JP2009016432A - Solid image-capturing element and image-capturing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、感光画素領域とオプチカルブラック領域とを有する固体撮像素子および撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and an imaging apparatus having a photosensitive pixel area and an optical black area.
CCD(Charge Coupled Device)撮像素子や、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)撮像素子等の固体撮像素子は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話機等の画像を記録する携帯電子機器等の広く搭載されている。この固体撮像素子は、図11の平面模式図に示すように、光に感応して電荷を発生する感光画素1と、発生した電荷を列方向に転送する複数の垂直電荷転送部3と、各垂直電荷転送部3の列方向下流側に接続され垂直電荷転送部3によって転送される電荷を行方向に転送する水平電荷転送部5と、水平電荷転送部5の電荷転送方向終端側に配置され、水平電荷転送部5で転送された信号電荷を信号電圧に変換して増幅する出力アンプ7とを備えている。また、黒レベルの設定のために、感光画素領域9の外側に、受光部上を例えばタングステン等の遮光性の高い金属からなる遮光膜11で覆ったオプチカルブラック領域13を配置している。
Solid-state image sensors such as CCD (Charge Coupled Device) image sensors and CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensors are widely used in portable electronic devices that record images such as digital cameras, digital video cameras, and mobile phones with cameras. Has been. As shown in the schematic plan view of FIG. 11, the solid-state imaging device includes a
上記したオプチカルブラック領域は、黒レベルの基準信号生成用として用いられるものであり(例えば特許文献1参照)、また、その際に、感光画素領域とオプチカルブラック領域との画素構造を同じとして、両者における暗電流を同一とすることにより、黒浮きや黒沈みの問題を解決する技術が開示されている(例えば特許文献2参照)。
ところで、図12に図11のC1−C2断面を示すように、固体撮像素子は、シリコン基板のPウェル層15の上側に所定の間隔でp型半導体層からなる素子分離層17が形成され、各素子分離層17の上に、n型半導体層からなる垂直電荷転送部3が形成されている。そして、隣り合う素子分離層17との間にn−型半導体層19が形成されており、垂直電荷転送部3の一方の側にはp型半導体層からなる読み出しゲート21が隣接して形成され、垂直電荷転送部3の他方の側にはp型半導体層からなる素子分離層23が隣接して形成されている。そして、これら各層の上側にゲート絶縁膜25が形成され、各垂直電荷転送部3の上方には転送電極27が形成されている。さらに、これらゲート絶縁膜25,転送電極27を覆うように層間絶縁膜29および遮光膜11が形成されている。遮光膜11の一部には、開口31が形成されている。この開口31の位置に対応する感光画素領域9の感光画素1には、p型半導体層33とn+型半導体層35からなるフォトダイオード37が形成されている。オプチカルブラック領域13の遮光画素39には、このようなフォトダイオードが存在しない構成となっている。
By the way, as shown in the C1-C2 cross section of FIG. 11 in FIG. 12, in the solid-state imaging device, an
このように、感光画素領域9の感光画素1にフォトダイオード37がありオプチカルブラック領域13の遮光画素39にフォトダイオード37が存在しない場合には、フォトダイオード37の電荷蓄積部35とは異なる導電型で形成される遮光画素39の素子分離層17は、多数キャリア濃度が高くなる。その結果、遮光画素39に隣接する感光画素1のフォトダイオード37周辺の素子分離層17の電荷分離効果がより強固となる。これに伴って、その画素1のフォトダイオード37における蓄積電荷をオーバーフロードレインに掃き捨てるために必要な基板電圧は、隣接画素にフォトダイオード37が形成された画素と比較すると増大する。特に、画素サイズが微細化された場合には、画素同士の距離が短くなるためこの現象がより顕著に現れ、感光画素領域9の外縁側あるいは感光画素領域9内に、輝度の高い点や線が現れたり白飛びしたりする不具合を生じていた。
As described above, when the
これに対して、上記特許文献2に記載されたように、感光画素領域9とオプチカルブラック領域13との画素構造を同じにすると、オプチカルブラック領域13に隣接する画素に対してフォトダイオードの蓄積電荷をオーバーフロードレインに掃き捨てるための印加電圧を、他の感光画素領域9の画素と同等に低くすることができる。しかしながら、この構成では、オプチカルブラック領域全てにフォトダイオードを形成することになり、製造プロセスがより高精度化される要因の一つとされていた。また、オプチカルブラック領域にフォトダイオードが多数存在すると、黒レベルの検出に悪影響を及ぼすことがあり、特に過大な光量で撮像する画素が存在する場合に、その画素のフォトダイオード37から信号電荷が溢れ出し、隣接するオプチカルブラック領域のフォトダイオードに流れ込み、正確に黒レベルを測定することができなくなる場合があった。
On the other hand, as described in Patent Document 2, when the photosensitive pixel region 9 and the optical
本発明は、上記状況に鑑みてなされたもので、感光画素領域の全体の画素の蓄積電荷をオーバーフロードレインに掃き捨てるために必要な印加電圧を均一化して低くすることができるとともに、精度良く適正な黒レベル補正を行うことが可能な固体撮像素子および撮像装置の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above situation, and it is possible to equalize and lower the applied voltage necessary for sweeping out the accumulated charge of the entire pixel in the photosensitive pixel region to the overflow drain, and to accurately and appropriately An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device and an imaging apparatus capable of performing black level correction.
