KR20210033979A - 고체 촬상 장치 - Google Patents

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소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤
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Abstract

고체 촬상 장치는, 복수의 촬상 소자(11)로 구성된 촬상 소자 블록(10)을, 복수, 가지고 있고, 각 촬상 소자(11)는, 제1 전극(21), 제1 전극(21)과 이간하여 배치된 전하 축적용 전극(24), 제1 전극(21)과 접하고, 절연층을 통하여 전하 축적용 전극(24)의 상방에 형성된 광전변환부(23), 및, 광전변환부(23)상에 형성된 제2 전극(22)을 구비하고 있고, 제1 전극(21) 및 전하 축적용 전극(24)은 층간 절연층(81)상에 마련되어 있고, 제1 전극(21)은, 층간 절연층(81) 내에 마련된 접속부(63(64, 65))에 접속되어 있다.

Description

고체 촬상 장치
본 개시는, 고체 촬상 장치에 관한 것이다.
광전변환층에 유기 반도체 재료를 이용하는 촬상 소자는, 특정한 색(파장대)을 광전변환하는 것이 가능하다. 그리고, 이와 같은 특징을 갖기 때문에, 고체 촬상 장치에서의 촬상 소자로서 이용하는 경우, 온 칩·컬러 필터(OCCF)와 촬상 소자의 조합으로 부화소가 이루어지고, 부화소가 2차원 배열되어 있는, 종래의 고체 촬상 장치에서는 불가능한, 부화소를 적층한 구조(적층형 촬상 소자)를 얻는 것이 가능하다(예를 들면, 특개2017-157816호 공보 참조). 또한, 디모자이크 처리를 필요로 하지 않기 때문에, 위색이 발생하지 않는다는 이점이 있다. 또한, 이하의 설명에서, 반도체 기판의 위 또는 상방에 마련된 광전변환부를 구비한 촬상 소자를, 편의상, 『제1 타입의 촬상 소자』라고 부르고, 제1 타입의 촬상 소자를 구성하는 광전변환부를, 편의상, 『제1 타입의 광전변환부』라고 부르고, 반도체 기판 내에 마련된 촬상 소자를, 편의상, 『제2 타입의 촬상 소자』라고 부르고, 제2 타입의 촬상 소자를 구성하는 광전변환부를, 편의상, 『제2 타입의 광전변환부』라고 부르는 경우가 있다.
도 9에, 특개2017-157816호 공보에 개시된 적층형 촬상 소자(적층형 고체 촬상 장치)의 구조례를 도시한다. 도 9에 도시하는 예에서는, 반도체 기판(70) 내에, 제2 타입의 촬상 소자인 제3 촬상 소자(15) 및 제2 촬상 소자(13)를 구성하는 제2 타입의 광전변환부인 제3 광전변환부(43) 및 제2 광전변환부(41)가 적층되어, 형성되어 있다. 또한, 반도체 기판(70)의 상방(구체적으로는, 제2 촬상 소자(13)의 상방)에는, 제1 촬상 소자를 구성하는 제1 타입의 광전변환부(편의상, 『제1 광전변환부』라고 부른다)가 배치되어 있다. 여기서, 제1 광전변환부는, 제1 전극(21), 유기 재료로 이루어지는 광전변환부(23), 제2 전극(22)을 구비하고 있고, 제1 타입의 촬상 소자인 제1 촬상 소자(11)를 구성한다. 또한, 제1 전극(21)과 이간하여 전하 축적용 전극(24)이 마련되어 있고, 전하 축적용 전극(24)의 상방에는, 절연층(82)을 통하여 광전변환부(23)가 위치하고 있다. 제2 광전변환부(41) 및 제3 광전변환부(43)에서는, 흡수 계수의 차이에 의해, 각각, 예를 들면, 청색광 및 적색광이 광전변환된다. 또한, 제1 광전변환부에서는, 예를 들면, 녹색광이 광전변환된다.
제2 광전변환부(41) 및 제3 광전변환부(43)에서 광전변환에 의해 생성한 전하는, 이들 제2 광전변환부(41) 및 제3 광전변환부(43)에 일단 축적된 후, 각각, 종형 트랜지스터(게이트부(45)를 도시한다)와 전송 트랜지스터(게이트부(46)를 도시한다)에 의해 제2 부유 확산층(Floating Diffusion)(FD2) 및 제3 부유 확산층(FD3)에 전송되고, 또한, 외부의 판독 회로(도시 생략)에 출력된다. 이들 트랜지스터 및 부유 확산층(FD2, FD3)도 반도체 기판(70)에 형성되어 있다.
제1 광전변환부에서 광전변환에 의해 생성한 전하는, 전하 축적시, 전하 축적용 전극(24)에 끌어당겨지고, 광전변환부(23)에 축적된다. 전하 전송시, 광전변환부(23)에 축적된 전하는, 제1 전극(21), 콘택트 홀부(61), 배선층(62)을 통하여, 반도체 기판(70)에 형성된 제1 부유 확산층(FD1)에 축적된다. 또한, 제1 광전변환부는, 콘택트 홀부(61), 배선층(62)을 통하여, 전하량을 전압으로 변환하는 증폭 트랜지스터의 게이트부(52)에도 접속되어 있다. 그리고, 제1 부유 확산층(FD1)은, 리셋·트랜지스터(게이트부(51)를 도시한다)의 일부를 구성하고 있다. 또한, 그 외의 구성 요소에 관해서는, 실시례 1에서 설명한다.
특허 문헌 1: 특개2017-157816호 공보
후에 상세하게 설명하지만, 제1 촬상 소자(11)에 입사하는 광의 각도에 의존하여, 인접하는 제1 촬상 소자(11)에서, 각각의 제1 촬상 소자(11)의 광전변환부(23)에서 생성한 전하의 제1 전극(21)으로의 이동 상태에 차이가 생긴다는 제1 문제점이 발생하고, 그 결과, 얻어지는 화상에서 화질 저하가 생길 우려가 있다. 또한, 광전변환부(23)에 축적된 전하가, 제1 촬상 소자(11)의 동작 중에, 인접하는 제1 촬상 소자(11)에 이동할 가능성이 전무라고는 말할 수 없고, 광전변환부(23)에 축적된 전하가, 제1 전극(21)에 원활하게 전송되지 않을 가능성이 전무라고는 말할 수 없다는 제2 문제점이 발생하고, 그 결과, 고체 촬상 장치의 특성 열화로 이어진다.
따라서, 본 개시의 제1 목적은, 촬상 소자에 입사하는 광의 각도에 의존하여, 촬상 소자에 생성한 전하의 제1 전극으로의 이동 상태에 차이가 생기는 일이 없는 고체 촬상 장치를 제공하는 것에 있다. 또한, 본 개시의 제2 목적은, 촬상 소자의 동작 중, 인접하는 촬상 소자 사이에서의 전하의 이동을 확실하게 억제할 수 있고, 게다가, 광전변환부에 축적된 전하가, 제1 전극에 원활하게 전송되는 구성, 구조를 갖는 촬상 소자를 구비한 고체 촬상 장치를 제공하는 것에 있다.
상기한 제1 목적을 달성하기 위한 본 개시의 고체 촬상 장치는, 복수의 촬상 소자로 구성된 촬상 소자 블록을, 복수, 가지고 있고,
각 촬상 소자는,
제1 전극,
제1 전극과 이간하여 배치된 전하 축적용 전극,
제1 전극과 접하고, 절연층을 통하여 전하 축적용 전극의 상방에 형성된 광전변환부, 및,
광전변환부상에 형성된 제2 전극을 구비하고 있고,
제1 전극 및 전하 축적용 전극은, 층간 절연층상에 마련되어 있고,
제1 전극은, 층간 절연층 내에 마련된 접속부에 접속되어 있다.
도 1A 및 도 1B는, 각각, 실시례 1의 고체 촬상 장치 및 실시례 2의 고체 촬상 장치에서의 전하 축적용 전극 및 제1 전극 등의 배치 상태를 모식적으로 도시하는 도면.
도 2A 및 도 2B는, 실시례 2의 고체 촬상 장치의 변형례에서의 전하 축적용 전극, 제1 전극 및 분리 전극 등의 배치 상태를 모식적으로 도시하는 도면.
도 3A 및 도 3B는, 각각, 실시례 3의 고체 촬상 장치 및 그 변형례에서의 전하 축적용 전극 및 제1 전극 등의 배치 상태를 모식적으로 도시하는 도면.
도 4A 및 도 4B는, 실시례 3의 고체 촬상 장치의 변형례에서의 전하 축적용 전극, 제1 전극 및 분리 전극 등의 배치 상태를 모식적으로 도시하는 도면.
도 5A 및 도 5B는, 각각, 실시례 4의 고체 촬상 장치 및 그 변형례에서의 전하 축적용 전극 및 제1 전극 등의 배치 상태를 모식적으로 도시하는 도면.
도 6A 및 도 6B는, 실시례 4의 고체 촬상 장치의 변형례에서의 전하 축적용 전극, 제1 전극 및 분리 전극 등의 배치 상태를 모식적으로 도시하는 도면.
도 7A 및 도 7B는, 실시례 4의 고체 촬상 장치의 변형례에서의 전하 축적용 전극 및 제1 전극 등의 배치 상태를 모식적으로 도시하는 도면.
도 8A 및 도 8B는, 각각, 도 6A에 도시한 실시례 4의 고체 촬상 장치의 변형례의 모식적인 사시도, 및, 종래의 고체 촬상 장치의 변형례의 모식적인 사시도.
도 9는, 실시례 1의 고체 촬상 장치의 모식적인 일부 단면도.
도 10A 및 도 10B는, 실시례 1의 고체 촬상 장치 및 그 변형례를 구성하는 촬상 소자(병치된 2개의 촬상 소자)의 일부분의 모식적인 단면도.
도 11은, 실시례 1의 촬상 소자, 적층형 촬상 소자의 등가 회로도.
도 12는, 실시례 1의 촬상 소자, 적층형 촬상 소자의 등가 회로도.
도 13은, 실시례 1의 촬상 소자를 구성하는 제1 전극 및 전하 축적용 전극 및 제어부를 구성하는 트랜지스터의 모식적인 배치도.
도 14는, 실시례 1의 촬상 소자의 동작시의 각 부위에서의 전위의 상태를 모식적으로 도시하는 도면.
도 15A 및 도 15B는, 도 14(실시례 1) 및 도 32, 도 33(실시례 8)의 각 부위를 설명하기 위한 실시례 1 및 실시례 8의 촬상 소자, 적층형 촬상 소자의 등가 회로도.
도 16은, 실시례 1의 고체 촬상 장치의 개념도.
도 17은, 실시례 1의 촬상 소자, 적층형 촬상 소자의 변형례의 등가 회로도.
도 18은, 도 17에 도시한 실시례 1의 촬상 소자의 다른 변형례를 구성하는 제1 전극 및 전하 축적용 전극 및 제어부를 구성하는 트랜지스터의 모식적인 배치도.
도 19A 및 도 19B는, 실시례 2의 고체 촬상 장치 및 그 변형례를 구성하는 촬상 소자(병치된 2개의 촬상 소자)의 일부분의 모식적인 단면도.
도 20은, 실시례 5의 촬상 소자(병치된 2개의 촬상 소자)의 일부분의 모식적인 단면도.
도 21A 및 도 21B는, 실시례 5의 촬상 소자(병치된 2개의 촬상 소자)의 변형례의 일부분의 모식적인 단면도.
도 22A 및 도 22B는, 실시례 5의 촬상 소자(병치된 2개의 촬상 소자)의 변형례의 일부분의 모식적인 단면도.
도 23은, 실시례 6의 고체 촬상 장치의 모식적인 일부 단면도.
도 24는, 실시례 7의 고체 촬상 장치의 모식적인 일부 단면도.
도 25는, 실시례 7의 고체 촬상 장치의 변형례의 모식적인 일부 단면도.
도 26은, 실시례 7의 촬상 소자의 다른 변형례의 모식적인 일부 단면도.
도 27은, 실시례 7의 촬상 소자의 또 다른 변형례의 모식적인 일부 단면도.
도 28은, 실시례 8의 고체 촬상 장치의 일부분의 모식적인 일부 단면도.
도 29는, 실시례 8의 고체 촬상 장치의 등가 회로도.
도 30은, 실시례 8의 고체 촬상 장치의 등가 회로도.
도 31은, 실시례 8의 촬상 소자를 구성하는 제1 전극, 전송 제어용 전극 및 전하 축적용 전극 및 제어부를 구성하는 트랜지스터의 모식적인 배치도.
도 32는, 실시례 8의 촬상 소자의 동작시의 각 부위에서의 전위의 상태를 모식적으로 도시하는 도면.
도 33은, 실시례 8의 촬상 소자의 다른 동작시의 각 부위에서의 전위의 상태를 모식적으로 도시하는 도면.
도 34는, 실시례 8의 촬상 소자의 변형례를 구성하는 제1 전극, 전송 제어용 전극 및 전하 축적용 전극 및 제어부를 구성하는 트랜지스터의 모식적인 배치도.
도 35는, 실시례 9의 고체 촬상 장치의 모식적인 일부 단면도.
도 36은, 실시례 1의 고체 촬상 장치의 또 다른 변형례의 모식적인 일부 단면도.
도 37은, 실시례 1의 고체 촬상 장치의 또 다른 변형례의 모식적인 일부 단면도.
도 38은, 실시례 1의 고체 촬상 장치의 또 다른 변형례의 모식적인 일부 단면도.
도 39는, 실시례 1의 고체 촬상 장치의 다른 변형례의 모식적인 일부 단면도.
도 40은, 실시례 1의 고체 촬상 장치의 또 다른 변형례의 모식적인 일부 단면도.
도 41은, 본 개시의 고체 촬상 장치로 구성된 고체 촬상 장치를 전자 기기(카메라)를 이용한 예의 개념도.
도 42는, 본 개시의 고체 촬상 장치의 한 예의 구동 방법을 설명하기 위한 고체 촬상 장치의 일부의 개념도.
도 43은, 제1 문제점을 설명하기 위한 종래의 고체 촬상 장치의 제1 전극 등의 배치 상태를 모식적으로 도시하는 도면.
도 44는, 차량 제어 시스템의 개략적인 구성의 한 예를 도시하는 블록도.
도 45는, 차외 정보 검출부 및 촬상부의 설치 위치의 한 예를 도시하는 설명도.
도 46은, 내시경 수술 시스템의 개략적인 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 47은, 카메라 헤드 및 CCU의 기능 구성의 한 예를 도시하는 블록도.
이하, 도면을 참조하여, 실시례에 의거하여 본 개시를 설명하는데, 본 개시는 실시례로 한정되는 것은 아니고, 실시례에서의 여러 가지 수치나 재료는 예시이다. 또한, 설명은, 이하의 순서로 행한다.
1. 본 개시의 고체 촬상 장치, 전반에 관한 설명
2. 실시례 1(본 개시의 고체 촬상 장치, 제1 구성의 고체 촬상 장치)
3. 실시례 2(실시례 1의 변형)
4. 실시례 3(실시례 1∼실시례 2의 변형, 제2 구성의 고체 촬상 장치)
5. 실시례 4(실시례 1∼실시례 2의 다른 변형, 제3 구성의 고체 촬상 장치)
6. 실시례 5(실시례 1∼실시례 4의 변형, 상방 분리 전극)
7. 실시례 6(실시례 1∼실시례 5의 변형, 표면 조사형의 고체 촬상 장치)
8. 실시례 7(실시례 1∼실시례 6의 변형)
9. 실시례 8(실시례 1∼실시례 7, 전송 제어용 전극)
10. 실시례 9(실시례 1∼실시례 8, 전하 배출 전극)
11. 기타
<본 개시의 고체 촬상 장치, 전반에 관한 설명>
본 개시의 고체 촬상 장치에서, 촬상 소자 블록은, 제1 방향을 따라서 P개, 제1 방향과는 다른 제2 방향을 따라서 Q개의, P×Q개(단, P≥2, Q≥1)의 촬상 소자로 구성되어 있는 형태로 할 수 있다.
본 개시의 고체 촬상 장치의 상기한 바람직한 형태에서는, 상기한 제2 목적을 달성하기 위해,
P=2, Q=1이고,
제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 각각을 구성하는 제1 전극은, 층간 절연층 내에 마련된 접속부에 접속되어 있는 구성으로 할 수 있다. 여기서, 이와 같은 구성의 고체 촬상 장치를, 편의상, 『제1 구성의 고체 촬상 장치』라고 부른다. 2개의 촬상 소자에서, 제1 전극은 접속부를 통하여 상호 연결되어 있다. 그리고, 제1 구성의 고체 촬상 장치에서, 촬상 소자 블록은, 연속된 분리 전극(편의상, 『제1 분리 전극』이라고 부르는 경우가 있다)에 의해 둘러싸여 있는 구성으로 할 수 있고, 나아가서는, 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 사이에는, 분리 전극(제1 분리 전극)으로부터 제2 방향을 따라서 늘어나는 연속된 제2 분리 전극이 마련되어 있는 구성으로 할 수 있다. 제1 분리 전극과 제2 분리 전극은 연결되어 있다. 또한, 제1 구성의 고체 촬상 장치에서, 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 사이에는, 제2 방향을 따라서 늘어나는 제2 분리 전극이 마련되어 있는 구성으로 할 수 있다.
또한, 본 개시의 고체 촬상 장치의 상기한 바람직한 형태에서는, 상기한 제2 목적을 달성하기 위해,
P=2, Q는 2 이상의 자연수이고,
제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 각각을 구성하는 제1 전극은, 층간 절연층 내에 마련된 접속부에 접속되어 있는 구성으로 할 수 있다. 여기서, 이와 같은 구성의 고체 촬상 장치를, 편의상, 『제2 구성의 고체 촬상 장치』라고 부른다. P×Q개의 촬상 소자에서, 제1 전극은 접속부를 통하여 상호 연결되어 있다. 그리고, 제2 구성의 고체 촬상 장치에서, 촬상 소자 블록은, 연속된 분리 전극(제1 분리 전극)에 의해 둘러싸여 있는 구성으로 할 수 있고, 나아가서는, 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 사이에는, 분리 전극(제1 분리 전극)으로부터 제2 방향을 따라서 늘어나는 연속된 제2 분리 전극이 마련되어 있는 구성으로 할 수 있다. 제1 분리 전극과 제2 분리 전극은 연결되어 있다. 또한, 제2 구성의 고체 촬상 장치에서, 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 사이에는, 제2 방향을 따라서 늘어나는 제2 분리 전극이 마련되어 있는 구성으로 할 수 있다.
또한, 본 개시의 고체 촬상 장치의 상기한 바람직한 형태에서는, 상기한 제2 목적을 달성하기 위해,
P=2, Q=2이고,
제2 방향에 따른 2개의 촬상 소자를 구성하는 제1 전극은 공유되어 있고,
공유된 제1 전극은, 층간 절연층 내에 마련된 접속부에 접속되어 있는 구성으로 할 수 있다. 여기서, 이와 같은 구성의 고체 촬상 장치를, 편의상, 『제3A 구성의 고체 촬상 장치』라고 부른다. 또한, 본 개시의 고체 촬상 장치의 상기한 바람직한 형태에서는, 상기한 제2 목적을 달성하기 위해,
P=2, Q=2이고,
제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자를 구성하는 제1 전극은 공유되어 있고,
공유된 제1 전극은, 층간 절연층 내에 마련된 접속부에 접속되어 있는 구성으로 할 수 있다. 여기서, 이와 같은 구성의 고체 촬상 장치를, 편의상, 『제3B 구성의 고체 촬상 장치』라고 부른다. 2×2개의 촬상 소자에서, 제1 전극은 접속부를 통하여 상호 연결되어 있다. 그리고, 제3A 구성의 고체 촬상 장치 또는 제3B 구성의 고체 촬상 장치에서, 촬상 소자 블록은, 연속된 분리 전극(제1 분리 전극)에 의해 둘러싸여 있는 구성으로 할 수 있고, 나아가서는, 제3A 구성의 고체 촬상 장치 또는 제3B 구성의 고체 촬상 장치에서, 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 사이에는, 분리 전극(제1 분리 전극)으로부터 제2 방향을 따라서 늘어나는 연속된 제2 분리 전극이 마련되어 있는 구성으로 할 수 있다. 제1 분리 전극과 제2 분리 전극은 연결되어 있다. 또한, 제3A 구성의 고체 촬상 장치 또는 제3B 구성의 고체 촬상 장치에서, 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 사이에는, 제2 방향을 따라서 늘어나는 제2 분리 전극이 마련되어 있는 구성으로 할 수 있다.
나아가서는, 이상에 설명한 바람직한 형태, 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 장치에서, 촬상 소자 블록을 구성하는 촬상 소자와 촬상 소자 사이를 제2 방향으로 늘어나는 경계선에 대해, 촬상 소자는 선대칭으로 배치되어 있는 형태로 할 수 있다.
나아가서는, 이상에 설명한 바람직한 형태, 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 장치에서, 분리 전극(제1 분리 전극)의 전위는 (제2 분리 전극이 마련되어 있는 경우에는 제2 분리 전극의 전위도), 일정한 값(VES)인 형태로 할 수 있다.
이와 같이, 하나의 촬상 소자 블록을 구성하는 P×Q개의 촬상 소자에서 제1 전극을 공유화하면, 촬상 소자가 복수 배열된 화소 영역에서의 구성, 구조를 간소화, 미세화할 수 있다. 그리고, 촬상 소자 블록을 구성하는 복수(구체적으로는, P×Q개)의 촬상 소자는, 공유된 부유 확산층을 구비하고 있는 형태로 할 수 있다. 즉, P×Q개의 촬상 소자에 의해 구성된 하나의 촬상 소자 블록에 대해 하나의 부유 확산층이 마련되어 있다. 또한, 각 촬상 소자 블록은, 제어부를 가지고 있고, 제어부는, 적어도 부유 확산층 및 증폭 트랜지스터로 구성되어 있고, 공유된 제1 전극은, 접속부를 통하여 제어부에 접속되어 있는 형태로 할 수 있다. P×Q개의 촬상 소자는, 후술하는 제1 타입의 촬상 소자의 복수로 구성되어 있어도 좋고, 적어도 하나의 제1 타입의 촬상 소자와, 1 또는 2 이상의 후술하는 제2 타입의 촬상 소자로 구성되어 있어도 좋다.
본 개시의 고체 촬상 장치에서, 촬상 소자 블록이 4개의 촬상 소자로 구성되고, 이들 4개의 촬상 소자의 제1 전극이 공유되어 있는 경우, 4개의 촬상 소자에 축적된 전하를, 따로따로, 합계 4회(回)로 판독하는 판독 방식을 채용해도 좋고, 4개의 촬상 소자에 축적된 전하를, 동시에, 합계 1회로 판독하는 판독 방식을 채용해도 좋다. 전자를, 편의상, 『제1 모드의 판독 방법』이라고 부르고, 후자를, 편의상, 『제2 모드의 판독 방법』이라고 부르는 경우가 있다. 제1 모드의 판독 방법에서는, 고체 촬상 장치에 의해 얻어지는 화상의 고정밀화를 도모할 수 있다. 제2 모드의 판독 방법에서는, 감도의 증가를 도모하기 위해 4개의 촬상 소자에 의해 얻어진 신호가 가산된다. 제1 모드의 판독 방법과 제2 모드의 판독 방법의 전환은, 고체 촬상 장치에 적절한 전환 수단을 마련함으로써 달성할 수 있다. 제1 모드의 판독 방법에서는, 전하 전송 기간의 타이밍을 적절하게 제어함으로써, P×Q개(예를 들면, 2×2개)의 촬상 소자가 하나의 부유 확산층을 공유하는 것이 가능하고, 촬상 소자 블록을 구성하는 P×Q개(예를 들면, 2×2개)의 촬상 소자가 하나의 구동 회로에 접속되어 있다. 단, 전하 축적용 전극의 제어는, 촬상 소자마다 행해진다.
본 개시의 고체 촬상 장치에서, 제1 분리 전극이나 제2 분리 전극은, 절연층을 통하여 광전변환부의 영역에 대향한 영역에 마련되어 있는 형태로 할 수 있다. 또한, 이들 분리 전극을, 편의상, 『하방 제1 분리 전극』, 『하방 제2 분리 전극』이라고 부르는 경우가 있고, 이들을 총칭하여, 『하방 분리 전극』이라고 부르는 경우가 있다. 또한, 제1 분리 전극이나 제2 분리 전극은, 광전변환부의 위에, 제2 전극과 이간하여 마련되어 있는 형태로 할 수 있다. 또한, 이들 분리 전극을, 편의상, 『상방 제1 분리 전극』, 『상방 제2 분리 전극』이라고 부르는 경우가 있고, 이들을 총칭하여, 『상방 분리 전극』이라고 부르는 경우가 있다. 제3B 구성의 고체 촬상 장치에서, 제2 분리 전극이 마련되어 있는 구성으로 하는 경우, 제1 분리 전극이나 상방 제2 분리 전극을, 상방 제1 분리 전극이나 상방 제2 분리 전극으로 구성할 필요가 있다.
