JP5065789B2

JP5065789B2 - 固体撮像装置

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Publication number: JP5065789B2
Application number: JP2007196089A
Authority: JP
Inventors: 正法京極; 誠稲垣
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2027-07-27
Also published as: US7671438B2; JP2009032950A; US20090026571A1

Description

本発明は、カメラ等に使用される固体撮像装置に関する。

近年、固体撮像装置の開発が活発に進められており、その用途はビデオカメラやデジタルスティルカメラだけに留まらず、車載用カメラ、監視カメラ等様々な分野へ展開されてきている。ここで、車載カメラや監視カメラは、ビデオカメラやデジタルスティルカメラ等に比べて極めて厳しい環境で使用される場合がある。例えば、屋外に配置する監視カメラや、車の駆動部近辺に配置する車載カメラ等は、周囲の温度変動が激しい環境下での使用が想定される。

ところで、一般的に使用されている、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型やＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像装置では、固体撮像装置の温度が上昇すると、暗電流が増加し、画質が大幅に劣化することがある。また、固体撮像装置自体の温度上昇は耐用年数を短くする恐れがある。例えば、車載カメラは、遠方から近傍まで連続的に続く路上の白線を検知して車両の操舵制御を行ったり、道路構造物及び先行車両等を含む前方の環境を認識して車両の制動制御を行うため等に使用される。そのため、固体撮像装置の温度上昇に伴う画質の劣化は、上記の制御に誤動作を招く可能性があるので、固体撮像装置は高い品質レベルを有することが要求される。

上述のような問題に関し、例えば、固体撮像装置に設けられたオプティカルブラック部の光電変換部からの出力と、光電変換部から出力された信号を含まない空送りの出力との差分出力（暗電流）が、温度依存性を持つことを利用して固体撮像装置の温度を検知する技術が提案されている（特許文献１参照）。この固体撮像装置では、検知した温度情報に基づいて冷却装置を作動させることで、固体撮像装置の温度を一定に保ち、画質の劣化を防いでいる。
特開平２−４４８７２号公報

しかしながら、特許文献１に示された従来の固体撮像装置では、温度変化に伴う受光フォトダイオード（光電変換部）の暗電流の変化が非常に小さいため、温度検出の精度が悪いという不具合が生じる。また、従来の固体撮像装置は冷却装置を必要とするため、装置自体の小型化は困難であるという課題がある。

前記課題に鑑み、本発明は、温度変化を良好な精度で比較的容易に検出することができ、温度変化による画質の劣化が抑制された固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の固体撮像装置は、半導体基板内に複数の第１画素と複数の第２画素があり、前記第１画素は、前記半導体基板内に形成された第１導電型の第１の不純物領域と、前記第１の不純物領域の上に形成された第１のフォトダイオードとなる第２導電型の第２の不純物領域と、前記第２の不純物領域の上の前記半導体基板の表面側に形成された第１導電型の第５の不純物領域とを備え、前記第２画素は、前記半導体基板内に形成された第１導電型の第３の不純物領域と、前記第３の不純物領域の上に形成された第２のフォトダイオードとなる第２導電型の第４の不純物領域と、前記第４の不純物領域の上の前記半導体基板の表面側は、前記第１の不純物領域と同じ不純物濃度である第１導電型の不純物領域、あるいは、前記第５の不純物領域よりも低い不純物濃度である第１導電型の第６の不純物領域、とを備えていてもよい。なお、前記第２画素は、温度検出用画素であってもよい。

この構成によれば、第１画素では、半導体基板の表面側に、第５の不純物領域が設けられているため、フォトダイオードのｐｎ接合により形成される空乏層が半導体基板の表面部に露出するのを防ぐことができ、暗電流が発生するのを抑制することができる。その一方で第２画素では、半導体基板の表面部に、第１画素の第１の不純物領域と同じ不純物濃度である不純物領域が形成されているか、あるいは、第５の不純物領域よりも不純物濃度が低い第６の不純物領域が備えられている。この場合、第２画素では、半導体基板の表面部で空乏層が露出し、表面準位が多数形成される結果、第１画素に比べて暗電流の発生が増加する。この暗電流は温度依存性があるため、第２画素から出力された電気信号を処理することで、固体撮像装置の温度情報を精度良く検出することができ、第２画素を温度検出用画素として利用することが可能となる。従って、本発明の固体撮像装置を用いれば、信頼性の高い温度情報を基に、第１画素から出力された撮像信号に対して適切な画像処理を行うことができるため、暗電流の発生による画質の劣化が抑制された高画質な画像を出力することが可能となる。

