JP7399105B2 - 固体撮像素子および映像記録装置 - Google Patents
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Description
図1~図19を用いて、固体撮像素子の概略構成例について説明する。
図1は、本開示の各実施形態に適用される固体撮像素子1の概略構成の一例を示す図である。固体撮像素子1は、受光した光を電気信号に変換して画素信号として出力する。この例では、固体撮像素子1はCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサとして構成されている。
図7及び図8は、固体撮像素子1の水平方向の断面構成の一例を表した図である。図7及び図8の上側の図は、図1の第1基板10の水平方向における断面構成の一例を表す図である。図7及び図8の下側の図は、図1の第2基板20の水平方向における断面構成の一例を表す図である。図7には、2×2の4つのセンサ画素12を2組、第2方向Hに並べた構成が例示されており、図8には、2×2の4つのセンサ画素12を4組、第1方向Vおよび第2方向Hに並べた構成が例示されている。なお、図7及び図8の上側の断面図では、図1の第1基板10の水平方向における断面構成の一例を表す図に、半導体基板11の表面構成の一例を表す図が重ね合わされている。また、図7及び図8の下側の断面図では、図1の第2基板20の水平方向における断面構成の一例を表す図に、半導体基板21の表面構成の一例を表す図が重ね合わされている。
図13及び図14は、上記の固体撮像素子1の水平方向の断面構成の一変形例を表す図である。図13及び図14の上側の図は、図1の第1基板10の水平方向における断面構成の一変形例であり、図13の下側の図は、図1の第2基板20の水平方向における断面構成の一変形例である。なお、図13及び図14の上側の断面図では、図1の第1基板10の水平方向における断面構成の一変形例を表す図に、図1の半導体基板11の表面構成の一変形例を表す図が重ね合わされている。また、図13及び図14の下側の断面図では、図1の第2基板20の水平方向における断面構成の一変形例を表す図に、半導体基板21の表面構成の一変形例を表す図が重ね合わされている。
図15は、上記の固体撮像素子1の水平方向の断面構成の一変形例を表す図である。図15には、図7の断面構成の一変形例が示されている。
図16は、上記の固体撮像素子1の水平方向の断面構成の一変形例を表す図である。図16には、図15の断面構成の一変形例が示されている。
図17は、上記の固体撮像素子1の水平方向の断面構成の一例を表した図である。図17には、図7の断面構成の一変形例が示されている。
図20は、変形例にかかる固体撮像素子1の回路構成の一例を表した図である。本変形例にかかる固体撮像素子1は、列並列ADC搭載のCMOSイメージセンサである。
図22は、本変形例にかかる固体撮像素子1の断面構成の一変形例を表す。上記図1の構成およびその変形例では、固体撮像素子1は、第1基板10、第2基板20、第3基板30の3つの基板を積層して構成されていた。しかし、上記図1の構成およびその変形例において、固体撮像素子1が、第1基板10、第2基板20の2つの基板を積層して構成されていてもよい。
図24~図33を用いて、実施形態1の固体撮像素子について説明する。
図24は、本開示の実施形態1にかかる固体撮像素子100の断面の一部を示す図である。図24に示すように、固体撮像素子100は、積層体200と、積層体300と、積層体400と、が貼り合わされた構造を備える。図24に示す面230は、積層体200と積層体300とが貼り合わされる面を示す。また、図24に示す面340は、積層体300と積層体400とが貼り合わされる面を示す。これらの積層体200~400は互いに電気的に接続されている。
次に、図25を用いて、実施形態1の固体撮像素子100の詳細構成例について説明する。図25は、本開示の実施形態1にかかる固体撮像素子100の積層体200,300の貼り合わせ位置近傍を示す模式図である。図25(a)は積層体300の画素トランジスタが形成された側の上面図であり、(b)~(d)は積層体200,300の貼り合わせ位置近傍を示す断面図であり、(b)は(a)のA-A’線断面図であり、(c)は(a)のB-B’線断面図であり、(d)は(a)のC-C’線断面図である。なお、図25(a)において、絶縁膜350及びコンタクト221cは省略されている。また、図25(b)において、コンタクト223cの位置はずらされている。
