JP6796166B2 - 撮像装置、撮像システム、および撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は撮像装置、撮像システム、および撮像装置の駆動方法に関する。

焦点検出と撮像の両方を行うことが可能な瞳分割方式の撮像装置が提案されている。例えば、特許文献１に記載の撮像装置においては、１つの画素は、光電変換部Ａと光電変換部Ｂとを含み、光電変換部Ａ、Ｂの上側にはマイクロレンズが形成されている。また、撮影レンズの瞳と光電変換部は概ね共役の位置関係になるように配置されている。このような構成により、光電変換素子Ａと光電変換素子Ｂの信号に基づき焦点検出を行いながら、光電変換素子Ａと光電変換素子Ｂの信号を加算することで画像形成用の信号を得ることができる。さらに、特許文献１には、光電変換素子Ａの信号を読み出した後に、光電変換素子Ｂの信号を加算して画像形成用の信号を読み出している。

特開２０１３−１０６１９４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の撮像装置においては、光電変換部から増幅部への電荷の転送効率を向上させる試みはなされていない。本発明は、撮像装置において電荷の転送効率を向上可能な撮像装置およびその駆動方法を提供することを目的とする。

本発明の他の実施形態における撮像装置は、第１の光電変換部と、第１の方向において、前記第１の光電変換部と隣り合って配された第２の光電変換部と、前記第１、第２の光電変換部に共通して設けられたマイクロレンズと、導通状態になることにより、第１、第２の光電変換部のそれぞれから電荷を転送する第１、第２の転送トランジスタと、第１、第２の転送トランジスタから転送された電荷を蓄積するフローティングディフュージョン領域と、前記フローティングディフュージョン領域における電荷に応じた信号を出力する増幅トランジスタと、前記第１、第２の転送トランジスタのゲートに電気的に接続された第１、第２の駆動配線と、前記フローティングディフュージョン領域および前記増幅トランジスタのゲートを電気的に接続するために、前記第１の方向に延在する導電部材と、を有し、平面視において、前記第２の転送トランジスタのゲートと前記増幅トランジスタのゲートの間の距離は、前記第１の転送トランジスタのゲートと前記増幅トランジスタのゲートの間の距離よりも近く、前記導電部材は、平面視において、前記第１の光電変換部に対応した前記フローティングディフュージョン領域を画定する境界のうち、少なくとも２つ以上の前記境界を越えて延在する。

本発明に係る撮像装置によれば、焦点検出と画像形成を共に行うことができる光電変換装置において、光電変換部から増幅部への電荷の転送効率を向上することができる。

本発明の第１実施形態に係る撮像装置の回路図 本発明の第１実施形態に係る撮像装置の画素の変形例を示す図 本発明の第１実施形態に係る撮像装置の画素の平面図 本発明の第１実施形態に係る撮像装置の画素の断面図 本発明の第１実施形態に係る撮像装置のタイミングチャート 本発明の第１実施形態に係る撮像装置のタイミングチャート 本発明の第１実施形態に係る撮像装置のＦＤ部の電圧の変化を説明するための図 本発明の第１実施形態に係る撮像装置の画素の平面図 本発明の第１実施形態に係る撮像装置の画素の平面図 本発明の第２実施形態に係る撮像装置の画素の平面図 本発明の第３実施形態に係る撮像装置の画素の平面図 本発明の第３実施形態に係る撮像装置の画素の断面図 本発明の第４実施形態に係る撮像装置の画素の平面図 本発明の第４実施形態に係る撮像装置の画素の断面図 本発明の第５実施形態に係る撮像装置の画素の平面図 本発明の第６実施形態に係る撮像装置の画素の平面図 本発明の第７実施形態に係る撮像システムのブロック図

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る撮像装置について図１から図９を参照しながら説明する。図１は第１実施形態に係る撮像装置の回路図である。撮像装置は、画素２、垂直走査回路１１、電流源２０８、列増幅回路１４、出力アンプ１５、水平走査回路１６を備える。複数の画素２は行方向および列方向に沿って二次元マトリクス状に配列されている。なお、本明細書において、行方向とは図面における水平方向を示し、列方向とは図面において垂直方向を示すものとする。図１においては、説明の簡略化のために３行３列の画素が示されているが、画素の数は限定されるものではない。なお、一部の画素はＯＢ（オプティカル・ブラック）画素として遮光されても良い。

画素２は、第１、第２の光電変換部２１Ａ、２２Ａ、第１、第２の転送トランジスタ２３Ａ、２４Ａ、リセットトランジスタ２５、増幅トランジスタ２６、選択トランジスタ２７を含む。第１の光電変換部２１Ａ、第２の光電変換部２２Ａはフォトダイオードから構成されている。以下の説明は、画素２を構成するトランジスタがＮチャネルＭＯＳトランジスタである例を示している。光電変換部２１Ａ、２２Ａにはマイクロレンズが設けられており、マイクロレンズにより集光された光が光電変換部２１Ａ、２２Ａに入射する。このように、２つの光電変換部２１Ａ、２２Ａは１つの光電変換ユニット２００を構成している。なお、光電変換ユニット２００を構成する光電変換部の個数は２個に限定されず、それ以上の個数であっても良い。

転送トランジスタ２３Ａ、２４Ａは光電変換部２１Ａ、２２Ａに対応して設けられ、それぞれのゲートには駆動配線２１１Ａ、２１２Ａが電気的に接続されている。駆動配線２１１Ａ、２１２Ａの駆動パルスがハイレベルとなると、転送トランジスタ２３Ａ、２４Ａがオン（導通状態）となり、光電変換部２１Ａ、２２Ａの信号が増幅トランジスタ２６の入力ノードであるフローティングディフュージョン（ＦＤ）部２１０に転送される。また、駆動パルスがローレベルとなると、転送トランジスタ２３Ａ、２４Ａはオフ（非導通状態）となる。増幅トランジスタ２６は、ＦＤ部２１０に転送された信号を増幅して出力線２０７へ出力する。

リセットトランジスタ２５のソースは入力ノードに接続され、ゲートは駆動配線２０９に接続されている。駆動配線２０９の駆動パルスがハイレベルとなると、リセットトランジスタ２５はオンとなり、増幅トランジスタ２６の入力ノードにリセット電圧が供給される。これにより、入力ノードの電荷がリセットされる。選択トランジスタ２７は増幅トランジスタ２６と出力線２０７との間に設けられており、選択トランジスタ２７のゲートには駆動配線２１３が接続されている。駆動配線２１３の駆動パルスがハイレベルとなると、増幅トランジスタ２６と出力線２０７とが電気的に導通する。

出力線２０７は列毎に設けられており、出力線２０７には電流源２０８が電気的に接続されている。電流源２０８は出力線２０７を介して増幅トランジスタ２６のソースにバイアス電流を供給し、増幅トランジスタ２６はソースフォロアとして動作する。

駆動部としての垂直走査回路１１は駆動配線２１１Ａ、２１２Ａ、２０９、２１３を介して、各行の転送トランジスタ２３Ａ、２４Ａ、リセットトランジスタ２５、選択トランジスタ２７のそれぞれのゲートに駆動パルスを供給する。駆動パルスは、行ごと、順次、もしくはランダムに供給される。垂直走査回路１１は駆動配線２１１Ａに駆動パルスを供給し、転送トランジスタ２３Ａを導通状態にする読み出しモード、および、駆動配線２１１Ａ，２１１Ｂに並行して駆動パルスを供給し、転送トランジスタ２３Ａ、２３Ｂをともに導通状態にする読み出しモードを実行可能である（図２参照）。

列増幅回路１４は列ごとに設けられ、出力線２０７に直接もしくはスイッチを介して接続されている。列増幅回路１４は演算増幅器１１９、基準電圧源１２０、入力容量ＣＯ、フィードバック容量Ｃｆ、保持容量ＣＴＳ１、ＣＴＳ２、ＣＴＮ１、ＣＴＮ２、スイッチ１１８、１２５〜１３２を備える。

入力容量ＣＯの第１ノードは出力線２０７に電気的に接続され、第２ノードは演算増幅器１１９の反転入力ノードに電気的に接続される。フィードバック容量Ｃｆの第１ノードは、演算増幅器１１９の反転入力ノード及び入力容量ＣＯの第２ノードに電気的に接続される。フィードバック容量Ｃｆの第２ノードは演算増幅器１１９の出力ノードに電気的に接続される。

