JP2016139875A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画素領域の構成上のスペース効率を極力下げることなく、ウエルコンタクトを設置できる仕組みを提供する。
【解決手段】画像撮像用に設けられた第１の画素１１１０−１と、システム制御用に設けられた第２の画素１１１０−２ａ及び１１１０−２ｂとを有し、第２の画素１１１０−２ａ及び１１１０−２ｂを、その上面の少なくとも一部に設けられ、光束を遮るための上面配線１１１９と、上面配線１１１９の下方に設けられ、ウエル電位を固定するためのウエルコンタクト１１１８ａ及び１１１８ｂとを含み構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、画像撮像用に設けられた第１の画素と、システム制御用に設けられた第２の画素とを備える撮像装置に関するものである。

近年、撮像装置（撮像素子）は、デジタルカメラ等の数多くの画像入力装置に用いられている。この撮像装置の代表的な種類として、ＣＣＤ型やＭＯＳ型等が挙げられる。

特許文献１には、ＭＯＳ型の撮像装置において、出力信号に生じるシェーディングを低減するために、ウエルに基準電圧を供給するためのウエルコンタクトを画素配列エリアの内側に複数設ける技術が開示されている。

また、特許文献２には、ウエルコンタクトを配置した画素の感度低下等の問題に着目し、ウエルコンタクトを複数の画素のうちの一部の画素のみに配置すること、及び、ウエルコンタクトを配置する列を特定することで、ウエルコンタクトによる特性劣化を抑制するとともにウエルコンタクトが配された画素の補正を行い易くする技術が開示されている。さらに、特許文献３には、撮像信号を得る撮像用画素と、測距用等のシステム制御用信号を得るためのシステム制御用画素を備え、システム制御用画素は画像信号としては用いない前提で、システム制御用画素にウエルコンタクトを配置する技術が開示されている。

特開２００１−２３０４００号公報 特開２０１３−１３１４１号公報 特開２００８−６７２４１号公報

しかしながら、特許文献３において、ウエルコンタクトの具体的な配置や配線構成等の詳細な説明はなく、例えば、システム制御用画素の性能を損なわずにウエルコンタクトを配置するための画素レイアウトや配線構成等について課題が残る。

即ち、上述した従来の技術では、画素領域の構成上のスペース効率を極力下げることなく、ウエルコンタクトを設置するという観点が欠如していた。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、画素領域の構成上のスペース効率を極力下げることなく、ウエルコンタクトを設置できる仕組みを提供することを目的とする。

本発明の撮像装置は、画像撮像用に設けられた第１の画素と、システム制御用に設けられた第２の画素とを有し、前記第２の画素は、その上面の少なくとも一部に設けられ、光束を遮るための上面配線と、前記上面配線の下方に設けられ、ウエル電位を固定するためのウエルコンタクトとを含み構成されている。

本発明によれば、画素領域の構成上のスペース効率を極力下げることなく、ウエルコンタクトを設置することができる。

本発明の第１の実施形態に係る撮像装置（撮像素子）の概略構成の一例を示す図である。 図１に示す画素の内部構成の一例を示す図である。 図２に示す画素の等価回路の一例を示す図である。 図２に示す画素の一部の断面構造の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示し、画像撮像時（画像生成時）においてシステム制御用画素である第２の画素の画素信号（画素値）に係る処理の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る撮像装置（撮像素子）の画素の内部構成の一例を示す図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。具体的に、以下に、本発明に係る撮像装置及びその製造方法について説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る撮像装置（撮像素子）の概略構成の一例を示す図である。

本実施形態に係る撮像装置（撮像素子）１０００は、図１（Ａ）に示すように、画素領域１１００を有して構成されている。また、この画素領域１１００には、２次元状に配置された複数の画素１１１０（図１に示す例では、１８００画素×１２００画素からなる合計２１６万画素）が設けられている。

図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す画素領域１１００のうちの一部の領域（具体的には、６画素×６画素からなる合計３６画素の領域）の画素１１１０を示す平面模式図である。

