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JP4878248B2 - 固体撮像装置及び撮像システム - Google Patents
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JP4878248B2 - 固体撮像装置及び撮像システム - Google Patents

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Description

本発明は固体撮像装置に関するものであり、特に、固体撮像装置から外部へ信号を出力する出力部に関する。
従来、固体撮像装置から外部へ信号を出力する信号出力部の構成として差動増幅器が用いられている(例えば特許文献1)。差動増幅器は、公団の信号処理部で減算することで信号精度を向上させるため2系統以上の信号(第1信号、第2信号)を出力する構成である。
特開2004−186790号公報
差動増幅器に供給するための電源、GND(接地電位)などが変動することで出力変動(ノイズ)が生じる。このノイズは、差動増幅器から第1信号を出力するための第1信号経路と第2信号を出力するための第2信号経路の両者に混入する。このようなノイズを、出力端子から出力された後に次段の信号処理部で差動処理をして低減するためには、信号経路に含まれる配線の抵抗と寄生容量をなるべく近づけることが重要である。なぜなら、配線抵抗、寄生容量が異なると、配線抵抗(R)と寄生容量(C)で決まるRC時定数が異なり、ノイズの位相がずれてしまうからである。これにより、次段の差動処理を行なう信号処理部でのノイズの除去精度が低下してしまう。また、第1信号経路の配線と第2信号経路の配線に混入するノイズを精度よく除去するためには、両信号経路を近接して配置することが重要である。なぜなら、近接して配置することで、混入するノイズの大きさ、位相を近づけることができるからである。
しかしながら、複数の差動増幅器をもうけて、複数の読み出しチャンネルにより外部に信号を出力する場合には、信号経路を構成する配線の配置、出力端子の配置の自由度が小さくなる。差動増幅器においては、多チャンネル化により、出力端子までの配線の長さが長くなると、配線抵抗、寄生容量が増大し、さらに、チャンネル間で配線抵抗と寄生容量の差が大きくなる場合がある。
配線の長さが長くなると、信号波形の立ち上がり、立ち下がりがなまる。また、波形が遅延するなどの影響が起きるので好ましくない。特に配線抵抗は、出力端子の外側に生じる出力負荷(容量)が大きい場合には、より影響が顕著に現れる。このような場合には、差動出力型の増幅器を有する構成において、第1信号経路と第2信号経路に混入する外乱ノイズの影響の差が大きくなる。これにより出力後の信号処理部における信号処理の精度がおちる場合もある。
したがって、本発明は、差動出力型の増幅器を有する構成において、第1信号経路と第2信号経路に混入する外乱ノイズの影響の差を低減することを目的とする。
本発明は、上記課題に鑑み成されたものであり、複数の画素が配された画素領域と、前記画素領域からの信号を増幅する差動出力型の複数の増幅器と、前記増幅器の出力信号を外部へ出力するための複数の出力端子を含む複数の端子と、前記増幅器から出力端子へ信号を伝達する信号経路と、を有し、同一の前記増幅器からの信号が伝達される出力端子間の距離は、前記出力端子を除く他の端子どうしの端子間の距離及び前記出力端子と前記他の端子との間の距離に比べて短いことを特徴とする。
本発明により、差動出力型の増幅器を有する固体撮像装置において、差動出力に対する外乱ノイズの影響の差を低減することが可能となる。
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。ただし本発明はこれら実施例に限られるものではなく、発明の趣旨を超えない範囲で、変更、組み合わせ可能である。
(実施例1)
