JP2013232599A

JP2013232599A - 撮像素子および撮像装置

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Publication number: JP2013232599A
Application number: JP2012104854A
Authority: JP
Inventors: Hironobu Murata; 寛信村田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2012-05-01
Filing date: 2012-05-01
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2032-05-01
Also published as: JP6123170B2

Abstract

【課題】撮像素子における複数の光電素子の温度分布を検出して、各光電素子の暗時出力のばらつきを補正した画素信号を生成する。
【解決手段】撮像素子は、入射面からの入射光に応じた画素信号を出力する複数の光電素子が形成された光電素子層と、光電素子層に対して積層された積層部とを備え、積層部は、複数の光電素子が設けられた面と平行な面における位置がそれぞれ異なる複数の温度センサを有する。複数の温度センサが検出した温度分布に基づいて、それぞれの光電素子が出力する画素信号を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。

固体撮像素子の温度を温度センサで測定して、その温度に基づいて画像データを補正する画像読取装置が知られている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２００６−７４２５２号公報
［非特許文献１］ Dark Current quantization in CCD image sensors, McColgin, W.C.; Lavine, J.P.; Kyan, J.; Nichols, D.N.; Stancampiano, C.V. Electron Devices Meeting, 1992. IEDM '92. Technical Digest., International.

しかし、従来の固体撮像素子では、固体撮像素子に含まれる複数の光電素子における温度分布を検出して、その温度分布を用いて複数の光電素子から出力される各画素信号を補正することは行われていない。一般に光電素子は、暗時出力等のパラメータが温度に依存する。このため、複数の光電素子における温度差または温度分布等を検出できることが好ましい。

本発明の第１の態様における撮像素子は、入射面からの入射光に応じた画素信号を出力する複数の光電素子が形成された光電素子層と、光電素子層に対して積層された積層部とを備え、積層部は、複数の光電素子が設けられた面と平行な面における位置がそれぞれ異なる複数の温度センサを有する。

本発明の第２の態様における撮像装置は、上記の撮像素子を備える。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る撮像素子１００の断面図である。ＸＹ平面における複数の温度センサ１１４の配置例を示す図である。各暗時出力を示す画素（ＰＤ１０４）の分布例を、ＰＤ１０４の温度毎に示す図である。補正前後における、各暗時出力を示す画素の分布例を示す図である。撮像素子１００の他の構成例を示す断面図である。本実施形態に係る撮像装置５００の構成を示すブロック図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る撮像素子１００の断面図である。本例の撮像素子１００は、マイクロレンズアレイ１０１、撮像チップ１１６および積層部１１３を備える。本例の撮像チップ１１６は、光電素子層１０６および配線層１０８を有する。本例の積層部１１３は、信号処理チップ１１１およびメモリチップ１１２を有する。

なお、図示するように、撮像素子１００に対する入射光は主に白抜き矢印で示すＺ軸プラス方向へ向かって入射する。また、撮像素子１００の各層において入射光が入射する側の面を入射面と称する。また、座標軸に示すように、Ｚ軸に直交する紙面右方向をＸ軸プラス方向、Ｚ軸およびＸ軸に直交する紙面手前方向をＹ軸プラス方向とする。以降のいくつかの図においては、図１の座標軸を基準として、それぞれの図の向きがわかるように座標軸を表示する。

光電素子層１０６には、複数のＰＤ（フォトダイオード）１０４および複数のトランジスタ１０５が形成される。ＰＤ１０４は、入射面からの入射光に応じた画素信号を出力する光電素子の一例である。複数のＰＤ１０４は、ＸＹ平面に二次元的に配置される。また、トランジスタ１０５は、それぞれのＰＤ１０４に対応して設けられる。トランジスタ１０５は、ＰＤ１０４が出力する画素信号を、配線層１０８に出力するか否かを切り替える。ＰＤ１０４およびトランジスタ１０５の組が一つの画素を形成する。

