(57)【要約】【課題】撮像画像の画質特性を向上させることができる固体撮像装置を提供すること。【解決手段】一つの実施形態によれば、固体撮像装置が提供される。実施形態に係る固体撮像装置は、オプティカルブラック領域とコンタクトプラグと電圧印加部とを備える。オプティカルブラック領域は、半導体層に設けられ、被写体からの光が遮光される。コンタクトプラグは、オプティカルブラック領域における半導体層に電気的に接続する。電圧印加部は、コンタクトプラグへ所定の電圧を印加する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層に設けられ、被写体からの光が遮光されるオプティカルブラック領域と、
前記オプティカルブラック領域における前記半導体層に電気的に接続するコンタクトプラグと、
前記コンタクトプラグへ所定の電圧を印加する電圧印加部と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記コンタクトプラグは、
前記オプティカルブラック領域における前記半導体層で発生した電荷を排出する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記半導体層は、
電荷蓄積領域を有する複数の光電変換素子を備え、
前記コンタクトプラグは、
前記複数の光電変換素子の前記電荷蓄積領域に電気的に接続する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記半導体層の受光面側とは逆の面側に配線層を備え、
前記コンタクトプラグは、
前記配線層の配線と前記半導体層とを電気的に接続する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記オプティカルブラック領域は、
被写体からの光を受光する有効画素領域の外縁に設けられる
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記オプティカルブラック領域における前記半導体層から電荷を読み出す読み出しトランジスタを備え、
前記読み出しトランジスタは、
ゲートに所定の電圧が印加されることで電圧レベルが固定される
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体撮像装置は、被写体からの光を受光する有効画素領域に配置された画素と被写体からの光が遮光されるオプティカルブラック領域に配置された画素とを備える。また、オプティカルブラック（ＯＢ）領域には、フォトダイオード（ＰＤ）有りＯＢと、ＰＤ無しＯＢの二種類の画素とを備える。
【０００３】
かかる固体撮像装置では、オプティカルブラック領域に配置されたＰＤ有りＯＢから読み出された信号と、ＰＤ無しＯＢから読み出された信号との差分に基づきフォトダイオードの暗電流を算出し、それに応じて、有効画素領域における画素の画像信号の暗電流補正を行っている。このため、ＰＤ無しＯＢの暗電流をゼロにすることが望ましい。
【０００４】
しかしながら、かかる固体撮像装置は、ＰＤ無し画素においてフォトダイオード近傍で発生する暗電流を完全にゼロにすることは困難で、フォトダイオードの暗電流成分を正確に得られることができず、撮像画像の画質特性が不十分であった。例えば、裏面照射型の固体撮像装置では、ＰＤ無しＯＢでは光入射面側の暗電流をゼロにすることは困難である。また、表面照射型の固体撮像装置においても、シリコン基板の奥深くで発生する暗電流をゼロにすることは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１２００７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一つの実施形態は、撮像画像の画質特性を向上させることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一つの実施形態によれば、固体撮像装置が提供される。実施形態に係る固体撮像装置は、オプティカルブラック領域とコンタクトプラグと電圧印加部とを備える。オプティカルブラック領域は、半導体層に設けられ、被写体からの光が遮光される。コンタクトプラグは、オプティカルブラック領域における半導体層に電気的に接続する。電圧印加部は、コンタクトプラグへ所定の電圧を印加する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、実施形態に係る画素アレイにおけるコンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域に配置された画素の模式的な断面図である。
【図３】図３は、実施形態に係る固体撮像装置が備えるコンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域に配置された画素の回路構成の一例を示す模式図である。
