JP2011159758A - 固体撮像装置とその製造方法、並びに電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】画素の微細化が進む固体撮像素子において、より光電変換効率の向上を図る。
【解決手段】光電変換部PDと画素トランジスタからなる画素が2次元配列された画素領域を有する。画素において、フローティングディフージョン構成部の不純物拡散領域FDと、上面から見て不純物拡散領域FDの一部が入り込む凹み部45を有する画素トランジスタのゲート電極34とを有する。
【選択図】図7
【解決手段】光電変換部PDと画素トランジスタからなる画素が2次元配列された画素領域を有する。画素において、フローティングディフージョン構成部の不純物拡散領域FDと、上面から見て不純物拡散領域FDの一部が入り込む凹み部45を有する画素トランジスタのゲート電極34とを有する。
【選択図】図7
Description
本発明は、CMOS型の固体撮像装置とその製造方法、並びにこの固体撮像装置を備えて例えばカメラ等に適用される電子機器に関する。
固体撮像装置として、CMOS固体撮像装置が知られている。CMOS固体撮像装置は、電源電圧が低く、低消費電力のため、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、さらにカメラ付き携帯電話などの各種携帯端末機器、プリンター等に使用されている。
CMOS固体撮像装置では、画素の微細化と共に、微細化に伴う微弱な信号電荷でも効率よく電圧へ変換すること、つまり高感度化も同時に求められている。変換効率を決めるのは、フローティングディフージョン領域FD含むフローティングディフージョン構成部(FD構成部)の構造である。フローティングディフージョン構成部の容量(以下、FD容量という)が小さければ、それだけ変換効率は大きくなり、微弱な信号電荷でも大きな電圧として取り出すことができる。
FD容量を決める主要素は、次のa),b),c)、d)で示す容量である。即ち、a)配線容量、b)FD構成部の不純拡散物領域の面積(FD面積)、c)ゲート電極とFD構成部の不純物拡散領域間のフリンジ容量(ゲート・FDフリンジ容量)、d)FD構成部の不純物拡散領域と素子分離領域間の容量((素子分離容量)である。FD構成部の不純物拡散領域、例えばフローティングディフージョン領域に接する転送ゲート電極、リセットゲート電極の数や、その周辺レイアウトは、上記b),c)、d)の容量に直接効いてくるため、変換効率へ与える影響も大きい。
図42、図43に、従来の画素トランジスタを4トランジスタ型としたCMOS固体撮像装置の画素の等価回路、及び画素のレイアウトを示す。画素は、1つの光電変換部となるフォトダイオードPDと、転送トランジスタTr1,リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4からなる4トランジスタとにより構成される。画素201の等価回路は、図42に示すように、フォトダイオードPDが転送トランジスタTr1に接続され、転送トランジスタTr1がリセットトランジスタTr2に直列に接続される。転送トランジスタTr2とリセットトランジスタTr2との接続中点、いわゆるフローティングディフージョンFDが増幅トランジスタTr3のゲートに接続される。リセットトランジスタTr2のドレインと増幅トランジスタTr3のドレインが電源(Vdd)配線203に接続され、増幅トランジスタTr3のソースが選択トランジスタTr4を介して垂直信号線202に接続される。転送トランジスタTr1のゲートに転送パルスφTGが印加され、リセットトランジスタTr2のゲートにリセットパルスφRSが印加され、選択トランジスタTr4に選択パルスφSELが印加される。破線で示す領域104が、フローティングディフージョン構成部となる。
画素201は、図43に示すように、フォトダイオードPDと、転送トランジスタTr1と、フローティングディフージョン領域FDと、リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4を有して構成される。フォトダイオードPDは、転送トランジスタTr1の転送ゲート電極205を介して不純物拡散領域であるフローティングディフージョン領域FDに接続される。リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4は、直列接続されて、フォトダイオードPD及びフローティングディフージョン領域FDから素子分離領域206を介して分離配置される。
リセットトランジスタTr2は、不純物拡散領域208及び209をソース領域及びドレイン領域とし、リセットゲート電極212を有して形成される。増幅トランジスタTr3は、不純物拡散領域209及び210をドレイン領域及びソース領域とし、増幅ゲート電極213を有して形成される。選択トランジスタTr4は、不純物拡散領域210及び211をドレイン領域及びソース領域とし、選択ゲート電極214を有して形成される。
フローティングディフージョン領域FDは、配線215によりリセットトランジスタTr2のソース領域である不純物拡散領域208と、増幅ゲート電極213に接続される。216はコンタクト部を示す。不純物拡散領域209のコンタクト部216は電源配線203に接続される。不純物拡散領域211のコンタクト部216は垂直信号線202に接続される。そして、破線で囲われた領域、すなわちフローティングゲート領域FD、リセットトランジスタTr2のソース領域となる不純物拡散領域208及び増幅ゲート電極213を含む領域204が、フローティングディフージョン構成部となる。
特許文献1には、フローティングディフージョン領域FDに2つの転送ゲート電極と1つのリセットゲート電極の計3つゲート電極を接するようなレイアウトにして、変換効率の向上を図った画素共有のMOS固体撮像装置が開示されている。
上述の従来技術では、変換効率を向上するためにフローティングディフージョン構成部の不純物拡散領域の面積(いわゆるFD面積)を最小にするという観点から、その不純物拡散領域の最小化、共有化が検討されている。
本発明は、上述の点に鑑み、画素の微細化が進む固体撮像素子において、より光電変換効率の向上を図った固体撮像装置を提供するものである。
本発明は、上記固体撮像装置を備えて例えばカメラ等に適用される電子機器を提供するものである。
本発明は、上記固体撮像装置を備えて例えばカメラ等に適用される電子機器を提供するものである。
本発明に係る固体撮像装置は、光電変換部と画素トランジスタからなる画素が2次元配列された画素領域を有する。画素においては、フローティングディフージョン構成部の不純物拡散領域と、上面から見て、不純物拡散領域の一部が入り込む凹み部を有する画素トランジスタのゲート電極とを有する。
本発明の固体撮像装置では、上面から見て、画素トランジスタのゲート電極に凹み部を有し、フローティングディフージョン構成部の不純物拡散領域の一部をゲート電極の凹み部へ入り込むように構成されるのでトータルのFD容量が低減する。
本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、半導体基板の、光電変換部と画素トランジスタからなる画素が2次元配列される画素領域を形成すべき領域上に、ゲート絶縁膜を介して上面から見て凹み部を有する画素トランジスタのゲート電極を形成する工程を有する。次いで、ゲート電極の側面のサイドウォールを形成する工程を有する。次いで、ゲート電極及びサイドウォールをマスクにしてセルフアラインにて半導体基板に、上面から見て一部が前記ゲート電極の凹み部へ入り込むようにフローティングディフージョン構成部の不純物拡散領域を形成する工程を有する。
本発明の固体撮像装置の製造方法では、上面から見て凹み部を有するゲート電極を形成し、ゲート電極にサイドウォールを形成し、ゲート電極及びサイドウォールをマスクにセツフアラインにてフローティングディフージョン構成部の不純物拡散領域を形成している。このような工程を有することにより、ゲート電極の凹み部に一部が入り込んだ上記不純物拡散領域を精度よく形成することができ、トータルのFD容量が低減する。
本発明に係る電子機器は、固体撮像装置と、固体撮像装置の光電変換部に入射光を導く光学系と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを備える。
固体撮像装置は、光電変換部と画素トランジスタからなる画素が2次元配列された画素領域を有する。画素においては、フローティングディフージョン構成部の不純物拡散領域と、上面から見て、不純物拡散領域の一部が入り込む凹み部を有する画素トランジスタのゲート電極とを有する。
固体撮像装置は、光電変換部と画素トランジスタからなる画素が2次元配列された画素領域を有する。画素においては、フローティングディフージョン構成部の不純物拡散領域と、上面から見て、不純物拡散領域の一部が入り込む凹み部を有する画素トランジスタのゲート電極とを有する。
本発明の電子機器では、固体撮像装置において、上面から見て画素トランジスタのゲート電極に凹み部を有し、フローティングディフージョン構成部の不純物拡散領域の一部をゲート電極の凹み部へ入り込むように構成される。この構成とすることにより、固体撮像装置におけるトータルのFD容量が低減する。
本発明に係る固体撮像装置及びその製造方法によれば、画素の微細化が進む固体撮像素子においても、より光電変換効率の向上を図った固体撮像装置を提供することができる。
本発明に係る電子機器によれば、上記本発明の固体撮像装置を備えることにより、光電変換効率の向上が図られ、高感度化、高画質化が図られ、信頼性の高い電子機器を提供することができる。
以下、発明を実施するための形態(以下実施の形態とする)について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.MOS固体撮像装置の概略構成例
2.本発明のメカニズムの概要
3.第1実施の形態(固体撮像装置の構成例)
4.第2実施の形態(固体撮像装置の構成例)
5.第3実施の形態(固体撮像装置の構成例)
6.第4実施の形態(固体撮像装置の構成例)
7.第5実施の形態(固体撮像装置の構成例)
8.第6実施の形態(固体撮像装置の構成例)
9.第7実施の形態(固体撮像装置の構成例)
10.第8実施の形態(固体撮像装置の構成例)
11.第9実施の形態(固体撮像装置の構成例)
12.第10実施の形態(固体撮像装置の構成例)
13.第11実施の形態(固体撮像装置の構成例)
14.第12実施の形態(固体撮像装置の製造方法例)
15.第13実施の形態(電子機器の構成例)
1.MOS固体撮像装置の概略構成例
2.本発明のメカニズムの概要
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13.第11実施の形態(固体撮像装置の構成例)
14.第12実施の形態(固体撮像装置の製造方法例)
15.第13実施の形態(電子機器の構成例)
<1.CMOS固体撮像装置の概略構成例>
図1に、本発明の各実施の形態に適用されるMOS固体撮像装置の一例の概略構成を示す。本例の固体撮像装置1は、図1に示すように、半導体基板11例えばシリコン基板に光電変換部を含む複数の画素2が規則的に2次元的に配列された画素領域(いわゆる撮像領域)3と、周辺回路部とを有して構成される。画素2としては、1つの光電変換部と複数の画素トランジスタからなる単位画素を適用することができる。また、画素2としては、複数の光電変換部で転送トランジスタを除く他の画素トランジスタを共有するいわゆる画素共有の構造を適用することができる。複数の画素トランジスタは、例えば、転送トランジスタ、リセットトランジスタ及び増幅トランジスタの3トランジスタ、あるいは選択トランジスタを追加した4トランジスタで構成することができる。
図1に、本発明の各実施の形態に適用されるMOS固体撮像装置の一例の概略構成を示す。本例の固体撮像装置1は、図1に示すように、半導体基板11例えばシリコン基板に光電変換部を含む複数の画素2が規則的に2次元的に配列された画素領域(いわゆる撮像領域)3と、周辺回路部とを有して構成される。画素2としては、1つの光電変換部と複数の画素トランジスタからなる単位画素を適用することができる。また、画素2としては、複数の光電変換部で転送トランジスタを除く他の画素トランジスタを共有するいわゆる画素共有の構造を適用することができる。複数の画素トランジスタは、例えば、転送トランジスタ、リセットトランジスタ及び増幅トランジスタの3トランジスタ、あるいは選択トランジスタを追加した4トランジスタで構成することができる。
周辺回路部は、垂直駆動回路4と、カラム信号処理回路5と、水平駆動回路6と、出力回路7と、制御回路8などを有して構成される。
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、これらの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等に入力する。
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、画素駆動配線を選択し、選択された画素駆動配線に画素を駆動するためのパルスを供給し、行単位で画素を駆動する。すなわち、垂直駆動回路4は、画素領域3の各画素2を行単位で順次垂直方向に選択走する。そして、垂直信号線9を通して各画素2の光電変換素子となる例えばフォトダイオードにおいて受光量に応じて生成した信号電荷に基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の例えば列ごとに配置されており、1行分の画素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。すなわちカラム信号処理回路5は、画素2固有の固定パターンノイズを除去するためのCDSや、信号増幅、AD変換等の信号処理を行う。カラム信号処理回路5の出力段には水平選択スイッチ(図示せず)が水平信号線10との間に接続されて設けられる。
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10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10を通して順次に供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。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12は、外部と信号のやりとりをする。
表面照射型のCMOS固体撮像装置は、図示しないが、半導体基板の画素領域に対応した第1導電型、例えばp型の半導体ウェル領域に、光電変換部となるフォトダイオードPDと、複数の画素トランジスタからなる複数の画素が形成される。各画素は、素子分離領域で区画される。半導体基板の表面側の上方には、フォトダイオードPD上を除き、層間絶縁膜を介して複数層の配線を有する多層配線層が形成され、多層配線層上に平坦化膜を介してカラーフィルタ及びオンチップレンズが積層形成される。光は、オンチップレンズを通して半導体基板の表面側よりフォトダイオードに照射される。
裏面照射型のCMOS固体撮像装置は、図示しないが、薄膜化された半導体基板、すなわち第1導電型であるp型半導体ウェル領域で形成された半導体基板に、光電変換部となるフォトダイオードPDと、複数の画素トランジスタからなる複数の画素が形成される。各画素は素子分離領域で区画される。半導体基板の方面側の上方には、層間絶縁膜を介して複数層の配線を有する多層配線層が形成され、その上に例えば半導体基板による支持基板が接合される。配線は、配置の制限がなく、フォトダイオードPD上にも形成される。半導体基板の裏面側にカラーフィルタ及びオンチップレンズが積層形成される。光は、オンチップレンズを通して半導体基板の裏面側よりフォトダイオードに照射される。
<2.本発明のメカニズムの概要>
接続配線を除くフローティングディフージョン構成部のFD容量は、次のように表される。尚、フローティングディフージョン構成部は、図43で説明した様に、フローティングディフージョン領域FDやリセットトランジスタのソース領域などの不純物拡散領域と、転送ゲート電極、リセットゲート電極及び増幅ゲーと電極などのゲート電極とを含む。
FD容量=FD面積成分+ゲート・FDフリンジ容量成分+素子分離容量成分
