JP4552289B2 - 固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光を取り込んで蓄積した電荷を電気信号として出力する固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、固体撮像装置には信号レベルの基準となる信号（黒基準信号）を得るためにオプティカルブラック（光学的黒）である黒基準領域を備えており、有効画素信号はその黒基準領域で得たレベルを基準として演算処理される。
【０００３】
図３は、従来の固体撮像装置を説明するブロック図である。すなわち、ＣＣＤ１から出力された信号は、ＣＤＳ（相関二重サンプリング回路）２に入力され、その後、オプティカルブラックから出力された黒基準信号をクランプするオプティカルブラッククランプ回路３へ入力される。
【０００４】
クランプ後の信号はゲインコントローラ（ＧＣ）４、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路５を経てデジタル信号に変換され、信号処理回路７へ渡される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような固体撮像装置には次のような問題がある。すなわち、この固体撮像装置をデジタルスチルカメラ等に用い、長時間露光モードで撮影を行った場合、画素に蓄積された暗電流が増加し、画素毎の信号レベルのばらつきが大きくなるため、それをクランプすると画面に横筋が生じるといった弊害が発生してしまう。
【０００６】
また、光透過対策で、不純物注入を行わないで形成したオプティカルブラックを備える固体撮像装置もある（特許第２９１７３６１号参照）。このような固体撮像装置では、上記のようなデジタルスチルカメラの長時間露光モードで撮影した場合、暗電流成分がほとんど含まれないため、安定したクランプを行うことができる。
【０００７】
しかし、特に長時間露光モードで撮影した場合には、有効画素とオプティカルブラックとの信号差分が増大し、黒ずれの発生を招くという問題が生じる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、半導体基板に不純物を注入して形成され、入射光に応じた電荷を蓄積して出力する有効画素部と、有効画素部と隣接して設けられ入射光に対する遮光膜を有する黒基準部とを備える固体撮像装置であり、この黒基準部として、半導体基板に不純物を注入して形成された第１の黒基準部と、半導体基板に不純物を注入していない第２の黒基準部とから構成され、さらに、第２の黒基準部から出力される第２の黒基準信号をアナログ信号の状態でクランプするアナログクランプ手段と、第１の黒基準部から出力される第１の黒基準信号をデジタル信号の状態でクランプするデジタルクランプ手段とを備えるものである。
また、本発明は、有効画素部と隣接して設けられ入射光に対する遮光膜を有する黒基準部を備える固体撮像装置の駆動方法であって、黒基準部が、半導体基板に不純物を注入して形成された第１の黒基準部と、半導体基板に不純物を注入していない第２の黒基準部とから構成されており、第２の黒基準部から出力される第２の黒基準信号をアナログ信号の状態でクランプするアナログクランプ工程と、第１の黒基準部から出力される第１の黒基準信号をデジタル信号の状態でクランプするデジタルクランプ工程とを備えている駆動方法である。
【０００９】
このような本発明では、有効画素部で取り込んで得たアナログ信号を、第２の黒基準部から出力される第２の黒基準信号でクランプし、デジタル信号に変換した後に第１の黒基準部から出力される第１の黒基準信号でクランプする。これにより、長時間露光モードで撮影した場合であっても、不要な暗電流成分を含まない第２の黒基準信号で安定したクランプを行えるとともに、その後に第１の黒基準信号で有効画素部との差分を正確に演算できるようになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る固体撮像装置の主要部を説明する図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は有効画素部断面図、（ｃ）は第１オプティカルブラックの断面図、（ｄ）は第２オプティカルブラックの断面図である。
【００１１】
図１（ａ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、入射光に応じた電荷を蓄積して出力する有効画素領域１０と、有効画素領域１０に隣接して設けられる第１オプティカルブラック１１と、有効画素領域１０および第１オプティカルブラック１１の領域を囲むように形成される第２オプティカルブラック１２とを備えている。
【００１２】
