JP4752447B2 - 固体撮像装置およびカメラ - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置およびカメラに関し、特に、裏面照射型の固体撮像装置および当該固体撮像装置を備えたカメラに関する。

固体撮像装置として、ＩＣ製造の標準的な技術であるＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタを利用したイメージセンサ（以下ＭＯＳ型固体撮像装置という）が広く利用されつつある。ＭＯＳ型固体撮像装置は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）のように高い駆動電圧を必要とすることがなく、また周辺回路との一体化も可能となるため小型化できるという利点がある。

ＭＯＳ型固体撮像装置は、通常、光を受光して電荷に変換するセンサ部（フォトダイオード）のそれぞれに対応して、増幅トランジスタ等の読み出し回路を備えている。また、ＭＯＳ型固体撮像装置は、通常、光の入射側に読み出し回路や配線が設けられている。光の入射側に読み出し回路や配線が設けられた固体撮像装置を表面照射型の固体撮像装置と称する。

読み出し回路のスペースをさらに縮小して画素に占めるセンサ部の面積を大きくするため、複数画素共有構造と呼ばれるもの、すなわち複数のセンサ部で読み出し回路を共有するように構成されたＭＯＳ型固体撮像装置が知られている。例えば、２画素で１つの読み出し回路が設けられた２画素共有構造の固体撮像装置（特許文献１参照）と、４画素で１つの読み出し回路が設けられた４画素共有構造の固体撮像装置（特許文献２参照）が提案されている。

一方で、配線により光が遮られることなく、センサ部の面積を大きくできる技術として、光の入射側とは反対側に読み出し回路や配線を設けた裏面照射型の固体撮像装置が提案されている（特許文献３参照）。
特開２００５−１５０４９２号公報 特開２００４−１５２９８号公報 特開２００３−３１７８５号公報

しかしながら、表面照射型の複数画素共有構造の固体撮像装置では、レイアウトの制約から、読み出し回路を構成するトランジスタを１箇所に配置できず、分散して配置する必要があった。この結果、画素の周囲に余分なスペースが発生するという問題がある。

この余分なスペースを有効利用するために、フォトダイオードの面積を部分的に拡大すると、各フォトダイオードの形状が同一にならなくなり、画素の感度にばらつきが発生してしまう。

一方で、裏面照射型であればレイアウト配置の制約が少ないため、複数画素共有構造のメリットを最大限に発揮できると考えられる。しかしながら、現在まで、裏面照射型であって複数画素共有構造の固体撮像装置の最適なレイアウトについてはほとんど提案されていないのが実情である。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、裏面照射型かつ共有画素構造の固体撮像装置であって、画素に占めるセンサ部の面積の最大化を図ることができるレイアウトをもつ固体撮像装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、基板に画素ごとに形成され、基板の第１面側から入射した光を光電変換する複数のセンサ部と、複数の前記センサ部からの信号が転送されるフローティングディフュージョンと、前記基板の前記第１面側とは反対側の第２面側に形成され、前記フローティングディフュージョンと前記センサ部との間に設けられた転送ゲートと、前記基板の前記第２面側に形成され、１または複数のフローティングディフュージョンに対応して設けられた読み出し回路と、を有し、前記読み出し回路はリセットトランジスタおよび増幅トランジスタを含み、当該リセットトランジスタと当該増幅トランジスタが画素間の領域において同一の活性領域内で一列に並んで配置されている。

本発明では好適に、前記読み出し回路が選択トランジスタを含み、前記複数のセンサ部と、前記複数のセンサ部からの信号が転送されるフローティングディフュージョンと、前記フローティングディフュージョンと前記センサ部との間に設けられた転送ゲートと、が前記基板の前記第２面側に形成され、前記同一の活性領域内において、前記リセットトランジスタ、前記選択トランジスタおよび前記増幅トランジスタが一列に並んで配置されている。

上記の目的を達成するため、本発明のカメラは、固体撮像装置と、前記固体撮像装置の画素部に入射光を導く光学系と、前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と、を有し、前記固体撮像装置は、基板に画素ごとに形成され、基板の第１面側から入射した光を光電変換する複数のセンサ部と、複数の前記センサ部からの信号が転送されるフローティングディフュージョンと、前記基板の前記第１面側とは反対側の第２面側に形成され、前記フローティングディフュージョンと前記センサ部との間に設けられた転送ゲートと、前記基板の前記第２面側に形成され、１または複数のフローティングディフュージョンに対応して設けられた読み出し回路と、を有し、前記読み出し回路はリセットトランジスタおよび増幅トランジスタを含み、当該リセットトランジスタと当該増幅トランジスタが画素間の領域において同一の活性領域内で一列に並んで配置されている。

上記の本発明では、共有画素構造を採用することにより読み出し回路の数を減らし、かつ、読み出し回路を構成するトランジスタを画素間の領域において一列に並んで配置することにより、センサ部以外の余分なスペースが低減される。この結果、画素に占めるセンサ部の面積を最大化することができる。

本発明によれば、裏面照射型かつ共有画素構造の固体撮像装置であって、画素に占めるセンサ部の面積の最大化を図ることができる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図である。

