固体撮像素子
【課題】 撮像画素および焦点検出画素を備える固体撮像素子において、精度の高いＡＦを実現する。
【解決手段】 固体撮像素子は、被写体の像を撮像して画像信号を生成する撮像画素と、各画素で光学系の瞳の異なる部分領域を通過する光束をそれぞれ受光し、被写体の像の位相差情報を取得する一対の焦点検出画素とを備える。焦点検出画素は、瞳のうち位相差情報の生成に用いる第１範囲に対応する受光面上の位置に、入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換領域を備える。また、焦点検出画素は、瞳のうち第１範囲と重複しない第２範囲に対応する受光面上の位置に、電荷を排出する排出領域を備える。
【解決手段】 固体撮像素子は、被写体の像を撮像して画像信号を生成する撮像画素と、各画素で光学系の瞳の異なる部分領域を通過する光束をそれぞれ受光し、被写体の像の位相差情報を取得する一対の焦点検出画素とを備える。焦点検出画素は、瞳のうち位相差情報の生成に用いる第１範囲に対応する受光面上の位置に、入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換領域を備える。また、焦点検出画素は、瞳のうち第１範囲と重複しない第２範囲に対応する受光面上の位置に、電荷を排出する排出領域を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、１つの固体撮像素子で撮像とＡＦとを実現するために、撮像画素と位相差検出方式の焦点検出画素とを設けた固体撮像素子が提案されている。一例として、特許文献１には、各々の開口位置が異なる遮光膜を一対の焦点検出画素の上面に配置することで瞳分割を行う構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１０９６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のように遮光膜で瞳分割を行う場合、焦点検出画素のマイクロレンズの集光位置を遮光膜に合わせないとオートフォーカス（ＡＦ）の精度が低下してしまう。一方、固体撮像素子において被写体の画像を撮像する画素（撮像画素）では、マイクロレンズの集光位置が基板上の光電変換領域に一致するように設計されている。
【０００５】
したがって、遮光膜で瞳分割を行う焦点検出画素を備えた固体撮像素子では、精度の高いＡＦを行うために、撮像画素と焦点検出画素とでマイクロレンズの構成を変化させる等の必要がある点が指摘されている。
【０００６】
そこで、本発明は、撮像画素と焦点検出画素とを備える撮像素子において精度の高いＡＦを実現できる固体撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一の態様の固体撮像素子は、被写体の像を撮像して画像信号を生成する撮像画素と、光学系の瞳の異なる部分領域を通過する光束をそれぞれ受光し、被写体の像の位相差情報を取得する一対の焦点検出画素とを備える。焦点検出画素は、瞳のうち位相差情報の生成に用いる第１範囲に対応する受光面上の位置に、入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換領域を備える。また、焦点検出画素は、瞳のうち第１範囲と重複しない第２範囲に対応する受光面上の位置に、電荷を排出する排出領域を備える。
【０００８】
上記の一の態様において、排出領域が、焦点検出画素の電源またはリセット制御線に接続されていてもよい。
【０００９】
上記の一の態様の固体撮像素子は、排出領域の電位を調整する電位調整部をさらに含んでいてもよい。
【００１０】
上記の一の態様において、焦点検出画素は、光電変換領域で生成された信号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、光電変換領域からフローティングディフュージョン領域に信号電荷を転送する転送トランジスタと、をさらに含んでいてもよい。また、焦点検出画素で隣接する２つの光電変換領域の間に、各画素のフローティングディフュージョン領域および転送トランジスタが、交互に対向配置されていてもよい。
【００１１】
上記の一の態様において、焦点検出画素は、光電変換領域で生成された信号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、光電変換領域からフローティングディフュージョン領域に信号電荷を転送する転送トランジスタと、をさらに含んでいてもよい。また、一対の焦点検出画素のうち一方の画素について、フローティングディフュージョン領域および転送トランジスタが、第１範囲と第２範囲との境界側に配置されていてもよい。
【００１２】
なお、上記の各態様の固体撮像素子を備えた撮像装置も、本発明の具体的態様として有効である。
【発明の効果】
【００１３】
一の態様の固体撮像素子によれば、精度の高いＡＦを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態での固体撮像素子の概略構成例を示す図
【図２】第１実施形態での固体撮像素子の画素配置例を示す図
【図３】図２の画素配列の部分拡大図
【図４】第１実施形態での撮像画素および焦点検出画素の平面構造の例を示す図
【図５】撮像画素および焦点検出画素の回路構成例を示す図
【図６】第１実施形態における焦点検出画素の断面を示す模式図
【図７】第２実施形態での撮像画素および焦点検出画素の平面構造の例を示す図
【図８】撮像画素および焦点検出画素の平面構造の変形例を示す図
【図９】撮像画素および焦点検出画素の平面構造の変形例を示す図
【図１０】撮像画素および焦点検出画素の平面構造の変形例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜第１実施形態の説明＞
図１は、第１実施形態での固体撮像素子の概略構成例を示す図である。なお、第１実施形態の固体撮像素子は、例えば、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話のカメラモジュールなどの撮像装置に組み込まれる。
【００１６】
第１実施形態の固体撮像素子は、シリコン基板上にＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）プロセスを使用し、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子として形成されている。また、固体撮像素子は、撮像画素と、焦点検出画素との２種類の画素が配列された画素アレイを有している。
【００１７】
ここで、上記の撮像画素は、被写体の像を撮像して画像信号を生成する画素である。また、上記の焦点検出画素は、一対の画素で不図示の光学系（撮影レンズなど）の瞳の異なる部分領域を通過する光束をそれぞれ受光し、ＡＦ時に被写体の像の位相差情報を取得する。なお、被写体の像の位相差情報を用いて光学系のデフォーカス量を求める位相差ＡＦの原理は公知であるので、詳細な内容の説明は省略する。
【００１８】
図２は、第１実施形態の固体撮像素子の画素アレイにおける撮像画素と焦点検出画素との配置例を示す図である。第１実施形態では、固体撮像素子の受光面において、それぞれ横方向（行方向）に延在する焦点検出画素の配列が、３×３の正方格子状に９箇所に配置されている。また、受光面において、焦点検出画素の配列を除く他の部分には撮像画素がそれぞれ配置されている。
