JP5991751B2

JP5991751B2 - Ｃｃｄ画像センサにおける暗基準

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Publication number: JP5991751B2
Application number: JP2012206710A
Authority: JP
Inventors: ピー．マッカーテンジョン; ジェイ．マイセンツァルエリック
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2032-09-20
Also published as: JP2013074293A; EP2573815B1; EP2573815A2; US8760543B2; US20130076954A1; EP2573815A3

Description

（関連出願）
本出願は、２０１１年９月２６日に出願され、その開示全体が参考として本明細書に援用された米国仮特許出願第６１／５３９，０９９号の利益および優先権を主張する。

（技術分野）
本発明は、様々な実施形態において、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）画像センサの構造、作成、および使用に関する。

（背景）
電荷結合デバイス（ＣＣＤ）画像センサは通常、照明に応答して電荷キャリアを集める感光性エリアのアレイを含む。集められた電荷は次に、感光性エリアのアレイから移送され、そして電圧に変換され、この電圧から画像が関連する回路によって再構成され得る。図１は従来のインタラインＣＣＤ画像センサ１００を示し、従来のインタラインＣＣＤ画像センサ１００は、列状に配列された感光性エリア１１０（これらの各々は、光ダイオード、光検出器、フォトキャパシタ（ｐｈｏｔｏｃａｐａｃｉｔｏｒ）、または光導電体を含み得るか、または本質的にこれらから成り得る）のアレイを含む。垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）１２０は、感光性エリア１１０の各列の隣に配置され、ＶＣＣＤ１２０は、水平ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）１３０に接続される。

（明快さのために感光性エリア１１０の１つの列だけに対する）図１に概略示されるように、露光期間に続いて、電荷が感光性エリア１１０からＶＣＣＤ１２０の中に移送され、ＶＣＣＤ１２０は次に、並列に行ごとに、電荷をＨＣＣＤ１３０の中に移す。ＨＣＣＤは次に、画素電荷を出力回路、例えば出力電荷感知増幅器１４０に連続して移送する。結果として生じるデータは次に、通常デジタル化され、そしてデジタル化された画像は、ディスプレイに表示されるか、または格納ユニットに格納される。

正しい画像コントラスト、輝度、および色レベルを獲得するために、信号基準が、デジタル化された画像の黒レベルを正しく較正するために選択される。原理的には、余分の水平クロックサイクルがタイミングシーケンスに付加され、黒基準を生成するために利用され得る。しかしながら、そのような技術は、勧められないことがあり得る。なぜならば、光レベルにかかわりなく、感光性エリア１１０とＶＣＣＤ１２０との両方は、暗電流として知られている熱信号を生成し、この熱信号は、これらの領域における黒レベルの外見上の「ダークネス（ｄａｒｋｎｅｓｓ）」を明るくするために作用するからである。さらなるＨＣＣＤサイクルの単なる使用は、感光性エリア１１０およびＶＣＣＤ１２０における暗電流を矯正しないので、画像における黒領域は、この不適切な較正レベル（または不適切な「ブラッククランプ」）により、グレイとして現れる。

図２は、インタラインＣＣＤ画像センサに対して、暗電流（または「暗信号」）に対する黒レベルを矯正するための一般的な技術を示す。図示されるように、インタラインＣＣＤ画像センサ２００は、暗基準画素の領域２２０、２３０、２４０、２５０によって囲まれる感光性画像アレイ２１０を含む。感光性画像アレイ２１０は、上に詳述されたような画像を獲得するために利用される光学的に活性の画素を含む。光学的に活性の画素および領域２２０、２３０、２４０、２５０における暗基準画素からの電荷は、ＨＣＣＤ２６０の中に移送され、そして、各行に対応する電荷は、電荷感知増幅器２７０に読み出される。

図２の陰影によって示されるように、メタル光シールドは通常、光が暗基準画素領域２２０，２３０、２４０、２５０に入ることを防止するために使用される。光シールドのための通常の材料は、アルミニウム、銅、タングステン、またはＴｉＷを含む。原理的には、ブラッククランプを提供するためには、４つの領域２２０、２３０、２４０、２５０のうちただ１つのみが必要である。しかしながら、実際には、領域２４０および２５０が黒レベル基準として最もしばしば使用され、黒レベルは、エレクトロニクスシステムにおける行ノイズを最少にするために、行ごとを基礎に設定される。

理論的には、暗基準画素の領域２４０および２５０からの暗信号は、感光性画像アレイ２１０からのものと同じはずである。しかしながら、実際には、暗信号は、２つの領域の間で実質的に変わり得る。例えば、しばしば、固体の金属シートが、暗基準領域２４０および２５０において、入って来る光を遮断するために利用される。このような状況において、暗基準領域２４０および２５０における暗信号が、以下に説明される理由で、画像アレイ２１０からの暗信号を超過する場合は、画像エリアにおける黒領域は、領域２４０および２５０に従って設定された黒レベルよりもより黒く見える。画像エリアと暗基準領域との間の暗信号におけるこの相違は、一般的に、「ダークステップ（ｄａｒｋｓｔｅｐ）」と称され、結果として、不適切なブラッククランプを生じる。

