KR20230138460A - 광전 변환 소자 및 전자 기기 - Google Patents

광전 변환 소자 및 전자 기기 Download PDF

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KR20230138460A
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wiring
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가즈키 노모토
히로아키 암모
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소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤
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Abstract

본 개시의 일 실시 형태에 따른 광전 변환 소자는, 전송 트랜지스터가 마련된 제1 반도체층과, 화소 트랜지스터가 마련된 제2 반도체층과, 전송 트랜지스터의 게이트에 접속된 게이트 배선이 마련된 배선층을 구비하고 있다. 화소 트랜지스터의 전체 혹은 일부가, 평면으로 보아, 서로 인접하는 2개의 화소의 한쪽 전송 트랜지스터의 게이트에 접속된 제1 게이트 배선과, 서로 인접하는 2개의 화소의 다른 쪽 전송 트랜지스터의 게이트에 접속된 제2 게이트 배선의 사이의 영역에 배치되어 있다.

Description

광전 변환 소자 및 전자 기기
본 개시는 광전 변환 소자 및 전자 기기에 관한 것이다.
종래, 2차원 구조의 고체 촬상 소자의 1화소당 면적의 미세화는, 미세 프로세스의 도입과 실장 밀도의 향상에 의해 실현되어 왔다. 근년, 고체 촬상 소자의 가일층의 소형화 및 화소의 고밀도화를 실현하기 위해서, 3차원 구조의 고체 촬상 소자가 개발되고 있다. 3차원 구조의 고체 촬상 소자에서는, 예를 들어 복수의 광전 변환부를 갖는 반도체 기판과, 각 광전 변환부에서 얻어진 전하의 레벨에 따른 전압의 신호를 생성하는 증폭 트랜지스터를 갖는 반도체 기판이 서로 적층되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
국제공개 WO2019/131965
그런데, 종래의 고체 촬상 소자에서는, 화소의 고밀도화에 수반하여, 화소 내부의 신호끼리가 서로 간섭하여, 노이즈 특성이 악화될 우려가 있다. 이러한 문제는, 고체 촬상 소자에 한하지 않고, 광전 변환 소자 전반에 있어서 발생할 수 있다. 따라서, 노이즈 특성의 악화를 억제하는 것이 가능한 광전 변환 소자 및 전자 기기를 제공하는 것이 바람직하다.
본 개시의 제1 측면에 관한 광전 변환 소자는, 제1 반도체층과, 제1 반도체층에 적층된 제2 반도체층과, 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 마련된 배선층을 구비하고 있다. 제1 반도체층에는, 화소마다, 광전 변환부와, 광전 변환부에서 발생한 신호 전하가 축적되는 전하 축적부와, 신호 전하를 광전 변환부에서 전하 축적부에 전송하는 전송 트랜지스터가 마련되어 있다. 제2 반도체층에는, 하나 혹은 복수의 화소마다, 전하 축적부의 신호 전하를 읽어내는 화소 트랜지스터가 마련되어 있다. 배선층에는, 층간 절연막 및 게이트 배선이 마련되어 있다. 게이트 배선은, 층간 절연막 내에 마련되어 있고, 화소마다, 전송 트랜지스터의 게이트에 접속되어 있다. 화소 트랜지스터가, 평면으로 보아, 제1 게이트 배선과 제2 게이트 배선의 사이의 영역에 배치되어 있다. 제1 게이트 배선은, 서로 인접하는 2개의 화소인 제1 화소 및 제2 화소에 있어서의, 제1 화소에 포함되는 전송 트랜지스터의 게이트에 접속되어 있다. 제2 게이트 배선은, 제2 화소에 포함되는 전송 트랜지스터의 게이트에 접속되어 있다.
본 개시의 제2 측면에 관한 전자 기기는, 상기 광전 변환 소자를 구비하고 있다.
본 개시의 제1 측면에 관한 광전 변환 소자 및 본 개시의 제2 측면에 관한 전자 기기에서는, 화소 트랜지스터가, 평면으로 보아, 제1 게이트 배선과 제2 게이트 배선의 사이의 영역에 배치되어 있다. 이에 의해, 예를 들어 제1 게이트 배선이나 제2 게이트 배선이 화소 트랜지스터의 바로 아래에 배치되어 있는 경우에 비하여, 제1 게이트 배선이나 제2 게이트 배선에 인가된 신호가 화소 트랜지스터에 간섭할 가능성이 저감된다.
도 1은 본 개시의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 개략 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 센서 화소 및 읽어내기 회로의 회로 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 3은 도 1의 고체 촬상 소자의 단면 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 4는 도 1의 고체 촬상 소자의 단면 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 5는 도 3, 도 4의 Sec1에 있어서의 단면 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 6은 도 3, 도 4의 Sec2에 있어서의 단면 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 7a는 도 1의 고체 촬상 소자의 제조 과정의 단면 구성예를 도시하는 도면이다.
도 7b는 도 7a에 이은 공정의 단면 구성예를 도시하는 도면이다.
도 7c는 도 7b에 이은 공정의 단면 구성예를 도시하는 도면이다.
도 7d는 도 7c에 이은 공정의 단면 구성예를 도시하는 도면이다.
도 7e는 도 7d에 이은 공정의 단면 구성예를 도시하는 도면이다.
도 7f는 도 7e에 이은 공정의 단면 구성예를 도시하는 도면이다.
도 7g는 도 7f에 이은 공정의 단면 구성예를 도시하는 도면이다.
도 7h는 도 7g에 이은 공정의 단면 구성예를 도시하는 도면이다.
도 7i는 도 7h에 이은 공정의 단면 구성예를 도시하는 도면이다.
도 7j는 도 7i에 이은 공정의 단면 구성예를 도시하는 도면이다.
도 7k는 도 7j에 이은 공정의 단면 구성예를 도시하는 도면이다.
도 8은 도 1의 고체 촬상 소자의 단면 구성의 일 변형예를 도시하는 도면이다.
도 9는 도 8의 Sec1에 있어서의 단면 구성예를 도시하는 도면이다.
도 10은 도 8의 Sec2에 있어서의 단면 구성예를 도시하는 도면이다.
도 11은 도 5의 단면 구성의 일 변형예를 도시하는 도면이다.
도 12는 도 6의 단면 구성의 일 변형예를 도시하는 도면이다.
도 13은 도 1의 센서 화소에 접속되는 배선의 일 변형예를 도시하는 도면이다.
도 14는 도 1의 센서 화소에 접속되는 배선의 일 변형예를 도시하는 도면이다.
도 15는 도 9의 단면 구성의 일 변형예를 도시하는 도면이다.
도 16은 도 10의 단면 구성의 일 변형예를 도시하는 도면이다.
도 17은 도 1의 센서 화소 및 읽어내기 회로의 회로 구성의 일 변형예를 도시하는 도면이다.
도 18은 도 4의 증폭 트랜지스터의 단면 구성의 일 변형예를 도시하는 도면이다.
도 19는 상기 실시 형태 및 그 변형예에 관한 고체 촬상 소자를 구비한 촬상 시스템의 개략 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 20은 차량 제어 시스템의 개략적인 구성의 일례를 도시하는 블록도이다.
도 21은 차외 정보 검출부 및 촬상부의 설치 위치의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 22는 내시경 수술 시스템의 개략적인 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 23은 카메라 헤드 및 CCU의 기능 구성의 일례를 도시하는 블록도이다.
이하, 본 개시의 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 설명은 이하의 순서로 행한다.
1. 실시 형태(고체 촬상 소자) … 도 1 내지 도 7
2. 변형예(고체 촬상 소자) … 도 8 내지 도 18
3. 적용예(촬상 시스템) … 도 19
4. 응용예
응용예 1(이동체) … 도 20, 도 21
응용예 2(수술 시스템) … 도 22, 도 23
<1. 실시 형태>
[구성]
본 개시의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자(1)에 대해서 설명한다. 고체 촬상 소자(1)는, 예를 들어 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서 등으로 이루어지는 이면 조사형의 이미지 센서이다. 고체 촬상 소자(1)는, 피사체로부터의 광을 수광해서 광전 변환하고, 화상 신호를 생성함으로써 화상을 촬상한다. 고체 촬상 소자(1)는, 입사광에 따른 화소 신호를 출력한다.
이면 조사형의 이미지 센서란, 피사체로부터의 광이 입사하는 수광면과, 각 화소를 구동시키는 트랜지스터 등의 배선이 마련된 배선층 사이에 광전 변환부가 마련된 구성의 이미지 센서이다. 광전 변환부는, 피사체로부터의 광을 수광하여, 전기 신호로 변환하는 포토다이오드 등이다. 또한, 본 개시는, CMOS 이미지 센서에의 적용에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 개시의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자(1)의 개략 구성의 일례를 나타낸 것이다. 고체 촬상 소자(1)는, 3개의 기판(제1 기판(10), 제2 기판(20), 제3 기판(30))을 구비하고 있다. 고체 촬상 소자(1)는, 3개의 기판(제1 기판(10), 제2 기판(20), 제3 기판(30))을 접합해서 구성된 3차원 구조의 촬상 장치이다. 제1 기판(10), 제2 기판(20) 및 제3 기판(30)은, 이 순으로 적층되어 있다.
제1 기판(10)은 광전 변환을 행하는 복수의 센서 화소(12)가 행렬상으로 배치된 화소 영역(13)을 갖고 있다. 화소 영역(13)은 반도체 기판(11)에 형성되어 있다. 제2 기판(20)은 센서 화소(12)로부터 출력된 전하(신호 전하)에 기초한 화소 신호를 출력하는 복수의 읽어내기 회로(22)를 갖고 있다. 또한, 고체 촬상 소자(1)에 있어서, 1조의 센서 화소(12) 및 읽어내기 회로(22)를 촬상 화소라 칭하는 경우가 있다. 복수의 읽어내기 회로(22)는, 반도체 기판(21)에 형성되어 있고, 예를 들어 도 2에 도시한 바와 같이, 복수의 센서 화소(12)마다 1개씩 할당되어 있다. 이 경우에는, 1개의 읽어내기 회로(22)가 복수의 촬상 화소에 있어서 서로 공유되고 있다.
제2 기판(20)은 행 방향으로 연장되는 복수의 화소 구동선(23)과, 열 방향으로 연장되는 복수의 수직 신호선(24)을 갖고 있다. 제3 기판(30)은 화소 신호를 처리하는 로직 회로(32)를 갖고 있다. 로직 회로(32)는 반도체 기판(31)에 형성되어 있다. 로직 회로(32)는, 예를 들어 수직 구동 회로(33), 칼럼 신호 처리 회로(34), 수평 구동 회로(35) 및 시스템 제어 회로(36)를 갖고 있다. 로직 회로(32)(구체적으로는 수평 구동 회로(35))는, 센서 화소(12)마다의 출력 전압 Vout을 외부로 출력한다.