本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
(1) 入射光を光電変換するフォトセンサをそれぞれ備えた複数の画素を行方向および列方向に配列した感光画素領域と、入射光を遮光して黒信号レベルを検出するオプチカルブラック領域と、を半導体基板に形成した固体撮像素子であって、
前記感光画素領域の周囲に隣接して複数のダミー画素が環状に配置され、該ダミー画素には、それぞれ前記フォトセンサの電荷蓄積部と同じ導電型の半導体領域が形成されており、
前記オプチカルブラック領域は、前記ダミー画素を囲んで配置され、前記フォトセンサを有する画素と前記フォトセンサを有さない画素との双方を備えている固体撮像素子。
The above object of the present invention is achieved by the following configuration.
(1) A photosensitive pixel region in which a plurality of pixels each provided with a photosensor that photoelectrically converts incident light is arranged in a row direction and a column direction, and an optical black region that blocks the incident light and detects a black signal level. A solid-state imaging device formed on a semiconductor substrate,
A plurality of dummy pixels are annularly arranged adjacent to the periphery of the photosensitive pixel region, and each of the dummy pixels has a semiconductor region of the same conductivity type as the charge storage portion of the photosensor,
The optical black region is disposed so as to surround the dummy pixel, and includes a pixel having the photosensor and a pixel not having the photosensor.
この固体撮像素子によれば、感光画素領域の全周囲に隣接して複数のダミー画素が環状に配置されており、ダミー画素には、それぞれフォトセンサの電荷蓄積部と同じ導電型の半導体領域が形成されているため、感光画素領域の全体の画素の蓄積電荷をオーバーフロードレインに掃き捨てるために必要な印加電圧の増大を防ぐことができる。また、オプチカルブラック領域は、フォトセンサを有する画素とフォトセンサを有さない画素とを備えているため、例えば、余分な電荷が入り込むような明度が高い条件下では、フォトセンサを有さない画素からの検出信号を用いて黒レベルの補正を行い、暗電流が大きくなるような明度が低い条件下では、フォトセンサを有する画素からの検出信号を用いて黒レベルの補正を行うといった切り換え制御が可能となる。 According to this solid-state imaging device, a plurality of dummy pixels are annularly arranged adjacent to the entire periphery of the photosensitive pixel region, and each dummy pixel has a semiconductor region having the same conductivity type as the charge storage portion of the photosensor. Therefore, it is possible to prevent an increase in applied voltage necessary for sweeping out the accumulated charges of the entire pixels in the photosensitive pixel region to the overflow drain. Further, since the optical black region includes a pixel having a photosensor and a pixel not having a photosensor, for example, a pixel that does not have a photosensor under a condition where the brightness is high such that extra charge enters. The black level correction is performed using the detection signal from the pixel, and the switching control is performed such that the black level is corrected using the detection signal from the pixel having the photosensor under a low lightness condition where the dark current increases. It becomes possible.
(2) (1)記載の固体撮像素子であって、前記ダミー画素の半導体領域が前記フォトセンサを形成する固体撮像素子。 (2) The solid-state imaging device according to (1), wherein a semiconductor region of the dummy pixel forms the photosensor.
この固体撮像素子によれば、ダミー画素の半導体領域とフォトセンサとが同形状とされているため、ダミー画素の形成が容易となる。 According to this solid-state imaging device, the dummy pixel can be easily formed because the semiconductor region of the dummy pixel and the photosensor have the same shape.
(3) (1)または(2)記載の固体撮像素子であって、前記ダミー画素は、少なくとも複数行または複数列にわたって形成されている固体撮像素子。 (3) The solid-state imaging device according to (1) or (2), wherein the dummy pixels are formed over at least a plurality of rows or a plurality of columns.
この固体撮像素子によれば、ダミー画素を、少なくとも複数行または複数列にわたって形成することで、感光画素領域の全体の画素から、不要な蓄積電荷をオーバーフロードレインに掃き捨てるために必要な基板電圧の増大を防止し、ブルーミング発生時に感光画素領域から溢れ出す電荷を、確実にダミー画素内で堰き止めることができ、これにより、オプチカルブラック領域による黒レベルの補正を精度良く適正に行える。 According to this solid-state imaging device, by forming the dummy pixels over at least a plurality of rows or a plurality of columns, the substrate voltage necessary for sweeping unnecessary accumulated charges from the entire pixels in the photosensitive pixel region to the overflow drain is reduced. It is possible to prevent the increase, and the electric charge overflowing from the photosensitive pixel area at the time of blooming can be reliably dammed in the dummy pixel, and thereby the black level can be corrected accurately and appropriately in the optical black area.
