JP2009070912A - 固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学特性を劣化させることなく、光学的黒レベルの基準信号を精度良く得ることが可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】半導体基板上に配置された多数の光電変換素子５１を含む固体撮像素子５であって、多数の光電変換素子５１が、被写体からの光に応じた撮像信号を得るための光電変換素子である有効光電変換素子５１と、光学的黒レベルの基準信号を得るための光電変換素子であるＯＢ光電変換素子５１とを含み、有効光電変換素子５１が設けられた領域を有効画素領域５７とし、ＯＢ光電変換素子５１が設けられた領域をＯＢ画素領域５６とし、少なくとも有効画素領域５７上方に設けられ、有効光電変換素子５１上方に開口Ｋが形成された遮光膜６３と、ＯＢ画素領域５６上方に設けられ、遮光膜６３とは電気的に分離された遮光膜６０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、被写体からの光に応じた撮像信号を得るための光電変換部が配置された有効画素領域と、光学的黒レベルの基準信号を得るためのＯＢ部が配置されたＯＢ画素領域とを有する固体撮像素子に関する。

近年、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像素子では、微細化により、光電変換素子の空乏化電圧が上昇したり、露光期間及び電荷転送期間中に光電変換素子表面からＣＣＤへ流れ込むスミア電荷が増加したりといった問題が出てきている。そこで、このような問題を解決するために、光電変換素子からＣＣＤへの電荷読み出し期間には、該遮光膜にプラスの電圧を印加して光電変換素子の空乏化電圧上昇を抑え、それ以外の期間には、光電変換素子の受光面以外を遮光している遮光膜にマイナスの電圧を印加してスミア電荷がＣＣＤへ移動するのを防止するといったことが従来提案されている。（例えば特許文献１参照）。

又、光電変換素子の開口面上に透明電極膜を形成し、この透明電極膜に、電荷読み出し期間にはプラスの電圧を印加し、電荷読み出し期間以外の期間にはマイナスの電圧を印加するといったことも提案されている（例えば特許文献２、３参照）。

特開２００５−１０９０２１号公報 特開２００６−１２１１１２号公報 特開２００３−３７２６２号公報

特許文献２，３に開示された構成では、光電変換素子の受光面が透明電極によって覆われているため、この透明電極によって若干の光が吸収されてしまい、撮像素子の光学特性が劣化するという問題点がある。又、一般に、固体撮像素子には、光学的黒レベルの基準信号を得るためのＯＢ光電変換素子と、被写体からの光に応じた撮像信号を得るための有効光電変換素子とが存在し、これらＯＢ光電変換素子と有効光電変換素子との上に設けられる遮光膜は、有効光電変換素子の上方にのみ開口が形成された構成となっている。つまり、有効光電変換素子とその近傍の遮光膜の構成と、ＯＢ光電変換素子とその近傍の遮光膜の構成とは異なるものとなっている。このため、特許文献１に開示されているように遮光膜に電圧を印加した場合、ＯＢ光電変換素子と有効光電変換素子とで、スミア抑制効果及び空乏化電圧上昇抑制効果に差が出てしまい、光学的黒レベルの基準信号を精度良く得られなくなってしまうという問題点がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光学特性を劣化させることなく、光学的黒レベルの基準信号を精度良く得ることが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板内に形成された多数の光電変換素子を含む固体撮像素子であって、前記多数の光電変換素子が、被写体からの光に応じた撮像信号を得るための光電変換素子である有効光電変換素子と、光学的黒レベルの基準信号を得るための光電変換素子であるＯＢ光電変換素子とを含み、前記半導体基板の前記有効光電変換素子が設けられた領域を有効画素領域とし、前記半導体基板の前記ＯＢ光電変換素子が設けられた領域をＯＢ画素領域とし、少なくとも前記有効画素領域上方に設けられ、前記有効光電変換素子の少なくとも一部上方に開口が形成された第一の遮光膜と、前記ＯＢ画素領域上方に設けられ、前記第一の遮光膜とは電気的に分離された第二の遮光膜とを備える。

