JP2015065269A - 固体撮像素子及びその駆動方法、並びに電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】チップ位置によらず、位相差画素の特性を一定にすることができるようにする。
【解決手段】画素アレイ部には、入射光を受光して光電変換するフォトダイオード（PD）を有し、色成分信号が得られる通常画素と、受光面が像高に応じたサイズからなる一対のフォトダイオード（PD1）とフォトダイオード（PD2）を有し、位相差検出用信号が得られる位相差画素とが行列状に配置され、一対のフォトダイオード（PD1）とフォトダイオード（PD2）は、電荷蓄積の主要部となる第１の領域と、光電変換をするとともに主要部への電荷転送に寄与する第２の領域をそれぞれ有している。本技術は、例えばCMOSイメージセンサに適用することができる。
【選択図】図６

Description

本技術は、固体撮像素子及びその駆動方法、並びに電子機器に関し、特に、チップ位置によらず、位相差画素の特性を一定にすることができるようにした固体撮像素子及びその駆動方法、並びに電子機器に関する。
従来より、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどの固体撮像素子は、撮像装置に広く用いられている。この種の撮像装置では、ピント合わせを自動化するAF（Autofocus）機能を備えているが、近年、被写体のAF精度やAF速度に対する要求はますます強くなっている。
例えば、デジタル一眼レフカメラでは一般的に、AFモジュールが追加で組み込まれているが、筐体サイズや実装コストの増大を伴うことになる。そのため、ミラーレス一眼カメラやコンパクトデジタルスチルカメラの中には、AFモジュールを別途組み込まず、コントラストAFによりAF機能を実現している機種があるが、現状ではAF速度が十分であるとは言い難い。
そこで、固体撮像素子の内部に位相差画素を組み込み、像面位相差AFによりAF機能を実現することで、AF速度を向上させるデジタルカメラが実用化されている。一般に、像面位相差方式では、位相差画素Ａと位相差画素Ｂとを一対にしてAF機能を実現している。AF精度を向上させる方法としては、固体撮像素子に組み込む位相差画素の個数を増やすことが有効である。従来では、位相差画素Ａ，Ｂを、撮像用の通常画素と同じサイズにして、例えばメタル遮光を変えることで実現していた。
また、特許文献１には、１画素内に位相差画素Ａ，Ｂを搭載して、AF用の画素数を増加させることで、AF精度を上げる技術が開示されている。さらに、特許文献２には、裏面照射型の位相差画素に関する技術が開示されている。
特開２０１２−１６５０７０号公報 特開２０１２−８４８１６号公報
特許文献１には、PD分割方式の像面位相差AFが開示されている。これは、１画素内に位相差画素Ａ，Ｂを搭載する方式であって、集光スポットＳを、位相差画素Ａと位相差画素Ｂとの境界に設定している。
例えば、レンズ交換式のデジタルカメラの場合、交換レンズのＦ値により、集光スポット位置が変化する。また、レンズを交換しなくても、広角や望遠とズームを行うとＦ値が変わり、それに伴って集光スポット位置が変化してしまう。一般にPD分割方式の像面位相差AFでは、画角中心部（チップの中心部）では、どのレンズでも集光スポットＳが変わらないため、位相差画素Ａと位相差画素Ｂの大きさを同じにすると、集光スポットＳを、位相差画素Ａと位相差画素Ｂの境界に設定することができる。図１には、画素の中心に、集光スポットＳが設定されている例を示している。
一方、画角周辺部（チップの周辺部）では、マイクロレンズを瞳補正すれば、あるレンズでは画素の中心に集光スポットＳを設定できても、Ｆ値が異なるレンズを用いると、集光スポットＳが画素の中心から外れることがありうる。この場合には、位相差画素Ａと位相差画素Ｂとの境界に集光スポットＳを設定するために、位相差画素Ａと位相差画素Ｂの受光面のサイズを変える必要がある。集光スポット位置は像高で異なるため、固体撮像素子における各画素の配置位置に応じて、その画素内の位相差画素Ａ，Ｂの大きさの比率を変える必要がでてくる。図２には、位相差画素Ａのサイズを、位相差画素Ｂのサイズよりも小さくした場合を一例として示している。このようにして位相差画素Ａ，Ｂの比率を変えることで、集光スポットＳを、位相差画素Ａと位相差画素Ｂとの境界に設定することができる。
しかしながら、図２に示したように、位相差画素Ａ，Ｂの大きさの比率を変えてしまうと、位相差画素Ａの電荷蓄積領域が、位相差画素Ｂの電荷蓄積領域よりも小さくなってしまい、位相差画素Ａの飽和信号量が低下することになる。また、位相差画素Ａ，Ｂのサイズが集光スポットＳの位置に応じていく通りにも変化することになるため、その全ての位相差画素Ａ，Ｂの電荷を完全に転送することは容易ではない。
なお、特許文献２には、裏面照射型の位相差画素に関する技術が開示されているが、PD分割方式を採用するものではない。
本技術はこのような状況に鑑みてなされたものであり、画角中心部や画角周辺部などのチップ位置によらず、位相差画素の特性を一定にすることができるようにするものである。
本技術の一側面の固体撮像素子は、入射光を受光して光電変換する光電変換部を有し、色成分信号が得られる第１の画素と、受光面が像高に応じたサイズからなる一対の第１の光電変換部と第２の光電変換部を有し、位相差検出用信号が得られる第２の画素とを行列状に配置した画素アレイ部を備え、一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部は、電荷蓄積の主要部となる第１の領域と、光電変換をするとともに前記主要部への電荷転送に寄与する第２の領域をそれぞれ有している。