수직 구동 회로(33)는, 예를 들어 복수의 센서 화소(12)를 행 단위로 차례로 선택한다. 칼럼 신호 처리 회로(34)는, 예를 들어 수직 구동 회로(33)에 의해 선택된 행의 각 센서 화소(12)로부터 출력되는 화소 신호에 대하여, 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling: CDS) 처리를 실시한다. 칼럼 신호 처리 회로(34)는, 예를 들어 CDS 처리를 실시함으로써, 화소 신호의 신호 레벨을 추출하고, 각 센서 화소(12)의 수광량에 따른 화소 데이터를 보유한다. 수평 구동 회로(35)는, 예를 들어 칼럼 신호 처리 회로(34)에 보유되어 있는 화소 데이터를 순차, 외부로 출력한다. 시스템 제어 회로(36)는, 예를 들어 로직 회로(32) 내의 각 블록(수직 구동 회로(33), 칼럼 신호 처리 회로(34) 및 수평 구동 회로(35))의 구동을 제어한다.
도 2는 센서 화소(12) 및 읽어내기 회로(22)의 일례를 나타낸 것이다. 이하에서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 4개의 센서 화소(12)가 1개의 읽어내기 회로(22)를 공유하고 있는 경우에 대해서 설명한다. 여기서, 「공유」는, 4개의 센서 화소(12)의 출력이 공통의 읽어내기 회로(22)에 입력되는 것을 가리키고 있다.
각 센서 화소(12)는, 서로 공통의 구성 요소를 갖고 있다. 도 2에는, 각 센서 화소(12)의 구성 요소를 서로 구별하기 위해서, 각 센서 화소(12)의 구성 요소의 부호의 말미에 식별 번호(1, 2, 3, 4)가 부여되어 있다. 이하에서는, 각 센서 화소(12)의 구성 요소를 서로 구별할 필요가 있는 경우에는, 각 센서 화소(12)의 구성 요소의 부호 말미에 식별 번호를 부여한다. 반면에, 각 센서 화소(12)의 구성 요소를 서로 구별할 필요가 없는 경우에는, 각 센서 화소(12)의 구성 요소의 부호 말미의 식별 번호를 생략하기로 한다.
각 센서 화소(12)는, 예를 들어 포토다이오드 PD와, 전송 트랜지스터 TR과, 플로팅 디퓨전 FD를 갖고 있다. 전송 트랜지스터 TR은, 포토다이오드 PD와 전기적으로 접속되어 있다. 플로팅 디퓨전 FD는, 전송 트랜지스터 TR을 통해 포토다이오드 PD로부터 전송된 전하를 일시적으로 보유한다. 포토다이오드 PD는 본 개시의 「광전 변환부」의 일 구체예에 상당한다. 플로팅 디퓨전 FD는 본 개시의 「전하 축적부」의 일 구체예에 상당한다.
포토다이오드 PD는 광전 변환을 행하여 수광량에 따른 전하를 발생시킨다. 포토다이오드 PD의 캐소드가 전송 트랜지스터 TR의 소스에 전기적으로 접속되어 있고, 포토다이오드 PD의 애노드가 기준 전위선(예를 들어 그라운드)에 전기적으로 접속되어 있다. 전송 트랜지스터 TR의 드레인이 플로팅 디퓨전 FD에 전기적으로 접속되고, 전송 트랜지스터 TR의 게이트는 후술하는 접속 배선(57, 58)을 통해 화소 구동선(23)에 전기적으로 접속되어 있다. 전송 트랜지스터 TR은, 예를 들어 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터이다.
1개의 읽어내기 회로(22)를 공유하는 각 센서 화소(12)의 플로팅 디퓨전 FD는, 서로 전기적으로 접속됨과 함께, 공통의 읽어내기 회로(22)의 입력단에 전기적으로 접속되어 있다. 읽어내기 회로(22)는, 예를 들어 리셋 트랜지스터 RST와, 변환 트랜지스터 FDG와, 선택 트랜지스터 SEL과, 증폭 트랜지스터 AMP를 갖고 있다. 또한, 선택 트랜지스터 SEL 및 변환 트랜지스터 FDG 중 적어도 한쪽은, 필요에 따라 생략해도 된다.
변환 트랜지스터 FDG의 소스(읽어내기 회로(22)의 입력단)가 접속 배선(54, 65)을 통해 플로팅 디퓨전 FD에 전기적으로 접속되어 있다. 변환 트랜지스터 FDG의 드레인이 리셋 트랜지스터 RST의 소스에 전기적으로 접속되어 있다. 리셋 트랜지스터 RST의 드레인이 전원선 VDD 및 증폭 트랜지스터 AMP의 드레인에 전기적으로 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터 AMP의 소스가 선택 트랜지스터 SEL의 드레인에 전기적으로 접속되어 있고, 증폭 트랜지스터 AMP의 게이트가 접속 배선(55, 65)을 통해 변환 트랜지스터 FDG의 소스에 전기적으로 접속되어 있다. 선택 트랜지스터 SEL의 소스(읽어내기 회로(22)의 출력단)가 수직 신호선(24)에 전기적으로 접속되어 있다. 변환 트랜지스터 FDG, 리셋 트랜지스터 RST 및 선택 트랜지스터 SEL의 게이트가 화소 구동선(23)(도 1 참조)에 전기적으로 접속되어 있다.
전송 트랜지스터 TR은 전송 트랜지스터 TR이 온 상태가 되면, 포토다이오드 PD의 전하를 플로팅 디퓨전 FD로 전송한다. 전송 트랜지스터 TR은, 예를 들어 후술하는 도 3에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(11)의 표면에 형성된 게이트(전송 게이트 TRG)를 갖는 플래너형으로 되어 있다. 또한, 전송 트랜지스터 TR은, 반도체 기판(11)의 표면으로부터 소정의 깊이까지 연장된 게이트(수직 게이트)를 갖는 종형으로 되어 있어도 된다.
변환 트랜지스터 FDG는 변환 효율을 전환할 때에 사용된다. 일반적으로, 어두운 장소에서의 촬영 시에는 화소 신호가 작다. Q=CV에 기초하여, 전하 전압 변환을 행할 때에, 플로팅 디퓨전 FD의 용량(FD 용량 C)이 크면, 증폭 트랜지스터 AMP에서 전압으로 변환했을 때의 V가 작아져버린다. 한편, 밝은 장소에서는, 화소 신호가 커지므로, FD 용량 C가 크지 않으면, 플로팅 디퓨전 FD로, 포토다이오드 PD의 전하를 충분히 받을 수 없다. 또한, 증폭 트랜지스터 AMP에서 전압으로 변환했을 때의 V가 지나치게 커지지 않도록(바꾸어 말하면, 작아지도록), FD 용량 C가 크게 되어 있을 필요가 있다. 이들을 근거로 하면, 변환 트랜지스터 FDG를 온으로 했을 때에는, 변환 트랜지스터 FDG분의 게이트 용량이 증가하므로, 전체의 FD 용량 C가 커진다. 한편, 변환 트랜지스터 FDG를 오프로 했을 때에는, 전체의 FD 용량 C가 작아진다. 이와 같이, 변환 트랜지스터 FDG를 온/오프 전환함으로써, FD 용량 C를 가변하도록 하여, 변환 효율을 전환할 수 있다.
리셋 트랜지스터 RST는, 플로팅 디퓨전 FD의 전위를 소정의 전위로 리셋한다. 리셋 트랜지스터 RST가 온 상태가 되면, 플로팅 디퓨전 FD의 전위를 전원선 VDD의 전위로 리셋한다. 선택 트랜지스터 SEL은, 읽어내기 회로(22)로부터의 화소 신호의 출력 타이밍을 제어한다. 증폭 트랜지스터 AMP는 화소 신호로서, 플로팅 디퓨전 FD에 보유된 전하의 레벨에 따른 전압의 신호를 생성한다. 증폭 트랜지스터 AMP는, 소스 폴로워형 앰프를 구성하고 있고, 포토다이오드 PD에서 발생한 전하의 레벨에 따른 전압의 화소 신호를 출력하는 것이다. 증폭 트랜지스터 AMP는 선택 트랜지스터 SEL이 온 상태가 되면, 플로팅 디퓨전 FD의 전위를 증폭하고, 그 전위에 따른 전압을, 수직 신호선(24)을 통해 칼럼 신호 처리 회로(34)에 출력한다. 변환 트랜지스터 FDG, 리셋 트랜지스터 RST, 증폭 트랜지스터 AMP 및 선택 트랜지스터 SEL은, 예를 들어 CMOS 트랜지스터이다. 변환 트랜지스터 FDG, 리셋 트랜지스터 RST, 증폭 트랜지스터 AMP 및 선택 트랜지스터 SEL은, 예를 들어 반도체 기판(21)의 표면에 형성된 게이트를 갖는 플래너형으로 되어 있다.
또한, 선택 트랜지스터 SEL이, 전원선 VDD와 증폭 트랜지스터 AMP 사이에 마련되어 있어도 된다. 이 경우, 리셋 트랜지스터 RST의 드레인이 전원선 VDD 및 선택 트랜지스터 SEL의 드레인에 전기적으로 접속되어 있다. 선택 트랜지스터 SEL의 소스가 증폭 트랜지스터 AMP의 드레인에 전기적으로 접속되어 있고, 선택 트랜지스터 SEL의 게이트가 화소 구동선(23)(도 1 참조)에 전기적으로 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터 AMP의 소스(읽어내기 회로(22)의 출력단)가 수직 신호선(24)에 전기적으로 접속되어 있고, 증폭 트랜지스터 AMP의 게이트가 리셋 트랜지스터 RST의 소스에 전기적으로 접속되어 있다.
도 3, 도 4는 고체 촬상 소자(1)의 수직 방향의 단면 구성의 일례를 나타낸 것이다. 도 3, 도 4에는 고체 촬상 소자(1)에 있어서, 센서 화소(12)와 대향하는 개소의 단면 구성이 예시되어 있다. 도 3에는 후술하는 도 5의 A-A선에 대응하는 개소의 단면 구성이 예시되어 있다. 도 4에는 후술하는 도 6의 A-A선에 대응하는 개소의 단면 구성이 예시되어 있다. 도 5, 도 6은 고체 촬상 소자(1)의 수평 방향 단면 구성의 일례를 나타낸 것이다. 도 5에는 도 3, 도 4의 Sec1에 있어서의 단면 구성이 예시되어 있다. 또한, 도 5에 있어서, 절연층(46)이 생략되어 있고, 반도체 기판(11)의 표면 구성이 겹쳐서 도시되어 있다. 도 6에는 도 3, 도 4의 Sec2에 있어서의 단면 구성이 예시되어 있다. 또한, 도 6에 있어서, 절연층(52)이 생략되어 있고, 반도체 기판(21)의 표면 구성과, 도 5의 접속 배선(57, 58), 게이트 전극TRG 및 소자 분리부(43)가 겹쳐서 도시되어 있다.
고체 촬상 소자(1)는 제1 기판(10), 제2 기판(20) 및 제3 기판(30)을 이 순으로 적층해서 구성되어 있고, 추가로 제1 기판(10)의 이면측(광 입사면측)에, 컬러 필터(70) 및 수광 렌즈(80)를 구비하고 있다. 컬러 필터(70) 및 수광 렌즈(80)는, 각각, 예를 들어 센서 화소(12)마다 1개씩 마련되어 있다. 즉, 고체 촬상 소자(1)는 이면 조사형의 촬상 장치이다.