図３Ａおよび図３Ｂは、ダークステップの原因を示す。図３Ａは、光学的に活性の領域におけるラインＡ−Ａ’に沿う画像センサ１００を通る通常の断面を示す。図３Ｂは、画像センサの暗基準領域内（例えば、画像センサ２００の領域２４０または２５０内）の同様な断面を示す。図示されるように、画像センサは通常、半導体構造３００を利用して作成される。半導体構造３００は通常、ｎ型基板３０５（例えば、シリコン基板）と、（当該技術分野で知られているような）垂直オーバーフロードレインとして作用するｐ型ウエル３１０と、ｎ型光検出器３１５であって、該ｎ型光検出器３１５において、入射光によって誘発される電荷（すなわち、「光電荷」）が蓄積する、ｎ型光検出器３１５と、光検出器暗電流を低減するｐ型ピニング層３２０とを含む。画像センサはまた、ｎ型ＶＣＣＤ３２５と、このＶＣＣＤ３２５を取り囲む、ｐ型移送ゲート領域３３０ならびに２つのｐ型チャネルストップ領域３３５および３４０とを含む。

通常、ＳｉＯ_２、ＨｆＯ_２、またはＳｉＯ_２／Ｓｉ_３Ｎ_４／ＳｉＯ_２を含むか、または本質的にこれらから成る薄い誘電体層３４５および３５０が、半導体構造より上にある。一部のＣＣＤ画像センサに対しては、光検出器３１５を覆う誘電体層３４５と、ＶＣＣＤ３２５を覆う誘電体層３５０とは、同じ層の一部分であるが、しかし、他のデバイスにおいては、それらは異なる別の層である。画像センサはまた、ゲート３５５を含み、ゲート３５５は通常、ポリシリコン、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、または金属から形成される。大きな電圧をゲート３５５に印加することにより、光電荷（または「電荷パケット」）のある量が、光検出器３１５からＶＣＣＤ３２５へ移送される。（図１に示されるように）ＶＣＣＤレジスタ１２０を覆う複数のゲートが次に、複数の電荷パケットを行ごとにＨＣＣＤ１３０の中に移すために、順次クロックされる。その開示全体が本明細書に参考として援用されている特許文献１に説明されるように、金属光シールド３６０が、ＶＣＣＤ３２５を覆う。光シールド３６０は、光がＶＣＣＤ３２５の中に入ることを防止する。なぜならば、そのような光は、画像をＶＣＣＤ３２５から読み出すために必要な時間中に望まれない余分な電荷キャリアを生成するからである。画像取得中に光が光検出器３１５の中に入ることを妨げないように、光シールド３６０は通常、誘電体層３６５および３７０によって移送ゲート３５５から電気的に絶縁され、ＶＣＣＤ３２５のみを覆う。

ＶＣＣＤ３２５における暗電流の主なソースは、ＶＣＣＤ３２５の上のシリコン／誘電体界面における終結していないシリコン結合である。通常、焼結ステップ（例えば、水素環境の中でのアニール）が、そのような終結していない原子結合を不動態化するために、製造過程の後の方で含まれる。通常の焼結ステップが、３５０℃〜５００℃の範囲で３０分〜２時間実行され得る。焼結環境における（またはデバイス自体内のソースからの）水素は、焼結プロセス中にデバイス全体にわたって拡散する。シリコン／誘電体界面に到達する水素は大抵、終結していない結合によって捕捉され、従って、シリコン表面を不動態化し、そしてＶＣＣＤ暗電流を大きく低減する。

図３Ｂに示されるように、暗基準領域２４０および２５０においては、光シールド３７５は通常、固体の金属シートであり、この固体の金属シートは、入って来る光が測定された暗信号に影響を与えることを防止するために、ＶＣＣＤ３２５のみならず光検出器３１５も覆う。しかしながら、水素の拡散は、大抵の金属によって遮断される。従って、暗基準領域２４０および２５０におけるシリコン／誘電体界面に到達するために、水素は、（暗基準光シールド３７５を通り抜けるよりむしろ）暗基準光シールド３７５の周囲で最初に拡散しなければならない。結果として、より少ない水素がシリコン／誘電体界面に到達し、より少ない終結していない結合が暗基準領域２４０および２５０において不動態化され、そして、有害なダークステップが生じる。従って、光が暗基準領域に衝突することを防止しつつ、暗基準領域における終結していない結合の不動態化を可能にし、それによって、センサによって取得された画像における暗レベルの向上した較正を可能にするＣＣＤ画像センサの設計に対する必要性が存在する。

米国特許第５，２５０，８２５号明細書

本発明の実施形態は、暗基準領域を迷光から保護し、さらに半導体／誘電体インターフェースにおけるダングリング（すなわち、終結していない）結合の不動態化を可能にすることによって、界面における暗電流の発生を最小にするかこれをなくする。一般的に、複数の積み重ねられた光シールドが、暗基準画素の領域（複数可）内の感光性エリア（例えば、光検出器、光ダイオード、フォトキャパシタ、または光導電体；本明細書においては、光検出器への言及は、これら様々なタイプの感光性エリアのうちの任意のものに対する簡潔な表現である）およびＶＣＣＤの上に利用され、そして、開口部が光シールド内に提供され、このようにして、終結していない原子間の結合を不動態化するための水素の拡散に対するより短い経路を形成する。これらの開口部は一般的に、感光性エリアまたはＶＣＣＤいずれかの上に形成されるが、しかし両方の上には形成されず、そして、各特定の感光性エリアまたはＶＣＣＤの上には、光シールドのうちの１つのみに開口部がある。空間的に分離されたデバイスの上の開口部のこのような「千鳥」は、迷光がそれをたどってデバイスに入り、画像センサの暗基準レベルに有害な影響を与え得る経路を実質的になくす。さらに、暗基準エリアにおける「感光性」エリアは、実際のｐ−ｎ（またはｐ−ｉ−ｎ）接合であって、活性の画像感知エリアの感光性エリアにおいて光電荷を生成するために利用される、実際のｐ−ｎ（またはｐ−ｉ−ｎ）接合を欠き得る。従って、「感光性エリア」は、暗基準エリアの１つ以上の画素に適用される場合、ＶＣＣＤ領域間に配置された領域を指し得、この領域は、そこに光検出器を画定するために利用されるドーパントの１つ以上の領域を欠く点を除けば他の点では画像感知エリアの感光性エリアと類似し得る。

