JP6876240B2

JP6876240B2 - 固体撮像装置及び電子機器

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Publication number: JP6876240B2
Application number: JP2019106045A
Authority: JP
Inventors: 義治工藤
Original assignee: Sony Corp; Sony Group Corp
Current assignee: Sony Corp; Sony Group Corp
Priority date: 2019-06-06
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2021-05-26
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: JP2019195183A

Description

本発明は、固体撮像装置、及びこの固体撮像装置を備えた電子機器に関する。

固体撮像装置は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサに代表される増幅型固体撮像装置と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサに代表される電荷転送型固体撮像装置とに大別される。

ＣＭＯＳイメージセンサは、高機能、低消費電力のため、特に携帯機器向けのイメージセンサにおいて、従来のＣＣＤイメージセンサから置き換えが急速に進んでいる。ＣＭＯＳイメージセンサは、光電変換素子であ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画素が複数、規則性をもって２次元配列された撮像部と、撮像部の周辺に配置された周辺回路とを有して構成される。

周辺回路としては、列方向に信号を伝播する列回路（いわゆる垂直駆動部）、列回路によって伝播された各列の信号を順次出力回路に伝送する水平回路（いわゆる水平転送部）等を有している。複数の画素トランジスタとしては、例えば転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ及び選択トランジスタの４トランジスタによる構成、あるいは選択トランジスタを除く他の３トランジスタによる構成などが知られている。

一般的なＣＭＯＳイメージセンサとしては、１つのフォトダイオードと複数の画素トランジスタとを組とした単位画素を複数配列して構成される。しかし、近年では画素寸法の微細化が顕著である。多数の画素を有するＣＭＯＳイメージセンサにおいては、単位画素当たりの画素トランジスタ数を下げるべく、画素トランジスタを複数の画素で共有する形のＣＭＯＳイメージセンサも多く見られる。

画素トランジスタ共有のＣＭＯＳイメージセンサは、例えば特許文献１に記載されている。一方、画素寸法の微細化における転送ゲートの構造を工夫することによって電荷転送効率を高めることが提案されている。例えば特許文献２（段落〔００３９〕、図３参照）では、図９に示すように、画素の一部として、フォトダイオードＰＤと、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域１０１と、画素トランジスタのうちの転送トランジスタＴｒ１が設けられる。転送トランジスタＴｒ１は、転送ゲート電極１０２及びその直下のチャネル部１０３を有して構成される。そして、この転送トランジスタＴｒ１において、フォトダイオードＰＤ側の転送ゲート１０４端、すなわち転送ゲート電極１０２端を凸形状に構成し、フォトダイオードＰＤ内に転送ゲート１０４方向への電界を発生しやすくしている。但し、図９の構成では、転送ゲート１０４のフォトダイオードＰＤ側のチャネル幅（すなわちフォトダイオードＰＤに接するチャネル幅）ａがフローティングディフージョン（ＦＤ）領域側のチャネル幅（すなわちフローティングディフージョン（ＦＤ）領域に接するチャネル幅）ｂより広くなっている。

特開平１１−３３１７１３号公報特開２００５−１２９９６５号公報

ところで、ＣＭＯＳイメージセンサでは、画素寸法の縮小に伴い画素内の画素トランジスタのゲート寸法も縮小し、それら画素トランジスタの特性が維持できなくなってきている。例えば、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（ＦＤ）領域へ信号電荷を読み出すための転送トランジスタのゲート（以下、転送ゲートという）も、ゲート寸法の縮小によりカットオフ特性と電荷転送特性の両立が難しくなっている。すなわち、転送トランジスタのオフ時には、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（ＦＤ）領域へリーク電流が発生し易く、転送トランジスタをオンした読み出し時には、転送ゲートのチャネル変調が弱いために電位障壁が十分下がらなくなってきている。しかしながら、決められた画素面積において、転送ゲートのゲート寸法を大きくすることは、光電変換を行うフォトダイオードＰＤの面積を狭め、集光時に光入射が転送ゲートによって阻害されるリスクとトレードオフの関係にある。

一方、図９に示す転送ゲートの構成では、フォトダイオードＰＤ側に転送ゲートが張り出すため、フォトダイオードＰＤの面積が縮小するリスクが生じる。この転送ゲート構造は、飽和電荷量の減少と光入射の阻害とを招く。

本発明は、上述の点に鑑み、画素が微細化されても、転送トランジスタのトランジスタ特性を維持し、かつ光電変換素子の受光面積を十分に確保できる固体撮像装置、及びこの固体撮像装置を備えた電子機器を提供するものである。