제1 기판(10)은 반도체 기판(11) 상에 절연층(46)을 적층해서 구성되어 있다. 절연층(46)은, 본 개시의 「절연층」의 일 구체예에 상당한다. 절연층(46)은, 예를 들어 SiO2나, SiN 등의 무기 절연 재료에 의해 구성되어 있다. 제1 기판(10)은, 후술하는 배선층(51)의 일부로서, 절연층(46)을 갖고 있다. 절연층(46)은, 반도체 기판(11)과, 반도체 기판(21)의 간극에 마련되어 있다. 즉, 반도체 기판(21)은, 절연층(46)을 통해 반도체 기판(11)에 적층되어 있다. 반도체 기판(11)은, 실리콘 기판으로 구성되어 있다. 반도체 기판(11)은, 예를 들어 표면의 일부 및 그 근방에, p웰층(42)을 갖고 있고, 그 이외의 영역(p웰층(42)보다 깊은 영역)에, p웰층(42)과는 다른 도전형의 PD41을 갖고 있다. p웰층(42)은 p형의 반도체 영역으로 구성되어 있다. PD41은 p웰층(42)과는 다른 도전형(구체적으로는 n형)의 반도체 영역으로 구성되어 있다. 반도체 기판(11)은, p웰층(42) 내에, p웰층(42)과는 다른 도전형(구체적으로는n형)의 반도체 영역으로서, 플로팅 디퓨전 FD를 갖고 있다.
제1 기판(10)(반도체 기판(11))은, 포토다이오드 PD, 전송 트랜지스터 TR 및 플로팅 디퓨전 FD를 센서 화소(12)마다 갖고 있다. 제1 기판(10)은, 반도체 기판(11)의 표면측(광 입사면측과는 반대측, 제2 기판(20) 측)의 부분에, 전송 트랜지스터 TR 및 플로팅 디퓨전 FD가 마련된 구성으로 되어 있다. 제1 기판(10)(반도체 기판(11))은 각 센서 화소(12)를 분리하는 소자 분리부(43)를 갖고 있다. 소자 분리부(43)는 반도체 기판(11)의 법선 방향(반도체 기판(11)의 표면에 대하여 수직인 방향)으로 연장되어 형성되어 있다. 소자 분리부(43)는 서로 인접하는 2개의 센서 화소(12) 사이에 마련되어 있다. 소자 분리부(43)는 서로 인접하는 센서 화소(12)끼리를 전기적으로 분리한다. 소자 분리부(43)는, 예를 들어 산화 실리콘에 의해 구성되어 있다. 소자 분리부(43)는, 예를 들어 반도체 기판(11)을 관통하고 있다.
제1 기판(10)은, 예를 들어 추가로, 소자 분리부(43)의 측면이며, 또한 포토다이오드 PD측의 면에 접하는 p웰층(44)을 갖고 있다. p웰층(44)은 포토다이오드 PD와는 다른 도전형(구체적으로는 p형)의 반도체 영역으로 구성되어 있다. 제1 기판(10)은, 예를 들어 추가로, 반도체 기판(11)의 이면에 접하는 고정 전하막(45)을 갖고 있다. 고정 전하막(45)은, 반도체 기판(11)의 수광면측의 계면 준위에 기인하는 암전류의 발생을 억제하기 위해서, 부로 대전되어 있다. 고정 전하막(45)은, 예를 들어 부의 고정 전하를 갖는 절연막에 의해 형성되어 있다. 그러한 절연막의 재료로서는, 예를 들어 산화하프늄, 산화지르콘, 산화알루미늄, 산화티타늄 또는 산화탄탈을 들 수 있다. 고정 전하막(45)이 유기하는 전계에 의해, 반도체 기판(11)의 수광면측의 계면에 홀 축적층이 형성된다. 이 홀 축적층에 의해, 계면으로부터의 전자의 발생이 억제된다. 컬러 필터(70)는, 반도체 기판(11)의 이면측에 마련되어 있다. 컬러 필터(70)는, 예를 들어 고정 전하막(45)에 접해서 마련되어 있고, 고정 전하막(45)을 통해 센서 화소(12)와 대향하는 위치에 마련되어 있다. 수광 렌즈(80)는, 예를 들어 컬러 필터(70)에 접해서 마련되어 있고, 컬러 필터(70) 및 고정 전하막(45)을 통해 센서 화소(12)와 대향하는 위치에 마련되어 있다.
제2 기판(20)은, 반도체 기판(21) 상에 절연층(52)을 적층해서 구성되어 있다. 절연층(52)은, 예를 들어 SiO2나, SiN 등의 무기 절연 재료에 의해 구성되어 있다. 제2 기판(20)은, 배선층(51)의 일부로서, 절연층(52)을 갖고 있다. 절연층(52)은 반도체 기판(21)과, 반도체 기판(31)의 간극에 마련되어 있다. 반도체 기판(21)은 실리콘 기판으로 구성되어 있다. 제2 기판(20)(반도체 기판21)은, 예를 들어 4개의 센서 화소(12)마다, 1개의 읽어내기 회로(22)를 갖고 있다. 제2 기판(20)은 반도체 기판(21)의 표면측(제3 기판30 측)의 부분에 읽어내기 회로(22)가 마련된 구성으로 되어 있다. 제2 기판(20)은 반도체 기판(11)의 표면측에 반도체 기판(21)의 이면을 향해서 제1 기판(10)에 접합되어 있다. 반도체 기판(21)은 반도체 기판(21)을 관통하는 복수의 개구부를 갖고 있다. 반도체 기판(21)에 마련된 각 개구부에는, 절연층(52)이 매립되어 있고, 예를 들어 후술하는 접속 배선(54, 58) 등이 관통하고 있다.
제1 기판(10) 및 제2 기판(20)으로 이루어지는 적층체는, 배선층(51)을 갖고 있다. 배선층(51)은 읽어내기 회로(22)를 공유하는 복수의 센서 화소(12)마다, 접속부(53), 접속 배선(54, 55)을 갖고 있다. 각 접속부(3) 및 접속 배선(54, 55)는, 예를 들어 폴리실리콘, 텅스텐 혹은 구리 등의 도전성 재료로 형성되어 있다. 접속부(53)나 접속 배선(54)의 일부는, 배선층(51)의 절연층(46) 내에 마련되어 있다. 접속 배선(54)의 일부나 접속 배선(55)은, 배선층(51)의 절연층(52) 내에 마련되어 있다.
접속부(53)는 읽어내기 회로(22)를 공유하는 복수의 센서 화소(12)의 각각의 플로팅 디퓨전 FD에 전기적으로 접속되어 있다. 읽어내기 회로(22)를 공유하는 4개의 센서 화소(12)에 있어서, 4개의 플로팅 디퓨전 FD는 소자 분리부(43)를 통해 서로 근접해서 배치되어 있다. 따라서, 4개의 플로팅 디퓨전 FD는, 1개의 접속부(53)에 의해 서로 전기적으로 접속되어 있다.
접속 배선(54)은 반도체 기판(21)의 개구부를 관통해서 형성되어 있고, 반도체 기판(21)의 법선 방향으로 연장되어 있다. 접속 배선(54)의 일단부는, 접속부(53)에 접속되어 있다. 접속 배선(54)의 타단부는, 후술하는 배선층(61) 내의 접속 배선(65)에 접속되어 있다. 제1 기판(10) 및 제2 기판(20)은 접속부(53) 및 접속 배선(54, 55)에 의해 서로 전기적으로 접속되어 있다. 접속 배선(65)은, 증폭 트랜지스터 AMP의 게이트 및 변환 트랜지스터 FDG의 소스에 접속되어 있다. 접속 배선(55)은 절연층(52)을 관통해서 형성되어 있고, 절연층(52)의 법선 방향으로 연장되어 있다. 접속 배선(55) 일단부는, 증폭 트랜지스터 AMP의 게이트에 접속되어 있다. 접속 배선(55) 타단부는 접속 배선(65)에 접속되어 있다.
배선층(51)은, 추가로 센서 화소(12)마다, 전송 트랜지스터 TR의 게이트(전송 게이트 TRG)에 접속된 접속 배선(57)과, 접속 배선(57)에 접속된 접속 배선(58)을 갖고 있다. 접속 배선(57)은, 본 개시의 「게이트 배선」의 일 구체예에 상당한다. 접속 배선(57)은, 예를 들어 도 5, 도 6에 도시한 바와 같이, 소정의 방향(제1 방향 V)으로 연장되어 있다. 각 접속 배선(57)은, 예를 들어 폴리실리콘, 텅스텐 혹은 구리 등의 도전성 재료로 형성되어 있다. 접속 배선(58)은, 반도체 기판(21)의 개구부를 관통해서 형성되어 있고, 반도체 기판(21)의 법선 방향으로 연장되어 있다. 접속 배선(58)의 일단부는, 접속 배선(57)에 접속되어 있다. 접속 배선(58)의 타단부는, 절연층(52) 내의 배선을 통해 화소 구동선(23)에 전기적으로 접속되어 있다. 각 접속 배선(58)은, 예를 들어 폴리실리콘, 텅스텐 혹은 구리 등의 도전성 재료로 형성되어 있다.
접속 배선(58)은, 예를 들어 소자 분리부(43)와 대향하는 영역(소자 분리부(43)의 바로 위)에 마련되어 있다. 접속 배선(58)은, 예를 들어 소자 분리부(43) 중, 읽어내기 회로(22)를 공유하는 복수의 센서 화소(12)의 외연을 형성하는 개소에 마련되어 있다. 예를 들어, 읽어내기 회로(22)를 공유하는 4개의 센서 화소(12)(제1 촬상 화소에 포함되는 4개의 센서 화소(12))와, 제1 촬상 화소에 대하여, 제2 방향 H에 있어서 인접하는 제2 촬상 화소에 포함되는 4개의 센서 화소(12)에 착안하기로 한다. 제2 방향 H는 제1 방향 V와 직교하는 방향이다. 이때, 소자 분리부(43) 중, 제1 촬상 화소와 제2 촬상 화소를 구획하는 부분과 대향하는 영역(이하, 「영역 β」(도 6 참조)라 칭한다.)에는, 영역 β에 접하는 4개의 센서 화소(12)의 각각의 접속 배선(58)이 마련되어 있다. 즉, 영역 A에는, 4개의 접속 배선(58)이 제1 방향 V와 직교하는 제2 방향 H로 배열해서 배치되어 있다.
또한, 예를 들어 도 6에 나타낸 영역 α1에 착안하기로 한다. 영역 α1은, 특정한 2개의 센서 화소(12)에 있어서의, 한쪽 센서 화소(12)의 접속 배선(57)(제1 게이트 배선)과, 다른 쪽 센서 화소(12)의 접속 배선(57)(제2 게이트 배선) 사이의 영역이다. 특정한 2개의 센서 화소(12)는, 읽어내기 회로(22)를 공유하는 4개의 센서 화소(12) 중, 제2 방향 H로 배열해서 배치된 2개의 센서 화소(12)이다. 이때, 증폭 트랜지스터 AMP가, 평면으로 보아, 영역 α1에 배치되어 있다.
