JP6151892B2 - 固体撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子に関し、特に固体撮像素子を構成する要素の配置に関するものである。

現在、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装置において、単位画素に複数の光電変換部を備えた固体撮像素子を用いた様々な応用技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、２次元に配列された単位画素ごとにマイクロレンズが設けられた固体撮像素子を用いて、いわゆる瞳分割方式の焦点検出を行う撮像装置が開示されている。特許文献１の撮像装置では、撮像素子を構成する画素の光電変換部が複数に分割されており、分割された各光電変換部が、マイクロレンズを介して、撮影レンズの分割された異なる瞳を通過した光を受光するように構成されている。そして、画素の、左側の光電変換部出力と、右側の光電変換部出力の、ズレ量から、結像光学系の焦点検出を行うことができる。

さらに、特許文献１は、３次元映像撮影についても言及されている。

人間は、水平方向に約６〜７ｃｍ離れた左右２つの目で、それぞれ２次元映像を取得しているが、左右２つの映像には、見ているものまでの距離に応じた視差がある。人間は、この視差のある左右２つの映像を脳で処理することで、立体感や奥行きを認識している。

３次元映像を撮影するための装置として、人間の目と同様に、カメラあるいは撮像素子を、２つ用いた装置もあるが、特許文献１では、１つの光学系と１つの撮像素子によって構成された撮像装置が開示されている。単位画素ごとに分割された光電変換部を用いて、左側の光電変換部出力と、右側の光電変換部出力から、視差のある２つの映像を生成することができる。これら２つの映像を、表示再生装置により、人間の左右それぞれの目に分離して見せることで、立体感や奥行きを認識することができる。

また、特許文献２では、撮像素子の画素部を構成する単位画素を、電荷蓄積量の異なる複数の分割画素を含む構成とし、単位画素内の各分割画素の撮像信号をデジタル化して加算することにより、幅広いダイナミックレンジを得る技術が開示されている。

また、特許文献３では、特許文献１に係る撮像装置の具体的な構成についても言及されている。

特開昭５８−０２４１０５号公報 特開２０１０−０２８４２３号公報 特開２００１−２５０９３１号公報

特許文献１のような、単位画素が複数の光電変換部を含む構成は、同じ面積の単位画素の光電変換部が１つである構成に比べて、画素を構成する要素が増加するため、光電変換部の総面積が減少してしまう。

従来より、単位画素が１つの光電変換部を備えた構成において、フローティングディフュージョン部（ＦＤ）を複数の画素で共有することで、後段の構成要素を減らし、光電変換部の総面積の減少を抑える技術が存在する。特許文献２には、単位画素が２×２の４つの光電変換部を備えた構成において、画素の中心に配置したＦＤを共有する構成が開示されている。

例えば、図１５では、１つのマイクロレンズ１５０１の下に、画素１５０２が構成され、画素１５０２は２×２に分割された４つの光電変換部１５０３ａ、１５０３ｂ、１５０３ｃ、１５０３ｄを含み、これら４つの光電変換部でＦＤ１５０４を共有している。説明の便宜のため、９画素のみ示しているが、実際には、このような画素がさらに複数配置されて画素部を構成している。

図１６は、図１５のＦＤ１５０４を共有する光電変換部の配置を示している。説明の便宜のため、２画素のみを示している。図１６（ａ）は、図１６（ｂ）のＩＩ−ＩＩ断面図である。図１６（ａ）は、光電変換部が撮影レンズの射出瞳１６０３から出た光を、マイクロレンズ１５０１を介して受光する様子を示している。分割された光電変換部は、射出瞳１６０３の異なる領域から出た光をそれぞれ受光する。

しかしながら、図１５及び図１６の構成では、図１６（ａ）のように、光電変換部１５０３ａ、１５０３ｂの間に光電変換に寄与しない領域１６０１（不感帯）ができてしまう。この不感帯領域１６０１はＦＤ１５０４を含む領域である。さらには、ＦＤ１５０４に伴って構成される、遮光部材や配線などを含む構造体１６０２が、光電変換部へ入射する光束を遮り、感度の低下を招いてしまう。

一方、特許文献３には、単位画素が２×２の４つの光電変換部を備えた構成において、画素の上下両側または左右両側にＦＤを配置して、それぞれを２つの光電変換部で共有する構成が開示されている。

例えば、図１７では、１つのマイクロレンズ１７０１の下に、画素１７０２が構成され、画素１７０２は２×２に分割された４つの光電変換部１７０３ａ、１７０３ｂ、１７０３ｃ、１７０３ｄを含む。そして、光電変換部１７０３ａ、１７０３ｃでＦＤ１７０４ａを共有し、光電変換部１７０３ｂ、１７０３ｄでＦＤ１７０４ｂを共有している。説明の便宜のため、９画素のみ示しているが、実際には、このような画素がさらに複数配置されて画素部を構成する。

図１８は、図１７のＦＤ１７０４ａ、１７０４ｂを共有する光電変換部の配置を示している。説明の便宜のため、２画素のみを示している。図１８（ａ）は、図１８（ｂ）のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。図１８（ａ）は、光電変換部が撮影レンズの射出瞳１８０４から出た光をマイクロレンズ１７０１を介して受光する様子を示している。分割された光電変換部は、射出瞳１８０４の異なる領域から出た光をそれぞれ受光する。１８０１ａと１８０１ｂは、遮光部材や配線などを含む構造体である。

