JP2021136590A - Imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示に係る技術(本技術)は、例えば、デジタルカメラ等に用いる撮像素子に関する。 The technology according to the present disclosure (the present technology) relates to, for example, an image pickup device used in a digital camera or the like.
デジタルカメラ等、撮像素子を用いた撮像装置としては、例えば、特許文献1に開示されている構成のものがある。特許文献1に開示されている撮像装置は、撮像部と、撮像部で撮像した画像を信号処理する信号処理部を積層した撮像装置であり、撮像装置全体で処理する信号処理量を大きくするために、信号処理部を4個積層して備える。さらに、撮像部を4系統に分割し、4系統の画素で撮像した信号を、それぞれ、上から2層目、3層目、4層目、5層目の信号処理回路において処理する構成を備える。 As an image pickup device using an image pickup device such as a digital camera, for example, there is a device having a configuration disclosed in Patent Document 1. The imaging device disclosed in Patent Document 1 is an imaging device in which an imaging unit and a signal processing unit that processes a signal of an image captured by the imaging unit are laminated, and in order to increase the amount of signal processing processed by the entire imaging device. In addition, four signal processing units are stacked and provided. Further, the imaging unit is divided into four systems, and the signals captured by the pixels of the four systems are processed in the signal processing circuits of the second layer, the third layer, the fourth layer, and the fifth layer, respectively, from the top. ..
撮像装置は、用途により、画像を撮像した後に、撮像した画像を可能な限り短時間で信号処理して情報を得ることが要求される場合がある。
しかしながら、特許文献1に開示されている技術は、高画素(例えば、3000万画素[6400画素×4800画素])の撮像装置へ適応すると、4系統の画素には、それぞれ、750万個の画素が備えられる。このため、上から2層目、3層目、4層目、5層目の信号処理回路が、それぞれ、750万個の画素から出力された画像の信号を、シーケンシャルに処理することとなる。
したがって、特許文献1に開示されている技術では、多くの画素(750万個の画素)から出力された画像の信号を、1つの信号処理回路によってシーケンシャルに処理するため、信号処理に相当の時間を要するという問題点がある。
Depending on the application, the image pickup apparatus may be required to obtain information by signal processing the captured image in the shortest possible time after capturing the image.
However, when the technique disclosed in Patent Document 1 is applied to an imaging device having high pixels (for example, 30 million pixels [6400 pixels × 4800 pixels]), each of the four pixels has 7.5 million pixels. Is provided. Therefore, the signal processing circuits of the second layer, the third layer, the fourth layer, and the fifth layer from the top sequentially process the signal of the image output from 7.5 million pixels, respectively.
Therefore, in the technique disclosed in Patent Document 1, since the image signals output from many pixels (7.5 million pixels) are sequentially processed by one signal processing circuit, a considerable amount of time is required for signal processing. There is a problem that it requires.
本技術は、上記問題点を鑑み、撮像した画像を信号処理して出力する時間を短縮することが可能な撮像素子を提供することを目的とする。 In view of the above problems, it is an object of the present technology to provide an image pickup device capable of shortening the time for signal processing and outputting an captured image.
本技術の一態様に係る撮像素子は、入射した光を光電変換して画像信号を出力する複数の画素を含む画素共有構造体を有する画素レイヤと、画素レイヤに積層され、且つ画像信号を処理する信号処理回路を有する信号処理レイヤとを備える。また、画素レイヤは、アレイ状に配置された複数の画素共有構造体を有し、信号処理レイヤは、アレイ状に配置された複数の信号処理回路を有する。そして、1つの信号処理回路には、画像信号を入力できるように1つの画素共有構造体が接続され、複数の信号処理回路は、入力された画像信号を互いに並列に処理する。 The image pickup device according to one aspect of the present technology has a pixel layer having a pixel sharing structure including a plurality of pixels that photoelectrically convert incident light and output an image signal, and is laminated on the pixel layer and processes an image signal. A signal processing layer having a signal processing circuit to be used is provided. Further, the pixel layer has a plurality of pixel sharing structures arranged in an array, and the signal processing layer has a plurality of signal processing circuits arranged in an array. Then, one pixel sharing structure is connected to one signal processing circuit so that an image signal can be input, and the plurality of signal processing circuits process the input image signals in parallel with each other.
以下、図面を参照して、本技術の実施形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。各図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる場合が含まれる。以下に示す実施形態は、本技術の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本技術の技術的思想は、下記の実施形態に例示した装置や方法に特定するものでない。本技術の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。 Hereinafter, embodiments of the present technology will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts are designated by the same or similar reference numerals, and duplicate description will be omitted. Each drawing is schematic and may differ from the actual one. The embodiments shown below exemplify devices and methods for embodying the technical idea of the present technology, and the technical idea of the present technology is specified in the devices and methods exemplified in the following embodiments. Not something to do. The technical idea of the present technology can be modified in various ways within the technical scope described in the claims.
(第1実施形態)
<撮像素子>
第1実施形態に係る撮像素子は、例えば、裏面照射型の固体撮像素子である。なお、撮像素子は、裏面照射型の固体撮像素子に限定するものではなく、表面照射型の固体撮像素子としてもよい。
また、図1に示すように、第1実施形態に係る撮像素子は、画素レイヤ10と、信号処理レイヤ20と、出力レイヤ30を備える。
(First Embodiment)
<Image sensor>
The image sensor according to the first embodiment is, for example, a back-illuminated solid-state image sensor. The image sensor is not limited to the back-illuminated solid-state image sensor, and may be a front-illuminated solid-state image sensor.
Further, as shown in FIG. 1, the image pickup device according to the first embodiment includes a
<画素レイヤ>
画素レイヤ10は、複数の画素回路11を有する。複数の画素回路11は、光の入射方向(図1では、「入射方向(積層方向)」と示す)から見て、並列に配置されている。
なお、図1には、画素レイヤ10が有する複数の画素回路11のうち、2つの画素回路11a及び画素回路11bを示している。
<Pixel layer>
The
Note that FIG. 1 shows two
画素回路11は、複数のフォトダイオードPDと、複数の転送トランジスタTRを備える。これに加え、画素回路11は、図2及び図3に示すように、フローティングディフュージョンFDと、画素トランジスタ(リセットトランジスタRSTと、増幅トランジスタAMPと、選択トランジスタSEL)を備える。
また、画素回路11は、画素共有構造を備えている。
The
Further, the
画素共有構造は、図2の紙面X方向(転送トランジスタTRに接続された制御信号線DSLが延在する方向)に、複数個(j個。jは2以上の整数)、且つX方向と直交する方向に複数個(k個。kは2以上の整数)のアレイ状に配列された合計j×k個の画素が、電気的に等電位となった1つのフローティングディフュージョンFDと、1つのフローティングディフュージョンFDに接続された1つの増幅トランジスタAMPを共有する構造である。
画素共有構造の一例として、第1実施形態では、j=2且つk=4、すなわち、1画素に1つのフォトダイオードPD及び1つの転送トランジスタTRを備えた8つの画素が、電気的に等電位となった1つのフローティングディフュージョンFDと、1つのフローティングディフュージョンFDに接続された1つの増幅トランジスタAMP及びリセットトランジスタRSTを共有する場合について説明する。すなわち、第1実施形態では、画素レイヤ10の構造が、1組の画素トランジスタに、8画素分のフォトダイオードPD及び転送トランジスタTRが接続されて形成された、8画素分の画素共有構造体PCを備える場合について説明する。
There are a plurality of pixel sharing structures (j in the direction in which the control signal line DSL connected to the transfer transistor TR extends) in the X direction of the paper in FIG. 2 (j is an integer of 2 or more) and orthogonal to the X direction. A total of j × k pixels arranged in an array of a plurality of (k, k is an integer of 2 or more) in the direction in which the pixels are electrically equal potential, and one floating diffusion FD and one floating. It is a structure that shares one amplification transistor AMP connected to the diffusion FD.
As an example of the pixel sharing structure, in the first embodiment, j = 2 and k = 4, that is, eight pixels having one photodiode PD and one transfer transistor TR per pixel are electrically equipotential. The case where one floating diffusion FD and one amplification transistor AMP and reset transistor RST connected to one floating diffusion FD are shared will be described. That is, in the first embodiment, the structure of the
したがって、画素レイヤ10は、入射した光を光電変換して画像信号を出力する複数の画素を含む画素共有構造体PCを有する。また、画素共有構造体PCは、複数の画素として、8の画素を含む。
また、図4に示すように、画素レイヤ10の信号処理レイヤ20と対向する面、すなわち、画素レイヤ10に光が入射する面には、マイクロレンズMRが配置されている。
Therefore, the
Further, as shown in FIG. 4, the microlens MR is arranged on the surface of the
また、図5に示すように、画素レイヤ10は、アレイ状に配置された複数の画素共有構造体PCを有する。なお、図5では、画素回路11aが備える画素共有構造体PCを、「画素共有構造体PCa」と示し、画素回路11bが備える画素共有構造体PCを、「画素共有構造体PCb」と示す。また、以降の説明においても、同様に記載する場合がある。
なお、画素共有構造体PCa及び画素共有構造体PCbは、図5に示すように、X方向に沿って、画素共有構造体PCa、画素共有構造体PCbの順番で配列されている。X方向に関する説明は、後述する。
Further, as shown in FIG. 5, the
As shown in FIG. 5, the pixel sharing structure PCa and the pixel sharing structure PCb are arranged in the order of the pixel sharing structure PCa and the pixel sharing structure PCb along the X direction. A description of the X direction will be described later.
また、図5において、画素レイヤ10は、X方向に沿って配置された、1つの画素共有構造体PCaと1つの画素共有構造体PCbとを含む2つの画素共有構造体を1つの繰り返し単位として、X方向及びY方向に沿って、アレイ状に配置されている。Y方向に関する説明は、後述する。
言い換えれば、本技術の撮像素子が備える画素レイヤ10は、図5に示すように、X方向にj個×Y方向にk個の画素を備えた画素共有構造体を、X方向にm個且つY方向にn個のアレイ状に配列して、m×n個の画素共有構造体を含んだ画素共有構造体アレイを1つの繰り返し単位として、この繰り返し単位をX方向にp個且つY方向にq個のアレイ状に配列した、画素アレイを備えている。ここで、mとnは、それぞれが1以上の整数且つm×nが2以上となる整数であり、pとqは、それぞれが2以上の整数である。一例として、図4に例示した第1実施形態では、m=2且つn=1となっているが、mとnは、それぞれが1以上の整数且つm×nが2以上となる整数であれば、m=2且つn=1以外の値となるように配列してもよい。
Further, in FIG. 5, the
In other words, as shown in FIG. 5, the
<フォトダイオード>
8つのフォトダイオードPDは、それぞれ、入射した光を光電変換し、光電変換の光量に応じた電荷を生成して蓄積する。フォトダイオードPDの一端は、接地されている。フォトダイオードPDの他端は、転送トランジスタTRに接続されている。
また、8つのフォトダイオードPDは、光の入射方向から見て、2行×2列の4つのフォトダイオードPDで形成した第1のグループと、光の入射方向から見て第1のグループと並列に配置した第2のグループを含む。第1のグループは、対角線上に配置した2つのフォトダイオードPDが、緑色のカラーフィルタを積層した緑色画素を形成する。そして、残り2つのうち一方のフォトダイオードPDが、赤色のカラーフィルタを積層した赤色画素を形成し、残り2つのうち他方のフォトダイオードPDが、青色のカラーフィルタを積層した青色画素を形成する。
したがって、画素共有構造体PC(8画素分の画素共有構造体)は、4つの緑色画素と、2つの赤色画素と、2つの青色画素を含む。
<Photodiode>
Each of the eight photodiode PDs photoelectrically converts the incident light, and generates and stores an electric charge according to the amount of light of the photoelectric conversion. One end of the photodiode PD is grounded. The other end of the photodiode PD is connected to the transfer transistor TR.
Further, the eight photodiode PDs are parallel to the first group formed by the four photodiode PDs of 2 rows × 2 columns when viewed from the light incident direction and the first group when viewed from the light incident direction. Includes a second group placed in. In the first group, two photodiode PDs arranged diagonally form a green pixel in which a green color filter is laminated. Then, one of the remaining two photodiode PDs forms a red pixel on which a red color filter is laminated, and the other photodiode PD of the remaining two forms a blue pixel on which a blue color filter is laminated.
Therefore, the pixel sharing structure PC (pixel sharing structure for eight pixels) includes four green pixels, two red pixels, and two blue pixels.
<転送トランジスタ>
転送トランジスタTRは、フォトダイオードPDと後述するフローティングディフュージョンFDとを接続するように配置されている。8つの転送トランジスタTRは、8つのフォトダイオードPDのそれぞれに1つずつ接続されている。また、転送トランジスタTRは、例えば、ポリシリコンを用いて形成されている。
また、転送トランジスタTRは、図外のタイミング制御部から供給される駆動信号にしたがって、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷を、フローティングディフュージョンFDに転送する。
したがって、フォトダイオードPDと転送トランジスタTRを備える画素共有構造体PCは、入射した光を光電変換して画像信号を出力する。
<Transistor>
The transfer transistor TR is arranged so as to connect the photodiode PD and the floating diffusion FD described later. The eight transfer transistors TR are connected to each of the eight photodiodes PD, one for each. Further, the transfer transistor TR is formed by using polysilicon, for example.
Further, the transfer transistor TR transfers the signal charge accumulated in the photodiode PD to the floating diffusion FD according to the drive signal supplied from the timing control unit (not shown).
Therefore, the pixel sharing structure PC including the photodiode PD and the transfer transistor TR photoelectrically converts the incident light and outputs an image signal.
<フローティングディフュージョン>
図2に示すように、1つの画素共有構造体PCは、2つのフローティングディフュージョンFDを備える。一方のフローティングディフュージョンFDは、第1のグループを構成する4つのフォトダイオードPDに電気的に接続され(4つのフォトダイオードPDに共有され)ている。他方のフローティングディフュージョンFDは、第2のグループを構成する4つのフォトダイオードPDに電気的に接続される(4つのフォトダイオードPDに共有される)。そして、2つのフローティングディフュージョンFDは、これらの間を接続する接続配線JWによって、等電位となるよう電気的に接続されている。また、2つのフローティングディフュージョンFDは、接続配線JWによって、リセットトランジスタRSTと、増幅トランジスタAMPにも接続されている。つまり、図2に示す画素共有構造体PCは、その等価回路上は、等電位となるように電気的に接続されて1つとなったフローティングディフュージョンFDが、画素共有構造体PCに備わる8つのフォトダイオードPDによって共有された(画素共有構造体PCに備わる8つの画素によって共有された)構成となっている。
フローティングディフュージョンFDへは、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷が、転送トランジスタTRを介して転送されてくる。そして、フローティングディフュージョンFDは、転送されてきた電荷を蓄積し、電圧に変換する。
<Floating diffusion>
As shown in FIG. 2, one pixel-shared structure PC includes two floating diffusion FDs. One floating diffusion FD is electrically connected (shared by the four photodiodes PD) to the four photodiodes PDs that make up the first group. The other floating diffusion FD is electrically connected (shared by the four photodiodes PD) to the four photodiode PDs that make up the second group. Then, the two floating diffusion FDs are electrically connected so as to have an equipotential potential by a connection wiring JW connecting them. Further, the two floating diffusion FDs are also connected to the reset transistor RST and the amplification transistor AMP by the connection wiring JW. That is, in the pixel sharing structure PC shown in FIG. 2, on the equivalent circuit, the floating diffusion FDs that are electrically connected so as to have equal potentials and become one are provided in the pixel sharing structure PC with eight photos. It has a configuration shared by a diode PD (shared by eight pixels provided in a pixel sharing structure PC).
The signal charge accumulated in the photodiode PD is transferred to the floating diffusion FD via the transfer transistor TR. Then, the floating diffusion FD accumulates the transferred electric charge and converts it into a voltage.
<リセットトランジスタ>
リセットトランジスタRSTは、フローティングディフュージョンFDと電源配線VDDに接続されている。
また、リセットトランジスタRSTは、タイミング制御部から供給される駆動信号にしたがって、フローティングディフュージョンFDに蓄積されている電荷や、撮像期間以外にフォトダイオードPDで発生した電荷の排出をオン又はオフする。
<Reset transistor>
The reset transistor RST is connected to the floating diffusion FD and the power supply wiring VDD.
Further, the reset transistor RST turns on or off the discharge of the electric charge accumulated in the floating diffusion FD and the electric charge generated in the photodiode PD other than the imaging period according to the drive signal supplied from the timing control unit.
<増幅トランジスタ>
増幅トランジスタAMPは、フローティングディフュージョンFDと、電源配線VDDと、選択トランジスタSELに接続されている。
また、増幅トランジスタAMPは、リセットトランジスタRSTによってリセットされたフローティングディフュージョンFDの電位を、リセットレベルとして読み出す。さらに、増幅トランジスタAMPは、転送トランジスタTRによって信号電荷が転送された、フローティングディフュージョンFDに蓄積されている信号電荷に応じた電圧を増幅する。すなわち、各増幅トランジスタAMPは、フローティングディフュージョンFDに転送された信号電荷を、電気信号として読み出し、さらに、読み出した電気信号を増幅する。
<Amplification transistor>
The amplification transistor AMP is connected to the floating diffusion FD, the power supply wiring VDD, and the selection transistor SEL.
Further, the amplification transistor AMP reads out the potential of the floating diffusion FD reset by the reset transistor RST as a reset level. Further, the amplification transistor AMP amplifies the voltage corresponding to the signal charge stored in the floating diffusion FD to which the signal charge is transferred by the transfer transistor TR. That is, each amplification transistor AMP reads the signal charge transferred to the floating diffusion FD as an electric signal, and further amplifies the read electric signal.
<選択トランジスタ>
選択トランジスタSELは、図3に示すように、増幅トランジスタAMPと垂直信号線VSLに接続されている。
また、選択トランジスタSELは、画素回路11の出力を画像処理回路21へ入力することを制御するトランジスタである。選択トランジスタSELは、画素回路11の一部として、画素レイヤ10に形成する構成としてもよく、また、図1に示すように、信号処理回路21に接続する回路の一部として、信号処理レイヤ20に形成することも構成としてもよい。
<Selection transistor>
As shown in FIG. 3, the selection transistor SEL is connected to the amplification transistor AMP and the vertical signal line VSL.
