JP7384213B2 - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、撮像素子及び撮像装置に関する。
撮像素子において、光電変換部を含む複数の画素が配置された層と、信号処理回路が設けられた層とが積層された構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２０１５－１２８１８７号公報
上述した撮像素子では、画素から出力された信号を処理するために信号処理回路で熱が発生する。
 一般的開示
本発明の第１の態様においては、光を光電変換して電荷を生成する光電変換部を有する第１層と、第１層と積層され、光電変換部で生成された電荷に基づく信号を処理する第１回路を有する第２層と、第２層と積層され、第１回路で処理された信号を処理する第２回路と、第２層との間に設けられた絶縁層と、絶縁層に設けられ絶縁層より高い熱伝導率を有する熱伝導層とを有する第３層と、を備える撮像素子を提供する。
本発明の第２の態様においては、第１の態様の撮像素子を備える撮像装置を提供する。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
本実施形態に係る撮像素子１０の概要を示す図である。 本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｚ方向断面の一例を示す図である。 本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｚ方向断面の一例を示す図である。 本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｚ方向断面の一例を示す図である。 本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｙ方向断面の一例を示す図である。 本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｙ方向断面の一例を示す図である。 本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｚ方向断面の一例を示す図である。 本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｙ方向断面の一例を示す図である。 本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｙ方向断面の一例を示す図である。 本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｙ方向断面の一例を示す図である。 本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｙ方向断面の一例を示す図である。 本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｚ方向断面の一例を示す図である。 本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｚ方向断面の一例を示す図である。 本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｚ方向断面の一例を示す図である。 本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｚ方向断面の一例を示す図である。 本実施形態に係る撮像装置５００の構成例を示すブロック図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本実施形態に係る撮像素子１０の概要を示す図である。撮像素子１０は、被写体から入射した光に基づいて画像データを生成する。撮像素子１０は、第１層１００、第２層２００及び第３層３００が積層された積層構造である。なお、図１は、撮像素子１０における各層の位置関係及び各層における処理の概要を説明するための図である。各層が有する一部の部材、例えば層同士を接合する配線層、配線層に設けられた配線等は、図２に示す撮像素子１０の断面図等を参照して説明するものとし、図１では簡潔性のため省略する。
第１層１００は、入射した光に基づいて生成された信号を出力する画素を有する。複数の画素が、第１層１００に設けられ、行列方向に沿って配置される。それぞれの画素は、後述する光電変換部１０２と、転送部と、フローティングディフュージョン（ＦＤ）と、リセット部と、出力部とを有する。なお、画素は、複数の光電変換部がＦＤとリセット部と出力部とを共有する構成であってもよい。
光電変換部１０２は、入射した光を光電変換して電荷を生成する。光電変換部１０２は、例えば、フォトダイオード等の光電変換素子である。複数の光電変換部１０２は、第１基板１１０に設けられ、行列方向に沿って配置される。
転送部は、転送トランジスタから構成され、光電変換部１０２で光電変換された電荷をＦＤに転送する。ＦＤは、ＦＤに転送された電荷を蓄積（保持）して、容量値で除算した電圧に変換する。ＦＤは、蓄積部であり、光電変換部１０２で生成された電荷を蓄積する。出力部は、増幅部と選択部を有する。
増幅部は、ゲート（端子）がＦＤに接続される増幅トランジスタから構成され、ＦＤに蓄積された電荷による信号を出力する。増幅トランジスタのドレイン（端子）は、電源電圧が供給される。増幅トランジスタのソース（端子）は、選択部を介して信号線に接続される。増幅トランジスタは、ソースフォロワ回路の一部として機能する。増幅部と選択部とは、光電変換部１０２により生成された電荷に基づく信号を生成し出力する出力部を構成する。