図１（Ｂ）において、画素１−１〜６−６は図１（Ａ）の画素１１１０に対応する。なお、図１（Ｂ）では、特定の配線以外の構成は簡略化のために不図示とし、また、その説明も省略するが、各画素１１１０に対して同様に配置されていることを前提とする。また、図１（Ｂ）のＸ方向は画素１１１０の列方向であり、Ｙ方向は画素１１１０の行方向である。例えば、図１（Ｂ）において、画素１−１は１行１列目の画素を意味しており、また、画素１１１０の外縁を１１１０ａで示している。

本実施形態に係る撮像装置１０００は、画像撮像用に設けられた第１の画素（画像撮像用画素）１１１０−１と、システム制御用に設けられた第２の画素（システム制御用画素）１１１０−２とを備えて構成されている。

具体的に、第１の画素１１１０−１は、ベイヤー配列のカラーフィルタを有しており、図１（Ｂ）に示す符号Ｂは青フィルタ、符号Ｇは緑フィルタ、符号Ｒは赤フィルタを示している。以下、青フィルタを有する第１の画素１１１０−１をＢ画素、緑フィルタを有する第１の画素１１１０−１をＧ画素、赤フィルタを有する第１の画素１１１０−１をＲ画素と称する。

また、具体的に、本実施形態では、第２の画素１１１０−２として、右左の焦点検出用の画素１１１０−２ａ及び１１１０−２ｂが構成されている。図１（Ｂ）において、符号ＡＦａの画素は焦点検出用の画素１１１０−２ａであり、符号ＡＦｂの画素は焦点検出用の画素１１１０−２ｂである。この焦点検出用の画素１１１０−２ａ及び１１１０−２ｂには、その上面の少なくとも一部に、光束を制限する（遮る）ための遮光層である上面配線１１１９が形成されている。さらに、焦点検出用の画素１１１０−２ａ及び１１１０−２ｂには、それぞれ、上面配線１１１９の下方に、ウエル電位を固定するためのウエルコンタクト１１１８ａ及び１１１８ｂが形成されている。

また、図１（Ｂ）には、各画素１１１０に電圧供給を行うための電圧供給用配線１１２１、及び、各画素１１１０の画素信号を出力するための画素出力用配線１１２２等が示されている。なお、実際には、撮像装置１０００には、多数の電圧用配線等が構成されているが、図１（Ｂ）では、説明の便宜上、上述した２つの配線１１２１及び１１２２のみを記載している。

また、上面配線１１１９は、電圧供給用配線１１２１と接続されており、第２の画素（システム制御用画素）１１１０−２の遮光層は電圧供給用配線１１２１と同電位となっている。さらに、電圧供給用配線１１２１には、ウエルコンタクト１１１８ａ及び１１１８ｂが電気的に接続されており、当該電圧供給用配線１１２１は第１の電位に接続されている。本実施形態において、第１の電位とは接地電位ＧＮＤであり、ウエルは接地電位ＧＮＤに固定される。なお、上述した電圧供給用配線１１２１は、ウエルコンタクト専用である必要はなく、他の電圧供給配線と共通化で使用しても何ら問題はない。また、上面配線１１１９は、「４−１ ＡＦａ」や「１−２ ＡＦｂ」等の白抜き部分には形成されていない。

図２は、図１に示す画素の内部構成の一例を示す図である。具体的に、図２は、図１（Ｂ）に示す画素１１１０のうち、画素１−１，１−２，４−１，４−２，６−１，６−２の６つの画素を抜き出して拡大した平面模式図である。また、図３は、図２に示す画素の等価回路の一例を示す図である。この図２及び図３において、図１に示す構成と同様の構成については同じ符号を付している。

