JPWO2020100577A1 - 固体撮像装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

本開示の一実施の形態に係る固体撮像装置は、第１モードのときには第１信号経路を光電変換部に電気的に接続するとともに第２信号経路を光電変換部から電気的に切り離し、第２モードのときには第１信号経路および第２信号経路の双方を光電変換部に電気的に接続するモード切り換えスイッチ部を備えている。少なくとも光電変換部が、互いに積層された第１基板および第２基板のうち、第１基板に形成され、少なくとも第２増幅トランジスタが第２基板に形成される。

Description

本開示は、固体撮像装置および電子機器に関する。

固体撮像装置は、例えば、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯端末装置などの電子機器に用いられている。固体撮像装置としては、光電変換素子であるフォトダイオードに蓄積された電荷を、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタを介して読み出すＣＭＯＳ（complementary MOS）イメージセンサがある。

ＣＭＯＳイメージセンサでは、低照度時にも撮像信号を取得することができるように、感度は高い方が望ましい。また、ダイナミックレンジを大きくするためには、フォトダイオードは飽和しにくい方が望ましい。しかしながら、感度が高いことと、フォトダイオードが飽和しにくいことはトレードオフの関係にあり、高感度を維持しつつ、ダイナミックレンジを拡大することは難しい。そこで、例えば、特許文献１では、小容量のフローティングディフュージョンと、大容量のフローティングディフュージョンを設け、低照度時には小容量のフローティングディフュージョンをフォトダイオードに接続し、高照度時には大容量のフローティングディフュージョンを接続することが開示されている。

特開２００３−１３４３９６号公報

しかし、特許文献１に記載の発明を、高精細な用途に適用した場合、２つのフローティングディフュージョンを設けるのに十分なスペースを確保することが難しいという問題がある。従って、高精細な用途においても、高感度および高ダイナミックレンジを両立することの可能な固体撮像装置およびそれを備えた電子機器を提供することが望ましい。

本開示の第１の側面である固体撮像装置は、光電変換部と、第１フローティングディフュージョンおよび第１増幅トランジスタを含む第１信号経路と、第２フローティングディフュージョンおよび第２増幅トランジスタを含む第２信号経路とを備えている。この固体撮像装置は、第１モードのときには第１信号経路を光電変換部に電気的に接続するとともに第２信号経路を光電変換部から電気的に切り離し、第２モードのときには第１信号経路および第２信号経路の双方を光電変換部に電気的に接続するモード切り換えスイッチ部を更に備えている。この固体撮像装置は、第１基板および第２基板を更に備えている。第１基板には、光電変換部、第１フローティングディフュージョン、第１増幅トランジスタ、第２フローティングディフュージョン、第２増幅トランジスタおよびモード切り換えスイッチ部のうち、少なくとも光電変換部が形成されている。第２基板は、第１基板に積層されている。第２基板には、光電変換部、第１フローティングディフュージョン、第１増幅トランジスタ、第２フローティングディフュージョン、第２増幅トランジスタおよびモード切り換えスイッチ部のうち、少なくとも第２増幅トランジスタが形成されている。

本開示の第１の側面である電子機器は、入射光に応じた画素信号を出力する固体撮像装置と、画素信号を処理する信号処理回路とを備えている。この電子機器に設けられた固体撮像装置は、本開示の第１の側面である固体撮像装置と同様の構成を備えている。

本開示の第２の側面である固体撮像装置は、光電変換部と、第１フローティングディフュージョンおよび第１増幅トランジスタを含む第１信号経路と、第２フローティングディフュージョンおよび第２増幅トランジスタを含む第２信号経路とを備えている。この固体撮像装置は、第１モードのときには第１信号経路を光電変換部に電気的に接続するとともに第２信号経路を光電変換部から電気的に切り離し、第２モードのときには第１信号経路および第２信号経路の双方を光電変換部に電気的に接続するモード切り換えスイッチ部とを更に備えている。この固体撮像装置は、第１基板、第２基板および第３基板を更に備えている。第１基板には、光電変換部および第１フローティングディフュージョンが形成されている。第２基板は、第１基板に積層されている。第２基板には、第１増幅トランジスタ、第２フローティングディフュージョンおよびモード切り換えスイッチ部が形成されている。第３基板は、第２基板に積層されている。第３基板には、第２増幅トランジスタが形成されている。

本開示の第２の側面である電子機器は、入射光に応じた画素信号を出力する固体撮像装置と、画素信号を処理する信号処理回路とを備えている。この電子機器に設けられた固体撮像装置は、本開示の第２の側面である固体撮像装置と同様の構成を備えている。

本開示の第１の側面である固体撮像装置および電子機器、ならびに本開示の第２の側面である固体撮像装置および電子機器では、使用する増幅トランジスタがモードに応じて選択される。これにより、高感度を維持しつつ、ダイナミックレンジを拡大することが可能となる。また、本開示の第１の側面である固体撮像装置および電子機器、ならびに本開示の第２の側面である固体撮像装置および電子機器では、少なくとも増幅トランジスタが、光電変換部の形成された基板とは別の基板に形成される。これにより、高精細な固体撮像装置であっても、フローティングディフュージョンや増幅トランジスタを設けるのに十分なスペースを確保することが可能となる。

本開示の一実施の形態に係る固体撮像装置の概略構成の一例を表す図である。 図１のセンサ画素および読み出し回路の一例を表す図である。 図１の固体撮像装置の垂直方向の断面構成の一例を表す図である。 図１の固体撮像装置の水平方向の断面構成の一例を表す図である。 図１の固体撮像装置の水平方向の断面構成の一例を表す図である。 図４の断面構成と図５の断面構成とを互いに重ね合わせたときの構成の一例を表す図である。 図１の固体撮像装置の水平方向の断面構成の一変形例を表す図である。 図１の固体撮像装置の製造方法の一例を表す図である。 図８Ａに続く製造過程を説明するための図である。 図８Ｂに続く製造過程を説明するための図である。 図８Ｃに続く製造過程を説明するための図である。 図８Ｄに続く製造過程を説明するための図である。 図８Ｅに続く製造過程を説明するための図である。 図８Ｆに続く製造過程を説明するための図である。 図１のセンサ画素および読み出し回路の一変形例を表す図である。 図４の断面構成の一変形例を表す図である。 図５の断面構成の一変形例を表す図である。 図７の断面構成の一変形例を表す図である。 図１のセンサ画素および読み出し回路の一変形例を表す図である。 図１のセンサ画素および読み出し回路の一変形例を表す図である。 図１のセンサ画素および読み出し回路の一変形例を表す図である。 図１のセンサ画素および読み出し回路の一変形例を表す図である。 図１のセンサ画素および読み出し回路の一変形例を表す図である。 図１の固体撮像装置の垂直方向の断面構成の一変形例を表す図である。 図１の固体撮像装置の垂直方向の断面構成の一変形例を表す図である。 複数の読み出し回路と複数の垂直信号線との接続態様の一変形例を表す図である。 図１５の構成を備えた固体撮像装置の水平方向の断面構成の一変形例を表す図である。 図１５の構成を備えた固体撮像装置の水平方向の断面構成の一変形例を表す図である。 上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像装置の垂直方向の断面構成の一変形例を表す図である。 図１５、図２１、図２２、図２３の構成を備えた固体撮像装置の水平方向の断面構成の一変形例を表す図である。 図１５、図２１、図２２、図２３の構成を備えた固体撮像装置の水平方向の断面構成の一変形例を表す図である。 図１５、図２１、図２２、図２３〜図２５の構成を備えた固体撮像装置の水平方向の断面構成の一変形例を表す図である。 図１５、図２１、図２２、図２３〜図２６の構成を備えた固体撮像装置の水平方向の断面構成の一変形例を表す図である。 上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像装置を備えた撮像装置の回路構成の一例を表す図である。 図２８の固体撮像装置を３つの基板を積層して構成した例を表す図である。 ロジック回路を、センサ画素の設けられた基板と、読み出し回路の設けられた基板とに分けて形成した例を表す図である。 ロジック回路を、第３基板に形成した例を表す図である。 上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像装置を備えた撮像システムの概略構成の一例を表す図である。 図３２の撮像システムにおける撮像手順の一例を表す図である。 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。 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。 カメラヘッド及びＣＣＵの機能構成の一例を示すブロック図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。

１．実施の形態（固体撮像装置）…図１〜図８Ｇ
２．変形例（固体撮像装置）…図９〜図３１
３．適用例（撮像システム）…図３２、図３３
４．応用例
移動体への応用例…図３４、図３５
内視鏡手術システムへの応用例…図３６、図３７

＜１．実施の形態＞
[構成]
本開示の一実施の形態に係る固体撮像装置１について説明する。固体撮像装置１は、例えば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ等からなる裏面照射型のイメージセンサである。固体撮像装置１は、被写体からの光を受光して光電変換し、画像信号を生成することで画像を撮像する。固体撮像装置１は、入射光に応じた画素信号を出力する。

裏面照射型のイメージセンサとは、被写体からの光が入射する受光面と、各画素を駆動させるトランジスタ等の配線が設けられた配線層との間に、被写体からの光を受光し、電気信号に変換するフォトダイオード等の光電変換部が設けられている構成のイメージセンサである。なお、本開示は、ＣＭＯＳイメージセンサへの適用に限られるものではない。

図１は、本開示の一実施の形態に係る固体撮像装置１の概略構成の一例を表したものである。固体撮像装置１は、３つの基板（第１基板１０、第２基板２０、第３基板３０）を備えている。固体撮像装置１は、３つの基板（第１基板１０、第２基板２０、第３基板３０）を貼り合わせて構成された３次元構造の撮像装置である。第１基板１０、第２基板２０および第３基板３０は、この順に積層されている。

第１基板１０は、光電変換を行う複数のセンサ画素１２が行列状に配置された画素領域１３を有している。画素領域１３は、半導体基板１１上に形成されている。第２基板２０は、センサ画素１２から出力された電荷に基づく画素信号を出力する複数の読み出し回路２２を有している。複数の読み出し回路２２は、半導体基板２１上に形成されており、例えば、１つのセンサ画素１２ごとに１つずつ割り当てられている。第２基板２０は、行方向に延在する複数の画素駆動線２３と、列方向に延在する複数の垂直信号線２４とを有している。第３基板３０は、画素信号を処理するロジック回路３２を有している。ロジック回路３２は、半導体基板３１上に形成されている。ロジック回路３２は、例えば、垂直駆動回路３３、カラム信号処理回路３４、水平駆動回路３５およびシステム制御回路３６を有している。ロジック回路３２（具体的には水平駆動回路３５）は、センサ画素１２ごとの出力電圧Ｖｏｕｔを外部に出力する。

垂直駆動回路３３は、例えば、複数のセンサ画素１２を行単位で順に選択する。カラム信号処理回路３４は、例えば、垂直駆動回路３３によって選択された行の各センサ画素１２から出力される画素信号に対して、相関二重サンプリング（Correlated Double Sampling：ＣＤＳ）処理を施す。カラム信号処理回路３４は、例えば、ＣＤＳ処理を施すことにより、画素信号の信号レベルを抽出し、各センサ画素１２の受光量に応じた画素データを保持する。水平駆動回路３５は、例えば、カラム信号処理回路３４に保持されている画素データを順次、外部に出力する。システム制御回路３６は、例えば、ロジック回路３２内の各ブロック（垂直駆動回路３３、カラム信号処理回路３４および水平駆動回路３５）の駆動を制御する。

図２は、センサ画素１２および読み出し回路２２の回路構成の一例を表したものである。以下では、図２に示したように、１つのセンサ画素１２に１つの読み出し回路２２が割り当てられている場合について説明する。

各センサ画素１２は、例えば、フォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤと電気的に接続された転送トランジスタＴＲＧと、転送トランジスタＴＲＧを介してフォトダイオードＰＤから出力された電荷を一時的に保持する２つのフローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２とを有している。フォトダイオードＰＤは、本開示の「光電変換部」の一具体例に相当する。フローティングディフュージョンＦＤ１は、本開示の「第１フローティングディフュージョン」の一具体例に相当する。フローティングディフュージョンＦＤ２は、本開示の「第２フローティングディフュージョン」の一具体例に相当する。

フォトダイオードＰＤは、光電変換を行って受光量に応じた電荷を発生する。フォトダイオードＰＤのカソードが転送トランジスタＴＲＧのソースに電気的に接続されており、フォトダイオードＰＤのアノードが基準電位線（例えばグラウンドＧＮＤ）に電気的に接続されている。転送トランジスタＴＲＧのドレインがフローティングディフュージョンＦＤ１に電気的に接続され、転送トランジスタＴＲＧのゲートは画素駆動線２３に電気的に接続されている。転送トランジスタＴＲは、例えば、ＮＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタである。