本例の光電素子層１０６は、パッシベーション層１０３を更に有する。パッシベーション層１０３は、複数のＰＤ１０４を覆って設けられる。パッシベーション層１０３は、入射光に対して透明な材料で形成され、複数のＰＤ１０４を保護する。なお、本例の光電素子層１０６は、パッシベーション層１０３上に、カラーフィルタ１０２を更に有する。

カラーフィルタ１０２は、互いに異なる波長領域を透過する複数の種類を有しており、ＰＤ１０４のそれぞれに対応してベイヤー配列等の特定の配列を有している。カラーフィルタ１０２、ＰＤ１０４およびトランジスタ１０５の組が一つの画素を形成する。マイクロレンズアレイ１０１は、カラーフィルタ１０２上に形成され、ＰＤ１０４毎に一つのレンズを有する。各レンズは、入射光を対応するＰＤ１０４に集光させる。

本例の配線層１０８は、光電素子層１０６の入射面とは逆側の面に隣接して積層される。配線層１０８には、複数のＰＤ１０４と電気的に接続される配線群１０７が形成される。配線群１０７は、光電素子層１０６からの画素信号を信号処理チップ１１１に伝送する。配線群１０７は多層配線であってよい。また、配線層１０８には、受動素子および能動素子が設けられてもよい。

積層部１１３は、光電素子層１０６に対して積層される。積層とは、光電素子層１０６と同一チップ内で積層されること、および、光電素子層１０６を含むチップとは別個のチップが、光電素子層１０６を含むチップに積層されることを含む。積層部１１３は、光電素子層１０６と同一チップ内の層、および、光電素子層１０６を含むチップとは別個のチップ内の層のいずれか、または双方を含んでよい。本例では、積層部１１３は、配線層１０８の入射面とは逆側において、配線層１０８に積層される。

信号処理チップ１１１は、配線層１０８から受け取った画素信号に対して予め定められた信号処理を行う。例えば信号処理チップ１１１は、ガンマ補正等の信号補正を行う。メモリチップ１１２は、信号処理チップ１１１が出力する画素信号を記憶する。

配線層１０８の入射面とは逆側の面には複数のバンプ１０９が配される。当該複数のバンプ１０９が信号処理チップ１１１の対向する面に設けられた複数のバンプ１０９と位置合わせされて加圧等されることにより、位置合わせされたバンプ１０９どうしが接合されて、電気的に接続される。

同様に、信号処理チップ１１１およびメモリチップ１１２の互いに対向する面には、複数のバンプ１０９が配される。これらのバンプ１０９が互いに位置合わせされて、信号処理チップ１１１とメモリチップ１１２とが加圧等されることにより、位置合わせされたバンプ１０９どうしが接合されて、電気的に接続される。

なお、バンプ１０９間の接合には、固相拡散によるＣｕバンプ接合に限らず、はんだ溶融によるマイクロバンプ結合を採用してもよい。また、バンプ１０９は、複数の画素を含む画素グループに対して一つ程度設ければよい。したがって、バンプ１０９の大きさは、ＰＤ１０４のピッチよりも大きくてもよい。また、画素が配列された画素領域以外の周辺領域において、画素領域に対応するバンプ１０９よりも大きなバンプを併せて設けてもよい。

信号処理チップ１１１は、表裏面にそれぞれ設けられた回路を互いに接続するＴＳＶ（シリコン貫通電極）１１０を有する。ＴＳＶ１１０は、周辺領域に設けられることが好ましい。また、ＴＳＶ１１０は、光電素子層１０６、配線層１０８およびメモリチップ１１２の周辺領域にも設けられてよい。

積層部１１３は、複数の温度センサ１１４を更に有する。複数の温度センサ１１４は、複数のＰＤ１０４が設けられた面と平行な面における位置が、それぞれ異なる。つまり、複数の温度センサ１１４は、積層部１１３の内部における所定のＸＹ平面において分散して設けられる。本例では、複数の温度センサ１１４は、信号処理チップ１１１の内部に設けられる。

