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JP4710660B2 - Solid-state imaging device and electronic camera using the same - Google Patents

Solid-state imaging device and electronic camera using the same Download PDF

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JP4710660B2
JP4710660B2 JP2006065106A JP2006065106A JP4710660B2 JP 4710660 B2 JP4710660 B2 JP 4710660B2 JP 2006065106 A JP2006065106 A JP 2006065106A JP 2006065106 A JP2006065106 A JP 2006065106A JP 4710660 B2 JP4710660 B2 JP 4710660B2
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Description

本発明は、焦点検出用の信号を出力する固体撮像素子及びこれを用いた電子カメラに関するものである。   The present invention relates to a solid-state imaging device that outputs a focus detection signal and an electronic camera using the same.

近年、ビデオカメラや電子スチルカメラが広く一般に普及している。これらのカメラには、CCD型や増幅型の固体撮像素子が使用されている。固体撮像素子は、画素が二次元状に複数配置され、各画素に配置される光電変換部にて入射光に応じた電荷を生成し蓄積する。
増幅型の固体撮像素子は、画素の光電変換部にて生成・蓄積された信号電荷を画素に設けられた画素アンプ部に導き、信号電荷に対応した電気信号を画素から出力する。そして、増幅型の固体撮像素子には、画素アンプ部に接合型電界効果トランジスタを用いた固体撮像素子(特許文献1)や、画素アンプ部にMOSトランジスタを用いたCMOS型固体撮像素子などが提案されている。
In recent years, video cameras and electronic still cameras have been widely used. For these cameras, CCD type or amplification type solid-state imaging devices are used. In the solid-state imaging device, a plurality of pixels are arranged two-dimensionally, and a charge corresponding to incident light is generated and accumulated in a photoelectric conversion unit arranged in each pixel.
The amplification type solid-state imaging device guides signal charges generated and accumulated in the photoelectric conversion unit of the pixel to a pixel amplifier unit provided in the pixel, and outputs an electrical signal corresponding to the signal charge from the pixel. As the amplification type solid-state imaging device, a solid-state imaging device using a junction field effect transistor in the pixel amplifier unit (Patent Document 1), a CMOS type solid-state imaging device using a MOS transistor in the pixel amplifier unit, etc. are proposed. Has been.

特許文献1−2に開示されている従来の固体撮像素子では、1つの画素毎に光電変換部及び画素アンプ部と、それらの間において一時的に電荷を蓄積する電荷格納部とが設けられている。このような従来の固体撮像素子では、全画素を同時に露光した後、生成された信号電荷は、全画素同時に光電変換部から電荷格納部に転送されて蓄積される。そして、行ごとにフローティング拡散領域、又は制御電極をリセットし相関二重サンプリング処理を施して信号を出力する。このように、特許文献1−2に開示されている固体撮像素子は、相関二重サンプリングがなされた全画素同時露光が可能となる。   In the conventional solid-state imaging device disclosed in Patent Document 1-2, a photoelectric conversion unit and a pixel amplifier unit are provided for each pixel, and a charge storage unit that temporarily accumulates charges between them. Yes. In such a conventional solid-state imaging device, after all the pixels are exposed at the same time, the generated signal charges are transferred from the photoelectric conversion unit to the charge storage unit and accumulated all at the same time. Then, the floating diffusion region or the control electrode is reset for each row, a correlated double sampling process is performed, and a signal is output. As described above, the solid-state imaging device disclosed in Patent Document 1-2 enables simultaneous exposure of all pixels subjected to correlated double sampling.

一方、焦点検出技術の一つとして瞳分割位相差方式が知られている。瞳分割位相差方式は、撮影レンズの通過光束を瞳分割して一対の分割像を形成し、そのパターンズレを検出することで、撮影レンズのデフォーカス量を検出するものである。
そして、瞳分割位相差方式を固体撮像素子に適用した提案がなされている。例えば特許文献3には、画像信号を生成する画素と、焦点検出用の信号を生成する画素を有する固体撮像素子が提案されている。焦点検出用画素は、二つの光電変換部を有している。また、焦点検出用画素は、隣接配置されないように設けられている。そして、焦点検出用信号を得る際には、二つの光電変換部のうちの一方の光電変換部の信号を当該画素の出力部から、他方の光電変換部の信号を隣接する画像信号用画素の出力部から同時に読み出す。このことにより、特許文献3に記載の固体撮像素子は、焦点検出用画素の2つの光電変換部における露光時間とタイミングを同一にすることが可能となっている。
特開平11−177076号公報 特開2004−111590号公報 特開2003−244712号公報
On the other hand, a pupil division phase difference method is known as one of focus detection techniques. The pupil division phase difference method detects the defocus amount of the photographing lens by forming a pair of divided images by dividing the light beam passing through the photographing lens into pupils and detecting the pattern shift.
And the proposal which applied the pupil division | segmentation phase difference system to the solid-state image sensor is made | formed. For example, Patent Document 3 proposes a solid-state imaging device having pixels that generate image signals and pixels that generate signals for focus detection. The focus detection pixel has two photoelectric conversion units. Further, the focus detection pixels are provided so as not to be adjacently arranged. When obtaining a focus detection signal, the signal of one of the two photoelectric conversion units is output from the output unit of the pixel, and the signal of the other photoelectric conversion unit is transmitted to the adjacent image signal pixel. Read simultaneously from the output section. Thus, the solid-state imaging device described in Patent Document 3 can make the exposure time and timing in the two photoelectric conversion units of the focus detection pixel the same.
JP-A-11-177076 JP 2004-111590 A JP 2003-244712 A

しかしながら、特許文献3に提案された固体撮像素子は、同一行においては、露光のタイミングが同一であるものの、異なる行の間では焦点検出用信号の露光のタイミングが異なっていた。すなわち、有効画素の焦点検出における露光タイミングの同時性が無かった。   However, in the solid-state imaging device proposed in Patent Document 3, although the exposure timing is the same in the same row, the exposure timing of the focus detection signal is different between different rows. That is, there was no synchronism of exposure timing in focus detection of effective pixels.

このため、1フレームにおいて、合焦の位置が変動してしまうという問題点があった。特に、速い動作の被写体を撮像する場合や、静止画を撮像する場合に顕著な問題を生じていた。したがって、瞳分割位相差方式を採用した固体撮像素子において、特許文献1−2に記載されたような全画素同時電子シャッターの動作をさせても、焦点の合わない画像が得られることがあった。   For this reason, there has been a problem that the position of the focus varies in one frame. In particular, a significant problem has arisen when shooting a fast-moving subject or when shooting a still image. Therefore, in a solid-state imaging device that adopts the pupil division phase difference method, an in-focus image may be obtained even when the all-pixel simultaneous electronic shutter is operated as described in Patent Document 1-2. .

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、1フレームでの焦点検出における露光タイミングの同時性が確保される固体撮像素子を提供する。   The present invention has been made in view of such a problem, and provides a solid-state imaging device in which simultaneity of exposure timing in focus detection in one frame is ensured.

特許文献3の固体撮像素子は、各画素に配置される2つの光電変換部の信号を同時に出力できるので、同一行に接続される画素間においては、露光時間とそのタイミングを同一にすることができる。しかし、異なる行間においては、所謂ローリングシャッターであるため露光のタイミングがずれてしまっていた。このため、異なる行間では、焦点検出のタイミングがずれていた。 Since the solid-state image sensor of Patent Document 3 can simultaneously output signals from two photoelectric conversion units arranged in each pixel, the exposure time and the timing thereof can be made the same between pixels connected to the same row. it can. However, the exposure timing is shifted between different lines because of the so-called rolling shutter. For this reason, the focus detection timing is shifted between different rows.

そこで、本発明の第1の態様による固体撮像素子は、二次元状に配置された複数の画素と、前記画素を駆動し画素から信号を外部に出力するための周辺回路とを有し、前記少なくとも一部の画素は、(1)入射光に応じた電荷を生成し蓄積する複数の光電変換部と、(2)前記光電変換部のそれぞれに対応して配置され、前記電荷を対応する前記光電変換部から受け取って蓄積する複数の電荷格納部と、(3)前記複数の電荷格納部から前記電荷を受け取って蓄積するフローティング拡散領域と、(4)前記複数の光電変換部から対応するそれぞれの前記電荷格納部に前記電荷を転送する第1の転送部と、(5)前記複数の電荷格納部から前記フローティング拡散領域に前記電荷を転送する第2の転送部と、(6)前記複数の光電変換部に前記入射光を導くマイクロレンズと、を有することを特徴とする。   Therefore, the solid-state imaging device according to the first aspect of the present invention includes a plurality of pixels arranged two-dimensionally, and a peripheral circuit for driving the pixels and outputting signals from the pixels to the outside, At least some of the pixels are arranged corresponding to (1) a plurality of photoelectric conversion units that generate and store charges according to incident light, and (2) each of the photoelectric conversion units. A plurality of charge storage units that receive and accumulate from the photoelectric conversion units; (3) a floating diffusion region that receives and accumulates the charges from the plurality of charge storage units; and (4) corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion units. A first transfer unit that transfers the charge to the charge storage unit; (5) a second transfer unit that transfers the charge from the plurality of charge storage units to the floating diffusion region; and (6) the plurality of the transfer units. The incident light is guided to the photoelectric conversion unit of And a microlens.

入射光は、画素に配置される複数の光電変換部で信号電荷に変換される。それらの信号電荷は、それぞれの光電変換部に対応する電荷格納部に独立に転送され蓄積される。この構成により、行ごとに相関二重サンプリング処理をしつつ全画素同時露光を行うことが可能となる。さらに、この信号電荷を焦点検出用の信号として用いることが可能となる。したがって、1フレームの焦点検出信号の露光タイミングにおける同時性が確保される。よって、速い動作の被写体を撮像する場合や、静止画を撮像する場合においても、正しく焦点を合わせることが可能となる。   Incident light is converted into signal charges by a plurality of photoelectric conversion units arranged in the pixel. Those signal charges are independently transferred and accumulated in the charge storage units corresponding to the respective photoelectric conversion units. With this configuration, it is possible to perform simultaneous exposure of all pixels while performing correlated double sampling processing for each row. Furthermore, this signal charge can be used as a focus detection signal. Therefore, the synchronism at the exposure timing of the focus detection signal of one frame is ensured. Therefore, it is possible to correctly focus even when shooting a fast-moving subject or when shooting a still image.

本発明の第2の態様による固体撮像素子は、前記第1の態様において、前記少なくとも一部の画素は、さらに、(7)前記フローティング拡散領域に蓄積された前記電荷の量に対応する信号を出力する画素アンプ部と、(8)前記フローティング拡散領域に蓄積された電荷をリセットする第1のリセット部と、(9)信号を読み出す画素を選択し、前記選択された画素の前記画素アンプ部から信号を出力する選択スイッチと、を有することを特徴とする。   The solid-state imaging device according to a second aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the first aspect, wherein the at least part of the pixels further includes (7) a signal corresponding to the amount of the charge accumulated in the floating diffusion region. A pixel amplifier unit that outputs, (8) a first reset unit that resets charges accumulated in the floating diffusion region, and (9) a pixel that reads a signal and selects the pixel amplifier unit of the selected pixel And a selection switch for outputting a signal from.

本発明の第3の態様による固体撮像素子は、前記第2の態様において、前記画素アンプ部、前記第1のリセット部、及び、前記選択スイッチは、複数の画素に対して一つ配置されることを特徴とする。この構成により、画素アンプ部、第1のリセット部、及び、選択スイッチは、複数の画素にて共用されて、より微細化されることが可能となる。   In the solid-state imaging device according to the third aspect of the present invention, in the second aspect, one of the pixel amplifier unit, the first reset unit, and the selection switch is arranged for a plurality of pixels. It is characterized by that. With this configuration, the pixel amplifier unit, the first reset unit, and the selection switch can be shared by a plurality of pixels and can be further miniaturized.

本発明の第4の態様による固体撮像素子は、前記第1から第3のいずれかの態様において、同一の画素に配置される前記第1の転送部は、前記周辺回路によって同時に駆動され、同一の画素に配置される前記第2の転送部は、前前記周辺回路によって個別に駆動されることを特徴とする。   In the solid-state imaging device according to the fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the first transfer units arranged in the same pixel are simultaneously driven by the peripheral circuit and are the same. The second transfer unit disposed in each pixel is individually driven by the peripheral circuit.

本発明の第5の態様による固体撮像素子は、前記第1から第4のいずれかの態様において、前記少なくとも一部の画素は、前記光電変換部が2個配置されることを特徴とする。
本発明の第6の態様による固体撮像素子は、前記第1から第4のいずれかの態様において、前記少なくとも一部の画素は、前記光電変換部が3個配置されることを特徴とする。
The solid-state imaging device according to the fifth aspect of the present invention is characterized in that, in any of the first to fourth aspects, the at least some of the pixels include two photoelectric conversion units.
The solid-state imaging device according to a sixth aspect of the present invention is characterized in that, in any of the first to fourth aspects, the at least some of the pixels include three photoelectric conversion units.

本発明の第7の態様による固体撮像素子は、前記第1から第6のいずれかの態様において、前記少なくとも一部の画素は、二次元状配置され焦点検出信号を出力し、且つ、前記焦点検出信号とは異なるタイミングで画像信号を出力することを特徴とする。この構成により、少なくとも一部の画素は、焦点を検出するための焦点検出信号のみならず、それとは異なるタイミングで画像を得るための画像信号をも出力するので、画像信号生成時に補間などの補正を行う必要がない。   The solid-state imaging device according to a seventh aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the first to sixth aspects, wherein the at least some pixels are two-dimensionally arranged and output a focus detection signal, and the focus An image signal is output at a timing different from that of the detection signal. With this configuration, at least some pixels output not only a focus detection signal for detecting the focus but also an image signal for obtaining an image at a different timing, so that correction such as interpolation is performed when the image signal is generated. There is no need to do.

本発明の第8の態様による固体撮像素子は、前記第1から第7の態様において、前記少なくとも一部の画素は、前記光電変換部に蓄積された電荷をリセットする第2のリセット部を有することを特徴とする。この構成により、光電変換部のリセットが容易になる。   According to an eighth aspect of the present invention, in the first to seventh aspects, the solid-state imaging device includes a second reset unit that resets the charge accumulated in the photoelectric conversion unit. It is characterized by that. With this configuration, the photoelectric conversion unit can be easily reset.

本発明の第9の態様による固体撮像素子は、前記第1から第7の態様において、前記電荷格納部は前記光電変換部と前記フローティング拡散領域の間に配置され、前記第1の転送部は前記光電変換部と前記電荷格納部の間に配置されるゲート電極を有し、前記第2の転送部は前記電荷格納部と前記フローティング拡散領域の間に配置されるゲート電極を有し、前記光電変換部と前記電荷格納部が配置される方向と前記電荷格納部と前記フローティング拡散領域が配置される方向は同一方向であることを特徴とする。この構成により、光電変換部、電荷格納部、及び、フローティング拡散領域の配置方向が揃うので、製造が容易となる。   According to a ninth aspect of the present invention, in the first to seventh aspects, the solid-state imaging device is configured such that the charge storage unit is disposed between the photoelectric conversion unit and the floating diffusion region, and the first transfer unit is A gate electrode disposed between the photoelectric conversion unit and the charge storage unit; and the second transfer unit includes a gate electrode disposed between the charge storage unit and the floating diffusion region; The direction in which the photoelectric conversion unit and the charge storage unit are arranged is the same as the direction in which the charge storage unit and the floating diffusion region are arranged. With this configuration, the photoelectric conversion unit, the charge storage unit, and the floating diffusion region are arranged in the same direction, which facilitates manufacturing.

