JP2003258231A - 固体撮像素子 - Google Patents

固体撮像素子

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JP2003258231A
JP2003258231A JP2002058502A JP2002058502A JP2003258231A JP 2003258231 A JP2003258231 A JP 2003258231A JP 2002058502 A JP2002058502 A JP 2002058502A JP 2002058502 A JP2002058502 A JP 2002058502A JP 2003258231 A JP2003258231 A JP 2003258231A
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gate
transfer
photodiode
transistor
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Tomoyuki Umeda
智之 梅田
Nobuo Nakamura
信男 中村
Ryoji Suzuki
亮司 鈴木
Hiroaki Fujita
博明 藤田
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Original Assignee
Sony Corp
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    • H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/80—Constructional details of image sensors
    • H10F39/803—Pixels having integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10F39/802—Geometry or disposition of elements in pixels, e.g. address-lines or gate electrodes

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光電変換素子の開口率への影響を最小限に抑
えつつ、例えば転送ゲート部のポテンシャルを有効に制
御して転送残りをなくす。 【解決手段】 フォトダイオード１１０とＦＤ部１１２
は、転送ゲート部１１４を介して並列に配置され、転送
ゲート部１１４の上部には、転送電極１１４Ａが配置さ
れている。この転送電極１１４Ａは、本体部１１４Ａ１
と拡張部１１４Ａ２とを有し、ゲート長方向に拡大した
ものとなっている。このように転送電極１１４Ａに部分
的な拡張部１１４Ａ２を設けることにより、フォトダイ
オード１１０の受光部の面積の減少量を少なく（開口率
を大きく）しつつ、転送電極１１４Ａの変調度を大きく
することが可能である。この結果、転送残りを起き難く
し、完全転送に適した固体撮像素子を構成できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、撮像領域を構成す
る複数の画素に光電変換素子とその信号電荷の読み出し
回路を構成する少なくとも１つ以上のトランジスタとを
設けた固体撮像素子に関し、特にトランジスタのゲート
部の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、半導体基板上に単位画素を２
次元配列した撮像領域を設け、各画素内に光電変換素子
としてのフォトダイオード（ＰＤ）と、このフォトダイ
オードによって生成された信号電荷をフローティングデ
ィフュージョン（以下、ＦＤ部という）部に転送する転
送トランジスタと、前記フローティングディフュージョ
ン部に転送された信号電荷量を検出して電気信号に変換
する増幅トランジスタと、増幅トランジスタの出力を出
力信号線に選択的に送出する選択トランジスタと、前記
フローティングディフュージョン部の信号電荷をリセッ
トするリセットトランジスタ等を設けて構成されるＣＭ
ＯＳ型固体撮像素子が知られている。
【０００３】図１６は、このような従来の固体撮像素子
における画素内のフォトダイオード周辺部の素子配置例
（第１の従来例）を示す平面図である。図示のように、
フォトダイオード１０とＦＤ部１２は、転送ゲート部１
４を介して並列に配置されている。そして、転送ゲート
部１４の上部には、転送電極（ＴＧ）１４Ａが配置され
ており、この転送電極１４Ａの端部は、コンタクト１４
Ｂを介して上部配線（図示せず）に接続されている。こ
のような素子配置において、転送電極１４Ａに所定の電
圧を印加することにより、フォトダイオード１０の信号
電荷が転送ゲート部１４のチャネル領域を通ってＦＤ部
１２側に読み出される。
【０００４】また、図１７（Ａ）（Ｂ）は、図１６に示
す素子配置における半導体基板内の素子構造を示す断面
図である。図示のように半導体基板（Ｎ型シリコン基
板）２０の上には、Ｐ型ウエル領域２２が形成されてお
り、フォトダイオード１０は、上層のＰ＋層１０Ａと下
