(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を電荷に変換する光電変換部と、
電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、
前記光電変換部で光電変換された電荷を前記光電変換部から前記電荷電圧変換部へ転送する電荷転送動作を行う電荷転送部と、
前記電荷転送部の前記電荷転送動作を制御する制御部と、を備え、
前記電荷転送部は、前記光電変換部に隣接する第１チャネル領域を形成する第１ゲート電極と前記電荷電圧変換部に隣接し、かつ前記第１チャネル領域のチャネル幅より狭いチャネル幅を有する第２チャネル領域を形成する第２ゲート電極とを有し、
前記制御部は、前記電荷転送部により前記電荷転送動作を行う場合、前記第１ゲート電極及び前記第２ゲート電極を同時にオン状態にした後、前記第１ゲート電極を前記第２ゲート電極より先にオフ状態にする
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、
前記制御部は、前記第１ゲート電極をオン状態にしている期間が前記第２ゲート電極をオン状態にしている期間の１／３〜２／３になるように前記電荷転送部の前記電荷転送動作を制御する
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の固体撮像素子において、
前記第１チャネル領域のチャネル長は、前記第２チャネル領域のチャネル長より短い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のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、
前記第１チャネル領域は、一定の長さのチャネル幅を有することを特徴とする固体撮像素子。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、
前記第２チャネル領域のチャネル幅は、電荷の転送方向に沿って前記光電変換部側より前記電荷電圧変換部側の方が狭い
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、
前記第１ゲート電極の一部は、前記第２ゲート電極の上に配置されることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項７】
光を電荷に変換する第１光電変換部と、
光を電荷に変換する前記第１光電変換部と異なる第２光電変換部と、
電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と
前記第１光電変換部で光電変換された電荷を前記第１光電変換部から前記電荷電圧変換部へ転送する第１電荷転送動作を行う第１電荷転送部と、
前記第２光電変換部で光電変換された電荷を前記第２光電変換部から前記電荷電圧変換部へ転送する第２電荷転送動作を行う第２電荷転送部と、
前記第１電荷転送部の前記第１電荷転送動作と前記第２電荷転送部の前記第２電荷転送動作とを制御する制御部と、を備え、
前記第１電荷転送部は、前記第１光電変換部に隣接する第１チャネル領域を形成する第１ゲート電極と前記電荷電圧変換部に隣接し、かつ前記第１チャネル領域のチャネル幅より狭いチャネル幅を有する第２チャネル領域を形成する第２ゲート電極とを有し、
前記第２電荷転送部は、前記第２光電変換部に隣接する第３チャネル領域を形成する第３ゲート電極と前記電荷電圧変換部に隣接し、かつ前記第３チャネル領域のチャネル幅より狭いチャネル幅を有する第４チャネル領域を形成する第４ゲート電極とを有し、
前記制御部は、前記第１電荷転送部により前記第１電荷転送動作を行う場合、前記第１ゲート電極及び前記第２ゲート電極を同時にオン状態にした後、前記第１ゲート電極を前記第２ゲート電極より先にオフ状態にするとともに前記第２電荷転送部により前記第２電荷転送動作を行う場合、前記第３ゲート電極及び前記第４ゲート電極を同時にオン状態にした後、前記第３ゲート電極を前記第４ゲート電極より先にオフ状態にする
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項８】
請求項７に記載の固体撮像素子において、
前記第２ゲート電極及び前記第４ゲート電極は、同一のゲート電極である
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載の固体撮像素子において、
前記第１光電変換部、前記第２光電変換部、前記第１電荷転送部及び前記第２電荷転送部は、第１方向に沿って前記第１光電変換部、前記第１電荷転送部、前記第２電荷転送部及び前記第２光電変換部の順に配置されている
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項１０】
請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、
前記制御部は、前記第１ゲート電極をオン状態にしている期間が前記第２ゲート電極をオン状態にしている期間の１／３〜２／３になるように前記第１電荷転送部の前記第１電荷転送動作を制御するとともに前記第３ゲート電極をオン状態にしている期間が前記第４ゲート電極をオン状態にしている期間の１／３〜２／３になるように前記第２電荷転送部の前記第２電荷転送動作を制御する
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項１１】
請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、
前記第１チャネル領域のチャネル長は、前記第２チャネル領域のチャネル長より短く、
前記第３チャネル領域のチャネル長は、前記第４チャネル領域のチャネル長より短い
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項１２】
請求項７から請求項１１のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、
前記第１チャネル領域は、一定の長さのチャネル幅を有し、
前記第３チャネル領域は、一定の長さのチャネル幅を有する
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項１３】
請求項７から請求項１２のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、
前記第２チャネル領域のチャネル幅は、電荷の転送方向に沿って前記第１光電変換部側より前記電荷電圧変換部側の方が狭く、
前記第４チャネル領域のチャネル幅は、電荷の転送方向に沿って前記第２光電変換部側より前記電荷電圧変換部側の方が狭い
ことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項１４】
請求項７から請求項１２のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、
前記第１ゲート電極の一部は、前記第２ゲート電極の上に配置され、
前記第３ゲート電極の一部は、前記第４ゲート電極の上に配置される
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】