従来は、このうちFD面積成分のみに着目して光電変換効率の向上が検討されてきた。本発明は、変換効率をさらに向上させるために、ゲート電極形状をFD構成部の不純物拡散領域におけるコンタクト部に対して最短距離にまで近づけていき、FD容量の全体の最適化を図るようにしている。ゲート電極形状を従来の形から変形することで、ゲート・FDフリンジ容量が増加してもFD面積、素子分離容量の2つが減少するため、変換効率はゲート電極形状変化後の方が大きくなる。
接続配線を除くフローティングディフージョン構成部のFD容量は、次のように表される。尚、フローティングディフージョン構成部は、図43で説明した様に、フローティングディフージョン領域FDやリセットトランジスタのソース領域などの不純物拡散領域と、転送ゲート電極、リセットゲート電極及び増幅ゲーと電極などのゲート電極とを含む。
FD容量=FD面積成分+ゲート・FDフリンジ容量成分+素子分離容量成分
従来は、このうちFD面積成分のみに着目して光電変換効率の向上が検討されてきた。本発明は、変換効率をさらに向上させるために、ゲート電極形状をFD構成部の不純物拡散領域におけるコンタクト部に対して最短距離にまで近づけていき、FD容量の全体の最適化を図るようにしている。ゲート電極形状を従来の形から変形することで、ゲート・FDフリンジ容量が増加してもFD面積、素子分離容量の2つが減少するため、変換効率はゲート電極形状変化後の方が大きくなる。
図2、図3を用いて上記のゲート電極形状を変化させることにより、FD容量が低減するメカニズムを詳述する。図2、図3はゲート電極の数が1つの場合を例にとる。この傾向は、後述するゲート電極の数が2つ、3つ、4つの場合においても同様である。
この例では、理解を容易にするため、FD構成部の不純物拡散領域をフローティングディフージョン領域とし、FD構成部のゲート電極を転送ゲート電極として説明する。但し、FD構成部の不純物拡散領域は、フローティングディフージョン領域以外のリセットトランジスタのソース領域などを含む。ゲート電極は、リセットゲート電極などを含む。
図2Aは、従来のフローティングディフージョン領域FD11と転送ゲート電極TG11の構成を示す。上面から見て、フローティングディフージョン領域FD11は、四角形状に形成され、その一辺が四角形状の転送ゲート電極TG11のサイドウォール13の一辺に接するように配置される。
図2Bは、比較例のフローティングディフージョン領域FD12と転送ゲート電極TG12の構成を示す。上面から見て、転送ゲート電極TG12は、一辺に浅い凹み部15を有する四角形状に形成され、この凹み部15に一部が入り込むようにフローティングディフージョン領域FD13が配置される。この例では、転送ゲート電極TG13の凹み部15が円弧状をなし、フローティングディフージョン領域FD12が四角形の一辺が凹み部15に入る円弧部となる形状に形成される。14はサイドウォールを示す。
図2Cは、本発明のフローティングディフージョン領域FD12と転送ゲート電極TG13の構成を示す。上面から見て、転送ゲート電極TG12は、一辺に図2Bより深い凹み部15を有する四角形状に形成され、この凹み部15に一部が入り込むようにフローティングディフージョン領域FD13が配置される。この例では、転送ゲート電極TG13の凹み部15が円弧状をなし、フローティングディフージョン領域FD13が四角形の一辺が凹み部15に入る円弧部となる形状に形成される。つまり、本発明では、転送ゲート電極TG13の一部がフローティングディフージョン領域FD12の円弧部を囲むように延長して形成される。14はサイドウォールを示す。
図2Aは、従来のフローティングディフージョン領域FD11と転送ゲート電極TG11の構成を示す。上面から見て、フローティングディフージョン領域FD11は、四角形状に形成され、その一辺が四角形状の転送ゲート電極TG11のサイドウォール13の一辺に接するように配置される。
図2Bは、比較例のフローティングディフージョン領域FD12と転送ゲート電極TG12の構成を示す。上面から見て、転送ゲート電極TG12は、一辺に浅い凹み部15を有する四角形状に形成され、この凹み部15に一部が入り込むようにフローティングディフージョン領域FD13が配置される。この例では、転送ゲート電極TG13の凹み部15が円弧状をなし、フローティングディフージョン領域FD12が四角形の一辺が凹み部15に入る円弧部となる形状に形成される。14はサイドウォールを示す。
図2Cは、本発明のフローティングディフージョン領域FD12と転送ゲート電極TG13の構成を示す。上面から見て、転送ゲート電極TG12は、一辺に図2Bより深い凹み部15を有する四角形状に形成され、この凹み部15に一部が入り込むようにフローティングディフージョン領域FD13が配置される。この例では、転送ゲート電極TG13の凹み部15が円弧状をなし、フローティングディフージョン領域FD13が四角形の一辺が凹み部15に入る円弧部となる形状に形成される。つまり、本発明では、転送ゲート電極TG13の一部がフローティングディフージョン領域FD12の円弧部を囲むように延長して形成される。14はサイドウォールを示す。
従来例構造と比較例構造と本発明構造を比較する、本発明のフローティングディフージョン領域FD13のコンタクト部17の位置は、従来例のフローティングディフージョン領域FD11のコンタクト部16の位置に比べて、転送ゲート電極に近づいている。また、本発明のフローティングディフージョン領域FD13のコンタクト部17の位置は、比較例のフローティングディフージョン領域FD12のコンタクト部17の位置に比べて、転送ゲート電極に近づいている。
そして、図3に、本発明の転送ゲート電極の延長距離Lに対するFD容量の変化を、従来構造のFD容量と比較して示す。縦軸はFD容量、横軸は転送ゲート電極の延長距離Lである。図3において、曲線IはトータルのFD容量、曲線IIは素子分離容量成分、曲線IIIはFD面積成分、曲線IVはゲート・FDフリンジ容量成分を示す。素子分離容量成分は、距離Lが伸びるほど低下する。FD面積成分は、距離Lが延び下記臨界点aまで低下し、臨界点aを過ぎるころから略一定となる。逆にゲート・FDフリンジ容量成分は、距離Lが伸びるほど増加する。
図3から明らかなように、転送ゲート電極の延長距離Lを延ばしていくと、トータルのFD容量に臨界点a、つまり最小値が存在することが判明した。
図3から明らかなように、転送ゲート電極の延長距離Lを延ばしていくと、トータルのFD容量に臨界点a、つまり最小値が存在することが判明した。
図2Dに、本発明の他の構成を示す。この例は、フローティングディフージョン領域FD14を、図2Aのフローティングディフージョン領域FD11と幾何学的に合同にして、転送ゲート電極TG4の凹み部18内に入り込ませて構成される。FD面積成分は従来構成と同じであるが、素子分離容量成分は距離Lが伸びるほど低下し、ゲート・FDフリンジ容量成分は、距離Lが伸びるほど増加する。この例のように素子分離容量成分が支配的に寄与する場合にも、転送ゲート電極の延長距離Lを延ばしていくと、トータルのFD容量に臨界点b、つまり最小値が存在することになる。これは、素子分離容量成分がゲート・FDフリンジ容量成分よりも大きいときに効果的であり、特に、素子分離領域を、不純物拡散領域による拡散素子分離で形成するときの方が、絶縁分離の場合より効果が大きい。
本発明では、ゲート電極に凹み部を形成し、この凹み部にFD構成部の不純物拡散領域の一部を入り込ませた構成とすることにより、トータルのFD容量を減少させることができ、変換効率が向上する。一方、ゲート・FDフリンジ容量を増加させることができるため、フォトダイオードPDからフローティングディフージョン領域FDへの電荷転送時や電荷リセット時の電圧変調度が大きくなり、信号のダイナミックレンジが拡大する。
図4に、本発明の実施の形態に係る、FD構成部の不純物拡散領域とこれに隣接するゲート電極の形状の上面から見た構成例を示す。
図4Aの構成は、不純物拡散領域22が四角形の一辺を円弧状、例えば半円状に膨出した形状に形成され、ゲート電極23が四角形の一辺に不純物拡散領域22の膨出部を入り込ませる円弧状、例えば半円状の凹み部24を有する形状に形成される。23はコンタクト部を示す。
図4Bの構成は、不純物拡散領域22が円形状に形成され、ゲート電極23が四角形の一辺に円形状の不純物拡散領域22の一部を入り込ませる円弧状、例えば半円状の凹み部24を有する形状に形成される。
図4Cの構成は、不純物拡散領域22が多角形、例えば正八角形に形成され、ゲート電極23が四角形の一辺に正八角形の不純物拡散領域22の一部を入り込ませる凹み部24を有した形状に形成される。
図4Dの構成は、不純物拡散領域22が四角形状に形成され、ゲート電極23が四角形状の不純物拡散領域22の一部を入り込ませる四角形状の凹み部24を有する形状に形成される。
図4Eの構成は、不純物拡散領域22が四角形状に形成され、ゲート電極23が四角形状の不純物拡散領域22の一部を入り込ませる三角形状の凹み部24を有する形状に形成される。
FD容量はフローティングディフージョン領域FDの面積及び外周長が要因となるため、デザインルールが許す範囲で、不純物拡散領域22中に形成されたコンタクト部26から不純物拡散領域22端までの距離を最小にすることが望ましい。また、同様の理由で不純物拡散領域22の形状は円形状に近い方が望ましい。しかしながら、現実の製造プロセスでは不純物拡散領域22を円形に形成することは難しい。本明細書で言う「円形状」とは、円形状を形成する意図を持って、不純物拡散領域22に形成されたコンタクト部26から不純物拡散領域22端の距離が複数個所或いは複数面において最短距離になるように形成した場合も含むものである。本明細書で言う「円弧状」についても同様である。
図4Aの構成は、不純物拡散領域22が四角形の一辺を円弧状、例えば半円状に膨出した形状に形成され、ゲート電極23が四角形の一辺に不純物拡散領域22の膨出部を入り込ませる円弧状、例えば半円状の凹み部24を有する形状に形成される。23はコンタクト部を示す。
図4Bの構成は、不純物拡散領域22が円形状に形成され、ゲート電極23が四角形の一辺に円形状の不純物拡散領域22の一部を入り込ませる円弧状、例えば半円状の凹み部24を有する形状に形成される。
図4Cの構成は、不純物拡散領域22が多角形、例えば正八角形に形成され、ゲート電極23が四角形の一辺に正八角形の不純物拡散領域22の一部を入り込ませる凹み部24を有した形状に形成される。
図4Dの構成は、不純物拡散領域22が四角形状に形成され、ゲート電極23が四角形状の不純物拡散領域22の一部を入り込ませる四角形状の凹み部24を有する形状に形成される。
図4Eの構成は、不純物拡散領域22が四角形状に形成され、ゲート電極23が四角形状の不純物拡散領域22の一部を入り込ませる三角形状の凹み部24を有する形状に形成される。
FD容量はフローティングディフージョン領域FDの面積及び外周長が要因となるため、デザインルールが許す範囲で、不純物拡散領域22中に形成されたコンタクト部26から不純物拡散領域22端までの距離を最小にすることが望ましい。また、同様の理由で不純物拡散領域22の形状は円形状に近い方が望ましい。しかしながら、現実の製造プロセスでは不純物拡散領域22を円形に形成することは難しい。本明細書で言う「円形状」とは、円形状を形成する意図を持って、不純物拡散領域22に形成されたコンタクト部26から不純物拡散領域22端の距離が複数個所或いは複数面において最短距離になるように形成した場合も含むものである。本明細書で言う「円弧状」についても同様である。
<3.第1実施の形態>
[固体撮像装置の構成例]
図7に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第1実施の形態を示す。図7は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図5に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して1つのゲート電極が隣接する実施の形態(1)であり、単位画素での転送ゲート電極、リセットゲート電極のそれぞれに図5の構造を適用している。本実施の形態を、図6に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して1つのゲート電極が隣接する比較例(1)を適用した図8の第1比較例と対比して説明する。
[固体撮像装置の構成例]
図7に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第1実施の形態を示す。図7は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図5に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して1つのゲート電極が隣接する実施の形態(1)であり、単位画素での転送ゲート電極、リセットゲート電極のそれぞれに図5の構造を適用している。本実施の形態を、図6に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して1つのゲート電極が隣接する比較例(1)を適用した図8の第1比較例と対比して説明する。
図5の構成部21は、上面から見て、FD構成部の不純物拡散領域22を円形状に形成し、ゲート電極23を四角形状の一辺に円形状の不純物拡散領域22の一部、この例では半円部分が入り込むような円弧、すなわち半円状の凹み部24を有して構成される。このゲート電極の凹み部24は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部26とゲート電極23までが最短距離になるような形状を有している。ゲート電極23の側面にはサイドウォール25が形成される。26はコンタクト部を示す。また、ゲート電極に接していない不純物拡散領域22の外周とコンタクト部26までが最短距離になるような形状を有する。
図6の構成部121は、上面から見て、FD構成部の不純物拡散領域122を四角形状に形成し、ゲート電極123を四角形状に形成して、このゲート電極123と不純物拡散領域122とが一辺で接するように構成される。ゲート電極123の側面にはサイドウォール125が形成される。126はコンタクト部を示す。
先に、図8を参照して、第1比較例に係る固体撮像装置について説明する。第1比較例の固体撮像装置131は、単位画素132が、フォトダイオードPDと、転送トランジスタTr1と、フローティングディフージョン領域FDと、リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4を有して構成される。フォトダイオードPDは、転送トランジスタTr1の転送ゲート電極134を介して不純物拡散領域であるフローティングディフージョン領域FDに接続される。転送ゲート電極134及びフローティングディフージョン領域FDは、いずれも四角形状に形成される。リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4は、直列接続されて、フォトダイオードPD及びフローティングディフージョン領域FDから素子分離領域133を介して分離配置される。素子分離領域133は、例えば、STI素子分離領域、不純物拡散領域による拡散素子分離領域、不純物拡散領域上に絶縁層を形成した素子分離領域、LOCS素子分離領域などを用いることができる。
リセットトランジスタTr2は、不純物拡散領域138及び139をソース領域及びドレイン領域とし、リセットゲート電極135を有して形成される。リセットゲート電極135及びソース領域となる不純物拡散領域138は、いずれも四角形状に形成される。増幅トランジスタTr3は、不純物拡散領域140及び139をソース領域及びドレイン領域とし、増幅ゲート電極136を有して形成される。選択トランジスタTr4は、不純物拡散領域141及び140をソース領域及びドレイン領域とし、選択ゲート電極137を有して形成される。
フローティングディフージョン領域FDは、配線142によりリセットトランジスタTr2のソース領域である不純物拡散領域138と、増幅トランジスタTr3の増幅ゲート電極136に接続される。143はコンタクト部を示す。リセットトランジスタTr2及び増幅トランジスタTr3のドレイン領域となる不純物拡散領域139のコンタクト部143は、電源Vddが供給される電源配線に接続される。選択トランジスタTr4のソース領域となる不純物拡散領域141のコンタクト部143は、垂直信号線に接続される。
