KR20160034848A - 고체 촬상 소자 및 전자 기기 - Google Patents

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이쿠오 요시하라
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Abstract

본 개시는, 고정밀도이며 다이내믹 레인지가 큰 촬상 신호를 생성할 수 있도록 하는 고체 촬상 소자 및 전자 기기에 관한 것이다. 화소는, 고감도 화소와, 고감도 화소보다도 감도가 낮은 저감도 화소를 갖는다. 제어 게이트는, 저감도 화소의 광전 변환 소자의 포텐셜을 제어한다. 본 개시는, 예를 들면, 고감도 화소와, 고감도 화소보다 감도가 낮은 저감도 화소의 양쪽을 가지며, 저감도 화소의 광전 변환 소자의 포텐셜을 제어하는 CMOS 이미지 센서 등에 적용할 수 있다.

Description

고체 촬상 소자 및 전자 기기{SOLID-STATE IMAGING ELEMENT AND ELECTRONIC DEVICE}
본 개시는, 고체 촬상 소자 및 전자 기기에 관한 것으로, 특히, 고정밀도이며 다이내믹 레인지가 큰 촬상 신호를 생성할 수 있도록 한 고체 촬상 소자 및 전자 기기에 관한 것이다.
고체 촬상 소자는, 예를 들면, 디지털 스틸 카메라나 비디오 카메라 등의 촬상 장치나, 촬상 기능을 갖는 휴대 단말 장치 등의 전자 기기에 사용되고 있다. 고체 촬상 소자로서는, 광전 변환 소자인 포토 다이오드에 축적된 전하를, MOS(Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터를 통하여 판독하는 CMOS(complementary MOS) 이미지 센서가 있다.
CMOS 이미지 센서에서는, 저조도시에도 촬상 신호를 취득할 수 있도록, 감도는 높은 쪽이 바람직하다. 또한, 다이내믹 레인지가 커지기 때문에, 포토 다이오드는 포화하기 어려운 쪽이 바람직하다.
그러나, 감도가 높은 것과, 포토 다이오드가 포화하기 어려운 것은 트레이드 오프의 관계에 있어서, 고감도를 유지하면서, 다이내믹 레인지를 확대하기는 어렵다.
그래서, 고감도 화소와 저감도 화소의 양쪽을 구비하고, 고감도 화소에 의해 고감도를 유지하면서, 저감도 화소에 의해 다이내믹 레인지를 확대하는 CMOS 이미지 센서가 고안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 내지 3 참조).
특허 문헌 1의 CMOS 이미지 센서에서는, 고감도 화소의 포토 다이오드의 개구가 작기 때문에, 집광이 어렵고 감도가 저하된다. 또한, 고감도 화소의 포토 다이오드의 용량이 작기 때문에, 포토 다이오드가 포화하기 쉽다. 고감도 화소의 포토 다이오드가 곧바로 포화하면, 저조도시에 저감도 화소에 의한 S/N이 나쁜 촬상 신호를 사용하는 것으로 되어, 촬상 신호의 정밀도가 저하된다.
특허 문헌 2의 CMOS 이미지 센서에서는, 크로스토크를 방지하고, 감도를 높게 하기 위해, 고감도 화소의 포토 다이오드가 크게 되고, 저감도 화소의 포토 다이오드가 작게 되어 있다. 그 때문에, 저감도 화소가 포화하기 쉽고, 다이내믹 레인지를 충분히 확대할 수가 없다.
특허 문헌 3의 CMOS 이미지 센서에서는, 저감도 화소의 포토 다이오드의 용량이 작기 때문에, 저감도 화소가 포화하기 쉽고, 다이내믹 레인지를 충분히 확대할 수가 없다.
특허 문헌 1 : 일본 특개2011-188148호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특개2011-129638호 공보 특허 문헌 3 : 일본 특개2005-86082호 공보
이상과 같이, 고감도 화소의 포토 다이오드의 개구가 작으면, 촬상 신호의 정밀도가 저하된다. 또한, 고감도 화소의 포토 다이오드의 개구를 크게 하면, 저감도 화소의 포토 다이오드가 작아져서, 다이내믹 레인지를 충분히 확대할 수가 없다.
따라서 고감도 화소와 저감도 화소를 구비하는 CMOS 이미지 센서에서, 고정밀도이며 다이내믹 레인지가 큰 촬상 신호를 생성하는 것이 요망되고 있다.
본 개시는, 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 고정밀도이며 다이내믹 레인지가 큰 촬상 신호를 생성할 수 있도록 하는 것이다.
본 개시의 제1의 측면의 고체 촬상 소자는, 고감도 화소와, 상기 고감도 화소보다도 감도가 낮은 저감도 화소를 갖는 화소와, 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 포텐셜을 제어하는 저감도 화소 제어 게이트를 구비하는 고체 촬상 소자이다.
본 개시의 제1의 측면의 전자 기기는, 본 개시의 제1의 측면의 고체 촬상 소자에 대응하는 것이다.
본 개시의 제1의 측면에서는, 고감도 화소와, 상기 고감도 화소보다도 감도가 낮은 저감도 화소를 갖는 화소와, 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 포텐셜을 제어하는 저감도 화소 제어 게이트가 구비된다.
본 개시의 제2의 측면의 고체 촬상 소자는, 고감도 화소와, 상기 고감도 화소보다도 감도가 낮은 저감도 화소를 갖는 화소를 구비하고, 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 포텐셜 심부(深部)는, 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자의 외측에서 수평 방향으로 늘어나는 고체 촬상 소자이다.
본 개시의 제2의 측면의 전자 기기는, 본 개시의 제2의 측면의 고체 촬상 소자에 대응하는 것이다.
본 개시의 제2의 측면에서는, 고감도 화소와, 상기 고감도 화소보다도 감도가 낮은 저감도 화소를 갖는 화소가 구비되고, 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 포텐셜 심부는, 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자의 외측에서 수평 방향으로 늘어난다.
본 개시의 제3의 측면의 고체 촬상 소자는, 고감도 화소와, 상기 고감도 화소보다도 감도가 낮은 저감도 화소를 갖는 화소를 구비하고, 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 전계(電界)는, 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자에 비하여 강한 고체 촬상 소자이다.
본 개시의 제3의 측면의 전자 기기는, 본 개시의 제3의 측면의 고체 촬상 소자에 대응하는 것이다.
본 개시의 제3의 측면에서는, 고감도 화소와, 상기 고감도 화소보다도 감도가 낮은 저감도 화소를 갖는 화소가 구비되고, 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 전계는, 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자에 비하여 강하다.
본 개시의 제1 내지 제3의 측면에 의하면, 고정밀도이며 다이내믹 레인지가 큰 촬상 신호를 생성할 수 있다.
도 1은 본 개시를 적용한 고체 촬상 소자로서의 CMOS 이미지 센서의 제1 실시의 형태의 구성례를 도시하는 블록도.
도 2는 도 1의 화소 어레이부에 배치되는 화소의 제1의 구성례를 도시하는 단면도.
도 3은 도 1의 화소 어레이부에 배치되는 화소의 제2의 구성례를 도시하는 평면도.
도 4는 도 1의 화소 어레이부에 배치되는 화소의 제3의 구성례를 도시하는 단면도.
도 5는 도 1의 화소 어레이부에 배치되는 화소의 제4의 구성례를 도시하는 단면도.
도 6은 제어 게이트와 트랜스 게이트의 제어의 예를 도시하는 도면.
도 7은 도 1의 화소 어레이부에 배치되는 화소의 제5의 구성례를 도시하는 단면도.
도 8은 CMOS 이미지 센서의 제1 실시의 형태의 효과를 설명하는 도면.
도 9는 CMOS 이미지 센서의 제2 실시의 형태에서의 화소의 제1의 구성례를 도시하는 단면도.
도 10은 CMOS 이미지 센서의 제2 실시의 형태에서의 화소의 제2의 구성례를 도시하는 평면도.
도 11은 CMOS 이미지 센서의 제2 실시의 형태에서의 화소의 제2의 구성의 변형례를 도시하는 평면도.
도 12는 CMOS 이미지 센서의 제2 실시의 형태에서의 화소의 제3의 구성례를 도시하는 단면도.
도 13은 CMOS 이미지 센서의 제2 실시의 형태에서의 화소의 제4의 구성례를 도시하는 단면도.
도 14는 제어 게이트와 트랜스 게이트의 제어의 예를 도시하는 도면.
도 15는 CMOS 이미지 센서의 제2 실시의 형태의 효과를 설명하는 도면.
