JP6144425B2 - 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、および電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、光を検出して電荷を発生させる光電変換素子を用いた固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、および電子機器に関するものである。
光を検出して電荷を発生させる光電変換素子を用いた固体撮像装置(イメージセンサ)として、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサやCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサが実用に供されている。
CCDイメージセンサおよびCMOSイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ(PC)、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。
CCDイメージセンサとCMOSイメージセンサは、フォトダイオードを光電変換素子に使用するが、光電変換された信号電荷の転送方式が異なる。
CCDイメージセンサでは、垂直転送部(垂直CCD、VCCD)と水平転送部(水平CCD、HCCD)により信号電荷を出力部に転送してから電気信号に変換して増幅する。
これに対して、CMOSイメージセンサでは、フォトダイオードを含む画素ごとに変換された電荷を増幅して読み出し信号として出力する。
以下に、CCDイメージセンサおよびCMOSイメージセンサの基本構成について説明する。
図1は、インターライン転送(IT)型CCDイメージセンサの基本構成を示す図である。
IT(Interline Transfer)型CCDイメージセンサ1は、基本的に感光部2、水平転送部(水平CCD)3、および出力部4を含んで構成されている。
感光部2は、行列状に配置され、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換する複数の画素部21、および複数の画素部21の各信号電荷を列単位で垂直転送する遮光された電荷転送部としての垂直転送部(垂直CCD)22を有する。
水平CCD3は、複数の垂直CCD22からシフトされた1ライン分の信号電荷を水平走査期間において順次水平に転送する。
出力部4は、転送された信号電荷を信号電圧に変換する、電荷検出用浮遊拡散層であるフローティングディフュージョン(FD:Floating Diffusion)を含み、FDで得られた信号を図示しない信号処理系に出力する。
このIT型CCDイメージセンサ1では、垂直CCDがアナログメモリとして機能し、ラインシフトと水平CCD3の水平転送を繰り返して、出力部4から全画素の信号(フレーム信号)を順次出力する。
このIT型CCDイメージセンサ1は、プログレッシブ読み出し(プログレッシブスキャン)が可能であるが、水平CCD3で信号電荷を転送するため、高速転送が困難な構造となっている。
図2は、フレームインターライン転送(FIT)型CCDイメージセンサの基本構成を示す図である。
FIT(Frame Interline Transfer)型CCDイメージセンサ1Aは、IT型CCDイメージセンサ1の感光部2の垂直CCD22の出力段と水平CCD3との間に、遮光された電荷蓄積部(ストレージ部)5が配置された構成を有する。
FIT型CCDイメージセンサ1Aでは、画素部21から信号電荷(束)を受け取った感光部2の垂直CCD22から、高速フレーム転送により全信号電荷が完全遮光されたストレージ部5に一斉に転送される。
このように、FIT型CCDイメージセンサ1Aは、感光部2において画素部21から読み出された信号電荷は垂直CCD22によりストレージ部5に一斉に転送されるため、図1のIT型CCDイメージセンサ1に比べ、高速転送が可能である。
ただし、FIT型CCDイメージセンサ1Aは、ストレージ部5を形成するため、チップ面積がIT型CCDイメージセンサの約2倍程度大きくなる。
なお、上述したCCDイメージセンサは、全画素同時に光電荷の蓄積を開始するグローバルシャッタ読み出しが可能であるという特徴を有する。
図3は、CMOSイメージセンサの基本構成を示す図である。
CMOSイメージセンサ1Bは、基本的に感光部としての画素アレイ部6、ローデコーダ(Row Decoder、または行走査回路)7、カラムデコーダ(Column Decoder、または水平走査回路)8、出力部(出力アンプ)9、およびカラムスイッチCSWを含んで構成されている。
また、図3において、LSLは行走査ラインを、LSGは信号読み出しラインを、LTRは転送ラインをそれぞれ示している。
CMOSイメージセンサ1Bにおいて、画素アレイ部はフォトダイオードを含む複数の画素が行列状に配置されて構成されている。
CMOSイメージセンサ1Bでは、画素アレイ部6の各画素PXLはローデコーダ7から供給される行制御信号(パルス信号)により行ごとに制御される。
画素PXLから出力信号ラインLSGに出力された信号は、カラムデコーダ8の列走査に従ってカラムスイッチCSWを介して転送ラインLTRに伝達され、出力部9により外部に出力される。
このCMOSイメージセンサ1Bにおいては、信号の高速転送が可能であるが、グローバルシャッタ読み出しができない構造となっている。
このように、CMOSイメージセンサは基本的にグローバルシャッタ読み出しができない構造となっているが、積層構造を採用して、グローバルシャッタ読み出しを可能にしたCMOSイメージセンサが提案されている(たとえば、非特許文献1参照)。
図4は、積層構造を採用したCMOSイメージセンサの構成例を示す図である。
図4のCMOSイメージセンサ1Cは、第1の基板11と第2の基板12を、シールド層13を挟んだ積層構造が採用されている。
第1の基板11にはフォトダイオード(光電変換素子)アレイ部6−1および行走査回路7の一部7−1が形成されている。
そして、第2の基板12には、ストレージノードアレイ6−2、行走査回路7の残り部分7−2、カラムバッファCBUF、水平走査回路(カラムデコーダ)8、出力部9等が形成されている。
このCMOSイメージセンサ1Cは、一般的なCMOSイメージセンサの欠点であった、グローバルシャッタ読み出しができない欠点を改善していることに特徴がある。
以上、CCDイメージセンサおよびCMOSイメージセンサの基本構成について説明した。
上述したCCDイメージセンサは、全画素同時に光電荷の蓄積を開始するグローバルシャッタ読み出しが可能であるという特徴を有する。
しかしながら、IT型CCDイメージセンサ1は、プログレッシブ読み出しが可能であるが、水平CCD3で信号電荷を転送するため、高速転送が困難であるという不利益がある。
FIT型CCDイメージセンサ1Aは、IT型CCDイメージセンサ1に比べ、高速転送が可能であるが、ストレージ部5を形成するため、チップ面積がIT型CCDイメージセンサの約2倍程度大きくなる。
これに対して、図3のCMOSイメージセンサ1Bは、信号の高速転送が可能であるが、グローバルシャッタ読み出しができないという不利益がある。
図4のCMOSイメージセンサ1Cは、グローバルシャッタ読み出しができない欠点を改善していることに特徴があるが、以下に示すような不利益がある。
CMOSイメージセンサ1Cは、非特許文献1に記載されているように、4画素を選択して読み出す構成のため、厳密な意味でのグローバルシャッタが実現できてはいない。
このように、CMOSイメージセンサ1Cは、厳密にはグローバルシャッタを実現できず、同時読み出しは実現できないため、動体撮影時の被写体ブレを完全になくすことは困難である。
また、CMOSイメージセンサ1Cは、画素を結合することで寄生容量が増大し、検出ゲインの低下を招く。
これらのことに起因して、CMOSイメージセンサ1Cは、グローバルシャッタ読み出しと読み出しゲインがトレードオフとなってしまい、多くの画素を連結して読み出すことが困難である。換言すると、CMOSイメージセンサ1Cは、画素加算に制約がある。
CMOSイメージセンサ1Cは、積層構造を形成するためにピクセル・アレイ中にバンプ構造を形成する必要があり、レイアウト上の制約や、暗電流、白キズ等の画素特性の劣化を招くおそれがある。
また、CMOSイメージセンサ1Cは、kTCノイズが増加するという欠点がある。
本発明は、小さなチップ面積で、高速読み出しが可能となり、しかもレイアウト上の制約が少なく、白キズ等の画素特性の劣化を抑止することが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、および電子機器を提供することにある。
本発明の第1の観点の固体撮像装置は、行列状に配置された複数の光電変換素子および前記複数の光電変換素子の信号電荷を列または行単位で転送する複数の電荷転送部を含む感光部と、前記電荷転送部を転送された信号電荷を電気信号に変換して出力する、列または行数に応じて配置される変換出力部と、前記変換出力部による前記電気信号に対して所定の処理を行う周辺回路部と、前記変換出力部による前記電気信号の前記周辺回路部への転送を中継する中継部と、前記感光部および前記変換出力部が形成された第1の基板と、前記周辺回路部が形成された第2の基板と、を有し、少なくとも前記第1の基板と前記第2の基板は積層され、前記中継部は、前記第1の基板に形成された前記変換出力部と前記第2の基板に形成された前記周辺回路部とを、前記感光部の感光領域外で基板を通した接続部により電気的に接続している。
本発明の第2の観点の固体撮像装置の製造方法は、行列状に配置された複数の光電変換素子および前記複数の光電変換素子の信号電荷を列または行単位で転送する複数の電荷転送部を含む感光部と、前記電荷転送部を転送された信号電荷を電気信号に変換して出力する、列または行数に応じて配置される変換出力部とを第1の基板に形成する工程と、少なくとも、前記変換出力部による前記電気信号に対して所定の処理を行う周辺回路部を第2の基板に形成する工程と、少なくとも前記第1の基板と前記第2の基板を積層した状態で、前記第1の基板に形成された前記変換出力部と前記第2の基板に形成された前記周辺回路部とを、前記感光部の感光領域外で基板を通した接続部により電気的に接続する工程とを有する。
本発明の第3の観点の電子機器は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置の感光部に結像する光学系と、前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理部と、を有し、前記固体撮像装置は、行列状に配置された複数の光電変換素子および前記複数の光電変換素子の信号電荷を列または行単位で転送する複数の電荷転送部を含む感光部と、前記電荷転送部を転送された信号電荷を電気信号に変換して出力する、列または行数に応じて配置される変換出力部と、前記変換出力部による前記電気信号に対して所定の処理を行う周辺回路部と、前記変換出力部による前記電気信号の前記周辺回路部への転送を中継する中継部と、前記感光部および前記変換出力部が形成された第1の基板と、前記周辺回路部が形成された第2の基板と、を有し、少なくとも前記第1の基板と前記第2の基板は積層され、前記中継部は、前記第1の基板に形成された前記変換出力部と前記第2の基板に形成された前記周辺回路部とを、前記感光部の感光領域外で基板を通した接続部により電気的に接続している。
本発明によれば、小さなチップ面積で、高速読み出しが可能となり、しかもレイアウト上の制約が少なく、白キズ等の画素特性の劣化を抑止することが可能となる。
また、本発明によれば、暗電流特性の良いCCDプロセスで画素部の形成が可能となり、また、グローバルシャッタとしての画素微細化が可能となる。