Further, the selection transistor SEL is a transistor that controls input of the output of the
また、選択トランジスタSELは、タイミング制御部から供給される駆動信号にしたがって、増幅トランジスタAMPから垂直信号線VSLへの電圧信号の出力を、オン又はオフする。
選択トランジスタSELが電圧信号の出力をオンすることで、増幅トランジスタAMPにより増幅された電圧(電圧信号)は、選択トランジスタSELを介して、垂直信号線VSLに出力され、垂直信号線VSLの先に接続された信号処理回路21へと出力される。なお、信号処理回路21の説明は、後述する。
Further, the selection transistor SEL turns on or off the output of the voltage signal from the amplification transistor AMP to the vertical signal line VSL according to the drive signal supplied from the timing control unit.
When the selection transistor SEL turns on the output of the voltage signal, the voltage (voltage signal) amplified by the amplification transistor AMP is output to the vertical signal line VSL via the selection transistor SEL, and is ahead of the vertical signal line VSL. It is output to the connected signal processing circuit 21. The signal processing circuit 21 will be described later.
<信号処理レイヤ>
本技術の撮像素子は、複数層の信号処理レイヤ20を、より具体的には、m×n/t層の信号処理レイヤ20を、光の入射方向に沿って積層して備える。なお、m及びnは、上述した画素アレイを構成する繰り返し単位である画素共有構造体アレイにおいて、画素共有構造体がX方向及びY方向に配列された数である。第1実施形態の撮像素子の場合、図1及び図5に示すように、m=2、n=1である。tは、1つの信号処理回路21に接続された画素共有構造体PCの数である。以降の説明では、1つの信号処理回路21に接続された画素共有構造体PCの数を、接続数tと記載する。また、第1実施形態の撮像素子の場合、図1及び図5に示すように、t=1である。そして、第1実施形態の撮像素子の場合、信号処理レイヤ20を、m×n/t=2層、積層して備える。したがって、信号処理レイヤ20は、画素レイヤ10に積層されており、第一信号処理レイヤ20aと、第二信号処理レイヤ20bを含む。
すなわち、第1実施形態の撮像素子は、光の入射方向に沿って互いに積層された複数層の信号処理レイヤ20として、2層の信号処理レイヤ20(第一信号処理レイヤ20a、第二信号処理レイヤ20b)を備える。
<Signal processing layer>
The image pickup device of the present technology includes a plurality of layers of signal processing layers 20, more specifically, m × n / t layers of signal processing layers 20 stacked along the incident direction of light. Note that m and n are the numbers in which the pixel sharing structures are arranged in the X direction and the Y direction in the pixel sharing structure array which is a repeating unit constituting the pixel array described above. In the case of the image sensor of the first embodiment, as shown in FIGS. 1 and 5, m = 2 and n = 1. t is the number of pixel sharing structure PCs connected to one signal processing circuit 21. In the following description, the number of pixel sharing structure PCs connected to one signal processing circuit 21 will be referred to as the number of connections t. Further, in the case of the image sensor of the first embodiment, t = 1 as shown in FIGS. 1 and 5. Then, in the case of the image pickup device of the first embodiment, the
That is, the image pickup device of the first embodiment has two layers of signal processing layers 20 (first
また、信号処理レイヤ20は、金属直接接合(Cu−Cu接続)により、画素レイヤ10と電気的に接続されている。
画素レイヤ10と信号処理レイヤ20との金属直接接合とは、画素レイヤ10の信号処理レイヤ20と対向する面に形成した金属端子10t(Cu端子)と、信号処理レイヤ20の画素レイヤ10と対向する面に形成した金属端子20t(Cu端子)とを直接接続した構造である。
Further, the
The metal direct coupling between the
画素レイヤ10と信号処理レイヤ20を金属直接接合によって接続した構造は、以下の製造方法(1)から(3)を用いて形成する。
製造方法(1).画素レイヤ10を形成する半導体基板に、フォトダイオードPDとトランジスタと配線層を形成して、画素レイヤ10に配置すべき回路を形成する。その後、形成した回路と、画素レイヤ10の最表面に形成する金属端子とを接続する電気的接続手段(例えば、導電性ビア)を形成し、さらに、画素レイヤ10の最表面に金属端子10tを形成する。
製造方法(2).信号処理レイヤ20を形成する半導体基板に、トランジスタと配線層を形成して、信号処理レイヤ20に配置すべき回路を形成する。その後、形成した回路と、信号処理レイヤ20の最表面に形成する金属端子とを接続する電気的接続手段(ビア)を形成し、さらに、信号処理レイヤ20の最表面に金属端子20tを形成する。
製造方法(3).最表面に金属端子10tを形成した画素レイヤ10の基板と、最表面に金属端子20tを形成した信号処理レイヤ20の基板とを、金属端子10t,20t同士が接合するように貼り合わせる。
The structure in which the
Manufacturing method (1). A photodiode PD, a transistor, and a wiring layer are formed on the semiconductor substrate on which the
Manufacturing method (2). A transistor and a wiring layer are formed on the semiconductor substrate on which the
Manufacturing method (3). The substrate of the
第一信号処理レイヤ20aは、画素レイヤ10に積層されており、第一垂直信号線VSLaと、複数の第一信号処理回路21aを有する。
第一垂直信号線VSLaは、画素回路11aが備える増幅トランジスタAMPで増幅された電気信号を、第一信号処理回路21aへ出力する配線である。また、第一垂直信号線VSLaには、選択トランジスタSELが接続されている。
The first
The first vertical signal line VSLa is a wiring that outputs an electric signal amplified by the amplification transistor AMP included in the
第一信号処理回路21aは、画素共有構造体PCaから入力された画像信号を処理し、出力レイヤ30へ出力する。
1つの第一信号処理回路21aには、1つの画素共有構造体PCaが出力した画像信号を入力できるように、画素共有構造体PCaが接続されている。すなわち、第1実施形態では、接続数t=1の例を示している。接続数が1以外となる例は、別の実施形態を例示して後述する。
The first
A pixel sharing structure PCa is connected to one first
また、複数の第一信号処理回路21aは、入力された画像信号を、互いに並列に処理する。
さらに、複数の第一信号処理回路21aは、図5に示すように、X方向及びY方向に沿って、アレイ状に配置されている。また、第一信号処理回路21aにそれぞれ接続されている画素共有構造体PCaは、図5に示すように、X方向及びY方向に沿って、アレイ状に配置されている。
なお、図1においては、図5でX方向及びY方向に沿ってアレイ状に配置された複数の第一信号処理回路21aと画素共有構造体PCaの一部のみを、記載している。
Further, the plurality of first
Further, as shown in FIG. 5, the plurality of first
Note that, in FIG. 1, only a part of the plurality of first
図5に示すように、X方向は、8つのフォトダイオードPDが含む第1のグループと第2のグループとを配列した方向と直交する方向である。Y方向は、8つのフォトダイオードPDが含む第1のグループと第2のグループとを配列した方向であり、X方向と直交する方向である。 As shown in FIG. 5, the X direction is a direction orthogonal to the direction in which the first group and the second group included in the eight photodiode PDs are arranged. The Y direction is a direction in which the first group and the second group included in the eight photodiode PDs are arranged, and is a direction orthogonal to the X direction.
さらに、第一信号処理回路21aは、図5に示すように、画素レイヤ10と信号処理レイヤ20とを積層した方向(積層方向)から見た面積が、積層方向から見た画素共有構造体PCaの面積よりも大きい。
一例として、第1実施形態では、積層方向から見た1つの第一信号処理回路21aの面積が、積層方向から見た1つの画素共有構造体PCaの面積に対してm×n倍となっている。なお、m及びnは、上述した画素アレイを構成する繰り返し単位である画素共有構造体アレイにおいて、画素共有構造体PCがX方向及びY方向に配列された数である。第1実施形態の撮像素子の場合、図1及び図5に示すように、m=2、n=1となっている。また、第1実施形態では、一例として、図6に示すように、積層方向から見た1つの第一信号処理回路21aの面積が、積層方向から見た1つの画素共有構造体PCaの面積に対してm×n倍(m=2、n=1)である場合について説明する。
Further, as shown in FIG. 5, in the first
As an example, in the first embodiment, the area of one first
具体的に、積層方向から見て、1つの第一信号処理回路21aは、図5に示すように、1個目の画素共有構造体PCを起点として、X方向にm個目且つY方向にn個目(第1実施形態では、m=2、n=1)の画素共有構造体PCaの上に渡って延在している。
したがって、互いに接続された1つの画素共有構造体PCaと1つの第一信号処理回路21aによるペアは、積層方向から見た第一信号処理回路21aの面積が、積層方向から見た画素共有構造体PCaの面積よりも大きく、より具体的には、m×n倍(m=2、n=1)となる関係を有している。上述したように、1つの画素共有構造体PCaは、j×k個(j=2、k=4)の画素を含んでいる。このため、第一信号処理回路21aの面積は、1つの画素の面積の、j×k×m×n倍となっている。
以上により、(A)第1実施形態の撮像素子と、(B)一定の面積の信号処理回路を繰り返し単位としてこれを画素アレイ状に配列し且つ第1実施形態を備えない撮像素子、例えば、1つの画素の面積と同じ面積の信号処理回路を繰り返し単位として画素アレイ状に配列したような撮像素子とを比較すると、(A)第1実施形態を備えた撮像素子の方が、より面積の大きな信号処理回路を備えることが可能であり、これにより、より高度な信号処理を行うことが可能である。
Specifically, when viewed from the stacking direction, as shown in FIG. 5, one first
Therefore, in the pair of one pixel sharing structure PCa connected to each other and one first
As described above, (A) the image pickup device of the first embodiment and (B) the image pickup device of the first embodiment are arranged in a pixel array with the signal processing circuit of a certain area as a repeating unit, for example. Comparing with an image sensor in which a signal processing circuit having the same area as the area of one pixel is arranged in a pixel array as a repeating unit, (A) the image sensor provided with the first embodiment has a larger area. It is possible to provide a large signal processing circuit, which makes it possible to perform more advanced signal processing.
第二信号処理レイヤ20bは、第一信号処理レイヤ20aに積層されており、第二垂直信号線VSLbと、複数の第二信号処理回路21bを備える。
また、第二信号処理レイヤ20bは、金属直接接合により、第一信号処理レイヤ20aと電気的に接続されている。
第一信号処理レイヤ20aと第二信号処理レイヤ20bとの金属直接接合とは、第一信号処理レイヤ20aに形成した金属端子20at(Cu端子)と、第二信号処理レイヤ20bに形成した金属端子20bt(Cu端子)とを、直接接続した構造である。第一信号処理レイヤ20aに形成した金属端子20at(Cu端子)は、第一信号処理レイヤ20aの第二信号処理レイヤ20bと対向する面に形成されている。第二信号処理レイヤ20bに形成した金属端子20bt(Cu端子)は、第二信号処理レイヤ20bの第一信号処理レイヤ20aと対向する面に形成されている。
The second
Further, the second
The metal direct bonding between the first
第二垂直信号線VSLbは、画素回路11bが備える増幅トランジスタAMPで増幅された電気信号を、第二信号処理回路21bへ出力する配線である。また、第二垂直信号線VSLbには、選択トランジスタSELが接続されている。
The second vertical signal line VSLb is a wiring that outputs an electric signal amplified by the amplification transistor AMP included in the
第二信号処理回路21bは、画素共有構造体PCbから入力された画像信号を処理し、出力レイヤ30へ出力する。
1つの第二信号処理回路21bには、1つの画素共有構造体PCbが出力した画像信号を入力できるように、画素共有構造体PCbが接続されている。すなわち、第1実施形態では、接続数t=1の例を示している。接続数が1以外となる例は、別の実施形態を例示して後述する。
また、複数の第二信号処理回路21bは、入力された画像信号を、互いに並列に処理する。
The second
A pixel sharing structure PCb is connected to one second
Further, the plurality of second
さらに、複数の第二信号処理回路21bは、図5に示すように、X方向及びY方向に沿って、アレイ状に配置されている。また、第二信号処理回路21bにそれぞれ接続されている画素共有構造体PCbは、図5に示すように、X方向及びY方向に沿って、アレイ状に配置されている。
なお、図1においては、図5でX方向及びY方向に沿ってアレイ状に配置された複数の第二信号処理回路21bと画素共有構造体PCbの一部のみを、記載している。
また、第二信号処理回路21bは、図5に示すように、積層方向から見た面積が、積層方向から見た画素共有構造体PCbの面積よりも大きい。
Further, as shown in FIG. 5, the plurality of second
Note that, in FIG. 1, only a part of the plurality of second
Further, as shown in FIG. 5, the area of the second
第1実施形態では、一例として、積層方向から見た1つの第二信号処理回路21bの面積が、積層方向から見た1つの画素共有構造体PCbの面積に対して2以上の整数倍である場合について説明する。また、第1実施形態では、一例として、積層方向から見た1つの第二信号処理回路21bの面積が、積層方向から見た1つの画素共有構造体PCbの面積に対してm×n倍となっている。なお、m及びnは、上述した画素アレイを構成する繰り返し単位である画素共有構造体アレイにおいて、画素共有構造体PCがX方向及びY方向に配列された数である。第1実施形態の撮像素子の場合、図1及び図5に示すように、m=2、n=1となっている。
具体的に、積層方向から見て、1つの第二信号処理回路21bは、図5に示すように、1個目の画素共有構造体PCを起点として、X方向にm個目且つY方向にn個目(第1実施形態では、m=2、n=1)の画素共有構造体PCbの上に渡って延在している。
In the first embodiment, as an example, the area of one second
Specifically, when viewed from the stacking direction, as shown in FIG. 5, one second
したがって、互いに接続された1つの画素共有構造体PCbと1つの第二信号処理回路21bによるペアは、積層方向から見た第二信号処理回路21bの面積が、積層方向から見た画素共有構造体PCbの面積よりも大きく、より具体的には、m×n倍(m=2、n=1)となる関係を有している。上述したように、1つの画素共有構造体PCbは、j×k個(j=2、k=4)の画素を含んでいる。このため、第一信号処理回路21bの面積は、1つの画素の面積の、j×k×m×n倍となっている。
このため、(C)第1実施形態の撮像素子と、(D)一定の面積の信号処理回路を繰り返し単位としてこれを画素アレイ状に配列し且つ第1実施形態を備えない撮像素子、例えば、1つの画素の面積と同じ面積の信号処理回路を繰り返し単位として画素アレイ状に配列したような撮像素子とを比較すると、(C)第1実施形態を備えた撮像素子の方が、より面積の大きな信号処理回路を備えることが可能であり、これにより、より高度な信号処理を行うことが可能である。
Therefore, in the pair consisting of one pixel sharing structure PCb and one second
Therefore, (C) the image pickup device of the first embodiment and (D) the image pickup device of the first embodiment are arranged in a pixel array with the signal processing circuit of a certain area as a repeating unit, for example. Comparing with an image sensor in which a signal processing circuit having the same area as the area of one pixel is arranged in a pixel array as a repeating unit, (C) the image sensor provided with the first embodiment has a larger area. It is possible to provide a large signal processing circuit, which makes it possible to perform more advanced signal processing.
また、図5に示すように、画素共有構造体PCa及び画素共有構造体PCbと、第一信号処理回路21aと、第二信号処理回路21bとの積層構造は、繰り返して配列した構造の単位ユニットを形成している。そして、撮像素子が備える画素アレイにおいて、複数の単位ユニットは、X方向及びY方向に繰り返して配置されている。単位ユニットを繰り返し配置するピッチは、単位ユニットの大きさに等しい。本技術の撮像素子において、単位ユニットを繰り返し配置するピッチは、X方向のピッチが、画素共有構造体PCのX方向の長さのm倍(言い換えれば、1画素のX方向の長さのj×m倍)、Y方向のピッチが、画素共有構造体PCのY方向の長さのn倍(言い換えれば、1画素のY方向の長さのk×n倍)となっている。一例として、図5に示す第1実施形態の場合、j=2、k=4、m=2、n=1となっている。
Further, as shown in FIG. 5, the laminated structure of the pixel sharing structure PCa and the pixel sharing structure PCb, the first
本技術の撮像素子に備わる画素アレイは、上述した単位ユニットをX方向にp個、Y方向にq個繰り返して、アレイ状に配置して形成されている。一例として、図5に示す第1実施形態(j=2、k=4、m=2、n=1)において、X方向にr画素且つY方向にs画素配列した画素アレイであって、r=6400、s=4800となる3000万画素の画素アレイを有する撮像装置を構成する場合、単位ユニットは、X方向にr/(m×j)=6400/(2×2)=1600個、Y方向にs/(n×k)=4800/(1×4)=1200個のアレイ状に配置される。この場合、第一信号処理レイヤ20aには、第一信号処理回路21aが、X方向にr/(m×j)=6400/(2×2)=1600個、Y方向にs/(n×k)=4800/(1×4)=1200個のアレイ状に配置され、第二信号処理レイヤ20bには、第二信号処理回路21bが、X方向にr/(m×j)=6400/(2×2)=1600個、Y方向にs/(n×k)=4800/(1×4)=1200個のアレイ状に配置される。すなわち、本技術の撮像素子は、1つの信号処理レイヤに20において、(r/(m×j))×(s/(n×k))個の信号処理回路21を備え、且つ、この信号処理レイヤを(m×n/t)層積層して備える。このようにして構成した合計(r/(m×j))×(s/(n×k))×(m×n/t)個の信号処理回路21を、並列に動作させることにより、この構成を備えない特許文献1に記載の撮像素子よりも、短時間で信号処理を行うことが可能となる。
なお、第1実施形態では、図1から図6を参照し、画素共有構造体PCと信号処理回路21を備えた繰り返しユニットにおいて、画素共有構造体PCをX方向にm個且つY方向にn個配列した例として、m=2且つn=1、の例を説明したが、mとnは、それぞれが1以上の整数且つm×nが2以上となる整数であれば、m=2且つn=1以外の値となるように配列してもよい。
The pixel array provided in the image sensor of the present technology is formed by repeating the above-mentioned unit units p in the X direction and q in the Y direction and arranging them in an array. As an example, in the first embodiment (j = 2, k = 4, m = 2, n = 1) shown in FIG. 5, a pixel array in which r pixels are arranged in the X direction and s pixels are arranged in the Y direction. When configuring an imaging device having a pixel array of 30 million pixels with = 6400 and s = 4800, the unit units are r / (m × j) = 6400 / (2 × 2) = 1600 in the X direction, Y. They are arranged in an array of s / (n × k) = 4800 / (1 × 4) = 1200 in the direction. In this case, on the first
In the first embodiment, referring to FIGS. 1 to 6, in the repeating unit including the pixel sharing structure PC and the signal processing circuit 21, m pixel sharing structure PCs are arranged in the X direction and n in the Y direction. An example of m = 2 and n = 1 has been described as an example of individual arrangement, but if m and n are integers of 1 or more and m × n is 2 or more, then m = 2 and n = 1. It may be arranged so that the value is other than n = 1.