本技術の固体撮像装置は、光電変換素子と画素トランジスタからなる画素が複数配列され、光電変換素子として、第１の光電変換素子と、第２の光電変換素子と、第３の光電変換素子と、第４の光電変換素子と、第１の光電変換素子、第２の光電変換素子、第３の光電変換素子、及び、第４の光電変換素子のそれぞれに対応する、第１の転送ゲート、第２の転送ゲート、第３の転送ゲート、及び、第４の転送ゲートとを有する。そして、画素トランジスタとして、第１の転送トランジスタと、第２の転送トランジスタと、第３の転送トランジスタと、第４の転送トランジスタと、リセットトランジスタと、増幅トランジスタと、選択トランジスタとを有する。第１の光電変換素子、第２の光電変換素子、第３の光電変換素子、及び、第４の光電変換素子に囲まれた位置に、少なくとも一部のフローティングディフュージョン領域が配置され、第１の転送トランジスタ、第２の転送トランジスタ、第３の転送トランジスタ、及び、第４の転送トランジスタが、フローティングディフュージョン領域と、リセットトランジスタと、増幅トランジスタと、選択トランジスタとに接続される。
さらに、第１の光電変換素子と第２の光電変換素子とが、画素の第１の行に配置され、第３の光電変換素子と第４の光電変換素子とが、画素の第２の行に配置され、リセットトランジスタと増幅トランジスタと選択トランジスタとが、画素の第３の行に配置され、第２の行が第１の行と第３の行との間に配置される。
第１の転送ゲート、第２の転送ゲート、第３の転送ゲート、及び、第４の転送ゲートは、それぞれ第１の辺、第２の辺、第３の辺、及び、第４の辺を有する。第１の転送ゲートの第１の辺、第２の転送ゲートの第１の辺、第３の転送ゲートの第１の辺、及び、第４の転送ゲートの第１の辺は、それぞれフローティングディフュージョン領域に面して形成される。第１の転送ゲートの第２の辺、第２の転送ゲートの第２の辺、第３の転送ゲートの第２の辺、及び、第４の転送ゲートの第２の辺は、それぞれ第１の光電変換素子、第２の光電変換素子、第３の光電変換素子、及び、第４の光電変換素子に面して形成される。第１の転送ゲート、第２の転送ゲート、第３の転送ゲート、及び、第４の転送ゲートは、第１の辺が、第２の辺、第３の辺、及び、第４の辺よりも短く形成され、第２の辺が、第１の辺、第３の辺、及び、第４の辺よりも長く形成されている。

また、本技術の電子機器は、上記固体撮像装置と、固体撮像装置の光電変換素子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を備える。

本発明によれば、画素が微細化されても、転送トランジスタのトランジスタ特性を維持し、かつ光電変換素子の受光面積を十分に確保できる。

本発明に係る固体撮像装置に適用される一実施形態を示す概略構成図である。本発明に係る第１実施形態の画素の要部を示す構成図である。本発明に係る第２実施形態の画素の要部を示す構成図である。本発明に係る固体撮像装置に適用される他の実施形態を示す概略構成図である。本発明に係る第３実施形態の画素の要部を示す構成図である。図５の共有画素を用いた撮像部のレイアウトの一例を示す平面図である。図５の共有画素を用いた撮像部のレイアウトの他の例を示す平面図である。本発明に係るカメラの実施形態を示す概略構成図である。従来の画素の例を示す要部の構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１に、本発明に係る固体撮像装置、いわゆるＣＭＯＳイメージセンサに適用される一実施の形態の概略構成を示す。本実施の形態に係る固体撮像装置１は、複数の画素２が規則性をもって２次元配列された撮像部（いわゆる画素部）３と、撮像部３の周辺に配置された周辺回路、すなわち垂直駆動部４、水平転送部５及び出力部６とを有して構成される。画素２は、１つの光電変換素子であるフォトダイオードＰＤと、複数の画素トランジスタ（ＭＯＳトランジスタ）Ｔｒとにより構成される。

フォトダイオードＰＤは、光入射で光電変換され、その光電変換で生成された信号電荷を蓄積する領域を有して成る。複数の画素トランジスタＴｒは、本例では転送トランジスタ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の４つのＭＯＳトランジスタを有している。転送トランジスタＴｒ１は、フォトダイオードＰＤに蓄積された信号電荷を後述するフローティングディフージョン（ＦＤ）領域に読み出すトランジスタである。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（ＦＤ）領域の電位を規定の値に設定するためのトランジスタである。増幅トランジスタＴｒ３は、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域に読み出された信号電荷を電気的に増幅するためのトランジスタである。選択トランジスタＴｒ４は、画素１行を選択して画素信号を垂直信号線８に読み出すためのトランジスタである。
なお、図示しないが、選択トランジスタＴｒ４を省略した３トランジスタとフォトダイオードＰＤで画素を構成することも可能である。

