TWI667921B - Solid-state imaging device, method of manufacturing solid-state imaging device, and electronic device - Google Patents

Solid-state imaging device, method of manufacturing solid-state imaging device, and electronic device Download PDF

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Abstract

固態攝影裝置100，具有感光部210，包含行列狀配置的畫素部211以及以行單位轉送畫素部的信號電荷之電荷轉送部212；複數的電荷儲存部220，儲存感光部的複數的電荷轉送部轉送的信號電荷；中繼部240，中繼複數的電荷轉送部轉送的信號電荷往各電荷儲存部轉送；輸出部230，輸出複數的電荷儲存部的信號電荷作為電信號；第1基板110，形成感光部210；以及第2基板120，形成電荷儲存部220以及輸出部230；其中，第1基板與第2基板疊層，中繼部240在感光部的感光區域外經由通過基板的連接部電氣結合第1基板的電荷轉送部與第2基板的電荷儲存部。

Description

固態攝影裝置、固態攝影裝置的製造方法以及電子機器
本發明係關於檢測光並使用使電荷產生的光電轉換元件之固態攝影裝置、固態攝影裝置的製造方法以及電子機器。
檢測光並使用使電荷產生的光電轉換元件之固態攝影裝置(影像感應器)，實際使用提供CCD(電荷耦合元件)影像感應器或CMOS(互補式金屬氧化半導體)影像感應器。
CCD影像感應器及CMOS影像感應器，廣泛應用為數位攝影機、影像攝影機、監視攝影機、醫療用內視鏡、個入電腦(PC)、行動電話等的行動終端裝置(可移動機器)等的各種電子機器的一部分。
C CD影像感應器與CMOS影像感應器，使用光電二極體於光電轉換元件，但光電轉換的信號電荷的轉送方式不同。
CCD影像感應器中，垂直轉送部(垂直CCD、VCCD)與水平轉送部(水平CCD、HCCD)轉送信號電荷至輸出部之後轉換為電信號並放大。
相對於此，CMOS影像感應器中，包含光電二極體的每一畫素，放大轉換的電荷並輸出作為讀出信號。
以下，說明關於CCD影像感應器及CMOS影像感應器的基本構成。
第1圖係顯示行間轉送(IT)型CCD影像感應器的基本構成圖。
IT(行間轉送)型CCD影像感應器1，基本上包括感光部2、水平轉送部(水平CCD)3、及輸出部4而構成。
感光部2，具有複數的畫素部21，配置為行列狀，轉換入射光為根據其光量的電荷量之信號電荷；以及垂直轉送部(垂直CCD)22，作為以行單位垂直轉送複數的畫素部21的各信號電荷之遮光的電荷轉送部。
水平CCD3，在水平掃描期間從複數的垂直CCD22依序水平轉送移位的1排信號電荷。
輸出部4，包含轉換轉送的信號電荷為信號電壓之電荷檢測浮遊擴散層的Floating Diffusion(FD：浮遊擴散)，輸出以FD得到的信號至未圖示的信號處理系統。
此IT型的C CD影像感應器1中，垂直CCD作用為類比記憶體，重複線性位移與CCD3的水平轉送，從輸出部4依序輸出全畫素的信號(幀信號)。
此IT型CCD影像感應器1，能夠循序讀出(循序掃描)，但因為以水平CCD3轉送信號電荷，成為高速轉送困難的構造。
第2圖係顯示幀行間轉送(FIT)型CCD影像感應器的基本構成圖。
FIT(幀行間轉送)型CCD影像感應器1A，在IT型 CCD影像感應器1的感光部2的垂直CCD22的輸出段與水平CCD3之間，具有配置遮光的電荷儲存部(儲存部)5的構成。
FIT型CCD影像感應器1A中，從接收來自畫素部21的信號電荷(束)的感光部2的垂直CCD22，以高速幀轉送同時轉送全信號電荷至完全遮光的儲存部5。
於是，FIT型CCD影像感應器1A，因為由垂直CCD22同時轉送感光部2中從畫素部21讀出的信號電荷至儲存部5，相較於第1圖的IT型CCD影像感應器1，可以高速轉送。
但是，FIT型CCD影像感應器1A，因為形成儲存部5，晶片面積變成IT型CCD影像感應器的約2倍左右大。
又，上述CCD影像感應器，具有能夠全畫素同時開始光電荷儲存的全域快門讀出的特徵。
第3圖係顯示CMOS影像感應器的基本構成圖。
CMOS影像感應器1B，基本上包括作為感光部的畫素陣列6、列解碼器(Row Decoder或列掃描電路)7、行解碼器(Column Decoder或是水平掃描電路)8、輸出部(輸出放大器)9及行切換CSW而構成。
又，第3圖中，分別顯示LSL為列掃描線、LSG為信號讀出線、LTR為轉送線。
CMOS影像感應器1B中，畫素陣列部係以包含光電二極體的複數畫素行列狀配置而構成。
CMOS影像感應器1B中，畫素陣列部6的各畫素PXL係由列解碼器7供給的列控制信號(脈衝信號)每列控制。
從畫素PXL輸出至輸出信號線LSG的信號，根據行解碼器8的行掃描，經由行切換CSW傳達至轉送線LTR，從輸出部9輸出至外部。
此CMOS影像感應器1B中，可以高速轉送信號，但變成不能全域快門讀出的構造。
於是，CMOS影像感應器基本上為不能全域快門讀出的構造，但採用疊層構造，提議能夠全域快門讀出的CMOS影像感應器(例如，參照非專利文件1)。
第4圖，係顯示採用疊層構造的CMOS影像感應器的構成例圖。
第4圖的CMOS影像感應器1C，採用第1基板11與第2基板12夾住遮蔽層13的疊層構造。
第1基板11上形成光電二極體(光電轉換元件)陣列部6-1及列掃描電路7的一部分7-1。
於是，第2基板12上，形成儲存節點陣列6-2、列掃描電路7的其餘部分7-2、行緩衝器CBUF、水平掃描電路(行解碼器)8、輸出部9等。
此CMOS影像感應器1C，特徵在於改善一般的CMOS影像感應器的缺點之不能全域快門讀出的缺點。
[先行技術文件] [非專利文件]
[非專利文件1]ISSCC 2013/SESSION 27(第27節)/IMAGE SENSORS(影像感應器)/27.3 “A Rolling-Shutter Distortion-Free 3D Stacked Image Sensor with-160dB Parasitic Light Sensitivity In-Pixel Storage Node(具有-160分貝寄生感光銦畫素儲存節點的滾動快門不失真3維疊層影像感應器)”
以上，說明CCD影像感應器及CMOS影像感應器的基本構成。
上述的CCD影像感應器，具有能夠全畫素同時開始光電荷儲存之全域讀出之特徵。
不過，IT型CCD影像感應器1，雖然能夠全域讀出，但因為以水平CCD3轉送信號電荷，具有高速轉送困難的不利。
FIT型CCD影像感應器1A，相較於IT型CCD影像感應器1，能夠高速轉送，但因為形成儲存部5，晶片面積為IT型CCD影像感應器的約2倍左右大。
相對於此，第3圖的CMOS影像感應器1B，能夠高速轉送信號，但具有不能全域快門讀出的不利。
第4圖的CMOS影像感應器1C，具有改善不能全域快門讀出的缺點之特徵，但有以下所示的不利。
CMOS影像感應器1C，如非專利文件1中所記載，因為是選擇4畫素讀出的構成，嚴密的意義上不能實現全域快門。
於是，CMOS影像感應器1C，不能嚴密實現全域快門，因為不能實現同時讀出，難以完全消去移動體拍攝時的拍攝物模糊。
又，CMOS影像感應器1C，由於結合畫素寄生電容增大，引起檢測增益下降。
起因於此，CMOS影像感應器1C中，全域快門讀出與讀出增益成為取捨，連結很多的畫素讀出是困難的。換言之，CMOS影像感應器1C，畫素相加有限制。
CMOS影像感應器1C，為了形成疊層構造，畫素陣列中必須形成凸塊構造，恐怕引起配置上的限制、或暗電流、白缺陷等的畫素特性惡化。
又，CMOS影像感應器1C，具有kTC雜訊(電容雜訊)增加的缺點。
本發明在於提供小的晶片面積、能夠高速讀出、而且配置上的限制少且能夠抑制白缺陷等的畫素特性惡化之固態攝影裝置、固態攝影裝置的製造方法以及電子機器。
