JP2016171455A - Solid state image pickup device - Google Patents
Solid state image pickup device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2016171455A JP2016171455A JP2015049935A JP2015049935A JP2016171455A JP 2016171455 A JP2016171455 A JP 2016171455A JP 2015049935 A JP2015049935 A JP 2015049935A JP 2015049935 A JP2015049935 A JP 2015049935A JP 2016171455 A JP2016171455 A JP 2016171455A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pixel
- charge
- signal
- solid
- unit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
Description
本実施形態は、固体撮像装置に関する。 The present embodiment relates to a solid-state imaging device.
CMOSセンサを始めとする固体撮像装置は、デジタルスチルカメラやビデオムービー、また監視カメラ等多様な用途で使われている。デジタルカメラ、ビデオムービー、監視カメラ等の応用においては、次のような撮像特性が要求される。すなわち、暗い被写体を撮像しているときに高いS/Nで撮像できること、さらには十分に明るい被写体を撮像する際にも画像の出力分解能を持つ事である。このように、暗い被写体を撮像している際のS/Nが良好であり、なおかつ明るい被写体を撮像することができると、いわゆるダイナミックレンジの広い画像を撮像することができ、人間の眼で見たのと同様な自然な再現を実現することができるという利点がある。ところが、撮像光学系サイズの縮小の要求が強く、一方で高い解像度に対する要求も同時に高まっており、画素サイズが縮小される傾向にあるため、上述のような広いダイナミックレンジを持つ画像を得ることが困難になってきている。 Solid-state imaging devices such as CMOS sensors are used in various applications such as digital still cameras, video movies, and surveillance cameras. In applications such as digital cameras, video movies, and surveillance cameras, the following imaging characteristics are required. That is, it is possible to capture with a high S / N when capturing a dark subject, and to have an image output resolution even when capturing a sufficiently bright subject. As described above, when a dark subject is imaged and the S / N is good and a bright subject can be imaged, an image with a wide dynamic range can be captured and viewed with human eyes. There is an advantage that a natural reproduction similar to the above can be realized. However, there is a strong demand for reducing the size of the imaging optical system, while a demand for high resolution is also increasing at the same time, and the pixel size tends to be reduced. Therefore, it is possible to obtain an image having a wide dynamic range as described above. It has become difficult.
一つの実施形態は、ダイナミックレンジの広い画像を撮像できる固体撮像装置を提供することを目的とする。 An object of one embodiment is to provide a solid-state imaging device that can capture an image with a wide dynamic range.
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の半導体チップには、画素群が複数配されている。画素群は、複数の画素を含む。第2の半導体チップは、第1の半導体チップが積層されている。第2の半導体チップは、画素制御ブロックが複数配されている。画素制御ブロックは、A/D変換回路を含む。A/D変換回路は、画素群の出力に電気的に接続されている。 According to one embodiment, a solid-state imaging device having a first semiconductor chip and a second semiconductor chip is provided. A plurality of pixel groups are arranged on the first semiconductor chip. The pixel group includes a plurality of pixels. The first semiconductor chip is stacked on the second semiconductor chip. The second semiconductor chip has a plurality of pixel control blocks. The pixel control block includes an A / D conversion circuit. The A / D conversion circuit is electrically connected to the output of the pixel group.
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、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。 Exemplary embodiments of a solid-state imaging device will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to these embodiments.
(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では、光軸をOPで示している。
(Embodiment)
A solid-state imaging device according to an embodiment will be described. The solid-state imaging device is applied to the imaging system shown in FIGS. 1 and 2, for example. 1 and 2 are diagrams illustrating a schematic configuration of an imaging system. In FIG. 1, the optical axis is indicated by OP.
撮像システム1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1は、図2に示すように、撮像部2及び後段処理部3を備える。撮像部2は、例えば、カメラモジュールである。撮像部2は、撮像光学系4及び固体撮像装置5を有する。後段処理部3は、ISP(Image Signal Processor)6、記憶部7、及び表示部8を有する。
The
撮像光学系4は、撮影レンズ47、ハーフミラー43、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。
The imaging optical system 4 includes a photographing
固体撮像装置5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43及びメカシャッタ46経由で固体撮像装置5の撮像面へ導き、固体撮像装置5の撮像面(撮像領域IR)に被写体の像を形成する。固体撮像装置5は、被写体像に応じた画像信号を生成する。
The solid-
固体撮像装置5は、図3に示すように、イメージセンサ10及び信号処理回路11を有する。図3は、固体撮像装置の回路構成を示す図である。イメージセンサ10は、例えば、CMOSイメージセンサであってもよいし、その他の増幅型固体撮像素子であってもよい。イメージセンサ10は、画素配列12及び周辺回路13を有する。周辺回路13は、画素配列12における画素を選択し、選択された画素から信号を読み出す。周辺回路13は、読み出された信号を信号処理回路11へ転送する。
As shown in FIG. 3, the solid-
固体撮像装置5では、例えば動画を撮像する場合、再生画像の画質を改善することが望まれる。例えば、固体撮像装置5は、デジタルスチルカメラやビデオムービー、また監視カメラ等多様な用途で使われている。デジタルカメラ、ビデオムービー、監視カメラ等の応用においては、次のような撮像特性が要求される。
In the solid-
すなわち、暗い被写体を撮像しているときに高いS/Nで撮像できること、さらには十分に明るい被写体を撮像する際にも画像の出力分解能を持つ事である。このように、暗い被写体を撮像している際のS/Nが良好であり、なおかつ明るい被写体を撮像することができると、いわゆるダイナミックレンジが広い画像を撮像することができ、人間の眼で見たのと同様な自然な再現を実現することができるという利点がある。ところが、チップサイズの縮小の要求が強く、一方で多画素化に対する要求も同時に高まっており、画素サイズが縮小される傾向にあるため、上述のような広いダイナミックレンジを持つ画像を得ることが困難になってきている。 That is, it is possible to capture with a high S / N when capturing a dark subject, and to have an image output resolution even when capturing a sufficiently bright subject. As described above, when a dark subject is imaged and the S / N is good and a bright subject can be imaged, an image with a wide dynamic range can be captured and viewed with human eyes. There is an advantage that a natural reproduction similar to the above can be realized. However, the demand for reducing the chip size is strong, while the demand for increasing the number of pixels is also increasing at the same time, and the pixel size tends to be reduced. Therefore, it is difficult to obtain an image having a wide dynamic range as described above. It is becoming.
そこで、本実施形態では、画素配列12を複数の画素群に分割し、基板接合を用いたチップ積層化により各画素群の下に電極の接合点を配置できるようにし、画素群ごとに電荷蓄積期間及び/又は信号のゲインを制御することで、チップサイズの縮小化と高ダイナミックレンジ化とを両立させる。
Therefore, in the present embodiment, the
具体的には、図4及び図5に示すように、固体撮像装置5は、半導体チップCH1、半導体チップCH2、及び半導体チップCHspを有する。図4は、固体撮像装置5の積層構成を示す断面図である。図5は、固体撮像装置5の積層構成を示す分解斜視図である。
Specifically, as shown in FIGS. 4 and 5, the solid-
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、図4に示すように、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。 The semiconductor chip CH1 is stacked on the semiconductor chip CH2. As shown in FIG. 4, the semiconductor chip CH1 and the semiconductor chip CH2 are bonded by substrate bonding. The semiconductor chip CH1 and the semiconductor chip CH2 are bonded to each other on the surface side, and the electrodes EL can be bonded (for example, Cu—Cu bonding). Each of the semiconductor chip CH1 and the semiconductor chip CH2 has a multilayer wiring structure formed on the surface side, and has an electrode EL whose surface is exposed on the uppermost wiring layer.
