(57)【要約】【課題】  オプティカルブラック領域において、特に強い光が入射した際に、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。【解決手段】  ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、オプティカルブラック領域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、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する。【選択図】  図４
2005039053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１０３０３６号公報（特に、段落００１５，００２０および図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【発明の効果】
【００１３】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】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。
【図２】画素の回路構成の一例を示す回路図である。
【図３】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。
【図４】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。
【符号の説明】
【００３９】
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
【図１】
2005039053.tif 000003
【図２】
2005039053.tif 000004
【図３】
2005039053.tif 000005
【図４】
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