模拟信号处理电路的电压范围需要充分的裕度，该模拟信号处理电路例如为模数转换电路。
在本实施方式中，因为在分支点处作为分离部件的开关被加到每个分离后的输出信号线116，故特征在于，未削弱输出信号线116的电阻分量的均一性。
下面，说明具体的配置例。
<3.第一实施方式>
图8为表示根据本发明的第一实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的第一半导体层中的像素、叠层连接端子和分离部的布置例的图。
图9为表示图8的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的主要电路的例子的图。
在第一实施方式的CMOS图像传感器100A中，像素单元110A以阵列状布置于第一半导体层200上。行扫描电路121-1、121-2布置于像素阵列部110的两侧，并且对应于像素单元110A的各行而布置像素驱动电路122-1、122-2。
在第一实施方式中，像素单元110A的放大电路117沿列方向共用输出信号线116，并且连接于叠层连接端子118。
在输出信号线116于叠层连接端子118和每个像素单元的放大电路117之间进行分支的位置处设置输出信号线116的分离部140。
在图8的像素阵列部110中，以6×6矩阵形状布置像素单元。
在第一实施方式中，在可制造的叠层连接端子之间的最小间隔的范围内，叠层连接端子118可优选地布置在它所连接的多个像素单元110A的像素组的中央。
在此情况中，在图8的像素阵列中，理想情况下，叠层连接端子118优选地位于列CL0～CL5中的第三像素单元和第四像素单元的形成位置之间、即在每列的中央。
当不可能在中央布置时，叠层连接端子优选地布置于如图8所示的可布置所述端子的范围内的中央附近。
在图8中，在偶数列CL0、CL2、CL4中，叠层连接端子118布置于第四像素单元和第五像素单元的形成位置之间、即在可布置所述端子的范围内的中央附近。
在奇数列CL1、CL3、CL5中，叠层连接端子118布置于第二像素单元和第三像素单元的形成位置之间、即在可布置所述端子的范围内的中央附近。
在图8和图9的例子中，分离部140布置为沿层叠方向被分离，并且与叠层连接端子118重叠。
而且，为简化起见，图9包括四个像素单元110A-1～110A-4，并且表示叠层连接端子118和分离部140基本上布置于像素组的中央的例子。
如图9所示，在分支点处的分离部140包括开关141，并且将输出信号线116分离成两个输出信号线116-1、116-2。
输出信号线116-1连接于像素单元110A-1、110A-2的放大电路117，而输出信号线116-2连接于像素单元110A-3、110A-4的放大电路117。
构成分离部140的开关141包括一对端子a、b以及一对端子c、d。
端子a连接于叠层连接端子118，而端子b连接于一个输出信号线116-1。
端子c连接于叠层连接端子118，而端子d连接于另一输出信号线116-2。
通过上述配置的开关141，根据未图示的控制系统的开关信号SSW将端子a、b以及端子c、d切换至连接或非连接状态。
开关141可通过其中有NMOS晶体管或/和PMOS晶体管并联连接的简单电路等来实现。
在图9的例子中，用作源极跟随器的恒流源的偏置晶体管(负载MOS)119形成于第二半导体层210上。
偏置晶体管119具有这样的功能，即，将偏置电压Vb输入至栅极使得恒定电流从输出信号线116流出。
偏置晶体管119可布置于第一半导体层200中。
<4.第二实施方式>
图10为表示根据第二实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的主要电路的例子的图。
根据第二实施方式的CMOS图像传感器100B不同于根据第一实施方式的CMOS图像传感器100A之处在于，在分离部140B的输出信号线116的分支数不是两个而是两个以上(这里为三个分支)。
在CMOS图像传感器100B中，输出信号线116分成三个输出信号线116-1、116-2、116-3。
此外，像素单元110A-5、110A-6的放大电路117连接于输出信号线116-3。
开关141B不仅包括图9的配置，还包括一对端子e、f。
此外，端子e连接于叠层连接端子118，而端子f连接于输出信号线116-3。
通过上述配置的开关141B，根据未图示的控制系统的开关信号SSW将端子a、b和端子c、d以及端子e、f切换至连接或非连接状态。
<5.第三实施方式>
