KR102642051B1 - 고체 촬상 장치 및 그 제조 방법, 및 전자 기기 - Google Patents

고체 촬상 장치 및 그 제조 방법, 및 전자 기기 Download PDF

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Abstract

본 기술은, 화소의 미세화에 대응할 수 있도록 한 고체 촬상 장치 및 그 제조 방법, 및 전자 기기에 관한 것이다. 고체 촬상 장치는, 제1의 반도체 기판의 배선층 형성면인 표면측과, 제2의 반도체 기판의 배선층 형성면의 반대측인 이면측이 접합하여 구성된다. 제1의 반도체 기판은, 입사광을 광전변환하는 포토 다이오드와, 포토 다이오드의 전하를 전송하는 전송 트랜지스터를 구비한다. 제2의 반도체 기판은, 전송 트랜지스터에 의해 전송된 전하 또는 전하에 응한 전압을 유지하는 전하 전압 유지부를 구비한다. 고체 촬상 장치는, 제2의 반도체 기판을 관통하고, 전송 트랜지스터로부터 전송된 전하 또는 전압을 전하 전압 유지부에 전송하는 관통 전극을 구비한다. 본 기술은, 예를 들면, 고체 촬상 장치 등에 적용할 수 있다.

Description

고체 촬상 장치 및 그 제조 방법, 및 전자 기기
본 기술은, 고체 촬상 장치 및 그 제조 방법, 및 전자 기기에 관한 것으로서, 특히, 화소의 미세화에 대응할 수 있도록 한 고체 촬상 장치 및 그 제조 방법, 및 전자 기기에 관한 것이다.
글로벌 셔터형의 이면 조사형 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서에서는, 포토 다이오드로부터 전송된 전하(신호)를 일시적으로 축적하기 위한 메모리가 마련된다. 포토 다이오드에서 생성된 전하를 일시적으로 축적하는 메모리를, 포토 다이오드와 동일한 실리콘층에 마련하면, PLS 특성(Parastic Light Sensitibity : 기생 수광 감도 특성)이 악화한다. PLS 특성을 개선하기 위해서는, 충분한 차광 대책을 행하면, 포토 다이오드의 면적이 작아지기 때문에, 포화 전하량(Qs)이 희생이 된다.
그런데, 2장의 반도체 기판을 적층하여 구성하고, 포토 다이오드를 광 입사측의 제1의 반도체 기판에 마련하고, 메모리를 다른 편의 제2의 반도체 기판에 마련한 적층형의 이면 조사형 CMOS 이미지 센서가 개발되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 내지 4 참조).
특허 문헌 1 : 특개2010-219339호 공보 특허 문헌 2 : 특개2014-36306호 공보 특허 문헌 3 : 국제 공개 제2016/136486호 특허 문헌 4 : 특개2014-99582호 공보
적층형의 이면 조사형CMOS 이미지 센서에서는, 화소의 미세화에 대응 가능한 구조가 또한 요구되고 있다.
본 기술은, 이와 같은 상황을 감안하고 이루어진 것으로서, 화소의 미세화에 대응할 수 있도록 하는 것이다.
본 기술의 제1의 측면의 고체 촬상 장치는, 제1의 반도체 기판의 배선층 형성면인 표면측과, 제2의 반도체 기판의 배선층 형성면의 반대측인 이면측이 접합하여 구성되고, 상기 제1의 반도체 기판은, 입사광을 광전변환하는 광전변환부와, 상기 광전변환부의 전하를 전송하는 전송 트랜지스터를 구비하고, 상기 제2의 반도체 기판은, 상기 전송 트랜지스터에 의해 전송된 상기 전하 또는 상기 전하에 응한 전압을 유지하는 전하 전압 유지부를 구비하고, 상기 제2의 반도체 기판을 관통하고, 상기 전송 트랜지스터로부터 전송된 상기 전하 또는 상기 전압을 상기 전하 전압 유지부에 전송하는 관통 전극을 구비한다.
본 기술의 제2의 측면의 고체 촬상 장치의 제조 방법은, 제1의 반도체 기판에, 입사광을 광전변환하는 광전변환부와, 상기 광전변환부의 전하를 전송하는 전송 트랜지스터를 형성하고, 상기 제1의 반도체 기판의 배선층 형성면인 표면측과, 제2의 반도체 기판의 배선층 형성면의 반대측인 이면측을 접합하고, 접합한 후의 상기 제2의 반도체 기판에, 상기 전송 트랜지스터에 의해 전송된 상기 전하 또는 상기 전하에 응한 전압을 유지하는 전하 전압 유지부를 형성하고, 상기 제2의 반도체 기판을 관통하고, 상기 전송 트랜지스터로부터 전송된 상기 전하 또는 상기 전압을 상기 전하 전압 유지부에 전송하는 관통 전극을 형성한다.
본 기술의 제3의 측면의 전자 기기는, 제1의 반도체 기판의 배선층 형성면인 표면측과, 제2의 반도체 기판의 배선층 형성면의 반대측인 이면측이 접합하여 구성되고, 상기 제1의 반도체 기판은, 입사광을 광전변환하는 광전변환부와, 상기 광전변환부의 전하를 전송하는 전송 트랜지스터를 구비하고, 상기 제2의 반도체 기판은, 상기 전송 트랜지스터에 의해 전송된 상기 전하 또는 상기 전하에 응한 전압을 유지하는 전하 전압 유지부를 구비하고, 상기 제2의 반도체 기판을 관통하고, 상기 전송 트랜지스터로부터 전송된 상기 전하 또는 상기 전압을 상기 전하 전압 유지부에 전송하는 관통 전극을 구비한 고체 촬상 장치를 구비한다.
본 기술의 제1 및 제3의 측면에서는, 제1의 반도체 기판의 배선층 형성면인 표면측과, 제2의 반도체 기판의 배선층 형성면의 반대측인 이면측이 접합하여 구성되고, 상기 제1의 반도체 기판에는, 입사광을 광전변환하는 광전변환부와, 상기 광전변환부의 전하를 전송하는 전송 트랜지스터가 마련되고, 상기 제2의 반도체 기판에는, 상기 전송 트랜지스터에 의해 전송된 상기 전하 또는 상기 전하에 응한 전압을 유지하는 전하 전압 유지부가 마련되고, 상기 제2의 반도체 기판을 관통하고, 상기 전송 트랜지스터로부터 전송된 상기 전하 또는 상기 전압을 상기 전하 전압 유지부에 전송하는 관통 전극이 마련된다.
본 기술의 제2의 측면에서는, 제1의 반도체 기판에, 입사광을 광전변환하는 광전변환부와, 상기 광전변환부의 전하를 전송하는 전송 트랜지스터가 형성되고, 상기 제1의 반도체 기판의 배선층 형성면인 표면측과, 제2의 반도체 기판의 배선층 형성면의 반대측인 이면측이 서로 부착되고, 서로 부착된 후의 상기 제2의 반도체 기판에, 상기 전송 트랜지스터에 의해 전송된 상기 전하 또는 상기 전하에 응한 전압을 유지하는 전하 전압 유지부가 형성되고, 상기 제2의 반도체 기판을 관통하고, 상기 전송 트랜지스터로부터 전송된 상기 전하 또는 상기 전압을 상기 전하 전압 유지부에 전송하는 관통 전극이 형성된다.
고체 촬상 장치 및 전자 기기는, 독립한 장치라도 좋고, 다른 장치에 편입된 모듈이라도 좋다.
본 기술의 제1 내지 제3의 측면에 의하면, 화소의 미세화에 대응할 수 있다.
또한, 여기에 기재된 효과는 반드시 한정되는 것이 아니고, 본 개시중에 기재된 어떤 효과라도 좋다.
도 1은 본 기술을 적용한 고체 촬상 장치의 개략 구성례를 도시하는 도면.
도 2는 화소의 제1 실시의 형태의 회로 구성례를 도시하는 도면.
도 3은 제1 실시의 형태에 관한 화소의 단면도.
도 4는 제1 실시의 형태의 제조 방법에 관해 설명하는 도면.
도 5는 제1 실시의 형태의 제조 방법에 관해 설명하는 도면.
도 6은 제1 실시의 형태의 제조 방법에 관해 설명하는 도면.
도 7은 제1 실시의 형태의 제조 방법에 관해 설명하는 도면.
도 8은 제1 실시의 형태의 제조 방법의 효과를 설명하는 도면.
도 9는 화소의 제2 실시의 형태의 회로 구성례를 도시하는 도면.
도 10은 제2 실시의 형태에 관한 화소의 단면도.
도 11은 3장의 반도체 기판을 적층한 제1의 구성 단면도.
도 12는 3장의 반도체 기판을 적층한 제2의 구성 단면도.
도 13은 본 기술을 적용한 전자 기기로서의 촬상 장치의 구성례를 도시하는 블록도.
도 14는 이미지 센서의 사용례를 설명하는 도면.
도 15는 체내 정보 취득 시스템의 대략적인 구성의 한 예를 도시하는 블록도.
도 16은 내시경 수술 시스템의 대략적인 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 17은 카메라 헤드 및 CCU의 기능 구성의 한 예를 도시하는 블록도다.
도 18은 차량 제어 시스템의 대략적인 구성의 한 예를 도시하는 블록도.
도 19는 차외 정보 검출부 및 촬상부의 마련 위치의 한 예를 도시하는 설명도.
이하, 본 기술을 실시하기 위한 형태(이하, 실시의 형태라고 한다)에 관해 설명한다. 또한, 설명은 이하의 순서에 행한다.
1. 고체 촬상 장치의 개략 구성례
2. 제1 실시의 형태의 화소 회로 구성례
3. 제1 실시의 형태의 단면 구성례
4. 제1 실시의 형태의 제조 방법
5. 제2 실시의 형태의 화소 회로 구성례
6. 제2 실시의 형태의 단면 구성례
7. 3층 적층 구조의 단면 구성례
8. 전자 기기에의 적용례
9. 체내 정보 취득 시스템에의 응용례
10. 내시경 수술 시스템에의 응용례
11. 이동체에의 응용례
<1. 고체 촬상 장치의 개략 구성례>
도 1은, 본 기술을 적용한 고체 촬상 장치의 개략 구성례를 나타내고 있다.
도 1의 고체 촬상 장치(1)는, 화소(2)가 2차원 어레이형상으로 배열된 화소 어레이부(3)와, 그 주변의 주변 회로부를 갖고 구성된다. 주변 회로부에는, 수직 구동 회로(4), 칼럼 신호 처리 회로(5), 수평 구동 회로(6), 출력 회로(7), 제어 회로(8) 등이 포함된다.
화소(2)는, 광전변환 소자로서의 포토 다이오드와, 복수의 화소 트랜지스터를 갖고 이루어진다. 복수의 화소 트랜지스터는, 예를 들면, 전송 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 증폭 트랜지스터 등이고, MOS 트랜지스터로 구성된다.
제어 회로(8)는, 입력 클록과, 동작 모드 등을 지령하는 데이터를 수취하고, 또한 고체 촬상 장치(1)의 내부 정보 등의 데이터를 출력한다. 즉, 제어 회로(8)는, 수직 동기 신호, 수평 동기 신호 및 마스터 클록에 의거하여, 수직 구동 회로(4), 칼럼 신호 처리 회로(5) 및 수평 구동 회로(6) 등의 동작의 기준이 되는 클록 신호나 제어 신호를 생성한다. 그리고, 제어 회로(8)는, 생성한 클록 신호나 제어 신호를, 수직 구동 회로(4), 칼럼 신호 처리 회로(5) 및 수평 구동 회로(6) 등에 출력한다.
수직 구동 회로(4)는, 예를 들면 시프트 레지스터에 의해 구성되고, 소정의 화소 구동 배선(10)을 선택하고, 선택된 화소 구동 배선(10)에 화소(2)를 구동하기 위한 펄스를 공급하고, 행 단위로 화소(2)를 구동한다. 즉, 수직 구동 회로(4)는, 화소 어레이부(3)의 각 화소(2)를 행 단위로 순차적으로 수직 방향으로 선택 주사하고, 각 화소(2)의 광전변환부에 있어서 수광량에 응하여 생성된 신호 전하에 의거한 화소 신호를, 수직 신호선(9)을 통하여 칼럼 신호 처리 회로(5)에 공급시킨다.
칼럼 신호 처리 회로(5)는, 화소(2)의 열마다 배치되어 있고, 1행분의 화소(2)로부터 출력된 신호를 화소열마다 노이즈 제거 등의 신호 처리를 행한다. 예를 들면, 칼럼 신호 처리 회로(5)는, 화소 고유의 고정 패턴 노이즈를 제거하기 위한 CDS(Correlated Double Sampling : 상관 이중 샘플링) 및 AD 변환 등의 신호 처리를 행한다.
수평 구동 회로(6)는, 예를 들면 시프트 레지스터에 의해 구성되고, 수평 주사 펄스를 순차적으로 출력함에 의해, 칼럼 신호 처리 회로(5)의 각각을 순번대로 선택하고, 칼럼 신호 처리 회로(5)의 각각으로부터 화소 신호를 수평 신호선(11)에 출력시킨다.
