CN103703759B - 固体摄像装置及固体摄像装置的驱动方法 - Google Patents

固体摄像装置及固体摄像装置的驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明具备：外延层（2）；多个像素电极（11）；被形成在多个像素电极上，将光转换成电信号的光电转换膜（12）；被形成在光电转换膜（12）上的透明电极（13）；以与多个像素电极（11）分别对应的方式被形成在外延层（2）内，并与对应的像素电极（11）电连接，对通过光电转换而在光电转换膜（12）生成的电荷进行蓄积的n型电荷蓄积区域（14）；以与电荷蓄积区域（14）的底部分别接触的方式被形成在外延层（2）内的p型电荷势垒区域（21）；以与电荷势垒区域（21）的底部分别接触的方式被形成在外延层（2）内的n型电荷排出区域（22）。

Description

固体摄像装置及固体摄像装置的驱动方法
技术领域
本发明涉及一种单位像素被排列成阵列状的积层型固体摄像装置及其驱动方法。
背景技术
CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）以及MOS（Metal OxideSemiconductor）区域图像传感器（以下也将这两者称为MOS传感器）、电荷耦合元件（ChargeCoupled Devcies）区域图像传感器（以下，称之为CCD传感器），根据与入射光量相应而生的电荷量来生成图像信号。这些图像传感器（固体摄像装置）作为功能单元，被搭载于数码静态相机、数码摄像机、摄像头以及手机用照相机等多种多样的撮像设备中。
现有的图像传感器具有将具备光电转换部（光电二极管）和读出电路部的像素部（单位像素）按二维阵列状配置在半导体基板的表面附近的结构，光电转换部的开口面积根据读出电路部的面积而被削减。因此，现有的图像传感器中存在着，尤其是随着像素部的尺寸变小，光电转换部的开口率降低的问题。
对此，专利文献1公开了一种在半导体基板的表面附近配置读出电路部，并将可进行光电转换的材料用作光电转换膜积层在半导体基板上方，从而构成积层型图像传感器。
专利文献1记载的积层型图像传感器的光电转换部是由电极夹着光电转换膜而形成的结构，基于光信号而在光电转换膜发生的电荷，通过电极被传输到读出电路。图15中表示了专利文献1的像素部的结构。图15的像素部中，在光电转换膜101内发生的电荷通过像素电极102，被蓄积到基板上形成的PN节的电荷蓄积部103中。该电荷蓄积部103与放大晶体管104的栅极线连接，随着电荷蓄积部103的蓄积电荷量而变动的电压变化从像素部被输出。并且，电荷蓄积部103还连接于复位晶体管106的漏极，以在电荷被读出之后使电荷蓄积部103的电荷复位。在复位晶体管106为ON状态时，电荷蓄积部103的电压被设定为初期状态电压。
专利文献1：日本专利第4444371号公报
但是，本发明的发明者们的研究表明，在采用了专利文献1所述的像素部结构和读出方式的积层型图像传感器中，尤其在高亮度撮像时信号输出会降低，并且在此后的撮像中也出现同样的输出降低的问题。
发明内容
对此，鉴于解决上述问题开发了本发明，本发明的目的在于提供一种在对高亮度的被写体进行摄像之后，也能够抑制复位晶体管以及放大晶体管的特性劣化的积层型固体摄像装置。
为了解决上述问题，本发明的固体摄像装置具备：半导体基板；多个第一电极，以阵列状被配置在上述半导体基板的上方，上述多个第一电极分别构成不同的单位像素；光电转换膜，被形成在上述多个第一电极之上，将光转换成电信号；第二电极，被形成在上述光电转换膜之上；电荷蓄积区域，以与上述多个第一电极分别对应的方式被形成在上述半导体基板内，并与对应的上述第一电极电连接，对通过光电转换而在上述光电转换膜生成的电荷进行蓄积，该电荷蓄积区域为第一导电型；电荷势垒区域，以与上述电荷蓄积区域的底部分别接触的方式被形成在上述半导体基板内，该电荷势垒区域为与上述第一导电型相反的第二导电型；电荷排出区域，以与上述电荷势垒区域的底部分别接触的方式被形成在上述半导体基板内，该电荷排出区域为上述第一导电型。
根据本发明，能够实现在对高亮度被写体进行撮像时也不会损伤单位像素的读出电路的晶体管的高信赖性的积层型固体摄像装置。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的固体摄像装置的概略结构的一个例子的图。
图2是表示本发明的实施方式1的单位像素的结构的一个例子的电路图。
图3是表示本发明的实施方式1的固体摄像装置的结构的一个例子的剖面图。
图4是表示本发明的实施方式1的固体摄像装置的制造方法的一个例子的工序的剖面图。
图5是表示本发明的实施方式1的变形例的固体摄像装置的结构的一个例子的剖面图。
图6是表示本发明的实施方式1的变形例的固体摄像装置的制造方法的一个例子的工序的剖面图。
图7是表示比较例的积层型固体摄像装置的像素部的结构的方框图。
图8是表示比较例的积层型固体摄像装置的驱动方法的时间图。
图9是表示本发明的实施方式2的固体摄像装置的结构的方框图。
图10是本发明的实施方式2的像素部以及信号读出部的电路图。
图11是本发明的实施方式2的3个像素范围的设备剖面图。
图12是表示本发明的实施方式2的固体摄像装置的驱动方法的时间图。
图13是表示本发明的实施方式3的固体摄像装置的驱动方法的时间图。
图14是表示本发明的实施方式4的固体摄像装置的驱动方法的时间图。
图15是表示现有的像素部的结构的剖面图。
具体实施方式
（本发明的基础知识）
本发明的发明者发现背景技术中记载的固体摄像装置中存在如下问题。
在图15所示的积层型图像传感器中，电荷蓄积部103和放大晶体管104的栅极相电连接。该放大晶体管104的栅极氧化膜一般为数纳米至数十纳米的薄膜，以不损伤栅极氧化膜为条件可施加的栅极电压是有限度的。然而，在对高亮度被写体进行撮像时，电荷蓄积部103的电位会增加到光电转换膜101上的相对电极的施加电压。此时，会有超出耐压的高电场施加在放大晶体管104的栅极氧化膜上。从而，导致放大晶体管104的栅极氧化膜被损伤、亚阈值特性显著劣化、像素部的信号输出降低。
另外，在对高亮度的被写体进行撮像时，由于电荷蓄积部103即复位晶体管106的源极也成为高电压，因此，当复位动作时的复位晶体管106进行ON/OFF动作时，电荷被注入到复位晶体管106的沟道，该电荷因漏极-源极间的电压差而在沟道内被加速，成为热载子。并且，该热载子导致发生碰撞电离化现象，从而发生大量的电子空穴对。由于该碰撞电离化，会有大量的电子注入复位晶体管106的栅极氧化膜内，而导致复位晶体管106的开关特性劣化。该特性劣化发展到无法挽回的状态，造成像素部的输出信号降低。
为了解决上述问题，本发明的固体摄像装置具备：半导体基板；多个第一电极，以阵列状被配置在上述半导体基板的上方，上述多个第一电极分别构成不同的单位像素；光电转换膜，被形成在上述多个第一电极之上，将光转换成电信号；第二电极，被形成在上述光电转换膜之上；电荷蓄积区域，以与上述多个第一电极分别对应的方式被形成在上述半导体基板内，并与对应的上述第一电极电连接，对通过光电转换而在上述光电转换膜生成的电荷进行蓄积，该电荷蓄积区域为第一导电型；电荷势垒区域，以与上述电荷蓄积区域的底部分别接触的方式被形成在上述半导体基板内，该电荷势垒区域为与上述第一导电型相反的第二导电型；电荷排出区域，以与上述电荷势垒区域的底部分别接触的方式被形成在上述半导体基板内，该电荷排出区域为上述第一导电型。
根据该结构，在来自光电转换膜的电荷导致电荷蓄积部的电位提高而使得达到了某一规定电位以上时，电荷蓄积部的电荷会漏到电荷排出区域，因此，电荷蓄积部的电位不会提高到某一规定电位以上。从而，能够抑制放大晶体管以及复位晶体管的损伤，即使在对高亮度的被写体进行撮像时，也能够抑制单位像素的输出信号降低。
在此也可以是，上述电荷势垒区域的杂质浓度比上述电荷排出区域的杂质浓度低。
