CN112385042A - 摄像元件和摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例的摄像元件包括：半导体基板，其具有彼此相对的一个表面和另一个表面，并具有在一个表面和另一个表面之间贯通的通孔；第一光电转换单元，其设置在半导体基板的一个表面上方；贯通电极，其与第一光电转换单元电连接，并在通孔内贯通半导体基板；第一电介质膜，其设置在半导体基板的一个表面上并具有第一膜厚；以及第二电介质膜，其设置在通孔的侧面上，并具有小于第一膜厚的第二膜厚。

Description

摄像元件和摄像装置
技术领域
本公开涉及一种包括例如有机材料的摄像元件以及包括该摄像元件的摄像装置。
背景技术
在电荷耦合器件(CCD，Charge Coupled Device)图像传感器、互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器等中，广泛使用了固态摄像装置，每个固态摄像装置具有红色、绿色、蓝色的原色滤色器二维布置的像素布置。然而，具有这种像素布置的固态摄像装置在生成各颜色信号时执行像素之间的插值处理。这产生了所谓的伪色。
为此已经开发了其中层叠有光电转换区域的固态摄像元件。光电转换区域用于对红色、绿色和蓝色波长带中各自的光进行光电转换。另外，已经提出了用于将光电转换区域安装在半导体基板外部的构造。例如，开发了这样的固态摄像元件，该固态摄像元件将光电转换器布置在半导体基板上方并且将由光电转换器产生的信号电荷累积在半导体基板中。作为采用了上述构造的背面照射式固态摄像元件，例如，专利文献1公开了一种固态摄像装置，其在半导体基板上设置有贯通电极，并通过该贯通电极将有机光电转换器产生的信号电荷传输到半导体基板的前表面侧。有机光电转换器设置在半导体基板的背面侧。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本未审查专利申请公开第2011-29337号
发明内容
顺便提及，摄像装置需要提高灵敏度特性。
期望提供使得能够提高灵敏度特性的摄像元件和摄像装置。
根据本公开的实施例的摄像元件包括：半导体基板、第一光电转换器、贯通电极、第一电介质膜和第二电介质膜。所述半导体基板具有彼此相对的一个表面和另一个表面。所述半导体基板具有在所述一个表面和所述另一个表面之间贯通的通孔。所述第一光电转换器设置在所述半导体基板的所述一个表面上方。所述贯通电极电连接到所述第一光电转换器。所述贯通电极在所述通孔内贯通所述半导体基板。所述第一电介质膜设置在所述半导体基板的所述一个表面上。所述第一电介质膜具有第一膜厚。所述第二电介质膜设置在所述通孔的侧面上。所述第二电介质膜具有第二膜厚。所述第二膜厚小于所述第一膜厚。
根据本公开的实施例的摄像装置针对多个像素中的每个像素包括根据本公开的上述实施例的一个以上的摄像元件。
在根据本公开的实施例的摄像元件和根据实施例的摄像装置中，具有第一膜厚的所述第一电介质膜设置在半导体基板的上方布置有第一光电转换器的一个表面上。具有第二膜厚的第二电介质膜设置于在所述半导体基板的一个表面与另一个表面之间贯通的通孔的侧面上。第二电介质膜的膜厚(第二膜厚)小于第一电介质膜的膜厚(第一膜厚)。贯通电极设置在通孔内。贯通电极电连接到所述第一光电转换器并贯通所述半导体基板。这减少了入射光在半导体基板的一个表面上的反射，同时抑制了贯通电极的电容增加。
根据本公开的实施例的摄像元件和根据实施例的摄像装置各自设有在半导体基板的一个表面上的具有第一膜厚的第一绝缘膜以及在通孔的侧面上的膜厚(第二膜厚)小于第一绝缘膜的膜厚的第二绝缘膜。这减少了入射光在半导体基板的一个表面上的反射，同时抑制了贯通电极的电容增加。该通孔在半导体基板的一个表面和另一表面之间贯通并且在其中形成有贯通电极。因此，可以提供具有高灵敏度特性的摄像元件和包括该摄像元件的摄像装置。
要注意的是，这里描述的效果并非是限制性的，而是可以包括本公开中描述的任何效果。
附图说明
图1是示出根据本公开的第一实施例的摄像元件的构造的示例的截面示意图。
图2是示出图1所示的摄像元件的整体构造的图。
图3是图1所示的摄像元件的等效电路图。
图4是示出图1所示的摄像元件的控制部中包括的下部电极和晶体管的布置的示意图。
图5A是示出图1所示的摄像元件中的贯通电极周围的电介质膜的构造的示例的截面示意图。
图5B是示出图1所示的摄像元件中的贯通电极周围的电介质膜的构造的另一示例的截面示意图。
图5C是示出图1所示的摄像元件中的贯通电极周围的电介质膜的构造的另一示例的截面示意图。
图5D是示出图1所示的摄像元件中的贯通电极周围的电介质膜的构造的另一示例的截面示意图。
图6是用于描述制造图1所示的摄像元件的方法的截面图。
图7是示出图6之后的步骤的截面图。
图8是示出图7之后的步骤的截面图。
图9是示出图8之后的步骤的截面图。
图10是示出图9之后的步骤的截面图。
图11是示出图10之后的步骤的截面图。
图12是示出图1所示的摄像元件的操作示例的时序图。
图13是用于描述贯通电极的电容的示意图。
图14是示出根据本公开的第二实施例的摄像元件的构造的示例的截面示意图。
图15是示出根据本公开的第三实施例的摄像元件的构造的示例的截面示意图。
图16是示出根据本公开的变形例1的摄像元件的构造的示例的截面示意图。
图17是示出根据本公开的变形例2的摄像元件的主要部分的示意性构造的示例的截面示意图。
图18是示出包括图1等所示的摄像元件作为像素的摄像装置的构造的框图。
图19是示出包括图18所示的摄像装置的电子装置(相机)的示例的功能框图。
图20是示出体内信息获取系统的示意性构造的示例的框图。
图21是示出内窥镜手术系统的示意性构造的示例的图。
图22是示出摄像头和相机控制单元(CCU)的功能构造的示例的框图。
图23是示出车辆控制系统的示意性构造的示例的框图。
图24是辅助说明车外信息检测部和摄像部的安装位置的示例的图。
具体实施方式
下面参考附图详细描述本公开的实施例。以下描述是本公开的具体示例，但是本公开不限于以下方式。另外，本公开不限于在各个附图中示出的各个部件的布置、尺寸、尺寸比等。注意，将以下面的顺序进行描述。
1.第一实施例(示例：具有形成在光接收表面上和光接收表面中的贯通电极的通孔的侧面设置有电介质膜，该电介质膜在光接收表面上的膜厚比在通孔的侧面大)
1-1.摄像元件的构造
1-2.摄像元件的制造方法
1-3.作用与效果
2.第二实施例(两个有机光电转换器层叠在半导体基板上的示例)
3.第三实施例(下部电极包括通过使用固态膜形成的有机光电转换器的示例)
4.变形例
4-1.变形例1(通过在光接收表面的一部分上分别形成电介质膜来增加光接收表面上的预定区域中的电介质膜的厚度的示例)
4-2.变形例2(贯通电极设置在周边区域中的示例)
5.应用示例
<1.第一实施例>
图1示出了根据本公开的第一实施例的摄像元件(摄像元件10A)的截面构造。图2示出了图1所示的摄像元件10A的平面构造。图3是图1所示的摄像元件10A的等效电路图。这对应于图2所示的区域100。图4示意性地示出了图1所示的摄像元件10A的控制部中包括的下部电极21和晶体管的布置。诸如数码相机或摄像机等电子装置中所包括的诸如CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器(摄像装置1，见图18)等摄像装置中的一个像素(单位像素P)例如包括摄像元件10A。
根据本实施例的摄像元件10A具有形成在半导体基板30的光接收表面(一个表面，第一表面(表面30S1))和通孔30H的侧面上的电介质膜26。通孔30H在半导体基板30的第一表面(表面30S1)与第二表面(表面30S2)之间贯通。贯通电极34形成在通孔30H的内部。电介质膜26的膜厚在半导体基板30的第一表面(表面30S1)与通孔30H的侧面之间不同。该电介质膜26设置在半导体基板30的第一表面(表面30S1)上。电介质膜26包括具有第一膜厚的第一电介质膜26a和设置在通孔30H的侧面上的第二电介质膜26b。第一膜厚大于第二膜厚。即，摄像元件10A具有形成于其中的电介质膜26，以使电介质膜26在半导体基板30的第一表面(表面30S1)侧比在通孔30H的侧面侧更厚。电介质膜26设置在其中从作为光接收表面的第一表面(表面30S1)起具有贯通电极34的通孔30H的侧面上。
(1-1.摄像元件的构造)
摄像元件10A例如是所谓的垂直光谱摄像元件，其中，一个有机光电转换器20以及两个无机光电转换器32B和32R在垂直方向上层叠。有机光电转换器20设置在半导体基板30的第一表面(背面，表面30S1)侧。无机光电转换器32B和32R形成为嵌入在半导体基板30中并且在半导体基板30的厚度方向上层叠。有机光电转换器20在下部电极21(第一电极)与上部电极25(第二电极)之间具有光电转换层24。下部电极21(第一电极)和上部电极25(第二电极)彼此相对地布置。光电转换层24通过使用有机材料形成。该光电转换层24包括p型半导体和n型半导体，并且在该层中具有体异质结结构。该体异质结结构是通过混合p型半导体和n型半导体而形成的p/n结合面。
根据本实施例的有机光电转换器20的下部电极21包括多个电极(读出电极21A和累积电极21B)。根据本实施例的有机光电转换器20在这些下部电极21和光电转换层24之间依次包括绝缘层22和半导体层23。绝缘层22在读出电极21A上方设有开口22H，并且读出电极21A通过该开口22H电连接至半导体层23。
有机光电转换器20以及无机光电转换器32B和32R通过选择性地检测不同波长范围内各自的光来进行光电转换。具体地，例如，有机光电转换器20获取绿色(G)的颜色信号。无机光电转换器32B和32R通过使用不同的吸收系数分别获取蓝色(B)的颜色信号和红色(R)的颜色信号。这使得摄像元件10A能够在不使用滤色器的情况下在一个像素中获取多种类型的颜色信号。
注意，在本实施例中，对读取由光电转换产生的一对电子和空穴(电子-空穴对)的电子作为信号电荷的情况(n型半导体区域用作光电转换层的情况)进行说明。另外，在该图中，附于“p”和“n”的“+(加号)”表示高p型或n型杂质浓度。
半导体基板30的第二表面(前表面，30S2)例如设置有浮动扩散部(浮动扩散层)FDl(半导体基板30中的区域36B)、FD2(半导体基板30中的区域37C)以及FD3(半导体基板30中的区域38C)、传输晶体管Tr2和Tr3、放大晶体管(调制元件)AMP、复位晶体管RST、选择晶体管SEL和多层布线40。多层布线40具有例如布线层41、42和43层叠在绝缘层44中的构造。
注意，在图中，将半导体基板30的第一表面(表面30S1)侧称为光入射侧S1，将第二表面(表面30S2)侧称为布线层侧S2。
有机光电转换器20具有以下构造，例如，下部电极21、半导体层23、光电转换层24和上部电极25从半导体基板30的第一表面(表面30S1)侧起依次层叠。另外，在下部电极21与半导体层23之间设置有绝缘层22。例如，针对各摄像元件10A分别形成下部电极21。下部电极21均包括彼此分离的读出电极21A和累积电极21B，读出电极21A和累积电极21B之间夹有绝缘层22，以下进行详细说明。下部电极21的读出电极21A经由设置在绝缘层22中的开口22H电连接到半导体层23。图1示出半导体层23、光电转换层24以及上部电极25被设置为多个摄像元件10A所共有的连续层的示例，但可以针对各个摄像元件10A分别形成半导体层23、光电转换层24和上部电极25。例如，在半导体基板30的第一表面(表面30S1)和下部电极21之间设置有电介质膜26、绝缘膜27和层间绝缘层28。在上部电极25上设置有保护层51。在保护层51的内部，例如在读出电极21A的上方，设有遮光膜52。只要该遮光膜52设置为覆盖与至少半导体层23直接接触的读出电极21A的区域而不与至少累积电极21B重叠即可。诸如平坦化层(未示出)和片上透镜53等光学构件设置在保护层51上方。