また、前記複数の第１画素は、前記第１のフォトダイオードで入射光に応じて生成された信号を読み出す第１の読み出し部を備え、前記複数の第２画素は、前記第２のフォトダイオードで生成された温度を検出するための信号を読み出す第２の読み出し部を備えていてもよい。

この構成によれば、第１画素及び第２画素をそれぞれ撮像用画素及び温度検出用画素として用いると、第１画素及び第２画素から出力された各信号を第１の読み出し部及び第２の読み出し部でそれぞれ読み出し、これらの読み出された信号を共通の読み出し経路を介して出力することができる。このため、温度情報を得るための特殊な駆動を行うことなく、通常の駆動条件を用いて比較的容易に固体撮像装置の温度を検出することができる。その結果、得られた温度情報を基に、撮像用画素（第１画素）から出力された撮像信号に各種の映像処理を施すことで、本発明の固体撮像装置では、温度変化に伴う画像劣化が抑制された映像信号を得ることが可能となる。

また、予め温度情報が記憶された温度テーブル記憶部と、前記複数の第２画素の各々から出力された出力信号と、前記温度テーブル記憶部に記憶された温度情報とを対比することにより、前記複数の第２画素の温度を算出する温度算出部とを有する信号処理回路をさらに備えていてもよい。尚、前記信号処理回路は、前記温度算出部で算出した温度に基づき、前記複数の第１画素の各々から画像信号として出力された出力信号を処理して、前記画像信号を補正する画像補正部をさらに有していてもよい。

この構成によれば、温度テーブル記憶部、温度算出部、及び画像補正部を有する信号処理回路を設けることで、第２画素から出力された出力信号と、温度テーブル記憶部に予め記憶された温度情報とを温度算出部で比較することにより、高い精度で固体撮像装置の温度を検出することができる。さらに、算出された温度情報に応じて、第１画素から出力された撮像信号（画像信号）に各種の映像処理を施すことで、温度による画像劣化の抑制された画像を比較的容易に得ることが可能となる。

また、前記温度算出部で算出された前記第２画素の温度に応じて、電源電圧の供給を制御する電源制御回路をさらに備えていてもよい。尚、前記電源制御回路は、前記第２画素の温度に応じて、電源電圧の供給を停止させてもよい。また、前記電源制御回路は、前記第２画素の温度に応じて、電源電圧を低下させてもよい。

この構成によれば、温度情報に基づき、電源電圧を制御することが可能な電源制御回路を備えていることで、例えば、厳しい環境下で使用した場合、固体撮像装置の温度が上昇しても、第２画素の温度を検出した後に、固体撮像装置の電源電圧を低下させる、又は、停止させることができる。これにより、固体撮像装置内に設けられた半導体素子が温度上昇により劣化するのを抑制できる。その結果、比較的厳しい環境での使用が可能で、半導体素子の寿命の低下が抑制された固体撮像装置を実現することができる。

本発明の固体撮像装置によれば、精度良く温度情報を検出することができるため、温度による画質の劣化が抑制された高品質な画質を出力することが可能となる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置について、図１を参照しながら説明する。尚、ここでは、本実施形態の固体撮像装置を有するカメラを一例に挙げる。図１は、本実施形態の固体撮像装置に係るカメラの構成を示す図である。

図１に示すように、本実施形態に係るカメラは、カメラレンズ１００と、カメラレンズ１００により集光された入射光を光電変換して信号を生成する固体撮像装置（固体撮像素子）１０１と、前置処理回路１０３と、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器１０４と、撮像信号処理ユニット（信号処理回路）１０５と、バッファメモリ１０６と、映像出力部１０７と、タイミング信号発生回路（ＴＧ）１０２とを備えている。さらに、撮像信号処理ユニット１０５は、温度算出部１０８と、温度テーブル記憶部１０９と、画像補正回路１１１とを有している。以下、本実施形態に係るカメラについて具体的に説明する。

