JP4979893B2 - Physical quantity distribution detection device, physical information acquisition method, and physical information acquisition device - Google Patents

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Description

本発明は、物理量分布検知装置並びに物理情報取得方法および物理情報取得装置に関する。より詳細には、たとえば光や放射線などの外部から入力される電磁波に対して感応性をする複数の単位構成要素が配列されてなり、単位構成要素によって電気信号に変換された物理量分布を電気信号として読出可能な、たとえば固体撮像装置などの、物理量分布検知の装置(物理量分布検知装置)を用いる場合に好適な、所定目的用の情報を取得する技術に関する。特に画素間やライン間での蓄積期間差が少ない露光制御(広義の電子シャッタ)機能に関する。   The present invention relates to a physical quantity distribution detection device, a physical information acquisition method, and a physical information acquisition device. More specifically, for example, a plurality of unit components that are sensitive to electromagnetic waves input from the outside such as light and radiation are arranged, and the physical quantity distribution converted into an electric signal by the unit components is converted into an electric signal. For example, the present invention relates to a technique for acquiring information for a predetermined purpose, which is suitable when using a physical quantity distribution detection device (physical quantity distribution detection device) such as a solid-state imaging device. In particular, the present invention relates to an exposure control (electronic shutter in a broad sense) function with a small accumulation period difference between pixels or lines.

たとえば光や放射線などの外部から入力される電磁波あるいは圧力(接触など)などの物理量変化に対して感応性をする単位構成要素(たとえば画素)をライン状もしくはマトリクス状に複数個配列してなる物理量分布検知半導体装置が様々な分野で使われている。   For example, physical quantities formed by arranging multiple unit components (for example, pixels) that are sensitive to changes in physical quantities, such as electromagnetic waves input from outside such as light and radiation, or pressure (contact etc.) Distribution detection semiconductor devices are used in various fields.

一例として映像機器の分野では、物理量の一例である光(電磁波の一例)の変化を検知するCCD(Charge Coupled Device )型あるいはMOS(Metal Oxide Semiconductor ;金属酸化膜半導体)やCMOS(Complementary Metal-oxide Semiconductor; 相補金属酸化膜半導体)型の撮像素子(撮像デバイス)を用いた固体撮像装置が使われている。   For example, in the field of video equipment, a CCD (Charge Coupled Device) type, a MOS (Metal Oxide Semiconductor) or CMOS (Complementary Metal-oxide) that detects a change in light (an example of an electromagnetic wave) which is an example of a physical quantity. A solid-state imaging device using a semiconductor (complementary metal oxide semiconductor) type imaging device (imaging device) is used.

また、コンピュータ機器の分野では、指紋に関する情報を圧力に基づく電気的特性の変化や光学的特性の変化に基づき指紋の像を検知する指紋認証装置などが使われている。これらは、単位構成要素(固体撮像装置にあっては画素)によって電気信号に変換された物理量分布を電気信号として読み出す。   In the field of computer equipment, fingerprint authentication devices that detect fingerprint images based on changes in electrical characteristics based on pressure and changes in optical characteristics are used. These read out, as an electrical signal, a physical quantity distribution converted into an electrical signal by a unit component (a pixel in a solid-state imaging device).

また、固体撮像装置の中には、電荷生成部で生成された信号電荷に応じた画素信号を生成する画素信号生成部に増幅用の駆動トランジスタを有する増幅型固体撮像素子(APS;Active Pixel Sensor /ゲインセル、画素内アンプともいわれる)構成の画素を備えた増幅型固体撮像装置がある。たとえば、CMOS型固体撮像装置の多くはそのような構成をなしている(たとえば非特許文献1を参照)。   Further, in some solid-state imaging devices, an amplifying solid-state imaging device (APS; Active Pixel Sensor) that has a driving transistor for amplification in a pixel signal generation unit that generates a pixel signal corresponding to the signal charge generated in the charge generation unit. There is an amplification type solid-state imaging device including a pixel having a configuration (also called a gain cell or an in-pixel amplifier). For example, many CMOS solid-state imaging devices have such a configuration (see, for example, Non-Patent Document 1).

米本和也著、“CCD/CMOSイメージセンサの基礎と応用”、CQ出版社、2003年8月10日、初版:第6章および第7章Kazuya Yonemoto, “Basics and Applications of CCD / CMOS Image Sensors”, CQ Publisher, August 10, 2003, First Edition: Chapters 6 and 7

このような増幅型固体撮像装置において画素信号を外部に読み出すには、複数の単位画素が配列されている画素部に対してアドレス制御をし、個々の単位画素からの信号を決められたアドレスの順または任意に選択して読み出すようにしている。つまり、増幅型固体撮像装置は、アドレス制御型の固体撮像装置の一例である。   In such an amplification type solid-state imaging device, in order to read out a pixel signal to the outside, address control is performed on a pixel unit in which a plurality of unit pixels are arranged, and signals from individual unit pixels are assigned to a predetermined address. The data is read out in order or arbitrarily. That is, the amplification type solid-state imaging device is an example of an address control type solid-state imaging device.

アドレス型固体撮像装置は、たとえば画素を選択するスイッチング素子や、信号電荷を読み出すスイッチング素子にMOSトランジスタが用いられている。また、水平走査回路や垂直走査回路にMOSトランジスタが用いられ、スイッチング素子と画素部とを一連の構成で製造を行なうことができる利点を有している。   In the address-type solid-state imaging device, for example, a MOS transistor is used as a switching element for selecting a pixel or a switching element for reading a signal charge. Further, MOS transistors are used in the horizontal scanning circuit and the vertical scanning circuit, and there is an advantage that the switching element and the pixel portion can be manufactured with a series of configurations.

そして、たとえばMOS型固体撮像装置では、各単位画素がMOSトランジスタを有して構成され、光電変換により画素に蓄積された信号電荷を画素信号生成部に読み出して、信号電荷を電流信号や電圧信号に変換して出力する構成となっている。   For example, in a MOS type solid-state imaging device, each unit pixel has a MOS transistor, and the signal charge accumulated in the pixel by photoelectric conversion is read to the pixel signal generation unit, and the signal charge is read as a current signal or voltage signal. It is the structure which converts to and outputs.

たとえば、単位画素がマトリクス状に配されたX−Yアドレス型固体撮像素子の一種である増幅型固体撮像素子は、画素そのものに増幅機能を持たせるために、MOS構造などの能動素子(MOSトランジスタ)を用いて画素を構成している。すなわち、光電変換素子であるフォトダイオードに蓄積された信号電荷(光電子やホール)を画素信号生成部の前記能動素子で増幅し、画像情報として読み出す。   For example, an amplification type solid-state imaging device which is a kind of XY address type solid-state imaging device in which unit pixels are arranged in a matrix form an active element (MOS transistor) such as a MOS structure in order to give the pixel itself an amplification function. ) To form a pixel. That is, signal charges (photoelectrons and holes) accumulated in a photodiode which is a photoelectric conversion element are amplified by the active element of the pixel signal generation unit and read out as image information.

これにより、画素信号生成部からは、光電変換によって単位画素に蓄積される電荷量に対してほぼ線形な出力信号が得られ、単位画素に蓄積できる電荷量によって撮像素子のダイナミックレンジが決定され、この撮像素子のダイナミックレンジは、画素の飽和信号量とノイズレベルで決まる。   As a result, an output signal substantially linear with respect to the amount of charge accumulated in the unit pixel by photoelectric conversion is obtained from the pixel signal generation unit, and the dynamic range of the image sensor is determined by the amount of charge that can be accumulated in the unit pixel. The dynamic range of the image sensor is determined by the saturation signal amount and noise level of the pixel.

ところで、この種のX−Yアドレス型固体撮像素子では、たとえば、画素トランジスタが2次元行列状に多数配列されて画素部が構成され、画素ごとあるいはライン(行)ごとに入射光に対応する信号電荷の蓄積が開始され、その蓄積された信号電荷に基づく電流または電圧の信号をアドレス指定によって各画素から順に撮像部から読み出す電子的な露光時間の制御を行なっている。これを広義の電子シャッタ機能という。ここで、MOS(CMOSを含む)型においては、アドレス制御の一例として、1行分を同時にアクセスして行単位で画素信号を画素部から読み出す方式(以下行単位読出方式あるいはカラム読出方式ともいう)が多く用いられている。   By the way, in this type of XY address type solid-state imaging device, for example, a pixel unit is configured by arranging a large number of pixel transistors in a two-dimensional matrix, and a signal corresponding to incident light for each pixel or line (row). Accumulation of electric charge is started, and an electronic exposure time is controlled by reading out a current or voltage signal based on the accumulated signal charge from the imaging unit in order from each pixel by addressing. This is called an electronic shutter function in a broad sense. Here, in the MOS (including CMOS) type, as an example of address control, a method of simultaneously accessing one row and reading a pixel signal from a pixel unit in a row unit (hereinafter also referred to as a row unit readout method or a column readout method). ) Is often used.

なお、X−Yアドレス型の撮像装置においても、露光時間を通常の露光時間とは異なる時間に電子的に設定する狭義の電子シャッタ機能の実現のために、たとえば信号電荷の読み出しが行なわれない水平ブランキング期間に、1行分の画素から不要な信号電荷を信号線にリセット(排出)するものもある。   Even in an XY address type imaging apparatus, for example, signal charges are not read out in order to realize a narrowly-defined electronic shutter function that electronically sets the exposure time to a time different from the normal exposure time. In some cases, unnecessary signal charges are reset (discharged) from the pixels for one row to the signal lines in the horizontal blanking period.

ここで、X−Yアドレス型の撮像装置においては、電子シャッタのシャッタ速度に対応する露光時間すなわち画素の蓄積時間に相当する時間は、信号電荷の排出時点から信号電荷の読み出し時点までで決まり、画素信号は各面素の露出時間(蓄積フレーム時間)ごとに読み出されるので、蓄積順次読出方式になる。このため、面内に配置された画素の露出に時間差が発生する。このような読出形式の場合、被写体に動きがあると、画素ごとの光を捉える時間にずれが生じ、1画面内で“動き歪み”が生じる。この点は、電荷結合型の撮像素子では、信号を保持し転送遅延して読み出すので、全画素の露出を同時化できる蓄積同時化読出方式となり、1画面内では“動き歪み”が発生しないのと大きく異なる。   Here, in the XY address type imaging apparatus, the exposure time corresponding to the shutter speed of the electronic shutter, that is, the time corresponding to the pixel accumulation time is determined from the discharge time of the signal charge to the read time of the signal charge, Since the pixel signal is read for each exposure time (accumulation frame time) of each surface element, an accumulation sequential readout method is adopted. For this reason, a time difference occurs in the exposure of the pixels arranged in the plane. In the case of such a reading format, if the subject moves, the time for capturing light for each pixel is shifted, and “motion distortion” occurs in one screen. This is because a charge-coupled image sensor holds signals and reads them with delayed transfer, so that it becomes a storage-synchronized readout method that can synchronize the exposure of all pixels, and no “motion distortion” occurs in one screen. And very different.

たとえば、行単位読出方式のものでは、水平走査線ごとに走査する時間だけ蓄積期間がずれるため、水平方向の右と左で蓄積時間が行(水平走査線)によって異なってしまうという問題がある。これにより、動きの早い被写体が歪んで撮像される時間シェーディング歪みの問題が生じる。   For example, in the row-by-row readout method, the accumulation period is shifted by the scanning time for each horizontal scanning line, so that there is a problem in that the accumulation time differs depending on the row (horizontal scanning line) on the right and left in the horizontal direction. This causes a problem of temporal shading distortion in which a fast moving subject is distorted and imaged.

<従来の露光時間制御機能について>
図11〜図13は、X−Yアドレス型の撮像装置における従来の露光制御(電子シャッタ)機能を説明する図である。図11に示すように、垂直走査部414の垂直アドレス設定部414xは、通常の読出対象の行アドレスφTGを指定する機能の他に、シャッタ対象の単位画素403(シャッタ画素)の行アドレスすなわちシャッタ画素位置を指定するアドレス情報(具体的には駆動パルスとしての転送ゲートパルスTGs)を生成する機能も持っている。
<Conventional exposure time control function>
FIGS. 11 to 13 are diagrams for explaining a conventional exposure control (electronic shutter) function in an XY address type imaging apparatus. As shown in FIG. 11, the vertical address setting unit 414x of the vertical scanning unit 414 has a function of designating a normal readout target row address φTG, in addition to a row address of a shutter target unit pixel 403 (shutter pixel), that is, a shutter. It also has a function of generating address information (specifically, transfer gate pulses TGs as drive pulses) that specify pixel positions.

垂直アドレス設定部414xのシャッタタイミング制御機能要素からはシャッタ対象の行アドレスを指定する駆動パルスφTGsが同一行の全単位画素403に供給されるような配線構成を採用する。これにより、駆動パルスφTGsで指定された行の単位画素403がシャッタ画素として指定される。   From the shutter timing control functional element of the vertical address setting unit 414x, a wiring configuration is adopted in which the drive pulse φTGs for designating the row address to be shuttered is supplied to all the unit pixels 403 in the same row. Thereby, the unit pixel 403 in the row designated by the drive pulse φTGs is designated as the shutter pixel.

固体撮像素子としてCMOS撮像素子12を用いた場合、一般的には、その基本的な動作方式から、信号を出力した画素はその時点から再び光電変換して得た信号電荷の蓄積を開始する。このため、撮像面の走査タイミングにしたがって蓄積の期間がずれ、つまり走査線ごとに走査する時間だけ蓄積期間がずれ、いわゆるライン露光(Line Exposure)となる。CCD(電荷結合)型とは異なり、同じ期間中に光電変換素子に入射した光を信号電荷として蓄積し、全画素から同時に垂直CCDに読み出すことで蓄積の同時性を満たすグローバル露光(Global Exposure)とはなっていない。   When the CMOS image sensor 12 is used as a solid-state image sensor, generally, from the basic operation method, a pixel that outputs a signal starts accumulation of signal charges obtained by photoelectric conversion again from that point. For this reason, the accumulation period is shifted in accordance with the scanning timing of the imaging surface, that is, the accumulation period is shifted by the scanning time for each scanning line, which is so-called line exposure. Unlike CCD (Charge Coupled) type, global exposure that accumulates the light incident on the photoelectric conversion element during the same period as signal charge and reads it from all pixels to the vertical CCD at the same time to satisfy the simultaneous accumulation (Global Exposure) It is not.

ここで、たとえば、図11に示すように、撮像領域において、読出行nとシャッタ行nsとをΔs行だけ離す場合を考える。電子シャッタの指示を受けた行nsの対象列の画素がリセットされてから再び信号電荷の蓄積を開始するので、たとえば撮像面の走査方向が上から下になっている場合、行nと行n+Δsの時間差はフレームレートと走査線数との間で所定の関係を持ち、読出行nとシャッタ行nsの間隔を調整することで、CMOS撮像素子から読み出される信号の蓄積時間を、ライン周期(1水平走査期間)を調整単位として変えることができる。   Here, for example, as shown in FIG. 11, a case is considered in which the readout row n and the shutter row ns are separated by Δs rows in the imaging region. Since the accumulation of signal charges starts again after the pixel in the target column of row ns that has received the instruction of the electronic shutter is reset, for example, when the scanning direction of the imaging surface is from top to bottom, row n and row n + Δs The time difference has a predetermined relationship between the frame rate and the number of scanning lines, and by adjusting the interval between the readout row n and the shutter row ns, the accumulation time of the signal read from the CMOS image sensor is set to the line period (1 The horizontal scanning period) can be changed as an adjustment unit.

ここで、従来のCMOSセンサでは、1画面の撮像時には、読出行nやシャッタ行nsを1つとすることで、電子シャッタ制御を行単位で行なうようにする。垂直アドレス設定部414xで設定されたある時点の読出行nに対して、垂直アドレス設定部414xのシャッタタイミング制御機能要素にて、全列(H1,H2,…,Hh)の画素に関して、読出行nを除く何れかの行位置、すなわちΔs行だけ離れた位置(時点)においてシャッタ行nsを設定して画素をリセットする。このリセット動作は、シャッタタイミング以前に光電変換素子に蓄積された電荷を掃き捨てることで実現でき、CMOS撮像素子の場合、たとえば転送ゲートをオンさせることで実現できる。   Here, in the conventional CMOS sensor, at the time of imaging one screen, the electronic shutter control is performed in units of rows by setting one readout row n and one shutter row ns. With respect to the readout row n at a certain point set by the vertical address setting unit 414x, the readout row for the pixels in all columns (H1, H2,..., Hh) by the shutter timing control functional element of the vertical address setting unit 414x. The pixel is reset by setting the shutter row ns at any row position except n, that is, at a position (time point) separated by Δs rows. This reset operation can be realized by sweeping away the charge accumulated in the photoelectric conversion element before the shutter timing. In the case of a CMOS image sensor, for example, it can be realized by turning on the transfer gate.

シャッタ行nsの画素が垂直アドレス設定部414xによって次に読出行nに設定されるまでの時間が蓄積時間となる、すなわち読出行nとシャッタ行nsとの時間間隔が蓄積時間となる。こうすることで、結果的には、行単位で蓄積時間を制御できる。通常の露光時間設定に際しては、シャッタ行nsに対するアクセスを行なわず、フレームレート分の時間だけ電荷の蓄積が行なわれる。   The time until the pixels in the shutter row ns are set to the next readout row n by the vertical address setting unit 414x is the accumulation time, that is, the time interval between the readout row n and the shutter row ns is the accumulation time. As a result, the accumulation time can be controlled in units of rows. When setting the normal exposure time, the shutter row ns is not accessed, and charges are accumulated for the time corresponding to the frame rate.

このように、CMOS撮像素子が持つライン露光の特質を利用して、電子シャッタ用の駆動パルスφTGsを行単位で、その行の各単位画素403に供給することで、読出行nとシャッタ行n+Δsの時間差を、行単位で各単位画素403に設定することができ、簡単に、行ごとに蓄積時間を制御できる。   In this way, by utilizing the characteristic of line exposure of the CMOS image sensor, the driving pulse φTGs for electronic shutter is supplied to each unit pixel 403 in the row in units of rows, thereby reading row n and shutter row n + Δs. Can be set in each unit pixel 403 in units of rows, and the accumulation time can be easily controlled for each row.