図1に第1実施例の固体撮像装置の平面図を示す。本実施例においては、増幅器の出力信号を外部へ出力するための複数の出力端子のいずれかが、複数の端子の配列方向において、端子配列の最も端に配置される。つまり、複数の出力端子は一方向に配列された端子配列を構成している。そして、この端子配列において複数の出力端子のいずれかが、配列方向の最も端に配置されている。ここで端子配列は1つに限られるものではなく複数有し、後述の画素領域を挟んで複数の領域に分けて配置されていてもよい。
図1において、1は後述の画素領域、増幅器、出力端子等が配される半導体基板である。101が複数の画素が配された画素領域である。画素は例えば行列状に配することができる。図2に画素の構成の一例を示す。図1と同様の機能を有するものには同様の符号を付し詳細な説明は省略する。
PDが光電変換素子として機能するフォトダイオードであり、SFは光電変換素子の電荷がそのゲートに転送され、電圧に変換するためのMOSトランジスタである。MOSトランジスタSFは、定電流源とともにソースフォロワ回路を構成する。SELは行を選択するためのスイッチとして機能するMOSトランジスタである。RESはMOSトランジスタSFのゲートに所定の電圧を供給するリセットスイッチとして機能するMOSトランジスタである。TXはフォトダイオードからSFのゲートへ電荷を転送するための転送スイッチとして機能するMOSトランジスタである。これらトランジスタにより画素が構成される。画素構成はこれに限られるものではなく、たとえば、SELを設けずに、SFのゲートに供給する電圧により画素を選択する構成でも良い。また複数の光電変換素子で上述のMOSトランジスタの少なくともひとつを共有する構成でも良い。
図1において、102a、bは増幅器である。画素領域からの信号を増幅している。差動出力としては、具体的には、図3(a)、(b)に示すように一方の信号(第1信号)の出力波形に対して位相を反転した波形を他方の信号(第2信号)として出力する構成がある。または、図3(c)に示すように第1信号、第2信号のどちらか一方を基準電圧として出力する構成がある。
2は固体撮像装置と外部と信号の入出力を行なうための端子(パッド)が複数配された端子の配列である。複数の端子2は半導体基板の外周部に配列され、端子配列を構成している。複数の端子のうち、端子2a〜2dは増幅器102から信号経路を介して信号が伝達される端子である。したがって、出力端子2a〜2dのいずれかが、配列方向における、その配列の端部に配されている。このように配置することにより、増幅器と出力端子間の信号経路の長さを短くすることが可能となる。ここで、信号経路に含まれる配線を、増幅器と出力端子を結ぶ線で表している。
103は画素領域からの信号を処理する列回路であり、104は画素もしくは列回路を駆動するための走査回路である。
ここで固体撮像装置の各構成部の半導体基板における配置に関して説明する。固体撮像装置の場合、半導体基板の略中央に光電変換を行う画素領域が一定の面積以上配置される。この時、チップ面積をできるだけ小さくして、ウェハあたりのチップ数を増やすためには、増幅器102は半導体基板の端部に配置されるのが好ましい。また、増幅器は画素の信号を高速に外部に出力する必要があるので、消費電流が大きくなる場合が多い。また、増幅器の動作に伴い電源、GNDが変動してしまうと出力変動が起きてしまうので、できるだけ電源、GNDの配線抵抗は小さくすることが望ましい。このような点から、半導体基板の端に増幅器を配置し、増幅器の電源、GNDの端子は半導体基板の端に配置することが望ましい。
ここで、増幅器として差動出力型の場合を考える。差動出力型の場合、GNDなどが変動することで生じる出力変動の影響を次段の信号処理部105(ADコンバーター等)である程度低減することが可能となる。しかしながら、その機構上、差動出力型においては第1信号と第2信号の対称性が重要となる。つまり、GNDなどの変動の影響は第1信号、第2信号に対して同様に重畳されるため、後段の信号処理によりその変動の影響を低減しやすい。それに対して、第1、第2信号経路の配線抵抗、寄生容量にばらつきが生じた場合には、両信号の対称性が低くなり、ノイズの低減効果が低下してしまう.