上述のように、基板301に配置される画素トランジスタは、例えばトライゲートトランジスタとして構成される。ここで、図26を用い、トライゲートトランジスタの構成について、増幅トランジスタ310を例に挙げて更に詳細に説明する。リセットトランジスタ320及び選択トランジスタ330も、以下に説明する増幅トランジスタ310と同様に構成される。
次に、図27~図31を用いて、実施形態1の固体撮像素子100の製造処理の例について説明する。図27~図31は、本開示の実施形態1にかかる固体撮像素子100の製造処理の手順の一例を示すフロー図である。なお、図27~図31の左図は、固体撮像素子100の製造処理における図25(a)のA-A’線断面図である。図27~図31の中央図は、固体撮像素子100の製造処理における図25(a)のB-B’線断面図である。図27~図31の右図は、固体撮像素子100の製造処理における図25(a)のC-C’線断面図である。
次に、図32を用いて、比較例の構成と実施形態1の構成とを比較する。図32は、本開示の比較例にかかる固体撮像素子を示す模式図である。
次に、図33を用いて、実施形態1の変形例1の固体撮像素子について説明する。図33は、本開示の実施形態1の変形例1にかかる固体撮像素子の増幅トランジスタの構成を示す模式図である。変形例1の増幅トランジスタは、実施形態1とは異なるタイプのマルチゲートトランジスタである。変形例1のリセットトランジスタ及び変形例1の選択トランジスタも、以下に説明する増幅トランジスタと同様に構成される。
次に、図34を用いて、実施形態1の変形例2の固体撮像素子110について説明する。図34は、本開示の実施形態1の変形例2にかかる固体撮像素子110の断面の一部を示す図である。
次に、図35を用いて、実施形態1の変形例3の固体撮像素子120について説明する。図35は、本開示の実施形態1の変形例3にかかる固体撮像素子120の断面の一部を示す図である。
次に、図36を用いて、実施形態2の固体撮像素子について説明する。図36は、本開示の実施形態2にかかる固体撮像素子の積層体の貼り合わせ位置近傍を示す模式図である。実施形態2の固体撮像素子においては、選択トランジスタ530が、増幅トランジスタ310e等とは異なる基板501に配置される点が、上述の実施形態1とは異なる。
図37は、実施形態1,2及びそれらの変形例の固体撮像素子のいずれかを備えた撮像システム2の概略構成の一例を表した図である。つまり、撮像システム2には、上述の実施形態1,2及びそれらの変形例の固体撮像素子のいずれであっても搭載することができる。以下の説明では、実施形態1の固体撮像素子100を搭載した撮像システム2を例に挙げる。
図39は、実施形態1,2及びそれらの変形例の固体撮像素子のいずれかを備えた変形例の撮像システム201の概略構成の一例を表した図である。つまり、撮像システム201は、上述の撮像システム2の変形例である。以下の説明では、実施形態1の固体撮像素子100を搭載した撮像システム201を例に挙げる。
本開示にかかる技術は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示にかかる技術は、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42は、本開示にかかる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。
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。
(1)
光電変換素子から出力される電気信号を一時的に保持するフローティングディフュージョンを有する第1の半導体基板と、
第1の半導体基板に対向する第2の半導体基板と、を備え、
前記第2の半導体基板は、
前記第2の半導体基板の厚さ方向に延びるチャネルと、
前記第2の半導体基板の厚さ方向に延び、前記チャネルを挟み込むマルチゲートと、を備える第1のトランジスタを、前記第1の半導体基板に対向する側に備え、
前記第1のトランジスタの前記マルチゲートは、前記フローティングディフュージョンに接続されている、
固体撮像素子。
(2)
前記マルチゲートと前記フローティングディフュージョンとの対向面同士を接続するコンタクトを備える、
前記(1)に記載の固体撮像素子。
(3)
前記第2の半導体基板は、