또한, 예를 들어 도 6에 도시한 바와 같이, 영역 α2에 착안하기로 한다. 영역 α2는, 제2 방향 H로 배열해서 배치된 2개의 센서 화소(12)에 있어서의, 한쪽 센서 화소(12)의 접속 배선(57)(제1 게이트 배선)과, 다른 쪽 센서 화소(12)의 접속 배선(57)(제2 게이트 배선) 사이의 영역이다. 이때, 선택 트랜지스터 SEL이, 평면으로 보아, 영역 α2에 배치되어 있다.
또한, 예를 들어 도 6에 도시한 바와 같이, 영역 α3에 착안하기로 한다. 영역 α3은, 제2 방향 H로 배열해서 배치된 2개의 센서 화소(12)에 있어서의, 한쪽 센서 화소(12)의 접속 배선(57)(제1 게이트 배선)과, 다른 쪽 센서 화소(12)의 접속 배선(57)(제2 게이트 배선) 사이의 영역이다. 이때, 리셋 트랜지스터 RST 및 변환 트랜지스터 FDG가, 평면으로 보아, 영역 α3에 배치되어 있다.
제2 기판(20)은 배선층(51)(절연층52)에 접하는 배선층(61)을 더 갖고 있다. 배선층(61)은 제3 기판(30)의, 제2 기판(20)측의 면에도 접하고 있다. 배선층(61)은, 예를 들어 절연층(64)과, 절연층(64) 내에 마련된 여러 배선(예를 들어, 복수의 화소 구동선(23), 복수의 수직 신호선(24) 및 복수의 접속 배선(65))을 갖고 있다. 각 화소 구동선(23), 각 수직 신호선(24) 및 각 접속 배선(65)은, 예를 들어 폴리실리콘, 텅스텐 혹은 구리 등의 도전성 재료로 형성되어 있다.
배선층(61)은, 추가로 예를 들어 절연층(64) 내에 복수의 패드 전극(66)을 갖고 있다. 각 패드 전극(66)은, 예를 들어 Cu(구리), Al(알루미늄) 등의 금속으로 형성되어 있다. 각 패드 전극(66)은, 배선층(61)의 표면에 노출되어 있다. 각 패드 전극(66)은, 제2 기판(20)과 제3 기판(30)의 전기적인 접속과, 제2 기판(20)과 제3 기판(30)의 접합에 사용된다. 복수의 패드 전극(66)은, 예를 들어 화소 구동선(23) 및 수직 신호선(24)마다 1개씩 마련되어 있다.
제3 기판(30)은, 예를 들어 반도체 기판(31) 상에 배선층(63)을 적층해서 구성되어 있다. 또한, 제3 기판(30)은, 제2 기판(20)에, 표면측의 면끼리로 접합되어 있는 점에서, 제3 기판(30) 내의 구성에 대해서 설명할 때에는, 상하의 설명이, 도면에서의 상하 방향과는 반대가 된다. 반도체 기판(31)은 실리콘 기판으로 구성되어 있다. 제3 기판(30)은 반도체 기판(31)의 표면측의 부분에 로직 회로(32)가 마련된 구성으로 되어 있다. 제3 기판(30)은, 추가로 예를 들어 배선층(63) 상에 배선층(62)을 갖고 있다. 배선층(62)은, 예를 들어 절연층(68)과, 절연층(68) 내에 마련된 복수의 패드 전극(67)을 갖고 있다. 복수의 패드 전극(67)은, 로직 회로(32)와 전기적으로 접속되어 있다. 각 패드 전극(67)은, 예를 들어 Cu(구리), Al(알루미늄) 등의 금속으로 형성되어 있다. 각 패드 전극(67)은, 배선층(62)의 표면에 노출되어 있다. 각 패드 전극(67)은, 제2 기판(20)과 제3 기판(30)의 전기적인 접속과, 제2 기판(20)과 제3 기판(30)의 접합에 사용된다. 또한, 패드 전극(67)은, 반드시 복수가 아니어도 되고, 1개여도 로직 회로(32)와 전기적으로 접속이 가능하다. 제2 기판(20) 및 제3 기판(30)은, 패드 전극(66, 67)끼리의 접합에 의해, 서로 전기적으로 접속되어 있다. 전송 트랜지스터 TR의 게이트(전송 게이트 TG)는, 접속 배선(58) 및 패드 전극(66, 67)을 통해, 로직 회로(32)에 전기적으로 접속되어 있다. 제3 기판(30)은, 반도체 기판(21)의 표면측에 반도체 기판(31)의 표면을 향해서 제2 기판(20)에 접합되어 있다.
도 3, 도 4에 도시한 바와 같이, 제1 기판(10)과 제2 기판(20)은, 접속 배선(54, 58)에 의해 서로 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 도 3, 도 4에 도시한 바와 같이, 제2 기판(20)과 제3 기판(30)은, 패드 전극(66, 67)끼리의 접합에 의해 서로 전기적으로 접속되어 있다. 여기서, 읽어내기 회로(22)는 제2 기판(20)에 형성되고, 로직 회로(32)는 제3 기판(30)에 형성되어 있다. 이에 의해, 제2 기판(20)과 제3 기판(30)을 서로 전기적으로 접속하기 위한 구조를, 제1 기판(10)과 제2 기판(20)을 서로 전기적으로 접속하기 위한 구조와 비교해서, 배치나 접속을 위한 콘택트의 수 등을 보다 자유로운 레이아웃으로 형성하는 것이 가능하다. 따라서, 제2 기판(20)과 제3 기판(30)을 서로 전기적으로 접속하기 위한 구조로서, 패드 전극(66, 67)끼리의 접합을 사용할 수 있다.
[제조 방법]
이어서, 고체 촬상 소자(1)의 제조 방법에 대해서 설명한다.
먼저, 반도체 기판(11)에, p웰층(42)이나, 소자 분리부(43), p웰층(44)을 형성한다. 이어서, 반도체 기판(11)에, 포토다이오드 PD, 전송 트랜지스터 TR(전송 게이트 TRG) 및 플로팅 디퓨전 FD를 형성한다(도 7a). 이에 의해, 반도체 기판(11)에, 센서 화소(12)가 형성된다. 그 후, 반도체 기판(11) 상에 절연층(46a)을 형성한다(도 7b). 이때, 절연층(46a) 중, 절연층(46a)의 바로 위에, 절연층(46a)의 표면이 노출되는 개구부 H1을 형성한다.
이어서, 개구부 H1을 포함하는 절연층(46a)의 표면에 대하여 접속 배선(57)을 형성한다(도 7c). 계속해서, 접속 배선(57)을 매립하도록 해서 절연층(46b)을 형성한다(도 7d). 이에 의해, 반도체 기판(11) 상에 절연층(46)이 형성된다. 이어서, 절연층(46)의 표면에, 읽어내기 회로(22)가 형성된 반도체 기판(21)을 배치한다(도 7e). 이어서, 반도체 기판(21)의 소정의 개소에 개구부 H2, H3을 형성한다(도 7f). 이어서, 개구부 H2, H3을 포함하는 표면에 대하여 절연층(52a)를 형성한 후, 절연층(52a) 중, 개구부 H3을 매립하는 개소에, 개구부 H3을 관통하는 개구부 H4를 형성한다(도 7g). 개구부 H4의 저면에는, 접속 배선(57)이 노출되어 있다.
이어서, 개구부 H4를 매립하도록 해서 접속 배선(58)을 형성한다(도 7h). 이어서, 접속 배선(58)을 포함하는 표면에 대하여 절연층(52b)을 형성한다. 이에 의해, 반도체 기판(21) 상에 절연층(52)이 형성된다. 이어서, 절연층(52) 중, 개구부 H2를 매립하는 개소에, 개구부 H2를 관통하는 개구부 H5를 형성한다(도 7i). 개구부 H5의 저면에는, 접속부(53)가 노출되어 있다. 이어서, 개구부 H5를 매립하도록 해서 접속 배선(54)를 형성한다(도 7j). 이어서, 절연층(52)의 표면에, 접속 배선(54)에 접하는 접속 배선(65)을 형성한다(도 7k). 그 후, 배선층(61)을 형성하고, 배선층(61) 상에 제3 기판(30)을 접합한다. 이와 같이 해서, 고체 촬상 소자(1)가 제조된다.
[효과]
이어서, 본 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자(1)의 효과에 대해서 설명한다.
종래, 2차원 구조의 고체 촬상 소자의 1화소당 면적의 미세화는, 미세 프로세스의 도입과 실장 밀도의 향상에 의해 실현되어 왔다. 근년, 고체 촬상 소자의 가일층의 소형화 및 화소의 고밀도화를 실현하기 위해서, 3차원 구조의 고체 촬상 소자가 개발되고 있다. 3차원 구조의 고체 촬상 소자에서는, 예를 들어 복수의 광전 변환부를 갖는 반도체 기판과, 각 광전 변환부에서 얻어진 전하의 레벨에 따른 전압의 신호를 생성하는 증폭 트랜지스터를 갖는 반도체 기판이 서로 적층되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 그런데, 종래의 고체 촬상 소자에서는, 화소의 고밀도화에 수반하여, 화소 내부의 신호끼리가 서로 간섭하여, 노이즈 특성이 악화될 우려가 있다. 이러한 문제는 고체 촬상 소자에 한하지 않고, 광전 변환 소자 전반에 있어서 발생할 수 있다.
한편, 본 실시 형태에서는, 읽어내기 회로(22)를 구성하는 하나의 트랜지스터(화소 트랜지스터)가, 평면으로 보아, 서로 인접하는 2개의 접속 배선(57)(제1 게이트 배선, 제2 게이트 배선) 사이의 영역(예를 들어, 영역 α1, α2, α3)에 배치되어 있다. 이에 의해, 예를 들어 접속 배선(57)이 화소 트랜지스터의 바로 아래에 배치되어 있는 경우에 비하여, 접속 배선(57)에 인가된 신호가, 화소 트랜지스터에 간섭할 가능성이 저감된다. 그 결과, 화소 트랜지스터의 노이즈 특성의 악화를 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 증폭 트랜지스터 AMP가, 소자 분리부(43) 중, 서로 인접하는 2개의 센서 화소(12)를 구획하는 부분과 대향하는 영역에 마련되어 있다. 이에 의해, 반도체 기판(21)에 있어서, 읽어내기 회로(22)를 형성하기 위한 충분한 스페이스를 확보할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 서로 인접하는 2개의 접속 배선(57)(제1 게이트 배선, 제2 게이트 배선)은, 증폭 트랜지스터 AMP를 사이에 두고 서로 대향하는 제2 방향 H와 교차하는 제1 방향 V로 연장되어 있다. 이에 의해, 예를 들어 접속 배선(57)이 증폭 트랜지스터 AMP의 바로 아래에 배치되어 있는 경우에 비하여, 접속 배선(57)에 인가된 신호가, 증폭 트랜지스터 AMP에 간섭할 가능성이 저감된다. 그 결과, 증폭 트랜지스터 AMP의 노이즈 특성의 악화를 억제할 수 있다.