したがって、差動出力型の場合、電源、GND配線の配線抵抗を低減することよりも、信号出力端子に信号を伝達する信号経路どうしの配線抵抗のばらつきを重視すべきである。よって、差動出力型の増幅器を用いる場合には、出力端子をGND、電源などの入力端子に比べて、端子配列方向における端部に配置するのが重要となるのである。
本実施例によれば、差動出力型を有する増幅器を用いる構成で、第1信号と第2信号が読み出される信号経路の抵抗を近づけることが可能となり、両者に対するノイズの影響の差を小さくすることが可能となる。
(実施例2)
図4は第2の実施形態の固体撮像装置を模式的に示す平面図である。図1等と同様の機能を有するものには同様の符号を付し、詳細な説明は省略する。また次段の信号処理部は省略している。
本実施例においては、複数の端子のうち、同一の差動増幅器102からの第1,第2信号が伝達される出力端子の間の距離を、その他の端子間距離よりも短くすることを特徴としている。つまり、同一の増幅器からの信号が伝達される出力端子間の距離は、出力端子を除く他の端子どうしの端子間の距離及び前記出力端子と前記他の端子との間の距離に比べて短い。実施例1において説明したように、差動出力型の増幅器の場合には、同一の増幅器から出力される第1信号と第2信号とが互いに相関性の高いことが要求される。したがって、第1信号が伝達される出力端子と、第2信号が伝達される出力端子とを他の隣接する端子間の距離よりも短くすることにより配線抵抗、寄生容量をなるべく近づける。これは増幅器を複数有する構成において特に重要となる。
ここで、端子間距離に関して更に詳細に述べる。図5に示すように、固体撮像装置のパッケージのピンは等間隔に配列されていることが多い。それに対応して端子間距離も等間隔にするのが一般的である。なぜなら、各端子からピンまでのワイヤーボンディングなどの長さを均等にすることが、固体撮像装置の特性上好ましいからである。例えば、駆動信号の遅延による影響の差を小さくできる。また、ワイヤーボンディングを行う装置においても長さが均等であるほうが歩留まりを高めることが可能となる。
しかしながら本実施例においては、上述した差動出力型の増幅器を複数有した場合の特有の課題を解決するために、出力端子間距離を敢えて他の端子間距離よりも短くする。これにより、第1信号を伝達する信号経路と第2信号を伝達する信号経路との配線長の差を小さくすることが可能となる。
実際に、端子間隔を800μmにしていた時の第1信号と第2信号の同相信号除去比は−40dBであった。しかし、出力端子間隔を、他の端子間距離よりも短くし400μmに狭めることによって同相信号除去比は−70dBまで向上させることが可能となった。
また、一方の信号を基準電圧として出力するタイプの差動出力増幅器においては、一方の信号は基準電圧を出しているだけである。したがって、他方の信号を出力するための信号経路との対称性の重要度はそれほど高くはならない場合もある。
それに対して第1信号の出力波形に対して位相を180度反転した波形を第2信号として出力するタイプの差動出力増幅器の方が、本実施例の効果は大きい。それは、次段の信号処理部において信号処理する際に、両者の信号の対称性が直接信号処理の精度に影響を与えるためである。
本実施例においては、出力端子間の距離をその他の端子間の距離よりも狭くすることで、第1信号配線と第2信号配線の配線長の差を小さくすることが可能となる。これにより、配線抵抗、寄生容量の差が小さくなり、差動出力に対する外乱ノイズの影響の差を低減することが可能となる。
また、本実施例においては、複数の増幅器を設けて複数の読み出しチャンネルで外部への信号の出力を行なっている。そして隣接する読み出しチャネルに含まれる出力端子との距離も、他の端子間距離よりも短くしている。このような構成においては、隣接する読み出しチャンネル間での増幅器から出力端子までの配線長の差も小さくすることが可能となる。これにより、配線抵抗、寄生容量の差を小さくでき、チャンネル間の波形の遅延を小さくすることが可能となる。また、第1信号配線と第2信号配線を近接に配置することで、差動出力に対する外乱ノイズの影響の差を低減することが可能となる。
(実施例3)
