JPWO2019078291A1 - 撮像装置 - Google Patents

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Abstract

光電変換部を有する第１半導体基板と、前記第１半導体基板に接して設けられた熱伝導配線と、前記熱伝導配線を介して前記光電変換部の温度を制御する冷却素子とを備えた撮像装置。

Description

本開示は、半導体基板を有する撮像装置に関する。
ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサおよびＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ等の固体撮像装置（撮像装置）では、画素毎に光電変換部（例えば、フォトダイオード（ＰＤ:Photo Diode））が設けられている。
撮像装置は、例えば冷却することにより暗電流を抑制することが可能となる（例えば、特許文献１参照）
特開２０１５−１３５９３２号公報
このような撮像装置では、より効率的に光電変換部を冷却することが望まれている。
したがって、より効率的に光電変換部を冷却することが可能な撮像装置を提供することが望ましい。
本開示の一実施の形態に係る撮像装置は、光電変換部を有する第１半導体基板と、第１半導体基板に接して設けられた熱伝導配線と、熱伝導配線を介して光電変換部の温度を制御する冷却素子とを備えたものである。
本開示の一実施の形態に係る撮像装置では、熱伝導配線が第１半導体基板に接して設けられているので、冷却素子により、熱伝導配線を介して第１半導体基板が効率よく冷却される。
尚、上記内容は本開示の一例である。本開示の効果は、上述したものに限らず、他の異なる効果であってもよいし、更に他の効果を含んでいてもよい。
本開示の一実施の形態に係る撮像装置の概略構成を表す平面模式図である。 図１に示したＩＩ−ＩＩ’線に沿った断面構成を表す模式図である。 図１に示したＩＩＩ−ＩＩＩ’線に沿った断面構成を表す模式図である。 図１に示した受光領域の構成を模式的に表す平面図である。 図２，３に示した熱伝導配線の構成を表す平面模式図である。 図３に示した冷却素子の他の構成を表す断面模式図である。 図１に示した撮像装置の機能ブロック図である。 変形例１に係る撮像装置の要部の模式的な構成を表す斜視図である。 変形例２に係る撮像装置の概略構成を表す断面模式図である。 図１等に示した撮像装置を用いた電子機器（カメラ）の一例を表す機能ブロック図である。 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。 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。
以下、本開示における実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明する順序は、下記の通りである。
１．実施の形態（第１半導体基板に接する熱伝導配線を有する撮像装置）
２．変形例１（第１半導体基板内に冷却素子が設けられた例）
３．変形例２（複数の半導体チップの積層構造を有する例）
４．適用例（電子機器の例）
５．応用例（移動体への応用例）
＜実施の形態＞
図１は、本開示の一実施の形態に係る撮像装置（撮像装置１）の全体構成を模式的に表したものである。撮像装置１は、例えばＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサ等に用いられるものであり、複数の画素Ｐ（後述の図７参照）を有する受光領域１１０Ａと、受光領域１１０Ａの外側に設けられ、周辺回路（例えば、後述の図７の周辺回路部１３０）を有する周辺領域１１０Ｂと、受光領域１１０Ａを冷却するための冷却素子Ｅとを有している。周辺領域１１０Ｂには、周辺回路が設けられるとともに、接続領域１１０Ｃが設けられている。この接続領域１１０Ｃには、外部と電気的な接続を行う電気接続部１Ｂと、冷却素子Ｅが接続された熱接続部１Ｃが設けられている。
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ’線に沿った断面構成、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ’線に沿った断面構成を各々模式的に表したものである。撮像装置１は、受光部１０を構成する半導体基板１１（第１半導体基板）の表面（面Ｓ２）側に配線層２０および支持基板４１を有し、半導体基板１１の裏面（光入射面；受光面Ｓ１）側に、オンチップレンズ３５等を備えた集光部３０を有している。
