Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP6907358B2 - Image sensor and image sensor - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP6907358B2 - Image sensor and image sensor - Google Patents

Image sensor and image sensor Download PDF

Info

Publication number
JP6907358B2
JP6907358B2 JP2020023422A JP2020023422A JP6907358B2 JP 6907358 B2 JP6907358 B2 JP 6907358B2 JP 2020023422 A JP2020023422 A JP 2020023422A JP 2020023422 A JP2020023422 A JP 2020023422A JP 6907358 B2 JP6907358 B2 JP 6907358B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
unit
pixel
circuit
signal processing
output
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2020023422A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2020108152A (en
Inventor
隆史 岸
隆史 岸
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Publication of JP2020108152A publication Critical patent/JP2020108152A/en
Priority to JP2021107806A priority Critical patent/JP7135167B2/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6907358B2 publication Critical patent/JP6907358B2/en
Priority to JP2022137140A priority patent/JP7497396B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

本発明は、撮像素子及び撮像装置に関する。 The present invention relates to an image pickup device and an image pickup apparatus.

従来、CMOSAPS(Complementary Metal Oxide Semiconductor Active Pixel Sensor)を撮像素子として使用し、撮影した画像を記録するデジタルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置が開発されている。撮像素子は画素部と周辺回路部を有する。周辺回路部では画素からの信号を読み出し、画像信号として外部に出力する。画素部はフォトダイオードで光電変換を行い、光電変換により得られた信号は、画素部に形成された画素回路で周辺回路部に読み出される。 Conventionally, an image pickup device such as a digital camera or a digital video camera that records a captured image by using CMOSAPS (Complementary Metal Oxide Sensor Active Pixel Sensor) as an image pickup device has been developed. The image sensor has a pixel unit and a peripheral circuit unit. The peripheral circuit section reads the signal from the pixel and outputs it as an image signal to the outside. The pixel portion is photoelectrically converted by a photodiode, and the signal obtained by the photoelectric conversion is read out to the peripheral circuit portion by the pixel circuit formed in the pixel portion.

近年は、画素の微細化に伴い、画素内は出来るだけ回路を少なくし、フォトダイオードの面積を増やして、撮像素子の性能を確保している。また、機能向上にともない、周辺回路部の面積も大きくなってきている。そこで、画素部と周辺回路部を別のチップに形成する技術の開発が行われている。例えば、特許文献1においては、画素はフォトダイオードと一部のスイッチのみにして、他のスイッチを別チップに構成する手法をとっている。 In recent years, with the miniaturization of pixels, the number of circuits in the pixels has been reduced as much as possible, and the area of the photodiode has been increased to ensure the performance of the image sensor. Further, as the function is improved, the area of the peripheral circuit portion is also increasing. Therefore, a technique for forming a pixel portion and a peripheral circuit portion on different chips is being developed. For example, in Patent Document 1, a method is adopted in which pixels are limited to a photodiode and some switches, and other switches are configured on separate chips.

図27は、従来の撮像素子の概略構成を説明するための図である。 FIG. 27 is a diagram for explaining a schematic configuration of a conventional image sensor.

撮像素子は、画素部101’、画素部101’における行を選択する垂直選択回路102’、画素部101’中の画素のうち垂直選択回路102’によって選択される行の画素の信号に所定の処理を施す列回路103’を有する。さらに、撮像素子は、列回路103’で処理された信号を列毎に保持する列メモリ104’、列メモリ104’で保持された信号の列を選択する水平選択回路105’、水平選択回路105’で選択された列の信号を出力回路107’に読み出す出力信号線106’を有する。なお、撮像素子は、図示された構成要素以外にも、例えば、垂直選択回路102’、水平選択回路105’、列回路103’等にタイミング信号を提供するタイミングジェネレータ、制御回路等を有する。 The image sensor is predetermined to the signal of the pixel in the row selected by the vertical selection circuit 102'among the pixels in the pixel unit 101', the vertical selection circuit 102'in the pixel unit 101', and the row in the pixel unit 101'. It has a column circuit 103'for processing. Further, the image sensor has a column memory 104'that holds the signal processed by the column circuit 103'for each column, a horizontal selection circuit 105'that selects a sequence of signals held by the column memory 104', and a horizontal selection circuit 105. It has an output signal line 106'which reads out the signal of the column selected by' to the output circuit 107'. In addition to the components shown in the image sensor, the image sensor includes, for example, a timing generator, a control circuit, and the like that provide timing signals to the vertical selection circuit 102', the horizontal selection circuit 105', the column circuit 103', and the like.

垂直選択回路102’は、画素部101’の複数の行を順に選択し、列回路103’を介して、選択した信号を列メモリ104’に出力する。水平選択回路105’は、列メモリ104’に保持された信号を順に選択し、出力信号線106’を介して出力回路107’に出力する。画素部101’は、2次元の画像を提供するために、複数の画素を2次元アレイ状に配列して構成される。これらの回路は、1つの半導体基板上に形成され、半導体プロセスの微細化とともに、画素間隔の縮小化や周辺回路の面積縮小化が行われている。 The vertical selection circuit 102'selects a plurality of rows of the pixel unit 101'in order, and outputs the selected signal to the column memory 104' via the column circuit 103'. The horizontal selection circuit 105'selects the signals held in the column memory 104' in order and outputs the signals to the output circuit 107' via the output signal line 106'. The pixel unit 101'is configured by arranging a plurality of pixels in a two-dimensional array in order to provide a two-dimensional image. These circuits are formed on one semiconductor substrate, and the semiconductor process is miniaturized, the pixel spacing is reduced, and the area of peripheral circuits is reduced.

図28は、従来の撮像素子における1画素の構成及びその画素から信号を読み出す回路の構成を示す図である。 FIG. 28 is a diagram showing a configuration of one pixel in a conventional image sensor and a configuration of a circuit that reads a signal from the pixel.

図28に示すように、2次元の画像を提供する画素アレイは、複数の画素を2次元アレイ状に配列して構成される。各画素201’は、フォトダイオード(以下「PD」とも記す)202’、転送スイッチ203’、フローティングディフュージョン部(以下「FD」とも記す)204’、リセットスイッチ207’、増幅MOSアンプ205’、選択スイッチ206’を含むように構成される。 As shown in FIG. 28, a pixel array that provides a two-dimensional image is configured by arranging a plurality of pixels in a two-dimensional array. Each pixel 201'is selected from a photodiode (hereinafter also referred to as “PD”) 202', a transfer switch 203', a floating diffusion unit (hereinafter also referred to as“ FD ”) 204', a reset switch 207', and an amplification MOS amplifier 205'. It is configured to include switch 206'.

PD202’は、光学系を通して入射する光を光電変換して電荷を発生する光電変換素子として機能する。PD202’のアノードは接地ラインに接続され、カソードは転送スイッチ203’のソースに接続される。転送スイッチ203’は、そのゲート端子に入力される転送パルスφTXによって駆動され、PD202’で発生した電荷をFD204’に転送する。FD204’は、電荷を一時的に蓄積するとともに蓄積した電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部として機能する。 The PD202'functions as a photoelectric conversion element that photoelectrically converts the light incident through the optical system to generate an electric charge. The anode of PD202'is connected to the ground line and the cathode is connected to the source of transfer switch 203'. The transfer switch 203'is driven by the transfer pulse φTX input to the gate terminal, and transfers the electric charge generated by the PD 202' to the FD 204'. The FD204'functions as a charge-voltage converter that temporarily stores charges and converts the accumulated charges into voltage signals.

増幅MOSアンプ205’は、ソースフォロアとして機能し、そのゲートにはFD204’で電荷電圧変換された信号が入力される。また、増幅MOSアンプ205’は、そのドレインが第1電位を供給する第1電源線VDD1に接続され、そのソースが選択スイッチ206’に接続されている。選択スイッチ206’は、そのゲートに入力される垂直選択パルスφSELによって駆動され、そのドレインが増幅MOSアンプ205’に接続され、そのソースが垂直信号線(列信号線)208’に接続されている。垂直選択パルスφSELがアクティブレベル(ハイレベル)になると、画素アレイの該当する行に属する画素の選択スイッチ206’が導通状態になり、増幅MOSアンプ205のソースが垂直信号線208’に接続される。 The amplification MOS amplifier 205'functions as a source follower, and a signal whose charge and voltage are converted by the FD 204'is input to the gate. Further, the amplification MOS amplifier 205'is connected to the first power supply line VDD1 whose drain supplies the first potential, and its source is connected to the selection switch 206'. The selection switch 206'is driven by a vertical selection pulse φSEL input to its gate, its drain is connected to the amplification MOS amplifier 205', and its source is connected to the vertical signal line (column signal line) 208'. .. When the vertical selection pulse φSEL becomes the active level (high level), the selection switch 206'of the pixel belonging to the corresponding row of the pixel array becomes conductive, and the source of the amplification MOS amplifier 205 is connected to the vertical signal line 208'. ..

リセットスイッチ207’は、そのドレインが第2電位(リセット電位)を供給する第2電源線VDD2に接続され、そのソースがFD204’に接続されている。さらに、リセットスイッチ207’は、そのゲートに入力されるリセットパルスφRESによって駆動され、FD204’に蓄積されている電荷を除去する。 The reset switch 207'is connected to a second power supply line VDD2 whose drain supplies a second potential (reset potential), and its source is connected to the FD 204'. Further, the reset switch 207'is driven by the reset pulse φRES input to the gate and removes the electric charge accumulated in the FD 204'.

FD204’及び増幅MOSアンプ205’のほか、垂直信号線208’に定電流を供給する定電流源209’によってフローティングディフュージョンアンプが構成される。選択スイッチ206’で選択された行を構成する各画素において、PD202’からFD204’に転送される電荷がFD204’で電圧信号に変換されて、フローティングディフュージョンアンプを通じて列毎に設けられた垂直信号線(列信号線)208’に出力される。 In addition to the FD204'and the amplification MOS amplifier 205', the floating diffusion amplifier is composed of a constant current source 209'that supplies a constant current to the vertical signal line 208'. In each pixel constituting the row selected by the selection switch 206', the electric charge transferred from PD202' to FD204'is converted into a voltage signal by FD204', and a vertical signal line provided for each column through a floating diffusion amplifier. (Column signal line) Output to 208'.

垂直信号線(列信号線)208’の各々に接続された列回路103’は、CDS(相関2重サンプリング)回路及びゲインアンプなどで構成される。また、列回路103’は、列毎に同様の構成の回路で形成される。列回路103’で処理された信号は、各々対応する列メモリ104’に保持される。列メモリ104’で保持された信号は、出力信号線106’を介して出力回路107’に転送される。出力回路107’は、入力された信号に対して増幅やインピーダンス変換などを行い、撮像素子の外に信号を出力する。 The column circuit 103'connected to each of the vertical signal lines (column signal lines) 208' is composed of a CDS (correlation double sampling) circuit, a gain amplifier, and the like. Further, the column circuit 103'is formed by a circuit having the same configuration for each column. The signals processed by the column circuit 103'are held in the corresponding column memories 104'. The signal held in the column memory 104'is transferred to the output circuit 107' via the output signal line 106'. The output circuit 107'performs amplification, impedance conversion, and the like on the input signal, and outputs the signal to the outside of the image sensor.

