DE112022003082T5 - Bildgebungselement und elektronische einrichtung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Technologie betrifft ein Bildgebungselement und eine elektronische Einrichtung, bei denen der Dynamikumfang einer Fotodiode erhöht wird. Das Bildgebungselement umfasst Folgendes: eine fotoelektrische Umwandlungseinheit zum Umwandeln von Licht in elektrische Ladung; drei oder mehr Speicherungseinheiten zum temporären Speichern von elektrischer Ladung; eine Transfereinheit zum Transferieren von elektrischer Ladung von der fotoelektrischen Umwandlungseinheit zu der Speicherungseinheit; und eine Umwandlungseffizienzschalteinheit zum Steuern des Zustands eines elektrischen Durchgangs zwischen den Speicherungseinheiten. Von den drei oder mehr Speicherungseinheiten sind wenigstens zwei kapazitive Elemente. Die drei oder mehr Speicherungseinheiten speichern elektrische Ladung, die von der fotoelektrischen Umwandlungseinheit übergelaufen ist. Die vorliegende Technologie ist zum Beispiel auf ein Bildgebungselement zum Erfassen eines Bildes anwendbar.

Description

  • [Technisches Gebiet]
  • Die vorliegende Technologie betrifft ein Bildgebungselement und eine elektronische Einrichtung und betrifft zum Beispiel ein Bildgebungselement und eine elektronische Einrichtung, die zum Ermöglichen einer Dynamikumfangerweiterung und des Erhaltens von Bildern mit höherer Qualität konfiguriert sind.
  • [Hintergrund]
  • Im Allgemeinen werden Bildgebungselemente, wie etwa CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor - komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter)-Bildsensoren und CCDs (Charge Coupled Devices - ladungsgekoppelte Vorrichtungen) weithin in digitalen Fotokameras, digitalen Videokameras und dergleichen verwendet. Die Verbesserung der Charakteristiken von Bildgebungselementen wird gefordert und zum Beispiel wird eine Dynamikumfangerweiterung gefordert. In PTL 1 sind mehrere kapazitive Speicherungselemente, die zum Akkumulieren von Überlaufladungen von Fotodioden konfiguriert sind, enthalten und entsprechend wird das Erzielen einer Dynamikumfangerweiterung vorgeschlagen.
  • [Zitatliste]
  • [Patentliteratur]
  • [PTL 1] Japanisches Patent, Offenlegungs-Nr. 2006-245522
  • [Kurzdarstellung]
  • [Technisches Problem]
  • Um zu ermöglichen, dass Überlaufladungen von einer Fotodiode in einem kapazitiven Speicherungselement akkumuliert werden, ist es erforderlich, eine Überlaufbarriere eines Transfertransistors, der zum Transferieren von Ladungen von der Fotodiode konfiguriert ist, auf einen niedrigen Pegel einzustellen. In einem solchen Fall besteht eine Möglichkeit, dass die Qs (Sättigungsladungsmenge) der Fotodiode abnimmt. Es wird gefordert, eine Dynamikumfangerweiterung ohne eine Abnahme der Sättigungsladungsmengen von Fotodioden zu ermöglichen.
  • Die vorliegende Technologie erfolgte in Anbetracht solcher Umstände und ermöglicht eine Dynamikumfangerweiterung.
  • [Lösung des Problems]
  • Ein erstes Bildgebungselement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Technologie ist ein Bildgebungselement, das Folgendes beinhaltet: einen fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt, der zum Umwandeln von Licht in eine Ladung konfiguriert ist, drei oder mehr Akkumulationsabschnitte, die zum temporären Akkumulieren der Ladung konfiguriert sind, einen Transferabschnitt, der zum Transferieren der Ladung von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt zu den Akkumulationsabschnitten konfiguriert ist, und einen Umwandlungseffizienzschaltabschnitt, der zum Steuern eines Leitungszustands zwischen den Akkumulationsabschnitten konfiguriert ist, wobei wenigstens zwei Umwandlungsabschnitte der drei oder mehr Akkumulationsabschnitte jeweils ein kapazitives Element sind, und die drei oder mehr Akkumulationsabschnitte eine Überlaufladung von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt akkumulieren.
  • Ein zweites Bildgebungselement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Technologie ist ein Bildgebungselement, das Folgendes beinhaltet: einen fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt, einen Transfertransistor, der mit dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt verbunden ist, eine Floating-Diffusion, die mit dem Transfertransistor verbunden ist, einen ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor, der mit der Floating-Diffusion verbunden ist, einen zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor, der mit dem ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor verbunden ist, einen Rücksetztransistor, der mit dem zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor verbunden ist, einen ersten Akkumulationsabschnitt, und einen zweiten Akkumulationsabschnitt, wobei der erste Akkumulationsabschnitt zwischen dem ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor und dem zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor verbunden ist, der zweite Akkumulationsabschnitt zwischen dem zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor und dem Rücksetztransistor verbunden ist, und die Floating-Diffusion eine Ladung akkumuliert, die von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt übergelaufen ist.
  • Eine elektronische Einrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Technologie ist eine elektronische Einrichtung, die Folgendes beinhaltet: ein Bildgebungselement, das Folgendes beinhaltet: einen fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt, der zum Umwandeln von Licht in eine Ladung konfiguriert ist, drei oder mehr Akkumulationsabschnitte, die zum temporären Akkumulieren der Ladung konfiguriert sind, einen Transferabschnitt, der zum Transferieren der Ladung von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt zu den Akkumulationsabschnitten konfiguriert ist, einen Umwandlungseffizienzschaltabschnitt, der zum Steuern eines Leitungszustands zwischen den Akkumulationsabschnitten konfiguriert ist, wobei wenigstens zwei Umwandlungsabschnitte der drei oder mehr Akkumulationsabschnitte jeweils ein kapazitives Element sind, und wobei die drei oder mehr Akkumulationsabschnitte jeweils eine Überlaufladung von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt akkumulieren, und eine Verarbeitungseinheit, die zum Verarbeiten eines Signals von dem Bildgebungselement konfiguriert ist.
  • Das erste Bildgebungselement gemäß dem einem Aspekt der vorliegenden Technologie beinhaltet Folgendes: den fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt, der zum Umwandeln von Licht in eine Ladung konfiguriert ist, die drei oder mehr Akkumulationsabschnitte, die zum temporären Akkumulieren der Ladung konfiguriert sind, den Transferabschnitt, der zum Transferieren der Ladung von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt zu den Akkumulationsabschnitten konfiguriert ist, und den Umwandlungseffizienzschaltabschnitt, der zum Steuern eines Leitungszustands zwischen den Akkumulationsabschnitten konfiguriert ist. Wenigstens zwei Umwandlungsabschnitte der drei oder mehr Akkumulationsabschnitte sind jeweils ein kapazitives Element, und die drei oder mehr Akkumulationsabschnitte akkumulieren eine Überlaufladung von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt.
  • Das zweite Bildgebungselement gemäß dem einem Aspekt der vorliegenden Technologie beinhaltet Folgendes: den fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt, den Transfertransistor, der mit dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt verbunden ist, die Floating-Diffusion, die mit dem Transfertransistor verbunden ist, den ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor, der mit der Floating-Diffusion verbunden ist, den zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor, der mit dem ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor verbunden ist, den Rücksetztransistor, der mit dem zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor verbunden ist, den ersten Akkumulationsabschnitt, und den zweiten Akkumulationsabschnitt. Der erste Akkumulationsabschnitt ist zwischen dem ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor und dem zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor verbunden, der zweite Akkumulationsabschnitt ist zwischen dem zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor und dem Rücksetztransistor verbunden, und die Floating-Diffusion akkumuliert eine Ladung, die von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt übergelaufen ist.
  • Die elektronische Einrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Technologie ist so konfiguriert, dass sie das erste Bildgebungselement beinhaltet.
  • Es wird angemerkt, dass die elektronische Einrichtung eine unabhängige Einrichtung oder ein interner Block sein kann, der eine einzige Einrichtung bildet.
  • [Kurze Beschreibung der Zeichnungen]
    • [1] 1 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Konfiguration einer Bildgebungsvorrichtung einer Ausführungsform darstellt, auf die die vorliegende Technologie angewandt wird.
    • [2] 2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Schaltkreiskonfiguration eines Pixels darstellt.
    • [3] 3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Querschnittskonfiguration des Pixels darstellt.
    • [4] 4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Querschnittskonfiguration eines Pixels bei einer zweiten Ausführungsform darstellt.
    • [5] 5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Schaltkreiskonfiguration des Pixels bei der zweiten Ausführungsform darstellt.
    • [6] 6 ist ein Diagramm, die ein Beispiel für eine Schaltkreiskonfiguration eines Pixels bei einer dritten Ausführungsform darstellt.
    • [7] 7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Querschnittskonfiguration des Pixels bei der dritten Ausführungsform darstellt.
    • [8] 8 ist ein Diagramm, das eine Operation des Pixels darstellt.
    • [9] 9 ist ein Diagramm, die ein Beispiel für eine Schaltkreiskonfiguration eines Pixels bei einer vierten Ausführungsform darstellt.
    • [10] 10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Querschnittskonfiguration des Pixels bei der vierten Ausführungsform darstellt.
    • [11] 11 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Verdrahtungskapazität darstellt.
    • [12] 12 ist ein Diagramm, das Beispiele für Schaltkreiskonfigurationen von Pixeln bei einer fünften Ausführungsform darstellt.
    • [13] 13 ist ein Diagramm, das Beispiele für Querschnittskonfigurationen der Pixel bei der fünften Ausführungsform darstellt.
    • [14] 14 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Querschnittskonfiguration eines Pixels bei einer sechsten Ausführungsform darstellt.
    • [15] 15 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Schaltkreiskonfiguration des Pixels bei der sechsten Ausführungsform darstellt.
    • [16] 16 ist ein Diagramm, die ein Beispiel für eine Schaltkreiskonfiguration eines Pixels bei einer siebten Ausführungsform darstellt.
    • [17] 17 ist ein Diagramm, das eine Herstellung des Pixels darstellt.
    • [18] 18 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine elektronische Einrichtung darstellt.
    • [19] 19 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für eine schematische Konfiguration eines endoskopischen Chirurgiesystems darstellt.
    • [20] 20 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine funktionale Konfiguration eines Kamerakopfes und einer Kamerasteuereinheit (CCU) darstellt.
  • [Beschreibung von Ausführungsformen]
  • Nun werden Weisen zum Ausführen der vorliegenden Technologie (nachfolgend als eine „Ausführungsform“ bezeichnet) beschrieben.
  • <Beispiel für eine Konfiguration der Bildgebungsvorrichtung>
  • 1 stellt ein Beispiel für eine Konfiguration einer Bildgebungsvorrichtung bei einer Ausführungsform dar, auf die die vorliegende Technologie angewandt wird.
  • Eine Bildgebungsvorrichtung 1 aus 1 beinhaltet einen Pixelarrayabschnitt 3, in dem Pixel 2 in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind, und einen Peripherieschaltkreisabschnitt um den Pixelarrayabschnitt 3 herum. Der Peripherieschaltkreisabschnitt beinhaltet einen Vertikalansteuerungsschaltkreis 4, Spaltensignalverarbeitungsschaltkreise 5, einen Horizontalansteuerungsschaltkreis 6, einen Ausgabeschaltkreis 7, einen Steuerschaltkreis 8 und dergleichen.
  • Das Pixel 2 beinhaltet eine Fotodiode, die als ein fotoelektrisches Umwandlungselement dient, und mehrere Pixeltransistoren. Die mehreren Pixeltransistoren sind MOS-Transistoren und beinhalten zum Beispiel einen Transfertransistor, einen Auswahltransistor, einen Rücksetztransistor, einen Verstärkungstransistor und dergleichen.
  • Der Steuerschaltkreis 8 empfängt Eingabetakte und Daten über Betriebsmodusanweisungen und dergleichen und gibt Daten, wie etwa interne Informationen bezüglich der Bildgebungsvorrichtung 1, aus. Das heißt, basierend auf einem Vertikalsynchronisationssignal, einem Horizontalsynchronisationssignal und einem Master-Takt erzeugt der Steuerschaltkreis 8 ein Taktsignal und ein Steuersignal, basierend auf denen der Vertikalansteuerungsschaltkreis 4, die Spaltensignalverarbeitungsschaltkreise 5, der Horizontalansteuerungsschaltkreis 6 und dergleichen arbeiten. Der Steuerschaltkreis 8 gibt das erzeugte Taktsignal und Steuersignal an den Vertikalansteuerungsschaltkreis 4, die Spaltensignalverarbeitungsschaltkreise 5 und den Horizontalansteuerungsschaltkreis 6 und dergleichen aus.
  • Der Vertikalansteuerungsschaltkreis 4 beinhaltet zum Beispiel ein Schieberegister. Der Vertikalansteuerungsschaltkreis 4 wählt eine vorbestimmte Pixelansteuerungsleitung 10 aus und versorgt die ausgewählte Pixelansteuerungsleitung 10 mit einem Impuls zum Ansteuern der Pixel 2, wodurch die Pixel 2 auf einer Zeile-für-Zeile-Basis angesteuert werden. Das heißt, der Vertikalansteuerungsschaltkreis 4 wählt und scannt sequentiell die jeweiligen Pixel 2 des Pixelarrayabschnitts 3 auf einer Zeile-für-Zeile-Basis in der vertikalen Richtung und liefert Pixelsignale basierend auf Signalladungen, die gemäß den Mengen an Licht erzeugt werden, das in den fotoelektrischen Umwandlungsabschnitten der jeweiligen Pixel 2 empfangen wird, durch Vertikalsignalleitungen 9 an die Spaltensignalverarbeitungsschaltkreise 5.
  • Die Spaltensignalverarbeitungsschaltkreise 5 sind für die jeweiligen Spalten der Pixel 2 angeordnet. Der Spaltensignalverarbeitungsschaltkreis 5 führt eine Signalverarbeitung, wie etwa Entrauschen, an Signalen, die von den Pixeln 2 in einer einzigen Leitung ausgegeben werden, für jede Pixelspalte durch. Zum Beispiel führt der Spaltensignalverarbeitungsschaltkreis 5 eine Signalverarbeitung, wie etwa CDS (Correlated Double Sampling - korrelierte Doppelabtastung) oder DDS (Double Data Sampling - doppelte Datenabtastung) zum Entfernen von pixelspezifischem Rauschen mit festem Muster und eine AD-Umwandlung, durch.
  • Der Horizontalansteuerungsschaltkreis 6 beinhaltet zum Beispiel ein Schieberegister. Der Horizontalansteuerungsschaltkreis 6 wählt sequentiell die jeweiligen Spaltensignalverarbeitungsschaltkreise 5 durch sequentielles Ausgeben von Horizontalscanimpulsen aus und veranlasst die jeweiligen Spaltensignalverarbeitungsschaltkreise 5 zum Ausgeben von Pixelsignalen an eine Horizontalsignalleitung 11.
  • Der Ausgabeschaltkreis 7 führt eine Signalverarbeitung an Signalen durch, die sequentiell von den jeweiligen Spaltensignalverarbeitungsschaltkreisen 5 durch die Horizontalsignalleitung 11 bereitgestellt werden, und gibt das Ergebnis aus. Der Ausgabeschaltkreis 7 kann in manchen Fällen nur eine Pufferung durchführen oder kann in anderen Fällen zum Beispiel eine Schwarzpegelanpassung, eine Spaltenvariationskorrektur, verschiedene Arten einer Digitalsignalverarbeitung und dergleichen durchführen. Ein Eingabe/Ausgabe-Anschluss 13 tauscht Signale mit dem Außenbereich aus.
  • Die Bildgebungsvorrichtung 1, die wie zuvor beschrieben konfiguriert ist, ist ein sogenannter Spalten-AD-Typ-CMOS-Bildsensor, in dem die Spaltensignalverarbeitungsschaltkreise 5, die zum Durchführen einer CDS-Verarbeitung oder DDS-Verarbeitung und einer AD-Umwandlungsverarbeitung konfiguriert sind, für die jeweiligen Pixelspalten angeordnet sind.
  • <Beispiel für eine Schaltkreiskonfiguration eines Pixels>
  • Die Konfiguration eines Einheitspixels, das in dem Pixelarrayabschnitt 3 bereitgestellt ist, wird beschrieben. Das Einheitspixel, das in dem Pixelarrayabschnitt 3 bereitgestellt ist, ist zum Beispiel wie in 2 dargestellt konfiguriert. Es wird angemerkt, dass in den Beschreibungen von 2 und den anschließenden Figuren Teile, die jenen im Fall von 1 entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und die Beschreibungen davon geeignet weggelassen sind. 2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Schaltkreiskonfiguration des Pixels 2 darstellt.
  • Unter Bezugnahme auf 2 beinhaltet das Pixel 2, das ein Einheitspixel ist, einen fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51, einen Transfertransistor 52, einen FD(Floating-Diffusion)-Abschnitt 53, einen ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor 54, ein kapazitives MIM(Metall-Isolator-Metall)-Element 55, einen zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor 56, ein kapazitives MIM-Element 57, einen Rücksetztransistor 58, einen Verstärkungstransistor 59 und einen Auswahltransistor 60.
