JP6833531B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。

ＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサ等の固体撮像装置は、ビデオカメラ、監視カメラ等の撮像システムに搭載され、様々な環境下で使用されるため、その環境下にある電界及び磁界にさらされる。固体撮像装置に磁界が及ぶと、ファラデーの電磁誘導の法則による磁気誘導電圧が固体撮像装置内部の配線上に発生して、画質が劣化することがある。そのため、電磁界の影響を低減するための磁気ノイズ対策技術が求められている。

特許文献１は、電源電圧を供給する外部接続端子と、基準電圧を供給する外部接続端子とを画素領域に対して同じ側に配置することにより、外部磁界が入射するループの面積を小さくして外部磁界によるノイズを低減する技術を開示している。

特開２０１６−１０５５７１号公報

しかしながら、固体撮像装置の高性能化の要求、固体撮像装置の使用環境の変化等に伴い、更なる磁気ノイズ対策が求められる場合がある。そのため、より効果的に外部磁界に起因するノイズを低減する手法が求められている。

そこで本発明は、外部磁界に起因するノイズを効果的に低減し得る固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの観点によれば、光電変換素子と、前記光電変換素子が生成する信号に基づく画素信号を出力する画素出力部とをそれぞれが有し、第１の方向に配列され、画素ウェル領域に設けられた複数の画素と、前記複数の画素の各々の前記画素出力部に接続され、前記第１の方向に沿って配された第１の配線と、前記第１の方向に対応する方向に沿って配された第２の配線と、平面視において前記画素ウェル領域の内部に位置する接続部で、前記第２の配線と接続する第３の配線と、２つの入力端子を有し、一方の入力端子には、前記第１の配線を介して前記画素信号が入力され、他方の入力端子には、前記第３の配線の電位が入力される差動増幅回路とを有し、前記第２の配線は、前記複数の画素の各々の前記光電変換素子に接続されており、前記画素信号の基準となる電位は、前記接続部から前記光電変換素子に供給されることを特徴とする固体撮像装置が提供される。

外部磁界に起因するノイズを効果的に低減し得る固体撮像装置が提供される。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の回路図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置のタイミング図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置、パッケージ及び外部基板の断面構造図である。 グラウンド配線に誘起される磁気誘導電圧を示すグラフである。 比較例に係る固体撮像装置の回路図である。 比較例に係る固体撮像装置、パッケージ及び外部基板の断面構造図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の回路図である。 本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る撮像システムのブロック図である。 本発明の第５の実施形態に係る撮像システムのブロック図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。複数の図面を通じて共通の機能を有する要素には共通の符号を付し、その説明を簡略化又は省略することがある。

［第１の実施形態］
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００の回路図である。図１（ａ）は固体撮像装置１００に含まれる画素１０の回路図であり、図１（ｂ）は、画素１０が行方向及び列方向に配列された画素アレイ及び読み出し回路を含む固体撮像装置１００の回路図である。

各画素１０は、画素ウェル領域Ｗ１に配置されている。各画素１０は、図１（ａ）に示されるように、光電変換素子であるフォトダイオード１２と、転送ＭＯＳトランジスタ１４と、リセットＭＯＳトランジスタ１６と、増幅ＭＯＳトランジスタ１８と、選択ＭＯＳトランジスタ２０とを有する。フォトダイオード１２のカソードは転送ＭＯＳトランジスタ１４のソースに接続されている。転送ＭＯＳトランジスタ１４のドレインは、リセットＭＯＳトランジスタ１６のソース及び増幅ＭＯＳトランジスタ１８のゲートに接続されている。転送ＭＯＳトランジスタ１４のドレイン、リセットＭＯＳトランジスタ１６のソース及び増幅ＭＯＳトランジスタ１８のゲートの接続ノードは、フローティングディフュージョン領域（以下、「ＦＤ領域」という）２２を構成する。リセットＭＯＳトランジスタ１６及び増幅ＭＯＳトランジスタ１８のドレインは、電源電圧線に接続されている。増幅ＭＯＳトランジスタ１８のソースは、選択ＭＯＳトランジスタ２０のドレインに接続されている。転送ＭＯＳトランジスタ１４、リセットＭＯＳトランジスタ１６、増幅ＭＯＳトランジスタ１８及び選択ＭＯＳトランジスタ２０は、フォトダイオード１２で生成された電荷に基づく画素信号を読み出すための画素内読み出し回路を構成する。選択ＭＯＳトランジスタ２０は、光電変換素子が生成した信号に基づく画素信号を出力する画素出力部である。

なお、トランジスタのソースとドレインの呼称は、トランジスタの導電型や着目する機能等に応じて異なることがあり、上述のソースとドレインとは逆の名称で呼ばれることもある。また、本明細書では、トランジスタをスイッチと表記することもある。

