(57)【要約】【課題】新たな回路を追加することなく、オプティカルブラック段差とこれに伴う黒ずれを低減することができる固体撮像素子を提供する。【解決手段】暗電流補正用の画素部を有するオプティカルブラック領域１と、画像の取り込みに有効な画素部を有する撮像領域２とを備える固体撮像素子の構成として、オプティカルブラック領域の画素部の電荷電圧変換効率と、撮像領域の画素部の電荷電圧変換効率とに差を持たせることにより、オプティカルブラック段差を低減する。【選択図】図１
2006165006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
暗電流補正用の画素部を有するオプティカルブラック領域と、画像の取り込みに有効な画素部を有する撮像領域とを備える固体撮像素子であって、
前記オプティカルブラック領域の画素部の電荷電圧変換効率と、前記撮像領域の画素部の電荷電圧変換効率とが異なる
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記オプティカルブラック領域の画素部の電荷電圧変換効率が、前記撮像領域の画素部の電荷電圧変換効率よりも高い
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記オプティカルブラック領域の画素部の電荷電圧変換効率が、前記撮像領域の画素部の電荷電圧変換効率よりも低い
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記オプティカルブラック領域の画素部に設けられたトランジスタのソース／ドレイン領域の不純物濃度が、前記撮像領域の画素部に設けられたトランジスタのソース／ドレイン領域の不純物濃度よりも低い
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記オプティカルブラック領域の画素部に設けられたトランジスタのソース／ドレイン領域の不純物濃度が、前記撮像領域の画素部に設けられたトランジスタのソース／ドレイン領域の不純物濃度よりも高い
ことを特徴とする請求項３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、オプティカルブラック領域と撮像領域を有する固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子には、ＣＣＤイメージセンサに代表される転送型の固体撮像素子や、ＣＭＯＳイメージセンサに代表される増幅型の固体撮像素子がある。このうち、増幅型の固体撮像素子では、撮像領域の画素部に設けられたフォトダイオードへの入射光を光電変換し、これによって生成した信号電荷を蓄積、転送し、最終的に増幅回路で増幅して信号電圧として取り出す仕組みになっている。
【０００３】
一般に、固体撮像素子には、フォトダイオードに光が入射していない状態でも、熱的に発生する暗電流と呼ばれるノイズ成分がある。暗電流は主に温度に依存して増減するノイズ成分である。そこで従来においては、画像の取り込みに有効な撮像領域の近傍に暗電流補正用のオプティカルブラック（ＯＰＢ）領域を設け、このオプティカルブラック領域の画素部から取り出される信号電圧を、黒レベルを決める基準電圧としている。そして、撮像領域の画素部から取り出された信号電圧と上記黒レベルを決める基準電圧との差分をとることで、暗電流の直流分を除去している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、オプティカルブラック領域においては、暗電流補正用の画素部に入射しようとする光を遮光膜で遮光することにより、当該画素部から黒レベルを決める信号電圧（基準電圧）を取り出すようにしている。したがって、原理的には、撮像領域においても、画像の取り込みに有効な画素部に入射しようとする光を何らかの手段で遮光し、この遮光状態のもとで当該画素部から信号電圧を取り出すことにより、上記黒レベルを決める基準電圧と同等の信号電圧が得られるはずである。