根据该结构，电荷积蓄而造成电荷蓄积区域的电位增加时，电荷容易漏到电荷排出区域，因此能够防止电荷蓄积区域的电位增加到高电位。
另外可以是，上述固体摄像装置还具备MOS型晶体管，该MOS型晶体管对上述电荷蓄积区域的电位进行初始化，上述电荷蓄积区域被兼用为上述MOS型晶体管的漏极区域以及源极区域的一任意方，上述MOS型晶体管的漏极区域以及源极区域的另一任意方为上述第一导电型，在上述半导体基板中，从上述半导体基板的表面至上述电荷蓄积区域的深度，比从上述半导体基板的表面至上述漏极区域以及源极区域的另一任意方的深度深。
根据该结构，能够在半导体基板内确保用于输出与单位像素内的电荷对应的信号的读出电路的阱区域的同时，在电荷蓄积区域的电位增加时，使电荷容易地漏到电荷排出区域，从而能够防止电荷蓄积区域的电位增加到高电位。
另外可以是，上述电荷排出区域与上述第二导电型的上述半导体基板相接触。
根据该结构，能够在不受电荷排出区域阻碍的情况下，通过半导体基板进行分离区域的电位固定，使被分离区域分离的区域内的读出电路的动作稳定。
另外可以是，上述电荷排出区域的电位是变动的电位。
根据该结构，能够根据电荷蓄积区域的电位来调整电荷排出区域的电位，根据亮度来变更电荷排出区域的电位，从而能够实现低耗电化。
另外，为了解决上述问题，本发明的固体摄像装置具备：基板；第一电极，被形成在上述基板的上方；光电转换膜，被形成在上述第一电极的上方，将光转换成信号电荷；第二电极，被形成在上述光电转换膜的上方；电荷蓄积部，被形成在上述基板之上，并与上述第一电极电连接，对从上述第一电极流入的电荷进行蓄积；复位晶体管，其漏极与上述电荷蓄积部电连接；信号读出电路，与上述电荷蓄积部电连接，并生成读出信号，该读出信号是大小与上述电荷蓄积部中蓄积的电荷的量相对应的电信号；控制电路，一边向上述复位晶体管的源极施加第一电压，一边向上述复位晶体管的栅极施加开通电压，并且，一边向上述栅极施加上述开通电压，一边将施加在上述源极的电压从所述第一电压变更成第二电压，该第一电压是排斥上述电荷蓄积部中蓄积的电荷的电压，该开通电压是使上述复位晶体管的栅极成为接通状态的电压，该第二电压是引入上述电荷蓄积部中蓄积的电荷的电压。
通过采用这种结构，本发明的固体摄像装置在对高亮度被写体进行撮像时，能够使在复位晶体管的漏极和源极之间发生的高电压预先就降低，然后使复位晶体管的栅极成为接通状态。因此，与历来的在漏极-源极间为高电压的状态下使复位晶体管的栅极成为接通状态的情况不同，可大幅降低沟道热载子数，从而能够抑制因碰撞电离化而发生的剩余电荷。其结果，能够防止输出电平变动以及复位晶体管的特性劣化，从而不会发生泛黑现象或者黑影现象。
另外可以是，上述控制电路使施加在上述源极的电压，经由上述第一电压和上述第二电压之间的中间电压，以长时间从上述第一电压变化成上述第二电压，上述长时间是在上述复位晶体管的栅极为接通状态的期间内的栅极脉冲上升或者下降所需要的时间以上的时间。
通过采用这种结构，能够在复位晶体管的栅极成为接通状态之前压低漏极-源极间电压，从而能防止在使复位晶体管的栅极成为接通状态的瞬间发生沟道热载子以及随之发生碰撞电离化，然后，随着源极电位的降低，电荷蓄积部中积蓄的信号电荷会被从复位晶体管的源极注入的电荷中和。并且，由于不是使施加在源极的电压急剧降低而是使之逐渐降低，因此，能够在使复位晶体管的源极-漏极间电压保持低值的情况下，将电荷蓄积部设定成残留电荷被排出后的初期状态。
另外可以是，上述固体摄像装置还具备比较器，该比较器对上述读出信号和第一参照电平进行比较，上述控制电路，在上述比较器判断出上述读出信号的大小为上述第一参照电平以下的情况下，对施加在上述源极的电压变更进行抑制，并在将施加在上述源极的电压固定为第二电压的状态下，向上述栅极施加上述开通电压。
通过采用这种结构，在来自高亮度被写体的光的强度比较弱，且不存在上述碰撞电离化的担忧的情况下，能够削减进行复位电压的电平变更时所需的电力，因此有利于固体摄像装置的低耗电化。
另外可以是，在本发明的固体摄像装置中，上述比较器还对上述读出信号和比上述第一参照电平大的第二参照电平进行比较，上述控制电路，在上述比较器判断出上述读出信号的大小比上述第二参照电平大的情况下，一边向上述源极施加上述第一电压，一边向上述栅极施加上述开通电压，并且，一边向上述栅极施加上述开通电压一边将向上述源极施加的电压从上述第一电压变更成上述第二电压之后，向上述栅极持续施加上述开通电压。
通过采用这种结构，在被写体的亮度过高，且持续进行撮像可能导致无法避免发生黑影的情况下，通过在使复位晶体管的栅极保持接通的状态下停止摄影动作，能够充分保护复位晶体管。
另外可以是，在本发明的固体摄像装置中，上述第一电极被形成为电分离的多个部分，包含上述电荷蓄积部的多个电荷蓄积部、包含上述复位晶体管的多个复位晶体管、包含上述信号读出电路的多个信号读出电路、包含上述控制电路的多个控制电路以及包含上述比较器的多个比较器，分别对应于上述第一电极的上述多个部分而被设置，上述多个控制电路中的一个控制电路，在对应的比较器判断出对应的读出信号比上述第二参照电平大的情况下，通过控制其他控制电路，向与其他控制电路对应的复位晶体管的栅极也持续施加上述开通电压。
通过采用这种结构，在被写体的亮度过高，且持续进行撮像可能导致无法避免发生黑影的情况下，能够尽快对其他像素的复位晶体管也进行保护。
另外可以是，在本发明的固体摄像装置中，上述电荷蓄积部将空穴作为上述电荷进行积蓄，上述控制电路一边向上述复位晶体管的源极施加作为上述第一电压的正电压，一边使上述复位晶体管的栅极成为接通状态，并且，在上述复位晶体管的栅极的接通状态下，将施加到上述复位晶体管的源极的电压降低到比上述第一电压低的上述第二电压。
通过采用这种结构，上述控制电路，在上述电荷蓄积部中积蓄的电荷是空穴的情况下，能够进行与该情况相应的驱动。
另外，在本发明的固体摄像装置中，上述电荷蓄积部将电子作为上述电荷进行积蓄，上述控制电路一边向上述复位晶体管的源极施加作为上述第一电压的负电压，一边使上述复位晶体管的栅极成为接通状态，并且，在上述复位晶体管的栅极的接通状态下，将施加到上述复位晶体管的源极的电压提高到比上述第一电压高的上述第二电压。
通过采用这种结构，上述控制电路，在上述电荷蓄积部中积蓄的电荷是电子的情况下，能够进行与该情况相应的驱动。
另外，这些整体性或者具体性的形态可由系统、方法、集成电路、计算机程序或者记录介质来实现，也可以由系统、方法、集成电路、计算机程序或者记录介质的任意组合来实现。
本发明例如还可以是由上述固体摄像装置的控制电路进行的控制方法、用于显示上述固体摄像装置的功能的一部分或者全部的半导体集成电路（LSI）、具备上述固体摄像装置的摄像装置（照相机）。
以下，根据附图来详细说明本发明的实施方式。但是，本发明并不限定于以下的实施方式。另外，在不超出本发明的有效范围的情况下，可适当地进行变更。即，以下的实施方式中公开的结构要素、结构要素的配置位置以及连接形态、时间、时间的顺序等都是一个例子，并不表示本发明限定于此。只有权利要求的范围能够限定本发明。因此，关于以下实施方式的结构要素中的未被记载于表示本发明的最上位概念的独立权利要求项的结构要素，不是作为解决本发明的问题所必须的结构，而是作为任意的结构要素进行说明。另外，在附图中，对于表示实质上相同的结构、动作以及效果的要素，赋予相同的符号。
（实施方式1）
图1是表示实施方式1的积层型固体摄像装置的概略结构的一个例子的图，图2是表示图1的单位像素100的结构的一个例子的电路图。另外，图1中只记载了“2行2列”范围的单位像素100，但是对行数以及列数可以任意进行设定。
该固体摄像装置具备由硅构成的半导体基板（图外）、以阵列状（二维状）被配置在半导体基板上的多个单位像素100、向单位像素100提供各种定时信号的垂直扫描部（也称之为行扫描部）113、将单位像素100的信号依次读出到水平输出端子142的水平扫描部（也称之为列扫描部或者水平信号读出部）115、按单位像素100的每个列形成的列信号线（垂直信号线）141、对被输出到列信号线141的信号进行处理的列信号处理部151。
