7533533 撮像素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-05

(45)【発行日】2024-08-14

(54)【発明の名称】撮像素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20240806BHJP

   H04N 25/76 20230101ALI20240806BHJP

【ＦＩ】

H01L27/146 F

H04N25/76

【請求項の数】 34

(21)【出願番号】P 2022106343

(22)【出願日】2022-06-30

(62)【分割の表示】P 2020103744の分割

【原出願日】2007-03-19

(65)【公開番号】P2022125153

(43)【公開日】2022-08-26

【審査請求日】2022-07-04

(73)【特許権者】

【識別番号】000004112

【氏名又は名称】株式会社ニコン

(74)【代理人】

【識別番号】100072718

【弁理士】

【氏名又は名称】古谷 史旺

(74)【代理人】

【識別番号】100151002

【弁理士】

【氏名又は名称】大橋 剛之

(74)【代理人】

【識別番号】100201673

【弁理士】

【氏名又は名称】河田 良夫

(72)【発明者】

【氏名】大河内 直紀

【審査官】柴山 将隆

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－２２８４６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００６／１０９９３７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平１１－３１２８００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１６７９５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０７３７３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第０３／０４１１７４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００６－０４９３６１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２７／１４６

Ｈ０４Ｎ ２５／７６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

積層された複数の半導体チップを備える撮像素子であって、
前記複数の半導体チップは、
光を電荷に変換する第１受光素子と、行方向において前記第１受光素子の隣に配置される受光素子であって光を電荷に変換する第２受光素子と、列方向において前記第１受光素子の隣に配置される受光素子であって光を電荷に変換する第３受光素子と、前記行方向において前記第３受光素子の隣に配置される受光素子であって光を電荷に変換する第４受光素子と、前記第１受光素子で変換された電荷を転送する第１転送部と、前記第２受光素子で変換された電荷を転送する第２転送部と、前記第３受光素子で変換された電荷を転送する第３転送部と、前記第４受光素子で変換された電荷を転送する第４転送部とを有する受光画素が配置される第１チップと、
前記第１受光素子で変換された電荷と、前記第２受光素子で変換された電荷と、前記第３受光素子で変換された電荷と、前記第４受光素子で変換された電荷とが転送される拡散部と、前記第１受光素子から前記拡散部に転送された電荷に基づく第１信号と、前記第２受光素子から前記拡散部に転送された電荷に基づく第２信号と、前記第３受光素子から前記拡散部に転送された電荷に基づく第３信号と、前記第４受光素子から前記拡散部に転送された電荷に基づく第４信号とを出力する出力部とが配置される第２チップと
を含み、
前記拡散部は、前記第１チップと前記第２チップとが積層される積層方向において、前記受光画素と重なるように配置される撮像素子。

【請求項2】

請求項１に記載の撮像素子において、
前記第１転送部と前記第２転送部とは、前記第１受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第２受光素子で変換された電荷が転送される方向とが異なる方向になるように配置され、
前記第３転送部と前記第４転送部とは、前記第３受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第４受光素子で変換された電荷が転送される方向とが異なる方向になるように配置される撮像素子。

【請求項3】

請求項２に記載の撮像素子において、
前記第１転送部と前記第２転送部とは、前記第１受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第２受光素子で変換された電荷が転送される方向とが反対の方向になるように配置され、
前記第３転送部と前記第４転送部とは、前記第３受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第４受光素子で変換された電荷が転送される方向とが反対の方向になるように配置される撮像素子。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第１転送部と前記第４転送部とは、前記第１受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第４受光素子で変換された電荷が転送される方向とが異なる方向になるように配置され、
前記第２転送部と前記第３転送部とは、前記第２受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第３受光素子で変換された電荷が転送される方向とが異なる方向になるように配置される撮像素子。

【請求項5】

請求項４に記載の撮像素子において、
前記第１転送部と前記第４転送部とは、前記第１受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第４受光素子で変換された電荷が転送される方向とが反対の方向になるように配置され、
前記第２転送部と前記第３転送部とは、前記第２受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第３受光素子で変換された電荷が転送される方向とが反対の方向になるように配置される撮像素子。

【請求項6】

積層された複数の半導体チップを備える撮像素子であって、
前記複数の半導体チップは、
光を電荷に変換する第１受光素子と、行方向において前記第１受光素子の隣に配置される受光素子であって光を電荷に変換する第２受光素子と、列方向において前記第１受光素子の隣に配置される受光素子であって光を電荷に変換する第３受光素子と、前記行方向において前記第３受光素子の隣に配置される受光素子であって光を電荷に変換する第４受光素子と、前記第１受光素子で変換された電荷を転送する第１転送部と、前記第２受光素子で変換された電荷を転送する第２転送部と、前記第３受光素子で変換された電荷を転送する第３転送部と、前記第４受光素子で変換された電荷を転送する第４転送部とを有する受光画素が配置される第１チップと、
前記第１受光素子で変換された電荷と、前記第２受光素子で変換された電荷と、前記第３受光素子で変換された電荷と、前記第４受光素子で変換された電荷とが転送される拡散部と、前記第１受光素子から前記拡散部に転送された電荷に基づく第１信号と、前記第２受光素子から前記拡散部に転送された電荷に基づく第２信号と、前記第３受光素子から前記拡散部に転送された電荷に基づく第３信号と、前記第４受光素子から前記拡散部に転送された電荷に基づく第４信号とを出力する出力部とが配置される第２チップと
を含み、
前記第１転送部と前記第２転送部とは、前記第１受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第２受光素子で変換された電荷が転送される方向とが異なる方向になるように配置され、
前記第３転送部と前記第４転送部とは、前記第３受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第４受光素子で変換された電荷が転送される方向とが異なる方向になるように配置される撮像素子。

