JP2015012303A - 固体撮像装置および電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】フォトダイオードの面積をより拡大でき、表面照射型と裏面照射型のいずれにおいても利用可能な構成を実現することができるようにする。
【解決手段】固体撮像装置は、縦２画素×横２画素の４画素を同色の光を受光する同色単位として複数の色のカラーフィルタを配列するとともに、複数の画素で共通に利用する共有画素トランジスタが共有単位内で所定の１画素に集中配置されており、共有画素トランジスタが集中配置されている画素のカラーフィルタの色が複数の色のうちの所定の色である画素アレイ部を備える。本技術は、例えば、裏面照射型のCMOSイメージセンサなどの固体撮像装置等に適用できる。
【選択図】図１０

Description

本技術は、固体撮像装置および電子機器に関し、特に、フォトダイオードの面積をより拡大でき、表面照射型と裏面照射型のいずれにおいても利用可能な構成を実現することができるようにする固体撮像装置および電子機器に関する。
CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサでは、画素部に、フォトダイオード、FD(浮遊拡散領域）の他、複数の画素トランジスタ（いわゆるMOSトランジスタ）が形成されている。複数の画素トランジスタは、例えば、フォトダイオードの蓄積電荷をFDへ転送する転送トランジスタ、画素の選択状態を制御する選択トランジスタ、電荷をリセットするリセットトランジスタ、増幅トランジスタなどである。
また、近年では、画素の微細化に伴い、画素トランジスタの一部を複数の画素で共有させる共有画素構造も提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。共有画素構造では、例えば、FD、選択トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタを複数の画素で共有することにより、各画素に配置される画素トランジスタの面積を縮小し、飽和電荷量や感度などの撮像特性への影響が大きいフォトダイオードの面積を最大に確保することができる。
さらに、画素の微細化を利用して単位面積あたりの接合容量を増やして飽和電荷量の向上を図り、順次読み出しすることで広ダイナミックレンジを実現する技術も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
また、裏面照射型のCMOSイメージセンサにおいて、透過光の少ない青色の光を受光するB画素のみに、複数の画素で共有する画素トランジスタを集中配置することで、フォトダイオードの面積をさらに最大化させたものも提案されている（例えば、特許文献４参照）。
特開２０１２−２３３８９号公報 特開２０１０−１４１６３８号公報 特開２０１２−１０４９７９号公報 特開２００８−１７２５８０号公報
しかしながら、特許文献４に開示の技術では、その構造上、裏面照射型のCMOSイメージセンサのみにしか採用できないため、表面照射型と裏面照射型のいずれにおいても利用可能な構造が望まれる。
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、フォトダイオードの面積をより拡大でき、表面照射型と裏面照射型のいずれにおいても利用可能な構成を実現することができるようにするものである。
本技術の第１の側面の固体撮像装置は、縦２画素×横２画素の４画素を同色の光を受光する同色単位として複数の色のカラーフィルタを配列するとともに、複数の画素で共通に利用する共有画素トランジスタが共有単位内で所定の１画素に集中配置されており、前記共有画素トランジスタが集中配置されている画素のカラーフィルタの色が前記複数の色のうちの所定の色である画素アレイ部を備える。
本技術の第２の側面の電子機器は、縦２画素×横２画素の４画素を同色の光を受光する同色単位として複数の色のカラーフィルタを配列するとともに、複数の画素で共通に利用する共有画素トランジスタが共有単位内で所定の１画素に集中配置されており、前記共有画素トランジスタが集中配置されている画素のカラーフィルタの色が前記複数の色のうちの所定の色である画素アレイ部を備える固体撮像装置を備える。
本技術の第１及び第２の側面においては、画素アレイ部において、縦２画素×横２画素の４画素を同色の光を受光する同色単位として複数の色のカラーフィルタが配列されるとともに、複数の画素で共通に利用する共有画素トランジスタが共有単位内で所定の１画素に集中配置されており、前記共有画素トランジスタが集中配置されている画素のカラーフィルタの色が前記複数の色のうちの所定の色である。
固体撮像装置及び電子機器は、独立した装置であっても良いし、他の装置に組み込まれるモジュールであっても良い。
本技術の第１及び第２の側面によれば、フォトダイオードの面積をより拡大でき、表面照射型と裏面照射型のいずれにおいても利用可能な構成を実現することができる。