<2. 변형예>
이하에, 상기 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자(1)의 변형예에 대해서 설명한다.
[변형예 A]
상기 실시 형태에 있어서, 배선층(51)에 있어서의 절연층(46) 내에, 예를 들어 도 8, 도 9, 도 10에 나타낸 바와 같은 도전층(59)이 마련되어 있어도 된다. 또한, 도 9에는, 도 8의 Sec1에 대응하는 개소의 수평 단면 구성예가 나타나 있다. 도 10에는, 도 8의 Sec2에 대응하는 개소의 수평 단면 구성예가 나타나 있다. 도전층(59)은, 증폭 트랜지스터 AMP(특히 증폭 트랜지스터 AMP의 채널 영역)와 대향하는 영역에 마련되어 있다. 이에 의해, 증폭 트랜지스터 AMP는 반도체 기판(11)측으로부터의 신호가 증폭 트랜지스터 AMP에 간섭할 가능성이 저감된다. 그 결과, 증폭 트랜지스터 AMP의 노이즈 특성의 악화를 억제할 수 있다.
또한, 본 변형예에 있어서, 도전층(59)이, 예를 들어 도 8에 도시한 바와 같이, 접속 배선(54)에 접속되어 있어도 된다. 이와 같이 한 경우에는, 접속 배선(54)를 통해 도전층(59)의 전위를 제어할 수 있다. 접속 배선(54)의 전위는, 예를 들어 전원선 VDD의 전위로 되어 있어도 되고, 접지 전위로 되어 있어도 된다.
[변형예 B]
제2 방향 H에 있어서 서로 인접하는 2개의 접속 배선(57) 중 한쪽 접속 배선(57)(제1 게이트 배선)에 착안한다. 이때, 상기 실시 형태 및 그 변형예에 있어서, 제1 게이트 배선이, 예를 들어 도 11, 도 12에 도시한 바와 같이, 제1 게이트 배선이 접속된 센서 화소(12)를 포함하는 복수의 센서 화소(12)의 각각의 전송 트랜지스터 TG의 게이트(전송 게이트 TRG)에 접속되어 있어도 된다. 또한, 제2 방향 H에 있어서 서로 인접하는 2개의 접속 배선(57) 중 다른 쪽 접속 배선(57)(제2 게이트 배선)에 착안한다. 이때, 상기 실시 형태 및 그 변형예에 있어서, 제2 게이트 배선이, 예를 들어 도 11, 도 12에 도시한 바와 같이, 제2 게이트 배선이 접속된 센서 화소(12)를 포함하는 복수의 센서 화소(12)의 각각의 전송 트랜지스터 TG의 게이트(전송 게이트 TRG)에 접속되어 있어도 된다. 이에 의해, 실시 형태 및 그 변형예와 비교해서, 제1 기판(10)과 제2 기판(20)을 서로 전기적으로 접속하는 수직 배선(접속 배선(58))의 수를 저감시킬 수 있다. 그 결과, 반도체 기판(21)에 있어서, 읽어내기 회로(22)를 형성하기 위한 충분한 스페이스를 확보할 수 있다.
[변형예 C]
서로 인접하는 2개의 촬상 화소 중, 한쪽 촬상 화소에 포함되는 센서 화소(12)의 전송 트랜지스터 TR의 게이트를 제1 게이트라 칭하고, 다른 쪽 촬상 화소에 포함되는 센서 화소(12)의 전송 트랜지스터 TR의 게이트를 제2 게이트라 칭하기로 한다. 이때, 상기 실시 형태 및 그 변형예에 있어서, 접속 배선(57)이, 예를 들어 도 13에 도시한 바와 같이, 제1 게이트와 제2 게이트를 서로 접속하도록 구성되어 있어도 된다. 이와 같이 한 경우에는, 센서 화소(12)마다 1개씩 접속 배선(57)을 마련한 경우에 비하여, 접속 배선(57)의 수를 저감시킬 수 있다. 그 결과, 반도체 기판(21)에 있어서, 읽어내기 회로(22)를 형성하기 위한 충분한 스페이스를 확보할 수 있다.
서로 인접하는 2개의 촬상 화소 중, 한쪽 촬상 화소에 포함되는 2개의 센서 화소(12)의 전송 트랜지스터 TR의 게이트를 제3 게이트라 칭하고, 다른 쪽 촬상 화소에 포함되는 2개의 센서 화소(12)의 전송 트랜지스터 TR의 게이트를 제4 게이트라 칭하기로 한다. 이때, 상기 실시 형태 및 그 변형예에 있어서, 2개의 접속 배선(57)이, 예를 들어 도 14에 도시한 바와 같이, 2개의 제3 게이트와 2개의 제4 게이트를 서로 접속하도록 구성되어 있어도 된다. 이와 같이 한 경우에는, 센서 화소(12)마다 1개씩 접속 배선(57)을 마련한 경우에 비하여, 접속 배선(57)의 수를 저감시킬 수 있다. 그 결과, 반도체 기판(21)에 있어서, 읽어내기 회로(22)를 형성하기 위한 충분한 스페이스를 확보할 수 있다.
[변형예 D]
상기 변형예 D에 있어서, 도전층(59)이, 예를 들어 도 15에 도시한 바와 같이, 증폭 트랜지스터 AMP 전체와 대향하는 영역에 마련되어 있어도 된다. 이와 같이 한 경우에는, 반도체 기판(11)측으로부터의 신호가 증폭 트랜지스터 AMP에 간섭할 가능성이 한층 더 저감된다. 그 결과, 증폭 트랜지스터 AMP의 노이즈 특성의 악화를 한층 더 억제할 수 있다.
[변형예 E]
상기 변형예 D에 있어서, 도전층(59)이, 예를 들어 도 16에 도시한 바와 같이, 접속 배선(54) 등의 다른 도전체와 절연 분리되어 있어도 된다. 이때, 도전층(59)은 플로팅이 되어 있다. 이와 같이 한 경우에도, 반도체 기판(11)측으로부터의 신호가 증폭 트랜지스터 AMP에 간섭할 가능성이 저감된다. 그 결과, 증폭 트랜지스터 AMP의 노이즈 특성의 악화를 억제할 수 있다.
[변형예 E]
상기 실시 형태 및 그 변형예에 있어서, 1개의 읽어내기 회로(22)가, 예를 들어 도 17에 도시한 바와 같이, 1개의 센서 화소(12)만 접속되어 있어도 된다. 이와 같이 한 경우에도, 상기 실시 형태 및 그 변형예와 마찬가지로, 접속 배선(57)에 인가된 신호가, 화소 트랜지스터에 간섭할 가능성이 저감된다. 그 결과, 화소 트랜지스터의 노이즈 특성의 악화를 억제할 수 있다.
[변형예 F]
상기 실시 형태 및 그 변형예에 있어서, 증폭 트랜지스터 AMP가 FinFET에 의해 구성되어 있어도 된다. 증폭 트랜지스터 AMP는, 예를 들어 도 18에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(21)에 대한 선택 에칭에 의해 형성된 개구의 내측면 내에 채널 영역, 소스 영역 및 드레인 영역을 갖고 있다. 즉, 증폭 트랜지스터 AMP는 반도체 기판(21)의 표면과 교차하는 면 내에 채널 영역, 소스 영역 및 드레인 영역을 갖고 있다. 증폭 트랜지스터 AMP는, 추가로 채널 영역에 접하는 게이트 절연막(82)을 갖고 있고, 이 게이트 절연막(82)을 통해 채널 영역과 대향하는 게이트 전극(81)을 갖고 있다. 이와 같이, 증폭 트랜지스터 AMP가 FinFET에 의해 구성되어 있는 경우에도, 상기 실시 형태 및 그 변형예와 마찬가지로, 접속 배선(57)에 인가된 신호가, 화소 트랜지스터에 간섭할 가능성이 저감된다. 그 결과, 화소 트랜지스터의 노이즈 특성의 악화를 억제할 수 있다.
<3. 적용예>
도 19는 상기 실시 형태 및 그 변형예에 관한 고체 촬상 소자(1)를 구비한 촬상 시스템(2)의 개략 구성의 일례를 나타낸 것이다.
촬상 시스템(2)은, 예를 들어 디지털 스틸 카메라나 비디오 카메라 등의 촬상 장치나, 스마트폰이나 태블릿형 단말기 등의 휴대 단말 장치 등의 전자 기기이다. 촬상 시스템(2)은, 예를 들어 상기 실시 형태 및 그 변형예에 관한 고체 촬상 소자(1), 광학계(141), 셔터 장치(142), 제어 회로(143), DSP 회로(144), 프레임 메모리(145), 표시부(146), 기억부(147), 조작부(148) 및 전원부(149)를 구비하고 있다. 촬상 시스템(2)에 있어서, 상기 실시 형태 및 그 변형예에 관한 고체 촬상 소자(1), DSP 회로(144), 프레임 메모리(145), 표시부(146), 기억부(147), 조작부(148) 및 전원부(149)는, 버스 라인(150)을 통해 서로 접속되어 있다.
광학계(141)는 1매 또는 복수매의 렌즈를 갖고 구성되며, 피사체로부터의 광(입사광)을 고체 촬상 소자(1)로 유도하여, 고체 촬상 소자(1)의 수광면에 결상시킨다. 셔터 장치(142)는 광학계(141) 및 고체 촬상 소자(1) 사이에 배치되고, 제어 회로(143)의 제어에 따라, 고체 촬상 소자(1)에 대한 광 조사 기간 및 차광 기간을 제어한다. 고체 촬상 소자(1)는 광학계(141) 및 셔터 장치(142)를 통해 수광면에 결상되는 광에 따라, 일정 기간, 신호 전하를 축적한다. 고체 촬상 소자(1)에 축적된 신호 전하는, 화소 신호(화상 데이터)로서, 제어 회로(143)로부터 공급되는 구동 신호(타이밍 신호)에 따라서 DSP 회로(144)로 전송된다. 즉, 고체 촬상 소자(1)는, 광학계(141) 및 셔터 장치(142)를 통해 입사된 상광(像光)(입사광)을 수광하고, 수광한 상광(입사광)에 따른 화소 신호를 DSP 회로(144)에 출력한다. 제어 회로(143)는, 고체 촬상 소자(1)의 전송 동작, 및 셔터 장치(142)의 셔터 동작을 제어하는 구동 신호를 출력하여, 고체 촬상 소자(1) 및 셔터 장치(142)를 구동한다.