各センサ画素１２は、例えば、２つのフローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２を切り替える切り換えトランジスタＦＤＧを更に有している。切り換えトランジスタＦＤＧは、本開示の「モード切り換えスイッチ部」の一具体例に相当する。切り換えトランジスタＦＤＧは、例えば、ＮＭＯＳトランジスタである。切り換えトランジスタＦＤＧのソースがフローティングディフュージョンＦＤ１となっており、転送トランジスタＴＲＧのドレインに電気的に接続されている。切り換えトランジスタＦＤＧのドレインがフローティングディフュージョンＦＤ２となっており、後述のリセットトランジスタＲＳＴのソースに電気的に接続されている。

読み出し回路２２は、例えば、リセットトランジスタＲＳＴと、２つの増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２と、２つの選択トランジスタＳＥＬ１，ＳＥＬとを有している。増幅トランジスタＡＭＰ１は、本開示の「第１増幅トランジスタ」の一具体例に相当する。増幅トランジスタＡＭＰ２は、本開示の「第２増幅トランジスタ」の一具体例に相当する。リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２および選択トランジスタＳＥＬ１，ＳＥＬ２は、例えば、ＮＭＯＳトランジスタである。

リセットトランジスタＲＳＴのソース（読み出し回路２２の入力端）がフローティングディフュージョンＦＤ２に電気的に接続されており、リセットトランジスタＲＳＴのドレインが電源線ＶＤＤおよび２つの増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２のドレインに電気的に接続されている。リセットトランジスタＲＳＴのゲートは画素駆動線２３（図１参照）に電気的に接続されている。増幅トランジスタＡＭＰ１のソースが選択トランジスタＳＥＬ１のドレインに電気的に接続されており、増幅トランジスタＡＭＰ１のゲートがフローティングディフュージョンＦＤ１に電気的に接続されている。選択トランジスタＳＥＬ１のソース（読み出し回路２２の出力端）が垂直信号線２４に電気的に接続されており、選択トランジスタＳＥＬ１のゲートが画素駆動線２３（図１参照）に電気的に接続されている。増幅トランジスタＡＭＰ２のソースが選択トランジスタＳＥＬ２のドレインに電気的に接続されており、増幅トランジスタＡＭＰ２のゲートがフローティングディフュージョンＦＤ２に電気的に接続されている。選択トランジスタＳＥＬ２のソース（読み出し回路２２の出力端）が垂直信号線２４に電気的に接続されており、選択トランジスタＳＥＬ２のゲートが画素駆動線２３（図１参照）に電気的に接続されている。

読み出し回路２２は、フローティングディフュージョンＦＤ１および増幅トランジスタＡＭＰ１を含む信号経路Ｐ１と、フローティングディフュージョンＦＤ２および増幅トランジスタＡＭＰ２を含む信号経路Ｐ２とを有している。信号経路Ｐ１は、本開示の「第１信号経路」の一具体例に相当する。信号経路Ｐ２は、本開示の「第２信号経路」の一具体例に相当する。信号経路Ｐ１，Ｐ２では、それぞれの一端が垂直信号線２４に電気的に接続されており、信号経路Ｐ１の他端がフローティングディフュージョンＦＤ１に電気的に接続されており、信号経路Ｐ２の他端がフローティングディフュージョンＦＤ２に電気的に接続されている。従って、信号経路Ｐ１，Ｐ２は、切り換えトランジスタＦＤＧがオンしている時、互いに並列に接続される。また、切り換えトランジスタＦＤＧのオンオフに拘わらず、信号経路Ｐ１は、転送トランジスタＴＲＧに電気的に接続されている。一方の信号経路Ｐ２は、切り換えトランジスタＦＤＧがオンしている時は、転送トランジスタＴＲＧに電気的に接続されるが、切り換えトランジスタＦＤＧがオフしている時は、転送トランジスタＴＲＧとは電気的に分離される。つまり、切り換えトランジスタＦＤＧがオフしている時は、信号経路Ｐ２には電流は流れない。

転送トランジスタＴＲＧは、転送トランジスタＴＲＧがオン状態となると、フォトダイオードＰＤの電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１またはフローティングディフュージョンＦＤ２に転送する。転送トランジスタＴＲＧのゲート（転送ゲートＴＧ）は、例えば、図３に示したように、半導体基板１１の上面からウェル層４２を貫通してＰＤ４１に達する深さまで延在している。

リセットトランジスタＲＳＴは、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２の電位を所定の電位にリセットする。リセットトランジスタＲＳＴがオン状態となると、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２の電位を電源線ＶＤＤの電位にリセットする。選択トランジスタＳＥＬ１，ＳＥＬ２は、読み出し回路２２からの画素信号の出力タイミングを制御する。

増幅トランジスタＡＭＰ１は、画素信号として、フローティングディフュージョンＦＤ１に保持された電荷のレベルに応じた電圧の信号を生成する。増幅トランジスタＡＭＰ２は、画素信号として、フローティングディフュージョンＦＤ２に保持された電荷のレベルに応じた電圧の信号を生成する。増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２は、ソースフォロア型のアンプを構成しており、フォトダイオードＰＤで発生した電荷のレベルに応じた電圧の画素信号を出力するものである。増幅トランジスタＡＭＰ１は、選択トランジスタＳＥＬ１がオン状態となると、フローティングディフュージョンＦＤ１の電位を増幅して、その電位に応じた電圧を、垂直信号線２４を介してカラム信号処理回路３４に出力する。増幅トランジスタＡＭＰ２は、選択トランジスタＳＥＬ２がオン状態となると、フローティングディフュージョンＦＤ２の電位を増幅して、その電位に応じた電圧を、垂直信号線２４を介してカラム信号処理回路３４に出力する。

切り換えトランジスタＦＤＧは、変換効率を切り替える際に用いられる。一般に、暗い場所での撮影時には画素信号が小さい。Ｑ＝ＣＶに基づき、電荷電圧変換を行う際に、フローティングディフュージョンＦＤ１の容量（ＦＤ容量Ｃ）が大きければ、増幅トランジスタで電圧に変換した際のＶが小さくなってしまう。一方、明るい場所では、画素信号が大きくなるので、ＦＤ容量Ｃが大きくなければ、フローティングディフュージョンＦＤ１で、フォトダイオードＰＤの電荷を受けきれない。さらに、増幅トランジスタで電圧に変換した際のＶが大きくなりすぎないように（言い換えると、小さくなるように）、ＦＤ容量Ｃが大きくなっている必要がある。これらを踏まえると、切り換えトランジスタＦＤＧをオンにしたときには、切り換えトランジスタＦＤＧ分のゲート容量が増えるので、全体のＦＤ容量Ｃが大きくなる。一方、切り換えトランジスタＦＤＧをオフにしたときには、全体のＦＤ容量Ｃが小さくなる。このように、切り換えトランジスタＦＤＧをオンオフ切り替えることで、ＦＤ容量Ｃを可変にし、変換効率を切り替えることができる。

切り換えトランジスタＦＤＧは、高感度低照度モード（第１モード）のときと、低感度高照度モード（第２モード）のときとで、ＦＤ容量Ｃを切り替える。具体的には、切り換えトランジスタＦＤＧは、第１モードのときには、オフ状態となり、ＦＤ容量Ｃを相対的に小さくし、第２モードのときには、オン状態となり、ＦＤ容量Ｃを相対的に大きくする。切り換えトランジスタＦＤＧ、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２および選択トランジスタＳＥＬ１，ＳＥＬ２は、例えば、ＮＭＯＳトランジスタである。切り換えトランジスタＦＤＧは、垂直駆動回路３３の制御によって、第１モードのときには、信号経路Ｐ１をフォトダイオードＰＤに電気的に接続するとともに信号経路Ｐ２をフォトダイオードＰＤから電気的に切り離し、第２モードのときには、信号経路Ｐ１および信号経路Ｐ２の双方をフォトダイオードＰＤに電気的に接続する。具体的には、切り換えトランジスタＦＤＧは、第１モードのときにはオフ状態となり、第２モードのときにはオン状態となる。

図３は、固体撮像装置１の垂直方向の断面構成の一例を表したものである。図３には、固体撮像装置１において、センサ画素１２と対向する箇所の断面構成が例示されている。固体撮像装置１は、第１基板１０、第２基板２０および第３基板３０をこの順に積層して構成されており、さらに、第１基板１０の裏面側に、カラーフィルタ４０および受光レンズ５０を備えている。カラーフィルタ４０および受光レンズ５０は、それぞれ、例えば、センサ画素１２ごとに１つずつ設けられている。つまり、固体撮像装置１は、裏面照射側の撮像装置である。

第１基板１０は、半導体基板１１上に絶縁層４６を積層して構成されている。第１基板１０は、層間絶縁膜５１の一部として、絶縁層４６を有している。絶縁層４６は、半導体基板１１と、半導体基板２１との間隙に設けられている。半導体基板１１は、シリコン基板で構成されている。半導体基板１１は、例えば、上面の一部およびその近傍に、ｐウェル層４２を有しており、それ以外の領域（ｐウェル層４２よりも深い領域）に、ｐウェル層４２とは異なる導電型のＰＤ４１を有している。ｐウェル層４２の導電型は、例えば、ｐ型となっている。ＰＤ４１の導電型は、ｐウェル層４２とは異なる導電型となっており、例えば、ｎ型となっている。半導体基板１１は、ｐウェル層４２内に、ｐウェル層４２とは異なる導電型のフローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２を有している。

第１基板１０は、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＲＧ、切り換えトランジスタＦＤＧおよびフローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２をセンサ画素１２ごとに有している。第１基板１０は、半導体基板１１の上面に、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＲ、切り換えトランジスタＦＤＧおよびフローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２が設けられた構成となっている。第１基板１０は、各センサ画素１２を分離する素子分離部４３を有している。素子分離部４３は、半導体基板１１の法線方向（厚さ方向）に延在して形成されている。素子分離部４３は、互いに隣接する２つのセンサ画素１２の間に設けられている。素子分離部４３は、互いに隣接するセンサ画素１２同士を電気的に分離する。素子分離部４３は、例えば、酸化シリコンによって構成されている。素子分離部４３は、例えば、半導体基板１１を貫通している。

第１基板１０は、例えば、さらに、素子分離部４３の側面であって、かつ、フォトダイオードＰＤ側の面に接するｐウェル層４４を有している。ｐウェル層４４の導電型は、フォトダイオードＰＤとは異なる導電型となっており、例えば、ｐ型となっている。第１基板１０は、例えば、さらに、半導体基板１１の裏面に接する固定電荷膜４５を有している。固定電荷膜４５は、半導体基板１１の受光面側の界面準位に起因する暗電流の発生を抑制するため、負の固定電荷を有している。固定電荷膜４５は、例えば、負の固定電荷を有する絶縁膜によって形成されている。そのような絶縁膜の材料としては、例えば、酸化ハフニウム、酸化ジルコン、酸化アルミニウム、酸化チタンまたは酸化タンタルが挙げられる。固定電荷膜４５が誘起する電界により、半導体基板１１の受光面側の界面にホール蓄積層が形成される。このホール蓄積層によって、界面からの電子の発生が抑制される。カラーフィルタ４０は、半導体基板１１の裏面側に設けられている。カラーフィルタ４０は、例えば、固定電荷膜４５に接して設けられており、固定電荷膜４５を介してセンサ画素１２と対向する位置に設けられている。受光レンズ５０は、例えば、カラーフィルタ４０に接して設けられており、カラーフィルタ４０および固定電荷膜４５を介してセンサ画素１２と対向する位置に設けられている。

第２基板２０は、半導体基板２１上に絶縁層５２を積層して構成されている。第２基板２０は、層間絶縁膜５１の一部として、絶縁層５２を有している。絶縁層５２は、半導体基板２１と、半導体基板３１との間隙に設けられている。半導体基板２１は、シリコン基板で構成されている。第２基板２０は、例えば、１のセンサ画素１２ごとに、１つの読み出し回路２２を有している。第２基板２０は、半導体基板２１の上面に読み出し回路２２が設けられた構成となっている。第２基板２０は、半導体基板１１の上面側に半導体基板２１の裏面を向けて第１基板１０に貼り合わされている。つまり、第２基板２０は、第１基板１０に、フェイストゥーバックで貼り合わされている。第２基板２０は、さらに、半導体基板２１と同一の層内に、半導体基板２１を貫通する絶縁層５３を有している。第２基板２０は、層間絶縁膜５１の一部として、絶縁層５３を有している。絶縁層５３は、後述の貫通配線５４の側面を覆うように設けられている。