受光部１０は、ＰＤ１２（光電変換部）が埋設された半導体基板１１と、半導体基板１１の裏面上に設けられた保護膜１７とから構成されている。配線層２０には、層間絶縁膜２２を介して複数の配線２１が設けられている。集光部３０は、各画素ＰのＰＤ１２にそれぞれ対向配置されたオンチップレンズ３５を有する。集光部３０は、受光部１０（具体的には、保護膜１７）とオンチップレンズ３５との間に、受光部１０側から順に、平坦化膜３２およびカラーフィルタ３４を有している。集光部３０には、保護膜１７上の各画素Ｐ間に配置された熱伝導配線３３が設けられている。
図４は受光領域１１０Ａの平面構成を模式的に表したものである。撮像装置１は例えば、裏面照射型の撮像装置であり、４つの光電変換部（フォトダイオード（ＰＤ）１２）に対して所要の画素トランジスタを共有させた、いわゆる４画素供給を１単位としたものである。
（各部の構成）
半導体基板１１は、例えばｐ型のシリコン（Ｓｉ）によって構成されている。この半導体基板１１には画素分離溝１１Ａが設けられている。画素分離溝１１Ａは、半導体基板１１の受光面Ｓ１側から、半導体基板１１の厚み方向（Ｚ方向）に延びている。この画素分離溝１１Ａは、隣り合う画素Ｐ（ＰＤ１２）の間に設けられ、例えば、画素Ｐを取り囲むように格子状に配置されている（図４）。画素分離溝１１Ａは、例えば、後述するフローティングディフュージョン（ＦＤ）１３やソース・ドレイン領域２１Ｅ〜２１Ｈに重なるように配置されている。画素分離溝１１Ａの深さ（高さ（ｈ））はクロストークを抑制しうる深さであればよく、ＦＤ１３やソース・ドレイン領域２１Ｅ〜２１Ｈの厚みを１μｍ以下とする場合には、例えば０．２５μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。幅（Ｗ）は、クロストークを抑制し得る幅となっていればよく、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。
半導体基板１１の表面（面Ｓ２）近傍にはＰＤ１２で発生した信号電荷を、例えば垂直信号線Ｌsig（後述の図７参照）に転送する転送トランジスタＴｒ１（図４）が配置されている。転送トランジスタＴｒ１のゲート電極ＴＧ１は、例えば配線層２０に含まれている。信号電荷は、光電変換によって生じる電子および正孔のどちらであってもよいが、ここでは電子を信号電荷として読み出す場合を例に挙げて説明する。
半導体基板１１の面Ｓ２近傍には上記転送トランジスタＴｒ１と共に、例えばリセットトランジスタＴｒ２、増幅トランジスタＴｒ３および選択トランジスタＴｒ４等が設けられている。この様なトランジスタは例えばＭＯＳＥＦＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であり、画素Ｐ毎に回路を構成する。各回路は、例えば転送トランジスタ、リセットトランジスタおよび増幅トランジスタを含む３トランジスタ構成であってもよく、あるいはこれに選択トランジスタが加わった４トランジスタ構成であってもよい。転送トランジスタ以外のトランジスタは、画素間で共有することも可能である。また、４つの画素間（具体的には、図４に示したように２行２列に形成されたＰＤ１２の中心部）にはＦＤ１３が半導体基板１１の面Ｓ２近傍に形成されている。このＦＤ１３は、例えば、半導体基板１１の表面側に形成されたｐ−ウェル層にｎ型の不純物を高濃度に注入することによって形成されたｎ型半導体領域である。
半導体基板１１に設けられたＰＤ１２は、例えば、入射光Ｌを電子に変換する機能（光電変換機能）を有している。このＰＤ１２は、画素Ｐごとに、半導体基板１１（ここではＳｉ基板）の厚み方向（Ｚ方向）に形成された、例えばｎ型半導体領域であり、半導体基板１１の表面および裏面近傍に設けられたｐ型半導体領域とのｐｎ接合型のフォトダイオードである。半導体基板１１には、例えば、画素Ｐ間にもｐ型半導体領域が形成されており、画素分離溝１１Ａはこのｐ型半導体領域に設けられている。画素分離溝１１Ａの先端は、ＦＤ１３の周囲に形成されているｐ−ウェル層に達していなくてもよい。
転送トランジスタＴｒ１は、ＦＤ１３と転送ゲート電極２１Ａとから構成されている。転送ゲート電極２１Ａは、配線２１の１つとして、ＰＤ１２とＦＤ１３との間の半導体基板１１の面Ｓ２近傍の配線層２０に層間絶縁膜２２を介して形成されている。
画素トランジスタのうち、リセットトランジスタＴｒ２，増幅トランジスタＴｒ３および選択トランジスタＴｒ４は、ＦＤ１３を共有する４つのＰＤ１２ごとに形成されている。これらの画素トランジスタは、図４に示したように４つのＰＤ１２で構成される群の一方の側に配置されている。
リセットトランジスタＴｒ２は、一対のソース・ドレイン領域２１Ｅ，２１Ｆと、このソース・ドレイン領域２１Ｅ，２１Ｆの間に形成されたリセットゲート電極２１Ｂとによって構成されている。増幅トランジスタＴｒ３は、一対のソース・ドレイン領域２１Ｆ，２１Ｇと、このソース・ドレイン領域２１Ｆ，２１Ｇの間に形成された増幅ゲート電極２１Ｃとによって構成されている。選択トランジスタＴｒ４は、一対のソース・ドレイン領域２１Ｇ，２１Ｈと、このソース・ドレイン領域２１Ｇ，２１Ｈの間に形成されたリセットゲート電極２１Ｄとによって構成されている。