各单位像素100如图2所示，其具备通过对入射光进行光电转换而生成信号电荷的光电转换部111、栅极与光电转换部111连接的放大晶体管15、漏极与光电转换部111连接的复位晶体管16、与放大晶体管15串联连接的选择晶体管17、对来自光电转换部111的信号电荷进行蓄积的电荷蓄积区域（浮动扩散）14，该电荷蓄积区域14是与光电转换部111连接的蓄积二极管。
光电转换部111具有光电转换膜12、像素电极（第一电极）11和透明电极（第二电极）13。光电转换膜12以被像素电极11和透明电极13相夹的方式形成在半导体基板的上方，由能够对入射光进行光电转换的非晶硅、有机材料等构成。像素电极11是被形成在光电转换膜12的下方即半导体基板侧的下面的下部电极。透明电极13是在光电转换膜12的上方即与像素电极11相反侧的上面，以横跨多个像素电极11的方式形成的上部电极。像素电极11由金属电极构成，透明电极13由能够使光射入光电转换膜12的ITO或者ZnO等透明材料构成。
构成读出电路的放大晶体管15、复位晶体管16和选择晶体管17由MOS晶体管构成并被形成在半导体基板内，该读出电路用于将光电转换部111的与信号电荷对应的信号电压输出到列信号线141。
光电转换部111被插在放大晶体管15的栅极以及复位晶体管16的漏极和光电转换部控制线131之间。放大晶体管15具有与像素电极11连接的栅极，并通过选择晶体管17将与像素电极11的电位对应的信号输出到列信号线141。复位晶体管16的漏极与像素电极11连接，复位晶体管16的源极与复位电位连接，复位晶体管16使电荷蓄积区域14的电位初始化。选择晶体管17的栅极通过地址控制线121与垂直扫描部113连接。复位晶体管16的栅极通过复位控制线123与垂直扫描部113连接。按单位像素100的每个行设有地址控制线121以及复位控制线123。放大晶体管15的漏极与电源线125连接，源极通过选择晶体管17与列信号线141连接。选择晶体管17以及复位晶体管16的接通切断动作，通过行复位信号RESET以及行选择信号SEL，被垂直扫描部113所控制。
另外，在实施方式1中设想为复位晶体管16是n型MOS晶体管，被输入其栅极的复位信号中包含的复位脉冲是正脉冲（上升脉冲），复位脉冲的后缘是下降边。
光电转换部控制线131在全单位像素100被通用。列信号线141按单位像素100的每个列而被设置，并通过列信号处理部151与水平信号读出部115连接。列信号处理部151进行以相关双采样为代表的噪声抑制信号处理以及模拟/数字变换等。
在具有上述结构的单位像素100中，由光电转换部111生成的信号电荷通过像素电极11被传输到电荷蓄积区域14。在实施方式1中，为了传输信号电荷，通过光电转换部控制线131向透明电极13施加正偏压。被传输到电荷蓄积区域14的信号电荷被放大晶体管15放大，并通过使选择晶体管17成为ON状态，而被输出到列信号线141。
接下来，关于实施方式1的固体摄像装置所具备的单位像素100的电荷蓄积区域14的剖面结构的一个例子，利用图3进行说明。图3是表示实施方式1的固体摄像装置的结构的一个例子的剖面图（表示单位像素100的结构的一个例子的剖面图）。
固体摄像装置具备：包含高浓度的p型杂质的半导体基板1；包含低浓度的p型杂质的外延层2；以阵列状被配置在外延层2的上面并构成互不相同的单位像素100的多个像素电极11；被形成在多个像素电极11之上，并通过将射入的光转换成电信号（光电转换）而生成信号电荷的光电转换膜12；被形成在光电转换膜12之上的透明电极13；与多个像素电极11分别对应地被形成在外延层12内，并与对应的像素电极11电连接，对通过光电转换而在光电转换膜12生成的信号电荷进行蓄积的n型（第一导电型）电荷蓄积区域14；以与电荷蓄积区域14的底部分别接触的方式被形成在外延层2内的、与n型相反的p型（第二导电型）的电荷势垒区域21；以与电荷势垒区域21的底部分别接触的方式被形成在外延层2内的n型电荷排出区域22。
电荷势垒区域21的杂质浓度比电荷排出区域22的杂质浓度低。并且，电荷排出区域22与p型的外延层2相接触。另外，固体摄像装置除了分离区域20之外，还具有用于与相邻接的电荷蓄积区域14电分离的STI（shallow trench isolation）19。
固体摄像装置具备对电荷蓄积区域14的电位进行初始化的复位晶体管16，电荷蓄积区域14被兼用为复位晶体管16的漏极区域，复位晶体管16的源极区域27为n型。
单位像素100具备半导体基板1、外延层2、像素电极11、光电转换膜12、透明电极13、电荷蓄积区域14、分离区域20、电荷势垒区域21、电荷排出区域22、栅极电极23、侧壁24、接触配线25、绝缘层26以及源极区域27。栅极电极23以及作为其侧壁的侧壁24被形成在外延层2内，被形成在外延层2内的电荷蓄积区域14以及源极区域27一同构成复位晶体管16。接触配线25被形成在绝缘层26内，使像素电极11和电荷蓄积区域14电连接。
在单位像素100中，由于向透明电极13施加正电压，在光电转换膜12生成的信号电荷（空穴）通过像素电极11被传输到电荷蓄积区域14，并被蓄积在电荷蓄积区域14。电荷蓄积区域14还被兼用为复位晶体管16的漏极区域，通过使复位晶体管16成为ON状态，电荷蓄积区域14的电位被初始化（复位）。利用分离区域20，使电荷蓄积区域14与其他单位像素100电分离。为了使形成阱区域的分离区域20的薄膜电阻降低，电荷排出区域22以格子状或者条纹状被形成在撮像区域（单位像素100被配置成阵列状的外延层2的区域），与外延层2接触，并与撮像区域以及外延层2两者都连接。电荷排出区域22被施加与电荷蓄积区域14的电位相应的适当的电压，电荷排出区域22的电位随着电荷蓄积区域14的电位而变动。
在半导体基板1中，电荷势垒区域21被形成在比电荷蓄积区域14深的位置，电荷排出区域22被形成在比电荷势垒区域21深的位置。另外，分离区域20被形成在比电荷蓄积区域14深，但比电荷排出区域22浅的位置。
在单位像素100中，随着光射入电荷蓄积区域14而发生的电荷被蓄积在电荷蓄积区域14，电荷蓄积区域14的电位会增加。由于电荷蓄积区域14被兼用为复位晶体管16的漏极区域，因此，若电荷蓄积区域14的电位达到耐压（约10v），则会损伤复位晶体管16。此时，与电荷蓄积区域14电连接的放大晶体管（未图示）的栅极也被施加高电压，从而，电荷蓄积区域14的电位达到放大晶体管的栅极氧化膜的耐压（2～10v）时，会损伤放大晶体管。但是，在电荷蓄积区域14下形成有杂质浓度比电荷排出区域22低的电荷势垒区域21，在该电荷势垒区域21下形成有电荷排出区域22。电荷排出区域22被施加某电压（3v以下），因此，当电荷蓄积区域14的电位增加时，被积蓄的空穴会漏到电荷排出区域22。从而，能够抑制电荷蓄积区域14的电位增加，控制电荷蓄积区域14的电位，使得不超过复位晶体管16以及放大晶体管的栅极氧化膜的耐压。
以下，关于实施方式1的固体摄像装置的制造方法，利用图4进行说明。图4是表示实施方式1的固体摄像装置的制造方法的一个例子的工序剖面图。
首先，如图4（a）所示，在高浓度（例如1018～1020cm-3）的p型半导体基板1上方的低浓度（例如1016～1017cm-3）的外延层2内，通过一般的固体摄像装置的制造方法，形成使多个晶体管按每个单位像素100电分离的STI19。
接下来，如图4（b）所示，通过光刻法在外延层2上形成图案，以在所希望的区域形成开口，并利用该图像，通过离子注入法，形成电荷排出区域22和电荷势垒区域21。另外，通过相同的方法形成用于使各晶体管的源极区域以及漏极区域按每个单位像素100电分离的分离区域20。然后，通过一般的固体摄像装置的制造方法，在外延层2内形成单位像素100内的各晶体管的栅极氧化膜以及栅极电极23。