図１（ｂ）に示すように、有効画素領域の画素部は、ｐ型のシリコン基板１００の表面（もしくは、ｎ型のシリコン基板に設けられたｐウェル領域）に注入されるｎ+型不純物拡散領域１０１と、読み出し部１０２を介して形成されるチャネル層１０３と、チャネル層１０３上に形成される転送電極１０４と、ｎ+型不純物拡散領域１０１上のみ開口して他の部分を覆う遮光膜１０５とを備えている。
【００１３】
このような有効画素部では、遮光膜１０５の開口から入射される光に応じた電荷がｎ+型不純物拡散領域１０１に蓄積され、所定のタイミングによって読み出し部１０２からその電荷がチャネル層１０３へ読み出される。そして、転送電極１０４の駆動によって電荷がチャネル層１０３を順次転送していくことになる。
【００１４】
図１（ｃ）に示す第１オプティカルブラック１１は、ｐ型のシリコン基板１００の表面に形成されるｎ+型不純物拡散領域１０１、読み出し部１０２、チャネル層１０３、転送電極１０４については有効画素部と同じであるが、ｎ+型不純物拡散領域１０１を含む全面に遮光膜１０５を備える点で相違する。
【００１５】
このような第１オプティカルブラック１１では、遮光膜１０５によって入射光が遮られることから、所定のタイミングによって読み出される信号は、第１の黒基準信号となって転送されることになる。
【００１６】
図１（ｄ）に示す第２オプティカルブラック１２は、ｐ型のシリコン基板１００、読み出し部１０２、チャネル層１０３、転送電極１０４については第１オプティカルブラック１１と同じであるが、ｎ+型不純物拡散領域１０１に対応する部分に不純物が注入されていない点で相違する。
【００１７】
このような第２オプティカルブラック１２では、第１オプティカルブラック１１のｎ+型不純物拡散領域１０１に対応する部分になにも不純物が注入されていないことから、この部分での電荷の蓄積は行われない。つまり、有効画素領域１０からの暗電流の流入が極めて小さく、不要な暗電流成分を含まない第２の黒基準信号を転送できるようになる。
【００１８】
本実施形態の固体撮像装置では、このように有効画素領域１０の外側にｎ+型不純物拡散領域１０１を持つ第１オプティカルブラック１１と、ｎ+型不純物拡散領域１０１を持たない第２オプティカルブラック１２とを備えているため、有効画素領域１０で取り込んで得た信号を、第１オプティカルブラック１１から出力される第１の黒基準信号および第２オプティカルブラック１２から出力される第２の黒基準信号の各々のクランプによって演算することができる。
【００１９】
図２は、本実施形態における固体撮像装置のシステム構成図である。このシステムでは、ＣＣＤ１、ＣＤＳ（相関二重サンプリング回路）２、アナログクランプ回路３、ＧＣ（ゲインコントローラ）４、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路５、デジタルクランプ回路６および信号処理回路７から構成される。
【００２０】
このＣＣＤ１としては、上記説明した有効画素領域１０、第１オプティカルブラック１１および第２オプティカルブラック１２を備えたものが適用される。また、アナログクランプ回路３では、第２オプティカルブラック１２から出力される第２の黒基準信号が用いられ、デジタルクランプ回路６では、第１オプティカルブラック１１から出力される第１の黒基準信号が用いられる。
【００２１】
まず、ＣＣＤ１で取り込んだ電荷に対応する出力信号はＣＤＳ２に入力される。ＣＤＳ２では、リセット期間の電位をクランプして、信号レベルをサンプルホールドし、ノイズを除去した信号を得るようにしている。
【００２２】
次いで、ＣＤＳ２から出力された信号はアナログクランプ回路３に入力される。ここでは、図１に示す第２オプティカルブラック１２から出力された第２の黒基準信号をクランプし、ＣＤＳ２から出力された信号との差分を演算する。
【００２３】
第２オプティカルブラック１２では、ｎ+型不純物拡散領域を持たないことから不要な暗電流成分を含まない安定した黒基準信号を得ることができ、正確な基準による信号を得ることが可能となる。
【００２４】
次に、アナログクランプ回路３から出力された信号はＧＣ４によってゲインコントロールされ、Ａ／Ｄ変換回路５によりデジタル信号に変換される。
【００２５】
その後、デジタル信号はデジタルクランプ回路６に入力される。デジタルクランプ回路６では、図１に示す第１オプティカルブラック１１から出力される第１の黒基準信号をクランプし、Ａ／Ｄ変換回路５から出力されたデジタル信号との差分を演算する。
【００２６】
第１オプティカルブラック１１では、ｎ+型不純物拡散領域１０１を持つことから、有効画素部でのレベル変動を正確に吸収できる黒基準信号を得ることができ、この基準によって正確なレベルの信号を得ることが可能となる。
【００２７】
そして、デジタルクランプ回路６から出力された信号は、所望の信号処理回路７で処理されることになる。
【００２８】
ここで、アナログクランプ回路３として第２オプティカルブラック１２から出力される第２の黒基準信号をクランプして演算し、デジタルクランプ回路６として第１オプティカルブラック１１から出力される第１の黒基準信号をクランプして演算することで、高ダイナミックレンジの信号出力を得ることが可能となる。
