JPWO2016147837A1 - 固体撮像素子、駆動方法、および電子機器 - Google Patents

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Abstract

本開示は、位相差検出用信号の撮像用信号への混色を抑制することができるようにする固体撮像素子、駆動方法、および電子機器に関する。第１の波長域の可視光を光電変換する第１の光電変換部、および、第２の波長域の可視光を光電変換する第２の光電変換部が、断面方向から見て異なる深さに形成された画素が複数配置された画素領域と、その画素から第１の光電変換部および第２の光電変換部それぞれで発生した電荷に応じたレベルの画素信号を読み出す駆動を行う駆動部とを備える。そして、画素は、第１の光電変換部および第２の光電変換部のうちの少なくとも一方が、平面方向から見て分割されて構成される。本技術は、例えば、像面位相差を検出可能な固体撮像素子に適用できる。

Description

本開示は、固体撮像素子、駆動方法、および電子機器に関し、特に、位相差検出用信号の撮像用信号への混色を抑制することができるようにした固体撮像素子、駆動方法、および電子機器に関する。
従来、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像機能を備えた電子機器においては、例えば、CCD（Charge Coupled Device）やCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどの固体撮像素子が使用されている。固体撮像素子は、光電変換を行うＰＤ（photodiode：フォトダイオード）と複数のトランジスタとが組み合わされた画素を有しており、被写体の像が結像する像面に配置された複数の画素から出力される画素信号に基づいて画像が構築される。
また、近年、１画素内のＰＤを２つに分離させた構成により、像面における位相差を検出することができる位相差検出画素を搭載した固体撮像素子が開発されている。このような固体撮像素子では、オートフォーカス時において、位相差検出画素の２つのＰＤそれぞれで発生した電荷を独立に読み出し、入射光の位相差を検出するための位相差検出用信号として合焦を制御するのに用いることができる。一方、撮像時において、位相差検出画素の２つのＰＤそれぞれで発生した電荷を同時に読み出し、ひとつの画素として信号を出力することで、撮像用信号として画像の構築に用いることができる。
このように、位相差検出画素は、位相差検出用信号と撮像用信号とを出力することができ、２つの役割を果たすことができる。従って、オートフォーカス時と撮像時とで位相差検出画素の役割を切り替えることで、固体撮像素子の一部のみならず全画素を、位相差検出画素として活用することができる。
また、特許文献１には、撮像に用いる波長域の光を受光するＰＤは分割させず、このＰＤよりも深い位置に形成されたＰＤを瞳分割して位相差検出に用い、半導体基板の深い領域で光電変換される赤外光を用いて合焦を行う固体撮像素子が開示されている。
特開２００８−２８１０５号公報
ところで、特許文献１に開示されている固体撮像素子では、位相差検出に赤外光を用いているため、赤外光を光電変換した位相差検出用信号が、撮像用信号へ混色することが懸念される。
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、位相差検出用信号の撮像用信号への混色を抑制することができるようにするものである。
第１の波長域の可視光を光電変換する第１の光電変換部、および、第２の波長域の可視光を光電変換する第２の光電変換部が、断面方向から見て異なる深さに形成された画素が複数配置された画素領域と、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部それぞれで発生した電荷に応じたレベルの画素信号を、前記画素から読み出す駆動を行う駆動部とを備え、前記画素は、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部のうちの少なくとも一方が、平面方向から見て分割されて構成される。
本開示の一側面の駆動方法は、第１の波長域の可視光を光電変換する第１の光電変換部、および、第２の波長域の可視光を光電変換する第２の光電変換部が、断面方向から見て異なる深さに形成された画素が複数配置された画素領域と、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部それぞれで発生した電荷に応じたレベルの画素信号を、前記画素から読み出す駆動を行う駆動部とを備え、前記画素は、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部のうちの少なくとも一方が、平面方向から見て分割されて構成され、複数の前記画素において、前記第１の光電変換部で光電変換された電荷を第１の画素信号に変換する変換部と、前記第２の光電変換部で光電変換された電荷を第２の画素信号に変換する変換部とが共有して用いられ、前記駆動部は、ある１つの前記画素から前記第１の画素信号と前記第２の画素信号とを同時に読み出す駆動を行う。
本開示の一側面の電子機器は、第１の波長域の可視光を光電変換する第１の光電変換部、および、第２の波長域の可視光を光電変換する第２の光電変換部が、断面方向から見て異なる深さに形成された画素が複数配置された画素領域と、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部それぞれで発生した電荷に応じたレベルの画素信号を、前記画素から読み出す駆動を行う駆動部とを有し、前記画素は、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部のうちの少なくとも一方が、平面方向から見て分割されて構成される固体撮像素子を備える。