さらに、本発明の第10の態様による電子カメラは、前記第1から第9のいずれかの態様の固体撮像素子と、前記固体撮像素子から前記焦点検出用の信号を取得し、前記焦点検出用の信号から抽出される瞳分割像のパターンズレを検出して、焦点検出を行う焦点演算部と、前記固体撮像素子から前記画像信号を読み出す撮像制御部とを有する。   Furthermore, an electronic camera according to a tenth aspect of the present invention acquires the focus detection signal from the solid-state image sensor according to any one of the first to ninth aspects and the solid-state image sensor, and A focus calculation unit that detects a pattern shift of the pupil-divided image extracted from this signal and performs focus detection, and an imaging control unit that reads out the image signal from the solid-state imaging device.

本発明によれば、1フレームでの焦点検出における露光タイミングの同時性が確保される。これにより、速い被写体を確実に撮像ができる。   According to the present invention, the synchronism of exposure timing in focus detection in one frame is ensured. Thereby, a fast subject can be reliably imaged.

以下、本発明による固体撮像素子及び電子カメラについて、図面を参照して説明する。
[第1の実施形態]
(電子カメラの構成)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電子カメラ1を示すブロック図である。電子カメラ1には、撮影レンズ2が装着される。この撮影レンズ2は、レンズ制御部2aによって焦点や絞りが駆動される。この撮影レンズ2の像空間には、固体撮像素子3の撮像面が配置される。
固体撮像素子3は、撮像制御部4の指令によって駆動され、信号を出力する。固体撮像素子3から出力される信号は、画像用の信号、焦点検出用の信号のいずれかである。いずれにおいても信号は、信号処理部5、及び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。メモリ7は、バス8に接続される。バス8には、レンズ制御部2a、撮像制御部4、マイクロプロセッサ9、焦点演算部10、記録部11、画像圧縮部12及び画像処理部13なども接続される。上記マイクロプロセッサ9には、レリーズ釦などの操作部9aが接続される。また、上記の記録部11には記録媒体11aが着脱自在に装着される。
Hereinafter, a solid-state imaging device and an electronic camera according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
(Configuration of electronic camera)
FIG. 1 is a block diagram showing an electronic camera 1 according to the first embodiment of the present invention. A photographing lens 2 is attached to the electronic camera 1. The photographing lens 2 is driven at its focal point and stop by the lens control unit 2a. In the image space of the photographic lens 2, the imaging surface of the solid-state imaging device 3 is arranged.
The solid-state imaging device 3 is driven by a command from the imaging control unit 4 and outputs a signal. The signal output from the solid-state imaging device 3 is either an image signal or a focus detection signal. In any case, the signal is processed through the signal processing unit 5 and the A / D conversion unit 6 and then temporarily stored in the memory 7. The memory 7 is connected to the bus 8. The bus 8 is also connected with a lens control unit 2a, an imaging control unit 4, a microprocessor 9, a focus calculation unit 10, a recording unit 11, an image compression unit 12, an image processing unit 13, and the like. The microprocessor 9 is connected to an operation unit 9a such as a release button. A recording medium 11a is detachably attached to the recording unit 11 described above.

電子カメラ1内のマイクロプロセッサ9は、レリーズ釦の半押し操作に同期して撮像制御部4を駆動する。撮像制御部4は、固体撮像素子3に配置された画素から焦点検出用の信号を読み出し、メモリ7に蓄積する。
ここでは、後述するようにすべての有効画素は、焦点検出用の信号を生成する。また、すべての有効画素は、焦点検出用の信号とは異なるタイミングで画像用の信号を生成する。しかし、これに限らず、焦点検出用の信号を生成する画素は、固体撮像素子3に配置される画素のうち、少なくとも一部であれば良い。この場合において、その他の画素は、画像用の信号を出力する。
The microprocessor 9 in the electronic camera 1 drives the imaging control unit 4 in synchronization with the half-press operation of the release button. The imaging control unit 4 reads out a focus detection signal from the pixels arranged in the solid-state imaging device 3 and accumulates it in the memory 7.
Here, as described later, all the effective pixels generate a focus detection signal. Further, all the effective pixels generate an image signal at a timing different from that of the focus detection signal. However, the present invention is not limited to this, and the pixels that generate the focus detection signal may be at least some of the pixels arranged in the solid-state imaging device 3. In this case, the other pixels output image signals.

撮像制御部4の指令によって固体撮像素子3から焦点検出用の信号が出力されメモリ7に蓄積されると、焦点演算部10は、この信号を用いて焦点検出演算処理を実施し、デフォーカス量を算出する。
ところで、後述するように、本実施形態の固体撮像素子3は、焦点検出信号を出力する画素に二つの光電変換部を有している。そして、この二つの光電変換部上には共通する一つのマイクロレンズが配置されている。この二つの光電変換部から出力される焦点検出信号が一対(一組)となり、デフォーカス量は、この一組の焦点検出信号によって以下のように算出される。
When a focus detection signal is output from the solid-state imaging device 3 according to a command from the imaging control unit 4 and accumulated in the memory 7, the focus calculation unit 10 performs a focus detection calculation process using this signal, and the defocus amount Is calculated.
By the way, as will be described later, the solid-state imaging device 3 of this embodiment has two photoelectric conversion units in a pixel that outputs a focus detection signal. A common microlens is disposed on the two photoelectric conversion units. The focus detection signals output from the two photoelectric conversion units form a pair (one set), and the defocus amount is calculated as follows by using this set of focus detection signals.

合焦被写体の一点から出た光束は、撮影レンズ2の射出瞳のそれぞれ異なる位置を通過した後、撮像面に点像を結ぶために再び集束する。そのため、合焦状態にある場合、上記二つの光電変換部は、被写体の同じ一点から出た瞳分割光束を受光する。したがって、各光電変換によって得られる一組の瞳分割像は、その像パターンが略一致し位相差は、ほぼゼロとなる。   The light beam emitted from one point of the focused subject passes through different positions of the exit pupil of the photographic lens 2 and then converges again to form a point image on the imaging surface. For this reason, in the in-focus state, the two photoelectric conversion units receive the pupil-divided light beam emitted from the same point on the subject. Therefore, a set of pupil divided images obtained by each photoelectric conversion has substantially the same image pattern, and the phase difference is substantially zero.

一方、前ピン状態の被写体から出た光束は、撮影レンズ2の射出瞳の異なる箇所をそれぞれ通過した後、撮像面の手前で交差し、合焦位置とはずれて画素位置に到達する。この場合、一組の瞳分割像は、瞳分割方向にずれた位相差を示す。逆に後ピン状態の被写体像から出た光束は、撮影レンズ2の射出瞳の異なる箇所をそれぞれ通過した後、集束不足のまま合焦位置とはずれて画素位置に到達する。この場合、一組の瞳分割像は、前ピン状態と逆方向にずれた位相差を示す。   On the other hand, the luminous flux emitted from the subject in the front pin state passes through different portions of the exit pupil of the photographic lens 2 and then intersects in front of the imaging surface to deviate from the in-focus position and reach the pixel position. In this case, the pair of pupil division images shows a phase difference shifted in the pupil division direction. On the other hand, the light beam emitted from the subject image in the rear pin state passes through different portions of the exit pupil of the photographing lens 2 and then defocuss and reaches the pixel position with insufficient focusing. In this case, a set of pupil-divided images shows a phase difference shifted in the opposite direction to the front pin state.

以上説明したように、撮影レンズ2の合焦状況に応じて瞳分割像の位相差が変化する。そこで、焦点演算部10は、メモリ7内の焦点検出用信号を分配して、一組の瞳分割像の像パターンを求める。焦点演算部10は、これらの像パターンについてパターンマッチング処理を実施して位相差(像ズレ)を検出する。そして、焦点演算部10は、この位相差に基づいて、撮影レンズ2のデフォーカス量を検出する。   As described above, the phase difference of the pupil-divided image changes according to the focusing state of the taking lens 2. Therefore, the focus calculation unit 10 distributes the focus detection signal in the memory 7 to obtain an image pattern of a set of pupil division images. The focus calculation unit 10 performs a pattern matching process on these image patterns to detect a phase difference (image shift). Then, the focus calculation unit 10 detects the defocus amount of the photographing lens 2 based on this phase difference.

焦点演算部10によって検出されたデフォーカス量は、レンズ制御部2aに伝達される。レンズ制御部2aは、このデフォーカス量に基づいて撮影レンズ2の焦点駆動を行い、撮影レンズ2を被写体に合焦させる。その後、電子カメラ1内のマイクロプロセッサ9は、レリーズ釦の全押し操作に同期して撮像制御部4を用いて、画像信号の読み出し動作を開始する。   The defocus amount detected by the focus calculation unit 10 is transmitted to the lens control unit 2a. The lens control unit 2a drives the photographing lens 2 based on the defocus amount to focus the photographing lens 2 on the subject. Thereafter, the microprocessor 9 in the electronic camera 1 starts an image signal reading operation using the imaging control unit 4 in synchronism with the full pressing operation of the release button.

撮像制御部4は、画素から画像用の信号を読み出し、メモリ7に蓄積する。その後、マイクロプロセッサ9は、操作部9aの指令に基づき、必要に応じて画像処理部13や画像圧縮部12にて所望の処理を行い、記録部に処理後の信号を出力させ記録媒体11aに記録する。   The imaging control unit 4 reads out image signals from the pixels and stores them in the memory 7. Thereafter, the microprocessor 9 performs a desired process in the image processing unit 13 or the image compression unit 12 as necessary based on a command from the operation unit 9a, and outputs a processed signal to the recording unit to the recording medium 11a. Record.

(固体撮像素子の全体構成)
図2は、本実施形態に係る固体撮像素子3の概略構成を示す回路図である。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、画素20から信号を出力するための周辺回路とを有している。図において、画素数は、横に4行縦に4行の16個の画素を示している。しかし、これに限られるものではない。なお、破線部の符号20が画素の概略部を示すが、その具体的な回路構成や構造は、後述する。
本実施形態において各画素20は、ダミーやオプチカルブラックなど画像のための光電変換を行わない画素を除き(即ち、所謂有効画素領域において)、同一の回路構成、平面構造の画素が配置されている。そして、これらの画素20は、周辺回路の駆動信号に従って画像用の信号、及び、焦点検出用の信号のいずれかを出力する。又、すべての画素20は、同時に光電変換部がリセットされて露光の時間とタイミングを同一にすることが可能となっている。
(Overall configuration of solid-state image sensor)
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a schematic configuration of the solid-state imaging device 3 according to the present embodiment. The solid-state imaging device 3 includes a plurality of pixels 20 arranged in a matrix and a peripheral circuit for outputting a signal from the pixels 20. In the figure, the number of pixels indicates 16 pixels of 4 rows horizontally and 4 rows vertically. However, it is not limited to this. In addition, although the code | symbol 20 of a broken line part shows the schematic part of a pixel, the specific circuit structure and structure are mentioned later.
In the present embodiment, the pixels 20 have the same circuit configuration and planar structure except for pixels that do not perform photoelectric conversion for an image such as dummy or optical black (that is, in a so-called effective pixel region). . These pixels 20 output either an image signal or a focus detection signal in accordance with a peripheral circuit drive signal. In all the pixels 20, the photoelectric conversion unit is reset at the same time so that the exposure time and timing can be made the same.

周辺回路は、垂直走査回路21、水平走査回路22、これらと接続されている駆動信号線23、24、画素からの信号を受け取る垂直信号線25、垂直信号線25と接続される定電流源26及び相関二重サンプリング回路(CDS)27、相関二重サンプリング回路27から出力される信号を受け取る水平信号線28、出力アンプ29等からなる。
垂直走査回路21及び水平走査回路22は、電子カメラ1の撮像制御部4からの指令に基づいて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を所定の駆動信号線23から受け取って駆動され、画像用又は焦点検出用信号を垂直信号線25に出力する。垂直走査回路21から出力される駆動信号は複数あり、それに伴い駆動配線23も複数ある。これらについては後述する。
画素から出力された信号は、相関二重サンプリング回路27にて所定のノイズ除去が施される。そして、水平走査回路22の駆動信号により水平信号線28及び出力アンプ29を介して外部に信号が出力される。
The peripheral circuit includes a vertical scanning circuit 21, a horizontal scanning circuit 22, driving signal lines 23 and 24 connected thereto, a vertical signal line 25 for receiving a signal from a pixel, and a constant current source 26 connected to the vertical signal line 25. And a correlated double sampling circuit (CDS) 27, a horizontal signal line 28 for receiving a signal output from the correlated double sampling circuit 27, an output amplifier 29, and the like.
The vertical scanning circuit 21 and the horizontal scanning circuit 22 output drive signals based on a command from the imaging control unit 4 of the electronic camera 1. Each pixel 20 is driven by receiving a drive signal output from the vertical scanning circuit 21 from a predetermined drive signal line 23, and outputs an image signal or a focus detection signal to the vertical signal line 25. There are a plurality of drive signals output from the vertical scanning circuit 21, and accordingly, a plurality of drive wirings 23. These will be described later.
The signal output from the pixel is subjected to predetermined noise removal by the correlated double sampling circuit 27. Then, a signal is output to the outside through the horizontal signal line 28 and the output amplifier 29 by the drive signal of the horizontal scanning circuit 22.

(画素構成)
図3は、本実施形態に係る固体撮像素子3の画素回路図である。画素20は、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部としての2つの埋め込みフォトダイオード51、52と、各埋め込みフォトダイオード51、52から転送される電荷をそれぞれ独立に蓄積する二つの電荷格納部61、62と、各埋め込みフォトダイオード51、52からそれぞれに対応する電荷格納部61、62に電荷を転送する第1転送部63、64と、電荷格納部61、62から転送される電荷を個別に、又は、同時に蓄積するフローティング拡散領域(FD)67と、各電荷格納部61、62からFD67に電荷を個別に、又は、同時に転送する第2転送部65、66と、FD67の電荷量に応じた信号を出力する画素アンプ部としての増幅トランジスタ48と、FD67の電荷を排出する第1のリセット部としてのFDリセット部49と、増幅トランジスタ48の信号を画素から出力する選択スイッチ50と、埋め込みフォトダイオード51、52で生成された電荷であって不要電荷を埋め込みフォトダイオード51、52から排出する第2のリセット部としてのPDリセット部68を有している。
(Pixel configuration)
FIG. 3 is a pixel circuit diagram of the solid-state imaging device 3 according to the present embodiment. The pixel 20 includes two embedded photodiodes 51 and 52 as photoelectric conversion units that generate and store charges according to incident light, and two charges that independently store charges transferred from the embedded photodiodes 51 and 52, respectively. The charge storage units 61 and 62, the first transfer units 63 and 64 that transfer charges from the embedded photodiodes 51 and 52 to the corresponding charge storage units 61 and 62, and the charge storage units 61 and 62, respectively. Floating diffusion region (FD) 67 that accumulates charges individually or simultaneously, second transfer units 65 and 66 that transfer charges individually or simultaneously from charge storage units 61 and 62 to FD 67, and FD 67 An amplification transistor 48 as a pixel amplifier unit that outputs a signal corresponding to the amount of charge, and an F as a first reset unit that discharges the charge of the FD 67 A reset unit 49, a selection switch 50 that outputs the signal of the amplification transistor 48 from the pixel, and a second reset that discharges unnecessary charges that are generated by the embedded photodiodes 51 and 52 from the embedded photodiodes 51 and 52. It has a PD reset unit 68 as a unit.