ただし、前述のように、X−Yアドレス型の撮像装置では各面素の蓄積フレーム時間ごとに読み出される蓄積順次読出方式となり、ここでは行単位で駆動パルスφTGsを供給するので、蓄積同時化読出方式すなわちグローバル露光となるCCD型とは大きく異なり(図12(D)参照)、ライン露光(ローリングシャッタ(Rolling Shutter)もしくはフォーカルプレーン蓄積とも称する)となってしまう(図12(A)の下段参照)。   However, as described above, the XY address type image pickup apparatus employs an accumulation sequential readout method in which each surface element is read out every accumulation frame time. In this case, the drive pulse φTGs is supplied in units of rows, so the accumulation simultaneous readout is performed. This method is greatly different from the CCD type, which is a global exposure (see FIG. 12D), and becomes line exposure (also referred to as rolling shutter or focal plane accumulation) (see the lower part of FIG. 12A). ).

シャッタ速度が遅くて画素の蓄積時間が充分長く設定されている際には蓄積期間のずれは無視できるが、シャッタ速度が水平走査期間とさして変わらないほど速く設定されると、物体の水平方向の動きとスキャン時点(蓄積期間)の差(図12(B)参照)に起因して、図12(C)に示すように、蓄積期間の差がライン方向(行方向;水平走査方向)の時間シェーディング歪み(フォーカルプーン現象ともいう)となって、画像に動き歪みとして現れ問題となってくる。   When the shutter speed is slow and the pixel accumulation time is set sufficiently long, the shift in the accumulation period can be ignored, but if the shutter speed is set so fast that it does not differ from the horizontal scanning period, the horizontal direction of the object Due to the difference between the movement and the scanning time point (accumulation period) (see FIG. 12B), as shown in FIG. 12C, the difference in the accumulation period is the time in the line direction (row direction; horizontal scanning direction). Shading distortion (also referred to as focal poon phenomenon) appears as a motion distortion in the image and becomes a problem.

この問題を解決するには、メカニカルシャッタを併用するか、あるいは電子シャッタ動作を行なったときの各画素の露光蓄積期間が一定となるようにする(同時刻露光する)グローバルシャッタという機能を実現する構成が提案されている。たとえば、画素ごとに、電荷生成部と画素信号生成部との間に電荷蓄積部を設け、全画素を同時に露光した後、電荷生成部にて生成された信号電荷を同時に電荷蓄積部に転送させる構造のものが提案されている(たとえば特許文献1参照)。   In order to solve this problem, a function called a global shutter is realized in which a mechanical shutter is used in combination or the exposure accumulation period of each pixel is constant (exposure at the same time) when an electronic shutter operation is performed. A configuration is proposed. For example, for each pixel, a charge storage unit is provided between the charge generation unit and the pixel signal generation unit, and after exposing all pixels simultaneously, the signal charge generated by the charge generation unit is transferred to the charge storage unit at the same time. A structure has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

米国特許第5,986,297号号公報US Pat. No. 5,986,297

この特許文献1に記載のグローバルシャッタ機能の仕組みでは、電荷生成部の光電変換素子に光が入射することで発生した信号電荷を全画素同時に一旦電荷蓄積部に転送して蓄積させておき、所定の読出タイミングで順次画素信号に変換するようにしている。また、この方式では、転送後に光電変換素子に光が入射することで、電荷生成部に蓄積される電荷を、次の露光蓄積に先立って排出させる。   In the mechanism of the global shutter function described in Patent Document 1, signal charges generated by the incidence of light on the photoelectric conversion elements of the charge generation unit are transferred to and accumulated in the charge storage unit at the same time for all pixels. The pixel signals are sequentially converted at the read timing. In this method, light is incident on the photoelectric conversion element after the transfer, so that the charge accumulated in the charge generation unit is discharged prior to the next exposure accumulation.

これにより、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷量に応じた画素信号が得られ、露光後の電荷蓄積部への転送タイミングを調整することで、露光蓄積期間の差を生じることのない露光時間制御機能を実現することができる。   As a result, a pixel signal corresponding to the amount of signal charge accumulated in the charge accumulation unit can be obtained, and the exposure time without causing a difference in exposure accumulation period by adjusting the transfer timing to the charge accumulation unit after exposure. A control function can be realized.

しかしながら、特許文献1に記載の仕組みでは、蓄積期間の差を生じることのない露光時間制御機能であるグローバルシャッタ機能を実現するために、電荷生成部の光電変換素子に光が入射することで発生した信号電荷を全画素同時に一旦グローバルシャッタ用の電荷蓄積部に転送する必要がある。   However, in the mechanism described in Patent Document 1, in order to realize a global shutter function that is an exposure time control function that does not cause a difference in accumulation period, the light is incident on the photoelectric conversion element of the charge generation unit. It is necessary to once transfer the signal charges to all the pixels simultaneously to the global shutter charge storage unit.

このため、図13に示すように、単位画素403ごとに、電荷生成部432の読出選択用トランジスタ434と画素信号生成部432との間に電荷蓄積部(図ではフローティングディフュージョン438)と、全画素についての電荷生成部(フォトダイオードPD)432を露光した後その電荷生成部432にて生成された信号電荷を同時に電荷蓄積部(フローティングディフュージョン438)に転送させる転送ゲート部446とを備えた構造とする必要がある。   For this reason, as shown in FIG. 13, for each unit pixel 403, a charge accumulation unit (floating diffusion 438 in the figure) is provided between the readout selection transistor 434 of the charge generation unit 432 and the pixel signal generation unit 432, and all pixels And a transfer gate unit 446 that exposes the charge generation unit (photodiode PD) 432 and transfers signal charges generated by the charge generation unit 432 to the charge storage unit (floating diffusion 438) at the same time. There is a need to.

この場合、転送ゲート部446および電荷蓄積部(ストレージゲート部)444の部分の基板表面側には、たとえばポリシリコンによって単層もしくは2層構造で形成された転送電極(ゲート電極)を配設し、転送ゲート部446のゲート電極(特にフレームシフトゲートFSGという)にはフレームシフトパルスを入力し、電荷蓄積部444のゲート電極(特にストレージゲートSTGという)にはストレージパルスを入力してグローバルシャッタ機能を実現するので、駆動タイミングの制御が煩雑になる。   In this case, a transfer electrode (gate electrode) formed of a single layer or a two-layer structure of polysilicon, for example, is disposed on the substrate surface side of the transfer gate portion 446 and the charge storage portion (storage gate portion) 444. A frame shift pulse is input to the gate electrode of the transfer gate portion 446 (particularly referred to as the frame shift gate FSG), and a storage pulse is input to the gate electrode of the charge storage portion 444 (particularly referred to as the storage gate STG). As a result, the drive timing control becomes complicated.

加えて、電荷蓄積部444は、1H(H:水平走査期間)以上の期間電荷を蓄積する部分となるため、従来のライン露光の場合に比べて暗電流ノイズの問題が大きくなる。   In addition, since the charge accumulation unit 444 is a part that accumulates charges for a period of 1H (H: horizontal scanning period) or more, the problem of dark current noise becomes larger than in the case of conventional line exposure.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、行単位で信号の読出しを行なう場合においても、簡単な構造や制御方法にて、暗電流ノイズや蓄積期間の差の問題を抑制・解消することのできる露光時間制御機能を実現する、特許文献1に記載のグローバルシャッタ機能とは異なるアプローチ(技術的思想)での仕組みを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and suppresses / eliminates the problem of dark current noise and accumulation period differences with a simple structure and control method even when signals are read out in units of rows. It is an object of the present invention to provide a mechanism with an approach (technical idea) different from the global shutter function described in Patent Document 1 that realizes an exposure time control function that can be performed.

本発明によれば、入射光量に応じた信号を出力する検出部としての受光素子が複数、二次元状に形成された複数の単位画素が、複数の垂直信号線と複数の垂直制御線とに接続されて構成された、撮像部であって、前記二次元状に形成された複数の単位画素は複数の領域から行単位で単位画素信号を同時に読み出し可能に前記複数の垂直信号線に接続されており、
前記複数の垂直制御線を垂直アドレスに基づいて駆動する垂直アドレス設定部および垂直駆動部と、前記垂直アドレス設定部と協働して露光時間制御動作を行うに当たってシャッタ画素を選択し、前記各領域の単位画素に接続された前記複数の垂直制御線前記複数の単位画素の各領域ごとに行単位で、露光時間または電荷蓄積時間を制御する電子シャッタを行うシャッタタイミング制御部とを有する垂直走査部と、
前記垂直走査部の走査に伴い前記複数の垂直信号線に読みだされた前記単位画素の前記検出部の検出信号を入力し、水平走査部の走査信号に応じて前記入力された検出信号を選択して、水平信号線に出力する、水平選択スイッチ部と、
を有し、
前記シャッタタイミング制御部は、電子シャッタ用の駆動時に、前記露光時間の制御動作を行うためシャッタ行を選択してシャッタ画素を設定し、前記垂直アドレス設定部にて選択される読み出し行との間でシャッタ画素の時間間隔を調整することにより、前記撮像部の前記単位画素への露光時間を前記読み出し領域ごとに調節する、
固体撮像装置が提供される。
According to the present invention, a plurality of light receiving elements as detection units that output a signal corresponding to the amount of incident light, and a plurality of unit pixels formed in a two-dimensional shape are divided into a plurality of vertical signal lines and a plurality of vertical control lines . An imaging unit configured to be connected , wherein the plurality of unit pixels formed in a two-dimensional shape are connected to the plurality of vertical signal lines so that unit pixel signals can be simultaneously read from a plurality of regions in units of rows. And
A vertical address setting unit and vertical drive unit for driving on the basis of the plurality of vertical control lines to the vertical address, the vertical address setting unit in cooperation with the selected shutter pixels in performing exposure time control operation, the respective regions A plurality of vertical control lines connected to each unit pixel, and a shutter timing control unit that performs an electronic shutter for controlling an exposure time or a charge accumulation time in a row unit for each region of the plurality of unit pixels. And
The detection signal of the detection unit of the unit pixel read to the plurality of vertical signal lines in accordance with the scanning of the vertical scanning unit is input, and the input detection signal is selected according to the scanning signal of the horizontal scanning unit A horizontal selection switch that outputs to the horizontal signal line;
Have
The shutter timing control unit selects a shutter row and sets a shutter pixel in order to perform the exposure time control operation when driving for the electronic shutter, and between the readout row selected by the vertical address setting unit By adjusting the time interval of the shutter pixels in the above, the exposure time to the unit pixel of the imaging unit is adjusted for each readout region,
A solid-state imaging device is provided.

好ましくは、前記シャッタタイミング制御部は、前記複数の領域に分割した制御線を、同じ垂直方向において、一方から他方に順次、駆動制御する。
好ましくは、前記シャッタタイミング制御部は、前記複数の領域に分割した制御線を、隣接する分割された領域の制御線を、互いに異なる向きの垂直方向に順次、駆動制御する。
好ましくは、前記シャッタタイミング制御部は、前記複数の領域に分割した制御線を、分割された領域の中央から両端部に向かって制御線を順次、駆動制御する。
Preferably, the shutter timing control unit, a control line which is divided into front Symbol plurality of regions, in the same vertical direction, sequentially drive control from one to the other.
Preferably, the shutter timing control unit, a control line which is divided into a front Symbol plurality of regions, a control line of the adjacent divided area, sequentially drives and controls the vertical direction of the mutually different orientations.
Preferably, the shutter timing control unit, a control line which is divided into a front Symbol plurality of regions, a control line sequentially toward both ends from the center of the divided areas, and drives the control.

好ましくは、前記水平信号線にフレームメモリが接続されており、前記水平信号線から出力された、前記複数の領域に分割された制御線の駆動制御により読みだされた複数の単位画素の検出信号が、前記フレームメモリに前記制御線の位置に応じて記憶される。 Preferably, a frame memory is connected to the horizontal signal line, and detection signals of a plurality of unit pixels output from the horizontal signal line and read out by drive control of the control lines divided into the plurality of regions are output. Is stored in the frame memory in accordance with the position of the control line.

好ましくは、前記複数に分割された領域が3以上の場合、当該固体撮像装置は裏面照射型固体撮像装置として構成されている。 Preferably, when the number of the divided regions is three or more, the solid-state imaging device is configured as a back-illuminated solid-state imaging device.

本発明によれば、入射光量に応じた信号を出力する検出部としての受光素子が複数、二次元状に配設された複数の単位画素が、複数の垂直信号線と複数の制御線とに接続されて構成された撮像部と、前記複数の制御線を垂直アドレスに基づいて駆動する垂直アドレス設定部および垂直駆動部と、前記垂直駆動部と協働して露光時間制御動作を行うに当たってシャッタ画素を選択し、前記複数の制御線を複数の領域に分割した領域ごとに行単位で、露光時間または電荷蓄積時間を制御する電子シャッタを行うシャッタタイミング制御部とを有する垂直走査部と、前記垂直走査部の走査に伴い前記複数の垂直信号線に読みだされた前記単位画素の前記検出部の検出信号を入力し、水平走査部の走査信号に応じて前記入力された検出信号を選択して、水平信号線に出力する、水平選択スイッチ部とを有する固体撮像装置における駆動制御方法であって、
前記シャッタタイミング制御部は、電子シャッタ用の駆動時に、前記垂直アドレス設定部における通常動作時と同様にシャッタ行を選択してシャッタ画素を設定し、前記垂直アドレス設定部にて選択される読み出し行との間でシャッタ画素の時間間隔を調整することにより、前記撮像部の前記検出部への露光時間を前記領域ごとに調節する、
固体撮像装置における駆動制御方法が提供される。
According to the present invention, a plurality of light-receiving elements serving as detection units that output signals according to the amount of incident light, and a plurality of unit pixels arranged in a two-dimensional manner include a plurality of vertical signal lines and a plurality of control lines . performed against the imaging section, which is constituted by connection, a vertical address setting unit and vertical drive unit for driving on the basis of a plurality of control lines to the vertical address, an exposure time control operation in cooperation with the vertical driving unit A vertical scanning unit having a shutter timing control unit that selects a shutter pixel and performs an electronic shutter that controls an exposure time or a charge accumulation time for each region obtained by dividing the plurality of control lines into a plurality of regions. the inputs detection signals of the detecting portion of the unit pixel read out before Symbol plurality of vertical signal lines have accompanied with scanning of the vertical scanning unit, which is the input in accordance with the scanning signal of the horizontal scanning unit detects Select the signal And outputs to the horizontal signal line, a drive control method in the solid-state imaging device having a horizontal selection switch section,
The shutter timing control unit selects a shutter row and sets a shutter pixel in the same manner as during normal operation in the vertical address setting unit when driving for an electronic shutter, and reads out a row selected by the vertical address setting unit. Adjusting the exposure time to the detection unit of the imaging unit for each region by adjusting the time interval of the shutter pixels between
A drive control method in a solid-state imaging device is provided.

たとえば、検出領域を複数に分割するに際しては、検出領域を均等に分割するのが好ましい。   For example, when dividing the detection area into a plurality of parts, it is preferable to divide the detection area equally.

また、分割数を3以上とする場合には、物理量分布検知装置は、裏面照射型であるのが好ましい。ここで、本願発明における裏面照射型とは、検出部が形成される素子層に対しての一方の面側に単位信号生成部から単位信号を検出領域から読み出すための信号線をなす配線層を有し、物理量が素子層の他方の面側から検出部へ入射されるように構成されているものを意味する。   When the number of divisions is 3 or more, it is preferable that the physical quantity distribution detection device is a backside illumination type. Here, the back-illuminated type in the present invention is a wiring layer that forms a signal line for reading a unit signal from the unit signal generator from the detection region on one side of the element layer on which the detector is formed. Means that the physical quantity is configured to be incident on the detection unit from the other surface side of the element layer.

なお、単位信号生成部に対しての全ての配線が他方の面側の配線層に設けられていることは必須ではなく、少なくとも単位信号を検出領域から読み出すための他領域用の信号線が他方の面側とは反対側の配線層に設けられていればよい。   Note that it is not essential that all the wirings for the unit signal generator are provided in the wiring layer on the other surface side, and at least the other region signal lines for reading out the unit signal from the detection region are the other side. The wiring layer may be provided on the wiring layer opposite to the surface side.

本発明によれば、検出領域を複数に分割し、分割した各領域のそれぞれに同一の検知条件を設定して、各領域の単位構成要素から単位信号を読み出すようにした。   According to the present invention, the detection area is divided into a plurality of areas, the same detection condition is set for each of the divided areas, and the unit signal is read from the unit component of each area.

検出領域を複数系統に領域分割して、領域ごとにそれぞれ同時に信号検知を行ないつつ、領域別に独立した単位信号の読出しを行なうことで、1フレーム内での蓄積時間誤差を小さくすることで、画像の動き歪を小さくすることができる。領域ごとに露光時間制御を行なうものの、基本的な露光制御は従来のライン露光と同様であるので、制御構造は簡易であり、しかも、特許文献1に記載のグローバルシャッタ機能で生じる暗電流ノイズの問題は生じない。   By dividing the detection area into a plurality of systems and simultaneously performing signal detection for each area and reading unit signals independent for each area, the accumulation time error within one frame is reduced, thereby reducing the image Motion distortion can be reduced. Although the exposure time control is performed for each area, the basic exposure control is the same as that of the conventional line exposure, so the control structure is simple and the dark current noise generated by the global shutter function described in Patent Document 1 is reduced. There is no problem.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下においては、X−Yアドレス型の固体撮像装置の一例である、CMOS撮像素子をデバイスとして使用した場合を例に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following, a case where a CMOS image sensor, which is an example of an XY address type solid-state imaging device, is used as a device will be described as an example.

ただしこれは一例であって、対象となるデバイスはMOS型の撮像デバイスに限らない。光や放射線などの外部から入力される電磁波に対して感応性をする単位構成要素をライン状もしくはマトリクス状に複数個配列してなる物理量分布検知用の半導体装置であって、特に、1行分の全単位構成要素に同時にアクセスして行単位で単位信号を読み出す行単位読出方式のものに、後述する実施形態が同様に適用できる。   However, this is merely an example, and the target device is not limited to a MOS imaging device. A semiconductor device for detecting a physical quantity distribution in which a plurality of unit components that are sensitive to electromagnetic waves input from the outside, such as light and radiation, are arranged in a line shape or a matrix shape, particularly for one row. Embodiments to be described later can be similarly applied to a row unit readout method in which all unit component elements are simultaneously accessed and unit signals are read out in row units.

<CMOS撮像素子の構成例;第1実施形態>
図1は、固体撮像装置の一例であるCMOS撮像素子の第1実施形態の概略構成図である。このCMOS撮像素子は、たとえばカラー画像を撮像し得る電子スチルカメラやFA(Factory Automation)カメラとして適用されるようになっている。
<Configuration Example of CMOS Image Sensor; First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a first embodiment of a CMOS image sensor which is an example of a solid-state imaging device. This CMOS image sensor is applied as an electronic still camera or FA (Factory Automation) camera capable of capturing a color image, for example.

