(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素セルを具備する固体撮像装置であって、
各画素セルは、
半導体基板中に設けられ、入射光を光電変換して信号電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された前記信号電荷をフローティングジャンクションに転送する転送トランジスタと
を含み、
前記画素セルは、緑画素、青画素、赤画素のセルからなり、これらのうち青画素を除き赤画素を含む少なくとも１個の前記転送トランジスタは、前記光電変換素子の上方を完全に覆って設けられた平坦なゲート電極を具備し、残りの前記転送トランジスタは、前記光電変換素子の上方を覆わないゲート電極を具備することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
複数の画素セルを具備する固体撮像装置であって、
各画素セルは、
半導体基板中に設けられ、入射光を光電変換して信号電荷を蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子に蓄積された前記信号電荷をフローティングジャンクションに転送する転送トランジスタと
を含み、
前記フローティングジャンクションは、複数の前記転送トランジスタを介して複数の前記光電変換素子に共有されるように電気的に接続され、
前記画素セルは、緑画素、青画素、赤画素のセルからなり、これらのうち青画素を除き赤画素を含む少なくとも１個の前記転送トランジスタは、前記光電変換素子の上方を完全に覆って設けられた平坦なゲート電極を具備し、残りの前記転送トランジスタは、前記光電変換素子の上方を覆わないゲート電極を具備することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
前記光電変換素子の上方を覆って設けられた前記ゲート電極は、該光電変換素子に入射する選択的に制限された入射光の波長に応じて膜厚が異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
赤画素セルの前記光電変換素子の上方にのみ、前記ゲート電極が覆って設けられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
青画素セルの前記光電変換素子のみ、前記光電変換素子の上方を覆わないゲート電極を具備することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記光電変換素子の上方を覆って設けられた前記ゲート電極は、該光電変換素子を挟んで前記フローティングジャンクションと反対側に隣接する光電変換素子との間の素子間領域上に延伸されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に係り、特に、光のクロストークを抑制した固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサのような装置は、小型化、高精度化などの目的のために画素サイズを縮小している。そのため、画素を構成する光電変換素子やトランジスタの縮小化が進んでいる。縮小化が進むと光電変換素子に蓄積できる信号電荷量が減少するため、画素は、各種のノイズ、例えば、熱雑音、暗電流雑音、光のクロストークの影響を受けやすくなる。
【０００３】
熱雑音や暗電流雑音の発生を抑制して画像の信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）比を改善した固体撮像装置が、特許文献１に開示されている。しかしながら、クロストークに関しては記載されていない。
【０００４】
光電変換素子の縮小化によって、入射光をマイクロレンズで集光して光電変換素子にだけ入射させることが困難になってきている。上記の特許文献１に開示された固体撮像装置は、光電変換素子に隣接して転送トランジスタゲート電極が設けられている。このような構造の固体撮像装置では、例えば、入射光は、マイクロレンズにより集光され、金属配線の間を通過して光電変換素子に入射する。しかし、入射光は、光電変換素子だけでなく隣接する転送トランジスタのゲート電極にも入射するという現象が生じる。この現象が発生すると入射光の一部は、ゲート電極で回折現象などを生じさせる。ゲート電極で回折した回折光は、半導体基板中を伝播して隣接するフローティングジャンクションに到達する。このような回折光は、光のクロストークを発生させ、画素特性を劣化させる。
