JP5941659B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置に関するものである。

特許文献１には、インターライン型のＣＣＤ構成部を備える固体撮像装置が開示されている。この固体撮像装置は、垂直転送用ＣＣＤから出力される電荷を電圧信号に変換する複数の電荷検出回路と、これらの電荷検出回路から出力される電圧信号を順次読み出すための水平走査回路とを備えている。水平走査回路は、高速での読み出し動作を行うためにＣＭＯＳ回路によって構成されている。

特許文献２には、インターライン型のＣＣＤ構成部を備える固体撮像装置が開示されている。この固体撮像装置は、複数の光電変換部が行及び列を構成するように配列された画素アレイ領域と、画素アレイ領域の各列毎に配置された垂直ＣＣＤと、画素アレイ領域の各行毎に配置された転送電極と、光電変換部の電荷が垂直ＣＣＤに転送された後に垂直ＣＣＤにおいて電荷が垂直転送されるように転送電極を駆動する垂直駆動回路とを備えている。そして、各垂直ＣＣＤの最も下流側（電荷が垂直転送される先）には、垂直ＣＣＤによって垂直転送されてきた信号電荷を電圧信号に変換する回路と、該電圧信号を増幅して保持する読出回路とが設けられている。読出回路は、ＣＭＯＳ回路によって構成され、画素アレイ領域の列数に相当する個数の増幅回路と、それらから出力される増幅信号を保持するラインメモリを有する。

特許文献３には、画像の読み取りに用いられるイメージセンサヘッドが開示されている。このイメージセンサヘッドは、ＣＣＤセンサ及び制御回路を備えている。ＣＣＤセンサを有するＣＣＤセンサチップと、制御回路を有するＣ−ＭＯＳ制御用チップとは互いに独立的に分離されて基板上に実装されている。ＣＣＤセンサチップとＣ−ＭＯＳ制御用チップとの間は、複数の制御信号線によって直接的に接続されている。なお、ＣＣＤセンサチップは複数個設けられ、Ｃ−ＭＯＳ制御用チップはＣＣＤセンサチップに対応して複数個設けられている。

特許文献４には、ＣＣＤセンサチップを備えるイメージセンサヘッドが開示されている。ＣＣＤセンサチップは、入射光を電荷に変換することでその光の強度に応じた信号電荷を発生させる複数のフォトダイオードと、それらのフォトダイオードから発生した信号電荷を蓄積して記憶する複数のメモリと、これら複数のメモリの信号電荷を読み出して転送するレジスタとを備えている。フォトダイオードより発生した信号電荷は、メモリからそれに隣接するメモリに順次に蓄積しながら転送される。このイメージセンサヘッドは、ＣＣＤセンサチップとは別にＣ−ＭＯＳ制御用チップを備えており、これらは互いに独立して基板上に実装されている。

特許文献５には、裏面入射型のＣＣＤを備える半導体エネルギー検出器が開示されている。ＣＣＤは、短波長光等のエネルギ線を検出する。

特許文献６及び７には、裏面入射型のＣＣＤを備える電子管が開示されている。ＣＣＤは、入射光を電子に変換する光電面より放出された電子を検出する。

特許文献８には、撮像装置が開示されている。この撮像装置では、真空容器内に、入射光に応じて光入射面の反対面から光電子を放出する光電面と、光電面の光電子放出面に対向して配置され、光電子の空間分布を複数の画素により画像として検出する裏面入射型のＣＣＤとが内蔵されている。

特開２００２−１３５６５６号公報 特開２００７−１９６６４号公報 特開２００３−１５２９５２号公報 国際公開第２００８／１４２９６８号パンフレット 特開平６−１９６６８０号公報 特許第３４４１１０１号公報 特許第４０９８８５２号公報 特許第４１７３５７５号公報

固体撮像装置の用途によっては、或る一定の速度で移動する被写体を撮像する場合がある。例えば、半導体ウエハ上に作り込まれた半導体素子構造の検査を行う場合、１２インチウエハ上の微小な領域（例えば一辺が数十μｍ）を拡大して撮像すると、撮像回数が極めて多くなり、検査に長時間を要してしまう。そこで、被写体に対して固体撮像装置を相対的に移動させ、且つＣＣＤの電荷転送速度をその相対速度に一致させながら撮像を行う、いわゆるＴＤＩ（Time Delay Integration）動作が行われる。このＴＤＩ動作によれば、大面積の被写体を高い空間分解能で且つ短時間で撮像することが可能となる。