特開2008−211220号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-21120

ところが特許文献1においては、画素の中でも信号量が微弱なフローティングディフュージョン(FD)で、チップ間の接続を行うため、FDの製造上のばらつきが、FDの容量値ばらつきとなる。その結果、PRNU(明時反応不均一性:Photo Response Non−Uniformity)やDSNU(暗時出力不均一性:Dark Signal Non−uniformity)の原因となってしまう。また、特許文献1には、読み出し回路の配置が記載されていないが、画素部と周辺回路部を別チップにしているので、従来に対し、効率的に読み出し回路を配置することが望まれる。また、最近では、列回路に列毎のAD変換器を導入するなど、周辺回路に複数の機能を実現する回路を導入するが故に、周辺回路のチップ面積が増大している。その結果周辺回路で発生する熱が、画素のPD202’に暗電流を発生させるだけでなく、周辺回路の配置に偏りがある場合には、暗電流が画面対応領域内で不均一になってしまうという課題が発生する。 However, in Patent Document 1, since the chips are connected by floating diffusion (FD) in which the signal amount is weak even among the pixels, the variation in the manufacturing of the FD becomes the variation in the capacitance value of the FD. As a result, it causes PRNU (photo response non-uniformity) and DSNU (dark output non-uniformity: Dark Signal Non-uniformity). Further, although the arrangement of the read-out circuit is not described in Patent Document 1, since the pixel portion and the peripheral circuit portion are on separate chips, it is desired to arrange the read-out circuit more efficiently than in the past. Further, recently, since a circuit that realizes a plurality of functions is introduced in a peripheral circuit such as introducing an AD converter for each column in a column circuit, the chip area of the peripheral circuit is increasing. As a result, the heat generated in the peripheral circuit not only generates a dark current in the PD202'of the pixel, but also if the arrangement of the peripheral circuit is biased, the dark current becomes non-uniform within the screen compatible area. The problem arises.

本発明の目的は、画素部の性能を損なわず、かつ周辺回路のチップ面積増大を抑制してコストの増大を抑制できる撮像素子及び撮像装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an image pickup device and an image pickup apparatus capable of suppressing an increase in chip area of a peripheral circuit and suppressing an increase in cost without impairing the performance of a pixel portion.

また、本発明の目的は、さらに、画素部と周辺回路部が別領域に形成された撮像素子において、画素部の性能を損なわず、かつ効率的に周辺回路を配置しチップ面積増大を抑制し、かつ周辺回路の発熱による暗電流の画面対応領域内不均一性を抑えた撮像素子及び撮像装置を提供することにある。 Further, an object of the present invention is to further suppress an increase in chip area by efficiently arranging peripheral circuits in an image sensor in which a pixel portion and a peripheral circuit portion are formed in different regions without impairing the performance of the pixel portion. Another object of the present invention is to provide an image pickup device and an image pickup device that suppress the non-uniformity of dark current in the screen corresponding region due to heat generation of peripheral circuits.

上記目的を達成するために、請求項1記載の撮像素子は、互いに積層されている第1の半導体基板および第2の半導体基板と、複数の画素が行列状に配置された画素部と、前記画素部を駆動する駆動回路と、前記画素部における所定単位の複数の画素毎に設けられ、前記所定単位の複数の画素から出力された信号に所定の信号処理を施す複数の信号処理回路と、前記複数の信号処理回路により所定の信号処理を施された信号を外部に出力する複数の出力回路と、を有し、撮像素子を光入射面側から見た場合に、前記複数の信号処理回路が前記画素部の下に重なる位置になるように、前記画素部および少なくとも一部の前記駆動回路が前記第1の半導体基板の領域に形成されるとともに、前記複数の信号処理回路および前記複数の出力回路が前記第2の半導体基板の領域に形成され、前記複数の出力回路は、前記画素部における画素配列の列方向において隣接するように、前記第2の半導体基板の側部に配置されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the image pickup element according to claim 1 includes a first semiconductor substrate and a second semiconductor substrate stacked on each other, a pixel portion in which a plurality of pixels are arranged in a matrix, and the above. A drive circuit for driving a pixel unit, a plurality of signal processing circuits provided for each of a plurality of pixels of a predetermined unit in the pixel unit, and a plurality of signal processing circuits for performing predetermined signal processing on signals output from the plurality of pixels of the predetermined unit. The plurality of output circuits for outputting a signal subjected to predetermined signal processing by the plurality of signal processing circuits to the outside, and the plurality of signal processing circuits when the image pickup element is viewed from the light incident surface side. The pixel portion and at least a part of the drive circuit are formed in the region of the first semiconductor substrate so that is located under the pixel portion, and the plurality of signal processing circuits and the plurality of signal processing circuits are formed. The output circuit is formed in the region of the second semiconductor substrate, and the plurality of output circuits are arranged on the side portion of the second semiconductor substrate so as to be adjacent to each other in the column direction of the pixel arrangement in the pixel portion. It is characterized by being.

また、上記目的を達成するために、請求項記載の撮像装置は、互いに積層されている第1の半導体基板および第2の半導体基板と、複数の画素が行列状に配置された画素部と、前記画素部を駆動する駆動回路と、前記画素部における所定単位の複数の画素毎に設けられ、前記所定単位の複数の画素から出力された信号に所定の信号処理を施す複数の信号処理回路と、前記複数の信号処理回路により所定の信号処理を施された信号を前記画素部における画素配列の行方向に出力する複数の出力回路と、を有し、撮像素子を光入射面側から見た場合に、前記複数の信号処理回路が前記画素部の下に重なる位置になるように、前記画素部および少なくとも一部の前記駆動回路が前記第1の半導体基板の領域に形成されるとともに、前記複数の信号処理回路および前記複数の出力回路が前記第2の半導体基板の領域に形成され、前記複数の出力回路は、前記画素部における画素配列の列方向において隣接するように、前記第2の半導体基板の側部に配置されている撮像素子と、前記撮像素子から出力された信号を記録媒体に記録する記録部と、前記撮像素子から出力された信号に基づく画像を表示する表示部と、前記撮像素子、前記記録部、前記表示部を含む装置全体を制御するコントローラと、を備えることを特徴とする。 Further, in order to achieve the above object, the image pickup apparatus according to claim 5 includes a first semiconductor substrate and a second semiconductor substrate which are laminated with each other, and a pixel portion in which a plurality of pixels are arranged in a matrix. , A drive circuit for driving the pixel unit, and a plurality of signal processing circuits provided for each of a plurality of pixels of the predetermined unit in the pixel unit and performing predetermined signal processing on signals output from the plurality of pixels of the predetermined unit. And a plurality of output circuits for outputting a signal subjected to predetermined signal processing by the plurality of signal processing circuits in the row direction of the pixel arrangement in the pixel portion, and the image pickup element is viewed from the light incident surface side. In this case, the pixel portion and at least a part of the drive circuit are formed in the region of the first semiconductor substrate so that the plurality of signal processing circuits are overlapped under the pixel portion. The second signal processing circuit and the plurality of output circuits are formed in the region of the second semiconductor substrate, and the plurality of output circuits are adjacent to each other in the column direction of the pixel arrangement in the pixel portion. An image pickup element arranged on the side of the semiconductor substrate, a recording section for recording a signal output from the image pickup element on a recording medium, and a display section for displaying an image based on the signal output from the image pickup element. A controller that controls the entire device including the image pickup element, the recording unit, and the display unit.

本発明によれば、画素部の性能を損なわず、かつ周辺回路のチップ面積増大によるコストの増大を抑制できるという効果が得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain the effect that the performance of the pixel portion is not impaired and the cost increase due to the increase in the chip area of the peripheral circuit can be suppressed.

また、本発明によれば、画素部の性能を損なわず、かつ効率的に効率的な周辺回路の配置が可能となり、かつ周辺回路の発熱による暗電流の画面対応領域内不均一性を抑えることが可能となる。 Further, according to the present invention, it is possible to efficiently and efficiently arrange peripheral circuits without impairing the performance of the pixel portion, and to suppress the non-uniformity of dark current in the screen corresponding region due to heat generation of the peripheral circuits. Is possible.

本発明の第1の実施の形態に係る撮像素子の全体構成を説明するためのブロック図である。It is a block diagram for demonstrating the whole structure of the image pickup device which concerns on 1st Embodiment of this invention. 第1の実施の形態に係る撮像素子における画素及びその画素から信号を読み出す回路構成を示す図である。It is a figure which shows the pixel in the image pickup device which concerns on 1st Embodiment, and the circuit structure which reads out the signal from the pixel. 図2の回路構成の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the circuit structure of FIG. 図2の回路構成の他の変形例を示す図である。It is a figure which shows the other modification of the circuit structure of FIG. 第1の実施の形態に係る撮像素子の断面構造を表わす図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure of the image sensor which concerns on 1st Embodiment. 図1に示す撮像素子の全体構成の変形例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the modification of the whole structure of the image pickup device shown in FIG. 図1に示す撮像素子の全体構成の他の変形例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the other modification of the whole structure of the image pickup device shown in FIG. 本発明の第2の実施の形態に係る撮像素子の断面構造を表わす図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure of the image pickup device which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図1に示す撮像素子の全体構成のさらに他の変形例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the further modification of the whole structure of the image pickup device shown in FIG. 第1及び第2の実施の形態及びその変形例のいずれかに係る撮像素子を搭載した撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図である。It is a figure which shows the schematic structure of the digital camera which is an example of the image pickup apparatus equipped with the image pickup element which concerns on one of the 1st and 2nd Embodiments and a modification thereof. 本発明の第3の実施の形態に係る撮像素子における1画素の構成及びその画素から信号を読み出す回路構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 1 pixel in the image sensor which concerns on 3rd Embodiment of this invention, and the circuit structure which reads a signal from the pixel. 図11の撮像素子の回路構成の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the circuit structure of the image sensor of FIG. 図11の撮像素子の回路構成の他の変形例を示す図である。It is a figure which shows the other modification of the circuit structure of the image sensor of FIG. 第3の実施の形態の撮像素子の全体構成を上から俯瞰した図である。It is the figure which took a bird's-eye view of the whole structure of the image sensor of 3rd Embodiment from above. 第3の実施の形態の変形例の撮像素子の断面図である。It is sectional drawing of the image sensor of the modification of 3rd Embodiment. 本発明の第5の実施の形態の撮像素子の全体構成を上から俯瞰した図である。It is the figure which took a bird's-eye view of the whole structure of the image sensor of the 5th Embodiment of this invention. 第5の実施の形態の撮像素子の全体構成変形例を上から俯瞰した図である。It is the figure which took a bird's-eye view from the top of the 5th Embodiment of the image sensor in the whole configuration deformation example. 第5の実施の形態の撮像素子の全体構成他の変形例を上から俯瞰した図である。It is the figure which took a bird's-eye view from the top of the whole structure of the image sensor of the 5th Embodiment and other modified examples. 本発明の第6の実施の形態の撮像素子の全体構成を上から俯瞰した図である。It is the figure which took a bird's-eye view of the whole structure of the image sensor of the 6th Embodiment of this invention. 第6の実施の形態の撮像素子の全体構成の変形例を上から俯瞰した図である。It is the figure which took a bird's-eye view from the top of the modified example of the whole configuration of the image sensor of the sixth embodiment. 第6の実施の形態の撮像素子の全体構成の他の変形例を上から俯瞰した図である。It is the figure which took a bird's-eye view from the other modified example of the whole structure of the image sensor of 6th Embodiment. 本発明の第7の実施の形態の撮像素子の全体構成を上から俯瞰した図である。It is the figure which took a bird's-eye view of the whole structure of the image sensor of the 7th Embodiment of this invention. 本発明の第8の実施の形態の撮像素子の全体構成を上から俯瞰した図である。It is the figure which took a bird's-eye view of the whole structure of the image sensor of the 8th Embodiment of this invention. 本発明の第9の実施の形態の撮像素子の全体構成を上から俯瞰した図である。It is the figure which took a bird's-eye view of the whole structure of the image sensor of the 9th Embodiment of this invention. 第9の実施の形態の撮像素子の全体構成の変形例を上から俯瞰した図である。It is the figure which looked at the modification of the whole structure of the image sensor of 9th Embodiment from the top. 第9の実施の形態の撮像素子の全体構成の他の変形例を上から俯瞰した図である。It is the figure which took a bird's-eye view from the other modified example of the whole structure of the image sensor of 9th Embodiment. 従来の撮像素子の概略構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the schematic structure of the conventional image sensor. 従来の撮像素子における1画素の構成及びその画素から信号を読み出す回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of one pixel in the conventional image sensor, and the structure of the circuit which reads a signal from the pixel.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳述する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の第1の実施の形態に係る撮像素子の概略構成を説明するための図である。実際には、図示の領域1と領域2が上下方向に重なっているものとする。 FIG. 1 is a diagram for explaining a schematic configuration of an image pickup device according to a first embodiment of the present invention. Actually, it is assumed that the illustrated area 1 and the area 2 overlap in the vertical direction.

