(57)【要約】【課題】  固体撮像素子でのクロストークの発生をより抑制しうる手段を提供する。【解決手段】  固体撮像素子は、複数の画素を備える。各々の画素は、入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部と、光電変換部により生成された信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部と、光電変換部からフローティングディフュージョン部に信号電荷を転送する１つの転送トランジスタと、を含む。また、フローティングディフュージョン部は、転送トランジスタに接触する接触部を複数有する形状をなしている。【選択図】  図１
2010245142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を備え、
各々の前記画素は、
入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部と、
前記光電変換部により生成された前記信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部と、
前記光電変換部から前記フローティングディフュージョン部に前記信号電荷を転送する１つの転送トランジスタと、を含み、
前記フローティングディフュージョン部は、前記転送トランジスタに接触する接触部を複数有する形状をなしていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像素子において、
前記フローティングディフュージョン部の前記接触部は、前記光電変換部の中心を基準として対称をなすようにそれぞれ配置されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子において、
前記フローティングディフュージョン部は、各々が前記接触部を有する複数個の半導体領域で構成され、
前記半導体領域の容量がそれぞれ等しく設定されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の固体撮像素子において、
前記フローティングディフュージョン部は、各々が前記接触部を有する２つの半導体領域で構成されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項５】
複数の画素を備え、
各々の前記画素は、
入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部と、
前記光電変換部により生成された前記信号電荷をそれぞれ蓄積するとともに、電気的に接続された複数のフローティングディフュージョン領域と、
各々の前記フローティングディフュージョン領域と対をなし、接触する前記フローティングディフュージョン領域に前記光電変換部から前記信号電荷をそれぞれ転送する複数の転送トランジスタと、を含み、
前記複数の転送トランジスタのゲートは電気的に接続されていることを特徴とする固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、デジタルスチルカメラやビデオカメラなどに適用される固体撮像素子として、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子が公知である。ＣＭＯＳ型の固体撮像素子の画素は、フォトダイオード、フローティングディフュージョン領域および増幅トランジスタ等を有している。入射光の光量に応じてフォトダイオードに発生した電荷は、フローティングディフュージョン領域に転送される。フローティングディフュージョン領域の容量にはフォトダイオードから転送された電荷が蓄えられ、その電荷に応じた電圧が増幅トランジスタのゲートに印加される。そして、入射光の光量に応じた画素信号が各画素から出力される。
【０００３】
特許文献１には、一つの能動領域上にゲートを並べてソース、ドレインが共通した複数のトランジスタを形成し、各画素でのトランジスタのレイアウトを効率化したＣＭＯＳ型の固体撮像素子の構成例が開示されている。
【０００４】
また、固体撮像素子において、入射光が半導体の表面から深い位置まで侵入して光電変換すると、電子のドリフト距離が長くなるため電子が所望の画素に到達する確率は低くなる。上記の電子は、より電位の高い拡散領域（フローティングディフュージョン領域など）でも吸収されうるが、隣接する画素に電子が到達するとクロストークが発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１４２５０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、フローティングディフュージョン領域の容量が小さい場合には、少ない電荷量の変化でも大きな電圧変化を得ることができる。そのため、画素信号のゲインを上げるためにフローティングディフュージョン領域の容量を小さくすると、フローティングディフュージョン領域の脇にできる隙間の幅が広くなる。上記の隙間の近傍で発生した電荷は、フローティングディフュージョン領域で吸収されずに隣接する画素まで到達し易いので、クロストークが起こりやすくなることが懸念されている。
【０００７】
そこで、本発明は、固体撮像素子でのクロストークの発生をより抑制しうる手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一の態様の固体撮像素子は、複数の画素を備える。各々の画素は、入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部と、光電変換部により生成された信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部と、光電変換部からフローティングディフュージョン部に信号電荷を転送する１つの転送トランジスタと、を含む。また、フローティングディフュージョン部は、転送トランジスタに接触する接触部を複数有する形状をなしている。