  • Für die Pixel 2 sind zum Beispiel mehrere Ansteuerungsleitungen für die jeweiligen Pixelzeilen als die Pixelansteuerungsleitungen 10 verdrahtet. Dann werden ein Ansteuerungssignal TG, ein Ansteuerungssignal FDG, ein Ansteuerungssignal FCG, ein Ansteuerungssignal RST und ein Ansteuerungssignal SEL von dem Vertikalansteuerungsschaltkreis 4 durch die mehreren Ansteuerungsleitungen an den Transfertransistor 52, den ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor 54, den zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor 56, den Rücksetztransistor 58 bzw. den Auswahltransistor 60 geliefert.
  • Diese Ansteuerungssignale sind Impulssignale, die in den aktiven Zustand eintreten, wenn sie in einen High-Pegel(zum Beispiel Leistungsversorgungsspannung VDD)-Zustand eintreten, und in den nichtaktiven Zustand eintreten, wenn sie in einen Low-Pegel(zum Beispiel negatives Potential)-Zustand eintreten. Das heißt, wenn jedes der Ansteuerungssignale von dem Ansteuerungssignal TG bis zu dem Ansteuerungssignal SEL auf einem High-Pegel ist, tritt der Transistor, der mit dem entsprechenden Signal versorgt wird, in den leitfähigen Zustand, das heißt den Ein-Zustand, ein und, wenn jedes Ansteuerungssignal auf einem Low-Pegel ist, tritt der Transistor, der mit dem entsprechenden Signal versorgt wird, in den nichtleitfähigen Zustand, das heißt den Aus-Zustand, ein.
  • Der fotoelektrische Umwandlungsabschnitt 51 beinhaltet zum Beispiel eine pn-Übergang-Fotodiode. Der fotoelektrische Umwandlungsabschnitt 51 empfängt einfallendes Licht, führt eine fotoelektrische Umwandlung durch und akkumuliert die dementsprechend erhaltenen Ladungen.
  • Der Transfertransistor 52 ist zwischen dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51 und dem FD-Abschnitt 53 bereitgestellt und eine Gate-Elektrode des Transfertransistors 52 wird mit dem Ansteuerungssignal TG versorgt. Wenn dieses Ansteuerungssignal TG auf einem High-Pegel ist, wird der Transfertransistor 52 eingeschaltet und werden Ladungen, die in dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51 akkumuliert werden, durch den Transfertransistor 52 zu dem FD-Abschnitt 53 transferiert.
  • Der FD-Abschnitt 53 ist ein Floating-Diffusion-Gebiet, das als „Floating-Diffusion“ bezeichnet wird, und fungiert als ein Akkumulationsabschnitt, der zum temporären Akkumulieren transferierter Ladungen und von Überlaufladungen von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51 konfiguriert ist.
  • Der erste Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 ist zwischen dem FD-Abschnitt 53 und dem kapazitiven MIM-Element 55 bereitgestellt und die Gate-Elektrode des ersten Umwandlungseffizienzschalttransistors 54 wird mit dem Ansteuerungssignal FDG versorgt. Wenn dieses Ansteuerungssignal FDG auf einem High-Pegel ist, wird der erste Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 eingeschaltet und werden Ladungen von dem FD-Abschnitt 53 durch den ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 zu dem kapazitiven MIM-Element 55 transferiert. Das kapazitive MIM-Element 55 fungiert auch als ein Akkumulationsabschnitt, der zum temporären Akkumulieren von Überlaufladungen von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51 konfiguriert ist.
  • Wenn der erste Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 eingeschaltet wird, dient ein kombiniertes Gebiet des FD-Abschnitts 53 und des kapazitiven MIM-Elements 55 als ein Gebiet, in dem Ladungen akkumuliert werden, wodurch das Umschalten der Umwandlungseffizienz beim Umwandeln von Ladungen, die in dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51 erzeugt werden, in Spannung ermöglicht wird. Der erste Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 fungiert als ein Umwandlungseffizienzschalttransistor zum Umwandlungseffizienzumschalten.
  • Der zweite Umwandlungseffizienzschalttransistor 56 ist zwischen dem kapazitiven MIM-Element 55 und dem kapazitiven MIM-Element 57 bereitgestellt und die Gate-Elektrode des zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistors 56 wird mit dem Ansteuerungssignal FCG versorgt. Wenn dieses Ansteuerungssignal FCG auf einem High-Pegel ist, wird der zweite Umwandlungseffizienzschalttransistor 56 eingeschaltet und werden Ladungen von dem kapazitiven MIM-Element 55 durch den zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor 56 zu dem kapazitiven MIM-Element 57 transferiert.
  • Wenn der zweite Umwandlungseffizienzschalttransistor 56 eingeschaltet wird, dient ein kombiniertes Gebiet des FD-Abschnitts 53, des kapazitiven MIM-Elements 55 und des kapazitiven MIM-Elements 57 als ein Gebiet, in dem Ladungen akkumuliert werden, wodurch das Umschalten der Umwandlungseffizienz beim Umwandeln von Ladungen, die in dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51 erzeugt werden, in Spannung ermöglicht wird. Der zweite Umwandlungseffizienzschalttransistor 56 fungiert als ein Umwandlungseffizienzschalttransistor zum Umwandlungseffizienzumschalten.
  • Das kapazitive MIM-Element 55 und das kapazitive MIM-Element 57 erzielen jeweils eine hohe Kapazität ohne die Fläche der Oberfläche eines Si(Silicium)-Substrats zu opfern, auf dem die Pixeltransistoren angeordnet sind, und weisen eine größere Kapazität als der FD-Abschnitt 53 auf.
  • Der Rücksetztransistor 58 ist zwischen der Leistungsversorgung VDD und dem kapazitiven MIM-Element 57 verbunden und die Gate-Elektrode des Rücksetztransistors 58 wird mit dem Ansteuerungssignal RST versorgt. Wenn das Ansteuerungssignal RST auf einem High-Pegel ist, wird der Rücksetztransistor 58 eingeschaltet und wird das Potential des kapazitiven MIM-Elements 57 auf den Pegel der Leistungsversorgungsspannung VDD zurückgesetzt.
  • Der Verstärkungstransistor 59 weist eine Gate-Elektrode, die mit dem FD-Abschnitt 53 verbunden ist, und einen Drain, der mit der Leistungsversorgung VDD verbunden ist, auf und dient als ein Eingabeabschnitt eines Ausleseschaltkreises, der zum Auslesen von Signalen konfiguriert ist, die in dem FD-Abschnitt 53 gehaltenen Ladungen entsprechen, das heißt als ein Eingabeabschnitt eines sogenannten Source-Folger-Schaltkreises. Das heißt, durch Verbinden der Source des Verstärkungstransistors 59 mit der Vertikalsignalleitung 9 durch den Auswahltransistor 60 bildet der Verstärkungstransistor 59 eine (nicht dargestellte) Konstantstromquelle und einen Source-Folger-Schaltkreis, die mit einem Ende der Vertikalsignalleitung 9 verbunden sind.
  • Der Auswahltransistor 60 ist zwischen der Source des Verstärkungstransistors 59 und der Vertikalsignalleitung 9 verbunden und die Gate-Elektrode des Auswahltransistors 60 wird mit dem Ansteuerungssignal SEL versorgt. Wenn das Ansteuerungssignal SEL auf einem High-Pegel ist, wird der Auswahltransistor 60 eingeschaltet und tritt das Pixel 2 in den ausgewählten Zustand ein. Aufgrund dessen werden von dem Verstärkungstransistor 59 ausgegebene Pixelsignale durch einen Auswahltransistor 31 an die Vertikalsignalleitung 9 ausgegeben.
  • Es wird angemerkt, dass nachfolgend der Zustand, in dem jedes Ansteuerungssignal in den aktiven Zustand eintritt, das heißt zu einem High-Pegel wird, auch als der Zustand bezeichnet wird, in dem jedes Ansteuerungssignal eingeschaltet ist, und der Zustand, in dem jedes Ansteuerungssignal in den nichtaktiven Zustand eintritt, das heißt zu einem Low-Pegel wird, auch als der Zustand bezeichnet wird, in dem jedes Ansteuerungssignal ausgeschaltet ist.
  • Das in 2 dargestellte Pixel 2 beinhaltet den FD-Abschnitt 53, das kapazitive MIM-Element 55 und das kapazitive MIM-Element 57 und erzielt mit diesen Kondensatoren, die in Reihe verbunden sind, ein dreistufiges Umschalten der Umwandlungseffizienz beim Umwandeln von Ladungen, die in dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt erzeugt werden, in Spannung.
  • Eine hohe Umwandlungseffizienz (HCG) wird mit dem FD-Abschnitt 53 erzielt. Eine mittlere Umwandlungseffizienz (MCG) wird mit (dem FD-Abschnitt 53 und dem kapazitiven MIM-Element 55) erzielt. Eine niedrige Umwandlungseffizienz (LCG) wird mit (dem FD-Abschnitt 53, dem kapazitiven MIM-Element 55 und dem kapazitiven MIM-Element 57) erzielt.
  • Wenn der Transfertransistor 52 eingeschaltet wird, werden in dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51 akkumulierte Ladungen durch den FD-Abschnitt 53 (hohe Umwandlungseffizienz), (den FD-Abschnitt 53 und das kapazitive MIM-Element 55) (mittlere Umwandlungseffizienz) oder (den FD-Abschnitt 53, das kapazitive MIM-Element 55 und das kapazitive MIM-Element 57) (niedrige Umwandlungseffizienz) zur Ausgabe empfangen.
  • Das Pixel 2 ist derart konfiguriert, dass während einer starken Beleuchtungen Ladungen, die in dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51 akkumuliert werden, über den Transfertransistor 52 zu der Seite des FD-Abschnitts 53 überlaufen, wodurch sie in dem FD-Abschnitt 53, dem kapazitiven MIM-Element 55 und dem kapazitiven MIM-Element 57 akkumuliert werden.
  • Bei kleinen Signalen, was bedeutet, dass die Menge an empfangenem Licht klein ist, wird die hohe Umwandlungseffizienz eingestellt, mit der Ladungen in dem FD-Abschnitt 53 akkumuliert werden. Bei großen Signalen, was bedeutet, dass die Menge an empfangenem Licht groß ist, wird die niedrige Umwandlungseffizienz eingestellt, mit der Ladungen in (dem FD-Abschnitt 53, dem kapazitiven MIM-Element 55 und dem kapazitiven MIM-Element 57) akkumuliert werden. Hier wird die mittlere Umwandlungseffizienz ferner zwischen der hohen Umwandlungseffizienz und der niedrigen Umwandlungseffizienz als eine Umwandlungseffizienz bereitgestellt, mit der Ladungen in (dem FD-Abschnitt 53 und dem kapazitiven MIM-Element 55) akkumuliert werden.
  • Ladungen, die von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51 übergelaufen sind, um in dem FD-Abschnitt 53, dem kapazitiven MIM-Element 55 und dem kapazitiven MIM-Element 57 akkumuliert zu werden, werden durch (den FD-Abschnitt 53, das kapazitive MIM-Element 55 und das kapazitive MIM-Element 57) zusammen mit Ladungen, die in dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51 akkumuliert werden, zur Ausgabe empfangen.
  • Ein Signal, das mit der hohen Umwandlungseffizienz ausgelesen wird, ein Signal, das mit der mittleren Umwandlungseffizienz ausgelesen wird, und ein Signal, das mit der niedrigen Umwandlungseffizienz ausgelesen wird, werden separat einer AD-Umwandlung unterzogen. Welches Auslesesignal verwendet werden soll, wird basierend auf der Menge jedes Auslesesignals bestimmt. An einem Übergang zwischen einem Signal mit der hohen Umwandlungseffizienz und einem Signal mit der mittleren Umwandlungseffizienz oder an einem Übergang zwischen einem Signal mit der mittleren Umwandlungseffizienz und einem Signal mit der niedrigen Umwandlungseffizienz können die zwei Arten von Auslesesignalen gemischt werden, um verwendet zu werden. Durch das Verwenden des gemischten Signals wird eine Verschlechterung der Bildqualität an dem Übergang verhindert.
  • <Beispiel für eine Querschnittskonfiguration eines Pixels>
  • 3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Querschnittskonfiguration des Pixels 2 darstellt.
  • Ein n-Typ-Halbleitergebiet 105, das den fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51 des Pixels 2 bildet, empfängt einfallendes Licht, das von einer Seite einer hinteren Oberfläche (oberen Oberfläche in 3) eines Halbleitersubstrats 100 eintritt. Das n-Typ-Halbleitergebiet 105 ist so strukturiert, dass es innerhalb des Halbleitersubstrats 100 eingebettet ist, und das n-Typ-Halbleitergebiet 105 ist so strukturiert, dass es auf einem Oberflächenteil des Substrats kaum vorhanden ist.
  • Oberhalb des n-Typ-Halbleitergebiets 105 (fotoelektrischer Umwandlungsabschnitt 51) sind ein CF (Color Filter - Farbfilter) 102 und eine On-Chip-Linse 101 bereitgestellt. In dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51 wird einfallendes Licht, das durch sequentielles Durchlaufen der jeweiligen Komponenten eingetreten ist, auf der Lichtempfangsoberfläche empfangen und einer fotoelektrischen Umwandlung unterzogen.
  • Zum Beispiel ist der fotoelektrische Umwandlungsabschnitt 51 mit dem n-Typ-Halbleitergebiet 105 gebildet, das als ein Ladungsakkumulationsgebiet zum Akkumulieren von Ladungen (Elektronen) dient. In dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51 ist das n-Typ-Halbleitergebiet 105 innerhalb eines p-Typ-Halbleitergebiets 104 des Halbleitersubstrats 100 bereitgestellt.
  • Innerhalb des Halbleitersubstrats 100 ist ein Pixelseparationsabschnitt 106 zum elektrischen Separieren der mehreren Pixel 2 voneinander bereitgestellt. Der fotoelektrische Umwandlungsabschnitt 51 ist in einem Gebiet bereitgestellt, das durch diesen Pixelseparationsabschnitt 106 definiert ist. Wenn die Pixel 2 betrachtet werden, ist der Pixelseparationsabschnitt 106 in einem Gittermuster gebildet, so dass er sich zum Beispiel zwischen den mehreren Pixeln 2 befindet, und ist der fotoelektrische Umwandlungsabschnitt 51 in dem Gebiet gebildet, das durch diesen Pixelseparationsabschnitt 106 definiert ist.
  • Der Pixelseparationsabschnitt 106 kann ein FFTI(Front Full Trench Isolation - vordere volle Grabenisolation)-Teil sein. Wenn der Pixelseparationsabschnitt 106 als ein FFTI-Teil gebildet ist, ist der FFTI-Teil als ein Graben gebildet, der das Halbleitersubstrat 100 penetriert (7). Mit dem FFTI-Teil sind die Pixel 2 voneinander durch einen Isolator separiert, wodurch eine Konfiguration erzielt wird, bei der die jeweiligen Pixel 2 elektrisch separiert sind. Ein STI(Shallow Trench Isolation - Flachgrabenisolation)-Teil ist zwischen den jeweiligen Transistoren bereitgestellt. Der STI-Teil ist durch Bilden eines flachen Grabens in dem Elementseparationsgebiet und Einbetten eines Isolationsfilms in dem flachen Graben strukturiert.
  • Eine Verdrahtungsschicht 120 ist auf einer vorderen Oberfläche (unteren Oberfläche) gegenüber der hinteren Oberfläche (oberen Oberfläche), auf der Komponenten, wie etwa ein Lichtabschirmungsfilm 103, das CF 102 und die On-Chip-Linse 101, gebildet sind, des Halbleitersubstrats 100 bereitgestellt.
  • Die Verdrahtungsschicht 120 beinhaltet Verdrahtungsleitungen 122 und eine Isolationsschicht 123 und in der Isolationsschicht 123 sind die Verdrahtungsleitungen 122 gebildet, um elektrisch mit den jeweiligen Elementen verbunden zu werden. Die Verdrahtungsschicht 120 ist eine sogenannte mehrschichtige Verdrahtungsschicht und ist durch Stapeln mehrerer abwechselnder Schichten aus Zwischenschichtisolationsfilmen, die die Isolationsschicht 123 bilden, und der Verdrahtungsleitungen 122 gebildet. Als die Verdrahtungsleitungen 122 sind hier Verdrahtungsleitungen für die Transistoren zum Auslesen von Ladungen aus dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51, wie etwa der Transfertransistor 52, und jede Verdrahtungsleitung, wie etwa die VSL 9, durch die Isolationsschicht 123 gestapelt.
