고체 촬상 디바이스 document_id A220623047440

CMOS 촬상소자는, 각각 광전 변환부와 복수의 MOS 트랜지스터를 갖는 2차원 어레이로 배열된 복수의 화소를 구비한 고체 촬상 디바이스이고, 그 광전 변환부에서 발생된 전하는 화소 신호로 변환되어 판독된다. 최근에, 상기 CMOS 촬상소자가, 휴대전화용 카메라, 디지털 스틸 카메라, 디지털 비디오 카메라 등에 사용된 촬상소자로서 관심을 끌고 있다. 촬상소자에서, 전하는, 예를 들면 포토다이오드와 같은 광전 변환부에서 광을 광전기적으로 변환하여 발생된다. 또한, 전자/정공은 온도 변화에 기인하여 발생되어도 된다. 이들 전자/정공을 암전류라고 한다. 암전류는 상기 촬상소자에서 잡음의 주 원인이고 화질에 영향을 미칠 수도 있다. 또한, 암전류는 포토다이오드에서 뿐만 아니라 부유 확산부에서도 일어난다. 대표적인 촬상소자에서의 암전류는, 온도와 누적시간에 따라 변한다. 따라서, 암전류가 일어나는 경우, 광 블랙 상태, 즉 노출이 없는 상태에서의 신호 출력값은 온도와 누적시간에 따라 변하여서, 기준 광학 블랙 레벨이 화상의 콘트라스트에 영향을 미치도록 변한다. 상술한 것처럼, 암전류는 상기 촬상소자에의 잡음의 주 원인이기도 하다. 예를 들면, 특정 고정신호 레벨이 A/D(아날로그 대 디지털) 변환의 표준에 대해 사용되는 경우에, 암전류에 의해, 온도에 따라 광학 블랙 레벨의 디지털 값을 변화시킬 수도 있다. 따라서, 화상처리 후 얻어진 화상의 일부의 블랙 레벨은, 그레이 또는 전체 블랙이 되도록 저하되어, 화상의 콘트라스트를 불안정하게 한다. 따라서, 대부분의 촬상소자는, 유효 화소영역에서(이후 "애퍼처(aperture) 화소"라고 하는) 유효 화소와, 하나의 디바이스에 형성된 광학 블랙 레벨을 출력하는 (이후 "OB(Optical Black) 화소"라고 하는) 블랙 기준 화소를 구비한다. OB 화소의 구조는 상기 애퍼처 화소의 구조와 같다. 그러나, 배선에 형성된 차광막으로 OB 화소에서의 광을 차폐하고, 그러므로, OB 화소의 신호를 판독하여 프레임마다 광학블랙 레벨을 출력할 수 있다. 그래서, 온도 변화가 암전류에서 변화를 일으키는 경우에도, 기준 콘트라스트 레벨은 상기 OB 화소의 블랙레벨에 의거한 애퍼처 화소를 사용하여 추정될 수 있다. 도 1은 종래기술에 따른 CMOS 촬상소자의 개략도이다. 도 1에 도시된 것처럼, 고체 촬상 디바이스(1)는 촬영영역(2), 수직 선택회로부(3) 및 상기 촬영영역(2)의 주변에 설치된 판독회로부(4)를 구비한다. 촬영영역(2)은, 오브젝트 화상을 포획하는 애퍼처 화소(유효 화소)(6)가 배치되는 유효 화소 영역(5)과, 그 유효 화소 영역(5) 주위에 형성되고 차광 OB화소(8)가 배치된 광학 블랙 영역(7)을 포함한다. 2차원 어레이로 애퍼처 화소(6)와 OB 화소(8)를 구비한 화소들을 규칙적으로 배치한다. 애퍼처 화소(6)와 OB화소(8) 각각은, 예를 들면, 광전 변환부를 형성하는 포토다이오드와, 예를 들면 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋용 트랜지스터, 증폭용 트랜지스터 및 선택용 트랜지스터와 같은 복수의 MOS 트랜지스터를 구비한다. 