本開示の一側面においては、第１の波長域の可視光を光電変換する第１の光電変換部、および、第２の波長域の可視光を光電変換する第２の光電変換部が、断面方向から見て異なる深さに形成された画素が複数配置された画素領域と、第１の光電変換部および第２の光電変換部それぞれで発生した電荷に応じたレベルの画素信号を、画素から読み出す駆動を行う駆動部とが備えられる。そして、画素が、第１の光電変換部および第２の光電変換部のうちの少なくとも一方が、平面方向から見て分割されて構成されている。
本開示の一側面によれば、位相差検出用信号の撮像用信号への混色を抑制することができる。
本技術を適用した撮像素子の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。 赤色および青色の画素信号を出力可能な画素の第１の構成例を示す図である。 画素領域の第１のレイアウトの例を示す図である。 画素領域の第２のレイアウトの例を示す図である。 画素領域の第３のレイアウトの例を示す図である。 赤色および青色の画素信号を出力可能な画素の第２の構成例を示す図である。 赤色および青色の画素信号を出力可能な画素の第３の構成例を示す図である。 赤色および青色の画素信号を出力可能な画素の第４の構成例を示す図である。 赤色および青色の画素信号を出力可能な画素の第５の構成例を示す図である。 赤色、緑色、および青色の画素信号を出力可能な画素の構成例を示す図である。 本技術を適用した撮像装置の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。 イメージセンサを使用する使用例を示す図である。
以下、本技術を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本技術を適用した撮像素子の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。
図１に示すように、撮像素子１１は、画素領域１２、垂直駆動回路１３、カラム信号処理回路１４、水平駆動回路１５、出力回路１６、および制御回路１７を備えて構成される。
画素領域１２は、図示しない光学系により集光される光を受光する受光面である。画素領域１２には、複数の画素２１が行列状に配置されており、それぞれの画素２１は、水平信号線２２を介して行ごとに垂直駆動回路１３に接続されるとともに、垂直信号線２３を介して列ごとにカラム信号処理回路１４に接続される。複数の画素２１は、それぞれ受光する光の光量に応じたレベルの画素信号をそれぞれ出力し、それらの画素信号から、画素領域１２に結像する被写体の画像が構築される。
垂直駆動回路１３は、画素領域１２に配置される複数の画素２１の行ごとに順次、それぞれの画素２１を駆動（転送や、選択、リセットなど）するための駆動信号を、水平信号線２２を介して画素２１に供給する。カラム信号処理回路１４は、複数の画素２１から垂直信号線２３を介して出力される画素信号に対してCDS(Correlated Double Sampling：相関２重サンプリング)処理を施すことにより、画素信号のＡＤ変換を行うとともにリセットノイズを除去する。
水平駆動回路１５は、画素領域１２に配置される複数の画素２１の列ごとに順次、カラム信号処理回路１４から画素信号をデータ出力信号線２４に出力させるための駆動信号を、カラム信号処理回路１４に供給する。出力回路１６は、水平駆動回路１５の駆動信号に従ったタイミングでカラム信号処理回路１４からデータ出力信号線２４を介して供給される画素信号を増幅し、後段の信号処理回路に出力する。制御回路１７は、撮像素子１１の内部の各ブロックの駆動を制御する。例えば、制御回路１７は、各ブロックの駆動周期に従ったクロック信号を生成して、それぞれのブロックに供給する。
また、画素２１は、ＰＤ３１、転送トランジスタ３２、ＦＤ部３３、増幅トランジスタ３４、選択トランジスタ３５、およびリセットトランジスタ３６を備えて構成される。
ＰＤ３１は、入射した光を光電変換により電荷に変換して蓄積する光電変換部であり、アノード端子が接地されているとともに、カソード端子が転送トランジスタ３２に接続されている。転送トランジスタ３２は、垂直駆動回路１３から供給される転送信号TRGに従って駆動し、転送トランジスタ３２がオンになると、ＰＤ３１に蓄積されている電荷がＦＤ部３３に転送される。ＦＤ部３３は、増幅トランジスタ３４のゲート電極に接続された所定の蓄積容量を有する浮遊拡散領域であり、ＰＤ３１から転送される電荷を蓄積する。
増幅トランジスタ３４は、ＦＤ部３３に蓄積されている電荷に応じたレベル（即ち、ＦＤ部３３の電位）の画素信号を、選択トランジスタ３５を介して垂直信号線２３に出力する。つまり、ＦＤ部３３が増幅トランジスタ３４のゲート電極に接続される構成により、ＦＤ部３３および増幅トランジスタ３４は、ＰＤ３１において発生した電荷を、その電荷に応じたレベルの画素信号に変換する変換部として機能する。
選択トランジスタ３５は、垂直駆動回路１３から供給される選択信号SELに従って駆動し、選択トランジスタ３５がオンになると、増幅トランジスタ３４から出力される画素信号が垂直信号線２３に出力可能な状態となる。リセットトランジスタ３６は、垂直駆動回路１３から供給されるリセット信号RSTに従って駆動し、リセットトランジスタ３６がオンになると、ＦＤ部３３に蓄積されている電荷がドレイン電源Ｖｄｄに排出されて、ＦＤ部３３がリセットされる。
このように構成される撮像素子１１において、１つの画素２１のＰＤ３１を平面方向から見て２つに分割して配置することで、その画素２１を、被写体の像が結像する像面における位相差を検出する位相差検出画素として利用することができる。
また、撮像素子１１は、画素領域１２の受光面側に、画素２１が受光する色の光を透過するカラーフィルタが画素２１ごとに平面的に配置されたフィルタ層が積層されて構成される。従って、赤色の光を透過するカラーフィルタが配置された画素２１からは、赤色の画素信号（以下適宜、Ｒ信号と称する）が出力される。同様に、緑色の光を透過するカラーフィルタが配置された画素２１からは、緑色の画素信号（以下適宜、Ｇ信号と称する）が出力され、青色の光を透過するカラーフィルタが配置された画素２１からは、青色の画素信号（以下適宜、Ｂ信号と称する）が出力される。
