KR20190131482A - 고체 촬상 소자, 전자 기기, 및 제조 방법 - Google Patents

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소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤
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Abstract

본 개시는, 소자 레이아웃 면적을 보다 축소할 수 있도록 하는 고체 촬상 소자, 전자 기기, 및 제조 방법에 관한 것이다. 반도체 기판의 제1면에 마련된 광전변환 소자는, 광전변환 소자에 접속되고, 반도체 기판의 제1면과 제2면 사이에 마련된 관통 전극을 통하여, 반도체 기판의 제2면에 마련된 앰프 트랜지스터의 게이트와 플로팅 디퓨전에 접속되어 있다. 이 화소 구조에서는, 유전체층이 제2면의 관통 전극의 사이에 마련되어 있고, 제2면측에서 보아 유전체층의 내측에 실드 전극이 마련되어 있다. 이 유전체층은, 제2면측에 배치된 트랜지스터의 게이트 절연막보다도 두껍게 형성되어 있다. 본 개시는, 예를 들면, 적층형으로, 이면 조사형의 고체 촬상 소자에 적용할 수 있다.

Description

고체 촬상 소자, 전자 기기, 및 제조 방법
본 개시는, 고체 촬상 소자, 전자 기기, 및 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 소자 레이아웃 면적을 보다 축소할 수 있도록 한 고체 촬상 소자, 전자 기기, 및 제조 방법에 관한 것이다.
디지털 카메라 등의 촬상 장치에서, 광전변환막을 적층한 이미지 센서는, 예를 들면, 특허문헌 1에서 개시되어 있는 바와 같은, 광전변환막과 플로팅 디퓨전을 접속하는 관통 전극 구조를 취한다. 화소 사이즈가 미세하게 되면, 관통 전극끼리가 근접하여 배치되는 구조를 취하는 경우가 있고, 그 경우는 용량 커플링에 의한 전기 혼색을 막기 위해, 실드 전극이 배치된다.
일본 특개2015-38931호 공보
특허문헌 1에서는, 겹침이나 선폭(線幅)이라는 프로세스 편차에 의해, 실드 전극과 플로팅 디퓨전에 접속한 배선이 단락하여 버리는 것이 우려되기 때문에, 관통 전극과 실드 전극 사이를 떼는 대응을 취한다. 그 결과, 화소 사이즈가 커지거나, 포토 다이오드 면적이 축소하고, 포화 신호량이나 감도(感度) 특성이 저하되거나 하고 있다.
본 개시는, 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 소자 레이아웃 면적을 보다 축소할 수 있는 것이다.
본 기술의 한 측면의 고체 촬상 소자는, 반도체 기판의 제1면측에 마련된 광전변환 소자와, 상기 광전변환 소자에 접속되고, 상기 반도체 기판의 상기 제1면과, 상기 제1면과는 다른 면인 제2면 사이에 마련된 관통 전극과, 상기 제2면에 마련되고, 상기 관통 전극을 통하여 광전변환 소자와 접속되는 트랜지스터 및 플로팅 디퓨전과, 상기 제2면에서의 상기 관통 전극의 사이에 형성되는, 상기 트랜지스터의 게이트 절연막보다도 두꺼운 유전체층을 구비한다.
상기 제2면측에서 보아, 상기 유전체층의 내측에 실드 전극을 또한 구비할 수 있다.
상기 실드 전극의 재료는, 폴리실리콘 또는 어모퍼스 실리콘이다.
상기 실드 전극은, 상기 실드 전극과 전기적으로 접속된 콘택트와, 상기 콘택트에 전기적으로 접속된 배선으로부터 소정의 전압으로 제어되어 있다.
상기 실드 전극에 전기적으로 접속된 콘택트는, 상기 관통 전극의 사이에 마련되어 있다.
상기 실드 전극에 전기적으로 접속된 콘택트는, 상기 관통 전극의 사이에 라인형상으로 마련되어 있다.
상기 유전체층은, 상기 관통 전극의 주위에 마련되어 있다.
상기 관통 전극은, 상기 반도체 기판을 관통함과 함께, 분리홈에 의해 상기 반도체 기판과 분리되어 있고, 상기 유전체층과 상기 분리홈이 접하여 있다.
상기 반도체 기판 내에 마련된 하나 또는 복수의 포토 다이오드를 또한 구비할 수 있다.
본 기술의 한 측면의 전자 기기는, 반도체 기판의 제1면측에 마련된 광전변환 소자와, 상기 광전변환 소자에 접속되고, 상기 반도체 기판의 상기 제1면과, 상기 제1면과는 다른 면인 제2면 사이에 마련된 관통 전극과, 상기 제2면에 마련되고, 상기 관통 전극을 통하여 광전변환 소자와 접속되는 트랜지스터 및 플로팅 디퓨전과, 상기 제2면에서의 상기 관통 전극의 사이에 형성되는, 상기 트랜지스터의 게이트 절연막보다도 두꺼운 유전체층을 구비하는 고체 촬상 소자와, 상기 고체 촬상 소자로부터 출력되는 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로와, 입사광을 상기 고체 촬상 소자에 입사하는 광학계를 갖는다.
본 기술의 제조 방법은, 제조 장치가, 반도체 기판의 제1면과, 상기 제1면과는 다른 면인 제2면 사이에 관통구멍을 형성하고, 상기 제2면에서의 관통구멍의 사이에, 상기 제2면에 형성되는 트랜지스터의 게이트 절연막보다 두꺼운 유전체층을 형성하고, 상기 제2면에 상기 트랜지스터를 포함하는 게이트 배선을 형성하고, 상기 관통구멍에 금속재료막을 매입하여 관통 전극을 형성하고, 상기 제1면에, 상기 관통 전극을 통하여 상기 트랜지스터 및 플로팅 디퓨전과 접속하는 상기 광전변환 소자를 형성한다.
본 기술의 한 측면에서는, 반도체 기판의 제1면측에 광전변환 소자가 마련된, 관통 전극이, 상기 광전변환 소자에 접속되고, 상기 반도체 기판의 상기 제1면과, 상기 제1면과는 다른 면인 제2면 사이에 마련되고, 트랜지스터 및 플로팅 디퓨전이, 상기 제2면에 마련되고, 상기 관통 전극을 통하여 광전변환 소자와 접속된다. 그리고, 상기 제2면에서의 상기 관통 전극의 사이에, 상기 트랜지스터의 게이트 절연막보다도 두꺼운 유전체층이 형성된다.
본 기술에 의하면, 소자 레이아웃 면적을 보다 축소할 수 있다.
또한, 본 명세서에 기재된 효과는, 어디까지나 예시이고, 본 기술의 효과는, 본 명세서에 기재된 효과로 한정되는 것이 아니고, 부가적인 효과가 있어도 좋다.
도 1은 본 기술을 적용한 고체 촬상 소자의 개략 구성례를 도시하는 블록도.
도 2는 본 기술을 적용한 고체 촬상 소자의 제1의 실시의 형태의 화소 구조례를 도시하는 단면도.
도 3은 고체 촬상 소자의 제조 처리에 관해 설명하는 플로우 차트.
도 4는 고체 촬상 소자의 제조 처리에 관해 설명하는 플로우 차트.
도 5는 고체 촬상 소자의 제조 처리를 설명하는 공정도.
도 6은 고체 촬상 소자의 제조 처리를 설명하는 공정도.
도 7은 고체 촬상 소자의 제조 처리를 설명하는 공정도.
도 8은 고체 촬상 소자의 제조 처리를 설명하는 공정도.
도 9는 고체 촬상 소자의 제조 처리를 설명하는 공정도.
도 10은 고체 촬상 소자의 제조 처리를 설명하는 공정도.
도 11은 본 기술을 적용한 고체 촬상 소자의 제2의 실시의 형태의 화소 구조례를 도시하는 상면도.
도 12는 본 기술을 적용한 고체 촬상 소자의 제3의 실시의 형태의 화소 구조례를 도시하는 상면도.
도 13은 본 기술을 적용한 고체 촬상 소자의 제3의 실시의 형태의 화소 구조례를 도시하는 상면도.
도 14는 도 13의 화소 구조의 단면도.
도 15는 본 기술을 적용한 고체 촬상 소자의 제5의 실시의 형태의 화소 구조례를 도시하는 단면도.
도 16은 본 기술을 적용한 이미지 센서의 사용례를 도시하는 도면.
도 17은 본 기술을 적용한 전자 기기의 구성례를 도시하는 블록도.
도 18은 체내 정보 취득 시스템의 개략적인 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 19는 내시경 수술 시스템의 개략적인 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 20은 카메라 헤드 및 CCU의 기능 구성의 한 예를 도시하는 블록도.
도 21은 차량 제어 시스템의 개략적인 구성의 한 예를 도시하는 블록도.
도 22는 차외 정보 검출부 및 촬상부의 설치 위치의 한 예를 도시하는 설명도.
도 23은 본 개시에 관한 기술을 적용할 수 있는, 광전변환부가 적층된 화소를 갖는 고체 촬상 장치의 구성례를 도시하는 단면도.
도 24는 본 개시에 관한 기술을 적용할 수 있는, 광전변환부가 적층된 화소를 갖는 고체 촬상 장치의 구성례를 도시하는 평면도.
이하, 본 개시를 실시하기 위한 형태(이하 실시의 형태라고 한다)에 관해 설명한다. 또한, 설명은 이하의 순서로 행한다.
0. 장치의 설명
1. 실시의 형태
2. 이미지 센서의 사용례
3. 전자 기기의 예
4. 체내 정보 취득 시스템에의 응용례
5. 내시경 수술 시스템에의 응용례
6. 이동체에의 응용례
7. 적층형 고체 촬상 소자의 구성례
<0. 장치의 설명>
<고체 촬상 소자의 개략 구성례>
도 1은, 본 기술의 각 실시의 형태에 적용된 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 고체 촬상 소자의 한 예의 개략 구성례를 도시하고 있다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 고체 촬상 소자(소자 칩)(1)는, 반도체 기판(11)(예를 들면 실리콘 기판)에 복수의 광전변환 소자를 포함하는 화소(2)가 규칙적으로 2차원적으로 배열된 화소 영역(이른바 촬상 영역(3))과, 주변 회로 영역을 갖고서 구성된다.
화소(2)는, 광전변환 소자(예를 들면, PD(Photo Diode))와, 복수의 화소 트랜지스터(이른바 MOS 트랜지스터)를 갖고서 이루어진다. 복수의 화소 트랜지스터는, 예를 들면, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 및 증폭 트랜지스터의 3개의 트랜지스터로 구성할 수 있고, 또한 선택 트랜지스터를 추가하여 4개의 트랜지스터로 구성할 수도 있다.
또한, 화소(2)는, 화소 공유 구조로 할 수도 있다. 화소 공유 구조는, 복수의 포토 다이오드, 복수의 전송 트랜지스터, 공유되는 하나의 플로팅 디퓨전, 및, 공유되는 하나씩의 다른 화소 트랜지스터로 구성된다. 포토 다이오드는, 광전변환 소자이다.
주변 회로 영역은, 수직 구동 회로(4), 칼럼 신호 처리 회로(5), 수평 구동 회로 6, 출력 회로(7), 및 제어 회로(8)로 구성된다.
제어 회로(8)는, 입력 클록이나, 동작 모드 등을 지령하는 데이터를 수취하고, 또한, 고체 촬상 소자(1)의 내부 정보 등의 데이터를 출력한다. 구체적으로는, 제어 회로(8)는, 수직 동기 신호, 수평 동기 신호, 및 마스터 클록에 의거하여, 수직 구동 회로(4), 칼럼 신호 처리 회로(5), 및 수평 구동 회로(6)의 동작의 기준이 되는 클록 신호나 제어 신호를 생성한다. 그리고, 제어 회로(8)는, 이들의 신호를 수직 구동 회로(4), 칼럼 신호 처리 회로(5), 및 수평 구동 회로(6)에 입력한다.