さらに、本発明の様々な実施形態において、画像センサの活性画像感知エリアはまた、２つの光シールドを特徴とし、それらの両方ともが、活性画素の感光性エリアの上に開口部を有し、そして、通常、ＶＣＣＤの上には開口部を有しない。この構成は、最大量の光が、画像取得中に撮像アレイの感光性エリアに衝突することを可能にし、一方、読み出しのために光電荷を移送するために利用されるＶＣＣＤ内において光の漏れによって誘発される信号を実質的に防止する。

一局面において、本発明の実施形態は、画像センサを特徴とし、該画像センサは、光学的に活性の画素の撮像アレイと、該撮像アレイに隣接する光学的に不活性の画素の暗基準領域と、第１および第２の実質的に不透明な光シールドとを含むか、または本質的にこれらから成る。各光学的に活性の画素は、感光性エリアと、それと関連するＶＣＣＤ領域とを含むか、または本質的にこれらから成る。各光学的に不活性の画素は、感光性エリアと、それと関連するＶＣＣＤ領域とを含むか、または本質的にこれらから成る。第１の光シールドは、光学的に不活性の画素の暗基準領域の上に配置され、該第１の光シールドにおいて複数の開口部を画定する。第２の光シールドは、該第２の光シールドにおいて複数の開口部を画定し、該第１の光シールドの上に配置される。暗基準領域内において、第１の光シールドにおける開口部は、感光性エリアまたはＶＣＣＤ領域の上に配置されるが、しかし両方の上には配置されない。第１の光シールドにおける開口部が、感光性エリアの上に配置される場合、第２の光シールドにおける開口部は、感光性エリアの上に配置されるが、しかしＶＣＣＤ領域の上には配置されず、それによって、暗基準領域における各感光性エリアは、その上に（すなわち、全体として、第１の光シールドと第２の光シールドとの間に）２つ以上の開口部を有していない。第１の光シールドにおける開口部が、ＶＣＣＤ領域の上に配置される場合、第２の光シールドにおける開口部は、ＶＣＣＤ領域の上に配置されるが、しかし感光性エリアの上には配置されず、それによって、暗基準領域における各ＶＣＣＤ領域は、その上に（すなわち、全体として、第１の光シールドと第２の光シールドとの間に）２つ以上の開口部を有していない。

本発明の実施形態は、様々な組み合わせのうちの任意のものにおいて、以下のうちの１つ以上を特徴とする。第１の誘電体層が、第１の光シールドと第２の光シールドとの間に配置され得る。第２の誘電体層が、第２の光シールドの上に配置され得る。第１の光シールドにおける開口部は、感光性エリアの上に配置され得、前記暗基準領域における一行の画素に沿って、該第１の光シールドがその上に開口部を有する感光性エリアは、（ａ）該第１の光シールドがその上に開口部を有さず、かつ、（ｂ）前記第２の光シールドがその上に開口部を有する少なくとも１つの感光性エリアによって分離され得る。前記暗基準領域における前記一行の画素は、前記第１の光シールドがその上に開口部を有する感光性エリアを含み得、該感光性エリアは、第２の光シールドがその上に開口部を有する感光性エリアと交互する。前記第１の光シールドにおける前記開口部は、感光性エリアの上に配置され得、前記暗基準領域における前記ＶＣＣＤ領域の上に配置される、該第１の光シールドおよび前記第２の光シールドにおける開口部は存在しないことがあり得る。前記第１の光シールドにおける前記開口部は、ＶＣＣＤ領域の上に配置され得、前記暗基準領域における一行の画素に沿って、該第１の光シールドがその上に開口部を有するＶＣＣＤ領域は、（ａ）該第１の光シールドがその上に開口部を有さず、かつ、（ｂ）前記第２の光シールドがその上に開口部を有する少なくとも１つのＶＣＣＤ領域によって分離され得る。前記暗基準領域における前記一行の画素は、前記第１の光シールドがその上に開口部を有するＶＣＣＤ領域を含み得、該ＶＣＣＤ領域は、第２の光シールドがその上に開口部を有するＶＣＣＤ領域と交互する。前記第１の光シールドにおける前記開口部は、ＶＣＣＤ領域の上に配置され得、前記暗基準領域における前記感光性エリアの上に配置される、該第１の光シールドおよび前記第２の光シールドにおける開口部は存在しないことがあり得る。光学的に活性の画素の撮像アレイにおける各感光性エリアは、光検出器、光ダイオード、フォトキャパシタ、および光導電体から成る群から選択される感光性デバイスを含み得るか、または本質的にこれから成り得る。前記光学的に不活性の画素の暗基準領域における１つ以上の（またはすべての）感光性エリアは、前記光学的に活性の画素の撮像アレイにおける各感光性エリアにおける感光性デバイスを少なくとも部分的に画定する少なくとも１つのドーパントの領域を欠き得る。

これらの目的および他の目的は、本明細書に開示された本発明の利点および特徴と共に、以下の説明、添付の図面、および特許請求の範囲を参照することによってより明らかとなる。さらに、本明細書に説明された様々な実施形態の特徴は、相互に排他的ではなく、様々な組み合わせおよび変更において存在し得ることが理解されるべきである。本明細書において使用される場合、用語「およそ」および「実質的に」は、±１０％を意味し、一部の実施形態においては、±５％を意味する。用語「本質的に〜から成る」は、本明細書において別に規定されなければ、機能に貢献する他の材料を除外することを意味する。

