JP6254048B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、固体撮像素子を含む半導体装置に適用して有効な技術に関するものである。
デジタルカメラを用いて高品質の動画を撮像する為には、自動焦点検出を高速かつ精度よく行うことが重要である。近年では、２つの光電変換手段を備えた画素を複数搭載した固体撮像素子を用い、像面位相差検出方式により自動焦点調整を行うデジタルカメラが開発されている。
１個の画素内に２個のフォトダイオードを設けることについては、特許文献１（特開２０１３−１０６１９４号公報）、特許文献２（特開２００８−１９３５２７号公報）および特許文献３（特開２０１３−０４１８９０号公報）に記載がある。これらの特許文献において、当該２個のフォトダイオードの間に設けられたゲート電極は、フォトダイオード内の電荷の読み出しに用いる転送トランジスタを構成するものではない。
特開２０１３−１０６１９４号公報 特開２００８−１９３５２７号公報 特開２０１３−０４１８９０号公報
長時間の動画撮像を実現するためには、動画による膨大なデータを処理することで必要となる消費電力を安定して供給する必要がある。そのためには、カメラシステム全体としての消費電力を低減することが重要となる。
１個の画素内に光電変換手段であるフォトダイオードが複数形成されている場合、撮像により得た電荷をフォトダイオードから転送する際に、画素内の各フォトダイオードに隣接する転送トランジスタをオン状態にすることが考えられる。この場合、複数のフォトダイオードに対応する複数の転送トランジスタのそれぞれをオンさせる必要があるため、複数の転送トランジスタのそれぞれのゲート電極に電位を供給することで、撮像動作における消費電力が増大する問題が生じる。
その他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
一実施の形態である半導体装置は、固体撮像素子を構成し、第１および第２フォトダイオードを有する画素において、第１フォトダイオード内の電荷を浮遊拡散容量部に読み出す第１転送トランジスタと、第１および第２フォトダイオードのそれぞれの電荷を合成して浮遊拡散容量部に読み出す転送トランジスタとを有するものである。
本願において開示される一実施の形態によれば、半導体装置の性能を向上させることができる。特に、固体撮像素子の省電力化を実現することができる。
本発明の実施の形態１である半導体装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態１である半導体装置を示す回路図である。 本発明の実施の形態１である半導体装置を示す平面レイアウトである。 図３のＡ−Ａ線における断面図である。 本発明の実施の形態２である半導体装置を示す平面レイアウトである。 図５のＢ−Ｂ線における断面図である。 比較例である半導体装置を示す回路図である。 比較例である半導体装置を示す平面レイアウトである。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
（実施の形態１）
以下に、図１〜図４を用いて本実施の形態の半導体装置を説明する。本実施の形態の半導体装置は、固体撮像素子に係るものであり、特に、一つの画素内に複数のフォトダイオードを有する固体撮像素子に係る。
図１は、本実施の形態に係る固体撮像素子の構成を示す概略図である。本実施の形態の半導体装置である固体撮像素子は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサであって、図１に示すように、画素アレイ部ＰＥＡと、読み出し回路ＣＣ１、ＣＣ２と、出力回路ＯＣと、行選択回路ＲＣと、制御回路ＣＯＣと、記憶回路ＭＣとを備えている。
画素アレイ部ＰＥＡには、複数の画素ＰＥが行列状に配置されている。つまり、固体撮像素子を構成する半導体基板の上面には、複数の画素ＰＥが、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に並んでいる。画素ＰＥの周縁は素子分離領域（素子分離構造）により囲まれている。図１に示すＸ軸方向は、固体撮像素子を構成する半導体基板の主面に沿う方向であって、画素ＰＥが配列されている行方向に沿う方向である。また、当該半導体基板の主面に沿う方向であって、当該Ｘ軸方向に対して直交するＹ軸方向は、画素ＰＥが配列されている列方向に沿う方向である。つまり、画素ＰＥはマトリクス状に並んで配置されている。
複数の画素ＰＥのそれぞれは、照射される光の強度に応じた信号を生成する。行選択回路ＲＣは、複数の画素ＰＥを行単位で選択する。行選択回路ＲＣによって選択された画素ＰＥは、生成した信号を後述する出力線ＯＬ（図２参照）に出力する。読み出し回路ＣＣ１、ＣＣ２は、画素アレイ部ＰＥＡを間に挟むようにＹ軸方向で互いに対向して配置されている。読み出し回路ＣＣ１、ＣＣ２のそれぞれは、画素ＰＥから出力線ＯＬに出力された信号を読み出して出力回路ＯＣに出力する。記憶回路ＭＣは、出力線ＯＬから出力された上記信号を一時的に記憶する記憶部である。
読み出し回路ＣＣ１は、複数の画素ＰＥのうち、当該読み出し回路ＣＣ１側の半分の画素ＰＥの信号を読み出し、読み出し回路ＣＣ２は、当該読み出し回路ＣＣ２側の残りの半分の画素ＰＥの信号を読み出す。出力回路ＯＣは、読み出し回路ＣＣ１、ＣＣ２が読み出した画素ＰＥの信号を、本固体撮像素子の外部に出力する。制御回路ＣＯＣは、本固体撮像素子全体の動作を統括的に管理し、本固体撮像素子の他の構成要素の動作を制御する。記憶回路ＭＣは、画素ＰＥ内の２個のフォトダイオードのうちの一方から出力された信号を記憶することで、当該２個のフォトダイオードのそれぞれから出力される電荷の大きさを測るために用いられる。
次に、図２に１個の画素の回路図を示す。図１に示す複数の画素ＰＥのそれぞれが、図２に示す回路を有している。図２に示すように、画素は、光電変換を行うフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２と、フォトダイオードＰＤ１で発生した電荷を転送する転送トランジスタＴＸ１と、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のそれぞれで発生した電荷を転送する転送トランジスタＴＸ２とを有している。また、画素は、転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２から転送される電荷を蓄積する浮遊拡散容量部ＦＤと、浮遊拡散容量部ＦＤの電位を増幅する増幅トランジスタＡＭＩとを有している。画素はさらに、増幅トランジスタＡＭＩで増幅された電位を、読み出し回路ＣＣ１、ＣＣ２（図１参照）の一方に接続された出力線ＯＬに出力するか否かを選択する選択トランジスタＳＥＬと、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のカソードおよび浮遊拡散容量部ＦＤの電位を所定電位に初期化するリセットトランジスタＲＳＴとを備えている。転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＩおよび選択トランジスタＳＥＬのそれぞれは、例えばＮ型のＭＯＳトランジスタである。
フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のそれぞれのアノードには、マイナス側電源電位である接地電位ＧＮＤが印加されている。フォトダイオードＰＤ２のカソードは、転送トランジスタＴＸ２のソースに接続されている。フォトダイオードＰＤ１のカソードは、転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２のそれぞれのソースに接続されている。電荷検出部である浮遊拡散容量部ＦＤは、転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２のそれぞれのドレインと、リセットトランジスタＲＳＴのソースと、増幅トランジスタＡＭＩのゲートとに接続されている。
