JP4311419B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置、特に光電変換部、及び光電変換部により生成された電荷を画素信号に変換する変換部を画素内に含む固体撮像装置、例えばＣＭＯＳイメージセンサ等に関する。

ＣＭＯＳイメージセンサは、光電変換部と複数のＭＯＳトランジスタからなる画素が複数、２次元アレイ状に配列され、光電変換素子により生成された電荷を画素信号に変換して読み出す固体撮像装置である。近年、このＣＭＯＳイメージセンサは、携帯電話用のカメラ、デジタルスチルカメラ、あるいはデジタルビデオカメラ等の撮像素子として注目されている。

イメージセンサにおいては、光電変換部である、例えばフォトダイオードの中での光による光電変換により、電荷が発生するが、これ以外にも、熱的に発生する電子／正孔がある。これを暗電流と呼ぶ。暗電流は、イメージセンサにおいて、ノイズの支配的要因のひとつであり、画質を左右する重要な要因である。また、暗電流は、フォトダイオードのみならず、フローティング・ディフュージョン部でも発生する。通常のイメージセンサの暗電流は、温度、蓄積時間によって変わる。そのために、暗電流が発生することで、光学的に黒である状態、つまり露光が無い状態の信号出力値が、温度、蓄積時間によって変わってしまい、基準の光学的黒レベルが変化し、画像のコントラストに影響を与えてしまうことがある。このように、暗電流はイメージセンサのノイズの支配的要因の一つとなる。

例えば、Ａ／Ｄ変換の基準としてある固定した信号レベルを使っていた場合、暗電流により、光学的黒レベルのデジタル値が温度によって変わってしまうことになり、画像処理後に得られる画像の黒い部分が温度によって白く浮いたり、真っ黒に沈み込んだりして、コントラストが安定しない画像になってしまう。

このような問題を回避するために、多くのイメージセンサでは、有効画素領域における有効画素（以下開口画素という）と、光学的黒レベルを出力する黒基準画素（以下ＯＢ画素(Optical Black画素）という)を一つのデバイス上に形成している。ＯＢ画素は、開口画素と同じ構造を持つが、配線上に遮光膜が形成されて遮光が施されているので、このＯＢ画素を読み出すことにより、フレーム毎に光学的な黒レベルを出力することができる。このため、温度が変化して、暗電流が変化した場合でも、ＯＢ画素の黒レベルを基に、開口画素で、コントラストの基準レベルを推定できるようになる。

図５に、従来のＣＭＯＳイメージセンサの概略構成図を示す。固体撮像装置１は、撮像領域２と、撮像領域２の周辺に配置した垂直選択回路部３及び読み出し回路部４とを備えて構成される。撮像領域２は、被写体画像を撮像する開口画素（有効画素）６が配列された有効画素領域５と、有効画素領域５の周囲に形成され、遮光が施されたＯＢ画素８が配列された光学的黒領域（Optical Black領域）７とから構成される。開口画素６及びＯＢ画素８を含む画素は、規則的に２次元アレイ状に配列される。

開口画素６及びＯＢ画素８は、光電変換部を構成する例えばフォトダイオードと、複数のＭＯＳトランジスタ、例えば転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ及び選択トランジスタを有してなる。

垂直選択回路部３は、例えばシフトレジスタによって構成され、撮像領域２の各開口画素６及びＯＢ画素８を行単位で順次垂直方向に選択走査し、垂直信号線（図示せず）を通して各画素の光電変換部（フォトダイオード）において受光量に応じて生成した信号電荷を読み出し回路部４に供給する。

読み出し回路部４は、図示しないが、水平信号線、水平選択回路、カラム信号処理回路、出力回路等を有して構成される。さらに、同じチップ上に垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基いて、垂直選択回路部３及び読み出し回路部４等の動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成し、垂直選択回路部３及び読み出し回路部４等に入力する制御回路が形成される。