图11为表示根据本发明的第三实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的第一半导体层上的像素、叠层连接端子和分离部的布置例的图。
图12为表示图11的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的主要电路的例子的图。
根据第三实施方式的CMOS图像传感器100C配置为具有共用叠层连接端子118的像素组，所述像素组包括与像素的读出扫描方向(图11的垂直方向)垂直(图11的水平方向)布置的像素。
在图11的例子中，第0列与第1列、第2列与第3列以及第4列与第5列的每两列共用一个叠层连接端子118。
此外，从布置于偶数列中部的分离部140-1的输出而延伸的输出线L141以及从奇数列侧的分离部140-2的输出返回至偶数列侧而布线的输出线L142被连接至分离部140-3，分离部140-3布置于第一分支点处。
分离部140-1、140-2形成第二分支点，并且基本上具有与第一实施方式相同的配置。
在第一分支点处构成分离部140-3的开关141-3包括一对端子g、h和一对端子i、j。
端子g连接于叠层连接端子118，而端子h连接于一个输出线L141。
端子i连接于叠层连接端子118，而端子j连接于另一输出线L142。
通过上述配置的开关141-3，根据未图示的控制系统的开关信号SSW将端子g、h和端子i、j切换至连接或非连接状态。
在第三实施方式中，第一分离部140-3位于首先从叠层连接端子118分支的第一分支点处，而第二分离部140-1、140-2位于随后分支的第二分支点处。
通过读出扫描以同时选择在同一像素组中包含的多个像素，然而同时选中的像素的任一个通过第一分离部或第二分离部而连接于叠层连接端子118。
在图12的例子中，在读出像素时与叠层连接端子118连接的像素单元的数量被降至未设置分离部的情况的四分之一，由此可通过寄生电容的减小而实现高速化和低功耗。
在图12的例子中，第一分支点和第二分支点都具有分离部，然而其中任一个分支点具有分离部也是可以的。
例如，当仅第一分支点设有分离部时，可将输出信号线116的总寄生电容减小一半。
当仅在两个第二分支点处布置分离部时，通过连接在分支点处布置的四个开关之任一个，可将所连接的像素单元数降低四分之一。
当从第一分支点至第二分支点的布线的寄生电容充分小于第二分支点以后的寄生电容时，即使在省略位于第一分支点处的分离部140-3的情况下，仍可实现基本相同的效果。
相反，当从第一分支点至第二分支点的布线的寄生电容大于第二分支点以后的寄生电容时，优选地也在第一分支点处具有分离部。
<6.第四实施方式>
图13为表示根据本发明的第四实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的第一半导体层上的像素、叠层连接端子和分离部的布置例的图。
图14A～图14D-3为具体表示根据第四实施方式的像素、叠层连接端子和分离部的布置例的图。
在图13的像素阵列部110D中，以6×6矩阵形状布置像素单元。
此外，图13举例表示了4×4像素单元组GRP共用一个叠层连接端子11的情况下的布置例。
为使距最远的像素的布线长度最小化，叠层连接端子118优选地布置在4×4像素单元组GRP的中央附近。
而且，如图14A所示，第一分支点被优选地布置在像素单元组GRP的中央附近，在第一分支点处布置有第一分离部140-3。
而且，如图14B所示，第二分支点的第二分离部140-1、140-2布置在被第一分支点分离的每个像素单元组GRP的中央附近。
同样，如图14C所示，第三分支点的第三分离部140-4布置在被第二分支点140-1、140-2分离的每个像素单元组GRP的中央附近。
结果，如图14D-1所示的分离部的布置和输出信号线116的配置优选地使布线电容或布线电阻最小化。
然而，由于晶体管的布置和布线的复杂度，故对于中央布置没有严格限制，然而如果分离部布置于可行范围内的中央附近，可获得满意的效果。
此外，如图14D-2所示，考虑到分离部件的布置的周期性，优选地在未布置分离部件的位置布置伪晶体管DMT作为伪元件。
通过在每个像素单元的晶体管的形成中保持周期性，使感光元件和晶体管的特性均一化，并且抑制固定模式噪声的发生。
而且，如图14D-3所示，分离部也可在部分分支点处省略，并以伪晶体管DMT来替代。
在该例中，布置伪晶体管DMT以替代第二分离部140-1、140-2。
图15A和图15B为表示布置元件使得分支点处的分离部的开关和伪晶体管保持周期性的例子的图。