도 16은 CMOS 이미지 센서의 제3 실시의 형태에서의 화소의 제1의 구성례를 도시하는 단면도.
도 17은 CMOS 이미지 센서의 제3 실시의 형태에서의 화소의 제2의 구성례를 도시하는 단면도이다.
도 18은 본 개시를 적용한 전자 기기로서의 촬상 장치의 구성례를 도시하는 블록도.
<제1 실시의 형태>
(고체 촬상 소자의 제1 실시의 형태의 구성례)
도 1은, 본 개시를 적용한 고체 촬상 소자로서의 CMOS 이미지 센서의 제1 실시의 형태의 구성례를 도시하는 블록도이다.
CMOS 이미지 센서(100)는, 화소 어레이부(111), 수직 구동부(112), 칼럼 처리부(113), 수평 구동부(114), 시스템 제어부(115), 화소 구동선(116), 수직 신호선(117), 신호 처리부(118), 및 데이터 격납부(119)에 의해 구성된다.
화소 어레이부(111), 수직 구동부(112), 칼럼 처리부(113), 수평 구동부(114), 시스템 제어부(115), 화소 구동선(116), 수직 신호선(117), 신호 처리부(118), 및 데이터 격납부(119)는, 도시하지 않은 반도체 기판에 형성되어 있다.
또한, CMOS 이미지 센서(100)는, 신호 처리부(118)와 데이터 격납부(119)를 포함하지 않고, 신호 처리부(118)와 데이터 격납부(119)는, 예를 들면, CMOS 이미지 센서(100)와는 다른 기판에 DSP(Digital Signal Processor) 등 외부 신호 처리부로서 마련되도록 하여도 좋다.
CMOS 이미지 센서(100)는, 피사체의 화상을 촬상하고, 그 화상의 각 화소의 촬상 신호를 출력한다.
구체적으로는, 화소 어레이부(111)에는, 복수의 화소가 행렬형상으로 2차원 배치된다. 화소는, 입사광의 광량에 응한 전하량의 전하를 발생하여 내부에 축적하는 광전 변환 소자로서의 포토 다이오드를 갖는 고감도 화소와, 고감도 화소보다 감도가 낮은, 포토 다이오드를 갖는 저감도 화소에 의해 구성된다.
또한, 화소 어레이부(111)에는, 행렬형상의 화소에 대해 행마다 화소 구동선(116)이 도면의 좌우 방향(행방향)으로 형성되고, 열마다 수직 신호선(117)이 도면의 상하 방향(열방향)으로 형성된다. 화소 구동선(116)의 일단은, 수직 구동부(112)의 각 행에 대응하는 도시하지 않은 출력단에 접속되어 있다.
수직 구동부(112)는, 시프트 레지스터나 어드레스 디코더 등에 의해 구성되고, 화소 어레이부(111)의 각 화소를 행 단위 등으로 구동하는 화소 구동부이다. 이 수직 구동부(112)의 구체적인 구성에 관해 도시는 생략하지만, 수직 구동부(112)는, 판독 주사계 및 소출(掃出) 주사계의 2개의 주사계를 갖는 구성으로 되어 있다.
판독 주사계는, 각 화소로부터의 촬상 신호를 행 단위로 차례로 판독하도록, 각 행을 차례로 선택하고, 선택행의 화소 구동선(116)과 접속하는 출력단부터 전송 펄스, 선택 펄스 등을 출력한다.
소출 주사계는, 광전 변환 소자로부터 불필요한 전하를 소출하기(리셋하기) 위해), 판독계의 주사보다도 셔터 스피드의 시간분만큼 선행하여, 각 행의 화소 구동선(116)과 접속하는 출력단부터 제어 펄스를 출력한다. 이 소출 주사계에 의한 주사에 의해, 이른바 전자 셔터 동작이 행마다 차례로 행하여진다. 여기서, 전자 셔터 동작이란, 광전 변환 소자의 전하를 버리고, 새롭게 노광을 시작하는(전하의 축적을 시작하는) 동작인 것을 말한다.
수직 구동부(112)가 판독 주사계에 의해 선택된 행의 각 화소로부터 출력되는 촬상 신호는, 수직 신호선(117)의 각각을 통하여 칼럼 처리부(113)에 공급된다.
칼럼 처리부(113)는, 화소 어레이부(111)의 열마다 신호 처리 회로를 갖는다. 칼럼 처리부(113)의 각 신호 처리 회로는, 선택행의 각 화소로부터 수직 신호선(117)을 통하여 출력되는 촬상 신호에 대해, CDS(Correlated Double Sampling)(상관 이중 샘플링) 처리 등의 노이즈 제거 처리, A/D 변환 처리, 색 보정 처리 등의 신호 처리를 행한다. CDS 처리에 의해, 리셋 노이즈나 증폭 트랜지스터의 임계치 편차 등의 화소 고유의 고정 패턴 노이즈가 제거된다.
각 신호 처리 회로는, 저조도시에는 신호 처리 후의 고감도 화소의 촬상 신호를 화소 단위의 촬상 신호로서 일시적으로 유지하고, 고조도시에는 신호 처리 후의 저감도 화소의 촬상 신호를 화소 단위의 촬상 신호로서 일시적으로 유지한다.
수평 구동부(114)는, 시프트 레지스터나 어드레스 디코더 등에 의해 구성되고, 칼럼 처리부(113)의 신호 처리 회로를 순번대로 선택한다. 이 수평 구동부(114)에 의한 선택 주사에 의해, 칼럼 처리부(113)의 각 신호 처리 회로에서 신호 처리된 촬상 신호가 순번대로 신호 처리부(118)에 출력된다.
시스템 제어부(115)는, 각종의 타이밍 신호를 생성하는 타이밍 제너레이터 등에 의해 구성되고, 타이밍 제너레이터에서 생성된 각종의 타이밍 신호를 기초로 수직 구동부(112), 칼럼 처리부(113), 및 수평 구동부(114)를 제어한다.
신호 처리부(118)는, 적어도 가산(加算) 처리 기능을 갖는다. 신호 처리부(118)는, 칼럼 처리부(113)로부터 출력되는 촬상 신호에 대해 가산 처리 등의 여러가지의 신호 처리를 행한다. 이 때, 신호 처리부(118)는, 필요에 응하여, 신호 처리의 도중 결과 등을 데이터 격납부(119)에 격납하고, 필요한 타이밍에서 참조한다. 신호 처리부(118)는, 신호 처리 후의 촬상 신호를 출력한다.
(화소의 제1의 구성례)
도 2는, 도 1의 화소 어레이부(111)에 배치되는 화소의 제1의 구성례를 도시하는 단면도이다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 화소(130)는, 저감도 화소(130-1)와 고감도 화소(130-2)에 의해 구성된다. 저감도 화소(130-1)는, 온 칩 렌즈(132-1), 컬러 필터(133), 평탄화막(134), 포토 다이오드(135-1), 트랜스 게이트(136-1), 및 전하 전압 변환부(137-1)에 의해 구성된다.
또한, 고감도 화소(130-2)는, 온 칩 렌즈(132-2), 컬러 필터(133), 평탄화막(134), 포토 다이오드(135-2), 트랜스 게이트(136-2), 및 전하 전압 변환부(137-2)에 의해 구성된다.
도 2의 예에서는, CMOS 이미지 센서(100)가, 이면 조사형의 CMOS 이미지 센서로 되어 있다. 그 때문에, 화소(130)에서는, 반도체 기판(131)의 이면측에, 온 칩 렌즈(132-1 및 132-2), 컬러 필터(133), 및 평탄화막(134)이 배치된다. 또한, 반도체 기판(131)의 표면측에는, 트랜스 게이트(TG)(136-1 및 136-2), 및, 화소 구동선(116), 수직 신호선(117) 등을 포함하는 회로(138)가 배치된다.
또한, 반도체 기판(131)의 표면측이란, 회로가 배치되는 측이고, 이면측이란, 회로가 배치되는 측의 반대측이다.
저감도 화소(130-1)의 온 칩 렌즈(132-1)는, 고감도 화소(130-2)의 온 칩 렌즈(132-2)에 비하여 작다. 온 칩 렌즈(132-1)는, 입사광을 컬러 필터(133)와 평탄화막(134)을 통하여, 반도체 기판(131) 내의 포토 다이오드(135-1)에 집광한다.
고감도 화소(130-2)의 온 칩 렌즈(132-2)는, 입사광을 컬러 필터(133)와 평탄화막(134)을 통하여, 반도체 기판(131) 내의 포토 다이오드(135-2)에 집광한다.
