JP2023150199A - 撮像装置及び半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】第1半導体層側からの電磁的な干渉により、第2半導体層に設けられた画素トランジスタ(または、トランジスタ)の特性が劣化することを抑制することができる撮像装置及び半導体装置を提供する。【解決手段】撮像装置は、光電変換を行うセンサ画素が設けられた第1半導体層と、第1半導体層の一方の面側に配置され、センサ画素から出力された電荷に基づく画素信号を出力するための画素トランジスタが設けられた第2半導体層と、第1半導体層と第2半導体層との間に配置された絶縁層と、絶縁層内であって、センサ画素と画素トランジスタとの間に配置された導体層と、を備える。導体層の電位は基準電位に固定されている。【選択図】図3

Description

本開示は、撮像装置及び半導体装置に関する。
撮像装置のさらなる小型化及び画素の高密度化を実現するため、3次元構造の撮像装置が開発されている。3次元構造の撮像装置では、例えば、複数のセンサ画素を有する第1半導体基板と、各センサ画素で得られた信号を処理する信号処理回路を有する第2半導体基板とが互いに積層されている(例えば、特許文献1参照)。
国際公開第2019/131965号
3次元構造の撮像装置をさらに微細化するために、第1半導体基板において、第2半導体基板と向かい合う面側に配線層を配置する構造が考えられる。この配線層に電圧が印加されると、第2半導体基板に配置した画素トランジスタの特性に干渉し、画素トランジスタの特性が変動する可能性がある。
本開示はこのような事情に鑑みてなされたもので、第1半導体層側からの電磁的な干渉により、第2半導体層に設けられた画素トランジスタ(または、トランジスタ)の特性が劣化することを抑制することができる撮像装置及び半導体装置を提供することを目的とする。
本開示の一態様に係る撮像装置は、光電変換を行うセンサ画素が設けられた第1半導体層と、前記第1半導体層の一方の面側に配置され、前記センサ画素から出力された電荷に基づく画素信号を出力するための画素トランジスタが設けられた第2半導体層と、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に配置された絶縁層と、前記絶縁層内であって、前記センサ画素と前記画素トランジスタとの間に配置された導体層と、を備える。前記導体層の電位は基準電位に固定されている。
これによれば、導体層は、第1半導体層に設けられたセンサ画素と第2半導体層に設けられた画素トランジスタとの間を電磁的に遮ることができ、センサ画素側から画素トランジスタへの電磁的な干渉を抑制することができる。例えば、センサ画素は、光電変換を行う光電変換素子と、光電変換素子で生じた電荷を転送するための転送トランジスタとを有する。この転送トランジスタのゲート電極(すなわち、転送ゲート)に接続する配線層が、光電変換素子と導体層との間に配置されている場合、導体層は配線層から画素トランジスタへのバイアス干渉を抑制することができる。
これにより、第1半導体層側からの電磁的な干渉により、第2半導体層に設けられた画素トランジスタの特性(例えば、ノイズ特性)が劣化することを抑制することができる。
本開示の一態様に係る半導体装置は、第1半導体層と、前記第1半導体層の一方の面側に配置され、トランジスタが設けられた第2半導体層と、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に配置された絶縁層と、前記絶縁層内であって、前記第1半導体層と前記トランジスタとの間に配置された導体層と、を備える。前記導体層の電位は基準電位に固定されている。
これによれば、導体層は、第1半導体層と第2半導体層に設けられたトランジスタとの間を電磁的に遮ることができ、第1半導体層側からトランジスタへの電磁的な干渉を抑制することができる。これにより、第2半導体層に設けられたトランジスタの特性(例えば、ノイズ特性)が劣化することを抑制することができる。
図1は、本開示の実施形態1に係る撮像装置の構成例を示す模式図である。 図2は、センサ画素および読み出し回路の一例を表したものである。 図3は、本開示の実施形態1に係る撮像装置の構成例を示す断面図である。 図4は、本開示の実施形態1に係る撮像装置の構成例を示す平面図である。 図5は、図3に示す撮像装置をその厚さ方向と直交する水平面で切断した断面図である。 図6は、図3に示す撮像装置をその厚さ方向と直交する水平面で切断した断面図である。 図7は、図3に示す撮像装置をその厚さ方向と直交する水平面で切断した断面図である。 図8Aは、本開示の実施形態1に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図8Bは、本開示の実施形態1に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図8Cは、本開示の実施形態1に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図8Dは、本開示の実施形態1に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図8Eは、本開示の実施形態1に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図8Fは、本開示の実施形態1に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図8Gは、本開示の実施形態1に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図8Hは、本開示の実施形態1に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図8Iは、本開示の実施形態1に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図8Jは、本開示の実施形態1に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図8Kは、本開示の実施形態1に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図9は、本開示の実施形態2に係る撮像装置の構成例を示す断面図である。 図10は、本開示の実施形態2に係る撮像装置の構成例を示す平面図である。 図11は、図9に示す撮像装置をその厚さ方向と直交する水平面で切断した断面図である。 図12は、図9に示す撮像装置をその厚さ方向と直交する水平面で切断した断面図である。 図13は、図9に示す撮像装置をその厚さ方向と直交する水平面で切断した断面図である。 図14は、本開示の実施形態2の変形例に係る撮像装置を示す平面図である。 図15は、本開示の実施形態2の変形例に係る撮像装置の第2配線層18を示す平面図である。 図16は、本開示の実施形態3に係る撮像装置の構成例を示す断面図である。 図17Aは、本開示の実施形態3に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図17Bは、本開示の実施形態3に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図17Cは、本開示の実施形態3に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図17Dは、本開示の実施形態3に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図17Eは、本開示の実施形態3に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図17Fは、本開示の実施形態3に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図17Gは、本開示の実施形態3に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図17Hは、本開示の実施形態3に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図17Iは、本開示の実施形態3に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図17Jは、本開示の実施形態3に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図17Kは、本開示の実施形態3に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図17Lは、本開示の実施形態3に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図17Mは、本開示の実施形態3に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図17Nは、本開示の実施形態3に係る撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図18は、本開示の実施形態4に係るFD SOI Fin構造の画素トランジスタの構成例を示す平面図である。 図19は、本開示の実施形態4に係るFD SOI Fin構造の画素トランジスタの構成例を示す断面図である。 図20は、本開示の実施形態4に係るFD SOI Fin構造の画素トランジスタの構成例を示す断面図である。 図21は、本開示の実施形態4に係るFD SOI Fin構造の画素トランジスタの構成例を示す断面図である。 図22は、本開示の実施形態5に係る撮像装置の断面構成の一例を示す図である。 図23は、車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。 図24は、車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。 図25は、本開示に係る技術(本技術)が適用され得る内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。 図26は、図25に示すカメラヘッド及びCCUの機能構成の一例を示すブロック図である。
以下において、図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下の説明で参照する図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
また、以下の説明における上下等の方向の定義は、単に説明の便宜上の定義であって、本開示の技術的思想を限定するものではない。例えば、対象を90°回転して観察すれば上下は左右に変換して読まれ、180°回転して観察すれば上下は反転して読まれることは勿論である。
また、以下の説明では、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向の文言を用いて、方向を説明する場合がある。例えば、Z軸方向は、後述する半導体基板11の厚さ方向であり、半導体基板11の表面11aの法線方向である。X軸方向及びY軸方向は、Z軸方向と直交する方向である。X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向は、互いに直交する。また、以下の説明において、「平面視」とは、Z軸方向から見ることを意味する。
<実施形態1>
(構成)
図1は、本開示の実施形態1に係る撮像装置1の構成例を示す模式図である。撮像装置1は、3つの基板(第1基板10、第2基板20、第3基板30)を備える。撮像装置1は、3つの基板(第1基板10、第2基板20、第3基板30)を貼り合わせて構成された3次元構造の撮像装置である。第1基板10、第2基板20および第3基板30は、この順に積層されている。
第1基板10は、半導体基板11(本開示の「第1半導体層」の一例)に、光電変換を行う複数のセンサ画素12を有する。複数のセンサ画素12は、第1基板10における画素領域13内に行列状に設けられている。