贯通电极34设置在半导体基板30的第一表面(表面30S1)和第二表面(表面30S2)之间。该贯通电极34电连接至有机光电转换器20的读出电极21A。有机光电转换器20经由贯通电极34连接到放大晶体管AMP的栅极Gamp和还用作浮动扩散部FD1的复位晶体管RST(复位晶体管Tr1rst)的一个源极/漏极区域36B。这使得摄像元件10A能够将在半导体基板30的第一表面(表面30S1)侧的有机光电转换器20中产生的电荷(此处为电子)顺利地传输到半导体基板30的第二表面(表面30S2)侧，从而提高特性。
贯通电极34的下端连接到布线层41中的连接部41A。连接部41A与放大晶体管AMP的栅极Gamp经由下第一触点45连接。连接部41A与浮动扩散部FD1(区域36B)例如通过下第二触点46连接。贯通电极34的上端例如通过上第一触点29A、焊盘部39A和上第二触点29B连接到读出电极21A。
在各个摄像元件10A中，针对每个有机光电转换器20设置贯通电极34。贯通电极34具有有机光电转换器20与放大晶体管AMP的栅极Gamp和浮动扩散部FD1的连接器的功能。贯通电极34用作有机光电转换器20中产生的电荷(此处为电子)的传输路径。
复位晶体管RST的复位栅极Grst紧邻浮动扩散部FD1(复位晶体管RST的一个源极/漏极区域36B)设置。这允许复位晶体管RST复位浮动扩散部FD1中累积的电荷。
在根据本实施例的摄像元件10A中，从上部电极25侧进入有机光电转换器20的光被光电转换层24吸收。由此产生的激子均移动至光电转换层24中包括的电子供体与电子受体之间的界面并经历激子分离。换句话说，激子被分成电子和空穴。由于阳极(此处为上部电极25)和阴极(此处为下部电极21)的功函数不同而产生的载流子浓度差异和内部电场，此处产生的电荷(电子和空穴)通过扩散而传输至不同的电极。所传输的电荷被检测为光电流。另外，在下部电极21和上部电极25之间施加电位使得能够控制电子和空穴的传输方向。
以下描述各个部分的构造、材料等。
有机光电转换器20是吸收与选择波长范围(例如450nm以上且650nm以下)的一部分或全部相对应的绿光并产生电子-空穴对的有机光电转换元件。
如上所述，下部电极21包括分开形成的读出电极21A和累积电极21B。读出电极21A将在光电转换层24中产生的电荷(此处为电子)传输至浮动扩散部FD1。例如，读出电极21A经由上第一触点29A、上第二触点29B、焊盘部39A、贯通电极34、连接部41A和下第二触点46连接到浮动扩散部FD1。累积电极21B用于将在光电转换层24中产生的电荷的电子累积在半导体层23中作为信号电荷。累积电极21B设置在与形成在半导体基板30中的无机光电转换器32B和32R的光接收表面相对并且覆盖这些光接收表面的区域中。期望累积电极21B比读出电极21A大。这使得累积电极21B能够累积大量电荷。如图4所示，电压施加电路60经由布线连接到累积电极21B。
下部电极21包括具有透光性的导电膜。下部电极21包括例如ITO(铟锡氧化物)。然而，除了ITO之外，作为下部电极21所包括的材料，可以使用添加有掺杂剂的氧化锡(SnO2)基材料或通过向氧化锌(ZnO)添加掺杂剂而制成的氧化锌基材料。氧化锌基材料的示例包括添加有铝(Al)作为掺杂剂的铝锌氧化物(AZO)、添加了镓(Ga)的镓锌氧化物(GZO)和添加了铟(In)的铟锌氧化物(IZO)。除了这些之外，还可以使用CuI、InSbO4、ZnMgO、CuInO2、MglN2O4、CdO、ZnSnO3等。
半导体层23设置在光电转换层24的下层中，具体地，在绝缘层22与光电转换层24之间。半导体层23用于累积在光电转换层24中产生的信号电荷(此处为电子)。优选地，半导体层23通过使用具有比光电转换层24更高的电荷迁移率和更大的带隙的材料形成。例如，优选地，半导体层23中包括的材料的带隙为3.0eV以上。这种材料的示例包括诸如IGZO等氧化物半导体材料、有机半导体材料等。有机半导体材料的示例包括过渡金属硫族化合物、碳化硅、金刚石、石墨烯、碳纳米管、稠合多环烃化合物、稠合杂环化合物等。半导体层23的厚度例如为10nm以上且300nm以下。包括上述材料的半导体层23设置在光电转换层24的下层中。这使得能够防止电荷在电荷累积期间重新结合并提高传输效率。
光电转换层24将光能转换为电能。光电转换层24包括例如各自用作p型半导体或n型半导体的两种以上的有机半导体材料(p型半导体材料或n型半导体材料)。光电转换层24包括在该层中的这些p型半导体材料与n型半导体材料之间的结合面(p/n结合面)。p型半导体相对地用作电子供体(施主)，而n型半导体相对地用作电子受体(受主)。光电转换层24提供了将吸收光时产生的激子分离为电子和空穴的电场。具体而言，激子在电子供体与电子受体之间的界面(p/n结合面)处被分为电子和空穴。
除了p型半导体材料和n型半导体材料之外，光电转换层24还可以包括有机材料或所谓的染料材料。有机材料或染料材料对预定波长范围内的光进行光电转换并透射其它波长范围内的光。在通过使用p型半导体材料、n型半导体材料和染料材料三种类型的有机材料形成光电转换层24的情况下，优选地，p型半导体材料和n型半导体材料均为在可见光区域(例如450nm至800nm)具有透光性的材料。光电转换层24具有例如50nm至500nm的厚度。
光电转换层24中包括的有机材料的示例包括喹吖啶酮、氯化硼亚酞菁、并五苯、苯并噻吩并苯并噻吩、富勒烯及其衍生物。光电转换层24包括上述两种或更多种类型的有机材料的组合。上述有机材料根据组合用作p型半导体或n型半导体。
注意，光电转换层24中包括的有机材料没有特别限制。例如，除了上面列出的有机材料之外，还优选使用萘、蒽、菲、并四苯、芘、苝和荧蒽中的任何一种或其衍生物。或者，可以使用诸如亚苯基亚乙烯基、芴、咔唑、吲哚、芘、吡咯、甲基吡啶、噻吩、乙炔和二乙炔或其衍生物等聚合物。另外，可以优选使用金属络合物染料、菁基染料、部花青基染料、菲基染料、三苯甲烷基染料、复合份菁基染料、氧杂蒽基染料、大环氮杂蒽基染料、甘菊蓝基染料、萘醌、蒽醌基染料、由诸如蒽和芘等稠合的多环芳香族基团与芳香环或杂环化合物稠合而成的链状化合物、类花青素染料(通过两个诸如具有方基和丁烯基次甲基作为键合链的菁喹啉、苯并噻唑和苯并恶唑等含氮杂环键合，或通过方基或丁烯基次甲基键合)等。注意，上述金属络合物染料优选但不限于基于二硫醇金属络合物的染料、金属酞菁染料、金属卟啉染料或钌络合物染料。
可以在光电转换层24与下部电极21之间(例如，在半导体层23与光电转换层24之间)以及在光电转换层24与上部电极25之间设置其他层。具体地，例如，半导体层23、电子阻挡膜、光电转换层24、空穴阻挡膜、功函数调节膜等可以从下部电极21侧起依次层叠。此外，可以在下部电极21和光电转换层24之间设置下层和空穴传输层，并且可以在光电转换层24和上部电极25之间设置缓冲层和电子传输层。
如同下部电极21，上部电极25包括具有透光性的导电膜。在包括摄像元件10A作为一个像素的摄像装置1中，上部电极25可以针对各个像素分开或者形成为各个像素共用的电极。上部电极25的厚度例如为10nm至200nm。
电介质膜26用于防止由半导体基板30与绝缘膜27之间的折射率差引起的光的反射。优选地，电介质膜26的材料是具有在半导体基板30的折射率与绝缘膜27的折射率之间的折射率的材料。此外，优选的是，允许形成具有例如负固定电荷的膜的材料用作电介质膜26的材料。或者，优选地，使用带隙比半导体基板30的带隙宽的半导体材料或导电材料作为电介质膜26的材料。这使得能够抑制在半导体基板30的界面处暗电流的产生。这种材料的示例包括氧化铪(HfOx)、氧化铝(AlOx)、氧化锆(ZrOx)、氧化钽(TaOx)、氧化钛(TiOx)、氧化镧(LaOx)、氧化镨(PrOx)、氧化铈(CeOx)、氧化钕(NdOx)、氧化钷(PmOx)、氧化钐(SmOx)、氧化铕(EuOx)、氧化钆(GdOx)、氧化铽(TbOx)、氧化镝(DyOx)、氧化钬(HoOx)、氧化铥(TmOx)、氧化镱(YbOx)、氧化镥(LuOx)、氧化钇(YOx)、氮化铪(HfNx)、氮化铝(AlNx)、氮氧化铪(HfOxNy)、氮氧化铝(AlOxNy)等。
如上所述，电介质膜26包括第一电介质膜26a和第二电介质膜26b。第一电介质膜26a设置在半导体基板30的第一表面(表面30S1)上，并且具有第一膜厚W1。第二电介质膜26b设置在通孔30H的侧面上，并且具有第二膜厚W2。半导体基板30的第一表面(表面30S1)上的第一电介质膜26a的膜厚(第一膜厚：W1)大于形成在通孔30H的侧面上的第二电介质膜26b的膜厚(第二膜厚：W2)。具体地，例如，在摄像元件10A为针对可见光的摄像元件的情况下，例如，第一电介质膜26a的膜厚优选为10nm以上且500nm以下。第二电介质膜26b的膜厚例如优选为1nm以上且200nm以下。例如，在摄像元件10A为针对红外光的摄像元件的情况下，第一电介质膜26a的膜厚优选为10nm以上且1000nm以下。第二电介质膜26b的膜厚例如优选为1nm以上且200nm以下。这使得能够抑制入射光在半导体基板30的光接收表面(第一表面(表面30S1))上的反射，同时抑制设置在通孔30H内部的贯通电极34的电容的增加。
例如，如图5A所示，半导体基板30上的电介质膜26的第一电介质膜26a和形成在通孔30H的侧面上的电介质膜26的第二电介质膜26b可以形成为单层膜，但这不是限制性的。
例如，如图5B所示，可以通过将电介质膜26形成为电介质膜26A和电介质膜26B的部分层叠膜而形成比通孔30H的侧面上的第二电介质膜26b的膜厚更厚的第一电介质膜26a。电介质膜26A形成为从半导体基板30的第一表面(表面30S1)到通孔30H的侧面具有均匀膜厚的连续膜。仅在半导体基板30的第一表面(表面30S1)上的电介质膜26A上形成电介质膜26B。
例如，如图5C所示，通过将整个电介质膜26形成为层叠膜(电介质膜26A和26B)并且将半导体基板30上的第一电介质膜26a1和26a2形成为比在通孔30H的侧面上形成的第二电介质膜26b1和26b2的膜厚更厚，可以将电介质膜26形成为在半导体基板30的第一表面(表面30S1)上的膜厚大于通孔30H的侧面上的膜厚。
注意，图5B和图5C均示出了两个电介质膜26层叠为层叠膜的示例，但是也可以层叠三个或更多个膜。例如，可以层叠三个第一电介质膜26a和一个第二电介质膜26b，或者可以层叠三个第一电介质膜26a和两个第二电介质膜26b。另外，如上所述，在将电介质膜26形成为层叠膜的情况下，可以使用相同的材料来形成电介质膜26，或者可以使用不同的材料来形成电介质膜26。用这种方式在半导体基板30的第一表面(表面30S1)上设置层叠有两种以上膜的第一电介质膜26a。这使得能够增加空穴累积层的性能。此外，如上所述，在电介质膜26形成为层叠膜的情况下，优选地，电介质膜26从绝缘膜27侧向半导体基板30侧的折射率逐渐接近半导体基板30的折射率。这使得能够抑制入射光在半导体基板30的界面处的反射，有利于入射光进入半导体基板30，并且能够提高嵌入形成的无机光电转换器32B和32R的光电转换效率。
