特許 6421836 撮像素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6421836

(24)【登録日】2018年10月26日

(45)【発行日】2018年11月14日

(54)【発明の名称】撮像素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20181105BHJP

   H04N 5/3745 20110101ALI20181105BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/146 A

   H04N5/3745 700

【請求項の数】16

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-87402(P2017-87402)

(22)【出願日】2017年4月26日

(62)【分割の表示】特願2014-542210(P2014-542210)の分割

【原出願日】2013年10月21日

(65)【公開番号】特開2017-135422(P2017-135422A)

(43)【公開日】2017年8月3日

【審査請求日】2017年4月26日

(31)【優先権主張番号】特願2012-232422(P2012-232422)

(32)【優先日】2012年10月19日

(33)【優先権主張国】JP

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000004112

【氏名又は名称】株式会社ニコン

(74)【代理人】

【識別番号】100084412

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 冬紀

(74)【代理人】

【識別番号】100146709

【弁理士】

【氏名又は名称】白石 直正

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 智

【審査官】 小池 英敏

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−２７０２９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１２７７４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０６０８１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２２１２５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第６１３５６７７（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２７／１４６

Ｈ０４Ｎ ５／３７４５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光が入射される第１マイクロレンズからの光を電荷に変換する第１光電変換部及び第２光電変換部を少なくとも有する第１光電変換領域と、
光が入射される第２マイクロレンズからの光を電荷に変換する第３光電変換部及び第４光電変換部を少なくとも有する第２光電変換領域と、
第１ゲートを有し、前記第１光電変換領域の電荷を第１フローティング拡散領域に転送するための第１転送部と、
前記第１ゲートとは異なる第２ゲートを有し、前記第２光電変換領域の電荷を第２フローティング拡散領域に転送するための第２転送部と、を備え、
前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部は、前記第１光電変換領域において第１方向に並んで配置され、
前記第３光電変換部及び前記第４光電変換部は、前記第２光電変換領域において前記第１方向と交差する第２方向に並んで配置され、
前記第１ゲートは、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域による電圧変換効率を揃えるように、前記第２ゲートのゲート幅とは異なるゲート幅を有する撮像素子。

【請求項2】

前記第１光電変換領域に対する前記第１転送部の配置位置は、前記第２光電変換領域に対する前記第２転送部の配置位置とは異なる請求項１に記載の撮像素子。

【請求項3】

前記第１光電変換領域に対する前記第１フローティング拡散領域の配置位置は、前記第２光電変換領域に対する前記第２フローティング拡散領域の配置位置とは異なる請求項１又は請求項２に記載の撮像素子。

【請求項4】

前記第１転送部は、前記第１光電変換部の電荷を転送するための第１転送ゲートと前記第２光電変換部の電荷を転送するための第２転送ゲートとを有し、
前記第２転送部は、前記第３光電変換部の電荷を転送するための第３転送ゲートと前記第４光電変換部の電荷を転送するための第４転送ゲートとを有する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の撮像素子。

【請求項5】

前記第１転送ゲート及び前記第２転送ゲートは、前記第１方向において並んで配置され、
前記第３転送ゲート及び前記第４転送ゲートは、前記第１方向において並ばないように、前記第２方向において離れて配置される請求項４に記載の撮像素子。

【請求項6】

前記第１転送ゲート及び前記第２転送ゲートは、前記第１方向において並んで配置され、
前記第３転送ゲート及び前記第４転送ゲートは、前記第１方向及び前記第２方向と交差する第３方向において並んで配置される請求項４に記載の撮像素子。

【請求項7】

前記第１フローティング拡散領域は、前記第１転送ゲートにより前記第１光電変換部からの電荷が転送される第１電荷電圧変換部と、前記第２転送ゲートにより前記第２光電変換部からの電荷が転送される第２電荷電圧変換部と、を有し、
前記第２フローティング拡散領域は、前記第３転送ゲートにより前記第３光電変換部からの電荷が転送される第３電荷電圧変換部と、前記第４転送ゲートにより前記第４光電変換部からの電荷が転送される第４電荷電圧変換部と、を有する請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の撮像素子。

【請求項8】

前記第１電荷電圧変換部の電圧に基づく信号を出力する第１信号線と、
前記第２電荷電圧変換部の電圧に基づく信号を出力する第２信号線と、
前記第３電荷電圧変換部の電圧に基づく信号を出力する第３信号線と、
前記第４電荷電圧変換部の電圧に基づく信号を出力する第４信号線と、
を備える請求項７に記載の撮像素子。

【請求項9】

光が入射される第１マイクロレンズからの光を電荷に変換する第１光電変換部及び第２光電変換部を少なくとも有する第１光電変換領域と、
光が入射される第２マイクロレンズからの光を電荷に変換する第３光電変換部及び第４光電変換部を少なくとも有する第２光電変換領域と、
第１ゲートを有し、前記第１光電変換領域の電荷を第１フローティング拡散領域に転送するための第１転送部と、
前記第１ゲートとは異なる第２ゲートを有し、前記第２光電変換領域の電荷を第２フローティング拡散領域に転送するための第２転送部と、を備え、
前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部は、前記第１光電変換領域において第１方向に並んで配置され、
前記第３光電変換部及び前記第４光電変換部は、前記第２光電変換領域において前記第１方向と交差する第２方向に並んで配置され、
前記第１ゲートは、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域による電圧変換効率を揃えるように、前記第２ゲートのゲート長とは異なるゲート長を有する撮像素子。

