JP4892782B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、黒レベル基準となるダーク信号を取り出すためのオプチカルブラック部を有する固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体を用いた固体撮像素子では、半導体基板上に設けた受光領域に単位画素を配列し、各単位画素のフォトセンサに入射する光を光電変換によって信号電荷に変換し、この信号電荷を撮像信号として取り出すことにより、被写体の撮像を行なっている。
そして、このような固体撮像素子においては、暗時の黒レベル基準を設定する必要があり、この黒レベル基準としては、半導体基板上に遮光された部分を設け、この遮光部の信号電荷をダーク信号として取り込み、そのレベルを撮像信号の黒レベル基準として用いるようにしている。
したがって、この黒レベル基準となるダーク信号と、実際に画像を取り込む有効部の暗時における信号（以下、暗時ダーク信号という）との間で乖離（以下、ダーク段差という）が大きくなると、適切でない黒レベル基準によって撮像信号を処理してしまうことになり、画質に悪影響が及ぶことになる。
【０００３】
そこで、できるだけ正確にダーク信号を検出することが必要となる。
以下、ダーク信号の検出方法について、ＣＣＤ撮像素子の場合について説明する。
ＣＣＤ撮像素子は、電荷結合素子（ＣＣＤ）を電荷転送素子として用いた２次元イメージセンサや１次元ラインセンサであり、例えば２次元イメージセンサにおいては、マトリクス状に配置した各単位画素のフォトセンサで光電変換した信号電荷をＣＣＤ垂直レジスタに読み出して垂直走査方向に転送し、このＣＣＤ垂直レジスタで転送した信号電荷をＣＣＤ水平レジスタに送り、水平走査方向に転送する。さらに、このＣＣＤ水平レジスタで転送した信号電荷を出力部に送り、信号電荷を電圧信号として取り出している。
【０００４】
そして、このようなＣＣＤ撮像素子において取り出される信号電荷は、入射光から変換された信号電荷に、フォトセンサや各転送レジスタに存在するダーク電荷が含まれたものとなる。
すなわち、フォトセンサにおける蓄積期間中や転送レジスタにおける転送期間中に、入射光から変換された信号電荷にダーク電荷分が逐次加わり、最終的に出力部に転送される。
そこで、このようなＣＣＤ撮像素子において、出力信号からダーク電荷分を得る方法として、有効部に隣接する領域に遮光構造のオプチカルブラック部を設け、このオプチカルブラック部からの信号をダーク信号として検出する方法が用いられている。
【０００５】
そして、従来用いられているオプチカルブラック部の構造としては、以下の２通りの従来例が知られている。
（従来例１）有効部と同様の構造を有するフォトセンサや垂直レジスタ部を設けた単位画素に開口部のない遮光膜を施し、この部分に発生した信号電荷を垂直レジスト部よりダーク電荷として取り出す。
（従来例２）フォトセンサを持たず、垂直レジスト部のみを設けた単位画素に開口部のない遮光膜を施し、垂直レジスト部に発生した信号電荷をダーク電荷として取り出す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例１においては、オプチカルブラック部にフォトセンサが存在するため、強い光がオプチカルブラック部に入射すると、遮光膜の光透過によってフォトセンサに信号電荷が発生し、この信号電荷がダーク信号電荷に含まれた状態で出力されるため、正確なダーク信号を得ることができなくなるという問題がある。
また、上記従来例２においては、垂直レジスタ部のみを設けたオプチカルブラック部では、有効部のフォトセンサに発生するダーク信号電荷分が無いために、定常的に正確なダーク信号を得ることができず、ダーク段差が大きくなるという問題がある。
【０００７】
そこで本発明の目的は、正確なダーク信号を得ることができ、ダーク段差を低減して画質の向上を図ることが可能な固体撮像素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明の固体撮像素子は、撮像信号を得るためのフォトセンサが設けられた有効画素部と、撮像信号の黒レベル基準となるダーク信号を得るための画素部であって、フォトセンサを持たない遮光構造のオプチカルブラック部と、有効画素部およびオプチカルブラック部に設けられ、上層の第１不純物領域と下層の第２不純物領域とを有する電荷転送部とを有する。さらに有効画素部およびオプチカルブラック部の少なくとも一方の電荷転送部において、追加の不純物イオン注入を行い、第１不純物領域と第２不純物領域の中間に設けられたダーク段差低減用の不純物領域を備えることが特徴的である。
