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JP2005039053A - Solid-state image sensor - Google Patents

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JP2005039053A
JP2005039053A JP2003274495A JP2003274495A JP2005039053A JP 2005039053 A JP2005039053 A JP 2005039053A JP 2003274495 A JP2003274495 A JP 2003274495A JP 2003274495 A JP2003274495 A JP 2003274495A JP 2005039053 A JP2005039053 A JP 2005039053A
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Japan
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region
pixel
light
optical black
photoelectric conversion
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Application number
JP2003274495A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Atsuhiko Yamamoto
敦彦 山本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem in a conventional solid-state imaging element that the black level reference gets out of order because of production of signal electric charges except a dark current component, in the case that part of the light collected by an on-chip lens may transmit through a light shading film and the transmitted light may be subjected to photoelectric conversion at a light receiving section when strong light is particularly made incident onto an optical black region. <P>SOLUTION: An on-chip lens 38 of the optical black region in a CMOS image sensor does not collect the incident light to a photoelectric conversion region of a photo diode 21 but collects the incident light to a region other than the photoelectric conversion region such as the vicinity of a floating diffusion section FD. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサやCMOSイメージセンサに代表される固体撮像素子に関し、特にオンチップレンズと呼称される集光レンズを各受光部(画素)ごとに当該受光部上に配置してなる固体撮像素子に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device typified by a CCD (Charge Coupled Device) image sensor or a CMOS image sensor, and in particular, a condensing lens called an on-chip lens is placed on the light receiving unit for each light receiving unit (pixel). The present invention relates to a solid-state image pickup device arranged.

CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサ等の固体撮像素子では、近年、素子自体の小型化や画素の高密度化が一層進み、それに伴って画素が行列状に2次元配置されてなる撮像エリアの縮小化による感度低下などの特性劣化を招いている。この感度低下の対策として、従来、各受光部(画素)ごとに当該受光部上にオンチップレンズを設け、当該オンチップレンズの集光作用によって各受光部での集光効率を高めるようにしている(例えば、特許文献1参照)。   In recent years, in solid-state imaging devices such as CCD image sensors and CMOS image sensors, miniaturization of the device itself and higher density of pixels have further advanced, and accordingly, an imaging area in which pixels are two-dimensionally arranged in a matrix is reduced. This causes deterioration of characteristics such as sensitivity reduction. Conventionally, as a countermeasure against this sensitivity reduction, an on-chip lens is provided on the light receiving part for each light receiving part (pixel), and the light collection efficiency of each light receiving part is increased by the light collecting action of the on-chip lens. (For example, refer to Patent Document 1).

ところで、固体撮像素子の撮像面上には、画素の信号を実際の撮像情報として用いる有効画素領域と、当該有効画素領域外に位置し、光学的な基準の黒レベルを得るために用いるオプティカルブラック領域(光学的黒領域)とが存在する。このように、オプティカルブラック領域を設け、当該オプティカルブラック領域内の各画素信号である黒レベルを基準とし、この基準信号と有効画素領域の各画素信号との差分をとることにより、光が入射しない状態でも熱的に発生するノイズ成分、いわゆる暗電流の直流分を除去することができる。このオプティカルブラック領域は、アルミニウムなどの金属からなる遮光膜によって遮光されている。   By the way, on the imaging surface of the solid-state imaging device, an effective pixel region that uses pixel signals as actual imaging information, and an optical black that is located outside the effective pixel region and is used to obtain an optical reference black level An area (optical black area) exists. In this way, no optical light is incident by providing an optical black region and taking the difference between the reference signal and each pixel signal in the effective pixel region based on the black level that is each pixel signal in the optical black region. Even in the state, a noise component that is thermally generated, that is, a DC component of so-called dark current can be removed. This optical black region is shielded from light by a light shielding film made of metal such as aluminum.

特開平11−103036号公報(特に、段落0015,0020および図1)Japanese Patent Laid-Open No. 11-103036 (in particular, paragraphs 0015 and 0020 and FIG. 1)

上述したように、オンチップレンズを有する固体撮像素子では、オプティカルブラック領域において、入射光を遮光膜によって完全に遮断することは困難であり、特に強い光が入射すると、オンチップレンズによって集光された光の一部が遮光膜を透過し、受光部で光電変換される場合がある。すると、暗電流成分以外の信号電荷が発生して、黒レベルの基準が狂ってしまう。   As described above, in a solid-state imaging device having an on-chip lens, it is difficult to completely block incident light with a light-shielding film in the optical black region. When particularly strong light is incident, it is collected by the on-chip lens. In some cases, part of the transmitted light passes through the light shielding film and is photoelectrically converted by the light receiving unit. As a result, signal charges other than the dark current component are generated, and the black level reference is lost.

