JP2012199760A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイナミックレンジを向上させた固体撮像装置を提供する。
【解決手段】
列方向に隣接した少なくとも４つのフォトダイオード１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄを含んで１つの単位セルが構成され、半導体基板には単位セル毎に、少なくとも４つのフォトダイオードの各々に対応し、ドレインがフローティングディフュージョン１３８ａ、１３８ｂとして機能する少なくとも４つの転送トランジスタと、フローティングディフュージョンの電位をリセットするためのリセットトランジスタと、フローティングディフュージョンの電位に応じた電圧信号を出力する増幅トランジスタが形成され、配線層は２層構造であり、２層のうち下側の層は、列方向に隣接したフォトダイオードの間を行方向に延伸して形成された複数の配線を含み、複数の配線にはフローティングディフュージョンの電位を制御するためのフローティングディフュージョン制御配線２１１が存在する。
【選択図】図６

Description

本発明は、MOS（Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像装置に関する。

この種の固体撮像装置は、デジタルカメラや携帯電話機等の撮像デバイスとして用いられている。同装置の例として特許文献１の固体撮像装置を挙げその構成を説明する。図１１は、特許文献１の固体撮像装置における一単位セルの構成およびその周辺の構成を示す模式回路図である。図１１に示すように、単位セル３０は、外部からの入射光を光電変換し光量に応じた信号電荷を生成する電荷生成部（例えばフォトダイオード）３２と、電荷生成部３２で生成された信号電荷を転送する転送ゲートトランジスタ３４と、転送ゲートトランジスタ３４を通じて信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン３８と、フローティングディフュージョン３８に接続され、フローティングディフュージョン３８内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタ３６と、フローティングディフュージョン３８内の信号電荷を電圧信号に増幅変換する増幅用トランジスタ４２を含んで構成される。

転送ゲートトランジスタ３４は、転送ゲート配線５５を介して転送駆動バッファ１５０により駆動される。リセットトランジスタ３６は、リセットゲート配線５６を介してリセット駆動バッファ１５２により駆動される。垂直ドレイン線５７は、ドレイン駆動バッファ１４０により駆動される。

この固体撮像装置は、次のように駆動する。
まず、ドレイン駆動バッファ１４０によりドレイン駆動パルスＤＲＮ（電源電圧（ハイレベル））を垂直ドレイン線５７に印加した後、垂直ドレイン線５７が電源電圧の状態で、リセットパルスＲＳＴ（ハイレベル）をリセットトランジスタ３６のゲートに印加してリセットゲート配線５６を立ち上げる。

その後、フローティングディフュージョン３８が電源電圧に達してから、垂直信号線５３が電源電圧に達する前に、リセットパルスＲＳＴを立ち下げる。
そうすると、フローティングディフュージョン３８は、リセットトランジスタ３６のゲートとの容量結合（図１１のＣ１）により電圧降下する。一方、垂直信号線５３は未だ立ち上がっている途中段階にあるので、垂直信号線５３と増幅用トランジスタ４２との間の容量結合（図１１のＣ２）により、フローティングディフュージョン３８は昇圧される（以下、容量結合によりフローティングディフュージョン３８が昇圧される現象を「カップリング効果」とも記す。）。

特許文献１の固体撮像装置では、リセットトランジスタ３６のゲートとの容量結合により電圧降下するものの、垂直信号線５３の配線容量との容量結合により昇圧されるため、この昇圧された分だけ、より多くの信号電荷をフローティングディフュージョン３８に溜めることができる。その結果、ダイナミックレンジを広くすることができる。

このように、特許文献１の固体撮像装置では、駆動タイミングを工夫することで、ダイナミックレンジを広げている。

特開２００５−８６５９５号公報

ところで近年、固体撮像装置の微細化が求められているが、これを実現するには個々の単位セルのセルサイズを縮小する必要がある。セルサイズを縮小するためにはフォトダイオードのサイズを縮小せざるを得ないが、フォトダイオードの縮小幅を最小限に抑えるべく、所謂多画素（例えば４画素）一セル構造が採用されている。

また、固体撮像装置の微細化を実現するためには、トランジスタのサイズを縮小することはもちろん、配線を細かくする必要もある。そうすると、トランジスタの耐圧および配線容量の低下を招く。上述したように、フローティングディフュージョンは電源電圧にリセットされるが、トランジスタの耐圧および配線容量の低下により、電源電圧が低下してしまう。このため、フローティングディフュージョンの容量が小さくなり、ダイナミックレンジを十分に確保できなくなるという問題が発生する。

この問題を解消するために、上述した特許文献１の固体撮像装置の駆動タイミングを適用することが考えられる。
しかしながら、駆動制御を利用した方法では、カップリング効果が得られる期間が限られてしまい、十分にダイナミックレンジを確保することができない。具体的には、カップリング効果が得られる期間は、リセット信号ＲＳＴがローレベルとなり、リセットトランジスタ１３６をオフすることによりフローティングディフュージョン３８がフローティング状態となっている期間で、かつ、増幅トランジスタの出力により垂直信号線５３の電位が上昇している期間に限られる。このため、ダイナミックレンジの向上をより一層図るべく、さらなる改良が望まれている。