図1において、撮像素子は、画素部101、画素部101における行を選択する垂直選択回路102、画素部101中の画素のうち垂直選択回路102によって選択される行の画素の信号を読み出して所定の処理を施す列回路103を有する。さらに、撮像素子は、列回路103で処理された信号を列毎に保持する列メモリ104、列メモリ104で保持された信号を選択する水平選択回路105、水平選択回路105で選択された列を出力回路107に読み出す出力信号線106を有する。なお、撮像素子は、図示された構成要素以外にも、例えば、垂直選択回路102、水平選択回路105、列回路103等にタイミングを提供する後述のタイミングジェネレータ1007、後述の制御回路1009、DA変換器等が組み込まれていてもよいが、これらは、撮像素子と同じ基板上に設ける必要はなく、タイミングジェネレータ1007及び制御回路1009は、図10におけるように、撮像素子とは別体に設けてもよい。 In FIG. 1, the image sensor reads out the signal of the pixel unit 101, the vertical selection circuit 102 that selects the row in the pixel unit 101, and the pixel of the row selected by the vertical selection circuit 102 among the pixels in the pixel unit 101. It has a column circuit 103 that performs the process of. Further, the image sensor selects a column memory 104 that holds the signal processed by the column circuit 103 for each column, a horizontal selection circuit 105 that selects the signal held by the column memory 104, and a column selected by the horizontal selection circuit 105. It has an output signal line 106 to be read out to the output circuit 107. In addition to the components shown in the image sensor, the image sensor includes, for example, a timing generator 1007 described later, a control circuit 1009 described later, and DA conversion that provide timing to the vertical selection circuit 102, the horizontal selection circuit 105, the column circuit 103, and the like. Although devices and the like may be incorporated, they do not need to be provided on the same substrate as the image sensor, and the timing generator 1007 and the control circuit 1009 are provided separately from the image sensor as shown in FIG. May be good.

垂直選択回路102は、画素部101の複数の行を順に選択し、列回路103を介して、選択した行の信号を列メモリ104に出力する。水平選択回路105は、列メモリ104に保持された信号を順に選択し、出力信号線106を介して出力回路107に出力する。画素部101は、2次元の画像を提供するために、複数の画素を2次元アレイ状に配列して構成される。 The vertical selection circuit 102 sequentially selects a plurality of rows of the pixel unit 101, and outputs the signal of the selected row to the column memory 104 via the column circuit 103. The horizontal selection circuit 105 sequentially selects the signals held in the column memory 104 and outputs them to the output circuit 107 via the output signal line 106. The pixel unit 101 is configured by arranging a plurality of pixels in a two-dimensional array in order to provide a two-dimensional image.

領域1に含まれる画素部101、垂直選択回路102、及び出力回路107は、第1の半導体基板に形成される。一方、領域2に含まれる列回路103、列メモリ104、水平選択回路105、及び出力信号線106は、第2の半導体基板に形成される。第1の半導体基板と第2の半導体基板は、それぞれ別に形成され、電気的に接続が必要な配線を接続して積層されることにより、同一のパッケージに実装される。すなわち、撮像素子のパッケージの上面(画素部101の光入射面側)から俯瞰すると、第1の半導体基板の領域1に形成された画素部101の下部に、第2の半導体基板の領域2に形成された列回路103、列メモリ104、水平選択回路105、及び出力信号線106が重なるような位置に存在することになる。領域1にある垂直選択回路102や出力回路107の下の領域2に、タイミングジェネレータ1007や制御回路1009、DA変換器等を配置すると面積効率がよい。なお、以下に説明する複数の実施の形態では、第1の半導体基板と第2の半導体基板を備える構成を一例として説明するが、これに限らず、さらに別の半導体基板を備える構成でもかまわない。 The pixel portion 101, the vertical selection circuit 102, and the output circuit 107 included in the region 1 are formed on the first semiconductor substrate. On the other hand, the column circuit 103, the column memory 104, the horizontal selection circuit 105, and the output signal line 106 included in the region 2 are formed on the second semiconductor substrate. The first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate are separately formed, and are mounted in the same package by connecting and stacking wirings that require electrical connection. That is, when viewed from the upper surface of the package of the image sensor (the light incident surface side of the pixel portion 101), the region 2 of the second semiconductor substrate is located below the pixel portion 101 formed in the region 1 of the first semiconductor substrate. The formed column circuit 103, column memory 104, horizontal selection circuit 105, and output signal line 106 are located at overlapping positions. Area efficiency is improved by arranging the timing generator 1007, the control circuit 1009, the DA converter, and the like in the region 2 below the vertical selection circuit 102 and the output circuit 107 in the region 1. In the plurality of embodiments described below, the configuration including the first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate will be described as an example, but the present invention is not limited to this, and a configuration including another semiconductor substrate may be used. ..

図2は、第1の実施の形態に係る撮像素子における1画素の構成及びその画素から信号を読み出す回路の構成を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing a configuration of one pixel in the image sensor according to the first embodiment and a configuration of a circuit for reading a signal from the pixel.

図2に示すように、2次元の画像を提供する画素アレイは、複数の画素を2次元アレイ状に配列して構成される。各画素201は、フォトダイオード(以下「PD」とも記す)202、転送スイッチ203、フローティングディフュージョン部(以下「FD」とも記す)204、リセットスイッチ207、増幅MOSアンプ205、選択スイッチ206を含むように構成される。リセットスイッチ207は、リセット部として機能する。 As shown in FIG. 2, a pixel array that provides a two-dimensional image is configured by arranging a plurality of pixels in a two-dimensional array. Each pixel 201 includes a photodiode (hereinafter also referred to as “PD”) 202, a transfer switch 203, a floating diffusion unit (hereinafter also referred to as “FD”) 204, a reset switch 207, an amplification MOS amplifier 205, and a selection switch 206. It is composed. The reset switch 207 functions as a reset unit.

PD202は、光学系を通して入射する光を光電変換して電荷を発生する光電変換素子として機能する。PD202のアノードは接地ラインに接続され、カソードは転送スイッチ203のソースに接続される。転送スイッチ(転送ユニット)203は、そのゲート端子に入力される転送パルスφTXによって駆動され、PD202で発生した電荷をFD204に転送する。FD204は、電荷を一時的に蓄積するとともに蓄積した電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部として機能する。 The PD202 functions as a photoelectric conversion element that generates electric charges by photoelectrically converting light incident through an optical system. The anode of PD202 is connected to the ground line and the cathode is connected to the source of transfer switch 203. The transfer switch (transfer unit) 203 is driven by the transfer pulse φTX input to the gate terminal, and transfers the electric charge generated by the PD 202 to the FD 204. The FD204 functions as a charge-voltage conversion unit that temporarily stores electric charges and converts the accumulated electric charges into voltage signals.

増幅MOSアンプ(増幅部)205は、MOSFET等の増幅回路で構成され、ソースフォロアとして機能し、そのゲートにはFD204で電荷電圧変換された信号が入力される。また、増幅MOSアンプ205は、そのドレインが第1電位を供給する第1電源線VDD1に接続され、そのソースが選択スイッチ206に接続されている。選択スイッチ206は、そのゲートに入力される垂直選択パルスφSELによって駆動され、そのドレインが増幅MOSアンプ205に接続され、そのソースが垂直信号線208に接続されている。垂直選択パルスφSELがアクティブレベル(ハイレベル)になると、画素アレイの該当する行に属する画素の選択スイッチ206が導通状態になり、増幅MOSアンプ205のソースが垂直信号線208に接続される。 The amplifier MOS amplifier (amplification unit) 205 is composed of an amplifier circuit such as a MOSFET, functions as a source follower, and a signal converted by charge voltage by FD204 is input to the gate. Further, the amplification MOS amplifier 205 has its drain connected to the first power supply line VDD1 for supplying the first potential, and its source is connected to the selection switch 206. The selection switch 206 is driven by a vertical selection pulse φSEL input to its gate, its drain is connected to the amplification MOS amplifier 205, and its source is connected to the vertical signal line 208. When the vertical selection pulse φSEL becomes the active level (high level), the selection switch 206 of the pixel belonging to the corresponding row of the pixel array becomes conductive, and the source of the amplification MOS amplifier 205 is connected to the vertical signal line 208.

リセットスイッチ(リセットユニット)207は、そのドレインが定電位である第2電位(リセット電位)を供給する第2電源線VDD2に接続され、そのソースがFD204に接続されている。また、リセットスイッチ207は、そのゲートに入力されるリセットパルスφRESによって駆動され、FD204に蓄積されている電荷を除去する。φTX、φSEL、及びφRESは、垂直選択回路102から供給される。 The reset switch (reset unit) 207 is connected to a second power supply line VDD2 whose drain supplies a second potential (reset potential) which is a constant potential, and its source is connected to the FD204. Further, the reset switch 207 is driven by the reset pulse φRES input to the gate and removes the electric charge accumulated in the FD 204. φTX, φSEL, and φRES are supplied from the vertical selection circuit 102.

FD204及び増幅MOSアンプ205のほか、垂直信号線208に定電流を供給する定電流源209によってフローティングディフュージョンアンプが構成される。選択スイッチ206で選択された行を構成する各画素において、PD202からFD204に転送される電荷がFD204で電圧信号に変換されて、フローティングディフュージョンアンプを通じて列毎に設けられた垂直信号線(列信号線)208に出力される。 In addition to the FD 204 and the amplification MOS amplifier 205, a floating diffusion amplifier is configured by a constant current source 209 that supplies a constant current to the vertical signal line 208. In each pixel constituting the row selected by the selection switch 206, the electric charge transferred from PD202 to FD204 is converted into a voltage signal by FD204, and a vertical signal line (column signal line) provided for each column through a floating diffusion amplifier is provided. ) Output to 208.