積層部１１３の内部のＸＹ平面に複数の温度センサ１１４が分散して設けられるので、積層部１１３の内部の温度分布を測定することができる。積層部１１３は、光電素子層１０６に積層されているので、光電素子層１０６の直近のＸＹ平面における温度分布を測定できる。このため、複数のＰＤ１０４における温度分布を精度よく推定することができる。

温度センサ１１４は、信号処理チップ１１１において、配線層１０８と対向する面の近傍に形成される。温度センサ１１４は、一部が当該対向面に露出してよい。また、温度センサ１１４は、配線層１０８および信号処理チップ１１１を接続するバンプ１０９の直下に形成されてもよい。

また、信号処理チップ１１１は、画素信号を処理する演算回路を有する。演算回路は電力を消費して発熱するので、ＰＤ１０４の温度分布を測定するには、温度センサ１１４は、演算回路からできるだけ離れて配置されることが好ましい。例えば温度センサ１１４は、信号処理チップ１１１のＺ軸方向の中心よりも配線層１０８側に形成され、演算回路は、信号処理チップ１１１のＺ軸方向の中心よりもメモリチップ１１２側に設けられる。また、温度センサ１１４と演算回路との間には、信号処理チップ１１１の材料より熱伝導率の低い断熱部が設けられてもよい。

本例の信号処理チップ１１１は、複数の温度センサ１１４が検出した温度の分布に基づいて、それぞれのＰＤ１０４が出力する画素信号を補正する。例えば信号処理チップ１１１は、複数の温度センサ１１４が検出した温度の分布に基づいて、それぞれのＰＤ１０４の温度を算出する。そして、算出した各温度に基づいて、対応するＰＤ１０４における暗時出力を算出する。暗時出力は、例えば暗電流、暗電圧、または、その他の暗時の出力である。そして、それぞれのＰＤ１０４が出力する画素信号のレベルに対する暗時出力の影響が一定の範囲内となるように、それぞれの画素信号を補正する。

これにより、複数のＰＤ１０４の温度分布に応じた暗時出力のばらつきを補正して、精度のよい画素信号を生成することができる。なお、当該補正は、撮像素子１００の外部の演算装置で行ってもよい。この場合、撮像素子１００は、各ＰＤ１０４からの画素信号と、各温度センサ１１４が検出した温度のデータとを対応付けて外部に出力する。

図２は、ＸＹ平面における複数の温度センサ１１４の配置例を示す図である。図２では、ＸＹ平面における信号処理チップ１１１の外形を実線で示し、複数のＰＤ１０４が光電素子層１０６に形成された領域１１５を破線で示す。複数の温度センサ１１４の少なくとも一つは、領域１１５に対向する領域内に配置される。本例では、全ての温度センサ１１４が、領域１１５に対向する領域内に配置される。

また、複数の温度センサ１１４の少なくとも一つは、複数のＰＤ１０４のうち最外周に形成されたＰＤ１０４と対向する位置に設けられる。本例では、領域１１５の最外周に沿って複数の温度センサ１１４が配置される。また、領域１１５の各辺に対して複数の温度センサ１１４が配置される。

このように、積層部１１３に温度センサ１１４を設けることで、複数のＰＤ１０４の近傍に、複数の温度センサ１１４を設けることができる。このため、複数のＰＤ１０４における温度分布を容易に測定することができる。複数の温度センサ１１４は、複数のＰＤ１０４に対して一対一に設けられてもよい。また、温度センサ１１４の数は、ＰＤ１０４の数よりも少なくてもよく、多くてもよい。