另外，在下面详细描述，例如，使用干法蚀刻作为在半导体基板30中形成通孔30H的方法。在这种情况下，通孔30H的上部或半导体基板30的第一表面(表面30S1)附近的区域的损坏较大。因此，优选地，如图5D所示，电介质膜26A形成在通孔30H的上部，然后，电介质膜26B形成为从半导体基板30的第一表面(表面30S1)的上方延伸至通孔30H的侧面的上部，并且第二电介质膜26b形成为在通孔30H的侧面的上部的膜厚增加。电介质膜26A是从半导体基板30的第一表面(表面30S1)到通孔30H的侧面具有均匀的膜厚的连续膜。
注意，可以在半导体基板30和电介质膜26之间形成诸如氧化膜等绝缘膜。
在形成于半导体基板30的第一表面(表面30S1)上的第一电介质膜26a上以及在形成于通孔30H的侧面上的第二电介质膜26b与贯通电极34之间，设有绝缘膜27。绝缘膜27用于使贯通电极34和半导体基板30电绝缘。绝缘膜27的材料没有特别限定，例如可以使用氧化硅(SiOx)、TEOS、氮化硅(SiNx)、氮氧化硅(SiON)等形成绝缘膜27。
层间绝缘层28包括例如具有氧化硅(SiOx)、TEOS、氮化硅(SiNx)、氮氧化硅(SiON)等中的一种的单层膜或者具有它们之中两种以上的层叠膜。
绝缘层22用于将累积电极21B和半导体层23电隔离。绝缘层22例如设置在层间绝缘层28上以覆盖下部电极21。另外，绝缘层22在下部电极21的读出电极21A上设有开口22H。读出电极21A和半导体层23经由该开口22H电连接。可以通过使用例如与层间绝缘层28类似的材料来形成绝缘层22。绝缘层22包括例如具有氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、氮氧化硅(SiON)等中的一种的单层膜或者具有它们之中两种以上的层叠膜。绝缘层22的厚度例如为20nm至500nm。
保护层51包括具有透光性的材料。保护层51包括例如具有氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等中的任一者的单层膜或者具有它们之中两种以上的层叠膜。该保护层51的厚度例如为100nm至30000nm。
半导体基板30包括例如n型硅(Si)基板，并且在预定区域(例如，像素部1a)中具有p阱31。p阱31的第二表面(表面30S2)设置有上述传输晶体管Tr2和Tr3、放大晶体管AMP、复位晶体管RST、选择晶体管SEL等。另外，如图2所示，在半导体基板30的周边部(周边部1b)例如设有均具有逻辑电路等的像素读出电路110和像素驱动电路120。
复位晶体管RST(复位晶体管Tr1rst)复位从有机光电转换器20传输到浮动扩散部FD1的电荷，并且包括例如MOS晶体管。具体地，复位晶体管Tr1rst包括复位栅极Grst、沟道形成区域36A以及源极/漏极区域36B和36C。复位栅极Grst连接到复位线RST1。复位晶体管Tr1rst的一个源极/漏极区域36B还用作浮动扩散部FD1。复位晶体管Tr1rst中包括的另一个源极/漏极区域36C连接到电源VDD。
放大晶体管AMP是将有机光电转换器20中产生的电荷量调制为电压的调制元件。放大晶体管AMP包括例如MOS晶体管。具体地，放大晶体管AMP包括复位栅极Gamp、沟道形成区域35A以及源极/漏极区域35B和35C。栅极Gamp经由下第一触点45、连接部41A、下第二触点46、贯通电极34等连接到读出电极21A和复位晶体管Tr1rst的一个源极/漏极区域36B(浮动扩散部FD1)。另外，一个源极/漏极区域35B与复位晶体管Tr1rst中包括的另一源极/漏极区域36C共享一个区域，并且连接至电源VDD。
选择晶体管SEL(选择晶体管TR1sel)包括栅极Gsel、沟道形成区域34A以及源极/漏极区域34B和34C。栅极Gsel连接到选择线SEL1。另外，一个源极/漏极区域34B与放大晶体管AMP中包括的另一源极/漏极区域35C共享一个区域，并且另一源极/漏极区域34C连接到信号线(数据输出线)VSL1。
无机光电转换器32B和32R均在半导体基板30的预定区域中具有pn结。无机光电转换器32B和32R均允许光在垂直方向上分散，这是因为根据硅基板中的光入射深度吸收了波长不同的光。无机光电转换器32B选择性地检测蓝光以累积与蓝色相对应的信号电荷。无机光电转换器32B安装在能够有效地光电转换蓝光的深度处。无机光电转换器32R选择性地检测红光以累积与红色相对应的信号电荷。无机光电转换器32R安装在能够有效地光电转换红光的深度处。注意，蓝色(B)例如是对应于450nm至495nm的波长范围的颜色。红色(R)例如是对应于620nm至750nm的波长范围的颜色。只要无机光电转换器32B和32R被构造为检测在相应波长范围的一部分的光或在相应波长范围的全部光就足够了。
无机光电转换器32B包括例如用作空穴累积层的p+区域和用作电子累积层的n区域。无机光电转换器32R包括例如用作空穴累积层的p+区域和用作电子累积层的n区域(具有p-n-p层叠构造)。无机光电转换器32B的n区域连接到垂直传输晶体管Tr2。无机光电转换器32B的p+区域沿着传输晶体管Tr2弯曲，并通向无机光电转换器32R的p+区域。
传输晶体管Tr2(传输晶体管TR2trs)用于将在无机光电转换器32B中生成并累积的与蓝色相对应的信号电荷(此处为电子)传输至浮动扩散部FD2。无机光电转换器32B形成在距半导体基板30的第二表面(表面30S2)较深的位置处，因此，优选地，无机光电转换器32B的传输晶体管TR2trs包括垂直晶体管。另外，传输晶体管TR2trs连接到传输栅极线TG2。此外，浮动扩散部FD2设置在传输晶体管TR2trs的栅极Gtrs2附近的区域37C中。累积在无机光电转换器32B中的电荷经由沿着栅极Gtrs2形成的传输通道被浮动扩散部FD2读出。
传输晶体管Tr3(传输晶体管TR3trs)将在无机光电转换器32R中生成并累积的与红色相对应的信号电荷(此处为电子)传输至浮动扩散部FD3。传输晶体管Tr3(传输晶体管TR3trs)包括例如MOS晶体管。另外，传输晶体管TR3trs连接到传输栅极线TG3。此外，浮动扩散部FD3设置在传输晶体管TR3trs的栅极Gtrs3附近的区域38C中。累积在无机光电转换器32R中的电荷经由沿着栅极Gtrs3形成的传输通道被浮动扩散部FD3读出。
在半导体基板30的第二表面(表面30S2)侧还设置有复位晶体管TR2rst、放大晶体管TR2amp和选择晶体管TR2sel。复位晶体管TR2rst、放大晶体管TR2amp和选择晶体管TR2sel被包括在无机光电转换器32B的控制部中。另外，设有被包括在无机光电转换器32R的控制部中的复位晶体管TR3rst、放大晶体管TR3amp和选择晶体管TR3sel。
复位晶体管TR2rst包括栅极、沟道形成区域和源极/漏极区域。复位晶体管TR2rst的栅极连接到复位线RST2，并且复位晶体管TR2rst的一个源极/漏极区域连接到电源VDD。复位晶体管TR2rst的另一源极/漏极区域也用作浮动扩散部FD2。
放大晶体管TR2amp包括栅极、沟道形成区域和源极/漏极区域。栅极连接到复位晶体管TR2rst的另一个源极/漏极区域(浮动扩散部FD2)。另外，放大晶体管TR2amp中包括的一个源极/漏极区域与复位晶体管Tr2rst中包括的一个源极/漏极区域共享一个区域，并且连接到电源VDD。
选择晶体管TR2sel包括栅极、沟道形成区域和源极/漏极区域。栅极连接到选择线SEL2。另外，选择晶体管TR2sel中包括的一个源极/漏极区域与放大晶体管Tr2amp中包括的另一源极/漏极区域共享一个区域。选择晶体管TR2sel中包括的另一个源极/漏极区域连接到信号线(数据输出线)VSL2。
复位晶体管TR3rst包括栅极、沟道形成区域和源极/漏极区域。复位晶体管TR3rst的栅极连接至复位线RST3，并且复位晶体管TR3rst中包括的一个源极/漏极区域连接至电源VDD。复位晶体管TR3rst中包括的另一个源极/漏极区域也用作浮动扩散部FD3。
放大晶体管TR3amp包括栅极、沟道形成区域和源极/漏极区域。栅极连接到复位晶体管TR3rst中包括的另一个源极/漏极区域(浮动扩散部FD3)。另外，放大晶体管TR3amp中包括的一个源极/漏极区域与复位晶体管Tr3rst中包括的一个源极/漏极区域共享一个区域，并且连接到电源VDD。
选择晶体管TR3sel包括栅极、沟道形成区域和源极/漏极区域。栅极连接到选择线SEL3。另外，选择晶体管TR3sel中包括的一个源极/漏极区域与放大晶体管Tr3amp中包括的另一个源极/漏极区域共享一个区域。选择晶体管TR3sel中包括的另一个源极/漏极区域连接到信号线(数据输出线)VSL3。
复位线RST1、RST2和RST3、选择线SEL1、SEL2和SEL3以及传输栅线TG2和TG3分别连接到驱动电路中包括的垂直驱动电路112。信号线(数据输出线)VSL1、VSL2和VSL3连接到驱动电路中包括的列信号处理电路113。
例如，下第一触点45、下第二触点46、上第一触点29A、上第二触点29B和上第三触点29C均包括诸如磷掺杂非晶硅(PDAS，Phosphorus Doped Amorphous Silicon)等掺杂硅材料或诸如铝(Al)、钨(W)、钛(Ti)、钴(Co)、铪(Hf)和钽(Ta)等金属材料。
(1-2.摄像元件的制造方法)
例如，可以按如下方式制造根据本实施例的摄像元件10A。
图6至图11按步骤顺序示出了摄像元件10A的制造方法。首先，例如，如图6所示，在半导体基板30中形成p阱31作为第一导电类型的阱。在该p阱31中形成第二导电型(例如，n型)的无机光电转换器32B和32R。在半导体基板30的第一表面(表面30S1)附近的区域中形成p+区域。
同样如图6所示，例如，在半导体基板30的第二表面(表面30S2)上形成用作浮动扩散部FD1至FD3的n+区域，然后形成栅极绝缘层33和栅极布线层47。栅极布线层47包括传输晶体管Tr2、传输晶体管Tr3、选择晶体管SEL、放大晶体管AMP和复位晶体管RST的各个栅极。这形成了传输晶体管Tr2、传输晶体管Tr3、选择晶体管SEL、放大晶体管AMP和复位晶体管RST。此外，在半导体基板30的第二表面(表面30S2)上形成多层布线40。多层布线40包括布线层41至43和绝缘层44。布线层41至43包括下第一触点45、下第二触点46和连接部41A。
作为半导体基板30的基底，例如，使用其中半导体基板30、嵌入的氧化膜(未示出)和保持基板(未示出)层叠的绝缘体上硅(SOI，Silicon on Insulator)基板。尽管在图6中未示出，但是将嵌入的氧化膜和保持基板接合到半导体基板30的第一表面(表面30S1)。在离子注入之后，执行退火处理。
接下来，将支撑基板(未示出)、另一半导体基底等接合至半导体基板30的第二表面(表面30S2)侧(多层布线40侧)并且垂直翻转。随后，半导体基板30与SOI基板的嵌入的氧化膜和保持基板分离，以暴露出半导体基板30的第一表面(表面30S1)。可以利用在常规CMOS工艺中使用的技术(例如离子注入和化学气相沉积(CVD))执行上述步骤。
接下来，如图7所示，例如通过干法蚀刻从第一表面(表面30S1)侧加工半导体基板30以形成例如环形通孔30H。如图7所示，通孔30H的深度从半导体基板30的第一表面(表面30S1)延伸至第二表面(表面30S2)。
接下来，如图8所示，例如通过使用原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)在半导体基板30的第一表面(表面30S1)和通孔30H的侧面上形成电介质膜26A。这形成了在半导体基板30的第一表面(表面30S1)以及通孔30H的侧面和底面上连续的电介质膜26A。接下来，例如通过使用溅射在半导体基板30的第一表面(表面30S1)上的电介质膜26A上形成电介质膜26B，然后在半导体基板30的第一表面(表面30S1)上方以及在通孔30H内形成绝缘膜27。