また、本発明によれば、駆動インタフェースを簡単化でき、また、水平CCDを省略することもできることから、低消費電力化が可能となる。
また、本発明によれば、デジタル出力化やオンチップ信号処理化といった多機能化が可能となる。
図1は、IT型CCDイメージセンサの基本構成を示す図である。 図2は、FIT型CCDイメージセンサの基本構成を示す図である。 図3は、CMOSイメージセンサの基本構成を示す図である。 図4は、積層構造を採用したCMOSイメージセンサの構成例を示す図である。 図5は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を平面に展開して示す図である。 図6は、本実施形態に係る固体撮像装置の基板積層構造の第1例を模式的に示す図である。 図7は、本実施形態に係る固体撮像装置の基板積層構造の第2例を模式的に示す図である。 図8は、本第1の実施形態に係る固体撮像装置において積層される第1の基板の感光部と第2基板の周辺回路部の実際の配置関係を説明するための図である。 図9は、本実施形態に係る変換出力部の基本的な構成例を示す図である。 図10は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第1の構成例を説明するための簡略断面図である。 図11は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第2の構成例を説明するための簡略断面図である。 図12は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第3の構成例を説明するための簡略断面図である。 図13は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の具体的な第1の構成例を説明するための簡略断面図である。 図14は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の具体的な第2の構成例を説明するための簡略断面図である。 図15は、本実施形態に係る第1の基板に形成される画素部に採用される縦型オーバーフロードレインの構成および原理について説明するための図である。 図16は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第4の構成例を説明するための簡略断面図である。 図17は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第5の構成例を説明するための簡略断面図である。 図18は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第6の構成例を説明するための簡略断面図である。 図19は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第7の構成例を説明するための簡略断面図である。 図20は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第8の構成例を説明するための簡略断面図である。 図21は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第9の構成例を説明するための簡略断面図である。 図22は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第10の構成例を説明するための簡略断面図である。 図23は、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を説明するための図である。 図24は、第2の実施形態に係る第1の基板側の中継選択部の第1の構成例を示す図である。 図25は、第2の実施形態に係る第1の基板側の中継選択部の第2の構成例を示す図である。 図26は、第2の実施形態に係る第1の基板側の中継選択部の第3の構成例を示す図である。 図27は、本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を説明するための図である。 図28は、比較例としての裏面照射型CMOSイメージセンサの積層構造例を示す図である。 図29は、CMOSイメージセンサの積層構造によるチップ縮小化例を説明するための図である。 図30は、積層構造でないCMOSイメージセンサチップ、積層構造のCMOSイメージセンサチップ、および本実施形態に係るCCDイメージセンサチップの簡略断面を示す図である。 図31は、本発明の第4の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を説明するための図である。 図32は、本発明の第5の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を説明するための図である。 図33は、第5の実施形態に係る積層型CCDイメージセンサとしての固体撮像装置の駆動信号のタイミングの一例を示す図である。 図34は、本発明の第6の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を説明するための図である。 図35は、本発明の第7の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を説明するための図である。 図36は、本第7の実施形態に係る固体撮像装置において、駆動パルスと出力信号パルス用端子の共用化を実現する構成例を示す図である。 図37は、本第7の実施形態に係る共用化回路のレジスタコントロールモード時の動作を説明するための図である。 図38は、本第7の実施形態に係る共用化回路のイメージデータストリーミングモード時の動作を説明するための図である。 図39は、本第7の実施形態に係る共用化回路のレジスタコントロールモード時およびイメージデータストリーミングモード時の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図40は、本発明の第8の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を説明するための図である。 図41は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラシステムを搭載した電子機器の構成の一例を示す図である。
以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
[第1の実施形態]
図5は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を平面に展開して示す図である。
図6は、本実施形態に係る固体撮像装置の基板積層構造の第1例を模式的に示す図である。
図7は、本実施形態に係る固体撮像装置の基板積層構造の第2例を模式的に示す図である。
図8は、本第1の実施形態に係る固体撮像装置において積層される第1の基板の感光部と第2基板の周辺回路部の実際の配置関係を説明するための図である。
本固体撮像装置100は、たとえばFIT(Frame Interline Transfer)型CCDイメージセンサに類似のイメージセンサが適用可能である。
ただし、本固体撮像装置100は、通常のFIT型CCDイメージセンサに設けられる電荷蓄積部(ストレージ部)、水平転送部(HCCD)を有していない。
固体撮像装置100は、第1の基板110、第2の基板120、および第3の基板130を積層した構造を有する。
固体撮像装置100は、たとえば、図6および図7に示すように、第3の基板130上に第2の基板120が積層され、第2の基板120上に第1の基板110が積層される。
なお、積層される基板は、たとえば図6に示すように貼りあわされ、あるいは、図7に示すように圧着やマイクロバンプにより接合される。
そして、各基板間の電気的な接続は接続部としての貫通ビア(Through Silicon Via:TSV)140やマイクロバンプ、圧着等の接合部150により実現される。
図6の例では、積層された第1の基板110、第2の基板120、および第3の基板130を貫通する貫通ビア140を通して各基板間の電気的な接続が行われ、貫通ビア140の第3の基板130側の露出部にバンプBMPが接合されている。
図7の例では、第1の基板110に貫通ビア140−1が形成され、第2の基板120に貫通ビア140−2が形成されている。第1の基板110の貫通ビア140−1と第2の基板120の貫通ビア140−2が圧着やマイクロバンプにより形成される接合部150により接合される。そして、第1の基板110の貫通ビア140−1の上面側の露出部にボンディングパッド160が接合されている。
なお、本実施形態では、第1の基板110には、撮像して得られる信号電荷を蓄積転送および信号電荷を電気信号に変換し出力する機能を備えた撮像素子部200が形成される。
第2の基板120には、撮像素子部200により得られた電気信号に対して所定の処理を行う周辺回路部300が形成される。
図5および図8においては、第2の基板120に形成される(搭載される)周辺回路部300として、第1の基板110側から出力され中継部230により中継されるアナログの電気信号(アナログデータ)をデジタル信号(デジタルデータ)に変換するアナログデジタル変換器(ADC)310、および変換後のデジタルデータを記憶するデジタルメモリ320が例示されている。
本実施形態において、撮像素子部200として、第1の基板110には撮像機能を有する感光部210、および感光部210で列方向に転送された信号電荷を電気信号(電圧信号)に変換する変換出力部220が形成されている。
そして、本実施形態においては、第1の基板110と第2の基板120間で、変換出力部220による電気信号の周辺回路部300への転送を中継する中継部230が、基本的に両基板に亘って形成されている。
固体撮像装置100は、感光部210、変換出力部220等の駆動を制御し、また、周辺回路部300から出力される電気信号に対して所定の処理を行う信号処理および電源部(以下、信号処理部という)400を有している。
図5の信号処理部400は、FPGA等により形成されるタイミングジェネレータ410、画像処理回路(画像処理IC)420、および電源回路(電源IC)430を含んで構成されている。
なお、タイミングジェネレータ410、画像処理回路(画像処理IC)420、および電源回路(電源IC)430を含んで構成される信号処理部400は、別基板もしくは第2の基板120や第3の基板130に形成して積層して実装することも可能である。このように構成することにより、小型カメラシステムを単一パッケージに組み込むことも可能となる。
第1の基板110に形成される感光部210は、行列(m行n列)状に配置された光電変換素子であるフォトダイオード(PD)を含む画素部211、および複数の画素部211の光電変換素子の信号電荷を列(または行)単位で転送する複数の電荷転送部である垂直転送部(垂直CCD:VCCD)212(−1〜−4)を含む。
感光部210において、垂直転送部212は図示しない遮光膜により遮光されており、信号処理部400による2相あるいは4相等の転送パルスによって転送駆動され、画素部211による信号電荷を列方向に転送する。
なお、図5および図8においては、図面の簡単化のため、画素部211および垂直転送部212が6行4列の行列状(m=6、n=4のマトリクス状)に配置されている例が示されている。
図5および図8においては、4列の垂直転送部212−1〜212−4が配列されている。
そして、垂直転送部212−1〜212−4は、図5および図8中に示す直交座標系のY方向に信号電荷を転送する。
第1の基板110に形成される変換出力部220は、感光部210の複数の垂直転送部212−1〜212−n(本例ではn=4)により転送された信号電荷を電気信号に変換して、中継部230に出力する。