第2基板20は、半導体基板21(本開示の「第2半導体層」の一例)に、センサ画素12から出力された電荷に基づく画素信号を出力する読み出し回路22を4つのセンサ画素12ごとに1つずつ有する。第2基板20は、行方向に延在する複数の画素駆動線23と、列方向に延在する複数の垂直信号線24とを有する。
第3基板30は、半導体基板31に、画素信号を処理するロジック回路32を有する。ロジック回路32は、例えば、垂直駆動回路33、カラム信号処理回路34、水平駆動回路35およびシステム制御回路36を有する。ロジック回路32(具体的には水平駆動回路35)は、センサ画素12ごとの出力電圧Voutを外部に出力する。ロジック回路32では、例えば、ソース電極およびドレイン電極と接する不純物拡散領域の表面に、CoSiやNiSiなどのサリサイド(Self Aligned Silicide)プロセスを用いて形成されたシリサイドからなる低抵抗領域が形成されていてもよい。
垂直駆動回路33は、例えば、複数のセンサ画素12を行単位で順に選択する。カラム信号処理回路34は、例えば、垂直駆動回路33によって選択された行の各センサ画素12から出力される画素信号に対して、相関二重サンプリング(Correlated Double Sampling:CDS)処理を施す。カラム信号処理回路34は、例えば、CDS処理を施すことにより、画素信号の信号レベルを抽出し、各センサ画素12の受光量に応じた画素データを保持する。水平駆動回路35は、例えば、カラム信号処理回路34に保持されている画素データを順次、外部に出力する。システム制御回路36は、例えば、ロジック回路32内の各ブロック(垂直駆動回路33、カラム信号処理回路34および水平駆動回路35)の駆動を制御する。
図2は、センサ画素12および読み出し回路22の一例を表したものである。以下では、図2に示したように、4つのセンサ画素12が1つの読み出し回路22を共有する場合について説明する。ここで、「共有」とは、4つのセンサ画素12の出力が共通の読み出し回路22に入力されることを指している。
各センサ画素12は、互いに共通の構成要素を有する。図2には、各センサ画素12の構成要素を互いに区別するために、各センサ画素12の構成要素の符号の末尾に識別番号(1,2,3,4)が付与されている。以下では、各センサ画素12の構成要素を互いに区別する必要のある場合には、各センサ画素12の構成要素の符号の末尾に識別番号を付与するが、各センサ画素12の構成要素を互いに区別する必要のない場合には、各センサ画素12の構成要素の符号の末尾の識別番号を省略するものとする。
各センサ画素12は、例えば、フォトダイオードPD(本開示の「光電変換素子」の一例)と、フォトダイオードPDと電気的に接続された転送トランジスタTRと、転送トランジスタTRを介してフォトダイオードPDから出力された電荷を一時的に保持するフローティングディフュージョンFDとを有する。フォトダイオードPDは、光電変換を行って受光量に応じた電荷を発生する。フォトダイオードPDのカソードが転送トランジスタTRのソースに電気的に接続されており、フォトダイオードPDのアノードが基準電位線(例えばグラウンド)に電気的に接続されている。転送トランジスタTRのドレインがフローティングディフュージョンFDに電気的に接続され、転送トランジスタTRのゲートは画素駆動線23に電気的に接続されている。転送トランジスタTRは、例えば、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)トランジスタである。
1つの読み出し回路22を共有する各センサ画素12のフローティングディフュージョンFDは、互いに電気的に接続されるとともに、共通の読み出し回路22の入力端に電気的に接続されている。読み出し回路22は、例えば、リセットトランジスタRSTと、選択トランジスタSELと、増幅トランジスタAMPとを有する。なお、選択トランジスタSELは、必要に応じて省略してもよい。リセットトランジスタRSTのソース(読み出し回路22の入力端)がフローティングディフュージョンFDに電気的に接続されており、リセットトランジスタRSTのドレインが電源線VDDおよび増幅トランジスタAMPのドレインに電気的に接続されている。リセットトランジスタRSTのゲートは画素駆動線23(図1参照)に電気的に接続されている。増幅トランジスタAMPのソースが選択トランジスタSELのドレインに電気的に接続されており、増幅トランジスタAMPのゲートがリセットトランジスタRSTのソースに電気的に接続されている。選択トランジスタSELのソース(読み出し回路22の出力端)が垂直信号線24に電気的に接続されており、選択トランジスタSELのゲートが画素駆動線23(図1参照)に電気的に接続されている。
転送トランジスタTRは、転送トランジスタTRがオン状態となると、フォトダイオードPDの電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。リセットトランジスタRSTは、フローティングディフュージョンFDの電位を所定の電位にリセットする。リセットトランジスタRSTがオン状態となると、フローティングディフュージョンFDの電位を電源線VDDの電位にリセットする。選択トランジスタSELは、読み出し回路22からの画素信号の出力タイミングを制御する。増幅トランジスタAMPは、画素信号として、フローティングディフュージョンFDに保持された電荷のレベルに応じた電圧の信号を生成する。増幅トランジスタAMPは、ソースフォロア型のアンプを構成しており、フォトダイオードPDで発生した電荷のレベルに応じた電圧の画素信号を出力するものである。増幅トランジスタAMPは、選択トランジスタSELがオン状態となると、フローティングディフュージョンFDの電位を増幅して、その電位に応じた電圧を、垂直信号線24を介してカラム信号処理回路34に出力する。リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMPおよび選択トランジスタSELは、例えば、CMOSトランジスタである。
増幅トランジスタAMPのソース(読み出し回路22の出力端)が垂直信号線24に電気的に接続されており、スイッチトランジスタFDGが、リセットトランジスタRSTのソースと増幅トランジスタAMPのゲートとの間に設けられており、増幅トランジスタAMPのゲートがスイッチトランジスタFDGのソースに電気的に接続されている。
スイッチトランジスタFDGは、変換効率を切り替える際に用いられる。スイッチトランジスタFDGのゲートをオフにする場合、フローティングディフュージョンFDは、リセットトランジスタRSTのソース・ドレインと切り離されるので、小さい容量を持つ。フローティングディフュージョンFDは、容量が小さいので、少ない電子で電位が大きく下がり、感度の高い信号が出る。ただし、信号電子が多いときには、フローティングディフュージョンFDから溢れてしまうので、入射量に応じた本来の信号を得ることはできない。スイッチトランジスタFDGのゲートをオンにした場合には、フローティングディフュージョンFDがリセットトランジスタRSTのソース・ドレインとつながり、大きい容量を持つ。容量が大きくなるので、多くの電子を受け止めることができる代りに、感度が低くなる。このように、スイッチトランジスタFDGのゲートを切り替えることで、高感度の動作モードで電荷を読み出した画像と、低感度の動作モードで電荷を読み出した画像とを得ることができ、得られる画像を画像合成することで、ダイナミックレンジを拡大することができる。
図3は、本開示の実施形態1に係る撮像装置1の構成例を示す断面図である。図4は、本開示の実施形態1に係る撮像装置1の構成例を示す平面図である。図3は、図4に示す平面図をA-A´線で切断した断面を示しており、第1基板10及び第2基板20を含む積層体の断面を示している。
図5から図7は、図3に示す撮像装置1をその厚さ方向と直交する水平面で切断した断面図である。詳しく説明すると、図5は、第1配線層17を通る水平面Z11で切断した断面を示している。図6は、第2配線層18を通る水平面Z12で切断した断面を示している。図7は、増幅トランジスタAMPのゲート電極AGを通る水平面Z13で切断した断面を示している。
なお、図5から図7の各断面図を位置合わせして重ね合わせた図が、図4に相当する。また、図4から図7では、図3に示す第1絶縁膜161、第2絶縁膜162、第3絶縁膜163、第4絶縁膜164、第5絶縁膜45、第6絶縁膜46、貫通配線51、52、第3配線層53の図示を省略している。図4及び図7では、リセットトランジスタRST、スイッチトランジスタFDG、増幅トランジスタAMP及び選択トランジスタSELを矩形で模式的に示している。リセットトランジスタRST、スイッチトランジスタFDG、増幅トランジスタAMP及び選択トランジスタSELをそれぞれ、画素トランジスタともいう。
図3に示すように、実施形態1に係る撮像装置1において、第1基板10の半導体基板11には、フォトダイオードPDと、転送トランジスタTRのチャネルが形成されるウェル領域14と、ウェル領域14に接続するウェルコンタクト領域15と、転送トランジスタTRのドレインに相当するフローティングディフュージョンFDとが設けられている。フォトダイオードPDは、例えばN型不純物拡散層と、N型不純物拡散層とPN接合するP型不純物拡散層とを有する。ウェル領域14及びウェルコンタクト領域15は、例えばP型の不純物拡散層である。ウェル領域14よりもウェルコンタクト領域15の方がP型の不純物濃度が高い。フローティングディフュージョンFDは、N型の不純物拡散層である。また、半導体基板11上にはゲート絶縁膜を介して、転送トランジスタTRのゲート電極である転送ゲートTGが設けられている。
半導体基板11上に第1絶縁膜161が設けられている。転送ゲートTGは、第1絶縁膜161で覆われている。第1絶縁膜161上に第1配線層17と、第2絶縁膜162とが設けられている。第1配線層17は、第2絶縁膜162で覆われている。また、第2絶縁膜162上に第2配線層18(本開示の「導体層」の一例)と、第3絶縁膜163とが設けられている。第2配線層18は、第3絶縁膜163で覆われている。
第2基板20は、第1基板10に貼り合わされている。例えば、第1基板10の第3絶縁膜163と、第2基板20の第4絶縁膜43とが貼り合わされている。第4絶縁膜43は、例えばシリコン酸化膜(SiO膜)で構成されている。
図3及び図4に示すように、第2基板20には、リセットトランジスタRST、スイッチトランジスタFDG、増幅トランジスタAMP及び選択トランジスタSELが設けられている。図3に示すように、増幅トランジスタAMPは、チャネル領域となる半導体層211と、半導体層211を覆うゲート電極AGと、半導体層211とゲート電極AGとの間に配置されたゲート絶縁膜42と、を有する。
半導体層211は、例えば半導体基板21の一部であり、単結晶のシリコンで構成されている。半導体層211は、半導体基板21の上面側の一部をエッチングすることにより形成された部位である。半導体層211の形状は、例えばフィン(Fin)形状である。フィン形状とは、例えばゲート長方向に長く、ゲート長方向と直交するゲート幅方向に短い、直方体の形状である。
図3に示すように、ゲート絶縁膜42は、半導体層211の上面と左右両側の側面とを連続して覆うように設けられている。ゲート絶縁膜42は、例えばシリコン酸化膜(SiO膜)で構成されている。ゲート電極AGは、ゲート絶縁膜42を介して、半導体層211の上面と左右両側の側面とを連続して覆うように設けられている。ゲート電極AGは、例えばポリシリコン(Poly-Si)膜で構成されている。
これにより、ゲート電極AGは、半導体層211の上面と左右両側の側面とにゲート電圧を同時に印加することができる。つまり、ゲート電極AGは、半導体層211に対して、上側と左右両側の計3方向からゲート電圧を同時に印加することができる。これにより、ゲート電極AGは、半導体層211を完全空乏化することが可能となっている。
本明細書では、図3に示す増幅トランジスタAMPのように、絶縁膜上の半導体層がフィン形状であり、半導体層の上側と左右両側の計3方向から同時に電圧が印加されることによって、半導体層が完全空乏化する構造を、「FD SOI Fin構造」という。