接下来，如图9所示，例如通过干法蚀刻在形成于通孔30H内部的绝缘膜27中形成通孔27H。通孔27H通过绝缘膜27、第一电介质膜26a和绝缘层44到达连接部41A。注意，在这种情况下第一表面(表面30S1)上方的绝缘膜27的厚度也减小了。
接下来，如图10所示，在绝缘膜27上以及在通孔27H的内部形成导电膜34x，然后在导电膜34x上的预定位置处形成光致抗蚀剂PR。之后，通过蚀刻并去除光致抗蚀剂PR来形成图11所示的贯通电极34，该贯通电极34包括在半导体基板30的第一表面(表面30S1)上的突出部。
之后，在绝缘膜37和贯通电极34上形成层间绝缘层28中包括的绝缘膜，在贯通电极34等上形成上第一触点29A、焊盘部39A和39B、上第二触点29B以及上第三触点29C，并且通过使用化学机械抛光(CMP)平坦化层间绝缘层28的表面。随后，在层间绝缘层28上形成导电膜，然后在导电膜上的预定位置处形成光致抗蚀剂。之后，通过蚀刻并去除光致抗蚀剂形成读出电极21A和累积电极21B。接下来，在层间绝缘层28以及读出电极21A和累积电极21B上形成绝缘层22，然后在读出电极21A上设置开口22H。随后，在绝缘层22上形成半导体层23、光电转换层24、上部电极25、保护层51和遮光膜52。应注意，在半导体层23和另一个有机层使用有机材料形成的情况下，优选在真空步骤中连续地(在原位真空工艺中)形成半导体层23和另一个有机层。另外，形成光电转换层24的方法并非局限于使用真空蒸镀的方法。可以使用其它方法，例如旋涂技术、印刷技术等。最后，布置保护层51、遮光膜52和片上透镜53。如上所述，完成了图1所示的摄像元件10A。
当光通过摄像元件10A中的片上透镜53进入有机光电转换器20时，光依次穿过有机光电转换器20以及无机光电转换器32B和32R。当光穿过有机光电转换器20以及无机光电转换器32B和32R时，针对绿光、蓝光和红光中的每一者对光进行光电转换。下面描述获取各种颜色的信号的操作。
(通过有机光电转换器20获取绿色信号)
首先，通过有机光电转换器20选择性地检测(吸收)进入摄像元件10A的光中的绿光，以进行光电转换。
有机光电转换器20经由贯通电极34连接至放大晶体管AMP的栅极Gamp和浮动扩散部FD1。因此，有机光电转换器20中产生的电子-空穴对的电子被从下部电极21侧取出，经由贯通电极34传输到半导体基板30的第二表面(表面30S2)侧，并累积在浮动扩散部FD1中。与此同时，放大晶体管AMP将有机光电转换器20中产生的电荷量调制为电压。
另外，复位晶体管RST的复位栅极Grst设置在浮动扩散部FD1的旁边。这使得复位晶体管RST复位在浮动扩散部FD1中累积的电荷。
在此，有机光电转换器20不仅经由贯通电极34连接到放大晶体管AMP，还连接到浮动扩散部FD1，从而使得复位晶体管RST能够容易地复位浮动扩散部FD1中累积的电荷。
相反，在贯通电极34和浮动扩散部FD1不连接的情况下，难以复位浮动扩散部FD1中累积的电荷，导致施加大电压以将电荷拉出到上部电极25侧。光电转换层24可能因此被损坏。另外，能够在短时间内复位的构造会导致暗时噪声增加，并导致权衡利弊的问题。因此，这种构造是困难的。
图12示出了摄像元件10A的操作示例。(A)示出了累积电极21B处的电位，(B)示出了浮动扩散部FD1(读出电极21A)处的电位，(C)示出了复位晶体管TR1rst的栅极(Gsel)处的电位。在摄像元件10A中，电压分别被施加到读出电极21A和累积电极21B。
在摄像元件10A中，在累积时段中，驱动电路将电位V1施加至读出电极21A，并且将电位V2施加至累积电极21B。这里，假设电位V1和V2满足V2＞V1。这使得通过光电转换产生的电荷(这里为电子)被吸引到累积电极21B并累积在与累积电极21B相对的半导体层23的区域中(累积时段)。顺便提及，与累积电极21B相对的半导体层23的区域的电位具有随着经过光电转换的时间而更大的负值。要注意的是，空穴从上部电极25发送到驱动电路。
在摄像元件10A中，在累积时段的第二部分中执行复位操作。具体地，在时刻t1，扫描部将复位信号RST的电压从低电平改变为高电平。由此，单位像素P中的复位晶体管TR1rst导通。因此，浮动扩散部FD1的电压被设定为电源电压VDD并且浮动扩散部FD1的电压被复位(复位时段)。
在复位操作完成之后，读出电荷。具体地，在时刻t2，驱动电路将电位V3施加到读出电极21A，并且将电位V4施加到累积电极21B。这里，假设电位V3和V4满足V3＜V4。这使得在与累积电极21B相对应的区域中累积的电荷(这里为电子)从读出电极21A被读出到浮动扩散部FD1。即，在半导体层23中累积的电荷被读出到控制部(传输时段)。
在读取操作完成之后，驱动电路再次将电位V1施加至读出电极21A并且将电位V2施加至累积电极21B。这使得通过光电转换产生的电荷(这里为电子)被吸引到累积电极21B并累积在与累积电极21B相对的光电转换层24的区域中(累积时段)。
(通过无机光电转换器32B和32R获取蓝色信号和红色信号)
接下来，已经通过有机光电转换器20的光中的蓝光和红光分别被无机光电转换器32B和无机光电转换器32R依次吸收并进行光电转换。在无机光电转换器32B中，与入射的蓝光相对应的电子累积在无机光电转换器32B的n区域中，并且所累积的电子通过传输晶体管Tr2被传输到浮动扩散部FD2。类似地，在无机光电转换器32R中，对应于入射的红光的电子累积在无机光电转换器32R的n区域中，并且所累积的电子通过传输晶体管Tr3被传输到浮动扩散部FD3。
(1-3.作用和效果)
如上所述，在CCD图像传感器、CMOS图像传感器等中，各自具有红色、绿色和蓝色的原色滤色器二维排列的像素布置的固态摄像装置被广泛使用，但是这种像素布置会产生伪色。作为对策，提出了一种构造，其中，对红色、绿色和蓝色波长带中各自的光进行光电转换的光电转换区域层叠，并且，例如一部分光电转换区域安装在半导体基板上方。
在将上述构造应用于背照射式摄像元件的情况下，例如，可以想到的是，在半导体基板的背面的上方形成接触部，以将由布置在半导体基板上方的光电转换器产生的信号电荷引导至半导体基板。但是，无法对半导体基板的背面侧进行高温处理。因此，不能在背面侧设置任何像素晶体管或将信号电荷转换为电压。于是，提出了一种摄像元件，该摄像元件在半导体基板上设置有贯通电极，并且通过该贯通电极将由布置在半导体基板的背面侧的有机光电转换器产生的信号电荷传输到设置在半导体基板的前表面侧的像素晶体管。尽管能够在多个像素之间共享贯通电极，但是贯通电极通常设置在像素区域内。这要求贯通电极形成为小于像素单元的尺寸。
顺便提及，背照射式CIS具有形成在半导体基板的背面上的电荷固定膜，以抑制半导体基板的背面上暗电流的产生。另外，该电荷固定膜的折射率比形成在半导体基板的背面上方的层间绝缘层中包括的氧化膜的折射率更接近Si的折射率。这使得能够增加抗反射膜的功能。
在将添加有上述抗反射功能的电荷固定膜(以下称为抗反射膜)应用于包括贯通电极的摄像元件的情况下，抗反射膜形成在半导体基板的光入射面侧和贯通电极的侧壁上。设置在半导体基板的光入射面侧的抗反射膜用于防止在半导体基板的界面处的反射并用于固定电荷。从抗反射的观点出发，要求抗反射膜的膜厚为几十纳米。设置在贯通电极的侧面上的抗反射膜用于固定电荷。要求抗反射膜具有几纳米的膜厚以固定电荷。
顺便提及，贯通电极周围的抗反射膜可以增加贯通电极的电容。贯通电极的电容简单地表示为以下表达式(1)和(2)。这里假设，如图13所示，两种类型的绝缘膜1121和1122嵌入在贯通电极1110和半导体基板(未示出)之间。在恒定的外径(r3)和恒定的内径(e1)的情况下，贯通电极1110的电容随着嵌入绝缘膜1121和1122各自具有更大的介电常数而增大。贯通电极是浮动扩散部FD的组件。随着贯通电极的电容的增加，降低了转换效率。
[表达式1]
Figure BDA0002887265300000221
Figure BDA0002887265300000222
相反，在本实施例中，具有第一膜厚的第一电介质膜26a形成在用作光接收表面的半导体基板30的第一表面(表面30S1)上，并且具有小于第一膜厚的第二膜厚的第二电介质膜26b形成在通孔30H的侧面上。通孔30H从半导体基板30的第一表面(表面30S1)贯穿到第二表面(表面30S2)。通孔30H具有形成在其中的贯通电极34。这使得能够减少入射光在半导体基板30的第一表面(表面30S1)上的反射，同时在不增加贯通电极34的外径的情况下抑制通孔30H的侧面上的电容增加。
如上所述，在根据本实施例的摄像元件10A中，具有第一膜厚的第一电介质膜26a形成在半导体基板30的第一表面(表面30S1)上，并且具有小于第一膜厚的第二膜厚的第二电介质膜26b形成在其中形成有贯通电极34的通孔30H的侧面上。这使得能够减少入射光在半导体基板30的第一表面(表面30S1)上的反射，同时抑制通孔30H的侧面上的电容增加。这使得能够提供具有高灵敏度特性的摄像元件10A。
接下来，描述本公开的第二实施例和第三实施例以及变形例。以下，对类似于上述第一实施例的构件的构件给予相同的附图标记，并适当省略其说明。
<2.第二实施例>
图14示出了根据本公开的第二实施例的摄像元件(摄像元件10B)的截面构造。诸如数码相机或摄像机等电子装置所使用的诸如CMOS图像传感器等摄像装置(摄像装置1)中的一个像素(单位像素P)例如包括摄像元件10B。在根据本实施例的摄像元件10B中，两个有机光电转换器20和70以及一个无机光电转换器32在垂直方向上层叠。
有机光电转换器20和70以及无机光电转换器32均通过选择性地检测波长范围内的光来执行光电转换。具体地，例如，有机光电转换器20如上述第一实施例中那样获取绿色(G)的颜色信号。有机光电转换器70获取例如红色(R)的颜色信号。无机光电转换器32获取例如蓝色(B)的颜色信号。这使得摄像元件10B能够在不使用滤色器的情况下在一个像素中获取多种颜色信号。
有机光电转换器70例如层叠在有机光电转换器20上方。如同有机光电转换器20，有机光电转换器70具有下部电极71、半导体层73、光电转换层74和上部电极75从半导体基板30的第一表面(表面30S1)侧依次层叠的构造。此外，在下部电极71和半导体层73之间存在绝缘层72。例如，下部电极71针对各个摄像元件10A分开形成。下部电极71均包括彼此隔开的读出电极71A和累积电极71B，绝缘层72介于读出电极71A和累积电极71B之间，下面将详细描述。下部电极71的读出电极71A经由设置在绝缘层72中的开口72H与光电转换层74电连接。图1示出了半导体层73、光电转换层74和上部电极75针对各个摄像元件10A分开形成的示例，但是例如可以将半导体层73、光电转换层74和上部电极75设置为多个摄像元件10A共用的连续层。
光电转换层74将光能转换为电能。与光电转换层24一样，光电转换层74包括各自用作p型半导体或n型半导体的两种以上的有机材料(p型半导体材料或n型半导体材料)。光电转换层74除了p型半导体材料和n型半导体材料之外还可以包括有机材料或所谓的染料材料。有机材料或染料材料对预定波长范围内的光进行光电转换并透射其它波长范围内的光。在通过使用p型半导体材料、n型半导体材料和染料材料三种有机材料形成光电转换层74的情况下，优选地，p型半导体材料和n型半导体材料均是在可见光区域(例如400nm～700nm)具有透光性的材料。光电转换层74具有例如50nm至500nm的厚度。用于光电转换层74的染料材料的示例包括罗丹明基染料、部花菁基染料等。
