JP7075881B2 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents
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Description
本発明の第2の態様によると、撮像装置は、第1の態様による撮像素子と、前記撮像素子の前記信号に基づいて画像データを生成する画像生成部と、を備える。
図1は、第1の実施の形態に係る撮像装置1の構成を示すブロック図である。撮像装置1は、撮影光学系2、撮像素子3、および制御部4を備える。撮像装置1は、例えばカメラである。撮影光学系2は、撮像素子3に被写体像を結像する。撮像素子3は、撮影光学系2により形成された被写体像を撮像して画像信号を生成する。撮像素子3は、例えばCMOSイメージセンサである。制御部4は、撮像素子3の動作を制御するための制御信号を撮像素子3に出力する。また、制御部4は、撮像素子3から出力された画像信号に対して各種の画像処理を施し、画像データを生成する画像生成部として機能する。なお、撮影光学系2は、撮像装置1から着脱可能にしてもよい。
なお、光電変換部12に蓄積された電荷は、フローティングディフュージョン15の電荷の排出、すなわちフローティングディフュージョン15のリセットに同期して、リセットされるが、以下の説明では、説明の簡略化のために、光電変換部12のリセットについての説明は省略する。
(1)撮像素子3は、基板200の一方側から入射される入射光を電荷に変換する光電変換部12と、電荷による信号を出力する出力部(増幅部16および選択部17)とを有し、第1方向と第1方向と交差する第2方向に配置される複数の画素10と、基板200の一方側とは反対側に光電変換部12と積層して設けられ、信号を蓄積する蓄積部90と、を備える。本実施形態では、蓄積部90は、画素領域220において、半導体基板200の第2面201bに積層して設けられる。従来技術では、画素領域220の周辺のアナログ/デジタル変換回路などが配置される領域に多数の容量を設けることで、撮像素子のチップ面積が増大する。これに対して、本実施の形態では、蓄積部90は、半導体基板200の第2面201bに積層して設けられる。このため、チップ面積の増大を抑制することができる。また、蓄積部90は画素領域220に設けられることで、画素領域220の周辺のアナログ/デジタル変換回路などが配置される領域の面積が増大することを回避することができる。さらに、1つの画素列等に対応して容量が設けられることにより、大きな容量を形成することができる。
(2)撮像素子3は、半導体基板200の第1面201aに入射した光を電荷に変換する光電変換部12と、半導体基板200の第2面201bに電荷による信号を出力する読み出し部20と、第2面201bの画素領域220に積層して設けられ、読み出し部20により出力された信号を蓄積する蓄積部90と、を備える。このようにしたので、チップ面積の増大を抑制することができる。
(4)撮像素子3は、第1方向に配置された複数の画素10に共通に接続され、読み出し部20により信号が出力される信号線(垂直信号線30)を更に備える。蓄積部90は、信号線を介して、複数の画素10に共通に接続される。このようにしたので、垂直信号線30を介して読み出される各画素10からの信号を蓄積部90に蓄積させることができる。
(5)読み出し部20は、電荷による信号、及び、ノイズ信号を出力する。蓄積部90は、電荷による信号を蓄積する信号用蓄積部と、ノイズ信号を蓄積するノイズ用蓄積部とを有する。このようにしたので、読み出し部20から出力される光電変換信号およびノイズ信号を、蓄積部90にそれぞれ蓄積させることができる。
(7)蓄積部90は、第1方向に配置された複数の画素10と接続される第1蓄積部(例えば蓄積部90a)と、複数の画素10とは異なる第1方向に配置された複数の画素と接続される第2蓄積部(例えば蓄積部90b)とを有し、第1蓄積部と第2蓄積部とは、第2方向に並んで複数設けられる。このようにしたので、例えば画素列ごとに蓄積部を設けることができ、大きな容量を得ることができる。
(9)ノイズ信号は、保持部15に保持された電荷を排出したときの信号である。このようにしたので、光電変換信号に対する基準レベルとなるノイズ信号を得ることができる。
(11)蓄積部90は、導体による容量を有する。このようにしたので、拡散容量を設ける場合と比較して、チップ面積の増大を抑制することができる。
