CN104541372A

CN104541372A - 成像元件、电子装置和信息处理装置

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Publication number: CN104541372A
Application number: CN201380042909.7A
Authority: CN
Inventors: 大木进; 中田征志
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2033-07-12
Also published as: US10128285B2; EP2879181A1; EP2879181B1; US20150171146A1; KR20150037810A; US20190019823A1; TWI641120B; US20170162618A1; US10784293B2; EP4057353A3; EP2879181A4; JP2013070030A; CN104541372B; WO2014017314A1; EP4057353A2; KR102156949B1; US9577012B2; TW201411821A

Abstract

本公开涉及可以更容易获得多种多样的光电转换输出的图像拾取元件、电子装置和信息处理装置。根据本公开的图像拾取元件配备有：光电转换元件层，在那里形成用于进行入射光的光电转换的光电转换元件；布线层，其形成在光电转换元件层上与入射光的光入射面相对的侧上，在那里形成用于从光电转换元件读出电荷的布线；以及支承基板，其层叠在光电转换元件层和布线层上，并包含另一个光电转换元件。本公开可以适用于图像拾取元件、电子装置以及信息处理装置。

Description

成像元件、电子装置和信息处理装置

技术领域

本公开涉及成像元件、电子装置和信息处理装置，特别涉及可以更容易提供更广泛的多种多样的光电转换输出的成像元件、电子装置和信息处理装置。

背景技术

红外线对硅(Si)的穿透长度较长。因此，在制造利用近红外光的超灵敏传感器中，需要在硅内形成长光学长度。此外，光电转换出现在距离对应于光入射面的硅表面的纵深位置，因此需要在纵深位置形成用于存储电子的电势。

为了在纵深位置形成电势，按照传统方法需要超高能离子注入(离子注入)。在这种情况下，开发成本和制造成本根据情况而显著增加。此外，还需要开发合适的抗蚀剂，因而可能进一步增大难以开发的级别。

为了克服这个问题，已经开发出从硅基板的前表面和背面注入离子以形成位于纵深位置并能够存储通过红外光的光电转换获得的足够的电子的光电二极管的方法(即，不需要超高能离子注入的方法)(例如，参见专利文献1)。

根据这种方法，离子最初从硅基板的前表面注入以便以等同于处理可见光的图像传感器的深度的深度在硅基板的表面上形成光电二极管。然后，将硅基板翻转以研磨硅基板的背面。此后，从基板的背面注入离子，以便以等同于处理可见光的图像传感器的深度的深度形成光电二极管。这种制造方法形成在深度方向上具有最大为两倍深度的光电转换区域，而不需要超高能离子注入。

翻转的硅基板被研磨至必要的膜厚度。在离子注入后，研磨后的硅基板与用于支承研磨后的硅的厚度的支承基板接合。然后，通过高温激活处理激活已经从硅基板的背面离子注入的杂质。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利申请特开No.2010-192483

发明内容

发明要解决的问题

然而，专利文献1中公开的方法仅提高长波长区域的光电转换效率。因此，这种方法不对一像素提供多个光电转换输出，因此难以用于多种多样的应用。此外，在使用专利文献1描述的方法的制造中，需要进行用于激活从硅基板的背面离子注入的杂质的激活处理，从而避免硅基板和支承基板之间的接合的破损。这种激活处理需要用于进行能够在短期间内完成热处理并对接合表面不施加热效应的激光退火等的特殊设施。因此，这种方法的制造成本显著地增加。

本公开已经为应对上述情况而开发。本公开的目的在于提供能够提供对一像素在入射光的多个不同波长区域中的分量的光电转换的结果并更容易提供更广泛的多种多样的光电转换输出的技术。

解决问题的方案

根据本公开的一个方面的成像元件，包括：光电转换元件层，其包含光电转换入射光的光电转换元件；布线层，其形成在所述光电转换元件层上与所述入射光的光入射面相对的侧上，并且包含用于从所述光电转换元件中读出电荷的布线；以及支承基板，其层叠在所述光电转换元件层和所述布线层上，并包含另一个光电转换元件。

光电转换元件层的光电转换元件和支承基板的光电转换元件可以光电转换入射光的不同波长区域中的分量。

光电转换元件层的光电转换元件可以光电转换可见光波长区域中的分量，而支承基板的光电转换元件可以光电转换近红外光波长区域中的分量。

光电转换元件层的光电转换元件的厚度可以与支承基板的光电转换元件的厚度不同。

光电转换元件层的光电转换元件和支承基板的光电转换元件可以以相同定时输出由入射光的光电转换累积的电荷。

光电转换元件层的光电转换元件和支承基板的光电转换元件可以以不同定时输出由入射光的光电转换累积的电荷。

光电转换元件层的光电转换元件和支承基板的光电转换元件可以通过输出由入射光的光电转换累积的电荷，输出通过合成光电转换元件层中获得的图像和支承基板中获得的图像所产生的合成图像。

光电转换元件层的光电转换元件用于累积由入射光的光电转换产生的电荷的电荷累积时间，可以与支承基板的光电转换元件的相应电荷累积时间不同。

布线层的布线可以布置在用以保护入射光从布线层的一侧透射到另一侧的光程的那种位置上。

可以将由具有比围绕物的折射率更大的折射率的材料形成的波导配备在布线层的光程上。

可以将吸光材料配备在布线层的光程上。

支承基板还可以包括形成在支承基板的光电转换元件与入射光的光入射面相对的一侧上、用于从支承基板的光电转换元件读出电荷的布线。布线层的布线的外部端子和支承基板的布线的外部端子通过贯通孔彼此连接。

在从光电转换元件层的光电转换元件读出的电荷超过预定阈值时，可以从支承基板的光电转换元件读出电荷。

各个光电转换元件可以包括有机光电转换膜。

还可以包括白色滤光器。光电转换元件层的光电转换元件可以光电转换入射光已经通过白色滤光器的白色分量。支承基板的光电转换元件可以光电转换其他颜色分量。

可以使用由光电转换元件光电转换后的红外光获得表示至目标的深度的深度信息。

可以控制单独输出由光电转换元件层的光电转换元件和支承基板的光电转换元件光电转换的入射光的数据，还是在数据相加后输出。

支承基板可以包括：光电转换元件层，其包含支承基板的光电转换元件；布线层，其形成在支承基板与入射光的光入射面相对的侧上的光电转换元件层中，并包含用于从支承基板的光电转换元件读出电荷的布线；以及支承基板，其层叠在光电转换元件层和布线层上，并包含另一个光电转换元件。

根据本公开的另一个方面的电子装置包括：成像元件，其成像被摄体并包括：光电转换元件层，其包含光电转换入射光的光电转换元件；布线层，其形成在与入射光的光入射面相对的侧上的光电转换元件层中，包含用于从光电转换元件中读出电荷的布线；以及支承基板，其层叠在光电转换元件层和布线层上，并包含另一个光电转换元件；和图像处理单元，其使用由成像元件的光电转换元件生成的信号执行图像处理。

根据本公开的另一个方面的信息处理装置包括：成像元件，其包括：光电转换元件层，其包含光电转换入射光的光电转换元件；布线层，其形成在与入射光的光入射面相对的侧上的光电转换元件层中，包含用于从光电转换元件中读出电荷的布线；以及支承基板，其层叠在光电转换元件层和布线层上，并包含另一个光电转换元件；和信号处理单元，其使用由成像元件的光电转换元件生成的多个波长频带中的信号来执行分析。

根据本公开的一个方面，提供光电转换元件层，其包含：光电转换元件，其光电转换入射光；布线层，形成在与入射光的光入射面相对的侧上的光电转换元件层中并且包含用于从光电转换元件读出电荷的布线；以及支承基板，层叠在光电转换元件层和布线层上，并且包括另一个光电转换元件。

根据本公开的另一个方面，提供成像单元，其成像被摄体并包含光电转换元件层，该光电转换元件层包含：光电转换元件，其光电转换入射光；布线层，形成在与入射光的光入射面相对的侧上的光电转换元件层中并且包含用于从光电转换元件读出电荷的布线；以及支承基板，其层叠在光电转换元件层和布线层上并且包括另一个光电转换元件，并且该成像单元还包含图像处理单元，其使用由成像元件的光电转换元件生成的信号执行图像处理。

根据本公开的再一个方面，信息处理装置包括：成像元件，包含光电转换元件层，该光电转换元件层包含：光电转换元件，其光电转换入射光；布线层，形成在与入射光的光入射面相对的侧上的光电转换元件层中并包括用于从光电转换元件读出电荷的布线；以及支承基板，层叠在光电转换元件层和布线层上并包括另一个光电转换元件，并且该信息处理装置还包括信号处理单元，其使用由成像元件的光电转换元件生成的多个波长带中的信号执行分析。

发明的效果

根据本公开，光电转换入射光。特别地，更容易提供更广泛的多种多样的光电转换输出。

附图说明

图1是图解常规CMOS图像传感器的主要结构的示例的图。

图2是图解根据本技术的CMOS图像传感器的主要结构的示例的图。

图3是图解根据本技术的制造装置的主要结构的示例的框图。

图4是示出制造处理的流程示例的流程图。

图5是图解根据本技术的CMOS图像传感器的另一结构示例的图。

图6是图解光瞳校正的示例的图。

图7是图解根据本技术的CMOS图像传感器的再一结构示例的图。

图8是图解根据本技术的CMOS图像传感器的又一结构示例的图。

图9是图解根据本技术的CMOS图像传感器的又一结构示例的图。

图10是图解根据本技术的CMOS图像传感器的又一结构示例的图。

图11是图解成像装置的主要结构的示例的框图。

图12是图解根据本技术的CMOS图像传感器的又一结构示例的图。

图13是图解根据本技术的制造装置的另一结构示例的框图。

图14是示出支承基板制造处理的流程示例的流程图。

图15是图解支承基板制造处理的条件的图。

图16是示出制造处理的另一个流程示例的流程图。

图17是图解制造处理的条件的图。

图18是示出根据本技术的制造装置的再一结构示例的框图。

图19是示出制造处理的再一流程示例的流程图。

图20是图解制造处理的条件的图。

图21是图解根据本技术的CMOS图像传感器的又一结构示例的图。

图22是图解信号读出的示例的图。

图23是图解像素排列的示例的图。

图24是图解下层的结构示例的图。

图25是图解像素排列的另一示例的图。

图26是图解形成的光电二极管的位置的示例的图。

图27是图解根据本技术的成像装置的主要结构的示例的框图。

图28是图解应用于医疗设备的示例的图。

图29是图解应用于ToF的示例的图。

图30是图解应用于成像模块的示例的图。

图31是示出成像处理的流程示例的流程图。

图32是图解像素排列的再一示例的图。

图33是图解根据本技术的成像装置的另一结构示例的框图。

图34是图解采样间隔的示例的图。

图35是图解电极连接的结构示例的图。

图36是图解像素排列的又一示例的图。

图37是示出控制处理的流程示例的流程图。

图38是图解应用于便携式通信终端的示例的图。

图39是图解应用于电子装置的示例的图。

图40是图解应用于成像装置的示例的图。

图41是图解应用于电子装置的示例的图。

图42是示出控制处理的流程示例的流程图。

图43是图解应用于成像装置的示例的图。

图44是图解应用于输入接口的示例的图。

图45是图解应用于电子装置的示例的框图。

图46是图解入射光的反射的示例的图。

具体实施方式

以下说明用于实施本技术的实施方式(在下文中，称为实施方式)。说明按照以下顺序进行。

1.第一实施方式(成像元件：背面型+前表面型)

2.第二实施方式(制造装置和方法)

3.第三实施方式(应用示例1：波导)

4.第四实施方式(应用示例2：光瞳校正)

5.第五实施方式(应用示例3：PD节距变更)

6.第六实施方式(应用示例4：可见光+可见光)

7.第七实施方式(应用示例5：背面型+背面型)

8.第八实施方式(成像装置)

9.第九实施方式(各种应用示例)

<1.第一实施方式>

[常规成像元件]

首先，讨论常规成像元件的结构示例。图1是图解常规CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor；互补金属氧化物半导体)图像传感器的主要结构的示例的图。图1中图解的CMOS图像传感器10是包括CMOS并且对每个单位元件(unit cell)配备有放大器的背面照射型图像传感器。

图1图解CMOS图像传感器10在垂直方向(层叠方向)上的示意结构(横截面的示意图)。如图1中所示，CMOS图像传感器10对每个像素包括聚光透镜11、滤色器12和光电二极管(Photo Diode)15。

图1示出四个像素作为CMOS图像传感器10的有效像素区域。光电二极管15-1至光电二极管15-4配备在半导体基板14中作为四个像素的组件(component)。在本说明书中不需要在各光电二极管之间作区分时，光电二极管15-1至15-4被统称为光电二极管15。

为光电二极管15-1配备聚光透镜11-1和滤色器12-1。为光电二极管15-2配备聚光透镜11-2和滤色器12-2。为光电二极管15-3配备聚光透镜11-3和滤色器12-3。为光电二极管15-4配备聚光透镜11-4和滤色器12-4。在本说明书中不需要在各聚光透镜之间作区分时，各聚光透镜被统称为聚光透镜11。在本说明书中不需要在各滤色器之间作区分时，各滤色器被统称为滤色器12。

如图1中所示，绝缘膜13形成在对应于半导体基板14的光入射面的半导体基板14的背面侧上。滤色器12和聚光透镜11配备在绝缘膜13上。

另一方面，布线层16、钝化膜19和支承基板20形成在半导体基板14与半导体基板14的光入射面相对的前表面侧上。布线层16包括布线17和布线层间膜18。

用于与CMOS图像传感器10之外的电路连接的焊盘21配备在CMOS图像传感器10的有效像素区域之外的区域上的布线层中。

例如，在可见光31进入这样构成的CMOS图像传感器10的聚光透镜11-2时，可见光31穿过聚光透镜11-2、滤色器12-2和绝缘膜13，并到达光电二极管15-2，以由光电二极管15-2高效率地光电转换。

另一方面，近红外光32有比可见光31的波长更长的波长。在这种情况下，近红外光32对硅(半导体基板14)的穿透长度变得长于可见光31的穿透长度，因此需要收集在比可见光31的位置更深的位置处光电转换的电子的那种电势分布。

然而，根据诸如图1中图解的CMOS图像传感器10之类的背面照射型，为了减少混色的产生，半导体基板14的膜厚度一般需要减少到从约2μm至约3μm的范围内。在这种情况下，光电二极管15-4可能变得难以实现已经穿过聚光透镜11-4、滤色器12-4和绝缘膜13并进入光电二极管15-4的近红外光32的高效光电转换。换句话说，背面照射型CMOS图像传感器10可能变得难以获得对近红外光32的足够灵敏度。

为了特别提高长波长区域中的灵敏度，已经开发了专利文献1中描述的方法。然而，根据这种方法，难以对一像素获得多个光电转换输出，因此难以将这种方法应用于广泛的各种各样的目的。此外，专利文献1中描述的方法从半导体基板的两个表面进行离子注入(ion implantation)，因而需要特殊设备执行能够在短期间内完成热处理的激光退火或其他处理。此外，仍然存在混色的可能性。

在前表面照射型图像传感器的情况下，硅基板的厚度可以较大。然而，为了在用于近红外光的高效光电转换的足够深的位置处形成电势，需要超高能离子注入。

[本技术的成像元件]

