(57)【特許請求の範囲】
【請求項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個の第一信号読出回路、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個の第二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、
前記第一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Ｃ−ＭＯＳ型の第一半導体素子と、
前記第二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Ｃ−ＭＯＳ型の第二半導体素子と、
第一面及び第二面を有する伝熱部材と、
前記第二面上に設けられた冷却構造とを備え、
各第一信号読出回路及び各第二信号読出回路は、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、
前記第一半導体素子及び前記第二半導体素子と前記伝熱部材の前記第一面とがアンダーフィルを介して互いに接合されており、
前記第一半導体素子は、前記Ｎ個の第一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個の第一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を覆うように前記固体撮像素子に実装され、
前記第二半導体素子は、前記Ｎ個の第二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個の第二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を覆うように前記固体撮像素子に実装されていることを特徴とする、固体撮像装置。
【請求項２】
前記第一半導体素子が、
前記第一信号読出回路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。
【請求項３】
前記相関二重サンプリング回路、前記バッファ、前記アナログ−ディジタル変換回路、及び前記マルチプレクサのうち少なくとも一つが、前記撮像面の法線方向から見て前記固体撮像素子に覆われていることを特徴とする、請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記伝熱部材の前記第一面上に実装パターンが設けられており、
前記第一半導体素子と前記実装パターンとがバンプ電極を介して互いに電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記伝熱部材が絶縁性材料から成ることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記絶縁性材料がセラミックスであることを特徴とする、請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記撮像面が、電子線、Ｘ線、及び紫外線のうち何れかを撮像することを特徴とする、請求項１〜６の何れか一項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記伝熱部材が真空容器の一部を構成しており、
前記固体撮像素子及び前記第一半導体素子が前記真空容器内に配置されており、
前記冷却構造が前記真空容器外に配置されていることを特徴とする、請求項１〜７の何れか一項に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−１３５６５６号公報
【特許文献２】特開２００７−１９６６４号公報
【特許文献３】特開２００３−１５２９５２号公報
【特許文献４】国際公開第２００８／１４２９６８号パンフレット
【特許文献５】特開平６−１９６６８０号公報
【特許文献６】特許第３４４１１０１号公報
【特許文献７】特許第４０９８８５２号公報
【特許文献８】特許第４１７３５７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＣＣＤ型固体撮像装置では、撮像面の面積が大きいこと等により水平方向の画素数（画素列数）が多くなると、水平方向の読み出しの際の転送動作によって大きな発熱が生じる。また、撮像面の水平方向の幅が広くなると、増幅回路から最も遠い画素と増幅回路との距離が長くなり、出力信号に含まれるノイズが増大する原因となる。
【００１１】
また、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。このＴＤＩ動作は、ＣＣＤ型の固体撮像装置を用いることで可能となる動作であって、Ｃ−ＭＯＳ型の固体撮像装置ではこのような動作は不可能である。
【００１２】
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、ＣＣＤ型の固体撮像装置において、水平方向の読み出しの際の転送動作による発熱を効率良く放熱し、且つ出力信号に含まれるノイズを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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個の第一信号読出回路、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個の第二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、第一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Ｃ−ＭＯＳ型の第一半導体素子と、第二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Ｃ−ＭＯＳ型の第二半導体素子と、第一面及び第二面を有する伝熱部材と、第二面上に設けられた冷却構造とを備え、各第一信号読出回路及び各第二信号読出回路は、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、第一半導体素子及び第二半導体素子と伝熱部材の第一面とがアンダーフィルを介して互いに接合されており、第一半導体素子は、Ｎ個の第一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個の第一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、撮像面の一端側を覆うように固体撮像素子に実装され、第二半導体素子は、Ｎ個の第二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個の第二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、撮像面の他端側を覆うように固体撮像素子に実装されていることを特徴とする。