(4) (1)〜(3)のいずれか1項記載の固体撮像素子であって、前記感光画素領域の画素内に形成されるフォトセンサがn型半導体層からなる電荷蓄積部を有し、前記感光画素領域の画素と該画素に隣接する他の画素との間に形成された素子分離層がp型半導体層からなり、前記素子分離層の前記フォトセンサとは反対側の前記素子分離層近傍に、n型半導体層が形成されている固体撮像素子。 (4) The solid-state imaging device according to any one of (1) to (3), wherein a photosensor formed in a pixel in the photosensitive pixel region has a charge storage unit including an n-type semiconductor layer. An element isolation layer formed between a pixel in the photosensitive pixel area and another pixel adjacent to the pixel is a p-type semiconductor layer, and the element isolation on the opposite side of the element isolation layer from the photosensor. A solid-state imaging device in which an n-type semiconductor layer is formed in the vicinity of the layer.
この固体撮像素子によれば、フォトセンサのn型半導体層からなる電荷蓄積部に対して、素子分離層がp型半導体層からなり、素子分離領域のフォトセンサとは反対側にn型半導体層が形成されることで、素子分離層の電荷バリアのポテンシャルが低くなる。その結果、フォトセンサの不要な蓄積電荷をオーバーフロードレインに掃き捨てる際に、必要とされる印加電圧を低く抑えることができる。 According to this solid-state imaging device, the element isolation layer is made of a p-type semiconductor layer with respect to the charge storage portion made of the n-type semiconductor layer of the photosensor, and the n-type semiconductor layer is on the opposite side of the element isolation region from the photosensor. As a result, the potential of the charge barrier of the element isolation layer is lowered. As a result, the required applied voltage can be kept low when the unnecessary accumulated charge of the photosensor is swept away to the overflow drain.
(5) (1)〜(4)のいずれか1項記載の固体撮像素子と、前記固体撮像素子の感光画素領域からの出力信号を、前記オプチカルブラック領域からの検出信号に基づいて黒レベルの補正を行い、画像データを生成する信号処理手段と、を備えた撮像装置。 (5) An output signal from the solid-state imaging device according to any one of (1) to (4) and a photosensitive pixel region of the solid-state imaging device is converted to a black level based on a detection signal from the optical black region. An image pickup apparatus comprising: a signal processing unit that performs correction and generates image data.
この撮像装置によれば、固体撮像素子の感光画素領域全体の蓄積電荷をオーバーフロードレインに掃き捨てるために必要な基板電圧を均一化し、特に感光画素領域の外縁の画素については基板電圧を低く抑えることができる。 According to this imaging apparatus, the substrate voltage necessary for sweeping away the accumulated charge in the entire photosensitive pixel region of the solid-state imaging device to the overflow drain is made uniform, and particularly the substrate voltage is kept low for the pixels at the outer edge of the photosensitive pixel region. Can do.
(6) (5)に記載の撮像装置であって、前記信号処理手段が、撮像した画像データの明暗情報に基づいて、前記画像データの明度が高い場合には、前記オプチカルブラック領域のフォトセンサを有さない画素からの検出信号を用いて前記黒レベルの補正を行い、前記明度が低い場合には、前記オプチカルブラック領域のフォトセンサを有する画素からの検出信号を用いて前記黒レベルの補正を行う切り換え機能を有する撮像装置。 (6) In the imaging device according to (5), when the signal processing unit has high brightness of the image data based on brightness information of the captured image data, the photo sensor in the optical black region The black level is corrected using a detection signal from a pixel that does not have the light level, and when the brightness is low, the black level is corrected using a detection signal from a pixel having a photosensor in the optical black region. An imaging device having a switching function for performing.
この撮像装置によれば、ブルーミングが発生するような明度が高い撮像条件下では、フォトセンサを有さない画素からの検出信号を用いて黒レベルの補正を行い、暗電流が大きくなるような明度が低い条件下では、感光画素領域と同構造のフォトセンサを有する画素からの検出信号を用いて黒レベルの補正を行うことができる。したがって、より精度良く適正に黒レベルの補正を行うことができる。 According to this imaging apparatus, under an imaging condition with high brightness that causes blooming, the brightness is such that the dark level is increased by correcting the black level using a detection signal from a pixel that does not have a photosensor. Under low conditions, the black level can be corrected using a detection signal from a pixel having a photosensor having the same structure as the photosensitive pixel region. Therefore, it is possible to correct the black level more accurately and appropriately.
本発明によれば、感光画素領域の全体の画素の蓄積電荷をオーバーフロードレインに掃き捨てるために必要な基板電圧を、均一化して低く抑えることができるとともに、精度良く適正に黒レベル補正を行うことができる。 According to the present invention, the substrate voltage necessary for sweeping out the accumulated charges of the entire pixels in the photosensitive pixel region to the overflow drain can be made uniform and low, and the black level can be corrected accurately and appropriately. Can do.
以下、本発明に係る固体撮像素子および撮像装置の好適な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は本発明に係るデジタルカメラ(撮像装置)の要部構成図、図2は図1に示す固体撮像素子の画素配置を概念的に示す平面模式図である。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a solid-state imaging device and an imaging device according to the invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a main part configuration diagram of a digital camera (imaging device) according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic plan view conceptually showing a pixel arrangement of the solid-state imaging device shown in FIG.
