JP4834510B2 - 撮像装置及びデジタルカメラ - Google Patents

Description

本発明は、高精細且つ高品質の画像を撮像することができる撮像装置及びデジタルカメラに関する。

近年の撮像装置、例えばＣＣＤ（電荷結合素子：Charge Coupled Devices）型固体撮像装置は、数百万画素以上を搭載するのが普通になっており、高精細な画像を撮像することができる。しかしその一方で、１画素１画素が微細となり、１画素が検出できる信号電荷量（通常は電子量）も少なくなっている。

撮像装置では、検出された信号電荷量に応じた電圧値信号を外部に読み出すとき、アンプで信号を増幅するが、このアンプによる増幅はノイズ成分も一緒に増幅してしまうという問題がある。

そこで、下記の特許文献１では、信号電荷自体をインパクトイオン化現象（アバランシェ増幅）を利用して増幅し、Ｓ／Ｎを改善しようとしている。

特開平７―１５３９８８号公報

撮像装置に搭載する１画素１画素を微細にして多画素化を更に進展させ、高精細な画像を撮像できるようにしても、高品質の画像を撮像することができるわけではない。

例えば、撮像装置が受光する周辺光量が低下することで発生するシェーディングの問題を解決したり、カラー画像を撮像する単板式固体撮像装置の場合にはカラーバランスを適切に制御しなければ、高品質の撮像画像を得ることができない。

本発明の目的は、高精細且つ高品質の画像を撮像することができる撮像装置及びデジタルカメラを提供することにある。

本発明の撮像装置は、複数の光電変換素子が夫々受光量に応じて蓄積した信号電荷を各光電変換素子対応に設けられている読出ゲートを介して読み出し該信号電荷を電圧に変換して出力する出力部を備える撮像装置において、前記複数の光電変換素子のうちの一部の所定の光電変換素子の前記読出ゲートを前記一部以外の光電変換素子の前記読出ゲートより短くすることで、前記一部の光電変換素子の信号電荷を読み出すときにインパクトイオン化現象を発生させ、前記一部以外の光電変換素子の信号電荷を読み出すときにはインパクトイオン化現象を発生させない構成としたことを特徴とする。

本発明の撮像装置は、前記複数の光電変換素子が長波長光を検出する光電変換素子と短波長光を検出する光電変換素子で構成され、前記所定の光電変換素子が前記長波長光を検出する光電変換素子であることを特徴とする。

本発明の撮像装置は、前記長波長光が赤色光であることを特徴とする。

本発明の撮像装置は、前記複数の光電変換素子が、赤色光を検出する光電変換素子と緑色光を検出する光電変換素子と青色光を検出する光電変換素子とで構成され、前記所定の光電変換素子が、赤色光を検出する光電変換素子と青色光を検出する光電変換素子であることを特徴とする。

本発明の撮像装置は、前記所定の光電変換素子が半導体基板の受光面における周辺領域に設けられた光電変換素子であることを特徴とする。

本発明のデジタルカメラは、上記のいずれかに記載の撮像装置を搭載したことを特徴とする。

本発明によれば、撮像装置に設けられる各光電変換素子の位置や検出光の波長等の設計仕様によって信号量が小さくなると予想される光電変換素子から信号電荷を読み出すとき、インパクトイオン化現象を発生させる構成としたため、高品質な画像を撮像することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係るデジタルカメラのブロック構成図である。本実施形態のデジタルカメラ１０は、被写界からの入射光を受光する撮像素子１１と、撮像素子１１から出力される画像データを前処理するＡＦＥ（アナログフロントエンド）回路１２と、ＡＦＥ回路１２で前処理された画像データを信号処理してＪＰＥＧ画像データ等にする画像処理部（ＤＳＰ）１３と、画像処理部１３から出力された画像データをモニタ等に出力する画像出力部１４と、各種パルス信号を生成し撮像素子１１，ＡＦＥ回路１２，画像処理部１３に出力するタイミングジェネレータ１５とを備える。