图15A和图15B为对应于图14D-3的电路图，并且其中的元件被布置为使得分支点处的分离部的开关和伪晶体管保持周期性。
图15B的伪晶体管DMT配置为使得例如两个NMOS晶体管NT1和NT2的栅极、漏极和源极接地，两个NMOS晶体管NT1和NT2形成分离部的开关并且被彼此级联。
图16为表示其中所述元件布置为使得分支点处的分离部的开关和伪晶体管保持周期性并且伪晶体管具有预定的功能的例子的图。
如图16所示，伪晶体管DMT可配置为具有任何功能。
在图16的例子中，伪晶体管DMT被用作源极跟随器的恒流源I1。
具体来说，NMOS晶体管NT1的源极接地，NMOS晶体管NT2的漏极连接至输出信号线116，并且NMOS晶体管NT1、NT2的栅极连接至用于偏置电压Vb的电源，从而构成恒流源I1。
图17为表示当4×4像素单元共用叠层连接端子时的布局例的图。
当4×4像素单元共用叠层连接端子118时，如图17所示，例如，可将分离部140布置在各个像素单元110A之间的间隙中。
具体来说，在不减小感光部的面积的情况下，可将分离部布置在背面照射型图像传感器中，在该背面照射型图像传感器中，通过用光照射与晶体管布置面相反的面而进行光电转换，或者可将分离部布置在光电转换膜形成于比布线层更上层的图像传感器中。
<7.第五实施方式>
图18为表示根据本发明的第五实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的第一半导体层和第二半导体层的层叠结构例的图。
在第一半导体层200中，在硅(Si)基板(P型阱)201上形成布线层202。
在Si基板201上形成n型扩散区2011以作为光电转换单元(PD)111，并且在光电转换单元111的表面部(与布线层202的边界)上方形成p+型扩散区2012。
在Si基板201的表面部上方形成多个FD的n+型扩散区2013和用于分离部140的开关的晶体管的n+型扩散区2014。
在布线层202中，在诸如SiO2的绝缘层中形成每个晶体管的栅极布线2021和信号传播布线2022，并且在布线层202的表面部上方形成由Cu等制成的微型焊盘(micro-pad)2023。
此外，在布线层202中形成过孔(VIA)2024，以便将分离部140的n+型扩散区2014连接至微型焊盘2023。
在第二半导体层210中，在Si基板211上形成布线层212。
在Si基板211上的表面部中形成晶体管的扩散区2111、2112。
在布线层212中，在诸如SiO2的绝缘层中形成每个晶体管的栅极布线2121和信号传播布线2122，并且在布线层212的表面部上方形成由Cu等制成的微型焊盘2123。
此外，在布线层212中形成过孔(VIA)2124，以便将扩散区2111等连接至微型焊盘2123。
图18的CMOS图像传感器(固体摄像元件)100E为这样一种图像传感器，即其中，通过将微凸块MBP用作叠层连接端子118，在与晶体管和布线层相反的半导体面上形成光电转换单元111，并且用光照射背面。
在图像传感器100E中，第一半导体层200的布线层202的表面部和第二半导体层210的布线层212的表面部彼此相对，从而通过微凸块MBP连接微型焊盘2023和微型焊盘2123。
<8.第六实施方式>
图19为表示根据本发明的第六实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的第一半导体层和第二半导体层的层叠结构例的图。
根据第六实施方式的图像传感器100F不同于根据第五实施方式的图像传感器100E之处在于，作为最上层布线的微型焊盘2023和微型焊盘2123不通过微凸块而彼此连接。
<9.第七实施方式>
图20为表示根据本发明的第七实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的第一半导体层和第二半导体层的层叠结构例的图。
根据第七实施方式的图像传感器100G不同于根据第六实施方式的图像传感器100F之处如下：
在图像传感器100G中，在第一半导体层200的布线202的表面侧布置第二半导体层210的Si基板211。
此外，第二半导体层210的布线层212的微型焊盘2123经由贯穿第二半导体层210的通孔VIA电极213而连接于第一半导体层200的布线层202的微型焊盘2023。
而且，第二半导体层210的布线层212的布线2122经由贯穿第二半导体层210的通孔VIA电极214而连接于第一半导体层200的布线层202的布线2022。
<10.第八实施方式>