第2の実施の形態に係る撮像装置は、第1の実施の形態に係る撮像装置1と同様の構成を有する。第2の実施の形態に係る撮像素子では、主に、画素列ごとに複数の垂直信号線を設けて複数行の画素10の同時読み出しを行う点で、第1の実施の形態と異なる。なお、図中、第1の実施の形態と同一もしくは相当部分には、同一の参照番号を付し、相違点を主に説明する。
(13)蓄積部90は、第1方向に配置された複数の画素10のうちの第1の複数の画素10と接続される第1蓄積部90Aと、第1方向に配置された複数の画素10のうちの第2の複数の画素10と接続される第2蓄積部90Bとを有する。本実施の形態では、撮像素子3は、第2層(蓄積部配線層212A)に積層される第3層(蓄積部配線層212B)を更に備える。このようにしたので、チップ面積の拡大を抑制すると共に、複数の蓄積部90を設けることができる。また、画素列ごとに複数の蓄積部90を設けることで、複数行の画素10の同時読み出しを実現することができる。
第3の実施の形態に係る撮像装置は、第1の実施の形態に係る撮像装置1と同様の構成を有する。第3の実施の形態に係る撮像素子では、主に、蓄積部90Aと蓄積部90Bとを積層することなく各々を配置する点で、第2の実施の形態と異なる。なお、図中、第1及び第2の実施の形態と同一もしくは相当部分には、同一の参照番号を付し、相違点を主に説明する。
(14)蓄積部90は、第1方向に配置された複数の画素10のうちの第1の複数の画素10と接続される第1蓄積部90Aと、第1方向に配置された複数の画素10のうちの第2の複数の画素と接続される第2蓄積部90Bとを有する。本実施の形態では、複数の蓄積部90の各々は、複数の画素列の各々に対応し、対応する画素列の画素10から読み出された信号を記憶する。複数の蓄積部90は、対応する画素列のうちの所定数の画素を含む画素領域200に設けられる。このようにしたので、複数の蓄積部90を積層することなく配置することができる。このため、配線層210の層数を減らすことができる。
図14は、変形例1に係る撮像素子3の一部の構成を示す回路図である。変形例1に係る撮像素子3では、各垂直信号線30に接続される増幅器(バッファ)130を備える。増幅器130(増幅器130a~増幅器130d)は、画素10から読み出される信号を増幅した信号を出力する。このため、各画素10と各蓄積部90との間における信号遅延や信号レベルの低下を抑制することができる。この結果、例えば蓄積部90の容量が大きい場合等においても、高フレームレートの読み出しを行うことができる。
上述した実施の形態では、光電変換信号およびノイズ信号を蓄積するための容量として、導体による容量を設ける例について説明した。しかし、導体以外の材料を用いた容量を、半導体基板の第2面201bに積層して設けるようにしてもよい。
上述した実施の形態では、信号配線層211を半導体基板200の第2面201bに積層し、蓄積部配線層212を信号配線層211に積層する例について説明した。しかし、蓄積部配線層212を半導体基板200の第2面201bに積層し、信号配線層211を蓄積部配線層212に積層するようにしてもよい。また、蓄積部配線層212は、半導体基板200の第2面201bに導体膜や絶縁膜を介して積層してもよいし、直接積層してもよい。
上述した実施の形態では、撮像素子3は、裏面照射型の構成とする例について説明した。しかし、撮像素子3を、光が入射する入射面に配線層210を設ける表面照射型の構成としてもよい。この場合、撮像素子3は、半導体基板200の第2面201bに光が入射する構成となる。画素10は、第1方向(例えば列方向)およびそれと交差する第2方向(例えば行方向)に複数配置される。蓄積部90を、複数の画素の間、例えば、第2方向に配置された複数の画素の間に配置するようにしてもよい。
上記の実施の形態および変形例では、画素10からの光電変換信号およびノイズ信号を蓄積する蓄積部90について説明した。しかし、蓄積部は、撮像素子3に含まれる他の回路の蓄積部としても適用可能である。
日本国特許出願2016年第38161号(2016年2月29日出願)
Claims (13)
- 光を電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部で変換された電荷に基づく信号を出力するための出力部とを有し、第1方向と前記第1方向と交差する第2方向に設けられる複数の画素が設けられた基板と、
