JP2013145905A - 撮像装置及び撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】遮光領域の画素から読み出すべき黒レベルの基準信号に含まれるノイズを低減する。
【解決手段】撮像装置は、遮光された画素が配された遮光領域と遮光されていない画素が配された有効領域とを含む画素配列を備え、前記遮光された画素は、第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部にて生じた電荷を電圧に変換する第１の電荷電圧変換部と、前記第１の電荷電圧変換部により変換された電圧がゲートに入力されるＭＯＳトランジスタである第１の増幅トランジスタとを含み、前記遮光されていない画素は、第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部にて生じた電荷を電圧に変換する第２の電荷電圧変換部と、前記第２の電荷電圧変換部により変換された電圧がゲートに入力されるＭＯＳトランジスタである第２の増幅トランジスタとを含み、前記第１の増幅トランジスタのゲート容量は、前記第２の増幅トランジスタのゲート容量より大きい。
【選択図】図３

Description

本発明は、撮像装置及び撮像システムに関する。

ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）イメージセンサに代表される撮像装置は、画素が行方向及び列方向に複数配列された画素配列を備える。撮像装置には、遮光された画素が配された遮光領域（オプティカルブラック領域）と遮光されていない画素が配された有効領域とを含む画素配列が用いられる場合がある。

特許文献１及び特許文献２に示された技術では、遮光領域から黒レベルの基準信号を読み出し、その読み出した黒レベルの基準信号を用いて有効領域から読み出された信号の黒レベルを補正する処理を行っている。

特開平１０−１２６６９７号公報 特開２００６−０２５１４６号公報

近年の多画素化および半導体微細加工技術の進歩により、単位画素が縮小化される傾向にある。これに応じて、単位画素に含まれる各素子も微細化される。

例えば、単位画素における光電変換部で発生した電荷に応じた信号を増幅するためのＭＯＳトランジスタである増幅トランジスタが微細化され得る。

ここで、その増幅トランジスタのゲート幅をＷ、ゲート長をＬ、単位面積あたりゲート絶縁膜容量をＣｏｘとすると、増幅トランジスタで発生するノイズは、（Ｗ×Ｌ×Ｃｏｘ）の平方根に反比例することが知られている。すなわち、増幅トランジスタが微細化されて、ゲート幅あるいはゲート長が小さくなると、増幅トランジスタで発生するノイズが増加する。

仮に、特許文献１及び特許文献２に示された技術において単位画素が縮小化されたとすると、上述のように、有効領域及び遮光領域における増幅トランジスタで発生するノイズが増加する可能性がある。特に、遮光領域における増幅トランジスタで発生するノイズが増加すると、遮光領域から読み出すべき黒レベルの基準信号に含まれるノイズの量が増加する。この場合、その読み出した黒レベルの基準信号を用いて有効領域から読み出された信号の黒レベルを補正する処理の精度が低下する可能性がある。

本発明の目的は、遮光領域の画素から読み出すべき黒レベルの基準信号に含まれるノイズを低減することにある。

本発明の第１側面に係る撮像装置は、遮光された画素が配された遮光領域と遮光されていない画素が配された有効領域とを含む画素配列を備え、前記遮光された画素は、第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部にて生じた電荷を電圧に変換する第１の電荷電圧変換部と、前記第１の電荷電圧変換部により変換された電圧がゲートに入力されるＭＯＳトランジスタである第１の増幅トランジスタとを含み、前記遮光されていない画素は、第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部にて生じた電荷を電圧に変換する第２の電荷電圧変換部と、前記第２の電荷電圧変換部により変換された電圧がゲートに入力されるＭＯＳトランジスタである第２の増幅トランジスタとを含み、前記第１の増幅トランジスタのゲート容量は、前記第２の増幅トランジスタのゲート容量より大きいことを特徴とする。