  • Eine Konfiguration, bei der ein (nicht dargestelltes) Stützsubstrat auf einer Oberfläche gegenüber der Seite der Verdrahtungsschicht 120, auf der der fotoelektrische Umwandlungsabschnitt 51 bereitgestellt ist, bereitgestellt ist, kann ebenfalls eingesetzt werden. Zum Beispiel wird ein Substrat, das aus einem Siliciumhalbleiter gefertigt ist, mit einer Dicke von einigen hundert Mikrometern als ein Stützsubstrat bereitgestellt.
  • Bei dem Beispiel, das durch die in 3 dargestellte Konfiguration repräsentiert ist, ist ein Logikschaltkreissubstrat 130 mit einem darauf gebildeten Logikschaltkreis auf die Verdrahtungsschicht 120 gestapelt. Das Logikschaltkreissubstrat 130 beinhaltet Verdrahtungsleitungen 131 und eine Isolationsschicht 133 und in der Isolationsschicht 133 sind die Verdrahtungsleitungen 131 gebildet, um elektrisch mit den jeweiligen Elementen verbunden zu werden. Das Logikschaltkreissubstrat 130 ist auch eine sogenannte mehrschichtige Verdrahtungsschicht und ist durch Stapeln mehrerer abwechselnder Schichten aus Zwischenschichtisolationsfilmen, die die Isolationsschicht 133 bilden, und der Verdrahtungsleitungen 131 gebildet.
  • Der Lichtabschirmungsfilm 103 ist auf der Seite der hinteren Oberfläche (oberen Oberfläche in 3) des Halbleitersubstrats 100 bereitgestellt und in dem CF 102 bereitgestellt. Der Lichtabschirmungsfilm 103 ist dazu konfiguriert, einen Teil von einfallendem Licht, das sich von oberhalb des Halbleitersubstrats 100 zu unterhalb des Halbleitersubstrats 100 ausbreitet, zu blockieren. Der Lichtabschirmungsfilm 103 ist unter Verwendung von Lichtabschirmungsmaterialien zum Blockieren von Licht gebildet. Zum Beispiel wird der Lichtabschirmungsfilm 103 durch sequentielles Stapeln eines Titan(Ti)-Films und eines Wolfram(W)-Films gebildet. Abgesehen davon kann der Lichtabschirmungsfilm 103 zum Beispiel durch sequentielles Stapeln eines Titannitrid(TiN)-Films und eines Wolfram(W)-Films gebildet werden. Ferner kann der Lichtabschirmungsfilm 103 mit Nitrid (N) oder dergleichen beschichtet sein.
  • Auf einer Seitenoberfläche des Pixelseparationsabschnitts 106 (FFTI) kann ein SCF (Festladungsfilm) oder ein p-Typ-Halbleitergebiet (Festphasendiffusionsschicht) gebildet sein. Der Festladungsfilm ist unter Verwendung eines starken dielektrischen Materials mit negativen festen Ladungen gebildet, um ein Positivladung(Loch)-Akkumulationsgebiet an einer Grenzfläche mit dem Halbleitersubstrat 100 zu bilden, wodurch eine Erzeugung eines Dunkelstroms verhindert wird. Da der Festladungsfilm so gebildet ist, dass er negative feste Ladungen aufweist, wird aufgrund der negativen festen Ladungen von diesem ein elektrisches Feld an der Grenzfläche mit dem Halbleitersubstrat 100 angelegt und wird ein Positivladung(Loch)-Akkumulationsgebiet gebildet.
  • Der Festladungsfilm kann zum Beispiel unter Verwendung eines Hafniumoxidfilms (HfO2-Films) gebildet werden. Ferner kann der Festladungsfilm abgesehen davon so gebildet werden, dass er wenigstens eines von zum Beispiel Hafnium, Zirconium, Aluminium, Tantal, Titan, Magnesium, Yttrium und Lanthanoidelementoxiden enthält.
  • Eine Konfiguration, bei der, als eine Festphasendiffusionsschicht mit diffundierten p-Typ-Fremdstoffen in fester Phase, eine Schicht mit einem konform darin gebildeten p-Typ-Halbleitergebiet auf einer Seitenwand des FFTI-Teils gebildet ist, kann ebenfalls genutzt werden.
  • Es wird angemerkt, dass hier als ein Beispiel ein Fall beschrieben wird, in dem ein pn-Übergang durch das n-Typ-Halbleitergebiet 105, das innerhalb des Halbleitersubstrats 100 enthalten ist, und das p-Typ-Halbleitergebiet 104 gebildet wird, das um das n-Typ-Halbleitergebiet 105 herum gebildet ist, wodurch eine Fotodiode gebildet wird. Jedoch können der n-Typ und der p-Typ umgekehrt sein. Falls der n-Typ und der p-Typ umgekehrt sind, kann in der obigen und folgenden Beschreibung das Pixel 2 durch Lesen des n-Typs als der p-Typ und des p-Typs als der n-Typ konfiguriert sein.
  • Eine Struktur, in der SiO2 oder dergleichen innerhalb des Pixelseparationsabschnitts 106 eingebettet ist, kann genutzt werden. Durch das Einbetten von SiO2 oder dergleichen innerhalb des Pixelseparationsabschnitts 106 (des Grabens, der als der FFTI-Teil gebildet ist) ist es möglich, eine Konfiguration zu erzielen, bei der die angrenzenden Pixel 2 positiver separiert sind.
  • Durch das Bereitstellen eines solchen Pixelseparationsabschnitts 106 sind die Pixel 2 elektrisch voneinander separiert, wodurch es ermöglicht wird, zu verhindern, das Leckladungen von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51 (PD: Fotodiode) in die angrenzenden Pixel 2 lecken. Dementsprechend kann die Überlaufbarriere auf der Seite des Transfertransistors 52 erhöht werden, um die Qs (Sättigungsladungsmenge) des fotoelektrischen Umwandlungsabschnitts 51 zu erhöhen.
  • Das Beispiel der Querschnittskonfiguration des Pixels 2, das in 3 dargestellt ist, repräsentiert die Konfiguration, bei der der Transfertransistor 52 auf der rechten Seite in 3 gebildet ist, und das n-Typ-Halbleitergebiet 105, das als ein erweiterter Teil des in dem Halbleitersubstrat 100 gebildeten n-Typ-Halbleitergebiets 105 gebildet ist, ist mit dem Transfertransistor 52 verbunden. In einem zentralen Teil in dem Halbleitersubstrat 100 ist der FD-Abschnitt 53 gebildet, der mit einem n+-Gebiet gebildet ist. Der FD-Abschnitt 53 ist durch eine lokale Verdrahtungsleitung 121 mit dem Verstärkungstransistor 59 verbunden, der auf der linken Seite in 3 dargestellt ist.
  • Die lokale Verdrahtungsleitung 121 ist unter Verwendung von Polysilicium oder eines fortschrittlichen Kontakts (MIS-Kontakts) gebildet. Ein fortschrittlicher Kontakt ist ein Kontakt, der einen Isolationsfilm mit hoher dielektrischer Konstante verwendet. Falls die lokale Verdrahtungsleitung 121 ein fortschrittlicher Kontakt einschließlich eine Isolationsfilms mit hoher dielektrischer Konstante ist, ist bei dem in 7 dargestellten Beispiel die lokale Verdrahtungsleitung 121 ein Metallisolationsfilm, der zwischen dem FD-Abschnitt 53 und der Gate-Elektrode des Verstärkungstransistors 59 eingefügt ist. Zum Beispiel ist der Isolationsfilm mit hoher dielektrischer Konstante als ein dünner Film mit einer Dicke von näherungsweise 2,0 nm bis 3,0 nm unter Verwendung eines Metalloxids mit einer hohen dielektrischen Konstante, wie etwa Titandioxid (TiO2), gebildet.
  • Falls die lokale Verdrahtungsleitung 121 unter Verwendung eines fortschrittlichen Kontakts gebildet ist, kann die n-Typ-Konzentration des FD-Abschnitts 53 niedrig eingestellt werden, wodurch eine Reduktion des Kontaktwiderstands ermöglicht wird. Durch Einstellen der n-Typ-Konzentration des FD-Abschnitts 53 auf einen niedrigen Wert wird die Stärke des elektrischen Feldes an dem pn-Übergang mit dem Halbleitersubstrat 100 (p-Typ-Halbleitergebiet 104) abgeschwächt, so dass eine Erzeugung eines Dunkelstroms verhindert werden kann. Entsprechend kann das Pixel 2 das Mischen eines Dunkelstroms in Ladungssignale vermeiden und das Auftreten von FPN (Festmusterrauschen) aufgrund von Variationen eines FD-Dunkelstrom-Leckverlusts verhindern, um das S/N an den Übergängen der mehreren Umwandlungseffizienzen aufgrund von FPN zu verbessern, wodurch eine Bildqualitätsverbesserung ermöglicht wird.
  • Es wird angemerkt, dass hier, obwohl das Beispiel beschrieben ist, bei dem der FD-Abschnitt 53 durch die lokale Verdrahtungsleitung 121 mit dem Verstärkungstransistor 59 verbunden ist, eine Konfiguration genutzt werden kann, bei der die lokale Verdrahtungsleitung 121 (fortschrittlicher Kontakt) für Kontakte außer jenem mit dem FD-Abschnitt 53 verwendet wird.
  • In der Verdrahtungsschicht 120 des Pixels 2, das in 3 dargestellt ist, sind die Verdrahtungsleitungen 122 in sechs Schichten gebildet. Falls die sechs Schichten als die erste Schicht, die zweite Schicht, die dritte Schicht, die vierte Schicht, die fünfte Schicht und die sechste Schicht der Reihe nach von der oberen Seite (Seite des Halbleitersubstrats 100) in 3 betrachtet werden, ist zwischen der Verdrahtungsleitung 122 in der vierten Schicht und der Verdrahtungsleitung 122 in der fünften Schicht das kapazitive MIM-Element 55 dreidimensional gebildet. Das kapazitive MIM-Element 55 ist ein dreidimensional gebildeter Kondensator mit einem Graben mit einem kapazitiven Film, der auf der Seitenwand davon gebildet ist.
  • Eine Elektrode des kapazitiven MIM-Elements 55 ist mit der Verdrahtungsleitung 122 in der vierten Schicht verbunden und die andere Elektrode ist mit der Verdrahtungsleitung 122 in der fünften Schicht durch einen Via 124 verbunden. Die Verdrahtungsleitung 122 in der sechsten Schicht wird als ein Anschluss verwendet, der mit dem Logikschaltkreissubstrat 130 verbunden werden soll.
  • Die Verdrahtungsleitung 122 in der unteren Schicht der Verdrahtungsschicht 120 ist durch metallisches Bonden mit der Verdrahtungsleitung 131 in der oberen Schicht des Logikschaltkreissubstrats 130 verbunden. Hier kann zum Beispiel Kupfer (Cu) als das Metall zur metallischen Bondung verwendet werden, was manchmal als „Cu-Cu-Bonden“ bezeichnet wird. In den Figuren werden Oberflächen, die Cu-Cu-gebondet werden sollen, zur Beschreibung durch das Symbol „CCC“ bezeichnet.
  • Das Logikschaltkreissubstrat 130 ist auch durch Stapeln der mehreren Verdrahtungsleitungen 131 konfiguriert. In dem in 3 dargestellten Fall weist das Logikschaltkreissubstrat 130 fünf Schichten auf. Falls die fünf Schichten als die erste Schicht, die zweite Schicht, die dritte Schicht, die vierte Schicht und die fünfte Schicht der Reihe nach von der oberen Seite (Seite der Verdrahtungsschicht 120) in 3 betrachtet werden, ist die Verdrahtungsleitung 131 in der ersten Schicht mit der Verdrahtungsleitung 122 in der unteren Schicht der Verdrahtungsschicht 120 verbunden, wie zuvor beschrieben. Die Verdrahtungsleitung 131 in der ersten Schicht ist durch einen Via mit der Verdrahtungsleitung 131 in der zweiten Schicht verbunden.
  • Zwischen der Verdrahtungsleitung 131 in der zweiten Schicht und der Verdrahtungsleitung 131 in der dritten Schicht ist das kapazitive MIM-Element 57 dreidimensional gebildet. Dieses kapazitive MIM-Element 57 ist auch ein dreidimensional gebildeter Kondensator mit einem Graben mit einem kapazitiven Film, der auf der Seitenwand davon gebildet ist, wie das kapazitive MIM-Element 55.
  • Auf diese Weise beinhaltet das Pixel 2 die Kondensatoren, nämlich den FD-Abschnitt 53, das kapazitive MIM-Element 55 und das kapazitive MIM-Element 57. Das kapazitive MIM-Element 55 ist in der Verdrahtungsschicht 120 des Halbleitersubstrat 100 gebildet, während das kapazitive MIM-Element 57 in dem Logikschaltkreissubstrat 130 gebildet ist.
  • Wie in 3 dargestellt, ist das Pixel 2 durch Stapeln des Halbleitersubstrats 100 einschließlich der Verdrahtungsschicht 120 auf dem Logikschaltkreissubstrat 130 konfiguriert. Wieder unter Bezugnahme auf 2 beinhaltet das Halbleitersubstrat 100 den fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51, den Transfertransistor 52, den FD-Abschnitt 53, den ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor 54, das kapazitive MIM-Element 55, den zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor 56, den Rücksetztransistor 58, den Verstärkungstransistor 59 und den Auswahltransistor 60. Das Logikschaltkreissubstrat 130 beinhaltet das kapazitive MIM-Element 57.
  • In dem Pixel 2 sind die drei Kondensatoren, nämlich der FD-Abschnitt 53, das kapazitive MIM-Element 55 und das kapazitive MIM-Element 57 enthalten und diese Kondensatoren werden verwendet, um die drei Umwandlungseffizienzen zu erzielen und die Drei-Zeiten-Auslesekonfiguration zu implementieren, wodurch es ermöglicht wird, die Verschlechterung der S/N-Pegelunterschiede an den Übergängen zu verhindern.
  • <Konfiguration eines Pixels bei der zweiten Ausführungsform>
  • 4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Querschnittskonfiguration eines Pixels 2b bei einer zweiten Ausführungsform darstellt. 5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Schaltkreiskonfiguration des Pixels 2b darstellt. In der folgenden Beschreibung wird das Pixel 2, das unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben ist, als „Pixel 2a“ als das Pixel 2 bei der ersten Ausführungsform bezeichnet. In der folgenden Beschreibung sind die gleichen Teile wie bei dem Pixel 2a bei der ersten Ausführungsform durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und die Beschreibungen davon werden geeignet weggelassen.
  • Das Pixel 2b bei der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Pixel 2a bei der ersten Ausführungsform darin, dass es durch Stapeln von drei Schichten von Substraten konfiguriert ist, und ist hinsichtlich der verbleibenden Punkte im Wesentlichen gleich dem Pixel 2a.
  • Unter Bezugnahme auf 4 ist das Pixel 2b durch Stapeln eines ersten Halbleitersubstrats 150, eines zweiten Halbleitersubstrats 160 und des Logikschaltkreissubstrats 130 konfiguriert. Das Pixel 2 wird durch separates Herstellen des ersten Halbleitersubstrats 150, des zweiten Halbleitersubstrats 160 und des Logikschaltkreissubstrats 130 in unterschiedlichen Prozessen, Stapeln der Substrate in einem Waferzustand und Vereinzeln der gestapelten Substrate hergestellt. Alternativ dazu wird das Pixel 2 durch Vereinzeln jedes des ersten Halbleitersubstrats 150, des zweiten Halbleitersubstrats 160 und des Logikschaltkreissubstrats 130 und dann Stapeln dieser Substrate hergestellt.
  • Das erste Halbleitersubstrat 150 und das zweite Halbleitersubstrat 160 entsprechen dem Halbleitersubstrat 100 einschließlich der Verdrahtungsschicht 120 in dem Pixel 2a, das in 3 dargestellt ist, und weisen eine äquivalente Konfiguration zu dem Halbleitersubstrat 100 einschließlich der Verdrahtungsschicht 120 auf. Das erste Halbleitersubstrat 150 beinhaltet den fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51.
  • Das zweite Halbleitersubstrat 160 beinhaltet Verdrahtungsleitungen 162, die den Verdrahtungsleitungen 122 entsprechen, die in der Verdrahtungsschicht 120 gebildet sind (3), und die Verdrahtungsleitungen 162 sind in einer Isolationsschicht 163 gebildet. Transistoren werden auch in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 gebildet. Bei dem in 4 dargestellten Beispiel werden der erste Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 und der Verstärkungstransistor 59 gebildet und durch eine TCV (Through-CIS-Via - CIS-Durchkontaktierung) 161 mit dem FD-Abschnitt 53 verbunden, der in dem ersten Halbleitersubstrat 150 gebildet ist.