【請求項10】

前記第１光電変換領域に対する前記第１転送部の配置位置は、前記第２光電変換領域に対する前記第２転送部の配置位置とは異なる請求項９に記載の撮像素子。

【請求項11】

前記第１光電変換領域に対する前記第１フローティング拡散領域の配置位置は、前記第２光電変換領域に対する前記第２フローティング拡散領域の配置位置とは異なる請求項９又は請求項１０に記載の撮像素子。

【請求項12】

前記第１転送部は、前記第１光電変換部の電荷を転送するための第１転送ゲートと前記第２光電変換部の電荷を転送するための第２転送ゲートとを有し、
前記第２転送部は、前記第３光電変換部の電荷を転送するための第３転送ゲートと前記第４光電変換部の電荷を転送するための第４転送ゲートとを有する請求項９から請求項１１のいずれか一項に記載の撮像素子。

【請求項13】

前記第１転送ゲート及び前記第２転送ゲートは、前記第１方向において並んで配置され、
前記第３転送ゲート及び前記第４転送ゲートは、前記第１方向において並ばないように、前記第２方向において離れて配置される請求項１２に記載の撮像素子。

【請求項14】

前記第１転送ゲート及び前記第２転送ゲートは、前記第１方向において並んで配置され、
前記第３転送ゲート及び前記第４転送ゲートは、前記第１方向及び前記第２方向と交差する第３方向において並んで配置される請求項１２に記載の撮像素子。

【請求項15】

前記第１フローティング拡散領域は、前記第１転送ゲートにより前記第１光電変換部からの電荷が転送される第１電荷電圧変換部と、前記第２転送ゲートにより前記第２光電変換部からの電荷が転送される第２電荷電圧変換部と、を有し、
前記第２フローティング拡散領域は、前記第３転送ゲートにより前記第３光電変換部からの電荷が転送される第３電荷電圧変換部と、前記第４転送ゲートにより前記第４光電変換部からの電荷が転送される第４電荷電圧変換部と、を有する請求項１２から請求項１４のいずれか一項に記載の撮像素子。

【請求項16】

前記第１電荷電圧変換部の電圧に基づく信号を出力する第１信号線と、
前記第２電荷電圧変換部の電圧に基づく信号を出力する第２信号線と、
前記第３電荷電圧変換部の電圧に基づく信号を出力する第３信号線と、
前記第４電荷電圧変換部の電圧に基づく信号を出力する第４信号線と、
を備える請求項１５に記載の撮像素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、撮像素子に関する。

【背景技術】

【0002】

ビデオカメラやデジタルカメラにおいて、ＣＭＯＳ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、通常、入射光量に応じた電荷を生成する光電変換部を備えた画素がマトリクス状に設けられる。固体撮像素子として、１画素につき１つの光電変換部を有するものや、１画素につき２以上の光電変換部を有するものが知られている（特許文献１参照）。

【0003】

各光電変換部で生成された電荷は、それぞれが転送ゲートを介して対応するＦＤ(フローティング拡散)領域へ転送される。電荷はＦＤ領域の容量に応じた電圧に変換され、この電圧信号が光電変換信号として読み出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】日本国特開２００８−１９３５２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

１画素当たり２つの光電変換部を設ける場合、２つの光電変換部を水平方向に並べる場合（水平分割）と、２つの光電変換部を垂直方向に並べる場合（垂直分割）とが存在する。一般に、光電変換部による光電変換特性を揃えるため、２つの光電変換部の形状や大きさは、画素内で対称に構成される。具体的には、水平分割の画素を水平方向に配列する場合には左右対称に構成され、垂直分割の画素を垂直方向に配列する場合には上下対称に構成される。しかしながら、光電変換部の形状や大きさを揃えるだけでは、水平分割の場合と垂直分割の場合とで、光電変換部からの光電変換信号に差が生じてしまうという問題があった。