本実施形態による固体撮像装置１００は、図１（ｂ）に示されるように、行方向及び列方向に沿って二次元状に複数の画素１０が配列された画素アレイを含む画素領域を有している。図１（ｂ）には、図面の簡略化のために、２行×４列の画素アレイを含む画素領域が示されているが、画素アレイの行数及び列数はこれに限定されるものではない。なお、本明細書において、行方向とは図面において横方向を示し、列方向とは図面において縦方向を示すものとする。また、列方向を第１の方向と呼ぶことがあり、行方向を第２の方向と呼ぶこともある。一例では、行方向が固体撮像装置１００における水平方向に対応し、列方向が固体撮像装置１００における垂直方向に対応する。

画素アレイの各行には、行方向に沿って行選択信号線２４がそれぞれ配置されている。行選択信号線２４は、行方向に並ぶ画素１０の選択ＭＯＳトランジスタ２０のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１０に共通の信号線をなしている。なお、図１（ｂ）では、後の説明の便宜上、画素１０−１が属する行の画素１０に接続される行選択信号線２４を行選択信号線２４−１と表し、画素１０−２が属する行の画素１０に接続される行選択信号線２４を行選択信号線２４−２と表している。

行選択信号線２４には、垂直シフトレジスタ２６が接続されている。行選択信号線２４には、垂直シフトレジスタ２６から、選択ＭＯＳトランジスタ２０を駆動するための選択パルス信号ＰＳＥＬが出力される。ここでは、行選択信号線２４にＨｉｇｈレベル（以下、「Ｈレベル」と表記する）の信号が印加されると、選択ＭＯＳトランジスタ２０は導通状態（オン状態）になるものとする。また、Ｌｏｗレベル（以下、「Ｌレベル」と表記する）の信号が印加されると、選択ＭＯＳトランジスタ２０は非導通状態（オフ状態）になるものとする。なお、行選択信号線２４−１に印加される選択パルス信号ＰＳＥＬと行選択信号線２４−２に印加される選択パルス信号ＰＳＥＬとを区別するときは、前者を選択パルス信号ＰＳＥＬ１と表記し、後者を選択パルス信号ＰＳＥＬ２と表記するものとする。

画素アレイの各列には、列方向に沿って垂直信号線２８（第１の配線）が配置されている。垂直信号線２８は、列方向に並ぶ画素１０の選択ＭＯＳトランジスタ２０のソースにそれぞれ接続され、これら画素１０に共通の信号線をなしている。垂直信号線２８の一端は、読み出し回路の一部を構成する差動増幅回路３０の一方の入力端子に接続されている。これにより、差動増幅回路３０の一方の入力端子には垂直信号線２８を介して画素信号が入力される。なお、後の説明の便宜上、偶数列目の画素１０に接続される差動増幅回路３０を差動増幅回路３０−１と表し、奇数列目の画素１０に接続される差動増幅回路３０を差動増幅回路３０−２と表している。

また、画素アレイの各列には、少なくとも一部が列方向に並ぶ画素１０に沿うようにグラウンド配線３２（第２の配線）が配置されている。グラウンド配線３２は、列方向に並ぶ画素１０のフォトダイオード１２のアノードにそれぞれ接続されている。グラウンド配線３２上のこの接続ノードを接続部と呼ぶこともある。より具体的には、画素１０−１のフォトダイオード１２のアノードは、行位置Ｃにおいて、グラウンド配線３２に接続されており、画素１０−２のフォトダイオード１２のアノードは、行位置Ｂにおいて、グラウンド配線３２に接続されている。すなわち、接続部は、図１（ｂ）に示されるように、列方向に配列された複数の画素１０と並ぶ行位置のグラウンド配線３２上のノードであり、例えば、行方向に並ぶ複数の画素１０の間のグラウンド配線３２上のノードである。グラウンド配線３２は、画素信号の基準となる電位を接続部から列方向に並ぶ複数の画素１０の各々のフォトダイオード１２のアノードに供給する。

各列に対応して設けられたグラウンド配線３２の少なくとも１本は、両端部がチップの周縁部まで延在しており、チップの周縁部に配置された複数のグラウンドパッド３４に接続されている。図１（ｂ）には、画素１０−１、１０−２に接続されるグラウンド配線３２の延長線上にグラウンドパッド３４が接続された例が示されている。図１（ｂ）では、後の説明の便宜上、図面において上側のグラウンドパッド３４をグラウンドパッド３４−１（第１のパッド）と表記し、図面において下側のグラウンドパッド３４をグラウンドパッド３４−２（第２のパッド）と表記している。グラウンドパッド３４−１とグラウンドパッド３４−２とは、チップの対向する２辺に配置されている。列方向に並ぶ画素１０のフォトダイオード１２のアノードが接続される接続部は、グラウンドパッド３４−１とグラウンドパッド３４−２の間の電気的経路にある。これにより、後述する理由により、グラウンド配線３２を含むグラウンドループが形成され得るため、外部磁界の影響が顕著となる構造となっている。

