JP2016171399A - 固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】画素から周辺回路への信号の読み出し速度を高速化できる固体撮像装置を提供する。【解決手段】第1の半導体チップCH1と、第2の半導体チップCH2とを有する。第1の半導体チップCH1は、複数の画素と複数の信号線とを有し、複数の画素は、列に沿った方向に配され、複数の信号線は、複数の画素における互いに異なる画素に接続されているとともに、互いに電気的に分離されている。第2の半導体チップCH2は、AD変換回路と接続回路とを有し、接続回路は、複数の信号線から1つの信号線を選択してAD変換回路ADCへ電気的に接続する。【選択図】図5
Description
実施形態は、概して、固体撮像装置に関する。
固体撮像装置では、光に応じて画素で生成された信号を信号線経由で周辺回路へ読み出す。このとき、画素から周辺回路への信号の読み出し速度の高速化が望まれる。
一つの実施形態は、画素から周辺回路への信号の読み出し速度を高速化できる固体撮像装置を提供することを目的とする。
一つの実施形態によれば、第1の半導体チップと、第2の半導体チップとを有する固体撮像装置が提供される。第1の半導体チップは、複数の画素と複数の信号線とを有する。複数の画素は、列に沿った方向に配されている。複数の信号線は、複数の画素における互いに異なる画素に接続されている。複数の信号線は、互いに電気的に分離されている。第2の半導体チップは、AD変換回路と接続回路とを有する。接続回路は、複数の信号線から1つの信号線を選択してAD変換回路へ電気的に接続する。
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像装置を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。
(実施形態)
実施形態にかかる固体撮像装置について説明する。固体撮像装置は、例えば、図1及び図2に示す撮像システムに適用される。図1及び図2は、撮像システムの概略構成を示す図である。図1において、OPは光軸を示している。
実施形態にかかる固体撮像装置について説明する。固体撮像装置は、例えば、図1及び図2に示す撮像システムに適用される。図1及び図2は、撮像システムの概略構成を示す図である。図1において、OPは光軸を示している。
撮像システム81は、例えば、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラなどであってもよいし、カメラモジュールが電子機器に適用されたもの(例えばカメラ付き携帯端末等)でもよい。撮像システム81は、図2に示すように、撮像部82及び後段処理部83を有する。撮像部82は、例えば、カメラモジュールである。撮像部82は、撮像光学系84及び固体撮像装置100を有する。後段処理部83は、ISP(Image Signal Processor)86、記憶部87、及び表示部88を有する。
撮像光学系84は、撮影レンズ47、ハーフミラー49、メカシャッタ46、レンズ44、プリズム45、及びファインダー48を有する。撮影レンズ47は、撮影レンズ47a,47b、絞り(図示せず)、及びレンズ駆動機構47cを有する。絞りは、撮影レンズ47aと撮影レンズ47bとの間に配され、撮影レンズ47bへ導かれる光量を調節する。なお、図1では、撮影レンズ47が2枚の撮影レンズ47a,47bを有する場合が例示的に示されているが、撮影レンズ47は多数枚の撮影レンズを有していてもよい。
固体撮像装置100は、撮影レンズ47の予定結像面に配置されている。例えば、撮影レンズ47は、入射した光を屈折させて、ハーフミラー49及びメカシャッタ46経由で固体撮像装置100の撮像面へ導き、固体撮像装置100の撮像面に被写体の像を形成する。固体撮像装置100は、被写体像に応じた画像信号を生成する。
固体撮像装置100は、図3に示すように、イメージセンサ90、及び信号処理回路91を有する。図3は、固体撮像装置100の回路構成を示す図である。イメージセンサ90は、例えば、CMOSイメージセンサであってもよいし、CCDイメージセンサであっても良い。イメージセンサ90は、画素配列PA、垂直シフトレジスタ93、タイミング制御部95、アナログデジタル変換部(ADC)96、相関二重サンプリング部(CDS)97、及びラインメモリ98を有する。