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−７８６５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の固体撮像素子においては、同じ温度条件でも、オプティカルブラック領域で発生する暗電流と遮光状態の撮像領域で発生する暗電流が一致せず、両者の間にレベル差（以下、ＯＰＢ段差）が生じるという不具合があった。ＯＰＢ段差は、主に遮光膜の存在によって発生する。すなわち、オプティカルブラック領域では、画素部を含めて領域全体が遮光膜によって覆われているが、撮像領域では、画素部に光を取り込むための入射光路が存在し、この入射光路上に遮光膜が存在しない。そのため、固体撮像素子の製造過程において、暗電流を低減するためにアニール処理を行った際に、全体が遮光膜で覆われたオプティカルブラック領域では、遮光膜に含まれる水素の拡散量が撮像領域よりも多くなり、これによって表面準位がより顕著に下げられるため、撮像領域よりも暗電流の低減効果が大きくなる。その結果、オプティカルブラック領域と撮像領域との間にＯＰＢ段差が生じる。
【０００７】
こうして２つの領域にＯＰＢ段差が生じると、撮像した画像出力の全ての基準が崩れることになる。そのため、例えば、画像としてみたとき、黒くなるべき部分が、本来の黒にならない、いわゆる黒ずれが発生するなど、画質に悪影響を与えてしまう。また、ＯＰＢ段差が大きくなると、その分だけ黒レベルがずれてしまうため、画質に与える悪影響も大きくなる。さらに、暗電流は温度上昇に対して指数関数的に増加するため、ＯＰＢ段差も温度上昇によって顕著になってくる。こうした暗電流によるＯＰＢ段差の対策としては、後段のアナログ回路でＯＰＢ段差を検出し、補正するといった提案もなされているが、この方法では新たな回路の追加によってコストアップを招いてしまう。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、新たな回路を追加することなく、ＯＰＢ段差とこれに伴う黒ずれを低減することができる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】
【０００９】
本発明に係る固体撮像素子は、暗電流補正用の画素部を有するオプティカルブラック領域と、画像の取り込みに有効な画素部を有する撮像領域とを備える固体撮像素子であって、オプティカルブラック領域の画素部の電荷電圧変換効率と、撮像領域の画素部の電荷電圧変換効率とが異なる構成となっている。
【００１０】
上記構成の固体撮像素子においては、オプティカルブラック領域の画素部の電荷電圧変換効率と、撮像領域の画素部の電荷電圧変換効率とに差を持たせることにより、電荷電圧変換効率が高い方の画素部から取り出される暗時の信号電圧が相対的に大きくなる。したがって、例えば暗電流低減のためのアニール処理時に、オプティカルブラック領域と撮像領域の間で暗電流低減効果に違いが生じる場合でも、それに応じてオプティカルブラック領域と撮像領域の電荷電圧変換効率に適度な差を持たせておくことにより、ＯＰＢ段差を低減することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の固体撮像素子によれば、オプティカルブラック領域の画素部の電荷電圧変換効率と、撮像領域の画素部の電荷電圧変換効率とが異なる構成を採用することにより、新たな回路を追加しなくても、オプティカルブラック領域で発生する暗電流と遮光状態の撮像領域で発生する暗電流とのレベル差（ＯＰＢ段差）を低減することができる。その結果、固体撮像素子の黒レベルの精度を向上し、出力画像の高画質化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、例えばＣＭＯＳイメージセンサに代表される増幅型の固体撮像素子に適用した場合の本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明は、増幅型の固体撮像素子に限らず、ＣＣＤイメージセンサに代表される転送型の固体撮像素子に適用することも可能である。
【００１３】