例えば、本発明は、以下を提供する。
（項目１）
画像センサであって、該画像センサは、
光学的に活性の画素の撮像アレイであって、各画素は、（ｉ）感光性エリアと（ｉｉ）該感光性エリアと関連する垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）領域とを備えている、撮像アレイと、
該撮像アレイと隣接する、光学的に不活性の画素の暗基準領域であって、各画素は、（ｉ）感光性エリアと（ｉｉ）該感光性エリアと関連するＶＣＣＤ領域とを備えている、暗基準領域と、
第１の実質的に不透明な光シールドであって、（ｉ）該光学的に不活性の画素の暗基準領域の上に配置され、（ｉｉ）該第１の実質的に不透明な光シールドにおいて複数の開口部を画定する、第１の実質的に不透明な光シールドと、
第２の実質的に不透明な光シールドであって、（ｉ）該第２の実質的に不透明な光シールドにおいて複数の開口部を画定し、（ｉｉ）該第１の光シールドの上に配置される、第２の実質的に不透明な光シールドとを備え、
該暗基準領域内において、該第１の光シールドにおける該開口部は、感光性エリアまたはＶＣＣＤ領域の上に配置され、両方の上には配置されず、
該第１の光シールドにおける該開口部が、感光性エリアの上に配置される場合は、該第２の光シールドにおける該開口部は、感光性エリアの上に配置されるが、ＶＣＣＤ領域の上には配置されず、それによって、該暗基準領域における各感光性エリアは、該感光性エリアの上に２つ以上の開口部を有しておらず、
該第１の光シールドにおける該開口部が、ＶＣＣＤ領域の上に配置される場合は、該第２の光シールドにおける該開口部は、ＶＣＣＤ領域の上に配置されるが、感光性エリアの上には配置されず、それによって、該暗基準領域における各ＶＣＣＤ領域は、該ＶＣＣＤ領域の上に２つ以上の開口部を有していない、
画像センサ。
（項目２）
上記第１の光シールドと上記第２の光シールドとの間に配置された第１の誘電体層をさらに備えている、上記項目のいずれか一項に記載の画像センサ。
（項目３）
上記第２の光シールドの上に配置された第２の誘電体層をさらに備えている、上記項目のいずれか一項に記載の画像センサ。
（項目４）
（ｉ）上記第１の光シールドにおける上記開口部は、感光性エリアの上に配置されており、（ｉｉ）上記暗基準領域における一行の画素に沿って、該第１の光シールドがその上に開口部を有する感光性エリアは、（ａ）該第１の光シールドがその上に開口部を有さず、かつ、（ｂ）上記第２の光シールドがその上に開口部を有する少なくとも１つの感光性エリアによって分離されている、上記項目のいずれか一項に記載の画像センサ。
（項目５）
上記暗基準領域における上記一行の画素は、上記第１の光シールドがその上に開口部を有する感光性エリアを備えており、該感光性エリアは、第２の光シールドがその上に開口部を有する感光性エリアと交互する、上記項目のいずれか一項に記載の画像センサ。
（項目６）
（ｉ）上記第１の光シールドにおける上記開口部は、感光性エリアの上に配置されており、（ｉｉ）上記暗基準領域における上記ＶＣＣＤ領域の上に配置される、該第１の光シールドおよび上記第２の光シールドにおける開口部は存在しない、上記項目のいずれか一項に記載の画像センサ。
（項目７）
（ｉ）上記第１の光シールドにおける上記開口部は、ＶＣＣＤ領域の上に配置されており、（ｉｉ）上記暗基準領域における一行の画素に沿って、該第１の光シールドがその上に開口部を有するＶＣＣＤ領域は、（ａ）該第１の光シールドがその上に開口部を有さず、かつ、（ｂ）上記第２の光シールドがその上に開口部を有する少なくとも１つのＶＣＣＤ領域によって分離されている、上記項目のいずれか一項に記載の画像センサ。
（項目８）
上記暗基準領域における上記一行の画素は、上記第１の光シールドがその上に開口部を有するＶＣＣＤ領域を備えており、該ＶＣＣＤ領域は、第２の光シールドがその上に開口部を有するＶＣＣＤ領域と交互する、上記項目のいずれか一項に記載の画像センサ。
（項目９）
（ｉ）上記第１の光シールドにおける上記開口部は、ＶＣＣＤ領域の上に配置されており、（ｉｉ）上記暗基準領域における上記感光性エリアの上に配置される、該第１の光シールドおよび上記第２の光シールドにおける開口部は存在しない、上記項目のいずれか一項に記載の画像センサ。
（項目１０）
上記光学的に活性の画素の撮像アレイにおける各感光性エリアは、光検出器、光ダイオード、フォトキャパシタ、および光導電体から成る群から選択される感光性デバイスを備えている、上記項目のいずれか一項に記載の画像センサ。
（項目１１）
上記光学的に不活性の画素の暗基準領域における１つ以上の感光性エリアは、上記光学的に活性の画素の撮像アレイにおける各感光性エリアにおける上記感光性デバイスを少なくとも部分的に画定する少なくとも１つのドーパントの領域を欠く、上記項目のいずれか一項に記載の画像センサ。

（摘要）
様々な実施形態において、画像センサは、光学的に活性の画素の撮像アレイと、光学的に不活性の画素の暗基準領域と、２つ光シールドであって、該暗基準領域の上に配置され、該光シールドにおいて開口部を有する、２つの光シールドとを含む。