次に、図7を参照して、第1実施の形態に係る固体撮像装置を説明する。第1実施の形態の固体撮像装置31は、単位画素32が、フォトダイオードPDと、転送トランジスタTr1と、フローティングディフージョン領域FDと、リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4を有して構成される。フォトダイオードPDは、いわゆる光電変換部を構成する。この単位画素32が規則的に2次元配列されて画素領域が構成される。フォトダイオードPDは、転送トランジスタTr1の転送ゲート電極34を介して不純物拡散領域であるフローティングディフージョン領域FDに接続される。リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4は、直列接続されて、フォトダイオードPD及びフローティングディフージョン領域FDから素子分離領域33を介して分離配置される。素子分離領域33は、例えば、STI素子分離領域、不純物拡散領域による拡散素子分離領域、不純物拡散領域上に絶縁層を形成した素子分離領域、LOCS素子分離領域などを用いることができる。
リセットトランジスタTr2は、不純物拡散領域38及び39をソース領域及びドレイン領域とし、リセットゲート電極35を有して形成される。増幅トランジスタTr3は、不純物拡散領域40及び39をソース領域及びドレイン領域とし、増幅ゲート電極36を有して形成される。選択トランジスタTr4は、不純物拡散領域41及び40をソース領域及びドレイン領域とし、選択ゲート電極37を有して形成される。各転送ゲート電極34、リセットゲート電極35、増幅ゲート電極36及び選択ゲート電極37のいずれにも、図示しないが、側面にサイドウォールが形成される。
フローティングディフージョン領域FDは、配線42によりリセットトランジスタTr2のソース領域である不純物拡散領域38と、増幅トランジスタTr3の増幅ゲート電極36に接続される。43はコンタクト部を示す。リセットトランジスタTr2及び増幅トランジスタTr3のドレイン領域となる不純物拡散領域39のコンタクト部43は、電源Vddが供給される電源配線に接続される。選択トランジスタTr4のソース領域となる不純物拡散領域41のコンタクト部43は、垂直信号線に接続される。
そして、本実施の形態においては、上面から見て、フローティングディフージョン領域FDが円形状に形成され、転送ゲート電極34が、四角形状の一辺に円形状のフローティングディフージョンFDの一部が入り込む凹み部45を有して形成される。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極34までが最短距離になるような形状を有している。図では、凹み部45が半円状に形成され、この凹み部45内に円形状のフローティングディフージョン領域FDの一部、すなわち半円部分が入り込むようにレイアウトされる。
同じように、リセットトランジスタTr2のソース領域となる不純物拡散領域38も円形状に形成され、リセットゲート電極35も四角形状の一辺に円形状の不純物拡散領域38の一部が入り込む凹み部45を有して形成される。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極35までが最短距離になるような形状を有している。図では、凹み部45が半円状に形成され、この凹み部45内に円形状のソース領域となる不純物拡散領域38の一部、すなわち半円部分が入り込むようにレイアウトされる。また、ゲート電極に接していない不純物拡散領域の外周とコンタクト部までが最短距離になるような形状を有する。このように構成した単位画素32が規則的に2次元配列されて画素領域が構成される。
なお、第1比較例及び第1実施の形態において、図示しないが、各ゲート電極の側面にはサイドウォールが形成される。以下の各比較例及び各実施の形態においても、図示しないが、同様に各ゲート電極の側面にサイドウォールが形成される。
第1実施の形態に係る固体撮像装置31によれば、単位画素32において、フローティングディフージョン領域FDを円形状に形成し、このフローティングディフージョン領域FDの一部を転送ゲート電極34の凹み部45に入り込むようにしている。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極34までが最短距離になるような形状を有している。また、フローティングディフージョン領域FDと接続するリセットトランジスタTr2のソース領域となる不純物拡散領域38を円形状に形成し、不純物拡散領域38の一部をリセットゲート電極35の凹み部45に入り込むようにしている。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極35までが最短距離になるような形状を有している。この構成により、第1比較例と比較して、FD構成部のフローティングディフージョン領域FD及び不純物拡散領域38を含むFD面積が小さくなる。また、第1比較例と比較して、フローティングディフージョン領域FDと転送ゲート電極間容量、及び不純物拡散領域38とリセットゲート電極35間容量を含むゲート・FDフリンジ容量成分が増加するも、素子分離用量成分が低減する。この結果、図3で説明したように、第1実施の形態では、第1比較例と比較して、フローティングディフージョン構成部におけるトータルのFD容量が低減し、光電変換効率を向上することができる。
上述のように、本実施の形態では、コンタクト部とゲート電極までがどこから見ても(複数点で)最短距離になっており、ある一点でのみ最短距離になっている従来技術と異なる。
上述のように、本実施の形態では、コンタクト部とゲート電極までがどこから見ても(複数点で)最短距離になっており、ある一点でのみ最短距離になっている従来技術と異なる。
一方、第1実施の形態では、ゲート・FDフリンジ容量成分が増加するので、第1比較例と比較して電荷転送時やリセット時の電圧変調度が大きくなり、信号のダイナミックレンジを拡大することができる。
第1実施の形態の固体撮像装置31は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
第1実施の形態の固体撮像装置31は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
<4.第2実施の形態>
[固体撮像装置の構成例]
図11に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第2実施の形態を示す。図11は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図9に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して2つのゲート電極が隣接する実施の形態(2)例であり、単位画素での転送ゲート電極、リセットゲート電極のそれぞれに図9の構造を適用している。本実施の形態を、図10に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して2つのゲート電極が隣接する比較例(2)を適用した図12の第2比較例と対比して説明する。
[固体撮像装置の構成例]
図11に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第2実施の形態を示す。図11は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図9に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して2つのゲート電極が隣接する実施の形態(2)例であり、単位画素での転送ゲート電極、リセットゲート電極のそれぞれに図9の構造を適用している。本実施の形態を、図10に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して2つのゲート電極が隣接する比較例(2)を適用した図12の第2比較例と対比して説明する。
図9の構成部47は、上面から見て、FD構成部の不純物拡散領域22を円形状に形成し、この円形状の不純物拡散領域22を挟んで2つのゲート電極23が隣接するように配置される。各ゲート電極23は、四角形状の一辺に円形状の不純物拡散領域2の一部が入り込むような円弧状の凹み部24を有して構成される。このゲート電極の凹み部24は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部26とゲート電極23までが最短距離になるような形状を有している。ゲート電極23の側面にはサイドウォール25が形成される。26はコンタクト部を示す。
図10の構成部147は、上面から見て、FD構成部の不純物拡散領域122を四角形状に形成し、この四角形状の不純物拡散領域122を挟んで2つのゲート電極123が配置される。各ゲート電極123と不純物拡散領域22とは互いに一辺で接するように配置される。ゲート電極123の側面にはサイドウォール125が形成される。126はコンタクト部を示す。
先に、図12を参照して、第2比較例に係る固体撮像装置について説明する。第2比較例の固体撮像装置151は、単位画素152が、フォトダイオードPDと、転送トランジスタTr1と、フローティングディフージョン領域FDと、リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4を有して構成される。フォトダイオードPDは、転送トランジスタTr1の転送ゲート電極134を介して不純物拡散領域であるフローティングディフージョン領域FDに接続される。フォトダイオードPDに連続するように、転送トランジスタTr1、リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4は直列回路として一体に形成される。
リセットトランジスタTr2は、フローティングディフージョン領域FD及び不純物拡散領域139をソース領域及びドレイン領域し、リセットゲート電極135を有して形成される。増幅トランジスタTr3は、不純物拡散領域140及び139をソース領域及びドレイン領域とし、増幅ゲート電極136を有して形成される。選択トランジスタTr4は、不純物拡散領域141及び140をソース領域及びドレイン領域とし、選択ゲート電極137を有して形成される。フローティングディフージョン領域FDは、配線142によりリ増幅トランジスタTr3の増幅ゲート電極136に接続される。転送ゲート電極134、リセットゲート電極135及びフローティングディフージョン領域FDは、いずれも四角形状に形成され、相互に一辺同士を隣接するように配置される。その他の構成は、図8で説明したと同様であるので、図12において、図8と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
次に、図11を参照して、第2実施の形態に係る固体撮像装置を説明する。第2実施の形態の固体撮像装置51は、単位画素52が、フォトダイオードPDと、転送トランジスタTr1と、フローティングディフージョン領域FDと、リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4を有して構成される。この単位画素52が規則的に2次元配列されて画素領域が構成される。フォトダイオードPDは、転送トランジスタTr1の転送ゲート電極34を介して不純物拡散領域であるフローティングディフージョン領域FDに接続される。フォトダイオードPDに連続するように、転送トランジスタTr1、リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4は直列回路として一体に形成される。
リセットトランジスタTr2は、フローティングディフージョン領域FD及び不純物拡散領域39をソース領域及びドレイン領域し、リセットゲート電極35を有して形成される。増幅トランジスタTr3は、不純物拡散領域40及び39をソース領域及びドレイン領域とし、増幅ゲート電極36を有して形成される。選択トランジスタTr4は、不純物拡散領域41及び40をソース領域及びドレイン領域とし、選択ゲート電極37を有して形成される。フローティングディフージョン領域FDは、配線42によりリ増幅トランジスタTr3の増幅ゲート電極36に接続される。
そして、本実施の形態においては、上面から見て、フローティングディフージョン領域FDが円形状に形成され、この円形状のフローティングディフージョン領域FDを挟んで転送ゲート電極34とリセットゲート電極35が配置される。このとき、転送ゲート電極34及びリセットゲート電極35は、四角形状の一辺に円形状のフローティングディフージョンFDの一部が入り込む凹み部45を有して形成される。図では、両ゲート電極34及び35の凹み部45が円弧状に形成され、それぞれの凹み部45内に円形状のフローティングディフージョン領域FDの一部が入り込むようにレイアウトされる。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極34までが最短距離になるようになるような形状を有している。このように構成された単位画素52が規則的に2次元配列されて画素領域が構成される。その他の構成は、図7で説明したと同様であるので、図11において、図7と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
第2実施の形態に係る固体撮像装置51によれば、単位画素52において、円形状のフローティングディフージョン領域FDの一部を、両側に配置された転送ゲート電極34及びリセットゲート電極35の凹み部45に入り込むようにしている。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極35までが最短距離になるようになるような形状を有している。この構成により、第2比較例と比較して、FD構成部のFD面積、すなわちリセットトランジスタTR2のソース領域を兼ねるフローティングディフージョン領域FDの面積が小さくなる。また、第2比較例と比較して、素子分離容量成分が低減し、フローティングディフージョン領域FDと転送ゲート電極34及びリセットゲート電極35間容量を含むゲート・FDフリンジ容量成分が増加する。この結果、図3で説明したように、第2実施の形態では、第2比較例と比較して、フローティングディフージョン構成部におけるトータルのFD容量が低減し、光電変換効率を向上することができる。
一方、第2実施の形態では、ゲート・FDフリンジ容量成分が増加するので、第2比較例と比較して電荷転送時やリセット時の電圧変調度が大きくなり、信号のダイナミックレンジを拡大することができる。
第2実施の形態の固体撮像装置51は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
第2実施の形態の固体撮像装置51は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
<5.第3実施の形態>
[固体撮像装置の構成例]
図13に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第3実施の形態を示す。図13は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図9に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して2つのゲート電極を隣接した実施の形態(2)であり、縦2画素共有方式での2つの転送ゲート電極に図9の構造を適用している。本実施の形態を、図10の比較例(2)を適用した図14に示す第3比較例と対比して説明する。
[固体撮像装置の構成例]
図13に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第3実施の形態を示す。図13は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図9に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して2つのゲート電極を隣接した実施の形態(2)であり、縦2画素共有方式での2つの転送ゲート電極に図9の構造を適用している。本実施の形態を、図10の比較例(2)を適用した図14に示す第3比較例と対比して説明する。