本技術が適用された固体撮像装置の概略構成を示す図である。 従来の共有画素構造の回路図である。 従来の共有画素回路の画素レイアウトを示す図である。 図３を簡略化した概略画素レイアウトを示す図である。 図１の固体撮像装置の共有画素構造の回路図である。 図１の固体撮像装置の共有画素回路の画素レイアウトを示す図である。 図６を簡略化した概略画素レイアウトを示す図である。 図１の固体撮像装置のカラーフィルタの配置例を示す図である。 図１の固体撮像装置のオンチップレンズの形成例を示す図である。 共有画素トランジスタの第１の配置例を示す図である。 共有画素トランジスタの第２の配置例を示す図である。 共有画素トランジスタの第３の配置例を示す図である。 オンチップレンズのその他の形成例を示す図である。 図１３の所定の断面図である。 カラーフィルタの色の組み合わせ例を示す図である。 本技術を適用した電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。
以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．固体撮像装置の概略構成例
２．共有画素構造の従来例
３．本実施の形態の共有画素構造
４．カラーフィルタとオンチップレンズの配置例
５．共有画素トランジスタの第１乃至第３の配置例
６．電子機器の構成例
＜１．固体撮像装置の概略構成例＞
図１は、本技術が適用された固体撮像装置の概略構成を示す図である。
図１の固体撮像装置１は、半導体として例えばシリコン（Si）を用いた半導体基板１２に、画素（画素領域）２が行列状に配列された画素アレイ部３と、その周辺の周辺回路部とを有して構成される。周辺回路部には、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、水平駆動回路６、出力回路７、制御回路８などが含まれる。
画素アレイ部３内の画素２では、画素トランジスタ（いわゆるMOSトランジスタ）の一部を複数の画素２で共有させた、いわゆる共有画素構造が採用されている。具体的には、縦４画素×横２画素（４行２列）の計８画素で、FD(浮遊拡散領域）、選択トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタを共有する構成が採用されている。本実施の形態で採用されている複数画素共有構造の詳細については、図５乃至図７を参照して後述する。
制御回路８は、入力クロックと、動作モードなどを指令するデータを受け取り、また固体撮像装置１の内部情報などのデータを出力する。すなわち、制御回路８では、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、制御回路８は、生成したクロック信号や制御信号を、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６等に出力する。
垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素駆動配線１０を選択し、選択された画素駆動配線１０に画素２を駆動するためのパルスを供給し、行単位で画素２を駆動する。すなわち、垂直駆動回路４は、画素アレイ部３の各画素２を行単位で順次垂直方向に選択走査し、垂直信号線９を通して各画素２の光電変換部において受光量に応じて生成された信号電荷に基づく画素信号をカラム信号処理回路５に供給する。
カラム信号処理回路５は、画素２の列ごとに配置されており、１行分の各画素２から出力される信号を画素列ごとにノイズ除去などの信号処理を行う。例えば、カラム信号処理回路５は、画素固有の固定パターンノイズを除去するためのCDS(Correlated Double Sampling：相関２重サンプリング)およびAD変換等の信号処理を行う。
水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を水平信号線１１に出力させる。
出力回路７は、カラム信号処理回路５の各々から水平信号線１１を通して順次に供給される信号に対し、所定の信号処理を行って出力する。出力回路７は、例えば、バファリングだけする場合もあるし、黒レベル調整、列ばらつき補正、各種デジタル信号処理などが行われる場合もある。入出力端子１３は、外部と信号のやりとりをする。
以上のように構成される固体撮像装置１は、CDS処理とAD変換処理を行うカラム信号処理回路５が画素列ごとに配置されたカラムAD方式と呼ばれるCMOSイメージセンサである。
＜２．共有画素構造の従来例＞
次に、図１の固体撮像装置１で採用されている共有画素構造について説明するが、その前に、図２乃至図４を参照して、従来の共有画素構造について説明する。
図２は、縦４画素×横２画素の計８画素で一部の画素トランジスタを共有させた共有画素構造の従来の回路図を示している。
各画素は、フォトダイオードPDと、フォトダイオードPDに蓄積された電荷を転送する転送トランジスタTGのみを個別に保有している。そして、FD２１、リセットトランジスタ（リセットTr）２２、増幅トランジスタ（増幅Tr）２３、及び選択トランジスタ（選択Tr）２４のそれぞれは、共有単位である８画素で共通に利用される。
なお、以下では、共有単位である８画素で共通に利用されるリセットトランジスタ２２、増幅トランジスタ２３、及び選択トランジスタ２４のそれぞれを、共有画素トランジスタとも称する。また、共有単位内の８画素の各々に配置されたフォトダイオードPDと転送トランジスタTGを区別するため、図２に示されるように、フォトダイオードPD１乃至PD８及び転送トランジスタTG１乃至TG８と称する。
フォトダイオードPD１乃至PD８のそれぞれは、光を受光して光電荷を生成して蓄積する。