图21为表示根据本发明的第八实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的第一半导体层、第二半导体层和第三半导体层的层叠结构例的图。
根据第八实施方式的CMOS图像传感器100H为具有第一半导体层200、第二半导体层210以及第三半导体层220的层叠结构。
在第三半导体层220中，在Si基板221上形成布线层222。
在Si基板221上，在表面部中形成晶体管的扩散区2211、2212。
在布线层222中，在诸如SiO2的绝缘层中形成每个晶体管的栅极布线2221和信号传播布线2222，并且在布线层222的表面部上方形成由Cu等制成的微型焊盘2223。
此外，在布线层222中形成过孔(VIA)2224，以便连接扩散区2211和布线2222，或者连接布线2222和微型焊盘2223。
在图像传感器100H中，在第一半导体层200的布线层202上形成光电转换膜240，并且第一半导体层200的布线2022和第二半导体层210的微型焊盘2123经由贯穿第一半导体层200的通孔VIA203而连接。
此外，第二半导体层210的布线层212的微型焊盘2123和第三半导体层220的布线层222的微型焊盘2223经由贯穿第二半导体层210的通孔VIA电极213H而连接。
而且，众所周知，有机光电转换膜可作为布线层上的光电转换膜。此外，半导体层可以任何层数进行堆叠。
这样，如果在第一半导体层200内在不同于晶体管的层上形成光电转换层，则在不减小感光元件的面积的情况下，可以高的自由度布置分离部件和叠层连接端子。
此外，可以堆叠信号处理电路或存储电路作为第三半导体层的半导体层，并且被叠层连接端子118连接。
<11.第九实施方式>
图22为表示根据本发明的第九实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)的第一半导体层和第二半导体层的层叠结构例的图。
在根据第九实施方式的CMOS图像传感器100I中，以与图13相同的布局形成第一半导体层200，并且由AD转换单元150和信号处理单元160形成第二半导体层210。
在图22的例子中，在中央部中布置一个信号处理单元160，并且在长边部的两侧分别布置两个AD转换单元150。
此外，在CMOS图像传感器100I中，分别与每个叠层连接端子118并列地布置AD转换电路151、152、153、154。
而且，如果像素单元具有用于信号输出的放大电路，则还可使用其中多个感光元件共用放大电路的像素共用型、在像素中设置实现批量曝光(batchexposure)的电荷保持区的像素配置等。
如上所述，根据本实施方式可得到下列效果：
在多个像素单元的放大电路中共用与层叠的(三维安装)不同半导体层连接的连接端子的图像传感器中，可减小输出信号线的寄生电容，并且实现从像素读出输出信号的高速化和低功耗。
此外，因为仅通过开关电路的简单添加和布线即可实现上述效果，所以在背面照射图像传感器或使用有机光电转换膜的图像传感器中，对感光元件的缩小或分辨率的下降几乎没有影响。
通过将叠层连接端子和分支点处的分离部布置在它们所连接的像素组的中央附近，可通过寄生电容的最小化来实现高速化和低功耗的效果，并且通过布线电阻的均一化来实现后级模拟信号处理电路所必需的输入电压范围减小的效果。
带来上述效果的固体摄像元件可适用于数码相机或摄像机的摄像器件。
<12.第十实施方式>
图23为表示根据本发明的实施方式的固体摄像元件所适用的相机系统的配置的例子的图。
如图23所示，相机系统300设有根据本实施方式的CMOS图像传感器(固体摄像元件)100、100A～100I之一所适用的摄像器件310。
而且，相机系统300包括将入射光导入摄像器件310的像素区的光学系统(形成拍照对象的图像)，例如在成像面上以入射光(图像光)形成图像的透镜320。
相机系统300包括：驱动电路(DRV)330，其对摄像器件310进行驱动；以及信号处理电路(PRC)340，其对摄像器件310的输出信号进行处理。
驱动电路330具有时序发生器(未图示)，该时序发生器产生对摄像器件310中的电路进行驱动的各种时序信号，所述各种时序信号包括启动脉冲和时钟脉冲，并且以预定的时序信号驱动摄像器件310。
此外，信号处理电路340对摄像器件310的输出信号进行预定的信号处理。
在信号处理电路340中处理的图像信号被记录在例如存储器等记录介质上。记录介质上所记录的图像信息通过打印机等而制作成硬拷贝。此外，在包括液晶显示器等的监视器上将在信号处理电路340中所处理的图像信号显示为动态图像。
