JP2010272985A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】全画素の画素信号を読み出す時間を短縮し、画素の開口率の向上を実現する固体撮像装置を提供することを課題とする。
【解決手段】複数の行と複数の列にマトリクス状に配置され、光電変換素子及びカラーフィルタを有する複数の画素（３）と、複数の画素毎に配置される複数のバッファ（２）と、前記画素の各列に複数配置される複数の垂直出力線（１）とを有し、それぞれの前記バッファの入力部は、前記カラーフィルタの色が異なる複数の画素に共通に接続され、前記複数のバッファの出力部は、複数の垂直出力線に交互に接続されていることを特徴とする固体撮像装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。
近年、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、あるいは携帯電話等に搭載される固体撮像装置の開発が活発に行われている。固体撮像装置として、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）センサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサが広く知られている。ＣＣＤセンサと比較して、低消費電力、高速読み出しが可能、システムオンチップ化が可能といった特長を備えたＣＭＯＳセンサの注目度が高まっている。
ＣＭＯＳセンサは、画素毎にフローティングディフュージョンアンプ等による増幅回路を備えている。画素信号を読み出す際は、行方向及び列方向にマトリクス状に配置された画素アレイ部の中のある１行を選択し、その選択された１行に位置する全画素の画素信号を同時に読み出す方式が多く用いられている。
固体撮像装置の高画素化、高速化への要求は増加し続けており、例えば特許文献１は各列に垂直出力線を複数配置し、同時に複数の行の読み出しを行うことで高速読み出しを実現する。
特開２００５−３１１８２１号公報
しかしながら、特許文献１に記載の固体撮像装置は、各列に複数の垂直出力線を配置し、同時に複数行の画素信号を読み出すことで高速化を実現するが、各画素にバッファを備えるため光電変換素子の面積が小さくなる。つまり、各画素が所定の開口率を得るためには固体撮像装置の高画素化は困難である。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、全画素の画素信号を読み出す時間を短縮し、画素の開口率の向上を実現する固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明の固体撮像装置は、複数の行と複数の列にマトリクス状に配置され、光電変換素子及びカラーフィルタを有する複数の画素と、複数の画素毎に配置される複数のバッファと、前記画素の各列に複数配置される複数の垂直出力線とを有し、それぞれの前記バッファの入力部は、前記カラーフィルタの色が異なる複数の画素に共通に接続され、前記複数のバッファの出力部は、複数の垂直出力線に交互に接続されていることを特徴とする。
全画素の画素信号の読み出し時間を短縮し、かつ画素の開口率の向上を実現することができる。
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す概略図である。 図１の画素構成の固体撮像装置の駆動方法を示す図である。 各列の垂直出力線に出力される画素信号を時間順次に示した図である。 図２における各行の画素の露光期間の遷移を示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示す図である。 各列の垂直出力線に出力される画素信号を時間順次に示した図である。 図６と図８における各行の画素の露光期間の遷移を示した図である。 本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の読み出し方法を示す図である。 列読み出し回路に入力される画素信号を時間順次で示した図である。 固体撮像装置の画素の断面構造を示した図である。