固体撮像装置は、画素部１１と、周辺回路部とを有し、これらが同一の半導体基板上に搭載された構成となっている。本例では、周辺回路部として、垂直選択回路１２と、Ｓ／Ｈ（サンプル／ホールド）・ＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関二重サンプリング）回路１３と、水平選択回路１４と、タイミングジェネレータ（ＴＧ）１５と、ＡＧＣ（Automatic Gain Control）回路１６と、Ａ／Ｄ変換回路１７と、デジタルアンプ１８とを有する。

画素部１１には、後述する単位画素が行列状に多数配置され、行単位でアドレス線（画素選択線）等が、列単位で信号線等がそれぞれ設けられている。

垂直選択回路１２は、画素を行単位で順に選択し、各画素の信号を信号線を通して画素列毎にＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１３に読み出す。Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１３は、各画素列から読み出された画素信号に対し、ＣＤＳ等の信号処理を行う。

水平選択回路１４は、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１３に保持されている画素信号を順に取り出し、ＡＧＣ回路１６に出力する。ＡＧＣ回路１６は、水平選択回路１４から入力した信号を適当なゲインで増幅し、Ａ／Ｄ変換回路１７に出力する。

Ａ／Ｄ変換回路１７は、ＡＧＣ回路１６から入力したアナログ信号をデジタル信号に変換し、デジタルアンプ１８に出力する。デジタルアンプ１８は、Ａ／Ｄ変換回路１７から入力したデジタル信号を適当に増幅して、後述するパッド（端子）より出力する。

垂直選択回路１２、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１３、水平選択回路１４、ＡＧＣ回路１６、Ａ／Ｄ変換回路１７およびデジタルアンプ１８の各動作は、タイミングジェネレータ（ＴＧ）１５から出力される各種のタイミング信号に基づいて行われる。

図２は、固体撮像装置の画素部における概略断面図である。

基板２０は、例えばｐ型のシリコンからなる。基板２０の活性領域以外には、例えば酸化シリコンからなる素子分離絶縁膜２０ａが形成されている。基板２０の活性領域には、単位画素を構成する複数のフォトダイオード３０（センサ部）が形成されている。フォトダイオード３０の領域には、ｎ型領域が形成されている。より詳細には、このｎ型領域と周囲のｐ型領域の間のｐｎ接合によりフォトダイオード３０が構成される。基板２０は、裏面（第１面）側から光を入射し得るように薄膜化されている。基板２０の厚さは、固体撮像装置の種類にもよるが、可視光用の場合には２〜６μｍであり、近赤外用では６〜１０μｍである。

基板２０の活性領域には、フローティングディフュージョンＦＤや、読み出し回路を構成する各種トランジスタのソースあるいはドレインが形成されている。基板２０の第２面側には、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜２１を介して、転送ゲート４０および読み出し回路を構成する各種トランジスタのゲートが形成されている。これらのゲートは、例えばポリシリコンにより形成されている。図２では、読み出し回路を構成するトランジスタのうち、リセットトランジスタ５３のみを図解している。

上記の転送ゲート４０および他のトランジスタ上には、配線層２２が形成されている。配線層２２は、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜２２ａと、層間絶縁膜２２ａ内に埋め込まれて形成された第１金属配線Ｍ１および第２金属配線Ｍ２を有する。金属配線Ｍ１，Ｍ２は、アルミニウム配線あるいは銅配線である。本実施形態では、２層の金属配線の例について説明するが、３層以上であってもよい。

配線層２２上には、図示しない接着層を介して支持基板２３が設けられている。支持基板２３は、基板２０の強度を補強するために設けられる。支持基板２３は、例えばシリコン基板からなる。

基板２０の第１面側には、酸化シリコン膜２４が形成されており、酸化シリコン膜２４上には、各フォトダイオード３０を開口する遮光膜２５が形成されている。遮光膜２５は、例えばアルミニウム膜により形成される。また、入射光が基板２０中で十分吸収される場合は画素部に遮光膜を配置しなくてもよい。

酸化シリコン膜２４および遮光膜２５上には、窒化シリコン膜２６が形成されている。窒化シリコン膜２６上には、所定の波長領域の光のみを通過させるカラーフィルタ２７が形成されている。カラーフィルタ２７上には、入射光をフォトダイオード３０へ集光させるオンチップレンズ２８が形成されている。

図３は、画素部１１の回路構成の一例を示す図である。図３は、１つの読み出し回路５０を４つの画素で共有した４画素共有構造の回路図である。

本実施形態では、４個のフォトダイオード３１〜３４に対して１つの読み出し回路５０が設けられている。すなわち、１つの読み出し回路５０は、４つのフォトダイオード３１〜３４からの信号をそれぞれ信号線７２に読み出す処理を行う。読み出し回路５０は、増幅トランジスタ５１と、選択トランジスタ５２と、リセットトランジスタ５３とを有する。

フォトダイオード３１〜３４は、入射光をその光量に応じた量の電荷（ここでは電子）に光電変換する。フォトダイオード３１〜３４とフローティングディフュージョンＦＤとの間にそれぞれ転送ゲート４１〜４４が設けられている。

なお、後述するように、より詳細には、フローティングディフュージョンＦＤは、フォトダイオード３１，３２で共有されるフローティングディフュージョンＦＤ１と、フォトダイオード３３，３４で共有されるフローティングディフュージョンＦＤ２とを有する。フローティングディフュージョンＦＤ１とフローティングディフュージョンＦＤ２は接続されているため、図３の回路図では単にフローティングディフュージョンＦＤとして図解している。