【図４】図４は、実施形態に係る固体撮像装置が実行する処理手順を示すフローチャートである。
【図５】図５は、実施形態の他の変形例に係る画素アレイにおけるコンタクトプラグ付きＰＤ無しＯＢ領域に配置された画素の模式的な断面図である。
【図６】図６は、実施形態の他の変形例に係る固体撮像装置が実行する処理手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に添付図面を参照して、実施形態に係る固体撮像装置について詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。
【００１０】
図１は、実施形態に係る固体撮像装置１０の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、固体撮像装置１０は、画素アレイ２と垂直走査回路１１と負荷回路１２とカラムＡＤＣ(Analog  Digital  Converter)回路１３と水平走査回路１４と基準電圧発生回路１５とタイミング制御回路１６と後段処理部１７とを備える。
【００１１】
画素アレイ２には、画素２０が水平方向（行方向）ＲＤおよび垂直方向（列方向）ＣＤへ２次元アレイ（行列）状に配置される。画素２０は、画素アレイ２における撮像画像の１画素に相当する。
【００１２】
また、画素アレイ２は、入射光を光電変換して画像信号が生成される有効画素領域３と、入射光を遮光して黒レベルの基準信号である暗電流成分が生成されるオプティカルブラック領域（以下、「ＯＢ領域」とする）４とを有する。
【００１３】
この実施形態では、画素アレイ２の１行目から２行目までの画素２０がＯＢ領域４の画素２０であり、画素アレイ２の３行目からｎ行目までの画素２０が有効画素領域３の画素２０である。つまり、ＯＢ領域４は、画素アレイ２における一方の側縁部に配置される。なお、画素アレイ２におけるＯＢ領域４の他の配置としては、例えば、ＯＢ領域４を、有効画素領域３の外縁を囲むように配置してもよい。
【００１４】
また、ＯＢ領域４は、フォトダイオード（以下、「ＰＤ」と記載する）有りＯＢ領域４１とコンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域４２とを有する。ＰＤ有りＯＢ領域４１は、ＯＢ領域４１の画素２０で発生した黒レベルの基準信号である暗電流成分と電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分とが生成される領域である。コンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域４２は、かかる領域４２の画素２０で発生した暗電荷をコンタクトプラグから排出した後の電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分が生成される領域である。なお、コンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域４２に配置された画素２０の構造については、図２を参照して後述する。
【００１５】
また、画素アレイ２には、水平方向ＲＤに画素２０の読み出し制御を行う水平制御線Ｈｌｉｎが設けられ、垂直方向ＣＤに画素２０から読み出された電圧信号を伝送する垂直信号線Ｖｌｉｎが設けられる。
【００１６】
垂直走査回路１１は、読み出し対象となる画素２０を行単位で順次選択する。負荷回路１２は、画素２０から垂直信号線Ｖｌｉｎに列毎に電圧信号を読み出す。カラムＡＤＣ回路１３は、各画素２０の電圧信号をＣＤＳ(Correlated  Double  Sampling)にて列毎にサンプリングする。
【００１７】
水平走査回路１４は、読み出し対象となる画素２０を列単位で順次選択する。基準電圧発生回路１５は、カラムＡＤＣ回路１３に基準電圧ＶＲＥＦを出力する。この基準電圧ＶＲＥＦは、垂直信号線Ｖｌｉｎを介してカラムＡＤＣ回路１３へ入力される電圧信号と比較するために用いられる。
【００１８】
タイミング制御回路１６は、垂直走査回路１１に対して各画素２０の電圧信号の読み出しのタイミングを制御する。後段処理部１７は、サンプリングされた種々の電圧信号に基づいて暗電流補正を行って画素信号を算出する。また、後段処理部１７は、算出した画素信号を出力（Ｖｏｕｔ）する。
【００１９】
かかる固体撮像装置１０では、垂直走査回路１１によって垂直方向ＣＤに画素２０が行毎に選択されるとともに、水平走査回路１４によって水平方向ＲＤに画素２０が列毎に選択される。そして、負荷回路１２において、選択された画素２０との間でソースフォロア動作が行われることにより、画素２０から読み出された電圧信号が垂直信号線Ｖｌｉｎを介してカラムＡＤＣ回路１３に送られる。
【００２０】
ここで、従来の固体撮像装置では、被写体からの光を受光する有効画素領域に配置された画素と被写体からの光が遮光されるオプティカルブラック領域に配置された画素とを備える。また、オプティカルブラック（ＯＢ）領域には、フォトダイオード（ＰＤ）有りＯＢと、ＰＤ無しＯＢの二種類の画素とを備える。