【特許文献１】特開２００５−１２９９６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、光の回折により発生する半導体基板中での光のクロストークを抑制した固体撮像装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１態様による固体撮像装置は、複数の画素セルを具備する固体撮像装置であって、各画素セルは、半導体基板中に設けられ、入射光を光電変換して信号電荷を蓄積する光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された前記信号電荷をフローティングジャンクションに転送する転送トランジスタとを含み、少なくとも１個の前記転送トランジスタは、前記光電変換素子の上方を完全に覆って設けられたゲート電極を具備し、残りの前記転送トランジスタは、前記光電変換素子の上方を覆わないゲート電極を具備する。
【０００７】
本発明の他の１態様による固体撮像装置は、複数の画素セルを具備する固体撮像装置であって、各画素セルは、半導体基板中に設けられ、入射光を光電変換して信号電荷を蓄積する光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された前記信号電荷をフローティングジャンクションに転送する転送トランジスタとを含み、前記フローティングジャンクションは、複数の前記転送トランジスタを介して複数の前記光電変換素子に共有されるように電気的に接続され、少なくとも１個の前記転送トランジスタは、前記光電変換素子の上方を完全に覆って設けられたゲート電極を具備し、残りの前記転送トランジスタは、前記光電変換素子の上方を覆わないゲート電極を具備する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によって、光の回折により発生する半導体基板中での光のクロストークを抑制した固体撮像装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施形態を、添付した図面を参照して以下に詳細に説明する。図では、対応する部分は、対応する参照符号で示している。以下の実施形態は、一例として示されたもので、本発明の精神から逸脱しない範囲で種々の変形をして実施することが可能である。
【００１０】
固体撮像装置の光電変換部のゲート電極による入射光の回折のような、単一の開口による光の回折は、フラウンホーファー回折により説明される。フラウンホーファー回折では、入射光の波長をλ、開口部の幅をｗ、開口位置と照射面との距離をＬすると、±ｍ次の回折光（ｍ≠０）の強度が極大値をとる位置ｘは、次式で与えられる。
【００１１】
ｘ≒（ｍ−１／２）（λＬ／ｗ）
また、±ｍ次回折光の中心軸と入射光の光軸とのなす角（回折角）θは、次式で与えられる。
【００１２】
ｔａｎθ＝ｘ／Ｌ＝±（ｍ−１／２）（λ／ｗ）
この回折光が、半導体基板中を伝播して隣接するフローティングジャンクションや画素等の能動素子に到達すると光のクロストークが発生する。
【００１３】
クロストークは、波長依存性があり、可視光領域の光において短波長光より長波長光の方がクロストークを発生しやすい。これは、半導体基板の光吸収係数が波長により変化するためである。すなわち、短波長光は、半導体基板中での吸収係数が大きいため、減衰しやすく隣接する能動素子に到達しにくいが、長波長光は、吸収係数が比較的小さいため、回折光が半導体基板中で減衰しにくく隣接する能動素子に到達しやすくなる。
【００１４】
本発明の実施形態による固体撮像装置によれば、転送トランジスタのゲート電極を光電変換素子上に延伸させて設けることにより、ゲート電極による光の回折現象の発生を防止し、半導体基板中での光のクロストークを抑制することが可能な構造を提供することができる。
【００１５】
以下に、幾つかの実施形態を例に本発明を説明するが、これらの実施形態に限定されるものではない。
【００１６】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態による固体撮像装置は、各画素の光電変換素子に隣接する転送トランジスタのゲート電極が、光電変換素子上を覆うように延伸されて形成され、光電変換素子上に開口部を設けない構造を有する。
【００１７】