また、第一信号処理回路21aが画像信号を処理するタイミングと、第二信号処理回路21bが画像信号を処理するタイミングは、同じタイミングに設定されている。すなわち、第一信号処理レイヤ20aと第二信号処理レイヤ20bを含む信号処理レイヤ20は、複数の画素に対する信号処理を、複数の信号処理回路21で、同じ時間帯に並行して行う。
具体的に、複数の画素共有構造体PCのそれぞれが有する8個の画素は、8個の画素に接続された1つの信号処理回路21を共有し、1つの信号処理回路21を時分割で用いて信号処理を行う。これにより、8個の画素に対して行う時分割での信号処理が、撮像装置が備える複数の信号処理回路21において、同じ時間帯に並行して実行される。
Further, the timing at which the first
Specifically, the eight pixels of each of the plurality of pixel sharing structure PCs share one signal processing circuit 21 connected to the eight pixels, and one signal processing circuit 21 is used in time division. Signal processing is performed. As a result, the time-division signal processing performed on the eight pixels is executed in parallel in the same time zone in the plurality of signal processing circuits 21 included in the image pickup apparatus.
したがって、複数層の信号処理レイヤ20がそれぞれ有する信号処理回路21は、複数の画素共有構造体PCが有するそれぞれ有する複数の画素が出力した画像信号を、並列的に処理する。
すなわち、画素の垂直方向(光の入射方向)と、画素の配列方向(X方向及びY方向)へ、電気的に並列に配置された複数の信号処理回路21が、同時に信号処理を行うことで、同じタイミングで多くの信号処理を行うことが可能となる。
以上により、複数層の信号処理レイヤ20がそれぞれ有する信号処理回路21は、入力された画像信号を互いに並列に処理する。
Therefore, the signal processing circuit 21 of each of the plurality of layers of signal processing layers 20 processes the image signals output by the plurality of pixels of the plurality of pixel sharing structure PCs in parallel.
That is, a plurality of signal processing circuits 21 electrically arranged in parallel in the vertical direction of the pixels (incident direction of light) and the arrangement direction of the pixels (X direction and Y direction) simultaneously perform signal processing. , It is possible to perform many signal processes at the same timing.
As described above, the signal processing circuit 21 of each of the plurality of layers of signal processing layers 20 processes the input image signals in parallel with each other.
<出力レイヤ>
出力レイヤ30は、信号処理レイヤ20に積層されている。
また、出力レイヤ30は、図5に示すX方向及びY方向に沿って配置された、複数の単位ユニットから出力される画像信号を、順次読み出すための回路である。すなわち、出力レイヤ30は、例えば、X方向とY方向に沿って配置された、一般的なメモリ素子や画素等のアナログ素子から、信号を順次読み出すための回路に類似する。
<Output layer>
The
Further, the
また、出力レイヤ30は、金属直接接合により、信号処理レイヤ20と電気的に接続されている。
信号処理レイヤ20と出力レイヤ30との金属直接接合とは、信号処理レイヤ20の出力レイヤ30と対向する面に形成したCu端子と、出力レイヤ30の信号処理レイヤ20と対向する面に形成したCu端子とを、直接接続した構造である。
Further, the
The direct metal bonding between the
<第1実施形態の作用・効果>
第1実施形態の撮像素子であれば、以下の作用・効果を奏することが可能である。
(1)入射した光を光電変換して画像信号を出力する複数の画素を含む画素共有構造体PCを有する画素レイヤ10と、画素レイヤ10に積層され、且つ画像信号を処理する信号処理回路21を有する信号処理レイヤ20を備える。また、画素レイヤ10は、アレイ状に配置された複数の画素共有構造体PCを有し、信号処理レイヤ20は、アレイ状に配置された複数の信号処理回路21を有する。そして、1つの信号処理回路21には、1つの画素共有構造体PCが出力した画像信号を入力できるように、1つの画素共有構造体PCが接続されている。さらに、複数の信号処理回路21は、入力された画像信号を互いに並列に処理する。
これにより、複数の信号処理回路21によって、複数の画素共有構造体PCから入力された画像信号を互いに並列に処理することで、撮像した画像を信号処理して出力する時間を短縮することが可能な撮像素子を提供することが可能となる。
<Action / effect of the first embodiment>
The image sensor of the first embodiment can exert the following actions and effects.
(1) A
As a result, it is possible to shorten the time for signal processing and outputting the captured image by processing the image signals input from the plurality of pixel sharing structure PCs in parallel with each other by the plurality of signal processing circuits 21. It becomes possible to provide an image pickup device.
(2)互いに積層された複数層の信号処理レイヤ20(第一信号処理レイヤ20a、第二信号処理レイヤ20b)を備える。また、複数層の信号処理レイヤ20がそれぞれ有する信号処理回路21が、入力された画像信号を互いに並列に処理する。
これにより、信号処理レイヤ20の面積を増加させること無く、複数の画像信号を、複数層の信号処理レイヤ20がそれぞれ有する信号処理回路21によって、互いに並列に処理することが可能となる。
(2) A plurality of layers of signal processing layers 20 (first
As a result, a plurality of image signals can be processed in parallel with each other by the signal processing circuits 21 each of the plurality of layers of signal processing layers 20 without increasing the area of the
(3)複数層の信号処理レイヤ20を備える。
これにより、1層の信号処理レイヤ20の面積を増加させること無く、複数層の信号処理レイヤ20のそれぞれが備える信号処理回路21において、画像信号を処理することが可能となる。
(3) A plurality of layers of signal processing layers 20 are provided.
As a result, the image signal can be processed in the signal processing circuit 21 included in each of the plurality of layers of the
(4)複数層の信号処理レイヤ20は、金属直接接合により電気的に接続されている。
これにより、画素レイヤ10から複数層の信号処理レイヤ20へ出力する信号に対し、複数層の信号処理レイヤ20による読み出し時間のずれを抑制することが可能となる。
(4) The plurality of layers of signal processing layers 20 are electrically connected by direct metal bonding.
As a result, it is possible to suppress the deviation of the read time due to the signal processing layers 20 of the plurality of layers with respect to the signal output from the
(5)積層方向から見た信号処理回路21の面積は、積層方向から見た画素1個の面積よりも大きく、且つ画素共有構造体PCの面積よりも大きく、より具体的には、m×n倍(m=2、n=1)となる関係を有している。上述したように、1つの画素共有構造体PCbは、j×k個(j=2、k=4)の画素を含んでいる。このため、第一信号処理回路21bの面積は、1つの画素の面積の、j×k×m×n倍となっている。
これにより、この構成を備えない場合(すなわち、信号処理回路21の面積が画素共有構造体PCの面積と同じ場合、あるいは、信号処理回路21の面積が画素1個の面積と同じ場合)よりも、信号処理回路21の回路面積を大きくすることが可能となる。その結果、信号処理回路21においてより複雑な信号処理を行うことが可能となる。
(5) The area of the signal processing circuit 21 seen from the stacking direction is larger than the area of one pixel seen from the stacking direction and larger than the area of the pixel sharing structure PC, more specifically, m ×. It has a relationship of n times (m = 2, n = 1). As described above, one pixel-shared structure PCb contains j × k (j = 2, k = 4) pixels. Therefore, the area of the first
As a result, this configuration is not provided (that is, the area of the signal processing circuit 21 is the same as the area of the pixel sharing structure PC, or the area of the signal processing circuit 21 is the same as the area of one pixel). , The circuit area of the signal processing circuit 21 can be increased. As a result, more complicated signal processing can be performed in the signal processing circuit 21.
(6)積層方向から見た信号処理回路21の面積は、積層方向から見た画素共有構造体PCの面積に対して2以上の整数倍である。
これにより、積層方向から見て、信号処理回路21及び画素共有構造体PCを、効率的に配置することが可能となる。
(6) The area of the signal processing circuit 21 seen from the stacking direction is an integral multiple of 2 or more with respect to the area of the pixel sharing structure PC seen from the stacking direction.
As a result, the signal processing circuit 21 and the pixel sharing structure PC can be efficiently arranged when viewed from the stacking direction.
(7)画素共有構造体PCが、8の画素を含む。
これにより、4つの緑色画素と、2つの赤色画素と、2つの青色画素がそれぞれ出力した複数の画像信号を、信号処理回路21によって処理することが可能となる。
(7) The pixel sharing structure PC includes 8 pixels.
As a result, the signal processing circuit 21 can process a plurality of image signals output by the four green pixels, the two red pixels, and the two blue pixels, respectively.
(8)信号処理レイヤ20が、金属直接接合により画素レイヤ10と電気的に接続されている。
これにより、画素レイヤ10から信号処理レイヤ20へ出力する信号に対し、信号処理レイヤ20による読み出し時間のずれを抑制することが可能となる。
(8) The
As a result, it is possible to suppress a deviation in the read time due to the
(9)信号処理レイヤ20に積層され、且つ信号処理レイヤ20が処理した画像信号を読み出す出力レイヤ30をさらに備える。これに加え、出力レイヤ30は、金属直接接合により信号処理レイヤ20と電気的に接続されている。
これにより、信号処理レイヤ20から出力レイヤ30へ出力する信号に対し、出力レイヤ30による読み出し時間のずれを抑制することが可能となる。
(9) An
As a result, it is possible to suppress a deviation in the read time due to the
(第2実施形態)
第2実施形態に係る撮像素子は、画素レイヤ及び信号処理レイヤの構成が、第1実施形態と相違する。具体的に、第1実施形態では、1つの信号処理回路21に接続された画素共有構造体PCの数である接続数tが1の例を示したが、第2実施形態では、接続数tが複数となる例を示す。なお、以下の説明では、第1実施形態との共通する部分の説明を省略する場合がある。
(Second Embodiment)
The image pickup device according to the second embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the pixel layer and the signal processing layer. Specifically, in the first embodiment, the number of connections t, which is the number of pixel sharing structure PCs connected to one signal processing circuit 21, is 1, but in the second embodiment, the number of connections t. An example in which there is a plurality of is shown. In the following description, the description of the parts common to the first embodiment may be omitted.
<画素レイヤ>
図7に示すように、画素レイヤ10は、複数の画素回路11を有する。複数の画素回路11は、積層方向から見て、並列に配置されている。
なお、図7には、一例として、画素レイヤ10が有する複数の画素回路11のうち、4つの画素回路11a〜11dを示している。
<Pixel layer>
As shown in FIG. 7, the
Note that FIG. 7 shows, as an example, four
第2実施形態では、第1実施形態と同様の画素共有構造(図2)を備える。すなわち、1つの画素回路11が、8画素分の画素を含んだ画素共有構造体PCを備える場合であって、上述したj=2且つk=4となる場合について説明する。
また、図8に示すように、画素レイヤ10は、アレイ状に配置された複数の画素共有構造体PCを有する。なお、図8では、画素回路11aが備える画素共有構造体PCを、「画素共有構造体PCa」と示し、画素回路11bが備える画素共有構造体PCを、「画素共有構造体PCb」と示す。同様に、画素回路11cが備える画素共有構造体PCを、「画素共有構造体PCc」と示し、画素回路11dが備える画素共有構造体PCを、「画素共有構造体PCd」と示す。また、以降の説明においても、同様に記載する場合がある。
The second embodiment includes the same pixel sharing structure (FIG. 2) as the first embodiment. That is, a case where one
Further, as shown in FIG. 8, the
なお、画素共有構造体PCa〜PCdは、図8に示すように、X方向に沿って、画素共有構造体PCa、画素共有構造体PCc、画素共有構造体PCb、画素共有構造体PCdの順番で配列されている。
また、図8において、画素レイヤ10は、X方向に沿って、画素共有構造体PCa、画素共有構造体PCc、画素共有構造体PCb、画素共有構造体PCdの順番で配列された4つの画素共有構造体PCを1つの繰り返し単位として、X方向及びY方向に沿って、アレイ状に配置されている。Y方向に関する説明は、後述する。
言い換えれば、本技術の撮像素子に備わる画素レイヤ10は、図8に示すように、X方向にj個×Y方向にk個の画素を備えた画素共有構造体PCを、X方向にm個且つY方向にn個のアレイ状に配列して、このm×n個の画素共有構造体PCを含んだ画素共有構造体アレイを1つの繰り返し単位として、この繰り返し単位をX方向にp個且つY方向にq個のアレイ状に配列した、画素アレイを備えている。ここで、mとnはそれぞれが1以上の整数且つm×nが2以上となる整数であり、pとqはそれぞれが2以上の整数である。一例として図8に例示した第2実施形態では、m=4且つn=1、となっているが、mとnはそれぞれが1以上の整数且つm×nが2以上となる整数であれば、m=4且つn=1以外の値となるように配列してもよい。
As shown in FIG. 8, the pixel sharing structures PCa to PCd are arranged in the order of the pixel sharing structure PCa, the pixel sharing structure PCc, the pixel sharing structure PCb, and the pixel sharing structure PCd along the X direction. It is arranged.