図3に示すように、埋め込みフォトダイオード51、52は、各画素20に2個配置される。埋め込みフォトダイオード51、52の上面には一つのマイクロレンズが配置される。これにより、瞳分割された入射光が各埋め込みフォトダイオード51、52に導かれる。したがって、各埋め込みフォトダイオード51、52は、焦点検出用の信号を生成することが出来る。一方、二つの埋め込みフォトダイオード51、52の光電荷を合算して信号を出力すれば、固体撮像素子3は、画像用の信号を得ることが出来る。
また、それぞれの埋め込みフォトダイオード51、52に対応して電荷格納部61、62が配置される。電荷格納部61、62は、対応する埋め込みフォトダイオード51、52から電荷が転送されて電荷を一時的に蓄積する。これにより、相関二重サンプリングの処理を行いつつ、全画素の露光時間とそのタイミングを同一にすることが可能となる。
As shown in FIG. 3, two embedded photodiodes 51 and 52 are arranged in each pixel 20. One microlens is disposed on the upper surface of the embedded photodiodes 51 and 52. Thereby, the pupil-divided incident light is guided to the embedded photodiodes 51 and 52. Accordingly, each of the embedded photodiodes 51 and 52 can generate a focus detection signal. On the other hand, if the signal is output by adding the photoelectric charges of the two embedded photodiodes 51 and 52, the solid-state imaging device 3 can obtain an image signal.
In addition, charge storage portions 61 and 62 are arranged corresponding to the respective embedded photodiodes 51 and 52. The charge storage units 61 and 62 temporarily store charges by transferring charges from the corresponding embedded photodiodes 51 and 52. This makes it possible to make the exposure time and the timing of all the pixels the same while performing the correlated double sampling process.

そして、埋め込みフォトダイオード51、52で生成される光電荷を焦点検出用の信号として使用するなら、相関二重サンプリングの処理を行いつつすべての画素で焦点検出の露光時間とタイミングを同一にすることが可能となる。よって、速い動作の被写体を撮像する場合や、静止画を撮像する場合においても、正しく焦点を合わせることが可能となる。また、埋め込みフォトダイオード51、52で生成される光電荷を画像用の信号として使用するなら、相関二重サンプリングの処理を行いつつすべての画素の画像信号の露光時間とタイミングを同一にすることが可能となる。   If the photoelectric charges generated by the embedded photodiodes 51 and 52 are used as a focus detection signal, the focus detection exposure time and timing are made the same for all pixels while performing correlated double sampling processing. Is possible. Therefore, it is possible to correctly focus even when shooting a fast-moving subject or when shooting a still image. Further, when the photocharge generated by the embedded photodiodes 51 and 52 is used as an image signal, the exposure time and timing of the image signals of all the pixels can be made the same while performing correlated double sampling processing. It becomes possible.

一方の第1転送部63は、一方の埋め込みフォトダイオード51に蓄積されている電荷を一方の電荷格納部61に転送する。また、他方の第1転送部64は、他方の埋め込みフォトダイオード52に蓄積されている電荷を他方の電荷格納部62に転送する。
第1転送部63、64は、後述するとおりMOSトランジスタのゲート部として構成されている。画素内の二つの第1転送部は、そのゲート電極が共通に接続されており、垂直走査回路21から駆動配線23を介して駆動信号φTGAが供給される。2個の第1転送部63、64は、この駆動信号φTGAに従って所定のタイミングで同時にオンとされ、2個の埋め込みフォトダイオード51、52から電荷を同時に各々の電荷格納部61、62に転送する。ただし、同時にオンとされるなら、各々のゲート電極は、個別に駆動信号φTGAを供給されても構わない。
One first transfer unit 63 transfers the charge stored in one embedded photodiode 51 to one charge storage unit 61. The other first transfer unit 64 transfers the charge stored in the other embedded photodiode 52 to the other charge storage unit 62.
The first transfer units 63 and 64 are configured as gate portions of MOS transistors as described later. The gate electrodes of the two first transfer units in the pixel are connected in common, and the drive signal φTGA is supplied from the vertical scanning circuit 21 via the drive wiring 23. The two first transfer units 63 and 64 are simultaneously turned on at a predetermined timing in accordance with the drive signal φTGA, and charges are transferred from the two embedded photodiodes 51 and 52 to the respective charge storage units 61 and 62 at the same time. . However, each gate electrode may be individually supplied with the drive signal φTGA as long as it is turned on at the same time.

第2転送部65、66も第1転送部と同様にMOSトランジスタのゲート部である。しかし、2個の第2転送部65、66のゲート電極には、それぞれ個別の駆動信号が供給される。すなわち、一方の第2転送部65のゲート電極は、垂直走査回路21から駆動配線23を介して駆動信号φTGBが供給され、他方の第2転送部66のゲート電極は、垂直走査回路21から駆動配線23を介して駆動信号φTGCが供給される。2個の第2転送部65、66は、これらの駆動信号に従って所定のタイミングで個別にオンとされ、2個の電荷格納部61、62から電荷を個別のタイミングで、又は、同一のタイミングでFD67に転送する。   Similarly to the first transfer unit, the second transfer units 65 and 66 are gate portions of MOS transistors. However, individual drive signals are supplied to the gate electrodes of the two second transfer units 65 and 66, respectively. That is, the gate signal of one second transfer unit 65 is supplied with the drive signal φTGB from the vertical scanning circuit 21 via the drive wiring 23, and the gate electrode of the other second transfer unit 66 is driven from the vertical scanning circuit 21. A drive signal φTGC is supplied through the wiring 23. The two second transfer units 65 and 66 are individually turned on at a predetermined timing according to these drive signals, and the charges from the two charge storage units 61 and 62 are individually timingd or at the same timing. Transfer to FD67.

選択スイッチ50は、MOSトランジスタのゲート部として構成されている。そのゲート電極は、垂直走査回路21から駆動配線23を介して駆動信号φSが供給される。FDリセット部49は、MOSトランジスタのゲート部として構成されている。そのゲート電極は、垂直走査回路21から駆動配線23を介して駆動信号φFDRが供給される。また、PDリセット部68もMOSトランジスタのゲート部として構成されており、そのゲート電極は、垂直走査回路21から駆動配線23を介して駆動信号φPDRが供給される。
なお、本実施形態において、有効画素はすべて同一の構造の画素とし、これらの画素は、焦点検出用の信号と画像用の信号を異なるタイミングで出力することが可能である。しかし、これに限らず、固体撮像素子3は、所定部に焦点検出エリアが設けられ、このエリアに図2の回路を有する画素が配置されて焦点検出用の信号を生成し、その他のエリアに光電変換部を一つ有する画素が配置されて画像用の信号を生成するよう構成されても構わない。
また、図3において、埋め込みフォトダイオード51、52の一方の端子、電荷格納部61、62の一方の端子、及び、FD67の一方の端子は、接地としている。しかし、これに限らず所定の電圧が印加される(実際には、これらの電位は、以下に示す図5、図6から理解されるとおりP型ウエル32の電位となる)。
The selection switch 50 is configured as a gate portion of a MOS transistor. The gate electrode is supplied with a drive signal φS from the vertical scanning circuit 21 via the drive wiring 23. The FD reset unit 49 is configured as a gate unit of a MOS transistor. The gate electrode is supplied with a drive signal φFDR from the vertical scanning circuit 21 via the drive wiring 23. The PD reset unit 68 is also configured as a gate unit of a MOS transistor, and the gate electrode is supplied with a drive signal φPDR from the vertical scanning circuit 21 through the drive wiring 23.
In the present embodiment, the effective pixels are all pixels having the same structure, and these pixels can output a focus detection signal and an image signal at different timings. However, the present invention is not limited to this, and the solid-state imaging device 3 is provided with a focus detection area in a predetermined portion, and pixels having the circuit of FIG. 2 are arranged in this area to generate a focus detection signal, and in other areas. A pixel having one photoelectric conversion unit may be arranged to generate an image signal.
In FIG. 3, one terminal of the embedded photodiodes 51 and 52, one terminal of the charge storage units 61 and 62, and one terminal of the FD 67 are grounded. However, the present invention is not limited to this, and a predetermined voltage is applied (in reality, these potentials become the potential of the P-type well 32 as understood from FIGS. 5 and 6 below).

図4は、本実施形態に係る固体撮像素子の画素平面図である。また、図5は、図4におけるA−A’部の断面図である。ただし、図5においてマイクロレンズは省略されている。図6は、図4におけるB−B’部の断面図である。図4乃至図6において駆動配線は省略されており、配線は画素内の電気的接続関係のみ示されている。   FIG. 4 is a pixel plan view of the solid-state imaging device according to the present embodiment. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. 4. However, the microlens is omitted in FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ in FIG. 4. 4 to 6, the drive wiring is omitted, and only the electrical connection relationship in the pixel is shown.

図5及び図6に示されているように、N型のシリコン基板31上にP型ウエル32が設けられている。そして、P型ウエル32にN型の電荷蓄積層55が形成され、さらに電荷蓄積層55の基板表面側にP型の空乏化防止層56を設けることで、埋め込みフォトダイオード51、52が構成されている。なお、ここでは、埋め込みフォトダイオードの構造としたが、これに限られるものではなく、空乏化防止層56を省略したフォトダイオードとしても構わない。   As shown in FIGS. 5 and 6, a P-type well 32 is provided on an N-type silicon substrate 31. Then, an N-type charge accumulation layer 55 is formed in the P-type well 32, and a P-type depletion prevention layer 56 is provided on the substrate surface side of the charge accumulation layer 55, thereby forming embedded photodiodes 51 and 52. ing. Here, although the structure of the embedded photodiode is used, the present invention is not limited to this, and a photodiode in which the depletion prevention layer 56 is omitted may be used.

各画素20は、2個の埋め込みフォトダイオード51、52を有している。そして、入射光を埋め込みフォトダイオード51、52に導く一つのマイクロレンズ57が配置される。2個の埋め込みフォトダイオード51、52は、入射光側から見てマイクロレンズ57の中心線XX’(直径を有する線)に対して線対称となるように配置されている。このため、マイクロレンズ57から導かれる入射光は、瞳分割されて各埋め込みフォトダイオード51、52に入射される。   Each pixel 20 has two embedded photodiodes 51 and 52. One microlens 57 that guides incident light to the embedded photodiodes 51 and 52 is disposed. The two embedded photodiodes 51 and 52 are arranged so as to be line-symmetric with respect to the center line XX ′ (line having a diameter) of the microlens 57 when viewed from the incident light side. Therefore, the incident light guided from the microlens 57 is divided into pupils and is incident on the embedded photodiodes 51 and 52.

電荷格納部61、62と埋め込みフォトダイオード51、52との間には、薄いシリコン酸化膜33を介して第1転送部63、64のゲート電極35が配置される。そして、ゲート電極35をゲートとし、電荷格納部61、62、及び、埋め込みフォトダイオード51、52の電荷蓄積層55をソース又はドレインとするMOSトランジスタが構成されている。   Between the charge storage units 61 and 62 and the embedded photodiodes 51 and 52, the gate electrodes 35 of the first transfer units 63 and 64 are arranged via a thin silicon oxide film 33. A MOS transistor is configured with the gate electrode 35 as a gate and the charge storage portions 61 and 62 and the charge storage layer 55 of the embedded photodiodes 51 and 52 as a source or drain.

一方の第1転送部63のゲート電極と他方の第1転送トランジスタ64のゲート電極は、一体的に形成されており、互いに電気的に接続されている。このため、2つの第1転送部63、64は、駆動信号φTGAにしたがって同時にオン、オフ状態とされる。よって、2つの埋め込みフォトダイオード51、52に蓄積されたそれぞれの電荷は、駆動信号φTGAがハイになると、それぞれ対応する電荷格納部61、62に同時に転送される。   The gate electrode of one first transfer unit 63 and the gate electrode of the other first transfer transistor 64 are integrally formed and are electrically connected to each other. For this reason, the two first transfer units 63 and 64 are simultaneously turned on and off in accordance with the drive signal φTGA. Therefore, the respective charges accumulated in the two embedded photodiodes 51 and 52 are simultaneously transferred to the corresponding charge storage units 61 and 62 when the drive signal φTGA becomes high.

電荷格納部61、62は、P型ウエル32に形成されたN型拡散層75、76を有している。そして、第1転送部63、64のゲート電極35は、2つのN型拡散層75、76の上部に覆いかぶさるように配置される。電荷格納部61、62は、このようにゲート電極35と、N型拡散層75、76によるMOSキャパシタとして構成されている。
この構成により、ゲート電極35にローの電圧を印加すると、P型ウエル32の電位にピンニングされて電荷格納部61、62の表面の界面準位がホールで満たされる。暗電流の大きさは、界面準位の電子占有確率に大きく影響される。したがって、電荷格納部61、62の暗電流は、ゲート電極35に上記のような電圧を印加して界面準位をホールで満たすことにより、大幅に低減することが可能となる。また、N型拡散層75、76は、ゲート電極35によって遮光されるので、不要な光によるノイズが低減される。しかし、これに限らず、ゲート電極35を埋め込みフォトダイオード51、52とN型拡散層75、76の間にのみ配置させても良い。
The charge storage portions 61 and 62 have N-type diffusion layers 75 and 76 formed in the P-type well 32. The gate electrodes 35 of the first transfer units 63 and 64 are disposed so as to cover the upper portions of the two N-type diffusion layers 75 and 76. The charge storage portions 61 and 62 are configured as MOS capacitors including the gate electrode 35 and the N-type diffusion layers 75 and 76 as described above.
With this configuration, when a low voltage is applied to the gate electrode 35, it is pinned to the potential of the P-type well 32, and the interface states on the surfaces of the charge storage portions 61 and 62 are filled with holes. The magnitude of the dark current is greatly influenced by the electron occupation probability of the interface state. Therefore, the dark current in the charge storage portions 61 and 62 can be significantly reduced by applying the voltage as described above to the gate electrode 35 to fill the interface state with holes. Further, since the N-type diffusion layers 75 and 76 are shielded by the gate electrode 35, noise due to unnecessary light is reduced. However, the present invention is not limited to this, and the gate electrode 35 may be disposed only between the embedded photodiodes 51 and 52 and the N-type diffusion layers 75 and 76.

FD67は、互いに分離してP型ウエル32に形成された2つのN型拡散層36、41を有し、これらのN型拡散層36、41を配線40で電気的に接続することで実質的に1つのフローティング拡散として構成されている。FD67は、2つの電荷格納部61、62のいずれからも電荷が転送される。   The FD 67 has two N-type diffusion layers 36 and 41 formed in the P-type well 32 so as to be separated from each other, and the N-type diffusion layers 36 and 41 are electrically connected by the wiring 40 to substantially form the FD 67. Are configured as one floating diffusion. The FD 67 transfers charges from either of the two charge storage units 61 and 62.