在此，通过注入作为形成n型层的n型杂质的P原子或者注入As原子，形成电荷排出区域22。电荷排出区域22的注入浓度例如是1016～1018cm-3，从外延层2的表面至底面的深度例如约为0.3～1.5μm。另外，电荷排出区域22以格子状或者条纹状扩张的方式被连续设置到摄像区域的端部。因此，能够从撮像区域的外侧向电荷排出区域22施加电压，而无需在单位像素100内设置施加电压的区域，从而容易对单位像素100的尺寸进行细微化。
另外，可通过半导体基板1来对用于划分单位像素100内的晶体管的阱区域的分离区域20进行电位固定，因此，阱区域的薄膜电阻成为1/3以下，从而能够使单位像素100内的晶体管高速动作。
另外，分离区域20被形成为，注入浓度例如是1016～1019cm-3、从外延层2的表面至底面的深度例如约为1.5μm。
另外，电荷势垒区域21被配置在电荷排出区域22和电荷蓄积区域14之间，在电荷蓄积区域14的电位较低约为0～3v时，使电荷排出区域22和电荷蓄积区域14电分离，而在电荷蓄积区域14的电位约为3v以上时，使电荷蓄积区域14的电荷漏到电荷排出区域22。在实施方式1中，采用了耐压约为3v的复位晶体管16以及放大晶体管，此外，能够根据电荷排出区域22的施加电压以及电荷势垒区域21的杂质浓度来调整晶体管的耐压限度。电荷势垒区域21被形成为，注入浓度例如是1015～1018cm-3，从外延层2的表面至底面的深度例如约为0.1～1.3μm。
接下来，如图4（c）所示，形成侧壁24以及电荷蓄积区域14。以使电荷势垒区域21的端部（从上方看半导体基板1时的栅极23侧的端部）和被形成在栅极23的侧壁的侧壁24大体一致的方式，在侧壁24的前后形成电荷势垒区域21。电荷蓄积区域14被兼用为复位晶体管16的漏极区域，因此，对栅极电极23下方的杂质分布以及电荷蓄积区域14的位置采用了可对电位进行初始化的设计。
通过光刻法在外延层2上形成图案，以在所希望的区域形成开口，并利用该图案，通过离子注入法来形成电荷蓄积区域14。电荷蓄积区域14被形成为，注入浓度例如是1016～1020cm-3，从外延层2的表面至底面的深度例如约为0.3μm。另外，电荷蓄积区域14被形成为与复位晶体管16的源极区域27同等的深度以及杂质浓度。由此，可同时形成电荷蓄积区域14和源极区域27，从而能够实现短TAT（Turn Around Time）。
接下来，如图4（d）所示，为了将来自光电转换膜12的信号电荷传输到电荷蓄积区域14，通过一般的固体摄像装置的制造方法，形成绝缘层26以及接触配线25。并且，通过溅射法或者CVD法在外延层2上形成金属膜，并通过光刻法以及干蚀刻法在金属膜上形成图案，从而形成像素电极11。然后，通过蒸镀法或者涂敷法在像素电极11上形成光电转换膜12，并通过溅射法形成用于使入射光到达光电转换膜12的透明电极13。
通过以上的工序，能够制造出图3所示的固体摄像装置。
如上所述，在实施方式1的固体摄像装置中，在电荷蓄积区域14下设有电荷势垒区域21、在电荷势垒区域21下设有电荷排出区域22，即使空穴被蓄积在n型电荷蓄积区域14而造成电位增加的情况下，也能够以规定的电位为界限，漏出到电荷排出区域22。因此，能够抑制以电荷蓄积区域14兼做为漏极区域的复位晶体管16受损伤，以及抑制与电荷蓄积区域14电连接的放大晶体管的损伤。
（变形例）
图5是表示实施方式1的变形例的固体摄像装置的结构的一个例子的剖面图（表示单位像素100的结构的一个例子的剖面图）。
该固体摄像装置与实施方式1的固体摄像装置的不同点在于，在半导体基板1中，从电荷蓄积区域14的底面至外延层2的表面的深度，比从复位晶体管16的源极区域27的底面至外延层2的表面的深度深。在此情况下，电荷蓄积区域14与外延层2的接合面积增加，电荷的蓄积数增加。另外，由于能在深处形成电荷蓄积区域14，因此能够在深处形成电荷排出区域22。从而，能够使形成阱区域的分离区域20的薄膜电阻降低，而无需使分离区域20和外延层2连接。
以下，关于本变形例的固体摄像装置的制造方法，利用图6进行说明。图6是表示本变形例的固体摄像装置的制造方法的一个例子的工序剖面图。
首先，图6（a）所示的形成分离区域20的工序与图3（a）所示的工序一样，在高浓度（例如1018～1020cm-3）的半导体基板1的上方的低浓度（例如1016～1017cm-3）的外延层2内，通过一般的固体摄像装置的制造方法，形成使多个晶体管按每个单位像素100电分离的STI19。
接下来，如图6（b）所示，在形成栅极23之前，通过光刻法在外延层2内形成图案，以在所希望的区域形成开口，并利用该图像，通过离子注入法形成电荷蓄积区域14。另外，通过相同方法形成用于使各晶体管的源极区域以及漏极区域按每个单位像素100的电分离的分离区域20和电荷势垒区域21。然后，通过一般的固体摄像装置的制造方法，形成单位像素100内的各晶体管的栅极氧化膜以及栅极电极23。
在此，电荷蓄积区域14被形成为，注入浓度例如是1015～1018cm-3，从外延层2的表面至底面的深度例如约为2.0μm。由此，能够在不受栅极电极23的厚度的影响的情况下，在各单位像素100形成相同形状的电荷蓄积区域14。
另外，分离区域20被形成为，注入浓度例如是1016～1019cm-3，从外延层2的表面至底面的深度例如约为2.0μm。
另外，电荷势垒区域21被配置在电荷排出区域22和电荷蓄积区域14之间，在电荷蓄积区域14的电位较低约为0～3v的情况下，使电荷排出区域22和电荷蓄积区域14电分离，而在电荷蓄积区域14的电位约为3v以上的情况下，使电荷排出区域22的电荷漏出到电荷排出区域22。在实施方式1中，采用了耐压约为3v的复位晶体管16以及放大晶体管，此外，也能够根据电荷排出区域22的施加电压以及电荷势垒区域21的杂质浓度来调整晶体管的耐压限度。电荷势垒区域21被形成为，注入浓度例如是1015～1018cm-3，从外延层2的表面到底面的深度例如约为0.4～2.5μm。由此，即使形成大面积的电荷排出区域22，也能够确保分离区域20的薄膜电阻。例如，即使在撮像区域的整面都配置了电荷排出区域22的情况下，也能够确保分离区域20具有比图3的分离区域20的薄膜电阻减少了一半的电阻。
接下来，图6（c）所示的接触配线25以及光电转换部111等的形成工序，与图3（d）的工序相同。
如上所述，根据本变形例的固体摄像装置，由于电荷蓄积区域14比源极区域27深，因此能够降低分离区域20的薄膜电阻，并能够抑制晶体管的损伤。
以上，关于本发明的固体摄像装置的一个例子，根据实施方式进行了说明，但本发明并不限定于该实施方式。只要不脱离出本发明的宗旨，将本领域技术人员所想到的各种变形方式结合于该实施方式而成的形态、对不同的实施方式的结构要素进行组合而成的形态也属于本发明的范围内。
例如，在上述实施方式中，第一导电型是n型，第二导电型是p型。例如，半导体基板的导电型是p型、像素电路的各晶体管是n-沟道型，但也可以是半导体基板的导电型为n型、像素电路的各晶体管为p-沟道型。在此情况下，电压电位的符号变成相反的符号，从光电转换膜读出的信号电荷也从空穴变成电子。因此，复位晶体管的源极区域以及漏极区域也变成相反的。
另外，在上述实施方式中，构成单位像素100的读出电路的各晶体管是MOS晶体管，但是，只要是电场效应晶体管（FET）即可，并不限定于此。
另外，在上述实施方式中，半导体基板1和外延层2是不同的部分，此外，半导体基板1和外延层2的接合体，即，表面形成有外延层2的半导体基板1相当于本发明的半导体基板。
（实施方式2）
以下，关于本发明的固体摄像装置的实施方式2，参照附图进行说明。在此，关于本发明，根据以下的实施方式进行说明，但其目的仅在于例示，并不表示本发明限定于此。
（比较例）
在说明本发明的实施方式之前，作为比较例，详细说明在现有的积层型图像传感器中采用一般的CMOS图像传感器的驱动方法时出现的问题。