画素アレイの各列に設けられたグラウンド配線３２は、互いに電気的に接続されている。図１に示す例では、グラウンド配線３２は、全体として、画素アレイの画素１０を列ごとに囲うメッシュ状をなしている。グラウンド配線３２のうちのメッシュ状をなす部分とグラウンドパッド３４−１に延在する部分とが分岐する位置を行位置Ｄとし、グラウンド配線３２のうちのメッシュ状をなす部分とグラウンドパッド３４−２に延在する部分とが分岐する位置を行位置Ａとする。また、メッシュ状のグラウンド配線３２のうち、垂直信号線２８が延在する方向に対応して延在する配線を、グラウンド配線３２０として示す。接続線６０−１（第３の配線の一例）は、グラウンド配線３２０に対し、平面視において、画素ウェル領域Ｗ１の内側に位置する行位置Ｃで接続する。また、接続線６０−２（第３の配線の一例）は、グラウンド配線３２０に対し、平面視において、画素ウェル領域Ｗ１の内側に位置する行位置Ｂで接続する。接続線６０−１、６０−２のそれぞれは、グラウンド配線３２と、差動増幅回路３０とを接続する配線である。行位置Ｂ、行位置Ｃには、グラウンド配線３２０と、接続線６０とを接続する接続部が設けられていると言える。

図１（ｂ）において、配線抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５は、後の説明の便宜のためにグラウンド配線３２に生じる配線抵抗を集中等価抵抗で示したものである。すなわち、グラウンドパッド３４−２と行位置Ａとの間の配線抵抗は、配線抵抗Ｒ１であり、行位置Ａと行位置Ｂとの間の配線抵抗は、配線抵抗Ｒ２であり、行位置Ｂと行位置Ｃとの間の配線抵抗は、配線抵抗Ｒ３である。また、行位置Ｃと行位置Ｄとの間の配線抵抗は、配線抵抗Ｒ４であり、行位置Ｄとグラウンドパッド３４−１との間の配線抵抗は配線抵抗Ｒ５である。

また、差動増幅回路３０の他方の入力端子には、保持容量３８及びスイッチ４０を含んで構成されたサンプルホールド回路が接続されている。当該サンプルホールド回路は、基準電圧を保持し、基準電圧を差動増幅回路３０の他方の入力端子に入力させる。図１（ｂ）では、後の説明の便宜上、図面において上側の保持容量３８及びスイッチ４０を保持容量３８−１及びスイッチ４０−１と表記し、図面において下側の保持容量３８及びスイッチ４０を保持容量３８−２及びスイッチ４０−２と表記している。保持容量３８−１の一方の端子は画素１０−１が配される行位置Ｃにおいてグラウンド配線３２に接続される。保持容量３８−２の一方の端子は画素１０−２が配される行位置Ｂにおいてグラウンド配線３２に接続される。スイッチ４０−１の一方の端子及びスイッチ４０−２の一方の端子は、基準電圧配線３６に接続される。基準電圧配線３６はチップの周縁部まで延在しており、チップの周縁部に配置された基準電圧用パッド４２に接続されている。保持容量３８−１の他方の端子及びスイッチ４０−１の他方の端子は差動増幅回路３０−１の他方の入力端子に接続されている。保持容量３８−２の他方の端子及びスイッチ４０−２の他方の端子は差動増幅回路３０−２の他方の入力端子に接続されている。

スイッチ４０は、オン状態において保持容量３８の他方の端子に基準電圧用パッド４２に印加される所定の電位を供給するよう構成されている。そして、保持容量３８及びスイッチ４０を含んで構成されるサンプルホールド回路は、基準電圧用パッド４２に印加される電位と接続部の電位との差を保持容量３８に保持させる機能を有する。なお、スイッチ４０は、不図示の制御回路から出力されるパルス信号ＰＳＨにより、オン状態又はオフ状態に制御される。パルス信号ＰＳＨを出力する制御回路は、固体撮像装置１００内に設けられていてもよく、固体撮像装置１００の外部に設けられていてもよい。また、パルス信号ＰＳＨを出力する制御回路は、垂直シフトレジスタ２６と一体に形成されていてもよい。

図２は本実施形態に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。なお、以下の説明では本発明の特徴となる動作を中心に示すものとし、フォトダイオード１２、ＦＤ領域２２のリセット動作、差動増幅回路３０以降の読み出し回路の動作等、公知の技術を適用し得る部分については適宜説明を省略する。