図２及び図３に示すように、第１の画素１１１０−１は、光電変換部（フォトダイオード）１１１１、転送ＭＯＳトランジスタ１１１２、リセットＭＯＳトランジスタ１１１３、増幅ＭＯＳトランジスタ１１１４、選択ＭＯＳトランジスタ１１１５、及び、浮遊拡散領域（以下、「ＦＤ領域」と称する）１１１６を含み構成されている。また、図２には、増幅ＭＯＳトランジスタ１１１４のゲート電極とＦＤ領域１１１６とを接続する接続配線１１１７が示されている。ここで、増幅ＭＯＳトランジスタ１１１４は、ソースフォロア回路を構成する。

転送ＭＯＳトランジスタ１１１２によって光電変換部１１１１からＦＤ領域１１１６に電荷が転送され、当該電荷に基づく信号が増幅ＭＯＳトランジスタ１１１４、選択ＭＯＳトランジスタ１１１５を介して画素出力用配線１１２２に出力される。リセットＭＯＳトランジスタ１１１３は、増幅ＭＯＳトランジスタ１１１４の入力段のリセット（所定電位に設定する動作）を行う。増幅ＭＯＳトランジスタ１１１４のゲート電極と同じノードの部分は．ソースフォロア回路の入力段となる。具体的に、入力段となるのは、増幅ＭＯＳトランジスタ１１１４のゲート電極、ＦＤ領域１１１６、転送ＭＯＳトランジスタ１１１２及びリセットＭＯＳトランジスタ１１１３のドレイン、ＦＤ領域１１１６と接続配線１１１７等である。

また、図２及び図３に示す第２の画素１１１０−２の焦点検出用の画素１１１０−２ａは、上述した第１の画素１１１０−１の内部構成（１１１１〜１１１７）に加えて、ウエルコンタクト１１１８ａ及び上面配線１１１９を含み構成されている。同様に、図２及び図３に示す第２の画素１１１０−２の焦点検出用の画素１１１０−２ｂは、上述した第１の画素１１１０−１の内部構成（１１１１〜１１１７）に加えて、ウエルコンタクト１１１８ｂ及び上面配線１１１９を含み構成されている。

なお、本実施形態において、図２及び図３におけるＭＯＳトランジスタは全てＮ型であり、図３に示す駆動配線ＰＲＥＳ，ＰＴＸ，ＰＳＥＬによってゲート電極がＨｉレベルとなることでオン状態となるものとする。また、図２及び図３においても、図１と同様に、説明の便宜上、上述した２つの配線１１２１及び１１２２のみを記載している。

図４は、図２に示す画素の一部の断面構造の一例を示す図である。この図４において、図２及び図３に示す構成と同様の構成については同じ符号を付している。

具体的に、図４（Ａ）は、図２に示す第１の画素１１１０−１（画素１−１）のＡ−Ａ'断面構造の一例を示す図である。Ｐ型半導体層３０１（ウエル）内にＮ型不純物領域３０２を形成し、これにより図２及び図３に示す光電変換部（フォトダイオード）１１１１が形成されている。また、図４（Ａ）には、所定の位置に、転送ＭＯＳトランジスタ１１１２及びＦＤ領域１１１６が配設されている。

図４（Ｂ）は、図２に示す第２の画素１１１０−２である焦点検出用の画素１１１０−２ａ及び１１１０−２ｂ（画素４−１及び画素１−２）のＢ−Ｂ'断面構造及びＣ−Ｃ'断面構造の一例を示す図である。なお、焦点検出用の画素１１１０−２ａ及び１１１０−２ｂは、システム制御用画素として詳細は異なるが、略左右対称の構成であり、便宜上、同一の断面図として説明する。また、図４（Ｂ）において、図４（Ａ）に示す構成と同様の構成については同じ符号を付している。また、焦点検出用の画素１１１０−２ａのウエルコンタクト１１１８ａ、及び、焦点検出用の画素１１１０−２ｂのウエルコンタクト１１１８ｂに相当する構成については、単に「１１１８」と記載している。