因此，本公开中讨论能够对一像素实现在入射光的多个不同波长区域中的分量(诸如以上讨论的可见光和近红外光)的光电转换的成像元件。

图2图解适用了本技术的CMOS图像传感器的结构示例。图2中图解的CMOS图像传感器100是与图1中图解的CMOS图像传感器10类似地装备有CMOS的图像传感器。

图2示出CMOS图像传感器100在垂直方向(层叠方向)上的示意结构(横截面的示意图)。如图2中所示，光在图中沿大致从上到下的方向进入CMOS图像传感器100。CMOS图像传感器100在入射光的行进方向上有多层结构。换句话说，已经进入CMOS图像传感器100的光在行进时穿过各层。

图2示出对应于CMOS图像传感器10的有效像素区域的四个像素。更具体地说，在半导体基板114中形成光电二极管115-1至115-4，作为构成该四个像素的组件。形成聚光透镜111-1和滤色器112-1作为构成关于光电二极管115-1的像素的组件。形成聚光透镜111-2和滤色器112-2作为构成关于光电二极管115-2的像素的组件。形成聚光透镜111-3和滤色器112-3作为构成关于光电二极管115-3的像素的组件。形成聚光透镜111-4和滤色器112-4作为构成关于光电二极管115-4的像素的组件。

在不需要在各光电二极管之间作区分时，各光电二极管被统称为光电二极管115。在不需要在各聚光透镜之间作区分时，各聚光透镜被统称为聚光透镜111。在不需要在各滤色器之间作区分时，各滤色器被统称为滤色器112。

图中CMOS图像传感器100的钝化膜119上面的层有与图1中图解的CMOS图像传感器10相应结构类似的结构。更具体地说，形成在图中相对于钝化膜119的上侧上的层在图中以从上到下的顺序是聚光透镜111、滤色器112、绝缘膜113、半导体基板114(包含光电二极管115)、布线层116(包含布线117和布线层间膜118)和钝化膜119。

聚光透镜111聚集已经进入成像面的光到对应光电二极管115，以提高光电二极管115的量子效率。

滤色器112透射已经通过对应聚光透镜111进入的入射光，以将入射光的预定波长(颜色)区域中的分量提供给对应光电二极管115。由各滤色器112透射的波长(颜色)区域任意确定，例如可见光、红外光和紫外光。此外，滤色器112可以是各自透射相同波长(颜色)区域的滤色器，或是透射不同波长(颜色)区域(例如RGB、可见光和红外光)的多种类型的滤色器。

在由多种类型的滤色器构成滤色器112时，用于各波长(颜色)区域的滤色器可以按预定顺序(例如拜耳阵列)来排列。例如，图2中滤色器112-1和滤色器112-3可以是透射红色(R)的滤色器，而滤色器112-2和滤色器112-4可以是透射绿色(G(Gr))的滤色器。作为替代，例如，图2中滤色器112-1和滤色器112-3可以是透射绿色(G(Gb))的滤色器，而滤色器112-2和滤色器112-4可以是透射蓝色(B)的滤色器。

与图1中示出的示例类似，半导体基板114中形成的光电二极管115主要实现在可见光波长区域中的分量的高效的光电转换。更具体地说，各光电二极管115有用于在适合入射光中包含的可见光波长区域中的分量的深度存储光电转换后的电子的电势分布。例如，可见光141通过聚光透镜111-2、滤色器112-2和绝缘膜113透射，并由光电二极管115-2高效地光电转换。

半导体基板114的膜厚度任意确定。例如，半导体基板114的膜厚度可以在从约2μm至约3μm的范围内，以避免产生混色。

布线层116的布线117例如由铝(AL)或铜(Cu)制成。虽然图2中作为布线117仅示出一块，但图2中布线层116中包含的所有灰色方块都是布线117。虽然布线117在图2的示例中的布线层116中有四层结构，但布线的层数可以任意确定。

不像图1中图解的CMOS图像传感器10，CMOS图像传感器100在如图2中图解的图中的钝化膜119下面还包括布线层120、半导体基板123和支承基板125。

布线层120基本上等同于布线层116。布线层120包括布线121和布线层间膜122。虽然图2中作为布线121仅示出一块，但图2中布线层120中包含的所有灰色方块都是布线121。虽然在根据图2中的示例的布线层120中布线121有两层结构，但布线的层数可以任意确定。

焊盘132配备在CMOS图像传感器10的有效像素区域之外的布线层116的区域中。焊盘132对应于用于布线层116的电路的外部电极。焊盘133配备在CMOS图像传感器10的有效像素区域之外的布线层120的区域中。焊盘133对应于用于布线层120的电路的外部电极。焊盘132和焊盘133用TSV(硅通孔)131(所谓通孔)连接。换句话说，用于布线层116的电路和用于布线层120的电路被连接。TSV 131的数量可以任意确定。尽管图中未示，但不同于彼此通过TSV131(例如焊盘132和焊盘133)连接的电极，与CMOS图像传感器100外面的电路连接的焊盘(外部电极)配备在CMOS图像传感器100的有效像素区域之外的区域中的布线层116和布线层120中。

半导体基板123是基本上等同于半导体基板114的层。光电二极管124-1形成在半导体基板123中，作为构成用于光电二极管115-1的像素的组件。光电二极管124-2形成在半导体基板123中，作为构成用于光电二极管115-2的像素的组件。光电二极管124-3形成在半导体基板123中，作为构成用于光电二极管115-3的像素的组件。光电二极管124-4形成在半导体基板123中，作为构成用于光电二极管115-4的像素的组件。在不需要在各光电二极管之间作区分时，光电二极管124-1至124-4被统称为光电二极管124。

已经通过光电二极管115的入射光(未由光电二极管115光电转换的入射光)通过布线层116、钝化膜119和布线层120进入半导体基板123(光电二极管124)。布线层116和布线层120中的布线117和布线121布置在用以保护入射光的光程的那种位置。例如，布线117和布线121可以仅布置在如图2中图解的半导体基板114(不包含光电二极管115的部分)的阴影部分下面的区域中，以及在半导体基板123(不包含光电二极管124的部分)的阴影部分上面的区域中。换句话说，这种定位允许使用布线117和布线121作为环绕光程的遮光壁。在这种情况下，入射光容易被布线117和布线121反射，因此防止入射光从光程泄漏到外面。因此，提高光电转换的效率，并减少混色的产生。

光电二极管124布置在适合近红外波长区域中的分量的光电转换的位置(深度)，并且实现在已经进入光电二极管124而没有被光电二极管115光电转换的入射光中包含的近红外波长区域中的分量的高效光电转换。例如，近红外光142透射通过聚光透镜111-4、滤色器112-4、绝缘膜113、光电二极管115-4、布线层116、钝化膜119和布线层120，并由光电二极管124-4高效地光电转换。

如上所述，CMOS图像传感器100在入射光的行进方向上有多层结构，并包括将布线层(布线层116和布线层120)夹持在其间的双层(半导体基板114和半导体基板123)的光电二极管(光电转换元件)。

CMOS图像传感器100的这种结构允许对一像素利用光电二极管115和光电二极管124在可见光和近红外光两者的波长区域中的分量(即，多种不同波长区域中的分量)进行高效光电转换。换句话说，容易通过调节夹持在厚度容易调节的光电二极管115和光电二极管124之间的布线层(布线层116和布线层120)的厚度，确定光电二极管124的深度。因此，光电转换的效率更容易在多个任意的波长区域中提高。

如上构成CMOS图像传感器100中包含的一部分或全部像素。因此，CMOS图像传感器100形成(高质量)可见光图像和(高质量)近红外光图像而不减少像素数量和像素大小，即，同时防止图像质量的恶化。CMOS图像传感器100形成至少具有相当于图1中图解的CMOS图像传感器10的图像质量的可见光图像，并进一步形成近红外光图像。

CMOS图像传感器100使用双层光电二极管(光电二极管115和光电二极管124)形成两个可见光图像和近红外光图像。因此，CMOS图像传感器100允许同时形成可见光图像和近红外光图像(以相同定时形成两个图像)。存在期望以相同定时形成的红外光图像和可见光图像的情况，例如使用两个图像执行的处理。例如，存在使用红外光图像确定图像校正方法并使用确定的图像校正方法校正可见光图像的处理。不用说，也存在期望以不同定时形成的两个图像的情况。CMOS图像传感器100允许以不同定时形成可见光图像和近红外光图像。

此外，CMOS图像传感器100通过合成由光电二极管115获得的图像和由光电二极管124获得的图像来形成高质量红外光图像。因此，可实现具有延伸的有效光程长度的那种近红外传感器。

布线117和布线121的至少一部分可以对应于用于从至少光电二极管115或光电二极管124读取电荷的电路的布线。例如，布线层116的布线117的至少一部分可以对应于用于从光电二极管115读取电荷的电路的布线，而布线层120的至少一部分布线121可以对应于用于从光电二极管124读取电荷的电路的布线。在这种情况下，各电路可以彼此独立。

根据这种结构，图2中的聚光透镜111到钝化膜119形成背面照射型CMOS图像传感器，而布线层120到支承基板125形成前表面照射型CMOS图像传感器。背面照射型CMOS图像传感器和前表面照射型CMOS图像传感器彼此独立。在这种情况下，CMOS图像传感器100包括彼此重叠和彼此连接的两个独立的CMOS图像传感器。

这样构成的CMOS图像传感器100使用背面照射型CMOS图像传感器通过入射光的可见光波长区域中的分量的光电转换形成高质量可见光图像。另一方面，CMOS图像传感器100使用前表面照射型CMOS图像传感器通过入射光的近红外光波长区域中的分量的光电转换形成高质量近红外光图像。

此外，作为CMOS图像传感器100的组件重叠的CMOS图像传感器可以彼此独立地运行。因此，例如，CMOS图像传感器100允许同时形成可见光图像和近红外光图像(以相同定时形成图像)，并轻易地以不同定时形成可见光图像和近红外光图像。此外，容易实现切换控制。

例如，为了以相同定时形成可见光图像和近红外光图像，通过使用光电二极管115的入射光的光电转换累积的电荷和通过使用光电二极管124的入射光的光电转换累积的电荷以相同定时被输出。另一方面，例如，为了以不同定时形成可见光图像和近红外光图像，光电二极管115中累积的电荷和光电二极管124中累积的电荷以不同定时被输出。

因此，CMOS图像传感器100更容易提供广泛的多种多样的光电转换输出。

<2.第二实施方式>

[制造装置]

如上所述，图2中图解的CMOS图像传感器100可以如此构成：聚光透镜111直至钝化膜119构成背面照射型CMOS图像传感器，而布线层120直至支承基板125构成前表面照射型CMOS图像传感器。

假设各CMOS图像传感器彼此独立，CMOS图像传感器100可以通过分别生成背面照射型CMOS图像传感器和前表面照射型CMOS图像传感器、在所生成的背面照射型CMOS图像传感器的前表面侧上重叠前表面照射型CMOS图像传感器并通过TSV131连接两个CMOS图像传感器来制造。

图3是图解适用本技术的制造装置的主要结构的示例的框图。图3中图解的制造装置200是制造CMOS图像传感器100的装置。

如图3中所示，制造装置200包括控制单元201、背面照射型图像传感器制造单元202、前表面照射型图像传感器制造单元203和组装单元204。制造装置200还包括输入单元211、输出单元212、存储器单元213、通信单元214和驱动器215。

控制单元201包括CPU(Central Processing Unit；中央处理器)、ROM(Read Only Memory；只读存储器)和RAM(Random Access Memory；随机存取存储器)等。控制单元201控制各个其他单元，并执行与CMOS图像传感器100的制造相关联的处理。例如，控制单元201的CPU根据ROM中存储的程序来执行各种类型的处理。此外，CPU根据从存储器单元213加载到RAM的程序来执行各种类型的处理。例如，RAM根据需要还存储CPU执行各种类型的处理所需的数据。

控制单元201连接到由键盘、鼠标、触摸板等构成的输入单元211。控制单元201还连接到由显示器(例如CRT(Cathode RayTube；阴极射线管)显示器和LCD(Liquid Crystal Display；液晶显示器))、扬声器等构成的输出单元212。控制单元201还连接到由SSD(Solid State Drive；固态驱动器)(例如快闪存储器)和硬盘构成的存储器单元213。控制单元201还连接到由有线LAN(Local Area Network)和无线LAN的接口、调制解调器等构成的通信单元214。通信单元214通过包括因特网的网络执行通信处理。

控制单元201还根据需要连接到驱动器215，以使可移动介质221(例如磁盘、光盘、光磁盘、半导体存储器等)可附接到驱动器215。通过驱动器215从可移动介质221读出的计算机程序，根据需要安装在存储器单元213中。

背面照射型图像传感器制造单元202在控制单元201的控制下制造背面照射型CMOS图像传感器。换句话说，背面照射型图像传感器制造单元202生成CMOS图像传感器100的聚光透镜111到钝化膜119。这种制造方法可以是任意方法。例如，背面照射型图像传感器制造单元202通过与传统方法类似的方法制造背面照射型CMOS图像传感器。

前表面照射型图像传感器制造单元203在控制单元201的控制下制造前表面照射型CMOS图像传感器。换句话说，前表面照射型图像传感器制造单元203生成CMOS图像传感器100的布线层120至支承基板125。这种制造方法可以是任意方法。例如，前表面照射型图像传感器制造单元203通过与传统方法类似的方法制造前表面照射型CMOS图像传感器。

组装单元204在控制单元201的控制下组装CMOS图像传感器100。在这种情况下，组装单元204连接由背面照射型图像传感器制造单元202制造出的背面照射型CMOS图像传感器和由前表面照射型图像传感器制造单元203制造出的前表面照射型CMOS图像传感器。更具体地说，组装单元204在背面照射型CMOS图像传感器的前表面侧上重叠前表面照射型CMOS图像传感器，并通过TSV131连接两个CMOS图像传感器的焊盘。

[制造方法的流程]

下面参照图4所示的流程图说明制造处理的流程示例。

在使用制造装置200制造CMOS图像传感器100时，控制单元201执行制造处理。

在制造处理开始后，控制单元201在步骤S101中允许背面照射型图像传感器制造单元202制造背面照射型CMOS图像传感器。

在步骤S102中，控制单元201允许前表面照射型图像传感器制造单元203制造前表面照射型CMOS图像传感器。

在步骤S103中，控制单元201允许组装单元204组装CMOS图像传感器100。更具体地说，组装单元204在控制单元201的控制下，在通过步骤S101的处理制造出的背面照射型CMOS图像传感器的前表面侧上重叠通过步骤S102的处理制造出的前表面照射型CMOS图像传感器。然后，组装单元204在控制单元201的控制下，通过贯通孔(TSV)连接这些CMOS图像传感器的焊盘。

在完成步骤S103中的处理后，控制单元201结束制造处理。

根据前述制造方法，制造装置200更容易制造CMOS图像传感器100而不需要超高能离子注入或激光退火等需要的特殊处理或设施。换句话说，这样的成像元件更容易实现可以更容易提供更广泛的多种多样的光电转换输出。

<3.第三实施方式>

[成像元件]

CMOS图像传感器100可以具有任意结构，只要已经通过光电二极管115的大量光行进通过布线层116和布线层120(布线层116和120的各布线之间)并到达光电二极管124就行。换句话说，布线层116的各布线117的位置和布线层120的各布线121的位置任意确定，只要入射光从二极管115到光电二极管124的光程被保护就行。例如，布线117和布线121可以位于光电二极管115的下面或光电二极管124的上面。

此外，例如，波导可以形成在布线层116中。图5是图解这样构成的CMOS图像传感器100的结构示例的图。根据图5中图解的示例，波导251-1形成在大致在光电二极管115-1的下面的区域中的CMOS图像传感器100的布线层116中。波导251-2进一步形成在大致在光电二极管115-2的下面的区域中的布线层116中。波导251-3进一步形成在大致在光电二极管115-3的下面的区域中的布线层116中。波导251-4进一步形成在大致在光电二极管115-4的下面的区域中的布线层116中。在不需要在各波导251-1至251-4之间作区分时，波导251-1至251-4被统称为波导251。

