(57)【要約】【課題】  高速に信号を読み出すことができる。【解決手段】  本発明に係る実施例は、画素を有する撮像装置である。画素は、第１および第２の光電変換部、フローティングディフュージョン部（以下、ＦＤ部）、ならびに、第１および第２の光電変換部で生じた電荷を、それぞれ、ＦＤ部へ転送する第１および第２の転送トランジスタを含む。撮像装置は、第１の転送トランジスタのゲート電極に電気的に接続された第１の導電部材と、第２の転送トランジスタのゲート電極に電気的に接続された第２の導電部材と、制御部とを有する。第１の導電部材とＦＤ部との最も近接する部分の距離が、第２の導電部材とＦＤ部との最も近接する部分の距離よりも短い。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光電変換部、第２の光電変換部、フローティングディフュージョン部、前記第１の光電変換部で生じた電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送する第１の転送トランジスタ、および、前記第２の光電変換部で生じた電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送する第２の転送トランジスタ、を少なくとも含む画素と、
前記第１の転送トランジスタのゲート電極に電気的に接続された第１の導電部材と、
前記第２の転送トランジスタのゲート電極に電気的に接続された第２の導電部材と、
前記第１の導電部材および前記第２の導電部材のそれぞれを介して、前記第１の転送トランジスタおよび前記第２の転送トランジスタに電気的に接続された制御部と、を有し、
前記第１の導電部材と前記フローティングディフュージョン部との最も近接する部分の距離が、前記第２の導電部材と前記フローティングディフュージョン部との最も近接する部分の距離よりも短く、
前記制御部が、
前記第１の転送トランジスタ、および、前記第２の転送トランジスタの両方がオフの状態から、前記第２の転送トランジスタをオフにしたまま、前記第１の転送トランジスタをオンにする第１の制御動作と、
前記第１の制御動作によって転送された電荷が前記フローティングディフュージョン部に保持されている状態で、前記第１の転送トランジスタ、および、前記第２の転送トランジスタを並行してオンにする第２の制御動作と、を行うことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記フローティングディフュージョン部は、半導体基板に配され、転送された電荷を保持する半導体領域と、前記半導体領域に電気的に接続された導電部材とを含むことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記半導体領域は、前記第１の光電変換部に対応して配された第１の半導体領域と、前記第２の光電変換部に対応して配された第２の半導体領域とを含み、
前記導電部材は、前記第１の半導体領域および前記第２の半導体領域を相互に電気的に接続することを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第１の光電変換部と、前記第１の転送トランジスタの前記ゲート電極と、前記第１の半導体領域とが、第１の方向に沿って並んでいて、
前記第２の光電変換部と、前記第２の転送トランジスタの前記ゲート電極と、前記第２の半導体領域とが、前記第１の方向に沿って並んでいて、
前記第１の導電部材、および、前記第２の導電部材のそれぞれが、前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って延在していることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第１の光電変換部と、前記第１の転送トランジスタの前記ゲート電極と、前記第１の半導体領域とが、第１の方向に沿って並んでいて、
前記第２の光電変換部と、前記第２の転送トランジスタの前記ゲート電極と、前記第２の半導体領域とが、前記第１の方向に沿って並んでいて、
前記第１の導電部材、および、前記第２の導電部材のそれぞれが、前記第１の方向と平行な方向に延在していることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記第１の光電変換部の表面と平行な面において、前記第１の導電部材の前記面への正射影の少なくとも一部が、前記第２の導電部材の前記面への正射影と、前記フローティングディフュージョン部に含まれる前記半導体領域の前記面への正射影との間の領域に位置することを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記第１の光電変換部の表面と平行な面において、前記第１の転送トランジスタの前記ゲート電極の前記面への正射影の少なくとも一部が、前記第２の導電部材の前記面への正射影、および、前記第１の導電部材の前記面への正射影のそれぞれと重なり、
前記面において、前記第２の転送トランジスタの前記ゲート電極の前記面への正射影の少なくとも一部が、前記第２の導電部材の前記面への前記正射影、および、前記第１の導電部材の前記面への前記正射影のそれぞれと重なることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項８】
第１の光電変換部、第２の光電変換部、フローティングディフュージョン部、前記第１の光電変換部で生じた電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送する第１の転送トランジスタ、および、前記第２の光電変換部で生じた電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送する第２の転送トランジスタ、を少なくとも含む画素と、
前記第１の転送トランジスタのゲート電極に電気的に接続された第１の導電部材と、
前記第２の転送トランジスタのゲート電極に電気的に接続された第２の導電部材と、
前記第１の導電部材および前記第２の導電部材のそれぞれを介して、前記第１の転送トランジスタおよび前記第２の転送トランジスタに電気的に接続された制御部と、を有し、
前記第１の導電部材と前記第２の導電部材とは同一の配線層に配され、
前記第１の光電変換部の表面と平行な面において、前記第１の導電部材の前記面への正射影の少なくとも一部が、前記第２の導電部材の前記面への正射影と、前記フローティングディフュージョン部の前記面への正射影との間の領域に位置し、
前記制御部が、
前記第１の転送トランジスタ、および、前記第２の転送トランジスタの両方がオフの状態から、前記第２の転送トランジスタをオフにしたまま、前記第１の転送トランジスタをオンにする第１の制御動作と、
前記第１の制御動作によって転送された電荷が前記フローティングディフュージョン部に保持されている状態で、前記第１の転送トランジスタ、および、前記第２の転送トランジスタを並行してオンにする第２の制御動作と、を行うことを特徴とする撮像装置。
【請求項９】
前記フローティングディフュージョン部は半導体領域を含み、
前記面において、前記第１の導電部材の前記面への正射影の少なくとも一部が、前記第２の導電部材の前記面への正射影と、前記フローティングディフュージョン部に含まれる前記半導体領域の前記面への正射影との間の領域に位置することを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１０】
第１の光電変換部、第２の光電変換部、フローティングディフュージョン部、前記第１の光電変換部で生じた電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送する第１の転送トランジスタ、および、前記第２の光電変換部で生じた電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送する第２の転送トランジスタ、を少なくとも含む画素と、
前記第１の転送トランジスタのゲート電極に電気的に接続された第１の導電部材と、
前記第２の転送トランジスタのゲート電極に電気的に接続された第２の導電部材と、
前記第１の導電部材および前記第２の導電部材のそれぞれを介して、前記第１の転送トランジスタおよび前記第２の転送トランジスタに電気的に接続された制御部と、を有し、
前記第１の導電部材と前記第２の導電部材とは同一の配線層に配され、
前記フローティングディフュージョン部は、前記配線層に配された導電部材を含み、
前記第１の導電部材の少なくとも一部が、前記第２の導電部材と、前記フローティングディフュージョン部に含まれる前記導電部材との間に位置し、
前記制御部が、
前記第１の転送トランジスタ、および、前記第２の転送トランジスタの両方がオフの状態から、前記第２の転送トランジスタをオフにしたまま、前記第１の転送トランジスタをオンにする第１の制御動作と、
前記第１の制御動作によって転送された電荷が前記フローティングディフュージョン部に保持されている状態で、前記第１の転送トランジスタ、および、前記第２の転送トランジスタを並行してオンにする第２の制御動作と、を行うことを特徴とする撮像装置。
【請求項１１】