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素レイアウト構成を示す概略図であり、複数の行と複数の列からなる画素アレイ部のうち、任意の隣り合う２列を示し、その２列に位置する８行分の画素を抜粋した図である。図１の画素レイアウト構成では、固体撮像装置は、画素３と、行方向に隣り合う２画素に共有に接続されるバッファ２と、列毎に２本の垂直出力線１を備える。２本の垂直出力線１は、バッファ２と行方向に交互に接続される。垂直出力線１は、垂直出力線ｘ１０，ｙ１１，ｘ１２，ｙ１３を有する。
固体撮像装置は、図１０（Ａ）及び（Ｂ）の光電変換素子８０とカラーフィルタ８２と複数のトランジスタとを有する画素３が複数の行と複数の列にマトリクス状に配置された画素アレイ部を有する。また、固体撮像装置は、複数の画素３毎に配置されるバッファ２と、列毎に複数配置される垂直出力線１とを有する。バッファ２の入力部は複数の画素３に共通に接続され、垂直出力線１は複数のバッファ２の出力部に行方向に交互に接続される。
図２は、図１のレイアウトの画素構成をベイヤー配列の固体撮像装置に適用した場合の画素信号の読み出し方法を示す図である。図２は画素アレイ部のうち、任意の隣り合う２列を示し、その２列に位置する画素を０行目から７行目まで抜粋した図である。この隣り合う２列をｍ列、ｍ＋１列とし、列毎の垂直出力線２本をそれぞれ垂直出力線ｘ、垂直出力線ｙとする。図２で、赤色のカラーフィルタの画素は例えばＲ１、緑色のカラーフィルタの画素は例えばＧ１１、青色のカラーフィルタの画素は例えばＢ１で示している。
図２では、まず０行目と２行目に位置する画素の信号を読み出す。画素信号は、それぞれ異なるバッファ２を介して垂直出力線に出力される。このとき、ｍ列目の垂直出力線ｘ１０には、画素Ｒ１の画素信号が、ｍ列目の垂直出力線ｙ１１には画素Ｒ２の画素信号が、ｍ＋１列目の垂直出力線ｘ１２には画素Ｇ１２の画素信号が、ｍ＋１列目の垂直出力線ｙ１３には画素Ｇ２２の画素信号がそれぞれ出力される。
次に、１行目と３行目に位置する画素の信号を読み出す。このときｍ列目の垂直出力線ｘ１０には、画素Ｇ１１の画素信号が、ｍ列目の垂直出力線ｙ１１には画素Ｇ２１の画素信号が、ｍ＋１列目の垂直出力線ｘ１２には画素Ｂ１の画素信号が、ｍ＋１列目の垂直出力線ｙ１３には画素Ｂ２の画素信号がそれぞれ出力される。
次に、４行目と６行目に位置する画素の信号を読み出す。このときｍ列目の垂直出力線ｘ１０には、画素Ｒ３の画素信号が、ｍ列目の垂直出力線ｙ１１には画素Ｒ４の画素信号が、ｍ＋１列目の垂直出力線ｘ１２には画素Ｇ３２の画素信号が、ｍ＋１列目の垂直出力線ｙ１３には画素Ｇ４２の画素信号がそれぞれ出力される。
次に、５行目と７行目に位置する画素の信号を読み出す。このときｍ列目の垂直出力線ｘ１０には、画素Ｇ３１の画素信号が、ｍ列目の垂直出力線ｙ１１には画素Ｇ４１の画素信号が、ｍ＋１列目の垂直出力線ｘ１２には画素Ｂ３の画素信号が、ｍ＋１列目の垂直出力線ｙ１３には画素Ｂ４の画素信号がそれぞれ出力される。
図３は、読み出し行に対する画素信号の出力関係をまとめた表であり、読み出し行に対してそれぞれの垂直出力線にどの画素信号が出力されるかを示した表である。このように本実施形態では１行おきの行に位置する画素の画素データは異なるバッファ２を介して同時に異なる垂直出力線に読み出され、読み出し行を順次シフトしていき画素アレイ部の最後の行まで読み出しを行う。
図４は、本実施形態の０行目から７行目までの各行に位置する画素の露光期間の遷移を示す図である。８行目以降の画素については省略する。
以上のように、垂直出力線を２本にすることで同時に読み出せる行が２行となり、垂直出力線が１本の場合と比較して、全画素のデータを読み出す時間が１／２になる。さらにバッファ２を行方向に２画素共通にすることで、画素毎にバッファ２を設ける場合と比較して高開口率化が望め、高画素化が期待できる。また、図３に示したように列毎の垂直出力線ｘ、ｙの２本に同時に出力される信号が行方向に一番近い同色であるため、同色の垂直画素加算が容易である。
なお、図２において画素の読み出し行を選択する行選択線と、各列の垂直出力線ｘ、ｙに接続される列読み出し回路は省略している。