波导251例如由具有比围绕物的折射率大的折射率的材料制成的预定波导材料构成。其他结构与图2中的对应结构类似。

波导251在背面照射型CMOS图像传感器的生成期间形成。例如，在图中从下到上的方向上，在大致在光电二极管115(布线117之间)的下面的区域中的布线层116中形成孔。然后，钝化膜119形成在包含孔的背面照射型CMOS图像传感器的前表面侧(图中的下表面)上。此后，波导251形成在布线层116的各孔中。

如图5中所示，已经穿过光电二极管115的入射光通过波导251到达光电二极管124。在这种情况下，CMOS图像传感器100通过波导251的波导效应向光电二极管124更高效地提供对应于入射光中包含的近红外光波长区域中的分量的近红外光142。因此，光电二极管124的灵敏度提高。

波导可以形成在布线层120中。作为替代，波导可以形成在布线层116和布线层120两者中。在任何一种情况下，光电二极管124的灵敏度如上讨论那样提高。波导的材料可以任意确定。

本实施方式中说明的CMOS图像传感器100可以用与第二实施方式中说明的方法类似的方法来制造。更具体地说，控制单元201可以允许背面照射型图像传感器制造单元202在制造背面照射型CMOS图像传感器之时在布线层116中形成上述波导(步骤S101)。波导可以用与传统方法类似的方法形成。

在布线层120中形成波导时，控制单元201可以允许前表面照射型图像传感器制造单元203在制造前表面照射型CMOS图像传感器之时在布线层120中形成波导(步骤S102)。在这种情况下，波导也可以用与传统方法类似的方法形成。

在布线层116和布线层120两者中形成波导时，控制单元201允许背面照射型图像传感器制造单元202和前表面照射型图像传感器制造单元203两者在各自的布线层中形成波导。

因此，在本实施方式中与上述实施方式类似，制造装置200更容易制造CMOS图像传感器100。

<4.第四实施方式>

[成像元件]

用于各像素的组件的位置不限于上述示例。例如，可以根据入射光的入射角执行位置校正(光瞳校正)。

一般地，进入成像元件的入射光受到镜头等的影响。入射光大致以直角进入中心附近的像素，以相对中心方向的预定角度(入射角θ)进入周边区域的像素。

在图2和图5中图解的CMOS图像传感器100的情况下，在图中垂直方向上形成入射光的光程。该光程针对以直角进入的入射光进行优化，但不需要针对以预定角度进入的光进行优化。在这种情况下，光电二极管115和光电二极管124的聚光率可以较低。

因此，可以根据如图6中图解的入射光的入射角θ来校正用于各像素的各组件的位置。

图6是示意地图解如同从光进入侧观察那样考虑到入射光的入射角θ来定位用于各像素的组件的CMOS图像传感器的状况的图。

如图6中所示，对应于各像素的微透镜的用于CMOS图像传感器100的各像素310的透镜320根据入射光的入射角θ，朝向传感器光接收单元310A的中心移位。

图7图解在类似于图2和图5那样观察的这种情况下CMOS图像传感器100的横截面。如图7中所示，聚光透镜111和滤色器112根据入射角θ，朝向光电二极管115的中心移位。实际上，聚光透镜111和滤色器112如图6中图解的那样朝向二维阵列的中心移位。

这种排列以与垂直方向处于对应于入射角θ的角度的倾角来定位从聚光透镜111至光电二极管115的光程。在这种情况下，对入射光建立合适的光程，因此减少光电二极管115的聚光率的降低。

布线117的各层也可以如图7中图解的示例那样，根据近红外光的入射角θ的倾角布置。更具体地说，布线117可以根据入射角θ布置在光电二极管115外侧(朝向与中心相对的侧)。

此外，布线121的各层也可以如图7中图解的示例那样，根据近红外光的入射角θ的倾角布置。更具体地说，布线121可以根据入射角θ布置在布线117的更外侧(朝向与中心相对的侧)。

此外，光电二极管124也可以如图7中图解的示例那样，根据近红外光的入射角θ，布置在布线121的更外侧。

这种排列以与垂直方向处于对应于入射角θ的角度的倾角来定位从光电二极管115至光电二极管124的光程。在这种情况下，对入射光建立合适的光程，因此减少光电二极管124的聚光率的降低。

本实施方式中说明的CMOS图像传感器100可以用与第二实施方式中说明的方法类似的方法来制造。更具体地说，在控制单元201的控制下，确定各层的位置以使得在由背面照射型图像传感器制造单元202和前表面照射型图像传感器制造单元203制造各CMOS图像传感器时允许前述光瞳校正(步骤S101和步骤S102)。

因此，在本实施方式中，与上述实施方式类似，制造装置200更容易制造CMOS图像传感器100。

<5.第五实施方式>

[成像元件]

光电二极管的大小、形状和间隔可以任意确定。例如，这些因素的至少一个在如图8中图解的光电二极管115和光电二极管124之间可以不同。

根据图8中图解的示例，在半导体基板123中配备各自具有相当于两个光电二极管115的大小的光电二极管351-1和351-2。更具体地说，光电二极管351-1配备在光电二极管115-1和115-2下面的半导体基板1中，并对应于光电二极管115-1和115-2。因此，光电二极管351-1光电转换已经通过光电二极管115-1或光电二极管115-2的入射光的近红外光波长区域中的分量。

另一方面，光电二极管351-2配备在光电二极管115-3和115-4下面的半导体基板1中，并对应于光电二极管115-3和115-4。因此，光电二极管351-2光电转换已经通过光电二极管115-3或光电二极管115-4的入射光的近红外光波长区域中的分量。在不需要在光电二极管351-1和351-2之间作区分时，光电二极管351-1和351-2被统称为光电二极管351。

在这种情况下，布线层116中的布线117的排列间隔可以不同于布线层120中布线121的排列间隔。根据图8中的示例，根据光电二极管115的排列间隔，布线117形成在光电二极管115下面区域之外区域中的半导体基板114中。另一方面，根据光电二极管351的排列间隔，布线121形成在光电二极管351上面区域之外区域中的半导体基板123中。

布线117和121的位置不限于图8所示示例的位置，而可以任意确定。例如，布线117的位置可以与布线121对准地布置在半导体基板123的光电二极管351上面区域之外的区域中。类似地，布线121的位置可以与布线117对准地布置在半导体基板114的光电二极管115上面区域之外的区域中。

这种排列允许CMOS图像传感器100独立地设置可见光图像的分辨率和近红外光图像的分辨率。例如，CMOS图像传感器100形成具有不同分辨率的可见光图像和近红外光图像。

根据图8中图解的示例，水平方向中光电二极管的大小对各层是不同的。然而，只要光电二极管的大小、形状和间隔的至少一个因素对各层是不同的，就可以任意确定对各层的光电二极管的不同因素。

本实施方式中说明的CMOS图像传感器100可以用与第二实施方式中说明的方法类似的方法来制造。更具体地说，背面照射型图像传感器制造单元202和前表面照射型图像传感器制造单元203彼此独立地制造CMOS图像传感器。在这种情况下，允许彼此独立地确定光电二极管的大小、形状和间隔。

<6.第六实施方式>

[成像元件]

根据上述说明的实施方式，形成可见光图像和近红外光图像两者。然而，各光电二极管的厚度可以任意确定。更具体地说，由各光电二极管光电转换的波长区域任意确定，而且通过根据入射光对硅的穿透长度确定对各光电二极管的电势分布的深度，CMOS图像传感器100在任意的波长区域中形成图像。

例如，如图9中示例所示，CMOS图像传感器100可以构成为在不同波长区域中形成两种类型的可见光图像。在图9中图解的示例的情况下，配备半导体基板360取代图2中图解的半导体基板114。光电二极管361-1至361-4形成在半导体基板360中。更具体地说，光电二极管361-1至361-4分别对应于光电二极管115-1至115-4。在不需要在光电二极管361-1至361-4之间作区分时，光电二极管361-1至361-4被统称为光电二极管361。其他结构类似于图2中的对应结构。

半导体基板360的厚度(例如1μm)小于图2中图解的半导体基板114的厚度。这种结构允许光电二极管361光电转换在入射光中包含的可见光(可见光381)的短波长区域中的分量。此外，光电二极管361的厚度的降低减小光电二极管124的深度。因此，这种结构允许光电二极管124光电转换在入射光中包含的可见光(可见光382)而不是近红外光的长波长区域中的分量。例如，这种结构允许CMOS图像传感器100对各颜色使用不同层中包含的光电二极管形成图像。

因此，CMOS图像传感器100包括多个层中的光电二极管，对各层单独地执行光电转换。在这种情况下，可以对各层的二极管确定在要由光电二极管光电转换的波长区域中的分量。如上所述，各光电二极管的厚度可以任意确定，因而可以对各层单独地确定光电二极管的厚度。例如，光电二极管的厚度可以对各层是不同的，或所有光电二极管的厚度可以是相等的。换句话说，由各光电二极管光电转换的各波长区域中的分量可以更容易和更自由地确定。

如上所述，CMOS图像传感器100根据光电二极管361的厚度，不仅控制在要由光电二极管361光电转换的波长区域中的分量，而且控制在要由光电二极管124光电转换的波长区域中的分量。

本实施方式中说明的CMOS图像传感器100可以用与第二实施方式中说明的方法类似的方法来制造。更具体地说，背面照射型图像传感器制造单元202和前表面照射型图像传感器制造单元203彼此独立地制造CMOS图像传感器。在这种情况下，允许彼此独立地确定光电二极管的层的厚度。

<7.第七实施方式>

[成像元件]

根据上述说明的实施方式，在背面照射型CMOS图像传感器的前表面侧上重叠前表面照射型CMOS图像传感器。然而，例如，如图10中所示，可以重叠背面照射型CMOS图像传感器取代前表面照射型CMOS图像传感器。

图10中图解的CMOS图像传感器400包括与前述的CMOS图像传感器100的对应组件类似的聚光透镜111至钝化膜119。CMOS图像传感器400包括半导体基板411和布线层413取代布线层120至支承基板125。

半导体基板411包括对应于光电二极管115-1至115-4的各像素的光电二极管412-1至412-4。在不需要在光电二极管412-1至412-4之间作区分时，光电二极管412-1至412-4被统称为光电二极管412。

与光电二极管124类似，光电二极管412光电转换不同于光电二极管115的光电转换的波长区域中的分量。更具体地说，光电二极管412光电转换比光电二极管115的波长区域更长的波长区域。例如，光电二极管115光电转换可见光波长区域中的分量，而光电二极管412光电转换近红外光波长区域中的分量。作为替代，例如，光电二极管115光电转换可见光短波长区域中的分量，而光电二极管412光电转换可见光长波长区域中的分量。

在CMOS图像传感器400的情况下，布线层413形成在如图中看到的半导体基板411的下面。更具体地说，CMOS图像传感器400在背面照射型CMOS图像传感器的前表面侧上包括背面照射型CMOS图像传感器。

布线层413基本上与布线层116和布线层120相同，并且包括任意层数的布线414和布线层间膜415。布线层413布置在光电二极管412的下面，因此没有必要对布线层413形成光程。在这种情况下，布线414可以布置在任意位置。因此，允许对布线414进行容易的布局。

与布线层116和布线层120类似，对应于外部端子的焊盘423配备在有效像素区域之外的区域中的布线层413中。焊盘423通过TSV 421与布线层116的焊盘132连接。

因此，与CMOS图像传感器100类似，CMOS图像传感器400更容易提供更广泛的多种多样的光电转换输出。

在CMOS图像传感器400的情况下，入射光在更深的位置达到光电二极管(光电二极管412)而不穿过布线层413。因此，与重叠前表面照射型CMOS图像传感器作为CMOS图像传感器100的结构相比，CMOS图像传感器400进一步提高光电二极管412的灵敏度。

本实施方式中说明的CMOS图像传感器100可以用与第二实施方式中说明的方法基本上类似的方法来制造。然而，控制单元201控制背面照射型图像传感器制造单元202，以允许取代控制前表面照射型图像传感器制造单元203，而在步骤S102中的处理中制造背面照射型CMOS图像传感器。可以以类似于与步骤S101类似的常规方法的方式生成这种背面照射型CMOS图像传感器。可以以类似于第二实施方式中说明的对应处理的方式执行其他处理。

从以上所述显而易见，各实施方式中说明的CMOS图像传感器的制造方法彼此无太大不同。因此，只要选择的方法包括在前述的各制造方法中，制造装置200就能够容易切换制造方法而不需要准备新的特殊装置或添加新的特殊步骤。因此，制造装置200更容易制造更广泛的多种多样的CMOS图像传感器。

根据以上说明，本技术已适用于CMOS图像传感器。然而，本技术适用于使用光电转换元件(例如光电二极管以及CMOS图像传感器)的任何类型的成像元件。例如，本技术适用于CCD(Charge Coupled Device；电荷耦合器件)图像传感器。

根据以上说明，配备其间夹持布线层的两个光电二极管层。然而，光电二极管层的数量可以是三或以上。在这种情况下，三层或更多层的光电二极管可以配备有夹持在各层夹之间的布线层。换句话说，三层或更多层的背面照射型或前表面照射型CMOS图像传感器可以彼此重叠，并且各自焊盘可以通过贯通孔彼此连接。

这样配备的三层或更多层的光电二极管在不同波长区域中类似地形成图像。更具体地说，这样构成的CMOS图像传感器允许在不同波长区域中形成三种类型的图像。因此，CMOS图像传感器更容易提供更广泛的多种多样的光电转换输出。

可以对各层单独地确定各层中光电二极管的电荷累积时间。在这种情况下，容易根据不同的电荷累积时间驱动各层中的光电二极管。因此，一个光电二极管层的电荷累积时间可以设定得长于其他层的每个电荷累积时间。这样构成的CMOS图像传感器通过合成用不同的电荷累积时间形成的多个图像，在比单层光电二极管形成的图像的范围更宽的动态范围中形成图像。

如上所述，CMOS图像传感器100通过各光电二极管层光电转换入射光的不同波长区域中的分量。

<8.第八实施方式>

[成像装置]

图11是图解适用本技术的成像装置的结构示例的图。图11中图解的成像装置600是成像被摄体并输出被摄体的图像作为电信号的装置。

如图11中所示，成像装置600包括镜头单元611、CMOS传感器612、A/D转换器613、操作单元614、控制单元615、图像处理单元616、显示器单元617、编解码处理单元618和记录单元619。

镜头单元611调节定位在被摄体运动中的焦点，聚集来自焦点位置的光，将光提供给CMOS传感器612。

CMOS传感器612是具有前述结构的固态成像元件，并且在有效像素区域内包括混色检测像素。

A/D转换器613将从CMOS传感器612对每个像素以预定定时提供的电压信号转换成数字图像信号(以下根据情况称为像素信号)，并将转换后的信号顺序提供给图像处理单元616。

操作单元614例如由微动拨盘(jog dial；注册商标)、键、按钮、触摸板等构成。操作单元614接收来自用户的操作输入，并且将对应于操作输入的信号提供给控制单元615。

控制单元615基于对应于通过操作单元614来自用户的操作输入的信号，控制镜头单元611、CMOS传感器612、A/D转换器613、图像处理单元616、显示器单元617、编解码处理单元618和记录单元619的驱动，并且允许各单元执行与成像相关联的处理。