  • Die Verdrahtungsleitungen 162 des zweiten Halbleitersubstrats 160 des Pixels 2b, das in 4 dargestellt ist, sind in sechs Schichten gebildet. Falls die sechs Schichten als die erste Schicht, die zweite Schichte, die dritte Schicht, die vierte Schicht, die fünfte Schicht und die sechste Schicht der Reihe nach von der oberen Seite (Seite des ersten Halbleitersubstrats 150) in 4 betrachtet werden, ist die Verdrahtungsleitung in der ersten Schicht mit der TCV 161 verbunden, die mit einem Kontakt, der mit dem ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 verbunden ist, und einem Kontakt, der mit dem Verstärkungstransistor 59 verbunden ist, zu verbinden ist.
  • Zwischen der Verdrahtungsleitung 162 in der vierten Schicht und der Verdrahtungsleitung 162 in der fünften Schicht ist das kapazitive MIM-Element 55 dreidimensional gebildet. Eine Elektrode des kapazitiven MIM-Elements 55 ist mit der Verdrahtungsleitung 162 in der vierten Schicht verbunden und die andere Elektrode ist mit der Verdrahtungsleitung 162 in der fünften Schicht durch den Via 124 verbunden. Die Verdrahtungsleitung 162 in der fünften Schicht ist durch eine vertikal gebildete Verdrahtungsleitung mit der Verdrahtungsleitung 162 in der sechsten Schicht verbunden und die Verdrahtungsleitung 162 in der sechsten Schicht wird als ein Verdrahtungsanschluss verwendet, der mit dem Logikschaltkreissubstrat 130 Cu-Cu-gebondet werden soll.
  • Das Logikschaltkreissubstrat 130 weist eine ähnliche Konfiguration zu dem in 3 dargestellten Logikschaltkreissubstrat 130 auf und beinhaltet das kapazitive MIM-Element 57, das dreidimensional zwischen der Verdrahtungsleitung 131 in der zweiten Schicht und der Verdrahtungsleitung 131 in der dritten Schicht gebildet ist.
  • Unter Bezugnahme auf das Beispiel der Schaltkreiskonfiguration des Pixels 2b, das in 5 dargestellt ist, ist die Schaltkreiskonfiguration jener des Pixels 2a ähnlich, das in 2 dargestellt ist. Das erste Halbleitersubstrat 150 beinhaltet den fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51, den Transfertransistor 52 und den FD-Abschnitt 53.
  • Das zweite Halbleitersubstrat 160 beinhaltet den ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor 54, das kapazitive MIM-Element 55, den zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor 56, den Rücksetztransistor 58, den Verstärkungstransistor 59 und den Auswahltransistor 60. Der Transfertransistor 52, der in dem ersten Halbleitersubstrat 150 enthalten ist, ist durch die TCV mit dem ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 und dem Verstärkungstransistor 59, der in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 enthalten ist, verbunden.
  • Das Logikschaltkreissubstrat 130 beinhaltet das kapazitive MIM-Element 57. Das Logikschaltkreissubstrat 130 ist durch eine Cu-Cu-Bondung mit dem zweiten Halbleitersubstrat 160 verbunden.
  • In dem Pixel 2 sind die drei Kondensatoren, nämlich der FD-Abschnitt 53, das kapazitive MIM-Element 55 und das kapazitive MIM-Element 57 enthalten und diese Kondensatoren werden verwendet, um die drei Umwandlungseffizienzen zu erzielen und die Drei-Zeiten-Auslesekonfiguration zu implementieren, wodurch es ermöglicht wird, die Verschlechterung der S/N-Pegelunterschiede an den Übergängen zu verhindern.
  • <Konfiguration eines Pixels bei der dritten Ausführungsform>
  • 6 ist ein Diagramm, die ein Beispiel für eine Schaltkreiskonfiguration eines Pixels 2c bei einer dritten Ausführungsform darstellt. 7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Querschnittskonfiguration des Pixels 2c darstellt. In der folgenden Beschreibung sind die gleichen Teile wie bei dem Pixel 2b bei der zweiten Ausführungsform durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und die Beschreibungen davon werden geeignet weggelassen.
  • Das Pixel 2c bei der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Pixel 2b bei der zweiten Ausführungsform darin, dass das kapazitive MIM-Element 55 und das kapazitive MIM-Element 57 in einem zweiten Halbleitersubstrat 160c gebildet sind, und ist hinsichtlich der verbleibenden Teile im Wesentlichen gleich dem Pixel 2b gebildet.
  • Unter Bezugnahme auf das Beispiel für die Schaltkreiskonfiguration des Pixels 2c, das in 6 dargestellt ist, beinhaltet das erste Halbleitersubstrat 150 den fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51, den Transfertransistor 52 und den FD-Abschnitt 53.
  • Das zweite Halbleitersubstrat 160 beinhaltet den ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor 54, das kapazitive MIM-Element 55, den zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor 56, das kapazitive MIM-Element 57, den Rücksetztransistor 58, den Verstärkungstransistor 59 und den Auswahltransistor 60. Der FD-Abschnitt 53, der in dem ersten Halbleitersubstrat 150 enthalten ist, ist durch die TCV mit dem ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 und dem Verstärkungstransistor 59, der in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 enthalten ist, verbunden.
  • Unter Bezugnahme auf das Beispiel der Querschnittskonfiguration des Pixels 2c, das in 7 dargestellt ist, sind das kapazitive MIM-Element 55 und das kapazitive MIM-Element 57 in dem zweiten Halbleitersubstrat 160c bereitgestellt. Das kapazitive MIM-Element 55 und das kapazitive MIM-Element 57 sind zwischen der Verdrahtungsleitung 162 in der vierten Schicht und der Verdrahtungsleitung 162 in der fünften Schicht des zweiten Halbleitersubstrats 160c gebildet.
  • Das kapazitive MIM-Element 55 ist nahe einem Zentrum des zweiten Halbleitersubstrats 160c in 7 gebildet. Eine Elektrode des kapazitiven MIM-Elements 55 ist mit der Verdrahtungsleitung 162 in der vierten Schicht verbunden und die andere Elektrode ist mit der Verdrahtungsleitung 162 in der fünften Schicht durch den Via 124 verbunden. Gleichermaßen ist das kapazitive MIM-Element 57 auf der linken Seite des zweiten Halbleitersubstrats 160c in 7 gebildet. Eine Elektrode des kapazitiven MIM-Elements 57 ist mit der Verdrahtungsleitung 162 in der vierten Schicht verbunden und die andere Elektrode ist mit der Verdrahtungsleitung 162 in der fünften Schicht durch den Via 124 verbunden.
  • Auf diese Weise ist es möglich, eine Konfiguration zu erzielen, in der in dem zweiten Halbleitersubstrat 160c mehrere kapazitive MIM-Elemente, wie etwa die zwei kapazitiven MIM-Elemente, nämlich das kapazitive MIM-Element 55 und das kapazitive MIM-Element 57 bei dem in 6 und 7 dargestellten Beispiel, bereitgestellt sind. Falls die Größe des Pixels 2 groß ist, können, selbst wenn mehrere kapazitive MIM-Elemente in dem einzigen Halbleitersubstrat bereitgestellt sind, die kapazitiven MIM-Elemente mit einer einzigen Größe gebildet werden, die ausreicht, um die Kapazität jedes kapazitiven MIM-Elements sicherzustellen. Die Konfiguration, in der mehrere kapazitive MIM-Elemente in dem zweiten Halbleitersubstrat 160c bereitgestellt sind, kann auf das Pixel 2 mit einer relativ großen Größe angewandt werden.
  • Obwohl in 6 und 7 als ein Beispiel der Fall beschrieben wurde, in dem die zwei kapazitiven MIM-Elemente, nämlich das kapazitive MIM-Element 55 und das kapazitive MIM-Element 57, in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 bereitgestellt sind, kann auch eine Konfiguration genutzt werden, bei der mehrere kapazitive MIM-Elemente in dem Logikschaltkreissubstrat 130 bereitgestellt sind.
  • Die dritte Ausführungsform kann mit der ersten Ausführungsform kombiniert werden, um eine Konfiguration zu erzielen, in der mehrere kapazitive MIM-Elemente in dem Halbleitersubstrat 100 gebildet sind. Die dritte Ausführungsform kann mit der zweiten Ausführungsform kombiniert werden, um eine Konfiguration zu erzielen, bei der mehrere kapazitive MIM-Elemente in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 enthalten sind und kapazitive MIM-Elemente auch in dem Logikschaltkreissubstrat 130 enthalten sind.
  • In dem Pixel 2c sind die drei Kondensatoren, nämlich der FD-Abschnitt 53, das kapazitive MIM-Element 55 und das kapazitive MIM-Element 57 enthalten und diese Kondensatoren werden verwendet, um die drei Umwandlungseffizienzen zu erzielen und die Drei-Zeiten-Auslesekonfiguration zu implementieren, wodurch es ermöglicht wird, die Verschlechterung der S/N-Pegelunterschiede an den Übergängen zu verhindern.
  • Bei der ersten bis dritten Ausführungsform können die Kapazität des kapazitiven MIM-Elements 55 und die Kapazität des kapazitiven MIM-Elements 57 gleich oder verschieden sein.
  • <Operation des Pixels 2>
  • Die Operation des Pixels 2 bei einer der ersten bis dritten Ausführungsform ist unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. In 8 repräsentiert PD den fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51, repräsentiert FD den FD-Abschnitt 53, repräsentiert MIM1 das kapazitive MIM-Element 55 und repräsentiert MIM2 das kapazitive MIM-Element 57.
  • Zur Zeit t1 wird eine Rücksetzoperation an dem Pixel 2 durchgeführt. Die Rücksetzoperation wird zum Beispiel ausgeführt, falls der Verschluss betätigt wird, und das Ansteuerungssignal TG, das an den Transfertransistor 52 geliefert wird, das Ansteuerungssignal FDG, das an den ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 geliefert wird, das Ansteuerungssignal FCG, das an den zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor 56 geliefert wird, und das Ansteuerungssignal RST, das an den Rücksetztransistor 58 geliefert wird, werden eingeschaltet. Die jeweiligen Ansteuerungssignale werden für vorbestimmte Perioden eingeschaltet und dann ausgeschaltet.
  • In einer Belichtungsperiode zur Zeit t2 befinden sich das Ansteuerungssignal TG und das Ansteuerungssignal RST in dem Aus-Zustand, während sich das Ansteuerungssignal FDG und das Ansteuerungssignal FCG in dem Ein-Zustand befinden. Während der Belichtungsperiode werden Ladungen in dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51 akkumuliert. Während der Belichtungsperiode werden Überlaufladungen von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51 durch den Transfertransistor 52 zu dem FD-Abschnitt 53, dem kapazitiven MIM-Element 55 und dem kapazitiven MIM-Element 57 transferiert.
  • Zur Zeit t3 wird eine MCG(mittlere Umwandlungseffizienz)-Rücksetzperiode bereitgestellt. In der MCG-Rücksetzperiode werden das Ansteuerungssignal FCG und das Ansteuerungssignal FDG für vorbestimmte Perioden eingeschaltet und dann verbleibt das Ansteuerungssignal FDG eingeschaltet, während das Ansteuerungssignal FCG ausgeschaltet wird, und das Ansteuerungssignal SEL wird eingeschaltet, um eine MCG-Rücksetzung durchzuführen. Da die MCG (mittlere Umwandlungseffizienz) dem Fall des Verwendens des FD-Abschnitts 53 und des kapazitiven MIM-Elements 55 entspricht, werden der FD-Abschnitt 53 und das kapazitive MIM-Element 55 in der MCG-Rücksetzperiode zurückgesetzt.
  • Zur Zeit t4 wird eine HCG(hohe Umwandlungseffizienz)-Rücksetzperiode bereitgestellt. Die hohe Umwandlungseffizienz mit dem FD-Abschnitt 53 erzielt. In der HCG-Rücksetzperiode befinden sich das Ansteuerungssignal TG, das Ansteuerungssignal FDG, das Ansteuerungssignal FCG und das Ansteuerungssignal RST in dem Aus-Zustand. Durch Einschalten des Ansteuerungssignals SEL wird der FD-Abschnitt 53 zurückgesetzt.
  • Wenn das Auslesen aus dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51 (PD: Fotodiode) beginnt, wird das Ansteuerungssignal TG, das an den Transfertransistor 52 geliefert wird, für eine vorbestimmte Periode eingeschaltet. Das Auslesen aus der Fotodiode wird durch eine CDS(korrelierte Doppelabtastung)-Ansteuerung durchgeführt. Eine CDS-Ansteuerung ist eine Ansteuerung, bei der, nachdem die FD auf ein vorbestimmtes Potential zurückgesetzt wurde und das fragliche vorbestimmte Potential als ein Rücksetzpotential ausgelesen wurde, in der PD akkumulierte Signalladungen zu der FD transferiert werden und die Signalladungen in der FD als ein Signalpegel ausgelesen werden.
  • Wie nachfolgend beschrieben, wird, nachdem das Auslesen aus der Fotodiode durch eine CDS-Ansteuerung durchgeführt wurde, das Auslesen aus der Fotodiode und den kapazitiven MIM-Elementen durch eine DDS(Doppeldatenabtastung)-Ansteuerung durchgeführt. Eine DDS-Ansteuerung ist eine Ansteuerung, bei der Signalladungen, die in der FD gehalten oder akkumuliert werden, als ein Signalpegel ausgelesen werden, dann die FD auf ein vorbestimmtes Potential zurückgesetzt wird und das fragliche vorbestimmte Potential als ein Rücksetzpegel ausgelesen wird.
  • Da das Auslesen aus der PD durch eine CDS-Ansteuerung durchgeführt wird, wie zuvor beschrieben, werden die MCG-Rücksetzperiode und die HCG-Rücksetzperiode bereitgestellt und in den jeweiligen Perioden werden ein Rücksetzsignal für die mittlere Umwandlungseffizienz und ein Rücksetzsignal für die hohe Umwandlungseffizienz erlangt.
  • Zur Zeit t5 wird eine HCG-Ausleseperiode bereitgestellt. Für eine vorbestimmte Zeit vor dem Beginn der HCG-Ausleseperiode wird das Ansteuerungssignal TG eingeschaltet, um den Transfertransistor 52 einzuschalten, und werden Ladungen von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51 zu dem FD-Abschnitt 53 transferiert. Nachdem das Ansteuerungssignal TG wieder ausgeschaltet wurde, wird das Ansteuerungssignal SEL eingeschaltet, um den Auswahltransistor 60 in den Ein-Zustand zu setzen. Da die hohe Umwandlungseffizienz mit dem FD-Abschnitt 53 erzielt wird, werden in der HCG-Ausleseperiode Ladungen ausgelesen, die in dem FD-Abschnitt 53 akkumuliert werden.
  • Zur Zeit t6 wird eine MCG-Ausleseperiode bereitgestellt. Wenn die HCG-Ausleseperiode endet, wird das Ansteuerungssignal SEL wieder ausgeschaltet und wird das Ansteuerungssignal FDG eingeschaltet, um den ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 einzuschalten. Wenn der erste Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 eingeschaltet wird, wird das Ansteuerungssignal TG eingeschaltet, um den Transfertransistor 52 einzuschalten. Wenn der Transfertransistor 52 und der erste Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 eingeschaltet werden, wird ein Zustand hergestellt, in dem Ladungen zu dem FD-Abschnitt 53 und dem kapazitiven MIM-Element 55 fließen.
  • Nachdem das Ansteuerungssignal TR wieder ausgeschaltet wurde, wird das Ansteuerungssignal SEL eingeschaltet, um den Auswahltransistor 60 in den Ein-Zustand zu setzen, und Ladungen, die in dem FD-Abschnitt 53 und dem kapazitiven MIM-Element 55 akkumuliert werden, werden ausgelesen.
  • Zur Zeit t7 wird eine LCG-Ausleseperiode bereitgestellt. Nach dem Ende der MCG-Ausleseperiode werden das Ansteuerungssignal FCG und das Ansteuerungssignal TG in den Ein-Zustand gesetzt. Da das Ansteuerungssignal FDG eingeschaltet verbleibt, befinden sich der Transfertransistor 52, der erste Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 und der zweite Umwandlungseffizienzschalttransistor 56 in dem Ein-Zustand, was zu einem Zustand führt, in dem Ladungen zu dem FD-Abschnitt 53, dem kapazitiven MIM-Element 55 und dem kapazitiven MIM-Element 57 transferiert werden.
  • Da die niedrige Umwandlungseffizienz mit (dem FD-Abschnitt 53, dem kapazitiven MIM-Element 55 und dem kapazitiven MIM-Element 57) erzielt wird, werden in der LCG-Ausleseperiode Ladungen ausgelesen, die in dem (FD-Abschnitt 53, dem kapazitiven MIM-Element 55 und dem kapazitiven MIM-Element 57) akkumuliert werden.
  • Zur Zeit t8 wird eine LCG-Rücksetzperiode bereitgestellt. Wenn die LCG-Ausleseperiode endet, wird das Ansteuerungssignal SEL ausgeschaltet. Nachdem das Ansteuerungssignal SEL ausgeschaltet wurde, wird das Ansteuerungssignal RST für eine vorbestimmte Zeit eingeschaltet, um den Rücksetztransistor 58 in den Ein-Zustand zu setzen, und werden der FD-Abschnitt 53, das kapazitive MIM-Element 55 und das kapazitive MIM-Element 57 zurückgesetzt.