第1実施形態のCMOS撮像素子12は、入射光量に応じた信号を出力する図示しない検出部としての受光素子(フォトダイオードなどの光電変換素子)を含む単位画素が行および列の正方格子状に配列された(すなわち2次元マトリクス状の)撮像部を有し、各単位画素からの信号出力が電圧信号であって、CDS(Correlated Double Sampling ;相関2重サンプリング)処理機能部やその他の機能部が垂直列ごとに設けられたカラム型のものである。   In the CMOS image sensor 12 of the first embodiment, unit pixels including a light receiving element (photoelectric conversion element such as a photodiode) as a detection unit (not shown) that outputs a signal corresponding to the amount of incident light are arranged in a square lattice of rows and columns. It has an arrayed (that is, a two-dimensional matrix) imaging unit, the signal output from each unit pixel is a voltage signal, and a CDS (Correlated Double Sampling) processing function unit and other functional units Is a column type provided for each vertical column.

すなわち、図1に示すように、CMOS撮像素子12は、複数の単位画素403(単位構成要素の一例)が行および列に(2次元行列状に)多数配列された撮像部(画素部)410(図1の撮像部12aに相当)、いわゆるエリアセンサと、撮像部410の外側に設けられた駆動制御部407(図1の駆動制御部12cに相当)と、各垂直列に配されたカラム信号処理部(図ではカラム回路と記す)422を有するカラム処理部420(図1のアナログフロントエンド部12bに相当)と、読出電流源部427と、水平選択スイッチ部460と、出力部488とを備えている。   That is, as shown in FIG. 1, the CMOS image sensor 12 includes an imaging unit (pixel unit) 410 in which a plurality of unit pixels 403 (an example of unit components) are arranged in rows and columns (in a two-dimensional matrix). (Corresponding to the imaging unit 12a in FIG. 1), a so-called area sensor, a drive control unit 407 (corresponding to the drive control unit 12c in FIG. 1) provided outside the imaging unit 410, and columns arranged in each vertical column A column processing unit 420 (corresponding to the analog front end unit 12b in FIG. 1) having a signal processing unit (denoted as a column circuit in the figure) 422, a read current source unit 427, a horizontal selection switch unit 460, an output unit 488, It has.

なお、読出電流源部427は、撮像部410とカラム処理部420との間の信号経路(垂直信号線418)上に設けられ、各垂直信号線418に対してドレイン端子が接続された図示しない負荷MOSトランジスタを含む負荷トランジスタ部が配され、各負荷MOSトランジスタを駆動制御する負荷制御部(負荷MOSコントローラ)が設けられている(後述する図2を参照)。   The read current source unit 427 is provided on a signal path (vertical signal line 418) between the imaging unit 410 and the column processing unit 420, and a drain terminal is connected to each vertical signal line 418 (not shown). A load transistor section including a load MOS transistor is arranged, and a load control section (load MOS controller) for driving and controlling each load MOS transistor is provided (see FIG. 2 described later).

駆動制御部407としては、たとえば水平走査部412と垂直走査部414とを備える。また、駆動制御部407の他の構成要素として、水平走査部412、垂直走査部414、あるいはカラム処理部420などのCMOS撮像素子12の各機能部に所定タイミングの制御パルスを供給する駆動信号操作部(読出アドレス制御装置の一例)416が設けられている。   As the drive control unit 407, for example, a horizontal scanning unit 412 and a vertical scanning unit 414 are provided. Further, as another component of the drive control unit 407, operation of a drive signal for supplying a control pulse at a predetermined timing to each functional unit of the CMOS image sensor 12 such as the horizontal scanning unit 412, the vertical scanning unit 414, or the column processing unit 420. 416 (an example of a read address controller) is provided.

これらの駆動制御部407の各要素は、撮像部410とともに、半導体集積回路製造技術と同様の技術を用いて単結晶シリコンなどの半導体領域に一体的に形成され、半導体システムの一例である固体撮像素子(撮像デバイス)として構成される。   Each element of the drive control unit 407 is integrally formed in a semiconductor region such as single crystal silicon using a technique similar to the semiconductor integrated circuit manufacturing technique together with the imaging unit 410, and is an example of a semiconductor system. It is configured as an element (imaging device).

図1では、簡単のため行および列の一部を省略して示しているが、現実には、撮像部410の各行や各列には、数十から数千の単位画素403が配置される。なお、図示を割愛するが、撮像部410には、各画素に所定のカラーコーディングを持つ色分離フィルタが形成される。また図示を割愛するが、撮像部410の各画素は、フォトダイオードなどの光電変換素子およびトランジスタ回路によって構成されている(後述する図2を参照)。   In FIG. 1, some of the rows and columns are omitted for simplicity, but in reality, tens to thousands of unit pixels 403 are arranged in each row and each column of the imaging unit 410. . Although illustration is omitted, the image pickup unit 410 is formed with a color separation filter having a predetermined color coding for each pixel. Although not shown, each pixel of the imaging unit 410 includes a photoelectric conversion element such as a photodiode and a transistor circuit (see FIG. 2 described later).

単位画素403は、垂直列選択のための垂直制御線415を介して垂直走査部414と、また複数の検知部で検知され増幅素子を有する単位信号生成部で増幅された後に単位画素403から出力される画素信号S0(_1〜h;1行中の画素番号)をそれぞれ伝送する伝送線としての垂直信号線418を介してカラム処理部420と、それぞれ接続されている。   The unit pixel 403 is output from the unit pixel 403 after being amplified by a vertical scanning unit 414 via a vertical control line 415 for selecting a vertical column and a unit signal generation unit having amplifying elements detected by a plurality of detection units. Are connected to the column processing unit 420 via vertical signal lines 418 as transmission lines for transmitting the pixel signals S0 (_1 to h; pixel numbers in one row).

水平走査部412や垂直走査部414は、駆動信号操作部416から与えられる駆動パルスに応答して読出位置の選択動作(典型的にはシフト動作)を開始するようになっている。垂直制御線415には、単位画素403を駆動するための種々のパルス信号が含まれる。   The horizontal scanning unit 412 and the vertical scanning unit 414 start a reading position selection operation (typically a shift operation) in response to a driving pulse given from the driving signal operation unit 416. The vertical control line 415 includes various pulse signals for driving the unit pixel 403.

水平走査部412は、水平方向の読出列(水平方向のアドレス)を規定する(カラム処理部420内の個々のカラム信号処理部422を選択する)水平アドレス設定部412xと、水平アドレス設定部412xにて規定された読出アドレスに従ってカラム処理部420の各信号を水平信号線486に導く水平駆動部412yとを有する。   The horizontal scanning unit 412 defines a horizontal readout column (horizontal address) (selects each column signal processing unit 422 in the column processing unit 420), and a horizontal address setting unit 412x. And a horizontal driving unit 412y that guides each signal of the column processing unit 420 to the horizontal signal line 486 in accordance with the read address defined in FIG.

水平アドレス設定部412xは、図示を割愛するが、シフトレジスタあるいはデコーダを有して構成されており、カラム信号処理部422からの画素情報を所定の順に選択し、その選択した画素情報を水平信号線486に出力する選択手段としての機能を持つ。   Although not shown in the figure, the horizontal address setting unit 412x includes a shift register or a decoder, selects pixel information from the column signal processing unit 422 in a predetermined order, and selects the selected pixel information as a horizontal signal. It functions as a selection means for outputting to the line 486.

垂直走査部414は、垂直方向の読出行(垂直方向のアドレス)や水平方向の読出列(水平方向のアドレス)を規定する(撮像部410の行を選択する)垂直アドレス設定部414xと、垂直アドレス設定部414xにて規定された読出アドレス上(水平行方向)の単位画素403に対する制御線にパルスを供給して駆動する垂直駆動部414yとを有する。   The vertical scanning unit 414 defines a vertical readout row (vertical address) and a horizontal readout column (horizontal address) (selects a row of the imaging unit 410), and a vertical address setting unit 414x. A vertical drive unit 414y that drives by supplying a pulse to the control line for the unit pixel 403 on the readout address (in the horizontal direction) defined by the address setting unit 414x.

なお、一般的には、垂直アドレス設定部414xは、信号を読み出す行の他に、電子シャッタ制御も行単位で行なうように構成することも可能であるが、本実施形態での電子シャッタ制御は、通常のCMOSセンサとは異なり、撮像部410を領域分割して領域ごとに行単位でシャッタ時間(露光時間、電荷蓄積時間)を制御する。   In general, the vertical address setting unit 414x can be configured to perform electronic shutter control in units of rows in addition to the row from which a signal is read, but the electronic shutter control in the present embodiment is Unlike a normal CMOS sensor, the imaging unit 410 is divided into regions, and the shutter time (exposure time, charge accumulation time) is controlled in units of rows for each region.

このため、本実施形態においては、垂直走査部414は、領域別に電子シャッタ制御を行なうべく、垂直アドレス設定部414xとは別に専用のシャッタタイミング制御部414zを備えている。シャッタタイミング制御部414zと垂直駆動部414yとで、露光時間制御機能(電子シャッタ機能)を実現するための駆動パルスを単位画素403に画素ごとに供給するシャッタ制御部が構成される。   For this reason, in the present embodiment, the vertical scanning unit 414 includes a dedicated shutter timing control unit 414z separately from the vertical address setting unit 414x in order to perform electronic shutter control for each region. The shutter timing control unit 414z and the vertical drive unit 414y constitute a shutter control unit that supplies a drive pulse for realizing an exposure time control function (electronic shutter function) to the unit pixel 403 for each pixel.

シャッタタイミング制御部414zは、露光時間制御動作を行なうに当たってシャッタ画素を選択するためのものであり、垂直駆動部414yとともに電子シャッタ画素選択手段を構成する。シャッタタイミング制御部414zは、電子シャッタ用の駆動時には、垂直アドレス設定部414xにおける通常動作時と同様にシャッタ行を選択することでシャッタ画素位置を設定し、通常通りに垂直アドレス設定部414xにて選択される読出行との間でシャッタ画素の時間間隔を調節することにより、撮像部410の光電変換素子(検出部)への露光時間(蓄積時間)を、領域別に調節する(詳細は後述する)。   The shutter timing control unit 414z is for selecting a shutter pixel in performing the exposure time control operation, and constitutes an electronic shutter pixel selection unit together with the vertical drive unit 414y. The shutter timing control unit 414z sets the shutter pixel position by selecting the shutter row in the same manner as the normal operation in the vertical address setting unit 414x when driving for the electronic shutter, and the vertical address setting unit 414x performs the normal operation. By adjusting the time interval of the shutter pixels with respect to the selected readout row, the exposure time (accumulation time) for the photoelectric conversion element (detection unit) of the imaging unit 410 is adjusted for each region (details will be described later). ).

駆動信号操作部416は、図示しないが、各部の動作に必要なクロックや所定タイミングのパルス信号を供給するタイミングジェネレータTG(読出アドレス制御装置の一例)の機能ブロックと、端子401aを介して入力クロックCLK0や動作モードなどを指令するデータを受け取り、また端子401bを介してCMOS撮像素子12の情報を含むデータDATAを出力する通信インタフェースの機能ブロックとを備える。また、水平アドレス信号を水平アドレス設定部412xへ、また垂直アドレス信号を垂直アドレス設定部414xへ出力し、各アドレス設定部412x,414xは、それを受けて対応する行もしくは列を選択する。   Although not shown, the drive signal operation unit 416 includes a functional block of a timing generator TG (an example of a read address control device) that supplies a clock necessary for the operation of each unit and a pulse signal at a predetermined timing, and an input clock via a terminal 401a. A communication interface functional block that receives data instructing CLK0, an operation mode, and the like, and outputs data DATA including information of the CMOS image sensor 12 via a terminal 401b. Further, the horizontal address signal is output to the horizontal address setting unit 412x and the vertical address signal is output to the vertical address setting unit 414x, and the address setting units 412x and 414x select the corresponding row or column in response thereto.

なお、駆動信号操作部416は、撮像部410や水平走査部412など、他の機能要素とは独立して、別の半導体集積回路として提供されてもよい。この場合、撮像部410や水平走査部412などから成る撮像デバイスと駆動信号操作部416とにより、半導体システムの一例である撮像装置が構築される。この撮像装置は、周辺の信号処理回路や電源回路なども組み込まれた撮像モジュールとして提供されてもよい。   The drive signal operation unit 416 may be provided as another semiconductor integrated circuit independently of other functional elements such as the imaging unit 410 and the horizontal scanning unit 412. In this case, an imaging device which is an example of a semiconductor system is constructed by the imaging device including the imaging unit 410 and the horizontal scanning unit 412 and the drive signal operation unit 416. This imaging device may be provided as an imaging module in which peripheral signal processing circuits, power supply circuits, and the like are also incorporated.

カラム処理部420は、垂直列(カラム)ごとにカラム信号処理部422を有して構成されており、1行分の画素の信号を受けて、各カラム信号処理部422が対応列の画素信号S0(_1〜h;1行中の画素番号)を処理して、処理済みの画素信号S1(_1〜h;1行中の画素番号)を出力する。   The column processing unit 420 is configured to include a column signal processing unit 422 for each vertical column (column), and each column signal processing unit 422 receives a pixel signal for one row, and each column signal processing unit 422 receives a pixel signal of a corresponding column. S0 (_1 to h; pixel number in one row) is processed to output a processed pixel signal S1 (_1 to h; pixel number in one row).

たとえば、カラム信号処理部422は、図示を割愛するが、蓄積容量を具備した記憶部を有し、単位画素403から垂直信号線418を介して読み出された画素信号(単位信号)S0に基づく所定目的用の物理情報を表わす電位信号Vmを記憶するラインメモリ構造の信号保持機能を備えるようにすることができる。また同様に蓄積容量を持ち、CDS(Correlated Double Sampling ;相関2重サンプリング)処理を利用したノイズ除去手段の機能を備えるようにしてもよい。   For example, although not shown, the column signal processing unit 422 includes a storage unit having a storage capacity, and is based on a pixel signal (unit signal) S0 read from the unit pixel 403 via the vertical signal line 418. A signal holding function of a line memory structure for storing a potential signal Vm representing physical information for a predetermined purpose can be provided. Similarly, it may have a storage capacity and be provided with a function of a noise removing means using a CDS (Correlated Double Sampling) process.

CDS処理を行なう場合、駆動信号操作部416から与えられるサンプルパルスSHPとサンプルパルスSHDといった2つのサンプルパルスに基づいて、垂直信号線418を介して入力された電圧モードの画素情報に対して、画素リセット直後の信号レベル(ノイズレベル;0レベル)と真の信号レベルとの差分をとる処理を行なうことで、画素ごとの固定ばらつきによる固定パターンノイズ(FPN;Fixed Pattern Noise )やリセットノイズといわれるノイズ信号成分を取り除く。   When performing the CDS process, pixel information is obtained for pixel information in the voltage mode input via the vertical signal line 418 based on two sample pulses such as the sample pulse SHP and the sample pulse SHD given from the drive signal operation unit 416. By taking the difference between the signal level immediately after reset (noise level: 0 level) and the true signal level, fixed pattern noise (FPN) due to fixed variation for each pixel and noise called reset noise Remove signal components.

なお、カラム信号処理部422には、CDS処理機能部などの後段に、必要に応じて信号増幅機能を持つAGC(Auto Gain Control) 回路やその他の処理機能回路などを設けることも可能である。   Note that the column signal processing unit 422 may be provided with an AGC (Auto Gain Control) circuit having a signal amplification function or other processing function circuit, if necessary, at a subsequent stage such as a CDS processing function unit.

カラム処理部420の後段には、図示しない水平読出用のスイッチ(選択スイッチ)を備えた水平選択スイッチ部460が設けられている。各垂直列のカラム信号処理部422の出力端は、カラム信号処理部422から画素信号S2を順次読み出すための各垂直列に対応する水平選択スイッチ部460の選択スイッチの入力端iに各々接続されている。   At the subsequent stage of the column processing unit 420, a horizontal selection switch unit 460 having a horizontal reading switch (selection switch) (not shown) is provided. The output end of the column signal processing unit 422 in each vertical column is connected to the input end i of the selection switch of the horizontal selection switch unit 460 corresponding to each vertical column for sequentially reading the pixel signal S2 from the column signal processing unit 422. ing.

水平選択スイッチ部460の各垂直列の制御ゲート端cは、水平方向の読出アドレスを制御・駆動する水平走査部412の水平駆動部412yに接続される。一方、水平選択スイッチ部460の各垂直列の選択スイッチの出力端oは、行方向に画素信号を順次転送出力する水平信号線486が共通接続されている。水平信号線486の後端には出力部488が設けられている。   The control gate terminal c of each vertical column of the horizontal selection switch unit 460 is connected to the horizontal driving unit 412y of the horizontal scanning unit 412 that controls and drives the readout address in the horizontal direction. On the other hand, a horizontal signal line 486 that sequentially transfers and outputs pixel signals in the row direction is commonly connected to the output terminals o of the selection switches in the vertical columns of the horizontal selection switch unit 460. An output unit 488 is provided at the rear end of the horizontal signal line 486.

水平信号線486は、単位画素403のそれぞれから垂直信号線418を介して伝送される個々の画素信号S0(詳しくはそれに基づく画素信号S2)を、垂直信号線418の配列方向である水平方向に所定順に出力するため読出線として機能するものであり、カラム信号処理部422から、垂直列ごとに存在する図示しない選択スイッチによって選択された信号を取り出して出力部488に渡す。   The horizontal signal line 486 transmits individual pixel signals S0 (specifically, pixel signals S2 based thereon) transmitted from the unit pixels 403 via the vertical signal lines 418 in the horizontal direction, which is the arrangement direction of the vertical signal lines 418. It functions as a readout line for outputting in a predetermined order, and a signal selected by a selection switch (not shown) existing for each vertical column is taken out from the column signal processing unit 422 and passed to the output unit 488.

すなわち、カラム信号処理部422により処理された画素情報を表わす信号電荷に応じた各垂直列の電圧信号は、水平走査部412からの水平選択信号φH1〜φHhに応じた水平読出パルスφg1〜φghにより駆動される垂直列ごとに設けられた選択スイッチにより所定のタイミングで選択され水平信号線486に読み出される。そして、水平信号線486の後端に設けられた出力部488に入力される。   That is, the voltage signal of each vertical column corresponding to the signal charge representing the pixel information processed by the column signal processing unit 422 is generated by horizontal read pulses φg1 to φgh corresponding to the horizontal selection signals φH1 to φHh from the horizontal scanning unit 412. A selection switch provided for each vertical column to be driven is selected at a predetermined timing and read out to the horizontal signal line 486. Then, the signal is input to an output unit 488 provided at the rear end of the horizontal signal line 486.