本実施形態では撮像素子１１としてＣＣＤ型を採用しており、この撮像素子１１は、タイミングジェネレータ１５から供給される読出パルス，転送パルス，ＯＦＤパルス等の各種駆動パルスに従って駆動され、被写体の撮像画像データをアナログ信号で出力する。

ＡＦＥ回路１２は、タイミングジェネレータ１５から供給されるパルス信号等に基づき、撮像素子１１の出力データを相関二重サンプリング処理したり、利得調整したり、黒レベル除去したり、デジタルデータに変換したりして、画像処理部１３に出力する。

画像処理部１３は、タイミングジェネレータ１５から供給される水平同期信号ＨＤや垂直同期信号ＶＤに基づき、ＡＦＥ回路１２から取り込んだ画像データに対し、ホワイトバランス補正，ガンマ補正処理，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理，圧縮伸長処理等の各種信号処理を施す。

画像出力部１４は、画像処理部１３から取り込んだ画像データを図示しない表示モニタに表示したり、図示しない記録メディアに格納したりする。

図２は、図１に示す撮像素子１１の表面模式図である。このＣＣＤ型固体撮像素子１１は、ｎ型半導体基板２１の表面部に、多数のアレイ状に形成されたフォトダイオード（光電変換素子）２２を備える。図示する例では、偶数行のフォトダイオード２２に対して奇数行のフォトダイオード２２が１／２ピッチづつずらして形成され、所謂、ハニカム画素配列となっている。

各フォトダイオード２２内に記載したＲ，Ｇ，Ｂは、夫々、当該フォトダイオード上に積層されたカラーフィルタの色（Ｒ＝赤，Ｇ＝緑，Ｂ＝青）を示している。以下、Ｒフィルタを搭載した画素（フォトダイオード）をＲ画素といい、Ｇフィルタを搭載した画素をＧ画素といい、Ｂフィルタを搭載した画素をＢ画素という。

水平方向に隣接する各フォトダイオード２２間には、垂直方向に蛇行して延びる垂直転送路（ＶＣＣＤ）２３が形成され、半導体基板２１の下辺部には、各垂直転送路２３の端部に連絡する水平転送路（ＨＣＣＤ）２４が設けられている。

各フォトダイオード２２が受光量に応じて蓄積した信号電荷は、隣接の垂直転送路２３に読み出されたあと水平転送路２４方向に転送され、水平転送路２４に移された信号電荷は、水平転送路２４に沿って出力端まで転送される。そして、水平転送路出力端に設けられた出力アンプ２５が、信号電荷量に応じた電圧値信号を出力する。

尚、「垂直」「水平」という用語を用いているが、これは単に「一方向」「この一方向に対して略直角の方向」という意味である。

図３は、図２の点線矩形枠III内の拡大模式図である。フォトダイオード２２及び図示する例では右側の垂直転送路２３（垂直転送路２３は、後述する埋め込みチャネル２３ａと、その上にゲート絶縁膜を介して積層された２層構造の転送電極膜２３ｂとで構成され、図３には、転送電極膜２３ｂが図示されている。）との組は、夫々、垂直方向に延びるチャネルストップ２７によって区画されており、各フォトダイオード２２は、このチャネルストップ２７及び該チャネルストップ２７に連設された画素分離領域２７ａによって区画されている。

チャネルストップ２７及び画素分離領域２７ａは、ｐ型高濃度不純物領域で形成される。図示する例で、各フォトダイオード２２の右斜め下位置にｐ型高濃度不純物領域を設けない読出ゲート２８ｒ，２８ｇ，２８ｂ（ｒ，ｇ，ｂは、Ｒ画素，Ｇ画素，Ｂ画素に対応している。）が設けられている。受光量に応じてフォトダイオード２２に蓄積された信号電荷は、この読出ゲート２８ｒ，２８ｇ，２８ｂを通り、隣接する垂直転送路２３の埋め込みチャネルに読み出される。

尚、図２，図３の実施形態では、所謂ハニカム画素配列の撮像素子を例に説明しているが、各画素を正方格子状に配列しカラーフィルタをベイヤー配列した撮像素子にも本実施形態を適用可能である。