リセットトランジスタＴｒ２，増幅トランジスタＴｒ３および選択トランジスタＴｒ４は、転送トランジスタＴｒ１と同様の構成を有している。即ち、ソース・ドレイン領域２１Ｅ〜２１Ｈは、ＦＤ１３と同様に、半導体基板１１のｐ−ウェル層内に形成されたｎ型の高濃度不純物領域で構成されている。
保護膜１７は、半導体基板１１の受光面Ｓ１を平坦化するものである。保護膜１７は、半導体基板１１の画素分離溝１１Ａに重なる位置に孔を有しており、各孔は画素分離溝１１Ａに連通している。保護膜１７は、例えば窒化シリコン（Ｓｉ2Ｎ3），酸化シリコン（ＳｉＯ2）および酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）等の単層膜あるいはこれらの積層膜により構成されている。保護膜１７の厚みは、例えば０．０５μｍ以上０．３０μｍ以下であることが好ましい。
保護膜１７（受光部１０）の受光面Ｓ１側には、熱伝導配線３３が設けられている。この熱伝導配線３３は、高い熱伝導性を有し、かつ、ＰＤ１２に入射する光Ｌに対して遮光性を有する材料により構成されている。この熱伝導配線３３は、受光領域１１０Ａでは、隣り合う画素Ｐ（ＰＤ１２）の間に配置されている。熱伝導配線３３の材料としては、例えばタングステン（Ｗ），銅（Ｃｕ），チタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ），アルミニウム（Ａｌ），ルテニウム（Ｒｕ）またはグラファイト等が挙げられる。熱伝導配線３３は、タングステン，銅，チタン，タンタル，アルミニウムまたはルテニウムを含む合金により構成されていてもよい。熱伝導配線３３の膜厚は、例えば２０ｎｍ以上１００００ｎｍ以下である。
隣り合う画素Ｐの間に設けられた熱伝導配線３３は、保護膜１７上から、保護膜１７の孔および画素分離溝１１Ａを埋めるように設けられている。即ち、熱伝導配線３３は、半導体基板１１に接しており、ＰＤ１２に隣接して設けられている。本実施の形態では、この熱伝導配線３３が、熱接続部１Ｃ（接続領域１１０Ｃ）に延在して冷却素子Ｅに熱的に接続されている。したがって、冷却素子Ｅによる温度制御が、熱伝導配線３３を介してなされ、ＰＤ１２近傍が効率よく冷却される。熱伝導配線３３は、このような冷却機能とともに、遮光性を有しているので、隣り合う画素の間で生じるクロストーク等に起因した混色を抑制することができる。
図５は、熱伝導配線３３の平面（受光面Ｓ１）形状の一部を模式的に表したものである。受光領域１１０Ａの熱伝導配線３３は、画素Ｐを囲むように、格子状に設けられている。周辺領域１１０Ｂの一部では、受光領域１１０Ａから延在する熱伝導配線３３が半導体基板１１の受光面Ｓ１上に、ベタ膜状に設けられている（ベタ膜部分３３Ｂ）。このようなベタ膜部分３３Ｂを設けることにより、熱伝導配線３３が、より効率的に半導体基板１１を冷却する。また、ベタ膜部分３３Ｂは、光量ゼロでの電位を測定し、暗電流補正を行うためのオプティカルブラックの領域としても機能する。例えば、熱伝導配線３３は、受光領域１１０Ａから、このベタ膜部分３３Ｂを介して接続領域１１０Ｃに延在している。熱接続部１Ｃは、例えば熱伝導配線３３を平坦化膜３２等から露出させた部分である（図３）。熱接続部１Ｃは、例えば、四角形の平面形状を有しており、熱接続部１Ｃの平面形状は、電気接続部１Ｂの平面形状と略同じである。熱接続部１Ｃは、電気接続部１Ｂと並んで配置されている。
電気接続部１Ｂは、いわゆる電極パッドであり、接続領域１１０Ｃには例えば、複数の電気接続部１Ｂが設けられている。この電気接続部１Ｂは、配線層２０に設けられた配線２３上に開口１４を設け、配線２３を露出させたものである（図２）。
平坦化膜３２は、熱伝導配線３３および保護膜１７を覆うように、熱伝導配線３３および保護膜１７の受光面Ｓ１側に設けられている。この平坦化膜３２は、例えば窒化シリコン（Ｓｉ2Ｎ3），酸化シリコン（ＳｉＯ2）および酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）等の単層膜あるいはこれらの積層膜により構成されている。
カラーフィルタ３４は、例えば平坦化膜３２とオンチップレンズ３５との間に配置されている。このカラーフィルタ３４は、例えば赤色（Ｒ）フィルタ、緑色（Ｇ）フィルタ、青色（Ｂ）フィルタおよび白色フィルタ（Ｗ）のいずれかであり、例えば画素Ｐ毎に設けられている。これらのカラーフィルタ３４は、規則的な色配列（例えばベイヤー配列）で設けられている。このようなカラーフィルタ３４を設けることにより、撮像装置１では、その色配列に対応したカラーの受光データが得られる。