수직 구동 회로(4)는, 예를 들면 시프트 레지스터에 의해 구성되고, 화소 구동 배선을 선택하고, 선택된 화소 구동 배선에 화소(2)를 구동하기 위한 펄스를 공급하고, 행 단위로 화소(2)를 구동한다. 구체적으로는, 수직 구동 회로(4)는, 화소 영역(3)의 각 화소(2)를 행 단위로 순차적으로 수직 방향으로 선택 주사하고, 수직 신호선(9)을 통하여 각 화소(2)의 광전변환 소자에서 수광량에 응하여 생성한 신호 전하에 의거한 화소 신호를 칼럼 신호 처리 회로(5)에 공급한다.
칼럼 신호 처리 회로(5)는, 화소(2)의 예를 들면 열마다 배치되어 있고, 1행분의 화소(2)로부터 출력되는 신호를 화소열마다 노이즈 제거 등의 신호 처리를 행한다. 구체적으로는, 칼럼 신호 처리 회로(5)는, 화소(2) 고유의 고정 패턴 노이즈를 제거하기 위한 CDS(Correlated Double Sampling)나, 신호 증폭, A/D(Analog/Digital) 변환 등의 신호 처리를 행한다. 칼럼 신호 처리 회로(5)의 출력단에는, 수평 선택 스위치(도시 생략)가 수평 신호선(10)과의 사이에 접속되어 마련된다. 또한, 상기 신호 처리의 일부분은, 화소마다 신호 처리되어도 좋다.
수평 구동 회로(6)는, 예를 들면 시프트 레지스터에 의해 구성되고, 수평 주사 펄스를 순차적으로 출력함에 의해, 칼럼 신호 처리 회로(5)의 각각을 순번대로 선택하고, 칼럼 신호 처리 회로(5)의 각각으로부터 화소 신호를 수평 신호선(10)에 출력시킨다.
출력 회로(7)은, 칼럼 신호 처리 회로(5)의 각각으로부터 수평 신호선(10)을 통하여 순차적으로 공급되는 신호에 대해, 신호 처리를 행하여 출력한다. 출력 회로(7)은, 예를 들면, 버퍼링만을 행하는 경우도 있고, 흑레벨 조정, 열 편차 보정, 각종 디지털 신호 처리 등을 행하는 경우도 있다.
입출력 단자(12)는, 외부와 신호의 교환을 하기 위해 마련된다.
<1. 실시의 형태>
<고체 촬상 소자의 제1의 실시의 형태의 화소 구조례>
도 2는, 본 기술을 적용한 고체 촬상 소자의 제1의 실시의 형태의 화소 구조례를 도시하는 단면도이다.
도 2에 도시하는 화소 구조에서는, 반도체 기판(11)의 제1면(11-1)에 마련된 광전변환 소자(109)와, 광전변환 소자(109)에 접속되고, 반도체 기판(11)의 제1면과 제2면 사이에 마련된 관통 전극(104)과, 반도체 기판(11)의 제2면(11-2)에 마련된 앰프 트랜지스터(115) 및 플로팅 디퓨전(116)이 구비되어 있다. 광전변환 소자(109)는, 관통 전극(104)을 통하여, 앰프 트랜지스터(115)의 게이트와 플로팅 디퓨전(116)에 접속되어 있다.
또한, 이 화소 구조에서는, 유전체층(103)이 제2면(11-2)의 관통 전극(104)의 사이에 마련되어 있고, 제2면(11-2)측에서 보아 유전체층(103)의 내측에 실드 전극(114)이 마련되어 있다. 이 유전체층(103)은, 제2면(11-2)측에 배치된 트랜지스터(예를 들면, 앰프 트랜지스터(115))의 게이트 절연막(120)보다도 두껍게 형성되어 있다. 실드 전극(114)은, 실드 전극(114)과 전기적으로 접속된 콘택트(128)와, 콘택트(128)에 전기적으로 접속된 배선으로부터 소정의 전압으로 제어되어 있다.
도 2의 화소 구조에 의하면, 반도체 기판(11)의 제1면(11-1)부터의 관통 전극 형성시에 있어서, 반도체 기판(11)보다도 유전체층(103)의 에칭 레이트가 낮은 특징에 의해, 유전체층(103)이 가공되기 어렵고, 관통 전극(104)의 직경이, 유전체층(103)으로 자기정합(自己整合, self-alighment)적으로 규정된다. 유전체층(103)상에 실드 전극(114)을 배치함으로써, 관통 전극(104)과 실드 전극(114)이 단락되기 어려워진다. 그 결과, 소자 레이아웃 면적을 보다 축소하는 것이 가능해지고, 화소 사이즈를 보다 미세하게 할 수 있거나, 포화 신호량이나 감도 특성 향상할 수 있거나 하는 효과가 기대된다.
또한, 이 고체 촬상 소자(1)에서는, 도 2에 도시되는 바와 같이, 관통 전극(104)과 반도체 기판(11)의 사이를 분리하는 분리홈(105)이 형성되고, 분리홈(105)에 유전체(101)가 충전된 구조를 취하는 것이 바람직하다. 분리홈(105)의 외측면과 유전체층(103)의 외측면의 반도체 기판 내에는 불순물 영역(도 2에서는 P+)이 마련되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 실드 전극(114)의 아래에 유전체층(103)이 마련됨으로써, 실드 전극(114)이 정(正)바이어스 인가된 조건에서도, 반도체 기판(11)의 유전체층(103)의 외측면에 홀 축적층을 형성할 수 있는 효과가 있다. 홀 축적층을 형성하기 위해서는, 예를 들면, 유전체층(103)의 두께는 20㎚ 이상인 것이 바람직하다.
또한, 제2면(11-2)측에서 보아 유전체층(103)의 내측에 실드 전극(114)이 마련되어 있고, 예를 들면, 유전체층(103)의 단(端)부터 내측으로 20㎚ 이상 거리를 잡은 위치에 실드 전극(114)이 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 분리홈(105)과 유전체층(103)과의 거리가, 관통 전극(104)과 분리홈(105)을 합친 직경의 30%보다도 가까운 거리에서 유전체층(103)이 관통 전극(104)의 사이에 배치되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 관통 전극(104)과 분리홈(105)을 합친 직경이 350㎚라고 하면, 분리홈(105)과 유전체층(103)과의 거리는 100㎚ 이하인 것이 바람직하다.
유전체층(103)의 재료는 특히 한정되지 않지만, 예를 들면, 실리콘산화막, 실리콘질화막, 실리콘산질화막을 포함한다.
실드 전극(114)은, 예를 들면, 폴리실리콘, PDAS(Phosphorus Doped Amorphous Silicon) 등의 도프된 실리콘 재료에 의해 구성되어 있다. 관통 전극(104)을 구성하는 재료는 특히 한정되지 않지만, 알루미늄, 텅스텐, 티탄, 코발트, 하프늄, 탄탈 등의 금속 또는 도전성 재료인 것이 바람직하다.
또한, 도면 중에는 도시하고 있지 않지만 광입사면(112)에 온 칩 렌즈나 컬러 필터를 필요에 응하여 형성하여도 좋다.
다음에, 도 3 및 도 4의 플로우 차트를 참조하여, 도 2의 구조의 고체 촬상 소자(1)의 제조 처리에 관해 설명한다. 또한, 이 제조 처리는, 제조 장치에 의해 실행되는 처리이고, 적절히, 도 5 내지 도 10의 공정도가 참조된다.
우선, 스텝 S111에서, 제조 장치는, 도 5에 도시되는 바와 같이, 반도체 기판(11) 내에, 제1의 도전형의 웰로서 예를 들면 P웰을 형성하고, 이 P웰 내에 제2의 도전형(예를 들면, N형)의 포토 다이오드(123 및 124)를 형성한다. 이때, 반도체 기판(11)의 제1면(11-1) 부근에는, P+영역이 형성된다.
스텝 S112에서, 제조 장치는, 도 5에 도시되는 바와 같이, 관통 전극(104) 및 분리홈(105)의 형성 예정 영역(151)에, 반도체 기판(11)의 제1면(11-1)로부터 제2면(11-2)까지를 관통하는 불순물 영역(P+영역)을 형성한다. 또한, 제조 장치는, 형성 예정 영역(151)의 사이의 제2면(11-2)측에, 유전체층(103)을 형성한다. 또한, 유전체층(103)은, 제2면(11-2)측에 배치된 소자 분리, 예를 들면, STI와 동시에 형성되어도 좋다.
스텝 S113에서, 제조 장치는, 반도체 기판(11)의 제2면(11-2)에는, 마찬가지로, 도 5에 도시되는 바와 같이, 플로팅 디퓨전(이하, FD라고 칭한다)(116 내지 118)이 되는 N+영역을 형성한 후, 게이트 절연막(120)과, 종형 전송 게이트(122), 전송 게이트(121), 앰프 트랜지스터(115), 및 리셋 트랜지스터(129)의 각 게이트를 포함하는 게이트 배선을 형성한다.
또한, 스텝 S114에서, 제조 장치는, 반도체 기판(11)의 제2면(11-2)상에, 콘택트(128), 배선층(125), 절연막(126)으로 이루어지는 다층 배선(127)을 형성한다.
반도체 기판(11)의 기체(基體)로서는, 예를 들면, 반도체 기판(11)과, 매입 산화막(도시 생략)과, 지지 기판(도시 생략)을 적층한 SOI(Silicon On Insulator) 기판이 사용된다. 매입 산화막 및 지지 기판은, 도 5에는 도시되지 않지만, 반도체 기판(11)의 제1면(11-1)에 접합되어 있다. 이온 주입 후, 어닐 처리가 시행된다.
다음에, 스텝 S115에서, 제조 장치는, 도 6에 도시되는 바와 같이, 반도체 기판(11)의 제2면(11-2)측(다층 배선)에 지지 기판(도시 생략) 또는 다른 반도체 기체 등을 접합하여, 고체 촬상 소자(1)를, 상하 반전한다. 그리고, 반도체 기판(11)이 SOI 기판의 매입 산화막 및 지지 기판부터 분리되어, 반도체 기판(11)의 제1면(11-1)이 노출된다.
이상의 공정은, 이온 주입 및 CVD(Chemical Vapor Deposition) 등, 통상의 CMOS 프로세스에서 이용되고 있는 기술로 행할 수 있다.
그 후, 스텝 S116에서, 제조 장치는, 도 7에 도시되는 바와 같이, 예를 들면, 드라이 에칭에 의해 반도체 기판(11)을 제1면(11-1)측부터 가공하여, 반도체 기판(11)을 관통하는 환형상(環狀, annular shape) 또는 윤형상(輪狀, ring shape)의 분리홈(105)을 형성한다.
스텝 S117에서, 제조 장치는, 도 8에 도시되는 바와 같이, 분리홈(105)의 외측면 및 저면과, 반도체 기판(11)의 제1면(11-1)에, 고정 전하를 갖는 막(102)과 유전체(101)를 성막한다. 유전체(101)의 재료로서는, TEOS, ALD법에 의해 성막된 실리콘산화막 또는 실리콘질화막 등을 이용하는 것이 가능하다.
다음에, 도 4의 스텝 S118에서, 제조 장치는, 도 9에 도시되는 바와 같이, 드라이 에칭 등에 의해 고정 전하를 갖는 막(102)과 유전체(101)를 후퇴한다.
