JP2020202480A - 撮像装置、撮像システムおよび半導体チップ - Google Patents
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Abstract
Description
図1は本実施形態における撮像装置の模式図である。撮像装置は例えばCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサであり得る。本実施形態における撮像装置はいわゆる裏面照射型であって、積層用の第1の半導体チップ1、第2の半導体チップ2を備える。
時刻t0において、クランプ信号FB1はアクティブレベル(ローレベル)であるためスイッチトランジスタMP3、MP4は導通状態となっている。また、クランプ信号FB2はアクティブレベル(ハイレベル)であるため、スイッチトランジスタMN4は導通状態となっている。イネーブル信号ENBは非アクティブレベル(ハイレベル)であるため、イネーブルスイッチトランジスタMP6は非導通状態となっている。
続いて第2実施形態における撮像装置を説明する。図14は本実施形態における比較器の回路例の図である。比較器320は差動増幅回路221、ソース接地回路322、電流補償回路223を備える。本実施形態における比較器320はソース接地回路322の構成において、第1実施形態における比較器220(図7)と異なっている。以下、第1実施形態と異なる構成を中心に本実施形態における撮像装置を説明する。
上述の実施形態における固体撮像装置は種々の撮像システムに適用可能である。撮像システムとして、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、カメラヘッド、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星、監視カメラなどがあげられる。図15に、撮像システムの例としてデジタルスチルカメラのブロック図を示す。
図16(a)、図16(b)は、本発明の第4実施形態における車載カメラに関する撮像システムの一例を示したものである。撮像システム2000は、上述した実施形態の撮像装置1004を有する。撮像システム2000は、撮像装置1004により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部2030と、撮像システム2000より取得された複数の画像データから視差(視差画像の位相差)の算出を行う視差算出部2040を有する。また、撮像システム2000は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離計測部2050と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部2060とを有する。ここで、視差算出部2040、距離計測部2050は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部2060はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、FPGA(Field Programmable Gate Array)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。
本発明は、上述の実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。
2 第2の半導体チップ
10 画素
100 画素部
20 AD変換部
201〜204 ADCアレイ
36A、36B 信号処理回路
38A、38B 垂直走査回路
101 信号線
220 比較器
221 差動増幅回路
222 ソース接地回路
223 電流補償回路
230 メモリ
Claims (33)
- 画素信号を生成する複数の画素が形成された第1の半導体チップと、
前記第1の半導体チップに積層され、前記画素から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する複数のアナログデジタル変換部を有する第2の半導体チップとを備え、
前記複数の前記アナログデジタル変換部のそれぞれは、前記アナログ信号と参照信号との比較を行う比較器を備え、
前記比較器は、
前記アナログ信号と前記参照信号の差分に基づく第1の信号を出力する出力ノードを有する差動増幅回路と、
前記差動増幅回路の前記出力ノードから前記第1の信号を受けるゲートを有する入力トランジスタ、および前記入力トランジスタにカスケード接続された負荷トランジスタを含み、前記入力トランジスタおよび前記負荷トランジスタの接続ノードから第2の信号を出力するソース接地回路と、
前記接続ノードから前記第2の信号を受けるゲートを有する電流制御トランジスタ、および前記電流制御トランジスタにカスケード接続される電流源トランジスタを含み、前記ソース接地回路に流れる第1の電流の変化に対して相補的に変化する第2の電流を流す電流補償回路と、を有する