まず、固体撮像装置（固体撮像素子）１０１は、行列状に配置され、フォトダイオード等から構成される光電変換部を含む複数の撮像用画素（画素アレイ）と、温度を検出するための信号を生成する温度検出部を含む複数の温度検出用画素とを備えている。カメラレンズ１００によって集光された入射光は、複数の撮像用画素に照射され、光電変換部によりアナログ信号である電気信号に光電変換される。固体撮像装置１０１は、光電変換部から出力された電気信号を、画素アレイ上に結ばれた像を示す画像情報として、前置処理回路１０３へ出力するとともに、温度検出部から出力された電気信号を温度情報として、前置処理回路１０３へ出力する。

次に、前置処理回路１０３は、例えば、アナログ信号に含まれる出力ノイズを軽減するためのＣＤＳ（Correllated Double Sampling）回路や、アナログ信号をディジタル信号に変換する前の増幅処理を行うための非線形増幅回路等を備えている。前置処理回路１０３は、固体撮像装置１０１から出力された電気信号（アナログ信号）を受け取り、ＣＤＳ回路や非線形増幅回路を用いて、電気信号に含まれるノイズの低減処理や、電気信号の増幅処理等を施した後、処理済みの電気信号をＡ／Ｄ変換器１０４へ出力する。

次いで、Ａ／Ｄ変換器１０４は、前置処理回路１０３から出力された処理済みの電気信号（アナログ信号）を受け取り、該電気信号（アナログ信号）をディジタル信号に変換した後、変換されたディジタル信号を撮像信号処理ユニット１０５へ出力する。

次に、撮像信号処理ユニット１０５は、Ａ／Ｄ変換器１０４から出力された撮像用画素のディジタル信号を受け取り、画像補正回路１１１を用いて受け取ったディジタル信号に種々の映像処理を施す。その後、処理済みの映像信号をバッファメモリ１０６に格納する。ここで、画像補正回路１１１で映像処理を施す際には、まず、温度検出用画素から出力されたディジタル信号に基づき、温度算出部１０８及び温度テーブル記憶部１０９を用いて、固体撮像装置１０１の温度情報を算出する。その後、算出された温度情報に応じて、撮像用画素のディジタル信号にシェーディング補正や、白点補正等の処理を行う。尚、この固体撮像装置１０１の温度検出方法については、後で詳細に説明する。

続いて、バッファメモリ１０６は、撮像信号処理ユニット１０５から出力された映像信号を受け取り、一時的に記憶する。続いて、映像出力部１０７は、バッファメモリ１０６に一時的に記憶されている映像信号を読み出し、読み出した映像信号を表示装置（図示せず）等に出力する。

最後に、タイミング信号発生回路（ＴＧ）１０２は、撮像信号処理ユニット１０５から出力された駆動情報を受け取り、受け取った駆動情報に基づいて、固体撮像装置１０１を駆動するために必要なタイミング信号を生成する。そして、タイミング信号発生回路１０２は、生成したタイミング信号を固体撮像装置１０１に出力する。以上説明したように、本実施形態に係るカメラは、撮像用画素から出力された信号を、算出された温度情報に応じて補正した後、映像信号として出力している。

続いて、図２を用いて、上述の本実施形態に係るカメラに用いられる固体撮像装置（固体撮像素子）１０１について、詳細に説明する。図２は、本実施形態の固体撮像装置の一部の構成を示す図である。また、図４は、本実施形態の固体撮像装置の構成を示す上面図である。

図２に示すように、本実施形態の固体撮像装置１０１は、複数の撮像用画素が２次元状に配列されてなる画素アレイ８と、複数の垂直信号線５と、複数の読み出し信号線Φｔと、複数のリセット信号線Φｒとを備えている。尚、図２は、画素アレイ８のうち、（ｎ＋１）行目及び（ｎ＋２）行目に設けられた一部の撮像用画素を示している（ｎは正の整数）。

ここで、画素アレイ８を構成する複数の撮像用画素の各々は、増幅型単位画素として構成されている。各撮像用画素は、入射光に応じて生成された信号を蓄積する第１のフォトダイオード（光電変換部、受光部）（以下、フォトダイオードを「ＰＤ」と称す）１と、第１のＰＤ１に蓄積された電荷を読みだすための読み出しトランジスタ２と、読み出しトランジスタ２を介して読み出された電荷を一時的に蓄積するフローティングディフュージョン部（以下、「ＦＤ部」と称す）７と、ＦＤ部７の電位をリセットするためのリセットトランジスタ３と、ＦＤ部７の電位に応じた電気信号を出力する検出トランジスタ（増幅トランジスタ）４とを含んでいる。