스텝 S119에서, 제조 장치는, 도 10에 도시되는 바와 같이, 분리홈(105)에 금속재료막을 매입한 후, 드라이 에칭 또는 CMP(Chemical Mechanical Polishing)에 의해, 금속재료막을 후퇴 또는 평탄화하여, 관통 전극(104)을 형성한다.
또한, 스텝 S120에서, 제조 장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 층간 절연막(111) 및 상부 콘택트를 형성하고, 상부 콘택트를 관통 전극(104)의 상단에 접속한다. 그 후, 스텝 S121에서, 제조 장치는, 투명 전극(106), 광전변환막(107), 및 투명 전극(108)으로 이루어지는 광전변환 소자(109)와, 보호막(110)을 형성하고, 최후에, 평탄화막 등의 광학 부재 및 온 칩 렌즈(도시 생략)를 배설한다.
이상에 의해, 도 2의 구조의 고체 촬상 소자(1)가 완성된다.
<고체 촬상 소자의 제2의 실시의 형태의 화소 구조례>
도 11은, 본 기술을 적용한 고체 촬상 소자의 제2의 실시의 형태의 화소 구조례를 도시하는 상면도이다.
도 11의 화소 구조에서는, 콘택트(128)가 관통 전극(104)의 사이에 마련되어 있는 점만이, 도 2의 화소 구조와 다르고, 그 외는, 기본적으로 도 2의 화소 구조와 공통되어 있다. 즉, 도 11에 도시하는 화소 구조에서는, 실드 전극(114)에 전기적으로 접속된 콘택트(128)는, 관통 전극(104)의 사이에 마련되어 있는 것이 특징이 된다.
이에 의해, 도 11의 화소 구조에서는, 도 2의 화소 구조에 비하여, 관통 전극(104) 사이의 용량 커플링을 보다 막을 수 있다.
콘택트(128)의 재료는, 특히 한정되지 않지만, 알루미늄, 텅스텐, 티탄, 코발트, 하프늄, 탄탈 등의 금속재료를 포함한다.
또한, 유전체층(103)과 실드 전극(114)의 모서리부(角部)는, 둥그스름함을 갖고 있어도 상관없다.
<고체 촬상 소자의 제3의 실시의 형태의 화소 구조례>
도 12는, 본 기술을 적용한 고체 촬상 소자의 제3의 실시의 형태의 화소 구조례를 도시하는 상면도이다.
도 12의 화소 구조에서는, 콘택트(128)가 관통 전극(104)의 사이에 라인형상으로 마련되어 있는 점만이, 도 11의 화소 구조와 다르고, 그 외는, 기본적으로 도 2의 화소 구조와 공통되어 있다.
즉, 도 12에 도시하는 화소 구조에서는, 콘택트(128)가 관통 전극(104)의 사이에 라인형상으로 마련되어 있는 것이 특징이 된다.
이에 의해, 도 12의 화소 구조에서는, 도 11의 화소 구조에 비하여, 관통 전극(104) 사이의 용량 커플링을 보다 막을 수 있다.
<고체 촬상 소자의 제4의 실시의 형태의 화소 구조례>
도 13은, 본 기술을 적용한 고체 촬상 소자의 제3의 실시의 형태의 화소 구조례를 도시하는 상면도이다. 또한, 도 14는, 도 13의 화소 구조의 단면도이다.
도 13의 화소 구조에서는, 유전체층(103)이 관통 전극(104)의 주위에 마련되어 있는 점만이, 도 2의 화소 구조와 다르고, 그 외는, 기본적으로 도 2의 화소 구조와 공통되어 있다.
즉, 도 13에 도시하는 화소 구조에서는, 유전체층(103)이 관통 전극(104)의 주위에 마련되어 있는 것이 특징이 된다.
이에 의해, 도 13의 화소 구조에서는, 도 2의 화소 구조에 비하여, 관통 전극(104) 이외의 소자와 단락되기 어려워져서, 화소 사이즈를 더욱 축소할 수 있다.
<고체 촬상 소자의 제5의 실시의 형태의 화소 구조례>
도 15는, 본 기술을 적용한 고체 촬상 소자의 제5의 실시의 형태의 화소 구조례를 도시하는 단면도이다.
도 15의 화소 구조에서는, 관통 전극(104)이, 반도체 기판(11)을 관통함과 함께, 분리홈(105)에 의해 반도체 기판(11)과 분리되어 있고, 유전체층(103)과 분리홈(105)이 접하여 있는 점이, 도 2의 화소 구조와 다르고, 그 외는, 기본적으로 도 2의 화소 구조와 공통되어 있다. 즉, 도 15에 도시하는 화소 구조에서는, 관통 전극(104)이, 반도체 기판(11)을 관통함과 함께, 분리홈(105)에 의해 반도체 기판(11)과 분리되어 있고, 유전체층(103)과 분리홈(105)이 접하여 있는 것이 특징이 된다.
이에 의해, 도 15의 화소 구조에서는, 도 2의 화소 구조에 비하여 화소 사이즈를 더욱 축소할 수 있다.
이상, 상술(上述)하여 온 바와 같이, 본 기술에 의하면, 반도체 기판의 제1면부터의 관통 전극 형성시에 있어서, 반도체 기판보다도 유전체층의 에칭 레이트가 낮기 때문에, 유전체층이 가공되기 어렵고, 관통 전극의 직경이 유전체층에서 자기정합적으로 규정된다. 따라서 본 기술에서는, 유전체층상에 실드 전극을 배치하도록 하였기 때문에, 관통 전극과 실드 전극이 단락되기 어려워진다.
그 결과, 소자 레이아웃 면적을 보다 축소하는 것이 가능해지고, 화소 사이즈를 보다 미세하게 할 수 있거나, 포화 신호량이나 감도 특성 향상할 수 있거나 하는 효과가 기대된다.
여기서는, 암전류나 백점을 저감시키기 위해, 유전체층의 외측면의 반도체 기판 내에 P 형의 불순물 영역이 마련된다. 또한, 실드 전극의 아래에, 유전체층이 마련됨으로써, 실드 전극이 정바이어스 인가된 조건에서, 유전체층의 외측면의 반도체 기판 내에 홀 축적층을 형성할 수 있다.
<2. 이미지 센서의 사용례>
도 16은, 상술한 고체 촬상 소자를 사용한 사용례를 도시하는 도면이다.
상술한 고체 촬상 소자(이미지 센서)는, 예를 들면, 이하와 같이, 가시광이나, 적외광, 자외광, X선 등의 광을 센싱하는 다양한 케이스에 사용할 수 있다.
·디지털 카메라나, 카메라 기능 부착의 휴대 기기 등의, 감상용으로 제공되는 화상을 촬영하는 장치
·자동 정지 등의 안전운전이나, 운전자의 상태의 인식 등을 위해, 자동차의 전방이나 후방, 주위, 차내 등을 촬영한 차량탑재용 센서, 주행 차량이나 도로를 감시하는 감시 카메라, 차량 사이 등의 거리측정을 행하는 거리측정 센서 등의, 교통용으로 제공되는 장치
·유저의 제스처를 촬영하고, 그 제스처에 응한 기기 조작을 행하기 위해, TV나, 냉장고, 에어 컨디셔너 등의 가전에 제공되는 장치
·내시경이나, 적외광의 수광에 의한 혈관 촬영을 행하는 장치 등의, 의료나 헬스케어용으로 제공되는 장치
·방범 용도의 감시 카메라나, 인물 인증 용도의 카메라 등의, 시큐리티용으로 제공되는 장치
·피부를 촬영한 피부 측정기나, 두피를 촬영하는 마이크로스코프 등의, 미용용으로 제공되는 장치
·스포츠 용도 등 용의 액션 카메라나 웨어러블 카메라 등의, 스포츠용으로 제공되는 장치
·밭이나 작물의 상태를 감시하기 위한 카메라 등의, 농업용으로 제공되는 장치
<3. 전자 기기의 예>
<전자 기기의 구성례>
또한, 본 기술은, 고체 촬상 소자에의 적용으로 한정되는 것이 아니고, 촬상 장치에도 적용 가능하다. 여기서, 촬상 장치란, 디지털 스틸 카메라나 디지털 비디오 카메라 등의 카메라 시스템이나, 휴대 전화기 등의 촬상 기능을 갖는 전자 기기인 것을 말하다. 또한, 전자 기기에 탑재되는 모듈형상의 형태, 즉 카메라 모듈을 촬상 장치로 하는 경우도 있다.
여기서, 도 17을 참조하여, 본 기술의 전자 기기의 구성례에 관해 설명한다.
도 17에 도시되는 전자 기기(300)는, 고체 촬상 소자(소자 칩)(301), 광학 렌즈(302), 셔터 장치(303), 구동 회로(304), 및 신호 처리 회로(305)를 구비하고 있다. 고체 촬상 소자(301)로서는, 상술한 본 기술의 고체 촬상 소자(1)가 마련된다.
광학 렌즈(302)는, 피사체로부터의 상광(입사광)을 고체 촬상 소자(301)의 촬상면상에 결상시킨다. 이에 의해, 고체 촬상 소자(301) 내에 일정 기간 신호 전하가 축적된다. 셔터 장치(303)는, 고체 촬상 소자(301)에 대한 광조사 기간 및 차광 기간을 제어한다.
구동 회로(304)는, 고체 촬상 소자(301)의 신호 전송 동작, 셔터 장치(303)의 셔터 동작, 및 도시하지 않은 발광부의 발광 동작을 제어하는 구동 신호를 공급한다. 구동 회로(304)는, 도시하지 않은 CPU에 의해 설정된 파라미터를 이용하여 각 동작을 제어한다. 구동 회로(304)로부터 공급되는 구동 신호(타이밍 신호)에 의해, 고체 촬상 소자(301)는 신호 전송을 행한다. 신호 처리 회로(305)는, 고체 촬상 소자(301)로부터 출력된 신호에 대해 각종의 신호 처리를 행한다. 신호 처리가 시행된 영상 신호는, 메모리 등의 기억 매체에 기억되거나, 모니터에 출력된다.
<4. 체내 정보 취득 시스템에의 응용례>
본 개시에 관한 기술(본 기술)은, 다양한 제품에 응용할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 관한 기술은, 내시경 수술 시스템에 적용되어도 좋다.
도 18은, 본 개시에 관한 기술(본 기술)이 적용될 수 있는, 캡슐형 내시경을 이용한 환자의 체내 정보 취득 시스템의 개략적인 구성의 한 예를 도시하는 블록도이다.
체내 정보 취득 시스템(10001)은, 캡슐형 내시경(10100)과, 외부 제어 장치(10200)로 구성된다.
캡슐형 내시경(10100)은, 검사시에, 환자에 의해 삼켜진다. 캡슐형 내시경(10100)은, 촬상 기능 및 무선 통신 기능을 가지며, 환자로부터 자연 배출될 때까지의 사이, 위나 장 등의 장기의 내부를 연동 운동 등에 의해 이동하면서, 당해 장기의 내부의 화상(이하, 체내 화상이라고도 한다)을 소정의 간격으로 순차적으로 촬상하고, 그 체내 화상에 관한 정보를 체외의 외부 제어 장치(10200)에 순차적으로 무선 송신한다.
외부 제어 장치(10200)는, 체내 정보 취득 시스템(10001)의 동작을 통괄적으로 제어한다. 또한, 외부 제어 장치(10200)는, 캡슐형 내시경(10100)으로부터 송신되어 오는 체내 화상에 관한 정보를 수신하고, 수신한 체내 화상에 관한 정보에 의거하여, 표시 장치(도시 생략)에 당해 체내 화상을 표시하기 위한 화상 데이터를 생성한다.
체내 정보 취득 시스템(10001)에서는, 이와 같이 하여, 캡슐형 내시경(10100)이 삼켜지고 나서 배출될 때까지의 사이, 환자의 체내의 양상을 촬상한 체내 화상을 수시로 얻을 수 있다.