【課題を解決するための手段】

【0006】

発明の第１の態様による撮像素子は、光が入射される第１マイクロレンズからの光を電荷に変換する第１光電変換部及び第２光電変換部を少なくとも有する第１光電変換領域と、光が入射される第２マイクロレンズからの光を電荷に変換する第３光電変換部及び第４光電変換部を少なくとも有する第２光電変換領域と、第１ゲートを有し、前記第１光電変換領域の電荷を第１フローティング拡散領域に転送するための第１転送部と、前記第１ゲートとは異なる第２ゲートを有し、前記第２光電変換領域の電荷を第２フローティング拡散領域に転送するための第２転送部と、を備え、前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部は、前記第１光電変換領域において第１方向に並んで配置され、前記第３光電変換部及び前記第４光電変換部は、前記第２光電変換領域において前記第１方向と交差する第２方向に並んで配置され、前記第１ゲートは、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域による電圧変換効率を揃えるように、前記第２ゲートのゲート幅とは異なるゲート幅を有する。
発明の第２の態様による撮像素子は、光が入射される第１マイクロレンズからの光を電荷に変換する第１光電変換部及び第２光電変換部を少なくとも有する第１光電変換領域と、光が入射される第２マイクロレンズからの光を電荷に変換する第３光電変換部及び第４光電変換部を少なくとも有する第２光電変換領域と、第１ゲートを有し、前記第１光電変換領域の電荷を第１フローティング拡散領域に転送するための第１転送部と、前記第１ゲートとは異なる第２ゲートを有し、前記第２光電変換領域の電荷を第２フローティング拡散領域に転送するための第２転送部と、を備え、前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部は、前記第１光電変換領域において第１方向に並んで配置され、前記第３光電変換部及び前記第４光電変換部は、前記第２光電変換領域において前記第１方向と交差する第２方向に並んで配置され、前記第１ゲートは、前記第１フローティング拡散領域及び前記第２フローティング拡散領域による電圧変換効率を揃えるように、前記第２ゲートのゲート長とは異なるゲート長を有する。

【発明の効果】

【0007】

本発明による固体撮像素子では、複数の光電変換部を有する画素からの光電変換信号のばらつきを抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の第一の実施の形態による固体撮像素子を搭載するデジタルカメラを例示するブロック図である。

【図2】固体撮像素子の概略構成を説明する図である。

【図3】図１において垂直方向に隣接する画素を説明する回路図である。

【図4】図４(a)は水平分割の場合を例示する平面図、図４(b)は垂直分割の場合を例示する平面図である。

【図5】図５(a)は変形例１の水平分割の場合を例示する平面図、図５(b)は垂直分割の場合を例示する平面図である。

【図6】図６(a)は第二の実施形態による水平分割の場合を例示する平面図、図６(b)は垂直分割の場合を例示する平面図である。

【図7】水平分割の場合と垂直分割の場合とで転送ゲートＴｘの大きさを比較する図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
（第一の実施形態）
図１は、本発明の第一の実施の形態による固体撮像素子３を搭載するデジタルカメラ１を例示するブロック図である。デジタルカメラ１には、撮像光学系として撮影レンズ２が装着される。撮影レンズ２は、マイクロプロセッサ９から指示を受けたレンズ制御部２ａによって、フォーカシングレンズや絞りが駆動制御される。撮影レンズ２は、固体撮像素子３の撮像面に被写体像を結像させる。

【0010】

固体撮像素子３は、マイクロプロセッサ９から指示を受けた撮像制御部４からの駆動信号に基づいて、被写体像を光電変換する。固体撮像素子３から出力される光電変換信号は、信号処理部５、およびＡ／Ｄ変換部６を介して処理された後、メモリ７に一旦蓄積される。バス８には、レンズ制御部２ａ、撮像制御部４、メモリ７、マイクロプロセッサ９、焦点演算部（検出処理部）１０、記録部１１、画像圧縮部１２および画像処理部１３などが接続される。

【0011】

マイクロプロセッサ９には、レリーズ釦などの操作部９ａから操作信号が入力される。マイクロプロセッサ９は、操作部９ａからの操作信号に基づいて各ブロックへ指示を送り、デジタルカメラ１の撮影動作を制御する。焦点演算部１０は、固体撮像素子３に形成されている画素からの出力信号を用いて位相差検出演算を行うことにより、撮像レンズ２による焦点調節状態（具体的にはデフォーカス量）を検出する。この位相差検出演算は、特開２００７−３１７９５１号公報に開示されるものと同様であるため、説明を省略する。マイクロプロセッサ９は、デフォーカス量に応じてレンズ制御部２ａへフォーカシングレンズの駆動を指示する。

【0012】

画像処理部１３は、メモリ７に蓄積された光電変換信号に対して所定の画像処理を行う。画像圧縮部１２は、画像処理後の画像データを所定形式でデータ圧縮する。記録部１１は、圧縮後の画像データを所定のファイル形式で記録媒体１１ａに記録する。記録媒体１１ａは、記録部１１に対して着脱自在のメモリカードなどで構成される。

【0013】

本実施形態は、固体撮像素子３において２つの光電変換部を有する画素からの光電変換信号のばらつきを抑える点に特徴を有するので、以降の説明は固体撮像素子３を中心に行う。図２は、固体撮像素子３の概略構成を例示する図である。固体撮像素子３は、マトリクス状に配置された複数の画素２０と、各画素２０からの信号を出力するための周辺回路とを有する。撮像領域３１は、画素２０がマトリクス状に配置されている領域を示す。図２の例では、撮像領域３１として水平に４行×垂直に４列の１６画素分の範囲を例示しているが、実際の画素数は図２に例示するものよりはるかに多い。

【0014】

固体撮像素子３には、各画素２０においてそれぞれ２つの光電変換部が設けられる。画素が水平および垂直方向に並ぶ固体撮像素子３において１画素当たり２つの光電変換部が設けられる場合、２つの光電変換部が水平方向に並ぶ場合（水平分割と呼ぶ）と、２つの光電変換部が垂直方向に並ぶ場合（垂直分割と呼ぶ）とが存在する。本実施形態では、撮像領域３１の全域にわたって水平分割の画素が配される。ただし、所定の領域には、水平分割の画素に代えて垂直分割の画素が配される。なお、図２においては水平分割の画素と垂直分割の画素とを区別することなく、共通の符号２０で示した。各画素２０は、周辺回路からの駆動信号にしたがって光電変換を行い、光電変換信号を出力する。