ここで、リセットトランジスタ３のソース及び検出トランジスタ４のソースには、Ｖｄｄ電源６が接続されている。また、同一行に整列する撮像用画素に設けられた各読み出しトランジスタ２のゲートには、読み出し信号線Φｔが接続されている。そして、同一行に整列する撮像用画素に設けられた各リセットトランジスタ３のゲートには、リセット信号線Φｔが接続されている。また、同一行に整列する撮像用画素に設けられた各検出トランジスタ４のドレインには、垂直信号線５が接続されている。

さらに、本実施形態の固体撮像装置１０１は、マルチプレクサ回路１５と、垂直シフトレジスタ１０と、電子シャッタ用垂直シフトレジスタ１６と、ＣＤＳ回路１３と、水平シフトレジスタ９と、水平信号線１４と、出力アンプ１２とを備えている。本実施形態の固体撮像装置１０１においては、マルチプレクサ回路１５、垂直シフトレジスタ１０、及び電子シャッタ用垂直シフトレジスタ１６は、読み出し信号線Φｔに読み出しパルスを供給すると共に、リセット信号線Φｒにリセットパルスを供給して、読み出しトランジスタ２から出力された信号を垂直信号線５へ出力する。また、水平シフトレジスタ９及び水平信号線１４は、上記の垂直信号線５から出力された信号を水平方向へ出力する。

より詳細には、電子シャッタ用垂直シフトレジスタ１６は、タイミング信号発生回路１０２（図１参照）から出力されるタイミング信号を受け取り、受け取ったタイミング信号と、読み出しトランジスタ２に供給する読み出しパルスとをマルチプレクサ回路１５に出力する。その結果、読み出し信号線Φｔ（ｎ）が行毎に順に選択され、ｎ行目に配置された第１のＰＤ１に蓄積された電荷が読み出しトランジスタ２により読み出され後、ＦＤ部７に読み出される。そして、ＦＤ部７に読み出された電荷は、リセット信号線Φｒ（ｎ）にリセットパルスが供給され、リセットトランジスタ３が駆動することでリセットされる。この電子シャッタ動作は、電荷蓄積中に第１のＰＤ１の電荷を読み出し、読み出した電荷を不要電荷として排出するために行われる。これにより、各撮像用画素の第１のＰＤ１の電荷蓄積時間が制御される。

また、垂直シフトレジスタ１０では、タイミング信号発生回路１０２から出力されるタイミング信号を受け取り、受け取ったタイミング信号と読み出しトランジスタ２に供給するための読み出しパルスとをマルチプレクサ回路１５に出力する。この結果、各行の第１のＰＤ１に蓄積された電荷がＦＤ部７に出力され、ＦＤ部７に応じた信号が、検出トランジスタ４から垂直信号線５に出力される。垂直信号線５に出力された信号は、ＣＤＳ回路１３に一時的に蓄積される。

次に、水平シフトレジスタ９は、タイミング信号発生回路１０２から出力されるタイミング信号に基づいて、垂直信号線５を列毎に順に選択する。この垂直信号線５の選択に従って、ＣＤＳ回路１３に一時的に蓄積されている１行分の撮像用画素の各信号が、順に水平信号線１４を経由して、出力アンプ１２から出力される。

さらに、本実施形態の固体撮像装置１０１は、図２には図示していないが、撮像用画素が形成された撮像領域２０１の周囲に設けられたオプティカルブラック用画素及び温度検出用画素をさらに備えている。

具体的には、図４に示すように、撮像用画素が形成された撮像領域２０１の周囲にはオプティカルブラック用画素が形成された遮光領域２０２が、例えば、６４０×４８０画素からなる撮像領域２０１の周囲に設けられ、例えば２０×２０画素で、撮像用画素と同一な構成を有し、且つ、例えば金属膜などの入射光を遮光するための遮光膜で覆われている。尚、遮光領域２０２から出力された信号は、光学的な黒レベルの基準信号として使用される。

一方、温度検出用画素が形成された受光領域２０３は、遮光領域２０２の周囲に設けられ、例えば１０×１０画素で、温度検出用の信号を生成する温度検出部を有し、且つ、遮光領域２０２と同様にして例えば金属層などの遮光層で覆われている。

ここで、本実施形態の固体撮像装置１０１では、撮像用画素の光電変換部（第１のＰＤ１）と温度検出用画素の温度検出部とは、受光素子としてフォトダイオードを用いているが、そのフォトダイオードの構成は互いに異なっている。これについて、図３（ａ）、（ｂ）を用いて以下に説明する。