前記制御部が、前記第１の制御動作と前記第２の制御動作との間に、前記第１の転送トランジスタ、および、前記第２の転送トランジスタを並行してオフにすることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記画素が、前記フローティングディフュージョン部の電荷に基づく信号を出力する増幅部をさらに含み、
前記増幅部は、前記第１の制御動作の開始から前記第２の制御動作の開始までの期間に、前記第１の光電変換部で生じた電荷に基づく第１の信号を出力し、前記第２の制御動作が開始された後に、前記フローティングディフュージョン部において加算された電荷に基づく第２の信号を出力することを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項１３】
第１の光電変換部、第２の光電変換部、フローティングディフュージョン部、前記第１の光電変換部で生じた電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送する第１の転送トランジスタ、および、前記第２の光電変換部で生じた電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送する第２の転送トランジスタ、を少なくとも含む画素と、
前記画素に対応して配されたレンズと、
前記第１の転送トランジスタのゲート電極に電気的に接続された第１の導電部材と、
前記第２の転送トランジスタのゲート電極に電気的に接続された第２の導電部材と、を有し、
前記第１の光電変換部、および、前記第２の光電変換部が、前記レンズの瞳の互いに異なる位置を通過した光を受光するように配置されることで、前記第１の光電変換部から焦点検出用の信号が出力されるように構成され、
前記第１の導電部材と前記フローティングディフュージョン部との最も近接する部分の距離が、前記第２の導電部材と前記フローティングディフュージョン部との最も近接する部分の距離よりも短いことを特徴とする撮像装置。
【請求項１４】
前記第１の導電部材と前記フローティングディフュージョン部との間の容量成分が、前記第２の導電部材と前記フローティングディフュージョン部との間の容量成分より大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項１５】
前記第１の導電部材の電位の変化による前記フローティングディフュージョン部の電位の変化が、前記第２の導電部材の電位の変化による前記フローティングディフュージョン部の電位の変化より大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項１６】
前記ゲート電極を構成する材料と、前記第１の導電部材および前記第２の導電部材を構成する材料とが異なることを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項１７】
前記第１の導電部材、および、前記第２の導電部材は、コンタクトプラグを介して、ぞれぞれ、前記第１の転送トランジスタの前記ゲート電極、および、前記第２の転送トランジスタの前記ゲート電極に電気的に接続されたことを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれか一項に記載の撮像装置。
【請求項１８】
請求項１乃至請求項１７のいずれか一項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置からの信号を処理する信号処理装置と、を備えた撮像システム。
【請求項１９】
前記信号処理装置が、前記撮像装置から出力される、前記第１の光電変換部で生じた電荷に基づく信号と、前記第２の光電変換部で生じた電荷に基づく信号とを処理し、撮像装置から被写体までの距離情報を取得することを特徴とする請求項１８に記載の撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は撮像装置、および、撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
焦点検出と撮像の両方を行えるように構成された撮像装置が提案されている。特許文献１によれば、撮像装置の１つの画素は、光電変換部Ａと光電変換部Ｂとを含んでいる。それぞれ光電変換部はレンズの瞳とほぼ共役となるように配置される。焦点検出時には複数の画素の光電変換部Ａおよび光電変換部Ｂの各々から独立して信号が読みだされ、レンズの瞳の互いに異なる位置を透過した光束による２つの像が生成される。また、２つの光電変換部の信号を加算することにより被写体の像を得ること（撮像）ができる。
【０００３】
また、特許文献２には、複数の画素に１つの共通アンプを持つ構成の撮像装置が開示されている。このような撮像装置において、１行目のフォトダイオードに蓄積される電荷に対応する信号と、１行目と２行目のフォトダイオードに蓄積される各電荷の加算信号に対応する信号とを出力することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１２４９８４号公報
【特許文献２】特開２００４−１３４８６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
撮像装置において、光電変換部からの電荷の転送効率を向上させることが求められている。本発明者らは、画素のレイアウトに対応した信号の読み出しを行うことにより、焦点検出と撮像の両方を行うように構成された撮像装置において、電荷の転送効率を向上し得ることを見出した。
このような課題に鑑み、本発明は、撮像装置において電荷の転送効率を向上することを可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの側面に係る実施例の撮像装置は、第１の光電変換部、第２の光電変換部、フローティングディフュージョン部、前記第１の光電変換部で生じた電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送する第１の転送トランジスタ、および、前記第２の光電変換部で生じた電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送する第２の転送トランジスタ、を少なくとも含む画素と、前記第１の転送トランジスタのゲート電極に電気的に接続された第１の導電部材と、前記第２の転送トランジスタのゲート電極に電気的に接続された第２の導電部材と、前記第１の導電部材および前記第２の導電部材のそれぞれを介して、前記第１の転送トランジスタおよび前記第２の転送トランジスタに電気的に接続された制御部と、を有し、前記第１の導電部材と前記フローティングディフュージョン部との最も近接する部分の距離が、前記第２の導電部材と前記フローティングディフュージョン部との最も近接する部分の距離よりも短く、前記制御部が、前記第１の転送トランジスタ、および、前記第２の転送トランジスタの両方がオフの状態から、前記第２の転送トランジスタをオフにしたまま、前記第１の転送トランジスタをオンにする第１の制御動作と、前記第１の制御動作によって転送された電荷が前記フローティングディフュージョン部に保持されている状態で、前記第１の転送トランジスタ、および、前記第２の転送トランジスタを並行してオンにする第２の制御動作と、を行うことを特徴とする。
【０００７】
本発明の別の側面に係る実施例の撮像装置は、第１の光電変換部、第２の光電変換部、フローティングディフュージョン部、前記第１の光電変換部で生じた電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送する第１の転送トランジスタ、および、前記第２の光電変換部で生じた電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送する第２の転送トランジスタ、を少なくとも含む画素と、前記第１の転送トランジスタのゲート電極に電気的に接続された第１の導電部材と、前記第２の転送トランジスタのゲート電極に電気的に接続された第２の導電部材と、前記第１の導電部材および前記第２の導電部材のそれぞれを介して、前記第１の転送トランジスタおよび前記第２の転送トランジスタに電気的に接続された制御部と、を有し、前記第１の導電部材と前記第２の導電部材とは同一の配線層に配され、前記第１の光電変換部の表面と平行な面において、前記第１の導電部材の前記面への正射影の少なくとも一部が、前記第２の導電部材の前記面への正射影と、前記フローティングディフュージョン部の前記面への正射影との間の領域に位置し、前記制御部が、前記第１の転送トランジスタ、および、前記第２の転送トランジスタの両方がオフの状態から、前記第２の転送トランジスタをオフにしたまま、前記第１の転送トランジスタをオンにする第１の制御動作と、前記第１の制御動作によって転送された電荷が前記フローティングディフュージョン部に保持されている状態で、前記第１の転送トランジスタ、および、前記第２の転送トランジスタを並行してオンにする第２の制御動作と、を行うことを特徴とする。
【０００８】