増幅トランジスタAMPのソース領域及びドレイン領域は、半導体層211であってゲート電極AG下から露出している領域に設けられている。増幅トランジスタAMPのゲート長方向において、ソース領域はチャネルが形成される半導体層211の一方の側に接続し、ドレイン領域はチャネルが形成される半導体層211の他方の側に接続している。ソース領域及びドレイン領域の導電型は、例えばN型である。
図示しないが、例えば、選択トランジスタSEL、リセットトランジスタRST及びスイッチトランジスタFDGは、増幅トランジスタAMPと同様に、「FD SOI Fin構造」を有する。なお、FD SOI Fin構造については、後述の実施形態4において、平面図及び断面図を用いてより詳しく説明する。
第2基板20において、リセットトランジスタRST、スイッチトランジスタFDG、増幅トランジスタAMP及び選択トランジスタSELは、第5絶縁膜45によって互いに素子分離されるとともに、第6絶縁膜46で覆われている。第5絶縁膜45は、例えば、シリコン酸化膜(SiO膜)で構成されている。第6絶縁膜46は、例えば、SiO膜又はシリコン窒化膜(SiN膜)、若しくはこれらを積層した膜で構成されている。
第1絶縁膜161、第2絶縁膜162、第3絶縁膜163、第4絶縁膜164、第5絶縁膜45及び第6絶縁膜46には、複数の貫通孔が設けられている。これらの貫通孔内に貫通配線51、52が設けられている。また、第6絶縁膜46上に第3配線層53が設けられている。増幅トランジスタAMPのゲート電極AGは、貫通配線51及び第3配線層53を介して、リセットトランジスタRSTのソースと、第1基板10のフローティングディフュージョンFDとに接続されている。
第2配線層18は、例えば、N型不純物又はP型不純物がドープされた多結晶シリコン膜で構成されている。第2配線層18は、貫通配線52の側面に接しており、貫通配線52を介してウェルコンタクト領域15に接続している。これにより、第2配線層18の電位はウェル領域14の電位(本開示の「基準電位」の一例)に固定されている。なお、基準電位は、接地電位(GND)でもよいし、負の一定電位でもよいし、正の一定電位でもよい。
図1には示さないが、第2基板20上に例えば第3基板30(図1参照)が配置されている。また、第1基板10において、第2基板20が貼り合わされる面の反対側には、カラーフィルタと受光レンズとが配置されている。なお、第3基板30と、カラーフィルタ及び受光レンズを含む断面構造については、後述の実施形態5において、その一例を示す。
図3及び図4に示すように、第1配線層17と増幅トランジスタAMPの少なくともチャネル領域(または、ゲート電極AG)との間に第2配線層18が配置されている。また、図3に示すように、第2配線層18は、貫通配線52の側面と接しており、貫通配線52を介してウェルコンタクト領域15に接続している。これにより、第2配線層18の電位は、ウェル領域14の電位である基準電位(例えば、GND)に固定されている。
第1配線層17と増幅トランジスタAMPの少なくともチャネル領域(または、ゲート電極AG)との間に、基準電位に固定された第2配線層18が配置されているため、第1配線層17に印加される電圧(例えば、転送トランジスタTRをオン、オフするために転送ゲートTGに印加される電圧)が増幅トランジスタAMPの特性(例えば、閾値電圧Vth)に干渉することを抑制することができる。以下、電圧による干渉をバイアス干渉ともいう。
(製造方法)
次に、図3に示した撮像装置1の製造方法を説明する。なお、撮像装置1は、成膜装置(CVD(Chemical Vapor Deposition))装置、スパッタ装置を含む)、イオン注入装置、熱処理装置、エッチング装置、CMP(Chemical Mechanical Polishing)装置、貼り合わせ装置など、各種の装置を用いて製造される。以下、これらの装置を、製造装置と総称する。
図8Aから図8Kは、本開示の実施形態1に係る撮像装置1の製造方法を工程順に示す断面図である。図8Aに示すように、製造装置は、シリコンからなる半導体基板11の所望な領域に、イオン注入法を用いて、フローティングディフュージョンFDを形成する。次に、製造装置は、熱CVD法を用いて多結晶シリコン膜を堆積し、所望の領域を開口を有するレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成する。次に、製造装置は、レジストマスクを用いて、多結晶シリコン膜をドライエッチングして、転送トランジスタTR(図2参照)のゲート電極である転送ゲートTGを形成する。
次に、製造装置は、半導体基板11の所望な領域に、イオン注入法を用いて、ウェルコンタクト領域15を形成する。
次に、図8Bに示すように、製造装置は、プラズマCVD法を用いて、半導体基板11の表面11a(本開示の「第1半導体層の一方の面」の一例)上に第1絶縁膜161を堆積させる。これにより、転送ゲートTGは第1絶縁膜161で覆われる。次に、製造装置は、第1絶縁膜161にCMP処理を施して、第1絶縁膜161の表面を平坦化する。
次に、製造装置は、熱CVD法を用いて多結晶シリコン膜を堆積し、所望の領域を開口するレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成する。次に、製造装置は、レジストマスクを用いて、多結晶シリコン膜をドライエッチングする。これにより、図8Cに示すように、転送ゲートTGと電気的に接続する第1配線層17を第1絶縁膜161上に形成する。
次に、製造装置は、プラズマCVD法を用いて、第1絶縁膜161上に第2絶縁膜162を堆積させる。これにより、第1配線層17は第2絶縁膜162で覆われる。次に、製造装置は、第2絶縁膜162にCMP処理を施して、第2絶縁膜162の表面を平坦化する。
次に、製造装置は、熱CVD法を用いて多結晶シリコン膜を堆積させる。次に、製造装置は、増幅トランジスタAMP(図3参照)のチャネル直下となる領域を覆い、それ以外の領域を開口するレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成する。次に、製造装置は、レジストマスクを用いて、多結晶シリコン膜をドライエッチングする。これにより、図8Dに示すように、第2絶縁膜162上に第2配線層18を形成する。第2配線層18の電位が基準電位(例えば、GND)に固定されることによって、第1配線層17からのバイアス干渉を抑制するためのシールド層として機能する。
次に、製造装置は、プラズマCVD法を用いて、第2絶縁膜162上に第3絶縁膜163を堆積させる。これにより、第2配線層18は第3絶縁膜163で覆われる。次に、製造装置は、第3絶縁膜16にCMP処理を施して、第3絶縁膜163の表面を平坦化する。このような工程を経て、第1基板10が完成する。
次に、図8Eに示すように、製造装置は、半導体基板21における第1基板10との貼り合せ面側に、プラズマCVD法を用いて、第4絶縁膜43を堆積させる。次に、製造装置は、プラズマ接合法を用いて、第1基板10の第3絶縁膜163と、半導体基板21に形成した第4絶縁膜43とを貼り合せる。第3絶縁膜163と第4絶縁膜43との境界面が、貼り合わせ面となる。
次に、製造装置は、増幅トランジスタAMPのゲート電極が形成される領域及び素子分離領域を開口し、それ以外の領域を覆うレジストマスクをフォトリソグラフィにより半導体基板21上に形成する。次に、製造装置は、レジストマスクを用いて半導体基板21をドライエッチングする。これにより、図8Fに示すように、増幅トランジスタAMPのチャネル領域となるFin形状の半導体層211を形成する。
次に、製造装置は、プラズマCVD法を用いて、第5絶縁膜45(図3参照)を堆積させて半導体層211を覆う。次に、図8Gに示すように、製造装置は、第5絶縁膜45にCMP処理を施して、半導体層211の表面を平坦化し、半導体層211の表面を露出さる。これにより、Fin形状の半導体層211の周囲に、第5絶縁膜45からなる素子分離層が形成される。
次に、製造装置は、増幅トランジスタAMPのゲート電極AG(図3参照)が形成される領域を開口し、それ以外の領域を覆うレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成する。次に、製造装置は、レジストマスクを用いて、第5絶縁膜45をドライエッチングする。これにより、図8Hに示すように、Fin形状のゲート電極AGのチャネル領域となる半導体層211の左右両側の側面が露出する。その後、レジストマスクを除去することにより、半導体層211の上面が露出する。
次に、図8Iに示すように、製造装置は、熱酸化法を用いて、半導体層211の上面と左右両側の側面とにゲート絶縁膜42を形成する。次に、製造装置は、熱CVD法を用いて多結晶シリコン膜を堆積してゲート絶縁膜42を覆う。次に、製造装置は、増幅トランジスタAMPのゲート電極AGが形成される領域を覆い、それ以外の領域を開口するレジストマスクをフォトリソグラフィにより形成する。次に、製造装置は、レジストマスクを用いて多結晶シリコン膜をドライエッチングする。これにより、図8Jに示すように、増幅トランジスタAMPのゲート電極AGを形成する。
次に、図8Kに示すように、製造装置は、プラズマCVD法を用いて、第6絶縁膜46を堆積させる。次に、製造装置は、第6絶縁膜46の表面にCMP処理を施して平坦化する。次に、製造装置は、貫通配線51、52(図3参照)が形成される領域を開口し、それ以外の領域を覆うレジストマスクをフォトリソグラフィにより第6絶縁膜46上に形成する。次に、製造装置は、レジストマスクを用いて、第6絶縁膜46、第5絶縁膜45、第4絶縁膜43、第3絶縁膜163、第2絶縁膜162及び第1絶縁膜161をドライエッチングして、複数の貫通孔(例えば、フローティングディフュージョンFDに至る貫通孔と、ウェルコンタクト領域15に至る貫通孔と、ゲート電極AGに至る貫通孔等)を形成する。
次に、製造装置は、スパッタ法、蒸着法又はCVD法等により、貫通孔内に金属膜を埋め込むとともに、第6絶縁膜46上に金属膜を堆積させる。次に、製造装置は、貫通孔及び第3配線層53(図3参照)が形成される領域を覆い、それ以外の領域を露出するレジストマスクをフォトリソグラフィにより金属膜上に形成する。そして、製造装置は、レジストマスクを用いて金属膜をドライエッチングする。これにより、貫通配線51、52と、第3配線層53とを形成する。このような工程を経て、図3に示した撮像装置1が完成する。
(実施形態1の効果)
以上説明したように、本開示の実施形態1に係る撮像装置1は、光電変換を行うセンサ画素12が設けられた半導体基板11と、半導体基板11の表面11a側に配置され、センサ画素12から出力された電荷に基づく画素信号を出力するための画素トランジスタ(例えば、増幅トランジスタAMP)が設けられた半導体基板21と、第1半導体層と半導体基板21との間に配置された絶縁層(例えば、第1絶縁膜161、第2絶縁膜162及び第3絶縁膜163を含む積層構造の絶縁層)と、この絶縁層内であって、センサ画素12と増幅トランジスタAMPとの間に配置された第2配線層18と、を備える。第2配線層18の電位は基準電位(例えば、GND)に固定されている。
これによれば、第2配線層18は、半導体基板11に設けられたセンサ画素12と半導体基板21に設けられた増幅トランジスタAMPとの間を電磁的に遮ることができ、センサ画素12側から増幅トランジスタAMPとへの電磁的な干渉を抑制することができる。
例えば、センサ画素12は、光電変換を行うフォトダイオードPDと、フォトダイオードPDで生じた電荷を転送するための転送トランジスタTRとを有する。第2配線層18は、半導体基板11に設けられたフォトダイオードPDと半導体基板21に設けられた増幅トランジスタAMPとの間に配置されている。この配置により、第2配線層18は、フォトダイオードPDから増幅トランジスタAMPへの電磁的な干渉を抑制することができ、増幅トランジスタAMPの特性(例えば、ノイズ特性)が劣化することを抑制することができる。
また、フォトダイオードPDと第2配線層18との間に、転送トランジスタTRのゲート電極(すなわち、転送ゲートTG)に接続する第1配線層17が配置されている。この配置により、第2配線層18は、第1配線層17から増幅トランジスタAMPへのバイアス干渉を抑制することができ、増幅トランジスタAMPの特性(例えば、ノイズ特性)が劣化することを抑制することができる。