垂直信号線(列信号線)208の各々に接続された列回路103は、CDS(相関2重サンプリング)回路やゲインアンプなどで構成される。CDS回路は、垂直信号線208に出力された信号に相関2重サンプリング処理を施す。また、ゲインアンプは、垂直信号線208に出力された信号を所定の増幅率で増幅する。また、列回路103は、列毎に同様の構成の回路で形成される。列回路103で上記処理を施された信号は、各々対応する列メモリ104に保持される。列メモリ104で保持された信号は、出力信号線106を介して出力回路107に転送される。出力回路107は、入力された信号に対して増幅やインピーダンス変換などを行い、撮像素子の外部に信号を出力する。 The column circuit 103 connected to each of the vertical signal lines (column signal lines) 208 is composed of a CDS (correlation double sampling) circuit, a gain amplifier, and the like. The CDS circuit performs a correlation double sampling process on the signal output to the vertical signal line 208. Further, the gain amplifier amplifies the signal output to the vertical signal line 208 at a predetermined amplification factor. Further, the column circuit 103 is formed by a circuit having the same configuration for each column. The signals subjected to the above processing in the column circuit 103 are held in the corresponding column memories 104, respectively. The signal held in the column memory 104 is transferred to the output circuit 107 via the output signal line 106. The output circuit 107 performs amplification, impedance conversion, and the like on the input signal, and outputs the signal to the outside of the image sensor.

列回路103、列メモリ104、及び出力回路107は、前述のような回路構成をとることもできるが、列回路103に列毎にAD変換器をもったタイプでもよい。その場合は、列回路103は、CDS回路やゲインアンプに加え、AD変換器を有する。また、その際の列メモリ104はデジタル(デジタル信号)のメモリであり、出力回路107には、LVDS(Low Voltage Differential Signaling)ドライバーなどの構成要素も含まれる。 The column circuit 103, the column memory 104, and the output circuit 107 may have the circuit configuration as described above, but may be of a type in which the column circuit 103 has an AD converter for each column. In that case, the column circuit 103 has an AD converter in addition to the CDS circuit and the gain amplifier. Further, the column memory 104 at that time is a digital (digital signal) memory, and the output circuit 107 also includes components such as an LVDS (Low Voltage Differential Signaling) driver.

図示の領域1すなわち第1半導体基板には、画素毎に設けられた、PD202、転送スイッチ203、FD204、リセットスイッチ207、増幅MOSアンプ205、及び選択スイッチ206、ならびに出力回路107を含むように構成されている。 The illustrated region 1, that is, the first semiconductor substrate is configured to include a PD 202, a transfer switch 203, an FD 204, a reset switch 207, an amplification MOS amplifier 205, a selection switch 206, and an output circuit 107 provided for each pixel. Has been done.

図示の領域2すなわち第2半導体基板には、列毎に設けられた、垂直信号線208、定電流源209、列回路103、列メモリ104、及び出力信号線106を含むように構成されている。なお、垂直信号線(列信号線)208は、画素部101と列回路103を接続する配線であり、領域1または領域2のどちらに含まれていてもよい。また、選択スイッチ206は領域2に含まれていてもよい。 The illustrated region 2, that is, the second semiconductor substrate, is configured to include a vertical signal line 208, a constant current source 209, a row circuit 103, a row memory 104, and an output signal line 106 provided for each row. .. The vertical signal line (column signal line) 208 is a wiring connecting the pixel unit 101 and the column circuit 103, and may be included in either the region 1 or the region 2. Further, the selection switch 206 may be included in the region 2.

また、図3に示す回路構成の変形例のように、定電流源209は領域1にあってもよい。ただし、この場合は定電流源209を画素と同一の基板に配置するため、あまり面積効率はよくない。画素部の面積より、列回路103、列メモリ104、出力信号線106などの構成面積が大きい場合にのみ、有効である。 Further, the constant current source 209 may be in the region 1 as in the modified example of the circuit configuration shown in FIG. However, in this case, since the constant current source 209 is arranged on the same substrate as the pixels, the area efficiency is not very good. It is effective only when the constituent area of the column circuit 103, the column memory 104, the output signal line 106, and the like is larger than the area of the pixel portion.

また、図4で示す回路構成の他の変形例のように、選択スイッチ206がない構成であってもよい。選択スイッチ206がない構成においては、ΦRESと第2電源線VDD2の電位を制御することで、選択行と非選択行の設定を行う。 Further, as in another modification of the circuit configuration shown in FIG. 4, the configuration may not have the selection switch 206. In the configuration without the selection switch 206, the selected line and the non-selected line are set by controlling the potentials of ΦRES and the second power supply line VDD2.

図5は、本発明の第1の実施形態に係る撮像素子の断面構造を表わす図である。第1半導体基板を表す領域1が第2半導体基板を表す領域2の上に積層された構造を示している。図2に示す構成要素と同じものについては同一の符合を付す。 FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional structure of the image pickup device according to the first embodiment of the present invention. The region 1 representing the first semiconductor substrate shows a structure laminated on the region 2 representing the second semiconductor substrate. The same components as those shown in FIG. 2 are given the same sign.

第1半導体基板を表わす領域1は、半導体基板501上に形成される。領域1は、第1導電型の領域502、PDの領域202、PD202の暗電流を抑制するための、第1導電型の領域503を備える。また、転送スイッチ203、FD204、増幅MOSアンプ205を備える。この他にも、リセットスイッチ207も含む。 The region 1 representing the first semiconductor substrate is formed on the semiconductor substrate 501. The region 1 includes a first conductive type region 502, a PD region 202, and a first conductive type region 503 for suppressing the dark current of the PD 202. It also includes a transfer switch 203, an FD 204, and an amplification MOS amplifier 205. In addition to this, the reset switch 207 is also included.

さらに、素子分離領域504、多層に形成された配線層505、多層配線層505間の層間膜506を備える。スルーホール507は、配線間を電気的に接続する。領域1は画素部を含むため、色分離を行うカラーフィルター508や、光を集光するマイクロレンズ509も含む。 Further, the element separation region 504, the wiring layer 505 formed in multiple layers, and the interlayer film 506 between the multilayer wiring layers 505 are provided. Through holes 507 electrically connect the wirings. Since the region 1 includes a pixel portion, it also includes a color filter 508 that performs color separation and a microlens 509 that collects light.

第1半導体基板以外の半導体基板として第2半導体基板を表わす領域2は、半導体基板510上に形成される。各スイッチ群511の複数種類のスイッチにより列回路103の各回路が形成される。また、領域2は、列メモリ104、出力信号線106なども含む。垂直信号線208の接続ポイント115は、マイクロバンプ等で領域1と領域2を電気的に接続する。また、垂直信号線208の接続ポイント115以外にも、電源や各種駆動パルスなどを供給する配線同士が、マイクロバンプ等の接続ポイント512で接続される。なお、本実施の形態では、裏面照射タイプで受光部を形成した第1半導体基板を図示したが、裏面照射タイプでなく、表面照射タイプでもよい。 The region 2 representing the second semiconductor substrate as a semiconductor substrate other than the first semiconductor substrate is formed on the semiconductor substrate 510. Each circuit of the column circuit 103 is formed by a plurality of types of switches of each switch group 511. The area 2 also includes a column memory 104, an output signal line 106, and the like. The connection point 115 of the vertical signal line 208 electrically connects the area 1 and the area 2 with a micro bump or the like. In addition to the connection point 115 of the vertical signal line 208, wirings for supplying power and various drive pulses are connected at connection points 512 such as micro bumps. In the present embodiment, the first semiconductor substrate in which the light receiving portion is formed by the back-illuminated type is shown, but the front-illuminated type may be used instead of the back-illuminated type.

本実施の形態では、図1のように、領域1に画素部101、垂直選択回路102、及び出力回路107を形成し、その他の駆動回路は領域2に配置したが、これに限定するものではない。例えば、図6の撮像素子の全体構成の変形例のように、出力回路107を領域2に配置してもよい。 In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the pixel portion 101, the vertical selection circuit 102, and the output circuit 107 are formed in the area 1, and the other drive circuits are arranged in the area 2, but the present invention is not limited to this. do not have. For example, the output circuit 107 may be arranged in the region 2 as in the modified example of the overall configuration of the image sensor in FIG.

また、図7の撮像素子の全体構成の他の変形例に示すように、垂直選択回路102の一部を領域1に、垂直選択回路102の残りを領域2に配置してもよい。また、その際には、上から俯瞰した際に略同一の箇所に配置することで、面積効率を上げることもできる。つまり、本発明においては、画素部101のうち、FD204を領域1および領域2に分断することがないように、少なくとも転送スイッチ203、FD204、リセットスイッチ207、増幅MOSアンプ205が領域1にあればよい。その他の駆動回路は半導体基板の面積効率に応じて、領域1に配置されていても、領域2に配置されていてもよい。 Further, as shown in another modification of the overall configuration of the image pickup device of FIG. 7, a part of the vertical selection circuit 102 may be arranged in the region 1 and the rest of the vertical selection circuit 102 may be arranged in the region 2. Further, in that case, the area efficiency can be improved by arranging them in substantially the same place when viewed from above. That is, in the present invention, if at least the transfer switch 203, the FD 204, the reset switch 207, and the amplification MOS amplifier 205 are in the region 1 so that the FD 204 is not divided into the region 1 and the region 2 in the pixel unit 101. good. The other drive circuits may be arranged in the area 1 or the area 2 depending on the area efficiency of the semiconductor substrate.

上記実施の形態では、図5に示すように、領域1を第1の半導体基板、領域2を第2の半導体基板としているが、これに限定するものではなく、図8に示すように、同一の半導体基板に形成してもよい。 In the above embodiment, as shown in FIG. 5, the region 1 is a first semiconductor substrate and the region 2 is a second semiconductor substrate, but the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. 8, they are the same. It may be formed on the semiconductor substrate of.

図8は、本発明の第2の実施の形態に係る撮像素子の断面構造を表わす図である。図2に示す構成要素と図5に示す構成要素と同じものについては同一の符合を付してそれらの説明は省略する。 FIG. 8 is a diagram showing a cross-sectional structure of an image pickup device according to a second embodiment of the present invention. The components shown in FIG. 2 and the same components shown in FIG. 5 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

図8に示す第2の実施の形態においては、半導体基板501の表面(第1面または第2面)、裏面(第1面または第2面)にそれぞれ領域1、領域2が形成されている。本実施の形態では、領域1が形成された側を表面、領域2が形成された側を裏面として説明する。保護層801は、裏面の配線層505を保護する。プラグ802は、表面と裏面を電気的に接続する。 In the second embodiment shown in FIG. 8, regions 1 and 2 are formed on the front surface (first surface or second surface) and the back surface (first surface or second surface) of the semiconductor substrate 501, respectively. .. In the present embodiment, the side on which the region 1 is formed will be described as the front surface, and the side on which the region 2 is formed will be described as the back surface. The protective layer 801 protects the wiring layer 505 on the back surface. The plug 802 electrically connects the front surface and the back surface.

また、上記実施の形態では、領域1、領域2として説明したが、2つの領域に限定するものではなく、複数の領域に分割して、各構成要素を配置してもよい。例えば、図9に示す変形例のように、領域1に画素部101、垂直選択回路102を形成し、残りの駆動回路を領域2、領域3に分割して形成するように構成してもよい。図示例では、領域2に、垂直選択回路102の残りと列回路103が形成され、領域3に、列回路103の残りとその他の駆動回路が別々に形成されている。このように、複数の領域にまたがって各構成要素を別々に配置することで、列毎にAD変換器などを搭載し、増大する列回路103の配置を有効に行うことが可能となる。なお、領域1、領域2、領域3をそれぞれ別々の半導体基板に形成してもかまわない。 Further, in the above embodiment, the description is made as the area 1 and the area 2, but the present invention is not limited to the two areas, and each component may be arranged by dividing into a plurality of areas. For example, as in the modified example shown in FIG. 9, the pixel portion 101 and the vertical selection circuit 102 may be formed in the region 1, and the remaining drive circuit may be divided into the region 2 and the region 3 to be formed. .. In the illustrated example, the rest of the vertical selection circuit 102 and the row circuit 103 are formed in the region 2, and the rest of the row circuit 103 and the other drive circuits are separately formed in the region 3. By arranging each component separately over a plurality of regions in this way, it is possible to mount an AD converter or the like for each column and effectively arrange the increasing column circuit 103. The region 1, the region 2, and the region 3 may be formed on separate semiconductor substrates.