一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部において、光の入射側となる前記第２の領域は瞳補正に応じたサイズとなり、光の入射側の反対側となる前記第１の領域は同一のサイズとなる。
前記第１の領域における不純物濃度は、前記第２の領域における不純物濃度よりも高くなる。
前記第２の領域は、前記第１の領域よりも大きくなる。
前記第１の光電変換部に蓄積された電荷を転送する第１の転送トランジスタと、前記第２の光電変換部に蓄積された電荷を転送する第２の転送トランジスタとをさらに有し、一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部において、前記第１の転送トランジスタの近傍の領域と、前記第２の転送トランジスタの近傍の領域の不純物濃度は、他の領域の不純物濃度よりも高くなる。
前記第１の転送トランジスタは、前記第１の光電変換部の受光面の中心から最も近い位置の近傍に配置され、前記第２の転送トランジスタは、前記第２の光電変換部の受光面の中心から最も近い位置の近傍に配置される。
前記第１の転送トランジスタによって前記第１の光電変換部から転送される電荷を信号として読み出すために保持する第１の浮遊拡散領域と、前記第２の転送トランジスタによって前記第２の光電変換部から転送される電荷を信号として読み出すために保持する第２の浮遊拡散領域とをさらに有する。
前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部における露光と転送を同時に行う。
一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部は、その分離部が連続的に変化する。
一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部は、金属、酸化膜、又は不純物により分離されている。
本技術の一側面の固体撮像素子においては、画素アレイ部に、入射光を受光して光電変換する光電変換部を有し、色成分信号が得られる第１の画素と、受光面が像高に応じたサイズからなる一対の第１の光電変換部と第２の光電変換部を有し、位相差検出用信号が得られる第２の画素とが行列状に配置され、一対の第１の光電変換部と第２の光電変換部に、電荷蓄積の主要部となる第１の領域と、光電変換をするとともに主要部への電荷転送に寄与する第２の領域が設けられている。
本技術の一側面の駆動方法は、入射光を受光して光電変換する光電変換部を有し、色成分信号が得られる第１の画素と、受光面が像高に応じたサイズからなる一対の第１の光電変換部と第２の光電変換部を有し、位相差検出用信号が得られる第２の画素とを行列状に配置した画素アレイ部を備え、一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部は、電荷蓄積の主要部となる第１の領域と、光電変換をするとともに前記主要部への電荷転送に寄与する第２の領域をそれぞれ有している固体撮像素子の駆動方法において、画素駆動部が、一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部を別個に駆動して、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部における露光と転送を同時に行うステップを含む。
本技術の一側面の駆動方法においては、受光面が像高に応じたサイズからなる一対の第１の光電変換部と第２の光電変換部が別個に駆動され、第１の光電変換部と第２の光電変換部における露光と転送が同時に行われる。
本技術の一側面の電子機器は、入射光を受光して光電変換する光電変換部を有し、色成分信号が得られる第１の画素と、受光面が像高に応じたサイズからなる一対の第１の光電変換部と第２の光電変換部を有し、位相差検出用信号が得られる第２の画素とを行列状に配置した画素アレイ部を備え、一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部は、電荷蓄積の主要部となる第１の領域と、光電変換をするとともに前記主要部への電荷転送に寄与する第２の領域をそれぞれ有している固体撮像素子を搭載し、前記固体撮像素子から出力される前記位相差検出用信号を用いて、像面位相差AF（Autofocus）を制御する制御部を備える。
本技術の一側面の電子機器においては、固体撮像素子から出力される位相差検出用信号を用いて、像面位相差AFが制御される。
本技術の一側面によれば、チップ位置によらず、位相差画素の特性を一定にすることができる。
PD分割方式を説明する図である。 PD分割方式を説明する図である。 本技術を適用した固体撮像素子の一実施の形態の構成を示すブロック図である。 画素アレイ部における位相差画素の配置例を示す図である。 画角中心部における単位画素の構成を示す平面図である。 画角周辺部における単位画素の構成を示す平面図である。 第１の瞳補正方式を採用した場合の画角中心部における単位画素の構成を示す断面図である。 第１の瞳補正方式を採用した場合の画角周辺部における単位画素の構成を示す断面図である。 第２の瞳補正方式を採用した場合の画角中心部における単位画素の構成を示す平面図である。 第２の瞳補正方式を採用した場合の画角周辺部における単位画素の構成を示す平面図である。 本技術を適用した電子機器の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
以下、図面を参照しながら本技術の実施の形態について説明する。
＜固体撮像素子の構成例＞
図３は、本技術が適用される固体撮像素子の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