在专利文献1所记载的积层传感器中，各像素的光电转换部包含像素电极、被积层在像素电极的上方（光入射口侧）的有机材料的光电转换膜、被形成在光电转换膜上面的相对电极。并且，该积层传感器将由入射光而生成的电荷群之外电流信号，通过像素电极取出到光电转换部之外。通常，为了选择信号电荷的符号，具备用于传导信号电荷并能阻挡相反符号的电荷的电荷阻挡层。该电荷阻挡层是与像素电极相对而置，或者直接与像素电极接触。
图7是表示专利文献1所记载的以有机膜作为光电转换部的现有的积层型图像传感器的像素部电路的示意图。在此，图7所示的电路与图15的电路是同等的，但为了便于说明，对图中电路要素的配置作了适当变更。
从光电转换部101通过像素电极102被输出的信号电荷，被蓄积在电荷蓄积部103，该电荷蓄积部103被形成在基板上且由耗尽层电容构成。电荷蓄积部103通过配线与放大晶体管104的输入栅极连接，对蓄积电荷量的变动所致的电压变化进行检测，并通过用于选择该像素的读出定时的选择晶体管105，作为读出信号输出信号电荷。并且，为了在信号电荷被读出之后排出电荷蓄积部103的残留电荷即进行复位动作，与复位晶体管106的漏极部相连接，电荷蓄积部103的电压通过复位动作被设定成初期状态电压。
图8是通过一般的CMOS图像传感器的信号读出以及复位序列来驱动具有图7所示的像素部结构的现有积层型图像传感器时的典型的时间图。图8表示了图7所示的主要节点的电压VRST、VSELECT、VRSTG、VSIG的时间变化的一个例子。在以下的说明中，以电荷蓄积部103蓄积空穴时的电压高/低为例进行说明。
在时刻T1，高电平的选择信号VSELECT被施加到选择晶体管105的栅极，选择晶体管105的栅极成为接通状态。此时，在电荷蓄积部103蓄积有与受光量相应的量的信号电荷。放大晶体管104生成蓄积电荷信号，被生成的蓄积电荷信号被作为读出信号VSIG由选择晶体管105输出，该蓄积电荷信号是通过光电转换而被生成的、大小与被蓄积在电荷蓄积部103的信号电荷的量相应的电信号。
然后，在时刻T2，通过在复位晶体管106的栅极施加高电平的栅极电压VRSTG（开通电压），使复位晶体管106的栅极成为接通状态，而通过将低电平的复位电压VRST施加到电荷蓄积部103，使电荷蓄积部103复位。即，电荷蓄积部103的残留电荷，通过与复位晶体管106所提供的电荷进行中和，而被排出。
在从选择晶体管的栅极成为接通状态从而像素被选择的时刻T1开始，到该像素的电荷蓄积部103被复位的时刻T2之间，通过对来自选择晶体管105的读出信号VSIG进行采样，来进行蓄积电荷信号的读出动作。
在蓄积电荷信号的读出动作结束后的时刻T3，使复位晶体管106的栅极成为切断状态，在时刻T4使选择晶体管105的栅极成为切断状态。
在从复位晶体管106的栅极成为切断状态的时刻T3开始，到选择晶体管105的栅极成为切断状态的时刻T4之间，通过对读出信号VSIG进行采样，读出初期状态信号（零电平的基准值）。
按该序列被读出的蓄积电荷信号和初期状态信号的差值，被作为图像信号的实质成分量而被输出。作为差值的运算方式，最常见的是相关双采样方式。
这种驱动方法，如上所述，其在实用上具有重大问题，即，在对高亮度被写体进行撮像时出现输出电平变动和泛黑，并且这些现象会永久存在，从而导致画质低下。
在对高亮度被写体进行撮像时，如图7所示，由于大量的信号电荷流入电荷蓄积部103，电荷蓄积部103即复位晶体管106的漏极电压会上升极高（例如，正电源电压）。
在电荷蓄积动作时，复位晶体管106的栅极为切断状态，而在复位操作时复位晶体管106的栅极成为接通状态的话，电荷被注入到复位晶体管106的沟道，被注入的电荷因上述漏极-源极的高电压差而在沟道内被加速，成为热载子，并由于碰撞电离化，发生大量的电子-空穴对。
其结果，大量的空穴被作为剩余电荷注入到复位晶体管106周边的基板部，基板部变动为正电压。即，紧接着复位晶体管106结束复位操作的时刻T3之后，由于上述空穴剩余电荷，读出信号VSIG成为比正确的复位电平高出相当于正电压变动部分的电压。如果对该电压进行采样并将其用作初期状态信号（零电平）的话，通过差值运算而被输出的信号电平比正确的信号电平低，会发生图像变黑的现象。
相反，因碰撞电离化而发生的大量电子被注入复位晶体管106的栅极氧化膜内，从而导致开关特性劣化。如果该特性劣化发展到不可逆的程度，电荷蓄积部103就不能被复位到充分低的电压，而成为信号电荷常在的状态，即，输出电平从正确的复位输出电平被移向了正电压侧的状态，出现如上所述的泛黑现象。并且，如果复位晶体管106达到了不可逆的特性劣化，那么在摄像时该像素就总成为泛黑状态，而造成黑影现象。
本发明的发明者们通过上述考察，发现在具有如图7所示的像素部结构的积层传感器中，在对高亮度被写体进行撮像时发生的上述输出变动以及黑影现象是积层传感器所特有的现象。因此，为了实现积层型图像传感器的实用化，必须要解决该问题。
以下，作为实施方式2，说明用于解决上述问题的具体技术。
关于本发明的实施方式2的固体摄像装置，利用图9至图12进行说明。
首先，说明本发明的实施方式2的固体摄像装置的整体结构。
图9是表示本发明的实施方式2的固体摄像装置301的结构的方框图。该固体摄像装置301具备像素阵列302、行信号驱动电路303a和303b、按每个列配置了具有放大以及反馈功能的电路的列反馈放大电路304、包含按每个列配置的列放大器和噪声抵消器的噪声抵消电路305、水平驱动电路306和输出级放大器307。
像素阵列302包含被配置成阵列状的多个像素310、图9中虽未表示但是按每个列被设置的多个列信号线、按每个行被设置的多个选择线。
列反馈放大电路304从像素阵列302取得输出信号，并向像素阵列302反馈与该取得的输出信号应对的控制信号。从而，信号的流动方向如图9的箭头309所示，相对于像素阵列302呈双方向。
图10是表示固体摄像装置301中包含的某一个像素310的信号读出电路420及其周边电路的电路图。
列信号线404被配置在与像素310相同的列，并与未图示的其他多个像素连接。并且，图10所示的结构被设置在各列。
如图10所示，像素310具备光电转换部401、复位晶体管406、FD部（浮动扩散部）415和信号读出电路420。另外，固体摄像装置301具备列信号线404、比较器405、根据比较器405的输出来向复位晶体管406提供控制信号的控制电路407、列选择晶体管410、列放大电路411、偏压晶体管412、电容413以及414。在此，列信号线404、比较器405、控制电路407、列选择晶体管410、列放大电路411、偏压晶体管412、电容413以及414，按每个列被设置。
比较器405和控制电路407构成列反馈放大电路304。列选择晶体管410、列放大电路411、偏压晶体管412、电容413以及414构成噪声抵消电路305。
光电转换部401通过对入射光进行光电转换，生成与入射光量相应的信号电荷。
信号读出电路420输出与由光电转换部401生成的信号电荷相应的读出信号VSIG。信号读出电路420包含放大晶体管402和选择晶体管403。
放大晶体管402生成大小与由光电转换部401生成并被蓄积在FD部415的信号电荷的量相对应的读出信号VSIG。在此，FD部415是电荷蓄积部的一个例子。
选择晶体管403控制是否将由放大晶体管402生成的读出信号VSIG传达给列信号线404。
复位晶体管406向FD部415施加用于使光电转换部401以及FD部415复位的电压。
控制电路407根据比较器405的输出，通过信号线408，将用于控制复位晶体管406的栅极的接通/切断状态的栅极电压VRSTG施加到复位晶体管406的栅极，并通过信号线409，将例如可在接地电位（GND）和比GND高的电位（VHIGH）之间变动的复位电压VRST提供给复位晶体管406的源极。
列选择晶体管410控制是否将读出信号VSIG传达给列放大电路411的输入端子。
偏压晶体管412与电容413以及414被串联连接。偏压晶体管412控制是否将偏压电压VNCB施加到电容413。