リセットトランジスタＲＳＴのドレインと、増幅トランジスタＡＭＩのドレインとには、プラス側電源電位ＶＣＣが印加される。増幅トランジスタＡＭＩのソースは、選択トランジスタＳＥＬのドレインに接続されている。選択トランジスタＳＥＬのソースは、上述の読み出し回路ＣＣ１、ＣＣ２のいずれか一方に接続された出力線ＯＬに接続されている。
ここで、転送トランジスタＴＸ２は、フォトダイオードＰＤ１をソース領域とし、浮遊拡散容量部ＦＤをドレイン領域とする転送トランジスタＴＸ３と、フォトダイオードＰＤ２をソース領域とし、浮遊拡散容量部ＦＤをドレイン領域とする転送トランジスタＴＸ４とを含んでいる。つまり、転送トランジスタＴＸ３、ＴＸ４のそれぞれは、ゲート電極およびドレイン領域を共有している。
言い換えれば、フォトダイオードＰＤ２は、転送トランジスタＴＸ２、つまり転送トランジスタＴＸ４を介して浮遊拡散容量部ＦＤに接続されている。これに対し、フォトダイオードＰＤ１は、転送トランジスタＴＸ１を介して浮遊拡散容量部ＦＤに接続され、かつ、転送トランジスタＴＸ２、つまり転送トランジスタＴＸ３を介して浮遊拡散容量部ＦＤに接続されている。つまり、フォトダイオードＰＤ１と浮遊拡散容量部ＦＤとの間には、転送トランジスタＴＸ１およびＴＸ２が並列に接続されている。
また、転送トランジスタＴＸ３、ＴＸ４のそれぞれのゲート電極は互いに電気的に接続されている。このため、転送トランジスタＴＸ２のゲート電極に所定の電圧を印加してゲート電極をオンすると、転送トランジスタＴＸ３、ＴＸ４のいずれもがオン状態となる。よって、転送トランジスタＴＸ２をオン状態とすると、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に発生した電荷のそれぞれが１つに合成されて浮遊拡散容量部ＦＤに転送される。すなわち、転送トランジスタＴＸ２は、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のそれぞれに発生した電荷を１つに合成、つまり加算して浮遊拡散容量部ＦＤに出力する素子である。
また、ここでは、転送トランジスタＴＸ２をオンしなければフォトダイオードＰＤ２の電荷を浮遊拡散容量部ＦＤに転送することができないのに対し、フォトダイオードＰＤ１の電荷は、転送トランジスタＴＸ１またはＴＸ２のいずれか一方をオンすれば浮遊拡散容量部ＦＤに転送することができる。したがって、転送トランジスタＴＸ１をオンしなくても転送トランジスタＴＸ２をオンすれば、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の両方の電荷を読み出すことができる。これにより、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のそれぞれの電荷は初期化、つまりリセットされる。
次に、図３に画素ＰＥの平面レイアウトを示す。また、図４に、図３のＡ−Ａ線における断面図を示す。図３は、図１に示す画素アレイ部ＰＥＡの１個の画素ＰＥを拡大して示す平面レイアウトである。図３では、フォトダイオードおよびその周辺のトランジスタなどを示しているが、それらの上に設けられた層間絶縁膜、配線およびマイクロレンズなどの図示は省略している。
図３に示すように、１個の画素ＰＥの面積の大部分は、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２が形成された受光部が占めている。当該受光部の周囲には複数の周辺トランジスタおよび基板コンタクト部ＳＣが配置されており、受光部、周辺トランジスタおよび基板コンタクト部ＳＣのそれぞれの活性領域の周縁は、素子分離領域ＥＩにより囲まれている。ここでいう周辺トランジスタとは、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＩおよび選択トランジスタＳＥＬのそれぞれを指す。
上記受光部の活性領域ＡＲは、平面視において矩形に近い形状を有している。活性領域ＡＲ内には、Ｘ軸方向においてフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２が並んで配置されている。フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２は互いに離間して形成されており、平面視において、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２はいずれも矩形の形状を有している。
各周辺トランジスタは同一の活性領域に形成されており、当該活性領域は上記受光部の活性領域ＡＲの１辺に沿ってＸ軸方向に延在している。また、活性領域ＡＲの他の１辺であって、周辺トランジスタが隣接していない１辺に沿って、活性領域ＡＲのフォトダイオードＰＤ１をソース領域とする転送トランジスタＴＸ１と、活性領域ＡＲのフォトダイオードＰＤ２をソース領域とする転送トランジスタＴＸ２とが形成されている。
各周辺トランジスタは、Ｙ軸方向に延在するゲート電極ＧＥを有している。また、転送トランジスタＴＸ１はＸ軸方向に延在するゲート電極ＧＥ１を有し、転送トランジスタＴＸ２はＸ軸方向に延在するゲート電極ＧＥ２を有している。ゲート電極ＧＥ、ＧＥ１およびＧＥ２は例えばポリシリコンからなり、半導体基板上にゲート絶縁膜（図示しない）を介して形成されている。ゲート電極ＧＥ１、ＧＥ２は互いに離間している。ゲート電極ＧＥ１は、矩形の平面レイアウトを有するフォトダイオードＰＤ１の１辺に隣接しているのに対し、ゲート電極ＧＥ２は、フォトダイオードＰＤ１の上記１辺と、矩形の平面レイアウトを有するフォトダイオードＰＤ２の１辺とに亘って隣接している。
ここで、転送トランジスタＴＸ２は、フォトダイオードＰＤ１をソース領域とする転送トランジスタＴＸ３と、フォトダイオードＰＤ２をソース領域とする転送トランジスタＴＸ４を含んでいると考えることができる。転送トランジスタＴＸ３、ＴＸ４は、１本のゲート電極ＧＥ２を共有しているため、ゲート電極ＧＥ２をオンすることで、ともにオン状態となる。転送トランジスタＴＸ２をオン状態とすることで、転送トランジスタＴＸ３はフォトダイオードＰＤ１に発生した電荷Ｌ１を浮遊拡散容量部ＦＤに転送し、転送トランジスタＴＸ４はフォトダイオードＰＤ２に発生した電荷Ｒ１を浮遊拡散容量部ＦＤに転送する。
浮遊拡散容量部ＦＤは、転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３およびＴＸ４のドレイン領域として機能する半導体領域であり、活性領域ＡＲ内に形成されている。浮遊拡散容量部ＦＤは電気的に浮遊状態にあるため、リセットトランジスタＲＳＴを動作させなければ、浮遊拡散容量部ＦＤ内に蓄積された電荷は保持される。
周辺トランジスタが形成された活性領域においては、Ｘ軸方向においてリセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＡＭＩおよび選択トランジスタＳＥＬが順に並んで配置されている。リセットトランジスタＲＳＴと増幅トランジスタＡＭＩとは、互いのドレイン領域を共有している。また、リセットトランジスタＲＳＴのソース領域は、転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２のそれぞれのドレイン領域、つまり浮遊拡散容量部ＦＤに接続されている。増幅トランジスタＡＭＩのソース領域は、選択トランジスタＳＥＬのドレイン領域として機能する。選択トランジスタＳＥＬのソース領域は、図２を用いて説明したように出力線ＯＬに接続されている。