본 개시의 고체 촬상 장치에서, 하방 제1 분리 전극은, 제1 전극 및 전하 축적용 전극과 이간하여 배치되고, 전하 축적용 전극을 둘러싸고 있다. 한편, 상방 제1 분리 전극의 정사(正射) 영상은, 제1 전극 및 전하 축적용 전극의 정사 영상과 이간하여 위치하고, 전하 축적용 전극의 정사 영상을 둘러싸고 있다. 경우에 따라서는, 상방 제2 분리 전극의 정사 영상의 일부와 전하 축적용 전극의 정사 영상의 일부가 겹쳐 있어도 좋다.
이하의 설명에서 각종 전극에 인가되는 전위를 나타내는 부호를, 이하의 표 1에 표시한다.
<표 1>
전하 축적 기간 전하 전송 기간
제1 전극 V11 V12
제2 전극 V21 V22
전하 축적용 전극 V31 V32
제1 분리 전극 VES VES
제2 분리 전극 VES VES
전송 제어용 전극 V41 V42
전하 배출 전극 V51 V52
이상에 설명한 바람직한 형태, 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 장치는, 반도체 기판을 또 구비하고 있고, 광전변환부는, 반도체 기판의 상방에 배치되어 있는 형태로 할 수 있다. 또한, 제1 전극, 전하 축적용 전극, 제2 전극, 각종 분리 전극이나 각종 전극은, 후술하는 구동 회로에 접속되어 있다.
나아가서는, 이상에 설명한 각종의 바람직한 형태, 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 장치에서, 전하 축적용 전극의 크기는 제1 전극보다도 큰 형태로 할 수 있다. 전하 축적용 전극의 면적을 s1', 제1 전극의 면적을 s1로 했을 때, 한정하는 것은 아니지만,
4≤s1'/s1
를 만족하는 것이 바람직하다.
광입사측에 위치하는 제2 전극은, 상방 분리 전극이 형성되어 있는 경우를 제외하고, 복수의 촬상 소자에서 공통화되어 있어도 좋다. 즉, 제2 전극을 이른바 베타 전극으로 할 수 있다. 광전변환부를 구성하는 광전변환층은, 복수의 촬상 소자에서 공통화할 수 있다. 즉, 복수의 촬상 소자에서 1층의 광전변환층이 형성되어 있는 형태로 할 수 있다.
나아가서는, 이상에 설명한 각종의 바람직한 형태, 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 장치에서, 제1 전극은, 절연층에 마련된 개구부 내를 연재하고, 광전변환부와 접속되어 있는 형태로 할 수 있다. 또한, 광전변환부는, 절연층에 마련된 개구부 내를 연재하고, 제1 전극과 접속되어 있는 형태로 할 수 있고, 이 경우,
제1 전극의 정상면(頂面)의 연부(緣部)는 절연층으로 덮여 있고,
개구부의 저면에는 제1 전극이 노출되어 있고,
제1 전극의 정상면과 접하는 절연층의 면을 제1면, 전하 축적용 전극과 대향하는 광전변환부의 부분과 접하는 절연층의 면을 제2면으로 했을 때, 개구부의 측면은, 제1면으로부터 제2면을 향하여 넓어지는 경사를 갖는 형태로 할 수 있고, 나아가서는, 제1면으로부터 제2면을 향하여 넓어지는 경사를 갖는 개구부의 측면은, 전하 축적용 전극측에 위치하는 형태로 할 수 있다. 또한, 광전변환부와 제1 전극 사이에 다른 층이 형성되어 있는 형태(예를 들면, 광전변환부와 제1 전극 사이에 전하 축적에 적합한 재료층이 형성되어 있는 형태)를 포함한다.
나아가서는, 이상에 설명한 각종의 바람직한 형태, 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 장치에서,
반도체 기판에 마련되고, 구동 회로를 갖는 제어부를 또 구비하고 있고,
제1 전극 및 전하 축적용 전극은, 구동 회로에 접속되어 있고,
전하 축적 기간에서, 구동 회로로부터, 제1 전극에 전위(V11)가 인가되고, 전하 축적용 전극에 전위(V31)가 인가되고, 광전변환부에 전하가 축적되고,
전하 전송 기간에서, 구동 회로로부터, 제1 전극에 전위(V12)가 인가되고, 전하 축적용 전극에 전위(V32)가 인가되고, 광전변환부에 축적된 전하가 제1 전극을 경유하여 제어부에 판독되는 구성으로 할 수 있다. 단, 제1 전극의 전위가 제2 전극의 전위보다도 높은 경우,
V31≥V11, 또한, V32<V12
이고, 제1 전극의 전위가 제2 전극의 전위보다도 낮은 경우,
V31≤V11, 또한, V32>V12
이다.
나아가서는, 이상에 설명한 각종의 바람직한 형태, 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 장치는, 제1 전극과 전하 축적용 전극 사이에, 제1 전극 및 전하 축적용 전극과 이간하여 배치되고, 또한, 절연층을 통하여 광전변환부와 대향하여 배치된 전송 제어용 전극(전하 전송 전극)을 또 구비하고 있는 형태로 할 수 있다. 또한, 이와 같은 형태의 본 개시의 고체 촬상 장치를, 편의상, 『전송 제어용 전극을 구비한 본 개시의 고체 촬상 장치』라고 부르는 경우가 있다. 그리고, 전송 제어용 전극을 구비한 본 개시의 고체 촬상 장치에서는, 전하 축적 기간에서, 전송 제어용 전극에 인가되는 전위를 V41로 했을 때, 제1 전극의 전위가 제2 전극의 전위보다도 높은 경우, V41≤V11, V31<V41를 만족하는 것이 바람직하다. 또한, 전하 전송 기간에서, 전송 제어용 전극에 인가되는 전위를 V42로 했을 때, 제1 전극의 전위가 제2 전극의 전위보다도 높은 경우, V32≤V42≤V12를 만족하는 것이 바람직하다.
나아가서는, 이상에 설명한 각종의 바람직한 형태, 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 장치에서는, 광전변환부에 접속되고, 제1 전극 및 전하 축적용 전극과 이간하여 배치된 전하 배출 전극을 또 구비하고 있는 형태로 할 수 있다. 또한, 이와 같은 형태의 본 개시의 고체 촬상 장치를, 편의상, 『전하 배출 전극을 구비한 본 개시의 고체 촬상 장치』라고 부른다. 그리고, 전하 배출 전극을 구비한 본 개시의 고체 촬상 장치에서, 전하 배출 전극은, 제1 전극 및 전하 축적용 전극을 둘러싸도록(즉, 액자형상으로) 배치되어 있는 형태로 할 수 있다. 전하 배출 전극은, 복수의 촬상 소자에서 공유화(공통화)할 수 있다. 전하 배출 전극을 마련하는 경우, 각종 분리 전극을 상방 분리 전극으로 구성하는 것이 바람직하다. 그리고, 이 경우,
광전변환부는, 절연층에 마련된 제2 개구부 내를 연재하고, 전하 배출 전극과 접속되어 있고,
전하 배출 전극의 정상면의 연부는 절연층으로 덮여 있고,
제2 개구부의 저면에는 전하 배출 전극이 노출되어 있고,
전하 배출 전극의 정상면과 접하는 절연층의 면을 제3면, 전하 축적용 전극과 대향하는 광전변환부의 부분과 접하는 절연층의 면을 제2면으로 했을 때, 제2 개구부의 측면은, 제3면으로부터 제2면을 향하여 넓어지는 경사를 갖는 형태로 할 수 있다.
나아가서는, 전하 배출 전극을 구비한 본 개시의 고체 촬상 장치에서는,
반도체 기판에 마련되고, 구동 회로를 갖는 제어부를 또 구비하고 있고,
제1 전극, 전하 축적용 전극 및 전하 배출 전극은, 구동 회로에 접속되어 있고,
전하 축적 기간에서, 구동 회로로부터, 제1 전극에 전위(V11)가 인가되고, 전하 축적용 전극에 전위(V31)가 인가되고, 전하 배출 전극에 전위(V51)가 인가되고, 광전변환부에 전하가 축적되고,
전하 전송 기간에서, 구동 회로로부터, 제1 전극에 전위(V12)가 인가되고, 전하 축적용 전극에 전위(V32)가 인가되고, 전하 배출 전극에 전위(V52)가 인가되고, 광전변환부에 축적된 전하가 제1 전극을 통하여 제어부에 판독되는 구성으로 할 수 있다. 단, 제1 전극의 전위가 제2 전극의 전위보다도 높은 경우,
V51>V11, 또한, V52<V12
이고, 제1 전극의 전위가 제2 전극의 전위보다도 낮은 경우,
V51<V11, 또한, V52>V12
이다.
나아가서는, 이상에 설명한 각종의 바람직한 형태, 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 장치에서, 전하 축적용 전극은, 복수의 전하 축적용 전극 세그먼트로 구성되어 있는 형태로 할 수 있다. 또한, 이와 같은 형태의 본 개시의 고체 촬상 장치를, 편의상, 『복수의 전하 축적용 전극 세그먼트를 구비한 본 개시의 고체 촬상 장치』라고 부르는 경우가 있다. 전하 축적용 전극 세그먼트의 수는, 2 이상이면 좋다. 그리고, 복수의 전하 축적용 전극 세그먼트를 구비한 본 개시의 고체 촬상 장치에서는, N개의 전하 축적용 전극 세그먼트의 각각에, 다른 전위를 가하는 경우,
제1 전극의 전위가 제2 전극의 전위보다도 높은 경우, 전하 전송 기간에서, 제1 전극에 가장 가까운 곳에 위치하는 전하 축적용 전극 세그먼트(제1번째의 광전변환부 세그먼트)에 인가되는 전위는, 제1 전극에 가장 먼 곳에 위치하는 전하 축적용 전극 세그먼트(제N번째의 광전변환부 세그먼트)에 인가되는 전위보다도 높고,
제1 전극의 전위가 제2 전극의 전위보다도 낮은 경우, 전하 전송 기간에서, 제1 전극에 가장 가까운 곳에 위치하는 전하 축적용 전극 세그먼트(제1번째의 광전변환부 세그먼트)에 인가되는 전위는, 제1 전극에 가장 먼 곳에 위치하는 전하 축적용 전극 세그먼트(제N번째의 광전변환부 세그먼트)에 인가되는 전위보다도 낮은 형태로 할 수 있다.
나아가서는, 이상에 설명한 각종의 바람직한 형태, 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 장치에서,
반도체 기판에는, 제어부를 구성하는 적어도 부유 확산층 및 증폭 트랜지스터가 마련되어 있고,
제1 전극은, 부유 확산층 및 증폭 트랜지스터의 게이트부에 접속되어 있는 형태로 할 수 있다. 그리고, 이 경우, 나아가서는,
반도체 기판에는, 또한, 제어부를 구성하는 리셋·트랜지스터 및 선택 트랜지스터가 마련되어 있고,
부유 확산층은, 리셋·트랜지스터의 일방의 소스/드레인 영역에 접속되어 있고,
증폭 트랜지스터의 일방의 소스/드레인 영역은, 선택 트랜지스터의 일방의 소스/드레인 영역에 접속되어 있고, 선택 트랜지스터의 타방의 소스/드레인 영역은 신호선에 접속되어 있는 형태로 할 수 있다.
또한, 이상에 설명한 각종의 바람직한 형태, 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 장치의 변형례로서, 이하에 설명하는 제1 구성∼제6 구성의 촬상 소자를 들 수 있다. 즉, 이상에 설명한 각종의 바람직한 형태, 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 장치에서의 제1 구성∼제6 구성의 촬상 소자에서,
광전변환부는, N개(단, N≥2)의 광전변환부 세그먼트로 구성되어 있고,
광전변환부를 구성하는 광전변환층은, N개의 광전변환층 세그먼트로 구성되어 있고,
절연층은, N개의 절연층 세그먼트로 구성되어 있고,
제1 구성∼제3 구성의 촬상 소자에서는, 전하 축적용 전극은, N개의 전하 축적용 전극 세그먼트로 구성되어 있고,
제4 구성∼제5 구성의 촬상 소자에서는, 전하 축적용 전극은, 서로 이간되어 배치된, N개의 전하 축적용 전극 세그먼트로 구성되어 있고,
제n번째(단, n=1, 2, 3 … N)의 광전변환부 세그먼트는, 제n번째의 전하 축적용 전극 세그먼트, 제n번째의 절연층 세그먼트 및 제n번째의 광전변환층 세그먼트로 구성되어 있고,
n의 값이 큰 광전변환부 세그먼트일수록, 제1 전극으로부터 떨어져서 위치한다.
그리고, 제1 구성의 촬상 소자에서는, 제1번째의 광전변환부 세그먼트로부터 제N번째의 광전변환부 세그먼트에 걸쳐서, 절연층 세그먼트의 두께가, 점차, 변화하고 있다. 또한, 제2 구성의 촬상 소자에서는, 제1번째의 광전변환부 세그먼트로부터 제N번째의 광전변환부 세그먼트에 걸쳐서, 광전변환층 세그먼트의 두께가, 점차, 변화하고 있다. 나아가서는, 제3 구성의 촬상 소자에서는, 인접하는 광전변환부 세그먼트에서, 절연층 세그먼트를 구성하는 재료가 다르다. 또한, 제4 구성의 촬상 소자에서는, 인접하는 광전변환부 세그먼트에서, 전하 축적용 전극 세그먼트를 구성하는 재료가 다르다. 나아가서는, 제5 구성의 촬상 소자에서는, 제1번째의 광전변환부 세그먼트로부터 제N번째의 광전변환부 세그먼트에 걸쳐서, 전하 축적용 전극 세그먼트의 면적이, 점차, 작아지고 있다. 또한, 면적은, 연속적으로 작아지고 있어도 좋고, 계단형상으로 작아지고 있어도 좋다.
또한, 이상에 설명한 각종의 바람직한 형태, 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 장치에서의 제6 구성의 촬상 소자에서, 전하 축적용 전극과 절연층과 광전변환부의 적층 방향을 Z방향, 제1 전극으로부터 떨어지는 방향을 X방향으로 했을 때, YZ 가상 평면으로 전하 축적용 전극과 절연층과 광전변환부가 적층된 적층 부분을 절단했을 때의 적층 부분의 단면적은, 제1 전극으로부터의 거리에 의존하여 변화한다. 또한, 단면적의 변화는, 연속적인 변화라도 좋고, 계단형상의 변화라도 좋다.
제1 구성∼제2 구성의 촬상 소자에서, N개의 광전변환층 세그먼트는 연속해서 마련되어 있고, N개의 절연층 세그먼트도 연속해서 마련되어 있고, N개의 전하 축적용 전극 세그먼트도 연속해서 마련되어 있다. 제3 구성∼제5 구성의 촬상 소자에서, N개의 광전변환층 세그먼트는 연속해서 마련되어 있다. 또한, 제4 구성, 제5 구성의 촬상 소자에서, N개의 절연층 세그먼트는 연속해서 마련되어 있는 한편, 제3 구성의 촬상 소자에서, N개의 절연층 세그먼트는, 광전변환부 세그먼트의 각각에 대응하여 마련되어 있다. 나아가서는, 제4 구성∼제5 구성의 촬상 소자에서, 경우에 따라서는, 제3 구성의 촬상 소자에서, N개의 전하 축적용 전극 세그먼트는, 광전변환부 세그먼트의 각각에 대응하여 마련되어 있다. 그리고 제1 구성∼제6 구성의 촬상 소자에서는, 전하 축적용 전극 세그먼트의 전부에 같은 전위가 가해진다. 또한, 제4 구성∼제5 구성의 촬상 소자에서, 경우에 따라서는, 제3 구성의 촬상 소자에서, N개의 전하 축적용 전극 세그먼트의 각각에, 다른 전위를 가해도 좋다.
제1 구성∼제6 구성의 촬상 소자, 이러한 촬상 소자를 적용한 본 개시의 고체 촬상 장치에서는, 절연층 세그먼트의 두께가 규정되고, 또한, 광전변환층 세그먼트의 두께가 규정되고, 또한, 절연층 세그먼트를 구성하는 재료가 다르고, 또한, 전하 축적용 전극 세그먼트를 구성하는 재료가 다르고, 또한, 전하 축적용 전극 세그먼트의 면적이 규정되고, 또한, 적층 부분의 단면적이 규정되어 있기 때문에, 일종의 전하 전송 구배가 형성되고, 광전변환에 의해 생성한 전하를, 한층 용이하게, 또한, 확실하게, 제1 전극으로 전송하는 것이 가능해진다. 그리고, 그 결과, 잔상의 발생이나 전하 전송 잔재의 발생을 방지할 수 있다.
본 개시의 고체 촬상 장치의 변형례로서, 상술한 제1 구성∼제6 구성의 촬상 소자를, 복수, 구비하고 있는 고체 촬상 장치로 할 수 있다.
제1 구성∼제5 구성의 촬상 소자에서는, n의 값이 큰 광전변환부 세그먼트일수록 제1 전극으로부터 떨어져서 위치하는데, 제1 전극으로부터 떨어져서 위치하는지의 여부는, X방향을 기준으로 하여 판단한다. 또한, 제6 구성의 촬상 소자에서는, 제1 전극으로부터 떨어지는 방향을 X방향으로 하고 있는데, 『X방향』을 이하와 같이, 정의한다. 즉, 촬상 소자 또는 적층형 촬상 소자가 복수 배열된 화소 영역은, 2차원 어레이형상으로, 즉, X방향 및 Y방향으로 규칙적으로 복수 배열된 화소로 구성된다. 화소의 평면 형상을 사각형이라고 한 경우, 제1 전극에 가장 가까운 변이 늘어나는 방향을 Y방향으로 하고, Y방향과 직교하는 방향을 X방향이라고 한다. 또한, 화소의 평면 형상을 임의의 형상으로 한 경우, 제1 전극에 가장 가까운 선분이나 곡선이 포함되는 전체적인 방향을 Y방향으로 하고, Y방향과 직교하는 방향을 X방향으로 한다.
이하, 제1 구성∼제6 구성의 촬상 소자에 관해, 제1 전극의 전위가 제2 전극의 전위보다도 높은 경우에 관한 설명을 행하는데, 제1 전극의 전위가 제2 전극의 전위보다도 낮은 경우는, 전위의 고저를 역으로 하면 좋다.
제1 구성의 촬상 소자에서는, 제1번째의 광전변환부 세그먼트로부터 제N번째의 광전변환부 세그먼트에 걸쳐서, 절연층 세그먼트의 두께가, 점차, 변화하고 있는데, 절연층 세그먼트의 두께는, 점차, 두꺼워져도 좋고, 얇아져도 좋으며, 이에 의해, 일종의 전하 전송 구배가 형성된다.
축적해야 할 전하를 전자로 하는 경우, 절연층 세그먼트의 두께가, 점차, 두꺼워지는 구성을 채용하면 좋고, 축적해야 할 전하를 정공으로 하는 경우, 절연층 세그먼트의 두께가, 점차, 얇아지는 구성을 채용하면 좋다. 그리고, 이들의 경우, 전하 축적 기간에서, |V31|≥|V11|라는 상태가 되면, 제n번째의 광전변환부 세그먼트의 쪽이,제(n+1)번째의 광전변환부 세그먼트보다도, 많은 전하를 축적할 수 있고, 강한 전계가 가해저서, 제1번째의 광전변환부 세그먼트로부터 제1 전극으로의 전하의 흐름을 확실하게 방지할 수 있다. 그리고, 전하 전송 기간에서, |V32|<|V12|라는 상태가 되면, 제1번째의 광전변환부 세그먼트로부터 제1 전극으로의 전하의 흐름, 제(n+1)번째의 광전변환부 세그먼트로부터 제n번째의 광전변환부 세그먼트로의 전하의 흐름을, 확실하게 확보할 수 있다.
제2 구성의 촬상 소자에서는, 제1번째의 광전변환부 세그먼트로부터 제N번째의 광전변환부 세그먼트에 걸쳐서, 광전변환층 세그먼트의 두께가, 점차, 변화하고 있는데, 광전변환층 세그먼트의 두께는, 점차, 두꺼워져도 좋고, 얇아져도 좋으며, 이에 의해, 일종의 전하 전송 구배가 형성된다.
축적해야 할 전하를 전자로 하는 경우, 광전변환층 세그먼트의 두께가, 점차, 두꺼워지는 구성을 채용하면 좋고, 축적해야 할 전하를 정공으로 하는 경우, 광전변환층 세그먼트의 두께가, 점차, 얇아지는 구성을 채용하면 좋다. 그리고, 광전변환층 세그먼트의 두께가, 점차, 두꺼워지는 경우, 전하 축적 기간에서 V31≥V11라는 상태가 되면, 또한, 광전변환층 세그먼트의 두께가, 점차, 얇아지는 경우, 전하 축적 기간에서 V31≤V11라는 상태가 되면, 제n번째의 광전변환부 세그먼트의 쪽이, 제(n+1)번째의 광전변환부 세그먼트보다도 강한 전계가 가해저서, 제1번째의 광전변환부 세그먼트로부터 제1 전극으로의 전하의 흐름을 확실하게 방지할 수 있다. 그리고, 전하 전송 기간에서, 광전변환층 세그먼트의 두께가, 점차, 두꺼워지는 경우, V32<V12라는 상태가 되면, 또한, 광전변환층 세그먼트의 두께가, 점차, 얇아지는 경우, V32>V12라는 상태가 되면, 제1번째의 광전변환부 세그먼트로부터 제1 전극으로의 전하의 흐름, 제(n+1)번째의 광전변환부 세그먼트로부터 제n번째의 광전변환부 세그먼트로의 전하의 흐름을, 확실하게 확보할 수 있다.
제3 구성의 촬상 소자에서는, 인접하는 광전변환부 세그먼트에서, 절연층 세그먼트를 구성하는 재료가 다르고, 이에 의해, 일종의 전하 전송 구배가 형성되는데, 제1번째의 광전변환부 세그먼트로부터 제N번째의 광전변환부 세그먼트에 걸쳐서, 절연층 세그먼트를 구성하는 재료의 비유전율의 값이, 점차, 작아지는 것이 바람직하다. 그리고, 이와 같은 구성을 채용함으로써, 전하 축적 기간에서, V31≥V11라는 상태가 되면, 제n번째의 광전변환부 세그먼트의 쪽이, 제(n+1)번째의 광전변환부 세그먼트보다도 많은 전하를 축적할 수 있다. 그리고, 전하 전송 기간에서, V32<V12라는 상태가 되면, 제1번째의 광전변환부 세그먼트로부터 제1 전극으로의 전하의 흐름, 제(n+1)번째의 광전변환부 세그먼트로부터 제n번째의 광전변환부 세그먼트로의 전하의 흐름을, 확실하게 확보할 수 있다.
제4 구성의 촬상 소자에서는, 인접하는 광전변환부 세그먼트에서, 전하 축적용 전극 세그먼트를 구성하는 재료가 다르고, 이에 의해, 일종의 전하 전송 구배가 형성되는데, 제1번째의 광전변환부 세그먼트로부터 제N번째의 광전변환부 세그먼트에 걸쳐서, 절연층 세그먼트를 구성하는 재료의 일함수의 값이, 점차, 커지는 것이 바람직하다. 그리고, 이와 같은 구성을 채용함으로써, 전압(전위)의 정부에 의존하는 일 없이, 신호 전하 전송에 유리한 전위 구배를 형성할 수 있다.
제5 구성의 촬상 소자에서는, 제1번째의 광전변환부 세그먼트로부터 제N번째의 광전변환부 세그먼트에 걸쳐서, 전하 축적용 전극 세그먼트의 면적이, 점차, 작아지고 있고, 이에 의해, 일종의 전하 전송 구배가 형성되기 때문에, 전하 축적 기간에서, V31≥V11라는 상태가 되면, 제n번째의 광전변환부 세그먼트의 쪽이, 제(n+1)번째의 광전변환부 세그먼트보다도 많은 전하를 축적할 수 있다. 그리고, 전하 전송 기간에서, V32<V12라는 상태가 되면, 제1번째의 광전변환부 세그먼트로부터 제1 전극으로의 전하의 흐름, 제(n+1)번째의 광전변환부 세그먼트로부터 제n번째의 광전변환부 세그먼트로의 전하의 흐름을, 확실하게 확보할 수 있다.
