JP2009272747A

JP2009272747A - 固体撮像素子及び撮像装置

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Publication number: JP2009272747A
Application number: JP2008119714A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Onodera; 竜生小野寺
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2008-05-01
Filing date: 2008-05-01
Publication date: 2009-11-19

Abstract

【課題】感度の向上とクランプミスの防止とを両立できる固体撮像素子及び撮像装置を提供する。
【解決手段】被写体からの光に応じた撮像信号を得るための光電変換部が設けられた有効画素領域と、光学的黒レベルの基準信号を得るための素子領域を有するＯＢ画素領域と、有効画素領域とＯＢ画素領域上に設けられ、有効画素領域の光電変換部の上方に開口部が形成された遮光膜とを備え、遮光膜の膜厚が、有効画素領域よりＯＢ画素領域の方が厚くなるように形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、入射光に応じて信号電荷を生成する光電変換部が配置された有効画素領域と、光学的に黒レベルの基準信号を得るためのオプティカルブラック部（ＯＢ部）が配置されたＯＢ画素領域とを有する固体撮像素子及び撮像装置に関する。

固体撮像素子は、半導体基板上に配列されたフォトダイオードなどからなる複数の光電変換部と、光電変換部から読み出された信号電荷を転送する電荷転送電極とを有し、光電変換部の上方が開口して入射光を通過させるとともに、電荷転送電極に入射する光を遮るための遮光膜が形成された画素領域を備えている。

画素領域は、被写体からの入射光に応じて信号電荷を生成することで実際に撮像信号を得るための光電変換部が配置された領域である有効画素領域と、光学的黒レベルの基準信号を得るためのＯＢ画素領域とを有している。

ＯＢ画素領域が形成された固体撮像素子としては、例えば、下記特許文献に示すものがある。

特許文献１には、光電変換素子が配列された受光部の周縁に、オプティカルブラック領域が配置された構成の固体撮像素子の構成が記載されている。

特許文献２には、ＣＣＤ型固体撮像素子の画素配列領域に有効画素領域とオプティカルブラック領域とが形成されている構成が記載されている。

特開２００７−１８４４６７号公報特開２００７−１１５９２１号公報

近年、固体撮像素子の多画素化、微細化に伴い、１画素あたりのセルサイズが次第に小さくなっている。セルサイズを小さくすると、光電変換部の上方に形成された遮光膜の開口面積も合わせて小さくなるため、光電変換部で受光される光量が少なくなり、結果として感度が低下し、画質劣化を招いてしまうことが懸念される。そこで、遮光膜を薄膜化して開口面積を大きくすることが考えられるが、ＯＢ画素領域においては、遮光膜が薄くなることに起因して光漏れが生じ、この結果、クランプミスが生じ、光学的黒レベルを正常に表示できなくなることがある点で改善の余地があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、感度の向上とクランプミスの防止とを両立できる固体撮像素子及び撮像装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
（１）被写体からの光に応じた撮像信号を得るための光電変換部が設けられた素子領域を有する有効画素領域と、光学的黒レベルの基準信号を得るため素子領域を有するＯＢ画素領域と、前記有効画素領域と前記ＯＢ画素領域上に設けられ、前記有効画素領域の光電変換部の上方に開口部が形成された遮光膜とを備え、前記遮光膜の膜厚が、前記有効画素領域より前記ＯＢ画素領域の方が厚くなるように形成されている固体撮像素子。
（２）前記遮光膜が、前記有効画素領域上に設けられた第１遮光膜と、前記ＯＢ画素領域上に設けられた第２遮光膜とを有し、前記第１遮光膜と前記第２遮光膜との間に分離部が形成されることで電気的に分離されている上記（１）に記載の固体撮像素子。
（３）半導体基板に形成された複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部から読み出された信号電荷を転送する電荷転送路とを備え、前記ＯＢ画素領域において、前記分離部近傍の位置では前記電荷転送路が形成されていない上記（２）に記載の固体撮像素子。
（４）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の固体撮像素子を備えた撮像装置。

本発明の固体撮像素子によれば、遮光膜を、有効画素領域上では薄く形成し、ＯＢ画素領域上では厚く形成する。すると、有効画素領域の遮光膜を薄膜化することで光電変換部の上方に形成する開口面積の拡大を図ることができる。また、ＯＢ画素領域の遮光膜の膜厚は厚いため、クランプミスの発生を防止できる。このため、遮光膜の膜厚を有効画素領域上よりもＯＢ画素領域上の方が厚く形成することで、有効画素領域の感度を向上させつつ、ＯＢ画素領域での光学的黒レベルの基準信号を正確に得ることができる。