本発明の固体撮像素子は、前記第一の遮光膜が、前記ＯＢ画素領域上方の前記第二の遮光膜も覆うように前記ＯＢ画素領域上方にも形成されている。

本発明の固体撮像素子は、前記第一の遮光膜と前記第二の遮光膜には、それぞれ異なる端子が接続されている。

本発明の固体撮像素子は、前記第二の遮光膜に接続された端子が接地されている。

本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備え、前記固体撮像素子は、前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送するための電荷転送路と、前記電荷を前記電荷転送路に読み出すための電荷読出し部とを有し、前記駆動手段は、第一の期間に前記第一の遮光膜に正電圧を印加し、前記第一の期間以外の期間に前記第一の遮光膜に負電圧を印加する駆動を行い、前記第一の期間が、前記電荷読出し部に読み出し電圧を印加して前記電荷を前記電荷転送路に読み出す電荷読み出し期間の少なくとも一部を含む期間である。

本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子と、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備え、前記固体撮像素子は、前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送するための電荷転送路と、前記電荷を前記電荷転送路に読み出すための電荷読出し部とを有し、前記駆動手段は、第一の期間に前記第一の遮光膜及び前記第二の遮光膜に正電圧を印加し、前記第一の期間以外の期間に前記第一の遮光膜及び前記第二の遮光膜に負電圧を印加する駆動を行い、前記第一の期間が、前記電荷読出し部に読み出し電圧を印加して前記電荷を前記電荷転送路に読み出す電荷読み出し期間の少なくとも一部を含む期間であり、前記第二の遮光膜に接続された前記端子に印加する前記負電圧の絶対値は、前記第一の遮光膜に接続された前記端子に印加する前記負電圧の絶対値よりも小さく、前記第二の遮光膜に接続された前記端子に印加する前記正電圧は、前記第一の遮光膜に接続された前記端子に印加する前記正電圧よりも小さい。

本発明によれば、光学特性を劣化させることなく、光学的黒レベルの基準信号を精度良く得ることが可能な固体撮像素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。
図１に示す固体撮像素子５は、半導体基板内の垂直方向とこれに直交する水平方向に正方格子状に配列された多数の光電変換素子５１と、垂直方向に並ぶ複数の光電変換素子５１からなる光電変換素子列に対応してその右側部に設けられ、該光電変換素子列の各光電変換素子５１に蓄積された電荷を垂直方向に転送するための垂直電荷転送路５２と、光電変換素子５１に蓄積された電荷を該光電変換素子５１に対応する垂直電荷転送路５２に読み出すための電荷読出し部５３と、垂直電荷転送路５２を転送されてきた電荷を水平方向に転送するための水平電荷転送路５４と、水平電荷転送路５４を転送されてきた電荷を電圧信号に変換して出力する出力部５５とを備える。

多数の光電変換素子５１には、光学的黒レベルの基準信号を得るための光電変換素子であるＯＢ光電変換素子５１と、被写体からの光に応じた撮像信号を得るための光電変換素子である有効光電変換素子５１とを含む。図１では、ＯＢ光電変換素子５１に“ＯＢ”の文字を記してある。

図１に示すように、固体撮像素子５の半導体基板には、ＯＢ光電変換素子５１が設けられた領域であるＯＢ画素領域５６と、半導体基板のうちの有効光電変換素子５１が設けられた領域である有効画素領域５７とが含まれている。尚、図１では、固体撮像素子５に含まれる光電変換素子列のうち、出力部５５側から近い２つの光電変換素子列を構成する光電変換素子をＯＢ光電変換素子５１としているが、ＯＢ光電変換素子５１の配置はこの例に限らない。

図２は、図１に示すＡ−Ａ線断面模式図である。尚、図２では、遮光膜よりも上方の構成（カラーフィルタやマイクロレンズ等）の図示を省略してある。
図２に示すように、ｎ型シリコン基板６６上に形成されたｐウェル層６７内に光電変換素子５１が形成されている。ｎ型シリコン基板６６とｐウェル層６７とにより、上記半導体基板が構成されている。光電変換素子５１は、ｐウェル層６７の表面から内側に形成されたｐ型不純物層５１ａと、ｐ型不純物層５１ａの下に形成されたｎ型不純物層５１ｂとから構成されている。ｐ型不純物層５１ａは、光電変換素子５１の表面電位を固定して暗電流を防ぐためのものである。光電変換素子５１で発生した電荷はｎ型不純物層５１ｂに蓄積される。