黒レベルの基準が狂ってしまう場合は、オプティカルブラック領域の画素信号は、有効画素領域の画素信号よりもレベルが少し下がることになる。このような状態での撮像画(絵)は、その一部に黒筋が走ったようになり、不自然な絵になってしまう。   When the black level reference is out of order, the pixel signal in the optical black region is slightly lower in level than the pixel signal in the effective pixel region. The captured image (picture) in such a state is like a black stripe running on a part of it, resulting in an unnatural picture.

このような遮光膜を透過する光に起因する問題を解決するためには、オプティカルブラック領域の遮光膜の膜厚を厚くしたりしてオプティカルブラック領域の遮光能力を上げる手法が考えられる。しかし、この手法を採る場合には、有効画素領域とオプティカルブラック領域とで上層の構造を大幅に変更する必要があるため、段差等が発生してむらの原因となることもある。   In order to solve the problem caused by the light transmitted through the light shielding film, a method of increasing the light shielding ability of the optical black region by increasing the thickness of the light shielding film in the optical black region can be considered. However, when this method is adopted, it is necessary to change the upper layer structure significantly between the effective pixel region and the optical black region, which may cause unevenness due to a step or the like.

また、オプティカルブラック領域についてはオンチップレンズを無くし、集光効率を低下させる手法も考えられる。しかし、集光効率を低下させたとしても、特に強い光が局所的に撮像面に照射されるような過酷な撮像状態においては、オンチップレンズによって集光する場合ほどではないものの、光の一部が遮光膜を透過して受光部に入射し、当該受光部で光電変換されてしまうことになる。   For the optical black region, a method of eliminating the on-chip lens and reducing the light collection efficiency is also conceivable. However, even if the condensing efficiency is lowered, it is not as much as in the case of condensing by an on-chip lens in a harsh imaging state where intense light is locally irradiated on the imaging surface. The portion passes through the light shielding film and enters the light receiving portion, and is photoelectrically converted by the light receiving portion.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、特に強い光が局所的に撮像面に照射されるような過酷な撮像状態においても、遮光膜を透過する光の受光部への入射を確実に阻止し、当該透過光に起因する撮像画の不自然さを解消した固体撮像素子を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to transmit the light-shielding film even in a severe imaging state in which particularly strong light is locally irradiated on the imaging surface. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that reliably prevents light from entering the light-receiving portion and eliminates the unnaturalness of a captured image caused by the transmitted light.

かかる目的を達成するために、本発明による固体撮像素子は、光電変換素子を含む画素が配置され、当該画素の信号が有効信号として用いられる有効画素領域と、光電変換素子を含む画素が遮光された状態で配置され、当該画素の信号が黒レベルの基準として用いられるオプティカルブラック領域と、前記有効画素領域上に画素単位で配置され、入射した光を各画素の光電変換領域内に集光させる第1のオンチップレンズ群と、前記オプティカルブラック領域上に画素単位で配置され、入射した光を各画素の光電変換領域外に集光させる第2のオンチップレンズ群とを備えた構成となっている。   In order to achieve such an object, the solid-state imaging device according to the present invention includes a pixel including a photoelectric conversion element, an effective pixel region in which a signal of the pixel is used as an effective signal, and a pixel including the photoelectric conversion element is shielded from light. An optical black area in which the signal of the pixel is used as a black level reference and a pixel unit on the effective pixel area, and the incident light is condensed in the photoelectric conversion area of each pixel. The first on-chip lens group and a second on-chip lens group that is arranged in units of pixels on the optical black area and collects incident light outside the photoelectric conversion area of each pixel. ing.

上記構成の固体撮像素子において、有効画素領域に入射した光は、第1のオンチップレンズ群の集光作用によって各画素の光電変換領域内に集光され、各光電変換素子によって信号電荷に光電変換される。この有効画素領域内の各画素の信号は、有効(画素)信号として用いられる。一方、オプティカルブラック領域に入射した光は、第1のオンチップレンズ群の集光作用によって各画素の光電変換領域外に集光される。   In the solid-state imaging device having the above-described configuration, the light incident on the effective pixel region is condensed in the photoelectric conversion region of each pixel by the condensing action of the first on-chip lens group, and the signal charges are photoelectrically converted by each photoelectric conversion device. Converted. The signal of each pixel in this effective pixel area is used as an effective (pixel) signal. On the other hand, the light incident on the optical black region is condensed outside the photoelectric conversion region of each pixel by the condensing action of the first on-chip lens group.