図４は、図３のIV―IV線断面模式図であり、Ｇ画素の断面構造を示している。尚、本実施形態では、Ｂ画素の断面構造もカラーフィルタの色以外はＧ画素と同じである。

本実施形態の固体撮像素子１１が形成されるｎ型半導体基板２１には、ｐウェル層３１が表面部に形成される。そして、このｐウェル層３１の表面部に、ｐｎ接合でなるフォトダイオードを構成するｎ領域２２と、垂直転送路２３の埋め込みチャネルを構成するｎ領域２３ａとが形成される。

ｎ領域２２の表面には暗電流阻止用のｐ型高濃度不純物層３２が設けられ、このｎ領域２２と、左側の埋め込みチャネル２３ａとの間には、ｐ型高濃度不純物領域でなるチャネルストップ２７が設けられる。

半導体基板２１の最表面は全面に透明なゲート絶縁膜３３が設けられ、その上に、タングステン膜等でなる遮光膜３４が積層される。遮光膜３４には、ｎ領域２２の上方箇所に開口部３４ａが設けられ、入射光が遮光膜開口３４ａを通ってｎ領域２２に入射する様になっている。

埋め込みチャネル２３ａの上方位置は遮光膜３４で光遮蔽され、この部分の遮光膜３４の下に、絶縁層３５を介して垂直転送路２３の転送電極膜２３ｂが設けられる。転送電極膜２３ｂは、図３の読出ゲート２８ｇ位置において、埋め込みチャネル２３ａの上部位置からｎ領域２２の端部位置まで延出形成され、読出電極膜２３ｃを兼用する構成になっている。

遮光膜３４の上部には、透明な平坦化層３６が積層され、その上に、緑色（Ｇ）のカラーフィルタ３７ｇが設けられ、その上に、透明な平坦化層３８を介してマイクロレンズ３９が設けられる。

斯かる構成のＣＣＤ型固体撮像素子を用いて被写体からの光がｎ領域２２に入射すると、ｎ領域２２には、入射光量に応じた信号電荷（この例では電子）が蓄積される。固体撮像素子１１の読出電極２３ｃにタイミングジェネレータ１５から読出パルスが印加されると、ｎ領域２２の蓄積電荷は、埋め込みチャネル２３ａに移動する。埋め込みチャネル２３ａに移動した信号電荷は、以後、転送電極膜２３ｂに転送パルスが印加される毎に水平転送路２４方向に転送される。

ｎ領域２２から埋め込みチャネル２３ａに信号電荷を読み出す場合、両ｎ領域２２，２３ａ間の距離ｄｇで両ｎ領域２２，２３ａ間の電位差を除した電界が両ｎ領域２２，２３ａ間に加わり、信号電荷は、この電界に従ってｎ領域２２から埋め込みチャネル２３ａに移動する。

上記の距離ｄｇが短いと、この電界が強電界となり、インパクトイオン化現象が発生する。しかし、本実施形態の固体撮像素子１１では、Ｇ画素とＢ画素については、距離ｄｇ（ｄｂ）はインパクトイオン化現象が発生しない距離となるように、ｎ領域２２に対するｎ領域２３ａの端部位置を形成している。

図５は、図３のV―V線断面模式図であり、Ｒ画素の読出ゲート２８ｒ付近の断面構造を示す図である。Ｒ画素の構造は、図４に示すＧ画素の構造と基本的に同じであり、異なるのは、Ｇ画素の読出ゲート２８ｇの距離ｄｇに対して、Ｒ画素の読出ゲート２８ｒ（ｎ領域２２，２３ａ間）の距離ｄｒが短いという点である。埋め込みチャネル２３ａを製造するとき、埋め込みチャネル２３ａの端部を、対応する画素（ｎ領域２２）側に近づけて製造している。

読出ゲート２８ｒの距離ｄｒが短いため、本実施形態の固体撮像素子１１では、Ｒ画素２２が検出し蓄積した信号電荷が埋め込みチャネル２３ａに読み出されるとき、インパクトイオン化現象が発生する。即ち、Ｒ画素２２が検出した信号電荷量に対して、α倍（＞１．０：αは、後述する図１１の式Ａ，Ｂでは、「ＩＩ」と標記している。）の信号電荷量が、埋め込みチャネル２３ａに読み出されることになる。