【請求項7】

請求項６に記載の撮像素子において、
前記第１転送部と前記第２転送部とは、前記第１受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第２受光素子で変換された電荷が転送される方向とが反対の方向になるように配置され、
前記第３転送部と前記第４転送部とは、前記第３受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第４受光素子で変換された電荷が転送される方向とが反対の方向になるように配置される撮像素子。

【請求項8】

請求項６または請求項７に記載の撮像素子において、
前記第１転送部と前記第４転送部とは、前記第１受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第４受光素子で変換された電荷が転送される方向とが異なる方向になるように配置され、
前記第２転送部と前記第３転送部とは、前記第２受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第３受光素子で変換された電荷が転送される方向とが異なる方向になるように配置される撮像素子。

【請求項9】

請求項８に記載の撮像素子において、
前記第１転送部と前記第４転送部とは、前記第１受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第４受光素子で変換された電荷が転送される方向とが反対の方向になるように配置され、
前記第２転送部と前記第３転送部とは、前記第２受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第３受光素子で変換された電荷が転送される方向とが反対の方向になるように配置される撮像素子。

【請求項10】

積層された複数の半導体チップを備える撮像素子であって、
前記複数の半導体チップは、
光を電荷に変換する第１受光素子と、行方向において前記第１受光素子の隣に配置される受光素子であって光を電荷に変換する第２受光素子と、列方向において前記第１受光素子の隣に配置される受光素子であって光を電荷に変換する第３受光素子と、前記行方向において前記第３受光素子の隣に配置される受光素子であって光を電荷に変換する第４受光素子と、前記第１受光素子で変換された電荷を転送する第１転送部と、前記第２受光素子で変換された電荷を転送する第２転送部と、前記第３受光素子で変換された電荷を転送する第３転送部と、前記第４受光素子で変換された電荷を転送する第４転送部とを有する受光画素が配置される第１チップと、
前記第１受光素子で変換された電荷と、前記第２受光素子で変換された電荷と、前記第３受光素子で変換された電荷と、前記第４受光素子で変換された電荷とが転送される拡散部と、前記第１受光素子から前記拡散部に転送された電荷に基づく第１信号と、前記第２受光素子から前記拡散部に転送された電荷に基づく第２信号と、前記第３受光素子から前記拡散部に転送された電荷に基づく第３信号と、前記第４受光素子から前記拡散部に転送された電荷に基づく第４信号とを出力する出力部とが配置される第２チップと
を含み、
前記第１転送部と前記第４転送部とは、前記第１受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第４受光素子で変換された電荷が転送される方向とが異なる方向になるように配置され、
前記第２転送部と前記第３転送部とは、前記第２受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第３受光素子で変換された電荷が転送される方向とが異なる方向になるように配置される撮像素子。

【請求項11】

請求項１０に記載の撮像素子において、
前記第１転送部と前記第４転送部とは、前記第１受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第４受光素子で変換された電荷が転送される方向とが反対の方向になるように配置され、
前記第２転送部と前記第３転送部とは、前記第２受光素子で変換された電荷が転送される方向と、前記第３受光素子で変換された電荷が転送される方向とが反対の方向になるように配置される撮像素子。

【請求項12】

積層された複数の半導体チップを備える撮像素子であって、
前記複数の半導体チップは、
光を電荷に変換する第１受光素子と、行方向において前記第１受光素子の隣に配置される受光素子であって光を電荷に変換する第２受光素子と、列方向において前記第１受光素子の隣に配置される受光素子であって光を電荷に変換する第３受光素子と、前記行方向において前記第３受光素子の隣に配置される受光素子であって光を電荷に変換する第４受光素子と、前記第１受光素子で変換された電荷を転送する第１転送部と、前記第２受光素子で変換された電荷を転送する第２転送部と、前記第３受光素子で変換された電荷を転送する第３転送部と、前記第４受光素子で変換された電荷を転送する第４転送部とを有する受光画素が配置される第１チップと、
前記第１受光素子で変換された電荷と、前記第２受光素子で変換された電荷と、前記第３受光素子で変換された電荷と、前記第４受光素子で変換された電荷とが転送される拡散部と、前記第１受光素子から前記拡散部に転送された電荷に基づく第１信号と、前記第２受光素子から前記拡散部に転送された電荷に基づく第２信号と、前記第３受光素子から前記拡散部に転送された電荷に基づく第３信号と、前記第４受光素子から前記拡散部に転送された電荷に基づく第４信号とを出力する出力部とが配置される第２チップと
を含み、
前記第１転送部、前記第２転送部、前記第３転送部および前記第４転送部は、前記受光画素の外縁から内側に向かう方向に、前記第１受光素子で変換された電荷と、前記第２受光素子で変換された電荷と、前記第３受光素子で変換された電荷と、前記第４受光素子で変換された電荷とを転送するように配置される撮像素子。

【請求項13】

請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第１転送部を制御するための第１転送制御信号と、前記第２転送部を制御するための第２転送制御信号と、前記第３転送部を制御するための第３転送制御信号と、前記第４転送部を制御するための第４転送制御信号とを出力する駆動回路を備え、
前記駆動回路は、前記第１チップに配置される撮像素子。

【請求項14】

請求項１３に記載の撮像素子において、
前記駆動回路は、前記第１受光素子で変換された電荷と、前記第２受光素子で変換された電荷と、前記第３受光素子で変換された電荷と、前記第４受光素子で変換された電荷とが時分割に転送されるように前記第１転送部、前記第２転送部、前記第３転送部および前記第４転送部を制御する撮像素子。

【請求項15】

請求項１３または請求項１４に記載の撮像素子において、
前記駆動回路は、前記第１転送制御信号、前記第２転送制御信号、前記第３転送制御信号および前記第４転送制御信号を異なるタイミングで前記第１転送部、前記第２転送部、前記第３転送部および前記第４転送部に出力する撮像素子。