リセット部は、リセットトランジスタから構成され、ＦＤと電源電圧とを電気的に接続又は切断する。リセット部は、ＦＤに蓄積された電荷をリセットする。リセット部は、ＦＤに蓄積された電荷を排出して、ＦＤの電圧をリセットする。
選択部は、選択トランジスタから構成され、増幅部と信号線とを電気的に接続又は切断する。選択トランジスタは、オン状態のとき、増幅部からの信号を信号線に出力する。なお、転送トランジスタ、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は、後述するトランジスタ１０５に含まれる。
第２層２００は、第１層１００に設けられた画素から出力された信号を処理する信号処理部と、画素を制御するための制御部とを有する。第２層２００は、信号処理部として、第２基板２１０に設けられた複数の信号処理回路２０２を有する。信号処理回路２０２は、第１回路の一例である。また、第２層２００は、制御部として、第２基板２１０に設けられた複数の制御回路を有する。信号処理回路２０２及び制御回路は、光電変換部１０２毎に設けられる。なお、信号処理回路２０２及び制御回路は、複数の光電変換部１０２毎に設けられてもよい。
本例の信号処理回路２０２は、ＡＤ変換部等を有する。それぞれの信号処理回路２０２が有するＡＤ変換部は、画素から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。信号処理回路２０２は、変換されたデジタル信号を出力する。制御回路は、画素（転送部、リセット部、選択部）を制御することで、光電変換部１０２の受光の開始と終了とを制御する。
第３層３００は、第２層２００に設けられた信号処理回路から出力された信号を処理する画像処理部を有する。第３層３００は、画像処理部として、第３基板３１０に設けられた画像処理回路３０２を有する。画像処理回路３０２は、第２回路の一例である。本例の画像処理回路３０２は、複数の信号処理回路２０２及び制御回路毎に一つ設けられており、それぞれの信号処理回路２０２及び制御回路とバスで接続される。画像処理回路３０２は、信号処理回路２０２から出力された信号を処理して、画素（転送部、リセット部、選択部）を制御するための信号や画像データ等を生成する。画像処理回路３０２で生成された画素を制御するための信号は、第２層２００の制御回路に伝送される。画像処理回路３０２で生成された画像データ等は第１層１００に伝送され、第１層１００又は第３層３００から撮像素子１０の外部に出力される。なお、画像処理回路３０２は、１つの信号処理回路２０２及び制御回路毎に設けられてもよい。
図２は、本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｚ方向断面の一例を示す図である。本例では、裏面照射型の撮像素子１０を示すが、撮像素子１０は裏面照射型に限定されない。本例の撮像素子１０は、第１層１００と、第２層２００と、第３層３００とを備える。なお、図示するように、被写体からの光は白抜き矢印で示す方向（図中においてＺ軸負方向）へ入射する。本実施形態においては、第１層１００において光が入射してくる側（図中においてＺ軸正側）の面を表面と称し、その反対側（図中においてＺ軸負側）の面を裏面と称する場合がある。
Ｘ軸とＹ軸とは互いに直交し、Ｚ軸はＸ－Ｙ平面に直交する。なお、Ｚ軸と平行な方向を撮像素子１０の積層方向と称する場合がある。「上」及び「下」の用語は、重力方向における上下方向に限定されない。これらの用語は、Ｚ軸に対する相対的な方向を指す。
第１層１００の一例は、裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサである。第１層１００は、第１基板１１０と、第１配線層１２０とを有する。第１基板１１０は、第１配線層１２０よりもＺ軸正側に設けられている。第１基板１１０は、二次元的に配置され、入射した光に基づいて電荷を蓄積する複数の光電変換部１０２と、複数のトランジスタ１０５とを有する。
第１基板１１０よりもＺ軸正側にはパッシベーション膜１０３を介して複数のカラーフィルタ１０４が設けられる。カラーフィルタ１０４は、特定の波長領域の光を透過する光学フィルタである。複数のカラーフィルタ１０４は、互いに異なる波長領域の光を透過し、特定の配列（例えばベイヤー配列）で設けられる。
カラーフィルタ１０４よりもＺ軸正側には、マイクロレンズ１０１が設けられる。マイクロレンズ１０１は、光電変換部１０２毎に設けられ、入射した光を光電変換部１０２に集光する。
第１配線層１２０は、第１基板１１０よりも第２層２００側（図中においてＺ軸負側）に設けられている。第１配線層１２０は、導体膜（金属膜）からなる複数の配線１８０と、複数の接続部１９０と、絶縁膜（絶縁層）とを有する。第１配線層１２０は、電源又は回路等と電気的に接続される配線、第１層１００（画素）からの信号を第２層２００に伝送する配線、第２層２００からの信号を第１層１００（画素）に伝送する配線の複数の配線１８０を有する。第１配線層１２０は多層であってよく、また、受動素子及び能動素子が設けられてもよい。接続部１９０は、第１配線層１２０の表面（Ｚ軸負側の面）に設けられ、配線１８０と接続される。また後述するように、接続部１９０は、層同士の接続を補助にも用いられる。接続部１９０は、例えば、バンプやパッド、電極等であり、銅等の導電性材料で形成される。なお、接続部は金又は銀、アルミから形成されてもよい。複数の配線１８０の間および複数の接続部１９０の間には絶縁層（絶縁膜）が形成される。
第２層２００は、信号処理回路２０２及び制御回路が設けられた第２基板２１０と、第２配線層２２０と配線層２３０とを有する。第２配線層２２０は、第２基板２１０よりも第１層１００側（図中においてＺ軸正側）に設けられている。配線層２３０は、第２基板２１０よりも第３層３００側（図中においてＺ軸負側）に設けられ、第２基板２１０と第３層３００との間に設けられている。
