(57)【要約】【課題】  撮像画像の黒レベルの補正を精度良く行えるようにする。【解決手段】  有効撮像エリア１００の周囲にオプティカルブラック部を設ける固体撮像素子において、構造の異なる複数種類の黒レベル検出用画素３０，４０をオプティカルブラック部に形成する。これにより、黒レベルの出力レベルａ，ｃが小さい方の黒レベル検出用画素を選択でき、黒レベルの補正を精度良く行うことが可能となる。【選択図】  図７
2006340064.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有効撮像エリアの周囲にオプティカルブラック部を設ける固体撮像素子において、構造の異なる複数種類の黒レベル検出用画素を前記オプティカルブラック部に形成したことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記黒レベル検出用画素の１種類が、前記有効撮像エリア内の画素構造に対し光電変換素子上方の遮光膜開口を塞いだ構造であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記黒レベル検出用画素の１種類が、前記有効撮像エリア内の画素構造に対しカラーフィルタを黒色用カラーフィルタに置き換えると共にマイクロレンズを削除した構造であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記黒色用カラーフィルタを、赤色フィルタと緑色フィルタと青色フィルタを積層して構成したことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記黒レベル検出用画素の１種類が、前記有効撮像エリア内の画素構造に対し光電変換素子を削除した構造であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記黒レベル検出用画素の１種類が、前記有効撮像エリア内の画素構造に対し光電変換素子に隣接して形成されている垂直転送路の幅を狭くした構造であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はデジタルカメラやスキャナ等の画像入力装置に搭載される固体撮像素子に係り、特に、黒レベルの補正を精度良く行うことが可能な固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子で被写体を撮像して得られた画像データから被写体画像を再生する場合、下記特許文献１記載の様に、固体撮像素子の有効撮像エリアの周辺領域に設けた光学黒領域（オプティカルブラック部：ＯＢ部）からの出力データを用い、黒レベルを補正する様にしている。
【０００３】
図８は、固体撮像素子の表面模式図であり、固体撮像素子の有効撮像エリア１００の周辺領域１０１がオプティカルブラック部である。有効撮像エリア１００内及びオプティカルブラック部１０１内には、多数の光電変換素子（フォトダイオード）がマトリクス状に配列形成されており、オプティカルブラック部１０１内の光電変換素子は、遮光膜で塞がれて入射光を受光できない構造になっている。
【０００４】
図９は、固体撮像素子の出力レベルを示す説明図である。固体撮像素子の最外周部にはダミー画素（図８には図示せず。）が設けられており、その内側にオプティカルブラック部１０１が設けられ、その内側が有効撮像エリア１００となっている。オプティカルブラック部１０１からは、暗電流分の信号が出力され、これが黒レベルとなる。有効撮像エリア１００からは、被写体の撮像画像データが出力される。
【０００５】
図９（ａ）は、固体撮像素子の全面を遮光したときの理想的な出力レベルを示し、オプティカルブラック部１０１から出力される黒レベルと、有効撮像エリア１００から出力される黒レベルとは一致している。しかし、実際には、オプティカルブラック部１０１から出力されるレベルは温度変化などで変動する。
【０００６】
例えば、図９（ｂ）に示す様に、温度が高くなったり、露光時間が非常に長くなり、オプティカルブラック部１０１の出力レベルが変動して有効撮像エリア１００の黒レベル出力に対して大きくなると、有効撮像エリア１００から出力される黒の変化が、オプティカルブラック部１０１の黒レベルでカットされてしまい、所謂「黒潰れ」が発生する。
【０００７】
これに対し、図９（ｃ）に示す様に、温度が低いときや露光時間が非常に短いときは、オプティカルブラック部１０１の黒レベルに対して有効撮像エリアから出力される黒レベルが大きくなり、所謂「黒浮き」が発生する。しかし、この黒浮きは、信号処理で対処できるため、それほどの問題にはならない。
【０００８】