スイッチ１１８はフィードバック容量Ｃｆと並列に設けられており、演算増幅器１１９の反転入力ノードと出力ノードとの間のフィードバック経路の電気的接続を制御する。スイッチ１１８がオフになると、演算増幅器１１９は入力容量ＣＯの容量値およびフィードバック容量Ｃｆの容量値の比で定められるゲインで出力線２０７の信号を反転増幅する。スイッチ１１８がオンになると、演算増幅器１１９はボルテージ・フォロアとして動作する。基準電圧源１２０は基準電圧Ｖｒｅｆを演算増幅器１１９の非反転入力ノードに供給する。演算増幅器１１９の反転入力ノードおよび非反転入力ノードは仮想短絡されることにより、反転入力ノードの電圧も基準電圧Ｖｒｅｆとなる。

演算増幅器１１９の出力はスイッチ１２５〜１２８を介して保持容量ＣＴＳ１、ＣＴＳ２、ＣＴＮ１、ＣＴＮ２にそれぞれ出力される。保持容量ＣＴＳ１、ＣＴＳ２、ＣＴＮ１、ＣＴＮ２は演算増幅器１１９からの出力を保持する容量である。保持容量ＣＴＳ１、ＣＴＳ２には光電変換時における輝度信号が保持され、保持容量ＣＴＮ１、ＣＴＮ２にはリセット時における信号が保持される。スイッチ１２５〜１２８は保持容量ＣＴＳ１、ＣＴＳ２、ＣＴＮ１、ＣＴＮ２と演算増幅器１１９との間の電気経路に設けられ、演算増幅器１１９の出力ノードと、保持容量ＣＴＳ１、ＣＴＳ２、ＣＴＮ１、ＣＴＮ２との電気的導通を制御する。スイッチ１２５は駆動パルスＰＴＳＡによって制御され、スイッチ１２７は駆動パルスＰＴＳＡＢによって制御される。また、スイッチ１２６、１２８は駆動パルスＰＴＮによって制御される。

スイッチ１２９〜１３２は、水平走査回路１６からの信号に基づきオンとなり、保持容量ＣＴＳ１、ＣＴＳ２、ＣＴＮ１、ＣＴＮ２に保持された信号を水平出力線１３９、１４０へ出力する。水平出力線１３９には保持容量ＣＴＳ１、ＣＴＳ２に保持された輝度信号が出力され、すなわち、水平出力線１４０にはリセット信号が出力される。出力アンプ１５は差動増幅器を含み、水平出力線１３９、１４０に出力された信号の差分を外部へ出力する。すなわち、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）により、輝度信号からノイズ成分が除去された信号が出力アンプ１５から出力される。なお、出力アンプ１５においてＣＤＳを行わずに、撮像装置の外部においてＣＤＳを行っても良い。水平走査回路１６はシフトレジスタを備え、列信号線１３３〜１３８を介して列増幅回路１４に駆動パルスを順次供給することにより、列増幅回路１４からの信号を水平出力線１３９、１４０に出力させる。

図２は、本実施形態に係る撮像装置の画素の変形例を示している。図１に示された複数の画素２のそれぞれは増幅トランジスタ２６を含んでいるが、図２に示すように、複数の画素２Ａ、２Ｂが増幅トランジスタ２６、リセットトランジスタ２５を共有してもよい。図２において、図１と同様の機能を有する部分には同じ符号が付されている。符号に付された「Ａ」、「Ｂ」は、異なる画素の構成を示している。

第１の画素２Ａは光電変換ユニット２００Ａを含み、第２の画素２Ｂは光電変換ユニット２００Ｂを含む。光電変換ユニット２００Ａは光電変換部２１Ａ、２２Ａを含み、光電変換ユニット２００Ｂは光電変換部２１Ｂ、２２Ｂを含む。第１の画素２Ａに含まれる光電変換部２１Ａ、２２Ａには第１のマイクロレンズにより集光された光が入射し、第２の画素２Ｂに含まれる光電変換部２１Ｂ、２２Ｂには第２のマイクロレンズにより集光された光が入射する。

それぞれの光電変換部２１Ａ、２２Ａ、２１Ｂ、２２Ｂに対応して、転送トランジスタ２３Ａ、２４Ａ、２３Ｂ、２４Ｂが設けられている。第１の画素２ＡのＦＤ部２１０、第２の画素２ＢのＦＤ部２１０は電気的に接続されており、増幅トランジスタ２６はＦＤ部２１０の電圧に応じた信号を出力する。転送トランジスタ２３Ａ、２４Ａ、２３Ｂ、２４Ｂに駆動パルスを供給する配線として、駆動配線２１１Ａ、２１２Ａ、２１１Ｂ、２１２Ｂが設けられている。駆動配線２１１Ａ、２１１Ｂには駆動パルスＰＴＸＡ１、ＰＴＸＡ２が供給され、駆動配線２１２Ａ、２１２Ｂには駆動パルスＰＴＸＢ１、ＰＴＸＢ２が供給される。また、リセットトランジスタ２５のゲートには駆動配線２０９を介して駆動パルスＰＲＥＳが供給され、選択トランジスタ２７のゲートには駆動配線２１３を介して駆動パルスＰＳＥＬが供給される。

このような構成によれば、増幅トランジスタ２６、リセットトランジスタ２５、選択トランジスタ２７を、複数の画素によって共有することができる。これにより１つの画素あたりのトランジスタ数を削減することが可能となる。その結果、光電変換部の面積を拡大させることができる。なお、共有する画素の数は２個に限定されることなく、さらに多くの画素において増幅トランジスタ、リセットトランジスタ、選択トランジスタを共有しても良い。

次に、本実施例の撮像装置の画素の構造について説明する。図３は、図２に示される撮像装置の画素２Ａの平面図である。また、図４は、図３のＹ１−Ｙ２線に沿った画素の断面図である。図２で示された素子に対応する部分には、図２と同じ符号が付されている。図中、第１方向および第２方向は例えば撮像装置の列方向および行方向に対応し得るが、これに限定されるものではない。

本発明の撮像装置は、例えばシリコン基板などの半導体基板に形成される。半導体基板は複数の活性領域を含む。図３には、第１の画素２Ａの光電変換ユニット２００Ａに含まれる光電変換部２１Ａ、２２Ａ、光電変換ユニット２００Ａの近傍の構成が示されている。光電変換部２１Ａ、２２Ａは、第１の活性領域に形成される。図３には示されていないが、第２の画素２Ｂに含まれる２つの光電変換部２１Ｂ、２２Ｂは、第１の活性領域とは別の第２の活性領域に形成される。光電変換部２１ＡはカソードであるＮ型電荷蓄積領域３０２Ａとアノードである高濃度のＰ型半導体領域３０１Ａとから構成される。Ｎ型電荷蓄積領域３０２ＡはＰ型ウェル層３０３中に形成され、高濃度のＰ型半導体領域３０１ＡはＮ型電荷蓄積領域３０２Ａ上部の半導体表面近傍に形成される。光電変換部２１Ａにおいて入射光に応じた電荷が励起され、Ｎ型電荷蓄積領域３０２Ａにおいて電荷が蓄積される。光電変換部２２Ａ、２１Ｂ、２２Ｂも光電変換部２１Ａと同様に構成されている。また、素子分離部３０４はＳＴＩ（ｓｈａｌｌｏｗ ｔｒｅｎｃｈ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）分離、ＬＯＣＯＳ（ｌｏｃａｌ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ）分離、ＰＮ接合分離のいずれでも良い。

さらに、第１の活性領域には第１のＦＤ領域１０７Ａ、第２のＦＤ領域１０８Ａが形成されている。第１のＦＤ領域１０７Ａには第１の光電変換部２１Ａの電荷が転送され、第２のＦＤ領域１０８Ａには第２の光電変換部２２Ａの電荷が転送される。２つのＦＤ領域１０７Ａ、１０８Ａは、コンタクトプラグ３０９、３１０と導電部材１０９Ａとによって相互に電気的に接続される。なお、２つのＦＤ領域１０７Ａ、１０８Ａを同一の領域に形成しても良い。これらの第１のＦＤ領域１０７Ａ、第２のＦＤ領域１０８Ａ、導電部材１０９ＡはＦＤ部２１０を構成する。