半導体チップCH1には、図3に示す固体撮像装置5内の構成のうち画素配列12が配される。すなわち、半導体チップCH1には、固体撮像装置5内の他の構成(周辺回路13、信号処理回路11)が配されていないので、多画素化した場合でも画素サイズの縮小を抑制しながらチップサイズを容易に縮小化できる。言い換えると、各画素Pの画素配列サイズを確保しながらチップサイズを容易に縮小化できる。
Of the components in the solid-
例えば、半導体チップCH1には、図5に示すように、複数の画素群PG(1,1)〜PG(p,q)が配されている。複数の画素群PG(1,1)〜PG(p,q)は、画素配列12内において、行方向及び列方向に配列され、例えばp行q列を構成する。p,qは、それぞれ2以上の整数である。各画素群PG(1,1)は、複数の画素P(1,1)〜P(m,n)を有する。複数の画素P(1,1)〜P(m,n)は、画素群PG内において、行方向及び列方向に配列され、例えばm行n列を構成する。m,nは、それぞれ2以上の整数であり、図5ではm=4,n=3である場合が例示されている。なお、図示しないが、各画素Pは、裏面照射型の画素構成を有する(図4参照)。
For example, as shown in FIG. 5, a plurality of pixel groups PG (1,1) to PG (p, q) are arranged on the semiconductor chip CH1. The plurality of pixel groups PG (1,1) to PG (p, q) are arranged in the row direction and the column direction in the
半導体チップCH2には、図3に示す固体撮像装置5内の構成のうち周辺回路13が配される。例えば、半導体チップCH2には、複数の画素制御ブロックPBK(1,1)〜PBK(p,q)が配されている。複数の画素制御ブロックPBK(1,1)〜PBK(p,q)は、複数の画素群PG(1,1)〜PG(p,q)に対応している。複数の画素制御ブロックPBK(1,1)〜PBK(p,q)は、周辺回路13内において、行方向及び列方向に配列され、例えばp行q列を構成する。p,qは、それぞれ2以上の整数である。
Of the components in the solid-
半導体チップCHspには、図3に示す固体撮像装置5内の構成のうち信号処理回路11が配される。例えば、半導体チップCHspには、図5に示すように、ロジック回路11a、フレームメモリー11b、及びI/O回路11cが配されている。ロジック回路11aは、各画素制御ブロックPBKに制御信号を供給し、フレームメモリー11bは、制御信号に応じて各画素制御ブロックPBKから転送されたデータ(1フレーム画像のデータ)を保持する。
Of the components in the solid-
この構成では、図6に示すように、各画素Pに対する制御と各画素Pからの信号の読み出しとの並列度を向上させることができる。図6は、固体撮像装置の構成を示すブロック図である。すなわち、画素制御ブロックPBKは、対応する画素群PG内の複数の画素Pのうち選択された画素Pから順次に信号を読み出すことができるとともに、画素群PG内の複数の画素Pをそれぞれ制御できる。また、複数の画素制御ブロックPBKによる制御動作は、互いに並行して行うことができる。 In this configuration, as shown in FIG. 6, it is possible to improve the degree of parallelism between the control for each pixel P and the signal reading from each pixel P. FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of the solid-state imaging device. That is, the pixel control block PBK can sequentially read signals from the selected pixel P among the plurality of pixels P in the corresponding pixel group PG, and can control each of the plurality of pixels P in the pixel group PG. . Further, control operations by the plurality of pixel control blocks PBK can be performed in parallel with each other.
これにより、画素制御ブロックPBKにおいて画素Pから読み出された信号に応じて画素Pの電荷蓄積期間及び/又は画素Pの信号のゲインをフィードバック制御するために要する期間を容易に短縮できる。例えば、図7(a)に示す1フレーム画像を得るために設けられた1フレーム蓄積期間Tfを、図7(b)に示すように、N分割(Nは2以上の整数)してサブフレーム蓄積期間(Tf)/Nとする。そして、画素制御ブロックPBKは、サブフレーム期間(Tf)/Nの単位で画素群PG内の各画素Pの制御動作を行うことができ、1フレームのデータをN枚のサブフレームのデータに分割して読み出すことができる。図7(a)は、1フレーム蓄積期間を示す図であり、図7(b)は、サブフレーム蓄積期間を示す図である。 Thereby, the charge accumulation period of the pixel P and / or the period required for feedback control of the gain of the signal of the pixel P can be easily shortened according to the signal read from the pixel P in the pixel control block PBK. For example, the 1-frame accumulation period Tf provided for obtaining the 1-frame image shown in FIG. 7A is divided into N (N is an integer of 2 or more) as shown in FIG. The accumulation period (Tf) / N. The pixel control block PBK can control each pixel P in the pixel group PG in units of subframe periods (Tf) / N, and divides one frame of data into N subframes of data. Can be read out. FIG. 7A shows a one-frame storage period, and FIG. 7B shows a sub-frame storage period.
例えば、画素P及び画素制御ブロックPBKは、図8に示すように構成される。図8は、画素P及び画素制御ブロックPBKの構成を示す図である。 For example, the pixel P and the pixel control block PBK are configured as shown in FIG. FIG. 8 is a diagram illustrating the configuration of the pixel P and the pixel control block PBK.
画素Pは、光電変換部50、電荷蓄積部60、及び画素増幅回路70を有する。光電変換部50は、光に応じた電荷を発生させる。電荷蓄積部60は、光電変換部50で発生した電荷を蓄積する。画素増幅回路70は、電荷蓄積部60に蓄積された電荷に応じた電圧を生成するとともに増幅し、増幅された電圧に応じた信号を出力する。
The pixel P includes a
なお、画素群PGにおける各画素Pの出力端子は共通化可能であり、各画素Pは、共通化された出力端子(図示せず)、半導体チップCH1の電極EL、半導体チップCH2の電極EL(図4参照)経由で画素制御ブロックPBKの入力端子に接続することができる。また、画素群PGにおける各画素Pの制御端子は共通化可能であり、各画素Pは、共通化された制御端子(図示せず)、半導体チップCH1の電極EL、半導体チップCH2の電極EL(図4参照)経由で画素制御ブロックPBKの制御信号の供給端子に接続することができる。 The output terminal of each pixel P in the pixel group PG can be shared, and each pixel P has a shared output terminal (not shown), an electrode EL of the semiconductor chip CH1, and an electrode EL ( 4) and can be connected to the input terminal of the pixel control block PBK. Further, the control terminal of each pixel P in the pixel group PG can be shared, and each pixel P has a shared control terminal (not shown), an electrode EL of the semiconductor chip CH1, and an electrode EL ( It can be connected to the supply terminal of the control signal of the pixel control block PBK via (see FIG. 4).