本発明の第２側面に係る撮像装置は、遮光された画素が配された遮光領域と遮光されていない画素が配された有効領域とを含む画素配列を備え、前記遮光された画素は、第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部にて生じた電荷を電圧に変換する第１の電荷電圧変換部と、前記第１の電荷電圧変換部により変換された電圧がゲートに入力されるＭＯＳトランジスタである第１の増幅トランジスタとを含み、前記遮光されていない画素は、第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部にて生じた電荷を電圧に変換する第２の電荷電圧変換部と、前記第２の電荷電圧変換部により変換された電圧がゲートに入力されるＭＯＳトランジスタである第２の増幅トランジスタとを含み、前記第１の増幅トランジスタは、埋め込みチャネル型のＭＯＳトランジスタであり、前記第２の増幅トランジスタは、表面チャネル型のＭＯＳトランジスタであることを特徴とする。

本発明の第３側面に係る撮像システムは、上記の撮像装置と、前記撮像装置の撮像面へ像を形成する光学系と、前記撮像装置から出力された信号を処理して画像データを生成する信号処理部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、遮光領域の画素から読み出すべき黒レベルの基準信号に含まれるノイズを低減することができる。

本発明の第１実施形態に係る撮像装置１００の構成を示す図。 各画素の等価回路を示した図。 各画素Ｐのレイアウト構成を示した図。 第１実施形態に係る撮像装置を適用した撮像システムの構成図。 本発明の第２実施形態に係る撮像装置２００の構成を示す図。 本発明の第３実施形態に係る撮像装置３００の構成を示す図。 本発明の第４実施形態に係る撮像装置４００の構成を示す図。

本発明の第１実施形態に係る撮像装置１００を、図１を用いて示す。図１は、本発明の第１実施形態に係る撮像装置１００の構成を示す図である。

撮像装置１００は、画素配列ＰＡ及び周辺回路（図示せず）を備える。

画素配列ＰＡでは、画素が行方向及び列方向に（２次元状に）配列されている。画素配列ＰＡは、オプティカルブラック領域（遮光領域、以下、ＯＢ領域とする）Ａ１０１〜Ａ１０３と有効領域Ａ１００とを含む。ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３は、画素配列ＰＡにおける有効領域Ａ１００の周辺に配される。

ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３は、垂直ＯＢ領域Ａ１０１、水平ＯＢ領域Ａ１０２、垂直及び水平ＯＢ領域Ａ１０３を含む。垂直ＯＢ領域Ａ１０１は、有効領域Ａ１００の垂直方向端部に隣接して配されている。水平ＯＢ領域Ａ１０２は、有効領域Ａ１００の水平方向端部に隣接して配されている。垂直及び水平ＯＢ領域Ａ１０３は、垂直ＯＢ領域Ａ１０１及び水平ＯＢ領域Ａ１０２に隣接するとともに、有効領域Ａ１００の角部に隣接して配されている。

ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３には、遮光された画素が配されている。有効領域Ａ１００には、遮光されていない画素が配されている。ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の画素からは、遮光された状態の信号（黒レベルの基準信号）が読み出される。有効領域Ａ１００の画素からは、光に応じた信号（光信号）が読み出される。

周辺回路は、画素配列ＰＡの周辺に配される。周辺回路は、画素配列ＰＡの各画素を駆動するための垂直シフトレジスタ（図示せず）や、画素配列ＰＡの各画素から信号を読み出すための読み出し回路（図示せず）及び水平シフトレジスタ（図示せず）などを含む。

次に、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３及び有効領域Ａ１００の各画素Ｐの概略構成を、図２を用いて説明する。図２は、各画素の等価回路を示した図である。

各画素Ｐは、光電変換素子（光電変換部）１、転送トランジスタ（転送部）２、浮遊拡散領域（電荷電圧変換部）３、増幅トランジスタ４、接続部６、及びリセットトランジスタ５を含む。