半導体基板11側から半導体基板21へのバイアス干渉を抑制できるため、半導体基板21に設けられる増幅トランジスタAMPについて、(バイアス干渉による影響を受け易い構造である)FD SOI Fin構造の採用が容易となる。FD SOI Fin構造を採用することで、増幅トランジスタAMPの実効ゲート幅Wを拡大することが可能となり、増幅トランジスタAMPの実効面積を増やすことが可能となる。
また、センサ画素12は、半導体基板11に設けられたウェルコンタクト領域15と、ウェルコンタクト領域15に接し、上記の積層構造の絶縁層を厚さ方向に貫通する貫通配線52と、を有する。第2配線層18は貫通配線52に接している。これによれば、ウェルコンタクト領域15に接する貫通配線52を介して、第2配線層18をウェル領域14に接続することができ、第2配線層18の電位をウェル領域14の電位(基準電位)に固定することができる。第2配線層18を基準電位に接続するための専用の貫通配線は不要であるため、その分だけ撮像装置1における素子の配置面積を増やすことができる(あるいは、その分だけ撮像装置1のチップ面積を小さくすることできる)。これにより、撮像装置1のレイアウト効率の向上が可能となる。
<実施形態2>
上記の実施形態1では、センサ画素12のフォトダイオードPDと増幅トランジスタAMPとの間に、基準電位(例えば、GND)に固定された第2配線層18が配置されていることを説明した。しかしながら、本開示の実施形態はこれに限定されない。本開示の実施形態では、フォトダイオードPDと増幅トランジスタAMPとの間だけでなく、フォトダイオードPDと増幅トランジスタAMP以外の他の画素トランジスタ(例えば、選択トランジスタSEL)との間に、基準電位に固定された第2配線層18が配置されていてもよい。
(構成)
図9は、本開示の実施形態2に係る撮像装置1Aの構成例を示す断面図である。図10は、本開示の実施形態2に係る撮像装置1Aの構成例を示す平面図である。図10は、図9に示す平面図をB-B´線で切断した断面を示しており、第1基板10及び第2基板20を含む積層体の断面を示している。図11から図13は、図9に示す撮像装置1Aをその厚さ方向と直交する水平面で切断した断面図である。詳しく説明すると、図5は、第1配線層17を通る水平面Z21で切断した断面を示している。図6は、第2配線層18を通る水平面Z22で切断した断面を示している。図7は、増幅トランジスタAMPのゲート電極AG及び選択トランジスタSELのゲート電極SGを通る水平面Z23で切断した断面を示している。
なお、図11から図13の各断面図を位置合わせして重ね合わせた図が、図10に相当する。また、図10から図13では、図9に示す第1絶縁膜161、第2絶縁膜162、第3絶縁膜163、第4絶縁膜164、第5絶縁膜45、第6絶縁膜46、貫通配線51、52、第3配線層53の図示を省略している。また、図10及び図13では、リセットトランジスタRST、スイッチトランジスタFDG、増幅トランジスタAMP及び選択トランジスタSELを矩形で模式的に示している。
図9及び図10に示すように、実施形態2に係る撮像装置1Aでは、フォトダイオードPDと増幅トランジスタAMPとの間、及び、フォトダイオードPDと選択トランジスタSELとの間に、基準電位(例えば、GND)に固定された第2配線層18が配置されている。例えば、増幅トランジスタAMPと同様に、選択トランジスタSELは、「FD SOI Fin構造」を有し、そのチャネルは半導体層211に形成される。撮像装置1Aでは、フォトダイオードPDと増幅トランジスタAMPのチャネル領域との間、及び、フォトダイオードPDと選択トランジスタSELのチャネル領域との間に、基準電位に固定された第2配線層18が配置されている。
図10及び図12に示すように、撮像装置1Aにおいて、第2配線層18は、複数のセンサ画素12のうちの一方のセンサ画素12から他方のセンサ画素12にかけて連続して設けられている。第2配線層18の平面視による形状は、例えば格子の枠状である。すなわち、第2配線層18は、平面視でX軸方向に延びる第1直線部181と、平面視でY軸方向に延びる第2直線部182とを有し、第1直線部181と第2直線部182とが互いに接続する形状を有する。第1直線部181は、Y軸方向に一定の間隔で並んでおり、画素トランジスタ(増幅トランジスタAMP、選択トランジスタSEL、リセットトランジスタRST、スイッチトランジスタFDG)の各チャネル領域と重なるように配置されている。第2直線部182は、Y軸方向で隣り合う一方の第1直線部181と他方の第1直線部181とを接続するように配置されている。
第2配線層18は、貫通配線52と接している。例えば、第2配線層18の側面が貫通配線52と接している。これにより、第2配線層18は、貫通配線52を介してウェルコンタクト領域15に接続している。第2配線層18の電位は、ウェル領域14の電位である基準電位(例えば、GND)に固定されている。
(実施形態2の効果)
本開示の実施形態2に係る撮像装置1Aは、実施形態1に係る撮像装置1と同様の効果を奏する。
また、撮像装置1Aでは、センサ画素12と増幅トランジスタAMPとの間だけでなく、センサ画素12と選択トランジスタSELとの間にも、基準電位に固定された第2配線層18が配置される。これにより、第2配線層18は、センサ画素12と選択トランジスタSELとの間を電磁的に遮ることができ、センサ画素12側から選択トランジスタSELへの電磁的な干渉を抑制することができる。例えば、第2配線層18は第1配線層17から選択トランジスタSELへのバイアス干渉を抑制することができる。これにより、選択トランジスタSELの特性(例えば、スイッチング特性)が劣化することを抑制することができる。
(実施形態2の変形例)
上記の実施形態2では、第2配線層18の平面視による形状が、格子の枠状であることを説明した。しかしながら、本開示の実施形態2において、第2配線層18の形状は、格子の枠状に限定されず、他の形状であってもよい。
図14は、本開示の実施形態2の変形例に係る撮像装置1Bを示す平面図である。図15は、本開示の実施形態2の変形例に係る撮像装置1Bの第2配線層18を示す平面図である。図14及び図15に示すように、第2配線層18の平面視による形状は、一方向(例えば、X軸方向)に延びる直線状であってもよい。すなわち、第2配線層18は、平面視で一方向(例えば、X軸方向)に延びる第1直線部181のみで構成されていてもよい。
この変形例においても、第1直線部181は、Y軸方向に一定の間隔で並んでおり、画素トランジスタのチャネル領域と重なるように配置されている。第1直線部181の各々が貫通配線52と接している。第1直線部181は、貫通配線52を介してウェルコンタクト領域15に接続している。第1直線部181の電位は、ウェル領域14の電位である基準電位に固定されている。
このような構成であっても、撮像装置1Bは、実施形態2に係る撮像装置1Aと同様の効果を奏する。
<実施形態3>
上記の実施形態1では、増幅トランジスタAMP、選択トランジスタSEL、リセットトランジスタRST及びスイッチトランジスタFDGが、それぞれ「FD SOI Fin構造」を有することを説明した。また、実施形態2では、増幅トランジスタAMP及び選択トランジスタSELがそれぞれ「FD SOI Fin構造」を有する態様を図示した(図9参照)。しかしながら、本開示の実施形態はこれに限定されない。本開示の実施形態では、画素トランジスタ(増幅トランジスタAMP、選択トランジスタSEL、リセットトランジスタRST、スイッチトランジスタFDG)の少なくとも一部が、「FD SOI Fin構造」ではなく、Bulk(バルク)構造であってもよい。
(構成)
図16は、本開示の実施形態3に係る撮像装置1Cの構成例を示す断面図である。図16に示すように、実施形態3に係る撮像装置1Cにおいて、選択トランジスタSELは、チャネルが形成される半導体層211がFin構造ではなく、Bulk(バルク)構造を有する。Bulk構造では、半導体層211の上側のみからゲート電圧が印加される。ゲート電圧が閾値以上の値になるとソース・ドレイン領域61の一方から他方へオン電流が流れるが、ゲート電圧は上側の一方向のみから印加されるため、選択トランジスタSELのチャネル領域は完全空乏化しない。Bulk構造の選択トランジスタSELは、例えば部分空乏型である。
図16に示すように、撮像装置1Cにおいても、フォトダイオードPDと増幅トランジスタAMPのチャネル領域との間に、第2配線層18が配置されている。また、フォトダイオードPDと第2配線層18との間に、第1配線層17が配置されている。これにより、第1配線層17と増幅トランジスタAMPのチャネル領域との間に、第2配線層18が配置された構造となっている。
撮像装置1Cにおいても、第2配線層18は貫通配線52と接しており、貫通配線52を介してウェルコンタクト領域15に接続している。これにより、第2配線層18の電位は、基準電位(例えば、GND)に固定されている。
また、撮像装置1Cでは、貫通配線52は、第1部位521と、第2部位522とを有する。第1部位521は、ウェルコンタクト領域15と第2配線層18とを接続する。第2部位522は、第2配線層18と、Bulk構造の選択トランジスタSELが設けられている半導体層211(以下、BulKの半導体層211ともいう)とを接続する。例えば、第2部位522の上端が、Bulkの半導体層211の下面と接している。これにより、第2配線層18だけでなく、Bulkの半導体層211の電位も、基準電位(例えば、GND)に固定されている。
(製造方法)
図17Aから図17Nは、本開示の実施形態3に係る撮像装置1Cの製造方法を工程順に示す断面図である。図17Aに示すように、製造装置は、イオン注入法を用いて、半導体基板11にフローティングディフュージョンFDを形成する。次に、製造装置は、熱CVD法を用いて多結晶シリコン膜を堆積する。次に、製造装置は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、多結晶シリコン膜をパターニングして、転送ゲートTGを形成する。
次に、製造装置は、イオン注入法を用いて、半導体基板11にウェルコンタクト領域15を形成する。
次に、図17Bに示すように、製造装置は、プラズマCVD法を用いて半導体基板11の表面11a上に第1絶縁膜161を堆積させて転送ゲートTGを覆う。次に、製造装置は、第1絶縁膜161にCMP処理を施して、第1絶縁膜161の表面を平坦化する。
次に、製造装置は、熱CVD法を用いて多結晶シリコン膜を堆積させる。次に、製造装置は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより多結晶シリコン膜をパターニングして、図17Cに示すように第1配線層17を形成する。
次に、製造装置は、プラズマCVD法を用いて、第1絶縁膜161上に第2絶縁膜162を堆積させて第1配線層17を覆う。次に、製造装置は、第2絶縁膜162にCMP処理を施して、第2絶縁膜162の表面を平坦化する。
次に、製造装置は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、第2絶縁膜162及び第1絶縁膜161にウェルコンタクト領域15を底面とする貫通孔を形成する。次に、製造装置は、スパッタ法、蒸着法又はCVD法等により、貫通孔内に金属膜を埋め込むとともに、第2絶縁膜162上に金属膜を堆積させる。次に、製造装置は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、貫通孔以外の領域から金属膜を除去する。これにより、図17Dに示すように、貫通配線52の第1部位521を形成する。
次に、製造装置は、熱CVD法を用いて、第2絶縁膜162上に多結晶シリコン膜を堆積させる。多結晶シリコン膜は、貫通配線52の第1部位521の上端と接するように形成する。
次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、多結晶シリコン膜をパターニングする。これにより、図17Eに示すように、貫通配線52の第1部位521に接する第2配線層18を形成する。
次に、製造装置は、プラズマCVD法を用いて、第2絶縁膜162上に第3絶縁膜163を堆積させて、第2配線層18を覆う。