  • Wenn die LCG-Rücksetzperiode endet, wird das Ansteuerungssignal SEL wieder ausgeschaltet. Eine solche Reihe von Operationen wird durchgeführt, um ein Signal mit der HCG (hohe Umwandlungseffizienz), ein Signal mit der MCG (mittlere Umwandlungseffizienz) und ein Signal mit der LCG (niedrige Umwandlungseffizienz) auszulesen.
  • Gemäß der Konfiguration und der Operation des zuvor beschriebenen Pixels 2 ist es möglich, die Qs (Sättigungsladungsmenge) durch eine Überlaufansteuerung unter Verwendung des kapazitiven MIM-Elements 57 als ein kapazitives Element zu erweitern. Da die Pixel durch den Graben (Pixelseparationsabschnitt 106) voneinander separiert sind, der das Halbleitersubstrat 100 penetriert, kann Blooming in die angrenzenden Pixel verhindert werden, und daher kann das Potential unter dem Transfertransistor erhöht werden. Damit wird die Qs der Fotodiode (fotoelektrischer Umwandlungsabschnitt 51) erhöht, so dass die S/N-Pegelunterschiede an den Übergängen während einer starken Beleuchtung reduziert werden können.
  • Mit der Drei-Zeit-Auslesekonfiguration unter Verwendung der drei Umwandlungseffizienzen ist es möglich, die Verschlechterung der S/N-Pegelunterschiede an den Übergängen zu verhindern.
  • <Konfiguration eines Pixels bei der vierten Ausführungsform>
  • 9 ist ein Diagramm, die ein Beispiel für eine Schaltkreiskonfiguration eines Pixels 2d bei einer vierten Ausführungsform darstellt. 10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Querschnittskonfiguration des Pixels 2d darstellt. In der folgenden Beschreibung sind die gleichen Teile wie bei dem Pixel 2b bei der zweiten Ausführungsform durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und die Beschreibungen davon werden geeignet weggelassen.
  • Das Pixel 2d bei der vierten Ausführungsform ist durch weiteres Hinzufügen einer Verdrahtungskapazität 201 zu dem Pixel 2b bei der zweiten Ausführungsform konfiguriert.
  • Unter Bezugnahme auf das Beispiel für die Schaltkreiskonfiguration des Pixels 2d, das in 9 dargestellt ist, beinhaltet das erste Halbleitersubstrat 150 den fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51, den Transfertransistor 52 und den FD-Abschnitt 53.
  • Das zweite Halbleitersubstrat 160 beinhaltet den ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor 54, das kapazitive MIM-Element 55, den zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor 56, den Rücksetztransistor 58, den Verstärkungstransistor 59, den Auswahltransistor 60, die Verdrahtungskapazität 201 und einen dritten Umwandlungseffizienzschalttransistor 202.
  • Das Logikschaltkreissubstrat 130 beinhaltet das kapazitive MIM-Element 57.
  • Die Verdrahtungskapazität 201 ist zwischen dem ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 und dem dritten Umwandlungseffizienzschalttransistor 202 bereitgestellt. Das Pixel 2d beinhaltet als Akkumulationsabschnitte, die zum Akkumulieren von Ladungen von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51 konfiguriert sind, vier Komponenten, nämlich den FD-Abschnitt 53, die Verdrahtungskapazität 201, das kapazitive MIM-Element 55 und das kapazitive MIM-Element 57.
  • Unter Bezugnahme auf das Beispiel der Querschnittskonfiguration des Pixels 2d, das in 10 dargestellt ist, sind in einem zweiten Halbleitersubstrat 160d das kapazitive MIM-Element 55 und die Verdrahtungskapazität 201 bereitgestellt. Das kapazitive MIM-Element 55 ist zwischen der Verdrahtungsleitung 162 in der vierten Schicht und der Verdrahtungsleitung 162 in der fünften Schicht des zweiten Halbleitersubstrats 160d gebildet. Die Verdrahtungskapazität 201 ist zwischen der Verdrahtungsleitung 162 in der ersten Schicht und der Verdrahtungsleitung 162 in der zweiten Schicht bereitgestellt.
  • 11 ist ein vergrößertes Diagramm des Teils der Verdrahtungskapazität 201. Der Verdrahtungskapazität 201 ist eine Verdrahtungsleitung 161-2 zugeordnet, die in einer vorbestimmten Schicht der Verdrahtungsleitungen 161 mit einer Mehrschichtstruktur des zweiten Halbleitersubstrats 160d gebildet ist. Die Verdrahtungsleitung 161-2, die die Verdrahtungskapazität 201 bildet, ist mit einer Verdrahtungskapazität 162-1 verbunden. Diese Verdrahtungsleitung 162-1 ist mit einer n+-Diffusionsschicht verbunden, die in der Schicht gebildet ist, in der der erste Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 und der dritte Umwandlungseffizienzschalttransistor 202 gebildet sind.
  • Die Verdrahtungskapazität 201 ist unter Verwendung eines Teils der Verdrahtungsleitungen 161 mit einer Mehrschichtstruktur des zweiten Halbleitersubstrats 160d konfiguriert. Das Pixel 2d beinhaltet ferner eine solche Verdrahtungskapazität 201 als einen Akkumulationsabschnitt.
  • In dem Pixel 2d sind die vier Kondensatoren, nämlich der FD-Abschnitt 53, das kapazitive MIM-Element 55, das kapazitive MIM-Element 57 und die Verdrahtungskapazität 201 enthalten und diese Kondensatoren werden verwendet, um die vier Umwandlungseffizienzen zu erzielen und die Vier-Zeiten-Auslesekonfiguration zu implementieren, wodurch es ermöglicht wird, die Verschlechterung der S/N-Pegelunterschiede an den Übergängen zu verhindern.
  • Obwohl in 9 und 10 als ein Beispiel der Fall beschrieben wurde, in dem die Verdrahtungskapazität 201 in dem zweiten Halbleitersubstrat 160d bereitgestellt ist, kann auch eine Konfiguration genutzt werden, in der die Verdrahtungskapazität 201 in dem Logikschaltkreissubstrat 130 bereitgestellt ist.
  • Die vierte Ausführungsform kann mit der ersten Ausführungsform kombiniert werden, um eine Konfiguration zu erzielen, in der die Verdrahtungskapazität 201 in dem Halbleitersubstrat 100 gebildet ist. Die vierte Ausführungsform kann mit der dritten Ausführungsform kombiniert werden, um eine Konfiguration zu erzielen, in der mehrere kapazitive MIM-Elemente und die Verdrahtungskapazität 201 in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 enthalten sind.
  • <Konfiguration eines Pixels bei der fünften Ausführungsform>
  • 12 ist ein Diagramm, das Beispiele für Schaltkreiskonfigurationen von Pixeln 2e bei einer fünften Ausführungsform darstellt. 13 ist ein Diagramm, das Beispiele für Querschnittskonfigurationen der Pixel 2e darstellt. In der folgenden Beschreibung sind die gleichen Teile wie bei dem Pixel 2b bei der zweiten Ausführungsform durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und die Beschreibungen davon werden geeignet weggelassen.
  • Das Pixel 2e bei der fünften Ausführungsform unterscheidet sich von den Pixeln 2 bei den anderen Ausführungsformen darin, dass es derart konfiguriert ist, dass die Komponenten von dem FD-Abschnitt 53 bis zu dem Auswahltransistor 60 durch die mehreren Pixel gemeinsam genutzt werden. Hier ist ein Fall, in dem die Komponenten von dem FD-Abschnitt 53 bis zu dem Auswahltransistor 60 durch die vier Pixel 2e gemeinsam genutzt werden, als ein Beispiel beschrieben.
  • Unter Bezugnahme auf die Beispiele der Schaltkreiskonfigurationen der Pixel 2e, die in 12 dargestellt sind, sind ein fotoelektrischer Umwandlungsabschnitt 51-1, ein Transfertransistor 52-1, ein fotoelektrischer Umwandlungsabschnitt 51-2, ein Transfertransistor 52-2, ein fotoelektrischer Umwandlungsabschnitt 51-3, ein Transfertransistor 52-3, ein fotoelektrischer Umwandlungsabschnitt 51-4 und ein Transfertransistor 52-4 in einem ersten Halbleitersubstrat 150e gebildet. Die Komponenten von dem FD-Abschnitt 53 bis zu dem Auswahltransistor 60 sind mit jenen vier fotoelektrischen Umwandlungsabschnitten 51-1 bis 51-4 verbunden (werden durch diese gemeinsam genutzt).
  • Das zweite Halbleitersubstrat 160 beinhaltet den ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor 54, das kapazitive MIM-Element 55, den zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor 56, den Rücksetztransistor 58, den Verstärkungstransistor 59 und den Auswahltransistor 60. Das Logikschaltkreissubstrat 130 beinhaltet das kapazitive MIM-Element 57.
  • Die Komponenten von dem FD-Abschnitt 53 bis zu dem Auswahltransistor 60 sind dazu konfiguriert, durch die vier fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte 51(Pixel 2e) gemeinsam genutzt zu werden. 13 stellt die Beispiele für die Querschnittskonfigurationen der zwei Pixel 2e, die nebeneinander angeordnet sind, unter den vier Pixeln 2e dar. Der FD-Abschnitt 53 ist in dem unteren Teil des ersten Halbleitersubstrats 150e jedes eines Pixels 2e-1 und eines Pixels 2e-2 gebildet. Der FD-Abschnitt 53 ist durch die TCV 161, die in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 gebildet ist, mit dem ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 und dem Verstärkungstransistor 59, die in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 gebildet sind, verbunden.
  • In dem unteren zentralen Bereich des ersten Halbleitersubstrats 150e des Pixels 2e-1 in 13 ist der Transfertransistor 52-1 (Gate davon) gebildet, der zum Auslesen von Ladungen aus dem n-Typ-Halbleitergebiet 105 (fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51-1) konfiguriert ist. Gleichermaßen ist in dem unteren zentralen Bereich des ersten Halbleitersubstrats 150e des Pixels 2e-2 in 13 der Transfertransistor 52-2 (Gate davon) gebildet, der zum Auslesen von Ladungen aus dem n-Typ-Halbleitergebiet 105 (fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51-1) konfiguriert ist.
  • Die fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte 51 und die Transfertransistoren 52, die in dem ersten Halbleitersubstrat 150e gebildet sind, sind für jedes der Pixel 2e gebildet, während die Komponenten von dem ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 bis zu dem Auswahltransistor 60 (ausschließlich des kapazitiven MIM-Elements 57), die in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 gebildet sind, und das kapazitive MIM-Element 57, das in dem Logikschaltkreissubstrat 130 gebildet ist, durch die vier Pixel 2e gemeinsam genutzt werden.
  • Es ist auch möglich, eine Konfiguration wie das Pixel 2 der ersten Ausführungsform anzuwenden, bei dem das erste Halbleitersubstrat 150e und das zweite Halbleitersubstrat 160, das in 13 dargestellt ist, in dem Halbleitersubstrat 100 gebildet sind.
  • Es ist möglich, die zweite bis vierte Ausführungsform auf die Konfigurationen des zweiten Halbleitersubstrats 160 und des Logikschaltkreissubstrats 130 anzuwenden. Mit anderen Worten ist es auch möglich, die fünfte Ausführungsform in Kombination mit der zweiten bis vierten Ausführungsform zu implementieren. Das in 12 und 13 dargestellte Beispiel ist ein Beispiel, das durch Kombinieren der zweiten Ausführungsform mit der fünften Ausführungsform erhalten wird.
  • Die dritte Ausführungsform kann mit der fünften Ausführungsform kombiniert werden, um eine Konfiguration zu erzielen, bei der mehrere kapazitive MIM-Elemente in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 und dem Logikschaltkreissubstrat 130 gebildet sind. Die vierte Ausführungsform kann mit der fünften Ausführungsform kombiniert werden, so dass die Verdrahtungskapazität 201 in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 und dem Logikschaltkreissubstrat 130 bereitgestellt wird. Die dritte bis fünfte Ausführungsform können kombiniert werden, um eine Konfiguration zu erzielen, in der mehrere kapazitive MIM-Elemente und die Verdrahtungskapazität 201 in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 und dem Logikschaltkreissubstrat 130 enthalten sind und die mehreren kapazitiven MIM-Elemente und die Verdrahtungskapazität 201 durch die mehreren Pixel 2 gemeinsam genutzt werden.
  • In dem Pixel 2e sind die drei Kondensatoren, nämlich der FD-Abschnitt 53, das kapazitive MIM-Element 55 und das kapazitive MIM-Element 57 enthalten und diese Kondensatoren werden verwendet, um die drei Umwandlungseffizienzen zu erzielen und die Drei-Zeiten-Auslesekonfiguration zu implementieren, wodurch es ermöglicht wird, die Verschlechterung der S/N-Pegelunterschiede an den Übergängen zu verhindern.
  • Da das Pixel 2e derart konfiguriert ist, dass die Komponenten von dem FD-Abschnitt 53 bis zu dem Auswahltransistor 60 durch die mehreren Pixel 2e gemeinsam genutzt werden, kann das Pixel miniaturisiert werden.
  • <Konfiguration eines Pixels bei der sechsten Ausführungsform>
  • 14 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Querschnittskonfiguration eines Pixels 2f bei einer sechsten Ausführungsform darstellt. 15 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Schaltkreiskonfiguration des Pixels 2f darstellt. In der folgenden Beschreibung sind die gleichen Teile wie bei dem Pixel 2b bei der zweiten Ausführungsform durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und die Beschreibungen davon werden geeignet weggelassen.
  • Das Pixel 2f bei der sechsten Ausführungsform unterscheidet sich von den Pixeln 2 bei den anderen Ausführungsformen darin, dass es derart konfiguriert ist, dass es die mehreren fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte 51 in dem einzelnen Pixel beinhaltet. Hier ist als ein Beispiel ein Fall beschrieben, in dem die zwei fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte 51 in dem einzelnen Pixel enthalten sind. Falls das Gebiet, das durch den Pixelseparationsabschnitt 106 umgeben ist, als das einzelne Pixel 2f betrachtet wird, beinhaltet das einzelne Pixel 2f zwei Lichtempfangsabschnitte.
  • In dem in 14 dargestellten Pixel 2f ist mit einem p-Typ-Halbleitergebiet 301, das in einem zentralen Teil des n-Typ-Halbleitergebiets 105 gebildet ist, das n-Typ-Halbleitergebiet 105 in zwei Gebiete unterteilt, nämlich ein n-Typ-Halbleitergebiet 105-1 und ein n-Typ-Halbleitergebiet 105-2. Das n-Typ-Halbleitergebiet 105-1 und das n-Typ-Halbleitergebiet 105-2 bilden jeweils die PD (fotoelektrischer Umwandlungsabschnitt 51).
  • Der Transfertransistor 52-1 ist für das n-Typ-Halbleitergebiet 105-1 (fotoelektrischer Umwandlungsabschnitt 51-1) bereitgestellt und der Transfertransistor 52-2 ist für das n-Typ-Halbleitergebiet 105-2 (fotoelektrischer Umwandlungsabschnitt 51-2) bereitgestellt. Der FD-Abschnitt 53 ist zwischen dem Transfertransistor 52-1 und dem Transfertransistor 52-2 gebildet und der FD-Abschnitt 53 ist durch die TCV 161, die in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 gebildet ist, mit dem ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 und dem Verstärkungstransistor 59, die in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 gebildet sind, verbunden.
  • Die jeweiligen Konfigurationen des zweiten Halbleitersubstrats 160 und des Logikschaltkreissubstrats 130 können den jeweiligen Konfigurationen des zweiten Halbleitersubstrats 160 und des Logikschaltkreissubstrats 130 ähnlich sein, die in 4 dargestellt sind.
  • Unter Bezugnahme auf das Beispiel der Schaltkreiskonfiguration des Pixels 2f, das in 15 dargestellt ist, sind der fotoelektrische Umwandlungsabschnitt 51-1, der Transfertransistor 52-1, der fotoelektrische Umwandlungsabschnitt 51-2, der Transfertransistor 52-2 und der FD-Abschnitt 53 in dem ersten Halbleitersubstrat 150 gebildet. Das einzelne Pixel 2f beinhaltet den fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51-1 und den fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51-2 und der einzige FD-Abschnitt 53 ist mit den zwei fotoelektrischen Umwandlungsabschnitten 51-1 und 51-2 verbunden.
  • Das zweite Halbleitersubstrat 160 beinhaltet den ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor 54, das kapazitive MIM-Element 55, den zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor 56, den Rücksetztransistor 58, den Verstärkungstransistor 59 und den Auswahltransistor 60. Das Logikschaltkreissubstrat 130 beinhaltet das kapazitive MIM-Element 57.
  • Die Komponenten von dem FD-Abschnitt 53 bis zu dem Auswahltransistor 60 sind dazu konfiguriert, durch die zwei fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte 51 gemeinsam genutzt zu werden, die in dem einzelnen Pixel enthalten sind.