第１基板１０および第２基板２０からなる積層体は、層間絶縁膜５１と、層間絶縁膜５１内に設けられた複数の貫通配線５４を有している。複数の貫通配線５４は、半導体基板２１の法線方向に延びており、層間絶縁膜５１のうち、絶縁層５３を含む箇所を貫通して設けられている。第１基板１０および第２基板２０は、複数の貫通配線５４によって互いに電気的に接続されている。例えば、２つの貫通配線５４は、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２および後述の接続配線５５に電気的に接続されている。

第２基板２０は、例えば、絶縁層５２内に、読み出し回路２２や半導体基板２１と電気的に接続された複数の接続部５９を有している。第２基板２０は、さらに、例えば、絶縁層５２上に配線層５６を有している。配線層５６は、例えば、絶縁層５７と、絶縁層５７内に設けられた複数の画素駆動線２３および複数の垂直信号線２４を有している。配線層５６は、さらに、例えば、絶縁層５７内に複数の接続配線５５を有している。複数の接続配線５５は、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２に電気的に接続された各貫通配線５４と、読み出し回路２２とに電気的に接続されている。例えば、フローティングディフュージョンＦＤ１と増幅トランジスタＡＭＰ１のゲートとが接続配線５５および貫通配線５４によって電気的に接続されている。また、例えば、フローティングディフュージョンＦＤ２と増幅トランジスタＡＭＰ２のゲートとが接続配線５５および貫通配線５４によって電気的に接続されている。

配線層５６は、さらに、例えば、絶縁層５７内に複数のパッド電極５８を有している。各パッド電極５８は、例えば、Ｃｕ（銅）で形成されている。各パッド電極５８は、配線層５６の上面に露出している。各パッド電極５８は、第２基板２０と第３基板３０との電気的な接続と、第２基板２０と第３基板３０との貼り合わせに用いられる。複数のパッド電極５８は、例えば、画素駆動線２３および垂直信号線２４ごとに１つずつ設けられている。

第３基板３０は、例えば、半導体基板３１上に層間絶縁膜６１を積層して構成されている。第３基板３０は、第２基板２０に、フェイストゥーフェイスで貼り合わされている。そのため、第３基板３０内の構成について説明する際には、上下の説明が、図面での上下方向とは逆となっている。半導体基板３１は、シリコン基板で構成されている。第３基板３０は、半導体基板３１の上面にロジック回路３２が設けられた構成となっている。第３基板３０は、さらに、例えば、層間絶縁膜６１上に配線層６２を有している。配線層６２は、例えば、絶縁層６３と、絶縁層６３内に設けられた複数のパッド電極６４を有している。複数のパッド電極６４は、ロジック回路３２と電気的に接続されている。各パッド電極６４は、例えば、Ｃｕ（銅）で形成されている。各パッド電極６４は、配線層６２の上面に露出している。各パッド電極６４は、第２基板２０と第３基板３０との電気的な接続と、第２基板２０と第３基板３０との貼り合わせに用いられる。第２基板２０および第３基板３０は、パッド電極５８，６４同士の接合によって、互いに電気的に接続されている。つまり、転送トランジスタＴＲＧのゲート（転送ゲートＴＧ）は、例えば、貫通配線５４と、接続配線５５と、接続部５９と、パッド電極５８，６４とを介して、ロジック回路３２に電気的に接続されている。第３基板３０は、半導体基板２１の上面側に半導体基板３１の上面を向けて第２基板２０に貼り合わされている。つまり、第３基板３０は、第２基板２０に、フェイストゥーフェイスで貼り合わされている。

第１基板１０と第２基板２０とは、貫通配線５４によって互いに電気的に接続されている。また、第２基板２０と第３基板３０とは、パッド電極５８，６４同士の接合によって互いに電気的に接続されている。ここで、貫通配線５４の幅は、パッド電極５８，６４同士の接合箇所の幅よりも狭くなっている。つまり、貫通配線５４の断面積は、パッド電極５８，６４同士の接合箇所の断面積よりも小さくなっている。従って、貫通配線５４は、第１基板１０内のセンサ画素１２の高集積化を妨げることがない。また、読み出し回路２２は第２基板２０に形成され、ロジック回路３２は第３基板３０に形成されていることから、第２基板２０と第３基板３０とを互いに電気的に接続するための構造を、第１基板１０と第２基板２０とを互いに電気的に接続するための構造と比べて、低密度に形成することが可能である。従って、第２基板２０と第３基板３０とを互いに電気的に接続するための構造として、パッド電極５８，６４同士の接合を用いることができる。

図４、図５は、固体撮像装置１の水平方向の断面構成の一例を表したものである。図４には、半導体基板１１の上面構成の一例が示されており、図５には、半導体基板２１の上面構成の一例が示されている。図６は、図４に記載の構成と、図５に記載の構成とを互いい重ね合わせた構成の一例を表したものである。半導体基板１１の上面には、転送トランジスタＴＲＧ、切り換えトランジスタＦＤＧおよびフローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２が設けられている。つまり、転送トランジスタＴＲＧ、切り換えトランジスタＦＤＧおよびフローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２は、第１基板１０に設けられている。一方、半導体基板２１の上面には、例えば、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２および選択トランジスタＳＥＬ１，ＳＥＬ２が設けられている。つまり、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２および選択トランジスタＳＥＬ１，ＳＥＬ２は、第２基板２０に設けられている。

このとき、例えば、図６に示したように、図４に記載の構成と、図５に記載の構成とを互いに重ね合わせると、重なり領域αが存在する。このことから、固体撮像装置１では、転送トランジスタＴＲＧ、切り換えトランジスタＦＤＧおよびフローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２および選択トランジスタＳＥＬ１，ＳＥＬ２を共通の基板に設けた場合と比べて、重なり領域αの分だけ、固体撮像装置１が小型化されていることがわかる。

ところで、増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２のＬ長ｂ１，ｂ２は、例えば、互いに等しい大きさとなっている。一方、増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２のＷ長については、例えば、増幅トランジスタＡＭＰ２のＷ長ａ２が、増幅トランジスタＡＭＰ１のＷ長ａ１よりも大きくなっている。増幅トランジスタＡＭＰ２のＷ長ａ２は、例えば、増幅トランジスタＡＭＰ１のＷ長ａ１の２倍、または３倍の長さとなっている。切り換えトランジスタＦＤＧがオン状態となった時、読み出し回路２２としての増幅トランジスタのＷ長は、増幅トランジスタＡＭＰ１のＷ長ａ１と、増幅トランジスタＡＭＰ２のＷ長ａ２との合計値となる。従って、切り換えトランジスタＦＤＧをオンオフ切り換えることにより、読み出し回路２２としての増幅トランジスタのＷ長を、例えば、３倍、または４倍にすることが可能となる。

なお、図７に示したように、読み出し回路２２に対して、複数の増幅トランジスタＡＭＰ２が設けられていてもよい。この場合、各増幅トランジスタＡＭＰ２のＷ長ａ２が、増幅トランジスタＡＭＰ１のＷ長ａ１と等しくなっていてもよいし、増幅トランジスタＡＭＰ１のＷ長ａ１よりも大きくなっていてもよい。

[製造方法]
次に、固体撮像装置１の製造方法について説明する。図８Ａ〜図８Ｇは、固体撮像装置１の製造過程の一例を表したものである。

まず、半導体基板１１に、ｐウェル層４２や、素子分離部４３、ｐウェル層４４を形成する。次に、半導体基板１１に、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＲＧ、切り換えトランジスタＦＤＧおよびフローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２を形成する（図８Ａ）。これにより、半導体基板１１に、センサ画素１２が形成される。このとき、センサ画素１２に用いる電極材料として、サリサイドプロセスによるＣｏＳｉ₂やＮｉＳｉなどの耐熱性の低い材料を用いないことが好ましい。むしろ、センサ画素１２に用いる電極材料としては、耐熱性の高い材料を用いることが好ましい。耐熱性の高い材料としては、例えば、ポリシリコンが挙げられる。その後、半導体基板１１上に、絶縁層４６を形成する（図８Ａ）。このようにして、第１基板１０が形成される。

次に、第１基板１０（絶縁層４６）上に、半導体基板２１を貼り合わせる（図８Ｂ）。このとき、必要に応じて、半導体基板２１を薄肉化する。この際、半導体基板２１の厚さを、読み出し回路２２の形成に必要な膜厚にする。半導体基板２１の厚さは、一般的には数百ｎｍ程度である。しかし、読み出し回路２２のコンセプトによっては、ＦＤ（Fully Depletion）型も可能であるので、その場合には、半導体基板２１の厚さとしては、数ｎ
ｍ〜数μｍの範囲を採り得る。

次に、半導体基板２１と同一の層内に、絶縁層５３を形成する（図８Ｃ）。絶縁層５３を、例えば、フローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２と対向する箇所に形成する。例えば、半導体基板２１に対して、半導体基板２１を貫通するスリットを形成して、半導体基板２１を複数のブロックに分離する。その後、スリットを埋め込むように、絶縁層５３を形成する。その後、半導体基板２１の各ブロックに、増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２および選択トランジスタＳＥＬ１，ＳＥＬ２などを含む読み出し回路２２を形成する（図８Ｄ）。このとき、センサ画素１２の電極材料として、耐熱性の高い金属材料が用いられている場合には、読み出し回路２２のゲート絶縁膜を、熱酸化により形成することが可能である。また、読み出し回路２２に含まれる各トランジスタの電極が、シリサイドを含んで構成されていてもよい。読み出し回路２２は、センサ画素１２を形成した後に形成される。そのため、耐熱性の低いシリサイドを、読み出し回路２２に含まれる各トランジスタのソース電極およびドレイン電極と接する不純物拡散領域の表面に用いることができる。

次に、半導体基板２１上に絶縁層５２を形成する。このようにして、絶縁層４６，５２，５３からなる層間絶縁膜５１を形成する。続いて、層間絶縁膜５１に貫通孔５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄを形成する（図８Ｅ）。具体的には、層間絶縁膜５１の一部である絶縁層５２のうち、読み出し回路２２（例えば、増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２）と対向する箇所に、絶縁層５２を貫通する貫通孔５１Ｃ，５１Ｄを形成する。また、層間絶縁膜５１のうち、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２と対向する箇所（つまり、絶縁層５３と対向する箇所）に、層間絶縁膜５１を貫通する貫通孔５１Ａ，５１Ｂを形成する。

次に、貫通孔５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄに導電性材料を埋め込むことにより、貫通孔５１Ａ，５１Ｂ内に貫通配線５４を形成するとともに、貫通孔５１Ｃ，５１Ｄ内に接続部５９を形成する（図８Ｆ）。さらに、絶縁層５２上に、貫通配線５４と接続部５９とを互いに電気的に接続する接続配線５５を形成する（図８Ｆ）。その後、パッド電極５８を含む配線層５６を、絶縁層５２上に形成する。このようにして、第２基板２０が形成される。

次に、第２基板２０を、半導体基板３１の上面側に半導体基板２１の上面を向けて、ロジック回路３２や配線層６２が形成された第３基板３０に貼り合わせる（図８Ｇ）。このとき、第２基板２０のパッド電極５８と、第３基板３０のパッド電極６４とを互いに接合することにより、第２基板２０と第３基板３０とを互いに電気的に接続する。このようにして、固体撮像装置１が製造される。

[効果]
次に、本実施の形態に係る固体撮像装置１の効果について説明する。

ＣＭＯＳイメージセンサでは、低照度時にも撮像信号を取得することができるように、感度は高い方が望ましい。また、ダイナミックレンジを大きくするためには、フォトダイオードは飽和しにくい方が望ましい。しかしながら、感度が高いことと、フォトダイオードが飽和しにくいことはトレードオフの関係にあり、高感度を維持しつつ、ダイナミックレンジを拡大することは難しい。そこで、例えば、上記特許文献１では、小容量のフローティングディフュージョンと、大容量のフローティングディフュージョンを設け、低照度時には小容量のフローティングディフュージョンをフォトダイオードに接続し、高照度時には大容量のフローティングディフュージョンを接続することが開示されている。しかし、特許文献１に記載の発明を、高精細な用途に適用した場合、２つのフローティングディフュージョンを設けるのに十分なスペースを確保することが難しいという問題がある。