本發明第1觀點的固態攝影裝置，具有感光部，包含行列狀配置的複數的光電轉換元件以及以行或列單位轉送上述複數的光電轉換元件的信號電荷之複數的電荷轉送部；複數的電荷儲存部，儲存上述感光部的上述複數的電荷轉送部轉送的信號電荷；中繼部，中繼上述感光部的上述複數的電荷轉送部轉送的信號電荷往上述各電荷儲存部轉送；輸出部，輸出上述複數的電荷儲存部內儲存的信號電荷作為電信號；第1基板，形成上述感光部；以及第2基板，形成上述電荷儲存部以及上述輸出部；其中，至少上述第1基板與上述第2基板疊層，上述中繼部在上述感光部的感光區域外經由通過 基板的連接部電氣結合上述第1基板上形成的電荷轉送部與上述第2基板上形成的上述電荷儲存部。
本發明第2觀點的固態攝影裝置的製造方法，具有第1形成步驟，在第1基板上形成感光部，包含行列狀配置的複數的光電轉換元件以及以行或列單位轉送上述複數的光電轉換元件的信號電荷之複數的電荷轉送部；第2形成步驟，第2基板上至少形成儲存上述感光部的上述複數的電荷轉送部轉送的信號電荷之複數的電荷儲存部、以及輸出上述複數的電荷儲存部內儲存的信號電荷作為電信號之輸出部；以及連接步驟，在上述第1基板與上述第2基板疊層的狀態下，在上述感光部的感光區域外經由通過基板的連接部電氣連接上述第1基板上形成的電荷轉送部與上述第2基板上形成的上述電荷儲存部。
本發明的第3觀點的電子機器，具有固態攝影裝置、在上述固態攝影裝置的感光部中成像的光學系統、以及處理上述固態攝影裝置的輸出信號的信號處理部；其中，上述固態攝影裝置，具有感光部，包含行列狀配置的複數的光電轉換元件以及以行或列單位轉送上述複數的光電轉換元件的信號電荷之複數的電荷轉送部；複數的電荷儲存部，儲存上述感光部的上述複數的電荷轉送部轉送的信號電荷；中繼部，中繼上述感光部的上述複數的電荷轉送部轉送的信號電荷往上述各電荷儲存部轉送；輸出部，輸出上述複數的電荷儲存部內儲存的信號電荷作為電信號；第1基板，形成上述感光部；以及第2基板，形成上述電荷儲存部以及上述輸出部；其中，至少上 述第1基板與上述第2基板疊層，上述中繼部在上述感光部的感光區域外經由通過基板的連接部電氣結合上述第1基板上形成的電荷轉送部與上述第2基板上形成的上述電荷儲存部。
根據本發明，小的晶片面積能夠高速讀出，而且配置上的限制少，能夠抑制白缺陷等的畫素特性惡化。
又，根據本發明，暗電流特性佳的CCD處理中能夠形成畫素部，又，作為全域快門的畫素能夠微細化。
又，根據本發明，驅動界面可以簡單化，又因為可以省略水平CCD，能夠低消耗電力化。
又，根據本發明，能夠數位輸出化或晶片上信號處理化的多功能化。
100、100A~100G‧‧‧固態攝影裝置
110、110A~110F‧‧‧第1基板
111‧‧‧n型基板(n-SUB)
112‧‧‧p井區(p-WELL)
113‧‧‧n-層
114‧‧‧n+層
115‧‧‧絕緣膜
116‧‧‧轉送電極(轉送閘極)
117‧‧‧絕緣膜
118‧‧‧絕緣膜
120、120A~120G‧‧‧第2基板
121‧‧‧p型基板(p-SUB)
122‧‧‧n井區(n-WELL)
123‧‧‧p井區(p-WELL)
124‧‧‧n-層
125-1‧‧‧n+層
125-2‧‧‧n+層
126‧‧‧絕緣膜
127‧‧‧轉送電極
128‧‧‧p+層
129‧‧‧絕緣膜
130‧‧‧第3基板
140、140-1、140-2‧‧‧貫通孔
150‧‧‧接合部
160‧‧‧接合墊
200、200G‧‧‧攝影元件部
210‧‧‧感光部(攝影部)
210B‧‧‧感光部
211‧‧‧畫素部
212‧‧‧電荷轉送部
212-1~212-n‧‧‧垂直轉送部
213-1~213-4‧‧‧輸出端部
220、220-1~220-8‧‧‧電荷儲存部
221-1~221-4‧‧‧輸入端部
222-1~222-8‧‧‧輸出端部
OG222-1‧‧‧輸出閘
230、230-1~230-4、230B-1~230B-4‧‧‧輸出部
231‧‧‧浮遊擴散層(FD：Floating Diffusion)
232‧‧‧重置閘極(RG)
233‧‧‧重置汲極
234‧‧‧輸出放大器
240、240A~240E‧‧‧中繼部
241-1~241-4、241A、241D‧‧‧貫通孔(連接部、TSV)
242‧‧‧貫通孔
243‧‧‧重置電晶體
RG243‧‧‧重置閘極
RD243‧‧‧重置汲極
250‧‧‧中繼選擇部
251-1~251-4‧‧‧選擇電極
252-1~252-4‧‧‧選擇電極
253-1~253-4‧‧‧水平轉送部(HCCD)
254‧‧‧閘極開路(OG)
255‧‧‧電位斜率部(SL)
260‧‧‧輸出選擇部
261-1~261-8‧‧‧選擇電極
270‧‧‧感應器內核(Sensor Core)
300‧‧‧信號處理部(信號處理及電源部)
310‧‧‧定時產生器(FPGA)
320‧‧‧影像處理電路(影像處理IC)
330‧‧‧電源電路(電源IC)
341‧‧‧類比數位轉換器(ADC)
342‧‧‧串列器
343‧‧‧記憶體
344‧‧‧定時產生器(TG)
345‧‧‧DCDC轉換器(DCDC)
346‧‧‧記憶體
350‧‧‧共用電路
351‧‧‧差動輸出電路
352‧‧‧暫存器控制器
SW1~SW4‧‧‧開關
400A‧‧‧CMOS影像感應器
410‧‧‧支持基板
420‧‧‧畫素部
430‧‧‧信號處理電路
431‧‧‧列解碼器
432‧‧‧行解碼器
433‧‧‧接合墊(Bonding pad)
440‧‧‧晶片
450‧‧‧晶片
500‧‧‧電子機器
510‧‧‧CCD/CMOS疊層型固態攝影裝置
520‧‧‧光學系統(鏡頭等)
530‧‧‧信號處理電路(PRC)
PARA‧‧‧感光區域
EPARA‧‧‧感光區域外的區域
[第1圖]係顯示IT型CCD影像感應器的基本構成圖；[第2圖]顯示FIT型CCD影像感應器的基本構成圖；[第3圖]係顯示CMOS影像感應器的基本構成圖；[第4圖]係顯示採用疊層構造的CMOS影像感應器的構成例圖；[第5圖]係顯示本發明第一實施例的固態攝影裝置的構成例平面展開圖；[第6圖]係顯示本實施例的固態攝影裝置的基板疊層構造的第1例模式圖；[第7圖]係顯示本實施例的固態攝影裝置的基板疊層構造 的第2例模式圖；[第8圖]係用以說明本第一實施例的固態攝影裝置中疊層的第1基板的感光部與第2基板的電荷儲存部的實際配置關係圖；[第9圖]係本實施例的輸出部的構成例圖；[第10圖]係用以說明本實施例疊層的第1基板與第2基板，以及中繼部的具體構成例之簡略剖面圖；[第11圖]係用以說明關於本實施例的第1基板上形成的畫素部採用的縱型過電流(overflow drain)的構成及原理圖；[第12圖]係用以說明關於本實施例中以中繼部轉送信號電荷的動作圖，顯示貫通孔(TSV)區域的寄生電容小的情況下的電荷轉送例圖；[第13圖]係用以說明關於本實施例中以中繼部轉送信號電荷的動作圖，顯示貫通孔(TSV)區域的寄生電容大的情況下的電荷轉送圖；[第14圖]係顯示設定TSV區域在中間電位的一構成例圖；[第15圖]係顯示設置本實施例的疊層的第1基板與第2基板，以及中繼部中設定TSV區域在中間電位的重置電晶體之構成例的簡略剖面圖；[第16圖]係用以說明本發明第二實施例的固態攝影裝置的構成例圖；[第17圖]係顯示包含第二實施例的第1基板側的中繼選擇部之中繼部的第1構成例圖；[第18圖]係顯示包含第二實施例的第1基板側的中繼選擇 部之中繼部的第2構成例圖；[第19圖]係顯示包含第二實施例的第1基板側的中繼選擇部之中繼部的第3構成例圖；[第20圖]係顯示包含第二實施例的第1基板側的中繼選擇部之中繼部的第4構成例圖；[第21圖]係用以說明本發明第三實施例的固態攝影裝置的構成例圖；[第22圖]係用以說明本發明第四實施例的固態攝影裝置的構成例圖；[第23圖]係顯示作為比較例的背面照射型CMOS影像感應器的疊層構造例圖；[第24圖]係用以說明根據CMOS影像感應器的疊層構造之晶片縮小例圖；[第25圖]係顯示非疊層構造的CMOS影像感應器晶片、疊層構造的CMOS影像感應器晶片、以及本實施例的CCD影像感應器晶片的簡略剖面圖；[第26圖]係用以說明本發明第五實施例的固態攝影裝置的構成例圖；[第27圖]係用以說明本發明第六實施例的固態攝影裝置的構成例圖；[第28圖]係顯示作為第六實施例的疊層型CCD影像感應器之固態攝影裝置的驅動信號的時序之一範例圖；[第29圖]係用以說明本發明第七實施例的固態攝影裝置的構成例圖； [第30圖]係用以說明本發明第八實施例的固態攝影裝置的構成例圖；[第31圖]係顯示本發明第八實施例的固態攝影裝置中，實現共用驅動脈衝與輸出信號脈衝端子的構成例圖；[第32圖]係用以說明本發明第八實施例的共用電路的暫存器控制模式時的動作圖；[第33圖]係用以說明本發明第八實施例的共用電路的影像資料串流模式時的動作圖；[第34圖]係用以說明本發明第八實施例的共用電路的暫存器控制模式時以及影像資料串流模式時的動作之時序圖；以及[第35圖]係顯示裝載應用本發明實施例的固態攝影裝置之攝影系統的電子機器構成的一範例圖。