そこで、本発明は、ダイナミックレンジを向上させた固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様である固体撮像装置は、複数のフォトダイオードが行列状に配置された半導体基板と、前記半導体基板の上方に形成された配線層を備え、列方向に隣接した少なくとも４つのフォトダイオードを含んで１つの単位セルが構成され、前記半導体基板には単位セル毎に、前記少なくとも４つのフォトダイオードの各々に対応し、ドレインがフローティングディフュージョンとして機能する少なくとも４つの転送トランジスタと、前記フローティングディフュージョンの電位をリセットするためのリセットトランジスタと、前記フローティングディフュージョンの電位に応じた電圧信号を出力する増幅トランジスタが形成されており、前記配線層は、２層構造であり、前記２層のうち下側の層は、列方向に隣接したフォトダイオードの間を行方向に延伸して形成された複数の配線を含み、前記複数の配線には、前記フローティングディフュージョンの電位を制御するためのフローティングディフュージョン制御配線が存在することを特徴とする。

本発明の一態様に係る固体撮像装置では、前記フローティングディフュージョンの電位を制御するためのフローティングディフュージョン制御配線が別途設けられているので、当該配線容量とのカップリングにより、フローティングディフュージョンの電位を高くすることができる。これにより、より多くの信号電荷をフローティングディフュージョンに溜めることができるので、その結果、ダイナミックレンジを広げることができる。

また、フローティングディフュージョンの電位が高くなることで、フォトダイオードからフローティングディフュージョンへ信号電荷を転送し易くなるので、残像を抑制することができる。

実施の形態１に係る固体撮像装置１０の概略構成図である。 一単位セルの構成およびその周辺の構成を示す模式回路図である。 固体撮像装置１０の動作を示すタイミングチャートである。 フローティングディフュージョン１３８のポテンシャルの変化を示すポテンシャル図である。 固体撮像装置１０の４つの単位セルにおいて、拡散層、ポリシリコン、およびコンタクトのレイアウトを示す模式平面図である。 固体撮像装置１０の４つの単位セルにおいて、拡散層、ポリシリコン、下層配線層、およびビアのレイアウトを示す模式平面図である。 固体撮像装置１０の４つの単位セルにおいて、拡散層、ポリシリコン、下層配線層、および上層配線層のレイアウトを示す模式平面図である。 固体撮像装置１０の構成を模式的に示す部分断面図（図７のＡ−Ａ’断面）である。 変形例１に係る固体撮像装置の４つの単位セルにおいて、拡散層、ポリシリコン、下層配線層、およびビアのレイアウトを示す模式平面図である。 変形例２に係る固体撮像装置の４つの単位セルにおいて、拡散層、ポリシリコン、下層配線層、およびビアのレイアウトを示す模式平面図である。 特許文献１の固体撮像装置における一単位セルの構成およびその周辺の構成を示す模式回路図である。

＜実施の形態１＞
−固体撮像装置の全体構成−
図１は、実施の形態１に係る固体撮像装置１０の概略構成図である。固体撮像装置１０は、MOS型の固体撮像装置であり、図１に示すように、撮像領域１１を備える。撮像領域１１の周辺の領域には、周辺回路として、列アンプ群１２、ノイズキャンセル回路群１３、マルチプレクサ１４、負荷回路群１５、水平走査回路１６、出力アンプ１７、垂直走査回路１８、電圧発生回路１９およびタイミング制御部２０が配されている。

撮像領域１１には行列状に配列された複数の単位セル１が含まれている。また撮像領域１１の各列に対応して列アンプ２、ノイズキャンセル回路３、スイッチ素子４および負荷回路（負荷トランジスタ）５が配設されている。

撮像領域１１に含まれる単位セル１は、垂直走査回路１８の動作により、行単位でリセット、電荷蓄積、読み出しが行われる。行単位で読み出された画素信号は各列の列アンプ２により増幅され、ノイズキャンセル回路３によりアンプのオフセットばらつきがキャンセルされて保持される。ノイズキャンセル回路群１３に保持された１行分の単位セル信号は、水平走査回路１６の動作により、マルチプレクサ１４および出力アンプ１７を経由して順次出力される。

電圧発生回路１９は、固体撮像装置１０内の各回路に必要な各種電圧を発生させる。例えば、各種電圧として電源電圧（ＶＤＤ電位）やＦＤ制御電圧等が該当する。
ＦＤ制御電圧は、後述するフローティングディフュージョン制御配線に印加される電圧である。

タイミング制御部２０は、固体撮像装置１０内の各回路を同期させて駆動する。
−単位セルの構成およびその周辺の構成−
図２は、一単位セルの構成およびその周辺の構成を示す模式回路図である。図２に示すように、単位セルは、４つのフォトダイオード１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄと、当該４つのフォトダイオードの各々に対応した４つの転送トランジスタ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄと、一つのリセットトランジスタ１３６と、１つの増幅トランジスタ１４２を有する。すなわち、固体撮像装置１０は、４つのフォトダイオード１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄがリセットトランジスタ１３６および増幅トランジスタ１４２を共有する４画素一セル構造である。

