CN104917981A - 固体摄像装置 - Google Patents

Abstract

根据1个实施方式的固体摄像装置，像素阵列部在行方向及列方向上呈矩阵状配置有对光电变换后的电荷进行积累的像素，垂直扫描电路对各行分散设有对上述像素进行驱动的驱动器。

Description

固体摄像装置

本申请享受2014年3月14日申请的日本专利申请号2014－51764的优先权，该日本专利申请的全部内容援用于本申请中。

技术领域

本发明涉及固体摄像装置。

背景技术

固体摄像装置中，随着高分辨率化，像素数增大，对像素进行驱动的布线长距离化。另一方面，由于对像素进行驱动的驱动器配置在像素阵列部的端部，所以对驱动器施加的负荷增大，导致驱动时间的增大。

发明内容

本发明要解决的课题在于，提供一种能够与像素数的增大相对应的同时缩短驱动时间的固体摄像装置。

一个实施方式的固体摄像装置，具备在行方向及列方向上呈矩阵状配置有对光电变换后的电荷进行积累的像素的像素阵列部、和对各行分散设有对上述像素进行驱动的驱动器的垂直扫描电路。

其他实施方式的固体摄像装置，具备在行方向及列方向上呈矩阵状配置有对光电变换后的电荷进行积累的像素的像素阵列部、将对各行分散设有对上述像素进行驱动的第1驱动器而对上述像素阵列部的左侧的像素进行驱动的第1垂直扫描电路、以及对各行分散设有对上述像素进行驱动的第2驱动器而对上述像素阵列部的右侧的像素进行驱动的第2垂直扫描电路。

根据上述构成的固体摄像装置，能够与像素数的增大对应的同时缩短驱动时间。

附图说明

图1是表示第1实施方式的固体摄像装置的概略构成的框图。

图2是表示图1的固体摄像装置的像素的构成例的电路图。

图3是表示图1的固体摄像装置的层叠构造的一例的立体图。

图4是表示图1的像素的读出动作时的各部的电压波形的时序图。

图5是表示图1的固体摄像装置的1行的像素阵列部及垂直扫描电路的层叠构造的一例的框图。

图6是表示图5的层叠构造的变形例的框图。

图7是表示第2实施方式的固体摄像装置的1行的像素阵列部及垂直扫描电路的层叠构造的一例的框图。

图8是图7的层叠构造的变形例的框图。

图9是表示第3实施方式的固体摄像装置的概略构成的框图。

图10是表示图9的固体摄像装置的1行的像素阵列部及垂直扫描电路的层叠构造的一例的框图。

图11是表示图10的层叠构造的变形例的框图。

图12是表示第4实施方式的固体摄像装置所适用的数码相机的概略构成的框图。

具体实施方式

根据一个实施方式，具备像素阵列部和垂直扫描电路。像素阵列部在行方向及列方向上呈矩阵状配置有对光电变换后的电荷进行积累的像素。垂直扫描电路对各行分散设有对上述像素进行驱动的驱动器。

以下，参照附图，详细说明实施方式的固体摄像装置。另外，本发明不被这些实施方式限定。

(第1实施方式)

图1是表示第1实施方式的固体摄像装置的概略构成的框图。

图1中，固体摄像装置设有像素阵列部1。像素阵列部1中，将对光电变换后的电荷进行积累的像素PC在行(row)方向RD及列(column)方向CD上呈矩阵状配置有m(m是正整数)行×n(n是正整数)列。此外，在该像素阵列部1中，在行方向RD上设有进行像素PC的驱动的水平驱动线Hlin，在列方向CD上设有对从像素PC读出的信号进行传送的垂直信号线Vlin。