【００１９】
図３は、図２の画素配列の部分拡大図である。撮像画素の電荷蓄積領域（フォトダイオード）はほぼ正方形状に形成されている。また、各々の焦点検出画素の電荷蓄積領域は、撮像画素の電荷蓄積領域よりも小さな縦長の矩形状に形成されている。また、焦点検出画素の画素配列では、一対の焦点検出画素を用いて瞳分割を行うために、射出瞳の右半分の像を取得する焦点検出画素と、射出瞳の左半分の像を取得する焦点検出画素とが横方向に交互に並べられている。そして、各々の焦点検出画素の電荷蓄積領域の位置は、射出瞳の像を光電変換する範囲に応じて、画素中心よりも右側または左側のいずれかに偏心して配置されている。
【００２０】
図１に戻って、固体撮像素子の回路構成を説明する。なお、以下の説明では、撮像画素および焦点検出画素をまとめて画素ＰＸと総称することがある。
【００２１】
固体撮像素子は、マトリックス状に配置された複数の画素ＰＸと、垂直走査部１１と、信号蓄積部１２と、水平走査部１３と、画素ＰＸの列ごとにそれぞれ設けられた垂直出力線１４と、各垂直出力線１４にそれぞれ接続された定電流源１５と、各垂直出力線１４を信号蓄積部１２に接続するための一対の転送ゲート１６ａ，１６ｂとを有している。図１では、簡単のため画素ＰＸを３×２個のみ示すが、図２、図３からも分かるように、実際の固体撮像素子の受光面にはさらに多数の画素が配列されることはいうまでもない。
【００２２】
垂直走査部１１は、図１の横方向に並ぶ画素群に選択パルスφＳＥＬ、リセットパルスφＲＥＳおよび転送パルスφＴＸをそれぞれ出力する。パルスφＳＥＬ，φＲＥＳ，φＴＸは、高論理レベルが電源電圧ＶＤＤであり、低論理レベルが接地電圧ＶＳＳである。信号蓄積部１２は、図１の横方向に並ぶ画素群の各画素ＰＸから出力されるノイズ信号およびフォトダイオードで生じた信号電荷に相当する信号成分にノイズ信号が重畳された画素信号を順次蓄積する。水平走査部１３は、制御パルスφＨにより信号蓄積部１２の動作を制御し、信号蓄積部１２に蓄積された信号を不図示の相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ回路）等に順次出力する。
【００２３】
定電流源１５は、画像信号を読み出すために垂直出力線１４に電流を流す。転送ゲート１６ａ，１６ｂは、ｎＭＯＳトランジスタで形成されている。転送ゲート１６ａは、ノイズ信号が重畳された画素信号を信号蓄積部１２に転送するために、信号転送パルスφＴＳに同期してオンする。転送ゲート１６ｂは、ノイズ信号を信号蓄積部１２に転送するために、ノイズ転送パルスφＴＮに同期してオンする。
【００２４】
図４は、第１実施形態での撮像画素および焦点検出画素の平面構造の例を示す図である。また、図５は、撮像画素および焦点検出画素の回路構成例を示す図である。ここで、図４において網掛けで示す領域はトランジスタのゲートを示している。なお、図４において、パルスφＳＥＬ，φＲＥＳ，φＴＸをそれぞれ供給するための制御配線の図示は省略している。
【００２５】
撮像画素および焦点検出画素の各画素は、フォトダイオードＰＤと、転送トランジスタＴＸと、リセットトランジスタＲＥＳと、増幅トランジスタＡＭＰと、選択トランジスタＳＥＬと、フローティングディフュージョン領域ＦＤとをそれぞれ有している。なお、各画素に形成されるトランジスタは、全てｎＭＯＳトランジスタである。
【００２６】
上記のフォトダイオードＰＤは、入射光の光量に応じて光電変換により信号電荷を生成する。転送トランジスタＴＸは、転送パルスφＴＸの高レベル期間にオンし、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョン領域ＦＤに転送する。
【００２７】
転送トランジスタＴＸのソースはフォトダイオードＰＤであり、転送トランジスタＴＸのドレインはフローティングディフュージョン領域ＦＤである。フローティングディフュージョン領域ＦＤは、半導体基板に不純物を導入することで形成されたＮ拡散領域である。なお、各画素でのフローティングディフュージョン容量は、拡散層容量および配線容量の和で求められる。
【００２８】
なお、フローティングディフュージョン領域ＦＤは、接続配線（銅配線またはアルミニウム配線）によって、増幅トランジスタＡＭＰのゲートと、リセットトランジスタＲＥＳのソースとにそれぞれ接続されている。
【００２９】
図４の各画素において、選択トランジスタＳＥＬ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＥＳは、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＸおよびフローティングディフュージョン領域ＦＤが並ぶ列に沿って一列に配置されている。選択トランジスタＳＥＬ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＥＳは、図４の横方向に延在する１つの能動領域上に所定間隔をおいてゲートを配置することで形成されている。増幅トランジスタＡＭＰおよびリセットトランジスタＲＥＳは、電源線ＶＤＤに接続された共通のドレインを有している。第１実施形態では、かかる配置により、選択トランジスタＳＥＬ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＥＳのソース／ドレインを共通化し、各画素のレイアウトサイズを最小限にすることができる。
【００３０】
上記のリセットトランジスタＲＥＳは、リセットパルスφＲＥＳの高レベル期間にオンし、フローティングディフュージョン領域ＦＤを電源電圧ＶＤＤにリセットする。また、増幅トランジスタＡＭＰは、ドレインが電源電圧ＶＤＤに接続され、ゲートがフローティングディフュージョン領域ＦＤにそれぞれ接続され、ソースが選択トランジスタＳＥＬのドレインに接続され、定電流源１５を負荷とするソースフォロア回路を構成している。増幅トランジスタＡＭＰは、フローティングディフュージョン領域ＦＤの電圧値に応じて、選択トランジスタＳＥＬを介して出力端子ＯＵＴに読み出し電流を出力する。選択トランジスタＳＥＬは、選択パルスφＳＥＬの高レベル期間にオンし、増幅トランジスタＡＭＰのソースを出力端子ＯＵＴに接続する。
【００３１】
また、図４に示すように、焦点検出画素の受光面には、不要電荷を排出する矩形状の排出領域１７がフォトダイオードＰＤに隣接して配置されている。第１実施形態の焦点検出画素の配列では、フォトダイオードＰＤが右側に偏心して配置されている焦点検出画素の左側の領域と、フォトダイオードＰＤが左側に偏心して配置されている焦点検出画素の右側の領域とに跨って、共通の排出領域１７が１つ配置されている。それゆえ、第１実施形態における排出領域１７は、隣接する画素間で共有されている。なお、第１実施形態において、各排出領域１７はいずれも電源線ＶＤＤと接続されている。
【００３２】
また、１つの焦点検出画素の受光面において、フォトダイオードＰＤは、光学系の瞳のうち位相差情報の生成に用いる第１範囲（例えば瞳の右半分）が結像する位置に配置されている。また、排出領域１７は、光学系の瞳のうち第１範囲と重複しない残りの第２範囲（例えば瞳の左半分）が結像する位置に配置されている。また、横方向に隣接する焦点検出画素間では、第１範囲および第２範囲が左右逆になる。なお、本明細書の図面では、受光面において瞳像の結像する範囲を一点鎖線で示すとともに、焦点検出画素における第１範囲をハッチングで示す。
【００３３】