被列放大电路411放大的信号被输入到由偏压晶体管412、电容413以及414构成的差值电路。该差值电路通过电容413以及414间的电荷再分配的差值动作，检测出与图像信号的实质成分量相对应的电压。
图11是表示固体摄像装置301的3个像素区域的结构的一个例子的剖面图。在此，像素阵列302实际上是例如排列有1000万个像素310的结构。
如图11所示，固体摄像装置301具备微透镜501、蓝色滤光片502、绿色滤光片503、红色滤光片504、保护膜505、平坦化膜506、上部电极507（第二电极）、光电转换膜508、电子阻挡层509、电极间绝缘膜510、下部电极511（第一电极）、绝缘膜512、供电层513、导孔514、基板518、阱519、STI区域（浅沟槽分离区域）520和层间绝缘层521。
上部电极507（第二电极）、光电转换膜508、电子阻挡层509、电极间与绝缘膜510和下部电极511（第一电极）构成光电转换部401。另外，在图11所示的剖面中，可看到利用被形成在基板518上的扩散区域构成的FD部415、放大晶体管402和复位晶体管406。
基板518是半导体基板，例如是硅基板。
为了对入射光有效率地进行聚光，在固体摄像装置301最表面，按每个像素310形成有微透镜501。
蓝色滤光片502、绿色滤光片503以及红色滤光片504是为了拍摄彩色图像而被形成的结构。另外，蓝色滤光片502、绿色滤光片503以及红色滤光片504分别被形成在微透镜501的正下面的保护膜505内。
为了在1000万像素都形成没有聚光不均以及颜色不均的微透镜501以及滤光片群，这些光学元件被形成在平坦化膜506上。平坦化膜506例如由SiN构成。
上部电极507在平坦化膜506之下，被形成在像素阵列302的整面。该上部电极507使可见光透过。例如，上部电极507由ITO（Indium Tin Oxide）构成。
光电转换膜508将光转换成信号电荷。具体是，光电转换膜508被形成在上部电极507之下，由光吸收能力高的有机分子构成。光电转换膜508的厚度例如是500nm。光电转换膜508通过真空蒸镀法被形成。上述有机分子对波长400nm至700nm的可见光全域都具有高的光吸收能力。
电子阻挡层509被形成在光电转换膜508之下，传达由入射光的光电转换而生成的空穴，并阻止来自下部电极511的电子的注入。该电子阻挡层509被形成在具有高平坦度的电极间绝缘膜510和下部电极511之上。
多个下部电极511以阵列状被配置在基板518的上方。另外，多个下部电极511以彼此电分离的方式被形成。具体是，下部电极511被形成在电极间绝缘膜510之间，收集在光电转换膜508发生的空穴。该下部电极511例如由TiN构成。另外，下部电极511被形成在平坦化的厚度为100nm的绝缘膜512上。
另外，相邻的下部电极511相隔0.2μm的间隙而形成。并且，在该间隙处也埋设有电极间绝缘膜510。
并且，在该间隙的下方，并且是绝缘膜512之下的位置配置有供电层513。该供电层513例如由Cu构成。具体是，供电层513是邻接的下部电极511之间的区域，且被形成在下部电极511和基板518之间。另外，可向供电层513提供与下部电极511独立的电位。
具体是，在光电转换部401进行光电转换的露光动作时，以及信号读出电路420生成读出信号的读出动作时，向供电层513提供用于排斥信号电荷的电位。例如，在信号电荷是空穴的情况下施加正电压。由此，能够防止来自邻接像素的空穴混入各像素。在此，这样的电压输入的控制，例如由固体摄像装置301所具备的控制部（未图示）进行。
供电层513与导孔514连接。另外，导孔514与FD部415以及放大晶体管402的栅极端子连接。并且，FD部415与复位晶体管406的源极端子电连接。另外，复位晶体管406的源极电子与FD部415共享扩散区域。FD部415、放大晶体管402、复位晶体管406和未图示被形成在同一像素内的选择晶体管全都被形成在同一p型的阱519内。阱519被形成在基板518上。
另外，各晶体管被由SiO2构成的STI区域520电分离。
从这样的结构能理解，图10所示的信号读出电路420被形成在基板518上，在光电转换部401被生成的信号电荷通过下部电极511以及导孔514而被蓄积在FD部415，由放大晶体管402生成大小与被蓄积在FD部415的信号电荷的量相应的读出信号VSIG。
以下，说明固体摄像装置301的驱动方法。在此，以下所示的控制信号的生成，例如由固体摄像装置301所具备的控制部（未图示）进行。
图12是表示图10所示的主要节点的信号VRST、VSELECT、VRSTG、VSIG的时间变化的一个例子的时间图。
在时刻T1，由于选择晶体管403的栅极被施加高电平的选择信号VSELECT，选择晶体管403的栅极成为接通状态，从而在放大晶体管402生成的读出信号VSIG被输出到列信号线404。比较器405对读出信号VSIG的大小和规定的参照电平电压VREF进行比较，并将表示其比较结果的信号提供给控制电路407。
在时刻T2，控制电路407向复位晶体管406的源极施加正极性的复位电压VRST（例如，正电源电压）。因此，此时，因对被写体进行撮像从而在光电转换部401生成的大量的信号电荷被蓄积到FD部415，其结果，即使在复位晶体管406的漏极电压上升到了正高值的情况下，复位晶体管406的源极-漏极间电压也只被降低相当于正复位电压VRST的程度。在此，正极性的复位电压VRST是排斥FD部415中积蓄的电荷（空穴）的第一电压的一个例子。
然后，在时刻T3，控制电路407一边在复位晶体管406的源极施加高电平的复位电压VRST，一边向复位晶体管406的栅极施加高电平的栅极电压VRSTG（开通电压），从而使复位晶体管406的栅极成为接通状态。
在本驱动方法中，通过预先在时刻T2施加正极性的复位电压VRST，来压低复位晶体管406的源极-漏极间电压，从而能够抑制栅极电压VRSTG从低电平移向高电平时发生的碰撞电离化。因此，既能够抑制随着碰撞电离化发生剩余电荷，又能够防止发生复位晶体管406的损伤、基板电位的变动。另外，在复位晶体管406的栅极成为接通状态的瞬间，该源极-漏极间电压也低，因此读出信号VSIG几乎无变动。
然后，在时刻T4，控制电路407一边向复位晶体管406的栅极施加高电平的栅极电压VRSTG，一边将复位电压VRST降低到比上述第一电压低的正极性的电压、接地电压或者负极性的电压（例如，负的电源电压），从而使FD部415复位。在此，比上述第一电压低的正极性的电压、接地电压或者负极性的电压是用于引入被蓄积在FD部415的电荷（空穴）的第二电压的一个例子。
通过光电转换而生成的蓄积电荷信号的读出动作，在从选择晶体管403的栅极成为接通状态从而像素310被选择的时刻T1开始，到像素310的FD部415被复位的时刻T3之间，通过对读出信号VSIG采样而被进行。在蓄积电荷信号的读出动作结束后的时刻T5，复位晶体管406的栅极为切断状态，在时刻T6，选择晶体管403的栅极为切断状态。
通过在从复位晶体管406的栅极成为切断状态的时刻T5开始到选择晶体管403的栅极成为切断状态的时刻T6之间，对读出信号VSIG进行采样，从而初期状态信号被读出。
噪声抵消电路305算出按这样的序列被读出的蓄积电荷信号和初期状态信号的差值，并将算出的差值作为图像信号的实质成分量输出。
根据这样的驱动方法，可实现在对高亮度的被写体进行摄像时不会发生碰撞电离化的复位动作，而碰撞电离化是在复位时导致发生泛黑或者黑影的原因。
其结果，即使在对高亮度被写体进行撮像时，也能够抑制复位时因碰撞电离化而在复位晶体管发生剩余电荷，从而能够防止输出电平变动或者复位晶体管的特性劣化，进而能够实现可进行无泛黑或者黑影现象的高画质摄像的固体摄像装置及其驱动方法。