此外，固体摄像装置中，设有：垂直扫描电路2，将成为读出对象的像素PC在垂直方向上扫描；负载电路3，通过在与像素PC之间进行源极跟随(source follower)动作，按每列从像素PC向垂直信号线Vlin读出像素信号；列ADC电路4，用CDS按每列检测各像素PC的信号成分；水平扫描电路5，在水平方向上扫描成为读出对象的像素PC；基准电压发生电路6，向列ADC电路4输出基准电压VREF；以及定时控制电路7，控制各像素PC的读出、积累的定时。这里，垂直扫描电路2对各行分散设有对像素PC进行驱动的驱动器B。该驱动器B能够在各水平驱动线Hlin中插入多个。此时，通过将像素阵列部1层叠在垂直扫描电路2上，能够将驱动器B设在像素阵列部1下。

并且，通过用垂直扫描电路2在垂直方式上对像素PC进行扫描，从而在行方向RD上选择像素PC，经由驱动器B按每行驱动像素PC。并且，在负载电路3中，通过在与该像素PC之间进行源极跟随动作，经由垂直信号线Vlin传送从像素PC读出的像素信号，并送到列ADC电路4。此外，在基准电压发生电路6中，作为基准电压VREF而设定斜波(ランプ波(rampwave))，并送到列ADC电路4。并且，在列ADC电路4中，进行时钟的计数动作直到从像素PC读出的信号电平和复位电平与斜波的电平一致，取得这时的信号电平与复位电平的差分，从而用CDS检测各像素PC的信号成分，并作为输出信号S1输出。

图2是表示图1的固体摄像装置的像素的构成例的电路图。

图2中，各像素PC设有光电二极管PD、行选择晶体管Ta、放大晶体管Tb、复位晶体管Tr以及读出晶体管Td。此外，在放大晶体管Tb与复位晶体管Tr与读出晶体管Td之间的连接点，作为检测节点而形成有浮置扩散部(floating diffusion)FD。

并且，在像素PC中，读出晶体管Td的源极连接到光电二极管PD，读出晶体管Td的栅极被输入读出信号ΦD。此外，复位晶体管Tr的源极连接到读出晶体管Td的漏极，复位晶体管Tr的栅极被输入复位信号ΦR，复位晶体管Tr的漏极连接到电源电位VDD。此外，行选择晶体管Ta的栅极被输入行选择信号ΦA，行选择晶体管Ta的漏极连接到电源电位VDD。此外，放大晶体管Tb的源极连接到垂直信号线Vlin，放大晶体管Tb的栅极连接到读出晶体管Td的漏极，放大晶体管Tb的漏极连接到行选择晶体管Ta的源极。另外，图1的水平驱动线Hlin能够将读出信号ΦD、复位信号ΦR以及行选择信号ΦA按每行向像素PC传送。图1的负载电路3按每列设有恒流源GA1，恒流源GA1连接到垂直信号线Vlin。

图3是表示图1的固体摄像装置的层叠构造的一例的立体图。

图3中，半导体芯片P1设有像素阵列部1、负载电路3、列ADC电路4以及水平扫描电路5。半导体芯片P2设有垂直扫描电路2、基准电压发生电路6以及定时控制电路7。半导体芯片P1层叠或载置在半导体芯片P2上。此时，半导体芯片P1能够与半导体芯片P2粘合。此外，像素阵列部1能够与垂直扫描电路2重叠地配置。此外，通过在半导体芯片P1中形成贯通电极，能够将像素阵列部1和垂直扫描电路2连接。

另外，图3的例子中，示出了在半导体芯片P1中设有负载电路3、列ADC电路4以及水平扫描电路5的构成，但也可以将负载电路3、列ADC电路4以及水平扫描电路5设置在半导体芯片P2中。

图4是表示图1的像素的读出动作时的各部的电压波形的时序图。

图4中，行选择信号ΦA为低电平的情况下，行选择晶体管Ta为截止状态而不进行源极跟随动作，所以不向垂直信号线Vlin输出信号。此时，若读出信号ΦD和复位信号ΦR成为高电平，则读出晶体管Td导通，在光电二极管PD中积累的电荷向浮置扩散部FD排出。并且，经由复位晶体管Tr向电源电位VDD排出。