【0015】

周辺回路は、垂直走査回路２１と、水平走査回路２２と、これらと接続されている駆動信号線２３、２４と、画素２０からの信号を受け取る垂直信号線２５と、垂直信号線２５に接続される定電流源２６と、相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ回路）２７と、ＣＤＳ回路２７から出力される信号を受け取る水平信号線２８と、出力アンプ２９などで構成される。

【0016】

垂直走査回路２１および水平走査回路２２は、撮像制御部４からの指示に応じて所定の駆動信号を出力する。各画素２０は、垂直走査回路２１から出力される駆動信号によって駆動され、光電変換信号を垂直信号線２５に出力する。画素２０から出力された信号は、ＣＤＳ回路２７にてノイズ除去が施され、水平走査回路２２からの駆動信号によって水平信号線２８および出力アンプ２９を介して外部へ出力される。

【0017】

図３は、図１で垂直方向に隣接する画素２０ｎおよび２０(ｎ＋１)を説明する回路図である。図３において、画素２０ｎは、図示しないマイクロレンズの内側に光電変換部として２つのフォトダイオードＰＤｎ１およびＰＤｎ２を有する。また、画素２０(ｎ＋１)は、図示しないマイクロレンズの内側に光電変換部として２つのフォトダイオードＰＤｎ(ｎ＋１)１およびＰＤ(ｎ＋１)２を有する。上述したように、画素２０には水平分割の場合と垂直分割の場合とがあるが、両者は回路図に表すと同じである。

【0018】

画素２０ｎにおいて、フォトダイオードＰＤｎ１およびＰＤｎ２は、それぞれが入射光に応じた電荷を生成する。フォトダイオードＰＤｎ１で生成された信号電荷は、転送ゲートＴｘｎ１を介して垂直信号線２５Ａ側に位置するＦＤ(フローティング拡散)領域へ転送される。ＦＤ領域は信号電荷を受け取り、その信号電荷を電圧に変換する。ＦＤ領域の電位に応じた信号は、増幅トランジスタＡＭＰによって増幅される。そして、「行」選択トランジスタＳＥＬによって選択された「行」の信号として、垂直信号線２５Ａを介して読み出される。リセットトランジスタＲＳＴは、ＦＤ領域の電位をリセットするリセット部として動作する。

【0019】

一方、画素２０ｎのフォトダイオードＰＤｎ２で生成された信号電荷は、転送ゲートＴｘｎ２を介して垂直信号線２５Ｂ側に位置するＦＤ(フローティング拡散)領域へ転送される。ＦＤ領域は信号電荷を受け取り、その信号電荷を電圧に変換する。ＦＤ領域の電位に応じた信号は、増幅トランジスタＡＭＰによって増幅される。そして、「行」選択トランジスタＳＥＬによって選択された「行」の信号として、垂直信号線２５Ｂを介して読み出される。リセットトランジスタＲＳＴは、ＦＤ領域の電位をリセットするリセット部として動作する。

【0020】

また、画素２０(ｎ＋１)において、フォトダイオードＰＤ(ｎ＋１)１およびＰＤ(ｎ＋１)２は、それぞれが入射光に応じた電荷を生成する。生成された電荷に基づく信号の読み出しは、上述した画素２０ｎの場合と同様である。なお、「行」選択トランジスタＳＥＬの切替えは、垂直走査回路２１から出力される駆動信号によって行われる。

【0021】

図４は、固体撮像素子３において垂直方向に隣接する画素２０ｎおよび２０(ｎ＋１)を例示する平面図である。図４(a)は水平分割の場合を例示する図であり、図４(b)は垂直分割の場合を例示する図である。

【0022】

図４(a)において、画素２０ｎの左右に位置するフォトダイオードＰＤｎ１およびＰＤｎ２の形状および大きさは、略同じである。また、画素２０(ｎ＋１)の左右に位置するフォトダイオードＰＤ(ｎ＋１)１およびＰＤ(ｎ＋１)２の形状および大きさも、略同じである。さらに、画素２０ｎのフォトダイオードＰＤｎ１およびＰＤｎ２の形状および大きさは、画素２０(ｎ＋１)のフォトダイオードＰＤ(ｎ＋１)１およびＰＤ(ｎ＋１)２の形状および大きさと略同じである。つまり、水平分割の画素２０の構成は、他の水平分割の画素２０と略同じである。