ｐウェル層６７内の光電変換素子５１の右隣には、少し離間してｎ型不純物層からなる垂直電荷転送路５２が形成されている。光電変換素子５１と垂直電荷転送路５２との間のｐウェル層６７には、光電変換素子５１で発生してｎ型不純物層５１ｂに蓄積された電荷を垂直電荷転送路５２に読み出すための電荷読み出し部５３が形成されている。垂直電荷転送路５２と電荷読み出し部５３の上方には、シリコン酸化膜やＯＮＯ膜等からなるゲート絶縁膜５０を介して、垂直電荷転送路５２に電圧を供給して電荷転送動作を制御するための電荷転送電極と、電荷読み出し部５３に読み出し電圧を供給して電荷読み出し動作を制御するための電荷読み出し電極とを兼ねたポリシリコン等からなる電極５８が形成されている。ゲート絶縁膜５０及び電極５８上には絶縁膜５９が形成されている。

ＯＢ画素領域５６上の絶縁膜５９上には、ＯＢ画素領域５６に設けられたＯＢ光電変換素子５１、垂直電荷転送路５２、電荷読み出し部５３、及び該垂直電荷転送路５２上方に設けられた電極５８等に光が入射するのを防ぐための遮光膜６０が形成されている。遮光膜６０は、光を透過しない材料且つ導電性の材料（例えばタングステンやアルミニウム等）で構成されている。

遮光膜６０上には絶縁膜６１が形成され、絶縁膜６１上には平坦化膜６２が形成されている。

絶縁膜５９と平坦化膜６２の上には、有効光電変換素子５１の少なくとも一部上方にのみ開口Ｋが設けられた遮光膜６３が形成されている。この開口Ｋによって、有効光電変換素子５１の受光面積が決定されている。

遮光膜６０と遮光膜６３とは電気的に分離されており、遮光膜６０には端子６５が接続され、遮光膜６３には端子６４が接続されている。このため、遮光膜６０と遮光膜６３とにはそれぞれ独立に電圧を印加することが可能となっている。

以上のような構成の固体撮像素子は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置に搭載して用いることができる。以下に、固体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構成について説明する。
図３は、図１に示す固体撮像素子を搭載したデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図示するデジタルカメラの撮像系は、撮影レンズ１と、固体撮像素子５と、この両者の間に設けられた絞り２と、赤外線カットフィルタ３と、光学ローパスフィルタ４とを備える。

デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するシステム制御部１１は、フラッシュ発光部１２及び受光部１３を制御し、レンズ駆動部８を制御して撮影レンズ１の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりし、絞り駆動部９を介し絞り２の開口量を制御して露光量調整を行う。

又、システム制御部１１は、撮像素子駆動部１０を介して固体撮像素子５を駆動し、撮影レンズ１を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。システム制御部１１には、操作部１４を通してユーザからの指示信号が入力される。

撮像素子駆動部１０は、端子６４と端子６５に接続されており、それぞれに所定の電圧を印加することができるようになっている。

撮像素子駆動部１０は、露光期間中に光電変換素子５１に蓄積された電荷を垂直電荷転送路５２に読み出す電荷読み出し期間（電荷読出し部５３上方の電極５８に読み出し電圧を印加してから該読み出し電圧の印加を終了するまでの期間）には、端子６４と端子６５にそれぞれプラスの電圧を印加する。これにより、光電変換素子５１の空乏化電圧の上昇を抑制することができる。

更に、撮像素子駆動部１０は、上記電荷読み出し期間以外の期間には、端子６４と端子６５にそれぞれマイナスの電圧を印加する。これにより、ｐ型不純物層５１ａから垂直電荷転送路５２にスミア電荷が移動するのを抑制することができる。

有効光電変換素子５１上方の遮光膜６３の構造と、ＯＢ光電変換素子５１上方の遮光膜６０の構造は異なるため、端子６４と端子６５とに同じレベルのマイナス電圧又はプラス電圧を印加したのでは、有効光電変換素子５１とＯＢ光電変換素子５１とから同一条件で信号を読み出すことができない。そこで、固体撮像素子５に全く光を入射させない状態で上述した撮影動作を行い、この撮影によって有効光電変換素子５１から得られた信号とＯＢ光電変換素子５１から得られた信号とがほぼ同一となるような、電荷読み出し期間に端子６４及び端子６５にそれぞれ印加する電圧、電荷読み出し期間以外の期間に端子６４及び端子６５にそれぞれ印加する電圧を予め求めておく。そして、撮影時には、この求めておいた電圧を端子６４、端子６５に印加することで、有効光電変換素子５１とＯＢ光電変換素子５１とから同一条件で信号を読み出すことが可能となる。この結果、光学的黒レベルの基準信号を精度良く得ることができる。