基準電圧用パッド４２に印加された電位は、基準電圧配線３６を介して、保持容量３８及びスイッチ４０により構成されるサンプルホールド回路に供給されている。時刻ｔ１から時刻ｔ２の期間において、スイッチ４０−１、４０−２のゲートにはＨレベルのパルス信号ＰＳＨが印加される。これにより、保持容量３８−１、３８−２には基準電圧が保持され、保持された基準電圧は差動増幅回路３０の他方の入力端子に入力される。保持容量３８−１の一方の端子は行位置Ｃのノードに接続されているため、保持容量３８−１に保持される基準電圧は、行位置Ｃの電位を基準にした基準電圧である。また、保持容量３８−２の一方の端子は行位置Ｂのノードに接続されているため、保持容量３８−２に保持される基準電圧は、行位置Ｂの電位を基準にした基準電圧である。このように、差動増幅回路３０の他方の入力端子には、１つの画素１０のフォトダイオード１２が接続されたグラウンド配線３２の上の接続部の電位を基準とした基準電圧が入力される。

また、時刻ｔ３よりも前の時刻において、固体撮像装置１００に光（被写体の光学像）を入射させる。これにより、各画素１０のフォトダイオード１２において光電変換により信号電荷が生成される。

時刻ｔ３から時刻ｔ４の期間において、垂直シフトレジスタ２６は、転送ＭＯＳトランジスタ１４のゲートにＨレベルの転送パルス信号ＰＴＸを印加する。これにより、転送ＭＯＳトランジスタ１４がオン状態となり、フォトダイオード１２により生成された信号電荷がＦＤ領域２２に転送される。

なお、画素１０−２が属する行の転送ＭＯＳトランジスタ１４と画素１０−１が属する行の転送ＭＯＳトランジスタ１４とは、転送パルス信号ＰＴＸにより同時に駆動されてもよいし、別々の期間に駆動されてもよい。これらの行が別々に駆動される場合は、例えば、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間の期間に画素１０−２が属する行の駆動を行い、時刻ｔ６と時刻ｔ７との間の期間に画素１０−１が属する行の駆動を行ってもよい。

次いで、時刻ｔ５から時刻ｔ６の期間において、垂直シフトレジスタ２６は、行選択信号線２４−２にＨレベルの選択パルス信号ＰＳＥＬ２を印加し、行選択信号線２４−２に接続された画素１０の選択ＭＯＳトランジスタ２０をオン状態とする。これにより、ＦＤ領域２２に転送された信号電荷に応じた電位に基づく増幅ＭＯＳトランジスタ１８の出力電圧が、選択ＭＯＳトランジスタ２０を介して垂直信号線２８に出力される。画素１０−２に接続された垂直信号線２８には、グラウンド配線３２の行位置Ｂの電位を基準にした画素信号電圧が出力される。そして、画素１０−２から出力されたこの画素信号電圧は、垂直信号線２８を介して差動増幅回路３０−２の一方の入力端子に入力される。

そしてこれにより、差動増幅回路３０−２は、一方の入力端子に入力された画素１０−２が配された行の画素信号電圧と他方の入力端子に入力された基準電圧との差分の電圧を増幅し、出力端子から出力する。

次いで、時刻ｔ７から時刻ｔ８の期間において、垂直シフトレジスタ２６は、行選択信号線２４−１にＨレベルの選択パルス信号ＰＳＥＬ１を印加し、行選択信号線２４−１に接続された画素１０の選択ＭＯＳトランジスタ２０がオン状態とする。これにより、ＦＤ領域２２に転送された信号電荷に応じた電位に基づく増幅ＭＯＳトランジスタ１８の出力電圧が、選択ＭＯＳトランジスタ２０を介して垂直信号線２８に出力される。画素１０−１に接続された垂直信号線２８には、グラウンド配線３２の行位置Ｃの電位を基準にした画素信号電圧が出力される。そして、画素１０−１から出力されたこの画素信号電圧は、垂直信号線２８を介して差動増幅回路３０−１の一方の入力端子に入力される。

そしてこれにより、差動増幅回路３０−１は、一方の入力端子に入力された画素１０−１が配された行の画素信号電圧と他方の入力端子に入力された基準電圧との差分の電圧を増幅し、出力端子から出力する。

以下、選択パルス信号ＰＳＥＬ２がＨレベルになる時刻ｔ５から時刻ｔ６の期間を例として、本実施形態の構成において、磁気誘導電圧の影響が低減される理由を説明する。

図３は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００、これを保持するパッケージ１０２、及びパッケージ１０２が接続される外部基板１０４を含む断面構造図である。図３に示される断面図は、図１（ｂ）においてグラウンドパッド３４を含む列方向の断面を図１（ｂ）の左側から見たものに相当する。

固体撮像装置１００のグラウンドパッド３４−１、３４−２は、図３に示されるように、ボンディングワイヤー１０６と、パッケージ１０２に設けられたビア１０８とを介して、外部基板１０４の外部グラウンド配線１１０に接続されている。これにより、グラウンド配線３２と外部グラウンド配線１１０とを含むグラウンドループが形成されている。

前述のように、行選択信号線２４−２にＨレベルの選択パルス信号ＰＳＥＬ２が印加されると、画素１０−２からの画素信号電圧はグラウンド配線３２上の行位置Ｂを基準とした電圧となる。したがって、グラウンド配線３２の行位置Ｂにおける電位に影響を及ぼすグラウンドループの領域は、図３に示した面積Ｓ１の領域となる。