光電変換素子１は、入射した光を電荷に変換して、変換した電荷を蓄積する。光電変換素子１は、例えば、フォトダイオードである。

転送トランジスタ２は、垂直シフトレジスタからアクティブな信号がそのゲートに供給された際にオンして、光電変換素子１に蓄積された電荷を浮遊拡散領域３へ転送する。転送トランジスタ２は、垂直シフトレジスタからノンアクティブな信号がそのゲートに供給された際にオフする。

浮遊拡散領域３は、転送された電荷を電圧に変換する。浮遊拡散領域３は、増幅トランジスタ４の入力部として機能し、その電圧に応じた信号を接続部６経由で増幅トランジスタ４へ入力する。

接続部６は、浮遊拡散領域３と増幅トランジスタ４のゲートとを接続する。接続部６は、金属配線等である。

増幅トランジスタ４は、浮遊拡散領域３から入力された信号を増幅する。増幅トランジスタ４は、増幅した信号を列信号線（図示せず）経由で上述の読み出し回路へ出力する。 リセットトランジスタ５は、垂直シフトレジスタからアクティブな信号がそのゲートに供給された際にオンして、浮遊拡散領域３の電位を所定の電位にリセットする。リセットトランジスタ５は、垂直シフトレジスタからノンアクティブな信号がそのゲートに供給された際にオフする。

次に、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３及び有効領域Ａ１００の各画素Ｐの概略動作を、図２を用いて説明する。

垂直シフトレジスタは、各画素のリセットトランジスタ５が浮遊拡散領域３をあらかじめ低いレベルにリセットした後、読み出しを行なう行の画素の浮遊拡散領域３を高いレベルにリセットするように、駆動する。これにより、画素配列ＰＡでは、読み出しを行なう行の画素Ｐの増幅トランジスタ４のみが有効になる（オンする）。この状態で読み出しを行なう行の画素Ｐからは、読み出し回路によりノイズ信号が読み出される。

次に、垂直シフトレジスタは、転送トランジスタ２をオンすることにより、光電変換素子１内に蓄積された電荷を浮遊拡散領域３に転送するように、読み出しを行なう行の画素Ｐを駆動する。この状態で読み出しを行なう行の画素Ｐからは、読み出し回路により光信号が読み出される。

そして、読み出しを行なう行の画素Ｐから読み出されたノイズ信号と光信号とは、読み出し回路又は撮像装置１００の外部の信号処理回路（例えば、後述する撮像信号処理回路９５）により、両者の差分が演算される。これによって、相関二重サンプリング法によるノイズの除去処理（以下、ＣＤＳ処理とする）を行なうことができる。

このような、ＣＤＳ処理は、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の画素から読み出された信号（黒レベルの基準信号）と、有効領域から読み出された信号（光信号）とに対して、それぞれ行われる。そして、撮像装置１００内の補正回路又は撮像装置１００後段の補正回路（例えば、後述する画像信号処理部９７）は、ＣＤＳ処理が施された黒レベルの基準信号を用いて、ＣＤＳ処理が施された光信号の黒レベルを補正する処理（以下、ＯＢ補正処理とする）を行う。

次に、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３及び有効領域Ａ１００の各画素Ｐの特徴となる構成を、図３を用いて説明する。図３は、各画素Ｐのレイアウト構成を示した図である。

図３のａは、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の画素のレイアウト構成を示す。図３のｂは、有効領域Ａ１００の画素のレイアウト構成を示す。図３のａ及びｂにおいて、図２に示す素子に対応した部分を同様の部材番号で示している。図３では、リセットトランジスタ５の図示が省略されている。

図３のａにおいて、破線で囲まれた部分が、増幅トランジスタ（第１の増幅トランジスタ）４ａのゲート４１ａである。ここで、光電変換素子（第１の光電変換部）１ａにより蓄積された電荷は、転送トランジスタ（第１の転送部）２ａにより、浮遊拡散領域（第１の電荷電圧変換部）３ａへ転送される。浮遊拡散領域３ａは、転送された電荷を電圧に変換する。増幅トランジスタ４ａは、浮遊拡散領域３ａにより変換された電圧がゲート４１ａに入力され、入力された電圧に基づく信号を列信号線ＲＬ（図２参照）へ出力する。