画素Pは、蓄積された信号(電荷)を非破壊の状態に保ったまま信号を出力することができるように(非破壊読み出し構造で)構成されている。すなわち、電荷蓄積部60に蓄積された電荷に応じた電圧を画素増幅回路70が生成する際に、電荷蓄積部60は、電荷を蓄積し続けることができる。電荷蓄積部60は、画素制御ブロックPBKから電荷の蓄積を解除するように制御信号1で指示されるまで、電荷蓄積動作を継続できる。
The pixel P is configured so as to be able to output a signal (with a non-destructive readout structure) while keeping the accumulated signal (charge) in a non-destructive state. That is, when the
例えば、画素Pは、図9に示すように、光電変換部50、電荷蓄積部60、及び画素増幅回路70を有する。図9は、画素Pの構成を示す回路図である。光電変換部50は、フォトダイオードPDを含む。
For example, the pixel P includes a
電荷蓄積部60は、電荷保持部61、転送部62、及びリセット部63を有する。電荷保持部61は、ストレージダイオードSDを含む。
The
リセット部63は、電荷保持部61の電荷をリセットする。リセット部63は、例えば、リセットトランジスタM2を含み、画素制御ブロックPBKからフィードバック線141(図8参照)及びリセット制御線65経由でアクティブレベル(例えば、Hレベル)の制御信号φReset2(制御信号1)をゲートで受けた際にオンすることで電荷保持部61の電荷をリセットする。これにより、電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させることができる。例えば、図10に示す場合、タイミングt3に、φReset2(制御信号1)がL→Hになることで、電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させることができる。図10は、画素Pの動作を示す波形図である。例えば、サブフレームの信号蓄積期間の終了時点でφReset2がL→Hになることで、電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させることができる。
The
リセット部63は、画素制御ブロックPBKからフィードバック線141(図8参照)及びリセット制御線65経由でノンアクティブレベル(例えば、Lレベル)の制御信号φReset2(制御信号1)をゲートで受けた際にオフすることで電荷保持部61の電荷のリセットを解除する。これにより、電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を開始させることができる。例えば、図10に示す場合、タイミングt4に、φReset2(制御信号1)がH→Lになることで、電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を開始させることができる。例えば、サブフレームの信号蓄積期間の開始時点でφReset2がH→Lになることで、電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を開始させることができる。
The
なお、図10の制御信号φReset2(制御信号1)について破線で示すように、制御信号φReset2(制御信号1)がLレベルに維持された場合、電荷保持部61のリセットが行われず、電荷蓄積部60の電荷蓄積動作が継続される。
As indicated by a broken line with respect to the control signal φReset2 (control signal 1) in FIG. 10, when the control signal φReset2 (control signal 1) is maintained at the L level, the
転送部62は、光電変換部50の電荷を電荷保持部61へ転送する。転送部62は、電荷保持部61のリセットが行われていない期間に、光電変換部50の電荷を電荷保持部61へ転送する。転送部62は、例えば、転送トランジスタM1を含み、画素制御ブロックPBKからフィードバック線147(図8参照)及び転送制御線66経由でアクティブレベルの制御信号φRead(制御信号3)をゲートで受けた際にオンすることで、フォトダイオードPDの電荷をストレージダイオードSDへ転送する。転送部62は、ノンアクティブレベルの制御信号φReadをゲートで受けた際にオフすることで、フォトダイオードPDとストレージダイオードSDとを互いに電気的に遮断する。例えば、図10に示す場合、タイミングt1に、φRead(制御信号3)がL→Hになることで、光電変換部50の電荷を電荷保持部61へ転送させることができ、タイミングt2に、φRead(制御信号3)がH→Lになることで、光電変換部50の電荷を電荷保持部61への転送を完了させることができる。例えば、サブフレームの信号蓄積期間の終了直前の時点で光電変換部50の電荷を電荷保持部61への転送を行い完了させることができる。
The
画素増幅回路70は、図9に示すように、電荷電圧変換部71、伝達部77、出力部72、選択部73、及びリセット部74を有する。
As illustrated in FIG. 9, the
伝達部77は、電荷保持部61に保持された電荷に応じた電荷を電荷電圧変換部71へ伝達する。伝達部77は、フローティングゲートFGを含む。フローティングゲートFGは、一端が電荷保持部61に容量的に結合され、他端が電荷電圧変換部71に電気的に接続されている。電荷電圧変換部71は、伝達された電荷を電圧に変換する。電荷電圧変換部71は、フローティングディフュージョンFDを含む。フローティングディフュージョンFDは、その寄生容量を用いて電圧を保持できる。出力部72は、電荷電圧変換部71の電圧に応じた信号を信号線SLへ出力する。出力部72は、増幅トランジスタM3を含み、信号線SLに接続された電流源(図示せず)とともにソースフォロワ動作を行うことでゲートで受けたフローティングディフュージョンFDの電圧に応じた信号をソース側の信号線SLへ出力する。すなわち、信号は電荷保持部61から伝達部77へ容量的に伝達され、伝達部77から電荷電圧変換部71へ伝達されるので、出力部72から信号が信号線SLへ出力される間に電荷保持部61に保持された信号(電荷)を非破壊の状態に維持できる。また、電荷保持部61は、電荷電圧変換部71に比べて出力部72(増幅トランジスタM3)からDC的に隔てられているので、出力部72の動作に伴うノイズの影響を受けにくい。これにより、信号線SLへ出力される信号のS/N比を向上できる。
The
選択部73は、画素Pを選択状態又は非選択状態にする。選択部73は、例えば選択トランジスタM4を含み、画素制御ブロックPBKからフィードバック線(図示せず)及び選択制御線76経由でアクティブレベル(例えば、Hレベル)の制御信号φAddress1をゲートに受けた際にオンすることで画素Pを選択状態にし、ノンアクティブレベル(例えば、Lレベル)の制御信号φAddress1をゲートに受けた際にオフすることで画素Pを非選択状態にする。リセット部74は、電荷電圧変換部71をリセットする。リセット部74は、例えば、リセットトランジスタM5を含み、画素制御ブロックPBKからフィードバック線(図示せず)及びリセット制御線78経由でアクティブレベル(例えば、Hレベル)の制御信号φReset1をゲートに受けた際にオンすることで電荷電圧変換部71をリセットし、ノンアクティブレベル(例えば、Lレベル)の制御信号φReset1をゲートに受けた際にオフすることで電荷電圧変換部71のリセットを解除する。
The
また、画素増幅回路70は、そのゲインを制御可能に構成されている。画素増幅回路70は、画素制御ブロックPBKから定常状態のゲインを維持するように制御信号2で指示されている間、ゲインが第1のゲインに制御されている。画素増幅回路70は、画素制御ブロックPBKからゲインを定常状態より下げるように制御信号2で指示されている間、ゲインが第2のゲインに制御されている。第2のゲインは、第1のゲインより低いゲインである。
The
画素増幅回路70は、図9に示すように、ゲイン調整部75をさらに有する。ゲイン調整部75は、伝達部77(フローティングゲートFG)のゲインを調整する。ゲイン調整部75は、スイッチ751及び容量素子752を有する。スイッチ751は、容量素子752の一端をフローティングゲートFGに接続する。スイッチ751は、オンすることで、容量素子752の一端をフローティングゲートFGに接続し、フローティングゲートFGの負荷容量を大きくしてフローティングゲートFGのゲインを下げる。スイッチ751は、オフすることで、容量素子752の一端をフローティングゲートFGから電気的に遮断し、フローティングゲートFGの負荷容量を小さくしてフローティングゲートFGのゲインを上げる。