転送トランジスタTG１は、信号線TG１Aを介してゲート電極に供給される駆動信号がアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、フォトダイオードPD１に蓄積されている光電荷をFD２１に転送する。転送トランジスタTG２は、信号線TG２Aを介してゲート電極に供給される駆動信号がアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、フォトダイオードPD２に蓄積されている光電荷をFD２１に転送する。転送トランジスタTG３は、信号線TG３Aを介してゲート電極に供給される駆動信号がアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、フォトダイオードPD３に蓄積されている光電荷をFD２１に転送する。転送トランジスタTG４は、信号線TG４Aを介してゲート電極に供給される駆動信号がアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、フォトダイオードPD４に蓄積されている光電荷をFD２１に転送する。フォトダイオードPD５乃至PD８と転送トランジスタTG５乃至TG８についても、フォトダイオードPD１乃至PD４と転送トランジスタTG１乃至TG４と同様に動作する。
FD２１は、フォトダイオードPD１乃至PD８から供給された光電荷を一時保持する。
リセットトランジスタ２２は、信号線RSTを介してゲート電極に供給される駆動信号がアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、FD２１の電位を所定のレベル（リセット電圧VDD）にリセットする。
増幅トランジスタ２３は、ソース電極が選択トランジスタ２４を介して垂直信号線９に接続されることにより、垂直信号線９の一端に接続されている定電流源回路部の負荷MOS（図示せず）とソースフォロワ回路を構成する。
選択トランジスタ２４は、増幅トランジスタ２３のソース電極と垂直信号線９との間に接続されている。選択トランジスタ２４は、信号線SELを介してゲート電極に供給される選択信号がアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態となり、共有単位を選択状態として増幅トランジスタ２３から出力される共有単位内の画素の画素信号を垂直信号線９に出力する。共有単位内の複数の画素は、垂直駆動回路４からの駆動信号に応じて、１画素単位で画素信号を出力することもできるし、複数画素単位で画素信号を同時出力することもできる。
図３は、図２に示した従来の共有画素構造の半導体基板上の画素レイアウトを示している。図３において、図２と対応する部分については同一の符号を付してある。
また、図４は、フォトダイオードPDと共有画素トランジスタのみに着目して、図３の画素レイアウトをさらに簡略化した概略画素レイアウトを示している。
従来の共有画素回路の半導体基板上の画素レイアウトは、図４に示されるように、縦２×横２の配置で画素ごとにフォトダイオードPDを配置し、その下側に、共有画素トランジスタを配置した構成を縦（列方向）に２つ並べたレイアウトとされている。
２つの共有画素トランジスタの配置領域の一方には、例えば、図３に示されるように、増幅トランジスタ２３及び選択トランジスタ２４が配置され、他方には、リセットトランジスタ２２が配置される。
そして、縦２×横２の画素ごとの配置領域には、図３に示されるように、フォトダイオードPDが配置され、２×２のフォトダイオードPDの中央にFD２１が配置されている。FD２１は、上側の２×２のフォトダイオードPDの中央部と、下側の２×２のフォトダイオードPDの中央部の２か所に分かれて配置されている。また、各フォトダイオードPDのFD２１近傍には、画素ごとに設けられている転送トランジスタTG（のゲート電極）が配置されている。
図３の例では、縦に２つ並べたうちの上側にフォトダイオードPD１乃至PD４と増幅トランジスタ２３及び選択トランジスタ２４を配置し、下側にフォトダイオードPD５乃至PD８とリセットトランジスタ２２を配置しているが、共有画素トランジスタの配置方法はこれに限られない。例えば、フォトダイオードPD１乃至PD４の下側にはリセットトランジスタ２２及び増幅トランジスタ２３を配置し、フォトダイオードPD５乃至PD８の下側には選択トランジスタ２４を配置するようにしてもよい。
このように、８画素でリセットトランジスタ２２、増幅トランジスタ２３、及び選択トランジスタ２４を共有する場合、単位画素当たりの画素トランジスタ数は、１１個／８画素＝１．３７５個となる。したがって、共有画素構造によれば、画素ごとにリセットトランジスタ２２、増幅トランジスタ２３、及び選択トランジスタ２４を配置する場合と比べて、単位画素当たりの画素トランジスタ数を少なくすることができる。
しかしながら、図４から明らかなように、従来の共有画素構造によれば、共有画素トランジスタの配置場所を別途確保する必要があるので、その分、各画素のフォトダイオードPDの面積の縮小を招くことになる。また、画素の微細化により、共有画素トランジスタの配置面積自体が縮小されると、増幅トランジスタ２３の面積縮小によるノイズの増加なども懸念される。
＜３．固体撮像装置１の共有画素構造＞
次に、図５乃至図７を参照して、図１の固体撮像装置１で採用されている共有画素構造について説明する。
図５乃至図７は、固体撮像装置１で採用されている共有画素構造を、図２乃至図４と対応させて示した図である。
すなわち、図５は、固体撮像装置１で採用されている共有画素構造の回路図を示している。図６は、図５の共有画素構造の半導体基板１２上の画素レイアウトを示している。図７は、図６の画素レイアウトをさらに簡略化した概略画素レイアウトを示している。
