JP6355402B2 - 固体撮像装置及びカメラ - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置及びカメラに関する。

固体撮像装置は、複数の画素が配列された画素アレイを備える。各画素は、光電変換部と、フローティングディフュージョンと、光電変換部からフローティングディフュージョンに電荷を転送する転送トランジスタと、を有する。フローティングディフュージョンに電荷が転送されると、フローティングディフュージョンの電位が変動する。固体撮像装置は、該電位変動に基づく信号を画素信号として出力する。

特開２０１１−６０８１５号公報

ところで、固体撮像装置には、撮像画素の他、焦点検出画素が配された画素アレイを備えるものもあり、焦点検出画素からの画素信号に基づいて位相差検出法にしたがう焦点検出を行うことができる。具体的には、複数の一対の焦点検出画素のそれぞれの一方からの画素信号と、他方からの画素信号とに基づいて焦点検出を行う。各焦点検出画素では瞳分割が行われる。そのため、焦点検出画素で検知される光量は、撮像画素で検知される光量に対して小さい。

本発明は、撮像画素と焦点検出画素とを備える固体撮像装置の焦点検出精度の向上に有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の一つの側面は固体撮像装置にかかり、前記固体撮像装置は、半導体基板に配列された複数の画素を備える固体撮像装置であって、各画素は、前記半導体基板に形成された光電変換部と、前記光電変換部で生じた電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、を有し、前記固体撮像装置は、前記フローティングディフュージョン領域の電圧に応じた信号を出力する第１の増幅トランジスタおよび第２の増幅トランジスタを更に備えており、前記複数の画素は、複数の撮像画素と複数の焦点検出画素とを含み、前記複数の撮像画素は、前記フローティングディフュージョン領域が電気的に相互接続された画素数が第１個数の撮像画素を含み、前記複数の焦点検出画素は、前記フローティングディフュージョン領域が電気的に相互接続された画素数が前記第１個数より少ない第２個数の焦点検出画素を含み、前記第１の増幅トランジスタは、前記第１個数の前記フローティングディフュージョン領域の電圧に応じた信号を出力し、前記第２の増幅トランジスタは、前記第２個数の前記フローティングディフュージョン領域の電圧に応じた信号を出力することを特徴とする。

本発明によれば、撮像画素と焦点検出画素とを備える固体撮像装置の焦点検出精度の向上に有利である。

固体撮像装置の全体構成例および画素の構成例を説明するための図。 画素アレイの上面レイアウトの例を説明するための図。 画素アレイの回路構成例を説明するための図。 画素アレイの上面レイアウトの例を説明するための図。 画素アレイの上面レイアウトの例を説明するための図。 画素アレイの上面レイアウトの例を説明するための図。 画素アレイの上面レイアウトの例を説明するための図。 画素アレイの上面レイアウトの例を説明するための図。

（第１実施形態）
図１〜２を参照しながら、第１実施形態の固体撮像装置ＩＡ（以下、「装置ＩＡ」という。）を説明する。

図１（ａ）は、装置ＩＡの全体構成例を説明するためのシステムブロック図である。装置ＩＡは、画素アレイＡ_ＰＸと、駆動部ＵＤと、読出部ＵＲと、タイミングジェネレータＴＧとを具備する。画素アレイＡ_ＰＸは、例えば、シリコン基板等の半導体基板（以下、単に「基板」という）上に複数の画素ＰＸが配列されて構成される。駆動部ＵＤは、画素アレイＡ_ＰＸの各画素ＰＸを駆動する。例えば、駆動部ＵＤは、垂直走査回路を有しており、駆動信号ないし制御信号を各画素ＰＸに供給して、各画素ＰＸを行単位で駆動する。

読出部ＵＲは、駆動部ＵＤにより駆動された各画素ＰＸの信号（画素信号）を読み出す。例えば、読出部ＵＲは、信号増幅回路、水平走査回路、マルチプレクサ等を有しており、これらを制御することによって、画素アレイＡ_ＰＸの各列の画素ＰＸから信号を順に読み出す。読出部ＵＲは、ＡＤ変換部をさらに有していてもよく、各画素ＰＸの信号は、例えば、デジタルデータｄｓとして外部に出力される。画像データは、各画素ＰＸの信号に基づいて形成される。