図面において、同様な参照文字は概して、様々な図面全体にわたって、同じ部品を指す。また、図面は必ずしも一定比率ではなく、概して、本発明の原理を例示することに重点が置かれている。以下の説明において、本発明の様々な実施形態が、以下の図面を参照して説明される。
図１は、従来のＣＣＤ画像センサのブロック図である。図２は、活性の感光性領域および暗基準領域を備えている従来のＣＣＤ画像センサの概略的な平面図である。図３Ａは、その活性の感光性領域内における従来のＣＣＤ画像センサの概略的な断面図である。図３Ｂは、その暗基準領域内における従来のＣＣＤ画像センサの概略的な断面図である。図４および図５は、本発明の様々な実施形態によるＣＣＤ画像センサの暗基準領域の部分の概略的な断面図である。図４および図５は、本発明の様々な実施形態によるＣＣＤ画像センサの暗基準領域の部分の概略的な断面図である。図６は、本発明の様々な実施形態によるＣＣＤ画像センサを組み込む画像捕捉デバイスのブロック図である。

（詳細な説明）
図４は、本発明の実施形態による暗基準領域４００内の４つの画素の断面を概略示す。領域４００は、２つの異なる光シールド４１０および４２０を組み込み、それらの各々は、１つ以上の金属または他の不透明な材料（例えば、アルミニウム、銅、タングステン、またはＴｉＷ）を含み得るか、または本質的にこれらから成り得る。図示されるように、第１の光シールド４１０および第２の光シールド４２０はそれぞれ、シールド内に開口部を有することにより、焼結中にそこを通る水素の拡散を可能にし、それによってダングリング結合の不動態化を可能にする。好ましい実施携帯において、第１の光シールド４１０における開口部または第２の光シールド４２０における開口部が、特定の光検出器３１５の上に配置され、光シールド４１０、４２０いずれの開口部もＶＣＣＤ３２５の各々の上には配置されない。光シールド４１０および４２０における開口部のこの幾何学的形状は、（焼結中に）周囲からの十分な水素の拡散を可能にする。なぜならば、光シールド４１０における開口部は概ね、光シールド４２０における開口部から両シールド間のＶＣＣＤ３２５の幅しか分離されていないからである。光シールド４１０および４２０における開口部間のこの分離はまた、光シールド４１０と光シールド４２０との間の十分なオーバーラップを提供して、迷光が光検出器３１５に衝突することを実質的に防止し、それによって、迷光からも、ダングリング結合による偽性暗電流からも実質的に影響されない画像センサ内での黒レベルの決定を可能にする。

さらに、光シールド４１０と光シールド４２０との両方が、暗基準画素のすべての列に対して、各ＶＣＣＤ３２５を覆うので、「スミア」信号による暗基準の損壊は大きく低減されるか、または実質的になくなる。一般的に、単一の光シールド４１０、４２０は通常、大きさの４から５のオーダーで、そこを（ＶＣＣＤの方へ）通過する光の強度を弱める。従って、（ＶＣＣＤを覆う）開口部のない光シールド４１０と光シールド４２０との両方を利用する本発明の実施形態は通常、大きさの８から１０のオーダーで、そこを通過する光の強度を弱める。図示されるように、さらなる誘電体層４３０が、電気的絶縁のために、光シールド４１０および４２０の上に配置され得る。

図５は、本発明の別の実施形態を示し、この実施形態においては、第１の光シールド４１０における開口部または第２の光シールド４２０における開口部が、特定のＶＣＣＤ３２５の上に配置され、光シールド４１０、４２０いずれの開口部も光検出器３１５の各々の上には配置されない。光シールド４１０および４２０における開口部のこの幾何学的形状は、（焼結中に）周囲からの十分な水素の拡散を可能にする。なぜならば、光シールド４１０における開口部は概ね、光シールド４２０における開口部から両シールド間の光検出器３１５の幅しか分離されていないからである。光シールド４１０および４２０における開口部間のこの分離はまた、光シールド４１０と光シールド４２０との間の十分なオーバーラップを提供して、迷光が光検出器３１５に衝突することを実質的に防止し、それによって、迷光からも、ダングリング結合による偽性暗電流からも実質的に影響されない画像センサ内での黒レベルの決定を可能にする。図４に示された実施形態と比較して、（光シールド４１０における開口部またはその上の光シールド４２０における開口部により）増加したスミア信号がＶＣＣＤ３２５内で生成され得るが、しかし、光検出器３１５へ伝達される光の強度は、（例えば、詳細に上述されたように、大きさの８から１０のオーダーで）有意に弱められる。両方の例示された実施形態において、不動態化されていない結合による暗信号は、光シールド４１０および４２０における千鳥開口部を通る「拡散経路」の導入により、低減されるか、または実質的に最小にされる。

本発明の様々な実施形態が、暗基準領域における１つ以上の感光性エリアに対する作成プロセスを変更することによって、暗基準領域における１つ以上のＶＣＣＤ３２５に到達する光電荷の量を低減する。特に、本発明の実施形態は、（例えば、イオン注入のような）ドーパント導入ステップを省略するが、ドーパント導入ステップは、本明細書に参考としてその開示全体が援用されている、１９９９年７月８日に出願された米国特許第６，９０３，７６８号に説明されているように、暗基準領域における１つ以上の光検出器３１５を形成するために利用される。（ドーパント導入ステップはなおも、光学的に活性の撮像領域における光検出器３１５を作成するために利用されている。）このように、暗基準領域における１つ以上の感光性エリアにおける光電荷生成ｐ−ｎ（またはｐ−ｉ−ｎ）接合を形成するために利用されるドーパントは省略される。従って、たとえそのようなエリアに光が到達したとしても、光電荷はほとんど生じないか、または全く生ぜず、隣接するＶＣＣＤ３２５へ移送される光電荷はほとんどないか、または全くなく、暗基準領域におけるＶＣＣＤに到達する光により生成される信号は、大きさの５のオーダー分、最高で大きさの９〜１０のオーダー分、またはそれ以上減少させられ得る。