CMOSイメージセンサ１００は、固体撮像素子の一例である。図３に示すように、CMOSイメージセンサ１００は、画素アレイ部１１１と、周辺回路部とを有する構成となっている。この周辺回路部は、垂直駆動部１１２、カラム処理部１１３、水平駆動部１１４、及び、システム制御部１１５からなる。
CMOSイメージセンサ１００はさらに、信号処理部１１８及びデータ格納部１１９を備えている。信号処理部１１８及びデータ格納部１１９は、CMOSイメージセンサ１００と同じ半導体基板上に搭載しても構わないし、CMOSイメージセンサ１００とは別の半導体基板に設けられる外部信号処理部、例えばDSP(Digital Signal Processor)やソフトウェアによる処理でも構わない。
画素アレイ部１１１には、光電変換部を有する単位画素（以下、単に「画素」と記述する場合もある）が行列状に２次元配置されている。なお、単位画素の具体的な構成については後述する。画素アレイ部１１１にはさらに、行列状の画素配列に対して行ごとに画素駆動線１１６が図の左右方向に沿って形成され、列ごとに垂直信号線１１７が図の上下方向に沿って形成されている。画素駆動線１１６の一端は、垂直駆動部１１２の各行に対応した出力端に接続されている。
垂直駆動部１１２は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、画素アレイ部１１１の各画素を、全画素同時あるいは行単位等で駆動する画素駆動部である。垂直駆動部１１２によって選択走査された画素行の各単位画素から出力される信号は、垂直信号線１１７の各々を通してカラム処理部１１３に供給される。カラム処理部１１３は、画素アレイ部１１１の画素列ごとに、選択行の各単位画素から垂直信号線１１７を通して出力される信号に対して所定の信号処理を行うとともに、信号処理後の画素信号を一時的に保持する。
具体的には、カラム処理部１１３は、信号処理として少なくとも、ノイズ除去処理、例えばCDS(Correlated Double Sampling）処理を行う。このカラム処理部１１３によるCDS処理により、リセットノイズや増幅トランジスタの閾値ばらつき等の画素固有の固定パターンノイズが除去される。カラム処理部１１３にノイズ除去処理以外に、例えば、A/D（Analog/Digital）変換機能を持たせ、信号レベルをデジタル信号で出力することも可能である。
水平駆動部１１４は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、カラム処理部１１３の画素列に対応する単位回路を順番に選択する。この水平駆動部１１４による選択走査により、カラム処理部１１３で信号処理された画素信号が順番に出力される。
システム制御部１１５は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータ等によって構成され、当該タイミングジェネレータで生成された各種のタイミング信号を基に、垂直駆動部１１２、カラム処理部１１３、水平駆動部１１４、及び、データ格納部１１９などの駆動制御を行う。
信号処理部１１８は、少なくとも加算処理機能を有し、カラム処理部１１３から出力される画素信号に対して加算処理等の種々の信号処理を行う。データ格納部１１９は、信号処理部１１８での信号処理に当たって、その処理に必要なデータを一時的に格納する。
なお、CMOSイメージセンサ１００は、半導体基板の裏面側から当該半導体基板内の光電変換部に入射した光によって当該光電変換部で発生した電荷に応じた信号を、当該半導体基板の表面側から読み出す裏面照射型イメージセンサである。
＜単位画素の構造＞
次に、図４乃至図６を参照して、図３の画素アレイ部１１１に行列状に配置されている単位画素の具体的な構造について説明する。この単位画素には、被写体の像を示す画像信号を形成するための色成分信号を画素信号として出力するための通常画素１２０と、像面位相差AFに用いられる位相差検出用信号を画素信号として出力するための位相差画素１２１が含まれている。
図４には、画素アレイ部１１１に配置される単位画素のうち、行状に配置された位相差画素１２１を図示している。図４に示すように、位相差画素１２１は、軸上となる画角中心部（チップの中心部）においては同一のサイズの受光面を有しているが、軸外となる画角周辺部（チップの周辺部）においては像高に応じて受光面のサイズが異なっている。例えば、図４の例の場合、図中の左方向に配置される位相差画素１２１ほど、位相差画素１２１Ａの受光面のサイズが小さくなる一方、図中の右方向に配置される位相差画素１２１ほど、位相差画素１２１Ｂの受光面のサイズが小さくなる。
図５及び図６は、単位画素の構成を示す平面図である。図５は、画角中心部における単位画素の構成を示し、図６は、画角周辺部における単位画素の構成を示している。
通常画素１２０は、光電変換部としてのフォトダイオード（PD）と、複数の画素トランジスタから構成される。フォトダイオード（PD）は、入射光を受光して光電変換し、その光電変換で生成された信号電荷を蓄積する領域を有している。例えば、フォトダイオード（PD）は、Ｎ型基板上に形成されたＰ型ウェル層に対して、Ｐ型層を基板表面側に形成してＮ型埋め込み層を埋め込むことによって形成される埋め込み型のフォトダイオードである。
また、複数の画素トランジスタは、転送トランジスタ（TR）、リセットトランジスタ（RST）、増幅トランジスタ（AMP）、及び、選択トランジスタ（SEL）の４つのトランジスタを有している。転送トランジスタ（TR）は、フォトダイオード（PD）に蓄積された電荷を、浮遊拡散領域（FD：Floating Diffusion）領域に読み出すためのトランジスタである。リセットトランジスタ（RST）は、浮遊拡散領域（FD）の電位を規定の値に設定するためのトランジスタである。増幅トランジスタ（AMP）は、浮遊拡散領域（FD）に読み出された信号電荷を電気的に増幅するためのトランジスタである。選択トランジスタ（SEL）は、画素１行を選択して画素信号を垂直信号線１１７に読み出すためのトランジスタである。