Further, in FIG. 8, the
In other words, as shown in FIG. 8, the
<信号処理レイヤ>
本技術の撮像素子は、複数層の信号処理レイヤ20を、より具体的には、m×n/t層信号処理レイヤ20を、光の入射方向に沿って積層して備える。ここで、m及びnは、上述した画素アレイを構成する繰り返し単位である画素共有構造体アレイにおいて、画素共有構造体PCがX方向及びY方向に配列された数である。第2実施形態の場合、図7及び図8に示すように、m=4、n=1であり、且つ、接続数t=2である。そして、第2実施形態の場合、信号処理レイヤ20を、m×n/t=2、すなわち、2層で積層して備える。信号処理レイヤ20は、画素レイヤ10に積層されており、第一信号処理レイヤ20aと、第二信号処理レイヤ20bを含む。
すなわち、第2実施形態の撮像素子は、第1実施形態と同様、光の入射方向に沿って互いに積層された複数層の信号処理レイヤ20として、2層の信号処理レイヤ20(第一信号処理レイヤ20a、第二信号処理レイヤ20b)を備える。
<Signal processing layer>
The image pickup device of the present technology includes a plurality of layers of signal processing layers 20, more specifically, m × n / t layer signal processing layers 20 stacked along the incident direction of light. Here, m and n are the numbers in which the pixel sharing structure PCs are arranged in the X direction and the Y direction in the pixel sharing structure array which is a repeating unit constituting the pixel array described above. In the case of the second embodiment, as shown in FIGS. 7 and 8, m = 4, n = 1, and the number of connections t = 2. Then, in the case of the second embodiment, the
That is, as in the first embodiment, the image pickup device of the second embodiment is a two-layer signal processing layer 20 (first signal processing) as a plurality of layers of signal processing layers 20 stacked on each other along the incident direction of light. A
第一信号処理レイヤ20aは、画素レイヤ10に積層されており、第一上流側垂直信号線VSLauと、第一下流側垂直信号線VSLadと、複数の第一信号処理回路21aを有する。
The first
第一上流側垂直信号線VSLauは、画素回路11aが備える増幅トランジスタAMPで増幅された電気信号を、第一信号処理回路21aへ出力する配線である。また、第一上流側垂直信号線VSLauには、選択トランジスタSELが接続されている。
第一下流側垂直信号線VSLadは、画素回路11bが備える増幅トランジスタAMPで増幅された電気信号を、第一信号処理回路21aへ出力する配線である。また、第一下流側垂直信号線VSLadには、選択トランジスタSELが接続されている。
The first upstream vertical signal line VSLau is a wiring that outputs an electric signal amplified by the amplification transistor AMP included in the
The first downstream vertical signal line VSRad is a wiring that outputs an electric signal amplified by the amplification transistor AMP included in the
1つの第一信号処理回路21aには、画素回路11aが有する1つの画素共有構造体PCa、及び画素回路11bが有する1つの画素共有構造体PCbが出力した画像信号を入力できるように、画素共有構造体PCa及び画素共有構造体PCbが接続されている。
すなわち、1つの第一信号処理回路21aには、画素共有構造体PCaに加え、画像信号を入力できるように、少なくとも1つの画素共有構造体(画素共有構造体PCb)が追加して接続されて、複数の画素共有構造体(画素共有構造体PCa,PCb)が接続されている。言い換えれば、図7及び図8に示した第2実施形態は、接続数t(すなわち、1つの信号処理回路21に接続された画素共有構造体PCの数)=2の例を示している。
したがって、第2実施形態では、1つの第一信号処理回路21aを、複数の画素回路11(2つの画素回路11a及び画素回路11b)が共有する。
Pixel sharing so that the image signal output by one pixel sharing structure PCa included in the
That is, at least one pixel sharing structure (pixel sharing structure PCb) is additionally connected to one first
Therefore, in the second embodiment, one first
また、1つの第一信号処理回路21aは、画素共有構造体PCaから入力された画像信号と、画素共有構造体PCbから入力された画像信号とを時分割で処理し、出力レイヤ30へ出力する。
さらに、複数の第一信号処理回路21aは、それぞれ、入力された画像信号を、互いに並列に処理する。
Further, one first
Further, each of the plurality of first
また、複数の第一信号処理回路21aは、図8に示すように、X方向及びY方向に沿って、アレイ状に配置されている。
なお、図7においては、図8でX方向及びY方向に沿ってアレイ状に配置された複数の第一信号処理回路21aと画素共有構造体PCa、PCbの一部のみを、記載している。
さらに、第一信号処理回路21aは、図9に示すように、積層方向から見た面積が、積層方向から見た画素共有構造体PCa及び画素共有構造体PCbの面積よりも大きい。なお、図9では、面積を比較する説明のために、画素共有構造体PCbの位置を画素共有構造体PCcの位置を変更している。
Further, as shown in FIG. 8, the plurality of first
Note that, in FIG. 7, only a part of the plurality of first
Further, as shown in FIG. 9, the area of the first
第2実施形態では、一例として、積層方向から見た1つの第一信号処理回路21aの面積が、積層方向から見た画素共有構造体PCa及び画素共有構造体PCbの面積に対してm×n倍となっている。ここで、m及びnは、上述した画素アレイを構成する繰り返し単位である画素共有構造体アレイにおいて、画素共有構造体PCがX方向及びY方向に配列された数である。第2実施形態の撮像素子の場合、図7及び図8に示すように、m=4、n=1となっている。また、第2実施形態では、一例として、図9に示すように、積層方向から見た1つの第一信号処理回路21aの面積が、積層方向から見た画素共有構造体PCa及び画素共有構造体PCbの面積に対してm×n倍(m=4、n=1)である場合について説明する。
具体的に、積層方向から見て、1つの第一信号処理回路21aは、図8に示すように、1個目の画素共有構造体PCaを起点として、X方向にm個目且つY方向にn個目(第2実施形態では、m=4、n=1)の画素共有構造体PCdの上に渡って延在している。
したがって、互いに接続された画素共有構造体PCa及び画素共有構造体PCbと1つの第一信号処理回路21aによるペアは、積層方向から見た第一信号処理回路21aの面積が、積層方向から見た画素共有構造体PCa及び画素共有構造体PCbのそれぞれの面積よりも大きく、より具体的には、m×n倍(m=4、n=1)となる関係を有している。上述したように、画素共有構造体PCa、PCbのそれぞれは、j×k個(j=2、k=4)の画素を含んでいる。このため、第2実施形態における第一信号処理回路21aの面積は、1つの画素の面積の、j×k×m×n倍(j=2、k=4、m=4、n=1)となっている。これにより、第1実施形態における第一信号処理回路21aの面積(1つの画素の面積の、j×k×m×n倍且つ、j=2、k=4、m=2、n=1)よりも、さらに面積の大きな信号処理回路を備えることが可能であり、これにより、さらに高度な信号処理を行うことが可能である。
In the second embodiment, as an example, the area of one first
Specifically, when viewed from the stacking direction, as shown in FIG. 8, one first
Therefore, in the pair of the pixel sharing structure PCa and the pixel sharing structure PCb connected to each other and one first
第二信号処理レイヤ20bは、第一信号処理レイヤ20aに積層されており、第二上流側垂直信号線VSLbuと、第二下流側垂直信号線VSLbdと、複数の第二信号処理回路21bを有する。
また、第二信号処理レイヤ20bは、金属直接接合により、第一信号処理レイヤ20aと電気的に接続されている。
The second
Further, the second
第二上流側垂直信号線VSLbuは、画素回路11cが備える増幅トランジスタAMPで増幅された電気信号を、第二信号処理回路21bへ出力する配線である。また、第二上流側垂直信号線VSLbuには、選択トランジスタSELが接続されている。
第二下流側垂直信号線VSLbdは、画素回路11dが備える増幅トランジスタAMPで増幅された電気信号を、第二信号処理回路21bへ出力する配線である。また、第二下流側垂直信号線VSLbdには、選択トランジスタSELが接続されている。
The second upstream vertical signal line VSLbu is a wiring that outputs an electric signal amplified by the amplification transistor AMP included in the
The second downstream vertical signal line VSLbd is a wiring that outputs an electric signal amplified by the amplification transistor AMP included in the
1つの第二信号処理回路21bには、画素回路11cが有する1つの画素共有構造体PCc、及び画素回路11dが有する1つの画素共有構造体PCdが出力した画像信号を入力できるように、画素共有構造体PCc及び画素共有構造体PCdが接続されている。
すなわち、1つの第二信号処理回路21bには、画素共有構造体PCcに加え、画像信号を入力できるように、少なくとも1つの画素共有構造体(画素共有構造体PCd)が追加して接続されて、複数の画素共有構造体(画素共有構造体PCc,PCd)が接続されている。言い換えれば、図7及び図8に示した第2実施形態は、接続数t(すなわち、1つの信号処理回路21に接続された画素共有構造体PCの数)=2の例を示している。
したがって、第2実施形態では、1つの第二信号処理回路21bを、複数の画素回路11(2つの画素回路11c及び画素回路11d)が共有する。
Pixel sharing so that the image signal output by one pixel sharing structure PCc included in the
That is, at least one pixel sharing structure (pixel sharing structure PCd) is additionally connected to one second
Therefore, in the second embodiment, one second
また、1つの第二信号処理回路21bは、画素共有構造体PCcから入力された画像信号と、画素共有構造体PCdから入力された画像信号とを時分割で処理し、出力レイヤ30へ出力する。
さらに、複数の第二信号処理回路21bは、それぞれ、入力された画像信号を、互いに並列に処理する。
Further, one second
Further, each of the plurality of second
また、複数の第二信号処理回路21bは、図8に示すように、X方向及びY方向に沿って、アレイ状に配置されている。
なお、図7においては、図8でX方向及びY方向に沿ってアレイ状に配置された複数の第二信号処理回路21bと画素共有構造体PCc、PCdの一部のみを、記載している。
さらに、第二信号処理回路21bは、積層方向から見た面積が、積層方向から見た画素共有構造体PCc及び画素共有構造体PCdの面積よりも大きい(図9を参照)。
Further, as shown in FIG. 8, the plurality of second
Note that, in FIG. 7, only a part of the plurality of second
Further, in the second
第2実施形態では、一例として、積層方向から見た1つの第二信号処理回路21bの面積が、積層方向から見た画素共有構造体PCc及び画素共有構造体PCdの面積に対してm×n倍となっている。ここで、m及びnは、上述した画素アレイを構成する繰り返し単位である画素共有構造体アレイにおいて、画素共有構造体PCがX方向及びY方向に配列された数である。第2実施形態の場合、図7及び図8に示すように、m=4、n=1となっている。また、第2実施形態では、一例として、図5に示すように、積層方向から見た1つの第二信号処理回路21bの面積が、積層方向から見た画素共有構造体PCc及び画素共有構造体PCdの面積に対してm×n倍(m=4、n=1)である場合について説明する。
具体的に、積層方向から見て、1つの第二信号処理回路21bは、図8に示すように、1個目の画素共有構造体PCaからn個目(第2実施形態では、n=4)の画素共有構造体PCdの上に渡って延在している。
In the second embodiment, as an example, the area of one second
Specifically, when viewed from the stacking direction, one second
したがって、互いに接続された画素共有構造体PCc及び画素共有構造体PCdと1つの第二信号処理回路21bによるペアは、積層方向から見た第二信号処理回路21bの面積が、積層方向から見た画素共有構造体PCc及び画素共有構造体PCdのそれぞれの面積よりも大きく、より具体的には、m×n倍(m=4、n=1)となる関係を有している。上述したように、画素共有構造体PCc、PCdのそれぞれは、j×k個(j=2、k=4)の画素を含んでいる。このため、第2実施形態における第二信号処理回路21bの面積は、1つの画素の面積の、j×k×m×n倍(j=2、k=4、m=4、n=1)となっている。これにより、第1実施形態における第一信号処理回路21bの面積(1つの画素の面積の、j×k×m×n倍且つ、j=2、k=4、m=2、n=1)よりも、さらに面積の大きな信号処理回路を備えることが可能であるため、さらに高度な信号処理を行うことが可能である。
また、図8に示すように、画素共有構造体PCa〜PCdと、第一信号処理回路21aと、第二信号処理回路21bとの積層構造は、繰り返して配列した構造の単位ユニットを形成している。そして、撮像素子が備える画素アレイにおいて、複数の単位ユニットは、X方向及びY方向に繰り返して配置されている。単位ユニットを繰り返し配置するピッチは、単位ユニットの大きさに等しい。本技術の撮像素子において、単位ユニットを繰り返し配置するピッチは、X方向のピッチが、画素共有構造体PCのX方向の長さのm倍(1画素のX方向の長さのj×m倍)、Y方向のピッチが、画素共有構造体PCのY方向の長さのn倍(1画素のY方向の長さのk×n倍)となっている。一例として、図8に示す第2実施形態の場合、j=2、k=4、m=4、n=1となっている。
Therefore, in the pair of the pixel sharing structure PCc and the pixel sharing structure PCd connected to each other and one second
Further, as shown in FIG. 8, the laminated structure of the pixel sharing structures PCa to PCd, the first
本技術の撮像素子に備わる画素アレイは、上記単位ユニットをX方向にp個、Y方向にq個、繰り返してアレイ状に配置している。一例として、図8に示す第2実施形態(j=2、k=4、m=4、n=1)において、X方向にr画素且つY方向にs画素配列した画素アレイであって、r=6400、s=4800となる3000万画素の画素アレイを有する撮像装置を構成する場合、単位ユニットは、X方向にr/(m×j)=6400/(4×2)=800個、Y方向にs/(n×k)=4800/(1×4)=1200個のアレイ状に配置される。この場合、第一信号処理レイヤ20aには、第一信号処理回路21aが、X方向にr/(m×j)=6400/(4×2)=800個、Y方向にs/(n×k)=4800/(1×4)=1200個のアレイ状に配置され、第二信号処理レイヤ20bには、第二信号処理回路21bが、X方向にr/(m×j)=6400/(4×2)=800個、Y方向にs/(n×k)=4800/(1×4)=1200個のアレイ状に配置される。すなわち、本技術の撮像素子は、1つの信号処理レイヤに20において、(r/(m×j))×(s/(n×k))個の信号処理回路21を備え、且つ信号処理レイヤを(m×n/t)層積層して備える。このようにして構成した合計(r/(m×j))×(s/(n×k))×(m×n/t)個の信号処理回路21を、並列に動作させることにより、この構成を備えない特許文献1に記載の撮像素子よりも、短時間で信号処理を行うことが可能となる。
In the pixel array provided in the image sensor of the present technology, p unit units in the X direction and q units in the Y direction are repeatedly arranged in an array. As an example, in the second embodiment (j = 2, k = 4, m = 4, n = 1) shown in FIG. 8, it is a pixel array in which r pixels are arranged in the X direction and s pixels are arranged in the Y direction. When configuring an imaging device having a pixel array of 30 million pixels such that = 6400 and s = 4800, the unit units are r / (m × j) = 6400 / (4 × 2) = 800 in the X direction, Y. They are arranged in an array of s / (n × k) = 4800 / (1 × 4) = 1200 in the direction. In this case, on the first
なお、第2実施形態では、図7と図8を参照し、画素共有構造体PCと信号処理回路21を備えた繰り返しユニットにおいて、画素共有構造体PCをX方向にm個且つY方向にn個配列した例として、m=4且つn=1、且つ、接続数t=2、の例を説明したが、mとnは、それぞれが1以上の整数且つm×nが4以上となる整数であれば、m=4且つn=1以外の値となるように配列してもよい。
また、第一信号処理回路21aが画像信号を処理するタイミングと、第二信号処理回路21bが画像信号を処理するタイミングは、同じタイミングに設定されている。すなわち、第一信号処理レイヤ20aと第二信号処理レイヤ20bを含む信号処理レイヤ20は、複数の画素に対する信号処理を、複数の信号処理回路21で、同じ時間帯に並行して行う。
In the second embodiment, referring to FIGS. 7 and 8, in the repeating unit including the pixel sharing structure PC and the signal processing circuit 21, m pixel sharing structure PCs are arranged in the X direction and n in the Y direction. As an example of individual arrangement, an example of m = 4 and n = 1 and the number of connections t = 2 has been described, but m and n are integers of 1 or more and m × n of 4 or more, respectively. If so, they may be arranged so that the values are other than m = 4 and n = 1.
Further, the timing at which the first
以上により、1つの信号処理回路21は、接続された複数の画素共有構造体PCのうち一部(例えば、画素共有構造体PCa)が出力した画像信号と、接続された複数の画素共有構造体のうち残りの少なくとも1つ(例えば、画素共有構造体PCb)が出力した画像信号と、を時分割で処理する。
また、複数層の信号処理レイヤ20がそれぞれ有する信号処理回路21は、入力された画像信号を互いに並列に処理する。
As described above, one signal processing circuit 21 includes an image signal output by a part (for example, pixel sharing structure PCa) of the connected plurality of pixel sharing structure PCs, and a plurality of connected pixel sharing structures. The image signal output by at least one of the remaining ones (for example, the pixel sharing structure PCb) is processed by time division.
Further, the signal processing circuit 21 of each of the plurality of layers of signal processing layers 20 processes the input image signals in parallel with each other.
<第2実施形態の作用・効果>
第2実施形態の撮像素子であれば、以下の作用・効果を奏することが可能である。
(1)1つの信号処理回路21には、画像信号を入力できるように、少なくとも1つの画素共有構造体PCが追加して接続されて、複数の前記画素共有構造体PCが接続されている。これに加え、1つの信号処理回路21が、接続された複数の画素共有構造体PCのうち一部が出力した画像信号と、接続された複数の画素共有構造体PCのうち残りの少なくとも1つが出力した画像信号とを時分割で処理する。
これにより、1つの信号処理回路21を共有する複数の画素共有構造体PCが、1つの信号処理回路21を用いて、画像信号の処理を時分割(シーケンシャル)で行うため、撮像した画像を信号処理して出力する時間を短縮することが可能となる。
<Action / effect of the second embodiment>
The image sensor of the second embodiment can exert the following actions and effects.
(1) At least one pixel sharing structure PC is additionally connected to one signal processing circuit 21 so that an image signal can be input, and a plurality of the pixel sharing structure PCs are connected. In addition to this, one signal processing circuit 21 outputs an image signal that is partially output from a plurality of connected pixel-sharing structure PCs, and at least one of the remaining one of the connected plurality of pixel-sharing structure PCs. The output image signal is processed in time division.
As a result, a plurality of pixel sharing structure PCs sharing one signal processing circuit 21 process the image signal in a time-divided manner (sequentially) using one signal processing circuit 21, so that the captured image is signaled. It is possible to shorten the processing time and output time.
(2)互いに積層された複数層の信号処理レイヤ20を備える。そして、複数層の信号処理レイヤ20がそれぞれ有する信号処理回路21が、入力された画像信号を互いに並列に処理する。
これにより、信号処理レイヤ20の面積を増加させること無く、複数の画像信号を、複数層の信号処理レイヤ20がそれぞれ有する信号処理回路21によって、互いに並列に処理することが可能となる。
(2) A plurality of layers of signal processing layers 20 stacked on each other are provided. Then, the signal processing circuits 21 of the plurality of signal processing layers 20 process the input image signals in parallel with each other.
As a result, a plurality of image signals can be processed in parallel with each other by the signal processing circuits 21 each of the plurality of layers of signal processing layers 20 without increasing the area of the
(第3実施形態)
第3実施形態に係る撮像素子は、画素レイヤ及び信号処理レイヤの構成が、第1実施形態と相違する。具体的に、第1実施形態では、画素アレイを構成する繰り返し単位に備わる画素共有構造体PCの数(すなわち、m×n)が2となる例を示したが、第3実施形態では、繰り返し単位に備わる画素共有構造体PCの数が2よりも大きい場合の例を示す。なお、接続数tは、第1実施形態と同じ1となる例を示す。なお、以下の説明では、第1及び第2実施形態との共通する部分の説明を省略する場合がある。
(Third Embodiment)
The image pickup device according to the third embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the pixel layer and the signal processing layer. Specifically, in the first embodiment, an example is shown in which the number of pixel sharing structure PCs (that is, m × n) provided in the repeating unit constituting the pixel array is 2, but in the third embodiment, it is repeated. An example is shown in the case where the number of pixel sharing structure PCs provided in the unit is larger than 2. An example is shown in which the number of connections t is 1, which is the same as in the first embodiment. In the following description, the description of the parts common to the first and second embodiments may be omitted.
<画素レイヤ>
図10に示すように、画素レイヤ10は、複数の画素回路11を有する。複数の画素回路11は、積層方向から見て、並列に配置されている。
なお、図10には、一例として、画素レイヤ10が有する複数の画素回路11のうち、4つの画素回路11a〜11dを示している。
<Pixel layer>
As shown in FIG. 10, the
Note that FIG. 10 shows, as an example, four
第3実施形態では、第1実施形態と同様の画素共有構造(図2)を備える。すなわち、1つの画素回路11が、8画素分の画素を含んだ画素共有構造体PCを備える場合であって、上述したj=2且つk=4となる場合について説明する。
また、図11に示すように、画素レイヤ10は、アレイ状に配置された複数の画素共有構造体PCを有する。なお、図11では、画素回路11aが備える画素共有構造体PCを、「画素共有構造体PCa」と示し、画素回路11bが備える画素共有構造体PCを、「画素共有構造体PCb」と示す。同様に、画素回路11cが備える画素共有構造体PCを、「画素共有構造体PCc」と示し、画素回路11dが備える画素共有構造体PCを、「画素共有構造体PCd」と示す。また、以降の説明においても、同様に記載する場合がある。
The third embodiment includes the same pixel sharing structure (FIG. 2) as the first embodiment. That is, a case where one
Further, as shown in FIG. 11, the
なお、画素共有構造体PCa〜PCdは、図11に示すように、X方向に沿って、画素共有構造体PCa、画素共有構造体PCb、画素共有構造体PCc、画素共有構造体PCdの順番で配列されている。
また、図11において、画素レイヤ10は、X方向に沿って、画素共有構造体PCa、画素共有構造体PCb、画素共有構造体PCc、画素共有構造体PCdの順番で配列された4つの画素共有構造体を1つの繰り返し単位として、X方向及びY方向に沿って、アレイ状に配置されている。Y方向に関する説明は、後述する。
言い換えれば、本技術の撮像素子が備える画素レイヤ10は、図11に示すように、X方向にj個×Y方向にk個の画素を備えた画素共有構造体PCを、X方向にm個且つY方向にn個のアレイ状に配列している。さらに、m×n個の画素共有構造体PCを含んだ画素共有構造体アレイを1つの繰り返し単位として、この繰り返し単位をX方向にp個且つY方向にq個のアレイ状に配列した、画素アレイを備えている。ここで、mとnは、それぞれが1以上の整数且つm×nが4以上となる整数であり、pとqは、それぞれが2以上の整数である。一例として、図8に例示した第2実施形態では、m=4且つn=1となっているが、mとnは、それぞれが1以上の整数且つm×nが4以上となる整数であれば、m=4且つn=1以外の値となるように配列してもよい。したがって、例えば、m=2以上且つn=2以上であってもよい。
As shown in FIG. 11, the pixel sharing structures PCa to PCd are arranged in the order of the pixel sharing structure PCa, the pixel sharing structure PCb, the pixel sharing structure PCc, and the pixel sharing structure PCd along the X direction. It is arranged.