転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２のそれぞれのドレイン領域、選択トランジスタＳＥＬのソース領域、リセットトランジスタＲＳＴのソース領域および増幅トランジスタＡＭＩのドレイン領域は、半導体基板の主面に形成されたＮ＋型の半導体領域であり、基板コンタクト部ＳＣは、半導体基板の主面に形成されたＰ＋型の半導体領域である。それらの半導体領域の上面には、コンタクトプラグＣＰがそれぞれ接続されている。また、ゲート電極ＧＥ、ＧＥ１およびＧＥ２のそれぞれの上面にもコンタクトプラグＣＰが接続されている。
基板コンタクト部ＳＣは、接地電位ＧＮＤ（図２参照）が印加される半導体領域であり、半導体基板上面のウェルの電位を０Ｖに固定することで、周辺トランジスタのしきい値電圧のばらつきの発生を防ぐ役割を有している。
受光部である活性領域ＡＲ内においてＸ軸方向に並ぶフォトダイオード（第１受光素子）ＰＤ１およびフォトダイオード（第２受光素子）ＰＤ２は、いずれもＹ軸方向に延在する半導体素子である。つまり、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のそれぞれの長手方向はＹ軸方向に沿う。
後述するように、フォトダイオードＰＤ１は、半導体基板の主面に形成されたＮ−型半導体領域Ｎ１と、Ｐ型の半導体領域であるウェル領域ＷＬとからなる。同様に、フォトダイオードＰＤ２は、半導体基板の主面に形成されたＮ−型半導体領域Ｎ２と、ウェル領域ＷＬとからなる。図３に示す受光素子であるフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２は、Ｎ−型半導体領域Ｎ１、Ｎ２の形成領域にそれぞれ形成されているものとみなすことができる。活性領域ＡＲ内において、Ｎ−型半導体領域Ｎ１、Ｎ２が形成された領域のそれぞれの周囲には、Ｐ−型のウェル領域ＷＬが形成されている。
活性領域ＡＲは平面視において矩形に近い形状を有しているが、矩形の４辺のうちの１辺には突出部が２個形成されており、それらの突出部は、延在した先で接続されている。つまり、活性領域ＡＲは、これらの突出部と、受光部の矩形のパターンとからなる環状の平面レイアウトを有している。当該環状の平面レイアウトの内側には素子分離領域ＥＩが形成されている。それらの突出部には、転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２のそれぞれのドレイン領域が形成されている。つまり、転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２のそれぞれは、ドレイン領域である浮遊拡散容量部ＦＤを共有している。また、当該２個の突出部の上を跨ぐように、ゲート電極ＧＥ１、ＧＥ２がそれぞれ配置されている。
なお、撮影画像を出力する際には、画素内の２個のフォトダイオードの信号（電荷）を一つの信号としてまとめて出力する。これにより、１個のフォトダイオードのみを有する画素を複数備えた固体撮像素子と同等の画質で画像を得ることができる。
図４には、１個の画素ＰＥ（図３参照）内のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２が並ぶ方向に沿う断面図を示している。図４に示す断面図では、半導体基板ＳＢ上に積層された複数の層間絶縁膜同士の境界の図示を省略している。図４に示すように、Ｎ型の単結晶シリコンなどからなる半導体基板ＳＢの上面内には、Ｐ−型のウェル領域ＷＬが形成されている。ウェル領域ＷＬ上には、活性領域ＡＲと、他の活性領域とを区画する素子分離領域ＥＩが形成されている。素子分離領域ＥＩは例えば酸化シリコン膜からなり、半導体基板ＳＢの上面に形成された溝内に埋め込まれている。
ウェル領域ＷＬの上面内には、Ｎ−型半導体領域Ｎ１、Ｎ２が隔てられて形成されている。Ｎ−型半導体領域Ｎ１とＰＮ接合を形成するウェル領域ＷＬはフォトダイオードＰＤ１のアノードとして機能する。Ｎ−型半導体領域Ｎ２とＰＮ接合を形成するウェル領域ＷＬはフォトダイオードＰＤ２のアノードとして機能する。Ｎ−型半導体領域Ｎ１とＮ−型半導体領域Ｎ２とは、素子分離領域ＥＩに挟まれた一つの活性領域ＡＲ内に設けられている。
このように、画素に形成された活性領域ＡＲ内には、Ｎ−型半導体領域Ｎ１およびウェル領域ＷＬからなるフォトダイオードＰＤ１と、Ｎ−型半導体領域Ｎ２およびウェル領域ＷＬからなるフォトダイオードＰＤ２とが形成されている。活性領域ＡＲ内においてフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２は、半導体基板ＳＢの上面にウェル領域ＷＬが露出している領域を挟むようにして、並んで配置されている。
Ｎ−型半導体領域Ｎ１、Ｎ２の形成深さは、ウェル領域ＷＬの形成深さよりも浅い。また、素子分離領域ＥＩが埋め込まれた半導体基板ＳＢの上面の溝の深さは、Ｎ−型半導体領域Ｎ１、Ｎ２の形成深さよりも浅い。
半導体基板ＳＢ上には、素子分離領域ＥＩ、フォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２を覆うように層間絶縁膜ＩＦが形成されている。層間絶縁膜ＩＦは、複数の絶縁膜を積層した積層膜である。層間絶縁膜ＩＦ内には、複数の配線層が積層されており、最下層の配線層には、層間絶縁膜ＩＦに覆われた配線Ｍ１が形成されている。配線Ｍ１上には層間絶縁膜ＩＦを介して配線Ｍ２が形成されており、配線Ｍ２上には層間絶縁膜ＩＦを介して配線Ｍ３が形成されている。層間絶縁膜ＩＦの上部にはカラーフィルタＣＦが形成されており、カラーフィルタＣＦ上にはマイクロレンズＭＬが形成されている。固体撮像素子の動作時において、光はマイクロレンズＭＬおよびカラーフィルタＣＦを介して、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に照射される。
フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２を含む活性領域ＡＲの直上には配線は形成されていない。これは、マイクロレンズＭＬから入射した光が配線により遮蔽され、画素の受光部であるフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に照射されなくなることを防ぐためである。逆に、活性領域ＡＲ以外の領域に配線Ｍ１〜Ｍ３を配置することで、周辺トランジスタなどが形成された活性領域において光電変換が起こることを防いでいる。
以下では、主に図２を用いて、本実施の形態の半導体装置である固体撮像素子の動作について説明する。固体撮像素子の動作としては、撮像動作および自動合焦動作が挙げられる。
最初に、撮像をする際の画素の動作について説明する。この場合にはまず、転送トランジスタＴＸ２およびリセットトランジスタＲＳＴのゲート電極に所定電位を印加して、転送トランジスタＴＸ２およびリセットトランジスタＲＳＴをともにオン状態とする。そうすると、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に残存する電荷および浮遊拡散容量部ＦＤに蓄積された電荷がプラス側電源電位ＶＣＣに向かって流れて、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２および浮遊拡散容量部ＦＤの電荷が初期化される。その後、リセットトランジスタＲＳＴをオフ状態とする。