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の読み出し方法を示す図であり、第１の実施形態と同じくベイヤー配列の画素構成の固体撮像装置の別の読み出し方法を示す。本実施形態では、画素アレイ部のうち０行目は読み出しを行わず、まず１行目と２行目に位置する画素の信号を読み出す。１、２行目に位置する画素の信号をそれぞれ異なるバッファ２を介して垂直出力線に出力する。このとき、ｍ列目の垂直出力線ｘ１０には、画素Ｇ１１の画素信号が、ｍ列目の垂直出力線ｙ１１には画素Ｒ２の画素信号が、ｍ＋１列目の垂直出力線ｘ１２には画素Ｂ１の画素信号が、ｍ＋１列目の垂直出力線ｙ１３には画素Ｇ２２の画素信号がそれぞれ出力される。
次に、３行目と４行目に位置する画素の信号を読み出す。このときｍ列目の垂直出力線ｘ１０には、画素Ｒ３の画素信号が、ｍ列目の垂直出力線ｙ１１には画素Ｇ２１の画素信号が、ｍ＋１列目の垂直出力線ｘ１２には画素Ｇ３２の画素信号が、ｍ＋１列目の垂直出力線ｙ１３には画素Ｂ２の画素信号がそれぞれ出力される。
次に、５行目と６行目に位置する画素の信号を読み出す。このときｍ列目の垂直出力線ｘ１０には、画素Ｇ３１の画素信号が、ｍ列目の垂直出力線ｙ１１には画素Ｒ４の画素信号が、ｍ＋１列目の垂直出力線ｘ１２には画素Ｂ３の画素信号が、ｍ＋１列目の垂直出力線ｙ１３には画素Ｇ４２の画素信号がそれぞれ出力される。
図６は、読み出し行に対する画素信号の出力関係をまとめた表であり、読み出し行に対してそれぞれの垂直出力線にどの画素信号が出力されるかを示した表である。なお、７行目以降に位置する画素の信号の出力に関しては省略している。
このように、本実施形態では行方向に隣り合い、かつバッファ２が異なる２行に位置する画素の第１の組みの画素信号は異なるバッファ２を介して異なる垂直出力線に同時に読み出される。バッファ２が共通の２行に位置する画素の第２の組みの画素信号は同じバッファ２を介して同じ垂直出力線に異なるタイミングで読み出される。読み出し行の２行を順次シフトしていき、全画素分の画素信号を読み出す。行方向に隣り合う２行を選択するため各行に位置する画素の露光期間は図７のようになる。
本実施形態を用いることで、読み出し期間の短縮と高画素化が望めることに加えて、図７に示すように露光期間は行順に遷移させることができる。さらにベイヤー配列を構成する４画素を同時に読み出すことができる。よって撮像装置の制御と画像処理が容易になる。本実施形態では、０行目に位置する画素の信号を読まない読み出し方法を示したが、それに限らない。初めに０行目に位置する画素の信号だけを読み出してもよい。
なお、図５において画素の読み出し行を選択する行選択線と、各列の垂直出力線ｘ、ｙに接続される列読み出し回路は省略している。
（第３の実施形態）
図８（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の読み出し方法を示す図である。図８(Ａ)及び（Ｂ）は、列毎に切替スイッチを有する構成例を示す図である。図８（Ａ）は奇数番目に読み出す際の列読み出し回路と垂直出力線の接続を示した図であり、図８（Ｂ）は偶数番目に読み出す際の列読み出し回路と垂直出力線の接続を示した図である。図５と同じ部品、動作の説明は割愛する。
図８（Ａ）及び（Ｂ）では列毎の列読み出し回路を列読み出し回路ｘ、ｙとする。ｍ列目とｍ＋１列目の列読み出し回路ｘ６０，ｙ６１，ｘ６２，ｙ６３とｍ列目とｍ＋１列目の垂直出力線ｘ１０、ｙ１１、ｘ１２、ｙ１３の間にスイッチング素子６４が配置される構成となっている。例えば、列読み出し回路ｘ６０はｍ列目の垂直出力線ｘ１０，ｙ１１のうちどちらかと選択的に接続する。
読み出し動作は以下の通りである。まず、１行目と２行目に位置する画素の信号を読み出す。このときｍ列目の列読み出し回路ｘ６０はｍ列目の垂直出力線ｙ１１にスイッチング素子６４を介して接続され、ｍ列目の列読み出し回路ｙ６１はｍ列目の垂直出力線ｘ１０にスイッチング素子６４を介して接続される。ｍ＋１列目の列読み出し回路ｘ６２はｍ＋１列目の垂直出力線ｙ１３にスイッチング素子６４を介して接続され、ｍ＋１列目の列読み出し回路ｙ６３はｍ＋１列目の垂直出力線ｘ１２にスイッチング素子６４を介して接続される。各列の垂直出力線ｘ１０、ｙ１１、ｘ１２、ｙ１３と列読み出し回路ｘ６０、ｙ６１、ｘ６２、ｙ６３の接続関係は図８（Ａ）のようになる。