しかしながら、従来の固体撮像装置では、ＣＣＤにおける電荷の転送の向きが固定されているため、ＴＤＩ動作において被写体と固体撮像装置との相対移動の向きが一つに限られてしまう。したがって、ＴＤＩ動作によって或る領域を一端から他端にわたって撮像したのち、隣接する領域を撮像するためには、その領域の一端まで固体撮像装置を移動する必要が生じる。この移動は、撮像に要する時間を長くしてしまう。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ＴＤＩ動作によって撮像を行う際に、撮像に要する時間を短くすることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明による固体撮像装置は、Ｍ×Ｎ個（Ｍ，Ｎは２以上の整数）の画素がＭ行Ｎ列に２次元配列されて成る撮像面、撮像面に対して列方向の一端側に各列毎に配置されており各列から取り出される電荷の大きさに応じた電気信号をそれぞれ出力するＮ個の第１の信号読出回路、及び、撮像面に対して列方向の他端側に各列毎に配置されており各列から取り出される電荷の大きさに応じた電気信号をそれぞれ出力するＮ個の第２の信号読出回路を主面に有する基板状のＣＣＤ型の固体撮像素子と、第１の信号読出回路から各列毎に出力される電気信号をディジタル信号に変換するとともに、各列のディジタル信号をシリアル信号として順次出力する第１の半導体素子と、第２の信号読出回路から各列毎に出力される電気信号をディジタル信号に変換するとともに、各列のディジタル信号をシリアル信号として順次出力する第２の半導体素子と、撮像面における列方向の電荷の転送を制御する転送制御部と、を備え、転送制御部は、他端側から一端側へ向かう方向に電荷を転送する第１の動作モードと、一端側から他端側へ向かう方向に電荷を転送する第２の動作モードとを有し、固体撮像素子に対して相対的に移動する被写体の移動速度及び移動方向に電荷の転送速度及び転送方向を一致させ、撮像面の他端側から一端側に被写体が相対的に移動する場合にはＮ個の第１の信号読出回路が電気信号を出力し、撮像面の一端側から他端側に被写体が相対的に移動する場合にはＮ個の第２の信号読出回路が電気信号を出力し、各第１の信号読出回路及び各第２の信号読出回路は、電荷の大きさに対応する大きさの電流を出力するトランジスタ、及びトランジスタに接続された信号出力用パッドを有し、第１の半導体素子は、Ｎ個の第１の信号読出回路から各列毎に出力される電気信号を入力するためのＮ個のボンディングパッドを有し、各ボンディングパッドがＮ個の第１の信号読出回路の各信号出力用パッドに対して対向した状態で導電接続されることにより、撮像面の一端側に沿って固体撮像素子の該一端側を覆うように固体撮像素子に実装され、第２の半導体素子は、Ｎ個の第２の信号読出回路から各列毎に出力される電気信号を入力するためのＮ個のボンディングパッドを有し、各ボンディングパッドがＮ個の第２の信号読出回路の各信号出力用パッドに対して対向した状態で導電接続されることにより、撮像面の他端側に沿って固体撮像素子の該他端側を覆うように固体撮像素子に実装され、固体撮像素子の電荷の転送を制御するための電圧信号が提供されるドライブ電圧用パッドが、行方向における撮像面の両端縁に沿って配置されていることを特徴とする。

この固体撮像装置では、ＣＣＤ型の固体撮像素子が、列方向の一端及び他端それぞれに配置された第１及び第２の信号読出回路を有しており、更に、これらの信号読出回路それぞれには、シリアル信号出力のための第１及び第２の半導体素子それぞれが接続されている。この固体撮像装置によれば、固体撮像素子の各列の出力ポート（終端画素）と第１及び第２の信号読出回路とを共通の基板上において互いに近接して配置することができ、且つ、信号読出回路の入力ポート（入力端）が各列毎に配置されるので、高速且つ低ノイズな読み出しを実現できる。また、他端側から一端側へ向かう方向にＴＤＩ動作を行う場合には、その方向に電荷を転送し、その電荷を第１の信号読出回路および第１の半導体素子によってシリアル信号出力に変換するとよい。また、一端側から他端側へ向かう方向にＴＤＩ動作を行う場合には、その方向に電荷を転送し、その電荷を第２の信号読出回路および第２の半導体素子によってシリアル信号出力に変換するとよい。このように、上記固体撮像装置によれば、ＣＣＤの電荷転送方向を反転させることができる。したがって、ＴＤＩ動作によって撮像を行う際に、固体撮像装置の移動を少なくすることができるので、撮像に要する時間を短くすることができる。

また、固体撮像装置は、撮像面における列方向の電荷の転送を制御する転送制御部を更に備え、転送制御部が、他端側から一端側へ向かう方向に電荷を転送する第１の動作モードと、一端側から他端側へ向かう方向に電荷を転送する第２の動作モードとを有するので、上述した固体撮像装置による効果を好適に得ることができる。なお、この場合、ＴＤＩ動作を好適に行うために、転送制御部は、移動する被写体の移動速度及び移動方向に電荷の転送速度及び転送方向を一致させることが好ましい。

また、固体撮像装置は、第１及び第２の半導体素子それぞれが、Ｎ個の第１及び第２の信号読出回路それぞれから各列毎に出力される電気信号のノイズを低減する相関二重サンプリング回路と、相関二重サンプリング回路から出力された信号を増幅するバッファと、バッファから出力された信号をディジタル信号に変換するアナログ−ディジタル変換回路と、アナログ−ディジタル変換回路から出力された各列のディジタル信号をシリアル信号として順次出力するマルチプレクサとを有することを特徴としてもよい。