各フォトダイオード１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄの一端（アノード側）は、接地されており、他端（カソード側）は、対応する転送トランジスタのソースに接続されている。各転送トランジスタ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄのドレインは、フローティングディフュージョン１３８を経て、リセットトランジスタ１３６のソースおよび増幅トランジスタ１４２のゲートに接続されている。

リセットトランジスタのドレインは、電源線１５７ＲＳに接続され、ゲートは、リセット配線１５６に接続されている。
増幅トランジスタ１４２のドレインは、電源線１５７ＳＦに接続され、ソースは、画素線１５１を通じて垂直信号線１５３に接続されている。

なお、以降の説明では、電源線１５７ＲＳと電源線１５７ＳＦを合わせてドレイン配線１５７と記す場合もある。
垂直信号線１５３は、負荷トランジスタ５のドレインに接続され、負荷トランジスタ５のソースは接地されている。ゲートは、Ｘ軸方向に延設される負荷ゲート配線１５９に接続されており、信号読み出し時には、予め決められた定電流を流し続ける。

また、上述した各配線とは別に、別途、フローティングディフュージョン１３８の電位を制御するためのフローティングディフュージョン制御配線２１１が設けられている。フローティングディフュージョン制御配線２１１には、電圧発生回路１９で生成されたＦＤ制御電圧が印加され、フローティングディフュージョン制御配線２１１容量との容量結合により、フローティングディフュージョン１３８が昇圧される。つまり、配線容量を考慮してＦＤ制御電圧を適宜設定することで、フローティングディフュージョン１３８の電位を制御することができる。ＦＤ制御電圧は、例えばローレベルを０Ｖ、ハイレベルをＶＤＤレベルとする。

このように、フローティングディフュージョン１３８には、フローティングディフュージョン制御配線２１１との間で寄生容量Ｃ２０１が形成される。加えて、フローティングディフュージョン１３８には、リセットトランジスタ１３６のゲートとの間で寄生容量Ｃ１０１が形成される他、垂直信号線１５３との間で寄生容量Ｃ１０２が形成される。

各フォトダイオード１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄは、入射された光の強度に応じて、信号電荷を生成する光電変換機能を有する。
各転送トランジスタ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄは、ゲートへの転送制御信号に従って、対応するフォトダイオードから信号電荷をフローティングディフュージョン１３８に転送する。

フローティングディフュージョン１３８は、各転送トランジスタ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄを通じて転送される信号電荷を蓄積する。
リセットトランジスタ１３６は、ゲートへのリセット制御信号に従って、フローティングディフュージョン１３８に蓄積された信号電荷を排出する。

増幅トランジスタ１４２は、フローティングディフュージョン１３８に転送された信号電荷に応じた電圧信号を垂直信号線１５３に出力する。
−タイミングチャート−
続いて、固体撮像装置１０の動作の概略について説明する。図３は、固体撮像装置１０の動作を示すタイミングチャートであり、フォトダイオード１３２ａで生成された信号電荷を読み出す場合を例示している。他のフォトダイオード１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄで生成された信号電荷を読み出す場合も同様のタイミングチャートになる。図３では、上段から順に、ドレイン配線１５７に印加されるドレイン駆動パルスＶＤＤＣＥＬＬ、リセット配線１５６に印加されるリセット信号ＲＳＴ、転送トランジスタ１３４ａに印加される転送ゲートパルスＴＲＡＮＳ１、負荷トランジスタ５に印加される負荷トランジスタ駆動パルスＬＯＡＤＣＥＬＬ、フローティングディフュージョン制御配線２１１に印加される駆動パルスＦＤＵＰ２、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１３８、および垂直信号線（ＳＩＧ）１５３の電位変動が示されている。

固体撮像装置１０では、ドレイン駆動パルスＶＤＤＣＥＬＬ、リセット信号ＲＳＴ、転送ゲートパルスＴＲＡＮＳ１、負荷トランジスタ駆動パルスＬＯＡＤＣＥＬＬ、駆動パルスＦＤＵＰ２を制御することにより、フローティングディフュージョン１３８の電位を変化させる。また、フローティングディフュージョン１３８の電位変化に応じて垂直信号線１５３の電圧も変化する。

まず、ドレイン駆動パルスＶＤＤＣＥＬＬ（ハイレベル）をドレイン配線１５７に印加してドレイン配線１５７をＶＤＤ電位（ハイレベル）の状態にする。また、負荷トランジスタ駆動パルスＬＯＡＤＣＥＬＬ（ハイレベル）を負荷ゲート配線１５９に印加して負荷ゲート配線１５９をハイレベルの状態にする。ここで、負荷トランジスタ駆動パルスＬＯＡＤＣＥＬＬのハイレベルは、負荷として機能させるための電位であり、具体的にはＶＤＤ電位ではなく、ＶＤＤ電位とＧＮＤとの間の電位である。この段階では、駆動パルスＦＤＵＰ２はローレベルにする。