画素配列PAでは、複数の画素Pが例えば行方向及び列方向に配列されている。各画素Pは、図4に示すように、例えば、光電変換部3、転送部8、電荷電圧変換部4、リセット部7、増幅部5、及び選択部6を有する。図4は、各画素Pの構成を示す図である。図4では、n行m列目の画素P(n,m)について例示的に示されているが、他の画素についても同様である。
光電変換部3は、光電変換を行い、受けた光に応じた電荷を発生させて蓄積する。光電変換部3は、例えば、フォトダイオードPDを有する。
転送部8は、活性状態において、光電変換部3の電荷を電荷電圧変換部4へ転送し、非活性状態において、光電変換部3の電荷を電荷電圧変換部4へ転送しない。転送部8は、垂直シフトレジスタ93からアクティブレベルの制御信号φREADnを受けた場合に、光電変換部3の電荷を電荷電圧変換部4へ転送する。転送部8は、垂直シフトレジスタ93からノンアクティブレベルの制御信号φREADnを受けた場合に、光電変換部3の電荷を電荷電圧変換部4へ転送しない。転送部8は、例えば、トランスファーゲートとして機能する転送トランジスタTdを有し、そのゲートにアクティブレベルの制御信号φREADnを受けた場合にオンすることにより、光電変換部3の電荷を電荷電圧変換部4へ転送し、そのゲートにノンアクティブレベルの制御信号φREADnを受けた場合にオフすることにより、光電変換部3の電荷を電荷電圧変換部4へ転送しない。
電荷電圧変換部4は、その寄生容量を用いて、転送された電荷を電圧に変換する。電荷電圧変換部4は、例えば、フローティングジャンクションFJを有する。
光電変換部3は、転送部8による電荷の転送が完了してから電荷の蓄積を開始し、転送部8により電荷が次に電荷電圧変換部4へ転送されるまで電荷の蓄積を行う。すなわち、光電変換部3は、転送部8による転送動作の完了タイミングから転送部8による次の転送動作の開始タイミングまでの電荷蓄積期間において、電荷蓄積動作を行う。
リセット部7は、垂直シフトレジスタ93からアクティブレベルの制御信号φRESET_FJnを受けた場合に、電荷電圧変換部4の電位を所定の電位(例えば、VDDreset)にリセットする。リセット部7は、例えば、リセットトランジスタTcを有し、そのゲートにアクティブレベルの制御信号φRESET_FJnを受けた場合にオンすることにより、電荷電圧変換部4の電位を所定の電位(例えば、VDDreset)にリセットする。
増幅部5は、画素P(n,m)が選択状態になった際に、電荷電圧変換部4の電圧に基づく信号を信号線SLへ出力する。増幅部5は、例えば、アンプトランジスタTbを有し、画素P(n,m)が選択状態になった際に、信号線SLを介して接続された負荷電流源CSとともにソースフォロワ動作を行うことにより、電荷電圧変換部4の電圧に応じた信号を信号線SLへ出力する。なお、ソースフォロワ動作では、増幅部5から信号線SLに信号が出力される場合、信号線SLがその容量値に応じた速さで充放電され、その電位が変化する。
選択部6は、垂直シフトレジスタ93からアクティブレベルの制御信号φADRESnを受けた場合に、画素P(n,m)を選択状態にし、垂直シフトレジスタ93からノンアクティブレベルの制御信号φADRESnを受けた場合に、画素P(n,m)を非選択状態にする。選択部6は、例えば、選択トランジスタTaを有し、そのゲートにアクティブレベルの制御信号φADRESnを受けた際にオンすることにより、画素P(n,m)を選択状態にし、そのゲートにノンアクティブレベルの制御信号φADRESnを受けた際にオフすることにより、画素P(n,m)を非選択状態にする。
また、画素Pは、選択部6が省略された構成であってもよい。その場合、リセット部7が画素Pを選択状態/非選択状態にするための動作を行ってもよい。例えば、リセット部7は、電荷電圧変換部4の電位を第1の電位(例えば、VDDレベル)にリセットすることにより画素Pを選択状態にし、電荷電圧変換部4の電位を第2の電位(増幅部5(アンプトランジスタTb)がオフするような電位、例えば、GNDレベル)にリセットすることにより画素Pを非選択状態にしてもよい。
図3に戻って、各画素Pで生成された画像信号は、信号線SLを介してADC96へ伝送される。ADC96は、伝送された画像信号(アナログ信号)をA/D変換して画像信号(デジタル信号)を生成してCDS97へ供給する。CDS97は、画像信号(デジタル信号)に対してCDS処理を施してラインメモリ98経由で信号処理回路91に出力する。信号処理回路91では、信号処理が行われる。これらの信号処理された画像データは、ISP86に出力される。