제6 구성의 촬상 소자에서, 적층 부분의 단면적은 제1 전극으로부터의 거리에 의존하여 변화하고, 이에 의해, 일종의 전하 전송 구배가 형성된다. 구체적으로는, 적층 부분의 단면의 두께를 일정하게 하고, 적층 부분의 단면의 폭을 제1 전극으로부터 떨어질수록 좁게 하는 구성을 채용하면, 제5 구성의 촬상 소자에서 설명한 바와 같이, 전하 축적 기간에서, V31≥V11라는 상태가 되면, 제1 전극에 가까운 영역 쪽이, 먼 영역보다도 많은 전하를 축적할 수 있다. 따라서, 전하 전송 기간에서, V32<V12라는 상태가 되면, 제1 전극에 가까운 영역으로부터 제1 전극으로의 전하의 흐름, 먼 영역으로부터 가까운 영역으로의 전하의 흐름을, 확실하게 확보할 수 있다. 한편, 적층 부분의 단면의 폭을 일정하게 하고, 적층 부분의 단면의 두께, 구체적으로는, 절연층 세그먼트의 두께를, 점차, 두껍게 하는 구성을 채용하면, 제1 구성의 촬상 소자에서 설명한 바와 같이, 전하 축적 기간에서, V31≥V11라는 상태가 되면, 제1 전극에 가까운 영역 쪽이, 먼 영역보다도, 많은 전하를 축적할 수 있고, 강한 전계가 가해져, 제1 전극에 가까운 영역으로부터 제1 전극으로의 전하의 흐름을 확실하게 방지할 수 있다. 그리고, 전하 전송 기간에서, V32<V12라는 상태가 되면, 제1 전극에 가까운 영역으로부터 제1 전극으로의 전하의 흐름, 먼 영역으로부터 가까운 영역으로의 전하의 흐름을, 확실하게 확보할 수 있다. 또한, 광전변환층 세그먼트의 두께를, 점차, 두껍게 하는 구성을 채용하면, 제2 구성의 촬상 소자에서 설명한 바와 같이, 전하 축적 기간에서, V31≥V11라는 상태가 되면, 제1 전극에 가까운 영역 쪽이, 먼 영역보다도 강한 전계가 가해져, 제1 전극에 가까운 영역으로부터 제1 전극으로의 전하의 흐름을 확실하게 방지할 수 있다. 그리고, 전하 전송 기간에서, V32<V12라는 상태가 되면, 제1 전극에 가까운 영역으로부터 제1 전극으로의 전하의 흐름을, 먼 영역으로부터 가까운 영역으로의 전하의 흐름을, 확실하게 확보할 수 있다.
나아가서는, 이상에 설명한 각종의 바람직한 형태, 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 장치에서, 제2 전극측으로부터 광이 입사하고, 제2 전극 가까이의 광입사측에는 차광층이 형성되어 있는 형태로 할 수 있다. 또한, 제2 전극측으로부터 광이 입사하고, 제1 전극(경우에 따라서는, 제1 전극 및 전송 제어용 전극)에는 광이 입사하지 않는 형태로 할 수 있다. 그리고, 이 경우, 제2 전극 가까이의 광입사측으로서, 제1 전극(경우에 따라서는, 제1 전극 및 전송 제어용 전극)의 상방에는 차광층이 형성되어 있는 형태로 할 수 있고, 또한, 전하 축적용 전극 및 제2 전극의 상방에는 온 칩·마이크로·렌즈가 마련되어 있고, 온 칩·마이크로·렌즈에 입사하는 광은, 전하 축적용 전극에 집광되는 형태로 할 수 있다. 여기서, 차광층은, 제2 전극의 광입사측의 면보다도 상방에 배설(配設)되어도 좋고, 제2 전극의 광입사측의 면의 위에 배설되어도 좋다. 경우에 따라서는, 제2 전극에 차광층이 형성되어 있어도 좋다. 차광층을 구성하는 재료로서, 크롬(Cr)이나 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 광을 통과시키지 않는 수지(예를 들면, 폴리이미드 수지)를 예시할 수 있다.
본 개시의 고체 촬상 장치로서, 구체적으로는, 청색광(425nm 내지 495nm의 광)을 흡수하는 광전변환부(편의상, 『제1 타입의 청색광용 광전변환부』라고 부른다)를 구비한 청색광에 감도를 갖는 촬상 소자(편의상, 『제1 타입의 청색광용 촬상 소자』라고 부른다), 녹색광(495nm 내지 570nm의 광)을 흡수하는 광전변환부(편의상, 『제1 타입의 녹색광용 광전변환부』라고 부른다)를 구비한 녹색광에 감도를 갖는 촬상 소자(편의상, 『제1 타입의 녹색광용 촬상 소자』라고 부른다), 적색광(620nm 내지 750nm의 광)을 흡수하는 광전변환부(편의상, 『제1 타입의 적색광용 광전변환부』라고 부른다)를 구비한 적색광에 감도를 갖는 촬상 소자(편의상, 『제1 타입의 적색광용 촬상 소자』라고 부른다)를 들 수 있다. 또한, 전하 축적용 전극을 구비하고 있지 않는 종래의 촬상 소자로서, 청색광에 감도를 갖는 촬상 소자를, 편의상, 『제2 타입의 청색광용 촬상 소자』라고 부르고, 녹색광에 감도를 갖는 촬상 소자를, 편의상, 『제2 타입의 녹색광용 촬상 소자』라고 부르고, 적색광에 감도를 갖는 촬상 소자를, 편의상, 『제2 타입의 적색광용 촬상 소자』라고 부르고, 제2 타입의 청색광용 촬상 소자를 구성하는 광전변환부를, 편의상, 『제2 타입의 청색광용 광전변환부』라고 부르고, 제2 타입의 녹색광용 촬상 소자를 구성하는 광전변환부를, 편의상, 『제2 타입의 녹색광용 광전변환부』라고 부르고, 제2 타입의 적색광용 촬상 소자를 구성하는 광전변환부를, 편의상, 『제2 타입의 적색광용 광전변환부』라고 부른다.
본 개시에서의 적층형 촬상 소자는, 적어도 본 개시의 고체 촬상 장치(광전변환 소자)를 하나 갖는데, 구체적으로는, 예를 들면,
[A] 제1 타입의 청색광용 광전변환부, 제1 타입의 녹색광용 광전변환부 및 제1 타입의 적색광용 광전변환부가, 수직 방향으로 적층되고,
제1 타입의 청색광용 촬상 소자, 제1 타입의 녹색광용 촬상 소자 및 제1 타입의 적색광용 촬상 소자의 제어부의 각각이, 반도체 기판에 마련된 구성, 구조
[B] 제1 타입의 청색광용 광전변환부 및 제1 타입의 녹색광용 광전변환부가, 수직 방향으로 적층되고,
이들 2층의 제1 타입의 광전변환부의 하방에, 제2 타입의 적색광용 광전변환부가 배치되고,
제1 타입의 청색광용 촬상 소자, 제1 타입의 녹색광용 촬상 소자 및 제2 타입의 적색광용 촬상 소자의 제어부의 각각이, 반도체 기판에 마련된 구성, 구조
[C] 제1 타입의 녹색광용 광전변환부의 하방에, 제2 타입의 청색광용 광전변환부 및 제2 타입의 적색광용 광전변환부가 배치되고,
제1 타입의 녹색광용 촬상 소자, 제2 타입의 청색광용 촬상 소자 및 제2 타입의 적색광용 촬상 소자의 제어부의 각각이, 반도체 기판에 마련된 구성, 구조
[D] 제1 타입의 청색광용 광전변환부의 하방에, 제2 타입의 녹색광용 광전변환부 및 제2 타입의 적색광용 광전변환부가 배치되고,
제1 타입의 청색광용 촬상 소자, 제2 타입의 녹색광용 촬상 소자 및 제2 타입의 적색광용 촬상 소자의 제어부의 각각이, 반도체 기판에 마련된 구성, 구조
를 들 수 있다. 또한, 이들 촬상 소자의 광전변환부의 수직 방향에서의 배치순은, 광 입사 방향으로부터 청색광용 광전변환부, 녹색광용 광전변환부, 적색광용 광전변환부의 순서, 또는, 광 입사 방향으로부터 녹색광용 광전변환부, 청색광용 광전변환부, 적색광용 광전변환부의 순서인 것이 바람직하다. 이것은, 보다 짧은 파장의 광이 보다 입사 표면측에서 효율 좋게 흡수되기 때문이다. 적색은 3색 중에서는 가장 긴 파장이기 때문에, 광입사면에서 보아 적색광용 광전변환부를 최하층에 위치시키는 것이 바람직하다. 이들 촬상 소자의 적층 구조에 의해, 하나의 화소가 구성된다. 또한, 제1 타입의 적외선용 광전변환부를 구비하고 있어도 좋다. 여기서, 제1 타입의 적외선용 광전변환부의 광전변환층은, 예를 들면, 유기계 재료로 구성되고, 제1 타입의 촬상 소자의 적층 구조의 최하층으로서, 제2 타입의 촬상 소자보다도 위에 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 제1 타입의 광전변환부의 하방에, 제2 타입의 적외선용 광전변환부를 구비하고 있어도 좋다.
제1 타입의 촬상 소자에서는, 예를 들면, 제1 전극이, 반도체 기판의 위에 마련된 층간 절연층상에 형성되어 있다. 반도체 기판에 형성된 촬상 소자는, 이면 조사형으로 할 수도 있고, 표면 조사형으로 할 수도 있다.
광전변환부를 유기계 재료로 이루어지는 광전변환층으로 구성하는 경우, 광전변환층을,
(1) p형 유기 반도체로 구성한다.
(2) n형 유기 반도체로 구성한다.
(3) p형 유기 반도체층/n형 유기 반도체층의 적층 구조로 구성한다. p형 유기 반도체층/p형 유기 반도체와 n형 유기 반도체의 혼합층(벌크 헤테로 구조)/n형 유기 반도체층의 적층 구조로 구성한다. p형 유기 반도체층/p형 유기 반도체와 n형 유기 반도체의 혼합층(벌크 헤테로 구조)의 적층 구조로 구성한다. n형 유기 반도체층/p형 유기 반도체와 n형 유기 반도체의 혼합층(벌크 헤테로 구조)의 적층 구조로 구성한다.
(4) p형 유기 반도체와 n형 유기 반도체의 혼합(벌크 헤테로 구조)으로 구성한다.
의 4 양태의 어느 하나로 할 수 있다. 단, 적층순은 임의로 교체한 구성으로 할 수 있다.
p형 유기 반도체로서, 나프탈렌 유도체, 안트라센 유도체, 페난트렌 유도체, 피렌 유도체, 페릴렌 유도체, 테트라센 유도체, 펜타센 유도체, 퀴나크리돈 유도체, 티오펜 유도체, 티에노티오펜 유도체, 벤조티오펜 유도체, 벤조티에노벤조티오펜 유도체, 트리알릴아민 유도체, 카르바졸 유도체, 페릴렌 유도체, 피센 유도체, 크리센 유도체, 플루오란텐 유도체, 프탈로시아닌 유도체, 서브프탈로시아닌 유도체, 서브포르피라진 유도체, 복소환 화합물을 배위자로 하는 금속 착체, 폴리티오펜 유도체, 폴리벤조티아디아졸 유도체, 폴리플루오렌 유도체 등을 들 수 있다. n형 유기 반도체로서, 플러렌 및 플러렌 유도체 <예를 들면, C60이나, C70, C74 등의 플러렌(고차원 플러렌), 내포 플러렌 등) 또는 플러렌 유도체(예를 들면, 플러렌 불화물이나 PCBM 플러렌 화합물, 플러렌 다량체 등)>, p형 유기 반도체보다도 HOMO 및 LUMO가 큰(깊은) 유기 반도체, 투명한 무기 금속 산화물을 들 수 있다. n형 유기 반도체로서, 구체적으로는, 질소 원자, 산소 원자, 유황 원자를 함유하는 복소환 화합물, 예를 들면, 피리딘 유도체, 피라진 유도체, 피리미딘 유도체, 트리아진 유도체, 퀴놀린 유도체, 퀴녹살린 유도체, 이소퀴놀린 유도체, 아크리딘 유도체, 페나진 유도체, 페난트롤린 유도체, 테트라졸 유도체, 피라졸 유도체, 이미다졸 유도체, 티아졸 유도체, 옥사졸 유도체, 이미다졸 유도체, 벤조이미다졸 유도체, 벤조트리아졸 유도체, 벤조옥사졸 유도체, 벤조옥사졸 유도체, 카르바졸 유도체, 벤조푸란 유도체, 디벤조푸란 유도체, 서브포르피라진 유도체, 폴리페닐렌비닐렌 유도체, 폴리벤조티아디아졸 유도체, 폴리플루오렌 유도체 등을 분자 골격의 일부에 갖는 유기 분자, 유기 금속 착체나 서브프탈로시아닌 유도체를 들 수 있다. 플러렌 유도체에 포함되는 기 등으로서, 할로겐 원자; 직쇄, 분기 또는 환상의 알킬기 또는 페닐기; 직쇄 또는 축환(縮環)한 방향족 화합물을 갖는 기; 할로겐 화물을 갖는 기; 파셜플루오로알킬기; 퍼플루오로알킬기; 실릴알킬기; 실릴알콕시기; 아릴실릴기; 아릴술파닐기; 알킬술파닐기; 아릴술포닐기; 알킬술포닐기; 아릴술피드기; 알킬술피드기; 아미노기; 알킬아미노기; 아릴아미노기; 히드록시기; 알콕시기; 아실아미노기; 아실옥시기; 카르보닐기; 카르복시기; 카르복소아미드기; 카르보알콕시기; 아실기; 술포닐기; 시아노기; 니트로기; 칼코겐 화물을 갖는 기; 포스핀기; 포스폰기; 이들 유도체를 들 수 있다. 유기계 재료로 구성된 광전변환층(『유기 광전변환층』이라고 부르는 경우가 있다)의 두께는, 한정하는 것은 아니지만, 예를 들면, 1×10-8m 내지 5×10-7m, 바람직하게는 2.5×10-8m 내지 3×10-7m, 보다 바람직하게는 2.5×10-8m 내지 2×10-7m, 한층 바람직하게는 1×10-7m 내지 1.8×10-7m를 예시할 수 있다. 또한, 유기 반도체는, p형, n형으로 분류되는 일이 많은데, p형이란 정공을 수송하기 쉽다라는 의미이고, n형이란 전자를 수송하기 쉽다라는 의미이고, 무기 반도체와 같이 열여기의 다수 캐리어로서 정공 또는 전자를 가지고 있다라는 해석으로 한정되지 않는다.
또한, 녹색광을 광전변환하는 유기 광전변환층을 구성하는 재료로서, 예를 들면, 로다민계 색소, 메로시아닌계 색소, 퀴나크리돈 유도체, 서브프탈로시아닌계 색소(서브프탈로시아닌 유도체) 등을 들 수 있고, 청색광을 광전변환하는 유기 광전변환층을 구성하는 재료로서, 예를 들면, 쿠마린산 색소, 트리스-8-히드록시퀴놀리알루미늄(Alq3), 메로시아닌계 색소 등을 들 수 있고, 적색광을 광전변환하는 유기 광전변환층을 구성하는 재료로서, 예를 들면, 프탈로시아닌계 색소, 서브프탈로시아닌계 색소(서브프탈로시아닌 유도체)를 들 수 있다.
또한, 광전변환층을 구성하는 무기계 재료로서, 결정 실리콘, 어모퍼스 실리콘, 미결정 실리콘, 결정 셀렌, 어모퍼스 셀렌, 및, 칼코파이라이트계 화합물인 CIGS(CuInGaSe), CIS(CuInSe2), CuInS2, CuAlS2, CuAlSe2, CuGaS2, CuGaSe2, AgAlS2, AgAlSe2, AgInS2, AgInSe2, 또한, Ⅲ-V족 화합물인 GaAs, InP, AlGaAs, InGaP, AlGaInP, InGaAsP, 나아가서는, CdSe, CdS, In2Se3, In2S3, Bi2Se3, Bi2S3, ZnSe, ZnS, PbSe, PbS 등의 화합물 반도체를 들 수 있다. 덧붙여, 이들 재료로 이루어지는 양자 도트를 광전변환층에 사용하는 것도 가능하다.
또한, 광전변환부를, 하층 반도체층과, 상층 광전변환층의 적층 구조로 할 수 있다. 이와 같이 하층 반도체층을 마련함으로써, 예를 들면, 전하 축적시의 재결합을 방지할 수 있다. 또한, 광전변환부에 축적한 전하의 제1 전극으로의 전하 전송 효율을 증가시킬 수 있다. 나아가서는, 광전변환부에서 생성된 전하를 일시적으로 유지하고, 전송의 타이밍 등을 제어할 수 있다. 또한, 암전류의 생성을 억제할 수 있다. 상층 광전변환층을 구성하는 재료는, 상기한 광전변환층을 구성하는 각종 재료로부터, 적절히, 선택하면 좋다. 한편, 하층 반도체층을 구성하는 재료로서, 밴드 갭 에너지의 값이 크고(예를 들면, 3.0eV 이상의 밴드 갭 에너지의 값), 게다가, 광전변환층을 구성하는 재료보다도 높은 이동도를 갖는 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 산화물 반도체 재료; 천이금속 다이칼코게나이드; 실리콘카바이드; 다이아몬드; 그라펜; 카본나노튜브; 축합 다환 탄화수소 화합물이나 축합 복소환 화합물 등의 유기 반도체 재료를 들 수 있고, 보다 구체적으로는, 산화물 반도체 재료로서, 인듐산화물, 갈륨산화물, 아연산화물, 주석산화물이나, 이들 산화물이 적어도 1종류 포함되는 재료, 이들 재료에 도펀트를 첨가한 재료, 구체적으로는, 예를 들면, IGZO, ITZO, IWZO, IWO, ZTO, ITO-SiOX계 재료, GZO, IGO, ZnSnO3, AlZnO, GaZnO, InZnO를 들 수 있고, 또한, CuI, InSbO4, ZnMgO, CuInO2, MgIn2O4, CdO 등을 포함하는 재료를 들 수 있는데, 이들 재료로 한정하는 것은 아니다. 또한, 하층 반도체층을 구성하는 재료로서, 축적해야 할 전하가 전자인 경우, 상층 광전변환층을 구성하는 재료의 이온화 포텐셜보다도 큰 이온화 포텐셜을 갖는 재료를 들 수 있고, 축적해야 할 전하가 정공인 경우, 상층 광전변환층을 구성하는 재료의 전자 친화력보다도 작은 전자 친화력을 갖는 재료를 들 수 있다. 또한, 하층 반도체층을 구성하는 재료에서의 도펀트 농도는 1×1018㎝-3 이하인 것이 바람직하다. 하층 반도체층은, 단층 구성이라도 좋고, 다층 구성라도 좋다. 또한, 전하 축적용 전극의 상방에 위치하는 하층 반도체층을 구성하는 재료와, 제1 전극의 상방에 위치하는 하층 반도체층을 구성하는 재료를, 다르게 해도 좋다.
본 개시의 고체 촬상 장치에 의해, 단판식 컬러 고체 촬상 장치를 구성할 수 있다.
적층형 촬상 소자를 구비한 본 개시의 고체 촬상 장치에서는, 베이어 배열의 촬상 소자를 구비한 고체 촬상 장치와 달리(즉, 컬러 필터를 이용하여 청색, 녹색, 적색의 분광을 행하는 것이 아니라), 동일 화소 내에서 광의 입사 방향에서, 복수종의 파장의 광에 대해 감도를 갖는 촬상 소자를 적층하여 하나의 화소를 구성하기 때문에, 감도의 향상 및 단위 체적당의 화소 밀도의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 유기계 재료는 흡수 계수가 높기 때문에, 유기 광전변환층의 막두께를 종래의 Si계 광전변환층과 비교하여 얇게 할 수 있고, 인접 화소로부터의 광 누설이나, 광의 입사각의 제한이 완화된다. 나아가서는, 종래의 Si계 촬상 소자에서는 3색의 화소 사이에서 보간 처리를 행하여 색 신호를 작성하기 때문에 위색이 생기지만, 적층형 촬상 소자를 구비한 본 개시의 고체 촬상 장치에서는, 위색의 발생이 억제된다. 유기 광전변환층 그 자체가 컬러 필터로서도 기능하기 때문에, 컬러 필터를 배설하지 않아도 색 분리가 가능하다.
한편, 적층형 촬상 소자가 아니라 촬상 소자를 구비한 본 개시의 고체 촬상 장치에서는, 컬러 필터를 이용함으로써, 청색, 녹색, 적색의 분광 특성으로의 요구를 완화할 수 있고, 또한, 높은 양산성을 갖는다. 본 개시의 고체 촬상 장치에서의 촬상 소자의 배열로서, 베이어 배열 외에, 인터라인 배열, G스트라이프 RB 체크무늬 배열, G스트라이프 RB 완전체크무늬 배열, 체크무늬 보색 배열, 스트라이프 배열, 경사 스트라이프 배열, 원색 색차 배열, 필드 색차 순차 배열, 프레임 색차 순차 배열, MOS형 배열, 개량 MOS형 배열, 프레임 인터리브 배열, 필드 인터리브 배열을 들 수 있다. 여기서, 하나의 촬상 소자에 의해 하나의 화소(또는 부화소)가 구성된다.
본 개시의 고체 촬상 장치는, 2차원 어레이형상으로 규칙적으로 복수 배열된 화소로 구성된다. 화소 영역은, 통상, 실제로 광을 수광하여 광전변환에 의해 생성된 신호 전하를 증폭하여 구동 회로에 판독하는 유효 화소 영역과, 흑 레벨의 기준이 되는 광학적 흑을 출력하기 위한 흑 기준 화소 영역으로 구성되어 있다. 흑 기준 화소 영역은, 통상은, 유효 화소 영역의 외주부에 배치되어 있다.
이상에 설명한 각종의 바람직한 형태, 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 장치에서, 광이 조사되고, 광전변환부에서 광전변환이 생기고, 정공(홀)과 전자가 캐리어 분리된다. 그리고, 정공이 취출되는 전극을 양극, 전자가 취출되는 전극을 음극이라고 한다. 제1 전극이 양극을 구성하고, 제2 전극이 음극을 구성하는 형태도 있고, 역으로, 제1 전극이 음극을 구성하고, 제2 전극이 양극을 구성하는 형태도 있다.