캡슐형 내시경(10100)과 외부 제어 장치(10200)의 구성 및 기능에 관해 보다 상세히 설명한다.
캡슐형 내시경(10100)은, 캡슐형의 몸체(10101)를 가지며, 그 몸체(10101) 내에는, 광원부(10111), 촬상부(10112), 화상 처리부(10113), 무선 통신부(10114), 급전부(10115), 전원부(10116), 및 제어부(10117)가 수납되어 있다.
광원부(10111)는, 예를 들면 LED(Light Emitting Diode) 등의 광원으로 구성되고, 촬상부(10112)의 촬상 시야에 대해 광을 조사한다.
촬상부(10112)는, 촬상 소자, 및 당해 촬상 소자의 전단에 마련된 복수의 렌즈로 이루어지는 광학계로 구성된다. 관찰 대상인 체조직에 조사된 광의 반사광(이하, 관찰광이라고 한다)는, 당해 광학계에 의해 집광되고, 당해 촬상 소자에 입사한다. 촬상부(10112)에서는, 촬상 소자에서, 그곳에 입사한 관찰광이 광전변환되고, 그 관찰광에 대응하는 화상 신호가 생성된다. 촬상부(10112)에 의해 생성된 화상 신호는, 화상 처리부(10113)에 제공된다.
화상 처리부(10113)는, CPU(Central Processing Unit)나 GPU(Graphics Processing Unit) 등의 프로세서에 의해 구성되고, 촬상부(10112)에 의해 생성된 화상 신호에 대해 각종의 신호 처리를 행한다. 화상 처리부(10113)는, 신호 처리를 시행한 화상 신호를, RAW 데이터로서 무선 통신부(10114)에 제공한다.
무선 통신부(10114)는, 화상 처리부(10113)에 의해 신호 처리가 시행된 화상 신호에 대해 변조 처리 등의 소정의 처리를 행하고, 그 화상 신호를, 안테나(10114A)를 통하여 외부 제어 장치(10200)에 송신한다. 또한, 무선 통신부(10114)는, 외부 제어 장치(10200)로부터, 캡슐형 내시경(10100)의 구동 제어에 관한 제어 신호를, 안테나(10114A)를 통하여 수신한다. 무선 통신부(10114)는, 외부 제어 장치(10200)로부터 수신한 제어 신호를 제어부(10117)에 제공한다.
급전부(10115)는, 수전용의 안테나 코일, 당해 안테나 코일에 발생한 전류로부터 전력을 재생하는 전력 재생 회로, 및 승압 회로 등으로 구성된다. 급전부(10115)에서는, 이른바 비접촉 충전의 원리를 이용하여 전력이 생성된다.
전원부(10116)는, 2차 전지에 의해 구성되고, 급전부(10115)에 의해 생성된 전력을 축전한다. 도 19에서는, 도면이 복잡해지는 것을 피하기 위해, 전원부(10116)로부터의 전력의 공급처를 나타내는 화살표 등의 도시를 생략하고 있지만, 전원부(10116)에 축전된 전력은, 광원부(10111), 촬상부(10112), 화상 처리부(10113), 무선 통신부(10114), 및 제어부(10117)에 공급되고, 이들의 구동에 사용될 수 있다.
제어부(10117)는, CPU 등의 프로세서에 의해 구성되고, 광원부(10111), 촬상부(10112), 화상 처리부(10113), 무선 통신부(10114), 및, 급전부(10115)의 구동을, 외부 제어 장치(10200)로부터 송신된 제어 신호에 따라 적절히 제어한다.
외부 제어 장치(10200)는, CPU, GPU 등의 프로세서, 또는 프로세서와 메모리 등의 기억 소자가 혼재된 마이크로 컴퓨터 또는 제어 기판 등으로 구성된다. 외부 제어 장치(10200)는, 캡슐형 내시경(10100)의 제어부(10117)에 대해 제어 신호를, 안테나(10200A)를 통하여 송신함에 의해, 캡슐형 내시경(10100)의 동작을 제어한다. 캡슐형 내시경(10100)에서는, 예를 들면, 외부 제어 장치(10200)로부터의 제어 신호에 의해, 광원부(10111)에서의 관찰 대상에 대한 광의 조사 조건이 변경될 수 있다. 또한, 외부 제어 장치(10200)로부터의 제어 신호에 의해, 촬상 조건(예를 들면, 촬상부(10112)에서의 프레임 레이트, 노출치 등)이 변경될 수 있다. 또한, 외부 제어 장치(10200)로부터의 제어 신호에 의해, 화상 처리부(10113)에서의 처리의 내용이나, 무선 통신부(10114)가 화상 신호를 송신하는 조건(예를 들면, 송신 간격, 송신 화상수 등)이 변경되어도 좋다.
또한, 외부 제어 장치(10200)는, 캡슐형 내시경(10100)으로부터 송신되는 화상 신호에 대해, 각종의 화상 처리를 시행하여, 촬상된 체내 화상을 표시 장치에 표시하기 위한 화상 데이터를 생성한다. 당해 화상 처리로서는, 예를 들면 현상 처리(디모자이크 처리), 고화질화 처리(대역 강조 처리, 초해상 처리, NR(Noise reduction) 처리 및/또는 손떨림 보정 처리 등), 및/또는 확대 처리(전자 줌 처리) 등, 각종의 신호 처리를 행할 수가 있다. 외부 제어 장치(10200)는, 표시 장치의 구동을 제어하고, 생성한 화상 데이터에 의거하여 촬상된 체내 화상을 표시시킨다. 또는, 외부 제어 장치(10200)는, 생성한 화상 데이터를 기록 장치(도시 생략)에 기록시키거나, 인쇄 장치(도시 생략)에 인쇄 출력시켜도 좋다.
이상, 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 체내 정보 취득 시스템의 한 예에 관해 설명하였다. 본 개시에 관한 기술은, 이상 설명한 구성 중, 촬상부(10112)에 적용될 수 있다. 예를 들면, 도 1의 고체 촬상 소자(1)는, 촬상부(10112)에 적용할 수 있다. 촬상부(10112)에, 본 개시에 관한 기술을 적용함에 의해, 소자 레이아웃 면적을 보다 축소하는 것이 가능해지고, 화소 사이즈를 보다 미세하게 할 수 있거나, 포화 신호량이나 감도 특성 향상할 수 있거나 하는 효과가 기대된다.
<5. 내시경 수술 시스템에의 응용례>
본 개시에 관한 기술(본 기술)은, 다양한 제품에 응용할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 관한 기술은, 내시경 수술 시스템에 적용되어도 좋다.
도 19는, 본 개시에 관한 기술(본 기술)이 적용될 수 있는 내시경 수술 시스템의 개략적인 구성의 한 예를 도시하는 도면이다.
도 19에서는, 시술자(의사)(11131)가, 내시경 수술 시스템(11000)을 이용하여, 환자 베드(11133)상의 환자(11132)에게 수술을 행하고 있는 양상이 도시되어 있다. 도시하는 바와 같이, 내시경 수술 시스템(11000)은, 내시경(11100)과, 기복(氣腹) 튜브(11111)나 에너지 처치구(11112) 등의, 기타의 시술구(11110)와, 내시경(11100)을 지지하는 지지 암 장치(11120)와, 내시경하 수술을 위한 각종의 장치가 탑재된 카트(11200)로 구성된다.
내시경(11100)은, 선단에서 소정 길이의 영역이 환자(11132)의 체강 내에 삽입되는 경통(11101)과, 경통(11101)의 기단(基端)에 접속되는 카메라 헤드(11102)로 구성된다. 도시하는 예에서는, 경성의 경통(11101)을 갖는 이른바 경성경으로서 구성된 내시경(11100)을 도시하고 있지만, 내시경(11100)은, 연성의 경통을 갖는 이른바 연성경으로서 구성되어도 좋다.
경통(11101)의 선단에는, 대물 렌즈가 감입(嵌入)된 개구부가 마련되어 있다. 내시경(11100)에는 광원 장치(11203)가 접속되어 있고, 당해 광원 장치(11203)에 의해 생성된 광이, 경통(11101)의 내부에 연설(延設)된 라이트 가이드에 의해 당해 경통의 선단까지 도광되고, 대물 렌즈를 통하여 환자(11132)의 체강 내의 관찰 대상을 향하여 조사된다. 또한, 내시경(11100)은, 직시경이라도 좋고, 사시경 또는 측시경이라도 좋다.
카메라 헤드(11102)의 내부에는 광학계 및 촬상 소자가 마련되어 있고, 관찰 대상으로부터의 반사광(관찰광)은 당해 광학계에 의해 당해 촬상 소자에 집광된다. 당해 촬상 소자에 의해 관찰광이 광전변환되고, 관찰광에 대응하는 전기 신호, 즉 관찰상에 대응하는 화상 신호가 생성된다. 당해 화상 신호는, RAW 데이터로서 카메라 컨트롤 유닛(CCU : Camera Control Unit)(11201)에 송신된다.
CCU(11201)는, CPU(Central Processing Unit)나 GPU(Graphics Processing Unit) 등에 의해 구성되고, 내시경(11100) 및 표시 장치(11202)의 동작을 통괄적으로 제어한다. 또한, CCU(11201)는, 카메라 헤드(11102)로부터 화상 신호를 수취하고, 그 화상 신호에 대해, 예를 들면 현상 처리(디모자이크 처리) 등의, 당해 화상 신호에 의거한 화상을 표시하기 위한 각종의 화상 처리를 시행한다.
표시 장치(11202)는, CCU(11201)로부터의 제어에 의해, 당해 CCU(11201)에 의해 화상 처리가 시행된 화상 신호에 의거한 화상을 표시한다.
광원 장치(11203)는, 예를 들면 LED(Light Emitting Diode) 등의 광원으로 구성되고, 시술부 등을 촬영할 때의 조사광을 내시경(11100)에 공급한다.
입력 장치(11204)는, 내시경 수술 시스템(11000)에 대한 입력 인터페이스이다. 유저는, 입력 장치(11204)를 통하여, 내시경 수술 시스템(11000)에 대해 각종의 정보의 입력이나 지시 입력을 행할 수가 있다. 예를 들면, 유저는, 내시경(11100)에 의한 촬상 조건(조사광의 종류, 배율 및 초점 거리 등)을 변경하는 취지의 지시 등을 입력한다.
처치구 제어 장치(11205)는, 조직의 소작(燒灼), 절개 또는 혈관의 봉지 등을 위한 에너지 처치구(11112)의 구동을 제어한다. 기복 장치(11206)는, 내시경(11100)에 의한 시야의 확보 및 시술자의 작업 공간의 확보의 목적으로, 환자(11132)의 체강을 팽창시키기 위해, 기복 튜브(11111)를 통하여 당해 체강 내에 가스를 보낸다. 레코더(11207)는, 수술에 관한 각종의 정보를 기록 가능한 장치이다. 프린터(11208)는, 수술에 관한 각종의 정보를, 텍스트, 화상 또는 그래프 등 각종의 형식으로 인쇄 가능한 장치이다.
또한, 내시경(11100)으로 시술부를 촬영할 때의 조사광을 공급하는 광원 장치(11203)는, 예를 들면 LED, 레이저 광원 또는 이들의 조합에 의해 구성되는 백색 광원으로 구성할 수 있다. RGB 레이저 광원의 조합에 의해 백색 광원이 구성되는 경우에는, 각 색(각 파장)의 출력 강도 및 출력 타이밍을 고정밀도로 제어할 수 있기 때문에, 광원 장치(11203)에서 촬상 화상의 화이트 밸런스의 조정을 행할 수가 있다. 또한, 이 경우에는, RGB 레이저광원 각각으로부터의 레이저광을 시분할로 관찰 대상에 조사하고, 그 조사 타이밍에 동기하여 카메라 헤드(11102)의 촬상 소자의 구동을 제어함에 의해, RGB 각각에 대응하는 화상을 시분할로 촬상하는 것도 가능하다. 당해 방법에 의하면, 당해 촬상 소자에 컬러 필터를 마련하지 않아도, 컬러 화상을 얻을 수 있다.