출력 회로(7)는, 칼럼 신호 처리 회로(5)의 각각으로부터 수평 신호선(11)을 통하여 순차적으로 공급된 신호에 대해, 신호 처리를 행하여 출력한다. 출력 회로(7)는, 예를 들면, 버퍼링만 하는 경우도 있고, 검은색 레벨 조정, 열분산 보정, 각종 디지털 신호 처리 등이 행하여지는 경우도 있다. 입출력 단자(13)는, 외부와 신호의 교환을 한다.
이상과 같이 구성된 고체 촬상 장치(1)는, CDS 처리와 AD 변환 처리를 행한 칼럼 신호 처리 회로(5)가 화소열마다 배치된 칼럼 AD 방식이라고 하는 CMOS 이미지 센서이다.
<2. 제1 실시의 형태의 화소 회로 구성례>
도 2는, 도 1의 화소(2)의 제1 실시의 형태의 회로 구성례를 나타내고 있다.
화소(2)는, 광전변환 소자로서의 포토 다이오드(PD), 제1 전송 트랜지스터(Tr1), 제2 전송 트랜지스터(Tr2), 리셋 트랜지스터(Tr3), 증폭 트랜지스터(Tr4), 선택 트랜지스터(Tr5), 배출 트랜지스터(Tr6), 및, 메모리부(MEM)로 구성된다.
포토 다이오드(PD)는, 수광량에 응한 전하(신호 전하)를 생성하고, 축적하는 광전변환부이다. 포토 다이오드(21)의 양극 단자가 접지되어 있음과 함께, 캐소드 단자가 제1 전송 트랜지스터(Tr1) 및 제2 전송 트랜지스터(Tr2)를 경유하여 메모리부(MEM)에 접속되어 있다. 또한, 포토 다이오드(21)의 캐소드 단자는, 배출 트랜지스터(Tr6)와도 접속되어 있다.
제1 전송 트랜지스터(Tr1)는, 전송 신호(TRG1)에 의해 온 된 때, 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하를 판독하고, 제2 전송 트랜지스터(Tr2)에 전송한다. 제2 전송 트랜지스터(Tr2)는, 전송 신호(TRG2)에 의해 온 된 때, 제1 전송 트랜지스터(Tr1)로부터 전송되어 온 전하를 메모리부(MEM)에 전송한다.
메모리부(MEM)는, 포토 다이오드(PD)로부터 전송되어 온 전하를, 수직 신호선(9)을 경유하여 출력하기 까지의 사이에, 일시적으로 유지하는 전하 유지부이다. 제2 전송 트랜지스터(Tr2)의 드레인 및 증폭 트랜지스터(Tr4)의 게이트와 접속되어 있는 메모리부(MEM)의 제1 전극과 반대측의 제2 전극에는, 포토 다이오드(PD)로부터의 전하를 완전 전송하도록 제어하는 제어 전위(TRG3)가 인가된다.
또한, 메모리부(MEM)로서는, 단위 면적당의 리크 전류(암전류)가 적은 커패시터인 MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조의 용량이나, PIP(Poly silicon-Insulator-Poly silicon) 구조의 용량이나, MOS(Metal Oxide Semiconductor) 구조의 용량을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 이것에 의해, 노이즈에 대한 내성이 향상하고, 고품질의 신호를 얻을 수 있다.
리셋 트랜지스터(Tr3)는, 리셋 신호(RST)에 의해 온 된 때, 메모리부(MEM)에 유지되어 있는 전하가 전원 전압(VDD)에 배출됨으로써, 메모리부(MEM)의 전위를 리셋한다.
증폭 트랜지스터(Tr4)는, 메모리부(MEM)의 전위에 응한 화소 신호를 출력한다. 즉, 증폭 트랜지스터(Tr4)는 정전류원으로서의 부하(MOS)(도시하지 않음)와 소스 팔로워 회로를 구성하고, 메모리부(MEM)에 유지되어 있는 전하에 응한 레벨을 나타내는 화소 신호가, 증폭 트랜지스터(Tr4)로부터 선택 트랜지스터(Tr5)를 경유하여 칼럼 신호 처리 회로(5)(도 1)에 출력된다. 부하(MOS)는, 예를 들면, 칼럼 신호 처리 회로(5) 내에 마련되어 있다.
선택 트랜지스터(Tr5)는, 선택 신호(SEL)에 의해 화소(2)가 선택된 때 온 되고, 화소(2)의 화소 신호를, 수직 신호선(9)을 경유하여 칼럼 신호 처리 회로(5)에 출력한다. 배출 트랜지스터(Tr6)는, 배출 신호(PDRST)에 의해 온 된 때, 포토 다이오드(PD)에 축적되어 있는 불필요한 전하를 전원 전압(VDD)에 배출한다. 전송 신호(TRG1 및 TRG2), 리셋 신호(RST), 선택 신호(SEL), 및, 배출 신호(PDRST)는, 수직 구동 회로(4)에 의해 제어되고, 화소 구동 배선(10)(도 1)을 경유하여 공급된다.
화소(2)의 동작에 관해 간단하게 설명한다.
먼저, 노광 시작전에, High 레벨의 배출 신호(PDRST)가 배출 트랜지스터(Tr6)에 공급됨에 의해 배출 트랜지스터(Tr6)가 온 되고, 포토 다이오드(PD)에 축적되어 있는 전하가 전원 전압(VDD)에 배출되고, 포토 다이오드(PD)가 리셋된다.
포토 다이오드(PD)의 리셋 후, 배출 트랜지스터(Tr6)가, Low 레벨의 배출 신호(PDRST)에 의해 오프 되면, 전(全) 화소로 노광이 시작된다.
다음에, High 레벨의 리셋 신호(RST)가 리셋 트랜지스터(Tr3)에 공급됨에 의해, 메모리부(MEM)에 유지되어 있는 전하가 전원 전압(VDD)에 배출됨으로써, 메모리부(MEM)의 전위가 리셋된다.
미리 정해진 소정의 노광 시간이 경과하면, 화소 어레이부(3)의 전(全) 화소에 있어서, High 레벨의 전송 신호(TRG1)에 의해 제1 전송 트랜지스터(Tr1)가 온 됨과 함께, High 레벨의 전송 신호(TRG2)에 의해 제2 전송 트랜지스터(Tr2)가 온 되고, 포토 다이오드(21)에 축적되어 있던 전하가, 메모리부(MEM)에 전송된다.
제1 전송 트랜지스터(Tr1)가 오프 된 후, 각 화소(2)의 메모리부(MEM)에 유지되어 있는 전하가, 행 단위로, 순차적으로, 칼럼 신호 처리 회로(5)에 판독된다. 판독 동작은, High 레벨의 선택 신호(SEL)에 의해, 선택 트랜지스터(Tr5)가 온 된 것으로, 메모리부(MEM)에 유지된 전하에 응한 레벨을 나타내는 화소 신호가, 증폭 트랜지스터(Tr4)로부터 선택 트랜지스터(Tr5)를 경유하여 칼럼 신호 처리 회로(5)에 출력된다.
이상과 같이, 도 2에 나타나는 화소(2)의 회로는, 노광 시간을 화소 어레이부(3)의 전 화소에 동일하게 설정하고, 노광 종료후는 전하를 메모리부(MEM)에 일시적으로 유지해 두고, 메모리부(MEM)로부터 행 단위로 순차적으로 전하를 판독하는 글로벌 셔터 방식의 동작(촬상)을 행하는 회로이다.
도 1의 고체 촬상 장치(1)는, 도 3 등을 참조하여 후술하는 바와 같이, 2장의 반도체 기판을 접합하여 구성되지만, 도 2의 파선은 2장의 반도체 기판의 접합면을 나타낸다.
<3. 제1 실시의 형태의 단면 구성례>
도 3은, 도 2에 도시한 제1 실시의 형태에 관한 화소(2)의 단면도이다.
도 2에 나타낸 화소(2)의 회로는, 도 3에 도시되는 바와 같이, 제1의 반도체 기판(41)과, 제2의 반도체 기판(71)이 적층되어 구성되어 있다.
도 3에 있어서 상측이 되는 제1의 반도체 기판(41)의 광입사면측에는, 온 칩 렌즈(42)가 화소 단위로 형성되고, 제1의 반도체 기판(41)의 광입사면측과는 반대측에는, 배선층(43)이 형성되어 있다. 또한, 광입사면 측인 제1의 반도체 기판(41) 윗면에는, 온 칩 렌즈(42) 이외에, 화소간 차광막, 컬러 필터, 반사 방지막, 평탄화 막 등이 또한 형성되어도 좋다.
제1의 반도체 기판(41)에는, p형의 반도체 영역(p-well)(51) 안의 소정의 영역에 n형의 반도체 영역(52)이 형성됨에 의해 포토 다이오드(PD)가 화소 단위로 형성되어 있다.
제1의 반도체 기판(41)의 제2의 반도체 기판(71)측에 형성된 배선층(43)은, 절연층(53 및 54)과, 금속 배선(M1 내지 M6)을 포함한다. 절연층(53)에 형성된 금속 배선(M1 내지 M3, M5 및 M6)은, 전송 신호(TRG1), 배출 신호(PDRST), 전원 전압(VDD), 화소 신호 등을 전송하는 배선이고, 금속 배선(M4)은, 입사광이 제2의 반도체 기판(71)측에 입사되지 않도록 마련된 차광막이다. 광입사면측과 반대측의 포토 다이오드(PD)의 하방의 위치에 차광막을 금속 배선(M4)으로 형성함으로써, 제2의 반도체 기판(71)에 입사광의 누입을 방지할 수 있다.
포토 다이오드(PD)에 인접하는 제1의 반도체 기판(41)의 하측 계면에는, 제1 전송 트랜지스터(Tr1) 및 배출 트랜지스터(Tr6)가 형성되어 있다. 제1 전송 트랜지스터(Tr1)는, 폴리실리콘으로 형성된 게이트 전극(G1)과, n형 불순물 영역(55)을 갖는다. n형 불순물 영역(55)은, 전기적으로 부유 상태가 되어 있는 플로팅 디퓨전(FD : Floating Diffusion)부이다. 배출 트랜지스터(Tr6)는, 폴리실리콘으로 형성된 게이트 전극(G6)과, n형 불순물 영역(56)을 갖는다. 또한, 도시는 생략되어 있지만, 게이트 전극(G1) 및 게이트 전극(G6)과 제1의 반도체 기판(41)과의 사이에는, 게이트 절연막이 형성되어 있다.
제2의 반도체 기판(71)의 제1의 반도체 기판(41)측에는 절연층(72)이 형성되고, 제1의 반도체 기판(41)의 절연층(54)과 제2의 반도체 기판(71)의 절연층(72)이, 예를 들면, 플라즈마 접합에 의해 접합되어 있다. 절연층(54)과 절연층(72)과의 사이의 파선(L1)은, 도 2의 기판 접합면에 대응한다.
제2의 반도체 기판(71)의 제1의 반도체 기판(41) 측과 반대측의 면에는, 3 층의 절연층(81 내지 83)과, 금속 배선(M11 내지 M16) 및 금속 배선(M21 내지 M28)을 포함하는 다층 배선층(73)이 형성되어 있다.
제2의 반도체 기판(71)의 다층 배선층(73) 측의 계면에는, 제2 전송 트랜지스터(Tr2), 메모리부(MEM), 리셋 트랜지스터(Tr3), 증폭 트랜지스터(Tr4), 및, 선택 트랜지스터(Tr5)가 형성되어 있다. 그리고, 제2의 반도체 기판(71)에는, p형의 반도체 영역(84)과, 화소 트랜지스터의 소스/드레인 영역 등을 구성하는 n형 반도체 영역(85 내지 89)이 형성되어 있다.
제2 전송 트랜지스터(Tr2)는, 폴리실리콘으로 형성된 게이트 전극(G2)과, 소스/드레인 영역으로서의 n형 불순물 영역(85 및 86)으로 구성된다. 제2 전송 트랜지스터(Tr2)의 게이트 전극(G2)에는, 금속 배선(M12), 비아 배선(94), 및 금속 배선(M23)을 경유하여 전송 신호(TRG2)가 인가되고 있다. 제2 전송 트랜지스터(Tr2)의 n형 불순물 영역(85)은, 금속 배선(M11), 비아 배선(93), 접속 배선(101), 및, 관통 전극(92)을 경유하여, 제1의 반도체 기판(41) 측의 금속 배선(M2)과 접속되어 있다.
메모리부(MEM)는, 제1 전극에 상당하는 n형 불순물 영역(86)과, 폴리실리콘으로 형성된 제2 전극(Gm)으로 구성된다. 메모리부(MEM)의 제2 전극(Gm)에는, 금속 배선(M13), 비아 배선(95), 및, 금속 배선(M24)을 경유하여, 제어 전위(TRG3)가 인가되고 있다.
리셋 트랜지스터(Tr3)는, 폴리실리콘으로 형성된 게이트 전극(G3)과, 소스/드레인 영역으로서의 n형 불순물 영역(86 및 87)으로 구성된다. 리셋 트랜지스터(Tr3)의 소스 영역으로서의 n형 불순물 영역(86)은, 금속 배선(M14)을 경유하여, 증폭 트랜지스터(Tr4)의 게이트 전극(G4)과 접속되어 있다. 리셋 트랜지스터(Tr3)의 게이트 전극(G3)에는, 도시하지 않은 부분에서 리셋 신호(RST)가 인가되고 있다.