Further, in FIG. 11, the
In other words, as shown in FIG. 11, the
<信号処理レイヤ>
本技術の撮像素子は、複数層の信号処理レイヤ20を、より具体的には、m×n/t層信号処理レイヤ20を、光の入射方向に沿って積層して備える。ここで、m及びnは、上述した画素アレイを構成する繰り返し単位である画素共有構造体アレイにおいて、画素共有構造体PCがX方向及びY方向に配列された数である。第3実施形態の場合、図10及び図11に示すように、m=4、n=1であり、且つ、接続数t(1つの信号処理回路21に接続された画素共有構造体PCの数)=1である。そして、第3実施形態の場合、信号処理レイヤ20を、m×n/t=4層で積層して備える。信号処理レイヤ20は、画素レイヤ10に積層されており、第一信号処理レイヤ20aと、第二信号処理レイヤ20bと、第三信号処理レイヤ20cと、第四信号処理レイヤ20dを含む。
すなわち、第3実施形態の撮像素子は、互いに積層された複数層の信号処理レイヤ20として、4層の信号処理レイヤ20(第一信号処理レイヤ20a、第二信号処理レイヤ20b、第三信号処理レイヤ20c、第四信号処理レイヤ20d)を備える。
<Signal processing layer>
The image pickup device of the present technology includes a plurality of layers of signal processing layers 20, more specifically, m × n / t layer signal processing layers 20 stacked along the incident direction of light. Here, m and n are the numbers in which the pixel sharing structure PCs are arranged in the X direction and the Y direction in the pixel sharing structure array which is a repeating unit constituting the pixel array described above. In the case of the third embodiment, as shown in FIGS. 10 and 11, m = 4, n = 1 and the number of connections t (the number of pixel sharing structure PCs connected to one signal processing circuit 21). ) = 1. Then, in the case of the third embodiment, the
That is, the image pickup element of the third embodiment has four layers of signal processing layers 20 (first
第一信号処理レイヤ20aは、画素レイヤ10に積層されており、第一垂直信号線VSLaと、複数の第一信号処理回路21aを備える。
第一垂直信号線VSLaは、画素回路11aが備える増幅トランジスタAMPで増幅された電気信号を、第一信号処理回路21aへ出力する配線である。
The first
The first vertical signal line VSLa is a wiring that outputs an electric signal amplified by the amplification transistor AMP included in the
第一信号処理回路21aは、画素共有構造体PCaから入力された画像信号を処理し、出力レイヤ30へ出力する。
1つの第一信号処理回路21aには、1つの画素共有構造体PCaが出力した画像信号を入力できるように、画素共有構造体PCaが接続されている。言い換えれば、図10及び図11に示した第3実施形態は、接続数t(すなわち、1つの信号処理回路21に接続された画素共有構造体PCの数)=1の例を示している。
The first
A pixel sharing structure PCa is connected to one first
また、複数の第一信号処理回路21aは、入力された画像信号を、互いに並列に処理する。
さらに、複数の第一信号処理回路21aは、図11に示すように、X方向及びY方向に沿って、アレイ状に配置されている。
なお、図10においては、図11でX方向及びY方向に沿ってアレイ状に配置された複数の第一信号処理回路21a、21bと画素共有構造体PCa、PCb、PCc、PCdの一部のみを、記載している。
Further, the plurality of first
Further, as shown in FIG. 11, the plurality of first
In FIG. 10, only a part of the plurality of first
また、第一信号処理回路21aは、図11に示すように、積層方向から見た面積が、積層方向から見た画素共有構造体PCaの面積よりも大きい。
第3実施形態では、一例として、積層方向から見た1つの第一信号処理回路21aの面積が、積層方向から見た1つの画素共有構造体PCaの面積に対してm×n倍となっている。ここで、m及びnは、上述した画素アレイを構成する繰り返し単位である画素共有構造体アレイにおいて、画素共有構造体PCがX方向及びY方向に配列された数である。第3実施形態の場合、図10及び図11に示すように、m=4、n=1となっている。また、第3実施形態では、一例として、図11に示すように、積層方向から見た1つの第一信号処理回路21aの面積が、積層方向から見た1つの画素共有構造体PCaの面積に対してm×n倍(m=4、n=1)である場合について説明する。
Further, as shown in FIG. 11, the area of the first
In the third embodiment, as an example, the area of one first
第二信号処理レイヤ20bは、第一信号処理レイヤ20aに積層されており、第二垂直信号線VSLbと、複数の第二信号処理回路21bを備える。
また、第二信号処理レイヤ20bは、金属直接接合により、第一信号処理レイヤ20aと電気的に接続されている。
第二垂直信号線VSLbは、画素回路11bが備える増幅トランジスタAMPで増幅された電気信号を、第二信号処理回路21bへ出力する配線である。
The second
Further, the second
The second vertical signal line VSLb is a wiring that outputs an electric signal amplified by the amplification transistor AMP included in the
第二信号処理回路21bは、画素共有構造体PCbから入力された画像信号を処理し、出力レイヤ30へ出力する。
1つの第二信号処理回路21bには、1つの画素共有構造体PCbが出力した画像信号を入力できるように、画素共有構造体PCbが接続されている。
The second
A pixel sharing structure PCb is connected to one second
また、複数の第二信号処理回路21bは、入力された画像信号を、互いに並列に処理する。
さらに、複数の第二信号処理回路21bは、図11に示すように、X方向及びY方向に沿って、アレイ状に配置されている。
Further, the plurality of second
Further, as shown in FIG. 11, the plurality of second
さらに、第二信号処理回路21bは、図11に示すように、積層方向から見た面積が、積層方向から見た画素共有構造体PCbの面積よりも大きい。
また、第3実施形態では、一例として、積層方向から見た1つの第二信号処理回路21bの面積が、積層方向から見た1つの画素共有構造体PCbの面積に対してm×n倍となっている。第3実施形態の場合、図10及び図11に示すように、m=4、n=1となっている。また、第3実施形態では、一例として、図11に示すように、積層方向から見た1つの第二信号処理回路21bの面積が、積層方向から見た1つの画素共有構造体PCbの面積に対してm×n倍(m=4、n=1)である場合について説明する。
Further, as shown in FIG. 11, the area of the second
Further, in the third embodiment, as an example, the area of one second
第三信号処理レイヤ20cは、第二信号処理レイヤ20bに積層されており、第三垂直信号線VSLcと、複数の第三信号処理回路21cを備える。
また、第三信号処理レイヤ20cは、金属直接接合により、第二信号処理レイヤ20bと電気的に接続されている。
第三垂直信号線VSLcは、画素回路11cが備える増幅トランジスタAMPで増幅された電気信号を、第三信号処理回路21cへ出力する配線である。
The third
Further, the third
The third vertical signal line VSLc is a wiring that outputs an electric signal amplified by the amplification transistor AMP included in the
第三信号処理回路21cは、画素共有構造体PCcから入力された画像信号を処理し、出力レイヤ30へ出力する。
1つの第三信号処理回路21cには、1つの画素共有構造体PCcが出力した画像信号を入力できるように、画素共有構造体PCcが接続されている。
The third
A pixel sharing structure PCc is connected to one third
また、複数の第三信号処理回路21cは、入力された画像信号を、互いに並列に処理する。
さらに、複数の第三信号処理回路21cは、図11に示すように、X方向及びY方向に沿って、アレイ状に配置されている。
Further, the plurality of third
Further, as shown in FIG. 11, the plurality of third
また、第三信号処理回路21cは、図11に示すように、積層方向から見た面積が、積層方向から見た画素共有構造体PCcの面積よりも大きい。
第3実施形態では、一例として、積層方向から見た1つの第三信号処理回路21cの面積が、積層方向から見た1つの画素共有構造体PCcの面積に対してm×n倍となっている。第3実施形態の場合、図10及び図11に示すように、m=4、n=1となっている。また、第3実施形態では、一例として、図11に示すように、積層方向から見た1つの第三信号処理回路21cの面積が、積層方向から見た1つの画素共有構造体PCcの面積に対してm×n倍(m=4、n=1)である場合について説明する。
Further, as shown in FIG. 11, the area of the third
In the third embodiment, as an example, the area of one third
第四信号処理レイヤ20dは、第三信号処理レイヤ20cに積層されており、第四垂直信号線VSLdと、複数の第四信号処理回路21dを備える。
また、第四信号処理レイヤ20dは、金属直接接合により、第三信号処理レイヤ20cと電気的に接続されている。
第四垂直信号線VSLdは、画素回路11dが備える増幅トランジスタAMPで増幅された電気信号を、第四信号処理回路21dへ出力する配線である。
The fourth
Further, the fourth
The fourth vertical signal line VSLd is a wiring that outputs an electric signal amplified by the amplification transistor AMP included in the
第四信号処理回路21dは、画素共有構造体PCdから入力された画像信号を処理し、出力レイヤ30へ出力する。
1つの第四信号処理回路21dには、1つの画素共有構造体PCdが出力した画像信号を入力できるように、画素共有構造体PCdが接続されている。
The fourth
A pixel sharing structure PCd is connected to one fourth
また、複数の第四信号処理回路21dは、入力された画像信号を、互いに並列に処理する。
さらに、複数の第四信号処理回路21dは、図11に示すように、X方向及びY方向に沿って、アレイ状に配置されている。
Further, the plurality of fourth
Further, as shown in FIG. 11, the plurality of fourth
また、第四信号処理回路21dは、図11に示すように、積層方向から見た面積が、積層方向から見た画素共有構造体PCdの面積よりも大きい。
なお、第3実施形態では、一例として、積層方向から見た1つの第四信号処理回路21dの面積が、積層方向から見た1つの画素共有構造体PCdの面積に対してm×n倍となっている。第3実施形態の場合、図10及び図11に示すように、m=4、n=1となっている。また、第3実施形態では、一例として、図11に示すように、積層方向から見た1つの第四信号処理回路21dの面積が、積層方向から見た1つの画素共有構造体PCdの面積に対してm×n倍(m=4、n=1)である場合について説明する。
上述したように、画素共有構造体PCa、PCb、PCc、PCdのそれぞれは、j×k個(j=2、k=4)の画素を含んでいる。このため、第3実施形態における信号処理回路21a、21b、21c、21dの面積は、1つの画素の面積の、j×k×m×n倍(j=2、k=4、m=4、n=1)となっている。これにより、第1実施形態における第一信号処理回路21aの面積(1つの画素の面積の、j×k×m×n倍且つ、j=2、k=4、m=2、n=1)よりも、さらに面積の大きな信号処理回路を備えることが可能であるため、さらに高度な信号処理を行うことが可能である。
Further, as shown in FIG. 11, the area of the fourth
In the third embodiment, as an example, the area of one fourth
As described above, each of the pixel sharing structures PCa, PCb, PCc, and PCd contains j × k (j = 2, k = 4) pixels. Therefore, the area of the
また、図11に示すように、画素共有構造体PCa〜画素共有構造体PCdと、第一信号処理回路21a〜第四信号処理回路21dとの積層構造は、繰り返して配列した構造の単位ユニットを形成している。そして、撮像素子に備わる画素アレイにおいて、複数の単位ユニットは、X方向及びY方向に繰り返して配置されている。単位ユニットを繰り返し配置するピッチは、単位ユニットの大きさに等しい。本技術の撮像素子において、単位ユニットを繰り返し配置するピッチは、X方向のピッチが、画素共有構造体PCのX方向の長さのm倍(1画素のX方向の長さのj×m倍)、Y方向のピッチが、画素共有構造体PCのY方向の長さのn倍(1画素のY方向の長さのk×n倍)となっている。一例として、図11に示す第3実施形態の場合、j=2、k=4、m=4、n=1となっている。
本技術の撮像素子に備わる画素アレイは、上記単位ユニットをX方向にp個、Y方向にq個、繰り返してアレイ状に配置している。一例として、図11に示す第3実施形態(j=2、k=4、m=4、n=1)において、X方向にr画素且つY方向にs画素配列した画素アレイであって、r=6400、s=4800となる3000万画素の画素アレイを有する撮像装置を構成する場合、単位ユニットは、X方向にr/(m×j)=6400/(4×2)=800個、Y方向にs/(n×k)=4800/(1×4)=1200個のアレイ状に配置される。この場合、第一信号処理レイヤ20aには、第一信号処理回路21aが、X方向にr/(m×j)=6400/(4×2)=800個、Y方向にs/(n×k)=4800/(1×4)=1200個のアレイ状に配置され、第二信号処理レイヤ20bには、第二信号処理回路21bが、X方向にr/(m×j)=6400/(4×2)=800個、Y方向にs/(n×k)=4800/(1×4)=1200個のアレイ状に配置され、第三信号処理レイヤ20cには、第三信号処理回路21cが、X方向にr/(m×j)=6400/(4×2)=800個、Y方向にs/(n×k)=4800/(1×4)=1200個のアレイ状に配置され、第四信号処理レイヤ20dには、第四信号処理回路21dが、X方向にr/(m×j)=6400/(4×2)=800個、Y方向にs/(n×k)=4800/(1×4)=1200個のアレイ状に配置される。
Further, as shown in FIG. 11, the laminated structure of the pixel sharing structure PCa to the pixel sharing structure PCd and the first
In the pixel array provided in the image sensor of the present technology, the unit units are arranged repeatedly in an array of p in the X direction and q in the Y direction. As an example, in the third embodiment (j = 2, k = 4, m = 4, n = 1) shown in FIG. 11, a pixel array in which r pixels are arranged in the X direction and s pixels are arranged in the Y direction. When configuring an imaging device having a pixel array of 30 million pixels with = 6400 and s = 4800, the unit units are r / (m × j) = 6400 / (4 × 2) = 800 in the X direction, Y. They are arranged in an array of s / (n × k) = 4800 / (1 × 4) = 1200 in the direction. In this case, on the first
すなわち、本技術の撮像素子は、1つの信号処理レイヤに20において、(r/(m×j))×(s/(n×k))個の信号処理回路21を備え、且つ、この信号処理レイヤを(m×n/t)層積層して備える。このようにして構成した合計(r/(m×j))×(s/(n×k))×(m×n/t)個の信号処理回路21を、並列に動作させることにより、この構成を備えない特許文献1に記載の撮像素子よりも、短時間で信号処理を行うことが可能となる。
なお、第3実施形態では、図10と図11を参照し、画素共有構造体PCと信号処理回路21を備えた繰り返しユニットにおいて、画素共有構造体PCをX方向にm個且つY方向にn個配列した例として、m=4且つn=1、且つ接続数t=1の例を説明したが、mとnは、それぞれが1以上の整数且つm×nが4以上となる整数であれば、m=4且つn=1以外の値となるように配列してもよい。例えば、m=2以上且つn=2以上であってもよい。
That is, the image pickup device of the present technology includes (r / (m × j)) × (s / (n × k)) signal processing circuits 21 at 20 in one signal processing layer, and this signal. The processing layer is provided by laminating (m × n / t) layers. By operating the total (r / (m × j)) × (s / (n × k)) × (m × n / t) signal processing circuits 21 configured in this way in parallel, the signal processing circuits 21 are operated in parallel. It is possible to perform signal processing in a shorter time than the image pickup device described in Patent Document 1 which does not have a configuration.
In the third embodiment, referring to FIGS. 10 and 11, in the repeating unit including the pixel sharing structure PC and the signal processing circuit 21, m pixel sharing structure PCs are arranged in the X direction and n in the Y direction. As an example of individual arrangement, an example in which m = 4 and n = 1 and the number of connections t = 1 has been described, but m and n may be integers of 1 or more and m × n of 4 or more, respectively. For example, they may be arranged so that the values are other than m = 4 and n = 1. For example, m = 2 or more and n = 2 or more may be used.
また、第一信号処理回路21a、第二信号処理回路21b、第三信号処理回路21c、第四信号処理回路21dは、それぞれ、画像信号を処理するタイミングが、同じタイミングに設定されている。すなわち、第一信号処理レイヤ20a〜第四信号処理レイヤ20dを含む信号処理レイヤ20は、複数の画素に対する信号処理を、複数の信号処理回路21で、同じ時間帯に並行して行う。
Further, in the first
<第3実施形態の作用・効果>
第3実施形態の撮像素子であれば、以下の作用・効果を奏することが可能である。
(1)4層の信号処理レイヤ20を備える。
これにより、1層の信号処理レイヤ20の面積を増加させること無く、4層の信号処理レイヤ20のそれぞれが備える信号処理回路21において、画像信号を処理することが可能となる。
<Action / effect of the third embodiment>
The image sensor of the third embodiment can exert the following actions and effects.
(1) A four-layer
As a result, the image signal can be processed in the signal processing circuit 21 included in each of the four layers of the
(2)4層の信号処理レイヤ20は、金属直接接合により電気的に接続されている。
これにより、画素レイヤ10から複数層の信号処理レイヤ20へ出力する信号に対し、複数層の信号処理レイヤ20による読み出し時間のずれを抑制することが可能となる。
(2) The four-layer
As a result, it is possible to suppress the deviation of the read time due to the signal processing layers 20 of the plurality of layers with respect to the signal output from the
(第4実施形態)
<撮像素子>
(Fourth Embodiment)
<Image sensor>
第4実施形態に係る撮像素子は、図12に示すように、画素レイヤ10と、信号処理レイヤ20と、出力レイヤ30を備え、さらに、画素レイヤ10は、フォトダイオードレイヤ10aと、画素駆動レイヤ10bとを含む積層された2つのレイヤを用いて構成される。なお、以下の説明では、第1から第3実施形態との共通する部分の説明を省略する場合がある。
As shown in FIG. 12, the image pickup device according to the fourth embodiment includes a
<画素レイヤ>
図12に示すように、画素レイヤ10は、複数の画素回路11を有する。複数の画素回路11は、積層方向から見て、並列に配置されている。なお、図12では、垂直信号線VSLを、符号を省略して図示している。
なお、図12には、一例として、画素レイヤ10が有する複数の画素回路11のうち、4つの画素回路11a〜11dを示している。
<Pixel layer>
As shown in FIG. 12, the
Note that FIG. 12 shows, as an example, four
第4実施形態では、第1実施形態と同様、1つの画素回路11が、8画素分の画素共有構造体PCを備える場合について説明する。
図12に示すように、第4実施形態に係る撮像素子は、画素レイヤ10が、フォトダイオードレイヤ10aと、フォトダイオードレイヤ10aに積層して配置された画素駆動レイヤ10bと、の2つのレイヤを用いて構成されている。
8画素分の画素共有構造体PCとして、上述した第1実施形態の撮像素子は、図2に記載の構成を備えているが、第4実施形態の撮像素子に備わる画素共有構造体PCも、図2に類似の構成を備える。
In the fourth embodiment, as in the first embodiment, a case where one
As shown in FIG. 12, in the image pickup device according to the fourth embodiment, the
The image pickup device of the first embodiment described above as the pixel sharing structure PC for eight pixels has the configuration shown in FIG. 2, but the pixel sharing structure PC provided in the image pickup device of the fourth embodiment also has the configuration shown in FIG. It has a configuration similar to that shown in FIG.