変換出力部220は、第1の基板110に形成されたn(本例では4)列の垂直転送部212−1〜212−4の各々に対応して4つの変換出力部220−1〜220−4が配置されている。
図9は、本実施形態に係る変換出力部の基本的な構成例を示す図である。
図9は、1列の変換出力部220−1の構成例を示しているが、他の列の変換出力部220−2〜220−4も図9と同様の構成を有する。
変換出力部220−1は、垂直転送部212−1の出力端部213−1における出力ゲートOG213−1に接続されている。
図9の変換出力部220−1は、フローティングディフュージョン(FD:浮遊拡散層)221、リセットゲート(RG)222、リセットドレイン223を含んで構成されている。
変換出力部220−1においては、リセットドレイン223にリセットドレイン電圧VRDが印加され、リセットゲート222には信号電荷の検出周期でリセットパルスPRGが印加される。
そして、フローティングディフュージョン221に蓄積された信号電荷は電気信号である信号電圧に変換され、CCD出力信号SOUTとして中継部230に送出される。
中継部230は、第1の基板110に形成された感光部210の複数の垂直転送部212により転送され、各変換出力部220−1〜220−4にり変換された電気信号の、第2の基板120に形成された周辺回路部300への転送を中継する。
本実施形態の中継部230は、第1の基板110に形成された変換出力部220−1〜220−4と第2の基板120に形成された周辺回路部300とを、感光部210の感光領域PARA外の領域EPARAで基板を通した接続部231(−1〜−4)により電気的に接続している。
本実施形態において、接続部231−1〜231−4は、たとえば貫通ビア(TSV)により形成される。なお、以下の説明では、接続部を貫通ビアという場合もある。
本実施形態においては、中継部230は、以下に説明するように、第1の基板110および第2の基板120の感光領域外に相当する領域の少なくとも一方に、変換出力部220−1〜220−4による電気信号を増幅するソースフォロア回路が形成されている。
[積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略構成例]
ここで、積層された第1の基板および第2の基板、並びにソースフォロア回路を有する中継部の複数の概略的な構成例について説明する。
[第1の構成例]
図10は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第1の構成例を説明するための簡略断面図である。
この第1の構成例では、ソースフォロア回路240が第2の基板120Aに形成されている。
ソースフォロア回路240は、電源部ODと基準電位間に直列に接続された増幅部241と電流源部242とを含んで構成されている。
増幅部241および電流源部242は、MOSFETにより形成され、増幅部241を形成するMOSFETのゲートによりソースフォロア回路240の入力端TI240が形成され、電流源部242との接続側(ソース側)によりソースフォロア回路240の出力端TO240が形成されている。
この第1の構成例の中継部230Aは、第1の基板110Aに形成された変換出力部220Aのフローティングディフュージョン(FD)221と第2の基板120Aに形成されたソースフォロア回路240の増幅部241の入力端TI240を、接続部231(−1〜−4)を介して接続している。
そして、ソースフォロア回路240は、電流源部242と接続される増幅部241の出力端TO240側から増幅した信号を周辺回路部300に出力する。
本例では、基本的に、画素部211は垂直転送部(垂直CCD)212が隣接しており、プログレッシブ読み出しが可能である。
また、垂直転送部(垂直CCD)212に対応してソースフォロア回路240が配置されており、第2の基板120A上にはADC310およびデジタルメモリ320を含む周辺回路部300が配置されているため、読み出した信号電荷は同時性を維持しつつ、高速にメモリへの転送が可能となる。
[第2の構成例]
図11は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第2の構成例を説明するための簡略断面図である。
この第2の構成例が上述した第1の構成例と異なる点は、以下の通りである。
第2の構成例では、変換出力部220Bにおいて、各垂直転送部(垂直CCD)212ごとに保持電極224を有し、保持電極224を介して転送ゲート(TG)225によりフローティングディフュージョン(FD)221が接続されるように構成されている。
本例においても、基本的に、画素部211は垂直転送部(垂直CCD)212が隣接しており、プログレッシブ読み出しが可能である。
また、垂直転送部(垂直CCD)212に対応してソースフォロア回路240が配置されており、第2の基板120B上にはADC310およびデジタルメモリ320を含む周辺回路部300が配置されているため、読み出した信号電荷は同時性を維持しつつ、高速にメモリへの転送が可能となる。
なお、フローティングディフュージョン(FD)221とは別にラインバッファ部を設けるように構成することも可能であり、この構成によれば、FD部の容量低下による検出感度低下を抑制することがきる。この構成は、後で図23〜図26に関連付けて説明するように、複数の列の垂直転送部(垂直CCD)212を一つのグループとして、グループ単位で束ねて一つのFD部および貫通ビア(TSV)を形成する構成を採用する場合に有効である。
[第3の構成例]
図12は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第3の構成例を説明するための簡略断面図である。
この第3の構成例が上述した第1の構成例と異なる点は、以下の通りである。
第3の構成例では、ソースフォロア回路240の増幅部241が第1の基板110Cに形成され、電流源部242が第2の基板120Cに形成されている。
中継部230Cにおいては、第1の基板110Cに形成された変換出力部220Cのフローティングディフュージョン(FD)221とソースフォロア回路240の増幅部241の入力端(ゲート)TI240が接続されている。そして、増幅部241の出力端TO240と第2の基板120Cに形成された電流源部242とが接続部231を介して接続されている。
また、第3の構成例では、変換出力部220Cにおいて、出力ゲートOG213とフローティングディフュージョン(FD)221との間に、転送ゲート(TG)226が形成されている。
本第3の構成例においても、プログレッシブ読み出しが可能である。
また、垂直転送部(垂直CCD)212に対応してフローティングディフュージョン(FD)221、ソースフォロア回路240が配置されており、第1の基板110C上でソースフォロア回路240に接続されているため、さらなるフローティングディフュージョン(FD)部の容量低下による検出感度低下を抑制でき、かつ低ノイズ、高速読み出しが可能となる。
[積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の具体的な構成例]
ここで、上記に概要を示した第3の構成例における第1の基板110C、第2の基板120C、および中継部の具体的な構成例について説明する。
なお、上述した、あるいは後述する他の構成例についても若干の変更を伴うものもあるが、基本的にはここで説明する構造と同様である。
図13は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の具体的な第1の構成例を説明するための簡略断面図である。
図14は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の具体的な第2の構成例を説明するための簡略断面図である。
図13および図14は、第3の構成例において、1列の垂直転送部212とそれに対応する変換出力部220および中継部230に相当する部分を示している。
本実施形態において、第1の基板110Cは第1導電型基板、たとえばn型基板111により形成され、第2の基板120Cは第2導電型基板、たとえばp型基板121により形成されている。
第1の基板110Cにおいて、n型基板(n−SUB)111にpウェル(p−WELL)112が形成され、pウェル112の表面部にn層113が形成されている。
層113のY方向の一端部にはフローティングディフュージョン(FD)221を形成するn層114−1、並びに、フローティングディフュージョン(FD)221であるn層114−1がゲートに接続されるソースフォロア回路240の増幅部241用トランジスタのドレイン、ソースとしてのn層114−2,114−3が形成されている。n層114−3は、中継部としての貫通ビア141−1と配線層WRを介して接続するように形成されている。
層113の上部およびn層114−2,114−3の上部にはゲート絶縁膜115を介して垂直転送部212の転送電極(転送ゲート)116−1、および増幅部241用のゲート電極116−2が、所定間隔をおいて形成されている。
そして、n型基板111、pウェル112、n層113、n層114−1,114−2,114−3、ゲート絶縁膜115、転送電極116−1,16−2上にはそれらを覆うように絶縁膜117が形成されている。
絶縁膜117からpウェル112、n型基板111を貫通し、後で述べる第2の基板120側の貫通ビア142−1と接合部151により接合される貫通ビア(貫通電極)141−1が形成されている(埋め込まれている)。
なお、貫通ビア141−1が形成されるpウェル112およびn型基板111の壁部には絶縁膜118が形成されている。
貫通ビア141−1の端部にはボンディングパッド161−1,161−2が接続されている。ボンディングパッド161−2は第1の基板110Cの第2の基板120Cと対向する面側外部に配置され、接合部151により第2の基板120C側の貫通ビア42−1に接続されたボンディングパッド162−1と接合される。
なお、図13の例では、ボンディングパッド161−1が接続される貫通ビア141−1の端部は絶縁膜117内にある。一方、図14の例では第1の基板110Cの第2の基板120Cと対向しない面側外部にボンディングパッド161−1が露出するように構成されている。
第2の基板120Cにおいて、p型基板(p−SUB)121にnウェル(n−WELL)122が形成され、nウェル122内にpウェル(p−WELL)123が形成されている。pウェル123の表面部にp層124−1、ソースフォロア回路240の電流源部242用トランジスタのドレイン、ソースであるn層125−1,125−2が形成されている。
図13の例では、n層125−2は、中継部としての貫通ビア14−2と配線層WRを介して接続するように形成されている。
図14の例では、n層125−2は、中継部としてのボンディングパッド162−1の直下で貫通ビア14または配線層WRで接続するように形成されている。
また、nウェル122の表面部に周辺回路を形成するためのp層124−2,124−3、 層126等が形成されている。
層125−1,125−2の上部およびp層124−2,124−3の上部にはゲート絶縁膜127を介してゲート電極128が形成されている。
そして、p型基板121、nウェル122、pウェル123、p層124−1,124−2,124−3,n層125−1,125−2、n層126、ゲート絶縁膜127,ゲート電極128等の上にはそれらを覆うように絶縁膜129が形成されている。
以上の構成を有する第1の基板110Cと第2の基板120Cは、第1の基板110のn型基板111の底面側露出した貫通ビア141−1に接続されたボンディングパッド161−2と第2の基板120Cの絶縁膜129の表面(上面)側に露出した貫通ビア142−1に接続されたボンディングパッド162−1が接合部151により接合されて積層されている。換言すれば、第2の基板120は第1の基板110の裏面に重なるように形成されている。