図３（ａ）は、本実施形態の固体撮像装置１０１に係る撮像用画素の構成を示す断面図である。一方、図３（ｂ）は、本実施形態の固体撮像装置に係る温度検出用画素の構成を示す断面図である。

図３（ａ）に示すように、本実施形態の撮像用画素は、半導体基板３００内に形成されたｐ型拡散層（ｐ型不純物領域）３０１と、ｐ型拡散層３０１の上に形成されたフォトダイオード（光電変換部、受光部）となるｎ型拡散層（ｎ型不純物領域）３０２と、ｎ型拡散層３０２の上であって、半導体基板の表面部に形成された第１のｐ型注入層（ｐ型不純物領域）３０３とを有している。ここで、第１のｐ型注入層３０３は、ｐｎ接合により形成される空乏層が半導体基板３００の表面部に露出するのを防ぐために形成されている。従って、半導体基板３００の表面近傍に発生する表面準位を大幅に減少させることができ、暗電流が発生するのを抑制することができる。なお、図２及び図３（ａ）に示す第１のフォトダイオード（ＰＤ）１とは、ｐ型拡散層３０１の上に形成されたｎ型拡散層３０２を意味している。

一方、図３（ｂ）に示すように、本実施形態の温度検出用画素は、半導体基板３００内に形成されたｐ型拡散層３０１と、ｐ型拡散層３０１の上に形成されたフォトダイオード（光電変換部、受光部）となるｎ型拡散層３０２とを有している。さらに、温度検出用画素では、撮像用画素とは異なり、半導体基板３００の表面部に、ｐ型注入層が形成されていないか、形成されているとしても、不純物濃度が第１のｐ型注入層３０３より低くなっている。なお、図３（ｂ）に示す第２のフォトダイオード（ＰＤ）４００とは、ｐ型拡散層３０１の上に形成されたｎ型拡散層３０２を意味している。

従って、温度検出用画素の第２のＰＤ４００では、半導体基板３００の表面部で空乏層が露出し、表面準位が多数形成される結果、第１のＰＤ１に比べて暗電流の発生が増加する。さらに、この表面準位は、高温になると活性化される性質を有するため、温度検出用画素の第２のＰＤ４００での温度が上昇するに伴って、暗電流の増加も顕著に確認される。本実施形態の固体撮像装置１０１では、この暗電流の温度依存性を利用して、温度検出用画素の第２のＰＤ４００から出力された電気信号を処理することで、温度検出用画素の温度を検出することができる。

続いて、本実施形態の固体撮像装置１０１の温度検出方法を具体的に説明する（主に図１参照）。尚、各処理回路などの動作は、上述の本実施形態に係るカメラで説明した部分と同様であるため、簡略化して説明する。

まず、固体撮像装置１０１では、所定の行に配置された撮像用画素、オプティカルブラック用画素、及び温度検出用画素から出力された各信号が、順次、垂直信号線５及び水平信号線１４を介して、出力アンプ１２から前置処理回路１０３へ出力される。前置処理回路１０３は、固体撮像装置１０１から出力された各アナログ信号を受け取り、ノイズ低減処理や増幅処理等を施した後、処理済みの各アナログ信号をＡ／Ｄ変換器１０４へ出力する。

次に、Ａ／Ｄ変換器１０４は、処理済みの各アナログ信号をディジタル信号に変換して、撮像信号処理ユニット１０５へ出力する。

次いで、撮像信号処理ユニット１０５では、Ａ／Ｄ変換器１０４から出力された各信号のうち、温度検出用画素の出力信号（検出用信号）が温度算出部１０８へ入力される。温度算出部１０８では、検出用信号と、温度テーブル記憶部１０９に予め記憶された温度情報とをコンパレータ（図示せず）等で対比することにより、温度検出用画素の温度情報を算出する。これにより、固体撮像装置１０１の温度を検出することができる。

一方、撮像用画素の出力信号（撮像信号）は画像補正回路１１１へ入力され、温度算出部１０８で算出された温度情報に基づき、種々の映像処理が行われる。具体的には、例えば算出された温度情報から、撮像用画素アレイの温度分布を取得し、その温度分布によって予想されるシェーディングや、白点を補正するように、それぞれの撮像画素の信号に補正値を施す。尚、撮像信号は、オプティカルブラック用画素から出力された基準信号を基に、演算処理されている。映像処理が行われた撮像信号は、バッファメモリ１０６に格納された後、映像出力部１０７へ出力される。以上の方法により、本実施形態の固体撮像装置の温度を検出して、撮像信号の画像処理を行うことができる。