第２層２００は、第１層１００と同様に、第２配線層２２０に設けられた複数の配線１８０と、第２配線層２２０及び配線層２３０に設けられた複数の接続部１９０と、第２配線層２２０及び配線層２３０に設けられた絶縁膜（絶縁層）とを有する。第２配線層２２０は、電源又は回路等と電気的に接続するため、第１層１００（画素）からの信号を信号処理回路２０２に伝送するため、制御回路からの信号を第１層１００（画素）に伝送するための、複数の配線１８０および接続部１９０を有する。配線１８０および接続部１９０は、配線層２３０にさらに設けられてもよい。
第２層２００は、表裏面にそれぞれ設けられた回路を互いに接続するＴＳＶ（シリコン貫通電極）１０６をさらに有する。ＴＳＶ１０６は、周辺領域に設けられることが好ましい。ＴＳＶ１０６は、画像処理回路３０２で生成された画像データ等を第１層１００に伝送する。ＴＳＶ１０６は、第１層１００及び第３層３００にも設けられてよい。
なお、上述したように、信号処理回路２０２及び制御回路は、光電変換部１０２を有する画素毎、又は複数の画素からなるブロック毎に設けられている。複数の配線１８０のうち、画素からの信号を信号処理回路２０２のＡＤ変換部に伝送する信号線、及び制御回路からの信号を画素に伝送する制御線が、光電変換部１０２と、信号処理回路２０２及び制御回路との間に設けられている。これにより、信号処理回路２０２は、画素毎又は画素のブロック毎に信号を読み出すことができる、また、制御回路は、画素毎に制御又は画素のブロック毎に画素を制御できる。
第３層３００は、画像処理回路３０２が設けられた第３基板３１０と、第３配線層３２０とを有する。第３配線層３２０は、第３基板３１０と第２層２００との間に設けられている。
第３層３００は、第１層１００と同様に、第３配線層３２０に設けられた配線１８０及び複数の接続部１９０と、絶縁膜（絶縁層）とを有する。第３配線層３２０は、電源又は回路等と電気的に接続するため、信号処理回路２０２からの信号を画像処理回路３０２に伝送するため、画像処理回路３０２からの信号を第２層２００の制御回路に伝送するための、複数の配線１８０および接続部１９０を有する。
なお、第１層１００、第２層２００及び第３層３００は、各層に設けられた接続部１９０同士の電気的接続と、各層の配線層（絶縁層）同士の接合とにより、各層が積層されている。
第１層１００と第２層２００とが積層されると、第１配線層１２０のＺ軸負側の面と第２配線層２２０のＺ軸正側の面とで積層面１５０が構成される。同様に、第２層２００と第３層３００とが積層されると、配線層２３０のＺ軸負側の面と第３配線層３２０のＺ軸正側の面とで積層面１６０が構成される。積層面１５０及び積層面１６０には、複数の接続部１９０が配置される。具体的には、対応する接続部１９０同士が位置合わせされ、２つの層が積層されることにより、位置合わせされた接続部が電気的に接続される。
第１層１００、第２層２００及び第３層３００は、チップ化される前のウエハの状態で積層され、積層されたウエハをダイシングすることにより形成（個片化）される。
ウエハを積層する際、ウエハの積層される面を活性化装置によりプラズマで走査して活性化させる。積層面が活性化されたウエハは、接触により生じる水素結合、ファンデルワールス結合及び共有結合等により接合され、積層基板を形成する。ウエハが相互の接触により水素結合をしている場合は、積層基板を形成した後、アニール炉等の加熱装置で積層基板を加熱することにより、ウエハ間に共有結合を生じさせる。
なおウエハの活性化とは、ウエハの積層される面同士が、接触により水素結合、ファンデルワールス結合、共有結合等を生じ、溶融することなく固相で接合される状態にすべく、少なくとも一方の積層面を処理する場合を指す。例えば活性化は、ウエハの積層面にダングリングボンド（未結合手）を生じさせることによって、結合を促進することを含む。
より具体的には、活性化装置は、例えば減圧雰囲気下において処理ガスである酸素ガスを励起してプラズマ化し、酸素イオンを積層される面に照射する。例えば、ウエハがＳｉＯ等の酸化膜を形成したシリコン基板である場合には、酸素イオンの照射によって、積層面におけるＳｉＯの結合が切断され、Ｓｉ及びＯのダングリングボンドが形成される。
ダングリングボンドが形成された積層面を、例えば大気に晒した場合、空気中の水分がダングリングボンドに結合して、基板表面が水酸基（ＯＨ基）で覆われ、水分子と結合して親水化しやすい状態となる。つまり、活性化により、積層面の親水化が促進される。また、固相の接合では、積層される面における酸化物等の不純物の存在、欠陥等が接合強度に影響するので、活性化は積層される面の清浄化を含んでもよい。
さらに、ウエハの活性化は、親水化装置を用いて積層される面に純水等を塗布することによる積層面の親水化を含んでもよい。親水化により、ウエハの積層面は、ＯＨ基が付着した状態、すなわちＯＨ基で終端された状態となる。
積層基板を加熱処理することにより、ウエハの積層面のそれぞれに設けられた接続部が一体化され、電気的に接続される。接続部が銅等の導電性材料で形成される場合、位置合わせされた接続部は加熱処理によって膨張して圧接され、固相拡散により接合される。
従来、光電変換部を有する画素、ＡＤ変換部、制御部等は、同じ基板に設けられていた。ＡＤ変換部、制御部等は、複数の画素が設けられた領域の周辺の領域に設けられていた。本実施形態に係る撮像素子１０は積層構造であり、光電変換部１０２を有する画素が第１層１００に、ＡＤ変換部を有する信号処理回路２０２及び制御回路が第２層２００に設けられている。信号処理回路２０２は、光電変換部１０２を有する画素毎、又は複数の画素からなるブロック毎に信号の読み出しを行う。制御回路は、光電変換部１０２を有する画素毎、又は複数の画素からなるブロック毎に画素を制御する。これにより、撮像素子１０は従来の撮像素子よりも高速な信号処理を実現する。一方で、撮像素子１０は従来の撮像素子よりも多くの信号処理回路２０２及び制御回路を有することになるため、従来の撮像素子よりも信号処理回路２０２及び制御回路による発熱量が増加する。特に、従来の撮像素子よりも信号処理回路２０２による発熱量が増加する。