컬러 필터(133)는, 온 칩 렌즈(132-1 및 132-2)를 통하여 입사된 광 중의 소정의 색의 광을, 평탄화막(134)을 통하여 반도체 기판(131)에 출사한다. CMOS 이미지 센서(100)에서는, 화소의 배열이 베이어 배열이고, 컬러 필터(133)는, 적색(R), 녹색(Gb, Gr), 또는 청색(B)의 광을 출사한다.
저감도 화소(130-1)의 포토 다이오드(135-1)는, 포텐셜 심부가 포토 다이오드(135-2)의 표면측에서 수평 방향으로 늘어나, L자형을 형성하고 있다. 따라서, 포토 다이오드(135-1)의 이면측의 개구(141A)에 비하여, 표면측의 개구(141B)는 크다.
이와 같이, 포토 다이오드(135-1)의 포텐셜 심부를 수평 방향으로 늘림에 의해, 포텐셜 심부가 수평 방향으로 늘어나지 않는 I자형의 포토 다이오드에 비하여, 포토 다이오드(135-1)의 용량을 크게할 수 있다. 이에 의해, 촬상 신호의 다이내믹 레인지가 커진다.
또한, 포토 다이오드(135-1)의 포텐셜 심부만을 수평 방향으로 늘리기 때문에, 포토 다이오드(135-2)의 개구를 축소할 필요가 없다. 따라서, 고감도 화소의 포토 다이오드가 감도 저하를 초래함에 의한 촬상 신호의 정밀도의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 포토 다이오드(135-2)의 깊이를 바꿀 필요도 없다. 따라서, 고감도 화소의 포토 다이오드가 포화함에 의한 촬상 신호의 정밀도의 저하를 방지할 수 있다.
한편, 포토 다이오드(135-1)의 일부가 포토 다이오드(135-2)의 표면측에 위치하기 때문에, 포토 다이오드(135-2)에서 광전 변환되지 않고 투과한 광이 포토 다이오드(135-1)에 입사하고, 광전 변환되는 일이 있다. 그러나, 포토 다이오드(135-1)와 포토 다이오드(135-1)에 입사된 광의 색은 동일하기 때문에, 큰 문제로는 되지 않는다.
또한, 포토 다이오드(135-2)의 아래에 포토 다이오드(135-1)의 일부가 위치하기 때문에, 포토 다이오드(135-1)와 포토 다이오드(135-2)의 분광 특성은 다르다. 따라서, 고감도 화소(130-1)의 촬상 신호에 대한 색 보정 처리와, 저감도 화소(130-2)의 촬상 신호에 대한 색 보정 처리에서 이용되는 리니어 매트릭스를 다르도록 함에 의해, 색 재현성을 향상시킬 수 있다.
이 경우, 고감도 화소(130-1)의 리니어 매트릭스로서는, 예를 들면, 고감도 화소(130-1)에서의 입사광과 촬상 신호를 기초로 결정된 리니어 매트릭스가 이용된다. 또한, 저감도 화소(130-2)의 리니어 매트릭스로서는, 저감도 화소(130-2)에서의 입사광과 촬상 신호를 기초로 결정된 리니어 매트릭스가 이용된다.
또한, 포토 다이오드(135-2)에 청색의 광이 입사되는 경우, 포토 다이오드(135-2)에 입사된 모든 광이 포토 다이오드(135-2)에서 광전 변환된다. 따라서, 고감도 화소(130-1)와 저감도 화소(130-2)의 감도비가, 온 칩 렌즈(132-1)와 온 칩 렌즈(132-2)의 면적비가 된다.
그러나, 포토 다이오드(135-2)에 적색이나 녹색의 광이 입사되는 경우, 포토 다이오드(135-2)에 입사된 광의 일부는 포토 다이오드(135-2)를 투과하여, 포토 다이오드(135-1)에서 광전 변환된다. 따라서, 고감도 화소(130-1)와 저감도 화소(130-2)의 감도비는, 온 칩 렌즈(132-1)와 온 칩 렌즈(132-2)의 면적비로는 되지 않는다. 따라서, 색마다 리니어 매트릭스를 다르도록 함에 의해, 각 색의 촬상 신호의 비를 저감도 화소(130-1)와 고감도 화소(130-2)에서 동일하게 할 수 있다.
포토 다이오드(135-1)는, 온 칩 렌즈(132-1)로부터 컬러 필터(133)와 평탄화막(134)을 통하여 입사된 소정의 색의 광의 광량에 응한 전하량의 전하를 발생하여 내부에 축적한다. 포토 다이오드(135-1)에 축적된 전하는, 트랜스 게이트(136-1)의 제어에 의해, 전하 전압 변환부(137-1)에 전송된다.
고감도 화소(130-2)의 포토 다이오드(135-2)는, I형의 포토 다이오드이다. 따라서, 포토 다이오드(135-2)의 이면측의 개구(142A)와 표면측의 개구(142B)는 동일하다. 또한, 개구(142A)는, 포토 다이오드(135-1)의 이면측의 개구(141A)에 비하여 크다.
포토 다이오드(135-2)는, 온 칩 렌즈(132-2)로부터 컬러 필터(133)와 평탄화막(134)을 통하여 입사된 소정의 색의 광의 광량에 응한 전하량의 전하를 발생하여 내부에 축적한다. 포토 다이오드(135-2)에 축적된 전하는, 트랜스 게이트(136-2)의 제어에 의해, 전하 전압 변환부(137-2)에 전송된다.
저감도 화소(130-1)의 트랜스 게이트(136-1)는, 도 1의 수직 구동부(112)의 판독 주사계에 의해 화소 구동선(116)을 통하여 공급되는 전송 펄스에 응하여, 포토 다이오드(135-1)에 축적된 전하를 전하 전압 변환부(137-1)에 전송한다. 전하 전압 변환부(137-1)는, 포토 다이오드(135-1)로부터 전송되어 오는 전하를 전압으로 변환한다.
고감도 화소(130-2)의 트랜스 게이트(136-2)는, 수직 구동부(112)의 판독 주사계에 의해 화소 구동선(116)을 통하여 공급되는 전송 펄스에 응하여, 포토 다이오드(135-2)에 축적된 전하를 전하 전압 변환부(137-2)에 전송한다. 트랜스 게이트(136-2)는, 반도체 기판(131) 내에 매입되어 있기 때문에, 표면측에 존재하지 않는 포토 다이오드(135-2)로부터 전하를 전송할 수 있다. 전하 전압 변환부(137-2)는, 포토 다이오드(135-2)로부터 전송되어 오는 전하를 전압으로 변환한다.
전하 전압 변환부(137-1)와 전하 전압 변환부(137-2)의 변환에 의해 얻어지는 전압의 신호는, 수직 구동부(112)의 판독 주사계에 의해 화소 구동선(116)을 통하여 공급되는 선택 펄스에 응하여, 촬상 신호로서 도 1의 칼럼 처리부(113)에 공급된다.
(화소의 제2의 구성례)
도 3은, 도 1의 화소 어레이부(111)에 배치되는 화소의 제2의 구성례를 도시하는, 반도체 기판(131)을 표면측에서 본 평면도이다.
도 3에 도시하는 구성 중, 도 2의 구성과 같은 구성에는 같은 부호를 붙이고 있다. 중복되는 설명에 관해서는 적절히 생략한다.
도 3의 화소(160)는, 전하 전압 변환부(137-1)와 전하 전압 변환부(137-2) 대신에 전하 전압 변환부(161-1)와 전하 전압 변환부(161-2)가 마련되는 점이 도 2의 화소(130)의 구성과 다르다. 화소(160)에서는, 전하 전압 변환부(161-1)와 전하 전압 변환부(161-2)가 인접하는 화소(170)와 공유된다.
구체적으로는, 화소(160)는, 저감도 화소(160-1)와 고감도 화소(160-2)에 의해 구성된다. 저감도 화소(160-1)의 전하 전압 변환부(161-1)는, 화소(160)의 포토 다이오드(135-1)로부터 트랜스 게이트(136-1)를 통하여 전송되어 오는 전하를 전압으로 변환한다. 또한, 전하 전압 변환부(161-1)는, 화소(160)와 수평 방향으로 인접하는 화소(170)의 고감도 화소(170-2)의 반도체 기판(131)에 매입된 트랜스 게이트(171-2)에 의해 전송되는, 고감도 화소(170-2)의 전하를 전압으로 변환한다. 변환에 의해 얻어지는 전압의 신호는, 수직 구동부(112)의 판독 주사계에 의해 화소 구동선(116)을 통하여 공급되는 선택 펄스에 응하여, 촬상 신호로서 칼럼 처리부(113)에 공급된다.