【特許文献１】特許第２８０６０３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来のオプティカルブラック部は、光電変換素子の上部に遮光膜を設けた構造のため、図９（ｂ）に示す状態となることがある。有効撮像エリアで撮像された黒の階調変化がオプティカルブラック部の出力レベルでカットされ切り捨てられてしまうと、この黒の階調変化を復活させることはできない。このため、図９（ｂ）の状態にならず、少なくとも図９（ｃ）の状態となるオプティカルブラック部を固体撮像素子に設け、黒レベルの補正を精度良く行うことができるようにする必要がある。
【００１０】
本発明の目的は、黒レベルの補正を精度良く行うことが可能な固体撮像素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の固体撮像素子は、有効撮像エリアの周囲にオプティカルブラック部を設ける固体撮像素子において、構造の異なる複数種類の黒レベル検出用画素を前記オプティカルブラック部に形成したことを特徴とする。
【００１２】
本発明の固体撮像素子は、前記黒レベル検出用画素の１種類が、前記有効撮像エリア内の画素構造に対し光電変換素子上方の遮光膜開口を塞いだ構造であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の固体撮像素子は、前記黒レベル検出用画素の１種類が、前記有効撮像エリア内の画素構造に対しカラーフィルタを黒色用カラーフィルタに置き換えると共にマイクロレンズを削除した構造であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の固体撮像素子は、前記黒色用カラーフィルタを、赤色フィルタと緑色フィルタと青色フィルタを積層して構成したことを特徴とする。
【００１５】
本発明の固体撮像素子は、前記黒レベル検出用画素の１種類が、前記有効撮像エリア内の画素構造に対し光電変換素子を削除した構造であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の固体撮像素子は、前記黒レベル検出用画素の１種類が、前記有効撮像エリア内の画素構造に対し光電変換素子に隣接して形成されている垂直転送路の幅を狭くした構造であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、黒レベル検出用画素として構造の異なる複数種類の画素をオプティカルブラック部に設けたため、黒レベル検出用の画素を選択することが可能となり、黒レベル補正を精度良く行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態を適用する固体撮像素子の有効撮像エリア及びオプティカルブラック部に形成する素子の平面模式図である。図示する例は、ＩＴ―ＣＣＤ（インターライントランスファ方式の電荷結合素子）であり、垂直方向に並ぶ２画素分だけ図示しており、斯かる画素が水平方向，垂直方向に多数配列形成される。各画素はほぼ正方形状をなし、左半分に光電変換素子（フォトダイオード）１が形成され、右半分に垂直転送路２が形成される。
【００２０】
図２は、有効撮像エリア１００（図８参照）内の画素２０の概略断面模式図（図１のＡ―Ａ線部分の断面に相当）である。ｎ型半導体基板５の表面部にはＰウェル層６が形成され、このＰウェル層６の表面部分にＮ＋領域７が形成され、Ｎ＋領域７の表面にＰ＋層８が形成されることで、フォトダイオード１が形成される。
【００２１】
フォトダイオード１には隣接して（図２の右側）Ｎ型の垂直転送路２ａが形成され、垂直転送路２ａとフォトダイオード１との間にＰ型の信号電荷読出ゲート部９が設けられる。フォトダイオード１の反垂直転送路側（図２の左側）には、隣接する画素の垂直転送路２ｂとを分離するＰ型のチャネルストップ１０が設けられる。
【００２２】
垂直転送路２ａ，２ｂの上には、転送電極膜１１ａ，１１ｂが積層され、更にその上に遮光膜１２が積層される。この遮光膜１２は、フォトダイオード１の上方で開口する開口部１２ａを備え、入射光のフォトダイオード１への入射を許容し、垂直転送路２ａ，２ｂへの入射を阻止する。遮光膜１２の上には、カラーフィルタ１３が積層され、その上にマイクロレンズ１４が設けられる。
【００２３】
斯かる画素２０では、マイクロレンズ１４に入射した入射光のうち、カラーフィルタ１３と同色の光がカラーフィルタ１３を透過して遮光膜１２の開口１２ａを通り、フォトダイオード１に入射する。
【００２４】
フォトダイオード１は、入射光量に応じた光電荷を発生させて蓄積し、読出電極（図示せず）に読出パルスが印加されたとき、フォトダイオード１の蓄積電荷が信号電荷として電荷読出ゲート部９を通り垂直転送路２に読み出される。
【００２５】
その後、転送電極膜１１ａ（図１のφ１，φ２，φ３，φ４）に転送パルスが印加されることで、信号電荷は垂直転送路２（２ａ，２ｂ）に沿って水平転送路（図示せず）まで転送され、次に水平転送路に沿って転送され、固体撮像素子から出力される。