このとき、画素配列PAにおいて、各列の画素Pごとに共通の垂直信号線が接続されていると、画素配列PAの多画素化に伴い、各垂直信号線に接続される画素数が増大する傾向にある。各垂直信号線に接続される画素数が増大すると、各垂直信号線の負荷容量が増加しやすく、信号伝送時に垂直信号線を充放電するのに要する時間が長時間化しやすいので、各画素Pから周辺回路への信号の読み出し速度の高速化が困難になる可能性がある。
そこで、本実施形態では、基板接合を用いたチップ積層化により、画素領域下に電極の接合点を配置できるようにし、上チップの各垂直信号線を複数の信号線へ分割して下チップの周辺回路へ配線することで、各信号線の負荷を低減し、各画素Pから周辺回路への信号の読み出し速度の高速化を図る。
具体的には、図5及び図6に示すように、固体撮像装置100は、半導体チップCH1及び半導体チップCH2を有する。図5は、固体撮像装置100の積層構成を示す分解斜視図である。図6は、固体撮像装置100の積層構成を示す回路図である。
半導体チップCH2には、半導体チップCH1が積層されている。半導体チップCH1及び半導体チップCH2は、基板接合で接合されている。半導体チップCH1及び半導体チップCH2は、互いに表面側が接合され、互いの電極EL同士を接合(例えば、Cu−Cu接合)させることができる。半導体チップCH1及び半導体チップCH2は、それぞれ、表面側に多層配線構造が形成されており、最上の配線層上に表面が露出された電極ELを有する。
半導体チップCH1には、図3に示す固体撮像装置100内の構成のうち画素配列PAが配される。例えば、半導体チップCH1は、複数の画素P(1,1)〜P(4,4)、複数の信号線SL(1,1)〜SL(4,4)、及び複数の配線WR(1,1)〜WR(4,4)を有する。複数の画素P(1,1)〜P(4,4)は、行方向及び列方向に配列され、例えば4行4列を構成する。図5及び図6では、画素配列PAにおける画素の配列数が4行4列である場合を例示するが、画素の配列数はこれに限定されない。なお、図示しないが、各画素P(1,1)〜P(4,4)は、裏面照射型の画素構成を有する。
複数の信号線SL(1,1)〜SL(4,4)は、列ごとに共通接続されていた垂直信号線から複数の信号線に分割されたものである。
例えば、複数の信号線SL(1,1)〜SL(4,1)は、1列目の画素P(1,1)〜P(4,1)に対応している。複数の信号線SL(1,1)〜SL(4,1)は、1列目の画素P(1,1)〜P(4,1)における互いに異なる画素に接続され、互いに電気的に分離されている。複数の信号線SL(1,1)〜SL(4,1)は、それぞれ列に沿った方向に延びているとともに、互いに列に沿った方向に配列されている。すなわち、複数の信号線SL(1,1)〜SL(4,1)は、1列目の垂直信号線から分割されている。複数の信号線SL(1,1)〜SL(4,1)は、例えば画素Pごとに分割されている。
複数の信号線SL(1,4)〜SL(4,4)は、4列目の画素P(1,4)〜P(4,4)に対応している。複数の信号線SL(1,4)〜SL(4,4)は、4列目の画素P(1,4)〜P(4,4)における互いに異なる画素に接続され、互いに電気的に分離されている。複数の信号線SL(1,4)〜SL(4,4)は、それぞれ列に沿った方向に延びているとともに、互いに列に沿った方向に配列されている。すなわち、複数の信号線SL(1,4)〜SL(4,4)は、4列目の垂直信号線から分割されている。複数の信号線SL(1,4)〜SL(4,4)は、例えば画素Pごとに分割されている。
複数の配線WR(1,1)〜WR(4,4)は、複数の信号線SL(1,1)〜SL(4,4)に対応している。各配線WR(1,1)〜WR(4,4)は、対応する信号線SL(1,1)〜SL(4,4)を半導体チップCH2側へ3次元的に接続する。例えば、配線WR(1,1)〜配線WR(4,1)は、信号線SL(1,1)〜信号線SL(4,1)をその下方に設けられた電極ELへ接続する。
半導体チップCH2には、図3に示す固体撮像装置100内の構成のうち画素配列PA以外が配される。例えば、半導体チップCH2は、ADC96、ロジック回路99(図示せず)、複数の接続回路CC(1)〜CC(4)、及び複数の配線LWR(1,1)〜LWR(4,4)を有する。半導体チップCH2では、ADC96が端部付近に配置されている。ADC96の配置領域の近くには、ロジック回路配置領域11が設けられている。ロジック回路配置領域11には、ロジック回路99が配置されている。ロジック回路99は、信号処理回路91などを含む(図3参照)。
