JP2019096914A - Solid state imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to a solid-state imaging device.
従来、固体撮像装置は、被写体からの光を受光する有効画素領域に配置された画素と被写体からの光が遮光されるオプティカルブラック領域に配置された画素とを備える。また、オプティカルブラック(OB)領域には、フォトダイオード(PD)有りOBと、PD無しOBの二種類の画素とを備える。 Conventionally, a solid-state imaging device includes pixels arranged in an effective pixel area for receiving light from an object and pixels arranged in an optical black area from which light from the object is blocked. Also, in the optical black (OB) region, two types of pixels of photodiode (PD) present OB and PD no OB are provided.
かかる固体撮像装置では、オプティカルブラック領域に配置されたPD有りOBから読み出された信号と、PD無しOBから読み出された信号との差分に基づきフォトダイオードの暗電流を算出し、それに応じて、有効画素領域における画素の画像信号の暗電流補正を行っている。このため、PD無しOBの暗電流をゼロにすることが望ましい。 In such a solid-state imaging device, the dark current of the photodiode is calculated based on the difference between the signal read from the OB with PD arranged in the optical black area and the signal read from the OB without PD, and accordingly The dark current correction of the image signal of the pixel in the effective pixel area is performed. For this reason, it is desirable to make the dark current of OB without PD zero.
しかしながら、かかる固体撮像装置は、PD無し画素においてフォトダイオード近傍で発生する暗電流を完全にゼロにすることは困難で、フォトダイオードの暗電流成分を正確に得られることができず、撮像画像の画質特性が不十分であった。例えば、裏面照射型の固体撮像装置では、PD無しOBでは光入射面側の暗電流をゼロにすることは困難である。また、表面照射型の固体撮像装置においても、シリコン基板の奥深くで発生する暗電流をゼロにすることは困難である。 However, in such a solid-state imaging device, it is difficult to completely eliminate the dark current generated near the photodiode in the pixel without PD, and the dark current component of the photodiode can not be accurately obtained. Image quality characteristics were insufficient. For example, in the back-illuminated solid-state imaging device, it is difficult to make the dark current on the light incident surface side zero in the case of OB without PD. Further, even in the surface-illuminated solid-state imaging device, it is difficult to eliminate the dark current generated deep in the silicon substrate.
一つの実施形態は、撮像画像の画質特性を向上させることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。 One embodiment aims to provide a solid-state imaging device capable of improving the image quality characteristics of a captured image.
一つの実施形態によれば、固体撮像装置が提供される。実施形態に係る固体撮像装置は、オプティカルブラック領域とコンタクトプラグと電圧印加部とを備える。オプティカルブラック領域は、半導体層に設けられ、被写体からの光が遮光される。コンタクトプラグは、オプティカルブラック領域における半導体層に電気的に接続する。電圧印加部は、コンタクトプラグへ所定の電圧を印加する。 According to one embodiment, a solid state imaging device is provided. The solid-state imaging device according to the embodiment includes an optical black area, a contact plug, and a voltage application unit. The optical black area is provided in the semiconductor layer, and the light from the subject is blocked. The contact plug is electrically connected to the semiconductor layer in the optical black area. The voltage application unit applies a predetermined voltage to the contact plug.
以下に添付図面を参照して、実施形態に係る固体撮像装置について詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, a solid-state imaging device according to an embodiment will be described in detail with reference to the attached drawings. The present invention is not limited by this embodiment.