近年、電子カメラなどの普及に伴いＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像素子が広く利用されている。ＣＭＯＳ型の固体撮像素子の固体撮像素子は、光電変換部と、光電変換部で蓄積された電荷をフローティング拡散部に転送する転送トランジスタと、フローティング拡散部に転送された電荷をリセットするリセットトランジスタと、フローティング拡散部に転送された電荷を増幅して読み出すソースフォロワ型の増幅トランジスタと、増幅トランジスタのソースから行単位で各画素の信号を出力する選択トランジスタとで構成される。特に良好なＳＮ比を得るためには、光電変換部の電荷をフローティング拡散部に効率よく転送する必要があり、転送トランジスタのゲートチャネルの様々な構成方法が検討されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０７８４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術では、光電変換部の電荷をフローティング拡散部に効率よく転送するために、例えばＰ型ポリシリコンとＮ型ポリシリコンとからなるゲート電極を転送トランジスタに設けることにより、光電変換部からフローティング拡散部に転送された電荷が光電変換部側に戻りにくくする工夫が為されていた。ところが、微細化傾向にある固体撮像素子においては、上記のような複数の導電型のポリシリコンからなるゲート電極を精度良く製造することは難しいという問題があり、特殊な工程を用いずに製造可能で且つ電荷の転送効率が高い固体撮像素子が求められていた。
【０００５】
上記課題に鑑み、本発明の目的は、電荷の転送効率が高くＳＮ比の劣化が少ない固体撮像素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る固体撮像素子は、光を電荷に変換する光電変換部と、電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と、前記光電変換部で光電変換された電荷を前記光電変換部から前記電荷電圧変換部へ転送する電荷転送動作を行う電荷転送部と、前記電荷転送部の前記電荷転送動作を制御する制御部と、を備え、前記電荷転送部は、前記光電変換部に隣接する第１チャネル領域を形成する第１ゲート電極と前記電荷電圧変換部に隣接し、かつ前記第１チャネル領域のチャネル幅より狭いチャネル幅を有する第２チャネル領域を形成する第２ゲート電極とを有し、前記制御部は、前記電荷転送部により前記電荷転送動作を行う場合、前記第１ゲート電極及び前記第２ゲート電極を同時にオン状態にした後、前記第１ゲート電極を前記第２ゲート電極より先にオフ状態にすることを特徴とする。
【０００８】
特に、前記制御部は、前記第１ゲート電極をオン状態にしている期間が前記第２ゲート電極をオン状態にしている期間の１／３〜２／３になるように前記電荷転送部の前記電荷転送動作を制御することを特徴とする。
【０００９】
さらに、前記第１チャネル領域のチャネル長は、前記第２チャネル領域のチャネル長より短いことを特徴とする。
【００１０】
また、前記第１チャネル領域は、一定の長さのチャネル幅を有することを特徴とする。
【００１１】
さらに、前記第２チャネル領域のチャネル幅は、電荷の転送方向に沿って前記光電変換部側より前記電荷電圧変換部側の方が狭いことを特徴とする。
【００１２】
特に、前記第１ゲート電極の一部は、前記第２ゲート電極の上に配置されることを特徴とする。
本発明に係る固体撮像素子は、光を電荷に変換する第１光電変換部と、光を電荷に変換する前記第１光電変換部と異なる第２光電変換部と、電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部と前記第１光電変換部で光電変換された電荷を前記第１光電変換部から前記電荷電圧変換部へ転送する第１電荷転送動作を行う第１電荷転送部と、前記第２光電変換部で光電変換された電荷を前記第２光電変換部から前記電荷電圧変換部へ転送する第２電荷転送動作を行う第２電荷転送部と、前記第１電荷転送部の前記第１電荷転送動作と前記第２電荷転送部の前記第２電荷転送動作とを制御する制御部と、を備え、前記第１電荷転送部は、前記第１光電変換部に隣接する第１チャネル領域を形成する第１ゲート電極と前記電荷電圧変換部に隣接し、かつ前記第１チャネル領域のチャネル幅より狭いチャネル幅を有する第２チャネル領域を形成する第２ゲート電極とを有し、前記第２電荷転送部は、前記第２光電変換部に隣接する第３チャネル領域を形成する第３ゲート電極と前記電荷電圧変換部に隣接し、かつ前記第３チャネル領域のチャネル幅より狭いチャネル幅を有する第４チャネル領域を形成する第４ゲート電極とを有し、前記制御部は、前記第１電荷転送部により前記第１電荷転送動作を行う場合、前記第１ゲート電極及び前記第２ゲート電極を同時にオン状態にした後、前記第１ゲート電極を前記第２ゲート電極より先にオフ状態にするとともに前記第２電荷転送部により前記第２電荷転送動作を行う場合、前記第３ゲート電極及び前記第４ゲート電極を同時にオン状態にした後、前記第３ゲート電極を前記第４ゲート電極より先にオフ状態にすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、光電変換部からフローティング拡散部に効率よく電荷を転送することができるので、ＳＮ比の劣化が少ない固体撮像素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子１０１の回路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子１０１の半導体レイアウト図である。
【図３】フォトダイオードＰＤ１１からフローティング拡散部ＦＤ１１へ電荷を転送する様子を示す説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子１０１のタイミングチャートである。
【図５】転送トランジスタＴｒＸ１１のチャネル形状を示す平面図である。
【図６】転送トランジスタＴｒＸ１１のチャネル形状を示す断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子１０１ａの回路図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子１０１ａの半導体レイアウト図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る固体撮像素子１０１ａのタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る固体撮像素子の実施形態について図面を用いて詳しく説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る固体撮像素子１０１の構成を示す回路図である。図１では、分かり易いように、行方向２画素，列方向２画素の４×４画素で構成されるＣＭＯＳ型の固体撮像素子を描いてあるが、実際には行方向および列方向にそれぞれ数百から千画素単位の画素が配置される。
【００１６】
図１において、固体撮像素子１０１は、マトリクス状に配置された４つの画素（Ｐｘ（１，１），Ｐｘ（１，２），Ｐｘ（２，１）およびＰｘ（２，２））と、垂直走査回路１０２と、垂直信号線（ＶＬＩＮＥ（１），ＶＬＩＮＥ（２））と、負荷電流源（ＰＷ（１），ＰＷ（２））と、信号蓄積部（Ｓｇ（１），Ｓｇ（２））と、水平走査回路１０３と、出力アンプＤＡＭＰとで構成される。
【００１７】
被写体からの光は画素Ｐｘ（１，１）から画素Ｐｘ（２，２）までの各画素で光量に応じた電気信号に変換される。そして、垂直走査回路１０２が出力するタイミング信号に応じて、行単位で順番に各画素の電気信号が各列に設けられた垂直信号線（ＶＬＩＮＥ（１），ＶＬＩＮＥ（２））に読み出される。ここで、垂直信号線（ＶＬＩＮＥ（１），ＶＬＩＮＥ（２））には、各列毎に読み出し時の電流を供給する負荷電流源（ＰＷ（１），ＰＷ（２））が接続されている。そして、各画素から読み出された信号は、各列毎に設けられた信号蓄積部（Ｓｇ（１），Ｓｇ（２））に蓄積される。さらに、信号蓄積部（Ｓｇ（１），Ｓｇ（２））に蓄積された１行分の信号は、水平走査回路１０３が出力するタイミング信号に応じて列毎に順番に読み出され、出力アンプＤＡＭＰを介して固体撮像素子１０１の外部に出力される。