容量切り替えトランジスタ（FDG）は、浮遊拡散領域（FD）における変換効率を切り替えるためのトランジスタである。また、オーバフロー制御トランジスタ（OFG）は、オーバフロー制御を実現するためのトランジスタである。
このように、通常画素１２０は、フォトダイオード（PD）と複数の画素トランジスタを有し、例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のいずれかの色成分信号を画素信号として出力することになる。なお、図５には、通常画素１２０として、Ｇｂ画素、Ｇｒ画素，Ｒ画素を図示しているが、Ｂ画素についても他の色成分に対応する画素と同様の構成を有することになる。
位相差画素１２１は、PD分割方式を採用しており、光電変換部としての１つのフォトダイオード（PD）に代えて、それを２分割したような２つのフォトダイオード（PD1，PD2）を有している。なお、以下の説明においても、位相差画素１２１内の一対の位相差画素のうち、フォトダイオード（PD1）と複数の画素トランジスタから構成される一方の画素を、位相差画素１２１Ａと称し、フォトダイオード（PD2）と複数の画素トランジスタから構成される他方の画素を、位相差画素１２１Ｂと称する。すなわち、位相差画素１２１では、その画素内に、２つのフォトダイオード（PD1，PD2）を形成することで、位相差画素１２１Ａと位相差画素１２１Ｂとが一対になって構成されている。
位相差画素１２１Ａにおいて、フォトダイオード（PD1）は、入射光を受光して光電変換し、その光電変換で生成された信号電荷を蓄積する領域を有している。例えば、フォトダイオード（PD1）は、通常画素１２０のフォトダイオード（PD）と同様に、埋め込み型のフォトダイオードとして形成される。また、複数の画素トランジスタは、通常画素１２０と同様に、転送トランジスタ（TR1）、リセットトランジスタ（RST1）、増幅トランジスタ（AMP1）、及び、選択トランジスタ（SEL1）の４つのトランジスタを有している。
また、位相差画素１２１Ｂにおいて、フォトダイオード（PD2）は、入射光を受光して光電変換し、その光電変換で生成された信号電荷を蓄積する領域を有している。例えば、フォトダイオード（PD2）は、通常画素１２０のフォトダイオード（PD）と同様に、埋め込み型のフォトダイオードとして形成される。また、複数の画素トランジスタは、通常画素１２０と同様に、転送トランジスタ（TR2）、リセットトランジスタ（RST2）、増幅トランジスタ（AMP2）、及び、選択トランジスタ（SEL2）の４つのトランジスタを有している。
すなわち、位相差画素１２１においては、フォトダイオード（PD1）に対する画素トランジスタ（TR1，RST1，AMP1，SEL1）と、フォトダイオード（PD2）に対に対する画素トランジスタ（TR2，RST2，AMP2，SEL2）を別個に設けているため、フォトダイオード（PD1）とフォトダイオード（PD2）における露光と転送を同時に行うことができる。
ここで、図５は、画角中心部における単位画素の構成を示しているため、位相差画素１２１Ａにおけるフォトダイオード（PD1）と、位相差画素１２１Ｂにおけるフォトダイオード（PD2）は、同一のサイズの受光面を有している。一方、図６に示すように、画角周辺部における位相差画素１２１は、画角中心部における位相差画素１２１と同様に、位相差画素１２１Ａと位相差画素１２１Ｂとが一対になって構成されているが、像高に応じて受光面のサイズが変化している。具体的には、位相差画素１２１Ａにおけるフォトダイオード（PD1）の受光面のサイズは、位相差画素１２１Ｂにおけるフォトダイオード（PD2）の受光面のサイズよりも小さくなっている。
このように、像高に応じて受光面のサイズを変化させることで、集光スポットＳが、位相差画素１２１Ａと位相差画素１２１Ｂとの境界に設定されることになるが、それに伴い、位相差画素１２１Ａの電荷蓄積領域が、位相差画素１２１Ｂの電荷蓄積領域よりも小さくなって、位相差画素１２１Ａの飽和信号量が低下することは先に述べたとおりである。また、先に述べたように、位相差画素１２１Ａと位相差画素１２１Ｂのサイズが集光スポットＳの位置に応じていく通りにも変化することになるため、その全ての位相差画素１２１Ａ，１２１Ｂの電荷を完全に転送することは容易ではない。
そこで、以下、像高に応じて受光面のサイズを変化させた場合に、位相差画素１２１Ａ，１２１Ｂの飽和信号量の低下を抑制し、かつ、位相差画素１２１Ａ，１２１Ｂの電荷を完全に転送できるようにするための第１の瞳補正方式と第２の瞳補正方式について説明する。
＜第１の実施の形態＞
まず、図７及び図８を参照して、第１の実施の形態としての第１の瞳補正方式について説明する。図７は、図５に示した画角中心部における通常画素１２０（Ｇｂ画素）と位相差画素１２１の断面図を示し、図８は、図６に示した画角周辺部における通常画素１２０（Ｇｂ画素）と位相差画素１２１の断面図を示している。
図７に示すように、第１の瞳補正方式では、位相差画素１２１Ａにおけるフォトダイオード（PD1）を、電荷蓄積の主要部となる第１の領域Ｒ１と、光電変換をするとともに当該主要部への電荷転送に寄与する第２の領域Ｒ２から形成されるようにする。また、位相差画素１２１Ｂにおけるフォトダイオード（PD2）についても同様に、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２から形成されるようにする。ただし、各フォトダイオード（PD1，PD2）においては、不純物濃度を濃淡で表しており、第１の領域Ｒ１における不純物濃度は、第２の領域Ｒ２における不純物濃度よりも高くなる。また、第２の領域Ｒ２は、全体の領域に占める割合が第１の領域Ｒ１よりも大きくなる。