図５乃至図７の説明では、図２乃至図４に示した従来の共有画素構造と異なる部分についてのみ説明し、同一部分については適宜省略する。
図５に示される本実施の形態の共有画素構造の回路図では、図２に示した従来の共有画素構造の回路図と比較すると、共有単位内の８個のフォトダイオードPD及び転送トランジスタTGのうちの一つが省略されている。図５の例では、フォトダイオードPD４と転送トランジスタTG４が省略されている。
そして、図６及び図７に示されるように、本技術の画素レイアウトでは、従来、フォトダイオードPD４と転送トランジスタTG４が配置されていた位置に、共有画素トランジスタの全て、すなわち、リセットトランジスタ２２、増幅トランジスタ２３、及び選択トランジスタ２４が集中配置されている。
本技術の概略画素レイアウトである図７と、従来の概略画素レイアウトである図４とを比較して明らかなように、１画素の領域内に全ての共有画素トランジスタを集中配置したことにより、共有単位内の他の画素のフォトダイオードPDの面積を、より拡大することができる。すなわち、フォトダイオードPDの領域とは別に共有画素トランジスタの配置場所を設ける必要がないので、フォトダイオードPD１乃至PD３とフォトダイオードPD５乃至PD８の面積を、より拡大することができる。
なお、図５乃至図７では、８個のフォトダイオードPD及び転送トランジスタTGのうち、フォトダイオードPD４と転送トランジスタTG４が省略された例について説明した。しかし、省略されるフォトダイオードPD及び転送トランジスタTGは、８個のフォトダイオードPD及び転送トランジスタTGのうちの任意の一つとすることができる。換言すれば、共有画素トランジスタを集中配置させる１画素としては、共有単位領域内の任意の画素を選択することができる。
＜４．カラーフィルタとオンチップレンズの配置例＞
図８は、画素アレイ部３のカラーフィルタの配置例を示している。
画素アレイ部３において、カラーフィルタは、R（Red）、G（Green）、B（Blue）の３色を、R：G:B=1:2:1の比率となるように、R、G（GR）,G(GB),Bのセットで配置する、いわゆるベイヤー配列で配置される。ただし、R、GR、GB、Bの各色は、図８に示されるように、縦２画素×横２画素の４画素単位で配列される。したがって、同色となる縦２画素×横２画素の４画素を同色単位と呼ぶことにすると、固体撮像装置１では、縦方向に隣接する２色の同色単位で、共有単位が構成される。
なお、以下では、Rのカラーフィルタが配置された画素２をR画素、GRのカラーフィルタが配置された画素２をGR画素、GBのカラーフィルタが配置された画素２をGB画素、Bのカラーフィルタが配置された画素をB画素とも称する。また、同色単位の４つのR画素のそれぞれを区別するため、左上のR画素をR１画素、右上のR画素をR２画素、左下のR画素をR３画素、右下のR画素をR４画素と称する。同色単位の４つのGR画素についても同様に、GR１画素、GR２画素、GR３画素、およびGR４画素と称する。GB画素並びにB画素についても同様に、GB１画素、GB２画素、GB３画素、およびGB４画素、並びに、B１画素、B２画素、B３画素、およびB４画素と称する。
図９は、画素アレイ部３におけるオンチップレンズの形成例を示している。
固体撮像装置１では、図９に示されるように、オンチップレンズ（OCL）３１が、画素単位で形成される。
固体撮像装置１では、以上のように、縦２画素×横２画素の４画素単位でカラーフィルタを配列し、画素信号の読み出しは画素ごとに行うようにすることで、１画素当たりのフォトダイオードPDの接合容量を増やしつつ広ダイナミックレンジを実現することができる。
R、GR、GB、Bのカラーフィルタを１画素単位で配置する一般的なベイヤー配列と比較すると、４画素で同色の１画素と認識されることになるが、最近の高解像度の固体撮像装置１においては１画素当たりの面積が十分に小さいため、十分な解像度を得ることができる。
＜５．１ 共有画素トランジスタの第１の配置例＞
図１０は、画素アレイ部３における共有画素トランジスタの第１の配置例を示す図である。
第１の配置例では、図１０に示されるように、縦２画素×横２画素の４画素を同色の光を受光する同色単位として、ベイヤー配列となるようにR、GR、GB、Bのカラーフィルタを配置した各画素２のうち、同色単位内のR画素の１画素とB画素の１画素に、共有画素トランジスタが集中配置されている。
同色単位内の４つのR画素と４つのB画素のうち、どの１画素に共有画素トランジスタを集中配置するかは、ランダムに決定されている。
すなわち、図１０では、Rの同色単位領域として４つのR単位領域４１乃至４４がある。４つのうちの左上のR単位領域４１ではR４画素の位置に共有画素トランジスタが集中配置され、右上のR単位領域４２ではR１画素の位置に共有画素トランジスタが集中配置されている。また、左下のR単位領域４３ではR３画素の位置に共有画素トランジスタが集中配置され、右下のR単位領域４４ではR１画素の位置に共有画素トランジスタが集中配置されている。
一方、Bの同色単位領域としては、図１０では、４つのB単位領域５１乃至５４がある。そして、４つのうちの左上のB単位領域５１ではB１画素の位置に共有画素トランジスタが集中配置され、右上のB単位領域５２ではB２画素の位置に共有画素トランジスタが集中配置されている。また、左下のB単位領域５３ではB３画素の位置に共有画素トランジスタが集中配置され、右下のB単位領域５４ではB１画素の位置に共有画素トランジスタが集中配置されている。