图像处理单元616对从A/D转换器613提供的图像信号执行各种类型的图像处理，例如前述的混色校正、黑电平校正、白平衡调节、去马赛克处理、矩阵处理、伽玛校正和YC转换。图像处理单元616将图像处理后获得的图像信号提供给显示器单元617和编解码处理单元618。

显示器单元617例如由液晶显示器构成，并且基于从图像处理单元616提供的图像信号，显示被摄体的图像。

编解码处理单元618在预定系统中对从图像处理单元616接收到的图像信号执行编码处理，并且将作为编码处理结果获得的数据提供给记录单元619。

记录单元619记录从编解码处理单元618提供的图像数据。记录单元619中记录的图像数据根据需要由图像处理单元616读出，以提供给显示器单元617。作为结果，显示对应图像。

包括适用本技术的固态图像传感器和图像处理单元的成像装置不限于前述的结构，还可以有其他结构。

<9.第九实施方式>

[普通图像传感器]

根据普通图像传感器(例如日本专利申请公开No.2010-232595、2010-41034和2008-103368中公开的图像传感器)，要在硅(Si)基板中形成的光电二极管的最大深度被限定到某个深度。该深度由与光电二极管形成处理中注入相关联的限制以及诸如传输光电转换后的电荷的性能和与邻接像素的电混色之类的因素来确定。限定的深度在许多情况下大约为3μm。然而，近年来要求不断提高红外灵敏度。硅(Si)可吸收的光取决于波长，因此即使当深度为3μm时，硅也仅吸收大约一半的光。在这种情况下，难以充分地提高红外光的灵敏度。

为了克服这个问题，已提出重叠两个图像传感器的方法(例如，参见日本专利专利申请公开No.2008-227250)。然而，根据这种方法，在两个图像传感器仅彼此粘贴时，在图像传感器之间产生距离(例如间隔层)，因此诸如间隔层之类的该距离或插入物可能产生灵敏度损失。为了提高上表面和下表面两者上的光电二极管的灵敏度，优选将上表面和下表面两者上的光电二极管布置在与芯片上透镜(OCL)尽可能近的位置上。

更具体地说，日本专利专利申请No.2008-227250中描述的复合型固态成像元件由已经完成并彼此接合的固态图像传感器构成。各固态图像传感器非常薄，因此配备各固态成像元件的晶片易破裂。因此，需要专用的特殊装置来接合这些图像传感器，同时避免晶片的破损。在这种情况下，制造变得困难，并且成本可能显著增加。此外，可能难以获得足够的合格率。

因此，优选通过普通方法的接合。然而，在这种情况下，各晶片的厚度需要为几百um或更大，以避免在接合时各晶片的破损。为了这个目的，需要为要结合的各个固态成像元件配备支承基板。例如，在图2中图解的示例的情况下，支承基板形成在图中下侧上的成像元件的结构中。然而，没有支承基板形成在上侧上的成像元件的结构中。

根据日本专利专利申请No.2008-227250中描述的方法，取代支承基板，对上侧的成像元件的结构配备间隔层。从本例中显而易见，这种方法需要在要接合的成像元件之间插入支承基板或替代组件。

然而，在这种情况下，对每个像素重叠的光电二极管之间的距离可能因支承基板(或替代组件)的存在而变得过长。在这种状况下，难以通过从远离光进入侧的光电二极管(图2中示例的情况中的光电二极管124)实现期望的波长区域中的光电转换。此外，入射光难以到达对应光电二极管，因此灵敏度可能不必要地下降。

例如，在US 2009/0294813A1和US 2009/0200589 A1中公开了其他可能的示例方法。前一个文件提出将包含光电二极管的不同基板接合到前表面照射型图像传感器的方法。然而，如以上说明，为了实现上表面和下表面两者上的光电二极管的高灵敏度，优选将上表面和下表面两者上的光电二极管布置在与芯片上透镜(OCL)尽可能近的位置。换句话说，优选上表面光电二极管形成在背面照射型图像传感器中(例如，日本专利申请公开No.2008-103368)。此外，根据本专利文件，临时支承基板被接合到前表面照射(例如，图3)，而在另一步骤中被去除(例如，图6)。在这种情况下，需要许多复杂和无用的步骤。

根据后一文件中描述的技术，两个光接收单元配备在同一硅(Si)基板上。在这种情况下，从上表面和下表面单独读出是困难的。此外，下表面仅处理IR光。因此，强加了许多限制。

以上说明的红外光还用于被称为TOF的距离测量方法(例如，参见日本专利申请公开No.2012-49547)。此外，例如，存在美国专利No.US2010/0118123A1中描述的用于基于投射测量距离的方法。关于这样的技术，例如，已经要求进一步提高距离测量精度和提高对外部光影响的耐久性。

在医疗领域中也开始使用包括近红外波长的波长，例如，作为提高分析精度等所期望的波长区域。然而，提出如上述说明的诸如低红外灵敏度之类的问题。此外，在常规方法中对一像素分析一个波长，因此在基于有关多个波长的信息进行用于分析血红蛋白的方法中需要照射多个波长区域中的光、或使用多个近红外像素(例如，日本专利No.2932644)。在这种情况下，成像元件和成像装置的微型化变得很困难。

为了今后应用于胶囊内窥镜等，将被要求进一步微型化并提高精度。在分析微分子和DNA的光学特性时，分子大小落入一像素内。在这种情况下，对每个像素排列的分子的数量和结构在使用诸如拜耳阵列之类的多个像素的情况下不同，因此可能变得难以进行精确分析。

此外，还考虑红外光以外的光，存在用于通过一像素获得诸如RGB之类的颜色的垂直光谱结构。例如，在日本专利申请公开No.2011-29453中提出了这种方法。这种方法在单一硅(Si)基板内提供多个光电二极管。因此，这种方法需要用于在硅(Si)表面侧上的光电二极管以及用于在硅(Si)纵深侧上的光电二极管的单独读出栅极电极。此外，这种方法需要将硅(Si)腐蚀至等于光电二极管的深度并形成用于从在硅(Si)纵深侧上的光电二极管读出的栅极电极(例如，日本专利申请公开No.2011-29453，图16)。在这种情况下，用于光电转换的光电二极管区域因栅极电极区域而减少。这种状况可能对饱和电子的数量和灵敏度造成不利影响。此外，用于在形成栅极电极时开凿硅的腐蚀可能损伤硅(Si)基板，因此可能产生暗电流、白点和其他问题。

此外，根据垂直光谱结构，仅通过光电二极管的深度和通过注入的电位形成而允许对光电二极管在多个波长分量上的控制。因此，频谱的控制性不高。

[示例1]

为了解决以上问题，考虑如图12中图解的在背面照射型CMOS图像传感器的支承基板层中还包括光电二极管这样的结构。

图12中图解的CMOS图像传感器1000是成像元件的模式，并且基本上具有等同于图10中图解的CMOS图像传感器400的结构。更具体地说，如图12中所示，CMOS图像传感器1000包括对应于上层并具有成像功能的构件1001以及对应于下层的支承基板1002的双层结构。

具有成像功能的构件1001有与普通背面照射型CMOS图像传感器的结构类似的结构。更具体地说，光电二极管1021、布线层1022、电极1023、钝化膜1024等层叠在构件1001中。在如图所示的构件1001的上表面侧上，绝缘膜1025、滤色器1026、芯片上透镜1027等进一步层叠在具有成像功能的构件1001上。具有成像功能的构件1001还包括从如图所示的上侧延伸出来的贯通电极1028以连接电极1023。

在普通CMOS图像传感器的情况下，对应于下层的支承基板1002仅由硅(Si)基板构成。另一方面，本示例中的CMOS图像传感器1000的支承基板1002包括光电二极管1031。因此，支承基板1002由具有成像功能的构件1011和支承基板1012构成。

具有成像功能的构件1011包括光电二极管1031、布线层1032、电极1033和钝化膜1034的层叠。如图所示，由硅(Si)基板构成的支承基板1012被层叠在钝化膜1034的下表面侧上。贯通电极1035进一步从如图所示的上表面侧形成以连接支承基板1002的电极1033。

因此，CMOS图像传感器1000包括两层的背面照射CMOS图像传感器(具有成像功能的构造)。在这种情况下，CMOS图像传感器1000不仅由上层中的光电二极管1021光电转换入射光，而且还由下层中的光电二极管1031光电转换入射光。因此，CMOS图像传感器100实现更广泛的多种多样的光电转换，并扩大使用范围(应用范围)。

例如，这种结构允许上层中的光电二极管1021对光接收面提供如常规结构中那样的背面照射型高灵敏度特性，并且还允许下层中附加的光电二极管1031输出与上层的光电二极管不同的光学特性。支承基板1002和光电二极管1021之间的距离仅仅等于布线层的厚度。在这种情况下，光学损耗减少，两光电二极管都获得高灵敏度特性。此外，在常规背面照射型图像传感器的情况下，已经穿过光电二极管的光被施加到位于光电二极管下面的布线层，并且在一些情况下在其上反射并与邻接的光电二极管混合。然而，根据CMOS图像传感器1000，入射光被导向下层，因此避免在上层中的光电二极管1021中产生混色。

如图12中所示，CMOS图像传感器1000在同一像素(参考布局中的同一坐标)内包含两个光电二极管。CMOS图像传感器1000可以对各光电二极管包括单独的布线层。因此，CMOS图像传感器1000实现彼此独立地驱动和读出各层中的光电二极管。

不同于具有如日本专利申请公开No.2011-29453中描述的垂直光谱结构的图像传感器，例如，CMOS图像传感器1000根据使用目的优化各层中的各光电二极管。例如，这种结构消除腐蚀硅(Si)并在增加结构的光电二极管旁边形成传输栅极的需要，并且允许光电二极管的增大。因此，CMOS图像传感器1000增加比具有垂直光谱结构的前述图像传感器更多的饱和电子的数量，从而提高灵敏度。此外，消除通过腐蚀或其他方法来开凿光电二极管的侧面(side)的需要，因此防止等离子态等离子体损伤或缺陷导致产生暗电流或白点。

作为结果，从同一像素获得多个光谱而不降低分辨率。此外，得到高红外灵敏度以及防止与上表面上的光电二极管的前述混色(来自布线的反射)的优点。

如上所述，使用以下说明的制造背面照射型CMOS图像传感器的普通方法，容易实现图12中的示例中图解的结构，该方法在普通的背面照射型CMOS图像传感器1000的支承基板1002中形成与光电二极管1021不同的光电二极管1031，而不是简单地接合成品固态成像元件。

换句话说，CMOS图像传感器1000被构成为包括如图12中图解的上侧和下侧上的两个成像元件构成。在这种情况下，消除了提供支承基板或诸如在两个成像元件之间的间隔层之类的组件的需要，因此光电二极管1021和光电二极管1031之间的距离被缩短。因此，可以基于布线层1022等的厚度而容易地设计光电二极管1031的灵敏度和光接收频带。

这样构成CMOS图像传感器1000中的一部分或全部像素，因此在一像素中可实现对对入射光的多个不同波长区域的光电转换而不减少像素的数量和像素大小，即，同时避免图像质量的恶化。因此，CMOS图像传感器1000更容易地提供更广泛的多种多样的光电转换输出。

光电二极管1021和光电二极管1031在入射光行进方向(图中垂直方向)上的厚度可以任意确定。例如，光电二极管1021的厚度和光电二极管1031的厚度可以彼此相同，或可以彼此不同。光电二极管的各厚度可以根据光电转换的频带来设计。

[制造装置]

下面说明用于制造这样构成的CMOS图像传感器1000的制造装置。

图13是图解用于制造CMOS图像传感器1000的制造装置的主要构造的示例的框图。图13中图解的制造装置1200包括控制单元1201和制造单元1202。

控制单元1201包括CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read OnlyMemory)、RAM(Random Access Memory)等，并且控制制造单元1202的各单元，以执行与CMOS图像传感器1000的制造有关的控制处理。例如，控制单元1201的CPU根据在ROM中存储的程序执行各种类型的处理。此外，控制单元1201的CPU根据在从存储器单元1213装载到RAM的程序执行各种类型的处理。RAM还按照需要存储CPU用于执行处理所需的数据。

制造单元1202根据控制单元1201的控制执行与CMOS图像传感器1000的制造有关的处理。制造单元1202包括支承基板制造单元1231、成像功能组件制造单元1232、前表面处理单元1233、接合单元1234、位置反转单元1235，研磨单元1236、上层形成单元1237和电极形成单元1238。

支承基板制造单元1231至电极形成单元1238在控制单元1201的控制下，执行如以下说明那样在用于制造CMOS图像传感器1000的各步骤中的处理。

制造装置1200包括输入单元1211、输出单元1212、存储器单元1213、通信单元1214和驱动器1215。

输入单元1211由键盘、鼠标、触摸板和外部输入端子等构成。输入单元1211接收来自用户的指示或来自外部的信息的输入，并将该输入提供给控制单元1201。输出单元1212由诸如CRT(Cathode RayTube)显示器或LCD(Liquid Crystal Display)之类的显示器、扬声器、外部输出端子等构成。输出单元1212以图像、声音或模拟信号或数字信号的形式输出从控制单元1201提供的各种类型的信息。

存储器单元1213由诸如快闪存储器之类的SSD(Solid State Drive；固态驱动器)或硬盘构成。存储器单元1213存储从控制单元1201提供的信息，并响应来自控制单元1201的请求来读取并提供所存储的信息。

通信单元1214由例如有线LAN(Local Area Network)或无线LAN的接口或调制解调器等构成，并且通过包括因特网的网络执行与外部装置的通信处理。例如，通信单元1214将从控制单元1201提供的信息发送到通信对方，并将从通信对方接收到的信息提供给控制单元1201。

驱动器1215根据需要与控制单元1201连接。可移动介质1221(例如磁盘、光盘、光磁盘、半导体存储器等)根据需要附接在驱动器1215上。通过驱动器1215从可移动介质1221读出的计算机程序根据需要被安装在存储器单元1213中。

[支承基板制造处理的流程]

支承基板制造单元1231执行支承基板制造处理以制造支承基板1002。下面参照图14所示的流程图说明由支承基板制造单元1231执行的支承基板制造处理的流程示例。根据需要，结合图15说明该处理。图15图解在支承基板制造处理中执行的各步骤中的条件。

在开始支承基板制造步骤后，在步骤S1201中，支承基板制造单元1231在控制单元1201的控制下，形成硅基板光电二极管1031、晶体管(未图示)、布线层1032和从外侧提供的电极1033(图15的A)。这里假设生成背面照射型结构。然而，无论“前表面照射”或“背面照射”都可以选择用于支承基板。例如，前表面照射型图像传感器的示例公开在日本专利申请公开No.2010-41034中。背面照射型图像传感器的示例公开在日本专利申请公开No.2008-103368中。

在步骤S1202中，支承基板制造单元1231在控制单元1201的控制下形成钝化膜1034(例如SIN或SiO2)以保护前表面，并通过CMP(化学机械研磨)等方法使钝化膜1034平坦(图15的B)。

在步骤S1203中，支承基板制造单元1231例如在控制单元1201的控制下，将支承基板1012通过等离子体接头(junction)或粘结剂与如上述那样构成并具有成像功能的构件1011接合(图15的C)。

在步骤S1204中，支承基板制造单元1231在控制单元1201的控制下翻转这样制造出的支承基板1002(图15的D)。

在步骤S1205中，支承基板制造单元1231在控制单元1201的控制下，通过CMP、背面磨光、腐蚀等方法或通过其组合，将如图中所示的翻转支承基板1002的上表面研磨直到光电二极管1031的附近(图15的E)。在这种情况下，支承基板1002对应于去除了滤色器和芯片上透镜(OCL)的普通背面照射型图像传感器。因此，通过与制造普通背面照射型图像传感器的方法类似的方法，容易制造支承基板1002。