図１は本発明が適用される固体撮像素子の概略平面図である。図示した固体撮像素子は、オプティカルブラック領域１と、撮像領域２とを備えた構成となっている。プティカルブラック領域１は、撮像領域２の垂直方向の一端部（上端部）と水平方向の一端部（左端部）に隣接するかたちで略Ｌ字形に形成されている。オプティカルブラック領域１及び撮像領域２には、それぞれ複数の画素部（単位画素）が設けられている。さらに詳述すると、オプティカルブラック領域１には、暗電流補正用の画素部が複数設けられている。暗電流補正用の画素部は、オプティカルブラック領域１全体を覆う遮光膜によって光の入射が遮られたもので、常に暗時の状態に保持されることから光学的黒画素とも呼ばれている。また、撮像領域２には、画像の取り込みに有効な画素部が複数設けられている。撮像領域２は、撮像に有効な複数の有効画素の集合によって構成されることから、有効画素領域とも呼ばれている。
【００１４】
図２（Ａ）はオプティカルブラック領域１の画素構造の一例を示す断面図であり、図２（Ｂ）は撮像領域２の画素構造の一例を示す断面図である。図示のように、オプティカルブラック領域１及び撮像領域２においては、Ｎ型半導体基板１０上のＰウェル領域１１の表層部に埋め込み型のフォトダイオードＰＤが形成されている。また、Ｐウェル領域１１の表層部上でかつフォトダイオードＰＤの形成部を除く部分には、例えばＳｉＯ2からなる層間絶縁膜１２が形成され、この層間絶縁膜１２の中に配線１３が形成されている。また、オプティカルブラック領域１には、フォトダイオードＰＤの上方と層間絶縁膜１２の表層部を覆う状態で遮光膜１４が形成されている。一方、撮像領域２には、層間絶縁膜１２の表層部に、フォトダイオードＰＤへの入射光路を避けて配線１５が形成されている。遮光膜１４及び配線１５は、例えばアルミニウムや銅のように高い導電性と遮光性を有する金属材料によって形成されるものである。また、遮光膜１４は、必要に応じて電気的な配線層としての機能も備えるものである。
【００１５】
図３はオプティカルブラック領域１及び撮像領域２に共通する画素部（単位画素）の構成例を示す回路図である。図示した画素部は、オプティカルブラック領域１と撮像領域２とを含む画素形成領域全体に行列状に二次元配置されるものである。画素部は、大きくは、フォトダイオードＰＤと、読み出しトランジスタ１６と、フローティングディフュージョンＦＤと、リセットトランジスタ１７と、増幅トランジスタ１８とによって構成されている。
【００１６】
フォトダイオードＰＤは、当該フォトダイオードＰＤに入射した光を光電変換によって信号電荷に変換し、この信号電荷を蓄積するものである。読み出しトランジスタ１６は、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンＦＤに読み出すものである。フローティングディフュージョンＦＤは、読み出しトランジスタ１６によってフォトダイオードＰＤから読み出された信号電荷を信号電圧に変換するものである。リセットトランジスタ１７は、フローティングディフュージョンＦＤの電位を一定のレベルにリセットするものである。増幅トランジスタ１８は、フローティングディフュージョンＦＤの信号電圧を増幅して出力するものである。
【００１７】
読み出しトランジスタ１６のゲート電極は読み出し線１９に、リセットトランジスタ１７のゲート電極はリセット線２０に、増幅トランジスタ１８のゲート電極はフローティングディフュージョンＦＤにそれぞれ接続されている。また、リセットトランジスタ１７と増幅トランジスタ１８には、それぞれ電源電圧ＶDDが印加される構成となっている。さらに、増幅トランジスタ１８の出力電圧は信号線２１を通して取り出される構成となっている。
【００１８】
上記回路構成の画素部においては、所定の蓄積（露光）期間でフォトダイオードＰＤに信号電荷を蓄積し、この蓄積期間が終了した時点でリセットトランジスタ１７のゲート電極にリセット線２０を通してリセットパルスを印加する。これにより、フローティングディフュージョンＦＤの電位が電源電圧ＶDDに応じた一定のレベルにリセットされる。その後、読み出しトランジスタ１６のゲート電極に読み出し線１９を通して読み出しパルスを印加する。これにより、上記蓄積期間内にフォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷がフローティングディフュージョンＦＤに読み出される。このとき、フローティングディフュージョンＦＤでは、フォトダイオードＰＤから読み出された信号電荷を、そのときの電荷量（電位変化）に応じた信号電圧に変換する。こうしてフローティングディフュージョンＦＤで変換された信号電圧は、増幅トランジスタ１８で増幅されて信号線２１に出力される。