一方、本実施の形態では、使用する増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２がモードに応じて選択される。これにより、高感度を維持しつつ、ダイナミックレンジを拡大することが可能となる。また、本実施の形態では、少なくとも増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２が、フォトダイオードＰＤの形成された第１基板１０とは別の第２基板２０に形成される。具体的には、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＲＧ、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２、切り換えトランジスタＦＤＧが第１基板１０に形成され、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２および選択トランジスタＳＥＬ１，ＳＥＬ２が第２基板２０に形成される。これにより、これにより、固体撮像装置１が高精細であったとしても、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２や増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２を設けるのに十分なスペースを確保することが可能となる。その結果、高精細な用途においても、高感度および高ダイナミックレンジを両立することができる。

また、本実施の形態において、読み出し回路２２に含まれる各トランジスタの電極がシリサイドを含んで構成されている場合には、読み出し回路２２に含まれる各トランジスタの寄生抵抗を低減することができ、その結果、低ノイズ化を図ることができる。

なお、本実施の形態において、垂直駆動回路３３は、システム制御回路３６による制御によって、切り換えトランジスタＦＤＧによる切り換えによって変換する、増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２のサイズの大きさに応じて、駆動電流を変化させてもよい。このようにした場合には、単位増幅トランジスタ当りの駆動する電流の低下を防ぐことができ、ノイズ特性劣化の抑制が可能となる。

＜２．変形例＞
以下に、上記実施の形態に係る固体撮像装置１の変形例について説明する。

[[変形例Ａ]]
図９は、上記実施の形態に係る固体撮像装置１のセンサ画素１２および読み出し回路２２の回路構成の一変形例を表したものである。本変形例では、第１基板１０には、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＲＧ、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２、切り換えトランジスタＦＤＧ、増幅トランジスタＡＭＰ１および選択トランジスタＳＥＬ１が形成される。一方、第２基板２０には、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＰ２および選択トランジスタＳＥＬ２が形成される。このようにした場合であっても、上記実施の形態と同様、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２や増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２を設けるのに十分なスペースを確保することが可能となる。その結果、高精細な用途においても、高感度および高ダイナミックレンジを両立することができる。

図１０は、図９に記載の構成を備えた固体撮像装置１における半導体基板１１の上面構成の一例を表したものである。図１１、図１２は、図９に記載の構成を備えた固体撮像装置１における半導体基板２１の上面構成の一例を表したものである。本変形例では、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＲＧ、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２、切り換えトランジスタＦＤＧ、増幅トランジスタＡＭＰ１および選択トランジスタＳＥＬ１を、例えば、図１０に示したように、小さな面積に収めることが可能である。同様に、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＰ２および選択トランジスタＳＥＬ２を、例えば、図１１、図１２に示したように、小さな面積に収めることが可能である。このように、占有面積を小さくした場合には、固体撮像装置１を小型化することができる。

[[変形例Ｂ]]
図１３は、上記実施の形態に係る固体撮像装置１のセンサ画素１２および読み出し回路２２の回路構成の一変形例を表したものである。本変形例では、２つのセンサ画素１２（１２Ａ，１２Ｂ）が１つの読み出し回路２２を共有している。ここで、「共有」とは、２つのセンサ画素１２（１２Ａ，１２Ｂ）の出力が共通の読み出し回路２２に入力されることを指している。このようにした場合には、半導体基板２１のうち、２つのセンサ画素１２と対向する領域に１つの読み出し回路２２が形成されることになる。従って、上記実施の形態と比べて、１つの読み出し回路２２の形成面積を２倍に拡大することができるので、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２や増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２を設けるのに十分なスペースを確保することが可能となる。その結果、高精細な用途においても、高感度および高ダイナミックレンジを両立することができる。

[[変形例Ｃ]]
図１４は、上記変形例Ｂに係る固体撮像装置１のセンサ画素１２および読み出し回路２２の回路構成の一変形例を表したものである。本変形例では、第１基板１０には、フォトダイオードＰＤおよび転送トランジスタＴＲＧが形成される。一方、第２基板２０には、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２、２つの切り換えトランジスタＦＤＧ、増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２および選択トランジスタＳＥＬ１，ＳＥＬ２が形成される。このようにした場合であっても、上記変形例Ｂと同様、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２や増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２を設けるのに十分なスペースを確保することが可能となる。その結果、高精細な用途においても、高感度および高ダイナミックレンジを両立することができる。

[[変形例Ｄ]]
図１５は、上記変形例Ｂに係る固体撮像装置１のセンサ画素１２および読み出し回路２２の回路構成の一変形例を表したものである。本変形例では、４つのセンサ画素１２（１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ）が１つの読み出し回路２２を共有している。このようにした場合には、第２基板２０のうち、４つのセンサ画素１２と対向する領域に１つの読み出し回路２２が形成されることになる。従って、上記実施の形態と比べて、１つの読み出し回路２２の形成面積を４倍に拡大することができるので、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２や増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２を設けるのに十分なスペースを確保することが可能となる。その結果、高精細な用途においても、高感度および高ダイナミックレンジを両立することができる。

[[変形例Ｅ]]
図１６は、上記変形例Ｃに係る固体撮像装置１のセンサ画素１２および読み出し回路２２の回路構成の一変形例を表したものである。本変形例では、４つのセンサ画素１２（１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ）が１つの読み出し回路２２を共有している。このようにした場合には、第２基板２０のうち、４つのセンサ画素１２と対向する領域に１つの読み出し回路２２が形成されることになる。従って、上記実施の形態と比べて、１つの読み出し回路２２の形成面積を４倍に拡大することができるので、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２や増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２を設けるのに十分なスペースを確保することが可能となる。その結果、高精細な用途においても、高感度および高ダイナミックレンジを両立することができる。

[[変形例Ｆ]]
図１７は、上記実施の形態に係る固体撮像装置１のセンサ画素１２および読み出し回路２２の回路構成の一変形例を表したものである。本変形例では、切り換えトランジスタＦＤＧが設けられていた箇所に、切り換えトランジスタＦＤＧと同一構成の切り換えトランジスタＦＤＧａが設けられ、さらに、フローティングディフュージョンＦＤ１と増幅トランジスタＡＭＰ１のゲートとをつなぐ配線の途中に、切り換えトランジスタＦＤＧｂが設けられている。切り換えトランジスタＦＤＧａ，ＦＤＧｂは、例えば、ＮＭＯＳトランジスタである。

本変形例においても、高感度低照度モード（第１モード）のときと、低感度高照度モード（第２モード）のときとで、ＦＤ容量Ｃを切り替える。具体的には、垂直駆動回路３３は、システム制御回路３６の制御によって、第１モードのときには、信号経路Ｐ１をフォトダイオードＰＤに電気的に接続するとともに信号経路Ｐ２をフォトダイオードＰＤから電気的に切り離す。垂直駆動回路３３は、システム制御回路３６の制御によって、第２モードのときには、信号経路Ｐ１および信号経路Ｐ２の双方をフォトダイオードＰＤに電気的に接続する。垂直駆動回路３３は、例えば、第１モードのときには、切り換えトランジスタＦＤＧａをオフ状態とするとともに、切り換えトランジスタＦＤＧｂをオン状態とする。垂直駆動回路３３は、さらに、例えば、第２モードのときには、切り換えトランジスタＦＤＧａをオン状態とするとともに、切り換えトランジスタＦＤＧｂもオン状態とする。このようにすることにより、上記実施の形態と同様、高精細な用途においても、高感度および高ダイナミックレンジを両立することができる。

本変形例において、２つのセンサ画素１２が１つの読み出し回路２２を共有していてもよい。また、本変形例において、４つのセンサ画素１２が１つの読み出し回路２２を共有していてもよい。このようにした場合には、上記変形例Ｂ〜Ｅと同様、高精細な用途においても、高感度および高ダイナミックレンジを両立することができる。

[[変形例Ｇ]]
図１８は、上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像装置１の断面構成の一変形例を表したものである。本変形例では、１つの受光レンズ５０に対して２つのフォトダイオードＰＤが設けられており、これら２つのフォトダイオードＰＤは、素子分離部４３によって互いに分離されている。以下では、１つの受光レンズ５０に対応して設けられた２つのフォトダイオードＰＤを、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂと称する。

本変形例では、フローティングディフュージョンＦＤ１がフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂごとに１つずつ設けられる。一方で、切り換えトランジスタＦＤＧはフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂに対して１つ、割り当てられる。そのため、フォトダイオードＰＤａに対して設けられたフローティングディフュージョンＦＤ１と、フォトダイオードＰＤｂに対して設けられたフローティングディフュージョンＦＤ１とが、絶縁層４６内に設けられた接続配線４９で電気的に接続される。

また、本変形例では、第１基板１０には、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂ、２つの転送トランジスタＴＲＧ、２つのフローティングディフュージョンＦＤ１、１つのフローティングディフュージョンＦＤ２、切り換えトランジスタＦＤＧ、増幅トランジスタＡＭＰ１および選択トランジスタＳＥＬ１が形成される。一方、第２基板２０には、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＰ２および選択トランジスタＳＥＬ２が形成される。このようにした場合であっても、上記実施の形態と同様、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２や増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２を設けるのに十分なスペースを確保することが可能となる。その結果、高精細な用途においても、高感度および高ダイナミックレンジを両立することができる。

[[変形例Ｈ]]
図１９は、上記変形例Ｇに係る固体撮像装置１の断面構成の一変形例を表したものである。本変形例では、フローティングディフュージョンＦＤ１がフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂごとに１つずつ設けられる。一方で、切り換えトランジスタＦＤＧはフォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂに対して１つ、割り当てられる。そのため、フォトダイオードＰＤａに対して設けられたフローティングディフュージョンＦＤ１と、フォトダイオードＰＤｂに対して設けられたフローティングディフュージョンＦＤ１とが、絶縁層５２内に設けられた接続配線５５で電気的に接続される。フォトダイオードＰＤａに対して設けられたフローティングディフュージョンＦＤ１およびフォトダイオードＰＤｂに対して設けられたフローティングディフュージョンＦＤ１は、接続配線５５および貫通配線５４を介して、切り換えトランジスタＦＤＧと、増幅トランジスタＡＭＰ１のゲートとに接続されている。

本変形例では、第２基板２０は、２つの半導体基板２１，２６を有している。半導体基板２６は、層間絶縁膜５１（絶縁層５２）を介して半導体基板２１に積層されている。半導体基板２６は、層間絶縁膜５１（絶縁層５２）と絶縁層５７との間に設けられている。半導体基板２６は、開口を有しており、その開口には、絶縁層５７の一部（以下、「絶縁層２８」と称する。）が設けられている。絶縁層２８には、貫通配線５４が貫通している。絶縁層２８を貫通する貫通配線５４は、接続配線５５や、他の貫通配線５４を介して、フローティングディフュージョンＦＤ２と、増幅トランジスタＡＭＰ２のゲートとを互いに電気的に接続している。

本変形例では、フォトダイオードＰＤａ，ＰＤｂおよび２つのフローティングディフュージョンＦＤ１が第１基板１０に形成され、増幅トランジスタＡＭＰ１、フローティングディフュージョンＦＤ２および切り換えトランジスタＦＤＧが第２基板２０の半導体基板２１に形成され、増幅トランジスタＡＭＰ２が第２基板２０の半導体基板２６に形成される。このようにした場合であっても、上記実施の形態と同様、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２や増幅トランジスタＡＭＰ１，ＡＭＰ２を設けるのに十分なスペースを確保することが可能となる。その結果、高精細な用途においても、高感度および高ダイナミックレンジを両立することができる。

本変形例において、半導体基板２１，２６に形成された各トランジスタの電極が、シリサイドを含んで構成されていてもよい。この場合、半導体基板２１，２６に形成された各トランジスタは、センサ画素１２を形成した後に形成される。そのため、耐熱性の低いシリサイドを、読み出し回路２２に含まれる各トランジスタのソース電極およびドレイン電極と接する不純物拡散領域の表面に用いることができる。

[[変形例Ｉ]]
図２０は、複数の読み出し回路２２と、複数の垂直信号線２４との接続態様の一例を表したものである。上記実施の形態およびその変形例において、複数の読み出し回路２２が、垂直信号線２４の延在方向（例えば列方向）に並んで配置されている場合、複数の垂直信号線２４は、読み出し回路２２ごとに１つずつ割り当てられていてもよい。例えば、図２０に示したように、４つの読み出し回路２２が、垂直信号線２４の延在方向（例えば列方向）に並んで配置されている場合、４つの垂直信号線２４が、読み出し回路２２ごとに１つずつ割り当てられていてもよい。