[制造处理的流程]

制造单元1202的成像功能构件制造单元1232至电极形成单元1238执行制造处理以使用这样生成的支承基板1002制造CMOS图像传感器1000。下面参照图16所示的流程图说明由成像功能组件制造单元1232至电极形成单元1238执行的制造处理的流程示例。根据需要结合图17说明该处理。图17图解制造处理中执行的各步骤中的条件。

在开始制造处理后，在步骤S1221中，成像功能组件制造单元1232在控制单元1201的控制下，在普通硅基板上形成光电二极管1021、晶体管(未图示)、布线层1022和电极1023(图17的A)。

在步骤S1222中，表面处理单元1233在控制单元1201的控制下，形成钝化膜1024(例如SIN和SiO2)以保护这样形成并具有成像功能的图17中A所示的构件1001的上侧的表面，并通过CMP(化学机械研磨)等方法(图17的B)使这样形成的钝化膜1024平坦。

在步骤S1223中，接合单元1234例如在控制单元1201的控制下，将支承基板1002通过等离子体接头或粘结剂与具有成像功能并布置了钝化膜1024的构件1001接合(图17的C)。如图17的C中所示，具有成像功能的构件1001此时没有支承基板，包括光电二极管1021的硅基板还未被研磨并且仍较厚。因此，其上形成了具有成像功能的构件1001的晶片保护足够的厚度，因此在接合的时间中晶片破损的可能性非常小。这种状况允许接合单元1234将具有成像功能的构件1001和支承基板1002容易地接合在一起。

在步骤S1224中，位置反转单元1235在控制单元1201的控制下，翻转如上说明的彼此接合的具有成像功能的构件1001和支承基板1002(图17的D)

在步骤S1225中，研磨单元1236在控制单元1201的控制下，通过CMP、背面磨光、腐蚀等方法或通过其组合，将如图中所示的具有成像功能的翻转构件1001的上表面研磨到光电二极管1021的附近(图17的E)。

在步骤S1226中，上层形成单元1237在控制单元1201的控制下，在研磨后的上表面上形成绝缘膜1025、滤色器1026和芯片上透镜(OCL)1027(图17的F)。

在步骤S1227中，电极形成单元1238在控制单元1201的控制下，形成用于将电极1023引出朝向如图所示的上表面侧的贯通电极1028和用于将电极1033引出到如图所示的上表面侧的贯通电极1035(图17的G)。

通过这些处理完成CMOS图像传感器1000的制造。诸如包含布线的支承基板的接合方法之类的处理流程公开在日本专利申请公开No.2011-204915中。

如上所述，制造装置1200通过使用用于制造普通单层CMOS图像传感器的制造步骤，容易地制造包括多个层的CMOS图像传感器1000。

[示例2]

根据本技术的特性，可以在光电二极管组件配备不同的膜(例如氧化膜和其他布线层)。其特征是这种结构也适用于从上层中的光电二极管1021进入下层中的光电二极管1031的光的控制。在期望最大可能量的光要被引入光电二极管1031时，优选在布线层1022中形成光传输路径(例如波导)以降低光学损耗。反之，在期望进入光电二极管1031的光减少时，可以通过布线层1022的布线(例如铜、铝和钨)遮挡一部分光。在控制进入光电二极管1031的光的波长时，可以配备吸收大量的特定波长光的结构(例如能够吸收短波长光的多晶硅)。(作为替代，可以使用吸光材料，例如滤色器。)

[制造装置]

图18是图解这样构成的CMOS图像传感器1000的主要结构的示例的框图。图18中图解的制造装置1300有与图13中图解的制造装置1200基本相同的结构，并且包括控制单元1301和制造单元1302。

控制单元1301是与控制单元1201类似的处理单元，并且控制制造单元1302的操作。制造单元1302与制造单元1202类似地在控制单元1301的控制下执行与制造CMOS图像传感器1000有关的处理。

制造单元1302包括支承基板制造单元1331、成像功能组件制造单元1332、光程形成单元1333、前表面处理单元1334、接合单元1335、位置反转单元1336、研磨单元1337、上层形成单元1338和电极形成单元1339。

支承基板制造单元1331是与支承基板制造单元1231类似的单元。成像功能组件制造单元1332是与成像功能组件制造单元1232类似的处理单元。前表面处理单元1334是与前表面处理单元1233类似的处理单元。接合单元1335是与接合单元1234类似的处理单元。位置反转单元1336是与位置反转单元1235类似的处理单元。研磨单元1337是与研磨单元1236类似的处理单元。上层形成单元1338是与上层形成单元1237类似的处理单元。电极形成单元1339是与电极形成单元1238类似的处理单元。

制造单元1300包括输入单元1311、输出单元1312、存储器单元1313、通信单元1314和驱动器1315。这些单元与输入单元1211至驱动器1215类似。与可移动介质1221类似的可移动介质1321根据需要附接到驱动器1315。

[制造处理的流程]

支承基板制造单元1331在控制单元1301的控制下，执行与支承基板制造单元1231进行的处理类似的支承基板制造处理(图14)，以制造支承基板1002。

制造单元1302的成像功能组件制造单元1332至电极形成单元1339执行制造处理，以使用这样生成的支承基板1002制造CMOS图像传感器1000。下面参照图19所示的流程图说明由成像功能组件制造单元1332至电极形成单元1339执行的制造处理的流程示例。根据需要结合图20说明该处理。图20图解在制造处理中执行的各步骤中的条件。

在开始制造处理后，在与步骤S1221类似的步骤S1301中，成像功能组件制造单元1332在控制单元1301的控制下，在普通的硅基板上形成光电二极管1021，晶体管(未图示)、布线层1022和电极1023(图20的A)。

在步骤S1302中，光程形成单元1333在控制单元1301的控制下，腐蚀对应于期望波导或吸光材料被插入的位置(光程)的布线层1022的部分(例如图20的B中的腐蚀部分1341)(图20的B)。

在步骤S1303中，光程形成单元1333在控制单元1301的控制下，通过ALD(原子层沉积)、CVD(化学气相沉积)、PVD(物理气相沉积)、涂敷等方法，将波导(高折射率材料)或吸光材料(滤色器、或吸收率依赖于波长的材料(例如多晶硅))(图20的C中的嵌入构件)嵌入到腐蚀部分1341中(图20的C)。在本示例假设使用由ALD形成的氮化硅膜SIN(折射率：约1.8到2)。SIN相比围绕物的布线层具有较高的折射率(折射率：在氧化膜的情况下为1.5或以下)，并具有良好的聚光特性。此外，这种材料是无机膜，因而特征在于在随后的制造步骤中施加热或压力时，在忍耐热或压力上有足够耐久性。然而，被嵌入的膜也可以是有机膜。

在步骤S1304中，光程形成单元1333在控制单元1301的控制下，通过腐蚀去除不需要的部分(图20的D中的腐蚀部分1343)，例如嵌入构件1342(波导构件或吸光材料)中像素之间的区域(图20的D)。

例如，SIN有高折射率，因而在与邻接像素连接时可能造成混色。因此，光程形成单元1333如这里说明的那样去除像素之间的腐蚀部分1343。这种处理防止通过嵌入构件1342(例如SIN)光向邻接像素的传输。然而，在不需要时可以省略这种处理。

在控制单元1301的控制下，由前表面处理单元1334至电极形成单元1339以与图16中步骤S1222至S1227中各处理类似的方式执行步骤S1305至S1310中的各处理(图20的E至K)。

通过执行前述的制造处理，制造装置1300完成具有成像功能并在布线层1022中包含波导(或吸光材料)的构件1351的制造。换句话说，制造装置1300完成包括具有成像功能的构件1351的CMOS图像传感器1000的制造。

[示例3]

光电二极管的层数可以通过类似的方法增加到三层或更多层。图21图解具有三层光电二极管的CMOS图像传感器的结构示例。图21中图解的CMOS图像传感器1400包括上层1401、中层1402和下层1403。上层1401至下层1403的各层可以包含光电二极管。因此，在一像素内最大形成三个光电二极管。

CMOS图像传感器1400仅将具有成像功能的一层构件添加到上述说明的CMOS图像传感器1000。因此，可以通过使用前述的CMOS图像传感器1000的制造方法制造CMOS图像传感器1400。

更具体地说，在参照图14的流程图说明的支承基板制造处理的步骤S1203中，由硅基板构成的支承基板1012接合到具有成像功能的构件1011。然而，根据本示例中的处理，包含具有成像功能的构件的支承基板以与图16中步骤S1223的处理类似的方式接合到具有成像功能的构件1011。

因此，通过递归重复处理获得不同的硅层中形成的三层或更多层的光电二极管。通过控制包含光电二极管的硅(Si)的各膜厚度来控制由各层接收到的(光电转换过的)光的波长。例如，各光电二极管可以构成为从上以这个顺序来接收蓝、绿和红的光(通过利用对各颜色不同的硅吸收率)。此外，这种结构在接收红外区域的光方面相当有利，并实现高灵敏度的优点。

各层的像素大小不需要相同。

下面说明驱动/信号处理的示例。

[示例4]

可以如上所述地对层叠的多个光电二极管中的每一个配备独立的布线层。这种结构在驱动各光电二极管时提高了自由度。例如，在图22的A中图解的双层的CMOS图像传感器1000的情况下，如图22的B所示，由光电二极管1021获得的信号值和由光电二极管1031获得的信号可以单独地输出，或如图22的C所示，可以合成并输出。

当如图22的C所示地将上下光电二极管的信号值合成并输出时，光接收灵敏度提高。因此，这种结构可以用作高灵敏度模式。例如，对不由一个光电二极管充分光电转换的光(例如红外光)获得高输出。

硅(Si)在短波长侧有较高的光吸收系数，因此上表面相对于光进入面吸收大量的短波长光。换句话说，光谱特性在上层中的光电二极管1021和下层中的光电二极管1031之间不同。更具体地说，如图22的B所示，下层中的光电二极管1031有这样的光谱特性：相比上层中的光电二极管1021，峰值在长波长侧(因为短波长容易由上层中的光电二极管1021吸收)。

在图22的B中的示例的情况下，绿色滤色器配备在芯片上透镜下面。因此，进入上层中的光电二极管1021的光是绿色光。在这种情况下，在光正在行进通过光电二极管1021的内部时短波长侧被特别地吸收，因此到相对于上层，进入到下层中的光电二极管1031的光移位到长波长侧。

因此，在上层中的光电二极管1021的信号值和下层中的光电二极管1031的信号值被输出而不合成时，为一像素生成多个波长光的信号。

如示例2所述，通过在光电二极管之间插入依赖波长的吸光材料，可以进一步实现波长控制。

在信号处理中，从一像素获得包含多个光谱的数据显现极大的优点。例如，可以由上表面光电二极管光电转换可见光，并且由下表面光电二极管光电转换近红外光。图23图解颜色排列的示例。首先，在图23的A中配备红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)滤色器。上表面光电二极管(PD)1501光电转换波长区域(颜色)中已经通过滤色器的分量。下表面光电二极管1502仅接收未被上表面光电二极管1501吸收的分量，因而光电转换在比由上表面光电二极管1501吸收的光的波长区域更长的波长区域中的分量。在图23的A的示例的情况下，对于对应于红色(R)滤色器的像素，由上表面光电二极管1501光电转换红色(R)分量，而对于同一像素，由下表面光电二极管1502光电转换红外(包括近红外)(IR)分量。另一方面，对于对应于绿色(G)滤色器的像素，由上表面光电二极管1501光电转换绿色(G)分量，而对于同一像素，由下表面光电二极管1502光电转换红色(R^，)分量。

在这种情况下，对于对应于蓝色(B)滤色器的像素，由上表面光电二极管1501光电转换蓝色(B)分量，而在同一像素之下不配备光电二极管。这是因为在仅对应于短波长的蓝色分量进入上表面光电二极管1501时，基本上没有光分量进入下表面光电二极管1502。

例如，如图24的B中所示，可以在光电二极管之间配备许多布线，而不是提供下表面光电二极管1502。作为替代，例如，如图23的B中所示，下表面光电二极管1502(的一部分像素)可以用作OPB(光学黑)体。在这种情况下，例如，如图24的C中所示，通过使用不透射光的材料制成的遮光膜1511等故意完全遮挡光，光电二极管1031可以用作OPB。像素区域内配备的OPB允许对各位置估计黑电平或混色量。

图25图解另一个布局。在图25的A中配备红色(R)、绿色(G)和白色(W)滤色器。对于对应于红色(R)滤色器的像素，由上表面光电二极管1531光电转换红色(R)分量，而对于同一像素，由下表面光电二极管1532光电转换红外(包括近红外)(IR)分量。对于对应于白色(所有颜色透射)(W)滤色器的像素，由上表面光电二极管1531光电转换白色(W)分量(即，所有分量)，而对于同一像素，由下表面光电二极管1502光电转换在入射光中包含的作为没有由上表面光电二极管1531光电转换并具有达到下表面光电二极管1532的长波长的分量的红外(IR^，)分量或红色(R’)分量。对于对应于绿色(G)滤色器的像素，由上表面光电二极管1531光电转换绿色(G)分量，而对于同一像素，由下表面光电二极管1532光电转换红色(R”)分量。

本示例的特征在于，由上表面上光电二极管接收到的相同颜色的光(图25的A的示例中的情况下为白色)在由下表面上的光电二极管接收时，能够改变为不同颜色的光(图25的A的示例中为红色和红外)。在这种情况下，可以通过使用示例2中说明的吸光材料等或通过改变如图26的示例中图解的光电二极管的位置来控制波长。(随着硅(Si)位置的深度变得距芯片上透镜越大，更长的波长分量越占优势。)

包括白色(W)滤色器的滤色器的颜色的排列模式不限于图25的A中的示例，而可以任意确定。此外，滤色器的颜色数可以任意确定，例如四种或更多种。例如，如图25的B中所示，可以配备红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)和白色(W)滤色器。在这种情况下，对每个像素，由上表面光电二极管1533光电转换红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)和白色(W)分量。

另一方面，由下表面光电二极管1534光电转换的分量仅需要包含在比由上表面光电二极管1533光电转换的分量的波长区域更长的波长区域中。例如，如图25的B中所示，无论滤色器的颜色如何，对所有像素，都可以由下表面光电二极管1534光电转换红外(IR)分量。可以基于在形成下表面光电二极管的深度方向上的位置、厚度等，或通过在(例如，在布线层中)上表面光电二极管和下表面光电二极管之间配备的吸光材料控制由前述下表面光电二极管光电转换的频带。

从这些光电二极管获得的信号可以如上述说明的单独地读出和相加，或被处理而不用关于信号处理的相加。光电二极管1021的电荷读出定时和光电二极管1031的电荷读出定时可以相同，或可以彼此不同。

图27图解根据本技术实现成像元件的框图的示例。图27中图解的成像装置1600成像被摄体，输出被摄体的图像作为电信号(图像数据)。如图27中所示，成像装置1600包括镜头系统1601、成像元件1602、A/D转换器1603、箝位单元1604、去马赛克单元1605、线性矩阵(线性矩阵)单元1606、伽玛校正单元1607、亮度色度信号产生单元1608和视频接口(IF)1609。

