JP2007123414A

JP2007123414A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2007123414A
Application number: JP2005311358A
Authority: JP
Inventors: Fumitoshi Toyokawa; 文敏豊川
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2007-05-17
Also published as: US20070097227A1

Abstract

【課題】効果的に黒レベルを補正して画質を向上させることが可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】本発明の固体撮像素子は、フォトダイオード３０を含む画素部を多数有する固体撮像素子であって、多数の画素部の一部が黒レベル検出用の画素部であり、黒レベル検出用の画素部は、多数の画素部が配置される領域内で点在するように配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光電変換素子を含む画素部を多数有する固体撮像素子に関する。

従来のデジタルカメラでは、固体撮像素子の撮像に寄与しない無効画素領域にオプティカルブラック（ＯＢ）部を設け、撮像に寄与する有効画素領域から得られた信号から、ＯＢ部から得られた信号を引き算して黒レベル補正を行っている（例えば特許文献１参照）。

特開２００４−１５７１２号公報

一般に、固体撮像素子は、製造に関わる要素工程固有の加工バラツキに起因する信号量のバラツキがあり、又、画素部や周辺回路部のレイアウトに関わる信号量の分布も存在する。したがって、無効画素領域のみにＯＢ部を設け、この領域だけの平均的な暗時信号を算出して有効画素領域から得られる信号から引き算しても、有効画素領域からの信号の黒レベル補正としては不十分である。つまり、暗時信号量のバラツキや分布を考慮して黒レベル補正を行わなければ、均一な画像は得られず、画質が劣化してしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、効果的に黒レベルを補正して画質を向上させ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、光電変換素子を含む画素部を多数有する固体撮像素子であって、前記多数の画素部の一部が黒レベル検出用の画素部であり、前記黒レベル検出用の画素部は、前記多数の画素部が配置される領域内で点在するように配置されている。

本発明の固体撮像素子は、前記多数の画素部が、それぞれ前記光電変換素子に入射する光を制限する開口部を含み、前記黒レベル検出用の画素部は、前記開口部を塞いだものである。

本発明の固体撮像素子は、前記多数の画素部が、それぞれ前記光電変換素子に光を集光するマイクロレンズを含み、前記黒レベル検出用の画素部は、前記マイクロレンズを省略したものである。

本発明の固体撮像素子は、前記多数の画素部が、それぞれ前記光電変換素子に光を集光する層内レンズを含み、前記黒レベル検出用の画素部は、前記層内レンズを省略したものである。

本発明の固体撮像素子は、前記黒レベル検出用の画素部が、前記塞がれた開口部の上方に周辺回路を構成する材料の膜を残したものである。

本発明の固体撮像素子は、前記黒レベル検出用の画素部が、前記光電変換素子から読み出されて転送された電荷に応じた信号を出力する出力アンプの近傍に相対的に多く配置される。

本発明によれば、効果的に黒レベルを補正して画質を向上させ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、本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図である。図２は、図１のＡ−Ａ線断面模式図である。
図１，２に示す固体撮像素子は、ｎ型のシリコン基板１表面部に光電変換素子であるフォトダイオード３０が多数形成され、各フォトダイオード３０で発生した信号電荷を列方向（図１中のＹ方向）に転送するための電荷転送部（図示せず）が、列方向に配設された複数のフォトダイオード３０からなる複数のフォトダイオード列の間を蛇行して形成される。

電荷転送部は、複数のフォトダイオード列の各々に対応してシリコン基板１表面部の列方向に形成された複数本の電荷転送チャネル３３と、電荷転送チャネル３３の上層に形成された２層電極構造の電荷転送電極３（第１の電極３ａ、第２の電極３ｂ）と、フォトダイオード３０で発生した電荷を電荷転送チャネル３３に読み出すための電荷読み出し領域（図示せず）とを含む。電荷転送電極３は、行方向に配設された複数のフォトダイオード３０からなる複数のフォトダイオード行の間を全体として行方向（図１中のＸ方向）に延在する蛇行形状となっている。電荷転送電極３は単層電極構造であっても良い。

図２に示すように、シリコン基板１の表面部にはｐウェル層２が形成され、ｐウェル層２の表面部にはｐ領域３０ａが形成され、ｐ領域３０ａの下にはｎ領域３０ｂが形成され、ｐ領域３０ａとｎ領域３０ｂがフォトダイオード３０を構成し、フォトダイオード３０で発生した信号電荷は、ｎ領域３０ｂに蓄積される。