なお、第1の基板110に形成される垂直転送部212は、メタル層等の遮光材料からなる遮光膜で遮光されている。
また、図13および図14の例では、第1の基板110Cと第2の基板120Cを貫通する貫通ビア141−1,141−2,142−1,142−2が形成されている。
貫通ビア141−1,14−2が形成される第1の基板110のpウェル112およびn型基板111の壁部、並びに第2の基板120のp型基板121には絶縁膜が形成されている。
本実施形態においては、上述したように、第1の基板110Cはn型基板111により形成されていることから、画素部211が形成される第1の基板C110においては、縦型オーバーフロードレイン(Vertical Overflow Drain:VOD)構造が採用されている。
図15は、本実施形態に係る第1の基板に形成される画素部に採用される縦型オーバーフロードレインの構成および原理について説明するための図である。
図15において、符号2111は遮光膜を示し、OVFCはオーバーフローチャネルを示している。
縦型オーバーフロードレインVODは、次のように実現される。
画素部211のPD(光電変換素子)と垂直転送部(VCCD)212をpウェル112中に形成し、pウェル112を基準電位としてn型基板111に正電圧を印加することにより逆バイアス状態を保持する。
この逆バイアスは、n型基板111からの電子の拡散に対する電位障壁を形成し、光生成された電子および熱的に発生した電子がPDや垂直転送部(VCCD)212に侵入するのを完全にブロックする。
これにより、信号のクロストークは問題にならないレベルに改善し、スミアが飛躍的に減少する。さらに、n型基板111からの熱的拡散電流に起因する暗電流雑音成分は完全に抑えられる。
次に、縦型オーバーフロードレインVODの過剰電子の排出原理について説明する。
pウェル112とn型基板111間のpn接合空乏層は逆バイアス電圧によって拡大する。
PD直下のpウェル112の不純物層が薄くかつ低濃度であれば、接合空乏層がPDのn層119に達する、いわゆるパンチスルー状態が容易に実現する。
すなわち、pウェル112が完全空乏化して、その電位が上昇する。このときn層が電子の充満状態であれば、電子はn型基板111に強く引き出される。
強い光が入射してPD内に過剰電子が発生しても上昇したpウェル112のポテンシャルを越えて、n層119からn型基板111にすべて掃き出されるので、ブルーミングの発生を完全に防止することができる。
ここで、積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な構成例の説明に戻る。
[第4の構成例]
図16は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第4の構成例を説明するための簡略断面図である。
この第4の構成例が上述した第3の構成例と異なる点は、以下の通りである。
第4の構成例では、ソースフォロア回路240の増幅部241が第1の基板110Dに形成され、かつ、電流源部242が第1の基板110Dに形成されている。
中継部230Dにおいては、第1の基板110Dに形成された変換出力部220Cのフローティングディフュージョン(FD)221とソースフォロア回路240の増幅部241の入力端(ゲート)TI240が接続されている。そして、増幅部241の出力端TO240と第2の基板120Dに形成されたADC310、ロジック回路330等を含む周辺回路部300とが接続部231を介して接続されている。
本第4の構成例においても、プログレッシブ読み出しが可能である。
また、垂直転送部(垂直CCD)212に対応してフローティングディフュージョン(FD)221、ソースフォロア回路240の増幅部241および電流源部242が配置されており、接続部231で発生する信号に対して重畳されるノイズの影響を低減させ、さらなる低ノイズ、高速読み出しが可能となる。
[第5の構成例]
図17は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第5の構成例を説明するための簡略断面図である。
この第5の構成例が上述した第4の構成例と異なる点は、以下の通りである。
第5の構成例においても、ソースフォロア回路240の増幅部241が第1の基板110Eに形成され、かつ、電流源部242が第1の基板110Eに形成されている。
第5の構成例の中継部230Eにおいては、第1の基板110Eに形成された変換出力部220Cのフローティングディフュージョン(FD)221とソースフォロア回路240の増幅部241の入力端(ゲート)TI240が接続されている。増幅部241の出力端TO240と接続部231との間に、ソースフォロア回路240により出力された電気信号をバッファリングするバッファアンプ部232が形成されている(接続されている)。
そして、接続部231が第2の基板120Eに形成された周辺回路部300と接続されている。
本第5の構成例においても、プログレッシブ読み出しが可能である。
また、垂直転送部(垂直CCD)212に対応してフローティングディフュージョン(FD)221、ソースフォロア回路240の増幅部241,電流源部242、およびバッファアンプ部232が配置されており、さらなる低ノイズ、高速読み出しが可能となる。
[第6の構成例]
図18は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第6の構成例を説明するための簡略断面図である。
この第6の構成例が上述した第5の構成例と異なる点は、以下の通りである。
第6の構成例の中継部230Fにおいては、接続部231が第2の基板120Fに形成された周辺回路部300とAC結合部233により電気的にAC結合で接続されている。
本第6の構成例においても、プログレッシブ読み出しが可能である。
また、垂直転送部(垂直CCD)212に対応してフローティングディフュージョン(FD)221、ソースフォロア回路240の増幅部241,電流源部242、およびバッファアンプ部232が配置されており、さらなる低ノイズ、高速読み出しが可能となる。
[第7の構成例]
図19は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第7の構成例を説明するための簡略断面図である。
この第7の構成例が上述した第4の構成例と異なる点は、以下の通りである。
第7の構成例においても、ソースフォロア回路240の増幅部241が第1の基板110Gに形成され、かつ、電流源部242が第1の基板110Gに形成されている。
第7の構成例の中継部230Gにおいては、第1の基板110Gに形成された変換出力部220Cのフローティングディフュージョン(FD)221とソースフォロア回路240の増幅部241の入力端(ゲート)TI240が接続されている。増幅部241の出力端TO240と接続部231との間に、ソースフォロア回路240により出力された電気信号を電圧信号から電流信号に変換する電圧−電流(V−I)変換回路234が形成されている(接続されている)。
そして、接続部231が第2の基板120Gに形成された周辺回路部300と接続されている。
本第7の構成例においては、垂直転送部(垂直CCD)212に対応してフローティングディフュージョン(FD)221、ソースフォロア回路240の増幅部241,電流源部242、および電圧−電流(V−I)変換回路234が配置されており、接続部231でのノイズの影響が受けにくい構造になっており、さらなる低ノイズ、高速読み出しが可能となる。
[第8の構成例]
図20は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第8の構成例を説明するための簡略断面図である。
この第8の構成例が上述した第4の構成例と異なる点は、以下の通りである。
第8の構成例においても、ソースフォロア回路240の増幅部241が第1の基板110Hに形成され、かつ、電流源部242が第1の基板110Hに形成されている。
第8の構成例の中継部230Hにおいては、第1の基板110Hに形成された変換出力部220Cのフローティングディフュージョン(FD)221とソースフォロア回路240の増幅部241の入力端(ゲート)TI240が接続されている。増幅部241の出力端TO240と接続部231とが接続され、かつ、第1の基板110H側で増幅部241の出力端TO240に第1のADCとしてのMビットADC235が接続されている。
そして、第2の基板120H側で、周辺回路部300の入力段に接続部231を介して転送されたソースフォロア回路240の出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する第2のADCとしてのNビットADC236が接続されている。
本第8の構成例においては、第1の基板110Hと第2の基板120Hでは電圧または電流で電気信号を伝送し、複数基板上でADC235,236による信号処理を行うことができるように構成されている。
このように、第8の構成例においては、第1の基板110HでM-bitの信号処理が行われているため、基板間伝送に伴うノイズの影響が入力換算で小さくなることから、より高精度な変換が可能となる。
[第9の構成例]
図21は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第9の構成例を説明するための簡略断面図である。
この第9の構成例が上述した第4の構成例と異なる点は、以下の通りである。
第9の構成例においても、ソースフォロア回路240の増幅部241が第1の基板110Iに形成され、かつ、電流源部242が第1の基板110Iに形成されている。
の構成例の中継部230Iにおいては、第1の基板110Iに形成された変換出力部220のフローティングディフュージョン(FD)221とソースフォロア回路240の増幅部241の入力端(ゲート)TI240が接続されている。増幅部241の出力端TO240と第1の接続部231−1とが接続され、かつ、第1の基板110側で増幅部241の出力端TO240に第2の増幅部としての増幅器237が接続され、増幅器237の出力が第2の接続部231−2に接続されている。
そして、第2の基板120I側で、周辺回路部300の入力段に接続部231−1,231−2を介して転送されたソースフォロア回路240の出力信号および増幅器237の出力信号が周辺回路部300に供給される。
本第9の構成例においては、第1の基板110I上の増幅器237の出力は第2の基板120I側に転送され、電圧または電流で帰還システムが構成され、たとえば周辺回路部300のADCにより信号処理を行うことができるように構成されている。
このように、第9の構成例においては、基板配線を含む帰還システムは伝送に伴うノイズの影響が入力換算で小さくなるため、より高精度な変換が可能となる。
[第10の構成例]
図22は、本実施形態に係る積層された第1の基板および第2の基板、並びに中継部の概略的な第10の構成例を説明するための簡略断面図である。
この第10の構成例が上述した第1から第9の構成例等と異なる点は、以下の通りである。
図22は、一例として図12の第3の構成例と対比するように示されているが、第10の構成例においては、基本的に、中継部230Jで変換出力部220Cによる電気信号を増幅する手段としてソースフォロア回路に代えて、帰還型増幅器238を適用している。
帰還型増幅器238の一入力と出力との間に、キャパシタC238とリセット用スイッチSW238が並列に接続されている。
この第10の構成例の中継部230Jは、第1の基板110Jに形成された変換出力部220Cのフローティングディフュージョン(FD)221と第2の基板120Jに形成された帰還型増幅器238の一方の入力端子を、接続部231を介して接続している。帰還型増幅器238の他方の入力端子には基準電圧Vrefが供給される。