先に、図14を参照して、第3比較例に係る固体撮像装置について説明する。第3比較例の固体撮像装置154は、垂直(縦)方向に隣合う2つのフォトダイオードPD1及びPD2で1つのフローティングディフージョン領域FDを共有させている。フォトダイオードPD1及びPD2とフローティングディフージョン領域FD間にそれぞれ転送ゲート電極134A、134Bが形成され、2つの転送トランジスタTr11及びTr12が形成される。それぞれの転送ゲート電極134A、134Bは、後述する列方向に隣合う縦2画素共有とした共有画素155の転送ゲート電極134A、134Bと共通に形成される。
リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4は直列回路として一体に形成され、フォトダイオードPD1及びPD2に対して、素子分離領域133を介して分離配置される。リセットトランジスタTr2は、不純物拡散領域138及び139をソース領域及びドレイン領域とし、リセットゲート電極135を有して形成される。リセットゲート電極135及びソース領域となる不純物拡散領域138は、いずれも四角形状に形成される。増幅トランジスタTr3は、不純物拡散領域140及び139をソース領域及びドレイン領域とし、増幅ゲート電極136を有して形成される。選択トランジスタTr4は、不純物拡散領域141及び140をソース領域及びドレイン領域とし、選択ゲート電極137を有して形成される。転送ゲート電極134A及び134Bとフローティングディフージョン領域FDは、四角形状に形成され、それぞれ一辺で接するように配置される。
この構成により、縦2画素共有とした共有画素155が構成され、この共有画素155が2次元配列される。隣合う列の共有画素155では、左右対称となるように、縦2つのフォトダイオード同士を向かい合わせ、上記画素トランジスタの直列回路を外側に配置したレイアウトとされる。その他の構成は、図8で説明したと同様であるので、図14において対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
次に、図13を参照して、第3実施の形態に係る固体撮像装置を説明する。第3実施の形態の固体撮像装置54は、垂直(縦)方向に隣合う2つのフォトダイオードPD1及びPD2で1つのフローティングディフージョン領域FDを共有させている。フォトダイオードPD1及びPD2とフローティングディフージョン領域FD間にそれぞれ転送ゲート電極34A、34Bが形成され、2つの転送トランジスタTr11及びTr12が形成される。それぞれの転送ゲート電極34A、34Bは、後述する列方向に隣合う縦2画素共有とした共有画素55の転送ゲート電極34A、34Bと共通に形成される。
リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4は直列回路として一体に形成され、フォトダイオードPD1及びPD2に対して、素子分離領域33を介して分離配置される。リセットトランジスタTr2は、不純物拡散領域3839及びをソース領域及びドレイン領域とし、リセットゲート電極35を有して形成される。増幅トランジスタTr3は、不純物拡散領域40及び39をソース領域及びドレイン領域とし、増幅ゲート電極36を有して形成される。選択トランジスタTr4は、不純物拡散領域41及び40をソース領域及びドレイン領域とし、選択ゲート電極37を有して形成される。
そして、本実施の形態においては、上面から見て、フローティングディフージョン領域FDが円形状に形成され、この円形状のフローティングディフージョン領域FDを挟んで2つの転送ゲート電極34A及び34Bが配置される。このとき、2つの転送ゲート電極34A及び34Bは、四角形状の一辺に円形状のフローティングディフージョンFDの一部が入り込む凹み部45を有して形成される。図では、2つのゲート電極34A及び34Bの凹み部45が円弧状に形成され、それぞれの凹み部45内に円形状のフローティングディフージョン領域FDの一部が入り込むようにレイアウトされる。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極34A及びBまでが最短距離になるようになるような形状を有している。フローティングディフージョン領域FDからリセットトランジスタTr2のソース領域となる不純物拡散領域38、増幅トランジスタTr3の増幅ゲート電極36に接続される配線42は、縦方向に隣合う2つのフォトダイオードPD1及びPD2の間に対応する位置を通って配線される。
この構成により、縦2画素共有とした共有画素55が構成され、この共有画素55が規則的に2次元配列されて画素領域が構成される。隣合う列の共有画素55では、左右対称となるように、縦2つのフォトダイオードPD同士を向かい合わせ、上記画素トランジスタの直列回路を外側に配置したレイアウトとれる。その他の構成は、図7で説明したと同様であるので、図13において、図7と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
第3実施の形態に係る固体撮像装置54によれば、縦2画素共有の共有画素55において、円形状のフローティングディフージョン領域FDの一部を、縦方向に配置した転送ゲート電極34A及び34Bの凹み部45に入り込むようにしている。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極34A及び34Bまでが最短距離になるようになるような形状を有している。この構成により、第3比較例と比較して、FD構成部のFD面積、すなわちリセットトランジスタTR2のソース領域を兼ねるフローティングディフージョン領域FDの面積が小さくなる。また、第3比較例と比較して、素子分離容量成分が低減し、フローティングディフージョン領域FDと転送ゲート電極34A及び34B間容量を含むゲート・FDフリンジ容量成分が増加する。この結果、図3で説明したように、第3実施の形態では、第3比較例と比較して、フローティングディフージョン構成部におけるトータルのFD容量が低減し、光電変換効率を向上することができる。
一方、第3実施の形態では、ゲート・FDフリンジ容量成分が増加するので、第3比較例と比較して電荷転送時やリセット時の電圧変調度が大きくなり、信号のダイナミックレンジを拡大することができる。
第3実施の形態の固体撮像装置54は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
第3実施の形態の固体撮像装置54は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
<6.第4実施の形態>
[固体撮像装置の構成例]
図15に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第4実施の形態を示す。図15は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図9に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して2つのゲート電極を隣接した実施の形態(2)であり、斜め2画素共有方式での2つの転送ゲート電極に図9の構造を適用している。本実施の形態を、図10の比較例(2)を適用した図16に示す第4比較例と対比して説明する。
[固体撮像装置の構成例]
図15に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第4実施の形態を示す。図15は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図9に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して2つのゲート電極を隣接した実施の形態(2)であり、斜め2画素共有方式での2つの転送ゲート電極に図9の構造を適用している。本実施の形態を、図10の比較例(2)を適用した図16に示す第4比較例と対比して説明する。
先に、図16を参照して、第4比較例に係る固体撮像装置について説明する。第4比較例の固体撮像装置157は、斜め隣合う2つのフォトダイオードPD1及びPD2で1つのフローティングディフージョン領域FDを共有させている。フォトダイオードPD1及びPD2とフローティングディフージョン領域FD間にそれぞれ転送ゲート電極134A及び134Bが形成され、2つの転送トランジスタTr11及びTr12が形成される。ここで、後述する縦方向に隣合う斜め2画素共有とした共有画素158において、上側の共有画素158の転送ゲート電極134Bと下側の共有画素158の転送ゲート電極134Aとが共通ゲート電極にて形成される。
リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4は直列回路として一体に形成され、フォトダイオードPD1及びPD2に対して、素子分離領域133を介して分離配置される。リセットトランジスタTr2は、不純物拡散領域138及び139をソース領域及びドレイン領域とし、リセットゲート電極135を有して形成される。リセットゲート電極135及びソース領域となる不純物拡散領域138は、いずれも四角形状に形成される。増幅トランジスタTr3は、不純物拡散領域140及び139をソース領域及びドレイン領域とし、増幅ゲート電極136を有して形成される。選択トランジスタTr4は、不純物拡散領域141及び140をソース領域及びドレイン領域とし、選択ゲート電極137を有して形成される。転送ゲート電極134A及び134Bとフローティングディフージョン領域FDは、四角形状に形成され、それぞれ一辺で接するように配置される。
この構成により、斜め2画素共有とした共有画素158が構成され、この共有画素158が2次元配列される。縦方向に隣合う斜め2画素共有の共有画素158では、互いに対称性を有するようにレイアウトされる。その他の構成は、図8で説明したと同様であるので、図16において対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
次に、図15を参照して、第4実施の形態に係る固体撮像装置を説明する。第4実施の形態の固体撮像装置57は、斜め隣合う2つのフォトダイオードPD1及びPD2で1つのフローティングディフージョン領域FDを共有させている。フォトダイオードPD1及びPD2とフローティングディフージョン領域FD間にそれぞれ転送ゲート電極34A及び34Bが形成され、2つの転送トランジスタTr11及びTr12が形成される。ここで、後述する縦方向に隣合う斜め2画素共有とした共有画素58において、上側の共有画素58の転送ゲート電極34Bと下側の共有画素58の転送ゲート電極34Aとが共通ゲート電極にて形成される。
リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4は直列回路として一体に形成され、フォトダイオードPD1及びPD2に対して、素子分離領域33を介して分離配置される。リセットトランジスタTr2は、不純物拡散領域3839及びをソース領域及びドレイン領域とし、リセットゲート電極35を有して形成される。増幅トランジスタTr3は、不純物拡散領域40及び39をソース領域及びドレイン領域とし、増幅ゲート電極36を有して形成される。選択トランジスタTr4は、不純物拡散領域41及び40をソース領域及びドレイン領域とし、選択ゲート電極37を有して形成される。
そして、本実施の形態においては、上面から見て、フローティングディフージョン領域FDが円形状に形成され、この円形状のフローティングディフージョン領域FDを挟んで2つの転送ゲート電極34A及び34Bが配置される。このとき、2つの転送ゲート電極34A及び34Bは、四角形状の一辺に円形状のフローティングディフージョンFDの一部が入り込む凹み部45を有して形成される。図では、2つのゲート電極34A及び34B5の凹み部45が円弧状に形成され、それぞれの凹み部45内に円形状のフローティングディフージョン領域FDの一部が入り込むようにレイアウトされる。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極34A及び34Bまでが最短距離になるようになるような形状を有している。
この構成により、斜め2画素共有とした共有画素58が構成され、この共有画素58が規則的に2次元配列されて画素領域が構成される。縦方向に隣合う斜め2画素共有の共有画素58では、互いに対称性を有するようにレイアウトされる。その他の構成は、図7で説明したと同様であるので、図15において、図7と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
第4実施の形態に係る固体撮像装置57によれば、斜め2画素共有の共有画素58において、円形状のフローティングディフージョン領域FDの一部を、転送ゲート電極34A及び34Bの凹み部45に入り込むようにしている。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極34A及び34Bまでが最短距離になるようになるような形状を有している。この構成により、第4比較例と比較して、FD構成部のFD面積、すなわちリセットトランジスタTR2のソース領域を兼ねるフローティングディフージョン領域FDの面積が小さくなる。第4比較例と比較して、素子分離容量成分が低減し、フローティングディフージョン領域FDと転送ゲート電極34A及び34B間容量を含むゲート・FDフリンジ容量成分が増加する。この結果、図3で説明したように、第4実施の形態では、第4比較例と比較して、フローティングディフージョン構成部におけるトータルのFD容量が低減し、光電変換効率を向上することができる。
一方、第4実施の形態では、ゲート・FDフリンジ容量成分が増加するので、第4比較例と比較して電荷転送時やリセット時の電圧変調度が大きくなり、信号のダイナミックレンジを拡大することができる。
第4実施の形態の固体撮像装置57は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
第4実施の形態の固体撮像装置57は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
<7.第5実施の形態>
[固体撮像装置の構成例]
図19に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第5実施の形態を示す。図19は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図17に示すFD構成部の曲げられた不純物拡散領域に対して2つのゲート電極を隣接した実施の形態(3)であり、単位画素での転送ゲート電極とリセットゲート電極に図17の構造を適用している。本実施の形態を、図18の比較例(3)を適用した図20に示す第5比較例と対比して説明する。
[固体撮像装置の構成例]
図19に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第5実施の形態を示す。図19は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図17に示すFD構成部の曲げられた不純物拡散領域に対して2つのゲート電極を隣接した実施の形態(3)であり、単位画素での転送ゲート電極とリセットゲート電極に図17の構造を適用している。本実施の形態を、図18の比較例(3)を適用した図20に示す第5比較例と対比して説明する。
図17の構成部61は、上面から見て、FD構成部の不純物拡散領域22が円形に形成され、この不純物拡散領域22を挟んで2つのゲート電極23が所要角度に曲げて配置される。各ゲート電極23は、四角形状の一辺に不純物拡散領域2の円弧部分が入り込むような円弧状の凹み部24を有して形成される。このゲート電極の凹み部24は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部26とゲート電極23までが最短距離になるようになるような形状を有している。また、ゲート電極に接していない不純物拡散領域の外周とコンタクト部までが最短距離になるような形状を有する。ゲート電極23の側面にはサイドウォール25が形成される。26はコンタクト部を示す。
図18の構成部161は、上面から見て、FD構成部の不純物拡散領域122が曲げられ、2つのゲート電極123と隣接する両端辺を直線状にして形成され、この不純物拡散領域122を挟んで2つのゲート電極123が配置される。ゲート電極123の側面にはサイドウォール125が形成される。126はコンタクト部を示す。