The
スイッチ751は、例えば、トランジスタM6を含み、画素制御ブロックPBKからフィードバック線143(図8参照)及びゲイン制御線79経由でノンアクティブレベル(例えば、Lレベル)の制御信号φGain(制御信号2)をゲートに受けた際にオフすることで、フローティングゲートFGのゲインを上げる。これにより、画素増幅回路70のゲインが第1のゲインに制御される。
The
スイッチ751は、例えば、画素制御ブロックPBKからフィードバック線143(図8参照)及びゲイン制御線79経由でアクティブレベル(例えば、Hレベル)の制御信号φGain(制御信号2)をゲートに受けた際にオンすることで、フローティングゲートFGのゲインを下げる。これにより、画素増幅回路70のゲインが第2のゲインに制御される。
The
画素Pの動作についてより詳細に説明する。図10は、画素Pの動作駆動ミングの一例を示している。図10に示した動作タイミングでは、ストレージダイオードSDに受光部(フォトダイオードPD)から信号電子が読み出される前に、リセットトランジスタM5(φReset1)をオン状態とすることでフローティングディフュージョンFDの電位を基準電位に設定し、その後リセットトランジスタM5(φReset1)を再びオフ状態とする。その後、フローティングディフュージョンFDから増幅トランジスタM3を介して基準信号レベルを読みだす。その後、転送トランジスタM1(φRead)がオン状態となることで、フォトダイオードPDの電荷をストレージダイオードSDに転送する。ストレージダイオードSDに信号電荷が蓄積された状態での信号出力が画素増幅回路70を介して読み出される。後段の回路において読み出された信号と基準信号レベルの差分を取ることで、増幅トランジスタM3の出力オフセット雑音、フローティングディフュージョンFDで発生するkTC雑音を除去する。信号の読出しが終了した後には、制御回路140(図8)において信号レベルの検定が行われ、その結果、画素Pでの信号蓄積を終了し信号電荷を排出すると判断した場合には、リセットトランジスタM2がオン状態となるよう制御信号1(φReset2)が印加され、ストレージダイオードSDに蓄積されていた信号電荷が排出される。その際、転送トランジスタM1には、オフ状態となるよう制御信号3(φRead)が印加される。制御回路140における信号検定により、画素Pでの信号蓄積を継続すると判断した場合には、リセットトランジスタM2がオフ状態となるような制御信号1(φReset2)が印加され、ストレージダイオードSDに蓄積されていた信号電荷はそのままストレージダイオードSDに保持され、信号電荷を破壊することなくストレージダイオードSDでの信号蓄積が継続される。
The operation of the pixel P will be described in detail. FIG. 10 shows an example of operation driving of the pixel P. At the operation timing shown in FIG. 10, before the signal electrons are read from the light receiving unit (photodiode PD) to the storage diode SD, the reset transistor M5 (φReset1) is turned on to change the potential of the floating diffusion FD to the reference potential. Then, the reset transistor M5 (φReset1) is turned off again. Thereafter, the reference signal level is read from the floating diffusion FD via the amplification transistor M3. Thereafter, the transfer transistor M1 (φRead) is turned on to transfer the charge of the photodiode PD to the storage diode SD. A signal output in a state where signal charges are accumulated in the storage diode SD is read out through the
また、信号蓄積を継続すると判断した場合には、次のような動作としてもよい。すなわち、制御回路140(図8)において信号レベルの検定を行い、またその結果画素Pでの信号蓄積を継続すると判断した場合には、リセットトランジスタM2がオフ状態となるような制御信号1(φReset2)が印加されるところまでは前述の動作と同じであるが、その後にストレージダイオードSDに蓄積されている信号電荷をフォトダイオードPDに転送し、フォトダイオードPDで信号蓄積を継続してもよい。t3からt4までの期間には転送トランジスタM1(φRead)にはON状態となるようH電位が印加される(図10に示すφReadの点線波形)。このようにすることでストレージダイオードSDに蓄積された信号電荷はフォトダイオードPDに転送され、転送トランジスタM1がOFF状態になった後には、フォトダイオードPDで信号蓄積が継続される。 Further, when it is determined that the signal accumulation is continued, the following operation may be performed. That is, when the signal level is verified in the control circuit 140 (FIG. 8) and it is determined that the signal accumulation in the pixel P is continued as a result, the control signal 1 (φReset2) that turns off the reset transistor M2 However, the signal charge stored in the storage diode SD may be transferred to the photodiode PD and the signal storage may be continued in the photodiode PD. During the period from t3 to t4, an H potential is applied to the transfer transistor M1 (φRead) so as to be in an ON state (a dotted waveform of φRead shown in FIG. 10). In this way, the signal charge accumulated in the storage diode SD is transferred to the photodiode PD, and signal accumulation is continued in the photodiode PD after the transfer transistor M1 is turned off.
図8に戻って、画素制御ブロックPBKは、ゲインアンプ110、A/D変換回路(ADC)120、画素ブロックメモリー130、及び制御回路140を有する。ゲインアンプ110は、信号線111を介して画素制御ブロックPBKの入力端子に接続され、信号線112を介してADC120の入力に接続されている。ADC120は、信号線112を介してゲインアンプ110の出力に接続され、信号線121を介して画素ブロックメモリー130に接続されている。すなわち、ADC120は、画素群PGの出力端子に電気的に接続されている。ゲインアンプ110は、画素群PGの出力端子とADC120との間に電気的に接続されている。画素ブロックメモリー130は、信号線121を介してADC120の出力に接続され、信号線131を介して制御回路140の入力に接続されている。画素ブロックメモリー130は、ADC120から出力された信号(デジタル信号)の値を、サブフレーム蓄積期間ごとに格納する。
Returning to FIG. 8, the pixel control block PBK includes a