[変形例Ｊ]
図２１、図２２は、例えば、図１５の構成を備えた固体撮像装置１の水平方向の断面構成の一変形例を表したものである。図２１、図２２の上側の図は、変形例Ｄの構成を備えた固体撮像装置１における第１基板１０の断面構成の一例を表す図である。図２１、図２２の上側の図は、変形例Ｄの構成を備えた固体撮像装置１の第１基板１０において、図３の断面Ｓｅｃ１に対応する箇所の断面構成が例示されている。なお、図２１、図２２の上側の断面図では、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るとともに、絶縁層４６が省略されている。図２１、図２２の下側の図は、変形例Ｄの構成を備えた固体撮像装置１における第２基板２０の断面構成の一例を表す図である。図２１、図２２の下側の図は、変形例Ｄの構成を備えた固体撮像装置１の第２基板２０において、図３の断面Ｓｅｃ２に対応する箇所の断面構成が例示されている。なお、図２１、図２２の下側の断面図では、半導体基板２１および絶縁層５３の表面構成例を表す図が重ね合わされるとともに、絶縁層５２が省略されている。図２１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いる。図２２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。

第１基板１０および第２基板２０からなる積層体は、層間絶縁膜５１内に設けられた貫通配線６７，６８を有している。上記積層体は、センサ画素１２ごとに、１つの貫通配線６７と、１つの貫通配線６８とを有している。貫通配線６７，６８は、それぞれ、半導体基板２１の法線方向に延びており、層間絶縁膜５１のうち、絶縁層５３を含む箇所を貫通して設けられている。第１基板１０および第２基板２０は、貫通配線６７，６８によって互いに電気的に接続されている。具体的には、貫通配線６７は、半導体基板１１のｐウェル層４２と、第２基板２０内の配線とに電気的に接続されている。貫通配線６８は、転送ゲートＴＧおよび画素駆動線２３に電気的に接続されている。図２１、図２２に示したように、複数の貫通配線５４、複数の貫通配線６８および複数の貫通配線６７は、第１基板１０の面内において第１方向Ｖ（図２１の上下方向、図２２の左右方向）に帯状に並んで配置されている。なお、図２１、図２２には、複数の貫通配線５４、複数の貫通配線６８および複数の貫通配線６７が第１方向Ｖに２列に並んで配置されている場合が例示されている。第１方向Ｖは、マトリクス状の配置された複数のセンサ画素１２の２つの配列方向（例えば行方向および列方向）のうち一方の配列方向（例えば列方向）と平行となっている。読み出し回路２２を共有する４つのセンサ画素１２において、４つのフローティングディフュージョンＦＤは、例えば、素子分離部４３を介して互いに近接して配置されている。読み出し回路２２を共有する４つのセンサ画素１２において、４つの転送ゲートＴＧは、４つのフローティングディフュージョンＦＤを囲むように配置されており、例えば、４つの転送ゲートＴＧによって円環形状となる形状となっている。

絶縁層５３は、第１方向Ｖに延在する複数のブロックで構成されている。半導体基板２１は、第１方向Ｖに延在するとともに、絶縁層５３を介して第１方向Ｖと直交する第２方向Ｈに並んで配置された複数の島状のブロック２１Ａで構成されている。各ブロック２１Ａには、例えば、複数組のリセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＰおよび選択トランジスタＳＥＬが設けられている。４つのセンサ画素１２によって共有される１つの読み出し回路２２は、例えば、４つのセンサ画素１２と対向する領域内にある、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＰおよび選択トランジスタＳＥＬによって構成されている。４つのセンサ画素１２によって共有される１つの読み出し回路２２は、例えば、絶縁層５３の左隣りのブロック２１Ａ内の増幅トランジスタＡＭＰと、絶縁層５３の右隣りのブロック２１Ａ内のリセットトランジスタＲＳＴおよび選択トランジスタＳＥＬとによって構成されている。

[変形例Ｋ]
図２３は、上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像装置１の垂直方向の断面構成の一変形例を表すものである。本変形例では、第２基板２０と第３基板３０との電気的な接続が、第１基板１０における周辺領域１４と対向する領域でなされている。周辺領域１４は、第１基板１０の額縁領域に相当しており、画素領域１３の周縁に設けられている。本変形例では、第２基板２０は、周辺領域１４と対向する領域に、複数のパッド電極５８を有しており、第３基板３０は、周辺領域１４と対向する領域に、複数のパッド電極６４を有している。第２基板２０および第３基板３０は、周辺領域１４と対向する領域に設けられたパッド電極５８，６４同士の接合によって、互いに電気的に接続されている。

このように、本変形例では、第２基板２０および第３基板３０が、周辺領域１４と対向する領域に設けられたパッド電極５８，６４同士の接合によって、互いに電気的に接続されている。これにより、画素領域１３と対向する領域で、パッド電極５８，６４同士を接合する場合と比べて、１画素あたりの面積の微細化を阻害するおそれを低減することができる。従って、今までと同等のチップサイズで、１画素あたりの面積の微細化を阻害することのない３層構造の固体撮像装置１を提供することができる。

[変形例Ｌ]
図２４、図２５は、変形例Ｄ，Ｊ，Ｋに係る固体撮像装置１の水平方向の断面構成の一変形例を表すものである。図２４、図２５の上側の図は、変形例Ｄ，Ｊ，Ｋの構成を備えた固体撮像装置１における第１基板１０の断面構成の一変形例を表す図である。図２４、図２５の上側の図は、変形例Ｄ，Ｊ，Ｋの構成を備えた固体撮像装置１の第１基板１０において、図３の断面Ｓｅｃ１に対応する箇所の断面構成が例示されている。なお、図２４、図２５の上側の図では、半導体基板１１の表面構成例を表す図が重ね合わされるとともに、絶縁層４６が省略されている。図２４、図２５の下側の図は、変形例Ｄ，Ｊ，Ｋの構成を備えた固体撮像装置１における第２基板２０の断面構成の一変形例を表す図である。図２４、図２５の下側の図は、変形例Ｄ，Ｊ，Ｋの構成を備えた固体撮像装置１の第２基板２０において、図３の断面Ｓｅｃ２に対応する箇所の断面構成が例示されている。なお、図２４、図２５の下側の断面図では、半導体基板２１および絶縁層５３の表面構成例を表す図が重ね合わされるとともに、絶縁層５２が省略されている。

図２４、図２５に示したように、複数の貫通配線５４、複数の貫通配線６８および複数の貫通配線６７（図中の行列状に配置された複数のドット）は、第１基板１０の面内において第１方向Ｖ（図２４、図２５の左右方向）に帯状に並んで配置されている。なお、図２４、図２５には、複数の貫通配線５４、複数の貫通配線６８および複数の貫通配線６７が第１方向Ｖに２列に並んで配置されている場合が例示されている。読み出し回路２２を共有する４つのセンサ画素１２において、４つのフローティングディフュージョンＦＤは、例えば、素子分離部４３を介して互いに近接して配置されている。読み出し回路２２を共有する４つのセンサ画素１２において、４つの転送ゲートＴＧ（ＴＧ１，ＴＧ２，ＴＧ３，ＴＧ４）は、４つのフローティングディフュージョンＦＤを囲むように配置されており、例えば、４つの転送ゲートＴＧによって円環形状となる形状となっている。

絶縁層５３は、第１方向Ｖに延在する複数のブロックで構成されている。半導体基板２１は、第１方向Ｖに延在するとともに、絶縁層５３を介して第１方向Ｖと直交する第２方向Ｈに並んで配置された複数の島状のブロック２１Ａで構成されている。各ブロック２１Ａには、例えば、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＰおよび選択トランジスタＳＥＬが設けられている。４つのセンサ画素１２によって共有される１つの読み出し回路２２は、例えば、４つのセンサ画素１２と正対して配置されておらず、第２方向Ｈにずれて配置されている。

図２４では、４つのセンサ画素１２によって共有される１つの読み出し回路２２は、第２基板２０において、４つのセンサ画素１２と対向する領域を第２方向Ｈにずらした領域内にある、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＰおよび選択トランジスタＳＥＬによって構成されている。４つのセンサ画素１２によって共有される１つの読み出し回路２２は、例えば、１つのブロック２１Ａ内の増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＳＴおよび選択トランジスタＳＥＬによって構成されている。

図２５では、４つのセンサ画素１２によって共有される１つの読み出し回路２２は、第２基板２０において、４つのセンサ画素１２と対向する領域を第２方向Ｈにずらした領域内にある、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＰ、選択トランジスタＳＥＬおよびＦＤ転送トランジスタＦＤＧによって構成されている。４つのセンサ画素１２によって共有される１つの読み出し回路２２は、例えば、１つのブロック２１Ａ内の増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＳＴ、選択トランジスタＳＥＬおよびＦＤ転送トランジスタＦＤＧによって構成されている。

本変形例では、４つのセンサ画素１２によって共有される１つの読み出し回路２２は、例えば、４つのセンサ画素１２と正対して配置されておらず、４つのセンサ画素１２と正対する位置から第２方向Ｈにずれて配置されている。このようにした場合には、配線２５を短くすることができ、または、配線２５を省略して、増幅トランジスタＡＭＰのソースと、選択トランジスタＳＥＬのドレインとを共通の不純物領域で構成することもできる。その結果、読み出し回路２２のサイズを小さくしたり、読み出し回路２２内の他の箇所のサイズを大きくしたりすることができる。

[変形例Ｍ]
図２６は、変形例Ｄ，Ｊ，Ｋ，Ｌに係る固体撮像装置１の水平方向の断面構成の一変形例を表すものである。図２６の上側の図は、変形例Ｄ，Ｊ，Ｋ，Ｌの構成を備えた固体撮像装置１における第１基板１０の断面構成の一例を表す図である。図２６の上側の図は、変形例Ｄ，Ｊ，Ｋ，Ｌの構成を備えた固体撮像装置１の第１基板１０において、図３の断面Ｓｅｃ１に対応する箇所の断面構成が例示されている。なお、図２６の上側の断面図では、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るとともに、絶縁層４６が省略されている。図２６の下側の図は、変形例Ｄ，Ｊ，Ｋ，Ｌの構成を備えた固体撮像装置１における第２基板２０の断面構成の一例を表す図である。図２６の下側の図は、変形例Ｄ，Ｊ，Ｋ，Ｌの構成を備えた固体撮像装置１の第２基板２０において、図３の断面Ｓｅｃ２に対応する箇所の断面構成が例示されている。なお、図２６の下側の断面図では、半導体基板２１および絶縁層５３の表面構成例を表す図が重ね合わされるとともに、絶縁層５２が省略されている。図２６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いる。

本変形例では、半導体基板２１が、絶縁層５３を介して第１方向Ｖおよび第２方向Ｈに並んで配置された複数の島状のブロック２１Ａで構成されている。各ブロック２１Ａには、例えば、一組のリセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＰおよび選択トランジスタＳＥＬが設けられている。このようにした場合には、互いに隣接する読み出し回路２２同士のクロストークを、絶縁層５３によって抑制することができ、再生画像上での解像度低下や混色による画質劣化を抑制することができる。

[変形例Ｎ]
図２７は、変形例Ｄ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍに係る固体撮像装置１の水平方向の断面構成の一変形例を表すものである。図２７の上側の図は、変形例Ｄ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍの構成を備えた固体撮像装置１における第１基板１０の断面構成の一例を表す図である。図２７の上側の図は、変形例Ｄ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍの構成を備えた固体撮像装置１の第１基板１０において、図３の断面Ｓｅｃ１に対応する箇所の断面構成が例示されている。なお、図２７の上側の断面図では、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るとともに、絶縁層４６が省略されている。図２７の下側の図は、変形例Ｄ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍの構成を備えた固体撮像装置１における第２基板２０の断面構成の一例を表す図である。図２７の下側の図は、変形例Ｄ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｍの構成を備えた固体撮像装置１の第２基板２０において、図３の断面Ｓｅｃ２に対応する箇所の断面構成が例示されている。なお、図２７の下側の断面図では、半導体基板２１および絶縁層５３の表面構成例を表す図が重ね合わされるとともに、絶縁層５２が省略されている。図２７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いる。