図10は、上述した実施の形態及び変形例のいずれかに係る撮像素子を搭載した撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図である。 FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration of a digital camera which is an example of an image pickup device equipped with an image pickup device according to any one of the above-described embodiments and modifications.

図10において、被写体の光学像を固体撮像素子(実施の形態及び変形例のいずれかに係る撮像素子)1005に結像させるレンズ部1001は、レンズ駆動装置1002によってズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などが行われる。メカニカルシャッター1003は、シャッター制御ユニット1004によって制御される。固体撮像素子1005は、レンズ部1001で結像された被写体像を画像信号に変換して出力する。撮像信号処理回路1006は、固体撮像素子1005から出力される画像信号に各種の補正を行ったり、データを圧縮したりする。 In FIG. 10, the lens unit 1001 for forming an optical image of a subject on a solid-state image sensor (an image sensor according to any of the embodiments and modifications) 1005 is zoom-controlled, focused-controlled, and aperture-controlled by the lens driving device 1002. And so on. The mechanical shutter 1003 is controlled by the shutter control unit 1004. The solid-state image sensor 1005 converts the subject image imaged by the lens unit 1001 into an image signal and outputs the image signal. The image pickup signal processing circuit 1006 performs various corrections on the image signal output from the solid-state image sensor 1005 and compresses the data.

タイミングジェネレータ1007は、固体撮像素子1005、撮像信号処理回路1006に、各種タイミング信号を出力する駆動ユニットである。制御回路1009は、各種演算と撮像装置全体を制御する。メモリ1008は、画像データを一時的に記憶する。記録媒体制御インターフェース1010は、半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体1011に記録または読み出しを行う。表示部1012は、各種情報や撮影画像を表示する。 The timing generator 1007 is a drive unit that outputs various timing signals to the solid-state image sensor 1005 and the image pickup signal processing circuit 1006. The control circuit 1009 controls various calculations and the entire image pickup apparatus. Memory 1008 temporarily stores image data. The recording medium control interface 1010 records or reads from a removable recording medium 1011 such as a semiconductor memory. The display unit 1012 displays various information and captured images.

次に、前述の構成を有するデジタルカメラの撮影時の動作について説明する。 Next, the operation at the time of shooting of the digital camera having the above-described configuration will be described.

不図示のメイン電源がオンされると、コントロール系の電源がオンし、更に撮像信号処理回路1006などの撮像系回路の電源がオンされる。つづいて、不図示のレリーズボタンが押されると、測距装置1014から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し、被写体までの距離の演算を制御回路1009で行う。その後、レンズ駆動装置1002によりレンズ部1001を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズ部1001を駆動して測距を行う。そして、合焦が確認された後に撮影動作が開始する。 When the main power supply (not shown) is turned on, the power supply of the control system is turned on, and the power supply of the image pickup system circuit such as the image pickup signal processing circuit 1006 is further turned on. Subsequently, when a release button (not shown) is pressed, a high frequency component is extracted based on the signal output from the distance measuring device 1014, and the distance to the subject is calculated by the control circuit 1009. After that, the lens driving device 1002 drives the lens unit 1001 to determine whether or not it is in focus, and when it is determined that the lens unit 1001 is not in focus, the lens unit 1001 is driven again to perform distance measurement. Then, after the focusing is confirmed, the shooting operation starts.

撮影動作が終了すると、固体撮像素子1005から出力された画像信号は、撮像信号処理回路1006で画像処理され、制御回路1009によりメモリ1008に書き込まれる。メモリ1008に蓄積されたデータは、制御回路1009の制御により記録媒体制御I/F部1010を通り、半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体1011に記録される。なお、図示しない外部I/F部を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。 When the photographing operation is completed, the image signal output from the solid-state image sensor 1005 is image-processed by the image pickup signal processing circuit 1006 and written to the memory 1008 by the control circuit 1009. The data stored in the memory 1008 passes through the recording medium control I / F unit 1010 under the control of the control circuit 1009, and is recorded in the removable recording medium 1011 such as a semiconductor memory. The image may be processed by directly inputting to a computer or the like through an external I / F unit (not shown).

図11は、本発明の第3の実施の形態の撮像素子における1画素の構成及びその画素から信号を読み出す回路構成を示す図である。領域1は、第1の半導体基板に形成された回路を有するチップであり、領域2は、第2の半導体基板に形成された回路を有するチップである。 FIG. 11 is a diagram showing a configuration of one pixel in the image sensor according to the third embodiment of the present invention and a circuit configuration for reading a signal from the pixel. Region 1 is a chip having a circuit formed on the first semiconductor substrate, and region 2 is a chip having a circuit formed on the second semiconductor substrate.

領域1の中には、主に画素201を有し、領域2の中には、主に画素201からの信号を処理する列回路を有する。 The area 1 mainly has pixels 201, and the area 2 has a column circuit that mainly processes signals from pixels 201.

領域1は、2次元の画像を提供する画素アレイとして、複数の画素201を2次元アレイ状に配列して構成される。各画素201は、フォトダイオード(以下、PDとも記す)202、転送スイッチ203、フローティングディフュージョン部(以下、FDとも記す)204、増幅MOSアンプ205、選択スイッチ206及び、リセットスイッチ207を含んで構成されうる。 The region 1 is configured by arranging a plurality of pixels 201 in a two-dimensional array as a pixel array that provides a two-dimensional image. Each pixel 201 includes a photodiode (hereinafter, also referred to as PD) 202, a transfer switch 203, a floating diffusion unit (hereinafter, also referred to as FD) 204, an amplification MOS amplifier 205, a selection switch 206, and a reset switch 207. sell.

PD202は、光学系を通して入射する光を光電変換して電荷を発生する光電変換部として機能する。PD202のアノードは接地ラインに接続され、カソードは転送スイッチ203のソースに接続される。転送部としての転送スイッチ203は、そのゲート端子に入力される転送パルスφTXによって駆動され、PD202で発生した電荷をFD204に転送する。FD204は、電荷を一時的に蓄積するとともに蓄積した電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部として機能する。 The PD202 functions as a photoelectric conversion unit that generates electric charges by photoelectrically converting light incident through the optical system. The anode of PD202 is connected to the ground line and the cathode is connected to the source of transfer switch 203. The transfer switch 203 as a transfer unit is driven by the transfer pulse φTX input to the gate terminal, and transfers the electric charge generated by the PD 202 to the FD 204. The FD204 functions as a charge-voltage conversion unit that temporarily stores electric charges and converts the accumulated electric charges into voltage signals.

増幅MOSアンプ205は、ソースフォロアとして機能し、そのゲートにはFD204で電荷電圧変換された信号が入力される。また、増幅MOSアンプ205は、そのドレインが第1電位を供給する第1電源線VDD1に接続され、そのソースが選択スイッチ206に接続されている。選択スイッチ206は、そのゲートに入力される垂直選択パルスφSELによって駆動され、そのドレインが増幅MOSアンプ205に接続され、そのソースが垂直信号線208に接続されている。垂直選択パルスφSELがアクティブレベル(ハイレベル)になると、画素アレイの該当する行に属する画素の選択スイッチ206が導通状態になり、増幅MOSアンプ205のソースが垂直信号線208に接続される。垂直信号線208は列を共有する複数の画素201で共有される。 The amplification MOS amplifier 205 functions as a source follower, and a signal whose charge and voltage are converted by the FD 204 is input to the gate. Further, the amplification MOS amplifier 205 has its drain connected to the first power supply line VDD1 for supplying the first potential, and its source is connected to the selection switch 206. The selection switch 206 is driven by a vertical selection pulse φSEL input to its gate, its drain is connected to the amplification MOS amplifier 205, and its source is connected to the vertical signal line 208. When the vertical selection pulse φSEL becomes the active level (high level), the selection switch 206 of the pixel belonging to the corresponding row of the pixel array becomes conductive, and the source of the amplification MOS amplifier 205 is connected to the vertical signal line 208. The vertical signal line 208 is shared by a plurality of pixels 201 that share a column.

リセットスイッチ207は、そのドレインが第2電位(リセット電位)を供給する第2電源線VDD2に接続され、そのソースがFD204に接続されていて、そのゲートに入力されるリセットパルスφRESによって駆動されて、FD204に蓄積されている電荷を除去する。 The reset switch 207 is connected to a second power supply line VDD2 whose drain supplies a second potential (reset potential), its source is connected to FD204, and is driven by a reset pulse φRES input to its gate. , Removes the charge stored in the FD204.

FD204及び増幅MOSアンプ205他、垂直信号線208に定電流を供給する定電流源209によってフローティングディフュージョンアンプが構成される。選択スイッチ206で選択された行を構成する各画素において、PD202からFD204に転送される電荷がFD204で電圧信号に変換されて、フローティングディフュージョンアンプを通じて列毎に設けられた垂直信号線(列信号線)208に出力される。φTX、φSEL、φRESは後述する垂直選択回路から供給される。 A floating diffusion amplifier is composed of an FD 204, an amplification MOS amplifier 205, and a constant current source 209 that supplies a constant current to the vertical signal line 208. In each pixel constituting the row selected by the selection switch 206, the electric charge transferred from PD202 to FD204 is converted into a voltage signal by FD204, and a vertical signal line (column signal line) provided for each column through a floating diffusion amplifier is provided. ) Output to 208. φTX, φSEL, and φRES are supplied from a vertical selection circuit described later.

垂直信号線(列信号線)208の各々に接続された列回路103は、列アンプ110などで構成される。列回路103は、各列同様の構成の回路で形成される。列回路103は、図11で示した列アンプ110だけの構成であってもよいし、CDS(相関2重サンプリング)回路などを含む構成であってもよい。 The column circuit 103 connected to each of the vertical signal lines (column signal lines) 208 is composed of a column amplifier 110 and the like. The column circuit 103 is formed of circuits having the same configuration as each column. The column circuit 103 may have a configuration of only the column amplifier 110 shown in FIG. 11, or may have a configuration including a CDS (correlation double sampling) circuit and the like.

列回路103で各種処理を施された信号は、各々対応する列メモリ104に保持される。列メモリ104で保持された信号は、出力信号線106を介し、出力回路107に転送される。出力回路107は、増幅やインピーダンス変換などを行い、撮像素子の外部に信号を出力する。 The signals subjected to various processing in the column circuit 103 are held in the corresponding column memories 104. The signal held in the column memory 104 is transferred to the output circuit 107 via the output signal line 106. The output circuit 107 performs amplification, impedance conversion, and the like, and outputs a signal to the outside of the image sensor.

領域1と領域2は垂直信号線(列信号線)208の接続ポイント115を介して、電気的に接続される。図11に示すように接続ポイント115を増幅MOSアンプ205より後にすることで、PRNUやDSNUを低減することが可能となる。定電流源209は領域2にあってもよいし、領域1にあってもよい。 Region 1 and region 2 are electrically connected via a connection point 115 of a vertical signal line (column signal line) 208. By setting the connection point 115 after the amplification MOS amplifier 205 as shown in FIG. 11, it is possible to reduce PRNU and DSNU. The constant current source 209 may be in the region 2 or the region 1.

図12は、図11の撮像素子回路の変形例を示す図である。 FIG. 12 is a diagram showing a modified example of the image sensor circuit of FIG.