本発明のさらに別の側面に係る実施例の撮像装置は、第１の光電変換部、第２の光電変換部、フローティングディフュージョン部、前記第１の光電変換部で生じた電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送する第１の転送トランジスタ、および、前記第２の光電変換部で生じた電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送する第２の転送トランジスタ、を少なくとも含む画素と、前記第１の転送トランジスタのゲート電極に電気的に接続された第１の導電部材と、前記第２の転送トランジスタのゲート電極に電気的に接続された第２の導電部材と、前記第１の導電部材および前記第２の導電部材のそれぞれを介して、前記第１の転送トランジスタおよび前記第２の転送トランジスタに電気的に接続された制御部と、を有し、前記第１の導電部材と前記第２の導電部材とは同一の配線層に配され、前記フローティングディフュージョン部は、前記配線層に配された導電部材を含み、前記第１の導電部材の少なくとも一部が、前記第２の導電部材と、前記フローティングディフュージョン部に含まれる前記導電部材との間に位置し、前記制御部が、前記第１の転送トランジスタ、および、前記第２の転送トランジスタの両方がオフの状態から、前記第２の転送トランジスタをオフにしたまま、前記第１の転送トランジスタをオンにする第１の制御動作と、前記第１の制御動作によって転送された電荷が前記フローティングディフュージョン部に保持されている状態で、前記第１の転送トランジスタ、および、前記第２の転送トランジスタを並行してオンにする第２の制御動作と、を行うことを特徴とする。
【０００９】
本発明のさらに別の側面に係る実施例の撮像装置は、第１の光電変換部、第２の光電変換部、フローティングディフュージョン部、前記第１の光電変換部で生じた電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送する第１の転送トランジスタ、および、前記第２の光電変換部で生じた電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送する第２の転送トランジスタ、を少なくとも含む画素と、前記画素に対応して配されたレンズと、前記第１の転送トランジスタのゲート電極に電気的に接続された第１の導電部材と、前記第２の転送トランジスタのゲート電極に電気的に接続された第２の導電部材と、を有し、前記第１の光電変換部、および、前記第２の光電変換部が、前記レンズの瞳の互いに異なる位置を通過した光を受光するように配置されることで、前記第１の光電変換部から焦点検出用の信号が出力されるように構成され、前記第１の導電部材と前記フローティングディフュージョン部との最も近接する部分の距離が、前記第２の導電部材と前記フローティングディフュージョン部との最も近接する部分の距離よりも短いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電荷の転送効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】撮像装置の等価回路を示す図。
【図２】撮像装置の等価回路を示す図。
【図３】撮像装置の平面構造を模式的に示す図。
【図４】撮像装置の駆動タイミングを示す図。
【図５】撮像装置の駆動タイミングを示す図。
【図６】撮像装置の効果を説明するための図。
【図７】撮像装置の平面構造を模式的に示す図。
【図８】撮像装置の平面構造を模式的に示す図。
【図９】撮像装置の平面構造を模式的に示す図。
【図１０】撮像システムの実施例のブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明に係る１つの実施形態は、撮像装置である。撮像装置に含まれる画素は、第１の光電変換部、第２の光電変換部、第１の転送トランジスタ、第２の転送トランジスタ、および、フローティングディフュージョン部（以下、ＦＤ部）を含む。第１の転送トランジスタは、第１の光電変換部で生じた電荷をＦＤ部へ転送する。第２の転送トランジスタは、第２の光電変換部で生じた電荷をＦＤ部へ転送する。なお、図３において、第１の光電変換部１０１Ａ、第２の光電変換部１０２Ａ、第１の転送トランジスタのゲート電極１０３Ａ、第２の転送トランジスタのゲート電極１０４Ａが例示されている。
【００１３】
第１および第２の光電変換部は、レンズの瞳とほぼ共役となるように配置される。そして、第１および第２の光電変換部は、レンズの瞳の互いに異なる位置を透過した光束を受光する。この構成により、焦点検出が可能である。なお、焦点検出用の撮像装置は、複数の実施形態のうちの１つである。本発明の他の実施形態では、他の用途のために、２つの光電変換部から、単独の信号と、加算された信号とを読み出す動作が行われてもよい。
【００１４】
ＦＤ部は、例えば、信号電荷の極性に応じた導電型を有する半導体領域（以下、ＦＤ領域）と、ＦＤ領域に電気的に接続された導電部材とを含む。本発明のいくつかの実施形態では、ＦＤ部が画素の増幅部の入力ノードを構成する。つまり、これらの実施形態は、画素増幅型の撮像装置（ＡＰＳ：Ａｃｔｉｖｅ  Ｐｉｘｅｌ  Ｓｅｎｓｏｒ）である。この場合、ＦＤ部が増幅トランジスタのゲート電極を含んでいてもよい。また、いくつかの実施形態では、ＦＤ部が、複数の光電変換部に対応した複数のＦＤ領域と、それらを相互に電気的に接続する導電部材とを含む。ＦＤ部は、半導体領域と導電部材とを接続するコンタクトプラグを含んでもよい。なお、図３において、ＦＤ部を構成する、ＦＤ領域１０７Ａ、１０８Ａ、および、それらを相互に電気的に接続する導電部材１０９Ａが、例示されている。
【００１５】
それぞれの転送トランジスタのゲートには、制御信号を供給するための導電部材が電気的に接続される。導電部材は、半導体基板の上に配された配線層を構成する部材である。導電部材と、半導体領域またはゲート電極とは、コンタクトプラグを介して、電気的に接続される。また、異なる配線層に配された導電部材は、コンタクトプラグを介して、互いに電気的に接続される。コンタクトプラグは、導電部材とは別の材料で形成されてもよい。または、導電部材およびコンタクトプラグがデュアルダマシン法で形成される場合など、導電部材とコンタクトプラグとが同じ材料で構成されてもよい。
【００１６】
転送トランジスタのゲート電極と、そこに電気的に接続される導電部材とは、半導体分野の技術常識に基づいて区別される。例えば、ゲート電極と、そこに電気的に接続される導電部材とは、材料が異なることによって区別されうる。具体的に、転送トランジスタは、ポリシリコンで形成されたゲート電極を含む。そして、当該ゲート電極に、アルミ、アルミの合金、銅、または、銅の合金などで形成された導電部材が電気的に接続される。導電部材は、タングステンなどで構成されたコンタクトプラグを介して、ゲート電極に電気的に接続されうる。
【００１７】
あるいは、ゲート電極と、そこに電気的に接続される導電部材とは、形成プロセスが異なることによって区別されうる。通常は、ゲート電極を形成するプロセスの後に、当該ゲート電極の上に絶縁層が形成される。そして、絶縁層に開口を形成し、ゲート電極に電気的に接続されるコンタクトプラグを形成する。その後、ゲート電極と電気的に接続される導電部材を形成する。
【００１８】
本発明に係る実施形態においては、第１の転送トランジスタに電気的に接続された導電部材（以下、第１の導電部材）のほうが、第２の転送トランジスタに電気的に接続された導電部材（以下、第２の導電部材）より、ＦＤ部の近くに配される。
【００１９】
例えば、いくつかの実施形態において、第１の導電部材からＦＤ部までの距離ｄ１が、第２の導電部材からＦＤ部までの距離ｄ２よりも短い。ここで、導電部材からＦＤ部までの距離は、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部に含まれる半導体領域または導電部材との、互いに最も近接する部分の距離である。図３の矢印ｄ１およびｄ２で例示されている。なお、ＦＤ領域の端は、ＰＮ接合面および別の材料との接触面で規定される。
【００２０】
また、他のいくつかの実施形態においては、第１の導電部材と、第２の導電部材とが同一の配線層に配される。そして、第１の導電部材の所定の面への正射影の少なくとも一部が、第２の導電部材の当該所定の面への正射影と、ＦＤ部に含まれる半導体領域の当該所定の面への正射影との間の領域に位置する。所定の面は、例えば、第１の光電変換部に含まれる半導体領域と第１の光電変換部の上に配された絶縁膜との界面、つまり、第１の光電変換部の表面に対して、平行な面である。また、同一の配線層とは、光電変換部の表面からほぼ等しい高さに配される導電部材の集まりである。通常は、同一の配線層に含まれる導電部材は、同一のプロセスで形成される。
【００２１】
また、他のいくつかの実施形態においては、第１の導電部材と、第２の導電部材と、ＦＤ部に含まれる導電部材とが、同一の配線層に配される。そして、第１の導電部材の少なくとも一部が、第２の導電部材と、ＦＤ部に含まれる導電部材との間に位置する。
【００２２】