수직 선택회로부(3)는, 예를 들면 시프트 레지스터를 구비한다. 상기 수직 선택회로부(3)는, 수직 방향으로 각각의 애퍼처 화소(6)와 OB 화소(8)를 한번에 순서적으로 1라인을 선택적으로 주사한다. 이어서, 수직 선택회로부(3)는, 판독회로부(4)에 수직 신호선(미도시함)을 통해 수신된 광량에 따라 각 화소에서의 광전 변환부(포토다이오드)에서 발생된 신호 전하를 공급한다. 판독 회로부(4)는, 도시하지 않았지만 수평 신호 라인, 수평 선택회로, 칼럼 신호 처리회로, 출력회로 등을 구비한다. 또한, 동일한 칩 상에, 제어회로를 형성한다. 제어회로는, 수직 동기신호, 수평 동기신호 및 마스터 클록에 의거하여 수직 선택회로부(3), 판독회로부(4) 등의 동작에 대해 언급되는 클록신호와 제어신호를 발생하여, 상기 수직 선택회로부(3)와 판독 회로부(4)에 입력한다. 도 2는 도 1에서 애퍼처 화소(6)와 OB 화소(8)를 통과하는 라인 D-D'상의 단면 구조를 나타낸다. 도 2에 도시된 것처럼, 소자 분리영역(12)에 의해 분리된 애퍼처 화소(6)는, 반도체 기판(예를 들면, 실리콘 기판)(11)의 유효 화소 영역(5) 위에 형성되고, 마찬가지로 소자 분리영역(12)에 의해 분리된 OB 화소(8)는 광학 블랙 영역(7)에 형성된다. 그 애퍼처 화소(6)는, 광전 변환부로서 포토다이오드(PD)(13)와 복수의 MOS 트랜지스터(트랜스퍼 트랜지스터 Tr1만이 도 2에 도시됨)를 구비한다. 상기 트랜스퍼 트랜지스터 Tr1은 부유 확산(FD)부(14)로서 반도체 영역과, 포토다이오드(13)와 게이트 절연막을 통해 형성된 트랜스퍼 게이트 전극(15)을 구비한다. OB 화소(8)는, 광전 변환부로서 포토다이오드(PD)(23)와 복수의 MOS 트랜지스터(트랜스퍼 트랜지스터 Tr2만이 도 2에 도시됨)를 구비한다. 상기 트랜스퍼 트랜지스터 Tr2은 부유 확산(FD)부(24)로서 반도체 영역과, 포토다이오드(23)와 게이트 절연막을 통해 형성된 트랜스퍼 게이트 전극(25)을 구비한다. 다층 배선(18)은, 층간절연층(17)을 통해 반도체 기판(11)보다 위에 형성된다. 또한, 광학 블랙 영역(7)에서, 예를 들면, Al(알루미늄)과 같은 금속으로 제조된 차광막(19)은 상기 다층 배선(18)보다 위에 형성된다. 주목해야 하는 것은, 칼라 필터, 온칩 렌즈 등은 도시하지 않았지만 평탄막을 통해 차광막(19) 상에 형성된다. 도 3a는 OB화소(8)의 포토다이오드(PD)(3)와 부유 확산(FD)부(24)의 개략적인 평탄 구조를 나타내고, 도 3b는 애퍼처 화소(6)의 포토다이오드(PD)(13) 및 부유 확산(FD)부(14) 각각의 개략적인 평면 구조를 나타낸다. OB 화소(8)에서의 포토다이오드(23)의 크기는 애퍼처 화소(6)에서의 포토다이오드(13)의 크기와 같고, OB 화소(8)에서의 부유 확산부(24)의 크기는, 애퍼처 화소(6)에서의 부유 확산부(14)의 크기와 같다. 