制御回路140は、信号線131を介して画素ブロックメモリー130に接続されている。制御回路140は、フィードバック線141を介して画素群PGの各画素Pの電荷蓄積部60に接続されている。制御回路140は、フィードバック線141を介して画素Pの電荷蓄積部60に制御信号1(φReset2)を供給する。制御回路140は、フィードバック線143を介して画素群PGの各画素Pの画素増幅回路70に接続されている。制御回路140は、フィードバック線143を介して画素Pの画素増幅回路70に制御信号2(φGain)を供給する。制御回路140は、フィードバック線147を介して画素群PGの各画素Pの電荷蓄積部60に接続されている。制御回路140は、フィードバック線147を介して画素Pの電荷蓄積部60に制御信号3(φRead)を供給する。制御回路140は、フィードバック線144を介してゲインアンプ110に接続されている。制御回路140は、フィードバック線142を介してADC120に接続されている。制御回路140は、制御線145を介してロジック回路11aに接続されている。制御回路140は、制御線145を介してロジック回路11aから制御信号を受ける。制御回路140は、データ線146を介してフレームメモリー11bに接続されている。制御回路140は、データ線146を介してデータをフレームメモリー11bへ出力する。
The
制御回路140は、比較器140a及びロジック回路140bを有する。比較器140aは、画素ブロックメモリー130に格納されたサブフレーム蓄積期間ごとの信号の値を互いに比較するように構成されている。あるいは、比較器140aは、画素ブロックメモリー130に格納されたサブフレーム蓄積期間ごとの信号の値をレファレンス値と比較するように構成されていてもよい。ロジック回路140bは、比較器140aの比較結果に応じて、制御信号1、制御信号2、及び制御信号3を生成する。
The
例えば、図11に示すように、制御回路140は、被写体の動き検出判断を行い、画素Pの電荷蓄積動作を適応制御することができる。図11は、画素制御ブロックPBKの動作を示す図である。制御回路140は、1フレーム蓄積期間内のサブフレーム数Nに応じて、bit階調を適正な階調に調整するように、ADC120を制御する。また、画素制御ブロックPBKは、画素Pから信号を非破壊状態で読み出す。制御回路140は、注目するサブフレーム蓄積期間の信号値とそれ以前のサブフレーム蓄積期間の信号値とを比較することで、被写体の動きを検出する。制御回路140は、画素制御ブロック毎の信号代表値(例えばmedian値)を注目するサブフレーム蓄積期間とそれ以前のサブフレーム蓄積期間とのそれぞれについて求める。制御回路140は、両者の差分が所定の範囲内に収まれば被写体が静止していると判断し、両者の差分が所定の範囲外になれば被写体が動いていると判断する。被写体の動き検出判断は、固体撮像装置5における複数の画素制御ブロックの間で互いに並行して行われる。
For example, as shown in FIG. 11, the
動きが検出された画素制御ブロックPBKの制御回路140は、電荷の蓄積を解除するように制御信号1で指示し、各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させる。また、制御回路140は、動きが止まるまで各サブフレーム蓄積期間の信号のそれぞれを別々にフレームメモリー11bに格納させる。これにより、画像全体における動きが検出された領域について1フレーム蓄積期間より短いサブフレーム蓄積期間で電荷蓄積動作が繰り返し行われるようにすることができ、動きが検出された領域について撮像の時間解像度を向上できる。すなわち、信号蓄積時間が短くmotion blurの無いsub−frameデータを順次出力することができる。
The
動きが検出されない画素制御ブロックPBKの制御回路140は、電荷の蓄積を継続するように制御信号1で指示し、各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を継続させる。制御回路140は、動きが検出されるまでは各サブフレーム蓄積期間の信号をフレームメモリー11b上で上書きさせる。ただし、制御回路140は、いずれかの画素Pの信号が飽和した場合、電荷の蓄積を解除するように制御信号1で指示し、各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させる。これにより、被写体の動き検出判断の検出精度を高くすることができる。
The
あるいは、例えば、図12に示すように、制御回路140は、信号読み出しのダイナミックレンジ制約判断を行い、画素Pの電荷蓄積動作を適応制御することができる。図12は、画素制御ブロックPBKの動作を示す図である。図12では、サブフレーム数N=8である場合について例示されている。フレーム蓄積期間Tfの開始から(Tf)/8が経過したタイミングで、制御回路140は、信号値とレファレンス値とを比較する。レファレンス値は、ADC120の最大入力レンジに応じたレファレンス値である。
Alternatively, for example, as illustrated in FIG. 12, the
制御回路140は、信号値がレファレンス値以上である場合(例えばケース1の場合)、信号読み出しのダイナミックレンジに余裕がないと判断し、電荷の蓄積を解除するように制御信号1で指示し、各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させる。
When the signal value is equal to or greater than the reference value (for example, in case 1), the
制御回路140は、信号値がレファレンス値未満である場合(例えばケース2,3の場合)、信号読み出しのダイナミックレンジに余裕があると判断し、電荷の蓄積を継続するように制御信号1で指示し、各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を継続させる。これにより、光電変換部50、電荷蓄積部60、及び信号線SL(図8参照)のいずれかのダイナミックレンジによる制約を受けることなく、電荷蓄積期間を長くできるので、画素信号のS/Nを改善できる。また、信号読み出しのダイナミックレンジ制約判断を行って画素Pの電荷蓄積動作の制御を画素制御ブロックPBK毎に適応的に行うので、画面で等しく電荷蓄積期間の制御を行う場合と比べて、各画素制御ブロックPBK毎に適正な電荷蓄積期間を設定できる。すなわち、低照度被写体を撮像する画素では電荷蓄積期間を長くできるので、再生画像での低照度被写体のS/Nを向上する。この結果、広ダイナミックレンジ化と高S/N化とを同時に実現させることができる。
When the signal value is less than the reference value (for example, in
なお、この場合、制御回路140は、どの程度余裕があるのかを見積もってもよい。制御回路140は、信号値をサブフレーム数N倍(この場合、8倍)した値とレファレンス値とを比較する。制御回路140は、信号値をN倍した値がレファレンス値未満である場合、1フレーム蓄積期間に渡って信号読み出しのダイナミックレンジに余裕があると判断し、最終のサブフレーム蓄積期間まで信号読み出しを停止しても良い。また、レファレンス値としてADC120の最大入力レンジの1/K(Kは2以上の整数)の値とした場合、Kフレーム蓄積期間に渡って信号読み出しを停止し、Kフレーム蓄積期間の終了時に信号を読みだす動作としても良い。
In this case, the
このとき、制御回路140は、読出すサブフレーム回数によって、画素制御ブロックPBK毎にADC120のビット階調を変えてもよい。例えば、サブフレーム読出し回数が多く、ADC120の入力レンジに対して信号量が少ない場合にはビット階調を下げてもよい。
At this time, the
あるいは、例えば、図13に示すように、制御回路140は、信号読み出しのダイナミックレンジ制約判断を行い、画素Pの画素増幅回路70のゲインとゲインアンプ110のゲインとを適応制御することができる。図13は、画素制御ブロックPBKの動作を示す図である。
Alternatively, for example, as illustrated in FIG. 13, the
制御回路140は、サブフレーム蓄積期間の出力信号をレファレンス値と比較する。制御回路140は、比較結果に応じて、1フレーム蓄積期間の終了時に信号がADC120の最大入力レンジ(図12参照)より大きくなると判断した場合、制御信号1により各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させる(図8参照)とともに、制御信号1により画素増幅回路70のゲインを第1のゲインから第2のゲインに下げることと、ゲインアンプ110の電圧増幅ゲインを下げることとの少なくとも一方を行う。