【００１４】
この固体撮像装置では、ＣＣＤ型の固体撮像素子が、列方向（垂直方向）の一端及び他端にそれぞれ配置された２つ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には、シリアル信号出力のためのＣ−ＭＯＳ型の半導体素子が接続されている。このような構成によれば、ＣＣＤ型である固体撮像素子上に水平転送回路を設ける場合と比較して、固体撮像素子における発熱を低減することができる。また、半導体素子では発熱が生じるが、上記構成によれば、半導体素子が伝熱部材を介して冷却構造と熱的に結合されるので、半導体素子における熱を効率よく放熱することができる。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、その電荷を第一信号読出回路および第一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、その電荷を第二信号読出回路および第二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。
【００１５】
また、この固体撮像装置では、Ｎ個の信号読出回路が各列毎に配置されており、これらの信号読出回路から各列毎に電気信号を半導体素子へ出力する。このような構成により、複数列の出力信号を一つの出力ポートからまとめて出力していた従来のＣＣＤと比較して、出力ポート当たりの読み出し列数を格段に低減することができる。したがって、１つの出力ポート当たりの読み出し速度を抑えることができるので、周波数の大きさに依存するノイズを効果的に低減することができる。
【００１６】
以上のように、上記固体撮像装置によれば、水平方向の読み出しの際の転送動作による発熱を効率良く放熱し、且つ出力信号に含まれるノイズを低減することができる。
【００１７】
また、固体撮像装置は、第一半導体素子が、第一信号読出回路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。
【００１８】
また、固体撮像装置は、相関二重サンプリング回路、バッファ、アナログ−ディジタル変換回路、及びマルチプレクサのうち少なくとも一つが、撮像面の法線方向から見て固体撮像素子に覆われていることを特徴としてもよい。これにより、固体撮像素子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、相関二重サンプリング回路、バッファ、アナログ−ディジタル変換回路、及びマルチプレクサのうち少なくとも一つを好適に保護することができる。
【００１９】
また、固体撮像装置は、固体撮像素子の第一信号読出回路と第一半導体素子とがバンプ電極を介して互いに電気的に接続されていることを特徴としてもよい。このような構成によれば、例えば第一信号読出回路と第一半導体素子とがワイヤを介して接続される場合等と比較して、固体撮像素子において生じた熱を半導体素子及び伝熱部材を介して効率よく冷却構造へ逃がすことができる。
【００２０】
また、固体撮像装置は、伝熱部材の第一面上に実装パターンが設けられており、第一半導体素子と実装パターンとがバンプ電極を介して互いに電気的に接続されていることを特徴としてもよい。このような構成によれば、例えば第一半導体素子と実装パターンとがワイヤを介して接続される場合等と比較して、第一半導体素子において生じた熱を伝熱部材を介して効率よく冷却構造へ逃がすことができる。
【００２１】
また、固体撮像装置は、伝熱部材が絶縁性材料から成ることを特徴としてもよい。この場合、絶縁性材料はセラミックスであることが好ましい。
【００２２】
（削除）
【００２３】
（削除）
【００２４】
また、固体撮像装置は、撮像面が、電子線、Ｘ線、及び紫外線のうち何れかを撮像することを特徴としてもよい。
【００２５】
また、固体撮像装置は、伝熱部材が真空容器の一部を構成しており、固体撮像素子及び第一半導体素子が真空容器内に配置されており、冷却構造が真空容器外に配置されていることを特徴としてもよい。このような構成によれば、電子線やＸ線といった真空容器内で発生される検出対象を、その真空容器内において効率良く撮像することができる。また、通常、真空中では固体撮像装置において発生する熱が逃げにくいが、この構成によれば、固体撮像素子や半導体素子において生じた熱を、真空容器の一部を構成する伝熱部材を介して冷却構造へ効率的に伝え、放熱することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明による固体撮像装置によれば、ＣＣＤ型の固体撮像装置において、水平方向の読み出しの際の転送動作による発熱を効率良く放熱し、且つ出力信号に含まれるノイズを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す側断面図である。
【図２】（ａ）固体撮像素子及び二つの半導体素子の構成を示す平面図である。（ｂ）図２（ａ）の部分拡大図である。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】第一半導体素子の構成を示す底面図である。
【図７】第二半導体素子の構成を示す底面図である。
【図８】一変形例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。
【図９】別の変形例に係る固体撮像装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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。
【００２９】