それぞれの温度センサ１１４は、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれに対して等間隔に配置されてよく、また、不等間隔に配置されてもよい。それぞれの温度センサ１１４は、領域１１５の中心に対向する領域での配置密度が高く、領域１１５の周辺部に対向する領域での配置密度が低くなるように配置されてよい。また、それぞれの温度センサ１１４は、領域１１５の中心に対向する領域での配置密度が低く、領域１１５の周辺部に対向する領域での配置密度が高くなるように配置されてもよい。

また、一部の温度センサ１１４は、領域１１５に対向する領域の外側に配置されてもよい。領域１１５に対向する領域の内側における温度センサ１１４の配置密度は、領域１１５に対向する領域の外側における温度センサ１１４の配置密度より高いことが好ましい。

図３は、それぞれの暗時出力を示す画素（ＰＤ１０４）の分布例を、ＰＤ１０４の温度毎に示す図である。図３の分布例は、非特許文献１に記載されている。図３における横軸は、ＰＤ１０４における暗時出力を示しており、縦軸は、各暗時出力に対応するＰＤ１０４の数を示す。暗時出力とは、入射光が無い状態でのＰＤ１０４の出力を指す。

一般に、暗状態であっても、熱エネルギー等によりＰＤ１０４において電子が励起されて暗時出力が生じるが、その出力はＰＤ１０４毎に均一にならない。これは、ＰＤ１０４毎に、トラップ準位による活性化エネルギーが異なる等の理由が考えられる。
また、一般に暗時出力ＤＲＫは、下式のように温度の関数で表される。
ＤＲＫ∝ｅｘｐ（−Ｅｇ／２ｋＴ）・・・式１
なお、Ｅｇは活性化エネルギー、ｋはボルツマン係数、Ｔは絶対温度である。

非特許文献１に記載されるように、複数のＰＤ１０４の暗時出力は均一とならず、さまざまなガウス分布を複合した分布となる。つまり、複数のＰＤ１０４は異なる活性化エネルギーを持っており、図３に示した各分布例は、活性化エネルギー毎の複数のガウス分布を複合したものとなる。

図４は、補正前後における、各暗時出力を示す画素の分布例を示す図である。ただし、図４では、測定された温度が所定の範囲内にある画素の分布例を示す。なお、補正前の画素の分布を、活性化エネルギー毎のガウス分布に分解して破線で示す。また、補正後の画素の分布を実線で示す。また、説明の便宜上、図４の縦軸のスケールを、補正前後で異ならせている。

式１に示したように、各ＰＤ１０４の暗時出力は温度の関数である。このため、各ＰＤ１０４の温度を精度よく測定できれば、ＰＤ１０４の温度を係数として温度毎の暗時出力の分布を生成することができる。そして、当該暗時出力の分布を複数のガウス分布に分解することで、活性化エネルギー毎のガウス分布を、ＰＤ１０４の温度毎に得ることができる。そして、各温度における暗時出力の分布に含まれる各ガウス分布のピークを、所定のガウス分布のピークにあわせるように、各ＰＤ１０４の暗時出力を補正することで、温度および活性化エネルギーの差異による暗時出力のむら、傾斜、あるいは飽和しないような白点を目立たなくすることができる。なお、暗時出力が最も小さいガウス分布のピークに、他のガウス分布のピークをあわせることが好ましい。

なお各ＰＤ１０４の画素信号に含まれる暗時出力は、被写体を撮像した直後にＰＤ１０４を遮光し、遮光した状態のＰＤ１０４の出力を測定することで取得できる。信号処理チップ１１１は、取得した暗時出力の温度および活性化エネルギーの差異によるばらつきを、各ＰＤ１０４の温度に基づいて、上述した方法で補正する。

また、光電素子層１０６には、少なくとも一つの温度センサ１１４が設けられてよい。光電素子層１０６における温度センサ１１４は、積層部１１３における温度センサ１１４のいずれかと対向する位置に設けられてよい。光電素子層１０６における温度センサ１１４の出力と、積層部１１３において対応する温度センサ１１４との出力とを比較することで、光電素子層１０６の温度変化が、積層部１１３における温度センサ１１４に到達するまでの遅延時間を測定することができる。