ここで、第1のオンチップレンズ群によって集光された光は、一般的は、遮光膜によって遮光されるため画素の受光面まで届くことはない。しかし、例えば、強い光が局所的に撮像面に照射されるような過酷な撮像状態では、第1のオンチップレンズ群によって集光された光が遮光膜を透過してしまう場合がある。このように遮光膜を透過したとしても、その光は第1のオンチップレンズ群によって各画素の光電変換領域外に集光されるため、光電変換素子で光電変換され、暗電流成分以外の信号電荷が発生することはない。   Here, since the light condensed by the first on-chip lens group is generally shielded by the light shielding film, it does not reach the light receiving surface of the pixel. However, for example, in a harsh imaging state where intense light is locally irradiated on the imaging surface, the light condensed by the first on-chip lens group may pass through the light shielding film. Even if the light passes through the light-shielding film in this way, the light is condensed outside the photoelectric conversion region of each pixel by the first on-chip lens group, so that it is photoelectrically converted by the photoelectric conversion element and a signal other than the dark current component. No charge is generated.

本発明によれば、オプティカルブラック領域のオンチップレンズについて、入射光をフォトダイオードの光電変換領域に集光させるのではなく、当該光電変換領域以外の場所に集光させるように形成することにより、特に強い光が入射した際にその光の一部が遮光膜を透過したとしても、その透過光が光電変換領域に入射することがないため、暗電流成分以外の信号電荷が発生することがなく、よって従来問題となっていた透過光に起因する撮像画の不自然さを解消することができる。   According to the present invention, the on-chip lens in the optical black region is formed such that incident light is not condensed on the photoelectric conversion region of the photodiode, but is condensed on a place other than the photoelectric conversion region, Even when particularly intense light is incident, even if part of the light passes through the light-shielding film, the transmitted light does not enter the photoelectric conversion region, so that signal charges other than dark current components are not generated. Therefore, it is possible to eliminate the unnaturalness of the captured image due to the transmitted light, which has been a problem in the past.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子、例えばCMOSイメージセンサの構成の概略を示すブロック図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a configuration of a solid-state imaging device, for example, a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention.

本実施形態に係るCMOSイメージセンサは、画素が行列状に2次元配置されてなる撮像部11と、撮像部11の各画素を行単位で選択する垂直走査回路12と、撮像部11から行単位で読み出される各画素の信号に対してCDS(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)などの信号処理を行う信号処理回路13と、この信号処理回路13から出力される1行分の画素信号を順次画素単位で選択する水平走査回路14と、この水平走査回路15によって選択された画素信号を順次出力する水平出力回路15とを有する構成となっている。   The CMOS image sensor according to this embodiment includes an imaging unit 11 in which pixels are two-dimensionally arranged in a matrix, a vertical scanning circuit 12 that selects each pixel of the imaging unit 11 in units of rows, and a row unit from the imaging unit 11. The signal processing circuit 13 for performing signal processing such as CDS (Correlated Double Sampling) on the signal of each pixel read out in step S1 and the pixel signals for one row output from the signal processing circuit 13 are sequentially provided. A horizontal scanning circuit 14 for selecting in units of pixels and a horizontal output circuit 15 for sequentially outputting pixel signals selected by the horizontal scanning circuit 15 are provided.

撮像部11は、光電変換素子を含む画素16が行列状に2次元配置され、当該画素16の信号が有効(画素)信号として用いられる有効画素領域17と、光電変換素子を含む画素16が遮光された状態で複数列分だけ配置され、当該画素16の信号が黒レベルの基準として用いられるオプティカルブラック領域18とから構成されている。撮像部11の画素16の配列に対して、垂直画素列ごとに垂直信号線19が配線されている。   In the imaging unit 11, pixels 16 including photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged in a matrix, and an effective pixel region 17 in which a signal of the pixel 16 is used as an effective (pixel) signal, and pixels 16 including the photoelectric conversion elements are shielded from light. In this state, the optical black region 18 is arranged for a plurality of columns and the signal of the pixel 16 is used as a black level reference. A vertical signal line 19 is wired for each vertical pixel column with respect to the arrangement of the pixels 16 of the imaging unit 11.