已经适用了本技术的CMOS图像传感器(例如CMOS图像传感器1000或1400)可应用于成像元件1602，以对一像素获得在垂直方向上提供多个光谱的高灵敏度特性。

A/D转换器1603将由成像元件1602光电转换的被摄体图像的模拟信号转换为数字值。箝位单元1604从A/D转换器1603提供的被摄体的图像的数字数据(图像数据)中减去黑电平。去马赛克单元1605根据需要用颜色信号增补从箝位单元1604提供的图像数据。线性矩阵单元1606根据需要通过对从去马赛克单元1605提供的图像数据应用线性矩阵来提高颜色再现性等。伽玛校正单元1607执行用于自然化从线性矩阵单元1606提供的图像数据的亮度表达的伽玛校正。亮度色度信号产生单元1608根据从伽玛校正单元1607提供的图像数据生成亮度信号和色度信号。视频接口1609输出从亮度色度信号产生单元1608提供的亮度信号和色度信号。

[示例5]

下面解释在以示例4中说明的方式单独地提取信号后信号处理的利用和应用示例。

1.颜色再现性的提高

例如，假设由上表面光电二极管获得RGB，并假设由下表面光电二极管获得不同波长带中的颜色。在这种情况下，信号处理可用的光谱(颜色)类型的数量进一步增加。例如，可以附加成像可用的光谱(诸如翠绿色以及RGB)以提高颜色再现性。这种方法对同一像素建立多种颜色，因此颜色再现性提高而不降低分辨率。

在可用像素的数量增加时，在图27中图解的成像装置1600中，来自成像元件1602的输入增加。因此，允许由线性矩阵单元1606使用的系数的数量增加，因此颜色再现性提高。

例如，在要接收的(光电转换过的)波长分量仅为R、G和B时，线性矩阵单元1606仅应用下式(1)所示的模式A的线性矩阵(左侧：线性矩阵后的值，右侧：计算公式)。

[数学公式1]

ModeA : (\begin{matrix} R_lm \\ G_lm \\ B_lm \end{matrix}) = (\begin{matrix} 1 - α - β & α & β \\ δ & 1 - γ - δ & γ \\ ϵ & ζ & 1 - ϵ - ζ \end{matrix}) (\begin{matrix} R \\ G \\ B \end{matrix}) . . . (1)

另一方面，在接收到(光电转换)翠绿色(E)以及R、G和B时，例如，线性矩阵单元1606应用通过由下式(2)表示的模式B的线性矩阵。

[数学公式2]

ModeB : (\begin{matrix} R_lm \\ G_lm \\ B_lm \end{matrix}) = (\begin{matrix} 1 - α - β - φ & α & β & φ \\ δ & 1 - γ - δ - θ & γ & θ \\ ϵ & ζ & 1 - ϵ - ζ - Ω & Ω \end{matrix}) (\begin{matrix} R \\ G \\ B \\ E \end{matrix}) . . . (2)

在这种情况下，增加允许被使用的系数的数量。因此，在线性矩阵后获得具有更高自由度的输出，因此有望提高颜色再现性。

2.光源估计精度提高(成像装置)

根据类似照相机的成像装置，已广泛使用在成像时估计环境照明(例如荧光灯、白炽灯和白光LED)并根据照明进行成像(例如，色靶(color target)改变)这样的方法。然而，随着诸如白光LED(发光二极管)之类的新型光源的数量的上升，在估计光源类型时的难度级别不断上升。

根据以上说明的CMOS图像传感器1000，通过使用上表面光电二极管1021的光电转换获得RGB，并且通过使用下表面光电二极管1031的光电转换获得不同波长带中的颜色分量。在难以仅基于上表面光电二极管1021获得的信号值估计光源时，可以基于下表面光电二极管1031获得的信号值估计光源。这种方法提高了光源估计的精度。

例如，假设常规光源估计基于例如R/G和B/G的输出率进行。在使用具有不同光源输出光谱的光源1和光源2时，不需要获得对R/G和B/G的不同值。该输出不对各光波长获得，但作为由传感器和光源的光谱特性相乘确定的积分因子。因此，在积分值相同时，难以在关于各波长的不同输出之间作区分。然而，根据本技术，由下表面光电二极管获得额外光谱特性。因此，例如，即使在R/G和B/G对上表面相等时，R/IR的特性也可以对下表面不同。在这种情况下，光源估计的精度提高。此外，对同一像素建立多种颜色。因此，这种改进得以实现而不降低分辨率。

3.对医疗设备的应用

在医疗领域中也开始使用包括近红外波长的波长，作为期望提高分析精度等的波长区域。然而，如上述说明那样出现诸如低红外灵敏度之类的问题。

例如，存在基于有关多个波长的信息的血红蛋白分析方法。例如，日本专利No.2932644中公开的方法通过在近红外区域中以不同的两对波长组的光施加到生物组织来测量各波长中的吸收率变化，其中在所述近红外区域中随着血红蛋白的从氧化到脱氧的变化而产生吸收率变化和随着细胞色素氧化酶的氧化还原状态变化而产生吸收变化。然后，这种方法在假设各波长组中的光吸收率变化全部依赖于氧化-脱氧下，仅基于各波长中作为光吸收系数的氧化型血红蛋白的光吸收系数和脱氧型血红蛋白的光吸收系数计算血红蛋白量变动，并基于两对波长组的血红蛋白量变动计算值之间的差计算细胞色素氧化酶的变动量。

根据这种方法，一个波长用于一像素分析。因此，这种方法需要多个波长光的照射，或多个近红外像素的使用。在这种情况下，成像元件和成像装置的微型化很困难。

在本技术应用于图28中图解的医疗设备(例如医疗保健设备、胶囊型内窥镜和DNA芯片)时，从单一光获得对单一像素的多个波长分量的输出。

图28的A中图解的医疗保健设备1620包括成像装置1621和分析装置1622。成像装置1621成像对应于样本的人体1631(例如手指)，并且检测上述说明的多个波长光的信号。分析装置1622获得有关医疗处理的预定分析、例如血红蛋白分析。

图28的B图解的胶囊型内窥镜1640是由受检者等吞咽的用于成像在人体内的人体状态的小型设备。胶囊型内窥镜1640包括成像装置1641。

已经适用了本技术的成像装置1600(图27)作为成像装置用于这些系统。这些系统允许在维持高分辨率的同时，同时取得波长依赖性。获得的波长依赖性可以用于医疗保健和病理分析，例如以上说明的血红蛋白分析。

此外，根据能够对于一像素提供多个光学特性的本技术，即使在对于分子大小包含在单一像素中的分子和DNA的光学特性分析中，也可更精确地获得光学特性。(由同一像素获得对于相同分子的多个光谱。)

4.应用于ToF

存在使用红外光等获得深度信息的所谓ToF(Time of Flight；飞行时间)方法(例如，参见日本专利申请公开No.2012-49547)。在本技术适用于这种方法时，精确程度提高。

图29中图解的电子装置1650包括用于照射不同波长的红外光的红外光照射单元1651和红外光照射单元1652。在多个不同波长的红外光施加于测量靶1661时，即使在另一波长带因在受外部光(噪声源1662)的影响的另一波长带上叠加了大量噪声而未被测量这样的情况下，也可通过在波长带的一个波长带中获得输出，更完全地实现距离测量。

在本技术适用于电子装置1650的成像元件1653时，对于一像素采样多个红外光。因此，可期待精度的提高而不降低分辨率。

5.红外截止滤色器的消除

可能存在为了接收红外光(IR)、成本优势、高度降低等目的而需要消除红外截止滤色器的情况。此外，通过使用模块内的机械单元而可以切换IR截止滤色器(IRCF)的插入通/断(ON/OFF)。根据图30的A中图解的布局，由上表面PD 1671获得包含IR的RGB输出，而由下表面PD 1672输出剩余的IR分量。在这种情况下，通过从上表面PD 1671的输出中减去下表面PD1672的输出而降低或消除IR分量。在消除时，单独的输出可以被乘以校正系数，或使用有关其他颜色等的红外信息进行例如线性矩阵的计算。

如图30的B中所示，包括作为成像元件的CMOS图像传感器1000的成像模块1680构成为使用机械单元控制IR截止滤色器(IRCF)1683的插入。光通过聚光透镜1681入射成像模块1680。

在插入了IR截止滤色器1683时，入射光的红外分量被截止。因此，上表面上未被RGB吸收的光分量由下表面二极管光电转换。在这种情况下，可以合成来自上表面PD的输出和来自下表面PD的输出。

另一方面，在缺少IR截止滤色器时，红外分量进入上表面PD和下表面PD。在这种情况下，入射下表面光电二极管的红外分量的比例较高。因此，可以如以上说明的从来自上表面PD的信号中减去来自下表面PD的输出。如可以理解的，可以根据IR截止滤色器1683的状况，切换控制方法。

[示例6]

上表面PD和下表面PD不仅具有不同的波长峰值，而且提供不同的输出。在电荷累积时间和光电二极管设计相同时，来自下表面光电二极管的输出低于来自上表面光电二极管的输出。这是因为只有未被上表面光电二极管吸收的光进入下表面光电二极管。基于这种不同，通过在上表面光电二极管的饱和时使用下表面光电二极管的值，可以进行成像。更具体地说，电荷可以首先从上表面二极管读出，然后在上表面二极管的饱和时(例如，超过预定阈值)从下表面二极管读出。在这种情况下，如参照图22的B中的示例说明的，光谱的波长峰值不同，因此优选将线性矩阵的不同系数用于上表面PD和下表面PD。

图31示出选择线性矩阵时的流程示例。

在步骤S1601中，线性矩阵单元1606获得上表面PD输出，基于该值判定上表面PD输出是否饱和，并基于判定结果判定使用上表面PD和下表面PD的哪一个。

在判定为上表面PD输出饱和时，处理前进至步骤S1602。

在步骤S1602中，线性矩阵单元1606允许读出下表面PD输出，获得基于来自去马赛克单元1605的输出产生的图像数据。在完成步骤S1602中的处理后，处理前进至步骤S1604。

当在步骤S1601中判定为上表面PD输出不饱和时，处理前进至步骤S1603。在步骤S1603中，线性矩阵单元1606允许读出上表面PD输出，获得基于来自去马赛克单元1605的输出产生的图像数据。在完成步骤S1603中的处理后，处理前进至步骤S1604。

在步骤S1604中，线性矩阵单元1606判定上表面和下表面的哪一个用于其他颜色。

在步骤S1605中，线性矩阵单元1606根据判定结果选择线性矩阵。这是因为最佳值随着假定像素的光谱特性的组合而改变。

线性矩阵单元1606将图像数据乘以选择出的线性矩阵，以提高颜色再现性等，并允许执行伽玛校正。然后，线性矩阵单元1606生成亮度信号和色差信号，在步骤S1606中从视频接口(IF)1609输出这些信号。

如示例2中说明，通过使用吸光材料或布线层的遮光，或通过电荷累积时间的单独控制来控制光电转换的量，可以基于入射光的控制来控制上表面和下表面之间的灵敏度差。另外，可以基于累积时间执行对于各颜色的灵敏度差的校正。(随着入射上表面PD的光的波长越短，来自下表面PD的输出减少，因此基于累积时间进行校正，以便消除波长依赖性。)

图32图解该示例。在图32中图解的示例的情况下，累积时间对用于上表面PD1671的RGB的各颜色(累积时间R’＝G’＝B’)是相同的。然而，对各R’、G’和B’(累积时间R’<G’<B’)不同的累积时间设定给下表面PD1692。

这种方法例如将下表面光电二极管1692的灵敏度(光量差/累积时间差)设置为对应于上表面光电二极管1671的灵敏度的1/16。在这种情况下，即使上表面饱和时，16倍的较大量的光(入射芯片上透镜的光)也可以被下表面接收。因此，动态范围扩宽16倍。

在信号处理中读出时上表面光电二极管1671饱和时，选择下表面光电二极管1672。通过改变增益和线性矩阵可以调节光量差和灵敏度差，以使在组合上表面光电二极管1671的信号和下表面光电二极管1672的信号后颜色分量和亮度分量不变。

由前述的方法可以任意确定光量差的倍率。图33图解在执行HDR时成像装置的主要结构的示例。

图33中图解的成像装置1700成像被摄体，并输出被摄体的图像作为电信号(图像数据)。如图33中所示，成像装置1700包括镜头系统1701、成像元件1702、A/D转换器1703、箝位单元1704，存储器单元1705、倍率计算单元(HDR计算单元)1706、上表面/下表面合成单元1707、去马赛克单元1708、线性矩阵单元1709、伽玛校正单元1710、亮度色度信号产生单元1711和视频接口(IF)1712。

换句话说，与成像装置1600比较(图27)，成像装置1700额外包括存储器单元1705、倍率计算单元1706和上表面/下表面合成单元1707，以及分别对应于成像装置1600的镜头系统1601至视频接口(IF)1609的镜头系统1701至箝位单元1704和去马赛克单元1708至视频接口(IF)1712。

存储器单元1705存储各个上表面PD输出和下表面PD输出。倍率计算单元1706将下表面PD的输出数据乘以下表面PD和上表面PD之间的灵敏度差的增益。上表面/下表面合成单元1707合成乘以了增益后的上表面PD的输出数据和下表面PD的输出数据。根据该处理，例如，如参照图31说明的那样，在上表面PD输出的饱和时存在包括使用下表面PD输出的选择项。

可以基于对于其他颜色像素的阈值或基准(阈值)而不是饱和进行选择。然后，去马赛克单元1708根据需要补充颜色信号，而线性矩阵单元1709应用线性矩阵。优选根据使用上表面PD和下表面PD的哪一个和选择出的表面PD如何用于各颜色(因为光谱特性在上表面和下表面之间是不同的)来改变这里应用的线性矩阵。更具体地说，基于参照图31说明的流程来选择线性矩阵。

线性矩阵单元1709在上表面PD的像素(R，G，B)用于所有分量时应用式(1)所示的模式A中的线性矩阵，在下表面PD的像素(G’)例如仅用于G时将线性矩阵的值改变为式(3)所示的模式C。

[数学公式3]

ModeC : (\begin{matrix} R_lm \\ G_lm \\ B_lm \end{matrix}) = (\begin{matrix} 1 - α^{'} - β^{'} & α^{'} & β^{'} \\ δ^{'} & 1 - γ^{'} - δ^{'} & γ^{'} \\ ϵ^{'} & ζ^{'} & 1 - ϵ^{'} - ζ^{'} \end{matrix}) (\begin{matrix} R \\ G^{'} \\ B \end{matrix}) . . . (3)

[示例7]

通过组合使用以上说明的红外光等获得的深度信息的ToF(Time ofFlight；飞行时间)(例如，参见日本专利申请公开No.2012-49547)的方法，得到精度提高的优点。

例如，在图29所示的示例中，即使发光波长是一个波长时，精度也提高。ToF是在一个波长带对被摄体适用LED并通过捕获在那时反射的光的相位差来测量距离的方法。在这种情况下，ToF适用LED同时改变时序中的发光强度，并基于在对被摄体适用的光进入成像元件时的相位状况来判定距离。如图34中所示，通过改变上下PD(PD1和PD2)用于光接收的快门定时来增加时序中的采样数，从而提高精度同时维持分辨率。此外，采样数的增加有助于动态被摄体的判定。

通过使用其他深度判定方法以及ToF，类似地配备精度提高的优点。例如，这种方法适用于如美国专利“US 2010/0118123A1”中公开的投射红外光的距离检测系统。更具体地说，通过使用对同一像素配备的多个光电二极管而单独地接收光，同时通过使用发射较多数量的波长类型的光源来降低外部光的影响。在这种情况下，即使在一个波长带中由外部光产生了噪声源时，也能够在其他带中测量位置。此外，包括用于各光电二极管的传输栅极和布线层的本技术允许单独地改变快门定时。因此，本技术也适合于动态被摄体，作为通过移动采样定时和获得对于一像素的有关定时的多组信息而能够处理动态被摄体同时维持分辨率的技术。