画素２の回路構成では、転送トランジスタＴｒ１のソースがフォトダイオードＰＤに接続され、そのドレインがリセットトランジスタＴｒ２のソースに接続される。転送トランジスタＴｒ１とリセットトランジスタＴｒ２間の電荷−電圧変換手段となるフローティングディフージョン（ＦＤ）領域（転送トランジスタのドレイン領域、リセットトランジスタのソース領域に相当する）が増幅トランジスタＴｒ３のゲートに接続される。増幅トランジスタＴｒ３のソースは選択トランジスタＴｒ４のドレインに接続される。リセットトランジスタＴｒ２のドレイン及び増幅トランジスタＴｒ３のドレインは、電源電圧供給部に接続される。また、選択トランジスタＴｒ４のソースが垂直信号線８に接続される。

垂直駆動部４からは、１行に配列された画素のリセットトランジスタＴｒ２のゲートに共通に印加される行リセット信号φＲＳＴが、同じく１行の画素の転送トランジスタＴｒ１のゲートに共通に印加される行転送信号φＴＲＧが、同じく１行の選択トランジスタＴｒ４のゲートに共通に印加される行選択信号φＳＥＬが、それぞれ供給されるようになされる。

水平転送部５は、各列の垂直信号線８に接続された増幅器またはアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）、本例ではアナログ／デジタル変換器９と、列選択回路（スイッチ手段）ＳＷと、水平転送線（例えばデータビット線と同数の配線で構成されたバス配線）１０とを有して構成される。出力部６は、増幅器又は、アナログ／デジタル変換器及び／又は信号処理回路、本例では水平転送線１０からの出力を処理する信号処理回路１１と、出力バッファ１２とを有して構成される。

この固体撮像装置１では、各行の画素２の信号が各アナログ／デジタル変換器９にてアナログ／デジタル変換され、順次選択される列選択回路ＳＷを通じて水平転送線１０に読み出され、順次に水平転送される。水平転送線１０に読み出された画像データは、信号処理回路１１を通じて出力バッファ１２より出力される。

画素２における一般的な動作は、先ず最初に転送トランジスタＴｒ１のゲートとリセットトランジスタＴｒ２のゲートをオン状態にしてフォトダイオードＰＤの電荷を全て空にする。次いで、転送トランジスタＴｒ１のゲートとリセットトランジスタＴｒ２のゲートをオフ状態にして電荷蓄積を行う。次に、フォトダイオードＰＤの電荷を読み出す直前にリセットトランジスタＴｒ２のゲートをオン状態にしてフローティングディフージョン（ＦＤ）領域の電位をリセットする。その後、リセットトランジスタＴｒ２のゲートをオフ状態にし、転送トランジスタＴｒ１のゲートをオン状態にしてフォトダイオードＰＤからの電荷をフローティングディフージョン（ＦＤ）領域へ転送する。増幅トランジスタＴｒ３ではゲートに電荷が印加されたことを受けて信号電荷を電気的に増幅する。一方、選択トランジスタＴｒ４は前記読み出し直前のフローティングディフージョンリセット時から読み出し対象画素のみオン状態になり、該当画素内増幅トランジスタＴｒ３からの電荷−電圧変換された画像信号が垂直信号線８に読み出されることになる。

そして、本実施の形態においては、上述の固体撮像装置１において、画素が微細化されてもフォトダイオードＰＤの面積を十分に確保しつつ、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域への信号電荷の転送を良好に行えるように、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲートを構成する。すなわち、本実施の形態では、転送ゲートのチャネル幅がフォトダイオードＰＤ側よりフローティングディフージョン（ＦＤ）領域側で広くなるように構成される。さらに、変換効率をも改善できるように構成される。

図２に、本発明の画素を構成するフォトダイオードＰＤと、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０と、転送トランジスタＴｒ１、特にその転送ゲート２１とを含む領域の第１実施形態を示す。第１実施形態においては、転送トランジスタＴｒ１の転送ゲート２１を構成する転送ゲート電極２２を、平面形状が四角形のフォトダイオードＰＤの１つの角部に配置すると共に、フローティングディフージョン（いわゆる拡散領域）ＦＤ側で凸形状になるように形成される。

すなわち、転送ゲート電極２２は、三角形の頂部が切断されたようなほぼ台形形状をなし、その一辺（底辺）がフォトダイオードＰＤ側の角部を直線状に斜めに切除した辺に隣接し、そのほぼＬ字をなす二辺がフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０に隣接するように形成される。この結果、図示の例では、単位画素のフォトダイオードＰＤは、平面形状が正方形あるいは長方形などの四角形状の１つの角部を僅かに直線状に斜めに切除した五角形に形成される。また、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０は、平面形状がほぼＬ字形状に形成される。

素子分離領域２４は、フォトダイオードＰＤ、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０及び転送トランジスタＴｒ１を取り囲むように形成され、一部転送ゲート電極２２の下に入り込むように形成される。すなわち、実質的な転送ゲート２１のチャネル部２３が、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０のＬ字形状の両端を差し渡る幅でフォトダイオードＰＤ側に延びるように、素子分離領域２４の一部が転送ゲート電極２２の下に入り込んで形成される。