또한, 광원 장치(11203)는, 출력하는 광의 강도를 소정의 시간마다 변경하도록 그 구동이 제어되어도 좋다. 그 광의 강도의 변경의 타이밍에 동기하여 카메라 헤드(11102)의 촬상 소자의 구동을 제어하고 시분할로 화상을 취득하고, 그 화상을 합성함에 의해, 이른바 흑바램(underexposed blocked up shadow) 및 백바램(overexposed highlight)이 없는 고(高)다이내믹 레인지의 화상을 생성할 수 있다.
또한, 광원 장치(11203)는, 특수광 관찰에 대응한 소정의 파장 대역의 광을 공급 가능하게 구성되어도 좋다. 특수광 관찰에서는, 예를 들면, 체조직에서의 광의 흡수의 파장 의존성을 이용하여, 통상의 관찰시에 있어서의 조사광(즉, 백색광)에 비 하여 협대역의 광을 조사함에 의해, 점막 표층의 혈관 등의 소정의 조직을 고콘트라스트로 촬영하는, 이른바 협대역광 관찰(Narrow Band Imaging)이 행하여진다. 또는, 특수광 관찰에서는, 여기광을 조사함에 의해 발생한 형광에 의해 화상을 얻는 형광 관찰이 행하여지고도 좋다. 형광 관찰에서는, 체조직에 여기광을 조사하고 당해 체조직으로부터의 형광을 관찰하는 것(자가(自家) 형광 관찰), 또는 인도시아닌그린(ICG) 등의 시약을 체조직에 국주(局注)함과 함께 당해 체조직에 그 시약의 형광 파장에 대응하는 여기광을 조사하여 형광상을 얻는 것 등을 행할 수가 있다. 광원 장치(11203)는, 이와 같은 특수광 관찰에 대응하는 협대역광 및/또는 여기광을 공급 가능하게 구성될 수 있다.
도 20은, 도 19에 도시하는 카메라 헤드(11102) 및 CCU(11201)의 기능 구성의 한 예를 도시하는 블록도이다.
카메라 헤드(11102)는, 렌즈 유닛(11401)과, 촬상부(11402)와, 구동부(11403)와, 통신부(11404)와, 카메라 헤드 제어부(11405)를 갖는다. CCU(11201)는, 통신부(11411)와, 화상 처리부(11412)와, 제어부(11413)를 갖는다. 카메라 헤드(11102)와 CCU(11201)는, 전송 케이블(11400)에 의해 서로 통신 가능하게 접속되어 있다.
렌즈 유닛(11401)은, 경통(11101)과의 접속부에 마련된 광학계이다. 경통(11101)의 선단에서 받아들여진 관찰광은, 카메라 헤드(11102)까지 도광되고, 당해 렌즈 유닛(11401)에 입사한다. 렌즈 유닛(11401)은, 줌렌즈 및 포커스 렌즈를 포함하는 복수의 렌즈가 조합되어 구성된다.
촬상부(11402)는, 촬상 소자로 구성된다. 촬상부(11402)를 구성하는 촬상 소자는, 하나(이른바 단판식)라도 좋고, 복수(이른바 다판식)라도 좋다. 촬상부(11402)가 다판식으로 구성되는 경우에는, 예를 들면 각 촬상 소자에 의해 RGB 각각에 대응하는 화상 신호가 생성되고, 그들이 합성됨에 의해 컬러 화상이 얻어져도 좋다. 또는, 촬상부(11402)는, 3D(Dimensional) 표시에 대응하는 우안용 및 좌안용의 화상 신호를 각각 취득하기 위한 한 쌍의 촬상 소자를 갖도록 구성되어도 좋다. 3D 표시가 행하여짐에 의해, 시술자(11131)는 시술부에서의 생체조직의 깊이를 보다 정확하게 파악하는 것이 가능해진다. 또한, 촬상부(11402)가 다판식으로 구성된 경우에는, 각 촬상 소자에 대응하여, 렌즈 유닛(11401)도 복수 계통 마련될 수 있다.
또한, 촬상부(11402)는, 반드시 카메라 헤드(11102)에 마련되지 않아도 좋다. 예를 들면, 촬상부(11402)는, 경통(11101)의 내부에, 대물 렌즈의 직후에 마련되어도 좋다.
구동부(11403)는, 액추에이터에 의해 구성되고, 카메라 헤드 제어부(11405)로부터의 제어에 의해, 렌즈 유닛(11401)의 줌렌즈 및 포커스 렌즈를 광축에 따라 소정의 거리만큼 이동시킨다. 이에 의해, 촬상부(11402)에 의한 촬상 화상의 배율 및 초점이 적절히 조정될 수 있다.
통신부(11404)는, CCU(11201)와 사이에서 각종의 정보를 송수신하기 위한 통신 장치에 의해 구성된다. 통신부(11404)는, 촬상부(11402)로부터 얻은 화상 신호를 RAW 데이터로서 전송 케이블(11400)을 통하여 CCU(11201)에 송신한다.
또한, 통신부(11404)는, CCU(11201)로부터, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어하기 위한 제어 신호를 수신하고, 카메라 헤드 제어부(11405)에 공급한다. 당해 제어 신호에는, 예를 들면, 촬상 화상의 프레임 레이트를 지정하는 취지의 정보, 촬상시의 노출치를 지정하는 취지의 정보, 및/또는 촬상 화상의 배율 및 초점을 지정하는 취지의 정보 등, 촬상 조건에 관한 정보가 포함된다.
또한, 상기한 프레임 레이트나 노출치, 배율, 초점 등의 촬상 조건은, 유저에 의해 적절히 지정되어도 좋고, 취득된 화상 신호에 의거하여 CCU(11201)의 제어부(11413)에 의해 자동적으로 설정되어도 좋다. 후자인 경우에는, 이른바 AE(Auto Exposure) 기능, AF(Auto Focus) 기능 및 AWB(Auto White Balance) 기능이 내시경(11100)에 탑재되어 있는 것으로 된다.
카메라 헤드 제어부(11405)는, 통신부(11404)를 통하여 수신한 CCU(11201)로부터의 제어 신호에 의거하여, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어한다.
통신부(11411)는, 카메라 헤드(11102)와의 사이에서 각종의 정보를 송수신하기 위한 통신 장치에 의해 구성된다. 통신부(11411)는, 카메라 헤드(11102)로부터, 전송 케이블(11400)을 통하여 송신되는 화상 신호를 수신한다.
또한, 통신부(11411)는, 카메라 헤드(11102)에 대해, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어하기 위한 제어 신호를 송신한다. 화상 신호나 제어 신호는, 전기통신이나 광통신 등에 의해 송신할 수 있다.
화상 처리부(11412)는, 카메라 헤드(11102)로부터 송신된 RAW 데이터인 화상 신호에 대해 각종의 화상 처리를 시행한다.
제어부(11413)는, 내시경(11100)에 의한 시술부 등의 촬상, 및, 시술부 등의 촬상에 의해 얻어지는 촬상 화상의 표시에 관한 각종의 제어를 행한다. 예를 들면, 제어부(11413)는, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어하기 위한 제어 신호를 생성한다.
또한, 제어부(11413)는, 화상 처리부(11412)에 의해 화상 처리가 시행된 화상 신호에 의거하여, 시술부 등이 찍혀진 촬상 화상을 표시 장치(11202)에 표시시킨다. 이때, 제어부(11413)는, 각종의 화상 인식 기술을 이용하여 촬상 화상 내에서의 각종의 물체를 인식하여도 좋다. 예를 들면, 제어부(11413)는, 촬상 화상에 포함되는 물체의 에지의 형상이나 색 등을 검출함에 의해, 겸자(鉗子) 등의 시술구, 특정한 생체 부위, 출혈, 에너지 처치구(11112)의 사용시의 미스트 등을 인식할 수 있다. 제어부(11413)는, 표시 장치(11202)에 촬상 화상을 표시시킬 때에, 그 인식 결과를 이용하여, 각종의 수술 지원 정보를 당해 시술부의 화상에 중첩 표시시켜도 좋다. 수술 지원 정보가 중첩 표시되고, 시술자(11131)에 제시됨에 의해, 시술자(11131)의 부담을 경감하는 것이나, 시술자(11131)가 확실하게 수술을 진행하는 것이 가능해진다.
카메라 헤드(11102) 및 CCU(11201)를 접속하는 전송 케이블(11400)은, 전기 신호의 통신에 대응한 전기 신호 케이블, 광통신에 대응한 광파이버, 또는 이들의 복합 케이블이다.
여기서, 도시한 예에서는, 전송 케이블(11400)을 이용하여 유선으로 통신이 행하여지고 있지만, 카메라 헤드(11102)와 CCU(11201) 사이의 통신은 무선으로 행하여져도 좋다.
이상, 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 내시경 수술 시스템의 한 예에 관해 설명하였다. 본 개시에 관한 기술은, 이상 설명한 구성 중, 내시경(11100)이나, 카메라 헤드(11102)(의 촬상부(11402))에 적용될 수 있다. 예를 들면, 도 1의 고체 촬상 소자(1)는, 내시경(11100)이나, 카메라 헤드(11102)(의 촬상부(11402)). 내시경(11100)이나, 카메라 헤드(11102)(의 촬상부(11402))에 본 개시에 관한 기술을 적용함에 의해, 소자 레이아웃 면적을 보다 축소하는 것이 가능해지고, 화소 사이즈를 보다 미세하게 할 수 있거나, 포화 신호량이나 감도 특성 향상할 수 있거나 하는 효과가 기대된다.
또한, 여기서는, 한 예로서 내시경 수술 시스템에 관해 설명하였지만, 본 개시에 관한 기술은, 그 밖에, 예를 들면, 현미경 수술 시스템 등에 적용되어도 좋다.
<6. 이동체에의 응용례>
본 개시에 관한 기술(본 기술)은, 다양한 제품에 응용할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 관한 기술은, 자동차, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 자동 이륜차, 자전거, 퍼스털모빌리티, 비행기, 드론, 선박, 로봇 등의 어느 한 종류의 이동체에 탑재되는 장치로서 실현되어도 좋다.
도 21은, 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 이동체 제어 시스템의 한 예인 차량 제어 시스템의 개략적인 구성례를 도시하는 블록도이다.
차량 제어 시스템(12000)은, 통신 네트워크(12001)를 통하여 접속된 복수의 전자 제어 유닛을 구비한다. 도 21에 도시한 예에서는, 차량 제어 시스템(12000)은, 구동계 제어 유닛(12010), 바디계 제어 유닛(12020), 차외 정보 검출 유닛(12030), 차내 정보 검출 유닛(12040), 및 통합 제어 유닛(12050)을 구비한다. 또한, 통합 제어 유닛(12050)의 기능 구성으로서, 마이크로 컴퓨터(12051), 음성 화상 출력부(12052), 및 차량탑재 네트워크 I/F(interface)(12053)가 도시되어 있다.
구동계 제어 유닛(12010)은, 각종 프로그램에 따라 차량의 구동계에 관련되는 장치의 동작을 제어한다. 예를 들면, 구동계 제어 유닛(12010)은, 내연 기관 또는 구동용 모터 등의 차량의 구동력을 발생시키기 위한 구동력 발생 장치, 구동력을 차륜에 전달하기 위한 구동력 전달 기구, 차량의 타각을 조절하는 스티어링 기구, 및, 차량의 제동력을 발생시키는 제동 장치 등의 제어 장치로서 기능한다.