しかしながら、図１７及び図１８の構成では、ＦＤ１７０４ｂと、隣接する画素からも水平方向に張り出したＦＤ１７０５が、画素境界部の領域１８０２に集まって配置される。ＦＤ１７０４ｂとＦＤ１７０５は半導体領域で分離する必要があるため、画素境界部の領域１８０２には広い水平幅が必要となる。結果として、この構成では、光電変換部の領域１８０３の水平幅が狭くなり、光電変換部の面積が小さくなってしまう。

また、この構成を用いた撮像装置を縦位置で撮影する時と、横位置で撮影する時で、同じ性能を得るためには、光電変換部の上下の幅と、左右の幅を等しく（等方的に）レイアウトする必要がある。この構成で、等方的に光電変換部の領域を構成しようとした場合は、効率よくレイアウトすることがさらに困難となる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、単位画素に、マイクロレンズと複数の光電変換部を備えた固体撮像素子において、光電変換部の間の不感帯を減らし、かつ、光電変換部の面積を広くすることができる固体撮像素子を実現することである。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明の固体撮像素子は、各々が１つのマイクロレンズと、第１ないし第４の光電変換部とを有する単位画素を複数備えた固体撮像素子において、第１の単位画素に含まれる第１の光電変換部および第２の光電変換部と、前記第１の単位画素に隣接する第２の単位画素に含まれる第３の光電変換部および第４の光電変換部とにより共有される第１のフローティングディフュージョン部と、前記第２の単位画素に含まれる第１の光電変換部および第２の光電変換部と、前記第２の単位画素に隣接する第３の単位画素に含まれる第３の光電変換部および第４の光電変換部とにより共有され、前記第１のフローティングディフュージョン部と異なる第２のフローティングディフュージョン部とを有する。

本発明によれば、単位画素に、マイクロレンズと複数の光電変換部を備えた固体撮像素子において、光電変換部の間の不感帯を減らし、かつ、光電変換部の面積を広くすることができる。

本発明に係る実施形態の撮像装置の構成を示すブロック図。 実施形態１の固体撮像素子の構成を示す図。 実施形態１の画素部の構成を示す図。 実施形態１の画素部の構成を詳細に示す図。 実施形態１の画素部の等価回路図。 実施形態１のフローティングディフュージョン部と信号電荷転送スイッチの構成を示す図。 実施形態２の画素部の構成を示す図。 実施形態３の画素部の構成を示す図。 実施形態４の画素部の構成を示す図。 実施形態５の画素部の構成を示す図。 実施形態６の画素部の構成を示す図。 実施形態７の画素部の構成を示す図。 実施形態８の画素部の構成を示す図。 実施形態９の画素部の構成を示す図。 従来技術の画素部の構成を示す図。 従来技術の画素部の構成を詳細に示す図。 別の従来技術の画素部の構成を示す図。 別の従来技術の画素部の構成を詳細に示す図。

以下に、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、本発明を実現するための一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。また、後述する各実施形態の一部を適宜組み合わせて構成しても良い。

［実施形態１］図１を参照して、本発明に係る実施形態の撮像装置の構成について説明する。

図１において、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子１０１は、不図示の光学系で結像された光学像を受光する。アナログフロントエンド（ＡＦＥ）１０２は、基準レベルの調整（クランプ処理）およびアナログデジタル変換処理を行う。デジタルフロントエンド（ＤＦＥ）１０３は、各画素のデジタル出力を受けて画像信号の補正や画素の並び替え等のデジタル処理を行う。画像処理部１０４は、ＤＦＥ１０３からのデジタル出力に対して現像処理を行う。メモリ回路１０５は画像処理部１０４の作業用メモリであり、連続撮影等においてはバッファメモリとしても使用される。制御回路１０６は、撮像装置全体を統括的に制御し、周知のＣＰＵなどを内蔵する。操作回路１０７は、撮像装置の操作部材による操作入力を電気的に受け付ける。表示部１０８は画像等を表示するＬＣＤ等である。記録回路１０９は、具体的にはメモリカードやハードディスクなどの記録媒体である。タイミング発生回路（ＴＧ）１１０は、固体撮像素子１０１を駆動する各種タイミングを生成する。

図２は、本実施形態の固体撮像素子１０１の構成を示す概略図である。

図２に示すように、固体撮像素子１０１は、画素部２０１、垂直走査部２０２、読み出し部２０３、水平走査部２０４を有する。画素部２０１は、複数の単位画素が行列状に配置されており、不図示の光学系により結像された光学像を受光する。垂直走査部２０２は、画素部２０１の複数の行を順に選択し、水平走査部２０４は、画素部２０１の複数の列を順に選択することによって、画素部２０１の複数の画素が順に選択される。読み出し部２０３は、垂直走査部２０２および水平走査部２０４によって選択される画素の信号を読み出し、読み出した信号をＡＦＥ１０２へ出力する。

図３は、固体撮像素子１０１における画素部２０１の構成を示している。説明の便宜のため、９画素のみを示しているが、実際には、このような画素がさらに複数配置されて画素部２０１を構成する。

図３に示すように、画素部２０１は、１つのマイクロレンズ３０１、３０５に対し、１つの単位画素３０２、３０６が設けられている。さらに画素３０２、３０６は、２×２に分割された４つの光電変換部３０３ａ〜３０３ｄ、３０７ａ〜３０７ｄを含んでいる。各光電変換部３０３ａ〜３０３ｄ、３０７ａ〜３０７ｄは、光学系を介して受光した光を光電変換して、信号電荷の蓄積を行う。