図1は、実施形態に係る固体撮像装置10の概略構成を示すブロック図である。図1に示すように、固体撮像装置10は、画素アレイ2と垂直走査回路11と負荷回路12とカラムADC(Analog Digital Converter)回路13と水平走査回路14と基準電圧発生回路15とタイミング制御回路16と後段処理部17とを備える。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a solid-
画素アレイ2には、画素20が水平方向(行方向)RDおよび垂直方向(列方向)CDへ2次元アレイ(行列)状に配置される。画素20は、画素アレイ2における撮像画像の1画素に相当する。
In the
また、画素アレイ2は、入射光を光電変換して画像信号が生成される有効画素領域3と、入射光を遮光して黒レベルの基準信号である暗電流成分が生成されるオプティカルブラック領域(以下、「OB領域」とする)4とを有する。
Further, the
この実施形態では、画素アレイ2の1行目から2行目までの画素20がOB領域4の画素20であり、画素アレイ2の3行目からn行目までの画素20が有効画素領域3の画素20である。つまり、OB領域4は、画素アレイ2における一方の側縁部に配置される。なお、画素アレイ2におけるOB領域4の他の配置としては、例えば、OB領域4を、有効画素領域3の外縁を囲むように配置してもよい。
In this embodiment, the
また、OB領域4は、フォトダイオード(以下、「PD」と記載する)有りOB領域41とコンタクトプラグ付きPD有りOB領域42とを有する。PD有りOB領域41は、OB領域41の画素20で発生した黒レベルの基準信号である暗電流成分と電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分とが生成される領域である。コンタクトプラグ付きPD有りOB領域42は、かかる領域42の画素20で発生した暗電荷をコンタクトプラグから排出した後の電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分が生成される領域である。なお、コンタクトプラグ付きPD有りOB領域42に配置された画素20の構造については、図2を参照して後述する。
Further, the
また、画素アレイ2には、水平方向RDに画素20の読み出し制御を行う水平制御線Hlinが設けられ、垂直方向CDに画素20から読み出された電圧信号を伝送する垂直信号線Vlinが設けられる。
In addition, the
垂直走査回路11は、読み出し対象となる画素20を行単位で順次選択する。負荷回路12は、画素20から垂直信号線Vlinに列毎に電圧信号を読み出す。カラムADC回路13は、各画素20の電圧信号をCDS(Correlated Double Sampling)にて列毎にサンプリングする。
The
水平走査回路14は、読み出し対象となる画素20を列単位で順次選択する。基準電圧発生回路15は、カラムADC回路13に基準電圧VREFを出力する。この基準電圧VREFは、垂直信号線Vlinを介してカラムADC回路13へ入力される電圧信号と比較するために用いられる。
The
タイミング制御回路16は、垂直走査回路11に対して各画素20の電圧信号の読み出しのタイミングを制御する。後段処理部17は、サンプリングされた種々の電圧信号に基づいて暗電流補正を行って画素信号を算出する。また、後段処理部17は、算出した画素信号を出力(Vout)する。
The
かかる固体撮像装置10では、垂直走査回路11によって垂直方向CDに画素20が行毎に選択されるとともに、水平走査回路14によって水平方向RDに画素20が列毎に選択される。そして、負荷回路12において、選択された画素20との間でソースフォロア動作が行われることにより、画素20から読み出された電圧信号が垂直信号線Vlinを介してカラムADC回路13に送られる。
In the solid-
ここで、従来の固体撮像装置では、被写体からの光を受光する有効画素領域に配置された画素と被写体からの光が遮光されるオプティカルブラック領域に配置された画素とを備える。また、オプティカルブラック(OB)領域には、フォトダイオード(PD)有りOBと、PD無しOBの二種類の画素とを備える。 Here, the conventional solid-state imaging device includes pixels arranged in an effective pixel area for receiving light from an object and pixels arranged in an optical black area from which light from the object is blocked. Also, in the optical black (OB) region, two types of pixels of photodiode (PD) present OB and PD no OB are provided.
そのため、かかる固体撮像装置では、オプティカルブラック領域に配置されたPD有りOBから読み出された信号と、実際には暗電流が残存しているPD無しOBから読み出された信号との差分に基づきフォトダイオードの暗電流を算出し、それに応じて、有効画素領域における画素の画像信号の暗電流補正を行うことになり、撮像画像の画質特性が不十分であった。 Therefore, in such a solid-state imaging device, based on the difference between the signal read from the PD with OB disposed in the optical black area and the signal read from the PD without OB in which the dark current actually remains. The dark current of the photodiode is calculated, and accordingly, the dark current correction of the image signal of the pixel in the effective pixel area is performed, and the image quality characteristic of the captured image is insufficient.