DSP 회로(144)는, 고체 촬상 소자(1)로부터 출력되는 화소 신호(화상 데이터)를 처리하는 신호 처리 회로이다. 프레임 메모리(145)는 DSP 회로(144)에 의해 처리된 화상 데이터를, 프레임 단위로 일시적으로 보유한다. 표시부(146)는, 예를 들어 액정 패널이나 유기 EL(Electro Luminescence) 패널 등의 패널형 표시 장치로 이루어지고, 고체 촬상 소자(1)에 의해 촬상된 동화상 또는 정지 화상을 표시한다. 기억부(147)는 고체 촬상 소자(1)에 의해 촬상된 동화상 또는 정지 화상의 화상 데이터를, 반도체 메모리나 하드 디스크 등의 기록 매체에 기록한다. 조작부(148)는 유저에 의한 조작에 따라, 촬상 시스템(2)이 갖는 각종 기능에 관한 조작 지령을 발한다. 전원부(149)는 고체 촬상 소자(1), DSP 회로(144), 프레임 메모리(145), 표시부(146), 기억부(147) 및 조작부(148)의 동작 전원이 되는 각종 전원을, 이들 공급 대상에 대하여 적절히 공급한다.
본 적용예에서는, 상기 실시 형태 및 그 변형예에 관한 고체 촬상 소자(1)가 촬상 시스템(2)에 적용된다. 이에 의해, 고체 촬상 소자(1)를 소형화 혹은 고정밀화할 수 있으므로, 소형 혹은 고정밀의 촬상 시스템(2)을 제공할 수 있다.
<4. 응용예>
[응용예 1]
본 개시에 관한 기술(본 기술)은, 여러 제품에 응용할 수 있다. 예를 들어, 본 개시에 관한 기술은 자동차, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 자동 이륜차, 자전거, 퍼스널 모빌리티, 비행기, 드론, 선박, 로봇 등의 어느 종류의 이동체에 탑재되는 장치로서 실현되어도 된다.
도 20은 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 이동체 제어 시스템의 일례인 차량 제어 시스템의 개략적인 구성예를 도시하는 블록도이다.
차량 제어 시스템(12000)은, 통신 네트워크(12001)를 통해 접속된 복수의 전자 제어 유닛을 구비한다. 도 20에 나타낸 예에서는, 차량 제어 시스템(12000)은, 구동계 제어 유닛(12010), 보디계 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, 마이크로컴퓨터(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 관련된 장치의 동작을 제어한다. 예를 들어, 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.
보디계 제어 유닛(12020)은, 각종 프로그램에 따라서 차체에 장비된 각종 장치의 동작을 제어한다. 예를 들어, 보디계 제어 유닛(12020)은 키리스 엔트리 시스템, 스마트 키 시스템, 파워 윈도우 장치, 혹은 헤드 램프, 백 램프, 브레이크 램프, 방향 지시등 또는 포그 램프 등의 각종 램프의 제어 장치로서 기능한다. 이 경우, 보디계 제어 유닛(12020)에는, 키를 대체하는 휴대기로부터 발신되는 전파 또는 각종 스위치의 신호가 입력될 수 있다. 보디계 제어 유닛(12020)은, 이들의 전파 또는 신호의 입력을 접수하고, 차량의 도어록 장치, 파워 윈도우 장치, 램프 등을 제어한다.
차외 정보 검출 유닛(12030)은, 차량 제어 시스템(12000)을 탑재한 차량의 외부의 정보를 검출한다. 예를 들어, 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 기초하여, 사람, 차, 장애물, 표지 또는 노면상의 문자 등의 물체 검출 처리 또는 거리 검출 처리를 행해도 된다.
촬상부(12031)는 광을 수광하고, 그 광의 수광량에 따른 전기 신호를 출력하는 광 센서이다. 촬상부(12031)는 전기 신호를 화상으로서 출력할 수도 있고, 측거의 정보로서 출력할 수도 있다. 또한, 촬상부(12031)가 수광하는 광은, 가시광이여도 되고, 적외선 등의 비가시광이어도 된다.
차내 정보 검출 유닛(12040)은 차내의 정보를 검출한다. 차내 정보 검출 유닛(12040)에는, 예를 들어 운전자의 상태를 검출하는 운전자 상태 검출부(12041)가 접속된다. 운전자 상태 검출부(12041)는, 예를 들어 운전자를 촬상하는 카메라를 포함하고, 차내 정보 검출 유닛(12040)은, 운전자 상태 검출부(12041)로부터 입력되는 검출 정보에 기초하여, 운전자의 피로 정도 또는 집중 정도를 산출해도 되고, 운전자가 졸고 있는지 아닌지를 판별해도 된다.
마이크로컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득되는 차내외의 정보에 기초하여, 구동력 발생 장치, 스티어링 기구 또는 제동 장치의 제어 목표값을 연산하고, 구동계 제어 유닛(12010)에 대하여 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들어, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차량의 충돌 회피 혹은 충격 완화, 차간 거리에 기초한 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 수 있다.
또한, 마이크로컴퓨터(12051)는 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득되는 차량의 주위 정보에 기초하여 구동력 발생 장치, 스티어링 기구 또는 제동 장치 등을 제어함으로써, 운전자의 조작에 따르지 않고 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
또한, 마이크로컴퓨터(12051)는 차외 정보 검출 유닛(12030)에서 취득되는 차외의 정보에 기초하여, 보디계 제어 유닛(12020)에 대하여 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들어, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030)에서 검지한 선행차 또는 대향 차의 위치에 따라서 헤드 램프를 제어하여, 하이 빔을 로우 빔으로 전환하는 등의 방현을 도모하는 것을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
음성 화상 출력부(12052)는 차량의 탑승자 또는 차외에 대하여, 시각적 또는 청각적으로 정보를 통지하는 것이 가능한 출력 장치에 음성 및 화상 중 적어도 한쪽 출력 신호를 송신한다. 도 20의 예에서는, 출력 장치로서, 오디오 스피커(12061), 표시부(12062) 및 인스트루먼트 패널(12063)이 예시되어 있다. 표시부(12062)는, 예를 들어 온보드 디스플레이 및 헤드업 디스플레이의 적어도 하나를 포함하고 있어도 된다.
도 21은 촬상부(12031)의 설치 위치의 예를 나타내는 도면이다.
도 21에서는, 차량(12100)은 촬상부(12031)로서, 촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)를 갖는다.
촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)는, 예를 들어 차량(12100)의 프론트 노즈, 사이드미러, 리어 범퍼, 백 도어 및 차실 내의 프론트 글래스의 상부 등의 위치에 마련된다. 프론트 노즈에 구비되는 촬상부(12101) 및 차실 내의 프론트 글래스의 상부에 구비되는 촬상부(12105)는, 주로 차량(12100)의 전방 화상을 취득한다. 사이드미러에 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 취득되는 전방의 화상은, 주로 선행차량 또는, 보행자, 장애물, 신호기, 교통 표지 또는 차선 등의 검출에 사용된다.
또한, 도 21에는, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬영 범위의 일례가 나타나 있다. 촬상 범위(12111)는, 프론트 노즈에 마련된 촬상부(12101)의 촬상 범위를 나타내고, 촬상 범위(12112, 12113)는, 각각 사이드미러에 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 들어, 촬상부(12101 내지 12104)에서 촬상된 화상 데이터를 중첩할 수 있는 것에 의해, 차량(12100)을 상방으로부터 본 부감 화상이 얻어진다.
촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 거리 정보를 취득하는 기능을 갖고 있어도 된다. 예를 들어, 촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 복수의 촬상 소자로 이루어지는 스테레오 카메라여도 되고, 위상차 검출용 화소를 갖는 촬상 소자여도 된다.
예를 들어, 마이크로컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어진 거리 정보를 기초로, 촬상 범위(12111 내지 12114) 내에 있어서의 각 입체물까지의 거리와, 이 거리의 시간적 변화(차량(12100)에 대한 상대 속도)를 구함으로써, 특히 차량(12100)의 진행로 상에 있는 가장 가까운 입체물에서, 차량(12100)과 대략 동일한 방향으로 소정의 속도(예를 들어, 0km/h 이상)로 주행하는 입체물을 선행차로서 추출할 수 있다. 또한, 마이크로컴퓨터(12051)는 선행차의 직전에 미리 확보해야 할 차간 거리를 설정하고, 자동 브레이크 제어(추종 정지 제어도 포함한다)나 자동 가속 제어(추종 발진 제어도 포함한다) 등을 행할 수 있다. 이와 같이 운전자의 조작에 따르지 않고 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
예를 들어, 마이크로컴퓨터(12051)는 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어진 거리 정보를 바탕으로, 입체물에 관한 입체물 데이터를, 이륜차, 보통 차량, 대형 차량, 보행자, 전주 등 기타 입체물로 분류해서 추출하고, 장애물의 자동 회피에 사용할 수 있다. 예를 들어, 마이크로컴퓨터(12051)는 차량(12100)의 주변의 장애물을, 차량(12100)의 드라이버가 시인 가능한 장애물과 시인 곤란한 장애물로 식별한다. 그리고, 마이크로컴퓨터(12051)는, 각 장애물과의 충돌의 위험도를 나타내는 충돌 리스크를 판단하고, 충돌 리스크가 설정값 이상으로 충돌 가능성이 있는 상황일 때에는, 오디오 스피커(12061)나 표시부(12062)를 통해 드라이버에 경보를 출력하는 것이나, 구동계 제어 유닛(12010)을 통해 강제 감속이나 회피 조타를 행함으로써, 충돌 회피를 위한 운전 지원을 행할 수 있다.
촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 적외선을 검출하는 적외선 카메라여도 된다. 예를 들어, 마이크로컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재하는지의 여부를 판정함으로써 보행자를 인식할 수 있다. 이러한 보행자의 인식은, 예를 들어 적외선 카메라로서의 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상에 있어서의 특징점을 추출하는 수순과, 물체의 윤곽을 나타내는 일련의 특징점에 패턴 매칭 처리를 행하여 보행자인지 아닌지를 판별하는 수순에 의해 행해진다. 마이크로컴퓨터(12051)가, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재한다고 판정하고, 보행자를 인식하면, 음성 화상 출력부(12052)는, 당해 인식된 보행자에 강조를 위한 사각형 윤곽선을 중첩 표시하도록, 표시부(12062)를 제어한다. 또한, 음성 화상 출력부(12052)는, 보행자를 나타내는 아이콘 등을 원하는 위치에 표시하도록 표시부(12062)를 제어해도 된다.
이상, 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 이동체 제어 시스템의 일례에 대해서 설명했다. 본 개시에 관한 기술은, 이상 설명한 구성 중, 촬상부(12031)에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 상기 실시 형태 및 그 변형예에 관한 고체 촬상 소자(1)는, 촬상부(12031)에 적용할 수 있다. 촬상부(12031)에 본 개시에 관한 기술을 적용함으로써, 촬상부(12031)의 효율 변환의 저하를 억제할 수 있으므로, 고화질의 이동체 제어 시스템을 제공할 수 있다.