【００１８】
次に、１行１列目の画素Ｐｘ（１，１）の回路構成について説明する。尚、他の画素Ｐｘ（１，２），画素Ｐｘ（２，１）および画素Ｐｘ（２，２）も画素Ｐｘ（１，１）と同じ回路構成である。
【００１９】
画素Ｐｘ（１，１）は、光電変換部としてのフォトダイオードＰＤ１１と、電荷転送部としての転送トランジスタＴｒＸ１１と、電荷電圧変換部としてのフローティング拡散部（浮遊拡散領域）ＦＤ１１と、リセットトランジスタＴｒＲ１１と、増幅トランジスタＴｒＡ１１と、選択トランジスタＴｒＳ１１とで構成される。ここで、Ｖｄｄは電源を示し、ｇ１１ａは転送トランジスタＴｒＸ１１の第１ゲート電極を示し、ｇ１１ｂは転送トランジスタＴｒＸ１１の第２ゲート電極を示す。また、増幅トランジスタＴｒＡ１１および選択トランジスタＴｒＳ１１と負荷電流源ＰＷ（１）とは、電気信号を垂直信号線ＶＬＩＮＥ（１）に出力する際のソースフォロワ回路を構成する。尚、転送トランジスタＴｒＸ１１，リセットトランジスタＴｒＲ１１，増幅トランジスタＴｒＡ１１および選択トランジスタＴｒＳ１１はＭＯＳトランジスタで構成される。
【００２０】
画素Ｐｘ（１，１）において、タイミング制御部としての垂直走査回路１０２からタイミング信号φＴＸａ（１）およびタイミング信号φＴＸｂ（１）がそれぞれ転送トランジスタＴｒＸ１１の第１ゲート電極ｇ１１ａおよび第２ゲート電極ｇ１１ｂに与えられると、フォトダイオードＰＤ１１に蓄積された電荷はフローティング拡散部ＦＤ１１に転送される。ここで、フローティング拡散部ＦＤ１１は、接地との間に所定容量のコンデンサを構成する半導体レイアウト上の領域である。フローティング拡散部ＦＤ１１に転送された電荷は、増幅トランジスタＴｒＡ１１で電荷量に応じた電気信号に変換され、選択トランジスタＴｒＳ１１に出力される。そして、垂直走査回路１０２からタイミング信号φＳＥＬ（１）が選択トランジスタＴｒＳ１１のゲートに与えられると、選択トランジスタＴｒＳ１１は増幅トランジスタＴｒＡ１１が出力する電気信号を垂直信号線ＶＬＩＮＥ（１）に読み出す。
【００２１】
尚、リセットトランジスタＴｒＲ１１は、フローティング拡散部ＦＤ１１に蓄積された電荷をリセットするためのスイッチで、垂直走査回路１０２からタイミング信号φＲＥＳ（１）がリセットトランジスタＴｒＲ１１のゲートに与えられると、リセットトランジスタＴｒＲ１１がオンしてフローティング拡散部ＦＤ１１はＶｄｄレベルにリセットされる。
【００２２】
このように、１行１列目の画素Ｐｘ（１，１）で被写体光に応じて光電変換された電気信号は、垂直信号線ＶＬＩＮＥ（１）に読み出され、信号蓄積部Ｓｇ（１）に入力される。尚、１行２列目の画素Ｐｘ（１，２）についても同様に動作し、画素Ｐｘ（１，２）の電気信号は垂直信号線ＶＬＩＮＥ（２）に読み出され、信号蓄積部Ｓｇ（２）に入力される。また、２行目の画素Ｐｘ（２，１）および画素Ｐｘ（２，２）についても、１行目の画素Ｐｘ（１，１）および画素Ｐｘ（１，２）と同様に動作し、上記の説明において１行目の各画素の行番号および列番号を２行目の各画素の行番号と列番号に読み替えればよい。
【００２３】
ここで、図１の符号の付け方について補足しておく。画素Ｐｘ（１，１）は画素の座標（行番号，列番号）を示し、垂直信号線（ＶＬＩＮＥ（１），ＶＬＩＮＥ（２））と、負荷電流源（ＰＷ（１），ＰＷ（２））と、信号蓄積部（Ｓｇ（１），Ｓｇ（２））の（＿）内の数字は（列番号）を示す。また、垂直走査回路１０２のタイミング信号（φＳＥＬ（１），φＳＥＬ（２）、φＲＥＳ（１），φＲＥＳ（２）、φＴＸａ（１），φＴＸａ（２）、φＴＸｂ（１），φＴＸｂ（２））の（＿）内の数字は（行番号）を示す。さらに、各画素の符号において、例えばフォトダイオードＰＤ１１の数字の部分１１は画素の行列位置（１，１）を示し、同様に、１２は（１，２），２１は（２，１），２２は（２，２）をそれぞれ示す。
【００２４】
次に、信号蓄積部Ｓｇ（１）の回路構成について説明する。尚、信号蓄積部Ｓｇ（２）も信号蓄積部Ｓｇ（１）と同じ回路構成である。
【００２５】
信号蓄積部Ｓｇ（１）は、ダーク信号用コンデンサＣｄ１と、光信号用コンデンサＣｓ１と、ダーク信号入力トランジスタＴｒＤｉ１と、光信号入力トランジスタＴｒＳｉ１と、ダーク信号出力トランジスタＴｒＤｏ１と、光信号出力トランジスタＴｒＳｏ１とで構成される。
【００２６】
ここで、ダーク信号とは、各画素に光が入射されていない状態での信号（具体的には、例えば画素Ｐ（１，１）の場合、フローティング拡散部ＦＤ１１をリセットトランジスタＴｒＲ１１でリセットした時に増幅トランジスタＴｒＡ１１および選択トランジスタＴｒＳ１１を介して垂直信号線ＶＬＩＮＥ（１）に読み出した信号）である。光信号とは、各画素に入射された光量に応じて生じた信号（具体的には、被写体光に応じてフォトダイオードＰＤ１１に蓄積された電荷を転送トランジスタＴｒＸ１１でフローティング拡散部ＦＤ１１に転送し、これを増幅トランジスタＴｒＡ１１および選択トランジスタＴｒＳ１１を介して垂直信号線ＶＬＩＮＥ（１）に読み出した信号）である。
【００２７】
信号蓄積部Ｓｇ（１）において、垂直走査回路１０２からタイミング信号φＴＤがダーク信号入力トランジスタＴｒＤｉ１に与えられると、各画素から垂直信号線ＶＬＩＮＥ（１）に読み出されたダーク信号はダーク信号用コンデンサＣｄ１に蓄積される。同様に、垂直走査回路１０２からタイミング信号φＴＳが光信号入力トランジスタＴｒＳｉ１に与えられると、各画素から垂直信号線ＶＬＩＮＥ（１）に読み出された光信号は光信号用コンデンサＣｓ１に蓄積される。
【００２８】
このように、１列目の信号蓄積部Ｓｇ（１）のダーク信号用コンデンサＣｄ１および光信号用コンデンサＣｓ１にそれぞれダーク信号と光信号とが蓄積される。尚、信号蓄積部Ｓｇ（２）も信号蓄積部Ｓｇ（１）と同様に動作し、上記の説明において列番号”１”を２列目の信号蓄積部Ｓｇ（２）の列番号”２”に読み替えればよい。
【００２９】
次に、水平走査回路１０３は、列毎にタイミング信号φＨ１およびタイミング信号φＨ２を出力し、信号蓄積部（Ｓｇ（１），Ｓｇ（２））に蓄積された１行分の画素のダーク信号および光信号を列毎（画素毎）に読み出して出力アンプＤＡＭＰに入力する。例えば、信号蓄積部Ｓｇ（１）において、ダーク信号用コンデンサＣｄ１に蓄積されたダーク信号と、光信号用コンデンサＣｓ１に蓄積された光信号は、水平走査回路１０３から与えられるタイミング信号φＨ１に応じて同時に読み出され、出力アンプＤＡＭＰに入力する。同様に、信号蓄積部Ｓｇ（２）において、ダーク信号用コンデンサＣｄ２に蓄積されたダーク信号と、光信号用コンデンサＣｓ２に蓄積された光信号は、水平走査回路１０３から与えられるタイミング信号φＨ２に応じて同時に読み出され、出力アンプＤＡＭＰに入力される。
【００３０】
出力アンプＤＡＭＰは、２つの入力信号の差信号を出力する差動アンプで構成される。図１の固体撮像素子１０１の場合、出力アンプＤＡＭＰは、信号蓄積部（Ｓｇ（１），Ｓｇ（２））から同時に読み出された光信号からダーク信号を引き算した画像信号ＩＭＧｏｕｔを固体撮像素子１０１の外部に出力する。尚、画像信号ＩＭＧｏｕｔは、水平走査回路１０３のタイミング信号（φＨ１，φＨ２）に同期して画素単位で出力される。ここで、ダーク信号には各画素から信号を読み出す経路のノイズ成分が含まれているので、出力アンプＤＡＭＰで光信号からダーク信号を引き算することにより、同じ経路で読み出される光信号からこのノイズ成分を除去することができる。
【００３１】
次に、各画素の半導体レイアウトについて説明する。図２は、画素Ｐｘ（１，１）の半導体レイアウト図である。尚、他の画素Ｐｘ（１，２），Ｐｘ（２，１）およびＰｘ（２，２）についても画素Ｐｘ（１，１）と同じ半導体レイアウトである。