本実施形態の固体撮像装置の特徴は、まず、同一半導体チップ上に、撮像用画素と温度検出用画素とが設けられていることにある。これにより、撮像用画素及び温度検出用画素から出力された各信号を、共通の読み出し経路を介して処理回路等へ出力することができるため、温度情報を得るための特殊な駆動を行うことなく、通常の駆動条件を用いて比較的容易に固体撮像装置の温度を検出することができる。その結果、得られた温度情報を基に、撮像信号を処理することで、温度変化に伴う画像劣化が抑制された映像信号を出力することができる。また、固体撮像装置の外部に温度センサなどの温度を検出するための素子を別途設ける必要がないため、固体撮像装置を小型化にも有用である。尚、温度検出用画素が撮像用画素の周囲に設けられていれば、両画素が離れた位置に設けられている場合に比べて、より正確に撮像用画素の温度を測定できるため好ましい。

さらに、本実施形態の固体撮像装置では、温度検出部を構成する第２のＰＤ４００の表面部に、注入層が形成されていないか、形成されているとしても、不純物濃度は、第１のＰＤ１の表面部に設けられた第１のｐ型注入層３０３よりも低くなっている。この構成によれば、第２のＰＤ４００のｐｎ接合により形成された空乏層が半導体基板３００の表面部まで拡がるようになるため、温度検出用画素の第２のＰＤ４００で、暗電流が流れやすくなる。そのため、本実施形態の固体撮像装置では、例えば低温時に小さな暗電流が流れた場合でも、従来の固体撮像装置に比べて大きな出力信号を得ることができるため、温度情報を精度良く算出することができる。その結果、信頼性の高い温度情報を基に、撮像用画素から出力された撮像信号に対して適切な画像処理を行うことができるため、暗電流の発生による画質の劣化が抑制された高品質な画像を出力することが可能となる。

尚、通常の画素では、空乏層が半導体基板３００の表面に拡がり表面準位が生じると、ノイズが大きくなり、良好な画質が得られない。このため、フォトダイオードに表面準位を積極的に発生させることは、従来行われていなかった。これに対し、本願発明者らは、フォトダイオードの表面部に表面準位が発生すると暗電流が増加することに着目し、温度測定に利用するための検討を重ねた。この結果、表面準位が熱による活性化を受けると、暗電流が大きく増加し、これを利用することで十分に実用可能な精度で温度を検出できることが分かった。特に、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、撮像用画素の基板表面部に第１のｐ型注入層３０３を設け、温度検出用画素の基板表面部に第１のｐ型注入層３０３を設けないことにより、製造工程を増やすことなく、温度検出用画素を形成することが可能となる。また、温度検出用画素内の基板表面部に低濃度のｐ型注入層を形成する場合、その不純物濃度を調節することにより、温度の検出精度を適宜調節することが可能となる。

尚、本実施形態の固体撮像装置１０１では、同一半導体チップ上に、前置処理回路１０３、Ａ／Ｄ変換器１０４、撮像信号処理ユニット（信号処理回路）１０５、及びタイミング信号発生回路１０２を備えていてもよい。この場合、固体撮像装置１０１内に設けられた半導体素子や、撮像信号処理ユニット１０５等の各回路に設けられた半導体素子を同じプロセスで作製することが可能であるため、上述の効果を有する固体撮像装置１０１を比較的容易に製造することができ、固体撮像装置１０１の小型化にも有用である。これに対し、固体撮像装置１０１と撮像信号処理ユニット１０５等を別々の半導体チップ上に設ける場合には、撮像信号処理ユニット１０５を構成するＭＯＳトランジスタの構成等を最適化できるので、信号処理の精度を向上させることができる。

また、本実施形態の固体撮像装置では、複数の温度検出用画素から出力された各信号の平均値を用いて、温度テーブル記憶部１０９の温度情報と比較することで、固体撮像装置の温度を算出してもよい。これにより、温度検出の精度をさらに向上できる。この場合、例えば、図４に示すように、撮像用画素の周囲に１行当たり１０画素の温度検出用画素が配置されていると、１０画素の温度検出用画素からの各信号の平均値を算出して、温度テーブル記憶部１０９の温度情報と比較する。尚、平均をとる画素数は、温度検出用画素の１行分に限定されるものではなく、複数の行にわたって温度検出用画素を選択して、それらの平均値を求めてもよい。