また従来、撮像素子から出力された信号を画像処理する画像処理部は、撮像素子とは別に設けられていた。本実施形態に係る撮像素子１０は、画像処理部として画像処理回路３０２を有する第３層３００が積層されている。画像処理回路３０２は、信号処理回路２０２毎、又は複数の信号処理回路２０２からなるブロック毎に信号の処理を行う。これにより、撮像素子１０は従来の撮像素子よりも高速な画像処理を実現する。その一方で、撮像素子１０は画像処理回路３０２が設けられるため、従来の撮像素子よりもさらに発熱量が増加する。
そのため、信号処理回路２０２及び画像処理回路３０２で発生した熱が、第１層１００に伝達してしまう。熱が第１層に伝わり、画素（光電変換部１０２、ＦＤ、転送部、出力部）の温度が上昇すると、暗電流やショットノイズといったノイズが発生しやすくなる。これにより、画素が生成する信号に含まれるノイズが増加する。増加したノイズは、画質低下の原因となる。
そのため、撮像素子１０においては、信号処理回路２０２及び画像処理回路３０２で発生した熱を外部に放出させる必要がある。特に、画素に熱が伝わらないよう、信号処理回路２０２及び画像処理回路３０２で発生した熱を第１層よりもＺ軸負側に放出させる必要がある。または、熱が画素に伝わらないよう、熱を画素よりもＺ軸負側で遮る必要がある。
本例では、熱伝導層が第３配線層３２０に設けられる。熱伝導層は、第３配線層３２０が有する絶縁層より高い熱伝導率を有する。熱伝導層は、例えば銅から形成される。なお熱伝導層は、金又は銀、アルミから形成されてもよい。
本例の熱伝導層は、図２に示すように、配線１８０と同じ工程で形成される熱伝導層４１０であってよい。ただし、配線１８０は電源又は回路等と電気的に接続されているが、熱伝導層４１０は電源又は回路等と電気的に接続されていない。図２において、熱伝導層４１０は多層として示されているが、単一層であってもよい。
本例では、第３基板３１０に設けられた画像処理回路３０２で発生した熱は、第３配線層３２０に設けられた熱伝導層４１０に伝達する。熱伝導層４１０に伝達した熱は、熱伝導層４１０を介して外部へ放出される。つまり、熱伝導層４１０により、画像処理回路３０２で発生した熱の放熱が促進される。このように、画像処理回路３０２で発生した熱が第１層１００に伝達することを抑制できる。
なお、図２において、熱伝導層４１０は第３層３００に設けられているが、第２層２００に設けられてもよい。また、第２層２００と第３層３００とに設けられてもよい。具体的には、配線層２３０より高い熱伝導率を有する熱伝導層４１０が、配線層２３０に設けられる。これにより、第２基板２１０に設けられた信号処理回路２０２で発生した熱が配線層２３０に設けられた熱伝導層４１０に伝達する。熱伝導層４１０に伝達した熱は、熱伝導層４１０を介して外部へ放出される。熱伝導層４１０により、信号処理回路２０２で発生した熱の放熱が促進される。また、熱伝導層４１０が第２基板２１０よりも第３層３００側（Ｚ軸負側）に設けられるため、信号処理回路２０２で発生した熱が第１層１００に伝達することを抑制できる。
図３は、本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｚ方向断面の一例を示す図である。ここで、図２と共通する要素には同じ符号を付し、説明を省略する。
本例の熱伝導層は、第３配線層３２０に設けられた第１熱伝導層４１２と、第３配線層３２０において、第１熱伝導層４１２よりも第２層２００側（Ｚ軸正側）に設けられ、第１熱伝導層４１２よりも厚い第２熱伝導層４１４とを有する。第１熱伝導層４１２及び第２熱伝導層４１４は、図２に示した熱伝導層４１０の一例である。ここで、「厚い」とは、Ｘ－Ｚ方向の長さが長いことをいう。
第１熱伝導層４１２よりも厚い第２熱伝導層４１４は、第１熱伝導層４１２より高い熱伝導率を有する。そのため、画像処理回路３０２で発生した熱だけでなく、第２層２００の信号処理回路２０２で発生した熱も、第２熱伝導層４１４に伝達し、撮像素子１０の外部へ放出される。つまり、第２熱伝導層４１４により、信号処理回路２０２で発生した熱の放熱が促進される。また、信号処理回路２０２で発生した熱が第１層１００に伝達することを抑制できる。
なお、第２層２００で発生する熱については、信号処理回路２０２からの熱を説明してきたが、第２層２００の制御回路においても熱が発生する。第２熱伝導層４１４は、第２層２００の制御回路で発生した熱を放熱するためにも用いられてよい。発熱対策に関して信号処理回路２０２に言及する場合、第２層２００の制御回路も含まれるものとする。
図４は、本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｚ方向断面の一例を示す図である。ここで、図２と共通する要素には同じ符号を付し、説明を省略する。
本例の熱伝導層は、１つ又は複数の画素が設けられた受光領域を覆う熱伝導板を有する。ここで、受光領域とは、１つ又は複数の画素が設けられた領域をＸ－Ｙ平面と平行な面に投影した領域を指す。
一例として、熱伝導板は、第２層２００に設けられた第１熱伝導板４２０と、第３層３００に設けられた第２熱伝導板４２１とを含む。第１熱伝導板４２０は、配線層２３０に設けられ、第２熱伝導板４２１は、第３配線層３２０に設けられる。第１熱伝導板４２０及び第２熱伝導板４２１は、銅、アルミ等の熱伝導性材料から形成される。なお、熱伝導層は金又は銀等の金属から形成されてもよい。なお、熱伝導板は、第１熱伝導板４２０または第２熱伝導板４２１のどちらか一方が設けられてもよい。