また、位相差画素１２１は像高に応じて受光面のサイズを変化させることから、画角中心部では、光の入射側（裏面側）となる第２の領域Ｒ２の幅を変える必要はないが、画角周辺部では、第２の領域Ｒ２の幅を狭める必要がある。すなわち、図８に示すように、画角周辺部では、位相差画素１２１Ａにおけるフォトダイオード（PD1）の第２の領域Ｒ２の幅は、位相差画素１２１Ｂにおけるフォトダイオード（PD2）の第２の領域Ｒ２の幅よりも狭くなるように形成されている。一方、光の入射側と反対側（表面側）については、画角周辺部では、画角中心部と同様に、フォトダイオード（PD1）の第１の領域Ｒ１の幅と、フォトダイオード（PD2）の第１の領域Ｒ１の幅が同一になるように形成されている。
すなわち、各画素の素子分離を担っている素子分離部を、裏面側の素子分離部１５１と表面側の素子分離部１５２に分けて形成し、素子分離部１５１は、画角中心部と画角周辺部とで、第２の領域Ｒ２の幅を変化させる一方、素子分離部１５２は、画角中心部と画角周辺部とで、第１の領域Ｒ１の幅が同一になるようにする。これにより、各位相差画素１２１において、像高に応じて受光面のサイズが連続的に変化して、裏面側の第２の領域Ｒ２のサイズが変わっても、表面側の第１の領域Ｒ１のサイズは変わらないことになる。その結果、不純物濃度の高い第１の領域Ｒ１のサイズが不変であることから、画角周辺部においては、画角中心部と比べて、飽和信号量及び転送の容易さに大きな差が生じないことになり、画素アレイ部１１１に配置された各位相差画素１２１の特性を一定にすることが可能となる。
なお、素子分離部１５１と素子分離部１５２は、例えば、金属、酸化膜、又は不純物などにより形成することができる。
以上、第１の瞳補正方式では、図７の画角中心部では、位相差画素１２１Ａと位相差画素１２１Ｂにおいて、第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２ともに同一の構成とし、図８の画角周辺部では、第２の領域Ｒ２の構成は異なるが、第１の領域Ｒ１は同一の構成とすることで、飽和信号量及び転送の容易さに大きな差を生じさせないようにして、画素アレイ部１１１に配置された各位相差画素１２１の特性を一定にさせている。
＜第２の実施の形態＞
次に、図９及び図１０を参照して、第２の実施の形態としての第２の瞳補正方式について説明する。図９は、図５に示した画角中心部における通常画素１２０（Ｇｂ画素）と位相差画素１２１の平面図を示し、図１０は、図６に示した画角周辺部における通常画素１２０（Ｇｂ画素）と位相差画素１２１の平面図を示している。
図９に示すように、第２の瞳補正方式では、第１の瞳補正方式と同様に、位相差画素１２１Ａにおけるフォトダイオード（PD1）を、電荷蓄積の主要部となる第１の領域Ｒ１と、光電変換するとともに当該主要部への電荷転送に寄与する第２の領域Ｒ２から形成されるようにする。また、位相差画素１２１Ｂにおけるフォトダイオード（PD2）についても同様に、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２から形成されるようにする。なお、図９及び図１０においては、図７及び図８と同様に、各フォトダイオード（PD1，PD2）における不純物濃度を濃淡で表している。
また、位相差画素１２１Ａにおいて、転送トランジスタ（TR1）は、位相差画素１２１Ａと位相差画素１２１Ｂとを分割した方向と平行であって、フォトダイオード（PD1）の受光面の中心から最も近い位置の近傍に配置される。これにより、転送トランジスタ（TR1）の近傍の領域の不純物濃度が、他の領域の不純物濃度よりも高くなる。同様に、位相差画素１２１Ｂにおいて、転送トランジスタ（TR2）は、位相差画素１２１Ａと位相差画素１２１Ｂとを分割した方向と平行であって、フォトダイオード（PD2）の受光面の中心から最も近い位置の近傍に配置される。これにより、転送トランジスタ（TR2）の近傍の領域の不純物濃度が、他の領域の不純物濃度よりも高くなる。
また、位相差画素１２１は像高に応じて受光面のサイズを変化させることから、画角中心部では受光面のサイズを変える必要はないが、画角周辺部では受光面のサイズを変化させる必要がある。すなわち、図１０に示すように、画角周辺部では、位相差画素１２１Ａにおける受光面のサイズは、位相差画素１２１Ｂにおける受光面のサイズよりも小さくなっている。しかしながら、画角周辺部においては、画角中心部と同様に転送トランジスタ（TR1，TR2）を配置することで、それらの転送トランジスタ（TR1，TR2）の近傍の領域の不純物濃度は、他の領域の不純物濃度よりも高くなっている。
すなわち、各位相差画素１２１において、像高に応じて受光面のサイズが連続的に変化して、例えば、位相差画素１２１Ａにおける受光面のサイズが小さくなっても、不純物濃度の高い第１の領域Ｒ１が転送トランジスタ（TR1）の近傍の領域に形成されることは不変である。その結果、不純物濃度の高い第１の領域Ｒ１はサイズの変化の影響を受けないことから、画角周辺部においては、画角中心部と比べて、飽和信号量及び転送の容易さに大きな差が生じないこととなり、画素アレイ部１１１に配置された各位相差画素１２１の特性を一定にすることができる。
以上、第２の瞳補正方式では、図９の画角中心部と図１０の画角周辺部では、受光面のサイズは変化しているものの、転送トランジスタ（TR1，TR2）の近傍の構造を同一の構成とし、転送トランジスタ（TR1，TR2）の近傍の領域の不純物濃度を他の領域よりも高くなるようにすることで、飽和信号量及び転送の容易さに大きな差を生じさせないようにして、画素アレイ部１１１に配置された各位相差画素１２１の特性を一定にさせている。