また、本実施形態の固体撮像装置において、温度検出用画素の温度検出の精度をより向上させるために、撮像信号処理ユニット１０５で、例えば、温度検出用画素の第２のＰＤ４００で生成された信号が読み出しトランジスタに読み出されるまでの時間（蓄積時間）が長くなるように、タイミング信号を生成してもよい。この場合、例えば、数フレームに一回の割合で、温度検出用画素の第２のＰＤ４００に読み出しパルスを印加するようなタイミングを生成することで、比較的容易に蓄積時間を長くすることが可能である。これにより、温度検出用画素の第２のＰＤ４００から出力される信号が大きくなるため、低温時のように暗電流の変化が小さい場合においても、比較的精度良く、温度検出用画素の温度の検出を行うことができる。

尚、本実施形態では、増幅型単位画素を有するＭＯＳ型の固体撮像装置について説明したが、これに限定されるものではなく、ＣＣＤ型の固体撮像装置を用いてもよい。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置について、図面を参照しながら説明する。尚、本実施形態の固体撮像装置は、一部の構成を除いて、上述の第１の実施形態に係る固体撮像装置と同様であるため、簡略化して説明する。図５は、本実施形態の固体撮像装置が用いられるカメラの構成を示す図である。

図５に示すように、本実施形態のカメラは、カメラレンズ１００と、カメラレンズ１００により集光された入射光を光電変換して信号を生成する固体撮像装置（固体撮像素子）１０１と、前置処理回路１０３と、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器１０４と、撮像信号処理ユニット（信号処理回路）１０５と、バッファメモリ１０６と、映像出力部１０７と、タイミング信号発生回路（ＴＧ）１０２と、電源制御部１１０とを備えている。さらに、撮像信号処理ユニット１０５は、温度算出部１０８と、温度テーブル記憶部１０９と、画像補正回路１１１とを有している。

本実施形態に係るカメラは、電源制御部１１０を備えている点のみが第１の実施形態に係るカメラと異なっている。電源制御部１１０は、撮像信号処理ユニット１０５内で算出された温度情報の出力を受け、固体撮像装置１０１内の各部へ供給する電源電圧を制御する。具体的には、撮像信号処理ユニット１０５の温度算出部１０８から出力された温度情報が例えば６０℃以上であった場合、固体撮像装置１０１への電源電圧の供給を停止させたり、供給する電源電圧を低下させる。尚、電源電圧の制御は、固体撮像装置１０１内の各部だけでなく、前置処理回路１０３や撮像信号処理ユニット１０５等に対する電源電圧の制御も行うことができる。尚、電源制御部１１０は、固体撮像装置１０１の外部に設けられていてもよいが、例えば撮像信号処理ユニット１０５と共に、固体撮像装置１０１と同一の半導体チップ上に設けられていてもよい。

尚、本実施形態の固体撮像装置１０１の構成、及び固体撮像装置１０１の温度検出方法は、上述の第１の実施形態で説明した構成及び方法とそれぞれ同様である。

本実施形態の固体撮像装置の特徴は、温度情報に基づき電源電圧を制御することが可能な電源制御部を備えていることにある。これにより、例えば、厳しい環境下で使用した場合に、固体撮像装置１０１の温度が上昇しても、温度検出用画素の温度を検出した後に、固体撮像装置１０１の電源電圧を低下させる、又は、停止させることができるため、固体撮像装置１０１内に設けられた半導体素子が温度上昇により劣化するのを抑制できる。その結果、比較的厳しい環境下での使用が可能で、半導体素子の寿命の低下が抑制された固体撮像装置を実現することができる。

また、本実施形態の固体撮像装置では、従来の固体撮像装置のように冷却装置を設ける場合に比べて、固体撮像装置のサイズを小さくすることができる。

本発明の固体撮像装置は、例えばディジタルカメラなどの固体撮像装置の高品質化や小型化に有用である。

本発明の第１の実施形態に係るカメラの構成を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第１の実施形態に係る固体撮像装置の撮像用画素及び温度検出用画素の構成を示す断面図である。本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す上面図である。本発明の第２の実施形態に係るカメラの構成を示す図である。