図４（Ｂ）に示す断面構造は、図４（Ａ）に示す断面構造に対して、画素の上部に配線層が配設されている。図４（Ａ）と同様に、Ｐ型半導体層３０１（ウエル）内にＮ型不純物領域３０２を形成し、これにより図２及び図３に示す光電変換部（フォトダイオード）１１１１が形成されている。但し、図４（Ｂ）に示す断面箇所では、Ｎ型不純物領域３０２は、その上方が上面配線１１１９により遮光されており、光が到達せず、光電変換が行なわれない領域が含まれている。このため、図４（Ｂ）に示す第２の画素１１１０−２のＮ型不純物領域３０２は、図４（Ａ）に示す第１の画素１１１０−１のＮ型不純物領域３０２よりも狭い領域としている。つまり、第２の画素１１１０−２では、第１の画素１１１０−１と比べてＮ型不純物領域３０２を狭くすることで、第１の画素１１１０−１の光電変換部１１１１の形成領域（Ｎ型不純物領域３０２が形成されている領域）に対応する第２の画素１１１０−２の領域にＰ型半導体層３０１（ウエル）領域が残っている状態となっている。そして、第２の画素１１１０−２では、このＰ型半導体層３０１（ウエル）領域に、ウエルコンタクト１１１８が形成されている。即ち、第２の画素１１１０−２では、第１の画素１１１０−１の光電変換部１１１１の形成領域（Ｎ型不純物領域３０２が形成されている領域）に対応する第２の画素１１１０−２の領域であって第２の画素１１１０−２の光電変換部１１１１が非形成の上面配線１１１９の下方の領域に、ウエルコンタクト１１１８が形成されている。

図４（Ｂ）に示す断面構造では、ウエルコンタクト１１１８は、その直上の配線層である配線３１１に接続されており、また、この配線３１１は、さらに上の配線層（遮光層）である上面配線１１１９に接続されている。この上面配線１１１９は、図１〜図３に示す電圧供給用配線１１２１と接続されており、第１の電位（接地電位）となっている。これにより、第２の画素１１１０−２では、Ｐ型半導体層３０１（ウエル）は、上面配線１１１９の下方にあるウエルコンタクト１１１８から、配線３１１を介して、上面配線１１１９の電位である第１の電位（接地電位）に接続されることとなる。

なお、図４（Ｂ）に、システム制御用画素である第２の画素１１１０−２の断面構造の一例を示したが、本発明においてはこの態様に特化したものではなく、他の態様を採用することも可能である。例えば、図４（Ｃ）に示す第２の画素１１１０−２の断面構造や、図４（Ｄ）に示す第２の画素１１１０−２の断面構造の態様を採用することも可能である。具体的に、図４（Ｃ）は、遮光用の上面配線１１１９の下方に位置する配線３１２が第１の電位に接続された配線である場合に、当該配線３１２をウエルコンタクト１１１８に接続する態様である。この図４（Ｃ）に示す態様では、上面配線１１１９を介すことなく、Ｐ型半導体層３０１（ウエル）を第１の電位に接続することが可能となる。また、図４（Ｄ）は、配線３１３を介さずに、第１の電位に接続されている上面配線１１１９を直接、ウエルコンタクト１１１８に接続する態様である。

このように、第２の画素１１１０−２において、遮光用の上面配線１１１９の下方にウエルコンタクト１１１８を配設してウエル電位を固定することで、画素領域の構成上のスペース効率を極力下げることなく、ウエルコンタクト１１１８を設置することができる。

図５は、本発明の第１の実施形態を示し、画像撮像時（画像生成時）において、システム制御用画素である第２の画素の画素信号（画素値）に係る処理の一例を示す図である。

図５に示すように、第２の画素１１１０−２のうちの符号ＡＦａの画素である焦点検出用の画素１１１０−２ａは、第１の画素１１１０−１のうちのＲ画素が本来配置される位置に配置されている。また、図５に示すように、第２の画素１１１０−２のうちの符号ＡＦｂの画素である焦点検出用の画素１１１０−２ｂは、第１の画素１１１０−１のうちのＢ画素が本来配置される位置に配置されている。

