JP6355401B2 - 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、半導体基板に複数の画素が配列された画素アレイを備える。各画素は、例えば、光電変換部、フローティングディフュージョン、転送トランジスタおよび増幅トランジスタを有する。光電変換部は、画素への入射光を光電変換し、光電変換部では入射光の光量に応じた量の電荷が発生する。フローティングディフュージョンは、その電位がフローティング状態になるように半導体基板に形成された不純物領域である。転送トランジスタは、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。増幅トランジスタは、ソースフォロワ動作を行い、フローティングディフュージョンの電位に応じた信号を出力する。

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、該焦点検出画素からの信号に用いて、例えば位相差検出法に基づく焦点検出を行うことができる。

特開２０１１−６０８１５号公報

ところで、トランジスタで生じうるノイズの１つに、チャネル領域とゲート絶縁膜との界面における界面トラップに起因するフリッカノイズ（「１／ｆノイズ」とも称される。）がある。

各焦点検出画素では、位相差検出法に基づく焦点検出を行うため、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。このように入射光の光量が少ない画素では、増幅トランジスタで生じうるフリッカノイズの信号成分に対する影響が大きい。

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を向上させるの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、前期固体撮像装置は、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に応じた信号を出力する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタとは異なる他のトランジスタと、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んでおり、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の面積は、前記撮像画素の前記光電変換部の面積よりも小さく、且つ、前記焦点検出画素の前記増幅トランジスタのゲートの面積は、前記撮像画素の前記増幅トランジスタのゲートの面積よりも大きく、前記撮像画素では、前記他のトランジスタと前記増幅トランジスタとは、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、前記焦点検出画素では、前記他のトランジスタと前記増幅トランジスタとは、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。

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を向上させるのに有利である。

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。 撮像画素および焦点検出画素の断面構造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。 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。ここでは説明を容易にするため、画素ＰＸが６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＝１〜６、ｎ＝１〜４）。図中において、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。

また、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、第３〜第４列については、列信号線Ｌ_Ｃおよび電源電位Ｖ１の電源ラインを不図示としている。同様の理由で、各画素ＰＸに制御信号を供給するための信号線を不図示としている。

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。

図２では、第１、３〜４及び６行には、撮像画素ＰＸが配されており、第２及び５行には、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦが配されている。例えば、第２行・第１列の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦと、第２行・第２列の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦとが、上述の一対の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦを形成している。

図３（ａ）は、上記画素アレイＡ_ＰＸにおける第１〜第２行・第１〜第２列の４つの画素ＰＸの拡大図である。図３（ｂ）は、カットラインＸ−Ｘ’での断面構造、即ち、互いに隣接する２つの撮像画素ＰＸの断面構造を示す模式図である。図３（ｃ）は、カットラインＹ−Ｙ’での断面構造、即ち、互いに隣接する２つの焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの断面構造を示す模式図である。

図３（ｂ）および（ｃ）に示されるように、基板ＳＵＢに、光電変換部ＰＤと増幅トランジスタＴ_ＳＦ（ゲートパターンＧ_ＳＦを図示）とが形成されている。基板ＳＵＢには、Ｐ型の半導体基板が用いられてもよいが、Ｎ型の半導体基板にＰ型ウェルが形成されたものや、該基板上にＰ型エピタキシャル層が形成されたものが用いられてもよい。基板ＳＵＢの上には、例えば配線層と層間絶縁膜とで構成される構造ＳＴが配され、構造ＳＴの上にはマイクロレンズＭＬが配されている。ここでは図示していないが、構造ＳＴとマイクロレンズＭＬとの間にはカラーフィルタ、インナーレンズその他の光学素子がさらに配されてもよい。

典型的な例として、焦点検出画素には、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。なお、光電変換部ＰＤの面積を小さくすると、暗電流に起因するノイズ成分が低減される。

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３（ａ）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３（ａ）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。

本構造では、入射光の集光位置を基板ＳＵＢ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。一方、撮像画素ＰＸにおいても、入射光の集光位置は基板ＳＵＢの表面近傍であるとよい。そのため、本構造によると、マイクロレンズＭＬその他の光学素子を、撮像画素ＰＸと焦点検出画素ＰＸ_ＡＦとで、レンズパワーが互いに異なるように形成する必要がない。よって、本実施形態によると、各画素間で光学特性が互いに等しい光学系を形成すればよいため、プロセス面において有利である。