層のＮ層１０Ｂとから構成されている。また、ＦＤ部１
２はフォトダイオード１０から所定の間隔だけ離れた位
置にＮ＋領域を形成したものである。そして、フォトダ
イオード１０とＦＤ部１２との間のＰ型領域が転送ゲー
ト部１４となっており、その上面に転送電極１４Ａが配
置されている。なお、画素の周辺部には、ＬＯＣＯＳ等
による素子分離領域１６が設けられ、隣接する画素と電
気的に分離されている。
【０００５】ここで、転送電極１４ＡにＬｏｗ電圧を印
加して転送ゲート１４をＯＦＦした状態では、図１７
（Ａ）に示すように、転送電極１４Ａの下にはチャネル
はできておらず、Ｐ型になっている。そして、転送電極
１４Ａに電源電圧を印加して転送ゲート１４をＯＮした
時には、図１７（Ｂ）に示すように、転送電極１４Ａの
下の部分に信号電荷１８が集まり、Ｎ型のチャネルが形
成される。
【０００６】また、図１８は従来の固体撮像素子におけ
る画素内のフォトダイオード周辺部の他の素子配置例
（第２の従来例）を示す平面図である（ＩＳＳＣＣ（20
00年）における論文「A ImageSensor with a Simple FP
N-reductionTechnology and aHole Accumulated Diod
e」参照）。この例では、ＦＤ部３２がフォトダイオー
ド３０に対して斜めの位置に配置されており、転送ゲー
ト部３４および転送電極３４Ａは、ＦＤ部３２の２つの
側面を包囲するように直角に曲折した状態で配置されて
いる。なお、転送電極３４Ａの端部は、コンタクト３４
Ｂを介して上部配線（図示せず）に接続されている。こ
のような素子配置においても、転送電極３４Ａに所定の
電圧を印加することにより、フォトダイオード３０の信
号電荷が転送ゲート部３４のチャネル領域を通ってＦＤ
部３２側に読み出される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記第１の
従来例においては、転送ゲート部１４のチャネル領域に
おけるゲート長（すなわち、転送電極１４Ａのゲート長
方向の幅）が単一（図１６で示すＬ１）である。しか
し、このような転送電極の場合、転送電極１４Ａによる
ゲート長が小さいため、転送電極１４Ａの変調度が小さ
いため、印加電圧をＯＮした時の転送電極１４Ａの下部
領域におけるポテンシャル電位は小さいままである。こ
のため、転送電極１４ＡをＯＮしてもその下部領域のポ
テンシャル電位がフォトダイオードのポテンシャル電位
よりも小さいので、フォトダイオードに信号電荷が残る
転送残りが発生してしまう。
【０００８】つまりフォトダイオードからＦＤ部への完
全転送ができにくくなる。逆にゲート長が大きいと、変
調度が大きいので、印加電圧をＯＮした時の転送電極の
下部領域のポテンシャル電位は大きくできる。そこで、
転送電極のゲート長方向の幅（Ｌ１）を全体的に大きく
することは可能であるが、単純に広げただけでは、フォ
トダイオードの開口率が狭くなり、飽和信号電荷量も少
なくなってしまう（逆に開口率を同一に保とうとすれ
ば、素子面積が大きくなってしまう）。特に、微細画素
では飽和信号電荷量の低下は非常に問題になる。そこ
で、フォトダイオードの面積の減少を抑制しつつ、転送
電極の変調度を大きくする工夫が望まれていた。
【０００９】図１８に示す従来例は、このような課題を
解決するものであり、転送電極の図形形状を直角に折り
曲げたものとすることにより、ゲート長方向の幅を拡大
したものである。このような転送電極において、ゲート
長は直角三角形の定理からＬ１の√２倍となる。しかし
ながら、実際のリソグラフィプロセスでは、コーナ部の
図形形状が丸くなってしまい、コーナ部のゲート長はＬ
１とほぼ同じような長さになっていると考えられる。ま
た、この第２の従来例の構造では、ゲート長Ｌ１’にな
っている部分が両側の影響を受けてしまうので、ゲート
長の長くなっている部分のゲート幅はある程度の幅が必
要である。なお、同様の問題は、転送ゲートに限らず、
画素内の読み出し回路を構成する他のトランジスタ、例
えばリセットゲート等にも生じるものである。
【００１０】そこで本発明の目的は、光電変換素子の開
口率への影響を最小限に抑えつつ、転送トランジスタや
リセットトランジスタのゲート部のポテンシャルを有効
に制御して不十分なポテンシャル変調度による電荷残り
をなくすことが可能な固体撮像素子を提供することにあ
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するため、半導体基板に複数の画素よりなる撮像領域を
有し、前記複数の画素が、受光量に応じた信号電荷を生
成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生成
された信号電荷の読み出し回路を構成する少なくとも１
つ以上のトランジスタとを有して構成された固体撮像装
置において、前記少なくとも１つ以上のトランジスタの
うちの少なくとも１つのトランジスタのゲート部がゲー
ト長方向に複数の幅を有する帯状部を有して構成される
ことを特徴とする。本発明の固体撮像素子では、画素内
のトランジスタのゲート部がゲート長方向に複数の幅を
有する帯状部を有して構成されることから、ゲート部全
体を大きくした場合のように光電変換素子の開口率を大