オンチップレンズ３５は、受光部１０（具体的には、受光部１０のＰＤ１２）に向かって光を集光させる機能を有するものである。このオンチップレンズ３５のレンズ系は、画素Ｐのサイズに応じた値に設定されており、例えば０．０５μｍ以上１．００μｍ以下である。また、オンチップレンズ３５の屈折率は、例えば１．４以上２．０以下である。レンズ材料としては、例えば有機材料やシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）等が挙げられる。
支持基板４１は、配線層２０を間にして半導体基板１１に対向している。この支持基板４１は、製造段階で半導体基板１１の強度を確保するためのものであり、例えばシリコン（Ｓｉ）基板によって構成されている。
冷却素子Ｅは、例えばペルチェ素子等により構成されている。冷却素子Ｅは、例えばワイヤボンディングにより熱接続部１Ｃに熱的に接続されており、冷却素子Ｅと熱接続部１Ｃとの間には、これらをつなぐワイヤ（ワイヤＷ）が設けられている（図３）。これにより、熱伝導配線３３を介して冷却素子ＥがＰＤ１２の温度を制御できるようになっている。冷却素子Ｅは、半導体基板１１から離れて配置されていてもよい（図１，図３）。
図６に示したように、半導体基板１１に対向して冷却素子Ｅを配置するようにしてもよい。例えば、冷却素子Ｅは、配線層２０および支持基板４1を間にして半導体基板１１に対向しており、これらは互いに接している。このように冷却素子Ｅを半導体基板１１に積層して設けることにより、冷却素子Ｅが直接半導体基板１１を冷却することが可能となり、より効率よく半導体基板１１が冷却される。
（全体構成）
図７は撮像装置１の全体構成をブロック図として表したものである。この撮像装置１は、例えばＣＭＯＳイメージセンサを構成するものであり、半導体基板１１上の中央部に撮像エリアとしての受光領域１１０Ａを有している。受光領域１１０Ａの外側の周辺領域１１０Ｂには、例えば行走査部１３１、システム制御部１３２、水平選択部１２３および列走査部１３４を含む周辺回路部１３０が設けられている。
受光領域１１０Ａは、例えば行列状に２次元配置された複数の単位画素Ｐを有している。この単位画素Ｐには、例えば画素行ごとに画素駆動線Ｌread（具体的には行選択線およびリセット制御線）が、画素列ごとに垂直信号線Ｌsigが配線されている。画素駆動線Ｌreadは、画素からの信号読み出しのための駆動信号を伝送するものであり、その一端は行走査部１３１の各行に対応した出力端に接続されている。
行走査部１３１は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成され、受光領域１１０Ａの各画素Ｐを例えば行単位で駆動する画素駆動部である。行走査部１３１によって選択された画素行の各画素Ｐから出力される信号は、垂直信号線Ｌsigの各々を通じて水平選択部１２３に供給される。水平選択部１２３は、例えば垂直信号線Ｌsigごとに設けられたアンプや水平選択スイッチ等により構成されている。
列走査部１３４は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成され、水平選択部１２３の各水平選択スイッチを走査しつつ順番に駆動するものである。この列走査部１３４による選択走査により、垂直信号線Ｌsigの各々を通じて伝送される各画素Ｐの信号が順番に水平信号線１３５に出力され、当該水平信号線１３５を通じて半導体基板１１の外部へ伝送される。
行走査部１３１、水平選択部１２３、列走査部１３４および水平信号線１３５からなる回路部分は、半導体基板１１上に直に形成されていてもよいし、あるいは外部制御ＩＣに配設されたものであってもよい。ケーブル等により接続された他の基板にこの回路部分を設けることも可能である。
システム制御部１３２は、半導体基板１１の外部から与えられるクロックや動作モードを指令するデータ等を受け取ると共に、撮像装置１の内部情報を出力するものである。システム制御部１３２は、これに加え、例えば各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータを有し、当該タイミングジェネレータで生成された各種のタイミング信号を基に行走査部１３１、水平選択部１２３および列走査部１３４等の周辺回路の駆動制御を行う。
冷却素子Ｅを使用する撮影モード（例えば、低ノイズ撮影）と、冷却素子Ｅを使用しない撮影モードとが選択できるようになっていることが好ましい。この撮影モードの切り替えは、例えば、撮像装置１の電源の入切等と同じ操作画面で行えるようになっている。
（動作）
撮像装置１では、例えば次のようにして信号電荷（ここでは電子）が取得される。撮像装置１に、オンチップレンズ３５を介して光Ｌが入射すると、光Ｌはカラーフィルタ３４等を通過して各画素ＰにおけるＰＤ１２で検出（吸収）され、赤，緑または青の色光が光電変換される。ＰＤ１２で発生した電子−正孔対のうち、電子は半導体基板１１（例えば、Ｓｉ基板ではｎ型半導体領域）へ移動して蓄積され、正孔はｐ型領域へ移動して排出される。