本発明による固体撮像装置によれば、ＴＤＩ動作によって撮像を行う際に、撮像に要する時間を短くすることができる。

（ａ）本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。（ｂ）図１（ａ）の部分拡大図である。 図１に示された固体撮像装置のII−II線に沿った断面を示す図である。 転送制御部と固体撮像素子とを概略的に表すブロック図である。 固体撮像素子における撮像面の一端付近の構成を示す平面図である。 固体撮像素子における撮像面の他端付近の構成を示す平面図である。 半導体素子の構成を示す底面図である。 半導体素子の構成を示す底面図である。 固体撮像装置によって撮像される被写体を示す平面図である。 図８に示された動作を行う固体撮像装置を備える検査装置の構成例を概略的に示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による固体撮像装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置１Ａの構成を示す平面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）の部分拡大図である。図２は、図１に示された固体撮像装置１ＡのII−II線に沿った断面を示す図である。図１及び図２に示されるように、本実施形態の固体撮像装置１Ａは、固体撮像素子１０と、二つの半導体素子５０及び６０とを備えている。

固体撮像素子１０は、いわゆるＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の電荷結合素子を含むデバイスであって、主面１０ａ及び裏面１０ｂを有する基板状を呈している。固体撮像素子１０は、撮像面１２と、第１及び第２の信号読出回路とを主面１０ａに有する。撮像面１２は、図１（ｂ）に示されるようにＭ×Ｎ個（Ｍ，Ｎは２以上の整数）の画素１３がＭ行Ｎ列に２次元配列されて成る。Ｍは例えば５１２であり、Ｎは例えば２０４８である。撮像面１２には、固体撮像素子１０の裏面１０ｂ側から検出対象（紫外線などの光、Ｘ線などの放射線、または電子線）が入射する。撮像面１２は、これらの検出対象のうち何れかを撮像する。なお、主面１０ａ側において撮像面１２に検出対象が十分に入射するように、裏面１０ｂは固体撮像素子１０の縁部に対して薄化されて窪んでいる。各画素１３では、撮像面１２に入射したこれらの検出対象の強さに応じた電荷を発生するとともに、その電荷を蓄積する。各画素１３上には、電荷を列方向に転送するためのＭ本の転送電極（不図示）が各行毎に配設されている。Ｍ本の転送電極には、撮像面１２における列方向の電荷の転送を制御するための電圧信号（ドライブ電圧）が与えられる。

図１に示されるように、本実施形態の固体撮像装置１Ａは、二つのドライブパッド用変換基板７１，７２を更に備えている。ドライブパッド用変換基板７１，７２は、行方向における撮像面１２の両端縁に沿ってそれぞれ配設されており、固体撮像素子１０の主面１０ａに固定されている。ドライブパッド用変換基板７１（７２）は、撮像面１２の端縁に沿って配列された少なくとも３個のドライブ電圧用パッド７１ａ（７２ａ）を有しており、これらのドライブ電圧用パッド７１ａ（７２ａ）には、電荷の転送を制御するための電圧信号（ドライブ電圧）が提供される。後述するように、信号電荷は図３のＡ１方向及びＡ２方向（後述する第１及び第２の動作モード）のいずれかに転送されるため、固体撮像素子１０のＣＣＤは３相で構成され、これらのドライブ電圧用パッド７１ａ（７２ａ）に互いに異なる位相の電圧が加えられる。各相の電極は固体撮像素子１０内で接続されているため、ドライブ電圧用パッド７１ａ（７２ａ）は３個あれば良い。ただし、高速で転送する場合には１つの相を複数（ｋ個）のアンプ（ドライブ回路）で駆動する場合がある。その場合、ドライブ電圧用パッド７１ａ（７２ａ）の数は（３×ｋ）個となる。

固体撮像装置１Ａは、電荷の転送を制御するための電圧信号を生成する転送制御部を更に備えてもよい。図３は、転送制御部４０と固体撮像素子１０とを概略的に表すブロック図である。転送制御部４０は、列方向の電荷の転送を制御するための３個の電圧信号を生成し、これらの電圧信号を、ドライブパッド用変換基板７１，７２を介して転送電極に提供する。

撮像面１２は、列方向における一端１２ａ及び他端１２ｂを有している。転送制御部４０は、列方向における撮像面１２の他端１２ｂ側から一端１２ａ側へ向かう方向（図中の矢印Ａ１）に電荷を転送する動作モード（第１の動作モード）と、一端１２ａ側から他端１２ｂ側へ向かう方向（図中の矢印Ａ２）に電荷を転送する動作モード（第２の動作モード）とを有する。また、固体撮像素子１０は、撮像面１２の一端１２ａに沿って配列されたＮ個の信号読出回路（第１の信号読出回路）と、撮像面１２の他端１２ｂに沿って配列されたＮ個の信号読出回路（第２の信号読出回路）とを有する。第１の動作モードでは、各列から取り出される電荷の大きさに応じた電気信号が第１の信号読出回路から出力され、第２の動作モードでは、各列から取り出される電荷の大きさに応じた電気信号が第２の信号読出回路から出力される。

本実施形態の転送制御部４０は、被写体の移動速度及び移動方向と電荷の転送速度及び転送方向とをそれぞれ一致させることにより、ＴＤＩ動作を行うことができる。すなわち、撮像面１２の列方向に移動する被写体に対し、その移動速度と同じ転送速度でもって電荷を転送し、且つ、矢印Ａ１の方向に被写体が移動する場合には第１の動作モードで、矢印Ａ２の方向に被写体が移動する場合には第２の動作モードで電荷を転送することによって、被写体の或る位置における検出対象（紫外線などの光、Ｘ線などの放射線、または電子線）の強度に応じた電荷を、転送動作と並行して蓄積し続けることができる。