증폭 트랜지스터(Tr4)는, 폴리실리콘으로 형성된 게이트 전극(G4)과, 소스/드레인 영역으로서의 n형 불순물 영역(87 및 88)으로 구성된다. 게이트 전극(G4)은, 금속 배선(M14)을 경유하여, 제2 전송 트랜지스터(Tr2)의 드레인 영역 및 리셋 트랜지스터(Tr3)의 소스 영역으로서의 n형 불순물 영역(86)과 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(Tr4)의 드레인 영역 및 리셋 트랜지스터(Tr3)의 드레인 영역으로서의 n형 불순물 영역(87)에는, 도시하지 않은 부분에서 전원 전압(VDD)이 인가되고 있다.
선택 트랜지스터(Tr5)는, 폴리실리콘으로 형성된 게이트 전극(G5)과, 소스/드레인 영역으로서의 n형 불순물 영역(88 및 89)으로 구성된다. 선택 트랜지스터(Tr5)의 게이트 전극(G5)에는, 금속 배선(M15), 비아 배선(96), 및, 금속 배선(M25)을 경유하여, 선택 신호(SEL)가 인가되고 있다. 선택 트랜지스터(Tr5)의 소스 영역으로서의 n형 불순물 영역(89)은, 금속 배선(M16), 비아 배선(97), 및, 금속 배선(M26)을 경유하여, 수직 신호선(9)에 접속되어 있다.
절연층(83)에 형성된 금속 배선(M21)은, 관통 전극(91)을 경유하여, 제1의 반도체 기판(41)의 배선층(43)의 금속 배선(M1)과 접속되어 있다. 금속 배선(M1)은, 제1 전송 트랜지스터(Tr1)의 게이트 전극(G1)과 접속되어 있는 금속 배선(M3)과 도시하지 않은 부분에서 접속되어 있고, 전송 신호(TRG1)가, 금속 배선(M21), 관통 전극(91), 금속 배선(M1), 및, 금속 배선(M3)을 경유하여, 제1 전송 트랜지스터(Tr1)의 게이트 전극(G1)에 공급된다.
절연층(83)에 형성된 금속 배선(M27)은, 관통 전극(98)을 경유하여, 제1의 반도체 기판(41)의 배선층(43)의 금속 배선(M5)과 접속되어 있다. 배출 신호(PDRST)가, 금속 배선(M27), 관통 전극(98), 및, 금속 배선(M5)을 경유하여, 배출 트랜지스터(Tr6)의 게이트 전극(G6)에 공급된다.
절연층(83)에 형성된 금속 배선(M28)은, 관통 전극(99)을 경유하여, 제1의 반도체 기판(41)의 배선층(43)의 금속 배선(M6)과 접속되어 있다. 전원 전압(VDD)이, 금속 배선(M28), 관통 전극(99), 및, 금속 배선(M6)을 경유하여, n형 불순물 영역(56)에 공급된다.
또한, 도시는 생략되어 있지만, 게이트 전극(G2) 내지 G5 및 제2 전극(Gm)과 제2의 반도체 기판(71)과의 사이에는, 게이트 절연막이 형성되어 있다. 게이트 절연막하의 제2의 반도체 기판(71)계면에는, 임계치 전압 조정용의 n형 불순물 영역이 형성되어도 좋다.
제1의 반도체 기판(41)과 제2의 반도체 기판(71)은, 도 3에 나타난 바와 같이, 화소 영역에서는, 4개의 관통 전극(91, 92, 98, 및, 99)만으로 전기적으로 접속되어 있다.
금속 배선(M1 내지 M6), 금속 배선(M11 내지 M16), 및, 금속 배선(M21 내지 M28)의 재료는, 예를 들면, 고융점 금속 배선인 텅스텐(W)이 있지만, 그 밖에, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금 등(Au)의 재료라도 좋다. 관통 전극(91 및 92), 비아 배선(93 내지 97), 및, 관통 전극(98 및 99)의 재료에는, 예를 들면, 동이 사용되지만, 그 밖의 금속재료라도 좋다.
또한, 절연층(53 및 54) 및 절연층(81 내지 83)은, 예를 들면, SiO2 막, Low-k막(저유전율 절연막), SiOC막 등으로 형성된다. 절연층(53 및 54) 및 절연층(81 내지 83)의 재료는 같을 필요는 없다.
이상과 같이 구성된 화소(2)에 있어서, 소정의 노광 기간이 종료되고, High 레벨의 전송 신호(TRG1)에 의해 제1 전송 트랜지스터(Tr1)가 온 됨과 함께, High 레벨의 전송 신호(TRG2)에 의해 제2 전송 트랜지스터(Tr2)가 온 되면, 포토 다이오드(21)에 축적되어 있던 전하가, FD부인 n형 불순물 영역(55 및 85)을 경유하여, 메모리부(MEM)의 n형 불순물 영역(86)에 전송된다. 그리고, 화소(2)의 판독 기간이 되면, High 레벨의 선택 신호(SEL)에 의해, 선택 트랜지스터(Tr5)가 온 되고, 메모리부(MEM)의 n형 불순물 영역(86)에 축적되어 있던 전하가, 증폭 트랜지스터(Tr4)의 게이트 전극(G4), 선택 트랜지스터(Tr5)를 경유하여, 화소 신호가 되어 출력된다.
도 3에 도시한 제1 실시의 형태에 관한 화소 구조는, 제1의 반도체 기판(41)의 배선층 형성면인 표면측의 배선층(43)과, 제2의 반도체 기판(71)의 배선층 형성면의 반대측인 이면측의 절연층(72)이 접합되어 구성되고, 제1의 반도체 기판(41)에는, 입사광을 광전변환하는 포토 다이오드(PD)와, 포토 다이오드(PD)의 전하를 전송하는 제1 전송 트랜지스터(Tr1)가 적어도 마련되고, 제2의 반도체 기판(71)에는, 제1 전송 트랜지스터(Tr1)에 의해 전송된 전하를 유지하는 전하 유지부로서의 메모리부(MEM)와, 제2의 반도체 기판(71)을 관통하고, 제1 전송 트랜지스터(Tr1)로부터 전송된 전하를 메모리부(MEM)에 전송하는 전송 경로로서의 관통 전극(92)이 적어도 마련된다.
광전변환부인 포토 다이오드(PD)가 형성된 제1의 반도체 기판(41)과는 다른 제2의 반도체 기판(71)에, 글로벌 셔터 동작에 있어서 전하를 유지하는 전하 유지부로서의 메모리부(MEM)를 형성함에 의해, 제1의 반도체 기판(41)에 충분한 크기의 광전변환 영역을 확보할 수 있다. 또한, 제1의 반도체 기판(41)과 제2의 반도체 기판(71)과의 사이의 배선층(43)에, 금속 배선(M4)을 차광막으로서 마련함에 의해, 입사광의 메모리부(MEM)에의 누입을 방지하고, PLS 특성을 향상시킬 수 있다.
<4. 제1 실시의 형태의 제조 방법>
다음에, 도 4 내지 도 7을 참조하여, 제1 실시의 형태의 제조 방법에 관해 설명한다.
처음에, 도 4의 A에 도시되는 바와 같이, 포토 다이오드(PD)와, 제1 전송 트랜지스터(Tr1), 배출 트랜지스터(Tr6) 등을 포함하는 배선층(43)이 형성된 제1의 반도체 기판(41)과, 유지 기판(121)에 가접착된 제2의 반도체 기판(71)이 준비된다. 도 4의 A의 제1의 반도체 기판(41)은, 도 3의 두께까지 박육화되기 전의 상태이다. 제2의 반도체 기판(71)의 한편의 면에는 절연층(72)이 형성되고, 다른 편의 면에는 폴리실리콘(123)이 전면에 형성되어 있다. 유지 기판(121)은, 제2의 반도체 기판(71)의 폴리실리콘(123)이 형성된 면과, 절연층(122)을 경유하여 가접착되어 있다.
도 4의 B에 도시되는 바와 같이, 제1의 반도체 기판(41)의 배선층(43)과, 제2의 반도체 기판(71)의 절연층(72)이, 예를 들면, 플라즈마 접합에 의해 접합된 후, 제2의 반도체 기판(71)에 가접착된 유지 기판(121)이 박리된다. 유지 기판(121)의 박리 후, 제2의 반도체 기판(71)의 전면에 형성된 폴리실리콘(123)이 노출된 상태가 된다. 폴리실리콘(123)이 형성된 면이, 제2의 반도체 기판(71)의 표면이 된다.
플라즈마 접합에서는, 제1의 반도체 기판(41)과 제2의 반도체 기판(71)의 접합면에, 각각 플라즈마 TEOS막, 플라즈마 SiN막, SiON막(블록막), 또는 SiC막 등의 막을 형성하고 접합면을 플라즈마 처리하고 중합시키고, 그 후 어닐 처리함에 의해, 양자가 접합된다. 플라즈마 접합 이외에, 접착제에 의한 접합이라도 좋다.
다음에, 도 5의 A에 도시되는 바와 같이, p형으로 구성된 제2의 반도체 기판(71)의 표면의 부근의 소정의 영역에, 예를 들면, 인(P)이나 비소 등(As)의 n형의 불순물을 이온 주입함에 의해, n형 불순물 영역(85 내지 89)을 형성함과 함께, 폴리실리콘(123)을 패터닝 함에 의해, 제2 전송 트랜지스터(Tr2), 메모리부(MEM), 리셋 트랜지스터(Tr3), 증폭 트랜지스터(Tr4), 및, 선택 트랜지스터(Tr5)가 형성된다.
다음에, 도 5의 B에 도시되는 바와 같이, 제2 전송 트랜지스터(Tr2) 등의 화소 트랜지스터가 형성된 제2의 반도체 기판(71)의 윗면에, 절연층(81), 금속 배선(M11 내지 M16), 및, 절연층(82)이 형성된다. 절연층(81)에 형성된 금속 배선(M11 내지 M16)의 재료는, 예를 들면, 텅스텐이다.
다음에, 도 6의 A에 도시되는 바와 같이, 제2의 반도체 기판(71)을 관통하고 제1의 반도체 기판(41)의 금속 배선(M1, M2, M5, 또는, M6)의 어느 한쪽에 도달한 관통 접속 구멍(131 내지 134)과, 절연층(81)에 형성된 금속 배선(M1, M12, M13, M15, 또는, M16)의 어느 한쪽에 도달한 접속 구멍(141 내지 145)이, 드라이 에칭 등에 의해 형성된다. 관통 접속 구멍(131 내지 134)과 접속 구멍(141 내지 145)의 개구지름은, 최상면이 가장 폭넓게, 바닥면으로 된 최심부가 가장 좁은 테이퍼 형상으로 된다. 접합면(L1)에 있어서 관통 접속 구멍(131 내지 134)의 단면지름은, 제2의 반도체 기판(71)을 관통한 부분의 단면지름보다도 작거나 또는 동일하다. 또한, 관통 접속 구멍(131 내지 134)과 접속 구멍(141 내지 145)의 개구지름을 비교하면, 제2의 반도체 기판(71)을 관통하는 관통 접속 구멍(131 내지 134)의 개구지름의 쪽이 크다.
다음에, 도 6의 B에 도시되는 바와 같이, 절연층(83)의 일부인 절연층(83A)이 형성됨과 함께, 도 6의 A의 공정으로 형성된 관통 접속 구멍(131 내지 134) 및 접속 구멍(141 내지 145)의 내부와, 그 상부의 절연층(83A)의 소정의 영역에 접속 도체로서의 구리(Cu)가 매입됨에 의해, 관통 전극(91 및 92), 비아 배선(93 내지 97), 및, 관통 전극(98 및 99)과, 절연층(83A)과 동층의 접속 배선(101) 등이 형성된다. 또한, 관통 접속 구멍(131 내지 134) 및 접속 구멍(141 내지 145)의 내부에 매입된 접속 도체는, 동 이외에, 텅스텐(W), 폴리실리콘 등이라도 좋다. 또한, 접속 도체를 매입하기 전에는, 관통 접속 구멍(131 내지 134)의 내벽면에, 접속 도체와 제2의 반도체 기판(71)을 절연하기 위한 절연막이 형성된다.
계속해서, 도 7의 A에 도시되는 바와 같이, 절연층(83A) 윗면에, 절연층(83B)과 금속 배선(M21 내지 M28)이 형성되고, 다층 배선층(73)이 완성된다. 절연층(83A와 83B)이, 도 3의 절연층(83)에 상당한다. 절연층(83B)에 형성된 금속 배선(M21 내지 M28)의 재료는, 예를 들면, 텅스텐이다.
다층 배선층(73)이 형성된 후, 접합된 제1의 반도체 기판(41) 및 제2의 반도체 기판(71) 전체가 반전된다. 그리고, 도 7의 B에 도시되는 바와 같이, 제1의 반도체 기판(41)이, 포토 다이오드(PD)가 계면 부근에 배치되도록 박육화된 후, 온 칩 렌즈(42)가 형성되고, 도 3에 나타난 상태가 된다.