このような構成において、まず、第１の光電変換部の電荷をＦＤ部に転送する。その後、第１および第２の光電変換部にそれぞれ対応する転送トランジスタの両方を並行してオンする。このような動作により、第１の光電変換部の電荷と、第２の光電変換部の電荷とを、ＦＤ部において加算する。なお、２つの転送トランジスタが並行してオンするとは、２つの転送トランジスタの両方ともがオンになっている期間が存在することを意味する。２つの転送トランジスタがオフからオンに遷移するタイミングは、必ずしも同時でなくてよい。また、２つの転送トランジスタがオンからオフに遷移するタイミングは、必ずしも同時でなくてよい。同様に、２つのトランジスタが並行してオフするとは、２つの転送トランジスタの両方ともがオフになっている期間が存在することを意味する。
【００２３】
具体的に、いくつかの実施形態の撮像装置は、転送トランジスタをオンまたはオフに制御する制御部を有している。制御部は、第１、および、第２の転送トランジスタの両方がオフの状態から、第２の転送トランジスタをオフにしたまま、第１の転送トランジスタをオンにする第１の制御動作を行う。これにより、第１の光電変換部で生じた電荷をＦＤ部へ転送する。そして、第１の制御動作によって転送された電荷がＦＤ部に保持されている状態で、第１、および、前記第２の転送トランジスタを並行してオンにする第２の制御動作を行う。これにより、第１の光電変換部で生じた電荷と第２の光電変換部で生じた電荷とをＦＤ部において加算する。
【００２４】
制御部は、例えば、シフトレジスタやデコーダなどの回路で構成される。この場合、制御動作とは、各転送トランジスタをオンまたはオフにするような駆動パルスを出力することである。このほかにも、制御部には、転送トランジスタを制御し得る種々の回路が用いられる。
【００２５】
以上の動作を行うことにより、２つの光電変換部のうちの一方の電荷に基づく信号を読み出し、その後、加算された電荷に基づく信号を読み出すことができる。また、先に読み出された一方の光電変換部の電荷に基づく信号と、加算された電荷に基づく信号との差分処理を行うことで、他方の光電変換部の電荷に基づく信号を得ることができる。
【００２６】
本発明に係るいくつかの実施形態では、電荷の転送効率を向上させることができる。この高速な信号読み出しの効果について説明する。
【００２７】
一般に、転送トランジスタのゲートの電位が、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部の電位が変化しうる。そのため、信号電荷の極性に応じて、ＦＤ部の電位を変化させることにより、転送効率を上げることができる。具体的には、転送できる電荷の最大量を増やすことができる。
【００２８】
本発明の実施形態では、先述の通り、２つの光電変換部のうちの一方の電荷に基づく信号が読み出される。そのために、２つの転送トランジスタのうち、一方のトランジスタをオフに維持したまま、他方の転送トランジスタをオフからオンにする制御が行われる。
【００２９】
ここで、本発明に係る実施形態では、第１の導電部材のほうが、第２の導電部材よりも、ＦＤ部の近くに配されている。つまり、第１の導電部材とＦＤ部との結合容量は、第２の導電部材とＦＤ部との結合容量よりも大きい。したがって、第１の転送トランジスタがオンする際の、ＦＤ部の電位の変化のほうが、第２の転送トランジスタがオンする際の、ＦＤ部の電位の変化よりも大きい。
【００３０】
そこで、本発明に係る実施形態では、第２の転送トランジスタをオフに維持したまま、ＦＤ部により近い位置に配された導電部材がそのゲートに接続された、第１の転送トランジスタをオンしている。これにより、ＦＤ部の電位の変化を大きくすることができる。その結果、電荷の転送効率を向上させることができる。
【００３１】
なお、信号電荷が電子の場合には、第１の転送トランジスタをオフからオンに制御するときに、ゲートの電位を低い電位から高い電位に変化させる。例えば、第１の転送トランジスタに、Ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタを用いればよい。一方、信号電荷がホールの場合には、第１の転送トランジスタをオフからオンに制御するときに、ゲートの電位を高い電位から低い電位に変化させる。例えば、第１の転送トランジスタに、Ｐチャネル型のＭＯＳトランジスタを用いればよい。
【００３２】
以下では、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。本発明は以下に説明される実施例のみに限定されない。本発明の趣旨を超えない範囲で以下に説明される実施例の一部の構成が変更された変形例も、本発明の実施例である。また、以下のいずれかの実施例の一部の構成を、他の実施例に追加した例、あるいは他の実施例の一部の構成と置換した例も本発明の実施例である。
【実施例１】
【００３３】
図１は本実施例の撮像装置の等価回路図である。画素１００は、複数の光電変換部を有し、ここでは第１の光電変換部１０１Ａおよび第２の光電変換部１０２Ａを有する。光電変換部としてはフォトダイオードを用いることができる。
【００３４】
転送トランジスタ１０３Ａ、１０４Ａは複数の光電変換部の各々に対応して設けられ、対応する光電変換部の信号をＦＤ部１１０に転送する。ＦＤ部１１０は、増幅部の入力ノードである。
【００３５】
増幅部２０１はＦＤ部１１０に転送された信号を増幅して出力線２０７へ出力する。増幅部２０１にはＭＯＳトランジスタを用いることができる。
【００３６】
リセットトランジスタ２０２は増幅部の入力ノードにリセット電圧を供給する。選択トランジスタ２０３は増幅部２０１と出力線２０７との間の電気的導通を制御する。
【００３７】
出力線２０７には電流源２０８が電気的に接続される。電流源２０８は増幅部２０１にバイアス電流を供給し、増幅部２０１と電流源２０８とでソースフォロアを構成する。
【００３８】
第１の転送トランジスタ１０３Ａ、第２の転送トランジスタ１０４Ａ、リセットトランジスタ２０２、選択トランジスタ２０３のゲートには、それぞれ駆動線２１１Ａ、駆動線２１２Ａ、駆動線２０９、駆動線２１０が接続される。それぞれのゲートには垂直走査回路１１２からの駆動パルスが、行ごとに順次もしくはランダムに供給される。本実施例において、垂直走査回路１１２が制御部である。
【００３９】
列回路１１３は出力線２０７からの信号を受ける。列回路１１３は出力線２０７に直接もしくはスイッチを介して接続される。列回路１１３で処理された信号は水平走査回路１１４により順次出力アンプ１１５に出力され外部へ出力される。
【００４０】
列回路１１３の主たる動作は出力線２０７の信号を入力容量１１６の容量値及びフィードバック容量１１７の容量値とで決まるゲインで反転増幅する。更には仮想接地動作も可能であり、入力容量１１６を用いたクランプ動作によりＣＤＳ（相関２重サンプリング）動作を行なうことが可能である。
【００４１】
次に、列回路１１３の具体的な回路の一例を説明する。入力容量１１６は第１ノードが出力線２０７に電気的に接続され、第２ノードが演算増幅器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１１７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１１７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。
【００４２】
スイッチ１１８は演算増幅器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に、両者の電気的接続を制御するために設けられる。フィードバック容量１１７とスイッチ１１８とは並列に設けられる。
【００４３】
電源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。保持容量１２１〜１２４は演算増幅器１１９からの出力を保持する容量である。スイッチ１２５〜１２８は保持容量１２１〜１２４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１２１〜１２４との電気的導通を制御する。スイッチ１２９〜１３２は水平走査回路１１４からの信号を受けて、保持容量１２１〜１２４で保持された信号を水平出力線１３９、１４０へ出力させる。出力アンプ１１５は水平出力線１３９、１４０に出力された信号の差分を取り外部へ出力する。
【００４４】
駆動パルスＰＣ０Ｒはスイッチ１１８へ供給される。駆動パルスＰＴＮはスイッチ１２６、１２８へ供給される。駆動パルスＰＴＳＡはスイッチ１２５へ供給される。駆動パルスＰＴＳＡＢはスイッチ１２７へ供給される。
【００４５】
図１では、複数の画素１００のそれぞれに増幅部２０１が含まれる。図２に示すように、複数の画素１００Ａ、１００Ｂが１つの増幅部２０１を共有する構成でもよい。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。符号の後のアルファベットを付すことにより、異なる画素に含まれることを示している。
【００４６】