  • Es ist auch möglich, eine Konfiguration wie das Pixel 2 der ersten Ausführungsform anzuwenden, bei dem das erste Halbleitersubstrat 150f und das zweite Halbleitersubstrat 160, das in 14 dargestellt ist, in dem Halbleitersubstrat 100 gebildet sind.
  • Es ist möglich, die zweite bis vierte Ausführungsform auf die Konfigurationen des zweiten Halbleitersubstrats 160 und des Logikschaltkreissubstrats 130 anzuwenden. Mit anderen Worten ist es auch möglich, die sechste Ausführungsform in Kombination mit der zweiten bis vierten Ausführungsform zu implementieren. Das in 14 und 15 dargestellte Beispiel ist ein Beispiel, das durch Kombinieren der zweiten Ausführungsform mit der sechsten Ausführungsform erhalten wird.
  • Die dritte Ausführungsform kann mit der sechsten Ausführungsform kombiniert werden, um eine Konfiguration zu erzielen, bei der mehrere kapazitive MIM-Elemente in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 und dem Logikschaltkreissubstrat 130 gebildet sind. Die vierte Ausführungsform kann mit der sechsten Ausführungsform kombiniert werden, so dass die Verdrahtungskapazität 201 in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 und dem Logikschaltkreissubstrat 130 bereitgestellt wird. Die dritte bis sechste Ausführungsform können kombiniert werden, um eine Konfiguration zu erzielen, in der mehrere kapazitive MIM-Elemente und die Verdrahtungskapazität 201 in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 und dem Logikschaltkreissubstrat 130 enthalten sind und die mehreren kapazitiven MIM-Elemente und die Verdrahtungskapazität 201 durch die mehreren Pixel 2 gemeinsam genutzt werden.
  • In dem Pixel 2f sind die drei Kondensatoren, nämlich der FD-Abschnitt 53, das kapazitive MIM-Element 55 und das kapazitive MIM-Element 57 enthalten und diese Kondensatoren werden verwendet, um die drei Umwandlungseffizienzen zu erzielen und die Drei-Zeiten-Auslesekonfiguration zu implementieren, wodurch es ermöglicht wird, die Verschlechterung der S/N-Pegelunterschiede an den Übergängen zu verhindern.
  • Das Pixel 2f kann zum Beispiel auf Phasendifferenzdetektionspixel angewandt werden.
  • <Konfiguration eines Pixels bei der siebten Ausführungsform>
  • 16 ist ein Diagramm, die ein Beispiel für eine Schaltkreiskonfiguration eines Pixels 2g bei einer siebten Ausführungsform darstellt. In der folgenden Beschreibung sind die gleichen Teile wie bei dem Pixel 2b bei der zweiten Ausführungsform durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und die Beschreibungen davon werden geeignet weggelassen.
  • Das Pixel 2g bei der siebten Ausführungsform unterscheidet sich von den Pixeln 2 bei den anderen Ausführungsformen darin, dass es die mehreren fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte 51 in dem einzelnen Pixel beinhaltet. Hier ist als ein Beispiel ein Fall beschrieben, in dem die zwei fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte 51 in dem einzelnen Pixel enthalten sind.
  • Ferner unterscheidet sich das Pixel 2g bei der siebten Ausführungsform von den Pixeln 2 bei den anderen Ausführungsformen darin, dass es derart konfiguriert ist, dass die Komponenten von dem FD-Abschnitt 53 bis zu dem Auswahltransistor 60 durch die mehreren Pixel gemeinsam genutzt werden. Hier ist ein Fall, in dem die Komponenten von dem FD-Abschnitt 53 bis zu dem Auswahltransistor 60 durch die vier Pixel 2g gemeinsam genutzt werden, als ein Beispiel beschrieben.
  • Das einzelne Pixel 2g ist derart konfiguriert, dass zum Beispiel, wie bei dem in 14 dargestellten Pixel 2f, mit dem p-Typ-Halbleitergebiet 301, das in dem zentralen Teil des n-Typ-Halbleitergebiets 105 gebildet ist, das n-Typ-Halbleitergebiet 105 in zwei Gebiete unterteilt ist, nämlich das n-Typ-Halbleitergebiet 105-1 und das n-Typ-Halbleitergebiet 105-2. Das n-Typ-Halbleitergebiet 105-1 und das n-Typ-Halbleitergebiet 105-2 bilden jeweils die PD (fotoelektrischer Umwandlungsabschnitt 51).
  • Der Transfertransistor 52-1 ist für den fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51-1 bereitgestellt und der Transfertransistor 52-2 ist für den fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51-2 bereitgestellt. Die zwei fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte 51 bilden ein einzelnes Pixel 2g-1. Der Transfertransistor 52-3 ist für den fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51-3 bereitgestellt und der Transfertransistor 52-4 ist für den fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51-4 bereitgestellt. Die zwei fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte 51 bilden ein einzelnes Pixel 2g-2.
  • Ein Transfertransistor 52-5 ist für einen fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51-5 bereitgestellt und ein Transfertransistor 52-6 ist für einen fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51-6 bereitgestellt. Die zwei fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte 51 bilden ein einzelnes Pixel 2g-3. Ein Transfertransistor 52-7 ist für einen fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51-7 bereitgestellt und ein Transfertransistor 52-8 ist für einen fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt 51-8 bereitgestellt. Die zwei fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte 51 bilden ein einzelnes Pixel 2g-4.
  • Die jeweiligen Konfigurationen des zweiten Halbleitersubstrats 160 und des Logikschaltkreissubstrats 130 können den jeweiligen Konfigurationen des zweiten Halbleitersubstrats 160 und des Logikschaltkreissubstrats 130 ähnlich sein, die in 4 dargestellt sind.
  • Unter Bezugnahme auf das Beispiel der Schaltkreiskonfiguration des Pixels 2g, das in 16 dargestellt ist, sind die fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte 51-1 bis 51-8, die Transfertransistoren 52-1 bis 52-8 und der FD-Abschnitt 53 in einem ersten Halbleitersubstrat 150g gebildet. Der einzige FD-Abschnitt 53 ist mit den acht fotoelektrischen Umwandlungsabschnitten 51, nämlich den fotoelektrischen Umwandlungsabschnitten 51-1 bis 51-8 (den vier Pixeln 2g, nämlich den Pixeln 2g-1 bis 2g-4) verbunden.
  • Das zweite Halbleitersubstrat 160 beinhaltet den ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor 54, das kapazitive MIM-Element 55, den zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor 56, den Rücksetztransistor 58, den Verstärkungstransistor 59 und den Auswahltransistor 60. Das Logikschaltkreissubstrat 130 beinhaltet das kapazitive MIM-Element 57.
  • Die Komponenten von dem FD-Abschnitt 53 bis zu dem Auswahltransistor 60 sind dazu konfiguriert, durch die acht fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte 51 gemeinsam genutzt zu werden, die in den vier Pixeln 2g enthalten sind.
  • Es ist auch möglich, eine Konfiguration wie das Pixel 2 der ersten Ausführungsform anzuwenden, bei dem das erste Halbleitersubstrat 150g und das zweite Halbleitersubstrat 160, das in 16 dargestellt ist, in dem Halbleitersubstrat 100 gebildet sind.
  • Es ist möglich, die zweite bis vierte Ausführungsform auf die Konfigurationen des zweiten Halbleitersubstrats 160 und des Logikschaltkreissubstrats 130 anzuwenden. Mit anderen Worten ist es auch möglich, die siebte Ausführungsform in Kombination mit der zweiten bis vierten Ausführungsform zu implementieren. Das in 16 dargestellte Beispiel ist ein Beispiel, das durch Kombinieren der zweiten Ausführungsform mit der siebten Ausführungsform erhalten wird.
  • Die dritte Ausführungsform kann mit der siebten Ausführungsform kombiniert werden, um eine Konfiguration zu erzielen, bei der mehrere kapazitive MIM-Elemente in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 und dem Logikschaltkreissubstrat 130 gebildet sind. Die vierte Ausführungsform kann mit der siebten Ausführungsform kombiniert werden, so dass die Verdrahtungskapazität 201 in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 und dem Logikschaltkreissubstrat 130 bereitgestellt wird. Die dritte bis sechste Ausführungsform können kombiniert werden, um eine Konfiguration zu erzielen, in der mehrere kapazitive MIM-Elemente und die Verdrahtungskapazität 201 in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 und dem Logikschaltkreissubstrat 130 enthalten sind und die mehreren kapazitiven MIM-Elemente und die Verdrahtungskapazität 201 durch die mehreren Pixel 2 gemeinsam genutzt werden.
  • In dem Pixel 2g sind die drei Kondensatoren, nämlich der FD-Abschnitt 53, das kapazitive MIM-Element 55 und das kapazitive MIM-Element 57 enthalten und diese Kondensatoren werden verwendet, um die drei Umwandlungseffizienzen zu erzielen und die Drei-Zeiten-Auslesekonfiguration zu implementieren, wodurch es ermöglicht wird, die Verschlechterung der S/N-Pegelunterschiede an den Übergängen zu verhindern.
  • Da das Pixel 2g derart konfiguriert ist, dass die Komponenten von dem FD-Abschnitt 53 bis zu dem Auswahltransistor 60 durch die mehreren Pixel 2g gemeinsam genutzt werden, kann das Pixel miniaturisiert werden.
  • Das Pixel 2g kann zum Beispiel auf Phasendifferenzdetektionspixel angewandt werden.
  • <Herstellung eines Pixels>
  • Die Herstellung des Pixels 2 ist unter Bezugnahme auf 17 beschrieben. In 17 ist ein Fall, in dem das in 4 dargestellte Pixel 2b hergestellt wird, als ein Beispiel beschrieben.
  • In Schritt S11 werden die jeweiligen Komponenten, die in dem ersten Halbleitersubstrat 150 enthalten sind, wie etwa der fotoelektrische Umwandlungsabschnitt 51, der Transfertransistor 52 und der FD-Abschnitt 53, in dem ersten Halbleitersubstrat 150 gebildet.
  • In Schritt S12 werden die Transistoren in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 gebildet. Zum Beispiel werden der erste Umwandlungseffizienzschalttransistor 54 und der Verstärkungstransistor 59 gebildet.
  • In Schritt S13 werden die Verdrahtungsleitungen 122 und das kapazitive MIM-Element 55 ferner in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 gebildet. Falls mehrere kapazitive MIM-Elemente in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 gebildet werden, werden in Schritt S13 die mehreren kapazitiven MIM-Elemente in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 gebildet. Falls die Verdrahtungskapazität 201 in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 gebildet wird, wird in Schritt S13 die Verdrahtungskapazität 201 in dem zweiten Halbleitersubstrat 160 gebildet.
  • Obwohl das erste Halbleitersubstrat 150 und das zweite Halbleitersubstrat 160 hergestellt werden, wird in Schritt S21 und Schritt S22 eine Verarbeitung des Logikschaltkreissubstrats 130 ausgeführt. In Schritt S21 werden zum Beispiel der erste Umwandlungseffizienzschalttransistor 54, die Verdrahtungsleitungen 131 und dergleichen in dem Logikschaltkreissubstrat 130 gebildet.
  • In Schritt S22 wird das kapazitive MIM-Element 57 in dem Logikschaltkreissubstrat 130 gebildet. Falls mehrere kapazitive MIM-Elemente in dem Logikschaltkreissubstrat 130 gebildet werden, werden in Schritt S22 die mehreren kapazitiven MIM-Elemente innerhalb des Logikschaltkreissubstrats 130 gebildet. Falls eine Verdrahtungskapazität in dem Logikschaltkreissubstrat 130 gebildet wird, wird in Schritt S22 die Verdrahtungskapazität in dem Logikschaltkreissubstrat 130 gebildet. Es wird angemerkt, dass, falls keine kapazitiven MIM-Elemente und keine Verdrahtungskapazität in dem Logikschaltkreissubstrat 130 gebildet werden, in Schritt S22 der Prozess des Bildens der kapazitiven MIM-Elemente oder einer Verdrahtungskapazität ausgelassen werden kann.
  • In Schritt S14 wird das Logikschaltkreissubstrat 130, das in Schritt S21 und Schritt S22 hergestellt wird, auf das erste Halbleitersubstrat 150 und das zweite Halbleitersubstrat 160 gestapelt, die in Schritt S11 bis S13 hergestellt werden. Das Logikschaltkreissubstrat 130 wird an das zweite Halbleitersubstrat 160 gebondet. In Schritt S15 werden die On-Chip-Linse 101, das CF 102 und der Lichtabschirmungsfilm 103 auf dem ersten Halbleitersubstrat 150 gebildet. Das in 3 dargestellte Pixel 2 wird auf diese Weise hergestellt.
  • Die Pixel 2 bei den anderen Ausführungsformen können auch im Grunde unter Verwendung des gleichen Herstellungsprozesses hergestellt werden.
  • Gemäß der vorliegenden Technologie ist es durch Strukturieren von Pixeln einschließlich mehrerer kapazitiver MIM-Elemente möglich, den Dynamikumfang erheblich zu erweitern und die Umwandlungseffizienz graduell zu ändern, wodurch eine Reduktion des S/N-Pegelunterschieds zu der Zeit des Umwandlungseffizienzumschaltens ermöglicht wird.
  • <Beispiel für eine Anwendung auf eine elektronische Einrichtung>
  • Die vorliegenden Technologie ist nicht auf Anwendungen auf Bildgebungselemente beschränkt. Das heißt, die vorliegende Technologie kann auf allgemeine elektronische Einrichtungen unter Verwendung von Bildgebungselementen in Bilderfassungseinheiten (fotoelektrischen Umwandlungseinheiten), zum Beispiel Bildgebungsvorrichtungen, wie etwa digitale Fotokameras und Videokameras, portable Endgerätevorrichtungen mit einer Bildgebungsfunktion und Kopierer unter Verwendung von Bildgebungselementen in Bildleseeinheiten, angewandt werden. Das Bildgebungselement kann in einer Ein-ChipForm oder in einer modularen Form vorliegen, wobei eine Bildaufnahmeeinheit und eine Signalverarbeitungseinheit oder ein optisches System zusammen gekapselt sind, um eine Bildgebungsfunktion bereitzustellen.
  • 18 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine Konfiguration einer Bildgebungsvorrichtung darstellt, die als eine elektronische Einrichtung dient, auf die die vorliegende Technologie angewandt wird.
  • Ein Bildgebungselement 1000 aus 18 beinhaltet eine optische Einheit 1001 einschließlich einer Linsengruppe oder dergleichen, ein Bildgebungselement (Bildgebungsvorrichtung) 1002, die die Konfiguration der Bildgebungsvorrichtung 1 aus 1 nutzt, und einen DSP(Digitalsignalprozessor)-Schaltkreis 1003, der ein Kamerasignalverarbeitungsschaltkreis ist. Ferner beinhaltet das Bildgebungselement 1000 einen Einzelbildspeicher 1004, eine Anzeigeeinheit 1005, eine Aufzeichnungseinheit 1006, eine Bedienungseinheit 1007 und eine Leistungsversorgungseinheit 1008. Der DSP-Schaltkreis 1003, der Einzelbildspeicher 1004, die Anzeigeeinheit 1005, die Aufzeichnungseinheit 1006, die Operationseinheit 1007 und die Leistungsversorgungseinheit 1008 sind über eine Busleitung 1009 miteinander verbunden.
  • Die optische Einheit 1001 nimmt einfallendes Licht (Bildlicht) von einem Objekt und bildet ein Bild auf der Bildgebungsebene des Bildgebungselements 1002. Das Bildgebungselement 1002 wandelt die Menge an einfallendem Licht, das durch die optische Einheit 1001 auf die Bildgebungsebene abgebildet wird, in ein elektrisches Signal auf einer Pixel-für-Pixel-Basis um und gibt das elektrische Signal als ein Pixelsignal aus. Als dieses Bildgebungselement 1002 kann die Bildgebungsvorrichtung 1 aus 1 verwendet werden.
  • Die Anzeigeeinheit 1005 beinhaltet zum Beispiel eine Flat-Panel-Anzeige, wie etwa eine LCD (Flüssigkristallanzeige) oder eine organische EL(Elektrolumineszenz)-Anzeige, und zeigt Bewegtbilder oder Standbilder an, die durch das Bildgebungselement 1002 aufgenommen werden. Die Aufzeichnungseinheit 1006 zeichnet Bewegtbilder oder Standbilder, die durch das Bildgebungselement 1002 aufgenommen werden, auf einem Aufzeichnungsmedium, wie etwa einer Festplatte und einem Halbleiterspeicher, auf.
  • Die Bedienungseinheit 1007 gibt unter der Bedienung durch den Benutzer Bedienungsanweisungen für verschiedene Funktionen des Bildgebungselements 1000 aus. Die Leistungsversorgungseinheit 1008 versorgt den DSP-Schaltkreis 1003, den Einzelbildspeicher 1004, die Anzeigeeinheit 1005, die Aufzeichnungseinheit 1006 und die Bedienungseinheit 1007 geeignet mit verschiedenen Arten einer Leistungsversorgung als Betriebsleistungsversorgung für diese Versorgungsziele.