【００２６】
図３は、オプティカルブラック部１０１に設けられる画素の概略断面模式図（図１のＡ―Ａ線部分の断面に相当）である。この画素３０の構成は、図２に示す画素２０の構成と殆ど同じであるため、同一部材には同一符号を付してその説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００２７】
図３に示すオプティカルブラック用画素３０では、遮光膜１２がフォトダイオード１の上方も覆い、図２に示す様な開口１２ａを設けていない。これにより、このオプティカルブラック用の画素３０から出力される画像データ（信号電荷）は、「黒」を示す画像データとなり、この画像データを、垂直転送路，水平転送路と転送させ固体撮像素子から出力させる。
【００２８】
図４は、オプティカルブラック部１０１に設けられる画素の別構造の概略断面模式図（図１のＡ―Ａ線部分の断面に相当）である。この画素４０の構成も、図２に示す画素２０の構成と殆ど同じであるため、同一部材には同一符号を付してその説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００２９】
図４に示すオプティカルブラック用画素４０では、遮光膜１２には開口部１２ａを設けているが、カラーフィルタとして、赤色（Ｒ）フィルタ１３Ｒと、緑色（Ｇ）フィルタ１３Ｇと、青色（Ｂ）フィルタ１３Ｂとを積層している。そして、入射光の入射効率を下げるために、マイクロレンズを非搭載としている。
【００３０】
即ち、この画素構造では、フィルタに入射した光の全てをフィルタ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂで吸収し、フォトダイオード１に光が入射しない構成としている。これにより、このオプティカルブラック用の画素４０から出力される画像データは「黒」を示す画像データとなり、この画像データを、垂直転送路，水平転送路と転送させ固体撮像素子から出力させる。
【００３１】
前述した図３に示すオプティカルブラック用画素３０の構造は、遮光膜１２で光を遮断する構成となっている。遮光膜１２は、通常は金属膜（例えばタングステン膜）で構成され、この金属膜に光が入射すると、フォトダイオード１で発生する暗電流に変動が生じ、これが「黒」レベルを変動させる要因になると考えられる。そこで、図４に示すオプティカルブラック用画素４０の構造では、遮光膜１２の開口部１２ａより上層にあるカラーフィルタ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂで入射光を吸収する構成としている。
【００３２】
尚、図４では、カラーフィルタを３層積層しているが、黒色のカラーフィルタを１層設ける構造にしても良く、また、遮光膜１２に開口部１２ａを設けない構造を併用する構成としても良い。
【００３３】
図５は、オプティカルブラック部１０１に設けられる画素の更に別構造の概略断面模式図（図１のＡ―Ａ線部分の断面に相当）である。この画素５０の構成は、図３に示す画素３０の構成と殆ど同じであるため、同一部材には同一符号を付してその説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００３４】
図５に示すオプティカルブラック用画素５０では、図３と同様に、遮光膜１２に開口部１２ａを設けずに入射光が遮光膜１２で遮断される構成を採用しているが、暗電流の変動要因となるフォトダイオードを削除した（形成しない）構造にしている。
【００３５】
図６は、オプティカルブラック部１０１に設けられる画素の更に別構造の概略断面模式図（図１のＡ―Ａ線部分の断面に相当）である。この画素６０の構成は、図３に示す画素３０の構成と殆ど同じであるため、同一部材には同一符号を付してその説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００３６】
図６に示すオプティカルブラック用画素６０では、チャネルストップ１０の幅を広げて、垂直転送路２ａ，２ｂの幅を狭くしている。暗電流は、フォトダイオード１でも垂直転送路２でも発生するが、垂直転送路２で発生する暗電流の方が支配的に多いため、垂直転送路２を狭く形成している。
【００３７】
以上、構造の異なる４種類のオプティカルブラック用画素３０（図３），４０（図４），５０（図５），６０（図６）を説明したが、従来の固体撮像素子では、図３の構造の画素３０しかオプティカルブラック部１０１に形成していなかった。しかし、本実施形態の固体撮像素子では、上記の４種類の画素３０，４０，５０，６０のうち、少なくとも２種類の画素を、オプティカルブラック領域１０１に設けることを特徴とする。
【００３８】