そして、第2の基板120J上の帰還型増幅器238は、第1の基板110J上のフローティングディフュージョン221での画素信号を帰還増幅し、増幅した信号を周辺回路部300のADC310等に供給する。
本第10の構成例において、フローティングディフージョン(FD)での帰還増幅システムは、第2の基板120Jとの接続による容量増大に伴う、コンバージョンゲイン低下によるノイズ特性の劣化を、帰還型増幅器238の配置により小さくできる。
このため、本第10の構成例では、接続部231でのノイズの影響を受けにくい構造となっており、さらなる低ノイズ、高速読み出しが可能となる。
以上のように、本第1の実施形態によれば、第1の基板110には、行列状に配置された光電変換素子であるフォトダイオード(PD)を含む画素部211、および複数の画素部211の光電変換素子の信号電荷を列単位で転送する複数の電荷転送部である垂直転送部212を含む感光部210が形成される。
さらに、第1の基板110には、垂直転送部212の出力端部に、垂直転送部毎(または複数の垂直転送部毎)に、信号電荷を電気信号に変換して出力する変換出力部220が形成されている。
変換出力部220の入力段には出力ゲートOG213が形成され、変換出力部220は、フローティングディフュージョン(FD)221、リセットゲート(RG)222、リセットドレイン(RG)223が形成され、必要に応じて転送ゲート225,226、ラインバッファ部が形成されている。
第2の基板120には、撮像素子部200により得られた電気信号に対して所定の処理を行うADC310やデジタルメモリ320、ロジック回路330等の周辺回路部300が形成されている。
第1の基板110と第2の基板120間で、変換出力部220による電気信号の周辺回路部300への転送を中継するソースフォロア回路240を含む中継部230が、基本的に両基板に亘ってあるいは一方の基板に形成されている。
あるいは、第1の基板110と第2の基板120間で、変換出力部220による電気信号の周辺回路部300への転送を中継する帰還型増幅器238を含む中継部230Jが、基本的に第2の基板120Jに形成されている。
そして、中継部230により、第1の基板110に形成された変換出力部220のフローティングディフュージョン(FD)221またはラインバッファ部がソースフォロア回路240の増幅部241の入力端に接続され、増幅部241の出力信号が周辺回路部300に供給される。
第1の基板110と第2の基板120間の接続は、感光部210の感光領域PARA外の領域EPARAで基板を通した接続部、たとえば貫通ビア140により電気的に接続されている。
したがって、本第1の実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
本第1の実施形態によれば、画素部211から垂直転送部(垂直CCD)212へのプログレッシブ読み出しが可能であり、プログレッシブ読み出しで読み出された信号電荷は変換出力部220で電気信号に変換された後、ソースフォロア回路240または帰還型増幅器238を経て、第2の基板上に形成されている周辺回路部300に転送される。
本実施形態では、第1の基板の画素アレイは通常のCCDアレイで形成され、新たな構造物を必要としない。このため、本実施形態により高SNで高速転送可能な、プログレッシブ読み出しできるイメージセンサの提供が可能となる。
また、積層基板の接続部は画素アレイ外(感光部210の感光領域外)に形成されるため、レイアウト上の制約が少なく、白キズ等の画素特性の劣化がないイメージセンサの形成が可能となる。
換言すると、本第1の実施形態によれば、画素アレイ内に特別な構造を形成すること無く、すなわちSNの劣化を起こすことなくグローバル読み出しで高速駆動が可能なイメージセンサを実現することが可能となる。
また、画素アレイの外側に接続部を含む中継部230が形成されていることから、感度低下や暗電流増加の発生が起こらない画素の形成が可能となる。
また、図10の第1の構成例では、垂直転送部(垂直CCD)212に対応してソースフォロア回路240が配置されており、第2の基板120A上にはADC310およびデジタルメモリ320を含む周辺回路部300が配置されているため、読み出した信号電荷は同時性を維持しつつ、高速にメモリへの転送が可能となる。
図11の第2の構成例では、さらに、フローティングディフュージョン(FD)部とラインバッファ部を別々に設けることにより、FD部の容量低下による検出感度低下を抑制できる。
図12の第3の構成例では、第1の基板110Cに、垂直転送部(垂直CCD)212に対応してフローティングディフュージョン(FD)221、ソースフォロア回路240の増幅部241が配置されており、第1の基板110C上でソースフォロア回路240に接続されているため、さらなるフローティングディフュージョン(FD)部の容量低下による検出感度低下を抑制でき、かつ低ノイズ、高速読み出しが可能となる。
図16の第4の構成例では、第1の基板110Dに、垂直転送部(垂直CCD)212に対応してフローティングディフュージョン(FD)221、ソースフォロア回路240の増幅部241および電流源部242が配置されており、接続部231で発生する信号に対して重畳されるノイズの影響を低減させ、さらなる低ノイズ、高速読み出しが可能となる。
図17の第5の構成例では、第1の基板110Eに、垂直転送部(垂直CCD)212に対応してフローティングディフュージョン(FD)221、ソースフォロア回路240の増幅部241,電流源部242、およびバッファアンプ部232が配置されており、さらなる低ノイズ、高速読み出しが可能となる。
図18の第6の構成例では、第1の基板110Fに、垂直転送部(垂直CCD)212に対応してフローティングディフュージョン(FD)221、ソースフォロア回路240の増幅部241,電流源部242、およびバッファアンプ部232が配置されており、さらに接続部231と周辺回路部300とがAC結合されていることから、さらなる低ノイズ、高速読み出しが可能となる。
図19の第7の構成例では、第1の基板110Gに、垂直転送部(垂直CCD)212に対応してフローティングディフュージョン(FD)221、ソースフォロア回路240の増幅部241,電流源部242、および電圧−電流(V−I)変換回路234が配置されており、接続部231でのノイズの影響が受けにくい構造になっており、さらなる低ノイズ、高速読み出しが可能となる。
図20の第8の構成例では、第1の基板110Hと第2の基板120Hでは電圧または電流で電気信号を伝送し、複数基板上でADC235,236による信号処理を行うことができるように構成されていることから、第1の基板110HでM-bitの信号処理が行われているため、基板間伝送に伴うノイズの影響が入力換算で小さくなることから、より高精度な変換が可能となる。
図21の第9の構成例では、第1の基板110I上の増幅器237の出力は第2の基板120I側に転送され、電圧または電流で帰還システムが構成され、たとえば周辺回路部300のADCにより信号処理を行うことができるように構成されていることから、基板配線を含む帰還システムは伝送に伴うノイズの影響が入力換算で小さくなるため、より高精度な変換が可能となる。
図22の第10の構成例では、フローティングディフージョン(FD)での帰還増幅システムは、第2の基板120Jとの接続による容量増大に伴う、コンバージョンゲイン低下によるノイズ特性の劣化を、帰還型増幅器238の配置により小さくできることから、接続部231でのノイズの影響を受けにくく、さらなる低ノイズ、高速読み出しが可能となる。
[第2の実施形態]
図23は、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を説明するための図である。
本第2の実施形態に係る固体撮像装置100Kが上述した第1の実施形態の固体撮像装置100と異なる点は以下の通りである。
本第2の実施形態の固体撮像装置100Kは、複数の垂直転送部212−1〜212−4と変換出力部220(および接続部231)とを選択的に接続する中継選択部250を含んで構成されている。
本第2の実施形態においては、第1の基板110Kに複数の選択電極251−1,251−2,251−3,251−4が配置されている。
そして、第1の基板110Kおよび第2の基板120Kにおいて、複数の選択電極251−1〜251−4に対して一つの共通の変換出力部220、接続部としての貫通ビア(TSV)140Kが形成されている。
図23において、第1の基板110K側の貫通ビア140Kには、垂直転送部212−1〜212−4を転送され、選択電極251−1〜251−4のいずれかにより選択された信号電荷が変換出力部220Kで変換されて電気信号として供給される。
図23の構成で基本的な動作としては、次のように動作が行われる。
第1の基板110K側において選択電極251−1により選択された垂直転送部212−1の信号電荷は変換出力部220Kで電気信号に変換され、貫通ビア140Kを介して第2の基板120K側に転送される。
第1の基板110K側において選択電極251−2により選択された垂直転送部212−2の信号電荷は変換出力部220Kで電気信号に変換され、貫通ビア140Kを介して第2の基板120K側に転送される。
第1の基板110K側において選択電極251−3により選択された垂直転送部212−3の信号電荷は変換出力部220Kで電気信号に変換され、貫通ビア140Kを介して第2の基板120K側に転送される。
第1の基板110K側において選択電極251−4により選択された垂直転送部212−4の信号電荷は変換出力部220Kで電気信号に変換され、貫通ビア140Kを介して第2の基板120K側に転送される。
以上は基本的な動作であり、選択電極251−1〜251−4は、一つずつ選択されるように構成することも可能であるが、2またそれ以上の選択電極を同時に選択する、あるいは所定の動作において所定の選択電極は選択状態としない等、種々の態様が可能である。
このような駆動を行うことにより、プログレッシブ読み出しを維持したままで、検出感度の低下も起こさずに水平方向の信号加算や信号間引きを容易に行うことが可能となる。
すなわち、本第2の実施形態においては、並列する複数の垂直(電荷)転送部212−1〜212−4の信号電荷を加算あるいは間引き可能である。
また、本第2の実施形態においては、複数の列を一つのグループとして(図23の例では隣接する4列を一つのグループとしている)、グループ単位で束ねて一つの貫通ビア(TSV)140Kを形成することから、貫通ビアの数を削減することができ、レイアウト上でも有利である。
すなわち、本第2の実施形態においては、画素部211からプログレッシブ読み出しを高速で実施するセンサの提供が可能となり、接続部である貫通ビア(TSV)等は垂直転送部(垂直CCD)より大きな繰り返しピッチで形成されるため、接続部である貫通ビア(TSV)等の形成が容易となる。
[中継選択部250の構成例]
次に、中継選択部250の具体的な構成例について説明する。
図24は、本第2の実施形態に係る第1の基板側の中継選択部の第1の構成例を示す図である。
図24の中継選択部250Lは、変換出力部220L(貫通ビア(TSV)140L)が4列の垂直転送部(VCCD)212−1〜212−4のX方向(水平方向)の略中央部、すなわち、2列目の垂直転送部212−2の配置位置と3列目の垂直転送部212−3の配置位置との間の位置に形成されている。
また、図24の垂直転送部212−1〜212−4は駆動パルスV1〜V4による4相駆動として例示されている。
図24の中継選択部250Lは、選択電極251−1(S1)〜251−4(S4)、水平転送部(HCCD)252−1〜252−4、およびオープンゲート(OG)253を含んで構成されている。