【００３２】
図２において、図１と同符号のものは同じものを示す。図２において、フォトダイオードＰＤ１１とフローティング拡散部ＦＤ１１との間に転送トランジスタＴｒＸ１１が配置され、その転送トランジスタＴｒＸ１１の第１ゲート電極ｇ１１ａはフォトダイオードＰＤ１１側に、第２ゲート電極ｇ１１ｂはフローティング拡散部ＦＤ１１側にそれぞれ隣り合うように配置されている。すなわち、転送トランジスタＴｒＸ１１のゲートは２つのゲート電極（第１ゲート電極ｇ１１ａおよび第２ゲート電極ｇ１１ｂ）から構成されており、フォトダイオードＰＤ１１からフローティング拡散部ＦＤ１１への電荷の転送方向に従えば、第１ゲート電極ｇ１１ａ、第２ゲート電極ｇ１１ｂの順で配置される。フローティング拡散部ＦＤ１１はコンタクトホールＣＰ１で金属配線Ｍ１に接続され、コンタクトホールＣＰ２でリセットトランジスタＴｒＲ１１のソースと、コンタクトホールＣＰ４で増幅トランジスタＴｒＡ１１のゲートとにそれぞれ接続されている。また、リセットトランジスタＴｒＲ１１のドレインと増幅トランジスタＴｒＡ１１のドレインには、電源Ｖｄｄを接続するためのコンタクトホールＣＰ３が配置されているが、図２では電源の配線は省略してある。さらに、増幅トランジスタＴｒＡ１１のソースは選択トランジスタＴｒＳ１１のドレインと一体化され、選択トランジスタＴｒＳ１１のソースはコンタクトホールＣＰ５で垂直信号線ＶＬＩＮＥ（１）の金属配線に接続されている。
【００３３】
ここで、固体撮像素子１０１のＳＮ比を向上する方法について説明する。固体撮像素子１０１のＳＮ比を向上するには、光信号レベルができるだけ高くなるように感度を向上する必要がある。具体的には、フローティング拡散部ＦＤ１１の光信号電圧Ｖｓｉｇを示す（式１）において、光信号電圧Ｖｓｉｇを大きくするにはフォトダイオードＰＤ１１に蓄積される電荷（実際にはフォトダイオードＰＤ１１からフローティング拡散部ＦＤ１１に転送された電荷）をできるだけ多くするか、フローティング拡散部ＦＤ１１の容量ＣＦＤをできるだけ小さくする必要がある。
【００３４】
Ｖｓｉｇ＝Ｑｓｉｇ／ＣＦＤ  …  （式１）
前者の場合、フォトダイオードＰＤ１１に蓄積される電荷を多くするには露光面積を大きくする必要があるが、固体撮像素子の高画素化と低価格化を追求して益々小型化が進む中での実現は難しい。このため、フォトダイオードＰＤ１１に蓄積された電荷をできるだけ効率よくフローティング拡散部ＦＤ１１に転送する必要がある。一方、後者の場合、フローティング拡散部ＦＤ１１の容量ＣＦＤを小さくするには、フローティング拡散部ＦＤ１１の領域の面積をできるだけ小さくする必要がある。ところが、転送トランジスタＴｒＸ１１のソース側を構成するフローティング拡散部ＦＤ１１の面積が小さくなると、狭チャネル効果によって転送トランジスタＴｒＸ１１がオンしにくくなり、フォトダイオードＰＤ１１に蓄積された電荷をフローティング拡散部ＦＤ１１に効率よく転送することができなくなる。そして、フォトダイオードＰＤ１１からフローティング拡散部ＦＤ１１への電荷の転送効率が下がると、フォトダイオードＰＤ１１側に電荷の読み残しが生じるため、（式１）の電荷Ｑｓｉｇが小さくなる。この結果、光信号電圧Ｖｓｉｇも小さくなり、固体撮像素子１０１のＳＮ比が低くなるという問題が生じる。
【００３５】
次に、フォトダイオードＰＤ１１からフローティング拡散部ＦＤ１１へ電荷を転送する際の様子について説明する。図３（ａ）は、フォトダイオードＰＤ１１からフローティング拡散部ＦＤまでの部分を示す半導体レイアウトの断面図である。尚、図１および図２と同符号のものは同じものを示す。そして、図３（ｂ）から図３（ｅ）は、図３（ａ）の断面図の横方向の位置に対応させて、転送トランジスタＴｒＸ１１がオンオフする時のポテンシャルＰの変化を描いた図である。先ず、図３（ｂ）は、フォトダイオードＰＤ１１が露光され、被写体光に応じた電荷が蓄積された状態を示している。露光時は、転送トランジスタＴｒＸ１１はオフしているので、電荷はフォトダイオードＰＤ１１に蓄積される。次の図３（ｃ）は、転送トランジスタＴｒＸ１１の第１ゲート電極ｇ１１ａと第２ゲート電極ｇ１１ｂとがオンした状態を示している。この状態では、転送トランジスタＴｒＸ１１のゲート部分のポテンシャルＰがフォトダイオードＰＤ１１よりも高くなるので、フォトダイオードＰＤ１１に蓄積された電荷は転送トランジスタＴｒＸ１１のゲート下部分およびフローティング拡散部ＦＤ１１に流れ込む。次に、転送トランジスタＴｒＸ１１の第１ゲート電極ｇ１１ａがオフすると、図３（ｄ）に示すように、第１ゲート電極ｇ１１ａのポテンシャルＰが下がるので、第１ゲート電極ｇ１１ａ下にある僅かな電荷はフォトダイオードＰＤ１１側に戻されるが、図３（ｃ）に示した転送時の電荷の多くは転送トランジスタＴｒＸ１１の第２ゲート電極ｇ１１ｂ下とフローティング拡散部ＦＤ１１とに保持される。次に、転送トランジスタＴｒＸ１１の第２ゲート電極ｇ１１ｂがオフすると、図３（ｅ）に示すように、転送トランジスタＴｒＸ１１の第２ゲート電極ｇ１１ｂ下とフローティング拡散部ＦＤ１１とに一時的に保持されていた電荷がフローティング拡散部ＦＤ１１側に流れ込む。
【００３６】
従来の固体撮像素子では、転送トランジスタＴｒＸ１１のゲート電極が１つであったため、図３（ｃ）の状態において転送トランジスタＴｒＸ１１の第１ゲート電極ｇ１１ａと第２ゲート電極ｇ１１ｂとが同時にオフする場合に相当し、フローティング拡散部ＦＤ１１に転送されずにフォトダイオードＰＤ１１側に戻される電荷が多くなるという問題があった。
【００３７】
これに対して、本実施形態に係る固体撮像素子１０１では、転送トランジスタＴｒＸ１１の第１ゲート電極ｇ１１ａが先にオフした後で第２ゲート電極ｇ１１ｂがオフするので、フォトダイオードＰＤ１１側に戻される電荷を少なくすることができる。
【００３８】
次に、垂直走査回路１０２が出力する各タイミング信号について図４を用いて詳しく説明する。図４は、図１の固体撮像素子１０１において、１行目の画素（Ｐｘ（１，１），Ｐｘ（１，２））および２行目の画素（Ｐｘ（２，１），Ｐｘ（２，２））から信号を読み出す場合のタイミングチャートである。尚、図４において、図１のタイミング信号と同符号のものは同じものを示す。また、メカシャッタのタイミング波形は、固体撮像素子１０１を電子カメラに搭載した時のメカニカルシャッタの開閉タイミングを示している。この開閉タイミング波形が”Ｈｉｇｈ”の状態でシャッタオープン、”Ｌｏｗ”の状態でシャッタクローズをそれぞれ示す。図４の例では、タイミングＴ４までシャッタが開いたままの状態で、タイミングＴ４でシャッタが閉じられることを示している。
【００３９】
図４において、期間Ｔ１は全画素リセット期間を示し、タイミングＴ１ａで垂直走査回路１０２が出力するタイミング信号φＴＸａ（１），φＴＸｂ（１），φＴＸａ（２）およびφＴＸｂ（２）がオン（以降、オンは”Ｈｉｇｈ”状態を意味する）になり、全画素のフォトダイオードＰＤ１１，ＰＤ１２，ＰＤ２１およびＰＤ２２の電荷は、それぞれの転送トランジスタＴｒＸ１１，ＴｒＸ１２，ＴｒＸ２１およびＴｒＸ２２を介してそれぞれのフローティング拡散部ＦＤ１１，ＦＤ１２，ＦＤ２１およびＦＤ２２に転送され、全フォトダイオードの電荷はリセットされる。尚、この時、１行目の転送トランジスタ（ＴｒＸ１１，ＴｒＸ１２）の第１ゲート電極（ｇ１１ａ，ｇ１２ａ）へのタイミング信号φＴＸａ（１）は、第２ゲート電極（ｇ１１ｂ，ｇ１２ｂ）へのタイミング信号φＴＸｂ（１）よりも先にタイミングＴ１ｂでオフ（以降、オフは”Ｌｏｗ”状態を意味する）する。同様に、２行目の転送トランジスタ（ＴｒＸ２１，ＴｒＸ２２）の第１ゲート電極（ｇ２１ａ，ｇ２２ａ）へのタイミング信号φＴＸａ（２）は、第２ゲート電極（ｇ２１ｂ，ｇ２２ｂ）へのタイミング信号φＴＸｂ（２）よりも先にタイミングＴ１ｂでオフする。また、メカシャッタは開いた状態になっているので、各行の第１ゲート電極が閉じられるタイミングＴ１ｂから全画素同時に被写体光量に応じた電荷の蓄積が各フォトダイオードで開始される。この電荷の蓄積は、メカシャッタが閉じられるＴ４のタイミングまで行われ、期間Ｔ３において各画素に入射される被写体光に応じた電荷が各フォトダイオードに蓄積される。