적층형 촬상 소자를 구성하는 경우, 제1 전극, 전하 축적용 전극, 각종 분리 전극, 전송 제어용 전극, 전하 배출 전극 및 제2 전극은 투명 도전 재료로 이루어지는 구성으로 할 수 있다. 또한, 제1 전극, 전하 축적용 전극, 각종 분리 전극, 전송 제어용 전극 및 전하 배출 전극을 총칭하여, 『제1 전극 등』이라고 부르는 경우가 있다. 또한, 본 개시의 고체 촬상 장치가, 예를 들어 베이어 배열과 같이 평면에 배치되는 경우에는, 제2 전극은 투명 도전 재료로 이루어지고, 제1 전극이나 전하 축적용 전극 등은 금속재료로 이루어지는 구성으로 할 수 있고, 이 경우, 구체적으로는, 광입사측에 위치하는 제2 전극은 투명 도전 재료로 이루어지고, 제1 전극 등은, 예를 들면, Al-Nd(알루미늄 및 네오듐의 합금) 또는 ASC(알루미늄, 사마륨 및 구리의 합금)로 이루어지는 구성으로 할 수 있다. 또한, 투명 도전 재료로 이루어지는 전극을 『투명 전극』이라고 부르는 경우가 있다. 여기서, 투명 도전 재료의 밴드 갭 에너지는, 2.5eV 이상, 바람직하게는 3.1eV 이상인 것이 바람직하다. 투명 전극을 구성하는 투명 도전 재료로서, 도전성이 있는 금속 산화물을 들 수 있고, 구체적으로는, 산화인듐, 인듐-주석산화물(ITO, Indium Tin Oxide, Sn 도프의 In2O3, 결정성 ITO 및 어모퍼스 ITO를 포함한다), 산화아연에 도펀트로서 인듐을 첨가한 인듐-아연산화물(IZO, Indium Zinc Oxide), 산화갈륨에 도펀트로서 인듐을 첨가한 인듐-갈륨산화물(IGO), 산화아연에 도펀트로서 인듐과 갈륨을 첨가한 인듐-갈륨-아연산화물(IGZO, In-GaZnO4), 산화아연에 도펀트로서 인듐과 주석을 첨가한 인듐-주석-아연산화물(ITZO), IFO(F 도프의 In2O3), 산화주석(SnO2), ATO(Sb 도프의 SnO2), FTO(F 도프의 SnO2), 산화아연(타 원소를 도프한 ZnO를 포함한다), 산화아연에 도펀트로서 알루미늄을 첨가한 알루미늄-아연산화물(AZO), 산화아연에 도펀트로서 갈륨을 첨가한 갈륨-아연산화물(GZO), 산화티탄(TiO2), 산화티탄에 도펀트로서 니오브를 첨가한 니오브-티탄산화물(TNO), 산화안티몬, 스피넬형 산화물, YbFe2O4 구조를 갖는 산화물을 예시할 수 있다. 또한, 갈륨산화물, 티탄산화물, 니오브산화물, 니켈산화물 등을 모층(母層)으로 하는 투명 전극을 들 수 있다. 투명 전극의 두께로서, 2×10-8m 내지 2×10-7m, 바람직하게는 3×10-8m 내지 1×10-7m를 들 수 있다. 제1 전극이 투명성이 요구되는 경우, 제조 프로세스의 간소화라는 관점에서, 다른 전극도 투명 도전 재료로 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 투명성이 불필요한 경우, 정공을 취출하는 전극으로서의 기능을 갖는 양극을 구성하는 도전 재료로서, 고 일함수(예를 들면, φ=4.5eV∼5.5eV)를 갖는 도전 재료로 구성하는 것이 바람직하고, 구체적으로는, 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 철(Fe), 이리듐(Ir), 게르마늄(Ge), 오스뮴(Os), 레늄(Re), 텔루륨(Te)을 예시할 수 있다. 한편, 전자를 취출하는 전극으로서의 기능을 갖는 음극을 구성하는 도전 재료로서, 저 일함수(예를 들면, φ=3.5eV∼4.5eV)를 갖는 도전 재료로 구성하는 것이 바람직하고, 구체적으로는, 알칼리 금속(예를 들면 Li, Na, K 등) 및 그 불화물 또는 산화물, 알칼리토류 금속(예를 들어 Mg, Ca 등) 및 그 불화물 또는 산화물, 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn), 탈륨(Tl), 나트륨-칼륨 합금, 알루미늄-리튬 합금, 마그네슘-은 합금, 인듐, 이테르븀 등의 희토류 금속, 또는, 이들 합금을 들 수 있다. 또한, 양극이나 음극을 구성하는 재료로서, 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 은(Ag), 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 구리(Cu), 티탄(Ti), 인듐(In), 주석(Sn), 철(Fe), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo) 등의 금속, 또는, 이들 금속 원소를 포함하는 합금, 이들 금속으로 이루어지는 도전성 입자, 이들 금속을 포함하는 합금의 도전성 입자, 불순물을 함유한 폴리실리콘, 탄소계 재료, 산화물 반도체, 카본·나노·튜브, 그라펜 등의 도전성 재료를 들 수 있고, 이들 원소를 포함하는 층의 적층 구조로 할 수도 있다. 나아가서는, 양극이나 음극을 구성하는 재료로서, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리스티렌술폰산[PEDOT/PSS]이라는 유기 재료(도전성 고분자)를 들 수도 있다. 또한, 이들 도전성 재료를 바인더(고분자)에 혼합하여 페이스트 또는 잉크로 한 것을 경화시켜, 전극으로서 이용해도 좋다.
제1 전극 등이나 제2 전극(양극이나 음극)의 성막 방법으로서, 건식법 또는 습식법을 이용하는 것이 가능하다. 건식법으로서, 물리적 기상 성장법(PVD법) 및 화학적 기상 성장법(CVD법)을 들 수 있다. PVD법의 원리를 이용한 성막 방법으로서, 저항 가열 또는 고주파 가열을 이용한 진공 증착법, EB(전자빔) 증착법, 각종 스퍼터링법(마그네트론 스퍼터링법, RF-DC 결합형 바이어스 스퍼터링법, ECR 스퍼터링법, 대향 타겟 스퍼터링법, 고주파 스퍼터링법), 이온 플레이팅법, 레이저 어브레이전법, 분자선 에피택시법, 레이저 전사법을 들 수 있다. 또한, CVD법으로서, 플라즈마 CVD법, 열 CVD법, 유기 금속(MO) CVD법, 광 CVD법을 들 수 있다. 한편, 습식법으로서, 전해 도금법이나 무전해 도금법, 스핀 코트법, 잉크젯법, 스프레이 코트법, 스탬프법, 마이크로 콘택트 프린트법, 플렉소 인쇄법, 오프셋 인쇄법, 그라비어 인쇄법, 딥법 등의 방법을 들 수 있다. 패터닝법으로서, 섀도우 마스크, 레이저 전사, 포토 리소그래피 등의 화학적 에칭, 자외선이나 레이저 등에 의한 물리적 에칭 등을 들 수 있다. 제1 전극 등이나 제2 전극의 평탄화 기술로서, 레이저 평탄화법, 리플로우법, CMP(Chemical Mechanical Polishing)법 등을 이용할 수 있다.
절연층이나 층간 절연층, 절연막, 층간 절연막을 구성하는 재료로서, 산화규소계 재료; 질화규소(SiNY); 산화알루미늄(Al2O3) 등의 금속 산화물 고유전 절연재료로 예시되는 무기계 절연 재료뿐만 아니라, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA); 폴리비닐페놀(PVP); 폴리비닐알코올(PVA); 폴리이미드; 폴리카보네이트(PC); 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET); 폴리스티렌; N-2(아미노에틸)3-아미노프로필트리메톡시실란(AEAPTMS), 3-메르캅토프로필트리메톡시실란(MPTMS), 옥타데실트리클로로실란(OTS) 등의 실라놀 유도체(실란 커플링제); 노볼락형 페놀 수지; 불소계 수지; 옥타데칸티올, 도데실이소시아네이트 등의 일단에 제어 전극과 결합 가능한 관능기를 갖는 직쇄 탄화수소류로 예시되는 유기계 절연 재료(유기 폴리머)를 들 수 있고, 이들 조합을 이용할 수도 있다. 또한, 산화규소계 재료로서, 산화실리콘(SiOX), BPSG, PSG, BSG, AsSG, PbSG, 산화질화실리콘(SiON), SOG(스핀 온 글라스), 저유전율 재료(예를 들면, 폴리아릴에테르, 시클로퍼플루오로카본 폴리머 및 벤조시클로부텐, 환상 불소 수지, 폴리테트라플루오로에틸렌, 불화아릴에테르, 불화폴리이미드, 어모퍼스 카본, 유기 SOG)를 예시할 수 있다.
제어부를 구성하는 부유 확산층, 증폭 트랜지스터, 리셋·트랜지스터 및 선택 트랜지스터의 구성, 구조는, 종래의 부유 확산층, 증폭 트랜지스터, 리셋·트랜지스터 및 선택 트랜지스터의 구성, 구조와 같게 할 수 있다. 구동 회로도 주지의 구성, 구조로 할 수 있다.
제1 전극은, 부유 확산층 및 증폭 트랜지스터의 게이트부에 접속되어 있는데, 제1 전극과 부유 확산층 및 증폭 트랜지스터의 게이트부의 접속을 위해 콘택트 홀부를 형성하면 된다. 콘택트 홀부를 구성하는 재료로서, 불순물이 도핑된 폴리실리콘이나, 텅스텐, Ti, Pt, Pd, Cu, TiW, TiN, TiNW, WSi2, MoSi2 등의 고융점 금속이나 금속 실리사이드, 이들 재료로 이루어지는 층의 적층 구조(예를 들면, Ti/TiN/W)를 예시할 수 있다.
유기 광전변환층과 제1 전극 사이에, 제1 캐리어 블로킹층을 마련해도 좋고, 유기 광전변환층과 제2 전극 사이에, 제2 캐리어 블로킹층을 마련해도 좋다. 또한, 제1 캐리어 블로킹층과 제1 전극 사이에 제1 전하 주입층을 마련해도 좋고, 제2 캐리어 블로킹층과 제2 전극 사이에 제2 전하 주입층을 마련해도 좋다. 예를 들면, 전자 주입층을 구성하는 재료로서, 예를 들면, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K)이라는 알칼리 금속 및 그 불화물이나 산화물, 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca)이라는 알칼리토류 금속 및 그 불화물이나 산화물을 들 수 있다.
각종 유기층의 성막 방법으로서, 건식 성막법 및 습식 성막법을 들 수 있다. 건식 성막법으로서, 저항 가열 또는 고주파 가열, 전자 빔 가열을 이용한 진공 증착법, 플래시 증착법, 플라즈마 증착법, EB 증착법, 각종 스퍼터링법(2극 스퍼터링법, 직류 스퍼터링법, 직류 마그네트론 스퍼터링법, 고주파 스퍼터링법, 마그네트론 스퍼터링법, RF-DC 결합형 바이어스 스퍼터링법, ECR 스퍼터링법, 대향 타겟 스퍼터링법, 고주파 스퍼터링법, 이온 빔 스퍼터링법), DC(Direct Current)법, RF법, 다음극법, 활성화 반응법, 전계 증착법, 고주파 이온 플레이팅법이나 반응성 이온 플레이팅법 등의 각종 이온 플레이팅법, 레이저 어브레이전법, 분자선 에피택시법, 레이저 전사법, 분자선 에피택시법(MBE법)을 들 수 있다. 또한, CVD법으로서, 플라즈마 CVD법, 열 CVD법, MO CVD법, 광 CVD법을 들 수 있다. 한편, 습식법으로서, 구체적으로는, 스핀 코트법; 침지법; 캐스트법; 마이크로 콘택트 프린트법; 드롭 캐스트법; 스크린 인쇄법이나 잉크젯 인쇄법, 오프셋 인쇄법, 그라비어 인쇄법, 플렉소 인쇄법이라는 각종 인쇄법; 스탬프법; 스프레이법; 에어 독터 코터법, 블레이드 코터법, 로드 코터법, 나이프 코터법, 스퀴즈 코터법, 리버스 롤 코터법, 트랜스퍼 롤 코터법, 그라비어 코터법, 키스 코터법, 캐스트 코터법, 스프레이 코터법, 슬릿 오리피스 코터법, 캘린더 코터법이라는 각종 코팅법을 예시할 수 있다. 또한, 도포법에서는, 용매로서, 톨루엔, 클로로포름, 헥산, 에탄올이라는 무극성 또는 극성이 낮은 유기 용매를 예시할 수 있다. 패터닝법으로서, 섀도우 마스크, 레이저 전사, 포토 리소그래피 등의 화학적 에칭, 자외선이나 레이저 등에 의한 물리적 에칭 등을 들 수 있다. 각종 유기층의 평탄화 기술로서, 레이저 평탄화법, 리플로우법 등을 이용할 수 있다.
이상에 설명한 바람직한 형태, 구성을 포함하는 제1 구성∼제6 구성의 촬상 소자의 2종류 또는 그 이상을, 소망에 응하여, 적절히, 조합시킬 수 있다.
고체 촬상 장치에는, 전술한 바와 같이, 필요에 응하여, 온 칩·마이크로·렌즈나 차광층을 마련해도 좋고, 촬상 소자를 구동하기 위한 구동 회로나 배선이 마련되어 있다. 필요에 응하여, 촬상 소자로의 광의 입사를 제어하기 위한 셔터를 배설해도 좋고, 고체 촬상 장치가 목적에 응하여 광학 커트 필터를 구비해도 좋다.
예를 들면, 고체 촬상 장치를 판독용 집적 회로(ROIC)와 적층하는 경우, 판독용 집적 회로 및 구리(Cu)로 이루어지는 접속 영역이 형성된 구동용 기판과, 접속 영역이 형성된 촬상 소자를, 접속 영역끼리가 접하도록 겹치고, 접속 영역끼리를 접합함으로써, 적층할 수 있고, 접속 영역끼리를 솔더 범프 등을 이용하여 접합할 수도 있다.
또한, 본 개시의 고체 촬상 장치를 구동하기 위한 구동 방법에서는,
모든 촬상 소자에서, 일제히, 광전변환부에 전하를 축적하면서, 제1 전극에서의 전하를 계외에 배출하고, 그 후,
모든 촬상 소자에서, 일제히, 광전변환부에 축적된 전하를 제1 전극에 전송하고, 전송 완료 후, 순차적으로, 각 촬상 소자에서 제1 전극에 전송된 전하를 판독하는,
각 공정을 반복하는 고체 촬상 장치의 구동 방법으로 할 수 있다.
이와 같은 고체 촬상 장치의 구동 방법에서는, 각 촬상 소자는, 제2 전극측부터 입사한 광이 제1 전극에는 입사하지 않는 구조를 가지고, 모든 촬상 소자에서, 일제히, 광전변환부에 전하를 축적하면서, 제1 전극에서의 전하를 계외에 배출하기 때문에, 전 촬상 소자에서 동시에 제1 전극의 리셋을 확실하게 행할 수 있다. 그리고, 그 후, 모든 촬상 소자에서, 일제히, 광전변환부에 축적된 전하를 제1 전극에 전송하고, 전송 완료 후, 순차적으로, 각 촬상 소자에서 제1 전극에 전송된 전하를 판독한다. 그러므로, 이른바 글로벌 셔터 기능을 용이하게 실현할 수 있다.
실시례 1
실시례 1은, 본 개시의 고체 촬상 장치, 구체적으로는, 제1 구성의 고체 촬상 장치에 관한 것이다. 실시례 1의 고체 촬상 장치에서의 전하 축적용 전극 및 제1 전극의 배치 상태를 모식적으로 도 1A에 도시한다. 또한, 실시례 1의 고체 촬상 장치의 모식적인 일부 단면도를 도 9 및 도 10A에 도시하고, 실시례 1의 촬상 소자, 적층형 촬상 소자의 등가 회로도를 도 11 및 도 12에 도시하고, 실시례 1의 촬상 소자를 구성하는 제1 전극 및 전하 축적용 전극 및 제어부를 구성하는 트랜지스터의 모식적인 배치도를 도 13에 도시한다. 나아가서는, 실시례 1의 촬상 소자의 동작시의 각 부위에서의 전위의 상태를 모식적으로 도 14에 도시하고, 도 14의 각 부위를 설명하기 위한 실시례 1의 촬상 소자, 적층형 촬상 소자의 등가 회로도를 도 15A에 도시하고, 실시례 1의 고체 촬상 장치의 개념도를 도 16에 도시한다.
여기서, 도 9는, 도 1A에 도시하는 1점쇄선 A-B-C에 따른 모식적인 일부 단면도이고, 도 10A는, 도 1A에 도시하는 1점쇄선 A-B-D-E에 따른 모식적인 일부 단면도이다. 또한, 후술하는 층간 절연층보다 하방에 위치하는 각종의 촬상 소자 구성 요소를, 도면을 간소화하기 위해, 편의상, 종합하여, 참조 번호 91로 나타내는 경우가 있다.
실시례 1의 고체 촬상 장치는, 복수의 촬상 소자(11)로 구성된 촬상 소자 블록(10)을, 복수, 가지고 있고,
각 촬상 소자(11)는,
제1 전극(21),
제1 전극(21)과 이간하여 배치된 전하 축적용 전극(24),
제1 전극(21)과 접하여, 절연층(82)을 통하여 전하 축적용 전극(24)의 상방에 형성된 광전변환부(23), 및,
광전변환부(23)상에 형성된 제2 전극(22),
을 구비하고 있고,
제1 전극(21) 및 전하 축적용 전극(24)은, 층간 절연층(81)상에 마련되어 있고,
촬상 소자(11)의 제1 전극(21)은, 층간 절연층(81) 내에 마련된 접속부(63)에 접속되어 있다.
실시례 1의 고체 촬상 장치에서, 촬상 소자 블록(10)은, 제1 방향을 따라서 P개, 제1 방향과는 다른 제2 방향을 따라서 Q개의, P×Q개(단, P≥2, Q≥1)의 촬상 소자(11)로 구성되어 있다. 구체적으로는, 실시례 1의 고체 촬상 장치에서는, P=2, Q=1이다. 즉, 촬상 소자 블록(10)은, 제1 방향을 따라서 병치된 2개의 제1 촬상 소자(11)로 구성되어 있다. 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자(11)의 각각을 구성하는 제1 전극(21)은, 층간 절연층(81) 내에 마련된 접속부(63)에 접속되어 있다. 복수의 촬상 소자 블록(10)은, 예를 들면, 제1 방향 및 제2 방향으로 2차원 매트릭스형상으로 배열되어 있다.
촬상 소자 블록(10)을 구성하는 촬상 소자(11)와 촬상 소자(11) 사이를 제2 방향으로 늘어나는 경계선(BL)에 대해, 촬상 소자(11)는 선대칭으로 배치되어 있다. 또한, 도 1A에서는, 하나의 촬상 소자 블록(10)을 도시하고 있다. 접속부(63)는, 제1 전극(21)에 접속되고, 층간 절연층(81) 내에 마련된 접속 구멍(65), 및, 접속 구멍(65)으로부터 층간 절연층(81) 내에 마련되고, 절연막(75)상을 늘어나는 배선부(64)로 구성되어 있다. 접속부(63)는, 콘택트 홀부(61)에 연결되어 있다.
또한, 실시례 1의 고체 촬상 장치는, 실시례 1의 촬상 소자(11)를 적어도 하나 갖는 적층형 촬상 소자를 구비하고 있다. 구체적으로는, 실시례 1의 촬상 소자(11)의 하방에는, 적어도 하나의 하방 촬상 소자(13, 15)가 마련되어 있고, 촬상 소자(11)가 수광하는 광의 파장과, 하방 촬상 소자(13, 15)가 수광하는 광의 파장은, 다르고, 이 경우, 2개의 하방 촬상 소자(13, 15)가 적층되어 있다.
광입사측에 위치하는 제2 전극(22)은, 후술하는 실시례 5의 촬상 소자를 제외하고, 복수의 촬상 소자(11)에서 공통화되어 있다. 즉, 제2 전극(22)은 이른바 베타 전극으로 되어 있다. 광전변환부(23)는, 복수의 촬상 소자(11)에서 공통화되어 있다. 즉, 복수의 촬상 소자(11)에서 1층의 광전변환부(23)가 형성되어 있다.
실시례 1의 적층형 촬상 소자는, 실시례 1의 촬상 소자(11)를 적어도 하나(구체적으로는, 실시례 1에서는 실시례 1의 촬상 소자(11)를 하나), 갖는다.
나아가서는, 반도체 기판에 마련되고, 구동 회로를 갖는 제어부를 또 구비하고 있고, 촬상 소자 블록(10)을 구성하는 2개의 촬상 소자(11)에서의 제1 전극(21)은, 접속부(63)(구체적으로는, 접속 구멍(65) 및 배선부(64)), 콘택트 홀부(61)를 통하여 구동 회로에 접속되어 있다. 또한, 제2 전극(22) 및 전하 축적용 전극(24)도 구동 회로에 접속되어 있다.
예를 들면, 제1 전극(21)을 정의 전위로 하고, 제2 전극(22)을 부의 전위로 하고, 광전변환부(23)에서 광전변환에 의해 생성한 전자가 제1 부유 확산층(FD1)에 판독된다. 다른 실시례에서도 마찬가지이다. 제1 전극(21)을 부의 전위로 하고, 제2 전극(22)을 정의 전위로 하고, 광전변환부(23)에서 광전변환에 의거하여 생성한 정공이 제1 부유 확산층(FD1) 에 판독되는 형태에서는, 이하에서 말하는 전위의 고저를 역으로 하면 된다.
또한, 실시례 1의 촬상 소자(11)는,
반도체 기판(70)에 마련되고, 구동 회로를 갖는 제어부를 또 구비하고 있고,
제1 전극(21) 및 전하 축적용 전극(24)은, 구동 회로에 접속되어 있고,
전하 축적 기간에서, 구동 회로로부터, 제1 전극(21)에 전위(V11)가 인가되고, 전하 축적용 전극(24)에 전위(V31)가 인가되고, 광전변환부(23)에 전하가 축적되고,
전하 전송 기간에서, 구동 회로로부터, 제1 전극(21)에 전위(V12)가 인가되고, 전하 축적용 전극(24)에 전위(V32)가 인가되고, 광전변환부(23)에 축적된 전하가 제1 전극(21)을 경유하여 제어부에 판독된다. 단, 제1 전극(21)의 전위를 제2 전극(22)의 전위보다도 높게 했기 때문에,
V31≥V11, 또한, V32<V12
이다.
이하, 도 14, 도 15A를 참조하여, 실시례 1의 전하 축적용 전극을 구비한 적층형 촬상 소자(제1 촬상 소자)의 동작을 설명한다. 여기서, 제1 전극(21)의 전위를 제2 전극(22)의 전위보다도 높게 하였다. 즉, 예를 들면, 제1 전극(21)을 정의 전위로 하고, 제2 전극(22)을 부의 전위로 하였다. 광전변환부(23)에서 광전변환에 의해 생성한 전자가 부유 확산층에 판독된다. 다른 실시례에서도 마찬가지이다. 또한, 제1 전극(21)을 부의 전위로 하고, 제2 전극(22)을 정의 전위로 하고, 광전변환부(23)에서 광전변환에 의거하여 생성한 정공이 부유 확산층에 판독되는 형태에서는, 이하에서 말하는 전위의 고저를 역으로 하면 된다.
도 14, 후술하는 실시례 8에서의 도 32, 도 33 중에서 사용하고 있는 부호는, 이하와 같다.
PA … 전하 축적용 전극(24) 또는 전송 제어용 전극(전하 전송 전극)(25)과 제1 전극(21)의 중간에 위치하는 영역과 대향한 광전변환부(23)의 영역의 점(PA)에서의 전위
PB … 전하 축적용 전극(24)과 대향한 광전변환부(23)의 영역의 점(PB)에서의 전위
PC … 전송 제어용 전극(전하 전송 전극)(25)과 대향한 광전변환부(23)의 영역의 점(PC)에서의 전위
FD … 제1 부유 확산층(FD1)에서의 전위
VOA … 전하 축적용 전극(24)에서의 전위
VOT … 전송 제어용 전극(전하 전송 전극)(25)에서의 전위
RST … 리셋·트랜지스터(TR1rst)의 게이트부(51)에서의 전위
VDD … 전원의 전위
VSL1 … 신호선(데이터 출력선)(VSL1)
TR1rst … 리셋·트랜지스터(TR1rst)
TR1amp … 증폭 트랜지스터(TR1amp)
TR1sel … 선택 트랜지스터(TR1sel)
<전하 축적 기간>
전하 축적 기간에서는, 구동 회로로부터, 제1 전극(21)에 전위(V11)가 인가되고, 전하 축적용 전극(24)에 전위(V31)가 인가된다. 또한, 제2 전극(22)에 전위(V21)가 인가된다. 이렇게 하여, 광전변환부(23)에 입사된 광에 의해 광전변환부(23)에서 광전변환이 생기고, 광전변환부(23)에 전하(전자이다)가 축적된다. 광전변환에 의해 생성한 정공은, 제2 전극(22)으로부터 배선(VOU)을 통하여 구동 회로로 송출된다. 한편, 제1 전극(21)의 전위를 제2 전극(22)의 전위보다도 높게 했기 때문에, 즉, 예를 들면, 제1 전극(21)에 정의 전위가 인가되고, 제2 전극(22)에 부의 전위가 인가된다고 했기 때문에, V31≥V11, 바람직하게는, V31>V11로 한다. 이에 의해, 광전변환에 의해 생성한 전자는, 전하 축적용 전극(24)에 끌어당겨지고, 전하 축적용 전극(24)과 대향한 광전변환부(23)의 영역에 머문다. 즉, 광전변환부(23)에 전하가 축적된다. V31>V11 이기 때문에, 광전변환부(23)의 내부에 생성한 전자가, 제1 전극(21)을 향하여 이동하는 일은 없다. 광전변환의 시간 경과에 따라, 전하 축적용 전극(24)과 대향한 광전변환부(23)의 영역에서의 전위는, 보다 부측의 값이 된다.
전하 축적 기간의 후기에서, 리셋 동작이 이루어진다. 이에 의해, 제1 부유 확산층(FD1)의 전위가 리셋되고, 제1 부유 확산층(FD1)의 전위(VFD)는 전원의 전위(VDD)가 된다.