ここで、焦点検出画素のフォトダイオードＰＤには、瞳の第１範囲に対応する光束を受光することで信号電荷が蓄積される。一方、瞳の第２範囲に対応する光束の大部分は排出領域１７に結像する。そして、瞳の第２範囲に対応する光束を受光して焦点検出画素の排出領域１７内で発生する電荷は、排出領域１７からそのまま排出される。また、排出領域１７の電位は電源の電位と等しく、フォトダイオードＰＤよりも電位が低い。したがって、フォトダイオードＰＤと排出領域１７との間の分離領域で発生した電荷の多くは、排出領域１７に吸収されて排出される。これにより、第１実施形態では、焦点検出画素のフォトダイオードＰＤにおいて、瞳像の第１範囲に対応する電荷をよく分離することができる。
【００３４】
なお、撮像画素のフォトダイオードＰＤの配置は、光学系の瞳像がすべて結像するように設定されている。これにより、撮像画素のフォトダイオードＰＤには、瞳像の全範囲に対応する光束を受光して得られた電荷が蓄積される。なお、本明細書の図面では、撮像画素において瞳像の結像する範囲もハッチングで示している。
【００３５】
また、第１実施形態において、焦点検出画素のフォトダイオードＰＤは、排出領域１７の反対側に信号電荷を転送する構成となっている。そして、焦点検出画素の配列において隣接する２つのフォトダイオードＰＤの間には、フローティングディフュージョン領域ＦＤおよび転送トランジスタＴＸが、干渉を避けるために上下に位置をずらして交互に対向配置されている。焦点検出画素のフローティングディフュージョン領域ＦＤおよび転送トランジスタＴＸを上記のように配置することで、撮像画素と焦点検出画素との構造的な乖離を比較的少なくでき、各画素のレイアウトや固体撮像素子の製造がより容易となる。
【００３６】
図６は、第１実施形態における焦点検出画素の断面を示す模式図である。第１実施形態の固体撮像素子は、Ｎ型シリコン基板２１上にＰ型ウエル２２を設け、このＰ型ウエル２２上にフォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＸ、フローティングディフュージョン領域ＦＤ、排出領域１７などの素子を形成している。Ｐ型ウエル２２の上面側にはシリコン酸化膜２３が形成されている。
【００３７】
また、図６に示すフォトダイオードＰＤは、Ｐ型ウエル２２中に設けられたＮ型の電荷蓄積層とその表面側に配置されたＰ型の空乏化防止層とからなる埋め込み型フォトダイオードである。また、排出領域１７はＮ型の拡散層で構成されている。なお、フォトダイオードＰＤと排出領域１７との素子間分離は、例えば、ＬＯＣＯＳ（local oxidation of silicon）法、ＳＴＩ（shallow trench isolation）法、拡散分離などの公知の手法で行えばよい。
【００３８】
また、各々の焦点検出画素の上面には、マイクロレンズ２４がそれぞれ配置されている。そして、焦点検出画素の配線部分は、マイクロレンズ２４と受光面との間に配置された遮光アルミ膜２５により入射光が遮光されている。図６に示す焦点検出画素では、光学系の瞳のうち位相差情報の生成に用いる第１範囲の光束が結像する領域（フォトダイオードＰＤ）と、光学系の瞳のうち第１範囲と重複しない残りの第２範囲の光束が結像する領域（排出領域１７のうち画素境界を除く）とは、遮光膜２５で覆われておらず、それ以外の領域が遮光膜２５で覆われる。なお、隣接する画素間で共有される排出領域１７の上部に、遮光アルミ層２５が、隣接する焦点検出画素間に跨って配置されているが、この遮光アルミ層２５は必ずしも設ける必要は無い。また、上述したように、第２範囲の光束が結像する領域の上部には遮光膜２５が設けられていないが、遮光層２５を設けてもよい。
【００３９】
以下、第１実施形態における固体撮像素子の作用を述べる。第１実施形態の焦点検出画素では、フォトダイオードＰＤによって瞳の第１範囲に対応する光束を受光して信号電荷を蓄積し、瞳の第２範囲に対応する光束を受光して生じた電荷を排出領域１７から排出する。これにより、第１実施形態の焦点検出画素では、所望の瞳領域以外の光束によって生成される電荷がフォトダイオードＰＤに流入することを阻止できるので、基板表面の位置で瞳分割を比較的精度よく行うことが可能となる。そして、比較的簡易な構成で位相差情報を用いた精度の高いＡＦを実現できる。
【００４０】
また、第１実施形態の固体撮像素子では、基板表面の位置で瞳分割を行うため、撮像画素および焦点検出画素でマイクロレンズの集光位置を一致させることができる。そのため、撮像画素と焦点検出画素とで同じマイクロレンズを使用できるので、遮光膜で瞳分割を行う固体撮像素子の場合と比べて、マイクロレンズの形成工程を簡略化できる。
【００４１】
＜第２実施形態の説明＞
図７は、第２実施形態での撮像画素および焦点検出画素の平面構造の例を示す図である。なお、以下の実施形態の説明では、第１実施形態と共通する構成には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００４２】
第２実施形態の固体撮像素子は、排出領域１７の電位を調整する電位調整部１８を備えている。この電位調整部１８は、各々の排出領域１７と制御用の配線でそれぞれ接続されている。
【００４３】
第２実施形態において、排出領域１７の電位を低く調整した場合、フォトダイオードＰＤと排出領域１７との間の分離領域で発生した電荷は、排出領域１７に流れ込む確率がより高くなる。一方、排出領域１７の電位を高く調整した場合、上記の分離領域で発生した電荷のうち、フォトダイオードＰＤの近傍で発生した電荷はフォトダイオードＰＤに流れ込みやすくなる。したがって、第２実施形態の構成によれば、排出領域１７の電位を調整することで、焦点検出画素において瞳像を分割する境界の位置を微調整することが可能となる。
【００４４】
また、第２実施形態において、図示しないが、固体撮像素子は通常、図６に示すマイクロレンズ２４と受光面との間にカラーフィルタが各画素に対応して設けられている。撮像画素と焦点検出画素とを有する固体撮像素子では、特に制限されないが、撮像画素の受光面側には互いに異なる色のカラーフィルタ（例えば、赤色、青色および緑色のカラーフィルタ）のそれぞれが各画素に対応して配置される。また、焦点検出画素の受光面側には、例えば、可視光域の光を透過するホワイトフィルタが配置される。その場合、撮影条件によっては、焦点検出画素で生成される信号電荷レベルと、撮像画素で生成される信号電荷レベルとのバランスが問題となる場合がある。その場合、焦点検出画素のフォトダイオードＰＤの面積を瞳分割に影響しないように変更すればよい。例えば、フォトダイオードＰＤの面積を瞳分割に影響しない領域にまで拡大させることが可能である。
【００４５】
＜実施形態の補足事項＞
（１）上記の第１実施形態の例では、焦点検出画素の排出領域１７が電源線ＶＤＤと接続されている例を説明した。しかし、図４に示す電源線ＶＤＤに代えて、リセットパルスφＲＥＳを伝達するリセット制御線に焦点検出画素の排出領域１７が接続されていてもよい。ここで、焦点検出画素のフォトダイオードＰＤで電荷を蓄積する期間は、リセットパルスφＲＥＳが高レベルとなってフローティングディフュージョン領域ＦＤのリセットが行われる。そのため、排出領域１７をリセット制御線に接続することで、不要な電荷を吸収することが可能となる。
【００４６】