本発明の実施形態は、例えばデジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、スキャナ、および望遠鏡を含む様々に異なるシステムおよびデバイスにおいて利用され得る。図６は、本発明の実施形態による例示的な画像捕捉デバイス６００を示す。画像捕捉デバイス６００は、図６においてデジタルカメラとして実装される。

撮像対象場面からの光６０２が、撮像段階６０４に入力され、撮像段階６０４において、光は、レンズ６０６によって焦点が合わされて、ＣＣＤ画像センサ６０８（図４および／または図５に示された特徴）上に画像を形成する。画像センサ６０８は、入射光を、その各画素に対する電気信号に変換する。当該技術分野で公知のとおり、画像センサ６０８の画素は、その上に適用されるカラーフィルタアレイ（図示されず）を有し得、それによって、各画素は、撮像スペクトルの一部分を感知する。

光は、画像センサ６０８によって感知される前に、レンズ６０６およびフィルタ６１０を通過する。随意的に、光６０２は、制御可能なアイリス６１２および機械的なシャッター６１４を通過する。フィルタ６１０は、明るく照らされた場面を撮像するための随意的な減光フィルタを含み得るか、または本質的にこれから成り得る。露光コントローラ６１６は、輝度センサブロック６１８によって計測されるとおりの、場面において利用可能な光の量に応答し、フィルタ６１０、アイリス６１２、シャッター６１４の動作、および、画像センサ６０８の積分時間（または露光時間）を調節して、画像センサ６０８によって感知される画像の輝度を制御する。

特定のカメラ構成についてのこの説明は、当業者によく知られており、多くの変更およびさらなる特徴が存在し、または存在し得ることは明らかである。例えば、オートフォーカスシステムが追加され得るか、またはレンズは分離可能および互換性があり得る。本発明の実施形態は、任意のタイプのデジタルカメラに適用され得、この場合、同様な機能性が代替のコンポーネントによって提供されることが理解される。例えば、デジタルカメラは、比較的単純な全自動のデジタルカメラであり得、この場合、シャッター６１４は、デジタル一眼レフカメラに見られ得るようなより複雑なフォーカルプレーン構成である代わりに、比較的単純な可動式ブレードシャッター（ｂｌａｄｅｓｈｕｔｔｅｒ）などである。本発明の実施形態はまた、単純なカメラデバイスに含まれる撮像コンポーネント内に組み込まれ得るが、この単純なカメラデバイスの例としては、例えば携帯電話および自走車両に見られるようなものがあり、これらは、制御可能なアイリス６１２および／または機械的なシャッター６１４なしで操作され得る。レンズ６０６は、固定された焦点距離レンズまたはズームレンズであり得る。

図示されるように、（１つ以上の画素から集められた電荷の量に対応する）画像センサ６０８からのアナログ信号は、アナログ信号プロセッサ６２０によって処理され、そして１つ以上のアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器６２２に適用される。タイミング発生器６２４は、画像センサ６０８における行、列、または画素を選択するための様々なクロック信号を生成し、画像センサ６０８の外へ電荷を移送し、そしてアナログ信号プロセッサ６２０およびＡ／Ｄ変換器６２２の動作を同期させる。画像センサ段階６２６は、画像センサ６０８と、アナログ信号プロセッサ６２０と、Ａ／Ｄ変換器６２２と、タイミング発生器６２４とを含み得る。結果として生じる、Ａ／Ｄ変換器６２２からのデジタルピルセル値のストリームは、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）６３０と関連するメモリ６２８に格納される。

ＤＳＰ６３０は、例示される実施形態における３つのプロセッサまたはコントローラのうちの１つであり、これらには、システムコントローラ６３２および露光コントラオーラ６１６も含まれる。複数のコントローラおよびプロセッサの間でカメラ機能の制御をこのように分割することは通常のことであるが、これらのコントローラまたはプロセッサは、カメラの機能的動作および本発明の実施形態の適用に影響を与えることなく、様々な方法で組み合わせられる。これらのコントローラまたはプロセッサは、１つ以上のＤＳＰデバイス、マイクロコントローラ、プログラム可能な論理デバイス、または他のデジタル論理回路を含み得るか、またはこれらから本質的に成り得る。このようなコントローラまたはプロセッサの組み合わせが説明されたが、１つのコントローラまたはプロセッサが、必要とされる機能のすべてを実行するように指定され得ることは明らかである。これらの変更のすべてが同じ機能を実行し得、そして、本発明の様々な実施形態の範囲内にあり、用語「処理段階」は、本明細書においては、例えば、図６の処理段階６３４における局面のような１つの局面内のこの機能性の全てを包含するように使用される。

例示される実施形態において、ＤＳＰ６３０は、ソフトウェアプログラムに従ってメモリ６２８におけるデジタル画像データを操作するが、このソフトウェアプログラムは、プログラムメモリ６３６に格納されており、そして、画像捕捉中の実行のためにメモリ６２８にコピーされる。ＤＳＰ６３０は、本発明の実施形態において、画像処理のために必要なソフトウェアを実行する。メモリ６２８は、例えばＳＤＲＡＭのような任意のタイプのランダムアクセスメモリを含み得るか、または本質的にこれから成り得る。アドレスおよびデータ信号のための経路であるバス６３８は、ＤＳＰ６３０を、それと関連するメモリ６２８、Ａ／Ｄ変換器６２２、および他の関連デバイスに接続する。