  • <Beispiel einer Anwendung auf ein endoskopisches Chirurgiesystem>
  • Die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung (vorliegende Technologie) kann auf verschiedene Produkte angewandt werden. Zum Beispiel kann die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung auf endoskopische Chirurgiesysteme angewandt werden.
  • 19 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für eine schematische Konfiguration eines endoskopischen Chirurgiesystems darstellt, auf das die Technologie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung (vorliegenden Technologie) angewandt werden kann.
  • In 19 ist ein Zustand veranschaulicht, in dem ein Chirurg (Arzt) 11131 ein endoskopisches Chirurgiesystem 11000 verwendet, um eine Operation an einem Patienten 11132 auf einem Patientenbett 11133 durchzuführen. Wie dargestellt, beinhaltet das endoskopische Chirurgiesystem 11000 ein Endoskop 11100, andere chirurgische Werkzeuge 11110, wie etwa einen Pneumoperitoneumschlauch 11111 und eine Energievorrichtung 11112, eine Stützarmeinrichtung 11120, die das Endoskop 11100 darauf stützt, und einen Wagen 11200, auf dem verschiedene Einrichtungen zur endoskopischen Chirurgie montiert sind.
  • Das Endoskop 11100 beinhaltet einen Objektivtubus 11101 mit einem Gebiet einer vorbestimmten Länge von einem distalen Ende davon entfernt, das in einen Körperhohlraum des Patienten 11132 einzuführen ist, und einen Kamerakopf 11102, der mit einem proximalen Ende des Objektivtubus 11101 verbunden ist. Bei dem dargestellten Beispiel ist das Endoskop 11100 dargestellt, das ein starres Endoskop mit dem Objektivtubus 11101 des harten Typs beinhaltet. Das Endoskop 11100 kann jedoch andernfalls als ein flexibles Endoskop mit dem Objektivtubus 11101 des flexiblen Typs enthalten sein.
  • Der Objektivtubus 11101 weist an einem distalen Ende von diesem eine Öffnung auf, in die eine Objektivlinse eingesetzt wird. Eine Lichtquelleneinrichtung 11203 ist derart mit dem Endoskop 11100 verbunden, dass durch die Lichtquelleneinrichtung 11203 erzeugtes Licht durch einen Lichtleiter, der sich im Inneren des Objektivtubus 11101 erstreckt, in ein distales Ende des Objektivtubus 11101 eingeführt wird und durch die Objektivlinse zu einem Beobachtungsziel in einem Körperhohlraum des Patienten 11132 hin abgestrahlt wird. Es ist anzumerken, dass das Endoskop 11100 ein Vorwärtsbetrachtungsendoskop sein kann oder ein Schrägbetrachtungsendoskop oder ein Seitenbetrachtungsendoskop sein kann.
  • Ein optisches System und ein Bildgebungselement sind im Inneren des Kamerakopfes 11102 bereitgestellt, so dass reflektiertes Licht (Beobachtungslicht) von dem Beobachtungsziel durch das optische System auf das Bildgebungselement gebündelt wird. Das Beobachtungslicht wird durch das Bildgebungselement fotoelektrisch umgewandelt, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das dem Beobachtungslicht entspricht, nämlich ein Bildsignal, das einem Beobachtungsbild entspricht. Das Bildsignal wird als RAW-Daten an eine CCU 11201 übertragen.
  • Die CCU 11201 beinhaltet eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU), eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU) oder dergleichen und steuert integral eine Operation des Endoskops 11100 und einer Anzeigeeinrichtung 11202. Ferner empfängt die CCU 11201 ein Bildsignal von dem Kamerakopf 11102 und führt verschiedene Bildprozesse zum Anzeigen eines Bildes basierend auf dem Bildsignal, wie etwa zum Beispiel einen Entwicklungsprozess (Demosaic-Prozess), für das Bildsignal durch.
  • Die Anzeigeeinrichtung 11202 zeigt darauf ein Bild basierend auf einem Bildsignal an, für das die Bildprozesse durch die CCU 11201 unter der Steuerung der CCU 11201 durchgeführt wurden.
  • Die Lichtquelleneinrichtung 11203 beinhaltet eine Lichtquelle, wie etwa zum Beispiel eine Leuchtdiode (LED), und liefert Bestrahlungslicht bei einer Bildgebung eines Operationsgebiets an das Endoskop 11100.
  • Eine Eingabeeinrichtung 11204 ist eine Eingabeschnittstelle für das endoskopische Chirurgiesystem 11000. Ein Benutzer kann das Eingeben verschiedener Arten von Informationen oder eine Anweisungseingabe in das endoskopische Chirurgiesystem 11000 durch die Eingabeeinrichtung 11204 durchführen. Zum Beispiel würde der Benutzer eine Anweisung oder dergleichen zum Ändern einer Bildaufnahmebedingung (Art des Bestrahlungslichts, Vergrößerung, Brennweite oder dergleichen) durch das Endoskop 11100 eingeben.
  • Eine Behandlungswerkzeugsteuereinrichtung 11205 steuert die Ansteuerung der Energievorrichtung 11112 zur Kauterisation oder Inzision eines Gewebes, zum Versiegeln eines Blutgefäßes oder dergleichen. Eine Pneumoperitoneumeinrichtung 11206 führt Gas durch den Pneumoperitoneumschlauch 11111 in einen Körperhohlraum des Patienten 11132 ein, um den Körperhohlraum aufzublasen, um das Sichtfeld des Endoskops 11100 sicherzustellen und den Arbeitsraum für den Chirurgen sicherzustellen. Ein Aufzeichnungsgerät 11207 ist eine Einrichtung, die zum Aufzeichnen verschiedener Arten von Informationen bezüglich der Chirurgie in der Lage ist. Ein Drucker 11208 ist eine Einrichtung, die zum Drucken verschiedener Arten von Informationen bezüglich der Chirurgie in verschiedenen Formen, wie etwa eines Textes, eines Bildes oder eines Graphen, in der Lage ist.
  • Es ist anzumerken, dass die Lichtquelleneinrichtung 11203, die Bestrahlungslicht, wenn ein Operationsgebiet bildlich zu erfassen ist, an das Endoskop 11100 liefert, eine Weißlichtquelle beinhalten kann, die zum Beispiel eine LED, eine Laserlichtquelle oder eine Kombination aus ihnen beinhaltet. Wenn eine Weißlichtquelle eine Kombination aus roten, grünen und blauen (RGB) Laserlichtquellen beinhaltet, kann eine Anpassung des Weißabgleichs eines aufgenommenen Bildes durch die Lichtquelleneinrichtung 11203 durchgeführt werden, da die Ausgabeintensität und das Ausgabetiming mit einem hohen Genauigkeitsgrad für jede Farbe (jede Wellenlänge) gesteuert werden können. Ferner werden in diesem Fall Laserstrahlen von den jeweiligen RGB-Laserlichtquellen zeitlich aufgeteilt auf ein Beobachtungsziel gestrahlt und wird eine Ansteuerung der Bildgebungselemente des Kamerakopfes 11102 in Synchronisation mit den Bestrahlungstimings gesteuert. Dann können Bilder, die einzeln der R-, G- und B-Farbe entsprechen, auch zeitlich aufgeteilt aufgenommen werden. Gemäß diesem Verfahren kann ein Farbbild selbst dann erhalten werden, wenn keine Farbfilter für das Bildgebungselement bereitgestellt werden.
  • Ferner kann die Lichtquelleneinrichtung 11203 derart gesteuert werden, dass die Intensität von auszugebendem Licht für jede vorbestimmte Zeit geändert wird. Durch das Steuern der Ansteuerung des Bildgebungselements des Kamerakopfes 11102 in Synchronisation mit dem Timing der Änderung der Intensität von Licht, um Bilder zeitlich aufgeteilt zu erlangen, und Synthetisieren der Bilder kann ein Bild mit hohem Dynamikumfang ohne unterbelichtetes Absaufen und ausgefressene Lichter erzeugt werden.
  • Ferner kann die Lichtquelleneinrichtung 11203 zum Bereitstellen von Licht eines vorbestimmten Wellenlängenbandes konfiguriert werden, das für eine Speziallichtbeobachtung bereit ist. Bei einer Speziallichtbeobachtung wird zum Beispiel durch Ausnutzung der Wellenlängenabhängigkeit einer Absorption von Licht in einem Körpergewebe von Bestrahlungslicht eines schmalen Bande im Vergleich zu Bestrahlungslicht bei einer gewöhnlichen Beobachtung (nämlich Weißlicht) eine Schmalbandbeobachtung (Schmalbandbildgebung) zur Bildgebung eines vorbestimmten Gewebes, wie etwa eines Blutgefäßes eines oberflächlichen Teils der Schleimhaut oder dergleichen, mit einem hohem Kontrast durchgeführt. Alternativ dazu kann bei einer Speziallichtbeobachtung eine Fluoreszenzbeobachtung zum Erhalten eines Bildes aus Fluoreszenzlicht durchgeführt werden, das durch Bestrahlung mit Anregungslicht erzeugt wird. Bei einer Fluoreszenzbeobachtung ist es möglich, eine Beobachtung von Fluoreszenzlicht von einem Körpergewebe durch Strahlen von Anregungslicht auf das Körpergewebe (Autofluoreszenzbeobachtung) durchzuführen oder ein Fluoreszenzlichtbild durch lokales Injizieren eines Reagenzes, wie etwa Indocyaningrün (LCG), in ein Körpergewebe und Strahlen von Anregungslicht, das einer Fluoreszenzlichtwellenlänge des Reagenzes entspricht, auf das Körpergewebe zu erhalten. Die Lichtquelleneinrichtung 11203 kann zum Bereitstellen eines solchen Schmalbandlichts und/oder Anregungslichts konfiguriert sein, das für eine Speziallichtbeobachtung, wie oben beschrieben, geeignet ist.
  • 20 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine funktionale Konfiguration des Kamerakopfes 11102 und der CCU 11201, die in 19 dargestellt sind, darstellt.
  • Der Kamerakopf 11102 beinhaltet eine Linseneinheit 11401, eine Bildaufnahmeeinheit 11402, eine Antriebseinheit 11403, eine Kommunikationseinheit 11404 und eine Kamerakopfsteuereinheit 11405. Die CCU 11201 beinhaltet eine Kommunikationseinheit 11411, eine Bildverarbeitungseinheit 11412 und eine Steuereinheit 11413. Der Kamerakopf 11102 und die CCU 11201 sind zur Kommunikation miteinander durch ein Übertragungskabel 11400 verbunden.
  • Die Linseneinheit 11401 ist ein optisches System, das an einer Verbindungsstelle zu dem Objektivtubus 11101 bereitgestellt ist. Beobachtungslicht, das von einem distalen Ende des Objektivtubus 11101 einfällt, wird zu dem Kamerakopf 11102 geleitet und in die Linseneinheit 11401 eingeführt. Die Linseneinheit 11401 beinhaltet eine Kombination aus mehreren Linsen, einschließlich einer Zoomlinse und einer Fokussierungslinse.
  • Die Anzahl an Bildgebungselementen, die die in der Bildaufnahmeeinheit 11402 enthalten sind, kann eine (Einzelplattentyp) oder mehrere (Mehrfachplattentyp) sein. Wenn die Bildaufnahmeeinheit 11402 als jene des Mehrfachplattentyps konfiguriert ist, werden zum Beispiel Bildsignale, die R, G bzw. B entsprechen, durch die Bildgebungselemente erzeugt und die Bildsignale können synthetisiert werden, um ein Farbbild zu erhalten. Die Bildaufnahmeeinheit 11402 kann auch so konfiguriert sein, dass sie ein Paar Bildgebungselemente zum Erlangen jeweiliger Bildsignale für das rechte Auge und das linke Auge aufweist, die für eine dreidimensionale (3D-) Anzeige bereit sind. Falls eine 3D-Anzeige durchgeführt wird, dann kann die Tiefe eines lebenden Körpergewebes in einem Operationsgebiet genauer von dem Chirurgen 11131 erfasst werden. Es ist anzumerken, dass, wenn die Bildaufnahmeeinheit 11402 als jene vom stereoskopischen Typ konfiguriert ist, mehrere Systeme aus Linseneinheiten 11401 bereitgestellt sind, die den einzelnen Bildgebungselementen entsprechen.
  • Ferner ist die Bildaufnahmeeinheit 11402 möglicherweise nicht zwingend in dem Kamerakopf 11102 bereitgestellt. Zum Beispiel kann die Bildaufnahmeeinheit 11402 unmittelbar hinter der Objektivlinse im Inneren des Objektivtubus 11101 bereitgestellt sein.
  • Die Antriebseinheit 11403 beinhaltet einen Aktor und bewegt die Zoomlinse und die Fokussierungslinse der Linseneinheit 11401 um eine vorbestimmte Entfernung entlang einer optischen Achse unter der Steuerung der Kamerakopfsteuereinheit 11405. Folglich können die Vergrößerung und der Brennpunkt eines durch die Bildaufnahmeeinheit 11402 aufgenommenen Bildes geeignet angepasst werden.
  • Die Kommunikationseinheit 11404 beinhaltet eine Kommunikationseinrichtung zum Übertragen und Empfangen verschiedener Arten von Informationen an die und von der CCU 11201. Die Kommunikationseinheit 11404 überträgt ein von der Bildaufnahmeeinheit 11402 erlangtes Bildsignal durch das Übertragungskabel 11400 als RAW-Daten an die CCU 11201.
  • Außerdem empfängt die Kommunikationseinheit 11404 ein Steuersignal zum Steuern der Ansteuerung des Kamerakopfes 11102 von der CCU 11201 und liefert das Steuersignal an die Kamerakopfsteuereinheit 11405. Das Steuersignal beinhaltet Informationen bezüglich Bildaufnahmebedingungen, wie etwa zum Beispiel Informationen, dass eine Bildwiederholrate eines aufgenommenen Bildes designiert wird, Informationen, dass ein Belichtungswert bei der Bildaufnahme designiert wird, und/oder Informationen, dass eine Vergrößerung und ein Brennpunkt eines aufgenommenen Bildes designiert werden.
  • Es ist anzumerken, dass die Bildaufnahmebedingungen, wie etwa die Bildwiederholrate, der Belichtungswert, die Vergrößerung oder der Brennpunkt, durch den Benutzer designiert werden können oder automatisch durch die Steuereinheit 11413 der CCU 11201 basierend auf einem erlangten Bildsignal eingestellt werden können. Im letzteren Fall werden eine Autobelichtung(AE)-Funktion, eine Autofokus(AF)-Funktion und eine Autoweißabgleich(AWB)-Funktion in das Endoskop 11100 eingebunden.
  • Die Kamerakopfsteuereinheit 11405 steuert eine Ansteuerung des Kamerakopfes 11102 basierend auf einem Steuersignal von der CCU 11201, das durch die Kommunikationseinheit 11404 empfangen wird.
  • Die Kommunikationseinheit 11411 beinhaltet eine Kommunikationseinrichtung zum Übertragen und Empfangen verschiedener Arten von Informationen an den und von dem Kamerakopf 11102. Die Kommunikationseinheit 11411 empfängt ein Bildsignal, das von dem Kamerakopf 11102 durch das Übertragungskabel 11400 an diese übertragen wird.
  • Ferner überträgt die Kommunikationseinheit 11411 ein Steuersignal zum Steuern der Ansteuerung des Kamerakopfes 11102 an den Kamerakopf 11102. Das Bildsignal und das Steuersignal können durch elektrische Kommunikation, optische Kommunikation oder dergleichen übertragen werden.
  • Die Bildverarbeitungseinheit 11412 führt verschiedene Bildprozesse für ein von dem Kamerakopf 11102 an diese übertragenes Bildsignal in der Form von RAW-Daten durch.
  • Die Steuereinheit 11413 führt verschiedene Arten einer Steuerung bezüglich der Bildaufnahme eines Operationsgebiets oder dergleichen durch das Endoskop 11100 und eine Anzeige eines aufgenommenen Bildes, das durch Bildaufnahme des Operationsgebiets oder dergleichen erhalten wird, durch. Zum Beispiel erzeugt die Steuereinheit 11413 ein Steuersignal zum Steuern der Ansteuerung des Kamerakopfes 11102.