固体撮像装置、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサの画素回路構成例を図１に示す。図１は、１画素１セルの画素回路である。１個の画素セル１０は、光電変換素子１、転送トランジスタ２及びフローティングジャンクション７を含む画素８、リセットトランジスタ３、アドレストランジスタ４、及び増幅トランジスタ５を含む。
【００１８】
画素セル１０に光が入射した場合、光電変換素子１は、入射光を光電変換をして信号電荷を蓄積する。転送トランジスタ２のゲート電極に転送信号ＲＤが入力されると、蓄積された信号電荷は、転送トランジスタ２のチャネルを通りフローティングジャンクション７に転送される。なお、この転送に先立ち、リセットトランジスタ３のゲート電極にリセット信号ＲＳが入力されて、フローティングジャンクション７の電位は、リセットトランジスタ３のドレイン電圧ＶＤＤに予めリセットされる。この光電変換素子１からフローティングジャンクション７に信号電荷が転送されたことにより、フローティングジャンクション７の電位は変化する。フローティングジャンクション７は、増幅トランジスタ５のゲート電極に接続されており、電位の変化が増幅トランジスタ５のチャネルに変調を生じさせる。次に、アドレストランジスタ４のゲート電極にアドレス信号ＡＤが入力されることにより、増幅トランジスタ５のチャネル変調に対応する信号が信号線６に出力される。このようにして、入射光に対応する信号が読み出される。信号を出力後、フローティングジャンクション７は、リセットトランジスタ３のドレイン電圧ＶＤＤにリセットされる。
【００１９】
画素セル１０を２次元に配列させた画素アレイの一例を図２に示す。カラー固体撮像装置の場合、一般に４個の画素セル１０により１個の画素ユニット１３が構成される。図２は、一例として４行４列の画素セル１０、すなわち２行２列の画素ユニット１３を示している。各画素セル１０には、転送信号を供給するＲＤライン、リセット信号を供給するＲＳライン及びアドレス信号を供給するＡＤラインが水平方向に接続され、信号ライン６が垂直方向に接続されている。各画素ユニット１３は、赤（Ｒ）画素、緑（Ｇｒ）画素、緑（Ｇｂ）画素及び青（Ｂ）画素を含む。入射光は、各々の画素に対応するフィルタによって異なる波長範囲に制限され、各画素には、異なる波長領域の可視光が入射する。
【００２０】
図３及び図４を用いて、本実施形態の画素ユニットの一例を説明する。図３は、本実施形態の画素ユニットの一例を示す平面図であり、図４（ａ），（ｂ）は、それぞれ図３に示した切断線Ａ１−Ａ１，Ａ２−Ａ２に沿った断面図である。図３では、簡略化のため図１に示した画素領域８のみを図示している。画素ユニット１３は、赤（Ｒ）画素１００、緑（Ｇｒ）画素１１０、緑（Ｇｂ）画素１２０及び青（Ｂ）画素１３０を含む。各画素は、半導体基板３０中に設けられた光電変換素子１４〜１７、光電変換素子１４〜１７に隣接して設けられた転送トランジスタ２６〜２９、及び半導体基板３０中に設けられ光電変換素子１４〜１７に転送トランジスタ２６〜２９を介して電気的に接続されたフローティングジャンクション２２〜２５を含む。光電変換素子１４〜１７は、入射光を光電変換して、信号電荷を蓄積する。転送トランジスタ２６〜２９は、光電変換素子１４〜１７からフローティングジャンクション２２〜２５への信号電荷の転送を制御する。転送トランジスタのゲート電極１８〜２１は、光電変換素子１４〜１７を覆って半導体基板３０上方に設けられる。この点で、従来の画素セルの構造と異なる。さらに、転送トランジスタゲート電極１８〜２１を覆って絶縁膜３１が形成され、金属配線３２は転送トランジスタ２６〜２９上方の絶縁膜３１中に埋め込まれる。そして、絶縁膜３１上には各光電変換素子１４〜１７に対応する位置にマイクロレンズ３５〜３８が設けられる。
【００２１】
入射光３９〜４２は、マイクロレンズ３５〜３８により集光され、金属配線３２の間を通過し、転送トランジスタゲート電極１８〜２１を透過して光電変換素子１４〜１７に入射する。図４に示されたように、半導体基板３０表面での入射光集光位置内に転送トランジスタゲート電極１８〜２１の開口部が存在しないため、ゲート電極１８〜２１で入射光の回折が生じることを回避できる。
【００２２】
転送トランジスタゲート電極１８〜２１には、入射光を充分に透過すること、固体撮像装置の製造が比較的容易であること等が要求される。電極中での可視光の吸収を考慮して、電極材料として可視光を透過する導電性材料、例えば、シリコン（Ｓｉ）又はＳｉよりバンドギャップの大きな炭化珪素（ＳｉＣ）を使用することができる。
【００２３】