The
例えば、図14に実線で示すケース4のように、1フレーム蓄積期間Tfの1/4の期間で信号レベルがADC120の最大入力レンジに達する場合、制御信号1により各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させる(図8参照)とともに、信号のゲインが現在のゲインの1/3になるように、制御信号1により画素増幅回路70のゲインを第1のゲインから第2のゲインに下げることと、ゲインアンプ110の電圧増幅ゲインを下げることとの少なくとも一方を行う。図14は、画素制御ブロックPBKの動作を示す図である。これにより、図14に一点鎖線で示すケース4’のように、1フレーム蓄積期間に終了時にADC120の最大入力レンジに達するようにすることができる。そして、次の1フレーム蓄積期間の開始時に、制御信号1により各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させる(図8参照)とともに、信号のゲインが現在のゲインの1/4になるように、制御信号1により画素増幅回路70のゲインを第1のゲインから第2のゲインに下げることと、ゲインアンプ110の電圧増幅ゲインを下げることとの少なくとも一方を行う。これにより、次の1フレーム蓄積期間では、図14に実線で示すケース6のように、1フレーム蓄積期間に終了時にADC120の最大入力レンジに達するようにすることができる。
For example, as in case 4 indicated by a solid line in FIG. 14, when the signal level reaches the maximum input range of the
例えば、図14に実線で示すケース5のように、1フレーム蓄積期間Tfの1/2の期間で信号レベルがADC120の最大入力レンジに達する場合、制御信号1により各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させる(図8参照)とともに、信号のゲインを維持する。これにより、図14に一点鎖線で示すケース5’のように、1フレーム蓄積期間に終了時にADC120の最大入力レンジに達するようにすることができる。そして、次の1フレーム蓄積期間の開始時に、制御信号1により各画素Pの電荷蓄積部60の電荷蓄積動作を完了させる(図8参照)とともに、信号のゲインが現在のゲインの1/2になるように、制御信号1により画素増幅回路70のゲインを第1のゲインから第2のゲインに下げることと、ゲインアンプ110の電圧増幅ゲインを下げることとの少なくとも一方を行う。これにより、次の1フレーム蓄積期間では、図14に実線で示すケース6のように、1フレーム蓄積期間に終了時にADC120の最大入力レンジに達するようにすることができる。
For example, as in
これにより、光電変換部50、電荷蓄積部60、及び信号線SL(図8参照)のいずれかのダイナミックレンジによる制約を受けることなく画素Pに電荷蓄積動作を行わせることができ、画素Pで光電変換により得た信号電荷のほぼ全てを利用することができる。この結果、ダイナミックレンジの広い信号を得ることができる。また、信号読み出しのダイナミックレンジ制約判断の動作を画素制御ブロック毎に適応的に行うので、画面で等しく蓄積時間の制御を行う場合と比べて、各画素制御ブロック毎に最適の蓄積時間を設定することができる。これにより、広ダイナミックレンジ化と高S/N化とを両方を同時に実現させることができる。
This allows the pixel P to perform a charge accumulation operation without being restricted by the dynamic range of any one of the
なお、上記の画素/画素制御ブロックの制御は、適宜組み合わせて行うことができる。これにより、被写体が静止している場合には、信号蓄積時間を最大限に長くすることができ、その一方で被写体が動いた場合には、信号蓄積時間を短くすることができるので、motion blurの無い解像度の高い画像を得ることができる。また、画素制御ブロック毎或いは画素毎に画素、アナログ回路のダイナミックレンジを最大限まで有効に利用した上で、暗時ノイズが低くでき高いS/Nを実現することができる。また、一つのフレームの信号を複数のSub−frameに分割して読出し、後段のメモリーで合成して1画面を再構成する場合には、ADC120のbit精度を低減することができる。画素での信号蓄積時間を長くし、尚且つsub−frame読出しによるサンプリングも行わない場合にはADC120の動作を停止することができるので、消費電力を低減することができる。
Note that the control of the pixel / pixel control block can be performed in combination as appropriate. Thereby, when the subject is stationary, the signal accumulation time can be maximized. On the other hand, when the subject moves, the signal accumulation time can be shortened. It is possible to obtain a high-resolution image with no image. In addition, the noise in the dark can be reduced and high S / N can be realized while effectively utilizing the dynamic range of the pixel and analog circuit for each pixel control block or for each pixel. In addition, when one frame signal is divided and read into a plurality of sub-frames and combined in a subsequent memory to reconstruct one screen, the bit accuracy of the
以上のように、実施形態では、固体撮像装置5において、画素配列12を複数の画素群PGに分割し、基板接合を用いたチップ積層化により各画素群PGの下に電極の接合点を配置できるようにし、画素群PGごとに電荷蓄積期間及び/又は信号のゲインを制御する。半導体チップCH1には、画素配列12が配されているが、固体撮像装置5内の他の構成(周辺回路13、信号処理回路11)が配されていないので、多画素化した場合でも画素サイズの縮小を抑制しながらチップサイズを容易に縮小化できる。言い換えると、各画素Pの画素配列サイズを確保しながらチップサイズを容易に縮小化できる。また、基板接合を用いたチップ積層化により、半導体チップCH1における画素Pと半導体チップCH2における画素制御ブロックPBKとの間で、各画素Pに対する制御と各画素Pからの信号の読み出しとの並列度を向上させることができる。これにより、1フレーム蓄積期間をN分割したサブフレーム蓄積期間の単位で画素の電荷蓄積期間及び/又は画素の信号のゲインを適応制御できるので、信号のダイナミックレンジを容易に拡大できる。したがって、チップサイズの縮小化と高ダイナミックレンジ化とを両立させることができる。
As described above, in the embodiment, in the solid-
また、1フレーム蓄積期間をN分割したサブフレーム蓄積期間の単位で画素の電荷蓄積期間及び/又は画素の信号のゲインを適応制御できるので、S/N比を向上でき、動体撮像時の動体歪みを低減する高品質の画像を提供することができる。 In addition, since the charge accumulation period of the pixel and / or the gain of the pixel signal can be adaptively controlled in units of subframe accumulation periods obtained by dividing one frame accumulation period into N, the S / N ratio can be improved, and the moving object distortion during moving object imaging It is possible to provide a high-quality image that reduces image quality.