選択電極251−1(S1)〜251−4(S4)は、各垂直転送部(VCDD)212−1〜212−4の出力端部213−1〜213−4に配置されている。
選択電極251−1(S1)〜251−4(S4)は、出力ゲート等を構成するトランジスタのゲートとして機能し、選択時に導通状態となるような電位に制御される。
水平転送部(HCCD)252−1〜252−4は、それぞれ対応する選択電極251−1(S1)〜251−4(S4)の出力部に位置するように配置され、中央に配置されるOG253に向けて転送方向が異なるHCCDとして構成されている。
水平転送部252−1は、1列目の選択電極251−1の出力側に配置されている。水平転送部252−1は、駆動パルスH1により駆動され、垂直転送部212−1による信号電荷を図24中の右方向である水平方向X1に向けて転送し、さらに隣接の水平転送部252−2に転送する。
水平転送部252−2は、2列目の選択電極251−2の出力側に配置されている。水平転送部252−2は、駆動パルスH2により駆動され、垂直転送部212−2による信号電荷または水平転送部252−1による垂直転送部212−1の信号電荷を図24中の右方向である水平方向X1に向けて転送し、自段に接続されているOG253に供給する。
水平転送部252−4は、4列目の選択電極251−4の出力側に配置されている。水平転送部252−4は、駆動パルスH4により駆動され、垂直転送部212−4による信号電荷を図24中の左方向である水平方向X2に向けて転送し、さらに隣接の水平転送部252−3に転送する。
水平転送部252−3は、3列目の選択電極251−3の出力側に配置されている。水平転送部252−3は、駆動パルスH3により駆動され、垂直転送部212−3による信号電荷または水平転送部252−4による垂直転送部212−4の信号電荷を図24中の左方向である水平方向X2に向けて転送し、自段に接続されているOG253に供給する。
OG253は、水平転送部252−2の信号電荷供給部および水平転送部252−3の信号電荷供給部と変換出力部220Lのフローティングディフュージョン(FD)221との間に配置され、導通状態に制御されることにより、選択電極251−1(S1)〜251−4(S4)で選択され、水平転送部252−1〜252−4を転送された信号電荷をフローティングディフュージョン(FD)221に転送する。
この第1の構成例においても、選択電極251−1〜251−4は一つずつ選択されるように構成することも可能であるが、2またそれ以上の選択電極を同時に選択する、あるいは所定の動作において所定の選択電極は選択状態としない等、種々の態様が可能である。
これにより、プログレッシブ読み出しを維持したままで、検出感度の低下も起こさずに、並列する複数の垂直(電荷)転送部212−1〜212−4の信号電荷を加算あるいは間引き可能である。
また、第1の構成例によれば、複数の列(本例では4列)を一つのグループとして、グループ単位で束ねて一つの変換出力部220L(貫通ビア(TSV)140L)を形成することから、変換出力部および貫通ビアの数を削減することができ、レイアウト上でも有利である。
すなわち、第1の構成例によれば、画素部211からプログレッシブ読み出しを高速で実施するセンサの提供が可能となり、変換出力部、接続部である貫通ビア(TSV)等は垂直転送部(垂直CCD)より大きな繰り返しピッチで形成されるため、変換出力部、接続部である貫通ビア(TSV)等の形成が容易となる。
図25は、本第2の実施形態に係る第1の基板側の中継選択部の第2の構成例を示す図である。
図25の中継選択部250Mが図24の中継選択部250Lと異なる点は、変換出力部220(貫通ビア(TSV))の配置位置が4列の垂直転送部212−1〜212−4の配列の中央部ではなく、X方向の一端側(図25の例では右端側)である4列目の垂直転送部212−4の配置位置近傍に形成されていることにある。
図25の中継選択部250Mにおいて、水平転送部252−1は、駆動パルスH1により駆動され、垂直転送部212−1による信号電荷を図25中の右方向である水平方向X1に向けて転送し、さらに隣接の水平転送部252−2に転送する。
水平転送部252−2は、駆動パルスH2により駆動され、垂直転送部212−2による信号電荷または水平転送部252−1による垂直転送部212−1の信号電荷を図25中の右方向である水平方向X1に向けて転送し、さらに隣接の水平転送部252−3に転送する。
水平転送部252−3は、駆動パルスH3により駆動され、垂直転送部212−3による信号電荷または水平転送部252−2による垂直転送部212−1,212−2の信号電荷を図25中の右方向である水平方向X1に向けて転送し、さらに隣接の水平転送部252−4に転送する。
水平転送部252−4は、駆動パルスH4により駆動され、垂直転送部212−4による信号電荷を図25中の右方向である水平方向X1に向けて転送し、垂直転送部212−4の信号電荷または水平転送部252−3による垂直転送部212−1,212−2,212−3の信号電荷を、自段に接続されているOG253Mに供給する。
OG253Mは、水平転送部252−4の信号電荷供給部と変換出力部220Mのフローティングディフュージョン(FD)221Mと間に配置され、導通状態に制御されることにより、選択電極251−1(S1)〜251−4(S4)で選択され、水平転送部252−1〜252−4を転送された信号電荷をフローティングディフュージョン(FD)221Mに転送する。
第2の構成例によれば、上述した第1の構成例と同様の効果を得ることができる。
図26は、第2の実施形態に係る第1の基板側の中継選択部の第3の構成例を示す図である。
図26の中継選択部250Nが図24の中継選択部250Lと異なる点は、水平転送部の代わりに電位スロープ部(SL)254を設けたことにある。
この中継選択部250Nでは、選択電極251−1(S1)〜251−4(S4)で選択された垂直転送部212−1〜212−4の信号電荷は、電位スロープ部254を経て、さらにOG253を介してフローティングディフュージョン(FD)221Nに転送される。
第3の構成例によれば、上述した第1の構成例と同様の効果を得ることができる。
[第3の実施形態]
図27は、本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を説明するための図である。
本第3の実施形態に係る固体撮像装置100Oが上述した第1の実施形態の固体撮像装置100と異なる点は以下の通りである。
本第3の実施形態に係る固体撮像装置100Oは、第2の基板120Oにおいて、信号処理系である周辺回路部300Oに属するADC341、シリアライザ342、メモリ343、タイミングジェネレータ(TG)344が形成されている。
タイミングジェネレータ(TG)344は、CCDパルス駆動部やレベルシフト等を含んで構成される。
ここで、CMOSイメージセンサを比較例として、信号処理系を第2の基板120Oに搭載した本第3の実施形態に係る固体撮像装置100OであるCCDイメージセンサとCMOSイメージセンサのチップサイズについて考察する。
図28は、比較例としての裏面照射型CMOSイメージセンサの積層構造例を示す図である。図28(A)はCMOSイメージセンサの第1の構造例を示し、図28(B)はCMOSイメージセンサの積層化した第2の構造例を示している。
図29は、CMOSイメージセンサの積層構造によるチップ縮小化例を説明するための図である。図29(A)は積層構造でない場合の画素部および周辺回路を示し、図29(B)は積層構造により縮小化した例を示している。
図30は、積層構造でないCMOSイメージセンサチップ、積層構造のCMOSイメージセンサチップ、および本実施形態に係るCCDイメージセンサチップの簡略断面を示す図である。
図30(A)が積層構造でないCMOSイメージセンサチップを示し、図30(B)が積層構造のCMOSイメージセンサチップを、図30(C)が本実施形態に係るCCDイメージセンサチップをそれぞれ示している。
一般に、CMOSイメージセンサ500Aは、図28(A)に示すように、支持基板510と、画素部520と信号処理回路530を形成したチップ540により構成される。
積層型構造は、図28(B)に示すように、信号処理回路530を形成したチップ550を支持基板の代わりに用いており、それに画素部520を重ね合わせている。
この積層構造を採用することで、小型化を実現できる。
このようなCMOSイメージセンサにおいて、周辺回路である信号処理回路530は、図29(A)に示すように、ローデコーダ(ROW decoder)531、カラムデコーダ(column decoder)532、もしくは行(列)選択回路、ボンディングパッド(Bonding pad)533等により構成される。
この周辺回路である信号処理回路530を第2層に配置することにより、構成にもよるが、たとえば図29(B)に示すように、周辺回路領域を削除できるが、ローデコーダ531からの画素駆動用信号を各ロー(ROW)に貫通ビア(TSV)を経由させるため、TSV領域が各ROWおよびカラムに新たに必要になる。
その結果、CMOSイメージセンサチップは、積層構造を採用することにより、図30(A)および〈B〉に示すように、積層構造を採用していない場合に比べてチップサイズを半分程度に削減することができる。
しかし、図30(B)および(C)に示すように、CMOSイメージセンサチップは、上述したように積層構造を用いたとしても、TSV領域が各ROWおよびカラムに新たに必要になる等の理由から、構成にもよるが、たとえば本実施形態に係るCCDイメージセンサチップより1.5倍程度大きくなる。
換言すれば、本実施形態に係るCCDイメージセンサは、接続部としての貫通ビア(TSV)を介して、積層接続が可能になることから、ワイヤーボンディングが不要になるため、ダイサイズレベルでの小型パッケージが可能となり、たとえばBGAなどの接続により、コンパクトなカメラモジュール実装が可能となる。
このように、本積層CCDパッケージの実装化により、超小型カメラモジュールを実現することができる。
また、CMOSイメージセンサでグローバルシャッタを有する構造については、非特許文献1を始め複数提案されているが、いずれの例でも画素アレイ内に特別な回路を追加する必要があり、感度の低下や、ノイズの増加を招くデメリットを持つ。また、従来のCMOSでの改善例では信号加算を行う構造を選択すると寄生容量の増加によるSNの劣化や、信号の同時性を損ねる欠点があった。
これに対して、本実施形態に係るCCDイメージセンサは、画素アレイ内に特別な構造を形成することなく、すなわちSNの劣化を起こすことなくグローバル読み出しで高速駆動が可能となる。
また、貫通ビア(TSV)のチップ間接続によるダイサイズパッケージが可能になり、また第2の基板への周辺回路搭載化により、駆動ピン数を削減することにより、高性能、小型、低コストのカメラシステムを提供することが可能となる。
[第4の実施形態]
図31は、本発明の第4の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を説明するための図である。
本第4の実施形態に係る固体撮像装置100Pが上述した第3の実施形態の固体撮像装置100Oと異なる点は以下の通りである。
本第4の実施形態に係る固体撮像装置100Pは、タイミングジェネレータ410、画像処理回路(画像処理IC)420、および電源回路(電源IC)430を含んで構成される信号処理部400が、第1の基板110P、第2の基板120Pと同一パッケージに実装される。
このように構成することにより、小型カメラシステムを単一パッケージに組み込むことも可能となる。
[第5の実施形態]
図32は、本発明の第5の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を説明するための図である。