【００４０】
引き続いて、リセットトランジスタ（ＴｒＲ１１，ＴｒＲ１２）に対するタイミング信号φＲＥＳ（１）が期間Ｔ２でオンになり、各画素のフローティング拡散部（ＦＤ１１，ＦＤ１２）が電源Ｖｄｄに接続され、各フローティング拡散部の電荷がリセットされる。一方、１行目の選択トランジスタ（ＴｒＳ１１，ＴｒＳ１２）に対するタイミング信号φＳＥＬ（１）が期間Ｔ５でオンになり、１行目の画素Ｐ（１，１）およびＰ（１，２）からそれぞれ垂直信号線（ＶＬＩＮＥ（１），ＶＬＩＮＥ（２））に信号が読み出される。
【００４１】
ここで、期間Ｔ８では、期間Ｔ２で電源Ｖｄｄにリセット後のフローティング拡散部（ＦＤ１１，ＦＤ１２）の電荷がそれぞれ垂直信号線（ＶＬＩＮＥ（１），ＶＬＩＮＥ（２））に読み出され（ダーク信号）、タイミング信号φＴＤで信号蓄積部（Ｓｇ（１），Ｓｇ（２））のダーク信号用コンデンサ（Ｃｄ１，Ｃｄ２）にそれぞれ保持される。
【００４２】
次の期間Ｔ９は、１行目の各画素のフォトダイオード（ＰＤ１１，ＰＤ１２）からそれぞれのフローティング拡散部（ＦＤ１１，ＦＤ１２）への転送期間を示し、タイミングＴ９ａでタイミング信号（φＴＸａ（１），φＴＸｂ（１））がオンになり、転送トランジスタ（ＴｒＸ１１，ＴｒＸ１２）のそれぞれの第１ゲート電極（ｇ１１ａ，ｇ１２ａ）が同時にオンする。そして、タイミングＴ９ｂでタイミング信号φＴＸａ（１）が先にオフになり、期間Ｔ９の終了タイミングでタイミング信号φＴＸｂ（１）がオフになる。
【００４３】
ここで、期間Ｔ１０では、期間Ｔ９でフォトダイオード（ＰＤ１１，ＰＤ１２）からそれぞれのフローティング拡散部（ＦＤ１１，ＦＤ１２）に転送された電荷が増幅トランジスタ（ＴｒＡ１１，ＴｒＡ１２）で電圧信号に変換されて選択トランジスタ（ＴｒＳ１１，ＴｒＳ１２）を介してそれぞれ垂直信号線（ＶＬＩＮＥ（１），ＶＬＩＮＥ（２））に読み出され（光信号）、タイミング信号φＴＳで信号蓄積部（Ｓｇ（１），Ｓｇ（２））の光信号用コンデンサ（Ｃｓ１，Ｃｓ２）にそれぞれ保持される。
【００４４】
次の期間Ｔ７は、水平走査回路１０３が出力するタイミング信号（φＨ１，φＨ２）に応じて信号蓄積部（Ｓｇ（１），Ｓｇ（２））から読み出した光信号およびダーク信号を出力アンプＤＡＭＰで引き算し、画像信号ＩＭＧｏｕｔとして固体撮像素子１０１の外部に出力する期間である。先ず、タイミングＴ７ａでは、水平走査回路１０３から出力されるタイミング信号φＨ１がオンになり、１行１列目の画素Ｐ（１，１）のダーク信号および光信号がダーク信号用コンデンサＣｄ１および光信号用コンデンサＣｓ１から同時に読み出され、出力アンプＤＡＭＰに入力される。そして、出力アンプＤＡＭＰで光信号からダーク信号が引き算されて画素Ｐ（１，１）の画像信号ＩＭＧｏｕｔとして固体撮像素子１０１の外部に出力される。次のタイミングＴ７ｂでは、水平走査回路１０３から出力されるタイミング信号φＨ２がオンになり、１行２列目の画素Ｐ（１，２）のダーク信号および光信号がダーク信号用コンデンサＣｄ２および光信号用コンデンサＣｓ２から同時に読み出され、出力アンプＤＡＭＰに入力される。そして、出力アンプＤＡＭＰで光信号からダーク信号が引き算されて画素Ｐｘ（１，２）の画像信号ＩＭＧｏｕｔとして固体撮像素子１０１の外部に出力される。
【００４５】
１行目の読み出しに続いて２行目の各画素から信号の読み出しが行われるが、上記で説明した１行目の各画素から信号を読み出す場合と同様に行われる。例えば図４において２行目を読み出す場合は、垂直走査回路１０２が２行目のタイミング信号φＳＥＬ（２），φＲＥＳ（２），φＴＸａ（２），φＴＸｂ（２）を１行目のタイミング信号φＳＥＬ（１），φＲＥＳ（１），φＴＸａ（１），φＴＸｂ（１）と同じタイミングで出力する。そして、期間Ｔ１１において、期間Ｔ２１で電源Ｖｄｄにリセット後のフローティング拡散部ＦＤ２１およびＦＤ２２の電荷がそれぞれ垂直信号線（ＶＬＩＮＥ（１），ＶＬＩＮＥ（２））に読み出され（ダーク信号）、期間Ｔ１１のタイミング信号φＴＤで信号蓄積部（Ｓｇ（１），Ｓｇ（２））のダーク信号用コンデンサ（Ｃｄ１，Ｃｄ２）にそれぞれ保持される。同様に、タイミング信号（φＴＸａ（１），φＴＸｂ（１））で２行目の各画素のフォトダイオード（ＰＤ２１，ＰＤ２２）からそれぞれのフローティング拡散部ＦＤ２１およびＦＤ２２へ転送された電荷は、それぞれ垂直信号線（ＶＬＩＮＥ（１），ＶＬＩＮＥ（２））に読み出され（光信号）、期間Ｔ１２のタイミング信号φＴＳで信号蓄積部（Ｓｇ（１），Ｓｇ（２））の光信号用コンデンサ（Ｃｓ１，Ｃｓ２）にそれぞれ保持される。
【００４６】
次の期間Ｔ１３ａでは、水平走査回路１０３から出力されるタイミング信号φＨ１がオンになり、２行１列目の画素Ｐ（２，１）のダーク信号および光信号がダーク信号用コンデンサＣｄ１および光信号用コンデンサＣｓ１から同時に読み出され、出力アンプＤＡＭＰに入力される。そして、出力アンプＤＡＭＰで光信号からダーク信号が引き算されて画素Ｐｘ（２，１）の画像信号ＩＭＧｏｕｔとして固体撮像素子１０１の外部に出力される。次の期間Ｔ１３ｂでは、水平走査回路１０３から出力されるタイミング信号φＨ２がオンになり、２行２列目の画素Ｐｘ（２，２）のダーク信号および光信号がダーク信号用コンデンサＣｄ２および光信号用コンデンサＣｓ２から同時に読み出され、出力アンプＤＡＭＰで光信号からダーク信号が引き算されて画素Ｐｘ（２，２）の画像信号ＩＭＧｏｕｔとして固体撮像素子１０１の外部に出力される。
【００４７】
このようにして、固体撮像素子１０１は、全画素から画像信号を読み出すことができる。特に、本実施形態に係る固体撮像素子１０１は、フォトダイオード（ＰＤ１１，ＰＤ１２，ＰＤ２１およびＰＤ２２）からそれぞれのフローティング拡散部（ＦＤ１１，ＦＤ１２，ＦＤ２１およびＦＤ２２）に電荷を転送する転送トランジスタ（ＴｒＸ１１，ＴｒＸ１２，ＴｒＸ２１およびＴｒＸ２２）にそれぞれ第１ゲート電極（ｇ１１ａ，ｇ１２ａ，ｇ２１ａおよびｇ２２ａ）と第２ゲート電極（ｇ１１ｂ，ｇ１２ｂ，ｇ２１ｂおよびｇ２２ｂ）とを設け、各第１ゲート電極および各第２ゲート電極を共にオンした後、それぞれの第１ゲート電極を対応する第２ゲート電極より先にオフすることにより、フォトダイオード（ＰＤ１１，ＰＤ１２，ＰＤ２１およびＰＤ２２）側への電荷の戻りを低減し、フォトダイオード（ＰＤ１１，ＰＤ１２，ＰＤ２１およびＰＤ２２）からそれぞれのフローティング拡散部（ＦＤ１１，ＦＤ１２，ＦＤ２１およびＦＤ２２）に効率よく電荷を転送することができる。
【００４８】
また、第１ゲート電極（ｇ１１ａ，ｇ１２ａ，ｇ２１ａおよびｇ２２ａ）のそれぞれのタイミング信号（φＴＸａ（１），φＴＸａ（２））のオン期間は、第２ゲート電極（ｇ１１ｂ，ｇ１２ｂ，ｇ２１ｂおよびｇ２２ｂ）のそれぞれのタイミング信号（φＴＸｂ（１），φＴＸｂ（２））のオン期間の１／３〜２／３、好ましくは略１／２の関係になっているので、最小時間で転送トランジスタＴｒＸ１１をオンオフ制御することができる。尚、第１ゲート電極のタイミング信号（φＴＸａ（１），φＴＸａ（２））のオン期間は、電荷を転送するのに十分な時間があればよいが、固体撮像素子１０１から画像信号を読み出す時間を速くするためには電荷を転送するのに必要な最小時間に設定するのが望ましい。一方、オフする場合も同じ時間が必要となるので、オン期間とオフ期間を共に同じ最小時間にすることで電荷の転送速度を最速にすることができる。
【００４９】