図２に示された撮像装置は、光電変換部１０１Ａおよび１０２Ａを含む第１の画素１００Ａと、光電変換部１０１Ｂおよび１０２Ｂを含む第２の画素１００Ｂとを有する。第１の画素に含まれる複数の光電変換部には第１のマイクロレンズにより集光された光が入射し、第２の画素に含まれる複数の光電変換部には第２のマイクロレンズにより集光された光が入射する。
【００４７】
それぞれの光電変換部１０１Ａ、１０２Ａ、１０１Ｂ、１０２Ｂに対応して、転送トランジスタ１０３Ａ、１０４Ａ、１０３Ｂ、１０４Ｂが配される。転送トランジスタ１０３Ａ、１０４Ａ、１０３Ｂ、１０４Ｂに駆動パルスを供給する配線として、駆動線２１１Ａ、２１２Ａ、２１１Ｂ、２１２Ｂが配されている。
【００４８】
このような構成によれば、増幅部２０１、リセットトランジスタ２０２、選択トランジスタ２０３を、撮像用の複数の画素が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。
【００４９】
次に、本実施例の撮像装置の平面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平面構造を模式的に示す図である。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。
【００５０】
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。第１の画素に含まれる２つの光電変換部１０１Ａ、１０２Ａは、第１の活性領域に配される。なお図３では省略されているが、第２の画素に含まれる２つの光電変換部１０１Ｂ、１０２Ｂは、第１の活性領域とは別の、第２の活性領域に配される。各光電変換部は、信号電荷を蓄積するＮ型の半導体領域を含んでいる。
【００５１】
第１の活性領域には、第１のＦＤ領域１０７Ａと、第２のＦＤ領域１０８Ａとが配される。第１のＦＤ領域１０７Ａには、第１の光電変換部１０１Ａの電荷が転送される。第２のＦＤ領域１０８Ａには、第２の光電変換部１０２Ａの電荷が転送される。２つのＦＤ領域１０７Ａ、１０８Ａは、コンタクトプラグと導電部材１０９Ａとによって相互に電気的に接続される。第１のＦＤ領域１０７Ａ、第２のＦＤ領域１０８Ａ、および、導電部材１０９Ａは、ＦＤ部１１０を構成する。なお、符号３１０が付された図形がコンタクトプラグを示している。同様の図形は全てコンタクトプラグである。ただし、図面を簡素化するため、他のコンタクトプラグの符号は省略している。他の図面も同様である。
【００５２】
図３において、各トランジスタのゲート電極に、図２で示された対応する素子と同じ符号を付している。例えば、ゲート電極１０３Ａは、図２の第１の転送トランジスタ１０３Ａのゲートを構成する。他のゲート電極についても同様である。
【００５３】
図３が示す通り、ゲート電極１０３Ａが、平面視において、第１の光電変換部１０１ＡとＦＤ領域１０７Ａとの間に配される。また、ゲート電極１０４Ａが、平面視において、第２の光電変換部１０２ＡとＦＤ領域１０８Ａとの間に配される。
【００５４】
図３では省略されているが、増幅トランジスタ２０１、リセットトランジスタ２０２、および、選択トランジスタ２０３は、光電変換部が配された活性領域とは別の、第３の活性領域に配される。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る。増幅トランジスタ２０１とリセットトランジスタ２０２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。
【００５５】
また、ＦＤ部１１０は、コンタクトプラグを介して、増幅トランジスタ２０１のゲート電極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２０１のゲート電極に電気的に接続される。なお、第２の画素に対応する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２０１のゲート電極に電気的に接続される。
【００５６】
第１の転送トランジスタのゲート電極１０３Ａは、コンタクトプラグを介して、対応する駆動線２１１Ａを構成する導電部材１０５Ａ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電極１０４Ａは、コンタクトプラグを介して、対応する駆動線２１２Ａを構成する導電部材１０６Ａに電気的に接続されている。
【００５７】
この実施例では、導電部材１０５Ａ、１０６Ａ、１０９Ａが同じ配線層に配されている。もちろん、これらの導電部材のいずれかが、他の配線層に配されてもよい。また、図３に示されていない配線層に、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含まれている。
【００５８】
なお、複数の画素の各々に対応して配された複数のレンズを有するレンズアレイ（不図示）が光電変換部の上部に配される。レンズアレイの各レンズは同一画素の複数の光電変換部に集光する。各画素に含まれる複数の光電変換部は平面視において、異なる位置に配される。
【００５９】
ここで、この実施例の特徴的な部分について説明する。図３が示す通り、第１の転送トランジスタのゲート電極１０３Ａに電気的に接続された第１の導電部材１０５Ａが、第２の転送トランジスタのゲート電極１０４Ａに電気的に接続された第２の導電部材１０６Ａよりも、ＦＤ部１１０の近くに配されている。言い換えれば、第１の導電部材１０５ＡとＦＤ部１１０との互いに最も近接する部分の距離ｄ１が、第２の導電部材１０６ＡとＦＤ部１１０と互いに最も近接する部分の距離ｄ２よりも短い。本実施例のようにＦＤ部１１０が半導体領域（ＦＤ領域）を含む場合には、互いに最も近接する部分として以下のケースがある。第１は、第１の導電部材１０５ＡからＦＤ領域１０７Ａまでの距離ｄ１が、第２の導電部材１０６ＡからＦＤ領域１０８Ａまでの距離ｄ２よりも短いケースである。第２は、第１の導電部材１０５Ａから導電部材１０９Ａまでの距離ｄ１が、第２の導電部材１０６Ａから導電部材１０９Ａまでの距離ｄ２よりも短いケースである。
【００６０】
また別の観点では、第１の導電部材１０５Ａと、第２の導電部材１０６Ａとが同一の配線層に配されている。そして、第１の導電部材１０５Ａの所定の面への正射影の少なくとも一部が、第２の導電部材１０６Ａの当該所定の面への正射影と、ＦＤ部１１０に含まれるＦＤ領域１０７Ａまたは１０８Ａの当該所定の面への正射影との間に位置する。所定の面は、例えば、第１の光電変換部１０１Ａに含まれる半導体領域と第１の光電変換部１０１Ａの上に配された絶縁膜との界面、つまり、第１の光電変換部１０１の表面に対して、平行な面である。
【００６１】
さらに、別の観点では、第１の導電部材１０５Ａと、第２の導電部材１０６Ａと、ＦＤ部１１０に含まれる導電部材１０９Ａとが、同一の配線層に配されている。そして、第１の導電部材１０５Ａの少なくとも一部が、第２の導電部材１０６Ａと、ＦＤ部１１０に含まれる導電部材１０９Ａとの間に位置する。
【００６２】
このような構造のため、第１の導電部材１０５ＡとＦＤ部１１０との間の容量成分が、第２の導電部材１０６ＡとＦＤ部１１０との間の容量成分より大きい。具体的に、本実施例では、導電部材１０５Ａ、１０６Ａと、ＦＤ部１１０とが並走している距離ｄ３が約２．４マイクロメートルであり、第１の導電部材１０５Ａと、１０６Ａとの配線の間隔が約０．３マイクロメートルである。この場合、第１の導電部材１０５ＡとＦＤ部１１０との間の容量成分は、第２の導電部材１０６ＡとＦＤ部１１０との間の容量成分の半分程度である。また、ＦＤ部１１０の全容量に対して、第１および第２の導電部材１０５Ａ、１０６Ａとの間の容量成分の合計は、約２０％である。なお、上述の数値はあくまでも一例であり、適宜変更されるものである。
【００６３】
なお、この実施例には、以下の副次的な特徴がある。１点目として、第１の光電変換部１０１Ａと、第１の転送トランジスタのゲート電極１０３Ａと、第１のＦＤ領域１０７Ａとが、第１の方向に沿って並んでいる。そして、第２の光電変換部１０２Ａと、第２の転送トランジスタのゲート電極１０４Ａと、第２の半導体領域１０８Ａとが、第１の方向に沿って並んでいる。一方で、第１の導電部材１０５Ａ、および、第２の導電部材１０６Ａのそれぞれが、第１の方向と交差する方向（図２の第２方向）に沿って延在している。このような配置により、転送トランジスタの駆動線を効率的に配置できるため、光電変換部の上の開口を大きくすることができる。その結果、この実施例によれば、感度を向上させることができる。
【００６４】
また、この実施例の副次的な特徴の２点目として、第１の転送トランジスタのゲート電極１０３Ａの所定の面への正射影が、第１の導電部材１０５Ａおよび第２の導電部材１０６Ａの当該所定の面への正射影のそれぞれと、少なくとも部分的に重なる。そして、第２の転送トランジスタのゲート電極１０４Ａの所定の面への正射影が、第１の導電部材１０５Ａおよび第２の導電部材１０６Ａの当該所定の面への正射影のそれぞれと、少なくとも部分的に重なる。このような配置により、転送トランジスタの駆動線を効率的に配置できるため、光電変換部の上の開口を大きくすることができる。その結果、この実施例によれば、感度を向上させることができる。
【００６５】