図１は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置２Ａの構成を示す側断面図である。図１に示されるように、固体撮像装置２Ａは、固体撮像素子１０と、二つの半導体素子５０及び６０と、伝熱部材８０と、冷却ブロック８４と、回路基板１１０とを備えている。
【００３０】
図２（ａ）は、固体撮像素子１０及び二つの半導体素子５０及び６０の構成を示す平面図である。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）の部分拡大図である。なお、図１は、図２に示された固体撮像装置２ＡのＩ−Ｉ線に沿った断面を示している。
【００３１】
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、図１に示されるように、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、第一信号読出回路及び第二信号読出回路とを主面１０ａに有する。撮像面１２は、図２（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）Ｅ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Ｅ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Ｅ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。
【００３２】
図２に示されるように、本実施形態の固体撮像装置２Ａ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、転送制御部（後述）で発生した転送信号を受けて、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（後述する第一動作モード及び第二動作モード）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。
【００３３】
固体撮像装置２Ａ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。
【００３４】
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（第一動作モード）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（第二動作モード）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（第一信号読出回路）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（第二信号読出回路）とを有する。第一動作モードでは、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一信号読出回路から出力され、第二動作モードでは、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二信号読出回路から出力される。
【００３５】
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一動作モードで、矢印Ａ２の方向に被写体が移動する場合には第二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）Ｅ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。
【００３６】
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Ｅ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Ｅ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Ｅ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。
【００３７】
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一半導体素子である。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、上述した第一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２Ａの外部へ順次出力する。
【００３８】
半導体素子６０は、本実施形態における第二半導体素子である。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、上述した第二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２Ａの外部へ順次出力する。
【００３９】
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。
【００４０】
図１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７３が設けられており、これらのアンダーフィル７３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。
【００４１】
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、第一動作モードにおける電荷転送方向を示している。
【００４２】
また、前述したように、撮像面１２の一端１２ａには、Ｎ個の第一信号読出回路２０が各列毎に配置されている。これらの第一信号読出回路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。第一動作モードの際に、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。
【００４３】
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。
【００４４】