在光电二极管PD中积累的电荷向电源电位VDD排出后，若读出信号ΦD成为低电平，则光电二极管PD中开始有效的信号电荷的积累。

接着，若复位信号ΦR上升(rise)，则复位晶体管Tr导通，浮置扩散部FD中由漏电流等产生的多余的电荷被复位。

并且，若行选择信号ΦA成为高电平，则像素PC的行选择晶体管Ta导通，向放大晶体管Tb的漏极施加电源电位VDD，从而由放大晶体管Tb和恒流源GA1构成源极跟随。并且，浮置扩散部FD的与复位电平RL相应的电压被施加到放大晶体管Tb的栅极。这里，由于由放大晶体管Tb和恒流源GA1构成源极跟随，所以垂直信号线Vlin的电压跟从向放大晶体管Tb的栅极施加的电压，复位电平RL的像素信号Vsig经由垂直信号线Vlin被输出到列ADC电路4。

此时，作为基准电压VREF而施加斜波WR，比较复位电平RL的像素信号Vsig和基准电压VREF。并且，在复位电平RL的像素信号Vsig与基准电压VREF的电平一致之前进行减计数，从而将复位电平RL的像素信号Vsig变换为数字值DR并保持。

接着，若读出信号ΦD上升，则读出晶体管Td导通，在光电二极管PD中积累的电荷被转送到浮置扩散部FD，向放大晶体管Tb的栅极施加浮置扩散部FD的与信号电平SL相应的电压。这里，由于由放大晶体管Tb和恒流源GA1构成源极跟随，所以垂直信号线Vlin的电压跟从向放大晶体管Tb的栅极施加的电压，信号电平SL的像素信号Vsig经由垂直信号线Vlin被输出到列ADC电路4。

此时，作为基准电压VREF而施加斜波WS，比较信号电平SL的像素信号Vsig和基准电压VREF。并且，这次，在信号电平SL的像素信号Vsig与基准电压VREF的电平一致之前进行加计数，从而将信号电平SL的像素信号Vsig变换为数字值DS。并且，将复位电平RL的像素信号Vsig与信号电平SL的像素信号Vsig之间的差分DR－DS保持，并作为输出信号S1输出。

图5是表示图1的固体摄像装置的1行(line)的像素阵列部及垂直扫描电路的层叠构造的一例的框图。

图5中，在水平驱动线Hlin中，按每行插入有驱动器B1～B4。此时，像素阵列部1设在半导体芯片P1中。水平驱动线Hlin及驱动器B1～B4设在半导体芯片P2中。并且，半导体芯片P1层叠在半导体芯片P2上。

并且，读出信号ΦD、复位信号ΦR以及行选择信号ΦA随着水平驱动线Hlin的传送距离变长而在驱动器B1～B4中依次被放大，并被提供给各像素PC。因此，在水平驱动线Hlin长距离化的情况下，也能够降低对驱动器B1～B4施加的负荷，能够缩短驱动时间。

图6是表示图5的层叠构造的变形例的框图。

图6中，在半导体芯片P1′中设有像素阵列部1′。并且，半导体芯片P1′层叠在半导体芯片P2上。这里，像素阵列部1′中，按各驱动器B1～B4的每个输出，像素PC间的水平驱动线Hlin分离。由此，能够防止各驱动器B1～B4的输出发生干扰。

另外，在图5及图6的例子中，说明了按每2个像素PC而在水平驱动线Hlin中将驱动器B1～B4各插入1个的构成，但也可以按每N(N是正整数)个像素PC而在水平驱动线Hlin中将驱动器各插入1个。

此外，在图5及图6的例子中，示出了像素阵列部1、1′的1行的构成，像素阵列部1、1′的其他行也能够同样地构成。

(第2实施方式)