出力部488は、撮像部410から水平信号線486を通して出力される各単位画素403の画素信号S2_1〜h(h=n)を適当なゲインで増幅した後、撮像信号S3として図示しない外部回路に出力端子488を介して供給する。この出力部488は、たとえば、バッファリングだけする場合もあるし、その前に黒レベル調整、列ばらつき補正、色関係処理などを行なうこともある。   The output unit 488 amplifies the pixel signals S2_1 to h (h = n) of each unit pixel 403 output from the imaging unit 410 through the horizontal signal line 486 with an appropriate gain, and then outputs the signal as an imaging signal S3 to an external circuit (not shown). It is supplied via an output terminal 488. For example, the output unit 488 may perform only buffering, or may perform black level adjustment, column variation correction, color-related processing, or the like before that.

つまり、本実施形態のカラム型のCMOS撮像素子12においては、単位画素403からの出力信号(電圧信号)が、垂直信号線418→カラム処理部420(カラム信号処理部422)→水平信号線486→出力部488の順で伝送される。その駆動は、1行分の画素出力信号は垂直信号線418を介してパラレルにカラム処理部420に送り、処理後の信号は水平信号線486を介してシリアルに出力するようにする。この画素信号のカラム処理部420までの転送動作は1行分の単位画素403に対して同時に行なわれる。   That is, in the column type CMOS image sensor 12 of the present embodiment, the output signal (voltage signal) from the unit pixel 403 is the vertical signal line 418 → column processing unit 420 (column signal processing unit 422) → horizontal signal line 486. → Transmitted in the order of output unit 488. The drive is such that the pixel output signals for one row are sent in parallel to the column processing unit 420 via the vertical signal line 418, and the processed signals are serially output via the horizontal signal line 486. The transfer operation of the pixel signal to the column processing unit 420 is simultaneously performed on the unit pixels 403 for one row.

なお、垂直列や水平列ごとの駆動が可能である限り、それぞれのパルス信号を単位画素403に対して水平行方向および垂直列方向の何れから供給するか、すなわちパルス信号を印加するための駆動クロック線の物理的な配線方法は自由である。   As long as driving for each vertical column or horizontal column is possible, each pulse signal is supplied to the unit pixel 403 from either the horizontal direction or the vertical column direction, that is, driving for applying a pulse signal. The physical wiring method of the clock line is free.

このような構成のCMOS撮像素子12において、水平走査部412や垂直走査部414およびそれらを制御する駆動信号操作部416により、撮像部410の各画素を水平行単位で順に選択し、その選択した1つの水平行分の画素の情報を同時に読み出すタイプのCMOSイメージセンサが構成される。   In the CMOS image sensor 12 having such a configuration, the horizontal scanning unit 412 and the vertical scanning unit 414 and the drive signal operation unit 416 for controlling them are used to sequentially select each pixel of the imaging unit 410 in the horizontal unit. A CMOS image sensor of a type that simultaneously reads out information of one horizontal parallel pixel is configured.

出力部488の後段に設けられる図示しない外部回路は、撮像部410や駆動制御部407などが同一の半導体領域に一体的に形成された固体撮像素子とは別の基板(プリント基板もしくは半導体基板)上に構成されており、各撮影モードに対応した回路構成が採られるようになっている。   An external circuit (not shown) provided at the subsequent stage of the output unit 488 is a substrate (printed substrate or semiconductor substrate) different from the solid-state imaging device in which the imaging unit 410 and the drive control unit 407 are integrally formed in the same semiconductor region. The circuit configuration corresponding to each photographing mode is adopted.

撮像部410や駆動制御部407などからなる固体撮像素子(本発明に係る半導体装置や物理情報取得装置の一例)と外部回路とによって、固体撮像装置としてのCMOS撮像素子12が構成されている。駆動制御部407を撮像部410やカラム処理部420と別体にして、撮像部410やカラム処理部420で固体撮像素子(半導体装置の一例)を構成し、この固体撮像素子と別体の駆動制御部407とで、撮像装置(本発明に係る物理情報取得装置の一例)として構成してもよい。   A solid-state imaging device (an example of a semiconductor device or a physical information acquisition device according to the present invention) including an imaging unit 410, a drive control unit 407, and the like and an external circuit constitute a CMOS imaging device 12 as a solid-state imaging device. The drive control unit 407 is separated from the imaging unit 410 and the column processing unit 420, and the imaging unit 410 and the column processing unit 420 constitute a solid-state imaging device (an example of a semiconductor device). You may comprise with the control part 407 as an imaging device (an example of the physical information acquisition apparatus which concerns on this invention).

なおここでは、固体撮像素子の後段の信号処理を担当する外部回路を固体撮像素子(撮像チップ)外で行なう例を示したが、外部回路の全てもしくは一部(たとえばA/D変換部やデジタルアンプ部など)の機能要素を、固体撮像素子のチップに内蔵するように構成してもよい。つまり、撮像部410や駆動制御部407などが同一の半導体領域に一体的に形成された固体撮像素子と同一の半導体基板上に外部回路を構成して、実質的に、固体撮像装置と物理情報取得装置とが同一のものとして構成してもよい。   Although an example in which the external circuit in charge of signal processing in the subsequent stage of the solid-state image sensor is performed outside the solid-state image sensor (imaging chip) is shown here, all or a part of the external circuit (for example, an A / D converter or digital) The functional element of the amplifier unit or the like may be built in the chip of the solid-state imaging device. That is, the imaging unit 410, the drive control unit 407, and the like constitute an external circuit on the same semiconductor substrate as the solid-state imaging element integrally formed in the same semiconductor region, and are substantially similar to the solid-state imaging device and physical information. You may comprise as an acquisition apparatus and the same thing.

また図では、水平選択スイッチ部460や駆動制御部407を撮像部410とともに備えて固体撮像装置としてのCMOS撮像素子12を構成し、実質的に、固体撮像装置が物理情報取得装置としても機能するように構成しているが、物理情報取得装置は、必ずしもこのような構成に限定されない。水平選択スイッチ部460や駆動制御部407の全体もしくは一機能部分が撮像部410と同一の半導体領域に一体的に形成されたものであることは要件ではない。水平選択スイッチ部460および駆動制御部407を、撮像部410とは異なる回路基板(別の半導体基板に限らず一般的な回路基板をも意味する)、たとえば外部回路が設けられる回路基板に形成してもよい。   In the figure, the horizontal selection switch unit 460 and the drive control unit 407 are provided together with the imaging unit 410 to constitute the CMOS imaging element 12 as a solid-state imaging device, and the solid-state imaging device substantially functions as a physical information acquisition device. However, the physical information acquisition device is not necessarily limited to such a configuration. It is not a requirement that the entire horizontal selection switch unit 460 and the drive control unit 407 or one functional part be integrally formed in the same semiconductor region as the imaging unit 410. The horizontal selection switch unit 460 and the drive control unit 407 are formed on a circuit board different from the imaging unit 410 (which means not only another semiconductor substrate but also a general circuit board), for example, a circuit board on which an external circuit is provided. May be.

ここで、本実施形態のCMOS撮像素子12においては、撮像部410を複数に領域分割しつつ、複数の単位画素403が配された撮像部410で生成される画素信号を読み出して処理する機能部(特にカラム処理部420)を複数系統設ける点に第1の特徴を有する。加えて、それら複数系統の処理部を撮像部410の2次元領域に対し、それぞれ反対側の位置に分けて配する点に第2の特徴を有する。   Here, in the CMOS image sensor 12 of the present embodiment, a functional unit that reads and processes pixel signals generated by the imaging unit 410 in which a plurality of unit pixels 403 are arranged while dividing the imaging unit 410 into a plurality of regions. The first feature is that a plurality of systems (particularly the column processing unit 420) are provided. In addition, the second feature is that the processing units of the plurality of systems are divided and arranged at positions opposite to the two-dimensional region of the imaging unit 410.

特に、第1実施形態のCMOS撮像素子12では、第1の特徴点に対応して、撮像部410を2つの領域内の画素ラインが同じになるように均等に分割し、また第2の特徴点に対応して、画素信号を読み出して処理する機能部(カラム処理部420、水平走査部412、水平選択スイッチ部460、出力部488)をそれぞれ2系統(N=2)に分けかつそれらを撮像部410を挟んで配置する点に特徴を有する。   In particular, in the CMOS image sensor 12 of the first embodiment, the imaging unit 410 is divided equally so that the pixel lines in the two regions are the same, corresponding to the first feature point, and the second feature. Corresponding to the points, the functional units (column processing unit 420, horizontal scanning unit 412, horizontal selection switch unit 460, output unit 488) for reading out and processing the pixel signals are divided into two systems (N = 2), respectively. It is characterized in that it is arranged with the imaging unit 410 interposed therebetween.

具体的には、図1に示すように、垂直信号線418を上下2方向に均等に領域分割(それぞれに参照子u,dを付す)して、撮像部410の上側領域410uと下側領域410dとについて、それぞれ同時に行単位での電荷蓄積つまり電子シャッタによる露光時間設定を行ないつつ独立した行単位での画素信号の読出しを行なうように構成する。このためには、最低限、カラム処理部420を独立に設ける必要がある。   Specifically, as shown in FIG. 1, the vertical signal line 418 is equally divided into two areas in the upper and lower directions (respectively, reference elements u and d are attached), and the upper area 410 u and the lower area of the imaging unit 410 are divided. 410d is configured to read out pixel signals in independent row units while simultaneously accumulating charges in row units, that is, setting an exposure time by an electronic shutter. For this purpose, it is necessary to provide the column processing unit 420 independently at a minimum.

たとえば、カラム処理部420、読出電流源部427、水平走査部412、水平選択スイッチ部460、水平信号線486、出力部488をそれぞれ対(それぞれに参照子a,bを付して示す)にして、各対を垂直信号線418の上下2方向に分けて配置する。図では、a同士/b同士とし、一方の垂直信号線418aに対するa系統を図中の下側に配し、他方の垂直信号線418bに対してのb系統を図中の上側に配している。   For example, the column processing unit 420, the read current source unit 427, the horizontal scanning unit 412, the horizontal selection switch unit 460, the horizontal signal line 486, and the output unit 488 are paired (represented with reference elements a and b, respectively). Thus, each pair is arranged separately in two vertical directions of the vertical signal line 418. In the figure, a and b are arranged, the a system for one vertical signal line 418a is arranged on the lower side in the figure, and the b system for the other vertical signal line 418b is arranged on the upper side in the figure. Yes.

この場合、2系統のカラム信号処理部422a,422bに設けられている図示しない記憶部に保持された電位信号Vma,Vmbを独立に(時間的には同時並行的な処理でよい)にそれぞれの水平信号線486a,486bに読み出して出力部488a,488bに渡し、出力部488a,488bの後段にてそれぞれの出力信号S3a,S3bを用いて1画面を生成するための合成処理を行なう。   In this case, the potential signals Vma and Vmb held in the storage unit (not shown) provided in the two systems of column signal processing units 422a and 422b are independently (in terms of time may be processed simultaneously). The signals are read out to the horizontal signal lines 486a and 486b and transferred to the output units 488a and 488b, and a synthesis process for generating one screen is performed using the output signals S3a and S3b at the subsequent stage of the output units 488a and 488b.

<単位画素の回路構成例と駆動回路との関係>
図2は、図1に示したCMOS撮像素子12に使用される単位画素(画素セル)403の一構成例と、単位画素403を駆動する露光時間制御(電子シャッタ)機能に関わる駆動回路(図1の垂直走査部414、特にシャッタタイミング制御部414z)との関係を説明する図である。
<Relationship between unit pixel circuit configuration example and drive circuit>
FIG. 2 shows a configuration example of a unit pixel (pixel cell) 403 used in the CMOS image sensor 12 shown in FIG. 1 and a driving circuit related to an exposure time control (electronic shutter) function for driving the unit pixel 403 (FIG. 2). 2 is a diagram for explaining a relationship with one vertical scanning unit 414, particularly a shutter timing control unit 414z).

撮像部410内の単位画素403の構成は、通常のCMOSイメージセンサと同様であり、本実施形態では、CMOSセンサとして汎用的な4TR構成のものを使用することができるし、4TR構成のものに限らず、たとえば、特許第2708455号公報に記載のように、3つのトランジスタからなる3TR構成のものを使用することもできる。もちろん、これらの画素構成は一例であり、通常のCMOSイメージセンサのアレイ構成であれば、何れのものでも使用できる。   The configuration of the unit pixel 403 in the imaging unit 410 is the same as that of a normal CMOS image sensor. In this embodiment, a general-purpose 4TR configuration can be used as the CMOS sensor, and the 4TR configuration can be used. For example, as described in Japanese Patent No. 2708455, a 3TR configuration having three transistors can be used. Of course, these pixel configurations are merely examples, and any CMOS image sensor array configuration can be used.

画素内アンプとしては、たとえば寄生容量を持った拡散層を主要部に持つフローティングディフュージョン(FDA;Floating Diffusion)を電荷蓄積部として利用するフローティングディフュージョンアンプ構成のものが用いられる。一例としては、電荷生成部に対して、電荷読出部(転送ゲート部/読出ゲート部)の一例である読出選択用トランジスタ、リセットゲート部の一例であるリセットトランジスタ、行アドレス設定用の垂直選択用トランジスタ、およびフローティングディフュージョンの電位変化を検知する検知素子の一例であるソースフォロア構成の増幅用トランジスタを有する構成を使用することができる。   As the intra-pixel amplifier, for example, a floating diffusion amplifier configuration using a floating diffusion (FDA) having a diffusion layer having a parasitic capacitance as a main part as a charge storage part is used. As an example, with respect to the charge generation unit, a read selection transistor that is an example of a charge readout unit (transfer gate unit / read gate unit), a reset transistor that is an example of a reset gate unit, and a vertical selection for setting a row address A configuration having a transistor and an amplifying transistor having a source follower configuration, which is an example of a detection element that detects a change in potential of the floating diffusion, can be used.

たとえば、図2に示す単位画素403は、単位画素に4つのトランジスタ(TRansistor)を有する4トランジスタ型画素構成(4TR構成)となっている。具体的には、単位画素403は、光を受光して電荷に変換する光電変換機能とともに、その電荷を蓄積する電荷蓄積機能の各機能を兼ね備えたフォトダイオードやフォトゲートなどで構成された電荷生成部432、電荷生成部432に対して、電荷読出部(転送ゲート部/読出ゲート部)の一例である読出選択用トランジスタ(転送トランジスタ)434、リセットゲート部の一例であるリセットトランジスタ436、垂直選択用トランジスタ440、およびフローティングディフュージョン438の電位変化を検知する検知素子の一例であるソースフォロア構成の増幅用トランジスタ442を有する。   For example, the unit pixel 403 shown in FIG. 2 has a four-transistor pixel configuration (4TR configuration) in which four transistors (TRansistors) are included in the unit pixel. Specifically, the unit pixel 403 has a photoelectric conversion function for receiving light and converting it into a charge, and a charge generation composed of a photodiode, a photogate, and the like having both functions of a charge storage function for storing the charge. Compared to the unit 432 and the charge generation unit 432, a read selection transistor (transfer transistor) 434 which is an example of a charge readout unit (transfer gate unit / read gate unit), a reset transistor 436 which is an example of a reset gate unit, and a vertical selection And an amplifying transistor 442 having a source follower configuration which is an example of a detection element that detects a change in potential of the floating diffusion 438.

横方向配線は同一行の画素について共通となっており、電子シャッタ制御を伴わない通常駆動時には、垂直走査部414の垂直駆動部414yによって同一行の全単位画素403が同時に駆動制御される。たとえば、垂直駆動部414y内には、転送駆動バッファ452、リセット駆動バッファ454、および選択駆動バッファ456が収容されている。   The horizontal wiring is common to the pixels in the same row, and during normal driving without electronic shutter control, all unit pixels 403 in the same row are simultaneously driven and controlled by the vertical driving unit 414y of the vertical scanning unit 414. For example, a transfer drive buffer 452, a reset drive buffer 454, and a selection drive buffer 456 are accommodated in the vertical drive unit 414y.

単位画素403は、電荷蓄積部の機能を備えた電荷注入部の一例であるフローティングディフュージョン438とからなるFDA(Floating Diffusion Amp)構成の画素信号生成部405を有するものとなっている。画素信号生成部405は、単位信号としての画素信号を生成する単位信号生成部の一例であり、電荷生成部432からフローティングディフュージョン438に移送された電荷の量に応じた電位を発生して垂直信号線418に伝達する手段として機能する。フローティングディフュージョン438は寄生容量を持った拡散層を主要部に持つ。   The unit pixel 403 includes a pixel signal generation unit 405 having an FDA (Floating Diffusion Amp) configuration including a floating diffusion 438 that is an example of a charge injection unit having a function of a charge storage unit. The pixel signal generation unit 405 is an example of a unit signal generation unit that generates a pixel signal as a unit signal. The pixel signal generation unit 405 generates a potential corresponding to the amount of charge transferred from the charge generation unit 432 to the floating diffusion 438 to generate a vertical signal. It functions as a means for transmitting to the line 418. The floating diffusion 438 has a diffusion layer having parasitic capacitance in the main part.

画素信号生成部405におけるリセットトランジスタ436は、ソースがフローティングディフュージョン438に、ドレインが電源VDDにそれぞれ接続され、ゲート(リセットゲートRG)にはリセットパルスRSTがリセット駆動バッファ454から入力される。このリセットトランジスタ436は、フローティングディフュージョン438の電位をリセットする機能を持つ。   In the reset transistor 436 in the pixel signal generation unit 405, the source is connected to the floating diffusion 438, the drain is connected to the power supply VDD, and the reset pulse RST is input from the reset drive buffer 454 to the gate (reset gate RG). The reset transistor 436 has a function of resetting the potential of the floating diffusion 438.

ここで、この単位画素403は、増幅用トランジスタ442と直列に挿入された垂直選択用トランジスタ440を含んで画素を選択する4TR構成の画素であるが、増幅用トランジスタ442と垂直選択用トランジスタ440のうち、増幅用トランジスタ442の方が垂直信号線418側にあるタイプである。   Here, the unit pixel 403 is a pixel having a 4TR configuration including a vertical selection transistor 440 inserted in series with the amplification transistor 442, and the unit pixel 403 includes the amplification transistor 442 and the vertical selection transistor 440. Of these, the amplification transistor 442 is of a type on the vertical signal line 418 side.