そこで、本実施形態に係る固体撮像装置10では、OB領域4に、PD無しOBの代わりにコンタクトプラグ付きPD有りOB領域42を設けて、かかる領域42における画素20を用いて電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分を別に生成するようにした。
Therefore, in the solid-
そして、かかる固体撮像装置10では、PD有りOB領域41の画素20の電圧信号からノイズ成分に対応した電圧信号を減算して、正確な暗電流成分を算出することで、撮像画像の画質特性を向上させた。
Then, in the solid-
次に、図2を参照して、コンタクトプラグ付きPD有りOB領域42に配置された画素20の構造について説明する。かかる画素20の構造は、2つのフォトダイオードによって1つのフローティングディフュージョンを共有した2画素1セル構造である。
Next, with reference to FIG. 2, the structure of the
図2は、実施形態に係る画素アレイ2におけるコンタクトプラグ付きPD有りOB領域42に配置された画素20の模式的な断面図である。なお、ここでは、便宜上、画素20の光9が入射する側を上として、画素20の光9が入射する側とは逆側を下として説明する。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the
図2に示すように、画素20は、半導体層6内に光電変換素子40と素子分離領域64とを備える。また、画素20は、半導体層6の受光面上に順次積層される遮光膜81が埋め込まれた反射防止層8、カラーフィルタ82、およびマイクロレンズ83を備える。
As shown in FIG. 2, the
光電変換素子40は、例えば、ボロン等のP型の低濃度の不純物がドープされたP型のSi層60と、P型のSi層60の内部に、例えば、リン等のN型の高濃度の不純物がドープされたN型のSi領域61とのPN接合によって形成されるフォトダイオードである。
The
この実施形態では、光電変換素子40が半導体層6における受光面側とは反対側の界面に形成される。つまり、かかる光電変換素子40は、P型のSi層60の深部(下層部)に電荷蓄積領域となるN型のSi領域61を形成することで形成される。
In this embodiment, the
素子分離領域64は、DTI(Deep Trench Isolation)であり、半導体層6の上面から半導体層6の深さ方向に形成されるトレンチに埋め込まれたP型の不純物がドープされた領域62と、かかる領域62の側面および上面に設けられる絶縁部材63とを備える。
The
また、素子分離領域64は、P型の不純物がドープされた領域62における受光面側とは反対側の幅広部65にフローティングディフュージョン66(以下、「FD」と記載する)を備える。
In addition, the
反射防止層8は、例えば、Si窒化膜からなり、カラーフィルタ82を透過する入射光の反射を防止する。また、OB領域4に設けられる反射防止層8には、遮光膜81が埋め込まれる。かかる遮光膜81は、光電変換素子40への光9の入射を防止する。
The
つまり、OB領域4では、遮光膜81により半導体層6の受光面側が被覆されており、光電変換素子40へ光9が入射しない。一方、有効画素領域3では、半導体層6の受光面側に遮光膜81が被覆されておらず、光電変換素子40へ光9が入射する。
That is, in the
カラーフィルタ82は、例えば、赤、緑、青の3原色のうち、いずれか一色の入射光を透過させる。マイクロレンズ83は、平凸レンズであり、画素アレイ2へ入射する光9を光電変換素子40へ集光する。
The
また、画素20は、半導体層6の受光面側とは逆の面側に多層配線層7を備える。多層配線層7は、支持基板75上に設けられる。また、多層配線層7は、層間絶縁膜70と、層間絶縁膜70の内部に設けられる多層配線72とコンタクトプラグ50と転送ゲート74とを備える。
In addition, the
多層配線72は、この例では、第1の配線72a、第2の配線72b、および第3の配線72cの3層の配線からなる。かかる3層の配線72a,72b,72cは、半導体層6の受光面側とは逆側の面にこの順に積層される。
In this example, the
コンタクトプラグ50は、第1の配線72aと光電変換素子40の電荷蓄積領域となるN型のSi領域61とを電気的に接続する。かかるコンタクトプラグ50は、多層配線層7の上面から第1の配線72aの上面まで形成されるコンタクトホール51の内部表面に絶縁膜52を形成し、コンタクトホール51の内部に、例えば、タングステン等の導電性部材53を埋め込むことで形成される。
The contact plug 50 electrically connects the
転送ゲート74は、半導体層6の受光面側とは逆側の面におけるFD66を備える素子分離領域64に近接する位置にゲート絶縁膜73を介して設けられる。この例では、光電変換素子40、FD66、ゲート絶縁膜73、および転送ゲート74によって転送トランジスタTRS1が構成される。
Transfer gate 74 is provided via
また、画素20は、固体撮像装置10における任意の位置に電圧印加部5を備える。電圧印加部5は、多層配線層7の第1の配線72aを介してコンタクトプラグ50へ接続され、コンタクトプラグ50に所定の正の電圧を印加することによって光電変換素子40の電荷蓄積領域であるN型のSi領域61に蓄積された暗電荷90を排出する。
In addition, the
ここで、OB領域4の画素20で発生する暗電荷90について説明する。OB領域4では、遮光膜81により半導体層6の受光面側が被覆されて光電変換素子40へ光9が入射しないにもかかわらず、半導体層6に、入射光を光電変換することで生じる電荷以外の電荷が生じることがある。
Here, the
かかる電荷は、CMP(Chemical Mechanical Polishing)による半導体層6の受光面側の研磨やRIE(Reactive Ion Etching)による素子分離領域64用のトレンチの形成等によって半導体層6がダメージを受けることで、結晶欠陥に起因して生じる電荷であり、一般的に暗電荷90と呼ばれる。
The charge is caused by damage to the
また、半導体層6に生じた暗電荷90は、半導体層6の下層部に形成された光電変換素子40の電荷蓄積領域であるN型のSi領域61に引き寄せられて、N型のSi領域61に蓄積される。