図７に、図５における開口画素６及びＯＢ画素８を通るＤ−Ｄ′線上の断面構造を示す。半導体基板（例えばシリコン基板）１１の有効画素領域５に、素子分離領域１２で区画された開口画素６が形成され、光学的黒領域７に同じく素子分離領域１２で区画されたＯＢ画素８が形成される。開口画素６は、光電変換部であるフォトダイオード（ＰＤ）１３と複数のＭＯＳトランジスタ（図７では転送トランジスタＴｒ１のみ示す）とから成る。転送トランジスタＴｒ１は、フローティング・ディフージョン（ＦＤ）部１４となる半導体領域とフォトダイオード１３とゲート絶縁膜を介して形成された転送ゲート電極１５とにより構成される。ＯＢ画素８は、光電変換部であるフォトダイオード（ＰＤ）２３と複数のＭＯＳトランジスタ（図７では転送トランジスタＴｒ２のみ示す）とから成る。転送トランジスタＴｒ２は、フローティング・ディフージョン（ＦＤ）部２４となる半導体領域とフォトダイオード２３とゲート絶縁膜を介して形成された転送ゲート電極２５とにより構成される。

半導体基板１１の上部には、層間絶縁膜１７を介して多層配線１８が形成される。さらに光学的黒領域７では、多層配線１８の上部に金属膜、例えばＡｌ膜による遮光膜１９が形成される。なお、図示しないが、さらに平坦化膜を介して、カラーフィルタ及びオンチップレンズ等が形成される。

図８Ａ，Ｂに、夫々ＯＢ画素８のフォトダイオード（ＰＤ）２３及びフローティング・ディフージョン（ＦＤ）部２４の模式的な平面構造、及び開口画素６のフォトダイオード（ＰＤ）１３及びフローティング・ディフージョン（ＦＤ）部１４の模式的な平面構造を示す。ＯＢ画素８及び開口画素６では、共に同じ大きさでフォトダイオード１３，２３、フローティング・ディフージョン部１４，２４が形成される。

以上の構成によって、画像が読み出されるが、その読み出し走査の詳細について説明する。まず、垂直選択回路部３による水平同期信号に合わせて、ＯＢ画素８、開口画素６が順々に選択され読み出しが行われる。図６に、読み出し信号出力の一例を示す。同図は、図５の前ＯＢ画素行ｍ１を３行分（ｍ１＝３）とし、後ＯＢ画素行ｍ２を２行分（ｍ２＝２）とした。信号出力ではＯＢ画素行及び開口画素行共に、水平同期信号（ＸＨＳ）間の１水平走査期間の信号出力を拡大して示す。

１フレームの画像は、垂直同期信号（ＸＶＳ）をトリガーとして、次の垂直同期信号までに出力される。垂直同期信号の間には水平同期信号（ＸＨＳ）をトリガーとして１行分の信号が出力される。１行分の信号出力に注目すると、ＯＢ画素行の信号出力は光学的黒（ＯＢ）出力レベルの出力のみが行われるが、開口画素行の信号出力ｃでは前後に光学的黒（ＯＢ）出力レベルの出力ａ，ｂが出力される。

一般的に、１フレームの最初に読み出されたＯＢ画素８の出力値をサンプリングし、その結果を待って、そのフレーム内の開口画素６の黒レベルに適応するので、温度が急に変わった場合でも１フレーム以内の温度変化に関しては暗電流量がキャンセルされることになる。

以上のような構成により、開口画素６において、温度や蓄積時間で変化する暗電流が発生したとしても、ＯＢ画素８においても同じ条件での暗電流量が測られ、そしてそのＯＢ画素８の黒レベルを基準のレベルとして、開口画素６のコントラストが決まるので、暗電流による画像コントラストの乱れの低減が図られる。

しかしながら、ＯＢ画素８の上部に遮光膜１９を形成した場合、表面準位の違いなどにより、ＯＢ画素８と開口画素６の暗電流量を厳密に一致させることが難しいことが分かっている。ＯＢ画素８の光学的黒レベルを基準とするのは、ＯＢ画素８と開口画素６の暗電流量が同じであることが前提にある。そのため、ＯＢ画素６と開口画素８の暗電流量が異なると、ＯＢ画素６による光学的な黒レベルの基準は、開口画素８に適用できない。そうすると、１フレーム内において温度変化が無い場合でも開口画素８の画像コントラストに影響を与える事態と成りうる。例え、ＯＢ画素８と開口画素６との暗電流の差が微小であったとしても、暗い画像を取ろうとした場合など、蓄積時間を延ばしたときに問題となってくる。