在半导体基板30的第一表面(表面30S1)和第二表面(表面30S2)之间设有两个贯通电极34X和34Y。
如同在上述第一实施例中，贯通电极34X电连接至有机光电转换器20的读出电极21A。有机光电转换器20经由贯通电极34连接至放大晶体管AMP的栅极Gamp以及还用作浮动扩散部FD1的复位晶体管RST(复位晶体管Tr1rst)的一个源极/漏极区域36B1。贯通电极34X的上端例如经由上第一触点29A、焊盘部39A以及上第二触点29B与读出电极21A连接。
贯通电极34Y电连接到有机光电转换器70的读出电极71A。有机光电转换器70经由贯通电极34Y连接到放大晶体管AMP的栅极Gamp和还用作浮动扩散部FD2的复位晶体管RST(复位晶体管Tr2rst)的一个源极/漏极区域36B2。贯通电极34Y的上端例如经由上第四触点79A、焊盘部69A、上第五触点79B、焊盘部69B以及上第六触点79C连接到读出电极71A。另外，焊盘69C经由上第七触点79D连接至下部电极71的累积电极71B。下部电极71被包括在有机光电转换器70中。
如同根据上述第一实施例的通孔30H，在通孔30H1和30H2的侧面上形成膜厚比第一电介质膜26a小的第二电介质膜26b。在通孔30H1和30H2中形成有贯通电极34X和贯通电极34Y。第一电介质膜26a形成在半导体基板30的第一表面(表面30S1)上。
如上所述，根据本实施例的摄像元件10B具有两个有机光电转换器20和70以及一个无机光电转换器32层叠的构造。作为形成在半导体基板30的第一表面(表面30S1)上以及通孔30H1和30H2的侧面上的电介质膜26，形成在通孔30H1和30H2的侧面上的第二电介质膜26b形成为膜厚小于半导体基板30的第一表面(表面30S1)上的第一电介质膜26a的膜厚。贯通电极34X和34Y分别电连接至有机光电转换器20和70。贯通电极34X和34Y穿过通孔30H1和30H2。这使得能够获得与上述第一实施例类似的效果。
<3.第三实施例>
图15示意性地示出了根据本公开的第三实施例的光电转换元件(摄像元件10C)的截面构造。诸如数码相机或摄像机等电子装置所使用的诸如CMOS图像传感器等摄像装置(摄像装置1)中的一个像素(单位像素P)例如包括摄像元件10C。根据本实施例的有机光电转换器80与上述第一实施例和第二实施例的有机光电转换器的不同之处在于：根据本实施例的有机光电转换器80的构造为，下部电极81、光电转换层24和上部电极25依次层叠，并且下部电极81在像素中形成为固态膜。
在摄像元件10C中，对于每个单位像素P，一个有机光电转换器80以及两个无机光电转换器32B和32R在垂直方向上层叠。有机光电转换器80以及无机光电转换器32B和32R通过选择性地检测不同波长带中各自的光来进行光电转换。具体地，例如，有机光电转换器80如上述第一实施例中那样获取绿色(G)的颜色信号。在半导体基板30的第二表面(表面30S2)上设置有多层布线层90。多层布线层90具有例如布线层91、92、93层叠在绝缘层94中的构造。
有机光电转换器80是吸收与选择的波长带(例如450nm以上且650nm以下)的一部分或全部相对应的光并产生电子-空穴对的有机光电转换元件。如上所述，有机光电转换器80包括例如彼此相对设置的下部电极81和上部电极25以及设置在下部电极81和上部电极25之间的光电转换层24。如图15所示，除了使用固态膜在每个像素中形成下部电极81之外，根据本实施例的有机光电转换器80的下部电极81、光电转换层24和下部电极25均具有与根据上述第一实施例的有机光电转换器20的相应部分相似的构造。
例如，浮动扩散部(浮动扩散层)FD1、FD2和FD3、垂直晶体管(传输晶体管)Tr1、传输晶体管Tr2、放大晶体管(调制元件)AMP以及复位晶体管RST设置在半导体基板30的第二表面(表面30S2)上。
垂直晶体管Tr1是将在无机光电转换器32B中产生和累积的信号电荷(这里为电子)传输到浮动扩散部FD1的传输晶体管。信号电荷对应于蓝色。无机光电转换器32B形成在距半导体基板30的第二表面(表面30S2)较深的位置处，因此，优选地，无机光电转换器32B的传输晶体管包括垂直晶体管Tr1。传输晶体管Tr2将在无机光电转换器32R中产生和累积的与红色相对应的信号电荷传输到浮动扩散部FD2。传输晶体管Tr2包括例如MOS晶体管。放大晶体管AMP是将有机光电转换器80中产生的电荷量调制为电压的调制元件。放大晶体管AMP包括例如MOS晶体管。复位晶体管RST复位从有机光电转换器80传输到浮动扩散部FD3的电荷，并且包括例如MOS晶体管。
下第一触点95和下第二触点96均包括诸如磷掺杂非晶硅(PDAS，PhosphorusDoped Amorphous Silicon)等掺杂硅材料或诸如铝(Al)、钨(W)、钛(Ti)、钴(Co)、铪(Hf)和钽(Ta)等金属材料。
摄像元件10C按如下方式获取各颜色的信号。
(通过有机光电转换器80获取绿色信号)
首先，通过有机光电转换器80选择性地检测(吸收)进入摄像元件10C的光中的绿光，以进行光电转换。
有机光电转换器80经由贯通电极34连接到放大晶体管AMP的栅极Gamp和浮动扩散部FD3。因此，有机光电转换器80中产生的电子-电子对中的电子被从下部电极81侧取出，经由贯通电极34传输到半导体基板30的第二表面(表面30S2)侧，并累积在浮动扩散部FD3中。同时，放大晶体管AMP将有机光电转换器80中产生的电荷量调制为电压。
另外，复位晶体管RST的复位栅极Grst设置在浮动扩散部FD3的旁边。这使得复位晶体管RST复位在浮动扩散部FD3中累积的电荷。
此处，有机光电转换器80经由贯通电极34不仅连接到放大晶体管AMP还连接到浮动扩散部FD3，从而使得复位晶体管RST能够容易地复位在浮动扩散部FD3中累积的电荷。
相反，在贯通电极34和浮动扩散部FD3不连接的情况下，难以复位在浮动扩散部FD3中累积的电荷，导致施加大电压以将电荷拉出到上部电极25侧。光电转换层24可能因此被损坏。另外，能够在短时间内复位的构造会导致暗时噪声增加，并导致权衡利弊的问题。因此，这种构造是困难的。
(通过无机光电转换器32B和32R获取蓝色信号和红色信号)
接下来，通过有机光电转换器80的光中的蓝光和红光分别被无机光电转换器32B和无机光电转换器32R依次吸收并进行光电转换。在无机光电转换器32B中，与入射的蓝光对应的电子累积在无机光电转换器32B的n区域中，并且所累积的电子通过垂直晶体管Tr1传输至浮动扩散部FD1。类似地，在无机光电转换器32R中，与入射的红光对应的电子累积在无机光电转换器32R的n区域中，并且所累积的电子通过传输晶体管Tr2被传输到浮动扩散部FD2。
如上所述，根据本实施例的摄像元件10C具有形成为固态膜的有机光电转换器80。作为形成在半导体基板30的第一表面(表面30S1)上和通孔30H的侧面上的电介质膜26，形成在通孔30H的侧面上的第二电介质膜26b形成为膜厚小于在半导体基板30的第一表面(表面30S1)上的第一电介质膜26a的膜厚。贯通电极34电连接至有机光电转换器80。贯通电极34穿过通孔30H。这使得能够获得与上述第一实施例类似的效果。
<4.变形例>
(4-1.变形例1)
图16示出根据本公开的变形例1的摄像元件(摄像元件10D)的截面构造。诸如数码相机或摄像机等电子装置所使用的诸如CMOS图像传感器等摄像装置(摄像装置1)中的一个像素(单位像素P)例如包括摄像元件10D。根据本变形例的摄像元件10D形成为具有第一电介质膜66a，该第一电介质膜66a设置为在用作光接收表面的半导体基板30的第一表面(表面30S1)上部分地较厚。具体地，第一电介质膜66a被构造为例如在与形成为嵌入在半导体基板30中的无机光电转换器32B和32R相对应的区域中较厚。
根据本变形例的第一电介质膜66a可以形成为单层膜，并且形成为在与无机光电转换器32B和32R相对应的区域中比在其他区域中厚，但是也可以如图16所示形成为电介质膜66A和电介质膜66B的层叠膜。注意，电介质膜66A和电介质膜66B可以通过使用相同的材料形成或通过使用不同的材料形成。
如上所述，在根据本变形例的摄像元件10D中，形成在半导体基板30的第一表面(表面30S1)上的第一电介质膜66a形成为仅在与无机光电转换器32B和32R对应的区域中较厚。即使以这种方式将半导体基板30的第一表面(表面30S1)上的第一电介质膜66a制造为局部较厚，也能够得到与上述第一实施例类似的效果。
(4-2.变形例2)
图17示意性地示出了根据本公开的变形例2的摄像元件(摄像元件10E)的主要部分的构造。在上述的第一实施例至第三实施例以及变形例1中，已经说明了针对每个像素设置贯通电极34的示例，但是形成贯通电极34的位置不限于此。例如，两个以上的像素可以设置有各自的贯通电极34，或者例如如图17所示，贯通电极34可以形成在设于像素部1a(像素区域)的周围的周边部1b(周边区域)中。
<5.应用示例>
(应用示例1)
图18示出了摄像装置(摄像装置1)的整体构造，该摄像装置针对每个像素包括上述第一至第三实施例(或变形例)中描述的摄像元件10A(或摄像元件10B至10E)。该摄像装置1是CMOS图像传感器，并且包括作为摄像区域的像素部1a以及在半导体基板30上的该像素部1a的周边区域中的周边电路部130。周边电路部130例如包括行扫描器131、水平选择器133、列扫描器134和系统控制器132。
像素部1a包括例如以矩阵形式二维布置的多个单位像素P(均对应于摄像元件10)。在这些单位像素P中，像素驱动线Lread(具体地，行选择线和复位控制线)例如按每个像素行布置，并且垂直信号线Lsig按每个像素列布置。像素驱动线Lread分别用于传输用于从像素读出信号的驱动信号。每个像素驱动线Lread的一端连接到与每一行相对应的行扫描器131的输出端。
行扫描器131是像素驱动器，其包括移位寄存器、地址解码器等，并且例如逐行驱动像素部1a的各个单位像素P。从由行扫描器131选择性地扫描的像素行中的各个单位像素P输出的信号通过各个垂直信号线Lsig被提供给水平选择器133。水平选择器133包括针对每个垂直信号线Lsig设置的放大器、水平选择开关等。
列扫描器134包括移位寄存器、地址解码器等，并且在扫描水平选择开关的同时依次驱动水平选择器133的每个水平选择开关。通过该列扫描器134的选择性扫描使得通过各个垂直信号线Lsig传输的各个像素的信号被依次输出到水平信号线135，并通过水平信号线135传输至半导体基板30的外部。
包括行扫描器131、水平选择器133、列扫描器134和水平信号线135的电路部可以直接形成在半导体基板30上或布置在外部控制IC中。另外，这些电路部可以形成在通过电缆等连接的另一基板上。
系统控制器132接收从半导体基板30的外部提供的时钟、关于操作模式的指令的数据等，并且输出诸如摄像装置1的内部信息等数据。系统控制器132还包括产生各种时序信号的时序发生器，并基于由时序发生器产生的各种时序信号来控制诸如行扫描器131、水平选择器133、列扫描器134等周边电路的驱动。
(应用示例2)
上述摄像装置1例如可适用于具有摄像功能的任何类型的电子装置，包括诸如数码相机、摄像机等相机系统，具有摄像功能的移动电话等。图19示出了作为示例的电子装置2(相机)的示意性构造。该电子装置2例如是能够拍摄静止图像或运动图像的摄像机。电子装置2包括摄像装置1、光学系统(光学透镜)310、快门装置311、驱动摄像装置1和快门装置311的驱动器313以及信号处理器312。