<전하 전송 기간>
리셋 동작의 완료 후, 전하의 판독을 행한다. 즉, 전하 전송 기간이 시작된다. 전하 전송 기간에서는, 구동 회로로부터, 제1 전극(21)에 전위(V12)가 인가되고, 전하 축적용 전극(24)에 전위(V32)가 인가된다. 또한, 제2 전극(22)에 전위(V22)가 인가된다. 여기서, V32<V12로 한다. 이렇게 하여, 촬상 소자(11)의 광전변환부(23)에 축적된 전하가, 판독된다. 즉, 전하 축적용 전극(24)과 대향한 광전변환부(23)의 영역에 머물어 있던 전자는, 제1 전극(21), 나아가서는, 제1 부유 확산층(FD1)으로 판독된다. 환언하면, 광전변환부(23)에 축적된 전하는 제어부에 판독된다.
이상으로, 전하 축적, 리셋 동작, 전하 전송이라는 일련의 동작이 완료된다.
제1 부유 확산층(FD1)으로 전자가 판독된 후의 증폭 트랜지스터(TR1amp), 선택 트랜지스터(TR1sel)의 동작은, 종래의 이들 트랜지스터의 동작과 같다. 제2 촬상 소자(13), 제3 촬상 소자(15)의 전하 축적, 리셋 동작, 전하 전송이라는 일련의 동작은, 종래의 전하 축적, 리셋 동작, 전하 전송이라는 일련의 동작과 마찬가지이다. 제1 부유 확산층(FD1)의 리셋 노이즈는, 종래와 마찬가지로, 상관 2중 샘플링(CDS, Correlated Double Sampling) 처리에 의해 제거할 수 있다.
실시례 1의 고체 촬상 장치에서는, 반도체 기판(보다 구체적으로는, 실리콘 반도체층)(70)이 또 구비되어 있고, 광전변환부는, 반도체 기판(70)의 상방에 배치되어 있다. 또한, 반도체 기판(70)에 마련되고, 제1 전극(21)과 제2 전극(22), 전하 축적용 전극(24)이 접속된 구동 회로를 갖는 제어부를 또 구비하고 있다. 여기서, 반도체 기판(70)에서의 광입사면을 상방으로 하고, 반도체 기판(70)의 반대측을 하방으로 한다. 반도체 기판(70)의 하방에는 복수의 배선으로 이루어지는 배선층(62)이 마련되어 있다.
반도체 기판(70)에는, 제어부를 구성하는 적어도 부유 확산층(FD1) 및 증폭 트랜지스터(TR1amp)가 마련되어 있고, 제1 전극(21)은, 부유 확산층(FD1) 및 증폭 트랜지스터(TR1amp)의 게이트부에 접속되어 있다. 반도체 기판(70)에는, 또한, 제어부를 구성하는 리셋·트랜지스터(TR1rst) 및 선택 트랜지스터(TR1sel)가 마련되어 있다. 부유 확산층(FD1)은, 리셋·트랜지스터(TR1rst)의 일방의 소스/드레인 영역에 접속되어 있고, 증폭 트랜지스터(TR1amp)의 타방의 소스/드레인 영역은, 선택 트랜지스터(TR1sel)의 일방의 소스/드레인 영역에 접속되어 있고, 선택 트랜지스터(TR1sel)의 타방의 소스/드레인 영역은 신호선(VSL1)에 접속되어 있다. 이들 증폭 트랜지스터(TR1amp), 리셋·트랜지스터(TR1rst) 및 선택 트랜지스터(TR1sel)는, 구동 회로를 구성한다.
도시한 예에서는, 2개의 촬상 소자(11)에 대해 하나의 부유 확산층(FD1) 등이 마련되어 있는 상태를 도시하고 있는데, 후술하는 실시례에서는, 4개의 촬상 소자(11)에 대해 부유 확산층(FD1) 등이 공유되어 있다.
구체적으로는, 실시례 1의 촬상 소자, 적층형 촬상 소자는, 이면 조사형의 촬상 소자, 적층형 촬상 소자이고, 녹색광을 흡수하는 제1 타입의 녹색광용 광전변환부를 구비한 녹색광에 감도를 갖는 제1 타입의 실시례 1의 녹색광용 촬상 소자(이하, 『제1 촬상 소자』라고 부른다), 청색광을 흡수하는 제2 타입의 청색광용 광전변환부를 구비한 청색광에 감도를 갖는 제2 타입의 종래의 청색광용 촬상 소자(이하, 『제2 촬상 소자』라고 부른다), 적색광을 흡수하는 제2 타입의 적색광용 광전변환부를 구비한 적색광에 감도를 갖는 제2 타입의 종래의 적색광용 촬상 소자(이하, 『제3 촬상 소자』라고 부른다)의 3개의 촬상 소자(11, 13, 15)가 적층된 구조를 갖는다. 여기서 적색광용 촬상 소자(제3 촬상 소자)(15) 및 청색광용 촬상 소자(제2 촬상 소자)(13)는, 반도체 기판(70) 내에 마련되어 있고, 제2 촬상 소자(13) 쪽이, 제3 촬상 소자(15)보다도 광입사측에 위치한다. 또한, 녹색광용 촬상 소자(제1 촬상 소자)(11)는, 청색광용 촬상 소자(제2 촬상 소자)(13)의 상방에 마련되어 있다. 제1 촬상 소자(11), 제2 촬상 소자(13) 및 제3 촬상 소자(15)의 적층 구조에 의해, 1화소가 구성된다. 컬러 필터는 마련되어 있지 않다.
제1 촬상 소자(11)에서는, 층간 절연층(81) 내에는 접속부(63)(구체적으로는, 접속 구멍(65) 및 배선부(64))가 형성되어 있고, 층간 절연층(81)상에, 제1 전극(21) 및 전하 축적용 전극(24)이, 이간하여 형성되어 있다. 층간 절연층(81) 및 전하 축적용 전극(24)은, 절연층(82)에 의해 덮여 있다. 절연층(82)상에는 광전변환부(23)가 형성되고, 광전변환부(23)상에는 제2 전극(22)이 형성되어 있다. 제2 전극(22)을 포함하는 전면에는, 보호층(83)이 형성되어 있고, 보호층(83)상에 온 칩·마이크로·렌즈(90)가 마련되어 있다. 제1 전극(21), 전하 축적용 전극(24) 및 제2 전극(22)은, 예를 들면, ITO(일함수: 약 4.4eV)로 이루어지는 투명 전극으로 구성되어 있다. 광전변환부(23)는 광전변환층으로 구성되어 있고, 적어도 녹색광에 감도를 갖는 주지의 유기 광전변환 재료(예를 들면, 로다민계 색소, 메로시아닌계 색소, 퀴나크리돈 등의 유기계 재료)를 포함하는 층으로 구성되어 있다. 또한, 광전변환부(23)는, 또한, 전하 축적에 적합한 재료층을 포함하는 구성이라도 좋다. 즉, 광전변환부(23)와 제1 전극(21) 사이에(예를 들면, 접속 부분(68) 내에), 또한, 전하 축적에 적합한 재료층이 형성되어 있어도 좋다. 층간 절연층(81)과 절연층(82), 보호층(83)은, 주지의 절연 재료(예를 들면, SiO2나 SiN)로 구성되어 있다. 광전변환부(23)와 제1 전극(21)은, 절연층(82)에 마련된 접속 부분(68)에 의해 접속되어 있다. 접속 부분(68) 내에는, 광전변환부(23)가 연재되어 있다. 즉, 광전변환부(23)는, 절연층(82)에 마련된 개구부(84) 내를 연재하고, 제1 전극(21)과 접속되어 있다.
전하 축적용 전극(24)은 구동 회로에 접속되어 있다. 구체적으로는, 전하 축적용 전극(24)은, 층간 절연층(81) 내에 마련된 접속 부분(67), 패드부(66) 및 배선(VOA)을 통하여, 구동 회로를 구성하는 수직 구동 회로(112)에 접속되어 있다.
전하 축적용 전극(24)의 크기는 제1 전극(21)보다도 크다. 전하 축적용 전극(24)의 면적을 s1', 제1 전극(21)의 면적을 s1로 했을 때, 한정하는 것은 아니지만,
4≤s1'/s1
를 만족하는 것이 바람직하고, 실시례 1 또는 후술하는 각종 실시례의 촬상 소자에서는, 한정하는 것은 아니지만, 예를 들면,
s1'/s1=8
로 하였다.
반도체 기판(70)의 제1면(겉면)(70A)의 측에는 소자 분리 영역(71)이 형성되고, 또한, 반도체 기판(70)의 제1면(70A)에는 산화막(72)이 형성되어 있다. 나아가서는, 반도체 기판(70)의 제1면측에는, 제1 촬상 소자(11)의 제어부를 구성하는 리셋·트랜지스터(TR1rst), 증폭 트랜지스터(TR1amp)및 선택 트랜지스터(TR1sel)가 마련되고, 또한, 제1 부유 확산층(FD1)이 마련되어 있다.
리셋·트랜지스터(TR1rst)는, 게이트부(51), 채널 형성 영역(51A), 및, 소스/드레인 영역(51B, 51C)으로 구성되어 있다. 리셋·트랜지스터(TR1rst)의 게이트부(51)는 리셋선(RST1)에 접속되고, 리셋·트랜지스터(TR1rst)의 일방의 소스/드레인 영역(51C)은, 제1 부유 확산층(FD1)을 겸하고 있고, 타방의 소스/드레인 영역(51B)은, 전원(VDD)에 접속되어 있다.
제1 전극(21)은, 층간 절연층(81) 내에 마련된 접속부(63)(접속 구멍(65), 배선부(64)), 반도체 기판(70) 및 층간 절연막(76)에 형성된 콘택트 홀부(61), 층간 절연막(76)에 형성된 배선층(62)을 통하여, 리셋·트랜지스터(TR1rst)의 일방의 소스/드레인 영역(51C)(제1 부유 확산층(FD1))에 접속되어 있다.
증폭 트랜지스터(TR1amp)는, 게이트부(52), 채널 형성 영역(52A), 및, 소스/드레인 영역(52B, 52C)으로 구성되어 있다. 게이트부(52)는 배선층(62)을 통하여, 제1 전극(21) 및 리셋·트랜지스터(TR1rst)의 일방의 소스/드레인 영역(51C)(제1 부유 확산층(FD1))에 접속되어 있다. 또한, 일방의 소스/드레인 영역(52B)은, 전원(VDD)에 접속되어 있다.
선택 트랜지스터(TR1sel)는, 게이트부(53), 채널 형성 영역(53A), 및, 소스/드레인 영역(53B, 53C)으로 구성되어 있다. 게이트부(53)는, 선택선(SEL1)에 접속되어 있다. 또한, 일방의 소스/드레인 영역(53B)은, 증폭 트랜지스터(TR1amp)를 구성하는 타방의 소스/드레인 영역(52C)과, 영역을 공유하고 있고, 타방의 소스/드레인 영역(53C)은, 신호선(데이터 출력선)(VSL1)(117)에 접속되어 있다.
제2 촬상 소자(13)는, 반도체 기판(70)에 마련된 n형 반도체 영역(제2 광전변환부)(41)을 광전변환층으로서 구비하고 있다. 종형 트랜지스터로 이루어지는 전송 트랜지스터(TR2trs)의 게이트부(45)가, n형 반도체 영역(41)까지 늘어나 있고, 또한, 전송 게이트선(TG2)에 접속되어 있다. 또한, 전송 트랜지스터(TR2trs)의 게이트부(45)의 근방의 반도체 기판(70)의 영역(45C)에는, 제2 부유 확산층(FD2)이 마련되어 있다. n형 반도체 영역(41)에 축적된 전하는, 게이트부(45)를 따라서 형성되는 전송 채널을 통하여 제2 부유 확산층(FD2)에 판독된다.
제2 촬상 소자(13)에서는, 또한, 반도체 기판(70)의 제1면측에, 제2 촬상 소자(13)의 제어부를 구성하는 리셋·트랜지스터(TR2rst), 증폭 트랜지스터(TR2amp) 및 선택 트랜지스터(TR2sel)가 마련되어 있다.
리셋·트랜지스터(TR2rst)는, 게이트부, 채널 형성 영역, 및, 소스/드레인 영역으로 구성되어 있다. 리셋·트랜지스터(TR2rst)의 게이트부는 리셋선(RST2)에 접속되고, 리셋·트랜지스터(TR2rst)의 일방의 소스/드레인 영역은 전원(VDD)에 접속되고, 타방의 소스/드레인 영역은, 제2 부유 확산층(FD2)을 겸하고 있다.
증폭 트랜지스터(TR2amp)는, 게이트부, 채널 형성 영역, 및, 소스/드레인 영역으로 구성되어 있다. 게이트부는, 리셋·트랜지스터(TR2rst)의 타방의 소스/드레인 영역(제2 부유 확산층(FD2))에 접속되어 있다. 또한, 일방의 소스/드레인 영역은, 전원(VDD)에 접속되어 있다.
선택 트랜지스터(TR2sel)는, 게이트부, 채널 형성 영역, 및, 소스/드레인 영영으로 구성되어 있다. 게이트부는, 선택선(SEL2)에 접속되어 있다. 또한, 일방의 소스/드레인 영역은, 증폭 트랜지스터(TR2amp)를 구성하는 타방의 소스/드레인 영역과, 영역을 공유하고 있고, 타방의 소스/드레인 영역은, 신호선(데이터 출력선)(VSL2)에 접속되어 있다.
제3 촬상 소자(15)는, 반도체 기판(70)에 마련된 n형 반도체 영역(제3 광전변환부)(43)을 광전변환층으로서 구비하고 있다. 전송 트랜지스터(TR3trs)의 게이트부(46)는 전송 게이트선(TG3)에 접속되어 있다. 또한, 전송 트랜지스터(TR3trs)의 게이트부(46)의 근방의 반도체 기판(70)의 영역(46C)에는, 제3 부유 확산층(FD3)이 마련되어 있다. n형 반도체 영역(43)에 축적된 전하는, 게이트부(46)를 따라서 형성되는 전송 채널(46A)을 통하여 제3 부유 확산층(FD3)에 판독된다.
제3 촬상 소자(15)에서는, 또한, 반도체 기판(70)의 제1면측에, 제3 촬상 소자(15)의 제어부를 구성하는 리셋·트랜지스터(TR3rst), 증폭 트랜지스터(TR3amp) 및 선택 트랜지스터(TR3sel)가 마련되어 있다.
리셋·트랜지스터(TR3rst)는, 게이트부, 채널 형성 영역, 및, 소스/드레인 영역으로 구성되어 있다. 리셋·트랜지스터(TR3rst)의 게이트부는 리셋선(RST3)에 접속되고, 리셋·트랜지스터(TR3rst)의 일방의 소스/드레인 영역은 전원(VDD)에 접속되고, 타방의 소스/드레인 영역은, 제3 부유 확산층(FD3)을 겸하고 있다.
증폭 트랜지스터(TR3amp)는, 게이트부, 채널 형성 영역, 및, 소스/드레인 영역으로 구성되어 있다. 게이트부는, 리셋·트랜지스터(TR3rst)의 타방의 소스/드레인 영역(제3 부유 확산층(FD3))에 접속되어 있다. 또한, 일방의 소스/드레인 영역은, 전원(VDD)에 접속되어 있다.
선택 트랜지스터(TR3sel)는, 게이트부, 채널 형성 영역, 및, 소스/드레인 영영으로 구성되어 있다. 게이트부는, 선택선(SEL3)에 접속되어 있다. 또한, 일방의 소스/드레인 영역은, 증폭 트랜지스터(TR3amp)를 구성하는 타방의 소스/드레인 영역과, 영역을 공유하고 있고, 타방의 소스/드레인 영역은, 신호선(데이터 출력선)(VSL3)에 접속되어 있다.
리셋선(RST1, RST2, RST3), 선택선(SEL1, SEL2, SEL3), 전송 게이트선(TG2, TG3)은, 구동 회로를 구성하는 수직 구동 회로(112)에 접속되고, 신호선(데이터 출력선)(VSL1, VSL2, VSL3)은, 구동 회로를 구성하는 칼럼 신호 처리 회로(113)에 접속되어 있다.
n형 반도체 영역(43)과 반도체 기판(70)의 표면(70A) 사이에는 p+층(44)이 마련되어 있고, 암전류 발생을 억제하고 있다. n형 반도체 영역(41)과 n형 반도체 영역(43) 사이에는, p+층(42)이 형성되어 있고, 나아가서는, n형 반도체 영역(43)의 측면의 일부는 p+층(42)에 의해 둘러싸여 있다. 반도체 기판(70)의 이면(70B)측에는, p+층(73)이 형성되어 있고, p+층(73)으로부터 반도체 기판(70)의 내부의 콘택트 홀부(61)를 형성해야 할 부분에는, HfO2막(74) 및 절연막(75)이 형성되어 있다. 층간 절연막(76)에는, 복수의 층에 걸쳐서 배선이 형성되어 있는데, 도시는 생략하였다.
HfO2막(74)은, 부의 고정 전하를 갖는 막이고, 이와 같은 막을 마련함에 의해, 암전류의 발생을 억제할 수 있다. 또한, HfO2막 대신에, 산화알루미늄(Al2O3)막, 산화지르코늄(ZrO2)막, 산화탄탈(Ta2O5)막, 산화티탄(TiO2)막, 산화란탄(La2O3)막, 산화프라세오디뮴(Pr2O3)막, 산화세륨(CeO2)막, 산화네오디뮴(Nd2O3)막, 산화프로메튬(Pm2O3)막, 산화사마륨(Sm2O3)막, 산화유로퓸(Eu2O3)막, 산화가돌리늄(Gd2O3)막, 산화테르븀(Tb2O3)막, 산화디스프로슘(Dy2O3)막, 산화홀뮴(Ho2O3)막, 산화튤륨(Tm2O3)막, 산화이테르븀(Yb2O3)막, 산화루테튬(Lu2O3)막, 산화이트륨(Y2O3)막, 질화하프늄막, 질화알루미늄막, 산질화하프늄막, 산질화알루미늄막을 이용할 수도 있다. 이들 막의 성막 방법으로서, 예를 들면, CVD법, PVD법, ALD법을 들 수 있다.
도 16에, 실시례 1의 고체 촬상 장치의 개념도를 도시한다. 실시례 1의 고체 촬상 장치(100)는, 적층형 촬상 소자(101)가 2차원 어레이형상으로 배열된 촬상 영역(111), 및, 그 구동 회로(주변 회로)로서의 수직 구동 회로(112), 칼럼 신호 처리 회로(113), 수평 구동 회로(114), 출력 회로(115) 및 구동 제어 회로(116) 등으로 구성되어 있다. 또한, 이들 회로는 주지의 회로로 구성할 수 있고, 또한, 다른 회로 구성(예를 들면, 종래의 CCD형 고체 촬상 장치나 CMOS형 고체 촬상 장치에 이용되는 각종의 회로)을 이용하여 구성할 수 있음은 말할 필요도 없다. 또한, 도 16에서, 적층형 촬상 소자(101)에서의 참조 번호 「101」의 표시는, 1행만으로 하였다.
구동 제어 회로(116)는, 수직 동기 신호, 수평 동기 신호 및 마스터·클록에 의거하여, 수직 구동 회로(112), 칼럼 신호 처리 회로(113) 및 수평 구동 회로(114)의 동작의 기준이 되는 클록 신호나 제어 신호를 생성한다. 그리고, 생성된 클록 신호나 제어 신호는, 수직 구동 회로(112), 칼럼 신호 처리 회로(113) 및 수평 구동 회로(114)에 입력된다.
수직 구동 회로(112)는, 예를 들면, 시프트 레지스터에 의해 구성되고, 촬상 영역(111)의 각 적층형 촬상 소자(101)를 행 단위로 순차적으로 수직 방향으로 선택 주사한다. 그리고, 각 적층형 촬상 소자(101)에서의 수광량에 응하여 생성한 전류(신호)에 의거하는 화소 신호(화상 신호)는, 신호선(데이터 출력선)(117, VSL)을 통하여 칼럼 신호 처리 회로(113)에 보내진다.
칼럼 신호 처리 회로(113)는, 예를 들면, 적층형 촬상 소자(101)의 열마다 배치되어 있고, 1행분의 적층형 촬상 소자(101)로부터 출력되는 화상 신호를 촬상 소자마다 흑 기준 화소(도시하지 않지만, 유효 화소 영역의 주위에 형성된다)로부터의 신호에 의해, 노이즈 제거나 신호 증폭의 신호 처리를 행한다. 칼럼 신호 처리 회로(113)의 출력단에는, 수평 선택 스위치(도시 생략)가 수평 신호선(118) 사이에 접속되어 마련된다.
수평 구동 회로(114)는, 예를 들어 시프트 레지스터에 의해 구성되고, 수평 주사 펄스를 순차적으로 출력함에 의해, 칼럼 신호 처리 회로(113)의 각각을 순차적으로 선택하고, 칼럼 신호 처리 회로(113)의 각각으로부터 신호를 수평 신호선(118)에 출력한다.
출력 회로(115)는, 칼럼 신호 처리 회로(113)의 각각으로부터 수평 신호선(118)을 통하여 순차적으로 공급되는 신호에 대해, 신호 처리를 행하여 출력한다.
실시례 1의 촬상 소자, 적층형 촬상 소자의 변형례(실시례 1의 변형례 1)의 등가 회로도를 도 17에 도시하고, 제1 전극 및 전하 축적용 전극 및 제어부를 구성하는 트랜지스터의 모식적인 배치도를 도 18에 도시하는 바와 같이, 리셋·트랜지스터(TR1rst)의 타방의 소스/드레인 영역(51B)을, 전원(VDD)에 접속하하는 대신에, 접지해도 좋다.
실시례 1의 촬상 소자, 적층형 촬상 소자는, 예를 들면, 이하의 방법으로 제작할 수 있다. 즉, 우선, SOI 기판을 준비한다. 그리고, SOI 기판의 표면에 제1 실리콘층을 에피택셜 성장법에 의거하여 형성하고, 이 제1 실리콘층에, p+층(73), n형 반도체 영역(41)을 형성한다. 이어서, 제1 실리콘층상에 제2 실리콘층을 에피택셜 성장법에 의거하여 형성하고, 이 제2 실리콘층에, 소자 분리 영역(71), 산화막(72), p+층(42), n형 반도체 영역(43), p+층(44)을 형성한다. 또한, 제2 실리콘층에, 촬상 소자의 제어부를 구성하는 각종 트랜지스터 등을 형성하고, 또한 그 위에, 배선층(62)과 층간 절연막(76), 각종 배선을 형성한 후, 층간 절연막(76)과 지지 기판(도시 생략)을 첩합시킨다. 그 후, SOI 기판을 제거하여 제1 실리콘층을 노출시킨다. 또한, 제2 실리콘층의 표면이 반도체 기판(70)의 표면(70A)에 해당하고, 제1 실리콘층의 표면이 반도체 기판(70)의 이면(70B)에 해당한다. 또한, 제1 실리콘층과 제2 실리콘층을 통합하여 반도체 기판(70)이라고 표현하고 있다. 이어서, 반도체 기판(70)의 이면(70B)측에, 콘택트 홀부(61)를 형성하기 위한 개구부를 형성하고, HfO2막(74), 절연막(75) 및 콘택트 홀부(61)를 형성하고, 또한, 배선부(64), 패드부(66), 층간 절연층(81), 접속 구멍(65), 접속 부분(67), 제1 전극(21), 전하 축적용 전극(24), 절연층(82)을 형성한다. 다음으로, 접속 부분(68)을 개구하고, 광전변환부(23), 제2 전극(22), 보호층(83) 및 온 칩·마이크로·렌즈(90)를 형성한다. 이상에 의해, 실시례 1의 고체 촬상 장치를 얻을 수 있다.