また、特許文献１には、ＯＢ画素での暗電流を抑えるために、ＯＢ画素のフォトダイオードを取り除く方法が開示されている。
特開平１０−１０７２４５号公報

暗電流は、画素が、フォトダイオードとフローティング・ディフュージョン部とで構成されている場合、フォトダイオードから発生するものと、フローティング・ディフュージョン部から発生するものとに分けることができる。暗電流を信号として読み出す場合には、その和として読み出すことになる。図７、図８の従来技術のように、画素の形状が開口画素とＯＢ画素で同じ場合は、ＯＢ画素の上部にＡｌによる遮光膜が形成されている関係で、両者の暗電流量をそろえることは難しい。逆に言えば、ＯＢ画素と開口画素のフローティング・ディフュージョン部及びフォトダイオードをそれぞれ同じ大きさで同じように作っても、暗電流の差が出ることがある。

また、開口画素とＯＢ画素の暗電流量が異なってしまう原因は、フォトダイオード起因によるものと、フローティング・ディフュージョン起因によるものの、両方が挙げられる。ただし、フォトダイオードとフローティング・ディフュージョンでは製造工程が異なるため、暗電流量の差も異なる。通常は、フォトダイオードの面積のほうが、フローティング・ディフュージョンよりも大きいので、暗電流量差もフォトダイオード起因のものが大きい場合が多い。

上述の特許文献１のように、ＯＢ画素のフォトダイオードを取り除くことによって暗電流を抑える方法も提案されているが、ＯＢ画素の暗電流が開口画素に比べ、極端に少なくなるので、結局、温度、蓄積時間によっては黒レベルのズレが生じてしまうことになる。

本発明は、上述の点に鑑み、開口画素とＯＢ画素で発生する暗電流量差を調整することによって、温度、蓄積時間によって変動しない光学的な黒レベルを出力することができ、画像コントラストへの影響を低減することのできる固体撮像装置を提供するものである。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、光電変換部とフローティング・ディフュージョン部を有して構成される有効画素及び黒基準画素が、それぞれ複数配列された撮像領域を有し、有効画素の暗電流量と、黒基準画素の暗電流量とが一致するように、有効画素の光電変換部及び黒基準画素の光電変換部を同一形状で構成し、有効画素のフローティング・ディフュージョン部と、黒基準画素のフローティング・ディフュージョン部の表面積がそれぞれ異なるように構成されたことを特徴とする

本発明の固体撮像装置では、黒基準画素と、有効画素とのそれぞれフローティング・デ
ィフュージョン部の表面積を異ならすことで、両画素の暗電流の和を一致さ
せることができる。

本発明に係る固体撮像装置によれば、固体撮像装置そのものの特性を落とすことなく、黒基準画素と有効画素との暗電流量を揃えることができ、安定した黒レベルを出力することができるので、画像コントラストの向上を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

本実施の形態に係る固体撮像装置は、光電変換部とこの光電変換部により生成された電荷を画素信号に変換する変換部を有する単位画素としたＣＭＯＳイメージセンサである。

図１に、本実施の形態に係るＣＭＯＳイメージセンサの概略構成図を示す。本実施の形態に係る固体撮像装置３１は、図１に示すように、撮像領域３２と、撮像領域３２の周辺に配置した垂直選択回路部３３及び読み出し回路部３４とを備えて構成される。撮像領域３２は、被写体画像を撮像する有効画素（以下、開口画素という）３６が配列された有効画素領域３５と、有効画素領域３５の周囲に形成され、遮光が施された黒基準画素（以下、ＯＢ画素という）３８が配列された光学的黒領域（Optical Black領域）３７とから構成される。開口画素３６及びＯＢ画素３８を含む画素は、規則的に２次元アレイ状に配列される。

開口画素３６及びＯＢ画素３８は、光電変換部を構成する例えばフォトダイオードと、複数のＭＯＳトランジスタ、例えば転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ及び選択トランジスタを有してなる。