きく阻害することなく、ゲート部のゲート長を大きくし
てポテンシャル変調度を大きくし、不十分なポテンシャ
ル変調度による電荷残りをなくすことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明による固体撮像素子
の実施の形態例について説明する。なお、以下に説明す
る実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的
に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲
は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記
載がない限り、これらの態様に限定されないものとす
る。
【００１３】本実施の形態は、半導体基板上に単位画素
を２次元配列した撮像領域を設け、各画素内に光電変換
素子としてのフォトダイオード（ＰＤ）と、このフォト
ダイオードによって生成された信号電荷をフローティン
グディフュージョン（以下、ＦＤ部という）部に転送す
る転送トランジスタ（転送ゲート部）と、ＦＤ部に転送
された信号電荷量を検出して電気信号に変換する増幅ト
ランジスタと、増幅トランジスタの出力を出力信号線に
選択的に送出する選択トランジスタと、ＦＤ部の信号電
荷をリセットするリセットトランジスタ等を設けて構成
されるＣＭＯＳ型固体撮像素子において、撮像領域の各
画素に設けられる転送ゲート部の転送電極（ＴＧ）をゲ
ート長方向に部分的に拡大することにより、転送電極に
よる変調度を増加させ、転送ＯＮ時における転送電極下
のチャネル電位を大きくし、フォトダイオード（ＰＤ）
の信号電荷を完全転送で読み出せるようにしたものであ
る。
【００１４】図１は、本発明の第１の実施の形態例によ
る固体撮像素子の画素内のフォトダイオード周辺部の素
子配置例を示す平面図である。図示のように、フォトダ
イオード１１０とＦＤ部１１２は、転送ゲート部１１４
を介して並列に配置されている。そして、転送ゲート部
１１４の上部には、ポリシリコン膜よりなる転送電極１
１４Ａが配置されており、この転送電極１１４Ａの端部
は、コンタクト１１４Ｂを介して上部配線（図示せず）
に接続されている。そして、本例の転送電極１１４Ａ
は、図１０に示した従来例と同一形状の本体部１１４Ａ
１と、フォトダイオード１１０側に延在した拡張部１１
４Ａ２とを一体に設けたものである。
【００１５】本体部１１４Ａ１と拡張部１１４Ａ２は、
それぞれ真直ぐな帯状に形成されており、拡張部１１４
Ａ２は、ゲート幅方向に本体部１１４Ａ１のほぼ半分の
部分に設けられている。転送電極１１４Ａのゲート長方
向の幅は、拡張部１１４Ａ２を設けない部分では、従来
例と同じ本体部１１４Ａ１のＬ１であるが、拡張部１１
４Ａ２を設けた箇所ではＬ２に拡張される。なお、図で
は本体部１１４Ａ１と拡張部１１４Ａ２とを区別して示
しているが、これらは同一レイヤのポリシリコン電極膜
で構成されており、同一の駆動電圧が印加されるもので
ある。このような素子配置において、転送電極１１４Ａ
に所定の電圧を印加することにより、フォトダイオード
１１０の信号電荷が転送ゲート部１１４のチャネル領域
を通ってＦＤ部１１２側に読み出される。
【００１６】また、図２（Ａ）（Ｂ）は、図１に示す素
子配置における半導体基板内の素子構造を示す断面図で
ある。図示のように半導体基板（Ｎ型シリコン基板）１
２０の上には、Ｐ型ウエル領域１２２が形成されてお
り、フォトダイオード１１０は、上層のＰ＋層１１０Ａ
と下層のＮ層１１０Ｂとから構成されている。また、Ｆ
Ｄ部１１２はフォトダイオード１１０から所定の間隔だ
け離れた位置にＮ＋領域を形成したものである。そし
て、フォトダイオード１１０とＦＤ部１１２との間のＰ
型領域が転送ゲート部１１４となっており、その上面に
転送電極１１４Ａが配置されている。なお、画素の周辺
部には、ＬＯＣＯＳ等による素子分離領域１１６が設け
られ、隣接する画素と電気的に分離されている。
【００１７】ここで、転送電極１１４ＡにＬｏｗ電圧を
印加して転送ゲート部１１４をＯＦＦした状態では、図
２（Ａ）に示すように、転送電極１１４Ａの下にはチャ
ネルはできておらず、Ｐ型になっている。そして、転送
電極１１４Ａに電源電圧を印加して転送ゲート１１４を
ＯＮした時には、図２（Ｂ）に示すように、転送電極１
１４Ａの下の部分に信号電荷１１８が集まり、Ｎ型のチ
ャネルが形成される。本例では、上述のような一部に拡
張部１１４Ａ２を有する転送電極１１４Ａによってゲー
ト長が拡大されている。
【００１８】次に、このような電圧印加時の作用につい
てやや詳細に説明する。 （１）まず、転送電極１１４Ａに電源電圧を印加する。 （２）これにより、Ｐ型ウエル領域１２２の転送電極１
１４Ａに対応する表面部分（Ｐ型）、すなわちゲート部
１１４にＮ型が生成される。 （３）この転送電極１１４Ａに対応する表面部分（Ｎ
型）に信号電荷が集約される。 （４）Ｎ型の生成、信号電荷集約と同時に変調差が起き
る。 （５）この変調差が起きると同時にフォトダイオード
（Ｐ型）１１０にあった信号電荷が転送電極（Ｎ−型）
１１４Ａを通ってＦＤ部（Ｎ＋型）１１２に流れ込む。
【００１９】以上のような動作において、転送電極１１
４Ａに部分的な拡張部１１４Ａ２を設けることにより、