另外，上述说明的序列中，作为参照电平电压VREF，采用了例如用于判断在复位晶体管406中可能发生碰撞电离化的电平的阈值，在比较器405判断出读出信号VSIG的大小为该参照电平电压VREF以下的情况下，控制电路407可以抑制在时刻T2以及T4的复位电压VRST的变更，并在将复位电压VRST固定在低电平的状态下，对复位晶体管406的栅极的接通/切断状态进行控制。通过这样，在来自高亮度被写体的光的强度比较弱且没有上述碰撞电离化的可能性的情况下，能够削减复位电压VRST的电平变更所消耗的电力，因此有利于固体摄像装置301的低耗电化。
并且，控制电路407可以根据读出信号VSIG的大小来算出FD部415的电压VFD，并将与算出的电压VFD相等的复位电压VRST施加在复位晶体管406的源极。通过这样，能够以可防止碰撞电离化的最小限度的振幅来使复位电压VRST变化，因此有利于固体摄像装置301低耗电化。
另外，以上说明了控制电路407一边向复位晶体管406的源极施加作为第一电压的正电压，一边使复位晶体管406的栅极成为接通状态，并且，在复位晶体管406的栅极的接通状态下，将施加在复位晶体管406的源极的电压降低到比上述第一电压低到上述第二电压。
通过这样的驱动方法，在FD部415积蓄空穴的情况下，可获得防止复位晶体管406的碰撞电离化的效果。
另外，在FD部415积蓄电子的情况下，最好是控制电路407一边在复位晶体管406的源极施加作为第一电压的负电压，一边使复位晶体管406的栅极成为接通状态，并且，在复位晶体管406的栅极的接通状态下，将施加在复位晶体管406的源极的电压提高到比上述第一电压高的第二电压（例如，比上述第一电压高的负电压、接地电压或者正电压）。
通过这样的驱动方法，在FD部415积蓄电子的情况下，可获得与上述相同的防止在复位晶体管406发生碰撞电离化的效果。
（实施方式3）
关于本发明的实施方式3的驱动方法利用图13进行说明。
在实施方式3中，说明由图9以及图10所示的固体摄像装置301执行的另一驱动方法。以下，适宜省略与实施方式2相同的事项，以不同点为主进行说明。
图13是表示图10所示的主要节点的信号VRST、VSELECT、VRSTG、VSIG的时间变化的一个例子的时间图。
在实施方式3的驱动方法中，在从时刻T1到时刻T3之间，执行与实施方式1相同的序列。其结果，与实施方式1同样，可获如下效果。即，由于在时刻T2复位晶体管406的源极-漏极间电压被预先压低，因此能够抑制在栅极电压VRSTG从低电平移向高电平时发生的碰撞电离化。从而，能够抑制因碰撞电离化而发生的剩余电荷，不会发生复位晶体管406的损伤、基板电位的变动。另外，在复位晶体管406成为接通的瞬间，其源极-漏极间电压也低，因此VSIG几乎不会变动。
在实施方式3的驱动方法中，与实施方式2的驱动方法不同，时刻T3之后，复位晶体管406的栅极被确定为接通状态之后，在到时刻T4为止的期间，复位电压VRST逐渐降低到低电平。在时刻T4，复位电压VRST完全成为低电平，FD部415完全被复位。在时刻T4，读出信号VSIG降低到与初期状态信号对应的电平。
根据这样的驱动方法，由于是逐渐降低复位电压VRST，因此能够在使复位晶体管406的源极-漏极间电压的电压保持低值的状态下，将FD部415设定成残留电荷被排出之后的初期状态。
然后，从时刻T4到时刻的T6之间，执行与实施方式2相同的序列。蓄积电荷信号以及初期状态信号的读出动作、以及在噪声抵消电路305中算出蓄积电荷信号和初期状态信号的差值并以此作为图像信号的实质成分量的动作，与实施方式2相同，因此省略说明。
如上所述，根据本实施方式的驱动方法，可实现在对高亮度被写体进行摄像时不会发生碰撞电离化的复位动作，而碰撞电离化是在复位时导致发生泛黑或者黑影的原因。
（实施方式4）
关于本发明的实施方式4的驱动方法，利用图14进行说明。
在实施方式4中，说明由图9以及图10所示的固体摄像装置301实行另一驱动方法。以下，适宜省略与实施方式2以及3相同的事项，以不同点为主进行说明。
图14是表示图10所示的主要节点的电压VRST、VSELECT、VRSTG、VSIG的时间变化的一个例子的时间图。实施方式4的驱动方法中追加了针对被写体的亮度过高且通过以上的驱动方法继续进行撮像时可能会导致黑影的情况的对策。
实施方式2以及3中采用的是为了判断在复位晶体管406中可能发生碰撞电离化的电平的参照电平电压VREF，而在实施方式4中，采用另外判断若继续进行撮像的或可能造成黑影的电平的参照电平电压VREF。即，实施方式4中采用了比实施方式2以及3所采用的参照电平电压VREF更高的参照电平电压VREF。
在实施方式4的驱动方法中，与实施方式2以及3的驱动方法（图12、图13）不同，在比较器405判断出读出信号VSIG的大小比表示若继续进行撮像的话可能发生黑影的电平的参照电平电压VREF大的情况下，在复位动作结束的时刻T5之后，也通过向复位晶体管的栅极持续施加高电平的栅极电压VRSTG（开通电压），来使复位晶体管406的栅极维持接通状态，并使复位晶体管406的源极向GND短路（将复位电压VRST固定在低电平）。由此，后续的撮像动作会停止，不会继续进行蓄积电荷信号以及初期状态信号的读出动作。
如上所述，根据本实施例的驱动方法，可实现在对高亮度的被写体进行摄像时不会发生碰撞电离化的复位动作，而碰撞电离化是在复位时导致发生泛黑或者黑影的原因。并且，在被写体的亮度过高而继续进行摄像的话可能无法避免黑影的情况下，也能够采取适当的对策。
另外，在比较器405判断出从像素310读出的读出信号VSIG的大小比可能发生黑影的电平大的情况下，最好是由控制电路407对其他的像素也持续进行复位动作。
即，控制电路407可以对被包含在同一列中的其他像素的复位晶体管的栅极也持续施加开通电压，将提供给该复位晶体管的复位电压固定在低电平。控制电路407还通过对被设置在其他列的控制电路进行控制，向其他列的像素所包含的复位晶体管的栅极持续施加开通电压，将提供给该复位晶体管的复位电压固定在低电平。
通过采用这种结构，在被写体的亮度过高而继续进行撮像的话可可能在其他像素也发生黑影的情况下，能够尽早保护其他像素的复位晶体管。
以上，关于本发明的实施方式的固体摄像装置进行了说明了，但本发明并不限定于这些实施方式。例如，控制电路407还可以根据来自芯片外部的控制信号，以更高的自由度进行控制。
另外，典型情况为，上述实施方式的固体摄像装置中包含的各处理部可由作为集成电路的LSI实现，这些处理部可以分别是一个芯片，也可以是其中一部分或者全部为一个芯片。
另外，集成电路化并不限定与LSI，也可由专用电路或者通用处理器来实现。能够利用可在制造LSI之后进行编程的FPGA（Field Programmable Gate Array）或者可对LSI内部的电路单元的连接或者设定进行重建的可重建处理器。
另外，上述剖面图中，用直线记载了各结构要素的角部以及边部，此外，出于制造上的理由，角部以及边部为弧形的形态属于本发明。
另外，可对上述实施方式的固体摄像装置及其变形例的功能中的至少一部分进行组合。
另外，以上采用的数字都是为了具体说明本发明而举出的例系，本发明并不限定于例示的数字。并且，以高/低表示的电平或者以接通/切断表示的开关状态，也是为了具体说明本发明的例子，通过例示的逻辑电平或者开关状态的不同组合，也可能获得同等结果。另外，基板的扩散区域的导电型（n型以及p型）是为了具体说明本发明的例子，通过进行调换，可能会获得同等的结果。
另外，上述显示的各结构要素的材料，都是为了具体说明本发明的例子，本发明并不限定于例示的材料。另外，结构要素间的连接关系也是为了具体说明本发明的例子，实现本发明的功能的连接关系并不限定于此。
另外，以上的说明中，说明了采用MOS晶体管的例子，此外也可由采用其他晶体管。
并且，只要不超出本发明的主旨，在本领域技术人员想到的范围内对本实施方式进行变更的各种变形例也属于本发明的范围内。
本发明适用于固体摄像装置，尤其适用于针对高亮度射入光且要求高信赖度的固体摄像装置。本发明例如可应用于监控摄像头、网络摄像头、车载照相机、数码相机和手机等。
符号说明
1 半导体基板
2 外延层
11、102 像素电极
12、101、111、401 光电转换膜（光电转换部）