一方の電荷格納部61とFD67のN型拡散層36との間には薄いシリコン酸化膜33を介して第2転送部65のゲート電極37が形成される。また、他方の電荷格納部62とFD67のN型拡散層36との間には薄いシリコン酸化膜33を介して第2転送部66のゲート電極38が形成される。そして、ゲート電極37、38をゲートとするとともに電荷格納部61、62及びN型拡散層36をソース又はドレインとするMOSトランジスタが構成されている。   A gate electrode 37 of the second transfer unit 65 is formed between the one charge storage unit 61 and the N-type diffusion layer 36 of the FD 67 through a thin silicon oxide film 33. A gate electrode 38 of the second transfer unit 66 is formed between the other charge storage unit 62 and the N-type diffusion layer 36 of the FD 67 with a thin silicon oxide film 33 interposed therebetween. A MOS transistor is configured with the gate electrodes 37 and 38 as gates and the charge storage portions 61 and 62 and the N-type diffusion layer 36 as sources or drains.

一方の第2転送部65のゲート電極37と、他方の第2転送部66のゲート電極38は個別に形成されており、それぞれ個別の駆動信号φTGB、φTGCが垂直走査回路21から供給される。このため、各々の第2転送部65、66は、それぞれの駆動信号φTGB、φTGCにしたがって個別に駆動される。よって、2個の第2転送部65、66は、異なるタイミングでオン状態にされることも、同時にオン状態にされることも可能となる。これらが異なるタイミングでオン状態にされるなら、2個の電荷格納部61、62に蓄積されている光電荷は、異なるタイミングで個別にFD67に転送される。また、これらが同時にオン状態にされるなら、2個の電荷格納部61、62に蓄積されている光電荷は、FD67にて合算される。   The gate electrode 37 of one second transfer unit 65 and the gate electrode 38 of the other second transfer unit 66 are individually formed, and individual drive signals φTGB and φTGC are supplied from the vertical scanning circuit 21, respectively. Therefore, each of the second transfer units 65 and 66 is individually driven according to the respective drive signals φTGB and φTGC. Therefore, the two second transfer units 65 and 66 can be turned on at different timings or can be turned on at the same time. If they are turned on at different timings, the photocharges accumulated in the two charge storage units 61 and 62 are individually transferred to the FD 67 at different timings. Further, if these are simultaneously turned on, the photocharges accumulated in the two charge storage units 61 and 62 are added together in the FD 67.

また、P型ウエル32には、N型拡散層41、42、43、44、71が形成されている。N型拡散層42、71は、図示しない配線により電源VDDに接続されている。N型拡散層42とN型拡散層43の間には薄いシリコン酸化膜33を介してゲート電極46が配置され、増幅トランジスタ48をなしている。増幅トランジスタ48は、ゲート電極46をゲートとするとともにN型拡散層42、43をソース又はドレインとするMOSトランジスタとして構成されている。なお、ゲート電極46は、配線40によって、FD67のN型拡散層36、41と電気的に接続されている。   In the P-type well 32, N-type diffusion layers 41, 42, 43, 44, 71 are formed. The N-type diffusion layers 42 and 71 are connected to the power supply VDD by wiring not shown. A gate electrode 46 is disposed between the N-type diffusion layer 42 and the N-type diffusion layer 43 through a thin silicon oxide film 33 to form an amplification transistor 48. The amplification transistor 48 is configured as a MOS transistor having the gate electrode 46 as a gate and the N-type diffusion layers 42 and 43 as sources or drains. Note that the gate electrode 46 is electrically connected to the N-type diffusion layers 36 and 41 of the FD 67 by the wiring 40.

N型拡散層43とN型拡散層44の間には薄いシリコン酸化膜33を介して選択スイッチ50のゲート電極47が配置されている。そして、ゲート電極47をゲートとするとともにN型拡散層43、44をソース又はドレインとするMOSトランジスタが構成されている。   Between the N-type diffusion layer 43 and the N-type diffusion layer 44, the gate electrode 47 of the selection switch 50 is disposed through a thin silicon oxide film 33. A MOS transistor is configured with the gate electrode 47 as a gate and the N-type diffusion layers 43 and 44 as sources or drains.

また、N型拡散層41とN型拡散層42の間には薄いシリコン酸化膜33を介してFDリセット部49のゲート電極45が配置されている。そして、ゲート電極45をゲートとするとともにN型拡散層41、42をソース又はドレインとするMOSトランジスタが構成されている。   A gate electrode 45 of the FD reset unit 49 is disposed between the N-type diffusion layer 41 and the N-type diffusion layer 42 via a thin silicon oxide film 33. A MOS transistor is configured with the gate electrode 45 as a gate and the N-type diffusion layers 41 and 42 as sources or drains.

N型拡散層71と各埋め込みフォトダイオード51、52との間には薄いシリコン酸化膜33を介してPDリセット部68の2つのゲート電極72、73が配置されている。そして、ゲート電極72、73をゲートとするとともにN型拡散層71及び埋め込みフォトダイオード51、52の電荷蓄積層55、56をソース又はドレインとするMOSトランジスタが構成されている。ゲート電極72、73は、配線74によって電気的に接続されている。そして、駆動信号φPDRが共通に供給される。したがって、ゲート電極72、73は、それぞれの埋め込みフォトダイオード51、52に個別に配置されるものの、その回路構成は、図3に示したように1個のMOSトランジスタと等価となる。また、ここでは、2つのゲート電極が配線74にて接続されているが、これに限らず、2つのゲート電極72、73は一体的に形成されても良い。   Two gate electrodes 72 and 73 of the PD reset unit 68 are disposed between the N-type diffusion layer 71 and the embedded photodiodes 51 and 52 via a thin silicon oxide film 33. A MOS transistor is configured in which the gate electrodes 72 and 73 are used as gates and the N-type diffusion layer 71 and the charge storage layers 55 and 56 of the embedded photodiodes 51 and 52 are used as sources or drains. The gate electrodes 72 and 73 are electrically connected by a wiring 74. The drive signal φPDR is supplied in common. Therefore, although the gate electrodes 72 and 73 are individually arranged in the respective embedded photodiodes 51 and 52, the circuit configuration is equivalent to one MOS transistor as shown in FIG. Here, the two gate electrodes are connected by the wiring 74, but the present invention is not limited to this, and the two gate electrodes 72 and 73 may be integrally formed.

さらに、PDリセットトランジスタ68のゲート電極72、73は、全有効画素において共通の駆動配線23に接続されている。すなわち、全有効画素のPDリセットトランジスタ68は、同時に駆動するようになっている。   Further, the gate electrodes 72 and 73 of the PD reset transistor 68 are connected to the common drive wiring 23 in all effective pixels. That is, the PD reset transistors 68 of all effective pixels are driven simultaneously.

PDリセットトランジスタ68は、埋め込みフォトダイオード51、52で生成された電荷であって不要電荷を排出させる。この不要電荷には、強い光が入射されたときのオーバーフローによる電荷や、その他のノイズによる電荷がある。
不要電荷は、FD67に転送してFDリセット部49によって排出されても良い。このようにするなら、PDリセット部68は、配置されなくても良い。或いは、少なくとも一部(例えば焦点検出用画素)に配置されてもよい。
The PD reset transistor 68 discharges unnecessary charges generated by the embedded photodiodes 51 and 52. The unnecessary charges include charges due to overflow when strong light is incident and charges due to other noise.
Unnecessary charges may be transferred to the FD 67 and discharged by the FD reset unit 49. In this case, the PD reset unit 68 may not be arranged. Alternatively, it may be arranged at least in part (for example, focus detection pixels).

また、埋め込みフォトダイオード51、52、及び、各N型拡散層の周囲には、LOCOSによる厚いシリコン酸化膜34が形成され、それぞれの間は分離されている。
(駆動手順)
図7は、本実施形態に係る固体撮像素子から信号を読み出す動作を説明するタイミングチャートであり、(a)は画像用信号を読み出す駆動信号、(b)は焦点検出用信号を読み出す駆動信号を示す。
Further, a thick silicon oxide film 34 is formed by LOCOS around the buried photodiodes 51 and 52 and each N-type diffusion layer, and the respective portions are separated from each other.
(Driving procedure)
FIGS. 7A and 7B are timing charts for explaining an operation of reading a signal from the solid-state imaging device according to the present embodiment. FIG. 7A shows a drive signal for reading an image signal, and FIG. 7B shows a drive signal for reading a focus detection signal. Show.

なお、第1転送部63、64、第2転送部65、66、増幅トランジスタ48、FDリセット部49、選択スイッチ50、PDリセット部68を構成しているトランジスタは、図5、図6で明らかであるように、いずれもNMOSトランジスタにて構成されている。したがって、これらは、ハイの駆動信号でオン状態とされ、ローの駆動信号でオフの状態とされる。
最初に、図7(a)を参照して画像用信号が読み出される動作を説明する。なお、T1の期間は、全有効画素が同時に駆動される期間である。即ち、T1の期間の駆動パルスは、全行において同一の駆動信号が垂直走査回路21から出力される。また、T2は、第1行目が読み出される期間、T3は、第2行目が読み出される期間であり、選択された行のみ、本図の駆動信号が出力される。
まず、T11の期間において、φPDRはハイにされPDリセット部68がオン状態とされる。この動作により、すべての有効画素の埋め込みフォトダイオード51、52に蓄積されている不要な電荷が電源VDDに排出される。即ち、埋め込みフォトダイオード51、52はリセットされる。そして、全有効画素の埋め込みフォトダイオード51、52は、T11の終了時から露光を同時に開始する。
The transistors constituting the first transfer units 63 and 64, the second transfer units 65 and 66, the amplification transistor 48, the FD reset unit 49, the selection switch 50, and the PD reset unit 68 are clearly shown in FIGS. As shown in the figure, both are configured by NMOS transistors. Therefore, they are turned on by a high drive signal and turned off by a low drive signal.
First, an operation for reading an image signal will be described with reference to FIG. Note that the period T1 is a period in which all effective pixels are driven simultaneously. In other words, the same drive signal is output from the vertical scanning circuit 21 in all rows for the drive pulse during the period T1. Further, T2 is a period during which the first row is read out, and T3 is a period during which the second row is read out. Only the selected row outputs the drive signal shown in FIG.
First, during the period of T11, φPDR is set high and the PD reset unit 68 is turned on. By this operation, unnecessary electric charges accumulated in the embedded photodiodes 51 and 52 of all effective pixels are discharged to the power supply VDD. That is, the embedded photodiodes 51 and 52 are reset. The embedded photodiodes 51 and 52 of all effective pixels simultaneously start exposure from the end of T11.

T12の期間において、φFDRはハイにされFDリセット部49はオン状態とされる。また、T13の期間において、φFDRの立ち上がりと同時にφTGB、φTGCがハイにされ、2つの第2転送部65、66は、同時にオン状態とされる。この動作により、FD67及び電荷格納部61、62に蓄積されている電荷が電源VDDに排出される。即ち、全有効画素のFD67及び電荷格納部61、62はリセットされる。   In the period of T12, φFDR is set high and the FD reset unit 49 is turned on. In the period T13, simultaneously with the rise of φFDR, φTGB and φTGC are set high, and the two second transfer units 65 and 66 are simultaneously turned on. With this operation, the charges accumulated in the FD 67 and the charge storage units 61 and 62 are discharged to the power supply VDD. That is, the FD 67 and the charge storage units 61 and 62 of all effective pixels are reset.

T14の期間において、φTGAはハイにされ第1転送部63、64はオン状態とされる。この動作により、全有効画素の2つの埋め込みフォトダイオード51、52に蓄積されている電荷は、それぞれ対応する電荷格納部61、62に転送される。ここで、図に示されたT15の期間(φPDRをローにしてからφTGAがハイにされる期間)が露光期間となる。T15の期間は、全有効画素にて同一の期間であり同一のタイミングとなる。このため、全有効画素は、タイミングずれすることなく画像情報を獲得することが可能となる。   In the period of T14, φTGA is set high and the first transfer units 63 and 64 are turned on. By this operation, the charges accumulated in the two embedded photodiodes 51 and 52 of all effective pixels are transferred to the corresponding charge storage units 61 and 62, respectively. Here, the period of T15 shown in the figure (period in which φTGA is set high after φPDR is set to low) is the exposure period. The period of T15 is the same period for all effective pixels and has the same timing. For this reason, all effective pixels can acquire image information without a timing shift.

次いで、T16の期間において、第1行目のφSはハイにされ選択スイッチ50がオン状態とされる。これにより、第1行目の画素が選択され、この期間の間、第1行目の画素から信号が垂直信号線25に出力される。   Next, in the period of T16, φS in the first row is set high, and the selection switch 50 is turned on. Thereby, the pixels in the first row are selected, and during this period, signals are output from the pixels in the first row to the vertical signal line 25.

T17の期間において、第1行目のφFDRはハイされFDリセット部49がオン状態とされる。この動作により、FD67はリセットされ、ダークレベルの電位となる。そして、φFDRがローとなってからφTGBがハイとなるまでの間(T18の期間)において、第1行目の増幅トランジスタ48は、FD67のダークレベルに対応した信号を出力する。出力された信号は、垂直信号線25を介してCDS回路27に保存される。   In the period of T17, φFDR in the first row is high, and the FD reset unit 49 is turned on. By this operation, the FD 67 is reset to a dark level potential. Then, during the period from when φFDR becomes low to when φTGB becomes high (period T18), the amplification transistor 48 in the first row outputs a signal corresponding to the dark level of the FD67. The output signal is stored in the CDS circuit 27 via the vertical signal line 25.

T19の期間において、φTGB、φTGCはハイにされ2つの第2転送部65、66が同時にオン状態とされる。これにより、それぞれの電荷格納部61、62に蓄積されている電荷は、FD67に転送されて合算される。なお、FD67の電位は、これらの電荷とダークレベルとが重畳された電位となる。そして、この電位が垂直信号線25を通してCDS回路27に送られる。
CDS回路27は、この期間に送られた信号と先ほど保存したダークレベルに対応する信号との差を第1行目の画素の画素信号として出力する。そして、これらの第1行目の画素の画素信号は、水平走査回路22の駆動信号によって水平信号線28、出力アンプ29を介して外部に出力される。外部に出力された信号は、信号処理部5(図1参照)などを介してメモリ7に送られ、一旦蓄積される。
In the period T19, φTGB and φTGC are set to high, and the two second transfer units 65 and 66 are simultaneously turned on. As a result, the charges accumulated in the charge storage units 61 and 62 are transferred to the FD 67 and added together. Note that the potential of the FD 67 is a potential obtained by superimposing these charges and the dark level. This potential is sent to the CDS circuit 27 through the vertical signal line 25.
The CDS circuit 27 outputs the difference between the signal sent during this period and the signal corresponding to the dark level stored earlier as the pixel signal of the pixel in the first row. The pixel signals of the pixels in the first row are output to the outside through the horizontal signal line 28 and the output amplifier 29 by the drive signal of the horizontal scanning circuit 22. The signal output to the outside is sent to the memory 7 via the signal processing unit 5 (see FIG. 1) and is temporarily accumulated.

同様に、T3の期間において第2行目の読み出しを行う。駆動信号は、T2と同様である。すべての行から画像信号が出力された後、画像処理部13は、メモリ7から信号を受け取って、1フレームの画像を生成する。   Similarly, reading of the second row is performed in the period T3. The drive signal is the same as T2. After image signals are output from all rows, the image processing unit 13 receives signals from the memory 7 and generates an image of one frame.