(第1実施形態)
図1に示すように、デジタルカメラ100は、CCD型の固体撮像素子41と、デジタルカメラを統括制御するCPU43と、CPU43からの指示により固体撮像素子41を駆動する撮像素子駆動部45と、固体撮像素子41から出力された信号を受け取って信号処理し、画像データの出力を行う信号処理手段47とを備える。撮像素子駆動部45は、固体撮像素子41に対して、読み出しパルスや、垂直転送パルスφV,水平転送パルスφHを出力する。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the
図1において模式的に示す固体撮像素子41には、半導体基板の表面部に二次元アレイ状に配列形成された多数のフォトセンサであるフォトダイオード(図1においては図示略)と、各フォトダイオードの列の側方に形成された複数列の垂直電荷転送部(VCCD)49とが設けられている。半導体基板の感光画素領域55の周辺部は、遮光膜51に覆われたダミー画素領域64およびオプチカルブラック(OB)領域53になっている。
A solid-
また、各垂直電荷転送部49の電荷転送下流型端部には水平電荷転送部(HCCD)57が設けられ、垂直電荷転送部49に沿って転送されてきたフォトダイオードからの信号電荷をそれぞれ受け取り、水平電荷転送部57の出力端に信号電荷を転送する。出力端には出力アンプ59が設けられ、信号電荷の電荷量に応じた電圧信号が信号処理手段47に出力される。
Further, a horizontal charge transfer unit (HCCD) 57 is provided at the end of the charge transfer downstream type of each vertical
信号処理手段47は、感光画素領域55の信号電荷に基づく画像データを生成するとともに、オプチカルブラック領域53から読み出したデータを用いて、有効撮像領域55からの画像データの黒レベル補正を行い、補正後の画像データを出力する。フォトセンサとしては、フォトダイオードの他、フォトトランジスタなど他の光センサであってもよい。
The
ここで、固体撮像素子41のより詳細な構成について、図2を用いて説明する。
図2に固体撮像素子の平面模式図を示すように、固体撮像素子41は、入射光を光電変換するフォトダイオードをそれぞれ備えた複数の画素63を行方向および列方向に配列した感光画素領域55と、感光画素領域55の周囲に隣接して環状に配置された複数のダミー画素65と、ダミー画素65を囲んで配置され入射光を遮光して黒信号レベルを検出するオプチカルブラック領域53と有している。
Here, a more detailed configuration of the solid-
As shown in the schematic plan view of the solid-state imaging device in FIG. 2, the solid-
つまり、感光画素領域55の外縁となる画素位置(図中の上下左右端)において、各画素63それぞれに対して、感光画素領域55の外側で隣接する位置にダミー画素65が複数設けられている。したがって、感光画素領域55の四辺の外縁より外側に、図中上下に各1行、並びに左右に各1列のダミー画素65が配列されている。ダミー画素65の配列される行および列の各交差位置にもそれぞれダミー画素65が設けられている。
That is, a plurality of
そして、これら環状に配置されたダミー画素65のさらに外側に該ダミー画素65を囲んで配置されるオプチカルブラック領域53には、フォトダイオードを有する画素67と、フォトダイオードを有さない画素69とを設けている。つまり、ダミー画素領域64の一端側(図示左端側)の外側で列を形成してフォトダイオードを有する画素67が設けられ、他のオプチカルブラック領域53には、環状のダミー画素65を囲むように複数のフォトダイオードを有さない画素69が配置されている。
In addition, in the optical
次に、上記平面構造の固体撮像素子の断面構成について説明する。
図3は図2のA1−A2−A3断面を示す断面図である。
シリコン基板上に形成された固体撮像素子41は、シリコン基板のPウェル層71の上側に所定の間隔でp型半導体層からなる素子分離層73が形成され、これら素子分離層73の上に、n型半導体層からなる垂直電荷転送部49が形成されている。そして、隣り合う素子分離層73の間にn−型半導体層75が形成されており、垂直電荷転送部49の一方の側にはp型半導体層からなる読み出しゲート77が隣接して形成され、垂直電荷転送部49の他方の側にはp型半導体層からなる素子分離層79が隣接して形成されている。
Next, a cross-sectional configuration of the planar structure solid-state imaging device will be described.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a cross section A1-A2-A3 of FIG.