第4実施形態の撮像素子に備わる画素共有構造体PCは、フォトダイオードレイヤ10aにおいて、フォトダイオードレイヤ10aが有する半導体基板の表面に形成され、且つ電気的にフローティング状態となっている不純物拡散領域である、フローティングディフュージョンFDを、図2と同様に2つ備える。一方のフローティングディフュージョンFDは、第1のグループを構成する4つのフォトダイオードPDと、4つの転送トランジスタTRを介して電気的に接続され(4つのフォトダイオードPDに共有され)、他方のフローティングディフュージョンFDは、第2のグループを構成する4つのフォトダイオードPDと、4つの転送トランジスタTRを介して電気的に接続される(4つのフォトダイオードPDに共有される)。そして、これら2つのフローティングディフュージョンFDは、2つのフローティングディフュージョンFDを接続する第1の接続配線JWによって、等電位となるよう電気的に接続される。つまり、第4実施形態の撮像素子に備わる画素共有構造体PCは、フォトダイオードレイヤ10aにおいて、図2と同様に、その等価回路上は、等電位となるように電気的に接続され1つとなったフローティングディフュージョンFDが、画素共有構造体PCに備わる8つのフォトダイオードPDによって共有された(画素共有構造体PCに備わる8つの画素によって共有された)構成となっている。
一方、図2に記載の第1実施形態の撮像素子に備わる画素共有構造体PCが備えていた、アンプトランジスタAMPと、リセットトランジスタRSTと、リセットトランジスタRSTを駆動するための制御信号線RSLは、第4実施形態の撮像素子に備わる画素共有構造体PCにおいては、画素駆動レイヤ10bに配置されている。そして、フローティングディフュージョンFDと接続すべきアンプトランジスタAMPのゲート電極と、同じくフローティングディフュージョンFDと接続すべきリセットトランジスタRSTの一端との間は、画素駆動レイヤ10bにおいて、第2の接続配線(不図示)を介して、電気的に接続されている。
The pixel sharing structure PC provided in the image pickup device of the fourth embodiment is formed in the
On the other hand, the amplifier transistor AMP, the reset transistor RST, and the control signal line RSL for driving the reset transistor RST provided in the pixel sharing structure PC provided in the image sensor of the first embodiment shown in FIG. 2 are In the pixel sharing structure PC provided in the image pickup device of the fourth embodiment, the
第4実施形態の撮像素子は、フォトダイオードレイヤ10aに形成された画素回路の一部と、画素駆動レイヤ10bに形成された画素回路の一部との間を、電気的に接続するレイヤ間電気的接続手段(レイヤ間の回路接続手段、または、層間配線、例えば、導電性プラグ)を備える。第4実施形態の撮像素子に備わる画素共有構造体PCは、フォトダイオードレイヤ10aに形成されたフローティングディフュージョンFDと、画素駆動レイヤ10bに形成されたアンプトランジスタAMP及びリセットトランジスタRSTとの間を、上述したレイヤ間電気的接続手段(層間配線)を用いて接続している。ここで、画素共有構造体PCのフォトダイオードレイヤ10aに形成されたフローティングディフュージョンFDは、等価回路上に1つとなったフローティングディフュージョンFDを、画素共有構造体PCに備わる8つの画素が共有する構成となっている。また、画素共有構造体PCの画素駆動レイヤ10bに形成された、アンプトランジスタAMPのゲート電極と、フローティングディフュージョンFDと接続すべきリセットトランジスタRSTの一端とは、第2の接続配線を介して、電気的に接続されている。このため、第4実施形態の撮像素子に備わる画素共有構造体PCにおいて、フォトダイオードレイヤ10aに形成されたフローティングディフュージョンFDと第1の接続配線JWのうちのどこか1箇所と、画素駆動レイヤ10bに形成されたアンプトランジスタAMPとリセットトランジスタRSTと第2の接続配線のうちのどこか1箇所とを、上述したレイヤ間の回路接続手段によって接続するだけでよい。
この構成を備えることにより、この構成を備えない形態(例えば、画素共有構造体PCに備わる複数のフローティングディフュージョンFDの間が、フォトダイオードレイヤ10a内で電気的に1つに接続されていない形態、あるいは、画素共有構造体PCに備わるアンプトランジスタAMPとリセットトランジスタRSTとの間が、画素駆動レイヤ10b内で電気的に1つに接続されていない形態)と比較して、画素共有構造体PC内に配置すべき上述のレイヤ間の回路接続手段の数が少なくてよい。これにより、画素共有構造体PCの面積を縮小し、撮像素子を高集積化することが可能となる。
The image pickup device of the fourth embodiment electrically connects between a part of the pixel circuit formed in the
By providing this configuration, a configuration that does not include this configuration (for example, a configuration in which a plurality of floating diffusion FDs provided in the pixel sharing structure PC are not electrically connected to one in the
さらに、上述したフォトダイオードレイヤ10aと画素駆動レイヤ10bとの間の回路接続手段(フォトダイオードレイヤ10aに形成された画素回路の一部と、画素駆動レイヤ10bに形成された画素回路の一部との間を、電気的に接続するレイヤ間電気的接続手段)は、第1実施形態において画素レイヤ10と信号処理レイヤ20との間の接続に使用された金属直接接合(Cu−Cu接続)よりも、接続部の面積が小さい特徴を有する。
この特徴は、上述したレイヤ間電気的接続手段の製造方法の特徴によってもたらされる。第1実施形態で用いる金属直接接合は、画素レイヤ10を形成する半導体基板と、信号処理レイヤ20を形成する半導体基板の双方に回路を形成し終えた後、それぞれの基板の最表面に金属端子を形成し、最表面に金属端子を形成し終えた2つの基板同士を直接貼り合わせるものである。半導体基板は、一般的に、直径が約300mmであり、且つ、伸縮する可能性もある。このように、大型且つ伸縮する材料を直接貼り合わせると、製造上、貼り合せ位置に誤差が生じる場合がある。したがって、半導体基板の表面に形成する金属端子は、このような誤差が生じた場合であっても、端子同士の電気的接続を形成できるような大きさにすることが望まれる。
Further, a circuit connecting means between the
This feature is brought about by the characteristics of the manufacturing method of the inter-layer electrical connection means described above. In the direct metal bonding used in the first embodiment, after the circuits have been formed on both the semiconductor substrate on which the
一方、第4実施形態における、フォトダイオードレイヤ10aと画素駆動レイヤ10bとの間の回路接続手段は、フォトダイオードレイヤ10aに素子(フォトダイオードPD、フローティングディフュージョンFD、転送トランジスタTR)を形成した後、画素駆動レイヤ10bを形成するための半導体基板を、素子(アンプトランジスタAMP、リセットトランジスタRST、第2の接続配線)を形成していない状態で貼り合わせる。この場合、素子を形成していない状態(回路パターンが形成されていない状態)で半導体基板を貼るため、貼り合せ位置の誤差というものがそもそも無い。そして、基板を貼り合わせた後に、画素駆動レイヤ10bを形成するための半導体基板に、通常の半導体製造方法で用いる素子と回路形成方法によって、素子と回路を形成する。そして、少なくとも素子を形成した後、通常の半導体製造方法で用いる電気的接続手段(例えば、導電性プラグ)によって、フォトダイオードレイヤ10aと画素駆動レイヤ10bとの間の回路接続手段を形成する。この製造方法を用いて形成した撮像素子には、この製造方法に起因した構造上の特徴(1)〜(4)が現れる。
On the other hand, in the fourth embodiment, the circuit connecting means between the
特徴(1).フォトダイオードレイヤ10aを形成する半導体基板の表面に、フォトダイオードレイヤ10aのための素子を形成した後、半導体基板の表面上に画素駆動レイヤ10bを形成するための半導体基板を積層し、積層した半導体基板の表面に画素駆動レイヤ10bのための素子を形成する。このため、半導体基板と、半導体基板の表面に形成された素子が、フォトダイオードレイヤ10aのための半導体基板、フォトダイオードレイヤ10aのための素子、画素駆動レイヤ10bのための半導体基板、画素駆動レイヤ10bのための素子、の順で積層されている。
特徴(2).画素駆動レイヤ10bのための素子を形成した後、素子の上方から、画素駆動レイヤ10bのための半導体基板を貫通して、フォトダイオードレイヤ10aの半導体基板表面に形成した素子に至るレイヤ間電気的接続手段(例えば、導電性ビア)を形成する。その際、画素駆動レイヤ10bのための半導体基板を貫通するレイヤ間電気的接続手段が、画素駆動レイヤ10bのための半導体基板との間を絶縁するため、レイヤ間電気的接続手段と画素駆動レイヤ10bのための半導体基板との間に、絶縁膜を配置する。
特徴(3).素子を形成したフォトダイオードレイヤ10aのための半導体基板上に、画素駆動レイヤ10bを形成するための半導体基板を、素子が形成されていない状態(回路パターンが形成されていない状態)で貼り合せ、画素駆動レイヤ10bのための素子を形成した後、素子の上方から、画素駆動レイヤ10bのための半導体基板を貫通し、フォトダイオードレイヤ10aの半導体基板表面に形成した素子に至るレイヤ間電気的接続手段(例えば、導電性プラグ)を形成する。このため、このレイヤ間電気的接続手段は、画素駆動レイヤ10bの上方から、フォトダイオードレイヤ10aの半導体基板表面に形成した素子に至るまで、略円柱又は略円錐台の形状となるレイヤ間電気的接続手段(例えば、導電性プラグ)が形成されているだけとなる。このため、フォトダイオードレイヤ10aと画素駆動レイヤ10bとの貼り合せ面に、略円柱又は略円錐台のレイヤ間電気的接続手段(例えば、導電性プラグ)よりも大きな端子部を備えていない。
特徴(4).フォトダイオードレイヤ10aのための素子を形成した後、画素駆動レイヤ10bのための半導体基板を貼り合せ、画素駆動レイヤ10bのための素子を形成するため、フォトダイオードレイヤ10aに形成される素子と配線には、画素駆動レイヤ10bのための素子形成に必要となる熱処理が加えられる。このため、フォトダイオードレイヤ10aに備わる素子と配線(例えば、転送トランジスタに接続された制御信号線DSL)は、画素駆動レイヤ10bにおいて配線として用いられている材料の少なくとも一部よりも耐熱性の高い(融点の高い)材料(例えば、タングステン、チタン、窒化チタン、ポリシリコン等)を用いて形成されている。
Features (1). After forming the element for the
Features (2). After forming the element for the
Features (3). On the semiconductor substrate for the
Features (4). After forming the element for the
また、画素駆動レイヤ10bは、金属直接接合により、信号処理レイヤ20と電気的に接続されている。
また、画素駆動レイヤ10bは、第一画素駆動回路41aと、第二画素駆動回路41bと、第三画素駆動回路41cと、第四画素駆動回路41dを有する。
Further, the
Further, the
画素駆動レイヤ10bに形成された画素駆動回路41a〜41dは、画素共有構造体PCを構成する増幅トランジスタAMP及びリセットトランジスタRSTを備える。これらのトランジスタと、フォトダイオードレイヤ10aに形成された画素共有構造体PCのフローティングディフュージョンFDとの間は、上述したレイヤ間電気的接続手段を介して接続されている。この接続は、画素共有構造体PC1つにつき、1つずつ形成される。
また、画素駆動回路41は、画素共有構造体PCに備わるそれぞれの画素を駆動する駆動回路を備えている。この回路の具体例については後述する。
The
Further, the pixel drive circuit 41 includes a drive circuit for driving each pixel provided in the pixel sharing structure PC. A specific example of this circuit will be described later.
さらに、画素駆動回路41は、制御信号線22を介して、信号処理回路21と接続されている。制御信号線22は、上述した金属直接接合(Cu−Cu接続)を含んで構成されている。この接続は、画素共有構造体PCの1つにつき、1つずつ形成される。
また、画素駆動回路41は、層間配線42(レイヤ間電気的接続手段)を介して、画素共有構造体PCが備える転送トランジスタTRに接続されている。
Further, the pixel drive circuit 41 is connected to the signal processing circuit 21 via the control signal line 22. The control signal line 22 includes the metal direct coupling (Cu-Cu connection) described above. This connection is formed one by one for each of the pixel sharing structure PCs.
Further, the pixel drive circuit 41 is connected to the transfer transistor TR included in the pixel sharing structure PC via the interlayer wiring 42 (electrical connection means between layers).
上記の構成により、以下の動作(1)から(4)が可能となる。
動作(1).画素共有構造体PCに備わる各画素による撮影結果の電気信号を、画素駆動回路41が増幅し、信号処理回路21へ出力する。
動作(2).信号処理回路21は、撮影結果の電気信号に対して何らかの信号処理を施して出力レイヤ30へ出力する、又は、信号処理を施こさずに出力レイヤ30へ出力する。
動作(3).信号処理回路21は、撮影結果の電気信号の大きさを評価した評価結果に基づいて、次の撮影(例えば、次のフレームの撮影)のために、画素共有構造体PCに備わる各画素を制御する信号を作り出す。信号処理回路21は、作り出した制御信号を、画素駆動回路41へ出力する。
動作(4).画素駆動回路41は、信号処理回路21から入力された制御信号を用いて、画素共有構造体PCaに備わるそれぞれの画素を駆動する駆動信号を作り出す。画素駆動回路41は、作り出した駆動信号を、フォトダイオードレイヤ10aに形成された画素共有構造体PCに備わる各画素へ出力する。画素駆動レイヤ10bに形成された画素駆動回路41と、フォトダイオードレイヤ10aに形成された各画素との間のは、上述したレイヤ間電気的接続手段を介して接続されている。例えば、駆動信号が画素の撮影時間を制御する信号である場合、画素駆動レイヤ10bに形成された画素駆動回路41と、フォトダイオードレイヤ10aに形成された各画素に備わる各転送トランジスタTRとを接続するように、レイヤ間電気的接続手段が形成される。
With the above configuration, the following operations (1) to (4) are possible.
Operation (1). The pixel drive circuit 41 amplifies the electric signal of the shooting result by each pixel provided in the pixel sharing structure PC, and outputs the electric signal to the signal processing circuit 21.
Operation (2). The signal processing circuit 21 performs some kind of signal processing on the electric signal of the photographing result and outputs it to the
Operation (3). The signal processing circuit 21 controls each pixel provided in the pixel sharing structure PC for the next shooting (for example, shooting of the next frame) based on the evaluation result of evaluating the magnitude of the electric signal of the shooting result. Create a signal to do. The signal processing circuit 21 outputs the created control signal to the pixel drive circuit 41.
Operation (4). The pixel drive circuit 41 uses the control signal input from the signal processing circuit 21 to create a drive signal for driving each pixel provided in the pixel sharing structure PCa. The pixel drive circuit 41 outputs the created drive signal to each pixel provided in the pixel sharing structure PC formed on the
このレイヤ間電気的接続手段を配置する数は、画素共有構造体PCと信号処理回路21の構成によって決まる。
一例として、j=2、k=4、m=2、n=2、の場合を考える。この場合、1つの信号処理回路21は、m×n=2x2個に配列された4個の画素共有構造体PC上、言い換えれば、(m×j)×(n×k)=4×8個に配列された32個の画素の上に延在している。
The number of the inter-layer electrical connection means arranged is determined by the configuration of the pixel sharing structure PC and the signal processing circuit 21.
As an example, consider the case of j = 2, k = 4, m = 2, n = 2. In this case, one signal processing circuit 21 is arranged on four pixel sharing structure PCs arranged in m × n = 2 × 2, in other words, (m × j) × (n × k) = 4 × 8. It extends over the 32 pixels arranged in.