第１の転送トランジスタ２３Ａのゲート２３Ａ（Ｇ）は、平面視において、第１の光電変換部２１ＡとＦＤ領域１０７Ａとの間に形成される。ＦＤ領域１０７Ａは転送トランジスタ２３Ａのドレインを兼ねており、光電変換部２１ＡのカソードであるＮ型電荷蓄積領域３０２Ａは転送トランジスタ２３Ａのソース領域を兼ねている。なお、転送トランジスタ２３Ａのソース、ドレインを、Ｎ型電荷蓄積領域３０２Ａ、ＦＤ領域１０７Ａとは別に形成しても良い。

また、第２の転送トランジスタ２４Ａも第１の転送トランジスタ２３Ａと同様に構成されている。すなわち、第２の転送トランジスタ２４Ａのゲート２４Ａ（Ｇ）が、平面視において、第２の光電変換部２２ＡとＦＤ領域１０８Ａとの間に形成される。また、第２の転送トランジスタ２４Ａのソースおよびドレインは、それぞれ第２の光電変換部２２ＡのＮ型電荷蓄積領域３０２Ａ、ＦＤ領域１０８Ａを共有している。

図３には示されていない、増幅トランジスタ２６、リセットトランジスタ２５、選択トランジスタ２７等は、光電変換部２１Ａ、２２Ａが配された活性領域とは別の第３の活性領域に形成される。これらのトランジスタは、ソース領域またはドレイン領域を他のトランジスタと共有していてもよい。増幅トランジスタ２６とリセットトランジスタ２５とが共有するドレイン領域は、コンタクトプラグを介して、電源電圧を供給する導電部材に電気的に接続されている。また、選択トランジスタ２７のソース領域は、コンタクトプラグを介して、出力線２０７を構成する導電部材に電気的に接続されている。

ＦＤ部２１０は、コンタクトプラグを介して、増幅トランジスタ２６のゲートに電気的に接続される。具体的には、２つのＦＤ領域１０７Ａ、１０８Ａを相互に電気的に接続する導電部材１０９Ａが、コンタクトプラグを介して、増幅トランジスタ２６のゲートに電気的に接続される。なお、第２の画素２Ｂに対応するＦＤ領域１０７Ｂ、１０８Ｂも、不図示の導電部材およびコンタクトプラグを介して、増幅トランジスタ２６のゲートに電気的に接続される。

第１の転送トランジスタのゲート２３Ａ（Ｇ）は、コンタクトプラグを介して、導電部材からなる駆動配線２１１Ａに電気的に接続されている。第２の転送トランジスタのゲート２４Ａ（Ｇ）は、コンタクトプラグを介して、導電部材からなる駆動配線２１２Ａに電気的に接続されている。本実施形態では、駆動配線２１１Ａ、２１２Ａ、導電部材１０９Ａが同じ配線層に配されているが、他の配線層に形成されてもよい。図示されていないが、出力線２０７、電源配線、ＧＮＤ配線、遮光用配線などを構成する導電部材が形成される。

図示されていないが、撮像装置には複数のマイクロレンズを有するレンズアレイが設けられており、それぞれのマイクロレンズは画素の光電変換部２１Ａ、２２Ａの上部に形成される。１つの画素に１つのマイクロレンズが形成される場合、焦点検出のために同一画素の複数の光電変換部のほぼ中間領域に集光するようにマイクロレンズを形成することが望ましい。但し、本発明はこのような構成に限定されるものではない。

ここで、本発明の特徴的な構成を説明する。図３に示されるように、２つのＦＤ領域１０７Ａ、１０８Ａを相互に電気的に接続する導電部材１０９Ａは、平面視において、第１の転送トランジスタのゲート２３Ａ（Ｇ）に電気的に接続された第１の駆動配線２１１Ａに沿って対向しながら平行に形成されている。また、導電部材１０９ＡはＦＤ部２１０の端部を越えて延在している。ここで、ＦＤ部２１０の端部とは、ＦＤ領域１０７Ａと素子分離部３０４の境界を指す。このような構造のため、第１の転送トランジスタのゲート２３Ａ（Ｇ）および第１の駆動配線２１１ＡとＦＤ部２１０との間の容量成分を増大させることができる。なお、導電部材１０９Ａは第１の駆動配線２１１Ａに対向しながら延在していれば良く、導電部材１０９Ａと駆動配線２１１Ａとは必ずしも平行でなくても良い。

また、第１の駆動配線２１１Ａは第２の駆動配線２１２ＡよりもＦＤ部２１０の近くに形成されている。すなわち、第１の駆動配線２１１ＡとＦＤ部２１０の端部との距離ｄ１は、第２の駆動配線２１２ＡとＦＤ部２１０との距離ｄ２よりも短い。よって、第１の駆動配線２１１ＡとＦＤ部２１０および導電部材１０９Ａとの寄生容量をさらに増大させることができる。

このような構成において、第１の駆動配線２１１Ａを介して転送トランジスタのゲートにハイレベルの駆動パルスを印加すると、寄生容量の増大によってＦＤ部２１０の電圧が上昇する。光電変換部２２Ａにおいて励起された負の電荷はＦＤ部２１０に転送され易くなり、信号対雑音比が改善され、固定パターンノイズ、ランダムノイズを低減することが可能となる。

次に本実施形態に係る撮像装置の動作を図５を参照しながら説明する。図５は、図１に示された撮像装置のタイミングチャートである。それぞれの駆動パルスがハイレベルになると、対応するトランジスタがオン（導通状態）になり、駆動パルスがローレベルになると対応するトランジスタがオフ（非導通状態）になる。

まず時刻ｔ１において、駆動配線２１１Ａ、２１２Ａに供給される駆動パルスＰＴＸＡ、ＰＴＸＢがハイレベルとなり、転送トランジスタ２３Ａ、２４Ａがオンとなる。この時、駆動配線２０９に供給される駆動パルスＰＲＥＳがハイレベルであるため、リセットトランジスタ２５がオンとなり、光電変換部２１Ａ、２２Ａがリセットされる。

次に時刻ｔ２において、駆動パルスＰＴＸＡ、ＰＴＸＢがローレベルとなり、転送トランジスタ２３Ａ、２４Ａがオフとなる。同時に、光電変換部２１Ａ、２２Ａにおける電荷蓄積期間が開始する。駆動パルスＰＲＥＳはハイレベルを維持し、リセットトランジスタ２５はオンのままであるため、増幅トランジスタ２６の入力ノードであるＦＤ部２１０のリセット動作は継続している。

時刻ｔ３において、駆動配線２１３に供給される駆動パルスＰＳＥＬがハイレベルとなり、選択トランジスタ２７がオンになる。時刻ｔ４において、駆動配線２０９に供給される駆動パルスＰＲＥＳがローレベルとなり、リセットトランジスタ２５がオフとなる。これにより、増幅トランジスタ２６の入力ノードのリセット動作が終了する。そして、入力ノードのリセット時の信号（以下、「リセット信号」という）が入力ノードから出力線２０７へ読み出され、列増幅回路１４に入力する。この時、駆動パルスＰＣ０Ｒがハイレベルであるため、スイッチ１１８が導通状態である。演算増幅器１１９はボルテージフォロワとして動作し、基準電圧Ｖｒｅｆをバッファ出力する。この状態において、入力容量ＣＯにリセット信号が供給される。

次に時刻ｔ５において、駆動パルスＰＣ０Ｒがローレベルとなり、スイッチ１１８はオフとなる。演算増幅器１１９は、入力容量ＣＯとフィードバック容量Ｃｆのそれぞれの容量比で定まる増幅率（−Ｃ０／Ｃｆ）でリセット信号を増幅する。演算増幅器１１９からは、Ｖｒｅｆ＋Δｎ×（−Ｃ０／Ｃｆ）の電圧が出力される。ここで、Δｎは、リセット時に生じるｋＴＣノイズ、トランジスタの閾値のバラツキによる固定パターンノイズ等のノイズ成分を表す。

時刻ｔ６において、駆動パルスＰＴＮがローレベルからハイレベルになり、スイッチ１２６、１２８がオンとなる。これにより、増幅されたリセット信号が保持容量ＣＴＮ１、ＣＴＮ２に供給される。時刻ｔ７において、駆動パルスＰＴＮがハイレベルからローレベルへと切り替わり、スイッチ１２６、１２８がオフとなる。これらの動作により、リセット信号が保持容量ＣＴＮ１、ＣＴＮ２へ供給され、その後保持容量ＣＴＮ１、ＣＴＮ２と演算増幅器１１９の出力ノードとが非導通となる。