各光電変換部３０３ａ〜３０３ｄ、３０７ａ〜３０７ｄで蓄積された信号電荷は、それぞれフローティングディフュージョン部（ＦＤ）３０４を介して読み出し部へ読み出される。本実施形態では、ＦＤ３０４を複数の光電変換部３０３ｂ、３０３ｄ、３０７ａ、３０７ｃが共有している。但し、実際には、各光電変換部とＦＤとの間には、光電変換部からＦＤへの信号電荷の転送を制御するための信号電荷転送スイッチが配置されているが、図３では説明の便宜のため省略し、詳細な構成については後述する。

図４は、本実施形態のＦＤ３０４を共有する光電変換部の配置を示している。説明の便宜のため、２画素のみを示している。図４（ａ）は、図４（ｂ）のＩ−Ｉ断面図であり、光電変換部が撮影レンズの射出瞳４０４から出た光をマイクロレンズ３０１を介して受光する様子を示している。分割された光電変換部は射出瞳４０４の異なる領域から出た光をそれぞれ受光する。

本実施形態では、ＦＤ３０４を、画素３０２の光電変換部３０３ｂ、３０３ｄと、画素３０６の光電変換部３０７ａ、３０７ｃという、異なる画素の４つの光電変換部で共有している。それぞれの光電変換部に蓄積される信号電荷はこの共有されたＦＤ３０４を介して読み出される。但し、実際には、各光電変換部とＦＤとの間には、光電変換部からＦＤへの信号電荷の転送を制御するための信号電荷転送スイッチが配置されているが、図４では説明の便宜のため省略し、詳細な構成については後述する。

図４に示すように、ＦＤ３０４は、画素３０２と画素３０６の間に配置されている。この構成により、光電変換部の間の不感帯の面積を小さくすることができる。また、構造体４０３は、ＦＤ３０４に伴って画素の間の領域４０２に構成されるため、構造体によって光電変換部への入射を遮られる光束も少なくなる。

このように、異なる画素の複数の光電変換部で、画素の間に配置したＦＤを共有することによって、光電変換部の間の不感帯の面積を小さくすることができるだけでなく、構造体によって光電変換部への入射が遮られる光束も少なくなる。画素３０２の各光電変換部を分離するための領域は不感帯となるが、その幅は領域４０２の幅と比較して狭い幅である。また、ＦＤ３０４を半導体領域で分離する必要はないので、領域４０２の水平幅を狭く構成できる。すなわち、光電変換部の領域４０１の水平幅を広く確保することも可能となり、撮像素子の感度を向上させることができる。

なお、本発明と実施形態の関係を説明すると、第１の単位画素は画素３０２、第２の単位画素は画素３０６、フローティングディフュージョン部はＦＤ３０４にそれぞれ対応する。

図５は、画素部２０１の等価回路図である。説明の便宜のため、ＦＤ３０４を共有する光電変換部を含む２つの画素３０２、３０６のみ示しているが、これら複数の画素が２次元に配列されて画素部２０１を構成する。また、１列の読み出し部のみ示しているが、読み出し部は列ごとに複数配置されて、読み出し部２０３を構成する。

図５に示すように、画素３０２における光電変換部３０３ａ〜３０３ｄ、及び、画素３０６における光電変換部３０７ａ〜３０７ｄは、図５ではフォトダイオード（ＰＤ）として示されている。各光電変換部は、射出瞳の各領域の光を受光し、その受光量に応じた信号電荷を生成して蓄積する機能を備えている。

信号電荷転送スイッチ５０１は、転送パルス信号φＴＸ１によって駆動され、光電変換部３０３ｂで生成した信号電荷を、ＦＤ３０４に転送する。信号電荷転送スイッチ５０２は、転送パルス信号φＴＸ２によって駆動され、光電変換部３０３ｄで生成した信号電荷を、ＦＤ３０４に転送する。信号電荷転送スイッチ５０３は、転送パルス信号φＴＸ３によって駆動され、光電変換部３０７ａで生成した信号電荷を、ＦＤ３０４に転送する。信号電荷転送スイッチ５０４は、転送パルス信号φＴＸ４によって駆動され、光電変換部３０７ｃで生成した信号電荷を、ＦＤ３０４に転送する。

ＦＤ３０４では、転送された信号電荷を保持可能な構成となっている。

画素３０２における光電変換部３０３ａ、光電変換部３０３ｃおよび、画素３０６における光電変換部３０７ｂ、３０７ｄは、不図示の隣接画素とＦＤを共有している。

リセットスイッチ５０５は、リセットパルス信号φＲＥＳによって駆動され、ＦＤ３０４に基準電位ＶＤＤを供給可能な構成となっている。

ＦＤ３０４は、光電変換部３０３ｂ、３０３ｄ、３０７ａ、３０７ｃから、信号電荷転送スイッチ５０１、５０２、５０３、５０４を介して、各々転送された電荷を保持するとともに、保持した電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部として機能する。

増幅部５０６は、ＦＤ３０４に保持した電荷に基づく電圧信号を増幅して、画素信号として出力する。ここでは例として、ＭＯＳトランジスタと定電流源５０９を用いたソースフォロワ回路を示している。

選択スイッチ５０７は、垂直選択パルス信号φＳＥＬによって駆動され、増幅部５０６で増幅された信号が、垂直信号線５０８に出力される。垂直信号線５０８に出力された信号は、列毎の読み出し部２０３で読み出されたのち、ＡＦＥ１０２へ出力される。

図６は、ＦＤと信号電荷転送スイッチの詳細な構成を示している。説明の便宜のため、ＦＤ３０４と信号電荷転送スイッチ５０１、５０２、５０３、５０４のみを示しているが、図示のような各ＦＤと信号電荷転送スイッチが画素部全体に構成されている。