図12では、列アンプ110の後に列AD111を搭載している。列AD111は、列毎のADコンバーターであり、AD変換を行う。この場合、列回路103は列アンプ110、列AD111で構成される。また、前述したCDS回路等を含んでもよい。列AD111を有する構成の場合は、列メモリ104はデジタルのメモリであり、出力回路107は、LVDSドライバーなどの構成要素も含まれる。 In FIG. 12, the row AD111 is mounted after the row amplifier 110. The column AD111 is an AD converter for each column, and performs AD conversion. In this case, the column circuit 103 is composed of a column amplifier 110 and a column AD111. Moreover, the above-mentioned CDS circuit and the like may be included. In the case of the configuration having the column AD111, the column memory 104 is a digital memory, and the output circuit 107 also includes components such as an LVDS driver.

また、図13で示すもう1つの変形例のように、選択スイッチ206がない構成でもよい。 Further, as in the other modification shown in FIG. 13, a configuration without the selection switch 206 may be used.

図14は、第3の実施の形態の撮像素子の概略を上から俯瞰した図である。領域1と領域2は、それぞれ別の半導体基板上に形成されたチップであり、電気的に接続が必要な配線を接続して、同一のパッケージに実装される。すなわちパッケージの上面から俯瞰すると、領域1の下に領域2が重なって配置されている。 FIG. 14 is a bird's-eye view of the outline of the image sensor according to the third embodiment. Regions 1 and 2 are chips formed on different semiconductor substrates, and are mounted in the same package by connecting wirings that need to be electrically connected. That is, when viewed from the upper surface of the package, the area 2 is arranged under the area 1.

領域1は、画素201が複数行、複数列にアレイ上に形成されている。画素201を駆動するための、前述のφTX、φSEL、φRESが行毎に垂直選択回路102から供給される。画素から信号を取り出す垂直信号線208は同一列の画素毎に共有される。ここでは、1から4列目までの垂直信号線208を各々208_1、208_2、208_3、208_4と示している。領域1と領域2には垂直信号線208を列回路103に接続するための接続ポイント115を有する。垂直信号線208_1が有する接続ポイント115を115_1と示す。また、垂直信号線208_1とつながる列回路103を103_1と示し、列回路103_1とつながる列メモリ104を104_1と示す。領域2には、列メモリ104の信号を出力回路107に転送するための水平選択回路105を有する。水平選択回路105は列メモリ104の信号を時系列に出力回路107に転送する。 In the region 1, the pixels 201 are formed on the array in a plurality of rows and a plurality of columns. The above-mentioned φTX, φSEL, and φRES for driving the pixel 201 are supplied from the vertical selection circuit 102 row by row. The vertical signal line 208 that extracts a signal from the pixels is shared by each pixel in the same row. Here, the vertical signal lines 208 in the first to fourth columns are shown as 208_1, 208_2, 208_3, and 208_4, respectively. Regions 1 and 2 have connection points 115 for connecting the vertical signal lines 208 to the column circuit 103. The connection point 115 of the vertical signal line 208_1 is designated as 115_1. Further, the column circuit 103 connected to the vertical signal line 208_1 is indicated by 103_1, and the column memory 104 connected to the column circuit 103_1 is indicated by 104_1. The area 2 includes a horizontal selection circuit 105 for transferring the signal of the column memory 104 to the output circuit 107. The horizontal selection circuit 105 transfers the signal of the column memory 104 to the output circuit 107 in chronological order.

なお、図示しないが領域1および領域2のいずれかには、図示された構成要素以外にも、前述の定電流源209を有する。定電流源209は列回路103の中に含まれてもよい。また、他にも例えば、垂直選択回路102、水平選択回路105、列回路103等にタイミングを提供するタイミングジェネレータ或いは制御回路や、シリアル通信インターフェース、DA変換器等を有する。 Although not shown, the above-mentioned constant current source 209 is provided in either the region 1 or the region 2 in addition to the components shown in the drawing. The constant current source 209 may be included in the column circuit 103. In addition, it also has, for example, a timing generator or control circuit that provides timing to the vertical selection circuit 102, the horizontal selection circuit 105, the column circuit 103, and the like, a serial communication interface, a DA converter, and the like.

水平選択回路105には、タイミングジェネレータ等より各種パルスが供給されるので、チップの端に近い所にあることが望ましい。図14で示すように、接続ポイント115を列方向の中央付近にもってくることによって、水平選択回路105を上下方向に配置することが可能となる。なお、接続ポイント115を列方向の周辺付近にもってくることもできる。 Since various pulses are supplied to the horizontal selection circuit 105 from a timing generator or the like, it is desirable that the horizontal selection circuit 105 is located near the end of the chip. As shown in FIG. 14, by bringing the connection point 115 near the center in the column direction, the horizontal selection circuit 105 can be arranged in the vertical direction. It is also possible to bring the connection point 115 to the vicinity of the periphery in the row direction.

本実施の形態に係る撮像素子の断面構造は、図5に示した第1の実施の形態のそれと略同一であるので、図示と説明を省略する。 Since the cross-sectional structure of the image pickup device according to the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment shown in FIG. 5, illustration and description thereof will be omitted.

図14で示したように、接続ポイント115が各垂直信号線(列信号線)上で各列の画素によって共有されることによって、接続ポイントを画素毎に有した場合に対し、接続ポイント数が少ないので、接続ポイントの形成不良による歩留りが低減してしまう課題も解決することが可能となる。もちろん、接続ポイントは、1点でなく、歩留りを考慮して数点あってもよい。本実施の形態では領域1側の垂直信号線で画素を共有することによって、各画素毎に領域1と領域2をつなぐ必要がなくなっている。 As shown in FIG. 14, the connection points 115 are shared by the pixels of each row on each vertical signal line (column signal line), so that the number of connection points is increased compared to the case where the connection points are provided for each pixel. Since the number is small, it is possible to solve the problem that the yield is reduced due to the poor formation of the connection point. Of course, the number of connection points may not be one, but may be several in consideration of the yield. In the present embodiment, by sharing the pixels with the vertical signal line on the region 1 side, it is not necessary to connect the region 1 and the region 2 for each pixel.

なお、ここでは、裏面照射タイプで受光部を形成した第1半導体基板を図示したが、裏面照射タイプでなく、表面照射タイプでもよい。図15は本実施の形態の変形例の表面照射タイプの断面構造を表わす図である。第2半導体基板を表す領域2の上に第1半導体基板を表す領域1が積層された構造を示している。図5と同一の符号の構成要素については説明を省略する。表面照射タイプの場合は、マイクロレンズ509が半導体基板501に対して、配線505の上部に設置される。表面照射タイプの場合は接続ポイント115と領域1の構成要素を接続するため、貫通ビア601を形成する。 Although the first semiconductor substrate in which the light receiving portion is formed by the back-illuminated type is shown here, the front-illuminated type may be used instead of the back-illuminated type. FIG. 15 is a diagram showing a cross-sectional structure of a surface irradiation type of a modified example of the present embodiment. The structure in which the region 1 representing the first semiconductor substrate is laminated on the region 2 representing the second semiconductor substrate is shown. The description of the components having the same reference numerals as those in FIG. 5 will be omitted. In the case of the surface irradiation type, the microlens 509 is installed above the wiring 505 with respect to the semiconductor substrate 501. In the case of the surface irradiation type, a through via 601 is formed in order to connect the connection point 115 and the component of the region 1.

表面照射タイプの領域1と領域2を同一基板501に形成した本発明の第4の実施の形態の断面構造は、図8に示した第2の実施の形態のそれと実質的に同じであるので、図示と説明を省略するが、前述したように、この場合は、接続ポイント115は垂直信号線208と裏面側の回路を接続するために、貫通ビア601となる。 Since the cross-sectional structure of the fourth embodiment of the present invention in which the surface irradiation type region 1 and the region 2 are formed on the same substrate 501 is substantially the same as that of the second embodiment shown in FIG. Although illustration and description are omitted, as described above, in this case, the connection point 115 is a through via 601 for connecting the vertical signal line 208 and the circuit on the back surface side.

図16は、本発明の第5の実施の形態の撮像素子の全体構成を上から俯瞰した図である。図17及び図18は、その変形例をそれぞれ示した図である。 FIG. 16 is a bird's-eye view of the overall configuration of the image sensor according to the fifth embodiment of the present invention. 17 and 18 are diagrams showing examples of modifications thereof, respectively.

図14で示した図と異なり、図16に示す第5の実施の形態の撮像素子の全体構成では、接続ポイント115である115_1、115_2が列に沿う方向にずれることによって、列回路103_1、103_2の直近に接続ポイント115を配置することが可能となる。それによって、領域2での配線長が短くなり、さらに効率的に列回路103等を配置することが可能となる。 Unlike the figure shown in FIG. 14, in the overall configuration of the image sensor of the fifth embodiment shown in FIG. 16, the connection points 115, 115_1 and 115_2 are displaced in the direction along the row, so that the row circuits 103_1 and 103_2 are displaced. It is possible to arrange the connection point 115 in the immediate vicinity of. As a result, the wiring length in the region 2 is shortened, and the column circuit 103 and the like can be arranged more efficiently.

図17の変形例では、接続ポイント115_1、115_2、115_3、115_4をずらすことによって、列回路103_1から110_4の配置をまばらに配置することが可能となる。図14のように、列回路103が画面対応領域で偏った配置の場合は、列回路103の発熱が集中し、列回路103からの熱をうけたPD202によって、撮影画像の画面対応領域内で暗電流の不均一性が発生してしまう。しかし、図17のような構成、例えば、均等配置をとることによって、画面対応領域内で列回路103の発熱による暗電流の不均一性を低減することが可能となる。図17では、列回路103_1、列メモリ104_1と列回路103_3、列メモリ104_3の配置を逆転させることによって、列回路103を分散している。そのため、列に沿う方向の中央にも出力信号線106を配置する工夫をしている。ただし、列回路103や列メモリ104が十分に小さい構成をとれる図18のような場合においては、その必要はなく、列回路103_1と103_3は同一方向の配置でもよい。 In the modified example of FIG. 17, by shifting the connection points 115_1, 115_2, 115_3, and 115_4, the arrangement of the column circuits 103_1 to 110_4 can be sparsely arranged. As shown in FIG. 14, when the column circuits 103 are arranged unevenly in the screen-compatible area, the heat generated by the column circuits 103 is concentrated, and the PD202 that receives the heat from the column circuits 103 causes the captured image to be in the screen-compatible area. Non-uniformity of dark current occurs. However, by adopting the configuration as shown in FIG. 17, for example, evenly arranging, it is possible to reduce the non-uniformity of the dark current due to the heat generation of the column circuit 103 in the screen corresponding region. In FIG. 17, the column circuit 103 is distributed by reversing the arrangement of the column circuit 103_1, the column memory 104_1, the column circuit 103_3, and the column memory 104___. Therefore, the output signal line 106 is also arranged in the center in the direction along the row. However, in the case of FIG. 18 in which the column circuit 103 and the column memory 104 can be configured to be sufficiently small, it is not necessary, and the column circuits 103_1 and 103_3 may be arranged in the same direction.

上述したように、接続ポイント115を列毎にずらすことによって、効率的な配置と、列回路103の発熱の影響を軽減させる配置が可能となる。 As described above, by shifting the connection points 115 for each row, it is possible to perform an efficient arrangement and an arrangement that reduces the influence of heat generation of the row circuit 103.

図19は、本発明の第6の実施の形態の撮像素子の全体構成を上から俯瞰した図である。図20及び図21は、その変形例をそれぞれ示した図である。 FIG. 19 is a bird's-eye view of the overall configuration of the image sensor according to the sixth embodiment of the present invention. 20 and 21 are diagrams showing examples of modifications thereof, respectively.