【０００９】
上記の一の態様において、フローティングディフュージョン部の接触部は、光電変換部の中心を基準として対称をなすようにそれぞれ配置されていてもよい。
【００１０】
上記の一の態様において、フローティングディフュージョン部は、各々が接触部を有する複数個の半導体領域で構成されていてもよい。そして、上記の半導体領域の容量がそれぞれ等しく設定されていてもよい。
【００１１】
上記の一の態様において、フローティングディフュージョン部は、各々が接触部を有する２つの半導体領域で構成されていてもよい。
【００１２】
他の態様の固体撮像素子は、複数の画素を備える。各々の画素は、入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部と、複数のフローティングディフュージョン領域と、複数の転送トランジスタと、を含む。複数のフローティングディフュージョン領域は、光電変換部により生成された信号電荷をそれぞれ蓄積するとともに、電気的に接続される。複数の転送トランジスタは、各々のフローティングディフュージョン領域と対をなし、接触するフローティングディフュージョン領域に光電変換部から信号電荷をそれぞれ転送する。また、複数の転送トランジスタのゲートは電気的に接続されている。
【００１３】
なお、上記の各態様の固体撮像素子を備えた撮像装置も、本発明の具体的態様として有効である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、クロストークの発生がより抑制された固体撮像素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一の実施形態における固体撮像素子の概略構成を示す回路図
【図２】一の実施形態における画素ＰＸの平面構造の例を示す図
【図３】一の実施形態における画素ＰＸの回路構成例を示す図
【図４】一の実施形態における固体撮像素子の断面を示す模式図
【図５】図２の比較例を示す図
【図６】他の実施形態における画素ＰＸの平面構造の例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜一の実施形態の説明＞
図１は、一の実施形態における固体撮像素子の概略構成例を示す図である。一の実施形態の固体撮像素子は、シリコン基板上にＣＭＯＳプロセスを使用してＣＭＯＳ型の固体撮像素子として形成されており、例えば、デジタルスチルカメラやビデオカメラなどに搭載される。
【００１７】
固体撮像素子は、マトリックス状に配置された複数の画素ＰＸと、垂直走査部１１と、信号蓄積部１２と、水平走査部１３と、画素ＰＸの列ごとにそれぞれ設けられた垂直出力線１４と、各垂直出力線１４にそれぞれ接続された定電流源１５と、各垂直出力線１４を信号蓄積部１２に接続するための一対の転送ゲート１６ａ，１６ｂとを有している。ここで、図１では、簡単のため画素ＰＸを３×２個のみ示すが、実際の固体撮像素子の受光面にはさらに多数の画素が配列されることはいうまでもない。
【００１８】
垂直走査部１１は、図１の横方向に並ぶ画素群に選択パルスφＳＥＬ、リセットパルスφＲＥＳおよび転送パルスφＴＸをそれぞれ出力する。パルスφＳＥＬ，φＲＥＳ，φＴＸは、高論理レベルが電源電圧ＶＤＤであり、低論理レベルが接地電圧ＶＳＳである。信号蓄積部１２は、図１の横方向に並ぶ画素群の各画素ＰＸから出力されるノイズ信号およびノイズ信号が重畳された画素信号を順次蓄積する。水平走査部１３は、制御パルスφＨにより信号蓄積部１２の動作を制御し、信号蓄積部１２に蓄積された信号を不図示の相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ回路）等に順次出力する。
【００１９】
定電流源１５は、画像信号を読み出すために垂直出力線１４に電流を流す。転送ゲート１６ａ，１６ｂは、ｎＭＯＳトランジスタで形成されている。転送ゲート１６ａは、ノイズ信号が重畳された画素信号を信号蓄積部１２に転送するために、信号転送パルスφＴＳに同期してオンする。転送ゲート１６ｂは、ノイズ信号を信号蓄積部１２に転送するために、ノイズ転送パルスφＴＮに同期してオンする。なお、信号転送パルスφＴＳおよびノイズ転送パルスφＴＮは、相関二重サンプリング回路を動作させるための制御信号である。
【００２０】
図２は、画素ＰＸの平面構造の例を示す図である。また、図３は、画素ＰＸの回路構成例を示す図である。ここで、図２における網掛けの領域はトランジスタのゲートを示している。また、図２の鎖線枠は、画素ＰＸのレイアウト領域を示している。なお、図２において、パルスφＳＥＬ，φＲＥＳ，φＴＸをそれぞれ供給するための制御配線および電源ＶＤＤの配線の図示は省略している。
【００２１】
画素ＰＸは、フォトダイオードＰＤと、転送トランジスタＴＸと、リセットトランジスタＲＥＳと、増幅トランジスタＡＭＰと、選択トランジスタＳＥＬと、２つのフローティングディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２とを有している。なお、画素ＰＸに形成されるトランジスタは、全てｎＭＯＳトランジスタである。
【００２２】
