報道資料
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2018年2月13日

グローバルシャッター機能※1を実現する画素並列A/D変換器搭載
裏面照射型CMOSイメージセンサーを開発

※1:画素信号を1行毎に読み出す為に起こるCMOSイメージセンサー特有の画像の歪み(フォーカルプレーン歪み)を解消する機能

ソニー株式会社
ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社

ソニーは、新開発のA/D変換器を画素毎に配置し、全画素同時に露光したアナログ信号を各々即座にデジタル変換(画素並列A/D変換)することで、グローバルシャッター機能※1を実現した、有効画素数146万画素の裏面照射型CMOSイメージセンサーを開発しました。
本成果は、2018年2月11日(日)から米国サンフランシスコで開催されているISSCC(国際固体素子回路会議)において発表しました。

現在のカラムA/D変換方式※2のCMOSイメージセンサーは、画素で光電変換したアナログ信号を行毎にA/D変換して読み出す為、行毎の読み出し時間のずれによる画像の歪み(フォーカルプレーン歪み)が発生していました。
本開発品は、新開発の低電流動作可能で小型のA/D変換器を全ての画素の下に配置し、全画素同時に露光したアナログ信号を各々即座にデジタル変換(画素並列A/D変換)した後に、デジタルメモリーで信号を一時保持します。これにより、行毎の読み出し時間のずれによるフォーカルプレーン歪みを解消し、100万画素以上の高感度な裏面照射型CMOSイメージセンサーでは、業界で初めて※3画素並列A/D変換器によるグローバルシャッター機能※1を実現しました。
また、従来のカラムA/D変換方式※2に比べて、およそ1,000倍もの数のA/D変換器の搭載により増大する電流の課題に対しては、業界最高性能※4の低電流動作可能な小型の14ビットA/D変換器を開発することで克服しました。
さらに、A/D変換器およびデジタルメモリーは、積層型構造として下部のチップに配置することで、搭載スペースを確保しました。上部チップの各々の画素との接続には、ソニーが2016年1月に世界に先駆けて量産出荷した、「Cu-Cu(カッパー・カッパー)接続※5」の技術を採用しています。
加えて、A/D変換の為の大量データの読み書きに対しては、新開発のデータ転送機構を搭載することで高速化を実現しています。

  • ※2:A/D変換器を画素の垂直列毎に並列配置した方式。
  • ※3:2018年2月13日広報発表時点。
  • ※4:2018年2月13日広報発表時点。FoM(Figure of Merit):0.24e-・nJ/step。(消費電力×ノイズ)/(画素数×フレーム速度×ADC分解能)。
  • ※5:裏面照射型CMOSイメージセンサー部(上チップ)とロジック回路部(下チップ)を積層する際に、Cu(銅)のパッド同士を接続することで電気的導通を図る技術。画素領域の外周の貫通電極により、上下のチップを接続するTSV(シリコン貫通電極)に比べて、設計自由度や生産性の向上、小型化、高性能化などが可能。2016年12月に米国サンフランシスコで開催されたIEDM(国際電子デバイス会議)で発表。

開発品の主な特徴

高感度な裏面照射型CMOSイメージセンサーでグローバルシャッター機能※1を主に以下の技術で実現

  1. 低電流動作可能で小型の画素並列A/D変換器
    低消費電力化の為に、サブスレッショルド領域で動作する、業界最高性能※4の低電流動作可能で小型の14ビットA/D変換器を開発。従来のカラムA/D変換方式※2に比べて、およそ1,000倍もの数のA/D変換器の搭載により増大する電流の課題を克服。
  2. Cu-Cu(カッパー・カッパー)接続※5
    全画素並列のA/D変換を実現する為、約300万個もの「Cu-Cu(カッパー・カッパー)接続※5」を可能とする技術を開発。本技術により、画素基板とロジック基板を導通させ、有効画素数と同じ146万個ものA/D変換器、およびデジタルメモリーの搭載スペースを確保。
  3. 高速データ転送機構
    146万個ものA/D変換器の動作に伴う、大量のデジタル信号転送を可能にするリピータ回路を新たに開発。これにより、全画素のデジタル信号を高速に読み書き可能。

概略ブロック図

チップ写真

左:接合部断面構造/右上:画素基板/右下:ロジック基板

撮像画像

F2.8、7300lux、露光時間0.56ms、γ1.0

主な仕様

  低消費電力モード 低ノイズモード
有効画素数 1632(H)× 896(V)
ユニットセルサイズ 6.9 [μm] × 6.9 [μm]
最大フレームレート 660 [fps]
消費電力 654 [mW] 746 [mW]
RMSランダムノイズ(@アナログゲイン 0[dB]) 8.77 [e-rms] 5.15 [e-rms]
ダイナミックレンジ 65.7 [dB] 70.2 [dB]
A/D変換分解能 14 [bit]
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