そして、画像生成時には、図５（Ａ）に示すように、第２の画素１１１０−２のうちの焦点検出用の画素１１１０−２ａについては、隣接同色画素（Ｒ画素）の出力画素値を平均化した値で補間し、図５（Ｂ）に示す擬似Ｒ画素値（Ｒ'）を出力する。同様に、画像生成時には、図５（Ａ）に示すように、第２の画素１１１０−２のうちの焦点検出用の画素１１１０−２ｂについては、隣接同色画素（Ｂ画素）の出力画素値を平均化した値で補間し、図５（Ｂ）に示す擬似Ｂ画素値（Ｂ'）を出力する。このように、画像生成時には、第２の画素１１１０−２の出力値を置き換えて画像生成を行う。

なお、図５に示す例は、第２の画素１１１０−２の画素値として補間された値を用いる態様を示したが、本発明においてはこの態様に特化したものではなく、他の態様を採用することも可能である。例えば、第２の画素１１１０−２の画素値として補正された値を用いる態様を採用することも可能である。例えば、本実施形態の第２の画素１１１０−２は、図１及び図２に示すように、「４−１ ＡＦａ」や「１−２ ＡＦｂ」等の白抜き部分には光が入射するため、当該部分の光電変換部（フォトダイオード）１１１１では光電変換が可能である。そのため、例えば、「４−１ ＡＦａ」や「１−２ ＡＦｂ」等の白抜き部分において得られた出力値（画素値）に、当該白抜き部分の面積等に応じた重み付けを行って、出力する画素値を補正してもよい。

また、画像生成時における第２の画素１１１０−２の画素値の補正処理や補間処理の方法は、上述した方法に限定されるものではなく、例えば、使用する画素の位置で重み付けを変えたり、周辺Ｇ画素の出力画素値を加味したりしてもよい。

第１の実施形態によれば、遮光用の上面配線１１１９の下方にウエル電位を固定するためのウエルコンタクト１１１８を配設するようにしたので、画素領域の構成上のスペース効率を極力下げることなく、ウエルコンタクト１１１８を設置することができる。具体的に、第２の画素（システム制御用画素）の光電変換部領域を、第１の画素（画像撮像用画素）の光電変換部領域よりも狭くし、光電変換部領域を狭くしたウエル領域にウエルコンタクト１１１８を設置することで、スペース効率を維持している。さらに、第１の実施形態によれば、画像信号に使用しないというシステム制御用画素の特徴を生かして、補正もしくは補間して画像を生成することで、ウエルコンタクト１１１８による画質への影響も低減することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

上述した第１の実施形態では、システム制御用画素である第２の画素１１１０−２として、焦点検出用の画素を適用した例について説明したが、本発明においてはこの形態に限定されるものではない。例えば、システム制御用画素である第２の画素１１１０−２として、画素領域１１００内の各所の温度を検知するための温度検出用の画素を適用することも可能である。そこで、第２の実施形態は、システム制御用画素である第２の画素１１１０−２として、温度検出用の画素を適用した形態とする。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る撮像装置（撮像素子）の画素の内部構成の一例を示す図である。図６において、図２に示す構成と同様の構成については同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図２に示す第１の実施形態と異なる点は、画素４−１が、焦点検出用の画素１１１０−２ａから温度検出用の画素１１１０−２ｃに変更され、画素１−２が、焦点検出用の画素１１１０−２ｂから温度検出用の画素１１１０−２ｄに変更された点である。さらに、図２に示す第１の実施形態と異なる点は、上面配線１１１９が、図２では「４−１ ＡＦａ」や「１−２ ＡＦｂ」等の白抜き部分には形成されていないが、図６ではこの白抜き部分に対応する非形成領域が存在しない点である。なお、図６に示す画素の等価回路は、図３に示す等価回路と同様であり、また、図６に示す画素の一部の断面構造は、図５に示す断面構造と同様である。