タイミングジェネレータＴＧは、外部からのクロック信号に基づいて、駆動部ＵＤおよび読出部ＵＲに、各画素ＰＸから信号を読み出すための制御信号を供給する。

図１（ｂ）は、画素ＰＸの回路構成例を示している。画素ＰＸは、１つのセンサとして機能する。画素ＰＸは、例えば、フォトダイオード等の光電変換部ＰＤ、フローティングディフュージョンＦＤ、転送トランジスタＴ_ＴＸ、増幅トランジスタＴ_ＳＦ、選択トランジスタＴ_ＳＥＬ、及びリセットトランジスタＴ_ＲＥＳ、を含む。

フローティングディフュージョンＦＤは、その電位がフローティング（浮遊状態）になるよう構成されたノードである。フローティングディフュージョンＦＤは、フローティングディフュージョン領域を含む。フローティングディフュージョン領域は、その電位がフローティングになるように基板に形成された半導体領域である。フローティングディフュージョン領域は、例えば、信号電荷として電子が用いられる場合には、Ｎ型の不純物（ドナー）を注入することによって形成される。フローティングディフュージョンＦＤは、フローティングディフュージョン領域と基板との間に形成されたＰＮ接合による接合容量を有する。

転送トランジスタＴ_ＴＸは、制御信号ＴＸをゲート端子で受ける。制御信号ＴＸに基づいて転送トランジスタＴ_ＴＸが導通状態になると、光電変換部ＰＤで発生し蓄積された電荷が、転送トランジスタＴ_ＴＸを介してフローティングディフュージョンＦＤに転送される。

増幅トランジスタＴ_ＳＦは、光電変換部ＰＤで生じた電荷に基づく信号を出力する。例えば、増幅トランジスタＴ_ＳＦは、ソースフォロワ動作を行う。増幅トランジスタＴ_ＳＦのゲート端子がフローティングディフュージョンＦＤに電気的に接続されている。そして、フローティングディフュージョンＦＤに電荷が転送されたことに応じて、増幅トランジスタＴ_ＳＦのソース電位が変動する。

選択トランジスタＴ_ＳＥＬは、制御信号ＳＥＬをゲート端子で受ける。制御信号ＳＥＬに基づいて選択トランジスタＴ_ＳＥＬが導通状態になると、増幅トランジスタＴ_ＳＦのソース電位に応じた画素信号が列信号線Ｌ_Ｃに出力される。

リセットトランジスタＴ_ＲＥＳは、制御信号ＲＥＳをゲート端子で受ける。制御信号ＲＥＳに基づいてリセットトランジスタＴ_ＲＥＳが導通状態になると、フローティングディフュージョンＦＤは、リセットトランジスタＴ_ＲＥＳを介して電源電位Ｖ１に接続され、フローティングディフュージョンＦＤの電位がリセットされる。

図２は、画素アレイＡ_ＰＸの上面レイアウトを示す模式図である。ここでは図を見やすくするため、基板上に形成された各素子の活性領域およびゲートパターンを示す一方で、各素子を電気的に接続する配線パターンを不図示としている。図中では、トランジスタＴ_ＴＸ、Ｔ_ＳＦ、Ｔ_ＳＥＬ、Ｔ_ＲＥＳのゲートパターンを、「Ｇ_ＴＸ」、「Ｇ_ＳＦ」、「Ｇ_ＳＥＬ」、「Ｇ_ＲＥＳ」と、それぞれ示している。

なお、説明を容易にするため、画素ＰＸが５行×４列を形成するように配列された構成示している。また、図中において、第ｍ行を「Ｒｍ」と示し、第ｎ列を「Ｃｎ」と示している（ｍ＝１〜５、ｎ＝１〜４）。

複数の画素ＰＸは、画像データを取得するための画素（以下、「撮像画素」という。）と、焦点検出を行うための画素（以下、「焦点検出画素」という。）と、を含む。即ち、画素アレイＡ_ＰＸには、撮像画素と共に焦点検出画素が配列されている。焦点検出画素は、例えば、画素アレイＡ_ＰＸの中央領域の一部や周辺領域の一部に配されうる。

以下、撮像画素と焦点検出画素とを区別するため、本明細書では、焦点検出画素については「焦点検出画素ＰＸ_ＡＦ」と示す。

焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの信号は、例えば、位相差検出法にしたがう焦点検出を行うのに用いられる。位相差検出法によると、複数の一対の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦが用いられ、各焦点検出画素ＰＸ_ＡＦで瞳分割を行う。具体的には、一対の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのうちの一方の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦでは、入射光束のうちの一方の側の半分の光束を検出し、一対の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのうちの他方の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦでは、入射光束のうちの他方の側の半分の光束を検出する。そして、これら複数の一対の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの各々から得られた画素信号を用いて、位相差検出法にしたがう焦点検出が為される。を行う。