【０００９】
また本発明は、半導体を用いた固体撮像素子において、撮像信号を得るためのフォトセンサを設けた有効画素部と、前記撮像信号の黒レベル基準となるダーク信号を得るための画素部であって、フォトセンサを持たない遮光構造のオプチカルブラック部とを有し、前記オプチカルブラック部から前記黒レベル基準となるダーク信号を取り出すまでの信号経路にダーク段差低減用の不純物構造を設け、かつ、前記有効画素部から撮像信号を取り出すまでの信号経路にダーク段差低減用の不純物構造を設けたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の固体撮像素子では、オプチカルブラック部から得られるダーク信号に基づいて、有効画素部からの撮像信号に対する黒レベル基準を決定する。
この際、オプチカルブラック部にはフォトセンサが設けられていないため、オプチカルブラック部らのダーク信号には、フォトセンサで発生するダーク信号の分が加算されておらず、その分、実際の暗時における有効画素部からの撮像信号との間でダーク段差が生じることになる。
そこで、このオプチカルブラック部からダーク信号を取り出す信号経路に、ダーク段差低減用の不純物構造を設け、オプチカルブラック部からのダーク信号を増大することにより、有効画素部からの撮像信号に含まれるフォトセンサのダーク成分を相殺し、ダーク段差を低減して画質の向上を図る。
【００１１】
また、これとは反対に、この有効画素部から撮像信号を取り出す信号経路に、ダーク段差低減用の不純物構造を設け、有効画素部からの撮像信号を低減することにより、この撮像信号に含まれるフォトセンサのダーク成分を相殺し、ダーク段差を低減して画質の向上を図る。
さらに、これらを組み合わせて、オプチカルブラック部からダーク信号を取り出す信号経路と有効画素部から撮像信号を取り出す信号経路の両方に、ダーク段差低減用の不純物構造を設け、オプチカルブラック部からのダーク信号を増大するとともに、有効画素部からの撮像信号を低減することにより、撮像信号に含まれるフォトセンサのダーク成分を相殺し、ダーク段差を低減して画質の向上を図る。
また、いずれの構成についても、オプチカルブラック部にはフォトセンサが設けられていないため、過大な光の入射によってオプチカルブラック部からのダーク信号が変動してしまうこともなく、正確なダーク信号の検出が妨げられることもない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による固体撮像素子の実施の形態について説明する。
本実施の形態は、本発明をＣＣＤ転送レジスタを用いたＣＣＤ撮像素子に適用したものである。
なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限定されないものとする。
【００１３】
図１及び図２は、本発明の第１の実施の形態によるＣＣＤ撮像素子における画素部の構造を示す断面図であり、図１は有効画素部の構造を示し、図２はオプチカルブラック部の構造を示している。
このＣＣＤ撮像素子は、Ｎ型シリコン基板１０中に設けたＰ型ウエル領域の上層に図１及び図２に示す各画素部を設けたものであり、図１に示す有効画素部は、ＣＣＤ撮像素子の撮像領域内にマトリクス状に多数配置され、その近傍の撮像信号に影響を与えない場所に、図２に示すオプチカルブラック部が設けられている。
各画素部の信号電荷は、インライン構造で形成されたＣＣＤ垂直レジスタによって転送され、さらにＣＣＤ水平レジスタによって出力部に転送される。
【００１４】
次に、図１に基づいて有効画素部の構造について説明する。
この有効画素部は、Ｎ型シリコン基板１０の上層部に、フォトセンサ２０、垂直レジスタ３０、画素分離部（チャネルストップ）４０等を設け、Ｎ型シリコン基板１０の上面に転送電極５０、遮光膜６０等を設けたものである。
フォトセンサ２０は、上層のＰ＋＋型表面受光層２２と下層のＮ型の光電変換部２４を設けたものであり、表面受光層２２より入射した光を光電変換部２４によって光電変換し、撮像信号となる信号電荷を蓄積するものである。
垂直レジスタ３０は、上層のＮ＋型領域３２と下層のＰ型領域３４を設けたものであり、Ｎ＋型領域３２を設けることで、信号電荷を転送するＰ型領域３４を基板１０の表面より深い位置に配置した埋め込み型ＣＣＤ構造となっている。なお、Ｎ＋型領域３２やＰ型領域２４は、それぞれＮ型不純物やＰ型不純物のイオン注入を行なうことにより形成されており、従来と同様の不純物構造を有するものとなっている。