時刻ｔ８において、駆動パルスＰＴＸＡがハイレベル、第１の転送トランジスタ２３Ａがオンとなり、第１の光電変換部２１Ａの電荷がＦＤ部２１０へ転送される。時刻ｔ９において、駆動パルスＰＴＸＡがローレベルとなり、第１の転送トランジスタ２３Ａがオフとなる。これにより、第１の光電変換部２１Ａで生じた電荷に基づく信号（以下、「輝度信号」という）が、増幅トランジスタ２６、出力線２０７を介して列増幅回路１４へ供給される。以上の動作により、出力線２０７に光電変換部２１Ａの信号に対応した輝度信号を生じさせることができる。

なお、時刻ｔ８からｔ９までの間、駆動パルスＰＴＸＢはローレベルなので、第２の転送トランジスタ２４Ａはオフに維持される。つまり、時刻ｔ８において、第１および第２の転送トランジスタ２３Ａ、２４Ａの両方がオフの状態から、第２の転送トランジスタ２４Ａがオフのまま、第１の転送トランジスタ２３Ａがオンになる。

列増幅回路１４において、増幅率（−Ｃ０／Ｃｆ）で電圧変化を乗じた値が出力される。具体的には、出力線２０７における負の輝度信号の電圧変化をΔＶａとすると、演算増幅器１１９における出力電圧Ｖ（Ａ）は次式で表さる。
Ｖ（Ａ）＝Ｖｒｅｆ＋（ΔＶａ＋Δｎ）×（−Ｃ０／Ｃｆ） 式（１）

次に時刻ｔ１０において、駆動パルスＰＴＳＡがローレベルからハイレベルへ切り替わり、スイッチ１２５がオンとなる。時刻ｔ１１において、駆動パルスＰＴＳＡがハイレベルからローレベルへと切り替わり、スイッチ１２５がオフになる。この動作により、光電変換時の輝度信号が保持容量ＣＴＳ１に保持される。

時刻ｔ１２において、駆動パルスＰＴＸＡがハイレベルとなり、駆動パルスＰＴＸＡのハイレベル期間の少なくとも一部の期間で駆動パルスＰＴＸＢがハイレベルとなる。これにより、第１の転送トランジスタ２３Ａおよび第２の転送トランジスタ２４Ａの両方が並行してオンとなる。これにより、光電変換部２１Ａ、２２Ａの双方の電荷がＦＤ部２１０へ転送され、出力線２０７に画像形成用の輝度信号を生じさせることができる。

なお、駆動パルスＰＴＸＡ、ＰＴＸＢとを同時にローレベルからハイレベルへ遷移させてもよく、あるいは、駆動パルスＰＴＸＢよりも先に駆動パルスＰＴＸＡをローレベルからハイレベルへ遷移させてもよい。または、駆動パルスＰＴＸＡを駆動パルスＰＴＸＢよりも後にローレベルからハイレベルへ遷移させてもよい。

光電変換部２１Ａの電荷を転送した後、光電変換部２１Ａ、２２Ａの双方の電荷を並行してＦＤ部２１０へ転送するまでの間、ＦＤ部２１０の電圧、つまり、増幅トランジスタ２６の入力ノードの電圧はリセットされない。すなわち、第１の転送トランジスタ２３Ａがオンしてから第１および第２の転送トランジスタ２３Ａ、２４Ａの両方がオンするまでの間、リセットトランジスタ２７がオフに維持される。

そして、ＦＤ部２１０へ転送された電荷に基づく輝度信号、すなわち、光電変換部２１Ａと光電変換部２２Ａの加算された輝度信号が、列増幅回路１４へ供給される。出力線２０７における負の輝度信号の電圧変化をΔＶ（ａ＋ｂ）とすると、演算増幅器１１９における出力電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）は次式で表される。なお、ΔＶ（ａ＋ｂ）には輝度信号に加えてノイズ成分Δｎが重畳されているものとする。
Ｖ（Ａ＋Ｂ）＝Ｖｒｅｆ＋（ΔＶ（ａ＋ｂ）＋Δｎ）×（−Ｃ０／Ｃｆ） 式（２）

時刻ｔ１４において、駆動パルスＰＴＳＡＢがローレベルからハイレベルに切り替わり、スイッチ１２７がオンとなる。時刻ｔ１５において、駆動パルスＰＴＳＡＢがハイレベルからローレベルへと切り替わり、スイッチ１２７がオフとなる。この動作により演算増幅器１１９の出力ノードの電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）が保持容量ＣＴＳ２へ書き込まれる。そして、出力アンプ１５は、容量ＣＴＳ２における電圧Ｖ（Ａ＋Ｂ）と容量ＣＴＮ２における電圧（Ｖｒｅｆ＋Δｎ×（−Ｃ０／Ｃｆ））の差電圧を次式に従い出力する。
Ｖ（Ａ＋Ｂ）−（Ｖｒｅｆ＋Δｎ×（−Ｃ０／Ｃｆ））
＝ΔＶ（ａ＋ｂ）×（−Ｃ０／Ｃｆ） 式（３）

これは１つの画素に含まれる２つの光電変換部の信号を加算して得られた輝度信号に相当する。容量ＣＴＳ２の電圧と容量ＣＴＮ２の電圧との差電圧を得ることにより、リセット時に生じるｋＴＣノイズ、トランジスタの閾値のバラツキによる固定パターンノイズ等のノイズ成分Δｎが除去される。

また、保持容量ＣＴＳ１における電圧Ｖ（Ａ）と保持容量ＣＴＮ２における電圧（Ｖｒｅｆ＋Δｎ×（−Ｃ０／Ｃｆ））の差電圧は以下のようになる。
Ｖ（Ａ）−（Ｖｒｅｆ＋Δｎ×（−Ｃ０／Ｃｆ））
＝ΔＶａ×（−Ｃ０／Ｃｆ） 式（４）

これは第１の光電変換部２１Ａのみの輝度信号に相当する。第１の光電変換部２１Ａによって得られる信号は集光された撮影レンズの瞳の一部を透過する光束の情報に相当する。さらにこれらの差電圧は以下のようになる。
（ΔＶ（ａ＋ｂ）×（−Ｃ０／Ｃｆ））−（ΔＶａ×（−Ｃ０／Ｃｆ））
＝（ΔＶ（ａ＋ｂ）−ΔＶａ）×（−Ｃ０／Ｃｆ） 式（５）

これは第２の光電変換部２２Ａのみの輝度信号に相当する。第２の光電変換部２２Ａによって得られる信号は集光された撮影レンズの瞳の別の一部を透過する光束の情報が得られる。各画素に含まれる複数の２つの光電変換部は平面視において、異なる位置に配される。そして光電変換部２１Ａ、２２Ａの２つの光束の情報から焦点検出を行なうことができる。

上記演算は撮像装置内で行われても良く、また、撮像装置から出力された後に信号処理部で行われても良い。ただし、第１の光電変換部２１Ａのみの輝度信号、及び２つの光電変換部２１Ａ、２２Ａの加算後の輝度信号は撮像装置内で得られることは上述したとおりである。

次に、時刻ｔ１６において、駆動パルスＰＲＥＳがハイレベルとなり、リセットトランジスタ２５がオンとなることにより、ＦＤ部２１０の電圧がリセットされる。

保持容量ＣＴＳ１、ＣＴＳ２、ＣＴＮ１、ＣＴＮ２に保持された信号は、時刻ｔ１７以降にパルスＰＨに同期した駆動パルス１３３、１３４が順次、オンになることで読み出される。本実施形態によれば水平出力線１３９、１４０の後段に差動増幅を行なう出力アンプ１５が設けられている。このため、保持容量ＣＴＳ１、ＣＴＮ１に保持された信号の差分を撮像装置外部に出力することができる。更に、保持容量ＣＴＳ２、ＣＴＮ２に保持された信号の差分を撮像装置外部に出力することができる。これにより水平出力線１３９、１４０において生じるノイズを低減することができる。なお、出力アンプ１５は必ずしも差動増幅を行う必要はなく、単なるバッファ回路であってもよい。これ以降、順次各列の信号が水平走査回路１６により走査されて水平出力線１３９、１４０に読み出される。