図２では、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦが画素アレイＡ_ＰＸの第３行に配された構成を例示しており、例えば、第３行・第１列の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦと、第３行・第２列の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦとが、一対の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦを形成する。なお、第１〜２行および第４〜５行には、撮像画素ＰＸが配されている。

典型的な例として、焦点検出画素のなかには、瞳分割を行うための遮光部が設けられたものがある。該遮光部は、例えば、マイクロレンズ等の光学系を通過した入射光のうちの一部を光電変換部ＰＤに導くための開口を有する金属パターン等であり、基板上の所定の配線層に設けられうる。この構成では、入射光の集光位置を該遮光部の近傍にすることによって、焦点検出精度が向上する。

一方、本実施形態では、上記遮光部を設ける代わりに、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの光電変換部ＰＤが、撮像画素ＰＸの光電変換部ＰＤに対して、幅が略半分になるように形成されている。具体的には、平面視（基板の上面に対する平面視をいう。以下、同様。）において、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの光電変換部ＰＤは、その面積ないしサイズが撮像画素ＰＸの光電変換部ＰＤに対して略半分になるように形成されている。ここで、「略半分」とは、５０％程度が好ましいが、例えば４０％〜６０％の範囲内としてもよい。

そして、瞳分割を行うため、上記光電変換部ＰＤが、一対の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの一方では、一方の側（例えば、図２において左側）に形成されており、一対の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの他方では、他方の側（例えば、図２において右側）に形成されている。その結果、一対の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの一方と他方とでは、トランジスタＴ_ＳＦ等（Ｔ_ＳＦ、Ｔ_ＳＥＬ及びＴ_ＲＥＳ）と光電変換部ＰＤとの距離が、互いに異なっている。

本構成では、入射光の集光位置を基板の表面近傍にすることによって、焦点検出精度が向上する。また、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの光電変換部ＰＤの面積が小さいため、暗電流に起因するノイズ成分が低減される。

ここで、平面視において、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのフローティングディフュージョン領域は、撮像画素ＰＸのフローティングディフュージョン領域よりも面積が小さい。即ち、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのフローティングディフュージョンＦＤは、その容量成分が、撮像画素ＰＸのフローティングディフュージョンＦＤよりも小さい。そのため、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの光電変換部ＰＤで発生し蓄積された電荷が、転送トランジスタＴ_ＴＸを介してフローティングディフュージョンＦＤに転送された場合、フローティングディフュージョンＦＤの電位変動量が大きい。よって、本実施形態によると、撮像画素ＰＸおよび焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの双方について、フローティングディフュージョンＦＤを同じ面積で形成した場合に比べて、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのセンサ感度が高くなる。

なお、フローティングディフュージョンＦＤの容量成分が小さくなると、ダイナミックレンジが小さくなるため、画素信号が飽和しやすくなる。撮像画素ＰＸでは、検知される光量が焦点検出画素ＰＸ_ＡＦよりも大きく、撮像画素ＰＸのフローティングディフュージョンＦＤの面積を、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦと同様に小さくした場合には、撮像画素ＰＸの信号が飽和する可能性がある。よって、本実施形態では、撮像画素ＰＸおよび焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのうちの焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのフローティングディフュージョンＦＤの面積を小さくしている。

以上、本実施形態によると、撮像画素と焦点検出画素とを備える固体撮像装置の焦点検出精度の向上に有利である。

（第２実施形態）
以下、図３〜４を参照しながら第２実施形態を述べる。前述の第１実施形態では、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのフローティングディフュージョン領域の面積を、撮像画素ＰＸのフローティングディフュージョン領域の面積よりも小さくして、その容量成分を小さくした。しかしながら、本発明は、この構成に限られるものではなく、例えば、画素ＰＸの回路構成を変更してもよい。本実施形態は、主に、撮像画素ＰＸが、トランジスタＴ_ＳＦ等（Ｔ_ＳＦ、Ｔ_ＳＥＬ及びＴ_ＲＥＳ）を隣接画素間で共有しているという点で、第１実施形態と異なる。以下、第１実施形態と異なる点について説明する。特に断りのない限り、第１実施形態についてなされた説明は、すべて、本実施形態についても適用される。

図３は、本実施形態にかかる画素アレイＡ_ＰＸの回路構成例を示している。画素アレイＡ_ＰＸの第１〜２行および第４〜５行には、撮像画素ＰＸが配されており、画素アレイＡ_ＰＸの第３行には、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦが配されている。