ことを特徴とする撮像装置。 - 前記電流補償回路は、第1の電源線と前記電流制御トランジスタとの間に接続されたイネーブルスイッチトランジスタをさらに備え、
前記電流補償回路の前記電流源トランジスタのソースは第2の電源線に接続され、
前記ソース接地回路において、前記入力トランジスタのソースは前記第1の電源線に接続され、前記負荷トランジスタのソースは前記第2の電源線に接続されることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記複数の画素のうち1つの列に配された画素群に対して配された複数の信号線と、
前記複数の信号線にそれぞれ接続され、前記第2の半導体チップに互いに隣り合って配置された負荷電流源群と、をさらに備え、
前記複数の信号線に対応して複数の前記アナログデジタル変換部が配され、
複数の前記比較器は互いに隣り合って配置された比較器群を含み、
前記比較器群は、前記画素群のなす前記1つの列の方向に沿って並び、
前記負荷電流源群は、前記画素群のなす前記1つの列の方向に沿って並び、
前記比較器群と前記負荷電流源群とが、前記画素群のなす前記1つの列の方向に沿って並ぶことを特徴とする請求項1または2のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記複数の画素のうち1つの列に配された画素群にそれぞれ接続された第1の信号線および第2の信号線を備え、
前記第2の半導体チップは、前記第1の信号線に接続された第1の負荷電流源と、前記第2の信号線に接続された第2の負荷電流源と、を含み、
前記第1の負荷電流源と前記第2の負荷電流源とは前記第2の半導体チップの連続する第1の領域において前記画素群のなす1つの列の方向に沿って隣り合って並ぶことを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。 - 前記複数のアナログデジタル変換部は、前記第1の信号線に対応して配された第1のアナログデジタル変換部と、前記第2の信号線に対応して配された第2のアナログデジタル変換部と、を含み、
前記第1のアナログデジタル変換部を構成する第1の回路要素と、前記第1の回路要素の機能と同じ機能を有するとともに前記第2のアナログデジタル変換部を構成する第2の回路要素とが、前記第1の領域とは別の連続する第2の領域において前記画素群のなす1つの列の方向に沿って隣り合って並ぶことを特徴とする請求項4に記載の撮像装置。 - 前記第1の領域と前記第2の領域とが、前記画素群のなす1つの列の方向に沿って並ぶことを特徴とする請求項5に記載の撮像装置。
- 前記第1の半導体チップにおける前記第1の信号線および前記第2の信号線のそれぞれは前記第2の半導体チップにおける前記信号線と接合部を介して接続され、
平面視において前記接合部は前記第1の領域または前記第2の領域の少なくとも一部と重なるように配置されることを特徴とする請求項5または6に記載の撮像装置。 - 前記第1のアナログデジタル変換部は、前記第1のアナログデジタル変換部の前記第2の信号が反転したタイミングにおいてカウント信号を保持する第1のメモリを含み、
前記第2のアナログデジタル変換部は、前記第2のアナログデジタル変換部の前記第2の信号が反転したタイミングにおいてカウント信号を保持する第2のメモリを含み、
前記第1のメモリおよび前記第2のメモリは、前記第1の領域および前記第2の領域とは別の連続する第3の領域において前記画素群のなす前記1つの列の方向に沿って互いに隣り合って並ぶことを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記第1の領域、前記第2の領域、および前記第3の領域は、前記画素群のなす1つの列の方向に沿って隣り合って並ぶことを特徴とする請求項8に記載の撮像装置。
- 平面視において前記第2の領域は前記第1の領域と前記第3の領域との間に配置されることを特徴とする請求項9に記載の撮像装置。
- 前記第2の半導体チップは、前記第1のメモリおよび前記第2のメモリから信号を読み出す信号処理回路を備え、
平面視において前記第3の領域は前記第2の領域と前記信号処理回路との間に配置されることを特徴とする請求項10に記載の撮像装置。 - 前記複数の画素のうち1つの列に配された画素群にそれぞれ接続された第1の信号線および第2の信号線を備え、
前記複数のアナログデジタル変換部は、前記第1の信号線に対応して配された第1のアナログデジタル変換部と、前記第2の信号線に対応して配された第2のアナログデジタル変換部と、を含み、
前記第1のアナログデジタル変換部を構成する第1の回路要素と、前記第1の回路要素の機能と同じ機能を有するとともに前記第2のアナログデジタル変換部を構成する第2の回路要素は、前記第2の半導体チップの連続する領域において前記画素群のなす1つの列の方向に沿って隣り合って並ぶことを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。 - 前記第2の領域は、前記画素群のなす1つの列の方向に沿って連続した複数の小領域を含み、