以下，關聯圖面，說明本發明實施例。
[第一實施例]
第5圖係顯示本發明第一實施例的固態攝影裝置的構成例平面展開圖。
第6圖係顯示本實施例的固態攝影裝置的基板疊層構造的第1例模式圖。
第7圖係顯示本實施例的固態攝影裝置的基板疊層構造的第2例模式圖。
第8圖係用以說明本第一實施例的固態攝影裝置中疊層的第1基板的感光部與第2基板的電荷儲存部的實際配置關係 圖。
本固態攝影裝置100，例如可以應用類似FIT(幀行間轉送)型CCD影像感應器或FT(幀轉送)型CCD影像感應器的影像感應器。
以下的說明中，例如以FIT為例說明。
固態攝影裝置100，具有疊層第1基板110、第2基板120及第3基板130的構造。
固態攝影裝置100，例如，如第6及7圖所示，在第3基板130上疊層第2基板120，在第2基板120上疊層第1基板110。
又，疊層的基板，如第6圖所示地黏合，或是如第7圖所示以壓接、微凸塊(Microbump)接合。
於是，各基板間的電氣連接係以作為連接部的貫通孔(Through Silicon Via：TSV)140、微凸塊、壓接等的接合部150實現。
第6圖的範例中，通過貫通疊層的第1基板110、第2基板120及第3基板130的貫通孔140，進行各基板間的電氣連接，貫通孔140的第3基板130側的露出部接合凸塊BMP。
第7圖的範例中，第1基板110中形成貫通孔140-1，第2基板120中形成貫通孔140-2。第1基板110的貫通孔140-1與第2基板120的貫通孔140-2以壓接或微凸塊形成的接合部150接合。於是，接合墊160接合至第1基板110的貫通孔140-1的上面側的露出部。
又，本實施例中，第1基板110及第2基板120中，形成攝影元件部200，包括儲存轉送拍攝得到的信號電荷以及輸出的功能。
本實施例中，影像元件部200，在第1基板110上形成有攝影功能的感光部210，在第2基板120上形成具有電荷儲存功能的電荷儲存部220及輸出部230。
於是，第1基板110與第2基板120之間，中繼感光部210的複數電荷轉送部轉送的電信號往電荷儲存部220轉送之中繼部240，基本上橫跨兩基板形成。
固態攝影裝置100，包括信號處理及電源部(以下，稱作信號處理部)300，控制感光部210、電荷儲存部220、輸出部230等的驅動，還對於從輸出部230輸出的電信號進行既定的處理。
第5圖的信號處理部300，包含以FPGA等形成的定時產生器310、影像處理電路(影像處理IC)320及電源電路(電源IC)330而構成。
又，包含定時產生器310、影像處理電路(影像處理IC)320及電源電路(電源IC)330而構成的信號處理部300，在另外的基板或第2基板120、第3基板130上形成疊層組裝也可以。根據如此的構成，也能夠納入小型攝影系統至單一封裝內。
在第1基板上形成的感光部210，包括畫素部211，包含以行列(m列n行)狀配置的光電轉換元件之光電二極體(PD)；以及垂直轉送部(垂直CCD：VCCD)212(-1~-4)， 係以行(或列)單位轉送複數的畫素部211的光電轉換元件的信號電荷之複數的電荷轉送部。
感光部210中，垂直轉送部212以未圖示的遮光膜遮光，以信號處理部300產生的2相或4相等的轉送脈衝轉送驅動，往行方向轉送畫素部211產生的信號電荷。
又，第5及8圖中，為了簡化圖面，顯示以6列4行的行列狀(m=6，n=4的矩陣狀)配置畫素部211及垂直轉送部212的範例。
第5及8圖中，排列4行的垂直轉送部212-1~212-4。
於是，垂直轉送部212-1~212-4，往第5及8圖中所示的垂直座標系的Y方向轉送信號電荷。
第2基板120上形成的電荷儲存部220，儲存由感光部210的複數的垂直轉送部212-1~212-n(本範例n=4)轉送並由中繼部240中繼的信號電荷。
電荷儲存部220，分別對應第1基板110上形成的n(本範例4)行的垂直轉送部212-1~212-4，配置(本範例4)行的電荷儲存部220-1~220-4。
電荷儲存部220-1~220-4，往Y方向轉送中繼部240中繼的信號電荷。
於是，以中繼部240，中繼感光部210的複數行的垂直轉送部212-1~212-4轉送的信號電荷往電荷儲存部220轉送，第5圖模式顯示，信號電荷沿著圖中往Y方向的流動往一方向Y1，轉送至第1基板110的感光部210與第2基板120的電荷儲存部220及輸出部230之範例。
然而，實際上，如第8圖所示，信號電荷由第1基板110的感光部210的垂直轉送部212-1~212-4，被轉送至往圖下方的Y方向Y1後，在中繼部240中繼後，由第2基板120的電荷儲存部220-1~220-4轉送至與第1基板110反方向的往圖上方的Y方向Y2。
第2基板120中，電荷儲存部220-1~220-4的一端部形成輸入端部221-1~221-4，另一端部形成與輸出部230-1~230-4連接的輸出端部222-1~222-4。
電荷儲存部220-1~220-4的輸入端部221-1~221-4，由中繼部240以連接部(241-1~241-4)與位於垂直轉送部212-1~212-4的感光區域外的各輸出端部213-1~213-4電氣結合。
第2基板120中，輸出部230輸出複數的電荷儲存部220-1~220-4內儲存的信號電荷作為電信號至信號處理部300。
輸出部230-1~230-4，其輸入部連接至電荷儲存部220-1~220-4的輸入端部221-1~221-4。
第9圖係本實施例的輸出部的構成例圖。
第9圖，顯示1行的輸出部230-1的構成例，其他行的輸出部230-2~230-4也有與第9圖相同的構成。
輸出部230-1，連接至電荷儲存部220-1的輸出端部222-1中的輸出閘OG222-1。
第9圖的輸出部230-1，包含浮遊擴散層(FD：Floating Diffusion)231、重置閘極(RG)232、重置汲極233以及輸出放大器234而構成。
輸出部230-1中，對重置汲極233施加重置汲極電壓VRD，對重置閘極232以信號電荷的檢測周期施加重置脈衝PRG。
於是，浮遊擴散層231內儲存的信號電荷轉換為信號電壓，經由輸出放大器234，作為CCD輸出信號SOUT送出至信號處理部300。
中繼部240，中繼第1基板110上形成的感光部210的複數的垂直轉送部212轉送的信號電荷，轉送至第2基板120上形成的各電荷儲存部220-1~220-4。
中繼部240，在感光部210的感光區域PARA外的區域EPARA經由通過基板的連接部電氣結合第1基板110上形成的垂直轉送部212-1~212-4的輸出端部213-1~213-4與第2基板120上形成的電荷儲存部220-1~220-4的輸入端部221-1~221-4。
中繼部240，以貫通孔241-1~241-4連接第1基板110上形成的垂直轉送部212-1~212-4的輸出端部213-1~213-4與第2基板120上形成的電荷儲存部220-1~220-4的輸入端部221-1~221-4。
[疊層的第1基板及第2基板，以及中繼部的具體構成例]
在此，說明關於上述概要顯示的第1基板110及第2基板120、以及中繼部的具體構成例。