オプティカルブラック領域18はさらに、有効画素領域17に対して隣接して設けられた無効オプティカルブラック領域18Aと、無効オプティカルブラック領域18Aに対して有効画素領域17の反対側に隣接して設けられた有効オプティカルブラック領域18Bとを有している。ここで、有効オプティカルブラック領域18Bの各画素の信号が黒レベルの基準として用いられるのに対して、無効オプティカルブラック領域18Aの各画素の信号は、有効画素領域17に隣接している関係上、有効画素領域17側から漏れ込む光の影響を受けやすいため、光学的な基準の黒レベルとしては用いられない。   The optical black area 18 further includes an invalid optical black area 18A provided adjacent to the effective pixel area 17, and an effective optical area provided adjacent to the invalid optical black area 18A on the opposite side of the effective pixel area 17. And an optical black region 18B. Here, the signal of each pixel in the effective optical black region 18B is used as a reference for the black level, whereas the signal of each pixel in the invalid optical black region 18A is adjacent to the effective pixel region 17, Since it is easily affected by light leaking from the effective pixel region 17 side, it is not used as an optical reference black level.

なお、図1では、図面の簡略化のために、無効オプティカルブラック領域18Aの垂直画素列を1列、有効オプティカルブラック領域18Bの垂直画素列を2列とした場合を例に挙げて示しているが、これに限られるものではなく、各々任意の本数の垂直画素列として設定可能である。   In FIG. 1, for simplification of the drawing, an example is shown in which the vertical pixel column of the invalid optical black region 18A is one column and the vertical pixel column of the effective optical black region 18B is two columns. However, the present invention is not limited to this, and each can be set as an arbitrary number of vertical pixel columns.

図2は、画素16の回路構成の一例を示す回路図である。同図から明らかなように、画素16は、光電変換素子として例えばフォトダイオード21を有し、この1個のフォトダイオード21に対して、転送トランジスタ22、増幅トランジスタ23、アドレストランジスタ24およびリセットトランジスタ25の4個のトランジスタを能動素子として有する回路構成となっている。   FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an example of the circuit configuration of the pixel 16. As can be seen from the figure, the pixel 16 has, for example, a photodiode 21 as a photoelectric conversion element. A transfer transistor 22, an amplification transistor 23, an address transistor 24, and a reset transistor 25 are added to the one photodiode 21. The circuit configuration has four transistors as active elements.

フォトダイオード21はそのアノードが接地され、入射光をその光量に応じた量の電荷(ここでは、電子)に光電変換する。転送トランジスタ22は、フォトダイオード21のカソードとフローティングディフュージョン部FDとの間に接続され、転送配線26を通してそのゲートに転送信号が与えられることで、フォトダイオード21で光電変換された電子をフローティングディフュージョン部FDに転送する。   The photodiode 21 is grounded at its anode, and photoelectrically converts incident light into charges (here, electrons) in an amount corresponding to the amount of light. The transfer transistor 22 is connected between the cathode of the photodiode 21 and the floating diffusion portion FD, and a transfer signal is given to the gate through the transfer wiring 26, whereby the electrons photoelectrically converted by the photodiode 21 are transferred to the floating diffusion portion. Transfer to FD.

フローティングディフュージョン部FDには増幅トランジスタ23のゲートが接続されている。この増幅トランジスタ23はアドレストランジスタ24を介して垂直信号線27に接続されている。そして、アドレス配線28を通してアドレス信号がアドレストランジスタ25のゲートに与えられ、当該アドレストランジスタ25がオンすると、増幅トランジスタ23はフローティングディフュージョン部FDの電位を増幅してその電位に応じた電圧を垂直信号線27に出力する。垂直信号線27は、各画素から出力された電圧を信号処理回路13(図1参照)に伝送する。   The gate of the amplification transistor 23 is connected to the floating diffusion portion FD. The amplification transistor 23 is connected to a vertical signal line 27 via an address transistor 24. When an address signal is applied to the gate of the address transistor 25 through the address wiring 28 and the address transistor 25 is turned on, the amplification transistor 23 amplifies the potential of the floating diffusion portion FD and applies a voltage corresponding to the potential to the vertical signal line. 27. The vertical signal line 27 transmits the voltage output from each pixel to the signal processing circuit 13 (see FIG. 1).

リセットトランジスタ25は、電源Vddとフローティングディフュージョン部FDとの間に接続され、リセット配線29を通してそのゲートにリセット信号が与えられることで、フローティングディフュージョン部FDの電位を電源Vddの電位にリセットする。これらの動作は、転送トランジスタ22、アドレストランジスタ24およびリセットトランジスタ25の各ゲートが接続される各配線26,28,29が行単位で配線されていることから、1行分の各画素について同時に行われる。   The reset transistor 25 is connected between the power supply Vdd and the floating diffusion portion FD, and resets the potential of the floating diffusion portion FD to the potential of the power supply Vdd when a reset signal is given to the gate through the reset wiring 29. In these operations, since the wirings 26, 28, and 29 to which the gates of the transfer transistor 22, the address transistor 24, and the reset transistor 25 are connected are wired in units of rows, the pixels for one row are simultaneously processed. Is called.