本変形例では、４つのセンサ画素１２によって共有される１つの読み出し回路２２が、例えば、４つのセンサ画素１２と正対して配置されておらず、第１方向Ｖにずれて配置されている。本変形例では、さらに、変形例Ｆと同様、半導体基板２１が、絶縁層５３を介して第１方向Ｖおよび第２方向Ｈに並んで配置された複数の島状のブロック２１Ａで構成されている。各ブロック２１Ａには、例えば、一組のリセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＰおよび選択トランジスタＳＥＬが設けられている。本変形例では、さらに、複数の貫通配線６７および複数の貫通配線５４が、第２方向Ｈにも配列されている。具体的には、複数の貫通配線６７が、ある読み出し回路２２を共有する４つの貫通配線５４と、その読み出し回路２２の第２方向Ｈに隣接する他の読み出し回路２２を共有する４つの貫通配線５４との間に配置されている。このようにした場合には、互いに隣接する読み出し回路２２同士のクロストークを、絶縁層５３および貫通配線６７によって抑制することができ、再生画像上での解像度低下や混色による画質劣化を抑制することができる。

[変形例Ｏ]
図２８は、上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像装置１の回路構成の一例を表したものである。本変形例に係る固体撮像装置１は、列並列ＡＤＣ搭載のＣＭＯＳイメージセンサである。

図２８に示すように、本変形例に係る固体撮像装置１は、光電変換素子を含む複数のセンサ画素１２が行列状（マトリックス状）に２次元配置されてなる画素領域１３に加えて、垂直駆動回路３３、カラム信号処理回路３４、参照電圧供給部３８、水平駆動回路３５、水平出力線３７およびシステム制御回路３６を有する構成となっている。

このシステム構成において、システム制御回路３６は、マスタークロックＭＣＫに基づいて、垂直駆動回路３３、カラム信号処理回路３４、参照電圧供給部３８および水平駆動回路３５などの動作の基準となるクロック信号や制御信号などを生成し、垂直駆動回路３３、カラム信号処理回路３４、参照電圧供給部３８および水平駆動回路３５などに対して与える。

また、垂直駆動回路３３は、画素領域１３の各センサ画素１２とともに、第１基板１０形成されており、さらに、読み出し回路２２の形成されている第２基板２０にも形成される。カラム信号処理回路３４、参照電圧供給部３８、水平駆動回路３５、水平出力線３７およびシステム制御回路３６は、第３基板３０に形成される。

センサ画素１２としては、ここでは図示を省略するが、例えば、フォトダイオードＰＤの他に、フォトダイオードＰＤで光電変換して得られる電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する転送トランジスタＴＲとを有する構成のものを用いることができる。また、読み出し回路２２としては、ここでは図示を省略するが、例えば、フローティングディフュージョンＦＤの電位を制御するリセットトランジスタＲＳＴと、フローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタＡＭＰと、画素選択を行うための選択トランジスタＳＥＬとを有する３トランジスタ構成のものを用いることができる。

画素領域１３には、センサ画素１２が２次元配置されるとともに、このｍ行ｎ列の画素配置に対して行毎に画素駆動線２３が配線され、列毎に垂直信号線２４が配線されている。複数の画素駆動線２３の各一端は、垂直駆動回路３３の各行に対応した各出力端に接続されている。垂直駆動回路３３は、シフトレジスタなどによって構成され、複数の画素駆動線２３を介して画素領域１３の行アドレスや行走査の制御を行う。

カラム信号処理回路３４は、例えば、画素領域１３の画素列毎、即ち垂直信号線２４毎に設けられたＡＤＣ（アナログ−デジタル変換回路）３４−１〜３４−ｍを有し、画素領域１３の各センサ画素１２から列毎に出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。

参照電圧供給部３８は、時間が経過するにつれてレベルが傾斜状に変化する、いわゆるランプ（ＲＡＭＰ）波形の参照電圧Ｖｒｅｆを生成する手段として、例えばＤＡＣ（デジタル−アナログ変換回路）３８Ａを有している。なお、ランプ波形の参照電圧Ｖｒｅｆを生成する手段としては、ＤＡＣ３８Ａに限られるものではない。

ＤＡＣ３８Ａは、システム制御回路３６から与えられる制御信号ＣＳ１による制御の下に、当該システム制御回路３６から与えられるクロックＣＫに基づいてランプ波形の参照電圧Ｖｒｅｆを生成してカラム信号処理回路３４のＡＤＣ３４−１〜３４−ｍに対して供給する。

なお、ＡＤＣ３４−１〜３４−ｍの各々は、センサ画素１２全ての情報を読み出すプログレッシブ走査方式での通常フレームレートモードと、通常フレームレートモード時に比べて、センサ画素１２の露光時間を１／Ｎに設定してフレームレートをＮ倍、例えば２倍に上げる高速フレームレートモードとの各動作モードに対応したＡＤ変換動作を選択的に行い得る構成となっている。この動作モードの切り替えは、システム制御回路３６から与えられる制御信号ＣＳ２，ＣＳ３による制御によって実行される。また、システム制御回路３６に対しては、外部のシステムコントローラ（図示せず）から、通常フレームレートモードと高速フレームレートモードの各動作モードとを切り替えるための指示情報が与えられる。

ＡＤＣ３４−１〜３４−ｍは全て同じ構成となっており、ここでは、ＡＤＣ３４−ｍを例に挙げて説明するものとする。ＡＤＣ３４−ｍは、比較器３４Ａ、計数手段である例えばアップ／ダウンカウンタ（図中、Ｕ／ＤＣＮＴと記している）３４Ｂ、転送スイッチ３４Ｃおよびメモリ装置３４Ｄを有する構成となっている。

比較器３４Ａは、画素領域１３のｎ列目の各センサ画素１２から出力される信号に応じた垂直信号線２４の信号電圧Ｖｘと、参照電圧供給部３８から供給されるランプ波形の参照電圧Ｖｒｅｆとを比較し、例えば、参照電圧Ｖｒｅｆが信号電圧Ｖｘよりも大なるときに出力Ｖｃｏが“Ｈ”レベルになり、参照電圧Ｖｒｅｆが信号電圧Ｖｘ以下のときに出力Ｖｃｏが“Ｌ”レベルになる。

アップ／ダウンカウンタ３４Ｂは非同期カウンタであり、システム制御回路３６から与えられる制御信号ＣＳ２による制御の下に、システム制御回路３６からクロックＣＫがＤＡＣ１８Ａと同時に与えられ、当該クロックＣＫに同期してダウン（ＤＯＷＮ）カウントまたはアップ（ＵＰ）カウントを行うことにより、比較器３４Ａでの比較動作の開始から比較動作の終了までの比較期間を計測する。

具体的には、通常フレームレートモードでは、１つのセンサ画素１２からの信号の読み出し動作において、１回目の読み出し動作時にダウンカウントを行うことにより１回目の読み出し時の比較時間を計測し、２回目の読み出し動作時にアップカウントを行うことにより２回目の読み出し時の比較時間を計測する。

一方、高速フレームレートモードでは、ある行のセンサ画素１２についてのカウント結果をそのまま保持しておき、引き続き、次の行のセンサ画素１２について、前回のカウント結果から１回目の読み出し動作時にダウンカウントを行うことで１回目の読み出し時の比較時間を計測し、２回目の読み出し動作時にアップカウントを行うことで２回目の読み出し時の比較時間を計測する。

転送スイッチ３４Ｃは、システム制御回路３６から与えられる制御信号ＣＳ３による制御の下に、通常フレームレートモードでは、ある行のセンサ画素１２についてのアップ／ダウンカウンタ３４Ｂのカウント動作が完了した時点でオン（閉）状態となって当該アップ／ダウンカウンタ３４Ｂのカウント結果をメモリ装置３４Ｄに転送する。

一方、例えばＮ＝２の高速フレームレートでは、ある行のセンサ画素１２についてのアップ／ダウンカウンタ３４Ｂのカウント動作が完了した時点でオフ（開）状態のままであり、引き続き、次の行のセンサ画素１２についてのアップ／ダウンカウンタ３４Ｂのカウント動作が完了した時点でオン状態となって当該アップ／ダウンカウンタ３４Ｂの垂直２画素分についてのカウント結果をメモリ装置３４Ｄに転送する。

このようにして、画素領域１３の各センサ画素１２から垂直信号線２４を経由して列毎に供給されるアナログ信号が、ＡＤＣ３４−１〜３４−ｍにおける比較器３４Ａおよびアップ／ダウンカウンタ３４Ｂの各動作により、Ｎビットのデジタル信号に変換されてメモリ装置３４Ｄに格納される。

水平駆動回路３５は、シフトレジスタなどによって構成され、カラム信号処理回路３４におけるＡＤＣ３４−１〜３４−ｍの列アドレスや列走査の制御を行う。この水平駆動回路３５による制御の下に、ＡＤＣ３４−１〜３４−ｍの各々でＡＤ変換されたＮビットのデジタル信号は順に水平出力線３７に読み出され、当該水平出力線３７を経由して撮像データとして出力される。

なお、本開示には直接関連しないため特に図示しないが、水平出力線３７を経由して出力される撮像データに対して各種の信号処理を施す回路等を、上記構成要素以外に設けることも可能である。

上記構成の本変形例に係る列並列ＡＤＣ搭載の固体撮像装置１では、アップ／ダウンカウンタ３４Ｂのカウント結果を、転送スイッチ３４Ｃを介して選択的にメモリ装置３４Ｄに転送することができるため、アップ／ダウンカウンタ３４Ｂのカウント動作と、当該アップ／ダウンカウンタ３４Ｂのカウント結果の水平出力線３７への読み出し動作とを独立して制御することが可能である。

[変形例Ｐ]
図２９は、図２８の固体撮像装置１を３つの基板（第１基板１０，第２基板２０，第３基板３０）を積層して構成した例を表す。本変形例では、第１基板１０において、中央部分に、複数のセンサ画素１２を含む画素領域１３が形成されており、画素領域１３の周囲に垂直駆動回路３３が形成されている。また、第２基板２０において、中央部分に、複数の読み出し回路２２を含む読み出し回路領域１５が形成されており、読み出し回路領域１５の周囲に垂直駆動回路３３が形成されている。第３基板３０において、カラム信号処理回路３４、水平駆動回路３５、システム制御回路３６、水平出力線３７および参照電圧供給部３８が形成されている。これにより、上記実施の形態およびその変形例と同様、基板同士を電気的に接続する構造に起因して、チップサイズが大きくなったり、１画素あたりの面積の微細化を阻害したりしてしまうことがない。その結果、今までと同等のチップサイズで、１画素あたりの面積の微細化を阻害することのない３層構造の固体撮像装置１を提供することができる。なお、垂直駆動回路３３は、第１基板１０のみに形成されても、第２基板２０のみに形成されてもよい。

[変形例Ｑ]
図３０は、上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像装置１の断面構成の一変形例を表す。上記実施の形態およびその変形例において、第３基板３０が省略されるとともに、第３基板３０に設けられていたロジック回路３２が、例えば、図３０に示したように、第１基板１０と、第２基板２０とに分けて形成されていてもよい。このとき、ロジック回路３２のうち、第１基板１０側に設けられた回路３２Ａでは、高温プロセスに耐え得る材料（例えば、ｈｉｇｈ−ｋ）からなる高誘電率膜とメタルゲート電極とが積層されたゲート構造を有するトランジスタが設けられている。一方、第２基板２０側に設けられた回路３２Ｂでは、ソース電極およびドレイン電極と接する不純物拡散領域の表面に、ＣｏＳｉ₂やＮｉＳｉなどのサリサイド (Self Aligned Silicide)プロセスを用いて形成されたシリサイドからなる低抵抗領域２７が形成されている。シリサイドからなる低抵抗領域２７は、半導体基板の材料と金属との化合物で形成されている。これにより、センサ画素１２を形成する際に、熱酸化などの高温プロセスを用いることができる。また、ロジック回路３２のうち、第２基板２０側に設けられた回路３２Ｂにおいて、ソース電極およびドレイン電極と接する不純物拡散領域の表面に、シリサイドからなる低抵抗領域２７を設けた場合には、接触抵抗を低減することができる。その結果、ロジック回路３２での演算速度を高速化することができる。

図３１は、上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像装置１の断面構成の一変形例を表す。上記実施の形態およびその変形例に係る第３基板３０に設けられたロジック回路３２において、ソース電極およびドレイン電極と接する不純物拡散領域の表面に、ＣｏＳｉ₂やＮｉＳｉなどのサリサイド (Self Aligned Silicide)プロセスを用いて形成されたシリサイドからなる低抵抗領域３９が形成されていてもよい。これにより、センサ画素１２を形成する際に、熱酸化などの高温プロセスを用いることができる。また、ロジック回路３２において、ソース電極およびドレイン電極と接する不純物拡散領域の表面に、シリサイドからなる低抵抗領域３９を設けた場合には、接触抵抗を低減することができる。その結果、ロジック回路３２での演算速度を高速化することができる。