【００２９】
このような本実施形態の固体撮像装置を適用したシステムでは、デジタルスチルカメラ等の長時間露光時にも横筋や黒ずれの弊害を生じない画像を適用できるようになる。
【００３０】
なお、上記実施形態では、主として有効画素領域１０を備えるエリアセンサーを例として説明したが、有効画素列を備えるラインセンサーであっても適用可能である。
【００３１】
また、ｎ+型不純物拡散領域１０１を持つ第１オプティカルブラック１１は、水平転送方向の前方部に配置されていてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば次のような効果がある。すなわち、本発明の固体撮像装置では、黒基準部として、半導体基板に不純物を注入して形成された第１の黒基準部と、半導体基板に不純物が注入されていない第２の黒基準部とを有していることから、長時間露光モードで撮影した場合であっても、不要な暗電流成分を含まない第２の黒基準信号で安定したクランプを行えるとともに、その後に第１の黒基準信号で有効画素部との差分を正確に演算できるようになる。これにより、横筋や黒ずれのない良好な画像を生成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る固体撮像装置の主要部を説明する図である。
【図２】本実施形態における固体撮像装置のシステム構成図である。
【図３】従来例を説明するシステム構成図である。
【符号の説明】
１…ＣＣＤ、２…ＣＤＳ、３…アナログクランプ回路、４…ＧＣ、５…Ａ／Ｄ変換回路、６…デジタルクランプ回路、７…信号処理回路、１０…有効画素領域、１１…第１オプティカルブラック、１２…第２オプティカルブラック
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光を取り込んで蓄積した電荷を電気信号として出力する固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、固体撮像装置には信号レベルの基準となる信号（黒基準信号）を得るためにオプティカルブラック（光学的黒）である黒基準領域を備えており、有効画素信号はその黒基準領域で得たレベルを基準として演算処理される。
【０００３】
図３は、従来の固体撮像装置を説明するブロック図である。すなわち、ＣＣＤ１から出力された信号は、ＣＤＳ（相関二重サンプリング回路）２に入力され、その後、オプティカルブラックから出力された黒基準信号をクランプするオプティカルブラッククランプ回路３へ入力される。
【０００４】
クランプ後の信号はゲインコントローラ（ＧＣ）４、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路５を経てデジタル信号に変換され、信号処理回路７へ渡される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような固体撮像装置には次のような問題がある。すなわち、この固体撮像装置をデジタルスチルカメラ等に用い、長時間露光モードで撮影を行った場合、画素に蓄積された暗電流が増加し、画素毎の信号レベルのばらつきが大きくなるため、それをクランプすると画面に横筋が生じるといった弊害が発生してしまう。
【０００６】
また、光透過対策で、不純物注入を行わないで形成したオプティカルブラックを備える固体撮像装置もある（特許第２９１７３６１号参照）。このような固体撮像装置では、上記のようなデジタルスチルカメラの長時間露光モードで撮影した場合、暗電流成分がほとんど含まれないため、安定したクランプを行うことができる。
【０００７】
しかし、特に長時間露光モードで撮影した場合には、有効画素とオプティカルブラックとの信号差分が増大し、黒ずれの発生を招くという問題が生じる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、半導体基板に不純物を注入して形成され、入射光に応じた電荷を蓄積して出力する有効画素部と、有効画素部と隣接して設けられ入射光に対する遮光膜を有する黒基準部とを備える固体撮像装置であり、この黒基準部として、半導体基板に不純物を注入して形成された第１の黒基準部と、半導体基板に不純物を注入していない第２の黒基準部とから構成され、さらに、第２の黒基準部から出力される第２の黒基準信号をアナログ信号の状態でクランプするアナログクランプ手段と、第１の黒基準部から出力される第１の黒基準信号をデジタル信号の状態でクランプするデジタルクランプ手段とを備えるものである。
また、本発明は、有効画素部と隣接して設けられ入射光に対する遮光膜を有する黒基準部を備える固体撮像装置の駆動方法であって、黒基準部が、半導体基板に不純物を注入して形成された第１の黒基準部と、半導体基板に不純物を注入していない第２の黒基準部とから構成されており、第２の黒基準部から出力される第２の黒基準信号をアナログ信号の状態でクランプするアナログクランプ工程と、第１の黒基準部から出力される第１の黒基準信号をデジタル信号の状態でクランプするデジタルクランプ工程とを備えている駆動方法である。