【００２１】
そのため、かかる固体撮像装置では、オプティカルブラック領域に配置されたＰＤ有りＯＢから読み出された信号と、実際には暗電流が残存しているＰＤ無しＯＢから読み出された信号との差分に基づきフォトダイオードの暗電流を算出し、それに応じて、有効画素領域における画素の画像信号の暗電流補正を行うことになり、撮像画像の画質特性が不十分であった。
【００２２】
そこで、本実施形態に係る固体撮像装置１０では、ＯＢ領域４に、ＰＤ無しＯＢの代わりにコンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域４２を設けて、かかる領域４２における画素２０を用いて電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分を別に生成するようにした。
【００２３】
そして、かかる固体撮像装置１０では、ＰＤ有りＯＢ領域４１の画素２０の電圧信号からノイズ成分に対応した電圧信号を減算して、正確な暗電流成分を算出することで、撮像画像の画質特性を向上させた。
【００２４】
次に、図２を参照して、コンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域４２に配置された画素２０の構造について説明する。かかる画素２０の構造は、２つのフォトダイオードによって１つのフローティングディフュージョンを共有した２画素１セル構造である。
【００２５】
図２は、実施形態に係る画素アレイ２におけるコンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域４２に配置された画素２０の模式的な断面図である。なお、ここでは、便宜上、画素２０の光９が入射する側を上として、画素２０の光９が入射する側とは逆側を下として説明する。
【００２６】
図２に示すように、画素２０は、半導体層６内に光電変換素子４０と素子分離領域６４とを備える。また、画素２０は、半導体層６の受光面上に順次積層される遮光膜８１が埋め込まれた反射防止層８、カラーフィルタ８２、およびマイクロレンズ８３を備える。
【００２７】
光電変換素子４０は、例えば、ボロン等のＰ型の低濃度の不純物がドープされたＰ型のＳｉ層６０と、Ｐ型のＳｉ層６０の内部に、例えば、リン等のＮ型の高濃度の不純物がドープされたＮ型のＳｉ領域６１とのＰＮ接合によって形成されるフォトダイオードである。
【００２８】
この実施形態では、光電変換素子４０が半導体層６における受光面側とは反対側の界面に形成される。つまり、かかる光電変換素子４０は、Ｐ型のＳｉ層６０の深部（下層部）に電荷蓄積領域となるＮ型のＳｉ領域６１を形成することで形成される。
【００２９】
素子分離領域６４は、ＤＴＩ（Deep  Trench  Isolation）であり、半導体層６の上面から半導体層６の深さ方向に形成されるトレンチに埋め込まれたＰ型の不純物がドープされた領域６２と、かかる領域６２の側面および上面に設けられる絶縁部材６３とを備える。
【００３０】
また、素子分離領域６４は、Ｐ型の不純物がドープされた領域６２における受光面側とは反対側の幅広部６５にフローティングディフュージョン６６（以下、「ＦＤ」と記載する）を備える。
【００３１】
反射防止層８は、例えば、Ｓｉ窒化膜からなり、カラーフィルタ８２を透過する入射光の反射を防止する。また、ＯＢ領域４に設けられる反射防止層８には、遮光膜８１が埋め込まれる。かかる遮光膜８１は、光電変換素子４０への光９の入射を防止する。
【００３２】
つまり、ＯＢ領域４では、遮光膜８１により半導体層６の受光面側が被覆されており、光電変換素子４０へ光９が入射しない。一方、有効画素領域３では、半導体層６の受光面側に遮光膜８１が被覆されておらず、光電変換素子４０へ光９が入射する。
【００３３】
カラーフィルタ８２は、例えば、赤、緑、青の３原色のうち、いずれか一色の入射光を透過させる。マイクロレンズ８３は、平凸レンズであり、画素アレイ２へ入射する光９を光電変換素子４０へ集光する。
【００３４】
また、画素２０は、半導体層６の受光面側とは逆の面側に多層配線層７を備える。多層配線層７は、支持基板７５上に設けられる。また、多層配線層７は、層間絶縁膜７０と、層間絶縁膜７０の内部に設けられる多層配線７２とコンタクトプラグ５０と転送ゲート７４とを備える。
【００３５】
多層配線７２は、この例では、第１の配線７２ａ、第２の配線７２ｂ、および第３の配線７２ｃの３層の配線からなる。かかる３層の配線７２ａ，７２ｂ，７２ｃは、半導体層６の受光面側とは逆側の面にこの順に積層される。
【００３６】
コンタクトプラグ５０は、第１の配線７２ａと光電変換素子４０の電荷蓄積領域となるＮ型のＳｉ領域６１とを電気的に接続する。かかるコンタクトプラグ５０は、多層配線層７の上面から第１の配線７２ａの上面まで形成されるコンタクトホール５１の内部表面に絶縁膜５２を形成し、コンタクトホール５１の内部に、例えば、タングステン等の導電性部材５３を埋め込むことで形成される。