図３のｂにおいて、破線で囲まれた部分が、増幅トランジスタ（第２の増幅トランジスタ）４ｂのゲート４１ｂである。ここで、光電変換素子（第２の光電変換部）１ｂにより蓄積された電荷は、転送トランジスタ（第２の転送部）２ｂにより、浮遊拡散領域（第２の電荷電圧変換部）３ｂへ転送される。浮遊拡散領域３ｂは、転送された電荷を電圧に変換する。増幅トランジスタ４ｂは、浮遊拡散領域３ｂにより変換された電圧がゲート４１ｂに入力され、入力された電圧に基づく信号を列信号線ＲＬ（図２参照）へ出力する。

増幅トランジスタ４のゲート幅をＷ、ゲート長をＬ、単位面積あたりゲート絶縁膜容量をＣｏｘとすると、増幅トランジスタ４で発生する１／ｆノイズ（フリッカ雑音）は、（Ｗ×Ｌ×Ｃｏｘ）の平方根に反比例することが知られている。１／ｆノイズは、ゲート電極下におけるチャネル領域とゲート絶縁膜との界面の電荷のランダムなトラップと放出とに起因したノイズである。すなわち、増幅トランジスタ４が微細化されて、ゲート幅あるいはゲート長が小さくなると、増幅トランジスタ４で発生するノイズが増加する。

そこで、仮に、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３及び有効領域Ａ１００の増幅トランジスタ４の（ゲート幅を等しくしたまま）ゲート長をいずれもＬ２からＬ１へと大きくした場合を考える。この場合、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３及び有効領域Ａ１００の増幅トランジスタ４の相互コンダクタンスはいずれも低下するので、浮遊拡散領域３の電位が同じであっても、増幅トランジスタ４から出力される信号レベル（電位）が低下する。これにより、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３及び有効領域Ａ１００において増幅トランジスタ４で発生するノイズを低減できるが、有効領域Ａ１００の画素から出力される信号の振幅が小さくなる。このため、有効領域Ａ１００の画素の出力信号のダイナミックレンジを確保しにくくなってしまう。

それに対して、本実施形態では、図３に示すように、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の増幅トランジスタ４ａのゲート長Ｌ１が、有効領域Ａ１００の増幅トランジスタ４ｂのゲート長Ｌ２よりも大きくなっている。一方、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の増幅トランジスタ４ａのゲート幅Ｗ２が、有効領域Ａ１００の増幅トランジスタ４ｂのゲート幅Ｗ２と等しくなっている。

すなわち、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の増幅トランジスタ４ａのゲート容量は、有効領域Ａ１００の増幅トランジスタ４ｂのゲート容量よりも大きくなっている。これにより、１／ｆノイズ（フリッカ雑音）は、有効領域Ａ１００の増幅トランジスタ４ｂよりもＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の増幅トランジスタ４ａにおいて低減する。このため、有効領域Ａ１００の画素からの出力信号のダイナミックレンジを確保した場合でも、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の画素から読み出すべき黒レベルの基準信号に含まれるノイズを低減することができる。これにより、その黒レベルの基準信号を用いて行うＯＢ補正処理の精度を向上できる。この結果、良好な画像を得ることができる。

なお、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の出力信号は常に黒レベルであり、変動量としては暗電流成分のみである。そのため、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３は、有効領域に比べて、元々その出力信号のレベルの変動が小さいため、その出力信号のダイナミックレンジが問題とならない。よって、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３では、増幅トランジスタ４のゲート長を、ダイナミックレンジを気にすることなく、レイアウト上可能な限り大きくすることが可能である。