ゲート電極の膜厚は、厚くなると光の吸収が大きくなるため、可能な限り薄いほうが好ましい。しかし、薄くなりすぎると、例えば、ゲート電極にピンホールが発生したり、ゲート電極上にビアコンタクトを形成する際に、ビアコンタクトがゲート電極を貫通してしまったりすることがある。上記のような問題が発生しないゲート電極の膜厚は、Ｓｉの場合、例えば、５０ｎｍである。
【００２４】
上記に説明したように、本実施形態では、各画素の転送トランジスタゲート電極を光電変換素子の上方を覆うように延伸して設けることにより、入射光の回折が生じることを防止できる。これにより、各画素について隣接する能動素子への半導体基板中での光のクロストークを抑制した固体撮像装置を提供できる。
【００２５】
（変形例１）
上記の第１の実施形態では、Ｒ画素、Ｇｒ画素、Ｇｂ画素、Ｂ画素の全ての画素において転送トランジスタゲート電極を光電変換素子を覆って設けているため、転送トランジスタゲート電極による光の吸収損失が発生して感度が低下することが懸念される。特に、長波長領域の可視光に比べゲート電極中での吸収係数が大きい短波長領域の可視光に対応する画素、特に、Ｂ画素では、光の吸収損失が大きくなることが懸念される。
【００２６】
変形例１は、第１の実施形態に対して、Ｂ画素の転送トランジスタゲート電極をその他の画素の転送トランジスタゲート電極より厚さを薄くしたものである。これにより、Ｂ画素における光の吸収損失を抑制することが可能になる。
【００２７】
図５、図６を用いて本変形例の固体撮像装置を説明する。図５は、本変形例の画素ユニットの一例を示す平面図であり、図６（ａ），図６（ｂ）は、それぞれ図５に示した切断線Ｂ１−Ｂ１，Ｂ２−Ｂ２に沿った断面図である。図５、図６は、図３、図４と同様の構成であるが、Ｒ画素１００、Ｇｒ画素１１０、Ｇｂ画素１２０、及びＢ画素１３１を含む。
【００２８】
図６（ａ）に示されたように、本変形例のＢ画素１３１の転送トランジスタゲート電極２１は、他のＲ画素１００、Ｇｒ画素１１０、Ｇｂ画素１２０の転送トランジスタゲート電極１８〜２０よりその膜厚を薄くしている。入射光３９〜４２が各画素に入射された場合、Ｂ画素１３１の光電変換素子１７を被覆する転送トランジスタゲート電極２１の膜厚を薄くしているため、Ｂ画素における入射光の吸収損失を低減することが可能である。
【００２９】
Ｂ画素１３１を覆う転送トランジスタゲート電極２１の厚さは、ゲート電極中での光の吸収を考慮して、例えば、透過光強度が実質的に同じになるように設定することができる。各Ｒ画素、Ｇｒ画素、Ｇｂ画素、Ｂ画素に入射する光の波長は、使用するフィルタによって変化するが、Ｒ画素への入射光の中心波長は、例えば、６００ｎｍであり、Ｇｒ画素及びＧｂ画素では、例えば、５００ｎｍから５５０ｎｍであり、Ｂ画素では、例えば、４５０ｎｍである。Ｈ．Ｍｅｌｃｉｏｒ（”Demodulation and Photodetection Techniques,” in F.T. Arecchi and E.O. Schulz-Dubois, Eds., Laser Handbook, Vol. 1, North-Holland, Amsterdam, 1972, pp. 725-835）によるＳｉ中の光の吸収係数から求めた４５０ｎｍの波長の光の透過率は、６００ｎｍの波長の光の透過率の約７３％である。したがって、Ｒ画素のゲート電極の膜厚を、例えば、５０ｎｍにした場合に、Ｂ画素のゲート電極の膜厚を、例えば、３６ｎｍにすることにより、両者の光の透過率を同等にすることができる。
【００３０】
さらに、半導体基板３０表面での入射光集光領域内に開口部が存在しないため、転送トランジスタゲート電極１８〜２１によって、入射光３９〜４２の回折が生じることを回避できる。
【００３１】
上記の変形例では、Ｂ画素を覆って設けられた転送トランジスタゲート電極の膜厚だけを光の吸収に応じて薄膜化したが、Ｇｒ画素、及びＧｂ画素を覆う転送トランジスタゲート電極をそれぞれの光の吸収に応じ薄膜化することができる。このように、それぞれの転送トランジスタゲート電極膜厚を調整することによって、全ての画素において光の透過率を実効的に同等にすることができる。
【００３２】
上記に説明したように、本変形例においても第１の実施形態と同様に、各画素の転送トランジスタゲート電極を光電変換素子の上方を覆うように延伸して設けることにより、入射光の回折が生じることを防止できる。さらにゲート電極の光の吸収損失が最も懸念される短波長領域のＢ画素の感度が低下することを抑制できる。これにより、各画素について隣接する能動素子への半導体基板中での光のクロストークを抑制した固体撮像装置を提供できる。