すなわち、垂直選択用トランジスタ440は、ドレインが電源VDDに、ソースは増幅用トランジスタ442のドレインに接続され、さらに垂直信号線418(418)に接続さ、ゲート(特に垂直選択ゲートSELVという)は垂直選択線457に接続されている。垂直選択線457には、垂直選択信号SELが印加される。   That is, the vertical selection transistor 440 has a drain connected to the power supply VDD, a source connected to the drain of the amplification transistor 442, and further connected to the vertical signal line 418 (418), and a gate (in particular, a vertical selection gate SELV) is vertical. A selection line 457 is connected. A vertical selection signal SEL is applied to the vertical selection line 457.

増幅用トランジスタ442は、一例として、ゲートが読出選択用トランジスタ434の出力側のフローティングディフュージョン438に接続され、ドレインが垂直選択用トランジスタ440のソースに、ソースが画素線451にそれぞれ接続され、さらに垂直信号線418(418)に接続されるようになっている。   As an example, the amplifying transistor 442 has a gate connected to the floating diffusion 438 on the output side of the read selection transistor 434, a drain connected to the source of the vertical selection transistor 440, and a source connected to the pixel line 451. It is connected to the signal line 418 (418).

増幅用トランジスタ442は画素線451を介して垂直信号線418に接続されており、また垂直信号線418は垂直列ごとに読出電流源部427の定電流源Inの一部をなす負荷MOSトランジスタ427zのドレインに接続され、また各負荷MOSトランジスタ427zのゲート端子には、図示を割愛する負荷制御部からの負荷制御信号SFLACTが共通に入力されている。   The amplifying transistor 442 is connected to the vertical signal line 418 via the pixel line 451, and the vertical signal line 418 is a load MOS transistor 427z that forms part of the constant current source In of the read current source unit 427 for each vertical column. A load control signal SFLACT from a load control unit (not shown) is commonly input to the gate terminals of the load MOS transistors 427z.

増幅用トランジスタ442は、信号読出し時には、各増幅用トランジスタ442に接続された負荷MOSトランジスタ427zによって、予め決められた定電流を流し続けるようになっている。つまり、負荷MOSトランジスタ427zは、選択行の増幅用トランジスタ442とソースフォロアを組むことで、垂直信号線418への信号出力をさせる。   The amplifying transistor 442 continues to flow a predetermined constant current by a load MOS transistor 427z connected to each amplifying transistor 442 at the time of signal reading. In other words, the load MOS transistor 427z makes a signal output to the vertical signal line 418 by assembling a source follower with the amplification transistor 442 in the selected row.

なおこのような接続構成に限らず、図示を割愛するが、垂直選択用トランジスタ440と増幅用トランジスタ442の配置を逆にし、垂直選択用トランジスタ440は、ドレインが増幅用トランジスタ442のソースに、ソースが画素線451を介して垂直信号線418(418)に接続され、ゲートが垂直選択線457に接続されるようにしてもよい。   Although not limited to such a connection configuration, illustration of the vertical selection transistor 440 and the amplification transistor 442 is reversed, and the drain of the vertical selection transistor 440 is connected to the source of the amplification transistor 442. May be connected to the vertical signal line 418 (418) via the pixel line 451, and the gate may be connected to the vertical selection line 457.

図2に示すような4TR構成では、フローティングディフュージョン438は増幅用トランジスタ442のゲートに接続されているので、増幅用トランジスタ442はフローティングディフュージョン438の電位(以下FD電位という)に対応した信号を電圧モードで、画素線451を介して垂直信号線418(418)に出力する。   In the 4TR configuration as shown in FIG. 2, since the floating diffusion 438 is connected to the gate of the amplifying transistor 442, the amplifying transistor 442 outputs a signal corresponding to the potential of the floating diffusion 438 (hereinafter referred to as FD potential) in the voltage mode. Thus, the signal is output to the vertical signal line 418 (418) via the pixel line 451.

リセットトランジスタ436は、フローティングディフュージョン438をリセットする。読出選択用トランジスタ(転送トランジスタ)434は、電荷生成部432にて生成された信号電荷をフローティングディフュージョン438に転送する。垂直信号線418には多数の画素が接続されているが、画素を選択するのには、選択画素のみ垂直選択用トランジスタ440をオンする。すると選択画素のみが垂直信号線418と接続され、垂直信号線418には選択画素の信号が出力される。   The reset transistor 436 resets the floating diffusion 438. The read selection transistor (transfer transistor) 434 transfers the signal charge generated by the charge generation unit 432 to the floating diffusion 438. A large number of pixels are connected to the vertical signal line 418. To select a pixel, the vertical selection transistor 440 is turned on only for the selected pixel. Then, only the selected pixel is connected to the vertical signal line 418, and the signal of the selected pixel is output to the vertical signal line 418.

ここで、単位画素403についての配線としては、転送ゲート配線(読出選択線TRG)453、リセット配線(RST)455、および行アドレス選択用の垂直選択線(SEL)457の3本が横方向に敷設され、垂直信号線418とドレイン線(Vdd供給配線)が縦方向に敷設され、またフローティングディフュージョン438と増幅用トランジスタ442のゲートとをつなぐなどの内部配線(画素内の配線)が敷設され、さらにここでは図示していないが、画素境界部分と黒レベル検出画素のための遮光膜に使う2次元配線が存在する。   Here, as the wiring for the unit pixel 403, three of a transfer gate wiring (read selection line TRG) 453, a reset wiring (RST) 455, and a vertical selection line (SEL) 457 for row address selection are arranged in the horizontal direction. The vertical signal line 418 and the drain line (Vdd supply wiring) are laid in the vertical direction, and internal wiring (wiring in the pixel) such as connecting the floating diffusion 438 and the gate of the amplifying transistor 442 is laid. Further, although not shown here, there are two-dimensional wirings used for the light shielding film for the pixel boundary portion and the black level detection pixel.

また、本実施形態特有の構成要素として、単位画素403は、垂直走査部414から、少なくとも露光時間調整用の転送ゲートパルスが行ごとに転送駆動バッファ452に向けて供給されるようになっている。必要に応じて、リセットトランジスタ436に向けて露光時間調整用のリセットゲートパルスRSTが行ごとに供給されるようにすることもできる。   Further, as a component unique to the present embodiment, the unit pixel 403 is configured such that at least a transfer gate pulse for adjusting the exposure time is supplied from the vertical scanning unit 414 to the transfer drive buffer 452 for each row. . If necessary, the reset gate pulse RST for adjusting the exposure time may be supplied to the reset transistor 436 for each row.

たとえば、垂直走査部414は、通常走査に関わる読出行を設定する垂直アドレス設定部(通常走査)414xの他に、蓄積時間(露光時間)を制御する専用の機能部として、垂直アドレス設定部414xにおける通常動作時と同様にシャッタ対象の単位画素(シャッタ画素)の行選択をするための転送ゲートパルスTGsを出力する垂直シャッタタイミング制御部414zを有し、通常の読出行とシャッタ画素との行間隔(すなわちシャッタ画素の行位置)を指定可能になっている。   For example, the vertical scanning unit 414 has a vertical address setting unit 414x as a dedicated functional unit for controlling the accumulation time (exposure time) in addition to the vertical address setting unit (normal scanning) 414x for setting a readout row related to normal scanning. As in the normal operation, the vertical shutter timing control unit 414z that outputs a transfer gate pulse TGs for selecting a row of a unit pixel (shutter pixel) to be shuttered is provided, and a normal readout row and a row of shutter pixels The interval (that is, the row position of the shutter pixel) can be specified.

また、このシャッタタイミング制御部414zの構成に応じて、垂直駆動部414yは、少なくとも転送駆動バッファ452に関しては、通常の読出行およびシャッタ画素の選択行に関して読出選択用トランジスタ434を駆動する。   Further, according to the configuration of the shutter timing control unit 414z, the vertical drive unit 414y drives the read selection transistor 434 with respect to the normal read row and the selected row of the shutter pixels at least with respect to the transfer drive buffer 452.

転送駆動バッファ452は、垂直アドレス設定部414xからの通常の読出行を指定する読出パルス(転送ゲートパルス)TGと、垂直シャッタタイミング制御部414zからのシャッタ画素の行を指定する転送ゲートパルスTGsに対して論理和回路を構成して動作するようになっている。   The transfer drive buffer 452 applies a read pulse (transfer gate pulse) TG designating a normal read row from the vertical address setting unit 414x and a transfer gate pulse TGs designating a shutter pixel row from the vertical shutter timing control unit 414z. On the other hand, a logical sum circuit is configured to operate.

読出選択用トランジスタ434は、転送ゲート配線(読出選択線TRG)453を介して転送駆動バッファ452からの転送信号TRGにより駆動されるようになっている。リセットトランジスタ436は、リセット配線(RST)455を介してリセット駆動バッファ454からのリセット信号φRSTにより駆動されるようになっている。垂直選択用トランジスタ440は、垂直選択線(SELV)457を介して選択駆動バッファ456からの垂直選択信号φSELにより駆動されるようになっている。各駆動バッファは、垂直アドレス設定部414xもしくはシャッタタイミング制御部414zによって制御可能になっている。   The read selection transistor 434 is driven by a transfer signal TRG from the transfer drive buffer 452 via a transfer gate line (read selection line TRG) 453. The reset transistor 436 is driven by a reset signal φRST from the reset drive buffer 454 via a reset wiring (RST) 455. The vertical selection transistor 440 is driven by a vertical selection signal φSEL from the selection drive buffer 456 via a vertical selection line (SELV) 457. Each drive buffer can be controlled by a vertical address setting unit 414x or a shutter timing control unit 414z.

ここで、本実施形態においては、電荷蓄積時間を行ごとに制御するシャッタタイミング制御部414zは、転送駆動バッファ452および転送ゲート配線(読出選択線)455を介して、所定行上の所定カラム位置の単位画素403の読出選択用トランジスタ434を制御する。垂直アドレス設定部414xによる読出行の制御は行単位の制御となり、それに合わせて、シャッタタイミング制御部414zは、シャッタ行位置を制御する。   Here, in the present embodiment, the shutter timing control unit 414z that controls the charge accumulation time for each row has a predetermined column position on a predetermined row via the transfer drive buffer 452 and the transfer gate wiring (read selection line) 455. The readout selection transistor 434 of the unit pixel 403 is controlled. The readout row control by the vertical address setting unit 414x is control in units of rows, and the shutter timing control unit 414z controls the shutter row position accordingly.

蓄積時間を制御するシャッタタイミング制御部414zと、通常読出しのアドレス位置(行)を制御する垂直アドレス設定部414xとで、担当する行を分けて蓄積時間を制御するようにしている。すなわち、垂直列方向の行アドレスの時間差を露光時間設定に使うことで、ライン周期を1調整単位とする露光時間制御機能を実現する。   The storage timing is controlled by dividing the assigned rows by the shutter timing control unit 414z for controlling the accumulation time and the vertical address setting unit 414x for controlling the address position (row) for normal reading. In other words, by using the time difference between the row addresses in the vertical column direction for setting the exposure time, an exposure time control function with the line period as one adjustment unit is realized.

また、詳しくは後述するが、本実施形態の露光時間制御機能の特徴点としては、撮像部410を複数に領域分割し、領域ごとに読出行とシャッタ行を同様に設定し、各領域のそれぞれ1行分の全単位画素403に対して同時に、画素信号のカラム処理部420までの転送動作を行なうようにする。   Further, as will be described in detail later, as a feature point of the exposure time control function of the present embodiment, the imaging unit 410 is divided into a plurality of regions, and a readout row and a shutter row are similarly set for each region. The transfer operation of the pixel signals to the column processing unit 420 is simultaneously performed for all the unit pixels 403 for one row.

また、このような蓄積時間設定を、垂直アドレス設定部414xだけで行なうのではなく、電子シャッタ専用のシャッタタイミング制御部414zを設けて蓄積時間を制御するようにしているので、その制御が容易になる。   In addition, such accumulation time setting is not performed only by the vertical address setting unit 414x, but a shutter timing control unit 414z dedicated to the electronic shutter is provided to control the accumulation time, so that the control is easy. Become.

なお、行単位での露光時間制御を行なうのではなく、たとえば同一水平期間内で、長時間蓄積側の画素信号の読み出しを行なった後に、短時間蓄積を行ない、直ぐにその短時間蓄積側の画素信号の読み出しを行なうようにすることもできる。ただしこの場合、短時間蓄積側は、1水平期間(たとえば64マイクロ秒)以下の蓄積時間となるので、短時間側の蓄積時間の設定に自由度がない。   In addition, instead of performing exposure time control in units of rows, for example, after reading out the pixel signal on the long-time accumulation side within the same horizontal period, the short-time accumulation is performed, and the pixel on the short-time accumulation side is immediately It is also possible to read out the signal. However, in this case, since the short-time accumulation side has an accumulation time of one horizontal period (for example, 64 microseconds) or less, there is no flexibility in setting the accumulation time on the short-time side.

<露光時間制御機能;第1実施形態>
図3および図4は、第1実施形態のCMOS撮像素子12を用いた場合における露光時間制御機能を説明する図である。
<Exposure Time Control Function; First Embodiment>
3 and 4 are diagrams for explaining the exposure time control function when the CMOS image sensor 12 of the first embodiment is used.

図3に示すように、垂直走査部414は、シャッタ画素位置を指定するアドレス情報(具体的には駆動パルスとしての転送ゲートパルスTGs)を生成する機能要素として、通常の読出対象の行アドレスφTGを指定する垂直アドレス設定部414xとは別に、シャッタ対象の単位画素403(シャッタ画素)の行アドレスφTGsを指定するシャッタタイミング制御部414zを備えている。   As shown in FIG. 3, the vertical scanning unit 414 has a normal read target row address φTG as a functional element that generates address information (specifically, transfer gate pulses TGs as drive pulses) for designating shutter pixel positions. In addition to the vertical address setting unit 414x for designating, a shutter timing control unit 414z for designating the row address φTGs of the unit pixel 403 (shutter pixel) to be shuttered is provided.

ここで、第1実施形態の垂直アドレス設定部414xおよびシャッタタイミング制御部414zは、何れも、行アドレスφTG,φTGsを、上側領域410uおよび下側領域410dのそれぞれにおいて1行ずつ同時に出力することで、同一検知条件としての同一の露光条件すなわちシャッタ速度を、各領域に設定する。   Here, the vertical address setting unit 414x and the shutter timing control unit 414z of the first embodiment simultaneously output the row addresses φTG and φTGs one row at a time in each of the upper region 410u and the lower region 410d. The same exposure condition as the same detection condition, that is, the shutter speed is set for each region.

このため、垂直アドレス設定部414xからは通常の読出行を領域ごとに指定する駆動パルスφTGu,φTGdが、上側領域410uおよび下側領域410dのそれぞれにおける同一行の全単位画素403に供給されるような配線構成を採用する。これにより、駆動パルスφTGu,φTGuで指定された上側領域410uおよび下側領域410dの各読出行nu,ndの単位画素403が読出画素として指定される。   For this reason, the vertical address setting unit 414x supplies the drive pulses φTGu and φTGd for designating the normal readout row for each region to all the unit pixels 403 in the same row in each of the upper region 410u and the lower region 410d. Adopt a simple wiring configuration. As a result, the unit pixel 403 of each readout row nu, nd of the upper region 410u and the lower region 410d designated by the drive pulses φTGu, φTGu is designated as a readout pixel.

また、シャッタタイミング制御部414zからはシャッタ対象の行アドレスを指定する領域ごとの駆動パルスφTGsu,φTGsdが、上側領域410uおよび下側領域410dのそれぞれにおける同一行の全単位画素403に供給されるような配線構成を採用する。これにより、駆動パルスφTGsu,φTGsuで指定された上側領域410uおよび下側領域410dの各シャッタ行nsu,nsdの単位画素403がシャッタ画素として指定される。   The shutter timing control unit 414z supplies the drive pulses φTGsu and φTGsd for each region designating the row address to be shuttered to all unit pixels 403 in the same row in each of the upper region 410u and the lower region 410d. Adopt a simple wiring configuration. As a result, the unit pixel 403 of each shutter row nsu, nsd in the upper region 410u and lower region 410d designated by the drive pulses φTGsu, φTGsu is designated as the shutter pixel.

ここで、上側領域410uおよび下側領域410dにおいて、読出行nuとシャッタ行nsuとをΔsu行だけ離し、かつ読出行ndとシャッタ行nsdとをΔsd行だけ離し、Δsu=Δsdとする。読出行nuとシャッタ行nsuの間隔Δsuとを読出行ndとシャッタ行nsdの間隔Δsdとを同一に維持して調整することで、ライン周期(1水平走査期間)を調整単位として、上側領域410uおよび下側領域410dのそれぞれにおいて、CMOS撮像素子から読み出される信号の蓄積時間(すなわち電子シャッタによる露光時間)を同一に制御できる。   Here, in the upper region 410u and the lower region 410d, the readout row nu and the shutter row nsu are separated by Δsu rows, and the readout row nd and the shutter row nsd are separated by Δsd rows, and Δsu = Δsd. By adjusting the interval Δsu between the readout row nu and the shutter row nsu while maintaining the same interval Δsd between the readout row nd and the shutter row nsd, the upper region 410u with the line period (one horizontal scanning period) as an adjustment unit. In each of the lower region 410d and the lower region 410d, the accumulation time of signals read from the CMOS image sensor (that is, the exposure time by the electronic shutter) can be controlled to be the same.

撮像部410の下側領域410dと上側領域410uとについて、2系統に分けた各信号処理部でなる各対を垂直信号線418a,418bの上下2方向に分けて配置する場合において、それぞれ同時に行単位での電荷蓄積(電子シャッタによる露光時間設定)を行ないつつ、独立した画素信号の読出しを行なうに当たっては、それぞれの垂直方向の走査起点STd,STuを何処にするかは自由度がある。一例としては、図4(B)に示すように、下側領域aと上側領域bとの境界に設定するのがよい。   When the lower region 410d and the upper region 410u of the imaging unit 410 are arranged in two vertical signal lines 418a and 418b in pairs, the signal processing units divided into two systems are arranged at the same time. When reading out independent pixel signals while performing charge accumulation in units (exposure time setting by an electronic shutter), there is a degree of freedom as to where the vertical scanning start points STd and STu are located. As an example, as shown in FIG. 4B, it may be set at the boundary between the lower region a and the upper region b.

