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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2015-230963(P2015-230963A)
(43)【公開日】2015年12月21日
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
   H01L 27/146 20060101AFI20151124BHJP
   H04N 5/369 20110101ALI20151124BHJP
   H04N 5/374 20110101ALI20151124BHJP
【FI】
   H01L27/14 A
   H04N5/335 690
   H04N5/335 740
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】OL
【全頁数】20
(21)【出願番号】特願2014-116381(P2014-116381)
(22)【出願日】2014年6月5日
(71)【出願人】
【識別番号】302062931
【氏名又は名称】ルネサスエレクトロニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100080001
【弁理士】
【氏名又は名称】筒井 大和
(74)【代理人】
【識別番号】100113642
【弁理士】
【氏名又は名称】菅田 篤志
(74)【代理人】
【識別番号】100117008
【弁理士】
【氏名又は名称】筒井 章子
(74)【代理人】
【識別番号】100147430
【弁理士】
【氏名又は名称】坂次 哲也
(72)【発明者】
【氏名】木村 雅俊
【テーマコード(参考)】
4M118
5C024
【Fターム(参考)】
4M118AA04
4M118AB01
4M118BA14
4M118CA02
4M118CA03
4M118CA22
4M118DD04
4M118DD12
4M118FA06
4M118FA28
4M118FA33
5C024CY42
5C024GX14
5C024GX16
5C024GY31
5C024JX00
(57)【要約】
【課題】固体撮像素子を構成する複数の画素のそれぞれに複数の受光素子が設けられた半導体装置において、消費電力を低減させる。
【解決手段】フォトダイオードPD1、PD2を有する画素PEにおいて、フォトダイオードPD1内の電荷を浮遊拡散容量部FDに読み出す転送トランジスタTX1と、フォトダイオードPD1、PD2のそれぞれの電荷を合成して浮遊拡散容量部FDに読み出す転送トランジスタTX2を設ける。これにより、固体撮像素子を用いた撮像などの動作における転送トランジスタへの立ち上げ動作に要する電力を低減する。
【選択図】図3
【特許請求の範囲】
【請求項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む半導体装置。
【請求項2】
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。
【請求項3】
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。
【請求項4】
請求項3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。
【請求項5】
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。
【請求項6】
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。
【請求項7】
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。
【請求項8】
請求項7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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2013−106194号公報
【特許文献2】特開2008−193527号公報
【特許文献3】特開2013−041890号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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。
【0009】
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。
【発明の効果】
【0010】
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。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】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。
図2】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。
図3】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4図3のA−A線における断面図である。
図5】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6図5のB−B線における断面図である。
図7】比較例である半導体装置を示す回路図である。
図8】比較例である半導体装置を示す平面レイアウトである。
【発明を実施するための形態】
【0012】
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。
【0013】
(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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
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。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
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。
【0070】
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。
【0071】
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。
【0072】
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。
【0073】
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。
【0074】
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。
【0075】
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。
【0076】
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。
【0077】
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。
【0078】
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。
【0079】
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。
【0080】
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。
【0081】
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。
【0082】
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。
【0083】
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。
【0084】
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。
【0085】
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。
【0086】
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。
【0087】
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。
【0088】
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。
【0089】
(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。
【0090】
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。
【0091】
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。
【0092】
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。
【0093】
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。
【0094】
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。
【0095】
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。
【0096】
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。
【0097】
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。
【0098】
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。
【0099】
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。
【0100】
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。
【0101】
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。
【0102】
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。
【0103】
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。
【0104】
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。
【0105】
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。
【0106】
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。
【0107】
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。
【0108】
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。
【符号の説明】
【0109】
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
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8