ここで、単位画素についての配線としては、横方向に転送配線26、アドレス配線28およびリセット配線29の3本、縦方向に垂直信号線27の1本、さらにVdd供給配線と、フローティングディフュージョン部FDと増幅トランジスタ23のゲートとをつなぐ内部配線と、ここでは図示していないが、画素境界部分とオプティカルブラック領域18の各画素を遮光するための遮光膜に使う2次元配線とが存在する。   Here, as the wiring for the unit pixel, three of the transfer wiring 26, the address wiring 28 and the reset wiring 29 in the horizontal direction, one of the vertical signal lines 27 in the vertical direction, the Vdd supply wiring, and the floating diffusion portion FD. And an internal wiring that connects the gate of the amplifying transistor 23 and a two-dimensional wiring that is not shown here and that is used as a light shielding film for shielding each pixel in the optical black region 18 from the pixel boundary portion.

図3は、有効画素領域17における画素構造の一例を示す断面図である。図3において、半導体基板31の表層部には、光電変換素子であるフォトダイオード21が形成されるとともに、その近傍にフローティングディフュージョン部FDが形成されている。半導体基板31の表面上であって、フォトダイオード21とフローティングディフュージョン部FD間のチャネル領域の上方には、ゲート絶縁膜32を介して転送トランジスタ22のゲート電極33が形成されている。なお、画素16は画素分離層34によって個々に分離されている。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a pixel structure in the effective pixel region 17. In FIG. 3, a photodiode 21 that is a photoelectric conversion element is formed on the surface layer portion of the semiconductor substrate 31, and a floating diffusion portion FD is formed in the vicinity thereof. On the surface of the semiconductor substrate 31 and above the channel region between the photodiode 21 and the floating diffusion portion FD, the gate electrode 33 of the transfer transistor 22 is formed via the gate insulating film 32. The pixels 16 are individually separated by the pixel separation layer 34.

半導体基板31の表面上には、層間絶縁膜35を介してメタル配線36が例えば2層に配線されている。メタル配線36は、フォトダイオード21の表面領域(光電変換領域)上の開口部を避けて形成され、フォトダイオード21の表面領域外の領域に対する遮光膜を兼ねている。層間絶縁膜35上には、入射した光を光電変換領域内に集光させるオンチップレンズ(OCL)37が配されている。このオンチップレンズ37の集合が第1のオンチップレンズ群となる。   On the surface of the semiconductor substrate 31, metal wirings 36 are wired in, for example, two layers via an interlayer insulating film 35. The metal wiring 36 is formed avoiding the opening on the surface region (photoelectric conversion region) of the photodiode 21, and also serves as a light shielding film for the region outside the surface region of the photodiode 21. On the interlayer insulating film 35, an on-chip lens (OCL) 37 that collects incident light in the photoelectric conversion region is disposed. A group of the on-chip lenses 37 is a first on-chip lens group.

上記構成の有効画素領域17における画素構造において、各画素16に入射した光は、オンチップレンズ37の集光作用によってフォトダイオード21の上方の開口部を通してフォトダイオード21上に集光される。すると、フォトダイオード21は、入射光の光量に応じた電荷量の信号電荷に光電変換し、かつここに蓄積する。そして、この蓄積された信号電荷は、転送トランジスタ22によってフローティングディフュージョン部FDに転送される。   In the pixel structure in the effective pixel region 17 having the above-described configuration, light incident on each pixel 16 is condensed on the photodiode 21 through the opening above the photodiode 21 by the condensing action of the on-chip lens 37. Then, the photodiode 21 photoelectrically converts it into a signal charge having a charge amount corresponding to the amount of incident light and accumulates it here. The accumulated signal charge is transferred to the floating diffusion portion FD by the transfer transistor 22.

図4は、オプティカルブラック領域18における画素構造の一例を示す断面図である。オプティカルブラック領域18における画素構造も、基本的に、有効画素領域17における画素構造と同じである。違いのは、オンチップレンズ38およびメタル配線39の構成だけである。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of the pixel structure in the optical black region 18. The pixel structure in the optical black region 18 is basically the same as the pixel structure in the effective pixel region 17. The only difference is the configuration of the on-chip lens 38 and the metal wiring 39.