第1実施形態のCMOS撮像素子12の構成のように、撮像部410を下側領域410dと上側領域410uというように2系統(N=2)に領域分割しつつ、撮像部410から画素信号を読み出して処理する機能部(カラム処理部420、水平走査部412、水平選択スイッチ部460、出力部488)もそれぞれ2系統(N=2)に分けた場合でも、シャッタ速度が水平走査期間とさして変わらないほど速く設定される場合には、物体の水平方向の動きとスキャン時点の差(図4(B)参照)に起因して、図4(C)に示すように、蓄積期間の差がライン方向(行方向;水平走査方向)の時間シェーディング歪みが画像に現れる。   Like the configuration of the CMOS image sensor 12 of the first embodiment, the image pickup unit 410 is divided into two systems (N = 2) such as a lower region 410d and an upper region 410u, and pixel signals are received from the image pickup unit 410. Even when the functional units (column processing unit 420, horizontal scanning unit 412, horizontal selection switch unit 460, and output unit 488) to be read and processed are divided into two systems (N = 2), the shutter speed is equal to the horizontal scanning period. When the speed is set so fast that it does not change, due to the difference between the horizontal movement of the object and the scanning time point (see FIG. 4B), as shown in FIG. Time shading distortion in the line direction (row direction; horizontal scanning direction) appears in the image.

しかしながら、2系統(N=2)に領域分割して、それぞれ同時に行単位での電荷蓄積を行ないつつ、独立した画素信号の読出しを行なうことで、時間シェーディング歪み量すなわち1フレーム(Frame )内での蓄積時間誤差を小さくする、具体的には従来に比べて1/2に低減することで、画像の動き歪を小さくすることができる。付加的な効果として、分割した領域ごとに同時に信号検知を行ないつつ、領域別に独立した単位信号の読出しを同時にすなわち並行して行なうので、垂直方向の読出時間を短縮することもできる。   However, by dividing the region into two systems (N = 2) and simultaneously storing charges in units of rows, and reading out independent pixel signals, the amount of temporal shading distortion, that is, within one frame (Frame), can be obtained. The motion distortion of the image can be reduced by reducing the storage time error of the image, specifically by reducing the error to ½ compared to the conventional case. As an additional effect, reading of unit signals independent for each region is performed simultaneously, that is, in parallel, while simultaneously performing signal detection for each divided region, so that the reading time in the vertical direction can be shortened.

領域ごとに露光時間制御を行なうものの、基本的な露光制御は従来のライン露光と同様であり、特許文献1に記載のグローバルシャッタ機能における1H以上の期間電荷を蓄積することに起因する暗電流ノイズの問題も生じない。また、基本的な露光制御は従来のライン露光と同様であり、分割する各領域に対して同様にアドレス制御すればよく、その制御はアドレス位置を複数設定するだけであるので、制御構造は簡易である。   Although exposure time control is performed for each area, the basic exposure control is the same as that of the conventional line exposure, and dark current noise caused by accumulating charges for a period of 1 H or more in the global shutter function described in Patent Document 1. No problem arises. Basic exposure control is the same as conventional line exposure, and it is only necessary to perform address control in the same manner for each area to be divided. Since this control only sets a plurality of address positions, the control structure is simple. It is.

また、第1実施形態のように、2系統に分けた各信号処理部でなる各対を垂直信号線418の上下2方向に分けて配置するようにすれば、単位画素403で生成される画素信号を引き出すための垂直信号線418a,418bを撮像部410の下側領域410dと上側領域410uにそれぞれ1本(N/2=2/2=1)配すればよく、撮像部410全体の垂直信号線418a,418bの配線状態は実質的には従来構成と同様に1本と見ることができるから、後述する第2実施形態とは異なり、垂直信号線418a,418bが光を遮る虞れもない。   Further, as in the first embodiment, if each pair of signal processing units divided into two systems is arranged in two vertical directions of the vertical signal line 418, pixels generated by the unit pixel 403 are generated. One vertical signal line 418a and 418b for extracting a signal may be provided in each of the lower region 410d and the upper region 410u of the imaging unit 410 (N / 2 = 2/2 = 1). Since the wiring state of the signal lines 418a and 418b can be regarded as substantially one as in the conventional configuration, unlike the second embodiment described later, the vertical signal lines 418a and 418b may block light. Absent.

<第1実施形態の変形例1>
図5は、第1実施形態のCMOS撮像素子12を用いた場合における露光時間制御機能の第1の変形例を説明する図である。
<Variation 1 of the first embodiment>
FIG. 5 is a diagram for explaining a first modification of the exposure time control function when the CMOS image sensor 12 of the first embodiment is used.

上記第1実施形態の露光時間制御動作においては、領域分割した下側領域410dと上側領域410uについての垂直走査に当たって、その走査起点を下側領域aと上側領域bとの境界に設定していたが、その他に設定することもできる。   In the exposure time control operation of the first embodiment, the vertical scanning of the divided lower region 410d and upper region 410u is set at the boundary between the lower region a and the upper region b. However, other settings can be made.

たとえば、図5(A)に示すように、下側領域410dの走査起点STdを下側領域aと上側領域bとの境界に設定しつつ、上側領域410uの走査起点STuを、撮像部410の最上部に設定することもできる。この場合、上側領域410uの走査終点ENuが、下側領域410dの走査起点STdと同じく、下側領域aと上側領域bとの境界になる。   For example, as shown in FIG. 5A, the scanning start point STu of the upper area 410u is set to the boundary of the lower area a and the upper area b while the scanning start point STd of the lower area 410d is set to the boundary of the imaging unit 410. It can also be set at the top. In this case, the scanning end point ENu of the upper region 410u is the boundary between the lower region a and the upper region b, similarly to the scanning start point STd of the lower region 410d.

また、図5(A)に示したのとは逆に、図5(B)に示すように、上側領域410uの走査起点STuを下側領域aと上側領域bとの境界に設定しつつ、下側領域410dの走査起点STdを、撮像部410の最下部に設定することもできる。この場合、下側領域410dの走査終点ENdが、上側領域410uの走査起点STuと同じく、下側領域aと上側領域bとの境界になる。   In contrast to the case shown in FIG. 5A, as shown in FIG. 5B, the scanning start point STu of the upper region 410u is set at the boundary between the lower region a and the upper region b. The scanning start point STd of the lower area 410d can also be set at the bottom of the imaging unit 410. In this case, the scanning end point ENd of the lower region 410d is the boundary between the lower region a and the upper region b, similarly to the scanning start point STu of the upper region 410u.

このように、垂直走査の起点を種々の位置に設定しても、2系統(N=2)に領域分割して、それぞれ同時に行単位での電荷蓄積を行ないつつ、独立した画素信号の読出しを行なうことができるので、時間シェーディング歪みを、従来に比べて、1/2に低減することができる。撮像部410全体の垂直信号線418a,418bの配線状態は実質的には従来構成と同様に1本と見ることができるから、垂直信号線418a,418bが光を遮る虞れもない。   As described above, even when the starting point of the vertical scanning is set at various positions, it is divided into two systems (N = 2), and independent pixel signals can be read out while simultaneously storing charges in units of rows. Since this can be done, the time shading distortion can be reduced to ½ compared to the conventional case. Since the wiring state of the vertical signal lines 418a and 418b in the entire image pickup unit 410 can be regarded as substantially one as in the conventional configuration, there is no possibility that the vertical signal lines 418a and 418b block light.

また、上記第1実施形態における第1の特徴点の趣旨は、検出領域である撮像部410を複数系統に領域分割して、領域ごとにそれぞれ同時に同一の検知条件の元で信号検知を行ないつつ、領域別に独立した単位信号の読出しを行なうことで従来のものよりも時間シェーディング歪み量を低減することであり、この限りにおいて、2つの領域内の画素ラインが同じになるように均等に領域分割することは必須ではない。たとえば、図5(C)に示すように、上側領域410uに属するライン数の方が下側領域410dに属するライン数よりも少なくなるように領域分割しても、時間シェーディングの歪みを従来より低減することができる。   In addition, the purpose of the first feature point in the first embodiment is to divide the imaging unit 410 that is a detection region into a plurality of systems and perform signal detection under the same detection condition for each region at the same time. This is to reduce the amount of temporal shading distortion compared to the conventional one by reading out unit signals independently for each region. As long as this is the case, the region is divided evenly so that the pixel lines in the two regions are the same. It is not essential to do. For example, as shown in FIG. 5C, even if the area is divided so that the number of lines belonging to the upper area 410u is smaller than the number of lines belonging to the lower area 410d, temporal shading distortion is reduced as compared with the conventional case. can do.

<第1実施形態の変形例2>
図6は、第1実施形態のCMOS撮像素子12を用いた場合における露光時間制御機能の第2の変形例を説明する図である。
<Modification 2 of the first embodiment>
FIG. 6 is a diagram for explaining a second modification of the exposure time control function when the CMOS image sensor 12 of the first embodiment is used.

上記第1実施形態における最大のポイントは、撮像部410を複数に領域分割しつつ、複数の単位画素403が配された撮像部410で生成される画素信号を読み出して処理する機能部(特にカラム処理部420)を複数系統設ける第1の特徴点であり、複数系統の処理部を撮像部410の2次元領域に対しそれぞれ反対側の位置に分けて配する第2の特徴点を備えていることは必須ではない。   The greatest point in the first embodiment is that a functional unit (particularly a column) that reads and processes pixel signals generated by the imaging unit 410 in which a plurality of unit pixels 403 are arranged while dividing the imaging unit 410 into a plurality of regions. This is a first feature point in which a plurality of processing units 420) are provided, and a second feature point is provided in which the processing units of the plurality of systems are arranged at positions opposite to the two-dimensional region of the imaging unit 410. That is not essential.

たとえば図6に示すように、カラム処理部420、水平走査部412、水平選択スイッチ部460、水平信号線486、出力部488をそれぞれ対(それぞれに参照子a,bを付して示す)にして、各対を垂直信号線418の上下2方向の何れか一方に配置することができる。図では、a同士/b同士とし、一方の垂直信号線418aに対するa系統、並びに他方の垂直信号線418bに対してのb系統の何れをも、図中の下側に配している。   For example, as shown in FIG. 6, a column processing unit 420, a horizontal scanning unit 412, a horizontal selection switch unit 460, a horizontal signal line 486, and an output unit 488 are paired (represented with reference elements a and b, respectively). Thus, each pair can be arranged in one of the two vertical directions of the vertical signal line 418. In the figure, a / b is used, and both the a system for one vertical signal line 418a and the b system for the other vertical signal line 418b are arranged on the lower side in the figure.

領域分割した下側領域410dと上側領域410uについての垂直走査に当たっての各走査起点STd、STuは、前述のように、種々の位置に設定することができる。   As described above, the scanning start points STd and STu for vertical scanning of the divided lower region 410d and upper region 410u can be set at various positions as described above.

この図6に示す態様においても、2系統のカラム信号処理部422a,422bに設けられている図示しない記憶部に保持された電位信号Vma,Vmbを独立に(時間的には同時並行的な処理でよい)にそれぞれの水平信号線486a,486bに読み出して出力部488a,488bに渡し、出力部488a,488bの後段にてそれぞれの出力信号S3a,S3bを用いて1画面を生成するための合成処理を行なう。   Also in the embodiment shown in FIG. 6, the potential signals Vma and Vmb held in the storage unit (not shown) provided in the two systems of column signal processing units 422a and 422b are processed independently (in parallel with time, May be read out to the horizontal signal lines 486a and 486b and passed to the output units 488a and 488b, and a composition for generating one screen using the output signals S3a and S3b at the subsequent stage of the output units 488a and 488b. Perform processing.

このような図6に示す態様においても、2系統(N=2)に領域分割して、それぞれ同時に行単位での電荷蓄積を行ないつつ、独立した画素信号の読出しを行なうことができるので、時間シェーディング歪みを、従来に比べて、1/2に低減することができる。   In such an embodiment shown in FIG. 6 as well, it is possible to read out independent pixel signals while dividing the region into two systems (N = 2) and simultaneously storing charges in units of rows, respectively. The shading distortion can be reduced to ½ compared to the conventional case.

ただし、撮像部410全体の垂直信号線418a,418bの配線状態は、図6から分かるように、下側領域410dおよび上側領域410uの何れか一方(図では下側領域410d)において、画素列当たりN本(本例では2本)を並列に配置する必要が生じる。すなわち、自身の画素が属する領域用の垂直信号線418だけでなく、他の領域用の垂直信号線418をも撮像部410に対して同一方向位置に引き出す必要が生じる。   However, as can be seen from FIG. 6, the wiring state of the vertical signal lines 418a and 418b of the entire imaging unit 410 is per pixel column in either the lower region 410d or the upper region 410u (lower region 410d in the figure). N (two in this example) need to be arranged in parallel. That is, not only the vertical signal line 418 for the area to which the pixel belongs but also the vertical signal lines 418 for other areas need to be drawn out to the imaging unit 410 in the same direction position.

撮像部410の能動素子に対して配線をなす配線層を形成するに際し、入射光を配線層と同じ面側から光電変換素子に取り込む通常の表面受光型の画素構造を持つ表面センサでは、この他の領域用の垂直信号線418が光を遮る要因になる。   When forming a wiring layer that forms a wiring with respect to the active element of the imaging unit 410, a surface sensor having a normal surface-receiving pixel structure that takes incident light into the photoelectric conversion element from the same surface side as the wiring layer is used in addition to this. The vertical signal line 418 for the above region becomes a factor that blocks light.

この問題を解消するには、後述する第2実施形態のように、裏面照射型のセンサ構造にすればよい。裏面照射型では、光電変換素子が形成される素子層に対してその一方の面側に、能動素子に対して配線をなす配線層を形成し、入射光を素子層の他方の面側、すなわち配線層と逆の面側から光電変換素子に取り込む裏面受光型の画素構造とする。このような裏面受光型の画素構造を採ることにより、受光面を考慮した配線の必要がなくなる。すなわち、配線による遮光の問題を気にすることなく、光電変換素子領域上への配線ができ、配線の自由度が高くなる。   In order to solve this problem, a back-illuminated sensor structure may be used as in the second embodiment described later. In the back-illuminated type, a wiring layer that forms a wiring with respect to the active element is formed on one surface side of the element layer on which the photoelectric conversion element is formed, and incident light is transmitted to the other surface side of the element layer, that is, A back-side light-receiving pixel structure that takes in the photoelectric conversion element from the side opposite to the wiring layer is employed. By adopting such a back-surface light receiving type pixel structure, the need for wiring considering the light receiving surface is eliminated. That is, wiring can be performed on the photoelectric conversion element region without worrying about the problem of light shielding by wiring, and the degree of freedom of wiring is increased.

よって、領域分割した下側領域410dと上側領域410uについての画素信号の垂直方向の読出しに当たり、光を遮る要因を気にすることなく、垂直信号線を垂直信号線418a,418bのように複数(本例では2本)並列して配置することができる。   Therefore, when the pixel signals for the lower region 410d and the upper region 410u divided into regions are read in the vertical direction, a plurality of vertical signal lines (such as the vertical signal lines 418a and 418b) can be used without worrying about light blocking factors. 2 in this example) can be arranged in parallel.

<CMOS撮像素子の構成例;第2実施形態>
図7は、固体撮像素子の一例であるCMOS撮像素子12の第2実施形態の概略構成図である。第2実施形態のCMOS撮像素子12は、撮像部410を3以上に領域分割しつつ、撮像部410で生成される画素信号を読み出して処理する機能部(特にカラム処理部420)を領域分割分だけ設ける点に第1の特徴を有する。加えて、それら領域分割分の処理部を撮像部410の2次元領域に対し、複数の位置に分けて配する点に第2の特徴を有する。
<Configuration Example of CMOS Image Sensor; Second Embodiment>
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a second embodiment of a CMOS image sensor 12 which is an example of a solid-state image sensor. The CMOS image sensor 12 of the second embodiment divides a functional unit (particularly the column processing unit 420) that reads and processes a pixel signal generated by the imaging unit 410 while dividing the imaging unit 410 into three or more regions. It has the 1st characteristic in the point provided only. In addition, the second feature is that the processing units for the region divisions are arranged in a plurality of positions with respect to the two-dimensional region of the imaging unit 410.

特に、第2実施形態のCMOS撮像素子12では、第1の特徴点に対応して、撮像部410を2つの領域内の画素ラインが同じになるように4つの領域に均等に分割し、また画素信号を読み出して処理するカラム処理部420を4つ設ける点に特徴を有する。また、第2の特徴点に対応して、水平走査部412、水平選択スイッチ部460、水平信号線486、出力部488をそれぞれ2系統(N=2)に分けかつそれらを撮像部410を挟んで両側に配置する点に特徴を有する。   In particular, in the CMOS image sensor 12 of the second embodiment, the imaging unit 410 is equally divided into four regions so that the pixel lines in the two regions are the same, corresponding to the first feature point, It is characterized in that four column processing units 420 for reading and processing pixel signals are provided. Corresponding to the second feature point, the horizontal scanning unit 412, the horizontal selection switch unit 460, the horizontal signal line 486, and the output unit 488 are divided into two systems (N = 2), respectively, and these are sandwiched by the imaging unit 410. It is characterized in that it is arranged on both sides.

具体的には、図7(A)に示すように、垂直信号線418aを担当する下側領域410aと垂直信号線418bを担当する下側領域410bのそれぞれに対応するカラム処理部420a,420bを図中の下側に配し、垂直信号線418cを担当する上側領域410cと垂直信号線418dを担当する上側領域410dのそれぞれに対応するカラム処理部420c,420dを図中の上側に配する。   Specifically, as shown in FIG. 7A, column processing units 420a and 420b corresponding to the lower region 410a in charge of the vertical signal line 418a and the lower region 410b in charge of the vertical signal line 418b are provided. The column processing units 420c and 420d corresponding to the upper region 410c in charge of the vertical signal line 418c and the upper region 410d in charge of the vertical signal line 418d are arranged on the upper side in the drawing.

また、下側に配されたカラム処理部420a,420bからの信号を水平方向に読み出す機能部として、水平走査部412d、水平選択スイッチ部460d、水平信号線486d、出力部488dをそれぞれ図中の下側に配し、上側に配されたカラム処理部420c,420dからの信号を水平方向に読み出す機能部として、水平走査部412u、水平選択スイッチ部460u、水平信号線486u、出力部488uをそれぞれ図中の上側に配する。   In addition, a horizontal scanning unit 412d, a horizontal selection switch unit 460d, a horizontal signal line 486d, and an output unit 488d are respectively shown in the drawing as functional units that read signals from the column processing units 420a and 420b arranged on the lower side in the horizontal direction. A horizontal scanning unit 412u, a horizontal selection switch unit 460u, a horizontal signal line 486u, and an output unit 488u are provided as functional units that are arranged on the lower side and read out signals from the column processing units 420c and 420d arranged on the upper side in the horizontal direction. Arranged on the upper side in the figure.