このように、RまたはBの同色単位領域の４画素のうちの所定の１画素に、共有画素トランジスタを集中配置することで、最も画素数の多いG画素では、画素を欠損させることなく、フォトダイオードPDの面積を最大化することができる。一般に、ベイヤー配列では、最も画素数の多いG画素で解像度情報とGの色情報が取得され、画素数の少ないR画素とB画素からは色情報が取得される。この第１の配置例によれば、解像度情報を取得するG画素において画素を欠損させることなくフォトダイオードPDの面積を最大化することができるため、高感度、飽和電荷量の増大を実現することができ、画素特性を向上させることができる。
なお、共有画素トランジスタが集中配置されている画素２のRまたはBの色情報は、R、G、Bの比率がR：G:B=3:8:3であるとして処理することで、同色の残りの３画素の色情報から補間して求めることができる。
＜５．２ 共有画素トランジスタの第２の配置例＞
図１１は、画素アレイ部３における共有画素トランジスタの第２の配置例を示す図である。
第２の配置例では、同色単位内のR画素の１画素とB画素の１画素に、共有画素トランジスタが集中配置される点は、上述した第１の配置例と同様である。
しかしながら、同色単位内のRまたはBの４画素のうち、どの画素に共有画素トランジスタを集中配置するかが所定の規則に従って決定されている点が、第１の配置例と異なる。
第２の配置例では、隣接する４つの同色単位領域で同一の画素位置に共有画素トランジスタが集中配置されている。
すなわち、図１１において、隣接する４つのR単位領域４１乃至４４のいずれにおいても、右下のR４画素の位置に共有画素トランジスタが集中配置されている。また、Bの同色単位領域である４つのB単位領域５１乃至５４についても同様に、隣接する４つのB単位領域５１乃至５４のいずれにおいても、右下のB４画素の位置に、共有画素トランジスタが集中配置されている。
このように、RまたはBの同色単位領域の４画素のなかで同一の画素位置に共有画素トランジスタを集中配置すると、GRの同色単位領域から見た共有画素トランジスタの配置と、GBの同色単位領域から見た共有画素トランジスタの配置が同一となる。これにより、共有画素トランジスタが配置された画素２からの斜め光の入射による影響が、GB画素とGR画素で同一となり、GR画素とGB画素の感度差を最小化することができる。なお、共有画素トランジスタを配置した画素には、可視光を透過させない黒色のフィルタや金属層を配置することで遮光し、入射光の影響をさらに抑制することができる。
特許文献４に開示されているように、R画素、GR画素、GB画素、及びB画素を１画素単位で配置する一般的なベイヤー配列において、例えばB画素の画素位置に共有画素トランジスタを集中配置したとすると、B画素はGR画素に対しては垂直方向に接し、GB画素に対しては水平方向に接することになる。したがって、B画素はGR画素とGB画素とで異なる方向で接することになるため、斜め光の入射によるGR画素とGB画素の感度差が発生しやすくなり、同色のG画素どうしで差が発生し、縞状に見える場合がある。
縦２画素×横２画素の４画素を同色単位としてR画素、GR画素、GB画素、B画素をベイヤー配置させることで、上述したように、GR画素に対する共有画素トランジスタの配置と、GB画素に対する共有画素トランジスタの配置を同一とすることができ、GR画素とGB画素の感度差を最小化することができる。
＜５．３ 共有画素トランジスタの第３の配置例＞
図１２は、画素アレイ部３における共有画素トランジスタの第３の配置例を示す図である。
第３の配置例では、同色単位内のR画素の１画素とB画素の１画素に、共有画素トランジスタが集中配置される点は、上述した第１および第２の配置例と同様である。
しかしながら、同色単位内のRまたはBの４画素のうち、どの画素に共有画素トランジスタを集中配置するかが第２の配置例とは異なる所定の規則に従って決定されている点が、第１および第２の配置例と異なる。
第３の配置例では、隣接する４つの同色単位領域で互いに異なる画素位置に共有画素トランジスタが集中配置されている。
すなわち、図１２において、隣接する４つのR単位領域４１乃至４４のうち、左上のR単位領域４１ではR４画素の位置に共有画素トランジスタが集中配置され、右上のR単位領域４２ではR２画素の位置に共有画素トランジスタが集中配置されている。また、左下のR単位領域４３ではR３画素の位置に共有画素トランジスタが集中配置され、右下のR単位領域４４ではR１画素の位置に共有画素トランジスタが集中配置されている。
換言すれば、隣接する４つのR単位領域４１乃至４４に対して、R１画素の位置、R２画素の位置、R３画素の位置、及びR４画素の位置が、それぞれ１回ずつ、共有画素トランジスタの配置場所として選択されている。
Bの同色単位領域である４つのB単位領域５１乃至５４に対しても同様に、B１画素の位置、B２画素の位置、B３画素の位置、及びB４画素の位置が、それぞれ１回ずつ、共有画素トランジスタの配置場所として選択されている。
すなわち、隣接する４つのB単位領域５１乃至５４のうち、左上のB単位領域５１ではB４画素の位置に共有画素トランジスタが集中配置され、右上のB単位領域５２ではB２画素の位置に共有画素トランジスタが集中配置され、左下のB単位領域５３ではB３画素の位置に共有画素トランジスタが集中配置され、右下のB単位領域５４ではB１画素の位置に共有画素トランジスタが集中配置されている。