図14、16、17、18では、列回路103や列メモリ104は行に沿う方向に2列分の幅を有する回路として記載したが、本発明ではそれ以外の構成もとりうることが可能であり、その構成に限定されるものではない。たとえば図19で示すように、行に沿う方向に1列分の幅の回路であってもよい。ただし、列回路103や列メモリ104が列に沿う方向に長さが増大した回路となってしまい、一層縦長になってしまう。列回路103や列メモリ104は隣接する列回路103、列メモリ104に対して、素子分離領域で分離されるため、より正方形に近い領域で形成される方が、面積効率がよい。図20の変形例では行に沿う方向に4列分の幅を有している。模式図上横長に見えるが、実際には正方形に近づけるために、接続ポイント115を列毎にずらすことによって、このようなレイアウトも可能である。図21の変形例に示すように、行に沿う方向に列回路103と列メモリ104の幅を増やすことによって、複数の出力信号線106を配置することも可能となる。出力信号線106は電力を消費しないので、出力信号線106の本数を増やして、列回路103、列メモリ104の間に配置することで、発熱を分散させることが可能となる。 In FIGS. 14, 16, 17, and 18, the column circuit 103 and the column memory 104 are described as circuits having a width of two columns in the direction along the row, but in the present invention, other configurations can be adopted. , The configuration is not limited. For example, as shown in FIG. 19, the circuit may be one column wide in the direction along the row. However, the column circuit 103 and the column memory 104 become a circuit in which the length increases in the direction along the column, and the length becomes even longer. Since the column circuit 103 and the column memory 104 are separated from the adjacent column circuits 103 and the column memory 104 in the element separation area, it is more area efficient to form the column circuit 103 and the column memory 104 in an area closer to a square. In the modified example of FIG. 20, the width of four columns is provided in the direction along the row. Although it looks horizontally long on the schematic diagram, such a layout is also possible by shifting the connection points 115 for each row in order to make it closer to a square. As shown in the modified example of FIG. 21, by increasing the width of the column circuit 103 and the column memory 104 in the direction along the row, it is possible to arrange a plurality of output signal lines 106. Since the output signal line 106 does not consume electric power, heat generation can be dispersed by increasing the number of output signal lines 106 and arranging them between the column circuit 103 and the column memory 104.

図22は、本発明の第7の実施の形態の撮像素子の全体構成を上から俯瞰した図である。図22の配置は図17と同じ考え方の配置であるが、列回路103や列メモリ114が小さかった場合、各回路の間に隙間があくことになる。図12で示したような列ADを搭載している場合、デジタル回路1401を置くことができる。デジタル回路1401は、列メモリ104からの信号に対して、ガンマ補正処理などの各種補正処理やホワイトバランス調整等の画像処理を施すことも可能である。図17や図21の配置に限らず、列回路103を分散して配置しておくことによって、デジタル回路1401も分散配置となり、デジタル回路1401からの発熱による暗電流の不均一性も軽減することが可能となる。また、列ADを搭載している場合は、水平選択回路105は必ずしも必要ではない。 FIG. 22 is a bird's-eye view of the overall configuration of the image sensor according to the seventh embodiment of the present invention. The arrangement of FIG. 22 is the same as that of FIG. 17, but when the column circuit 103 and the column memory 114 are small, there is a gap between the circuits. When the row AD as shown in FIG. 12 is mounted, the digital circuit 1401 can be placed. The digital circuit 1401 can also perform various correction processing such as gamma correction processing and image processing such as white balance adjustment on the signal from the column memory 104. Not limited to the arrangement shown in FIGS. 17 and 21, by arranging the column circuits 103 in a distributed manner, the digital circuit 1401 is also arranged in a distributed manner, and the non-uniformity of dark current due to heat generated from the digital circuit 1401 can be reduced. Is possible. Further, when the column AD is mounted, the horizontal selection circuit 105 is not always necessary.

図23は、本発明の第8の実施の形態の撮像素子の全体構成を上から俯瞰した図である。図23では接続ポイント115が上下に偏っている。この場合は、暗電流の不均一性の低減は出来ないが、図15や図8で示したような貫通ビアを形成するためには有効である。貫通ビアを形成したがゆえに接続ポイント115近傍の画素201の特性が悪い時には、画面内で比較的目立ちにくい上下に接続ポイント115を寄せることによって、画像として目立ちにくくすることが可能となる。 FIG. 23 is a bird's-eye view of the overall configuration of the image sensor according to the eighth embodiment of the present invention. In FIG. 23, the connection point 115 is biased vertically. In this case, the non-uniformity of the dark current cannot be reduced, but it is effective for forming the penetrating via as shown in FIGS. 15 and 8. When the characteristics of the pixel 201 in the vicinity of the connection point 115 are poor due to the formation of the penetrating via, the connection points 115 can be moved to the top and bottom, which are relatively inconspicuous on the screen, to make the image inconspicuous.

図24は、本発明の第9の実施の形態の撮像素子の概略を上から俯瞰した図である。図25及び図26は、その変形例をそれぞれ示した図である。 FIG. 24 is a bird's-eye view of the outline of the image sensor according to the ninth embodiment of the present invention. 25 and 26 are diagrams showing examples of modifications thereof, respectively.

上述した構成では、垂直選択回路102は領域1に、出力回路107は領域2に構成されていたが、本発明ではこれに限定されない。図24にあるように、出力回路107が領域1にあってもよい。この場合には、出力信号線106と出力回路107を領域1と領域2で接続する。図24で模式的に示したように、領域1と領域2の大きさは同じでなくてもよい。また、図25の変形例で示すように、垂直選択回路102の一部が領域1に一部が領域2にあってもよい。このような構成では、垂直選択回路102のうち、画素201を駆動する駆動バッファは領域1に、デジタル部を領域2にもってくることも可能となる。また、図26で示すように、出力回路107を左右方向ではなく、上下方向にもってくることも可能である。列回路が垂直方向に小さい場合には、このような構成をとることで、領域1と領域2の大きさをほぼ同一にすることも可能である。 In the above-described configuration, the vertical selection circuit 102 is configured in the region 1 and the output circuit 107 is configured in the region 2, but the present invention is not limited to this. As shown in FIG. 24, the output circuit 107 may be in region 1. In this case, the output signal line 106 and the output circuit 107 are connected in the area 1 and the area 2. As schematically shown in FIG. 24, the sizes of the region 1 and the region 2 do not have to be the same. Further, as shown in the modified example of FIG. 25, a part of the vertical selection circuit 102 may be in the area 1 and a part of the vertical selection circuit 102 may be in the area 2. In such a configuration, in the vertical selection circuit 102, the drive buffer for driving the pixel 201 can be brought to the area 1, and the digital part can be brought to the area 2. Further, as shown in FIG. 26, it is possible to bring the output circuit 107 in the vertical direction instead of the horizontal direction. When the column circuit is small in the vertical direction, it is possible to make the sizes of the region 1 and the region 2 substantially the same by adopting such a configuration.

上記で説明した実施の形態及び変形例の撮像素子を使用した撮像装置であるデジタルカメラの構成や動作には、図10を参照して前述したものと同様であるので、説明を省略する。 The configuration and operation of the digital camera, which is an image pickup device using the image pickup elements of the embodiments and modifications described above, are the same as those described above with reference to FIG. 10, and thus the description thereof will be omitted.

また、本発明の目的は、以下の処理を実行することによって達成される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、システム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出す処理である。 Moreover, the object of this invention is achieved by performing the following processing. That is, a program in which a storage medium in which a program code of software that realizes the functions of the above-described embodiment is recorded is supplied to a system or device, and a computer (or CPU, MPU, etc.) of the system or device is stored in the storage medium. This is the process of reading the code.

この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施の形態の機能を実現することになり、そのプログラムコード及び該プログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。 In this case, the program code itself read from the storage medium realizes the function of the above-described embodiment, and the program code and the storage medium storing the program code constitute the present invention.

また、プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、次のものを用いることができる。例えば、フロッピー(登録商標)ディスク、ハードディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、CD−R、CD−RW、DVD−ROM、DVD−RAM、DVD−RW、DVD+RW、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ROM等である。または、プログラムコードをネットワークを介してダウンロードしてもよい。 Further, as a storage medium for supplying the program code, the following can be used. For example, floppy (registered trademark) disks, hard disks, optomagnetic disks, CD-ROMs, CD-Rs, CD-RWs, DVD-ROMs, DVD-RAMs, DVD-RWs, DVD + RWs, magnetic tapes, non-volatile memory cards, etc. It is a ROM or the like. Alternatively, the program code may be downloaded over the network.

また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、上記実施の形態の機能が実現される場合も本発明に含まれる。加えて、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているOS(オペレーティングシステム)等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれる。 The present invention also includes a case where the function of the above embodiment is realized by executing the program code read by the computer. In addition, when the OS (operating system) or the like running on the computer performs a part or all of the actual processing based on the instruction of the program code, and the processing realizes the function of the above-described embodiment. Is also included.

更に、前述した実施形態の機能が以下の処理によって実現される場合も本発明に含まれる。即ち、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれる。その後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるCPU等が実際の処理の一部または全部を行う場合である。 Further, the case where the function of the above-described embodiment is realized by the following processing is also included in the present invention. That is, the program code read from the storage medium is written in the memory provided in the function expansion board inserted in the computer or the function expansion unit connected to the computer. After that, based on the instruction of the program code, the CPU or the like provided in the function expansion board or the function expansion unit performs a part or all of the actual processing.

1 領域
2 領域
101 画素部
102 垂直選択回路
103 列回路
104 列メモリ
105 水平選択回路
106 出力信号線
107 出力回路
1 Region 2 Region 101 Pixel section 102 Vertical selection circuit 103 Row circuit 104 Row memory 105 Horizontal selection circuit 106 Output signal line 107 Output circuit

Claims (8)