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、第二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個の第二信号読出回路３０が配置されている。第二信号読出回路３０の回路構成は、以下に述べるように、前述した第一信号読出回路２０の構成と同様である。
【００４５】
Ｎ個の第二信号読出回路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。第二動作モードの際に、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。
【００４６】
また、第二信号読出回路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。
【００４７】
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一信号読出回路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２Ａ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。
【００４８】
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個の第一信号読出回路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２Ａ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。
【００４９】
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二信号読出回路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２Ａ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。
【００５０】
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個の第二信号読出回路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２Ａの外部へ順次出力する。
【００５１】
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Ｅ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。
【００５２】
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Ｅから好適に保護することができる。
【００５３】
再び図１を参照する。前述したように、固体撮像装置２Ａは、伝熱部材８０と、冷却ブロック８４と、回路基板１１０とを備えている。
【００５４】
伝熱部材８０は、固体撮像素子１０及び半導体素子５０，６０において発生した熱を放散するための部材であって、例えばセラミックスといった絶縁性材料から成る。伝熱部材８０は、板状部８１と、該板状部８１の周囲に設けられた側壁部８２とを有する。板状部８１は、主面８１ａ（第一面）及び裏面８１ｂ（第二面）を有する板状を呈しており、主面８１ａ上には、固体撮像素子１０及び半導体素子５０，６０が載置される。本実施形態では、半導体素子５０，６０はアンダーフィル７４を介して主面８１ａに接合されている。また、伝熱部材８０の側壁部８２には配線パターン（不図示）が形成されており、半導体素子５０，６０は、ボンディングワイヤ５８，６８を介してこの配線パターンに電気的に接続されている。なお、この配線パターンは、伝熱部材８０の側壁部８２の外周部分に設けられたピン５７，６７を介して回路基板１１０と接続される。
【００５５】
冷却ブロック８４は、本実施形態における冷却構造であり、固体撮像素子１０及び半導体素子５０，６０において発生した熱を放散するための部材である。冷却ブロック８４は、板状部８１の裏面８１ｂ上に設けられ、板状部８１と熱的に結合（好適には接合）されている。冷却ブロック８４は、熱伝導性の良い金属等の材料から成ることが好ましく、また、例えば複数のフィンが形成されたヒートシンクによって好適に実現される。
【００５６】
以上に説明した本実施形態による固体撮像装置２Ａによって得られる効果について説明する。この固体撮像装置２Ａでは、ＣＣＤ型の固体撮像素子１０が、列方向（垂直方向）の一端に配置された信号読出回路２０を有しており、更に、この信号読出回路２０には、シリアル信号出力のためのＣ−ＭＯＳ型の半導体素子５０が接続されている。このような構成によれば、ＣＣＤ型である固体撮像素子１０上に水平転送回路を設ける場合と比較して、固体撮像素子１０における発熱を低減することができる。また、半導体素子５０では発熱が生じるが、上記構成によれば、半導体素子５０が伝熱部材８０を介して冷却ブロック８４と熱的に結合されるので、半導体素子５０における熱を効率よく放熱することができる。
【００５７】
また、この固体撮像装置２Ａでは、Ｎ個の信号読出回路２０が各列毎に配置されており、これらの信号読出回路２０から各列毎に電気信号を半導体素子５０へ出力する。このような構成により、複数列の出力信号を一つの出力ポートからまとめて出力していた従来のＣＣＤと比較して、出力ポートあたりの読み出し列数を格段に低減することができる。したがって、１つの出力ポート当たりの読み出し速度を抑えることができるので、周波数の大きさに依存するノイズを効果的に低減することができる。
【００５８】
これらのように、本実施形態に係る固体撮像装置２Ａによれば、水平方向の読み出しの際の転送動作による発熱を効率良く放熱し、且つ出力信号に含まれるノイズを低減することができる。
【００５９】