【００３７】
転送ゲート７４は、半導体層６の受光面側とは逆側の面におけるＦＤ６６を備える素子分離領域６４に近接する位置にゲート絶縁膜７３を介して設けられる。この例では、光電変換素子４０、ＦＤ６６、ゲート絶縁膜７３、および転送ゲート７４によって転送トランジスタＴＲＳ１が構成される。
【００３８】
また、画素２０は、固体撮像装置１０における任意の位置に電圧印加部５を備える。電圧印加部５は、多層配線層７の第１の配線７２ａを介してコンタクトプラグ５０へ接続され、コンタクトプラグ５０に所定の正の電圧を印加することによって光電変換素子４０の電荷蓄積領域であるＮ型のＳｉ領域６１に蓄積された暗電荷９０を排出する。
【００３９】
ここで、ＯＢ領域４の画素２０で発生する暗電荷９０について説明する。ＯＢ領域４では、遮光膜８１により半導体層６の受光面側が被覆されて光電変換素子４０へ光９が入射しないにもかかわらず、半導体層６に、入射光を光電変換することで生じる電荷以外の電荷が生じることがある。
【００４０】
かかる電荷は、ＣＭＰ（Chemical  Mechanical  Polishing）による半導体層６の受光面側の研磨やＲＩＥ（Reactive  Ion  Etching）による素子分離領域６４用のトレンチの形成等によって半導体層６がダメージを受けることで、結晶欠陥に起因して生じる電荷であり、一般的に暗電荷９０と呼ばれる。
【００４１】
また、半導体層６に生じた暗電荷９０は、半導体層６の下層部に形成された光電変換素子４０の電荷蓄積領域であるＮ型のＳｉ領域６１に引き寄せられて、Ｎ型のＳｉ領域６１に蓄積される。
【００４２】
コンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域４２に配置された画素２０では、電圧印加部５によってコンタクトプラグ５０に所定の正の電圧を印加することで、Ｎ型のＳｉ領域６１に蓄積された暗電荷９０が多層配線層７を介して外部へ排出される。
【００４３】
すなわち、かかるＯＢ領域４２に配置された画素２０は、半導体層６がダメージを受けることで生じる暗電荷９０を全く含まない基準用あるいは比較用の画素として用いられる。
【００４４】
上述の実施形態に係る固体撮像装置１０は、画素アレイ２のＯＢ領域４にコンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域４２を備える。かかる領域４２に配置される画素２０は、半導体層６がダメージを受けることで生じる暗電荷９０を全く含まない基準用あるいは比較用の画素として用いられる。
【００４５】
これにより、かかる固体撮像装置１０は、かかる領域４２における画素２０を用いて電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分を別に生成することができる。
【００４６】
したがって、かかる固体撮像装置１０は、ＰＤ有りＯＢ領域４１の画素２０の電圧信号からコンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域４２の画素２０により生成したノイズ成分に対応した電圧信号を減算することで、正確な暗電流成分を算出することができる。
【００４７】
そのため、かかる固体撮像装置１０は、算出した正確な暗電流成分に基づいて暗電流補正を行うことができ、撮像画像の画質特性を向上させることができる。
【００４８】
次に、コンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域４２に配置される画素２０の回路構成について説明する。図３は、実施形態に係る固体撮像装置１０が備えるコンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域４２に配置される画素２０の回路構成の一例を示す模式図である。
【００４９】
図３に示すように、画素２０は、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２、２つの転送トランジスタＴＲＳ１，ＴＲＳ２を備える。さらに、画素２０は、フローティングディフュージョンＦＤ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＳＴ、アドレストランジスタＡＤＲを備える。なお、上述した図２には、２画素１セル構造におけるフォトダイオードＰＤ１、転送トランジスタＴＲＳ１、およびフローティングディフュージョンＦＤの物理的な配置を示している。
【００５０】
各フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、アノードがグランドに接続され、カソードが転送トランジスタＴＲＳ１，ＴＲＳ２のソースに接続される。また、各フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２のカソードには、電圧印加部５から延設された配線が接続される。２つの転送トランジスタＴＲＳ１，ＴＲＳ２の各ドレインは、１つのフローティングディフュージョンＦＤに接続される。
【００５１】
各転送トランジスタＴＲＳ１，ＴＲＳ２は、転送ゲートに転送信号が入力されると、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２からの電荷読み出し動作が行われる。フローティングディフュージョンＦＤには、リセットトランジスタＲＳＴのソースが接続される。
【００５２】
また、リセットトランジスタＲＳＴのドレインは、電源電圧線ＶＤＤに接続される。かかるリセットトランジスタＲＳＴは、ゲートへリセット信号が入力されると、フローティングディフュージョンＦＤの電位を電源電圧の電位にリセットする。
【００５３】
また、フローティングディフュージョンＦＤには、増幅トランジスタＡＭＰのゲートが接続される。かかる増幅トランジスタＡＭＰのソースは、垂直信号線Ｖｌｉｎに接続され、ドレインがアドレストランジスタＡＤＲのソースに接続される。垂直信号線Ｖｌｉｎは、電流源Ｔに接続される。また、アドレストランジスタＡＤＲのドレインは、電源電圧線ＶＤＤに接続される。
【００５４】
次に、上述したコンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域４２に配置される画素２０を用いた暗電流補正について説明する。図４は、実施形態に係る固体撮像装置１０が実行する処理手順を示すフローチャートである。なお、図４に示すフローチャートは、一例である。
【００５５】
図４に示すように、固体撮像装置１０は、まず、画素アレイ２における全ての画素２０に対して同一のタイミングで露光を行う（ステップＳ１０１）。次に、固体撮像装置１０は、コンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域４２の画素２０で発生した暗電荷９０（図２参照）を排出する（ステップＳ１０２）。
【００５６】
具体的には、上述した図２に示すように、電圧印加部５から多層配線層７の第１の配線７２ａを介してコンタクトプラグ５に所定の正の電圧を印加することによって光電変換素子４０の電荷蓄積領域であるＮ型のＳｉ領域６１に蓄積された暗電荷９０を排出する。なお、暗電荷９０の排出（ステップＳ１０２）は、コンタクトプラグ５に常に一定の電圧を印加することにより、グローバルシャッタ（ステップＳ１０１）の期間中全てのタイミングで排出することで代用することもできる。
【００５７】
より具体的には、上述した図３に示すように、まず、転送トランジスタＴＲＳ１，ＴＲＳ２、リセットトランジスタＲＳＴ、アドレストランジスタＡＤＲ、および増幅トランジスタＡＭＰの各電位を同電位にする。そして、転送トランジスタＴＲＳ１，ＴＲＳ２の転送ゲートに所定の電圧を印加して、転送トランジスタＴＲＳ１，ＴＲＳ２の電圧レベルを固定して、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２と転送トランジスタＴＲＳ１，ＴＲＳ２との電気的接続を遮断する。その後、電圧印加部５によって所定の正の電圧を印加することによってフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２から暗電荷９０を排出する。
【００５８】
このように、固体撮像装置１０は、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２と転送トランジスタＴＲＳ１，ＴＲＳ２との電気的接続を遮断することで、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２内の暗電荷９０を確実に排出することができる。
【００５９】
続いて、固体撮像装置１０は、画素アレイ２における全ての画素２０の信号電荷の読み出しを行う（ステップＳ１０３）。これにより、ＰＤ有りＯＢ領域４１の画素２０では、黒レベルの基準信号である暗電流成分と電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分とがフローティングディフュージョン６６（ＦＤ）に流入する。また、コンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域４２の画素２０では、電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分がフローティングディフュージョン６６（ＦＤ）に流入する。
【００６０】
そして、固体撮像装置１０は、コンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域４２の画素２０からの電荷読み出し動作によって生じたノイズ成分に対応した電圧信号Ｓ１を算出する（ステップＳ１０４）。