또한, 고감도 화소(160-2)의 전하 전압 변환부(161-2)는, 화소(160)의 포토 다이오드(135-2)로부터 트랜스 게이트(136-2)를 통하여 전송되어 오는 전하를 전압으로 변환한다. 또한, 전하 전압 변환부(161-2)는, 저감도 화소(170-1)의 트랜스 게이트(171-1)에 의해 전송되는, 저감도 화소(170-1)의 전하를 전압으로 변환한다. 변환에 의해 얻어지는 전압의 신호는, 수직 구동부(112)의 판독 주사계에 의해 화소 구동선(116)을 통하여 공급되는 선택 펄스에 응하여, 촬상 신호로서 칼럼 처리부(113)에 공급된다.
이상과 같이, 전하 전압 변환부를 인접하는 화소 사이에서 공유함에 의해, 반도체 기판(131) 내의 전하 전압 변환부의 영역을 삭감할 수 있다. 이에 의해, 포토 다이오드(135-1)와 포토 다이오드(135-2)의 개구를 크게 확보할 수 있다.
또한, 공유하는 전하 전압 변환부는, 인접하는 화소의 고감도 화소와 저감도 화소의 일방과 타방의 사이로 한정되지 않는다. 동일한 화소 내의 전하 전압 변환부가 공유되어도 좋고, 인접하는 화소의 고감도 화소끼리, 저감도 화소끼리의 전하 전압 변환부가 공유되어도 좋다.
(화소의 제3의 구성례)
도 4는, 도 1의 화소 어레이부(111)에 배치되는 화소의 제3의 구성례를 도시하는 단면도이다.
도 4에 도시하는 구성 중, 도 2의 구성과 같은 구성에는 같은 부호를 붙이고 있다. 중복되는 설명에 관해서는 적절히 생략한다.
도 4의 화소(190)의 구성은, 포토 다이오드(135-2) 대신에 포토 다이오드(191)가 마련되는 점, 및 트랜스 게이트(136-2) 대신에 트랜스 게이트(192)가 마련되는 점이, 도 2의 화소(130)의 구성과 다르다. 화소(190)에서는, 트랜스 게이트(192)가 반도체 기판(131) 내에 매입되지 않고, 반도체 기판(131)의 표면에 마련된다.
구체적으로는, 화소(190)는, 저감도 화소(130-1)와 고감도 화소(190-2)에 의해 구성된다. 고감도 화소(190-2)의 포토 다이오드(191)는, 일부가 반도체 기판(131)의 표면측으로 늘어나 있다. 따라서, 포토 다이오드(191)의 표면측의 개구(191)B는, 이면측의 개구(142A)에 비하여 작다. 포토 다이오드(191)의 일부가 반도체 기판(131)의 표면측으로 늘어나 있기 때문에, 트랜스 게이트(192)를 반도체 기판(131) 내에 매입하는 일 없이, 포토 다이오드(191)에 축적된 전하를 전하 전압 변환부(137-2)에 전송할 수 있다.
고감도 화소(190-2)의 트랜스 게이트(192)는, 수직 구동부(112)의 판독 주사계에 의해 화소 구동선(116)을 통하여 공급되는 전송 펄스에 응하여, 포토 다이오드(191)에 축적된 전하를 전하 전압 변환부(137-2)에 전송한다.
(화소의 제4의 구성례)
도 5는, 도 1의 화소 어레이부(111)에 배치되는 화소의 제4의 구성례를 도시하는 단면도이다.
도 5에 도시하는 구성 중, 도 2의 구성과 같은 구성에는 같은 부호를 붙이고 있다. 중복되는 설명에 관해서는 적절히 생략한다.
도 5의 화소(210)의 구성은, 제어 게이트(211)가 새롭게 마련되는 점이 도 2의 화소(130)의 구성과 다르다. 화소(210)는, 제어 게이트(211)에 의해 포토 다이오드(135-1)의 전하 축적시의 포텐셜 심부를 보다 깊게 한다.
구체적으로는, 화소(210)는, 저감도 화소(210-1)와 고감도 화소(130-2)에 의해 구성된다. 저감도 화소(210-1)의 제어 게이트(211)는, 포토 다이오드(135-1)의 표면측의 개구(141B)와 대향하는 반도체 기판(131)의 표면에 형성된다. 제어 게이트(211)는, 포토 다이오드(135-1)의 포텐셜을 제어한다.
구체적으로는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 포토 다이오드(135-1)가 전하를 축적할 때, 제어 게이트(211)는 하이 레벨이 되고, 트랜스 게이트(136-1)는 로 레벨이 된다. 이에 의해, 전하 축적시의 포토 다이오드(135-1)의 포텐셜 심부는 보다 깊게 된다.
또한, 포토 다이오드(135-1)의 전하가 전송될 때, 제어 게이트(211)는 로 레벨이 되고, 트랜스 게이트(136-1)는 하이 레벨이 된다. 이에 의해, 포토 다이오드(135-1)에 축적된 전하의 소출을 확실하게 행할 수 있다.
(화소의 제5의 구성례)
도 7은, 도 1의 화소 어레이부(111)에 배치되는 화소의 제5의 구성례를 도시하는 단면도이다.
도 7에 도시하는 구성 중, 도 2의 구성과 같은 구성에는 같은 부호를 붙이고 있다. 중복되는 설명에 관해서는 적절히 생략한다.
도 7의 화소(220)는, 저감도 화소(220-1)와 고감도 화소(220-2)에 의해 구성된다. 도 7의 예에서는, CMOS 이미지 센서(100)가 표면 조사형의 CMOS 이미지 센서로 되어 있고, 화소(220)에서는, 반도체 기판(131)의 광의 입사측에, 화소 구동선(116), 수직 신호선(117) 등을 포함하는 회로(221)가 배치된다.
그 때문에, 저감도 화소(220-1)의 트랜스 게이트(222-1)가, 반도체 기판(131)의 표면측(회로(221)측)부터 반도체 기판(131) 내에 매입된다. 또한, 저감도 화소(220-1)의 전하 전압 변환부(223-1)가 반도체 기판(131)의 표면측에 마련된다.
또한, 고감도 화소(220-2)의 트랜스 게이트(222-2)가, 반도체 기판(131)의 표면에 마련된다. 또한, 고감도 화소(220-2)의 전하 전압 변환부(223-2)가 반도체 기판(131)의 표면측에 마련된다.
또한, CMOS 이미지 센서(100)가 이면 조사형의 CMOS 이미지 센서인 경우, 표면 조사형의 CMOS 이미지 센서인 경우에 비하여, 포토 다이오드(135-1)의 포텐셜 심부와 전하 전압 변환부(137-1)(161-1)가 가깝다. 따라서, 포토 다이오드(135-1)에 축적된 전하의 전송이 용이하다. 또한, 이 경우, 포토 다이오드(135-1)의 포텐셜 심부의 불순물 농도를 높여서, 포토 다이오드(135-1)의 용량을 크게할 수 있다.
(제1 실시의 형태의 효과의 설명)
도 8은, CMOS 이미지 센서(100)의 제1 실시의 형태의 효과를 설명하는 도면이다.
도 8의 그래프에서, 횡축은, 포토 다이오드에 입사하는 광의 광량(입사광량)을 나타내고, 종축은, 포토 다이오드로부터 전송되는 전자수(출력 전자수)를 나타내고 있다.
여기서는, 하나의 감도(感度)의 화소에 의해 구성되는 통상의 CMOS 이미지 센서의 화소를 통상의 화소라고 한다. 또한, 고감도 화소와 저감도 화소를 구비하고, 저감도 화소의 포토 다이오드의 용량이 작은 종래의 CMOS 이미지 센서의 고감도 화소, 저감도 화소를, 각각, 종래의 고감도 화소, 종래의 저감도 화소라고 한다.
도 8에 도시하는 바와 같이, 통상의 화소의 포토 다이오드의 출력 전자수는, 입사광량이 0 이상 Q4 이하인 경우, 입사광량에 비례하여 증가한다. 포토 다이오드는, 입사광량이 Q4가 되면 포화하고, 입사광량이 Q4 이상인 경우, 출력 전자수는, 입사광량에 의하지 않고, 입사광량이 Q4인 때의 출력 전자수로 된다. 따라서, 통상의 화소의 촬상 신호의 다이내믹 레인지는, 출력 전자수가 노이즈 레벨을 초과하는 입사광량 Q1로부터, 포토 다이오드가 포화하는 입사광량 Q4까지의 범위가 된다.