次に、入射光がフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のＰＮ接合に照射されて、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のそれぞれで光電変換が起こる。その結果、フォトダイオードＰＤ１には電荷Ｌ１が発生し、フォトダイオードＰＤ２には電荷Ｒ１が発生する。このように、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２は、入射光の光量に応じた信号電荷を光電変換によりそれらの内部に生成する受光素子、つまり光電変換素子である。
次に、これらの電荷を浮遊拡散容量部ＦＤに転送する。撮像動作においては、画素ＰＥ内の２個のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２を１個の光電変換部と見なして動作させるため、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の各電荷を１つの信号として合成して読み出す。すなわち、撮像動作においては、２個のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のそれぞれにおいて発生した電荷信号を、加算して一つの画素情報として取得する。
したがって、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のそれぞれの電荷を別々に読み出す必要はない。この際、転送トランジスタＴＸ１はオンさせず、転送トランジスタＴＸ２をオンさせることにより、電荷を浮遊拡散容量部ＦＤに転送する。これにより、浮遊拡散容量部ＦＤは、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２から転送されてきた電荷を蓄積する。これにより、浮遊拡散容量部ＦＤの電位が変化する。
ここで、上記の電荷の合成の過程を具体的に説明する。ここでは、まず、フォトダイオードＰＤ１の電荷Ｌ１と、フォトダイオードＰＤ２の電荷Ｒ１が蓄積されている状態でゲート電極ＧＥ２に電圧を印加し、転送トランジスタＴＸ２をオン状態とする。これにより、ゲート電極ＧＥ２の直下の半導体基板の主面に誘起されたチャネルにおいて、それぞれの電荷Ｌ１、Ｒ１が合成される。その後、合成された電荷Ｌ１＋Ｒ１は、浮遊拡散容量部ＦＤに転送される。
次に、選択トランジスタＳＥＬをオン状態にして、変化後の浮遊拡散容量部ＦＤの電位を、増幅トランジスタＡＭＩによって増幅することで、浮遊拡散容量部ＦＤの電位変動に対応する電気信号を、出力線ＯＬに出力する。つまり、選択トランジスタＳＥＬを動作させることで、増幅トランジスタＡＭＩが出力する電気信号を外部に出力する。これにより、読み出し回路ＣＣ１、ＣＣ２（図１参照）の一方は、出力線ＯＬの電位を読み出す。
続いて、像面位相差式の自動合焦をする際の画素の動作について説明する。本実施の形態の半導体装置である固体撮像素子は、１個の画素内に複数の光電変換部（例えばフォトダイオード）を設けたものである。このように画素内に複数のフォトダイオードを設けているのは、当該固体撮像素子を、例えば像面位相差型の自動焦点検出システムを有するデジタルカメラに利用した場合に、自動合焦の精度および速度を向上させることができるためである。
このようなデジタルカメラでは、画素内の一方のフォトダイオードと、もう一方のフォトダイオードとのそれぞれが検出した信号のずれ量、つまり位相差から、合焦に必要なレンズの駆動量を算出し、短時間での合焦を実現することができる。よって、画素内に複数のフォトダイオードを設けることで、固体撮像素子内に微細なフォトダイオードをより多く形成することができるため、自動合焦の精度を向上させることができる。したがって、自動合焦を行う際には、上記撮像動作と異なり、画素内の複数のフォトダイオードのそれぞれに生じた電荷を別々に読み出す必要がある。
自動焦点検出の動作においては、まず、転送トランジスタＴＸ２およびリセットトランジスタＲＳＴのゲート電極に所定電位を印加し、転送トランジスタＴＸ２およびリセットトランジスタＲＳＴをともにオン状態とする。これにより、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２および浮遊拡散容量部ＦＤの電荷を初期化する。その後、リセットトランジスタＲＳＴをオフ状態とする。
次に、入射光がフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のＰＮ接合に照射されて、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のそれぞれで光電変換が起こる。その結果、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のそれぞれに電荷が発生する。ここでは仮に、フォトダイオードＰＤ１に生じる電荷をＬ１、フォトダイオードＰＤ２に生じる電荷をＲ１とする。
次に、これらの電荷のうちの一方を浮遊拡散容量部ＦＤに転送する。ここでは、まず、転送トランジスタＴＸ１をオンさせることで、フォトダイオードＰＤ１の電荷Ｌ１を浮遊拡散容量部ＦＤに読み出し、浮遊拡散容量部ＦＤの電位を変化させる。その後、選択トランジスタＳＥＬをオン状態にして、変化後の浮遊拡散容量部ＦＤの電位を、増幅トランジスタＡＭＩによって増幅し、その後、出力線ＯＬに出力する。つまり、電荷検出部である浮遊拡散容量部ＦＤの電位変動に対応する電気信号を、増幅トランジスタＡＭＩにより増幅して出力する。これにより、読み出し回路ＣＣ１、ＣＣ２（図１参照）の一方は、出力線ＯＬの電位を読み出す。これにより読み出された電荷Ｌ１、つまり信号Ｌ１は、記憶回路ＭＣ（図１参照）に記憶される。
このとき、浮遊拡散容量部ＦＤはフォトダイオードＰＤ１で生じた電荷Ｌ１が残っており、浮遊拡散容量部ＦＤの電位は変化したままとなっている。また、フォトダイオードＰＤ２内の電荷Ｒ１は未だ転送されていない。
次に、転送トランジスタＴＸ２をオンさせることで、フォトダイオードＰＤ２の電荷Ｒ１を浮遊拡散容量部ＦＤに読み出し、浮遊拡散容量部ＦＤの電位をさらに変化させる。転送トランジスタＴＸ２をオンさせるとフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の両方の電荷が合成されて転送され得るが、ここでは既にフォトダイオードＰＤ１内の電荷Ｌ１は転送済みであるため、フォトダイオードＰＤ２の電荷Ｒ１のみが浮遊拡散容量部ＦＤに転送される。
これにより、浮遊拡散容量部ＦＤにおいては、元々蓄積されていたフォトダイオードＰＤ１の電荷Ｌ１と、その後転送されたフォトダイオードＰＤ２の電荷Ｒ１とが合成された電荷が蓄積される。つまり、浮遊拡散容量部ＦＤ内にはＬ１＋Ｒ１の電荷が蓄積される。
その後、選択トランジスタＳＥＬをオン状態にして、変化後の浮遊拡散容量部ＦＤの電位を、増幅トランジスタＡＭＩによって増幅し、その後、出力線ＯＬに出力する。これにより、読み出し回路ＣＣ１、ＣＣ２（図１参照）の一方は、出力線ＯＬの電位を読み出す。これにより読み出された電荷Ｌ１＋Ｒ１からフォトダイオードＰＤ２に生じた電荷Ｒ１を算出するため、次のような計算を行う。すなわち、当該電荷Ｌ１＋Ｒ１の値から、記憶回路ＭＣ（図１参照）に記憶された電荷Ｌ１の値を引く。これにより、フォトダイオードＰＤ２の電荷Ｒ１を読み出すことができる。このような演算は、例えば制御回路ＣＯＣ（図１参照）にて行われる。
次に、画素アレイ部ＰＥＡ（図１参照）の各画素ＰＥ内のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の検出した信号Ｌ１、Ｒ１のずれ量、つまり位相差から、合焦に必要なレンズの駆動量を算出し、自動合焦点の検出を行う。