【００１９】
ここで、本発明の特徴とするところは、固体撮像素子の構成として、オプティカルブラック領域１の画素部の電荷電圧変換効率と、撮像領域２の画素部の電荷電圧変換効率とが異なる点にある。具体的には、オプティカルブラック領域１の画素部の電荷電圧変換効率が、撮像領域２の画素部の電荷電圧変換効率よりも高いもの（以下、第１の構成）と、オプティカルブラック領域１の画素部の電荷電圧変換効率が、撮像領域２の画素部の電荷電圧変換効率よりも低いもの（以下、第２の構成）の二通りの構成が考えられる。
【００２０】
上記の回路動作において、フローティングディフュージョンＦＤで信号電荷を信号電圧に変換する際の変換効率（電荷電圧変換効率）ηは、おおよそ“η＝ｑ／ＣFD［μＶ／ｅ］”の式で表される。qは電子１個の電荷量、ＣFDはフローティングディフュージョンの容量である。この式から分かるように、画素部の電荷電圧変換効率は、フローティングディフュージョンの容量ＣFDによって決まる。また、フローティングディフュージョンの容量ＣFDは、フローティングディフュージョンのトランジスタのソース／ドレイン領域を形成するｐｎ接合容量が支配的となる。さらに、トランジスタのソース／ドレイン領域を形成するｐｎ接合容量は、当該ソース／ドレイン領域の不純物濃度に依存したものとなる。すなわち、ソース／ドレイン領域の不純物濃度が高ければ、それに応じてｐｎ接合容量が大きくなり、逆に、ソース／ドレイン領域の不純物濃度が低ければ、それに応じてｐｎ接合容量が小さくなる。
【００２１】
図４は上記図３の回路構成に対応した画素部（単位画素）の断面構造を示す図である。図においては、Ｎ型半導体基板１０のＰウェル領域１１の表層部にｐｎ接合の埋め込み型フォトダイオードＰＤが形成されている。フォトダイオードＰＤの近傍には読み出しトランジスタ１６のゲート電極（以下、読み出しゲート）２４が設けられている。また、Ｐウェル領域１１にはＮ型不純物拡散領域２５，２６，２７が設けられている。このうち、読み出しゲート２４に隣接するＮ型不純物拡散領域２５の近傍にはフローティングディフュージョンＦＤが形成されている。また、Ｎ型不純物拡散領域２５の隣りにはリセットトランジスタ１７のゲート電極（以下、リセットゲート）２８が形成されている。さらに、リセットゲート２８の近傍にはＮ型不純物拡散領域２６を介して増幅トランジスタ１８のゲート電極２９が形成され、このゲート電極２９の隣りにＮ型不純物拡散領域２７が形成されている。
【００２２】
かかる構成において、フローティングディフュージョンの容量ＣFDは、フローティングディフュージョンＦＤの接合容量Ｃ１や、読み出しゲート２４との寄生容量Ｃ２、さらにはリセットゲート２８との寄生容量Ｃ３や、増幅トランジスタ１８のゲート−ドレイン間容量Ｃ４及びゲート−ソース間容量Ｃ５などを含むものとなる。そして、フローティングディフュージョンの容量ＣFDは、フローティングディフュージョンＦＤのトランジスタのソース／ドレイン領域を形成するｐｎ接合容量、すなわちフローティングディフュージョンＦＤの接合容量Ｃ１が支配的となる。
【００２３】
したがって、オプティカルブラック領域１の画素部と撮像領域２の画素部で、電荷電圧変換効率に差をもたせるには、各々の領域１，２の画素部において、上記ＣFDを決める最も大きな因子となるフローティングディフュージョンＦＤのトランジスタ・ソース／ドレイン領域の不純物濃度（図４の例ではＮ型不純物拡散領域２５の不純物濃度）に高低差を持たせるようにすればよい。具体例として、第１の構成を採用する場合は、オプティカルブラック領域１側のトランジスタ・ソース／ドレイン領域の不純物濃度を、撮像領域２側のトランジスタ・ソース／ドレイン領域の不純物濃度よりも低くすることにより、オプティカルブラック領域１側のｐｎ接合容量を、撮像領域２側のｐｎ接合容量よりも小さくする。また、第２の構成を採用する場合は、オプティカルブラック領域１側のトランジスタ・ソース／ドレイン領域の不純物濃度を、撮像領域２側のトランジスタ・ソース／ドレイン領域の不純物濃度よりも高くすることにより、オプティカルブラック領域１側のｐｎ接合容量を、撮像領域２側のｐｎ接合容量よりも大きくする。