次に、３行目と４行目に位置する画素の信号を読み出す。このときｍ列目の列読み出し回路ｘ６０はスイッチング素子６４を介して垂直出力線ｘ１０に接続され、ｍ列目の列読み出し回路ｙ６１はスイッチング素子６４を介してｍ列目の垂直出力線ｙ１１に接続される。ｍ＋１列目の列読み出し回路ｘ６２はスイッチング素子６４を介して垂直出力線ｘ１２に接続され、ｍ＋１列目の列読み出し回路ｙ６３はスイッチング素子６４を介して垂直出力線ｙ１３に接続される。各列の垂直出力線ｘ１０、ｙ１１、ｘ１２、ｙ１３と列読み出し回路ｘ６０、ｙ６１、ｘ６２、ｙ６３の接続関係は図８（Ｂ）のようになる。
次に、５行目と６行目に位置する画素の信号を読み出す。このときｍ列目の列読み出し回路ｘ６０はスイッチング素子６４を介して垂直出力線ｙ１１に接続され、ｍ列目の列読み出し回路ｙ６１はスイッチング素子６４を介してｍ列目の垂直出力線ｘ１０に接続される。ｍ＋１列目の列読み出し回路ｘ６２はスイッチング素子６４を介して垂直出力線ｙ１３に接続され、ｍ＋１列目の列読み出し回路ｙ６３はスイッチング素子６４を介して垂直出力線ｘ１２に接続される。各列の垂直出力線ｘ１０、ｙ１１、ｘ１２、ｙ１３と列読み出し回路ｘ６０、ｙ６１、ｘ６２、ｙ６３の接続関係は図８（Ａ）のようになる。
以上説明したように、本実施形態の画素信号の読み出し方法は、行方向に隣り合い、かつ２画素共有のバッファ２が異なる２行を選択し、その選択された行に位置する画素の信号を読み出す。さらに、スイッチング素子６４により読み出す順番が奇数の時と偶数の時とで各列の垂直出力線ｘ１０、ｙ１１、ｘ１２、ｙ１３と列読み出し回路ｘ６０、ｙ６１、ｘ６２、ｙ６３の接続を切り換える。つまり画素信号を読み出す行が遷移する度に各列毎の垂直出力線と列読み出し回路の接続関係は、図８（Ａ）の接続関係と図８（Ｂ）の接続関係を交互に繰り返す。各行に位置する画素の露光期間は行方向に隣り合う２行に位置する画素の信号を同時に読み出すため第２の実施形態と同様に、図７のようになる。
図９は、読み出し行に対する画素信号の出力関係をまとめた表であり、読み出し行に対してそれぞれの列読み出し回路にどの画素信号が入力されるかを示した表である。なお、７行目以降に位置する画素の信号の出力に関しては省略している。
本実施形態を適用すれば、全画素の信号を読み出す期間の短縮を実現し、高画素化に適応しやすい構成となる。さらにベイヤー配列を構成する４画素の信号を同時に読み出すことができ、各行に位置する露光期間も行順に遷移させることができる。図９に示したようにそれぞれの列読み出し回路には、カラーフィルタが同じである画素の信号が入力されるため、同色画素信号の垂直画素加算が容易になる。
なお、図８の例では列読み出し回路ｘ６０，ｙ６１，ｘ６２，ｙ６３とスイッチング素子６４を画素領域から上下に分けた構成としているが、それに限らない。例えば、下側にのみ列読み出し回路ｘ６０，ｙ６１，ｘ６２，ｙ６３とスイッチング素子６４を配置する構成であってもよい。なお、図８において画素の読み出し行を選択する行選択線は省略している。
上記の各実施形態において、垂直出力線を該当列の両脇に配置しているが、本発明はそれに限らない。列の片側に該当する複数の垂直出力線を配置する構成であってもよい。例えば、ｍ列目の垂直出力線ｘ１０と垂直出力線ｙ１１を両方とも画素の左側に配置する構成でもよい。
上記の各実施形態において、読み出し行を画素アレイ部の最初の行から最後の行まで順次シフトしていく読み出し方法としたが、本発明はそれに限定されない。例えば、必要な行のみを選択して読み出していく方法でも良い。
上記の各実施形態において、垂直出力線を列毎に２本ずつ配置した画素レイアウト構成で説明したが、本発明はそれに限らない。例えば列毎の垂直出力線は３本でも良いし、４本以上でもよい。各列毎の列読み出し回路の個数は垂直出力線の本数と同等であることが望ましい。