第10圖係用以說明本實施例疊層的第1基板與第2基板，以及中繼部的具體構成例之簡略剖面圖。
第10圖，顯示1行的垂直轉送部212以及與其對應的電荷儲存部220。
本實施例中，第1基板110係第1導電型基板，例如以n型基板111形成，第2基板120係第2導電型基板，例如以p型基板121形成。
第1基板110中，n型基板(n-SUB)111中形成p井區(p-WELL)112，在p井區112的表面部形成n-層113。n-層113的Y方向的一端部形成用以連接作為中繼部的貫通孔241之n+層114。
n-層113的上部及n+層114的上部，絕緣膜115介於其間以既定間隔形成垂直轉送部212的轉送電極(轉送閘極)116。
從n+層114貫通p井區112、n型基板111，到達後述的第2基板120側的n+層之貫通孔中形成(埋入)貫通孔(貫通電極)241。
又，形成貫通孔241的p井區112及n型基板111的壁部形成絕緣膜117。
於是，p井區112、n-層113、n+層114、閘極絕緣膜115、轉送電極116以及貫通孔241上形成絕緣膜118，覆蓋這些。
第2基板120中，在p型基板(p-SUB)121中形成n井區(n-WELL)122，在n井區(n-WELL)122內形成p井區(p-WELL)123。p井區123的表面部形成n-層124。
n-層124的Y方向的一端部形成用以連接作為中繼部的貫通孔241之n+層125-1。n-層124的Y方向的另一端部形成n+層125-2，成為浮遊擴散層FD等。
n-層124的上部及n+層125-1的上部，絕緣膜126介於其間，以既定的間隔形成電荷儲存部220的轉送電極127。
又，n井區122的表面部，形成用以形成周邊電路的p+層128等。
於是，n井區122、p井區123、n-層124、n+層125、閘極絕緣膜126等的上面形成絕緣膜129覆蓋這些。
具有以上構成的第1基板110與第2基板120，係第1基板110的n型基板111的底面與第2基板120的絕緣膜129的表面(上面)黏貼疊層。換言之，第2基板120重疊第1基板110而形成。
又，第1基板110上形成的垂直轉送部212及第2基板120上形成的電荷儲存部220，以金屬層等的遮光材料構成的遮光膜遮光。
第10圖的範例中，形成貫通第1基板110與第2基板120的貫通孔242。
形成貫通孔242的第1基板110的p井區112及n型基板111的壁部，以及第2基板120的p型基板121上形成絕緣膜。
本實施例中，如上述，因為第1基板110由n型基板111形成，形成畫素部211的第1基板110中，採用縱型過電流(Vertical Overflow Drain)構造。
第11圖係用以說明關於本實施例的第1基板上形成的畫素部採用的縱型過電流(overflow drain)的構成及原理圖。
第11圖中，符號2111表示遮光膜，OVFC表示過電流通 道。
縱型過電流VOD，如下實現。
畫素部211的PD(光電轉換元件)與垂直轉送部(VCCD)212在p井區112中形成，以p井區112為基準電位，藉由施加正電壓至n型基板111，保持逆偏壓狀態。
此逆偏壓，形成對於來自n型基板111的電子擴散之電位障壁，完全阻斷光產生的電子及熱產生的電子侵入PD或垂直轉送部(VCCD)212。
因此，改善信號的串擾至不成問題的程度，顯著顯少膠渣。又，完全抑制起因於來自n型基板111的熱擴散電流之暗電流雜訊成分。
其次，說明關於縱型過電流VOD的過剩電子的排出原理。
p井區112與n型基板111之間的pn接合空乏層由於偏壓電壓擴大。
PD正下方的p井區112的不純物層薄且低濃度的話，接合空乏層到達PD的n層119，容易實現所謂的穿透狀態。
即，p井區112完全空乏化，其電位上升。此時，n層是電子充滿狀態的話，電子被n型基板111強力拉出。
即使強光入射PD內產生過剩電子，也穿過上升的p井區112的電位，從n層119完全掃出至n型基板111，因此可以完全防止過度曝光產生。
[根據中繼部產生的電荷轉送動作]
其次，具有上述構成的固態攝影裝置100中，考察根據中 繼部產生的電荷轉送動作。
本實施例中，如上述，中繼部240，以連接部的貫通孔(TSV)241-1~241-4連接第1基板110上形成的垂直轉送部212-1~212-4的輸出端部213-1~213-4與第2基板120上形成的電荷儲存部220-1~220-4的輸入端部221-1~221-4。
第12圖係用以說明關於本實施例中以中繼部轉送信號電荷的動作圖，顯示貫通孔(TSV)區域的寄生電容小的情況下的電荷轉送例圖。
第13圖係用以說明關於本實施例中以中繼部轉送信號電荷的動作圖，顯示貫通孔(TSV)區域的寄生電容大的情況下的電荷轉送例圖。
第14圖係顯示設定TSV區域在中間電位的一構成例圖。
轉送電極(轉送閘極)間有TSV區域時，如第10圖的構成，假設為n+區域。
n+區域的寄生電容小的情況下，如下轉送信號電荷。
假設調變電位為△V，信號電荷為△Q、n+區域的寄生電容為C的話，根據△V=△QC的關係，因為調變與鄰接的轉送閘極的電位大致同相，如第12圖所示，經由TSV區域能夠轉送電荷。
轉送電極(轉送閘極)間的TSV區域(n+區域)的寄生電容大的情況下，因為調變需要的信號電荷量變大，不調變至變動鄰接的轉送閘極的電位。
因此，如第13及14圖所示，轉送閘極之間，經由連接至n+區域之例如設定中間電位的重置電晶體243，設定中間電位 MV，藉此經由TSV區域能夠轉送電荷。
具體而言，如第14圖所示，以具有重置閘極RG243與重置汲極RD243的重置電晶體243，轉送信號電荷時設定貫通孔(TSV)區域為中間電位MV。
第15圖係顯示設置本實施例的疊層的第1基板與第2基板，以及中繼部中設定TSV區域在中間電位的重置電晶體之構成例的簡略剖面圖。
設定貫通孔(TSV)區域在中間電位的重置電晶體，除了第10圖的構成之外，如第15圖所示，也可以在n-層113的一端部側形成。
在此，所謂中間電位，係成為高電平H的電位與成為低電平L的電位之間的電位。
轉送例，如第13圖所示，TSV節點的兩端設置輸出閘(Output Gate(OG))以及輸入閘(Input Gate(IG))，用以轉送的OG與IG，加以電位級別差，使TSV的重置電平與IG的電位相等。
如上述，根據本第一實施例，第1基板110上，形成畫素部211，包含行列狀配置的光電轉換元件之光電二極體(PD)；以及感光部210，以行單位轉送複數的畫素部211的光電轉換元件的信號電荷之複數的電荷轉送部的垂直轉送部212。
第2基板120上，形成電荷儲存部220，由感光部210的複數的垂直轉送部212-1~212-n(本範例n=4)轉送，儲存中繼部240中繼的信號電荷；以及輸出部230，設置於每垂直轉送 列。
於是，藉由中繼部240，第1基板110上形成的垂直轉送部212-1~212-4的輸出端部213-1~213-4與第2基板110上形成的電荷儲存部220-1~220-4的輸入端部221-1~221-4，在感光部210的感光區域PARA外的區域EPARA經由通過基板的連接部例如貫通孔241電氣結合。
因此，根據本第一實施例，可以得到以下的效果。
根據本第一實施例，從畫素部211往垂直轉送部(垂直CCD)212能夠循序讀出，往垂直轉送部(垂直CCD)212轉送的信號電荷經由中繼部240的連接部轉送至第2層的電荷儲存部(儲存部)220。
因為電荷儲存部(儲存部)220在第2層的第2基板120上形成，小晶片面積且能夠高速讀出。
又，因為疊層基板的連接部在畫素陣列外形成，配置上的限制少，能夠形成無白缺陷等的畫素特性惡化之影像感應器。
換言之，根據本第一實施例，畫素陣列內不形成特別的構造，即不引起SN的惡化，能夠實現全域讀出且可以高速驅動的影像感應器。
又，因為畫素陣列的外側形成連接部的中繼部240，能夠形成不引起敏感度下降或暗電流增加的發生之畫素。
[第二實施例]
第16圖係用以說明本發明第二實施例的固態攝影裝置的構成例圖。
本第二實施例的固態攝影裝置100A與上述第一實施例的固態攝影裝置100的相異點如下。