なお、上記実施の形態およびその変形例において、導電型が逆になっていてもよい。例えば、上記実施の形態およびその変形例の記載において、ｐ型をｎ型に読み替えるとともに、ｎ型をｐ型に読み替えてもよい。このようにした場合であっても、上記実施の形態およびその変形例と同様の効果を得ることができる。

＜３．適用例＞
図３２は、上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像装置１を備えた撮像システム２の概略構成の一例を表したものである。

撮像システム２は、例えば、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の固体撮像装置や、スマートフォンやタブレット型端末等の携帯端末装置などの電子機器である。撮像システム２は、例えば、上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像装置１、ＤＳＰ回路１４１、フレームメモリ１４２、表示部１４３、記憶部１４４、操作部１４５および電源部１４６を備えている。撮像システム２において、上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像装置１、ＤＳＰ回路１４１、フレームメモリ１４２、表示部１４３、記憶部１４４、操作部１４５および電源部１４６は、バスライン１４７を介して相互に接続されている。

上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像装置１は、入射光に応じた画像データを出力する。ＤＳＰ回路１４１は、上記各実施の形態およびその変形例に係る固体撮像装置１から出力される信号（画像データ）を処理する信号処理回路である。フレームメモリ１４２は、ＤＳＰ回路１４１により処理された画像データを、フレーム単位で一時的に保持する。表示部１４３は、例えば、液晶パネルや有機EL（Electro Luminescence）パネ
ル等のパネル型表示装置からなり、上記各実施の形態およびその変形例に係る固体撮像装置１で撮像された動画又は静止画を表示する。記憶部１４４は、上記各実施の形態およびその変形例に係る固体撮像装置１で撮像された動画又は静止画の画像データを、半導体メモリやハードディスク等の記録媒体に記録する。操作部１４５は、ユーザによる操作に従い、撮像システム２が有する各種の機能についての操作指令を発する。電源部１４６は、上記各実施の形態およびその変形例に係る固体撮像装置１、ＤＳＰ回路１４１、フレームメモリ１４２、表示部１４３、記憶部１４４および操作部１４５の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。

次に、撮像システム２における撮像手順について説明する。

図３３は、撮像システム２における撮像動作のフローチャートの一例を表す。ユーザは、操作部１４５を操作することにより撮像開始を指示する（ステップＳ１０１）。すると、操作部１４５は、撮像指令を固体撮像装置１に送信する（ステップＳ１０２）。固体撮像装置１（具体的にはシステム制御回路３６）は、撮像指令を受けると、所定の撮像方式での撮像を実行する（ステップＳ１０３）。

固体撮像装置１は、撮像により得られた画像データをＤＳＰ回路１４１に出力する。ここで、画像データとは、フローティングディフュージョンＦＤに一時的に保持された電荷に基づいて生成された画素信号の全画素分のデータである。ＤＳＰ回路１４１は、固体撮像装置１から入力された画像データに基づいて所定の信号処理（例えばノイズ低減処理など）を行う（ステップＳ１０４）。ＤＳＰ回路１４１は、所定の信号処理がなされた画像データをフレームメモリ１４２に保持させ、フレームメモリ１４２は、画像データを記憶部１４４に記憶させる（ステップＳ１０５）。このようにして、撮像システム２における撮像が行われる。

本適用例では、上記各実施の形態およびその変形例に係る固体撮像装置１が撮像システム２に適用される。これにより、固体撮像装置１を小型化もしくは高精細化することができるので、小型もしくは高精細な撮像システム２を提供することができる。

＜４．応用例＞
[応用例１]
本開示に係る技術（本技術）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３４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３４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３４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３５は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。

図３５では、車両１２１００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。撮像部１２１０１及び１２１０５で取得される前方の画像は、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３５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移動体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、上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像装置１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、ノイズの少ない高精細な撮影画像を得ることができるので、移動体制御システムにおいて撮影画像を利用した高精度な制御を行うことができる。

[応用例２]
図３６は、本開示に係る技術（本技術）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。

図３６では、術者（医師）１１１３１が、内視鏡手術システム１１０００を用いて、患者ベッド１１１３３上の患者１１１３２に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム１１０００は、内視鏡１１１００と、気腹チューブ１１１１１やエネルギー処置具１１１１２等の、その他の術具１１１１０と、内視鏡１１１００を支持する支持アーム装置１１１２０と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート１１２００と、から構成される。

内視鏡１１１００は、先端から所定の長さの領域が患者１１１３２の体腔内に挿入される鏡筒１１１０１と、鏡筒１１１０１の基端に接続されるカメラヘッド１１１０２と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒１１１０１を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡１１１００を図示しているが、内視鏡１１１００は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。

鏡筒１１１０１の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡１１１００には光源装置１１２０３が接続されており、当該光源装置１１２０３によって生成された光が、鏡筒１１１０１の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者１１１３２の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡１１１００は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。

カメラヘッド１１１０２の内部には光学系及び撮像素子が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該撮像素子に集光される。当該撮像素子によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該画像信号は、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ： Ｃａｍｅｒａ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１１２０１に送信される。

ＣＣＵ１１２０１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等によって構成され、内視鏡１１１００及び表示装置１１２０２の動作を統括的に制御する。さらに、ＣＣＵ１１２０１は、カメラヘッド１１１０２から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。

表示装置１１２０２は、ＣＣＵ１１２０１からの制御により、当該ＣＣＵ１１２０１によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。

光源装置１１２０３は、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の光源から構成され、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡１１１００に供給する。

入力装置１１２０４は、内視鏡手術システム１１０００に対する入力インタフェースである。ユーザは、入力装置１１２０４を介して、内視鏡手術システム１１０００に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。例えば、ユーザは、内視鏡１１１００による撮像条件（照射光の種類、倍率及び焦点距離等）を変更する旨の指示等を入力する。

処置具制御装置１１２０５は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具１１１１２の駆動を制御する。気腹装置１１２０６は、内視鏡１１１００による視野の確保及び術者の作業空間の確保の目的で、患者１１１３２の体腔を膨らめるために、気腹チューブ１１１１１を介して当該体腔内にガスを送り込む。レコーダ１１２０７は、手術に関する各種の情報を記録可能な装置である。プリンタ１１２０８は、手術に関する各種の情報を、テキスト、画像又はグラフ等各種の形式で印刷可能な装置である。

なお、内視鏡１１１００に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置１１２０３は、例えばＬＥＤ、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成することができる。ＲＧＢレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置１１２０３において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、ＲＧＢレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド１１１０２の撮像素子の駆動を制御することにより、ＲＧＢそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。

また、光源装置１１２０３は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド１１１０２の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。

また、光源装置１１２０３は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用して、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する、いわゆる狭帯域光観察（Ｎａｒｒｏｗ Ｂａｎｄ Ｉｍａｇｉｎｇ）が行われる。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること（自家蛍光観察）、又はインドシアニングリーン（ＩＣＧ）等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置１１２０３は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び／又は励起光を供給可能に構成され得る。

図３７は、図３６に示すカメラヘッド１１１０２及びＣＣＵ１１２０１の機能構成の一例を示すブロック図である。

カメラヘッド１１１０２は、レンズユニット１１４０１と、撮像部１１４０２と、駆動部１１４０３と、通信部１１４０４と、カメラヘッド制御部１１４０５と、を有する。ＣＣＵ１１２０１は、通信部１１４１１と、画像処理部１１４１２と、制御部１１４１３と、を有する。カメラヘッド１１１０２とＣＣＵ１１２０１とは、伝送ケーブル１１４００によって互いに通信可能に接続されている。

レンズユニット１１４０１は、鏡筒１１１０１との接続部に設けられる光学系である。鏡筒１１１０１の先端から取り込まれた観察光は、カメラヘッド１１１０２まで導光され、当該レンズユニット１１４０１に入射する。レンズユニット１１４０１は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成される。

撮像部１１４０２は、撮像素子で構成される。撮像部１１４０２を構成する撮像素子は、１つ（いわゆる単板式）であってもよいし、複数（いわゆる多板式）であってもよい。撮像部１１４０２が多板式で構成される場合には、例えば各撮像素子によってＲＧＢそれぞれに対応する画像信号が生成され、それらが合成されることによりカラー画像が得られてもよい。あるいは、撮像部１１４０２は、３Ｄ（Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）表示に対応する右目用及び左目用の画像信号をそれぞれ取得するための１対の撮像素子を有するように構成されてもよい。３Ｄ表示が行われることにより、術者１１１３１は術部における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、撮像部１１４０２が多板式で構成される場合には、各撮像素子に対応して、レンズユニット１１４０１も複数系統設けられ得る。

また、撮像部１１４０２は、必ずしもカメラヘッド１１１０２に設けられなくてもよい。例えば、撮像部１１４０２は、鏡筒１１１０１の内部に、対物レンズの直後に設けられてもよい。

駆動部１１４０３は、アクチュエータによって構成され、カメラヘッド制御部１１４０５からの制御により、レンズユニット１１４０１のズームレンズ及びフォーカスレンズを光軸に沿って所定の距離だけ移動させる。これにより、撮像部１１４０２による撮像画像の倍率及び焦点が適宜調整され得る。

通信部１１４０４は、ＣＣＵ１１２０１との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１１４０４は、撮像部１１４０２から得た画像信号をＲＡＷデータとして伝送ケーブル１１４００を介してＣＣＵ１１２０１に送信する。

また、通信部１１４０４は、ＣＣＵ１１２０１から、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を受信し、カメラヘッド制御部１１４０５に供給する。当該制御信号には、例えば、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報、撮像時の露出値を指定する旨の情報、並びに／又は撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報等、撮像条件に関する情報が含まれる。

なお、上記のフレームレートや露出値、倍率、焦点等の撮像条件は、ユーザによって適宜指定されてもよいし、取得された画像信号に基づいてＣＣＵ１１２０１の制御部１１４１３によって自動的に設定されてもよい。後者の場合には、いわゆるＡＥ（Ａｕｔｏ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ）機能、ＡＦ（Ａｕｔｏ Ｆｏｃｕｓ）機能及びＡＷＢ（Ａｕｔｏ Ｗｈｉｔｅ Ｂａｌａｎｃｅ）機能が内視鏡１１１００に搭載されていることになる。

カメラヘッド制御部１１４０５は、通信部１１４０４を介して受信したＣＣＵ１１２０１からの制御信号に基づいて、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御する。

通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２から、伝送ケーブル１１４００を介して送信される画像信号を受信する。

また、通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２に対して、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を送信する。画像信号や制御信号は、電気通信や光通信等によって送信することができる。

画像処理部１１４１２は、カメラヘッド１１１０２から送信されたＲＡＷデータである画像信号に対して各種の画像処理を施す。

制御部１１４１３は、内視鏡１１１００による術部等の撮像、及び、術部等の撮像により得られる撮像画像の表示に関する各種の制御を行う。例えば、制御部１１４１３は、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を生成する。

また、制御部１１４１３は、画像処理部１１４１２によって画像処理が施された画像信号に基づいて、術部等が映った撮像画像を表示装置１１２０２に表示させる。この際、制御部１１４１３は、各種の画像認識技術を用いて撮像画像内における各種の物体を認識してもよい。例えば、制御部１１４１３は、撮像画像に含まれる物体のエッジの形状や色等を検出することにより、鉗子等の術具、特定の生体部位、出血、エネルギー処置具１１１１２の使用時のミスト等を認識することができる。制御部１１４１３は、表示装置１１２０２に撮像画像を表示させる際に、その認識結果を用いて、各種の手術支援情報を当該術部の画像に重畳表示させてもよい。手術支援情報が重畳表示され、術者１１１３１に提示されることにより、術者１１１３１の負担を軽減することや、術者１１１３１が確実に手術を進めることが可能になる。

カメラヘッド１１１０２及びＣＣＵ１１２０１を接続する伝送ケーブル１１４００は、電気信号の通信に対応した電気信号ケーブル、光通信に対応した光ファイバ、又はこれらの複合ケーブルである。

ここで、図示する例では、伝送ケーブル１１４００を用いて有線で通信が行われていたが、カメラヘッド１１１０２とＣＣＵ１１２０１との間の通信は無線で行われてもよい。

以上、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術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、内視鏡１１１００のカメラヘッド１１１０２に設けられた撮像部１１４０２に好適に適用され得る。撮像部１１４０２に本開示に係る技術を適用することにより、撮像部１１４０２を小型化もしくは高精細化することができるので、小型もしくは高精細な内視鏡１１１００を提供することができる。