바디계 제어 유닛(12020)은, 각종 프로그램에 따라 차체에 장비된 각종 장치의 동작을 제어한다. 예를 들면, 바디계 제어 유닛(12020)은, 키레스 엔트리 시스템, 스마트키 시스템, 파워 윈도우 장치, 또는, 헤드 램프, 백 램프, 브레이크 램프, 윙커 또는 포그램프 등의 각종 램프의 제어 장치로서 기능한다. 이 경우, 바디계 제어 유닛(12020)에는, 키를 대체하는 휴대기로부터 발신되는 전파 또는 각종 스위치의 신호가 입력될 수 있다. 바디계 제어 유닛(12020)은, 이들의 전파 또는 신호의 입력을 접수하여, 차량의 도어 로크 장치, 파워 윈도우 장치, 램프 등을 제어한다.
차외 정보 검출 유닛(12030)은, 차량 제어 시스템(12000)을 탑재한 차량의 외부의 정보를 검출한다. 예를 들면, 차외 정보 검출 유닛(12030)에는, 촬상부(12031)가 접속된다. 차외 정보 검출 유닛(12030)은, 촬상부(12031)에 차외의 화상을 촬상시킴과 함께, 촬상된 화상을 수신한다. 차외 정보 검출 유닛(12030)은, 수신한 화상에 의거하여, 사람, 차, 장애물, 표지 또는 노면상의 문자 등의 물체 검출 처리 또는 거리 검출 처리를 행하여도 좋다.
촬상부(12031)는, 광을 수광하고, 그 광의 수광량에 응한 전기 신호를 출력하는 광센서이다. 촬상부(12031)는, 전기 신호를 화상으로서 출력할 수도 있고, 거리측정의 정보로서 출력할 수도 있다. 또한, 촬상부(12031)가 수광하는 광은, 가시광이라도 좋고, 적외선 등의 비가시광이라도 좋다.
차내 정보 검출 유닛(12040)은, 차내의 정보를 검출한다. 차내 정보 검출 유닛(12040)에는, 예를 들면, 운전자의 상태를 검출하는 운전자 상태 검출부(12041)가 접속된다. 운전자 상태 검출부(12041)는, 예를 들면 운전자를 촬상하는 카메라를 포함하고, 차내 정보 검출 유닛(12040)은, 운전자 상태 검출부(12041)로부터 입력되는 검출 정보에 의거하여, 운전자의 피로 정도 또는 집중 정도를 산출하여도 좋고, 운전자가 앉아서 졸고 있지 않은지를 판별하여도 좋다.
마이크로 컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득되는 차내외의 정보에 의거하여, 구동력 발생 장치, 스티어링 기구 또는 제동 장치의 제어 목표치를 연산하고, 구동계 제어 유닛(12010)에 대해 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 차량의 충돌 회피 또는 충격 완화, 차간 거리에 의거한 추종 주행, 차속 유지 주행, 차량의 충돌 경고, 또는 차량의 레인 일탈 경고 등을 포함하는 ADAS(Advanced Driver Assistance System)의 기능 실현을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수가 있다.
또한, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득된 차량의 주위의 정보에 의거하여 구동력 발생 장치, 스티어링 기구 또는 제동 장치 등을 제어함에 의해, 운전자의 조작에 근거하지 않고 자율적으로 주행한 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수가 있다.
또한, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030)에서 취득된 차외의 정보에 의거하여, 바디계 제어 유닛(12020)에 대해 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030)에서 검지한 선행차 또는 대향차의 위치에 응하여 헤드 램프를 제어하여, 하이 빔을 로우 빔으로 전환하는 등의 눈부심 방지를 도모하는 것을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수가 있다.
음성 화상 출력부(12052)는, 차량의 탑승자 또는 차외에 대해, 시각적 또는 청각적으로 정보를 통지하는 것이 가능한 출력 장치에 음성 및 화상 중의 적어도 일방의 출력 신호를 송신한다. 도 21의 예에서는, 출력 장치로서, 오디오 스피커(12061), 표시부(12062) 및 인스트루먼트 패널(12063)이 예시되어 있다. 표시부(12062)는, 예를 들면, 온 보드 디스플레이 및 헤드 업 디스플레이의 적어도 하나를 포함하고 있어도 좋다.
도 22는, 촬상부(12031)의 설치 위치의 예를 도시하는 도면이다.
도 22에서는, 차량(12100)은, 촬상부(12031)로서, 촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)를 갖는다.
촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)는, 예를 들면, 차량(12100)의 프런트 노우즈, 사이드 미러, 리어 범퍼, 백 도어 및 차실내의 프론트유리의 상부 등의 위치에 마련된다. 프런트 노우즈에 구비되는 촬상부(12101) 및 차실내의 프론트유리의 상부에 구비되는 촬상부(12105)는, 주로 차량(12100)의 전방의 화상을 취득한다. 사이드 미러에 구비되는 촬상부(12102, 12103)는, 주로 차량(12100)의 측방의 화상을 취득한다. 리어 범퍼 또는 백 도어에 구비되는 촬상부(12104)는, 주로 차량(12100)의 후방의 화상을 취득한다. 촬상부(12101 및 12105)에서 취득된 전방의 화상은, 주로 선행 차량 또는, 보행자, 장애물, 신호기, 교통 표지 또는 차선 등의 검출에 사용된다.
또한, 도 22에는, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬영 범위의 한 예가 도시되어 있다. 촬상 범위(12111)는, 프런트 노우즈에 마련된 촬상부(12101)의 촬상 범위를 나타내고, 촬상 범위(12112, 12113)는, 각각 사이드 미러에 마련된 촬상부(12102, 12103)의 촬상 범위를 나타내고, 촬상 범위(12114)는, 리어 범퍼 또는 백 도어에 마련된 촬상부(12104)의 촬상 범위를 나타낸다. 예를 들면, 촬상부(12101 내지 12104)에서 촬상된 화상 데이터가 겹쳐짐에 의해, 차량(12100)을 상방에서 본 부감(俯瞰) 화상을 얻을 수 있다.
촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 거리 정보를 취득하는 기능을 갖고 있어도 좋다. 예를 들면, 촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 복수의 촬상 소자로 이루어지는 스테레오 카메라라도 좋고, 위상차 검출용의 화소를 갖는 촬상 소자라도 좋다.
예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어진 거리 정보를 기초로, 촬상 범위(12111 내지 12114) 내에서의 각 입체물까지의 거리와, 이 거리의 시간적 변화(차량(12100)에 대한 상대 속도)를 구함에 의해, 특히 차량(12100)의 진행로상에 있는 가장 가까운 입체물로, 차량(12100)과 개략 같은 방향으로 소정의 속도(예를 들면, 0㎞/h 이상)로 주행하는 입체물을 선행차로서 추출할 수 있다. 또한, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 선행차와 내차와의 사이에 미리 확보해야 할 차간 거리를 설정하고, 자동 브레이크 제어(추종 정지 제어도 포함한다)나 자동 가속 제어(추종 발진 제어도 포함한다) 등을 행할 수가 있다. 이와 같이 운전자의 조작에 근거하지 않고서 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수가 있다.
예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어진 거리 정보를 기초로, 입체물에 관한 입체물 데이터를, 2륜차, 보통 차량, 대형 차량, 보행자, 전신주 등 기타의 입체물로 분류하고 추출하고, 장애물의 자동 회피에 이용할 수 있다. 예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 차량(12100)의 주변의 장애물을, 차량(12100)의 드라이버가 시인 가능한 장애물과 시인 곤란한 장애물로 식별한다. 그리고, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 각 장애물과의 충돌의 위험도를 나타내는 충돌 리스크를 판단하고, 충돌 리스크가 설정치 이상으로 충돌 가능성이 있는 상황인 때에는, 오디오 스피커(12061)나 표시부(12062)를 통하여 드라이버에게 경보를 출력하는 것이나, 구동계 제어 유닛(12010)을 통하여 강제 감속이나 회피 조타를 행함으로써, 충돌 회피를 위한 운전 지원을 행할 수가 있다.
촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 적외선을 검출하는 적외선 카메라라도 좋다. 예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재하는지의 여부를 판정함으로써 보행자를 인식할 수 있다. 이러한 보행자의 인식은, 예를 들면 적외선 카메라로서의 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상에서의 특징점을 추출하는 순서와, 물체의 윤곽을 나타내는 일련의 특징점에 패턴 매칭 처리를 행하여 보행자인지의 여부를 판별하는 순서에 의해 행하여진다. 마이크로 컴퓨터(12051)가, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재한다고 판정하고, 보행자를 인식하면, 음성 화상 출력부(12052)는, 당해 인식된 보행자에게 강조를 위한 사각형 윤곽선을 중첩 표시하도록, 표시부(12062)를 제어한다. 또한, 음성 화상 출력부(12052)는, 보행자를 나타내는 아이콘 등을 소망하는 위치에 표시하도록 표시부(12062)를 제어하여도 좋다.
이상, 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 차량 제어 시스템의 한 예에 관해 설명하였다. 본 개시에 관한 기술은, 이상 설명한 구성 중, 촬상부(12031)(촬상부(12101 내지 12104) 포함한다)에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 도 1의 고체 촬상 소자(1)는, 촬상부(12031)(촬상부(12101 내지 12104) 포함한다)에 적용할 수 있다. 촬상부(12031)(촬상부(12101 내지 12104) 포함한다)에 본 개시에 관한 기술을 적용함에 의해, 소자 레이아웃 면적을 보다 축소하는 것이 가능해지고, 화소 사이즈를 보다 미세하게 할 수 있거나, 포화 신호량이나 감도 특성 향상할 수 있거나 하는 효과가 기대된다.
<7. 적층형 고체 촬상 소자의 구성례>
<본 개시에 관한 기술을 적용할 수 있는, 광전변환부가 적층된 화소를 갖는 고체 촬상 장치의 단면 구성례>
도 23은, 본 개시에 관한 기술을 적용할 수 있는, 광전변환부가 적층된 화소를 갖는 고체 촬상 장치의 구성례를 도시하는 단면도이다.
즉, 도 23은, 광전변환부가 적층된 화소를 갖는 고체 촬상 장치의 하나의 화소의 구성례를 도시하고 있다.
고체 촬상 장치에서는, 반도체 기판(22010)의 표면인, 수광면과는 반대측의 면(22011)측에, 전송 Tr(MOS FET) 등이 형성된 다층 배선층(22030)이 마련되어 있다.
도 23에서, 고체 촬상 장치는, 각각 다른 파장역의 광을 선택적으로 검출하여 광전변환을 행하는 하나의 유기 광전변환부(22040)와, 2개의 무기 광전변환부(22013, 22014)가 종방향으로 적층된 적층 구조를 가지며, 유기 광전변환부(22040)는, 예를 들면, 3종류의 유기 반도체 재료를 포함하여 구성된다.
이상과 같이, 2개의 무기 광전변환부(22013, 22014)와, 하나의 유기 광전변환부(22040)가 적층되어 있음에 의해, 하나의 소자(화소)에서 적(Red), 녹(Green), 청(Blue)의 각 색 신호를 취득할 수 있다. 유기 광전변환부(22040)는, 반도체 기판(22010)의 이면인 면(22012)상에 형성되고, 무기 광전변환부(22013, 22014)는, 반도체 기판(22010) 내에 매입하는 형태로 형성되어 있다.