なお、上記のようにフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のそれぞれの電荷を順に読み出す際、先に読み出しを行う対象をフォトダイオードＰＤ２の電荷Ｒ１とし、その後にフォトダイオードＰＤ１の電荷Ｌ１を読み出してもよい。
また、自動合焦時の他の動作として、合成した電荷Ｌ１＋Ｒ１から電荷Ｒ１を算出する動作を省略する方法も考えられる。つまり、先に転送トランジスタＴＸ１をオンさせて電荷Ｌ１を読み出して記憶した後、リセットトランジスタＲＳＴをオンさせることで浮遊拡散容量部ＦＤをリセットさせれば、その後転送トランジスタＴＸ２をオンさせることでフォトダイオードＰＤ２の電荷Ｒ１を単独で読み出すことができる。この場合も電荷Ｌ１を記憶回路ＭＣ（図１参照）に記憶する必要があるが、上記のような計算を行わなくとも、電荷Ｌ１と電荷Ｒ１とを単独で読み出すことができる。
上記のように、撮像動作と自動合焦動作とでは、特に転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２の動作が異なる。自動合焦動作では転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２のそれぞれをオンする工程が必要であるが、撮像動作では転送トランジスタＴＸ２のみをオンすればよく、転送トランジスタＴＸ１をオンする必要はない。
本実施の形態の固体撮像素子をデジタルカメラに用いた場合、静止画および動画のいずれの撮像においても、上記撮像動作を各画素において行う。また、動画の撮像においては、撮像とともに上記自動合焦動作を各画素において行う。静止画の撮像においては、上記自動合焦動作を各画素で行うことにより合焦を行う場合と、上記自動合焦動作を画素において行わず、固体撮像素子外の他の自動合焦装置を用いる場合とがある。
次に、図７、図８に示す比較例を用いて、本実施の形態の半導体装置の効果を説明する。図７は、比較例である半導体装置を構成する画素を示す回路図である。図８は、比較例である半導体装置を構成する画素を示す平面レイアウトである。図８には、画素ＰＥを構成する構造のうち、受光部およびそれに隣接する２個の転送トランジスタのみを示している。
図８に示すように、画素ＰＥの受光部の構成は、矩形に近いレイアウトを有する活性領域ＡＲと、活性領域ＡＲ内に並ぶフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２と、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のそれぞれに隣接する転送トランジスタＴＸ５、ＴＸ６とからなり、図３を用いて説明した本実施の形態の画素ＰＥの構成と似ている。ただし、図３に示す画素ＰＥが、２個のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の両方をソースとする転送トランジスタＴＸ２を有しているのに対し、図７および図８に示す比較例の画素ＰＥにはそのような転送トランジスタは形成されていない。比較例においては、フォトダイオードＰＤ１に対して転送トランジスタＴＸ５のみが隣接して形成され、フォトダイオードＰＤ２に対して転送トランジスタＴＸ６のみが隣接して形成されている。
図８に示すように、転送トランジスタＴＸ５、ＴＸ６は環状の活性領域ＡＲに形成されており、活性領域ＡＲの矩形部分から、平面視において突出する２個の突出部のうちの一方の上部にゲート電極ＧＥ５が形成され、もう一方の上部にゲート電極ＧＥ６が形成されている。ゲート電極ＧＥ５は転送トランジスタＴＸ５を構成し、ゲート電極ＧＥ６は転送トランジスタＴＸ６を構成している。ゲート電極ＧＥ５、ＧＥ６は互いに離間している。ここでは、転送トランジスタＴＸ５、ＴＸ６は、互いのゲート電極ＧＥ５、ＧＥ６を共有していない。よって、ゲート電極ＧＥ５、ＧＥ６のいずれか一方のみをオン状態にすることで、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の両方の電荷が同時に転送されることはない。
図７に示すように、フォトダイオードＰＤ２と浮遊拡散容量部ＦＤとの間には、転送トランジスタＴＸ６が介在しているのみである。この点は図２に示すように、フォトダイオードＰＤ２と浮遊拡散容量部ＦＤとの間に、転送トランジスタＴＸ２、つまり転送トランジスタＴＸ４のみが介在している構造と同様である。
これに対し、図７に示すように、フォトダイオードＰＤ１と浮遊拡散容量部ＦＤとの間には、転送トランジスタＴＸ５のみが接続されており、この点は図２に示す構成と異なる。図２においては、フォトダイオードＰＤ１と浮遊拡散容量部ＦＤとの間に、転送トランジスタＴＸ２、つまり転送トランジスタＴＸ３と、転送トランジスタＴＸ１とが並列に接続されている。
つまり、比較例においては、１個のフォトダイオードに対して、当該フォトダイオードをソース領域とする転送トランジスタが１個のみ形成されている。このため、転送トランジスタＴＸ５をオンした場合には、フォトダイオードＰＤ１の電荷Ｌ１は転送されるが、フォトダイオードＰＤ２の電荷Ｒ１は転送されない。同様に、転送トランジスタＴＸ６をオンした場合には、フォトダイオードＰＤ２の電荷Ｒ１は転送されるが、フォトダイオードＰＤ１の電荷Ｌ１は転送されない。したがって、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の両方の電荷を転送させる場合には、転送トランジスタＴＸ５、ＴＸ６の両方をオン状態にする必要がある。
図７に示す転送トランジスタＴＸ５を第１転送部とすると、図２に示す回路では、当該第１転送部と同じ役割を有する転送トランジスタＴＸ１が形成されていると考えることができる。また、図７に示す転送トランジスタＴＸ６を第２転送部とすると、図２に示す回路では、当該第２転送部と同じ役割を有する転送トランジスタＴＸ４が形成されていると考えることができる。この場合、図２に示す構成が図７に示す構成と異なるのは、転送トランジスタＴＸ３を含む転送トランジスタＴＸ２が第３転送部として設けられている点である。
ここで、図７を用いて、比較例の固体撮像素子の撮像動作について説明する。この場合にはまず、転送トランジスタＴＸ５、ＴＸ６およびリセットトランジスタＲＳＴのゲート電極に所定電位を印加して、転送トランジスタＴＸ５、ＴＸ６およびリセットトランジスタＲＳＴをいずれもオン状態とする。これにより、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２および浮遊拡散容量部ＦＤの電荷が初期化される。その後、リセットトランジスタＲＳＴをオフ状態とする。このとき、図２を用いて説明した構成では、１個の転送トランジスタＴＸ２をオン状態とすることで２個のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２をリセットすることができるが、ここでは２個の転送トランジスタＴＸ５、ＴＸ６の両方をオンしなければ、２個のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２をリセットすることができない。
次に、入射光がフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のＰＮ接合に照射されて、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のそれぞれで光電変換が起こる。その結果、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に、電荷Ｌ１、Ｒ１がそれぞれ発生する。