信号処理チップ１１１は、当該遅延時間に基づいて、それぞれのＰＤ１０４の出力を補正してよい。この場合、それぞれのフレームにおける画素信号は、メモリチップ１１２に一旦保存されてよい。信号処理チップ１１１は、現在の温度分布に対応するフレームの画素信号を当該遅延時間に基づいてメモリチップ１１２から読み出して、現在の温度分布に基づいて補正する。また、メモリチップ１１２は、それぞれのフレームにおける画素信号と、各フレームから遅延時間分遅れたタイミングの温度分布のデータとを対応付けて格納してもよい。

図５は、撮像素子１００の他の構成例を示す断面図である。本例の撮像素子１００は、図１に示した撮像素子１００に比べ、複数の温度センサ１１４が、配線層１０８に設けられる点で相違する。他の点は、図１に示した撮像素子１００と同一である。つまり本例の配線層１０８は、複数の温度センサ１１４が設けられる積層部としても機能する。

本例においても、複数の温度センサ１１４は、ＸＹ平面上に配置される。複数の温度センサ１１４の配置は、図２において説明した例において、信号処理チップ１１１を配線層１０８に置き換えたものと同様であってよい。複数の温度センサ１１４は、配線層１０８において、光電素子層１０６と対向する面の近傍に形成される。温度センサ１１４は、一部が当該対向面に露出してよい。また、温度センサ１１４は、ＰＤ１０４の直下に形成されてもよい。

また、配線層１０８は、Ｚ軸方向に延伸する配線群１０７と、ＸＹ平面内で延伸する配線群１０７とを有する。複数の温度センサ１１４は、ＸＹ平面内で延伸する配線群１０７よりも、光電素子層１０６側に設けられてよい。配線群１０７は比較的に熱伝導率が高いので、複数のＰＤ１０４における温度の勾配は、ＸＹ平面内で延伸する配線群１０７により均一化されやすい。このため、複数の温度センサ１１４を当該配線群１０７よりも光電素子層１０６側に設けることで、均一化される前の複数のＰＤ１０４における温度分布を測定することができる。また、配線層１０８は、Ｚ軸方向に貫通して設けられる複数の放熱用ビアを有してよい。この場合、温度センサ１１４は、それぞれの放熱用ビアの近傍に設けられてよい。

なお、図１から図５に示した例では、撮像素子１００の例として、裏面側に配線層１０８を有するいわゆる裏面照射型を用いて説明した。ただし、撮像素子１００は、裏面照射型の素子に限定されない。表面照射型の素子であっても、積層部に温度センサ１１４を設けることで、各ＰＤ１０４の近傍で温度を測定することができる。

図６は、本実施形態に係る撮像装置５００の構成を示すブロック図である。撮像装置５００は、撮影レンズ５２０、撮像素子１００、システム制御部５０１、駆動部５０２、測光部５０３、ワークメモリ５０４、記録部５０５および表示部５０６を備える。撮影レンズ５２０は、光軸ＯＡに沿って入射する被写体光束を撮像素子１００へ導く。撮影レンズ５２０は、撮像装置５００に対して着脱できる交換式レンズであっても構わない。

撮影レンズ５２０は、複数の光学レンズ群から構成され、シーンからの被写体光束をその焦点面近傍に結像させる。なお、図３では瞳近傍に配置された仮想的な１枚のレンズで代表して表している。駆動部５０２は、システム制御部５０１からの指示に従って撮像素子１００のトランジスタ１０５等を制御して、電荷蓄積制御、電荷電圧の変換タイミング制御、画素信号の伝送タイミング制御等の制御を実行する。駆動部５０２は、撮像素子１００と組み合わされて撮像ユニットを形成する。駆動部５０２を形成する制御回路は、チップ化されて、撮像素子１００に積層されてもよい。