有効画素領域上に設けられた第１遮光膜と、ＯＢ画素領域上に設けられた第２遮光膜とを有し、第１遮光膜と第２遮光膜との間に分離部が形成されることで電気的に分離されている構成とすれば、第１遮光膜のみに電圧を印加することができ、有効画素領域及びＯＢ画素領域のスミア及び空乏化電圧の上昇を抑制することができる。また、第１遮光膜と第２遮光膜とに独立に電圧を印加することができるため、有効画素領域及びＯＢ画素領域から同一条件で信号を読み出すことが可能となる。

ＯＢ画素領域において、分離部近傍の位置では電荷転送路が形成されていない構成とすれば、分離部を介して入射した光が、ＯＢ画素領域で検出されることを防止でき、光学的黒レベルの基準信号の精度をより一層向上させることができる。

本発明によれば、感度の向上とクランプミスの防止とを両立できる固体撮像素子及び撮像装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明にかかる固体撮像素子を備えた撮像装置の概略構成を示す図である。なお、固体撮像素子を備えた撮像装置としては、例えば、デジタルカメラやデジタルビデオカメラなどであり、本実施形態の説明では、デジタルカメラを例に説明する。

図１に示すように、撮像装置は、撮影レンズ１と、固体撮像素子５と、該撮影レンズ１と固体撮像素子５との間に設けられた絞り２と、赤外線カットフィルタ３と、光学ローパスフィルタ４とを備えている。

また、撮像装置は、電気制御系全体を統括制御するシステム制御部１１を備えている。システム制御部１１は、フラッシュの発光部１２及び受光部１３を制御し、レンズ駆動部８を制御して撮影レンズ１の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりし、絞り駆動部９を介して絞り２の開口量を制御して露光量の調整を行う。また、システム制御部１１は、撮像素子駆動部１０を介して固体撮像素子５を駆動し、撮影レンズ１を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。システム制御部１１には、操作部１４を通してユーザからの指示信号が入力される。

撮像装置には、固体撮像素子５に接続され、該固体撮像素子５から出力された信号をアナログ処理するアナログ信号処理部６と、該アナログ信号処理部６から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路７とを備えている。アナログ信号処理部６と、Ａ／Ｄ変換回路７とはシステム制御部１１によって制御される。

さらに、撮像装置には、メインメモリ１６と、メインメモリ１６に接続されたメモリ制御部１５と、補間演算やガンマ補正演算、ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行って画像データ生成するデジタル信号処理部１７と、デジタル信号処理部１７で生成された画像データをＪＰＥＧ形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部１８と、測光データを積算しデジタル信号処理部１７が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部１９と、着脱自在の記録媒体２１が接続される外部メモリ制御部２０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部２３が接続される表示制御部２２とを備え、これらは、制御バス２４及びデータバス２５によって相互に接続され、システム制御部１１からの指令によって制御される。

図２は、固体撮像素子を概略的に示す平面図である。
図２に示すように、固体撮像素子５は、半導体基板の垂直方向と該垂直方向に対して直交する水平方向に正方格子状に配列された、フォトダイオードなどからなる光電変換部５１が複数配列されている。半導体基板には、複数の光電変換部５１において、垂直方向に並べられた光電変換部５１の各列の右側に、各光電変換部から読み出された信号電荷を垂直方向に転送するための垂直電荷転送路５２が設けられている。また、半導体基板には、各光電変換部５１に蓄積された信号電荷を垂直電荷転送路５２に読み出すための電荷読み出し部５３と、垂直電荷転送路５２を転送されてきた電荷を水平方向に転送するための水平電荷転送路５４と、水平電荷転送路５４を転送されてきた電荷を電圧信号に変換して出力する出力部５５とを備えている。なお、本実施形態では、光電変換部５１が半導体基板表面に略正方向子状に配置された、いわゆるベイヤー配列を例に説明するが、光電変換部の配列はこれに限定されず、光電変換部５１の各列が、隣り合う列に対して垂直方向に１／２ピッチづつずらして配置されていもよい。