또한, 종래의 CMOS 이미지 센서에서는, 저감도 화소와 고감도 화소의 양쪽의 포토 다이오드를 구비하기 때문에, 저감도 화소와 고감도 화소의 포토 다이오드의 사이즈는, 통상의 화소에 비하여 작아진다. 따라서, 종래의 고감도 화소의 포토 다이오드는, 통상의 화소의 포토 다이오드에 비하여 빨리 포화한다.
구체적으로는, 종래의 고감도 화소의 포토 다이오드의 출력 전자수는, 입사광량이 0 이상 Q3(Q3<Q4) 이하인 경우, 입사광량에 비례하여 증가한다. 포토 다이오드는, 입사광량이 Q3이 되면 포화하고, 입사광량이 Q3 이상인 경우, 출력 전자수는, 입사광량에 의하지 않고, 입사광량이 Q3인 때의 출력 전자수로 된다.
한편, 저감도 화소의 포토 다이오드의 사이즈는, 통상의 화소에 비하여 작지만, 감도가 낮기 때문에, 통상의 화소의 포토 다이오드에 비하여 느리게 포화한다. 구체적으로는, 종래의 저감도 화소의 포토 다이오드의 출력 전자수는, 입사광량이 0 이상 Q5(Q5>Q4) 이하인 경우, 입사광량에 비례하여 증가한다. 포토 다이오드는, 입사광량이 Q5가 되면 포화하고, 입사광량이(Q5) 이상인 경우, 출력 전자수는, 입사광량에 의하지 않고, 입사광량이(Q5)인 때의 출력 전자수로 된다.
따라서 고조도시에 저감도 화소의 촬상 신호를 이용함에 의해, 화소의 촬상 신호의 다이내믹 레인지는, 고감도 화소의 출력 전자수가 노이즈 레벨을 초과한 입사광량 Q2부터, 저감도 화소의 포토 다이오드가 포화한 입사광량 Q5까지의 범위가 된다.
이에 대해, 고감도 화소의 포토 다이오드(135-2)(191)의 출력 전자수는, 종래의 고감도 화소의 출력 전자수와 동일하지만, 저감도 화소의 포토 다이오드(135-1)의 출력 전자수는, 종래의 저감도 화소의 출력 전자수와 다르다.
즉, 포토 다이오드(135-1)의 용량은, 종래의 저감도 화소에 비하여 크기 때문에, 포토 다이오드(135-1)는, 입사광량이 Q6(Q6>Q5)이 되면 포화한다. 따라서, 포토 다이오드(135-1)의 출력 전자수는, 입사광량이 0 이상 Q6 이하인 경우 입사광량에 비례하여 증가하고, Q6 이상인 경우 입사광량이(Q6)인 때의 출력 전자수로 된다.
따라서 고조도시에 포토 다이오드(135-1)의 촬상 신호를 이용함에 의해, 화소의 촬상 신호의 다이내믹 레인지는, 고감도 화소의 출력 전자수가 노이즈 레벨을 초과한 입사광량 Q2부터, 포토 다이오드(135-1)가 포화한 입사광량 Q6까지의 범위가 된다.
이상과 같이, CMOS 이미지 센서(100)에서의 촬상 신호의 다이내믹 레인지는, 통상의 CMOS 이미지 센서나 종래의 CMOS 이미지 센서와 비교하여 커진다.
<제2 실시의 형태>
(고체 촬상 소자의 제2 실시의 형태의 화소의 제1의 구성례)
본 개시를 적용한 고체 촬상 소자로서의 CMOS 이미지 센서(100)의 제2 실시의 형태의 구성은, 화소 어레이부(111)에 2차원 배치되는 화소의 구성을 제외하고 도 1의 구성과 마찬가지이다. 따라서, 이하에서는, 화소의 구성에 관해서만 설명한다.
CMOS 이미지 센서(100)의 제2 실시의 형태의 화소에서는, 저감도 화소의 포토 다이오드의 포텐셜 심부를 수평 방향으로 늘리는 것이 아니라, 제어 게이트를 마련함에 의해, 저감도 화소의 포토 다이오드의 용량을 증가시킨다. 이에 의해, 고감도 화소의 포토 다이오드의 개구를 축소하는 일 없이, 저감도 화소의 용량을 크게할 수 있다. 그 결과, 고정밀도이며 다이내믹 레인지가 큰 촬상 신호를 생성할 수 있다.
도 9는, CMOS 이미지 센서(100)의 제2 실시의 형태에서의 화소의 제1의 구성례를 도시하는 단면도이다.
도 9에 도시하는 구성 중, 도 5의 구성과 같은 구성에는 같은 부호를 붙이고 있다. 중복되는 설명에 관해서는 적절히 생략한다.
도 9의 화소(230)의 구성은, 포토 다이오드(135-1 및 135-2), 트랜스 게이트(136-2) 대신에, 포토 다이오드(231-1 및 231-2), 트랜스 게이트(232)가 마련되는 점이, 도 5의 화소(210)의 구성과 다르다. 화소(230)는, 제어 게이트(211)를 마련함에 의해, 포토 다이오드(231-1)의 용량을 증가시킨다.
구체적으로는, 화소(230)는, 저감도 화소(230-1)와 고감도 화소(230-2)에 의해 구성된다. 저감도 화소(230-1)의 포토 다이오드(231-1)는, 반도체 기판(131)의 이면측부터 표면측으로 늘어나는 I자형을 형성하고 있다. 따라서, 포토 다이오드(231-1)의 이면측의 개구(241A)와 표면측의 개구(241B)의 크기는 동일하다.
포토 다이오드(231-1)의 표면측의 개구(241B)와 대향하는 반도체 기판(131)의 표면에 형성된 제어 게이트(211)에 의해, 포토 다이오드(231-1)의 전하 축적시의 포텐셜 심부는 깊어진다. 따라서, 포토 다이오드(231-1)의 용량은, 제어 게이트(211)가 형성되지 않은 경우에 비하여 증가한다.
포토 다이오드(231-1)는, 온 칩 렌즈(132-1)로부터 컬러 필터(133)와 평탄화막(134)을 통하여 입사된 소정의 색의 광의 광량에 응한 전하량의 전하를 발생하여 내부에 축적한다. 포토 다이오드(231-1)에 축적된 전하는, 트랜스 게이트(136-1)의 제어에 의해, 전하 전압 변환부(137-1)에 전송된다.
또한, 고감도 화소(230-2)의 포토 다이오드(231-2)는, I형의 포토 다이오드이다. 따라서, 포토 다이오드(231-2)의 이면측의 개구(242A)와 표면측의 개구(242B)는 동일하다. 또한, 개구(242A)는, 포토 다이오드(231-1)의 이면측의 개구(241A)에 비하여 크다. 포토 다이오드(231-2)의 표면측으로 포토 다이오드(231-1)가 늘어나지 않기 때문에, 포토 다이오드(231-2)는, 제1 실시의 형태의 경우에 비하여 보다 표면측으로 늘어날 수 있다.
포토 다이오드(231-2)는, 온 칩 렌즈(132-2)로부터 컬러 필터(133)와 평탄화막(134)을 통하여 입사된 소정의 색의 광의 광량에 응한 전하량의 전하를 발생하여 내부에 축적한다. 포토 다이오드(231-2)에 축적된 전하는, 트랜스 게이트(232)의 제어에 의해, 전하 전압 변환부(137-2)에 전송된다.
고감도 화소(230-2)의 트랜스 게이트(232)는, 수직 구동부(112)의 판독 주사계에 의해 화소 구동선(116)을 통하여 공급되는 전송 펄스에 응하여, 포토 다이오드(231-2)에 축적된 전하를 전하 전압 변환부(137-2)에 전송한다. 포토 다이오드(231-2)는, 표면측으로 늘어나 있기 때문에, 트랜스 게이트(232)는, 반도체 기판(131) 내에 매입될 필요가 없다.
(화소의 제2의 구성례)
도 10은, CMOS 이미지 센서(100)의 제2 실시의 형태에서의 화소의 제2의 구성례를 도시하는, 반도체 기판(131)을 표면측에서 본 평면도이다.
도 10에 도시하는 구성 중, 도 9의 구성과 같은 구성에는 같은 부호를 붙이고 있다. 중복되는 설명에 관해서는 적절히 생략한다.
도 10의 화소(250)의 구성은, 전하 전압 변환부(137-1) 및 전하 전압 변환부(137-2) 대신에 전하 전압 변환부(251)가 마련되는 점이 도 9의 화소(230)의 구성과 다르다. 화소(250)에서는, 동일한 화소(250) 내의 전하 전압 변환부(137-1) 및 전하 전압 변환부(137-2)가 전하 전압 변환부(251)로서 공유된다.