図２において、矩形に形成されたフォトダイオードＰＤの１辺には、転送トランジスタＴＸが１つ配置されている。また、転送トランジスタＴＸには、上下に並列して配置されたフローティングディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２の一端（接触部）がそれぞれ接続されている。このフローティングディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２は、フォトダイオードＰＤの上下方向の中心を基準として対称をなすようにそれぞれ配置されている。なお、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＸ、並列配置されたフローティングディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２は、図２の横方向に一列に配置されている。
【００２３】
上記のフォトダイオードＰＤは、入射光の光量に応じて信号電荷を生成する。転送トランジスタＴＸは、転送パルスφＴＸの高レベル期間にオンし、フォトダイオードＰＤ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領域ＦＤ１，ＦＤ２に転送する。なお、図３において、１つの転送トランジスタＴＸは、同期駆動する２つのトランジスタとして見かけ上表記している。
【００２４】
転送トランジスタＴＸのソースは、フォトダイオードＰＤでもあり、転送トランジスタＴＸのドレインは、フローティングディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２である。これらのフローティングディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２は、半導体基板に不純物を導入することで形成されたＮ拡散領域である。そして、２つのフローティングディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２の容量はそれぞれ等しく設定されている。
【００２５】
なお、フローティングディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２は、接続配線（銅配線またはアルミニウム配線）によって、増幅トランジスタＡＭＰのゲートと、リセットトランジスタＲＥＳのソースとにそれぞれ接続されている。
【００２６】
図２において、選択トランジスタＳＥＬ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＥＳは、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＸおよびフローティングディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２が並ぶ列に沿って一列に配置されている。選択トランジスタＳＥＬ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＥＳは、図２の横方向に延在する１つの能動領域上に所定間隔を置いてゲートを配置することで形成されている。増幅トランジスタＡＭＰおよびリセットトランジスタＲＥＳは、電源線ＶＤＤに接続された共通のドレインを有している。かかる配置により、一の実施形態では、選択トランジスタＳＥＬ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＥＳのソース／ドレインを共通にでき、各画素のレイアウトサイズを最小限にすることができる。
【００２７】
上記のリセットトランジスタＲＥＳは、リセットパルスφＲＥＳの高レベル期間にオンし、フローティングディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２を電源電圧ＶＤＤにリセットする。また、増幅トランジスタＡＭＰは、ドレインが電源電圧ＶＤＤに接続され、ゲートがフローティングディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２にそれぞれ接続され、ソースが選択トランジスタＳＥＬのドレインに接続され、定電流源１５を負荷とするフォースフォロア回路を構成している。増幅トランジスタＡＭＰは、フローティングディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２の電圧値に応じて、選択トランジスタＳＥＬを介して出力端子ＯＵＴに読み出し電流を出力する。選択トランジスタＳＥＬは、選択パルスφＳＥＬの高レベル期間にオンし、増幅トランジスタＡＭＰのソースを出力端子ＯＵＴに接続する。
【００２８】
また、図４は、一の実施形態における固体撮像素子の断面を示す模式図である。一の実施形態での固体撮像素子は、Ｎ型シリコン基板２１上にＰ型ウエル２２を設け、このＰ型ウエル２２上にフォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＸ、フローティングディフュージョン領域（ＦＤ１，ＦＤ２）などの素子を形成している。また、Ｐ型ウエル２２の上面側にはシリコン酸化膜２３が形成されている。なお、図４に示すフォトダイオードＰＤは、Ｐ型ウエル２２中に設けられたＮ型の電荷蓄積層とその表面側に配置されたＰ型の空乏化防止層とからなる埋め込みの型フォトダイオードである。
【００２９】
また、各々の画素ＰＸには、上から順にマイクロレンズ２４およびカラーフィルタ２５がそれぞれ配置されている。上記のカラーフィルタ２５には、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタをベイヤ配列またはストライプ配列で配置して構成してもよく、あるいは、補色系（例えば、マゼンタ、グリーン、シアン及びイエローを用いる系）のカラーフィルタアレイを用いてもよい。なお、画素ＰＸの配線部分は、上面に配置された遮光アルミ膜２６により入射光が遮光されている。
【００３０】