ここで、フォトダイオードＰＤは、図示しないが、本例ではｐ型半導体ウェル領域に電荷蓄積領域となるｎ型半導体領域（ｎ＋領域）が形成され、このｎ型半導体領域の表面側にアキュミュレーション層となるｐ型半導体領域（ｐ＋領域）が形成された埋め込み型のフォトダイオードとして構成される。また、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０は転送トランジスタＴｒ１のドレイン領域に相当するもので、本例ではｎ型半導体領域（ｎ＋領域）で形成される。さらに、素子分離領域２４は、本例ではｐ型半導体領域（ｐ＋領域）で形成される。

さらに、本実施形態では、略Ｌ字形状のフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０の領域内の一部、すなわち、転送ゲート電極２２の頂部（凸部先端）に対応した一部を、面積が狭小となる不純物濃度の高い領域（いわゆる高濃度領域：本例ではｎ＋領域）２６で形成する。また、略Ｌ字形状のフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０の領域内の他部、すなわち、高濃度領域２６を囲い、かつ高濃度領域２６と素子分離領域２４との間の領域に相当する他部を、不純物濃度が高濃度領域２６より低い領域（いわゆる低濃度領域：本例ではｎ−領域）２７で形成する。

この低濃度領域２７の不純物濃度は、通常のＬＤＤ構造の低濃度領域より低い濃度であり、また、当該領域２７は通常のＰＮ接合の形成で自然に形成される接合近傍の低不純物濃度領域よりも広い面積を有する。

一方、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０内の高濃度領域２６は、画素トランジスタと接続する際のコンタクト領域と共有するものである。本例では、この高濃度領域２６の不純物濃度は、１×１０^２０ｃｍ^−３以上とすることができる。また、低濃度領域２７の不純物濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３未満とすることができる。

第１実施形態に係る構成によれば、転送ゲート電極２２が、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０側が凸形状となるように略台形状に形成することにより、フォトダイオードＰＤの角部が少し削減されるだけであり、フォトダイオードＰＤの面積としては広く確保することができる。これにより、画素が微細化されても集光時に光入射が転送ゲート電極により阻害されることがなく、飽和電荷量を十分に確保することができる。

また、図２に示すように、転送ゲート２１のチャネル幅が、フォトダイオードＰＤ側よりフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０側で広がることになり、転送トランジスタのカットオフ特性、電荷転送特性を両立し、いわゆるトランジスタ特性を維持することができる。すなわち、フォトダイオードＰＤ側のチャネル幅Ａよりフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０側のチャネル幅Ｂが広くなっている。このチャネル幅の変化はチャネル部２３の電位変化につながり、転送トランジスタのオン時には、形状効果でフォトダイオードＰＤ側からフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０側へ向ってポテンシャルが深くなるという電界が発生する。狭いチャネル幅Ａではポテンシャルが浅く、広いチャネル幅Ｂではポテンシャルが深くなる。従って、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（ＦＤ）領域２０への信号電荷の転送を良好に行うことができ、画素を微細化しても信号電荷の転送能力を改善することができる。転送トランジスタのオフ時には、リーク電流が発生しにくい。

リーク電流が発生しにくい理由を説明する。チャネル幅Ｗが一定の場合、フォトダイオードＰＤ側とフローティングディフージョンＦＤ側でチャネル電位の変化量が同じであるので、転送ゲートオン時にチャネルに転送方向電界をつけようと電位に差をつけると、オフ時にも電位の差がそれだけつく。それに対し、本実施の形態では、フォトダイオードＦＤ側の電位変化が大きいので、オン時のフォトダイオードＰＤ側とフローティングディフージョンＦＤ側のチャネル電位差が前記と同じであるとすると、オフ時の電位差は小さくできる。すなわちフォトダイオードＦＤ側のオフ時のチャネルの閉めが強められるため、リーク電流が低減できる。

フローティングディフージョン（ＦＤ）領域の高濃度領域２６がコンタクト部と共通、つまり共有することにより、高濃度領域の面積を最小とすることができる。本実施の形態において、高濃度領域２６はコンタクト部を置く位置以外には必要ない。通常ＣＭＯＳプロセスにおいて、高濃度領域は、レジストマスクを用いた不純物注入で形成されるため、コンタクト部の接触面積より十分大きくなっている。一般的にはゲートに接する拡散領域の一部のみが高濃度であるという構成になっていない。

一方、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０をＬ字形状にすると、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０の面積が増大する。通常、面積の増大はフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０における拡散容量（いわゆる接合容量）が増大し、変換効率の低下を招く。しかし、本実施形態では、Ｌ字形状のフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０のうち、転送ゲート２１の凸部に対応する一部の実質的に電荷が蓄積される領域とコンタクト部とを共有するｎ型の高濃度領域２６を形成し、それ以外の領域はｎ型の低濃度領域２７となるように不純物濃度分布を設定している。低濃度領域２７での接合容量は非常に小さい。従って、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０における全体の接合容量は極度に増加することがなく、変換効率の低下は軽減される。