フォトダイオード１１０の受光部の面積の減少量を少な
く（開口率を大きく）しつつ、転送電極１１４Ａの変調
度を大きくすることが可能である。この結果、転送残り
を起き難くし、完全転送に適した固体撮像素子を構成で
きる。図３は、このような本例の固体撮像素子による変
調度を従来例と比較して示す説明図であり、横軸がゲー
ト電圧（Ｖ）、縦軸がポテンシャル電圧（Ｖ）を示して
いる。図示のように、実線ａで示す本例の固体撮像素子
によれば、破線ｂで示す従来例に比べて、小さいゲート
電圧で急峻なポテンシャル変化を得ることが可能であ
る。
【００２０】図４は、本発明の第２の実施の形態例によ
る固体撮像素子の画素内のフォトダイオード周辺部の素
子配置例を示す平面図である。なお、図１に示す例と共
通する構成については同一符号を付して説明は省略す
る。本例の固体撮像素子は、フォトダイオード１１０に
対して斜めの位置にＦＤ部１１２が配置されており、転
送ゲート部１３０の転送電極１３０Ａは斜め方向に配置
されている。そして、本例の転送電極１３０Ａは、それ
ぞれ真直ぐな帯状に形成された本体部１３０Ａ１と拡張
部１３０Ａ２とを一体に設けたものであり、拡張部１３
０Ａ２は、ゲート幅方向に本体部１３０Ａ１のほぼ半分
の部分に設けられている。なお、転送電極１３０Ａの本
体部１３０Ａ１の端部は、コンタクト１３０Ｂを介して
上部配線（図示せず）に接続されている。本例において
も、拡張部１３０Ａ２を設けることにより、転送電極１
１４Ａのゲート長方向の幅は、拡張部１３０Ａ２を設け
ない部分では本体部１３０Ａ１のＬ１であるが、拡張部
１３０Ａ２を設けた箇所ではＬ２に拡張され、転送電極
１３０Ａによる変調度が増大される。
【００２１】図５は、本発明の第３の実施の形態例によ
る固体撮像素子の画素内のフォトダイオード周辺部の素
子配置例を示す平面図である。なお、図１に示す例と共
通する構成については同一符号を付して説明は省略す
る。本例の固体撮像素子は、フォトダイオード１１０に
対して斜めの位置にＦＤ部１１２が配置されており、転
送ゲート部１４０の転送電極１４０ＡはＦＤ部１１２を
２つの側面を包囲するように直角に曲折した状態で配置
されている。そして、本例においても、転送電極１４０
Ａが本体部１４０Ａ１と拡張部１４０Ａ２とを有し、９
０度直角に屈曲した本体部１４０Ａ１の外側コーナ部に
拡張部１４０Ａ２が一体に設けられている。なお、転送
電極１４０Ａの本体部１４０Ａ１の端部には、コンタク
ト１４０Ｂを介して上部配線（図示せず）に接続されて
いる。このような構成により、転送電極１４０Ａのコー
ナ部の幅は、Ｌ１からＬ２に拡張され、転送電極１４０
Ａによる変調度が増大される。
【００２２】図６は、本発明の第４の実施の形態例によ
る固体撮像素子の画素内のフォトダイオード周辺部の素
子配置例を示す平面図である。なお、図１に示す例と共
通する構成については同一符号を付して説明は省略す
る。本例の固体撮像素子は、フォトダイオード１１０と
ＦＤ部１１２との間の１つのゲート部１５０に対し、レ
イヤの異なる２つの転送電極１５２Ａ、１５４Ａを設け
たものである。各転送電極１５２Ａ、１５４Ａは、ゲー
ト部１５０の両側からゲート部１５０上に延びており、
下層に配置される一方の転送電極１５２Ａはゲート幅全
体にわたって配置され、上層に配置される他方の転送電
極１５４Ａはゲート幅の中途位置まで配置されている。
なお、各転送電極１５２Ａ、１５４Ａの端部には、コン
タクト１５２Ｂ、１５４Ｂを介して上部配線（図示せ
ず）に接続されている。そして、各転送電極１５２Ａ、
１５４Ａが一定量だけゲート長方向にずれた状態で配置
されることにより、ゲート長方向の幅が転送電極１５２
Ａだけの場合のＬ１から、２つの転送電極１５２Ａ、１
５４Ａを合わせた場合のＬ２に拡張され、転送電極１５
２Ａ、１５４Ａによる変調度が増大される。
【００２３】図７は、本発明の第５の実施の形態例によ
る固体撮像素子の画素内のフォトダイオード周辺部の素
子配置例を示す平面図である。なお、図１に示す例と共
通する構成については同一符号を付して説明は省略す
る。本例の固体撮像素子は、図６に示す例と同様にレイ
ヤの異なる２つの転送電極１６２Ａ、１６４Ａを設けた
ものであり、一方（下層）の転送電極１６２Ａは転送電
極１５２Ａと同様であるが、他方（上層）の転送電極１
６４Ａは一部だけがフォトダイオード１１０側に延在し
た形状を有している。なお、各転送電極１６２Ａ、１６
４Ａの端部には、コンタクト１６２Ｂ、１６４Ｂを介し
て上部配線（図示せず）に接続されている。このような
構成においても、ゲート長方向の幅が転送電極１６２Ａ
だけの場合のＬ１から、２つの転送電極１６２Ａ、１６
４Ａを合わせた場合のＬ２に拡張され、転送電極１６２
Ａ、１６４Ａによる変調度が増大される。
【００２４】図８は、本発明の第６の実施の形態例によ
る固体撮像素子の画素内のフォトダイオード周辺部の素
子配置例を示す平面図である。なお、図１に示す例と共
通する構成については同一符号を付して説明は省略す
る。本例の固体撮像素子は、フォトダイオード１１０の
一部を包含する状態（図中斜線で示す）でフォトゲート
（ＰＧ）１７０を設けたものである。このフォトゲート
１７０は、フォトダイオード１１０の表面電位をビニン