상술한 구성으로 화상을 판독한다. 이하 화상신호를 판독하기 위한 주사동작을 상세히 설명하겠다. 먼저, OB 화소(8)와 애퍼처 화소(6)는, 수직 선택회로(3)를 통해 수평 동기신호에 따라 순서적으로 선택 및 판독된다. 도 4는 판독되는 신호 출력의 예시를 나타낸다. 본 예시에서, 일측의 OB 화소 라인은 3개의 라인(m1=3)을 포함한 m1으로 이루어지고, 타측의 OB 화소 라인은 도 1에 도시된 것처럼 2개의 라인(m2=2)을 포함한 m2로 이루어진다. 수평 동기신호(XHS) 동안 하나의 수평 주사기간에서 OB화소 라인과 애퍼처 화소 라인의 신호 출력을 확대하여 도시하였다. 수직 동기신호(XVS)가 일어나는 것에 의해, 1프레임의 화상은, 다음 수직 동기신호까지의 기간동안 출력된다. 1라인의 신호는, 수직 동기신호의 기간에 일어난 수평 동기신호(XHS)에 의해 출력된다. 1라인의 신호 출력에 관해서, OB 화소 라인은 광학 블랙(OB) 출력 레벨만을 출력하지만, 애퍼처 화소 라인은 신호 출력 c에 의해 광학 블랙(OB) 출력레벨 a, b를 출력한다. 전형적으로, 1프레임의 초기에 판독된 OB 화소(8)의 출력값은 샘플링되고, OB 화소(8)의 출력값은 그 샘플링된 결과에 의거하여 그 프레임 내의 애퍼처 화소(6)의 블랙 레벨에 인가된다. 따라서, 온도가 갑자기 변화하는 경우에도, 1프레임 내에서 온도의 변화로 인한 상당한 양의 암전류가 상쇄될 수 있다. 상술한 구성에 의하면, 온도와 누적시간에 따라 변화하는 암전류가 애퍼처 화소(6)에서 발생되는 경우에도, 화상의 콘트라스트는 암전류에 의해 저하하는 것을 막기도 한다. 특히, 또한 상당한 양의 암전류가 동일한 조건 하에서 OB 화소(8)에서 측정되고, 애퍼처 화소(6) 상의 화상의 콘트라스트는 OB 화소(8)의 블랙 레벨을 기준레벨로서 사용하여 결정된다. 그러나, 차광막(19)이 OB화소(8)보다 위에 형성되는 경우에도, OB화소(8)의 상당한 양의 암전류가 화소들간에 표면레벨의 차이로 인한 애퍼처 화소(6)의 암전류와 같게 되는 것이 어려울 수도 있다. OB 화소(8)의 광학 블랙 레벨을 기준으로 하는 이유는, OB 화소(8)의 암전류의 양과 애퍼처 화소(6)의 암전류의 양이 동일하다는 가정에 근거한다. 따라서, OB 화소(8)의 암전류의 양과 애퍼처 화소(6)의 암전류의 양이 서로 다른 경우에도, 광학 블랙 레벨에 대한 기준으로서 OB화소(6)의 암전류의 양은, 애퍼처 화소(8)에 인가되지 않아도 된다. 이 때문에, 온도가 1프레임 내에서 변화하지 않는 경우에도, 애퍼처 화소(8)의 화상 콘트라스트에 영향을 끼친다. OB 화소(8)의 암전류의 양과 애퍼처 화소(6)의 암전류의 양간의 작은 차이는, 사용자가 어두운 오브젝트의 화상을 포획하기 위해서 누적시간을 연장하려고 하는 경우에 화상 콘트라스터에 영향을 크게 끼치기도 한다. 미심사된 일본특허출원 공개 번호 H10-107245(JP No.H10-107245 A)에는, OB 화소에서의 암전류를 제어하기 위해서 OB 화소로부터 포토다이오드를 제거하는 방법이 개시되어 있다.