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（ＦＤ）領域２０のポテンシャルが浅い低濃度領域２７へ転送された信号電荷は、ポテンシャルの深い高濃度領域２６へ集められる。

図３に、本発明の画素を構成するフォトダイオードＰＤと、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０と、転送トランジスタＴｒ１特にその転送ゲートとを含む領域の第２実施形態を示す。本実施形態においては、フォトダイオードＰＤとフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０との間にチャネル幅がフォトダイオードＰＤ側よりフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０側を広くした転送ゲート２１を形成し、転送トランジスタＴｒ１を形成して構成される。

フォトダイオードＰＤは、正方形あるいは長方形等の四角形状を成している。フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０は、フォトダイオードＰＤと対向する辺の長さがフォトダイオードＰＤの対向辺の長さと同じにした長方形状をなしている。転送ゲート２１は、長方形の転送ゲート電極２２と台形状のチャネル部２３を有してなる。チャネル部２３は、フォトダイオードＰＤ側のチャネル幅Ａがフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０側のチャネル幅Ｂより狭く、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（ＦＤ）領域２０に向って転送ゲート２１のチャネル部２３の幅が漸次広くなるように台形状に形成される。

一方、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０は、上例と同様に長方形の中央部に高濃度領域（本例ではｎ＋領域）２６を形成し、残りの領域に低濃度領域（本例ではｎ−領域）２７を形成して構成される。その他の不純物濃度などの構成は、第１実施形態で説明したと同様であるので、重複説明は省略する。

第２実施形態の構成によれば、フォトダイオードＰＤが四角形状で形成されるので、面積を広く確保することができ、画素が微細化されても飽和電荷量を十分に確保することができる。また、転送ゲート２１のチャネル部２３のポテンシャルは、フォトダイオードＰＤ側からフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０側に向って漸次深くなるという電界が発生する。従って、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（ＦＤ）領域２０への信号電荷の転送を良好に行うことができ、画素を微細化しても信号電荷の転送能力を改善することができる。

一方、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０においては、高濃度領域２６と低濃度領域２７で形成されているので、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０における全体の接合容量を低く抑えることができ、変換効率を軽減することができる。

第２実施形態でも、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０の低濃度領域２７へ転送された信号電荷は、高濃度領域２６へ集められる。その他、第１実施形態で説明したと同様の効果を奏する。

図２で示した第１実施形態の構成は、複数のフォトダイオードに対して画素トランジスタを共有したＣＭＯＳイメージセンサに適用して有効である。次に、その実施の形態について説明する。

図４に、本発明に係る固体撮像装置、いわゆるＣＭＯＳイメージセンサに適用される他の実施の形態の概略構成を示す。本実施の形態に係る固体撮像装置は、複数、本例では４つの画素、すなわち光電変換素子である４つのフォトダイオードに対して、転送トランジスタを除く他の画素トランジスタを共有した画素構成の組（以下、共有画素という）を配列した場合である。

本実施の形態に係る固体撮像装置３１は、複数の共有画素３２が規則性をもって２次元配列された撮像部（いわゆる画素部）３と、撮像部３の周辺に配置された周辺回路、すなわち垂直駆動部４、水平転送部５及び出力部６とを有して構成される。共有画素３２は、複数、本例では４つの光電変換素子であるフォトダイオードＰＤと、４つの転送トランジスタと、各１つのリセットトランジスタ、増幅トランジスタ及び選択トランジスタとから構成される。

共有画素３２の回路構成では、図４に示すように、４つの各フォトダイオードＰＤ〔ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４〕が、それぞれ対応する４つの転送トランジスタＴｒ１１、Ｔｒ１２，Ｔｒ１３，Ｔｒ１４のソースに接続され、各転送トランジスタＴｒ１１〜Ｔｒ１４のドレインが１つのリセットトランジスタＴｒ２のソースに接続される。各転送トランジスタＴｒ１１〜Ｔｒ１４とリセットトランジスタＴｒ２間の電荷−電圧変換手段となる共通のフローティングディフージョン（ＦＤ）領域は１つの増幅トランジスタＴｒ３のゲートに接続される。増幅トランジスタＴｒ３のソースは１つの選択トランジスタＴｒ４のドレインに接続される。リセットトランジスタＴｒ２のドレイン及び増幅トランジスタＴｒ３のドレインは、電源電圧供給部に接続される。また、選択トランジスタＴｒ４のソースが垂直信号線８に接続される。

各転送トランジスタＴｒ１１〜Ｔｒ１４のゲートには、それぞれ行転送信号φＴＲＧ１〜φＴＲＧ４が印加され、リセットトランジスタＴｒ２のゲートには行リセット信号φＲＳＴが印加され、選択トランジスタＴｒ４のゲートには行選択信号φＳＥＬが印加される。

垂直駆動部４、水平転送部５、出力部６、その他等の構成は、図２で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。