先に、図20を参照して、第5比較例に係る固体撮像装置について説明する。第5比較例の固体撮像装置163は、単位画素164が、フォトダイオードPDと、転送トランジスタTr1と、フローティングディフージョン領域FDと、リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4を有して構成される。転送トランジスタTr1及びリセットトランジスタTr2は直列回路としてフォトダイオードPDと一体に形成される。すなわち、フローティングディフージョン領域FDは、曲げ形状に形成され、転送ゲート電極134及びリセットゲート電極135を介してフォトダイオードPD及びリセットトランジスタTr2のソース領域となる不純物拡散領域143に接続される。フローティングディフージョン領域FDと転送ゲート電極134及びリセットゲート電極135とは、直線で接している。
増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4は直列回路として一体に形成され、素子分離領域133を介して分離配置される。増幅トランジスタTr3は、不純物拡散領域140及び139をソース領域及びドレイン領域とし、増幅ゲート電極136を有して形成される。選択トランジスタTr4は、不純物拡散領域141及び140をソース領域及びドレイン領域とし、選択ゲート電極137を有して形成される。転送ゲート電極134及びリセットゲート電極135は、四角形状に形成され、それぞれ直線状の一辺でローティングディフージョン領域FDに接するように形成される。その他の構成は、図8で説明したと同様であるので、図20において、図8と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
次に、図19を参照して、第5実施の形態に係る固体撮像装置を説明する。第5実施の形態の固体撮像装置63は、単位画素64が、フォトダイオードPDと、転送トランジスタTr1と、フローティングディフージョン領域FDと、リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4を有して構成される。転送トランジスタTr1及びリセットトランジスタTr2は直列回路としてフォトダイオードPDと一体に形成される。すなわち、フローティングディフージョン領域FDは、曲げ形状に形成され、転送ゲート電極34及びリセットゲート電極35を介してフォトダイオードPD及びリセットトランジスタTr2のソース領域となる不純物拡散領域43に接続される。
増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4は、直列回路として一体に形成され、素子分離領域33を介して分離配置される。増幅トランジスタTr3は、不純物拡散領域40及び39をソース領域及びドレイン領域とし、増幅ゲート電極36を有して形成される。選択トランジスタTr4は、不純物拡散領域41及び40をソース領域及びドレイン領域とし、選択ゲート電極37を有して形成される。
そして、本実施の形態においては、上面から見て、円形状のフローティングディフージョン領域FDが形成される。この円形状のフローティングディフージョン領域FDを挟んで鈍角に開く転送ゲート電極34及びリセットゲート電極35が配置される。転送ゲート電極34及びリセットゲート電極35は、フローティングディフージョン領域FDの円弧状部が入り込む円弧状の凹み部45を有して形成される。図では、2つの転送ゲート電極34及びリセットゲート電極35の凹み部45内にフローティングディフージョン領域FDの円弧状部が入り込むようにレイアウトされる。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極34及び35までが最短距離になるようになるような形状を有している。また、ゲート電極に接していない不純物拡散領域の外周とコンタクト部までが最短距離になるような形状を有する。このように構成された単位画素64が規則的に2次元配列されて画素領域が構成される。その他の構成は、図7で説明したと同様であるので、図19において、図7と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
第5実施の形態に係る固体撮像装置63によれば、単位画素64において、円形状のフローティングディフージョン領域FDの円弧部を、両側に配置された転送ゲート電極34及びリセットゲート電極35の凹み部45に入り込むようにしている。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極34及び35までが最短距離になるようになるような形状を有している。また、ゲート電極に接していない不純物拡散領域の外周とコンタクト部までが最短距離になるような形状を有する。この構成により、第5比較例と比較して、FD構成部のFD面積、すなわちリセットトランジスタTR2のソース領域を兼ねるフローティングディフージョン領域FDの面積が小さくなる。第5比較例と比較して、素子分離容量成分が低減し、フローティングディフージョン領域FDと転送ゲート電極34及びリセットゲート電極35間容量を含むゲート・FDフリンジ容量成分が増加する。この結果、図3で説明したように、第5実施の形態では、第5比較例と比較して、フローティングディフージョン構成部におけるトータルのFD容量が低減し、光電変換効率を向上することができる。
一方、第5実施の形態では、ゲート・FDフリンジ容量成分が増加するので、第5比較例と比較して電荷転送時やリセット時の電圧変調度が大きくなり、信号のダイナミックレンジを拡大することができる。
第5実施の形態の固体撮像装置51は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
第5実施の形態の固体撮像装置51は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
<8.第6実施の形態>
[固体撮像装置の構成例]
図21に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第6実施の形態を示す。図21は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図17に示すFD構成部の曲げられた不純物拡散領域に対して2つのゲート電極を隣接した実施の形態(3)であり、2画素共有方式での2つの転送ゲート電極に図17の構造を適用している。本実施の形態を、図18の比較例(3)を適用した図22に示す第6比較例と対比して説明する。
[固体撮像装置の構成例]
図21に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第6実施の形態を示す。図21は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図17に示すFD構成部の曲げられた不純物拡散領域に対して2つのゲート電極を隣接した実施の形態(3)であり、2画素共有方式での2つの転送ゲート電極に図17の構造を適用している。本実施の形態を、図18の比較例(3)を適用した図22に示す第6比較例と対比して説明する。
先に、図22を参照して、第6比較例について説明する。第6比較例の固体撮像装置166は、ほぼ縦方向に隣合う2つのフォトダイオードPD1及びPD2で1つの曲げ形状のフローティングディフージョン領域FDを共有させている。両フォトダイオードPD1及びPD2は、フローティングディフージョン領域FDの曲げ形状に伴って、フローティングディフージョン領域FDを中心に開きぎみにレイアウトされる。フォトダイオードPD1及びPD2とフローティングディフージョン領域FD間にそれぞれ転送ゲート電極34A、34Bが形成され、2つの転送トランジスタTr1及びTr2が形成される。
2つのフォトダイオードPD1及びPD2と2つの転送トランジスタTr11及びTr12に対して、リセットトランジスタTr2及び増幅トランジスタTr3の直列回路と、単独の選択トランジスタTr4とが素子分離領域133を介して分離配置される。リセットトランジスタTr2は、不純物拡散領域146及び147をソース領域及びドレイン領域とし、リセットゲート電極135を有して形成される。増幅トランジスタTr3は、不純物拡散領域148及び147をソース領域及びドレイン領域とし、増幅ゲート電極136を有して形成される。選択トランジスタTr4は、不純物拡散領域141及び140をソース領域及びドレイン領域とし、選択ゲート電極137を有して形成される。フローティングディフージョン領域FDと、リセットトランジスタTr2のソース領域となる不純物拡散領域146と、増幅ゲート電極136とが配線142により接続される。この構成により、2画素共有とした共有画素167が構成され、この共有画素167が2次元配列される。その他の構成は、図8で説明したと同様であるので、図22において、図8と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
次に、図21を参照して、第6実施の形態に係る固体撮像装置を説明する。第6実施の形態の固体撮像装置66は、ほぼ縦方向に隣合う2つのフォトダイオードPD1及びPD2で1つの円形状のフローティングディフージョン領域FDを共有させている。両フォトダイオードPD1及びPD2は、フローティングディフージョン領域FDを中心に鈍角に開いてレイアウトされる。フォトダイオードPD1及びPD2とフローティングディフージョン領域FD間にそれぞれ転送ゲート電極34A、34Bが形成され、2つの転送トランジスタTr1及びTr2が形成される。
2つのフォトダイオードPD1及びPD2と2つの転送トランジスタTr11及びTr12に対して、リセットトランジスタTr2及び増幅トランジスタTr3の直列回路と、単独の選択トランジスタTr4とが素子分離領域33を介して分離配置される。リセットトランジスタTr2は、不純物拡散領域46及び47をソース領域及びドレイン領域とし、リセットゲート電極35を有して形成される。増幅トランジスタTr3は、不純物拡散領域48及び47をソース領域及びドレイン領域とし、増幅ゲート電極36を有して形成される。選択トランジスタTr4は、不純物拡散領域41及び40をソース領域及びドレイン領域とし、選択ゲート電極37を有して形成される。フローティングディフージョン領域FDと、リセットトランジスタTr2のソース領域となる不純物拡散領域46と、増幅ゲート電極136とが配線42により接続される。
そして、本実施の形態においては、上面から見て、円形状のフローティングディフージョン領域FDが形成され、このフローティングディフージョン領域FDを挟んで転送ゲート電極34A及び34Bが鈍角に開いて配置される。転送ゲート電極34A及び34Bは、フローティングディフージョン領域FDの円弧状部が入り込む円弧状の凹み部45を有して形成される。図では、2つの転送ゲート電極34A及び34Bの凹み部45内にフローティングディフージョン領域FDの円弧状部が入り込むようにレイアウトされる。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極34A及び34Bまでが最短距離になるようになるような形状を有している。
この構成により、2画素共有とした共有画素67が構成され、この共有画素67が規則的に2次元配列されて画素領域が構成される。その他の構成は、図7で説明したと同様であるので、図21において、図7と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
第6実施の形態に係る固体撮像装置66によれば、2画素共有とした共有画素67において、円形状のフローティングディフージョン領域FDの一部円弧部を、両側に配置された2つの転送ゲート電極34A及び34Bの凹み部45に入り込むようにしている。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極34A及び34Bまでが最短距離になるようになるような形状を有している。この構成により、第6比較例と比較して、FD構成部のFD面積、すなわちリセットトランジスタTR2のソース領域を兼ねるフローティングディフージョン領域FDの面積が小さくなる。第6比較例と比較して、素子分離容量成分が低減し、フローティングディフージョン領域FDと2つの転送ゲート電極34A及び34B間容量を含むゲート・FDフリンジ容量成分が増加する。この結果、図3で説明したように、第6実施の形態では、第6比較例と比較して、フローティングディフージョン構成部におけるトータルのFD容量が低減し、光電変換効率を向上することができる。
本実施の形態では、フローティングディフージョン領域FDに対してフォトダイオードPD1及びPD2が鈍角で開くように配置される。これにより、フローティングディフージョンFDが曲げられていない第2〜第4実施の形態に比べて、さらにFD面積成分、素子分離容量成分を低減することができる。
一方、第6実施の形態では、ゲート・FDフリンジ容量成分が増加するので、第6比較例と比較して電荷転送時やリセット時の電圧変調度が大きくなり、信号のダイナミックレンジを拡大することができる。
第6実施の形態の固体撮像装置66は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
第6実施の形態の固体撮像装置66は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
<9.第7実施の形態>
[固体撮像装置の構成例]
図25に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第7実施の形態を示す。図25は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図23に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して3つのゲート電極が隣接する実施の形態(4)であり、縦2画素共有方式での転送ゲート電極、リセットゲート電極のそれぞれに図23の構造を適用している。本実施の形態を、図24に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して3つのゲート電極が隣接する比較例(4)を適用した図26の第2比較例と対比して説明する。
[固体撮像装置の構成例]
図25に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第7実施の形態を示す。図25は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図23に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して3つのゲート電極が隣接する実施の形態(4)であり、縦2画素共有方式での転送ゲート電極、リセットゲート電極のそれぞれに図23の構造を適用している。本実施の形態を、図24に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して3つのゲート電極が隣接する比較例(4)を適用した図26の第2比較例と対比して説明する。
図23の構成部69は、上面から見て、FD構成部の不純物拡散領域22を円弧の一部から方形を延長した形状に形成し、この不純物拡散領域22の円弧部を挟んで2つのゲート電極23が隣接し、方形部に1つのゲート電極23が隣接するように配置される。2つゲート電極23は、四角形状の一辺に不純物拡散領域22の円弧部が入り込むような円弧状の凹み部24を有して構成される。このゲート電極の凹み部24は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部26と2つのゲート電極23までが最短距離になるようになるような形状を有している。不純物拡散領域22の方形部に隣接するゲート電極23は、凹み部24を有しない四角形状に構成される。その他のサイドウォール25、コンタクト部26の構成は、前述の図9、図17と同様である。