グし、暗電流の発生を抑える機能を有する。
【００２５】また、転送ゲート部１８０は、フォトダイ
オード１１０のフォトゲート１７０が設けられていない
側部に設けられており、この転送ゲート部１８０に例え
ば上述した第１の実施の形態例と同様の転送電極１８０
Ａが設けられている。すなわち、この転送電極１８０Ａ
は本体部１８０Ａ１と拡張部１８０Ａ２とを有し、本体
部１８０Ａ１の端部がコンタクト１８０Ｂを介して上部
配線に接続されている。このような構成においても、ゲ
ート長方向の幅がＬ１からＬ２に拡張され、転送電極１
８０Ａによる変調度が増大され、フォトダイオード１１
０およびフォトゲート１７０の信号電荷を有効に転送す
ることが可能である。
【００２６】図９は、本発明の第７の実施の形態例によ
る固体撮像素子の画素内のフォトダイオード周辺部の素
子配置例を示す平面図である。なお、図１に示す例と共
通する構成については同一符号を付して説明は省略す
る。本例の固体撮像素子は、フォトダイオード１１０の
全体がフォトゲート（ＰＧ）１７２に内包された状態
（図中斜線で示す）で配置されたものであり、フォトゲ
ート１７２の一部が転送ゲート部１９０のチャネル領域
上に被さる状態で配置されている。また、転送ゲート部
１９０の上には、フォトゲート１７２の下側に配置され
た状態で例えば上述した第１の実施の形態例と同様の転
送電極１９０Ａが設けられている。すなわち、この転送
電極１９０Ａは本体部１９０Ａ１と拡張部１９０Ａ２と
を有し、本体部１９０Ａ１の端部がコンタクト１９０Ｂ
を介して上部配線に接続されている。このような構成に
おいても、ゲート長方向の幅がＬ１からＬ２に拡張さ
れ、転送電極１９０Ａによる変調度が増大され、フォト
ダイオード１１０およびフォトゲート１７２の信号電荷
を有効に転送することが可能である。
【００２７】以下、本発明の第８〜第１２の実施の形態
例について説明する。本件出願人は、例えば特願２００
１−３４０４４０号等において、画素内で隣接して配置
される転送トランジスタと転送選択トランジスタの２つ
のゲート電極を異なるレイヤの電極膜（ポリシリコン
膜）で形成し、かつ、２つのゲート電極膜を互いに一部
重複して配置した構造のものを提案している。すなわ
ち、この固体撮像素子は、垂直選択信号に基づいて制御
される転送トランジスタと、この転送トランジスタを水
平選択信号に基づいて制御する転送選択トランジスタを
設けたものであり、上述した増幅トランジスタ、リセッ
トトランジスタ、選択トランジスタに加えて合計５つの
トランジスタを画素内に配置したものである。
【００２８】そして、このような画素構成において、転
送トランジスタと転送選択トランジスタの２つのゲート
電極を一部重複して配置し、２つのゲート部のチャネル
を連続的に形成するとともに、そのゲート電位を下層の
ウエル領域に対して負電位に設定することにより、その
空乏化を抑制し、リーク電流を減少させてノイズの少な
い固体撮像素子を実現するようにしたものである。特に
フォトダイオード側の転送トランジスタのゲート電位を
負電位とすることで、フォトダイオードに影響のあるリ
ーク電流を抑えることができる。そこで、以下の実施の
形態では、このような２つのゲート電極を一部重複して
配置する構成に対し、上述したゲート部がゲート長方向
に複数の幅を有する帯状部を設けた構成を適用し、両者
の特徴を組み合わせることで、より有効な作用効果を得
るようにした例について説明する。
【００２９】図１０は、本発明の第８の実施の形態例に
よる固体撮像素子の画素内のフォトダイオード周辺部の
素子配置例を示す平面図である。なお、図１に示す例と
共通する構成については同一符号を付して説明は省略す
る。本例の固体撮像素子は、例えば図１に示した本体部
と拡張部を設けたゲート電極を転送トランジスタと転送
選択トランジスタの２層構造のゲート電極に適用したも
のである。すなわち、図１０において、フォトダイオー
ド１１０とＦＤ部１１２は、転送ゲート部２１０を介し
て並列に配置されている。そして、転送ゲート部２１０
の上部には、２層の転送電極２１１Ａ、２１２Ａが配置
されており、これらの転送電極２１１Ａ、２１２Ａの端
部は、コンタクト２１１Ｂ、２１２Ｂを介して上部配線
（図示せず）に接続されている。
【００３０】転送電極２１１Ａ、２１２Ａは、互いに同
一形状（または類似形状）に形成され、転送電極２１１
Ａは本体部２１１Ａ１と拡張部２１１Ａ２とを一体に設
けたものであり、転送電極２１２Ａは本体部２１２Ａ１
と拡張部２１２Ａ２とを一体に設けたものである。ま
た、このような転送電極２１１Ａ、２１２Ａは、絶縁膜
を介して一部重なり合った状態で配置され、下層の転送
電極２１１Ａが転送トランジスタのゲート部を構成し、
上層の転送電極２１２Ａが転送選択トランジスタのゲー
ト部を構成している。
【００３１】また、図１１（Ａ）（Ｂ）は、図１０に示
す素子配置における半導体基板内の素子構造を示す断面
図である。なお、図２に示す例と共通する構成について
は同一符号を付して説明は省略する。図示のように半導
体基板（Ｎ型シリコン基板）１２０の上には、Ｐ型ウエ
ル領域１２２が形成されており、フォトダイオード１１
０は、上層のＰ＋層１１０Ａと下層のＮ層１１０Ｂとか
ら構成されている。また、ＦＤ部１１２はフォトダイオ