このようなＴＤＩ動作について、具体的に或る一つの画素列を例示して説明する。当該画素列に含まれる第ｍ行目の画素に対し、被写体の或る部分から検出対象が入射し、電荷が生成される。この電荷は、次段の第（ｍ＋１）行目の画素に転送され、この第（ｍ＋１）行目の画素に蓄積される。これと同時に、被写体の当該部分が撮像面１２に対して転送速度と同じ速度で相対的に移動する。したがって、第（ｍ＋１）行目の画素には、被写体の同じ部分からの検出対象が入射することとなるので、第（ｍ＋１）行目の画素において電荷が更に生成される。その後、第（ｍ＋１）行目の画素に蓄積された電荷は次段の第（ｍ＋２）行目の画素に転送される。以降、同様の動作が各行において繰り返され、被写体の当該部分に対応する検出対象の強度に応じた電荷が複数の行にわたって蓄積され続ける。これにより、移動する被写体の鮮明な画像を作成することができる。

再び図１及び図２を参照する。半導体素子５０は、本実施形態における第１の半導体素子である。半導体素子５０は、撮像面１２の一端１２ａに沿って、該一端１２ａを覆うように固体撮像素子１０の主面１０ａ上に実装されている。半導体素子５０は、例えばＣ−ＭＯＳ型の半導体チップを有しており、その半導体チップに作り込まれた回路によって、上述した第１の信号読出回路から各列毎に出力される電気信号をディジタル信号に変換し、各列のディジタル信号をシリアル信号として固体撮像装置１Ａの外部へ順次出力する。

半導体素子６０は、本実施形態における第２の半導体素子である。半導体素子６０は、撮像面１２の他端１２ｂに沿って、該他端１２ｂを覆うように固体撮像素子１０の主面１０ａ上に実装されている。半導体素子６０は、例えばＣ−ＭＯＳ型の半導体チップを有しており、その半導体チップに作り込まれた回路によって、上述した第２の信号読出回路から各列毎に出力される電気信号をディジタル信号に変換し、各列のディジタル信号をシリアル信号として固体撮像装置１Ａの外部へ順次出力する。

一般的に、ＣＣＤとＣ−ＭＯＳとはプロセスが互いに異なるので、ＣＣＤ型である固体撮像素子１０上にＣ−ＭＯＳ型のディジタル変換回路やシリアル変換回路を作製することはできない。また、これらの回路をディスクリートな回路素子及びＩＣ群によって構成することは可能だが、列数Ｎが１００を超えると実装面積が大きくなるため、固体撮像素子１０とこれらの回路とを結ぶ配線が数１０ｍｍと長くなるので、ノイズの重畳が大きくなると共に読み出し速度（帯域）が制限される。

図２に示されるように、半導体素子５０及び６０は、固体撮像素子１０に対して導電性材料（例えばバンプ電極５９及び６９）を介して接合されている。バンプ電極５９及び６９それぞれの周囲には、アンダーフィル８０が設けられており、これらのアンダーフィル８０によって固体撮像素子１０と半導体素子５０及び６０とがより強固に接合されている。

図４は、固体撮像素子１０における撮像面１２の一端１２ａ付近の構成を示す平面図である。前述したように、固体撮像素子１０は、列方向の電荷の転送を制御するための電圧信号を転送制御部４０から受けるドライブパッド用変換基板７１，７２を有する。各行毎に設けられた転送電極には、これらの電圧信号が印加される。なお、図中の矢印Ａ１は、第１の動作モードにおける電荷転送方向を示している。

また、前述したように、撮像面１２の一端１２ａには、Ｎ個の第１の信号読出回路２０が各列毎に配置されている。これらの第１の信号読出回路２０は、トランジスタ（本実施形態ではＦＥＴ）２１と、信号出力用ボンディングパッド２２とを有する。トランジスタ２１の制御端子（ゲート）は、撮像面１２における対応する画素列の一端１２ａ側の終端と電気的に接続されている。この制御端子の電位は、当該画素列から取り出される電荷の量が多くなるほど大きくなる。トランジスタ２１の一方の電流端子（ドレイン）は、Ｎ列にわたって共通に設けられた配線２３を介してボンディングパッド２４に電気的に接続されている。このボンディングパッド２４には、所定の大きさの電圧が常に印加される。トランジスタ２１の他方の電流端子（ソース）は、信号出力用ボンディングパッド２２に電気的に接続されている。第１の動作モードの際に、或る画素列において電荷が一端１２ａまで転送されると、その電荷の量に応じた電圧が当該列のトランジスタ２１の制御端子に印加される。これにより、該電荷の量に応じた大きさの電流が、当該トランジスタ２１の他方の電流端子から出力されて信号出力用ボンディングパッド２２を介して取り出される。