【0023】

本実施形態では、画素２０ｎのフォトダイオードＰＤｎ１と、画素２０(ｎ＋１)のフォトダイオードＰＤ(ｎ＋１)１とが、垂直信号線２５Ａ側のＦＤ領域、リセットトランジスタＲＳＴ、「行」選択トランジスタＳＥＬ、および増幅トランジスタＡＭＰを共有する。また、画素２０ｎのフォトダイオードＰＤｎ２と、画素２０(ｎ＋１)のフォトダイオードＰＤ(ｎ＋１)２とが、垂直信号線２５Ｂ側のＦＤ領域、リセットトランジスタＲＳＴ、「行」選択トランジスタＳＥＬ、および増幅トランジスタＡＭＰを共有する。このように、複数のトランジスタを垂直方向に隣接する画素間で共有することにより、固体撮像素子３の実装効率を高めている。

【0024】

図４(b)において、画素２０ｎの上下に位置するフォトダイオードＰＤｎ１およびＰＤｎ２の形状および大きさは、略同じである。また、画素２０(ｎ＋１)の上下に位置するフォトダイオードＰＤ(ｎ＋１)１およびＰＤ(ｎ＋１)２の形状および大きさも、略同じである。さらに、画素２０ｎのフォトダイオードＰＤｎ１およびＰＤｎ２の形状および大きさは、画素２０(ｎ＋１)のフォトダイオードＰＤ(ｎ＋１)１およびＰＤ(ｎ＋１)２の形状および大きさと略同じである。つまり、垂直分割の画素２０の構成は、他の垂直分割の画素２０と略同じである。

【0025】

加えて、上記図４(a)の場合と図４(b)の場合とで、各フォトダイオードＰＤｎ１、ＰＤｎ２、ＰＤ(ｎ＋１)１、およびＰＤ(ｎ＋１)２の形状および大きさは、略同じである。つまり、本実施形態では、各画素２０の形状および大きさ、すなわち、各画素２０が有する２つのフォトダイオードの形状および大きさは、水平分割、垂直分割にかかわらず略同じである。

【0026】

図４(b)の場合も、図４(a)の場合と同様に、画素２０ｎのフォトダイオードＰＤｎ１と、画素２０(ｎ＋１)のフォトダイオードＰＤ(ｎ＋１)１とが、垂直信号線２５Ａ側のＦＤ領域、リセットトランジスタＲＳＴ、「行」選択トランジスタＳＥＬ、および増幅トランジスタＡＭＰを共有する。また、画素２０ｎのフォトダイオードＰＤｎ２と、画素２０(ｎ＋１)のフォトダイオードＰＤ(ｎ＋１)２とが、垂直信号線２５Ｂ側のＦＤ領域、リセットトランジスタＲＳＴ、「行」選択トランジスタＳＥＬ、および増幅トランジスタＡＭＰを共有する。

【0027】

第一の実施形態の特徴は、同一の画素内のフォトダイオードに配設される転送ゲートの配設位置が異なることで、水平分割の場合（図４(a）)と垂直分割の場合（図４(b）)とで、全体として転送ゲートＴｘｎ１、Ｔｘｎ２、Ｔｘ(ｎ＋１)１、Ｔｘ(ｎ＋１)２のゲート幅及びゲート長の大きさ、形状、およびその配設位置を共通に構成した点である。配設位置が共通とは、画素の基準位置（例えば、方形状の画素の対角線の交点である画素中心）からみた転送ゲートＴｘの位置座標が、各画素において一致することをいう。すなわち、水平分割の場合（図４(a）)と垂直分割の場合（図４(b）)とにかかわらず、対応する転送ゲートＴｘ同士が、同じ大きさで、同じ向きで、同じ位置（画素２０の右上と左下の所定位置）に設けられる。これにより、転送ゲートＴｘの位置が各画素２０において同じになるため、全ての画素２０において、２つのフォトダイオードＰＤからＦＤ領域へ電荷Ｑを転送する条件が等しくなる。また、転送ゲートＴｘに存在する寄生容量が略等しくなるので、全ての画素２０において、ＦＤ領域側の容量（ＦＤ領域のキャパシタと転送ゲートＴｘに存在する寄生容量などの合計）を略同じに揃えられる。

【0028】

上述したように、水平分割の場合と垂直分割の場合とにかかわらず、画素内の２つのフォトダイオードの大きさを略同じに構成しているので、フォトダイオードＰＤに同じ光量の光が入射される場合は、各フォトダイオードＰＤで発生する電荷Ｑが略等しくなる。一般に、電位差Ｖ＝Ｑ／Ｃが成立することから、上記の如く、電荷Ｑ、電荷Ｑの転送条件、ＦＤ領域側の容量Ｃを略同じにすることによって、光電変換後の電圧Ｖが、各フォトダイオードＰＤの間で等しくなる。すなわち、水平分割の場合と垂直分割の場合とにかかわらず、複数の光電変換部からの光電変換信号のばらつきが抑えられる。