또한, 실시례 1의 촬상 소자(11)(병치된 2개의 촬상 소자(11)를 도시한다)의 변형례의 모식적인 일부 단면도를 도 10B에 도시하는데, 광전변환부(23)를, 하층 반도체층(23DN)과, 상층 광전변환층(23UP)의 적층 구조로 할 수 있다. 상층 광전변환층(23UP)은, 복수의 촬상 소자(11)에서 공통화되어 있다. 즉, 복수의 촬상 소자(11)에서 1층의 상층 광전변환층(23UP)이 형성되어 있다. 한편, 하층 반도체층(23DN)은 각 촬상 소자(11)에 마련되어 있다. 이와 같이 하층 반도체층(23DN)을 마련함으로써, 예를 들면, 전하 축적시의 재결합을 방지할 수 있다. 또한, 광전변환부(23)에 축적한 전하의 제1 전극(21)으로의 전하 전송 효율을 증가시킬 수 있다. 나아가서는, 광전변환부(23)에서 생성된 전하를 일시적으로 유지하고, 전송의 타이밍 등을 제어할 수 있다. 또한, 암전류의 생성을 억제할 수 있다. 상층 광전변환층(23UP)을 구성하는 재료는 광전변환부(23)를 구성하는 각종 재료로부터, 적절히, 선택하면 된다. 한편, 하층 반도체층(23DN)을 구성하는 재료로서, 밴드 갭 에너지의 값이 크고(예를 들면, 3.0eV 이상의 밴드 갭 에너지의 값), 게다가, 상층 광전변환층(23UP)을 구성하는 재료보다도 높은 이동도를 갖는 재료를 이용하는 것이 바람직하고, 구체적으로는, 예를 들면, IGZO 등의 산화물 반도체 재료를 들 수 있다. 또한, 하층 반도체층(23DN)을 구성하는 재료로서, 축적해야 할 전하가 전자인 경우, 상층 광전변환층(23UP)을 구성하는 재료의 이온화 포텐셜보다도 큰 이온화 포텐셜을 갖는 재료를 들 수 있다. 또한, 하층 반도체층을 구성하는 재료에서의 불순물 농도는 1×1018㎝-3 이하인 것이 바람직하다. 또한, 이 실시례 1의 변형례 2의 구성, 구조는, 다른 실시례에 적용할 수 있다.
실시례 1의 고체 촬상 장치의 촬상 소자 블록에서, 복수의 제1 전극이 층간 절연층 내에 마련된 접속부에 접속되어 있기 때문에, 촬상 소자를 구성하는 제1 전극, 전하 축적용 전극 및 광전변환부의 배치 상태를, 촬상 소자 블록의 촬상 소자에서, 입사하는 광에 대해 같은 배치 상태로 할 수 있는 결과, 촬상 소자에 입사하는 광의 각도에 의존하여 촬상 소자에 생성한 전하의 제1 전극으로의 이동 상태에 차이가 생기는 일이 없다.
게다가, 실시례 1 또는 후술하는 실시례 2∼실시례 9의 촬상 소자에서는, 제1 전극과 이간하여 배치되고, 또한, 절연층을 통하여 광전변환부와 대향하여 배치된 전하 축적용 전극이 구비되어 있기 때문에, 광전변환부에 광이 조사되고, 광전변환부에서 광전변환될 때, 광전변환부와 절연층과 전하 축적용 전극에 의해 일종의 커패시터가 형성되어, 광전변환부에 전하를 축적할 수 있다. 그러므로, 노광 시작 시, 전하 축적부를 완전 공핍화하고, 전하를 소거하는 것이 가능해진다. 그 결과, kTC 노이즈가 커지고, 랜덤 노이즈가 악화되고, 촬상 화질의 저하를 가져온다는 현상의 발생을 억제할 수 있다. 게다가, 전 화소를 일제히 리셋할 수 있기 때문에, 이른바 글로벌 셔터 기능을 실현할 수 있다.
실시례 2
실시례 2는, 실시례 1의 변형이다. 전하 축적용 전극, 제1 전극 및 분리 전극(제1 분리 전극)의 배치 상태를 모식적으로 도 1B에 도시하고, 모식적인 일부 단면도를 도 19A에 도시한다. 또한, 도 19A는, 도 1B에 도시하는 1점쇄선 A-B-C-D에 따른 모식적인 일부 단면도이다. 실시례 2의 고체 촬상 장치에서, 촬상 소자 블록(10)은, 연속된 분리 전극(제1 분리 전극(28))에 의해 둘러싸여 있다. 나아가서는, 전하 축적용 전극(24), 제1 전극(21), 제1 분리 전극(28) 및 제2 분리 전극(29)의 배치 상태를 모식적으로 도 2A에 도시하는 바와 같이, 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자(11)의 사이에는, 제1 분리 전극(28)으로부터 제2 방향을 따라서 늘어나는 연속된 제2 분리 전극(29)이 마련되어 있는 구성으로 할 수 있다. 제1 분리 전극(28)과 제2 분리 전극(29)은 연결되어 있다. 제2 분리 전극(29)을 마련함으로써, 촬상 소자 블록(10) 내에서, 촬상 소자(11)에서의 광전변환에 의해 생성한 전하가 인접하는 촬상 소자에 유입하는 것을 확실하게 억제할 수 있다. 또한, 전하 축적용 전극(24), 제1 전극(21) 및 제2 분리 전극(29)의 배치 상태를 모식적으로 도 2B에 도시하는 바와 같이, 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자(11) 사이에는, 제2 방향을 따라서 늘어나는 제2 분리 전극(29)이 마련되어 있는 구성으로 할 수 있다. 또한, 이 경우, 제1 분리 전극(28)은 마련되어 있지 않다. 이하의 설명에서, 제1 분리 전극(28) 및 제2 분리 전극(29)을, 총칭하여, 『분리 전극(27)』이라고 부르는 경우가 있다.
도 2A, 도 2B, 도 4A, 도 4B, 도 6A, 도 6B에서는, 배선부(64)의 도시를 생략하였다.
여기서, 제1 분리 전극(28)은, 인접하는 촬상 소자 블록(10)을 구성하는 인접하는 촬상 소자(11) 사이에 위치하는 광전변환부(23)의 영역에 절연층(82)을 통하여 대향하는 영역에 마련되어 있다. 제1 분리 전극(28)은, 하방 제1 분리 전극이다. 제1 분리 전극(28)은, 제1 전극(21) 또는 전하 축적용 전극(24)과 같은 레벨에 형성되어 있는데, 다른 레벨에 형성되어 있어도 좋다. 또한, 제2 분리 전극(29)은, 촬상 소자 블록(10) 내에서, 촬상 소자 블록(10)을 구성하는 인접하는 촬상 소자(11) 사이에 위치하는 광전변환부(23)의 영역에 절연층(82)을 통하여 대향하는 영역에 마련되어 있다. 즉, 제2 분리 전극(29)도, 하방 제2 분리 전극이다. 제2 분리 전극(29)도, 제1 전극(21) 또는 전하 축적용 전극(24)과 같은 레벨에 형성되어 있는데, 다른 레벨에 형성되어 있어도 좋다. 보다 구체적으로는, 분리 전극(27)은, 광전변환부(23)의 영역(23')에 절연층(82)을 통하여 대향하는 영역(절연층의 영역(82'))에 형성되어 있다. 환언하면, 인접하는 촬상 소자(11)의 각각을 구성하는 전하 축적용 전극(24)과 전하 축적용 전극(24)에 의해 끼인 영역에서의 절연층(82)의 부분(82') 아래에, 분리 전극(27)이 형성되어 있다. 분리 전극(27)은, 전하 축적용 전극(24)과 이간하여 마련되어 있다. 또한, 환언하면, 분리 전극(27)은, 전하 축적용 전극(24)과 이간하여 마련되어 있고, 분리 전극(27)은 절연층(82)을 통하여, 광전변환부(23)의 영역(23')과 대향하여 배치되어 있다. 이하에 설명하는 실시례 3∼실시례 4에서도, 마찬가지로 할 수 있다.
그리고, 분리 전극(제1 분리 전극(28))의 전위는(제2 분리 전극(29)이 마련되어 있는 경우에는 제2 분리 전극(29)의 전위도), 일정한 값(VES)이다. 분리 전극(27)도 구동 회로에 접속되어 있다. 구체적으로는, 분리 전극(27)은, 층간 절연층(81) 내에 마련된 접속 부분(27A), 패드부(27B) 및 배선(도시 생략)을 통하여, 구동 회로를 구성하는 수직 구동 회로(112)에 접속되어 있다. 이하에 설명하는 실시례 3∼실시례 4에서도, 마찬가지로 할 수 있다.
제1 촬상 소자(11)에서는, 층간 절연층(81)상에, 제1 전극(21) 및 전하 축적용 전극(24)이, 이간하여 형성되어 있다. 또한, 층간 절연층(81)상에, 분리 전극(27)이, 전하 축적용 전극(24)과 이간하여 형성되어 있다. 층간 절연층(81), 전하 축적용 전극(24) 및 분리 전극(27)은, 절연층(82)에 의해 덮여 있다. 절연층(82)상에는 광전변환부(23)가 형성되고, 광전변환부(23)상에는 제2 전극(22)이 형성되어 있다. 제2 전극(22)을 포함하는 전면에는, 보호층(83)이 형성되어 있고, 보호층(83)상에 온 칩·마이크로·렌즈(90)가 마련되어 있다. 제1 전극(21), 전하 축적용 전극(24), 분리 전극(27) 및 제2 전극(22)은, 예를 들면, ITO(일함수: 약 4.4eV)로 이루어지는 투명 전극으로 구성되어 있다. 이하에 설명하는 실시례 3∼실시례 4에서도, 마찬가지로 할 수 있다.
이하, 실시례 2의 고체 촬상 장치의 동작의 설명을 행한다.
<전하 축적 기간>
구체적으로는, 전하 축적 기간에서는, 구동 회로로부터, 제1 전극(21)에 전위(V11)가 인가되고, 전하 축적용 전극(24)에 전위(V31)가 인가되고, 분리 전극(27)에 전위(VES)가 인가된다. 또한, 제2 전극(22)에 전위(V21)가 인가된다. 이리하여, 광전변환부(23)에 전하(전자이다)가 축적된다. 광전변환에 의해 생성한 전자는, 전하 축적용 전극(24)에 끌어당겨지고, 전하 축적용 전극(24)과 대향한 광전변환부(23)의 영역에 머문다. 즉, 광전변환부(23)에 전하가 축적된다. V31>V11이기 때문에, 광전변환부(23)의 내부에 생성한 전자가, 제1 전극(21)을 향하여 이동하는 일은 없다. 또한, 전하 축적용 전극(24)의 전위(V31)는, 분리 전극(27)의 전위(VES)보다도 높기 때문에, 광전변환부(23)의 내부에 생성한 전자가, 분리 전극(27)을 향하여 이동하는 일도 없다. 즉, 광전변환에 의해 생성한 전하가 인접하는 촬상 소자(11)에 유입하는 것을 억제할 수 있다. 광전변환의 시간 경과에 따라, 전하 축적용 전극(24)과 대향한 광전변환부(23)의 영역에서의 전위는, 보다 부측의 값이 된다. 전하 축적 기간의 후기에서, 리셋 동작이 이루어진다. 이에 의해, 제1 부유 확산층(FD1)의 전위가 리셋되고, 제1 부유 확산층(FD1)의 전위(VFD)는 전원의 전위(VDD)가 된다.
<전하 전송 기간>
리셋 동작의 완료 후, 전하 전송 기간이 시작된다. 전하 전송 기간에서는, 구동 회로로부터, 제1 전극(21)에 전위(V12)가 인가되고, 전하 축적용 전극(24)에 전위(V32)가 인가된다. 또한, 분리 전극(27)에 전위(VES)가 인가되어 있다. 전하 축적용 전극(24)과 대향한 광전변환부(23)의 영역에 머물어 있던 전자는, 제1 전극(21), 나아가서는, 제1 부유 확산층(FD1)으로 판독된다. 환언하면, 광전변환부(23)에 축적된 전하는 제어부에 판독된다. 분리 전극(27)의 전위는, 제1 전극(21)의 전위보다도 낮고, 전하 축적용 전극(24)의 전위보다도 낮다. 즉,
VES<V32<V12
이다. 따라서, 광전변환부(23)의 내부에 생성한 전자는, 제1 전극(21)으로 흐르고, 분리 전극(27)을 향하여 이동하는 일이 없다. 즉, 광전변환에 의해 생성한 전하가 인접하는 촬상 소자(11)에 유입하는 것을 억제할 수 있다.
이상으로, 전하 축적, 리셋 동작, 전하 전송이라는 일련의 동작이 완료된다.
실시례 2에서는, 분리 전극(27)이 마련되어 있기 때문에, 광전변환에 의해 생성한 전하가 인접하는 촬상 소자(11)에 유입하는 것을 확실하게 억제할 수 있다.
실시례 2의 촬상 소자(11)(병치된 2개의 촬상 소자(11)를 도시하다)의 변형례의 모식적인 일부 단면도를 도 19B에 도시하는 바와 같이, 도 10B에 도시한 실시례 1의 고체 촬상 장치의 변형례와 마찬가지로, 광전변환부(23)를, 하층 반도체층(23DN)과, 상층 광전변환층(23UP)의 적층 구조로 할 수 있다.
실시례 3
실시례 3은, 실시례 1∼실시례 2의 변형인데, 제2 구성의 고체 촬상 장치에 관한 것이다. 전하 축적용 전극(24) 및 제1 전극(21)의 배치 상태를 모식적으로 도 3A에 도시하는 바와 같이, 실시례 3의 고체 촬상 장치에서, P=2, Q는 2 이상의 자연수이다. 도시한 예에서는, Q=2이지만, 이것으로 한정하는 것은 아니다. 그리고, 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자(11)의 각각을 구성하는 제1 전극(21)은, 층간 절연층(81) 내에 마련된 접속부(63)에 접속되어 있다. 접속부(63)는, 콘택트 홀부(61)에 연결되어 있다. P×Q개의 촬상 소자(11)에서, 제1 전극(21)은 접속부(63)를 통하여 서로 연결되어 있다. 또한, 전하 축적용 전극(24), 제1 전극(21) 및 분리 전극(제1 분리 전극)(28)의 배치 상태를 모식적으로 도 3B에 도시하는 바와 같이, 실시례 3의 고체 촬상 장치의 변형례에서, 촬상 소자 블록(10)은, 연속된 분리 전극(제1 분리 전극)(28)에 의해 둘러싸여 있다. 나아가서는, 전하 축적용 전극(24), 제1 전극(21), 제1 분리 전극(28) 및 제2 분리 전극(29)의 배치 상태를 모식적으로 도 4A에 도시하는 바와 같이, 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자(11) 사이에는, 제1 분리 전극(28)으로부터 제2 방향을 따라서 늘어나는 연속된 제2 분리 전극(29)이 마련되어 있는 구성으로 할 수 있다. 제1 분리 전극(28)과 제2 분리 전극(29)은 연결되어 있다. 제2 분리 전극(29)을 마련함으로써, 촬상 소자 블록(10) 내에서 인접하는 촬상 소자(11)에서의 광전변환에 의해 생성한 전하의 유입을 확실하게 억제할 수 있다. 또한, 전하 축적용 전극(24), 제1 전극(21) 및 제2 분리 전극(29)의 배치 상태를 모식적으로 도 4B에 도시하는 바와 같이, 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자(11) 사이에는, 제2 방향을 따라서 늘어나는 제2 분리 전극(29)이 마련되어 있는 구성으로 할 수 있다. 또한, 이 경우, 제1 분리 전극(28)은 마련되어 있지 않다.
실시례 3의 고체 촬상 장치의 동작은, 실시례 1 및 실시례 2에서 설명한 고체 촬상 장치의 동작과 같게 할 수 있기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
실시례 4
실시례 4도, 실시례 1∼실시례 2의 변형인데, 제3A 구성의 고체 촬상 장치 및 제3B 구성의 고체 촬상 장치에 관한 것이다. 전하 축적용 전극(24) 및 제1 전극(21)의 배치 상태를 모식적으로 도 5A에 도시하는 바와 같이, 실시례 4의 고체 촬상 장치에서, P=2, Q=2이고, 제2 방향에 따른 2개의 촬상 소자(11)를 구성하는 제1 전극(21)은 공유되어 있고, 공유된 제1 전극(21)은, 층간 절연층(81) 내에 마련된 접속부(63)에 접속되어 있다. 또한, 전하 축적용 전극(24) 및 제1 전극(21)의 배치 상태를 모식적으로 도 7A에 도시하는 바와 같이, P=2, Q=2이고, 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자(11)를 구성하는 제1 전극(21)은 공유되어 있고, 공유된 제1 전극(21)은, 층간 절연층(81) 내에 마련된 접속부(63)에 접속되어 있다. 접속부(63)는, 콘택트 홀부(61)에 연결되어 있다. 2×2개의 촬상 소자(11)에서, 제1 전극(21)은 접속부(63)를 통하여 서로 연결되어 있다. 단, 이 제3B 구성의 고체 촬상 장치에서는, Q의 값을 2 이상의 자연수(예를 들면, Q=4)로 할 수도 있다.
또한, 전하 축적용 전극(24), 제1 전극(21) 및 분리 전극(제1 분리 전극)(28)의 배치 상태를 모식적으로 도 5B, 도 7B에 도시하는 바와 같이, 실시례 4의 고체 촬상 장치의 변형례에서, 촬상 소자 블록(10)은, 연속된 분리 전극(제1 분리 전극)(28)에 의해 둘러싸여 있다. 나아가서는, 전하 축적용 전극(24), 제1 전극(21), 제1 분리 전극(28) 및 제2 분리 전극(29)의 배치 상태를 모식적으로 도 6A에 도시하는 바와 같이, 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자(11) 사이에는, 제1 분리 전극(28)으로부터 제2 방향을 따라서 늘어나는 연속된 제2 분리 전극(29)이 마련되어 있는 구성으로 할 수 있다. 제1 분리 전극(28)과 제2 분리 전극(29)은 연결되어 있다. 제2 분리 전극(29)을 마련함으로써, 촬상 소자 블록(10) 내에서 인접하는 촬상 소자(11)에서의 광전변환에 의해 생성한 전하의 유입을 확실하게 억제할 수 있다. 또한, 전하 축적용 전극(24), 제1 전극(21) 및 제2 분리 전극(29)의 배치 상태를 모식적으로 도 6B에 도시하는 바와 같이, 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자(11) 사이에는, 제2 방향을 따라서 늘어나는 제2 분리 전극(29)이 마련되어 있는 구성으로 할 수 있다. 또한, 이 경우, 제1 분리 전극(28)은 마련되어 있지 않다. 도 6A 및 도 6B에 도시하는 제2 분리 전극(29)의 구조를, 도 7B에 도시하는 고체 촬상 장치에 적용할 수 있다.
실시례 4의 고체 촬상 장치의 동작은, 실시례 1 및 실시례 2에서 설명한 고체 촬상 장치의 동작과 같게 할 수 있기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
도 6A에 도시한 실시례 4의 고체 촬상 장치의 변형례의 모식적인 사시도를 도 8A에 도시하고, 종래의 고체 촬상 장치의 변형례의 모식적인 사시도를 도 8B에 도시한다.
실시례 1의 도 2A, 도 2B, 도 4A, 도 4B, 도 6A, 도 6B에 도시하는 바와 같이, 실시례 1∼실시례 4의 고체 촬상 장치에서, 제2 분리 전극(29)은 연속되어 있다. 즉, 제2 분리 전극(29)에 단부는 존재하지 않는다.
한편, 종래의 고체 촬상 장치에서, 예를 들면, 하나의 촬상 소자 블록을 4개의 촬상 소자로 구성하고, 4개의 촬상 소자에 의해 하나의 제1 전극(21')을 공유하는 경우를 상정한다. 이 경우에는, 도 8B에 도시하는 바와 같이, 4개의 촬상 소자의 각각을 구성하는 전하 축적용 전극(24')의 코너부가 모이는 영역에 제1 전극(21')을 마련할 필요가 있다. 그리고, 4개의 촬상 소자 사이에, 본 개시에서의 제2 분리 전극(29)에 상당하는 제2 분리 전극(29')을 마련한 경우, 제2 분리 전극(29')과 제1 전극(21')이 접촉하지 않도록, 제2 분리 전극(29')을 제1 전극(21')으로부터 이간하여 마련할 필요가 있다. 즉, 제2 분리 전극(29')에는, 필연적으로 단부(29")가 형성된다. 이와 같이 단부(29")가 형성된 제2 분리 전극(29'), 전하 축적용 전극(24) 및 제1 전극(21')에 의해 생성되는 전위는, 제2 분리 전극(29')의 단부(29")의 존재에 의해 복잡한 전위 구배를 갖게 된다. 따라서 광전변환에 의해 광전변환부(23)에서 생성하고, 광전변환부(23)에 축적된 전하가, 전하 전송시, 광전변환부(23)로부터 제1 전극(21')에 적절하게, 확실하게 유입하지 않는 상태가 생길 수 있다. 구체적으로는, 예를 들면, 제2 분리 전극(29')의 단부(29")의 존재에 의해, 광전변환부(23)에서 축적되는 전하의 양이 감소하거나, 전하 전송시, 전하가 인접하는 촬상 소자의 제1 전극(21')으로 유입해 버린다는 문제가 생길 수 있다. 그 결과, 고체 촬상 장치의 신뢰성 저하가 생길 우려가 있고, 분해 성능이 저하될 우려도 있다.
그럼에도 불구하고, 본 개시의 고체 촬상 장치에서는, 제2 분리 전극(29)에 단부는 존재하지 않기 때문에, 제2 분리 전극(29), 전하 축적용 전극(24) 및 제1 전극(21)에 의해 생성되는 전위는, 복잡한 전위 구배가 되는 일이 없고, 광전변환에 의해 생성한 전하를, 광전변환부(23)로부터 제1 전극(21)으로 적절하게, 확실하게 흘릴 수 있다. 따라서, 고체 촬상 장치의 신뢰성 저하, 분해 성능 저하의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 제1 전극(21') 및 전하 축적용 전극(24')에 주목했을 때, 제1 문제점을 설명하기 위한 종래의 고체 촬상 장치의 제1 전극 등의 배치 상태를 모식적으로 도 43에 도시하는데, 도 43의 좌경사 상방으로부터 광이 입사한 경우를 상정한다. 여기서, 각 전하 축적용 전극(24'1, 24'2, 24'3, 24'4)의 상방에 위치하는 광전변환부의 영역 「A」「B」「B」「C」에 관해 고찰하면, 전하 축적 기간에서는, 영역「A」에서 생성한 전하의 일부는, 영역「A」이 제1 전극(21')에 인접하고 있기 때문에, 제1 전극(21')에 유입한다. 한편, 영역「B」, 영역「C」에서 생성한 전하는, 영역「B」, 영역「C」이 제1 전극(21')에 인접하지 않기 때문에, 제1 전극(21')에 유입하기 어렵다. 이상의 결과로서, 전하 축적용 전극(24'1)을 갖는 촬상 소자의 신호 출력은, 전하 축적용 전극(24'2, 24'2, 24'4)을 갖는 촬상 소자의 신호 출력보다도 저하될 우려가 있다. 즉, 광의 입사 상태에 의존하여 각 촬상 소자에서 생성되는 신호 출력에 불균일한 상태가 생길 수 있다.
한편, 예를 들면, 도 3A, 도 3B, 도 4A 및 도 4B에 도시한 실시례 3의 고체 촬상 장치에서는, 도 3A, 도 3B, 도 4A 및 도 4B의 좌경사 상방으로부터 광이 입사하는 경우라도, 4개의 촬상 소자에서, 제1 전극(21) 및 전하 축적용 전극(24)에 입사하는 광의 입사 방향은 같기 때문에, 광의 입사 상태에 의존하여 4개의 촬상 소자에서 생성되는 신호 출력에 불균일한 상태가 생기기 어려운 것은, 도 3A, 도 3B, 도 4A 및 도 4B에서도 분명할 것이다. 다른 실시례에서도, 광의 입사 상태에 대해 촬상 소자를 구성하는 전하 축적용 전극(24) 및 제1 전극(21)의 배치가 같은 복수의 촬상 소자에서는, 생성되는 신호 출력에 불균일한 상태가 생기기 어려운 것은 마찬가지이다. 이상과 같이, 하나의 촬상 소자 블록에서, 복수의 제1 전극(21)이 층간 절연층(81) 내에 마련된 접속부(63)에 접속되어 있고, 제1 전극(21), 광전변환부(23) 및 전하 축적용 전극(24)의 배치 상태를, 입사하는 광에 대해 같은 배치 상태로 할 수 있는 결과, 제1 전극(21) 및 전하 축적용 전극(24)에 입사하는 광의 입사 방향을 같다고 할 수 있고, 촬상 소자에 입사하는 광의 각도(角度)에 의존하여 촬상 소자에 생성되는 신호 출력에 불균일한 상태가 생기는 것을, 가능한 한, 억제할 수 있다.