次に、図２の半導体レイアウト図において、フォトダイオードＰＤ１１とフローティング拡散部ＦＤ１１の間に配置される転送トランジスタＴｒＸ１１の第１ゲート電極ｇ１１ａおよび第２ゲート電極ｇ１１ｂのチャネル幅について説明する。図５は、転送トランジスタＴｒＸ１１の第１ゲート電極ｇ１１ａおよび第２ゲート電極ｇ１１ｂで形成されるチャネル形状のいくつかの例を示した図である。図５（ａ）は図２の半導体レイアウト図と同じチャネル形状の図で、第２ゲート電極ｇ１１ｂのチャネル幅において、フローティング拡散部ＦＤ１１側のチャネル幅Ｗ２は、第１ゲート電極ｇ１１ａ側（フォトダイオードＰＤ１１側）のチャネル幅Ｗ１より狭いチャネル幅になっている。また、第１ゲート電極ｇ１１ａに接する部分のチャネル幅はＷ１で一定である。尚、転送トランジスタＴｒＸ１１のチャネルの位置は、図５（ｂ）に示すようにフォトダイオードＰＤ１１の辺の中央に配置されていても構わない。このように、第１ゲート電極ｇ１１ａを一定のチャネル幅にすることにより、第１ゲート電極ｇ１１ａをオフする時に一旦転送された電荷が再びフォトダイオードＰＤ１１側に戻りにくくなる。但し、図５（ｃ）に示すように、第１ゲート電極ｇ１１ａのフォトダイオードＰＤ１１側のチャネル幅をＷ１とし、第２ゲート電極ｇ１１ｂのフローティング拡散部ＦＤ１１側のチャネル幅をＷ２として、全てのチャネル幅をテーパ状に傾斜させても構わない。この場合でも、第１ゲート電極ｇ１１ａと第２ゲート電極ｇ１１ｂの２つのゲート電極を設け、且つ第１ゲート電極ｇ１１ａを第２ゲート電極ｇ１１ｂより先にオフするようにタイミング制御するので、従来ように１つのゲート電極を単純にオンオフする場合に比べて一旦フローティング拡散部ＦＤ１１側に転送された電荷が再びフォトダイオードＰＤ１１側に戻る量を低減できる。
【００５０】
次に、図２の半導体レイアウト図において、フォトダイオードＰＤ１１とフローティング拡散部ＦＤ１１の間に配置される転送トランジスタＴｒＸ１１の第１ゲート電極ｇ１１ａおよび第２ゲート電極ｇ１１ｂのチャネル長について説明する。図６（ａ）は図５（ｂ）と同じ図で、図６（ｂ）は図６（ａ）の一点鎖線Ａ−Ａ’の部分で切断した時の断面図である。図６（ｂ）において、転送トランジスタＴｒＸ１１の第１ゲート電極ｇ１１ａは第２ゲート電極ｇ１１ｂの上に一部で被るように形成されているので、第１ゲート電極ｇ１１ａのチャネル長はＬ１となり、第２ゲート電極ｇ１１ｂのチャネル長はＬ２となる。ここで、転送トランジスタＴｒＸ１１の全チャネル長（Ｌ０）のうち第１ゲート電極ｇ１１ａが占めるチャネル長（Ｌ１）は、第２ゲート電極ｇ１１ｂのチャネル長（Ｌ２）より短い方が望ましい。これにより、先にオフする第１ゲート電極ｇ１１ａからフォトダイオードＰＤ１１側に戻される電荷量を低減することができる。尚、各画素毎に第１ゲート電極ｇ１１ａの精度、特に形状精度に関してばらつきがある場合、固体撮像素子で撮影される画像に固定パターンが生じて画質が劣化するので、第１ゲート電極ｇ１１ａの精度は高い方が望ましい。そこで、本実施形態に係る固体撮像素子１０１では、第２ゲート電極ｇ１１ｂを先に形成した後、第１ゲート電極ｇ１１ａを第２ゲート電極ｇ１１ｂの上に形成するので、第１ゲート電極ｇ１１ａの形状精度を向上することができる。
（第２の実施形態）
次に、複数の画素に共通のフローティング拡散部を設ける場合の固体撮像素子１０１ａの実施形態について説明する。図７は、第２の実施形態に係る固体撮像素子１０１ａの構成を示す回路図である。図１で説明した第１の実施形態に係る固体撮像素子１０１と同様に、図７では行方向２画素，列方向２画素の４×４画素で構成されるＣＭＯＳ型の固体撮像素子を描いてあるが、実際には行方向および列方向にそれぞれ数百から千画素単位の画素が配置される。尚、図７において、垂直信号線（ＶＬＩＮＥ（１），ＶＬＩＮＥ（２））と、負荷電流源（ＰＷ（１），ＰＷ（２））と、信号蓄積部（Ｓｇ（１），Ｓｇ（２））と、水平走査回路１０３と、出力アンプＤＡＭＰは、図１の固体撮像素子１０１の場合と同様に動作する。
【００５１】
図７の固体撮像素子１０１ａが図１の固体撮像素子１０１と異なるのは、２行目の画素Ｐ（２，１）および画素Ｐ（２，２）の構成である。例えば２行１列目の画素Ｐ（２，１）にはフォトダイオードＰＤ２１と転送トランジスタＴｒＸ２１の第１ゲート電極ｇ２１ａとが配置されているだけで、フローティング拡散部ＦＤ２１，リセットトランジスタＴｒＲ２１，増幅トランジスタＴｒＡ２１および選択トランジスタＴｒＳ２１は配置されておらず、１行目の同じ列の画素Ｐ（１，１）と共通化されている。そして、画素Ｐ（２，１）の転送トランジスタＴｒＸ２１の第１ゲート電極ｇ２１ａは画素Ｐ（１，１）の転送トランジスタＴｒＸ１１の第１ゲート電極ｇ１１ａと共に第２ゲート電極ｇ１１ｂに接続されている。尚、転送トランジスタＴｒＸ１１と転送トランジスタＴｒＸ２１は、後で説明する図８の半導体レイアウト図に示すように、実質的には２つのゲート電極を有する１つの転送トランジスタで形成される。
【００５２】
同様に、２行２列目の画素Ｐ（２，２）にはフォトダイオードＰＤ２２と転送トランジスタＴｒＸ２２の第１ゲート電極ｇ２２ａの部分が配置されているだけで、フローティング拡散部ＦＤ２２，リセットトランジスタＴｒＲ２２，増幅トランジスタＴｒＡ２２および選択トランジスタＴｒＳ２２は配置されておらず、１行目の同じ列の画素Ｐ（１，２）と共通化されている。そして、画素Ｐ（２，２）の転送トランジスタＴｒＸ２２の第１ゲート電極ｇ２２ａは画素Ｐ（１，２）の転送トランジスタＴｒＸ１２の第１ゲート電極ｇ１２ａと共に第２ゲート電極ｇ１２ｂに接続されている。尚、転送トランジスタＴｒＸ１２と転送トランジスタＴｒＸ２２についても、転送トランジスタＴｒＸ１１と転送トランジスタＴｒＸ２１と同様に、実質的には２つのゲート電極を有する１つの転送トランジスタで形成される。
【００５３】
また、垂直走査回路１０２ａも図１の垂直走査回路１０２とは少し異なり、２行目の各画素に与えるタイミング信号はφＴＸａ（２）のみで、φＳＥＬ（２），φＲＥＳ（２）およびφＴＸｂ（２）の各タイミング信号は出力されない。その代わりに、タイミング信号φＳＥＬ（１），φＲＥＳ（１）およびφＴＸｂ（１）が２行目の信号の読み出しにも用いられる。
【００５４】
図７において、１行目の画素Ｐｘ（１，１）および画素Ｐｘ（１，２）から信号を読み出す動作は、第１の実施形態の図１の画素Ｐｘ（１，１）および画素Ｐｘ（１，２）と全く同じである。例えば、１行１列目の画素Ｐｘ（１，１）の場合、垂直走査回路１０２ａからタイミング信号φＴＸａ（１）およびタイミング信号φＴＸｂ（１）が転送トランジスタＴｒＸ１１の第１ゲート電極ｇ１１ａおよび第２ゲート電極ｇ１１ｂにそれぞれ与えられると、フォトダイオードＰＤ１１に蓄積された電荷はフローティング拡散部ＦＤ１１に転送される。フローティング拡散部ＦＤ１１に転送された電荷は、増幅トランジスタＴｒＡ１１で電荷量に応じた電気信号に変換され、選択トランジスタＴｒＳ１１に出力される。そして、垂直走査回路１０２ａからタイミング信号φＳＥＬ（１）が選択トランジスタＴｒＳ１１のゲートに与えられると、増幅トランジスタＴｒＡ１１が出力する電気信号が垂直信号線ＶＬＩＮＥ（１）に読み出される。
【００５５】
同様に、１行２列目の画素Ｐ（１，２）において、垂直走査回路１０２ａからタイミング信号φＴＸａ（１）およびタイミング信号φＴＸｂ（１）が転送トランジスタＴｒＸ１２の第１ゲート電極ｇ１２ａおよび第２ゲート電極ｇ１２ｂにそれぞれ与えられると、フォトダイオードＰＤ１２に蓄積された電荷はフローティング拡散部ＦＤ１２に転送される。フローティング拡散部ＦＤ１２に転送された電荷は、増幅トランジスタＴｒＡ１２で電荷量に応じた電気信号に変換され、選択トランジスタＴｒＳ１２に出力される。そして、垂直走査回路１０２ａからタイミング信号φＳＥＬ（１）が選択トランジスタＴｒＳ１２のゲートに与えられると、増幅トランジスタＴｒＡ１２が出力する電気信号が垂直信号線ＶＬＩＮＥ（２）に読み出される。