ｐ領域３０ａの右側には、それぞれ少し離間してｎ領域からなる電荷転送チャネル３３が形成される。ｎ領域３０ｂと電荷転送チャネル３３の間のｐウェル層２には図示しない電荷読み出し領域が形成される。

シリコン基板１表面には図示しないゲート酸化膜が形成され、電荷読み出し領域と電荷転送チャネル３３の上には、ゲート酸化膜を介して、第１の電極３ａと第２の電極３ｂが形成される。第１の電極３ａと第２の電極３ｂの間は図示しない絶縁膜によって絶縁される。垂直転送チャネル３３の右側にはｐ＋領域からなるチャネルストップ３２が設けられ、隣接するフォトダイオード３０との分離が図られる。

電荷転送電極３の上には遮光膜６が形成され、遮光膜６にはフォトダイオード３０に入射する光の範囲を制限する開口部５が形成される。電荷転送電極３及び遮光膜６は透明の絶縁膜７内に埋設される。絶縁膜７の上には各フォトダイオード３０の開口部５に光を集光するための層内レンズ８が形成され、その上には平坦化層９が形成される。平坦化層９の上には緑色の光を透過するカラーフィルタ１０Ｇと、青色の光を透過するカラーフィルタ１０Ｂと、赤色の光を透過するカラーフィルタ（図示せず）とが形成される。図１では、カラーフィルタ１０Ｇが上方に形成されたフォトダイオード３０に符号Ｇを付し、カラーフィルタ１０Ｂが上方に形成されたフォトダイオード３０に符号Ｂを付し、赤色の光を透過するカラーフィルタが上方に形成されたフォトダイオード３０に符号Ｒを付してある。

各カラーフィルタの上には絶縁性の透明樹脂等からなる平坦化層１２が形成され、その上に、各フォトダイオード３０の開口部５に光を集光するためのマイクロレンズ１１が形成される。

本実施形態の固体撮像素子は、フォトダイオード３０で発生した信号電荷がｎ領域３０ｂに蓄積され、ここに蓄積された信号電荷が、電荷転送チャネル３３によって列方向に転送され、転送された信号電荷が電荷転送路（ＨＣＣＤ）２０によって行方向（図１中のＸ方向）に転送され、転送された信号電荷に応じた色信号が出力アンプ４０から出力される構成である。

本実施形態の固体撮像素子は、フォトダイオード３０と、その上方に形成された開口部５、層内レンズ８、カラーフィルタ、及びマイクロレンズ１１等とを含めた画素部を多数有する構成であり、多数の画素部の一部が、暗時信号量（黒レベル）検出用の画素部となっている。黒レベル検出用の画素部は、従来のように、多数の画素部が配置される領域内の周辺部にまとまって配置されるのではなく、多数の画素部が配置される領域内で点在するように配置されている。以下、多数の画素部のうち、黒レベル検出用の画素部以外の画素部を通常画素部という。

黒レベル検出用の画素部は、例えば、上記多数の画素部を複数ブロックに分割し、分割して得られた各ブロックに１つ設けておけば良い。例えば、画素部の数が１００万の固体撮像素子の場合は、１００×１００個の画素部を１ブロックとして１００ブロックに分割し、１００ブロックの各々に１つの黒レベル検出用の画素部を作れば良い。そして、各ブロックの通常画素部から得られた信号から、各ブロックの黒レベル検出用の画素部から得られた信号を引き算して、黒レベル補正を行うことで、暗時信号量のバラツキや分布をも考慮した黒レベル補正が可能となる。したがって、均一な画像を得ることができ、画質を向上させることができる。

一般に、固体撮像素子を搭載するデジタルカメラ等の撮像装置では、欠陥のあるフォトダイオードについては、その周囲のフォトダイオードから得られた信号で信号を補間する画素欠陥補正処理が行われるが、黒レベル検出用の画素部から得られる信号は画像データを作る上では良好な信号ではなくなっているため、この信号も画素欠陥補正処理によって補正する必要がある。したがって、黒レベル検出用の画素部の数は、画素欠陥補正処理で補正可能な範囲の数とする必要がある。