[응용예 2]
도 22는 본 개시에 관한 기술(본 기술)이 적용될 수 있는 내시경 수술 시스템의 개략적인 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 22에서는, 시술자(의사)(11131)가, 내시경 수술 시스템(11000)을 사용해서, 환자 침대(11133) 위의 환자(11132)에게 수술을 행하고 있는 모습이 도시되어 있다. 도시한 바와 같이, 내시경 수술 시스템(11000)은, 내시경(11100)과, 기복 튜브(11111)나 에너지 처치구(11112) 등의, 기타 수술 도구(11110)와, 내시경(11100)을 지지하는 지지 암 장치(11120)와, 내시경 하 수술을 위한 각종 장치가 탑재된 카트(11200)로 구성된다.
내시경(11100)은 선단으로부터 소정의 길이의 영역이 환자(11132)의 체강 내에 삽입되는 경통(11101)과, 경통(11101)의 기단에 접속되는 카메라 헤드(11102)로 구성된다. 도시하는 예에서는, 경성의 경통(11101)을 갖는 소위 경성 거울로서 구성되는 내시경(11100)을 도시하고 있지만, 내시경(11100)은, 연성의 경통을 갖는 소위 연성 거울로서 구성되어도 된다.
경통(11101)의 선단에는, 대물 렌즈가 끼워 넣어진 개구부가 마련되어 있다. 내시경(11100)에는 광원 장치(11203)가 접속되어 있고, 당해 광원 장치(11203)에 의해 생성된 광이, 경통(11101)의 내부에 연장 설치되는 라이트 가이드에 의해 당해 경통의 선단까지 도광되어, 대물 렌즈를 통해 환자(11132)의 체강 내 관찰 대상을 향해서 조사된다. 또한, 내시경(11100)은 직시경이어도 되고, 사시경 또는 측시경이어도 된다.
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 광전 변환되어, 관찰광에 대응하는 전기 신호, 즉 관찰 상에 대응하는 화상 신호가 생성된다. 당해 화상 신호는, RAW 데이터로서 카메라 콘트롤 유닛(CCU: Camera Control Unit)(11201)으로 송신된다.
CCU(11201)는 CPU(Central Processing Unit)나 GPU(Graphics Processing Unit) 등으로 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 대하여, 예를 들어 현상 처리(디모자이크 처리) 등의, 당해 화상 신호에 기초한 화상을 표시하기 위한 각종 화상 처리를 실시한다.
표시 장치(11202)는 CCU(11201)로부터의 제어에 의해, 당해 CCU(11201)에 의해 화상 처리가 실시된 화상 신호에 기초한 화상을 표시한다.
광원 장치(11203)는, 예를 들어 LED(Light Emitting Diode) 등의 광원으로 구성되어, 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 통해, 내시경 수술 시스템(11000)에 대하여 각종 정보의 입력이나 지시 입력을 행할 수 있다. 예를 들어, 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 밀봉 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 부풀리기 위해, 기복 튜브(11111)를 통해 당해 체강 내로 가스를 보낸다. 레코더(11207)는 수술에 관한 각종 정보를 기록 가능한 장치이다. 프린터(11208)는, 수술에 관한 각종 정보를, 텍스트, 화상 또는 그래프 등 각종 형식으로 인쇄 가능한 장치이다.
또한, 내시경(11100)에 수술부를 촬영할 때의 조사광을 공급하는 광원 장치(11203)는, 예를 들어 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)에 있어서 촬상 화상의 화이트 밸런스 조정을 행할 수 있다. 또한, 이 경우에는, RGB 레이저 광원 각각으로부터의 레이저광을 시분할로 관찰 대상으로 조사하고, 그 조사 타이밍에 동기해서 카메라 헤드(11102)의 촬상 소자 구동을 제어함으로써, 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 된다. 그 광의 강도의 변경의 타이밍에 동기해서 카메라 헤드(11102)의 촬상 소자 구동을 제어해서 시분할로 화상을 취득하고, 그 화상을 합성함으로써, 소위 검게 뭉개짐 및 화이트 아웃이 없는 고다이내믹 레인지의 화상을 생성할 수 있다.
또한, 광원 장치(11203)는 특수 광 관찰에 대응한 소정의 파장 대역의 광을 공급 가능하게 구성되어도 된다. 특수 광 관찰에서는, 예를 들어 체조직에 있어서의 광의 흡수의 파장 의존성을 이용하여, 통상의 관찰 시에 있어서의 조사광 (즉, 백색광)에 비하여 협대역의 광을 조사함으로써, 점막 표층의 혈관 등의 소정의 조직을 고콘트라스트로 촬영하는, 소위 협대역 광 관찰(Narrow Band Imaging)이 행해진다. 혹은, 특수 광 관찰에서는, 여기광을 조사함으로써 발생하는 형광에 의해 화상을 얻는 형광 관찰이 행해져도 된다. 형광 관찰에서는, 체조직에 여기광을 조사하고 당해 체조직으로부터의 형광을 관찰하는 것(자가 형광 관찰), 또는 인도시아닌그린(ICG) 등의 시약을 체조직에 국소 주사함과 함께 당해 체조직에 그 시약의 형광 파장에 대응한 여기광을 조사하여 형광상을 얻는 것 등을 행할 수 있다. 광원 장치(11203)는, 이러한 특수 광 관찰에 대응한 협대역 광 및/또는 여기광을 공급 가능하게 구성될 수 있다.
도 23은 도 22에 나타내는 카메라 헤드(11102) 및 CCU(11201)의 기능 구성의 일례를 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 도입된 관찰광은, 카메라 헤드(11102)까지 도광되어, 당해 렌즈 유닛(11401)에 입사한다. 렌즈 유닛(11401)은 줌 렌즈 및 포커스 렌즈를 포함하는 복수의 렌즈가 조합되어 구성된다.
촬상부(11402)는 촬상 소자로 구성된다. 촬상부(11402)를 구성하는 촬상 소자는 1개(소위 단판식)여도 되고, 복수(소위 다판식)여도 된다. 촬상부(11402)가 다판식으로 구성되는 경우에는, 예를 들어 각 촬상 소자에 의해 RGB 각각에 대응하는 화상 신호가 생성되고, 그들이 합성됨으로써 컬러 화상이 얻어져도 된다. 혹은, 촬상부(11402)는 3D(Dimensional) 표시에 대응하는 우안용 및 좌안용 화상 신호를 각각 취득하기 위한 1대의 촬상 소자를 갖도록 구성되어도 된다. 3D 표시가 행해짐으로써, 시술자(11131)는 수술부에 있어서의 생체 조직의 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 된다. 예를 들어, 촬상부(11402)는 경통(11101)의 내부에, 대물 렌즈의 직후에 마련되어도 된다.
구동부(11403)는 액추에이터에 의해 구성되고, 카메라 헤드 제어부(11405)로부터의 제어에 의해, 렌즈 유닛(11401)의 줌 렌즈 및 포커스 렌즈를 광축을 따라 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 각종 정보를 송수신하기 위한 통신 장치에 의해 구성된다. 통신부(11404)는 촬상부(11402)로부터 얻은 화상 신호를 RAW 데이터로서 전송 케이블(11400)을 통해 CCU(11201)로 송신한다.
또한, 통신부(11404)는 CCU(11201)로부터, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어하기 위한 제어 신호를 수신하여, 카메라 헤드 제어부(11405)에 공급한다. 당해 제어 신호에는, 예를 들어 촬상 화상의 프레임 레이트를 지정하는 취지의 정보, 촬상 시의 노출값을 지정하는 취지의 정보, 그리고/또는 촬상 화상의 배율 및 초점을 지정하는 취지의 정보 등, 촬상 조건에 관한 정보가 포함된다.
또한, 상기의 프레임 레이트나 노출값, 배율, 초점 등의 촬상 조건은, 유저에 의해 적절히 지정되어도 되고, 취득된 화상 신호에 기초하여 CCU(11201)의 제어부(11413)에 의해 자동적으로 설정되어도 된다. 후자의 경우에는, 소위 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 통해 수신한 CCU(11201)로부터의 제어 신호에 기초하여, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어한다.
통신부(11411)는 카메라 헤드(11102)와의 사이에서 각종 정보를 송수신하기 위한 통신 장치에 의해 구성된다. 통신부(11411)는 카메라 헤드(11102)로부터, 전송 케이블(11400)을 통해 송신되는 화상 신호를 수신한다.
또한, 통신부(11411)는 카메라 헤드(11102)에 대하여, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어하기 위한 제어 신호를 송신한다. 화상 신호나 제어 신호는, 전기 통신이나 광 통신 등에 의해 송신할 수 있다.
화상 처리부(11412)는 카메라 헤드(11102)로부터 송신된 RAW 데이터인 화상 신호에 대하여 각종 화상 처리를 실시한다.
제어부(11413)는 내시경(11100)에 의한 수술부 등의 촬상 및 수술부 등의 촬상에 의해 얻어지는 촬상 화상의 표시에 관한 각종 제어를 행한다. 예를 들어, 제어부(11413)는 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어하기 위한 제어 신호를 생성한다.
또한, 제어부(11413)는 화상 처리부(11412)에 의해 화상 처리가 실시된 화상 신호에 기초하여, 수술부 등이 비친 촬상 화상을 표시 장치(11202)에 표시시킨다. 이때, 제어부(11413)는 각종 화상 인식 기술을 사용해서 촬상 화상 내에 있어서의 각종 물체를 인식해도 된다. 예를 들어, 제어부(11413)는 촬상 화상에 포함되는 물체의 에지의 형상이나 색 등을 검출함으로써, 겸자 등의 수술 도구, 특정한 생체 부위, 출혈, 에너지 처치구(11112)의 사용 시 미스트 등을 인식할 수 있다. 제어부(11413)는 표시 장치(11202)에 촬상 화상을 표시시킬 때, 그 인식 결과를 사용하여, 각종 수술 지원 정보를 당해 수술부의 화상에 중첩 표시시켜도 된다. 수술 지원 정보가 중첩 표시되어, 시술자(11131)에게 제시됨으로써, 시술자(11131)의 부담을 경감하는 것이나, 시술자(11131)가 확실하게 수술을 진행시키는 것이 가능해진다.
카메라 헤드(11102) 및 CCU(11201)를 접속하는 전송 케이블(11400)은 전기 신호의 통신에 대응한 전기 신호 케이블, 광 통신에 대응한 광 파이버, 또는 이들의 복합 케이블이다.
여기서, 도시하는 예에서는, 전송 케이블(11400)을 사용해서 유선으로 통신이 행해지고 있었지만, 카메라 헤드(11102)와 CCU(11201) 사이의 통신은 무선으로 행해져도 된다.
이상, 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 내시경 수술 시스템의 일례에 대해서 설명했다. 본 개시에 관한 기술은, 이상 설명한 구성 중, 내시경(11100)의 카메라 헤드(11102)에 마련된 촬상부(11402)에 적합하게 적용될 수 있다. 촬상부(11402)에 본 개시에 관한 기술을 적용함으로써, 촬상부(11402)의 효율 변환의 저하를 억제할 수 있으므로, 고화질의 내시경(11100)을 제공할 수 있다.