次に、これらの電荷を浮遊拡散容量部ＦＤに転送する。この際、転送トランジスタＴＸ５、ＴＸ６をオンさせることにより、フォトダイオードＰＤ１の電荷Ｌ１およびフォトダイオードＰＤ２の電荷Ｒ１を浮遊拡散容量部ＦＤにともに転送し、浮遊拡散容量部ＦＤの電位を変化させる。図２を用いて説明した構成では、１個の転送トランジスタＴＸ２をオン状態とすることで２個のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のそれぞれの電位を転送することができるが、ここでは２個の転送トランジスタＴＸ５、ＴＸ６の両方をオンしなければ、２個のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のそれぞれの電位を転送することができない。
次に、選択トランジスタＳＥＬをオン状態にして、変化後の浮遊拡散容量部ＦＤの電位を、増幅トランジスタＡＭＩによって増幅し、その後、出力線ＯＬに出力する。これにより、読み出し回路ＣＣ１、ＣＣ２（図１参照）の一方は、出力線ＯＬの電位を読み出す。
続いて、図７を用いて、像面位相差式の自動合焦をする際の画素の動作について説明する。ここでは、まず、転送トランジスタＴＸ５、ＴＸ６およびリセットトランジスタＲＳＴのゲート電極に所定電位を印加し、転送トランジスタＴＸ５、ＴＸ６およびリセットトランジスタＲＳＴをともにオン状態とする。これにより、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２および浮遊拡散容量部ＦＤの電荷を初期化する。その後、リセットトランジスタＲＳＴをオフ状態とする。ここでも、２個のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２をリセットするためには、２個の転送トランジスタＴＸ５、ＴＸ６をオンする必要がある。
次に、入射光がフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のＰＮ接合に照射されて、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のそれぞれで光電変換が起こる。その結果、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に、電荷Ｌ１、Ｒ１がそれぞれ発生する。
次に、これらの電荷のうちの一方を浮遊拡散容量部ＦＤに転送する。ここでは、まず、転送トランジスタＴＸ５をオンさせることで、フォトダイオードＰＤ１の電荷Ｌ１を浮遊拡散容量部ＦＤに読み出す。その後、選択トランジスタＳＥＬおよび増幅トランジスタＡＭＩを用いて、増幅した当該電位を出力線ＯＬに出力する。これにより、読み出し回路ＣＣ１、ＣＣ２（図１参照）の一方は、出力線ＯＬの電位を読み出す。これにより読み出された電荷Ｌ１、つまり信号Ｌ１は、記憶回路ＭＣ（図１参照）に記憶される。
次に、転送トランジスタＴＸ６をオンさせることで、フォトダイオードＰＤ２の電荷Ｒ１を浮遊拡散容量部ＦＤに読み出し、浮遊拡散容量部ＦＤの電位をさらに変化させる。これにより、浮遊拡散容量部ＦＤにおいては、元々蓄積されていたフォトダイオードＰＤ１の電荷Ｌ１と、その後転送されたフォトダイオードＰＤ２の電荷Ｒ１とが合成された電荷が蓄積される。つまり、浮遊拡散容量部ＦＤ内にはＬ１＋Ｒ１の電荷が蓄積される。その後の電荷Ｒ１の算出は、図２を用いた工程と同様の引き算により行う。これにより、フォトダイオードＰＤ１の電荷Ｌ１と、フォトダイオードＰＤ２の電荷Ｒ１と別々に読み出すことができる。
次に、画素アレイ部ＰＥＡ（図１参照）の各画素ＰＥ内のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の検出した信号Ｌ１、Ｒ１のずれ量、つまり位相差から、合焦に必要なレンズの駆動量を算出し、自動合焦点の検出を行う。
以上に説明したように、比較例の撮像動作および自動合焦動作においては、最初に各フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の電荷をリセットして初期化するために、２個の転送トランジスタＴＸ５、ＴＸ６の両方をオンしなければならない。また、比較例の撮像動作では、２個の転送トランジスタＴＸ５、ＴＸ６の両方をオンしなければ、２個のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のそれぞれの電位を転送することができない。
このため、比較例の固体撮像素子においては、上記リセットのための動作、および、撮像のためにフォトダイオードから電荷を転送する動作において、２本のゲート電極ＧＥ５、ＧＥ６に電位を供給して２個の転送トランジスタＴＸ５、ＴＸ６をオン状態にする必要がある。このようにリセットおよび転送のために２個の転送トランジスタを動作させることは、固体撮像素子を動作させるための消費電力を増大させる。特に、連続的に撮像動作を行う動画の撮像では消費電力の低減が課題となるところ、上記比較例のように画素内の複数の転送トランジスタに電位を供給すると、消費電力の増大が大きな問題となる。
また、浮遊拡散容量部ＦＤの容量の増大は、画素から得られる信号のノイズの増大の原因となるため、ノイズを低減する観点から、浮遊拡散容量部ＦＤの容量を小さくすることが重要である。比較例の半導体装置では、転送トランジスタＴＸ５、ＴＸ６同士の距離が離れているため、浮遊拡散容量部ＦＤの面積が大きい。このため比較例では、浮遊拡散容量部ＦＤの容量が大きくなることで、画素ＰＥにおけるノイズが増大する問題が生じる。
これに対し、図２に示す本実施の形態の半導体装置では、撮像動作および自動合焦動作において、転送トランジスタＴＸ１をオンしなくても、転送トランジスタＴＸ２およびリセットトランジスタＲＳＴをオンすれば、各フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の電荷をリセットして初期化することができる。
また、撮像動作においては、転送トランジスタＴＸ１をオンしなくても、転送トランジスタＴＸ２をオンすれば、各フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の電荷Ｌ１およびＲ１をともに転送することができ、浮遊拡散容量部ＦＤにおいてそれらの電荷Ｌ１およびＲ１を合成することができる。よって、これらの動作において、各画素内の複数の転送トランジスタを動作させる必要がないため、半導体装置を動作させるための消費電力を低減することができる。よって、半導体装置の性能を向上させることができる。
また、図３に示すように、転送トランジスタＴＸ２は、平面視において、フォトダイオードＰＤ１の１辺とフォトダイオードＰＤ２の１辺とに跨がるように形成されているため、転送トランジスタＴＸ１と転送トランジスタＴＸ２との間の距離を縮小することができる。したがって、転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２がドレイン領域として共有している半導体領域の平面視における面積を、比較例に比べて縮小することができる。浮遊拡散容量部ＦＤは、当該半導体領域に蓄積される電荷を保持する部分であるため、当該半導体領域の面積を縮小することで、浮遊拡散容量部ＦＤに蓄積される電荷の容量を低減することができる。これにより、画素ＰＥにおいて生じるノイズを低減することができる。よって、半導体装置の性能を向上させることができる。
なお、本実施の形態では、フォトダイオードとしてＰ型のウェル領域をアノードとし、Ｎ−型半導体領域である拡散層をカソードとした場合について記載している。しかし、これに限らず、Ｎ型ウェルと当該Ｎ型ウェル中のＰ−型拡散層とからなるフォトダイオード、または、それらの表面に画素ウェルと同じ導電型の拡散層が表面に存在するフォトダイオードを有する固体撮像素子においても、同様の効果を奏することが可能である。
（実施の形態２）