次に、製造装置は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、第3絶縁膜163に第2配線層18を底面とする貫通孔を形成する。次に、製造装置は、スパッタ法、蒸着法又はCVD法等により、貫通孔内に金属膜を埋め込むとともに、第3絶縁膜163上に金属膜を堆積させる。次に、製造装置は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、貫通孔以外の領域から金属膜を除去する。これにより、図17Fに示すように、貫通配線52の第2部位522を形成する。このような工程を経て、第1基板10が完成する。
次に、図17Gに示すように、製造装置は、プラズマ接合法を用いて、第1基板10の第3絶縁膜163と、半導体基板21とを貼り合せる。第3絶縁膜163と半導体基板21との境界面が、貼り合わせ面となる。
次に、図17Hに示すように、製造装置は、イオン注入法により、半導体基板21においてBulk構造の画素トランジスタ(例えば、選択トランジスタSEL)が形成される領域に、P型不純物とN型不純物とをそれぞれ導入して、P型のウェル領域(図示せず)と、N型のソース・ドレイン領域61とを形成する。
次に、製造装置は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、半導体基板21において、FD SOI Fin構造の画素トランジスタ(例えば、増幅トランジスタAMP)が形成される領域をパターニングする。これにより、図17Iに示すように、増幅トランジスタAMPのチャネル領域となるFin形状の半導体層211を形成する。
次に、製造装置は、プラズマCVD法を用いて、第5絶縁膜45(図3参照)を堆積させて半導体層211を覆う。次に、製造装置は、第5絶縁膜45にCMP処理を施して、半導体層211の表面を平坦化し、半導体層211の表面を露出さる。これにより、図17Jに示すように、Fin形状の半導体層211の周囲に、第5絶縁膜45からなる素子分離層が形成される。
次に、製造装置は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、第5絶縁膜45をパターニングして、図17Kに示すように、Fin形状の半導体層211の左右両側の側面を露出させる。
次に、図17Lに示すように、製造装置は、熱酸化法を用いて、ゲート絶縁膜42を形成する。FD SOI Fin構造の画素トランジスタ(例えば、増幅トランジスタAMP)が形成される領域では、Fin形状の第2半導体層の上面と左右両側の側面とにゲート絶縁膜42が形成される。Bulk構造の画素トランジスタ(例えば、選択トランジスタSEL)が形成される領域では、Bulkの半導体層211の上面にゲート絶縁膜42が形成される。
次に、製造装置は、熱CVD法を用いて多結晶シリコン膜を堆積してゲート絶縁膜42を覆う。次に、製造装置は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、多結晶シリコン膜をパターニングして、図17Mに示すように、増幅トランジスタAMPのゲート電極AGと、選択トランジスタSELのゲート電極SGとを形成する。
次に、図17Nに示すように、製造装置は、プラズマCVD法を用いて、第6絶縁膜46を堆積させる。次に、製造装置は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、第6絶縁膜46に複数の貫通孔(例えば、フローティングディフュージョンFDに至る貫通孔と、ゲート電極AGに至る貫通孔と、ゲート電極SGに至る貫通孔と、ソース・ドレイン領域61に至る貫通孔等)を形成する。
次に、製造装置は、スパッタ法、蒸着法又はCVD法等により、貫通孔内に金属膜を埋め込むとともに、第6絶縁膜46上に金属膜を堆積させる。次に、製造装置は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、金属膜をパターニングする。これにより、貫通配線51、52と、第3配線層53とを形成する。このような工程を経て、図16に示した撮像装置1Cが完成する。
(実施形態3の効果)
本開示の実施形態3に係る撮像装置1Cは、実施形態1に係る撮像装置1と同様の効果を奏する。
<実施形態4>
次に、本開示の実施形態4として、FD SOI Fin構造の画素トランジスタ(例えば、増幅トランジスタAMP)の構成例について、平面図及び断面図を用いてより詳しく説明する。なお、以下の説明では、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向の文言を用いて、方向を説明する場合がある。例えば、X軸方向及びY軸方向は、半導体層211の表面211aに平行な方向である。X軸方向及びY軸方向を水平方向ともいう。Z軸方向は、半導体層211と垂直に交わる方向である。Z軸方向は半導体層211の厚さ方向であり、トレンチH1、H2の深さ方向でもある。X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向は、互いに直交する。
図18は、本開示の実施形態4に係るFD SOI Fin構造の画素トランジスタ(例えば、増幅トランジスタAMP)の構成例を示す平面図である。図19から図21は、本開示の実施形態4に係るFD SOI Fin構造の画素トランジスタ(例えば、増幅トランジスタAMP)の構成例を示す断面図である。図19は、図18に示す平面図をA1-A’1線で切断した断面を示している。図20は、図18に示す平面図をB1-B’1線で切断した断面を示している。図21は、図18に示す平面図をC1-C’1線で切断した断面を示している。
図18から図21に示すように、FD SOI Fin構造の増幅トランジスタAMPは、第4絶縁膜43(本開示の「底部絶縁膜」の一例)上に設けられており、その周囲を素子分離層である第5絶縁膜で囲まれている。
上述したように、FD SOI Fin構造のチャネル領域となる半導体層211は、半導体基板21(図3参照)の上面側の一部をエッチングすることにより形成された、フィン(Fin)形状の部位である。フィン形状とは、例えばゲート長方向(図18では、X軸方向)に長く、ゲート長方向と直交するゲート幅方向(図18では、Y軸方向及びZ軸方向)に短い、直方体の形状である。半導体層211は、上面211aと、第1側面211bと、第2側面211cとを有する。第1側面211bは、Y軸方向において上面211aの一方の側に位置する。第2側面211cは、Y軸方向において上面211aの他方の側に位置する。半導体層211の導電型は特に限定されないが、例えば、増幅トランジスタAMPがNMOSの場合、半導体層211の導電型はP型である。
増幅トランジスタAMPは、チャネルが形成されるP型の半導体層211と、ゲート絶縁膜42と、ゲート電極AGと、半導体基板21に設けられたソース領域91及びドレイン領域92と、を備える。
図21に示すように、Y軸方向において、半導体層211の一方の側には第4絶縁膜43を底面とするトレンチH1が設けられており、半導体層211の他方の側には第4絶縁膜43を底面とするトレンチH2が設けられている。トレンチH1には、ゲート電極AGの第2部位82が配置されている。トレンチH2には、ゲート電極AGの第3部位83が配置されている。第2部位82及び第3部位83については後で説明する。半導体層211は、トレンチH1に配置された第2部位82と、トレンチH2に配置された第3部位83とによって、Y軸方向から挟まれている。
ゲート絶縁膜42は、半導体層211の上面211aと、第1側面211bと、第2側面211cとを覆うように設けられている。第1側面211bは、Y軸方向において上面211aの一方の側に位置する。第2側面211cは、Y軸方向において上面211aの他方の側に位置する。ゲート絶縁膜42は、例えばシリコン酸化膜(SiO膜)で構成されている。
ゲート電極AGは、ゲート絶縁膜42を介して半導体層211を覆っている。例えば、ゲート電極AGは、半導体層211の上面211aとゲート絶縁膜42を介して向かい合う第1部位81と、半導体層211の第1側面211bとゲート絶縁膜42を介して向かい合う第2部位82と、半導体層211の第2側面211cとゲート絶縁膜42を介して向かい合う第3部位83と、を有する。第1部位81の下面に、第2部位82と第3部位83とがそれぞれ接続している。
これにより、ゲート電極AGは、半導体層211の上面211aと、第1側面211bと、第2側面211cとにゲート電圧を同時に印加することができる。つまり、ゲート電極AGは、半導体層211に対して、上側と左右両側の計3方向からゲート電圧を同時に印加することができる。これにより、ゲート電極AGは、半導体層211を完全空乏化することが可能となっている。ゲート電極AGは、例えばポリシリコン(Poly-Si)膜で構成されている。
ソース領域91及びドレイン領域92は、半導体基板21(図3参照)に設けられている。図18から図20に示すように、X軸方向において、ソース領域91は半導体層211の一方の側に接続し、ドレイン領域92は半導体層211の他方の側に接続している。ソース領域91及びドレイン領域92は、第1導電型(例えば、N型)である。
FD SOI Fin構造のMOSトランジスタは、トレンチH1、H2にゲート電極AGの第2部位82と第3部位83とが配置されている形状から、掘り込みゲート構造のMOSトランジスタと呼んでもよい。または、半導体層211がフィン形状を有することから、フィンフェット(FinFET:Fin Field Effect Transistor)と呼んでもよい。あるいは、上記2つの形状から、掘り込みFinFETと呼んでもよい。
また、ゲート電極AGの第2部位82と第3部位83は、トレンチH1、H2に埋め込まれていることから、ゲート掘り込み部と呼んでもよい。FD SOI Fin構造のMOSトランジスタでは、ある断面(例えば、X-Y平面で切断した断面)で、ゲート掘り込み部(例えば、第2部位82、第3部位83)の表面が半導体層(例えば、半導体層211)の表面とほぼ同一平面を形成し、絶縁膜(例えば、ゲート絶縁膜42、第5絶縁膜45)と接している。また、ゲート掘り込み部と、半導体層211の下面は、第4絶縁膜43とも接している。
<実施形態5>
次に、本開示の実施形態5として、図1に示した3つの基板と、カラーフィルタ及び受光レンズを含む撮像装置1の断面構成の一例を示す。図22は、本開示の実施形態5に係る撮像装置1の断面構成の一例を示す図である。図22に示すように、撮像装置1は、第1基板10と、第1基板10の表面(図22では、上面)側に貼り合わされた第2基板20と、第2基板20の表面(図22では、上面)側に貼り合わされた第3基板30とを備える。
第1基板10には、複数のフォトダイオードPDが設けられている。フォトダイオードPDはセンサ画素12(図1参照)毎に設けられている。隣接する一方のフォトダイオードPDと他方のフォトダイオードPDとの間は、素子分離層143で素子間分離されている。素子分離層143は、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)で構成されている。
第1基板10の裏面(図22では、下面)側には、この裏面と接する固定電荷膜145が設けられている。固定電荷膜145は、第1基板10の受光面側の界面準位に起因する暗電流の発生を抑制するため、負に帯電している。固定電荷膜145は、例えば、負の固定電荷を有する絶縁膜によって形成されている。そのような絶縁膜の材料としては、例えば、酸化ハフニウム、酸化ジルコン、酸化アルミニウム、酸化チタンまたは酸化タンタルが挙げられる。固定電荷膜145が誘起する電界により、半導体基板11の受光面側の界面にホール蓄積層が形成される。このホール蓄積層によって、界面からの電子の発生が抑制される。
第1基板10の裏面(図22では下面であり、光入射面)側には、カラーフィルタ40と受光レンズ50とが設けられている。カラーフィルタ40は、固定電荷膜145に接して設けられており、固定電荷膜145を介してフォトダイオードPDと対向する位置に設けられている。受光レンズ50は、カラーフィルタ40に接して設けられており、カラーフィルタ40及び固定電荷膜145を介してフォトダイオードPDと対向する位置に設けられている。