本第二實施例的固態攝影裝置100A，包含選擇性連接複數的垂直轉送部212-1~212-4與複數的電荷儲存部220-1~220-4之中繼選擇部250而構成。
本第二實施例中，第1基板110A的中繼部240A中配置複數的選擇電極251-1、251-2、251-3、251-4，第2基板120A的中繼部240A中配置複數的選擇電極252-1、252-2、252-3、252-4。
於是，第1基板110A及第2基板120A中，對於複數的選擇電極251-1~251-4、252-1~252-4，形成一個共同的貫通孔(TSV)241A。
第16圖中，對第1基板110A側的貫通孔241A，供給由任一選擇電極251-1~251-4選擇的垂直轉送部212-1~212-4轉送的信號電荷。
在第2基板120A側，貫通孔241A轉送的信號電荷由任一選擇電極252-1~252-4選擇，轉送至電荷儲存部(儲存部)220-1~220-4。
根據第16圖的構成，作為基本動作，如下進行動作。
在第1基板110A側，選擇電極251-1選擇的垂直轉送部212-1的信號電荷，經由貫通孔241A轉送至第2基板120A側，由選擇電極252-1選擇，轉送至電荷儲存部220-1。
在第1基板110A側，選擇電極251-2選擇的垂直轉送部 212-2的信號電荷，經由貫通孔241A轉送至第2基板120A側，由選擇電極252-2選擇，轉送至電荷儲存部220-2。
在第1基板110A側，選擇電極251-3選擇的垂直轉送部212-3的信號電荷，經由貫通孔241A轉送至第2基板120A側，由選擇電極252-3選擇，轉送至電荷儲存部220-3。
在第1基板110A側，選擇電極251-4選擇的垂直轉送部212-4的信號電荷，經由貫通孔241A轉送至第2基板120A側，由選擇電極252-4選擇，轉送至電荷儲存部220-4。
以上是基本動作，每次選擇一個電極251-1~251-4以及選擇電極252-1~252-4而構成也可以，同時選擇2個或2個以上的選擇電極，或者既定的動作中，既定的選擇電極不是選擇狀態等，可以是各種形態。
藉由進行如此的驅動，照樣維持循序讀出，也不引起檢測敏感度下降，就能夠輕易進行水平方向的信號相加或信號間隔。
即，本第二實施例中，能夠相加或間隔並聯的複數的垂直(電荷)轉送部212-1~212-4的信號電荷。
又，本第二實施例中，複數的行成為一個組群(第16圖的範例中鄰接的4行成為一個組群)，因為以組群單位成束形成一個貫通孔(TSV)241A，可以削減貫通孔的數量，在配置上也有利。
即，本第二實施例中，能夠提供高速實施從畫素部211循序讀出的感應器，因為連接部的貫通孔(TSV)等以比垂直轉送部(垂直CCD)、電荷儲存部(儲存部)大的重複間距形成，變得 容易形成連接部的貫通孔(TSV)等。
[中繼選擇部250的構成]
其次，說明中繼選擇部250的具體構成例。
第17圖係顯示第二實施例的第1基板側的中繼選擇部的第1構成例圖。
第17圖的中繼部240B中的中繼選擇部250B中，貫通孔(TSV)241A在4行的垂直轉送部(VCCD)212-1~212-4的X方向(水平方向)的略中央部，即第2行的垂直轉送部212-2的配置位置與第3行的垂直轉送部212-3的配置位置之間的位置上形成。
又，例示第17圖的垂直轉送部212-1~212-4為根據驅動脈衝V1~V4產生的4相驅動。
第17圖的中繼選擇部250B，包含選擇電極251-1(S1)~251-4(S4)、水平轉送部(HCCD)253-1~253-4及閘極開路(OG)254而構成。
選擇電極251-1(S1)~251-4(S4)配置於各垂直轉送部(VCDD)212-1~212-4的輸出端部213-1~213-4上。
選擇電極251-1(S1)~251-4(S4)，作用為構成輸出閘等電晶體的閘極，選擇時控制至成為導通狀態的電位。
水平轉送部(HCCD)253-1~253-4，配置為位於分別對應的選擇電極251-1(S1)~251-4(S4)的輸出部，構成為向配置於中央的OG254轉送方向不同的HCCD。
水平轉送部253-1，配置於第1行的選擇電極251-1的輸出側。水平轉送部253-1，由驅動脈衝H1驅動，往第17 圖中的右方向的水平方向X1轉送垂直轉送部212-1產生的信號電荷，再轉送至鄰接的水平轉送部253-2。
水平轉送部253-2，配置於第2行的選擇電極251-2的輸出側。水平轉送部253-2，由驅動脈衝H2驅動，往第17圖中的右方向的水平方向X1轉送垂直轉送部212-2產生的信號電荷或水平轉送部253-1產生的垂直轉送部212-1的信號電荷，並供給至連接至本段的OG254。
水平轉送部253-4，配置於第4行的選擇電極251-4的輸出側。水平轉送部253-4，由驅動脈衝H4驅動，往第17圖中的左方向的水平方向X2轉送垂直轉送部212-4產生的信號電荷，再轉送至鄰接的水平轉送部253-3。
水平轉送部253-3，配置於第3行的選擇電極251-3的輸出側。水平轉送部253-3，由驅動脈衝H3驅動，往第17圖中的左方向的水平方向X2轉送垂直轉送部212-3產生的信號電荷或水平轉送部253-4產生的垂直轉送部212-4的信號電荷，並供給至連接至本段的OG254。
OG254，配置於水平轉送部253-2的信號電荷供給部及水平轉送部253-3的信號電荷供給部與連接部的貫通孔(TSV)241A之間，藉由控制為導通狀態，由選擇電極251-1(S1)~251-4(S4)選擇，轉送水平轉送部253-1~253-4轉送的電荷信號至貫通孔(TSV)241A。
此第1構成例中，每次選擇一個選擇電極251-1~251-4及選擇電極252-1~252-4而構成也可以，同時選擇2個或2個以上的選擇電極，或者既定的動作中，既定的選擇電極 不是選擇狀態等，可以是各種形態。
因此，照樣維持循序讀出，也不引起檢測敏感度下降，就能夠輕易相加或間隔並聯的複數的垂直(電荷)轉送部212-1~212-4的信號電荷。
又，根據第1構成例，複數的行(本範例4行)為一個群組，因為以組群單位成束形成一個貫通孔(TSV)241A，可以削減轉換貫通孔的數量，在配置上也有利。
即，根據第1構成例，能夠提供高速實施從畫素部211循序讀出的感應器，因為連接部的貫通孔(TSV)等以比垂直轉送部(垂直CCD)、電荷儲存部(儲存部)大的重複間距形成，變得容易形成連接部的貫通孔(TSV)等。
第18圖係顯示包含第二實施例的第1基板側的中繼選擇部之中繼部的第2構成例圖。
第18圖的中繼部240C中的中繼選擇部250C，與第17圖的中繼選擇部250B基本構成相同。
第18圖的中繼部240C，以貫通孔(TSV)241A轉送信號電荷之際，形成用以設定貫通孔(TSV)241A在中間電位之具有重置閘極RG243、重置汲極RD243A的重置電晶體243。
根據第2構成例，得到與上述第1構成例相同的效果自不待言，轉送電極(轉送閘極)間的TSV區域(n+區域)的寄生電容大的情況下，能夠經由TSV區域轉送電荷。
第19圖係顯示包含第二實施例的第1基板側的中繼選擇部之中繼部的第3構成例圖。
第19圖的中繼部240D與第17圖的中繼部240B的相異 點在於貫通孔(TSV)241D的配置位置不是4行的垂直轉送部212-1~212-4的排列中央部，而是在X方向的一端側(第19圖的範例在右端側)的第4行的垂直轉送部212-4的配置位置近旁形成。
第19圖的中繼選擇部250D中，水平轉送部253-1由驅動脈衝H1驅動，往第19圖的右方向的水平方向X1轉送垂直轉送部212-1產生的信號電荷，再轉送至鄰接的水平轉送部253-2。
水平轉送部253-2由驅動脈衝H2驅動，往第19圖的右方向的水平方向X1轉送垂直轉送部212-2產生的信號電荷或水平轉送部253-1產生的垂直轉送部212-1的信號電荷，再轉送至鄰接的水平轉送部253-3。
水平轉送部253-3由驅動脈衝H3驅動，往第19圖的右方向的水平方向X1轉送垂直轉送部212-3產生的信號電荷或水平轉送部253-2產生的垂直轉送部212-1、212-2的信號電荷，再轉送至鄰接的水平轉送部253-4。