도 3의 화소 구조는, 이상과 같이, 제1의 반도체 기판(41)에, 입사광을 광전변환하는 포토 다이오드(PD)와, 포토 다이오드(PD)의 전하를 전송하는 제1 전송 트랜지스터(Tr1)를 형성하고, 제1의 반도체 기판(41)의 배선층 형성면인 표면측과, 제2의 반도체 기판(71)의 배선층 형성면의 반대측인 이면측을 접합하고, 접합한 후의 제2의 반도체 기판(71)에, 제1 전송 트랜지스터(Tr1)에 의해 전송된 전하를 유지하는 메모리부(MEM)를 형성하고, 제2의 반도체 기판(71)을 관통하고, 제1 전송 트랜지스터(Tr1)로부터 전송된 전하를 메모리부(MEM)에 전송하는 관통 전극(92)을 형성하여 제조할 수 있다.
상술한 제조 방법에 의하면, 도 8의 A에 도시되는 바와 같이, 제1의 반도체 기판(41)의 배선층(43)과, 제2의 반도체 기판(71)의 절연층(72)이, 예를 들면, 플라즈마 접합에 의해 접합된 후, 제2의 반도체 기판(71)의 윗면(표면)에, 제2 전송 트랜지스터(Tr2), 메모리부(MEM), 리셋 트랜지스터(Tr3), 증폭 트랜지스터(Tr4), 및, 선택 트랜지스터(Tr5)가 형성된다.
제2의 반도체 기판(71)에 있어서 n형 불순물 영역(85 내지 89)의 형성, 및, 폴리실리콘(123)의 패터닝은, 서로 부착된 제1의 반도체 기판(41)에 형성되어 있는 얼라인먼트 마크를 기준으로서, 고정밀도로 위치를 제어하고 가공할 수 있기 때문에, 제1의 반도체 기판(41)에 형성된 소자에 대한 설계 위치와의 위치 벗어남을 0.1㎛ 이하의 정밀도로 제어할 수 있다.
이것에 대해, 예를 들면, 도 8의 B에 도시되는 바와 같이, 제2의 반도체 기판(71)에 화소 트랜지스터를 형성한 후에, 제1의 반도체 기판(41)과 제2의 반도체 기판(71)을 접합한 경우에는, 설계 위치에 대해, ㎛ 단위의 어긋남이 발생한다.
따라서 상술한 화소 구조 및 제조 방법에 의하면, 제1의 반도체 기판(41)과 제2의 반도체 기판(71)을 접합하고 위치의 불규칙함을 상정한 톨러런스의 확보가 불필요하게 되기 때문에, 소자를 미세화할 수 있다. 즉, 본 기술의 화소 구조 및 제조 방법에 의하면, 화소의 미세화에 대응한 화소 구조 및 제조 방법을 제공할 수 있다.
<5. 제2 실시의 형태의 화소 회로 구성례>
도 9는, 도 1의 화소(2)의 제2 실시의 형태의 회로 구성례를 나타내고 있다.
화소(2)는, 광전변환 소자로서의 포토 다이오드(PD), 전송 트랜지스터(Tr11), 리셋 트랜지스터(Tr12), 제1 증폭 트랜지스터(Tr13), 선택 트랜지스터(Tr14), 샘플 홀드 트랜지스터(Tr15), 클램프 트랜지스터(Tr16), 제2 증폭 트랜지스터(Tr17), 부하 트랜지스터(Tr18), 제1 전하 유지부(161), 및, 제2 전하 유지부(162)로 구성된다.
도 9의 파선은, 제1 실시의 형태와 마찬가지로, 2장의 반도체 기판의 접합면을 나타낸다.
포토 다이오드(PD)는, 수광량에 응한 전하(신호 전하)를 생성하고, 축적하는 광전변환부이다. 전송 트랜지스터(Tr11)는, 전송 신호(TRG)에 따라, 포토 다이오드(PD)에 축적된 광전변환 신호를, 제1 증폭 트랜지스터(Tr13)의 게이트 단자에 전송한다. 이때, 전송 트랜지스터(Tr11)에 의해 전송된 광전변환 신호는, 노드 용량(FD)에 축적된다. 노드 용량(FD)은, 제1 증폭 트랜지스터(Tr13)의 게이트 단자에 접속된 노드에 부수된 용량이다.
제1 증폭 트랜지스터(Tr13)는, 노드 용량(FD)에 축적된 전하를 신호 전압으로 변환하는 전하 전압 변환부이고, 변환한 신호 전압을 제1 전하 유지부(161)에 출력한다.
리셋 트랜지스터(Tr12)는, 리셋 신호(RST)에 따라, 화소내의 광전변환 신호를, 전원 전압(VDD)에 리셋한다.
부하 트랜지스터(Tr18)는, 바이어스 신호(BIAS)에 따라, 신호 전압을 출력하고 있는 제1 증폭 트랜지스터(Tr13)의 부하로서 동작한다. 부하 트랜지스터(Tr18)는, 신호 전압을 출력하고 있는 제1 증폭 트랜지스터(Tr13)를 구동하기 위한 전류를, 제1 증폭 트랜지스터(Tr13)에 공급한다.
제1 전하 유지부(161)는, 제1 증폭 트랜지스터(Tr13)로부터 출력된 신호 전압을 유지(축적)하는 커패시터이다. 클램프 트랜지스터(Tr16)는, 클램프 신호(CLP)에 따라, 제1 전하 유지부(161) 및 제2 전하 유지부(162)를 고정 전위(VREF)에 클램프한다. 이것에 의해, 제1 전하 유지부(161) 및 제2 전하 유지부(162)는, 클램프된 고정 전위(VREF)를 유지한다.
샘플 홀드 트랜지스터(Tr15)는, 제어 신호(SHP)에 따라, 제2 전하 유지부(162)에 신호를 유지시킨다. 제2 전하 유지부(162)는, 샘플 홀드 트랜지스터(Tr15)를 경유하여 입력된 신호 전압(화소내로 노이즈 성분이 제거된 신호)을 유지(축적)하는 커패시터이다.
제2 실시의 형태의 화소(2)에서는, 부하 트랜지스터(Tr18), 샘플 홀드 트랜지스터(Tr15), 클램프 트랜지스터(Tr16), 제1 전하 유지부(161), 및, 제2 전하 유지부(162)의 구성에 의해, 리크 전류(암전류)에 기인한 노이즈 성분을 제거하는 노이즈 제거 처리가 행해진다. 그리고, 제2 전하 유지부(162)가, 노이즈 제거 처리된 신호를 유지(축적)한다.
또한, 제1 전하 유지부(161), 및, 제2 전하 유지부(162)로서는, 단위 면적당의 리크 전류(암전류)가 적은 커패시터인 MIM 구조의 용량이나, PIP 구조의 용량이나, MOS 구조의 용량을 사용한 것이 보다 바람직하다. 이것에 의해, 노이즈에 대한 내성이 향상되고, 고품질의 신호를 얻을 수 있다.
제2 증폭 트랜지스터(Tr17)는, 게이트 단자의 전압, 즉, 제2 전하 유지부(162)에 축적된 노이즈 제거 처리된 신호에 응한 신호 전압을 출력한다.
선택 트랜지스터(Tr14)는, 선택 신호(SEL)에 따라, 제2 증폭 트랜지스터(Tr17)로부터 출력된 신호 전압을, 화소(2)가 출력하는 화소 신호로서 수직 신호선(9)에 출력한다. 이것에 의해, 포토 다이오드(PD)의 광전변환 신호에 응한 화소 신호가, 수직 신호선(9)에 판독된다.
<6. 제2 실시의 형태의 단면 구성례>
도 10은, 도 9에 도시한 제2 실시의 형태에 관한 화소(2)의 단면도이다.
제2 실시의 형태에 관한 화소(2)의 회로는, 제1 실시의 형태와 마찬가지로, 제1의 반도체 기판(41)과 제2의 반도체 기판(71)이 접합되어 구성된다.
도 10에 있어서 상측이 되는 제1의 반도체 기판(41)의 광입사면측에는, 온 칩 렌즈(42)가 화소 단위로 형성되고, 제1의 반도체 기판(41)의 광입사면측과는 반대측에는, 배선층(43)이 형성되어 있다. 또한, 광입사면측의 제1의 반도체 기판(41) 윗면에는, 온 칩 렌즈(42) 이외에, 화소간 차광막, 컬러 필터, 반사 방지막, 평탄화 막 등이 또한 형성되어도 좋다.
제1의 반도체 기판(41)에는, p형의 반도체 영역(p-well)(51) 안의 소정의 영역에 n형의 반도체 영역(52)이 형성됨에 의해 포토 다이오드(PD)가 화소 단위로 형성되어 있다.
제1의 반도체 기판(41)의 제2의 반도체 기판(71)측에 형성된 배선층(43)은, 절연층(53 및 54)과, 금속 배선(M41 내지 47)을 포함한다. 절연층(53)에 형성된 금속 배선(M41 내지 M44, M46 및 M47)은, 전송 신호(TRG), 리셋 신호(RST), 전원 전압(VDD), 화소 신호 등을 전송하는 배선이고, 금속 배선(M45)은, 입사광이 제2의 반도체 기판(71)측에 입사되지 않도록 마련된 차광막이다. 광입사면측과 반대측의 포토 다이오드(PD)의 하방의 위치에, 차광막을 금속 배선(M45)으로 형성한 것으로, 제2의 반도체 기판(71)에 입사광의 누입을 방지할 수 있다.
포토 다이오드(PD)에 인접하는 제1의 반도체 기판(41)의 하측 계면에는, 전송 트랜지스터(Tr11), 리셋 트랜지스터(Tr12), 제1 증폭 트랜지스터(Tr13)가 형성되어 있다. 전송 트랜지스터(Tr11)는, 폴리실리콘으로 형성된 게이트 전극(G11)과, n형 불순물 영역(181)을 갖는다. 리셋 트랜지스터(Tr12)는, 폴리실리콘으로 형성된 게이트 전극(G12)과, 소스/드레인 영역으로서의 n형 불순물 영역(181 및 182)으로 구성된다. 제1 증폭 트랜지스터(Tr13)는, 폴리실리콘으로 형성된 게이트 전극(G13)과, 소스/드레인 영역으로서의 n형 불순물 영역(182 및 183)으로 구성된다. 제1 증폭 트랜지스터(Tr13)의 게이트 전극(G13)은, 금속 배선(M43)을 경유하여, 전송 트랜지스터(Tr11)의 드레인 영역(5) 및 리셋 트랜지스터(Tr12)의 소스 영역으로서의 n형 불순물 영역(181)과 접속되어 있다. 또한, 도시는 생략되어 있지만, 게이트 전극(G11, G12, 및 G13)과 제1의 반도체 기판(41)과의 사이에는, 게이트 절연막이 형성되어 있다.
제2의 반도체 기판(71)의 제1의 반도체 기판(41)측에는 절연층(72)이 형성되고, 제1의 반도체 기판(41)의 절연층(54)과 제2의 반도체 기판(71)의 절연층(72)이, 예를 들면, 플라즈마 접합에 의해 접합되어 있다. 절연층(54)과 절연층(72)과의 사이의 파선(L1)은, 도 9의 기판 접합면에 대응한다.
제2의 반도체 기판(71)의 제1의 반도체 기판(41) 측과 반대측의 면에는, 3 층의 절연층(81 내지 83)과, 금속 배선(M51 내지 M60) 및 금속 배선(M71 내지 M79)을 포함하는 다층 배선층(73)이 형성되어 있다.
제2의 반도체 기판(71)의 다층 배선층(73) 측의 계면에는, 제1 전하 유지부(161), 부하 트랜지스터(Tr18), 샘플 홀드 트랜지스터(Tr15), 클램프 트랜지스터(Tr16), 제2 증폭 트랜지스터(Tr17), 및, 선택 트랜지스터(Tr14)가 형성되어 있다. 그리고, 제2의 반도체 기판(71)에는, p형의 반도체 영역(84)과, 화소 트랜지스터의 소스/드레인 영역 등을 구성하는 n형 반도체 영역(191 내지 197)이 형성되어 있다.
제1 전하 유지부(161)는, 제1 전극에 상당하는 n형 불순물 영역(191)과, 폴리실리콘으로 형성된 제2 전극(G19)으로 구성된다. 제1 전하 유지부(161)의 n형 불순물 영역(191)은, 금속 배선(M51), 비아 배선(203), 접속 배선(204), 관통 전극(202), 및, 금속 배선(M42)을 경유하여, 제1 증폭 트랜지스터(Tr13)의 소스 영역으로서의 n형 불순물 영역(183)과 접속되어 있다. 이것에 의해, 포토 다이오드(PD)에 축적된 광전변환 신호가, 관통 전극(202)을 경유하여 제1의 반도체 기판(41)측에서 제2의 반도체 기판(71)측에 전송되고, 제1 전하 유지부(161)에 축적된다.
부하 트랜지스터(Tr18)는, 폴리실리콘으로 형성된 게이트 전극(G18)과, 소스/드레인 영역으로서의 n형 불순물 영역(191 및 192)으로 구성된다. 부하 트랜지스터(Tr18)의 게이트 전극(G18)에는, 금속 배선(M53), 비아 배선(205), 및 금속 배선(M73)을 경유하여, 바이어스 신호(BIAS)가 인가되고 있다. 부하 트랜지스터(Tr18)의 소스 영역으로서의 n형 불순물 영역(192)에는, 금속 배선(M54), 비아 배선(206), 및 금속 배선(M74)을 경유하여, GND 전압이 인가되고 있다.