以上の説明から理解されるように、各画素20は、2つの埋め込みフォトダイオード51、52を有しているものの、通常どおりに画像用の信号を出力することが出来る。しかも、全有効画素の露光のタイミングを同一にした電子シャッターが可能となる。なお、勿論、一行ごとにリセットしたローリングシャッター動作を行うことも可能である。この場合には、T1の期間における駆動を各行毎に行えばよい。
次に図7(b)を参照して焦点検出用の信号を読み出す動作を説明する。なお、T1の期間は、全有効画素を同時に駆動する期間である。即ち、T1の期間の駆動パルスは、全行において同一の駆動信号が垂直走査回路21から出力される。また、T2は、第1行目が読み出される期間、T3は、第2行目が読み出される期間であり、選択された行のみ、本図の駆動信号が出力される。
まず、T21の期間において、φPDRはハイにされPDリセット部68がオン状態とされる。この動作により、すべての有効画素の埋め込みフォトダイオード51、52に蓄積されている不要な電荷が電源VDDに排出される。即ち、埋め込みフォトダイオード51、52は、リセットされる。そして、全有効画素の埋め込みフォトダイオード51、52は、同時に露光を開始する。
As can be understood from the above description, each pixel 20 has two embedded photodiodes 51 and 52, but can output an image signal as usual. In addition, an electronic shutter with the same exposure timing for all effective pixels is possible. Of course, it is also possible to perform a rolling shutter operation that is reset for each row. In this case, the driving during the period T1 may be performed for each row.
Next, an operation for reading a focus detection signal will be described with reference to FIG. Note that the period T1 is a period in which all effective pixels are driven simultaneously. In other words, the same drive signal is output from the vertical scanning circuit 21 in all rows for the drive pulse during the period T1. Further, T2 is a period during which the first row is read out, and T3 is a period during which the second row is read out. Only the selected row outputs the drive signal shown in FIG.
First, during the period of T21, φPDR is set high, and the PD reset unit 68 is turned on. By this operation, unnecessary electric charges accumulated in the embedded photodiodes 51 and 52 of all effective pixels are discharged to the power supply VDD. That is, the embedded photodiodes 51 and 52 are reset. Then, the embedded photodiodes 51 and 52 of all effective pixels simultaneously start exposure.

T22の期間において、φFDRはハイにされFDリセット部49がオン状態とされる。また、T23の期間において、φFDRの立ち上がりと同時にφTGB、φTGCがハイにされ、2つの第2転送部65、66は、同時にオン状態とされる。この動作により、FD67及び電荷格納部61、62に貯まっている電荷が電源VDDに排出される。即ち、全有効画素のFD67及び電荷格納部61、62は、リセットされる。   In the period of T22, φFDR is set high and the FD reset unit 49 is turned on. Further, during the period T23, φTGB and φTGC are made high simultaneously with the rise of φFDR, and the two second transfer units 65 and 66 are simultaneously turned on. By this operation, the charges stored in the FD 67 and the charge storage units 61 and 62 are discharged to the power supply VDD. That is, the FD 67 and the charge storage units 61 and 62 of all effective pixels are reset.

T24の期間において、φTGAはハイにされ第1転送部63、64がオン状態とされる。全有効画素の2つの埋め込みフォトダイオード51、52に蓄積されている電荷は、それぞれ対応する電荷格納部61、62に転送される。ここで、図に示されたT25の期間(φPDRをローにしてからφTGAをハイにする期間)が露光期間となる。T25の期間は、全有効画素にて同一の期間であり同一のタイミングとなる。このため、全有効画素は、タイミングずれすることなく焦点検出情報を獲得することが可能となる。なお、ここまでの期間(T1の期間)の動作は、画像信号を得るための駆動動作と同じである。   In the period T24, φTGA is set high, and the first transfer units 63 and 64 are turned on. The charges accumulated in the two embedded photodiodes 51 and 52 of all effective pixels are transferred to the corresponding charge storage units 61 and 62, respectively. Here, the period of T25 shown in the figure (the period in which φPGA is set low and then φTGA is set high) is the exposure period. The period of T25 is the same period for all effective pixels and has the same timing. For this reason, it becomes possible for all the effective pixels to acquire the focus detection information without a timing shift. Note that the operation in the period up to this point (period T1) is the same as the driving operation for obtaining the image signal.

T26の期間において、第1行目のφSはハイにされ選択スイッチ50がオン状態とされる。これにより、第1行目の画素が選択され、第1行目の画素から信号が垂直信号線25に出力されるようになる。   In the period T26, φS in the first row is set high and the selection switch 50 is turned on. As a result, the pixels in the first row are selected, and a signal is output from the pixels in the first row to the vertical signal line 25.

T27の期間において、第1行目のφFDRはハイにされFDリセット部49がオン状態とされる。この動作により、FD67はリセットされ、ダークレベルの電位となる。そして、φFDRがローとなってからφTGBがハイになるまでの間(T28の期間)において、第1行目の増幅トランジスタ48は、FD67のダークレベルに対応した信号を出力する。出力された信号は、垂直信号線25を介してCDS回路27に保存される。   In the period T27, φFDR in the first row is set high, and the FD reset unit 49 is turned on. By this operation, the FD 67 is reset to a dark level potential. Then, during the period from when φFDR becomes low until φTGB becomes high (period T28), the amplification transistor 48 in the first row outputs a signal corresponding to the dark level of the FD67. The output signal is stored in the CDS circuit 27 via the vertical signal line 25.

T29の期間において、φTGBはハイにされて一方の第2転送部65がオン状態とされる。これにより、一方の電荷格納部61に蓄積されている電荷は、FD67に転送される。なお、FD67の電位は、この電荷とダークレベルとが重畳された電位となる。そして、増幅トランジスタ48は、この電位に対応した信号を出力する。出力された信号は、垂直信号線25を通してCDS回路27に送られる。
CDS回路27は、この期間に送られた信号と先ほど保存したダークレベルに対応する信号との差を第1行目の画素における一方の瞳分割焦点検出信号として出力する。そして、これらの第1行目の画素における一方の瞳分割焦点検出信号は、水平走査回路22の駆動信号によって水平信号線28、出力アンプ29を介して外部に出力される。出力された信号は、信号処理部5(図1参照)などを介してメモリ7に送られ、一旦蓄積される。
In the period T29, φTGB is set high, and one second transfer unit 65 is turned on. As a result, the charge accumulated in one charge storage unit 61 is transferred to the FD 67. Note that the potential of the FD 67 is a potential obtained by superimposing the charge and the dark level. Then, the amplification transistor 48 outputs a signal corresponding to this potential. The output signal is sent to the CDS circuit 27 through the vertical signal line 25.
The CDS circuit 27 outputs the difference between the signal sent during this period and the signal corresponding to the dark level stored earlier as one pupil division focus detection signal for the pixels in the first row. One pupil division focus detection signal in the pixels in the first row is output to the outside through the horizontal signal line 28 and the output amplifier 29 by the drive signal of the horizontal scanning circuit 22. The output signal is sent to the memory 7 via the signal processing unit 5 (see FIG. 1) and temporarily accumulated.

次いで、T30の期間において、第1行目のφFDRは再びハイにされFDリセット部49がオン状態とされる。この動作により、FD67が再びリセットされ、前回とは異なるダークレベルの電位となる。そして、φFDRがローとなってからφTGCがハイとなるまでの間(T31の期間)において、第1行目の増幅トランジスタ48は、FD67のダークレベルに対応した信号を出力する。出力された信号は、垂直信号線25を介してCDS回路27に保存される。   Next, in the period T30, φFDR in the first row is set to high again, and the FD reset unit 49 is turned on. By this operation, the FD 67 is reset again, and becomes a dark level potential different from the previous time. Then, during the period from when φFDR becomes low until φTGC becomes high (period T31), the amplification transistor 48 in the first row outputs a signal corresponding to the dark level of the FD67. The output signal is stored in the CDS circuit 27 via the vertical signal line 25.

T32の期間において、φTGCはハイにされて他方の第2転送部66がオン状態とさる。これにより、他方の電荷格納部62に蓄積されている電荷は、FD67に転送される。なお、FD67の電位は、この電荷とダークレベルとが重畳された電位となる。そして、増幅トランジスタ48は、この電位に対応した信号を出力する。出力された信号は、垂直信号線25を通してCDS回路27に送られる。
CDS回路27は、この期間に送られた信号と先ほど保存したダークレベルに対応する信号との差を第1行目の画素における他方の瞳分割焦点検出信号として出力する。そして、これらの第1行目の画素における他方の瞳分割焦点検出信号は、水平走査回路22の駆動信号によって水平信号線28、出力アンプ29を介して外部に出力される。外部に出力された信号は、信号処理部5(図1参照)などを介してメモリ7に送られ、一旦蓄積される。
In the period of T32, φTGC is set high, and the other second transfer unit 66 is turned on. As a result, the charge accumulated in the other charge storage unit 62 is transferred to the FD 67. Note that the potential of the FD 67 is a potential obtained by superimposing the charge and the dark level. Then, the amplification transistor 48 outputs a signal corresponding to this potential. The output signal is sent to the CDS circuit 27 through the vertical signal line 25.
The CDS circuit 27 outputs the difference between the signal sent during this period and the signal corresponding to the dark level stored earlier as the other pupil division focus detection signal for the pixels in the first row. Then, the other pupil division focus detection signal in the pixels in the first row is output to the outside through the horizontal signal line 28 and the output amplifier 29 by the drive signal of the horizontal scanning circuit 22. The signal output to the outside is sent to the memory 7 via the signal processing unit 5 (see FIG. 1) and is temporarily accumulated.

同様に、T3の期間において第2行目の読み出しを行う。駆動信号は、T2と同様である。すべての行から画像信号が出力された後、焦点演算部10は、メモリ7から信号を受け取って、周知の瞳分割位相差による焦点位置を算出する。   Similarly, reading of the second row is performed in the period T3. The drive signal is the same as T2. After image signals are output from all rows, the focus calculation unit 10 receives signals from the memory 7 and calculates a focus position based on a known pupil division phase difference.

以上の説明から理解されるように、本固体撮像素子3は、画像用信号を得るときも、また、焦点検出信号を得るときも、全有効画素の露光のタイミングを同一にすることが可能となる。このため、例え速い動作の被写体を撮像する際においても、1フレーム内で焦点を合焦するタイミングがずれることが無く、良好に焦点を検出し、撮像することが可能となる。   As can be understood from the above description, the solid-state imaging device 3 can make the exposure timings of all effective pixels the same when obtaining an image signal and obtaining a focus detection signal. Become. For this reason, even when a fast-moving subject is imaged, the timing for focusing in one frame is not shifted, and the focus can be detected and imaged well.

また、画素20は、固体撮像素子3のすべての有効画素領域に用いることができる。このようにすれば、焦点検出専用の画素を用いないので、画像信号は、補間などの補正をする必要がない。また、いずれの画素も焦点検出信号を出力することができるので、有効画素領域内の焦点検出領域を自由に設定することが可能となる。   Further, the pixel 20 can be used for all effective pixel regions of the solid-state imaging device 3. In this way, since pixels dedicated to focus detection are not used, the image signal does not need to be corrected such as interpolation. In addition, since any pixel can output a focus detection signal, it is possible to freely set the focus detection area within the effective pixel area.

[第1の実施形態の変形例]
図8は、本発明における第1の実施形態の変形例に係る固体撮像素子の画素断面図であり、図5に対応する。本変形例が第1の実施形態と異なる点は、第1の実施形態では第1転送部63、64のゲート電極35が電荷格納部61、62のN型拡散層75、76を覆うように配置されているのに対し、本変形例では第1転送部63、64のゲート電極101は、埋め込みフォトダイオード51、52と電荷格納部61、62のN型拡散層75、76の間にのみ配置され、電荷格納部61、62のN型拡散層75、76を覆っていない点にある。
そして、電荷格納部61、62のN型拡散層75、76の上面には、シリコン酸化膜33を介してMOSキャパシタ用の電極102が配置されている(理解を容易にするため、図8は、図5と寸法の比率を一部変更している)。N型拡散層75の上面に配置される電極102と、N型拡散層76の上面に配置される電極102は、一体的に形成され、電気的に接続されている。
[Modification of First Embodiment]
FIG. 8 is a cross-sectional view of a pixel of a solid-state imaging device according to a modification of the first embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. This modification is different from the first embodiment in that the gate electrode 35 of the first transfer units 63 and 64 covers the N-type diffusion layers 75 and 76 of the charge storage units 61 and 62 in the first embodiment. In contrast, in this modification, the gate electrode 101 of the first transfer units 63 and 64 is only between the buried photodiodes 51 and 52 and the N-type diffusion layers 75 and 76 of the charge storage units 61 and 62. The N-type diffusion layers 75 and 76 of the charge storage portions 61 and 62 are not covered.
An electrode 102 for a MOS capacitor is disposed on the upper surfaces of the N-type diffusion layers 75 and 76 of the charge storage portions 61 and 62 via the silicon oxide film 33 (for ease of understanding, FIG. , The ratio of dimensions is partially changed from FIG. The electrode 102 disposed on the upper surface of the N-type diffusion layer 75 and the electrode 102 disposed on the upper surface of the N-type diffusion layer 76 are integrally formed and electrically connected.

また、電極102は、第1転送部63、64のゲート電極101と電気的に接続されている。したがって、電極102に印加される駆動信号やその駆動手順は、第1の実施形態と同様である。しかし、これに限らず、電極102は個別に駆動信号が印加され、よりピンニングされる電位、タイミングで駆動されてもよい。   The electrode 102 is electrically connected to the gate electrode 101 of the first transfer units 63 and 64. Therefore, the drive signal applied to the electrode 102 and the drive procedure thereof are the same as those in the first embodiment. However, the present invention is not limited to this, and the electrodes 102 may be driven with a potential and timing that are individually pinned and more pinned.

なお、埋め込みフォトダイオード51、52と電荷格納部61、62が配置される方向と、電荷格納部61、62とフローティング拡散領域36が配置される方向は、同一方向である。このようにそれぞれを配置すれば、埋め込みフォトダイオード51、52の電荷蓄積層55、及び、電荷格納部61、62のN型拡散層75、76が転送電極101、102の下に入り込む構造が容易に形成される。
埋め込みフォトダイオード51、52及び電荷格納部61、62のN型拡散層が転送電極101、102の下に入り込む構造は、完全転送するのに好ましい。したがって、残像が生じにくくなると言う効果がある。
以下、電極の下にN型拡散層が入り込む構造が容易に形成される点について、より詳細に説明する。
The direction in which the embedded photodiodes 51 and 52 and the charge storage units 61 and 62 are arranged is the same as the direction in which the charge storage units 61 and 62 and the floating diffusion region 36 are arranged. If each is arranged in this manner, the structure in which the charge storage layer 55 of the embedded photodiodes 51 and 52 and the N-type diffusion layers 75 and 76 of the charge storage portions 61 and 62 enter under the transfer electrodes 101 and 102 is easy. Formed.
The structure in which the buried photodiodes 51 and 52 and the N-type diffusion layers of the charge storage portions 61 and 62 enter under the transfer electrodes 101 and 102 is preferable for complete transfer. Therefore, there is an effect that an afterimage is hardly generated.
Hereinafter, the point that the structure in which the N-type diffusion layer enters under the electrode is easily formed will be described in more detail.