この場合、下側の2系統のカラム信号処理部422a,422bに設けられている図示しない記憶部に保持された電位信号Vma,Vmbを所定の順に(たとえば図の左から右へ順に)水平信号線486dに読み出して出力部488dに渡す。また、上の2系統のカラム信号処理部422c,422dに設けられている図示しない記憶部に保持された電位信号Vmc,Vmdを所定の順に(たとえば図の左から右へ順に)水平信号線486uに読み出して出力部488uに渡す。この水平方向の読出しは、上下独立に(時間的には同時並行的な処理でよい)に行なう。そして、出力部488d,488uの後段にてそれぞれの出力信号S3d,S3uを用いて1画面を生成するための合成処理を行なう。   In this case, potential signals Vma and Vmb held in a storage unit (not shown) provided in the lower two column signal processing units 422a and 422b are converted into horizontal signals in a predetermined order (for example, from left to right in the figure). Read to line 486d and pass to output 488d. Further, the potential signals Vmc and Vmd held in the storage unit (not shown) provided in the upper two column signal processing units 422c and 422d are applied in the predetermined order (for example, from the left to the right in the figure) with the horizontal signal line 486u. To the output unit 488u. This horizontal reading is performed independently in the upper and lower directions (same time parallel processing may be used). Then, after the output units 488d and 488u, a synthesis process for generating one screen is performed using the output signals S3d and S3u.

なお、水平選択スイッチ部460、出力部488、水平走査部412、出力部488に関しても、カラム処理部420の4分割(a,b,c,d)に対応させてそれぞれ4系統に分けるようにしてもよい。   The horizontal selection switch unit 460, the output unit 488, the horizontal scanning unit 412, and the output unit 488 are also divided into four systems corresponding to the four divisions (a, b, c, d) of the column processing unit 420, respectively. May be.

下側領域410a,410bおよび上側領域410c,410dのそれぞれにおける読出行とシャッタ行の設定の仕方は、図を用いた説明を割愛するが、図3に示した2分割の場合に準じて行なえばよい。   The method of setting the readout row and the shutter row in each of the lower region 410a, 410b and the upper region 410c, 410d is omitted from the description with reference to the drawing. However, if it is performed according to the two-divided case shown in FIG. Good.

また、撮像部410の下側領域410a,410bおよび上側領域410c,410dについて、それぞれ同時に行単位での電荷蓄積(電子シャッタによる露光時間設定)を行ないつつ、独立した画素信号の読出しを行なうに当たっては、それぞれの垂直方向の走査起点STda,STdb,STuc,STudを何処にするかは自由度がある。一例としては、図7(B)に示すように、走査起点STda,STucは上下の各端縁に、走査起点STdb,STudは下側領域bと上側領域dとの境界に設定するのがよい。   In addition, for the lower regions 410a and 410b and the upper regions 410c and 410d of the image pickup unit 410, charge accumulation is performed in units of rows (exposure time setting by an electronic shutter), and independent pixel signals are read out. The vertical scanning start points STda, STdb, STuc, and STud are flexible. As an example, as shown in FIG. 7B, the scanning starting points STda and STuc are preferably set at the upper and lower edges, and the scanning starting points STdb and STud are set at the boundary between the lower region b and the upper region d. .

第2実施形態のCMOS撮像素子12の構成のように、撮像部410を3系統(N=3)以上(本例では4系統)に領域分割しつつ、撮像部410から画素信号を読み出して処理する機能部(カラム処理部420、水平走査部412、水平選択スイッチ部460、出力部488)も、その領域分割に応じて適当に分けた場合でも、シャッタ速度が水平走査期間とさして変わらないほど速く設定される場合には、物体の水平方向の動きとスキャン時点の差(図7(B)参照)に起因して、図7(C)に示すように、蓄積期間の差がライン方向(行方向;水平走査方向)の時間シェーディング歪みが画像に現れる。   As in the configuration of the CMOS image sensor 12 of the second embodiment, the image pickup unit 410 is divided into three systems (N = 3) or more (four systems in this example), and pixel signals are read from the image pickup unit 410 and processed. Even when the function units (the column processing unit 420, the horizontal scanning unit 412, the horizontal selection switch unit 460, and the output unit 488) are appropriately divided according to the area division, the shutter speed is not much different from the horizontal scanning period. When the setting is fast, due to the difference between the horizontal movement of the object and the scanning time point (see FIG. 7B), as shown in FIG. Time shading distortion in the row direction (horizontal scanning direction) appears in the image.

しかしながら、3系統(N=3)以上に領域分割して、それぞれ同時に行単位での電荷蓄積を行ないつつ、独立した画素信号の読出しを行なうことで、その歪み量を、従来に比べて、1/3以下(本例では1/4)に低減することができる。つまり、領域の分割数Nを増やすことにより、均等分割にした場合、時間シェーディング歪みを1/Nにすることができる。   However, by dividing the area into three or more systems (N = 3) and simultaneously accumulating charges in units of rows and reading independent pixel signals, the amount of distortion is 1 / 3 or less (in this example, 1/4). In other words, the time shading distortion can be reduced to 1 / N when equal division is performed by increasing the number N of divisions of the regions.

図示を割愛するが、図5(C)に示した第1実施形態の変形例のように、N個の領域内の画素ラインが同じになるように均等に領域分割することは必須ではなく、不均等な領域分割にしても、時間シェーディングの歪みを従来よりも低減することができる。   Although illustration is omitted, it is not essential to divide the area equally so that the pixel lines in the N areas are the same as in the modification of the first embodiment shown in FIG. Even with non-uniform region division, temporal shading distortion can be reduced as compared to the conventional case.

ただし、撮像部410全体の垂直信号線418a,418b,418c,418dの配線状態は、図7(A)から分かるように、下側領域410aおよび上側領域410cにおいて、画素列当たり複数本(本例ではそれぞれN/2=2本)を並列に配置する必要が生じる。すなわち、領域分割数Nが3以上になると、必ず、自身の画素が属する領域用の垂直信号線418だけでなく、他の領域用の垂直信号線418をも撮像部410に対して同一方向位置に引き出す必要が生じる。   However, the wiring state of the vertical signal lines 418a, 418b, 418c, and 418d of the entire imaging unit 410 is plural per pixel column (this example) in the lower region 410a and the upper region 410c, as can be seen from FIG. Then, it is necessary to arrange N / 2 = 2) in parallel. That is, when the number N of area divisions is 3 or more, not only the vertical signal line 418 for the area to which the own pixel belongs but also the vertical signal line 418 for other areas in the same direction position with respect to the imaging unit 410. Need to be pulled out.

したがって、図6に示した第1実施形態の第2の変形例と同様に、撮像部410の能動素子に対して配線をなす配線層を形成するに際し、入射光を配線層と同じ面側から光電変換素子に取り込む通常の表面受光型の画素構造を持つ表面センサでは、この配線が光を遮ることとになる。この問題を解消するには、入射光を配線層とは反対側の面から光電変換素子に取り込む裏面照射型のセンサ構造にすればよい。以下、この裏面照射型のセンサ構造について説明する。   Therefore, as in the second modification of the first embodiment shown in FIG. 6, when forming a wiring layer that forms a wiring with respect to the active element of the imaging unit 410, incident light is transmitted from the same surface side as the wiring layer. In a surface sensor having a normal surface-receiving type pixel structure to be taken into a photoelectric conversion element, this wiring blocks light. In order to solve this problem, a back-illuminated sensor structure in which incident light is taken into the photoelectric conversion element from the surface opposite to the wiring layer may be used. Hereinafter, the backside illumination type sensor structure will be described.

<裏面照射型のセンサ構造;断面図>
図8は、裏面照射型の撮像部410および周辺回路部の構造の一例を示す断面図である。図8(A)において、ウェハをCMP(Chemical Mechanical Polishing )によって研磨することにより、10〜20μm程度の厚さのシリコン(Si)などでなる半導体素子層631が形成される。その厚さの望ましい範囲は、可視光に対して5〜15μm、赤外光に対して15〜50μm、紫外域に対して3〜7μmである。この半導体素子層631の一方の面側にはSiO2膜632を挟んで遮光膜633が形成されている。
<Back-illuminated sensor structure; sectional view>
FIG. 8 is a cross-sectional view showing an example of the structure of the back-illuminated imaging unit 410 and the peripheral circuit unit. In FIG. 8A, the wafer is polished by CMP (Chemical Mechanical Polishing) to form a semiconductor element layer 631 made of silicon (Si) having a thickness of about 10 to 20 μm. Desirable ranges of the thickness are 5 to 15 μm for visible light, 15 to 50 μm for infrared light, and 3 to 7 μm for ultraviolet region. A light shielding film 633 is formed on one surface side of the semiconductor element layer 631 with the SiO 2 film 632 interposed therebetween.

遮光膜633は配線と異なり、光学的な要素だけを考慮してレイアウトされる。この遮光膜633には開口部633Aが形成されている。遮光膜633の上には、パッシベーション膜としてシリコン窒化膜(SiN)634が形成され、さらに開口部633Aの上方に色フィルタ635およびマイクロレンズ636が形成されている。すなわち、半導体素子層631の一方の面側から入射する光は、マイクロレンズ636および色フィルタ635を経由して、半導体素子層631に形成されるフォトダイオード433の受光面に導かれる画素構造となっている。半導体素子層631の他方の面側には、トランジスタや金属配線が形成される配線層638が設けられ、その下にはさらに数100μm厚の基板支持材639が貼り付けられている。   Unlike the wiring, the light shielding film 633 is laid out in consideration of only optical elements. An opening 633 A is formed in the light shielding film 633. A silicon nitride film (SiN) 634 is formed on the light shielding film 633 as a passivation film, and a color filter 635 and a micro lens 636 are formed above the opening 633A. In other words, light entering from one surface side of the semiconductor element layer 631 has a pixel structure that is guided to the light receiving surface of the photodiode 433 formed in the semiconductor element layer 631 through the microlens 636 and the color filter 635. ing. A wiring layer 638 on which transistors and metal wirings are formed is provided on the other surface side of the semiconductor element layer 631, and a substrate support material 639 having a thickness of several hundred μm is further attached below the wiring layer 638.

ここで、配線層638内の第1層目は画素内の配線として、第2層目は垂直信号線418やドレイン線などのための縦方向の配線として、第3層目は転送ゲート配線(読出選択線TRG)453、リセット配線(RST)455、および行アドレス設定用の垂直選択線(SEL)457などのための横方向の配線としてそれぞれ用いられるようになっている。   Here, the first layer in the wiring layer 638 is a wiring in a pixel, the second layer is a vertical wiring for a vertical signal line 418, a drain line, and the like, and the third layer is a transfer gate wiring ( Readout selection line TRG) 453, reset wiring (RST) 455, and vertical selection line (SEL) 457 for setting a row address are used as horizontal wirings.

なお、本実施形態では、垂直信号線418用の縦方向の配線は、自身の画素が属する領域用のものに限らず、本発明の特徴部分である領域分割と領域ごとの読出行およびシャッタ行の制御のため、先にも述べたように、領域分割数Nが少なくとも3以上の場合には必ず他の領域用のものも配される。   In the present embodiment, the vertical wiring for the vertical signal line 418 is not limited to the area to which the own pixel belongs, but the area division, the readout line and the shutter line for each area, which are characteristic features of the present invention. For this control, as described above, when the number N of area divisions is at least 3 or more, those for other areas are always arranged.

この場合、領域分割数Nが比較的少ないときには、第2層目だけで十分に複数の垂直信号線418を配することができるが、領域分割数Nが多くなると、他の領域用の垂直信号線418の数が増えるので、第2層目だけでは足りないことが起こり得る。このような場合には、第4層目以降を増やすことで対処すればよい。配線層638内の層数を増やしても、受光面側の光学設計には何ら影響を与えない。この点は、層数を増やすと、受光面側の光学設計に影響を与えてしまう表面受光型のものと大きく異なる。   In this case, when the number N of area divisions is relatively small, a plurality of vertical signal lines 418 can be sufficiently provided only by the second layer. However, when the number N of area divisions increases, vertical signals for other areas are used. As the number of lines 418 increases, it may happen that the second layer alone is not sufficient. In such a case, it may be dealt with by increasing the fourth and subsequent layers. Increasing the number of layers in the wiring layer 638 does not affect the optical design on the light receiving surface side. This point is significantly different from the surface light receiving type which increases the number of layers and affects the optical design on the light receiving surface side.

もちろん、領域分割数Nに関わりなく、自身の画素が属する領域用の垂直信号線418を第2層目に配し、他の領域用の垂直信号線418を第4層目以降に配するようにしてもよい。また、自身の画素が属する領域用の垂直信号線418も第4層目以降に配するようにしてもよい。この場合、2層目の配線数を減らすことができ、画素の微細化を図ることができる。   Of course, regardless of the area division number N, the vertical signal line 418 for the area to which the pixel belongs is arranged in the second layer, and the vertical signal line 418 for other areas is arranged in the fourth and subsequent layers. It may be. Further, the vertical signal line 418 for the region to which the own pixel belongs may be arranged in the fourth and subsequent layers. In this case, the number of wirings in the second layer can be reduced, and the pixel can be miniaturized.

ここで、従来のCMOSイメージセンサでは、配線層側を表面側とし、この配線層側から入射光を取り込む表面受光型の画素構造を採っていたのに対して、第2実施形態のCMOS撮像素子12では、配線層638と反対側の面(裏面)側から入射光を取り込むことから、裏面受光型の画素構造となっている。   Here, in the conventional CMOS image sensor, the wiring layer side is the front surface side, and the surface light receiving type pixel structure that takes in incident light from the wiring layer side is adopted, whereas the CMOS image sensor of the second embodiment In FIG. 12, since incident light is taken in from the surface (back surface) opposite to the wiring layer 638, it has a back surface light receiving type pixel structure.

この裏面受光型画素構造から明らかなように、マイクロレンズ636からフォトダイオード433までの間には遮光膜633が金属層として存在するだけであること、またこの遮光膜633のフォトダイオード433からの高さがSiO2膜632の膜厚(たとえば約0.5μm)と低いことから、金属層での蹴られによる集光の制限をなくすことができる。   As is apparent from the backside light-receiving pixel structure, the light shielding film 633 only exists as a metal layer between the microlens 636 and the photodiode 433, and the light shielding film 633 has a high height from the photodiode 433. Is as low as the thickness of the SiO 2 film 632 (for example, about 0.5 μm), it is possible to eliminate the limitation of light collection due to kicking in the metal layer.

<裏面照射型のセンサ構造;画素のレイアウト例>
図9および図10は、裏面照射型の画素のレイアウト例を説明する図である。ここで、図9は、活性領域(ゲート酸化膜の領域)、ゲート(ポリシリコン)電極、および両者のコンタクト部を示す平面パターン図である。図9から分かるように、単位画素403当たり、1つのフォトダイオード(PD)433(図2の電荷生成部432に対応)と4つのトランジスタ434,436,440,442が存在する。
<Back-illuminated sensor structure; pixel layout example>
9 and 10 are diagrams for explaining a layout example of a back-illuminated pixel. Here, FIG. 9 is a plan pattern diagram showing an active region (a region of a gate oxide film), a gate (polysilicon) electrode, and a contact portion between them. As can be seen from FIG. 9, one photodiode (PD) 433 (corresponding to the charge generation unit 432 in FIG. 2) and four transistors 434, 436, 440, 442 exist per unit pixel 403.

図10は、ゲート電極よりも上の金属配線と、それらの間のコンタクト部を活性領域とともに示す平面パターン図である。ここで、金属配線(たとえばアルミニウム配線)は3層構造となっており、第1層目は画素内の配線として、第2層目は縦方向の配線、すなわち垂直信号線418やドレイン線として、第3層目は横方向の配線、すなわち転送ゲート配線(読出選択線TRG)453、リセット配線(RST)455、および行アドレス設定用の垂直選択線(SEL)457としてそれぞれ用いられている。   FIG. 10 is a plan pattern diagram showing the metal wiring above the gate electrode and the contact portion between them together with the active region. Here, the metal wiring (for example, aluminum wiring) has a three-layer structure. The first layer is a wiring in a pixel, the second layer is a vertical wiring, that is, a vertical signal line 418 or a drain line. The third layer is used as a horizontal wiring, that is, a transfer gate wiring (read selection line TRG) 453, a reset wiring (RST) 455, and a vertical selection line (SEL) 457 for setting a row address.

また、ここでは領域分割数Nに関わりなく、自身の画素が属する領域用の垂直信号線418を第2層目に配し、他の領域用の垂直信号線418を第4層目以降に配するようにしており、これら複数層の垂直信号線418が重なる(積層される)ようにしている。   Here, regardless of the area division number N, the vertical signal line 418 for the area to which its own pixel belongs is arranged in the second layer, and the vertical signal lines 418 for other areas are arranged in the fourth and subsequent layers. The plurality of vertical signal lines 418 are overlapped (stacked).

図示を割愛するが、他の領域用の垂直信号線418も第2層目に配する場合には、複数の垂直信号線418が第2層内で並列に配されるようになる。   Although illustration is omitted, when the vertical signal lines 418 for other regions are also arranged in the second layer, a plurality of vertical signal lines 418 are arranged in parallel in the second layer.

図8(A)や図10の配線パターンから分かるように、垂直信号線418や、転送ゲート配線453、リセット配線(RST)455、および垂直選択線(SEL)457は、フォトダイオード領域と重なって配線されている。これらの配線は、従来の画素構造では、配線層側から光を取り込む表面受光型画素構造を採っていたことから、フォトダイオード領域を避けて配されていたものである。   As can be seen from the wiring patterns in FIGS. 8A and 10, the vertical signal line 418, the transfer gate wiring 453, the reset wiring (RST) 455, and the vertical selection line (SEL) 457 overlap with the photodiode region. Wired. These wirings are arranged avoiding the photodiode region because the conventional pixel structure adopts a surface light-receiving pixel structure that takes in light from the wiring layer side.