（２）上記の実施形態の焦点検出画素の構成はあくまで一例にすぎない。例えば、図８に示すように、２つの撮像画素および２つの焦点検出画素を含む２×２画素の範囲において、増幅トランジスタＡＭＰおよびリセットトランジスタＲＥＳのドレインと、排出領域１７とを接続して一体化してもよい。なお、図８の例では、排出領域１７等と接続される電源線ＶＤＤの図示は省略している。
【００４７】
ここで、図８の場合、一対の焦点検出画素（図８の下の行の画素）のうちで図中左側（左列）の画素については、フローティングディフュージョン領域ＦＤおよび転送トランジスタＴＸが第１範囲と第２範囲との境界側に配置されている。焦点検出画素のフォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷の転送方向は、上記した第１実施形態では一対の焦点検出画素では互いに反対方向であったが、図８の場合、同一方向である。かかる配置によっても、撮像画素と焦点検出画素との構造的な乖離を比較的少なくでき、各画素のレイアウトや固体撮像素子の製造がより容易となる。
【００４８】
なお、図４に示した撮像画素および焦点検出画素の平面構造の例においても、２つの撮像画素および２つの焦点検出画素を含む２×２画素の範囲において、増幅トランジスタＡＭＰおよびリセットトランジスタＲＥＳのドレインと、排出領域１７とを接続して一体化してもよい。
【００４９】
また、図９は、画素アレイの行方向に瞳分割を行う場合の焦点検出画素の他の配置例である。図９の例では、一対の焦点検出画素（図９の下の行の画素）のうちで図中左側（左列）の画素については、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷の転送方向が右側（右列）の焦点検出画素における電荷転送の方向と直交方向となるように、フローティングディフュージョン領域ＦＤおよび転送トランジスタＴＸが下向きに配置されるとともに、選択トランジスタＳＥＬ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＥＳが上下方向に沿って配列されている。そして、図９に示す排出領域１７は、左側の焦点検出画素の増幅トランジスタＡＭＰおよびリセットトランジスタＲＥＳのドレインと一体化されている。なお、図９の例では、排出領域１７等と接続される電源線ＶＤＤの図示は省略している。
【００５０】
さらに、図１０は、画素アレイの列方向に瞳分割を行う場合の焦点検出画素の配置例である。図１０の例では、図中右列の画素が一対の焦点検出画素となる。そして、上側（上行）の焦点検出画素のフォトダイオードＰＤが上側に偏心して配置され、下側（下行）の焦点検出画素のフォトダイオードＰＤが下側に偏心して配置されている。また、上記の２つのフォトダイオードＰＤの間には排出領域１７が配置されている。図１０に示す排出領域１７は、上側の焦点検出画素の増幅トランジスタＡＭＰおよびリセットトランジスタＲＥＳのドレインと一体化されている。なお、図１０の例では、排出領域１７等と接続される電源線ＶＤＤの図示は省略している。
【００５１】
なお、図１０の例では、一対の焦点検出画素において排出領域１７は、上側の焦点検出画素の増幅トランジスタＡＭＰおよびリセットトランジスタＲＥＳのドレインと一体化された構造を示しているが、これに限定されない。一対の焦点検出画素において、排出領域１７を個別に設けてよい。その場合、上記した実施形態と同様に、排出領域１７は電源線ＶＤＤと接続されるか、もしくは、リセット制御線と接続さればよい。
【００５２】
（３）上記の各実施形態において、焦点検出画素の排出領域１７の上面側に遮光膜を配置するようにしてもよい。遮光膜による遮光と排出領域１７による不要電荷の排出とを組み合わせることで、焦点検出画素でより精度の高い瞳分割を行うことが可能となる。
【００５３】
（４）なお、焦点検出画素のフォトダイオードＰＤは、例えば、特開２００９−１０５３５８号公報に示す構成を適用して偏心配置させてもよい。
【００５４】
（５）また、本発明の構成は、画素アレイ上で斜め方向に延在する焦点検出画素の配列についても応用できる。また、上記実施形態では、１画素につき４つのトランジスタを有するＣＭＯＳセンサの例を説明したが、本発明の固体撮像素子はかかる構成に限定されるものではなく、他の固体撮像素子（ＣＣＤなど）の構成に応用してもよい。
【００５５】
以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲が、その精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずであり、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物によることも可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１１…垂直走査部、１２…信号蓄積部、１３…水平走査部、１４…垂直出力線、１５…定電流源、１６ａ，１６ｂ…転送ゲート、１７…排出領域、１８…電位調整部、２１…Ｎ型シリコン基板、２２…Ｐ型ウエル、２３…シリコン酸化膜、２４…マイクロレンズ、２５…遮光アルミ膜、ＰＸ…画素、ＰＤ…フォトダイオード、ＴＸ…転送トランジスタ、ＲＥＳ…リセットトランジスタ、ＡＭＰ…増幅トランジスタ、ＳＥＬ…選択トランジスタ、ＦＤ…フローティングディフュージョン領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、１つの固体撮像素子で撮像とＡＦとを実現するために、撮像画素と位相差検出方式の焦点検出画素とを設けた固体撮像素子が提案されている。一例として、特許文献１には、各々の開口位置が異なる遮光膜を一対の焦点検出画素の上面に配置することで瞳分割を行う構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１０９６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のように遮光膜で瞳分割を行う場合、焦点検出画素のマイクロレンズの集光位置を遮光膜に合わせないとオートフォーカス（ＡＦ）の精度が低下してしまう。一方、固体撮像素子において被写体の画像を撮像する画素（撮像画素）では、マイクロレンズの集光位置が基板上の光電変換領域に一致するように設計されている。
【０００５】
したがって、遮光膜で瞳分割を行う焦点検出画素を備えた固体撮像素子では、精度の高いＡＦを行うために、撮像画素と焦点検出画素とでマイクロレンズの構成を変化させる等の必要がある点が指摘されている。
【０００６】
そこで、本発明は、撮像画素と焦点検出画素とを備える撮像素子において精度の高いＡＦを実現できる固体撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一の態様の固体撮像素子は、被写体の像を撮像して画像信号を生成する撮像画素と、光学系の瞳の異なる部分領域を通過する光束をそれぞれ受光し、被写体の像の位相差情報を取得する一対の焦点検出画素とを備える。焦点検出画素は、瞳のうち位相差情報の生成に用いる第１範囲に対応する受光面上の位置に、入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換領域を備える。また、焦点検出画素は、瞳のうち第１範囲と重複しない第２範囲に対応する受光面上の位置に、電荷を排出する排出領域を備える。
【０００８】
上記の一の態様において、排出領域が、焦点検出画素の電源またはリセット制御線に接続されていてもよい。