また、固体撮像素子１０は、トランジスタ（本実施形態ではＦＥＴ）２５を更に有する。Ｎ個のトランジスタ２１の制御端子は、Ｎ列にわたって共通に設けられた配線２６を介して、トランジスタ２５の一方の電流端子（ドレイン）に電気的に接続されている。また、トランジスタ２５の制御端子（ゲート）及び他方の電流端子（ソース）は、ボンディングパッド２７及び２８にそれぞれ電気的に接続されている。転送された電荷の量に応じた電流を各トランジスタ２１が出力し終わると、トランジスタ２５の制御端子には、ボンディングパッド２７を介してリセット電圧が印加される。これにより、各列に蓄積した電荷がトランジスタ２５の他方の電流端子からボンディングパッド２８を介して放出され、各トランジスタ２１の制御端子電圧がリセットされる。

図５は、固体撮像素子１０における撮像面１２の他端１２ｂ付近の構成を示す平面図である。図中の矢印Ａ２は、第２の動作モードにおける電荷転送方向を示している。前述したように、撮像面１２の他端１２ｂには、Ｎ個の第２の信号読出回路３０が配置されている。第２の信号読出回路３０の回路構成は、以下に述べるように、前述した第１の信号読出回路２０の構成と同様である。

Ｎ個の第２の信号読出回路３０それぞれは、トランジスタ（本実施形態ではＦＥＴ）３１と、信号出力用ボンディングパッド３２とを有する。トランジスタ３１の制御端子（ゲート）は、撮像面１２における対応する画素列の他端１２ｂ側の終端と電気的に接続されている。この制御端子の電位は、当該画素列から取り出される電荷の量が多くなるほど大きくなる。トランジスタ３１の一方の電流端子（ドレイン）は、Ｎ列にわたって共通に設けられた配線３３を介してボンディングパッド３４に電気的に接続されている。このボンディングパッド３４には、所定の大きさの電圧が常に印加される。トランジスタ３１の他方の電流端子（ソース）は、信号出力用ボンディングパッド３２に電気的に接続されている。第２の動作モードの際に、或る画素列において電荷が一端１２ａまで転送されると、その電荷の量に応じた電圧が当該列のトランジスタ３１の制御端子に印加される。これにより、該電荷の量に応じた大きさの電流が、当該トランジスタ３１の他方の電流端子から出力されて信号出力用ボンディングパッド３２を介して取り出される。

また、第２の信号読出回路３０は、トランジスタ（本実施形態ではＦＥＴ）３５を更に有する。Ｎ個のトランジスタ３１の制御端子は、Ｎ列にわたって共通に設けられた配線３６を介して、トランジスタ３５の一方の電流端子（ドレイン）に電気的に接続されている。また、トランジスタ３５の制御端子（ゲート）及び他方の電流端子（ソース）は、ボンディングパッド３７及び３８にそれぞれ電気的に接続されている。転送された電荷の量に応じた電流を各トランジスタ３１が出力し終わると、トランジスタ３５の制御端子には、ボンディングパッド３７を介してリセット電圧が印加される。これにより、各列に蓄積した電荷がトランジスタ３５の他方の電流端子からボンディングパッド３８を介して放出され、各トランジスタ３１の制御端子電圧がリセットされる。

図６は、半導体素子５０の構成を示す底面図である。半導体素子５０は、Ｎ列それぞれに設けられた第１の信号読出回路２０から出力される電気信号をディジタル信号に変換し、各列のディジタル信号をシリアル信号として固体撮像装置１Ａの外部へ順次出力する。本実施形態の半導体素子５０は、各列に対応して設けられたＮ個のボンディングパッド５１と、Ｎ個の相関二重サンプリング（ＣＤＳ；Correlated Double Sampling）回路５２と、Ｎ個のバッファ５３と、Ｎ個のアナログ−ディジタル変換回路５４と、マルチプレクサ５５とを有する。

Ｎ個のボンディングパッド５１それぞれは、固体撮像素子１０のＮ個の信号出力用ボンディングパッド２２それぞれと、バンプ電極５９（図２を参照）を介して電気的に接続される。また、Ｎ個のＣＤＳ回路５２それぞれは、Ｎ個の第１の信号読出回路２０それぞれから出力される電気信号をボンディングパッド５１を介して入力し、その電気信号のノイズを低減する。ＣＤＳ回路５２によって取り除かれるノイズは、例えば各列に配置されるＦＤＡ（Floating Diffusion Amplifier）のリセットノイズや、ダーク時のオフセットＦＰＮ（Fixed Pattern Noise）である。Ｎ個のバッファ５３それぞれは、Ｎ個のＣＤＳ回路５２それぞれから出力される電気信号を入力し、その電気信号を増幅する。Ｎ個のアナログ−ディジタル変換回路５４それぞれは、Ｎ個のバッファ５３それぞれから出力される電気信号を入力し、その電気信号をディジタル信号に変換する。マルチプレクサ５５は、アナログ−ディジタル変換回路５４から出力された各列のディジタル信号を、シリアル信号として固体撮像装置１Ａの外部へ順次出力する。なお、ＦＤＡのゲインのばらつきはＣＤＳ回路５２によって取り除くことができないので、ディジタル信号の段階でシェーディング補正を行う回路が更に付加されてもよい。