[示例8]

如图35的A中所示，上表面光电二极管和下表面光电二极管可以包括不同的布线层。然而，用于驱动的布线层可以彼此共享。例如，支承基板的布线层可以用于驱动上表面光电二极管。这是例如日本专利公开No.2011-204915中公开的方法。这种方法减小了上表面光电二极管和下表面光电二极管之间的布线层的厚度，允许在较小光学损耗的情况下光进入下表面光电二极管。

布线连接方法例如可以是如图35的B中图解的日本专利申请公开No.2011-204915中公开的方法。另外，基于如上说明的不期待蓝色滤色器下面的下表面光电二极管的灵敏度的事实，蓝色可以用作连接电极取出部分(例如，图35的C)。像素区域内的共享电极能够减小芯片大小。此外，例如，如图35的D中所示，元件分离区域可以用作电极取出部分。在这种情况下，将接触点和电极布置在像素的光程周围。因此，这种结构产生对与邻接像素的混色的屏障(barrier)，从而有助于混色改善。

[示例9]

图12中图解的CMOS图像传感器1000的结构中包括的滤色器1026可以例如用有机光电转换膜取代。例如，通过使用有机光电转换膜的光电转换来抽取绿色分量。从有机光电转换膜透射的光包含蓝色分量和红色分量。蓝色和红色的波长带是分离的，因此蓝色和红色容易由上表面二极管和下表面二极管分离成单独的分量。因此，通过容易分离各颜色的光谱而实现良好的颜色再现性。此外，如日本专利申请公开No.2011-29453中说明的，读出电极等不布置在光电二极管旁边。在这种情况下，光电二极管的区域增加，因此饱和电子的数量和灵敏度提高。此外，在定位栅极电极中消除需要开凿硅。因此，不因腐蚀造成的带给硅基板的损伤而产生暗电流、白点等。

下面说明作为电子装置的示例。

[示例10]

在医疗领域中也开始使用包括近红外波长的波长，作为提高分析精度等所期望的波长区域。然而，出现如上述说明的例如较低的红外灵敏度的问题。此外，在常规方法中按像素分析一个波长，因此在基于有关多个波长的信息进行用于分析血红蛋白的方法中需要照射多个波长区域中的光、或使用多个近红外像素(例如，日本专利No.2932644)。在这种情况下，成像元件和成像装置的微型化困难。

在本技术应用于图28中图解的医疗设备(例如医疗保健设备、胶囊型内窥镜和DNA芯片)时，从单一光获得对单一像素的多个波长分量的输出。换句话说，这种方法允许同时取得波长依赖性并且维持高分辨率。获得的波长依赖性可以用于医疗保健和病理分析，例如以上说明的血红蛋白分析。

此外，根据能够对于一像素提供多个光学特性的本技术，即使在对于分子大小包含在单一像素中的分子和DNA的光学特性分析中，也可更完全地获得光学特性。(由同一像素获得对于相同分子的多个光谱。)

[示例11]

图36图解具有图21中图解的三层光电二极管结构的CMOS图像传感器1400的颜色布置的示例。该成像元件可以插入在图30的B中图解的可选择插入或不插入IR截止滤色器的结构中。根据图36中图解的布置示例，设计上表面PD 1731以接收作为传统结构的RGB光，并设计中间面PD 1732和下表面PD 1733以接收IR光。这样构成的CMOS图像传感器1400可适用于图33中图解的成像装置1700的成像元件1702。在这种情况下，存储器单元1705存储从上表面PD 1731输出的、从中间面PD 1732输出的、以及从下表面PD1733输出的各数据。上表面/下表面合成单元1707合成从上表面PD 1731输出的、从中间面PD 1732输出的、以及从下表面PD 1733输出的各数据。上表面/下表面合成单元1707还控制用于合成和由其他处理单元执行所需要的处理。例如，在期望这样构成的成像装置1700(图33)中通过使用红外光得到深度信息时，根据图37中所示的信号处理流程示例来执行处理。

在开始处理后，在步骤S1701中，上表面/下表面合成单元1707从成像元件1072(CMOS图像传感器1400)的上表面PD 1731获得RGB的输出，在放置被摄体(检测目标)下估计外部光。

在步骤S1702中，上表面/下表面合成单元1707基于步骤S1701中获得的估计结果，判定从未图示的IR光照射单元施加给被摄体的IR光。这里要施加的IR光从图29中图解的电子装置1650施加给被摄体。例如，在外部光强烈时，IR光的强度上升。另外，图29中图解的各红外光的比例根据周围光源的色温而变化。

在步骤S1703中，成像元件1702使用步骤S1703中施加的最佳IR光成像被摄体，并通过中间面PD 1732和下表面PD 1733接收IR光。

在步骤S1704中，上表面/下表面合成单元1707从存储器单元1705中单独地读出由中间面PD 1732和下表面PD 1733接收到的光的强度，并判定各自的值是否为可靠的值(例如，判定这些值是否包含许多外部光产生的噪声)。在判定为来自中间面PD 1732的输出和来自下表面PD 1733的输出可靠时，处理前进至步骤S1705。

在步骤S1705中，上表面/下表面合成单元1707合成来自中间面PD 1732的输出和来自下表面PD 1733的输出。

当在步骤S1704中判定为难以依赖来自中间面PD 1732的输出和来自下表面PD 1733的输出时，处理前进至步骤S1706。

在步骤S1706中，上表面/下表面合成单元1707判定中间面PD 1732的值是否可靠。在判定为该值可靠时，处理前进至步骤S1707。在步骤S1707中，上表面/下表面合成单元1707从存储器单元1705中仅读出中间面PD 1732的像素值，并输出该像素值。

当在步骤S1706判定为难以依赖来自中间面PD 1732的输出时，处理前进至步骤S1708。

在步骤S1708中，上表面/下表面合成单元1707判定下表面PD 1733的值是否可靠。在判定为该值可靠时，处理前进至步骤S1709。在步骤S1709中，上表面/下表面合成单元1707从存储器单元1705中仅读出下表面PD 1733的像素值，并输出该像素值。

当在步骤S1708中判定为难以依赖来自下表面PD 1733的输出时，处理返回到步骤S1702。

显然，除了前述的方法之外，还有许多可能的使用示例，例如补充读出。通过将这样构成的成像元件并入到电子装置中，提高获得深度信息的精度。不用说，除了深度信息之外，这种方法还可以用于获得前述的优点，例如颜色再现性和动态范围。

电子装置的可应用示例包括前述的医疗设备、图38中图解的便携式通信终端(智能手机)1800、图39中图解的白色手杖1820、图40中图解的照相机1830、图41中图解的照相机安装台1840、图28中图解的系统单元1860和其他许多示例。

[示例12]

如上所述，根据本技术的成像元件适用于图38中图解的移动通信终端1800。例如，使用图36中图解的结构，通过基于颜色和阴影的上表面RGB来判定被摄体(例如，是否为手)，并通过成像元件1801的中间面和下表面的IR光接收单元获得深度信息。这种结构允许移动通信终端1800并入根据动作进行的单独的操作内容，例如在人体1810(例如手)靠近时升高通话音量(在使用电话期间)，在人体1810(例如手)离开时降低通话音量。在这种情况下，如示例11中说明的那样，通过施加适合外部光的IR光，可以进行准确的判定。

[示例13]

根据本技术的成像元件可以并入到日本专利申请公开No.2010-158472中描述的如图39中图解的白色手杖1820中(成像装置1821)。基于从成像装置1821获得的捕获图像的颜色和深度信息的独立判定允许即时判定脚下的物体，例如可以通过白色手杖1820的振动或声音通知危险。在这种情况下，如示例11中说明的那样，通过施加适合外部光的IR光，可以进行精确的判定。此外，根据本技术的成像元件可以接收来自盲文块发射的特定的红外波长光。在这种情况下，可以消除常规凹凸型盲文块。

[示例14]

根据本技术的成像元件可以并入在上述说明的图40中图解的照相机1830(电子装置)中。本示例中的照相机1830包括在相对被摄体的前侧的成像单元1831和前显示器1832。显示器也可以配备在背面侧。

可以从离开照相机1830的位置成像自拍照同时确认在前显示器1832上显示的自拍图像。在这种情况下，例如，通过并入根据本技术的成像元件，可以执行响应自拍动作(或其他动作)的放大和缩小。类似地，如图41的A中所示，根据本技术的成像元件可以并入到与照相机1830连接的安装台1840中。在这种情况下，通过配备在安装台1840上的成像元件1841类似地检测被摄体的动作，对照相机发出放大和缩小的指令。此外，除了对照相机1830的指令之外，还可以根据被摄体的动作移动安装台1840的可移动单元。例如，可以根据安装台1840的可移动单元的移动改变水平方向和垂直方向上的照相机1830的方向。例如，如图41的B中所示，照相机1830可以根据安装台1840的可移动单元的移动而转动。另外，例如，如图41的C中所示，照相机1830可以根据安装台1840的可移动单元的移动而朝上或朝下。

图42示出为了实现这些而执行的信号处理的流程示例。下面参照图40中所示的示例说明该流程。

在开始处理后，在步骤S1801中成像单元1831获得RGB数据。在步骤S1802中，成像单元1831判定人是否出现在成像区域内。在人出现时，处理前进至步骤S1803。

在步骤S1803中，成像单元1831发出用于获得IR数据(或可以同时发射IR)的指令。在步骤S1804中，成像单元1831计算深度信息。

在步骤S1805中，成像单元1831判定人的手是否垂直地抬起。在判定为手垂直地抬起时，处理前进至步骤S1806。

在步骤S1806中，照相机1830执行对应于手的垂直抬起的操作1。

在判定为手没有垂直地抬起时，处理前进至步骤S1807。

在步骤S1807中，成像单元1831判定手是否在脸之前。在判定为手位于脸之前时，处理前进至步骤S1808。

在步骤S1808中，照相机1830执行对应于手位于脸之前的动作的操作2。

在判定为手没有位于脸之前时，处理前进至步骤S1809。

在步骤S1809中，照相机1830执行对应于手没有位于脸之前的动作的操作3。

操作1至3是诸如变焦操作和快门驱动之类的操作。

在图30中图解的示例的情况下，在前述的操作期间快门释放时并入IR截止滤色器1683。本技术的最上面的光电二极管获得相当于背面照射这些光电二极管的高灵敏度特性，因此获得高质量静止图像和动态图片。显然，这种方法可以用于例如以上说明的HDR、高颜色再现性和光源估计精度提高的用途。此外，照相机可以是多板型，例如图43中图解的三板型。换句话说，图43中图解的成像装置包括应用了本技术的成像元件1851至成像元件1853。在这种情况下，在前级中分割成R、G和B后，光进入成像元件，因此不需要用于成像元件1851至成像元件1853的滤色器。例如，如以上示例，这种方法可以用于HDR、高颜色再现性和光源估计精度提高的用途。

[示例15]

根据本技术的成像元件可适用于对应于在JP 2011-507129 W中描述的如以上说明的图44中图解的游戏机的系统单元1860(或电视接收机1862)。例如，系统单元1860基于由视频摄像机1861获得的图像，通过判定被摄体的对象、形状和动作，接收特定的动作作为指令，参照指令执行处理，并根据处理结果在显示器(例如电视接收机1862)上显示图片。

通过使用根据本技术的成像元件，如以上说明那样，获得更精确的深度信息。此外，如参照图34说明的那样，通过改变用于上下的PD的快门定时，允许数据获得定时大致增加到两倍。因此，这种方法适合于动态被摄体，因而适合需要大运动的游戏机。不用说，数据可以按相同定时读出，合计值可以用作输出。此外，如参照图37中的流程说明的那样，可以基于在放置被摄体下的光源环境的估计来判定IR光，并可以基于获得的数据判定要使用的上表面(或中间面)和下表面的PD的值的哪一个。通过这些方法可实现高精度检测。

图45图解这种类型的电子装置的框图的示例。

图45示意地图解根据本技术的示例的、作为为了创建用户定义控制器而允许使用动态三维对象映射的计算机系统的Sony(注册商标)PlayStation(注册商标)3娱乐设备的总体系统架构。系统单元1860是例如Sony(注册商标)PlayStation(注册商标)3娱乐设备的游戏机操纵台本体。配备可连接到系统单元1860的多种多样的外围设备。系统单元1860包括单元处理器1901、Rambus(注册商标)动态随机存取存储器(XDRAM)单元1902、带有专用的视频随机存储器(VRAM)单元1908的真实性合成器图形单元(RSX)1903以及I/O桥接器1904。系统单元1860还包括蓝光(注册商标)盘BD-ROM(注册商标)光盘读取器1907，通过I/O桥接器1904可访问该读取器，该读取器配备用于从盘1941和可拆卸插槽硬盘驱动器(HDD)1905中读出数据。系统单元1860还可以包括作为任意选择的构件的存储器卡读取器1906，同样通过I/O桥接器1904可访问该读取器，该读取器配备用于从小型快闪(注册商标)存储器卡、记忆棒(注册商标)存储器卡等中读出数据。

I/O桥接器1904还与六个通用串行总线(USB)2.0端口1912、吉比特以太网(Gigabit Ethernet)(注册商标)端口1911、IEEE 802.11b/g无线网络(Wi-Fi)端口1910和最大支持七个蓝牙连接的蓝牙(注册商标)无线链路端口1909连接。

在操作中，I/O桥接器1904处理来自所有无线、USB和以太网(注册商标)的数据，包括来自一个或一个以上游戏机控制器1951的数据。例如，I/O桥接器1904在用户玩游戏机的同时，通过蓝牙链路接收来自游戏机控制器1951的数据，并且将接收到的数据传送到单元处理器1901，以根据需要来更新游戏机的当前状态。

此外，其他外围设备1961可以通过无线、USB和以太网(注册商标)的各端口以及游戏机控制器1951来连接。例如，外围设备1961包括远程控制器1952、键盘1953、鼠标1954、便携式娱乐设备1955例如Sony PlayStation便携式(注册商标)娱乐设备、视频摄像机(适用本技术的成像元件的单元)例如EyeToy(注册商标)视频摄像机1956(例如，图44中图解的视频摄像机1861)和话筒耳机1957。因此，这些外围设备在原则上可以通过无线通信与系统单元1860连接。例如，便携式娱乐设备1955可以通过Wi-Fi即时连接来通信，而话筒耳机1957可以通过蓝牙链路来通信。

通过配备这些接口，PlayStation 3设备可以根据情况与数字视频记录器(DVR)、机顶盒、数码相机、便携式媒体播放器、VoIP电话、蜂窝式电话、打印机、扫描仪和其他外围设备兼容。

此外，老式存储器卡读取器1931通过USB端口1912可与系统单元连接。因此，允许读出由PlayStation(注册商标)设备或PlayStation 2(注册商标)使用的类型的存储器卡。

根据本示例，游戏机控制器1951通过蓝牙链接可与系统单元1860进行无线通信的操作。取而代之，游戏机控制器1951可以与USB端口连接，以使电源通过这种连接对游戏机控制器1951的电池充电。游戏机控制器包括至少一个模拟操纵杆和常规控制按钮，检测对应于各轴中的平移运动和转动的六个自由度的位移。因此，除了常规按钮或操纵杆，或代替常规按钮或操纵杆，用户的手势或移动可以转换为对游戏机输入。支持无线通信的其他外围设备例如PlayStation便携式设备可以用作作为任意的控制器。在PlayStation便携式设备的情况下，追加的游戏机信息或控制信息(例如控制指令或命数)可以显现在相应设备的屏幕上。可以使用替代或辅助控制装置，例如跳舞毯(未图示)、光枪、手柄和踏板(未图示)、用于快速回答游戏机的包含一个或多个大按钮的定制控制器(也未图示)。