図24の構成部169は、上面から見て、FD構成部の不純物拡散領域122をT字型に形成し、この不純物拡散領域122の対向する2端に2つのゲート電極123が隣接し、他の1端に1つのゲート電極123が隣接するように配置される。各ゲート電極123と不純物拡散領域22とは互いに一辺で接するように配置される。その他のサイドウォール125、コンタクト部126の構成は、前述の図10、図18と同様である。
先に、図26を参照して、第7比較例に係る固体撮像装置について説明する。第7比較例の固体撮像装置171は、垂直(縦)方向に隣合う2つのフォトダイオードPD1及びPD2で1つのフローティングディフージョン領域FDを共有させている。フローティングディフージョン領域FDは、T字型に形成され、フローティングディフージョン領域FDの対向する2端に2つの転送ゲート電極134A及び134Bが隣接し、他の1端にリセットゲート電極135が隣接するように配置される。2つの転送トランジスタTr11及びTr12とリセットトランジスタTr2は直列回路として2つのフォトダイオードPD1及びPD2と一体に形成される。2つの転送ゲート電極134A、134B及びリセットゲート電極135は、それぞれ直線状の一辺でフローティングディフージョン領域FDと隣接している。増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4は直列回路として一体に形成され、フォトダイオードPD1及びPD2を有する領域から素子分離領域133を介して分離配置される。この構成により、縦2画素共有とした共有画素172が構成され、この共有画素172が2次元配列される。その他の構成は、図20で説明したと同様であるので、図26において、図20と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
次に、図25を参照して、第7実施の形態に係る固体撮像装置を説明する。第7実施の形態の固体撮像装置71は、垂直(縦)方向に隣合う2つのフォトダイオードPD1及びPD2で1つのフローティングディフージョン領域FDを共有させている。2つの転送トランジスタTr11及びTr12とリセットトランジスタTr2は直列回路として2つのフォトダイオードPD1及びPD2と一体に形成される。増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4は直列回路として一体に形成され、フォトダイオードPD1及びPD2を有する領域から素子分離領域33を介して分離配置される。
そして、本実施の形態においては、リセットトランジスタTr2のソース領域を兼ねるフローティングディフージョン領域FDが、円弧部の一部から方形を延長した形状に形成される。このフローティングディフージョン領域FDの円弧部を挟んで2つの転送ゲート電極34A及び34Bが隣接し、その方形部に1つのリセットゲート電極35が隣接するように配置される。2つ転送ゲート電極34A及び34Bは、それぞれフローティングディフージョン領域FDの円弧部が入り込むような円弧状の凹み部24を有して構成される。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43と2つのゲート電極34A及び34Bまでが最短距離になるようになるような形状を有している。フローティングディフージョン領域FDの方形部に隣接するゲート電極23は、凹み部24を有しない四角形状に構成される。
この構成により、縦2画素共有とした共有画素72が構成され、この共有画素72が規則的に2次元配列される。その他の構成は、図19で説明したと同様であるので、図25において、図19と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
第7実施の形態に係る固体撮像装置71によれば、縦2画素共有とした共有画素72において、フローティングディフージョン領域FDの円弧部を、2つの転送ゲート電極34A及び34Bの凹み部45に入り込むようにしている。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極34A及び34Bまでが最短距離になるようになるような形状を有している。この構成により、第7比較例と比較して、FD構成部のFD面積、すなわちリセットトランジスタTR2のソース領域を兼ねるフローティングディフージョン領域FDの面積が小さくなる。第7比較例と比較して、素子分離容量成分が低減し、フローティングディフージョン領域FDと転送ゲート電極34A、34B及びリセットゲート電極35間容量を含むゲート・FDフリンジ容量成分が増加する。この結果、図3で説明したように、第7実施の形態では、第7比較例と比較して、フローティングディフージョン構成部におけるトータルのFD容量が低減し、光電変換効率を向上することができる。
一方、第7実施の形態では、ゲート・FDフリンジ容量成分が増加するので、第7比較例と比較して電荷転送時やリセット時の電圧変調度が大きくなり、信号のダイナミックレンジを拡大することができる。
第7実施の形態の固体撮像装置71は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
第7実施の形態の固体撮像装置71は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
<10.第8実施の形態>
[固体撮像装置の構成例]
図29に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第8実施の形態を示す。図29は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図27に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して3つのゲート電極が隣接する実施の形態「(5)であり、2画素共有方式での転送ゲート電極、リセットゲート電極のそれぞれに図27の構造を適用している。本実施の形態を、図28に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して3つのゲート電極が隣接する比較例(5)を適用した図30の第8比較例と対比して説明する。
[固体撮像装置の構成例]
図29に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第8実施の形態を示す。図29は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図27に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して3つのゲート電極が隣接する実施の形態「(5)であり、2画素共有方式での転送ゲート電極、リセットゲート電極のそれぞれに図27の構造を適用している。本実施の形態を、図28に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して3つのゲート電極が隣接する比較例(5)を適用した図30の第8比較例と対比して説明する。
図27の構成部74は、上面から見て、FD構成部の不純物拡散領域22を等角間隔で3方に突出する形状に形成し、この不純物拡散領域22の3つの突出部にそれぞれ3つのゲート電極23が隣接するように配置される。各突出部の先端は、円弧状に形成される。3つゲート電極23は、四角形状の一辺に不純物拡散領域22の円弧部が入り込むような円弧状の凹み部24を有して構成される。このゲート電極の凹み部24は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部26と3つのゲート電極23までが最短距離になるようになるような形状を有している。その他のサイドウォール25、コンタクト部26の構成は、前述の図9、図17、図23と同様である。
図28の構成部174は、上面から見て、FD構成部の不純物拡散領域122を等角間隔で3方に突出する形状に形成し、この不純物拡散領域122の3つの突出部にそれぞれ3つのゲート電極123が隣接するように配置される。各ゲート電極123は、四角形状に形成され、各一辺に不純物拡散領域22の突出部が隣接するように配置される。その他のサイドウォール125、コンタクト部126の構成は、前述の図10、図18、図24と同様である。
先に、図30を参照して、第8比較例に係る固体撮像装置について説明する。第8比較例の固体撮像装置177は、2つのフォトダイオードPD1及びPD2で1つのフローティングディフージョン領域FDを共有させている。リセットトランジスタTr2のソース領域を兼ねるフローティングディフージョン領域FDは、等角間隔で3方に突出する形状に形成される。このフローティングディフージョン領域FDの2つの突出部側に転送トランジスタTr11及びTr12を介してフォトダイオードPD1及びPD2が接続され、他の1つの突出部にリセットトランジスタTr2が接続される。ソース領域147、ドレイン領域148及び増幅ゲート電極136からなる増幅トランジスタTr3は、フォトダイオードPD2側に素子分離領域133を介して配置される。ソース領域140、ドレイン領域141及びリセットゲート電極137からなるリセットトランジスタTr3は、フォトダイオードPD1側に素子分離領域133を介して配置される。フローティングディフージョン領域FDの3つの突出部と、各ゲート電極134A、134B及び135とは、直線状の一辺で隣接するように配置される。この構成により、2画素共有とした共有画素177が構成され、この共有画素178が2次元配列される。その他の構成は、図26で説明したと同様であるので、図30において、図26と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
次に、図29を参照して、第8実施の形態に係る固体撮像装置を説明する。第8実施の形態の固体撮像装置77は、2つのフォトダイオードPD1及びPD2で1つのフローティングディフージョン領域FDを共有させている。リセットトランジスタTr2のソース領域を兼ねるフローティングディフージョン領域FDは、等角間隔で3方に突出する形状に形成される。このフローティングディフージョン領域FDの2つの突出部側に転送トランジスタTr11及びTr12を介してフォトダイオードPD1及びPD2が接続され、他の1つの突出部にリセットトランジスタTr2が接続される。ソース領域47、ドレイン領域48及び増幅ゲート電極36からなる増幅トランジスタTr3は、フォトダイオードPD2側に素子分離領域33を介して配置される。ソース領域40、ドレイン領域41及びリセットゲート電極37からなるリセットトランジスタTr3は、フォトダイオードPD1側に素子分離領域33を介して配置される。
そして、本実施の形態においては、フローティングディフージョンFDの3つの突出部の先端が円弧状に形成され、2つの転送ゲート電極34A及び34Bと1つのリセットゲート電極35に、上記3つの突出部の円弧部が入り込む凹み部45が形成される。本実施の形態では、各ゲート電極34A、34B及び35の凹み部45にフローティングディフージョン領域FDの3つの円弧部が入り込むように配置される。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43と3つのゲート電極34A、34B及び35までが最短距離になるようになるような形状を有している。この構成により、2画素共有とした共有画素78が構成され、この共有画素78が2次元配列される。その他の構成は、図25で説明したと同様であるので、図29において、図25と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
第8実施の形態に係る固体撮像装置77によれば、2画素共有とした共有画素78において、フローティングディフージョン領域FDの3つの円弧部を、転送ゲート電極34A及び34Bとリセットゲート電極35の凹み部45に入り込むようにしている。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43と3つのゲート電極34A、34B及び35までが最短距離になるようになるような形状を有しているこの構成により、第8比較例と比較して、FD構成部のFD面積、すなわちフローティングディフージョン領域FDの面積が小さくなる。第8比較例と比較して、素子分離容量成分が低減し、フローティングディフージョン領域FDと転送ゲート電極34A、34B及びリセットゲート電極35間容量を含むゲート・FDフリンジ容量成分が増加する。この結果、図3で説明したように、第8実施の形態では、第8比較例と比較して、フローティングディフージョン構成部におけるトータルのFD容量が低減し、光電変換効率を向上することができる。
一方、第8実施の形態では、ゲート・FDフリンジ容量成分が増加するので、第8比較例と比較して電荷転送時やリセット時の電圧変調度が大きくなり、信号のダイナミックレンジを拡大することができる。
第8実施の形態の固体撮像装置77は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
第8実施の形態の固体撮像装置77は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
<11.第9実施の形態>
[固体撮像装置の構成例]
図31に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第9実施の形態を示す。図31は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図27に示すように、FD構成部の不純物拡散領域に対して3つのゲート電極が隣接する実施の形態(5)例であり、3画素共有方式での転送ゲート電極、リセットゲート電極のそれぞれに図27の構造を適用している。本実施の形態を、図28に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して3つのゲート電極が隣接する比較例(5)を適用した図32の第9比較例と対比して説明する。
[固体撮像装置の構成例]
図31に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第9実施の形態を示す。図31は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図27に示すように、FD構成部の不純物拡散領域に対して3つのゲート電極が隣接する実施の形態(5)例であり、3画素共有方式での転送ゲート電極、リセットゲート電極のそれぞれに図27の構造を適用している。本実施の形態を、図28に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して3つのゲート電極が隣接する比較例(5)を適用した図32の第9比較例と対比して説明する。
先に、図32を参照して、第9比較例に係る固体撮像装置について説明する。第9比較例の固体撮像装置181は、3つのフォトダイオードPD1、PD2及びPD3で1つのフローティングディフージョン領域FDを共有させている。フローティングディフージョン領域FDは等角間隔で3方に突出する形状に形成される。このフローティングディフージョン領域FDの3つの突出部と3つのフォトダイオードPD1、PD2及びPD3との間に3つの転送ゲート電極134A、134B及び134Cが形成されて、3つの転送トランジスタTr11、Tr12及びTr13が形成される。2つのフォトダイオードPD1及びPD2の間に素子分離領域133を介して、ソース領域149、ドレイン領域150及びリセットゲート電極135からなるリセットトランジスタTr2が形成される。2つのフォトダイオードPD2及びPD3との間に素子分離領域133を介して、ソース領域147、ドレイン領域148及び増幅ゲート電極136からなる増幅トランジスタTr3が配置される。2つのフォトダイオードPD2及びPD3との間に素子分離領域133を介して、ソース領域140、ドレイン領域141及びリセットゲート電極137からなるリセットトランジスタTr3が配置される。フローティングディフージョン領域FDの3つの突出部と、3つの転送ゲート電極134A、134B及び134Cとは、直線状の一辺で隣接するように配置される。フローティングディフージョン領域FDとリセットトランジスタのソース領域149と増幅ゲート電極136とが配線142により接続される。この構成により、3画素共有とした共有画素182が構成され、この共有画素182が2次元配列される。