図６において、高不純物濃度領域６０１、６０２、６０４が半導体基板上に形成されている。配線６０３は、領域６０１と領域６０２を接続している。

図６（ａ）に示すように、ＦＤ３０４ａは、配線６０３により電気的に接続された２つの領域６０１、６０２からなる。転送スイッチ５０１は、光電変換部３０３ｂと領域６０１の間に配置されており、光電変換部３０３ｂで生成された信号電荷を領域６０１へ転送する。転送スイッチ５０２は、光電変換部３０３ｄと領域６０２の間に配置されており、光電変換部３０３ｄで生成された信号電荷を領域６０２へ転送する。転送スイッチ５０３は、光電変換部３０７ａと領域６０１の間に配置されており、光電変換部３０７ａで生成された信号電荷を領域６０１へ転送する。転送スイッチ５０４は、光電変換部３０７ｃと領域６０２の間に配置されており、光電変換部３０７ｃで生成された信号電荷を領域６０２へ転送する。

図６（ｂ）に示すように、ＦＤ３０４は１つの領域６０４で構成してもよい。この場合、各転送スイッチ５０１、５０２、５０３、５０４が、光電変換部３０３ｂ、３０３ｄ、３０７ａ、３０７ｃで各々生成された信号電荷を領域６０４へ転送する。

本実施形態は、ＦＤ３０４、リセットスイッチ５０５、増幅部５０６、選択スイッチ５０７を、異なる画素３０２、３０６の４つの光電変換部で共有している。この構成によれば、前述したように、光電変換部の間の不感帯の面積を小さくすることができ、画素の内部の構造体によって光電変換部への入射が遮られる光束も少なくなる。そして、光電変換部の面積を広く確保することも可能となり、撮像素子の感度を向上させることができる。

ここで、画素部２０１における、リセットスイッチ５０５、増幅部５０６、選択スイッチ５０７、などの配置については、それぞれ画素の間の適切な位置に構成してよく、また、領域４０２に構成してもよい。

また、本実施形態の撮像装置では、焦点検出或いは３次元映像撮影のための駆動を行う場合など、左側２つの光電変換部３０３ａと３０３ｃの出力を加算し、右側２つの光電変換部３０３ｂと３０３ｄの出力を加算して、それぞれの信号を得る。

一方で、撮像駆動時には、画素ごとに４つの光電変換部の出力を加算した信号を得る必要がある。本実施形態は、その機能を実現するものであれば、如何なるものでもよい。例えば、その加算はＦＤ３０４で行ってもよく、また、出力経路の任意の位置で行ってもよく、さらに、後段のＡＦＥ１０２、ＤＦＥ１０３、画像処理部１０４などで行ってもよい。

また、本実施形態の固体撮像素子では、焦点検出の駆動をさせる場合、左右の光電変換部へ同時刻に入射した光を光電変換して、左右の光電変換部の信号電荷を同時に出力して、読み出すことも可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、単位画素に、マイクロレンズと複数の光電変換部を備えた固体撮像素子において、光電変換部の間の不感帯を減らし、かつ、光電変換部の面積を広くすることができる固体撮像素子を実現できる。

［実施形態２］次に、実施形態２の固体撮像素子について説明する。

図７は、実施形態２の画素部２０１の構成を示している。４画素のみを切り出して示しているが、これら複数の画素が２次元に配列されて画素部２０１を構成する。

実施形態２の画素部２０１は、１つのマイクロレンズ７０１に対し、１つの単位画素７０２が設けられている。画素７０２は、実施形態１とは異なり、２×１に分割された２つの光電変換部７０３ａ、７０３ｂを含んでおり、光学系から受光した光を光電変換して、信号電荷の蓄積を行う。光電変換部で蓄積された信号電荷は、それぞれＦＤを介して、読み出し部２０３へ読み出される。本実施形態では、隣り合う２つの単位画素７０２、７０６の各光電変換部７０３ｂ、７０７がＦＤ７０４を共有している。

ここで、図７におけるＦＤ７０４に着目すると、本実施形態では、ＦＤ７０４と、それを共有する光電変換部の組み合わせに特徴がある。

具体的には、図７に示すように、ＦＤ７０４は、画素７０２と画素７０６という、２つの画素の間に配置されている。また、ＦＤ７０４は、画素７０２の光電変換部７０３ｂと、画素７０６の光電変換部７０７という、異なる２つの画素の光電変換部により共有されている。それぞれの光電変換部に蓄積される信号電荷は、この共有されたＦＤ７０４を介して、読み出される。

なお、本発明と実施形態の関係を説明すると、第１の単位画素は画素７０２、第１の光電変換部は光電変換部７０３ｂ、第２の単位画素は画素７０６、第２の光電変換部は光電変換部７０７、フローティングディフュージョン部はＦＤ７０４にそれぞれ対応する。

［実施形態３］次に、実施形態３の固体撮像素子について説明する。

図８は、実施形態３の画素部２０１の構成を示している。４画素のみを切り出して示しているが、これら複数の画素が２次元に配列されて画素部２０１を構成する。

実施形態３の画素部２０１も、実施形態１と同様に、１つのマイクロレンズ８０１に対し、１つの単位画素８０２が設けられている。画素８０２は、２×２に分割された４つの光電変換部８０３ａ、８０３ｂ、８０３ｃ、８０３ｄ、を含んでおり、光学系から受光した光を光電変換して、信号電荷の蓄積を行う。光電変換部で蓄積された信号電荷は、それぞれＦＤを介して、読み出し部２０３へ読み出される。本実施形態では、隣り合う４つの単位画素８０２、８０６、８０９、８１２の各光電変換部８０３ｄ、８０７、８１０、８１３がＦＤ８０４を共有している。