すなわち、オプティカルブラック領域18におけるオンチップレンズ38は、入射光をフォトダイオード21の表面領域(光電変換領域)外、好ましくはフローティングディフュージョン部FDの近傍に集光させるように形成されている。このオンチップレンズ38の集合が第2のオンチップレンズ群となる。また、2層配線のうち、上層のメタル配線39は、フォトダイオード21の上方にも形成され、当該フォトダイオード21をも遮光することによってオプティカルブラック領域18を実現している。   That is, the on-chip lens 38 in the optical black region 18 is formed so as to collect incident light outside the surface region (photoelectric conversion region) of the photodiode 21, preferably in the vicinity of the floating diffusion portion FD. A group of the on-chip lenses 38 becomes a second on-chip lens group. Of the two-layer wiring, the upper metal wiring 39 is also formed above the photodiode 21, and the optical black region 18 is realized by shielding the photodiode 21 from light.

上記構成のオプティカルブラック領域18における画素構造において、各画素16に入射した光は、オンチップレンズ38によって集光される。しかし、その集光された光は、遮光膜を兼ねるメタル配線39によって遮光される。ただし、例えば、強い光が局所的に撮像面に照射されるような過酷な撮像状態では、オンチップレンズ38によって集光された光がメタル配線39を透過してしまう場合がある。   In the pixel structure in the optical black region 18 having the above configuration, light incident on each pixel 16 is collected by the on-chip lens 38. However, the condensed light is shielded by the metal wiring 39 that also serves as a light shielding film. However, for example, in a severe imaging state in which intense light is locally irradiated on the imaging surface, the light condensed by the on-chip lens 38 may pass through the metal wiring 39.

ところが、オンチップレンズ38が入射光をフォトダイオード21の表面領域(光電変換領域)外、例えばフローティングディフュージョン部FDの近傍に集光させるように形成されているため、当該オンチップレンズ38によって集光され、メタル配線39を透過した光は、フォトダイオード21の光電変換領域内に入射することはない。したがって、強い光が入射することによってその光の一部がメタル配線39を透過したとしても、オプティカルブラック領域18の各画素のフォトダイオード21において、その透過光に起因して暗電流成分以外の信号電荷が発生することはない。   However, since the on-chip lens 38 is formed so as to collect incident light outside the surface region (photoelectric conversion region) of the photodiode 21, for example, in the vicinity of the floating diffusion portion FD, the on-chip lens 38 collects the incident light. The light transmitted through the metal wiring 39 does not enter the photoelectric conversion region of the photodiode 21. Therefore, even if a part of the light is transmitted through the metal wiring 39 due to the strong light incident, a signal other than the dark current component is caused in the photodiode 21 of each pixel in the optical black region 18 due to the transmitted light. No charge is generated.

メタル配線39を透過した光がフローティングディフュージョン部FDの近傍に入射することにより、当該フローティングディフュージョン部FDの付近で光電変換が行われ、その光電変換によって発生した電荷が蓄積される。通常、CMOSイメージセンサでは、フォトダイオード21から転送トランジスタ22によって信号電荷を読み出す前に、リセットトランジスタ25によってフローティングディフュージョン部FDの電位をリセットする動作が行われるため、このとき同時に、透過光に起因してフローティングディフュージョン部FDに蓄積された電荷も捨てられることになる。したがって、透過光をフローティングディフュージョン部FDに集光させたとしても、動作上、何ら問題になることはない。   When light transmitted through the metal wiring 39 enters the vicinity of the floating diffusion portion FD, photoelectric conversion is performed in the vicinity of the floating diffusion portion FD, and charges generated by the photoelectric conversion are accumulated. In general, in the CMOS image sensor, an operation of resetting the potential of the floating diffusion portion FD is performed by the reset transistor 25 before the signal charge is read from the photodiode 21 by the transfer transistor 22. Thus, the charges accumulated in the floating diffusion portion FD are also discarded. Therefore, even if the transmitted light is condensed on the floating diffusion portion FD, there is no problem in operation.

有効画素領域17における画素構造とオプティカルブラック領域18における画素構造とは、従来と同様に、基本的に同じプロセスで形成することができる。ただし、本発明の場合には、オプティカルブラック領域18において、オンチップレンズ38については、入射光をフォトダイオード21の光電変換領域外に集光させる必要がある関係上、オンチップレンズ38を形成する際に用いるマスクのパターンを若干変更する必要がある。   The pixel structure in the effective pixel region 17 and the pixel structure in the optical black region 18 can be formed by basically the same process as in the conventional case. However, in the case of the present invention, in the optical black region 18, the on-chip lens 38 is formed because the incident light needs to be condensed outside the photoelectric conversion region of the photodiode 21. It is necessary to slightly change the mask pattern used at the time.