転送ゲート４１〜４４には、それぞれ画素選択線６１〜６４が接続されている。例えば、画素選択線６１を通じて転送ゲート４１に選択信号が与えられることにより、フォトダイオード３１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ＦＤに転送される。画素選択線６２〜６４についても同様である。

フローティングディフュージョンＦＤには、増幅トランジスタ５１のゲート（Ｇ）が接続されている。信号線７２と電源線７１の間には、増幅トランジスタ５１および選択トランジスタ５２が直列接続されている。すなわち、増幅トランジスタ５１のソース（Ｓ）は信号線７２に接続され、増幅トランジスタ５１のドレイン（Ｄ）と選択トランジスタ５２のソースが接続され、選択トランジスタ５２のドレインが電源線７１に接続されている。増幅トランジスタ５１は、ソースフォロア型のアンプを構成している。

選択トランジスタ５２のゲートに選択信号が与えられて選択トランジスタ５２がオン状態となると、増幅トランジスタ５１は、フローティングディフュージョンＦＤの電位を増幅してその電位に応じた電圧を信号線７２に出力する。信号線７２を通じて、各画素から出力された電圧は、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１３に出力される。

フローティングディフュージョンＦＤには、リセットトランジスタ５３のソースが接続されている。リセットトランジスタ５３のドレインは、電源線７１に接続されている。リセットトランジスタ５３のゲートにリセット信号が与えられると、フローティングディフュージョンＦＤの電位が電源Ｖｄｄの電位にリセットされる。

図４〜図６は、本実施形態に係る固体撮像装置の画素部におけるレイアウトを示す図である。なお、最終的なレイアウトは図６である。本実施形態では、理解を容易にするため、３つの図に分解している。すなわち、図４には、ポリシリコン電極（ゲート電極）のレイヤまでのレイアウトを示している。図５には、第１金属配線のレイヤまでのレイアウトを示している。図６には、第２金属配線のレイヤを含めた最終レイアウトを示している。

まず、図４を参照して説明する。マトリックス状にフォトダイオード３０が形成されている。複数のフォトダイオード３０のうち、縦方向に並ぶ４つのフォトダイオード３１，３２，３３，３４が１つの読み出し回路５０を共有する。４つのフォトダイオード３１〜３４は、同一列に存在しておらず、縦方向に隣接する２つのフォトダイオードは互いに異なる列に配置されている。

フォトダイオード３１と、その対角方向に存在するフォトダイオード３２との間に、フローティングディフュージョンＦＤ１が配置されている。フローティングディフュージョンＦＤ１とフォトダイオード３１との間には、転送ゲート４１が配置されている。フローティングディフュージョンＦＤ１とフォトダイオード３２との間には、転送ゲート４２が配置されている。転送ゲート４１，４２は、ポリシリコン電極により形成されている。

フォトダイオード３３と、その対角方向に存在するフォトダイオード３４との間に、フローティングディフュージョンＦＤ２が配置されている。フローティングディフュージョンＦＤ２とフォトダイオード３３との間には、転送ゲート４３が配置されている。フローティングディフュージョンＦＤ２とフォトダイオード３４との間には、転送ゲート４４が配置されている。転送ゲート４３，４４は、ポリシリコン電極により形成されている。

２つのフォトダイオード間のスペースに、例えば図中２行目と３行目のフォトダイオード間のスペースに、読み出し回路５０が配置されている。２列のフォトダイオードが図解された図４において、２つの読み出し回路５０が存在する。

読み出し回路５０を構成する増幅トランジスタ５１、選択トランジスタ５２およびリセットトランジスタ５３は、一列に並んで配置されている。本例では、増幅トランジスタ５１、選択トランジスタ５２およびリセットトランジスタ５３は、１つの活性領域Ａを共有している。リセットトランジスタ５３のドレイン（Ｄ）と選択トランジスタ５２のドレイン（Ｄ）は共通化されており、選択トランジスタ５２のソースと増幅トランジスタ５１のドレインは共通化されている。上記の増幅トランジスタ５１、選択トランジスタ５２およびリセットトランジスタ５３の各ゲート（Ｇ）は、ポリシリコン電極により形成されている。

図４に示すレイアウトの上層には、第１コンタクトＣ１を介して第１金属配線Ｍ１が配置されている（図５参照）。図５に示すレイアウトについて説明する。

第１金属配線Ｍ１により、信号線７２が形成されている。フォトダイオード３０間の領域において、列方向に信号線７２が伸びている。信号線７２は、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２に接続する第１コンタクトＣ１を避けるように屈曲している。信号線７２は、第１コンタクトＣ１を介して増幅トランジスタ５１のソースに接続されている。

２つのフローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２と、リセットトランジスタ５３のソースと、増幅トランジスタ５１のゲートが第１コンタクトＣ１および第１金属配線Ｍ１を通じて接続されている。ここで、フォトダイオード３２を中心として、フローティングディフュージョンＦＤ１とリセットトランジスタ５３のソースは対角方向に存在するため、これらを接続する第１金属配線Ｍ１はフォトダイオード３２に重なって配置されている。このように、光は配線層と反対側から入射するため、第１金属配線Ｍ１をフォトダイオードに重なるように配置しても問題はない。