  • Ferner steuert die Steuereinheit 11413 die Anzeigeeinrichtung 11202 basierend auf einem Bildsignal, für das Bildprozesse durch die Bildverarbeitungseinheit 11412 durchgeführt wurden, zum Anzeigen eines aufgenommenen Bildes, in dem das Operationsgebiet oder dergleichen bildlich erfasst wird. Daraufhin kann die Steuereinheit 11413 verschiedene Objekte in dem aufgenommenen Bild unter Verwendung verschiedener Bilderkennungstechnologien erkennen. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 11413 ein chirurgisches Werkzeug, wie etwa eine Zange, ein spezielles lebendes Körpergebiet, eine Blutung, Nebel, wenn die Energievorrichtung 11112 verwendet wird, und so weiter durch Detektieren der Form, Farbe und so weiter von Kanten von Objekte, die in dem aufgenommenen Bild enthaltenen sind, erkennen. Die Steuereinheit 11413 kann, wenn sie die Anzeigeeinrichtung 11202 zum Anzeigen eines aufgenommenen Bildes steuert, bewirken, dass verschiedene Arten von Chirurgiehilfsinformationen auf eine überlappende Weise mit einem Bild des Operationsgebiets unter Verwendung eines Ergebnisses der Erkennung angezeigt werden. Wenn Chirurgiehilfsinformationen auf eine überlappende Weise angezeigt und dem Chirurgen 11131 präsentiert werden, kann die Last für den Chirurgen 11131 reduziert werden und kann der Chirurg 11131 mit Sicherheit mit der Chirurgie fortfahren.
  • Das Übertragungskabel 11400, das den Kamerakopf 11102 und die CCU 11201 miteinander verbindet, ist ein Elektrisches-Signal-Kabel, das zur Kommunikation eines elektrischen Signals bereit ist, eine optische Faser, die zur optischen Kommunikation bereit ist, oder ein Kompositkabel, das sowohl für elektrische als auch optische Kommunikation bereit ist.
  • Obwohl bei dem dargestellten Beispiel eine Kommunikation durch eine drahtgebundene Kommunikation unter Verwendung des Übertragungskabels 11400 durchgeführt wird, kann die Kommunikation zwischen dem Kamerakopf 11102 und der CCU 11201 hier durch Drahtloskommunikation durchgeführt werden.
  • In der vorliegenden Schrift repräsentiert ein System eine gesamte Vorrichtung, die mehrere Vorrichtungen beinhaltet.
  • Es wird angemerkt, dass die hier beschriebenen Effekte lediglich Beispiele sind und nicht beschränkt sind und andere Effekte bereitgestellt werden können.
  • Es wird angemerkt, dass Ausführungsformen der vorliegenden Technologie nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sind und verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Wesen der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Es wird angemerkt, dass die vorliegende Technologie auch die folgenden Konfigurationen annehmen kann.
    1. (1) Ein Bildgebungselement, das Folgendes beinhaltet:
      • einen fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt, der zum Umwandeln von Licht in eine Ladung konfiguriert ist;
      • drei oder mehr Akkumulationsabschnitte, die zum temporären Akkumulieren der Ladung konfiguriert sind;
      • einen Transferabschnitt, der zum Transferieren der Ladung von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt zu den Akkumulationsabschnitten konfiguriert ist; und
      • einen Umwandlungseffizienzschaltabschnitt, der zum Steuern eines Leitungszustands zwischen den Akkumulationsabschnitten konfiguriert ist,
      • wobei wenigstens zwei Umwandlungsabschnitte der drei oder mehr Akkumulationsabschnitte jeweils ein kapazitives Element sind, und
      • die drei oder mehr Akkumulationsabschnitte eine Überlaufladung von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt akkumulieren.
    2. (2) Das Bildgebungselement nach (1) oben, wobei die kapazitiven Elemente jeweils ein kapazitives MIM(Metall-Isolator-Metall)-Element sind.
    3. (3) Das Bildgebungselement nach (1) oder (2) oben, wobei eine Verdrahtungskapazität als jeder der Akkumulationsabschnitte enthalten ist.
    4. (4) Das Bildgebungselement nach einem von (1) bis (3) oben, das ferner Folgendes beinhaltet:
      • einen Durchgangsgraben zum Separieren von Pixeln voneinander.
    5. (5) Das Bildgebungselement nach einem von (1) bis (4) oben, wobei der fotoelektrische Umwandlungsabschnitt in einem ersten Halbleitersubstrat bereitgestellt ist, das kapazitive Element und der Umwandlungseffizienzschaltabschnitt in einem zweiten Halbleitersubstrat bereitgestellt sind, und das erste Halbleitersubstrat und das zweite Halbleitersubstrat aufeinander gestapelt sind.
    6. (6) Das Bildgebungselement nach (5) oben, wobei das zweite Halbleitersubstrat mit mehreren der kapazitiven Elemente versehen ist.
    7. (7) Das Bildgebungselement nach (5) oben, wobei ein Logikschaltkreissubstrat mit einem darauf gebildeten Logikschaltkreis auf das zweite Halbleitersubstrat gestapelt ist, und das kapazitive Element in dem Logikschaltkreissubstrat bereitgestellt ist.
    8. (8) Das Bildgebungselement nach einem von (1) bis (7) oben, wobei das kapazitive Element und der Umwandlungseffizienzschaltabschnitt durch mehrere der fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte gemeinsam genutzt werden.
    9. (9) Das Bildgebungselement nach einem von (1) bis (7) oben, wobei zwei der fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte in einem einzigen Pixel enthalten sind, und das kapazitive Element und der Umwandlungseffizienzschaltabschnitt durch die zwei der fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte gemeinsam genutzt werden.
    10. (10) Das Bildgebungselement nach einem von (1) bis (7) oben, wobei zwei der fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte in einem einzigen Pixel enthalten sind, und das kapazitive Element und der Umwandlungseffizienzschaltabschnitt durch vier Pixel gemeinsam genutzt werden.
    11. (11) Das Bildgebungselement nach einem von (2) bis (10) oben, wobei die drei oder mehr Akkumulationsabschnitte jeweils eine FD (Floating-Diffusion) und zwei der kapazitiven MIM-Elemente beinhalten, und der Umwandlungseffizienzschaltabschnitt zum Durchführen eines Ladungsauslesevorgangs aus dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt mit jeder einer hohen Umwandlungseffizienz, einer mittleren Umwandlungseffizienz und einer niedrigen Umwandlungseffizienz gesteuert wird.
    12. (12) Ein Bildgebungselement, das Folgendes beinhaltet:
      • einen fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt;
      • einen Transfertransistor, der mit dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt verbunden ist;
      • eine Floating-Diffusion, die mit dem Transfertransistor verbunden ist;
      • einen ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor, der mit der Floating-Diffusion verbunden ist;
      • einen zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor, der mit dem ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor verbunden ist;
      • einen Rücksetztransistor, der mit dem zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor verbunden ist;
      • einen ersten Akkumulationsabschnitt; und
      • einen zweiten Akkumulationsabschnitt,
      • wobei der erste Akkumulationsabschnitt zwischen dem ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor und dem zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor verbunden ist,
      • der zweite Akkumulationsabschnitt zwischen dem zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor und dem Rücksetztransistor verbunden ist, und
      • die Floating-Diffusion eine Ladung akkumuliert, die von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt übergelaufen ist.
    13. (13) Das Bildgebungselement nach (12) oben, wobei die Ladung, die von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt übergelaufen ist, in der Floating-Diffusion und dem ersten Akkumulationsabschnitt akkumuliert wird.
    14. (14) Das Bildgebungselement nach (12) oder (13) oben, wobei die Ladung, die von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt übergelaufen ist, in der Floating-Diffusion, dem ersten Akkumulationsabschnitt und dem zweiten Akkumulationsabschnitt akkumuliert wird.
    15. (15) Das Bildgebungselement nach einem von (12) bis (14) oben, wobei eine Kapazität des ersten Akkumulationsabschnitts und eine Kapazität des zweiten Akkumulationsabschnitts jeweils größer als eine Kapazität der Floating-Diffusion sind.
    16. (16) Das Bildgebungselement nach einem von (12) bis (15) oben, das ferner Folgendes beinhaltet:
      • einen Verstärkungstransistor, der mit der Floating-Diffusion verbunden ist; und
      • einen Auswahltransistor, der mit dem Verstärkungstransistor verbunden ist.
    17. (17) Eine elektronische Einrichtung, die Folgendes beinhaltet:
      • ein Bildgebungselement, das Folgendes beinhaltet:
        • einen fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt, der zum Umwandeln von Licht in eine Ladung konfiguriert ist,
        • drei oder mehr Akkumulationsabschnitte, die zum temporären Akkumulieren der Ladung konfiguriert sind,
        • einen Transferabschnitt, der zum Transferieren der Ladung von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt zu den Akkumulationsabschnitten konfiguriert ist,
        • einen Umwandlungseffizienzschaltabschnitt, der zum Steuern eines Leitungszustands zwischen den Akkumulationsabschnitten konfiguriert ist,
        • wobei wenigstens zwei Umwandlungsabschnitte der drei oder mehr Akkumulationsabschnitte jeweils ein kapazitives Element sind, und
        • wobei die drei oder mehr Akkumulationsabschnitte jeweils eine Überlaufladung von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt akkumulieren; und
        • eine Verarbeitungseinheit, die zum Verarbeiten eines Signals von dem Bildgebungselement konfiguriert ist.
  • [Bezugszeichenliste]
    • 1
    Bildgebungsvorrichtung
    2
    Pixel
    3
    Pixelarrayabschnitt
    4
    Vertikalansteuerungsschaltkreis
    5
    Spaltensignalverarbeitungsschaltkreis
    6
    Horizontalansteuerungsschaltkreis
    7
    Ausgabeschaltkreis
    8
    Steuerschaltkreis
    9
    Vertikalsignalleitung
    10
    Pixelansteuerungsleitung
    11
    Horizontalsignalleitung
    13
    Eingabe/Ausgabe-Anschluss
    31
    Auswahltransistor
    51
    Fotoelektrischer Umwandlungsabschnitt
    52
    Transfertransistor
    53
    FD-Abschnitt
    54
    Erster Umwandlungseffizienzschalttransistor
    55
    Kapazitives MIM-Element
    56
    Zweiter Umwandlungseffizienzschalttransistor
    57
    Kapazitives MIM-Element
    58
    Rücksetztransistor
    59
    Verstärkungstransistor
    60
    Auswahltransistor
    100
    Halbleitersubstrat
    101
    On-Chip-Linse
    103
    Lichtabschirmungsfilm
    104
    p-Typ-Halbleitergebiet
    105
    n-Typ-Halbleitergebiet
    106
    Pixelseparationsabschnitt
    120
    Verdrahtungsschicht
    121
    Lokale Verdrahtungsleitung
    122
    Verdrahtungsleitung
    123
    Isolationsschicht
    124
    Via
    130
    Logikschaltkreissubstrat
    131
    Verdrahtungsleitung
    133
    Isolationsschicht
    150
    Erstes Halbleitersubstrat
    160
    Zweites Halbleitersubstrat
    161
    Verdrahtungsleitung
    162
    Verdrahtungsleitung
    163
    Isolationsschicht
    201
    Verdrahtungskapazität
    202
    Dritter Umwandlungseffizienzschalttransistor
    301
    p-Typ-Halbleitergebiet
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2006245522 [0003]

Claims (17)

  1. Bildgebungselement, das Folgendes umfasst: einen fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt, der zum Umwandeln von Licht in eine Ladung konfiguriert ist; drei oder mehr Akkumulationsabschnitte, die zum temporären Akkumulieren der Ladung konfiguriert sind; einen Transferabschnitt, der zum Transferieren der Ladung von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt zu den Akkumulationsabschnitten konfiguriert ist; und einen Umwandlungseffizienzschaltabschnitt, der zum Steuern eines Leitungszustands zwischen den Akkumulationsabschnitten konfiguriert ist, wobei wenigstens zwei Umwandlungsabschnitte der drei oder mehr Akkumulationsabschnitte jeweils ein kapazitives Element sind, und die drei oder mehr Akkumulationsabschnitte eine Überlaufladung von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt akkumulieren.
  2. Bildgebungselement nach Anspruch 1, wobei die kapazitiven Elemente jeweils ein kapazitives MIM(Metall-Isolator-Metall)-Element sind.
  3. Bildgebungselement nach Anspruch 1, wobei eine Verdrahtungskapazität als jeder der Akkumulationsabschnitte enthalten ist.
  4. Bildgebungselement nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: einen Durchgangsgraben zum Separieren von Pixeln voneinander.
  5. Bildgebungselement nach Anspruch 1, wobei der fotoelektrische Umwandlungsabschnitt in einem ersten Halbleitersubstrat bereitgestellt ist, das kapazitive Element und der Umwandlungseffizienzschaltabschnitt in einem zweiten Halbleitersubstrat bereitgestellt sind, und das erste Halbleitersubstrat und das zweite Halbleitersubstrat aufeinander gestapelt sind.
  6. Bildgebungselement nach Anspruch 5, wobei das zweite Halbleitersubstrat mit mehreren der kapazitiven Elemente versehen ist.
  7. Bildgebungselement nach Anspruch 5, wobei ein Logikschaltkreissubstrat mit einem darauf gebildeten Logikschaltkreis auf das zweite Halbleitersubstrat gestapelt ist, und das kapazitive Element in dem Logikschaltkreissubstrat bereitgestellt ist.
  8. Bildgebungselement nach Anspruch 1, wobei das kapazitive Element und der Umwandlungseffizienzschaltabschnitt durch mehrere der fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte gemeinsam genutzt werden.
  9. Bildgebungselement nach Anspruch 1, wobei zwei der fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte in einem einzigen Pixel enthalten sind, und das kapazitive Element und der Umwandlungseffizienzschaltabschnitt durch die zwei der fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte gemeinsam genutzt werden.
  10. Bildgebungselement nach Anspruch 1, wobei zwei der fotoelektrischen Umwandlungsabschnitte in einem einzigen Pixel enthalten sind, und das kapazitive Element und der Umwandlungseffizienzschaltabschnitt durch vier Pixel gemeinsam genutzt werden.
  11. Bildgebungselement nach Anspruch 2, wobei die drei oder mehr Akkumulationsabschnitte jeweils eine FD (Floating-Diffusion) und zwei der kapazitiven MIM-Elemente beinhalten, und der Umwandlungseffizienzschaltabschnitt zum Durchführen eines Ladungsauslesevorgangs aus dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt mit jeder einer hohen Umwandlungseffizienz, einer mittleren Umwandlungseffizienz und einer niedrigen Umwandlungseffizienz gesteuert wird.
  12. Bildgebungselement, das Folgendes umfasst: einen fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt; einen Transfertransistor, der mit dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt verbunden ist; eine Floating-Diffusion, die mit dem Transfertransistor verbunden ist; einen ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor, der mit der Floating-Diffusion verbunden ist; einen zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor, der mit dem ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor verbunden ist; einen Rücksetztransistor, der mit dem zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor verbunden ist; einen ersten Akkumulationsabschnitt; und einen zweiten Akkumulationsabschnitt, wobei der erste Akkumulationsabschnitt zwischen dem ersten Umwandlungseffizienzschalttransistor und dem zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor verbunden ist, der zweite Akkumulationsabschnitt zwischen dem zweiten Umwandlungseffizienzschalttransistor und dem Rücksetztransistor verbunden ist, und die Floating-Diffusion eine Ladung akkumuliert, die von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt übergelaufen ist.
  13. Bildgebungselement nach Anspruch 12, wobei die Ladung, die von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt übergelaufen ist, in der Floating-Diffusion und dem ersten Akkumulationsabschnitt akkumuliert wird.
  14. Bildgebungselement nach Anspruch 12, wobei die Ladung, die von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt übergelaufen ist, in der Floating-Diffusion, dem ersten Akkumulationsabschnitt und dem zweiten Akkumulationsabschnitt akkumuliert wird.
  15. Bildgebungselement nach Anspruch 12, wobei eine Kapazität des ersten Akkumulationsabschnitts und eine Kapazität des zweiten Akkumulationsabschnitts jeweils größer als eine Kapazität der Floating-Diffusion sind.
  16. Bildgebungselement nach Anspruch 12, das ferner Folgendes umfasst: einen Verstärkungstransistor, der mit der Floating-Diffusion verbunden ist; und einen Auswahltransistor, der mit dem Verstärkungstransistor verbunden ist.
  17. Elektronische Einrichtung, die Folgendes umfasst: ein Bildgebungselement, das Folgendes beinhaltet: einen fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt, der zum Umwandeln von Licht in eine Ladung konfiguriert ist, drei oder mehr Akkumulationsabschnitte, die zum temporären Akkumulieren der Ladung konfiguriert sind, einen Transferabschnitt, der zum Transferieren der Ladung von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt zu den Akkumulationsabschnitten konfiguriert ist, einen Umwandlungseffizienzschaltabschnitt, der zum Steuern eines Leitungszustands zwischen den Akkumulationsabschnitten konfiguriert ist, wobei wenigstens zwei Umwandlungsabschnitte der drei oder mehr Akkumulationsabschnitte jeweils ein kapazitives Element sind, und wobei die drei oder mehr Akkumulationsabschnitte jeweils eine Überlaufladung von dem fotoelektrischen Umwandlungsabschnitt akkumulieren; und eine Verarbeitungseinheit, die zum Verarbeiten eines Signals von dem Bildgebungselement konfiguriert ist.
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