例えば、図３に示す画素３０を、図８の左側オプティカルブラック部１０１Ｌに設け、図４に示す画素４０を、図１の右側オプティカルブラック部１０１Ｒに設ける。或いは、３０画素程度が並ぶ右側オプティカルブラック部１０１Ｒに、図３に示す画素３０と図４に示す画素４０を設けても良い。或いは、オプティカルブラック部の上辺部と下辺部とに２種類のオプティカルブラック用画素を設けても良い。
【００３９】
そして、通常の撮影時と、暗電流が増える条件での撮影時とで、有効撮像エリア１００の画素（図２）から出力された画像データの黒レベルを補正するオプティカルブラック用画素を切り替える。
【００４０】
即ち、通常撮影時には、図３に示すオプティカルブラック用画素の出力レベルを黒レベルとして有効撮像エリア１００から出力される画像データの黒レベル補正を行い、温度が所定温度より高くなったときや、所定感度より高感度の撮影モードになったとき、或いは露光時間が所定時間より長くなったとき等、暗電流が増加するときには、図４に示すオプティカルブラック用画素の出力レベルを黒レベルとして有効撮像エリア１００から出力される画像データの黒レベル補正を行う。
【００４１】
図７は、本実施形態に係る固体撮像素子から出力される黒レベルの説明図である。温度が高くなるなどしてオプティカルブラック用画素３０から出力される黒レベルａが暗電流の増加によって増加し、有効撮像エリア１００の黒レベルｂより大きくなった場合でも、構造の異なるオプティカルブラック用画素４０が出力する黒レベルｃは黒レベルａとは異なるレベルｃとなるため、図９の（ｃ）の状態すなわち信号処理で黒レベルを補正できる可能性が高くなる。
【００４２】
以上、オプティカルブラック用画素として構造の異なる４種類を説明したが、種々変化する撮影条件下でどの画素３０，４０，５０，６０が最も暗電流が小さくなるかは予測できない。このため、本実施形態では、異なる構造のオプティカルブラック用画素を複数種類設けることとしている。
【００４３】
尚、上述した実施形態では、２種類のオプティカルブラック用画素を設けたが、３種類，４種類，それ以上の種類のオプティカルブラック用画素をオプティカルブラック部１０１に設け、出力される黒レベルが一番低いオプティカルブラック用画素を採用して黒レベル補正に用いる構成にすることも可能である。
【００４４】
以上述べた実施形態は、ＣＣＤ型固体撮像素子であるが、ＣＭＯＳ型固体撮像素子にも、垂直転送路幅を変える画素構造（図６）のものを除き、上記実施形態を適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明によれば、複数種類のオプティカルブラック用画素を設けたため、黒レベル補正に用いるオプティカルブラック用画素を選択して撮像画像データの黒レベル補正を高精度に行うことが可能となり、デジタルカメラやスキャナ等の画像入力装置に搭載する固体撮像素子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子を構成する画素の平面模式図である。
【図２】図１に示す固体撮像素子のうち有効撮像エリア内にある画素の断面模式図である。
【図３】図１に示す固体撮像素子のうちオプティカルブラック部内に設ける画素の断面模式図である。
【図４】図１に示す固体撮像素子のうちオプティカルブラック部内に設ける別構造の画素の断面模式図である。
【図５】図１に示す固体撮像素子のうちオプティカルブラック部内に設ける更に別構造の画素の断面模式図である。
【図６】図１に示す固体撮像素子のうちオプティカルブラック部内に設ける更に別構造の画素の断面模式図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る固体撮像素子のオプティカルブラック部と有効撮像エリアから出力される信号の出力レベルを示す模式図である。
【図８】固体撮像素子の表面模式図である。
【図９】従来の固体撮像素子のオプティカルブラック部と有効撮像エリアから出力される信号の出力レベルを示す模式図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  フォトダイオード
２，２ａ，２ｂ  垂直転送路
１２  遮光膜
１２ａ  開口部
１３  カラーフィルタ
１３Ｒ  赤色フィルタ
１３Ｇ  緑色フィルタ
１３Ｂ  青色フィルタ
１４  マイクロレンズ
２０  有効撮像エリア内の画素
３０，４０，５０，６０  黒レベル検出用画素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006340064.tif 000007
【図６】
2006340064.tif 000008
【図７】
2006340064.tif 000009
【図８】
2006340064.tif 000010
【図９】
2006340064.tif 000011