図6は第3の実施形態の固体撮像装置を模式的に示す平面図である。上述の実施例と同様の機能を有するものには同様の符号を付し詳細な説明は省略する。次段の信号処理部は省略している。
本実施例においては、出力端子を半導体基板の端部に配置し、且つ他の端子における隣接端子との距離に比べて、出力端子どうしの距離を短くしている。これにより、増幅器から出力端子までの信号経路に含まれる配線長を短くすることが可能となる。更に、出力端子間の距離をその他の端子間の距離よりも狭くすることで、第1信号を伝達する信号経路と第2信号を伝達する信号経路の配線長の差を小さくすることが可能となる。
本実施例によれば、波形のなまり、遅延を小さくすることが可能であり且つ、差動出力に対する外乱ノイズの影響の差を低減することが可能となる。
(実施例4)
図7は第4の実施形態の固体撮像装置を模式的に示す平面図である。上述の実施例と同様の機能を有するものには同様の符号を付し詳細な説明は省略する。
本実施例では、複数の出力端子を半導体基板の対向する2辺に配置している。このように配置することで、増幅器102a、102bそれぞれの信号経路においても配線長の差を小さくすることが可能となり、更に配線抵抗と寄生容量の差を小さくすることも可能となる。本実施例においては、出力端子を半導体基板の端部に配置し、更に、その他の端子間距離よりも出力端子間の距離を短くしているが、どちらか一方の配置のみとした場合にも適用することができる。さらに本実施例においては片側にひとつの読み出しチャンネルを配置しているがこれに限られるものではない。更に読み出しチャンネル数が増えた時には、半導体基板の対向する端部に増幅器と出力端子を配置すればよい。片側のみに4つの読み出しチャンネルを配置した場合に比べて、図8に示すように対向する端部に配置することで大幅にチャンネル間の配線長の差を小さくすることができる。
(実施例5)
図9は第5の実施形態の固体撮像装置を模式的に示す平面図である。上述の実施例と同様の機能を有するものには同様の符号を付し詳細な説明は省略する。
本実施例においては、出力端子と増幅回路の間の信号経路に、保護回路が設けられている。ここで、保護回路の配置に関して説明する。出力端子間に保護回路があると、より出力端子間の距離を狭めようとした時に妨げになる場合がある。そこで、本実施例においては出力端子間に保護回路が配置されないようにした。つまり図9の線分A−A´よりも半導体基板の内部側、画素領域側に保護回路を配置した。これにより、差動出力に対する外乱ノイズの影響の差を低減することが可能となり、且つ静電破壊にも強い固体撮像装置を提供することが可能となる。
固体撮像装置の両端に対称に差動出力増幅器と出力端子を配置する場合や、出力端子を端に配置する場合においても、本実施例の効果は発揮され、差動出力増幅器から出力端子までの配線長を短くして、さらに配線長の差を小さくできるので非常に効果が大きい。
(実施例6)
本実施例においては、差動出力型の増幅器からの第1出力及び第2出力が伝達される信号経路の長さの差に関して詳細に述べる。増幅器と出力端子間の信号経路において、基板等から外乱ノイズがのるが、外部での減算処理において、それらノイズ成分を効果的に除去するために、配線については以下の式を満たすよう設定する。
ab・(L −L )≦0.02/πF・・・(1)
Fは駆動周波数、aは単位長さあたりの抵抗(Ω/μm)、bは単位長さあたりの容量(F/μm)、L、Lは配線長(L≦L)である。
ここで、式1の導出に関して述べる。
まず信号の伝達時間と配線長の関係を考える。信号の振幅値は、CR時定数の影響を考慮に入れて最大振幅値と、容量、抵抗により式2により表される。
V=V0・(1−exp(−t/CR))・・・(2)
最大振幅の95%の振幅で使用するとすればV/V0=0.95である。ここで、2本の出力線の転送時間をそれぞれt,tとすれば、
=C・(1−ln0.05)≒4.0・C・・・(3)
=C・(1−ln0.05)≒4.0・C・・・(4)
と表される。ここで、R=a・L、R=a・L、C=b・L、C=b・Lなので、信号伝達の時間差t−tは、
−t=4.0・(C−C)=4.0・ab・(L −L )・・・(5)