システムコントローラ６３２は、プログラムメモリ６３６に格納されたソフトウェアプログラムに基づいて画像捕捉デバイス６００の全体的動作を制御し、プログラムメモリ６３６は、例えばフラッシュＥＥＰＲＯＭまたは他の不揮発性メモリを含み得るか、またはこれらから本質的に成り得る。このメモリはまた、画像捕捉デバイス６００がパワーダウンしたとき保存される、画像センサ較正データ、ユーザ設定選択、および／または他のデータを格納するために使用され得る。システムコントローラ６３２は、既に説明されたようにレンズ６０６、フィルタ６１０、アイリス６１２、およびシャッター６１４を操作するように露光コントローラ６１６を指示することによって、画像センサ６０８および関連する素子を操作するようにタイミング発生器６２４を指示することによって、および捕捉された画像データを処理するようにＤＳＰ６３０を指示することによって、画像捕捉のシーケンスを制御する。画像が捕捉され、処理された後、メモリ６２８に格納された最終的な画像ファイルは、インターフェース６４０を介してホストコンピュータに移送され得、取り外し可能なメモリカード６４２または他の格納デバイスに格納され得、および／または画像ディプレイ６４４にユーザのために表示され得る。

バス６４６は、アドレス、データおよび制御信号のための経路を含み、そして、システムコントローラ６３２をＤＳＰ６３０、プログラムメモリ６３６、システムメモリ６４８、ホストインターフェース６４０、メモリカードインターフェース６５０、および／または他の関連デバイスに接続する。ホストインターフェース６４０は、表示、格納、操作、および／またはプリンティングのために画像データを移送するために、パーソナルコンピュータまたは他のホストコンピュータへの高速接続を提供する。このインターフェースは、ＩＥＥＥ１３９４もしくはＵＳＢ２．０シリアルインターフェースまたは任意の他の適切なデジタルインターフェースを含み得るか、または本質的にこれらから成り得る。メモリカード６４２は通常、ソケット６５２の中に挿入され、およびメモリカードインターフェース６５０を介してシステムコントローラ６３２に接続されるコンパクトフラッシュ（登録商標）カードである。利用され得る他のタイプの格納には、限定するものではないが、ＰＣカード、マルチメディアカード、および／またはＳＤ（ＳｅｃｕｒｅＤｉｇｉｔａｌ）カードが含まれる。

処理された画像は、システムメモリ６４８におけるディスプレイバッファへコピーされ得、そして、ビデオ符号化器６５４を介して連続的に読み出されて、ビデオ信号を生成する。この信号は、外部のモニタ上での表示のために画像捕捉デバイス６００から直接的に出力され得るか、またはディスプレイコントローラ６５６によって処理されて、そして画像ディスプレイ６４４上に提示され得る。このディスプレイは通常、アクティブマトリクスカラー液晶ディスプレイであるが、しかし、他のタイプのディスプレイが利用され得る。

ビューファインダディスプレイ６６０、露光ディスプレイ６６２、ステータスディスプレイ６６４、画像ディスプレイ６４４、およびユーザ入力部６６６の全てを含むか、またはこれらの任意の組み合わせを含むユーザインターフェース６５８は、露光コントローラ６１６およびシステムコントローラ６３２上で実行される１つ以上のソフトウェアプログラムによって制御され得る。ユーザ入力部６６６は通常、ボタン、ロッカスイッチ、ジョイスティック、回転式ダイアル、および／またはタッチスクリーンの何らかの組み合わせを含む。露光コントローラ６１６は、光計測、露光モード、オートフォーカスおよび他の露光機能を実行する。システムコントローラ６３２は、例えば画像ディスプレイ６４４上のような、１つ以上のディスプレイ上に提示されるグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）を管理する。このＧＵＩは通常、様々に選択枝を選択すること、および捕捉された画像を検討するための見直しモードに対するメニューを含む。

露光コントローラ６１６は、露光モード、レンズ口径、露光時間（シャッタ速度）、および露光指数またはＩＳＯ感度レーティング（ｒａｔｉｎｇ）を選択するユーザ入力を受け入れ得、そして、次の捕捉に対してユーザ入力に従ってレンズおよびシャッターに指示する。随意的な輝度センサ６１８が、場面の輝度を測定するために使用され得、そして、手動でＩＳＯ感度レーティング、口径、およびシャッター速度を設定する場合に、ユーザが参照するべき露光計機能を提供し得る。この場合、ユーザが１つ以上の設定を変更するにつれて、ビューファインダディスプレイ６６０上に提示される明度計インジケータが、どの程度に画像が過度に露光されるか、または露光が不足するかをユーザに告げる。代替の場合においては、輝度情報は、画像ディスプレイ６４４上での表示に対するプリビューストリームにおいて捕捉される画像から取得される。自動露光モードにおいては、ユーザが１つの設定を変更すると、露光コントローラ６１６が別の設定を自動的に変更して、正しい露光を維持する。例えば、所与のＩＳＯ感度レーティングに対して、ユーザがレンズ口径を低減すると、露光コントローラ６１６が露光時間を自動的に増加させて、同じ全体的露光を維持する。

画像捕捉デバイスの以上の説明は、当業者にはよく知られている。可能な多くの変更が存在し、それらは、コストを低減し、特徴を付加し、またはそれらの性能を向上させるために選択され得ることが明らかである。