本構成では、２つの撮像画素ＰＸが、トランジスタＴ_ＳＦ等を隣接画素間で共有している。例えば、第１行・第１列の撮像画素（撮像画素ＰＸａとする）と、第２行・第１列の撮像画素（撮像画素ＰＸｂとする）とは、トランジスタＴ_ＳＦ等を共有している。このような構成により、当該共有された１つのトランジスタＴ_ＳＦが、２つの撮像画素ＰＸの信号を出力する。このような構成を、便宜的に、撮像画素の共有数が２であると定義する。

なお、２つの撮像画素ＰＸからの信号読出は、該２つの撮像画素ＰＸのうちの一方（信号読出の対象である一方の行の撮像画素ＰＸ）の転送トランジスタＴ_ＴＸを導通状態にすることにより、個別の信号を読み出すことができる。あるいは、該２つの撮像画素ＰＸの両方の転送トランジスタＴ_ＴＸを導通状態にすることにより、加算された信号を読み出すことができる。このように、１つのトランジスタＴ_ＳＦがｎ個の撮像画素ＰＸの信号を出力するとは、当該１つのトランジスタＴ_ＳＦに最大でｎ個の撮像画素ＰＸの光電変換部からの電荷を転送することができることを意味する。

焦点検出画素ＰＸ_ＡＦは、増幅トランジスタＴ_ＳＦを共有していない。つまり、各焦点検出画素ＰＸ_ＡＦに対して、１つの別個の増幅トランジスタＴ_ＳＦが配される。したがって、１つの増幅トランジスタＴ_ＳＦは１つの焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの信号を出力する。このような構成を、便宜的に、焦点検出画素の共有数が１であると定義する。

図４は、図３の画素アレイＡ_ＰＸの上面レイアウトを示す模式図である。撮像画素ＰＸａの光電変換部ＰＤ、転送トランジスタＴ_ＴＸおよびフローティングディフュージョン領域と、撮像画素ＰＸｂの光電変換部ＰＤ、転送トランジスタＴ_ＴＸおよびフローティングディフュージョン領域とは、互いに並進対称であるとよい。より具体的には、比較対象の２つの部材ないし部分が、平行に（実質的に一定の間隔になるように）配されていればよい。

撮像画素ＰＸａのフローティングディフュージョン領域と、撮像画素ＰＸｂのフローティングディフュージョン領域とは、例えば配線パターン（不図示）を介して、互いに電気的に接続される。ここで、本構成では、２つの撮像画素ＰＸａ及びＰＸｂが、トランジスタＴ_ＳＦ等を隣接画素間で共有する。一方で、フローティングディフュージョン領域については、２つの撮像画素ＰＸのそれぞれが、それぞれ個別に有している（共有していない）。一方で、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのフローティングディフュージョン領域は、他の画素のフローティングディフュージョン領域に接続されていない。よって、撮像画素ＰＸａ及びＰＸｂのフローティングディフュージョンＦＤに付加される容量成分に比べて、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのフローティングディフュージョンＦＤに付加される容量成分は小さい。すなわち、焦点検出画素においては、電荷電圧変換効率が高い。

本実施形態によると、１つの増幅トランジスタを共有する焦点検出画素の個数が、１つの増幅トランジスタを共有する撮像画素の個数よりも少ない。そのため、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのフローティングディフュージョンＦＤの容量を小さくすることができる。結果として、入射光量の少ない焦点検出画素おいて、感度を向上させることができる。

なお、ここでは、第１行・第１列の撮像画素ＰＸａと、第２行・第１列の撮像画素ＰＸｂと、に着目して述べたが、他の撮像画素ＰＸについても同様である。また、ここでは、互いに隣接する２つの撮像画素ＰＸがトランジスタＴ_ＳＦ等を共有する構成を例示したが、３以上の撮像画素ＰＸがトランジスタＴ_ＳＦ等を共有する構成でもよい。

また、２つ以上の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦが１つの増幅トランジスタＴ_ＳＦを共有してもよい。なお、２つの焦点検出画素ＰＸ_ＡＦからの信号読出は、該２つの焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのうちの一方（信号読出の対象である一方の行の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦ）の転送トランジスタＴ_ＴＸを導通状態にすることにより、個別の信号を読み出すことができる。あるいは、該２つの焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの両方の転送トランジスタＴ_ＴＸを導通状態にすることにより、加算された信号を読み出すことができる。このように、１つのトランジスタＴ_ＳＦがｍ個の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの信号を出力するとは、当該１つのトランジスタＴ_ＳＦに最大でｍ個の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの光電変換部からの電荷を転送することができることを意味する。