【0029】

複数の光電変換部からの光電変換信号のばらつきを抑えることは、電荷電圧変換効率のばらつきを抑えることと等価である。

【0030】

以上説明した第一の実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）固体撮像素子３は、第１光電変換部ＰＤｎ１と第２光電変換部ＰＤｎ２とが水平方向に並ぶ第１画素（水平分割）と、第３光電変換部ＰＤｎ１と第４光電変換部ＰＤｎ２とが垂直方向に並ぶ第２画素（垂直分割）と、を有する画素部と、第１画素の第１光電変換部ＰＤｎ１により生成された信号電荷を第１電荷電圧変換部（ＦＤ領域）に転送する第１転送ゲートＴｘｎ１と、第１画素の第２光電変換部ＰＤｎ２により生成された信号電荷を第２電荷電圧変換部（ＦＤ領域）に転送する第２転送ゲートＴｘｎ２と、第２画素の第３光電変換部ＰＤｎ１により生成された信号電荷を第３電荷電圧変換部（ＦＤ領域）に転送する第３転送ゲートＴｘｎ１と、第２画素の第４光電変換部ＰＤｎ２により生成された信号電荷を第４電荷電圧変換部（ＦＤ領域）に転送する第４転送ゲートＴｘｎ２と、を備え、第１転送ゲートＴｘｎ１、第２転送ゲートＴｘｎ２、第３転送ゲートＴｘｎ１、および第４転送ゲートＴｘｎ２は、第１電荷電圧変換部（ＦＤ領域）、第２電荷電圧変換部（ＦＤ領域）、第３電荷電圧変換部（ＦＤ領域）、および第４電荷電圧変換部（ＦＤ領域）による電圧変換効率を揃えるように、第１光電変換部ＰＤｎ１、第２光電変換部ＰＤｎ２、第３光電変換部ＰＤｎ１、および第４光電変換部ＰＤｎ２にそれぞれ配置されている。これにより、水平分割の場合（第１画素）と垂直分割の場合（第２画素）とにかかわらず、複数の光電変換部からの光電変換信号のばらつきが抑えられる。

【0031】

（２）上記（１）の固体撮像素子３において、水平方向と垂直方向とは、互いに直交するので、画素がマトリクス状に配される場合との整合性がよい。

【0032】

（３）上記（１）、（２）の固体撮像素子３において、第１画素の第１転送ゲートＴｘｎ１と第２転送ゲートＴｘｎ２とが略同じゲート幅及びゲート長で構成されるとともに、第２画素の第３転送ゲートＴｘｎ１と第４転送ゲートＴｘｎ２とが略同じゲート幅及びゲート長で構成され、かつ、第１転送ゲートＴｘｎ１と第２転送ゲートＴｘｎ２の第１画素（水平分割）における配置位置、および第３転送ゲートＴｘｎ１と第４転送ゲートＴｘｎ２の第２画素（垂直分割）における配置位置は、略同じである。これにより、水平分割の場合と垂直分割の場合とにかかわらず、複数の光電変換部からの光電変換信号のばらつきが抑えられる。

【0033】

（４）上記（３）の固体撮像素子３において、第１画素の第１光電変換部ＰＤｎ１、第１画素の第２光電変換部ＰＤｎ２、第２画素の第３光電変換部ＰＤｎ１、および第２画素の第４光電変換部ＰＤｎ２が略同じ大きさに構成され、第１画素において、第１光電変換部ＰＤｎ１および第２光電変換部ＰＤｎ２の長辺にそれぞれ第１転送ゲートＴｘｎ１および第２転送ゲートＴｘｎ２が配置され、第２画素において、第３光電変換部ＰＤｎ１および第４光電変換部ＰＤｎ２の短辺にそれぞれ第３転送ゲートＴｘｎ１および第４転送ゲートＴｘｎ２が配置されている。これにより、水平分割の場合と垂直分割の場合とにかかわらず、複数の光電変換部からの光電変換信号のばらつきが抑えられる。

【0034】

（変形例１）
第一の実施形態では、水平分割の場合（図４(a）)において、第１画素の転送ゲートＴｘｎ１、Ｔｘｎ２、Ｔｘ(ｎ＋１)１、Ｔｘ(ｎ＋１)２が、それぞれ長方形状のフォトダイオードＰＤｎ１、ＰＤｎ２、ＰＤ(ｎ＋１)１、ＰＤ(ｎ＋１)２の長辺側に設けられる。これに対し、垂直分割の場合（図４(b）)においては、第２画素の転送ゲートＴｘｎ１、Ｔｘｎ２、Ｔｘ(ｎ＋１)１、Ｔｘ(ｎ＋１)２が、それぞれ長方形状のフォトダイオードＰＤｎ１、ＰＤｎ２、ＰＤ(ｎ＋１)１、ＰＤ(ｎ＋１)２の短辺側に設けられる。

【0035】

仮に、転送ゲートＴｘが設けられるフォトダイオードＰＤの辺の長さの違いに起因して、水平分割の場合（第１画素）と垂直分割の場合（第２画素）との間で、２つのフォトダイオードＰＤからＦＤ領域へ電荷Ｑを転送する条件、またはＦＤ領域側の容量の差異が所定値を超える場合には、転送ゲートＴｘｎ１、Ｔｘｎ２、Ｔｘ(ｎ＋１)１、Ｔｘ(ｎ＋１)２を、それぞれフォトダイオードＰＤｎ１、ＰＤｎ２、ＰＤ(ｎ＋１)１、ＰＤ(ｎ＋１)２の隅に設けるようにしてもよい。