【００５６】
一方、２行目の画素Ｐ（２，１）および画素Ｐ（２，２）から信号を読み出す場合の動作は、第１の実施形態の図１の画素Ｐ（２，１）および画素Ｐ（２，２）とは異なる。例えば、２行１列目の画素Ｐ（２，１）の場合、垂直走査回路１０２ａからタイミング信号φＴＸａ（２）が転送トランジスタＴｒＸ２１の第１ゲート電極ｇ２１ａに与えられ、同時に垂直走査回路１０２ａからタイミング信号φＴＸｂ（１）が画素Ｐ（１，１）の転送トランジスタＴｒＸ１１の第２ゲート電極ｇ１１ｂに与えられると、画素Ｐ（２，１）のフォトダイオードＰＤ２１に蓄積された電荷が画素Ｐ（１，１）のフローティング拡散部ＦＤ１１に転送される。フローティング拡散部ＦＤ１１に転送された電荷は、増幅トランジスタＴｒＡ１１で電荷量に応じた電気信号に変換され、選択トランジスタＴｒＳ１１に出力される。そして、垂直走査回路１０２ａからタイミング信号φＳＥＬ（１）が選択トランジスタＴｒＳ１１のゲートに与えられると、増幅トランジスタＴｒＡ１１が出力する電気信号が垂直信号線ＶＬＩＮＥ（１）に読み出される。
【００５７】
同様に、２行２列目の画素Ｐｘ（２，２）のフォトダイオードＰＤ２２に蓄積された電荷も１行２列目の画素Ｐｘ（１，２）の回路を介して電気信号に変換されて垂直信号線ＶＬＩＮＥ（２）に読み出される。
【００５８】
このように、第１の実施形態の固体撮像素子１０１で設けていた２行目のフローティング拡散部（ＦＤ２１，ＦＤ２２），リセットトランジスタ（ＴｒＲ２１，ＴｒＲ２２），増幅トランジスタ（ＴｒＡ２１，ＴｒＡ２２）および選択トランジスタ（ＴｒＳ２１，ＴｒＳ２２）を省略することによって、回路規模が大幅に少なくなり、固体撮像素子１０１ａの歩留まりの向上や低コスト化が可能になる。また、図７の固体撮像素子１０１ａでは、画素Ｐｘ（１，１）にフローティング拡散部ＦＤ１１，リセットトランジスタＴｒＲ１１，増幅トランジスタＴｒＡ１１および選択トランジスタＴｒＳ１１の全てを設けるようにしたが、これらのうち一部のトランジスタを画素Ｐｘ（２，１）に設けて、共有画素内（Ｐｘ（１，１），Ｐｘ（２，１））においてトランジスタの数を分散させてもよい。このような構成にすれば、１つの画素におけるフォトダイオードＰＤ１１，２１の面積を大きくすることができ、感度が向上する。尚、図７の固体撮像素子１０１ａは、分かり易いように２行２列の４つの画素で構成されるため２行目の各画素の回路の一部を１行目の各画素と共通化するようにしたが、行方向および列方向に数百から千画素が配置される場合でも、奇数行と偶数行の画素の回路を共通化することで図７と同様の回路で実現することができる。
【００５９】
次に、図７の固体撮像素子１０１ａの半導体レイアウトについて図８を用いて説明する。図８の半導体レイアウト図は、図７の画素Ｐｘ（１，１）と画素Ｐｘ（２，１）の部分の半導体レイアウトを描いた図である。尚、図８において、図７と同符号のものは同じものを示し、コンタクトホール（ＣＰ１，ＣＰ２，ＣＰ３，ＣＰ４およびＣＰ５）および金属配線Ｍ１は、第１の実施形態に係る固体撮像素子１０１の図２と同様である。また、図７において、分かり易いように、各タイミング信号φＳＥＬ（１），φＲＥＳ（１），φＴＸａ（１），φＴＸｂ（１）およびφＴＸａ（２）の各配線は省略して矢印で示してあるが、実際には垂直走査回路１０２ａに接続するための金属配線が配置される。
【００６０】
図８において第１の実施形態の図２と異なるのは、画素Ｐｘ（１，１）のフォトダイオードＰＤ１１および画素Ｐｘ（２，１）のフォトダイオードＰＤ２１と、フローティング拡散部ＦＤ１１との間に形成される転送トランジスタＴｒＸ１１およびＴｒＸ２１のゲートチャネル部分のレイアウトである。具体的には、画素Ｐｘ（１，１）のフォトダイオードＰＤ１１側には転送トランジスタＴｒＸ１１の第１ゲート電極ｇ１１ａが配置され、画素Ｐｘ（２，１）のフォトダイオードＰＤ２１側には転送トランジスタＴｒＸ２１の第１ゲート電極ｇ２１ａが配置されている。そして、第１ゲート電極ｇ１１ａおよび第１ゲート電極ｇ２１ａは共に第２ゲート電極ｇ１１ｂを介してフローティング拡散部ＦＤ１１に接続されている。このように、転送トランジスタＴｒＸ１１と転送トランジスタＴｒＸ２１は、実質的には２つのゲート電極を有する１つの転送トランジスタとして形成される。
【００６１】
また、第２ゲート電極ｇ１１ｂのチャネル幅に関して、第１ゲート電極ｇ１１ａ側（フォトダイオードＰＤ１１側）および第１ゲート電極ｇ２１ａ側（フォトダイオードＰＤ２１側）のそれぞれのチャネル幅よりも、第２ゲート電極ｇ１１ｂのフローティング拡散部ＦＤ１１側のチャネル幅の方が狭くなっている。この構造は、第１の実施形態に係る固体撮像素子１０１と同じ構造なので、第１の実施形態と同様にフローティング拡散部ＦＤ１１側に転送される電荷がフォトダイオードＰＤ１１側またはフォトダイオードＰＤ２１側に戻されにくくすることができる。
【００６２】
さらに、第１の実施形態に係る固体撮像素子１０１と同様に、垂直走査回路１０２ａが出力するタイミング信号（φＴＸａ（１），φＴＸｂ（１））に応じて、転送トランジスタＴｒＸ１１の第１ゲート電極ｇ１１ａが先にオフした後で第２ゲート電極ｇ１１ｂがオフするので、フォトダイオードＰＤ１１側に戻される電荷をより少なくすることができる。同様に、転送トランジスタＴｒＸ２１の第１ゲート電極ｇ２１ａが先にオフした後で第２ゲート電極ｇ２１ｂがオフするように垂直走査回路１０２ａはタイミング信号φＴＸａ（２）およびφＴＸｂ（１）を出力するので、フォトダイオードＰＤ２１側に戻される電荷をより少なくすることができる。
【００６３】
次に、第２の実施形態に係る固体撮像素子１０１ａの垂直走査回路１０２ａが出力する各タイミング信号について図９を用いて詳しく説明する。図９は、図７の固体撮像素子１０１ａにおいて、１行目の画素Ｐｘ（１，１）と画素Ｐｘ（１，２）および２行目の画素Ｐ（２，１）と画素Ｐ（２，２）からそれぞれ信号を読み出す場合のタイミングチャートである。尚、図９において、図７と同符号のものは同じ信号を示す。ここで、図９のタイミングチャートは、第１の実施形態で説明した固体撮像素子１０１のタイミングチャート（図４）に対応するもので、各画素から読み出されたダーク信号および光信号が信号蓄積部（Ｓｇ（１），Ｓｇ（２））に保持される時のタイミング信号φＴＤおよびφＴＳやメカシャッタのタイミング波形は図４と同じである。また、信号蓄積部（Ｓｇ（１），Ｓｇ（２））に保持されたダーク信号および光信号を水平走査回路１０３が出力するタイミング信号（φＨ１，φＨ２）に応じて出力アンプＤＡＭＰに読み出し、出力アンプＤＡＭＰで光信号からダーク信号を引き算した画像信号ＩＭＧｏｕｔを出力するタイミング波形も図４と全く同じである。さらに、図９のタイミングチャートにおいて、期間Ｔ１での全画素リセットから１行目の画素Ｐｘ（１，１）およびＰｘ（１，２）から画像信号ＩＭＧｏｕｔを読み出す動作についても、図４のタイミングチャートと全く同じである。従って、第１の実施形態で説明した固体撮像素子１０１に対する図４のタイミングチャートと異なる部分は、２行目の画素（Ｐｘ（２，１），Ｐｘ（２，２））からダーク信号および光信号をそれぞれ垂直信号線（ＶＬＩＮＥ（１），ＶＬＩＮＥ（２））へ読み出す時の動作だけである。
【００６４】
以下、図９のタイミングチャートの中で図４のタイミングチャートと異なる部分についてのみ説明する。図９のタイミングチャートでは、２行目の各画素から信号を読み出す際のタイミング信号φＳＥＬ（２），φＲＥＳ（２）およびφＴＸｂ（２）が無く、１行目のタイミング信号φＳＥＬ（１），φＲＥＳ（１）およびφＴＸｂ（１）を用いて２行目の各画素の信号を読み出す。
【００６５】