ここで、図８におけるＦＤ８０４に着目すると、本実施形態では、ＦＤ８０４と、それを共有する光電変換部の組み合わせに特徴がある。

具体的には、図８に示すように、ＦＤ８０４は、画素８０２と、画素８０６と、画素８０９と、画素８１２という、４つの画素の間に配置されている。また、本実施形態のＦＤ８０４は、画素８０２の光電変換部８０３ｄと、画素８０６の光電変換部８０７と、画素８０９の光電変換部８１０と、画素８１２の光電変換部８１３という、異なる４つの画素の光電変換部により共有されている。それぞれの光電変換部に蓄積される信号電荷は、この共有されたＦＤ８０４を介して、読み出される。

なお、本発明と実施形態の関係を説明すると、第１の単位画素は画素８０２、第１の光電変換部は光電変換部８０３ｄにそれぞれ対応する。第１の単位画素に隣接する第２の単位画素は画素８０９、第２の光電変換部は光電変換部８１０にそれぞれ対応する。第２の単位画素に隣接する第３の単位画素は画素８１２、第３の光電変換部は光電変換部８１３にそれぞれ対応する。第３の単位画素に隣接する第４の単位画素は画素８０６、第４の光電変換部は光電変換部８０７にそれぞれ対応する。フローティングディフュージョン部はＦＤ８０４に対応する。

［実施形態４］次に、実施形態４の固体撮像素子について説明する。

図９は、実施形態４の画素部２０１の構成を示している。４画素のみを切り出して示しているが、これら複数の画素が２次元に配列されて画素部２０１を構成する。

実施形態４の画素部２０１も、実施形態１と同様に、１つのマイクロレンズ９０１に対し、１つの単位画素９０２が設けられている。画素９０２は、２×２に分割された４つの光電変換部９０３ａ、９０３ｂ、９０３ｃ、９０３ｄ、を含んでおり、光学系から受光した光を光電変換して、信号電荷の蓄積を行う。光電変換部で蓄積された信号電荷は、それぞれＦＤを介して、読み出し部２０３へ読み出される。隣り合う２つの単位画素９０２、９０９の各光電変換部９０３ｄ、９１０がＦＤ９０４を共有し、隣り合う他の２つの単位画素９０６、９１３の各光電変換部９０７、９１４がＦＤ９１１を共有している。

ここで、図９におけるＦＤ９０４、９１１に着目すると、本実施形態では、ＦＤ９０４、９１１の配置と、それらを共有する光電変換部の組み合わせに特徴がある。

具体的には、図９に示すように、ＦＤ９０４、９１１が、画素９０２と、画素９０６と、画素９０９と、画素９１３という、４つの画素の間に配置されている。また、ＦＤ９０４は、画素９０２の光電変換部９０３ｄと、画素９０９の光電変換部９１０、という、異なる２つの画素の光電変換部に共有されている。また、ＦＤ９１１は、画素９０６の光電変換部９０７と、画素９１３の光電変換部９１４という、異なる２つの画素の光電変換部により共有されている。それぞれの光電変換部に蓄積される信号電荷は、この共有されたＦＤ９０４、９１１を介して、読み出される。

本実施形態では、ＦＤ９０４とＦＤ９１１は、隣接して配置されているが、４つの画素の間の領域に配置することで、２つの画素の間に配置する構成に対して、２つのＦＤ間の十分な分離領域を確保しつつ、光電変換部の面積を広く構成することができる。

なお、本発明と実施形態の関係を説明すると、第１の単位画素は画素９０２、第１の光電変換部は光電変換部９０３ｄにそれぞれ対応する。第１の単位画素に隣接する第２の単位画素は画素９０９、第２の光電変換部は光電変換部９１０にそれぞれ対応する。第１のフローティングディフュージョン部はＦＤ９０４に対応する。第２の単位画素に隣接する第３の単位画素は画素９１３、第３の光電変換部は光電変換部９１４にそれぞれ対応する。第３の単位画素に隣接する第４の単位画素は画素９０６、第４の光電変換部は光電変換部９０７にそれぞれ対応する。第２のフローティングディフュージョン部はＦＤ９１１に対応する。

［実施形態５］次に、実施形態５の固体撮像素子について説明する。

図１０は、実施形態５の画素部２０１の構成を示している。６画素のみを切り出して示しているが、これら複数の画素が２次元に配列されて画素部２０１を構成する。

実施形態５の画素部２０１も、実施形態１と同様に、１つのマイクロレンズ１００１に対し、１つの単位画素１００２が設けられている。画素１００２は、２×２に分割された４つの光電変換部１００３ａ、１００３ｂ、１００３ｃ、１００３ｄ、を含んでおり、光学系から受光した光を光電変換して、信号電荷の蓄積を行う。光電変換部で蓄積された信号電荷は、それぞれＦＤを介して、読み出し部２０３へ読み出される。本実施形態では、縦方向に隣り合う２つの単位画素１００２、１０１１の各光電変換部１００３ｄ、１０１２がＦＤ１００４を共有している。また、単位画素１００２と横方向に隣り合う単位画素１００６の縦方向に隣り合う光電変換部１００７、１００８がＦＤ１００９を共有している。さらに、単位画素１０１１と横方向に隣り合う単位画素１０１４の縦方向に隣り合う光電変換部１０１５、１０１６がＦＤ１０１７を共有している。

ここで、図１０におけるＦＤ１００４、１００９、１０１７に着目すると、本実施形態では、ＦＤ１００４、１００９、１０１７の配置と、それらを共有する光電変換部の組み合わせに特徴がある。