図６は、Ｇ画素，Ｂ画素に対しＲ画素の信号電荷を読み出すときにインパクトイオン化現象を発生させる理由を説明する図であり、Ｒ画素，Ｇ画素，Ｂ画素の出力と入射光の波長との関係を例示するグラフである。

Ｒ画素は、固体撮像素子１１の前面に置かれる赤外線カットフィルタの特性も合わせた特性Ｒを有し、例えば波長７００ｎｍ前後の入射光に感度を有する。Ｇ画素は例えば波長５６０ｎｍ前後の入射光に感度を有し、Ｂ画素は例えば波長４４０ｎｍ前後の入射光に感度を有する。

近年の固体撮像素子は多画素化が進展し、１画素１画素の構造が微細化されており、１画素の開口寸法も２ミクロン，１ミクロン（＝１０００ｎｍ）と、入射光の波長オーダーに近づいてきている。このため、同一寸法で製造されるＲ画素，Ｇ画素，Ｂ画素のうち、最も長波長の入射光を検出するＲ画素の入射効率が低下し、Ｒ画素からの出力は、Ｒ画素の開口寸法が大きい場合と比較して矢印ａで示す様に低下してしまう。つまり、それだけＲ画素に蓄積される信号電荷量は少なくなる。

このＲ画素の蓄積電荷量に応じた信号を読み出し、これをＧ画素，Ｂ画素の検出信号と合わせてカラー画像を再生すると、赤色不足のためカラーバランスが不良となり、高品質の画像を再生することができない。

そこで、本実施形態の固体撮像素子では、Ｒ画素の信号電荷をｎ領域２２から埋め込みチャネル２３ａに読み出すとき、インパクトイオン化現象を発生させて信号電荷量そのものの増幅を行う。これにより、Ｒ画素，Ｇ画素，Ｂ画素の各検出信号のカラーバランスが良好となり、高品質の画像を再生することが可能となる。

インパクトイオン化現象によりどの程度の増幅を行うかは、距離ｄｒに依存するため、Ｒ画素への入射光率に応じて、埋め込みチャネル２３ａの製造時に読出ゲート２８ｒの距離ｄｒを調整する。

尚、上述した実施形態では、Ｇ画素とＢ画素の各読出ゲート２８ｇ，２８ｂの長さを同寸法としたが、上記と同様の理由により、中波長の入射光を検出するＧ画素の読出ゲート２８ｇの長さを、短波長の入射光を検出するＢ画素の読出ゲート２８ｂの長さより短くし、Ｒ画素に比較して小さなインパクトイオン化現象を発生させる構成としても良いことはいうまでもない。

上述した実施形態は、カラーバランスを保つためにインパクトイオン化現象を利用したが、シェーディングの問題を回避するためにインパクトイオン化現象を利用することもできる。

シェーディングは、固体撮像素子の受光面の周辺領域の受光量が低下することで発生するため、固体撮像素子の中央から周辺部に行くほど、読出ゲートの長さを短くすれば、シェーディングによる受光量低下に比例して信号電荷量のアバランシェ増幅量が増大し、シェーディングを回避した画像を再生することが可能になる。

このように、各画素が検出する信号電荷量の低下に起因する画質劣化が予想される場合、個々の画素の読出ゲート長を画素毎に制御しながら固体撮像素子を製造することで、インパクトイオン化現象を利用した高品質な画像を撮像することができる固体撮像素子を得ることができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。上述した実施形態では、読出パルスの電圧値が全画素で同一であることを前提に、読出ゲート長を短くした画素でインパクトイオン化現象を発生させているが、インパクトイオン化現象は、強電界をフォトダイオードと転送路埋め込みチャネルとの間に発生させることで生じるため、読出パルスの電圧値を高くすることでもインパクトイオン化現象は発生する。本実施形態は、読出パルスの制御を行うことで、インパクトイオン化現象を制御する構成になっている。

図７は、第２実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。本実施形態の固体撮像素子４１は、各画素が正方格子状に配列形成されており、カラーフィルタＲ，Ｇ，Ｂがベイヤー配列になっている。