Also, the
コンタクトプラグ付きPD有りOB領域42に配置された画素20では、電圧印加部5によってコンタクトプラグ50に所定の正の電圧を印加することで、N型のSi領域61に蓄積された暗電荷90が多層配線層7を介して外部へ排出される。
In the
すなわち、かかるOB領域42に配置された画素20は、半導体層6がダメージを受けることで生じる暗電荷90を全く含まない基準用あるいは比較用の画素として用いられる。
That is, the
上述の実施形態に係る固体撮像装置10は、画素アレイ2のOB領域4にコンタクトプラグ付きPD有りOB領域42を備える。かかる領域42に配置される画素20は、半導体層6がダメージを受けることで生じる暗電荷90を全く含まない基準用あるいは比較用の画素として用いられる。
The solid-
これにより、かかる固体撮像装置10は、かかる領域42における画素20を用いて電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分を別に生成することができる。
Thus, the solid-
したがって、かかる固体撮像装置10は、PD有りOB領域41の画素20の電圧信号からコンタクトプラグ付きPD有りOB領域42の画素20により生成したノイズ成分に対応した電圧信号を減算することで、正確な暗電流成分を算出することができる。
Therefore, such a solid-
そのため、かかる固体撮像装置10は、算出した正確な暗電流成分に基づいて暗電流補正を行うことができ、撮像画像の画質特性を向上させることができる。
Therefore, the solid-
次に、コンタクトプラグ付きPD有りOB領域42に配置される画素20の回路構成について説明する。図3は、実施形態に係る固体撮像装置10が備えるコンタクトプラグ付きPD有りOB領域42に配置される画素20の回路構成の一例を示す模式図である。
Next, the circuit configuration of the
図3に示すように、画素20は、2つのフォトダイオードPD1,PD2、2つの転送トランジスタTRS1,TRS2を備える。さらに、画素20は、フローティングディフュージョンFD、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRST、アドレストランジスタADRを備える。なお、上述した図2には、2画素1セル構造におけるフォトダイオードPD1、転送トランジスタTRS1、およびフローティングディフュージョンFDの物理的な配置を示している。
As shown in FIG. 3, the
各フォトダイオードPD1,PD2は、アノードがグランドに接続され、カソードが転送トランジスタTRS1,TRS2のソースに接続される。また、各フォトダイオードPD1,PD2のカソードには、電圧印加部5から延設された配線が接続される。2つの転送トランジスタTRS1,TRS2の各ドレインは、1つのフローティングディフュージョンFDに接続される。
The anodes of the photodiodes PD1 and PD2 are connected to the ground, and the cathodes are connected to the sources of the transfer transistors TRS1 and TRS2. Moreover, the wiring extended from the
各転送トランジスタTRS1,TRS2は、転送ゲートに転送信号が入力されると、フォトダイオードPD1,PD2からの電荷読み出し動作が行われる。フローティングディフュージョンFDには、リセットトランジスタRSTのソースが接続される。 In each of the transfer transistors TRS1 and TRS2, when a transfer signal is input to the transfer gate, the charge readout operation from the photodiodes PD1 and PD2 is performed. The source of the reset transistor RST is connected to the floating diffusion FD.
また、リセットトランジスタRSTのドレインは、電源電圧線VDDに接続される。かかるリセットトランジスタRSTは、ゲートへリセット信号が入力されると、フローティングディフュージョンFDの電位を電源電圧の電位にリセットする。 The drain of the reset transistor RST is connected to the power supply voltage line VDD. The reset transistor RST resets the potential of the floating diffusion FD to the potential of the power supply voltage when a reset signal is input to the gate.
また、フローティングディフュージョンFDには、増幅トランジスタAMPのゲートが接続される。かかる増幅トランジスタAMPのソースは、垂直信号線Vlinに接続され、ドレインがアドレストランジスタADRのソースに接続される。垂直信号線Vlinは、電流源Tに接続される。また、アドレストランジスタADRのドレインは、電源電圧線VDDに接続される。 Further, the gate of the amplification transistor AMP is connected to the floating diffusion FD. The source of the amplification transistor AMP is connected to the vertical signal line Vlin, and the drain is connected to the source of the address transistor ADR. The vertical signal line Vlin is connected to the current source T. The drain of the address transistor ADR is connected to the power supply voltage line VDD.