そして、本実施形態の共有画素３２の平面上の構成、すなわち第３実施形態を図５に示す。本実施形態の１組の共有画素３２は、図２で示した画素構成を利用し、水平・垂直２画素ずつの共有構成としている。本実施形態においては、図５に示すように、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０を共有するように、中央部に共通のフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０が配置される。このフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０を中央に挟むように、４つの画素（図２の画素構成）がその転送ゲート２１〔２１１〜２１４〕側の角部を中心に点対称に水平・垂直に配置される。このとき、中央のフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０は、平面上で十字形となる形状を有し、その中心が高濃度領域２６、その他の腕部が低濃度領域２７として形成される。また、各フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４を分離する素子分離領域２４は、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０との接触に関しては、各腕部の低濃度領域２７の先端部のみに接触することになる。その他の構成は、図２と同様であるので、重複説明を省略する。

第３実施形態に係る共有画素構成によれば、４つの画素をフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０を中心に、換言すれば、転送ゲートの角部を中心に点対称に配置されるので、後述するように多数の画素を配列する撮像部３において、画素配列を稠密に配列することができる。そして、本実施形態では、前述と同様に転送ゲートの形状効果により、転送ゲートのチャネル幅がフォトダイオードＰＤ側からフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０側に向って変化し、チャネル電位が変化するので、信号電荷の転送効率が良好になる。

また、共有するフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０は、十字形状になり、その中央部を高濃度領域２６とし、その他を低濃度領域２７とした構成であるので、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０の接合容量は非常に小さくなり、電荷−電圧変換に際しての変換効率を上げることができ、あるいは変換効率の低下を軽減することができる。特に、ｎ型のフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０とｐ型の素子分離領域２４との接触部は、十字形状の低濃度領域２７である腕部端のみであるので、フローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０及び素子分離領域２４間の接合容量がさらに低減し、その分、変換効率を向上することができる。
その他、第１実施形態の構成で説明したと同様の効果を奏する。

図６に、図５の共有画素３２を用いた撮像部３のレイアウトの一実施形態を示す。本実施形態は、共有画素３２を正方配列としたレイアウトである。すなわち、本実施形態は、各共有画素３２内の垂直方向の片側、本例では各共有画素３２内の下側にリセットトランジスタＴｒ２と増幅トランジスタＴｒ３と選択トランジスタＴｒ４が配置される。この共有画素３２が垂直方向及び水平方向の直交座標系に配列される。リセットトランジスタＴｒ２は、ソース領域４１、ドレイン領域４２及びリセットゲート電極４３を有して構成される。増幅トランジスタＴｒ３はソース領域４４、ドレイン領域４５及び増幅ゲート電極４６を有して構成される。選択トランジスタＴｒ４は、ソース領域４７、ドレイン領域４４及び選択ゲート電極４８を有して構成される。このとき、増幅トランジスタＴｒ３のソース領域４４と選択トランジスタＴｒ４のドレイン領域４４とは共有して形成される。

そして、配線４９を介してフローティングディフージョン（ＦＤ）領域２０の高濃度領域２６と、リセットトランジスタＴｒ２のソース領域４１及び増幅トランジスタＴｒ３の増幅ゲート電極４６とが接続される。また、配線５０を介して選択トランジスタＴｒ４のソース領域４７と垂直信号線８とが接続される。

図６の撮像部のレイアウトによれば、多数の共有画素３２が水平・垂直方向に稠密に配置することができ、高解像度の固体撮像装置を提供することができる。

図７に、図５の共有画素３２を用いた撮像部３のレイアウトの他の実施形態を示す。本実施形態は、共有画素３２を斜め配列（ハニカム配列ともいう）としたレイアウトである。すなわち、本実施形態は、図５で説明したと同様に、各共有画素３２内の垂直方向の片側、本例では各共有画素３２内の下側にリセットトランジスタＴｒ２と増幅トランジスタＴｒ３と選択トランジスタＴｒ４が配置される。この共有画素３２が垂直方向及び水平方向から斜めに傾いた軸に直交する座標系に配列される。図７の例では、共有画素３２が垂直方向及び水平方向から４５°傾いた軸に直交する座標系に配列される。その他の構成は、図６で説明したと同様であるので、図６に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。

図７の撮像部のレイアウトによれば、多数の共有画素３２が稠密配列することができ、さらに図６に比べてより高解像度の固体撮像装置を提供することができる。

図８は、上述のＣＭＯＳ型の固体撮像装置を用いたカメラの概略構成である。本実施形態のカメラ４０は、光学系（光学レンズ）４１と、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置４２と、信号処理回路４３とを有して成る。固体撮像装置４２は、上述した第１〜第３実施形態のいずれか１つ、好ましくは第１、第３実施形態の画素構成を有する固体撮像装置、図６、図７で示すレイアウトを有する固体撮像装置などに適用される。本実施形態のカメラは、光学系４１と、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置４２及び信号処理回路４３がモジュール化したカメラモジュールの形態を含む。光学系４１は、被写体からの像光（入射光）をＣＭＯＳ型の固体撮像装置４２の撮像面上に結像させる。これにより、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置４２の光電変換素子（受光部）において、入射光は入射光量に応じて信号電荷に変換され、光電変換素子において一定期間信号電荷が蓄積される。信号処理回路４３は、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置４２の出力信号に対して種々の信号処理を施して映像信号として出力する。