さらに、撮像素子１１は、例えば、１つの画素２１において、複数の色を分光するように断面方向から見て異なる深さに複数のＰＤ３１を配置することで、１つの画素２１から複数の色の画素信号を出力することができる。例えば、赤色および青色の光を透過するマゼンタ色のカラーフィルタが配置された画素２１において、赤色の光を受光するＰＤ３１と、青色の光を受光するＰＤ３１とを断面方向から見て異なる深さに配置することで、Ｒ信号およびＢ信号を出力することができる。
次に、図２を参照して、Ｒ信号およびＢ信号を出力可能な画素２１ＲＢの第１の構成例について説明する。図２のＡには、画素２１ＲＢの平面的な構成例が示されており、図２のＢには、図２のＡに示す一点鎖線Ａ−Ａ’に沿った画素２１ＲＢの断面的な構成例が示されている。
図２のＡに示すように、画素２１ＲＢは、赤色の光を光電変換するＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２、並びに、青色の光を光電変換するＰＤ３１Ｂ−１および３１Ｂ−２を有する。
また、図２のＢに示すように、画素２１ＲＢは、半導体基板４１、配線層４２、フィルタ層４３、およびオンチップレンズ層４４が積層されて構成され、フィルタ層４３には、赤色および青色の光を透過するマゼンタ色のカラーフィルタ５１が配置される。そして、画素２１ＲＢでは、ＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２は、光が入射される側から見て半導体基板４１の深い領域に形成され、ＰＤ３１Ｂ−１および３１Ｂ−２は、光が入射される側から見て半導体基板４１の浅い領域に形成される。このように、画素２１ＲＢは、半導体基板４１の深さ方向で赤色および青色を分光する構造（以下、適宜、縦分光構造と称する）を採用している。
即ち、画素２１ＲＢに入射する光は、オンチップレンズ層４４により集光されて、フィルタ層４３のマゼンタ色のカラーフィルタ５１により緑色の波長がカットされ、半導体基板４１に照射される。そして、半導体基板４１の浅い領域で、波長の短い青色の光がＰＤ３１Ｂ−１および３１Ｂ−２において光電変換され、半導体基板４１の深い領域で、波長の長い赤色の光がＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２において光電変換される。
また、図２のＡに示すように、画素２１ＲＢでは、ＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２は、図の左右に分割された配置となっており、ＰＤ３１Ｂ−１および３１Ｂ−２は、図の上下に分割された配置となっている。即ち、画素２１ＲＢにおいて、ＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２とＰＤ３１Ｂ−１および３１Ｂ−２とが、平面的に見て、互いに略直交する方向（異なる方向）に分割されている。
従って、画素２１ＲＢは、ＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２と、ＰＤ３１Ｂ−１および３１Ｂ−２とにより、それぞれ略直交する方向の位相差を検出することができる。例えば、ＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２それぞれから独立して読み出されるＲ信号は、画像の左右方向の位相差の検出に用いられ、ＰＤ３１Ｂ−１および３１Ｂ−２それぞれから独立して読み出されるＢ信号が、画像の上下方向の位相差の検出に用いられる。
なお、画素２１ＲＢを撮像画素として用いる場合には、ＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２から同時にＲ信号が読み出されるとともに、ＰＤ３１Ｂ−１および３１Ｂ−２から同時にＢ信号が読み出される。
このように構成される画素２１ＲＢは、赤色および青色の可視光の波長域の光を光電変換して位相差検出用信号とするため、例えば、特許文献１に開示されている固体撮像素子のように、位相差検出に赤外光を用いる構成と比較して、混色の発生を抑制することができる。さらに、画素２１ＲＢは、可視光の中でも波長域が離れている赤色および青色について、ＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２とＰＤ３１Ｂ−１および３１Ｂ−２とを異なる深さに形成することで、混色が発生する懸念を最小限に抑制することができる。
また、従来、１画素で１方向の位相差を検出することしかできなかったのに対し、画素２１ＲＢは、２方向の位相差を検出することができる。即ち、従来、２方向の位相差を検出するには、左右方向の位相差を検出する位相差検出画素と、上下方向の位相差を検出する位相差検出画素とを、物理的に異なる箇所に配置しなければならなかった。このため、位相差を検出する位置にズレが発生していたのに対し、画素２１ＲＢは、物理的に１箇所で左右方向および上下方向の位相差を検出することができるので、このような位置のズレが発生することを回避することができる。
さらに、ローリングシャッター方式で駆動するCMOSイメージセンサでは、位置のズレがサンプリング時刻のズレとなるため、被写体への合焦精度に懸念が生じるのに対し、画素２１ＲＢでは、位置ズレが発生しないため、サンプリング時刻のズレも発生することはない。従って、画素２１ＲＢを採用した撮像素子１１は、被写体への合焦精度の向上を図ることができる。
また、特許文献１に開示されている固体撮像素子のように、位相差検出用と撮像用とで用途をそれぞれ使い分ける構造では、ある位置の画素では、一方向の位相差のみしか検出することができず、サンプリング位置および時刻のズレは解消されない。これに対し、画素２１ＲＢは、可視光を用いて位相差検出用および撮像用の信号を取得することができ、１画素で位相差検出用素と撮像画素との両方の機能を備えることができる。
なお、画素２１ＲＢは、赤色の光を検出するＰＤ３１と青色の光を検出するＰＤ３１を用いた構成とされているが、この他、例えば、赤色の光を検出するＰＤ３１と緑色の光を検出するＰＤ３１を用いた構成や、緑色の光を検出するＰＤ３１と青色の光を検出するＰＤ３１を用いた構成を採用してもよい。
次に、図３は、画素領域１２の第１のレイアウトの例を示す図である。