具体的には、図１０に示すように、ＦＤ１００４は、画素１００２と、画素１０１１の間に配置されている。ＦＤ１００９は、画素１００２と、画素１００６の間に配置されており、ＦＤ１０１７は、画素１０１１と、画素１０１４の間に配置されている。また、ＦＤ１００４は、画素１００２の光電変換部１００３ｄと、画素１０１１の光電変換部１０１２という、異なる２つの画素の光電変換部に共有されている。ＦＤ１００９は、光電変換部１００７と、光電変換部１００８という、同じ画素の２つの光電変換部に共有されている。ＦＤ１０１７は、光電変換部１０１５と、光電変換部１０１６という、同じ画素の２つの光電変換部に共有されている。それぞれの光電変換部に蓄積される信号電荷は、この共有されたＦＤ１００４、１００９、１０１７を介して、読み出される。

なお、本発明と実施形態の関係を説明すると、第１の単位画素は画素１００２、第１の光電変換部は光電変換部１００３ｄにそれぞれ対応する。第１の単位画素に隣接する第２の単位画素は画素１０１１、第２の光電変換部は光電変換部１０１２にそれぞれ対応する。第１のフローティングディフュージョン部はＦＤ１００４に対応する。第１の単位画素に隣接する第３の単位画素は画素１００６に対応する。第２のフローティングディフュージョン部はＦＤ１００９に対応する。第２の単位画素に隣接する第４の単位画素は画素１０１４に対応する。第３のフローティングディフュージョン部は１０１７に対応する。

［実施形態６］次に、実施形態６の固体撮像素子について説明する。

図１１は、実施形態６の画素部２０１の構成を示している。６画素のみを切り出して示しているが、これら複数の画素が２次元に配列されて画素部２０１を構成する。

実施形態６の画素部２０１も、実施形態１と同様に、１つのマイクロレンズ１１０１に対し、１つの単位画素１１０２が設けられている。画素１１０２は、２×２に分割された４つの光電変換部１１０３ａ、１１０３ｂ、１１０３ｃ、１１０３ｄ、を含んでおり、光学系から受光した光を光電変換して、信号電荷の蓄積を行う。光電変換部で蓄積された信号電荷は、それぞれＦＤを介して、読み出し部２０３へ読み出される。本実施形態では、対角に隣り合う２つの単位画素１１０２、１１１６の各光電変換部１１０３ｄ、１１１７がＦＤ１１０４を共有している。また、単位画素１１０２及び１１１６と隣り合う単位画素１１０６の縦方向に隣り合う複数の光電変換部１１０７、１１０８がＦＤ１１０９を共有している。さらに、単位画素１１０２及び１１１６と隣り合う単位画素１１１１の縦方向に隣り合う光電変換部１１１２、１１１３がＦＤ１１１４を共有している。

ここで、図１１におけるＦＤ１１０４、１１０９、１１１４に着目すると、本実施形態では、ＦＤ１１０４、１１０９、１１１４の配置と、それらを共有する光電変換部の組み合わせに特徴がある。

具体的には、図１１に示すように、ＦＤ１１０４は、画素１１０２と、画素１１１６の間に配置されている。ＦＤ１１０９は、画素１１０２と、画素１１０６の間に配置されており、ＦＤ１１１４は、画素１１１１と、画素１１１６の間に配置されている。また、ＦＤ１１０４は、画素１１０２の光電変換部１１０３ｄと、画素１１１６の光電変換部１１１７という、異なる２つの画素の光電変換部に共有されている。ＦＤ１１０９は、光電変換部１１０７と、光電変換部１１０８という、同じ画素の２つの光電変換部に共有されている。ＦＤ１１１４は、光電変換部１１１２と、光電変換部１１１３という、同じ画素の２つの光電変換部に共有されている。それぞれの光電変換部に蓄積される信号電荷はこの共有されたＦＤ１１０４、１１０９、１１１４を介して、読み出される。

なお、本発明と実施形態の関係を説明すると、第１の単位画素は画素１１０２、第１の光電変換部は光電変換部１１０３ｄにそれぞれ対応する。第１の単位画素と対角に隣接する第３の単位画素は画素１１１６、第３の光電変換部は光電変換部１１１７にそれぞれ対応する。第１のフローティングディフュージョン部はＦＤ１１０４に対応する。第１の単位画素に隣接する第２の単位画素は画素１１０６に対応する。第２のフローティングディフュージョン部はＦＤ１１０９に対応する。第２の単位画素と対角に隣接する第４の単位画素は画素１１１１に対応する。第３のフローティングディフュージョン部はＦＤ１１１４に対応する。

［実施形態７］次に、実施形態７の固体撮像素子について説明する。

図１２は、実施形態７の画素部２０１の構成を示している。６画素のみを切り出して示しているが、これら複数の画素が２次元に配列されて画素部２０１を構成する。

実施形態７の画素部２０１も、実施形態１と同様に、１つのマイクロレンズ１２０１に対し、１つの単位画素１２０２が設けられている。画素１２０２は、２×２に分割された４つの光電変換部１２０３ａ、１２０３ｂ、１２０３ｃ、１２０３ｄ、を含んでおり、光学系から受光した光を光電変換して、信号電荷の蓄積を行う。光電変換部で蓄積された信号電荷は、それぞれＦＤを介して、読み出し部２０３へ読み出される。本実施形態では、対角に隣り合う２つの単位画素１２０６、１２１１の各光電変換部１２０８、１２１２がＦＤ１２０９を共有している。また、単位画素１２０６と横方向に隣り合う単位画素１２０２の光電変換部１２０３ｄと単位画素１２０６の光電変換部１２０８と縦方向に隣り合う光電変換部１２０７とがＦＤ１２０４を共有している。さらに、単位画素１２１１と横方向に隣り合う単位画素１２１６の光電変換部１２１７と単位画素１２１１の光電変換部１２１２と縦方向に隣り合う光電変換部１２１３がＦＤ１２１４を共有している。