冷却素子Ｅを使用する撮影モードが選択された場合には、信号電荷の取得前（撮影前）に冷却素子Ｅによる半導体基板１１（ＰＤ１２）の冷却が開始され、十分な冷却がなされた後、信号電荷が取得される。十分な冷却の終点は、例えば、予め冷却の程度を計測するためのメータを設定しておき、このメータが１００％に達した時点とする。
（作用・効果）
本実施の形態の撮像装置１では、熱伝導配線３３が、半導体基板１１に接して設けられているので、冷却素子Ｅにより、熱伝導配線３３を介して半導体基板１１が効率よく冷却される。以下、これについて説明する。
暗電流を抑える方法として、モジュール全体を冷却する方法を考え得る（例えば、特許文献１参照）。しかし、この方法では、光電変換部の冷却効率が低いため、光電変換部を十分に冷却するためには大きな電力を要する。また、長い冷却時間を要する。このため、大きな容量を有する内部バッテリが必要となり、装置の小型化が困難となる。例えば、光電変換部の冷却機能を有する撮像装置は、持ち運ぶことができず、用途が限定される。
これに対して、本実施の形態の撮像装置１では、半導体基板１１の画素分離溝１１Ａに熱伝導配線３３が設けられ、半導体基板１１に熱伝導配線３３が接している。また、画素分離溝１１Ａは隣り合う画素Ｐ（ＰＤ１２）の間に設けられているので、ＰＤ１２と近い位置に熱伝導配線３３が配置される。したがって、冷却素子Ｅに接続された熱伝導配線３３を介して半導体基板１１に設けられたＰＤ１２が効率よく冷却される。
このように撮像装置１では、モジュール全体を冷却する方法に比べて、より効率よくＰＤ１２が冷却されるので、ＰＤ１２を十分に冷却するための電力量が小さくなる。また、冷却時間も短縮される。したがって、装置の小型化が可能となり、例えば持ち運び用途（モバイル製品）にも適用可能となる。
以上のように、本実施の形態では、熱伝導配線３３を半導体基板１１に接して設けるようにしたので、例えば、半導体基板１１を間接的に冷却する場合に比べて、半導体基板１１に設けられたＰＤ１２を効率よく冷却することができる。よって、より効率的にＰＤ１２を冷却することが可能となる。
以下、上記実施の形態の変形例について説明するが、以降の説明において上記実施の形態と同一構成部分については同一符号を付してその説明は適宜省略する。
＜変形例１＞
図８は、上記実施の形態の変形例１に係る撮像装置（撮像装置１Ａ）の要部の模式的な構成を表したものである。この撮像装置１Ａでは、半導体基板１１の周辺領域１１０Ｂに冷却素子Ｅが設けられている。この点を除き、変形例１に係る撮像装置１Ａは、上記実施の形態の撮像装置１と同様の構成を有し、その作用および効果も同様である。
半導体基板１１内の周辺領域１１０Ｂに設けられた冷却素子Ｅは、受光領域１１０ＡのＰＤ１２と略同層に設けられている。受光領域１１０Ａと冷却素子Ｅとの間には、絶縁膜５０が設けられている。冷却素子Ｅは、半導体基板１１内に設けられたｐ型半導体部５１およびｎ型半導体部５２と、ｐ型半導体部５１とｎ型半導体部５２との間の金属部５３とを有している。即ち、この半導体基板１１内に設けられた冷却素子Ｅは、ペルチェ効果を利用している。
金属部５３により分離されたｐ型半導体部５１およびｎ型半導体部５２は、半導体基板１１の周辺領域１１０Ｂに各々複数設けられている。複数のｐ型半導体部５１およびｎ型半導体部５２は、半導体基板１１の面方向（図８ではＹ方向）に沿って、交互に配置されている。ｐ型半導体部５１は、例えば、半導体基板１１内にｐ型不純物を拡散させることにより形成されている。ｎ型半導体部５２は、例えば、半導体基板１１内にｎ型不純物を拡散させることにより形成されている。ｐ型半導体部５１およびｎ型半導体部５２は、例えば、ＰＤ１２の形成工程と同一工程で形成することが可能である。金属部５３は、例えば、タングステン（Ｗ）等を半導体基板１１内に埋め込むことにより形成されている。金属部５３は、例えば、熱伝導配線３３と同一工程で形成することが可能である。金属部５３は、アルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ），チタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ），白金（Ｐｔ）またはコバルト（Ｃｏ）等により構成するようにしてもよい。
金属部５３は、ｐ型半導体部５１およびｎ型半導体部５２の並び方向（図８のＹ方向）に沿って、複数設けられている。吸熱電極となる金属部５３と、放熱電極となる金属部５３とが交互に配置される。放熱電極となる金属部５３には放熱配線５４が接続されている。この放熱配線５４は、半導体基板１１の外側に引き出されており、半導体基板１１の外部で放熱されるようになっている。吸熱電極となる金属部５３には吸熱配線５５が接続されている。この吸熱配線５５は、冷却素子Ｅと受光領域１１０Ａとの間の絶縁膜５０に設けられ、受光領域１１０Ａの熱伝導配線３３に接続されている。換言すれば、吸熱電極となる金属部５３は、吸熱配線５５を介して、熱的に熱伝導配線３３に接続されている。これにより、周辺領域１１０Ｂに設けられた冷却素子Ｅにより、受光領域１１０ＡのＰＤ１２が冷却される。