【請求項16】

請求項１３から請求項１５のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記駆動回路から前記第１転送部に前記第１転送制御信号を出力するための第１転送制御配線と、
前記駆動回路から前記第２転送部に前記第２転送制御信号を出力するための第２転送制御配線と、
前記駆動回路から前記第３転送部に前記第３転送制御信号を出力するための第３転送制御配線と、
前記駆動回路から前記第４転送部に前記第４転送制御信号を出力するための第４転送制御配線と
を備える撮像素子。

【請求項17】

請求項１から請求項１６のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記拡散部には、前記第１チップと前記第２チップとに電気的に接続される接続部を介して、前記第１受光素子で変換された電荷と、前記第２受光素子で変換された電荷と、前記第３受光素子で変換された電荷と、前記第４受光素子で変換された電荷とが転送される撮像素子。

【請求項18】

請求項１７に記載の撮像素子において、
前記接続部は、積層方向に沿って設けられる導電部材を有する撮像素子。

【請求項19】

請求項１から請求項１８のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記出力部から出力された前記第１信号、前記第２信号、前記第３信号および前記第４信号のうち少なくとも前記第１信号を読み出すための読み出し線を備える撮像素子。

【請求項20】

請求項１９に記載の撮像素子において、
前記出力部は、前記拡散部に電気的に接続されるゲート部を有する増幅トランジスタを含む撮像素子。

【請求項21】

請求項２０に記載の撮像素子において、
前記出力部は、前記増幅トランジスタと前記読み出し線との間の接続を制御する選択トランジスタを含む撮像素子。

【請求項22】

請求項１から請求項２１のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第２チップは、前記拡散部の電位をリセットするリセット部が配置される撮像素子。

【請求項23】

請求項２２に記載の撮像素子において、
前記リセット部を制御するためのリセット制御信号を出力する走査回路を備え、
前記走査回路は、前記第２チップに配置される撮像素子。

【請求項24】

請求項２３に記載の撮像素子において、
前記走査回路から前記リセット部に前記リセット制御信号を出力するためのリセット制御配線を備える撮像素子。

【請求項25】

請求項１から請求項２４のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第１信号、前記第２信号、前記第３信号および前記第４信号のうち少なくとも前記第１信号をデジタル信号に変換するための変換部を備え、
前記変換部は、前記第２チップに配置される撮像素子。

【請求項26】

請求項１から請求項２５のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第１信号、前記第２信号、前記第３信号および前記第４信号のうち少なくとも前記第１信号に含まれるノイズ成分を除去するためのノイズ除去回路を備え、
前記ノイズ除去回路は、前記第２チップに配置される撮像素子。

【請求項27】

請求項２６に記載の撮像素子において、
前記ノイズ除去回路は、相関二重サンプリング回路を有する撮像素子。

【請求項28】

請求項１から請求項２７のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第１信号、前記第２信号、前記第３信号および前記第４信号のうち少なくとも前記第１信号を増幅するための増幅回路を備え、
前記増幅回路は、前記第２チップに配置される撮像素子。

【請求項29】

請求項１から請求項２８のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第１受光素子と前記第２受光素子とは、異なる分光特性を有するフィルタからの光を電荷に変換し、
前記第３受光素子と前記第４受光素子とは、異なる分光特性を有するフィルタからの光を電荷に変換する撮像素子。

【請求項30】

請求項１から請求項２９のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第１受光素子、前記第２受光素子、前記第３受光素子および前記第４受光素子は、前記第１チップの第１領域に配置され、
前記拡散部は、前記第２チップの第２領域に配置され、
前記第２領域は、前記第１チップと前記第２チップとが積層される積層方向において前記第１領域と重なるように配置される撮像素子。

【請求項31】

請求項３０に記載の撮像素子において、
前記第１領域は、光が入射される第１面と、前記第１面とは反対側の第２面とを有し、
前記第２領域は、前記第２面と対向する第３面を有する撮像素子。

【請求項32】

請求項３０または請求項３１に記載の撮像素子において、
前記第１転送部、前記第２転送部、前記第３転送部および前記第４転送部は、前記第１領域に配置される撮像素子。

【請求項33】

請求項３０から請求項３２のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第２領域は、前記第１領域のうち、前記行方向において前記第１受光素子と前記第３受光素子とが配置される領域と前記第２受光素子と前記第４受光素子とが配置される領域との間の領域と重なるように配置される撮像素子。

【請求項34】

請求項３０から請求項３３のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第１転送部、前記第２転送部、前記第３転送部および前記第４転送部は、前記第１領域のうち、前記行方向において前記第１受光素子と前記第３受光素子とが配置される領域と前記第２受光素子と前記第４受光素子とが配置される領域との間の領域に配置される撮像素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、撮像素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、電子カメラなどの撮像装置では、ＣＭＯＳ型の撮像素子が注目されている。これら撮像素子の受光面には、光電変換を行って電気信号を出力する画素部が配列される。さらに、この受光面には、電気信号を外部に読み出すための信号線や、画素部を駆動するための制御線なども近接して設けられる。

【0003】

なお、特許文献１には、受光面で電気信号を生成し、その電気信号を反対面の電極に出力する構成が開示されている。

【0004】

また、特許文献２には、受光面で生成した電気信号を反対面の配線層で読み出す裏面入射型の撮像素子が開示されている。この裏面入射型の撮像素子は、配線層側の電極を介して、別の信号処理チップに接続される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特願２００３－５４３１０７号公報