光学系统310将来自物体的图像光(入射光)引导至摄像装置1的像素部1a。该光学系统310可以包括多个光学透镜。快门装置311控制对摄像装置1进行光照的时段和遮光的时段。驱动器313控制摄像装置1的传输操作和快门装置311的快门操作。信号处理器312对从摄像装置1输出的信号进行各种信号处理。经过信号处理的图像信号Dout被存储在诸如存储器等存储介质中，或者被输出到监视器等。
此外，上述摄像装置1还可以应用于以下的电子装置(胶囊型内窥镜10100和诸如车辆等移动体)。
(应用示例3)
<体内信息获取系统的应用示例>
此外，根据本公开的技术(本技术)适用于各种产品。例如，根据本公开的技术可以应用于内窥镜手术系统。
图20是示出使用胶囊型内窥镜的患者的体内信息获取系统的示意性构造的示例的框图，可以将根据本公开的实施例的技术(本技术)应用于该胶囊型内窥镜。
体内信息获取系统10001包括胶囊型内窥镜10100和外部控制装置10200。
在检查时患者吞咽胶囊型内窥镜10100。胶囊型内窥镜10100具有摄像功能和无线通信功能，并且在通过蠕动在器官的内部移动一段时间的同时，以预定的时间间隔连续获取诸如胃或肠等器官的内部的图像(下文称为体内图像)，直到患者自然地排出为止。并且，胶囊型内窥镜10100通过无线发射将体内图像的信息连续发送到体外的外部控制装置10200。
外部控制装置10200整体地控制体内信息获取系统10001的操作。而且，外部控制装置10200接收从胶囊型内窥镜10100发送来的体内图像的信息，并基于接收到的体内图像的信息生成用于在显示装置(未图示)上显示体内图像的图像数据。
在体内信息获取系统10001中，在吞咽了胶囊型内窥镜10100之后，能够以这种方式在一段时间内的任何时间获取拍摄了患者身体内部状态的体内图像，直到排出胶囊型内窥镜10100为止。
下面将更详细的说明胶囊型内窥镜10100和外部控制装置10200的结构和功能。
胶囊型内窥镜10100包括胶囊型的壳体10101，在壳体10101中容纳有光源单元10111、摄像单元10112、图像处理单元10113、无线通信单元10114、供电单元10115、电源单元10116和控制单元10117。
光源单元10111例如包括诸如发光二极管(LED)等光源，并且使光照射在摄像单元10112的图像获取视场上。
摄像单元10112包括摄像元件和设置在摄像元件前级的包括多个透镜的光学系统。照射到作为观察目标的身体组织上的光的反射光(下文称为观察光)被光学系统聚集并且被引入到摄像元件中。在摄像单元10112中，入射的观察光由摄像元件进行光电转换，由此产生与观察光对应的图像信号。由摄像单元10112生成的图像信号被提供到图像处理单元10113。
图像处理单元10113包括诸如中央处理单元(CPU)或图形处理单元(GPU)等处理器，并且对由摄像单元10112产生的图像信号进行各种信号处理。图像处理单元10113将已由此进行了信号处理的图像信号作为RAW数据提供给无线通信单元10114。
无线通信单元10114对已由图像处理单元10113进行信号处理的图像信号进行诸如调制处理等预定处理，并将所得到的图像信号通过天线10114A发送到外部控制装置10200。而且，无线通信单元10114通过天线10114A从外部控制装置10200接收有关胶囊型内窥镜10100的驱动控制的控制信号。无线通信单元10114将从外部控制装置10200接收到的控制信号提供到控制单元10117。
供电单元10115包括用于功率接收的天线线圈、用于根据在天线线圈中产生的电流再生电力的功率再生电路、升压电路等。供电单元10115利用非接触充电原理产生电力。
电源单元10116包括蓄电池，并且存储由供电单元10115产生的电力。在图20中，为了避免图示复杂，省略了表示电源单元10116的电力供给目的地的箭头标记等。然而，存储在电源单元10116中的电力被提供给并且能够用于驱动光源单元10111、摄像单元10112、图像处理单元10113、无线通信单元10114和控制单元10117。
控制单元10117包括诸如CPU等处理器，并且根据从外部控制装置10200发送来的控制信号适当地控制光源单元10111、摄像单元10112、图像处理单元10113、无线通信单元10114和供电单元10115的驱动。
外部控制装置10200包括诸如CPU或GPU等处理器、微型计算机、控制板等，其中处理器和诸如存储器等存储元件混合合并。外部控制装置10200通过天线10200A将控制信号发送给胶囊型内窥镜10100的控制单元10117以控制胶囊型内窥镜10100的操作。在胶囊型内窥镜10100中，例如，根据来自外部控制装置10200的控制信号，光源单元10111的光的照射条件可依据观察目标而改变。而且，能够根据来自外部控制装置10200的控制信号改变图像获取条件(例如，摄像单元10112的帧率、曝光值等)。而且，可以根据来自外部控制装置10200的控制信号改变图像处理单元10113处理的内容或者用于从无线通信单元10114发送图像信号的条件(例如，发送时间间隔、发送图像的个数等)。
而且，外部控制装置10200对从胶囊型内窥镜10100发送来的图像信号进行各种图像处理，以生成用于在显示装置上显示所获取的体内图像的图像数据。作为图像处理，例如，能够进行诸如显色处理(去马赛克处理)、图像质量改善处理(带宽增强处理、超分辨率处理、噪声降低(NR)处理和/或图像稳定化处理)和/或放大处理(电子变焦处理)等各种信号处理。外部控制装置10200控制显示装置的驱动以使显示装置基于所产生的图像数据显示所获取的体内图像。或者，外部控制装置10200也可以控制记录装置(未图示)记录所产生的图像数据，或者控制打印装置(未图示)通过打印输出所产生的图像数据。
上文已对可以采用根据本公开的技术的体内信息获取系统的示例进行了说明。根据本公开的技术可以应用于例如上述元件中的摄像单元10112。这提高了检测精度。
(应用示例4)
<内窥镜手术系统的应用示例>
根据本公开的技术(本技术)适用于多种产品。例如，根据本公开的技术可以应用于内窥镜手术系统。
图21是示出应用根据本公开的实施例的技术(本技术)的内窥镜手术系统的示意性构造的示例的图。
在图21中，示出了手术人员(医生)11131使用内窥镜手术系统11000对病床11133上的患者11132进行手术的状态。如图所示，内窥镜手术系统11000包括内窥镜11100、诸如气腹管(pneumoperitoneum tube)11111和能量装置11112等其他手术用具11110、支撑内窥镜11100的支撑臂装置11120、和安装有用于内窥镜手术的各种装置的推车11200。
内窥镜11100包括镜筒11101和摄像头11102，从镜筒11101的末端起的预定长度的区域被插入患者11132的体腔中，摄像头11102连接到镜筒11101的近端。在所示的示例中，示出了包括具有刚性型镜筒11101作为刚性内窥镜的内窥镜11100。然而，还可以包括具有柔性型镜筒11101作为柔性内窥镜的内窥镜11100。
在镜筒11101的末端上具有嵌有物镜的开口。光源装置11203连接到内窥镜11100，使得由光源装置11203产生的光通过在镜筒11101内延伸的光导被引导到镜筒11101的末端，并且该光通过物镜照向患者11132体腔中的观察对象。应当指出，内窥镜11100可以是前视内窥镜(forward-viewing endoscope)，或者可以是斜视内窥镜(oblique-viewingendoscope)或侧视内窥镜(side-viewing endoscope)。
在摄像头11102的内部设置有光学系统和摄像元件，使得来自观察对象的反射光(观察光)被该光学系统聚集在该摄像元件上。观察光经过摄像元件进行光电转换，以产生对应于观察光的电信号，即，对应于观察图像的图像信号。该图像信号作为RAW数据被发送到CCU 11201。
CCU 11201包括中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)等，并且整体地控制内窥镜11100和显示装置11202的操作。此外，CCU 11201接收来自摄像头11102的图像信号，并且例如对该图像信号执行诸如显像处理(去马赛克处理)等用于显示基于该图像信号的图像的各种图像处理。
在CCU 11201的控制下，显示装置11202显示基于图像信号(已经由CCU 11201执行了图像处理)的图像。
例如，光源装置11203包括诸如发光二极管(LED)等光源，并在拍摄手术部位时将照射光提供给内窥镜11100。
输入装置11204是内窥镜手术系统11000的输入接口。用户可以通过输入装置11204执行内窥镜手术系统11000的各种信息输入或指令输入。例如，用户可输入用于改变内窥镜11100的摄像条件(照射光的类型、倍率、焦距等)的指令等。
处置工具控制装置11205控制能量装置11112的驱动，用于组织的烧灼或切割、血管的封合等。气腹装置11206通过气腹管11111将气体送入患者11132的体腔中，从而使体腔膨胀，以便确保内窥镜11100的视野和手术人员的操作空间。记录仪11207是能够记录与手术有关的各种信息的装置。打印机11208是能够打印诸如文本、图像或图表等各种格式的与手术有关的各种信息的装置。
应当指出，在拍摄手术部位时向内窥镜11100提供照射光的光源装置11203可以包括白光源，该白光源例如包括LED、激光光源、或LED和激光光源的组合。在白光源包括红、绿和蓝(RGB)激光光源的组合的情况下，由于能够以高精度来控制各颜色(各波长)的输出强度和输出时序，因此能够通过光源装置11203调整所拍摄的图像的白平衡。另外，在这种情况下，如果来自各RGB激光光源的激光束以时分方式照射观察对象，并且与照射时序同步地控制摄像头11102的摄像元件的驱动，则还可以以时分的方式拍摄分别对应于R、G和B颜色的图像。根据该方法，即使在摄像元件中没有设置滤色器的情况下，也能够获得彩色图像。
另外，可以控制光源装置11203，使得针对各预定时间改变要输出的光强度。通过与光强度变化的时刻同步地控制摄像头11102的摄像元件的驱动来以时分的方式获取图像，并且合成图像，可以产生高动态范围的图像，而没有曝光不足的遮挡阴影和曝光过度的高光。
另外，光源装置11203可以被配置成提供用于特殊光观察的预定波长带的光。在特殊光观察中，例如，与普通观察时的照射光(即，白光)相比，通过利用人体组织中的光吸收的波长依赖性来发射窄带光，以高对比度执行拍摄诸如黏膜表层的血管等预定组织的窄带观察(窄带摄像)。可替代地，在特殊光观察中，可以执行根据发射激发光而产生的荧光来获得图像的荧光观察。在荧光观察中，可以利用激发光照射人体组织来观察来自该人体组织的荧光(自发荧光观察)，或者可以将诸如吲哚菁绿(ICG：indocyanine green)等试剂局部注射到人体组织中，并且利用与该试剂的荧光波长对应的激发光照射人体组织，来获得荧光图像。光源装置11203可被构造成提供适用于如上所述特殊光观察的这种窄带光和/或激发光。
图22是示出图21所示的摄像头11102和CCU 11201的功能构造的示例的框图。
摄像头11102包括透镜单元11401、摄像单元11402、驱动单元11403、通信单元11404和摄像头控制单元11405。CCU 11201包括通信单元11411、图像处理单元11412和控制单元11413。摄像头11102和CCU 11201通过传输线缆11400连接以彼此通信。
透镜单元11401是设置在与镜筒11101连接位置处的光学系统。从镜筒11101的末端所获取的观察光被引导到摄像头11102，并入射到透镜单元11401中。透镜单元11401包括多个透镜(包括变焦透镜和聚焦透镜)的组合。