冷却素子Ｅの占有面積は、撮像装置１Ａの大きさや用途等に応じて適宜変更すればよい。冷却素子Ｅで得られる冷却効果については、既存の計算式を用いて推定することができる。例えば、撮像装置１Ａがモバイル用途であるとき、有効画素相当を３０ケルビン冷却する場合には、ｐ型半導体部５１およびｎ型半導体部５２を各々、幅３画素分、長さ１０画素分にわたって設けるようにすればよい。
本変形例のように、冷却素子Ｅを半導体基板１１内に設けるようにしてもよい。この場合にも、上記実施の形態と同等の効果を得ることができる。また、撮像装置１Ａでは、半導体基板１１の外側の冷却素子が不要となるので、上記撮像装置１に比べて小型化が可能となる。更に、半導体基板１１の外側の冷却素子を、半導体基板１１の熱伝導配線３３に接続する工程が不要となるので、撮像装置１に比べて製造工程が簡便になり、コストを抑えることが可能となる。
＜変形例２＞
図９は、上記実施の形態の変形例に係る撮像装置（撮像装置２）の模式的な断面構成を表したものである。この撮像装置２は、第１半導体チップ８１および第２半導体チップ８２の積層構造を有している。本技術は、このような積層型の撮像装置２にも適用可能である。
第１半導体チップ８１は、第１半導体基板を有し、この第１半導体基板に例えばＰＤ１２および制御回路が設けられている。撮像装置２では、この第１半導体チップ８１に、受光領域１１０Ａから周辺領域１１０Ｂの熱接続部１Ｃに延在する熱伝導配線３３（図３等参照）が設けられている。第１半導体チップ８１には、複数のコンタクト電極８１Ｃが設けられている。このコンタクト電極８１Ｃは、第１半導体チップ８１の第２半導体チップ８２との接合面に露出されている。
第２半導体チップ８２は、第１半導体基板に対向する第２半導体基板を有し、この第２半導体基板に、例えば、信号処理回路を含むロジック回路が設けられている。第２半導体チップ８２には、複数のコンタクト電極８２Ｃが設けられている。このコンタクト電極８２Ｃは、第２半導体チップ８２の第１半導体チップ８１との接合面に露出され、第１半導体チップ８１のコンタクト電極８１Ｃに接続されている。コンタクト電極８１Ｃ，８２Ｃは、例えば、銅（Ｃｕ）パッドにより構成されている。即ち、第１半導体チップ８１と第２半導体チップ８２とは例えば、Ｃｕ−Ｃｕ接合により電気的に接続されている。例えば第１半導体チップ８１の制御回路と、第２半導体チップ８２の信号処理回路とがコンタクト電極８１Ｃ，８２Ｃを介して電気的に接続されている。
冷却素子Ｅは、例えば、第１半導体チップ８１および第２半導体チップ８２に積層して設けられている。冷却素子Ｅは、例えば、第２半導体チップ８２を間にして第１半導体チップ８１に対向している。この冷却素子Ｅは、例えば第２半導体チップ８２に設けられた貫通電極８２Ｅを介して第１半導体チップ８１に設けられた熱接続部１Ｃに熱的に接続されている。
本変形例のように、積層型の撮像装置２に本技術を適用し、冷却素子Ｅと熱接続部１Ｃ（熱伝導配線３３）とを貫通電極８２Ｅにより熱的に接続するようにしてもよい。この場合にも、上記実施の形態と同等の効果を得ることができる。
図９では、２つの半導体チップ（第１半導体チップ８１，第２半導体チップ８２）を積層した撮像装置２を示したが、３つ以上の半導体チップを積層した撮像装置に本技術を適用するようにしてもよい。
＜適用例＞
上述の撮像装置１，１Ａ，２は、撮像機能を有するあらゆるタイプの電子機器に適用することができる。例えば、撮像装置１，１Ａ，２は、デジタルスチルカメラおよびビデオカメラ等のカメラシステム、携帯電話またはスマートフォン等に適用できる。図１０に、その一例として、電子機器９（カメラ）の概略構成を示す。この電子機器９は、例えば静止画または動画を撮影可能なカメラであり、撮像装置１，１Ａ，２と、光学系（光学レンズ）３１０と、シャッタ装置３１１と、撮像装置１，１Ａ，２およびシャッタ装置３１１を駆動する駆動部３１３と、信号処理部３１２とを有する。
光学系３１０は、被写体からの像光（入射光）を撮像装置１，２へ導くものである。この光学系３１０は、複数の光学レンズから構成されていてもよい。シャッタ装置３１１は、撮像装置１，２への光照射期間および遮光期間を制御するものである。駆動部３１３は、撮像装置１，２の転送動作およびシャッタ装置３１１のシャッタ動作を制御するものである。信号処理部３１２は、撮像装置１，２から出力された信号に対し、各種の信号処理を行うものである。信号処理後の映像信号Ｄoutは、メモリなどの記憶媒体に記憶されるか、あるいは、モニタ等に出力される。