垂直選択回路部３３は、例えばシフトレジスタによって構成され、撮像領域３２の各開口画素３６及びＯＢ画素３８を行単位で順次垂直方向に選択走査し、垂直信号線（図示せず）を通して各画素の光電変換部（フォトダイオード）において受光量に応じて生成した信号電荷を読み出し回路部３４に供給する。

読み出し回路部３４は、図示しないが、水平信号線、水平選択回路、カラム信号処理回路、出力回路等を有して構成される。さらに、同じチップ上に垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基いて、垂直選択回路部３３及び読み出し回路部３４等の動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成し、垂直選択回路部３３及び読み出し回路部３４等に入力する制御回路が形成される。

図２に、図１における開口画素３６及びＯＢ画素３８を通るＡ−Ａ′線上の断面構造を示す。半導体基板（例えばシリコン基板）４１の有効画素領域３５に、素子分離領域４２で区画された開口画素３６が形成され、光学的黒領域３７に同じく素子分離領域４２で区画されたＯＢ画素３８が形成される。開口画素３６は、光電変換素子であるフォトダイオード（ＰＤ）４３と複数のＭＯＳトランジスタ（図２では転送トランジスタＴｒ１のみ示す）とから成る。転送トランジスタＴｒ１は、フローティング・ディフュージョン（ＦＤ）部４４となる半導体領域とフォトダイオード４３とゲート絶縁膜を介して形成された転送ゲート電極４５とにより構成される。ＯＢ画素３８は、光電変換部であるフォトダイオード（ＰＤ）５３と複数のＭＯＳトランジスタ（図２では転送トランジスタＴｒ２のみ示す）とから成る。転送トランジスタＴｒ２は、フローティング・ディフュージョン（ＦＤ）部５４となる半導体領域とフォトダイオード５３とゲート絶縁膜を介して形成された転送ゲート電極５５とにより構成される。

半導体基板４１の上部には、層間絶縁膜４７を介して多層配線４８が形成される。さらに光学的黒領域３７では、多層配線４８の上部に金属膜、例えばＡｌ膜による遮光膜４９が形成される。なお、図示しないが、さらに平坦化膜を介して、カラーフィルタ及びオンチップレンズ等が形成される。

そして、本実施の形態においては、詳細は後述するが、開口画素３６とＯＢ画素３８の暗電流量を一致させるために、開口画素３６とＯＢ画素３８における夫々のフローティング・ディフュージョン（ＦＤ）部４４及び５４の形状を異ならして構成する。
本実施の形態の固体撮像装置３１の信号読み出しは、前述の従来例で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。

下記の表１に、開口画素３６、及びＯＢ画素３８の、フォトダイオード４３，５３による夫々の暗電流成分とフローティング・ディフュージョン部４４，５４による夫々の暗電流成分を示す。ＯＢ画素３８でのフォトダイオード５３による暗電流成分をＰ１、フローティング・ディフュージョン部５４による暗電流成分をＦ１とし、開口画素３６でのフォトダイオード４３による暗電流成分をＰ２、フローティング・ディフュージョン部４４による暗電流成分をＦ２とする。

暗電流は、信号として読み出される場合、フォトダイオード４３，５３から発生するものとフローティング・ディフュージョン部４４，５４から発生するものの和として読み出される。よって、開口画素とＯＢ画素の暗電流量を一致させるということは、表より、Ｆ１＋Ｐ１＝Ｆ２＋Ｐ２であるということである。

次に、本実施の形態を、その暗電流量をＦ１＋Ｐ１＝Ｆ２＋Ｐ２とするための調整方法と共に詳述する。デバイスとしての性能の劣化が無く、開口画素３６とＯＢ画素３８の暗電流を一致させるために、本実施の形態においては、開口画素３６を撮像特性が最適になるように設計し、ＯＢ画素３８を暗電流調整のために調整する。そして、Ｆ１＋Ｐ１＝Ｆ２＋Ｐ２とするために、Ｆ１のみを調整する。暗電流成分は、フォトダイオード及び、フローティング・ディフュージョンの表面積、又は周囲長が大きければ大きいほど、それに伴って大きくなる。また、通常、ＯＢ画素３８の暗電流の方が、開口画素３６での暗電流よりも大きいことが知られている。
よって、本実施の形態では、Ｆ１をＦ２よりも小さくすることで、Ｆ１＋Ｐ１＝Ｆ２＋Ｐ２が達成されることになる。