有効光電変換素子５１とＯＢ光電変換素子５１とでは、遮光膜６０と遮光膜６３に同じ電圧を印加した場合、ＯＢ光電変換素子５１の方がスミア抑制効果及び空乏化電圧上昇抑制効果が高い。このため、上記した予め求めてある電圧には、（電荷読み出し期間に端子６４に印加する電圧）＞（電荷読み出し期間に端子６５に印加する電圧）の関係と、（電荷読み出し期間以外の期間に端子６４に印加する電圧の絶対値）＞（電荷読み出し期間以外の期間に端子６５に印加する電圧の絶対値）の関係とが成り立っている。

デジタルカメラの電気制御系は、更に、固体撮像素子５の出力に接続された相関二重サンプリング処理等のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部６と、このアナログ信号処理部６から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路７とを備え、これらはシステム制御部１１によって制御される。

更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ１６と、メインメモリ１６に接続されたメモリ制御部１５と、補間演算やガンマ補正演算，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部１７と、デジタル信号処理部１７で生成された画像データをＪＰＥＧ形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部１８と、測光データを積算しデジタル信号処理部１７が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部１９と、着脱自在の記録媒体２１が接続される外部メモリ制御部２０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部２３が接続される表示制御部２２とを備え、これらは、制御バス２４及びデータバス２５によって相互に接続され、システム制御部１１からの指令によって制御される。

次に、図３に示したデジタルカメラによる撮影動作について説明する。
操作部１４が操作されて撮影指示がなされて露光期間が開始されると、撮像素子駆動部１０が端子６４と端子６５にそれぞれマイナスの電圧を印加する。露光期間が終了すると、撮像素子駆動部１０は、電極５８に読み出し電圧を印加すると共に、端子６４と端子６５にそれぞれプラスの電圧を印加する。このプラスの電圧印加は、読み出し電圧の印加が終了するまで行われる。読み出し電圧の印加が終了した後は、撮像素子駆動部１０が再び端子６４と端子６５にそれぞれマイナスの電圧を印加する。そして、撮像素子駆動部１０は、垂直電荷転送路５２、水平電荷転送路５３、及び出力部５５を駆動して、読み出された電荷に応じた信号を固体撮像素子５から出力させて撮影動作を終了する。

以上のように、本実施形態の固体撮像素子５によれば、有効光電変換素子５１上方に設けられる遮光膜６３と、ＯＢ光電変換素子５１上方に設けられる遮光膜６０とを電気的に分離した別々の構成とし、それぞれに独立に電圧を印加できるようにしているため、有効光電変換素子５１とＯＢ光電変換素子５１とから同一条件で信号を読み出すことが可能となり、光学的黒レベルの基準信号を精度良く得ることができる。

又、本実施形態の固体撮像素子５は、特許文献２，３に開示された素子のように、有効光電変換素子５１の受光面上方に透明電極が存在していないため、透明電極を設けたことによる光学特性の劣化がない。

又、本実施形態の固体撮像素子５によれば、遮光膜６３がＯＢ画素領域５６上方の遮光膜６０を覆って形成されているため、ＯＢ画素領域５６を遮光膜６０と遮光膜６３とによって二重に遮光することができる。この結果、ＯＢ画素領域５６に光が入りにくくなり、光学的黒レベルの基準信号のスミア電荷による影響を極力排除することができる。

尚、以上の説明では、遮光膜６０に端子６５を接続し、ここからマイナスの電圧とプラスの電圧を印加できるものとしたが、端子６５は接地されていても良いし、端子６５を省略して遮光膜６０をどこにも接続しない状態としても良い。この場合は、固体撮像素子５に全く光を入射させない状態で撮影を行い、この撮影によって有効光電変換素子５１から得られた信号とＯＢ光電変換素子５１から得られた信号とがほぼ同一となるように、電荷読み出し期間に端子６４に印加する電圧及び電荷読み出し期間以外の期間に端子６４に印加する電圧を予め求めておけば良い。又、端子６５を省略して遮光膜６０をどこにも接続しない状態とした場合には、遮光膜６０は導電性材料である必要はない。