【００６１】
また、固体撮像装置１０は、ＰＤ有りＯＢ領域４１の画素２０における暗電流成分とノイズ成分との混合成分に対応した電圧信号Ｓ２を算出する。
【００６２】
次に、固体撮像装置１０は、ＰＤ有りＯＢ領域４１の画素２０の電圧信号Ｓ２からコンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域４２の画素２０のノイズ成分に対応した電圧信号Ｓ１を減算して、暗電流成分ΔＴを算出する（ステップＳ１０５）。
【００６３】
その後、固体撮像装置１０は、有効画素領域３の画素２０の電圧信号Ｓ３から暗電流成分ΔＴを減算して暗電流補正を行って、有効画素領域３の画素２０の画素信号Ｐを算出する（ステップＳ１０６）。なお、暗電流補正は、この実施形態では後段処理部１７で行われる（図１参照）。
【００６４】
このように、固体撮像装置１０は、ＰＤ有りＯＢ領域４１の画素２０の電圧信号Ｓ２からコンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域４２の画素２０のノイズ成分に対応した電圧信号Ｓ１を減算して、暗電流成分ΔＴを算出する。このため、固体撮像装置１０は、正確な暗電流成分ΔＴを算出することができる。
【００６５】
したがって、固体撮像装置１０は、算出した正確な暗電流成分ΔＴに基づいて暗電流補正を行うことができ、撮像画像の画質特性を向上させることができる。
【００６６】
次に、実施形態の他の変形例に係る画素アレイ２について説明する。かかる画素アレイ２は、上述したコンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域４２に配置される画素２０において、フォトダイオードが設けられていないところが異なる。以下、かかる画素が配置されるオプティカルブラック領域をコンタクトプラグ付きＰＤ無しＯＢ領域と呼ぶ。
【００６７】
図５は、実施形態の他の変形例に係る画素アレイ２におけるコンタクトプラグ付きＰＤ無しＯＢ領域に配置された画素２０ａの模式的な断面図である。なお、図５に示す構成要素のうち、図２に示す構成要素と同様の構成要素については、図２に示す符号と同一の符号を付すことにより、その説明を省略する。
【００６８】
図５に示すように、画素２０ａにおけるコンタクトプラグ５０は、第１の配線７２ａとＰ型のＳｉ層６０とを電気的に接続する。かかる画素２０ａは、Ｐ型のＳｉ層６０の内部にフォトダイオードの電荷蓄積領域となるＮ型のＳｉ領域が設けられていない。
【００６９】
かかる画素２０ａは、Ｐ型のＳｉ層６０の内部にＮ型のＳｉ領域を形成するためのＮ型の高濃度の不純物がドープされていないことから、イオン注入による結晶欠陥に起因して暗電荷９０が生じることがない。
【００７０】
つまり、かかる画素２０ａは、半導体層６が受けるダメージをより少なく抑えて、暗電荷９０の量を少なくしているため、電圧印加部５から所定の正の電圧をコンタクトプラグ５０に印加した場合に、画素２０ａからの暗電荷９０の排出時間が短くなる。
【００７１】
上述の実施形態に係る固体撮像装置１０は、画素アレイ２のＯＢ領域４にコンタクトプラグ付きＰＤ無しＯＢ領域を備える。かかる領域に配置される画素２０ａは、半導体層６がダメージを受けることで生じる暗電荷９０を全く含まない基準用あるいは比較用の画素として用いられる。
【００７２】
これにより、かかる固体撮像装置１０は、コンタクトプラグ付きＰＤ無しＯＢ領域における画素２０ａを用いて電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分を別に生成することができる。
【００７３】
したがって、かかる固体撮像装置１０は、ＰＤ有りＯＢ領域４１の画素２０の電圧信号からコンタクトプラグ付きＰＤ無しＯＢ領域の画素２０ａにより生成したノイズ成分に対応した電圧信号を減算することで、正確な暗電流成分を算出することができる。
【００７４】
そのため、かかる固体撮像装置１０は、算出した正確な暗電流成分に基づいて暗電流補正を行うことができ、撮像画像の画質特性を向上させることができる。
【００７５】
次に、上述したコンタクトプラグ付きＰＤ無しＯＢ領域に配置される画素２０ａを用いた暗電流補正について説明する。図６は、実施形態に係る固体撮像装置１０が実行する処理手順を示すフローチャートである。なお、図６に示すフローチャートは、一例である。
【００７６】
図６に示すように、固体撮像装置１０は、まず、画素アレイ２における全ての画素２０，２０ａに対して同一のタイミングで露光を行う（ステップＳ２０１）。次に、固体撮像装置１０は、コンタクトプラグ付きＰＤ無しＯＢ領域の画素２０ａで発生した暗電荷９０（図５参照）を排出する（ステップＳ２０２）。
【００７７】
具体的には、上述した図５に示すように、電圧印加部５から多層配線層７の第１の配線７２ａを介してコンタクトプラグ５０に所定の正の電圧を印加することによってＰ型のＳｉ層６０に存在する暗電荷９０を排出する。