ード１１０から所定の間隔だけ離れた位置にＮ＋領域を
形成したものである。そして、フォトダイオード１１０
とＦＤ部１１２との間のＰ型領域が転送トランジスタと
転送選択トランジスタの連続するゲート部２１３となっ
ており、その上面に転送電極２１１Ａ、２１２Ａが配置
されている。なお、画素の周辺部には、ＬＯＣＯＳ等に
よる素子分離領域１１６が設けられ、隣接する画素と電
気的に分離されている。
【００３２】ここで、転送電極２１１Ａ、２１２ＡにＬ
ｏｗ電圧を印加して転送ゲート部２１３をＯＦＦした状
態では、図１１（Ａ）に示すように、転送電極２１１
Ａ、２１２Ａの下にはチャネルはできておらず、Ｐ型に
なっている。そして、両方の転送電極２１１Ａ、２１２
Ａに電源電圧を印加して転送ゲート２１３をＯＮした時
には、図１１（Ｂ）に示すように、転送電極２１１Ａ、
２１２Ａの下の部分に信号電荷１１８が集まり、Ｎ型の
チャネルが形成される。なお、片方の転送電極２１１
Ａ、２１２Ａに電源電圧を印加しただけでは、転送ゲー
ト２１３はＯＦＦしたままとなる。本例では、上述のよ
うな一部に拡張部２１１Ａ２、２１２Ａ２を有する転送
電極２１１Ａ、２１２Ａによってゲート長が拡大されて
おり、ポテンシャル変調度を大きくすることができ、か
つ、リーク電流の抑制を実現した転送ゲート部を実現で
きる。
【００３３】図１２は、本発明の第９の実施の形態例に
よる固体撮像素子の画素内のフォトダイオード周辺部の
素子配置例を示す平面図である。なお、図１に示す例と
共通する構成については同一符号を付して説明は省略す
る。本例の固体撮像素子は、例えば図４に示した本体部
と拡張部を設けた斜めのゲート電極を転送トランジスタ
と転送選択トランジスタの２層構造のゲート電極に適用
したものである。本例の固体撮像素子は、フォトダイオ
ード１１０に対して斜めの位置にＦＤ部１１２が配置さ
れており、転送ゲート部２３０の転送電極２３１Ａ、２
３２Ａは斜め方向に配置されている。そして、転送電極
２３１Ａ、２３２Ａは、互いに同一形状（または類似形
状）に形成され、転送電極２３１Ａは、本体部２３１Ａ
１と拡張部２３１Ａ２とを一体に設けたものであり、転
送電極２３２Ａは、本体部２３２Ａ１と拡張部２３２Ａ
２とを一体に設けたものである。また、なお、転送電極
２３１Ａ、２３２Ａの本体部２３１Ａ１、２３２Ａ１の
端部は、コンタクト２３１Ｂ、２３２Ｂを介して上部配
線（図示せず）に接続されている。
【００３４】図１３は、本発明の第１０の実施の形態例
による固体撮像素子の画素内のフォトダイオード周辺部
の素子配置例を示す平面図である。なお、図１に示す例
と共通する構成については同一符号を付して説明は省略
する。本例の固体撮像素子は、例えば図５に示した本体
部と拡張部を設けた曲折を有するゲート電極を転送トラ
ンジスタと転送選択トランジスタの２層構造のゲート電
極に適用したものである。本例の固体撮像素子は、フォ
トダイオード１１０に対して斜めの位置にＦＤ部１１２
が配置されており、転送ゲート部２４０の転送電極２４
１Ａ、２４２ＡはＦＤ部１１２を２つの側面を包囲する
ように直角に曲折した状態で配置されている。そして、
転送電極２４１Ａ、２４２Ａは、互いに同一形状（また
は類似形状）に形成され、転送電極２４１Ａは、９０度
直角に屈曲した本体部２４１Ａ１の外側コーナ部に拡張
部２４１Ａ２が一体に設けられたものであり、転送電極
２４２Ａは、９０度直角に屈曲した本体部２４２Ａ１の
外側コーナ部に拡張部２４２Ａ２が一体に設けられたも
のである。なお、転送電極２４１Ａ、２４２Ａの本体部
２４１Ａ１、２４２Ａ１の端部には、コンタクト２４１
Ｂ、２４２Ｂを介して上部配線（図示せず）に接続され
ている。
【００３５】図１４は、本発明の第１１の実施の形態例
による固体撮像素子の画素内のフォトダイオード周辺部
の素子配置例を示す平面図である。なお、図１に示す例
と共通する構成については同一符号を付して説明は省略
する。本例の固体撮像素子は、例えば図８に示した例と
同様に、フォトダイオード１１０の一部を包含する状態
（図中斜線で示す）でフォトゲート（ＰＧ）１７０を設
けた場合のゲート電極を転送トランジスタと転送選択ト
ランジスタの２層構造のゲート電極に適用したものであ
る。フォトダイオード１１０によって生成される信号電
荷の一部を蓄積し、転送ゲート部２５０の作動によって
フォトダイオード１１０の信号電荷とともに、フォトゲ
ート１７０の信号電荷が読み出されるようになってい
る。転送ゲート部２５０は、フォトダイオード１１０の
フォトゲート１７０が設けられていない側部に設けられ
ており、この転送ゲート部２５０に例えば第８の実施の
形態例と同様の２層構造による転送電極２５１Ａ、２５
２Ａが設けられている。転送電極２５１Ａ、２５２Ａ
は、互いに同一形状（または類似形状）に形成され、転
送電極２５１Ａは本体部２５１Ａ１と拡張部２５１Ａ２
とを一体に設けたものであり、転送電極２５２Ａは本体
部２５２Ａ１と拡張部２５２Ａ２とを一体に設けたもの
である。また、転送電極２５１Ａ、２５２Ａの本体部２
５１Ａ１、２５２Ａ１の端部は、コンタクト２５１Ｂ、
２５２Ｂを介して上部配線（図示せず）に接続されてい
る。
【００３６】図１５は、本発明の第１２の実施の形態例
による固体撮像素子の画素内のフォトダイオード周辺部