転送ゲート４１〜４４上、選択トランジスタ５２およびリセットトランジスタ５３のゲート上、および選択トランジスタ５２のドレイン上には、第１コンタクトＣ１を介して第１金属配線Ｍ１が形成されている。これらの第１金属配線Ｍ１は、さらに上層の第２金属配線Ｍ２とのコンタクトを取るために形成されている。

図５に示すレイアウトの上層には、第２コンタクトＣ２を介して第２金属配線Ｍ２が配置されている（図６参照）。図６に示すレイアウトについて説明する。

第２金属配線Ｍ２により、電源線７１および画素選択線６１〜６４が形成されている。フォトダイオード間であって、読み出し回路５０上には、電源線７１が行方向（横方向）に伸びている。電源線７１は、第２コンタクトＣ２を通じて選択トランジスタ５２およびリセットトランジスタ５３のドレインに接続されている。

画素選択線６１，６２は、フォトダイオード３１および３２の間のスペースにおいて、行方向に伸びている。画素選択線６１は、第２コンタクトＣ２を介して転送ゲート４１に接続されている。画素選択線６２は、第２コンタクトＣ２を介して転送ゲート４２に接続されている。

画素選択線６３，６４は、フォトダイオード３３および３４の間のスペースにおいて、行方向に伸びている。画素選択線６３は、第２コンタクトＣ２を介して転送ゲート４３に接続されている。画素選択線６４は、第２コンタクトＣ２を介して転送ゲート４４に接続されている。

フォトダイオード間のスペースにおいて、電源線７１に隣接して２本の第２金属配線Ｍ２が行方向に伸びている。一方の第２金属配線Ｍ２は、行方向に隣接する複数のリセットトランジスタ５３のゲートに第２コンタクトＣ２を介して接続されている。他方の第２金属配線Ｍ２は、行方向に隣接する複数の選択トランジスタ５２のゲートに第２コンタクトＣ２を介して接続されている。

次に、上記した本実施形態に係る裏面照射型の共有画素構造の固体撮像装置の効果について説明する。

本実施形態では、読み出し回路５０を構成する増幅トランジスタ５１、選択トランジスタ５２、リセットトランジスタ５３は、画素間、すなわちフォトダイオード間の領域において一列に並んで配置されている。このように読み出し回路５０がまとまって配置されている結果、フォトダイオード３０間の余分なスペースを減少させることができる。特に本実施形態では、増幅トランジスタ５１、選択トランジスタ５２およびリセットトランジスタ５３は活性領域Ａを共有しているため、読み出し回路５０の面積を最小化することができる。

また、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２とリセットトランジスタ５３のドレインとを接続する際にフォトダイオード３２に重なるように第１金属配線Ｍ１を設けることにより、配線距離を最小化することができ、抵抗を小さくすることができる。裏面型の場合には、このようにフォトダイオード３０に金属配線を重ねてもフォトダイオード３０への光の入射を妨げることもない。

以上のように、本実施形態では、共有画素構造を採用することにより読み出し回路５０の数を減らし、かつ、読み出し回路５０を構成するトランジスタを一列に並べることにより、フォトダイオード３０以外の余分なスペースを最小化することができる。この結果、画素に占めるフォトダイオード３０の面積を最大化することができる。従って、画素の感度、飽和出力を増加させることができ、光学特性を維持しつつ画素の微細化を図ることができる。

また、従来と同じ面積のフォトダイオード３０を用いた場合には、各画素の面積を縮小することができ、画素部全体の面積を縮小することができる。また、本実施形態では、フォトダイオード３０を避けることなく、フォトダイオード３０に重ねて第１金属配線Ｍ１を設けることにより、より短い距離でフローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２と読み出し回路５０との接続を行うことができる。この結果、配線抵抗を下げることができ、信号処理速度の向上を図ることができる。また、画素選択線６１〜６４は、直線状に配置されていることから、屈曲して配置されている場合に比較して、信号劣化を抑制することができる。

上記の固体撮像装置は、例えば、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、あるいは電子内視鏡用カメラなどのカメラに用いられる。

図７は、上記の固体撮像装置が用いられるカメラの概略構成図である。

カメラは、上記した本実施形態に係る固体撮像装置１と、光学系２と、信号処理回路３とを有する。

光学系２は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像装置１の画素部上に結像させる。これにより、固体撮像装置１のフォトダイオード３０において、入射光は入射光量に応じた信号電荷に変換され、フォトダイオード３０に一定期間当該信号電荷が蓄積される。

信号処理回路３は、固体撮像装置１の出力信号に対して種々の信号処理を施して映像信号として出力する。

上記の本実施形態に係る固体撮像装置を備えたカメラによれば、感度を向上させたカメラを実現することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態では、４画素共有構造であって他のレイアウトをもつ固体撮像装置について説明する。

図８〜図１０は、本実施形態に係る固体撮像装置の画素部におけるレイアウトを示す図である。なお、最終的なレイアウトは図１０である。本実施形態では、理解を容易にするため、３つの図に分解している。すなわち、図８には、ポリシリコン電極（ゲート電極）のレイヤまでのレイアウトを示している。図９には、第１金属配線のレイヤまでのレイアウトを示している。図１０には、第２金属配線のレイヤを含めた最終レイアウトを示している。