また、実施形態では、各画素Pの画素増幅回路70において、フローティングゲートFGは、一端が電荷保持部61に容量的に結合され、他端が電荷電圧変換部71に電気的に接続されている。これにより、信号を電荷保持部61からフローティングゲートFGへ容量的に伝達でき、フローティングゲートFGから電荷電圧変換部71へ伝達できるので、出力部72から信号が信号線SLへ出力される間に電荷保持部61に保持された信号(電荷)を非破壊の状態に維持できる。また、各画素Pがこのような非破壊読み出し構造を有するので、各画素Pに電荷(信号)を保持させた状態を維持しながらサブフレーム蓄積期間の単位での画素の電荷蓄積期間及び/又は画素の信号のゲインの適用制御を行うことができる。
In the embodiment, in the
なお、各画素制御ブロックPBKにおける画素ブロックメモリー130(図8参照)でフレームメモリー11bを代用してもよい。この場合、図15に示すように、半導体チップCHsp’においてフレームメモリー11bが省略されていてもよい。図15は、固体撮像装置5の積層構成を示す分解斜視図である。
The
あるいは、図16に示すように、複数の画素P−i〜P−(i+3)で制御信号1、制御信号2、制御信号3を共有するように構成されていてもよい。図16は、共有化された複数の画素P−i〜P−(i+3)の構成を示す回路図である。複数の画素P−i〜P−(i+3)では、画素増幅回路70における伝達部77−i〜77−(i+3)以外の構成が共有化されている。これにより、ゲイン調整部75には、複数の画素P−i〜P−(i+3)に共通の制御信号2が供給される。制御信号1、制御信号3は、図17に示すように、選択信号φSelecti〜φSelecti+3が択一的にアクティブレベルになることによりトランジスタM11,M21,M31,M41から選択された1つのトランジスタとトランジスタM13,M23,M33,M43から選択された1つのトランジスタとトランジスタM12,M22,M32,M42から選択された1つのトランジスタとがオンすることで、電荷蓄積部60a−i〜60a−(i+3)のいずれかに選択的に供給される。
Alternatively, as shown in FIG. 16, a plurality of pixels Pi to P- (i + 3) may be configured to share the
その際、制御回路140における信号検定により画素Pでの信号蓄積を終了し信号電荷を排出すると判断した場合には、リセットトランジスタM2がオン状態となるよう制御信号1(φReset2)が印加され、ストレージダイオードSDに蓄積されていた信号電荷が排出される。その際、転送トランジスタM1には、オフ状態となるよう制御信号3(φRead)が印加される。制御回路140における信号検定により、画素Pでの信号蓄積を継続すると判断した場合には、リセットトランジスタM2がオフ状態となるような制御信号1(φReset2)が印加され、ストレージダイオードSDに蓄積されていた信号電荷はそのままストレージダイオードSDに保持され、信号電荷を破壊することなくストレージダイオードSDでの信号蓄積が継続される。
At this time, if it is determined by signal verification in the
また、信号蓄積を継続すると判断した場合には、次のような動作としてもよい。すなわち、制御回路140(図8)において信号レベルの検定を行い、またその結果画素Pでの信号蓄積を継続すると判断した場合には、リセットトランジスタM2がオフ状態となるような制御信号1(φReset2)が印加されるところまでは前述の動作と同じであるが、その後にストレージダイオードSDに蓄積されている信号電荷をフォトダイオードPDに転送し、フォトダイオードPDで信号蓄積を継続してもよい。t3からt4までの期間には転送トランジスタM1(φRead)にはON状態となるようH電位が印加される(図17に示すφReadの点線波形)。このようにすることでストレージダイオードSDに蓄積された信号電荷はフォトダイオードPDに転送され、転送トランジスタがOFF状態になった後には、フォトダイオードPDで信号蓄積が継続される。 Further, when it is determined that the signal accumulation is continued, the following operation may be performed. That is, when the signal level is verified in the control circuit 140 (FIG. 8) and it is determined that the signal accumulation in the pixel P is continued as a result, the control signal 1 (φReset2) that turns off the reset transistor M2 However, the signal charge stored in the storage diode SD may be transferred to the photodiode PD and the signal storage may be continued in the photodiode PD. During the period from t3 to t4, an H potential is applied to the transfer transistor M1 (φRead) so as to be in an ON state (a dotted waveform of φRead shown in FIG. 17). In this way, the signal charge accumulated in the storage diode SD is transferred to the photodiode PD, and signal accumulation is continued in the photodiode PD after the transfer transistor is turned off.
また、伝達部77−i〜77−(i+3)は、画素制御ブロックPBKからの選択信号φSelecti〜φSelecti+3が択一的にアクティブレベルになることにより、電荷蓄積部60a−i〜60a−(i+3)のいずれかの信号に応じた電荷が電荷電圧変換部71へ転送されるようになっている。選択信号φSelecti〜φSelecti+3は、画素制御ブロックPBKから供給されても良いし、或いはセンサーチップ上に駆動回路を設け、そこから供給しても良い。図17は、共有化された複数の画素P−i〜P−(i+3)の動作を示す波形図である。
Further, the transfer units 77-i to 77- (i + 3) have the
このように、複数の画素P−i〜P−(i+3)で制御信号1、制御信号2、制御信号3を共有するので、複数の画素P−i〜P−(i+3)と画素制御ブロックPBKとの間で制御信号1、制御信号2、制御信号3のために設ける電極EL(図4参照)の個数を減らせる。これにより、半導体チップCH1,CH2の面積の縮小がより容易になる。複数のフォトダイオードPDで増幅トランジスタM3を共有する構成は、本変形例で示した4つのフォトダイオードPDで増幅トランジスタM3を共有する構成に限る事はなく、例えば、2個のフォトダイオードPDで増幅トランジスタM3を共有する構成、或いは8個のフォトダイオードPDで増幅トランジスタM3を共有する構成も可能である。
In this way, since the
あるいは、図18に示すように、半導体チップCH1及び半導体チップCH2に加えて半導体チップCH3をさらに積層させて固体撮像装置5を構成してもよい。図18は、固体撮像装置5の積層構成を示す断面図である。この場合、半導体チップCH1及び半導体チップCH2は基板接合で電極ピッチを容易に短くできるが、半導体チップCH2及び半導体チップCH3はバンプ接合なので基板接合より電極ピッチを長くする必要がある。そのため、図19〜図21に示すように、半導体チップCH2における画素制御ブロックの配列を複数の画素制御ブロック群PBKGに分割するとともに、画素制御ブロックPBKにおける制御回路140(図8参照)を画素制御ブロック群PBKGで共通化した制御回路140aを含むロジックブロックLBKを設け、ロジックブロックLBKを半導体チップCH3に配する。これにより、画素Pと画素制御ブロックPBKとロジックブロックLBKとの間で、各画素Pに対する制御と各画素Pからの信号の読み出しとの並列度をさらに向上させることができる。図19は、固体撮像装置5の積層構成を示す分解斜視図である。図20は、固体撮像装置5の構成を示すブロック図である。図21は、画素P、画素制御ブロックPBK、及びロジックブロックLBKの構成を示す図である。
Alternatively, as illustrated in FIG. 18, the solid-
このとき、各画素制御ブロックPBKにおける画素ブロックメモリー130(図21参照)でフレームメモリー11bを代用してもよい。この場合、図22に示すように、半導体チップCHsp’においてフレームメモリー11bが省略されていてもよい。図22は、固体撮像装置5の積層構成を示す分解斜視図である。
At this time, the
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。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
5 固体撮像装置、 CH1,CH2,CH3,CHsp 半導体チップ。 5 Solid-state imaging device, CH1, CH2, CH3, CHsp semiconductor chip.
Claims (9)
前記第1の半導体チップが積層され、前記画素群の出力に電気的に接続されたA/D変換回路を含む画素制御ブロックが複数配された第2の半導体チップと、
を備えた固体撮像装置。 A first semiconductor chip in which a plurality of pixel groups including a plurality of pixels are arranged;
A second semiconductor chip in which a plurality of pixel control blocks including an A / D conversion circuit are stacked and the first semiconductor chip is electrically connected to an output of the pixel group;
A solid-state imaging device.
請求項1に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the pixel control block further includes a gain amplifier electrically connected between an output of the pixel group and the A / D conversion circuit.
請求項1に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the pixel control block further includes a control circuit that is connected to an output of the A / D conversion circuit and controls a charge accumulation period of each pixel of the pixel group.
前記固体撮像装置は、
前記第1の半導体チップ及び前記第2の半導体チップが積層され、前記画素制御ブロック群の出力に接続され前記画素制御ブロック群を介して前記画素群の各画素の電荷蓄積期間を制御する制御回路を含むロジックブロックが複数配された第3の半導体チップをさらに備えた
請求項1に記載の固体撮像装置。 The second semiconductor chip has a plurality of pixel control block groups including a plurality of pixel control blocks,
The solid-state imaging device
A control circuit in which the first semiconductor chip and the second semiconductor chip are stacked, connected to the output of the pixel control block group, and controls a charge accumulation period of each pixel of the pixel group via the pixel control block group The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising: a third semiconductor chip in which a plurality of logic blocks including a plurality of logic blocks are arranged.
前記制御回路は、前記ゲインアンプのゲインを制御する
請求項3又は4に記載の固体撮像装置。 The pixel control block further includes a gain amplifier electrically connected between the output of the pixel group and the A / D conversion circuit,
The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the control circuit controls a gain of the gain amplifier.