图7是表示第2实施方式的固体摄像装置的1行的像素阵列部及垂直扫描电路的层叠构造的一例的框图。

图7中，该固体摄像装置中，作为图5的垂直扫描电路2替代而设有垂直扫描电路2′。垂直扫描电路2′设有水平驱动线Hlin′，在水平驱动线Hlin′中，按每行插入有驱动器B11～B17。这里，水平驱动线Hlin′以分支的方式构成，按水平驱动线Hlin′的每个分岔而插入有驱动器B11～B17。即，水平驱动线Hlin′具有树结构，在树的各枝中插入有驱动器B11～B17。此时，像素阵列部1设在半导体芯片P1中。水平驱动线Hlin′以及驱动器B11～B17设在半导体芯片P2′中。并且，半导体芯片P1层叠在半导体芯片P2′上。

并且，读出信号ΦD、复位信号ΦR以及行选择信号ΦA按水平驱动线Hlin′的每个分岔而在驱动器B11～B17中依次被放大，并被提供给各像素PC。因此，在水平驱动线Hlin′长距离化的情况下，也能够降低对驱动器B11～B17施加的负荷，能够缩短驱动时间。此外，通过使水平驱动线Hlin′为树结构，能够使读出信号ΦD、复位信号ΦR以及行选择信号ΦA到达各像素PC之前的驱动器B11～B17的级数均一化，与图5的构成相比，能够缩短对1行分的像素PC的驱动带来的迟延时间。

图8是表示图7的层叠构造的变形例的框图。

图8中，该固体摄像装置中，除了将图7的半导体芯片P1替换为图6的半导体芯片P1′以外，与图7的构成相同。该情况下，能够按树结构的最终级的驱动器B14～B17的每个输出将水平驱动线Hlin′分离。另外，图7及图8的例子中，示出了像素阵列部1、1′的1行的构成，像素阵列部1、1′的其他行也能够同样地构成。

(第3实施方式)

图9是表示第3实施方式的固体摄像装置的概略构成的框图。

图9中，该固体摄像装置中，作为图1的垂直扫描电路2的替代而设有垂直扫描电路2A、2B。垂直扫描电路2A，2B分别设有水平驱动线HlinA、HlinB。垂直扫描电路2A、2B配置在像素阵列部1的两侧。垂直扫描电路2A能够对像素阵列部1的左侧的像素PC进行驱动。垂直扫描电路2B能够对像素阵列部1的右侧的像素PC进行驱动。这里，垂直扫描电路2A对各行分散设有对像素PC进行驱动的驱动器BA。垂直扫描电路2B对各行分散设有对像素PC进行驱动的驱动器BB。这些驱动器BA、BB能够在各水平驱动线HlinA、HlinB中分别插入多个。此时，通过将像素阵列部1与垂直扫描电路2A、2B层叠，能够将驱动器BA、BB设在像素阵列部1下。

并且，通过用垂直扫描电路2A、2B在垂直方向上按同一定时对像素PC进行扫描，在行方向RD上选择像素PC，分别经由驱动器BA、BB按每行驱动像素PC。并且，在负载电路3中，通过在与该像素PC之间进行源极跟随动作，从像素PC读出的像素信号经由垂直信号线Vlin被传送，并被送到列ADC电路4。此外，在基准电压发生电路6中，作为基准电压VREF而设定斜波，并送到列ADC电路4。并且，在列ADC电路4中，进行时钟的计数动作直到从像素PC读出的信号电平和复位电平与斜波的电平一致，取得此时的信号电平与复位电平的差分，从而用CDS检测各像素PC的信号成分，作为输出信号S1输出。