前記第1のアナログデジタル変換部の前記比較器を構成する第1の比較器要素と、前記第1の比較器要素の機能と同じ機能を有するとともに、前記第2のアナログデジタル変換部の前記比較器を構成する第2の比較器要素とは、同一の前記小領域において前記画素群のなす1つの列の方向に沿って隣り合って並ぶことを特徴とする請求項5〜11のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記第1の回路要素は、前記第1のアナログデジタル変換部を構成する第1の比較器を含み、
前記第2の回路要素は、前記第2のアナログデジタル変換部を構成する第2の比較器を含むことを特徴とする請求項5〜12のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記第1の回路要素は、前記第1のアナログデジタル変換部の前記差動増幅回路を構成する第1の一対の差動トランジスタを含み、
前記第2の回路要素は、前記第2のアナログデジタル変換部の前記差動増幅回路を構成する第2の一対の差動トランジスタを含み、
前記第1の一対の差動トランジスタと前記第2の一対の差動トランジスタとが前記画素群のなす1つの列の方向に沿って隣り合って並ぶことを特徴とする請求項5〜12のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記第1の一対の差動トランジスタおよび前記第2の一対の差動トランジスタのそれぞれは、前記画素群のなす1つの列の方向と交差する方向に並ぶことを特徴とする請求項15に記載の撮像装置。
- 前記第1の回路要素は、前記第1のアナログデジタル変換部の前記差動増幅回路を構成する第1の一対のカレントミラートランジスタを含み、
前記第2の回路要素は、前記第2のアナログデジタル変換部の前記差動増幅回路を構成する第2の一対のカレントミラートランジスタを含み、
前記第1の一対のカレントミラートランジスタと前記第2の一対のカレントミラートランジスタとが前記画素群のなす1つの列の方向に沿って隣り合って並ぶことを特徴とする請求項5〜16のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記第1の一対のカレントミラートランジスタおよび前記第2の一対のカレントミラートランジスタのそれぞれは、前記画素群のなす1つの列の方向と交差する方向に並ぶことを特徴とする請求項17に記載の撮像装置。
- 前記第1の回路要素は、前記第1のアナログデジタル変換部の前記差動増幅回路を構成する第1の定電流源トランジスタを含み、
前記第2の回路要素は、前記第2のアナログデジタル変換部の前記差動増幅回路を構成する第2の定電流源トランジスタを含み、
前記第1の定電流源トランジスタと前記第2の定電流源トランジスタとは前記画素群のなす1つの列の方向に沿って隣り合って並ぶことを特徴とする請求項5〜18のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記第1の回路要素は、前記第1のアナログデジタル変換部の前記入力トランジスタおよび前記イネーブルスイッチトランジスタを含む第1の素子群であり、
前記第2の回路要素は、前記第2のアナログデジタル変換部の前記入力トランジスタおよび前記イネーブルスイッチトランジスタを含む第2の素子群であり、
前記第1の素子群と前記第2の素子群とは前記画素群のなす1つの列の方向に沿って隣り合って並ぶことを特徴とする請求項5〜19のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記第1の素子群および前記第2の素子群のそれぞれにおいて、前記入力トランジスタおよび前記イネーブルスイッチトランジスタは、前記画素群のなす1つの列の方向と交差する方向に並ぶことを特徴とする請求項20に記載の撮像装置。
- 前記第1の回路要素は、前記第1のアナログデジタル変換部の前記負荷トランジスタおよび前記電流源トランジスタを含む第3の素子群であり、
前記第2の回路要素は、前記第2のアナログデジタル変換部の前記負荷トランジスタおよび前記電流源トランジスタを含む第4の素子群であり、
前記第3の素子群と前記第4の素子群とは前記画素群のなす1つの列の方向に沿って隣り合って並ぶことを特徴とする請求項5〜21のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記第3の素子群および前記第4の素子群のそれぞれにおいて、前記負荷トランジスタおよび前記電流源トランジスタは、前記画素群のなす1つの列の方向と交差する方向に並ぶことを特徴とする請求項22に記載の撮像装置。
- 前記一対または前記第1〜前記第4の素子群のいずれかをなす2つのトランジスタは、ソース領域を共有していることを特徴とする請求項22〜23のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記一対または前記第1〜前記第4の素子群のいずれかをなす2つのトランジスタは、同一のウエル領域に形成されていることを特徴とする請求項22〜24のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記第1の回路要素は、前記第1のアナログデジタル変換部の前記電流補償回路を構成する前記電流制御トランジスタを含み、