以上、実施の形態およびその変形例、適用例ならびに応用例を挙げて本開示を説明したが、本開示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。なお、本明細書中に記載された効果は、あくまで例示である。本開示の効果は、本明細書中に記載された効果に限定されるものではない。本開示が、本明細書中に記載された効果以外の効果を持っていてもよい。

また、本開示は、以下のような構成を取ることも可能である。
（１）
光電変換部と、
第１フローティングディフュージョンおよび第１増幅トランジスタを含む第１信号経路と、
第２フローティングディフュージョンおよび第２増幅トランジスタを含む第２信号経路と、
第１モードのときには前記第１信号経路を前記光電変換部に電気的に接続するとともに前記第２信号経路を前記光電変換部から電気的に切り離し、第２モードのときには前記第１信号経路および前記第２信号経路の双方を前記光電変換部に電気的に接続するモード切り換えスイッチ部と、
前記光電変換部、前記第１フローティングディフュージョン、前記第１増幅トランジスタ、前記第２フローティングディフュージョン、前記第２増幅トランジスタおよび前記モード切り換えスイッチ部のうち、少なくとも前記光電変換部が形成された第１基板と、
前記第１基板に積層され、前記光電変換部、前記第１フローティングディフュージョン、前記第１増幅トランジスタ、前記第２フローティングディフュージョン、前記第２増幅トランジスタおよび前記モード切り換えスイッチ部のうち、少なくとも前記第２増幅トランジスタが形成された第２基板と
を備えた
固体撮像装置。
（２）
前記光電変換部、前記第１フローティングディフュージョン、前記第２フローティングディフュージョンおよび前記モード切り換えスイッチ部は、前記第１基板に形成され、
前記第１増幅トランジスタおよび前記第２増幅トランジスタは、前記第２基板に形成されている
（１）に記載の固体撮像装置。
（３）
前記光電変換部、前記第１フローティングディフュージョン、前記第１増幅トランジスタ、前記第２フローティングディフュージョンおよび前記モード切り換えスイッチ部は、前記第１基板に形成され、
前記第２増幅トランジスタは、前記第２基板に形成されている
（１）に記載の固体撮像装置。
（４）
前記光電変換部は、前記第１基板に形成され、
前記第１フローティングディフュージョン、前記第１増幅トランジスタ、前記第２フローティングディフュージョン、前記第２増幅トランジスタおよび前記モード切り換えスイッチ部は、前記第２基板に形成されている
（１）に記載の固体撮像装置。
（５）
前記第２基板に形成されたトランジスタの電極は、シリサイドを含んで構成されている
（１）ないし（４）のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
（６）
前記モード切り換えスイッチ部による切り換えによって変換する、トランジスタのサイズの大きさに応じて、駆動電流を変化させる駆動回路を更に備えた
（１）ないし（５）のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
（７）
光電変換部と、
第１フローティングディフュージョンおよび第１増幅トランジスタを含む第１信号経路と、
第２フローティングディフュージョンおよび第２増幅トランジスタを含む第２信号経路と、
第１モードのときには前記第１信号経路を前記光電変換部に電気的に接続するとともに前記第２信号経路を前記光電変換部から電気的に切り離し、第２モードのときには前記第１信号経路および前記第２信号経路の双方を前記光電変換部に電気的に接続するモード切り換えスイッチ部と、
前記光電変換部および前記第１フローティングディフュージョンが形成された第１基板と、
前記第１基板に積層され、前記第１増幅トランジスタ、前記第２フローティングディフュージョンおよび前記モード切り換えスイッチ部が形成された第２基板と、
前記第２基板に積層され、前記第２増幅トランジスタが形成された第３基板と
を備えた
固体撮像装置。
（８）
前記第２基板および前記第３基板に形成されたトランジスタの電極は、シリサイドを含んで構成されている
（７）に記載の固体撮像装置。
（９）
入射光に応じた画素信号を出力する固体撮像装置と、
前記画素信号を処理する信号処理回路と
を備え、
前記固体撮像装置は、
光電変換部と、
第１フローティングディフュージョンおよび第１増幅トランジスタを含む第１信号経路と、
第２フローティングディフュージョンおよび第２増幅トランジスタを含む第２信号経路と、
第１モードのときには前記第１信号経路を前記光電変換部に電気的に接続するとともに前記第２信号経路を前記光電変換部から電気的に切り離し、第２モードのときには前記第１信号経路および前記第２信号経路の双方を前記光電変換部に電気的に接続するモード切り換えスイッチ部と、
前記光電変換部、前記第１フローティングディフュージョン、前記第１増幅トランジスタ、前記第２フローティングディフュージョン、前記第２増幅トランジスタおよび前記モード切り換えスイッチ部のうち、少なくとも前記光電変換部が形成された第１基板と、
前記第１基板に積層され、前記光電変換部、前記第１フローティングディフュージョン、前記第１増幅トランジスタ、前記第２フローティングディフュージョン、前記第２増幅トランジスタおよび前記モード切り換えスイッチ部のうち、少なくとも前記第２増幅トランジスタが形成された第２基板と
を有する
電子機器。
（１０）
入射光に応じた画素信号を出力する固体撮像装置と、
前記画素信号を処理する信号処理回路と
を備え、
前記固体撮像装置は、
光電変換部と、
第１フローティングディフュージョンおよび第１増幅トランジスタを含む第１信号経路と、
第２フローティングディフュージョンおよび第２増幅トランジスタを含む第２信号経路と、
第１モードのときには前記第１信号経路を前記光電変換部に電気的に接続するとともに前記第２信号経路を前記光電変換部から電気的に切り離し、第２モードのときには前記第１信号経路および前記第２信号経路の双方を前記光電変換部に電気的に接続するモード切り換えスイッチ部と、
前記光電変換部および前記第１フローティングディフュージョンが形成された第１基板と、
前記第１基板に積層され、前記第１増幅トランジスタ、前記第２フローティングディフュージョンおよび前記モード切り換えスイッチ部が形成された第２基板と、
前記第２基板に積層され、前記第２増幅トランジスタが形成された第３基板と
を有する
電子機器。

本開示の第１の側面である固体撮像装置および電子機器、ならびに本開示の第２の側面である固体撮像装置および電子機器によれば、使用する増幅トランジスタをモードに応じて選択し、少なくとも増幅トランジスタを、光電変換部の形成された基板とは別の基板に形成するようにしたので、高精細な用途においても、高感度および高ダイナミックレンジを両立することが可能である。なお、本技術の効果は、ここに記載された効果に必ずしも限定されず、本明細書中に記載されたいずれの効果であってもよい。

本出願は、日本国特許庁において２０１８年１１月１３日に出願された日本特許出願番号第２０１８−２１３１４７号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべ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 (10)

1. 光電変換部と、
   第１フローティングディフュージョンおよび第１増幅トランジスタを含む第１信号経路と、
   第２フローティングディフュージョンおよび第２増幅トランジスタを含む第２信号経路と、
   第１モードのときには前記第１信号経路を前記光電変換部に電気的に接続するとともに前記第２信号経路を前記光電変換部から電気的に切り離し、第２モードのときには前記第１信号経路および前記第２信号経路の双方を前記光電変換部に電気的に接続するモード切り換えスイッチ部と、
   前記光電変換部、前記第１フローティングディフュージョン、前記第１増幅トランジスタ、前記第２フローティングディフュージョン、前記第２増幅トランジスタおよび前記モード切り換えスイッチ部のうち、少なくとも前記光電変換部が形成された第１基板と、
   前記第１基板に積層され、前記光電変換部、前記第１フローティングディフュージョン、前記第１増幅トランジスタ、前記第２フローティングディフュージョン、前記第２増幅トランジスタおよび前記モード切り換えスイッチ部のうち、少なくとも前記第２増幅トランジスタが形成された第２基板と
   を備えた
   固体撮像装置。
2. 前記光電変換部、前記第１フローティングディフュージョン、前記第２フローティングディフュージョンおよび前記モード切り換えスイッチ部は、前記第１基板に形成され、
   前記第１増幅トランジスタおよび前記第２増幅トランジスタは、前記第２基板に形成されている
   請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記光電変換部、前記第１フローティングディフュージョン、前記第１増幅トランジスタ、前記第２フローティングディフュージョンおよび前記モード切り換えスイッチ部は、前記第１基板に形成され、
   前記第２増幅トランジスタは、前記第２基板に形成されている
   請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記光電変換部は、前記第１基板に形成され、
   前記第１フローティングディフュージョン、前記第１増幅トランジスタ、前記第２フローティングディフュージョン、前記第２増幅トランジスタおよび前記モード切り換えスイッチ部は、前記第２基板に形成されている
   請求項１に記載の固体撮像装置。
5. 前記第２基板に形成されたトランジスタの電極は、シリサイドを含んで構成されている
   請求項１に記載の固体撮像装置。
6. 前記モード切り換えスイッチ部による切り換えによって変換する、トランジスタのサイズの大きさに応じて、駆動電流を変化させる駆動回路を更に備えた
   請求項１に記載の固体撮像装置。
7. 光電変換部と、
   第１フローティングディフュージョンおよび第１増幅トランジスタを含む第１信号経路と、
   第２フローティングディフュージョンおよび第２増幅トランジスタを含む第２信号経路と、
   第１モードのときには前記第１信号経路を前記光電変換部に電気的に接続するとともに前記第２信号経路を前記光電変換部から電気的に切り離し、第２モードのときには前記第１信号経路および前記第２信号経路の双方を前記光電変換部に電気的に接続するモード切り換えスイッチ部と、
   前記光電変換部および前記第１フローティングディフュージョンが形成された第１基板と、
   前記第１基板に積層され、前記第１増幅トランジスタ、前記第２フローティングディフュージョンおよび前記モード切り換えスイッチ部が形成された第２基板と、
   前記第２基板に積層され、前記第２増幅トランジスタが形成された第３基板と
   を備えた
   固体撮像装置。
8. 前記第２基板および前記第３基板に形成されたトランジスタの電極は、シリサイドを含んで構成されている
   請求項７に記載の固体撮像装置。
9. 入射光に応じた画素信号を出力する固体撮像装置と、
   前記画素信号を処理する信号処理回路と
   を備え、
   前記固体撮像装置は、
   光電変換部と、
   第１フローティングディフュージョンおよび第１増幅トランジスタを含む第１信号経路と、
   第２フローティングディフュージョンおよび第２増幅トランジスタを含む第２信号経路と、
   第１モードのときには前記第１信号経路を前記光電変換部に電気的に接続するとともに前記第２信号経路を前記光電変換部から電気的に切り離し、第２モードのときには前記第１信号経路および前記第２信号経路の双方を前記光電変換部に電気的に接続するモード切り換えスイッチ部と、
   前記光電変換部、前記第１フローティングディフュージョン、前記第１増幅トランジスタ、前記第２フローティングディフュージョン、前記第２増幅トランジスタおよび前記モード切り換えスイッチ部のうち、少なくとも前記光電変換部が形成された第１基板と、
   前記第１基板に積層され、前記光電変換部、前記第１フローティングディフュージョン、前記第１増幅トランジスタ、前記第２フローティングディフュージョン、前記第２増幅トランジスタおよび前記モード切り換えスイッチ部のうち、少なくとも前記第２増幅トランジスタが形成された第２基板と
   を有する
   電子機器。
10. 入射光に応じた画素信号を出力する固体撮像装置と、
    前記画素信号を処理する信号処理回路と
    を備え、
    前記固体撮像装置は、
    光電変換部と、
    第１フローティングディフュージョンおよび第１増幅トランジスタを含む第１信号経路と、
    第２フローティングディフュージョンおよび第２増幅トランジスタを含む第２信号経路と、
    第１モードのときには前記第１信号経路を前記光電変換部に電気的に接続するとともに前記第２信号経路を前記光電変換部から電気的に切り離し、第２モードのときには前記第１信号経路および前記第２信号経路の双方を前記光電変換部に電気的に接続するモード切り換えスイッチ部と、
    前記光電変換部および前記第１フローティングディフュージョンが形成された第１基板と、
    前記第１基板に積層され、前記第１増幅トランジスタ、前記第２フローティングディフュージョンおよび前記モード切り換えスイッチ部が形成された第２基板と、
    前記第２基板に積層され、前記第２増幅トランジスタが形成された第３基板と
    を有する
    電子機器。

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