上述したように、第１の光電変換部２１Ａのみの信号が読み出された後に、第１および第２の光電変換部２１Ａ、２２Ａの加算信号が読み出される。第１の光電変換部２１Ａのみの信号を先に読み出すことで、低ノイズの信号が得られる。なぜならば、保持容量ＣＴＳ１、ＣＴＳ２、ＣＴＮ１、ＣＴＮ２に保持されている時間が長いほど、容量およびスイッチによるリーク電流の影響を受け易くなるからである。但し、本発明は読み出し順序を逆にすることを妨げるものではない。

続いて、図６を参照しながら図２に示された撮像装置の動作を説明する。図２で示された撮像装置の動作についても、図５で示されるタイミングチャートに示された読出し動作と同様の読み出しを行うことができる。図２に示された撮像装置では、光電変換部２１Ａ、２２Ａからの信号と、光電変換部２１Ｂ、２２Ｂからの信号とを、異なる行の信号として読み出すことができる。

具体的には、第１の画素２Ａにおいて、光電変換部２１Ａの信号を読み出した後に、光電変換部２１Ａ、２２Ａの電荷をＦＤ部２１０で加算することにより、焦点検出量の信号と撮像用の信号が得られる。同様に、ＦＤ部２１０をリセットした後に、第２の画素２Ｂの光電変換部２１Ｂの信号が読み出され、次いで光電変換部２１Ｂ、２２Ｂの電荷がＦＤ部２１０において加算される。これにより、第２の画素２Ｂにおける焦点検出用の信号と撮像用の信号が得られる。

また、図２で示された撮像装置では、異なる２つの画素２Ａ、２Ｂが増幅トランジスタ２６を共有している。したがって、光電変換部２１Ａ、２１Ｂ、２２Ａ、２２Ｂの信号の全てをＦＤ部２１０で加算することもできる。図６は、２つの画素の信号を加算して読み出す場合における、駆動方法を示している。ここで、転送トランジスタ２３Ａ、２４Ａに供給される駆動パルスのそれぞれをＰＴＸＡ１、ＰＴＸＢ１とする。更に、転送トランジスタ２３Ｂ、２４Ｂに供給される駆動パルスのそれぞれをＰＴＸＡ２、ＰＴＸＢ２とする。

時刻ｔ１において、駆動パルスＰＴＸＡ１、ＰＴＸＢ１、ＰＴＸＡ２、ＰＴＸＢ２がハイレベルとなり、転送トランジスタ２３Ａ、２４Ａ、２３Ｂ、２４Ｂがオンとなる。この時、駆動配線２０９に供給される駆動パルスＰＲＥＳがハイレベルであるため、リセットトランジスタ２５がオンとなり、光電変換部２１Ａ、２２Ａ、２１Ｂ、２２Ｂがリセットされる。

時刻ｔ２において、駆動パルスＰＴＸＡ１、ＰＴＸＢ１、ＰＴＸＡ２、ＰＴＸＢ２がローレベルとなり、転送トランジスタ２３Ａ、２４Ａ、２３Ｂ、２４Ｂがオフとなる。時刻ｔ３において、駆動パルスＰＳＥＬがハイレベルとなり、選択トランジスタ２７がオンになる。時刻ｔ４において、駆動パルスＰＲＥＳがローレベルとなり、リセットトランジスタ２５がオフとなる。これにより、入力ノードにおけるリセット信号が出力線２０７へ読み出される。この時、駆動パルスＰＣ０Ｒがハイレベルであるため、スイッチ１１８が導通状態となり、演算増幅器１１９は基準電圧Ｖｒｅｆをバッファ出力する。

時刻ｔ５において、駆動パルスＰＣ０Ｒがローレベルとなり、スイッチ１１８はオフとなる。演算増幅器１１９は増幅率（−Ｃ０／Ｃｆ）でリセット信号を増幅する。時刻ｔ６において、駆動パルスＰＴＮがローレベルからハイレベルになり、スイッチ１２６、１２８がオンとなる。演算増幅器１１９により増幅されたリセット信号が保持容量ＣＴＮ１、ＣＴＮ２に供給される。時刻ｔ７において、駆動パルスＰＴＮがハイレベルからローレベルへと切り替わり、スイッチ１２６、１２８がオフとなり、リセット信号が保持容量ＣＴＮ１、ＣＴＮ２において保持される。

時刻ｔ８において、駆動パルスＰＴＸＡ１、ＰＴＸＡ２がローレベルからハイレベルとなり、時刻ｔ９において、駆動パルスＰＴＸＡ１、ＰＴＸＡ２がハイレベルからローレベルとなる。この動作により異なる画素に含まれる光電変換部２１Ａ、２１Ｂの電荷がＦＤ部２１０で加算される。時刻ｔ１０〜ｔ１１において、駆動パルスＰＴＳＡがハイレベルとなり、輝度信号が保持容量ＣＴＳ１に保持される。出力アンプ１５は保持容量ＣＴＳ１の輝度信号と保持容量ＣＴＮ１のリセット信号との差電圧の信号を出力する。この信号は焦点検出用の信号として用いられる。

時刻ｔ１２において、駆動パルスＰＴＸＡ１、ＰＴＸＡ２、ＰＴＸＢ１、ＰＴＸＢ２がローレベルからハイレベルとなる。その後、時刻ｔ１３において、駆動パルスＰＴＸＡ１、ＰＴＸＡ２、ＰＴＸＢ１、ＰＴＸＢ２がハイレベルからローレベルとなる。この動作により異なる画素に含まれる全ての光電変換部２１Ａ、２２Ａ、２１Ｂ、２２Ｂの電荷がＦＤ部２１０で加算される。時刻ｔ１４〜ｔ１５において、駆動パルスＰＴＳＡＢがハイレベルとなり、輝度信号が保持容量ＣＴＳ２において保持される。出力アンプ１５は保持容量ＣＴＳ２の輝度信号と保持容量ＣＴＮ２のリセット信号の差電圧の信号を出力する。この信号は撮像用の信号として用いられる。

上述した読み取り動作においては、焦点検出用の信号は、異なる画素に含まれる複数の光電変換部の電荷を加算することにより得られる。そのため、Ｓ／Ｎを向上させることができ、精度の高い焦点検出が可能となる。

また、本実施形態の撮像装置によれば、高速に信号を読み出すことができる。以下、この効果を詳細に説明する。一般に、転送トランジスタのゲートの電圧が、オフに対応するレベルからオンに対応するレベルに遷移する際に、転送トランジスタのゲートに電気的に接続された導電部材とＦＤ部との容量結合により、ＦＤ部の電圧が変化する。例えば、転送トランジスタがｎＭＯＳトランジスタの場合、ゲートの電圧を０Ｖから３．３Ｖにすることにより、トランジスタがオンになる。このとき、ＦＤ部とゲートとの容量成分により、ＦＤ部の電圧が上昇し、光電変換部において励起された負の電荷である電子がＦＤ部に転送され易くなる。従って、転送効率を上げることができ、転送できる電荷の最大量を増やすとともに、電荷を高速に転送することが可能となる。

本実施例では、２つの光電変換部のうちの第１の光電変換部２１Ａの電荷に基づく信号が独立して読み出される。そのために、２つの転送トランジスタ２３Ａ、２４Ａのうち、第２の転送トランジスタ２４Ａをオフに維持したまま、第１の転送トランジスタ２３Ａをオフからオンに制御している。ＦＤ部２１０に電気的に接続された導電部材１０９Ａは、第２の転送トランジスタ２４Ａのための駆動配線２１２Ａよりも第１の転送トランジスタ２３Ａのための駆動配線２１１Ａに近い位置に形成されている。これにより、第１の光電変換部２１Ａの電荷が転送される際における、ＦＤ部２１０の電圧を高くすることができる。その結果、電荷の転送効率を上げることができる。

図７は本実施形態の撮像装置のＦＤ部の電圧の変化を説明するための図である。図７の下段の波形は、読み出し期間のＦＤ部２１０の電圧ＶＦＤを表している。上段の波形は、第１の転送トランジスタ２３Ａの駆動配線２１１Ａに供給される駆動パルスＰＴＸＡを表し、中段の波形は、第２の転送トランジスタ２４Ａの駆動配線２１２Ａに供給される駆動パルスＰＴＸＢを表している。なお、図７の時刻ｔ８、ｔ９、ｔ１２、ｔ１３は、それぞれ、図５および図６の時刻ｔ８、ｔ９、ｔ１２、ｔ１３に対応する。