구체적으로는, 화소(250)는, 저감도 화소(250-1)와 고감도 화소(250-2)에 의해 구성된다. 전하 전압 변환부(251)는, 저감도 화소(250-1)의 포토 다이오드(231-1)로부터 트랜스 게이트(136-1)를 통하여 전송되어 오는 전하를 전압으로 변환한다. 또한, 전하 전압 변환부(251)는, 고감도 화소(250-2)의 포토 다이오드(231-2)로부터 트랜스 게이트(232)를 통하여 전송되어 오는 전하를 전압으로 변환한다. 변환에 의해 얻어지는 전압의 신호는, 수직 구동부(112)의 판독 주사계에 의해 화소 구동선(116)을 통하여 공급되는 선택 펄스에 응하여, 촬상 신호로서 칼럼 처리부(113)에 공급된다.
이상과 같이, 전하 전압 변환부를 동일 화소 내에서 공유함에 의해, 반도체 기판(131) 내의 전하 전압 변환부의 영역을 삭감할 수 있다. 이에 의해, 포토 다이오드(231-1)와 포토 다이오드(231-2)의 개구를 크게 확보할 수 있다.
또한, 공유하는 전하 전압 변환부는, 동일한 화소 내로 한정되지 않는다. 인접하는 화소의 고감도 화소와 저감도 화소의 일방과 타방의 전하 전압 변환부가 공유되어도 좋고, 인접하는 화소의 고감도 화소끼리, 저감도 화소끼리의 전하 전압 변환부가 공유되어도 좋다.
또한, CMOS 이미지 센서(100)에서는, 화소의 배열이 베이어 배열이기 때문에, 도 10의 좌상의 화소(250)는, 청색(B)의 광을 촬상한 청색 화소이고, 우상의 화소(250)는, 녹색(Gb)의 광을 촬상한 녹색 화소이다. 또한, 좌하의 화소(250)는, 녹색(Gr)의 광을 촬상한 녹색 화소이고, 우하의 화소(250)는, 적색(R)의 광을 촬상한 적색 화소이다.
이하에서는, 좌상의 화소(250)를 청색 화소(260)라고도 하고, 우상의 화소(250)를 녹색 화소(261)라고도 하고, 좌하의 화소(250)를 녹색 화소(262)라고도 하고, 우하의 화소(250)를 적색 화소(263)라고도 한다.
도 10에서는, 좌측의 청색 화소(260)와 녹색 화소(262)의 각 부분의 배치가 동일하게 되고, 우측의 녹색 화소(261)와 적색 화소(263)의 각 부분의 배치가 동일하게 되도록 되었지만, 도 11에 도시하는 바와 같이, 녹색 화소(261 및 262)끼리의 각 부분의 배치가 동일하게 되도록 되어도 좋다. 이 경우, 청색 화소(260)와 적색 화소(263)의 각 부분의 배치가 동일하게 된다.
(화소의 제3의 구성례)
도 12는, CMOS 이미지 센서(100)의 제2 실시의 형태에서의 화소의 제3의 구성례를 도시하는 단면도이다.
도 12에 도시하는 구성 중, 도 9의 구성과 같은 구성에는 같은 부호를 붙이고 있다. 중복되는 설명에 관해서는 적절히 생략한다.
도 12의 화소(280)의 구성은, 온 칩 렌즈(132-1) 및 온 칩 렌즈(132-2) 대신에 온 칩 렌즈(281)가 마련되는 점이 도 9의 화소(230)의 구성과 다르다. 화소(280)에서는, 동일한 화소(280) 내의 온 칩 렌즈(132-1) 및 온 칩 렌즈(132-2)가 공유된다.
구체적으로는, 화소(280)는, 저감도 화소(280-1)와 고감도 화소(280-2)에 의해 구성된다. 온 칩 렌즈(281)는, 입사광을 컬러 필터(133)와 평탄화막(134)을 통하여, 반도체 기판(131) 내의 포토 다이오드(231-1)와 포토 다이오드(231-2)에 집광한다.
(화소의 제4의 구성례)
도 13은, CMOS 이미지 센서(100)의 제2 실시의 형태에서의 화소의 제4의 구성례를 도시하는 단면도이다.
도 13에 도시하는 구성 중, 도 9의 구성과 같은 구성에는 같은 부호를 붙이고 있다. 중복되는 설명에 관해서는 적절히 생략한다.
도 13의 화소(300)의 구성은, 제어 게이트(301)가 새롭게 마련되는 점이 도 9의 화소(230)의 구성과 다르다. 화소(300)에서는, 포토 다이오드(231-2)에 대해 제어 게이트(301)가 형성된다.
구체적으로는, 화소(300)는, 저감도 화소(230-1)와 고감도 화소(300-2)에 의해 구성된다. 고감도 화소(300-2)의 제어 게이트(301)는, 포토 다이오드(231-2)의 표면측의 개구(242B)와 대향하는 반도체 기판(131)의 표면에 형성된다. 제어 게이트(301)는, 포토 다이오드(231-2)의 포텐셜을 제어한다.
도 14에 도시하는 바와 같이, 제어 게이트(211)는, 포토 다이오드(231-1)가 전하를 축적할 때에 하이 레벨이 되고, 포토 다이오드(231-1)의 전하가 전송될 때에 로 레벨이 된다. 제어 게이트(301)는, 포토 다이오드(231-1)가 전하를 축적할 때, 및, 포토 다이오드(231-1)의 전하가 전송될 때의 양쪽에서 로 레벨이 된다.
또한, 트랜스 게이트(136-1)는, 포토 다이오드(231-1)가 전하를 축적할 때에 로 레벨이 되고, 포토 다이오드(231-1)의 전하가 전송될 때에 하이 레벨이 된다. 트랜스 게이트(232)는, 포토 다이오드(231-2)가 전하를 축적할 때에 로 레벨이 되고, 포토 다이오드(231-2)의 전하가 전송될 때에 하이 레벨이 된다.
이상에 의해, 전하 축적시의 포토 다이오드(231-1)의 포텐셜이 깊어지고 포화 전자수가 많아짐과 함께, 고감도 화소(300-2)에서의 백점이나 암전류가 억제되고, 보다 저조도시의 촬상 신호를 출력 가능해진다.
(제2 실시의 형태의 효과의 설명)
CMOS 이미지 센서(100)의 제2 실시의 형태에서도, 종래의 저감도 화소와 비교하여, 저감도 화소(230-1)(250-1, 280-1)의 포토 다이오드(231-1)의 용량이 크다. 따라서, 제1 실시의 형태와 마찬가지로, 도 8을 참조하여 설명한 다이내믹 레인지가 크다는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 도 15에 도시하는 바와 같이, 표면 조사형의 CMOS 이미지 센서에서, 화소 전체에 대해 포토 다이오드의 용량을 증가시키기 위한 제어 게이트가 마련된 경우, 포화 전자수는, 제어 게이트를 마련하지 않는 경우에 비하여 많아진다. 그러나, 암전류와 청(靑) 감도가 문제가 된다.
한편, 이면 조사형의 CMOS 이미지 센서에서, 화소 전체에 대해 포토 다이오드의 용량을 증가시키기 위한 제어 게이트가 마련된 경우, 광의 입사면과 제어 게이트가 형성된 면이 반대가 되기 때문에, 청 감도는 문제가 되지 않는다. 또한, 포화 전자수는, 제어 게이트를 마련하지 않는 경우에 비하여 많다. 그러나, 암전류가 문제가 된다.
이에 대해, CMOS 이미지 센서(100)의 제2 실시의 형태에서는, 고조도시에 촬상 신호가 사용되는 저조도 화소에 대해서만 포토 다이오드의 용량을 증가시키기 위한 제어 게이트(211)가 마련되기 때문에, 저조도시에 문제가 되는 암전류는 문제가 되지 않는다. 또한, CMOS 이미지 센서(100)의 제2 실시의 형태는, 이면 조사형의 CMOS 이미지 센서이기 때문에, 청 감도도 문제가 되지 않는다. 또한, 포화 전자수는, 제어 게이트를 마련하지 않는 경우에 비하여 많다.
<제3 실시의 형태>
(고체 촬상 소자의 제3 실시의 형태의 화소의 제1의 구성례)
본 개시를 적용한 고체 촬상 소자로서의 CMOS 이미지 센서(100)의 제3 실시의 형태의 구성은, 화소 어레이부(111)에 2차원 배치되는 화소의 구성을 제외하고 도 1의 구성과 마찬가지이다. 따라서, 이하에서는, 화소의 구성에 관해서만 설명한다.