【００２４】
ちなみに、図４に示す単位画素内に設けられた３つのＮ型不純物拡散領域２５，２６，２７のうち、フローティングディフュージョンの容量ＣFDに最も大きな影響を与えるＮ型不純物拡散領域２５の不純物濃度については、オプティカルブラック領域１と撮像領域２で高低差を設けることが双方の電荷電圧変換効率に差を持たせるうえで非常に有効であるが、他の２つのＮ型不純物拡散領域２６，２７の不純物濃度については、上記ＣFDへの影響が小さいことから、オプティカルブラック領域１と撮像領域２で必ずしも高低差を設ける必要はない。
【００２５】
ここで、先述したように暗電流低減のためのアニール処理時に水素拡散量の違いによって生じるＯＰＢ段差は、オプティカルブラック領域１の暗電流が撮像領域２の暗電流よりも小さい状態で発生するため、これに伴う暗時の出力差を解消するには第１の構成を採用することが有効となる。すなわち、第１の構成を採用した場合は、オプティカルブラック領域１の画素部の電荷電圧変換効率が、撮像領域２の画素部の電荷電圧変換効率よりも高いものとなる。そのため、オプティカルブラック領域１の暗電流が小さくても、当該オプティカルブラック領域１の電荷電圧変換効率が相対的に高くなることで、最終的に得られる信号電圧（黒レベルを決める基準電圧）も相対的に大きくなる。
【００２６】
したがって、オプティカルブラック領域１の画素部の電荷電圧変換効率と、撮像領域２の画素部の電荷電圧変換効率に適度な差を持たせることにより、オプティカルブラック領域１の画素部から出力される信号電圧（基準電圧）と、撮像領域２の遮光状態の画素部から得られる信号電圧とのレベル差（ＯＰＢ段差）を低減することができる。よって、ＯＰＢ段差とこれに伴う黒ずれを低減することができる。
【００２７】
また、何らかの理由（例えば、製造上の理由や画素構造の違いなど）でオプティカルブラック領域１の暗電流が撮像領域２の暗電流よりも大きい状態でＯＰＢ段差が発生した場合は、これに伴う暗時の出力差を解消するうえで第２の構成を採用することが有効となる。すなわち、第２の構成を採用した場合は、、オプティカルブラック領域１の画素部の電荷電圧変換効率が、撮像領域２の画素部の電荷電圧変換効率よりも低いものとなる。そのため、オプティカルブラック領域１の暗電流が大きくても、当該オプティカルブラック領域１の電荷電圧変換効率が相対的に低くなることで、最終的に得られる信号電圧（黒レベルを決める基準電圧）も相対的に小さくなる。
【００２８】
したがって、上記同様に、オプティカルブラック領域１の画素部の電荷電圧変換効率と、撮像領域２の画素部の電荷電圧変換効率に適度な差を持たせることにより、オプティカルブラック領域１の画素部から出力される信号電圧と、撮像領域２の遮光状態の画素部から得られる信号電圧とのレベル差を低減することができる。よって、ＯＰＢ段差とこれに伴う黒ずれを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明が適用される固体撮像素子の概略平面図である。
【図２】オプティカルブラック領域及び撮像領域の画素構造の一例を示す断面図である。
【図３】オプティカルブラック領域及び撮像領域に共通する画素部（単位画素）の構成例を示す回路図である。
【図４】図３の回路構成に対応した画素部（単位画素）の断面構造を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…オプティカルブラック領域、２…撮像領域、１６…読み出しトランジスタ、１７…リセットトランジスタ、１８…増幅トランジスタ、２５，２６，２７…Ｎ型不純物拡散領域、ＦＤ…フローティングディフュージョン、ＰＤ…フォトダイオード
【図１】
2006165006.tif 000003
【図２】
2006165006.tif 000004
【図３】
2006165006.tif 000005
【図４】
2006165006.tif 000006