次に、フローティングディフュージョン制御配線２１１がローレベルの状態で、リセット信号ＲＳＴ（ハイレベル）をリセットトランジスタ１３６に印加してリセット配線１５６を立ち上げる（ｔ１）。これにより、リセットトランジスタ１３６がオン状態になり、フローティングディフュージョン１３８はＶＤＤ電位（ハイレベル）になる（ｔ１〜ｔ２）。

この後、リセット信号ＲＳＴを立ち下げる（ｔ２）。そうすると、フローティングディフュージョン１３８がリセットトランジスタ１３６のゲートとの容量結合（図２のＣ１０１）により電圧降下する。

垂直信号線１５３の電圧は、フローティングディフュージョン１３８の電圧に追随する。つまり、ＶＤＤ電位になった後、電圧降下する。
続いて、負荷トランジスタ駆動パルスＬＯＡＤＣＥＬＬを立ち下げる（ｔ３ｃ）。これにより、負荷トランジスタ５がオフ状態になるので、垂直信号線１５３はフローティング状態になる。

次に、駆動パルスＦＤＵＰ２をハイレベルに立ち上げる（ｔ３ｂ）。そうすると、フローティングディフュージョン１３８のリセット電位（ＦＤリセット電位）は、配線容量Ｃ２０１とのカップリングによりＶＤＤ電位よりも高いＦＤリセット電位３に昇圧される（以下、「寄生容量Ｃ２０１のカップリング効果」と記す。）（ｔ３ｂ〜ｔ３）。このとき、寄生容量Ｃ１０２のカップリング効果によって、垂直信号線１５３の電圧も昇圧される。このときの垂直信号線１５３の電位をリセットレベルとして次段回路で取り込む。

この後、駆動パルスＦＤＵＰ２をフローティング状態にして、転送ゲートパルスＴＲＡＮＳ１（ハイレベル）を転送ゲートトランジスタ１３４ａに印加する（ｔ３〜ｔ４）。そうすると、フォトダイオード１３２ａからフローティングディフュージョン１３８に信号電荷が転送され、信号電荷の量に応じてフローティングディフュージョン１３８の電位が下がる。このとき、フローティングディフュージョン１３８のリセット電位は、配線容量Ｃ２０１とのカップリングによりＦＤリセット電位３に昇圧されているので、昇圧された分だけ、より多くの信号電荷をフローティングディフュージョン１３８に溜めることができる。その結果、ダイナミックレンジを広げることができる。

また、フローティングディフュージョン１３８の電位が高くなることで、フォトダイオード１３２ａの信号電荷は、転送時（ｔ３〜ｔ４）に、フローティングディフュージョン１３８に移動しやすくなる。これにより、フォトダイオード１３２ａに信号電荷が残留し難くなるので、残像を抑制することができる。

信号電荷の転送が完了した後、負荷トランジスタ駆動パルスＬＯＡＤＣＥＬＬを立ち上げると（ｔ４ｂ）、垂直信号線１５３の電位は、フローティングディフュージョン１３８の電位から増幅トランジスタ１４２のドレイン−ゲート間電位差（Ｖｔｈ）だけ下がった電位まで、フローティングディフュージョン１３８の電位に連動して下がる（ｔ４ｂ〜ｔ４ｃ）。このときの垂直信号線１５３の電位を信号レベルとして次段回路で再び取り込む。

次に、ドレイン駆動パルスＶＤＤＣＥＬＬをローレベルにして、リセット信号ＲＳＴ（ハイレベル）をリセットトランジスタ１３６に印加すると（ｔ５〜ｔ６）、フローティングディフュージョン１３８はローレベルに復帰する（ｔ５以降）。

次段回路は、リセットレベルと信号レベルの差を取って画素信号として出力する。
−フローティングディフュージョン１３８のポテンシャル−
続いて、フローティングディフュージョン１３８のポテンシャルの変化について説明する。図４は、フローティングディフュージョン１３８のポテンシャルの変化を示すポテンシャル図であり、フォトダイオード１３２ａに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョン１３８に転送する場合のポテンシャルを例示している。他のフォトダイオード１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョン１３８に転送する場合も同様のポテンシャル変化になる。

フォトダイオード１３２ａに光が入射されると光の強度に応じた信号電荷Ｑが生成され蓄積される。
次に、駆動パルスＦＤＵＰ２がローレベルの状態で、リセット信号ＲＳＴ（ハイレベル）をリセットトランジスタ１３６に印加してリセット配線１５６を立ち上げ（ｔ１）、その後、リセット信号ＲＳＴを立ち下げる（ｔ２）。図４（ａ）は、図３のｔ１〜ｔ２の期間における、フォトダイオード１３２ａ及びフローティングディフュージョン１３８のポテンシャルを示している。図４（ａ）に示すように、この期間では、生成された信号電荷Ｑがフォトダイオード１３２ａに蓄積された状態にある。また、リセットトランジスタ１３６がオン状態になることで、フローティングディフュージョン１３８の電位は、ＦＤリセット電位１（ＶＤＤ電位）になっている。