符号の説明

１第１のフォトダイオード（ＰＤ）
２読み出しトランジスタ
３リセットトランジスタ
４検出トランジスタ
５垂直信号線
６Ｖｄｄ電源
７ＦＤ部
８画素アレイ
９水平シフトレジスタ
１０垂直シフトレジスタ
１２出力アンプ
１３ＣＤＳ回路
１４水平信号線
１５マルチプレクサ回路
１６電子シャッタ用垂直シフトレジスタ
１００カメラレンズ
１０１固体撮像装置（固体撮像素子）
１０２タイミング信号発生回路（ＴＧ）
１０３前置処理回路
１０４Ａ／Ｄ変換器
１０５撮像信号処理ユニット
１０６バッファメモリ
１０７映像出力部
１０８温度算出部
１０９温度テーブル記憶部
１１０電源制御部
１１１画像補正回路
２０１撮像領域
２０２遮光領域
２０３受光領域
３００半導体基板
３０１ｐ型拡散層
３０２ｎ型拡散層
３０３第１のｐ型注入層

Claims

半導体基板内に複数の第１画素と複数の第２画素があり、
前記第１画素は、前記半導体基板内に形成された第１導電型の第１の不純物領域と、前記第１の不純物領域の上に形成された第１のフォトダイオードとなる第２導電型の第２の不純物領域と、前記第２の不純物領域の上の前記半導体基板の表面側に形成された第１導電型の第５の不純物領域とを備え、
前記第２画素は、前記半導体基板内に形成された第１導電型の第３の不純物領域と、前記第３の不純物領域の上に形成された第２のフォトダイオードとなる第２導電型の第４の不純物領域と、前記第４の不純物領域の上の前記半導体基板の表面側は、前記第１の不純物領域と同じ不純物濃度である第１導電型の不純物領域、あるいは、前記第５の不純物領域よりも低い不純物濃度である第１導電型の第６の不純物領域、を備えていることを特徴とする固体撮像装置。
前記第２画素は、温度検出用画素であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記複数の第２画素は、入射光を遮光するための遮光層に覆われている請求項１または２に記載の固体撮像装置。
前記固体撮像装置には、前記複数の第１画素の各々が２次元状に配置された撮像領域と、
前記撮像領域の周囲に設けられ、前記複数の第２画素が配置された受光領域とが形成されている請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
前記固体撮像装置には、前記撮像領域と前記受光領域との間に形成され、前記第１画素と同一構成を有する複数のオプティカルブラック用画素が配置され、且つ、遮光層に覆われた遮光領域が形成されている請求項４に記載の固体撮像装置。
前記複数の第１画素は、前記第１のフォトダイオードで入射光に応じて生成された信号を読み出す第１の読み出し部を備え、
前記複数の第２画素は、前記第２のフォトダイオードで生成された温度を検出するための信号を読み出す第２の読み出し部を備えている請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
予め温度情報が記憶された温度テーブル記憶部と、
前記複数の第２画素の各々から出力された出力信号と、前記温度テーブル記憶部に記憶された温度情報とを対比することにより、前記複数の第２画素の温度を算出する温度算出部とを有する信号処理回路をさらに備えている請求項６に記載の固体撮像装置。
前記信号処理回路は、前記温度算出部で算出した温度に基づき、前記複数の第１画素の各々から画像信号として出力された出力信号を処理して、前記画像信号を補正する画像補正部をさらに有する請求項７に記載の固体撮像装置。
前記温度算出部では、前記複数の第２画素のうち、少なくとも２つの前記第２画素から出力された各信号の平均値を用いて、前記第２画素の温度を算出する請求項８に記載の固体撮像装置。
前記第２のフォトダイオードで生成された信号が、前記第２の読み出し部に読み出されるまでの蓄積時間は、前記第１のフォトダイオードで生成された信号が、前記第１の読み出し部に読み出されるまでの蓄積時間より長い請求項７〜９のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
前記第２のフォトダイオードで算出された前記第２画素の温度に応じて、電源電圧の供給を制御する電源制御回路をさらに備えている請求項７〜１０のうちいずれか１つに記載の固体撮像装置。
前記電源制御回路は、前記第２画素の温度に応じて、電源電圧の供給を停止させる請求項１１に記載の固体撮像装置。
前記電源制御回路は、前記第２画素の温度に応じて、電源電圧を低下させる請求項１１に記載の固体撮像装置。