第２熱伝導板４２１の面積は、第１熱伝導板４２０の面積より大きい。第１熱伝導板４２０よりも大きい第２熱伝導板４２１は、第１熱伝導板４２０より高い熱伝導率を有するので、第１熱伝導板４２０より多くの熱が伝達する。そのため、信号処理回路２０２で発生した熱は、第１熱伝導板４２０に伝達するとともに第２熱伝導板４２１にも伝達する。第１熱伝導板４２０に伝達した熱は、第２熱伝導板４２１を介して、撮像素子１０の外部へ放出される。また、画像処理回路３０２で発生した熱は、第２熱伝導板４２１に伝達し、撮像素子１０の外部へ放出される。つまり、第１熱伝導板４２０および第２熱伝導板４２１により、信号処理回路２０２および画像処理回路３０２で発生した熱の放熱が促進される。
第１熱伝導板４２０と第２熱伝導板４２１とは、連結部４２２によって接続されてもよい。連結部４２２は、積層方向に延びる熱伝導性材料から形成される。これにより、第１熱伝導板４２０に伝達した熱は、さらに第２熱伝導板４２１に伝達しやすくなり、撮像素子１０の外部へ放出される。
第１熱伝導板４２０及び第２熱伝導板４２１の全周は、絶縁層で覆われてよい。全周が絶縁層で覆われるとは、上面、下面及び側面が全て絶縁層で覆われることを指す。例えば絶縁層は、配線層２３０及び第３配線層３２０が有する絶縁層である。これにより、第１熱伝導板４２０及び第２熱伝導板４２１は、他の要素と電気的に遮断される。
図５は、本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｙ方向断面の一例を示す図である。具体的には、図５は、第３層３００を積層面１６０からＺ軸負側に向かって見た状態を示し、簡潔性のために、第３配線層３２０等の要素は省略されている。
（ａ）に示すように、本例の積層面１６０は、積層面１６０の中央付近を含む第１領域１６２と、第１領域１６２の外周と積層面１６０の外周との間の第２領域１６４とを有する。第１領域１６２は、第２層２００と第３層３００とを接合（積層）するための要素が積層面１６０に配置されていない領域を指し、第２領域１６４は、かかる要素が積層面１６０に配されている領域を指す。第２領域１６４は、第２層２００に設けられる回路と第３層３００に設けられる回路とを電気的に接続するための接続部１９０が、第２層２００と第３層３００とを接合（積層）するための要素として積層面１６０に配置される。
第１領域１６２と第２領域１６４との境界付近の拡大図を（ｂ）に示す。本例では、配線層２３０において、接続部１９０が第２領域１６４において積層面１６０に配置されている。また、第３配線層３２０において、第２熱伝導板４２１が第１領域１６２を覆うように設けられており、接続部１９０が第２領域１６４において積層面１６０に配置されている。第２熱伝導板４２１は、熱伝導層の一例である。本例では、第２領域１６４は、２つの接続部１９０が対角上に配置される複数の第３領域１６６を有する。なお、第３領域１６６に配置される接続部１９０の数は、接合強度及び平坦性が確保される限り、１つであってもよく、あるいは２つより多くてもよい。なお、接続部１９０のＸ－Ｙ方向断面の形状は矩形で表されているが、これに限定されず、他の形状であってもよい。
一般に、回路の発熱量は、回路の中央付近が周辺領域よりも大きくなる。本実施形態に関わる撮像素子１０は、信号処理回路２０２が設けられた第２基板２１０の中央付近、または画像処理回路３０２が設けられた第３基板３１０の中央付近で発生する熱量が、それぞれの回路の周辺領域よりも大きくなる。そこで、複数の接続部１９０を積層面１６０の外周にまとめて配置して接合強度を保ちつつ、発熱量の大きい中央付近に第２熱伝導板４２１を配置することにより、回路で発生した熱を効果的に外部に放熱することができる。
図６は、本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｙ方向断面の一例を示す図である。ここで、図５と共通する要素には同じ符号を付し、説明を省略する。
（ｂ）に示すように、本例では、図５と同様に、配線層２３０において、接続部１９０が第２領域１６４において積層面１６０に配置されている。また、第３配線層３２０において、第２熱伝導板４２１が第１領域１６２を覆うように設けられており、接続部１９０が第２領域１６４において積層面１６０に配置されている。本例では、配線層２３０において、第１熱伝導板４２０が第１領域１６２を覆うように設けられている。また、連結部４２２が第２熱伝導板４２１の外周に沿って設けられている。連結部４２２は、図示されていない第１熱伝導板４２０と第２熱伝導板４２１とを接続する。これにより、第１熱伝導板４２０に伝達した熱は、さらに第２熱伝導板４２１に伝達し、撮像素子１０の外部へ放出される。
図７は、本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｚ方向断面の一例を示す図である。ここで、図２と共通する要素には同じ符号を付し、説明を省略する。
本例では、積層面１６０に配置された複数の接続部は、対応する接続部と積層方向において互いに対向して接続する接続部１９０と、他の接続部と積層方向において対向しない非接続部４３０とを有する。非接続部４３０は、熱伝導層の一例である。非接続部４３０は、接続部１９０と同じ工程で形成されてよい。ただし、接続部１９０は、第２層２００に設けられる回路と第３層３００に設けられる回路とを電気的に接続するが、非接続部４３０は他の接続部と接続されず、第２層２００に設けられる回路と第３層３００に設けられる回路とを電気的に接続しない。言い換えれば、非接続部はダミー接続部である。