第2基板20は、配線層56と、配線層56の層間(すなわち、上下の配線間)を隔てる層間絶縁膜57と、配線層56に接続して層間絶縁膜57の表面に露出するパッド電極58とを有する。配線層56及びパッド電極58は、例えば銅(Cu)で構成されている。層間絶縁膜57は、例えばSiO膜で構成されている。
第3基板30は、半導体基板31と、半導体基板31の表面(図22では、下面)側に設けられたロジック回路32と、半導体基板31の表面側に設けられた配線層62と、配線層62の層間(すなわち、上下の配線間)を隔てる層間絶縁膜63と、配線層62に接続して層間絶縁膜63の表面に露出するパッド電極64とを有する。ロジック回路32は、図1に示したように、例えば、垂直駆動回路33、カラム信号処理回路34、水平駆動回路35およびシステム制御回路36を有する。配線層62及びパッド電極64は、例えばCuで構成されている。層間絶縁膜63は、例えばSiO膜で構成されている。
第2基板20および第3基板30は、パッド電極58、64同士の接合によって、互いに電気的に接続されている。第3基板30は、半導体基板21の表面側に半導体基板31の表面を向けて第2基板20に貼り合わされている。つまり、第3基板30は、第2基板20に、フェイストゥーフェイスで貼り合わされている。
なお、図22では、第2基板20に設けられている増幅トランジスタAMPが、FD SOI Fin構造ではなく、通常のゲート構造(例えば、図21において、ゲート電極AGが半導体層211の表面211aに平行な第1部位81のみで構成されている構造)を有する場合を示しているが、これはあくまで一例である。図22においても、増幅トランジスタAMPは、FD SOI Fin構造であってもよい。
<その他の実施形態>
上記のように、本開示は実施形態及び変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本開示を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。例えば、上記の実施形態1から3では、本技術を撮像装置に適用する場合を説明したが、本開示はこれに限定されない。本技術は、撮像装置以外の半導体装置、例えば、液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ(Organic LED Display)、又は、LSI(Large Scale Integration)等に適用してもよい。本技術はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。上述した実施形態及び変形例の要旨を逸脱しない範囲で、構成要素の種々の省略、置換及び変更のうち少なくとも1つを行うことができる。また、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものでは無く、また他の効果があってもよい。
<移動体への応用例>
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
図23は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
車両制御システム12000は、通信ネットワーク12001を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図23に示した例では、車両制御システム12000は、駆動系制御ユニット12010、ボディ系制御ユニット12020、車外情報検出ユニット12030、車内情報検出ユニット12040、及び統合制御ユニット12050を備える。また、統合制御ユニット12050の機能構成として、マイクロコンピュータ12051、音声画像出力部12052、及び車載ネットワークI/F(interface)12053が図示されている。
駆動系制御ユニット12010は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット12010は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
ボディ系制御ユニット12020は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット12020は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット12020には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット12020は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
車外情報検出ユニット12030は、車両制御システム12000を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット12030には、撮像部12031が接続される。車外情報検出ユニット12030は、撮像部12031に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット12030は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
撮像部12031は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部12031は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部12031が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
車内情報検出ユニット12040は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット12040には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部12041が接続される。運転者状態検出部12041は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット12040は、運転者状態検出部12041から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット12010に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むADAS(Advanced Driver Assistance System)の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット12020に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
音声画像出力部12052は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図23の例では、出力装置として、オーディオスピーカ12061、表示部12062及びインストルメントパネル12063が例示されている。表示部12062は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
図24は、撮像部12031の設置位置の例を示す図である。
図24では、車両12100は、撮像部12031として、撮像部12101,12102,12103,12104,12105を有する。
撮像部12101,12102,12103,12104,12105は、例えば、車両12100のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部12101及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部12105は、主として車両12100の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部12102,12103は、主として車両12100の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部12104は、主として車両12100の後方の画像を取得する。撮像部12101及び12105で取得される前方の画像は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
なお、図24には、撮像部12101ないし12104の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲12111は、フロントノーズに設けられた撮像部12101の撮像範囲を示し、撮像範囲12112,12113は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部12102,12103の撮像範囲を示し、撮像範囲12114は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部12104の撮像範囲を示す。例えば、撮像部12101ないし12104で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両12100を上方から見た俯瞰画像が得られる。
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を基に、撮像範囲12111ないし12114内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化(車両12100に対する相対速度)を求めることにより、特に車両12100の進行路上にある最も近い立体物で、車両12100と略同じ方向に所定の速度(例えば、0km/h以上)で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ12051は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御(追従停止制御も含む)や自動加速制御(追従発進制御も含む)等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、2輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両12100の周辺の障害物を、車両12100のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ12051は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ12061や表示部12062を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット12010を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部12101ないし12104の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ12051が、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部12052は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部12062を制御する。また、音声画像出力部12052は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部12062を制御してもよい。
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、例えば撮像部12031に適用され得る。具体的には、上記実施の形態及びその変形例に係る撮像装置1、1A、1B、1Cは、撮像部12031に適用され得る。撮像部12031に本開示に係る技術を適用することにより、撮像部12031に含まれるトランジスタの特性が電磁的な干渉により劣化することを抑制することができるので、より見やすい撮影画像を得ることが可能になる。
<内視鏡手術システムへの応用例>