【0036】

図５は、変形例１における、画素２０ｎおよび２０(ｎ＋１)を説明する平面図である。図５(a)は水平分割の場合（第１画素）を例示する図であり、図５(b)は垂直分割の場合（第２画素）を例示する図である。第一の実施形態の図４(a)、図４(b)と比べて、各転送ゲートＴｘの配設位置、およびフォトダイオードＰＤに対する各転送ゲートＴｘの角度が相違する。

【0037】

転送ゲートＴｘｎ１、Ｔｘｎ２、Ｔｘ(ｎ＋１)１、Ｔｘ(ｎ＋１)２を、それぞれフォトダイオードＰＤｎ１、ＰＤｎ２、ＰＤ(ｎ＋１)１、ＰＤ(ｎ＋１)２の隅に、かつフォトダイオードＰＤに対して４５度の角度で設けることで、転送ゲートＴｘｎ１、Ｔｘｎ２、Ｔｘ(ｎ＋１)１、Ｔｘ(ｎ＋１)２が、水平分割の場合（第１画素）と垂直分割の場合（第２画素）とにかかわらず、フォトダイオードＰＤｎ１、ＰＤｎ２、ＰＤ(ｎ＋１)１、ＰＤ(ｎ＋１)２の長辺と短辺で挟まれた部位（隅）に、共通の角度（４５度）で設けられる。

【0038】

これにより、水平分割の場合（第１画素）と垂直分割の場合（第２画素）とにかかわらず、２つのフォトダイオードＰＤからＦＤ領域へ電荷Ｑを転送する条件、およびＦＤ領域側の容量（ＦＤ領域のキャパシタと転送ゲートＴｘに存在する寄生容量などの合計）を略同じに揃えられる。すなわち、水平分割の場合と垂直分割の場合とにかかわらず、複数の光電変換部からの光電変換信号のばらつきが抑えられる。

【0039】

（第二の実施形態）
第一の実施形態では、水平分割の場合（第１画素）と垂直分割の場合（第２画素）とにかかわらず、各画素２０において同じ位置（画素の右上と左下の所定位置）に、同じ大きさおよび形状の転送ゲートＴｘを設けるようにした。第二の実施形態では、水平分割の場合（第１画素）と垂直分割の場合（第２画素）とで、転送ゲートＴｘの位置を同じにしない代わりに、転送ゲートＴｘのゲート幅又はゲート長の大きさ、形状を異ならせることにより、水平分割の場合と垂直分割の場合との間で、２つのフォトダイオードＰＤからＦＤ領域へ電荷Ｑを転送する条件、およびＦＤ領域側の容量（ＦＤ領域のキャパシタと転送ゲートＴｘに存在する寄生容量などの合計）を揃える。

【0040】

図６は、第二の実施形態における、画素２０ｎおよび２０(ｎ＋１)を説明する平面図である。図６(a)は水平分割の場合を例示する図であり、図６(b)は垂直分割の場合を例示する図である。第一の実施形態の図４(a)と比べて、水平分割の場合における図６(a)の各転送ゲートＴｘｎ１＊、Ｔｘｎ２＊、Ｔｘ(ｎ＋１)１＊、Ｔｘ(ｎ＋１)２＊の配設位置、および大きさが相違する。垂直分割の場合における図６(b)の内容は、第一の実施形態の図４(b)と同じである。

【0041】

図６(a)において、転送ゲートＴｘｎ１＊、Ｔｘｎ２＊、Ｔｘ(ｎ＋１)１＊、Ｔｘ(ｎ＋１)２＊は、それぞれフォトダイオードＰＤｎ１、ＰＤｎ２、ＰＤ(ｎ＋１)１、ＰＤ(ｎ＋１)２の長辺の中央に設けられる。一方、図６(b)において、転送ゲートＴｘｎ１、Ｔｘｎ２、Ｔｘ(ｎ＋１)１、Ｔｘ(ｎ＋１)は、それぞれフォトダイオードＰＤｎ１、ＰＤｎ２、ＰＤ(ｎ＋１)１、ＰＤ(ｎ＋１)２の短辺の中央に設けられる。ここで、転送ゲートＴｘｎ１、Ｔｘｎ２、Ｔｘ(ｎ＋１)１、Ｔｘ(ｎ＋１)２のゲート幅又はゲート長の大きさは、水平分割の場合と垂直分割の場合とで異なる。

【0042】

図７は、転送ゲートＴｘのゲート幅又はゲート長の大きさを、水平分割の場合と垂直分割の場合とで比較する図である。図７の例では、水平分割の場合の転送ゲートＴｘ＊のゲート幅Ｗ１、ゲート長Ｌ１が、それぞれ垂直分割の場合の転送ゲートＴｘのゲート幅Ｗ２、ゲート長Ｌ２より長い。

【0043】

第二の実施形態では、転送ゲートＴｘ＊の形状をフォトダイオードＰＤの大きさに合わせる。例えば、転送ゲートＴｘ＊と接続するフォトダイオードＰＤの辺の長さが垂直分割の場合より水平分割の場合で長い場合は、転送ゲートＴｘ＊の形状を、垂直分割の場合より水平分割の場合に大きくする。この理由は以下の通りである。転送ゲートがフォトダイオードＰＤの長辺の略中央に配される場合は、転送ゲートがフォトダイオードＰＤの短辺の略中央に配される場合に比べて、転送ゲートの近くに存在する電荷Ｑが多い。このため、転送ゲートを大きく確保することで電荷転送時に効率よく転送できるから、転送不良の発生を避けることができる。