まず、図８を参照して説明する。マトリックス状にフォトダイオード３０が形成されている。複数のフォトダイオード３０のうち、縦方向および横方向に並ぶ４つのフォトダイオード３１，３２，３３，３４が１つの読み出し回路５０を共有する。

フォトダイオード３１と、その対角方向に存在するフォトダイオード３２との間に、フローティングディフュージョンＦＤ１が配置されている。フローティングディフュージョンＦＤ１とフォトダイオード３１との間には、転送ゲート４１が配置されている。フローティングディフュージョンＦＤ１とフォトダイオード３２との間には、転送ゲート４２が配置されている。転送ゲート４１，４２は、ポリシリコン電極により形成されている。

フォトダイオード３３と、その対角方向に存在するフォトダイオード３４との間に、フローティングディフュージョンＦＤ２が配置されている。フローティングディフュージョンＦＤ２とフォトダイオード３３との間には、転送ゲート４３が配置されている。フローティングディフュージョンＦＤ２とフォトダイオード３４との間には、転送ゲート４４が配置されている。転送ゲート４３，４４は、ポリシリコン電極により形成されている。

２つのフォトダイオード間のスペースに、例えば２行目と３行目のフォトダイオード間のスペースに、読み出し回路５０が配置されている。本例では、２つのフォトダイオード３２，３４に隣接するスペースにおいて、１つの読み出し回路５０が存在する。

読み出し回路５０を構成する増幅トランジスタ５１、選択トランジスタ５２およびリセットトランジスタ５３は、一列に並んで配置されている。本例では、増幅トランジスタ５１および選択トランジスタ５２は、１つの活性領域Ａを共有している。リセットトランジスタ５３は、活性領域Ａとは異なる活性領域Ｂに形成されている。活性領域Ａは、フォトダイオード３２およびフォトダイオード３４に隣接して形成されている。活性領域Ｂは、フォトダイオード３４に隣接して形成されている。選択トランジスタ５２のソースと増幅トランジスタ５１のドレインは共通化されている。上記の増幅トランジスタ５１、選択トランジスタ５２およびリセットトランジスタ５３の各ゲート（Ｇ）は、ポリシリコン電極により形成されている。

図８に示すレイアウトの上層には、第１コンタクトＣ１を介して第１金属配線Ｍ１が配置されている（図９参照）。図９に示すレイアウトについて説明する。

第１金属配線Ｍ１により、電源線７１および信号線７２が形成されている。電源線７１および信号線７２は、フォトダイオード３０に重なるようにして、列方向に伸びている。信号線７２は、第１コンタクトＣ１を介して増幅トランジスタ５１のソースに接続されている。本実施形態では、電源線７１および信号線７２は、直線状に互いに平行に配置されている。また、電源線７１および信号線７２は、他の第１金属配線Ｍ１に比べて幅が広く形成されている。

フローティングディフュージョンＦＤ１と増幅トランジスタ５１のゲートが第１コンタクトＣ１および第１金属配線Ｍ１を通じて接続されている。この第１金属配線Ｍ１は、フォトダイオード３０間の領域に配置されている。フローティングディフュージョンＦＤ１と増幅トランジスタ５１のゲートが、列方向において隣接して配置されていることから、これらを接続する第１金属配線Ｍ１を短くすることができる。

フローティングディフュージョンＦＤ２とリセットトランジスタ５３のソースが第１コンタクトＣ１および第１金属配線Ｍ１を通じて接続されている。フローティングディフュージョンＦＤ２とリセットトランジスタ５３のソースが、列方向において隣接して配置されていることから、これらを接続する第１金属配線Ｍ１を短くすることができる。

転送ゲート４１〜４４上、選択トランジスタ５２のゲートおよびドレイン上、リセットトランジスタ５３のゲートおよびドレイン上には、第１コンタクトＣ１を介して第１金属配線Ｍ１が形成されている。これらの第１金属配線Ｍ１は、さらに上層の第２金属配線Ｍ２とのコンタクトを取るために形成されている。

図９に示すレイアウトの上層には、第２コンタクトＣ２を介して第２金属配線Ｍ２が配置されている（図１０参照）。図１０に示すレイアウトについて説明する。

第２金属配線Ｍ２により、画素選択線６１〜６４が形成されている。画素選択線６１，６２は、フォトダイオード３０間のスペースにおいて行方向に伸びている。画素選択線６３，６４は、画素選択線６１，６２の両側に配置されており、フォトダイオード３０に重なるように行方向に伸びている。

画素選択線６１は、第２コンタクトＣ２を介して転送ゲート４１に接続されている。画素選択線６２は、第２コンタクトＣ２を介して転送ゲート４２に接続されている。画素選択線６３は、第２コンタクトＣ２を介して転送ゲート４３に接続されている。画素選択線６４は、第２コンタクトＣ２を介して転送ゲート４４に接続されている。

画素選択線６４に隣接して配置された第２金属配線Ｍ２により、フローティングディフュージョンＦＤ１とフローティングディフュージョンＦＤ２に接続された２本の第１金属配線Ｍ１が接続されている。この結果、２つのフローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２と、増幅トランジスタ５１のゲートと、リセットトランジスタ５３のソースが接続される。