실시례 5
실시례 5는, 실시례 1∼실시례 4의 변형이고, 하방 분리 전극 대신에, 상방 분리 전극(27')(상방 제1 분리 전극, 또는, 상방 제1 분리 전극 및 상방 제2 분리 전극, 또는, 상방 제2 분리 전극)이 마련되어 있다. 실시례 5의 촬상 소자(병치된 2개의 촬상 소자)의 일부분의 모식적인 단면도를 도 20에 도시한다. 실시례 5의 촬상 소자에서, 인접하는 촬상 소자 사이에 위치하는 광전변환부(23)의 영역(23A)상에는, 제2 전극(22)이 형성되는 대신에, 상방 분리 전극(27')이 형성되어 있다. 상방 분리 전극(27')은, 제2 전극(22)과 이간하여 마련되어 있다. 환언하면, 제2 전극(22)은 촬상 소자마다 마련되어 있고, 상방 분리 전극(27')은, 제2 전극(22)의 적어도 일부를 둘러싸, 제2 전극(22)과 이간하여, 광전변환부(23)의 영역(-A)상에 마련되어 있다. 상방 분리 전극(27')은, 제2 전극(22)과 같은 레벨에 형성되어 있다.
또한, 실시례 5의 촬상 소자(병치된 2개의 촬상 소자)의 일부분의 모식적인 단면도를 도 21A에 도시하는 바와 같이, 제2 전극(22)이 복수로 분할되고, 각 분할된 제2 전극(22)에 개별적으로 다른 전위를 인가해도 좋다. 나아가서는, 도 21B에 도시하는 바와 같이, 분할된 제2 전극(22)과 제2 전극(22) 사이에 상방 분리 전극(27')이 마련되어 있어도 좋다.
제2 전극(22) 및 상방 분리 전극(27')은, 광전변환부(23)상에 제2 전극(22) 및 상방 분리 전극(27')을 구성하는 재료층을 성막한 후, 이 재료층을 패터닝함으로써 얻을 수 있다. 제2 전극(22), 상방 분리 전극(27')의 각각은, 제각기 배선(도시 생략)에 접속되어 있고, 이들 배선은 구동 회로에 접속되어 있다. 제2 전극(22)에 접속된 배선은, 복수의 촬상 소자에서 공통화되어 있다. 상방 분리 전극(27')에 접속된 배선도, 복수의 촬상 소자에서 공통화되어 있다.
실시례 5의 촬상 소자에서는, 전하 축적 기간에서, 구동 회로로부터, 제2 전극(22)에 전위(V21)가 인가되고, 상방 분리 전극(27')에 전위(VES)가 인가되고, 광전변환부(23)에 전하가 축적되고, 전하 전송 기간에서, 구동 회로로부터, 제2 전극(22)에 전위(V22)가 인가되고, 상방 분리 전극(27')에 전위(VES)가 인가되고, 광전변환부(23)에 축적된 전하가 제1 전극(21)을 경유하여 제어부에 판독된다. 여기서, 제1 전극(21)의 전위가 제2 전극(22)의 전위보다도 높다고 했기 때문에,
V21≥VES, 또한, V22≥VES
이다.
이상과 같이, 실시례 5의 촬상 소자에서는, 인접하는 촬상 소자 사이에 위치하는 광전변환부의 영역의 위에는, 제2 전극이 형성되는 대신에, 상방 분리 전극이 형성되어 있기 때문에, 광전변환에 의해 생성한 전하가 인접하는 촬상 소자에 유입하는 것을 상방 분리 전극에 의해 억제할 수가 있어서, 촬영된 영상(화상)에 품질 열화가 생기는 일이 없다.
실시례 5의 촬상 소자(병치된 2개의 촬상 소자)의 변형례의 일부분의 모식적인 단면도를 도 22A에 도시한다. 이 변형례에서, 제2 전극(22)은 촬상 소자마다 마련되어 있고, 상방 분리 전극(27')은, 제2 전극(22)의 적어도 일부를 둘러싸, 제2 전극(22)과 이간하여 마련되어 있고, 상방 분리 전극(27')의 하방에는, 전하 축적용 전극(24)의 일부가 존재한다. 제2 전극(22)은, 전하 축적용 전극(24)의 상방에, 전하 축적용 전극(24)보다 작은 크기로 마련되어 있다. 또한, 도 22B에 도시하는 예에서는, 덧붙여서, 상방 분리 전극(27')의 하방에는, 하방 분리 전극(27)이 마련되어 있다. 제2 전극(22)의 크기는, 도 22A에 도시한 변형례보다도 작다. 즉, 상방 분리 전극(27')과 대향하는 제2 전극(22)의 영역은, 도 22A에 도시한 변형례에서의 상방 분리 전극(27')과 대향하는 제2 전극(22)의 영역보다도, 제1 전극(21)측에 위치한다. 전하 축적용 전극(24)은, 하방 분리 전극(27)에 의해 둘러싸여 있다.
실시례 6
실시례 6은, 실시례 1∼실시례 5의 변형이다. 도 23에 모식적인 일부 단면도를 도시하는 실시례 6의 고체 촬상 장치는, 표면 조사형의 고체 촬상 장치이다. 구체적으로는, 녹색광을 흡수하는 제1 타입의 녹색광용 광전변환부를 구비한 녹색광에 감도를 갖는 제1 타입의 실시례 1의 녹색광용 촬상 소자(제1 촬상 소자), 청색광을 흡수하는 제2 타입의 청색광용 광전변환부를 구비한 청색광에 감도를 갖는 제2 타입의 종래의 청색광용 촬상 소자(제2 촬상 소자), 적색광을 흡수하는 제2 타입의 적색광용 광전변환부를 구비한 적색광에 감도를 갖는 제2 타입의 종래의 적색광용 촬상 소자(제3 촬상 소자)의 3개의 촬상 소자가 적층된 구조를 갖는다. 여기서, 적색광용 촬상 소자(제3 촬상 소자) 및 청색광용 촬상 소자(제2 촬상 소자)는 반도체 기판(70) 내에 마련되어 있고, 제2 촬상 소자 쪽이 제3 촬상 소자보다도 광입사측에 위치한다. 또한, 녹색광용 촬상 소자(제1 촬상 소자)는, 청색광용 촬상 소자(제2 촬상 소자)의 상방에 마련되어 있다.
반도체 기판(70)의 표면(70A)측에는, 실시례 1과 마찬가지로 제어부를 구성하는 각종 트랜지스터가 마련되어 있다. 이들 트랜지스터는, 실질적으로 실시례 1에서 설명한 트랜지스터와 같은 구성, 구조로 할 수 있다. 또한, 반도체 기판(70)에는, 제2 촬상 소자, 제3 촬상 소자가 마련되어 있는데, 이들 촬상 소자도, 실질적으로 실시례 1에서 설명한 제2 촬상 소자, 제3 촬상 소자와 같은 구성, 구조로 할 수 있다.
반도체 기판(70)의 표면(70A)의 상방에는 층간 절연층(81)이 형성되어 있고, 층간 절연층(81) 내에, 실시례 1∼실시례 5의 고체 촬상 장치 촬상 소자와 마찬가지로, 제1 전극(21), 광전변환부(23) 및 제2 전극(22), 및, 필요에 응하여, 분리 전극(27, 27')이 마련되어 있다.
이와 같이, 표면 조사형인 점을 제외하고, 실시례 6의 고체 촬상 장치의 구성, 구조는, 실시례 1∼실시례 5의 고체 촬상 장치의 구성, 구조와 같게 할 수 있기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
실시례 7
실시례 7은, 실시례 1∼실시례 6의 변형이다.
도 24에 모식적인 일부 단면도를 도시하는 실시례 7의 고체 촬상 장치는, 이면 조사형의 고체 촬상 장치이고, 제1 타입의 실시례 1의 제1 촬상 소자, 및, 제2 타입의 제2 촬상 소자의 2개의 촬상 소자가 적층된 구조를 갖는다. 또한, 도 25에 모식적인 일부 단면도를 도시하는 실시례 7의 고체 촬상 장치의 변형례는, 표면 조사형의 고체 촬상 장치이고, 제1 타입의 실시례 1의 제1 촬상 소자, 및, 제2 타입의 제2 촬상 소자의 2개의 촬상 소자가 적층된 구조를 갖는다. 여기서, 제1 촬상 소자는 원색의 광을 흡수하고, 제2 촬상 소자는 보색의 광을 흡수한다. 또한, 제1 촬상 소자는 백색광을 흡수하고, 제2 촬상 소자는 적외선을 흡수한다.
도 26에 모식적인 일부 단면도를 도시하는 실시례 7의 촬상 소자의 변형례는, 이면 조사형의 고체 촬상 장치이고, 제1 타입의 실시례 1의 제1 촬상 소자로 구성되어 있다. 또한, 도 27에 모식적인 일부 단면도를 도시하는 실시례 7의 고체 촬상 장치의 변형례는, 표면 조사형의 고체 촬상 장치이고, 제1 타입의 실시례 1의 제1 촬상 소자로 구성되어 있다. 여기서, 제1 촬상 소자는, 적색광을 흡수하는 촬상 소자, 녹색광을 흡수하는 촬상 소자, 청색광을 흡수하는 촬상 소자의 3종류의 촬상 소자로 구성되어 있다. 복수의 이들 촬상 소자의 배치로서, 베이어 배열을 들 수 있다. 각 촬상 소자의 광입사측에는, 필요에 응하여, 청색, 녹색, 적색의 분광을 행하기 위한 컬러 필터층이 배설되어 있다.
이상의 점을 제외하고, 실시례 7의 고체 촬상 장치의 구성, 구조는, 실시례 1∼실시례 5의 고체 촬상 장치의 구성, 구조와 같게 할 수 있기 때문에, 상세한 설명은 생략한다. 또한, 반도체 기판(70)의 표면(70A)의 상방에는 층간 절연층(81)이 형성되어 있고, 층간 절연층(81) 내에, 실시례 1∼실시례 5의 고체 촬상 장치 촬상 소자와 마찬가지로, 제1 전극(21), 광전변환부(23) 및 제2 전극(22), 및, 필요에 응하여, 분리 전극(27, 27')이 마련되어 있다.
제1 타입의 실시례 1의 촬상 소자를 하나, 마련하는 대신에, 2개, 적층하는 형태(즉, 광전변환부를 2개, 적층하고, 반도체 기판에 2개의 광전변환부의 제어부를 마련하는 형태), 또한, 3개, 적층하는 형태(즉, 광전변환부를 3개, 적층하고, 반도체 기판에 3개의 광전변환부의 제어부를 마련하는 형태)로 할 수도 있다. 제1 타입의 촬상 소자와 제2 타입의 촬상 소자의 적층 구조례를, 이하의 표에 예시한다.
[표]
Figure pct00001
실시례 8
실시례 8은, 실시례 1∼실시례 7의 변형이고, 본 개시의 전송 제어용 전극(전하 전송 전극)을 구비한 고체 촬상 장치에 관한 것이다. 실시례 8의 고체 촬상 장치의 일부분의 모식적인 일부 단면도를 도 28에 도시하고, 실시례 8의 고체 촬상 장치의 등가 회로도를 도 29 및 도 30에 도시하고, 실시례 8의 고체 촬상 장치의 촬상 소자를 구성하는 제1 전극, 전송 제어용 전극 및 전하 축적용 전극 및 제어부를 구성하는 트랜지스터의 모식적인 배치도를 도 31에 도시하고, 실시례 8의 촬상 소자의 동작시의 각 부위에서의 전위의 상태를 모식적으로 도 32 및 도 33에 도시하고, 실시례 8의 촬상 소자의 각 부위를 설명하기 위한 등가 회로도를 도 15B에 도시한다.
실시례 8의 고체 촬상 장치에서는, 제1 전극(21)과 전하 축적용 전극(24) 사이에, 제1 전극(21) 및 전하 축적용 전극(24)과 이간하여 배치되고, 또한, 절연층(82)을 통하여 광전변환부(23)와 대향하여 배치된 전송 제어용 전극(전하 전송 전극)(25)을 또 구비하고 있다. 전송 제어용 전극(25)은, 층간 절연층(81) 내에 마련된 접속 부분(25B), 패드부(25A) 및 배선(VOT)을 통하여, 구동 회로를 구성하는 화소 구동 회로에 접속되어 있다.
이하, 도 32, 도 33을 참조하여, 실시례 8의 촬상 소자(제1 촬상 소자)의 동작을 설명한다. 또한, 도 32와 도 33에서는, 특히, 전하 축적용 전극(24)에 인가되는 전위 및 점(PC)에서의 전위의 값이 상위하다.
전하 축적 기간에서, 구동 회로로부터, 제1 전극(21)에 전위(V11)가 인가되고, 전하 축적용 전극(24)에 전위(V31)가 인가되고, 전송 제어용 전극(25)에 전위(V41)가 인가된다. 광전변환부(23)에 입사된 광에 의해 광전변환부(23)에서 광전변환이 생긴다. 광전변환에 의해 생성한 정공은, 제2 전극(22)으로부터 배선(VOU)을 통하여 구동 회로로 송출된다. 한편, 제1 전극(21)의 전위를 제2 전극(22)의 전위보다도 높게 했기 때문에, 즉, 예를 들면, 제1 전극(21)에 정의 전위가 인가되고, 제2 전극(22)에 부의 전위가 인가된다고 했기 때문에, V31>V41(예를 들면, V31>V11>V41, 또는, V11>V31>V41)로 한다. 이에 의해, 광전변환에 의해 생성한 전자는, 전하 축적용 전극(24)에 끌어당겨지고, 전하 축적용 전극(24)과 대향한 광전변환부(23)의 영역에 머문다. 즉, 광전변환부(23)에 전하가 축적된다. V31>V41이기 때문에, 광전변환부(23)의 내부에 생성한 전자가, 제1 전극(21)을 향하여 이동하는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 광전변환의 시간 경과에 따라, 전하 축적용 전극(24)과 대향한 광전변환부(23)의 영역에서의 전위는, 보다 부측의 값이 된다.
전하 축적 기간의 후기에서, 리셋 동작이 이루어진다. 이에 의해, 제1 부유 확산층(FD1)의 전위가 리셋되고, 제1 부유 확산층(FD1)의 전위는 전원의 전위(VDD)가 된다.
리셋 동작의 완료 후, 전하의 판독을 행한다. 즉, 전하 전송 기간에서, 구동 회로로부터, 제1 전극(21)에 전위(V12)가 인가되고, 전하 축적용 전극(24)에 전위(V32)가 인가되고, 전송 제어용 전극(25)에 전위(V42)가 인가된다. 여기서, V32≤V42≤V12(바람직하게는, V32<V42<V12)로 한다. 이에 의해, 전하 축적용 전극(24)과 대향한 광전변환부(23)의 영역에 머물어 있던 전자는, 제1 전극(21), 나아가서는, 제1 부유 확산층(FD1)으로 확실하게 판독된다. 즉, 광전변환부(23)에 축적된 전하가 제어부에 판독된다.
이상으로, 전하 축적, 리셋 동작, 전하 전송이라는 일련의 동작이 완료된다.
제1 부유 확산층(FD1)에 전자가 판독된 후의 증폭 트랜지스터(TR1amp), 선택 트랜지스터(TR1sel)의 동작은, 종래의 이들 트랜지스터의 동작과 같다. 또한, 예를 들면, 제2 촬상 소자, 제3 촬상 소자의 전하 축적, 리셋 동작, 전하 전송이라는 일련의 동작은, 종래의 전하 축적, 리셋 동작, 전하 전송이라는 일련의 동작과 마찬가지이다.
실시례 8의 촬상 소자의 변형례를 구성하는 제1 전극 및 전하 축적용 전극 및 제어부를 구성하는 트랜지스터의 모식적인 배치도를 도 34에 도시하는 바와 같이, 리셋·트랜지스터(TR1rst)의 타방의 소스/드레인 영역(51B)을, 전원(VDD)에 접속하는 대신에, 접지해도 좋다.
또한, 제1 전극(21)에 가장 가까운 위치로부터 전하 축적용 전극(24)을 향하여, 복수의 전송 제어용 전극을 마련해도 좋다.
실시례 9
실시례 9는, 실시례 1∼실시례 8의 변형이고, 본 개시의 전하 배출 전극을 구비한 촬상 소자 등에 관한 것이다. 실시례 9의 촬상 소자의 일부분의 모식적인 일부 단면도를 도 35에 도시한다.
실시례 9의 촬상 소자에서는, 접속 부분(26A)을 통하여 광전변환부(23)에 접속되고, 제1 전극(21) 및 전하 축적용 전극(24)과 이간하여 배치된 전하 배출 전극(26)을 또 구비하고 있다. 여기서, 전하 배출 전극(26)은, 제1 전극(21) 및 전하 축적용 전극(24)을 둘러싸도록(즉, 액자형상으로) 배치되어 있다. 전하 배출 전극(26)은, 구동 회로를 구성하는 화소 구동 회로에 접속되어 있다. 접속 부분(26A) 내에는, 광전변환부(23)가 연재되어 있다. 즉, 광전변환부(23)는, 절연층(82)에 마련된 제2 개구부(85) 내를 연재하고, 전하 배출 전극(26)과 접속되어 있다. 전하 배출 전극(26)은, 복수의 촬상 소자에서 공유화(공통화)되어 있다. 전하 배출 전극(26)은, 예를 들면, 광전변환부(23)의 플로팅 디퓨전이나 오버플로우 드레인으로서 이용할 수 있다. 전하 배출 전극(26)과 하방 분리 전극(27)을 동시에 마련하는 것이 곤란한 경우에는, 상방 분리 전극(27')을 마련하면 된다.
실시례 9에서는, 전하 축적 기간에서, 구동 회로로부터, 제1 전극(21)에 전위(V11)가 인가되고, 전하 축적용 전극(24)에 전위(V31)가 인가되고, 전하 배출 전극(26)에 전위(V51)가 인가되고, 광전변환부(23)에 전하가 축적된다. 광전변환부(23)에 입사된 광에 의해 광전변환부(23)에서 광전변환이 생긴다. 광전변환에 의해 생성한 정공은, 제2 전극(22)으로부터 배선(VOU)을 통하여 구동 회로로 송출된다. 한편, 제1 전극(21)의 전위를 제2 전극(22)의 전위보다도 높게 했기 때문에, 즉, 예를 들면, 제1 전극(21)에 정의 전위가 인가되고, 제2 전극(22)에 부의 전위가 인가된다고 했기 때문에, V51>V11(예를 들면, V31>V51>V11)로 한다. 이에 의해, 광전변환에 의해 생성한 전자는, 전하 축적용 전극(24)에 끌어당겨지고, 전하 축적용 전극(24)과 대향한 광전변환부(23)의 영역에 머물고, 제1 전극(21)을 향하여 이동하는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 단, 전하 축적용 전극(24)에 의한 끌어당김이 충분하지 않고, 또한, 광전변환부(23)에 완전히 축적하지 못한 전자(이른바 오버플로우한 전자)는, 전하 배출 전극(26)을 경유하여, 구동 회로에 송출된다.
전하 축적 기간의 후기에서, 리셋 동작이 이루어진다. 이에 의해, 제1 부유 확산층(FD1)의 전위가 리셋되고, 제1 부유 확산층(FD1)의 전위는 전원의 전위(VDD)가 된다.
리셋 동작의 완료 후, 전하의 판독을 행한다. 즉, 전하 전송 기간에서, 구동 회로로부터, 제1 전극(21)에 전위(V12)가 인가되고, 전하 축적용 전극(24)에 전위(V32)가 인가되고, 전하 배출 전극(26)에 전위(V52)가 인가된다. 여기서, V52<V12(예를 들면, V52<V32<V12)로 한다. 이에 의해, 전하 축적용 전극(24)과 대향한 광전변환부(23)의 영역에 머물어 있던 전자는, 제1 전극(21), 나아가서는, 제1 부유 확산층(FD1)으로 확실하게 판독된다. 즉, 광전변환부(23)에 축적된 전하가 제어부에 판독된다.
이상으로, 전하 축적, 리셋 동작, 전하 전송이라는 일련의 동작이 완료된다.
제1 부유 확산층(FD1)에 전자가 판독된 후의 증폭 트랜지스터(TR1amp), 선택 트랜지스터(TR1sel)의 동작은, 종래의 이들 트랜지스터의 동작과 같다. 또한, 예를 들면, 제2 촬상 소자, 제3 촬상 소자의 전하 축적, 리셋 동작, 전하 전송이라는 일련의 동작은, 종래의 전하 축적, 리셋 동작, 전하 전송이라는 일련의 동작과 마찬가지이다.
실시례 9에서는, 이른바 오버플로우한 전자는 전하 배출 전극(26)을 경유하여 구동 회로에 송출되기 때문에, 인접 화소의 전하 축적부로의 누입(漏入)을 억제할 수 있고, 블루밍의 발생을 억제할 수 있다. 그리고, 이에 의해, 촬상 소자의 촬상 성능을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 개시를 바람직한 실시례에 의거하여 설명했지만, 본 개시는 이들 실시례로 한정되는 것은 아니다. 실시례에서 설명하는 고체 촬상 장치의 구조나 구성, 제조 조건, 제조 방법, 사용한 재료는 예시이고, 적절히 변경할 수 있다. 각 실시례에서 설명한 촬상 소자를, 적절히, 조합시킬 수 있다.
경우에 따라서는, 전술한 바와 같이, 부유 확산층(FD2, FD3, 45C, 46C)을 공유화할 수도 있다.
또한, 도 36에, 예를 들면, 실시례 1에서 설명한 고체 촬상 장치의 변형례를 도시하는 바와 같이, 제2 전극(22)측으로부터 광이 입사하고, 제2 전극(22) 가까이의 광입사측에는 차광층(92)이 형성되어 있는 구성으로 할 수 있다. 또한, 광전변환부보다도 광입사측에 마련된 각종 배선을 차광층으로서 기능시킬 수도 있다.
또한, 도 36에 도시한 예에서는, 차광층(92)은, 제2 전극(22)의 상방에 형성되어 있는데, 즉, 제2 전극(22) 가까이의 광입사측으로서, 제1 전극(21)의 상방에 차광층(92)이 형성되어 있는데, 도 37에 도시하는 바와 같이, 제2 전극(22)의 광 입사측의 면 위에 마련되어도 좋다. 또한, 경우에 따라서는, 도 38에 도시하는 바와 같이, 제2 전극(22)에 차광층(92)이 형성되어 있어도 좋다.
또한, 제2 전극(22)측으로부터 광이 입사하고, 제1 전극(21)에는 광이 입사하지 않는 구조로 할 수도 있다. 구체적으로는, 도 36에 도시한 바와 같이, 제2 전극(22) 가까이의 광입사측으로서, 제1 전극(21)의 상방에는 차광층(92)이 형성되어 있다. 또한, 도 40에 도시하는 바와 같이, 전하 축적용 전극(24) 및 제2 전극(22)의 상방에는 온 칩·마이크로·렌즈(90)가 마련되어 있고, 온 칩·마이크로·렌즈(90)에 입사하는 광은, 전하 축적용 전극(24)에 집광되고, 제1 전극(21)에는 도달하지 않는 구조로 할 수도 있다. 또한, 실시례 11에서 설명한 바와 같이, 전송 제어용 전극(25)이 마련되어 있는 경우, 제1 전극(21) 및 전송 제어용 전극(25)에는 광이 입사하지 않는 형태로 할 수 있고, 구체적으로는, 도 39에 도시하는 바와 같이, 제1 전극(21) 및 전송 제어용 전극(25)의 상방에는 차광층(92)이 형성되어 있는 구조로 할 수도 있다. 또한, 온 칩·마이크로·렌즈(90)에 입사하는 광은, 제1 전극(21) 또는 제1 전극(21) 및 전송 제어용 전극(25)에는 도달하지 않는 구조로 할 수도 있다.
이들 구성, 구조를 채용함으로써, 또한, 전하 축적용 전극(24)의 상방에 위치하는 광전변환부(23)의 부분에만 광이 입사하도록 차광층(92)을 마련하고, 또한, 온 칩·마이크로·렌즈(90)를 설계함으로써, 제1 전극(21)의 상방(또는, 제1 전극(21) 및 전송 제어용 전극(25)의 상방)에 위치하는 광전변환부(23)의 부분은 광전변환에 기여하지 않게 되기 때문에, 전 화소를 보다 확실하게 일제히 리셋할 수 있고, 글로벌 셔터 기능을 한층 용이하게 실현할 수 있다. 즉, 이들 구성, 구조를 갖는 촬상 소자를, 복수, 구비한 고체 촬상 장치의 구동 방법에서는,
모든 촬상 소자에서, 일제히, 광전변환부(23)에 전하를 축적하면서, 제1 전극(21)에서의 전하를 계외에 배출하고, 그 후,
모든 촬상 소자에서, 일제히, 광전변환부(23)에 축적된 전하를 제1 전극(21)에 전송하고, 전송 완료 후, 순차적으로, 각 촬상 소자에서 제1 전극(21)에 전송된 전하를 판독하는,
각 공정을 반복한다.