次に本実施例の撮像装置の駆動に関して、図４に示された駆動パルスを用いて説明する。ここでは、図１に示された撮像装置の動作を説明する。いずれの駆動パルスについても、ハイレベルのパルスで対応するトランジスタがオンになり、ローレベルのパルスで対応するトランジスタがオフになる。
【００６６】
まず時刻Ｔ＝ｔ１において、駆動線２１１Ａおよび２１２Ａに供給される駆動パルスＰＴＸＡおよびＰＴＸＢがハイレベルとなる。この時、駆動線２０９に供給される駆動パルスＰＲＥＳがハイレベルであるため、光電変換部１０１Ａ、１０２Ａがリセットされる。
【００６７】
次にＴ＝ｔ２において、駆動パルスＰＴＸＡおよびＰＴＸＢがローレベルとなる。このタイミングで光電変換部１０１Ａ、１０２Ａでの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ているため、増幅部２０１の入力ノードであるＦＤ部１１０のリセット動作は継続している。所定期間蓄積を行った後に各行ごと、もしくは複数行ごとに順次出力線２０７への信号の読み出しを行う。
【００６８】
時刻Ｔ＝ｔ３において、選択トランジスタ２０３の駆動線２１０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２０３がオンする。これにより、ＦＤ部１１０の電位、つまり、増幅部２０１の入力ノードの電位に応じた信号が出力線２０７に出力される。この時には、ＦＤ部１１０がリセットされた状態に基づく信号（リセット信号レベル）が出力される。
【００６９】
時刻Ｔ＝ｔ４でリセットトランジスタ２０２の駆動線２０９に供給される駆動パルスＰＲＥＳをローレベルとすることにより増幅部２０１の入力ノードのリセット動作を解除する。そしてリセット信号レベルを出力線２０７へ読み出し、列回路１１３に入力する。この時、列回路１１３は演算増幅器１１９が仮想接地状態となっている。具体的には駆動パルスＰＣ０Ｒがハイレベルとなりスイッチ１１８が導通状態である。演算増幅器１１９はＶｒｅｆの出力をバッファする状態でありこの状態で入力容量１１６にリセット信号レベルが供給される。
【００７０】
次にＴ＝ｔ５において駆動パルスＰＣ０Ｒをローレベルとし、Ｔ＝ｔ６において駆動パルスＰＴＮをローレベルからハイレベルへ切り替え、スイッチ１２６、１２８をオンとする。Ｔ＝ｔ７で駆動パルスＰＴＮをハイレベルからローレベルへと切り替え、スイッチ１２６、１２８をオフする。この動作により略Ｖｒｅｆの出力が保持容量１２２、１２４へ供給され、その後保持容量１２２、１２４と演算増幅器１１９の出力ノードとが非導通となる。
【００７１】
引き続きＴ＝ｔ８において、駆動パルスＰＴＸＡをハイレベルとし第１の光電変換部１０１Ａの電荷をＦＤ部１１０へ転送し、Ｔ＝ｔ９において駆動パルスＰＴＸＡをローレベルとする。この動作により光電変換部１０１Ａの電荷がＦＤ部１１０へ転送される。これにより第１の光電変換部１０１Ａで生じた電荷に基づく信号が、増幅部２０１、出力線２０７を介して列回路１１３へ供給される。以上の動作により、出力線２０７に焦点検出用の信号を生じさせることができる。
【００７２】
なお、時刻Ｔ＝ｔ８から時刻Ｔ＝ｔ９までの間は、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１０４Ａはオフに維持される。つまり、時刻Ｔ＝ｔ８において、第１および第２の転送トランジスタ１０３Ａ、１０４Ａの両方がオフの状態から、第２の転送トランジスタ１０４Ａをオフにしたまま、第１の転送トランジスタ１０３Ａをオンにしている。
【００７３】
列回路１１３では入力容量１１６の容量値Ｃ０、フィードバック容量１１７の容量値Ｃｆの比率で電圧変化に反転ゲインが掛け合された値が出力される。具体的には出力線２０７の電圧変化をΔＶａ（負）、演算増幅器１１９の出力をＶ（Ａ）とすると、
Ｖ（Ａ）＝Ｖｒｅｆ＋ΔＶａ×（−Ｃ０／Ｃｆ）      式（１）
となる。
【００７４】
次にＴ＝ｔ１０において、駆動パルスＰＴＳＡをローレベルからハイレベルへ切り替えスイッチ１２５をオンする。Ｔ＝ｔ１１において駆動パルスＰＴＳＡをハイレベルからローレベルへと切り替え、スイッチ１２５をオフする。この動作により保持容量１２１に信号を保持する。
【００７５】
ひきつづきＴ＝ｔ１２において、駆動パルスＰＴＸＡをハイレベルとし、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をハイレベルとする。これにより、第１の転送トランジスタ１０３Ａおよび第２の転送トランジスタ１０４Ａの両方が並行してオンする。この動作により光電変換部１０１Ａと１０２Ａの双方の電荷を同時にＦＤ部１１０へ転送することができる。この動作により、出力線２０７に画像形成用の信号を生じさせることができる。なお、駆動パルスＰＴＸＡと駆動パルス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い。あるいは、駆動パルスＰＴＸＡを、駆動パルスＰＴＸＢよりも先に、ローレベルからハイレベルへ遷移させてもよい。あるいは、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。
【００７６】
光電変換部１０１Ａの電荷を転送してから、光電変換部１０１Ａと１０２Ａの双方の電荷を並行してＦＤ部１１０へ転送するまでの間、ＦＤ部１１０の電位、つまり、増幅部２０１の入力ノードの電位はリセットされない。つまり、第１の転送トランジスタ１０３Ａがオンしてから第１および第２の転送トランジスタ１０３Ａ、１０４Ａの両方がオンするまでの間は、リセットトランジスタ２０２がオフに維持される。
【００７７】
そして、ＦＤ部１１０へ転送された電荷に基づく信号が、光電変換部１０１Ａの電荷のみを転送した際と同様に、列回路１１３へ供給される。出力線２０７の電位変化をΔＶａ＋ｂ（負）、演算増幅器１１９の出力電位をＶ（Ａ＋Ｂ）とすると
Ｖ（Ａ＋Ｂ）＝Ｖｒｅｆ＋ΔＶａ＋ｂ×（−Ｃ０／Ｃｆ）      式（２）
となる。
【００７８】
Ｔ＝ｔ１４において、駆動パルスＰＴＳＡＢをローレベルからハイレベルへ切り替え、スイッチ１２２をオンする。そしてＴ＝ｔ１５において駆動パルスＰＴＳＡＢをハイレベルからローレベルへと切り替え、スイッチ１２２をオフする。この動作により演算増幅器１１９の出力ノードの電位Ｖ（Ａ＋Ｂ）を保持容量１２３へ書き込むことができる。
【００７９】
そして容量ＣＴＳＡＢとＣＴＮの差電圧である、
Ｖ（Ａ＋Ｂ）−Ｖｒｅｆ＝ΔＶａ＋ｂ×（−Ｃ０／Ｃｆ）      式（３）
を得ることができる。これは画素に含まれる２つの光電変換部の信号を加算して得られたものに相当する。画素に含まれる複数の光電変換部で撮像をする際の１画素に相当する信号が得られる。
【００８０】
また、保持容量１２１と１２２の電位差
Ｖ（Ａ）−Ｖｒｅｆ＝ΔＶａ×（−Ｃ０／Ｃｆ）      式（４）
を得ることで、第１の光電変換部１０１Ａのみの信号を得ることができる。第１の光電変換部１０１Ａ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。さらにこれらの電位差、すなわち、
（ΔＶａ＋ｂ×（−Ｃ０／Ｃｆ））−（ΔＶａ×（−Ｃ０／Ｃｆ））
＝（ΔＶａ＋ｂ−ΔＶａ）×（−Ｃ０／Ｃｆ）      式（５）
を得ることにより第２の光電変換部１０２Ａのみの信号を得ることができる。第２の光電変換部１０２Ａ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１０１Ａ、１０２Ａ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。
【００８１】
上記演算は撮像装置内で行うこともできるし、撮像装置から出力された後に信号処理部で行うこともできる。ただし第１の光電変換部１０１Ａのみの信号、及び２つの光電変換部１０１Ａ、１０２Ａの加算後の信号は撮像装置内で得られる。
【００８２】
次にＴ＝ｔ１６で駆動パルスＰＲＥＳをハイレベルとし、リセットトランジスタ２０２をオンし、ＦＤ部１１０の電位をリセットする。
【００８３】
保持容量１２１〜１２４に保持された信号はＴ＝ｔ１７以降にパルスＰＨに同期した駆動パルス１３３、１３４が順次導通することで読み出される。本実施例によれば水平出力線１３９、１４０の後段に差分処理を行なうことが可能な出力アンプ１１５を有しているため、保持容量１２１、１２２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１２３、１２４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。しかしながら出力アンプ１１５は必ずしも差分出力を得る構成である必要はなく単なるバッファ段でもよい。これ以降、順次各列の信号が水平走査回路１１４により走査されて水平出力線１３９、１４０に読み出される。
【００８４】
なお、読み出しの順番は第１の光電変換部１０１Ａのみの信号を読み出した後に、第１および第２の光電変換部１０１Ａ、１０２Ａの加算信号を読み出す例を示したが、順番を入れ替えてもよい。第１の光電変換部１０１Ａのみの信号を先に読み出すことで、よりよい信号が得られる。なぜならば保持容量１２１〜１２４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やすくなるからである。