図７は、半導体素子６０の構成を示す底面図である。半導体素子６０は、Ｎ列それぞれに設けられた第２の信号読出回路３０から出力される電気信号をディジタル信号に変換し、各列のディジタル信号をシリアル信号として固体撮像装置１Ａの外部へ順次出力する。本実施形態の半導体素子６０は、前述した半導体素子５０と同様の構成を有する。すなわち、半導体素子６０は、各列に対応して設けられたＮ個のボンディングパッド６１と、Ｎ個のＣＤＳ回路６２と、Ｎ個のバッファ６３と、Ｎ個のアナログ−ディジタル変換回路６４と、マルチプレクサ６５とを有する。

Ｎ個のボンディングパッド６１それぞれは、固体撮像素子１０のＮ個の信号出力用ボンディングパッド３２それぞれと、バンプ電極６９（図２を参照）を介して電気的に接続される。また、Ｎ個のＣＤＳ回路６２それぞれは、Ｎ個の第２の信号読出回路３０それぞれから出力される電気信号をボンディングパッド６１を介して入力し、その電気信号のノイズを低減する。Ｎ個のバッファ６３それぞれは、Ｎ個のＣＤＳ回路６２それぞれから出力される電気信号を入力し、その電気信号を増幅する。Ｎ個のアナログ−ディジタル変換回路６４それぞれは、Ｎ個のバッファ６３それぞれから出力される電気信号を入力し、その電気信号をディジタル信号に変換する。マルチプレクサ６５は、アナログ−ディジタル変換回路６４から出力された各列のディジタル信号を、シリアル信号として固体撮像装置１Ａの外部へ順次出力する。

ここで、図６及び図７には、固体撮像素子１０の端縁１０ｃ及び１０ｄがそれぞれ示されている。図６に示される端縁１０ｃは、撮像面１２の一端１２ａ側の固体撮像素子１０の端縁であり、図７に示される端縁１０ｄは、撮像面１２の他端１２ｂ側の固体撮像素子１０の端縁である。これらの図に示されるように、撮像面１２の法線方向から見て、端縁１０ｃは半導体素子５０のバッファ５３とアナログ−ディジタル変換回路５４との間に位置しており、端縁１０ｄは半導体素子６０のバッファ６３とアナログ−ディジタル変換回路６４との間に位置している。すなわち、本実施形態では、ＣＤＳ回路５２，６２及びバッファ５３，６３が、撮像面１２の法線方向から見て固体撮像素子１０に覆われている。これにより、固体撮像素子１０に入射する紫外線などの光、Ｘ線などの放射線、または電子線といった検出対象からＣＤＳ回路５２，６２及びバッファ５３，６３を好適に保護することができる。

なお、固体撮像素子１０に覆われる半導体素子５０，６０の回路要素は、必要に応じて変更されることができる。ＣＤＳ回路５２，６２、バッファ５３，６３、アナログ−ディジタル変換回路５４，６４、及びマルチプレクサ５５，６５のうち少なくとも一つが固体撮像素子１０に覆われていることによって、当該回路要素を検出対象から好適に保護することができる。

以上の構成を備える固体撮像装置１Ａの動作の一例について説明する。図８は、固体撮像装置１Ａによって撮像される被写体１００を示す平面図である。なお、図８には、説明の便宜のためＸＹ直交座標系が併せて示されている。

被写体１００は、例えば複数の回路要素が形成された半導体ウエハである。前述したように、固体撮像装置１Ａの転送制御部４０は、列方向における撮像面１２の他端１２ｂ側から一端１２ａ側へ向かう方向（図３に示された矢印Ａ１）に電荷を転送する動作モード（第１の動作モード）と、一端１２ａ側から他端１２ｂ側へ向かう方向（図３に示された矢印Ａ２）に電荷を転送する動作モード（第２の動作モード）とを有する。したがって、以下に示す動作が可能になる。

（１）移動方向を反転しながら対象領域を撮り進む動作
図８の対象領域Ｃ１に対し、矢印Ｂ１１、Ｂ１３及びＢ１５に示されるように、撮像面１２の被写体１００に対する相対的な移動方向を反転させながら撮像を行う動作である。具体的には、まず一方向（Ｙ軸負方向）に撮像面１２を移動させながら、ＴＤＩ動作によって領域Ｃ１１を撮像する（矢印Ｂ１１）。このとき、転送制御部４０は、撮像面１２の電荷転送方向を例えば第１のモードとする。撮像データは、半導体素子５０から固体撮像装置１Ａの外部へ出力される。次に、上記方向と直交する方向（Ｘ軸正方向）に固体撮像装置１Ａを移動したのち（矢印Ｂ１２）、上記方向とは逆の方向（Ｙ軸正方向）に撮像面１２を移動させながら、ＴＤＩ動作によって領域Ｃ１２を撮像する（矢印Ｂ１３）。このとき、転送制御部４０は、撮像面１２の電荷転送方向を例えば第２のモードとする。撮像データは、半導体素子６０から固体撮像装置１Ａの外部へ出力される。その後、上記方向と直交する方向（Ｘ軸正方向）に固体撮像装置１Ａを移動したのち（矢印Ｂ１４）、上記一方向（Ｙ軸負方向）に撮像面１２を再び移動させながら、ＴＤＩ動作によって領域Ｃ１３を撮像する（矢印Ｂ１５）。