互いに積層されている第1の半導体基板および第2の半導体基板と、
複数の画素が行列状に配置された画素部と、
前記画素部を駆動する駆動回路と、
前記画素部における所定単位の複数の画素毎に設けられ、前記所定単位の複数の画素から出力された信号に所定の信号処理を施す複数の信号処理回路と、
前記複数の信号処理回路により所定の信号処理を施された信号を外部に出力する複数の出力回路と、を有し、
撮像素子を光入射面側から見た場合に、前記複数の信号処理回路が前記画素部の下に重なる位置になるように、前記画素部および少なくとも一部の前記駆動回路が前記第1の半導体基板の領域に形成されるとともに、前記複数の信号処理回路および前記複数の出力回路が前記第2の半導体基板の領域に形成され、
前記複数の出力回路は、前記画素部における画素配列の列方向において隣接するように、前記第2の半導体基板の側部に配置されていることを特徴とする撮像素子。
The first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate that are laminated to each other,
Pixel part where multiple pixels are arranged in a matrix and
The drive circuit that drives the pixel unit and
A plurality of signal processing circuits provided for each of a plurality of pixels of a predetermined unit in the pixel unit and performing predetermined signal processing on signals output from the plurality of pixels of the predetermined unit.
It has a plurality of output circuits that output a signal that has been subjected to predetermined signal processing by the plurality of signal processing circuits to the outside.
The first semiconductor is provided with the pixel portion and at least a part of the drive circuit so that the plurality of signal processing circuits are positioned below the pixel portion when the image pickup device is viewed from the light incident surface side. The plurality of signal processing circuits and the plurality of output circuits are formed in the region of the substrate, and the plurality of signal processing circuits and the plurality of output circuits are formed in the region of the second semiconductor substrate.
The image pickup device, wherein the plurality of output circuits are arranged on the side portion of the second semiconductor substrate so as to be adjacent to each other in the column direction of the pixel arrangement in the pixel portion.
前記複数の信号処理回路の出力信号に所定の画像処理を施すデジタル回路が前記第2の半導体基板の領域に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。 The image pickup device according to claim 1, wherein a digital circuit that performs predetermined image processing on output signals of the plurality of signal processing circuits is arranged in a region of the second semiconductor substrate. 前記画素部の前記複数の画素の各々は、光電変換により電荷を発生する光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を一時的に蓄えるフローティングディフュージョン部と、前記フローティングディフュージョン部の電位に応じた信号を出力する増幅部とを有することを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。 Each of the plurality of pixels of the pixel unit corresponds to a photoelectric conversion element that generates an electric charge by photoelectric conversion, a floating diffusion unit that temporarily stores the electric charge generated by the photoelectric conversion element, and a potential of the floating diffusion unit. The image pickup device according to claim 1, further comprising an amplification unit that outputs a signal. 前記画素部の各々は、さらに、前記光電変換素子から前記フローティングディフュージョン部に電荷を転送する転送部と、前記フローティングディフュージョン部に接続され前記フローティングディフュージョン部をリセットするリセット部とを備えることを特徴とする請求項3に記載の撮像素子。 Each of the pixel units further includes a transfer unit that transfers charges from the photoelectric conversion element to the floating diffusion unit, and a reset unit that is connected to the floating diffusion unit and resets the floating diffusion unit. The image pickup device according to claim 3. 互いに積層されている第1の半導体基板および第2の半導体基板と、
複数の画素が行列状に配置された画素部と、
前記画素部を駆動する駆動回路と、
前記画素部における所定単位の複数の画素毎に設けられ、前記所定単位の複数の画素から出力された信号に所定の信号処理を施す複数の信号処理回路と、
前記複数の信号処理回路により所定の信号処理を施された信号を前記画素部における画素配列の行方向に出力する複数の出力回路と、を有し、
撮像素子を光入射面側から見た場合に、前記複数の信号処理回路が前記画素部の下に重なる位置になるように、前記画素部および少なくとも一部の前記駆動回路が前記第1の半導体基板の領域に形成されるとともに、前記複数の信号処理回路および前記複数の出力回路が前記第2の半導体基板の領域に形成され、
前記複数の出力回路は、前記画素部における画素配列の列方向において隣接するように、前記第2の半導体基板の側部に配置されている撮像素子と、
前記撮像素子から出力された信号を記録媒体に記録する記録部と、
前記撮像素子から出力された信号に基づく画像を表示する表示部と、
前記撮像素子、前記記録部、前記表示部を含む装置全体を制御するコントローラと、を備えることを特徴とする撮像装置。
The first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate that are laminated to each other,
Pixel part where multiple pixels are arranged in a matrix and
The drive circuit that drives the pixel unit and
A plurality of signal processing circuits provided for each of a plurality of pixels of a predetermined unit in the pixel unit and performing predetermined signal processing on signals output from the plurality of pixels of the predetermined unit.
It has a plurality of output circuits for outputting a signal subjected to predetermined signal processing by the plurality of signal processing circuits in the row direction of the pixel arrangement in the pixel portion.
The first semiconductor is provided with the pixel portion and at least a part of the drive circuit so that the plurality of signal processing circuits are positioned below the pixel portion when the image pickup device is viewed from the light incident surface side. The plurality of signal processing circuits and the plurality of output circuits are formed in the region of the substrate, and the plurality of signal processing circuits and the plurality of output circuits are formed in the region of the second semiconductor substrate.
The plurality of output circuits are arranged on the side portion of the second semiconductor substrate so as to be adjacent to each other in the column direction of the pixel array in the pixel portion.
A recording unit that records the signal output from the image sensor on a recording medium, and
A display unit that displays an image based on the signal output from the image sensor, and
An image pickup device including the image pickup device, the recording unit, and a controller that controls the entire device including the display unit.
前記撮像素子において、前記複数の信号処理回路の出力信号に所定の画像処理を施すデジタル回路が前記第2の半導体基板の領域に配置されていることを特徴とする請求項に記載の撮像装置。 In the imaging device, an imaging apparatus according to claim 5, characterized in that the digital circuit for performing predetermined image processing on an output signal of said plurality of signal processing circuits are arranged in the region of the second semiconductor substrate .. 前記撮像素子における前記画素部の前記複数の画素の各々は、光電変換により電荷を発生する光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を一時的に蓄えるフローティングディフュージョン部と、前記フローティングディフュージョン部の電位に応じた信号を出力する増幅部とを有することを特徴とする請求項に記載の撮像装置。 Each of the plurality of pixels of the pixel portion in the imaging element includes a photoelectric conversion element that generates an electric charge by photoelectric conversion, a floating diffusion portion that temporarily stores the electric charge generated by the photoelectric conversion element, and the floating diffusion unit. The imaging apparatus according to claim 5 , further comprising an amplification unit that outputs a signal corresponding to the potential of the above. 前記撮像素子における前記画素部の各々は、さらに、前記光電変換素子から前記フローティングディフュージョン部に電荷を転送する転送部と、前記フローティングディフュージョン部に接続され前記フローティングディフュージョン部をリセットするリセット部とを備えることを特徴とする請求項に記載の撮像装置。 Each of the pixel units in the image sensor further includes a transfer unit that transfers charges from the photoelectric conversion element to the floating diffusion unit, and a reset unit that is connected to the floating diffusion unit and resets the floating diffusion unit. The image pickup apparatus according to claim 7.
JP2020023422A 2011-08-02 2020-02-14 Image sensor and image sensor Active JP6907358B2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021107806A JP7135167B2 (en) 2011-08-02 2021-06-29 Imaging element and imaging device
JP2022137140A JP7497396B2 (en) 2011-08-02 2022-08-30 Image pickup element and image pickup device

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011169291 2011-08-02
JP2011169291 2011-08-02
JP2018041821A JP6666047B2 (en) 2011-08-02 2018-03-08 Imaging device and imaging device

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018041821A Division JP6666047B2 (en) 2011-08-02 2018-03-08 Imaging device and imaging device

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021107806A Division JP7135167B2 (en) 2011-08-02 2021-06-29 Imaging element and imaging device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020108152A JP2020108152A (en) 2020-07-09
JP6907358B2 true JP6907358B2 (en) 2021-07-21

Family

ID=54697333

Family Applications (6)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015115593A Active JP6091550B2 (en) 2011-08-02 2015-06-08 Imaging device and imaging apparatus
JP2017021967A Expired - Fee Related JP6355773B2 (en) 2011-08-02 2017-02-09 Imaging device and imaging apparatus
JP2018041821A Active JP6666047B2 (en) 2011-08-02 2018-03-08 Imaging device and imaging device
JP2020023422A Active JP6907358B2 (en) 2011-08-02 2020-02-14 Image sensor and image sensor
JP2021107806A Active JP7135167B2 (en) 2011-08-02 2021-06-29 Imaging element and imaging device
JP2022137140A Active JP7497396B2 (en) 2011-08-02 2022-08-30 Image pickup element and image pickup device

Family Applications Before (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015115593A Active JP6091550B2 (en) 2011-08-02 2015-06-08 Imaging device and imaging apparatus
JP2017021967A Expired - Fee Related JP6355773B2 (en) 2011-08-02 2017-02-09 Imaging device and imaging apparatus
JP2018041821A Active JP6666047B2 (en) 2011-08-02 2018-03-08 Imaging device and imaging device

Family Applications After (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021107806A Active JP7135167B2 (en) 2011-08-02 2021-06-29 Imaging element and imaging device
JP2022137140A Active JP7497396B2 (en) 2011-08-02 2022-08-30 Image pickup element and image pickup device

Country Status (1)

Country Link
JP (6) JP6091550B2 (en)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6856983B2 (en) * 2016-06-30 2021-04-14 キヤノン株式会社 Photoelectric converter and camera
JP7278209B2 (en) * 2017-04-25 2023-05-19 ヌヴォトンテクノロジージャパン株式会社 Solid-state imaging device and imaging device
JP7102119B2 (en) 2017-09-29 2022-07-19 キヤノン株式会社 Semiconductor devices and equipment
US20230299109A1 (en) * 2022-03-18 2023-09-21 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Stacked image sensors and methods of manufacturing thereof
US12225304B2 (en) * 2022-04-27 2025-02-11 Semiconductor Components Industries, Llc Expanded image sensor pixel array
JP2025133575A (en) 2024-03-01 2025-09-11 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Photodetector and electronic equipment

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6466265B1 (en) 1998-06-22 2002-10-15 Eastman Kodak Company Parallel output architectures for CMOS active pixel sensors
JP2000324397A (en) * 1999-05-12 2000-11-24 Sony Corp Solid-state imaging device
JP4349232B2 (en) * 2004-07-30 2009-10-21 ソニー株式会社 Semiconductor module and MOS solid-state imaging device
US8144227B2 (en) * 2004-09-02 2012-03-27 Sony Corporation Image pickup device and image pickup result outputting method
JP4687139B2 (en) * 2005-02-23 2011-05-25 ソニー株式会社 Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and imaging device
TW201101476A (en) * 2005-06-02 2011-01-01 Sony Corp Semiconductor image sensor module and method of manufacturing the same
JP4289377B2 (en) * 2006-08-21 2009-07-01 ソニー株式会社 Physical quantity detection device and imaging device
JP2008235478A (en) 2007-03-19 2008-10-02 Nikon Corp Image sensor
JP4941490B2 (en) * 2009-03-24 2012-05-30 ソニー株式会社 Solid-state imaging device and electronic apparatus
JP2010283787A (en) * 2009-06-08 2010-12-16 Panasonic Corp Imaging device
JP5521721B2 (en) 2009-08-28 2014-06-18 ソニー株式会社 Image sensor and camera system
TWI515885B (en) 2009-12-25 2016-01-01 新力股份有限公司 Semiconductor component, method of manufacturing the same, and electronic device
JP5685898B2 (en) * 2010-01-08 2015-03-18 ソニー株式会社 Semiconductor device, solid-state imaging device, and camera system
JP5633323B2 (en) * 2010-11-11 2014-12-03 ソニー株式会社 Solid-state imaging device and electronic device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022171700A (en) 2022-11-11
JP7497396B2 (en) 2024-06-10
JP6666047B2 (en) 2020-03-13
JP2018102002A (en) 2018-06-28
JP6355773B2 (en) 2018-07-11
JP7135167B2 (en) 2022-09-12
JP2017092990A (en) 2017-05-25
JP6091550B2 (en) 2017-03-08
JP2015213327A (en) 2015-11-26
JP2021166395A (en) 2021-10-14
JP2020108152A (en) 2020-07-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US12088939B2 (en) Image pickup device that is provided with peripheral circuits to prevent chip area from being increased, and image pickup apparatus
JP6907358B2 (en) Image sensor and image sensor
JP4941490B2 (en) Solid-state imaging device and electronic apparatus
JP5633323B2 (en) Solid-state imaging device and electronic device
KR101696463B1 (en) Solid-state imaging device, signal processing method thereof and image capturing apparatus
CN101510552B (en) Solid-state imaging device, camera, and electronic device
JP2015012303A (en) Solid-state imaging device and electronic apparatus
JP4985862B2 (en) Driving method of solid-state imaging device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200214

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20201221

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210119

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210319

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210601

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20210630

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6907358

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151