【００８５】
以上では、図１に示された撮像装置の動作について説明した。図２で示された撮像装置の動作についても、図４で示される駆動タイミングと同様な読み出しを行う。図２に示された撮像装置では、光電変換部１０１Ａ、１０２Ａからの信号と、光電変換部１０１Ｂ、１０２Ｂ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。
【００８６】
具体的には、第１の画素では光電変換部１０１Ａの信号を読み出したのちに、光電変換部１０１Ａ、１０２Ａの電荷をＦＤ部１１０で加算する。これにより焦点検出量の信号と撮像用の信号の両者を生じさせることができる。続いて、第２の画素では光電変換部１０１Ｂの信号を読み出したのちに、光電変換部１０１Ｂ、１０２Ｂの電荷をＦＤ部１１０で加算する。これにより焦点検出量の信号と撮像用の信号の両者を生じさせることができる。
【００８７】
また、図２で示された撮像装置では、異なる２つの画素が増幅部２０１を共有している。したがって光電変換部１０１Ａ、１０１Ｂの電荷をＦＤ部１１０で加算し、光電変換部１０２Ａ、１０２Ｂの信号をＦＤ部１１０で加算することもできる。
【００８８】
２つの画素の信号を加算して読み出す場合の、駆動タイミングの例を図５に示す。ここで転送トランジスタ１０３Ａに供給される駆動パルスをＰＴＸＡ（１０３Ａ）、転送トランジスタ１０４Ａに供給される駆動パルスをＰＴＸＢ（１０４Ａ）とする。更に、転送トランジスタ１０３Ｂに供給される駆動パルスをＰＴＸＡ（１０３Ｂ）、転送トランジスタ１０４Ｂに供給される駆動パルスをＰＴＸＢ（１０４Ｂ）とする。
【００８９】
時刻Ｔ＝ｔ８において、駆動パルスＰＴＸＡ（１０３Ａ）、ＰＴＸＡ（１０３Ｂ）をローレベルからハイレベルとする。その後時刻Ｔ＝ｔ９において、駆動パルスＰＴＸＡ（１０３Ａ）、ＰＴＸＡ（１０３Ｂ）をハイレベルからローレベルとする。この動作により異なる画素に含まれる光電変換部１０１Ａ、１０１Ｂの電荷がＦＤ部１１０で加算される。この信号は焦点検出用の信号として用いられる。
【００９０】
そして時刻Ｔ＝ｔ１２において、駆動パルスＰＴＸＡ（１０３Ａ）、ＰＴＸＡ（１０３Ｂ）ＰＴＸＡ（１０３Ｂ）、ＰＴＸＢ（１０４Ｂ）をローレベルからハイレベルとする。その後、Ｔ＝ｔ１３において、駆動パルスＰＴＸＡ（１０３Ａ）、ＰＴＸＡ（１０３Ｂ）ＰＴＸＡ（１０３Ｂ）、ＰＴＸＢ（１０４Ｂ）をハイレベルからローレベルとする。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１０１Ａ、１０２Ａ、１０１Ｂ、１０２Ｂの電荷がＦＤ部１１０で加算される。この信号は撮像用の信号として用いられる。
【００９１】
本動作により焦点検出用の信号を、異なる画素に含まれる複数の光電変換部の電荷を加算して得ている。そのため、Ｓ／Ｎを向上させることができる。その結果、精度の高い焦点検出が可能となる。
【００９２】
本実施例の撮像装置では、高速に信号を読み出すことができる。この効果について図面を用いて説明する。
【００９３】
一般に、転送トランジスタのゲートの電位が、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部の電位が変化しうる。そのため、信号電荷の極性に応じて、ＦＤ部の電位を変化させることにより、転送効率を上げることができる。具体的には、電荷を転送できる最大の量を増やすこと、あるいは、電荷を高速に転送すること、あるいはその両方が可能となる。
【００９４】
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１０１Ａ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１０３Ａ、１０４Ａのうち、第２の転送トランジスタ１０４Ａをオフに維持したまま、第１の転送トランジスタ１０３Ａをオフからオンに制御している。これにより、第１の光電変換部１０１Ａの電荷が転送されるときの、ＦＤ部１１０の電位を高くすることができる。その結果、転送効率を上げることができる。
【００９５】
図６は実施例の撮像装置における、読み出し期間のＦＤ部１１０の電位の変化を模式的に示す図である。第１の転送トランジスタ１０３Ａの駆動線２１１Ａに供給される駆動パルスをＰＴＸＡ、第２の転送トランジスタ１０４Ａの駆動線２１２Ａに供給される駆動パルスをＰＴＸＢとする。また、ＦＤ部１１０の電位は、ＶＦＤで表される。実線が本実施例のＦＤ部１１０の電位の変化を示したもので、点線が比較例のＦＤ部の電位の変化を示したものである。なお、図６の時刻Ｔ＝ｔ１、Ｔ＝ｔ２、Ｔ＝ｔ３、Ｔ＝ｔ４は、それぞれ、図４および図５の時刻Ｔ＝ｔ８、Ｔ＝ｔ９、Ｔ＝ｔ１２、Ｔ＝ｔ１３に対応する。
【００９６】
図６の時刻Ｔ＝ｔ１において、駆動パルスＰＴＸＡをローレベルからハイレベルとする。この動作により、光電変換部１０１Ａに蓄積された電荷がＦＤ部１１１０へ読み出される状態となる。この信号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１１０の電位の変化の量をａとする。ここで、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部の電位の変化の量をｂとし、点線にて図示する。
【００９７】
本実施例においては、第１の転送トランジスタ１０３Ａのゲート電極に電気的に接続された第１の導電部材１０５Ａが、第２の転送トランジスタ１０４Ａのゲート電極に電気的に接続された第２の導電部材１０６Ａよりも、ＦＤ部１１０の近くに配置される。そのため、第１の導電部材１０５ＡとＦＤ部１１０との容量成分は、第２の導電部材１０６ＡとＦＤ部１１０と容量成分より大きい。したがって、第１の転送トランジスタ１０３Ａがオンする際の、ＦＤ部１１０の電位の変化のほうが、第２の転送トランジスタ１０４Ａがオンする際の、ＦＤ部１１０の電位の変化よりも大きい。つまり、ａ＞ｂである。
【００９８】
このため、図６が示す通り、実施例によれば、ＦＤ部１１０の電位をより高くした状態で、電荷の転送を行うことができる。結果として、電荷を転送できる最大の量を増やすこと、あるいは、電荷を高速に転送すること、あるいはその両方が可能となる。
【００９９】
さらに、本実施例には、以下の副次的な効果がある。
【０１００】
特許文献１には、以下の動作が開示されている。第１の光電変換部の信号を保持容量に書き込み、水平転送動作を行い、信号を撮像装置外へ読み出す。そしてリセットトランジスタによりリセット動作を行なう。その後、第２の光電変換部の信号を保持容量に書き込み、水平転送動作を行い、信号をセンサ外へ読み出す。そして再度リセットトランジスタによりリセット動作を行なう。
【０１０１】
この場合、第１の光電変換部の信号と第２の光電変換部の信号とを読み出す間には１行分の読み出し時間差（数十〜数百μｓｅｃ）が発生してしまう。
【０１０２】
本実施例では、まず第１の光電変換部１０１の信号を、Ｔ＝ｔ１１で保持容量に信号を書き込む。そして、ＦＤ部１１０に光電変換部１０１から転送された電荷を保持したまま、Ｔ＝ｔ１２において光電変換部１０１、１０２の双方の電荷を転送する。このことにより読み出し時間は大幅（数μｓｅｃ）に短縮される。更に、２つの光電変換部１０１、１０２間の信号読み出しの時間差が短くなり、焦点検出の精度を高くする効果がある。
【０１０３】
また、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。
【０１０４】
一般に、転送トランジスタのゲートの電位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線と、ＦＤ部１１０との容量結合によりＦＤ部１１０の電位が上昇する。本実施例では２つの転送トランジスタ１０３Ａ、１０４Ａのゲートの電位が並行してローレベルからハイレベルに遷移する。したがって１つの転送トランジスタのみがオンする場合より、ＦＤ部１１０の電位の上昇量が大きくなる。ＦＤ部１１０の電位が高くなると光電変換部１０１Ａ、１０２Ａの電荷がＦＤ部１１０に転送されやすくなる。したがって転送効率を向上させることができる。なお、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。２つの転送トランジスタが同時にオンすることで、より転送効率を向上させることができる。
【０１０５】
特に、本実施例のように、１つの撮像用の画素１００が、２つの光電変換部で構成される撮像装置では、２つの光電変換部１０１Ａと１０２Ａの間にはポテンシャル障壁を設ける場合が多い。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を同時刻にハイレベルとすることにより、ＦＤ部１１０の電位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効果がある。
【０１０６】