유기 광전변환부(22040)는, 유기 반도체를 이용하여, 선택적인 파장역의 광, 즉, 여기서는 녹색광을 흡수하고, 전자-정공 쌍을 발생시키는 유기 광전변환 소자로 구성된다. 유기 광전변환부(22040)는, 신호 전하를 취출하기 위한 한 쌍의 전극인 하부 전극(22041)과 상부 전극(22042) 사이에 유기 광전변환층(유기 반도체층)(22043)을 끼워 넣은 구성을 갖고 있다. 하부 전극(22041) 및 상부 전극(22042)은, 배선층이나 콘택트 메탈층을 통하여, 반도체 기판(22010) 내에 매설된 도전성 플러그(22015, 22016)에 전기적으로 접속되어 있다.
유기 광전변환부(22040)에서는, 반도체 기판(22010)의 면(22012)상에, 층간 절연막(22045, 22046)이 형성되고, 층간 절연막(22045)에는, 도전성 플러그(22015, 22016)의 각각과 대향하는 영역에 관통구멍이 마련되고, 각 관통구멍에 도전성 플러그(22047, 22048)가 매설되어 있다. 층간 절연막(22046)에는, 도전성 플러그(22047, 22048)의 각각과 대향하는 영역에, 배선층(22049, 22050)이 매설되어 있다. 이 층간 절연막(22046)상에, 하부 전극(22041)이 마련됨과 함께, 이 하부 전극(22041)과 절연막(22051)에 의해 전기적으로 분리된 배선층(22052)이 마련되어 있다. 이 중, 하부 전극(22041)상에, 유기 광전변환층(22043)이 형성되고, 유기 광전변환층(22043)을 덮도록 상부 전극(22042)이 형성되어 있다. 상부 전극(22042)상에는, 그 표면을 덮도록 보호막(22053)이 형성되어 있다. 보호막(22053)의 소정의 영역에는 콘택트 홀(22054)이 마련되고, 보호막(22053)상에는, 콘택트 홀(22054)을 매입하고, 또한 배선층(22052)의 상면까지 연재되는 콘택트 메탈층(22055)이 형성되어 있다.
도전성 플러그(22047)는, 도전성 플러그(22015)와 함께 커넥터로서 기능함과 함께, 도전성 플러그(22015) 및 배선층(22049)과 함께, 하부 전극(22041)부터 녹용 축전 층(22017)에의 전하(전자)의 전송 경로를 형성한다. 도전성 플러그(22048)는, 도전성 플러그(22016)와 함께 커넥터로서 기능함과 함께, 도전성 플러그(22016), 배선층(22050), 배선층(22052) 및 콘택트 메탈층(22055)과 함께, 상부 전극(22042)부터의 전하(정공)의 배출 경로를 형성한다. 도전성 플러그(22047, 22048)는, 차광막으로서도 기능시키기 위해, 예를 들면, 티탄(Ti), 질화티탄(TiN) 및 텅스텐 등의 금속재료의 적층막에 의해 구성할 수 있다. 또한, 이와 같은 적층막을 이용함에 의해, 도전성 플러그(22015, 22016)를 n형 또는 p형의 반도체층으로서 형성한 경우에도, 실리콘과의 콘택트를 확보할 수 있다.
층간 절연막(22045)은, 반도체 기판(22010)의 실리콘층(22018)과의 계면준위를 저감시킴과 함께, 실리콘층(22018)과의 계면부터의 암전류의 발생을 억제하기 위해, 계면준위가 작은 절연막으로 구성할 수 있다. 이와 같은 절연막으로서는, 예를 들면, 산화하프늄(HfO2)막과 산화실리콘(SiO2)막과의 적층막을 이용할 수 있다. 층간 절연막(22046)은, 예를 들면, 산화실리콘, 질화실리콘 및 산질화실리콘(SiON) 등 중의 1종으로 이루어지는 단층막이나, 또는 이들 중의 2종 이상으로 이루어지는 적층막에 의해 구성할 수 있다.
절연막(22051)은, 예를 들면, 산화실리콘, 질화실리콘 및 산질화실리콘(SiON) 등 중의 1종으로 이루어지는 단층막이나, 또는 이들 중의 2종 이상으로 이루어지는 적층막에 의해 구성되어 있다. 절연막(22051)은, 예를 들면, 그 표면이 평탄화되어 있고, 하부 전극(22041)과 거의 단차가 없는 형상 및 패턴을 갖고 있다. 절연막(22051)은, 고체 촬상 장치의 각 화소의 하부 전극(22041)과의 사이를 전기적으로 분리하는 기능을 갖고 있다.
하부 전극(22041)은, 반도체 기판(22010) 내에 형성된 무기 광전변환부(22013, 22014)의 수광면과 정대(正對)하고, 이들의 수광면을 덮는 영역에 마련되어 있다. 이 하부 전극(22041)은, 광투과성을 갖는 도전막에 의해 구성되고, 예를 들면, ITO(인듐주석산화물)에 의해 구성되어 있다. 단, 하부 전극(22041)의 구성 재료로서는, 이 ITO 외에도, 도펀트를 첨가한 산화주석(SnO2)계 재료, 또는 알루미늄아연산화물(ZnO)에 도펀트를 첨가하여 이루어지는 산화아연계 재료를 이용하여도 좋다. 산화아연계 재료로서는, 예를 들면, 도펀트로서 알루미늄(Al)을 첨가한 알루미늄아연산화물(AZO), 갈륨(Ga) 첨가의 갈륨아연산화물(GZO), 인듐(In) 첨가의 인듐아연산화물(IZO)을 들 수 있다. 또한, 이 외에도, CuI, InSbO4, ZnMgO, CuInO2, MgIN2O4, CdO, ZnSnO3 등이 사용되어도 좋다. 또한, 도 23에서는, 하부 전극(22041)부터 유기 광전변환층(22043)에서 얻어진 신호 전하(전자)의 취출이 행하여지기 때문에, 하부 전극(22041)은 화소마다 분리되어 형성된다.
유기 광전변환층(22043)은, 예를 들면, 제1 유기 반도체 재료, 제2 유기 반도체 재료 및/또는 제3 유기 반도체 재료의 3종류를 포함하여 구성됨과 함께, 이들 3종류의 유기 반도체 재료의 어느 하나는, 유기 p형 반도체 및 유기 n형 반도체 중의 일방 또는 양방임과 함께, 선택적인 파장역의 광을, 광전변환하는 한편, 다른 파장역의 광을 투과시킨다. 구체적으로는, 유기 광전변환층(22043)은, 예를 들면, 녹색의 파장으로서의 450㎚ 이상 650㎚ 이하의 범위에서 극대 흡수 파장을 갖는다.
유기 광전변환층(22043)의, 하부 전극(22041)과의 사이, 및 상부 전극(22042)과의 사이에는, 도시하지 않은 다른 층이 마련되어 있어도 좋다. 예를 들면, 하부 전극(22041)측부터 차례로, 하인막, 정공 수송층, 전자 블로킹막, 유기 광전변환층(22043), 정공 블로킹막, 버퍼막, 전자 수송층 및 일 함수 조정막이 적층되어 있어도 좋다.
상부 전극(22042)은, 하부 전극(22041)과 같은 광투과성을 갖는 도전막에 의해 구성되어 있다. 상부 전극(22042)은, 화소마다 분리되어 있어도 좋고, 각 화소에 공통의 전극으로서 형성되어 있어도 좋다. 상부 전극(22042)의 두께는, 예를 들면, 10㎚∼200㎚이다.
보호막(22053)은, 광투과성을 갖는 재료에 의해 구성되고, 예를 들면, 산화실리콘, 질화실리콘 및 산질화실리콘 등 중의 어느 하나로 이루어지는 단층막, 또는 그들 중의 2종 이상으로 이루어지는 적층막이다. 이 보호막(22053)의 두께는, 예를 들면, 100㎚∼30000㎚이다.
콘택트 메탈층(22055)은, 예를 들면, 티탄, 텅스텐, 질화티탄 및 알루미늄 등의 어느 하마, 또는 그들 중의 2종 이상으로 이루어지는 적층막에 의해 구성되어 있다.
무기 광전변환부(22013, 22014)는, 각각, pn 접합을 갖는 PD(포토 다이오드)이고, 반도체 기판(22010) 내의 광로상에서, 면(22012)측부터 무기 광전변환부(22013, 22014)의 순서로 형성되어 있다. 무기 광전변환부(22013)는, 청색광을 선택적으로 검출하고 청색에 대응하는 신호 전하를 축적시킨다. 무기 광전변환부(22013)는, 예를 들면, 반도체 기판(22010)의 면(22012)에 따른 선택적인 영역부터, 다층 배선층(22030)과의 계면 근방의 영역에 걸쳐서 연재되어 형성된다. 무기 광전변환부(22014)는, 적색광을 선택적으로 검출하여 적색에 대응하는 신호 전하를 축적시킨다. 무기 광전변환부(22014)는, 예를 들면, 무기 광전변환부(22013)보다도 하층(면(22011)측)의 영역에 걸쳐서 형성된다. 또한, 청(Blue)은, 예를 들면, 450㎚∼495㎚의 파장역, 적(Red)은, 예를 들면, 620㎚∼750㎚의 파장역에 각각 대응하는 색이고, 무기 광전변환부(22013, 22014)는 각각, 각 파장역 중의 일부 또는 전부의 파장역의 광을 검출 가능하게 되어 있으면 좋다.
도 23의 화소는, 유기 광전변환부(22040)와, 2개의 무기 광전변환부(22013, 22014)가 종방향으로 적층된 적층 구조를 가지며, 유기 광전변환부(22040)가 녹색광을, 무기 광전변환부(22013)가 청색광을, 무기 광전변환부(22014)가 적색광을, 각각 흡수(검출)하여 광전변환하기 때문에, 1화소에서 세로(층)방향의 종분광을 행하고, 적, 녹, 청의 각 색 신호를 취득할 수 있다.
본 개시에 관한 기술은, 이상과 같은 고체 촬상 장치에 적용할 수 있다.
<본 개시에 관한 기술을 적용할 수 있는, 광전변환부가 적층된 화소를 갖는 고체 촬상 장치의 평면 구성례>
도 24는, 본 개시에 관한 기술을 적용할 수 있는, 광전변환부가 적층된 화소를 갖는 고체 촬상 장치의 구성례를 도시하는 평면도이다.
즉, 도 24는, 광전변환부가 적층된 화소를 갖는 고체 촬상 장치의 하나의 화소의 구성례를 도시하고 있다.
화소(25010)는, R(Red), G(Green), 및, B(Blue)의 각각의 파장의 광을 광전변환하는 적색 광전변환부, 녹색 광전변환부, 및, 청색 광전변환부(모두 도시 생략)가, 예를 들면, 녹색 광전변환부, 청색 광전변환부, 및, 적색 광전변환부의 순번 등으로 3층으로 적층된 광전변환 영역(25021)을 갖는다. 또한, 화소(25010)는, RGB의 각각의 파장의 광에 대응하는 전하를, 적색 광전변환부, 녹색 광전변환, 및, 청색 광전변환부로부터 판독하는 전하 판독부로서의 Tr군(25110, 25120, 및, 25130)을 갖는다. 고체 촬상 장치에서는, 하나의 화소(25010)에서, 종방향의 분광, 즉, 광전변환 영역(25021)에 적층된 적색 광전변환부, 녹색 광전변환부, 및, 청색 광전변환부로서의 각 층에서, RGB의 각각의 광의 분광이 행하여진다.