このように、共有画素トランジスタを集中配置する位置が、隣接する４つの同色単位領域で互いに異なる画素位置とすることで、受光しない画素の位置がバランス良く均等配置されることから、共有画素トランジスタの影響が線状のように出にくくなり、目立たなくすることができる。また、共有画素トランジスタを集中配置した画素位置の色情報を補間する場合に、隣接する他の同色単位領域の同位置の色情報を参考にすることができるので、補間に有利となる。
以上のように、図１の固体撮像装置１では、縦２画素×横２画素の４画素を同色の光を受光する同色単位としてベイヤー配列となるようにR画素、GR画素、GB画素、およびB画素が配置される。そして、R、GR、GB、およびBそれぞれの同色単位領域のうち、R画素の１画素と、B画素の１画素に、共有画素トランジスタが集中配置される。
これにより、G画素のフォトダイオードPDの面積が最大化されるため、高感度、飽和電荷量の増大を実現することができ、画素特性を向上させることができる。
また、本技術の共有画素トランジスタの配置構成によれば、共有画素トランジスタを配置する画素では、フォトダイオードPDと転送トランジスタTGが省略されるので、裏面照射型または表面照射型のどちらの固体撮像装置にも適用できる。
したがって、本技術の共有画素トランジスタの配置構成によれば、フォトダイオードの面積をより拡大でき、表面照射型と裏面照射型のいずれにおいても利用可能な構成を実現することができる。
また、フォトダイオードPDと転送トランジスタTGを省略した１画素に共有画素トランジスタを集中配置するので、共有画素トランジスタの設計の自由度が上がり、特性の向上を図ることができる。これにより、増幅トランジスタ２３を大型化することも可能となり、ノイズの低減なども期待できる。
＜オンチップレンズのその他の形成例＞
図１３は、画素アレイ部３におけるオンチップレンズのその他の形成例を示している。図１３では、信号線の図示を省略した画素レイアウトに、オンチップレンズが重畳表示されている。
図９に示した最初の例では、画素２ごとにオンチップレンズ３１が形成されていたが、図１３の例では、同色単位である４画素で一つのオンチップレンズ６１が形成されている。
このように、同色単位の４画素で一つのオンチップレンズ６１とする構成は、表面照射型と裏面照射型のいずれの固体撮像装置でも採用することができる。ただし、表面照射型で構成した場合には、共有画素トランジスタが配置されている画素については遮光する必要がある。
一方、このような同色単位の４画素で一つのオンチップレンズ６１とする構成を、裏面照射型の固体撮像装置に採用した場合には、遮光する必要もなく、さらに、図１４に示すように、同色単位の４画素のフォトダイオードPDの不純物領域６２Aを、光入射面側の領域で接続する構成とすることができる。
図１４Aは、図１３のA-A’線の断面図を示しており、図１４Bは、図１３のB-B’線の断面図を示している。
図１４Aに示されるように、共有画素トランジスタが配置されている画素２のシリコン層６２では、フォトダイオードPD３の不純物領域６２Aが、リセットトランジスタ２２のソース／ドレイン領域が形成された層の下側にまで延長して形成されている。
また、図１４Bに示されるように、シリコン層６２に形成されたフォトダイオードPD５とフォトダイオードPD６の不純物領域６２Aも、カラーフィルタ６３およびオンチップレンズ６１に近い裏面側の領域で相互に接続されている。
また図示は省略するが、縦方向のフォトダイオードPDどうし（例えば、PD１とPD３など）の不純物領域６２Aも、カラーフィルタ６３およびオンチップレンズ６１に近い裏面側の領域で相互に接続されている。
図１３のように同色単位の４画素で一つのオンチップレンズ６１を形成した場合には、同色単位の４画素のフォトダイオードPDの不純物領域６２Aを、シリコン層６２のカラーフィルタ６３およびオンチップレンズ６１に近い裏面側で相互に接続することにより、フォトダイオードPDの開口領域を拡大することができ、受光感度をさらに向上させることができる。
＜変形例＞
上述した例では、同色単位でベイヤー配列されたR画素、GR画素、GB画素、およびB画素のうち、R画素とB画素に、全ての共有画素トランジスタを集中配置する例について説明したが、GR画素とGB画素に、全ての共有画素トランジスタを集中配置するようにしてもよい。
すなわち、本技術の共有画素トランジスタの配置構成は、同色単位でベイヤー配列されたR画素、GR画素、GB画素、およびB画素のうち、少なくとも一色の画素に、全ての共有画素トランジスタを集中配置する構成とすることができる。
また、本技術の共有画素トランジスタの配置構成は、どのような色のカラーフィルタの組み合わせに対しても適用できる。上述したR、GR、GB、Bの組み合わせに限らず、例えば、図１５に示されるような、R(Red)、W(White)、G(Green)、B(Blue)の組み合わせなどでもよい。図１５に示されるR、W、G、Bの組み合わせで配列した場合も、上述した例と同様に、例えば、R画素とB画素の１画素に全ての共有画素トランジスタを集中配置することができる。
＜６．電子機器の構成例＞
本技術は、固体撮像装置への適用に限られるものではない。即ち、本技術は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像装置を用いる複写機など、画像取込部（光電変換部）に固体撮像装置を用いる電子機器全般に対して適用可能である。固体撮像装置は、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