複数の接続回路CC(1)〜CC(4)のそれぞれは、複数の信号線から1つの信号線を選択してADC96へ電気的に接続するように構成されている。
例えば、接続回路CC(1)は、複数の接続線CL1〜CL4、複数の負荷電流源CS1〜CS4、スイッチSW、及び転送線TLを有する。複数の接続線CL1〜CL4は、複数の負荷電流源CS1〜CS4に対応している。各接続線CL1〜CL4は、対応する負荷電流源CS1〜CS4が接続されている。各接続線CL1〜CL4は互いに長さが異なる。図5に示すように、各負荷電流源CS1〜CS4は、各接続線CL1〜CL4の長さが異なることに応じて生じた空きスペースに配置されている。これにより、各負荷電流源CS1〜CS4を効率的に配置することができる。
また、複数の接続線CL1〜CL4は、半導体チップCH1側の複数の信号線SL(1,1)〜SL(4,1)に対応している。各接続線CL1〜CL4は、半導体チップCH1側から、対応する信号線SL(1,1)〜SL(4,1)が接続される。転送線TLは、スイッチSW及びADC96を接続している。スイッチSWは、複数の接続線CL1〜CL4のうち1つの接続線を選択してADC96へ接続する。これにより、半導体チップCH1側の複数の信号線SL(1,1)〜SL(4,1)のうち1つの信号線を選択してADC96へ接続することができる。
なお、図5,6では、各接続回路CCにおけるスイッチSWの段数が1段である場合について例示しているが、スイッチSWの段数が複数段であってもよい。また、スイッチSWの具体的な構成は、例えば、CMOSインバータでもよいし、NMOSトランジスタでもよいし、PMOSトランジスタでもよい。
複数の配線LWR(1,1)〜LWR(4,4)のそれぞれは、半導体チップCH1側から各接続回路CC内の接続線CL1〜CL4へ3次元的に接続する。例えば、配線LWR(1,1)〜LWR(4,1)は、接続回路CC(1)内の接続線CL1〜CL4をその上方に設けられた電極ELへ接続する。
例えば、信号線SL(1,1)→配線WR(1,1)→半導体チップCH1の電極EL→半導体チップCH2の電極EL→配線LWR(1,1)→接続回路CC(1)内の接続線CL1と接続されている。
信号線SL(2,1)→配線WR(2,1)→半導体チップCH1の電極EL→半導体チップCH2の電極EL→配線LWR(2,1)→接続回路CC(1)内の接続線CL2と接続されている。
信号線SL(3,1)→配線WR(3,1)→半導体チップCH1の電極EL→半導体チップCH2の電極EL→配線LWR(3,1)→接続回路CC(1)内の接続線CL3と接続されている。
信号線SL(4,1)→配線WR(4,1)→半導体チップCH1の電極EL→半導体チップCH2の電極EL→配線LWR(4,1)→接続回路CC(1)内の接続線CL4と接続されている。
複数の接続回路CC(1)〜CC(4)のそれぞれは、1つの列に対応した複数の信号線から1つの信号線を選択してADC96へ電気的に接続する。
例えば、接続回路CC(1)は、1列目の画素P(1,1)〜P(4,1)に対応しており、複数の信号線SL(1,1)〜SL(4,1)から1つの信号線を選択してADC96へ電気的に接続する。接続回路CC(4)は、4列目の画素P(1,4)〜P(4,4)に対応しており、複数の信号線SL(1,4)〜SL(4,4)から1つの信号線を選択してADC96へ電気的に接続する。
また、複数の接続回路CC(1)〜CC(4)は、選択された信号線を、互いに時分割でADC96へ電気的に接続する。例えば、接続回路CC(1)で選択された信号線を接続→接続回路CC(2)で選択された信号線を接続→接続回路CC(3)で選択された信号線を接続→接続回路CC(4)で選択された信号線を接続という動作を、時分割で順次に行う。さらに、各接続回路CC(1)〜CC(4)内の選択動作も時分割で行うことができる。例えば、「接続回路CC(1)で選択された信号線を接続」の動作期間内において、接続線CL1を選択して接続→接続線CL2を選択して接続→接続線CL3を選択して接続→接続線CL4を選択して接続という動作を、時分割で順次に行う。これにより、各画素Pから信号線SL経由で出力された信号を順次に選択してA/D変換することができる。