【００１５】
画素分離部４０は、基板１０に垂直レジスタ３０よりも深いＰ＋型領域を形成したものである。
転送電極５０は、基板１０上に絶縁膜（図示せず）を介して設けられ、フォトセンサ２０の信号電荷を垂直レジスタ３０に読み出し、垂直方向に転送するものである。
遮光膜６０は、転送電極５０の上層に絶縁膜７０を介して配置され、垂直レジスタ３０への光の入射を遮蔽している。また、有効画素部の遮光膜６０については、フォトセンサ２０に対応する開口部６０Ａを有し、この開口部６０Ａを通してフォトセンサ２０に光が入射するようになっている。
【００１６】
次に、図２に基づいてオプチカルブラック部の構造について説明する。
このオプチカルブラック部は、Ｎ型シリコン基板１０の上層部に、垂直レジスタ８０、画素分離部９０等を設け、Ｎ型シリコン基板１０の上面に転送電極１００、遮光膜１１０、絶縁膜１２０等を設けたものである。
すなわち、このオプチカルブラック部は、フォトセンサを持たないものであり、さらに遮光膜１１０に開口部を設けない点と、垂直レジスタ８０に追加のＮ型領域（Ｎａｄｄ）を設けた点が有効画素部の構成と異なるものである。
【００１７】
以下、このオプチカルブラック部における垂直レジスタ８０の構造について説明する。
まず、この垂直レジスタ８０は、上層のＮ＋型領域８２と下層のＰ型領域８４とを有しており、この点で有効画素部の垂直レジスタ３０と同様であるが、このオプチカルブラック部の垂直レジスタ８０では、さらに追加でＮ型不純物のイオン注入を行ない、Ｎ＋型領域８２とＰ型領域８４の中間にＮａｄｄ領域８６を設けたものである。
このような追加のＮ型イオン注入により、垂直レジスタ８０のポテンシャルを有効画素部の垂直レジスタ３０に比較して深くすることができ、その分、垂直レジスタ８０で転送される信号電荷（すなわちダーク信号）を増大することか可能となる。
【００１８】
したがって、このような追加分のイオン注入によって生じる信号電荷の増加量を試作測定等によって予め判定し、その増加量が有効画素部からの撮像信号に含まれるフォトセンサ２０のダーク成分と一致するようにイオン注入の追加分を決定することにより、この増加分で有効画素部のフォトセンサ２０によるダーク成分を相殺することができ、ダーク段差を低減することが可能となる。
なお、このようなオプチカルブラック部と有効画素部の作製工程は、Ｎａｄｄ領域８６のイオン注入工程を除いて共通である。したがって、従来の製造工程にＮａｄｄ領域８６のイオン注入工程を追加するだけで、本形態による固体撮像素子を作製することが可能となる。
【００１９】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
上述した例では、オプチカルブラック部の電荷転送部に追加のイオン注入を行なうようにしたが、反対に、有効画素部の電荷転送部に追加のイオン注入を行なって撮像信号を低減することにより、この撮像信号に含まるフォトセンサによるダーク成分を相殺することが可能である。
例えば図１に示す構成を援用して説明すると、有効画素部の垂直レジスタ３０にＰ型イオンを追加で注入することにより、垂直レジスタ３０のＮ＋型領域３２とＰ型領域３４の中間に追加のＰ型領域（図示せず）を設ける。これにより、垂直レジスタ３０は、ポテンシャルが浅くなり、撮像信号を低減するように作用する。
【００２０】
一方、本例では、オプチカルブラック部の電荷転送部には追加のＮ型領域は設けず、従来の同様の不純物構造となっているものとする。
したがって、有効画素部の垂直レジスタ３０に追加するＰ型イオンの注入量を調整することにより、この有効画素部の撮像信号に含まるフォトセンサによるダーク成分を相殺し、フォトセンサを持たないオプチカルブラック部のダーク信号と合わせることができ、ダーク段差を低減することが可能となる。
なお、本形態による固体撮像素子は、従来の製造工程にＰ型イオン注入工程を追加するだけで作製できる。
【００２１】
次に、本発明のさらに他の形態として、上述したオプチカルブラック部への追加のＮ型イオン注入と、有効画素部への追加のＰ型イオン注入の両方を行なうことにより、ダーク段差を低減することも可能となる。
また、以上の各形態では、それぞれ個別に追加のイオン注入工程を設けるようにしたが、一般に、ＣＣＤ撮像素子の製造工程においては、他の工程で様々な不純物注入作業が行なわれており、実際のプロセス条件によっては、本発明によるダーク段差低減用の不純物構造を得るための不純物注入作業として流用できる場合も考えられる。そこで、このような場合には、他の工程で用いられる不純物注入作業を流用してダーク段差低減用の不純物構造を得るようにしてもよい。