更に、本実施の形態等において説明した撮像装置１，１Ａ，２は、下記電子機器（車両等の移動体）にも適用することが可能である。
＜移動体への応用例＞
本開示に係る技術は、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、建設機械、農業機械（トラクター）など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１１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１１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１１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１２は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
図１２では、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。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１２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、撮像部12031に適用され得る。具体的には、図１の撮像装置１等は、撮像部12031に適用することができる。撮像部12031に本開示に係る技術を適用することにより、より見やすい撮影画像を得ることができるため、ドライバの疲労を軽減することが可能になる。
以上、実施の形態および変形例等を挙げて説明したが、本開示内容は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態において説明した撮像装置の構成は一例であり、更に他の層を備えていてもよい。また、各層の材料や厚みも一例であって、上述のものに限定されるものではない。
また、上記実施の形態等では、裏面照射型の撮像装置を例に挙げて説明したが、本技術は表面照射型の撮像装置に適用することも可能である。
更に、上記実施の形態等では、熱伝導配線３３が、高い熱伝導性と遮光性とを有する場合について説明したが、熱伝導配線３３は熱伝導性を有していればよく、遮光性を有していなくてもよい。加えて、上記実施の形態等では、画素分離溝１１Ａに熱伝導配線３３を設ける場合について説明したが、熱伝導配線３３は半導体基板１１に接していればよく、他の位置に設けるようにしてもよい。画素分離溝１１Ａは、例えば保護膜１７等により埋設されていてもよい。
また、本技術は光電変換部が設けられた半導体基板とともに有機光電変換層を有する撮像装置（固体撮像装置）にも適用可能である。
上記実施の形態等において説明した効果は一例であり、他の効果であってもよいし、更に他の効果を含んでいてもよい。
尚、本開示は、以下のような構成であってもよい。
以下の構成の本開示によれば、熱伝導配線を第１半導体基板に接して設けるようにしたので、例えば、第１半導体基板を間接的に冷却する場合に比べて、第１半導体基板に設けられた光電変換部を効率よく冷却することができる。よって、より効率的に光電変換部を冷却することが可能となる。
（１）
光電変換部を有する第１半導体基板と、
前記第１半導体基板に接して設けられた熱伝導配線と、
前記熱伝導配線を介して前記光電変換部の温度を制御する冷却素子と
を備えた撮像装置。
（２）
前記第１半導体基板は溝を有し、
前記溝に前記熱伝導配線が埋め込まれている
前記（１）に記載の撮像装置。
（３）
前記光電変換部を複数有し、
前記溝は隣り合う前記光電変換部の間に設けられている
前記（２）に記載の撮像装置。
（４）
前記熱伝導配線は、前記光電変換部に入射する光に対して遮光性を有する材料により構成されている
前記（１）ないし（３）のうちいずれか１つに記載の撮像装置。
（５）
前記熱伝導配線は、タングステン（Ｗ），銅（Ｃｕ），チタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ），アルミニウム（Ａｌ），ルテニウム（Ｒｕ）またはカーボングラファイトを含む
前記（１）ないし（４）のうちいずれか１つに記載の撮像装置。
（６）
前記第１半導体基板には、前記光電変換部が設けられた受光領域と、前記受光領域の外側の周辺領域とが設けられ、
前記熱伝導配線は、前記受光領域に設けられるとともに、前記受光領域から前記周辺領域に延在している
前記（１）ないし（５）のうちいずれか１つに記載の撮像装置。
（７）
前記熱伝導配線は、前記第１半導体基板の受光面に設けられ、前記周辺領域にベタ膜部分を有する
前記（６）に記載の撮像装置。
（８）
前記周辺領域で、前記熱伝導配線は前記冷却素子に熱的に接続されている
前記（６）または（７）に記載の撮像装置。
（９）
前記熱伝導配線は、ワイヤボンディングにより前記冷却素子に熱的に接続されている