固体撮像素子には、被写体からの光に応じて光電変換作用により信号電荷を生成することで、実際に用いる画像信号を得るための素子領域を有する有効画素領域５７と、光学的黒レベルの基準信号を得るための素子領域を有するＯＢ画素領域５６とが設けられている。図２では、光学的黒レベルの基準信号を得るための光電変換部５１には、「ＯＢ」を付して示している。本実施形態の固体撮像素子５においては、被写体からの光に応じた撮像信号を得るための光電変換部５１が設けられた領域を有効画素領域５７とし、光学的黒レベルの基準信号を得るための光電変換部５１が設けられた領域をＯＢ画素領域５６とする。なお、本実施形態では、図２に示すように、有効画素領域５７の垂直方向の一方と、水平方向の一方とにＯＢ画素領域５６の光電変換部５１が設けられているが、ＯＢ画素領域５６の光電変換部５１の配置はこれに限定されず、有効画素領域５７の周囲の他の位置に設けられていてもよい。また、ＯＢ画素領域５６の素子領域には、光電変換部５１が設けられていない構成としてもよい。

図３は、図２に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線断面図であり、図４は、図２に示す固体撮像素子のＢ−Ｂ線断面図である。図３及び図４において、遮光膜の上方の構成（例えば、カラーフィルタやマイクロレンズ等）については図示せず省略している。

半導体基板は、ｎ型基板と、光入射側表面に形成された、ｐウェル層とで構成され、該ｐウェル層の表面に光電変換部５１を含む画素領域が形成されている。

光電変換部５１は、ｐウェル層の光入射側表面に形成されたｐ型不純物層５１ａと、ｐ型不純物層５１ａの下に形成されたｎ型不純物層５１ｂとから構成されている。ｐ型不純物層５１ａは、光電変換部５１の表面電位を固定して暗電流を防ぐ機能を有している。光電変換部５１で発生した信号電荷は、ｎ型不純物層５１ｂに蓄積される。

半導体基板５０において光電変換部５１の左側には、少し離間してｎ型不純物層からなる垂直電荷転送路５２が形成されている。光電変換部５１と垂直電荷転送路５２との間には、光電変換部５１のｎ型不純物層５１ｂに蓄積された信号電荷を垂直電荷転送路５２に読み出すため、ｐ型不純物からなる電荷読み出し部５３が形成されている。

半導体基板５０において、光電変換部５１，垂直電荷転送路５２及び電荷読み出し部５３の上方には、シリコン酸化膜やＯＮＯ膜等からなる図示しないゲート絶縁膜が形成されている。半導体基板５０の上方には、ゲート絶縁膜を介して垂垂直電荷転送路５２に電圧を供給して電荷転送動作を制御するための、ポリシリコン等からなる電極５８が形成されている。

ゲート絶縁膜及び電極５８を覆うように絶縁膜５９が形成され、絶縁膜５９上に、アルミニウムやタングステンなどからなる遮光膜６１が形成されている。遮光膜６１は、有効画素領域５７の光電変換部５１の上方に、入射光を光電変換部５１へ入射させるため開口部６２が形成されている。

本実施形態の固体撮像素子は、遮光膜６１の膜厚が、有効画素領域５７よりＯＢ画素領域５６の方が厚くなるように形成されている。具体的に、遮光膜６１のうち、有効画素領域５７上に設けられた第１遮光膜６１ａの膜厚をａとし、ＯＢ画素領域５８上に設けられた第２遮光膜６１ｂの膜厚をｂとしたとき、第２遮光膜６１ｂの膜厚ｂが第１遮光膜６１ａの膜厚ａより厚くなるように構成されている。

有効画素領域５７の光電変換部５１上の開口面積を大きくする場合には、第１遮光膜６１ａの膜厚ａを薄く形成することで、開口部６２における半導体基板５０の表面に対して平行方向の寸法をかせぐことができ、膜厚ａを薄くした分に応じて開口面積を大きくすることができる。一方で、ＯＢ画素領域５８上の第２遮光膜６１ｂの膜厚ｂは、第１遮光膜６１ａに制限されることなく、自由な膜厚で形成することができる。つまり、第１遮光膜６１ａの膜厚ａを薄く形成する場合に、膜厚ａにかかわらず、第２遮光膜６１ｂの膜厚ｂを光漏れが生じない範囲の厚さで形成することで、ＯＢ画素領域の光電変換部５１によって光学的黒レベルの基準信号を得る際にクランプミスが生じることを防止できる。