次に、上述したコンタクトプラグ付きPD有りOB領域42に配置される画素20を用いた暗電流補正について説明する。図4は、実施形態に係る固体撮像装置10が実行する処理手順を示すフローチャートである。なお、図4に示すフローチャートは、一例である。
Next, the dark current correction using the
図4に示すように、固体撮像装置10は、まず、画素アレイ2における全ての画素20に対して同一のタイミングで露光を行う(ステップS101)。次に、固体撮像装置10は、コンタクトプラグ付きPD有りOB領域42の画素20で発生した暗電荷90(図2参照)を排出する(ステップS102)。
As shown in FIG. 4, first, the solid-
具体的には、上述した図2に示すように、電圧印加部5から多層配線層7の第1の配線72aを介してコンタクトプラグ5に所定の正の電圧を印加することによって光電変換素子40の電荷蓄積領域であるN型のSi領域61に蓄積された暗電荷90を排出する。なお、暗電荷90の排出(ステップS102)は、コンタクトプラグ5に常に一定の電圧を印加することにより、グローバルシャッタ(ステップS101)の期間中全てのタイミングで排出することで代用することもできる。
Specifically, as shown in FIG. 2 described above, the
より具体的には、上述した図3に示すように、まず、転送トランジスタTRS1,TRS2、リセットトランジスタRST、アドレストランジスタADR、および増幅トランジスタAMPの各電位を同電位にする。そして、転送トランジスタTRS1,TRS2の転送ゲートに所定の電圧を印加して、転送トランジスタTRS1,TRS2の電圧レベルを固定して、フォトダイオードPD1,PD2と転送トランジスタTRS1,TRS2との電気的接続を遮断する。その後、電圧印加部5によって所定の正の電圧を印加することによってフォトダイオードPD1,PD2から暗電荷90を排出する。
More specifically, as shown in FIG. 3 described above, first, the potentials of the transfer transistors TRS1 and TRS2, the reset transistor RST, the address transistor ADR, and the amplification transistor AMP are set to the same potential. Then, a predetermined voltage is applied to the transfer gates of the transfer transistors TRS1 and TRS2 to fix the voltage levels of the transfer transistors TRS1 and TRS2, and the electrical connection between the photodiodes PD1 and PD2 and the transfer transistors TRS1 and TRS2 is cut off. Do. Thereafter, the
このように、固体撮像装置10は、フォトダイオードPD1,PD2と転送トランジスタTRS1,TRS2との電気的接続を遮断することで、フォトダイオードPD1,PD2内の暗電荷90を確実に排出することができる。
Thus, the solid-
続いて、固体撮像装置10は、画素アレイ2における全ての画素20の信号電荷の読み出しを行う(ステップS103)。これにより、PD有りOB領域41の画素20では、黒レベルの基準信号である暗電流成分と電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分とがフローティングディフュージョン66(FD)に流入する。また、コンタクトプラグ付きPD有りOB領域42の画素20では、電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分がフローティングディフュージョン66(FD)に流入する。
Subsequently, the solid-
そして、固体撮像装置10は、コンタクトプラグ付きPD有りOB領域42の画素20からの電荷読み出し動作によって生じたノイズ成分に対応した電圧信号S1を算出する(ステップS104)。
Then, the solid-
また、固体撮像装置10は、PD有りOB領域41の画素20における暗電流成分とノイズ成分との混合成分に対応した電圧信号S2を算出する。
The solid-
次に、固体撮像装置10は、PD有りOB領域41の画素20の電圧信号S2からコンタクトプラグ付きPD有りOB領域42の画素20のノイズ成分に対応した電圧信号S1を減算して、暗電流成分ΔTを算出する(ステップS105)。
Next, the solid-
その後、固体撮像装置10は、有効画素領域3の画素20の電圧信号S3から暗電流成分ΔTを減算して暗電流補正を行って、有効画素領域3の画素20の画素信号Pを算出する(ステップS106)。なお、暗電流補正は、この実施形態では後段処理部17で行われる(図1参照)。
Thereafter, the solid-
このように、固体撮像装置10は、PD有りOB領域41の画素20の電圧信号S2からコンタクトプラグ付きPD有りOB領域42の画素20のノイズ成分に対応した電圧信号S1を減算して、暗電流成分ΔTを算出する。このため、固体撮像装置10は、正確な暗電流成分ΔTを算出することができる。