以上のように、本技術によれば、画素アレイ部１１１に配置された各位相差画素１２１において、像高に応じて受光面のサイズを連続的に変化させるに際し、不純物濃度の高い第１の領域Ｒ１がその変化の影響を受けないようにすることで、画角周辺部においては、画角中心部と比べて、飽和信号量及び転送の容易さに大きな差が生じないことになり、各位相差画素１２１の特性を一定にすることが可能となる。すなわち、各位相差画素１２１においては、電荷蓄積の主要部が同一の構造となるため、瞳補正と飽和信号量の低下の抑制を両立するとともに、電荷転送を同様に行うことができるようになる。
また、位相差画素１２１では、１画素内に、位相差画素１２１Ａと位相差画素１２１Ｂとが一対になって搭載されていることから、容易に、画素アレイ部１１１に配置される位相差画素１２１の数を多くして、位相差画素１２１の特性を向上させることができる。また、レンズの瞳補正に応じて像高によって、位相差画素１２１Ａ，１２１Ｂのサイズを変化させることから、結果として、像面位相差AFに対応可能な交換レンズを増加させることができる。
なお、上述した説明では、画素アレイ部１１１に、行状に配列された位相差画素１２１について説明したが、本技術は、位相差画素１２１を列状に配置した場合にも適用することができる。この場合においても、位相差画素１２１Ａ，１２１Ｂは、画角中心部において同一のサイズの受光面を有することになるが、画角周辺部においては像高に応じて受光面のサイズが変化することになる。具体的には、例えば、図４に示した行状に配置した複数の位相差画素１２１を、画角中心部の位相差画素１２１を中心に、反時計回りに９０度回転させた状態の受光面のサイズを各位相差画素１２１が有するように構成されることになる。
また、本技術は、固体撮像素子への適用に限られるものではない。すなわち、本技術は、デジタルカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像素子を用いる複写機など、画像取込部（光電変換部）に固体撮像素子を用いる電子機器全般に対して適用可能である。また、固体撮像素子は、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と信号処理部又は光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
＜本技術を適用した電子機器の構成例＞
図１１は、本技術を適用した電子機器の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
図１１に示すように、電子機器としての撮像装置３００は、レンズ群などからなる光学部３０１、上述した単位画素１２０の各構成が採用される固体撮像素子３０２、及び、カメラ信号処理回路であるDSP（Digital Signal Processor)回路３０３を備える。また、撮像装置３００は、フレームメモリ３０４、表示部３０５、記録部３０６、操作部３０７、電源部３０８、及び、制御部３０９も備える。DSP回路３０３、フレームメモリ３０４、表示部３０５、記録部３０６、操作部３０７、電源部３０８、及び、制御部３０９は、バスライン３１０を介して相互に接続されている。
光学部３０１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで固体撮像素子３０２の撮像面上に結像する。固体撮像素子３０２は、光学部３０１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して、被写体の像を示す画像信号を形成するための色成分信号を画素信号として出力する。また、固体撮像素子３０２は、像面位相差AFに用いられる位相差検出用信号を画素信号として出力する。この固体撮像素子３０２として、上述した実施の形態に係るCMOSイメージセンサ１００等の固体撮像素子、すなわち、画素アレイ部１１１に配置された各位相差画素１２１の特性を一定にすることができる固体撮像素子を用いることができる。
表示部３０５は、例えば、液晶パネルや有機EL(electro luminescence)パネル等のパネル型表示装置からなり、固体撮像素子３０２で撮像された静止画又は動画を表示する。記録部３０６は、固体撮像素子３０２で撮像された静止画又は動画のデータを、フラッシュメモリ等の記録媒体に記録する。
操作部３０７は、ユーザによる操作に従い、撮像装置３００が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源部３０８は、DSP回路３０３、フレームメモリ３０４、表示部３０５、記録部３０６、操作部３０７、及び、制御部３０９の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
制御部３０９は、撮像装置３００の各部の動作を制御する。また、制御部３０９は、固体撮像素子３０２からの位相差検出用信号を用いた所定の演算を行うことでデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量に応じて合焦状態になるように、光学部３０１に含まれる撮影レンズなどの駆動を制御する。これにより、像面位相差AFが行われ、被写体にピントが合わせられる。
なお、上述した実施の形態においては、可視光の光量に応じた信号電荷を物理量として検知する単位画素が行列状に配置されてなるCMOSイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本技術はCMOSイメージセンサへの適用に限られるものではなく、画素アレイ部の画素列ごとにカラム処理部を配置してなるカラム方式の固体撮像素子全般に対して適用可能である。