In the solid-
そして、これら各層の上側にゲート絶縁膜81が形成され、各垂直電荷転送部49の上方には転送電極83が形成されている。さらに、これらゲート絶縁膜81,転送電極83を覆うように層間絶縁膜85および遮光膜51が形成されている。この遮光膜51の一部には開口87が設けられている。この開口87の位置に対応する感光画素領域55の感光画素63には、p型半導体層89とn+型半導体層91からなるフォトダイオード61が形成されている。ダミー画素領域64のダミー画素65にも、同形状のp型半導体層93とn+型半導体層95からなるフォトダイオード61が形成されている。ただし、ダミー画素65のフォトダイオード61には光検出機能をもたせない。なお、図3に示すオプチカルブラック領域53のダミー画素65に隣接する画素97では、n−型半導体層75とされており、フォトダイオードを有していない。
A
上記断面構造の固体撮像素子10におけるポテンシャル電位は次のようになる。
図4は図3に示すB1−B2線の各位置におけるポテンシャル電位を表す電位分布図である。
感光画素領域55の外縁となる感光画素63の素子分離層73−フォトダイオード61−pウェル層71−基板で示すB1−B2線におけるポテンシャル電位は、図中実線で示す分布となる。つまり、素子分離層73、読み出しゲート77、pウェル層71にポテンシャルバリアが形成され、垂直電荷転送部49とフォトダイオード61に電位の井戸が形成されている。
The potential potential in the solid-
FIG. 4 is a potential distribution diagram showing the potential potential at each position of the B1-B2 line shown in FIG.
The potential potential in the B1-B2 line indicated by the element isolation layer 73-photodiode 61-p well layer 71-substrate of the
ここで、pウェル層71の位置に着目すると、ダミー画素65にフォトダイオード61が存在しない場合には、図中一点鎖線で示すように、pウェル層71のポテンシャルバリアが実効的に高く形成される。この場合に、フォトダイオード61の蓄積電荷をオーバーフロードレインである基板へ掃き出し(リセット)するには、図中二点鎖線で示すように基板電圧Vsub3の電位が必要となる。ところが、ダミー画素65にフォトダイオード(実質的にはN+型半導体層)が存在する場合には、図中実線で示すようにpウェル層71のポテンシャルバリアが低くなり、その結果、フォトダイオード61の蓄積電荷をリセットする基板電圧はVsub3からVsub2に低減される。これにより、通常は感光画素領域55全体の蓄積電荷をリセットする際に基板電圧Vsub3を印加する必要があったが、本実施形態の固体撮像素子41によれば、基板電圧Vsub2を印加することで感光画素領域55外縁の画素63を含めて領域55全体をリセットできる。
Here, paying attention to the position of the p-
つまり、本実施形態の固体撮像素子41においては、感光画素領域55の全周囲に隣接して複数のダミー画素65が環状に配置されており、各ダミー画素65には、それぞれフォトダイオード61の電荷蓄積部と同じ導電型であるn+型半導体層95が形成されているため、感光画素領域55の外縁の画素63に対する蓄積電荷のリセットに必要な基板電圧を低く抑えることができる。これにより、感光画素領域55全体でリセット時の基板電圧を均一化して低く抑えることができる。
That is, in the solid-
また、上記構成の固体撮像素子41を搭載したデジタルカメラ100によれば、オプチカルブラック領域53にフォトダイオードを有する画素67と、フォトダイオードを有さない画素69との双方を設けたことから、黒レベルの補正を撮像条件に応じて最適に設定することができる。
具体的には、デジタルカメラ100の信号処理手段47(図1参照)では、撮影シーンに応じた撮影モードの切り換えが行われる。撮影モードとして、例えば、十分な光量下での通常撮影モードと、光量の少ない夜景撮影モード等があった場合、それぞれの撮影モードで異なる黒レベルの補正処理を実施する。
Further, according to the
Specifically, the signal processing means 47 (see FIG. 1) of the
図5に本実施形態に係るデジタルカメラの撮影時における制御フローチャートを示した。図5に示すように、撮影をするときに、まず、適宜なカメラ操作部により撮影モードの設定が行われ(ステップS1)、撮影(固体撮像素子41への露光)が行われると(ステップS2)、信号処理手段47により撮像画像の明暗を判定する(ステップ」S3)。この撮像画像の明暗の判定は、撮影モードが通常撮影モードの場合は「明」、夜景撮影モードの場合は「暗」としてもよく、さらには、実際の撮像画像の輝度情報を参照して、撮像画像の平均輝度、輝度のヒストグラム等から輝度レベルを判定して設定しても良い。 FIG. 5 shows a control flowchart at the time of photographing with the digital camera according to the present embodiment. As shown in FIG. 5, when shooting, first, a shooting mode is set by an appropriate camera operation unit (step S1), and shooting (exposure to the solid-state imaging device 41) is performed (step S2). ), The light and darkness of the captured image is determined by the signal processing means 47 (step S3). The determination of the brightness of the captured image may be “bright” when the shooting mode is the normal shooting mode, “dark” when the shooting mode is the night scene shooting mode, and further, referring to the luminance information of the actual captured image, The brightness level may be determined and set from the average brightness of the captured image, the brightness histogram, or the like.