また、本実施形態のように、固体撮像素子１０は、撮像面１２に対して列方向の一端側に配置される信号読出回路２０に加えて、他端側に配置される信号読出回路３０を更に有することが好ましい。そして、この信号読出回路３０には、半導体素子５０とは別の半導体素子６０が接続されることが好ましい。このような構成によれば、撮像面１２の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、その電荷を信号読出回路２０および半導体素子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、その電荷を信号読出回路３０および半導体素子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、本実施形態の上記固体撮像装置２Ａ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２Ａ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。
【００６０】
そして、半導体素子５０と同様に、半導体素子６０と伝熱部材８０の主面８１ａとが互いに接合されているとよい。これにより、半導体素子６０が伝熱部材８０を介して冷却ブロック８４と熱的に結合されるので、半導体素子６０における熱を効率よく放熱することができる。
【００６１】
また、本実施形態のように、固体撮像素子１０の信号読出回路２０，３０と半導体素子５０，６０とは、バンプ電極５９，６９を介して互いに電気的に接続されていることが好ましい。このような構成によれば、例えば信号読出回路２０，３０と半導体素子５０，６０とがワイヤを介して接続される場合等と比較して、固体撮像素子１０において生じた熱を半導体素子５０，６０及び伝熱部材８０を介して効率よく冷却ブロック８４へ逃がすことができる。
【００６２】
図８は、本実施形態の一変形例に係る固体撮像装置２Ｂの構成を示す断面図である。この変形例に示される固体撮像装置２Ｂと上述した固体撮像装置２Ａとの相違点は、半導体素子５０，６０と伝熱部材８０上の配線パターンとの接続方式である。本変形例では、伝熱部材８０の主面８１ａ上に配線パターン（不図示）が設けられており、この配線パターンと半導体素子５０，６０とが、バンプ電極５６，６６を介して互いに電気的に接続されている。このような構成によれば、図１のように半導体素子５０，６０と実装パターンとがワイヤを介して接続される場合等と比較して、半導体素子５０，６０において生じた熱を伝熱部材８０を介して効率よく冷却ブロック８４へ逃がすことができる。
【００６３】
図９は、本実施形態の別の変形例に係る固体撮像装置２Ｃの構成を示す断面図である。この変形例に示される固体撮像装置２Ｃは、上述した固体撮像装置２Ａの構成に加えて、真空容器９０を更に備えている。なお、図９には、真空容器９０の一部（フランジ部分）が示されている。そして、伝熱部材８０は、このフランジ部分に固定されることにより、真空容器９０の一部を構成している。
【００６４】
具体的には、真空容器９０の一部に開口９０ａが形成されており、伝熱部材８０は、この開口９０ａを覆うように配置されている。そして、開口９０ａの周縁部と、伝熱部材８０の側壁部８２の頂面とが互いに対向しており、それらの隙間はＯリング８６によって真空封止されている。伝熱部材８０の主面８１ａは真空容器９０の内側に向けられており、固体撮像素子１０及び半導体素子５０，６０は、真空容器９０内に配置される。これに対し、伝熱部材８０の裏面８１ｂは真空容器９０の外側に向けられるので、冷却ブロック８４は、真空容器９０の外に配置される。
【００６５】
また、真空容器９０には、押さえ部材９２が取り付けられている。押さえ部材９２は、固体撮像装置２Ｃを真空容器９０に押し付けるためのものであり、固体撮像装置２Ｃの周囲を囲んでいる。そして、押さえ部材９２の一端に形成された環状の底板部分９２ａが、固体撮像装置２Ｃの伝熱部材８０の裏面８１ｂと接しており、押さえ部材９２の他端は、ボルト９４によって真空容器９０に固定されている。このような構成によって、固体撮像装置２Ｃには、真空容器９０に近づく方向の押圧力が付与される。
【００６６】
本変形例の構成によれば、電子線やＸ線といった真空容器９０内で発生される検出対象Ｅを、その真空容器９０内において効率良く撮像することができる。また、通常、真空中では固体撮像装置において発生する熱が逃げにくいが、本変形例の構成によれば、固体撮像素子１０や半導体素子５０，６０において生じた熱を、真空容器９０の一部を構成する伝熱部材８０を介して冷却ブロック８４へ効率的に伝え、放熱することができる。
【００６７】
本発明による固体撮像装置は、上述した実施形態及び変形例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、列方向における撮像面の一端側に第一信号読出回路および第一半導体素子が設けられ、他端側に第二信号読出回路および第二半導体素子が設けられる例を示したが、本発明による固体撮像装置は、撮像面の一端側にのみ信号読出回路および半導体素子が設けられる構成を備えてもよい。このような場合であっても、水平方向の読み出しの際の転送動作による発熱を効率良く放熱し、且つ出力信号に含まれるノイズを低減するという本発明の効果を好適に奏することができる。
【符号の説明】
【００６８】
２Ａ〜２Ｃ…固体撮像装置、１０…固体撮像素子、１２…撮像面、１３…画素、２０…第一信号読出回路、２１，２５…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…第二信号読出回路、３１，３５…トランジスタ、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…第一半導体素子、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、５６，６６…バンプ電極、５７，６７…ピン、５８，６８…ボンディングワイヤ、５９，６９…バンプ電極、６０…第二半導体素子、７１，７２…ドライブパッド用変換基板、７３，７４…アンダーフィル、８０…伝熱部材、８１…板状部、８２…側壁部、８４…冷却ブロック、８６…Ｏリング、９０…真空容器、９２…押さえ部材、１１０…回路基板、Ｅ…検出対象。
【図１】
0005917883.tif 000002
【図２】
0005917883.tif 000003
【図３】
0005917883.tif 000004
【図４】
0005917883.tif 000005
【図５】
0005917883.tif 000006
【図６】
0005917883.tif 000007
【図７】
0005917883.tif 000008
【図８】
0005917883.tif 000009
【図９】
0005917883.tif 000010