また、本技術は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像素子への適用に限らず、赤外線やＸ線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像素子や、広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像素子（物理量分布検知装置）全般に対して適用可能である。
なお、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
また、本技術は、以下のような構成をとることができる。
（１）
入射光を受光して光電変換する光電変換部を有し、色成分信号が得られる第１の画素と、
受光面が像高に応じたサイズからなる一対の第１の光電変換部と第２の光電変換部を有し、位相差検出用信号が得られる第２の画素と
を行列状に配置した画素アレイ部を備え、
一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部は、電荷蓄積の主要部となる第１の領域と、光電変換をするとともに前記主要部への電荷転送に寄与する第２の領域をそれぞれ有している
固体撮像素子。
（２）
一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部において、光の入射側となる前記第２の領域は瞳補正に応じたサイズとなり、光の入射側の反対側となる前記第１の領域は同一のサイズとなる
（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
前記第１の領域における不純物濃度は、前記第２の領域における不純物濃度よりも高くなる
（２）に記載の固体撮像素子。
（４）
前記第２の領域は、前記第１の領域よりも大きくなる
（３）に記載の固体撮像素子。
（５）
前記第１の光電変換部に蓄積された電荷を転送する第１の転送トランジスタと、
前記第２の光電変換部に蓄積された電荷を転送する第２の転送トランジスタと
をさらに有し、
一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部において、前記第１の転送トランジスタの近傍の領域と、前記第２の転送トランジスタの近傍の領域の不純物濃度は、他の領域の不純物濃度よりも高くなる
（１）に記載の固体撮像素子。
（６）
前記第１の転送トランジスタは、前記第１の光電変換部の受光面の中心から最も近い位置の近傍に配置され、
前記第２の転送トランジスタは、前記第２の光電変換部の受光面の中心から最も近い位置の近傍に配置される
（５）に記載の固体撮像素子。
（７）
前記第１の転送トランジスタによって前記第１の光電変換部から転送される電荷を信号として読み出すために保持する第１の浮遊拡散領域と、
前記第２の転送トランジスタによって前記第２の光電変換部から転送される電荷を信号として読み出すために保持する第２の浮遊拡散領域と
をさらに有する（６）に記載の固体撮像素子。
（８）
前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部における露光と転送を同時に行う
（１）乃至（７）のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
（９）
一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部は、その分離部が連続的に変化する
（１）乃至（８）のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
（１０）
一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部は、金属、酸化膜、又は不純物により分離されている
（１）乃至（９）のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
（１１）
入射光を受光して光電変換する光電変換部を有し、色成分信号が得られる第１の画素と、
受光面が像高に応じたサイズからなる一対の第１の光電変換部と第２の光電変換部を有し、位相差検出用信号が得られる第２の画素と
を行列状に配置した画素アレイ部を備え、
一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部は、電荷蓄積の主要部となる第１の領域と、光電変換をするとともに前記主要部への電荷転送に寄与する第２の領域をそれぞれ有している
固体撮像素子の駆動方法において、
画素駆動部が、一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部を別個に駆動して、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部における露光と転送を同時に行うステップ
を含む駆動方法。
（１２）
入射光を受光して光電変換する光電変換部を有し、色成分信号が得られる第１の画素と、
受光面が像高に応じたサイズからなる一対の第１の光電変換部と第２の光電変換部を有し、位相差検出用信号が得られる第２の画素と
を行列状に配置した画素アレイ部を備え、
一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部は、電荷蓄積の主要部となる第１の領域と、光電変換をするとともに前記主要部への電荷転送に寄与する第２の領域をそれぞれ有している
固体撮像素子を搭載し、
前記固体撮像素子から出力される前記位相差検出用信号を用いて、像面位相差AF（Autofocus）を制御する制御部を備える
電子機器。