図３において紙面に交差する方向の外部磁界を想定すると、この外部磁界によりグラウンド配線３２に誘起される磁気誘導電圧は、ファラデーの電磁誘導の法則により、グラウンドループの面積に比例する。したがって、誘起される磁気誘導電圧は、グラウンド電位の基準となる行位置に依存する。グラウンド電位の基準となる行位置が同一であれば、誘起される磁気誘導電圧も同一となる。

グラウンド配線３２に誘起される磁気誘導電圧についてより詳細に説明する。図４は、横軸にグラウンドパッド３４−１からグラウンドパッド３４−２の間の位置を示し、縦軸にグラウンド配線３２に誘起される磁気誘導電圧を示しているグラフである。図４に示されるように、グラウンド配線３２の上には外部磁界に起因する電位の勾配が生じる。配線抵抗Ｒ１〜Ｒ５に生じる磁気誘導電圧をそれぞれ磁気誘導電圧ＶＲ１〜ＶＲ５とする。

本実施形態において、選択パルス信号ＰＳＥＬ２がＨレベルになり、画素１０−２の選択ＭＯＳトランジスタ２０に入力されると、画素１０−２は、行位置Ｂのグラウンド電位を基準とする画素信号電圧を垂直信号線２８に出力する。差動増幅回路３０−２の一方の入力端子に入力される画素信号電圧は、行位置Ｂに対応する磁気誘導電圧（ＶＲ１＋ＶＲ２）を基準にした画素信号電圧（Ｖｓｉｇ＋ＶＲ１＋ＶＲ２）（Ｖｓｉｇは光信号電圧）となる。差動増幅回路３０−２の他方の入力端子に入力される基準電圧は、行位置Ｂに対応する磁気誘導電圧（ＶＲ１＋ＶＲ２）を基準にした基準電圧（Ｖｒｅｆ＋ＶＲ１＋ＶＲ２）（Ｖｒｅｆは本来の基準電圧）となる。したがって差動増幅回路３０−２から出力される電圧Ｖｏｕｔはこれらの電圧の差となるため、Ｖｏｕｔ＝Ｖｓｉｇ−Ｖｒｅｆである。このようにして、グラウンド電位の基準となる行位置が同一、あるいは近い位置であれば、画素信号電圧と基準電圧とで、磁気誘導電圧の影響が互いに打ち消し合う。したがって、本実施形態の構成によれば、磁気誘導電圧の影響が低減される。

なお、行位置Ｂから保持容量３８−２の一方の端子までの間の配線に生じる磁気誘導電圧は、垂直信号線２８に生じる磁気誘導電圧と同程度であるため、差動増幅回路３０−２により打ち消される。また、これらの磁気誘導電圧に差があったとしても、当該配線はループを形成していないため、その影響は軽微であり、問題とはならない。

次に、本実施形態に対する比較例を説明し、これと対比しつつ本実施形態の効果をより詳細に説明する。図５は、比較例に係る固体撮像装置１００ａの回路図である。図５は、画素アレイ及び読み出し回路を含む固体撮像装置１００ａの回路図であり、図１（ｂ）に対応するものである。なお、比較例において、画素１０の構成は、図１（ａ）と同様であるため図示及び説明を省略する。図５では、行位置Ａ、行位置Ｄは画素ウェル領域Ｗ２の外部に位置している。接続線６０−１は、グラウンド配線３２に対し、平面視において、画素ウェル領域Ｗ２の外側に位置する行位置Ｄで接続する。また、接続線６０−２は、グラウンド配線３２に対し、平面視において、画素ウェル領域Ｗ２の外側に位置する行位置Ａで接続する。

図５では、保持容量３８−１の一方の端子は行位置Ｄにおいてグラウンド配線３２に接続されており、保持容量３８−２の一方の端子は行位置Ａにおいてグラウンド配線３２に接続されている。すなわち、差動増幅回路３０−１の他方の端子に入力される基準電圧は、行位置Ｄの電圧を基準にした基準電圧であり、差動増幅回路３０−２の他方の端子に入力される基準電圧は、行位置Ａの電圧を基準にした基準電圧である。このように比較例では、差動増幅回路に入力される基準電圧の基準位置が画素１０と並んでいない位置となっている。その他の回路構成は図１（ｂ）と同様であるため説明を省略する。また、比較例における固体撮像装置１００ａの駆動方法は図３に示す駆動方法と同様であるため説明を省略する。