CMOS 이미지 센서(100)의 제3 실시의 형태의 화소에서는, 제어 게이트를 마련하는 것이 아니라, 고감도 화소에 비하여 저감도 화소의 전계를 강하게 함에 의해, 저감도 화소의 포토 다이오드의 용량을 증가시킨다.
도 16은, CMOS 이미지 센서(100)의 제3 실시의 형태에서의 화소의 제1의 구성례를 도시하는 단면도이다.
도 16에 도시하는 구성 중, 도 9의 구성과 같은 구성에는 같은 부호를 붙이고 있다. 중복되는 설명에 관해서는 적절히 생략한다.
도 16의 화소(320)의 구성은, 포토 다이오드(231-1) 대신에 포토 다이오드(321-1)가 마련되는 점, 및 제어 게이트(211)가 마련되지 않는 점이, 도 9의 화소(230)의 구성과 다르다. 화소(320)는, 저감도 화소(320-1)의 포토 다이오드(321-1)의 전계를 고감도 화소(230-2)의 포토 다이오드(231-2)에 비하여 강하게 함에 의해, 포토 다이오드(321-1)의 용량을 증가시킨다.
구체적으로는, 화소(320)는, 저감도 화소(320-1)와 고감도 화소(230-2)에 의해 구성된다. 저감도 화소(320-1)의 포토 다이오드(321-1)는, 반도체 기판(131)의 이면측부터 표면측으로 늘어나는 I자형을 형성하고 있다. 포토 다이오드(321-1)는, 포토 다이오드(231-2)에 비하여 전계의 강도가 강해지도록 형성된다.
포토 다이오드(321-1)는, 온 칩 렌즈(132-1)로부터 컬러 필터(133)와 평탄화막(134)을 통하여 입사된 소정의 색의 광의 광량에 응한 전하량의 전하를 발생하여 내부에 축적한다. 포토 다이오드(321-1)에 축적된 전하는, 트랜스 게이트(136-1)의 제어에 의해, 전하 전압 변환부(137-1)에 전송된다.
(화소의 제2의 구성례)
도 17은, CMOS 이미지 센서(100)의 제3 실시의 형태에서의 화소의 제2의 구성례를 도시하는 단면도이다.
도 17에 도시하는 구성 중, 도 7 및 도 16의 구성과 같은 구성에는 같은 부호를 붙이고 있다. 중복되는 설명에 관해서는 적절히 생략한다.
도 17의 화소(340)는, 저감도 화소(340-1)와 고감도 화소(340-2)에 의해 구성된다. 도 17의 예에서는, CMOS 이미지 센서(100)가 표면 조사형의 CMOS 이미지 센서로 되어 있고, 화소(340)에서는, 반도체 기판(131)의 광의 입사측에 회로(221)가 배치된다.
그 때문에, 저감도 화소(340-1)의 트랜스 게이트(341)와 전하 전압 변환부(223-1)가 반도체 기판(131)의 표면(회로(221)측의 면)에 마련된다. 또한, 고감도 화소(340-2)의 트랜스 게이트(222-2)와 전하 전압 변환부(223-2)가, 반도체 기판(131)의 표면에 마련된다.
(제3 실시의 형태의 효과의 설명)
CMOS 이미지 센서(100)의 제3 실시의 형태에서도, 종래의 저감도 화소에 비하여, 저감도 화소의 포토 다이오드(321-1)의 용량이 크다. 따라서, 제1 실시의 형태와 마찬가지로, 도 8을 참조하여 설명한 다이내믹 레인지가 크다는 효과를 얻을 수 있다.
<제4 실시의 형태의 구성례>
(전자 기기의 한 실시의 형태의 구성례)
도 18은, 본 개시를 적용한 전자 기기로서의 촬상 장치의 구성례를 도시하는 블록도이다.
도 18의 촬상 장치(500)는, 비디오 카메라나 디지털 스틸 카메라 등이다. 촬상 장치(500)는, 광학부(501), 고체 촬상 소자(502), DSP 회로(503), 프레임 메모리(504), 표시부(505), 기록부(506), 조작부(507), 및 전원부(508)로 이루어진다. DSP 회로(503), 프레임 메모리(504), 표시부(505), 기록부(506), 조작부(507), 및 전원부(508)는, 버스 라인(509)을 통하여 상호 접속되어 있다.
광학부(501)는, 렌즈군 등으로 이루어지고, 피사체로부터의 입사광(상광)을 취입하여 고체 촬상 소자(502)의 촬상면상에 결상한다. 고체 촬상 소자(502)는, 상술한 제1 내지 제3 실시의 형태의 CMOS 이미지 센서로 이루어진다. 고체 촬상 소자(502)는, 광학부(501)에 의해 촬상면상에 결상된 입사광의 광량을 화소 단위로 전기 신호로 변환하여 화소 신호로서 DSP 회로(503)에 공급한다.
DSP 회로(503)는, 고체 촬상 소자(502)로부터 공급되는 화소 신호에 대해 소정의 화상 처리를 행하고, 화상 처리 후의 화상 신호를 프레임 단위로 프레임 메모리(504)에 공급하고, 일시적으로 기억시킨다.
표시부(505)는, 예를 들면, 액정 패널이나 유기 EL(Electro Luminescence) 패널 등의 패널형 표시 장치로 이루어지고, 프레임 메모리(504)에 일시적으로 기억된 프레임 단위의 화소 신호에 의거하여, 화상을 표시한다.
기록부(506)는, DVD(Digital Versatile Disk), 플래시 메모리 등으로 이루어지고, 프레임 메모리(504)에 일시적으로 기억된 프레임 단위의 화소 신호를 판독하고, 기록한다.
조작부(507)는, 유저에 의한 조작하에, 촬상 장치(500)가 갖는 다양한 기능에 관해 조작 지령을 발한다. 전원부(508)는, 전원을, DSP 회로(503), 프레임 메모리(504), 표시부(505), 기록부(506), 및 조작부(507)에 대해 적절히 공급한다.
본 기술을 적용하는 전자 기기는, 화상 취입부에 고체 촬상 소자를 이용하는 전자 기기라면 좋고, 촬상 장치(500) 외에, 촬상 기능을 갖는 휴대 단말 장치, 화상 판독부에 고체 촬상 소자를 이용하는 복사기 등이 있다.
또한, CMOS 이미지 센서는 원칩으로서 형성된 형태라도 좋고, 광학부 등을 포함하여 팩키징된 촬상 기능을 갖는 모듈형상의 형태라도 좋다.
또한, 본 개시의 실시의 형태는, 상술한 실시의 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 개시의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지의 변경이 가능하다.
예를 들면, 온 칩 렌즈(132-1)는 마련되지 않아도 좋다. 또한, 저조도시에 고감도 화소의 촬상 신호와 저감도 화소의 촬상 신호를 이용하여 화소 단위의 촬상 신호를 생성하도록 하여도 좋다.
본 개시는, 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
(1) 고감도 화소와, 상기 고감도 화소보다도 감도가 낮은 저감도 화소를 갖는 화소와,
상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 포텐셜을 제어하는 저감도 화소 제어 게이트를 구비하는 고체 촬상 소자.
(2) 상기 저감도 화소 제어 게이트는, 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자에 전하를 축적할 때에 하이 레벨이 되고, 상기 전하를 전송할 때에 로 레벨이 되는 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 소자.
(3) 상기 저감도 화소 제어 게이트는, 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 광의 입사측과 반대의 측에 형성되는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 고체 촬상 소자.
(4) 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전압으로 변환하고, 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전압으로 변환하는 전하 전압 변환부를 또한 구비하는 상기 (1) 내지 (3)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(5) 상기 화소의 배열은 베이어 배열이고,
녹색의 상기 화소끼리의 상기 고감도 화소, 상기 저감도 화소, 및 상기 전하 전압 변환부의 배치는 동일하고,
적색의 상기 화소와 청색의 상기 화소의 상기 고감도 화소, 상기 저감도 화소, 및 상기 전하 전압 변환부의 배치는 동일한 상기 (4)에 기재된 고체 촬상 소자.
(6) 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자와 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자에 광을 집광시키는 렌즈를 또한 구비하는 상기 (1) 내지 (5)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(7) 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자의 포텐셜을 제어하는 고감도 화소 제어 게이트를 또한 구비하고,
상기 고감도 화소 제어 게이트는, 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자에 전하를 축적할 때 및 상기 전하를 전송할 때에 로 레벨이 되는 상기 (1) 내지 (6)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(8) 고감도 화소와, 상기 고감도 화소보다도 감도가 낮은 저감도 화소를 갖는 화소와,
상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 포텐셜을 제어하는 저감도 화소 제어 게이트를 구비하는 전자 기기.