本明細書に使用された用語および表現は、説明の用語および表現として使用され、限定の用語および表現としては使用されておらず、そして、そのような用語および表現の使用において、提示および説明された特徴またはその部分のいかなる均等物をも除外する意図はない。さらに、本発明の特定の実施形態が説明されたが、本明細書に開示された概念を組み込む他の実施形態が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく使用され得ることが当業者には明らかである。従って、説明された実施形態は、あらゆる点において、例示するのみであり、限定するものではないとして考えられるべきである。

１００、２００画像センサ
１１０感光性エリア
１２０垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）
１３０水平ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）
１４０、２７０電荷感知増幅器
２１０感光性画像アレイ
２２０、２３０、２４０、２５０暗基準画素の領域
３００半導体構造
３０５ｎ型基板３０５
３１０ｐ型ウエル３１０
３１５ｎ型光検出器
４００暗基準領域
４１０第１の光シールド
４２０第２の光シールド

Claims

画像センサであって、該画像センサは、
光学的に活性の画素の撮像アレイであって、各画素は、（ｉ）感光性エリアと（ｉｉ）該感光性エリアと関連する垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）領域とを備えている、撮像アレイと、
該撮像アレイと隣接する、光学的に不活性の画素の暗基準領域であって、各画素は、（ｉ）感光性エリアと（ｉｉ）該感光性エリアと関連するＶＣＣＤ領域とを備えている、暗基準領域と、
第１の実質的に不透明な光シールドであって、（ｉ）該光学的に不活性の画素の暗基準領域の上に配置され、（ｉｉ）該第１の実質的に不透明な光シールドにおいて複数の開口部を画定する、第１の実質的に不透明な光シールドと、
第２の実質的に不透明な光シールドであって、（ｉ）該第２の実質的に不透明な光シールドにおいて複数の開口部を画定し、（ｉｉ）該第１の光シールドの上に配置される、第２の実質的に不透明な光シールドとを備え、
該暗基準領域内において、該第１の光シールドにおける該開口部は、感光性エリアまたはＶＣＣＤ領域の上に配置され、両方の上には配置されず、
該第１の光シールドにおける該開口部が、感光性エリアの上に配置される場合は、該第２の光シールドにおける該開口部は、感光性エリアの上に配置されるが、ＶＣＣＤ領域の上には配置されず、それによって、該暗基準領域における各感光性エリアは、該感光性エリアの上に２つ以上の開口部を有しておらず、
該第１の光シールドにおける該開口部が、ＶＣＣＤ領域の上に配置される場合は、該第２の光シールドにおける該開口部は、ＶＣＣＤ領域の上に配置されるが、感光性エリアの上には配置されず、それによって、該暗基準領域における各ＶＣＣＤ領域は、該ＶＣＣＤ領域の上に２つ以上の開口部を有していない、
画像センサ。
前記第１の光シールドと前記第２の光シールドとの間に配置された第１の誘電体層をさらに備えている、請求項１に記載の画像センサ。
前記第２の光シールドの上に配置された第２の誘電体層をさらに備えている、請求項２に記載の画像センサ。
（ｉ）前記第１の光シールドにおける前記開口部は、感光性エリアの上に配置されており、（ｉｉ）前記暗基準領域における一行の画素に沿って、該第１の光シールドがその上に開口部を有する感光性エリアは、（ａ）該第１の光シールドがその上に開口部を有さず、かつ、（ｂ）前記第２の光シールドがその上に開口部を有する少なくとも１つの感光性エリアによって分離されている、請求項１に記載の画像センサ。
前記暗基準領域における前記一行の画素は、前記第１の光シールドがその上に開口部を有する感光性エリアを備えており、該感光性エリアは、第２の光シールドがその上に開口部を有する感光性エリアと交互する、請求項４に記載の画像センサ。
（ｉ）前記第１の光シールドにおける前記開口部は、感光性エリアの上に配置されており、（ｉｉ）前記暗基準領域における前記ＶＣＣＤ領域の上に配置される、該第１の光シールドおよび前記第２の光シールドにおける開口部は存在しない、請求項１に記載の画像センサ。
（ｉ）前記第１の光シールドにおける前記開口部は、ＶＣＣＤ領域の上に配置されており、（ｉｉ）前記暗基準領域における一行の画素に沿って、該第１の光シールドがその上に開口部を有するＶＣＣＤ領域は、（ａ）該第１の光シールドがその上に開口部を有さず、かつ、（ｂ）前記第２の光シールドがその上に開口部を有する少なくとも１つのＶＣＣＤ領域によって分離されている、請求項１に記載の画像センサ。
前記暗基準領域における前記一行の画素は、前記第１の光シールドがその上に開口部を有するＶＣＣＤ領域を備えており、該ＶＣＣＤ領域は、第２の光シールドがその上に開口部を有するＶＣＣＤ領域と交互する、請求項７に記載の画像センサ。
（ｉ）前記第１の光シールドにおける前記開口部は、ＶＣＣＤ領域の上に配置されており、（ｉｉ）前記暗基準領域における前記感光性エリアの上に配置される、該第１の光シールドおよび前記第２の光シールドにおける開口部は存在しない、請求項１に記載の画像センサ。
前記光学的に活性の画素の撮像アレイにおける各感光性エリアは、光検出器、光ダイオード、フォトキャパシタ、および光導電体から成る群から選択される感光性デバイスを備えている、請求項１に記載の画像センサ。
前記光学的に不活性の画素の暗基準領域における１つ以上の感光性エリアは、前記光学的に活性の画素の撮像アレイにおける各感光性エリアにおける前記感光性デバイスを少なくとも部分的に画定する少なくとも１つのドーパントの領域を欠く、請求項１０に記載の画像センサ。