そして、信号処理手段47は、ブルーミング発生時や、遮光膜を通過する程の明度が高い条件下では、オプチカルブラック領域53内のフォトダイオードを有さない画素(例えば図2に示すQb−Qb線上の画素69)からの検出信号を用いて黒レベルの補正を行う(ステップS4)。一方、フォトダイオードに蓄積される暗電流が大きくなり無視できなくなる明度が低い条件下では、オプチカルブラック領域53内のフォトダイオードを有する画素(例えば図2に示すQa−Qa線上の画素67)からの検出信号を用いて黒レベルの補正を行う(ステップS5)。このような黒レベルの補正後に画像信号が出力される(ステップS6)。
Then, the signal processing means 47 is a pixel that does not have a photodiode in the optical black region 53 (for example, on the Qb-Qb line shown in FIG. 2) under the occurrence of blooming or under the condition that the brightness is high enough to pass through the light shielding film. The black level is corrected using the detection signal from the pixel 69) (step S4). On the other hand, under the condition that the dark current accumulated in the photodiode is large and the brightness is low and cannot be ignored, the pixel from the pixel having the photodiode in the optical black region 53 (for example, the
これにより、補正後の画像信号が、より適正な黒レベルの補正が行われ、暗電流の影響を高精度で排除できる。また、フォトダイオードを有する画素67は、固体撮像素子41の列方向(図中縦方向)に複数個が配列されているので、感光画素領域55の列方向に沿って黒レベルが変化する場合に、これを適正に補正することができる。
As a result, the corrected image signal is corrected to a more appropriate black level, and the influence of dark current can be eliminated with high accuracy. Further, since a plurality of
このように、固体撮像素子41およびこれが設けられたデジタルカメラ100によれば、感光画素領域55の全体の画素63の蓄積電荷をオーバーフロードレインに掃き捨てるために必要な印加電圧を均一化して低くすることができるとともに、より適正な黒レベルの補正を行うことができる。また、ダミー画素65の半導体領域と画素63のフォトダイオード61とが同形状とされているため、感光画素領域55のフォトダイオード61と共に作り込むことができ、固体撮像素子41の製造プロセスを煩雑にすることがない。
As described above, according to the solid-
上記構成の固体撮像素子41は、種々の変形例が考えられる。
(変形例1)
図6に固体撮像素子の変形例1の平面模式図を示した。
図6に示す変形例1の固体撮像素子41Aは、ダミー領域64の一端側の列(図中左端側)の外側で列(Qa−Qa線)を形成してフォトダイオードを有する画素67が設けられるとともに、ダミー領域64の一端側の行(図中下端側)の外側で行(Pa−Pa線)を形成してフォトダイオードを有する画素67が設けられている。また、これら一端側の行および列の交差位置にもフォトダイオードを有する画素67が設けられている。そして、環状のダミー画素65およびフォトダイオードを有する画素67の全体を囲むように複数のフォトダイオードを有さない画素69が配置されている。
Various modifications can be considered for the solid-
(Modification 1)
FIG. 6 shows a schematic plan view of
The solid-
この変形例1の構成の場合、撮像画像の明度が高い場合は、オプチカルブラック領域53内のフォトダイオードを有さない画素(例えば図6に示すQb−Qb線上の画素69、あるいはPb−Pb線上の画素69)からの検出信号を用いて黒レベルの補正を行う。一方、明度が低い場合は、オプチカルブラック領域53内のフォトダイオードを有する画素(例えば図6に示すQa−Qa線上の画素67、あるいはPa−Pa線上の画素67)からの検出信号を用いて黒レベルの補正を行う。
In the case of the configuration of the first modification, when the brightness of the captured image is high, the pixel in the optical
この固体撮像素子41Aによれば、フォトダイオードを有する画素67が固体撮像素子41の列方向(縦方向)および行方向(横方向)にそれぞれ複数個が配列されているので、感光画素領域55の列方向または行方向、あるいは両方向に沿って黒レベルが変化する場合に、これを適正に補正することができる。また、画素67を必要最小限の1列、1行分のみ設けているので、スペース効率が高めつつ、精度良く黒レベルの補正を行うことができる。
According to the solid-
(変形例2)
図7に固体撮像素子の変形例2の平面模式図を示した。
図7に示す変形例2の固体撮像素子41Bは、環状に配置された各ダミー画素65のそれぞれに対し、感光画素領域55とは反対側にフォトダイオードを有する画素67が隣接して設けられ、また、画素67の行と列の各交差位置にもフォトダイオードを有する画素67が設けられている。つまり、ダミー画素65の外側に配置されるオプチカルブラック領域53内に、フォトダイオードを有する複数の画素67が、ダミー画素65の周囲に環状に配置されている。そして、環状に配置された画素67の全体を囲むようにフォトダイオードを有さない画素69が複数配置されている。
(Modification 2)
FIG. 7 shows a schematic plan view of Modification 2 of the solid-state imaging device.