【０００９】
上記の一の態様の固体撮像素子は、排出領域の電位を調整する電位調整部をさらに含んでいてもよい。
【００１０】
上記の一の態様において、焦点検出画素は、光電変換領域で生成された信号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、光電変換領域からフローティングディフュージョン領域に信号電荷を転送する転送トランジスタと、をさらに含んでいてもよい。また、焦点検出画素で隣接する２つの光電変換領域の間に、各画素のフローティングディフュージョン領域および転送トランジスタが、交互に対向配置されていてもよい。
【００１１】
上記の一の態様において、焦点検出画素は、光電変換領域で生成された信号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、光電変換領域からフローティングディフュージョン領域に信号電荷を転送する転送トランジスタと、をさらに含んでいてもよい。また、一対の焦点検出画素のうち一方の画素について、フローティングディフュージョン領域および転送トランジスタが、第１範囲と第２範囲との境界側に配置されていてもよい。
【００１２】
なお、上記の各態様の固体撮像素子を備えた撮像装置も、本発明の具体的態様として有効である。
【発明の効果】
【００１３】
一の態様の固体撮像素子によれば、精度の高いＡＦを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態での固体撮像素子の概略構成例を示す図
【図２】第１実施形態での固体撮像素子の画素配置例を示す図
【図３】図２の画素配列の部分拡大図
【図４】第１実施形態での撮像画素および焦点検出画素の平面構造の例を示す図
【図５】撮像画素および焦点検出画素の回路構成例を示す図
【図６】第１実施形態における焦点検出画素の断面を示す模式図
【図７】第２実施形態での撮像画素および焦点検出画素の平面構造の例を示す図
【図８】撮像画素および焦点検出画素の平面構造の変形例を示す図
【図９】撮像画素および焦点検出画素の平面構造の変形例を示す図
【図１０】撮像画素および焦点検出画素の平面構造の変形例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜第１実施形態の説明＞
図１は、第１実施形態での固体撮像素子の概略構成例を示す図である。なお、第１実施形態の固体撮像素子は、例えば、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話のカメラモジュールなどの撮像装置に組み込まれる。
【００１６】
第１実施形態の固体撮像素子は、シリコン基板上にＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）プロセスを使用し、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子として形成されている。また、固体撮像素子は、撮像画素と、焦点検出画素との２種類の画素が配列された画素アレイを有している。
【００１７】
ここで、上記の撮像画素は、被写体の像を撮像して画像信号を生成する画素である。また、上記の焦点検出画素は、一対の画素で不図示の光学系（撮影レンズなど）の瞳の異なる部分領域を通過する光束をそれぞれ受光し、ＡＦ時に被写体の像の位相差情報を取得する。なお、被写体の像の位相差情報を用いて光学系のデフォーカス量を求める位相差ＡＦの原理は公知であるので、詳細な内容の説明は省略する。
【００１８】
図２は、第１実施形態の固体撮像素子の画素アレイにおける撮像画素と焦点検出画素との配置例を示す図である。第１実施形態では、固体撮像素子の受光面において、それぞれ横方向（行方向）に延在する焦点検出画素の配列が、３×３の正方格子状に９箇所に配置されている。また、受光面において、焦点検出画素の配列を除く他の部分には撮像画素がそれぞれ配置されている。
【００１９】
図３は、図２の画素配列の部分拡大図である。撮像画素の電荷蓄積領域（フォトダイオード）はほぼ正方形状に形成されている。また、各々の焦点検出画素の電荷蓄積領域は、撮像画素の電荷蓄積領域よりも小さな縦長の矩形状に形成されている。また、焦点検出画素の画素配列では、一対の焦点検出画素を用いて瞳分割を行うために、射出瞳の右半分の像を取得する焦点検出画素と、射出瞳の左半分の像を取得する焦点検出画素とが横方向に交互に並べられている。そして、各々の焦点検出画素の電荷蓄積領域の位置は、射出瞳の像を光電変換する範囲に応じて、画素中心よりも右側または左側のいずれかに偏心して配置されている。
【００２０】
図１に戻って、固体撮像素子の回路構成を説明する。なお、以下の説明では、撮像画素および焦点検出画素をまとめて画素ＰＸと総称することがある。
【００２１】
固体撮像素子は、マトリックス状に配置された複数の画素ＰＸと、垂直走査部１１と、信号蓄積部１２と、水平走査部１３と、画素ＰＸの列ごとにそれぞれ設けられた垂直出力線１４と、各垂直出力線１４にそれぞれ接続された定電流源１５と、各垂直出力線１４を信号蓄積部１２に接続するための一対の転送ゲート１６ａ，１６ｂとを有している。図１では、簡単のため画素ＰＸを３×２個のみ示すが、図２、図３からも分かるように、実際の固体撮像素子の受光面にはさらに多数の画素が配列されることはいうまでもない。
【００２２】
垂直走査部１１は、図１の横方向に並ぶ画素群に選択パルスφＳＥＬ、リセットパルスφＲＥＳおよび転送パルスφＴＸをそれぞれ出力する。パルスφＳＥＬ，φＲＥＳ，φＴＸは、高論理レベルが電源電圧ＶＤＤであり、低論理レベルが接地電圧ＶＳＳである。信号蓄積部１２は、図１の横方向に並ぶ画素群の各画素ＰＸから出力されるノイズ信号およびフォトダイオードで生じた信号電荷に相当する信号成分にノイズ信号が重畳された画素信号を順次蓄積する。水平走査部１３は、制御パルスφＨにより信号蓄積部１２の動作を制御し、信号蓄積部１２に蓄積された信号を不図示の相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ回路）等に順次出力する。
【００２３】
定電流源１５は、画像信号を読み出すために垂直出力線１４に電流を流す。転送ゲート１６ａ，１６ｂは、ｎＭＯＳトランジスタで形成されている。転送ゲート１６ａは、ノイズ信号が重畳された画素信号を信号蓄積部１２に転送するために、信号転送パルスφＴＳに同期してオンする。転送ゲート１６ｂは、ノイズ信号を信号蓄積部１２に転送するために、ノイズ転送パルスφＴＮに同期してオンする。
【００２４】
図４は、第１実施形態での撮像画素および焦点検出画素の平面構造の例を示す図である。また、図５は、撮像画素および焦点検出画素の回路構成例を示す図である。ここで、図４において網掛けで示す領域はトランジスタのゲートを示している。なお、図４において、パルスφＳＥＬ，φＲＥＳ，φＴＸをそれぞれ供給するための制御配線の図示は省略している。
【００２５】
撮像画素および焦点検出画素の各画素は、フォトダイオードＰＤと、転送トランジスタＴＸと、リセットトランジスタＲＥＳと、増幅トランジスタＡＭＰと、選択トランジスタＳＥＬと、フローティングディフュージョン領域ＦＤとをそれぞれ有している。なお、各画素に形成されるトランジスタは、全てｎＭＯＳトランジスタである。
【００２６】