時刻ｔ８において、駆動パルスＰＴＸＡがローレベルからハイレベルとなり、転送トランジスタ２３Ａがオンとなる。これにより、光電変換部２１Ａに蓄積された電荷がＦＤ部２１０へ読み出される状態となる。上述したように、この電荷は例えば焦点検出用の信号として用いられる。この時のＦＤ部２１０の電圧ＶＦＤの変化の量をａとし、駆動パルスＰＴＸＢのみをローレベルからハイレベルとした場合のＦＤ部２１０の電圧ＶＦＤの変化の量をｂとする。

本実施形態においては、２つのＦＤ領域１０７Ａ、１０８Ａは導電部材１０９Ａにより相互に電気的に接続されている。導電部材１０９Ａは、第１の転送トランジスタのゲート２３Ａに電気的に接続された駆動配線２１１Ａに平行となるように形成され、かつＦＤ部２１０の端部を越えて延在している。ここで、ＦＤ部２１０の端部とは、ＦＤ領域１０７Ａと素子分離部３０４の境界を指している。

このような構造のため、第１の転送トランジスタ２３Ａのゲート２３Ａおよび第１の導電部材１０９ＡとＦＤ部２１０との間の容量成分が増大し、ＦＤ部２１０の変化量ａも増大する。すなわち、本実施形態によれば、ＦＤ部２１０の電圧をより高くした状態で、電荷の転送を行うことができる。この結果、転送できる電荷の最大量を増やすとともに、電荷を高速に転送することが可能となる。

また、時刻ｔ１２〜ｔ１３において、駆動パルスＰＴＸＡ、ＰＴＸＢの両方を並行してハイレベルにすることにより以下の効果が得られる。上述したように、転送トランジスタのゲートの電圧がローレベルからハイレベルに遷移する際に、転送トランジスタの駆動配線とＦＤ部２１０との容量結合によりＦＤ部２１０の電圧が上昇する。２つの転送トランジスタ２３Ａ、２４Ａのゲートの電圧が並行してローレベルからハイレベルに遷移することにより、１つの転送トランジスタのみがオンする場合と比較して、ＦＤ部２１０の電圧ＶＦＤの上昇量が大きくなる。ＦＤ部２１０の電圧ＶＦＤが高くなると、光電変換部２１Ａ、２２Ａの電荷がＦＤ部２１０に転送され易くなる。したがって、電荷の転送効率を向上させることができる。この転送効率向上の効果は、２つの転送トランジスタが少なくとも並行してオンしていれば得られる。なお、２つの転送トランジスタがオン、オフに遷移するタイミングは必ずしも一致していなくても、同時にオンしている期間があれば、より転送効率を向上させることができる。

特に、本実施形態のように、１つの画素２が２つの光電変換部を備える撮像装置においては、２つの光電変換部２１Ａ、２２Ａの間にポテンシャル障壁が設けられる場合が多い。このポテンシャル障壁により、光電変換部のポテンシャル分布が複雑になる。このため、転送時の電荷残りが発生しやすく、固定パターンノイズやランダムノイズが生じる場合がある。これに対して駆動パルスＰＴＸＡ、ＰＴＸＢを同時にハイレベルとすることにより、ＦＤ部２１０の電圧が高い状態で電荷を転送することができ、固定パターンノイズやランダムノイズを低減することができる。

図８は本実施形態に係る撮像装置の画素の平面図であって、第３の活性領域をさらに示している。第３の活性領域には、リセットトランジスタ２５、増幅トランジスタ２６、選択トランジスタ２７が形成されている。リセットトランジスタ２５、増幅トランジスタ２６はドレイン領域を共有して形成されており、ドレイン領域はコンタクトプラグを介して電源電圧を供給する導電部材に電気的に接続されている。また、増幅トランジスタ２６のソース領域と選択トランジスタ２５のドレイン領域は共有して形成されている。選択トランジスタ２５のソース領域はコンタクトプラグを介して出力線２０７を構成する導電部材に電気的に接続されている。

導電部材１０９Ａは、第１のＦＤ領域１０７Ａ、第２のＦＤ領域１０８Ａをコンタクトプラグ３０９、３１０を介して相互に電気的に接続するとともに、第１の駆動配線２１１Ａに対向しながら平行に延在している。また、導電部材１０９Ａの一端はコンタクトプラグ３１２を介して増幅トランジスタ２６のゲートに電気的に接続され、導電部材１０９Ａの他端はＦＤ領域１０７Ａの活性領域の端部を超えて延在している。このような構成により、第１の駆動配線２１１Ａと導電部材１０９Ａとの容量が増加する。すなわち、転送トランジスタのゲート２３Ａ（Ｇ）および導電部材１０９ＡとＦＤ部２１０との容量成分を増加させることができ、電荷の転送効率を向上させることが可能になる。

図９は本実施形態に係る撮像装置の画素の平面図であって、図８に示された構成の変形例を表している。リセットトランジスタ２５、増幅トランジスタ２６、選択トランジスタ２７は第３の活性領域に形成されている。第３の活性領域は、光電変換部２１Ａ、２２Ａが延在する方向（第１方向）に対して垂直方向（第２方向）に延在している。導電部材１０９Ａは第１の駆動配線２１１Ａに対向しながら平行に延在し、導電部材１０９Ａの一端はコンタクトプラグ３１０を介して第２のＦＤ領域１０８Ａに電気的に接続されている。また、導電部材１０９Ａの他端は第１のＦＤ領域１０７Ａの活性領域の端部を超えて延在している。さらに、導電部材１０９Ａは、増幅トランジスタ２６のゲートにコンタクトプラグ３１２を介して電気的に接続されている。このような構成により、第１の駆動配線２１１Ａと導電部材１０９Ａとの寄生容量を増加させることができ、電荷の転送効率を上げることが可能になる。

（第２実施形態）
図１０は本発明の第２実施形態に係る撮像装置の画素の平面図である。図１０に示されていない構成は第１実施形態に係る構成と同様であるため、その説明を省略する。本実施形態においても、導電部材１０９Ａは第１の駆動配線２１１Ａに対向しながら平行に延在するとともに、ＦＤ領域１０７Ａ、１０８Ａの活性領域の端部を超えて延在している。また、増幅トランジスタ２６が形成される第３の活性領域は光電変換部２１Ａ、２２Ａが延在する方向（第１方向）に平行に形成されている。また、第３の活性領域は、第２の転送トランジスタのゲート２４Ａ（Ｇ）よりも、第１の転送トランジスタのゲート２３Ａ（Ｇ）に近い位置に形成されている。すなわち、増幅トランジスタ２６のゲートと第１の転送トランジスタのゲート２３Ａ（Ｇ）とは近接しており、第１の駆動配線２１１Ａと導電部材１０９Ａとの寄生容量が増加する。導電部材１０９ＡとＦＤ部２１０との間の寄生容量をさらに増加させることができ、電荷の転送効率がさらに向上する。

さらに、本実施形態においても、第１の駆動配線２１１Ａは第２の駆動配線２１２ＡよりもＦＤ部２１０の近くに形成されている。すなわち、第１の駆動配線２１１ＡからＦＤ部２１０の端部との距離ｄ１は、第２の駆動配線２１２ＡからＦＤ部２１０の端部との距離ｄ２よりも短い。よって、第１の駆動配線２１１ＡとＦＤ部２１０および導電部材１０９Ａとの寄生容量が増えるため、電荷の転送効率を向上させることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る撮像装置を図１１、図１２を用いて説明する。図１１は、本実施形態に係る撮像装置の画素の平面図である。また、図１２は、図１１のＹ１−Ｙ２線に沿った断面図である。図１１、図１２に示されていない構成は第１実施形態の構成と同様であるため、その説明を省略する。本実施形態において、第３の活性領域に、Ｎ型半導体領域（第３のフローティングディフュージョン領域）、および容量加算トランジスタ２８がさらに形成されている。容量加算トランジスタ２８は、ゲート容量をＦＤ容量に加算するためのトランジスタであり、容量加算トランジスタ２８のゲートに電圧を供給することによって、ＦＤ容量を制御することができる。