以下、一の実施形態における固体撮像素子の作用を述べる。固体撮像素子の受光面に入射する光は、マイクロレンズおよびカラーフィルタを透過して、各画素のフォトダイオードＰＤに到達する。このとき、受光面に対して斜めに入射した光などによって、半導体の表面から深い位置（フォトダイオードＰＤの周囲部分）でもわずかに光電変換が行われる。空乏層の外では電子が拡散により移動するため、Ｐ型ウエル２２の不純物濃度が均一であれば電子の移動する方向は不確定となる。そのため、フォトダイオードＰＤの深い位置で光電変換された電子は、フローティングディフュージョン領域などのより電位の高い拡散領域でも吸収されるが、隣接する画素に一定の確率で紛れ込んでクロストークを生じさせる（図４参照）。
【００３１】
図５は、図２の比較例を示す模式図である。この図５の比較例は、転送トランジスタＴＸに接続されるフローティングディフュージョン領域が１つである点を除き、図２の場合と構成が共通するので重複説明は省略する。図５の比較例の場合には、フローティングディフュージョン領域（ＦＤ）の両脇に、素子などの配置されていない空きスペースとなるＰ拡散領域（図５上の破線で囲まれた領域）が形成される。そのため、図５上で破線で示したＰ拡散領域の近傍で発生した電子は、フローティングディフュージョン領域の脇をすり抜けて、隣接する画素に到達しやすくなる。
【００３２】
一方、一の実施形態の場合には、転送トランジスタＴＸとの接触部を有するフローティングディフュージョン領域を２つに分割して並列に配置している（図２参照）。一の実施形態の場合には、図５の例と同様に破線で示したＰ拡散領域のスペースが図５の比較例と比べて小さくなる。
【００３３】
したがって、一の実施形態の構成では、フローティングディフュージョン領域の総容量が比較例と同じ場合においても、フォトダイオードＰＤの周囲部分で発生した電子がフローティングディフュージョン領域でより吸収され易くなる。そのため、フローティングディフュージョン領域の脇をすり抜けて隣接画素に到達する電子は少なくなる。よって、一の実施形態によれば、フローティングディフュージョン領域の容量を増加させることなく、クロストークの発生を効果的に抑制できる。
【００３４】
＜他の実施形態の説明＞
図６は、他の実施形態における画素ＰＸの平面構造の例を示す図である。他の実施形態は上記の一の実施形態の変形例であるので、図６の構成については、上記の一の実施形態との相違点のみを説明する。
【００３５】
他の実施形態の画素ＰＸでは、矩形のフォトダイオードＰＤの一辺に、２つの転送トランジスタＴＸと、フローティングディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２とが配置されている。２つの転送トランジスタＴＸと、フローティングディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２とは、それぞれ上下に並列して配置されている。各々の転送トランジスタは、フローティングディフュージョン領域ＦＤ１またはＦＤ２の一端とそれぞれ接続されており、対応するフローティングディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２にフォトダイオードＰＤからの信号電荷をそれぞれ転送する。また、２つの転送トランジスタＴＸのゲートは配線により電気的に接続されており、同期して駆動するようになっている。
【００３６】
また、フローティングディフュージョン領域ＦＤ１，ＦＤ２は、接続配線によって、増幅トランジスタＡＭＰのゲートと、リセットトランジスタＲＥＳのソースとにそれぞれ接続されている。なお、他の実施形態の回路構成は図３の例と同様となる。かかる他の実施形態の構成でも、一の実施形態とほぼ同様の効果を得ることができる。
【００３７】
＜実施形態の補足事項＞
（１）上記実施形態では、フローティングディフュージョン領域を２つに分割して並列配置した例を説明した。しかし、本発明は上記実施形態の構成に限定されるものではない。例えば、フローティングディフュージョン領域を３つ以上に分割して並列配置してもよい。また、Ｃ字状に形成した１つのフローティングディフュージョン領域の両端を１つの転送トランジスタＴＸにそれぞれ接続させて、フローティングディフュージョン領域と転送トランジスタＴＸとが環状をなすように配置してもよい（いずれの場合も図示は省略する）。
【００３８】
（２）上記実施形態において、フローティングディフュージョン領域をフォトダイオードＰＤの中心に対して非対称となるように並列配置してもよい。
【００３９】
以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲が、その精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずであり、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物によることも可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１１…垂直走査部、１２…信号蓄積部、１３…水平走査部、１４…垂直出力線、１５…定電流源、１６ａ，１６ｂ…転送ゲート、２１…Ｎ型シリコン基板、２２…Ｐ型ウエル、２３…シリコン酸化膜、２４…マイクロレンズ、２５…カラーフィルタ、２６…遮光アルミ膜、ＰＸ…画素、ＰＤ…フォトダイオード、ＴＸ…転送トランジスタ、ＲＥＳ…リセットトランジスタ、ＡＭＰ…増幅トランジスタ、ＳＥＬ…選択トランジスタ、ＦＤ，ＦＤ１，ＦＤ２…フローティングディフュージョン領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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