【００３３】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態による固体撮像装置は、光のクロストークの影響が最も少ないＢ画素を除くＲ画素、Ｇｒ画素、Ｇｂ画素の３画素の転送トランジスタゲート電極を光電変換素子の上方を覆うように延伸して設けることにより、入射光の回折が生じることを防止したものである。
【００３４】
図７及び図８を用いて、本実施形態の画素ユニットの一例を説明する。図７は、本実施形態の画素ユニットの一例を示す平面図であり、図８（ａ），図８（ｂ）は、それぞれ図７に示した切断線Ｃ１−Ｃ１，Ｃ２−Ｃ２に沿った断面図である。図７では、簡略化のため図１に示した画素領域８のみを図示している。画素ユニットは、Ｒ画素１００、Ｇｒ画素１１０、Ｇｂ画素１２０及びＢ画素１３２を含む。各画素は、半導体基板３０中に設けられた光電変換素子１４〜１７、光電変換素子１４〜１７に隣接して設けられた転送トランジスタ２６〜２９、及び半導体基板３０中に設けられたフローティングジャンクション２２〜２５を含む。Ｒ画素１００、Ｇｒ画素１１０、Ｇｂ画素１２０の転送トランジスタのゲート電極１８〜２０だけが、光電変換素子１４〜１６を覆って半導体基板３０上方に設けられる。この点で、図３に示した第１の実施形態の画素セルの構造と異なる。
【００３５】
本実施形態では、上記のようにＢ画素１３２の転送トランジスタゲート電極２１を小さくして光電変換素子１７を覆わないようにし、光電変換素子１７に隣接させて設けている。これにより、第１の実施形態のように、短波長領域のＢ画素１３２において光電変換素子１７を覆って設けられた転送トランジスタゲート電極２１により生じる入射光の吸収損失を回避し、Ｂ画素の感度が低下することを防ぐことができる。
【００３６】
本実施形態の固体撮像装置に光を入射した場合、Ｒ画素１００、Ｇｒ画素１１０、Ｇｂ画素１２０に対する入射光３９〜４１は、半導体基板３０表面の入射光集光位置に開口部が存在しないため、光の回折を防止することができる。Ｂ画素１３２に入射する入射光４２は、半導体基板３０表面の入射光集光位置に転送トランジスタゲート電極２１の開口が存在するため、回折光４６が発生する可能性がある。
【００３７】
しかし、Ｂ画素１３２に入射する光は、可視光の中でも最も短波長成分であり半導体基板３０中での吸収が大きい。そのため、回折光は半導体基板３０中で減衰しやすく隣接する能動素子に到達しにくい。したがって、Ｂ画素１３２のクロストークは十分に小さい。それゆえ、本実施形態によるＢ画素１３２の構造は、転送トランジスタゲート電極２１で光電変換素子１７上を被覆しないため、転送トランジスタゲート電極２１によるＢ画素１３２の光吸収損失を防止することができ有効である。
【００３８】
上記に説明したように、本実施形態によりＢ画素を除く各画素の転送トランジスタゲート電極を光電変換素子の上方を覆うように延伸して設けることにより、実質的に第１の実施形態と同様に入射光の回折によって生じるクロストークを防止し、画質の低下を防止できる。さらにゲート電極による光の吸収損失が最も懸念される短波長領域のＢ画素の感度が低下することを防止できる。これにより、各画素について隣接する能動素子への半導体基板中での光のクロストークを抑制した固体撮像装置を提供できる。
【００３９】
（変形例２）
上記の第２の実施形態では、転送トランジスタゲート電極をＲ画素、Ｇｒ画素、Ｇｂ画素の３画素の光電変換素子上に設けているため、これらの画素において転送トランジスタゲート電極による光の吸収損失が発生して感度が低下することが懸念される。特に、長波長領域の可視光に比べ短波長領域の可視光では吸収損失が大きくなる、すなわち、短波長側のＧｒ画素、Ｇｂ画素の光の吸収損失が大きくなることが懸念される。
【００４０】
変形例２は、第２の実施形態に対して、Ｇｒ画素、Ｇｂ画素、Ｂ画素の３画素の転送トランジスタゲート電極を光電変換素子上に延伸させず、光電変換素子に隣接させて設け、Ｒ画素の転送トランジスタゲート電極のみを光電変換素子上に延伸させて形成した固体撮像装置である。これにより、Ｇｒ画素、Ｇｂ画素、Ｂ画素における光の吸収損失を防止することが可能になる。
【００４１】
図９、図１０を用いて本変形例の固体撮像装置を説明する。図９は、本変形例の画素ユニットの一例を示す平面図であり、図１０（ａ），図１０（ｂ）は、それぞれ図９に示した切断線Ｄ１−Ｄ１，Ｄ２−Ｄ２に沿った断面図である。図９、図１０は、図７、図８と同様の構成であるが、Ｒ画素１００、Ｇｒ画素１１２、Ｇｂ画素１２２、Ｂ画素１３２を含む。