次に、図31を参照して、第9実施の形態に係る固体撮像装置を説明する。第9実施の形態の固体撮像装置81は、3つのフォトダイオードPD1、PD2及びPD3で1つのフローティングディフージョン領域FDを共有させている。フローティングディフージョン領域FDは等角間隔で3方に突出する形状に形成される。このフローティングディフージョン領域FDの3つの突出部と3つのフォトダイオードPD1、PD2及びPD3との間に3つの転送ゲート電極34A、34B及び34Cが形成されて、3つの転送トランジスタTr11、Tr12及びTr13が形成される。2つのフォトダイオードPD1及びPD2の間に素子分離領33を介して、ソース領域49、ドレイン領域50及びリセットゲート電極35からなるリセットトランジスタTr2が形成される。2つのフォトダイオードPD2及びPD3との間に素子分離領域33を介して、ソース領域47、ドレイン領域48及び増幅ゲート電極36からなる増幅トランジスタTr3が配置される。2つのフォトダイオードPD2及びPD3との間に素子分離領域33を介して、ソース領域40、ドレイン領域41及びリセットゲート電極37からなるリセットトランジスタTr3が配置される。
そして、本実施の形態においては、フローティングディフージョンFDの3つの突出部の先端が円弧状に形成され、3つの転送ゲート電極34A、34B及び34Cに、上記3つの突出部の円弧部が入り込む凹み部45が形成される。本実施の形態では、各転送ゲート電極34A、34B及び34Cの凹み部45にフローティングディフージョン領域FDの3つの円弧部が入り込むように配置される。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43と3つのゲート電極34A、34B及び34Cまでが最短距離になるようになるような形状を有している。フローティングディフージョン領域FDとリセットトランジスタのソース領域149と増幅ゲート電極136とが配線142により接続される。この構成により、3画素共有とした共有画素82が構成され、この共有画素82が2次元配列される。
第9実施の形態に係る固体撮像装置81によれば、3画素共有とした共有画素82において、フローティングディフージョン領域FDの3つの円弧部を、3つの転送ゲート電極34A34B及び34Cの凹み部45に入り込むようにしている。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43と3つのゲート電極34A、34B及び34Cまでが最短距離になるようになるような形状を有している。この構成により、第9比較例と比較して、FD構成部のFD面積、すなわちフローティングディフージョン領域FDの面積が小さくなる。第9比較例と比較して、素子分離容量成分が低減し、フローティングディフージョン領域FDと転送ゲート電極34A、34B及び34C間容量を含むゲート・FDフリンジ容量成分が増加する。この結果、図3で説明したように、第9実施の形態では、第9比較例と比較して、フローティングディフージョン構成部におけるトータルのFD容量が低減し、光電変換効率を向上することができる。
一方、第9実施の形態では、ゲート・FDフリンジ容量成分が増加するので、第9比較例と比較して電荷転送時やリセット時の電圧変調度が大きくなり、信号のダイナミックレンジを拡大することができる。
第9実施の形態の固体撮像装置81は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
第9実施の形態の固体撮像装置81は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
<12.第10実施の形態>
[固体撮像装置の構成例]
図35に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第10実施の形態を示す。図35は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図33に示すように、FD構成部の不純物拡散領域に対して4つのゲート電極が隣接する実施の形態(6)であり、4画素共有方式での各転送ゲート電極のそれぞれに図33の構造を適用している。本実施の形態を、図34に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して4つのゲート電極が隣接する比較例(6)を適用した図36の第10比較例と対比して説明する。
[固体撮像装置の構成例]
図35に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第10実施の形態を示す。図35は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図33に示すように、FD構成部の不純物拡散領域に対して4つのゲート電極が隣接する実施の形態(6)であり、4画素共有方式での各転送ゲート電極のそれぞれに図33の構造を適用している。本実施の形態を、図34に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して4つのゲート電極が隣接する比較例(6)を適用した図36の第10比較例と対比して説明する。
図33の構成部84は、上面から見て、FD構成部の不純物拡散領域22を円形状に形成し、この不純物拡散領域22を中心に、不純物拡散領域22にそれぞれ4つのゲート電極23が隣接するように配置される。4つゲート電極23は、台形状の上辺に不純物拡散領域22の円弧部が入り込むような円弧状の凹み部24を有して構成される。このゲート電極の凹み部24は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部26と4つのゲート電極23までが最短距離になるようになるような形状を有している。その他のサイドウォール25、コンタクト部26の構成は、前述の図9、図17、図23、図27と同様である。
図34の構成部174は、上面から見て、FD構成部の不純物拡散領域122を四角形状に形成し、この不純物拡散領域122の4つの辺に台形状のゲート電極123が隣接するように配置される。その他のサイドウォール125、コンタクト部126の構成は、前述の図10、図18、図24、図28と同様である。
先に、図36を参照して、第10比較例に係る固体撮像装置について説明する。第10比較例の固体撮像装置186は、4つのフォトダイオードPD1〜PD4で1つのフローティングディフージョン領域FDを共有させている。縦2×横2の計4つのフォトダイオードPD1〜PD4が配列され、その中心に対応して4つの転送トランジスタTr11〜Tr14を介して、四角形状の1つのフォトダイオードPD1フローティングディフージョン領域FDが配置される。各フォトダイオードPD1〜PD4とフローティングディフージョン領域FDの各辺間に、台形状の転送ゲート電極134A〜134Dが形成される。リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4は、直列接続されて、フォトダイオードPD及びフローティングディフージョン領域FDから素子分離領域133を介して分離配置される。
リセットトランジスタTr2は、不純物拡散領域138及び139をソース領域及びドレイン領域とし、リセットゲート電極135を有して形成される。増幅トランジスタTr3は、不純物拡散領域140及び139をソース領域及びドレイン領域とし、増幅ゲート電極136を有して形成される。選択トランジスタTr4は、不純物拡散領域141及び140をソース領域及びドレイン領域とし、選択ゲート電極137を有して形成される。この構成により、縦2×横2の計4画素共有とした共有画素187が構成され、この共有画素187が2次元配列される。その他の構成は、図8で説明したと同様であるので、図36において、図8と対応する部分に同一符号を付して、重複説明を省略する。
次に、図35を参照して、第10実施の形態に係る固体撮像装置を説明する。第10実施の形態の固体撮像装置86は、4つのフォトダイオードPD1〜PD4で1つのフローティングディフージョン領域FDを共有させている。縦2×横2の計4つのフォトダイオードPD1〜PD4が配列され、その中心に対応して4つの転送トランジスタTr11〜Tr14を介して、1つのフォトダイオードPD1フローティングディフージョン領域FDが配置される。各フォトダイオードPD1〜PD4とフローティングディフージョン領域FDの各辺間に、転送ゲート電極34A〜34Dが形成される。リセットトランジスタTr2、増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4は、直列回路として一体に形成され、フォトダイオードPD1〜PD4及びフローティングディフージョン領域FDの領域から素子分離領域33を介して分離配置される。
リセットトランジスタTr2は、不純物拡散領域38及び39をソース領域及びドレイン領域とし、リセットゲート電極35を有して形成される。増幅トランジスタTr3は、不純物拡散領域140及び139をソース領域及びドレイン領域とし、増幅ゲート電極136を有して形成される。選択トランジスタTr4は、不純物拡散領域141及び140をソース領域及びドレイン領域とし、選択ゲート電極137を有して形成される。
そして、本実施の形態においては、フローティングディフージョン領域FDが円形状に形成される。4つの転送ゲート電極34A〜34Dは、台形の上辺に円形状のフローティングディフージョン領域FD一部、すなわち円弧部が入り込む凹み部45を有して形成される。図では、4つの転送ゲート電極34A〜34Dの各凹み部45内に円形状のフローティングディフージョン領域FDの一部の円弧部が入り込むようにレイアウトされる。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極34A〜34Dまでが最短距離になるようになるような形状を有している。この構成により、縦2×横2の計4画素共有とした共有画素87が構成され、この共有画素87が2次元配列される。その他の構成は、図7で説明したと同様であるので、図35において、図7と対応する部分に同一符号を付して、重複説明を省略する。
第10実施の形態に係る固体撮像装置86によれば、4画素共有とした共有画素87において、円形状のフローティングディフージョン領域FDの一部である各円弧部を、4つの転送ゲート電極34A〜34Dの凹み部45に入り込むようにしている。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極34A〜34Dまでが最短距離になるようになるような形状を有している。この構成により、第10較例と比較して、FD構成部のFD面積、すなわちフローティングディフージョン領域FDの面積が小さくなる。第10比較例と比較して、素子分離容量成分が低減し、フローティングディフージョン領域FDと転送ゲート電極34A〜34Dとの間の容量を含むゲート・FDフリンジ容量成分が増加する。この結果、図3で説明したように、第9実施の形態では、第10比較例と比較して、フローティングディフージョン構成部におけるトータルのFD容量が低減し、光電変換効率を向上することができる。
一方、第10実施の形態では、ゲート・FDフリンジ容量成分が増加するので、第10比較例と比較して電荷転送時やリセット時の電圧変調度が大きくなり、信号のダイナミックレンジを拡大することができる。
第10実施の形態の固体撮像装置86は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
第10実施の形態の固体撮像装置86は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
<13.第11実施の形態>
[固体撮像装置の構成例]
図37に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第11実施の形態を示す。図37は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図33に示すように、FD構成部の不純物拡散領域に対して4つのゲート電極が隣接する実施の形態(6)例であり、3画素共有方式での各転送ゲート電極のそれぞれに図33の構造を適用している。本実施の形態を、図34に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して4つのゲート電極が隣接する比較例(6)を適用した図38の第11比較例と対比して説明する。
[固体撮像装置の構成例]
図37に、本発明に係る固体撮像装置、すなわちCMOS固体撮像装置の第11実施の形態を示す。図37は、CMOS固体撮像装置における画素部分のレイアウトを示す。本実施の形態は、図33に示すように、FD構成部の不純物拡散領域に対して4つのゲート電極が隣接する実施の形態(6)例であり、3画素共有方式での各転送ゲート電極のそれぞれに図33の構造を適用している。本実施の形態を、図34に示すFD構成部の不純物拡散領域に対して4つのゲート電極が隣接する比較例(6)を適用した図38の第11比較例と対比して説明する。
先に、図38を参照して、第11比較例に係る固体撮像装置について説明する。第11比較例の固体撮像装置189は、3つのフォトダイオードPD1〜PD3で1つのフローティングディフージョン領域FDを共有させている。リセットトランジスタTr2のソース領域を兼ねるフローティングディフージョン領域FDは、四角形状に形成される。このフローティングディフージョン領域FDの3辺に対応して転送ゲート電極134A〜134Cを介して3つのフォトダイオードPD1〜PD3が配置される。他の1辺に対応してリセットトランジスタTr2のリセットゲート電極135を介して、リセットトランジスタTr2のソース領域となる不純物拡散領域143が配置される。
増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4は直列回路として一体に形成され、素子分離領域133を介して分離配置される。増幅トランジスタTr3は、不純物拡散領域140及び139をソース領域及びドレイン領域とし、増幅ゲート電極136を有して形成される。選択トランジスタTr4は、不純物拡散領域141及び140をソース領域及びドレイン領域とし、選択ゲート電極137を有して形成される。転送ゲート電極134及びリセットゲート電極135は、四角形状に形成され、それぞれ直線状の一辺でローティングディフージョン領域FDに接するように形成される。不純物拡散領域140はL字型に形成され、フローティングディフージョン領域FDが増幅ゲート電極136に配線を介して接続される。126はコンタクト部を示す。この構成により、3画素共有とした共有画素190が構成され、この共有画素190が2次元配列される。
次に、図37を参照して、第11実施の形態に係る固体撮像装置を説明する。第11実施の形態の固体撮像装置89は、3つのフォトダイオードPD1〜PD3で1つのフローティングディフージョン領域FDを共有させている。フローティングディフージョン領域FDを中心に3つのフォトダイオードPD1〜PD3と、フローティングディフージョン領域FDと3つのフォトダイオードPD1〜PD3との間に、3つの転送ゲート電極134A〜134Cが形成される。フローティングディフージョン領域FDと不純物拡散領域143との間に、リセットゲート電極135が形成される。
増幅トランジスタTr3及び選択トランジスタTr4は直列回路として一体に形成され、素子分離領域33を介して分離配置される。増幅トランジスタTr3は、不純物拡散領域40及び39をソース領域及びドレイン領域とし、増幅ゲート電極36を有して形成される。選択トランジスタTr4は、不純物拡散領域41及び40をソース領域及びドレイン領域とし、選択ゲート電極37を有して形成される。不純物拡散領域40はL字型に形成され、フローティングディフージョン領域FDが増幅ゲート電極136に配線42を介して接続される。26はコンタクト部を示す。この構成により、3画素共有とした共有画素90が構成され、この共有画素90が規則的に2次元配列され、画素領域が構成される。