【文献】特開２００６－４９３６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述した従来技術では、半導体基板の受光面に、画素部や配線構造などを複雑に集積する必要がある。そのため、撮像素子の製造プロセスは、工程数が多くかつ複雑になる。そのため、従来技術では、撮像素子の撮像性能を最優先した設計ルールや製造プロセスを実施しづらいという問題点がある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一例の撮像素子は、積層された複数の半導体チップを備える撮像素子であって、複数の半導体チップは、光を電荷に変換する第１受光素子と、行方向において第１受光素子の隣に配置される受光素子であって光を電荷に変換する第２受光素子と、列方向において第１受光素子の隣に配置される受光素子であって光を電荷に変換する第３受光素子と、行方向において第３受光素子の隣に配置される受光素子であって光を電荷に変換する第４受光素子と、第１受光素子で変換された電荷を転送する第１転送部と、第２受光素子で変換された電荷を転送する第２転送部と、第３受光素子で変換された電荷を転送する第３転送部と、第４受光素子で変換された電荷を転送する第４転送部とを有する受光画素が配置される第１チップと、第１受光素子で変換された電荷と、第２受光素子で変換された電荷と、第３受光素子で変換された電荷と、第４受光素子で変換された電荷とが転送される拡散部と、第１受光素子から拡散部に転送された電荷に基づく第１信号と、第２受光素子から拡散部に転送された電荷に基づく第２信号と、第３受光素子から拡散部に転送された電荷に基づく第３信号と、第４受光素子から拡散部に転送された電荷に基づく第４信号とを出力する出力部とが配置される第２チップとを含み、拡散部は、第１チップと第２チップとが積層される積層方向において、受光画素と重なるように配置される。

【発明の効果】

【0008】

本発明の一例によれば、撮像性能の向上に適した撮像素子の構造を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】撮像素子１０の断面図である。

【図2】撮像素子１０の等価回路を示す図である。

【図3】第１チップ１１および第２チップ１２の上面図である。

【図4】撮像素子１０ａの画素部分の断面図である。

【図5】撮像素子１０ａの１画素分の等価回路図である。

【図6】第１チップ１１ａおよび第２チップ１２ａの上面図である。

【図7】撮像素子１０ｂの構成を示す図である。

【図8】撮像素子１０ｃの構成を示す図である。

【図9】撮像素子１０ｄの構成を示す図である。

【図10】撮像素子１０ｆの構成を示す図である。

【図11】撮像素子１０ｆの等価回路図である。

【図12】撮像素子１０ｈの素子構造を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

《第１実施形態》
第１実施形態は、第１チップに受光素子を配置し、第２チップに転送トランジスタなどを配置する。

【0011】

図１は、撮像素子１０の画素断面を示す図である。図２は、撮像素子１０の１画素分の等価回路図である。図３は、第１チップ１１および第２チップ１２の上面図である。なお、図１に示す画素断面は、図３中に示す点線箇所の断面である。

【0012】

これらの図に示すように、第１チップ１１は、半導体の基板１１ｘを土台にして形成される。この基板１１ｘの受光面１６ｘ側には、受光画素１が形成される。この受光画素１には、受光素子ＰＤが設けられる。受光素子ＰＤの上方には、層間膜１１ｙを介して、マイクロレンズ２３が形成される。この受光素子ＰＤは、配線層１７を介して貫通配線２０に電気接続される。貫通配線２０は、素子分離域２２に設けたスルーホールに形成される。この貫通配線２０は、導電性の埋め込み配線１８と、スルーホールの内周壁を絶縁する絶縁膜１９とから構成される。基板１１ｘの反対面１６ｙには、絶縁膜１１ｚが膜形成される。貫通配線２０は、この絶縁膜１１ｚを貫通して反対面１６ｙに現れる。この貫通箇所にはマイクロパッド１３が形成される。

【0013】

第２チップ１２は、半導体の基板１２ｘを土台にして形成される。この基板１２ｘの少なくとも一方の面（形成面）には、貫通配線２０に各対応して読み出し回路３０が形成される。この形成面には、対向するマイクロパッド１３と位置を合わせて、マイクロパッド１４がそれぞれ形成される。このマイクロパッド１４の直下にはスルーホール２５が形成される。このスルーホール２５の内周壁には、絶縁膜２６が形成される。このスルーホール２５を介して、マイクロパッド１４は、転送トランジスタＱＴのソース／ドレイン領域２７にオーミック接触する。このソース／ドレイン領域２７とフローティングディフュージョンＦＤとの領域間には、絶縁膜を介して転送トランジスタＱＴのゲート２８が設けられる。さらに、フローティングディフュージョンＦＤと、基準電圧ＶＤＤが印加されるリセットドレイン３１との領域間には、絶縁膜を介してリセットトランジスタＱＲのゲート２９が設けられる。なお、フローティングディフュージョンＦＤの電圧は、不図示の配線層を介して、増幅素子ＱＡのゲート３２に供給される。増幅素子ＱＡのソース３３と、選択トランジスタＱＳのソース／ドレイン領域３５との領域間には、絶縁膜を介して選択トランジスタＱＳのゲート３４が設けられる。このソース／ドレイン領域３５は、読み出し線３６に接続される。

【0014】

上述した構成に加えて、第２チップ１２には、読み出し回路３０に制御信号を与える垂直走査回路、リセットノイズを除去するための相関二重サンプリング回路、読み出し回路３０の出力（画像信号）を主走査方向に順次読み出すための水平走査回路、および画像信号を増幅する出力アンプなども形成される。

【0015】

上述した第１チップ１１および第２チップ１２は、それぞれ独立した製造工程を経て完成する。この第１チップ１１の反対面１６ｙと、第２チップ１２の読み出し回路３０とは対向する向きに重ねて配置される。この状態で、貫通配線２０のマイクロパッド１３と、読み出し回路３０のマイクロパッド１４との間は、マイクロバンプ１５によって電気的に接合される。

【0016】

（画像信号の読み出し手順）
第１チップ１１側の受光素子ＰＤは、入射光を光電変換して信号電荷を生成する。このとき、転送トランジスタＱＴを非導通に保つことにより、受光素子ＰＤは信号電荷を蓄積する。