図３に示すように、画素領域１２には、Ｒ信号およびＢ信号を出力可能な画素２１ＲＢと、Ｇ信号を出力可能な画素２１Ｇとが、水平方向および垂直方向に交互に配置される。そして、例えば、図３の左下において二点鎖線で囲われた画素２１ＲＢから出力されるＲ信号およびＢ信号と、画素２１Ｇから出力されるＧ信号とが、この画素２１ＲＢおよび画素２１Ｇをサブピクセルとした一組の画素信号（ＲＧＢ信号）として用いられる。
画素２１Ｇは、緑色の光を光電変換するＰＤ３１Ｇと、ＰＤ３１Ｇの電荷を転送する転送トランジスタ３２Ｇとを有する。図示するように、画素２１ＲＢのＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２と、画素２１ＧのＰＤ３１Ｇとは、１つのＦＤ部３３ＲＧを共有して使用する。即ち、画素２１ＲＢのＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２が、転送トランジスタ３２Ｒ−１および３２Ｒ−２をそれぞれ介してＦＤ部３３ＲＧに接続されるとともに、画素２１ＧのＰＤ３１Ｇが、転送トランジスタ３２Ｇを介してＦＤ部３３ＲＧに接続されている。また、画素領域１２は、単一の画素２１ＲＢにおいて、Ｒ信号を変換する増幅トランジスタ３４と、Ｂ信号を変換する増幅トランジスタ３４とが共有して用いられる配線構造とされている。
また、画素領域１２では、垂直方向に並ぶ画素２１ＲＢおよび画素２１Ｇの一列に対して、２本の垂直信号線２３−１および２３−２が配置されている。そして、画素領域１２では、一組として用いられる画素信号（ＲＧＢ信号）を出力する画素２１ＲＢおよび画素２１Ｇが、垂直方向に交互に、垂直信号線２３−１および２３−２にそれぞれ接続される配線構造となっている。これにより、撮像素子１１は、垂直信号線２３−１および２３−２を介して、二組の画素信号を並列的に読み出すことができる。
このような画素領域１２の配線構造では、複数の画素２１ＲＢおよび画素２１Ｇそれぞれから、同じ色の画素信号を同時に読み出すことができ、色ごとの同時性を優先する場合には、このような配線構造が採用される。
ここで、図３では、二点鎖線で囲われている画素２１ＲＢおよび画素２１Ｇについて、画素２１ＲＢから垂直信号線２３−１にＲ信号を読み出す経路と、画素２１ＲＢから垂直信号線２３−１にＢ信号を読み出す経路とが、白抜きの矢印で示されている。図示するように、画素領域１２では、ＦＤ部３３ＲＧおよびＦＤ部３３Ｂが、共通の増幅トランジスタ３４のゲート電極に接続される配線構造であることより、Ｒ信号およびＢ信号は、どちらも共通の増幅トランジスタ３４を介して垂直信号線２３−１に読み出される。つまり、画素２１ＲＢにおいて、ＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２とＰＤ３１Ｂ−１および３１Ｂ−２とが、増幅トランジスタ３４を共有して用いている。このため、画素領域１２の配線構造では、Ｒ信号およびＢ信号を同時に読み出すことはできず、Ｒ信号およびＢ信号を順次読み出すような駆動が行われることになる。
そこで、画素２１ＲＢからＲ信号およびＢ信号を同時に読み出すことを優先する場合には、１つの画素２１ＲＢから、それぞれ異なる増幅トランジスタ３４を介してＲ信号およびＢ信号を読み出すような配線構造が採用される。
次に、図４は、画素領域１２の第２のレイアウトの例を示す図である。
図４に示されている画素領域１２−ａでは、図３の画素領域１２と同様に、Ｒ信号およびＢ信号を出力可能な画素２１ＲＢと、Ｇ信号を出力可能な画素２１Ｇとが、水平方向および垂直方向に交互に配置される。但し、画素領域１２−ａでは、画素２１ＲＢおよび画素２１Ｇから、それぞれ垂直信号線２３−１および２３−２に画素信号を読み出すための配線構造が、図３の画素領域１２と異なるものとなっている。
例えば、画素領域１２−ａでは、二点鎖線で囲われている２つの画素２１ＲＢと１つの画素２１Ｇとが、一組の画素信号として用いられるＲ信号、Ｇ信号、およびＢ信号を出力するような配線構造となっている。図示するように、二点鎖線で囲われている２つの画素２１ＲＢと１つの画素２１Ｇが共有して用いる増幅トランジスタ３４には、増幅トランジスタ３４の上側の画素２１ＲＢのＦＤ部３３Ｂと、増幅トランジスタ３４の下側のＦＤ部３３ＲＧとが接続されている。
従って、この増幅トランジスタ３４が選択トランジスタ３５を介して接続される垂直信号線２３−１には、上側の画素２１ＲＢから出力されるＢ信号、画素２１Ｇから出力されるＧ信号、および、下側の画素２１ＲＢから出力されるＲ信号が一組の画素信号（ＲＧＢ信号）として出力される。
また、画素領域１２−ａの配線構造では、左下の１つの画素２１ＲＢに注目してみると、この画素２１ＲＢから出力されるＲ信号とＢ信号とは、それぞれ異なる経路を介して読み出されることになる。つまり、白抜きの矢印で図示されているように、画素２１ＲＢから出力されるＲ信号は、画素２１ＲＢの上側にある増幅トランジスタ３４を介して垂直信号線２３−１に出力され、画素２１ＲＢから出力されるＢ信号は、画素２１ＲＢの下側にある増幅トランジスタ３４を介して垂直信号線２３−２に出力される。
このように、画素領域１２−ａでは、画素２１ＲＢにおいて赤色の光を光電変換した電荷をＲ信号に変換する増幅トランジスタ３４は、その画素２１ＲＢの上側に配置される画素２１Ｇおよび画素２１ＲＢと共有して用いられる。また、画素領域１２−ａでは、画素２１ＲＢにおいて青色の光を光電変換した電荷をＢ信号に変換する増幅トランジスタ３４は、その画素２１ＲＢの下側に配置される図示しない画素２１Ｇおよび画素２１ＲＢと共有して用いられる。
つまり、画素領域１２−ａは、２つの（複数の）画素２１ＲＢにおいて、一方の画素２１ＲＢから出力されるＲ信号を変換する増幅トランジスタ３４と、他方の画素２１ＲＢから出力されるＢ信号を変換する増幅トランジスタ３４とが共有して用いられる配線構造とされている。このようにＲ信号およびＢ信号を異なる経路で読み出すことができる配線構造を採用することで、画素領域１２−ａでは、１つの画素２１ＲＢからＲ信号およびＢ信号を同時に読み出すことができる。即ち、図１の垂直駆動回路１３は、１つの画素２１ＲＢからＲ信号およびＢ信号を同時に（同一のタイミングで）読み出す駆動を行う。