【0044】

これにより、水平分割の場合と垂直分割の場合とにかかわらず、２つのフォトダイオードＰＤからＦＤ領域へ電荷Ｑを転送する条件（転送不良率）、およびＦＤ領域側の容量（ＦＤ領域のキャパシタと転送ゲートＴｘに存在する寄生容量などの合計）を略同じに揃えられる。すなわち、水平分割の場合と垂直分割の場合とにかかわらず、複数の光電変換部からの光電変換信号のばらつきが抑えられる。

【0045】

以上説明した第二の実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）固体撮像素子３は、第１光電変換部ＰＤｎ１と第２光電変換部ＰＤｎ２とが水平方向に並ぶ第１画素（水平分割）と、第３光電変換部ＰＤｎ１と第４光電変換部ＰＤｎ２とが垂直方向に並ぶ第２画素（垂直分割）と、を有する画素部と、第１画素の第１光電変換部ＰＤｎ１により生成された信号電荷を第１電荷電圧変換部（ＦＤ領域）に転送する第１ゲート部Ｔｘｎ１＊と、第１画素の第２光電変換部ＰＤｎ２により生成された信号電荷を第２電荷電圧変換部（ＦＤ領域）に転送する第２転送ゲートＴｘｎ２＊と、第２画素の第３光電変換部ＰＤｎ１により生成された信号電荷を第３電荷電圧変換部（ＦＤ領域）に転送する第３転送ゲートＴｘｎ１と、第２画素の第４光電変換部ＰＤｎ２により生成された信号電荷を第４電荷電圧変換部（ＦＤ領域）に転送する第４転送ゲートＴｘｎ２と、を備え、第１転送ゲートＴｘｎ１＊、第２転送ゲートＴｘｎ２＊、第３転送ゲートＴｘｎ１、および第４転送ゲートＴｘｎ２のうち、少なくとも１つの転送ゲートは、第１電荷電圧変換部（ＦＤ領域）、第２電荷電圧変換部（ＦＤ領域）、第３電荷電圧変換部（ＦＤ領域）、および第４電荷電圧変換部（ＦＤ領域）による電圧変換効率を揃えるように、ゲート幅又はゲート長の大きさを変えて第１光電変換部ＰＤｎ１、第２光電変換部ＰＤｎ２、第３光電変換部ＰＤｎ１、および第４光電変換部ＰＤｎ２にそれぞれ配置されている。これにより、水平分割の場合（第１画素）と垂直分割の場合（第２画素）とにかかわらず、複数の光電変換部からの光電変換信号のばらつきが抑えられる。

【0046】

（２）上記（１）に記載の固体撮像素子３において、第１転送ゲートＴｘｎ１＊と第２転送ゲートＴｘｎ２＊の第１画素における配置位置、および第３転送ゲートＴｘｎ１と第４転送ゲートＴｘｎ２の第２画素における配置位置が異なっており、第１転送ゲートＴｘｎ１＊および第２転送ゲートＴｘｎ２＊で構成される転送ゲートの大きさと、第３転送ゲートＴｘｎ１および第４転送ゲートＴｘｎ２で構成される転送ゲートの大きさとが、第１転送ゲートＴｘｎ１＊および第２転送ゲートＴｘｎ２＊が配置される第１画素の第１光電変換部ＰＤｎ１および第２光電変換部ＰＤｎ２の辺の長さと、第３転送ゲートＴｘｎ１および第４転送ゲートＴｘｎ２が配置される第２画素の第３光電変換部ＰＤｎ１および第４光電変換部ＰＤｎ１の辺の長さと、に応じて異なる。これにより、水平分割の場合と垂直分割の場合とにかかわらず、複数の光電変換部からの光電変換信号のばらつきが抑えられる。

【0047】

（変形例２）
なお、第二の実施形態においては、水平分割の場合の転送ゲートＴｘの形状を垂直分割の場合より大きくする例を説明したが、垂直分割の場合の転送ゲートＴｘの形状を水平分割の場合より小さくすることによって、水平分割の場合と垂直分割の場合とで、複数の光電変換部からの光電変換信号のばらつきを抑えるように構成してもよい。

【0048】

以上の説明はあくまで一例であり、上記の実施形態の構成に何ら限定されるものではない。

【0049】

次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２０１２年第２３２４２２号（２０１２年１０月１９日出願）

【符号の説明】

【0050】

１…デジタルカメラ
３…固体撮像素子
９…マイクロプロセッサ
２０…画素
２１…垂直走査回路
２２…水平走査回路
２５、２５Ａ、２５Ｂ…垂直信号線
２７…ＣＤＳ回路
２８…水平信号線
２９…出力アンプ
ＡＭＰ…増幅トランジスタ
ＦＤ…フローティング拡散領域
ＲＳＴ…リセットトランジスタ
ＳＥＬ…行選択トランジスタ
Ｔｘ…転送ゲート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】