２行目の各画素の信号を読み出すために、先ず期間Ｔ２１では、選択トランジスタ（ＴｒＳ１１，ＴｒＳ１２）に対するタイミング信号φＳＥＬ（１）がオンになると共に、期間Ｔ２１に重複する期間Ｔ２２では、リセットトランジスタ（ＴｒＲ１１，ＴｒＲ１２）に対するタイミング信号φＲＥＳ（１）がオンになり、フローティング拡散部（ＦＤ１１，ＦＤ１２）が電源Ｖｄｄに接続され、各フローティング拡散部（ＦＤ１１，ＦＤ１２）の電荷がリセットされる。そして、期間Ｔ１１では、期間Ｔ２２で電源Ｖｄｄにリセット後のフローティング拡散部（ＦＤ１１，ＦＤ１２）の電荷が増幅トランジスタ（ＴｒＡ１１，ＴｒＡ１２）および選択トランジスタ（ＴｒＳ１１，ＴｒＳ１２）で電気信号に変換されてそれぞれ垂直信号線（ＶＬＩＮＥ（１），ＶＬＩＮＥ（２））に読み出される（ダーク信号）。読み出されたダーク信号は、第１の実施形態で説明したように、タイミング信号φＴＤで信号蓄積部（Ｓｇ（１），Ｓｇ（２））のダーク信号用コンデンサ（Ｃｄ１，Ｃｄ２）にそれぞれ保持される。
【００６６】
次の期間Ｔ２３は、２行目の各画素のフォトダイオード（ＰＤ２１，ＰＤ２２）からそれぞれのフローティング拡散部（ＦＤ１１，ＦＤ１２）への転送期間を示し、タイミングＴ２４ａでタイミング信号φＴＸａ（２）がオンになり、転送トランジスタ（ＴｒＸ２１，ＴｒＸ２２）のそれぞれの第１ゲート電極（ｇ２１ａ，ｇ２２ａ）が同時にオンする。そして、タイミングＴ２４ｂでタイミング信号φＴＸａ（２）が先にオフになり、期間Ｔ２３の終了タイミングでタイミング信号φＴＸｂ（１）がオフになる。
【００６７】
そして、次の期間Ｔ１２では、期間Ｔ２３でフォトダイオード（ＰＤ２１，ＰＤ２２）からそれぞれのフローティング拡散部（ＦＤ１１，ＦＤ１２）に転送された電荷が増幅トランジスタ（ＴｒＡ１１，ＴｒＡ１２）で電圧信号に変換されて選択トランジスタ（ＴｒＳ１１，ＴｒＳ１２）を介してそれぞれの垂直信号線（ＶＬＩＮＥ（１），ＶＬＩＮＥ（２））に読み出される（光信号）。読み出された光信号は、第１の実施形態で説明したように、タイミング信号φＴＳで信号蓄積部（Ｓｇ（１），Ｓｇ（２））の光信号用コンデンサ（Ｃｓ１，Ｃｓ２）にそれぞれ保持される。
【００６８】
次の期間Ｔ１３では、水平走査回路１０３ａが出力するタイミング信号（φＨ１，φＨ２）に応じて信号蓄積部（Ｓｇ（１），Ｓｇ（２））から読み出したそれぞれの光信号からダーク信号を出力アンプＤＡＭＰで引き算し、画像信号ＩＭＧｏｕｔとして固体撮像素子１０１の外部に出力する。先ず、タイミングＴ１３ａでは、水平走査回路１０３ａから出力されるタイミング信号φＨ１がオンになり、２行１列目の画素Ｐｘ（２，１）のダーク信号および光信号がダーク信号用コンデンサＣｄ１および光信号用コンデンサＣｓ１から同時に読み出され、出力アンプＤＡＭＰで光信号からダーク信号が引き算されて画素Ｐｘ（２，１）の画像信号ＩＭＧｏｕｔとして固体撮像素子１０１の外部に出力される。次のタイミングＴ１３ｂでは、水平走査回路１０３ａから出力されるタイミング信号φＨ２がオンになり、２行２列目の画素Ｐｘ（２，２）のダーク信号および光信号がダーク信号用コンデンサＣｄ２および光信号用コンデンサＣｓ２から同時に読み出され、出力アンプＤＡＭＰで光信号からダーク信号が引き算されて画素Ｐｘ（２，２）の画像信号ＩＭＧｏｕｔとして固体撮像素子１０１の外部に出力される。
【００６９】
このようにして、第２の実施形態に係る固体撮像素子１０１ａは、全画素から画像信号を読み出すことができる。特に、本実施形態に係る固体撮像素子１０１ａは、フォトダイオード（ＰＤ１１，ＰＤ１２，ＰＤ２１およびＰＤ２２）からそれぞれの対応するフローティング拡散部（ＦＤ１１およびＦＤ１２）に電荷を転送する転送トランジスタ（ＴｒＸ１１，ＴｒＸ１２，ＴｒＸ２１およびＴｒＸ２２）にそれぞれの第１ゲート電極（ｇ１１ａ，ｇ１２ａ，ｇ２１ａおよびｇ２２ａ）と共通化した第２ゲート電極（ｇ１１ｂおよびｇ１２ｂ）とを設け、各第１ゲート電極および各第２ゲート電極を共にオンした後、それぞれの第１ゲート電極を第２ゲート電極より先にオフすることにより、フォトダイオード（ＰＤ１１，ＰＤ１２，ＰＤ２１およびＰＤ２２）側への電荷の戻りを低減し、フォトダイオード（ＰＤ１１，ＰＤ１２，ＰＤ２１およびＰＤ２２）からそれぞれのフローティング拡散部（ＦＤ１１およびＦＤ１２）に効率よく電荷を転送することができる。
【００７０】
また、第１ゲート電極（ｇ１１ａ，ｇ１２ａ，ｇ２１ａおよびｇ２２ａ）のそれぞれのタイミング信号（φＴＸａ（１），φＴＸａ（２））のオン期間は、それぞれに共通の第２ゲート電極（ｇ１１ｂおよびｇ１２ｂ）のタイミング信号φＴＸｂ（１）のオン期間の略１／２の関係になっているので、最小時間で転送トランジスタ（ＴｒＸ２１およびＴｒＸ１１，ＴｒＸ２２およびＴｒＸ１２）をオンオフ制御することができる。
【００７１】
さらに、本実施形態に係る固体撮像素子１０１ａは、偶数行の画素の回路の一部を奇数行の画素の回路と共通化するので、第１の実施形態に係る固体撮像素子１０１に比べて回路規模を大幅に少なくすることができ、固体撮像素子１０１ａの歩留まりの向上や低価格化が可能になる。尚、固体撮像素子１０１ａでは、奇数行と偶数行の同じ列の２つの画素の回路を共通化するようにしたが、さらに多くの画素（例えば４画素など）の回路を共通化するようにしても構わない。この場合でも、フォトダイオードからフローティング拡散部へ電荷を転送する転送トランジスタに第１ゲート電極と第２ゲート電極を設けることによって、第１の実施形態および第２の実施形態と同様に、フローティング拡散部に転送された電荷がフォトダイオード戻りにくくする効果が得られる。特に、転送トランジスタのフローティング拡散部側のチャネル幅をフォトダイオード側のチャネル幅より狭くすることにより、電荷の転送効率をさらに高めることができる。
【００７２】
なお、本実施形態に係る固体撮像素子１０１ａは、複数の画素間で転送トランジスタの第２ゲート電極が共有される構成としたが、この限りではない。例えば、この構成に替えて、図２に示される転送トランジスタを採用して、第２ゲート電極が共有されない構成としてもよい。この場合、フォトダイオード毎に設けられるフローティング拡散部を金属配線等で相互接続し、当該金属配線を複数のフォトダイオード間で共有する増幅トランジスタのゲートに接続すればよい。このような構成の固体撮像素子であっても、第２の実施形態に係る固体撮像素子と同様の効果が奏される。
【００７３】
以上、各実施形態で説明したように、本発明に係る固体撮像素子は、光電変換部（各実施形態のフォトダイオードに相当）からフローティング拡散部に効率よく電荷を転送することができるので、ＳＮ比の劣化が少ない固体撮像素子を実現できる。
【００７４】
尚、本発明に係る固体撮像素子について、各実施形態で例を挙げて説明してきたが、その精神またはその主要な特徴から逸脱することなく他の多様な形で実施することができる。そのため、上述した実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明は、特許請求の範囲によって示されるものであって、本発明は明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内である。
【符号の説明】
【００７５】
１０１，１０１ａ・・・固体撮像素子、
ＰＤ１１，ＰＤ１２，ＰＤ２１，ＰＤ２２・・・フォトダイオード、
ＦＤ１１，ＦＤ１２，ＦＤ２１，ＦＤ２２・・・フローティング拡散部、
ＴｒＸ１１，ＴｒＸ１２，ＴｒＸ２１，ＴｒＸ２２・・・転送トランジスタ、
ｇ１１ａ，ｇ１２ａ，ｇ２１ａ，ｇ２２ａ・・・第１ゲート電極、
ｇ１１ｂ，ｇ１２ｂ，ｇ２１ｂ，ｇ２２ｂ・・・第２ゲート電極
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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