摄像单元11402所包括的摄像元件的数目可以是一个(单板型)或者多个(多板型)。例如，在摄像单元11402由多板型摄像元件构成的情况下，摄像元件产生与各R、G和B对应的图像信号，并可以合成这些图像信号，从而获得彩色图像。摄像单元11402也可以被构造成具有一对摄像元件，用于获取三维(3D)显示用的右眼和左眼的各图像信号。如果执行3D显示，则手术人员11131可以更精确地掌握手术部位中的活体组织的深度。应当指出，在摄像单元11402由立体型摄像元件构成的情况下，与每个摄像元件对应地设置多系统的透镜单元11401。
另外，摄像单元11402并非必须设置在摄像头11102上。例如，摄像单元11402可以设置在镜筒11101内且紧跟在物镜的后方。
驱动单元11403包括致动器，并且在摄像头控制单元11405的控制下将透镜单元11401的变焦透镜和聚焦透镜沿着光轴移动预定距离。因此，能够适当地调整通过摄像单元11402而获得的拍摄图像的倍率和焦点。
通信单元11404包括用于向CCU 11201发送各种信息和从CCU 11201接收各种信息的通信装置。通信单元11404将从摄像单元11402获得的图像信号作为RAW数据通过传输线缆11400发送到CCU 11201。
另外，通信单元11404从CCU 11201接收用于控制摄像头11102的驱动的控制信号，并将该控制信号提供给摄像头控制单元11405。例如，控制信号包括与摄像条件相关的信息，例如，规定所拍摄图像的帧率的信息、规定摄像时的曝光值的信息、和/或规定所拍摄图像的倍率和焦点的信息等。
应当指出，诸如帧率、曝光值、倍率或焦点等摄像条件可以由用户指定，或者可以由CCU 11201的控制单元11413基于所获取的图像信号来自动地设置。在后一种情况下，自动曝光(AE：auto exposure)功能、自动聚焦(AF：auto focus)功能和自动白平衡(AWB：autowhite balance)功能都被合并在内窥镜11100中。
摄像头控制单元11405基于通过通信单元11404接收的来自CCU 11201的控制信号来控制摄像头11102的驱动。
通信单元11411包括用于向摄像头11102发送各种信息和从摄像头11102接收各种信息的通信装置。通信单元11411接收通过传输线缆11400从摄像头11102发送来的图像信号。
另外，通信单元11411将用于控制摄像头11102的驱动的控制信号发送到摄像头11102。该图像信号和控制信号能够通过电通信、光通信等进行传输。
图像处理单元11412对从摄像头11102发送来的RAW数据形式的图像信号执行各种图像处理。
控制单元11413执行与内窥镜11100对手术部位等进行摄像有关的各种控制，以及与对手术部位等进行摄像而获得的拍摄图像的显示有关的各种控制。例如，控制单元11413产生用于控制摄像头11102的驱动的控制信号。
另外，基于已经由图像处理单元11412执行了图像处理的图像信号，控制单元11413控制显示装置11202显示拍摄有手术部位等的拍摄图像。随即，控制单元11413可以利用各种图像识别技术来识别所拍摄的图像中的各种物体。例如，控制单元11413通过检测所拍摄图像中包括的物体的边缘的形状、颜色等，能够识别出诸如镊子等手术用具、特定活体部位、出血、在使用能量装置11112时的薄雾等。当控制单元11413控制显示装置11202显示所拍摄的图像时，控制单元11413可以利用识别结果使得各种手术辅助信息以与手术部位的图像叠加的方式显示。在手术辅助信息以叠加的方式显示并且呈现给手术人员11131的情况下，能够减少手术人员11131的负担，并且可以使手术人员11131确定无疑地进行手术。
将摄像头11102和CCU 11201彼此连接的传输线缆11400是用于电信号的通信的电信号线缆、用于光通信的光纤、或者用于电通信和光通信二者的复合线缆。
这里，在所示的示例中，尽管通过使用传输线缆11400的有线通信方式执行通信，但是也可以以无线通信方式执行摄像头11102与CCU 11201之间的通信。
上文已经说明了可采用根据本公开的技术的内窥镜手术系统的示例。根据本公开的技术可以应用于上述元件中的摄像单元11402。将根据本公开的技术应用于摄像单元11402可以提高检测精度。
应当指出，尽管这里已经将内窥镜手术系统作为示例进行了说明，但是根据本公开的技术还可以应用于例如显微镜手术系统等。
(应用示例5)
<移动体的应用示例>
根据本公开的技术可以应用于各种产品。例如，根据本公开的技术可以实现为安装到以下任何一种移动体的装置：汽车、电动汽车、混合动力电动汽车、摩托车、自行车、个人移动装置、飞机、无人机、船、机器人、建筑机械或农业机械(拖拉机)等。
图23是示出车辆控制系统的示意结构的示例的框图，该车辆控制系统作为采用了根据本公开实施例的技术的移动体控制系统的示例。
车辆控制系统12000包括经由通信网络12001彼此连接的多个电子控制单元。在图23所示的示例中，车辆控制系统12000包括驱动系统控制单元12010、主体系统控制单元12020、车外信息检测单元12030、车内信息检测单元12040和集成控制单元12050。另外，示出了微型计算机12051、声音/图像输出部12052和车载网络接口(I/F)12053作为集成控制单元12050的功能性配置。
驱动系统控制单元12010根据各种程序控制有关车辆的驱动系统的装置的操作。例如，驱动系统控制单元12010用作以下装置的控制装置，用于产生车辆的驱动力的驱动力生成装置(诸如内燃机、驱动电机等)、用于将驱动力传输给车轮的驱动力传输机构、用于调节车辆的转向角度的转向机构、用于产生车辆的制动力的制动装置等。
主体系统控制单元12020根据各种程序控制设于车辆主体的各种装置的操作。例如，主体系统控制单元12020用作控制装置，用于无钥匙进入系统、智能钥匙系统、电动车窗装置或者诸如前照灯、备用灯、制动灯、转向信号、雾灯等各种灯。在此情况下，代替钥匙的从移动装置发送的无线电波或者各种开关的信号能够被输入到主体系统控制单元12020。主体系统控制单元12020接收这些输入的无线电波或信号，并且控制车辆的门锁装置、电动车窗装置、灯等。
车外信息检测单元12030检测有关包括车辆控制系统12000的车辆的外部的信息。例如，车外信息检测单元12030与摄像部12031相连。车外信息检测单元12030使摄像部12031对车辆外部的图像进行成像，并且接收所成像的图像。基于所接收到的图像，车外信息检测单元12030可以进行检测诸如路面上的人、车辆、障碍物、标记、符号等目标的处理，或者进行检测到此处的距离的处理。
摄像部12031是接收光的光学传感器，并且输出与接收到的光的光量对应的电信号。摄像部12031能够输出电信号作为图像，或者能够输出电信号作为有关测得距离的信息。另外，由摄像部12031接收到的光可以是可见光，或者可以是诸如红外线等不可见光。
车内信息检测单元12040检测有关车辆内部的信息。车内信息检测单元12040例如与检测驾驶员状态的驾驶员状态检测部12041相连。驾驶员状态检测部12041例如包括拍摄驾驶员的相机。根据从驾驶员状态检测部12041输入的检测信息，车内信息检测单元12040可计算驾驶员的疲劳程度或驾驶员的专心程度，或者可判断驾驶员是否打瞌睡。
微型计算机12051能够基于通过车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的有关车辆的内部或外部的信息，计算用于驱动力生成装置、转向机构或制动装置的控制目标值，并且将控制命令输出到驱动系统控制单元12010。例如，微型计算机12051能够进行用于实施高级驾驶员辅助系统(ADAS)的功能的协同控制，该功能包括车辆的防止碰撞或减震、基于行车间距的跟随驾驶、车速保持驾驶、车辆碰撞警告、车辆偏离车道的警告等。
另外，微型计算机12051能够基于通过车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的有关车辆的外部或内部的信息，通过控制驱动力生成装置、转向机构、制动装置等，进行用于自动驾驶(使车辆自主行驶而无需依靠驾驶员的操作)等的协同控制。
另外，微型计算机12051能够基于通过车外信息检测单元12030获得的有关车辆外部的信息将控制命令输出到主体系统控制单元12020。例如，微型计算机12051能够根据车外信息检测单元12030检测到的前面车辆或迎面来车的位置，例如通过控制前照灯以从远光改变为近光，进行用于避免刺眼强光的协同控制。
声音/图像输出部12052将声音和图像中的至少一者的输出信号发送到能够在视觉或听觉上向车辆的使用者或车辆外部指示信息的输出装置。在图23的示例中，示出了音频扬声器12061、显示部12062和仪表板12063作为输出装置。显示部12062例如可包括车载显示器和平视显示器(head-up display)中的至少一者。
图24是示出摄像部12031的安装位置的示例的图。
在图24中，摄像部12031包括摄像部12101、12102、12103、12104和12105。
摄像部12101、12102、12103、12104和12105例如布置在车辆12100的前鼻、侧视镜、后保险杠和后门位置以及在车辆内部的挡风玻璃的上部的位置。设于前鼻的摄像部12101和设在车辆内部的挡风玻璃的上部的摄像部12105主要获取车辆12100的前方的图像。设于侧视镜处的摄像部12102和12103主要获取车辆12100的侧面的图像。设于后保险杠或后门的摄像部12104主要获取车辆12100的后方的图像。设在车辆内部的挡风玻璃的上部的摄像部12105主要用于检测前方车辆、行人、障碍物、信号、交通标志、车道等。
另外，图24示出了摄像部12101到12104的摄像范围的示例。摄像范围12111表示设于前鼻的摄像部12101的摄像范围。摄像范围12112和12113分别表示设于侧视镜处的摄像部12102和12103的摄像范围。摄像范围12114表示设于后保险杠或后门的摄像部12104的摄像范围。例如，从上方所视的车辆12100的鸟瞰图可通过叠加由摄像部12101到12104拍摄的图像数据来获得。
摄像部12101到12104中的至少一者可具有获取距离信息的功能。例如，摄像部12101到12104中的至少一者可以是由多个摄像元件构成的立体照相机，或者可以是具有用于相位差检测的像素的摄像元件。
例如，微型计算机12051能够基于从摄像部12101到12104获得的距离信息判断到摄像范围12111到12114内每个三维目标的距离以及距离的时间变化(相对车辆12100的相对速度)，并由此提取最近的三维目标(尤其是处于车辆12100的行驶路径上并且以预定速度(例如，等于或大于0km/小时)在与车辆12100基本相同的方向上行驶)作为前行车辆。而且，微型计算机12051能够预先设定要保持的距前方车辆的跟随距离，并且进行自动制动控制(包括跟随停止控制)、自动加速控制(包括跟随启动控制)等。因此，能够进行用于自动驾驶(使车辆自主行驶而无需依靠驾驶员的操作等)的协同控制。
例如，微型计算机12051能够基于从摄像部12101到12104获得的距离信息将有关三维目标的三维目标数据分类成两轮车辆、标准型车辆、大型车辆、行人、公用电线杆和其它三维目标的三维目标数据，选取分类的三维目标数据，并将选取的三维目标数据用于自动避开障碍物。例如，微型计算机12051将车辆12100周围的障碍物识别为车辆12100的驾驶员能够视觉辨识的障碍物和车辆12100的驾驶员难以视觉辨识的障碍物。另外，微型计算机12051判断表明与各障碍物相碰撞的风险的碰撞风险。在碰撞风险等于或高于设定值并且因而有可能碰撞的情况下，微型计算机12051通过音频扬声器12061或显示部12062向驾驶员输出警告，并通过驱动系统控制单元12010进行强制减速或转向避让。微型计算机12051由此能够辅助驾驶而避免碰撞。