以上のように、実施形態では、固体撮像装置100において、複数の信号線SL(1,1)〜SL(4,1)は、1列目の画素P(1,1)〜P(4,1)における互いに異なる画素に接続され、互いに電気的に分離されている。すなわち、複数の信号線SL(1,1)〜SL(4,1)は、1列目の垂直信号線から電気的に分割されている。これにより、各信号線SLの負荷を低減でき、信号伝送時に各信号線を充放電するのに要する時間を短縮でき、各画素Pから周辺回路(例えば、ADC96)への信号の読み出し速度を高速化できる。
また、実施形態では、固体撮像装置100において、接続回路CCが、複数の信号線SLから1つの信号線を選択してADC96へ電気的に接続する。このとき、複数の接続回路CC(1)〜CC(4)は、選択された信号線を、互いに時分割でADC96へ電気的に接続する。また、各接続回路CC(1)〜CC(4)内の選択動作も時分割で行うことができる。これにより、各画素Pから信号線SL経由で出力された信号を順次に選択してA/D変換することができる。
なお、各接続回路CC(1)〜CC(4)は、複数の負荷電流源CS1〜CS4(図6参照)に代えて、図7に示すように、1つの負荷電流源CS1aを有していてもよい。負荷電流源CS1aは、転送線TLに接続されている。これにより、接続回路CC(1)内に設ける負荷電流源CS1aの数を1つに低減でき、半導体チップCH2における負荷電流源CS1aの配置面積を削減できる。
あるいは、実施形態では、垂直信号線を1画素ごとに分割しているが、垂直信号線の分割数は任意であり、例えば、図8、図9に示すように、垂直信号線を複数画素ごとに分割してもよい。図8は、固体撮像装置100’の積層構成を示す分解斜視図である。図9は、固体撮像装置100’の積層構成を示す回路図である。
例えば、半導体チップCH1’において、複数の信号線SL’(1,1)〜SL’(2,1)は、1列目の垂直信号線から、例えば2画素Pごとに分割されている。これにより、半導体チップCH1’における信号線SL’のトータルの本数を例えば約半分に低減でき、また、半導体チップCH2’側へ接続する配線WR’の本数も例えば約半分に低減できる。それに応じて、半導体チップCH2’において、各接続回路CC内の接続線CL’の本数、負荷電流源CS’の個数も例えば約半分に低減でき、半導体チップCH1’側から接続する配線LWR’の本数も例えば約半分に低減できる。すなわち、全体として、固体撮像装置100’の構成を簡略化できる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
81 撮像システム、100,100’ 固体撮像装置。
Claims (6)
- 列に沿った方向に配された複数の画素と前記複数の画素における互いに異なる画素に接続され互いに電気的に分離された複数の信号線とを有する第1の半導体チップと、
AD変換回路と前記複数の信号線から1つの信号線を選択して前記AD変換回路へ電気的に接続する接続回路とを有する第2の半導体チップと、
を備えたことを特徴とする固体撮像装置。 - 前記第1の半導体チップと前記第2の半導体チップとは積層され、
前記接続回路と前記複数の信号線とは電気的に接続されている
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記複数の信号線は、それぞれ列に沿った方向に延びているとともに、互いに列に沿った方向に配列されている
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像装置。 - 前記接続回路は、
前記複数の信号線に対応しており、対応する信号線がそれぞれ接続される複数の接続線と、
前記複数の接続線のうち1つの接続線を選択して前記AD変換回路へ接続するスイッチと、
を有する
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 - 前記複数の接続線は、互いに長さが異なる
ことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。 - 前記接続回路は、
前記複数の接続線に対応しており、対応する接続線にそれぞれ接続された複数の電流源をさらに有する
ことを特徴とする請求項4又は5に記載の固体撮像装置。
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