通常の正方格子配列の固体撮像素子と異なるのは、ＲＧＲＧＲＧ…と並ぶ横一行の各画素４２のうち、Ｇ画素の読出ゲート４２ｇが転送電極（読出電極）Ｖ４部分に設けられ、Ｒ画素の読出ゲート４２ｒが転送電極（読出電極）Ｖ１部分に設けられる点である。

また、ＧＢＧＢＧＢ…と並ぶ横一行の各画素４２のうち、Ｇ画素の読出ゲート４２ｇが転送電極（読出電極）Ｖ３部分に設けられ、Ｂ画素の読出ゲート４２ｂが転送電極（読出電極）Ｖ２部分に設けられることである。各読出ゲート４２ｒ，４２ｇ，４２ｂは同一寸法に製造される。

図８は、図７に示すＣＣＤ型固体撮像素子に印加するパルス信号のタイミングチャートであり、転送電極Ｖ１に読出パルスｒが印加されることで、Ｒ画素の信号電荷が電極Ｖ１下の埋め込みチャネルに読み出され、転送電極Ｖ２に読出パルスｂが印加されることで、Ｂ画素の信号電荷が電極Ｖ２下の埋め込みチャネルに読み出され、転送電極Ｖ３，Ｖ４に夫々読出パルスｇが印加されることで、Ｇ画素の信号電荷が電極Ｖ３，Ｖ４下の埋め込みチャネルに読み出される。

ここで、本実施形態では、読出パルスｇに対して読出パルスｒ，ｂの電圧値を高くしている。これにより、Ｒ画素とＢ画素から夫々信号電荷を読み出すときにインパクトイオン化現象が発生し、Ｒ画素，Ｂ画素の検出電荷より多い電荷が信号電荷として埋め込みチャネルに読み出されることになる。

Ｇ画素については、元々出力が大きいため、インパクトイオン化を発生させる必要はなく、図６に示す出力の小さなＲ画素，Ｂ画素でインパクトイオン化を発生させた方が、Ｒ信号，Ｂ信号のＳ／Ｎを高くすることができる。

図９は、第２実施形態の変形例に係る固体撮像素子の表面模式図である。この変形例の固体撮像素子４４では、ＧＢＧＢＧＢ…と並ぶ横一行の各画素４３の読出ゲート４３ｇ，４３ｂが同一の転送電極Ｖ３部分に設けられている点が図８と異なり、その他の点は図８と同一である。

図１０は、図９に示す固体撮像素子を駆動するパルス信号のタイミングチャートである。この変形例では、転送電極Ｖ１に印加する読出パルスｒだけを他の電極に印加する読出パルスより高電圧とし、Ｒ画素の信号電荷読出時にインパクトイオン化現象を発生させている。

次に、インパクトイオン化現象を発生させたときと発生させないときのノイズについて考察する。

画素毎に固有のインパクトイオン化を発生させると、固有の画素バラツキ（ゲイン性のバラツキ）として現れ、このバラツキが固定パターンノイズの増加につながる。一方、暗時ノイズ（遮光時）のノイズの主成分はアンプ２５のノイズであり、信号電荷がアンプ通過する前に信号電荷をインパクトイオン化現象で増幅しておけば、等化的に暗時ノイズが低くなったことに相当する。他方、光ショットノイズは、あくまでも発生電荷量の平方根に一致するので、アンプでの増幅もアンプ通過前の増幅も同じ影響を与える。

図１１は、通常のノイズの見積もり式Ａと、インパクトイオン化を考慮したノイズ見積もり式Ｂとを表した図である。式Ａ，Ｂで、
ＬＳＢ：最下位のビット
ＡＤ ：ＡＤコンバータのゲイン
ＦＤＡ：フローティングディフュージョンアンプのゲイン
Ｓig ：信号量
Ｄ ：暗時ノイズ量
ＦＰＮ：固定パターンノイズ量
ＩＩ ：インパクトイオン化現象による増幅率
ＡＤ_II：インパクトイオン化現象による増倍が発生したときのＡＤ
コンバータのゲイン
ＦＰＮ_II：増倍が発生したときの固定パターンノイズ量
である。