【００４２】
図１０に示されたように、本変形例のＧｒ画素１１２、Ｇｂ画素１２２、Ｂ画素１３２の転送トランジスタゲート電極１９〜２１は、光電変換素子１５〜１７に隣接させて設けられ、光電変換素子１５〜１７上を覆わない。Ｒ画素１００の転送トランジスタゲート電極１８のみが光電変換素子１４の上方を覆って形成される。
【００４３】
入射光３９〜４２が各画素に入射された場合、Ｒ画素１００では入射光３９は、半導体基板３０表面の入射光集光位置に開口が存在しないため、光の回折が生じない。Ｇｒ画素１１２、Ｇｂ画素１２２、Ｂ画素１３２の３画素に入射する入射光４０〜４２については、半導体基板３０表面の入射光集光位置に転送トランジスタゲート電極１９〜２１による開口が存在するため回折光４４〜４６が発生する。
【００４４】
しかし、Ｇｒ画素１１２、Ｇｂ画素１２２、Ｂ画素１３２の３画素に入射する光は、Ｒ画素１００に入射する光に比べ波長が短いため、半導体基板中での吸収が比較的大きい。そのため、回折光４４〜４６は、半導体基板３０中で減衰しやすく隣接する能動素子に到達しにくい。したがって、Ｇｒ画素１１２、Ｇｂ画素１２２、Ｂ画素１３２によるクロストークは十分に小さい。それゆえ、光電変換素子１５〜１７を覆って転送トランジスタゲート電極１９〜２１を形成することによる光の吸収損失を防ぐため、本変形例のＧｒ画素１１２、Ｇｂ画素１２２、Ｂ画素１３２の光電変換素子１５〜１７上を被覆させない構造は、有効なクロストーク対策である。
【００４５】
上記に説明したように、本変形例によりＲ画素のみの転送トランジスタゲート電極を光電変換素子の上方を覆うように延伸して設けることにより、実質的に第２の実施形態と同様に入射光の回折によって生じるクロストークを防止し、画質の低下を防止できる。さらにゲート電極の光の吸収損失が懸念される短波長領域のＧｒ画素、Ｇｂ画素、Ｂ画素の感度が低下することを防止できる。これにより、各画素について隣接する能動素子への半導体基板中での光のクロストークを抑制した固体撮像装置を提供できる。
【００４６】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態は、高集積化に適した２画素１セルの固体撮像装置である。
【００４７】
図１１は、２画素１セルの固体撮像装置の動作を説明するために示す画素回路構成の一例である。２画素１セルの固体撮像装置と図１に示した１画素１セルとの違いは、画素領域６０に２個の光電変換素子５０，５１及び２個の転送トランジスタ５３，５４が含まれ、これらがフローティングジャンクション５９を共有することである。これにより、２画素に対してリセットトランジスタ５５、アドレストランジスタ５６及び増幅トランジスタ５７を各１個に削減することができ、高集積化が可能になる。動作は、１画素１セルの場合と基本的には同じであるが、光電変換素子５０及び光電変換素子５１にそれぞれ蓄積された電荷信号の読み出しを交互に行う。
【００４８】
このようにフローティングジャンクションを共有することにより生じる利点は、１画素あたりのトランジスタ数を削減できること、光電変換素子の開口率を大きくできること、高集積化などに対して１画素１セルよりも有利になること、等が上げられる。
【００４９】
図１２は、本実施形態の固体撮像装置の画素レイアウトの一例である。簡略化のため、図には図１１の画素領域６０のみを図示している。２個の２画素セル７１，７２で１つの画素ユニット７３が構成される。２画素セル７１は、２個の単位画素、Ｒ画素１００，Ｇｂ画素１２０を含み、２画素セル７２は、別の２個の単位画素、Ｇｒ画素１１０，Ｂ画素１３０を含む。図には、４個の画素ユニット、すなわち２行４列の２画素セルからなる、１６個の画素アレイが示されている。Ｒ画素１００とＧｂ画素１２０は、フローティングジャンクション６９を共有し、Ｇｒ画素１１０とＢ画素１３０は、フローティングジャンクション７０を共有する。ここでは、各転送トランジスタゲート電極を上記の変形例２と同様に形成した例を用いて説明するが、これに限定されることはない。ここでは、Ｒ画素１００の転送トランジスタゲート電極６５のみが光電変換素子６１を覆って設けられており、Ｇｒ画素１１０、Ｇｂ画素１２０、Ｂ画素１３０の転送トランジスタゲート電極６６〜６８は、それぞれ光電変換素子６２〜６４に隣接する形で設けられている構造を例に説明する。
【００５０】