本実施形態のカメラによれば、画素が微細化しても飽和電荷量、変換効率を確保し、信号電荷のフローティングディフージョンへの信号電荷転送を良好にするもので、高解像度のカメラを提供することができる。

本発明においては、上述した図８のカメラ、或いはカメラモジュールを備えた電子機器を構成することも可能である。

１，３１固体撮像装置、２画素、３撮像部、４垂直駆動部、５水平転送部、６出力部、ＰＤ，ＰＤ１〜ＰＤ４電変換素子、ＦＤフローティングディフージョン領域、２１，２１１〜２１４転送ゲート、２２転送ゲート電極、２３チャネル部、２４素子分離領域、２６高濃度領域、２７低濃度領域、３２共有画素

Claims

光電変換素子と画素トランジスタからなる画素が複数配列され、
前記光電変換素子として、第１の光電変換素子と、第２の光電変換素子と、第３の光電変換素子と、第４の光電変換素子と、を有し、
前記画素トランジスタとして、第１の転送トランジスタと、第２の転送トランジスタと、第３の転送トランジスタと、第４の転送トランジスタと、リセットトランジスタと、増幅トランジスタと、選択トランジスタと、を有し、
前記第１の光電変換素子、前記第２の光電変換素子、前記第３の光電変換素子、及び、前記第４の光電変換素子に囲まれた位置に、少なくとも一部のフローティングディフュージョン領域が配置され、
前記第１の光電変換素子、前記第２の光電変換素子、前記第３の光電変換素子、及び、前記第４の光電変換素子は、前記フローティングディフュージョン領域と、前記リセットトランジスタと、前記増幅トランジスタと、前記選択トランジスタとを共有し、
前記第１の光電変換素子と前記第２の光電変換素子とが、前記画素の第１の行に配置され、
前記第３の光電変換素子と前記第４の光電変換素子とが、前記画素の第２の行に配置され、
前記リセットトランジスタと前記増幅トランジスタと前記選択トランジスタとが、前記画素の第３の行に配置され、
前記第２の行が前記第１の行と前記第３の行との間に配置され、
少なくとも一部の前記フローティングディフュージョン領域が、前記第１の行と前記第２の行との間に配置され、
前記第１の光電変換素子と前記第３の光電変換素子と前記リセットトランジスタとが、前記第１の行と垂直方向において順に配列され、
前記第２の光電変換素子と前記第４の光電変換素子と前記選択トランジスタとが、前記第１の行と垂直方向において順に配列され、
前記増幅トランジスタのソース領域と前記選択トランジスタのドレイン領域は共有して形成される
固体撮像装置。
前記リセットトランジスタと前記増幅トランジスタと前記選択トランジスタは、前記第１の光電変換素子から前記第２の光電変換素子の方向に、前記リセットトランジスタ、前記増幅トランジスタ、前記選択トランジスタの順に配置された
請求項１に記載の固体撮像装置。
前記第１の転送トランジスタを構成する第１の転送ゲート、前記第２の転送トランジスタを構成する第２の転送ゲート、前記第３の転送トランジスタを構成する第３の転送ゲート、及び、前記第４の転送トランジスタを構成する第４の転送ゲートは、それぞれ第１の辺、第２の辺、第３の辺、及び、第４の辺を有し、
前記第１の転送ゲートの第１の辺、前記第２の転送ゲートの第１の辺、前記第３の転送ゲートの第１の辺、及び、前記第４の転送ゲートの第１の辺は、それぞれ前記フローティングディフュージョン領域に面して形成された
請求項１に記載の固体撮像装置。
前記第１の転送ゲートの第２の辺、前記第２の転送ゲートの第２の辺、前記第３の転送ゲートの第２の辺、及び、前記第４の転送ゲートの第２の辺は、それぞれ前記第１の光電変換素子、前記第２の光電変換素子、前記第３の光電変換素子、及び、前記第４の光電変換素子に面して形成された
請求項３に記載の固体撮像装置。
前記第１の転送ゲートの第１の辺と第２の辺と前記第４の転送ゲートの第１の辺と第２の辺が互いに並行になるように形成され、前記第２の転送ゲートの第１の辺と第２の辺と前記第３の転送ゲートの第１の辺と第２の辺が互いに並行になるように形成された
請求項４に記載の固体撮像装置。
前記第１の転送ゲートの第３の辺、前記第２の転送ゲートの第３の辺、前記第３の転送ゲートの第３の辺、及び、前記第４の転送ゲートの第３の辺は、それぞれ前記第１の行と平行な方向に形成され、
前記第１の転送ゲートの第４の辺、前記第２の転送ゲートの第４の辺、前記第３の転送ゲートの第４の辺、及び、前記第４の転送ゲートの第４の辺は、それぞれ前記第１の行と垂直な方向に形成された
請求項５に記載の固体撮像装置。