この場合、入射光をフォトダイオード21の光電変換領域外に集光させるに当たって、その集光させる位置をフローティングディフュージョン部FD上に設定することにより、集光された光がフォトダイオード21に入り込むのを確実に防止できるとともに、フローティングディフュージョン部FDはフォトダイオード21の近くに位置しているため、マスクのパターンを変更する際の変更量が小さくて済むという利点がある。   In this case, when the incident light is condensed outside the photoelectric conversion region of the photodiode 21, the condensed light is set on the floating diffusion portion FD so that the collected light enters the photodiode 21. This can be surely prevented, and the floating diffusion portion FD is located near the photodiode 21, so that there is an advantage that a change amount when changing the mask pattern is small.

上述したように、例えばCMOSイメージセンサにおいて、オプティカルブラック領域18のオンチップレンズ38については、入射光をフォトダイオード21の光電変換領域に集光させるのではなく、当該光電変換領域以外の場所に集光させるように形成したことにより、特に強い光が入射した際にその光の一部が遮光膜、本例ではメタル配線39を透過したとしても、その透過光がフォトダイオード21の光電変換領域に入射することがないため、暗電流成分以外の信号電荷が発生することはない。その結果、従来問題となっていた透過光に起因する撮像画の不自然さを解消することができる。   As described above, for example, in the CMOS image sensor, with respect to the on-chip lens 38 in the optical black region 18, the incident light is not condensed on the photoelectric conversion region of the photodiode 21 but collected on a place other than the photoelectric conversion region. By forming it so as to emit light, even when particularly intense light is incident, even if part of the light is transmitted through the light shielding film, in this example, the metal wiring 39, the transmitted light is transmitted to the photoelectric conversion region of the photodiode 21. Since there is no incidence, no signal charge other than the dark current component is generated. As a result, it is possible to eliminate the unnaturalness of the captured image caused by the transmitted light, which has been a problem in the past.

なお、オプティカルブラック領域18において、入射光をフォトダイオード21の光電変換領域以外の場所に集光させるオンチップレンズ38については、必ずしもオプティカルブラック領域18の全域に形成する必要はなく、少なくとも有効オプティカルブラック領域18Bに形成すれば足りる。何故ならば、無効オプティカルブラック領域18Aの各画素の信号は、光学的な基準の黒レベルとして用いられず、透過光が入射して暗電流成分以外の信号電荷が発生しても何ら問題とならないためである。オンチップレンズ38を有効オプティカルブラック領域18Bのみに形成するようにすることで、オンチップレンズ38を形成するに当たって、マスクのパターン変更する領域が小さくて済む利点がある。   In the optical black region 18, the on-chip lens 38 that collects incident light at a place other than the photoelectric conversion region of the photodiode 21 does not necessarily have to be formed in the entire area of the optical black region 18. It suffices to form the region 18B. This is because the signal of each pixel in the invalid optical black region 18A is not used as an optical reference black level, and no problem occurs even if transmitted light is incident and signal charges other than dark current components are generated. Because. By forming the on-chip lens 38 only in the effective optical black region 18B, there is an advantage that a region for changing the mask pattern can be reduced in forming the on-chip lens 38.

ところで、CMOSイメージセンサでは、既存のCMOSのプロセスをマイナーチェンジするために、先述したように、遮光膜としてメタル配線39を使用ことになる。この場合、専用の遮光膜を使用するのと比べて遮光能力が若干劣る懸念がある。しかしながら、もし、メタル配線39を遮光膜として兼用することによって遮光能力が多少低下したとしても、オンチップレンズ38によって入射光をフォトダイオード21の光電変換領域以外の場所に集光させる構成を採ることにより、遮光能力の低下を十分にカバーできるため、CMOSイメージセンサのプロセスを、既存のCMOSプロセスに近くできるというメリットがある。   By the way, in the CMOS image sensor, in order to make a minor change to the existing CMOS process, as described above, the metal wiring 39 is used as the light shielding film. In this case, there is a concern that the light shielding ability is slightly inferior to using a dedicated light shielding film. However, even if the light shielding ability is somewhat lowered by using the metal wiring 39 as a light shielding film, the on-chip lens 38 is used to collect incident light at a place other than the photoelectric conversion region of the photodiode 21. Therefore, the decrease in the light shielding capability can be sufficiently covered, so that there is an advantage that the CMOS image sensor process can be close to the existing CMOS process.