また、垂直ＯＢ領域Ａ１０１、水平ＯＢ領域Ａ１０２、垂直及び水平ＯＢ領域Ａ１０３のいずれか１つ又は２つのみを用いてＯＢ補正処理を行う場合、その用いる画素のゲート長のみを大きくすることが望ましい。

次に、本発明の撮像装置を適用した撮像システムの一例を図４に示す。

撮像システム９０は、図４に示すように、主として、光学系、撮像装置１００及び信号処理部を備える。光学系は、主として、シャッター９１、撮影レンズ９２及び絞り９３を備える。信号処理部は、主として、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６、画像信号処理部９７、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、タイミング発生部９８、全体制御・演算部９９、記録媒体８８及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を備える。なお、信号処理部は、記録媒体８８を備えなくても良い。

シャッター９１は、光路上において撮影レンズ９２の手前に設けられ、露出を制御する。

撮影レンズ９２は、入射した光を屈折させて、撮像装置１００の画素配列（撮像面）に被写体の像を形成する。

絞り９３は、光路上において撮影レンズ９２と撮像装置１００との間に設けられ、撮影レンズ９２を通過後に撮像装置１００へ導かれる光の量を調節する。

撮像装置１００は、画素配列に形成された被写体の像を画像信号に変換する。撮像装置１００は、その画像信号を画素配列から読み出して出力する。

撮像信号処理回路９５は、撮像装置１００に接続されており、撮像装置１００から出力された画像信号を処理する。

Ａ／Ｄ変換器９６は、撮像信号処理回路９５に接続されており、撮像信号処理回路９５から出力された処理後の画像信号（アナログ信号）をデジタル信号へ変換する。

画像信号処理部９７は、Ａ／Ｄ変換器９６に接続されており、Ａ／Ｄ変換器９６から出力された画像信号（デジタル信号）に各種の補正等の演算処理を行い、画像データを生成する。この画像データは、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、全体制御・演算部９９及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４などへ供給される。

メモリ部８７は、画像信号処理部９７に接続されており、画像信号処理部９７から出力された画像データを記憶する。

外部Ｉ／Ｆ部８９は、画像信号処理部９７に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、外部Ｉ／Ｆ部８９を介して外部の機器（パソコン等）へ転送する。

タイミング発生部９８は、撮像装置１００、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７に接続されている。これにより、撮像装置１００、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７へタイミング信号を供給する。そして、撮像装置１００、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７がタイミング信号に同期して動作する。

全体制御・演算部９９は、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に接続されており、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を全体的に制御する。

記録媒体８８は、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に取り外し可能に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を介して記録媒体８８へ記録する。

以上の構成により、撮像装置１００において良好な画像信号が得られれば、良好な画像（画像データ）を得ることができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る撮像装置２００を説明する。以下では、第１実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様の部分の説明を省略する。

撮像装置２００は、図５に示すように、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の画素Ｐの構成が第１実施形態と異なる。図５のａはＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の画素のレイアウト構成を示す。図５のｂは有効領域Ａ１００の画素のレイアウト構成を示す。

図５のａ及びｂにおいて、破線で囲まれた部分が、増幅トランジスタ２０４ａ，４ｂのゲート２４１ａ，４１ｂである。

ここで、仮に、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３及び有効領域Ａ１００の増幅トランジスタ４の（ゲート長を等しくしたまま）ゲート幅をいずれもＷ２からＷ１へと大きくした場合を考える。この場合、画素の面積を一定にしようとすると、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３及び有効領域Ａ１００の光電変換素子１の面積がいずれも小さくなる。これにより、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３及び有効領域Ａ１００において増幅トランジスタ４で発生するノイズを低減できるが、有効領域Ａ１００の光電変換素子１の感度が低下する。このため、有効領域Ａ１００の画素の出力信号のレベルが低下するので、画像信号の質が低下する可能性がある。