図9は、本変形例に係る固体撮像素子の製造工程の一部を示す画素断面図である。本断面図も図5に対応する部分を示している。なお、ここでは、図8に関連する構成についてのみ説明するが、周辺回路も所定のプロセスに従って形成される。
周知のシリコンプロセスに従い、N型のシリコン基板31上に、P型ウエル32、LOCOSによる厚いシリコン酸化膜34(分離領域)、第1層のポリシリコンによる各ゲート電極72、101、103が形成される。第1層のポリシリコンによるゲート電極72、101、103は、熱酸化により表面にシリコン酸化膜が形成されている。
FIG. 9 is a pixel cross-sectional view illustrating a part of the manufacturing process of the solid-state imaging device according to the present modification. This sectional view also shows a portion corresponding to FIG. Although only the configuration related to FIG. 8 will be described here, the peripheral circuit is also formed according to a predetermined process.
According to a known silicon process, a P-type well 32, a thick silicon oxide film 34 (isolation region) made of LOCOS, and gate electrodes 72, 101, 103 made of polysilicon of the first layer are formed on an N-type silicon substrate 31. The A silicon oxide film is formed on the surface of the gate electrodes 72, 101, 103 made of polysilicon of the first layer by thermal oxidation.

次いで、ゲート電極72、101、103、分離領域の厚いシリコン酸化膜34、及び、図示しないが必要に応じて所定の領域にレジストをパターニングして、これらをマスクとしてリンイオンが注入される。この状態を示したのが図9(a)である。リンイオンは、図に示したように、各ゲート電極72、101、103の下に入り込むように斜め方向108から注入される。ここで、埋め込みフォトダイオード51、52と電荷格納部61、62が配置される方向と、電荷格納部61、62とフローティング拡散領域36が配置される方向は、同一方向である。
したがって、斜め方向からのイオン注入を一回行えば、それぞれのゲート電極72、101、103の下にイオンが入り、拡散領域が形成される。上記方向が異なるなら、ゲート電極下の拡散領域は、それぞれのゲート電極に対して斜め方向からのイオン注入を行なって形成される。したがって、本工程において、斜め方向からのイオン注入が複数回行われる。
Next, a resist is patterned in the gate electrodes 72, 101, 103, the thick silicon oxide film 34 in the isolation region, and a predetermined region (not shown) if necessary, and phosphorus ions are implanted using these as a mask. This state is shown in FIG. As shown in the figure, phosphorus ions are implanted from an oblique direction 108 so as to enter under the gate electrodes 72, 101, and 103. Here, the direction in which the embedded photodiodes 51 and 52 and the charge storage units 61 and 62 are arranged is the same as the direction in which the charge storage units 61 and 62 and the floating diffusion region 36 are arranged.
Therefore, if ion implantation from an oblique direction is performed once, ions enter under the gate electrodes 72, 101, and 103, and a diffusion region is formed. If the directions are different, the diffusion region under the gate electrode is formed by performing ion implantation from an oblique direction to each gate electrode. Therefore, in this step, ion implantation from an oblique direction is performed a plurality of times.

本実施形態の固体撮像素子は、上記方向が同一であるので、一度の斜め方向からのイオン注入で良い。このため、製造が容易となる。なお、加速電圧は比較的に低くてよく、形成される拡散層104、105、106、107は、比較的浅くて構わない。
次いで、電荷格納部61、62のN型拡散層75、76の形成される領域が開口するようにレジスト110をパターニングしてリンイオンを注入し、電荷格納部61、62のN型拡散層75、76が形成される。この工程では、イオンは、通常通りの方向111から注入される。この工程により、荷格納部61、62のN型拡散層75、76は、電荷格納部として好適な濃度、深さに設定されることが可能となる。この状態を示したのが図9(b)である。
同様に、埋め込みフォトダイオード51、52の電荷蓄積部55、フローティング拡散領域67のN型拡散層36、PDリセット部68のN型拡散層71を順次同様にレジストをパターニングしてリンイオンを注入し、これらを順次形成する。
In the solid-state imaging device of the present embodiment, since the above directions are the same, ion implantation from one oblique direction is sufficient. For this reason, manufacture becomes easy. The acceleration voltage may be relatively low, and the formed diffusion layers 104, 105, 106, and 107 may be relatively shallow.
Next, the resist 110 is patterned so that the regions where the N-type diffusion layers 75 and 76 of the charge storage portions 61 and 62 are formed are opened, and phosphorus ions are implanted, and the N-type diffusion layers 75 and 75 of the charge storage portions 61 and 62 are formed. 76 is formed. In this step, ions are implanted from the normal direction 111. By this step, the N-type diffusion layers 75 and 76 of the load storage units 61 and 62 can be set to a concentration and depth suitable as a charge storage unit. FIG. 9B shows this state.
Similarly, patterning of resist is sequentially performed in the same manner on the charge storage portion 55 of the embedded photodiodes 51 and 52, the N-type diffusion layer 36 of the floating diffusion region 67, and the N-type diffusion layer 71 of the PD reset portion 68, and phosphorus ions are implanted. These are formed sequentially.

そして、MOSキャパシタ用の電極102が電荷格納部61、62のN型拡散層75、76の表面を覆うように形成される。この電極102は、第1転送部のゲート電極101と電気的に接続されている。
これにより、埋め込みフォトダイオード51、52の電荷蓄積層55、フローティング拡散領域67のN型拡散層36、PDリセット部68のN型拡散層71は、それぞれ好適な濃度、深さに設定されることが可能となる。
An electrode 102 for the MOS capacitor is formed so as to cover the surfaces of the N-type diffusion layers 75 and 76 of the charge storage portions 61 and 62. The electrode 102 is electrically connected to the gate electrode 101 of the first transfer unit.
Thus, the charge storage layer 55 of the embedded photodiodes 51 and 52, the N-type diffusion layer 36 of the floating diffusion region 67, and the N-type diffusion layer 71 of the PD reset unit 68 are set to suitable concentrations and depths, respectively. Is possible.

ここでは、各ゲート電極の下に拡散層が入り込むようにN型拡散層104、105、106、107が同時にイオン注入され、次いで、各領域に好適な不純物濃度や深さとなるようにそれぞれの領域に個別にイオンが注入される。しかし、これに限らず、最終的に形成されるN型拡散層71、55、75、36の濃度や深さがほぼ同一ならば、斜め方向からのイオン注入を一回行うことによって、これらの領域が同時に形成されても良い。
なお、PDリセット部68は、埋め込みフォトダイオード51、52の電荷蓄積層55を一定電位にリセットするために配置される。このため、N型拡散層71は、ゲート電極72の下に入り込むような構造を必要としない。したがって、斜め方向からイオンを注入する工程では、N型拡散層104は、形成されなくても構わない。
Here, the N-type diffusion layers 104, 105, 106, and 107 are simultaneously ion-implanted so that the diffusion layer enters under each gate electrode, and then each region has a suitable impurity concentration and depth. Ions are individually implanted in each. However, the present invention is not limited to this, and if the concentration and depth of the N-type diffusion layers 71, 55, 75, and 36 that are finally formed are substantially the same, these ions can be obtained by performing ion implantation once from an oblique direction. Regions may be formed simultaneously.
The PD reset unit 68 is disposed to reset the charge storage layer 55 of the embedded photodiodes 51 and 52 to a constant potential. For this reason, the N-type diffusion layer 71 does not require a structure that enters under the gate electrode 72. Therefore, the N-type diffusion layer 104 may not be formed in the step of implanting ions from an oblique direction.

[第1の実施形態の別の変形例]
図10は、第1の実施形態の別の変形例に係る固体撮像素子の画素平面図である。なお、図10は簡略のため、第1転送部63、64のゲート電極35における電荷格納部81、82上に配置される部分が省略されている。そして、各々のゲート電極35は、内部配線83で接続されているように描かれている。
[Another Modification of First Embodiment]
FIG. 10 is a pixel plan view of a solid-state imaging device according to another modification of the first embodiment. For simplicity, FIG. 10 omits portions of the gate electrodes 35 of the first transfer units 63 and 64 that are disposed on the charge storage units 81 and 82. Each gate electrode 35 is drawn so as to be connected by an internal wiring 83.

この変形例の画素80が第1の実施形態の画素20と異なる点は、次の点のみである。即ち、第1の実施形態において埋め込みフォトダイオード51、電荷格納部61、及び、FD67のN型拡散層36は、同一方向に配置されている(埋め込みフォトダイオード52、電荷格納部62、及び、FD67のN型拡散層36も同様)が、本変形例において、埋め込みフォトダイオード51、及び、電荷格納部81が配置される方向と、電荷格納部81、及び、FD67のN型拡散層86が配置される方向は、異なっている。そして、FD67のN型拡散層86は、二つの電荷格納部81、82の間に配置されている。   The pixel 80 of this modification is different from the pixel 20 of the first embodiment only in the following points. That is, in the first embodiment, the embedded photodiode 51, the charge storage unit 61, and the N-type diffusion layer 36 of the FD 67 are arranged in the same direction (the embedded photodiode 52, the charge storage unit 62, and the FD 67). The same applies to the N-type diffusion layer 36 of the N-type diffusion layer 36), but in this modification, the direction in which the embedded photodiode 51 and the charge storage unit 81 are arranged, the charge storage unit 81, and the N-type diffusion layer 86 of the FD 67 are arranged. The direction to be done is different. The N-type diffusion layer 86 of the FD 67 is disposed between the two charge storage portions 81 and 82.

このようにFD67のN型拡散層86を配置すれば、全画素の露光のタイミングの同時性が確保されるばかりではなく、FD67の面積を低減することが可能となり、微細化される。
その他の点については、第1の実施形態と同様であるので説明は省略する。
If the N-type diffusion layer 86 of the FD 67 is arranged in this way, not only the timing of exposure of all the pixels is ensured, but also the area of the FD 67 can be reduced and miniaturized.
Since other points are the same as those in the first embodiment, description thereof will be omitted.

[第2の実施形態]
(画素構成)
図11は、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像素子の画素回路図である。また、図12は、第2の実施形態に係る固体撮像素子の画素平面図である。図12において、第1転送部87、88、89のゲート電極35における電荷格納部上に配置される部分は省略され、各々のゲート電極35は内部配線83で接続されているように描かれている。なお、図2に対応する固体撮像素子の全体構成は、第1の実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
[Second Embodiment]
(Pixel configuration)
FIG. 11 is a pixel circuit diagram of a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 12 is a pixel plan view of the solid-state imaging device according to the second embodiment. In FIG. 12, the portions of the gate electrodes 35 of the first transfer portions 87, 88, 89 disposed on the charge storage portion are omitted, and each gate electrode 35 is depicted as being connected by an internal wiring 83. Yes. Note that the overall configuration of the solid-state imaging device corresponding to FIG. 2 is the same as that of the first embodiment, and thus description thereof is omitted here.

本実施形態の固体撮像素子が第1の実施形態に係る固体撮像素子と異なる点は、各画素90に光電変換部である埋め込みフォトダイオード91、92、93が3つ配置され、これに伴い、対応する電荷格納部94、95、96も3つ配置されている点にある。また、後述するように、駆動配線、駆動信号もそれに伴い変更されている。その他の点(増幅トランジスタ48、FDリセット部49、選択スイッチ50、PDリセット部68など)に関しては、第1の実施形態と同様であり、ここでは説明を省略する。
画素90は、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部としての3つの埋め込みフォトダイオード91、92、93を有している。そして、各埋め込みフォトダイオード91、92、93に対応して電荷をそれぞれ独立に蓄積する3つの電荷格納部94、95、96が配置される。
各埋め込みフォトダイオード91、92、93と電荷格納部94、95、96との間には、第1転送部87、88、89が配置される。各埋め込みフォトダイオード91、92、93で生成し蓄積される電荷は、第1転送部87、88、89がオン状態とされることにより、それぞれに対応する電荷格納部94、95、96に転送される。
The solid-state image sensor of this embodiment is different from the solid-state image sensor according to the first embodiment in that three embedded photodiodes 91, 92, and 93 that are photoelectric conversion units are arranged in each pixel 90. The corresponding charge storage portions 94, 95, and 96 are also arranged. As will be described later, the drive wiring and the drive signal are also changed accordingly. Other points (amplification transistor 48, FD reset unit 49, selection switch 50, PD reset unit 68, etc.) are the same as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted here.
The pixel 90 has three embedded photodiodes 91, 92, and 93 as a photoelectric conversion unit that generates and accumulates charges according to incident light. Then, three charge storage portions 94, 95, and 96 that store charges independently corresponding to the embedded photodiodes 91, 92, and 93 are disposed.
First transfer units 87, 88, and 89 are disposed between the embedded photodiodes 91, 92, and 93 and the charge storage units 94, 95, and 96. Charges generated and accumulated by the embedded photodiodes 91, 92, 93 are transferred to the charge storage units 94, 95, 96 corresponding to the first transfer units 87, 88, 89, respectively, when the first transfer units 87, 88, 89 are turned on. Is done.

なお、3つの第1転送部87、88、89のゲート電極35は、共通に接続されている。これらのゲート電極35には、垂直走査回路21から駆動配線23を介して駆動信号φTGAが供給される。したがって、3つの第1転送部87、88、89は、駆動信号φTGAを受け取って同時にオン、オフ状態とされる。そして、駆動信号φTGAがハイになると、埋め込みフォトダイオード91、92、93に蓄積された電荷は、それぞれに対応する電荷格納部94、95、96に同時に転送される。
また、画素90にはフローティング拡散領域(FD)67が配置され、電荷格納部94、95、96から転送される電荷を個別に、又は、同時に蓄積する。各電荷格納部94、95、96とFD67との間には、第2転送部97、98、99が配置される。3つの第2転送部97、98、99のゲート電極は、それぞれ電気的に分離されており、それぞれ個別の駆動信号φTGB、φTGC、φTGDが垂直走査回路21から供給される。このため、各々の第2転送部97、98、99は、それぞれの駆動信号φTGB、φTGC、φTGDにしたがって個別に駆動される。
Note that the gate electrodes 35 of the three first transfer units 87, 88, and 89 are connected in common. These gate electrodes 35 are supplied with a drive signal φTGA from the vertical scanning circuit 21 via the drive wiring 23. Accordingly, the three first transfer units 87, 88, and 89 receive the drive signal φTGA and are simultaneously turned on and off. When the drive signal φTGA becomes high, the charges accumulated in the embedded photodiodes 91, 92, and 93 are simultaneously transferred to the corresponding charge storage portions 94, 95, and 96, respectively.
In addition, a floating diffusion region (FD) 67 is disposed in the pixel 90, and charges transferred from the charge storage units 94, 95, and 96 are stored individually or simultaneously. Second transfer units 97, 98, and 99 are disposed between the charge storage units 94, 95, and 96 and the FD 67. The gate electrodes of the three second transfer portions 97, 98, and 99 are electrically separated from each other, and individual drive signals φTGB, φTGC, and φTGD are supplied from the vertical scanning circuit 21. For this reason, each of the second transfer units 97, 98, 99 is individually driven according to the respective drive signals φTGB, φTGC, φTGD.