図６は、比較例に係る固体撮像装置１００ａ、これを保持するパッケージ１０２、及びパッケージ１０２が接続される外部基板１０４を含む断面構造図である。固体撮像装置１００ａの断面構造自体は図４と同様であるため、説明を省略する。図６において、紙面に交差する方向の外部磁界によりグラウンド配線３２に誘起される磁気誘導電圧は、ファラデーの電磁誘導の法則により、グラウンドループの面積に比例する。行選択信号線２４−２にＨレベルの選択パルス信号ＰＳＥＬ２が印加された場合に、画素１０−２から出力される画素信号電圧はグラウンド配線３２上の行位置Ｂを基準とした電圧となる。したがって、この場合にグラウンド配線３２の行位置Ｂにおける電位に影響を及ぼすグラウンドループの領域は、図６に示した面積（Ｓ２＋Ｓ３）の領域となる。一方、差動増幅回路３０−２の他方の入力端子に入力される基準電圧は、行位置Ａを基準としているため、基準電圧に影響を及ぼすグラウンドループの領域は、図６に示した面積Ｓ２の領域となる。

これを言い換えると、差動増幅回路３０−２の一方の入力端子に入力される画素信号電圧は、行位置Ｂに対応する磁気誘導電圧（ＶＲ１＋ＶＲ２）を基準にした画素信号電圧（Ｖｓｉｇ＋ＶＲ１＋ＶＲ２）（Ｖｓｉｇは光信号電圧）となる。差動増幅回路３０−２の他方の入力端子に入力される基準電圧は、行位置Ａに対応する磁気誘導電圧ＶＲ１を基準にした基準電圧（Ｖｒｅｆ＋ＶＲ１）（Ｖｒｅｆは本来の基準電圧）となる。したがって差動増幅回路３０−２から出力される電圧Ｖｏｕｔはこれらの電圧の差となるため、Ｖｏｕｔ＝Ｖｓｉｇ−Ｖｒｅｆ−ＶＲ１である。以上のように、比較例においては、出力信号は、外部磁界に起因する磁気誘導電圧ＶＲ１の影響を受けたものとなる。

これに対し本実施形態では、上述のように、差動増幅回路３０−２の他方の入力端子に入力される基準電圧が画素１０と並ぶ行位置Ｂを基準としているため、磁気誘導電圧の影響が打ち消し合い、磁気誘導電圧の影響が低減される。したがって、本実施形態によれば、外部磁界に起因するノイズを効果的に低減し得る固体撮像装置を提供することができる。

なお、本実施形態において、画素１０−２以外の画素が選択される場合、例えば、選択パルス信号ＰＳＥＬ１がＨレベルになっている場合には、差動増幅回路３０−２に入力される画素信号電圧と基準電圧とで、グラウンド電位の基準となる行位置が異なる。そのため、磁気誘導電圧が完全にはキャンセルされない。しかしながら、比較例のように基準電圧の基準となる行位置を画素アレイの端部の行位置Ａとした場合と比べれば、磁気誘導電圧を低減することができるため、この場合であっても外部磁界に起因するノイズを低減する効果を得ることができる。

［第２の実施形態］
図７は、第２の実施形態に係る固体撮像装置１２０の回路図である。図７は、画素アレイ及び読み出し回路を含む固体撮像装置１２０の回路図であり、第１の実施形態の図１（ｂ）に対応するものである。その他の構成は、第１の実施形態と同様であるため図示及び説明を省略する。行位置Ａ〜Ｄは、平面視において、画素ウェル領域Ｗ３の内側に位置している。

本実施形態では、垂直信号線２８から差動増幅回路３０への配線の引き出し方が第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態では、画素内の配線と垂直信号線２８との接続点を特定していない。これに対し、本実施形態では、差動増幅回路３０−１の一方の入力端子に入力される引き出し配線４４（第４の配線）は、行位置Ｃにおいて垂直信号線２８と接続されている。また、差動増幅回路３０−２の一方の入力端子に入力される引き出し配線４４は、行位置Ｂにおいて垂直信号線２８と接続されている。この接続ノードを第２の接続部と呼ぶこともある。このように、本実施形態では、引き出し配線４４と垂直信号線２８との接続点が、フォトダイオード１２のアノード及び保持容量３８の他端がグラウンド配線３２と接続される行位置と一致している。言い換えると、接続部と第２の接続部とは、行方向に並ぶ位置に配されている。

垂直信号線２８は、通常、ループを形成しない。そのため、垂直信号線２８上に生じる磁気誘導電圧の行位置に対する依存性は小さい。しかしながら、磁界の発生源が固体撮像装置１２０から近い場合には垂直信号線２８に生じる磁気誘導電圧の行位置に対する依存性による画質への影響が無視できない場合もある。このような場合に、保持容量３８の他端が接続される行位置と、垂直信号線２８の引き出しを行う行位置を近づけ、あるいはより好ましくは一致させることより、磁気誘導電圧の行位置に対する依存性の影響を抑制することができる。これにより、外部磁界に起因するノイズをより低減することができる。