本実施の形態では、画素内に並ぶ２個のフォトダイオードの間に、転送トランジスタのゲート電極を形成する構成について、図５および図６を用いて説明する。図５は、本実施の形態の半導体装置を示す平面レイアウトである。図６は、図５のＢ−Ｂ線における断面図である。図５には、画素ＰＥを構成する構造のうち、受光部およびそれに隣接する２個の転送トランジスタのみを示している。
図５に示す本実施の形態の画素ＰＥは、図３に示した前記実施の形態１の画素ＰＥとほぼ同様の構成を有している。ただし、図５においては、転送トランジスタＴＸ２を構成するゲート電極ＧＥ３の一部が、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の間においてＹ軸方向に延在している点で、前記実施の形態１とは異なる。
図５に示すように、画素ＰＥの活性領域ＡＲ内には、Ｘ軸方向においてフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２が並んで配置されている。ここで、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２は、ウェル領域ＷＬを挟んで互いに離間しており、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の間の半導体基板上には、ゲート絶縁膜（図示しない）を介して、ゲート電極ＧＥ３の一部が形成されている。つまり、ゲート電極ＧＥ３はフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２を平面視において分割するように形成されている。
平面視における転送トランジスタＴＸ２のゲート電極ＧＥ３は、Ｘ軸方向、つまりフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２が並ぶ方向に延在するパターンと、当該パターンのＸ軸方向における中心部から、Ｙ軸方向、つまりフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の延在方向に延在するパターンとが一体となった形状を有している。ゲート電極ＧＥ３を構成するＸ軸方向に延在するパターンは、図３に示すゲート電極ＧＥ２と同様に、フォトダイオードＰＤ１の１辺およびフォトダイオードＰＤ２の１辺に隣接して延在している。また、ゲート電極ＧＥ３を構成するＹ軸方向に延在するパターンは、平面視においてフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の間に配置されている。つまりゲート電極ＧＥ３は、平面視においてＴ字型の形状を有している。
なお、フォトダイオードＰＤ１を構成するＮ−型半導体領域Ｎ１と、ゲート電極ＧＥ３とは平面視において一部重なっている。同様に、フォトダイオードＰＤ２を構成するＮ−型半導体領域Ｎ２と、ゲート電極ＧＥ３とは平面視において一部重なっている。図５では、ゲート電極ＧＥ３の直下のＮ−型半導体領域Ｎ１、Ｎ２とウェル領域ＷＬとの境界を破線で示している。また、ゲート電極ＧＥ１と平面視において重なる位置のフォトダイオードＰＤ１の輪郭を破線で示している。
また、図６に示すように、画素内においてフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２が並ぶ方向における断面の構造は、図４に示す前記実施の形態１の構造とほぼ同様である。ただし、図６に示すように、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の間の半導体基板上に、ゲート絶縁膜ＧＦを介してゲート電極ＧＥ３が形成されている点が、前記実施の形態１とは異なる。
ここで、図５および図６に示すように、画素ＰＥ内において隣り合うフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の間の距離をＸ１とする。また、図５に示すように、活性領域ＡＲの一部であって、転送トランジスタＴＸ２のドレイン領域の幅、つまり、ゲート電極ＧＥ３の近傍のＸ軸方向における浮遊拡散容量部ＦＤを構成する半導体領域の幅をＸ２とする。
距離Ｘ１は、当該箇所に対応する前記実施の形態１のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の間の距離（図３参照）に比べて小さい。これは、Ｎ−型半導体領域Ｎ１、Ｎ２を形成するために、半導体基板上から半導体基板の主面に対して不純物イオンをイオン注入法により打ち込む際に、Ｙ軸方向に延在するゲート電極ＧＥ３をマスクとして自己整合的にＮ−型半導体領域Ｎ１、Ｎ２を形成しているためである。
すなわち、図３に示す構成ではフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の間にゲート電極を形成しないため、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の対向する辺のそれぞれの形成位置は、フォトレジスト膜をマスクとするイオン注入により規定される。このイオン注入のマスクとして用いられるフォトレジスト膜は、幅の狭いパターンとして形成することが困難であるため、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の間隔は比較的大きくなる。
これに対し、図５に示すゲート電極ＧＥ３のパターニングに用いるフォトレジスト膜は、イオン注入のマスクとして用いるフォトレジスト膜よりも小さい幅で形成する事が容易であるため、ゲート電極ＧＥ３は、イオン注入のマスクとして用いられるフォトレジスト膜よりも小さい幅で細く形成することができる。このため、ゲート電極ＧＥ３をマスクとして自己整合的にＮ−型半導体領域Ｎ１、Ｎ２を形成することで、画素ＰＥ内で対向するフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の間の距離Ｘ１を小さくすることができ、かつ、距離Ｘ１を精度良く保ってフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２を形成することができる。よって、距離Ｘ１を小さくすることで、活性領域ＡＲ内におけるフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２が占める面積を増大させることが可能である。
フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の面積が小さい場合、固体撮像素子の動作時においてフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２が受光すると、Ｎ−型半導体領域Ｎ１、Ｎ２のそれぞれの内部で電子が飽和しやすくなるため、画素から得られる画像が白飛びしやすくなる問題がある。しかし、本実施の形態では、上記のようにフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の面積を拡大することができるため、上記の白飛びが生じることを防ぐことができる。つまり、本実施の形態の固体撮像素子で、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に蓄積できる電子量を増大させることができる。
このような固体撮像素子は、より明るい光にも感応できるため、素子の感度が高くなる。このため、当該固体撮像素子を用いたデジタルカメラでは、ダイナミックレンジを大きくすることが可能である。よって、本実施の形態では、固体撮像素子を用いて撮像される画像の画質を向上させることができるため、半導体装置の性能を向上させることができる。