従って、画素領域１２−ａでは、１つの画素２１ＲＢからＲ信号およびＢ信号を同時に読み出すことで、例えば、図３の画素領域１２よりも動被写体への合焦精度を向上させることができる。
次に、図５は、画素領域１２の第３のレイアウトの例を示す図である。
図５に示されている画素領域１２−ｂでは、図４の画素領域１２−ａと同様に、二点鎖線で囲われた２つの画素２１ＲＢと１つの画素２１Ｇとが、１組の画素信号（ＲＧＢ信号）を出力するような配線構造となっている。また、画素領域１２−ｂでは、図４の画素領域１２−ａと同様に、１つの画素２１ＲＢからＲ信号およびＢ信号を同時に読み出すことができる配線構造となっている。
そして、画素領域１２−ｂでは、垂直方向の１列ごとに、画素２１ＲＢの構造が異なるものとなっている。つまり、図５の左側の列（例えば、奇数列）に配置される画素２１ＲＢは、図２に示した画素２１ＲＢと同様に、ＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２は、図の左右に分割され、ＰＤ３１Ｂ−１および３１Ｂ−２は、図の上下に分割された構成となっている。これに対し、図５の右側の列（例えば、偶数列）に配置される画素２１ＲＢ’は、図２に示した画素２１ＲＢと異なり、ＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２は、図の上下に分割され、ＰＤ３１Ｂ−１および３１Ｂ−２は、図の左右に分割された構成となっている。
つまり、画素２１ＲＢのＲ信号は左右方向の位相差検出に用いられるとともに、画素２１ＲＢのＢ信号は上下方向の位相差検出に用いられる。これに対し、画素２１ＲＢ’のＲ信号は上下方向の位相差検出に用いられるとともに、画素２１ＲＢ’のＢ信号は左右方向の位相差検出に用いられる。
このように、画素領域１２−ｂでは、１列ごとに交互に画素２１ＲＢおよび画素２１ＲＢ’を配置する構造によって、それぞれの色ごとに左右方向および上下方向の位相差を検出することができ、合焦精度の向上を図ることができる。
次に、図６を参照して、画素２１ＲＢの第２の構成例について説明する。図６のＡには、画素２１ＲＢ−ａの平面的な構成例が示されており、図６のＢには、図６のＡに示す一点鎖線Ａ−Ａ’に沿った画素２１ＲＢ−ａの断面的な構成例が示されている。
図６に示す画素２１ＲＢ−ａにおいて、図２の画素２１ＲＢと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。即ち、画素２１ＲＢ−ａは、ＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２が、図の左右に分割された配置となっている点で、図２の画素２１ＲＢと共通する構成となっている。
但し、画素２１ＲＢ−ａは、１つのＰＤ３１Ｂ−ａが配置されている点で、図２の画素２１ＲＢと異なる構成となっている。つまり、図２の画素２１ＲＢでは、青色の光を光電変換するＰＤ３１Ｂ−１および３１Ｂ−２が分割されて配置されるのに対し、画素２１ＲＢ−ａでは、分割されずに１つのＰＤ３１Ｂ−ａが配置される。
即ち、画素２１ＲＢ−ａでは、Ｒ信号が、位相差検出に用いられる一方、Ｂ信号は、位相差検出には用いられずに、画像の構築に用いられる。このように、画素２１ＲＢ−ａは、２方向の位相差を検出する構成とするのではなく、少なくともＲ信号およびＢ信号の一方が位相差検出に用いられるように構成されていればよい。
また、画素２１ＲＢ−ａは、半導体基板４１に対して配線層４２が積層される表面に光が照射される表面照射型の構造とされており、半導体基板４１の浅い領域に形成されるＰＤ３１Ｂ−ａからの電荷が読み出しやすい構成となっている。
次に、図７を参照して、画素２１ＲＢの第３の構成例について説明する。図７のＡには、画素２１ＲＢ−ｂの平面的な構成例が示されており、図７のＢには、図７のＡに示す一点鎖線Ａ−Ａ’に沿った画素２１ＲＢ−ｂの断面的な構成例が示されている。
図７に示す画素２１ＲＢ−ｂにおいて、図６の画素２１ＲＢ−ａと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。即ち、画素２１ＲＢ−ｂは、ＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２が、図の左右に分割された配置となっており、ＰＤ３１Ｂ−ｂが分割されずに配置されている点で、図６の画素２１ＲＢ−ａと共通する構成となっている。
但し、画素２１ＲＢ−ｂは、半導体基板４１に対して配線層４２が積層される表面に対して反対側を向く裏面に光が照射される裏面照射型の構造である点で、図６の画素２１ＲＢ−ａと異なる構成となっている。このような裏面照射型の構造では、半導体基板４１の裏面側に、絶縁層４５を介してフィルタ層４３およびオンチップレンズ層４４が積層される構成となっており、表面照射型の構造と比較して、半導体基板４１に照射される光の量を増加させることができる。
このように構成される画素２１ＲＢ−ｂは、図６の画素２１ＲＢ−ａのＰＤ３１Ｂ−ａよりもＰＤ３１Ｂ−ｂの面積を広げることができ、ＰＤ３１Ｂ−ｂの受光量の増加を図ることができる。さらに、画素２１ＲＢ−ｂは、半導体基板４１を薄膜化することができ、半導体基板４１において赤外光を光電変換する領域を確保することができない。このため、例えば、上述の特許文献１のように位相差検出に赤外光を用いる構成を、裏面照射型の構造に適用することは困難であった。これに対し、画素２１ＲＢ−ｂは、可視光の光を位相差検出に用いるため、このような困難性を排除することができる。
また、画素２１ＲＢ−ｂは、半導体基板４１の深い領域に形成されるＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２からの電荷が読み出しやすい構成となっている。例えば、位相差検出に用いられるＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２は、電荷の転送特性が低いため、電荷が読み出しやすい構成を採用することで、より確実に電荷を転送することができる。