インパクトイオン化現象による信号電荷の増倍が発生した場合、それだけ明るいデータが得られるため、ＡＤコンバータのゲインは小さくすることができる。つまり、ＡＤ_II×ＩＩ＝ＡＤとすることができる。このため、光ショットノイズに起因する第１項目は、式Ａ，Ｂで同等となる。

ＩＩ＞１．０であるため、ＡＤ_II＜ＡＤとなる。従って、暗時ノイズに起因する第２項目は、式Ｂの方が小さくなる。

インパクトイオン化は、画素固有の現象なので、ＦＰＮ_II＞ＦＰＮとなる。従って、固定パターンノイズに起因する第３項目は式Ｂの方が大きい。

この第３項目は、信号量Ｓigに比例するので、第１項，第２項，第３項のうち、信号が大きいときに最も大きな影響を与える。一方、第２項目は定数項なので、第１項，第２項，第３項のうち、信号が小さいときに最も大きな影響を与える。

以上のことを考慮し、ＣＣＤ型固体撮像素子の設計を行い、また、読出パルス制御を行うことになる。

尚、上述した各実施形態では、撮像素子としてＣＣＤ型固体撮像素子を例に説明したが、電荷蓄積部の信号電荷を読出先の領域に読出ゲートを介して読み出す構成の他の形式の撮像素子にも同様に適用可能である。

本発明では、インパクトイオン化現象を用いて信号量の増倍を行うため、高解像度且つ高品質な画像を撮像することができ、デジタルカメラ等に適用すると有用である。

本発明の第１実施形態に係るデジタルカメラのブロック構成図である。 図１に示すＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。 図２に示す点線矩形枠IIIの拡大模式図である。 図３に示すIV―IV線断面模式図である。 図３に示すV―V線断面模式図である。 Ｒ画素，Ｇ画素，Ｂ画素の出力と入射光波長との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係るＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。 図７に示すＣＣＤ型固体撮像素子を駆動するパルス信号のタイミングチャートである。 第２実施形態の変形例を示すＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。 図９に示すＣＣＤ型固体撮像素子を駆動するパルス信号のタイミングチャートである。 インパクトイオン化現象によるノイズの影響を考察する式を表す図である。

符号の説明

１１ 撮像装置（撮像素子）
１５ タイミングジェネレータ
２２ 画素（フォトダイオード：光電変換素子）
２３ 垂直転送路
２３ａ 埋め込みチャネル
２３ｂ 転送電極膜
２４ 水平転送路
２５ 出力アンプ
２７ チャネルストップ
２８ｒ，２８ｇ，２８ｂ 読出ゲート
ｄｇ Ｇ画素の読出ゲート長
ｄｒ Ｒ画素の読出ゲート長

Claims (6)

1. 複数の光電変換素子が夫々受光量に応じて蓄積した信号電荷を各光電変換素子対応に設けられている読出ゲートを介して読み出し該信号電荷を電圧に変換して出力する出力部を備える撮像装置において、前記複数の光電変換素子のうちの一部の所定の光電変換素子の前記読出ゲートを前記一部以外の光電変換素子の前記読出ゲートより短くすることで、前記一部の光電変換素子の信号電荷を読み出すときにインパクトイオン化現象を発生させ、前記一部以外の光電変換素子の信号電荷を読み出すときにはインパクトイオン化現象を発生させない構成としたことを特徴とする撮像装置。
2. 前記複数の光電変換素子が長波長光を検出する光電変換素子と短波長光を検出する光電変換素子で構成され、前記所定の光電変換素子が前記長波長光を検出する光電変換素子であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記長波長光が赤色光であることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記複数の光電変換素子が、赤色光を検出する光電変換素子と緑色光を検出する光電変換素子と青色光を検出する光電変換素子とで構成され、前記所定の光電変換素子が、赤色光を検出する光電変換素子と青色光を検出する光電変換素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の撮像装置。
5. 前記所定の光電変換素子が半導体基板の受光面における周辺領域に設けられた光電変換素子であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の撮像装置を搭載したことを特徴とするデジタルカメラ。

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