샘플 홀드 트랜지스터(Tr15)는, 폴리실리콘으로 형성된 게이트 전극(G15)과, 소스/드레인 영역으로서의 n형 불순물 영역(193 및 194)으로 구성된다. 샘플 홀드 트랜지스터(Tr15)의 게이트 전극(G15)에는, 금속 배선(M56), 비아 배선(207), 및 금속 배선(M75)을 경유하여, 제어 신호(SHP)가 인가되고 있다.
클램프 트랜지스터(Tr16)는, 폴리실리콘으로 형성된 게이트 전극(G16)과, 소스/드레인 영역으로서의 n형 불순물 영역(194 및 195)으로 구성된다. 클램프 트랜지스터(Tr16)의 게이트 전극(G16)에는, 도시하지 않은 부분에, 클램프 신호(CLP)가 인가되고 있다.
제2 증폭 트랜지스터(Tr17)는, 폴리실리콘으로 형성된 게이트 전극(G17)과, 소스/드레인 영역으로서의 n형 불순물 영역(195 및 196)으로 구성된다. 제2 증폭 트랜지스터(Tr17)의 게이트 전극(G17)은, 도시하지 않은 부분에서, 클램프 트랜지스터(Tr16)의 소스 영역, 샘플 홀드 트랜지스터(Tr15)의 드레인 영역, 및, 제2 전하 유지부(162)의 한 끝과 접속되어 있다.
선택 트랜지스터(Tr14)는, 폴리실리콘으로 형성된 게이트 전극(G14)과, 소스/드레인 영역으로서의 n형 불순물 영역(196 및 197)으로 구성된다. 선택 트랜지스터(Tr14)의 게이트 전극(G14)에는, 금속 배선(M59), 비아 배선(208), 및, 금속 배선(M76)을 경유하여, 선택 신호(SEL)가 인가되고 있다. 선택 트랜지스터(Tr14)의 드레인 영역으로서의 n형 불순물 영역(197)은, 금속 배선(M60), 비아 배선(209), 및, 금속 배선(M77)을 경유하여, 수직 신호선(9)에 접속되어 있다.
절연층(83)에 형성된 금속 배선(M71)은, 관통 전극(201)을 경유하여, 제1의 반도체 기판(41)의 배선층(43)의 금속 배선(M41)과 접속되어 있다. 관통 전극(201)은, 전원 전압(VDD)을 제2의 반도체 기판(71)측에서 제1의 반도체 기판(41)측에 공급한다.
절연층(83)에 형성된 금속 배선(M78)은, 관통 전극(210)을 경유하여, 제1의 반도체 기판(41)의 배선층(43)의 금속 배선(M46)과 접속되어 있다. 관통 전극(210)은, 리셋 신호(RST)를 제2의 반도체 기판(71)측에서 제1의 반도체 기판(41)측에 전송한다.
절연층(83)에 형성된 금속 배선(M79)은, 관통 전극(211)을 경유하여, 제1의 반도체 기판(41)의 배선층(43)의 금속 배선(M47)과 접속되어 있다. 관통 전극(211)은, 전송 신호(TRG)를 제2의 반도체 기판(71)측에서 제1의 반도체 기판(41)측에 전송한다.
또한, 도시는 생략되어 있지만, 게이트 전극(G14 내지 G18) 및 제2 전극(G19)과 제2의 반도체 기판(71)과의 사이에는, 게이트 절연막이 형성되어 있다. 게이트 절연막하의 제2의 반도체 기판(71)계면에는, 임계치 전압 조정용의 n형 불순물 영역이 형성되어도 좋다.
금속 배선(M41 내지 M47), 금속 배선(M51 내지 M60), 및, 금속 배선(M71 내지 M79)의 재료는, 예를 들면, 고융점 금속 배선인 텅스텐(W)이 있지만, 그 밖에, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au) 등의 재료라도 좋다. 관통 전극(201 및 202), 비아 배선(203, 205 내지 209), 관통 전극(210 및 211), 및, 접속 배선(204)의 재료에는, 예를 들면, 동이 사용되지만, 그 밖의 금속재료라도 좋다.
도 10에 도시한 제2 실시의 형태에 관한 화소 구조는, 제1의 반도체 기판(41)의 배선층 형성면인 표면측의 배선층(43)과, 제2의 반도체 기판(71)의 배선층 형성면의 반대측인 이면측의 절연층(72)이 접합되어 구성되고, 제1의 반도체 기판(41)에는, 입사광을 광전변환하는 포토 다이오드(PD)와, 포토 다이오드(PD)의 전하를 전송하는 전송 트랜지스터(Tr11) 등이 적어도 마련되고, 제2의 반도체 기판(71)에는, 전송 트랜지스터(Tr11)에 의해 전송된 전하에 응한 전압을 유지하는 전하 전압 유지부로서의 제1 전하 유지부(161)와, 제2의 반도체 기판(71)을 관통하고, 전송 트랜지스터(Tr11)로부터 전송된 전하를 제1 전하 유지부(161)에 전송하는 전송 경로로서의 관통 전극(202)이 적어도 마련된다.
광전변환부인 포토 다이오드(PD)가 형성된 제1의 반도체 기판(41)과는 다른 제2의 반도체 기판(71)에, 글로벌 셔터 동작에 있어서 전하에 응한 전압을 유지하는 전하 전압 유지부로서의 제1 전하 유지부(161)를 형성함에 의해, 제1의 반도체 기판(41)에 충분한 크기의 광전변환 영역을 확보할 수 있다. 또한, 제1의 반도체 기판(41)과 제2의 반도체 기판(71)과의 사이의 배선층(43)에, 금속 배선(M45)을 차광막으로서 마련함에 의해, 입사광의 제1 전하 유지부(161)에의 누입을 방지하고, PLS 특성을 향상시킬 수 있다.
<7. 3층 적층 구조의 단면 구성례>
상술한 제1 및 제2 실시 형태는, 2장의 반도체 기판을 접합하고 고체 촬상 장치(1)를 구성한 예이지만, 도 11 및 도 12에 도시되는 바와 같이, 3장의 반도체 기판을 적층한 구성도 가능하다.
도 11은, 3장의 반도체 기판을 적층한 제1의 구성 단면도이다.
또한, 도 11 및 도 12는, 도 3에 도시한 제1 실시의 형태에 관한 화소 구성을, 3층구조로 한 경우의 구성을 나타내고 있고, 도 3과 대응하는 부분에 관해서는 동일한 부호를 붙여 설명을 적절히 생략한다. 또한, 온 칩 렌즈(42)는 지면의 사정에 의해 생략하였다.
도 11의 제1의 구성 단면도에서는, 제1의 반도체 기판(41)과 제2의 반도체 기판(71)에 더하여, 제3의 반도체 기판(231)이 적층되어 구성되어 있다.
제2의 반도체 기판(71)에 형성된 다층 배선층(73)의 제3의 반도체 기판(231)에 가장 가까운 절연층(83) 내에는, 복수층의 금속 배선(M101)이 적층되어 있다.
도 11에 있어서 상측이 되는 제3의 반도체 기판(231)의 윗면에, 복수층의 금속 배선(M111)과 층간 절연막(241)으로 이루어진 다층 배선층(232)이 형성되어 있다. 제3의 반도체 기판(231)과 다층 배선층(232)과의 계면에는, 복수의 트랜지스터(Trx)가 형성되어 있다.
제2의 반도체 기판(71)의 다층 배선층(73)과, 제3의 반도체 기판(231)의 다층 배선층(232)은, 접합면(L2)에서 접합되어 있다. 다층 배선층(73)과 다층 배선층(232)은, 소정의 복수의 영역(251)에서, 금속 배선(M101)의 일부와 금속 배선(M111)의 일부가 Cu-Cu의 금속 접합에 의해 접속된 것으로 전기적으로 접속되어 있다.
제3의 반도체 기판(231)에 형성된 복수의 트랜지스터(Trx) 및 다층 배선층(232)에는, 소정의 신호 처리를 행한 로직 회로가 구성되어 있고, 예를 들면, 도 1의 출력 회로(7)에 상당한다.
도 12는, 3장의 반도체 기판을 적층한 제2의 구성 단면도이다. 도 12에 있어서, 도 11과 대응한 부분에 관해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명은 적절히 생략한다.
도 12의 제2의 구성 단면도에서는, 제2의 반도체 기판(71)의 다층 배선층(73)과, 제3의 반도체 기판(231)의 다층 배선층(232)과의 전기적 접속이, 화소(2)가 2차원 배열된 화소 어레이부(3) 내가 아니라, 화소 어레이부(3)의 외주의 주변 회로부에 있어서, 트윈 콘택트 구조 및 Cu-Cu의 금속 접합에 의해 접속되어 있다.
구체적으로는, 트윈 콘택트 구조는, 제1의 반도체 기판(41)과 제2의 반도체 기판(71)을 관통하는 2개의 관통 전극(271 및 272)과, 제1의 반도체 기판(41)의 최상면에 형성된 접속 배선(273)으로 구성된다. 관통 전극(271)은, 제2의 반도체 기판(71)의 다층 배선층(73)의 일부의 금속 배선(M121)에 접속되고, 관통 전극(272)은, 제3의 반도체 기판(231)의 다층 배선층(232)의 일부의 금속 배선(M122)에 접속되고, 관통 전극(271)과 관통 전극(272)이, 제1의 반도체 기판(41)의 최상면에서 접속 배선(273)에 의해 접속되어 있다.
또한, Cu-Cu의 금속 접합에 관해서는, 제2의 반도체 기판(71)의 다층 배선층(73)과 제3의 반도체 기판(231)의 다층 배선층(232)과의 접합면(L2)의 소정의 영역(261)에서, 금속 배선(M101)의 일부와 금속 배선(M111)의 일부가 Cu-Cu 접속되어 있다.
이상과 같이, 도 1의 고체 촬상 장치(1)는, 제1의 반도체 기판(41)과 제2의 반도체 기판(71)에 있어서, 광전변환부인 포토 다이오드(PD)와 전하 유지부를 다른 반도체 기판에 배치한 구성을 구비하면서, 제3의 반도체 기판(231)을 더 적층한 3장 구조에 의해 구성할 수 있다.
또한, 광전변환부인 포토 다이오드(PD)는, 광입사면측의 제1의 반도체 기판(41)에 마련하는 것은 필수이지만, 글로벌 셔터 동작에 있어서 전하를 유지하는 전하 유지부는, 제2의 반도체 기판(71)이 아니고, 제3의 반도체 기판(231)에 마련하여도 좋다. 또한, 제2의 반도체 기판(71)에 로직 회로를 배치하고, 제3의 반도체 기판(231)에 전하 유지부를 배치하여도 좋다.
도 1의 설명에서는, 고체 촬상 장치(1)는, AD 변환 처리를 행하는 신호 처리 회로를 칼럼 단위로 마련한 칼럼 AD 방식의 구성을 갖는다고 설명하였다. 그렇지만, AD 변환 회로는, 칼럼 단위로 마련하는 것으로 한정되지 않고, 1화소 단위 또는 복수 화소 단위로 마련한 구성이라도 좋다.
또한, 상술한 예에서는, 광전변환 소자로서의 포토 다이오드(PD), 포토 다이오드(PD)로부터 전송되어 온 전하를 일시적으로 유지하는 메모리부(MEM) 등을, 화소 단위로 마련한 구성으로 하였지만, 일부의 화소 트랜지스터를 복수 화소로 공유한 공유 화소 구조로 하는 것도 가능하다. 공유 화소 구조에서는, 포토 다이오드(PD), 제1 전송 트랜지스터(Tr1)(전송 트랜지스터(Tr11)) 등은 화소 단위로 마련되지만, 전하 유지부인 메모리부(MEM), 제2 전하 유지부(162), 선택 트랜지스터(Tr5)(Tr14) 등은, 공유 단위인 복수 화소로 마련되어, 공유된다.
<8. 전자 기기에의 적용례>
본 기술은, 고체 촬상 장치에의 적용에 한정되는 것이 아니다. 즉, 본 기술은, 디지털 카메라나 비디오 카메라 등의 촬상 장치나, 촬상 기능을 갖는 휴대 단말 장치나, 화상 판독부에 고체 촬상 장치를 이용한 복사기 등, 화상 취입부(광전변환부)에 고체 촬상 장치를 이용하는 전자 기기 전반에 대해 적용 가능하다. 고체 촬상 장치는, 단일칩으로서 형성된 형태라도 좋고, 촬상부와 신호 처리부 또는 광학계를 팩키징함으써 형성되며 촬상 기능을 갖는 모듈상의 형태라도 좋다.
도 13은, 본 기술을 적용한 전자 기기로서의, 촬상 장치의 구성례를 도시하는 블록도이다.
도 13의 촬상 장치(300)는, 렌즈 군 등으로 된 광학부(301), 도 1의 고체 촬상 장치(1)의 구성이 채용된 고체 촬상 장치(촬상 디바이스)(302), 및 카메라 신호 처리 회로인 DSP(Digital Signal Processor) 회로(303)를 구비한다. 또한, 촬상 장치(300)는, 프레임 메모리(304), 표시부(305), 기록부(306), 조작부(307), 및 전원부(308)도 구비한다. DSP 회로(303), 프레임 메모리(304), 표시부(305), 기록부(306), 조작부(307) 및 전원부(308)는, 버스 라인(309)을 경유하여 서로 접속되어 있다.