本第5の実施形態に係る固体撮像装置100Qが上述した第3の実施形態の固体撮像装置100Oと異なる点は以下の通りである。
本第5の実施形態に係る固体撮像装置100Qは、第2の基板120Qにおいて、信号処理系である周辺回路部300Qに属するADC341、シリアライザ342が形成され、混載されている。
その他の構成は、第3の実施形態と同様である。
図32においては、信号処理部400と積層チップとの間で送受される電源系、駆動および駆動パルス系、出力端子系の伝送ラインを示している。
駆動に必要な駆動パルスおよび電源はたとえば、基準電源VSS(GND)、CCD用電源VCCD、ADC用電源VADC、シリアル出力用電源VLVDS、垂直転送パルスφV1およびφV2、水平転送パルスφH、画素から垂直転送部への読み出しパルスΦR、シリアル出力用基準クロックφLVDS、CCD出力用サンプル&ホールドパルスφSH、シリアル信号出力信号である。
これら各信号の伝送ラインには、それぞれのピンにFPGAなどで構成された信号処理部400が搭載された外部基板(外部ボード)に接続される。
なお、本実施形態の固体撮像装置100Qは、水平転送を行われないが、中継選択部250や出力選択部に水平転送部を採用した場合には局所的に水平転送が行われることから、水平転送パルスφHを駆動パルスとして生成する機能を持たせている。
図33は、第5の実施形態に係る積層型CCDイメージセンサとしての固体撮像装置の駆動信号のタイミングの一例を示す図である。
図33(A)は電荷読み出しパルスφRを、図33(B)は垂直転送パルスφV2を、図33(C)は垂直転送パルスφV1を、図33(D)は水平転送パルスφHを、図33(E)はバッファ出力VOUTを、それぞれ示している。
図32の固体撮像装置100Qにおいて、CCD駆動パルスφV1およびφV2が外部信号として入力され、同期した画像データは内蔵されたADC341、シリアライザ342により、シリアルデジタル出力に変換され出力され、別基板上のたとえばFPGA410にとりこまれて、映像信号として処理される。
本第5の実施形態によれば、上述した第3の実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。
そして、本第5の実施形態の固体撮像装置100Qは、第1の基板110Qにおいて、画素部211には垂直転送部(垂直CCD)が隣接しており、プログレッシブ読み出しが可能である。
画素部はCCDのため、第2の基板120O(第2層)と接続される貫通ビア(TSV)はROWごとに接続されるCMOSイメージセンサの主に周辺回路とした第2層として積層した場合にくらべて、大幅に削減することができ、たとえばチップに上下のみ配置することができ、パッケージサイズを縮小化することが可能となる。
[第6の実施形態]
図34は、本発明の第6の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を説明するための図である。
本第6の実施形態に係る固体撮像装置100Rが上述した第5の実施形態の固体撮像装置100Qと異なる点は以下の通りである。
本第6の実施形態に係る固体撮像装置100Rは、第2の基板120Rにおいて、信号処理系である周辺回路部300Rに属するADC341およびシリアライザ342に加えて、駆動パルス発生器としてのタイミングジェネレータ(TG)344および電圧生成回路としてのDCDCコンバータ(DCDC)345が搭載されている。
本第6の実施形態に係る固体撮像装置100Rにおいては、タイミングジェネレータ(TG)344およびDCDCコンバータ(DCDC)345を搭載して、たとえば外部駆動パルスをφVsync(Vトリガーパルス)、φHsync(Hトリガーパルス)、φRST(リセットパルス)、電源をVDD、VSSとして接続に必要なピンを削減することが可能となる。
本第6の実施形態によれば、上述した第5の実施形態の効果と同様の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
すなわち、本第6の実施形態によれば、駆動ピン数を削減することができるため、周辺回路を第2の基板120Rに配置して、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器に応用できる利点がある。
[第7の実施形態]
図35は、本発明の第7の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を説明するための図である。
本第7の実施形態に係る固体撮像装置100Sが上述した第6の実施形態の固体撮像装置100Rと異なる点は以下の通りである。
本第7の実施形態に係る固体撮像装置100Sは、第2の基板120Sにおいて、信号処理系である周辺回路部300Sに属するADC341、シリアライザ342、タイミングジェネレータ(TG)344、DCDCコンバータ(DCDC)345に加えてメモリ346が搭載されている。
そして、本第7の実施形態に係る固体撮像装置100Sは、電源をスイッチで機能させることにより、駆動パルスと出力信号パルス用端子PIN1,PIN2を共用化している。
[駆動パルスと出力信号パルス用端子の共用化を実現する構成例]
ここで、本第7の実施形態に係る固体撮像装置100Sにおいて、駆動パルスと出力信号パルス用端子PIN1,PIN2の共用化を実現する構成例について説明する。
図36は、本第7の実施形態に係る固体撮像装置100Sにおいて、駆動パルスと出力信号パルス用端子の共用化を実現する構成例を示す図である。
図36においては、第2の基板120Sにおける駆動パルスおよび出力信号パルス用端子の共用化回路350を抽出して示している。
また、撮像素子部200Sの出力部や図示しない駆動系等を含んでセンサコア260(Sensor Core)として示している。
図36の第2の基板120Sには、マスタクロック用端子PMC、入出力端子PIN1,PIN2が形成されている。
図36の共用化回路350は、差動出力回路351、レジスタコントローラ(Register Controller)352、およびスイッチSW1〜SW4を有している。
この共用化回路350は、入出力端子PIN1とPIN2を、レジスタコントロール線LRGCとデータ出力線LDOで共有している。共用化回路350は、その切り替えをスイッチSW1〜SW4により行う。
共用化回路350において、差動出力回路351の入力部がシリアライザ342の出力部に接続され、差動出力回路351の正側出力部がスイッチSW1を介して入出力端子PIN1に接続され、負側出力部がスイッチSW2を介して入出力端子PIN2に接続されている。
レジスタコントローラ352の第1入出力端子T1がスイッチSW3を介して入出力端子PIN1に接続され、第2入出力端子T2がスイッチSW4を介して入出力端子PIN2に接続されている。
次に、共用化回路の動作例を図37〜図39に関連付けて説明する。
図37は、本第7の実施形態に係る共用化回路のレジスタコントロールモード時の動作を説明するための図である。
図38は、本第7の実施形態に係る共用化回路のイメージデータストリーミングモード時の動作を説明するための図である。
図39は、本第7の実施形態に係る共用化回路のレジスタコントロールモード時およびイメージデータストリーミングモード時の動作を説明するためのタイミングチャートである。
図39(A)は電源電圧VDD/VAAを、図39(B)は基準クロック(マスタクロック)MCLKを、図39(C)は入出力端子PIN1の信号を、図39(D)は入出力端子PIN2の信号を、それぞれ示している。
電源投入後は、パワーオンリセット(Power On Reset)の後、図37に示すように、スイッチSW3,SW4がONになり、レジスタコントロールモード(Register Control Mode)となる。
この場合、入出力端子PIN1,PIN2を使いレジスタを書き換え、センサ(Sensor)の設定を行う。その後、センサを画像出力モードに切り替えるレジスタ設定を行い、図3に示すように、スイッチSW3,SW4をOFFに、スイッチSW1,SW2をONにし、レジスタコントロールモードを終了する。


イメージデータストリーミングモード(Image Data Streaming Mode)では、図38に示すように、スイッチSW1,SW2がONで、スイッチSW3,SW4がOFFであり、複数ビットの画像データをシリアライザ(SERIALIZER)でパラレルシリアル変換したデータを差動出力回路351で駆動し、入出力端子PIN1,PIN2から出力する。
固体撮像装置100Qにおいて、図39に示すように、パワーオンリセットで電源投入後システムはリセットされ、レジスタコントロールモードとなり、外部よりモード終了まで内部パルスの位相調整などを実施する。
モード終了コマンド受け取り後、イメージデータストリーミングモードとなり、複数ビットの画像データをシリアライザ(SERIALIZER)342でパラレルデータからシリアルデータに変換するパラレルシリアル変換したデータを差動出力回路351で駆動し入出力端子(制御ピン)PIN1,PIN2から出力する。
このように、本第7の実施形態においては、たとえば並列出力信号ピンを統合して、出力ピン数を1系統とする。さらに、ピン駆動パルス入力ピンと出力信号用ピンを共用化して、外部駆動パルスをφMCLK(基準クロック)、出力および制御用ピン(PIN1およびPIN2)としてさらに駆動に必要なピンを削減することが可能となる。
本第7の実施形態によれば、上述した第6の実施形態の効果と同様の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
すなわち、本第7の実施形態によれば、駆動ピン数をさらに削減することができるため、周辺回路部を第2の基板120Sに配置して、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器に応用できる利点がある。
[第8の実施形態]
図40は、本発明の第8の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を説明するための図である。
本第8の実施形態に係る固体撮像装置100Tは、上述した第1から第7の実施形態の固体撮像装置100,100A〜100Sと異なる点は以下の通りである。
本第8の実施形態に係る固体撮像装置100Tは、第1の基板110Tに配置される感光部210Tが、複数に分割され、分割させた感光部210−00〜210−03,210−10〜210−13、210−20〜210−23単位で、分割させた中継部230−00〜230−03,230−10〜230−13、230−20〜230−23を介して第2の基板120Tに分割して配置された、対応する周辺回路部300−00〜300−03,300−10〜300−13、300−20〜300−23に接続される。
なお、図40においては、分割された感光部およびこれに対応する周辺回路部を、3行4列のマトリクス状に配置した例を示しているが、これは理解を容易にするために簡略化したものであり、本発明はこの構成に限定されるものではない。
このような構成を有する第8の実施形態の固体撮像装置100Tによれば、上述した第1から第7の実施形態の固体撮像装置100,100A〜100Sと同様の効果をえられることはもとより、超薄型のマルチカメラモジュールを実現することができる。
以上説明した固体撮像装置100,100A〜100Tは、デジタルカメラやビデオカメラ、携帯端末、あるいは監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器に、撮像デバイスとして適用することができる。
[第9の実施形態]
図41は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラシステムを搭載した電子機器の構成の一例を示す図である。