前記第2の回路要素は、前記第2のアナログデジタル変換部の前記電流補償回路を構成する前記電流制御トランジスタを含み、
前記第1のアナログデジタル変換部の前記電流制御トランジスタと前記第2のアナログデジタル変換部の前記電流制御トランジスタとは、前記画素群のなす1つの列の方向に沿って隣り合って並ぶことを特徴とする請求項12〜25のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記第3の素子群は、前記第1のアナログデジタル変換部において一方の電極が前記負荷トランジスタのゲートに接続され、他方の電極が前記第2の電源線に接続された第1の保持容量をさらに備え、
前記第4の素子群は、前記第2のアナログデジタル変換部において一方の電極が前記負荷トランジスタのゲートに接続され、他方の電極が前記第2の電源線に接続された第2の保持容量をさらに備えることを特徴とする請求項22に記載の撮像装置。 - 前記差動増幅回路の前記出力ノードと前記入力トランジスタのゲートとの間に設けられたクランプ容量と、
前記入力トランジスタのゲートおよびドレインの間に設けられたスイッチトランジスタとを備える請求項1〜27のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記電流源トランジスタのゲートが前記負荷トランジスタのゲートに接続されたことを特徴とする請求項1〜28のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 画素信号を生成する複数の画素から信号線を介して出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する複数のアナログデジタル変換部を備える撮像装置であって、
前記複数のアナログデジタル変換部のそれぞれは、前記アナログ信号と参照信号との比較を行う比較器を備え、前記比較器は、
前記アナログ信号と前記参照信号の差分に基づく第1の信号を出力する差動増幅回路と、
前記第1の信号を入力し、第1の電源に接続された第1の極性の第1のトランジスタ、および、第2の電源に接続された第2の極性の第2のトランジスタを含み、前記第1のトランジスタおよび前記第2のトランジスタの接続ノードから、前記第1の信号を反転した第2の信号を出力するソース接地回路と、
前記第1の電源に接続された第1の極性の第3のトランジスタ、前記第2の電源に接続された第2極性の第4のトランジスタ、および、前記第2の信号を入力し、前記第3のトランジスタおよび前記第4のトランジスタの間に設けられた第1極性の第5のトランジスタを備え、前記第5のトランジスタは前記ソース接地回路に流れる第1の電流の変化に対して相補的に変化する第2の電流を流す電流補償回路と、を備え、
前記第1のトランジスタおよび前記第3のトランジスタが互いに隣り合って配置された第1の素子群、または前記第2のトランジスタおよび前記第4のトランジスタが互いに隣り合って配置された第2の素子群の少なくともいずれかが形成されることを特徴とする撮像装置。 - 請求項1〜30のいずれか1項に記載の撮像装置と、
複数の前記画素信号を処理し、前記撮像装置から被写体までの距離情報を取得する信号処理装置を備えることを特徴とする撮像システム。 - 移動体であって、
請求項31に記載の撮像システムと、
前記撮像システムによって取得された前記画素信号および前記距離情報の少なくとも一方に基づいて前記移動体を制御する制御手段と、
を有する、
ことを特徴とする移動体。 - それぞれが光電変換部をそなえる複数の画素が形成された別の半導体チップと接続するための接続部と、
前記画素から信号線を介して出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部を有する積層用の半導体チップであって、
前記アナログデジタル変換部は、前記アナログ信号と参照信号との比較を行う比較器を備え、前記比較器は、
前記アナログ信号と前記参照信号の差分に基づく第1の信号を出力する出力ノードを有する差動増幅回路と、
前記差動増幅回路の前記出力ノードから前記第1の信号を受けるゲートを有する入力トランジスタ、および前記入力トランジスタにカスケード接続された負荷トランジスタを含み、前記入力トランジスタおよび前記負荷トランジスタの接続ノードから第2の信号を出力するソース接地回路と、
前記接続ノードから前記第2の信号を受けるゲートを有する電流制御トランジスタ、および前記電流制御トランジスタにカスケード接続される電流源トランジスタを含み、前記電流制御トランジスタは前記ソース接地回路に流れる第1の電流の変化に対して相補的に変化する第2の電流を流す電流補償回路と、
を備えることを特徴とする半導体チップ。
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