また、図４では、撮像画素ＰＸのフローティングディフュージョン領域の面積と、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのフローティングディフュージョン領域の面積とが異なっている。しかし、撮像画素ＰＸのフローティングディフュージョン領域の面積と、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのフローティングディフュージョン領域の面積とが等しくてもよい。

（第３実施形態）
第３実施形態は、図５に例示されるように、主に、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの増幅トランジスタＴ_ＳＦのゲートパターンＧ_ＳＦの面積を大きくしている、という点で第２実施形態と異なる。

前述のとおり、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの光電変換部ＰＤは、撮像画素ＰＸの光電変換部ＰＤに対して、幅が略半分になるように形成されている。そのため、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦではゲートパターンＧ_ＳＦの面積を大きくすることができる。ゲートパターンＧ_ＳＦの面積を大きくすると、増幅トランジスタＴ_ＳＦで生じうるフリッカノイズ（「１／ｆノイズ」とも称される。）が低減されうる。

フリッカノイズは、ＭＯＳトランジスタの界面トラップに起因するノイズであり、そのノイズ電圧の二乗平均値と、ＭＯＳトランジスタのゲートサイズとは、反比例の関係である。よって、ゲートサイズを大きくするとノイズ電圧が実効的に小さくなる。なお、例えば、ゲート幅を大きくしてゲートサイズを大きくしてもよいが、ゲート長を大きくしてもよいし、ゲート幅およびゲート長の双方を変えてもよい。

また、本実施形態によると、一対の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのそれぞれについて、トランジスタＴ_ＳＦ等（Ｔ_ＳＦ、Ｔ_ＳＥＬ及びＴ_ＲＥＳ）の光電変換部ＰＤに対する位置を変更することも可能である。具体的には、一対の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの一方については、トランジスタＴ_ＳＦ等を、光電変換部ＰＤに対して一方の側（例えば、図５において右側）に形成する。そして、一対の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの他方については、トランジスタＴ_ＳＦ等を、光電変換部ＰＤに対して他方の側（例えば、図５において左側）に形成することも可能である。

本実施形態によると、前述の第１〜第２実施形態と同様の効果が得られる他、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの光電変換部ＰＤの幅が小さいため、ゲートパターンＧ_ＳＦの面積を大きくすることができる。よって、本実施形態によると、増幅トランジスタＴ_ＳＦでのフリッカノイズを低減することができる。また、本実施形態によると、必要に応じて、トランジスタＴ_ＳＦ等の配置を変更することもでき、レイアウト設計面においても有利である。

（第４実施形態）
第４実施形態は、図６に例示されるように、主に、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのトランジスタＴ_ＳＦ等（Ｔ_ＳＦ、Ｔ_ＳＥＬ及びＴ_ＲＥＳ）をそれぞれ互いに異なる活性領域に個別に形成している、という点で、第３実施形態と異なる。

前述のとおり、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの光電変換部ＰＤは、撮像画素ＰＸの光電変換部ＰＤに対して、幅が略半分になるように形成されている。そのため、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦについては、トランジスタＴ_ＳＦ等を、互いに異なる活性領域に個別に形成してもよい。即ち、トランジスタＴ_ＳＦ等は、互いに離れた位置に形成されている。

図６では、トランジスタＴ_ＳＦ、Ｔ_ＳＥＬ及びＴ_ＲＥＳの全てを、光電変換部ＰＤに対して一方の側ないし他方の側に形成した構成を例示したが、本実施形態は、この構成に限られるものではない。例えば、トランジスタＴ_ＳＦ、Ｔ_ＳＥＬ及びＴ_ＲＥＳのうちの一部を光電変換部ＰＤに対して一方の側に形成し、該一部を除く他のトランジスタを光電変換部ＰＤに対して他方の側に形成することも可能である。

本実施形態によると、画素ＰＸの回路構成に応じて、画素ＰＸの各トランジスタの配置を適宜変更することも可能であり、レイアウト設計面において有利である。

以上、本実施形態によると、前述の第３実施形態と同様の効果が得られる他、画素アレイのレイアウト設計面においてさらに有利である。また、ここでは図示していないが、互いに離れた位置に形成されているトランジスタＴ_ＳＦ、Ｔ_ＳＥＬ及びＴ_ＲＥＳのうちトランジスタＴ_ＳＦについて、前述の第３実施形態と同様に、ゲートパターンＧ_ＳＦの面積を大きくすることも可能である。本構成によると、さらに、増幅トランジスタＴ_ＳＦでのフリッカノイズを低減するのに有利である。また、活性領域を個別に形成するため、ゲートパターンＧ_ＳＦの面積を、第三の実施形態よりもさらに大きくすることも可能である。