摄像部12101到12104中的至少一者可以是检测红外线的红外相机。微型计算机12051例如能够通过判断在摄像部12101到12104的拍摄图像中是否有行人来识别行人。例如，通过在作为红外相机的摄像部12101到12104的拍摄图像中提取特征点的步骤，以及通过对表示目标的轮廓的一系列特征点进行图案匹配处理来判断是否是行人的步骤，来实现这种行人的识别。当微型计算机12051判断在摄像部12101到12104的拍摄图像中有行人，并因此识别出行人时，声音/图像输出部12052控制显示部12062，使得显示用于强调的方形轮廓线以叠加在识别出的行人上。声音/图像输出部12052也可以控制显示部12062，使得在期望位置处显示表示行人的图标等。
尽管已经参考第一实施例和第三实施例、变形例1和变形例2以及应用示例进行了描述，但是本公开的内容不限于上述实施例等。本公开可以以各种方式改变。例如，在上述实施例中，摄像元件具有其中检测绿光的有机光电转换器20以及分别检测蓝光和红光的无机光电转换器32B和32R层叠的构造。然而，本公开的内容不限于这种构造。即，有机光电转换器可以检测红光或蓝光，或者无机光电转换器可以各自检测绿光。
另外，这些有机光电转换器和无机光电转换器的数量或它们之间的比例不受限制。可以仅通过有机光电转换器获得多种颜色的颜色信号。
另外，在上述实施例等中，说明了下部电极21所包括的多个电极包括读出电极21A和累积电极21B两个电极的示例。但是，可以另外设置包括传输电极、放电电极等的三个或四个以上的电极。
要注意的是，本文描述的效果仅仅是示例，而不是限制性的。此外，可以存在其他效果。
要注意的是，本公开可以具有以下构造。
(1)
摄像元件，其包括：
半导体基板，其具有彼此相对的一个表面和另一个表面，所述半导体基板具有在所述一个表面和所述另一个表面之间贯通的通孔；
第一光电转换器，其设置在所述半导体基板的所述一个表面上方；
贯通电极，其电连接到所述第一光电转换器，所述贯通电极在所述通孔内贯通所述半导体基板；
第一电介质膜，其设置在所述半导体基板的所述一个表面上，所述第一电介质膜具有第一膜厚；以及
第二电介质膜，其设置在所述通孔的侧面上，所述第二电介质膜具有第二膜厚，所述第二膜厚小于所述第一膜厚。
(2)
根据(1)所述的摄像元件，其中，
所述半导体基板还包括在所述另一个表面侧的放大晶体管和浮动扩散层，并且
所述贯通电极电连接至所述放大晶体管和所述浮动扩散层中的至少一者。
(3)
根据(1)或(2)所述的摄像元件，其中，所述第一电介质膜和所述第二电介质膜中的至少一者包括层叠膜。
(4)
根据(1)至(3)中任一项所述的摄像元件，其中，
所述第一电介质膜的所述第一膜厚为10nm以上且1000nm以下，并且
所述第二电介质膜的所述第二膜厚为1nm以上且200nm以下。
(5)
根据(1)至(4)中任一项所述的摄像元件，其中，所述第一电介质膜在所述半导体基板上的区域间膜厚不同。
(6)
根据(1)至(5)中任一项所述的摄像元件，其中，
第二光电转换器形成为嵌入在所述半导体基板中，并且
所述第一电介质膜的在所述第二光电转换器上方的膜厚大于在所述贯通电极周围的区域中的膜厚。
(7)
根据(1)至(6)中任一项所述的摄像元件，其中，所述第一电介质膜是通过使用在所述半导体基板上的区域间不同的材料形成。
(8)
根据(1)至(7)中任一项所述的摄像元件，其中，所述第一电介质膜和所述第二电介质膜各自包括以下的至少一者：具有负固定电荷的材料，以及带隙比所述半导体基板的带隙宽的半导体材料或导电材料。
(9)
根据(1)至(8)中任一项所述的摄像元件，其中，
所述第二电介质膜在所述一个表面附近的区域和所述另一个表面附近的区域具有不同的膜厚，并且
所述一个表面附近的区域中的膜厚大于所述另一个表面附近的区域中的膜厚。
(10)
根据(1)至(9)中的任一项所述的摄像元件，其中，所述贯通电极在所述通孔内的所述贯通电极的周围包括绝缘膜。
(11)
根据(1)至(10)中任一项所述的摄像元件，其中，
所述半导体基板包括在平面方向上的多个像素，并且
所述贯通电极针对每个所述像素设置。
(12)
根据(1)至(11)中任一项所述的摄像元件，其中，
所述半导体基板包括在平面方向上的多个像素，并且
针对两个以上的所述像素设置各所述贯通电极。
(13)
根据(1)至(12)中的任一项所述的摄像元件，其包括在所述半导体基板的平面方向上的像素区域和周边区域，所述周边区域围绕所述像素区域，其中，
所述贯通电极设置在所述周边区域中。
(14)
根据(1)至(13)中任一项所述的摄像元件，其中，所述第一光电转换器包括第一电极和第二电极以及有机光电转换层，并且所述第一电极包括多个电极，所述第一电极和所述第二电极彼此相对地布置，所述有机光电转换层设置在所述第一电极和所述第二电极之间。
(15)
根据(6)至(14)中的任一项所述的摄像元件，还包括在所述半导体基板内的第三光电转换器，所述第三光电转换器层叠在所述第二光电转换器上。
(16)
根据(6)至(14)中的任一项所述的摄像元件，还包括在所述半导体基板的所述一个表面上方的第三光电转换器，所述第三光电转换器层叠在所述第一光电转换器上。
(17)
根据(1)至(16)中任一项所述的摄像元件，其中，在所述半导体基板的所述另一个表面上形成有多层布线层。
(18)
摄像装置，其包括：
多个像素，所述多个像素各自设有一个或多个摄像元件，
所述摄像元件各自包括：
半导体基板，其具有彼此相对的一个表面和另一个表面，所述半导体基板具有在所述一个表面和所述另一个表面之间贯通的通孔；
第一光电转换器，其设置在所述半导体基板的所述一个表面上方；
贯通电极，其电连接到所述第一光电转换器，所述贯通电极在所述通孔内贯通所述半导体基板；
第一电介质膜，其设置在所述半导体基板的所述一个表面上，所述第一电介质膜具有第一膜厚；以及
第二电介质膜，其设置在所述通孔的侧面上，所述第二电介质膜具有第二膜厚，所述第二膜厚小于所述第一膜厚。
本申请要求于2018年7月17日向日本专利局提交的日本专利申请No.2018-134286的优先权，其全部内容通过引用并于本申请中。
本领域技术人员应当理解，取决于设计要求和其他因素，可以进行各种变形、组合、子组合和改变，只要它们在所附权利要求或其等同物的范围内即可。

Claims (18)

1.一种摄像元件，其包括：
半导体基板，其具有彼此相对的一个表面和另一个表面，所述半导体基板具有在所述一个表面和所述另一个表面之间贯通的通孔；
第一光电转换器，其设置在所述半导体基板的所述一个表面上方；
贯通电极，其电连接到所述第一光电转换器，所述贯通电极在所述通孔内贯通所述半导体基板；
第一电介质膜，其设置在所述半导体基板的所述一个表面上，所述第一电介质膜具有第一膜厚；以及
第二电介质膜，其设置在所述通孔的侧面上，所述第二电介质膜具有第二膜厚，所述第二膜厚小于所述第一膜厚。
2.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，
所述半导体基板还包括在所述另一个表面侧的放大晶体管和浮动扩散层，并且
所述贯通电极电连接至所述放大晶体管和所述浮动扩散层中的至少一者。
3.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，所述第一电介质膜和所述第二电介质膜中的至少一者由层叠膜构成。
4.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，
所述第一电介质膜的所述第一膜厚为10nm以上且1000nm以下，并且
所述第二电介质膜的所述第二膜厚为1nm以上且200nm以下。
5.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，所述第一电介质膜在所述半导体基板上的区域间膜厚不同。
6.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，
所述半导体基板形成为嵌入有第二光电转换器，并且
所述第一电介质膜的在所述第二光电转换器上方的膜厚大于在所述贯通电极周围的区域中的膜厚。
7.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，所述第一电介质膜是通过使用在所述半导体基板上的区域间不同的材料形成。
8.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，所述第一电介质膜和所述第二电介质膜各自包括以下的至少一者：具有负固定电荷的材料，以及带隙比所述半导体基板的带隙宽的半导体材料或导电材料。
9.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，
所述第二电介质膜在所述一个表面附近的区域和所述另一个表面附近的区域具有不同的膜厚，并且
所述一个表面附近的区域中的膜厚大于所述另一个表面附近的区域中的膜厚。
10.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，所述贯通电极在所述通孔内的所述贯通电极的周围包括绝缘膜。
11.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，
所述半导体基板包括在平面方向上的多个像素，并且
所述贯通电极针对每个所述像素设置。
12.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，
所述半导体基板包括在平面方向上的多个像素，并且
针对两个以上的所述像素设置各所述贯通电极。
13.根据权利要求1所述的摄像元件，其包括在所述半导体基板的平面方向上的像素区域和周边区域，所述周边区域围绕所述像素区域，其中，
所述贯通电极设置在所述周边区域中。
14.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，所述第一光电转换器包括第一电极和第二电极以及有机光电转换层，并且所述第一电极由多个电极构成，所述第一电极和所述第二电极彼此相对地布置，所述有机光电转换层设置在所述第一电极和所述第二电极之间。
15.根据权利要求6所述的摄像元件，还包括在所述半导体基板内的第三光电转换器，所述第三光电转换器层叠在所述第二光电转换器上。
16.根据权利要求6所述的摄像元件，还包括在所述半导体基板的所述一个表面上方的第三光电转换器，所述第三光电转换器层叠在所述第一光电转换器上。
17.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，在所述半导体基板的所述另一个表面上形成有多层布线层。
18.一种摄像装置，其包括：
多个像素，所述多个像素各自设有一个或多个摄像元件，
所述摄像元件各自包括：
半导体基板，其具有彼此相对的一个表面和另一个表面，所述半导体基板具有在所述一个表面和所述另一个表面之间贯通的通孔；
第一光电转换器，其设置在所述半导体基板的所述一个表面上方；
贯通电极，其电连接到所述第一光电转换器，所述贯通电极在所述通孔内贯通所述半导体基板；
第一电介质膜，其设置在所述半导体基板的所述一个表面上，所述第一电介质膜具有第一膜厚；以及
第二电介质膜，其设置在所述通孔的侧面上，所述第二电介质膜具有第二膜厚，所述第二膜厚小于所述第一膜厚。
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