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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
n−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。
n−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。
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142−1に接続されたボンディングパッド162−1と接合される。
図13の例では、n+層125−2は、中継部としての貫通ビア142−2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142−1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、n + 層126等が形成されている。
n+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。
なお、第1の基板110C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。
貫通ビア141−1,141−2が形成される第1の基板110C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120Cのp型基板121には絶縁膜が形成されている。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
第9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と第1の接続部231−1とが接続され、かつ、第1の基板110I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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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38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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
Claims (22)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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