固体撮像素子では、長時間露光を行って撮像する場合、図１に示す出力アンプ４０等からのホットエレクトロン発光の影響により、出力アンプ４０の近傍にあるフォトダイオード３０の黒レベルは、その他のフォトダイオード３０の黒レベルよりも大きくなってしまうことがある。そこで、図２〜４に示したような黒レベル検出用の画素部を、出力アンプ４０の近傍には他の場所よりも相対的に多く設けることで、より精度の高い黒レベル補正を行うことが可能となる。例えば、多数の画素部を縦横に二分割して４つのブロックに分け、４つのブロックのうち、出力アンプ４０に最も近い位置にあるブロックは黒レベル検出用の画素部を多く配置し、その他のブロックは、出力アンプ４０に最も近い位置にあるブロックよりも黒レベル検出用の画素部を少なくすれば良い。

黒レベル検出用の画素部は、黒レベルを検出するため、フォトダイオード３０に光が入射しないようにする必要がある。例えば、図２に示すように、通常画素部に含まれる開口部５を塞いだものを黒レベル検出用の画素部とする方法がある。又は、図３に示すように、通常画素部に含まれる開口部５を塞ぎ、マイクロレンズ１１を省略したものを黒レベル検出用の画素部とする方法がある。又は、図４に示すように、通常画素部に含まれる開口部５を塞ぎ、マイクロレンズ１１及び層内レンズ８を省略したものを黒レベル検出用の画素部とする方法がある。マイクロレンズ１１や層内レンズ８を省略することで、入射光が開口部５のあった場所に集光されなくなるため、フォトダイオード３０に光が入射するのをより効果的に防ぐことができる。尚、図２に示す構成において、層内レンズ８を省略した構成であっても、同様の効果を得ることができる。

図２〜図４に示す固体撮像素子の製造工程では、周辺回路を形成する際に、アルミニウム等の周辺回路を構成する材料が遮光膜６上に一旦成膜された状態となる。通常は、遮光膜６上のアルミニウム膜は周辺回路形成時に除去するが、黒レベル検出用の画素部に含まれるフォトダイオード３０の上方のみ、このアルミニウム膜を残しておいても良い。このようにすることで、遮光性能をより向上させることが可能となる。

本実施形態の固体撮像素子によれば、もともと作成する予定の画素部の一部を黒レベル検出用の画素部として利用するため、製造工程の増加や製造コストの増加を招くことなく、上記効果を得ることができる。

尚、本実施形態では、ＣＣＤ型の固体撮像素子を例にして説明したが、本発明はＭＯＳ型の固体撮像素子にも同様に適用可能である。又、フォトダイオード３０の配列も図１に示したものに限らず、例えば正方格子配列であっても良い。

本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図図１のＡ−Ａ線断面模式図黒レベル検出用の画素部の変形例を示す断面模式図黒レベル検出用の画素部の変形例を示す断面模式図

符号の説明

１シリコン基板
２ｐウェル層
３電荷転送電極
５開口部
６遮光膜
７絶縁膜
８層内レンズ
９平坦化層
１０Ｂ，１０Ｇカラーフィルタ
１１マイクロレンズ
３０フォトダイオード

Claims

光電変換素子を含む画素部を多数有する固体撮像素子であって、
前記多数の画素部の一部が黒レベル検出用の画素部であり、
前記黒レベル検出用の画素部は、前記多数の画素部が配置される領域内で点在するように配置されている固体撮像素子。
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記多数の画素部は、それぞれ前記光電変換素子に入射する光を制限する開口部を含み、
前記黒レベル検出用の画素部は、前記開口部を塞いだものである固体撮像素子。
請求項２記載の固体撮像素子であって、
前記多数の画素部は、それぞれ前記光電変換素子に光を集光するマイクロレンズを含み、
前記黒レベル検出用の画素部は、前記マイクロレンズを省略したものである固体撮像素子。
請求項２又は３記載の固体撮像素子であって、
前記多数の画素部は、それぞれ前記光電変換素子に光を集光する層内レンズを含み、
前記黒レベル検出用の画素部は、前記層内レンズを省略したものである固体撮像素子。
請求項２〜４のいずれか記載の固体撮像素子であって、
前記黒レベル検出用の画素部は、前記塞がれた開口部の上方に周辺回路を構成する材料の膜を残したものである固体撮像素子。
請求項１〜５のいずれか記載の固体撮像素子であって、
前記黒レベル検出用の画素部は、前記光電変換素子から読み出されて転送された電荷に応じた信号を出力する出力アンプの近傍に相対的に多く配置される固体撮像素子。