の素子配置例を示す平面図である。なお、図１に示す例
と共通する構成については同一符号を付して説明は省略
する。本例の固体撮像素子は、例えば図９に示した例と
同様に、フォトダイオード１１０全体を包含する状態
（図中斜線で示す）でフォトゲート（ＰＧ）１７２を設
けた場合のゲート電極を転送トランジスタと転送選択ト
ランジスタの２層構造のゲート電極に適用したものであ
る。本例の固体撮像素子は、フォトダイオード１１０の
全体がフォトゲート（ＰＧ）１７２に内包された状態で
配置されたものであり、フォトゲート１７２の一部が転
送ゲート部２６０のチャネル領域上に被さる状態で配置
されている。また、転送ゲート部２６０の上には、フォ
トゲート１７２の下側に配置された状態で転送電極２６
１Ａ、２６２Ｂが設けられている。転送電極２６１Ａ、
２６２Ａは、互いに同一形状（または類似形状）に形成
され、転送電極２６１Ａは、本体部２６１Ａ１と拡張部
２６１Ａ２とを有し、本体部２６１Ａ１の端部がコンタ
クト２６１Ｂを介して上部配線に接続されている。ま
た、転送電極２６２Ａは、本体部２６２Ａ１と拡張部２
６２Ａ２とを有し、本体部２６２Ａ１の端部がコンタク
ト２６２Ｂを介して上部配線に接続されている。
【００３７】なお、以上の例では、本発明を転送トラン
ジスタのゲート部の形状に適用した例について説明した
が、本発明は、例えばリセットトランジスタ等の他のト
ランジスタのゲート部の形状にも適用することが可能で
あり、このような構成も本発明の範囲に含まれるものと
する。また、本発明を適用する固体撮像素子の構成とし
ては、上記の例に限定されるものではなく、少なくとも
１画素内に光電変換素子とその読み出し回路を構成する
少なくとも１つ以上のトランジスタを含むものであれば
よい。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像素
子によれば、画素内のトランジスタのゲート部がゲート
長方向に複数の幅を有する帯状部を有して構成されるこ
とから、ゲート部全体を大きくした場合のように光電変
換素子の開口率を大きく阻害することなく、ゲート部の
ゲート長を大きくしてポテンシャル変調度を大きくし、
不十分なポテンシャル変調度による電荷残りをなくすこ
とができ、固体撮像素子における画質の向上等を図るこ
とが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態例による固体撮像素
子の画素内のフォトダイオード周辺部の素子配置例を示
す平面図である。
【図２】図１に示す素子配置における半導体基板内の素
子構造を示す断面図である。
【図３】図１に示す素子配置をもった固体撮像素子にお
ける変調度を従来例と比較して示す説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態例による固体撮像素
子の画素内のフォトダイオード周辺部の素子配置例を示
す平面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態例による固体撮像素
子の画素内のフォトダイオード周辺部の素子配置例を示
す平面図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態例による固体撮像素
子の画素内のフォトダイオード周辺部の素子配置例を示
す平面図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態例による固体撮像素
子の画素内のフォトダイオード周辺部の素子配置例を示
す平面図である。
【図８】本発明の第６の実施の形態例による固体撮像素
子の画素内のフォトダイオード周辺部の素子配置例を示
す平面図である。
【図９】本発明の第７の実施の形態例による固体撮像素
子の画素内のフォトダイオード周辺部の素子配置例を示
す平面図である。
【図１０】本発明の第８の実施の形態例による固体撮像
素子の画素内のフォトダイオード周辺部の素子配置例を
示す平面図である。
【図１１】図１０に示す素子配置における半導体基板内
の素子構造を示す断面図である。
【図１２】本発明の第９の実施の形態例による固体撮像
素子の画素内のフォトダイオード周辺部の素子配置例を
示す平面図である。
【図１３】本発明の第１０の実施の形態例による固体撮
像素子の画素内のフォトダイオード周辺部の素子配置例
を示す平面図である。
【図１４】本発明の第１１の実施の形態例による固体撮
像素子の画素内のフォトダイオード周辺部の素子配置例
を示す平面図である。
【図１５】本発明の第１２の実施の形態例による固体撮
像素子の画素内のフォトダイオード周辺部の素子配置例
を示す平面図である。
【図１６】従来の固体撮像素子における画素内のフォト
ダイオード周辺部の素子配置例（第１の従来例）を示す
平面図である。
【図１７】図１６に示す素子配置を有する固体撮像素子
における半導体基板内の素子構造を示す断面図である。
【図１８】従来の固体撮像素子における画素内のフォト
ダイオード周辺部の他の素子配置例（第２の従来例）を
示す平面図である。
【符号の説明】
１１０……フォトダイオード、１１０Ａ……Ｐ＋層、１
１０Ｂ……Ｎ層、１１２……ＦＤ部、１１４……転送ゲ
ート部、１１４Ａ……転送電極、１１４Ａ１……本体