本電子機器600は、図41に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置100,100A〜100Tが適用可能な本発明に係るCCD/CMOS積層型固体撮像装置610を有する。
さらに、電子機器600は、このCCD/CMOS積層型固体撮像装置610の画素領域に入射光を導く(被写体像を結像する)光学系(レンズ等)620を有する。
電子機器600は、CCD/CMOS積層型固体撮像装置610の出力信号を処理する信号処理回路(PRC)630を有する。
信号処理回路630は、CCD/CMOS積層型固体撮像装置610の出力信号に対して所定の信号処理を施す。
信号処理回路630で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。
上述したように、CCD/CMOS積層型固体撮像装置610として、前述した固体撮像装置100,100A〜100Tを搭載することで、高性能、小型、低コストのカメラシステムを提供することが可能となる。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。
100,100A〜100T・・・固体撮像装置、110,110A〜110T・・・第1の基板、120,120A〜120T・・・第2の基板、140・・・貫通ビア(TSV)、200・・・撮像素子部、210・・・感光部(撮像部)、211・・・画素部、212−1〜212−4・・・電荷転送部(垂直転送部、VCCD)、213−1〜213−4・・・出力端部、220,220−1〜220−4・・・変換出力部、230,230A〜230I・・・中継部、231,231−1〜231−4・・・接続部、232・・・バッファアンプ部、233・・・AC結合部、234・・・電圧(V)−電流(I)変換回路、235・・・MビットADC,236・・・NビットADC、237・・・増幅器(第2の増幅部)、238・・・帰還型増幅器、240・・・ソースフォロア回路、241・・・増幅部、242・・・電流源部、TI240・・・出力端、TO240・・・出力端、250・・・中継選択部、260・・・センサコア、300・・・周辺回路部、310・・・ADC、320・・・デジタルメモリ、330・・・ロジック回路、341・・・ADC、342・・・シリアライザ、343・・・メモリ、344・・・タイミングジェネレータ(TG)、345・・・DCDCコンバータ(DCDC)、346・・・メモリ、350・・・共用化回路、351・・・差動出力回路、353・・・レジスタコントローラ、SW1〜SW4・・・スイッチ、400・・・信号処理部(信号処理および電源部)、410・・FPGA,TG、420・・・画像処理回路(画像処理IC)、430・・・電源回路(電源IC)、600・・・電子機器、610・・・CCD/CMOS積層型固体撮像装置、620・・・光学系、630・・・信号処理回路(PRC)。

Claims (22)

  1. 行列状に配置された複数の光電変換素子および前記複数の光電変換素子の信号電荷を列または行単位で転送する複数の電荷転送部を含む感光部と、
    前記電荷転送部を転送された信号電荷を電気信号に変換して出力する、列または行数に応じて配置される変換出力部と、
    前記変換出力部による前記電気信号に対して所定の処理を行う周辺回路部と、
    前記変換出力部による前記電気信号の前記周辺回路部への転送を中継する中継部と、
    前記感光部および前記変換出力部が形成された第1の基板と、
    前記周辺回路部が形成された第2の基板と、を有し、
    少なくとも前記第1の基板と前記第2の基板は積層され、
    前記中継部は、
    前記第1の基板に形成された前記変換出力部と前記第2の基板に形成された前記周辺回路部とを、前記感光部の感光領域外で基板を通した接続部により電気的に接続している
    固体撮像装置。
  2. 前記中継部は、
    前記第1の基板および前記第2の基板の前記感光領域外に相当する領域の少なくとも一方に、前記変換出力部による電気信号を増幅するソースフォロア部が形成されている
    請求項1記載の固体撮像装置。
  3. 前記ソースフォロア部は、
    直列に接続される増幅部と電流源部と含み、前記増幅部および前記電流源部は前記第2の基板に形成され、前記電流源部と接続される前記増幅部の出力端側から増幅した信号を前記周辺回路部に出力し、
    前記中継部は、
    前記第1の基板に形成された前記変換出力部と前記第2の基板に形成されたソースフォロア部の前記増幅部の入力端を、前記接続部を介して接続している
    請求項2記載の固体撮像装置。
  4. 前記ソースフォロア部は、
    直列に接続される増幅部と電流源部とを含み、前記増幅部が前記第1の基板に形成され、前記電流源部が前記第2の基板に形成され、前記電流源部と接続される前記増幅部の出力端側から増幅した信号を前記周辺回路部に出力し、
    前記中継部は、
    前記第1の基板に形成された前記変換出力部と前記ソースフォロア部の前記増幅部の入力端を接続し、前記増幅部の出力端と前記第2の基板に形成された電流源部とを前記接続部を介して接続している
    請求項2記載の固体撮像装置。
  5. 前記ソースフォロア部は、
    直列に接続される増幅部と電流源部とを含み、前記増幅部および前記電流源部が前記第1の基板に形成され、前記電流源部と接続される前記増幅部の出力端側から増幅した信号を出力し、
    前記中継部は、
    前記第1の基板に形成された前記変換出力部と前記ソースフォロア部の前記増幅部の入力端を接続し、前記増幅部の出力端側と前記第2の基板に形成された前記周辺回路部とを前記接続部を介して接続している
    請求項2記載の固体撮像装置。
  6. 前記第1の基板において、
    前記増幅部の出力端側と前記接続部との間に、前記ソースフォロア部により出力された電気信号をバッファリングするバッファ部が形成されている
    請求項5記載の固体撮像装置。
  7. 前記接続部と前記第2の基板に形成された前記周辺回路部が電気的にAC結合で接続されている
    請求項5または6記載の固体撮像装置。
  8. 前記増幅部の出力端側と前記接続部との間に、前記ソースフォロア部により増幅された電圧信号を電流信号に変換する電圧−電流変換部が形成されている
    請求項5記載の固体撮像装置。
  9. 前記第1の基板において、
    前記増幅部の出力端側に前記ソースフォロア部の出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する第1のアナログデジタル変換器(ADC)が形成され、
    前記第2の基板において、
    前記周辺回路部の入力段に前記接続部を介して転送された前記ソースフォロア部の出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する第2のADCが形成されている
    請求項5記載の固体撮像装置。
  10. 前記第1の基板において、
    前記増幅部の出力端側に、前記ソースフォロア部により出力された電気信号を増幅する第2の増幅部が形成され、
    前記接続部は、
    前記ソースフォロア部の前記増幅部の出力端側が接続された第1の接続部と、
    前記第2の増幅部の出力端に接続された第2の接続部と、を含み、
    前記第2の基板において、
    前記第1の接続部および前記第2の接続部が前記周辺回路部に接続されている
    請求項5記載の固体撮像装置。
  11. 前記中継部は、
    前記第2の基板の前記感光領域外に相当する領域に、前記変換出力部による電気信号を増幅する帰還型増幅器を含む
    請求項1記載の固体撮像装置。
  12. 前記変換出力部は、
    前記信号電荷を電圧信号に変換するフローティングディフュージョン部を含む
    請求項1から11のいずれか一に記載の固体撮像装置。
  13. 前記変換出力部は、
    前記信号電荷を電圧信号に変換するフローティングディフュージョン部と、
    前記フローティングディフュージョン部の電圧信号を前記電気信号として出力するバッファ部と、を含む
    請求項1から11のいずれか一に記載の固体撮像装置。
  14. 複数の前記電荷転送部と前記接続部とを選択的に接続する中継選択手段を含む
    請求項1から13のいずれか一に記載の固体撮像装置。
  15. 前記中継選択手段は、
    並列する前記複数の電荷転送部の信号電荷を加算または間引き可能である
    請求項14記載の固体撮像装置。
  16. 前記第1の基板は第1導電型基板により形成され、
    前記第2の基板は第2導電型基板により形成されている
    請求項1から15のいずれか一に記載の固体撮像装置。
  17. 第1の基板は、
    n型基板またはn−ウェルによりが形成されており、縦型オーバーフロードレイン構造を有する
    請求項1から16のいずれか一に記載の固体撮像装置。
  18. 前記第2の基板には、
    少なくとも、前記変換出力部の出力信号を処理するアナログデジタル変換器(ADC)および複数ビットの画像データをパラレルデータからシリアルデータに変換するシリアライザが形成されている
    請求項1から17のいずれか一に記載の固体撮像装置。
  19. 前記第2の基板には、
    電圧発生回路および駆動パルス発生器が形成されている
    請求項18記載の固体撮像装置。
  20. 前記第2の基板には、
    駆動パルスと出力信号パルス用端子を共用化する手段が形成されている
    請求項18または19記載の固体撮像装置。
  21. 行列状に配置された複数の光電変換素子および前記複数の光電変換素子の信号電荷を列または行単位で転送する複数の電荷転送部を含む感光部と、前記電荷転送部を転送された信号電荷を電気信号に変換して出力する、列または行数に応じて配置される変換出力部とを第1の基板に形成する工程と、
    少なくとも、前記変換出力部による前記電気信号に対して所定の処理を行う周辺回路部を第2の基板に形成する工程と、
    少なくとも前記第1の基板と前記第2の基板を積層した状態で、前記第1の基板に形成された前記変換出力部と前記第2の基板に形成された前記周辺回路部とを、前記感光部の感光領域外で基板を通した接続部により電気的に接続する工程と
    を有する固体撮像装置の製造方法。
  22. 固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置の感光部に結像する光学系と、
    前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理部と、を有し、
    前記固体撮像装置は、
    行列状に配置された複数の光電変換素子および前記複数の光電変換素子の信号電荷を列または行単位で転送する複数の電荷転送部を含む感光部と、
    前記電荷転送部を転送された信号電荷を電気信号に変換して出力する、列または行数に応じて配置される変換出力部と、
    前記変換出力部による前記電気信号に対して所定の処理を行う周辺回路部と、
    前記変換出力部による前記電気信号の前記周辺回路部への転送を中継する中継部と、
    前記感光部および前記変換出力部が形成された第1の基板と、
    前記周辺回路部が形成された第2の基板と、を有し、
    少なくとも前記第1の基板と前記第2の基板は積層され、
    前記中継部は、
    前記第1の基板に形成された前記変換出力部と前記第2の基板に形成された前記周辺回路部とを、前記感光部の感光領域外で基板を通した接続部により電気的に接続している
    電子機器。
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