図１６は、本技術を適用した電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。
図１６の撮像装置１００は、レンズ群などからなる光学部１０１、図１の固体撮像装置１の構成が採用される固体撮像装置（撮像デバイス）１０２、およびカメラ信号処理回路であるDSP(Digital Signal Processor)回路１０３を備える。また、撮像装置１００は、フレームメモリ１０４、表示部１０５、記録部１０６、操作部１０７、および電源部１０８も備える。DSP回路１０３、フレームメモリ１０４、表示部１０５、記録部１０６、操作部１０７および電源部１０８は、バスライン１０９を介して相互に接続されている。
光学部１０１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで固体撮像装置１０２の撮像面上に結像する。固体撮像装置１０２は、光学部１０１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この固体撮像装置１０２として、図１の固体撮像装置１、即ち、縦２画素×横２画素の４画素を同色の光を受光する同色単位として複数の色のカラーフィルタを配列するとともに、共有画素構造を有し、共有単位内の所定の１画素に共有画素トランジスタを集中配置させた固体撮像装置を用いることができる。
表示部１０５は、例えば、液晶パネルや有機ＥＬ(Electro Luminescence)パネル等のパネル型表示装置からなり、固体撮像装置１０２で撮像された動画または静止画を表示する。記録部１０６は、固体撮像装置１０２で撮像された動画または静止画を、ハードディスクや半導体メモリ等の記録媒体に記録する。
操作部１０７は、ユーザによる操作の下に、撮像装置１００が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源部１０８は、DSP回路１０３、フレームメモリ１０４、表示部１０５、記録部１０６および操作部１０７の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
上述したように、固体撮像装置１０２として、上述した実施の形態に係る固体撮像装置１を用いることで、フォトダイオードPDの面積を拡大させ、高感度を実現することができる。従って、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置１００においても、撮像画像の高画質化を図ることができる。
また、本技術は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像装置への適用に限らず、赤外線やＸ線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像装置や、広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像装置（物理量分布検知装置）全般に対して適用可能である。
本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
縦２画素×横２画素の４画素を同色の光を受光する同色単位として複数の色のカラーフィルタを配列するとともに、複数の画素で共通に利用する共有画素トランジスタが共有単位内で所定の１画素に集中配置されており、前記共有画素トランジスタが集中配置されている画素のカラーフィルタの色が前記複数の色のうちの所定の色である画素アレイ部を備える
固体撮像装置。
（２）
前記複数の色は、R、G、およびBであり、
前記複数の色のカラーフィルタは、ベイヤー配列で配列されている
前記（１）に記載の固体撮像装置。
（３）
前記共有単位は、隣接する２色の前記同色単位からなる８画素である
前記（１）または（２）に記載の固体撮像装置。
（４）
前記共有画素トランジスタは、RまたはBの１画素に集中配置されている
前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（５）
前記共有画素トランジスタが集中配置されている前記１画素の位置は、前記画素アレイ部の前記所定の色の前記同色単位内でランダムな位置である
前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（６）
前記共有画素トランジスタが集中配置されている前記１画素の位置は、前記画素アレイ部の前記所定の色の隣接する４つの前記同色単位の領域で同一の画素位置である
前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（７）
前記共有画素トランジスタが集中配置されている前記１画素の位置は、前記画素アレイ部の前記所定の色の隣接する４つの前記同色単位の領域で互いに異なる画素位置である
前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（８）
前記共有画素トランジスタは、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、および選択トランジスタである
前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（９）
裏面照射型である