【００２２】
また、この場合に流用する不純物注入作業は、有効画素部に追加する不純物注入作業とオプチカルブラック部に追加する不純物注入作業とで全く別の工程で用いる作業を流用してもよい。
また、追加する不純物注入の注入領域としては、上述した例のように垂直レジスタの幅に沿って中層部に設けるのではなく、垂直レジスタの幅より狭い領域、または広い領域に設けてもよいし、また、垂直レジスタの下層に設けるようなことも可能であり、全体の製造工程を配慮して適宜に選択し得るものである。
また、以上の説明は、本発明をＣＣＤ転送レジスタを用いたＣＣＤ撮像素子について説明したが、半導体による信号経路を有する他の固体撮像素子においても同様に適用し得るものである。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像素子では、オプチカルブラック部から黒レベル基準となるダーク信号を取り出すまでの信号経路にダーク段差低減用の不純物構造を設けた。
したがって、このダーク段差低減用の不純物構造によってオプチカルブラック部からのダーク信号を増大することにより、有効画素部からの撮像信号に含まれるフォトセンサのダーク成分を相殺することができ、ダーク段差を低減して画質を向上できる効果がある。
また本発明の固体撮像素子では、有効画素部から撮像信号を取り出すまでの信号経路にダーク段差低減用の不純物構造を設けた。
したがって、このダーク段差低減用の不純物構造によって有効画素部からの撮像信号を低減することにより、撮像信号に含まれるフォトセンサのダーク成分を相殺することができ、ダーク段差を低減して画質を向上できる効果がある。
【００２４】
さらに本発明の固体撮像素子では、オプチカルブラック部から黒レベル基準となるダーク信号を取り出すまでの信号経路にダーク段差低減用の不純物構造を設け、かつ、有効画素部から撮像信号を取り出すまでの信号経路にダーク段差低減用の不純物構造を設けた。
したがって、これらのダーク段差低減用の不純物構造によってオプチカルブラック部からのダーク信号を増大するとともに、有効画素部からの撮像信号を低減することにより、撮像信号に含まれるフォトセンサのダーク成分を相殺することができ、ダーク段差を低減して画質を向上できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるＣＣＤ撮像素子における有効画素部の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態によるＣＣＤ撮像素子におけるオプチカルブラック部の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１０……シリコン基板、２０……フォトセンサ、２２……表面受光層、２４……光電変換部、３０、８０……垂直レジスタ、３２、８２……Ｎ＋型領域、３４、８４……Ｐ型領域、４０、９０……画素分離部、５０、１００……転送電極、６０、１１０……遮光膜、８６……追加のＮ型領域。

Claims (5)

1. 撮像信号を得るためのフォトセンサが設けられた有効画素部と、
   前記撮像信号の黒レベル基準となるダーク信号を得るための画素部であって、フォトセンサを持たない遮光構造のオプチカルブラック部と、
   前記有効画素部および前記オプチカルブラック部に設けられ、上層の第１不純物領域と下層の第２不純物領域とを有する電荷転送部と、
   前記有効画素部および前記オプチカルブラック部の少なくとも一方の電荷転送部において、追加の不純物イオン注入を行い、前記第１不純物領域と前記第２不純物領域の中間に設けられたダーク段差低減用の不純物領域とを備える
   固体撮像素子。
2. 前記オプチカルブラック部の電荷転送部に設けられたダーク段差低減用の不純物領域は、前記第１不純物領域よりもポテンシャルが深い
   請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記有効画素部の電荷転送部に設けられたダーク段差低減用の不純物領域は、前記第１不純物領域よりもポテンシャルが浅い
   請求項１または２記載の固体撮像素子。
4. 前記電荷転送部は埋め込み型ＣＣＤレジスタである
   請求項１〜３の何れか記載の固体撮像素子。
5. 前記ダーク段差低減用の不純物領域が、前記電荷転送部の幅より狭い領域または広い領域に設けられた
   請求項１〜４の何れか記載の固体撮像素子。

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