第２の画素１１１０−２として温度検出用の画素１１１０−２ｃ及び１１１０−２ｄを用いる場合、第１の実施形態と同様に光電変換部（フォトダイオード）１１１１を用いるが、外光による影響を除去する必要があるため、遮光を施すことが必要となる。この際、光電変換部（フォトダイオード）１１１１の出力に対して、温度相関係数等を持たせて、出力値と絶対温度との相関を取った上でシステム制御用として使用するのが一般的である。このため、第１の実施形態と同様に、第２の画素１１１０−２の光電変換部（フォトダイオード）１１１１の領域が、第１の画素１１１０−１の光電変換部（フォトダイオード）１１１１の領域に対して、狭い領域であっても問題ない。

以上のことから、第２の画素１１１０−２である温度検出用の画素１１１０−２ｃ及び１１１０−２ｄの上面には、図６に示すように、光束を遮る上面配線１１１９が設けられている。さらに、この上面配線１１１９は、図２〜図４と同様に、電位固定された電圧供給用配線１１２１と接続されている。そして、第２の実施形態においても、上述した第１の実施形態と同様に、第２の画素１１１０−２では、遮光層である上面配線１１１９の下方の、光電変換部１１１１を狭くしたウエル領域にウエルコンタクト１１１８を配設し、電位を固定する。

また、第２の実施形態においても、画像生成時には、図５に示す第１の実施形態と同様の補間処理を行って、画像生成を行う。

第２の実施形態によれば、遮光用の上面配線１１１９の下方にウエル電位を固定するためのウエルコンタクト１１１８を配設するようにしたので、画素領域の構成上のスペース効率を極力下げることなく、ウエルコンタクト１１１８を設置することができる。具体的に、第２の画素（システム制御用画素）の光電変換部領域を、第１の画素（画像撮像用画素）の光電変換部領域よりも狭くし、光電変換部領域を狭くしたウエル領域にウエルコンタクト１１１８を設置することで、スペース効率を維持している。さらに、第２の実施形態によれば、画像信号に使用しないというシステム制御用画素の特徴を生かして、補間して画像を生成することで、ウエルコンタクト１１１８による画質への影響も低減することができる。

なお、上述した本発明の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。即ち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１０００ 撮像装置、１１００ 画素領域、１１１０ 画素、１１１０ａ 画素の外縁、１１１０−１ 第１の画素（画像撮像用画素）、１１１０−２ 第２の画素（システム制御用画素）、１１１０−２ａ，１１１０−２ｂ 焦点検出用の画素、１１１０−２ｃ，１１１０−２ｄ 温度検出用の画素、１１１１ 光電変換部（フォトダイオード）、１１１２ 転送ＭＯＳトランジスタ、１１１３ リセットＭＯＳトランジスタ、１１１４ 増幅ＭＯＳトランジスタ、１１１５ 選択ＭＯＳトランジスタ、１１１６ 浮遊拡散領域（ＦＤ領域）、１１１７ 接続配線、１１１８ａ，１１１８ｂ ウエルコンタクト、１１１９ 上面配線、１２２１ 電圧供給用配線、１２２２ 画素出力用配線

Claims (5)

1. 画像撮像用に設けられた第１の画素と、
   システム制御用に設けられた第２の画素と
   を有し、
   前記第２の画素は、
   その上面の少なくとも一部に設けられ、光束を遮るための上面配線と、
   前記上面配線の下方に設けられ、ウエル電位を固定するためのウエルコンタクトと
   を含み構成されていることを特徴とする撮像装置。
2. 前記第１の画素および前記第２の画素は、光電変換部を含み構成されており、
   前記第２の画素の前記光電変換部は、前記上面配線の下方に、前記第１の画素の前記光電変換部の形成領域よりも狭い領域に形成されており、
   前記ウエルコンタクトは、前記第１の画素の前記光電変換部の形成領域に対応する前記第２の画素の領域であって前記第２の画素の前記光電変換部が非形成の領域に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 画像を生成する際には、前記第２の画素の画素値は、補正もしくは補間された値を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記第２の画素は、焦点検出用の画素であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記第２の画素は、温度検出用の画素であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。

Images