远程控制器1952也可通过蓝牙链接与系统单元1860进行无线通信的操作。远程控制器1952配有适合于蓝光盘BDROM读取器1907的操作的控制和适合于浏览盘的内容的控制。

蓝光光盘BD-Rom读取器1907可这样动作：以读出常规记录完毕CD、可刻录CD、所谓超声频CD、以及与PlayStation设备和PlayStation 2设备进一步兼容的CD-ROM。此外，读取器1907也可这样动作，以读出常规记录完毕DVD和可刻录DVD、以及与PlayStation设备1和PlayStation 2设备进一步兼容的DVD-ROM。此外，读取器1907可这样动作，以读出常规记录完毕蓝光盘和可刻录蓝光盘、以及与PlayStation 3设备进一步兼容的BD-ROM。

系统单元1860以这样的方式动作：将通过真实性合成图形单元1903，由PlayStation 3设备产生或解码的音频和视频，通过音频连接器和视频连接器提供给带有显示器1921和一个或一个以上扬声器1922的音频输出装置1862(监视器或电视接收机)。音频连接器包括常规模拟输出和数字输出，而视频连接器可以包括分量视频、S-视频、复合视频、一个或一个以上高质量多媒体接口(HDMI(注册商标))、以及其他各种分量的输出。因此，视频输出的格式可以是例如PAL或NTSC，或高分辨率例如720p、1080i以及1080p。

由单元(Cell)处理器1901执行音频处理(生成、解码等)。PlayStation3设备的操作系统支持杜比(注册商标)5.1环绕声、杜比(注册商标)影院环绕声(DTS)和来自蓝光盘的7.1环绕声。

根据本示例，视频摄像机1956包括一个成像元件(本技术)、LED指示器以及基于硬件的实时数据压缩和编码装置。这种结构允许以适合基于帧内图像MPEG(运动图像专家组)标准等格式发送压缩的视频数据，用于由系统单元1860解码。照相机的LED指示器也布置为例如在接收的控制数据表示来自系统单元1860的不利的照明条件时发光。通过使用多种方法，视频摄像机1956的示例可通过USB、蓝牙或Wi-Fi通信端口与系统单元1860连接。

视频摄像机的示例包括一个或一个以上相关联的话筒，因而能够发送音频数据。在视频摄像机的示例中包含的成像元件(本技术)可以具有适合高分辨率视频捕获的分辨能力。在使用过程中，由视频摄像机捕获的图像可以装到游戏机中，或解释为对游戏的控制输入。

该框图示出显示器装置1921和系统单元1860作为分离装置。然而，这些功能的一部分或全部可以安装在显示器装置中。在这种情况下，显示器装置的大小可以是便携式的大小，例如便携终端的大小。

如上所述，本技术提供能够对一像素提供多个光谱的光电二极管，从而提供多个颜色分量的输出。此外，层叠结构可以由三层或三层以上或两层构成，在该结构中红外光可高效率地接收。此外，利用对背面照射型图像传感器的处理，从而芯片上侧(上表面)的光电二极管为高灵敏度。再有，光电二极管仅由布线层的膜厚度隔开，因而下表面光电二极管也可以高灵敏度地制成。

此外，光电二极管之间任意物质的形成变得容易。例如，可以配备比周围布线部分具有更高折射率的物质以用作波导，从而实现下表面光电二极管的高灵敏度。另一方面，在期望控制波长分量或入射光量时，可以形成吸收或反射特定波长或所有波长的膜。这种结构控制下表面光电二极管的光谱特性。不用说，可以通过调节光电二极管的位置来控制光谱形状。在以下3中说明的单独读出时，可以利用这些方式中的控制性的提高。此外，在高灵敏度模式中上表面和下表面可以相加使用，因此，通过切换模式允许对一个电子装置的多种操作。

单独地制造上表面和下表面光电二极管、布线层和用于光电二极管的晶体管，直至上侧和下侧被接合。因此，可以对各侧优化处理。此外，单独驱动变得容易，因而信号可以从上表面和下表面光电二极管单独地提取。此外，可以单独地改变快门定时和电极累积时间。因此，得到这样的优点，同时维持高分辨率，这些优点实现颜色再现性的提高、HDR、光源估计精度提高、深度信息获得精度提高、基于血红蛋白等分析的医疗保健、病理诊断等。这些技术并入带有成像元件的电子装置或医疗设备中，例如视频摄像机模块、视频摄像机、智能手机的成像头、内窥镜和用于这些装置的微型化的胶囊型内窥镜，或这些装置的精度提高，或用于微型化和精度提高两者。

除了上述说明的优点以外，本技术还得到仅由上表面PD产生信号的传统结构情况下的优点。根据图46的A中图解的常规背面照射型图像传感器，透过光电二极管的光可以达到布线层，因而布线层上反射的光对于邻接的光电二极管造成混色。然而，根据图46的B中图解的本技术的结构，将光导向更深的层，从而减少由上表面光电二极管反射的光的入射。因此，即使不驱动下表面光电二极管时，也能够得到该次优点。

显然，这里说明的各装置可以包括上述结构以外的结构。此外，各装置不仅可以由一个装置构成，也可以由包括多个装置的系统构成。

为了通过软件允许执行这里说明的一系列处理，通过网络或记录介质安装构成软件的程序。

这种记录介质由从装置本体分离配备的可移动介质构成，记录分发程序以向用户传递该程序。可移动介质的示例包括磁盘(包括软盘)、以及光盘(包括CD-ROM和DVD)。可移动介质的示例还包括磁光盘(包括MD(迷你光盘))、半导体存储器等。记录介质不仅可以由可移动介质构成，也可以由控制单元的ROM构成，或包含在存储单元内的硬盘中作为记录程序的单元，和作为向用户分发的单元而预先并入在装置本体中。

由计算机执行的程序可以是以本说明书描述的顺序的时序执行处理的程序，或是并行执行处理的程序，或是在必要的时间例如通话时间执行处理的程序。

在本说明书中，不用说，用于描述在记录介质中记录的程序的步骤包括以本文描述的顺序的时序执行的处理，还包括以并行执行的处理或无论时序如何都单独地执行的处理。

在本说明书中，系统是指由多个装置(单元)构成的整个机构。

在本文的描述中，作为一个装置(或处理单元)讨论的结构可以由多个装置(或处理单元)构成。反之，作为多个装置讨论的构成可以作为一个装置(或处理单元)来收集。不用说，除本文讨论的结构之外的结构可以附加给各自的装置(或各自的处理单元)。只要整个系统的结构和动作实质上等同，某一装置的一部分结构(或处理单元)就可以包含在另一个装置(或另一个处理单元)中。因此，本公开的示例不限于本文描述的示例。可以进行各种变更而不脱离本公开的主题。

本技术可以包括以下结构。

(1)一种成像元件，包括：

光电转换元件层，其包含光电转换入射光的光电转换元件；

布线层，其形成在所述光电转换元件层上与所述入射光的光入射面相对的侧上，并且包含用于从所述光电转换元件中读出电荷的布线；以及

支承基板，其层叠在所述光电转换元件层和所述布线层上，并包含另一个光电转换元件。

(2)根据上述(1)的成像元件，其中，所述光电转换元件层的所述光电转换元件和所述支承基板的所述光电转换元件光电转换所述入射光的不同波长区域中的分量。

(3)根据上述(2)的成像元件，其中，

所述光电转换元件层的所述光电转换元件光电转换可见光波长区域中的分量，

所述支承基板的所述光电转换元件光电转换近红外光波长区域中的分量。

(4)根据上述(1)至(3)中任意一项的成像元件，其中，所述光电转换元件层的所述光电转换元件的厚度与所述支承基板的所述光电转换元件的厚度不同。

(5)根据上述(1)至(4)中任意一项的成像元件，其中，所述光电转换元件层的所述光电转换元件和所述支承基板的所述光电转换元件以相同定时输出由所述入射光的光电转换累积的电荷。

(6)根据上述(1)至(5)中任意一项的成像元件，其中，所述光电转换元件层的所述光电转换元件和所述支承基板的所述光电转换元件以不同定时输出由所述入射光的光电转换累积的电荷。

(7)根据上述(1)至(6)中任意一项的成像元件，其中，所述光电转换元件层的所述光电转换元件和所述支承基板的所述光电转换元件通过输出由所述入射光的光电转换累积的电荷，输出通过合成所述光电转换元件层中获得的图像和所述支承基板中获得的图像所产生的合成图像。

(8)根据上述(1)至(7)中任意一项的成像元件，其中，所述光电转换元件层的所述光电转换元件用于累积由所述入射光的光电转换产生的电荷的所述电荷累积时间，与所述支承基板的所述光电转换元件的相应电荷累积时间不同。

(9)根据上述(1)至(8)中任意一项的成像元件，其中，所述布线层的所述布线布置在用以保护入射光从所述布线层的一侧透射到另一侧的光程的那种位置上。

(10)根据上述(9)的成像元件，其中，由具有比围绕物的折射率更大的折射率的材料形成的波导配备在所述布线层的所述光程上。

(11)根据上述(9)或(10)的成像元件，其中，吸光材料配备在所述布线层的所述光程上。

(12)根据上述(1)至(11)中任意一项的成像元件，其中，

所述支承基板还包括形成在所述支承基板的所述光电转换元件与所述入射光的光入射面相对的一侧上、用于从所述支承基板的所述光电转换元件读出电荷的布线，

所述布线层的所述布线的外部端子和所述支承基板的所述布线的外部端子通过贯通孔彼此连接。

(13)根据上述(1)至(12)中任意一项的成像元件，其中，在从所述光电转换元件层的所述光电转换元件读出的电荷超过预定阈值时，从所述支承基板的所述光电转换元件读出电荷。

(14)根据上述(1)至(13)中任意一项的成像元件，其中，各个所述光电转换元件包含有机光电转换膜。

(15)根据上述(1)至(14)中任意一项的成像元件，还包括：

白色滤光器，

其中，

所述光电转换元件层的所述光电转换元件光电转换所述入射光已经通过所述白色滤光器的白色分量，

所述支承基板的所述光电转换元件光电转换其他颜色分量。

(16)根据上述(1)至(15)中任意一项的成像元件，其中，使用由所述光电转换元件光电转换后的红外光获得表示至目标的深度的深度信息。

(17)根据上述(1)至(16)中任意一项的成像元件，其中，控制单独输出由所述光电转换元件层的所述光电转换元件和所述支承基板的所述光电转换元件光电转换的所述入射光的数据，还是在所述数据相加后输出。

(18)根据上述(1)至(17)中任意一项的成像元件，其中，

所述支承基板包括：

光电转换元件层，其包含所述支承基板的所述光电转换元件；

布线层，其形成在与所述入射光的光入射面相对的侧上的所述支承基板上的所述光电转换元件层中，并包含用于从所述支承基板的所述光电转换元件读出电荷的布线；以及

(19)一种电子装置，包括：

成像元件，其成像被摄体并包括

光电转换元件层，其包含光电转换入射光的光电转换元件；

支承基板，其层叠在所述光电转换元件层和所述布线层上，并包含另一个光电转换元件；和

图像处理单元，其使用由所述成像元件的所述光电转换元件生成的信号，执行图像处理。

(20)一种信息处理装置，包括：

成像元件，其包括：

光电转换元件层，其包含光电转换入射光的光电转换元件；

信号处理单元，其使用由所述成像元件的所述光电转换元件生成的多个波长频带中的信号来执行分析。

标号说明

100 CMOS图像传感器

111 聚光透镜

112 滤色器

113 绝缘膜

114 半导体基板

115 光电二极管

116 布线层

117 布线

118 布线层间膜

119 钝化膜

120 布线层

121 布线

122 布线层间膜

123 半导体基板

124 光电二极管

125 支承基板

131 TSV

200 制造装置

201 控制单元

202 背面照射型图像传感器制造单元

203 前表面照射型图像传感器制造单元

204 组装单元

251 波导

351 光电二极管

360 半导体基板

361 光电二极管

400 CMOS图像传感器

411 半导体基板

412 光电二极管

413 布线层

600 成像装置，CMOS图像传感器

1002 支承基板

1021 光电二极管

1031 光电二极管

1200 制造装置

1300 制造装置

1400 CMOS图像传感器

1600 成像装置

1700 成像装置

Claims

1.一种成像元件，包括：

光电转换元件层，其包含光电转换入射光的光电转换元件；

2.如权利要求1所述的成像元件，其中，

所述光电转换元件层的所述光电转换元件和所述支承基板的所述光电转换元件光电转换所述入射光的不同波长区域中的分量。

3.如权利要求2所述的成像元件，其中，

所述光电转换元件层的所述光电转换元件光电转换可见光波长区域中的分量，并且

4.如权利要求1所述的成像元件，其中，

所述光电转换元件层的所述光电转换元件的厚度与所述支承基板的所述光电转换元件的厚度不同。

5.如权利要求1所述的成像元件，其中，

所述光电转换元件层的所述光电转换元件和所述支承基板的所述光电转换元件以相同定时输出由所述入射光的光电转换累积的电荷。

6.如权利要求1所述的成像元件，其中，

所述光电转换元件层的所述光电转换元件和所述支承基板的所述光电转换元件以不同定时输出由所述入射光的光电转换累积的电荷。

7.如权利要求1所述的成像元件，其中，

所述光电转换元件层的所述光电转换元件和所述支承基板的所述光电转换元件通过输出由所述入射光的光电转换累积的电荷，输出通过合成所述光电转换元件层中获得的图像和所述支承基板中获得的图像所产生的合成图像。

8.如权利要求1所述的成像元件，其中，

所述光电转换元件层的所述光电转换元件用于累积由所述入射光的光电转换产生的电荷的所述电荷累积时间，与所述支承基板的所述光电转换元件的相应电荷累积时间不同。

9.如权利要求1所述的成像元件，其中，

所述布线层的布线布置在保护入射光从所述布线层的一侧透射到另一侧的光程的那种位置上。

10.如权利要求9所述的成像元件，其中，

在所述布线层的所述光程上配备由具有比围绕物的折射率更大的折射率的材料形成的波导。

11.如权利要求9所述的成像元件，其中，

在所述布线层的所述光程上配备吸光材料。

12.如权利要求1所述的成像元件，其中，

13.如权利要求1所述的成像元件，其中，

在从所述光电转换元件层的所述光电转换元件读出的电荷超过预定阈值时，从所述支承基板的所述光电转换元件读出电荷。

14.如权利要求1所述的成像元件，其中，

各个所述光电转换元件包括有机光电转换膜。

15.如权利要求1所述的成像元件，还包括：

白色滤光器，

其中，

所述支承基板的所述光电转换元件光电转换其他颜色分量。

16.如权利要求1所述的成像元件，其中，

使用由所述光电转换元件光电转换后的红外光获得表示至目标的深度的深度信息。

17.如权利要求1所述的成像元件，其中，

控制单独输出由所述光电转换元件层的所述光电转换元件和所述支承基板的所述光电转换元件光电转换的所述入射光的数据，还是在所述数据相加后输出。

18.如权利要求1所述的成像元件，其中，

所述支承基板包括：

19.一种电子装置，包括：

成像元件，其成像被摄体并包括

光电转换元件层，其包含光电转换入射光的光电转换元件；

20.一种信息处理装置，包括：

成像元件，其包括：

光电转换元件层，其包含光电转换入射光的光电转换元件；