【００７８】
続いて、固体撮像装置１０は、画素アレイ２における全ての画素２０，２０ａの信号電荷の読み出しを行う（ステップＳ２０３）。これにより、ＰＤ有りＯＢ領域４１の画素２０では、黒レベルの基準信号である暗電流成分と電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分とがフローティングディフュージョン６６（ＦＤ）に流入する。また、コンタクトプラグ付きＰＤ無しＯＢ領域の画素２０ａでは、電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分がフローティングディフュージョン６６（ＦＤ）に流入する。
【００７９】
そして、固体撮像装置１０は、コンタクトプラグ付きＰＤ無しＯＢ領域の画素２０ａからの電荷読み出し動作によって生じたノイズ成分に対応した電圧信号Ｓ１を算出する（ステップＳ２０４）。
【００８０】
また、固体撮像装置１０は、ＰＤ有りＯＢ領域４１の画素２０における暗電流成分とノイズ成分との混合成分に対応した電圧信号Ｓ２を算出する。
【００８１】
次に、固体撮像装置１０は、ＰＤ有りＯＢ領域４１の画素２０の電圧信号Ｓ２からコンタクトプラグ付きＰＤ無しＯＢ領域の画素２０ａのノイズ成分に対応した電圧信号Ｓ１を減算して、暗電流成分ΔＴを算出する（ステップＳ２０５）。
【００８２】
その後、固体撮像装置１０は、有効画素領域３の画素２０の電圧信号Ｓ３から暗電流成分ΔＴを減算して暗電流補正を行って、有効画素領域３の画素２０の画素信号Ｐを算出する（ステップＳ２０６）。なお、暗電流補正は、この実施形態では後段処理部１７で行われる（図１参照）。
【００８３】
このように、固体撮像装置１０は、ＰＤ有りＯＢ領域４１の画素２０の電圧信号Ｓ２からコンタクトプラグ付きＰＤ無しＯＢ領域の画素２０ａのノイズ成分に対応した電圧信号Ｓ１を減算して、暗電流成分ΔＴを算出する。このため、固体撮像装置１０は、正確な暗電流成分ΔＴを算出することができる。
【００８４】
したがって、固体撮像装置１０は、算出した正確な暗電流成分ΔＴに基づいて暗電流補正を行うことができ、撮像画像の画質特性を向上させることができる。
【００８５】
また、上述した実施形態に係る固体撮像装置１０が行う暗電流補正は、有効画素領域３の画素２０の電圧信号Ｓ３から暗電流成分ΔＴを減算して、有効画素領域３の画素２０の画素信号Ｐを算出しているが、この形態に限られない。
【００８６】
他の形態として、固体撮像装置１０は、まず、有効画素領域３の画素２０の電圧信号Ｓ３からコンタクトプラグ付きＰＤ有り（無し）ＯＢ領域の画素２０，２０ａのノイズ成分に対応した電圧信号Ｓ１を減算する。そして、固体撮像装置１０は、減算した電圧信号（Ｓ３−Ｓ１）から暗電流成分ΔＴを減算して、有効画素領域３の画素２０の画素信号Ｐを算出する。
【００８７】
かかる形態では、例えば、有効画素領域３の画素２０の電圧信号Ｓ３内に、かかる画素２０からの電荷読み出し動作によって生じたノイズ成分に対応した電圧信号が含まれている場合に、予め電圧信号Ｓ３内のノイズ成分を取り除くことができる。
【００８８】
したがって、かかる固体撮像装置１０は、コンタクトプラグ付きＰＤ有り（無し）ＯＢ領域の画素２０，２０ａを用いることで、有効画素領域３の画素２０の電圧信号Ｓ３内のノイズ成分を取り除くことができ、撮像画像の画質特性をより向上させることができる。
【００８９】
また、上述した実施形態に係る固体撮像装置１０が裏面照射型の固体撮像装置である場合について説明したが、上記したコンタクトプラグ５０および電圧印加部５の構成は、表面照射型の固体撮像装置に採用することができる。
【００９０】
かかる場合においても、表面照射型の固体撮像装置は、コンタクトプラグ付きＰＤ無しＯＢ領域における画素を用いて電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分を別に生成することができる。
【００９１】
したがって、かかる固体撮像装置は、ＰＤ有りＯＢ領域の画素の電圧信号からコンタクトプラグ付きＰＤ無しＯＢ領域の画素により生成したノイズ成分に対応した電圧信号を減算することで、正確な暗電流成分を算出することができる。
【００９２】
そのため、かかる固体撮像装置は、算出した正確な暗電流成分に基づいて暗電流補正を行うことができ、撮像画像の画質特性を向上させることができる。
【００９３】
また、上述した実施形態に係る画素２０，２０ａは、Ｓｉ層６０をＰ型とし、Ｓｉ領域６１をＮ型としているが、これに限られず、Ｓｉ層６０をＮ型とし、Ｓｉ領域６１をＰ型として、画素２０，２０ａを構成するようにしてもよい。
【００９４】
また、上述の実施形態では、２画素１セル構造の画素２０，２０ａを例にとって説明したが、１画素１セル構造または４画素１セル構造などのその他の構造の画素であっても同様である。
【００９５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９６】