前記（１）ないし（８）のうちいずれか１つに記載の撮像装置。
（１０）
前記冷却素子は、前記第１半導体基板に対向して設けられている
前記（１）ないし（８）のうちいずれか１つに記載の撮像装置。
（１１）
更に、前記第１半導体基板に電気的に接続されるとともに、前記第１半導体基板に積層された第２半導体基板を有し、
前記冷却素子は、前記第２半導体基板を間にして前記第１半導体基板に対向している
前記（１０）に記載の撮像装置。
（１２）
更に、前記第２半導体基板に設けられ、前記熱伝導配線と前記冷却素子とを熱的に接続する貫通電極を有する
前記（１１）に記載の撮像装置。
（１３）
前記冷却素子は、ペルチェ素子である
前記（１）ないし（１２）のうちいずれか１つに記載の撮像装置。
（１４）
前記第１半導体基板には、前記光電変換部が設けられた受光領域と、前記受光領域の外側の周辺領域とが設けられ、
前記冷却素子が前記周辺領域に設けられている
前記（１）ないし（８）のうちいずれか１つに記載の撮像装置。
（１５）
前記冷却素子は、前記第１半導体基板内に設けられたＰ型半導体部およびＮ型半導体部と、前記Ｐ型半導体部と前記Ｎ型半導体部との間の金属部とを含んでいる
前記（１４）に記載の撮像装置。
（１６）
前記熱伝導配線は前記金属部に接続されている
前記（１５）に記載の撮像装置。
本出願は、日本国特許庁において２０１７年１０月２０日に出願された日本特許出願番号第２０１７−２０３３１１号および２０１８年８月２９日に出願された日本特許出願番号第２０１８−１５９９９６号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願の全ての内容を参照によって本出願に援用する。
当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims (16)

  1. 光電変換部を有する第１半導体基板と、
    前記第１半導体基板に接して設けられた熱伝導配線と、
    前記熱伝導配線を介して前記光電変換部の温度を制御する冷却素子と
    を備えた撮像装置。
  2. 前記第１半導体基板は溝を有し、
    前記溝に前記熱伝導配線が埋め込まれている
    請求項１に記載の撮像装置。
  3. 前記光電変換部を複数有し、
    前記溝は隣り合う前記光電変換部の間に設けられている
    請求項２に記載の撮像装置。
  4. 前記熱伝導配線は、前記光電変換部に入射する光に対して遮光性を有する材料により構成されている
    請求項３に記載の撮像装置。
  5. 前記熱伝導配線は、タングステン（Ｗ），銅（Ｃｕ），チタン（Ｔｉ），タンタル（Ｔａ），アルミニウム（Ａｌ），ルテニウム（Ｒｕ）またはカーボングラファイトを含む
    請求項１に記載の撮像装置。
  6. 前記第１半導体基板には、前記光電変換部が設けられた受光領域と、前記受光領域の外側の周辺領域とが設けられ、
    前記熱伝導配線は、前記受光領域に設けられるとともに、前記受光領域から前記周辺領域に延在している
    請求項１に記載の撮像装置。
  7. 前記熱伝導配線は、前記第１半導体基板の受光面に設けられ、前記周辺領域にベタ膜部分を有する
    請求項６に記載の撮像装置。
  8. 前記周辺領域で、前記熱伝導配線は前記冷却素子に熱的に接続されている
    請求項６に記載の撮像装置。
  9. 前記熱伝導配線は、ワイヤボンディングにより前記冷却素子に熱的に接続されている
    請求項８に記載の撮像装置。
  10. 前記冷却素子は、前記第１半導体基板に対向して設けられている
    請求項１に記載の撮像装置。
  11. 更に、前記第１半導体基板に電気的に接続されるとともに、前記第１半導体基板に積層された第２半導体基板を有し、
    前記冷却素子は、前記第２半導体基板を間にして前記第１半導体基板に対向している
    請求項１０に記載の撮像装置。
  12. 更に、前記第２半導体基板に設けられ、前記熱伝導配線と前記冷却素子とを熱的に接続する貫通電極を有する
    請求項１１に記載の撮像装置。
  13. 前記冷却素子は、ペルチェ素子である
    請求項１に記載の撮像装置。
  14. 前記第１半導体基板には、前記光電変換部が設けられた受光領域と、前記受光領域の外側の周辺領域とが設けられ、
    前記冷却素子が前記周辺領域に設けられている
    請求項１に記載の撮像装置。
  15. 前記冷却素子は、前記第１半導体基板内に設けられたＰ型半導体部およびＮ型半導体部と、前記Ｐ型半導体部と前記Ｎ型半導体部との間の金属部とを含んでいる
    請求項１４に記載の撮像装置。
  16. 前記熱伝導配線は前記金属部に接続されている
    請求項１５に記載の撮像装置。
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