ここで、図１２におけるＦＤ１２０４、１２０９、１２１４に着目すると、本実施形態では、ＦＤ１２０４、１２０９、１２１４の配置と、それらを共有する光電変換部の組み合わせに特徴がある。

具体的には、図１２に示すように、ＦＤ１２０４は、画素１２０２と、画素１２０６の間に配置されている。ＦＤ１２０９は、画素１２０６と、画素１２１１の間に配置されており、ＦＤ１２１４は、画素１２１１と、画素１２１６の間に配置されている。また、ＦＤ１２０４は、光電変換部１２０３ｂと、光電変換部１２０７という、異なる２つの画素の光電変換部に共有されている。ＦＤ１２０９は、光電変換部１２０８と、光電変換部１２１２という、異なる２つの画素の光電変換部により共有されている。ＦＤ１２１４は、光電変換部１２１３と、光電変換部１２１７という、異なる２つの画素の光電変換部により共有されている。それぞれの光電変換部に蓄積される信号電荷はこの共有されたＦＤ１２０４、１２０９、１２１４を介して、読み出される。

本発明と実施形態の関係を説明すると、第１の単位画素は画素１２０２、第１の光電変換部は光電変換部１２０３ｄにそれぞれ対応する。第１の単位画素に隣接する第４の単位画素は画素１２０６、第４の光電変換部は光電変換部１２０７にそれぞれ対応する。第１のフローティングディフュージョン部はＦＤ１２０４に対応する。第１の単位画素に隣接する第２の単位画素は画素１２１１、第２の光電変換部は光電変換部１２１２にそれぞれ対応する。第２の単位画素と対角に隣接する第４の単位画素に含まれる別の第４の光電変換部は光電変換部１２０８に対応する。第２のフローティングディフュージョン部はＦＤ１２０９に対応する。第２の単位画素に隣接する第３の単位画素は画素１２１６、第３の光電変換部は光電変換部１２１７にそれぞれ対応する。第３のフローティングディフュージョン部はＦＤ１２１４に対応する。

［実施形態８］次に、実施形態８の固体撮像素子について説明する。

図１３（ａ）は、実施形態８の画素部２０１の第１の構成例を示している。９画素のみを切り出して示しているが、これら複数の画素が２次元に配列されて画素部２０１を構成する。これら複数の画素が２次元に配列されて画素部２０１を構成する。

実施形態８の画素部２０１は、１つのマイクロレンズ１３０１に対し、１つの単位画素１３０２が設けられている。画素１３０２は、２×１に分割された２つの光電変換部１３０３ａ、１３０３ｂを含んでおり、光学系から受光した光を光電変換して、信号電荷の蓄積を行う。光電変換部で蓄積された信号電荷は、それぞれＦＤを介して、読み出し部２０３へ読み出される。本実施形態では、図８の実施形態３と同様に、隣り合う４つの単位画素１３０２、１３０６、１３０９、１３１２の各光電変換部１３０３ｂ、１３０７ａ、１３１０ｂ、１３１３ｂがＦＤ１３０４を共有している。

ここで、図１３（ａ）におけるＦＤ１３０４に着目すると、本実施形態では、ＦＤ１３０４と、それを共有する光電変換部の組み合わせに特徴がある。

具体的には、図１３（ａ）に示すように、ＦＤ１３０４は、画素１３０２と、画素１３０６と、画素１３０９と、画素１３１２という、４つの画素の間に配置されている。また、ＦＤ１３０４は、光電変換部１３０３ｂと、光電変換部１３０７ａと、光電変換部１３１０ｂと、光電変換部１３１３ａという、異なる４つの画素の光電変換部により共有されている。それぞれの光電変換部に蓄積される信号電荷は、この共有されたＦＤ１３０４を介して、読み出される。

図１３（ｂ）は、実施形態８の画素部２０１の第２の構成例を示している。第２の構成例では、隣り合う列のＦＤの配置が第１の構成例と異なる。

第１の構成例では、図１３（ａ）のＦＤ１３０４、１３１４に着目すると、隣り合う２列のＦＤが、同じ行間に配置されている。従って、画素１３０２を含む行と、画素１３０９を含む行間にはＦＤが密集する。一方でＦＤが配置されない行間もできる。

これに対して、第２の構成例では、図１３（ｂ）のＦＤ１３０４、１３１５に着目すると、隣り合う２列のＦＤが、異なる行間に配置されている。従って、画素部２０１の面内に、均一な密度でＦＤを配置することができる。

なお、本発明と実施形態の関係を説明すると、第１の単位画素は画素１３０２、第１の光電変換部は光電変換部１３０３ｂにそれぞれ対応する。第１の単位画素に隣接する第２の単位画素は画素１３０９、第２の光電変換部は光電変換部１３１０ｂにそれぞれ対応する。第２の単位画素に隣接する第３の単位画素は画素１３１２、第３の光電変換部は光電変換部１３１３ａにそれぞれ対応する。第４の単位画素に隣接する第４の単位画素は画素１３０６、第４の光電変換部は光電変換部１３０７ａにそれぞれ対応する。フローティングディフュージョン部はＦＤ１３０４に対応する。