所定電位が印加される配線と前記出力部から出力された前記光電変換部で変換された電荷に基づく信号が入力される導体とから構成され、前記光電変換部で変換された電荷に基づく信号を蓄積する信号用蓄積部と、所定電位が印加される配線と前記出力部から出力されたノイズ信号が入力される導体とから構成され、ノイズ信号を蓄積するノイズ用蓄積部と、を有する、前記基板に積層される配線層と、
を備える撮像素子。 - 請求項1に記載の撮像素子において、
前記配線層は、前記光電変換部で変換された電荷に基づく信号またはノイズ信号が出力される信号線を有し、
前記信号用蓄積部は、前記信号線に出力された前記光電変換部で変換された電荷に基づく信号を蓄積し、
前記ノイズ用蓄積部は、前記信号線に出力されたノイズ信号を蓄積する撮像素子。 - 請求項2に記載の撮像素子において、
前記信号線は、前記第1方向に設けられた複数の前記画素から前記光電変換部で変換された電荷に基づく信号またはノイズ信号が出力され、
前記配線層は、複数の前記画素から前記信号線に出力された信号をそれぞれ蓄積する複数の前記信号用蓄積部と複数の前記ノイズ用蓄積部とを有する撮像素子。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記画素は、半導体基板に設けられ、
前記光は、前記半導体基板の第1面から入射し、
前記出力部は、前記半導体基板の前記第1面とは反対側の第2面に設けられる撮像素子。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記信号用蓄積部と前記ノイズ用蓄積部とは、複数の前記画素と接続される撮像素子。 - 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記出力部は、電荷を保持する保持部に前記光電変換部により変換された電荷を転送する転送部を有する撮像素子。 - 請求項6に記載の撮像素子において、
前記保持部により保持された電荷をリセットするリセット部を有し、
前記ノイズ信号は、前記保持部に保持された前記電荷をリセットしたときの信号である撮像素子。 - 請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記信号用蓄積部と前記ノイズ用蓄積部とは、前記第1方向に設けられた複数の前記画素がそれぞれ有する前記出力部から出力される信号を蓄積する第1蓄積部と、前記第1蓄積部と接続された複数の前記画素とは異なる、前記第1方向に設けられた複数の前記画素がそれぞれ有する前記出力部から出力される信号を蓄積する第2蓄積部とを有し、
前記第1蓄積部と前記第2蓄積部とは、前記第2方向に並んで設けられる撮像素子。 - 請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記信号用蓄積部と前記ノイズ用蓄積部とは、前記第1方向に設けられた複数の前記画素のうち一部の複数の画素がそれぞれ有する前記出力部から出力される信号を蓄積する第1蓄積部と、前記第1方向に設けられた複数の前記画素のうち他の複数の画素がそれぞれ有する前記出力部から出力される信号を蓄積する第2蓄積部とを有する撮像素子。 - 請求項1から請求項9までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記画素は、前記光が入射する面と、前記信号用蓄積部及び前記ノイズ用蓄積部との間に設けられている撮像素子。 - 請求項1から請求項10までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記信号用蓄積部と前記ノイズ用蓄積部とは、所定電位が印加される前記配線と前記導体とによる容量を有する撮像素子。 - 請求項1から請求項11までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記光電変換部と前記出力部とを有する第1層と、
前記第1層に積層され、前記信号用蓄積部と前記ノイズ用蓄積部とを有する第2層を有する撮像素子。 - 請求項1から請求項12までのいずれか一項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子の前記信号に基づいて画像データを生成する画像生成部と、
を備える撮像装置。
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