上記のフォトダイオードＰＤは、入射光の光量に応じて光電変換により信号電荷を生成する。転送トランジスタＴＸは、転送パルスφＴＸの高レベル期間にオンし、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョン領域ＦＤに転送する。
【００２７】
転送トランジスタＴＸのソースはフォトダイオードＰＤであり、転送トランジスタＴＸのドレインはフローティングディフュージョン領域ＦＤである。フローティングディフュージョン領域ＦＤは、半導体基板に不純物を導入することで形成されたＮ拡散領域である。なお、各画素でのフローティングディフュージョン容量は、拡散層容量および配線容量の和で求められる。
【００２８】
なお、フローティングディフュージョン領域ＦＤは、接続配線（銅配線またはアルミニウム配線）によって、増幅トランジスタＡＭＰのゲートと、リセットトランジスタＲＥＳのソースとにそれぞれ接続されている。
【００２９】
図４の各画素において、選択トランジスタＳＥＬ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＥＳは、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＸおよびフローティングディフュージョン領域ＦＤが並ぶ列に沿って一列に配置されている。選択トランジスタＳＥＬ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＥＳは、図４の横方向に延在する１つの能動領域上に所定間隔をおいてゲートを配置することで形成されている。増幅トランジスタＡＭＰおよびリセットトランジスタＲＥＳは、電源線ＶＤＤに接続された共通のドレインを有している。第１実施形態では、かかる配置により、選択トランジスタＳＥＬ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＥＳのソース／ドレインを共通化し、各画素のレイアウトサイズを最小限にすることができる。
【００３０】
上記のリセットトランジスタＲＥＳは、リセットパルスφＲＥＳの高レベル期間にオンし、フローティングディフュージョン領域ＦＤを電源電圧ＶＤＤにリセットする。また、増幅トランジスタＡＭＰは、ドレインが電源電圧ＶＤＤに接続され、ゲートがフローティングディフュージョン領域ＦＤにそれぞれ接続され、ソースが選択トランジスタＳＥＬのドレインに接続され、定電流源１５を負荷とするソースフォロア回路を構成している。増幅トランジスタＡＭＰは、フローティングディフュージョン領域ＦＤの電圧値に応じて、選択トランジスタＳＥＬを介して出力端子ＯＵＴに読み出し電流を出力する。選択トランジスタＳＥＬは、選択パルスφＳＥＬの高レベル期間にオンし、増幅トランジスタＡＭＰのソースを出力端子ＯＵＴに接続する。
【００３１】
また、図４に示すように、焦点検出画素の受光面には、不要電荷を排出する矩形状の排出領域１７がフォトダイオードＰＤに隣接して配置されている。第１実施形態の焦点検出画素の配列では、フォトダイオードＰＤが右側に偏心して配置されている焦点検出画素の左側の領域と、フォトダイオードＰＤが左側に偏心して配置されている焦点検出画素の右側の領域とに跨って、共通の排出領域１７が１つ配置されている。それゆえ、第１実施形態における排出領域１７は、隣接する画素間で共有されている。なお、第１実施形態において、各排出領域１７はいずれも電源線ＶＤＤと接続されている。
【００３２】
また、１つの焦点検出画素の受光面において、フォトダイオードＰＤは、光学系の瞳のうち位相差情報の生成に用いる第１範囲（例えば瞳の右半分）が結像する位置に配置されている。また、排出領域１７は、光学系の瞳のうち第１範囲と重複しない残りの第２範囲（例えば瞳の左半分）が結像する位置に配置されている。また、横方向に隣接する焦点検出画素間では、第１範囲および第２範囲が左右逆になる。なお、本明細書の図面では、受光面において瞳像の結像する範囲を一点鎖線で示すとともに、焦点検出画素における第１範囲をハッチングで示す。
【００３３】
ここで、焦点検出画素のフォトダイオードＰＤには、瞳の第１範囲に対応する光束を受光することで信号電荷が蓄積される。一方、瞳の第２範囲に対応する光束の大部分は排出領域１７に結像する。そして、瞳の第２範囲に対応する光束を受光して焦点検出画素の排出領域１７内で発生する電荷は、排出領域１７からそのまま排出される。また、排出領域１７の電位は電源の電位と等しく、フォトダイオードＰＤよりも電位が低い。したがって、フォトダイオードＰＤと排出領域１７との間の分離領域で発生した電荷の多くは、排出領域１７に吸収されて排出される。これにより、第１実施形態では、焦点検出画素のフォトダイオードＰＤにおいて、瞳像の第１範囲に対応する電荷をよく分離することができる。
【００３４】
なお、撮像画素のフォトダイオードＰＤの配置は、光学系の瞳像がすべて結像するように設定されている。これにより、撮像画素のフォトダイオードＰＤには、瞳像の全範囲に対応する光束を受光して得られた電荷が蓄積される。なお、本明細書の図面では、撮像画素において瞳像の結像する範囲もハッチングで示している。
【００３５】
また、第１実施形態において、焦点検出画素のフォトダイオードＰＤは、排出領域１７の反対側に信号電荷を転送する構成となっている。そして、焦点検出画素の配列において隣接する２つのフォトダイオードＰＤの間には、フローティングディフュージョン領域ＦＤおよび転送トランジスタＴＸが、干渉を避けるために上下に位置をずらして交互に対向配置されている。焦点検出画素のフローティングディフュージョン領域ＦＤおよび転送トランジスタＴＸを上記のように配置することで、撮像画素と焦点検出画素との構造的な乖離を比較的少なくでき、各画素のレイアウトや固体撮像素子の製造がより容易となる。
【００３６】
図６は、第１実施形態における焦点検出画素の断面を示す模式図である。第１実施形態の固体撮像素子は、Ｎ型シリコン基板２１上にＰ型ウエル２２を設け、このＰ型ウエル２２上にフォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＸ、フローティングディフュージョン領域ＦＤ、排出領域１７などの素子を形成している。Ｐ型ウエル２２の上面側にはシリコン酸化膜２３が形成されている。
【００３７】
また、図６に示すフォトダイオードＰＤは、Ｐ型ウエル２２中に設けられたＮ型の電荷蓄積層とその表面側に配置されたＰ型の空乏化防止層とからなる埋め込み型フォトダイオードである。また、排出領域１７はＮ型の拡散層で構成されている。なお、フォトダイオードＰＤと排出領域１７との素子間分離は、例えば、ＬＯＣＯＳ（local oxidation of silicon）法、ＳＴＩ（shallow trench isolation）法、拡散分離などの公知の手法で行えばよい。
【００３８】
また、各々の焦点検出画素の上面には、マイクロレンズ２４がそれぞれ配置されている。そして、焦点検出画素の配線部分は、マイクロレンズ２４と受光面との間に配置された遮光アルミ膜２５により入射光が遮光されている。図６に示す焦点検出画素では、光学系の瞳のうち位相差情報の生成に用いる第１範囲の光束が結像する領域（フォトダイオードＰＤ）と、光学系の瞳のうち第１範囲と重複しない残りの第２範囲の光束が結像する領域（排出領域１７のうち画素境界を除く）とは、遮光膜２５で覆われておらず、それ以外の領域が遮光膜２５で覆われる。なお、隣接する画素間で共有される排出領域１７の上部に、遮光アルミ層２５が、隣接する焦点検出画素間に跨って配置されているが、この遮光アルミ層２５は必ずしも設ける必要は無い。また、上述したように、第２範囲の光束が結像する領域の上部には遮光膜２５が設けられていないが、遮光層２５を設けてもよい。