次に、図８を参照して、画素２１ＲＢの第４の構成例について説明する。図８のＡには、画素２１ＲＢ−ｃの平面的な構成例が示されており、図８のＢには、図８のＡに示す一点鎖線Ａ−Ａ’に沿った画素２１ＲＢ−ｃの断面的な構成例が示されている。
図８に示す画素２１ＲＢ−ｃにおいて、図６の画素２１ＲＢ−ａと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。即ち、画素２１ＲＢ−ｃは、表面照射型の構造である点で、図６の画素２１ＲＢ−ａと共通する構成となっている。
但し、画素２１ＲＢ−ｃは、ＰＤ３１Ｂ−１および３１Ｂ−２が、図の上下に分割された配置となっており、ＰＤ３１Ｒ−ｃが分割されずに配置されている点で、図６の画素２１ＲＢ−ａと異なる構成となっている。つまり、図６の画素２１ＲＢ−ａでは、赤色の光を光電変換するＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２を位相差検出に用いていたのに対し、画素２１ＲＢ−ｃは、青色の光を光電変換するＰＤ３１Ｂ−１および３１Ｂ−２を位相差検出に用いている。
このように、画素２１ＲＢ−ｃと図６の画素２１ＲＢ−ａとを比較するに、赤色および青色の光の少なくともいずれか一方を、位相差検出に用いることができるように、ＰＤ３１ＲおよびＰＤ３１Ｂのいずれか一方が分割されて配置される構成を採用していればよい。
次に、図９を参照して、画素２１ＲＢの第５の構成例について説明する。図９のＡには、画素２１ＲＢ−ｄの平面的な構成例が示されており、図９のＢには、図９のＡに示す一点鎖線Ａ−Ａ’に沿った画素２１ＲＢ−ｄの断面的な構成例が示されている。
図９に示す画素２１ＲＢ−ｄにおいて、図６の画素２１ＲＢ−ａと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。即ち、画素２１ＲＢ−ｄは、表面照射型の構造である点で、図６の画素２１ＲＢ−ａと共通する構成となっている。
また、画素２１ＲＢ−ｄは、ＰＤ３１Ｒ−１ｄおよび３１Ｒ−２ｄが、図の上下に分割された配置となっており、ＰＤ３１Ｂ−ｄが分割されずに配置されている。さらに、画素２１ＲＢ−ｄは、ＰＤ３１Ｒ−１ｄおよび３１Ｒ−２ｄからの電荷の読み出しと、ＰＤ３１Ｂ−ｄからの電荷の読み出しとが、共通の転送トランジスタ３２ＲＢ−１および３２ＲＢ−２により行われる。また、画素２１ＲＢ−ｄでは、ＰＤ３１Ｒ−１ｄおよび３１Ｒ−２ｄとＰＤ３１Ｂ−ｄとの間、および、ＰＤ３１Ｒ−１ｄおよび３１Ｒ−２ｄと転送トランジスタ３２ＲＢ−１および３２ＲＢ−２との間に、Ｐ型の不純物濃度の高い高濃度Ｐ型領域６１が形成される。
転送トランジスタ３２ＲＢ−１および３２ＲＢ−２は、ＰＤ３１Ｒ−１ｄおよび３１Ｒ−２ｄが配置される深さと同程度まで掘り込んだ縦型のゲート電極により構成されており、この縦型のゲート電極に印加する電圧を切り替えることで、ＰＤ３１Ｒ−１ｄおよび３１Ｒ−２ｄからの電荷の読み出しと、ＰＤ３１Ｂ−ｄからの電荷の読み出しとを切り替えて行うことができる。例えば、画素２１ＲＢ−ｄは、高濃度Ｐ型領域６１を設けることにより、まず、低い電圧を印加することでＰＤ３１Ｂ−ｄに蓄積されている電荷を読み出し、その後に、高い電圧を印加することでＰＤ３１Ｒ−１ｄおよび３１Ｒ−２ｄに印加されている電圧を読み出すことができるように、読み出し電圧の閾値が設定されている。
このように構成される画素２１ＲＢ−ｄは、転送トランジスタ３２ＲＢ−１および３２ＲＢ−２を共用して用いることにより、例えば、図６の画素２１ＲＢ−ａよりも小面積化を図ることができる。
次に、図１０を参照して、Ｒ信号、Ｇ信号、およびＢ信号を出力可能な画素２１ＲＧＢの構成例について説明する。図１０のＡには、画素２１ＲＧＢの平面的な構成例が示されており、図１０のＢには、図１０のＡに示す一点鎖線Ａ−Ａ’に沿った画素２１ＲＧＢの断面的な構成例が示されている。
図１０に示す画素２１ＲＧＢにおいて、図９の画素２１ＲＢ−ｄと共通する構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。即ち、画素２１ＲＧＢは、ＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２とＰＤ３１Ｂ−ｄとにより転送トランジスタ３２ＲＢ−１および３２ＲＢ−２を共用して用いる構成となっている点で、図９の画素２１ＲＢ−ｄと共通する構成となっている。
但し、画素２１ＲＧＢは、図９のマゼンタ色のカラーフィルタ５１に替えて、緑色光電変換膜５２が積層される点で、図９の画素２１ＲＢ−ｄと異なる構成となっている。即ち、画素２１ＲＧＢは、緑色光電変換膜５２において、照射される光のうち緑色の光が光電変換され、赤色および青色の光が半導体基板４１に入射するように構成されている。
このような構成により、１つの画素２１ＲＧＢは、ＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２において赤色の光を光電変換し、緑色光電変換膜５２において緑色の光を光電変換し、ＰＤ３１Ｂ−ｄにおいて青色の光を光電変換することができる。即ち、１つの画素２１ＲＧＢから、Ｒ信号、Ｇ信号、およびＢ信号を出力することができるとともに、ＰＤ３１Ｒ−１および３１Ｒ−２それぞれから独立して信号を読み出すことで位相差検出に用いることができる。
なお、上述したような撮像素子１１は、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像システム、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えた他の機器といった各種の電子機器に適用することができる。
図１１は、電子機器に搭載される撮像装置の構成例を示すブロック図である。
図１１に示すように、撮像装置１０１は、光学系１０２、撮像素子１０３、信号処理回路１０４、モニタ１０５、およびメモリ１０６を備えて構成され、静止画像および動画像を撮像可能である。
光学系１０２は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの像光（入射光）を撮像素子１０３に導き、撮像素子１０３の受光面（センサ部）に結像させる。