リセット信号ＲＳＴを立ち下げた後、負荷トランジスタ駆動パルスＬＯＡＤＣＥＬＬを立ち下げると、垂直信号線１５３はフローティング状態となる。この後、駆動パルスＦＤＵＰ２をハイレベルに立ち上げた後（ｔ３ｂ）、駆動パルスＦＤＵＰ２をフローティング状態にする（ｔ３）。図４（ｂ）は、図３のｔ３ｂ〜ｔ３の期間における、フォトダイオード１３２ａ及びフローティングディフュージョン１３８のポテンシャルを示している。図４（ｂ）に示すように、この期間では、フローティングディフュージョン１３８の電位は、配線容量Ｃ２０１とのカップリング効果により、電位Ｐ１だけ昇圧され、その結果、ＶＤＤ電位よりも高いＦＤリセット電位３になる。

また、駆動パルスＦＤＵＰ２をフローティング状態にした後、転送トランジスタ１３４には転送ゲートパルスＴＲＡＮＳ（ハイレベル）が印加され、その後、転送ゲートパルスＴＲＡＮＳ１は再びローレベルにされる（ｔ４）。図４（ｃ）は、図３のｔ３〜ｔ４の期間における、フォトダイオード１３２ａ及びフローティングディフュージョン１３８のポテンシャルを示している。図４（ｃ）に示すように、この期間では、フォトダイオード１３２ａで発生した信号電荷Ｑがフローティングディフュージョン１３８に転送される。このとき、フローティングディフュージョン１３８の電位とフォトダイオード１３２ａとの電位差は、フローティングディフュージョン１３８が昇圧された分（すなわち電位Ｐ１）だけ大きくなるので、より多くの信号電荷をフローティングディフュージョン１３８に溜めることができる。その結果、ダイナミックレンジを広げることができる。また、フォトダイオード１３２に信号電荷Ｑが残り難くなるため、残像による画質の劣化を抑制することができる。

転送ゲートパルスＴＲＡＮＳ１が再びローレベルにされた後、負荷トランジスタ駆動パルスＬＯＡＤＣＥＬＬを立ち上げる（ｔ４ｂ）。図４（ｄ）は、図３のｔ４〜ｔ４ｂの期間における、フォトダイオード１３２ａ及びフローティングディフュージョン１３８のポテンシャルを示している。図４（ｄ）に示すように、この期間では、フォトダイオード１３２ａとフローティングディフュージョン１３８との間は遮断される。

この後、負荷トランジスタ駆動パルスＬＯＡＤＣＥＬＬが立ち上げられたことにより、垂直信号線１５３の電位は、フローティングディフュージョン１３８の電位から増幅トランジスタ１４２のドレイン−ゲート間電位差（Ｖｔｈ）だけ下がった電位まで、フローティングディフュージョン１３８の電位に連動して下がる。

−レイアウト−
続いて、固体撮像装置１０における、拡散層、ポリシリコン、コンタクト、配線層における下側の層（下層配線層）、ビア、および配線層における上側の層（上層配線層）のレイアウトについて図５，６，７を用いて説明する。図５は、固体撮像装置１０の４つの単位セルにおいて、拡散層、ポリシリコン、およびコンタクトのレイアウトを示す模式平面図である。白抜き部分が拡散層、実線斜線部分がポリシリコン、ドット部分がコンタクトを示している。図６は、固体撮像装置１０の４つの単位セルにおいて、拡散層、ポリシリコン、下層配線層、およびビアのレイアウトを示す模式平面図である。白抜き部分が拡散層、実線斜線部分がポリシリコン、破線斜線部分が下層配線層の配線、バツ部分がビアを示している。図７は、固体撮像装置１０の４つの単位セルにおいて、拡散層、ポリシリコン、下層配線層、および上層配線層のレイアウトを示す模式平面図である。白抜き部分が拡散層、実線斜線部分がポリシリコン、破線斜線部分が下層配線層の配線、網目部分が上層配線層の配線を示している。

図５に示すように、列（Ｙ軸）方向に着目すると、フォトダイオード１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄが等間隔に配置されてなるフォトダイオード列が、それぞれ間を空けて４列配されている。各フォトダイオード列の右側には、当該フォトダイオード列の各フォトダイオードと接続される各種トランジスタおよびポリシリコンが配されている。列方向に隣接した４つのフォトダイオード１３２ａ〜１３２ｄとそれらの右側に配置された各種トランジスタおよびポリシリコンを含んで１つの単位セルが構成される。

ここでは、図５の左端の単位セルに着目してその構成を説明する。他の単位セルについても同様の構成である。
図５に示すように、ポリシリコンからなる転送トランジスタのゲート１３４ａＧ、１３４ｂＧ、１３４ｃＧ、１３４ｄＧはそれぞれ、対応するフォトダイオードに隣接した位置に配置される。転送トランジスタのドレインについては、２つの転送トランジスタで一つのドレインを共有しており、これらのドレインがそれぞれ、フローティングディフュージョン１３８ａ、１３８ｂとして機能する。