であり、式5により信号伝達の時間差を配線長の差で表現することができる。
次にノイズに関して説明する。信号出力に所定の周波数のノイズが重畳されることを仮定する。ノイズを周波数fの正弦波とし仮定し、2つの出力間にΔtという時間差が生じているとすると、
=Asinθ ・・・(6)
=Asin(θ+ω・Δt) ・・・(7)
と表すことができる。差動出力型の増幅器から出力された2つの出力について減算を行ったあとのノイズ成分は
−Y=Asinθ−Asin(θ+ω・Δt)
=A(1−cosω・Δt)・sinθ−Asinω・Δt・cosθ・・・(8)
となり、ノイズ成分の振幅(合成波の振幅)Nは、
N=A√2・(1−cosω・Δt)(1/2)・・・(9)
となる。ここで、ω=2πfにより
N=A√2・(1−cos2πf・Δt)(1/2)・・・(10)
となる。
ここでノイズ除去を考えた場合に、低減するノイズ成分についてはその振幅を1/nにすることを目標とする。
周波数fのノイズ成分について、上記目標を達成する為には合成波の振幅を1/n以下とする必要がある。
A√2・(1−cos2πf・Δt)(1/2)≦(1/n)・A・・・(11)
上式で等号が成立するのは
cos2πf・Δt=1−(1/2n
Δt=ab・(L −L )/4
Arccos(1−(1/2n))=2πf・ab・(L −L )/4
の時である。したがって以下の式が成り立つ。
ab・(L −L )=4・Arccos(1−(1/2n))/2πf・・・(12)
上述した数式1は、駆動周波数の10倍の周期までのものの振幅を1/10以下に減衰させるとして、作成している。したがって、配線長の差が100μm程度になるように、ノイズの周波数、減衰割合を決定した。
例えば、20MHzで駆動し、用いる配線材料の特性として、a=1.1E−15(Ω/μm)、b=5.0E−3(F/μm)とする。そして増幅器から出力端子までの配線のうち一方の長さを14000μmとする。このとき、上式より、外乱ノイズを効果的に除去するためには、配線長の差は130um以内におさめる必要がある。これを実現するために、接続すべき2つの出力端子の中間付近まで、信号経路を構成する2本の配線を並走させた後、分岐させることにより、配線の長さの差を規定内におさめることができる。
または、図10に示すように、増幅器との距離が近いほうの出力端子に信号を伝達する信号経路の配線を遠い方の配線に比べて、より多くの変曲点を有することにより、配線長の差を規定内に収めるよう構成されていてもよい。または、多層配線構造を用いることもできる。多層配線構造の概略図を図11に示す。1層目の配線は冗長な部分を含み、各増幅器からおおよそ同じ形状で構成する。1層目の配線と2層目の配線の間にはスルーホールを設けて導通させている。これらのスルーホールは、差動出力型の増幅器が接続しようとする2つの出力端子の中心付近に設け、2層目の配線は出力端子付近まで並走させたのち、分岐して各出力端子に向かうように形成されている。
このように多層配線構造を用いることにより、各読み出しチャンネルにおいて、冗長な部分も含めたトータルの配線面積の差が小さくなることにより、寄生容量、及び配線抵抗が作る時定数の差を小さくできる。したがって、読み出しチャネル間の出力信号の遅延を緩和できる。
また、各増幅器においては、1層目の配線長と2層目の配線長の和に対して、2本の出力線の間でその差を前述した数式1により規定される範囲に収めることにより、次段の処理ICで効率のよくノイズを除去することができる。
尚、配線の形状は必ずしも図11の形状でなくともよい。読み出しチャンネルごとの配線長の差を小さくし、かつ各増幅器においては第1信号の信号経路と第2信号の信号経路において、増幅器から出力端子までの配線長の差が前述の数式1で規定する範囲に収まっていればよい。さらには、2層でなく3層以上の多層配線構造を有していてもよい。
(撮像システムへの応用例)