【0017】

一方、第２チップ１２側のフローティングディフュージョンＦＤには、リセットトランジスタＱＲを導通させることによって、基準電位ＶＤＤが印加される。その後に、リセットトランジスタＱＲが遮断されることにより、フローティングディフュージョンＦＤはフローティング状態となり、遮断時の電位をリセット電位として保持する。

【0018】

選択トランジスタＱＳは、読み出し行の選択タイミングに合わせて導通制御される。このとき、読み出し線３６および選択トランジスタＱＳを介して、増幅素子ＱＡに電流が供給されてソースホロワ回路を構成する。その結果、フローティングディフュージョンＦＤのリセット電位は、読み出し線３６へ出力される。相関二重サンプリング回路は、このリセット電位を保持する。

【0019】

次に、第２チップ１２側において、転送トランジスタＱＴが一時的に導通する。その結果、第１チップ１１側の受光素子ＰＤと、第２チップ１２側のフローティングディフュージョンＦＤとが電気的に接続される。このとき、受光素子ＰＤに蓄積された信号電荷は、このフローティングディフュージョンＦＤとの間の電位差によって誘引される。すると、第１チップ１１ａ側の信号電荷は、配線層１７、貫通配線２０、マイクロパッド１３、マイクロバンプ１５、マイクロパッド１４、および転送トランジスタＱＴという経路を通って、第２チップ１２ａ側のフローティングディフュージョンＦＤまで転送される。

【0020】

この信号電荷の分だけ、フローティングディフュージョンＦＤのリセット電位が変化し、信号電位となる。この信号電位は、増幅素子ＱＡおよび選択トランジスタＱＳを経て、読み出し線３６に出力される。相関二重サンプリング回路は、この信号電位と、先に保持したリセット電位との差分を生成し、真の画像信号として出力する。この画像信号は、水平走査回路、出力アンプを経て、外部に読み出される。

【0021】

（第１実施形態の効果など）
第１実施形態では、第１チップ１１に受光素子ＰＤおよび貫通配線２０を配置し、第２チップ１２に読み出し回路３０を配置する。このように素子構造を２分割することにより、第１チップ１１の製造工程では、読み出し回路３０の形成工程が不要となる。そのため、受光素子ＰＤの素子性能に特化した設計ルールや製造プロセスを採用することが可能になる。したがって、撮像性能の高い撮像素子１０を実現することが可能になる。

【0022】

また、第２チップ１２側では、受光素子ＰＤのスペースが不要となる。そのため、回路設計上の余裕が広く、デザインルールの緩和によって歩留り向上が可能になる。さらに、このスペースの余裕分を活かして、画素ごとに信号電荷のメモリ領域などを設けることにより、グローバル電子シャッターを実現することも可能になる。また、画素単位または行単位にＡＤ変換回路を追加することによって、デジタル画像信号を出力する撮像素子１０を実現することも可能になる。

【0023】

特に、第１実施形態では、第１チップ１１の受光素子ＰＤには、信号読み出しに関する制御信号を与える必要がない。そのため、第１チップ１１には、制御信号を与えるための配線層を設ける必要がない。したがって、受光素子ＰＤの上の層に配線層を設ける必要がなく、配線層による受光ケラレなどの弊害は生じない。

【0024】

また、制御信号の配線層を第１チップ１１から省くことにより、受光面の層構造を薄膜化することが可能になる。その結果、マイクロレンズ２３と受光素子ＰＤを一段と近接させることが可能になり、マイクロレンズ２３の斜入射光を受光素子ＰＤに効率入射させることが可能になる。特に、一眼レフ用の大型撮像素子では、撮像エリアの周辺端における輝度シェーディングが改善し、撮像画像の周辺画質を高めることが可能になる。

【0025】

なお、第２チップ１２側には、読み出し回路３０が存在する。そのため、この読み出し回路３０を遮光することが好ましい。しかし、読み出し回路３０の上方は、第１チップ１１で覆われるため、遮光層を省略したり薄膜化することが可能になる。

【0026】

さらに、第１実施形態では、受光面１６ｘに従来配置されていた読み出し回路３０を、第２チップ１２に移したため、受光画素１の実装スペースに余裕が生じる。そのため、受光素子ＰＤの面積を拡大して、撮像素子１０の受光性能を高めることが可能になる。逆に、受光画素１を縮小することによって、更なる高画素化を図ることも可能になる。

【0027】

また、受光素子ＰＤの受光形状の等方性を高めることにより、撮像素子１０の受光性能を高めることも可能になる。

【0028】

さらに、第２チップ１２側では、受光素子ＰＤが無い分だけ実装スペースに余裕が生じる。この実装スペースの余裕を活かして、読み出し回路３０内の信号線の短縮を行うことができる。その結果、信号遅延の低減、ノイズ低減、動作速度の向上などを達成できる。

【0029】

また、第１チップ１１と第２チップ１２との特性や相性を選んで組み立てることにより、撮像素子１０の歩留まりを一段と高めることが可能になる。

【0030】

《第２実施形態》
第２実施形態は、第１チップに受光素子と転送トランジスタを配置し、第２チップにリセットトランジスタなどを配置する。なお、画像信号の読み出し手順については、第１実施形態と同様のため、ここでの説明を省略する。

【0031】

図４は、撮像素子１０ａの画素断面を示す図である。図５は、撮像素子１０ａの１画素分の等価回路図である。図６は、第１チップ１１ａおよび第２チップ１２ａの上面図である。なお、図４に示す画素断面は、図６中に示す点線部分の断面である。