ここで、図３（ａ）に示されるように、平面視において、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の面積は、撮像画素ＰＸの増幅トランジスタＴ_ＳＦのゲートパターンＧ_ＳＦの面積よりも大きい。前述のとおり、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの光電変換部ＰＤの面積は、撮像画素ＰＸの光電変換部ＰＤの面積よりも小さい。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を実効的に小さくすることができる。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し、ゲート長を大きくしてゲートサイズ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。典型的なＭＯＳトランジスタでは、ゲートサイズは、チャネル幅とチャネル長との積によって決まる。つまり、チャネル領域の面積を大きくすることで、フリッカノイズを低減できる。チャネル領域は、平面視において、ゲート端と、活性領域を規定する素子分離部とによって定められる。

本実施形態によると、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、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの増幅トランジスタＴ_ＳＦでのフリッカノイズを低減することができる。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を向上させるのに有利である。

なお、本実施形態では、入射光の光量の少ない画素として、焦点検出画素を例に挙げた。しかし、焦点検出の用途以外でも、第１の画素の光電変換部の面積が、第２の画素の光電変換部の面積より大きい場合、光電変換部の面積が小さい第２の画素では入射光の光量が少なくなる。そのため、第２の画素において、増幅トランジスタのゲートあるいはチャネル領域の面積を大きくすることにより、フリッカノイズなどのノイズ低減の効果を得ることができる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る画素アレイＡ_ＰＸの上面レイアウト（第１〜第２行・第１〜第２列の部分）を示す模式図である。本実施形態は、主に、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した点で前述の第１実施形態と異なる。

具体的には、一対の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの一方では、トランジスタＴ_ＳＦ等は、光電変換部ＰＤに対して一方の側（例えば、図４において右側）に形成されている。そして、一対の焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの他方では、トランジスタＴ_ＳＦ等は、光電変換部ＰＤに対して他方の側（例えば、図４において左側）に形成されている。

本実施形態によると、前述の第１実施形態と同様の効果が得られる他、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。そのため、第１実施形態よりもゲートパターンＧ_ＳＦの面積を大きくすることが可能となる。

（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、という点で前述の第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することも可能である。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５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２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。トランジスタ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ため、第２実施形態よりもさらにゲートパターンＧ_ＳＦの面積を大きくすることが可能である。

（第４実施形態）
図６は、第２実施形態に係る画素アレイＡ_ＰＸの上面レイアウト（第１〜第３行・第１〜第２列の部分）を示す模式図である。第１〜２行には、撮像画素ＰＸが配されており、第３行には、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦが配されている。本実施形態は、図６に例示されるように、主に、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（Ｔ_ＳＦ、Ｔ_ＳＥＬ及びＴ_ＲＥＳ）を共有している、という点で前述の第３実施形態と異なる。具体的には、例えば、第１行・第１列の撮像画素と、第２行・第１列の撮像画素とは、トランジスタＴ_ＳＦ等を共有している。

なお、互いに隣接する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、個別に為される。

図６に例示されるように、上記２つの撮像画素ＰＸのうちの一方の撮像画素ＰＸ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領域が、他方の撮像画素ＰＸに対して並進対称になるように形成される。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。

２つの撮像画素ＰＸの双方のフローティングディフュージョン領域は、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ＰＸは、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）。よって、本構成では、撮像画素ＰＸのフローティングディフュージョンＦＤの容量が、トランジスタＴ_ＳＦ等を共有しない構成に比べて大きくなる。フローティングディフュージョンＦＤの容量を大きくすると、画素ＰＸのダイナミックレンジが大きくなり、画素信号が飽和しにくくなる。

よって、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、撮像画素ＰＸのダイナミックレンジを大きくすることができる。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。

なお、本実施形態の構成では、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。

（第５実施形態）
図７は、第５実施形態に係る画素アレイＡ_ＰＸの上面レイアウト（第１〜第４行・第１〜第２列の部分）を示す模式図である。第１〜２行には、撮像画素ＰＸが配されており、第３〜４行には、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦが配されている。本実施形態は、図７に例示されるように、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦがトランジスタＴ_ＳＦ等を隣接画素間で共有している、という点で前述の第４実施形態と異なる。

本実施形態では、撮像画素ＰＸおよび焦点検出画素ＰＸ_ＡＦの双方が、トランジスタＴ_ＳＦ等を隣接画素間で共有するため、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、２行ごとに１つずつ配される。よって、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有利である。

図７に例示されるように、各撮像画素ＰＸは、前述の第４実施形態と同様に、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領域が、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領域が、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領域を共有している。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領域と、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領域とは、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４行・第１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領域を共有している。そして、該共有されたフローティングディフュージョン領域は、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のフローティングディフュージョンＦＤの容量が、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の容量より大きくなる。