１０  固体撮像装置、  １１  垂直走査回路、  １２  負荷回路、  １３  カラムＡＤＣ回路、  １４  水平走査回路、  １５  基準電圧発生回路、  １６  タイミング制御回路、  １７  後段処理部、  ２  画素アレイ、  ２０  画素、  ３  有効画素領域、  ４  オプティカルブラック領域、  ４０  光電変換素子、  ４１  ＰＤ有りＯＢ領域、  ４２  コンタクトプラグ付きＰＤ有りＯＢ領域、  ５  電圧印加部、  ５０  コンタクトプラグ、  ５１  コンタクトホール、  ５２  絶縁膜、  ５３  導電性部材、  ６  半導体層、  ６０  Ｐ型のＳｉ層、  ６１  Ｎ型のＳｉ領域、  ６２  Ｐ型の不純物がドープされた領域、  ６３  絶縁部材、  ６４  素子分離領域、  ６５  幅広部、  ６６  フローティングディフュージョン、  ７  多層配線層、  ７０  層間絶縁膜、  ７２  多層配線、  ７３  ゲート絶縁膜、  ７４  転送ゲート、  ７５  支持基板、  ８  反射防止層、  ８１  遮光膜、  ８２  カラーフィルタ、  ８３  マイクロレンズ、  ９  光、  ９０  暗電荷、  ＣＤ  垂直方向、  ＲＤ  水平方向、  Ｈｌｉｎ  水平制御線、  Ｖｌｉｎ  垂直信号線、  ＰＤ１，ＰＤ２  フォトダイオード、  ＴＲＳ１，ＴＲＳ２  転送トランジスタ、  ＲＳＴ  リセットトランジスタ、  ＡＭＰ  増幅トランジスタ、  Ｔ  電流源
【図１】
2019096914.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成31年4月9日(2019.4.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を光電変換する有効画素領域と、
入射光が遮断されるオプティカルブラック領域と
を備え、
前記有効画素領域は、
第１の素子分離領域と、前記第１の素子分離領域によって分離された第１導電型の半導体層に第２導電型の電荷蓄積領域が形成された光電変換素子を有する第１の画素を備え、
前記オプティカルブラック領域は、
第２の素子分離領域と、前記第２の素子分離領域によって分離された前記第１導電型の半導体層を有する第２の画素を備え、
前記オプティカルブラック領域における前記第２の画素の前記第１導電型の半導体層に電気的に接続されるコンタクトプラグと、
前記コンタクトプラグへ所定の電圧を印加する電圧印加部と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記コンタクトプラグは、
前記オプティカルブラック領域における前記第１導電型の半導体層で発生した電荷を排出する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１導電型の半導体層はＰ型の半導体層で構成され、
前記電圧印加部は前記コンタクトプラグに所定の正の電圧を印加する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１導電型の半導体層の受光面側とは逆の面側に配線層を備え、
前記コンタクトプラグは、
前記配線層の配線と前記第１導電型の半導体層とを電気的に接続する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記オプティカルブラック領域は、
被写体からの光を受光する前記有効画素領域の外縁に設けられる
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記オプティカルブラック領域における前記第２の画素の前記第１導電型の半導体層から電荷を読み出す読み出しトランジスタを備え、
前記読み出しトランジスタは、
ゲートに所定の電圧が印加されることで電圧レベルが固定される
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の固体撮像装置。 
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
一つの実施形態によれば、固体撮像装置が提供される。実施形態に係る固体撮像装置は、入射光を光電変換する有効画素領域と、入射光が遮断されるオプティカルブラック領域と、コンタクトプラグと電圧印加部とを備える。有効画素領域は、第１の素子分離領域と、第１の素子分離領域によって分離された第１導電型の半導体層に第２導電型の電荷蓄積領域が形成された光電変換素子を有する第１の画素を備える。オプティカルブラック領域は、第２の素子分離領域と、第２の素子分離領域によって分離された第１導電型の半導体層を有する第２の画素を備える。コンタクトプラグは、オプティカルブラック領域における第２の画素の第１導電型の半導体層に電気的に接続される。電圧印加部は、コンタクトプラグへ所定の電圧を印加する。