［第３の実施形態］
第１の実施形態に係る固体撮像装置１００の具体的な素子構造の例を第３の実施形態として説明する。図８は、第３の実施形態に係る固体撮像装置１００の構造を示す模式図である。回路構成は図１と同様であるため説明を省略する。また、図８において、差動増幅回路３０−１等の一部の素子については図示を省略している。固体撮像装置１００は、第１の半導体基板１３２、絶縁体１３４、第２の半導体基板１３６が積層された構造を有している。画素１０、行選択信号線２４、垂直シフトレジスタ２６、垂直信号線２８、グラウンド配線３２、グラウンドパッド３４等は第１の半導体基板１３２の上に形成されている。差動増幅回路３０、保持容量３８等は第２の半導体基板１３６の上に形成されている。

固体撮像装置１００は、第１の半導体基板１３２の上の配線と第２の半導体基板１３６の上の配線とを接続する第１のビア１３８及び第２のビア１４０を有している。第１のビア１３８は、垂直信号線２８と差動増幅回路３０−２の一方の入力端子との間の電気的経路に配されている。第２のビア１４０は、グラウンド配線３２の上の接続部と保持容量３８−２の一方の端子との間の電気的経路に配されている。第１のビア１３８および第２のビア１４０は、平面視において、第１の半導体基板１３２に形成された画素ウェル領域Ｗ４の内部に位置している。

以上のように、本実施形態では、第１の実施形態の回路構成を有する固体撮像装置１００のより具体的な構成を示した。当該構成により、第１の実施形態で述べたように、外部磁界に起因するノイズを効果的に低減し得る固体撮像装置を提供することができる。また、本実施形態においては、第１のビア１３８及び第２のビア１４０を介して第１の半導体基板１３２の上の配線と第２の半導体基板１３６の上の配線とが接続されている。これにより、画素１０等と、差動増幅回路３０等とが別の半導体基板上に形成される構造を採用することができる。

［第４の実施形態］
図９は、本実施形態による撮像システム５００の構成を示すブロック図である。本実施形態の撮像システム５００は、上述の第１乃至第３の実施形態で述べた固体撮像装置１００、１２０のいずれかの構成を適用した固体撮像装置２００を含む。撮像システム５００の具体例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダー、監視カメラ等が挙げられる。図９に、第１乃至第３の実施形態のいずれかの構成が適用された固体撮像装置２００を含むデジタルスチルカメラの構成例を示す。

図９に例示した撮像システム５００は、固体撮像装置２００、被写体の光学像を固体撮像装置２００に結像させるレンズ５０２、レンズ５０２を通過する光量を可変にするための絞り５０４、レンズ５０２の保護のためのバリア５０６を有する。レンズ５０２及び絞り５０４は、固体撮像装置２００に光を集光する光学系である。固体撮像装置２００は、第１乃至第３の実施形態で説明した固体撮像装置１００、１２０のいずれかである。

撮像システム５００は、また、固体撮像装置２００から出力される出力信号の処理を行う信号処理部５０８を有する。信号処理部５０８は、必要に応じて入力信号に対して各種の補正、圧縮を行って出力する信号処理の動作を行う。信号処理部５０８は、固体撮像装置２００より出力される出力信号に対してＡＤ変換処理を実施する機能を備えていてもよい。この場合、固体撮像装置２００の内部には、必ずしもＡＤ変換回路を有する必要はない。

撮像システム５００は、更に、画像データを一時的に記憶するためのバッファメモリ部５１０、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）５１２を有する。更に撮像システム５００は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体５１４、記録媒体５１４に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）５１６を有する。なお、記録媒体５１４は、撮像システム５００に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。

更に撮像システム５００は、各種演算を行うとともにデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部５１８、固体撮像装置２００と信号処理部５０８に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部５２０を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システム５００は、少なくとも固体撮像装置２００と、固体撮像装置２００から出力された出力信号を処理する信号処理部５０８とを有すればよい。全体制御・演算部５１８及びタイミング発生部５２０は、固体撮像装置２００の制御機能の一部又は全部を実施するように構成してもよい。

固体撮像装置２００は、画像用信号を信号処理部５０８に出力する。信号処理部５０８は、固体撮像装置２００から出力される画像用信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。また、信号処理部５０８は、画像用信号を用いて、画像を生成する。

第１乃至第３の実施形態による固体撮像装置１００、１２０を用いて撮像システムを構成することにより、より良質の画像が取得可能な撮像システムを実現することができる。

［第５の実施形態］
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、本実施形態による撮像システム６００及び移動体の構成を示す図である。図１０（ａ）は、車戴カメラに関する撮像システム６００の一例を示したものである。撮像システム６００は、固体撮像装置２００を有する。固体撮像装置２００は、上述の第１乃至第３の実施形態に記載の固体撮像装置１００、１２０のいずれかである。撮像システム６００は、固体撮像装置２００により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部６１２と、撮像システム６００により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差算出部６１４を有する。また、撮像システム６００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離計測部６１６と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部６１８と、を有する。ここで、視差算出部６１４や距離計測部６１６は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部６１８はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated circuit）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。