ここで、j=2、k=4、m=2、n=2、の場合の第1の例として、図12に示すように、1つの信号処理回路21に接続された画素共有構造体PCの数t=1の場合を考える。上述したように、本技術の撮像素子が備える信号処理レイヤ20の層数は、m×n/tであるため、m=2、n=2、t=1の場合、撮像素子は信号処理レイヤ20を4層積層して備える。この場合、1つの信号処理回路21と、1つの信号処理回路21に接続された1つの画素駆動回路41が、(m×j)×(n×k)=4×8個に配列された32個の画素の1/t、すなわち、8個の画素に備わる転送トランジスタTRを駆動する制御信号を作り出す。第4実施形態においては、1つの画素共有構造体PCに含まれるj×k個の画素は、同一の信号処理回路21及び同一の画素駆動回路41によって駆動されることが望ましい。このため、j=2、k=4、m=2、n=2、t=1の場合、1つの信号処理回路21とこれに接続された1つの画素駆動回路41が駆動する8個の画素は、1つの画素共有構造体PCに含まれるj×k=2×4個の画素が望ましい。また、j=2、k=4、m=2、n=2、t=1の場合、4層の信号処理レイヤ20に備わる4層の信号処理回路21のそれぞれが、(m×j)×(n×k)=4×8個に配列された32個の画素の上に延在し、且つ、4層の信号処理回路21のそれぞれが、j×k=2×4個に配列された8個の画素を駆動する。4層の信号処理回路21a、21b、21c、21dのそれぞれは、独立して、それぞれの信号処理回路21へ電気的に接続された各画素の撮像結果を基に、次の撮影のための各画素の撮影動作を制御する信号を作り出すことが可能である。これにより、4層の信号処理回路21a、21b、21c、21dのそれぞれは、独立して、それぞれの信号処理回路21へ電気的に接続された各画素の撮像条件を制御することが可能である。1つの信号処理回路21へ電気的に接続された各画素の撮像条件は、画素毎に独立して制御出来てもよいし、1つの信号処理回路21へ電気的に接続された複数の画素において同一であってもよい。
Here, as a first example in the case of j = 2, k = 4, m = 2, n = 2, as shown in FIG. 12, a pixel sharing structure PC connected to one signal processing circuit 21 Consider the case where the number t = 1. As described above, since the number of layers of the
図12において、信号処理回路21aと画素駆動回路41aとの間の接続は、接続部の面積の大きな金属直接接合(Cu−Cu接続)を用いて構成される。信号処理回路21bと画素駆動回路41bとの間の接続は、信号処理レイヤ20aを貫通する配線と、信号処理レイヤ20aと画素駆動レイヤ10bの貼り合せ面に形成された、接続部の面積の大きな金属直接接合(Cu−Cu接続)とを用いて構成される。信号処理回路21cと画素駆動回路41cとの間の接続は、信号処理レイヤ20b及び20aを貫通する配線と、信号処理レイヤ20aと画素駆動レイヤ10bの貼り合せ面に形成された、接続部の面積の大きな金属直接接合(Cu−Cu接続)とを用いて構成される。信号処理回路21dと画素駆動回路41dとの間の接続は、信号処理レイヤ20c、20b及び20aを貫通する配線と、信号処理レイヤ20aと画素駆動レイヤ10bの貼り合せ面に形成された、接続部の面積の大きな金属直接接合(Cu−Cu接続)とを用いて構成される。一方、図12において、画素駆動レイヤ10bに備わる画素駆動回路41と、フォトダイオードレイヤ10aに備わる各画素が有する転送トランジスタTRとの間の接続は、接続部の面積が金属直接接合(Cu−Cu接続)よりも小さな、レイヤ間電気的接続手段を用いて構成される。図12において、画素駆動回路41aと画素共有構造体PCaが有する8個の画素に備わる8個の転送トランジスタTRとの間の8個の接続、及び画素駆動回路41bと画素共有構造体PCbが有する8個の画素に備わる8個の転送トランジスタTRとの間の8個の接続、及び画素駆動回路41cと画素共有構造体PCcが有する8個の画素に備わる8個の転送トランジスタTRとの間の8個の接続、及び画素駆動回路41dと画素共有構造体PCdが有する8個の画素に備わる8個の転送トランジスタTRとの間の8個の接続、すなわち、これら合計32個の接続は、レイヤ間電気的接続手段を用いて構成される。
ここで、画素駆動回路41とレイヤ間電気的接続手段とを備えず、4つの信号処理回路21において、合計32画素分の制御信号を作り出し、この制御信号を、32個の金属直接接合(Cu−Cu接続)を介して転送トランジスタTRと接続する形態を比較例として考えてみる。第4実施形態は、信号処理回路21と転送トランジスタTRとの間に、画素駆動回路41とレイヤ間電気的接続手段とを備える。このため、第4実施形態は、例えば、信号処理回路21において、32画素分の制御信号を多重化して(シリアライズして)作成し、信号処理回路21と画素駆動回路41との間を1個の金属直接接合(Cu−Cu接続)を介して接続し、この多重化された制御信号を画素駆動回路41に備わる駆動回路(例えば、多重化した信号をデシリライズする回路)において、32個の駆動信号へと分離し、分離した32個の駆動信号を、画素駆動回路41と転送トランジスタTRとの間を接続する、接続部の面積の小さなレイヤ間電気的接続手段32個を用いて接続することが可能である。これにより、比較例よりも、接続部に要する面積を削減することが可能となり、撮像素子を高集積化することが可能となる。
In FIG. 12, the connection between the
Here, the pixel drive circuit 41 and the inter-layer electrical connection means are not provided, and the four signal processing circuits 21 generate control signals for a total of 32 pixels, and the control signals are directly bonded to 32 metals (Cu). Let us consider a form of connecting to the transfer transistor TR via (-Cu connection) as a comparative example. A fourth embodiment includes a pixel drive circuit 41 and inter-layer electrical connection means between the signal processing circuit 21 and the transfer transistor TR. Therefore, in the fourth embodiment, for example, in the signal processing circuit 21, the control signals for 32 pixels are multiplexed (serialized) and created, and one space between the signal processing circuit 21 and the pixel drive circuit 41 is provided. 32 drives in a drive circuit (for example, a circuit for deserializing the multiplexed signal) provided in the pixel drive circuit 41, which is connected via a metal direct junction (Cu-Cu connection) of the above. The 32 separated drive signals are separated into signals, and the 32 separated drive signals are connected by using 32 inter-layer electrical connection means having a small connection area, which connects between the pixel drive circuit 41 and the transfer transistor TR. Is possible. As a result, the area required for the connection portion can be reduced as compared with the comparative example, and the image sensor can be highly integrated.
次に、j=2、k=4、m=2、n=2、の場合の第2の例として、1つの信号処理回路21に接続された画素共有構造体PCの数tが1以外の場合を考える。ここでは、例えばt=2の場合を考える。上述したように本技術の撮像素子が備える信号処理レイヤ20の層数は、m×n/tであるため、m=2、n=2、t=2の場合、撮像素子は信号処理レイヤ20を2層積層して備える。この場合、1つの信号処理回路21とこれに接続された1つの画素駆動回路41が、(m×j)×(n×k)=4×8個に配列された32個の画素の1/t、すなわち、16個の画素に備わる転送トランジスタTRを駆動する制御信号を作り出す。そこで、X方向に並んで配列された2つの画素共有構造体PCに備わる16個の画素を、1つの信号処理回路21と、1つの信号処理回路21に接続された1つの画素駆動回路41が、駆動する場合を考える。図2に示したように、転送トランジスタTRを駆動する制御信号線DSLは、画素アレイのX方向に延在している。
このため、同一の露光タイミングで駆動する画素が、X方向に複数個(r個)配置されている場合、これらr個の画素に備わるr個の転送トランジスタTRを、1本の制御信号線DSLで駆動することが可能である。このため、第一画素駆動回路41と転送トランジスタTRとを接続するレイヤ間電気的接続手段の個数は、X方向は、画素r個毎に1個とすることができる。1つの信号処理回路21とこれに接続された1つの画素駆動回路41が、X方向に並んで配列された2つの画素共有構造体PCに備わる16個の画素を駆動する場合、r=2となる。
Next, as a second example in the case of j = 2, k = 4, m = 2, n = 2, the number t of the pixel sharing structure PC connected to one signal processing circuit 21 is other than 1. Consider the case. Here, for example, consider the case of t = 2. As described above, the number of layers of the
Therefore, when a plurality (r) of pixels driven at the same exposure timing are arranged in the X direction, the r transfer transistors TR provided in these r pixels are arranged in one control signal line DSL. It is possible to drive with. Therefore, the number of inter-layer electrical connection means for connecting the first pixel drive circuit 41 and the transfer transistor TR can be one for every r pixels in the X direction. When one signal processing circuit 21 and one pixel drive circuit 41 connected to the signal processing circuit 21 drive 16 pixels provided in two pixel sharing structure PCs arranged side by side in the X direction, r = 2. Become.
つまり、X方向に並んで配列された2つの画素共有構造体PCに備わる16個の画素において、第一画素駆動回路41aと転送トランジスタTRとを接続するレイヤ間電気的接続手段の個数は、X方向には、2画素に1個とすることができる。一方、図2に示したように、転送トランジスタTRを駆動する制御信号線DSLは、Y方向には1画素につき1本必要となる。したがって、X方向に並んで配列された2つの画素共有構造体PCに備わる16個の画素において、画素駆動回路41と転送トランジスタTRとを接続するレイヤ間電気的接続手段の個数は、Y方向には、1画素に1個ずつ必要となる。
That is, in the 16 pixels provided in the two pixel sharing structure PCs arranged side by side in the X direction, the number of inter-layer electrical connection means for connecting the first
このため、X方向に並んで配列された2つの画素共有構造体PCに備わる16個の画素において、画素駆動回路41と転送トランジスタTRとを接続するレイヤ間電気的接続手段の個数は、X方向1個×Y方向8個=8個必要となる。j=2、k=4、m=2、n=2、t=2の場合、信号処理回路21は(m×j)×(n×k)=4×8個に配列された32個の画素の上に延在し、且つ、撮像素子はこの信号処理回路21を2層積層して備える。2層の信号処理回路21のそれぞれが、X方向に並んで配列された2つの画素共有構造体PCに備わる16個の画素を駆動するために、上記8個のレイヤ間電気的接続手段を備える。信号処理回路が延在する32画素全体では、8×2=16個のレイヤ間電気的接続手段を備える。 Therefore, in the 16 pixels provided in the two pixel sharing structure PCs arranged side by side in the X direction, the number of inter-layer electrical connection means for connecting the pixel drive circuit 41 and the transfer transistor TR is the X direction. 1 piece x 8 pieces in the Y direction = 8 pieces are required. When j = 2, k = 4, m = 2, n = 2, t = 2, the signal processing circuit 21 has 32 signals arranged in (m × j) × (n × k) = 4 × 8. The image sensor extends over the pixels and includes two layers of the signal processing circuit 21. Each of the two-layer signal processing circuits 21 includes the above-mentioned eight inter-layer electrical connection means for driving 16 pixels provided in the two pixel sharing structure PCs arranged side by side in the X direction. .. The entire 32 pixels in which the signal processing circuit extends includes 8 × 2 = 16 inter-layer electrical connection means.
第4実施形態では、第1実施形態から第3実施形態と同様、画素レイヤと信号処理レイヤを用いて繰り返し単位を構成し、この繰り返し単位をX方向及びY方向へアレイ状に配置して、画素アレイを構成する。
例えば、第3実施形態においては、図10に示すように、画素共有構造体PCaからPCdと、信号処理回路21aから21dとを繰り返し単位として、この繰り返し単位を、図11に示すように、X方向及びY方向へアレイ状に配置して、画素アレイを構成した。
そして、第4実施形態においても、図12に示す画素共有構造体PCaからPCdと、画素駆動回路41aから41dと、信号処理回路21aから21dとを繰り返し単位として、この繰り返し単位を、図11に示すように、X方向及びY方向へアレイ状に配置して、画素アレイを構成することが可能である。
In the fourth embodiment, as in the first to third embodiments, the repeating unit is configured by using the pixel layer and the signal processing layer, and the repeating unit is arranged in an array in the X direction and the Y direction. Configure a pixel array.
For example, in the third embodiment, as shown in FIG. 10, the pixel sharing structures PCa to PCd and the
Further, also in the fourth embodiment, the pixel sharing structures PCa to PCd, the
本技術の撮像素子に備わる画素アレイは、上述した単位ユニットを、X方向にp個、Y方向にq個、繰り返してアレイ状に配置している。一例として、図11に示す形態(j=2、k=4、m=4、n=1)と同様、X方向にr画素且つY方向にs画素配列した画素アレイであって、r=6400、s=4800となる3000万画素の画素アレイを有する撮像装置を構成する場合、単位ユニットは、X方向にr/(m×j)=6400/(4×2)=800個、Y方向にs/(n×k)=4800/(1×4)=1200個のアレイ状に配置される。この場合、第一信号処理レイヤ20aには、第一信号処理回路21aが、X方向にr/(m×j)=6400/(4×2)=800個、Y方向にs/(n×k)=4800/(1×4)=1200個のアレイ状に配置され、第二信号処理レイヤ20bには、第二信号処理回路21bが、X方向にr/(m×j)=6400/(4×2)=800個、Y方向にs/(n×k)=4800/(1×4)=1200個のアレイ状に配置され、第三信号処理レイヤ20cには、第三信号処理回路21cが、X方向にr/(m×j)=6400/(4×2)=800個、Y方向にs/(n×k)=4800/(1×4)=1200個のアレイ状に配置され、第四信号処理レイヤ20dには、第四信号処理回路21dが、X方向にr/(m×j)=6400/(4×2)=800個、Y方向にs/(n×k)=4800/(1×4)=1200個のアレイ状に配置される。すなわち、本技術の撮像素子は、1つの信号処理レイヤに20において、(r/(m×j))×(s/(n×k))個の信号処理回路21を備え、且つこの信号処理レイヤを(m×n/t)層積層して備える。このようにして構成した合計(r/(m×j))×(s/(n×k))×(m×n/t)個の信号処理回路21を、並列に動作させることにより、この構成を備えない特許文献1に記載の撮像素子よりも、短時間で信号処理を行うことが可能となる。
In the pixel array provided in the image sensor of the present technology, the above-mentioned unit units are repeatedly arranged in an array of p in the X direction and q in the Y direction. As an example, similar to the form shown in FIG. 11 (j = 2, k = 4, m = 4, n = 1), it is a pixel array in which r pixels are arranged in the X direction and s pixels are arranged in the Y direction, and r = 6400. When configuring an imaging device having a pixel array of 30 million pixels with s = 4800, the unit units are r / (m × j) = 6400 / (4 × 2) = 800 in the X direction and 800 in the Y direction. s / (n × k) = 4800 / (1 × 4) = 1200 are arranged in an array. In this case, on the first
なお、画素共有構造体PCをX方向にm個且つY方向にn個配列した例として、m=4且つn=1であるとともに、接続数t=1の例を説明したが、mとnは、それぞれが1以上の整数且つm×nが4以上となる整数であれば、m=4且つn=1以外の値となるように配列してもよい。例えば、m=2以上且つn=2以上であってもよい。
また、第2実施形態においては、図7に示すように、画素共有構造体PCaからPCdと、信号処理回路21aから21bとを繰り返し単位として、この繰り返し単位を、図8に示すように、X方向及びY方向へアレイ状に配置して画素アレイを構成した。
As an example in which m pixel sharing structure PCs are arranged in the X direction and n in the Y direction, an example in which m = 4 and n = 1 and the number of connections t = 1 has been described. May be arranged so as to have a value other than m = 4 and n = 1 as long as each is an integer of 1 or more and m × n is 4 or more. For example, m = 2 or more and n = 2 or more may be used.
Further, in the second embodiment, as shown in FIG. 7, the pixel sharing structures PCa to PCd and the
そして、第4実施形態においても、図7に示すように、上述した繰り返し単位において、画素レイヤ10の構成へ、図12に記載の画素レイヤ10の構成を盛り込み、画素アレイを構成する繰り返し単位とすることが可能である。この繰り返し単位を、図8に示すように、X方向及びY方向へアレイ状に配置して画素アレイを構成することが可能である。
本技術の撮像素子に備わる画素アレイは、上述した単位ユニットを、X方向にp個、Y方向にq個、繰り返してアレイ状に配置している。一例として、図8に示す形態(j=2、k=4、m=4、n=1)と同様にして、X方向にr画素且つY方向にs画素配列した画素アレイであって、r=6400、s=4800となる3000万画素の画素アレイを有する撮像装置を構成する場合、単位ユニットは、X方向にr/(m×j)=6400/(4×2)=800個、Y方向にs/(n×k)=4800/(1×4)=1200個のアレイ状に配置される。この場合、第一信号処理レイヤ20aには、第一信号処理回路21aが、X方向にr/(m×j)=6400/(4×2)=800個、Y方向にs/(n×k)=4800/(1×4)=1200個のアレイ状に配置され、第二信号処理レイヤ20bには、第二信号処理回路21bが、X方向にr/(m×j)=6400/(4×2)=800個、Y方向にs/(n×k)=4800/(1×4)=1200個のアレイ状に配置される。すなわち、本技術の撮像素子は、1つの信号処理レイヤに20において、(r/(m×j))×(s/(n×k))個の信号処理回路21を備えており、さらに信号処理レイヤを(m×n/t)層積層して備える。このようにして構成した合計(r/(m×j))×(s/(n×k))×(m×n/t)個の信号処理回路21を、並列に動作させることにより、この構成を備えない特許文献1に記載の撮像素子よりも、短時間で信号処理を行うことが可能となる。
Then, also in the fourth embodiment, as shown in FIG. 7, in the repeating unit described above, the configuration of the
In the pixel array provided in the image sensor of the present technology, the above-mentioned unit units are repeatedly arranged in an array of p in the X direction and q in the Y direction. As an example, a pixel array in which r pixels in the X direction and s pixels in the Y direction are arranged in the same manner as in the form shown in FIG. 8 (j = 2, k = 4, m = 4, n = 1). When configuring an imaging device having a pixel array of 30 million pixels such that = 6400 and s = 4800, the unit units are r / (m × j) = 6400 / (4 × 2) = 800 in the X direction, Y. They are arranged in an array of s / (n × k) = 4800 / (1 × 4) = 1200 in the direction. In this case, on the first
なお、画素共有構造体PCを、X方向にm個且つY方向にn個配列した例として、m=4且つn=1であるとともに、接続数t=2の例を説明したが、mとnは、それぞれが1以上の整数且つm×nが4以上となる整数であれば、m=4且つn=1以外の値となるように配列してもよい。 As an example in which m pixel sharing structure PCs are arranged in the X direction and n in the Y direction, an example in which m = 4 and n = 1 and the number of connections t = 2 has been described. n may be arranged so as to have a value other than m = 4 and n = 1 as long as each is an integer of 1 or more and m × n is an integer of 4 or more.
<第4実施形態の作用・効果>
第4実施形態の撮像素子であれば、以下の作用・効果を奏することが可能である。
(1)画素レイヤ10が、画素共有構造体PCを有するフォトダイオードレイヤ10aと、信号処理回路21における処理の結果に応じた信号を画素へ出力する画素駆動回路41を有する画素駆動レイヤ10bと、を含む。これに加え、画素駆動回路41が、転送トランジスタTRと電気的に接続されている。
これにより、画素駆動回路41と転送トランジスタTRとの電気的な接続を、金属直接接合よりも面積の小さい電極で行うことが可能となる。このため、画素共有構造体PCの内部に、各画素に接続する制御信号線の接続電極と、画素共有構造体PCから出力する信号線の接続電極を収容することが可能となる。
<Action / effect of the fourth embodiment>
The image sensor of the fourth embodiment can exert the following actions and effects.
(1) The
This makes it possible to electrically connect the pixel drive circuit 41 and the transfer transistor TR with an electrode having a smaller area than the direct metal coupling. Therefore, it is possible to accommodate the connection electrode of the control signal line connected to each pixel and the connection electrode of the signal line output from the pixel sharing structure PC inside the pixel sharing structure PC.
これは、以下の課題を解決する作用・効果である。
従来の撮像素子では、画素レイヤと信号処理レイヤとの接続には、回路を先に作成した金属直接接合を用いることが一般的であるが、この構成では、画素駆動回路から各画素へそれぞれ駆動信号線を接続し、且つ画素共有構造体から1本の出力信号線を信号処理回路へ接続する構造とすると、全ての接続を金属直接接合で形成した場合、画素共有構造体の内部に、金属直接接合の電極を収容することが困難である。そして、全ての金属直接接合の電極を、画素共有構造体の内部に収容するためには、画素共有構造体の面積を大きくする必要があるため、高集積な撮像素子を形成することが困難であった。
これに対し、第4実施形態の撮像素子であれば、上述したように、画素共有構造体PCの内部に、各画素に接続する制御信号線の接続電極と、画素共有構造体PCから出力する信号線の接続電極を収容することが可能となる。これにより、高集積な撮像素子を形成することが可能となる。
This is an action / effect that solves the following problems.