前記第１の転送ゲートの第１の辺、前記第２の転送ゲートの第１の辺、前記第３の転送ゲートの第１の辺、及び、前記第４の転送ゲートの第１の辺は、前記第１の転送ゲートの第２の辺、前記第２の転送ゲートの第２の辺、前記第３の転送ゲートの第２の辺、及び、前記第４の転送ゲートの第２の辺よりも短く形成された
請求項６に記載の固体撮像装置。
前記第１の転送ゲート、前記第２の転送ゲート、前記第３の転送ゲート、及び、前記第４の転送ゲートは、前記第３の辺が、前記第４の辺と同じ長さに形成された
請求項７に記載の固体撮像装置。
前記第１の転送ゲート、前記第２の転送ゲート、前記第３の転送ゲート、及び、前記第４の転送ゲートは、前記第２の辺が、前記第１の辺、前記第３の辺、及び、前記第４の辺よりも長く形成された
請求項８に記載の固体撮像装置。
前記第１の転送ゲート、前記第２の転送ゲート、前記第３の転送ゲート、及び、前記第４の転送ゲートは、それぞれ略台形状である
請求項３から９のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記フローティングディフュージョン領域の一部に高濃度領域が形成された
請求項１から１０のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記フローティングディフュージョン領域は、前記高濃度領域を囲うように、前記高濃度領域の不純物濃度より低い低濃度領域が形成された
請求項１１に記載の固体撮像装置。
前記フローティングディフュージョン領域の前記高濃度領域が、前記画素トランジスタと接続するコンタクト領域を共用するよう形成された
請求項１１または１２に記載の固体撮像装置。
前記フローティングディフュージョン領域の前記高濃度領域が、前記リセットトランジスタのソース領域と前記増幅トランジスタの増幅ゲート電極に接続される
請求項１２または１３に記載の固体撮像装置。
前記選択トランジスタと接続された垂直信号線を有する
請求項１から１４のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記垂直信号線は前記選択トランジスタのソース領域と接続される
請求項１５に記載の固体撮像装置。
前記垂直信号線は、水平転送部の増幅器またはアナログ／デジタル変換器に接続された
請求項１６に記載の固体撮像装置。
前記第１の光電変換素子、前記第２の光電変換素子、前記第３の光電変換素子、及び、前記第４の光電変換素子をそれぞれ分離するよう素子分離領域が形成された
請求項１から１７のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記素子分離領域は、前記フローティングディフュージョン領域を取り囲むよう形成された
請求項１８に記載の固体撮像装置。
固体撮像装置と、前記固体撮像装置の光電変換素子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、
光電変換素子と画素トランジスタからなる画素が複数配列され、
前記光電変換素子として、第１の光電変換素子と、第２の光電変換素子と、第３の光電変換素子と、第４の光電変換素子と、を有し、
前記画素トランジスタとして、第１の転送トランジスタと、第２の転送トランジスタと、第３の転送トランジスタと、第４の転送トランジスタと、リセットトランジスタと、増幅トランジスタと、選択トランジスタと、を有し、
前記第１の光電変換素子、前記第２の光電変換素子、前記第３の光電変換素子、及び、前記第４の光電変換素子に囲まれた位置に、少なくとも一部のフローティングディフュージョン領域が配置され、
前記第１の光電変換素子、前記第２の光電変換素子、前記第３の光電変換素子、及び、前記第４の光電変換素子は、前記フローティングディフュージョン領域と、前記リセットトランジスタと、前記増幅トランジスタと、前記選択トランジスタとを共有し、
前記第１の光電変換素子と前記第２の光電変換素子とが、前記画素の第１の行に配置され、
前記第３の光電変換素子と前記第４の光電変換素子とが、前記画素の第２の行に配置され、
前記リセットトランジスタと前記増幅トランジスタと前記選択トランジスタとが、前記画素の第３の行に配置され、
前記第２の行が前記第１の行と前記第３の行との間に配置され、
少なくとも一部の前記フローティングディフュージョン領域が、前記第１の行と前記第２の行との間に配置され、
前記第１の光電変換素子と前記第３の光電変換素子と前記リセットトランジスタとが、前記第１の行と垂直方向において順に配列され、
前記第２の光電変換素子と前記第４の光電変換素子と前記選択トランジスタとが、前記第１の行と垂直方向において順に配列され、
前記増幅トランジスタのソース領域と前記選択トランジスタのドレイン領域は共有して形成される
電子機器。