上記の各実施形態において、２画素に１個の共有バッファとしたが、本発明はそれに限らない。例えば４画素に１個の共有バッファでも良いし、また、それ以上の画素数でバッファを共有しても良い。
上記の各実施形態において、共有バッファの位置を列によらず行方向に同じ位置に配置しているが、本発明はそれに限定されない。例えば、列毎に共有バッファの行方向の位置を変えてもよい。
上記の各実施形態において、共有バッファに接続される画素を行方向に隣り合う画素としたが、それに限定されない。例えば、行方向に隣り合う２画素と列方向に隣り合う２画素の計４画素でバッファを共有してもよい。
図１０（Ａ）は表面照射型固体撮像装置の画素の断面構造を示した図であり、図１０（Ｂ）は裏面照射型固体撮像装置の画素の断面構造を示した図である。図１０（Ａ）及び（Ｂ）の固体撮像装置の画素は、基板８３に形成される光電変換素子８０、基板８３の表面に形成される回路及び配線層８１を備える。図１０（Ａ）の表面照射型固体撮像装置では、カラーフィルタ８２を基板表面側の回路及び配線層８１の上面に形成し、基板表面側より受光する。図１０（Ｂ）の裏面照射型固体撮像措置では、カラーフィルタ８２を基板８３の裏面に形成し、基板裏面側より受光する。
図１０（Ａ）に示した表面照射型固体撮像装置と図１０（Ｂ）に示した裏面照射型固体撮像装置において、第１〜第３の実施形態を適用すれば画素に接続されるバッファが複数の画素と共有にできるため、画素回路の面積縮小が望める。よって、第１〜第３の実施形態は表面照射型固体撮像装置と裏面照射型固体撮像装置の両方において適用可能である。
第１〜第３の実施形態の固体撮像装置によれば、全画素の画素信号の読み出し時間を短縮し、かつ画素の開口率の向上を実現することができる。
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
１ 垂直出力線、２ バッファ、３ 画素

Claims (6)

  1. 複数の行と複数の列にマトリクス状に配置され、光電変換素子及びカラーフィルタを有する複数の画素と、
    複数の画素毎に配置される複数のバッファと、
    前記画素の各列に複数配置される複数の垂直出力線とを有し、
    それぞれの前記バッファの入力部は、前記カラーフィルタの色が異なる複数の画素に共通に接続され、
    前記複数のバッファの出力部は、複数の垂直出力線に交互に接続されていることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 行方向に隣り合う画素の第１の組みの信号は、異なる前記バッファを介して複数の垂直出力線に同時に出力され、
    行方向に隣り合う画素の第２の組みの信号は、同じ前記バッファを介して同じ垂直出力線に異なるタイミングで出力されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  3. さらに、前記画素の列毎に複数の列読み出し回路と、
    各々の前記列読み出し回路及び複数の垂直出力線の間にそれぞれ接続される複数のスイッチング素子とを有し、
    前記スイッチング素子は、前記列読み出し回路と前記複数の垂直出力線との間を選択的に接続することを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
  4. 複数の行おきの前記画素の信号は、異なる前記バッファを介して複数の前記垂直出力線に同時に出力されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  5. 前記複数の画素のカラーフィルタは、ベイヤー配列されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
  6. 前記複数の画素のカラーフィルタはベイヤー配列され、
    前記複数の列読み出し回路の各々には、前記カラーフィルタが同じ色である前記画素の信号が入力されることを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
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