また、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２を構成するＮ−型半導体領域Ｎ１、Ｎ２を自己整合的に形成することで、フォトリソグラフィ技術における露光精度などにかかわらず、高い精度でＮ−型半導体領域Ｎ１、Ｎ２を所望の位置に所定の間隔で形成することができる。これにより半導体装置の歩留まりを向上させることができ、また、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
ここで、静止画の撮像時の読み出し動作においては、転送トランジスタＴＸ２を立ち上げる、つまりオンすることで、２つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２の間に設けられたゲート電極ＧＥ３の下のチャネル領域のポテンシャルが下がる。これにより、２つのフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に蓄積されていた電子は、ゲート電極ＧＥ３の直下に誘起された、ポテンシャルの低いチャネル領域に収集されて合成され、その後にさらにポテンシャルの低い浮遊拡散容量部ＦＤに誘導される。
本実施の形態においては、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２のそれぞれの対向する辺のそれぞれの全体に沿ってゲート電極ＧＥ３が延在している。このため、前記実施の形態１の固体撮像素子に比べ、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２が平面視において接するゲート電極ＧＥ３の幅が広く、より幅の広いゲートに電荷を誘導することができるため、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２で発生した電荷が、ゲート電極ＧＥ３の直下に生じるチャネルに誘導されやすいという特徴がある。これにより、転送部の幅が広くなることで、撮像時または自動合焦点検出時の電荷転送を効率よく行うことができる。したがって、電荷の読み出し動作を高速に行うことができるため、半導体装置の性能を向上させることができる。
また、本実施の形態では、転送トランジスタＴＸ２のドレイン領域の幅である距離Ｘ２を、前記実施の形態１の固体撮像素子の対応する転送トランジスタＴＸ２（図３参照）のドレイン領域の幅よりも小さくすることができる。これは、図５に示すフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２内の画素を、それらのフォトダイオード同士の間においてＹ軸方向に延在するゲート電極ＧＥ３の直下のチャネル領域に誘導して浮遊拡散容量部ＦＤに転送することが可能であることにより、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２と、Ｘ軸方向に延在する部分のゲート電極ＧＥ３とを重ねる必要がないためである。
したがって、Ｘ軸方向に延在する部分のゲート電極ＧＥ３に隣接する転送トランジスタＴＸ２のドレイン領域の幅である距離Ｘ２を小さくしても、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２から電荷を転送する効率が低下すること防ぐことができる。よって、距離Ｘ２を小さくすることができ、これにより浮遊拡散容量部ＦＤを構成する半導体領域の面積を縮小することができる。このため、浮遊拡散容量部ＦＤの容量を低減することができるため、画素ＰＥにおいて生じるノイズを低減することができる。したがって、半導体装置の性能を向上させることができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
例えば、上記の実施の形態１、２では画素内に２個のフォトダイオードを設けた構造について説明したが、１個の画素内に設けるフォトダイオードの数は２個より多い偶数個であってもよい。画素内に例えば４個のフォトダイオードを設ける場合は、２個のフォトダイオードからなる１組の受光部が２組あるものとして、各組の受光部内の２個のフォトダイオードを、上記本実施の形態１または２の半導体装置と同様の構成とする。
また、前記実施の形態１、２では、図３に示す活性領域ＡＲの矩形部分から突出する２個の突出部を繋げて１つの浮遊拡散容量部ＦＤを構成しているが、転送トランジスタＴＸ１のドレインを構成する一方の前記突出部と、転送トランジスタＴＸ２のドレインを構成するもう一方の前記突出部とは繋がっていなくてもよい。この場合、各突出部をコンタクトプラグＣＰおよび配線により電気的に接続し、それぞれの突出部の半導体領域を浮遊拡散容量部ＦＤとして用いる。
ＡＭＩ 増幅トランジスタ
ＡＲ 活性領域
ＣＰ コンタクトプラグ
ＥＩ 素子分離領域
ＦＤ 浮遊拡散容量部
ＧＥ、ＧＥ１、ＧＥ２ ゲート電極
Ｎ１、Ｎ２ Ｎ−型半導体領域
ＰＤ１、ＰＤ２ フォトダイオード
ＰＥ 画素
ＲＳＴ リセットトランジスタ
ＳＣ 基板コンタクト部
ＳＥＬ 選択トランジスタ
ＴＸ１〜ＴＸ４ 転送トランジスタ
ＷＬ ウェル領域

Claims (7)

  1. 入射光の光量に応じた電荷を生成する、第１受光素子および第２受光素子と、
    前記第１受光素子内の電荷を浮遊拡散容量部に転送する第１転送トランジスタと、
    前記第１受光素子内および前記第２受光素子内のそれぞれの電荷を合成して前記浮遊拡散容量部に転送する第２転送トランジスタと、
    を有する画素が設けられた固体撮像素子を含み、
    前記第１転送トランジスタは、前記第１受光素子をソースとして有し、前記浮遊拡散容量部をドレインとして有し、
    前記第２転送トランジスタは、前記第１受光素子と前記第２受光素子とをソースとして有し、前記浮遊拡散容量部をドレインとして有する、半導体装置。
  2. 請求項１記載の半導体装置において、
    前記固体撮像素子を用いた撮像動作では、前記第１受光素子内の電荷と、前記第２受光素子内の電荷とを合成し、一つの画素情報として取得する、半導体装置。
  3. 請求項２記載の半導体装置において、
    前記撮像動作では、前記第２転送トランジスタを動作させることで、前記第１受光素子内の電荷と、前記第２受光素子内の電荷とを合成して読み出す、半導体装置。
  4. 請求項１記載の半導体装置において、
    前記画素は、
    前記浮遊拡散容量部の電位変動に対応する電気信号を出力する増幅トランジスタと、
    前記浮遊拡散容量部の電位を所定の値にリセットするリセットトランジスタと、
    前記増幅トランジスタが出力する前記電気信号を外部に出力する選択トランジスタと、
    を有し、
    前記リセットトランジスタと前記第２転送トランジスタとを動作させることで、前記第１受光素子内および前記第２受光素子内のそれぞれの電荷を初期化する、半導体装置。
  5. 請求項１記載の半導体装置において、
    前記第１転送トランジスタを構成する第１ゲート電極は、前記第１受光素子に隣接して形成され、
    前記第２転送トランジスタを構成する第２ゲート電極は、前記第１受光素子および前記第２受光素子に隣接して形成されている、半導体装置。
  6. 請求項１記載の半導体装置において、
    前記第２転送トランジスタを構成する第２ゲート電極の一部は、平面視において、前記第１受光素子と前記第２受光素子との間に配置されている、半導体装置。
  7. 請求項６記載の半導体装置において、
    前記第１受光素子および前記第２受光素子は第１方向に並んで配置され、
    前記第１受光素子と前記第２受光素子との間の前記第２ゲート電極は、前記第１方向に対して直交する第２方向に延在している、半導体装置。
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