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と、フローティングディフュージョンＦＤの電位変動の量が大きくなるため、画素ＰＸのセンサ感度が高くなる。各焦点検出画素では瞳分割が行われるため、焦点検出画素で検知される光量が、撮像画素で検知される光量に対して小さい。そのため、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦについては、ダイナミックレンジを大きくすることよりも、センサ感度を高くすることが求められる。

本実施形態によると、撮像画素ＰＸについては、ダイナミックレンジを大きくする一方で、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦについては、センサ感度を高くすることができる。よって、本実施形態によると、前述の第４実施形態と同様の効果が得られる他、焦点検出画素ＰＸ_ＡＦのセンサ感度が高くなり、また、画素アレイＡ_ＰＸの回路設計面においても有利である。

（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領域について、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、第６実施形態に係る画素アレイＡ_ＰＸの上面レイアウト（第１〜第４行・第１〜第２列の部分）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領域を共有している、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領域を共有している。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が、他方に対して、フローティングディフュージョン領域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３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_ＳＦ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_ＳＥＬ及びＴ_ＲＥＳ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。

（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領域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、Ｔ_ＳＦ：増幅トランジスタ、Ｇ_ＳＦ：増幅トランジスタのゲートパターン。

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に応じた信号を出力する増幅トランジスタと、
   前記増幅トランジスタとは異なる他のトランジスタと、
   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んでおり、
   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の面積は、前記撮像画素の前記光電変換部の面積よりも小さく、且つ、前記焦点検出画素の前記増幅トランジスタのゲートの面積は、前記撮像画素の前記増幅トランジスタのゲートの面積よりも大きく、
   前記撮像画素では、前記他のトランジスタと前記増幅トランジスタとは、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、
   前記焦点検出画素では、前記他のトランジスタと前記増幅トランジスタとは、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
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記焦点検出画素の前記増幅トランジスタのチャネル長とチャネル幅との積は、前記撮像画素の前記増幅トランジスタのチャネル長とチャネル幅との積よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記焦点検出画素の前記光電変換部の前記面積は、前記撮像画素の前記光電変換部の前記面積の４０％以上６０％以下の範囲内である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記複数の画素は、前記焦点検出画素を複数含み、
   前記複数の焦点検出画素のうちの第１の焦点検出画素の前記光電変換部と前記増幅トランジスタとの距離と、
   前記複数の焦点検出画素のうちの第２の焦点検出画素の前記光電変換部と前記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３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記第１の焦点検出画素では、前記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の焦点検出画素では、前記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４に記載の固体撮像装置。
6. 前記複数の画素は、前記焦点検出画素を複数含み、
   前記複数の焦点検出画素のうちの第１の焦点検出画素では、前記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、
   前記複数の焦点検出画素のうちの第２の焦点検出画素では、前記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３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 各画素は、
   前記半導体基板に形成されたフローティングディフュージョン領域と、
   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領域へ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、前記焦点検出画素を複数含み、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３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 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７に記載の固体撮像装置。
9. 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の撮像画素のフローティングディフュージョン領域と、前記複数の撮像画素のうちの第２の撮像画素のフローティングディフュージョン領域とは、電気的に接続されている
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 前記第１の撮像画素と前記第２の撮像画素とは、１つの前記増幅トランジスタを共有している
    ことを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置。
11. 請求項１乃至１０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。
12. 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１１に記載のカメラ。
13. 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に応じた信号を出力する増幅トランジスタと、
    を有し、
    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んでおり、
    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の面積は、前記撮像画素の前記光電変換部の面積よりも小さく、且つ、前記焦点検出画素の前記増幅トランジスタのゲートの面積は、前記撮像画素の前記増幅トランジスタのゲートの面積よりも大きく、
    前記複数の焦点検出画素のうちの第１の焦点検出画素の前記光電変換部と前記増幅トランジスタとの距離と、前記複数の焦点検出画素のうちの第２の焦点検出画素の前記光電変換部と前記増幅トランジスタとの距離とは、互いに異なっている
    ことを特徴とする固体撮像装置。
14. 前記焦点検出画素の前記増幅トランジスタのチャネル長とチャネル幅との積は、前記撮像画素の前記増幅トランジスタのチャネル長とチャネル幅との積よりも大きい
    ことを特徴とする請求項１３に記載の固体撮像装置。
15. 前記焦点検出画素の前記光電変換部の前記面積は、前記撮像画素の前記光電変換部の前記面積の４０％以上６０％以下の範囲内である
    ことを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の固体撮像装置。
16. 前記第１の焦点検出画素では、前記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の焦点検出画素では、前記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１３乃至１５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
17. 前記複数の撮像画素のうちの第１の撮像画素のフローティングディフュージョン領域と、前記複数の撮像画素のうちの第２の撮像画素のフローティングディフュージョン領域とは、電気的に接続されている
    ことを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
    

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