（第５実施形態）
前述の第２〜第４実施形態では、撮像画素ＰＸおよび焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのうちの撮像画素ＰＸが、トランジスタＴ_ＳＦ等（Ｔ_ＳＦ、Ｔ_ＳＥＬ及びＴ_ＲＥＳ）を隣接画素間で共有している構成を述べた。この構成によると、制御信号ＳＥＬ及びＲＥＳを各画素ＰＸに供給するための信号線（「信号線Ｌ_ＳＥＬ及びＬ_ＲＥＳ」とする）は、撮像画素ＰＸについては２行ごとに１つずつ配されるが、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦについては各行に１つずつ配される。なお、制御信号ＴＸを各画素ＰＸに供給するための信号線（「信号線Ｌ_ＴＸ」とする）は、各行に１つずつ配されればよい。

本実施形態では、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦについてもトランジスタＴ_ＳＦ等を隣接画素間で共有して、信号線Ｌ_ＳＥＬ及びＬ_ＲＥＳが、撮像画素ＰＸおよび焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの双方ついては、２行ごとに１つずつ配される。本実施形態によると、画素アレイＡ_ＰＸの回路設計を撮像画素ＰＸおよび焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの双方について同様に行えばよいため、回路設計面においても有利である。

図７は、本実施形態にかかる画素アレイＡ_ＰＸの上面レイアウトを示す模式図である。画素アレイＡ_ＰＸの第１〜２行および第５〜６行には、撮像画素ＰＸが配されており、画素アレイＡ_ＰＸの第３〜４行には、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦが配されている。

各撮像画素ＰＸは、前述の第２実施形態と同様で述べたように、光電変換部ＰＤ、転送トランジスタＴ_ＴＸおよびフローティングディフュージョンＦＤが、他の撮像画素ＰＸに対して並進対称になるように形成される。これに対して、互いに隣接する２つの焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの一方は、光電変換部ＰＤ、転送トランジスタＴ_ＴＸおよびフローティングディフュージョンＦＤが、他方に対して、線対称ないしミラー対称になるように形成されている。

ここで、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのフローティングディフュージョンＦＤは、付加される容量成分が大きくならないように形成されるとよい。具体的には、互いに隣接する２つの焦点検出画素ＰＸ_ＡＦは、フローティングディフュージョンＦＤを共有している。換言すると、一方の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのフローティングディフュージョンＦＤと、他方の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのフローティングディフュージョンＦＤとは、一体に形成されている。例えば、第３行・第１列の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦと、第３行・第２列の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦとが、フローティングディフュージョンＦＤを共有している。そして、該共有されたフローティングディフュージョンＦＤは、一方の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの光電変換部ＰＤおよび転送トランジスタＴ_ＴＸと、他方の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの光電変換部ＰＤおよび転送トランジスタＴ_ＴＸと、の間に配されている。

本構成によると、撮像画素ＰＸでは、フローティングディフュージョンＦＤに付加される容量成分が略２倍になるのに対して、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦでは、フローティングディフュージョンＦＤに付加される容量成分は実質的に変わらない。よって、本実施形態によると、撮像画素ＰＸおよび焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのそれぞれについて、ダイナミックレンジを大きくすること、及び、センサ感度を高くすることの一方を選択的に優先することもできる。

また、ここでは図示していないが、トランジスタＴ_ＳＦ、Ｔ_ＳＥＬ及びＴ_ＲＥＳのうちトランジスタＴ_ＳＦについて、前述の第３実施形態と同様に、ゲートパターンＧ_ＳＦの面積を大きくすることも可能である。本構成によると、さらに、増幅トランジスタＴ_ＳＦでのフリッカノイズを低減するのに有利である。

（第６実施形態）
前述の第５実施形態では、互いに隣接する２つの焦点検出画素ＰＸ_ＡＦが、光電変換部ＰＤ、転送トランジスタＴ_ＴＸおよびフローティングディフュージョンＦＤについて、互いに線対称ないしミラー対称の構成を例示した。しかしながら、これらの対称性は、この構成に限られるものではない。