図１３、図１４は、画素の断面構造を説明するために示す図であり、それぞれ図１２に示した切断線Ｅ１−Ｅ１、Ｅ２−Ｅ２に沿った断面図である。各Ｒ画素１００、Ｇｒ画素１１０、Ｇｂ画素１２０、Ｂ画素１３０の光電変換素子６1〜６４は、半導体基板７４中に設けられている。Ｒ画素１００の転送トランジスタゲート電極６５は、光電変換素子６１を覆うように設けられており、Ｇｒ画素１１０、Ｇｂ画素１２０、Ｂ画素１３０の転送トランジスタゲート電極６６〜６８は、光電変換素子６２〜６４に隣接して設けられている。転送トランジスタゲート電極６５と６７及び６６と６８は、それぞれフローティングジャンクション６９及び７０を挟んで対向して隣接して設けられている。フローティングジャンクション６９及び７０は、それぞれ２つの画素１００と１２０及び１１０と１３０で共有されるように半導体基板７４中に設けられている。
【００５１】
半導体基板７４及び転送トランジスタゲート電極６５〜６８を覆い絶縁膜７５が形成され、金属配線７６は、転送トランジスタゲート電極６５〜６８の上方の絶縁膜７５中に埋め込まれて設けられる。さらに、絶縁膜７５上にマイクロレンズ７７〜８０が設けられている。
【００５２】
図１３、図１４に示したように、各画素に入射光８１〜８４が入射した場合、Ｒ画素１００では半導体基板７４表面の入射光集光位置に開口が存在しないため、入射光８１が、Ｒ画素１００の転送トランジスタゲート電極６５で回折を生じることを防止できる。Ｇｒ画素１１０、Ｇｂ画素１２０、Ｂ画素１３０に入射する入射光８２〜８４は、半導体基板７４表面の入射光集光位置に転送トランジスタゲート電極６６〜６８による開口が存在するため回折光８６〜８８を生じる。しかし、Ｇｒ画素１１０、Ｇｂ画素１２０、Ｂ画素１３０では、上記の変形例２で説明したようにこれらの回折光８６〜８８の半導体基板７４中での減衰が大きい。したがって、画素１１０〜１３０における光のクロストークは十分に小さく、本実施形態は有効なクロストーク対策となる。
【００５３】
ここでは、各転送トランジスタゲート電極は、上記の変形例２と同様に形成した例を用いて説明したが、各転送トランジスタゲート電極は、上記の第１及び第２の実施形態又は変形例１及び変形例２のいずれかの構造、若しくはこれらと同等の機能を持たせるように設計されたその他の構造であっても本実施形態を適用することができる。
【００５４】
また、上記の実施形態では、１個のフローティングジャンクションが２個の画素により共有される例を示したが、例えば、図１２において、フローティングジャンクション６９と７０とを接続させ、１個のフローティングジャンクションが４個の画素１００，１１０，１２０，１３０により共有される４画素１セルとすることも可能である。
【００５５】
上記に説明したように、本実施形態により２画素１セルの固体撮像装置においても、Ｒ画素のみで転送トランジスタゲート電極を光電変換素子の上方を覆うように延伸して設けることにより、実質的に第２の実施形態と同様に入射光の回折によって生じるクロストークを防止し、画質の低下を防止できる。さらにゲート電極の光の吸収損失が懸念される短波長領域のＧｒ画素、Ｇｂ画素、Ｂ画素では、転送トランジスタゲート電極が光電変換素子の上方に形成されないため、これらの画素の感度が低下することを防止できる。これにより、各画素について隣接する能動素子への半導体基板中での光のクロストークを抑制した固体撮像装置を提供できる。
【００５６】
（変形例３）
変形例３は、Ｒ画素の転送トランジスタゲート電極をさらに延伸させて、隣接する画素ユニットの光電変換素子までの素子間領域、すなわち画素ユニット間を覆うように転送トランジスタゲート電極を設けた固体撮像装置である。
【００５７】
図１５及び図１６を用いて、本変形例の固体撮像装置を説明する。図１５は、本変形例の画素ユニットの一例を示す平面図であり、図１６は、図１５に示した切断線Ｆ２−Ｆ２に沿った断面図である。
【００５８】
本変形例では、図示されたように、例えば、Ｒ画素１０１ｄの転送トランジスタゲート電極６５は、フローティングジャンクション６９を共有するＧｂ画素１２０ｄとは反対側に延伸され、隣接する画素ユニットのＧｂ画素１２０ｂの光電変換素子６３に隣接するように設けられている。
【００５９】
この変形例の効果は、上記の第３の実施形態と同様に、Ｒ画素１０１の光電変換素子６１を被覆する転送トランジスタゲート電極６５をより大きくすることで、Ｒ画素１０１への入射光８１の回折を上記の第３の実施形態よりもさらに減少させることが可能なことである。本変形例の構造にすることで、例えば、斜め入射光などによって入射光集光位置が広がってもクロストークが生じることを有効に抑制できる。