図12は、実施例1〜6で説明した固体撮像装置をカメラに応用する場合の回路ブロックの例を示したものである。撮影レンズ1002の手前にはシャッター1001があり、露出を制御する。絞り1003により必要に応じ光量を制御し、固体撮像装置1004に結像させる。固体撮像装置1004から出力された信号は信号処理回路1005で処理され、A/D変換器1006によりアナログ信号からディジタル信号に変換される。出力されるディジタル信号はさらに信号処理部1007で演算処理される。処理されたディジタル信号はメモリ1010に蓄えられたり、外部I/F1013を通して外部の機器に送られる。固体撮像装置1004、撮像信号処理回路1005、A/D変換器1006、信号処理部1007はタイミング発生部1008により制御される他、システム全体は全体制御部・演算部1009で制御される。記録媒体1012に画像を記録するために、出力ディジタル信号は全体制御部・演算部で制御される記録媒体制御I/F部1011を通して、記録される。
第1実施例の固体撮像装置の概略的平面図を示す図である。 固体撮像装置の画素構成を説明するための図である。 差動出力増幅器の出力波形の例である。 第2実施例の固体撮像装置の概略的平面図である。 固体撮像装置のパッケージの一般的な平面図である。 第3の実施例の固体撮像装置の概略的平面図である。 第4の実施例の固体撮像装置の概略的平面図である。 第4の実施例の固体撮像装置の変形例の概略的平面図である。 第5の実施例の固体撮像装置の概略的平面図である。 第6の実施例の固体撮像装置の概略的平面図である。 第6の実施例の固体撮像装置の変形例の概略的平面図である。 撮像システムへの応用例である。
符号の説明
1 半導体基板
101 画素領域
102 増幅器
2 端子
2a〜2h 出力端子

Claims (7)

  1. 複数の画素が配された画素領域と、
    前記画素領域からの信号を増幅する差動出力型の複数の増幅器と、
    前記増幅器の出力信号を外部へ出力するための複数の出力端子を含む複数の端子と、
    前記増幅器から出力端子へ信号を伝達する信号経路と、を有する固体撮像装置であって、
    複数の前記出力端子は一方向に配列された端子配列を構成しており、該端子配列において前記複数の出力端子のいずれかが、前記配列方向の最も端に配置されており、同一の前記増幅器からの信号が出力される出力端子間の距離は、他の端子の端子間距離に比べて短いことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 複数の画素が配された画素領域と、
    前記画素領域からの信号を増幅する差動出力型の複数の増幅器と、
    前記増幅器の出力信号を外部へ出力するための複数の出力端子を含む複数の端子と、
    前記増幅器から複数の出力端子へ信号を伝達する複数の信号経路と、を有する固体撮像装置であって、
    同一の前記増幅器からの信号が伝達される出力端子間の距離は、前記出力端子を除く他の端子どうしの端子間の距離及び前記出力端子と前記他の端子との間の距離に比べて短いことを特徴とする固体撮像装置。
  3. 前記複数の出力端子は、前記画素領域をはさんで対向する領域に分けて配置されていることを特徴とする請求項1または2のいずれか記載の固体撮像装置。
  4. 前記増幅器と出力端子との間に配された信号経路に保護回路が設けられており、前記保護回路を構成する保護素子は、前記出力端子よりも前記画素領域側に配されることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  5. 前記複数の端子は、電源電圧が供給される入力端子と、接地電位が供給される入力端子とを含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  6. さらにパッケージを有し、前記パッケージは前記複数の端子のそれぞれと接続される複数のピンを有し、前記複数のピンは等ピッチで配置されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
  7. 請求項1からのいずれか1項に記載の固体撮像装置と、該固体撮像装置へ光を結像する光学系と、該固体撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。
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