水平轉送部253-4，由驅動脈衝H4驅動，往第19圖的右方向的水平方向X1轉送垂直轉送部212-4產生的信號電荷，供給垂直轉送部212-4的信號電荷或水平轉送部253-3產生的垂直轉送部212-1、212-2、212-3的信號電荷至連接本段的OG254。
OG254，配置於水平轉送部253-4的信號電荷供給部與連接部的貫通孔(TSV)241D之間，藉由控制在導通狀態下，以選擇電極251-1(S1)~251-4(S4)選擇，轉送水平轉送部 253-1~253-4轉送的信號電荷至貫通孔(TSV)241D。
根據第3構成例，可以得到與上述第1構成例相同效果。
第20圖係顯示包含第二實施例的第1基板側的中繼選擇部之中繼部的第4構成例圖。
第20圖的中繼部240E的中繼選擇部250E與第17圖的中繼選擇部250B的相異點在於取代水平轉送部設置電位斜率部(SL)255。
此中繼選擇部250E中，以選擇電極251-1(S1)~251-4(S4)選擇的垂直轉送部212-1~212-4的信號電荷，經過電位斜率部(SL)255，再經由OG254轉送至貫通孔(TSV)241A。
根據第4構成例，可以得到與上述第1構成例相同的效果。
以上，說明關於包含第1基板側的中繼選擇部之第1到4構成例。這些構成，基本上，可以採用作為第2基板120側的中繼選擇部。但是，信號電荷的轉送方向跟關聯第17到20圖的情況逆方向。
換言之，貫通孔(TSV)轉送的信號電荷，經由OG254轉送到水平轉送部253-1、253-2、253-3、253-4或是經由電位斜率部(SL)255轉送至所要的位置，以選擇電極252-1~252-4選擇，轉送至電荷儲存部220-1~220-4。
[第三實施例]
第21圖係用以說明本發明第三實施例的固態攝影裝置的構成例圖。
本第三實施例的固態攝影裝置100B與上述第一實施例的固態攝影裝置100的相異點如下。
本第三實施例的固態攝影裝置100，在第2基板120B側中，包含選擇性連接複數的電荷儲存部220-1~220-4、220-5~220-8與輸出部230B-1、230B-2之輸出選擇部260而構成。
第三實施例的固態攝影裝置100B中，第1基板110B上形成的感光部210B以6列8行的矩陣狀配置畫素部211及垂直轉送部212。
對應於此，第2基板120B上，形成8行的電荷儲存部220-1~220-8。
第2基板120B中，電荷儲存部220-1~220-4、220-5~220-8的輸出端部222-1~222-4、222-5~222-8中配置(形成)選擇電極261-1~261-4、261-5~261-8。
於是，第2基板120B中，對於複數的選擇電極261-1~261-4、261-5~261-8，分別形成一個輸出部230B-1~230B-4
第21圖中，第1基板110B側的垂直轉送部212-1~212-8轉送的信號電荷經由中繼部240轉送至第2基板120B側的電荷儲存部(儲存部)220-1~220-4、220-5~220-8。
於是，轉送至電荷儲存部220-1~220-4、220-5~220-8的信號電荷，如下供給至對應的輸出部230B-1~230B-2。
電荷儲存部220-1的信號電荷，由選擇電極261-1選擇，供給至輸出部230B-1。
電荷儲存部220-2的信號電荷，由選擇電極261-2選擇，供給至輸出部230B-1。
電荷儲存部220-3的信號電荷，由選擇電極261-3選擇，供給至輸出部230B-1。
電荷儲存部220-4的信號電荷，由選擇電極261-4選擇，供給至輸出部230B-1。
電荷儲存部220-5的信號電荷，由選擇電極261-5選擇，供給至輸出部230B-2。
電荷儲存部220-6的信號電荷，由選擇電極261-6選擇，供給至輸出部230B-2。
電荷儲存部220-7的信號電荷，由選擇電極261-7選擇，供給至輸出部230B-2。
電荷儲存部220-8的信號電荷，由選擇電極261-8選擇，供給至輸出部230B-2。
本第三實施例中，複數的行成為一個組群(第21圖的範例中鄰接的4行成為一個組群)，因為以組群單位成束形成一個輸出部230B-1、230B-2，可以削減輸出部的數量，在配置上也有利。
即，本第三實施例中，能夠提供高速實施從畫素部211循序讀出的感應器，因為輸出部以比電荷儲存部(儲存部)大的重複間距形成，變得容易形成輸出部。
又，本第三實施例中，能夠相加或間隔並聯的複數的電荷儲存部220-1~220-4、220-5~220-8的信號電荷。
又，本第三實施例中，也藉由採用上述第二實施例的中繼選擇部，照樣維持循序讀出，也不引起檢測敏感度下降，就能夠輕易進行水平方向的信號相加或信號間隔。
又，第二實施例中，說明包含第1基板側的中繼選擇部的中繼部之第1到4構成例。這些構成，基本上，可以採用作為本第三實施例的第2基板120B側的輸出選擇部260。
在此情況下，貫通孔(TSV)的部分成為輸出部230B-1~230B-2的輸入部。
[第四實施例]
第22圖係用以說明本發明第四實施例的固態攝影裝置的構成例圖。
本第四實施例的固態攝影裝置100C與上述第一實施例的固態攝影裝置100的相異點如下。
本第四實施例的固態攝影裝置100C，在第2基板120C中，除了電荷儲存部220、輸出部230之外，再形成屬於信號處理系統的周邊電路的類比數位轉換器(ADC)341、串列器342、記憶體343、定時產生器(TG)344。
定時產生器(TG)344，包含CCD脈衝驅動部、電平位移等而構成。
在此，以CMOS影像感應器作為比較例，考察第2基板120C上裝載信號處理系統的本第四實施例之固態攝影裝置100C的CCD影像感應器與CMOS影像感應器的晶片尺寸。
第23圖係顯示作為比較例的的背面照射型CMOS影像感應器的疊層構造例圖。第23(A)圖係顯示CMOS影像感應器的第1構造例，第23(B)圖係顯示疊層CMOS影像感應器的第2構造例。
第24圖係用以說明根據CMOS影像感應器的疊層構造之晶片縮小化範例圖。第24(A)圖顯示不是疊層構造時的畫素部及周邊電路，第24(B)圖根據疊層構造顯示縮小化範例。
第25圖係顯示非疊層構造的CMOS影像感應器晶片、疊層構造的CMOS影像感應器晶片以及本實施例的CCD影像感應器晶片之簡略剖面圖。
第25(A)圖顯示非疊層構造的CMOS影像感應器晶片，分別第25(B)圖顯示疊層構造的CMOS影像感應器晶片，第25(C)圖顯示根據本實施例的CCD影像感應器晶片。
一般，CMOS影像感應器400A，如第23(A)圖所示，由支持基板410、以及形成畫素部420與信號處理電路430的晶片440構成。
疊層構造，如第23(B)圖所示，取代支持基板使用形成信號處理電路430的晶片450，再重疊畫素部420。
採用此疊層構造，可以實現小型化。
如此的CMOS影像感應器中，周邊電路的信號處理電路430，如第24(A)圖所示，由列解碼器(ROW decoder)431、行解碼器(column decoder)432，或是列(行)選擇電路、接合墊(Bonding pad)433等構成。
藉由此周邊電路的信號處理電路430配置於第2層，例如第24(B)圖所示，可以削除周邊電路區域，但為了使來自列解碼器431的畫素驅動信號用信號在各列經由貫通孔(TSV)，在各列及行重新需要TSV區域。
結果，CMOS影像感應器晶片，藉由採用疊層構 造，也根據構成，如第25(A)及(B)圖所示，相較於未採用疊層構造的情況，晶片尺寸可以削減一半左右。
不過，如第25(B)及(C)圖所示，CMOS影像感應器晶片，即使如上所述使用疊層構造，因為在各列及行重新需要TSV區域等的理由，也根據構成，例如比本實施例的CCD影像感應器晶片大1.5倍左右。
換言之，根據本實施例的CCD影像感應器，經由作為連接部的貫通孔(TSV)，因為可以疊層連接，由於不用打線接合，可以是晶片尺寸級中的小型封裝，例如以BGA等的連接，可以是小型的攝影機模組組裝。
於是，藉由組裝本疊層CCD封裝，可以實現超小型攝影機模組。
又，關於CMOS影像感應器晶片中具有全域快門的構造，以非專利文件1為首，提議複數件，任一範例中畫素陣列內都必須追加特別的電路，具有引起敏感度下降或雜訊增加的缺點。又，習知的CMOS中的改善例中，選擇進行信號相加的構造時，具有寄生電容增加引起的SN惡化、損害信號的同時性的缺點。