As described above, the solid-
したがって、固体撮像装置10は、算出した正確な暗電流成分ΔTに基づいて暗電流補正を行うことができ、撮像画像の画質特性を向上させることができる。
Therefore, the solid-
次に、実施形態の他の変形例に係る画素アレイ2について説明する。かかる画素アレイ2は、上述したコンタクトプラグ付きPD有りOB領域42に配置される画素20において、フォトダイオードが設けられていないところが異なる。以下、かかる画素が配置されるオプティカルブラック領域をコンタクトプラグ付きPD無しOB領域と呼ぶ。
Next, a
図5は、実施形態の他の変形例に係る画素アレイ2におけるコンタクトプラグ付きPD無しOB領域に配置された画素20aの模式的な断面図である。なお、図5に示す構成要素のうち、図2に示す構成要素と同様の構成要素については、図2に示す符号と同一の符号を付すことにより、その説明を省略する。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a
図5に示すように、画素20aにおけるコンタクトプラグ50は、第1の配線72aとP型のSi層60とを電気的に接続する。かかる画素20aは、P型のSi層60の内部にフォトダイオードの電荷蓄積領域となるN型のSi領域が設けられていない。
As shown in FIG. 5, the
かかる画素20aは、P型のSi層60の内部にN型のSi領域を形成するためのN型の高濃度の不純物がドープされていないことから、イオン注入による結晶欠陥に起因して暗電荷90が生じることがない。
Since the
つまり、かかる画素20aは、半導体層6が受けるダメージをより少なく抑えて、暗電荷90の量を少なくしているため、電圧印加部5から所定の正の電圧をコンタクトプラグ50に印加した場合に、画素20aからの暗電荷90の排出時間が短くなる。
That is, in the
上述の実施形態に係る固体撮像装置10は、画素アレイ2のOB領域4にコンタクトプラグ付きPD無しOB領域を備える。かかる領域に配置される画素20aは、半導体層6がダメージを受けることで生じる暗電荷90を全く含まない基準用あるいは比較用の画素として用いられる。
The solid-
これにより、かかる固体撮像装置10は、コンタクトプラグ付きPD無しOB領域における画素20aを用いて電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分を別に生成することができる。
Thus, the solid-
したがって、かかる固体撮像装置10は、PD有りOB領域41の画素20の電圧信号からコンタクトプラグ付きPD無しOB領域の画素20aにより生成したノイズ成分に対応した電圧信号を減算することで、正確な暗電流成分を算出することができる。
Therefore, such a solid-
そのため、かかる固体撮像装置10は、算出した正確な暗電流成分に基づいて暗電流補正を行うことができ、撮像画像の画質特性を向上させることができる。
Therefore, the solid-
次に、上述したコンタクトプラグ付きPD無しOB領域に配置される画素20aを用いた暗電流補正について説明する。図6は、実施形態に係る固体撮像装置10が実行する処理手順を示すフローチャートである。なお、図6に示すフローチャートは、一例である。
Next, dark current correction using the
図6に示すように、固体撮像装置10は、まず、画素アレイ2における全ての画素20,20aに対して同一のタイミングで露光を行う(ステップS201)。次に、固体撮像装置10は、コンタクトプラグ付きPD無しOB領域の画素20aで発生した暗電荷90(図5参照)を排出する(ステップS202)。
As shown in FIG. 6, first, the solid-
具体的には、上述した図5に示すように、電圧印加部5から多層配線層7の第1の配線72aを介してコンタクトプラグ50に所定の正の電圧を印加することによってP型のSi層60に存在する暗電荷90を排出する。
Specifically, as shown in FIG. 5 described above, P-type Si is applied by applying a predetermined positive voltage from the
続いて、固体撮像装置10は、画素アレイ2における全ての画素20,20aの信号電荷の読み出しを行う(ステップS203)。これにより、PD有りOB領域41の画素20では、黒レベルの基準信号である暗電流成分と電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分とがフローティングディフュージョン66(FD)に流入する。また、コンタクトプラグ付きPD無しOB領域の画素20aでは、電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分がフローティングディフュージョン66(FD)に流入する。
Subsequently, the solid-
そして、固体撮像装置10は、コンタクトプラグ付きPD無しOB領域の画素20aからの電荷読み出し動作によって生じたノイズ成分に対応した電圧信号S1を算出する(ステップS204)。
Then, the solid-