読み出し回路５０上において横方向に伸びる第２金属配線Ｍ２は、第２コンタクトＣ２を介して、電源線７１と、選択トランジスタ５２のドレインと、リセットトランジスタ５３のドレインに接続されている。

読み出し回路５０上において伸びる１本の第２金属配線Ｍ２の両側に、２本の第２金属配線Ｍ２が配置されている。一方の第２金属配線Ｍ２により、行方向に隣接するリセットトランジスタ５３のゲート同士が接続されている。他方の第２金属配線Ｍ２により、行方向に隣接する選択トランジスタ５２のゲート同士が接続されている。

次に、上記した本実施形態に係る裏面照射型の共有画素構造の固体撮像装置の効果について説明する。

本実施形態においても、読み出し回路５０を構成する増幅トランジスタ５１、選択トランジスタ５２、リセットトランジスタ５３は、画素間、すなわちフォトダイオード間の領域において一列に並んで配置されている。このように読み出し回路５０がまとまって配置されている結果、フォトダイオード３０間の余分なスペースを減少させることができる。

また、フローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２と、リセットトランジスタ５３のソースと、増幅トランジスタ５１のゲートとを接続するために、フォトダイオード３２に重なるように第２金属配線Ｍ２を設けることにより、配線距離を最小化することができ、抵抗を小さくすることができる。裏面型の場合には、このようにフォトダイオード３０に金属配線を重ねてもフォトダイオード３０への光の入射を妨げることもない。

以上のように、本実施形態では、共有画素構造を採用することにより読み出し回路５０の数を減らし、かつ、読み出し回路５０を構成するトランジスタを一列に並べることにより、フォトダイオード３０以外の余分なスペースを最小化することができる。この結果、画素に占めるフォトダイオード３０の面積を最大化することができる。従って、画素の感度、飽和出力を増加させることができ、光学特性を維持しつつ画素の微細化を図ることができる。

また、従来と同じ面積のフォトダイオード３０を用いた場合には、各画素の面積を縮小することができ、画素部全体の面積を縮小することができる。また、本実施形態では、フォトダイオード３０を避けることなく、フォトダイオード３０に重ねて第１金属配線Ｍ１を設けることにより、より短い距離でフローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２と読み出し回路５０との接続を行うことができる。この結果、配線抵抗を下げることができ、信号処理速度の向上を図ることができる。また、画素選択線６１〜６４は、直線状に配置されていることから、屈曲して配置されている場合に比較して、信号劣化を抑制することができる。

さらに、第２実施形態では、電源線７１および信号線７２は、直線状に互いに平行に配置されており、かつ、同一のレイヤである他の第１金属配線Ｍ１に比べて幅が広く形成されている。これにより、電圧降下を抑制することができ、信号劣化を抑制することができる。また、信号線７２の抵抗が下がることから信号処理速度を向上させることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態では、２画素共有構造の固体撮像装置について説明する。２画素共有構造の場合の画素部１１の回路構成は、図３の回路図からフォトダイオード３３，３４と、転送ゲート４３，４４と、画素選択線６３，６４を削除したものに相当する。

図１１〜図１４は、本実施形態に係る固体撮像装置の画素部におけるレイアウトを示す図である。なお、最終的なレイアウトは図１４である。本実施形態では、理解を容易にするため、４つの図に分解している。すなわち、図１１には、ポリシリコン電極（ゲート電極）のレイヤまでのレイアウトを示している。図１２には、第１金属配線のレイヤまでのレイアウトを示している。図１３には、第２金属配線のレイヤまでのレイアウトを示している。図１４には、第３金属配線のレイヤを含めた最終レイアウトを示している。

まず、図１１を参照して説明する。マトリックス状にフォトダイオード３０が形成されている。複数のフォトダイオード３０のうち、横方向に並ぶ２つのフォトダイオード３１，３２が１つの読み出し回路５０を共有する。

フォトダイオード３１とフォトダイオード３２の間の領域に、フローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２が形成されている。フローティングディフュージョンＦＤ１とフォトダイオード３１との間には、転送ゲート４１が配置されている。フローティングディフュージョンＦＤ２とフォトダイオード３２との間には、転送ゲート４２が配置されている。転送ゲート４１，４２は、ポリシリコン電極により形成されている。

２つのフォトダイオード３１，３２間のスペースに、読み出し回路５０が配置されている。読み出し回路５０を構成する増幅トランジスタ５１、選択トランジスタ５２およびリセットトランジスタ５３は、一列に並んで配置されている。本例では、増幅トランジスタ５１および選択トランジスタ５２は、１つの活性領域Ａを共有している。リセットトランジスタ５３は、活性領域Ａとは異なる活性領域Ｂに形成されている。活性領域Ａは、列方向に延びている。活性領域Ｂは、行方向に伸びている。選択トランジスタ５２のソースと増幅トランジスタ５１のドレインは共通化されている。上記の増幅トランジスタ５１、選択トランジスタ５２およびリセットトランジスタ５３の各ゲート（Ｇ）は、ポリシリコン電極により形成されている。