本発明による第１実施の形態は、図２に示すように、開口画素３６のフローティング・ディフュージョン部４４の表面積を、ＯＢ画素３８のフローティング・ディフュージョン部５４の表面積と異なるように構成される。本例ではＯＢ画素３８のフローティング・ディフュージョン部５４の表面積を開口画素３６のフローティング・ディフュージョン部４４の表面積よりも小さくして構成される。

第１実施の形態によれば、ＯＢ画素３８におけるフローティング・ディフュージョン５４の形状、すなわち表面積を、開口画素３６におけるフローティング・ディフュージョン４４よりも小さく形成することで、暗電流量を、Ｆ１＋Ｐ１＝Ｆ２＋Ｐ２となるように調整することができる。

図３に、本発明の第２実施の形態を示す。本実施の形態は、開口画素３６とＯＢ画素３８のフローティング・ディフュージョン部４４及び５４の周辺長、及び表面積が互いに異なるように構成される。図３はそのレイアウト例である。本例では、ＯＢ画素３８のフローティング・ディフュージョン部５４の周辺長、及び表面積が、開口画素３４のフローティング・ディフュージョン部４４の周辺長、及び表面積より小さくして構成される。暗電流量は、フローティング・ディフュージョン３０の表面積、又は周囲長に比例する。
よって、第２実施の形態によれば、図３のレイアウトのように暗電流量がＦ１＋Ｐ１＝Ｆ２＋Ｐ２となるように、開口画素３６及び、ＯＢ画素３８のフローティング・ディフュージョン部４４，５４の周辺長及び表面積を適当に調節することにより、暗電流量を調整することができる。

以上のような構成により、Ｆ１＋Ｐ１＝Ｆ２＋Ｐ２が達成され、開口画素３６、及びＯＢ画素３８におけるそれぞれの暗電流量が等しくなる。これによって、ＯＢ画素３８で得られる黒レベルの基準を、常に開口画素３６に適用することができ、１フレームの間で、従来よりもコントラストの良い画像を出力することができる。

図４に、参考例に係る固体撮像装置を示す。フローティング・ディフュージョン５４の形状を変化させることによって暗電流量を変化させることができるので、ＯＢ画素３８のフォトダイオード５３を取り除いても良い。つまり本実施の形態は、開口画素３６では通常のように、フォトダイオード４３とフローティング・ディフュージョン部４４を備えるも、ＯＢ画素３８ではフォトダイオード５３を省略し、フローティング・ディフュージョン部５４だけを備えるようになし、Ｆ１＝Ｆ２＋Ｐ２となるように、ＯＢ画素３８のフローティング・ディフュージョン部５４の表面積あるいは周辺長を、開口画素３６のフローティング・ディフュージョン部４４よりも小さく形成して構成する。

このように、参考例によれば、第１、第２実施の形態と同様に暗電流量の調整を行うことができる。また、ＯＢ画素３８にフォトダイオード５３を形成しないので、ＯＢ画素３８の、フォトダイオード５３の電荷を読み出す必要が無い。
このとき、Ｐ１＝０であるから、暗電流量は、Ｆ１＝Ｆ２＋Ｐ２となるように調整され
る。

さらに、ＯＢ画素３８にフォトダイオード５３を形成しないことによって、ＯＢ画素領域３７内の１画素当たりの面積を小さくでき、ＯＢ画素領域３７を縮小することが可能となり、チップ面積の縮小、コストダウンに寄与する。

ところで、ＯＢ画素３８では、基板４１から遮光膜４９までの高さが高くなるので、斜めに入射した光がフォトダイオードに漏れこむ恐れがあるが、上述のように、ＯＢ画素３８にフォトダイオード５３を形成しないことによって、光電変換を行う領域がなくなるために、ＯＢ画素３８に大光量を照射したときの光漏れの影響を無くすことができる。