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、内視鏡手術システムに適用されてもよい。
図25は、本開示に係る技術(本技術)が適用され得る内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
図25では、術者(医師)11131が、内視鏡手術システム11000を用いて、患者ベッド11133上の患者11132に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム11000は、内視鏡11100と、気腹チューブ11111やエネルギー処置具11112等の、その他の術具11110と、内視鏡11100を支持する支持アーム装置11120と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート11200と、から構成される。
内視鏡11100は、先端から所定の長さの領域が患者11132の体腔内に挿入される鏡筒11101と、鏡筒11101の基端に接続されるカメラヘッド11102と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒11101を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡11100を図示しているが、内視鏡11100は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。
鏡筒11101の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡11100には光源装置11203が接続されており、当該光源装置11203によって生成された光が、鏡筒11101の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者11132の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡11100は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。
カメラヘッド11102の内部には光学系及び撮像素子が設けられており、観察対象からの反射光(観察光)は当該光学系によって当該撮像素子に集光される。当該撮像素子によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該画像信号は、RAWデータとしてカメラコントロールユニット(CCU: Camera Control Unit)11201に送信される。
CCU11201は、CPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphics Processing Unit)等によって構成され、内視鏡11100及び表示装置11202の動作を統括的に制御する。さらに、CCU11201は、カメラヘッド11102から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理(デモザイク処理)等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。
表示装置11202は、CCU11201からの制御により、当該CCU11201によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。
光源装置11203は、例えばLED(Light Emitting Diode)等の光源から構成され、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡11100に供給する。
入力装置11204は、内視鏡手術システム11000に対する入力インタフェースである。ユーザは、入力装置11204を介して、内視鏡手術システム11000に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。例えば、ユーザは、内視鏡11100による撮像条件(照射光の種類、倍率及び焦点距離等)を変更する旨の指示等を入力する。
処置具制御装置11205は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具11112の駆動を制御する。気腹装置11206は、内視鏡11100による視野の確保及び術者の作業空間の確保の目的で、患者11132の体腔を膨らめるために、気腹チューブ11111を介して当該体腔内にガスを送り込む。レコーダ11207は、手術に関する各種の情報を記録可能な装置である。プリンタ11208は、手術に関する各種の情報を、テキスト、画像又はグラフ等各種の形式で印刷可能な装置である。
なお、内視鏡11100に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置11203は、例えばLED、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成することができる。RGBレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色(各波長)の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置11203において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、RGBレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド11102の撮像素子の駆動を制御することにより、RGBそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。
また、光源装置11203は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド11102の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
また、光源装置11203は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用して、通常の観察時における照射光(すなわち、白色光)に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する、いわゆる狭帯域光観察(Narrow Band Imaging)が行われる。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること(自家蛍光観察)、又はインドシアニングリーン(ICG)等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置11203は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び/又は励起光を供給可能に構成され得る。
図26は、図25に示すカメラヘッド11102及びCCU11201の機能構成の一例を示すブロック図である。
カメラヘッド11102は、レンズユニット11401と、撮像部11402と、駆動部11403と、通信部11404と、カメラヘッド制御部11405と、を有する。CCU11201は、通信部11411と、画像処理部11412と、制御部11413と、を有する。カメラヘッド11102とCCU11201とは、伝送ケーブル11400によって互いに通信可能に接続されている。
レンズユニット11401は、鏡筒11101との接続部に設けられる光学系である。鏡筒11101の先端から取り込まれた観察光は、カメラヘッド11102まで導光され、当該レンズユニット11401に入射する。レンズユニット11401は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成される。
撮像部11402は、撮像素子で構成される。撮像部11402を構成する撮像素子は、1つ(いわゆる単板式)であってもよいし、複数(いわゆる多板式)であってもよい。撮像部11402が多板式で構成される場合には、例えば各撮像素子によってRGBそれぞれに対応する画像信号が生成され、それらが合成されることによりカラー画像が得られてもよい。あるいは、撮像部11402は、3D(Dimensional)表示に対応する右目用及び左目用の画像信号をそれぞれ取得するための1対の撮像素子を有するように構成されてもよい。3D表示が行われることにより、術者11131は術部における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、撮像部11402が多板式で構成される場合には、各撮像素子に対応して、レンズユニット11401も複数系統設けられ得る。
また、撮像部11402は、必ずしもカメラヘッド11102に設けられなくてもよい。例えば、撮像部11402は、鏡筒11101の内部に、対物レンズの直後に設けられてもよい。
駆動部11403は、アクチュエータによって構成され、カメラヘッド制御部11405からの制御により、レンズユニット11401のズームレンズ及びフォーカスレンズを光軸に沿って所定の距離だけ移動させる。これにより、撮像部11402による撮像画像の倍率及び焦点が適宜調整され得る。
通信部11404は、CCU11201との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部11404は、撮像部11402から得た画像信号をRAWデータとして伝送ケーブル11400を介してCCU11201に送信する。
また、通信部11404は、CCU11201から、カメラヘッド11102の駆動を制御するための制御信号を受信し、カメラヘッド制御部11405に供給する。当該制御信号には、例えば、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報、撮像時の露出値を指定する旨の情報、並びに/又は撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報等、撮像条件に関する情報が含まれる。
なお、上記のフレームレートや露出値、倍率、焦点等の撮像条件は、ユーザによって適宜指定されてもよいし、取得された画像信号に基づいてCCU11201の制御部11413によって自動的に設定されてもよい。後者の場合には、いわゆるAE(Auto Exposure)機能、AF(Auto Focus)機能及びAWB(Auto White Balance)機能が内視鏡11100に搭載されていることになる。
カメラヘッド制御部11405は、通信部11404を介して受信したCCU11201からの制御信号に基づいて、カメラヘッド11102の駆動を制御する。
通信部11411は、カメラヘッド11102との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部11411は、カメラヘッド11102から、伝送ケーブル11400を介して送信される画像信号を受信する。
また、通信部11411は、カメラヘッド11102に対して、カメラヘッド11102の駆動を制御するための制御信号を送信する。画像信号や制御信号は、電気通信や光通信等によって送信することができる。
画像処理部11412は、カメラヘッド11102から送信されたRAWデータである画像信号に対して各種の画像処理を施す。
制御部11413は、内視鏡11100による術部等の撮像、及び、術部等の撮像により得られる撮像画像の表示に関する各種の制御を行う。例えば、制御部11413は、カメラヘッド11102の駆動を制御するための制御信号を生成する。
また、制御部11413は、画像処理部11412によって画像処理が施された画像信号に基づいて、術部等が映った撮像画像を表示装置11202に表示させる。この際、制御部11413は、各種の画像認識技術を用いて撮像画像内における各種の物体を認識してもよい。例えば、制御部11413は、撮像画像に含まれる物体のエッジの形状や色等を検出することにより、鉗子等の術具、特定の生体部位、出血、エネルギー処置具11112の使用時のミスト等を認識することができる。制御部11413は、表示装置11202に撮像画像を表示させる際に、その認識結果を用いて、各種の手術支援情報を当該術部の画像に重畳表示させてもよい。手術支援情報が重畳表示され、術者11131に提示されることにより、術者11131の負担を軽減することや、術者11131が確実に手術を進めることが可能になる。