撮像素子１０３としては、上述した撮像素子１１が適用される。撮像素子１０３には、光学系１０２を介して受光面に結像される像に応じて、一定期間、電子が蓄積される。そして、撮像素子１０３に蓄積された電子に応じた信号が信号処理回路１０４に供給される。
信号処理回路１０４は、撮像素子１０３から出力された画素信号に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路１０４が信号処理を施すことにより得られた画像（画像データ）は、モニタ１０５に供給されて表示されたり、メモリ１０６に供給されて記憶（記録）されたりする。
このように構成されている撮像装置１０１では、上述した撮像素子１１を適用することで、被写体への合焦精度を向上させることができ、確実にフォーカスの合った画像を撮像することができる。
図１２は、上述のイメージセンサを使用する使用例を示す図である。
上述したイメージセンサは、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
第１の波長域の可視光を光電変換する第１の光電変換部、および、第２の波長域の可視光を光電変換する第２の光電変換部が、断面方向から見て異なる深さに形成された画素と、
前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部それぞれで発生した電荷に応じたレベルの画素信号を、前記画素から読み出す駆動を行う駆動部と
を備え、
前記画素は、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部のうちの少なくとも一方が、平面方向から見て分割されて構成される
固体撮像素子。
（２）
複数の前記画素において、前記第１の光電変換部で光電変換された電荷を第１の画素信号に変換する変換部と、前記第２の光電変換部で光電変換された電荷を第２の画素信号に変換する変換部とが共有して用いられ、
前記駆動部は、ある１つの前記画素から前記第１の画素信号と前記第２の画素信号とを同時に読み出す駆動を行う
上記（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
単一の前記画素において、前記第１の光電変換部で光電変換された電荷を第１の画素信号に変換する変換部と、前記第２の光電変換部で光電変換された電荷を第２の画素信号に変換する変換部とが共有して用いられ、
前記駆動部は、前記画素から前記第１の画素信号と前記第２の画素信号とを順次読み出す駆動を行う
上記（１）に記載の固体撮像素子。
（４）
前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部の両方が、平面的に見て、それぞれ異なる方向に分割されて構成されている
上記（１）から（３）までのいずれかに記載の固体撮像素子。
（５）
前記第１の光電変換部が赤色の波長域の光を光電変換するとともに、前記第２の光電変換部が青色の波長域の光を光電変換し、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部が、平面的に見て、互いに略直交する方向に分割されている
上記（４）に記載の固体撮像素子。
（６）
前記第１の光電変換部からの電荷の転送と、前記第２の光電変換部からの電荷の転送とで共通の転送トランジスタが用いられ、
前記転送トランジスタの縦型のゲート電極に印加される電圧に従って、前記第１の光電変換部からの電荷の転送と、前記第２の光電変換部からの電荷の転送とが切り替えられる
上記（１）から（５）までのいずれかに記載の固体撮像素子。
（７）
前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部が形成される半導体基板に配線層が積層される表面に対して反対側を向く裏面に光が照射される構造である
上記（１）から（６）までのいずれかに記載の固体撮像素子。
（８）
前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部が形成される半導体基板の受光面側に、第３の波長域の可視光を光電変換する光電変換膜が積層される
上記（１）から（７）までのいずれかに記載の固体撮像素子。
（９）
第１の波長域の可視光を光電変換する第１の光電変換部、および、第２の波長域の可視光を光電変換する第２の光電変換部が、断面方向から見て異なる深さに形成された画素と、
前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部それぞれで発生した電荷に応じたレベルの画素信号を、前記画素から読み出す駆動を行う駆動部と
を備え、
前記画素は、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部のうちの少なくとも一方が、平面方向から見て分割されて構成され、
複数の前記画素において、前記第１の光電変換部で光電変換された電荷を第１の画素信号に変換する変換部と、前記第２の光電変換部で光電変換された電荷を第２の画素信号に変換する変換部とが共有して用いられ、
前記駆動部は、ある１つの前記画素から前記第１の画素信号と前記第２の画素信号とを同時に読み出す駆動を行う
固体撮像素子の駆動方法。
（１０）
第１の波長域の可視光を光電変換する第１の光電変換部、および、第２の波長域の可視光を光電変換する第２の光電変換部が、断面方向から見て異なる深さに形成された画素と、
前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部それぞれで発生した電荷に応じたレベルの画素信号を、前記画素から読み出す駆動を行う駆動部と
を有し、
前記画素は、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部のうちの少なくとも一方が、平面方向から見て分割されて構成される
固体撮像素子を備える電子機器。
なお、本実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示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。