이상, 실시 형태 및 그 변형예, 적용예 그리고 응용예를 들어 본 개시를 설명했지만, 본 개시는 상기 실시 형태 등에 한정되는 것은 아니고, 다양한 변형이 가능하다. 또한, 본 명세서 중에 기재된 효과는, 어디까지나 예시이다. 본 개시의 효과는, 본 명세서 중에 기재된 효과에 한정되는 것은 아니다. 본 개시가, 본 명세서 중에 기재된 효과 이외의 효과를 갖고 있어도 된다.
본 개시는, 예를 들어 촬상 소자에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 반도체 소자에도 적용 가능하다. 예를 들어, 상기 실시 형태 및 그 변형예에 관한 고체 촬상 소자(1)의 구성 요소를, 반도체 소자에 적용하는 것이 가능하다.
또한, 본 개시는, 이하와 같은 구성을 취하는 것도 가능하다.
(1)
화소마다, 광전 변환부와, 상기 광전 변환부에서 발생한 신호 전하가 축적되는 전하 축적부와, 상기 신호 전하를 상기 광전 변환부로부터 상기 전하 축적부로 전송하는 전송 트랜지스터가 마련된 제1 반도체층과,
하나 혹은 복수의 상기 화소마다, 상기 전하 축적부의 상기 신호 전하를 읽어내는 화소 트랜지스터가 설치되고, 또한 상기 제1 반도체층에 적층된 제2 반도체층과,
상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 마련되고, 상기 화소마다, 상기 전송 트랜지스터의 게이트에 접속된 게이트 배선이 절연층 내에 마련된 배선층
을 구비하고,
상기 화소 트랜지스터가, 평면으로 보아, 서로 인접하는 2개의 상기 화소인 제1 화소 및 제2 화소에 있어서의, 상기 제1 화소에 포함되는 상기 전송 트랜지스터의 게이트에 접속된 제1 게이트 배선과, 상기 제2 화소에 포함되는 상기 전송 트랜지스터의 게이트에 접속된 제2 게이트 배선의 사이의 영역에 배치되어 있는
광전 변환 소자.
(2)
상기 화소 트랜지스터는, 상기 신호 전하의 레벨에 따른 신호 전압을 생성하는 증폭 트랜지스터, 상기 전하 축적부의 전위를 소정의 전위로 리셋하는 리셋 트랜지스터, 상기 신호 전압의 출력 타이밍을 제어하는 선택 트랜지스터 및 상기 신호 전하의 변화량에 대한 상기 신호 전압의 감도를 제어하는 변환 트랜지스터 중 적어도 하나인
(1)에 기재된 광전 변환 소자.
(3)
상기 제1 반도체층은, 상기 화소마다, 상기 광전 변환부, 상기 전하 축적부 및 상기 전송 트랜지스터를 분리하는 소자 분리부를 갖고,
상기 화소 트랜지스터는, 상기 증폭 트랜지스터이며, 상기 소자 분리부 중, 상기 제1 화소와 상기 제2 화소를 구획하는 부분과 대향하는 영역에 마련되어 있는
(1)에 기재된 광전 변환 소자.
(4)
상기 제1 게이트 배선 및 상기 제2 게이트 배선은, 상기 화소 트랜지스터를 사이에 두고 서로 대향하는 방향과 교차하는 방향으로 연장되어 있는
(3)에 기재된 광전 변환 소자.
(5)
상기 제1 반도체층은, 상기 화소 트랜지스터와 대향하는 영역에 도전층을 더 갖는
(3)에 기재된 광전 변환 소자.
(6)
상기 배선층은, 상기 전하 축적부와 상기 화소 트랜지스터를 전기적으로 접속하는 수직 배선을 갖고,
상기 도전층은, 상기 수직 배선에 접속되어 있는
(5)에 기재된 광전 변환 소자.
(7)
상기 도전층은, 플로팅이 되어 있는
(5)에 기재된 광전 변환 소자.
(8)
상기 제1 게이트 배선은, 상기 제1 화소를 포함하는 복수의 상기 화소의 각각의 상기 전송 트랜지스터의 게이트에 접속되고,
상기 제2 게이트 배선은, 상기 제2 화소를 포함하는 복수의 상기 화소의 각각의 상기 전송 트랜지스터의 게이트에 접속되어 있는
(4)에 기재된 광전 변환 소자.
(9)
광전 변환 소자를 구비하고,
상기 광전 변환 소자는,
화소마다, 광전 변환부와, 상기 광전 변환부에서 발생한 신호 전하가 축적되는 전하 축적부와, 상기 신호 전하를 상기 광전 변환부로부터 상기 전하 축적부로 전송하는 전송 트랜지스터가 마련된 제1 반도체층과,
하나 혹은 복수의 상기 화소마다, 상기 전하 축적부의 상기 신호 전하를 읽어내는 화소 트랜지스터가 설치되고, 또한 상기 제1 반도체층에 적층된 제2 반도체층과,
상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 마련되고, 상기 화소마다, 상기 전송 트랜지스터의 게이트에 접속된 게이트 배선이 절연층 내에 마련된 배선층
을 갖고,
상기 화소 트랜지스터가, 평면으로 보아, 서로 인접하는 2개의 상기 화소인 제1 화소 및 제2 화소에 있어서의, 상기 제1 화소에 포함되는 상기 전송 트랜지스터의 게이트에 접속된 제1 게이트 배선과, 상기 제2 화소에 포함되는 상기 전송 트랜지스터의 게이트에 접속된 제2 게이트 배선의 사이의 영역에 배치되어 있는
전자 기기.
본 개시의 제1 측면에 관한 광전 변환 소자 및 본 개시의 제2 측면에 관한 전자 기기에서는, 화소 트랜지스터가, 평면으로 보아, 제1 게이트 배선과 제2 게이트 배선 사이의 영역에 배치되어 있다. 이에 의해, 예를 들어 제1 게이트 배선이나 제2 게이트 배선이 화소 트랜지스터의 바로 아래에 배치되어 있는 경우에 비하여, 제1 게이트 배선이나 제2 게이트 배선에 인가된 신호가 화소 트랜지스터에 간섭할 가능성이 저감된다. 그 결과, 화소 트랜지스터의 노이즈 특성의 악화를 억제할 수 있다. 또한, 본 기술의 효과는, 여기에 기재된 효과에 반드시 한정되지 않고, 본 명세서 중에 기재된 어느 효과여도 된다.
본 출원은, 일본특허청에 있어서 2021년 2월 12일에 출원된 일본특허출원 번호 제2021-020561호를 기초로 해서 우선권을 주장하는 것이며, 이 출원의 모든 내용을 참조에 의해 본 출원에 원용한다.
당업자이면 설계상의 요건이나 다른 요인에 따라, 다양한 수정, 콤비네이션, 서브 콤비네이션 및 변경을 상도할 수 있지만, 그들은 첨부의 청구범위나 그 균등물의 범위에 포함되는 것인 것이 이해된다.

Claims (9)

  1. 화소마다, 광전 변환부와, 상기 광전 변환부에서 발생한 신호 전하가 축적되는 전하 축적부와, 상기 신호 전하를 상기 광전 변환부로부터 상기 전하 축적부로 전송하는 전송 트랜지스터가 마련된 제1 반도체층과,
    하나 혹은 복수의 상기 화소마다, 상기 전하 축적부의 상기 신호 전하를 읽어내는 화소 트랜지스터가 설치되고, 또한 상기 제1 반도체층에 적층된 제2 반도체층과,
    상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 마련되고, 상기 화소마다, 상기 전송 트랜지스터의 게이트에 접속된 게이트 배선이 절연층 내에 마련된 배선층
    을 구비하고,
    상기 화소 트랜지스터가, 평면으로 보아, 서로 인접하는 2개의 상기 화소인 제1 화소 및 제2 화소에 있어서의, 상기 제1 화소에 포함되는 상기 전송 트랜지스터의 게이트에 접속된 제1 게이트 배선과, 상기 제2 화소에 포함되는 상기 전송 트랜지스터의 게이트에 접속된 제2 게이트 배선의 사이의 영역에 배치되어 있는,
    광전 변환 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화소 트랜지스터는, 상기 신호 전하의 레벨에 따른 신호 전압을 생성하는 증폭 트랜지스터, 상기 전하 축적부의 전위를 소정의 전위로 리셋하는 리셋 트랜지스터, 상기 신호 전압의 출력 타이밍을 제어하는 선택 트랜지스터 및 상기 신호 전하의 변화량에 대한 상기 신호 전압의 감도를 제어하는 변환 트랜지스터 중 적어도 하나인, 광전 변환 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체층은, 상기 화소마다, 상기 광전 변환부, 상기 전하 축적부 및 상기 전송 트랜지스터를 분리하는 소자 분리부를 갖고,
    상기 화소 트랜지스터는, 상기 증폭 트랜지스터이며, 상기 소자 분리부 중, 상기 제1 화소와 상기 제2 화소를 구획하는 부분과 대향하는 영역에 마련되어 있는, 광전 변환 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 게이트 배선 및 상기 제2 게이트 배선은, 상기 화소 트랜지스터를 사이에 두고 서로 대향하는 방향과 교차하는 방향으로 연장되어 있는, 광전 변환 소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 반도체층은, 상기 화소 트랜지스터와 대향하는 영역에 도전층을 더 갖는, 광전 변환 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배선층은, 상기 전하 축적부와 상기 화소 트랜지스터를 전기적으로 접속하는 수직 배선을 갖고,
    상기 도전층은, 상기 수직 배선에 접속되어 있는, 광전 변환 소자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 도전층은, 플로팅이 되어 있는, 광전 변환 소자.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제1 게이트 배선은, 상기 제1 화소를 포함하는 복수의 상기 화소의 각각의 상기 전송 트랜지스터의 게이트에 접속되고,
    상기 제2 게이트 배선은, 상기 제2 화소를 포함하는 복수의 상기 화소의 각각의 상기 전송 트랜지스터의 게이트에 접속되어 있는, 광전 변환 소자.
  9. 광전 변환 소자를 구비하고,
    상기 광전 변환 소자는,
    화소마다, 광전 변환부와, 상기 광전 변환부에서 발생한 신호 전하가 축적되는 전하 축적부와, 상기 신호 전하를 상기 광전 변환부로부터 상기 전하 축적부로 전송하는 전송 트랜지스터가 마련된 제1 반도체층과,
    하나 혹은 복수의 상기 화소마다, 상기 전하 축적부의 상기 신호 전하를 읽어내는 화소 트랜지스터가 설치되고, 또한 상기 제1 반도체층에 적층된 제2 반도체층과,
    상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 마련되고, 상기 화소마다, 상기 전송 트랜지스터의 게이트에 접속된 게이트 배선이 절연층 내에 마련된 배선층
    을 갖고,
    상기 화소 트랜지스터가, 평면으로 보아, 서로 인접하는 2개의 상기 화소인 제1 화소 및 제2 화소에 있어서의, 상기 제1 화소에 포함되는 상기 전송 트랜지스터의 게이트에 접속된 제1 게이트 배선과, 상기 제2 화소에 포함되는 상기 전송 트랜지스터의 게이트에 접속된 제2 게이트 배선의 사이의 영역에 배치되어 있는,
    전자 기기.
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