［実施形態９］次に、実施形態９の固体撮像素子について説明する。

図１４（ａ）は、実施形態９の画素部２０１の第１の構成例を示している。９画素のみを切り出して示しているが、これら複数の画素が２次元に配列されて画素部２０１を構成する。

実施形態９の画素部２０１は、１つのマイクロレンズ１４０１に対し、１つの単位画素１４０２が設けられている。画素１４０２は、２×１に分割された２つの光電変換部１４０３ａ、１４０３ｂを含んでおり、光学系から受光した光を光電変換して、信号電荷の蓄積を行う。光電変換部で蓄積された信号電荷は、それぞれＦＤを介して、読み出し部２０３へ読み出される。本実施形態では、図３の実施形態１と同様に、単位画素１４０２の複数の光電変換部１４０３ａ、１４０３ｂと隣り合う単位画素１４０６の複数の光電変換部１４０７ａ、１４０７ｂがＦＤ１４０４を共有している。

ここで、図１４（ａ）におけるＦＤ１４０４に着目すると、本実施形態では、ＦＤ１４０４と、それを共有する光電変換部の組み合わせに特徴がある。

具体的には、図１４（ａ）に示すように、ＦＤ１４０４は、画素１４０２と画素１４０６の間に配置されている。また、ＦＤ１４０４は、画素１４０２の光電変換部１４０３ａ、１４０３ｂと、画素１４０６の光電変換部１４０７ａ、１４０７ｂという、異なる２つの画素の光電変換部により共有されている。それぞれの光電変換部に蓄積される信号電荷は、この共有されたＦＤ１４０４を介して読み出される。

また、図１４（ｂ）は、実施形態９の画素部２０１の第２の構成例を示している。第２の構成例は、隣り合う列のＦＤの配置が第１の構成例と異なる。

第１の構成例では、図１４（ａ）のＦＤ１４０４、１４０８に着目すると、隣り合う２列のＦＤが、同じ行間に配置されている。従って、画素１４０２を含む行と、画素１４０６を含む行間にはＦＤが密集する。一方でＦＤが配置されない行間もできる。

これに対して、第２の構成例では、図１４（ｂ）のＦＤ１４０４、１４０９に着目すると、隣り合う２列のＦＤが、異なる行間に配置されている。従って、画素部２０１の面内に、均一な密度でＦＤを配置することができる。

なお、本発明と実施形態の関係を説明すると、第１の単位画素は画素１４０２、複数の光電変換部は光電変換部１４０３ａ、１４０３ｂにそれぞれ対応する。第１の単位画素に隣接する第２の単位画素は画素１４０６、複数の光電変換部は光電変換部１４０７ａ、１４０７ｂにそれぞれ対応する。フローティングディフュージョン部はＦＤ１４０４に対応する。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、実施形態２〜９においても、実施形態１と同様、光電変換部の間の不感帯の面積を小さくすることができるだけでなく、構造体によって光電変換部への入射が遮られる光束も少なくなる。さらには、光電変換部を広く確保することも可能となり、撮像素子の感度を向上させることができる。

各実施形態において、光電変換部に入射する光の色分離を行うカラーフィルタ（ＣＦ）の構成については、固体撮像素子のその使途に応じて、自由に構成することが可能である。例えば、ある１つの画素内で、複数の光電変換部が全て同じ色の分光透過率のＣＦを備えていてもよいし、異なる色の分光透過率を備えていてもよい。また、画素内の複数の光電変換部に対応するＣＦの色が、全て同じ色である画素と、異なる色を含む画素が、画素部の中に混在していてもよい。

例えば、実施形態８（図１３（ａ））において、光電変換部１３０７ａ、１３０７ｂ、１３１０ａ、１３１０ｂを第１の色として、光電変換部１３０３ａ、１３０３ｂを第２の色として、光電変換部１３１３ａ、１３１３ｂを第３の色としてもよい。また、別の例では、光電変換部１３０３ｂ、１３０７ａ、１３１０ａ、１３１３ｂを第１の色として、光電変換部１３０３ａ、１３０７ｂを第２の色として、光電変換部１３１０ｂ、１３１３ａを第３の色としてもよい。

さらに、各実施形態において同じＦＤを共有する光電変換部に、同一色のＣＦを構成すれば、撮像駆動時に、ＦＤで同じ色成分の信号を加算することも可能となり、読み出しの走査にかかる時間を短縮することも可能となる。

Claims (6)

1. 各々が１つのマイクロレンズと、第１ないし第４の光電変換部とを有する単位画素を複数備えた固体撮像素子において、
   第１の単位画素に含まれる第１の光電変換部および第２の光電変換部と、前記第１の単位画素に隣接する第２の単位画素に含まれる第３の光電変換部および第４の光電変換部とにより共有される第１のフローティングディフュージョン部と、
   前記第２の単位画素に含まれる第１の光電変換部および第２の光電変換部と、前記第２の単位画素に隣接する第３の単位画素に含まれる第３の光電変換部および第４の光電変換部とにより共有され、前記第１のフローティングディフュージョン部と異なる第２のフローティングディフュージョン部とを有することを特徴とする固体撮像素子。
2. １つの単位画素内の隣接する前記第１ないし第４の光電変換部を分離する幅が、隣接する単位画素の間の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. １つの単位画素内の前記第１ないし第４の光電変換部は、同じ分光透過率を有するカラーフィルタを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
4. １つの単位画素内の前記第１ないし第４の光電変換部は、異なる分光透過率を有するカラーフィルタを備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
5. 前記第１および第２のフローティングディフュージョン部は、増幅部に接続されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の固体撮像素子を備えることを特徴とする撮像装置。

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