それに対して、本実施形態では、図５に示すように、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の増幅トランジスタ２０４ａのゲート幅Ｗ１が、有効領域Ａ１００の増幅トランジスタ４ｂのゲート幅Ｗ２よりも大きくなっている。一方、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の増幅トランジスタ２０４ａのゲート長Ｌ２が、有効領域Ａ１００の増幅トランジスタ４ｂのゲート長Ｌ２と等しくなっている。

すなわち、本実施形態によれば、有効領域Ａ１００の画素の出力信号のレベルが低下することを避けながら、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の画素から読み出すべき黒レベルの基準信号に含まれるノイズを低減することができる。

なお、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３では、増幅トランジスタ２０４ａのゲート幅を大きくした分、光電変換素子２０１ａの面積が小さくなっている。ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３は、光を受けることがなく、黒レベルの基準信号を出力させるための領域であるので、その光電変換素子２０１ａの面積が多少小さくなっても問題ない。有効領域Ａ１００の黒レベル出力と、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の黒レベル出力とが、略同じになるように設定されていればよい。

また、垂直ＯＢ領域Ａ１０１、水平ＯＢ領域Ａ１０２、垂直及び水平ＯＢ領域Ａ１０３のいずれか１つ又は２つのみを用いてＯＢ補正処理を行う場合、その用いる領域に含まれる画素のゲート長のみを大きくすることが望ましい。

また、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の画素のレイアウト構成は、本実施形態に第１実施形態を組み合わせたものであっても良い。すなわち、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の画素の増幅トランジスタは、有効領域の増幅トランジスタに比べて、そのゲート長及びゲート幅が大きくなっていてもよい。

次に、本発明の第３実施形態に係る撮像装置３００を説明する。以下では、第１実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様の部分の説明を省略する。

撮像装置３００は、図６に示すように、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の画素Ｐの構成が第１実施形態と異なる。図６のａ及びｃは、それぞれ、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の画素のレイアウト構成及び断面構成を示す。図６のｂ及びｄは、それぞれ、有効領域Ａ１００の画素のレイアウト構成及び断面構成を示す。

図６のｃは、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の増幅トランジスタ３０４ａのＡ−Ａ’に沿った断面を示す。図６のｄは、有効領域Ａ１００の増幅トランジスタ４ｂのＢ−Ｂ’に沿った断面を示す。

ここで、単位面積あたりゲート絶縁膜容量（ゲート容量）Ｃｏｘは、ゲート絶縁膜の厚さに反比例することが知られている。すなわち、１／ｆノイズは、ゲート絶縁膜の厚さの平方根に比例する。

そこで、仮に、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３及び有効領域Ａ１００の増幅トランジスタ４の（ゲート面積を等しくしたまま）ゲート絶縁膜の厚さをいずれもｄ２からｄ１へと薄くした場合を考える。この場合、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３及び有効領域Ａ１００の増幅トランジスタ４のゲート耐圧はいずれも低下する。特に、有効領域Ａ１００の増幅トランジスタ４のゲート絶縁膜は、ゲートに印加される電圧が変動し、ゲートとドレイン（あるいはソース）との間の電圧が大きくなる場合があるので、ゲート絶縁膜が劣化する可能性がある。ゲート絶縁膜が劣化すると、有効領域Ａ１００において増幅トランジスタ４で発生するノイズが増加する可能性があるためある所定の耐圧を確保しなくてはならない。

それに対して、本実施形態では、図５に示すように、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の増幅トランジスタ３０４ａのゲート絶縁膜３４３ａの厚さｄ１が、有効領域Ａ１００の増幅トランジスタ４ｂのゲート絶縁膜４３ｂの厚さｄ２よりも薄くなっている。一方、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の増幅トランジスタ３０４ａのゲート長Ｌ２及びゲート幅Ｗ２が、それぞれ、有効領域Ａ１００の増幅トランジスタ４ｂのゲート長Ｌ２及びゲート幅Ｗ２と等しくなっている。