【０００９】
このような本発明では、有効画素部で取り込んで得たアナログ信号を、第２の黒基準部から出力される第２の黒基準信号でクランプし、デジタル信号に変換した後に第１の黒基準部から出力される第１の黒基準信号でクランプする。これにより、長時間露光モードで撮影した場合であっても、不要な暗電流成分を含まない第２の黒基準信号で安定したクランプを行えるとともに、その後に第１の黒基準信号で有効画素部との差分を正確に演算できるようになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る固体撮像装置の主要部を説明する図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は有効画素部断面図、（ｃ）は第１オプティカルブラックの断面図、（ｄ）は第２オプティカルブラックの断面図である。
【００１１】
図１（ａ）に示すように、本実施形態の固体撮像装置は、入射光に応じた電荷を蓄積して出力する有効画素領域１０と、有効画素領域１０に隣接して設けられる第１オプティカルブラック１１と、有効画素領域１０および第１オプティカルブラック１１の領域を囲むように形成される第２オプティカルブラック１２とを備えている。
【００１２】
図１（ｂ）に示すように、有効画素領域の画素部は、ｐ型のシリコン基板１００の表面（もしくは、ｎ型のシリコン基板に設けられたｐウェル領域）に注入されるｎ+型不純物拡散領域１０１と、読み出し部１０２を介して形成されるチャネル層１０３と、チャネル層１０３上に形成される転送電極１０４と、ｎ+型不純物拡散領域１０１上のみ開口して他の部分を覆う遮光膜１０５とを備えている。
【００１３】
このような有効画素部では、遮光膜１０５の開口から入射される光に応じた電荷がｎ+型不純物拡散領域１０１に蓄積され、所定のタイミングによって読み出し部１０２からその電荷がチャネル層１０３へ読み出される。そして、転送電極１０４の駆動によって電荷がチャネル層１０３を順次転送していくことになる。
【００１４】
図１（ｃ）に示す第１オプティカルブラック１１は、ｐ型のシリコン基板１００の表面に形成されるｎ+型不純物拡散領域１０１、読み出し部１０２、チャネル層１０３、転送電極１０４については有効画素部と同じであるが、ｎ+型不純物拡散領域１０１を含む全面に遮光膜１０５を備える点で相違する。
【００１５】
このような第１オプティカルブラック１１では、遮光膜１０５によって入射光が遮られることから、所定のタイミングによって読み出される信号は、第１の黒基準信号となって転送されることになる。
【００１６】
図１（ｄ）に示す第２オプティカルブラック１２は、ｐ型のシリコン基板１００、読み出し部１０２、チャネル層１０３、転送電極１０４については第１オプティカルブラック１１と同じであるが、ｎ+型不純物拡散領域１０１に対応する部分に不純物が注入されていない点で相違する。
【００１７】
このような第２オプティカルブラック１２では、第１オプティカルブラック１１のｎ+型不純物拡散領域１０１に対応する部分になにも不純物が注入されていないことから、この部分での電荷の蓄積は行われない。つまり、有効画素領域１０からの暗電流の流入が極めて小さく、不要な暗電流成分を含まない第２の黒基準信号を転送できるようになる。
【００１８】
本実施形態の固体撮像装置では、このように有効画素領域１０の外側にｎ+型不純物拡散領域１０１を持つ第１オプティカルブラック１１と、ｎ+型不純物拡散領域１０１を持たない第２オプティカルブラック１２とを備えているため、有効画素領域１０で取り込んで得た信号を、第１オプティカルブラック１１から出力される第１の黒基準信号および第２オプティカルブラック１２から出力される第２の黒基準信号の各々のクランプによって演算することができる。
【００１９】
図２は、本実施形態における固体撮像装置のシステム構成図である。このシステムでは、ＣＣＤ１、ＣＤＳ（相関二重サンプリング回路）２、アナログクランプ回路３、ＧＣ（ゲインコントローラ）４、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路５、デジタルクランプ回路６および信号処理回路７から構成される。
【００２０】
このＣＣＤ１としては、上記説明した有効画素領域１０、第１オプティカルブラック１１および第２オプティカルブラック１２を備えたものが適用される。また、アナログクランプ回路３では、第２オプティカルブラック１２から出力される第２の黒基準信号が用いられ、デジタルクランプ回路６では、第１オプティカルブラック１１から出力される第１の黒基準信号が用いられる。
【００２１】