相對於此，根據本實施例的CCD影像感應器，不在畫素陣列內形成特別的電路，即不會引起SN的惡化，能夠以全域讀出高速驅動。
又，由於貫通孔(TSV)的晶片間連接而可以小晶片尺寸封裝，又藉由往第2基板裝載周邊電路，經由削減驅動接腳數，能夠提供高性能、小型、低成本的攝影機系統。
[第五實施例]
第26圖係用以說明本發明第五實施例的固態攝影裝置的構成例圖。
本第五實施例的固態攝影裝置100D與上述第四實施例的固態攝影裝置100C的相異點如下。
本第五實施例的固態攝影裝置100D，係在同一封裝內組裝包含定時產生器310、影像處理電路(影像處理IC)320以及電源電路(電源IC)330而構成的信號處理部300與第1基板110D、第2基板120D。
根據如此的構成，小型攝影系統可以納入單一封裝內。
[第六實施例]
第27圖係用以說明本發明第六實施例的固態攝影裝置的構成例圖。
本第六實施例的固態攝影裝置100E與上述第四實施例的固態攝影裝置100C的相異點如下。
本第六實施例的固態攝影裝置100E，在第2基板120E中，除了電荷儲存部220、輸出部230，形成屬於信號處理系統的周邊電路部之ADC341、串列器342並混載。
其他的構成與第四實施例相同。
第27圖中，顯示信號處理部300與疊層晶片之間收送的電源系統、驅動及驅動脈衝系統、輸出端子系統的傳送線。
驅動需要的驅動脈衝及電源，例如基準電源VSS(GND)、 CCD電源VCCD、ADC電源VADC、串列輸出電源VLVDS、垂直轉送脈衝ψ V1及ψ V2、水平轉送脈衝ψ H、從畫素往垂直轉送部的讀出脈衝ψ R、串列輸出基準時脈ψ LVDS、CCD輸出樣品&保持脈衝ψ SH、串列信號輸出信號。
這些信號的各傳送線中，各接腳中裝載FPGA(現場可編程閘陣列)等構成的信號處理部300連接至裝載的外部基板(外部board)。
又，本實施例的固態攝影裝置100E，不執行水平轉送，但中繼選擇部250或輸出選擇部中採用水平轉送部時，因為進行局部水平轉送，具有產生水平轉送脈衝ψ H作為驅動脈衝的機能。
第28圖係顯示作為第六實施例的疊層型CCD影像感應器之固態攝影裝置的驅動信號的時序的一範例圖。
分別第28(A)圖顯示電荷讀出脈衝ψ R，第28(B)圖顯示垂直轉送脈衝ψ V2，第28(C)圖顯示垂直轉送脈衝ψ V1，第28(D)圖顯示水平轉送脈衝ψ H，第28(E)圖顯示緩衝輸出VOUT。
第27圖的固態攝影裝置100E中，輸入CCD驅動脈衝ψ V1及ψ V2作為外部信號，同步的影像資料由內建的ADC341、串列器342，轉換為串列數位輸出並輸出，由其他基板上的例如FPGA 310取入，作為影像信號處理。
根據本第六實施例，可以得到與上述第四實施例的效果同樣的效果。
於是，本第六實施例的固態攝影裝置100E，在第1基板110E中，垂直轉送(垂直CCD)鄰接畫素部211，能夠循序讀出。
因為畫素部是CCD，與第2基板120E(第2層)連接的貫通孔(TSV)以每列連接的CMOS影像感應器為主，相較於疊層作為周邊電路的第2層的情況，可以大幅削減，例如可以只在晶片上下配置，能夠縮小封裝尺寸。
[第七實施例]
第29圖係用以說明本發明第七實施例的固態攝影裝置的構成例圖。
本發明第七實施例的固態攝影裝置100F與上述第六實施例的固態攝影裝置100E的相異點如下。
本第七實施例的固態攝影裝置100F，在第2基板120F中，除了裝載屬於信號處理系統的周邊電路之ADC341及串列器342，再加上作為驅動脈衝產生器的定時產生器(TG)344以及作為電壓產生電路的DCDC轉換器(DCDC)345。
本第七實施例的固態攝影裝置100F中，裝載定時產生器(TG)344及DCDC轉換器(DCDC)345，例如外部驅動脈衝為ψ Vsync(V觸發脈衝)、ψ Hsync(H觸發脈衝)、ψ RST(重置脈衝)，電源為VDD、VSS，可以削減連接需要的接腳。
根據本第七實施例，除了上述第六實施例的效果，還可以得到以下的效果。
即，根據本第七實施例，因為可以削減驅動接腳數，在第2基板120F上配置周邊電路，具有可以應用於使用在設置攝影機的必要條件中有組裝尺寸、可連接電纜數、電纜長度、設置高度等限制用途的例如監視攝影機、醫療內視鏡攝影機等的電子機器之優點。
[第八實施例]
第30圖係用以說明本發明第八實施例的固態攝影裝置的構成例圖。
本發明第八實施例的固態攝影裝置100G與上述第七實施例的固態攝影裝置100F的相異點如下。
本發明第八實施例的固態攝影裝置100G，在第2基板120G中，除了裝載屬於信號處理系統的周邊電路部之ADC341及串列器342、定時產生器(TG)344、DCDC轉換器(DCDC)345，再加上裝載記憶體346。
於是，本第八實施例的固態攝影裝置100G，藉由以開關使電源作用，共用驅動脈衝與輸出信號脈衝端子PIN1、PIN2。
[實現共用驅動脈衝與輸出信號脈衝端子之構成例]
在此，本第八實施例的固態攝影裝置100G中，說明關於實現共用驅動脈衝與輸出信號脈衝端子PIN1、PIN2之構成例。
第31圖係顯示本第八實施例的固態攝影裝置100G中，實現共用驅動脈衝與輸出信號脈衝端子之構成例圖。
第31圖中，抽出第2基板120G中的驅動脈衝及輸出信號脈衝端子的共用電路350。
又，包含攝影元件部200G的輸出部230、未圖示的驅動系統等，顯示為感應器內核270(Sensor Core)。
第31圖的第2基板120G中，形成主時脈端子PMC、輸出入端子PIN1、PIN2。
第31圖的共用電路350，具有差動輸出電路351、暫存器 控制器(Register Controller)352以及開關SW1~SW4。
此共用電路350，以暫存器控制器線LRGC與資料輸出線LDO共有輸出入端子PIN1與PIN2。共用電路350，以開關SW1~SW4進行其轉換。
共用電路350中，差動輸出電路351的輸入部連接至串列器342的輸出部，差動輸出電路351的正側輸出部經由開關SW1連接至輸出入端子PIN1，負側輸出部經由開關SW2連接至輸出入端子PIN2。
暫存器控制器352的第1輸出入端子T1經由開關SW3連接至輸出入端子PIN1，第2輸出入端子T2經由開關SW4連接至輸出入端子PIN2。
其次，關聯第32~34圖，說明共用電路的動作例。
第32圖係用以說明本第八實施例的共用電路的暫存器控制模式時的動作圖。
第33圖係用以說明本第八實施例的共用電路在影像資料串流模式時的動作圖。
第34圖係用以說明本第八實施例的共用電路在暫存器控制模式時及影像資料串流模式時的動作之時序圖。
分別第34(A)圖顯示電源電壓VDD/VAA，第34(B)圖顯示基準時脈(主時脈)MCLK，第34(C)圖顯示輸出入端子PIN1的信號，第34(D)圖顯示輸出入端子PIN2的信號。
電源投入後，電源重置(Power On Reset)之後，如第32圖所示，開關SW3、SW4為ON(通)，成為暫存器控制模式(Register Control Mode)。
在此情況下，使用輸出入端子PIN1、PIN2，重寫暫存器，進行感應器的設定(Sensor)。之後，進行轉換感應器至影像輸出模式之暫存器設定，如第33圖所示，使開關SW3、SW4OFF(斷)，使開關SW1、SW2 ON(通)，結束暫存器控制模式。
影像資料串流模式(Image Data Streaming Mode)中，如第33圖所示，開關SW1、SW2 ON(通)，開關SW3、SW4 OFF(斷)，複數位元的影像資料以串列器(SERIALIZER)轉換並行串列的資料以差動輸出入電路351驅動，從輸出入端子PIN1、PIN2輸出。
固態攝影裝置100G中，如第34圖所示，電源重置投入電源後重置系統，成為暫存器控制模式，從外部實施內部脈衝的相位調整等直到模式結束。
接受模式結束命令後，成為影像資料串流模式，複數的影像資料以串列器(SERIALIZER)342從並行資料轉換為串列資料之並行串列轉換的資料以差動輸出入電路351驅動，從輸出入端子(控制接腳)PIN1、PIN2輸出。