撮像システム６００は、車両情報取得装置６２０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、撮像システム６００には、衝突判定部６１８での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ６３０が接続されている。すなわち、制御ＥＣＵ６３０は、距離情報に基づいて移動体を制御する移動体制御手段の一例である。また、撮像システム６００は、衝突判定部６１８での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置６４０とも接続されている。例えば、衝突判定部６１８の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ６３０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置６４０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。

本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム６００で撮像する。図１０（ｂ）に、車両前方（撮像範囲６５０）を撮像する場合の撮像システム６００を示した。車両情報取得装置６２０は、撮像システム６００を動作させ撮像を実行させるように指示を送る。第１乃至第３の実施形態による固体撮像装置１００、１２０を用いることにより、本実施形態の撮像システム６００は、測距の精度をより向上させることができる。

以上の説明では、他の車両と衝突しないように制御する例を述べたが、他の車両に追従して自動運転する制御、車線からはみ出さないように自動運転する制御等にも適用可能である。更に、撮像システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。

［変形実施形態］
上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらの例示によって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならない。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な態様で実施することができる。また、これまで述べた各実施形態を種々組み合わせて実施することができる。

上述の実施形態では、画素１０を走査する垂直走査回路が垂直シフトレジスタ２６である構成を例示したが、当該垂直走査回路はデコーダであってもよい。

第３の実施形態において、固体撮像装置１００の具体的な構成例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、図１（ｂ）に示す構成要素が１つの半導体基板上に構成されていてもよい。

図１（ａ）に示す画素１０の構成は一例を示したものであり、本発明の固体撮像装置に適用可能な画素はこれに限定されるものではない。

本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１以上のプロセッサがプログラムを読み出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

１０ 画素
１２ フォトダイオード
２８ 垂直信号線
３０（３０−１、３０−２） 差動増幅回路
３２ グラウンド配線
１００ 固体撮像装置

Claims (10)

1. 光電変換素子と、前記光電変換素子が生成する信号に基づく画素信号を出力する画素出力部とをそれぞれが有し、第１の方向に配列され、画素ウェル領域に設けられた複数の画素と、
   前記複数の画素の各々の前記画素出力部に接続され、前記第１の方向に沿って配された第１の配線と、
   前記第１の方向に対応する方向に沿って配された第２の配線と、
   平面視において前記画素ウェル領域の内部に位置する接続部で、前記第２の配線と接続する第３の配線と、
   ２つの入力端子を有し、一方の入力端子には、前記第１の配線を介して前記画素信号が入力され、他方の入力端子には、前記第３の配線の電位が入力される差動増幅回路と
   を有し、
   前記第２の配線は、前記複数の画素の各々の前記光電変換素子に接続されており、
   前記画素信号の基準となる電位は、前記接続部から前記光電変換素子に供給されることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記複数の画素は、前記第１の方向及び第２の方向に二次元状に配列され、
   前記接続部は、前記第２の方向に並ぶ複数の画素の間に位置することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. ２つの端子を有し、前記接続部に一方の端子が接続され、前記差動増幅回路の前記他方の入力端子に他方の端子が接続される保持容量を更に有し、前記第３の配線と前記他方の入力端子が、前記保持容量を介して接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. オン状態において前記保持容量の前記他方の端子に所定の電位を供給するよう構成されたスイッチを更に有し、
   前記保持容量及び前記スイッチは、基準電圧を保持し、前記基準電圧を前記差動増幅回路に入力させるサンプルホールド回路を構成することを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記複数の画素が配された第１の半導体基板と、
   前記差動増幅回路が配された第２の半導体基板と、
   前記第１の配線と前記差動増幅回路の前記一方の入力端子との間の電気的経路に配された第１のビアと
   を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記第２の半導体基板に配された保持容量と、
   第２のビアと
   を更に有し、
   前記保持容量は、２つの端子を有し、前記２つの端子の一方の端子が前記接続部に接続され、前記２つの端子の他方の端子が前記差動増幅回路の前記他方の入力端子に接続され、
   前記第３の配線と前記差動増幅回路の前記他方の入力端子は、前記保持容量を介して接続され、
   前記第２のビアは、前記接続部と前記保持容量の前記一方の端子との間の電気的経路に配されていることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
7. 前記第１の配線の上の第２の接続部から前記差動増幅回路の前記一方の入力端子に前記画素信号を引き出す第４の配線を更に有し、
   前記接続部と前記第２の接続部とは、前記第１の方向に対して垂直な第２の方向に並ぶ位置に配されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 前記第２の配線に接続された第１のパッド及び第２のパッドを更に有し、
   前記接続部は、前記第１のパッドと前記第２のパッドの間の電気的経路にあることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置の前記複数の画素から出力される信号を処理する信号処理部と
   を有することを特徴とする撮像システム。
10. 移動体であって、
    請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置からの信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
    前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する移動体制御手段と
    を有することを特徴とする移動体。

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