【００６０】
ここでは、各転送トランジスタゲート電極は、上記の変形例２と同様に形成した例を用いて説明したが、各転送トランジスタゲート電極は、上記の第１及び第２の実施形態又は変形例１及び変形例２のいずれかの構造、若しくはこれらと同等の機能を持たせるように設計されたその他の構造であっても本変形例を適用することができる。
【００６１】
以上説明してきたように、本発明の種々の実施形態によれば、画素ユニットの少なくとも１個の画素、例えば、Ｒ画素の転送トランジスタのゲート電極を光電変換素子上に延伸させて設けることにより光の回折現象の発生を防止し、各画素について隣接する能動素子への半導体基板中での光のクロストークを抑制することが可能な固体撮像装置を提供することができる。
【００６２】
本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の精神及び範囲から逸脱しないで、種々の変形を行って実施することができる。それゆえ、本発明は、ここに開示された実施形態に制限することを意図したものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において他の実施形態にも適用でき、広い範囲に適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による固体撮像装置を説明するために示す画素回路構成の一例である。
【図２】図２は、第１の実施形態による固体撮像装置を説明するために示す画素アレイの一例である。
【図３】図３は、第１の実施形態の画素ユニットの一例を示す平面図である。
【図４】図４（ａ），（ｂ）は、第１の実施形態の画素ユニットの一例を示し、図４（ａ）は図３の切断線Ａ１−Ａ１に沿った断面図、図４（ｂ）は図３の切断線Ａ２−Ａ２に沿った断面図である。
【図５】図５は、変形例１の画素ユニットの一例を示す平面図である。
【図６】図６（ａ），（ｂ）は、変形例１の画素ユニットの一例を示し、図６（ａ）は図５の切断線Ｂ１−Ｂ１に沿った断面図、図６（ｂ）は図５の切断線Ｂ２−Ｂ２に沿った断面図である。
【図７】図７は、本発明の第２の実施形態による固体撮像装置を説明するために示す画素ユニットの一例を示す平面図である。
【図８】図８（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態の画素ユニットの一例を示し、図８（ａ）は図７の切断線Ｃ１−Ｃ１に沿った断面図、図８（ｂ）は図７の切断線Ｃ２−Ｃ２に沿った断面図である。
【図９】図９は、変形例２の画素ユニットの一例を示す平面図である。
【図１０】図１０（ａ），（ｂ）は、変形例２の画素ユニットの一例を示し、図１０（ａ）は図９の切断線Ｄ１−Ｄ１に沿った断面図、図１０（ｂ）は図９の切断線Ｄ２−Ｄ２に沿った断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第３の実施形態による固体撮像装置を説明するために示す画素回路構成の一例である。
【図１２】図１２は、第３の実施形態の固体撮像装置を説明するために示す画素ユニットの一例を示す平面図である。
【図１３】図１３は、第３の実施形態の固体撮像装置の断面構造を説明するために示す図１２の切断線Ｅ１−Ｅ１に沿った断面図である。
【図１４】図１４は、第３の実施形態の固体撮像装置の断面構造を説明するために示す図１２の切断線Ｅ２−Ｅ２に沿った断面図である。
【図１５】図１５は、変形例３の画素ユニットの一例を示す平面図である。本変形例の画素ユニットの一例を示す平面図である。
【図１６】図１６は、変形例３の画素ユニットの一例を示す図１５の切断線Ｆ２−Ｆ２に沿った断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０…画素セル，１３…画素ユニット，１４〜１７，６１〜６４…光電変換素子，１８〜２１，６５〜６８…転送トランジスタゲート電極，２２〜２５，６９，７０…フローティングジャンクション，２６〜２９…転送トランジスタ，３０，７４…半導体基板，３１，７５…絶縁膜，３２，７６…金属配線，３５〜３８，７７〜８０…マイクロレンズ，３９〜４２，８１〜８４…入射光，４３〜４６，８６〜８８…回折光，１００…Ｒ画素，１１０…Ｇｒ画素，１２０…Ｇｂ画素，１３０…Ｂ画素。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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