本例の非接続部４３０は、第３層３００に設けられる。具体的には、複数の非接続部４３０が、第３配線層３２０において積層面１６０に配置され、配線層２３０には配置されない。これにより、信号処理回路２０２及び画像処理回路３０２で発生した熱が非接続部４３０に伝達し、撮像素子１０の外部へ放出される。あるいは、非接続部４３０は、配線層２３０と第３配線層３２０とにおいて、互い違いに積層面１６０に配置されてもよい。
図８は、本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｙ方向断面の一例を示す図である。ここで、図５と共通する要素には同じ符号を付し、説明を省略する。
本例では、非接続部４３０は第１領域１６２に配置され、接続部１９０は第２領域１６４に配置される。このように、複数の接続部１９０を積層面１６０の外周に配置することにより、層間の接合強度を保ちつつ、第１領域１６２に、熱伝導層を設けることができる。
図９は、本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｙ方向断面の一例を示す図である。ここで、図５と共通する要素には同じ符号を付し、説明を省略する。
本例では、図８と同様に、非接続部４３０は第１領域１６２に配置され、接続部１９０は第２領域１６４に配置される。ただし、非接続部４３０が配置される密度は、接続部１９０が配置される密度よりも高い。一例として、第２領域１６４では、第３領域１６６毎に２つの接続部１９０が対角上に配置されているが、第１領域１６２では、第３領域１６６毎に４つの非接続部４３０が配置されている。このように、第２領域１６４よりも高い密度で非接続部４３０を配置することにより、回路で発生した熱を効果的に外部に放熱できる。
図１０は、本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｙ方向断面の一例を示す図である。ここで、図５と共通する要素には同じ符号を付し、説明を省略する。
本例では、接続部１９０が積層方向において矩形断面を有するが、非接続部４３０は積層方向において円形断面を有する。また、隣り合う非接続部４３０同士の距離は、隣り合う接続部１９０同士の距離より短い。このように、非接続部４３０を円形断面にすることによって細密充填が可能となり、さらに高い配置密度で非接続部４３０を配置できる。
図１１は、本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｙ方向断面の一例を示す図である。ここで、図５と共通する要素には同じ符号を付し、説明を省略する。
本例では、第３領域１６６あたりの非接続部４３０の配置密度は、積層面１６０の中央により近接する第３領域１６６ほど大きい。回路の発熱量は、回路の中央付近へ向かうにつれて大きくなり、周辺領域へ向かうにつれて小さくなる。このように、回路の発熱量に合わせて、積層面１６０の中央に近くなるほど非接続部４３０を配置する密度を高めることによって、均一に熱を放熱できる。これにより、複数の画素（光電変換部１０２）に均一に熱が伝達するので、温度ムラによる画質悪化を防止できる。
図１２は、本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｚ方向断面の一例を示す図である。ここで、図２と共通する要素には同じ符号を付し、説明を省略する。
本例では、積層方向に延びる放熱層４５０が、無効画素に対応する周辺領域に設けられる。放熱層４５０は、熱伝導層の一例である。放熱層４５０は、金、銀、銅、アルミ等の金属から形成される。
放熱層４５０は多層であってよく、あるいは単一の層であってもよい。放熱層４５０は、第２層２００の信号処理回路２０２の周辺領域に設けられ、第２配線層２２０から第２基板２１０の内部まで積層方向に延伸してもよい。放熱層４５０は、第３層３００の画像処理回路３０２の周辺領域にさらに設けられ、第３配線層３２０から第３基板３１０の内部まで積層方向に延伸してもよい。
このように、放熱層４５０は周辺領域に設けられるので、他の要素の支障とならない。また、放熱層４５０は、ＴＳＶ１０６と同様の工程で形成できるので、プロセスが複雑にならない。
図１３は、本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｚ方向断面の一例を示す図である。ここで、図２と共通する要素には同じ符号を付し、説明を省略する。
本例では、熱伝導板４６０が、第３層３００よりもＺ軸負側に設けられている。熱伝導板４６０は、熱伝導層の一例である。熱伝導板４６０は、第１層１００のＺ軸正側に設けられた画素と反対側の第３層３００よりもＺ軸負側に設けられるので、熱伝導板４６０へ熱が伝達することで、画素へ熱が伝達することを抑止できる。
熱伝導板４６０は、第３基板３１０の表面に直接接着されてよい。第３基板３１０の表面は、研磨されてよい。これにより、第３基板３１０の平坦性が向上する。また、熱伝導板４６０を第３基板３１０の表面に固着させることにより、第３基板３１０の強度を向上させることができる。
一例として、熱伝導板４６０は銅プレートである。銅プレートは平坦性を確保しやすいため、撮像素子１０の平坦性を確保できる。熱伝導板４６０は、金また銀、アルミ等の金属から形成されてもよい。
熱伝導板４６０は、撮像素子１０が設けられる撮像装置の筐体と直接接続されてよい。これにより、撮像素子１０から熱伝導板４６０に伝達した熱は撮像装置の筐体へとさらに伝達し、放熱を促進できる。
熱伝導板４６０は、第３基板３１０の表面全面を覆ってよく、あるいは第３基板３１０の表面積（ＸＹ面における面積）より大きい表面積を有してよい。これにより、特にファン等で空冷する場合に、放熱効果を高めることができる。