前記制御回路は、前記画素増幅回路のゲインを制御する
請求項3から5のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 The pixel group includes a pixel amplification circuit,
The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the control circuit controls a gain of the pixel amplification circuit.
光電変換部と、
前記光電変換部の電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部の電荷に応じた信号を出力する画素増幅回路と、
を有する
請求項1から5のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 Each of the plurality of pixels is
A photoelectric conversion unit;
A charge storage unit that stores the charge of the photoelectric conversion unit;
A pixel amplification circuit that outputs a signal corresponding to the charge in the charge storage unit;
The solid-state imaging device according to claim 1, comprising:
電荷保持部と、
前記光電変換部の電荷を前記電荷保持部へ転送する転送部と、
前記電荷保持部の電荷をリセットするリセット部と、
を有し、
前記画素増幅回路は、
電荷電圧変換部と、
一端が前記電荷保持部に容量的に結合され、他端が前記電荷電圧変換部に電気的に接続されたフローティングゲートと、
前記電荷電圧変換部の電圧に応じた信号を出力する出力部と、
を有する
請求項7に記載の固体撮像装置。 The charge storage unit
A charge holding unit;
A transfer unit that transfers the charge of the photoelectric conversion unit to the charge holding unit;
A reset unit for resetting the charge of the charge holding unit;
Have
The pixel amplification circuit includes:
A charge-voltage converter,
A floating gate having one end capacitively coupled to the charge holding unit and the other end electrically connected to the charge voltage conversion unit;
An output unit that outputs a signal corresponding to the voltage of the charge-voltage converter;
The solid-state imaging device according to claim 7.
容量素子と、
前記容量素子の一端を前記フローティングゲートに接続するスイッチと、
をさらに有する
請求項8に記載の固体撮像装置。 The pixel amplification circuit includes:
A capacitive element;
A switch for connecting one end of the capacitive element to the floating gate;
The solid-state imaging device according to claim 8, further comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015049935A JP2016171455A (en) | 2015-03-12 | 2015-03-12 | Solid state image pickup device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015049935A JP2016171455A (en) | 2015-03-12 | 2015-03-12 | Solid state image pickup device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016171455A true JP2016171455A (en) | 2016-09-23 |
Family
ID=56984256
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015049935A Pending JP2016171455A (en) | 2015-03-12 | 2015-03-12 | Solid state image pickup device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2016171455A (en) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018093301A (en) * | 2016-11-30 | 2018-06-14 | キヤノン株式会社 | Image pick-up device and control method of the same |
US10674106B2 (en) | 2017-09-29 | 2020-06-02 | Canon Kabushiki Kaisha | Semiconductor apparatus and equipment |
JP2020088380A (en) * | 2018-11-16 | 2020-06-04 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Imaging apparatus |
WO2020189222A1 (en) * | 2019-03-19 | 2020-09-24 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Potential measurement device |
WO2020203798A1 (en) * | 2019-03-29 | 2020-10-08 | 株式会社ニコン | Image pickup element and image pickup device |
US10855940B2 (en) | 2017-09-29 | 2020-12-01 | Canon Kabushiki Kaisha | Imaging device, imaging system, and moving body |
JP2021136461A (en) * | 2020-02-21 | 2021-09-13 | キヤノン株式会社 | Imaging device, control method, program, and storage medium |
US11678080B2 (en) | 2021-02-04 | 2023-06-13 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoelectric conversion device and photoelectric conversion system |
-
2015
- 2015-03-12 JP JP2015049935A patent/JP2016171455A/en active Pending
Cited By (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018093301A (en) * | 2016-11-30 | 2018-06-14 | キヤノン株式会社 | Image pick-up device and control method of the same |
US11528445B2 (en) | 2017-09-29 | 2022-12-13 | Canon Kabushiki Kaisha | Semiconductor apparatus and equipment |
US10855940B2 (en) | 2017-09-29 | 2020-12-01 | Canon Kabushiki Kaisha | Imaging device, imaging system, and moving body |
US11108986B2 (en) | 2017-09-29 | 2021-08-31 | Canon Kabushiki Kaisha | Semiconductor apparatus and equipment |
US10674106B2 (en) | 2017-09-29 | 2020-06-02 | Canon Kabushiki Kaisha | Semiconductor apparatus and equipment |
JP7452962B2 (en) | 2018-11-16 | 2024-03-19 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Imaging device |
JP2020088380A (en) * | 2018-11-16 | 2020-06-04 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Imaging apparatus |
WO2020189222A1 (en) * | 2019-03-19 | 2020-09-24 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Potential measurement device |
US12007420B2 (en) | 2019-03-19 | 2024-06-11 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Potential measurement device |
WO2020203798A1 (en) * | 2019-03-29 | 2020-10-08 | 株式会社ニコン | Image pickup element and image pickup device |
JPWO2020203798A1 (en) * | 2019-03-29 | 2020-10-08 | ||
JP7272423B2 (en) | 2019-03-29 | 2023-05-12 | 株式会社ニコン | Imaging element and imaging device |
JP2021136461A (en) * | 2020-02-21 | 2021-09-13 | キヤノン株式会社 | Imaging device, control method, program, and storage medium |
JP7458819B2 (en) | 2020-02-21 | 2024-04-01 | キヤノン株式会社 | Imaging device, control method, program and storage medium |
US11678080B2 (en) | 2021-02-04 | 2023-06-13 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoelectric conversion device and photoelectric conversion system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2016171455A (en) | Solid state image pickup device | |
JP6045156B2 (en) | Solid-state imaging device | |
CN107888807B (en) | Solid-state imaging device, method for driving solid-state imaging device, and electronic apparatus | |
CN112788223B (en) | Image pickup apparatus | |
JP5973758B2 (en) | Solid-state imaging device | |
JP2006270292A (en) | Physical quantity distribution detecting apparatus, and physical information acquisition method, and physical information acquisition apparatus | |
JP6413401B2 (en) | Solid-state image sensor | |
JP6457738B2 (en) | Solid-state imaging device and imaging device | |
JP2008228265A (en) | Imaging apparatus | |
US11671730B2 (en) | Solid-state imaging device, method for driving solid-state imaging device, and electronic apparatus | |
JP6083977B2 (en) | Solid-state imaging device and imaging device | |
JP6574653B2 (en) | Imaging apparatus and imaging system | |
WO2009087726A1 (en) | Imaging device | |
JP6049304B2 (en) | Solid-state imaging device and imaging device | |
JP6690651B2 (en) | Imaging device and imaging device | |
JP2007143067A (en) | Image sensing device and image sensing system | |
JP6217338B2 (en) | Solid-state imaging device and imaging apparatus | |
JP6256054B2 (en) | Solid-state imaging device and imaging apparatus | |
JP5893372B2 (en) | Solid-state imaging device, imaging device, and signal readout method | |
JP2009159269A (en) | Solid-state imaging element, and imaging device using it | |
JP2016103513A (en) | Imaging element and imaging device | |
JP2016054424A (en) | Imaging device, driving method for imaging device, and system | |
JP7247975B2 (en) | Imaging element and imaging device | |
JP5376966B2 (en) | Imaging device and imaging apparatus | |
JP7083608B2 (en) | Solid-state image sensor, solid-state image sensor driving method, and electronic equipment |