行方向に隣接するフォトダイオード１３２同士の間には、リセットトランジスタ１３６が配されている。フォトダイオード１３２ｂとフォトダイオード１３２ｃの間に当たる部分に増幅トランジスタ１４２が形成されている。ポリシリコンｐｓ１は、リセットトランジスタ１３６のソース１３６Ｓに隣接した位置からフローティングディフュージョン１３８ｂの中央に隣接する位置にかけて（すなわちＹ軸方向に）延伸して形成されている。ポリシリコンｐｓ１のうちフォトダイオード１３２ｂとフォトダイオード１３２ｃの間に当たる部分１４２Gが、これらフォトダイオード側に突出することで幅広になっている。この部分１４２Gが増幅トランジスタ１４２のゲートの上方に位置しており、増幅トランジスタ１４２のゲート電極として機能する。

行方向に隣接するフォトダイオード１３２ｄ同士の間には、半導体基板とコンタクトを取るための拡散層１７１が形成されている。
また、下層配線層の配線と接続するためのコンタクト１６１が複数形成されている。

下層配線層として、図６に示すように、複数の配線が、列（Ｙ軸）方向に隣接したフォトダイオードの間を行（Ｘ軸）方向に延伸して形成されている。複数の配線として、具体的には、転送制御信号線Ｔ１、転送制御信号線Ｔ２、転送制御信号線Ｔ３、転送制御信号線Ｔ４、リセット信号線１５６、電源線１５７ＳＦ、電源線１５７ＲＳ、およびフローティングディフュージョン制御配線２１１が該当する。複数のフォトダイオードが行列状に配置された構成において、一行毎に一本の転送制御信号線が配され、単位セル毎に一本のリセット信号線１５６、電源線１５７ＳＦ，１５７ＲＳ、およびフローティングディフュージョン制御配線２１１が配されている。

行方向に隣接する転送トランジスタのゲート１３４ａＧ同士、１３４ｂＧ同士、１３４ｃＧ同士、１３４ｄＧ同士はそれぞれ、コンタクトを介して、転送制御信号線Ｔ１、転送制御信号線Ｔ２、転送制御信号線Ｔ３、転送制御信号線Ｔ４で接続されている。これにより各転送制御信号線の負荷は等しくなっている。

フローティングディフュージョン制御配線２１１は、フォトダイオード１３２ｂとフォトダイオード１３２ｃとの間に配置され、各増幅トランジスタのゲートの上方を通過している。フローティングディフュージョン制御配線２１１における、各増幅トランジスタのゲートの上方に当たる第１部分２１１ａの列方向の幅Ｗ１は、列方向に隣接するフォトダイオードの間の領域の上方に当たる第２部分２１１ｂの列方向の幅W2よりも広くなっている。つまり、フローティングディフュージョン制御配線２１１における、増幅トランジスタのゲートの上方に当たる部分が、転送制御信号線Ｔ２側に突出することで、第２部分２１１ｂの幅Ｗ２よりも幅広の第１部分２１１ａが形成されている。この構成により、ポリシリコンｐｓ１におけるゲート電極１４２Ｇ部分との対向面積が増加するので、ダイナミックレンジをより広くすることができる。幅Ｗ１は、言い換えると、増幅トランジスタのゲート電極１４２Ｇ部分とフローティングディフュージョン制御配線２１１が平面視で重なり合う部分において、フローティングディフュージョン制御配線２１１の列方向の幅であり、０．０５〜０．５μmであることが好ましい。

また、増幅トランジスタのゲート電極１４２Ｇ部分とフローティングディフュージョン制御配線２１１が平面視で重なり合う部分において、増幅トランジスタの行方向の幅Ｗ３は０．３〜０．６５μmであることが好ましい。

リセットトランジスタ１３６のゲートに接続されたリセット信号線１５６は、フォトダイオード１３２ａとフォトダイオード１３２ｄとの間に配置され、このリセット信号線１５６およびフローティングディフュージョン制御配線２１１はそれぞれ、転送制御信号線Ｔ２、Ｔ４と同様の形状をしている。

さらに、電源線１５７ＲＳはフォトダイオード１３２ａとフォトダイオード１３２ｄとの間に配置され、電源線１５７ＳＦはフォトダイオード１３２ｂとフォトダイオード１３２ｃとの間に配置され、これらの電源線は共に転送制御信号線Ｔ１、Ｔ３と同様の形状をしている。これにより、各フォトダイオードの開口径を等しくできるため、各フォトダイオードで生成される信号電荷量のばらつきを抑制することができる。

各フローティングディフュージョン１３８ａ、１３８ｂは配線２１２を介してポリシリコンｐｓ１と接続されることで、電気的に接続されている。ポリシリコンｐｓ１は、リセットトランジスタのソース１３６Ｓと配線２１３を介して接続されている。

また、上層配線層の配線群と接続するためのビアが複数形成されている。
上層配線層として、図７に示すように、複数の配線が、行（Ｘ軸）方向に隣接したフォトダイオードの間を列（Ｙ軸）方向に延伸して形成されている。複数の配線として、具体的には、基板コンタクト線３０１および垂直信号線１５３が該当する。隣り合うフォトダイオード列の間の領域に二本ずつ配線が配され、一方が基板コンタクト線３０１、他方が垂直信号線１５３である。つまり、垂直信号線１５３および基板コンタクト線３０１がフォトダイオード列毎に配されている。