図１４は、本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｚ方向断面の一例を示す図である。ここで、図２と共通する要素には同じ符号を付し、説明を省略する。
本例では、第１基板１１０のＺ軸正側に複数の凹凸が形成された凹凸領域４７０が設けられている。凹凸領域４７０は、熱伝導層の一例である。
凹凸領域４７０は、画素が設けられていない周辺領域において、第１基板１１０のＺ軸正側に設けられている。周辺領域にはスペースの余裕があるため、複数の凹凸を容易に形成できる。
一例として、凹凸領域４７０は、第１基板１１０のＺ軸正側に配置された三角錐又は円錐状の複数の突起から形成されてよい。あるいは凹凸領域４７０は、第１基板１１０のＺ軸正側に設けられた複数の溝から形成されてもよい。これにより、第１基板１１０の表面積が増加し、放熱を促進できる。
また、熱伝導層からの熱を撮像素子１０の外部へ排熱する伝達部が設けられてよい。伝達部は、一端が熱伝導層に接続され、他端が撮像素子１０の外部へと延びる。これにより、伝達部は、熱伝導層を伝達してきた熱を撮像素子１０の外部へ排熱する。伝達部は、金、銀、銅、アルミ等の金属から形成される切片であってよい。あるいは伝達部は、一端が接続部１９０又はボンディングワイヤ等によって画素（光電変換部１０２）と接続され、他端が撮像素子１０の外部へと延びてもよい。
図１５は、本実施形態に係る撮像素子１０のＸ－Ｚ方向断面の一例を示す図である。ここで、図２と共通する要素には同じ符号を付し、説明を省略する。
本例では、遮熱層４４０が、第２配線層２２０に設けられている。遮熱層４４０は、第２配線層２２０よりも熱伝導率が低い。遮熱層４４０は、アルミナ、ジルコニア又はタングステン等から形成される。
一例として、遮熱層４４０は、１つ又は複数の画素を覆う面積を有する。このように、信号処理回路２０２及び画像処理回路３０２で発生した熱を遮熱層４４０で遮断することにより、画素（光電変換部１０２）へ熱が伝達することを抑止できる。
図１５において、遮熱層４４０は、第１配線層１２０及び第２配線層２２０の両方に設けられているが、これに限定されない。遮熱層４４０は、第１配線層１２０または第２配線層２２０の一方に設けられてもよい。また、遮熱層４４０は、熱伝導層と併せて用いることにより、画素へ熱が伝達することを抑止するとともに、熱を効果的に外部に放熱できる。
図１６は、本実施形態に係る撮像装置５００の構成例を示すブロック図である。撮像装置５００は、撮像素子１０、制御部５０１、測光部５０３、記録部５０５、表示部５０６及び駆動部５１４を備える。撮影レンズ５２０は、被写体からの光を撮像素子１０へ導き、撮像素子１０に被写体像を結像する。まお、撮影レンズ５２０は、撮像装置５００に着脱可能であってもよい。
撮影レンズ５２０は、焦点調節レンズ（フォーカスレンズ）を含む複数の光学レンズ群及び開口絞りから構成され、被写体からの光を焦点面近傍に結像させる。なお、図１６では撮影レンズ５２０の瞳近傍に配置された仮想的な１枚のレンズを代表して示している。
駆動部５１４は撮影レンズ５２０の位置を移動させる。より具体的には駆動部５１４は撮影レンズ５２０の光学レンズ群を移動させて合焦位置を変更する。また、撮影レンズ５２０内の絞りを駆動して撮像素子１０へ入射する光の光量を制御する。
撮像素子１０は、図１から図１５に関連して説明した撮像素子１０と同一である。撮像素子１０は、受光した光を光電変換して信号を生成し、生成した信号を制御部５０１の画像処理部５１１へ出力する。画像処理部５１１は、撮像素子１０から出力された信号に種々の画像処理を施して、静止画像データ、動画像データを生成する。例えば、画像処理部５１１は、階調変換処理、色補間処理、圧縮処理等の画像処理を実行する。
記録部５０５は、メモリカード等の記録媒体である。記録部５０５には、画像データ、制御プログラム等が記録される。記録部５０５へのデータの書き込み、及び記録部５０５からのデータの読み出しは、制御部５０１によって制御される。表示部５０６は、画像データに基づく画像、シャッター速度、絞り値等の撮影に関する情報、及びメニュー画面等を表示する。操作部５０８はレリーズボタン、電源スイッチ、各種モードを切り替えるためのスイッチ等の各種設定スイッチ等を含み、撮像者からの操作に基づく信号を制御部５０１へ出力する。
測光部５０３は、画像データを生成する一連の撮影シーケンスに先立ち、被写体やシーンの輝度分布を検出する。測光部５０３は、例えば１００万画素程度のセンサを含む。制御部５０１の演算部５１２は、測光部５０３の出力に基づいて被写体やの輝度を算出する。
演算部５１２は、算出した輝度分布に従ってシャッター速度、絞り値、ＩＳＯ感度を決定する。測光部５０３は撮像素子１０で兼用してもよい。なお、演算部５１２は、撮像装置５００を動作させるための各種演算も実行する。制御部５０１の一部が撮像素子１０に搭載されていてもよい。
制御部５０１は、ＣＰＵ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等のプロセッサ、及びＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリにより構成され、制御プログラムに基づき撮像装置５００の各部を制御する。例えば、制御部５０１は、撮像素子１０を制御する信号を撮像素子１０に供給して、撮像素子１０の動作を制御する。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