次に、遮光膜を形成する手順について説明する。
先ず、半導体基板５０に光電変換部５１と、垂直電荷転送路５２と、電荷読み出し部５３とを形成する。その後、半導体基板５０上にゲート絶縁膜と、電極５８を形成し、ゲート絶縁膜及び電極５８を覆うように絶縁膜５９を形成する。次に、有効画素領域５７とＯＢ画素領域５６とに、同じ膜厚で遮光膜６１をスパッタリングによって形成する。ここで、遮光膜６１の膜厚は、第１遮光膜６１ａの目標膜厚ａとほぼ同じとなるようにする。そして、有効画素領域５７の光電変換部５１上の遮光膜６１の一部をエッチングすることで開口部６２を形成する。
次に、有効画素領域５７のみを絶縁材料系のレジスト層でマスクし、ＯＢ画素領域５６上に既に形成された遮光膜６１に、同じ材料を用いて積み重ねてより厚い膜厚となるように遮光膜６１（第２遮光膜６１ｂ）を形成する。こうすることで、有効画素領域５７上の膜厚ａより、ＯＢ画素領域５６上の膜厚ｂが厚い遮光膜６１を形成することができる。

また、別の手順としては、上記と同様に半導体基板５０に絶縁膜５９まで形成した後、有効画素領域５７とＯＢ画素領域５６とに、同じ膜厚で遮光膜６１をスパッタリングによって形成する。ここで、遮光膜６１の膜厚は、第２遮光膜６１ｂの目標膜厚ｂとほぼ同じとなるようにする。次に、ＯＢ画素領域５６のみを絶縁材料系のレジスト層でマスクし、有効画素領域５７上に既に形成された遮光膜６１にエッチング処理を施し、ＯＢ画素領域５６上の遮光膜６１より薄い膜厚にする。こうすることで、ＯＢ画素領域５６上の膜厚ｂより有効画素領域５７上の膜厚ａが薄い遮光膜６１を形成することができる。

なお、本実施形態の固体撮像素子において、有効画素領域５７とＯＢ画素領域５６とで厚さの異なる遮光膜６１を形成することができれば、上記手順に限定されない。

このような構成の固体撮像素子によれば、有効画素領域の遮光膜を薄膜化することで光電変換部の上方に形成する開口面積の拡大を図ることができ、ＯＢ画素領域の遮光膜の膜厚は厚いため、クランプミスの発生を防止できる。このため、遮光膜の膜厚を有効画素領域上よりもＯＢ画素領域上の方が厚く形成することで、有効画素領域の感度を向上させつつ、ＯＢ画素領域での光学的黒レベルの基準信号を正確に得ることができる。

次に、本発明にかかる固体撮像素子の別の実施形態を説明する。
上記実施形態では、有効画素領域５７及びＯＢ画素領域５６上の遮光膜６１が一体に形成された構成であるが、有効画素領域５７及びＯＢ画素領域５６上の遮光膜６１が分離された構成としてもよい。

図５は、固体撮像素子の別の実施形態を示す断面図である。図５は、図３と同様に図２に示される固体撮像素子のＡ−Ａ線断面図と同じ断面を見た状態を示している。なお、以下の実施形態の説明において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。

図５に示すように、有効画素領域５７上の第１遮光膜６１ａと、ＯＢ画素領域５６上の第２遮光膜６１ｂとの間に、有効画素領域５７とＯＢ画素領域５６との境界に沿って、遮光膜６１が形成されていない分離部Ｓが形成されている。遮光膜６１は、第１遮光膜６１ａと第２遮光膜６１ｂとの間に分離部Ｓを形成することで、電気的に分離することができる。

分離部Ｓを形成する手順としては、上記実施形態の固体撮像素子のように、有効画素領域５７とＯＢ画素領域５６とで厚さの異なる単一の遮光膜６１を形成した後、有効画素領域５７とＯＢ画素領域５６との境界に対応する位置の遮光膜６１を除去することで形成することができる。また、分離部Ｓを形成する別の手順としては、有効画素領域５７とＯＢ画素領域５６とに、順に別の工程で分離部Ｓを除く領域に第１の遮光膜６１ａと第２遮光膜６１ｂとを形成してもよい。なお、第１の遮光膜６１ａ及び第２遮光膜６１ｂを形成する手順としては、上記実施形態の手順と同じ手順を用いることができる。