In a conventional image pickup element, it is common to use a metal direct coupling in which a circuit is created earlier for connecting the pixel layer and the signal processing layer, but in this configuration, the pixel drive circuit drives each pixel. Assuming that the signal lines are connected and one output signal line is connected to the signal processing circuit from the pixel sharing structure, when all the connections are formed by direct metal coupling, the metal is inside the pixel sharing structure. It is difficult to accommodate a directly bonded electrode. Further, in order to accommodate all the electrodes directly bonded to the metal inside the pixel sharing structure, it is necessary to increase the area of the pixel sharing structure, so that it is difficult to form a highly integrated imaging element. there were.
On the other hand, in the case of the image sensor of the fourth embodiment, as described above, the control signal line connecting electrodes connected to each pixel and the pixel sharing structure PC output from the inside of the pixel sharing structure PC. It becomes possible to accommodate the connection electrode of the signal line. This makes it possible to form a highly integrated image sensor.
(2)画素駆動レイヤ10bが、金属直接接合により信号処理レイヤ20と電気的に接続されている。
これにより、信号処理レイヤ20から画素駆動レイヤ10bへ出力する信号に対し、画素駆動レイヤ10bによる読み出し時間のずれを抑制することが可能となる。
(2) The
As a result, it is possible to suppress a deviation in the read time due to the
(3)層間配線42が、画素レイヤ10において配線として用いられている材料の少なくとも一部よりも、耐熱性の高い材料を用いて形成されている。
これにより、画素共有構造体PCの内部に、各画素に接続する制御信号線の接続電極と、画素共有構造体PCから出力する信号線の接続電極を収容する構成に対し、層間配線42を適切な構成とすることが可能となる。
(3) The interlayer wiring 42 is formed by using a material having higher heat resistance than at least a part of the material used as wiring in the
As a result, the interlayer wiring 42 is appropriate for the configuration in which the connection electrode of the control signal line connected to each pixel and the connection electrode of the signal line output from the pixel sharing structure PC are housed inside the pixel sharing structure PC. It is possible to have a different configuration.
(4)リセットトランジスタに駆動信号を供給する制御信号線のうち少なくとも画素レイヤ10に形成された部分が、画素レイヤ10において配線として用いられている材料の少なくとも一部よりも、耐熱性の高い材料を用いて形成されている。
これにより、画素共有構造体PCの内部に、各画素に接続する制御信号線の接続電極と、画素共有構造体PCから出力する信号線の接続電極を収容する構成に対し、リセットトランジスタに駆動信号を供給する制御信号線を、適切な構成とすることが可能となる。
(4) Of the control signal lines that supply drive signals to the reset transistor, at least a portion formed in the
As a result, the reset transistor has a drive signal for a configuration in which the connection electrode of the control signal line connected to each pixel and the connection electrode of the signal line output from the pixel sharing structure PC are housed inside the pixel sharing structure PC. The control signal line for supplying the above can be configured appropriately.
(その他の実施形態)
上記のように、本技術の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本技術を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
その他、上記の実施形態において説明される各構成を任意に応用した構成等、本技術はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本技術の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
なお、本明細書中に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また他の効果があってもよい。
(Other embodiments)
As described above, embodiments of the present technology have been described, but the statements and drawings that form part of this disclosure should not be understood to limit the present technology. Various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art from this disclosure.
In addition, it goes without saying that the present technology includes various embodiments not described here, such as a configuration in which each configuration described in the above embodiment is arbitrarily applied. Therefore, the technical scope of the present technology is defined only by the matters specifying the invention relating to the reasonable claims from the above description.
It should be noted that the effects described in the present specification are merely examples and are not limited, and other effects may be obtained.
なお、本技術は、以下のような構成を取ることが可能である。
(1)
入射した光を光電変換して画像信号を出力する複数の画素を含む画素共有構造体を有する画素レイヤと、
前記画素レイヤに積層され、且つ前記画像信号を処理する信号処理回路を有する信号処理レイヤと、を備え、
前記画素レイヤは、アレイ状に配置された複数の前記画素共有構造体を有し、
前記信号処理レイヤは、アレイ状に配置された複数の前記信号処理回路を有し、
1つの前記信号処理回路には、前記画像信号を入力できるように1つの前記画素共有構造体が接続され、
前記複数の信号処理回路は、入力された前記画像信号を互いに並列に処理する撮像素子。
(2)
互いに積層された複数層の前記信号処理レイヤを備え、
前記複数層の信号処理レイヤがそれぞれ有する前記信号処理回路は、入力された前記画像信号を互いに並列に処理する前記(1)に記載した撮像素子。
(3)
2層の前記信号処理レイヤを備える前記(2)に記載した撮像素子。
(4)
4層の前記信号処理レイヤを備える前記(2)に記載した撮像素子。
(5)
前記複数層の信号処理レイヤは、金属直接接合により電気的に接続されている前記(2)〜(4)のいずれかに記載した撮像素子。
(6)
1つの前記信号処理回路には、前記画像信号を入力できるように少なくとも1つの前記画素共有構造体が追加して接続されて複数の前記画素共有構造体が接続され、
前記1つの信号処理回路は、前記接続された複数の画素共有構造体のうち一部が出力した画像信号と、前記接続された複数の画素共有構造体のうち残りの少なくとも1つが出力した画像信号と、を時分割で処理する前記(1)〜(5)のいずれかに記載した撮像素子。
(7)
互いに積層された複数層の前記信号処理レイヤを備え、
前記複数層の信号処理レイヤがそれぞれ有する前記信号処理回路は、入力された前記画像信号を互いに並列に処理する前記(6)に記載した撮像素子。
(8)
2層の前記信号処理レイヤを備える前記(7)に記載した撮像素子。
(9)
前記複数層の信号処理レイヤは、金属直接接合により電気的に接続されている前記(7)又は(8)に記載した撮像素子。
(10)
前記画素レイヤと前記信号処理レイヤとを積層した方向から見た前記信号処理回路の面積は、前記積層した方向から見た前記画素共有構造体の面積よりも大きい前記(1)〜(9)のいずれかに記載した撮像素子。
(11)
前記積層した方向から見た前記信号処理回路の面積は、前記積層した方向から見た前記画素共有構造体の面積に対して2以上の整数倍である前記(1)〜(10)のいずれかに記載した撮像素子。
(12)
前記画素共有構造体は、8の前記画素を含む前記(1)〜(11)のいずれかに記載した撮像素子。
(13)
前記信号処理レイヤは、金属直接接合により前記画素レイヤと電気的に接続されている前記(1)〜(12)のいずれかに記載した撮像素子。
(14)
前記信号処理レイヤに積層され、且つ前記信号処理レイヤが処理した画像信号を読み出す出力レイヤをさらに備え、
前記出力レイヤは、金属直接接合により前記信号処理レイヤと電気的に接続されている前記(1)〜(13)のいずれかに記載した撮像素子。
(15)
前記画素レイヤは、前記画素共有構造体を有するフォトダイオードレイヤと、前記信号処理回路における前記処理の結果に応じた信号を前記画素へ出力する画素駆動回路を有する画素駆動レイヤと、を含み、
前記画素共有構造体は、入射した光を光電変換し、且つ光電変換の光量に応じた電荷を生成して蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに蓄積された信号電荷を転送する転送トランジスタと、を備え、
前記画素駆動回路は、前記転送トランジスタと電気的に接続されている前記(1)〜(14)のいずれかに記載した撮像素子。
(16)
前記画素駆動レイヤは、金属直接接合により前記信号処理レイヤと電気的に接続されている前記(15)に記載した撮像素子。
(17)
前記画素駆動回路と前記転送トランジスタとを接続する層間配線は、前記画素レイヤにおいて配線として用いられている材料の少なくとも一部よりも耐熱性の高い材料を用いて形成されている前記(15)又は(16)に記載した撮像素子。
(18)
前記画素共有構造体は、前記フォトダイオードから前記転送トランジスタを介して転送されてくる電荷を蓄積して電圧に変換するフローティングディフュージョンと、供給される駆動信号にしたがって前記フローティングディフュージョンに蓄積されている電荷の排出をオン又はオフするリセットトランジスタと、をさらに備え、
前記リセットトランジスタに前記駆動信号を供給する制御信号線のうち少なくとも前記画素レイヤに形成された部分は、前記画素レイヤにおいて配線として用いられている材料の少なくとも一部よりも耐熱性の高い材料を用いて形成されている前記(15)〜(17)のいずれかに記載した撮像素子。
The present technology can have the following configurations.
(1)
A pixel layer having a pixel sharing structure including a plurality of pixels that photoelectrically convert incident light and output an image signal, and
A signal processing layer that is laminated on the pixel layer and has a signal processing circuit that processes the image signal.
The pixel layer has a plurality of the pixel sharing structures arranged in an array.
The signal processing layer has a plurality of the signal processing circuits arranged in an array.
One pixel sharing structure is connected to one signal processing circuit so that the image signal can be input.
The plurality of signal processing circuits are image pickup devices that process the input image signals in parallel with each other.
(2)
The signal processing layer having a plurality of layers stacked on each other is provided.
The image pickup device according to (1), wherein the signal processing circuit included in each of the plurality of signal processing layers processes the input image signals in parallel with each other.
(3)
The image pickup device according to (2) above, which includes two layers of the signal processing layer.
(4)
The image pickup device according to (2) above, which includes four layers of the signal processing layer.
(5)
The image pickup device according to any one of (2) to (4) above, wherein the plurality of signal processing layers are electrically connected by a metal direct coupling.
(6)
At least one pixel sharing structure is additionally connected to one signal processing circuit so that the image signal can be input, and a plurality of the pixel sharing structures are connected.
The one signal processing circuit includes an image signal output by a part of the connected plurality of pixel sharing structures and an image signal output by at least one of the remaining connected pixel sharing structures. The image pickup device according to any one of (1) to (5) above, wherein the image pickup device is processed in a time-divided manner.
(7)
The signal processing layer having a plurality of layers stacked on each other is provided.
The image pickup device according to (6), wherein the signal processing circuit included in each of the plurality of signal processing layers processes the input image signals in parallel with each other.
(8)
The image pickup device according to (7) above, which includes two layers of the signal processing layer.
(9)
The image pickup device according to (7) or (8) above, wherein the plurality of signal processing layers are electrically connected by a metal direct coupling.
(10)
The area of the signal processing circuit seen from the direction in which the pixel layer and the signal processing layer are laminated is larger than the area of the pixel shared structure seen from the laminated direction. The image pickup device described in any of the above.
(11)
The area of the signal processing circuit seen from the stacked direction is any one of the above (1) to (10), which is an integral multiple of 2 or more with respect to the area of the pixel shared structure seen from the stacked direction. The image pickup device described in 1.
(12)
The image pickup device according to any one of (1) to (11) above, wherein the pixel sharing structure includes the eight pixels.
(13)
The image pickup device according to any one of (1) to (12) above, wherein the signal processing layer is electrically connected to the pixel layer by a metal direct coupling.
(14)
An output layer that is laminated on the signal processing layer and that reads out an image signal processed by the signal processing layer is further provided.
The image pickup device according to any one of (1) to (13), wherein the output layer is electrically connected to the signal processing layer by direct metal bonding.
(15)
The pixel layer includes a photodiode layer having the pixel sharing structure and a pixel drive layer having a pixel drive circuit that outputs a signal corresponding to the result of the processing in the signal processing circuit to the pixels.
The pixel sharing structure includes a photodiode that photoelectrically converts incident light and generates and stores an electric charge according to the amount of light of the photoelectric conversion, and a transfer transistor that transfers a signal charge accumulated in the photodiode. With
The image pickup device according to any one of (1) to (14), wherein the pixel drive circuit is electrically connected to the transfer transistor.
(16)
The image pickup device according to (15), wherein the pixel drive layer is electrically connected to the signal processing layer by direct metal bonding.
(17)
The interlayer wiring connecting the pixel drive circuit and the transfer transistor is formed by using a material having higher heat resistance than at least a part of the material used as wiring in the pixel layer (15) or the above. The image pickup device according to (16).
(18)
The pixel sharing structure includes a floating diffusion that accumulates the electric charge transferred from the photodiode via the transfer transistor and converts it into a voltage, and the electric charge accumulated in the floating diffusion according to a supplied drive signal. Further equipped with a reset transistor that turns on or off the discharge of
Of the control signal lines that supply the drive signal to the reset transistor, at least a portion formed in the pixel layer uses a material having higher heat resistance than at least a part of the material used as wiring in the pixel layer. The image pickup device according to any one of (15) to (17) above.
10…画素レイヤ、10a…フォトダイオードレイヤ、10b…画素駆動レイヤ、10t…金属端子、11(11a〜11d)…画素回路、20(20a〜20d)…信号処理レイヤ、20t…金属端子、20at…金属端子、20bt…金属端子、21(21a〜21d)…信号処理回路、22(22a〜22d)…帰還信号線、30…出力レイヤ、41(41a〜41d)…画素駆動回路、42(42a〜42d)…層間配線、PD…フォトダイオード、TR…転送トランジスタ、FD…フローティングディフュージョン、RST…リセットトランジスタ、AMP…増幅トランジスタ、SEL…選択トランジスタ、PC(PCa〜PCd)…画素共有構造体、MR…マイクロレンズ、VDD…電源配線、VSL(VSLa〜VSLd,VSLau,VSLad,VSLbu,VSLbd)…垂直信号線、DSL…制御信号線、RSL…制御信号線 10 ... pixel layer, 10a ... photodiode layer, 10b ... pixel drive layer, 10t ... metal terminal, 11 (11a to 11d) ... pixel circuit, 20 (20a to 20d) ... signal processing layer, 20t ... metal terminal, 20at ... Metal terminal, 20 bt ... Metal terminal, 21 (21a to 21d) ... Signal processing circuit, 22 (22a to 22d) ... Feedback signal line, 30 ... Output layer, 41 (41a to 41d) ... Pixel drive circuit, 42 (42a to) 42d) ... interlayer wiring, PD ... photodiode, TR ... transfer transistor, FD ... floating diffusion, RST ... reset transistor, AMP ... amplification transistor, SEL ... selective transistor, PC (PCa to PCd) ... pixel sharing structure, MR ... Microlens, VDD ... Power supply wiring, VSL (VSLa to VSLd, VSLau, VSLad, VSLbu, VSLbd) ... Vertical signal line, DSL ... Control signal line, RSL ... Control signal line
Claims (18)
前記画素レイヤに積層され、且つ前記画像信号を処理する信号処理回路を有する信号処理レイヤと、を備え、
前記画素レイヤは、アレイ状に配置された複数の前記画素共有構造体を有し、
前記信号処理レイヤは、アレイ状に配置された複数の前記信号処理回路を有し、
1つの前記信号処理回路には、前記画像信号を入力できるように1つの前記画素共有構造体が接続され、
前記複数の信号処理回路は、入力された前記画像信号を互いに並列に処理する撮像素子。 A pixel layer having a pixel sharing structure including a plurality of pixels that photoelectrically convert incident light and output an image signal, and
A signal processing layer that is laminated on the pixel layer and has a signal processing circuit that processes the image signal.
The pixel layer has a plurality of the pixel sharing structures arranged in an array.
The signal processing layer has a plurality of the signal processing circuits arranged in an array.
One pixel sharing structure is connected to one signal processing circuit so that the image signal can be input.
The plurality of signal processing circuits are image pickup devices that process the input image signals in parallel with each other.
前記複数層の信号処理レイヤがそれぞれ有する前記信号処理回路は、入力された前記画像信号を互いに並列に処理する請求項1に記載した撮像素子。 The signal processing layer having a plurality of layers stacked on each other is provided.
The image pickup device according to claim 1, wherein the signal processing circuit included in each of the plurality of signal processing layers processes the input image signals in parallel with each other.
1つの前記信号処理回路は、前記接続された複数の画素共有構造体のうち一部が出力した画像信号と、前記接続された複数の画素共有構造体のうち残りの少なくとも1つが出力した画像信号と、を時分割で処理する請求項1に記載した撮像素子。 At least one pixel sharing structure is additionally connected to one signal processing circuit so that the image signal can be input, and a plurality of the pixel sharing structures are connected.
The signal processing circuit includes an image signal output by a part of the connected plurality of pixel sharing structures and an image signal output by at least one of the connected plurality of pixel sharing structures. The image pickup device according to claim 1, wherein the image pickup device is processed by time division.
前記複数層の信号処理レイヤがそれぞれ有する前記信号処理回路は、入力された前記画像信号を互いに並列に処理する請求項6に記載した撮像素子。 The signal processing layer having a plurality of layers stacked on each other is provided.
The image pickup device according to claim 6, wherein the signal processing circuit included in each of the plurality of signal processing layers processes the input image signals in parallel with each other.
前記出力レイヤは、金属直接接合により前記信号処理レイヤと電気的に接続されている請求項1に記載した撮像素子。 An output layer that is laminated on the signal processing layer and that reads out an image signal processed by the signal processing layer is further provided.
The image pickup device according to claim 1, wherein the output layer is electrically connected to the signal processing layer by direct metal bonding.
前記画素共有構造体は、入射した光を光電変換し、且つ光電変換の光量に応じた電荷を生成して蓄積するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに蓄積された信号電荷を転送する転送トランジスタと、を備え、
前記画素駆動回路は、前記転送トランジスタと電気的に接続されている請求項1に記載した撮像素子。 The pixel layer includes a photodiode layer having the pixel sharing structure and a pixel drive layer having a pixel drive circuit that outputs a signal corresponding to the result of the processing in the signal processing circuit to the pixels.
The pixel sharing structure includes a photodiode that photoelectrically converts incident light and generates and stores an electric charge according to the amount of light of the photoelectric conversion, and a transfer transistor that transfers a signal charge accumulated in the photodiode. With
The image pickup device according to claim 1, wherein the pixel drive circuit is electrically connected to the transfer transistor.
前記リセットトランジスタに前記駆動信号を供給する制御信号線のうち少なくとも前記画素レイヤに形成された部分は、前記画素レイヤにおいて配線として用いられている材料の少なくとも一部よりも耐熱性の高い材料を用いて形成されている請求項15に記載した撮像素子。 The pixel sharing structure includes a floating diffusion that accumulates the electric charge transferred from the photodiode via the transfer transistor and converts it into a voltage, and the electric charge accumulated in the floating diffusion according to a supplied drive signal. Further equipped with a reset transistor that turns on or off the discharge of
Of the control signal lines that supply the drive signal to the reset transistor, at least a portion formed in the pixel layer uses a material having higher heat resistance than at least a part of the material used as wiring in the pixel layer. The image pickup device according to claim 15, which is formed of the above.
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