前記（１）乃至（８）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（１０）
前記共有画素トランジスタが集中配置されている前記１画素にも、フォトダイオードの不純物領域が形成されている
前記（９）に記載の固体撮像装置。
（１１）
前記同色単位で一つのオンチップレンズが形成されている
前記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（１２）
前記同色単位の４画素のフォトダイオードの不純物領域が接続されている
前記（１）乃至（１１）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（１３）
前記複数の色は、W、R、G、Bのいずれかである
前記（１）乃至（１２）のいずれかに記載の固体撮像装置。
（１４）
縦２画素×横２画素の４画素を同色の光を受光する同色単位として複数の色のカラーフィルタを配列するとともに、複数の画素で共通に利用する共有画素トランジスタが共有単位内で所定の１画素に集中配置されており、前記共有画素トランジスタが集中配置されている画素のカラーフィルタの色が前記複数の色のうちの所定の色である画素アレイ部を備える固体撮像装置
を備える電子機器。
１ 固体撮像装置， ２ 画素， ３ 画素アレイ部， PD１乃至PD８ フォトダイオード， TG１乃至TG２ 転送トランジスタ， ２１ FD， ２２ リセットトランジスタ， ２３ 増幅トランジスタ， ２４ 選択トランジスタ， ３１ オンチップレンズ， ４１乃至４４ R単位領域， ５１乃至５４ B単位領域， ６１ オンチップレンズ， １００ 撮像装置， １０２ 固体撮像装置

Claims (14)

  1. 縦２画素×横２画素の４画素を同色の光を受光する同色単位として複数の色のカラーフィルタを配列するとともに、複数の画素で共通に利用する共有画素トランジスタが共有単位内で所定の１画素に集中配置されており、前記共有画素トランジスタが集中配置されている画素のカラーフィルタの色が前記複数の色のうちの所定の色である画素アレイ部を備える
    固体撮像装置。
  2. 前記複数の色は、R、G、およびBであり、
    前記複数の色のカラーフィルタは、ベイヤー配列で配列されている
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記共有単位は、隣接する２色の前記同色単位からなる８画素である
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  4. 前記共有画素トランジスタは、RまたはBの１画素に集中配置されている
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  5. 前記共有画素トランジスタが集中配置されている前記１画素の位置は、前記画素アレイ部の前記所定の色の前記同色単位内でランダムな位置である
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  6. 前記共有画素トランジスタが集中配置されている前記１画素の位置は、前記画素アレイ部の前記所定の色の隣接する４つの前記同色単位の領域で同一の画素位置である
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  7. 前記共有画素トランジスタが集中配置されている前記１画素の位置は、前記画素アレイ部の前記所定の色の隣接する４つの前記同色単位の領域で互いに異なる画素位置である
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  8. 前記共有画素トランジスタは、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、および選択トランジスタである
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  9. 裏面照射型である
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  10. 前記共有画素トランジスタが集中配置されている前記１画素にも、フォトダイオードの不純物領域が形成されている
    請求項９に記載の固体撮像装置。
  11. 前記同色単位で一つのオンチップレンズが形成されている
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  12. 前記同色単位の４画素のフォトダイオードの不純物領域が接続されている
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  13. 前記複数の色は、W、R、G、Bのいずれかである
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  14. 縦２画素×横２画素の４画素を同色の光を受光する同色単位として複数の色のカラーフィルタを配列するとともに、複数の画素で共通に利用する共有画素トランジスタが共有単位内で所定の１画素に集中配置されており、前記共有画素トランジスタが集中配置されている画素のカラーフィルタの色が前記複数の色のうちの所定の色である画素アレイ部を備える固体撮像装置
    を備える電子機器。
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