【0032】

以下、これらの図を参照して、撮像素子１０ａの構成を説明する。

【0033】

第１チップ１１ａの受光画素１ａには、受光素子ＰＤおよび転送トランジスタＱＴが形成される。この転送トランジスタＱＴのゲート２８ａは、受光素子ＰＤと拡散領域ＦＤｘとの領域間に、絶縁膜を介して設けられる。この拡散領域ＦＤｘは、配線層１７ａを介して貫通配線２０に接続される。この貫通配線２０は、受光画素１ａの素子分離域２２に設けたスルーホールを介して、反対面１６ｙまで貫通する。この反対面１６ｙの貫通箇所にはマイクロパッド１３が形成される。

【0034】

第２チップ１２ａの形成面には、貫通配線２０に各対応して、読み出し回路３０ａが形成される。この読み出し回路３０ａには、対向するマイクロパッド１３と位置を合わせるように、マイクロパッド１４がそれぞれ設けられる。このマイクロパッド１４は、スルーホール２５を介して拡散領域ＦＤｙにオーミック接触する。これらの拡散領域ＦＤｘ，貫通配線２０，拡散領域ＦＤｙは電気的に一体接続され、フローティングディフュージョンＦＤとして機能する。拡散領域ＦＤｙと、基準電圧ＶＤＤが印加されるリセットドレイン３１との領域間には、絶縁膜を介してリセットトランジスタＱＲのゲート２９ａが設けられる。なお、拡散領域ＦＤｙの電圧は、不図示の配線層を介して、増幅素子ＱＡのゲート３２ａに供給される。増幅素子ＱＡのソース３３ａと、選択トランジスタＱＳのソース／ドレイン領域３５ａとの領域間には、絶縁膜を介して選択トランジスタＱＳのゲート３４ａが設けられる。このソース／ドレイン領域３５ａは、読み出し線３６に接続される。

【0035】

なお、第１チップ１１ａには、転送トランジスタＱＴのゲート２８ａに制御信号を与えるための駆動回路が設けられる。

【0036】

また、第２チップ１２ａには、読み出し回路３０ａに制御信号を与える垂直走査回路、リセットノイズを除去するための相関二重サンプリング回路、読み出し回路３０ａの出力（画像信号）を主走査方向に順次読み出すための水平走査回路、および画像信号を増幅する出力アンプなども形成される。

【0037】

上述した貫通配線２０のマイクロパッド１３と、読み出し回路３０ａのマイクロパッド１４とは、マイクロバンプ１５を介して電気的に接合される。

【0038】

第２実施形態においても、素子構造を、第１チップ１１ａと第２チップ１２ａとに分けることにより、第１実施形態と同様の作用効果を得ることできる。

【0039】

さらに、第２実施形態では、第１チップ１１ａ上に受光素子ＰＤと転送トランジスタＱＴを配置するため、信号電荷の転送残りを防ぐことが可能になる。

【0040】

《第３実施形態》
第３実施形態は、第１チップに受光素子と転送トランジスタとリセットトランジスタを配置し、第２チップに増幅素子などを配置する。なお、画像信号の読み出し手順については、第１実施形態と同様のため、ここでの説明を省略する。

【0041】

図７［Ａ］は、撮像素子１０ｂの構成部品である第１チップ１１ｂの上面図（１画素分）である。図７［Ｂ］は、撮像素子１０ｂの構成部品である第２チップ１２ｂの上面図（１画素分）である。図７［Ｃ］は、撮像素子１０ｂの１画素分の等価回路図である。

【0042】

以下、これらの図を参照して、撮像素子１０ｂの構成を説明する。

【0043】

第１チップ１１ｂの受光画素１ｂには、受光素子ＰＤ、転送トランジスタＱＴ、およびリセットトランジスタＱＲが形成される。この転送トランジスタＱＴのゲート２８ｂは、受光素子ＰＤとフローティングディフュージョンＦＤとの領域間に、絶縁膜を介して設けられる。フローティングディフュージョンＦＤと、基準電圧ＶＤＤが印加されるリセットドレイン３１ｂとの領域間には、絶縁膜を介してリセットトランジスタＱＲのゲート２９ｂが設けられる。また、フローティングディフュージョンＦＤは、貫通配線２０に接続される。この貫通配線２０は、スルーホールを介して反対面まで貫通する。この貫通箇所にはマイクロパッド１３が設けられる。

【0044】

一方、第２チップ１２ｂには、貫通配線２０に各対応して読み出し回路３０ｂが形成される。この読み出し回路３０ｂのマイクロパッド１４は、マイクロバンプによって、第１チップ１１ｂのマイクロパッド１３と電気的に接合される。このマイクロパッド１４は、増幅素子ＱＡのゲート３２ｂに接続される。一方、増幅素子ＱＡのドレインには電源電圧が印加される。増幅素子ＱＡのソース３３ｂと、選択トランジスタＱＳのソース／ドレイン領域３５ｂとの領域間には、絶縁膜を介して選択トランジスタＱＳのゲート３４ｂが設けられる。このソース／ドレイン領域３５ｂは、読み出し線３６に接続される。

【0045】

なお、第１チップ１１ｂには、ゲート２８ｂ、２９ｂに制御信号を与えるための駆動回路が設けられる。

【0046】

また、第２チップ１２ｂには、読み出し回路３０ｂに制御信号を与える垂直走査回路、リセットノイズを除去するための相関二重サンプリング回路、読み出し回路３０ｂの出力（画像信号）を主走査方向に順次読み出すための水平走査回路、および画像信号を増幅する出力アンプなども形成される。

【0047】

第３実施形態においても、素子構造を、第１チップ１１ｂと第２チップ１２ｂとに分けることにより、第２実施形態と同様の効果を得ることできる。

【0048】

さらに、第３実施形態では、第１チップ１１ａ上に受光素子ＰＤとリセットトランジスタＱＲを配置するため、信号電荷のリセット残りを防ぐことが可能になる。

【0049】

《第４実施形態》
第４実施形態は、第１チップに受光素子と転送トランジスタとリセットトランジスタと増幅素子を配置し、第２チップに選択トランジスタなどを配置する。なお、画像信号の読み出し手順については、第１実施形態と同様のため、ここでの説明を省略する。