本実施形態において、導電部材１０９Ａは第１の駆動配線２１１Ａに対向しながら平行に延在するとともに、コンタクトプラグ３０９、３１０を介してＦＤ領域１０７Ａ、１０８Ａに電気的に接続されている。また、導電部材１０９Ａはコンタクトプラグ３１３を介してＮ型半導体領域１１１に電気的に接続され、平面視において導電部材１０９Ａの端部はＮ型半導体領域１１１の端部を超えて容量加算トランジスタ２８まで延在している。Ｎ型半導体領域１１１は図示されていない配線層によって、増幅トランジスタ２６のゲートに電気的に接続されている。

本実施形態において、ＦＤ部２１０の端部は、Ｎ型半導体領域であるＦＤ領域１０７Ａとは別領域のＮ型半導体領域１１１と容量加算トランジスタ２８のゲートとの境界もしくは、ｐｎ接合の境界に相当する。なお、ＦＤ部２１０の端部は、容量加算トランジスタ２８において画定されるのではなく、容量加算トランジスタ２８とリセットトランジスタ２５のゲートとの境界において画定されても良い。導電部材１０９ＡがＦＤ部２１０の端部を越えて延在していれば、その構成を問わない。なお、Ｎ型半導体領域１１１をＦＤ領域１０７Ａと同一の活性化領域に形成してもよい。

本実施形態においても、第１の転送トランジスタのゲート２３Ａ（Ｇ）および第１の駆動配線２１１ＡとＦＤ部２１０との間の寄生容量を増大することができ、第１実施形態の効果がより顕著になる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態に係る撮像装置を図１３、図１４を用いて説明する。本実施形態に係る撮像装置の回路図は図２に示された回路図と同様であるため、画素の構成を主に説明する。図１３は、本実施形態に係る撮像装置の画素の平面図である。また、図１４は、図１３のＹ１−Ｙ２線に沿った断面図である。本実施形態においては、第１方向に隣接する第１の画素２Ａと第２の画素２Ｂとが、ミラー（鏡映）対称となるように形成されている。すなわち、第３、第４の光電変換部２１Ｂ、２２Ｂ、ゲート２３Ｂ（Ｇ）、２４Ｂ（Ｇ）はＦＤ部２１０を中心として、第１、第２の光電変換部２１Ａ、２２Ａ、ゲート２３Ａ（Ｇ）、２４Ａ（Ｇ）と対象に形成されている。さらに、第３、第４の駆動配線２１１Ｂ、２１２ＢはＦＤ部２１０を中心として、第１、第２の駆動配線２１１Ａ、２１２Ａと対称に形成されている。導電部材１０９Ａは駆動配線２１１Ａ、２１１Ｂの中間位置に形成されるとともに、駆動配線２１１Ａ、２１１Ｂに対向しながら平行に延在している。

第２の画素２Ｂにおいては、第１の画素２Ａと同様に、焦点検出用の信号として光電変換部２１Ｂの信号を読み出し、撮像用の信号として光電変換部２１Ｂ、２２Ｂの信号を加算して読み出すことができる。２つの画素２Ａ、２Ｂは増幅トランジスタ２６を共有しており、光電変換部２１Ａ、２２Ａ、２１Ｂ、２２Ｂの電荷をＦＤ部２１０で加算し、出力することができる。また、光電変換部２１Ａ、２２Ａからの信号と、光電変換部２１Ｂ、２２Ｂからの信号とを、異なる行の信号として読み出すこともできる。

本実施形態においては、導電部材１０９Ａは駆動配線２１１Ａ、２１１Ｂの中間に形成されている。よって、導電部材１０９Ａと駆動配線２１１Ａとの間の寄生容量と、導電部材１０９Ａと駆動配線２１１Ｂとの間の寄生容量とをおよそ等しくすることができる。このため、第１の光電変換部２１Ａの電荷が転送されるときのＦＤ部２１０の電圧と、第２の光電変換部２１Ｂの電荷が転送されるときのＦＤ部２１０の電圧がおよそ等しくなる。すなわち、第１の画素２Ａ、第２の画素２Ｂのそれぞれから出力される信号量を等しくすることができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態に係る撮像装置を図１５を用いて説明する。以下、第１実施形態と異なる構成を主に説明し、第１実施形態と同様の構成についての説明を省略する。

図１５は本実施形態に係る撮像装置の画素の平面図である。図１５において、図３における部材と同様の機能を有する部材には同じ符号が付されている。図１５において、第１のＦＤ領域１０７Ａ、第１の転送トランジスタのゲート２３Ａ（Ｇ）、第１の光電変換部２１Ａ、第２の光電変換部２２Ａ、第２の転送トランジスタのゲート２４Ａ（Ｇ）、第２のＦＤ領域１０８Ａが第２の方向に沿って順に並んで形成されている。第１の駆動配線２１１Ａ、第２の駆動配線２１２Ａは第２の方向に沿って延在している。

ゲート２３Ａ（Ｇ）と第１の駆動配線２１１Ａとは、第１の方向に延在する導電部材９０１を介して電気的に接続されている。同様に、ゲート２４Ａ（Ｇ）と第２の駆動配線２１２Ａとは、第１の方向に延在する導電部材９０２を介して電気的に接続されている。駆動配線２１１Ａ、２１２Ａ、導電部材１０９Ａは第１の配線層に形成され、導電部材９０１、９０２は第１の配線層の上の第２の配線層に形成される。導電部材１０９Ａは、駆動配線２１１Ａに平行な中央部と、駆動配線２１１Ａに垂直な２つの端部とを有する。導電部材１０９Ａの２つの端部はコンタクトプラグ３０９、３１０を介してＦＤ領域１０７Ａ、１０８Ａに電気的にそれぞれ接続されている。また、導電部材１０９Ａのそれぞれの端部は転送トランジスタのゲート２３Ａ（Ｇ）、２４Ａ（Ｇ）に近接するとともに、ＦＤ領域１０７Ａ、１０８Ａの端部を超えて延在している。さらに、導電部材１０９Ａは図示されていない増幅トランジスタ２６のゲートに電気的に接続されている。

本実施例においては、ミラー対称性を高めるために、２つのＦＤ領域１０７Ａ、１０８Ａの間には、光電変換部２１Ａ、２２Ａが位置している。したがって、ＦＤ部２１０に含まれる導電部材１０９Ａを長くすることができ、第１の転送トランジスタのゲート２３Ａ（Ｇ）および第１の駆動配線２１１ＡとＦＤ部２１０との間の寄生容量を増大することができ、第１実施形態の効果がより顕著になる。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態に係る撮像装置を図１６を用いて説明する。以下、第１実施形態と異なる構成を主に説明し、第１実施形態と同様の構成についての説明を省略する。

図１６は本実施形態に係る撮像装置の画素の平面図である。図１６において、図３における部材と同様の機能を有する部材には同じ符号が付されている。図１６において、第１の光電変換部２１Ａ、第１の転送トランジスタのゲート２３Ａ（Ｇ）、ＦＤ領域１０７Ａは第２の方向に沿って並んで形成されている。同様に、第２の光電変換部２２Ａ、第２の転送トランジスタのゲート２４Ａ（Ｇ）、ＦＤ領域１０８Ａが第２の方向に沿って並んで形成されている。

また、駆動配線２１１Ａ、２１２Ａは第２の方向に沿って形成されている。駆動配線２１２Ａは図示されていないコンタクトプラグを介して第２の転送トランジスタのゲート２４Ａ（Ｇ）に電気的に接続されている。駆動配線２１１Ａは接続配線１０５Ｃを介して第１の転送トランジスタのゲート２３Ａ（Ｇ）に電気的に接続されている。接続配線１０５Ｃは駆動配線２１１Ａの延在する方向（第２の方向）に垂直な方向（第１の方向）に形成されている。すなわち、接続配線１０５Ｃの一端はコンタクトプラグ３１４を介して駆動配線２１１Ａに電気的に接続され、接続配線１０５Ｃの他端はコンタクトプラグ３１５を介して第１の転送トランジスタのゲート２３Ａ（Ｇ）に電気的に接続されている。