図１１に示すレイアウトの上層には、第１コンタクトＣ１を介して第１金属配線Ｍ１が配置されている（図１２参照）。図１２に示すレイアウトについて説明する。

第１金属配線Ｍ１により、リセットトランジスタ５３のドレインと選択トランジスタ５２のドレインが接続されている。第１金属配線Ｍ１により、リセットトランジスタ５３のソースと、増幅トランジスタ５１のゲートと、フローティングディフュージョンＦＤ１が接続されている。また、第１金属配線Ｍ１により、フローティングディフュージョンＦＤ２と増幅トランジスタ５１のゲートが接続されている。

行方向に並ぶ複数のリセットトランジスタ５３のゲートは、第１金属配線Ｍ１により接続されている。転送ゲート４１，４２、選択トランジスタ５２のゲート、および増幅トランジスタ５１のソースには、第１コンタクトＣ１を介して第１金属配線Ｍ１が接続されている。これらの第１金属配線Ｍ１は、さらに上層の第２金属配線Ｍ２とのコンタクトを取るために形成されている。

図１２に示すレイアウトの上層には、第２コンタクトＣ２を介して第２金属配線Ｍ２が配置されている（図１３参照）。図１３に示すレイアウトについて説明する。

第２金属配線Ｍ２により、電源線７１、画素選択線６１，６２が形成されている。電源線７１は、フォトダイオード３１，３２に重なるように行方向に直線状に伸びている。第２コンタクトＣ２を介して、電源線７１は、リセットトランジスタ５３のドレインと選択トランジスタ５２のドレインを接続する第１金属配線Ｍ１に接続されている。電源線７１は、画素選択線６１，６２に比べて幅が広く形成されている。

画素選択線６１，６２は、フォトダイオード３１，３２に重なるように行方向に伸びている。画素選択線６１は、第２コンタクトＣ２を介して、転送ゲート４１に接続する第１金属配線Ｍ１に接続されている。画素選択線６２は、第２コンタクトＣ２を介して転送ゲート４２に接続されている。

選択トランジスタ５２のゲート、および増幅トランジスタ５１のソースには、第２コンタクトＣ２を介して第２金属配線Ｍ２が接続されている。これらの第２金属配線Ｍ２は、さらに上層の第３金属配線Ｍ３とのコンタクトを取るために、必要に応じて引き出されている。

図１３に示すレイアウトの上層には、第３コンタクトＣ３を介して第３金属配線Ｍ３が配置されている（図１４参照）。図１４に示すレイアウトについて説明する。

第３金属配線Ｍ３により、信号線７２が形成されている。信号線７２は、フォトダイオード３１の一部に重なるように列方向に直線状に伸びている。信号線７２は、電源線７１と同様の太さで形成されている。信号線７２は、第３コンタクトＣ３を介して増幅トランジスタ５１のソースに接続されている。

信号線７２に隣接するように、他の第３金属配線Ｍ３が列方向に直線状に伸びている。この第３金属配線Ｍ３は、第３コンタクトＣ３を介して、列方向に並ぶ複数の選択トランジスタ５２のゲートに接続されている。

次に、上記した本実施形態に係る裏面照射型の共有画素構造の固体撮像装置の効果について説明する。

本実施形態においても、読み出し回路５０を構成する増幅トランジスタ５１、選択トランジスタ５２、リセットトランジスタ５３は、画素間、すなわちフォトダイオード３１，３２間の領域において一列に並んで配置されている。このように読み出し回路５０がまとまって配置されている結果、フォトダイオード３０間の余分なスペースを減少させることができる。

また、本実施形態では、電源線７１、画素選択線６１，６２がフォトダイオード３０に重なるように行方向に伸びている。裏面型の場合には、このようにフォトダイオード３０に金属配線を重ねてもフォトダイオード３０への光の入射を妨げることもない。

以上のように、本実施形態では、共有画素構造を採用することにより読み出し回路５０の数を減らし、かつ、読み出し回路５０を構成するトランジスタを一列に並べることにより、フォトダイオード３０以外の余分なスペースを最小化することができる。この結果、各画素に占めるフォトダイオード３０の面積を最大化することができる。従って、画素の感度、飽和出力を増加させることができ、光学特性を維持しつつ画素の微細化を図ることができる。

また、従来と同じ面積のフォトダイオード３０を用いた場合には、各画素の面積を縮小することができ、画素部全体の面積を縮小することができる。また、本実施形態では、フォトダイオード３０を避けることなく、フォトダイオード３０に重ねて金属配線Ｍ１〜Ｍ３を設けることにより、より短い距離で必要な接続を行うことができる。この結果、配線抵抗を下げることができ、信号処理速度の向上を図ることができる。

さらに、第３実施形態では、電源線７１および信号線７２は、直線状に配置されており、かつ、同一のレイヤである他の金属配線に比べて幅が広く形成されている。これにより、電圧降下を抑制することができ、信号劣化を抑制することができる。また、信号線７２の抵抗が下がることから信号処理速度を向上させることができる。

本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。本実施形態では、２画素共有構造あるいは４画素共有構造の固体撮像装置を例に説明したが、特に限定はない。また、読み出し回路は、３つのトランジスタ５１〜５３を有する例について説明したが、２つあるいは４つ以上のトランジスタを有していても良い。選択トランジスタ５２をなくすことにより、２トランジスタ構成の読み出し回路となる。配線のレイアウトは種々の変更が可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