광학부(301)는, 피사체로부터의 입사광(상광)을 취입하고 고체 촬상 장치(302)의 촬상 면상에 결상한다. 고체 촬상 장치(302)는, 광학부(301)에 의해 촬상 면상에 결상된 입사광의 광량을 화소 단위로 전기 신호에 변환하고 화소 신호로서 출력한다. 이 고체 촬상 장치(302)로서, 도 1의 고체 촬상 장치(1), 즉, 광전변환부인 포토 다이오드(PD)와 글로벌 셔터 동작에 있어서 전하를 유지하는 전하 유지부를 다른 반도체 기판에 배치함과 함께, 화소의 미세화를 가능하게 한 고체 촬상 장치를 이용할 수 있다.
표시부(305)는, 예를 들면, LCD(Liquid Crystal Display)나 유기 EL(Electro Luminescence) 디스플레이 등의 박형 디스플레이로 구성되고, 고체 촬상 장치(302)로 촬상된 동화 또는 정지 화상을 표시한다. 기록부(306)는, 고체 촬상 장치(302)로 촬상된 동화 또는 정지 화상을, 하드 디스크나 반도체 메모리 등의 기록 매체에 기록한다.
조작부(307)는, 유저에 의한 조작하에, 촬상 장치(300)가 갖는 다양한 기능에 관해 조작 지령을 내린다. 전원부(308)는, DSP 회로(303), 프레임 메모리(304), 표시부(305), 기록부(306) 및 조작부(307)의 동작 전원으로 이루어진 각종의 전원을, 이들 공급 대상에 대해 적절히 공급한다.
상술한 바와 같이, 고체 촬상 장치(302)로서, 상술한 각 실시의 형태를 적용한 고체 촬상 장치(1)를 이용한 것으로, PLS 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 광전변환부를 갖는 제1의 반도체 기판과 전하 유지부를 갖는 제2의 반도체 기판을 접합한 후에, 제2의 반도체 기판에 소자를 형성하기 때문에, 소자를 미세화할 수 있고, 비디오 카메라나 디지털 카메라, 나아가서는 휴대 전화기 등의 모바일 기기용 카메라 모듈 등의 촬상 장치(300)에 있어도, 촬상 화상의 고화질화 및 소형화를 실현할 수 있다.
<이미지 센서의 사용례>
도 14는, 상술한 고체 촬상 장치(1)를 이용한 이미지 센서의 사용례를 도시하는 도면이다.
상술한 고체 촬상 장치(1)를 이용한 이미지 센서는, 예를 들면, 이하와 같이, 가시광이나, 적외광, 자외광, X선 등의 광을 센싱하는 다양한 케이스에 사용할 수 있다.
·디지털 카메라나, 카메라 기능부의 휴대 기기 등의, 감상용으로 제공된 화상을 촬영하는 장치
·자동 정지 등의 안전운전이나, 운전자의 상태의 인식 등 때문에, 자동차의 앞쪽이나 뒤쪽, 주위, 차내 등을 촬영하는 차량탑재용 센서, 주행 차량이나 도로를 감시하는 감시 카메라, 차량 사이 등의 측거를 행하는 측거 센서 등의, 교통용으로 제공되는 장치
·유저의 제스처를 촬영하고, 그 제스처에 응한 기기 조작을 행하기 위해, TV나, 냉장고, 에어 컨디셔너 등의 가전에 제공되는 장치
·내시경이나, 적외광의 수광에 의한 혈관 촬영을 행하는 장치 등의, 의료나 건강 관리용으로 제공되는 장치
·방범 용도의 감시 카메라나, 인물 인증 용도의 카메라 등의, 보안용으로 제공되는 장치
·피부를 촬영하는 피부측정기나, 두피를 촬영하는 현미경 등의, 미용용으로 제공되는 장치
·스포츠 용도 등 용의 액션 카메라나 웨어러블카메라 등의, 스포츠용으로 제공되는 장치
·밭이나 작물의 상태를 감시하기 위한 카메라 등의, 농업용으로 제공되는 장치
<9. 체내 정보 취득 시스템에의 응용례>
본 개시에 관한 기술(본 기술)은, 다양한 제품에 응용할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 관한 기술은, 캡슐형상 내시경을 이용한 환자의 체내 정보 취득 시스템에 적용되어도 좋다.
도 15는, 본 개시에 관한 기술(본 기술)이 적용되어 얻어지는, 캡슐형상 내시경을 이용한 환자의 체내 정보 취득 시스템의 대략적인 구성의 한 예를 도시하는 블록도이다.
체내 정보 취득 시스템(10001)은, 캡슐형상 내시경(10100)과, 외부 제어 장치(10200)로 구성된다.
캡슐형상 내시경(10100)은, 검사시에, 환자에 의해 삼켜진다. 캡슐형상 내시경(10100)은, 촬상 기능 및 무선 통신 기능을 가지며, 환자로부터 자연 배출되기까지의 사이에, 위나 장 등의 장기의 내부를 연동 운동 등에 의해 이동하면서, 당해 장기의 내부의 화상(이하, 체내 화상이라고도 한다)을 소정의 간격으로 순차적으로 촬상하고, 그 체내 화상에 관한 정보를 체외의 외부 제어 장치(10200)에 순차적으로 무선 송신한다.
외부 제어 장치(10200)는, 체내 정보 취득 시스템(10001)의 동작을 통괄적으로 제어한다. 또한, 외부 제어 장치(10200)는, 캡슐형상 내시경(10100)으로부터 송신되어 오는 체내 화상에 관한 정보를 수신하고, 수신한 체내 화상에 관한 정보에 의거하여, 표시 장치(도시 생략)에 당해 체내 화상을 표시하기 위한 화상 데이터를 생성한다.
체내 정보 취득 시스템(10001)에서는, 이와 같이 하여, 캡슐형상 내시경(10100)이 삼켜지고부터 배출되기까지의 사이에, 환자의 체내의 양상을 촬상한 체내 화상을 수시로 얻을 수 있다.
캡슐형상 내시경(10100)과 외부 제어 장치(10200)의 구성 및 기능에 관해 보다 상세히 설명한다.
캡슐형상 내시경(10100)은, 캡슐 형의 몸체(10101)를 가지며, 그 몸체(10101) 내에는, 광원부(10111), 촬상부(10112), 화상 처리부(10113), 무선 통신부(10114), 급전부(10115), 전원부(10116), 및 제어부(10117)가 수납되어 있다.
광원부(10111)는, 예를 들면LED(Light Emitting Diode) 등의 광원으로부터 구성되고, 촬상부(10112)의 촬상 시야에 대해 광을 조사한다.
촬상부(10112)는, 촬상 소자, 및 당해 촬상 소자의 전단에 마련된 복수의 렌즈로 된 광학계에서 구성된다. 관찰 대상인 신체 조직에 조사된 광의 반사광(이하, 관찰광이라고 한다)은, 당해 광학계에 의해 집광되고, 당해 촬상 소자에 입사한다. 촬상부(10112)에서는, 촬상 소자에 있어서, 거기에 입사한 관찰광이 광전변환되고, 그 관찰광에 대응한 화상 신호가 생성된다. 촬상부(10112)에 의해 생성된 화상 신호는, 화상 처리부(10113)에 제공된다.
화상 처리부(10113)는, CPU(Central Processing Unit)나 GPU(Graphics Processing Unit) 등의 프로세서에 의해 구성되고, 촬상부(10112)에 의해 생성된 화상 신호에 대해 각종의 신호 처리를 행한다. 화상 처리부(10113)는, 신호 처리를 행한 화상 신호를, RAW 데이터로서 무선 통신부(10114)에 제공한다.
무선 통신부(10114)는, 화상 처리부(10113)에 의해 신호 처리가 행하여진 화상 신호에 대해 변조 처리 등의 소정의 처리를 행하고, 그 화상 신호를, 안테나(10114A)를 경유하여 외부 제어 장치(10200)에 송신한다. 또한, 무선 통신부(10114)는, 외부 제어 장치(10200)로부터, 캡슐형상 내시경(10100)의 구동 제어에 관한 제어 신호를, 안테나(10114A)를 경유하여 수신한다. 무선 통신부(10114)는, 외부 제어 장치(10200)로부터 수신한 제어 신호를 제어부(10117)에 제공한다.
급전부(10115)는, 수전용의 안테나 코일, 당해 안테나 코일에 발생한 전류로부터 전력을 재생하는 전력 재생 회로, 및 승압 회로 등으로 구성된다. 급전부(10115)에서, 이른바 비접촉 충전의 원리를 이용하여 전력이 생성된다.
전원부(10116)는, 2차 전지에 의해 구성되고, 급전부(10115)에 의해 생성된 전력을 축전한다. 도 15에서, 도면이 복잡해지는 것을 피하기 위해, 전원부(10116)로부터의 전력의 공급처를 나타내는 화살표 등의 도시를 생략하고 있지만, 전원부(10116)에 축전된 전력은, 광원부(10111), 촬상부(10112), 화상 처리부(10113), 무선 통신부(10114), 및 제어부(10117)에 공급되고, 이러한 구동에 사용될 수 있다.
제어부(10117)는, CPU 등의 프로세서에 의해 구성되고, 광원부(10111), 촬상부(10112), 화상 처리부(10113), 무선 통신부(10114), 및, 급전부(10115)의 구동을, 외부 제어 장치(10200)로부터 송신된 제어 신호에 따라 적절히 제어한다.
외부 제어 장치(10200)는, CPU, GPU 등의 프로세서, 또는 프로세서와 메모리 등의 기억 소자가 혼재된 마이크로 컴퓨터 또는 제어 기판 등으로 구성된다. 외부 제어 장치(10200)는, 캡슐형상 내시경(10100)의 제어부(10117)에 대해 제어 신호를, 안테나(10200A)를 경유하여 송신함에 의해, 캡슐형상 내시경(10100)의 동작을 제어한다. 캡슐형상 내시경(10100)에서는, 예를 들면, 외부 제어 장치(10200)로부터의 제어 신호에 의해, 광원부(10111)에 있어서 관찰 대상에 대한 광의 조사 조건이 변경될 수 있다. 또한, 외부 제어 장치(10200)로부터의 제어 신호에 의해, 촬상 조건(예를 들면, 촬상부(10112)에 있어서 프레임 레이트, 노출치 등)이 변경될 수 있다. 또한, 외부 제어 장치(10200)로부터의 제어 신호에 의해, 화상 처리부(10113)에 있어서 처리의 내용이나, 무선 통신부(10114)가 화상 신호를 송신하는 조건(예를 들면, 송신 간격, 송신 화상 수단계)이 변경되어도 좋다.
또한, 외부 제어 장치(10200)는, 캡슐형상 내시경(10100)로부터 송신된 화상 신호에 대해, 각종의 화상 처리를 행하고, 촬상된 체내 화상을 표시 장치에 표시하기 위한 화상 데이터를 생성한다. 당해 화상 처리로서는, 예를 들면 현상 처리(디모자이크 처리), 고화질화 처리(대역 강조 처리, 초해상 처리, NR(Noise reduction) 처리 및/또는 손 떨림 보정 처리 등), 및/또는 확대 처리(전자 줌 처리) 등, 각종의 신호 처리를 할 수가 있다. 외부 제어 장치(10200)는, 표시 장치의 구동을 제어하고, 생성한 화상 데이터에 의거하여 촬상된 체내 화상을 표시시킨다. 또는, 외부 제어 장치(10200)는, 생성한 화상 데이터를 기록 장치(도시 생략)에 기록시키거나, 인쇄 장치(도시 생략)에 인쇄 출력시켜도 좋다.
이상, 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 체내 정보 취득 시스템의 한 예에 관해 설명하였다. 본 개시에 관한 기술은, 이상 설명하는 구성 중, 촬상부(10112)에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 촬상부(10112)로서, 상술한 고체 촬상 장치(1)를 적용할 수 있다. 촬상부(10112)에 본 개시에 관한 기술을 적용함에 의해, 캡슐형상 내시경(10100)을 보다 소형화할 수 있기 때문에, 환자의 부담을 더 경감할 수 있다. 또한, 캡슐형상 내시경(10100)을 소형화하면서도, 보다 선명한 수술부 화상을 얻을 수 있기 때문에, 검사의 정밀도가 향상한다.
<10.내시경 수술 시스템에의 응용례>
본 개시에 관한 기술(본 기술)은, 다양한 제품에 응용할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 관한 기술은, 내시경 수술 시스템에 적용되어도 좋다.
도 16은, 본 개시에 관한 기술(본 기술)이 적용될 수 있는 내시경 수술 시스템의 대략적인 구성의 한 예를 도시하는 도면이다.
도 16에서는, 수술자(의사)(11131)가, 내시경 수술 시스템(11000)을 이용하여, 환자 베드(11133) 위의 환자(11132)에 수술하는 양상이 도시되어 있다. 도시한 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 유지하는 유지 암 장치(11120)와, 내시경 수술을 위한 각종의 장치가 탑재된 카트(11200)로부터 구성된다.