於是，本第八實施例中，例如統合並行串列輸出信號接腳，以輸出接腳數為1系統。又，共用接腳驅動脈衝輸入接腳與輸出信號接腳，以外部驅動脈衝為ψ MCLK(基準脈衝)，輸出及控制接腳(PIN1及PIN2)可以更削減驅動需要的接腳。
根據本第八實施例，除了與上述第七實施例同樣的效果，還可以得到以下的效果。
即，根據本第八實施例，因為可以更削減驅動接腳數，在 第2基板120G上配置周邊電路，具有可以應用於使用在設置攝影機的必要條件中有組裝尺寸、可連接電纜數、電纜長度、設置高度等限制用途的例如監視攝影機、醫療內視鏡攝影機等的電子機器之優點。
以上說明的固態攝影裝置100、100A~100G，作為攝影裝置可以應用至數位攝影機、影像攝影機、行動終端或監視攝影機、醫療用內視鏡攝影機等的電子機器。
[第九實施例]
第35圖係顯示裝載應用本發明實施例的固態攝影裝置的攝影系統之電子機器的構成的一範例圖。
本電子機器500，如第35圖所示，具有可應用本實施例的固態攝影裝置100、100A~100G之本發明的CCD/CMOS疊層型固態攝影裝置510。
又，電子機器500，具有引導入射光至此CCD/CMOS疊層型固態攝影裝置510的畫素區域(成像拍攝物像)之光學系統(鏡頭等)520。
電子機器500，具有處理CCD/CMOS疊層型固態攝影裝置510的輸出信號之信號處理電路(PRC)530。
信號處理電路530，對CCD/CMOS疊層型固態攝影裝置510的輸出信號，施行既定的信號處理。
信號處理電路530處理的影像信號，在液晶顯示器等構成的監視器上映出作為動畫，或是輸出至印表機也可以，還可以是直接記錄至記憶卡等的記錄媒體等各種形態。
如上述，CCD/CMOS疊層型固態攝影裝置510，藉 由裝載上述的固態攝影裝置100、100A~100G，能夠提供高性能、小型、低成本的攝影系統。
於是，可以實現使用在設置攝影機的必要條件中有組裝尺寸、可連接電纜數、電纜長度、設置高度等限制用途的例如監視攝影機、醫療內視鏡攝影機等之電子機器。

Claims (15)

  1. 一種固態攝影裝置，包括：感光部，包含行列狀配置的複數的光電轉換元件以及以行或列單位轉送上述複數的光電轉換元件的信號電荷之複數的電荷轉送部；複數的電荷儲存部，儲存上述感光部的上述複數的電荷轉送部轉送的信號電荷；中繼部，中繼上述感光部的上述複數的電荷轉送部轉送的信號電荷往上述各電荷儲存部轉送；輸出部，輸出上述複數的電荷儲存部內儲存的信號電荷作為電信號；第1基板，形成上述感光部；以及第2基板，形成上述電荷儲存部以及上述輸出部；其中，至少第1基板與第2基板疊層，上述感光部的感光區域，包含上述複數的光電轉換元件的全部、以及上述複數的電荷轉送部的一部分；且同一列或行單位的上述複數的電荷轉送部的其他一部分，係位於上述感光區域的外側，上述中繼部在上述感光部的感光區域外經由通過基板的連接部電氣結合上述第1基板上形成的電荷轉送部的上述其他一部分與上述第2基板上形成的上述電荷儲存部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的固態攝影裝置，其中，上述第2基板中，上述電荷儲存部的一端部形成輸入端部，另一端部形成與 上述輸出部連接的輸出端部；上述中繼部，以上述連接部電氣結合位於上述電荷轉送部的上述感光區域外的各輸出端部與上述各電荷儲存部的輸入端部。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的固態攝影裝置，其中，上述中繼部包含：中繼選擇裝置，選擇性連接複數的上述電荷轉送部與複數的上述電荷儲存部。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的固態攝影裝置，其中，上述中繼選擇裝置，能夠相加或間隔並聯的上述複數的電荷轉送部的信號電荷。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的固態攝影裝置，其中，上述第2基板包含：輸出選擇裝置，選擇性連接複數的上述電荷儲存部與輸出部。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的固態攝影裝置，其中，上述輸出選擇裝置，能夠相加或間隔並聯的上述複數的電荷儲存部的信號電荷。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的固態攝影裝置，其中，上述中繼部，在上述感光部的感光區域外經由貫通孔連接上述第1基板上形成的電荷轉送部與上述第2基板上形成的上述電荷儲 存部。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的固態攝影裝置，其中，通過上述貫通孔從上述電荷轉送部轉送至上述信號電荷儲存部之際，設定上述貫通孔為中間電位。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的固態攝影裝置，其中，第1基板以第1導電型基板形成，第2基板以第2導電型基板形成。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的固態攝影裝置，其中，上述第1基板，以n型基板或n-井區形成，具有縱型過電流構造。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的固態攝影裝置，其中，上述第2基板上，至少形成處理上述輸出部的輸出信號之類比數位轉換器(ADC)以及將複數位元的影像資料從並行資料轉換成串列資料之串列器。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的固態攝影裝置，其中，上述第2基板上，形成電壓產生電路及驅動脈衝產生器。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的固態攝影裝置，其中，上述第2基板上，形成共用驅動脈衝與輸出信號脈衝端子之裝置。
  14. 一種固態攝影裝置的製造方法，包括下列步驟：第1形成步驟，在第1基板上形成感光部，包含行列狀配置的複數的光電轉換元件以及以行或列單位轉送上述複數 的光電轉換元件的信號電荷之複數的電荷轉送部；其中，所形成的上述感光部的感光區域，包含上述複數的光電轉換元件的全部、以及上述複數的電荷轉送部的一部分；且同一列或行單位的上述複數的電荷轉送部的其他一部分，係形成於上述感光區域的外側；第2形成步驟，第2基板上至少形成儲存上述感光部的上述複數的電荷轉送部轉送的信號電荷之複數的電荷儲存部、以及輸出上述複數的電荷儲存部內儲存的信號電荷作為電信號之輸出部；以及連接步驟，在上述第1基板與上述第2基板疊層的狀態下，在上述感光部的感光區域外經由通過基板的連接部電氣連接上述第1基板上形成的電荷轉送部的上述其他一部分與上述第2基板上形成的上述電荷儲存部。
  15. 一種電子機器，包括：固態攝影裝置；光學系統，在上述固態攝影裝置的感光部中成像；以及信號處理部，處理上述固態攝影裝置的輸出信號；其中，上述固態攝影裝置，包括：感光部，包含行列狀配置的複數的光電轉換元件以及以行或列單位轉送上述複數的光電轉換元件的信號電荷之複數的電荷轉送部；複數的電荷儲存部，儲存上述感光部的上述複數的電荷轉送部轉送的信號電荷；中繼部，中繼上述感光部的上述複數的電荷轉送部轉送的 信號電荷往上述各電荷儲存部轉送；輸出部，輸出上述複數的電荷儲存部內儲存的信號電荷作為電信號；第1基板，形成上述感光部；以及第2基板，形成上述電荷儲存部以及上述輸出部；其中，至少第1基板與第2基板疊層；上述感光部的感光區域，包含上述複數的光電轉換元件的全部、以及上述複數的電荷轉送部的一部分；且同一列或行單位的上述複數的電荷轉送部的其他一部分，係位於上述感光區域的外側，上述中繼部，在上述感光部的感光區域外經由通過基板的連接部電氣結合上述第1基板上形成的電荷轉送部的上述其他一部分與上述第2基板上形成的上述電荷儲存部。
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