이와 같은 고체 촬상 장치의 구동 방법에서는, 각 촬상 소자는, 제2 전극측으로부터 입사한 광이 제1 전극에는 입사하지 않는 구조를 가지고, 모든 촬상 소자에서, 일제히, 광전변환부에 전하를 축적하면서, 제1 전극에서의 전하를 계외에 배출하기 때문에, 전 촬상 소자에서 동시에 제1 전극의 리셋을 확실하게 행할 수 있다. 그리고, 그 후, 모든 촬상 소자에서, 일제히, 광전변환부에 축적된 전하를 제1 전극에 전송하고, 전송 완료 후, 순차적으로, 각 촬상 소자에서 제1 전극에 전송된 전하를 판독한다. 그러므로, 이른바 글로벌 셔터 기능을 용이하게 실현할 수 있다.
실시례에서는, 전자를 신호 전하로 하고 있고, 반도체 기판에 형성된 광전변환부의 도전형을 n형으로 했지만, 정공을 신호 전하로 하는 고체 촬상 장치에도 적용할 수 있다. 이 경우에는, 각 반도체 영역을 반대의 도전형의 반도체 영역으로 구성하면 좋으며, 반도체 기판에 형성된 광전변환부의 도전형은 p형으로 하면 좋다.
또한, 실시례에서는, 입사광량에 응한 신호 전하를 물리량으로서 검지하는 단위 화소가 행렬형상으로 배치되어 이루어지는 CMOS형 고체 촬상 장치에 적용한 경우를 예로 들어 설명했지만, CMOS형 고체 촬상 장치에의 적용으로 한정되는 것은 아니고, CCD형 고체 촬상 장치에 적용할 수도 있다. 후자인 경우, 신호 전하는, CCD형 구조의 수직 전송 레지스터에 의해 수직 방향으로 전송되고, 수평 전송 레지스터에 의해 수평 방향으로 전송되고, 증폭됨에 의해 화소 신호(화상 신호)가 출력된다. 또한, 화소가 2차원 매트릭스형상으로 형성되고, 화소열마다 칼럼 신호 처리 회로를 배치하여 이루어지는 칼럼 방식의 고체 촬상 장치 전반으로 한정하는 것도 아니다. 나아가서는, 경우에 따라서는, 선택 트랜지스터를 생략할 수도 있다.
나아가서는, 본 개시의 고체 촬상 장치는, 가시광의 입사광량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 장치에의 적용으로 한하지 않고, 적외선이나 X선, 또는, 입자 등의 입사량의 분포를 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 장치에도 적용 가능하다. 또한, 광의로는, 압력이나 정전용량 등, 다른 물리량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 지문 검출 센서 등의 고체 촬상 장치(물리량 분포 검지 장치) 전반에 대해 적용 가능하다.
나아가서는, 촬상 영역의 각 단위 화소를 행 단위로 순차적으로 주사하여 각 단위 화소로부터 화소 신호를 판독하는 고체 촬상 장치로 한정되는 것은 아니다. 화소 단위로 임의의 화소를 선택하고, 선택 화소로부터 화소 단위로 화소 신호를 판독하는 X-Y 어드레스형의 고체 촬상 장치에 대해서도 적용 가능하다. 고체 촬상 장치는 원칩으로서 형성된 형태라도 좋고, 촬상 영역과, 구동 회로 또는 광학계를 통합하여 패키징된 촬상 기능을 갖는 모듈형상의 형태라도 좋다.
또한, 고체 촬상 장치에의 적용으로 한정되는 것이 아니라, 촬상 장치에도 적용 가능하다. 여기서, 촬상 장치란, 디지털 스틸 카메라나 비디오 카메라 등의 카메라 시스템이나, 휴대 전화기 등의 촬상 기능을 갖는 전자 기기를 가리킨다. 전자 기기에 탑재되는 모듈형상의 형태, 즉, 카메라 모듈을 촬상 장치라고 하는 경우도 있다.
본 개시의 고체 촬상 장치로 구성된 고체 촬상 장치(201)를 전자 기기(카메라)(200)에 이용한 예를, 도 41에 개념도로서 도시한다. 전자 기기(200)는, 고체 촬상 장치(201), 광학 렌즈(210), 셔터 장치(211), 구동 회로(212), 및, 신호 처리 회로(213)를 갖는다. 광학 렌즈(210)는, 피사체로부터의 상광(像光)(입사광)을 고체 촬상 장치(201)의 촬상면상에 결상시킨다. 이에 의해 고체 촬상 장치(201) 내에, 일정 기간, 신호 전하가 축적된다. 셔터 장치(211)는, 고체 촬상 장치(201)로의 광조사 기간 및 차광 기간을 제어한다. 구동 회로(212)는, 고체 촬상 장치(201)의 전송 동작 등 및 셔터 장치(211)의 셔터 동작을 제어하는 구동 신호를 공급한다. 구동 회로(212)로부터 공급되는 구동 신호(타이밍 신호)에 의해, 고체 촬상 장치(201)의 신호 전송을 행한다. 신호 처리 회로(213)는, 각종의 신호 처리를 행한다. 신호 처리가 행해진 영상 신호는, 메모리 등의 기억 매체에 기억되고, 또는, 모니터에 출력된다. 이와 같은 전자 기기(200)에서는, 고체 촬상 장치(201)에서의 화소 사이즈의 미세화 및 전송 효율의 향상을 달성할 수 있기 때문에, 화소 특성의 향상이 도모된 전자 기기(200)를 얻을 수 있다. 고체 촬상 장치(201)를 적용할 수 있는 전자 기기(200)로서는, 카메라로 한정되는 것이 아니라, 디지털 스틸 카메라, 휴대 전화기 등의 모바일 기기용 카메라 모듈 등의 촬상 장치에 적용 가능하다.
실시례 3의 고체 촬상 장치 또는 실시례 4의 고체 촬상 장치에서, P=2, Q=2라고 할 때, 이하에 설명하는 구동 방법을 채용할 수 있다. 즉, 도 42에 모식도를 도시하는 바와 같이, 하나의 촬상 소자 블록을 구성하는 4개의 촬상 소자(112p+1,2q+1, 112p+1,2q+2, 112p+2,2q+1, 112p+2,2q+2)(단, p는 0 또는 정의 정수, q는 0 또는 정의 정수)를 상정한다. 여기서, 촬상 소자(112p+1,2q+1)의 전하 축적용 전극(24)은, 제(2q+1)번째의 수평 구동선(L2q+1)에 접속되어 있다. 촬상 소자(112p+1,2q+2)의 전하 축적용 전극(24)은, 제(2q+2)번째의 수평 구동선(L2q+2)에 접속되어 있다. 촬상 소자(11p+2,2q+1)의 전하 축적용 전극(24)은, 제(2q)번째의 수평 구동선(L2q)에 접속되어 있다. 촬상 소자(112p+2,2q+2)의 전하 축적용 전극(24)은, 제(2q+3)번째의 수평 구동선(L2q+3)에 접속되어 있다.
이와 같은 구성으로 함으로써, 통상, 하나의 촬상 소자 블록을 구성하는 4개의 촬상 소자에서의 전하 축적용 전극을 구동하기 위한 수평 구동선이, 4개, 필요해지는 것을, 2개로 끝낼 수 있다. 그리고, 4개의 수평 구동선(L2q, L2q+1, L2q+2, L2q+3)을, 적절히, 구동함으로써, 촬상 소자(112p+1,2q+1, 112p+1,2q+2, 112p+2,2q+1, 112p+2,2q+2)에서의 전하를 판독할 수 있다.
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, 퍼스널 모빌리티, 비행기, 드론, 선박, 로봇 등의 어느 한 종류의 이동체에 탑재되는 장치로서 실현되어도 좋다.
도 44는, 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 44에 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 차량 탑재 네트워크 I/F(interface)(12053)가 도시되어 있다.
구동계 제어 유닛(12010)은, 각종 프로그램에 따라서 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 따라서 차체에 장비된 각종 장치의 동작을 제어한다. 예를 들면, 바디계 제어 유닛(12020)은, 키레스 엔트리 시스템, 스마트 키 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, 이들 전파 또는 신호의 입력을 접수하고, 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 행해도 좋다.
촬상부(12031)는, 광을 수광하고, 그 광의 수광량에 응한 전기 신호를 출력하는 광센서이다. 촬상부(12031)는, 전기 신호를 화상으로서 출력할 수도 있고, 거리 측정의 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 입력된 검출 정보에 의거하여, 운전자의 피로 정도 또는 집중 정도를 산출해도 좋고, 운전자가 앉아서 졸고 있지 않는지를 판별해도 좋다.
마이크로 컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득된 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 주행하는 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 방현(防眩)을 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 44의 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 45는, 촬상부(12031)의 설치 위치의 예를 도시하는 도면이다.
도 45에서는, 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 차실 내의 프론트글라스의 상부 등의 위치에 마련된다. 프런트 노우즈에 구비되는 촬상부(12101) 및 차실 내의 프론트글라스의 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 이용된다.
또한, 도 45에는, 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)로 촬상된 화상 데이터가 중합시켜짐에 의해, 차량(12100)을 상방에서 본 부감(俯瞰) 화상을 얻을 수 있다.
촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 거리 정보를 취득하는 기능을 가지고 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 않고 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, 이륜차, 보통 차량, 대형 차량, 보행자, 전신주 등 그 밖의 입체물로 분류하여 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 상황일 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 행해진다. 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 제어해도 좋다.
또한, 예를 들면, 본 개시에 관한 기술은, 내시경 수술 시스템에 적용되어도 좋다.
도 46은, 본 개시에 관한 기술(본 기술)이 적용될 수 있는 내시경 수술 시스템의 개략적인 구성의 한 예를 도시하는 도면이다.
도 46에서는, 수술자(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 튜브(11111)나 에너지 처치구(11112) 등의, 그 밖의 수술구(11110)와, 내시경(11100)을 지지하는 지지 암 장치(11120)와, 내시경하 수술을 위한 각종의 장치가 탑재된 카트(11200)로 구성된다.
내시경(11100)은, 선단으로부터 소정 길이의 영역이 환자(11132)의 체강 내에 삽입되는 경통(11101)과, 경통(11101)의 기단에 접속된 카메라 헤드(11102)로 구성된다. 도시한 예로에서, 경성의 경통(11101)을 갖는 이른바 경성경으로서 구성되는 내시경(11100)을 도시하고 있는데, 내시경(11100)은, 연성의 경통을 갖는 이른바 연성경으로서 구성되어도 좋다.
경통(11101)의 선단에는, 대물 렌즈가 감입된 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)되는 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 들어 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 들어 LED(Light Emitting Diode) 등의 광원으로 구성되고, 수술부 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 수술자의 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)에 수술부를 촬영할 때의 조사광을 공급하는 광원 장치(11203)는, 예를 들어 LED, 레이저 광원 또는 이들 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 레이저 광원 각각으로부터의 레이저광을 시분할로 관찰 대상에 조사하고, 그 조사 타이밍에 동기하여 카메라 헤드(11102)의 촬상 소자의 구동을 제어함에 의해, RGB 각각에 대응한 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 제어하여 시분할로 화상을 취득하고, 그 화상을 합성함에 의해, 이른바 흑바램 및 백바램이 없는 고다이내믹 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 관찰 시에서의 조사광(즉, 백색광)과 비하여 협대역의 광을 조사함에 의해, 점막 표층의 혈관 등의 소정의 조직을 고콘트라스트로 촬영하는, 이른바 협대역 광관찰(Narrow Band Imaging)이 행해진다. 또는, 특수광 관찰에서는, 여기광을 조사함에 의해 발생하는 형광에 의해 화상을 얻는 형광 관찰이 행해져도 좋다. 형광 관찰에서는, 체조직에 여기광을 조사하여 당해 체조직으로부터의 형광을 관찰하는 것(자가 형광 관찰), 또는 인도시아닌그린(ICG) 등의 시약을 체조직에 국주(局注)함과 함께 당해 체조직에 그 시약의 형광 파장에 대응한 여기광을 조사하여 형광상을 얻는 것 등을 행할 수가 있다. 광원 장치(11203)는, 이와 같은 특수광 관찰에 대응한 협대역광 및/또는 여기광을 공급 가능하게 구성될 수 있다.
도 47은, 도 46에 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 마련되는 광학계이다. 경통(11101)의 선단으로부터 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 들어 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 가지도록 구성되어도 좋다. 3D 표시가 행해짐에 의해, 수술자(11131)는 수술부에서의 생체조직의 깊이를 보다 정확하게 파악하는 것이 가능해진다. 또한, 촬상부(11402)가 다판식으로 구성되는 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 따라서 소정의 거리만큼 이동시킨다. 이에 의해, 촬상부(11402)에 의한 촬상 화상의 배율 및 초점이 적절히 조정될 수 있다.
통신부(11404)는, CCU(11201)와의 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, 촬상 시의 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 있게 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 수술부 등의 촬상, 및, 수술부 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, 수술부 등이 찍힌 촬상 화상을 표시 장치(11202)에 표시시킨다. 이 때, 제어부(11413)는, 각종의 화상 인식 기술을 이용하여 촬상 화상 내에서의 각종의 물체를 인식해도 좋다. 예를 들면, 제어부(11413)는, 촬상 화상에 포함되는 물체의 에지의 형상이나 색 등을 검출함에 의해, 겸자(鉗子) 등의 수술구, 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 수술부의 화상에 중첩 표시시켜도 좋다. 수술 지원 정보가 중첩 표시되고, 수술자(11131)에게 제시됨에 의해, 수술자(11131)의 부담을 경감하는 것이나, 수술자(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 이들 복합 케이블이다.
여기서, 도시한 예에서는, 전송 케이블(11400)을 이용하여 유선으로 통신이 행해지고 있는데, 카메라 헤드(11102)와 CCU(11201) 사이의 통신은 무선으로 행해져도 좋다.
또한, 여기서는, 한 예로서 내시경 수술 시스템에 관해 설명했지만, 본 개시에 관한 기술은, 기타, 예를 들면, 현미경 수술 시스템 등에 적용되어도 좋다.
또한, 본 개시는, 이하와 같은 구성을 취할 수도 있다.
[A01] 고체 촬상 장치≫
복수의 촬상 소자로 구성된 촬상 소자 블록을, 복수, 가지고 있고,
각 촬상 소자는,
제1 전극,
제1 전극과 이간하여 배치된 전하 축적용 전극,
제1 전극과 접하고, 절연층을 통하여 전하 축적용 전극의 상방에 형성된 광전변환부, 및,
광전변환부상에 형성된 제2 전극,
을 구비하고 있고,
제1 전극 및 전하 축적용 전극은, 층간 절연층상에 마련되어 있고,
제1 전극은, 층간 절연층 내에 마련된 접속부에 접속되어 있는 고체 촬상 장치.
[A02] 촬상 소자 블록은, 제1 방향을 따라서 P개, 제1 방향과는 다른 제2 방향을 따라서 Q개의, P×Q개(단, P≥2, Q≥1)의 촬상 소자로 구성되어 있는 [A01]에 기재된 고체 촬상 장치.
[A03] ≪제1 구성의 고체 촬상 장치≫
P=2, Q=1이고,
제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 각각을 구성하는 제1 전극은, 층간 절연층 내에 마련된 접속부에 접속되어 있는 [A02]에 기재된 고체 촬상 장치.
[A04] 촬상 소자 블록은, 연속된 분리 전극에 의해 둘러싸여 있는 [A03]에 기재된 고체 촬상 장치.
[A05] 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 사이에는, 분리 전극으로부터 제2 방향을 따라서 늘어나는 연속된 제2 분리 전극이 마련되어 있는 [A04]에 기재된 고체 촬상 장치.
[A06] 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 사이에는, 제2 방향을 따라서 늘어나는 제2 분리 전극이 마련되어 있는 [A03]에 기재된 고체 촬상 장치.
[A07] ≪제2 구성의 고체 촬상 장치≫
P=2, Q는 2 이상의 자연수이고,
제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 각각을 구성하는 제1 전극은, 층간 절연층 내에 마련된 접속부에 접속되어 있는 [A02]에 기재된 고체 촬상 장치.
[A08] 촬상 소자 블록은, 연속된 분리 전극에 의해 둘러싸여 있는 [A07]에 기재된 고체 촬상 장치.
[A09] 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 사이에는, 분리 전극으로부터 제2 방향을 따라서 늘어나는 연속된 제2 분리 전극이 마련되어 있는 [A08]에 기재된 고체 촬상 장치.
[A10] 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 사이에는, 제2 방향을 따라서 늘어나는 제2 분리 전극이 마련되어 있는 [A07]에 기재된 고체 촬상 장치.
[A11] ≪제3A 구성의 고체 촬상 장치≫
P=2, Q=2이고,
제2 방향에 따른 2개의 촬상 소자를 구성하는 제1 전극은 공유되어 있고,
공유된 제1 전극은, 층간 절연층 내에 마련된 접속부에 접속되어 있는 [A02]에 기재된 고체 촬상 장치.
[A12] ≪제3A 구성의 고체 촬상 장치≫
P=2, Q=2이고,
제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자를 구성하는 제1 전극은 공유되어 있고,
공유된 제1 전극은, 층간 절연층 내에 마련된 접속부에 접속되어 있는 [A02]에 기재된 고체 촬상 장치.
[A13] 촬상 소자 블록은, 연속된 분리 전극에 의해 둘러싸여 [A11] 또는 [A12]에 기재된 고체 촬상 장치.
[A14] 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 사이에는, 분리 전극으로부터 제2 방향을 따라서 늘어나는 연속된 제2 분리 전극이 마련되어 있는 [A13]에 기재된 고체 촬상 장치.
[A15] 제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 사이에는, 제2 방향을 따라서 늘어나는 제2 분리 전극이 마련되어 있는 [A11]에 기재된 고체 촬상 장치.
[A16] 촬상 소자 블록을 구성하는 촬상 소자와 촬상 소자 사이를 제2 방향으로 늘어나는 경계선에 대해, 촬상 소자는 선대칭으로 배치되어 있는 [A01] 내지 [A15]의 어느 한 항에 기재된 고체 촬상 장치.
[A17] 분리 전극의 전위는 일정한 값(VES)인 [A04] 내지 [A16]의 어느 한 항에 기재된 고체 촬상 장치.
10: 촬상 소자 블록
21: 제1 전극
22: 제2 전극
23: 광전변환부
23UP: 상층 광전변환층
23DN: 하층 반도체층
24: 전하 축적용 전극
25: 전송 제어용 전극(전하 전송 전극)
25A, 26A: 접속 부분
26: 전하 배출 전극
27: 분리 전극(하방 분리 전극)
27': 상방 분리 전극
28: 제1 분리 전극(하방 제1 분리 전극)
29: 제2 분리 전극(상방 제2 분리 전극)
41: 제2 촬상 소자를 구성하는 n형 반도체 영역(제2 광전변환부)
43: 제3 촬상 소자를 구성하는 n형 반도체 영역(제3 광전변환부)
42, 44, 73: p+층
FD1, FD2, FD3, 45C, 46C: 부유 확산층
TR1amp: 증폭 트랜지스터
TR1rst: 리셋·트랜지스터
TR1sel: 선택 트랜지스터
51: 리셋·트랜지스터(TR1rst)의 게이트부
51A: 리셋·트랜지스터(TR1rst)의 채널 형성 영역
51B, 51C: 리셋·트랜지스터(TR1rst)의 소스/드레인 영역
52: 증폭 트랜지스터(TR1amp)의 게이트부
52A: 증폭 트랜지스터(TR1amp)의 채널 형성 영역
52B, 52C: 증폭 트랜지스터(TR1amp)의 소스/드레인 영역
53: 선택 트랜지스터(TR1sel)의 게이트부
53A: 선택 트랜지스터(TR1sel)의 채널 형성 영역
53B, 53C: 선택 트랜지스터(TR1sel)의 소스/드레인 영역
TR2trs: 전송 트랜지스터
45: 전송 트랜지스터의 게이트부
TR2rst: 리셋·트랜지스터
TR2amp: 증폭 트랜지스터
TR2sel: 선택 트랜지스터
TR3trs: 전송 트랜지스터
46: 전송 트랜지스터의 게이트부
TR3rst: 리셋·트랜지스터
TR3amp: 증폭 트랜지스터
TR3sel: 선택 트랜지스터
VDD: 전원
RST1, RST2, RST3 리셋선
SEL1, SEL2, SEL3: 선택선
117, VSL1, VSL2, VSL3: 신호선
TG2, TG3: 전송 게이트선
VOA, VOB, VOT, VOU: 배선
61: 콘택트 홀부
62: 배선층
63: 접속부
64: 배선층
65: 접속 구멍
66: 패드부
67, 68: 접속 부분
70: 반도체 기판
70A: 반도체 기판의 제1면 (겉면)
70B: 반도체 기판의 제2면 (이면)
71: 소자 분리 영역
72: 절연재료막
74: HfO2막
75: 절연막
76: 층간 절연막
81: 층간 절연층
82: 절연층
83: 보호층
84: 개구부
85: 제2 개구부
90: 온 칩·마이크로·렌즈
91: 층간 절연층보다 하방에 위치허는 각종의 촬상 소자 구성 요소
92: 차광층
100: 고체 촬상 장치
101: 적층형 촬상 소자
111: 촬상 영역
112: 수직 구동 회로
113: 칼럼 신호 처리 회로
114: 수평 구동 회로
115: 출력 회로
116: 구동 제어 회로
118: 수평 신호선
200: 전자 기기(카메라)
201: 고체 촬상 장치
210: 광학 렌즈
211: 셔터 장치
212: 구동 회로
213: 신호 처리 회로

Claims (17)

  1. 복수의 촬상 소자로 구성된 촬상 소자 블록을, 복수, 가지고 있고,
    각 촬상 소자는,
    제1 전극,
    제1 전극과 이간하여 배치된 전하 축적용 전극,
    제1 전극과 접하고, 절연층을 통하여 전하 축적용 전극의 상방에 형성된 광전변환부, 및,
    광전변환부상에 형성된 제2 전극,
    을 구비하고 있고,
    제1 전극 및 전하 축적용 전극은, 층간 절연층상에 마련되어 있고,
    제1 전극은, 층간 절연층 내에 마련된 접속부에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    촬상 소자 블록은, 제1 방향을 따라서 P개, 제1 방향과는 다른 제2 방향을 따라서 Q개의, P×Q개(단, P≥2, Q≥1)의 촬상 소자로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    P=2, Q=1이고,
    제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 각각을 구성하는 제1 전극은, 층간 절연층 내에 마련된 접속부에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    촬상 소자 블록은, 연속된 분리 전극에 의해 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 사이에는, 분리 전극으로부터 제2 방향을 따라서 늘어나는 연속된 제2 분리 전극이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 사이에는, 제2 방향을 따라서 늘어나는 제2 분리 전극이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    P=2, Q는 2 이상의 자연수이고,
    제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 각각을 구성하는 제1 전극은, 층간 절연층 내에 마련된 접속부에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    촬상 소자 블록은, 연속된 분리 전극에 의해 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 사이에는, 분리 전극으로부터 제2 방향을 따라서 늘어나는 연속된 제2 분리 전극이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 사이에는, 제2 방향을 따라서 늘어나는 제2 분리 전극이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  11. 제2항에 있어서,
    P=2, Q=2이고,
    제2 방향에 따른 2개의 촬상 소자를 구성하는 제1 전극은 공유되어 있고,
    공유된 제1 전극은, 층간 절연층 내에 마련된 접속부에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  12. 제2항에 있어서,
    P=2, Q=2이고,
    제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자를 구성하는 제1 전극은 공유되어 있고,
    공유된 제1 전극은, 층간 절연층 내에 마련된 접속부에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    촬상 소자 블록은, 연속된 분리 전극에 의해 둘러싸인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 사이에는, 분리 전극으로부터 제2 방향을 따라서 늘어나는 연속된 제2 분리 전극이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    제1 방향에 따른 2개의 촬상 소자의 사이에는, 제2 방향을 따라서 늘어나는 제2 분리 전극이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    촬상 소자 블록을 구성하는 촬상 소자와 촬상 소자 사이를 제2 방향으로 늘어나는 경계선에 대해, 촬상 소자는 선대칭으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  17. 제4항에 있어서,
    분리 전극의 전위는 일정한 값(VES)인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
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