（２）移動方向を固定して対象領域を撮り進む動作
図８の対象領域Ｃ２のように、対象領域がＸ軸方向に長くＹ軸方向に短いような場合には、矢印Ｂ２１、Ｂ２３及びＢ２５に示されるように、撮像面１２の被写体１００に対する相対的な移動方向を固定しながら撮像を行うことも考えられる。具体的には、まず所定方向（Ｙ軸負方向）に撮像面１２を移動させながら、ＴＤＩ動作によって領域Ｃ２１を撮像する（矢印Ｂ２１）。このとき、転送制御部４０は、撮像面１２の電荷転送方向を例えば第１のモードとする。撮像データは、半導体素子５０から固体撮像装置１Ａの外部へ出力される。次に、隣接する領域Ｃ２２の一端に固体撮像装置１Ａを移動し（矢印Ｂ２２）、上記所定方向（Ｙ軸負方向）に撮像面１２を再び移動させながら、ＴＤＩ動作によって領域Ｃ２２を撮像する（矢印Ｂ２３）。その後、隣接する領域Ｃ２３の一端に固体撮像装置１Ａを移動し（矢印Ｂ２４）、上記所定方向（Ｙ軸負方向）に撮像面１２を再び移動させながら、ＴＤＩ動作によって領域Ｃ２３を撮像する（矢印Ｂ２５）。

（３）離散した複数の対象領域を撮る動作
図８の対象領域Ｃ３１〜Ｃ３４のように、被写体１００上の離散した複数の対象領域（例えば設計上クリティカルな領域）を撮像する場合には、矢印Ｂ３１、Ｂ３３、Ｂ３５及びＢ３７に示されるように、複数の対象領域Ｃ３１〜Ｃ３４に対し、個別に撮像を行ってもよい。具体的には、Ｙ軸方向の任意の向き（例えばＹ軸負方向）に撮像面１２を移動させながら、ＴＤＩ動作によって領域Ｃ３１を撮像する（矢印Ｂ３１）。次に、別の対象領域Ｃ３２の一端に固体撮像装置１Ａを移動したのち（矢印Ｂ３２）、Ｙ軸方向の任意の向き（例えばＹ軸負方向）に撮像面１２を移動させながら、ＴＤＩ動作によって領域Ｃ３２を撮像する（矢印Ｂ３３）。以降、同様の動作を繰り返すことによって、他の領域Ｃ３３及びＣ３４を撮像する（矢印Ｂ３４〜Ｂ３７）。

以上に説明した、本実施形態による固体撮像装置１Ａによって得られる効果について説明する。本実施形態の固体撮像装置１Ａによれば、固体撮像素子１０の各列の出力ポート（終端画素）と信号読出回路２０，３０とを共通の基板上において互いに近接して配置し、且つ、信号読出回路２０，３０にＮ個の入力ポート（入力端）を設けることにより、高速且つ低ノイズな読み出しを実現できる。例えば、本実施形態では、各列毎に信号読出回路２０，３０が配置されている。これにより、全ての列から同時に信号を読み出すことができるので、例えば行クロック３０ＭＨｚで２０００列を読み出す場合、３０ＭＨｚ÷２０００＝１５ｋＨｚで動作させることができる。したがって、ノイズを４０分の１程度まで減少させることができる。或いは、ノイズを従来と同程度まで許容できる場合には、より高速な読み出しが可能となる。

ここで、図９は、図８に示された動作を行う固体撮像装置１Ａを備える検査装置２００の構成例を概略的に示す図である。この検査装置２００は、電子銃２０１と、Ｅ×Ｂフィルタ２０２と、固体撮像装置１Ａとを備えている。電子銃２０１から放出された電子ビームＥＢ１は、レンズ２０３ａ及び２０３ｂで縮小されたのち、Ｅ×Ｂフィルター２０２の偏向中心面に結像される。Ｅ×Ｂフィルター２０２で偏向された電子ビームＥＢ１は、レンズ２０４ａ及び２０４ｂによって集束され、被写体１００（半導体ウエハ）へ照射される。そして、被写体１００のパターン画像情報を含む二次電子ＥＢ２が、被写体１００から放出される。この二次電子ＥＢ２は、４段のレンズ２０４ａ，２０４ｂ及び２０５ａ，２０５ｂによって拡大されたのち、固体撮像装置１Ａの撮像面１２に入射する。

ここで、例えばレンズ２０４ａ，２０４ｂ及び２０５ａ，２０５ｂの拡大率が５００倍であり、撮像面１２の列方向の幅が例えば１２μｍであり、行方向の幅が例えば１２μｍである場合、被写体１００における２４ｎｍ×２４ｎｍといった極めて小さな領域を高い空間分解能で撮像することが可能である。しかしながら、被写体１００が例えば１２インチウエハといった大きなものである場合、そのような小さな領域を撮像すると長時間を要してしまう。本実施形態の固体撮像装置１Ａによれば、このような場合であっても、固体撮像素子１０と信号読出回路２０，３０とを組み合わせることで高速・低ノイズの撮像が可能となり、ＴＤＩ動作において高分解能かつ短時間での撮像が可能となる。