また、固体撮像装置10は、PD有りOB領域41の画素20における暗電流成分とノイズ成分との混合成分に対応した電圧信号S2を算出する。
The solid-
次に、固体撮像装置10は、PD有りOB領域41の画素20の電圧信号S2からコンタクトプラグ付きPD無しOB領域の画素20aのノイズ成分に対応した電圧信号S1を減算して、暗電流成分ΔTを算出する(ステップS205)。
Next, the solid-
その後、固体撮像装置10は、有効画素領域3の画素20の電圧信号S3から暗電流成分ΔTを減算して暗電流補正を行って、有効画素領域3の画素20の画素信号Pを算出する(ステップS206)。なお、暗電流補正は、この実施形態では後段処理部17で行われる(図1参照)。
Thereafter, the solid-
このように、固体撮像装置10は、PD有りOB領域41の画素20の電圧信号S2からコンタクトプラグ付きPD無しOB領域の画素20aのノイズ成分に対応した電圧信号S1を減算して、暗電流成分ΔTを算出する。このため、固体撮像装置10は、正確な暗電流成分ΔTを算出することができる。
As described above, the solid-
したがって、固体撮像装置10は、算出した正確な暗電流成分ΔTに基づいて暗電流補正を行うことができ、撮像画像の画質特性を向上させることができる。
Therefore, the solid-
また、上述した実施形態に係る固体撮像装置10が行う暗電流補正は、有効画素領域3の画素20の電圧信号S3から暗電流成分ΔTを減算して、有効画素領域3の画素20の画素信号Pを算出しているが、この形態に限られない。
Further, the dark current correction performed by the solid-
他の形態として、固体撮像装置10は、まず、有効画素領域3の画素20の電圧信号S3からコンタクトプラグ付きPD有り(無し)OB領域の画素20,20aのノイズ成分に対応した電圧信号S1を減算する。そして、固体撮像装置10は、減算した電圧信号(S3−S1)から暗電流成分ΔTを減算して、有効画素領域3の画素20の画素信号Pを算出する。
As another mode, first, the solid-
かかる形態では、例えば、有効画素領域3の画素20の電圧信号S3内に、かかる画素20からの電荷読み出し動作によって生じたノイズ成分に対応した電圧信号が含まれている場合に、予め電圧信号S3内のノイズ成分を取り除くことができる。
In such an embodiment, for example, when the voltage signal S3 of the
したがって、かかる固体撮像装置10は、コンタクトプラグ付きPD有り(無し)OB領域の画素20,20aを用いることで、有効画素領域3の画素20の電圧信号S3内のノイズ成分を取り除くことができ、撮像画像の画質特性をより向上させることができる。
Therefore, the solid-
また、上述した実施形態に係る固体撮像装置10が裏面照射型の固体撮像装置である場合について説明したが、上記したコンタクトプラグ50および電圧印加部5の構成は、表面照射型の固体撮像装置に採用することができる。
In addition, although the case where the solid-
かかる場合においても、表面照射型の固体撮像装置は、コンタクトプラグ付きPD無しOB領域における画素を用いて電荷の読み出し動作によって生じたノイズ成分を別に生成することができる。 Even in such a case, the surface-illuminated solid-state imaging device can separately generate the noise component generated by the charge readout operation using the pixel in the contactless plugless OB area without PD.
したがって、かかる固体撮像装置は、PD有りOB領域の画素の電圧信号からコンタクトプラグ付きPD無しOB領域の画素により生成したノイズ成分に対応した電圧信号を減算することで、正確な暗電流成分を算出することができる。 Therefore, such a solid-state imaging device calculates an accurate dark current component by subtracting the voltage signal corresponding to the noise component generated by the pixel in the OB region without contact plug from the voltage signal of the pixel in the PD region with OB region. can do.
そのため、かかる固体撮像装置は、算出した正確な暗電流成分に基づいて暗電流補正を行うことができ、撮像画像の画質特性を向上させることができる。 Therefore, such a solid-state imaging device can perform dark current correction based on the calculated accurate dark current component, and can improve the image quality characteristics of a captured image.