１００ CMOSイメージセンサ， １１１ 画素アレイ部， １２０ 通常画素， １２１，１２１Ａ，１２１Ｂ 位相差画素， １５１，１５２ 素子分離部， ３００ 撮像装置， ３０２ 固体撮像素子， ３０９ 制御部， Ｒ１ 第１の領域， Ｒ２ 第２の領域， PD，PD1，PD2 フォトダイオード， TR，TR1，TR2 転送トランジスタ， RST，RST1，RST2 リセットトランジスタ， AMP，AMP1，AMP2 増幅トランジスタ， SEL，SEL1，SEL2 選択トランジスタ， FDG，FDG1，FDG2 容量切り替えトランジスタ

Claims (12)

  1. 入射光を受光して光電変換する光電変換部を有し、色成分信号が得られる第１の画素と、
    受光面が像高に応じたサイズからなる一対の第１の光電変換部と第２の光電変換部を有し、位相差検出用信号が得られる第２の画素と
    を行列状に配置した画素アレイ部を備え、
    一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部は、電荷蓄積の主要部となる第１の領域と、光電変換をするとともに前記主要部への電荷転送に寄与する第２の領域をそれぞれ有している
    固体撮像素子。
  2. 一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部において、光の入射側となる前記第２の領域は瞳補正に応じたサイズとなり、光の入射側の反対側となる前記第１の領域は同一のサイズとなる
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 前記第１の領域における不純物濃度は、前記第２の領域における不純物濃度よりも高くなる
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  4. 前記第２の領域は、前記第１の領域よりも大きくなる
    請求項３に記載の固体撮像素子。
  5. 前記第１の光電変換部に蓄積された電荷を転送する第１の転送トランジスタと、
    前記第２の光電変換部に蓄積された電荷を転送する第２の転送トランジスタと
    をさらに有し、
    一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部において、前記第１の転送トランジスタの近傍の領域と、前記第２の転送トランジスタの近傍の領域の不純物濃度は、他の領域の不純物濃度よりも高くなる
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  6. 前記第１の転送トランジスタは、前記第１の光電変換部の受光面の中心から最も近い位置の近傍に配置され、
    前記第２の転送トランジスタは、前記第２の光電変換部の受光面の中心から最も近い位置の近傍に配置される
    請求項５に記載の固体撮像素子。
  7. 前記第１の転送トランジスタによって前記第１の光電変換部から転送される電荷を信号として読み出すために保持する第１の浮遊拡散領域と、
    前記第２の転送トランジスタによって前記第２の光電変換部から転送される電荷を信号として読み出すために保持する第２の浮遊拡散領域と
    をさらに有する請求項６に記載の固体撮像素子。
  8. 前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部における露光と転送を同時に行う
    請求項７に記載の固体撮像素子。
  9. 一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部は、その分離部が連続的に変化する
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  10. 一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部は、金属、酸化膜、又は不純物により分離されている
    請求項９に記載の固体撮像素子。
  11. 入射光を受光して光電変換する光電変換部を有し、色成分信号が得られる第１の画素と、
    受光面が像高に応じたサイズからなる一対の第１の光電変換部と第２の光電変換部を有し、位相差検出用信号が得られる第２の画素と
    を行列状に配置した画素アレイ部を備え、
    一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部は、電荷蓄積の主要部となる第１の領域と、光電変換をするとともに前記主要部への電荷転送に寄与する第２の領域をそれぞれ有している
    固体撮像素子の駆動方法において、
    画素駆動部が、一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部を別個に駆動して、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部における露光と転送を同時に行うステップ
    を含む駆動方法。
  12. 入射光を受光して光電変換する光電変換部を有し、色成分信号が得られる第１の画素と、
    受光面が像高に応じたサイズからなる一対の第１の光電変換部と第２の光電変換部を有し、位相差検出用信号が得られる第２の画素と
    を行列状に配置した画素アレイ部を備え、
    一対の前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部は、電荷蓄積の主要部となる第１の領域と、光電変換をするとともに前記主要部への電荷転送に寄与する第２の領域をそれぞれ有している
    固体撮像素子を搭載し、
    前記固体撮像素子から出力される前記位相差検出用信号を用いて、像面位相差AF（Autofocus）を制御する制御部を備える
    電子機器。
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