13 透明电极
14、103 电荷蓄积区域（电荷蓄积区域）
15、104、402 放大晶体管
16、106、406 复位晶体管
17、105、403 选择晶体管
19 STI
20 分离区域
21 电荷势垒区域
22 电荷排出区域
23 栅极电极
24 侧壁
25 接触配线
26 绝缘层
27 源极区域
100 单位像素
103 电荷蓄积部
113 垂直扫描部
115 水平扫描部
121 地址控制线
123 复位控制线
125 电源线
131 光电转换部控制线
141 列信号线
142 水平输出端子
151 列信号处理部
301 固体摄像装置
302 像素阵列
303a、303b 行信号驱动电路
304 列反馈放大电路
305 噪声抵消电路
306 水平驱动电路
307 输出级放大器
309 箭头
310 像素
404 列信号线
405 比较器
407 控制电路
408、409 信号线
410 列选择晶体管
411 列放大电路
412 偏压晶体管
413 电容
415 FD部
420 读出电路
501 微透镜
502 蓝色滤光片
503 绿色滤光片
504 红色滤光片
505 保护膜
506 平坦化膜
507 上部电极
508 光电转换膜
509 电子阻挡层
510 电极间绝缘膜
511 下部电极
512 绝缘膜
513 供电层
514 导孔
518 基板
519 阱
520 STI区域
521 层间绝缘层

Claims (13)

1.一种固体摄像装置，具备：
基板；
第一电极，被形成在上述基板的上方；
光电转换膜，被形成在上述第一电极的上方，将光转换成信号电荷；
第二电极，被形成在上述光电转换膜的上方；
电荷蓄积部，被形成在上述基板之上，并与上述第一电极电连接，对从上述第一电极流入的电荷进行蓄积；
复位晶体管，其漏极与上述电荷蓄积部电连接；
信号读出电路，与上述电荷蓄积部电连接，并生成读出信号，该读出信号是大小与上述电荷蓄积部中蓄积的电荷的量相对应的电信号；以及
控制电路，一边向上述复位晶体管的源极施加第一电压，一边向上述复位晶体管的栅极施加开通电压，并且，一边向上述栅极施加上述开通电压，一边将施加在上述源极的电压从上述第一电压变更成第二电压，
上述控制电路，经由第一信号线对上述源极施加电压，经由与上述第一信号线不同的第二信号线对上述栅极施加电压，
该第一电压是排斥上述电荷蓄积部中蓄积的电荷的电压，
该开通电压是使上述复位晶体管的栅极成为接通状态的电压，
该第二电压是引入上述电荷蓄积部中蓄积的电荷的电压。
2.如权利要求1所述的固体摄像装置，
上述控制电路使施加在上述源极的电压，经由上述第一电压和上述第二电压之间的中间电压，以长时间从上述第一电压变化成上述第二电压，上述长时间是在上述复位晶体管的栅极为接通状态的期间内的栅极脉冲上升或者下降所需要的时间以上的时间。
3.如权利要求1所述的固体摄像装置，
上述固体摄像装置还具备比较器，该比较器对上述读出信号和第一参照电平进行比较，
上述控制电路，在上述比较器判断出上述读出信号的大小为上述第一参照电平以下的情况下，对施加在上述源极的电压变更进行抑制，并在将施加在上述源极的电压固定为上述第二电压的状态下，向上述栅极施加上述开通电压。
4.如权利要求3所述的固体摄像装置，
上述比较器还对上述读出信号和比上述第一参照电平大的第二参照电平进行比较，
上述控制电路，在上述比较器判断出上述读出信号的大小比上述第二参照电平大的情况下，一边向上述源极施加上述第一电压，一边向上述栅极施加上述开通电压，并且，一边向上述栅极施加上述开通电压一边将向上述源极施加的电压从上述第一电压变更成上述第二电压之后，向上述栅极持续施加上述开通电压。
5.如权利要求4所述的固体摄像装置，
上述第一电极被形成为电分离的多个部分，
包含上述电荷蓄积部的多个电荷蓄积部、包含上述复位晶体管的多个复位晶体管、包含上述信号读出电路的多个信号读出电路、包含上述控制电路的多个控制电路以及包含上述比较器的多个比较器，分别对应于上述第一电极的上述多个部分而被设置，
上述多个控制电路中的一个控制电路，在对应的比较器判断出对应的读出信号比上述第二参照电平大的情况下，通过控制其他控制电路，向与其他控制电路对应的复位晶体管的栅极也持续施加上述开通电压。
6.如权利要求1至4的任一项所述的固体摄像装置，
上述电荷蓄积部，将空穴作为上述电荷进行积蓄，
上述控制电路，一边向上述复位晶体管的源极施加作为上述第一电压的正电压，一边使上述复位晶体管的栅极成为接通状态，并且，在上述复位晶体管的栅极的接通状态下，将施加到上述复位晶体管的源极的电压降低到比上述第一电压低的上述第二电压。
7.如权利要求1至4的任一项所述的固体摄像装置，
上述电荷蓄积部，将电子作为上述电荷进行积蓄，
上述控制电路，一边向上述复位晶体管的源极施加作为上述第一电压的负电压，一边使上述复位晶体管的栅极成为接通状态，并且，在上述复位晶体管的栅极的接通状态下，将施加到上述复位晶体管的源极的电压提高到比上述第一电压高的上述第二电压。
8.一种固体摄像装置的驱动方法，
上述固体摄像装置包括：
基板；
第一电极，被形成在上述基板的上方；
光电转换膜，被形成在上述第一电极的上方，将光转换成信号电荷；
第二电极，被形成在上述光电转换膜的上方；
电荷蓄积部，被形成在上述基板上并与上述第一电极电连接，对从上述第一电极流入的电荷进行蓄积；
复位晶体管，其漏极与上述电荷蓄积部电连接；
信号读出电路，与上述电荷蓄积部电连接，并生成读出信号，该读出信号是大小与上述电荷蓄积部中蓄积的电荷的量相应的电信号；以及
控制电路，向上述复位晶体管的源极以及栅极施加各自独立的电压，上述控制电路，经由第一信号线对上述源极施加电压，经由与上述第一信号线不同的第二信号线对上述栅极施加电压，
上述驱动方法包括以下步骤：
上述控制电路一边向上述复位晶体管的源极施加第一电压一边向上述复位晶体管的栅极施加开通电压的步骤，该第一电压是排斥上述电荷蓄积部中蓄积的电荷的电压，该开通电压是使上述复位晶体管的栅极成为接通状态的电压；以及
上述控制电路一边向上述栅极施加上述开通电压一边将施加在上述源极的电压从上述第一电压变更成第二电压的步骤，该第二电压是引入上述电荷蓄积部中蓄积的电荷的电压。
9.一种固体摄像装置，具备：
半导体基板；
多个第一电极，以阵列状被配置在上述半导体基板的上方，上述多个第一电极分别构成不同的单位像素；
光电转换膜，被形成在上述多个第一电极之上，将光转换成电信号；
第二电极，被形成在上述光电转换膜之上；
电荷蓄积区域，以与上述多个第一电极分别对应的方式被形成在上述半导体基板内，并与对应的上述第一电极电连接，对通过光电转换而在上述光电转换膜生成的电荷进行蓄积，该电荷蓄积区域为第一导电型；
电荷势垒区域，以与上述电荷蓄积区域的底部分别接触的方式被形成在上述半导体基板内，该电荷势垒区域为与上述第一导电型相反的第二导电型；以及
电荷排出区域，以与上述电荷势垒区域的底部分别接触的方式被形成在上述半导体基板内，该电荷排出区域为上述第一导电型。
10.如权利要求9所述的固体摄像装置，
上述电荷势垒区域的杂质浓度比上述电荷排出区域的杂质浓度低。
11.如权利要求9所述的固体摄像装置，
该固体摄像装置还具备MOS型晶体管，该MOS型晶体管对上述电荷蓄积区域的电位进行初始化，
上述电荷蓄积区域被兼用为上述MOS型晶体管的漏极区域以及源极区域的一任意方，
上述MOS型晶体管的漏极区域以及源极区域的另一任意方为上述第一导电型，
在上述半导体基板中，从上述半导体基板的表面至上述电荷蓄积区域的深度，比从上述半导体基板的表面至上述漏极区域以及源极区域的另一任意方的深度深。
12.如权利要求9所述的固体摄像装置，
上述电荷排出区域与上述第二导电型的上述半导体基板相接触。
13.如权利要求9所述的固体摄像装置，
上述电荷排出区域的电位是变动的电位。
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