部、１１４Ａ２……拡張部、１１４Ｂ……コンタクト、
１１６……素子分離領域、１１８……信号電荷、１２０
……半導体基板、１２２……Ｐ型ウエル領域。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 亮司 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 藤田 博明 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 Ｆターム(参考） 4M118 AA03 AA10 AB01 BA14 CA04 CA07 CA20 DD04 DD12 FA06 FA28 FA33 5C024 CX17 GX03 GY18 GY31 HX40

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板に複数の画素よりなる撮像領
    域を有し、前記複数の画素が、受光量に応じた信号電荷
    を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって
    生成された信号電荷の読み出し回路を構成する少なくと
    も１つ以上のトランジスタとを有して構成された固体撮
    像装置において、 前記少なくとも１つ以上のトランジスタのうちの少なく
    とも１つのトランジスタのゲート部がゲート長方向に複
    数の幅を有する帯状部を有して構成される、 ことを特徴とする固体撮像素子。
  2. 【請求項２】 前記複数の画素内に前記光電変換素子に
    よって生成された信号電荷を貯留するフローティングデ
    ィフュージョン部を有することを特徴とする請求項１記
    載の固体撮像素子。
  3. 【請求項３】 前記１つのトランジスタは、前記光電変
    換素子によって生成された信号電荷を読出してフローテ
    ィングディフュージョン部に転送する転送トランジスタ
    であることを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
  4. 【請求項４】 前記１つのトランジスタは、前記フロー
    ティングディフュージョン部に転送された信号電荷をリ
    セットするリセットトランジスタであることを特徴とす
    る請求項２記載の固体撮像素子。
  5. 【請求項５】 前記１つのトランジスタのゲート部上に
    配置されるゲート電極が前記ゲート部のチャネル領域の
    上部領域内でゲート長方向に複数の幅を有する帯状部を
    有して構成されることを特徴とする請求項１記載の固体
    撮像素子。
  6. 【請求項６】 前記複数の画素を隣接する画素から分離
    する素子分離領域を有することを特徴とする請求項１記
    載の固体撮像素子。
  7. 【請求項７】 前記複数の画素内に前記フローティング
    ディフュージョン部の信号電荷を検出して電気信号に変
    換する増幅トランジスタを有することを特徴とする請求
    項２記載の固体撮像素子。
  8. 【請求項８】 前記ゲート電極は、前記ゲート部のチャ
    ネル領域の上部領域内で曲折部を有していることを特徴
    とする請求項５記載の固体撮像素子。
  9. 【請求項９】 前記ゲート電極は、前記ゲート部のチャ
    ネル領域の上部領域内で複数レイヤで構成される部分を
    有していることを特徴とする請求項５記載の固体撮像素
    子。
  10. 【請求項１０】 前記画素内に配置される２つのトラン
    ジスタのゲート部が隣接して配置され、各ゲート電極が
    異なるレイヤで形成されるとともに、互いに一部が重ね
    合わせた状態で配置され、各ゲート電極がそれぞれゲー
    ト長方向に複数の幅を有する帯状部を有して構成される
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
  11. 【請求項１１】 前記２つのトランジスタは、垂直選択
    信号に基づいて前記光電変換素子によって生成された信
    号電荷を読出してフローティングディフュージョン部に
    転送する転送トランジスタと、水平選択信号に基づいて
    前記転送トランジスタの動作を制御する転送選択トラン
    ジスタであることを特徴とする請求項１０記載の固体撮
    像素子。
  12. 【請求項１２】 前記各ゲート部の電極膜が互いに同一
    形状または類似形状に形成されていることを特徴とする
    請求項１０記載の固体撮像素子。
  13. 【請求項１３】 前記光電変換素子がフォトダイオード
    であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
  14. 【請求項１４】 前記光電変換素子全体または一部を包
    含するフォトゲートを有することを特徴とする請求項１
    記載の固体撮像素子。
  15. 【請求項１５】 前記フォトゲートの一部が前記ゲート
    部のチャネル領域に被さった状態で配置されていること
    を特徴とする請求項１４記載の固体撮像素子。
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