图10是表示图9的固体摄像装置的1行的像素阵列部及垂直扫描电路的层叠构造的一例的框图。

图10中，在水平驱动线HlinA中，按每行插入有驱动器BA1、BA2。在水平驱动线HlinB中，按每行插入有驱动器BB1、BB2。此时，像素阵列部1设在半导体芯片P1中。水平驱动线HlinA、HlinB以及驱动器BA1、BA2、BB1、BB2设在半导体芯片P2″中。并且，半导体芯片P1层叠在半导体芯片P2″上。

并且，读出信号ΦD、复位信号ΦR以及行选择信号ΦA随着水平驱动线HlinA的传送距离变长而在驱动器BA1、BA2中依次被放大，并被提供给像素阵列部1的左侧的各像素PC。此外，读出信号ΦD、复位信号ΦR以及行选择信号ΦA随着水平驱动线HlinB的传送距离变长而在驱动器BB1、BB2中依次被放大，并被提供给像素阵列部1的右侧的各像素PC。因此，在水平驱动线HlinA、HlinB长距离化的情况下，也能够降低对驱动器BA1、BA2、BB1、BB2施加的负荷，能够缩短驱动时间。

图11是表示图10的层叠构造的变形例的框图。

图11中，该固体摄像装置中，除了将图10的半导体芯片P1替换为图6的半导体芯片P1′以外，与图10的构成相同。

另外，在图10及图11的例子中，说明了按每2个像素PC而在水平驱动线HlinA、HlinB中将驱动器BA1、BA2、BB1、BB2分别插入了1个的构成，但也可以按每N(N是正整数)个像素PC而在水平驱动线HlinA、HlinB中将驱动器各插入1个。

此外，在图10及图11的例子中，示出了像素阵列部1、1′的1行的构成，像素阵列部1、1′的其他行也能够同样地构成。

此外，在图10及图11的例子中，说明了向行状的水平驱动线HlinA、HlinB分别插入驱动器BA1、BA2、BB1、BB2的构成，但也可以将各水平驱动线HlinA、HlinB构成为树状，按其每个分岔而分别插入驱动器。

(第4实施方式)

图12是表示第4实施方式的固体摄像装置所适用的数码相机的概略构成的框图。

图12中，数码相机21具有相机模块22及后级处理部23。相机模块22具有摄像光学系统24及固体摄像装置25。后级处理部23具有图像信号处理器(ISP)26、存储部27以及显示部28。另外，固体摄像装置25能够使用图1或图9的构成。此外，ISP26的至少一部分的构成可以与固体摄像装置25一起单芯片化。

摄像光学系统24取入来自被摄体的光，使被摄体像成像。固体摄像装置25对被摄体像进行摄像。ISP26对通过固体摄像装置25的摄像得到的图像信号进行信号处理。存储部27保存经过了ISP26的信号处理的图像。存储部27根据用户的操作等，向显示部28输出图像信号。显示部28根据从ISP26或存储部27输入的图像信号来显示图像。显示部28例如是液晶显示器。另外，相机模块22除了数码相机21以外，例如还能够适用于带相机的便携电话、智能手机等电子设备。

对本发明的几个实施方式进行了说明，但是这些实施方式是作为例子而提示的，并不意欲限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种形态实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围及主旨中，并且包含在权利要求所记载的发明及其等同范围内。

Claims (20)