第１の遮光膜６１ａと第２遮光膜６１ｂとを電気的に分離した構成とすることで、第１の遮光膜６１ａにのみ所定の電圧を印加することできるようになる。こうすれば、スミアを低減させるために有効画素領域５７上の第１遮光膜６１ａに電圧を印加した場合に、電圧の影響がＯＢ画素領域５６上の第２遮光膜６１ｂに影響を及ぼすことで、基準信号が不安定になることを防止できる。
また、第１の遮光膜６１ａと第２遮光膜６１ｂとのそれぞれに独立した電圧を印加する構造としてもよい。こうすれば、固体撮像素子５の露光期間中に光電変換部５１に蓄積された信号電荷を垂直電荷転送路５２に読み出す電荷読み出し期間には、各端子にそれぞれ正（＋）の電圧を印加することで、光電変換部５１の空乏化電圧の上昇を抑制することができる。また、電荷読み出し期間以外の期間には、各端子に負（−）の電圧を印加することで、光電変換部５１のｐ型不純物層５１ａから垂直電荷転送路５２にスミア電荷が移動することを抑制することができる。なお、第１の遮光膜６１ａと第２遮光膜６１ｂとに電圧を印加する構成においては、ＯＢ画素領域５６にも有効画素領域５７と同様に光電変換部５１を設けている。

さらに、第１の遮光膜６１ａと第２遮光膜６１ｂとのそれぞれに独立した電圧を印加する構造では、有効画素領域５７上の第１遮光膜６１ａの構造と、ＯＢ画素領域５６上の第２遮光膜６１ｂの構造は異なるため、各端子に同じレベルの負の電圧又は正の電圧を印加した場合には、有効画素領域５７とＯＢ画素領域５６とから同一条件で信号を読み出すことができない。そこで、固体撮像素子５に全く光を入射させない状態で撮影動作を行い、撮影によって有効画素領域５７の光電変換部５１から得られた信号電荷とＯＢ画素領域５６の光電変換部５１から得られた信号電荷とがほぼ同一となるような、電荷読み出し期間に各端子にそれぞれ印加する電圧、電荷読み出し期間以外の期間に各端子のそれぞれに印加する電圧を予め測定し、設定する。そして、撮影時には、予め測定された値に基づいて各端子に電圧を印加することで、有効画素領域５７とＯＢ画素領域５６とから同一条件で信号を読み出すことが可能となる。このため、光学的黒レベルの基準信号を精度良く得ることができる。

遮光膜６１に分離部Ｓを形成した構成では、分離部Ｓを通過した光がＯＢ画素領域側に進入するとに起因して、ＯＢ画素信号で誤信号が検出されることが考えられる。このため、図５に示すように、ＯＢ画素領域５６において、分離部Ｓ近傍の位置では電荷転送路５２を形成しない構成とすることが好ましい。こうすれば、分離部を介して入射した光が、ＯＢ画素領域で検出されることを防止でき、光学的黒レベルの基準信号の精度をより一層向上させることができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良などが可能である。
例えば、上記実施形態では、固体撮像素子としてＣＣＤ型イメージセンサの構成を例に説明したが、本発明にかかる固体撮像素子はこれに限定されない。例えば、固体撮像素子とては、ＣＭＯＳ型イメージセンサであってもよい。

本発明にかかる固体撮像素子を備えた撮像装置の概略構成を示す図である。固体撮像素子を概略的に示す平面図である。図２に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線断面図である。図２に示す固体撮像素子のＢ−Ｂ線断面図である。本発明にかかる固体撮像素子の別の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

５固体撮像素子
５１光電変換部
５２電荷転送路
５６ＯＢ画素領域
５７有効画素領域
６１遮光膜
６１ａ第１遮光膜
６１ｂ第２遮光膜
６２開口部

Claims

被写体からの光に応じた撮像信号を得るための光電変換部が設けられた素子領域を有する有効画素領域と、
光学的黒レベルの基準信号を得るため素子領域を有するＯＢ画素領域と、
前記有効画素領域と前記ＯＢ画素領域上に設けられ、前記有効画素領域の光電変換部の上方に開口部が形成された遮光膜とを備え、
前記遮光膜の膜厚が、前記有効画素領域より前記ＯＢ画素領域の方が厚くなるように形成されている固体撮像素子。
前記遮光膜が、前記有効画素領域上に設けられた第１遮光膜と、前記ＯＢ画素領域上に設けられた第２遮光膜とを有し、前記第１遮光膜と前記第２遮光膜との間に分離部が形成されることで電気的に分離されている請求項１に記載の固体撮像素子。
半導体基板に形成された複数の光電変換部と、
前記複数の光電変換部から読み出された信号電荷を転送する電荷転送路とを備え、
前記ＯＢ画素領域において、前記分離部近傍の位置では前記電荷転送路が形成されていない請求項２に記載の固体撮像素子。
上記請求項１から３のいずれか１つに記載の固体撮像素子を備えた撮像装置。