これに対して、第2実施形態の画素構造では、図8(A)からも分かるように、配線層と反対側(裏面側)の面から光を取り込む裏面受光型画素構造を採っているので、配線による遮光の問題を気にすることなく、フォトダイオードなどの光電変換素子領域上への配線の引回しができるようになる。   On the other hand, as can be seen from FIG. 8A, the pixel structure of the second embodiment employs a back-surface light receiving pixel structure that takes in light from the surface opposite to the wiring layer (back surface side). The wiring can be routed on the photoelectric conversion element region such as a photodiode without worrying about the problem of light shielding by the wiring.

また、図8(A)から分かるように、受光面側に配線層638が存在しないことで、遮光膜633、色フィルタ635、およびマイクロレンズ636を受光面に対して低い位置に作ることができるため、感度下、混色、周辺減光などに関しても有利になる。   Further, as can be seen from FIG. 8A, since the wiring layer 638 does not exist on the light receiving surface side, the light shielding film 633, the color filter 635, and the micro lens 636 can be formed at a low position with respect to the light receiving surface. Therefore, it is advantageous in terms of color mixing and peripheral light reduction under sensitivity.

なお、本例で示した裏面照射型のセンサ構造では、垂直信号線418だけでなく、その他の配線(画素内の配線、垂直信号線418を除く縦方向の配線、横方向の配線)に関しても、入射光を光電変換素子に取り込む側とは反対側の面に配していたが、このことは必須ではない。すなわち、少なくとも、分割された各領域について、同時に行単位での電荷蓄積つまり電子シャッタによる露光時間設定を行ないつつ独立した行単位での画素信号の読出しを行なうために必要となる、1つの画素列に対して複数本配される垂直信号線418に関してのみ適用すればよい。この場合、たとえば表面照射型のセンサ構造を基本として変形する場合、図8(B)に示すような層構造となる。   In the back-illuminated sensor structure shown in this example, not only the vertical signal line 418 but also other wirings (wiring in the pixel, vertical wiring excluding the vertical signal line 418, horizontal wiring) The incident light is arranged on the surface opposite to the side that takes in the photoelectric conversion element, but this is not essential. In other words, at least for each divided region, one pixel column is required for reading out pixel signals in independent row units while simultaneously performing charge accumulation in row units, that is, setting an exposure time by an electronic shutter. However, it is only necessary to apply to a plurality of vertical signal lines 418. In this case, for example, when the surface irradiation type sensor structure is modified, the layer structure as shown in FIG. 8B is obtained.

たとえば、既に表面型として光学設計が完了しているセンサを流用して、特性の互換性(Compatibility )を有する状態でグローバルシュッタ(高速化)にする場合、デジタル系統である制御線とアナログ系統である垂直信号線を表面と裏面でアイソレーション(Isolation )するなどに利用することができる。   For example, when diverting a sensor that has already been optically designed as a surface type, and making it a global shooter (high speed) with compatibility of characteristics (Compatibility), it is necessary to use a digital control line and an analog system. A certain vertical signal line can be used for isolation between the front surface and the back surface.

ただし、現実問題としては、フォトダイオード433などが形成される半導体素子層631を挟んで、受光面とは反対側に垂直信号線18用の配線層642を配し、受光面側にその他の配線(画素内の配線、縦方向の配線、横方向の配線)用の配線層638を配するようにすることは不可能ではないもの、工程数が増える。   However, as a practical problem, a wiring layer 642 for the vertical signal line 18 is arranged on the side opposite to the light receiving surface with the semiconductor element layer 631 on which the photodiode 433 and the like are formed interposed therebetween, and other wirings are provided on the light receiving surface side. Although it is not impossible to arrange the wiring layer 638 for (intra-pixel wiring, vertical wiring, horizontal wiring), the number of processes increases.

以上、本発明を実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。   As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. Various changes or improvements can be added to the above-described embodiment without departing from the gist of the invention, and embodiments to which such changes or improvements are added are also included in the technical scope of the present invention.

また、上記の実施形態は、クレーム(請求項)にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組合せの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。前述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜の組合せにより種々の発明を抽出できる。実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、効果が得られる限りにおいて、この幾つかの構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。   Further, the above embodiments do not limit the invention according to the claims (claims), and all combinations of features described in the embodiments are not necessarily essential to the solution means of the invention. Absent. The embodiments described above include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. Even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, as long as an effect is obtained, a configuration from which these some constituent requirements are deleted can be extracted as an invention.

たとえば、上記実施形態では、ライン(行)ごとに入射光に対応する信号電荷の蓄積が開始され、その蓄積された信号電荷に基づく電流または電圧の信号を、アドレス指定によって各画素から順に撮像部から読み出す電子的な露光時間の制御を行なう行単位読出方式カラム読出方式)の装置への適用事例を説明したが、画素ごとに入射光に対応する信号電荷の蓄積が開始され、その蓄積された信号電荷に基づく電流または電圧の信号を読み出す方式のものにも同様に適用できる。   For example, in the above-described embodiment, accumulation of signal charges corresponding to incident light is started for each line (row), and a current or voltage signal based on the accumulated signal charges is sequentially picked up from each pixel by addressing. The example of application to an apparatus of a row-by-row readout system (column readout system that controls electronic exposure time to be read from) has been described, but accumulation of signal charges corresponding to incident light is started for each pixel, and the accumulated The present invention can be similarly applied to a method of reading a current or voltage signal based on a signal charge.

また、上記実施形態では、光や放射線などの外部から入力される電磁波に対して感応性をするCMOS型の固体撮像装置について例示したが、アドレス設定にて画素の蓄積時間や読出時点が決定されるタイプの物理量の変化を検知するあらゆる物理量分布検知装置に、上記実施形態で説明した仕組みを適用できる。   In the above embodiment, a CMOS type solid-state imaging device that is sensitive to electromagnetic waves input from the outside such as light and radiation is exemplified. However, the pixel accumulation time and readout time are determined by address setting. The mechanism described in the above embodiment can be applied to any physical quantity distribution detection device that detects a change in a physical quantity of a certain type.

物理量の変化を光で捉えるものに限らず、たとえば、指紋に関する情報を圧力に基づく電気的特性の変化や光学的特性の変化に基づき指紋の像を検知する指紋認証装置(特開2002−7984や特開2001−125734などを参照)など、その他の物理的な変化を検知する仕組みにおいて、暗電流ノイズや蓄積期間の差の問題を抑制・解消するために上記実施形態を適用することができる。   For example, a fingerprint authentication device that detects a fingerprint image based on a change in electrical characteristics or a change in optical characteristics based on pressure is used for information related to fingerprints. In the mechanism for detecting other physical changes, such as Japanese Patent Laid-Open No. 2001-125734, the above embodiment can be applied to suppress / eliminate problems of dark current noise and accumulation period differences.

CMOS撮像素子の第1実施形態の概略構成図である。It is a schematic block diagram of 1st Embodiment of a CMOS image sensor. 単位画素の一構成例と、露光時間制御機能に関わる駆動回路との関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between one structural example of a unit pixel, and the drive circuit in connection with an exposure time control function. 第1実施形態のCMOS撮像素子を用いた場合における露光時間制御機能を説明する図(その1)である。It is FIG. (1) explaining the exposure time control function at the time of using the CMOS image sensor of 1st Embodiment. 第1実施形態のCMOS撮像素子を用いた場合における露光時間制御機能を説明する図(その2)である。It is FIG. (2) explaining the exposure time control function at the time of using the CMOS image sensor of 1st Embodiment. 第1実施形態のCMOS撮像素子を用いた場合における露光時間制御機能の第1の変形例を説明する図である。It is a figure explaining the 1st modification of the exposure time control function at the time of using the CMOS image sensor of 1st Embodiment. 第1実施形態のCMOS撮像素子を用いた場合における露光時間制御機能の第2の変形例を説明する図である。It is a figure explaining the 2nd modification of the exposure time control function at the time of using the CMOS image sensor of 1st Embodiment. CMOS撮像素子の第2実施形態の概略構成図である。It is a schematic block diagram of 2nd Embodiment of a CMOS image sensor. 裏面照射型の撮像部および周辺回路部の構造の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the structure of a back irradiation type imaging part and a peripheral circuit part. 裏面照射型の画素のレイアウト例を説明する図(その1)である。It is FIG. (1) explaining the example of a layout of a back irradiation type pixel. 裏面照射型の画素のレイアウト例を説明する図(その2)である。It is FIG. (2) explaining the example of a layout of a back irradiation type pixel. 従来のX−Yアドレス型の撮像装置における露光時間制御機能を説明する図(その1)である。It is FIG. (1) explaining the exposure time control function in the conventional XY address type imaging device. 従来のX−Yアドレス型の撮像装置における露光時間制御機能を説明する図(その2)である。It is FIG. (2) explaining the exposure time control function in the conventional XY address type imaging device. 従来のX−Yアドレス型の撮像装置における露光時間制御機能を説明する図(その3)である。It is FIG. (3) explaining the exposure time control function in the conventional XY address type imaging device.

符号の説明Explanation of symbols

12…CMOS撮像素子、403…単位画素、405…画素信号生成部、407…駆動制御部、410…撮像部、412…水平走査部、412x…水平アドレス設定部、412y…水平駆動部、414…垂直走査部、414x…垂直アドレス設定部、414y…垂直駆動部、414z…シャッタタイミング制御部、415…垂直制御線、416…駆動信号操作部、418…垂直信号線、420…カラム処理部、422…カラム信号処理部(カラム回路)、427…読出電流源部、432…電荷生成部、434…読出選択用トランジスタ、436…リセットトランジスタ、438…フローティングディフュージョン、440…垂直選択用トランジスタ、442…増幅用トランジスタ、451…画素線、452…転送駆動バッファ、454…リセット駆動バッファ、456…選択駆動バッファ、460…水平選択スイッチ部、486…水平信号線、488…出力部、631…半導体素子層、638…配線層、639…基板支持材   DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... CMOS image sensor, 403 ... Unit pixel, 405 ... Pixel signal generation part, 407 ... Drive control part, 410 ... Imaging part, 412 ... Horizontal scanning part, 412x ... Horizontal address setting part, 412y ... Horizontal drive part, 414 ... Vertical scanning unit, 414x ... vertical address setting unit, 414y ... vertical drive unit, 414z ... shutter timing control unit, 415 ... vertical control line, 416 ... drive signal operation unit, 418 ... vertical signal line, 420 ... column processing unit, 422 ... column signal processing unit (column circuit), 427 ... read current source unit, 432 ... charge generation unit, 434 ... read selection transistor, 436 ... reset transistor, 438 ... floating diffusion, 440 ... vertical selection transistor, 442 ... amplification Transistor 451... Pixel line 452 transfer transfer buffer 454. Gate drive buffer, 456 ... selection driving buffer 460 ... horizontal selection switch section, 486 ... horizontal signal line, 488 ... output unit, 631 ... semiconductor element layer, 638 ... wiring layer, 639 ... substrate support member

Claims (7)

入射光量に応じた信号を出力する検出部としての受光素子が複数、二次元状に形成された複数の単位画素が、複数の垂直信号線と複数の垂直制御線とに接続されて構成された、撮像部であって、前記二次元状に形成された複数の単位画素は複数の領域から行単位で単位画素信号を同時に読み出し可能に前記複数の垂直信号線に接続されており、
前記複数の垂直制御線を垂直アドレスに基づいて駆動する垂直アドレス設定部および垂直駆動部と、前記垂直アドレス設定部と協働して露光時間制御動作を行うに当たってシャッタ画素を選択し、前記各領域の単位画素に接続された前記複数の垂直制御線前記複数の単位画素の各領域ごとに行単位で、露光時間または電荷蓄積時間を制御する電子シャッタを行うシャッタタイミング制御部とを有する垂直走査部と、
前記垂直走査部の走査に伴い前記複数の垂直信号線に読みだされた前記単位画素の前記検出部の検出信号を入力し、水平走査部の走査信号に応じて前記入力された検出信号を選択して、水平信号線に出力する、水平選択スイッチ部と、
を有し、
前記シャッタタイミング制御部は、電子シャッタ用の駆動時に、前記露光時間の制御動作を行うためシャッタ行を選択してシャッタ画素を設定し、前記垂直アドレス設定部にて選択される読み出し行との間でシャッタ画素の時間間隔を調整することにより、前記撮像部の前記単位画素への露光時間を前記読み出し領域ごとに調節する、
固体撮像装置。
A plurality of light receiving elements as detection units that output signals according to the amount of incident light, and a plurality of unit pixels formed in a two-dimensional shape are connected to a plurality of vertical signal lines and a plurality of vertical control lines . In the imaging unit , the plurality of unit pixels formed in a two-dimensional shape are connected to the plurality of vertical signal lines so that unit pixel signals can be simultaneously read from a plurality of regions in units of rows,
A vertical address setting unit and vertical drive unit for driving on the basis of the plurality of vertical control lines to the vertical address, the vertical address setting unit in cooperation with the selected shutter pixels in performing exposure time control operation, the respective regions A plurality of vertical control lines connected to each unit pixel, and a shutter timing control unit that performs an electronic shutter for controlling an exposure time or a charge accumulation time in a row unit for each region of the plurality of unit pixels. And
The detection signal of the detection unit of the unit pixel read to the plurality of vertical signal lines in accordance with the scanning of the vertical scanning unit is input, and the input detection signal is selected according to the scanning signal of the horizontal scanning unit A horizontal selection switch that outputs to the horizontal signal line;
Have
The shutter timing control unit selects a shutter row and sets a shutter pixel in order to perform the exposure time control operation when driving for the electronic shutter, and between the readout row selected by the vertical address setting unit By adjusting the time interval of the shutter pixels in the above, the exposure time to the unit pixel of the imaging unit is adjusted for each readout region,
Solid-state imaging device.
前記シャッタタイミング制御部は、前記複数の読み出し領域から読みだすための制御線を、同じ垂直方向において、一方から他方に順次、駆動制御する、
請求項1に記載の固体撮像装置。
The shutter timing control unit sequentially drives and controls a control line for reading from the plurality of readout regions from one to the other in the same vertical direction;
The solid-state imaging device according to claim 1.
前記シャッタタイミング制御部は、前記複数の読み出し領域から読みだすための制御線を、隣接する分割された領域の制御線を、互いに異なる向きの垂直方向に順次、駆動制御する、
請求項1に記載の固体撮像装置。
The shutter timing control unit sequentially drives and controls the control lines for reading from the plurality of readout areas, and the control lines of adjacent divided areas in different vertical directions;
The solid-state imaging device according to claim 1.
前記シャッタタイミング制御部は、前記複数の読み出し領域から読みだすための制御線を、分割された領域の中央から両端部に向かって制御線を順次、駆動制御する、
請求項1に記載の固体撮像装置。
The shutter timing control unit sequentially drives and controls the control lines for reading from the plurality of readout areas from the center of the divided areas toward both ends;
The solid-state imaging device according to claim 1.
前記水平信号線にフレームメモリが接続されており、
前記水平信号線から出力された、前記複数の読み出し領域から読みだすための制御線の駆動制御により読みだされた複数の単位画素の検出信号が、前記フレームメモリに前記制御線の位置に応じて記憶される、
請求項1〜4のいずれかに記載の固体撮像装置。
A frame memory is connected to the horizontal signal line;
Detection signals of a plurality of unit pixels read out from the horizontal signal lines and read out from the control lines for reading out from the plurality of readout areas are sent to the frame memory in accordance with the positions of the control lines. Remembered,
The solid-state imaging device according to claim 1.
前記複数の読み出し領域が3以上の場合、当該固体撮像装置は裏面照射型固体撮像装置として構成されている、
請求項1〜5のいずれかに記載の固体撮像装置。
When the plurality of readout areas are 3 or more, the solid-state imaging device is configured as a back-illuminated solid-state imaging device.
The solid-state imaging device according to claim 1.
入射光量に応じた信号を出力する検出部としての受光素子が複数、二次元状に形成された複数の単位画素が、複数の垂直信号線と複数の垂直制御線とに接続されて構成された、撮像部であって、前記二次元状に形成された複数の単位画素は複数の領域から行単位で単位画素信号を同時に読み出し可能に前記複数の垂直信号線に接続されており、前記複数の垂直制御線を垂直アドレスに基づいて駆動する垂直アドレス設定部および垂直駆動部と、前記垂直アドレス設定部と協働して露光時間制御動作を行うに当たってシャッタ画素を選択し、前記各領域の単位画素に接続された前記複数の垂直制御線前記複数の単位画素の各領域ごとに行単位で、露光時間または電荷蓄積時間を制御する電子シャッタを行うシャッタタイミング制御部とを有する垂直走査部と、前記垂直走査部の走査に伴い前記複数の垂直信号線に読みだされた前記単位画素の前記検出部の検出信号を入力し、水平走査部の走査信号に応じて前記入力された検出信号を選択して、水平信号線に出力する、水平選択スイッチ部と、とを有する固体撮像装置における駆動制御方法であって、
前記シャッタタイミング制御部は、電子シャッタ用の駆動時に、前記露光時間制御動作を行うためシャッタ行を選択してシャッタ画素を設定し、前記垂直アドレス設定部にて選択される読み出し行との間でシャッタ画素の時間間隔を調整することにより、前記撮像部の前記単位画素への露光時間を前記読み出し領域ごとに調節する、
固体撮像装置における駆動制御方法。
A plurality of light receiving elements as detection units that output signals according to the amount of incident light, and a plurality of unit pixels formed in a two-dimensional shape are connected to a plurality of vertical signal lines and a plurality of vertical control lines . The plurality of unit pixels formed in the two-dimensional shape are connected to the plurality of vertical signal lines so that unit pixel signals can be simultaneously read out from a plurality of regions in units of rows , A vertical address setting unit and a vertical driving unit that drive a vertical control line based on a vertical address, and a shutter pixel is selected in performing an exposure time control operation in cooperation with the vertical address setting unit, and unit pixels in each region a connected plurality of vertical control lines in units of rows for each of the areas of the plurality of unit pixels, having a shutter timing control unit for performing an electronic shutter for controlling the exposure time or the charge accumulation time The detection signal of the detection unit of the unit pixel read out to the vertical scanning unit and the plurality of vertical signal lines in accordance with the scanning of the vertical scanning unit is input, and is input according to the scanning signal of the horizontal scanning unit And a horizontal selection switch unit that selects the detected signal and outputs it to a horizontal signal line, and a drive control method in a solid-state imaging device,
The shutter timing control unit at the time of driving the electronic shutter, by selecting the sheet Yatta line for performing the exposure time control operation to set the shutter pixels, between the read rows selected by the vertical address setting unit By adjusting the time interval of the shutter pixels in the above, the exposure time to the unit pixel of the imaging unit is adjusted for each readout region,
A drive control method in a solid-state imaging device.
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