【００３９】
以下、第１実施形態における固体撮像素子の作用を述べる。第１実施形態の焦点検出画素では、フォトダイオードＰＤによって瞳の第１範囲に対応する光束を受光して信号電荷を蓄積し、瞳の第２範囲に対応する光束を受光して生じた電荷を排出領域１７から排出する。これにより、第１実施形態の焦点検出画素では、所望の瞳領域以外の光束によって生成される電荷がフォトダイオードＰＤに流入することを阻止できるので、基板表面の位置で瞳分割を比較的精度よく行うことが可能となる。そして、比較的簡易な構成で位相差情報を用いた精度の高いＡＦを実現できる。
【００４０】
また、第１実施形態の固体撮像素子では、基板表面の位置で瞳分割を行うため、撮像画素および焦点検出画素でマイクロレンズの集光位置を一致させることができる。そのため、撮像画素と焦点検出画素とで同じマイクロレンズを使用できるので、遮光膜で瞳分割を行う固体撮像素子の場合と比べて、マイクロレンズの形成工程を簡略化できる。
【００４１】
＜第２実施形態の説明＞
図７は、第２実施形態での撮像画素および焦点検出画素の平面構造の例を示す図である。なお、以下の実施形態の説明では、第１実施形態と共通する構成には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００４２】
第２実施形態の固体撮像素子は、排出領域１７の電位を調整する電位調整部１８を備えている。この電位調整部１８は、各々の排出領域１７と制御用の配線でそれぞれ接続されている。
【００４３】
第２実施形態において、排出領域１７の電位を低く調整した場合、フォトダイオードＰＤと排出領域１７との間の分離領域で発生した電荷は、排出領域１７に流れ込む確率がより高くなる。一方、排出領域１７の電位を高く調整した場合、上記の分離領域で発生した電荷のうち、フォトダイオードＰＤの近傍で発生した電荷はフォトダイオードＰＤに流れ込みやすくなる。したがって、第２実施形態の構成によれば、排出領域１７の電位を調整することで、焦点検出画素において瞳像を分割する境界の位置を微調整することが可能となる。
【００４４】
また、第２実施形態において、図示しないが、固体撮像素子は通常、図６に示すマイクロレンズ２４と受光面との間にカラーフィルタが各画素に対応して設けられている。撮像画素と焦点検出画素とを有する固体撮像素子では、特に制限されないが、撮像画素の受光面側には互いに異なる色のカラーフィルタ（例えば、赤色、青色および緑色のカラーフィルタ）のそれぞれが各画素に対応して配置される。また、焦点検出画素の受光面側には、例えば、可視光域の光を透過するホワイトフィルタが配置される。その場合、撮影条件によっては、焦点検出画素で生成される信号電荷レベルと、撮像画素で生成される信号電荷レベルとのバランスが問題となる場合がある。その場合、焦点検出画素のフォトダイオードＰＤの面積を瞳分割に影響しないように変更すればよい。例えば、フォトダイオードＰＤの面積を瞳分割に影響しない領域にまで拡大させることが可能である。
【００４５】
＜実施形態の補足事項＞
（１）上記の第１実施形態の例では、焦点検出画素の排出領域１７が電源線ＶＤＤと接続されている例を説明した。しかし、図４に示す電源線ＶＤＤに代えて、リセットパルスφＲＥＳを伝達するリセット制御線に焦点検出画素の排出領域１７が接続されていてもよい。ここで、焦点検出画素のフォトダイオードＰＤで電荷を蓄積する期間は、リセットパルスφＲＥＳが高レベルとなってフローティングディフュージョン領域ＦＤのリセットが行われる。そのため、排出領域１７をリセット制御線に接続することで、不要な電荷を吸収することが可能となる。
【００４６】
（２）上記の実施形態の焦点検出画素の構成はあくまで一例にすぎない。例えば、図８に示すように、２つの撮像画素および２つの焦点検出画素を含む２×２画素の範囲において、増幅トランジスタＡＭＰおよびリセットトランジスタＲＥＳのドレインと、排出領域１７とを接続して一体化してもよい。なお、図８の例では、排出領域１７等と接続される電源線ＶＤＤの図示は省略している。
【００４７】
ここで、図８の場合、一対の焦点検出画素（図８の下の行の画素）のうちで図中左側（左列）の画素については、フローティングディフュージョン領域ＦＤおよび転送トランジスタＴＸが第１範囲と第２範囲との境界側に配置されている。焦点検出画素のフォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷の転送方向は、上記した第１実施形態では一対の焦点検出画素では互いに反対方向であったが、図８の場合、同一方向である。かかる配置によっても、撮像画素と焦点検出画素との構造的な乖離を比較的少なくでき、各画素のレイアウトや固体撮像素子の製造がより容易となる。
【００４８】
なお、図４に示した撮像画素および焦点検出画素の平面構造の例においても、２つの撮像画素および２つの焦点検出画素を含む２×２画素の範囲において、増幅トランジスタＡＭＰおよびリセットトランジスタＲＥＳのドレインと、排出領域１７とを接続して一体化してもよい。
【００４９】
また、図９は、画素アレイの行方向に瞳分割を行う場合の焦点検出画素の他の配置例である。図９の例では、一対の焦点検出画素（図９の下の行の画素）のうちで図中左側（左列）の画素については、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷の転送方向が右側（右列）の焦点検出画素における電荷転送の方向と直交方向となるように、フローティングディフュージョン領域ＦＤおよび転送トランジスタＴＸが下向きに配置されるとともに、選択トランジスタＳＥＬ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＥＳが上下方向に沿って配列されている。そして、図９に示す排出領域１７は、左側の焦点検出画素の増幅トランジスタＡＭＰおよびリセットトランジスタＲＥＳのドレインと一体化されている。なお、図９の例では、排出領域１７等と接続される電源線ＶＤＤの図示は省略している。
【００５０】
さらに、図１０は、画素アレイの列方向に瞳分割を行う場合の焦点検出画素の配置例である。図１０の例では、図中右列の画素が一対の焦点検出画素となる。そして、上側（上行）の焦点検出画素のフォトダイオードＰＤが上側に偏心して配置され、下側（下行）の焦点検出画素のフォトダイオードＰＤが下側に偏心して配置されている。また、上記の２つのフォトダイオードＰＤの間には排出領域１７が配置されている。図１０に示す排出領域１７は、上側の焦点検出画素の増幅トランジスタＡＭＰおよびリセットトランジスタＲＥＳのドレインと一体化されている。なお、図１０の例では、排出領域１７等と接続される電源線ＶＤＤの図示は省略している。
【００５１】
なお、図１０の例では、一対の焦点検出画素において排出領域１７は、上側の焦点検出画素の増幅トランジスタＡＭＰおよびリセットトランジスタＲＥＳのドレインと一体化された構造を示しているが、これに限定されない。一対の焦点検出画素において、排出領域１７を個別に設けてよい。その場合、上記した実施形態と同様に、排出領域１７は電源線ＶＤＤと接続されるか、もしくは、リセット制御線と接続さればよい。
【００５２】