1.一种固体摄像装置，具备：

像素阵列部，在行方向和列方向上呈矩阵状配置有对光电变换后的电荷进行积累的像素；以及

垂直扫描电路，对上述像素进行驱动的驱动器被分散地设于各行。

2.如权利要求1所述的固体摄像装置，

具备按每个上述行对上述像素进行驱动的水平驱动线，

在上述水平驱动线中插入有多个上述驱动器。

3.如权利要求2所述的固体摄像装置，

上述驱动器在上述水平驱动线上串联连接。

4.如权利要求3所述的固体摄像装置，

按上述驱动器的每个输出，上述水平驱动线分离。

5.如权利要求2所述的固体摄像装置，

上述水平驱动线以分支的方式构成，按上述水平驱动线的每个分岔插入有上述驱动器。

6.如权利要求5所述的固体摄像装置，

上述水平驱动线具有树结构。

7.如权利要求6所述的固体摄像装置，

按上述树结构的最终级的驱动器的每个输出，上述水平驱动线分离。

8.如权利要求1所述的固体摄像装置，

上述像素阵列部形成在第1半导体芯片中，

上述垂直扫描电路形成在第2半导体芯片中，

上述第1半导体芯片层叠在上述第2半导体芯片上。

9.如权利要求1所述的固体摄像装置，

上述像素具备：

光电二极管，对光电变换后的电荷进行积累；

行选择晶体管，在行方向上选择上述像素；

放大晶体管，检测从上述光电二极管读出的信号；

复位晶体管，将从上述光电二极管读出的信号复位；以及

读出晶体管，从上述光电二极管读出信号。

10.如权利要求8所述的固体摄像装置，

上述垂直扫描电路按每行将读出信号、复位信号以及行选择信号向上述像素输出。

11.一种固体摄像装置，具备：

像素阵列部，在行方向及列方向上呈矩阵状配置有对光电变换后的电荷进行积累的像素；

第1垂直扫描电路，对上述像素进行驱动的第1驱动器被分散地设于各行，对上述像素阵列部的左侧的像素进行驱动；以及

第2垂直扫描电路，对上述像素进行驱动的第2驱动器被分散地设于各行，对上述像素阵列部的右侧的像素进行驱动。

12.如权利要求11所述的固体摄像装置，具备：

第1水平驱动线，按每个上述行对上述像素阵列部的左侧的像素进行驱动；以及

第2水平驱动线，按每个上述行对上述像素阵列部的右侧的像素进行驱动，

在上述第1水平驱动线中插入有多个上述第1驱动器，

在上述第2水平驱动线中插入有多个上述第2驱动器。

13.如权利要求12所述的固体摄像装置，

上述第1驱动器在上述第1水平驱动线上串联连接，上述第2驱动器在上述第2水平驱动线上串联连接。

14.如权利要求13所述的固体摄像装置，

按上述第1驱动器的每个输出，上述第1水平驱动线分离，按上述第2驱动器的每个输出，上述第2水平驱动线分离。

15.如权利要求12所述的固体摄像装置，

上述第1水平驱动线以分支的方式构成，按上述第1水平驱动线的每个分岔而插入有上述第1驱动器，上述第2水平驱动线以分支的方式构成，按上述第2水平驱动线的每个分岔而插入有上述第2驱动器。

16.如权利要求15所述的固体摄像装置，

上述第1水平驱动线具有第1树结构，上述第2水平驱动线具有第2树结构。

17.如权利要求16所述的固体摄像装置，

按上述第1树结构的最终级的第1驱动器的每个输出，上述第1水平驱动线分离，按上述第2树结构的最终级的第2驱动器的每个输出，上述第2水平驱动线分离。

18.如权利要求11所述的固体摄像装置，

上述像素阵列部形成在第1半导体芯片中，

上述第1垂直扫描电路形成在第2半导体芯片中，

上述第2垂直扫描电路形成在第3半导体芯片中，

上述第1半导体芯片层叠在上述第2半导体芯片及上述第3半导体芯片上。

19.如权利要求11所述的固体摄像装置，

上述像素具备：

光电二极管，对光电变换后的电荷进行积累；

行选择晶体管，在行方向上选择上述像素；

放大晶体管，检测从上述光电二极管读出的信号；

复位晶体管，将从上述光电二极管读出的信号复位；以及

读出晶体管，从上述光电二极管读出信号。

20.如权利要求18所述的固体摄像装置，

上述第1垂直扫描电路将读出信号、复位信号以及行选择信号按每个行向上述像素阵列部的左侧的像素输出，上述第2垂直扫描电路将读出信号、复位信号以及行选择信号按每个行向上述像素阵列部的右侧的像素输出。