また、固体撮像装置１Ａでは、ＣＣＤ型の固体撮像素子１０が、列方向の一端及び他端それぞれに配置された第１及び第２の信号読出回路２０，３０を有しており、更に、これらの信号読出回路２０，３０それぞれには、シリアル信号出力のための第１及び第２の半導体素子５０，６０それぞれが接続されている。このような構成によれば、他端側から一端側へ向かう方向にＴＤＩ動作を行う場合には、その方向に電荷を転送し、その電荷を第１の信号読出回路２０および第１の半導体素子５０によってシリアル信号出力に変換するとよい。また、一端側から他端側へ向かう方向にＴＤＩ動作を行う場合には、その方向に電荷を転送し、その電荷を第２の信号読出回路３０および第２の半導体素子６０によってシリアル信号出力に変換するとよい。このように、本実施形態の固体撮像装置１Ａによれば、ＣＣＤの電荷転送方向を反転させることができる。したがって、ＴＤＩ動作によって撮像を行う際に、固体撮像装置１Ａの移動を少なくすることができるので、撮像に要する時間を短くすることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

１Ａ…固体撮像装置、１０…固体撮像素子、１２…撮像面、１３…画素、２０…第１の信号読出回路、２１，２５，３１，３５…トランジスタ、２２…信号出力用ボンディングパッド、２４，２７，２８…ボンディングパッド、３０…第２の信号読出回路、３２…信号出力用ボンディングパッド、３４，３７，３８…ボンディングパッド、４０…転送制御部、５０…第１の半導体素子、５１，６１…ボンディングパッド、５２，６２…ＣＤＳ回路、５３，６３…バッファ、５４，６４…アナログ−ディジタル変換回路、５５，６５…マルチプレクサ、５９，６９…バンプ電極、６０…第２の半導体素子、７１，７２…ドライブパッド用変換基板、７１ａ，７２ａ…ドライブ電圧用パッド、８０…アンダーフィル。

Claims (2)

1. Ｍ×Ｎ個（Ｍ，Ｎは２以上の整数）の画素がＭ行Ｎ列に２次元配列されて成る撮像面、前記撮像面に対して列方向の一端側に各列毎に配置されており各列から取り出される電荷の大きさに応じた電気信号をそれぞれ出力するＮ個の第１の信号読出回路、及び、前記撮像面に対して列方向の他端側に各列毎に配置されており各列から取り出される電荷の大きさに応じた電気信号をそれぞれ出力するＮ個の第２の信号読出回路を主面に有する基板状のＣＣＤ型の固体撮像素子と、
   前記第１の信号読出回路から各列毎に出力される電気信号をディジタル信号に変換するとともに、各列の前記ディジタル信号をシリアル信号として順次出力する第１の半導体素子と、
   前記第２の信号読出回路から各列毎に出力される電気信号をディジタル信号に変換するとともに、各列の前記ディジタル信号をシリアル信号として順次出力する第２の半導体素子と、
   前記撮像面における列方向の電荷の転送を制御する転送制御部と、を備え、
   前記転送制御部は、前記他端側から前記一端側へ向かう方向に電荷を転送する第１の動作モードと、前記一端側から前記他端側へ向かう方向に電荷を転送する第２の動作モードとを有し、前記固体撮像素子に対して相対的に移動する被写体の移動速度及び移動方向に電荷の転送速度及び転送方向を一致させ、
   前記撮像面の他端側から一端側に被写体が相対的に移動する場合には前記Ｎ個の第１の信号読出回路が前記電気信号を出力し、前記撮像面の一端側から他端側に被写体が相対的に移動する場合には前記Ｎ個の第２の信号読出回路が前記電気信号を出力し、
   各第１の信号読出回路及び各第２の信号読出回路は、前記電荷の大きさに対応する大きさの電流を出力するトランジスタ、及び前記トランジスタに接続された信号出力用パッドを有し、
   前記第１の半導体素子は、前記Ｎ個の第１の信号読出回路から各列毎に出力される電気信号を入力するためのＮ個のボンディングパッドを有し、各ボンディングパッドが前記Ｎ個の第１の信号読出回路の各信号出力用パッドに対して対向した状態で導電接続されることにより、前記撮像面の一端側に沿って前記固体撮像素子の該一端側を覆うように前記固体撮像素子に実装され、
   前記第２の半導体素子は、前記Ｎ個の第２の信号読出回路から各列毎に出力される電気信号を入力するためのＮ個のボンディングパッドを有し、各ボンディングパッドが前記Ｎ個の第２の信号読出回路の各信号出力用パッドに対して対向した状態で導電接続されることにより、前記撮像面の他端側に沿って前記固体撮像素子の該他端側を覆うように前記固体撮像素子に実装され、
   前記固体撮像素子の電荷の転送を制御するための電圧信号が提供されるドライブ電圧用パッドが、行方向における前記撮像面の両端縁に沿って配置されていることを特徴とする、固体撮像装置。
2. 前記第１及び第２の半導体素子それぞれが、
   前記Ｎ個の第１及び第２の信号読出回路それぞれから各列毎に出力される電気信号のノイズを低減する相関二重サンプリング回路と、
   前記相関二重サンプリング回路から出力された信号を増幅するバッファと、
   前記バッファから出力された信号をディジタル信号に変換するアナログ−ディジタル変換回路と、
   前記アナログ−ディジタル変換回路から出力された各列の前記ディジタル信号をシリアル信号として順次出力するマルチプレクサとを有することを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像装置。

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