よって、3個の第2転送部97、98、99は、異なるタイミングでオン状態にされることも、同時にオン状態にされることも可能となる。これらが異なるタイミングでオン状態にされるなら、3個の電荷格納部94、95、96に蓄積されている光電荷は、異なるタイミングで個別にFD67に転送される。また、これらが同時にオン状態にされるなら、3個の電荷格納部94、95、96に蓄積されている光電荷は、FD67にて合算される。   Therefore, the three second transfer units 97, 98, and 99 can be turned on at different timings or can be turned on at the same time. If they are turned on at different timings, the photocharges accumulated in the three charge storage units 94, 95, 96 are individually transferred to the FD 67 at different timings. If these are simultaneously turned on, the photocharges accumulated in the three charge storage portions 94, 95, 96 are added together in the FD 67.

このように、各画素90は、3個の埋め込みフォトダイオード91、92、93を有している。そして、入射光を埋め込みフォトダイオード91、92、93に導く一つのマイクロレンズ57が配置される。3個の埋め込みフォトダイオード91、92、93は、入射光側から見てマイクロレンズ57の中心線XX’(直径を有する線)に対して線対称となるように配置されている。   As described above, each pixel 90 includes three embedded photodiodes 91, 92, and 93. One microlens 57 that guides incident light to the embedded photodiodes 91, 92, and 93 is disposed. The three embedded photodiodes 91, 92, 93 are arranged so as to be line-symmetric with respect to the center line XX ′ (line having a diameter) of the microlens 57 when viewed from the incident light side.

そして、埋め込みフォトダイオードの一つは、入射光側から見てマイクロレンズ57の中央部に配置される。この位置は、最も光が効率的に集光される位置であり、この位置に配置される光電変換部は、光電荷の生成が増大し、このため出力が増大する。なお、中央の埋め込みフォトダイオード92は、瞳分割されない光が受光されるため、画像信号を得るために使用する。
また、両端の埋め込みフォトダイオード91、93は、中心線XX’に対して線対称の位置に配置される。このため、マイクロレンズ57から導かれる入射光は、瞳分割されて各埋め込みフォトダイオード91、93に入射される。よって、これら二つの埋め込みフォトダイオード91、93から出力される信号を用いれば、焦点を検出することが可能となる。
One of the embedded photodiodes is disposed at the center of the microlens 57 when viewed from the incident light side. This position is the position where the light is most efficiently collected, and the photoelectric conversion unit arranged at this position increases the generation of photoelectric charges, and thus the output increases. The central embedded photodiode 92 is used to obtain an image signal because light that is not divided into pupils is received.
Further, the embedded photodiodes 91 and 93 at both ends are arranged at positions symmetrical with respect to the center line XX ′. Therefore, the incident light guided from the microlens 57 is divided into pupils and is incident on the embedded photodiodes 91 and 93. Therefore, the focus can be detected by using signals output from these two embedded photodiodes 91 and 93.

このように、本実施形態の固体撮像素子は、中央の埋め込みフォトダイオード92から出力される信号を画像用信号に用いることが出来る。また、本実施形態の固体撮像素子は、両端の埋め込みフォトダイオード91、93から出力される信号を瞳分割位相差方式の焦点検出信号に使用することができる。この場合、画像用信号と焦点検出信号とを別々のタイミングで生成しても良い。しかし、3つのフォトダイオード91、92、93の露光のタイミングを同一にすれば、画像信号と焦点検出信号のタイミングの同一性も一致させることが可能となる。このため、本固体撮像素子は、速い動作の移動体を撮像するのにさらに好ましい。また、一度の露光で画像信号及び焦点検出信号が得られるので、撮像するスピードが向上する。   As described above, the solid-state imaging device of the present embodiment can use the signal output from the central embedded photodiode 92 as an image signal. In addition, the solid-state imaging device of the present embodiment can use signals output from the embedded photodiodes 91 and 93 at both ends as focus detection signals of the pupil division phase difference method. In this case, the image signal and the focus detection signal may be generated at different timings. However, if the exposure timings of the three photodiodes 91, 92, and 93 are made the same, it is possible to match the same timing of the image signal and the focus detection signal. For this reason, this solid-state image sensor is further preferable for imaging a moving body that operates quickly. In addition, since the image signal and the focus detection signal can be obtained by one exposure, the imaging speed is improved.

また、本固体撮像素子は、3つの埋め込みフォトダイオードの電荷を合算することも可能である。このように出力した信号を画像信号として用いれば、画像信号の出力は、さらに増大する。   The solid-state imaging device can also add up the charges of the three embedded photodiodes. If the output signal is used as an image signal, the output of the image signal is further increased.

(駆動手順)
本実施形態に係る固体撮像素子は、上記のように信号の読み出し駆動方式が多々ある。ここでは、場合分けして駆動方法を説明する。
先ず、中央の埋め込みフォトダイオード92から画像信号を読み出す駆動手順を説明する。タイミングチャートは、φTGB及びφTGDを除き図7(a)と同一となる。なお、φTGB及びφTGDは、常にローにされる。或いは、ブルーミングを防止するため、φTGB及びφTGDは、T13の期間のみハイとされても良い。
次に、両端の埋め込みフォトダイオード91、93から焦点検出信号を読み出す駆動手順を説明する。タイミングチャートは、φTGC及びφTGDを除き図7(b)と同一となる。そして、φTGDは本図のφTGCに置き換えたものと同一となり、φTGCは常にローにされる。或いは、ブルーミングを防止するため、φTGCはT13の期間のみハイとされても良い。
(Driving procedure)
As described above, the solid-state imaging device according to the present embodiment has many signal readout drive systems. Here, the driving method will be described for each case.
First, a driving procedure for reading an image signal from the central embedded photodiode 92 will be described. The timing chart is the same as FIG. 7A except for φTGB and φTGD. Note that φTGB and φTGD are always low. Alternatively, in order to prevent blooming, φTGB and φTGD may be set to high only during the period T13.
Next, a driving procedure for reading out focus detection signals from the embedded photodiodes 91 and 93 at both ends will be described. The timing chart is the same as FIG. 7B except for φTGC and φTGD. Then, φTGD is the same as that replaced with φTGC in this figure, and φTGC is always low. Alternatively, φTGC may be set high only during the period T13 in order to prevent blooming.

次に、すべての埋め込みフォトダイオード91、92、93から画像信号を読み出す駆動手順を説明する。タイミングチャートは、φTGDを除き図7(a)と同一となる。なお、φTGDは、本図のφTGB及びφTGCと同じになる。
さらに、画像信号と焦点検出信号を同じタイミングで同時露光して読み出す駆動手順を説明する。図13は、この読み出し動作を説明するタイミングチャートである。なお、T1の期間は、全有効画素を同時に駆動する期間である。即ち、T1の期間の駆動パルスは、全行において同一の駆動信号が垂直走査回路21から出力される。また、T2は、第1行目が読み出される期間、T3は、第2行目が読み出される期間であり、選択された行のみ、本図の駆動信号が出力される。
Next, a driving procedure for reading out image signals from all the embedded photodiodes 91, 92, 93 will be described. The timing chart is the same as FIG. 7A except for φTGD. Note that φTGD is the same as φTGB and φTGC in this figure.
Further, a driving procedure for simultaneously exposing and reading out the image signal and the focus detection signal at the same timing will be described. FIG. 13 is a timing chart for explaining this read operation. Note that the period T1 is a period in which all effective pixels are driven simultaneously. In other words, the same drive signal is output from the vertical scanning circuit 21 in all rows for the drive pulse during the period T1. Further, T2 is a period during which the first row is read out, and T3 is a period during which the second row is read out. Only the selected row outputs the drive signal shown in FIG.

まず、T41の期間において、φPDRはハイにされPDリセット部68がオン状態とされる。この動作により、すべての有効画素の埋め込みフォトダイオード91、92、93に蓄積されている不要な電荷が電源VDDに排出される。即ち、埋め込みフォトダイオード91、92、93は、リセットされる。そして、全有効画素の埋め込みフォトダイオード91、92、93は、同時に露光を開始する。   First, during the period of T41, φPDR is set high and the PD reset unit 68 is turned on. By this operation, unnecessary charges accumulated in the embedded photodiodes 91, 92, and 93 of all effective pixels are discharged to the power supply VDD. That is, the embedded photodiodes 91, 92, and 93 are reset. Then, the embedded photodiodes 91, 92, and 93 of all effective pixels start exposure at the same time.

T42の期間において、φFDRはハイにされFDリセット部49がオン状態とされる。また、T43の期間において、φFDRの立ち上がりと同時にφTGB、φTGC、φTGDがハイにされ、3つの第2転送部97、98、99は、同時にオン状態とされる。この動作により、FD67及び電荷格納部94、95、96に蓄積されている電荷が電源VDDに排出される。即ち、全有効画素のFD67及び電荷格納部94、95、96は、リセットされる。   In the period of T42, φFDR is set high and the FD reset unit 49 is turned on. Further, during the period of T43, simultaneously with the rise of φFDR, φTGB, φTGC, and φTGD are made high, and the three second transfer units 97, 98, and 99 are simultaneously turned on. With this operation, the charges accumulated in the FD 67 and the charge storage units 94, 95, and 96 are discharged to the power supply VDD. That is, the FD 67 and the charge storage units 94, 95, and 96 of all effective pixels are reset.

T44の期間において、φTGAはハイにされ第1転送部87、88、89がオン状態とされる。全有効画素の3つの埋め込みフォトダイオード91、92、93に蓄積されている電荷は、それぞれ対応する電荷格納部94、95、96に転送される。ここで、図に示されたT45の期間(φPDRをローにしてからφTGAをハイにする期間)が露光期間となる。T45の期間は、全有効画素にて同一の期間であり同一のタイミングとなる。このため、全有効画素のすべての埋め込みフォトダイオード91、92、93は、タイミングずれすることなく同時期間の画像信号及び焦点検出信号を獲得することが可能となる。   In the period of T44, φTGA is set high, and the first transfer units 87, 88, 89 are turned on. The charges accumulated in the three embedded photodiodes 91, 92, 93 of all effective pixels are transferred to the corresponding charge storage units 94, 95, 96, respectively. Here, the period of T45 (period in which φPDR is set low and then φTGA is set high) shown in the drawing is the exposure period. The period of T45 is the same period for all effective pixels and has the same timing. For this reason, all the embedded photodiodes 91, 92, and 93 of all effective pixels can acquire the image signal and the focus detection signal in the same period without any timing shift.

T46の期間において、第1行目のφSはハイにされ選択スイッチ50がオン状態とされる。これにより、第1行目の画素が選択され、第1行目の画素から信号が垂直信号線25に出力されるようになる。   In the period T46, φS in the first row is set high, and the selection switch 50 is turned on. As a result, the pixels in the first row are selected, and a signal is output from the pixels in the first row to the vertical signal line 25.

T47の期間において、第1行目のφFDRはハイにされFDリセット部49がオン状態とされる。この動作により、FD67はリセットされ、ダークレベルの電位となる。そして、φFDRがローとなってからφTGBがハイになるまでの間(T48の期間)において、第1行目の増幅トランジスタ48は、FD67のダークレベルに対応した信号を出力する。出力された信号は、垂直信号線25を介してCDS回路27に保存される。   In the period of T47, φFDR in the first row is set high, and the FD reset unit 49 is turned on. By this operation, the FD 67 is reset to a dark level potential. Then, during the period from when φFDR becomes low until φTGB becomes high (period T48), the amplification transistor 48 in the first row outputs a signal corresponding to the dark level of the FD67. The output signal is stored in the CDS circuit 27 via the vertical signal line 25.

T49の期間において、φTGBはハイにされて対応する第2転送部97がオン状態とされる。これにより、電荷格納部94に蓄積されている電荷は、FD67に転送される。なお、FD67の電位は、この電荷とダークレベルとが重畳された電位となる。そして、増幅トランジスタ48は、この電位に対応した信号を出力する。出力された信号は、垂直信号線25を通してCDS回路27に送られる。
CDS回路27は、この期間に出力された信号と先ほど保存したダークレベルに対応する信号との差を第1行目の画素における一方の瞳分割焦点検出信号として出力する。そして、これらの第1行目の画素における一方の瞳分割焦点検出信号は、水平走査回路22の駆動信号によって水平信号線28、出力アンプ29を介して外部に出力される。出力された信号は、信号処理部5(図1参照)などを介してメモリ7に送られ、一旦蓄積される。
In the period of T49, φTGB is set high, and the corresponding second transfer unit 97 is turned on. As a result, the charges accumulated in the charge storage unit 94 are transferred to the FD 67. Note that the potential of the FD 67 is a potential obtained by superimposing the charge and the dark level. Then, the amplification transistor 48 outputs a signal corresponding to this potential. The output signal is sent to the CDS circuit 27 through the vertical signal line 25.
The CDS circuit 27 outputs the difference between the signal output during this period and the signal corresponding to the dark level stored earlier as one pupil division focus detection signal for the pixels in the first row. One pupil division focus detection signal in the pixels in the first row is output to the outside through the horizontal signal line 28 and the output amplifier 29 by the drive signal of the horizontal scanning circuit 22. The output signal is sent to the memory 7 via the signal processing unit 5 (see FIG. 1) and temporarily accumulated.

次いで、T50の期間において、第1行目のφFDRは再びハイにされFDリセット部49がオン状態とされる。この動作により、FD67が再びリセットされ、前回とは異なるダークレベルの電位となる。そして、φFDRがローとなってからφTGCがハイとなるまでの間(T51の期間)において、第1行目の増幅トランジスタ48は、FD67のダークレベルに対応した信号を出力する。出力された信号は、垂直信号線25を介してCDS回路27に保存される。   Next, in the period of T50, φFDR in the first row is set high again, and the FD reset unit 49 is turned on. By this operation, the FD 67 is reset again, and becomes a dark level potential different from the previous time. Then, during the period from when φFDR becomes low until φTGC becomes high (period T51), the amplification transistor 48 in the first row outputs a signal corresponding to the dark level of the FD67. The output signal is stored in the CDS circuit 27 via the vertical signal line 25.

T52の期間において、φTGCはハイにされて第2転送部98がオン状態とさる。これにより、電荷格納部95に蓄積されている電荷は、FD67に転送される。なお、FD67の電位は、この電荷とダークレベルとが重畳された電位となる。そして、増幅トランジスタ48は、この電位に対応した信号を出力する。出力された信号は、垂直信号線25を通してCDS回路27に送られる。
CDS回路27は、この期間に出力された信号と先ほど保存したダークレベルに対応する信号との差を第1行目の画素における画像信号として出力する。そして、これらの第1行目の画素における画像信号は、水平走査回路22の駆動信号によって水平信号線28、出力アンプ29を介して外部に出力される。外部に出力された信号は、信号処理部5などを介してメモリ7に送られ、一旦蓄積される。
In the period of T52, φTGC is set high, and the second transfer unit 98 is turned on. As a result, the charge accumulated in the charge storage unit 95 is transferred to the FD 67. Note that the potential of the FD 67 is a potential obtained by superimposing the charge and the dark level. Then, the amplification transistor 48 outputs a signal corresponding to this potential. The output signal is sent to the CDS circuit 27 through the vertical signal line 25.
The CDS circuit 27 outputs the difference between the signal output during this period and the signal corresponding to the dark level stored earlier as an image signal in the pixels in the first row. The image signals in the pixels in the first row are output to the outside via the horizontal signal line 28 and the output amplifier 29 by the drive signal of the horizontal scanning circuit 22. The signal output to the outside is sent to the memory 7 via the signal processing unit 5 or the like and temporarily stored.