１１ 撮像素子， １２ 画素領域， １３ 垂直駆動回路， １４ カラム信号処理回路， １５ 水平駆動回路， １６ 出力回路， １７ 制御回路， ２１ 画素， ３１ ＰＤ， ３２ 転送トランジスタ， ３３ ＦＤ部， ３４ 増幅トランジスタ， ３５ 選択トランジスタ， ３６ リセットトランジスタ， ４１ 半導体基板， ４２ 配線層， ４３ フィルタ層， ４４ オンチップレンズ層， ４５ 絶縁層， ５１ カラーフィルタ， ５２ 緑色光電変換膜

Claims (10)

  1. 第１の波長域の可視光を光電変換する第１の光電変換部、および、第２の波長域の可視光を光電変換する第２の光電変換部が、断面方向から見て異なる深さに形成された画素が複数配置された画素領域と、
    前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部それぞれで発生した電荷に応じたレベルの画素信号を、前記画素から読み出す駆動を行う駆動部と
    を備え、
    前記画素は、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部のうちの少なくとも一方が、平面方向から見て分割されて構成される
    固体撮像素子。
  2. 複数の前記画素において、前記第１の光電変換部で光電変換された電荷を第１の画素信号に変換する変換部と、前記第２の光電変換部で光電変換された電荷を第２の画素信号に変換する変換部とが共有して用いられ、
    前記駆動部は、ある１つの前記画素から前記第１の画素信号と前記第２の画素信号とを同時に読み出す駆動を行う
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 単一の前記画素において、前記第１の光電変換部で光電変換された電荷を第１の画素信号に変換する変換部と、前記第２の光電変換部で光電変換された電荷を第２の画素信号に変換する変換部とが共有して用いられ、
    前記駆動部は、前記画素から前記第１の画素信号と前記第２の画素信号とを順次読み出す駆動を行う
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  4. 前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部の両方が、平面的に見て、それぞれ異なる方向に分割されて構成されている
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  5. 前記第１の光電変換部が赤色の波長域の光を光電変換するとともに、前記第２の光電変換部が青色の波長域の光を光電変換し、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部が、平面的に見て、互いに略直交する方向に分割されている
    請求項４に記載の固体撮像素子。
  6. 前記第１の光電変換部からの電荷の転送と、前記第２の光電変換部からの電荷の転送とで共通の転送トランジスタが用いられ、
    前記転送トランジスタの縦型のゲート電極に印加される電圧に従って、前記第１の光電変換部からの電荷の転送と、前記第２の光電変換部からの電荷の転送とが切り替えられる
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  7. 前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部が形成される半導体基板に配線層が積層される表面に対して反対側を向く裏面に光が照射される構造である
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  8. 前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部が形成される半導体基板の受光面側に、第３の波長域の可視光を光電変換する光電変換膜が積層される
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  9. 第１の波長域の可視光を光電変換する第１の光電変換部、および、第２の波長域の可視光を光電変換する第２の光電変換部が、断面方向から見て異なる深さに形成された画素が複数配置された画素領域と、
    前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部それぞれで発生した電荷に応じたレベルの画素信号を、前記画素から読み出す駆動を行う駆動部と
    を備え、
    前記画素は、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部のうちの少なくとも一方が、平面方向から見て分割されて構成され、
    複数の前記画素において、前記第１の光電変換部で光電変換された電荷を第１の画素信号に変換する変換部と、前記第２の光電変換部で光電変換された電荷を第２の画素信号に変換する変換部とが共有して用いられ、
    前記駆動部は、ある１つの前記画素から前記第１の画素信号と前記第２の画素信号とを同時に読み出す駆動を行う
    固体撮像素子の駆動方法。
  10. 第１の波長域の可視光を光電変換する第１の光電変換部、および、第２の波長域の可視光を光電変換する第２の光電変換部が、断面方向から見て異なる深さに形成された画素が複数配置された画素領域と、
    前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部それぞれで発生した電荷に応じたレベルの画素信号を、前記画素から読み出す駆動を行う駆動部と
    を有し、
    前記画素は、前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部のうちの少なくとも一方が、平面方向から見て分割されて構成される
    固体撮像素子を備える電子機器。
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