また、上述した実施形態に係る画素20,20aは、Si層60をP型とし、Si領域61をN型としているが、これに限られず、Si層60をN型とし、Si領域61をP型として、画素20,20aを構成するようにしてもよい。
In the
また、上述の実施形態では、2画素1セル構造の画素20,20aを例にとって説明したが、1画素1セル構造または4画素1セル構造などのその他の構造の画素であっても同様である。
In the above embodiment, the
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 While certain embodiments of the present invention have been described, these embodiments have been presented by way of example only, and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and the gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
10 固体撮像装置、 11 垂直走査回路、 12 負荷回路、 13 カラムADC回路、 14 水平走査回路、 15 基準電圧発生回路、 16 タイミング制御回路、 17 後段処理部、 2 画素アレイ、 20 画素、 3 有効画素領域、 4 オプティカルブラック領域、 40 光電変換素子、 41 PD有りOB領域、 42 コンタクトプラグ付きPD有りOB領域、 5 電圧印加部、 50 コンタクトプラグ、 51 コンタクトホール、 52 絶縁膜、 53 導電性部材、 6 半導体層、 60 P型のSi層、 61 N型のSi領域、 62 P型の不純物がドープされた領域、 63 絶縁部材、 64 素子分離領域、 65 幅広部、 66 フローティングディフュージョン、 7 多層配線層、 70 層間絶縁膜、 72 多層配線、 73 ゲート絶縁膜、 74 転送ゲート、 75 支持基板、 8 反射防止層、 81 遮光膜、 82 カラーフィルタ、 83 マイクロレンズ、 9 光、 90 暗電荷、 CD 垂直方向、 RD 水平方向、 Hlin 水平制御線、 Vlin 垂直信号線、 PD1,PD2 フォトダイオード、 TRS1,TRS2 転送トランジスタ、 RST リセットトランジスタ、 AMP 増幅トランジスタ、 T 電流源
一つの実施形態によれば、固体撮像装置が提供される。実施形態に係る固体撮像装置は、入射光を光電変換する有効画素領域と、入射光が遮断されるオプティカルブラック領域と、コンタクトプラグと電圧印加部とを備える。有効画素領域は、第1の素子分離領域と、第1の素子分離領域によって分離された第1導電型の半導体層に第2導電型の電荷蓄積領域が形成された光電変換素子を有する第1の画素を備える。オプティカルブラック領域は、第2の素子分離領域と、第2の素子分離領域によって分離された第1導電型の半導体層を有する第2の画素を備える。コンタクトプラグは、オプティカルブラック領域における第2の画素の第1導電型の半導体層に電気的に接続される。電圧印加部は、コンタクトプラグへ所定の電圧を印加する。 According to one embodiment, a solid state imaging device is provided. The solid-state imaging device according to the embodiment includes an effective pixel area that photoelectrically converts incident light, an optical black area where incident light is blocked , a contact plug, and a voltage application unit. The effective pixel region includes a first element isolation region, and a photoelectric conversion element in which a charge storage region of a second conductivity type is formed in a semiconductor layer of a first conductivity type separated by the first element isolation region. The pixel of The optical black area includes a second pixel having a second element isolation area and a semiconductor layer of the first conductivity type separated by the second element isolation area. Contact plugs, Ru is electrically connected to the first conductive type semiconductor layer of the second pixel in the optical black region. The voltage application unit applies a predetermined voltage to the contact plug.
Claims (6)
前記オプティカルブラック領域における前記半導体層に電気的に接続するコンタクトプラグと、
前記コンタクトプラグへ所定の電圧を印加する電圧印加部と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。 An optical black area provided on the semiconductor layer and blocking light from the subject;
A contact plug electrically connected to the semiconductor layer in the optical black region;
A voltage application unit for applying a predetermined voltage to the contact plug.
前記オプティカルブラック領域における前記半導体層で発生した電荷を排出する
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 The contact plug is
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the charge generated in the semiconductor layer in the optical black area is discharged.
電荷蓄積領域を有する複数の光電変換素子を備え、
前記コンタクトプラグは、
前記複数の光電変換素子の前記電荷蓄積領域に電気的に接続する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像装置。 The semiconductor layer is
A plurality of photoelectric conversion elements having a charge storage region,
The contact plug is
It electrically connects to the said charge storage area | region of these photoelectric conversion elements. The solid-state imaging device of Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned.
前記コンタクトプラグは、
前記配線層の配線と前記半導体層とを電気的に接続する
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の固体撮像装置。 A wiring layer is provided on the side opposite to the light receiving side of the semiconductor layer,
The contact plug is
The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 3, wherein the wiring of the wiring layer and the semiconductor layer are electrically connected.
被写体からの光を受光する有効画素領域の外縁に設けられる
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の固体撮像装置。 The optical black area is
It is provided in the outer edge of the effective pixel area | region which light-receives the light from a to-be-photographed object. The solid-state imaging device as described in any one of the Claims 1-4 characterized by the above-mentioned.
前記読み出しトランジスタは、
ゲートに所定の電圧が印加されることで電圧レベルが固定される
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の固体撮像装置。 A readout transistor for reading out the charge from the semiconductor layer in the optical black region;
The read transistor is
The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 5, wherein a voltage level is fixed by applying a predetermined voltage to the gate.
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