請求の範囲、明細書、及び図面中において示した装置、システム、プログラム、及び方法における動作、手順、ステップ、及び段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、及び図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
１０ 撮像素子、１００ 第１層、１０１ マイクロレンズ、１０２ 光電変換部、１０３ パッシベーション膜、１０４ カラーフィルタ、１０５ トランジスタ、１０６ ＴＳＶ、１１０ 第１基板、１２０ 第１配線層、１５０ 積層面、１６０ 積層面、１６２ 第１領域、１６４ 第２領域、１６６ 第３領域、１８０ 配線、１９０ 接続部、２００ 第２層、２０２ 信号処理回路、２１０ 第２基板、２２０ 第２配線層、２３０ 配線層、３００ 第３層、３０２ 画像処理回路、３１０ 第３基板、３２０ 第３配線層、４１０ 熱伝導層、４１２ 第１熱伝導層、４１４ 第２熱伝導層、４２０ 第１熱伝導板、４２１ 第２熱伝導板、４２２ 連結部、４３０ 非接続部、４４０ 遮熱層、４５０ 放熱層、４６０ 熱伝導板、４７０ 凹凸領域、５００ 撮像装置、５０１ 制御部、５０３ 測光部、５０５ 記録部、５０６ 表示部、５０８ 操作部、５１１ 画像処理部、５１２ 演算部、５１４ 駆動部、５２０ 撮影レンズ

Claims (20)

  1. 光を光電変換して電荷を生成する光電変換部を有する第１層と、
    前記第１層と積層され、前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を処理する第１回路を有する第２層と、
    前記第２層と積層され、前記第１回路で処理された信号を処理する第２回路と、前記第２層との間に設けられた絶縁層と、前記絶縁層に設けられ前記絶縁層より高い熱伝導率を有する熱伝導層とを有する第３層と、
    を備える撮像素子。
  2. 前記第３層は、前記第２回路が設けられた基板を有し、
    前記絶縁層は、前記基板と前記第２層との間に設けられる
    請求項１に記載の撮像素子。
  3. 前記第３層の熱伝導層は、
    第１熱伝導層と、
    前記第１熱伝導層よりも前記第２層側に設けられ、前記第１熱伝導層よりも厚い第２熱伝導層と
    を有する
    請求項１または２に記載の撮像素子。
  4. 前記第２層は、
    前記第１回路が設けられた基板と、
    前記第２層の基板と前記第３層との間に設けられた絶縁層と、
    前記絶縁層に設けられ、前記絶縁層より高い熱伝導率を有する熱伝導層と
    を有する
    請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像素子。
  5. 前記第２層の熱伝導層と前記第３層の熱伝導層とを連結する連結部を備える
    請求項４に記載の撮像素子。
  6. 前記第３層の熱伝導層の面積は、前記第２層の熱伝導層の面積より大きい
    請求項４または５に記載の撮像素子。
  7. 前記熱伝導層は、前記光電変換部に光が入射する方向と交差する領域であって、１つ又は複数の光電変換部が設けられた領域を覆う
    請求項１から６のいずれか一項に記載の撮像素子。
  8. 前記熱伝導層は熱伝導板である
    請求項１から７のいずれか一項に記載の撮像素子。
  9. 前記熱伝導板の全周が絶縁層で 覆われている
    請求項８に記載の撮像素子。
  10. 前記第２層と前記第３層とが積層される面に設けられた複数の接続部を備え、
    前記複数の接続部は、
    前記第１回路と前記第２回路とを接続するための第１接続部と、前記第２層と前記第３層とを接続するための第２接続部と、を有し、
    前記熱伝導層は、前記第２接続部を含む
    請求項１から９のいずれか一項に記載の撮像素子。
  11. 前記面は、
    前記面の中央領域を含む第１領域と、
    前記第１領域の外周と前記面の外周との間の第２領域と、
    を有し、
    前記第２接続部は、前記第１領域に設けられ、
    前記第１接続部は、前記第２領域に設けられる
    請求項１０に記載の撮像素子。
  12. 前記第２接続部は、前記第２層および前記第３層の少なくとも1方に設けられる
    請求項１０又は１１に記載の撮像素子。
  13. 前記第２接続部が配置される密度は、前記第１接続部が配置される密度よりも高い
    請求項１０から１２のいずれか一項に記載の撮像素子。
  14. 前記第２接続部が配置される密度は、前記面の中央に近くなるほど高くなる
    請求項１０から１３のいずれか一項に記載の撮像素子。
  15. 前記第３層の基板の、前記第３層の絶縁層が設けられた面と反対側の面に設けられ、前記第３層の絶縁層より高い熱伝導率を有する熱伝導板を備える
    請求項１から１４のいずれか一項に記載の撮像素子。
  16. 前記熱伝導板は、前記第３層の基板より大きい面積を有する
    請求項１５に記載の撮像素子。
  17. 前記第１層は、前記光電変換部が設けられた基板を有し、
    前記第１層の当該基板は、前記光電変換部が設けられた面において、前記光電変換部が設けられた領域以外で凹凸が形成された領域を有する
    請求項１から１６のいずれか一項に記載の撮像素子。
  18. 前記第２層は、
    前記第１回路が設けられた基板と前記第１層との間に設けられた絶縁層に設けられ、前記絶縁層よりも熱伝導率が低い遮熱層
    を有する
    請求項１から１７のいずれか一項に記載の撮像素子。
  19. 前記熱伝導層からの熱を外へ伝達する伝達部を備える
    請求項１から１８のいずれか一項に記載の撮像素子。
  20. 請求項１から１９のいずれか一項に記載の撮像素子を備える撮像装置。
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