【0050】

図８［Ａ］は、撮像素子１０ｃの構成部品である第１チップ１１ｃの上面図（１画素分）である。図８［Ｂ］は、撮像素子１０ｃの構成部品である第２チップ１２ｃの上面図（１画素分）である。図８［Ｃ］は、撮像素子１０ｃの１画素分の等価回路図である。

【0051】

以下、これらの図を参照して、撮像素子１０ｃの構成を説明する。

【0052】

第１チップ１１ｃの受光画素１ｃには、受光素子ＰＤ、転送トランジスタＱＴ、リセットトランジスタＱＲ、および増幅素子ＱＡが形成される。この転送トランジスタＱＴのゲート２８ｃは、受光素子ＰＤとフローティングディフュージョンＦＤとの領域間に、絶縁膜を介して設けられる。フローティングディフュージョンＦＤと、基準電圧ＶＤＤが印加されるリセットドレイン３１ｃとの領域間には、絶縁膜を介してリセットトランジスタＱＲのゲート２９ｃが設けられる。なお、フローティングディフュージョンＦＤの電圧は、不図示の配線層を介して、増幅素子ＱＡのゲート３２ｃに供給される。増幅素子ＱＡのソース３３ｃは、貫通配線２０に接続される。この貫通配線２０は、スルーホールを介して反対面まで貫通する。この反対面の貫通箇所には、マイクロパッド１３が設けられる。

【0053】

一方、第２チップ１２ｃには、貫通配線２０に各対応して、読み出し回路３０ｃが形成される。この読み出し回路３０ｃのマイクロパッド１４は、マイクロバンプによって、第１チップ１１ｃのマイクロパッド１３と電気的に接合される。このマイクロパッド１４は、選択トランジスタＱＳの一方のソース／ドレイン領域３８に接続される。このソース／ドレイン領域３８と、他方のソース／ドレイン領域３５ｃとの領域間には、絶縁膜を介して選択トランジスタＱＳのゲート３４ｃが設けられる。このソース／ドレイン領域３５ｃは、読み出し線３６に接続される。

【0054】

なお、第１チップ１１ｃには、ゲート２８ｃ、２９ｃに制御信号を与えるための駆動回路が設けられる。

【0055】

また、第２チップ１２ｃには、読み出し回路３０ｃに制御信号を与える垂直走査回路、リセットノイズを除去するための相関二重サンプリング回路、読み出し回路３０ｃの出力（画像信号）を主走査方向に順次読み出すための水平走査回路、および画像信号を増幅する出力アンプなども形成される。

【0056】

第４実施形態においても、素子構造を、第１チップ１１ｃと第２チップ１２ｃとに分けることにより、第３実施形態と同様の効果を得ることできる。

【0057】

さらに、第４実施形態では、第１チップ１１ａ上に受光素子ＰＤから増幅素子ＱＡまでを近接して配置する。そのため、短い配線距離で信号電荷をソースホロワ出力に変換することが可能になり、ノイズの悪影響を低減することができる。

【0058】

《第５実施形態》
第５実施形態は、第１チップに受光素子と転送トランジスタとリセットトランジスタと増幅素子と選択トランジスタを配置し、第２チップに後段の処理回路などを配置する。なお、画像信号の読み出し手順については、第１実施形態と同様のため、ここでの説明を省略する。

【0059】

図９［Ａ］は、撮像素子１０ｄの構成部品である第１チップ１１ｄの上面図（１画素分）である。図９［Ｂ］は、撮像素子１０ｄの構成部品である第２チップ１２ｄの上面図（１画素分）である。図９［Ｃ］は、撮像素子１０ｄの１画素分の等価回路図である。

【0060】

以下、これらの図を参照して、撮像素子１０ｄの構成を説明する。

【0061】

第１チップ１１ｄの受光画素１ｄには、受光素子ＰＤ、転送トランジスタＱＴ、リセットトランジスタＱＲ、増幅素子ＱＡ、および選択トランジスタＱＳが形成される。この転送トランジスタＱＴのゲート２８ｄは、受光素子ＰＤとフローティングディフュージョンＦＤとの領域間に、絶縁膜を介して設けられる。フローティングディフュージョンＦＤと、基準電圧ＶＤＤが印加されるリセットドレイン３１ｄとの領域間には、絶縁膜を介してリセットトランジスタＱＲのゲート２９ｄが設けられる。なお、フローティングディフュージョンＦＤの電圧は、不図示の配線層を介して、増幅素子ＱＡのゲート３２ｄに供給される。増幅素子ＱＡのソース３３ｄと、選択トランジスタＱＳのソース／ドレイン領域３５ｄとの領域間には、絶縁膜を介して選択トランジスタＱＳのゲート３４ｄが設けられる。このソース／ドレイン領域３５ｄは、読み出し線３６に接続される。この読み出し線３６は、貫通配線２０に接続される。この貫通配線２０は、スルーホールを介して反対面まで貫通する。この反対面の貫通箇所には、マイクロパッド１３が設けられる。

【0062】

一方、第２チップ１２ｄには、貫通配線２０に各対応して、読み出し回路３０ｄが形成される。この読み出し回路３０ｄのマイクロパッド１４は、マイクロバンプによって、第１チップ１１ｄのマイクロパッド１３と電気的に接合される。この読み出し回路３０ｄには、相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ）、カラムアンプ（ＣＡ）、またはカラムＡＤ変換回路などを画素行の単位に備える。さらに、読み出し回路３０ｄには、画像信号の前処理回路などを含めてもよい。