垂直信号線１５３は、ポリシリコンｐｓ１の上方に配置される。ポリシリコンｐｓ１は各フローティングディフュージョン１３８ａ、１３８ｂとリセットトランジスタのソース１３６Ｓに接続される。この構成によれば、読出し動作を行う際、垂直信号線１５３は、フローティングディフュージョン１３８ａ、１３８ｂの電位変化に追随して電位が変動する。このため、見かけ上フローティングディフュージョン１３８ａ、１３８ｂの寄生容量が小さくなり、フローティングディフュージョン１３８ａ、１３８ｂにおいて大きな電位変化を得ることができ、Ｓ／Ｎ比が向上する。

−概略断面図−
続いて、図８は、固体撮像装置１０の構成を模式的に示す部分断面図（図７のＡ−Ａ’断面）である。固体撮像装置１０では、図８に示すように、半導体基板２１３上に層間絶縁膜２１６が形成され、層間絶縁膜２１６の内部領域には、下層配線層２１６ａおよび上層配線層２１６ｂの２層構造からなる配線層２１６ａｂが形成されている。

半導体基板２１３には、複数のフォトダイオード１３２bが間隔を空けて隣り合って配置され、隣り合うフォトダイオードの間には、これらを分離するためのSTI(Shallow
Trench Isolation)２１４が形成されている。

半導体基板２１３上における、STI２１４の上方に当たる各部分には、ゲート電極１４２Ｇがそれぞれ位置し、層間絶縁膜２１６がこれらのゲート電極１４２Ｇを覆っている。
また、フローティングディフュージョン制御配線２１１がゲート電極１４２Ｇの上方に位置している。このため、フローティングディフュージョン制御配線２１１に電圧が印加されることでカップリング効果を得ることができる。カップリング効果を高めるためには、ゲート電極１４２Ｇの上面とフローティングディフュージョン制御配線２１１の下面との距離ｌ１は、５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることが好ましい。

また、フローティングディフュージョン制御配線２１１は、３層構造であり、下層から順にTa/TaN/Cuで形成され、下層配線層２１６ａにおける他の配線と同一の工程により形成される。

−ＦＤ制御電圧とフローティングディフュージョン１３８−
ここでは、フローティングディフュージョン１３８の電位がカップリング効果によりどの程度上昇するのかについて具体例を挙げて説明する。図６で示した増幅トランジスタの行方向の幅Ｗ３を０．６μｍ、図６で示したフローティングディフュージョン制御配線２１１における第１部分２１１ａの列方向の幅Ｗ１を０．４μｍ、図８で示した、ゲート電極１４２Ｇの上面とフローティングディフュージョン制御配線２１１の下面との距離ｌ１を５０ｎｍ、層間絶縁膜２１６をＳｉＯ_２とする。また、εＳｉＯ_２は３．９７であり、ε０は、８．８５×１０^−１２Ｆ／ｍである。このとき、フローティングディフュージョン制御配線２１１とフローティングディフュージョン１３８の間の容量は、約０．１７ｆＦとなる。この場合に、例えば、フローティングディフュージョン制御配線２１１にＦＤ制御電圧として４Ｖの振幅を与えると、フローティングディフュージョン１３８の電位は約０．６８Ｖ上昇する。
＜変形例＞
以上、本発明に係る固体撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施の形態に限られないことは勿論である。
（１）フローティングディフュージョン制御配線２１１の形状を替えた一変形例について説明する。図９は、変形例１に係る固体撮像装置の４つの単位セルにおいて、拡散層、ポリシリコン、下層配線層、およびビアのレイアウトを示す模式平面図である。図９に示すように、フローティングディフュージョン制御配線２１１における、増幅トランジスタのゲートの上方に当たる第１部分２１１ｃが、電源線１５７ＳＦの方向および電源線１５７ＳＦとは反対方向の両方向に突出している。つまり、この構成では、フローティングディフュージョン制御配線２１１における、増幅トランジスタのゲートの上方に当たる第１部分２１１ｃの行方向の両側面がそれぞれ、当該側面に対向している配線（転送制御信号線Ｔ２、電源線１５７Ｓｆ）側に突出している。これにより、列方向に隣接するフォトダイオードの間の領域の上方に当たる部分２１１ｂよりも幅広になっている。この構成によれば、フローティングディフュージョン制御配線２１１と増幅トランジスタのゲート電極１４２Ｇの対向面積が増加するので、フローティングディフュージョン制御配線２１１とフローティングディフュージョン１３８ａ、１３８ｂのカップリング効果をより高めることができる。
（２）増幅トランジスタのソースと垂直信号線を接続する配線の形状を替えた一変形例について説明する。図１０は、変形例２に係る固体撮像装置の４つの単位セルにおいて、拡散層、ポリシリコン、下層配線層、およびビアのレイアウトを示す模式平面図である。図１０に示すように、増幅トランジスタのソース１４２Ｓと垂直信号線（図示せず）を接続する配線２１９が列方向に延伸した構成となっている。この構成によれば、配線２１９とポリシリコンｐｓ１の対向面積が増加するので、垂直信号線とポリシリコンｐｓ１とのカップリング効果をより高めることができる。
（３）電圧発生回路１９が固体撮像装置１０に含まれる構成としたが、電圧発生回路１９は、固体撮像装置の外部に配置されていてもよい。
（４）図５に示すように、フローティングディフュージョン１３８aとポリシリコンｐｓ１のそれぞれにコンタクトを設けたが、シェアードであってもよい。
（５）図７に示すように、上層配線層として、基板電位安定のための基板コンタクト（ＶＳＳ）配線３０１を配していたが、基板コンタクト配線３０１の代わりに、下層配線層における電源線１５７ＳＦおよび電源線１５７ＲＳ（以下、これらを「第１の電源線」と記す。）と接続させた第２の電源線（ＶＤＤ配線）を配してもよい。これにより、第１の電源線に印加される電源電圧ＶＤＤを補強することができる。
（６）４画素１セル構造の固体撮像装置１０を例に挙げて説明したが、本発明は、この構造に限らない。５画素以上一セル構造の固体撮像装置に、フローティングディフュージョンの電位を制御するためのフローティングディフュージョン制御配線を設けても同様の効果を得ることができる。
（７）フローティングディフュージョン制御配線２１１が増幅トランジスタの上方を通過する構成としたが、当該配線とのカップリングによりフローティングディフュージョンの電位を上げることが可能であれば、他の位置に配置されてもよい。例えば、図６における、転送制御信号線Ｔ２とフローティングディフュージョン制御配線２１１の配置場所を入れ替え、フローティングディフュージョン制御配線２１１が配線２１２の上方を通過してもよい。