このほかに、２つの光電変換部１０１Ａ、１０２Ａの蓄積時間の差を小さくすることができる。特許文献１の構成では、２つの光電変換部における蓄積時間がずれてしまう。これに対し、本実施例では、ＦＤ部１１０で電荷を加算する際に、加算を行なう光電変換部に対応する複数の転送トランジスタをオフするタイミングを略同一にしている。これにより、蓄積時間を揃えることができる。これは撮像装置の撮像面において焦点検出用の信号を得る構成において特に有効である。
【実施例２】
【０１０７】
別の実施例を説明する。実施例１との相違は、第１の光電変換部１０１Ａの電荷、および、第２の光電変換部１０２Ａの電荷が、同一の半導体領域８０１に転送されることである。そこで、実施例１と異なる点のみを説明し、実施例１と同様の部分についての説明は省略する。
【０１０８】
図７は、本実施例の撮像装置の平面構造を模式的に示す図である。図３と同様の機能を有する部分には同じ符号を付している。図７が示す通り、２つの光電変換部１０１Ａ、１０２Ａは、それぞれ対応する転送トランジスタのゲート電極１０３Ａ、１０４Ｂを介して、半導体領域８０１に電気的に接続される。つまり、ＦＤ部１１０は、１つの半導体領域８０１で構成される。
【０１０９】
なお、半導体領域８０１は、不図示の導電部材によって増幅部の入力ノードと電気的に接続されてもよい。あるいは、半導体領域８０１が、バイポーラトランジスタやＪＦＥＴなどの制御ノードを構成してもよい。
【０１１０】
本実施例では、実施例１の効果のほかに以下の効果を得られる。ＦＤ部１１０が、１つの半導体領域８０１で構成される。これにより、ＦＤ部１１０の容量を低減できる。したがって、ＦＤ部１１０での電荷電圧変換効率を向上させることができる。
【実施例３】
【０１１１】
別の実施例を説明する。実施例１との相違は、画素のレイアウトが異なることである。そこで、実施例１と異なる点のみを説明し、実施例１と同様の部分についての説明は省略する。
【０１１２】
図８は本実施例の撮像装置の平面構造を模式的に示す図である。図３と同様の機能を有する部分には同じ符号を付している。図８が示す通り、本実施例では、第１の光電変換部１０１Ａ、第１の転送トランジスタのゲート電極１０３Ａ、および、ＦＤ領域１０７Ａが第２の方向に沿って並ぶ。そして、ゲート電極１０３Ａに電気的に接続された第１の導電部材１０５Ａが、第２の方向に沿って延在している。また、第２の光電変換部１０２Ａ、第２の転送トランジスタのゲート電極１０４Ａ、および、ＦＤ領域１０８Ａが第２の方向に沿って並ぶ。そして、ゲート電極１０４Ａに電気的に接続された第２の導電部材１０６Ａが、第２の方向に沿って延在している。
【０１１３】
ゲート電極１０３Ａと第１の導電部材１０５Ａとは、導電部材９０１を介して電気的に接続されている。ゲート電極１０４Ａと第２の導電部材１０６Ａとは、導電部材９０２を介して電気的に接続されている。導電部材１０５Ａ、１０６Ａ、１０９Ａは第１の配線層に配される。導電部材９０１および９０２は、第１の配線層の上の第２の配線層に配される。
【０１１４】
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と１０８Ａとが、両者の間に光電変換部が配されるように配置される。したがって、ＦＤ部１１０に含まれる導電部材１０９Ａが長くなりやすい。このようなレイアウトにおいて、第１の導電部材１０５ＡとＦＤ部１１０との距離ｄ１が、第２の導電部材１０６ＡとＦＤ部１１０の距離ｄ２より短いことで、実施例１の効果がより顕著になる。つまり、電荷の転送効率が向上するという効果が大きい。
【０１１５】
なお、この実施例では、第１の配線層と、第２の配線層との間隔は広いため、ゲート電極１０３Ａに接続された導電部材のうち、第１の導電部材１０５Ａが、ＦＤ部１１０に、具体的には導電部材１０９Ａに、最も近接して配されている。同様に、ゲート電極１０４Ａに接続された導電部材のうち、第２の導電部材１０６Ａが、ＦＤ部１１０に、具体的には導電部材１０９Ａに、最も近接して配されている。
【０１１６】
これに対して、導電部材９０１および９０２が、ＦＤ部１１０に最も近接していてもよい。しかし、導電部材９０１および９０２は、ＦＤ部１１０に含まれる導電部材１０９Ａと交差する方向に沿って延在している。このため、ＦＤ部１１０の容量のうち、導電部材９０１および９０２による容量成分は小さい。したがって、ＦＤ部１１０の導電部材１０９Ａと同じ方向に沿って延在する導電部材１０５Ａ、１０６Ａの配置によって、ＦＤ部１１０との容量成分が大きく変化する。
【実施例４】
【０１１７】
別の実施例を説明する。実施例１との相違は、画素のレイアウトが異なることである。そこで、実施例１と異なる点のみを説明し、実施例１と同様の部分についての説明は省略する。
【０１１８】
図９は本実施例の撮像装置の平面構造を模式的に示す図である。図３と同様の機能を有する部分には同じ符号を付している。図９が示す通り、本実施例では、第１の光電変換部１０１Ａ、第１の転送トランジスタのゲート電極１０３Ａ、および、ＦＤ領域１０７Ａが第２の方向に沿って並ぶ。そして、ゲート電極１０３Ａに電気的に接続された第１の導電部材１０５Ａが、第２の方向に沿って延在している。また、第２の光電変換部１０２Ａ、第２の転送トランジスタのゲート電極１０４Ａ、および、ＦＤ領域１０８Ａが第２の方向に沿って並ぶ。そして、ゲート電極１０４Ａに電気的に接続された第２の導電部材１０６Ａが、第２の方向に沿って延在している。
【０１１９】
この実施例では、導電部材１０５Ａ、１０６Ａ、１０９Ａが同じ配線層に配される。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、実施例１と同じ効果を得ることができる。
【実施例５】
【０１２０】
本発明に係る撮像システムの実施例について説明する。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、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などがあげられる。図１０に、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。
【０１２１】
図１０において、１００１はレンズの保護のためのバリア、１００２は被写体の光学像を撮像装置１００４に結像させるレンズ、１００３はレンズ１００２を通った光量を可変するための絞りである。１００４は上述の各実施例で説明した撮像装置であって、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。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信号処理部である。そして、図１０において、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タイミング発生部、１００９はデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御部である。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部、１０１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１０１２は撮像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。そして、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部である。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。
【０１２２】
本実施例では、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。
【０１２３】
また、信号処理部１００７は、第１の光電変換部１０１Ａで生じた電荷に基づく信号と、第２の光電変換部１０２Ａ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。
【０１２４】
撮像システムの実施例において、撮像装置１００４には、実施例１または実施例２の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実施例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る。
【符号の説明】
【０１２５】
１０１Ａ、１０１Ｂ  第１の光電変換部
１０２Ａ、１０２Ｂ  第２の光電変換部
１０３Ａ、１０３Ｂ  第１の転送トランジスタ
１０４Ａ、１０４Ｂ  第２の転送トランジスタ
１０５Ａ、１０５Ｂ  第１の導電部材
１０６Ａ、１０６Ｂ  第２の導電部材
１１０  フローティングディフュージョン部
【図１】
2014216537.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014216537.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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