내시경(11100)은, 선단에서 소정의 길이의 영역이 환자(11132)의 체강내에 삽입된 경통(11101)과, 경통(11101)의 기단에 접속된 카메라 헤드(11102)로 구성된다. 도시한 예에서는, 경성의 경통(11101)을 갖는 이른바 경성경(rigid scope)으로서 구성된 내시경(11100)을 도시하고 있지만, 내시경(11100)은, 연성의 경통을 갖는 이른바 연성경(flexible scope)으로서 구성되어도 좋다.
경통(11101)의 선단에는, 대물 렌즈가 끼워넣어진 개구부가 마련되어 있다. 내시경(11100)에는 광원 장치(11203)가 접속되어 있고, 당해 광원 장치(11203)에 의해 생성된 광이, 경통(11101)의 내부에 연속 마련된 라이트 가이드에 의해 당해 경통의 선단까지 도광되고, 대물 렌즈를 경유하여 환자(11132)의 체강내의 관찰 대상을 향하여 조사되다. 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 대응한 전기 신호, 즉 관찰상에 대응한 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 총괄적으로 제어한다. 또한, CCU(11201)는, 카메라 헤드(11102)로부터 화상 신호를 수취하고, 그 화상 신호에 대해, 예를 들면 현상 처리(디모자이크 처리) 등의, 당해 화상 신호에 의거한 화상을 표시하기 위한 각종의 화상 처리를 행한다.
표시 장치(11202)는, CCU(11201)로부터의 제어에 의해, 당해 CCU(11201)에 의해 화상 처리가 행하여진 화상 신호에 의거한 화상을 표시한다.
광원 장치(11203)는, 예를 들면 LED(Light Emitting Diode) 등의 광원으로부터 구성되고, 수술부 등을 촬영하는 때의 조사광을 내시경(11100)에 공급한다.
입력 장치(11204)는, 내시경 수술 시스템(11000)에 대한 입력 인터페이스이다. 유저는, 입력 장치(11204)를 경유하여, 내시경 수술 시스템(11000)에 대해 각종의 정보의 입력이나 지시 입력을 할 수 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, 절개 또는 혈관의 밀봉 등을 위해 에너지 처치구(11112)의 구동을 제어한다. 기복 장치(11206)는, 내시경(11100)에 의한 시야의 확보 및 수술자의 작업 공간의 확보를 목적으로, 환자(11132)의 체강을 팽창시키기 위해, 기복 튜브(11111)를 경유하여 당해 체강내에 가스를 주입한다. 레코더(11207)는, 수술에 관한 각종의 정보를 기록할 수 있는 장치이다. 프린터(11208)는, 수술에 관한 각종의 정보를, 텍스트, 화상 또는 그래프 등 각종의 형식으로 인쇄 가능한 장치이다.
또한, 내시경(11100)에 수술부를 촬영하는 때의 조사광을 공급하는 광원 장치(11203)는, 예를 들면LED, 레이저광원 또는 이러한 조합에 의해 구성된 백색 광원으로 구성할 수 있다. RGB 레이저광원의 조합에 의해 백색 광원이 구성된 경우에는, 각 색(각 파장)의 출력 강도 및 출력 타이밍을 고정밀도로 제어할 수 있기 때문에, 광원 장치(11203)에 있어서 촬상 화상의 화이트 밸런스의 조정을 할 수 있다. 또한, 이 경우에는, RGB 레이저광원 각각으로부터의 레이저광을 시분할로 관찰 대상에 조사하고, 그 조사 타이밍에 동기하여 카메라 헤드(11102)의 촬상 소자의 구동을 제어함에 의해, RGB 각각에 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, 출력한 광의 강도를 소정의 시간마다 변경하도록 그 구동이 제어되어도 좋다. 그 광의 강도의 변경의 타이밍에 동기하여 카메라 헤드(11102)의 촬상 소자의 구동을 제어하고 시분할로 화상을 취득하고, 그 화상을 합성함에 의해, 이른바 흑바램 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, 신체 조직에 있어서 광의 흡수의 파장 의존성을 이용하여, 통상의 관찰시에 있어서 조사광(즉, 백색 광)과 비교하고 협대역의 광을 조사함에 의해, 점막 표층의 혈관 등의 소정의 조직을 고콘트라스트(high contrast)로 촬영하는, 이른바 협대역 광관찰(Narrow Band Imaging)이 행해진다. 또는, 특수광 관찰에서는, 여기광을 조사함에 의해 발생하는 형광에 의해 화상을 얻는 형광 관찰이 행하여져도 좋다. 형광 관찰에서는, 신체 조직에 여기광을 조사하고 당해 신체 조직으로부터의 형광을 관찰한 것(자가 형광 관찰), 또는 인도시아닌그린(ICG) 등의 시약을 신체 조직에 국소주입함과 함께 당해 신체 조직에 그 시약의 형광 파장에 대응한 여기광을 조사하고 형광상을 얻는 것 등을 할 수가 있다. 광원 장치(11203)는, 이와 같은 특수광 관찰에 대응한 협대역광 및/또는 여기광을 공급 가능하게 구성될 수 있다.
도 17은, 도 16에 도시하는 카메라 헤드(11102) 및 CCU(11201)의 기능 구성의 한 예를 도시하는 블록도이다.
카메라 헤드(11102)는, 렌즈 유닛(11401)과, 촬상부(11402)와, 구동부(11403)와, 통신부(11404)와, 카메라 헤드 제어부(11405)를 갖는다. CCU(11201)는, 통신부(11411)와, 화상 처리부(11412)와, 제어부(11413)를 갖는다. 카메라 헤드(11102)와 CCU(11201)는, 전송 케이블(11400)에 의해 서로 통신 가능하게 접속되어 있다.
렌즈 유닛(11401)은, 경통(11101)과의 접속부에 마련된 광학계이다. 경통(11101)의 선단에서 받아들여진 관찰광은, 카메라 헤드(11102)까지 도광되고, 당해 렌즈 유닛(11401)에 입사한다. 렌즈 유닛(11401)은, 줌렌즈 및 포커스 렌즈를 포함한 복수의 렌즈가 조합되어 구성된다.
촬상부(11402)는, 촬상 소자로 구성된다. 촬상부(11402)를 구성하는 촬상 소자는, 1개(이른바 단판식)라도 좋고, 복수(이른바 다판식)라도 좋다. 촬상부(11402)가 다판식으로 구성된 경우에는, 예를 들면 각 촬상 소자에 의해 RGB 각각에 대응하는 화상 신호가 생성되고, 그것들이 합성됨에 의해 컬러 화상을 얻을 수 있어도 좋다. 또는, 촬상부(11402)는, 3D(Dimensional) 표시에 대응하는 우안용 및 좌안용의 화상 신호를 각각 취득하기 위한 1쌍의 촬상 소자를 갖도록 구성되어도 좋다. 3D 표시가 행하여지는 것에 의해, 수술자(11131)는 수술부에 있어서 생체 조직의 깊이를 보다 정확하게 파악한 것이 가능해지다. 또한, 촬상부(11402)가 다판식으로 구성된 경우에는, 각 촬상 소자에 대응하여, 렌즈 유닛(11401)도 복수 계통 마련될 수 있다.
또한, 촬상부(11402)는, 반드시 카메라 헤드(11102)에 마련되지 않아도 좋다. 예를 들면, 촬상부(11402)는, 경통(11101)의 내부에, 대물 렌즈의 직후에 마련되어도 좋다.
구동부(11403)는, 액추에이터에 의해 구성되고, 카메라 헤드 제어부(11405)로부터의 제어에 의해, 렌즈 유닛(11401)의 줌렌즈 및 포커스 렌즈를 광축에 따라 소정의 거리만 이동시킨다. 이것에 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 경유하여 CCU(11201)에 송신한다.
또한, 통신부(11404)는, CCU(11201)로부터, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어하기 위한 제어 신호를 수신하고, 카메라 헤드 제어부(11405)에 공급한다. 당해 제어 신호에는, 예를 들면, 촬상 화상의 프레임 레이트를 지정하는 취지의 정보, 촬상시의 노출치를 지정하는 취지의 정보, 및/또는 촬상 화상의 배율 및 초점을 지정하는 취지의 정보 등, 촬상 조건에 관한 정보가 포함된다.
또한, 상기의 프레임 레이트나 노출값, 배율, 초점 등의 촬상 조건은, 유저에 의해 적절히 지정되어도 좋고, 취득된 화상 신호에 의거하여 CCU(11201)의 제어부(11413)에 의해 자동적으로 설정되어도 좋다. 후자의 경우에는, 이른바 AE(Auto Exposure) 기능, AF(Auto Focus) 기능 및 AWB(Auto White Balance) 기능이 내시경(11100)에 탑재되게 된다.
카메라 헤드 제어부(11405)는, 통신부(11404)를 경유하여 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 경유하여 송신된 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 행한다.
제어부(11413)는, 내시경(11100)에 의한 수술부 등의 촬상, 및, 수술부 등의 촬상에 의해 얻을 수 있는 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 행하여진 화상 신호에 의거하여, 수술부 등이 보여진 촬상 화상을 표시 장치(11202)에 표시시킨다. 이때, 제어부(11413)는, 각종의 화상 인식 기술을 이용하여 촬상 화상내에 있어서 각종의 물체를 인식하여도 좋다. 예를 들면, 제어부(11413)는, 촬상 화상에 포함된 물체의 에지의 형상이나 색 등을 검출함에 의해, 겸자(forceps) 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 표시되어, 수술자(11131)에게 제시됨에 의해, 수술자(11131)의 부담을 경감하거나, 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 이러한 복합 케이블이다.
여기서, 도시한 예에서는, 전송 케이블(11400)을 이용하여 유선으로 통신이 행하여지고 있지만, 카메라 헤드(11102)와 CCU(11201)와의 사이의 통신은 무선으로 행하여져도 좋다.
이상, 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 내시경 수술 시스템의 한 예에 관해 설명하였다. 본 개시에 관한 기술은, 이상 설명하는 구성 중, 카메라 헤드(11102)의 촬상부(11402)에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 촬상부(11402)로서, 상술한 고체 촬상 장치(1)를 적용할 수 있다. 촬상부(11402)에 본 개시에 관한 기술을 적용함에 의해, 카메라 헤드(11102)를 소형화하면서도, 보다 선명한 수술부 화상을 얻을 수 있다.
또한, 여기서는, 한 예로서 내시경 수술 시스템에 관해 설명하였지만, 본 개시에 관한 기술은, 그 밖에, 예를 들면, 현미경 수술 시스템 등에 적용되어도 좋다.
<11. 이동체에의 응용례>
본 개시에 관한 기술(본 기술)은, 다양한 제품에 응용할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 관한 기술은, 자동차, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 자동 이륜차, 자전거, 퍼스널모빌리티, 비행기, 드론, 선박, 로봇 등의 어느 한쪽의 종류의 이동체에 탑재된 장치로서 실현되어도 좋다.
도 18은, 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 이동체 제어 시스템의 한 예인 차량 제어 시스템의 대략적인 구성례를 도시하는 블록도이다.
차량 제어 시스템(12000)은, 통신 네트워크(12001)를 경유하여 접속된 복수의 전자 제어 유닛을 구비한다. 도 18에 나타냈던 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 따라 차량의 구동계에 관련된 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 조절한 스티어링 기구, 및, 차량의 제동력을 발생시키는 제동 장치 등의 제어 장치로서 기능한다.
바디계 제어 유닛(12020)은, 각종 프로그램에 따라 차체에 장비된 각종 장치의 동작을 제어한다. 예를 들면, 바디계 제어 유닛(12020)은, 키레스 엔트리 시스템, 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 발신된 전파 또는 각종 스위치의 신호가 입력될 수 있다. 바디계 제어 유닛(12020)은, 이러한 전파 또는 신호의 입력을 접수, 차량의 도어 록 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 차량 밖의 화상을 촬상시킴과 함께, 촬상된 화상을 수신한다. 차외 정보 검출 유닛(12030)은, 수신한 화상에 의거하여, 사람, 차, 장애물, 표지 또는 노면상의 문자 등의 물체 검출 처리 또는 거리 검출 처리를 행하여도 좋다.
촬상부(12031)는, 광을 수광하고, 그 광의 수광량에 응한 전기 신호를 출력한 광센서이다. 촬상부(12031)는, 전기 신호를 화상으로서 출력하는 것도 가능하고, 측거의 정보로서 출력하는 것도 가능하다. 또한, 촬상부(12031)가 수광한 광은, 가시광이라도 좋고, 적외선 등의 비 가시광이라도 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 산출하여도 좋고, 운전자가 앉아서 졸고 있지 않는지를 판별하여도 좋다.
마이크로 컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)으로 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, 차량 속도 유지 주행, 차량의 충돌 경고, 또는 차량의 레인 일탈 경고 등을 포함한 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)으로 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)으로 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)으로 검지한 선행차량 또는 대향차량의 위치에 따라 헤드 램프를 제어하고, 하이 빔을 로우 빔으로 전환하는 등의 눈부심 방지를 도모하는 것을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수가 있다.
음성 화상 출력부(12052)는, 차량의 탑승자 또는 차량 밖에 대해, 시각적 또는 청각적으로 정보를 통지하는 것이 가능한 출력 장치에 음성 및 화상중의 적어도 한쪽의 출력 신호를 송신한다. 도 18의 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 19는, 촬상부(12031)의 마련 위치의 예를 도시하는 도면이다.