次に、本発明の第３実施の形態を示す。本実施の形態は、図示しないが、開口画素３６及びＯＢ画素３８共に、フォトダイオードとフローティング・ディフージョン部を備えるも、フォトダイオードの電荷のフローティング・ディフュージョン部への転送の際に、ＯＢ画素３８ではフォトダイオード５３の電荷をフローティング・ディフュージョン部へ転送しないように構成する。このとき、暗電流量は、Ｆ１＝Ｆ２＋Ｐ２となるようにＯＢ画素３８のフローティング・ディフュージョン部の形状が調整される。

第３実施の形態によれば、第１実施、第２実施の形態における効果に加えて、次のような効果を奏する。画素の感度は、開口画素３６とＯＢ画素３８の形状の連続性に強く依存する。したがって、開口画素３６及びＯＢ画素３８を作るときに、プロセスにバラツキがあると、安定したものが得られない。よって、撮像領域３２上の画素のレイアウトの連続性、均一性が望まれる。そこで、開口画素３６、ＯＢ画素３８が、ともにフォトダイオードとフローティング・ディフュージョンを有する構成で、ＯＢ画素３８のフォトダイオード５３の電荷の読み出しを行わないようにすれば、開口画素３６とＯＢ画素３８とで、レイアウトの連続性が得られる。同時に、画素のレイアウトをそれほど変えることなく暗電流量を調整できるうえに、ＯＢ画素３８に大光量を照射したときの光漏れを防止することができる。

上述した本発明の実施の形態によれば、開口画素とＯＢ画素の暗電流量が等しくなるように、フローティング・ディフュージョンの形状を変化させることによって、温度や蓄積時間によって暗電流量が変化したとしても、ＯＢ画素から安定した光学的黒レベルを出力することができる。これにより、暗電流による画像のコントラストの低下を防ぐことができる。また、ＯＢ画素領域におけるＯＢ画素のフォトダイオードを省略するときは、ＯＢ画素の縮小が可能になり、チップ面積の小型化が図られ、かつ固体撮像装置のコストダウンを実現することができる。また、ＯＢ画素のフォトダイオードの省略、あるいはＯＢ画素でのフォトダイオードの電荷読み出しを行わないときは、大光量照射時にＯＢ画素領域への光の漏れ込みによる悪影響を防止することができる。

本実施の形態のＣＭＯＳイメージセンサの概略構成図である。 図１のＡ−Ａ′における断面図である。 Ａ，Ｂ 本実施の形態のＯＢ画素（Ａ）、および開口画素（Ｂ）のレイアウトを示す概略構成図である。 本実施の形態のＯＢ画素にＰＤが無い場合のＡ−Ａ′における断面図である。 従来のＣＭＯＳイメージセンサの概略構成図である。 従来のＣＭＯＳイメージセンサにおける読み出し信号走査の概略である。 図５のＤ−Ｄ′における断面図である。 Ａ，Ｂ 従来のＯＢ画素（Ａ）、および開口画素（Ｂ）のレイアウトを示す概略構成図である。

符号の説明

１、３１・・固体撮像装置、２、３２・・撮像領域、３、３３・・垂直選択回路、４、３４・・読み出し回路部、５、３５・・有効画素領域、６、３６・・有効（開口）画素、７、３７・・光学的黒領域、８、３８・・ＯＢ画素、１１、４１・・基板、１２、４２・・素子分離領域、１３、２３、４３、５３・・フォトダイオード、１４、２４、４４，５４・・フローティング・ディフュージョン部、１５、２５、４５、５５・・転送ゲート電極、１７、４７・・層間絶縁膜、１８、４８・・多層配線、１９、４９・・遮光膜

Claims (2)

1. 光電変換部とフローティング・ディフュージョン部を有して構成される有効画素及び黒基準画素が、それぞれ複数配列された撮像領域を有し、
   前記有効画素の暗電流量と、前記黒基準画素の暗電流量とが一致するように、前記有効画素の光電変換部及び前記黒基準画素の光電変換部を同一形状で構成し、前記有効画素のフローティング・ディフュージョン部と、前記黒基準画素のフローティング・ディフュージョン部の表面積がそれぞれ異なるように構成されたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１において、前記黒基準画素は、光電変換部の電荷をフローティング・ディフュージョン部へ転送しないように構成されることを特徴とする固体撮像装置。

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