前記第1の半導体基板に対向する側に、ソース領域を含む第2のトランジスタを備え、
前記第1のトランジスタの前記マルチゲートは、前記第2のトランジスタの前記ソース領域に接続されている、
前記(1)または(2)に記載の固体撮像素子。
(4)
前記第2の半導体基板は、
前記第2の半導体基板の一方の面側から他方の面側へと到達するソース領域と、
前記第2の半導体基板の一方の面側から他方の面側へと到達するドレイン領域と、を備え、
前記ソース領域は、
前記第2の半導体基板の前記第1の半導体基板と対向する面とは反対の面側から前記電気信号を伝送する信号線に接続されており、
前記ドレイン領域は、
前記第2の半導体基板の前記第1の半導体基板と対向する面とは反対の面側から電源電位に接続されている、
前記(1)~(3)のいずれか1つに記載の固体撮像素子。
(5)
前記第2の半導体基板は、
前記第2の半導体基板の厚さ方向に延びるチャネルと、
前記第2の半導体基板の厚さ方向に延び、前記チャネルを挟み込むマルチゲートと、を備える第2のトランジスタを、前記第1の半導体基板に対向する側に備え、
前記第2のトランジスタの前記マルチゲートは、
前記第2の半導体基板の前記第1の半導体基板と対向する面とは反対の面側から前記電気信号を伝送する信号線に接続されている、
前記(1)または(2)に記載の固体撮像素子。
(6)
前記第1のトランジスタは、前記光電変換素子から出力される前記電気信号を増幅する増幅トランジスタであり、
前記第2のトランジスタは、前記増幅トランジスタの前記マルチゲートの電位を電源電位にリセットするリセットトランジスタである、
前記(5)に記載の固体撮像素子。
(7)
前記第2の半導体基板は、
前記増幅トランジスタで増幅された前記電気信号を前記信号線へ伝送するか否かを選択する選択トランジスタを備える、
前記(6)に記載の固体撮像素子。
(8)
前記第2の半導体基板と対向するように前記第1の半導体基板とは反対側に配置される第3の半導体基板を備え、
前記第3の半導体基板は、
前記増幅トランジスタで増幅された前記電気信号を前記信号線へ伝送するか否かを選択する選択トランジスタを備える、
前記(6)に記載の固体撮像素子。
(9)
前記第1の半導体基板は、
前記光電変換素子から出力される前記電気信号を前記増幅トランジスタへ転送する転送トランジスタを備える、
前記(6)~(8)のいずれか1つに記載の固体撮像素子。
(10)
固体撮像素子と、
被写体からの入射光を取り込んで前記固体撮像素子の撮像面上に結像させる光学系と、
前記固体撮像素子からの出力信号に対して処理を行う信号処理回路と、を備え、
前記固体撮像素子は、
光電変換素子から出力される電気信号を一時的に保持するフローティングディフュージョンを有する第1の半導体基板と、
第1の半導体基板に対向する第2の半導体基板と、を備え、
前記第2の半導体基板は、
前記第2の半導体基板の厚さ方向に延びるチャネルと、
前記第2の半導体基板の厚さ方向に延び、前記チャネルを挟み込むマルチゲートと、を備える第1のトランジスタを、前記第1の半導体基板に対向する側に備え、
前記第1のトランジスタの前記マルチゲートは、前記フローティングディフュージョンに接続されている、
映像記録装置。
200,300,400 積層体
201,301,401 基板
203 光電変換素子
204 HAD
220 転送トランジスタ
221 FD
221c,312c,322c,323c,331c コンタクト
310 増幅トランジスタ
311,321,331 ソース領域
312,322,332 ドレイン領域
313 ゲート電極
313d 配線
320 リセットトランジスタ
330 選択トランジスタ
Claims (9)
- 光電変換素子から出力される電気信号を一時的に保持するフローティングディフュージョンを有する第1の半導体基板と、
前記第1の半導体基板に対向する第2の半導体基板と、を備え、
前記第2の半導体基板は、
前記第2の半導体基板の厚さ方向に延びるチャネルと、
前記第2の半導体基板の厚さ方向に延び、前記チャネルを挟み込むマルチゲートと、を備える第1のトランジスタを、前記第1の半導体基板に対向する側に備え、
前記第1のトランジスタの前記マルチゲートは、前記フローティングディフュージョンに接続されており、
前記第2の半導体基板は、
前記第2の半導体基板の一方の面側から他方の面側へと到達するソース領域と、
前記第2の半導体基板の一方の面側から他方の面側へと到達するドレイン領域と、をさらに備え、
前記ソース領域は、