第１〜第３実施形態に係る固体撮像装置の概略構成図である。 第１〜第３実施形態に係る固体撮像装置の画素部の概略断面図である。 第１〜第２実施形態に係る固体撮像装置の画素部の回路図である。 第１実施形態に係る固体撮像装置の画素部における、ポリシリコン電極までのレイヤのレイアウトを示す図である。 第１実施形態に係る固体撮像装置の画素部における、第１金属配線のレイヤのレイアウトを示す図である。 第１実施形態に係る固体撮像装置の画素部における、第２金属配線のレイヤのレイアウトを示す図である。 本実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラの概略構成図である。 第２実施形態に係る固体撮像装置の画素部における、ポリシリコン電極までのレイヤのレイアウトを示す図である。 第２実施形態に係る固体撮像装置の画素部における、第１金属配線Ｍ１までのレイヤのレイアウトを示す図である。 第２実施形態に係る固体撮像装置の画素部における、第２金属配線Ｍ２までのレイヤのレイアウトを示す図である。 第３実施形態に係る固体撮像装置の画素部における、ポリシリコン電極までのレイヤのレイアウトを示す図である。 第３実施形態に係る固体撮像装置の画素部における、第１金属配線Ｍ１までのレイヤのレイアウトを示す図である。 第３実施形態に係る固体撮像装置の画素部における、第２金属配線Ｍ２までのレイヤのレイアウトを示す図である。 第３実施形態に係る固体撮像装置の画素部における、第３金属配線までのレイヤのレイアウトを示す図である。

符号の説明

１…固体撮像装置、２…光学系、３…信号処理回路、１１…画素部、１２…垂直選択回路、１３…Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路、１４…水平選択回路、１５…タイミングジェネレータ、１６…ＡＧＣ回路、１７…Ａ／Ｄ変換回路、１８…デジタルアンプ、２０…基板、２０ａ…素子分離絶縁膜、２１…ゲート絶縁膜、２２ａ…層間絶縁膜、２２…配線層、２３…支持基板、２４…酸化シリコン膜、２５…遮光膜、２６…窒化シリコン膜、２７…カラーフィルタ、２８…オンチップレンズ、３０，３１、３２、３３、３４…フォトダイオード、４０，４１，４２，４３，４４…転送ゲート、５０…読み出し回路、５１…増幅トランジスタ、５２…選択トランジスタ、５３…リセットトランジスタ、６１，６２，６３，６４…画素選択線、７１…電源線、７２…信号線、ＦＤ，ＦＤ１，ＦＤ２…フローティングディフュージョン、Ｃ１…第１コンタクト、Ｃ２…第２コンタクト、Ｃ３…第３コンタクト、Ｍ１…第１金属配線、Ｍ２…第２金属配線、Ｍ３…第３金属配線

Claims (5)

1. 基板に画素ごとに形成され、基板の第１面側から入射した光を光電変換する複数のセンサ部と、
   複数の前記センサ部からの信号が転送されるフローティングディフュージョンと、
   前記基板の前記第１面側とは反対側の第２面側に形成され、前記フローティングディフュージョンと前記センサ部との間に設けられた転送ゲートと、
   前記基板の前記第２面側に形成され、１または複数のフローティングディフュージョンに対応して設けられた読み出し回路と、
   を有し、
   前記読み出し回路はリセットトランジスタおよび増幅トランジスタを含み、当該リセットトランジスタと当該増幅トランジスタが画素間の領域において同一の活性領域内で一列に並んで配置されている
   固体撮像装置。
2. 前記読み出し回路は選択トランジスタを含み、
   前記複数のセンサ部と、
   前記複数のセンサ部からの信号が転送されるフローティングディフュージョンと、
   前記フローティングディフュージョンと前記センサ部との間に設けられた転送ゲートと、
   が前記基板の前記第２面側に形成され、
   前記同一の活性領域内において、前記リセットトランジスタ、前記選択トランジスタおよび前記増幅トランジスタが一列に並んで配置されている
   請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記フローティングディフュージョンと前記リセットトランジスタを接続する配線の一部が、前記センサ部に重なって配置されている
   請求項１または２記載の固体撮像装置。
4. 前記転送ゲートが前記センサ部ごとに複数設けられ、
   当該複数の転送ゲートのそれぞれと接続された画素選択線を複数有し、
   複数の前記画素選択線は、前記画素間の領域において直線状に配置されている
   請求項３記載の固体撮像装置。
5. 固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置の画素部に入射光を導く光学系と、
   前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と、
   を有し、
   前記固体撮像装置は、
   基板に画素ごとに形成され、基板の第１面側から入射した光を光電変換する複数のセンサ部と、
   複数の前記センサ部からの信号が転送されるフローティングディフュージョンと、
   前記基板の前記第１面側とは反対側の第２面側に形成され、前記フローティングディフュージョンと前記センサ部との間に設けられた転送ゲートと、
   前記基板の前記第２面側に形成され、１または複数のフローティングディフュージョンに対応して設けられた読み出し回路と、
   を有し、
   前記読み出し回路はリセットトランジスタおよび増幅トランジスタを含み、当該リセットトランジスタと当該増幅トランジスタが画素間の領域において同一の活性領域内で一列に並んで配置されている
   カメラ。

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