なお、上記実施形態では、CMOSイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明はCMOSイメージセンサへの適用に限られるものではなく、CCDイメージセンサなど、固体撮像素子全般に適用可能であり、いずれの場合にも、オプティカルブラック領域のオンチップレンズについて、入射光をフォトダイオードの光電変換領域に集光させるのではなく、当該光電変換領域以外の場所に集光させるように形成することにより、所期の目的を達成することができる。   In the above embodiment, the case where the present invention is applied to a CMOS image sensor has been described as an example. However, the present invention is not limited to the application to a CMOS image sensor, and is applicable to all solid-state imaging devices such as a CCD image sensor. In any case, the on-chip lens in the optical black area is formed so that the incident light is not condensed on the photoelectric conversion area of the photodiode, but on a place other than the photoelectric conversion area. By doing so, the intended purpose can be achieved.

本発明の一実施形態に係るCMOSイメージセンサの構成の概略を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the outline of a structure of the CMOS image sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 画素の回路構成の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the circuit structure of a pixel. 有効画素領域における画素構造の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the pixel structure in an effective pixel area | region. オプティカルブラック領域における画素構造の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the pixel structure in an optical black area | region.

符号の説明Explanation of symbols

11…撮像部、12…垂直走査回路、14…水平走査回路、15…水平出力回路、16…画素、17…有効画素領域、18…オプティカルブラック領域、18A…無効オプティカルブラック領域、18B…有効オプティカルブラック領域、21…フォトダイオード、22…転送トランジスタ、23…増幅トランジスタ、24…アドレストランジスタ、25…リセットトランジスタ、36,39…メタル配線、37,38…オンチップレンズ、FD…フローティングディフュージョン部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Imaging part, 12 ... Vertical scanning circuit, 14 ... Horizontal scanning circuit, 15 ... Horizontal output circuit, 16 ... Pixel, 17 ... Effective pixel area, 18 ... Optical black area, 18A ... Invalid optical black area, 18B ... Effective optical Black region, 21 ... photodiode, 22 ... transfer transistor, 23 ... amplification transistor, 24 ... address transistor, 25 ... reset transistor, 36,39 ... metal wiring, 37,38 ... on-chip lens, FD ... floating diffusion part

Claims (5)

光電変換素子を含む画素が配置され、当該画素の信号が有効信号として用いられる有効画素領域と、
光電変換素子を含む画素が遮光された状態で配置され、当該画素の信号が黒レベルの基準として用いられるオプティカルブラック領域と、
前記有効画素領域上に画素単位で配置され、入射した光を各画素の光電変換領域内に集光させる第1のオンチップレンズ群と、
前記オプティカルブラック領域上に画素単位で配置され、入射した光を各画素の光電変換領域外に集光させる第2のオンチップレンズ群と
を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
An effective pixel region in which a pixel including a photoelectric conversion element is arranged, and a signal of the pixel is used as an effective signal;
An optical black region in which a pixel including a photoelectric conversion element is disposed in a light-shielded state, and a signal of the pixel is used as a black level reference;
A first on-chip lens group disposed on the effective pixel region in units of pixels and collecting incident light in a photoelectric conversion region of each pixel;
A solid-state imaging device, comprising: a second on-chip lens group that is arranged in units of pixels on the optical black region and collects incident light outside the photoelectric conversion region of each pixel.
前記オプティカルブラック領域は、前記有効画素領域に隣接して設けられ、各画素の信号が黒レベルの基準として用いられない無効オプティカルブラック領域と、前記無効オプティカルブラック領域に隣接して設けられ、各画素の信号が黒レベルの基準として用いられる有効オプティカルブラック領域とを有し、
前記第2のオンチップレンズ群は、少なくとも前記有効オプティカルブラック領域上に設けられている
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
The optical black region is provided adjacent to the effective pixel region, and is provided adjacent to the invalid optical black region in which the signal of each pixel is not used as a black level reference, and the invalid optical black region. And an effective optical black area used as a black level reference,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second on-chip lens group is provided at least on the effective optical black region.
前記有効画素領域および前記オプティカルブラック領域の各画素は、前記光電変換素子で光電変換された信号電荷を信号出力に変換するフローティングディフュージョン部を有している
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
2. The solid according to claim 1, wherein each pixel in the effective pixel region and the optical black region has a floating diffusion portion that converts a signal charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion element into a signal output. Image sensor.
前記第2のオンチップレンズ群は、入射した光を前記フローティングディフュージョン部の近傍に集光させる
ことを特徴とする請求項3記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the second on-chip lens group condenses incident light in the vicinity of the floating diffusion portion.
前記オプティカルブラック領域内の配線は、当該オプティカルブラック領域における各画素を遮光する遮光膜として用いられている
ことを特徴とする請求項3記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the wiring in the optical black region is used as a light shielding film that shields each pixel in the optical black region.
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