In the solid-
この固体撮像素子41Bによれば、フォトダイオードを有する画素67が環状に配置されたダミー画素65の全周にわたり、列方向および行方向にそれぞれ複数個が配列されているので、感光画素63の列方向または行方向、あるいは両方向に沿って黒レベルが変化する場合に、これを適正に補正することができる。特に、感光画素領域55の上下、左右で異なる黒レベルを有する場合に、これを正確に補正することができ、高精度の黒レベル補正を行うことができる。
According to this solid-
(変形例3〜5)
さらに本実施形態に係る固体撮像素子は、次に示す変形例3〜5の構成とすることもできる。
図8は固体撮像素子の(a)変形例3、(b)変形例4、(c)変形例5の平面模式図である。
図8(a)に示す変形例3では、フォトダイオードを有する画素67を、ダミー画素65から少なくとも1列以上離間させて配置している。フォトダイオードを有する画素67をダミー画素65から離間することにより、感光画素領域55にブルーミング等が発生した場合に、溢れ出る電荷が画素67に流れ込むことがなくなり、黒レベルの補正が安定して行えるようになる。
(Modifications 3 to 5)
Furthermore, the solid-state imaging device according to the present embodiment can be configured as the following modifications 3 to 5.
FIG. 8 is a schematic plan view of (a) Modification Example 3, (b) Modification Example 4, and (c) Modification Example 5 of the solid-state imaging device.
In Modification 3 shown in FIG. 8A, the
図8(b)に示す変形例4では、図8(a)に示すフォトダイオードを有する画素67を複数列設けた構成としている。この場合、黒レベルの補正により多くの画素からの検出信号を用いることができるので、検出値のばらつきが抑えられ、より精度の高い黒レベルの補正が可能となる。
In
図8(c)に示す変形例5では、ダミー画素65の列方向(図中縦方向)に隣接してフォトダイオードを有する画素67を複数設けた構成としている。この場合も、行方向(図中横方向)に隣接して画素67を設けた場合と同様に黒レベルの補正を良好に行うことができ、特に、感光画素領域55の行方向に黒レベルが変化する場合に、これを正確に補正することができる。
In the fifth modification shown in FIG. 8C, a plurality of
以上のように、上記のフォトダイオードを有する画素、有さない画素は、それぞれ任意の位置に配設することができる。また、黒レベルの補正に用いる画素数も必要に応じて任意に設定できる。さらに、フォトダイオードを有する画素67は、例えば図7に示す一重構造に代えて二重、三重等の複数重の環状に配置しても良い。
As described above, the pixel having the photodiode and the pixel not having the photodiode can be arranged at arbitrary positions, respectively. Further, the number of pixels used for black level correction can be arbitrarily set as necessary. Furthermore, the
(第2実施形態)
次に、第2の実施の形態を説明する。
図9は第2の実施の形態に係る固体撮像素子の図2に示すA1−A2に対応する断面図である。ここでは、図3に示す構造と同一の部位に対しては同一の符号を付与することで、その説明は省略する。
本実施形態の固体撮像素子41は、ダミー画素領域64のダミー画素65に、フォトダイオード61の電荷蓄積部であるn型半導体層91と同じ導電型であるn+型半導体層99が、フォトダイオード61を形成する場合とは異なる形状で形成されている。つまり、感光画素領域55の画素63内に形成されるフォトダイオード61がn型半導体層からなる電荷蓄積部91を有しており、感光画素領域55の画素63と該画素63に隣接する他の画素(ダミー画素65)との間に形成された素子分離層73がp型半導体層からなり、この素子分離層73のフォトダイオード61とは反対側の素子分離層73近傍に、n型半導体層99が形成されている。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described.
FIG. 9 is a cross-sectional view of the solid-state imaging device according to the second embodiment corresponding to A1-A2 shown in FIG. Here, the same parts as those in the structure shown in FIG.
In the solid-
この固体撮像素子によれば、フォトダイオード61のn型半導体層からなる電荷蓄積部91に対して、素子分離層73がp型半導体層からなり、素子分離領域のフォトダイオード61とは反対側にn型半導体層が形成されることで、素子分離領域のポテンシャルバリアが高くなることが防止される。その結果、フォトダイオード61の蓄積電荷をオーバーフロードレインに掃き捨てるリセット動作を行う際に、必要とされる基板電圧を低く抑えることができる。また、ダミー画素65にn+型半導体層99を必要な大きさで必要な領域のみ形成するため、素子構造を簡略化でき、ダミー画素65に隣接してフォトダイオードを有する画素を形成する場合、ブルーミング発生時に溢れ出る電荷が感光画素63に流れ込むことをより確実に防止できる。
なお、本第2実施形態に対しても上記した変形例1〜5と同様の変形が可能である。
According to this solid-state imaging device, the
In addition, the same modification as the above-described first to fifth modifications can be made to the second embodiment.
(第3実施形態)
次に、第3の実施の形態を説明する。
図10はCMOS型の固体撮像素子の各画素とその配線構造を示す説明図である。
上記した第1および第2の実施形態では、CCD型の固体撮像素子を適用したが、図10に示すCMOS型の固体撮像素子に対しても適用可能である。
CMOS型の固体撮像素子41Cの表面には、多数の画素103が、正方格子状に配列形成されており、各画素103の底部には、各画素103で検出したR(赤),G(緑),B(青)の信号電荷に応じた画像信号R,G,Bを読み出す信号読出回路105が形成されている。本実施形態では、信号読出回路105は、3トランジスタ構成の信号読出回路を図示する。この信号読出回路105は、1画素当たり3つ設けられ、各信号読出回路105が、R,G,Bの夫々の検出信号を垂直シフトレジスタ107,水平シフトレジスタ109で指定されたとき、出力信号部111に読み出され、信号処理手段47(図1参照)に送出される。その後の信号処理は、前述した手順と同様である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing each pixel of the CMOS type solid-state imaging device and its wiring structure.