まず、ＣＣＤ１で取り込んだ電荷に対応する出力信号はＣＤＳ２に入力される。ＣＤＳ２では、リセット期間の電位をクランプして、信号レベルをサンプルホールドし、ノイズを除去した信号を得るようにしている。
【００２２】
次いで、ＣＤＳ２から出力された信号はアナログクランプ回路３に入力される。ここでは、図１に示す第２オプティカルブラック１２から出力された第２の黒基準信号をクランプし、ＣＤＳ２から出力された信号との差分を演算する。
【００２３】
第２オプティカルブラック１２では、ｎ+型不純物拡散領域を持たないことから不要な暗電流成分を含まない安定した黒基準信号を得ることができ、正確な基準による信号を得ることが可能となる。
【００２４】
次に、アナログクランプ回路３から出力された信号はＧＣ４によってゲインコントロールされ、Ａ／Ｄ変換回路５によりデジタル信号に変換される。
【００２５】
その後、デジタル信号はデジタルクランプ回路６に入力される。デジタルクランプ回路６では、図１に示す第１オプティカルブラック１１から出力される第１の黒基準信号をクランプし、Ａ／Ｄ変換回路５から出力されたデジタル信号との差分を演算する。
【００２６】
第１オプティカルブラック１１では、ｎ+型不純物拡散領域１０１を持つことから、有効画素部でのレベル変動を正確に吸収できる黒基準信号を得ることができ、この基準によって正確なレベルの信号を得ることが可能となる。
【００２７】
そして、デジタルクランプ回路６から出力された信号は、所望の信号処理回路７で処理されることになる。
【００２８】
ここで、アナログクランプ回路３として第２オプティカルブラック１２から出力される第２の黒基準信号をクランプして演算し、デジタルクランプ回路６として第１オプティカルブラック１１から出力される第１の黒基準信号をクランプして演算することで、高ダイナミックレンジの信号出力を得ることが可能となる。
【００２９】
このような本実施形態の固体撮像装置を適用したシステムでは、デジタルスチルカメラ等の長時間露光時にも横筋や黒ずれの弊害を生じない画像を適用できるようになる。
【００３０】
なお、上記実施形態では、主として有効画素領域１０を備えるエリアセンサーを例として説明したが、有効画素列を備えるラインセンサーであっても適用可能である。
【００３１】
また、ｎ+型不純物拡散領域１０１を持つ第１オプティカルブラック１１は、水平転送方向の前方部に配置されていてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば次のような効果がある。すなわち、本発明の固体撮像装置では、黒基準部として、半導体基板に不純物を注入して形成された第１の黒基準部と、半導体基板に不純物が注入されていない第２の黒基準部とを有していることから、長時間露光モードで撮影した場合であっても、不要な暗電流成分を含まない第２の黒基準信号で安定したクランプを行えるとともに、その後に第１の黒基準信号で有効画素部との差分を正確に演算できるようになる。これにより、横筋や黒ずれのない良好な画像を生成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る固体撮像装置の主要部を説明する図である。
【図２】本実施形態における固体撮像装置のシステム構成図である。
【図３】従来例を説明するシステム構成図である。
【符号の説明】
１…ＣＣＤ、２…ＣＤＳ、３…アナログクランプ回路、４…ＧＣ、５…Ａ／Ｄ変換回路、６…デジタルクランプ回路、７…信号処理回路、１０…有効画素領域、１１…第１オプティカルブラック、１２…第２オプティカルブラック
Claims (2)
- 半導体基板に不純物を注入して形成され、入射光に応じた電荷を蓄積して出力する有効画素部と、前記有効画素部と隣接して設けられ入射光に対する遮光膜を有する黒基準部とを備える固体撮像装置において、
前記黒基準部は、前記半導体基板に不純物を注入して形成された第１の黒基準部と、前記半導体基板に不純物を注入していない第２の黒基準部とから構成され、
さらに、前記第２の黒基準部から出力される第２の黒基準信号をアナログ信号の状態でクランプするアナログクランプ手段と、
前記第１の黒基準部から出力される第１の黒基準信号をデジタル信号の状態でクランプするデジタルクランプ手段と
を備える固体撮像装置。 - 有効画素部と隣接して設けられ入射光に対する遮光膜を有する黒基準部を備える固体撮像装置の駆動方法であって、
前記黒基準部は、半導体基板に不純物を注入して形成された第１の黒基準部と、前記半導体基板に不純物を注入していない第２の黒基準部とから構成されており、
前記第２の黒基準部から出力される第２の黒基準信号をアナログ信号の状態でクランプするアナログクランプ工程と、
前記第１の黒基準部から出力される第１の黒基準信号をデジタル信号の状態でクランプするデジタルクランプ工程と
を備える固体撮像装置の駆動方法。
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