도 19에서는, 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 차량 실내의 프론트글라스의 상부 등의 위치에 마련된다. 프런트 노우즈에 구비되는 촬상부(12101) 및 차량 실내의 프론트글라스의 상부에 구비되는 촬상부(12105)는, 주로 차량(12100)의 앞쪽의 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 뒤쪽의 화상을 취득한다. 촬상부(12101 및 12105)로 취득된 앞쪽의 화상은, 주로 선행차량 또는, 보행자, 장애물, 신호기, 교통 표지 또는 차선 등의 검출에 사용된다.
또한, 도 19에는, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬영 범위의 한 예가 나타나고 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 중합됨에 의해, 차량(12100)을 상방에서 본 조감 화상을 얻을 수 있다.
촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 거리 정보를 취득하는 기능을 갖고 있어도 좋다. 예를 들면, 촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 복수의 촬상 소자로 이루어진 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) 내에 있어서 각 입체물까지의 거리와, 이 거리의 시간적 변화(차량(12100)에 대한 상대 속도)를 구함에 의해, 특히 차량(12100)의 진행 노상에 있는 가장 가까운 입체물로, 차량(12100)과 거의 동일 방향에 소정의 속도(예를 들면, 0㎞/h 이상)로 주행하는 입체물을 선행차량으로서 추출할 수 있다. 또한, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 선행차량의 앞에 미리 확보해야 할 차간 거리를 설정하고, 자동 브레이크 제어(추종 정지 제어도 포함한다)나 자동 가속 제어(추종 발진 제어도 포함한다) 등을 할 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 기초하여, 입체물에 관한 입체물 데이터를, 2륜차, 보통 차량, 대형 차량, 보행자, 전신주 등 그 밖의 입체물로 분류하고 추출하고, 장애물의 자동 회피에 이용할 수 있다. 예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 차량(12100)의 주변의 장애물을, 차량(12100)의 드라이버가 시인 가능한 장애물과 시인 곤란한 장애물로 식별한다. 그리고, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 각 장애물과의 충돌의 위험도를 나타내는 충돌 리스크를 판단하고, 충돌 리스크가 설정치 이상으로 충돌 가능성이 있는 상황인 때에는, 오디오 스피커(12061)나 표시부(12062)를 경유하여 드라이버에 경보를 출력하거나, 구동계 제어 유닛(12010)을 경유하여 강제 감속이나 회피 조타를 행하여, 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 화상중에 보행자가 존재하는지의 여부를 판정하여 보행자를 인식할 수 있다. 이러한 보행자의 인식은, 예를 들면 적외선 카메라로서의 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상에 있어서 특징점을 추출하는 순서와, 물체의 윤곽을 나타내는 일련의 특징점에 패턴 매칭 처리를 행하여 보행자인지의 여부를 판별하는 순서에 의해 행하여진다. 마이크로 컴퓨터(12051)가, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재한다고 판정하고, 보행자를 인식하면, 음성 화상 출력부(12052)는, 당해 인식된 보행자에게 강조를 위한 방형 윤곽선을 중첩 표시하도록, 표시부(12062)를 제어한다. 또한, 음성 화상 출력부(12052)는, 보행자를 나타내는 아이콘 등을 소망하는 위치에 표시하도록 표시부(12062)를 제어하여도 좋다.
이상, 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 차량 제어 시스템의 한 예에 관해 설명하였다. 본 개시에 관한 기술은, 이상 설명하는 구성 중, 촬상부(12031)에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 촬상부(12031)로서, 상술한 고체 촬상 장치(1)를 적용할 수 있다. 촬상부(12031)에 본 개시에 관한 기술을 적용함에 의해, 소형화하면서도, 보다 보기 쉬운 촬영 화상을 얻을 수 있거나, 거리 정보를 취득할 수 있다. 또한, 얻어진 촬영 화상이나 거리 정보를 경유하여, 드라이버의 피로를 경감하거나, 드라이버나 차량의 안전도를 높이는 것이 가능해진다.
상술한 예에서는, 제1 도전형을 p형, 제2 도전형을 n형으로서, 전자를 신호 전하로 한 고체 촬상 장치에 관해 설명하였지만, 본 기술은 정공을 신호 전하로 한 고체 촬상 장치에도 적용할 수 있다. 즉, 제1 도전형을 n형으로 하여, 제2 도전형을 p형으로서, 전술한 각 반도체 영역을 반대의 도전형의 반도체 영역에서 구성할 수 있다.
또한, 본 기술은, 가시광의 입사광량의 분포를 검지하고 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 장치에의 적용에 한정되지 않고, 적외선이나 X선, 또는 입자 등의 입사량의 분포를 화상으로서 촬상한 고체 촬상 장치나, 광의의 의미로서, 압력이나 정전 용량 등, 다른 물리량의 분포를 검지하고 화상으로서 촬상하는 지문 검출 센서 등의 고체 촬상 장치(물리량 분포 검지 장치) 전반에 대해 적용 가능하다.
본 기술의 실시의 형태는, 상술한 실시의 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 기술의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러가지의 변경이 가능하다.
예를 들면, 상술한 복수의 실시의 형태의 전부 또는 일부를 조합시켰던 형태를 채용할 수 있다.
또한, 본 명세서에 기재된 효과는 어디까지나 예시이고 한정되는 것이 아니고, 본 명세서에 기재된 것 이외의 효과가 있어도 좋다.
또한, 본 기술은 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
(1)
제1의 반도체 기판의 배선층 형성면인 표면측과, 제2의 반도체 기판의 배선층 형성면의 반대측인 이면측이 접합하여 구성되고,
상기 제1의 반도체 기판은,
입사광을 광전변환하는 광전변환부와,
상기 광전변환부의 전하를 전송하는 전송 트랜지스터를
구비하고,
상기 제2의 반도체 기판은,
상기 전송 트랜지스터에 의해 전송된 상기 전하 또는 상기 전하에 응한 전압을 유지하는 전하 전압 유지부를
구비하고,
상기 제2의 반도체 기판을 관통하고, 상기 전송 트랜지스터로부터 전송된 상기 전하 또는 상기 전압을 상기 전하 전압 유지부에 전송하는 관통 전극을 구비하는
고체 촬상 장치.
(2)
상기 제1의 반도체 기판은,
배선층의 일부의 금속 배선으로 형성된 차광막을 더 구비하는
상기 (1)에 기재된 고체 촬상 장치.
(3)
상기 제1의 반도체 기판은,
상기 전하에 응한 상기 전압을 발생하는 전하 전압 변환부를 더 구비하고,
상기 제2의 반도체 기판의 상기 전하 전압 유지부는, 상기 전하 전압 변환부에서 변환된 상기 전압을 유지하는
상기 (1) 또는 (2)에 기재된 고체 촬상 장치.
(4)
상기 제1의 반도체 기판과 상기 제2의 반도체 기판의 접합면의 상기 관통 전극의 단면지름은, 상기 제2의 반도체 기판을 관통하는 부분의 단면지름보다도 작거나 또는 동일한
상기 (1) 내지 (3)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 장치.
(5)
상기 제1의 반도체 기판과 상기 제2의 반도체 기판은, 화소 영역에서는, 복수의 관통 전극만으로 전기적으로 접속되어 있는
상기 (1) 내지 (4)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 장치.
(6)
상기 제1의 반도체 기판의 배선층의 금속 배선은, 텅스텐으로 형성되는
상기 (1) 내지 (5)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 장치.
(7)
제1의 반도체 기판에, 입사광을 광전변환하는 광전변환부와, 상기 광전변환부의 전하를 전송하는 전송 트랜지스터를 형성하고,
상기 제1의 반도체 기판의 배선층 형성면인 표면측과, 제2의 반도체 기판의 배선층 형성면의 반대측인 이면측을 접합하고,
접합한 후의 상기 제2의 반도체 기판에, 상기 전송 트랜지스터에 의해 전송된 상기 전하 또는 상기 전하에 응한 전압을 유지하는 전하 전압 유지부를 형성하고,
상기 제2의 반도체 기판을 관통하고, 상기 전송 트랜지스터로부터 전송된 상기 전하 또는 상기 전압을 상기 전하 전압 유지부에 전송하는 관통 전극을 형성하는
고체 촬상 장치의 제조 방법.
(8)
제1의 반도체 기판의 배선층 형성면인 표면측과, 제2의 반도체 기판의 배선층 형성면의 반대측인 이면측이 접합하여 구성되고,
상기 제1의 반도체 기판은,
입사광을 광전변환하는 광전변환부와,
상기 광전변환부의 전하를 전송하는 전송 트랜지스터를
구비하고,
상기 제2의 반도체 기판은,
상기 전송 트랜지스터에 의해 전송된 상기 전하 또는 상기 전하에 응한 전압을 유지하는 전하 전압 유지부를
구비하고,
상기 제2의 반도체 기판을 관통하고, 상기 전송 트랜지스터로부터 전송된 상기 전하 또는 상기 전압을 상기 전하 전압 유지부에 전송하는 관통 전극을 구비하는
고체 촬상 장치를
구비하는 전자 기기.
1 : 고체 촬상 장치
2 : 화소
3 : 화소 어레이부
41 : 제1의 반도체 기판
43 : 배선층
71 : 제2의 반도체 기판
73 : 다층 배선층
91, 92, 98, 99 : 관통 전극
Tr1 : 제1 전송 트랜지스터
M4 : 금속 배선
MEM : 메모리부
PD : 포토 다이오드
Tr11 : 전송 트랜지스터
Tr13 : 제1 증폭 트랜지스터
300 : 촬상 장치
302 : 고체 촬상 장치

Claims (8)

  1. 제1의 반도체 기판의 배선층 형성면인 표면측과, 제2의 반도체 기판의 배선층 형성면의 반대측인 이면측이 접합하여 구성되고,
    상기 제1의 반도체 기판은,
    입사광을 광전변환하는 광전변환부와,
    상기 광전변환부의 전하를 전송하는 전송 트랜지스터와,
    상기 전송 트랜지스터에 의해 전송된 상기 전하에 응한 전압으로 변환하는 전하 전압 변환부로서의 전압 변환 트랜지스터를 구비하고,
    상기 제2의 반도체 기판은,
    상기 전압 변환 트랜지스터에 의해 변환된 상기 전압을 유지하는 전하 전압 유지부를 구비하고,
    상기 제2의 반도체 기판을 관통하고, 상기 전압 변환 트랜지스터에 의해 변환된 상기 전압을 상기 전하 전압 유지부에 전송하는 관통 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1의 반도체 기판과 상기 제2의 반도체 기판 사이에,
    배선층의 일부의 금속 배선으로 형성된 차광막을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전송 트랜지스터와 상기 전압 변환 트랜지스터는 상기 제1의 반도체 기판의 광입사면측과 반대의 상기 제2의 반도체 기판측의 면에 형성되고,
    상기 관통 전극은 상기 제1의 반도체 기판을 관통하지 않고, 상기 제2의 반도체 기판을 관통하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1의 반도체 기판과 상기 제2의 반도체 기판의 접합면의 상기 관통 전극의 단면지름은, 상기 제2의 반도체 기판을 관통하는 부분의 단면지름보다도 작거나 또는 동일한 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1의 반도체 기판과 상기 제2의 반도체 기판은, 화소 영역에서는, 복수의 관통 전극만으로 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2의 반도체 기판의 상기 전하 전압 유지부는 커패시터로 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  7. 제1의 반도체 기판에, 입사광을 광전변환하는 광전변환부와, 상기 광전변환부의 전하를 전송하는 전송 트랜지스터와, 상기 전송 트랜지스터에 의해 전송된 상기 전하에 응한 전압으로 변환하는 전하 전압 변환부로서의 전압 변환 트랜지스터를 형성하고,
    상기 제1의 반도체 기판의 배선층 형성면인 표면측과, 제2의 반도체 기판의 배선층 형성면의 반대측인 이면측을 접합하고,
    접합한 후의 상기 제2의 반도체 기판에, 상기 전압 변환 트랜지스터에 의해 변환된 상기 전압을 유지하는 전하 전압 유지부를 형성하고,
    상기 제2의 반도체 기판을 관통하고, 상기 전압 변환 트랜지스터에 의해 변환된 상기 전압을 상기 전하 전압 유지부에 전송하는 관통 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
  8. 제1의 반도체 기판의 배선층 형성면인 표면측과, 제2의 반도체 기판의 배선층 형성면의 반대측인 이면측이 접합하여 구성되고,
    상기 제1의 반도체 기판은,
    입사광을 광전변환하는 광전변환부와,
    상기 광전변환부의 전하를 전송하는 전송 트랜지스터와,
    상기 전송 트랜지스터에 의해 전송된 상기 전하에 응한 전압으로 변환하는 전하 전압 변환부로서의 전압 변환 트랜지스터를 구비하고,
    상기 제2의 반도체 기판은,
    상기 전압 변환 트랜지스터에 의해 변환된 상기 전압을 유지하는 전하 전압 유지부를 구비하고,
    상기 제2의 반도체 기판을 관통하고, 상기 전압 변환 트랜지스터에 의해 변환된 상기 전압을 상기 전하 전압 유지부에 전송하는 관통 전극을 구비하는 고체 촬상 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
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