（３）上記の各実施形態において、焦点検出画素の排出領域１７の上面側に遮光膜を配置するようにしてもよい。遮光膜による遮光と排出領域１７による不要電荷の排出とを組み合わせることで、焦点検出画素でより精度の高い瞳分割を行うことが可能となる。
【００５３】
（４）なお、焦点検出画素のフォトダイオードＰＤは、例えば、特開２００９−１０５３５８号公報に示す構成を適用して偏心配置させてもよい。
【００５４】
（５）また、本発明の構成は、画素アレイ上で斜め方向に延在する焦点検出画素の配列についても応用できる。また、上記実施形態では、１画素につき４つのトランジスタを有するＣＭＯＳセンサの例を説明したが、本発明の固体撮像素子はかかる構成に限定されるものではなく、他の固体撮像素子（ＣＣＤなど）の構成に応用してもよい。
【００５５】
以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲が、その精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずであり、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物によることも可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１１…垂直走査部、１２…信号蓄積部、１３…水平走査部、１４…垂直出力線、１５…定電流源、１６ａ，１６ｂ…転送ゲート、１７…排出領域、１８…電位調整部、２１…Ｎ型シリコン基板、２２…Ｐ型ウエル、２３…シリコン酸化膜、２４…マイクロレンズ、２５…遮光アルミ膜、ＰＸ…画素、ＰＤ…フォトダイオード、ＴＸ…転送トランジスタ、ＲＥＳ…リセットトランジスタ、ＡＭＰ…増幅トランジスタ、ＳＥＬ…選択トランジスタ、ＦＤ…フローティングディフュージョン領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体の像を撮像して画像信号を生成する撮像画素と、光学系の瞳の異なる部分領域を通過する光束をそれぞれ受光し、前記被写体の像の位相差情報を取得する一対の焦点検出画素とを備える固体撮像素子において、
前記焦点検出画素は、
前記瞳のうち前記位相差情報の生成に用いる第１範囲に対応する受光面上の位置に、入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換領域と、
前記瞳のうち前記第１範囲と重複しない第２範囲に対応する受光面上の位置に、電荷を排出する排出領域とを備えることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記排出領域が、前記焦点検出画素の電源またはリセット制御線に接続されることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記排出領域の電位を調整する電位調整部をさらに含むことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の固体撮像素子において、
前記焦点検出画素は、
前記光電変換領域で生成された前記信号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、
前記光電変換領域から前記フローティングディフュージョン領域に前記信号電荷を転送する転送トランジスタと、をさらに含み、
前記焦点検出画素で隣接する２つの前記光電変換領域の間に、各画素の前記フローティングディフュージョン領域および前記転送トランジスタが、交互に対向配置されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項５】
請求項２または請求項３に記載の固体撮像素子において、
前記焦点検出画素は、
前記光電変換領域で生成された前記信号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、
前記光電変換領域から前記フローティングディフュージョン領域に前記信号電荷を転送する転送トランジスタと、をさらに含み、
前記一対の焦点検出画素のうち一方の画素について、前記フローティングディフュージョン領域および前記転送トランジスタが、前記第１範囲と前記第２範囲との境界側に配置されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項１】
被写体の像を撮像して画像信号を生成する撮像画素と、光学系の瞳の異なる部分領域を通過する光束をそれぞれ受光し、前記被写体の像の位相差情報を取得する一対の焦点検出画素とを備える固体撮像素子において、
前記焦点検出画素は、
前記瞳のうち前記位相差情報の生成に用いる第１範囲に対応する受光面上の位置に、入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換領域と、
前記瞳のうち前記第１範囲と重複しない第２範囲に対応する受光面上の位置に、電荷を排出する排出領域とを備えることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記排出領域が、前記焦点検出画素の電源またはリセット制御線に接続されることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記排出領域の電位を調整する電位調整部をさらに含むことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の固体撮像素子において、
前記焦点検出画素は、
前記光電変換領域で生成された前記信号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、
前記光電変換領域から前記フローティングディフュージョン領域に前記信号電荷を転送する転送トランジスタと、をさらに含み、
前記焦点検出画素で隣接する２つの前記光電変換領域の間に、各画素の前記フローティングディフュージョン領域および前記転送トランジスタが、交互に対向配置されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項５】
請求項２または請求項３に記載の固体撮像素子において、
前記焦点検出画素は、
前記光電変換領域で生成された前記信号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、
前記光電変換領域から前記フローティングディフュージョン領域に前記信号電荷を転送する転送トランジスタと、をさらに含み、
前記一対の焦点検出画素のうち一方の画素について、前記フローティングディフュージョン領域および前記転送トランジスタが、前記第１範囲と前記第２範囲との境界側に配置されていることを特徴とする固体撮像素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−６０８１５（Ｐ２０１１−６０８１５Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０５６７６（Ｐ２００９−２０５６７６）
【出願日】平成２１年９月７日（２００９．９．７）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月７日（２００９．９．７）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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