すなわち、有効領域Ａ１００における画素の増幅トランジスタ３０４ａのゲート耐圧が低下することを避けながら、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の画素から読み出すべき黒レベルの基準信号に含まれるノイズを低減することができる。

なお、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の増幅トランジスタ３０４ａのゲート絶縁膜３４３ａの厚さｄ１が薄くなっているため、その増幅トランジスタ３０４ａのゲート耐圧が低下する。しかし、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の増幅トランジスタ３０４ａのゲート絶縁膜３４３ａは、印加される電圧がほぼ一定の黒レベルであるので、ゲートとドレイン（あるいはソース）との間の電圧を小さく設定することも可能となる。このため、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の増幅トランジスタ３０４ａのゲート耐圧が低くても問題ない。

また、垂直ＯＢ領域Ａ１０１、水平ＯＢ領域Ａ１０２、垂直及び水平ＯＢ領域Ａ１０３のいずれか１つ又は２つのみを用いてＯＢ補正処理を行う場合、その用いる領域の画素のゲート絶縁膜の膜厚を薄くすることが望ましい。

また、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の画素は、本実施形態に、第１実施形態及び第２実施形態の少なくとも一方を組み合わせた構成であってもよい。

次に、本発明の第４実施形態に係る撮像装置４００を説明する。以下では、第１実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様の部分の説明を省略する。

撮像装置４００は、図７に示すように、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の画素Ｐの構成が第１実施形態と異なる。図７のａ及びｃは、それぞれ、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の画素のレイアウト構成及び断面構成を示す。図７のｂ及びｄは、それぞれ、有効領域Ａ１００の画素のレイアウト構成及び断面構成を示す。

図７のｃは、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の増幅トランジスタ４０４ａのＣ−Ｃ’に沿った断面を示す。図６のｄは、有効領域Ａ１００の増幅トランジスタ４ｂのＤ−Ｄ’に沿った断面を示す。

ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の増幅トランジスタ４０４ａは、埋め込みチャネル形成拡散領域４４を有する埋め込みチャネル型のトランジスタである。有効領域Ａ１００の増幅トランジスタ４ｂは、表面チャネル型のトランジスタである。通常の表面チャネル構造のトランジスタの場合、チャネルが絶縁膜界面近傍に形成されるため、絶縁膜界面に存在する欠陥の影響を受けやすく、ノイズが発生しやすい。それに対して、埋め込みチャネル構造にすると、チャネルが絶縁膜界面から離れた位置に形成されるため、絶縁膜界面の欠陥による影響を受けにくくなる。

すなわち、有効領域Ａ１００の画素における増幅トランジスタ４ｂを埋め込みチャネル型のトランジスタにすることを避けながら、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の画素から読み出すべき黒レベルの基準信号に含まれるノイズを低減することができる。

なお、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の増幅トランジスタ４０４ａのチャネル領域にのみ不純物イオンの注入を行うことにより、ＯＢ領域Ａ１０１〜Ａ１０３の増幅トランジスタ４０４ａのみを埋め込みチャネル型のトランジスタとすることができる。埋め込みチャネル形成拡散領域４４は、半導体基板４５と異なる導電型の不純物イオン注入により形成することが可能である。増幅トランジスタ４０４ａがＮＭＯＳタイプの場合、半導体基板４５はＰ型不純物領域であり、埋め込みチャネル形成拡散領域４４は、例えば、砒素のイオン注入によって形成されるＮ型不純物領域にて実現することが可能である。また、増幅トランジスタ４０４ａがＮＭＯＳタイプで半導体基板４５がＮ型不純物領域であった場合においては、埋め込みチャネル形成拡散領域４４にはＮ型不純物領域を用いることが可能である。