又、以上の説明では、遮光膜６３をＯＢ画素領域５６上方にまで設けるものとしているが、遮光膜６３は、有効画素領域５７上方に少なくとも設けてあれば良い。

又、以上の説明では、読み出し電圧の印加開始から印加終了までの電荷読み出し期間に、遮光膜６０及び遮光膜６３にプラスの電圧を印加し、それ以外の期間には遮光膜６０及び遮光膜６３にマイナスの電圧を印加するものとしたが、遮光膜６０及び遮光膜６３にプラスの電圧を印加する期間は、電荷読み出し期間の少なくとも一部を含む期間であれば、空乏化電圧の上昇を抑えることが可能である。

又、端子６５を接地したり、端子６５を省略して遮光膜６０をどこにも接続しない状態としたりした場合、電荷読み出し期間に、遮光膜６３にプラスの電圧を印加し、それ以外の期間には遮光膜６３にマイナスの電圧を印加するものとしたが、この場合において、遮光膜６３にプラスの電圧を印加する期間は、電荷読み出し期間の少なくとも一部を含む期間であれば、空乏化電圧の上昇を抑えることが可能である。

本発明の実施形態である固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図 図１に示すＡ−Ａ線断面模式図 図１に示す固体撮像素子を搭載したデジタルカメラの概略構成を示す図

符号の説明

５ 固体撮像素子
５１ 光電変換素子
５２ 垂直電荷転送路
５３ 電荷読み出し部
５４ 水平電荷転送路
５５ 出力部
５６ ＯＢ画素領域
５７ 有効画素領域
５８ 電極
６０，６３ 遮光膜
６４，６５ 端子

Claims (6)

1. 半導体基板内に形成された多数の光電変換素子を含む固体撮像素子であって、
   前記多数の光電変換素子が、被写体からの光に応じた撮像信号を得るための光電変換素子である有効光電変換素子と、光学的黒レベルの基準信号を得るための光電変換素子であるＯＢ光電変換素子とを含み、
   前記半導体基板の前記有効光電変換素子が設けられた領域を有効画素領域とし、前記半導体基板の前記ＯＢ光電変換素子が設けられた領域をＯＢ画素領域とし、
   少なくとも前記有効画素領域上方に設けられ、前記有効光電変換素子の少なくとも一部上方に開口が形成された第一の遮光膜と、
   前記ＯＢ画素領域上方に設けられ、前記第一の遮光膜とは電気的に分離された第二の遮光膜とを備える固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記第一の遮光膜が、前記ＯＢ画素領域上方の前記第二の遮光膜も覆うように前記ＯＢ画素領域上方にも形成されている固体撮像素子。
3. 請求項１又は２記載の固体撮像素子であって、
   前記第一の遮光膜と前記第二の遮光膜には、それぞれ異なる端子が接続されている固体撮像素子。
4. 請求項３記載の固体撮像素子であって、
   前記第二の遮光膜に接続された端子が接地されている固体撮像素子。
5. 請求項１、２、又は４記載の固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備え、
   前記固体撮像素子は、前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送するための電荷転送路と、前記電荷を前記電荷転送路に読み出すための電荷読出し部とを有し、
   前記駆動手段は、第一の期間に前記第一の遮光膜に正電圧を印加し、前記第一の期間以外の期間に前記第一の遮光膜に負電圧を印加する駆動を行い、
   前記第一の期間が、前記電荷読出し部に読み出し電圧を印加して前記電荷を前記電荷転送路に読み出す電荷読み出し期間の少なくとも一部を含む期間である撮像装置。
6. 請求項３記載の固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備え、
   前記固体撮像素子は、前記光電変換素子に蓄積された電荷を転送するための電荷転送路と、前記電荷を前記電荷転送路に読み出すための電荷読出し部とを有し、
   前記駆動手段は、第一の期間に前記第一の遮光膜及び前記第二の遮光膜に正電圧を印加し、前記第一の期間以外の期間に前記第一の遮光膜及び前記第二の遮光膜に負電圧を印加する駆動を行い、
   前記第一の期間が、前記電荷読出し部に読み出し電圧を印加して前記電荷を前記電荷転送路に読み出す電荷読み出し期間の少なくとも一部を含む期間であり、
   前記第二の遮光膜に接続された前記端子に印加する前記負電圧の絶対値は、前記第一の遮光膜に接続された前記端子に印加する前記負電圧の絶対値よりも小さく、前記第二の遮光膜に接続された前記端子に印加する前記正電圧は、前記第一の遮光膜に接続された前記端子に印加する前記正電圧よりも小さい撮像装置。

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