カメラヘッド11102及びCCU11201を接続する伝送ケーブル11400は、電気信号の通信に対応した電気信号ケーブル、光通信に対応した光ファイバ、又はこれらの複合ケーブルである。
ここで、図示する例では、伝送ケーブル11400を用いて有線で通信が行われていたが、カメラヘッド11102とCCU11201との間の通信は無線で行われてもよい。
以上、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、例えば、内視鏡11100や、カメラヘッド11102(の撮像部11402)、CCU11201(の画像処理部11412)等に適用され得る。撮像部11402や画像処理部11412等に本開示に係る技術を適用することにより、撮像部11402や画像処理部11412に含まれるトランジスタの特性が電磁的な干渉により劣化することを抑制することができるので、より鮮明な術部画像を得ることが可能になる。
なお、ここでは、一例として内視鏡手術システムについて説明したが、本開示に係る技術は、その他、例えば、顕微鏡手術システム等に適用されてもよい。
なお、本開示は以下のような構成も取ることができる
(1)
光電変換を行うセンサ画素が設けられた第1半導体層と、
前記第1半導体層の一方の面側に配置され、前記センサ画素から出力された電荷に基づく画素信号を出力するための画素トランジスタが設けられた第2半導体層と、
前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に配置された絶縁層と、
前記絶縁層内であって、前記センサ画素と前記画素トランジスタとの間に配置された導体層と、を備え、
前記導体層の電位は基準電位に固定されている、撮像装置。
(2)
前記導体層は、前記センサ画素と前記画素トランジスタの少なくともチャネル領域との間に配置されている、前記(1)に記載の撮像装置。
(3)
前記センサ画素は、
前記第1半導体層に設けられた光電変換素子と、
前記第1半導体層に設けられたフローティングディフュージョンと、
前記光電変換素子で生じた電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する転送トランジスタと、を備え、
前記導体層は、前記光電変換素子と前記画素トランジスタとの間に配置されている、前記(1)又は(2)に記載の撮像装置。
(4)
前記センサ画素は、
前記転送トランジスタのゲート電極に接続する配線層、をさらに有し、
前記配線層は、前記光電変換素子と前記導体層との間に配置されている、前記(3)に記載の撮像装置。
(5)
前記センサ画素は、
前記第1半導体層に設けられたウェルコンタクト領域と、
前記ウェルコンタクト領域に接し、前記絶縁層を厚さ方向に貫通する貫通配線と、を有し、
前記導体層は前記貫通配線に接している、前記(1)から(4)のいずれか1項に記載の撮像装置。
(6)
前記導体層は前記貫通配線の側面に接している、前記(5)に記載の撮像装置。
(7)
前記第1半導体層は前記センサ画素を複数有し、
前記導体層は、前記複数のセンサ画素のうちの一方のセンサ画素から他方の画素にかけて連続して設けられている前記(1)から(6)のいずれか1項に記載の撮像装置。
(8)
前記導体層の平面視による形状は、一方向に延びる直線状、又は、格子の枠状である、前記(7)に記載の撮像装置。
(9)
前記画素トランジスタは、増幅トランジスタ、選択トランジスタ、リセットトランジスタ、及びスイッチトランジスタのいずれか1つ以上である、前記(1)から(8)のいずれか1項に記載の撮像装置。
(10)
前記画素トランジスタは、FD SOI Fin構造を有する、前記(1)から(9)のいずれか1項に記載の撮像装置。
(11)
前記FD SOI Fin構造を有する前記画素トランジスタのゲート電極は、
前記第2半導体層の上面とゲート絶縁膜を介して向かい合う第1部位と、
前記第2半導体層の第1側面と前記ゲート絶縁膜を介して向かい合う第2部位と、
前記第2半導体層の第2側面と前記ゲート絶縁膜を介して向かい合う第3部位と、を有し、
前記第2半導体層の下面と前記第2部位及び前記第3部位は、底部絶縁膜と接している、前記(10)に記載の撮像装置。
(12)
前記導体層は、多結晶シリコン膜で構成されている、前記(1)から(10)のいずれか1項に記載の撮像装置。
(13)
第1半導体層と、
前記第1半導体層の一方の面側に配置され、トランジスタが設けられた第2半導体層と、
前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に配置された絶縁層と、
前記絶縁層内であって、前記第1半導体層と前記トランジスタとの間に配置された導体層と、を備え、
前記導体層の電位は基準電位に固定されている、半導体装置。
1、1A、1B、1C 撮像装置
10 第1基板
11、21、31 半導体基板
11a 表面
12 センサ画素
13 画素領域
14 ウェル領域
15 ウェルコンタクト領域
16 第3絶縁膜
17 第1配線層
18 第2配線層
20 第2基板
22 読み出し回路
23 画素駆動線
24 垂直信号線
30 第3基板
32 ロジック回路
33 垂直駆動回路
34 カラム信号処理回路
35 水平駆動回路
36 システム制御回路
40 カラーフィルタ
42 ゲート絶縁膜
43 第4絶縁膜
45 第5絶縁膜
46 第6絶縁膜
50 受光レンズ
51、52 貫通配線
53 第3配線層
56、62 配線層
57、63 層間絶縁膜
58、64 パッド電極
61 ソース・ドレイン領域
81 第1部位
82 第2部位
83 第3部位
91 ソース領域
92 ドレイン領域
161 第1絶縁膜
162 第2絶縁膜
163 第3絶縁膜
164 第4絶縁膜
181 第1直線部
182 第2直線部
211 半導体層
521 第1部位
522 第2部位
11000 内視鏡手術システム
11100 内視鏡
11101 鏡筒
11102 カメラヘッド
11110 術具
11111 気腹チューブ
11112 エネルギー処置具
11120 支持アーム装置
11131 術者(医師)
11131 術者
11132 患者
11133 患者ベッド
11200 カート
11201 カメラコントロールユニット(CCU: Camera Control Unit)
11202 表示装置
11203 光源装置
11204 入力装置
11205 処置具制御装置
11206 気腹装置
11207 レコーダ
11208 プリンタ
11400 伝送ケーブル
11401 レンズユニット
11402 撮像部
11403 駆動部
11404 通信部
11405 カメラヘッド制御部
11411 通信部
11412 画像処理部
11413 制御部
12000 車両制御システム
12001 通信ネットワーク
12010 駆動系制御ユニット
12020 ボディ系制御ユニット
12030 車外情報検出ユニット
12031 撮像部
12040 車内情報検出ユニット
12041 運転者状態検出部
12050 統合制御ユニット
12051 マイクロコンピュータ
12052 音声画像出力部
12061 オーディオスピーカ
12062 表示部
12063 インストルメントパネル
12100 車両
12101 撮像部
12102 撮像部
12103 撮像部
12104 撮像部
12105 撮像部
12111 撮像範囲
12112 撮像範囲
12113 撮像範囲
12114 撮像範囲
AG ゲート電極
AMP 増幅トランジスタ
FD フローティングディフュージョン
FDG スイッチトランジスタ
PD フォトダイオード
RST リセットトランジスタ
SEL 選択トランジスタ
SG ゲート電極
TG 転送ゲート
TR 転送トランジスタ
VDD 電源線
Vout 出力電圧
Z11、Z12、Z13、Z21、Z22、Z23 水平面

Claims (13)

  1. 光電変換を行うセンサ画素が設けられた第1半導体層と、
    前記第1半導体層の一方の面側に配置され、前記センサ画素から出力された電荷に基づく画素信号を出力するための画素トランジスタが設けられた第2半導体層と、
    前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に配置された絶縁層と、
    前記絶縁層内であって、前記センサ画素と前記画素トランジスタとの間に配置された導体層と、を備え、
    前記導体層の電位は基準電位に固定されている、撮像装置。
  2. 前記導体層は、前記センサ画素と前記画素トランジスタの少なくともチャネル領域との間に配置されている、請求項1に記載の撮像装置。
  3. 前記センサ画素は、
    前記第1半導体層に設けられた光電変換素子と、
    前記第1半導体層に設けられたフローティングディフュージョンと、
    前記光電変換素子で生じた電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する転送トランジスタと、を備え、
    前記導体層は、前記光電変換素子と前記画素トランジスタとの間に配置されている、請求項1に記載の撮像装置。
  4. 前記センサ画素は、
    前記転送トランジスタのゲート電極に接続する配線層、をさらに有し、
    前記配線層は、前記光電変換素子と前記導体層との間に配置されている、請求項3に記載の撮像装置。
  5. 前記センサ画素は、
    前記第1半導体層に設けられたウェルコンタクト領域と、
    前記ウェルコンタクト領域に接し、前記絶縁層を厚さ方向に貫通する貫通配線と、を有し、
    前記導体層は前記貫通配線に接している、請求項1に記載の撮像装置。
  6. 前記導体層は前記貫通配線の側面に接している、請求項5に記載の撮像装置。
  7. 前記第1半導体層は前記センサ画素を複数有し、
    前記導体層は、前記複数のセンサ画素のうちの一方のセンサ画素から他方の画素にかけて連続して設けられている請求項1に記載の撮像装置。
  8. 前記導体層の平面視による形状は、一方向に延びる直線状、又は、格子の枠状である、請求項7に記載の撮像装置。
  9. 前記画素トランジスタは、増幅トランジスタ、選択トランジスタ、リセットトランジスタ、及びスイッチトランジスタのいずれか1つ以上である、請求項1に記載の撮像装置。
  10. 前記画素トランジスタは、FD SOI Fin構造を有する、請求項1に記載の撮像装置。
  11. 前記FD SOI Fin構造を有する前記画素トランジスタのゲート電極は、
    前記第2半導体層の上面とゲート絶縁膜を介して向かい合う第1部位と、
    前記第2半導体層の第1側面と前記ゲート絶縁膜を介して向かい合う第2部位と、
    前記第2半導体層の第2側面と前記ゲート絶縁膜を介して向かい合う第3部位と、を有し、
    前記第2半導体層の下面と前記第2部位及び前記第3部位は、底部絶縁膜と接している、請求項10に記載の撮像装置。
  12. 前記導体層は、多結晶シリコン膜で構成されている、請求項1に記載の撮像装置。
  13. 第1半導体層と、
    前記第1半導体層の一方の面側に配置され、トランジスタが設けられた第2半導体層と、
    前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に配置された絶縁層と、
    前記絶縁層内であって、前記第1半導体層と前記トランジスタとの間に配置された導体層と、を備え、
    前記導体層の電位は基準電位に固定されている、半導体装置。
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EP3993040A4 (en) * 2019-06-26 2023-03-29 Sony Semiconductor Solutions Corporation SOLID STATE IMAGING DEVICE
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