９０ 撮像システム
１００、２００、３００、４００ 撮像装置

本発明の第１の側面に係る撮像装置は、遮光された画素が配された遮光領域と遮光されていない画素が配された有効領域とを含む画素配列を備え、前記遮光された画素は、第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部にて生じた電荷を電圧に変換する第１の電荷電圧変換部と、前記第１の電荷電圧変換部により変換された電圧がゲートに入力されるＭＯＳトランジスタである第１の増幅トランジスタと、を含み、前記遮光されていない画素は、第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部にて生じた電荷を電圧に変換する第２の電荷電圧変換部と、前記第２の電荷電圧変換部により変換された電圧がゲートに入力されるＭＯＳトランジスタである第２の増幅トランジスタと、を含み、前記第１の増幅トランジスタは、埋め込みチャネル型のＭＯＳトランジスタであり、前記第２の増幅トランジスタは、表面チャネル型のＭＯＳトランジスタであることを特徴とする。
本発明の第２の側面に係る撮像システムは、上記の撮像装置と、前記撮像装置の撮像面へ像を形成する光学系と、前記撮像装置から出力された信号を処理して画像データを生成する信号処理部とを備えたことを特徴とする。

Claims (8)

1. 遮光された画素が配された遮光領域と遮光されていない画素が配された有効領域とを含む画素配列を備え、
   前記遮光された画素は、
   第１の光電変換部と、
   前記第１の光電変換部にて生じた電荷を電圧に変換する第１の電荷電圧変換部と、
   前記第１の電荷電圧変換部により変換された電圧がゲートに入力されるＭＯＳトランジスタである第１の増幅トランジスタと、
   を含み、
   前記遮光されていない画素は、
   第２の光電変換部と、
   前記第２の光電変換部にて生じた電荷を電圧に変換する第２の電荷電圧変換部と、
   前記第２の電荷電圧変換部により変換された電圧がゲートに入力されるＭＯＳトランジスタである第２の増幅トランジスタと、
   を含み、
   前記第１の増幅トランジスタのゲート容量は、前記第２の増幅トランジスタのゲート容量より大きい
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記第１の増幅トランジスタのゲート面積は、前記第２の増幅トランジスタのゲート面積よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記第１の増幅トランジスタのゲート長は、前記第２の増幅トランジスタのゲート長よりも大きい
   ことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記第１の増幅トランジスタのゲート幅は、前記第２の増幅トランジスタのゲート幅よりも大きい
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の撮像装置。
5. 前記第１の増幅トランジスタにおける単位面積あたりのゲート容量は、前記第２の増幅トランジスタにおける単位面積あたりのゲート容量よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
6. 前記第１の増幅トランジスタのゲート絶縁膜の厚さは、前記第２の増幅トランジスタのゲート絶縁膜の厚さよりも薄い
   ことを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
7. 遮光された画素が配された遮光領域と遮光されていない画素が配された有効領域とを含む画素配列を備え、
   前記遮光された画素は、
   第１の光電変換部と、
   前記第１の光電変換部にて生じた電荷を電圧に変換する第１の電荷電圧変換部と、
   前記第１の電荷電圧変換部により変換された電圧がゲートに入力されるＭＯＳトランジスタである第１の増幅トランジスタと、
   を含み、
   前記遮光されていない画素は、
   第２の光電変換部と、
   前記第２の光電変換部にて生じた電荷を電圧に変換する第２の電荷電圧変換部と、
   前記第２の電荷電圧変換部により変換された電圧がゲートに入力されるＭＯＳトランジスタである第２の増幅トランジスタと、
   を含み、
   前記第１の増幅トランジスタは、埋め込みチャネル型のＭＯＳトランジスタであり、
   前記第２の増幅トランジスタは、表面チャネル型のＭＯＳトランジスタである
   ことを特徴とする撮像装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の撮像装置と、
   前記撮像装置の撮像面へ像を形成する光学系と、
   前記撮像装置から出力された信号を処理して画像データを生成する信号処理部と、
   を備えたことを特徴とする撮像システム。

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