そして、本実施の形態においては、フローティングディフージョン領域FDが円形状に形成される。3つの転送ゲート電極34A〜34Dは、台形の上辺に円形状のフローティングディフージョン領域FD一部、すなわち円弧部が入り込む凹み部45を有して形成される。リセットゲート電極35は、円形状のフローティングディフージョン領域FD一部、すなわち円弧部が入り込む凹み部45を有して形成される。図では、3つの転送ゲート電極34A〜34D及びリセットゲート電極35の各凹み部45内に円形状のフローティングディフージョン領域FDの一部の円弧部が入り込むようにレイアウトされる。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極34A〜34Dまでが最短距離になるようになるような形状を有している。26はコンタクト部を示す。この構成により、3画素共有とした共有画素90が構成され、この共有画素90が2次元配列される。
第11実施の形態に係る固体撮像装置89によれば、共有画素90において、円形状のフローティングディフージョン領域FDの一部である円弧部を、転送ゲート電極34A〜34D及びリセットゲート電極35の凹み部45に入り込むようにしている。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極34A〜34Dまでが最短距離になるようになるような形状を有している。この構成により、第11較例と比較して、FD構成部のFD面積、すなわちフローティングディフージョン領域FDの面積が小さくなる。第11比較例と比較して、素子分離容量成分が低減し、フローティングディフージョン領域FDと転送ゲート電極34A〜34Dとの間の容量を含むゲート・FDフリンジ容量成分が増加する。この結果、図3で説明したように、第9実施の形態では、第11比較例と比較して、フローティングディフージョン構成部におけるトータルのFD容量が低減し、光電変換効率を向上することができる。
一方、第11実施の形態では、ゲート・FDフリンジ容量成分が増加するので、第11比較例と比較して電荷転送時やリセット時の電圧変調度が大きくなり、信号のダイナミックレンジを拡大することができる。
第11実施の形態の固体撮像装置86は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
第11実施の形態の固体撮像装置86は、画素の微細化が進むCMOS固体撮像装置に適用して好適である。
<14.第12実施の形態>
[固体撮像装置の製造方法例]
図39〜図40に、本発明の第12実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の一例を示す。本実施の形態の固体撮像装置の製造方法は、図39Aを参照するように、前述の第3実施の形態の縦2画素共有方式の固体撮像装置54の製造に適用した場合である。図39B〜図40D1は図39AのA−A線上の断面図であり、図40D2は図39AのB−B線上の断面図である。
本発明の固体撮像装置の製造方法は、基本的には図39〜図40の製造工程を用いて製造することができる。
[固体撮像装置の製造方法例]
図39〜図40に、本発明の第12実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法の一例を示す。本実施の形態の固体撮像装置の製造方法は、図39Aを参照するように、前述の第3実施の形態の縦2画素共有方式の固体撮像装置54の製造に適用した場合である。図39B〜図40D1は図39AのA−A線上の断面図であり、図40D2は図39AのB−B線上の断面図である。
本発明の固体撮像装置の製造方法は、基本的には図39〜図40の製造工程を用いて製造することができる。
先ず、図39Bに示すように、第1導電型、例えばn型の半導体基板(シリコン基板)93を用意する。このn型半導体基板93の表面に熱酸化による絶縁膜94を形成する。次いで、n型半導体基板93に第2導電型、例えばp型の半導体ウェル領域95を形成する。p型半導体ウェル領域95は、例えばp型半導体ウェル領域形成領域を除く基板表面にイオン注入用マスク(例えばレジストマスク)を形成し、p型不純物のイオン注入を行って形成する。
次に、素子分離領域を形成すべき領域に、素子分離領域33を形成する。素子分離領域33は、本例ではSTI(Shallow Trench Isolation)素子分離領域で形成している。素子分離領域33としては、その他、p型不純物拡散領域による素子分離領域、あるいはp型不純物拡散領域上に絶縁膜を形成した素子分離領域などを用いることもできる。
次に、フォトダイオードPD[PD1,PD2]を形成する。フォトダイオードPDは、フォトダイオード形成領域以外の領域上にイオン注入用マスク(例えばレジストマスク)を形成し、n型不純物をイオン注入してn型半導体領域95を形成する。さらに、イオン注入用マスク(例えばレジストマスク)を介してn型半導体領域100から後で形成される転送ゲート電極下にわたる領域に、p型不純物をごく浅くイオン注入し、p型半導体領域96を形成する。このp型半導体領域96は暗電流抑制を兼ねる。
次に、図29Cに示すように、ゲート絶縁膜97を介して転送ゲート電極34A及び34Bを形成する。
このとき、図示しないが、他のリセットゲート電極、増幅ゲート電極及び選択ゲート電極も同時に形成する。転送ゲート電極34A及び34Bを含む画素トランジスタのゲート電極は、ドープドポリシリコン、もしくは銅、アルミニウムなどのメタルを用いる。そして、ゲート電極形成のためのイオン注入用マスク(例えばレジストマスク)を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術によってゲート電極材料膜をドライエッチングしてゲート電極を形成する。
このとき、図示しないが、他のリセットゲート電極、増幅ゲート電極及び選択ゲート電極も同時に形成する。転送ゲート電極34A及び34Bを含む画素トランジスタのゲート電極は、ドープドポリシリコン、もしくは銅、アルミニウムなどのメタルを用いる。そして、ゲート電極形成のためのイオン注入用マスク(例えばレジストマスク)を形成し、リソグラフィ技術とエッチング技術によってゲート電極材料膜をドライエッチングしてゲート電極を形成する。
FD構成部に接するゲート電極形成のためのイオン注入用マスクは、デザインルールの許す範囲でFD容量の全体が最適化されるようにパターニングする。すなわち、図29Cの工程では、転送ゲート電極34A及び34Bは、図39Aで示すように、形成すべきフローティングディフージョン領域FDに接する部分に円弧状の凹み部45が形成されるようにパターニングする。同時に、リセットゲート電極35も、形成すべきフローティングディフージョン領域FDに接する部分に円弧状の凹み部45が形成されるようにパターニングする。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト43とゲート電極34A及び34Bまでが最短距離になるようになるような形状を有している。
次に、イオン注入用マスクを除去する。マスク除去後、化学気相成長(CVD)法とドライエッチング法によって、転送ゲート電極34A及び34Bの側面に窒化シリコン膜によるストッパ層と酸化シリコン膜によるサイドウォール98を形成する。図示しないが、他のゲート電極の側面にも同時にサイドウォール98を形成する。
次に、フローティングディフージョン領域FDを形成すべき領域、ソース/ドレイン領域を形成すべき領域及びゲート電極を除いて、半導体基板上にレジストマスクを形成する。このレジストマスクと転送ゲート電極34A及び34Bとサイドウォール98をマスクにして、高濃度のn型不純物をイオン注入して、n型のフローティングディフージョン領域FDを形成する。同時に他の画素トランジスタのソース/ドレイン領域となるn型不純物拡散領域を形成する。フローティングディフージョン領域FDは、この例では円形状に形成される。サイドウォール98を含む転送ゲート電極34A及び34Bの形状が、円形状のn型フローティングディフージョン領域FDを決めることになる。
次に、図40D1及びD2に示すように、コンタクト部43を形成するためのエチングストップ層99を基板全面上に形成する。エッチングストップ層99は、例えば窒化シリコン膜で形成することができる。この窒化シリコン膜によるエッチングストップ層99を成膜し、さらにこの上の多層配線層を構成すべき第1層の層間絶縁膜101を成膜する。
CMP(化学機械研磨)法で層間絶縁膜101を平坦化する。層間絶縁膜101上にハードマスク層を形成し、リソグラフィ技術とエッチンング技術によって、ハードマスク層をパターニングしてマスクを形成する。このマスクを用いて、フローティングディフージョン領域FDのコンタクト部に対応する部分の第1層間絶縁膜101をドライエッチングしてコンタク開口102を形成する。さらにドライエッチング条件を変えて、コンタクト開口102に臨む窒化シリコン膜によるエッチングストッパ層99をドライエッチングして、フローティングディフージョン領域FDが臨むコンタクト開口102を形成する。
次いで、化学気相成長(CVD)法でコンタク材料、例えばタングステンをコンタクト開口102内に埋め込む。化学機械研磨(CMP)法で不要なコンタクト材料を除去し、コンタクト開口102内にコンタクト部43を形成する。他の画素トランジスタの所要の不純物拡散領域、ゲート電極とのコンタク部43も同様にして、同時に形成する。
その後、図示しないが、層間絶縁膜101上にコンタク部43に接続する配線42を形成する。次いで、その上に層間絶縁膜、配線を形成して多層配線層を形成する。
その後、表面照射型であれば、多層配線層上にカラーフィルタ及びオンチップレンズを形成して、目的の固体撮像装置54を得る。裏面照射型であれば、支持基板を多層配線層上に貼り合わせ、半導体基板93の裏面からから研磨して薄膜化し、半導体基板裏面にカラーフィルタ及びオンチップレンズを形成して目的の固体撮像装置54を得る。
本実施の形態に係る固体撮像装置の製造方法によれば、凹み部45を有する転送ゲート電極34A、34B及びサイドウォール98をマスクにn型不純物をイオン注入し、フローティングディフージョン領域FDを形成する。このゲート電極の凹み部45は、不純物拡散領域に打たれるコンタクト部43とゲート電極34A〜34Dまでが最短距離になるようになるような形状を有している。この工程により、一部が転送ゲート電極34A及び34Bの凹み部45に入り込んだフローティングディフージョン領域FDをセルフアラインにて正確に形成することができる。従って、より光電変換効率の向上を図った固体撮像装置を製造することができる。
上例では、第3実施の形態の固体撮像装置の製造方法に適用したが、本実施の形態の製造方法は、その他の上述の実施の形態に係る固体撮像装置の製造にも適用することができる。
上述の本発明の各実施の形態では、画素トランジスタとして、4トランジスタで構成したが、その他3トランジスタ等で構成すすることもでき、同様の効果を奏する。
なお、上述の実施の形態に係る固体撮像装置では、信号電荷を電子とし、第1導電型をn型、第2導電型をp型として構成したが、信号電荷を正孔とする固体撮像装置にも適用できる。この場合、各半導体基板、半導体ウェル領域あるいは半導体領域の導電型を逆にし、p型が第1導電型,n型が第2導電型となる。
<15.第13実施の形態>
[電子機器の構成例]
上述の本発明に係る固体撮像装置は、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、さらにカメラ付き携帯電話などの各種携帯端末機器、プリンター等の電子機器に適用することができる。
[電子機器の構成例]
上述の本発明に係る固体撮像装置は、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、さらにカメラ付き携帯電話などの各種携帯端末機器、プリンター等の電子機器に適用することができる。
図41に、本発明に係る電子機器の一例としてカメラに適用した第13実施の形態を示す。本実施の形態に係るカメラは、静止画像又は動画撮影可能なビデオカメラを例としたものである。本実施も形態のカメラ111は、固体撮像装置112と、固体撮像装置112の受光センサ部に入射光を導く光学系113と、シャッタ装置114を有する。さらに、カメラ111は、固体撮像装置112を駆動する駆動回路115と、固体撮像装置112の出力信号を処理する信号処理回路116とを有する。
固体撮像装置112は、上述した各実施の形態の固体撮像装置のいずれかが適用される。光学系(光学レンズ)113は、被写体からの像光(入射光)を固体撮像装置112の撮像面上に結像する。光学系113は、複数の光学レンズから構成された光学レンズ系としてもよい。シャッタ装置114は、固体撮像装置112への光照射期間及び遮光期間を制御する。駆動回路75は、固体撮像装置112の転送動作及びシャッタ装置114のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路115から供給される駆動信号(タイミング信号)により、固体撮像装置112の信号転送を行う。信号処理回路116は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、或いは、モニタに出力される。
第13実施の形態に係るカメラなどの電子機器によれば、光電変換効率を向上し、またダイナミックレンジの拡大を図ることができる。従って、CMOS固体撮像装置112において、高感度化、高画質化が図られ、信頼性の高い電子機器を提供することができる。
31、47、51、63、66,71、77、81、87、89・・固体撮像装置、PD[PD1〜PD4]・・フォトダイオード、FD[FD1、FD2]・・フローティングディフージョン領域、34[34A〜34D]・・転送ゲート電極、43・・コンタクト部、45・・凹み部、Tr1[Tr11〜Tr14]・・転送トランジスタ、Tr2・・リセットトランジスタ、Tr3・・増幅トランジスタ、Tr4・・選択トランジスタ、42・・配線
Claims (10)
- 光電変換部と画素トランジスタからなる画素が2次元配列された画素領域と、
前記画素において、
フローティングディフージョン構成部の不純物拡散領域と、
上面から見て、前記不純物拡散領域の一部が入り込む凹み部を有する画素トランジスタのゲート電極とを有する固体撮像装置。 - 上面から見て、前記不純物拡散領域の形状が、円形、多角形、前記ゲート電極の凹み部に入り込む部分を円弧状とする形状、あるいは四角形である 請求項1記載の固体撮像装置。
- 前記ゲート電極は、転送ゲート電極、リセットゲート電極から選ばれたゲート電極である
請求項2記載の固体撮像装置。 - 前記フローティングディフージョン構成部の不純物拡散領域は、フローティングディフージョン領域、リセットトランジスタのソース/ドレイン領域から選ばれた不純物拡散領域である
請求項3記載の固体撮像装置。 - 前記画素が、複数の光電変換部で画素トランジスタを共有する共有画素で構成される
請求項1乃至4記載の固体撮像装置。 - 半導体基板の、光電変換部と画素トランジスタからなる画素が2次元配列される画素領域を形成すべき領域上に、ゲート絶縁膜を介して上面から見て凹み部を有する画素トランジスタのゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極の側面のサイドウォールを形成する工程と、前記ゲート電極及び前記サイドウォールをマスクにしてセルフアラインにて前記半導体基板に、上面から見て一部が前記ゲート電極の凹み部へ入り込むようにフローティングディフージョン構成部の不純物拡散領域を形成する工程を有する固体撮像装置の製造方法。
- 上面から見て、前記不純物拡散領域を、円形、多角形、前記ゲート電極の凹み部に入り込む部分を円弧状とする形状、あるいは四角形に形成する
請求項6記載の固体撮像装置の製造方法。 - 凹み部を有する前記ゲート電極は、転送ゲート電極、リセットゲート電極から選ばれたゲート電極である
請求項7記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記フローティングディフージョン構成部の不純物拡散領域は、フローティングディフージョン領域、リセットトランジスタのソース/ドレイン領域から選ばれた不純物拡散領域である
請求項8記載の固体撮像装置の製造方法。 - 固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の光電変換部に入射光を導く光学系と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを備え、
前記固体撮像装置は、請求項1乃至5のいずれかに記載された固体撮像装置で構成される
電子機器。
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