導電部材１０９Ａは駆動配線２１１Ａの延在する方向（第２の方向）に垂直であって、接続配線１０５Ｃの延在する方向（第１の方向）に水平に形成されている。導電部材１０９Ａの一端はコンタクトプラグ３０９を介してＦＤ領域１０７Ａに電気的に接続されるとともに、ＦＤ領域１０７Ａの端部を超えて延在している。導電部材１０９Ａの他端はコンタクトプラグ３１０を介してＦＤ領域１０８Ａに電気的に接続されている。導電部材１０９Ａは接続配線１０５Ｃに平行に形成されるとともに、その一端がＦＤ領域１０７Ａの端部を超えて延在している。このため、導電部材１０９Ａと接続配線１０５Ｃとの寄生容量を増大させることができ、電荷の転送効率を向上させることが可能となる。なお、導電部材１０９Ａの他端をＦＤ領域１０８Ａの端部を超えて延在させることにより、さらに寄生容量を増大させても良い。

本実施形態においては、駆動配線２１１Ａ、２１２Ａ、導電部材１０９Ａが同じ配線層に形成される。そのため、他の配線層のレイアウトの自由度を制限することなく、第１実施形態と同じ効果を得ることができる。

（第７実施形態）
本発明の第７実施形態に係る撮像システムを説明する。撮像システムとして、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、複写機、ファクシミリ、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などがあげられる。図１７に、第７実施形態に係る撮像システムの例としてデジタルスチルカメラのブロック図を示す。

図１７において、撮像システムは、レンズの保護のためのバリア１００１、被写体の光学像を撮像装置１００４に結像させるレンズ１００２、レンズ１００２を通った光量を可変するための絞り１００３を備える。撮像システムは上述の第１乃至第６実施形態で説明した撮像装置１００４をさらに備え、撮像装置１００４はレンズ１００２により結像された光学像を画像データとして変換する。ここで、撮像装置１００４の半導体基板にはＡＤ変換部が形成されているものとする。撮像システムはさらに信号処理部１００７、タイミング発生部１００８、全体制御・演算部１００９、メモリ部１０１０、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１０１１、記録媒体１０１２、外部Ｉ／Ｆ部１０１３を備える。信号処理部１００７は撮像装置１００４より出力された撮像データに各種の補正やデータを圧縮する。タイミング発生部１００８は撮像装置１００４および信号処理部１００７に各種タイミング信号を出力する。全体制御・演算部１００９はデジタルスチルカメラ全体を制御し、メモリ部１０１０は画像データを一時的に記憶する為のフレームメモリとして機能する。記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１０１１は記録媒体に記録または読み出しを行う。記録媒体１０１２は着脱可能な半導体メモリ等から構成され、撮像データの記録または読み出しを行う。外部Ｉ／Ｆ部１０１３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェースである。ここで、タイミング信号などは撮像システムの外部から入力されてもよく、撮像システムは少なくとも撮像装置１００４と、撮像装置１００４から出力された撮像信号を処理する信号処理部１００７とを有すればよい。

本実施形態においては、撮像装置１００４とＡＤ変換部とが別の半導体基板に設けられた構成を説明した。しかし、撮像装置１００４とＡＤ変換部とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。また、撮像装置１００４と信号処理部１００７とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。

さらに、信号処理部１００７は、第１の光電変換部２１Ａで生じた電荷に基づく信号と、第２の光電変換部２２Ａで生じた電荷に基づく信号とを処理し、撮像装置１００４から被写体までの距離情報を取得するように構成されてもよい。

本実施形態に係る撮像システムにおいて、撮像装置１００４として第１乃至第６実施形態に係る撮像装置が用いられる。このように、撮像システムにおいて本発明に係る撮像装置を適用することにより、電荷の転送効率を向上させることができ、Ｓ／Ｎ比の高い高画質の撮像システムを実現することができる。

（他の実施形態）
上記実施形態は、本発明を適用しうる幾つかの態様を例示したものに過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜修正や変形を行うことを妨げるものではなく、第１乃至第６実施形態の構成を組み合わせることも可能である。また、上述の実施形態においては、画素を構成するトランジスタはＮチャネルＭＯＳであるが、ＰチャネルＭＯＳを用いて画素を構成しても良い。さらに、光電変換部は負の電荷を励起するものに限らず、正孔を生じさせるものであっても良い。転送トランジスタをＰチャネルＭＯＳにより構成する場合には、転送トランジスタのゲートに供給される駆動パルスのハイレベル、ローレベルが上述の実施形態とは逆になる。この場合、正孔を生じさせる光電変換部を用いることにより、電荷の転送効率を改善することができる。さらに、増幅トランジスタを共有する光電変換部の個数は上述の実施形態における個数に限定されず、任意の個数の光電変換部において増幅トランジスタを共有させても良い。また、光電変換部を基板の裏面に形成しても良く、有機光電変換膜のように複数の光電変換部を積層して形成しても良い。

２１Ａ、２１Ｂ 第１の光電変換部
２２Ａ、２２Ｂ 第２の光電変換部
２３Ａ、２３Ｂ 第１の転送トランジスタ
２４Ａ、２４Ｂ 第２の転送トランジスタ
２１１Ａ 第１の駆動配線
２１２Ａ 第２の駆動配線
２１１Ｂ 第３の駆動配線
２１２Ｂ 第４の駆動配線
１０７Ａ、１０８Ａ フローティングディフュージョン（ＦＤ）領域
１０９Ａ 導電部材
２１０ フローティングディフュージョン（ＦＤ）部
２６ 増幅トランジスタ
２５ リセットトランジスタ
２７ 選択トランジスタ
２８ 容量加算トランジスタ

Claims (10)

1. 第１の光電変換部と、
   第１の方向において、前記第１の光電変換部と隣り合って配された第２の光電変換部と、
   前記第１、第２の光電変換部に共通して設けられたマイクロレンズと、
   導通状態になることにより、第１、第２の光電変換部のそれぞれから電荷を転送する第１、第２の転送トランジスタと、
   第１、第２の転送トランジスタから転送された電荷を蓄積するフローティングディフュージョン領域と、
   前記フローティングディフュージョン領域における電荷に応じた信号を出力する増幅トランジスタと、
   前記フローティングディフュージョン領域および前記増幅トランジスタのゲートを電気的に接続するために、前記第１の方向に延在する導電部材と、を有し、
   平面視において、前記第２の転送トランジスタのゲートと前記増幅トランジスタのゲートの間の距離は、前記第１の転送トランジスタのゲートと前記増幅トランジスタのゲートの間の距離よりも近く、
   前記導電部材は、平面視において、前記第１の光電変換部に対応した前記フローティングディフュージョン領域を画定する境界のうち、少なくとも２つ以上の前記境界を越えて延在する撮像装置。
2. 前記第１、第２の転送トランジスタに電気的に接続された第１、第２の駆動配線を有し、
   前記導電部材は前記第２の駆動配線よりも前記第１の駆動配線に近い位置に形成された請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記フローティングディフュージョン領域は、前記第１、第２の光電変換部のそれぞれに対応して異なる領域に形成された第１、第２のフローティングディフュージョン領域を含み、
   前記導電部材は前記第１、第２のフローティングディフュージョン領域を電気的に接続する請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記フローティングディフュージョン領域の容量を制御する容量加算トランジスタをさらに備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 第３、第４の光電変換部と、
   導通状態になることにより、第３、第４の光電変換部のそれぞれから電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送する第３、第４の転送トランジスタと、
   平面視において、前記第３、第４の光電変換部は、前記フローティングディフュージョン領域を中心として、前記第１、第２の光電変換部と対称に形成された請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 第１の転送トランジスタを導通状態にする読み出しモード、および、第１、第２の転送トランジスタをともに導通状態にする読み出しモードを実行可能な駆動部をさらに備えた請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記第１の方向に垂直な第２の方向において前記第１の光電変換部に隣り合って配された第３の光電変換部と、
   前記第１の方向において前記第３の光電変換部と隣り合って配されるとともに、前記第２の方向において前記第２の光電変換部と隣り合って配された第４の光電変換部と、
   導通状態になることにより、第３、第４の光電変換部のそれぞれから電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送する第３、第４の転送トランジスタと、
   前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部の対と、前記第３の光電変換部および前記第４の光電変換部の対とが平面視において線対称に配置された請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 平面視において、前記第１の転送トランジスタのゲートと電気的に接続し、前記第１の方向に垂直な第２の方向において、延在する配線をさらに備えている請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 前記導電部材は、平面視において、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部との間、および、前記第３の光電変換部と前記第４の光電変換部との間には設けられていない請求項７に記載の撮像装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置から出力された信号を処理する信号処理部とを有する撮像システム。

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