撮像素子１００は、画素信号をシステム制御部５０１の画像処理部５１１へ引き渡す。画像処理部５１１は、ワークメモリ５０４をワークスペースとして種々の画像処理を施し、画像データを生成する。例えば、ＪＰＥＧファイル形式の画像データを生成する場合は、ホワイトバランス処理、ガンマ処理等を施した後に圧縮処理を実行する。また、画像処理部５１１は、図１から図５に関連して説明した信号処理チップ１１１と同様に、複数の温度センサ１１４が測定した温度分布に基づいて、それぞれのＰＤ１０４の画素信号を補正した画像データを生成してもよい。画像処理部５１１が生成した画像データは、記録部５０５に記録されるとともに、表示信号に変換されて予め設定された時間の間、表示部５０６に表示される。

測光部５０３は、画像データを生成する一連の撮影シーケンスに先立ち、シーンの輝度分布を検出する。測光部５０３は、例えば１００万画素程度のＡＥセンサを含む。システム制御部５０１の演算部５１２は、測光部５０３の出力を受けてシーンの領域ごとの輝度を算出する。演算部５１２は、算出した輝度分布に従ってシャッタ速度、絞り値、ＩＳＯ感度を決定する。なお、演算部５１２は、撮像装置５００を動作させるための各種演算も実行する。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１００撮像素子、１０１マイクロレンズアレイ、１０２カラーフィルタ、１０３パッシベーション層、１０４ＰＤ、１０５トランジスタ、１０６光電素子層、１０７配線群、１０８配線層、１０９バンプ、１１０ＴＳＶ、１１１信号処理チップ、１１２メモリチップ、１１３積層部、１１４温度センサ、１１５領域、１１６撮像チップ、５００撮像装置、５０１システム制御部、５０２駆動部、５０３測光部、５０４ワークメモリ、５０５記録部、５０６表示部、５１１画像処理部、５１２演算部、５２０撮影レンズ

Claims

入射面からの入射光に応じた画素信号を出力する複数の光電素子が形成された光電素子層と、
前記光電素子層に対して積層された積層部と
を備え、
前記積層部は、前記複数の光電素子が設けられた面と平行な面における位置がそれぞれ異なる複数の温度センサを有する撮像素子。
前記積層部は、前記入射面とは逆側において、前記光電素子層に積層される
請求項１に記載の撮像素子。
前記積層部は、前記光電素子が出力した前記画素信号を受け取り、前記画素信号に対して予め定められた信号処理を行う信号処理チップを含み、
前記複数の温度センサは、前記信号処理チップに設けられる
請求項２に記載の撮像素子。
前記信号処理チップは、前記複数の温度センサが検出した温度の分布に基づいて、それぞれの前記光電素子が出力する前記画素信号を補正する
請求項３に記載の撮像素子。
前記積層部は、前記光電素子層の前記入射面とは逆側の面に接して設けられ、前記複数の光電素子と電気的に接続される配線群が形成された配線層を有し、
前記複数の温度センサは、前記配線層に設けられる
請求項２に記載の撮像素子。
前記複数の温度センサは、前記配線層における前記配線群のうち、前記複数の光電素子が設けられた面と平行な面内に延伸する前記配線群よりも、前記光電素子層側に設けられる
請求項５に記載の撮像素子。
前記複数の温度センサのうちの少なくとも一つの温度センサは、前記複数の光電素子が形成された領域と対向する領域内に設けられる
請求項１から６のいずれか一項に記載の撮像素子。
前記複数の温度センサのうちの少なくとも一つの温度センサは、前記複数の光電素子のうち最外周に形成された光電素子と対向する位置に設けられる
請求項７に記載の撮像素子。
請求項１から８のいずれか一項に記載の撮像素子を備える撮像装置。
前記複数の温度センサが検出した温度の分布に基づいて、それぞれの前記光電素子が出力する前記画素信号を補正する画像処理部を更に備える
請求項９に記載の撮像装置。