In the first and second embodiments described above, the CCD solid-state imaging device is applied. However, the present invention can also be applied to a CMOS solid-state imaging device shown in FIG.
A large number of
以上のように、本発明の固体撮像素子および撮像装置は、例えばデジタルカメラのような様々な撮影装置に利用することができ、特に、感光画素領域の全体の画素の蓄積電荷をオーバーフロードレインに掃き捨てるために必要な印加電圧を均一化して低くすることができるとともに、精度良く適正な黒レベル補正を行うことができる。 As described above, the solid-state imaging device and the imaging device of the present invention can be used for various imaging devices such as a digital camera. In particular, the accumulated charge of the entire pixels in the photosensitive pixel region is swept to the overflow drain. The applied voltage required for discarding can be made uniform and low, and appropriate black level correction can be performed with high accuracy.
41,41A,41B,41C 固体撮像素子
45 撮像素子駆動部
47 信号処理手段
49 垂直電荷転送部(n型半導体層)
53 オプチカルブラック領域
55 感光画素領域
61 フォトダイオード(フォトセンサ)
63 画素
65 ダミー画素
67 フォトセンサを有する画素
69 フォトセンサを有さない画素
81 素子分離層
91 n+型半導体層(電荷蓄積部)
95 n+型半導体層(半導体領域)
100 デジタルカメラ(撮像装置)
41, 41A, 41B, 41C Solid-
53 Optical
63
95 n + type semiconductor layer (semiconductor region)
100 Digital camera (imaging device)
Claims (6)
前記感光画素領域の周囲に隣接して複数のダミー画素が環状に配置され、該ダミー画素には、それぞれ前記フォトセンサの電荷蓄積部と同じ導電型の半導体領域が形成されており、
前記オプチカルブラック領域は、前記ダミー画素を囲んで配置され、前記フォトセンサを有する画素と前記フォトセンサを有さない画素との双方を備えている固体撮像素子。 A photosensitive pixel region in which a plurality of pixels each having a photosensor for photoelectrically converting incident light are arranged in a row direction and a column direction, and an optical black region for detecting a black signal level by blocking incident light, are provided on a semiconductor substrate. A solid-state imaging device formed,
A plurality of dummy pixels are annularly arranged adjacent to the periphery of the photosensitive pixel region, and each of the dummy pixels has a semiconductor region of the same conductivity type as the charge storage portion of the photosensor,
The optical black region is disposed so as to surround the dummy pixel, and includes a pixel having the photosensor and a pixel not having the photosensor.
前記ダミー画素の半導体領域が前記フォトセンサを形成する固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
A solid-state imaging device in which a semiconductor region of the dummy pixel forms the photosensor.
前記ダミー画素は、少なくとも複数行または複数列にわたって形成されている固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1 or 2,
The dummy pixel is a solid-state imaging device formed over at least a plurality of rows or a plurality of columns.
前記感光画素領域の画素内に形成されるフォトセンサがn型半導体層からなる電荷蓄積部を有し、
前記感光画素領域の画素と該画素に隣接する他の画素との間に形成された素子分離層がp型半導体層からなり、
前記素子分離層の前記フォトセンサとは反対側の前記素子分離層近傍に、n型半導体層が形成された固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 3,
A photosensor formed in a pixel in the photosensitive pixel region has a charge storage portion made of an n-type semiconductor layer,
An element isolation layer formed between a pixel in the photosensitive pixel region and another pixel adjacent to the pixel is a p-type semiconductor layer,
A solid-state imaging device in which an n-type semiconductor layer is formed in the vicinity of the element isolation layer on the opposite side of the element isolation layer from the photosensor.
前記固体撮像素子の感光画素領域からの出力信号を、前記オプチカルブラック領域からの検出信号に基づいて黒レベルの補正を行い、画像データを生成する信号処理手段と、
を備えた撮像装置。 The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 4,
A signal processing unit that corrects the black level of the output signal from the photosensitive pixel region of the solid-state imaging device based on the detection signal from the optical black region, and generates image data;
An imaging apparatus comprising:
前記信号処理手段が、撮像した画像データの明暗情報に基づいて、前記画像データの明度が高い場合には、前記オプチカルブラック領域のフォトセンサを有さない画素からの検出信号を用いて前記黒レベルの補正を行い、前記明度が低い場合には、前記オプチカルブラック領域のフォトセンサを有する画素からの検出信号を用いて前記黒レベルの補正を行う切り換え機能を有する撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 5, wherein
When the signal processing means has a high brightness of the image data based on brightness information of the captured image data, the black level is detected using a detection signal from a pixel having no photosensor in the optical black region. And a switching function that corrects the black level using a detection signal from a pixel having a photosensor in the optical black region when the brightness is low.
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