【0063】

第５実施形態では、第２チップ１２ｄ側に、相関二重サンプリング回路や、ＡＤ変換回路などを余裕をもって搭載することが可能になる。さらに、読み出し回路３０ｄを複数設けて画像信号を同時並行に処理させることにより、画像信号の出力を多チャンネル化することが可能になる。その結果、画像信号の読み出し時間および信号処理時間を短縮することが可能になる。

【0064】

《第６実施形態》
第６実施形態は、複数の受光画素を貫通配線に共通接続する実施形態である。

【0065】

図１０［Ａ］は、撮像素子１０ｆの構成部品である第１チップ１１ｆの上面図（４画素分）である。図１０［Ｂ］は、撮像素子１０ｆの構成部品である第２チップ１２ｆの上面図（４画素分）である。図１１は、撮像素子１０ｆの４画素分の等価回路図である。

【0066】

以下、これらの図を参照して、撮像素子１０ｆの構成を説明する。

【0067】

第１チップ１１ｆの受光画素１ｆは、複数画素（ここでは横２画素×縦２画素）ごとに区画が設定される。この区画内には、４つの受光素子ＰＤ１～ＰＤ４が設けられる。これらの受光素子ＰＤ１～ＰＤ４には、転送トランジスタＱＴ１～ＱＴ４がそれぞれ設けられる。転送トランジスタＱＴ１～ＱＴ４のドレインは、共通配線７１を介して貫通配線２０に共通接続される。この貫通配線２０は、スルーホールを介して反対面まで貫通する。この反対面の貫通箇所には、マイクロパッド１３が設けられる。

【0068】

一方、第２チップ１２ｆには、貫通配線２０に各対応して、読み出し回路３０ｆが形成される。この読み出し回路３０ｆのマイクロパッド１４は、マイクロバンプによって、第１チップ１１ｆのマイクロパッド１３と電気的に接合される。この読み出し回路３０ｆは、第２実施形態の読み出し回路３０ａと同様の回路構成を有する。その他、読み出し回路３０ｆには、画素メモリ部や、ＡＤ変換回路などを設けてもよい。

【0069】

このような構成では、転送トランジスタＱＴ１～ＱＴ４を、制御信号φＴｘ１～φＴｘ４を用いて順次に導通させることにより、受光素子ＰＤ１～ＰＤ４の信号電荷を時分割に読み出し回路３０ｆに与えることができる。読み出し回路３０ｆは、これらの信号電荷を時分割に取り込み、画像信号として順次に出力する。

【0070】

第６実施形態では、複数画素の区画ごとに一つの読み出し回路３０ｆを備える。そのため、読み出し回路３０ｆの設置数を、全画素数の数分の１まで減らすことが可能になる。

【0071】

特に、第６実施形態では、横２画素×縦２画素を区画とするため、ベイヤ配列の最小色配列を一つの読み出し回路３０ｆで処理することができる。したがって、読み出し回路３０ｆ内に、近接する信号間の処理回路（色差変換回路、画素数変換回路など）を実装することも可能になる。

【0072】

なお、第６実施形態では、区画のレイアウトを柔軟に設計することができる。例えば、列単位の受光画素１ｆを区画とし、列単位に読み出し回路３０ｆを設けることも可能である。この場合、読み出し回路３０ｆ内にＡＤ変換回路を設けることにより、列単位にＡＤ変換を実施することが可能になる。

【0073】

なお、第６実施形態では、転送トランジスタＱＴの出力を貫通配線２０に共通接続している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第３実施形態～第５実施形態の素子構造において、複数の受光画素を１区画として、貫通配線２０に共通接続してもよい。この場合、区画内の転送トランジスタＱＴを順次に導通させることにより、読み出し回路は、区画内の受光画素の電気信号を時分割に取り込むことが可能になる。

【0074】

《第７実施形態》
第７実施形態は、第１チップと第２チップの層間にインターポーザを設ける実施形態である。

【0075】

図１２は、第７実施形態の素子構造を示す図である。

【0076】

第７実施形態は、撮像素子１０ｈを構成する第１チップ１１ｈと、第２チップ１２ｈとの層間に、貫通配線２０を延長するインターポーザ８１を配置する。このインターポーザ８１の貫通配線８２と、第１チップ１１ｈのマイクロパッド１３とは、マイクロバンプ１５ｘによって電気的に接合される。また、インターポーザ８１の貫通配線８２と、第２チップ１２ｈのマイクロパッド１４は、マイクロバンプ１５ｙによって電気的に接合される。

【0077】

なお、このような構成は、第１実施形態～第６実施形態のいずれの素子構造においても実現可能である。貫通配線２０をインターポーザ８１を用いて延長することが可能である。

【0078】

このように、インターポーザ８１を層間に挿入することにより、第２チップ１２ｈ側で発生する熱を、インターポーザ８１で断熱することが可能になる。また、インターポーザ８１をヒートシンクとして利用することで、第２チップ１２ｈ側で発生する熱を効率的に排熱することが可能になる。そのため、受光素子ＰＤが温度上昇して生じる熱ノイズなどの画質劣化を抑制することができる。

【0079】

また、インターポーザ８１を層間に挿入することにより、撮像素子１０ｈの機械的強度を高めることが可能になる。

【符号の説明】

【0080】

ＰＤ…受光素子，ＱＴ…転送トランジスタ，ＦＤ…フローティングディフュージョン，ＱＲ…リセットトランジスタ，ＱＡ…増幅素子，ＱＳ…選択トランジスタ，１…受光画素，１１…第１チップ，１２…第２チップ，１３…マイクロパッド，１４…マイクロパッド，１５…マイクロバンプ，１６ｘ…受光面，２０…貫通配線，２３…マイクロレンズ，３０…読み出し回路，８１…インターポーザ，８２…貫通配線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】