(9) 고감도 화소와, 상기 고감도 화소보다도 감도가 낮은 저감도 화소를 갖는 화소를 구비하고,
상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 포텐셜 심부는, 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자의 외측에서 수평 방향으로 늘어나는 고체 촬상 소자.
(10) 상기 화소의 수는 복수이고,
복수의 상기 화소 중의 제1의 화소의 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전압으로 변환하고, 상기 제1의 화소와 인접하는 제2의 화소의 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전압으로 변환하는 전하 전압 변환부를 또한 구비하는 상기 (9)에 기재된 고체 촬상 소자.
(11) 상기 고감도 화소 및 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 광의 입사측과 반대의 측에 형성되는, 상기 전하 전압 변환부의 변환에 의해 얻어지는 전압의 신호인 촬상 신호를 판독하는 회로를 또한 구비하는 상기 (10)에 기재된 고체 촬상 소자.
(12) 상기 고감도 화소 및 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 광의 입사측에 형성되는, 상기 전하 전압 변환부의 변환에 의해 얻어지는 전압의 신호인 촬상 신호를 판독하는 회로를 또한 구비하는 상기 (10)에 기재된 고체 촬상 소자.
(13) 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자의 일부는 외측으로 늘어나 있는 상기 (9) 내지 (11)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(14) 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 포텐셜을 제어하는 저감도 화소 제어 게이트를 또한 구비하는 상기 (9) 내지 (13)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
(15) 상기 저감도 화소 제어 게이트는, 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자에 전하를 축적할 때에 하이 레벨이 되고, 상기 전하를 전송할 때에 로 레벨이 되는 상기 (14)에 기재된 고체 촬상 소자.
(16) 고감도 화소와, 상기 고감도 화소보다도 감도가 낮은 저감도 화소를 갖는 화소를 구비하고,
상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 포텐셜 심부는, 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자의 외측에서 수평 방향으로 늘어나는 전자 기기.
(17) 고감도 화소와, 상기 고감도 화소보다도 감도가 낮은 저감도 화소를 갖는 화소를 구비하고,
상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 전계는, 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자에 비하여 강한 고체 촬상 소자.
(18) 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전압으로 변환하는 전하 전압 변환부와,
상기 고감도 화소 및 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 광의 입사측과 반대의 측에 형성되는, 상기 전하 전압 변환부의 변환에 의해 얻어지는 전압의 신호인 촬상 신호를 판독하는 회로를 또한 구비하는 상기 (17)에 기재된 고체 촬상 소자.
(19) 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전압으로 변환하는 전하 전압 변환부와,
상기 고감도 화소 및 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 광의 입사측에 형성되는, 상기 전하 전압 변환부의 변환에 의해 얻어지는 전압의 신호인 촬상 신호를 판독하는 회로를 또한 구비하는 상기 (17)에 기재된 고체 촬상 소자.
(20) 고감도 화소와, 상기 고감도 화소보다도 감도가 낮은 저감도 화소를 갖는 화소와,
상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 전계는, 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자에 비하여 강한 전자 기기.
130 : 화소 130-1 : 저감도 화소
130-2 : 고감도 화소 135-1 : 포토 다이오드
137-1 : 전하 전압 변환부 138 : 회로
160 : 화소 160-1 : 저감도 화소
160-2 : 고감도 화소 161-1, 161-2 : 전하 전압 변환부
170 : 화소 170-1 : 저감도 화소
170-2 : 고감도 화소 190 : 화소
190-2 : 고감도 화소 191 : 포토 다이오드
210 : 화소 210-1 : 저감도 화소
211 : 제어 게이트 220 : 화소
220-1 : 저감도 화소 220-2 : 고감도 화소
221 : 회로 223-1 : 전하 전압 변환부
230 : 화소 230-1 : 저감도 화소
230-2 : 고감도 화소 250 : 화소
250-1 : 저감도 화소 250-2 : 고감도 화소
251 : 전하 전압 변환부 260 : 청색 화소
261, 262 : 녹색 화소 263 : 적색 화소
280 : 화소 280-1 : 저감도 화소
280-2 : 고감도 화소 281 : 온 칩 렌즈
300 : 화소 300-2 : 고감도 화소
301 : 제어 게이트 320 : 화소
320-1 : 저감도 화소 321-1 : 포토 다이오드
500 : 촬상 장치

Claims (20)

  1. 고감도 화소와, 상기 고감도 화소보다도 감도가 낮은 저감도 화소를 갖는 화소와,
    상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 포텐셜을 제어하는 저감도 화소 제어 게이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 저감도 화소 제어 게이트는, 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자에 전하를 축적할 때에 하이 레벨이 되고, 상기 전하를 전송할 때에 로 레벨이 되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 저감도 화소 제어 게이트는, 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 광의 입사측과 반대의 측에 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 저감도 화소의 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전압으로 변환하고, 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전압으로 변환하는 전하 전압 변환부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 화소의 배열은 베이어 배열이고,
    녹색의 상기 화소끼리의 상기 고감도 화소, 상기 저감도 화소, 및 상기 전하 전압 변환부의 배치는 동일하고,
    적색의 상기 화소와 청색의 상기 화소의 상기 고감도 화소, 상기 저감도 화소, 및 상기 전하 전압 변환부의 배치는 동일한 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 고감도 화소의 광전 변환 소자와 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자에 광을 집광시키는 렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 고감도 화소의 광전 변환 소자의 포텐셜을 제어하는 고감도 화소 제어 게이트를 더 구비하고,
    상기 고감도 화소 제어 게이트는, 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자에 전하를 축적할 때 및 상기 전하를 전송할 때에 로 레벨이 되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  8. 고감도 화소와, 상기 고감도 화소보다도 감도가 낮은 저감도 화소를 갖는 화소와,
    상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 포텐셜을 제어하는 저감도 화소 제어 게이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  9. 고감도 화소와, 상기 고감도 화소보다도 감도가 낮은 저감도 화소를 갖는 화소를 구비하고,
    상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 포텐셜 심부는, 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자의 외측에서 수평 방향으로 늘어나는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 화소의 수는 복수이고,
    복수의 상기 화소 중의 제1의 화소의 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전압으로 변환하고, 상기 제1의 화소와 인접하는 제2의 화소의 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전압으로 변환하는 전하 전압 변환부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 고감도 화소 및 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 광의 입사측과 반대의 측에 형성되는, 상기 전하 전압 변환부의 변환에 의해 얻어지는 전압의 신호인 촬상 신호를 판독하는 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 고감도 화소 및 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 광의 입사측에 형성되는, 상기 전하 전압 변환부의 변환에 의해 얻어지는 전압의 신호인 촬상 신호를 판독하는 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 고감도 화소의 광전 변환 소자의 일부는 외측으로 늘어나 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 포텐셜을 제어하는 저감도 화소 제어 게이트를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 저감도 화소 제어 게이트는, 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자에 전하를 축적할 때에 하이 레벨이 되고, 상기 전하를 전송할 때에 로 레벨이 되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  16. 고감도 화소와, 상기 고감도 화소보다도 감도가 낮은 저감도 화소를 갖는 화소를 구비하고,
    상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 포텐셜 심부는, 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자의 외측에서 수평 방향으로 늘어나는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
  17. 고감도 화소와, 상기 고감도 화소보다도 감도가 낮은 저감도 화소를 갖는 화소를 구비하고,
    상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 전계는, 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자에 비하여 강한 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 저감도 화소의 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전압으로 변환하는 전하 전압 변환부와,
    상기 고감도 화소 및 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 광의 입사측과 반대의 측에 형성되는, 상기 전하 전압 변환부의 변환에 의해 얻어지는 전압의 신호인 촬상 신호를 판독하는 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 저감도 화소의 광전 변환 소자에 축적된 전하를 전압으로 변환하는 전하 전압 변환부와,
    상기 고감도 화소 및 상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 광의 입사측에 형성되는, 상기 전하 전압 변환부의 변환에 의해 얻어지는 전압의 신호인 촬상 신호를 판독하는 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  20. 고감도 화소와, 상기 고감도 화소보다도 감도가 낮은 저감도 화소를 갖는 화소와,
    상기 저감도 화소의 광전 변환 소자의 전계는, 상기 고감도 화소의 광전 변환 소자에 비하여 강한 것을 특징으로 하는 전자 기기.
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