如上所述，通过将上述摄像元件100、100A～100I作为摄像器件310而安装在包括数码相机等的摄像装置中，可实现具有高精度和低功耗的相机。
本领域的技术人员应当明白，在不脱离所附权利要求及其等同物的范围内，取决于设计需要和其它因素可出现各种变化、组合、子组合和替代。

Claims (18)

1.一种固体摄像元件，其包括：
层叠的多个半导体层；
多个叠层连接部，它们用于电连接所述多个半导体层；
像素阵列部，其中以二维形状排列有包括光电转换部和信号输出部的多个像素单元，每个像素单元具有放大电路，所述放大电路在各自的像素单元中与所述光电转换部为一对一关系；以及
输出信号线，其被配置为接收来自多个所述放大电路的信号，
其中，所述多个半导体层至少包括第一半导体层和第二半导体层，并且
其中，在所述第一半导体层中，所述多个像素单元以二维形状排列，由所述多个像素单元形成的像素组的所述信号输出部共用从所述叠层连接部布线的输出信号线，并且所述输出信号线具有分离部，该分离部可分离在从所述叠层连接部分支的全部或部分位置处被任意分支的每个输出信号线。
2.如权利要求1所述的固体摄像元件，其中，所述叠层连接部布置于共用与所述叠层连接部连接的输出信号线的像素组的中央附近。
3.如权利要求1所述的固体摄像元件，其中，所述分离部布置于具有与分支点之后的输出信号线连接的所述信号输出部的像素组的中央附近。
4.如权利要求1～3之一所述的固体摄像元件，其中，在所述像素阵列部的所述像素单元的二维阵列中布置有伪元件，所述伪元件具有与所述分离部相同的配置并且未连接至所述输出信号线。
5.如权利要求4所述的固体摄像元件，其中，所述伪元件布置为使得所述分离部的二维布置是周期性的。
6.如权利要求1～3之一所述的固体摄像元件，其中，
在所述第一半导体层上布置有像素驱动部，该像素驱动部对所述像素阵列部的所述像素单元进行驱动，并且
共用所述叠层连接部的所述像素组是二维阵列，该二维阵列的行和列具有两个以上像素，并且连接至由所述像素驱动部同时并列选中的所述像素单元的信号输出部的所述输出信号线经由所述分离部连接至所述叠层连接部。
7.如权利要求1～3之一所述的固体摄像元件，其中，在所述像素单元中，每个光电转换部连接至各自的放大电路，每个放大电路包括放大晶体管和选择晶体管。
8.如权利要求7所述的固体摄像元件，
其中，所述放大晶体管的栅极端子被输入有在所述光电转换部中得到的信号，漏极端子连接至电源，并且源极端子连接至输出信号线，并且
其中，在所述第一半导体层侧或所述第二半导体层侧布置的恒流源连接至所述输出信号线。
9.如权利要求8所述的固体摄像元件，其中，所述放大晶体管的源极端子经由所述选择晶体管而连接至所述输出信号线。
10.如权利要求1～3之一所述的固体摄像元件，其中，所述第一半导体层包括感光元件，该感光元件能够感测从与形成有晶体管和布线层的一面相反的面照射的光。
11.如权利要求1～3之一所述的固体摄像元件，其中，所述第一半导体层包括布线层以及形成于所述布线层上作为感光元件的光电转换膜。
12.如权利要求1～3之一所述的固体摄像元件，其中，所述叠层连接部包括端子，通过该端子在所述第一半导体层的最外层上布置的微型焊盘以及在所述第二半导体层中对应于前述微型焊盘的位置处的最外层上布置的微型焊盘经由微凸块而连接。
13.如权利要求1～3之一所述的固体摄像元件，其中，所述叠层连接部包括端子，通过该端子在所述第一半导体层的最外层上布置的微型焊盘以及在所述第二半导体层中对应于前述微型焊盘的位置处的最外层布置的微型焊盘彼此直接贴合。
14.如权利要求1～3之一所述的固体摄像元件，其中，所述叠层连接部包括接触孔，该接触孔贯穿所述第一半导体层和/或所述第二半导体层的半导体层或绝缘层而形成。
15.如权利要求1～3之一所述的固体摄像元件，其中，所述第二半导体层包括多个模数转换单元。
16.如权利要求15所述的固体摄像元件，其中，所述多个模数转换单元布置为与每个所述叠层连接部并列。
17.如权利要求1～3之一所述的固体摄像元件，其中，信号处理电路和存储电路中的至少一个形成于第三半导体层或作为随后的半导体层而层叠的半导体层上，并且被所述叠层连接部连接。
18.一种相机系统，其包括：
如权利要求1～17之一所述的固体摄像元件；
光学系统，其用于在所述固体摄像元件上形成拍照对象的图像；以及
信号处理电路，其用于对所述固体摄像元件的输出图像信号进行处理。
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