図８は、本実施形態にかかる画素アレイＡ_ＰＸの上面レイアウトを示す模式図である。本実施形態では、主に、位相差検出法にしたがう焦点検出を行うための一対の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦがフローティングディフュージョンＦＤを共有している、という点で第５実施形態と異なる。例えば、第３行・第１列の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦと、第４行・第１列の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦとが、一対の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦを形成しており、これらがフローティングディフュージョンＦＤを共有している。そして、一対の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの一方は、光電変換部ＰＤおよび、転送トランジスタＴ_ＴＸおよびフローティングディフュージョンＦＤが、他方に対して、フローティングディフュージョンＦＤを中心に点対称になるように形成されている。本実施形態によっても、前述の第５実施形態と同様の効果が得られる。

また、トランジスタＴ_ＳＦ等（Ｔ_ＳＦ、Ｔ_ＳＥＬ及びＴ_ＲＥＳ）は、前述の第４実施形態と同様にして、互いに離れた位置に形成されてもよい。本実施形態によると、例えば、トランジスタＴ_ＳＦ、Ｔ_ＳＥＬ及びＴ_ＲＥＳのうちの一部を一対の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの一方に形成し、該一部を除く他のトランジスタを一対の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの他方に形成することも可能である。例えば、トランジスタＴ_ＳＥＬ及びＴ_ＲＥＳは、第３行・第１列の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦに形成されており、トランジスタＴ_ＳＦは、第４行・第１列の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦに形成されている。よって、本実施形態によると、画素ＰＸの回路構成に応じて、画素ＰＸの各トランジスタの配置を適宜変更することも可能であり、レイアウト設計面において有利である。本実施形態によると、レイアウト設計面においても有利である。

また、ここでは図示していないが、互いに離れた位置に形成されているトランジスタＴ_ＳＦ、Ｔ_ＳＥＬ及びＴ_ＲＥＳのうちトランジスタＴ_ＳＦについて、前述の第３実施形態と同様に、ゲートパターンＧ_ＳＦの面積を大きくすることも可能である。本構成によると、さらに、増幅トランジスタＴ_ＳＦでのフリッカノイズを低減するのに有利である。

（その他）
以上では、いくつかの好適な実施形態を例示したが、本発明はこれらに限られるものではなく、目的等に応じて、その一部を変更してもよいし、他の実施形態と組み合わせてもよい。また、各実施形態で例示した各画素ＰＸの行と列との関係は逆でもよく、例えば、隣接行での隣接画素ＰＸがトランジスタＴ_ＳＦ等を共有する構成は、隣接列での隣接画素ＰＸに適用されてもよい。２つの焦点検出画素ＰＸ_ＡＦがフローティングディフュージョンＦＤを共有する場合についても同様である。

以上の各実施形態では、カメラ等に代表される撮像システムに含まれる固体撮像装置について述べた。撮像システムの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末等）も含まれる。撮像システムは、上述の各実施形態で例示された固体撮像装置と、該固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部とを含みうる。該処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換部や該Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。焦点検出処理は該処理部によってなされてもよいし、焦点検出処理を実行する焦点検出部が該処理部とは別に設けられていてもよい。

ＩＡ：固体撮像装置、ＰＸ：画素、ＰＤ：光電変換部、ＦＤ：フローティングディフュージョン、Ｔ_ＴＸ：転送トランジスタ。

Claims (17)