前記第2の半導体基板の前記第1の半導体基板と対向する面とは反対の面側から前記電気信号を伝送する信号線に接続されており、
前記ドレイン領域は、
前記第2の半導体基板の前記第1の半導体基板と対向する面とは反対の面側から電源電位に接続されている、
固体撮像素子。 - 前記マルチゲートと前記フローティングディフュージョンとの対向面同士を接続するコンタクトを備える、
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記第2の半導体基板は、
前記第1の半導体基板に対向する側に、前記ソース領域を含む第2のトランジスタを備え、
前記第1のトランジスタの前記マルチゲートは、前記第2のトランジスタの前記ソース領域に接続されている、
請求項1又は2に記載の固体撮像素子。 - 光電変換素子から出力される電気信号を一時的に保持するフローティングディフュージョンを有する第1の半導体基板と、
前記第1の半導体基板に対向する第2の半導体基板と、を備え、
前記第2の半導体基板は、
前記第2の半導体基板の厚さ方向に延びるチャネルと、
前記第2の半導体基板の厚さ方向に延び、前記チャネルを挟み込むマルチゲートと、を備える第1のトランジスタを、前記第1の半導体基板に対向する側に備え、
前記第1のトランジスタの前記マルチゲートは、前記フローティングディフュージョンに接続されており、
前記第2の半導体基板は、
前記第2の半導体基板の厚さ方向に延びるチャネルと、
前記第2の半導体基板の厚さ方向に延び、前記チャネルを挟み込むマルチゲートと、を備える第2のトランジスタを、前記第1の半導体基板に対向する側に備え、
前記第2のトランジスタの前記マルチゲートは、
前記第2の半導体基板の前記第1の半導体基板と対向する面とは反対の面側から前記電気信号を伝送する信号線に接続されている、
固体撮像素子。 - 前記第1のトランジスタは、前記光電変換素子から出力される前記電気信号を増幅する増幅トランジスタであり、
前記第2のトランジスタは、前記増幅トランジスタの前記マルチゲートの電位を電源電位にリセットするリセットトランジスタである、
請求項4に記載の固体撮像素子。 - 前記第2の半導体基板は、
前記増幅トランジスタで増幅された前記電気信号を前記信号線へ伝送するか否かを選択する選択トランジスタを備える、
請求項5に記載の固体撮像素子。 - 前記第2の半導体基板と対向するように前記第1の半導体基板とは反対側に配置される第3の半導体基板を備え、
前記第3の半導体基板は、
前記増幅トランジスタで増幅された前記電気信号を前記信号線へ伝送するか否かを選択する選択トランジスタを備える、
請求項5に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の半導体基板は、
前記光電変換素子から出力される前記電気信号を前記増幅トランジスタへ転送する転送トランジスタを備える、
請求項5~7のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 - 固体撮像素子と、
被写体からの入射光を取り込んで前記固体撮像素子の撮像面上に結像させる光学系と、
前記固体撮像素子からの出力信号に対して処理を行う信号処理回路と、を備え、
前記固体撮像素子は、
光電変換素子から出力される電気信号を一時的に保持するフローティングディフュージョンを有する第1の半導体基板と、
第1の半導体基板に対向する第2の半導体基板と、を備え、
前記第2の半導体基板は、
前記第2の半導体基板の厚さ方向に延びるチャネルと、
前記第2の半導体基板の厚さ方向に延び、前記チャネルを挟み込むマルチゲートと、を備える第1のトランジスタを、前記第1の半導体基板に対向する側に備え、
前記第1のトランジスタの前記マルチゲートは、前記フローティングディフュージョンに接続されており、
前記第2の半導体基板は、
前記第2の半導体基板の一方の面側から他方の面側へと到達するソース領域と、
前記第2の半導体基板の一方の面側から他方の面側へと到達するドレイン領域と、をさらに備え、
前記ソース領域は、
前記第2の半導体基板の前記第1の半導体基板と対向する面とは反対の面側から前記電気信号を伝送する信号線に接続されており、
前記ドレイン領域は、
前記第2の半導体基板の前記第1の半導体基板と対向する面とは反対の面側から電源電位に接続されている、
映像記録装置。
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