本発明は、MOS型の固体撮像装置に広く適用可能である。

１ 単位セル
２ 列アンプ
３ ノイズキャンセル回路
４ スイッチ素子
５ 負荷回路
１０ 固体撮像装置
１１ 撮像領域
１２ 列アンプ群
１３ ノイズキャンセル回路群
１４ マルチプレクサ
１５ 負荷回路群
１６ 水平走査回路
１７ 出力アンプ
１８ 垂直走査回路
１９ 電圧発生回路
２０ タイミング制御部
１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄ フォトダイオード
１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄ 転送トランジスタ
１３６ リセットトランジスタ
１３８ フローティングディフュージョン
１４２ 増幅トランジスタ
１５６ リセット信号線
１５７ＳＦ 電源線
１５７ＲＳ 電源線
２１１ フローティングディフュージョン制御配線

Claims (8)

1. 複数のフォトダイオードが行列状に配置された半導体基板と、
   前記半導体基板の上方に形成された配線層を備え、
   列方向に隣接した少なくとも４つのフォトダイオードを含んで１つの単位セルが構成され、
   前記半導体基板には単位セル毎に、
   前記少なくとも４つのフォトダイオードの各々に対応し、ドレインがフローティングディフュージョンとして機能する少なくとも４つの転送トランジスタと、
   前記フローティングディフュージョンの電位をリセットするためのリセットトランジスタと、
   前記フローティングディフュージョンの電位に応じた電圧信号を出力する増幅トランジスタが形成されており、
   前記配線層は、２層構造であり、
   前記２層のうち下側の層は、列方向に隣接したフォトダイオードの間を行方向に延伸して形成された複数の配線を含み、
   前記複数の配線には、前記フローティングディフュージョンの電位を制御するためのフローティングディフュージョン制御配線が存在する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記フローティングディフュージョン制御配線は、前記増幅トランジスタのゲートの上方を通過しており、
   前記フローティングディフュージョン制御配線における、前記増幅トランジスタのゲートの上方に当たる第１部分の列方向の幅は、列方向に隣接する前記フォトダイオードの間の領域の上方に当たる第２部分の列方向の幅よりも広い
   ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記フローティングディフュージョン制御配線の前記第１部分における、行方向の両側面がそれぞれ、当該側面に対向している配線側に突出している
   ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記増幅トランジスタのゲート電極の上面と前記フローティングディフュージョン制御配線の下面の間の距離は、５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 前記増幅トランジスタのゲート電極と前記フローティングディフュージョン制御配線が平面視で重なり合う部分において、前記増幅トランジスタの行方向の幅は０．３〜０．６５μmである
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。
6. 前記フローティングディフュージョン制御配線における、前記第１部分の列方向の幅は０．０５〜０．５μmである
   ことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の固体撮像装置。
7. 前記２層のうち上側の層は、行方向に隣接するフォトダイオードの間を列方向に延伸して形成された複数の配線を含み、
   前記複数の配線には、前記増幅トランジスタのソースに接続された信号出力線が存在し、
   列方向に隣接した４つのフォトダイオードを含んで１つの単位セルが構成され、
   各単位セル内の２つの転送トランジスタで一つのドレインが共有され、
   各ドレインを接続するための導電性材料が列方向に延伸して形成されており、
   前記信号出力線は、前記導電性材料の上方に位置する
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の固体撮像装置。
8. 前記下側の層の複数の配線には、前記増幅トランジスタのドレインに接続された第１の電源線が含まれ、
   前記上側の層の複数の配線には、前記第１の電源線に接続された第２の電源線が含まれる
   ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置。

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