1. 半導体基板に配列された複数の画素を備える固体撮像装置であって、
   各画素は、
   前記半導体基板に形成された光電変換部と、
   前記光電変換部で生じた電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、
   を有し、
   前記固体撮像装置は、前記フローティングディフュージョン領域の電圧に応じた信号を出力する第１の増幅トランジスタおよび第２の増幅トランジスタを更に備えており、
   前記複数の画素は、複数の撮像画素と複数の焦点検出画素とを含み、
   前記複数の撮像画素は、前記フローティングディフュージョン領域が電気的に相互接続された画素数が第１個数の撮像画素を含み、
   前記複数の焦点検出画素は、前記フローティングディフュージョン領域が電気的に相互接続された画素数が前記第１個数より少ない第２個数の焦点検出画素を含み、
   前記第１の増幅トランジスタは、前記第１個数の前記フローティングディフュージョン領域の電圧に応じた信号を出力し、
   前記第２の増幅トランジスタは、前記第２個数の前記フローティングディフュージョン領域の電圧に応じた信号を出力する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第２個数は１である
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第２個数は２以上である
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記複数の撮像画素は、第１の撮像画素と第２の撮像画素とを含み、
   前記第１の撮像画素の前記光電変換部、および、前記フローティングディフュージョン領域は、前記第２の撮像画素の前記光電変換部、および、前記フローティングディフュージョン領域に対して、並進対称になるように配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記半導体基板の上面に対する平面視において、前記第２の増幅トランジスタのゲートの面積は、前記第１の増幅トランジスタのゲートの面積よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記複数の焦点検出画素は、第１の焦点検出画素と第２の焦点検出画素とを含み、
   前記第２の増幅トランジスタは、前記第１の焦点検出画素および前記第２の焦点検出画素のそれぞれに対して設けられており、
   前記第１の焦点検出画素における前記光電変換部と前記第２の増幅トランジスタとの距離と、前記第２の焦点検出画素における前記光電変換部と前記第２の増幅トランジスタとの距離とは、互いに異なっている
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記複数の焦点検出画素は、第１の焦点検出画素と第２の焦点検出画素とを含み、
   前記第２の増幅トランジスタは、前記第１の焦点検出画素および前記第２の焦点検出画素のそれぞれに対して設けられており、
   前記第１の焦点検出画素において、前記第２の増幅トランジスタは前記光電変換部に対して第１の側に配置されており、
   前記第２の焦点検出画素において、前記第２の増幅トランジスタは、前記光電変換部に対して、前記第１の側とは反対側の第２の側に配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 各画素は、前記光電変換部で生じた電荷を前記フローティングディフュージョン領域へ転送する転送トランジスタを有し、
   前記複数の焦点検出画素は、第１の焦点検出画素と第２の焦点検出画素とを含み、
   前記第１の焦点検出画素の前記フローティングディフュージョン領域と、前記第２の焦点検出画素の前記フローティングディフュージョン領域とは、前記第１の焦点検出画素の前記光電変換部と、前記第２の焦点検出画素の前記光電変換部との間に、一体に形成されており、
   前記第１の焦点検出画素の前記光電変換部および前記転送トランジスタと、前記第２の焦点検出画素の前記光電変換部および前記転送トランジスタとは、対称性を有するように配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 前記対称性は、線対称であること、及び、点対称であることの一方を満たす
   ことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置。
10. 前記半導体基板の上面に対する平面視において、前記焦点検出画素の前記光電変換部は、前記撮像画素の前記光電変換部よりも面積が小さい
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. 前記焦点検出画素の前記光電変換部の前記平面視における面積は、前記撮像画素の前記光電変換部の前記平面視における面積の４０％以上６０％以下の範囲内である
    ことを特徴とする請求項１０に記載の固体撮像装置。
12. 前記複数の画素のそれぞれに対応するように配された２以上のトランジスタをさらに備え、
    前記撮像画素に対応する前記２以上のトランジスタは、前記半導体基板における１つの活性領域に形成されており、
    前記焦点検出画素に対応する前記２以上のトランジスタは、前記半導体基板における互いに異なる活性領域に個別に形成されている
    ことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の固体撮像装置。
13. 半導体基板上に配列された複数の画素を備える固体撮像装置であって、
    各画素は、
    前記半導体基板に形成された光電変換部と、
    前記半導体基板に形成された不純物領域であるフローティングディフュージョンと、
    前記光電変換部から前記フローティングディフュージョンに電荷を転送するための転送トランジスタと、
    を有し、
    前記複数の画素は、撮像画素と焦点検出画素とを含み、
    前記半導体基板の上面に対する平面視において、前記焦点検出画素の前記フローティングディフュージョンは、前記撮像画素の前記フローティングディフュージョンよりも面積が小さい
    ことを特徴とする固体撮像装置。
14. 前記複数の画素は、前記撮像画素を複数含んでおり、
    前記複数の撮像画素のうちの第１の撮像画素の前記フローティングディフュージョンと、前記複数の撮像画素のうちの第２の撮像画素の前記フローティングディフュージョンとは、電気的に接続されている
    ことを特徴とする請求項１３に記載の固体撮像装置。
15. 前記第１の撮像画素および前記第２の撮像画素の双方に対応するように配された増幅トランジスタをさらに備え、
    前記増幅トランジスタは、そのゲートが、前記第１の撮像画素および前記第２の撮像画素の前記フローティングディフュージョンに電気的に接続されており、該フローティングディフュージョンの電位に応じてソースフォロワ動作を行う
    ことを特徴とする請求項１４に記載の固体撮像装置。
16. 請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置からの信号を処理する処理部と、を備える
    ことを特徴とするカメラ。
17. 前記焦点検出画素からの信号に基づいて位相差検出法にしたがう焦点検出を行う焦点検出部をさらに備える
    ことを特徴とする請求項１６に記載のカメラ。
    

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