次いで、T53の期間において、第1行目のφFDRは再びハイにされFDリセット部49がオン状態とされる。この動作により、FD67が再びリセットされ、前回とは異なるダークレベルの電位となる。そして、φFDRがローとなってからφTGCがハイとなるまでの間(T54の期間)において、第1行目の増幅トランジスタ48は、FD67のダークレベルに対応した信号を出力する。出力された信号は、垂直信号線25を介してCDS回路27に保存される。   Next, in the period of T53, φFDR in the first row is set high again, and the FD reset unit 49 is turned on. By this operation, the FD 67 is reset again, and becomes a dark level potential different from the previous time. Then, during the period from when φFDR becomes low until φTGC becomes high (period T54), the amplification transistor 48 in the first row outputs a signal corresponding to the dark level of the FD67. The output signal is stored in the CDS circuit 27 via the vertical signal line 25.

T55の期間において、φTGCはハイにされて第2転送部66がオン状態とさる。これにより、電荷格納部96に蓄積されている電荷は、FD67に転送される。なお、FD67の電位は、この電荷とダークレベルとが重畳された電位となる。そして、増幅トランジスタ48は、この電位に対応した信号を出力する。出力された信号は、垂直信号線25を通してCDS回路27に送られる。
CDS回路27は、この期間に出力された信号と先ほど保存したダークレベルに対応する信号との差を第1行目の画素における他方の瞳分割焦点検出信号として出力する。そして、これらの第1行目の画素における他方の瞳分割焦点検出信号は、水平走査回路22の駆動信号によって水平信号線28、出力アンプ29を介して外部に出力される。外部に出力された信号は、信号処理部5などを介してメモリ7に送られ、一旦蓄積される。同様に、T3の期間において第2行目の読み出しを行う。駆動信号は、T2と同様である。
すべての行から画像信号が出力された後、画像処理部13は、メモリ7から信号を受け取って1フレームの画像を生成する。また、焦点演算部10は、メモリ7から信号を受け取って、周知の瞳分割位相差による焦点位置を算出し、その焦点検出情報をマイクロプロセッサ9に伝達する。
マイクロプロセッサ9は、その情報に基づきレンズ制御部2aにレンズを移動させるための情報を伝達する。或いは、マイクロプロセッサ9は、合焦していると判断したなら、画像処理部13にて生成されている画像情報を圧縮、記録等の処理を行う伝達を画像処理部13、画像圧縮部12、記録部11に伝達する。
In the period of T55, φTGC is set high, and the second transfer unit 66 is turned on. As a result, the charge accumulated in the charge storage unit 96 is transferred to the FD 67. Note that the potential of the FD 67 is a potential obtained by superimposing the charge and the dark level. Then, the amplification transistor 48 outputs a signal corresponding to this potential. The output signal is sent to the CDS circuit 27 through the vertical signal line 25.
The CDS circuit 27 outputs the difference between the signal output during this period and the signal corresponding to the dark level stored earlier as the other pupil division focus detection signal for the pixels in the first row. Then, the other pupil division focus detection signal in the pixels in the first row is output to the outside through the horizontal signal line 28 and the output amplifier 29 by the drive signal of the horizontal scanning circuit 22. The signal output to the outside is sent to the memory 7 via the signal processing unit 5 or the like and temporarily stored. Similarly, reading of the second row is performed in the period T3. The drive signal is the same as T2.
After the image signals are output from all the rows, the image processing unit 13 receives the signals from the memory 7 and generates an image of one frame. The focus calculation unit 10 receives a signal from the memory 7, calculates a focus position based on a known pupil division phase difference, and transmits the focus detection information to the microprocessor 9.
The microprocessor 9 transmits information for moving the lens to the lens control unit 2a based on the information. Alternatively, if the microprocessor 9 determines that the image is in focus, the image processing unit 13, the image compression unit 12, and the image processing unit 13 are configured to transmit the image information generated by the image processing unit 13. This is transmitted to the recording unit 11.

以上の説明から理解されるように、本固体撮像素子は、全有効画素の露光タイミングを同一にし、且つ、3つの埋め込みフォトダイオード91、92、93から露光のタイミングが同一にされた画像信号及び焦点検出信号を得ることが可能となる。このため、速い動作の被写体を撮像する際においても、さらに良好に焦点を検出することが可能となる。   As can be understood from the above description, this solid-state imaging device has an image signal in which the exposure timings of all the effective pixels are the same and the exposure timings of the three embedded photodiodes 91, 92, and 93 are the same. A focus detection signal can be obtained. For this reason, even when a fast-moving subject is imaged, it is possible to detect the focus even better.

[第3の実施形態]
図14は、本発明の第3の実施形態に係る固体撮像素子の2画素分の平面図である。第1の実施形態に係る固体撮像素子と異なる点は、増幅トランジスタ48、FDリセット部49、及び、選択スイッチ50が2画素に1つ配置されている点にある。このようにすれば、2個の画素にて増幅トランジスタ48、FDリセット部49、及び、選択スイッチ50を共有することが可能となり、微細化すること、又は、開口率を向上させることが可能となる。
[Third Embodiment]
FIG. 14 is a plan view of two pixels of a solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention. The difference from the solid-state imaging device according to the first embodiment is that an amplification transistor 48, an FD reset unit 49, and a selection switch 50 are arranged for every two pixels. In this way, the amplification transistor 48, the FD reset unit 49, and the selection switch 50 can be shared by two pixels, and the pixel can be miniaturized or the aperture ratio can be improved. Become.

ここでは、図に示されているように奇数行と偶数行において上下に隣接する2画素が一つの組になって、増幅トランジスタ48、FDリセット部49、及び、選択スイッチ50が共有されている。したがって、駆動手順は、実施形態1と同じで良い。
なお、ここでは、増幅トランジスタ48、FDリセット部49、及び、選択スイッチ50が2画素に1つ配置されている。しかし、これに限らず、増幅トランジスタ48、FDリセット部49、及び、選択スイッチ50は、複数の画素に1つ配置されてもよい。
Here, as shown in the figure, two pixels adjacent in the vertical direction in the odd and even rows form one set, and the amplification transistor 48, the FD reset unit 49, and the selection switch 50 are shared. . Therefore, the driving procedure may be the same as in the first embodiment.
Here, one amplification transistor 48, one FD reset unit 49, and one selection switch 50 are arranged for two pixels. However, the present invention is not limited to this, and the amplification transistor 48, the FD reset unit 49, and the selection switch 50 may be arranged in a plurality of pixels.

本発明の第1の実施形態に係る電子カメラ1を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating an electronic camera 1 according to a first embodiment of the present invention. 第1の実施形態に係る固体撮像素子3の概略構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows schematic structure of the solid-state image sensor 3 which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る固体撮像素子3の画素回路図である。1 is a pixel circuit diagram of a solid-state image sensor 3 according to a first embodiment. 第1の実施形態に係る固体撮像素子3の画素平面図である。It is a pixel top view of the solid-state image sensor 3 concerning 1st Embodiment. 図3におけるA−A‘部の断面図である。It is sectional drawing of the A-A 'part in FIG. 図4におけるB−B’部の断面図である。It is sectional drawing of the B-B 'part in FIG. 第1の実施形態に係る固体撮像素子から信号を読み出す動作を説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining the operation | movement which reads a signal from the solid-state image sensor which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態の変形例に係る固体撮像素子の画素平面図である。It is a pixel top view of the solid-state image sensing device concerning the modification of a 1st embodiment. 第1の実施形態の変形例に係る固体撮像素子の製造工程の一部を示す画素断面図である。It is a pixel sectional view showing a part of manufacturing process of a solid-state image sensing device concerning a modification of a 1st embodiment. 第1の実施形態の別の変形例に係る固体撮像素子の画素平面図である。It is a pixel top view of the solid-state image sensing device concerning another modification of a 1st embodiment. 第2の実施形態に係る固体撮像素子の画素回路図である。It is a pixel circuit diagram of the solid-state image sensor concerning a 2nd embodiment. 本発明の第2の実施形態に係る固体撮像素子の画素平面図である。It is a pixel top view of the solid-state image sensing device concerning a 2nd embodiment of the present invention. 第2の実施形態に係る固体撮像素子から画像信号と焦点検出信号を同じタイミングで同時露光して読み出す動作を説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining the operation | movement which reads and reads an image signal and a focus detection signal simultaneously from the solid-state image sensor which concerns on 2nd Embodiment at the same timing. 本発明の第3の実施形態に係る固体撮像素子の2画素分の平面図である。It is a top view for 2 pixels of the solid-state image sensing device concerning a 3rd embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 電子カメラ
3 固体撮像素子
20 画素
23,24 駆動配線
25 垂直信号線
28 水平信号線
31 N型シリコン基板
32 P型ウエル
36、41、42、43、44、71、86、104、105、106、107 N型拡散層
40、83、74 内部配線
48 増幅トランジスタ
49 FDリセット部
50 選択スイッチ
51、52 埋め込みフォトダイオード
55 電荷蓄積層
56 空乏化防止層
57 マイクロレンズ
61、62、81、82、94、95、96 電荷格納部
63、64、87、88、89 第1転送部
65、66、97、98、99 第2転送部
67 フローティング拡散領域
68 PDリセット部
102 MOSキャパシタ用電極
110 レジスト
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electronic camera 3 Solid-state image sensor 20 Pixel 23, 24 Drive wiring 25 Vertical signal line 28 Horizontal signal line 31 N type silicon substrate 32 P type well 36,41,42,43,44,71,86,104,105,106 107 N-type diffusion layers 40, 83, 74 Internal wiring 48 Amplifying transistor 49 FD reset unit 50 Select switch 51, 52 Embedded photodiode 55 Charge storage layer 56 Depletion prevention layer 57 Microlens 61, 62, 81, 82, 94 , 95, 96 Charge storage unit 63, 64, 87, 88, 89 First transfer unit 65, 66, 97, 98, 99 Second transfer unit 67 Floating diffusion region 68 PD reset unit 102 MOS capacitor electrode 110 Resist

Claims (10)

二次元状に配置された複数の画素と、前記画素を駆動し画素から信号を外部に出力するための周辺回路とを有し、少なくとも一部の前記画素は、
入射光に応じた電荷を生成し蓄積する複数の光電変換部と、
前記光電変換部のそれぞれに対応して配置され、前記電荷を対応する前記光電変換部から受け取って蓄積する複数の電荷格納部と、
前記複数の電荷格納部から前記電荷を受け取って蓄積するフローティング拡散領域と、
前記複数の光電変換部から対応するそれぞれの前記電荷格納部に前記電荷を転送する第1の転送部と、
前記複数の電荷格納部から前記フローティング拡散領域に前記電荷を転送する第2の転送部と、
前記複数の光電変換部に前記入射光を導くマイクロレンズと、を有することを特徴とする固体撮像素子。
A plurality of pixels arranged two-dimensionally, and a peripheral circuit for driving the pixels and outputting signals from the pixels to the outside, at least some of the pixels being
A plurality of photoelectric conversion units that generate and store charges according to incident light; and
A plurality of charge storage units arranged corresponding to each of the photoelectric conversion units and receiving and storing the charges from the corresponding photoelectric conversion units;
A floating diffusion region that receives and accumulates the charge from the plurality of charge storage units;
A first transfer unit that transfers the charge from the plurality of photoelectric conversion units to the corresponding charge storage unit;
A second transfer unit that transfers the charge from the plurality of charge storage units to the floating diffusion region;
A solid-state imaging device comprising: a microlens that guides the incident light to the plurality of photoelectric conversion units.
前記少なくとも一部の画素は、さらに、
前記フローティング拡散領域に蓄積された前記電荷の量に対応する信号を出力する画素アンプ部と、
前記フローティング拡散領域に蓄積された電荷をリセットする第1のリセット部と、
信号を読み出す画素を選択し、前記選択された画素の前記画素アンプ部から信号を出力する選択スイッチと、を有することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
The at least some pixels further include:
A pixel amplifier unit that outputs a signal corresponding to the amount of charge accumulated in the floating diffusion region;
A first reset unit for resetting the charge accumulated in the floating diffusion region;
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising: a selection switch that selects a pixel from which a signal is read and outputs a signal from the pixel amplifier unit of the selected pixel.
前記画素アンプ部、前記第1のリセット部、及び、前記選択スイッチは、複数の画素に対して一つ配置されることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 2, wherein one of the pixel amplifier unit, the first reset unit, and the selection switch is arranged for a plurality of pixels. 同一の画素に配置される前記第1の転送部は、前記周辺回路によって同時に駆動され、
同一の画素に配置される前記第2の転送部は、前記周辺回路によって個別に駆動されることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の固体撮像素子。
The first transfer units arranged in the same pixel are simultaneously driven by the peripheral circuit,
4. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second transfer units arranged in the same pixel are individually driven by the peripheral circuit. 5.
前記少なくとも一部の画素は、前記光電変換部が2個配置されることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の固体撮像素子。   5. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein two of the photoelectric conversion units are arranged in the at least some of the pixels. 前記少なくとも一部の画素は、前記光電変換部が3個配置されることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の固体撮像素子。   5. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein three of the photoelectric conversion units are arranged in the at least some of the pixels. 前記少なくとも一部の画素は、二次元状に配置され焦点検出信号を出力し、且つ、前記焦点検出信号とは異なるタイミングで画像信号を出力することを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の固体撮像素子。 The at least some pixels are two-dimensionally arranged, output a focus detection signal, and output an image signal at a timing different from the focus detection signal. The solid-state image sensor in any one. 前記少なくとも一部の画素は、前記光電変換部に蓄積された電荷をリセットする第2のリセット部を有することを特徴とする請求項1乃至請求項7に記載の固体撮像素子。   8. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the at least some of the pixels include a second reset unit that resets charges accumulated in the photoelectric conversion unit. 9. 前記電荷格納部は、前記光電変換部と前記フローティング拡散領域の間に配置され、
前記第1の転送部は、前記光電変換部と前記電荷格納部の間に配置されるゲート電極を有し、
前記第2の転送部は、前記電荷格納部と前記フローティング拡散領域の間に配置されるゲート電極を有し、
前記光電変換部と前記電荷格納部が配置される方向と、前記電荷格納部と前記フローティング拡散領域が配置される方向は、同一方向であることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の固体撮像素子。
The charge storage unit is disposed between the photoelectric conversion unit and the floating diffusion region,
The first transfer unit includes a gate electrode disposed between the photoelectric conversion unit and the charge storage unit,
The second transfer unit includes a gate electrode disposed between the charge storage unit and the floating diffusion region,
The direction in which the photoelectric conversion unit and the charge storage unit are disposed and the direction in which the charge storage unit and the floating diffusion region are disposed are the same direction. A solid-state imaging device according to claim 1.
請求項1乃至請求項9のいずれか一項記載の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子から焦点検出信号を取得し、前記焦点検出信号から抽出される瞳分割像のパターンズレを検出して、焦点検出を行う焦点演算部と、
前記固体撮像素子から画像信号を読み出す撮像制御部と、を有することを特徴とする電子カメラ。
A solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 9,
A focus calculation unit that acquires a focus detection signal from the solid-state imaging device, detects a pattern shift of a pupil-divided image extracted from the focus detection signal, and performs focus detection;
An electronic camera comprising: an imaging control unit that reads out an image signal from the solid-state imaging device.
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