Tr군(25110, 25120, 및, 25130)은, 광전변환 영역(25021)의 주변에 형성되어 있다. Tr군(25110)은, 적색 광전변환부에서 생성, 축적된 R의 광에 대응하는 신호 전하를 화소 신호로서 출력한다. Tr군(25110)은, 전송 Tr(MOS FET)(25111), 리셋 Tr(25112), 증폭 Tr(25113), 및, 선택 Tr(25114)로 구성되어 있다. Tr군(25120)은, 녹색 광전변환부에서 생성, 축적된 G의 광에 대응하는 신호 전하를 화소 신호로서 출력한다. Tr군(25120)은, 전송 Tr(25121), 리셋 Tr(25122), 증폭 Tr(25123), 및, 선택 Tr(25124)로 구성되어 있다. Tr군(25130)은, 청색 광전변환부에서 생성, 축적된 B의 광에 대응하는 신호 전하를 화소 신호로서 출력한다. Tr군(25130)은, 전송 Tr(25131), 리셋 Tr(25132), 증폭 Tr(25133), 및, 선택 Tr(25134)로 구성되어 있다.
전송 Tr(25111)는, 게이트(G), 소스/드레인 영역(S/D), 및, FD(플로팅 디퓨전25115)(로 되어 있는 소스/드레인 영역)로 구성된다. 전송 Tr(25121)는, 게이트(G), 광전변환 영역(25021) 중의 녹색 광전변환부(와 접속하고 있는 소스/드레인 영역), 및, FD(25125)로 구성된다. 전송 Tr(25131)는, 게이트(G), 소스/드레인 영역(S/D), 및, FD(25135)로 구성되다. 또한, 전송 Tr(25111)의 소스/드레인 영역은, 광전변환 영역(25021) 중의 적색 광전변환부에 접속되고, 전송 Tr(25131)의 소스/드레인 영역은, 광전변환 영역(25021) 중의 청색 광전변환부에 접속되어 있다.
리셋 Tr(25112, 25122, 및, 25132), 증폭 Tr(25113, 25123, 및, 25133), 및, 선택 Tr(25114, 25124, 및, 25134)는, 모두, 게이트(G)와, 그 게이트(G)를 끼우는 형태에 배치된 한 쌍의 소스/드레인 영역(S/D)으로 구성되어 있다.
FD(25115, 25125, 및, 25135)는, 리셋 Tr(25112, 25122, 및, 25132)의 소스로 되어 있는 소스/드레인 영역(S/D)에 각각 접속됨과 함께, 증폭 Tr(25113, 25123, 및, 25133)의 게이트(G)에 각각 접속되어 있다. 리셋 Tr(25112) 및 증폭 Tr(25113), 리셋 Tr(25122) 및 증폭 Tr(25123), 및, 리셋(25132) 및 증폭 Tr(25133)의 각각에서 공통의 소스/드레인 영역(S/D)에는, 전원(Vdd)이 접속되어 있다. 선택 Tr(25114, 25124, 및, 25134)의 소스로 되어 있는 소스/드레인 영역(S/D)에는, VSL(수직 신호선)이 접속되어 있다.
본 개시에 관한 기술은, 이상과 같은 고체 촬상 장치에 적용할 수 있다.
또한, 본 명세서에서, 상술한 일련의 처리를 기술(記述)하는 스텝은, 기재된 순서에 따라 시계열적으로 행하여지는 처리는 물론, 반드시 시계열적으로 처리되지 않더라도, 병렬적 또는 개별적으로 실행되는 처리도 포함하는 것이다.
또한, 본 개시에서의 실시의 형태는, 상술한 실시의 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 개시의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변경이 가능하다.
또한, 이상에서, 하나의 장치(또는 처리부)로서 설명한 구성을 분할하여, 복수의 장치(또는 처리부)로서 구성하도록 하여도 좋다. 역으로, 이상에서 복수의 장치(또는 처리부)로서 설명한 구성을 통합하여 하나의 장치(또는 처리부)로서 구성되도록 하여도 좋다. 또한, 각 장치(또는 각 처리부)의 구성에 상술한 이외의 구성을 부가하도록 하여도 물론 좋다. 또한, 시스템 전체로서의 구성이나 동작이 실질적으로 같으면, 어느 장치(또는 처리부)의 구성의 일부를 다른 장치(또는 다른 처리부)의 구성에 포함하도록 하여도 좋다. 즉, 본 기술은, 상술한 실시의 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 기술의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변경이 가능하다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 개시의 알맞는 실시 형태에 관해 상세히 설명하였지만, 개시는 이러한 예로 한정되지 않는다. 본 개시가 속하는 기술의 분야에서 통상의 지식을 갖는다면, 청구의 범위에 기재된 기술적 사상의 범주 내에서, 각종의 변경례 또한 수정례에 상도할 수 있음은 분명하고, 이들에 대해서도, 당연히 본 개시의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.
또한, 본 기술은 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
(1) 반도체 기판의 제1면측에 마련된 광전변환 소자와,
상기 광전변환 소자에 접속되고, 상기 반도체 기판의 상기 제1면과, 상기 제1면과는 다른 면인 제2면 사이에 마련된 관통 전극과,
상기 제2면에 마련되고, 상기 관통 전극을 통하여 광전변환 소자와 접속되는 트랜지스터 및 플로팅 디퓨전과,
상기 제2면에서의 상기 관통 전극의 사이에 형성되는, 상기 트랜지스터의 게이트 절연막보다도 두꺼운 유전체층을 구비하는 고체 촬상 소자.
(2) 상기 제2면측에서 보아, 상기 유전체층의 내측에 실드 전극을 또한 구비하는 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(3) 상기 실드 전극의 재료는, 폴리실리콘 또는 어모퍼스 실리콘인 상기 (2)에 기재된 고체 촬상 소자.
(4) 상기 실드 전극은, 상기 실드 전극과 전기적으로 접속된 콘택트와, 상기 콘택트에 전기적으로 접속된 배선으로부터 소정의 전압으로 제어되어 있는 상기 (2) 또는 (3)에 기재된 고체 촬상 소자.
(5) 상기 실드 전극에 전기적으로 접속된 콘택트는, 상기 관통 전극의 사이에 마련되어 있는 상기 (4)에 기재된 고체 촬상 소자.
(6) 상기 실드 전극에 전기적으로 접속된 콘택트는, 상기 관통 전극의 사이에 라인형상으로 마련되어 있는 상기 (4) 또는 (5)에 기재된 고체 촬상 소자.
(7) 상기 유전체층은, 상기 관통 전극의 주위에 마련되어 있는 상기 (1) 내지 (6)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(8) 상기 관통 전극은, 상기 반도체 기판을 관통함과 함께, 분리홈에 의해 상기 반도체 기판과 분리되어 있고, 상기 유전체층과 상기 분리홈이 접하여 있는 상기 (1) 내지 (7)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(9) 상기 반도체 기판 내에 마련된 하나 또는 복수의 포토 다이오드를 또한 구비하는 상기 (1) 내지 (7)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(10) 반도체 기판의 제1면측에 마련된 광전변환 소자와,
상기 광전변환 소자에 접속되고, 상기 반도체 기판의 상기 제1면과, 상기 제1면과는 다른 면인 제2면 사이에 마련된 관통 전극과,
상기 제2면에 마련되고, 상기 관통 전극을 통하여 광전변환 소자와 접속되는 트랜지스터 및 플로팅 디퓨전과,
상기 제2면에서의 상기 관통 전극의 사이에 형성되는, 상기 트랜지스터의 게이트 절연막보다도 두꺼운 유전체층을 구비하는 고체 촬상 소자와,
상기 고체 촬상 소자로부터 출력되는 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로와,
입사광을 상기 고체 촬상 소자에 입사하는 광학계를 갖는 전자 기기.
(11) 제조 장치가,
반도체 기판의 제1면과, 상기 제1면과는 다른 면인 제2면 사이에 관통구멍을 형성하고,
상기 제2면에서의 관통구멍의 사이에, 상기 제2면에 형성되는 트랜지스터의 게이트 절연막보다 두꺼운 유전체층을 형성하고,
상기 제2면에 상기 트랜지스터를 포함하는 게이트 배선을 형성하고,
상기 관통구멍에 금속재료막을 매입하여 관통 전극을 형성하고,
상기 제1면에, 상기 관통 전극을 통하여 상기 트랜지스터 및 플로팅 디퓨전과 접속하는 상기 광전변환 소자를 형성하는 제조 방법.
1 : 고체 촬상 소자
2 : 화소
11 : 반도체 기판
11-1 : 제1면
11-2 : 제2면
101 : 유전체
102 : 막
103 : 유전체층
104 : 관통 전극
105 : 분리홈
106 : 투명 전극
107 : 광전변환막
108 : 투명 전극
109 : 광전변환 소자
110 : 보호막
111 : 층간 절연막
112 : 광입사면
114 : 실드 전극
115 : 앰프 트랜지스터
116 내지 118 : 플로팅 디퓨전
120 : 게이트 절연막
121 : 전송 게이트
122 : 종형 전송 게이트
123, 124 : 포토 다이오드
125 : 배선층
126 : 절연막
127 : 다층 기판
128 : 콘택트
129 : 리셋 트랜지스터
151 : 형성 예정 영역

Claims (11)

  1. 반도체 기판의 제1면측에 마련된 광전변환 소자와,
    상기 광전변환 소자에 접속되고, 상기 반도체 기판의 상기 제1면과, 상기 제1면과는 다른 면인 제2면 사이에 마련된 관통 전극과,
    상기 제2면에 마련되고, 상기 관통 전극을 통하여 광전변환 소자와 접속되는 트랜지스터 및 플로팅 디퓨전과,
    상기 제2면에서의 상기 관통 전극의 사이에 형성되는, 상기 트랜지스터의 게이트 절연막보다도 두꺼운 유전체층을 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2면측에서 보아, 상기 유전체층의 내측에 실드 전극을 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 실드 전극의 재료는, 폴리실리콘 또는 어모퍼스 실리콘인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 실드 전극은, 상기 실드 전극과 전기적으로 접속된 콘택트와, 상기 콘택트에 전기적으로 접속된 배선으로부터 소정의 전압으로 제어되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 실드 전극에 전기적으로 접속된 콘택트는, 상기 관통 전극의 사이에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 실드 전극에 전기적으로 접속된 콘택트는, 상기 관통 전극의 사이에 라인형상으로 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층은, 상기 관통 전극의 주위에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 관통 전극은, 상기 반도체 기판을 관통함과 함께, 분리홈에 의해 상기 반도체 기판과 분리되어 있고, 상기 유전체층과 상기 분리홈이 접하여 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판 내에 마련된 하나 또는 복수의 포토 다이오드를 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  10. 반도체 기판의 제1면측에 마련된 광전변환 소자와,
    상기 광전변환 소자에 접속되고, 상기 반도체 기판의 상기 제1면과, 상기 제1면과는 다른 면인 제2면 사이에 마련된 관통 전극과,
    상기 제2면에 마련되고, 상기 관통 전극을 통하여 광전변환 소자와 접속되는 트랜지스터 및 플로팅 디퓨전과,
    상기 제2면에서의 상기 관통 전극의 사이에 형성되는, 상기 트랜지스터의 게이트 절연막보다도 두꺼운 유전체층을 구비하는 고체 촬상 소자와,
    상기 고체 촬상 소자로부터 출력되는 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로와,
    입사광을 상기 고체 촬상 소자에 입사하는 광학계를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  11. 제조 장치가,
    반도체 기판의 제1면과, 상기 제1면과는 다른 면인 제2면 사이에 관통구멍을 형성하고,
    상기 제2면에서의 관통구멍의 사이에, 상기 제2면에 형성되는 트랜지스터의 게이트 절연막보다 두꺼운 유전체층을 형성하고,
    상기 제2면에 상기 트랜지스터를 포함하는 게이트 배선을 형성하고,
    상기 관통구멍에 금속재료막을 매입하여 관통 전극을 형성하고,
    상기 제1면에, 상기 관통 전극을 통하여 상기 트랜지스터 및 플로팅 디퓨전과 접속하는 상기 광전변환 소자를 형성하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
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