CN105448941A - 半导体装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施方式的半导体装置具有多个像素。所述多个像素分别包括光电转换部、第一杂质扩散区、电压供给线、第二杂质扩散区、电位障壁部和检测部。第一杂质扩散区对由所述光电转换部光电转换出的电荷进行保持。第二杂质扩散区与所述电压供给线相连接。电位障壁部在所述第一杂质扩散区与所述第二杂质扩散区之间形成恒定的电位障壁，限制电荷在所述第一杂质扩散区与所述第二杂质扩散区之间移动。检测部检测所述第一杂质扩散区所保持的电荷。

Description

半导体装置

关联申请的记载

本申请主张对于2014年9月19日提交的日本专利申请第2014-191449号的优先权，并将该申请的全部内容引用于本文。

技术领域

本发明的实施方式涉及半导体装置。

背景技术

具备光电转换元件的图像传感器的各像素具有用于将保持光电转换出的电荷的浮动扩散区域(以下称FD部)的信号电平进行复位的复位晶体管。这种图像传感器在复位晶体管截止时产生依存于FD部的电容的一种热噪声即kTC噪声。在每次复位时随机地产生kTC噪声。

一般来说，如果是具备光电二极管作为光电转换元件的图像传感器，可以通过被称为相关双采样(CDS)的噪声去除方法来完全消除kTC噪声。采用相关双采样时，读取由复位晶体管复位后的FD部的电压(以下，称复位电压)后，将由光电二极管光电转换出的电荷传送给FD部，并读取保持光电转换出的电荷的FD部的电压(以下，称信号电压)。通过将复位电压与信号电压相减来抵消kTC噪声，从而获得不含kTC噪声的信号分量。

如此，将在读取信号电压前进行FD部的复位来读取复位电压的方式称为“前复位方式”。前复位方式的前提是，像素内包括具有以下功能的部位：即，在将FD部进行复位而读取复位电压之前的期间内，保持光电转换出的电荷。如果是具备光电二极管作为光电转换元件的图像传感器，光电二极管既进行光电转换又承担保持通过光电转换得到的电荷的功能。

近年来，取代光电二极管而使用非晶硅、CIGS、有机膜等光电转换膜作为光电转换元件的层叠型摄像装置的开发正在推进中。在层叠型摄像装置中，在形成有构成像素的晶体管等的半导体衬底上层叠光电转换膜。因此，与将光电二极管用作光电转换元件的情况相比，能够缩小每一像素的面积，并能够有效地感光。因此，即使将像素微细化，仍可期待感光性下降得以抑制。

然而，由于有机膜等的光电转换膜不具有保持电荷的功能，不能在相关双采样中采用上述的前复位方式。因此，采用“后复位方式”，在FD部保持了由光电转换膜产生的电荷的状态下读取FD部的电压信号后，将FD部进行复位来读取复位电压。

然而，根据后复位方式，复位电压中所含的kTC噪声与信号电压中所含的kTC噪声不同。复位动作中产生的kTC噪声具有偏差，不是恒定的。因此，根据后复位方式，即使在相关双采样中复位电压与信号电压相减，有时kTC噪声也难以完全抵消。

附图说明

图1是表示实施方式1的半导体装置的总体结构例的框图。

图2是表示实施方式1的半导体装置所具备的像素的电路结构例的电路图。

图3是示意地表示实施方式1的半导体装置所具备的像素的器件结构例的剖面图。

图4是表示实施方式1的半导体装置的动作流程的一个示例的流程图。

图5是用于说明实施方式1的半导体装置的动作的时序图。

图6A是表示实施方式1的半导体装置的动作的各过程中像素的内部节点的势能的一个示例的图。

图6B是表示实施方式1的半导体装置的动作的各过程中像素的内部节点的势能的一个示例的图。

图6C是表示实施方式1的半导体装置的动作的各过程中像素的内部节点的势能的一个示例的图。

图6D是表示实施方式1的半导体装置的动作的各过程中像素的内部节点的势能的一个示例的图。

图7是示意地表示实施方式2的半导体装置所具备的像素的器件结构例的剖面图。

图8是示意地表示实施方式3的半导体装置所具备的像素的器件结构例的剖面图。

图9是表示实施方式4的半导体装置所具备的像素的电路结构例的电路图。

具体实施方式

实施方式提供可防止产生kTC噪声的半导体装置。

实施方式的半导体装置具有多个像素。所述多个像素分别包括光电转换部、第一杂质扩散区、电压供给线、第二杂质扩散区、电位障壁部和检测部。第一杂质扩散区对由所述光电转换部所光电转换出的电荷进行保持。所述电压供给线与第二杂质扩散区相连接。电位障壁部在所述第一杂质扩散区与所述第二杂质扩散区之间形成恒定的电位障壁，以限制电荷在所述第一杂质扩散区与所述第二杂质扩散区之间移动。检测部对所述第一杂质扩散区中所保持的电荷进行检测。

以下，参照附图说明实施方式的半导体装置。

在以下说明中，实施方式的半导体装置的构成要素之间的电连接可以是直接连接，也可以为间接连接。例如，在MOS(金属氧化物半导体：MetalOxideSemiconductor)晶体管的源极与电容器的电极相连接的情况下，形成MOS晶体管源极的杂质扩散区可以与形成电容器电极的构件直接连接，MOS晶体管的源极与电容器的电极也可以经由其他任意的导电构件而间接连接。

(实施方式1)

图1是表示实施方式1的半导体装置1的总体结构例的框图。

半导体装置1是固体摄像装置，例如是读出像素信号时从排列成矩阵状的多个像素一行一行地读取信号的滚动快门方式的CMOS(互补型金属氧化物半导体：ComplementaryMetalOxideSemiconductor)图像传感器。实施方式1中，将半导体装置1作为固体摄像装置作了说明，然而半导体装置1只要是具有将光转换成电信号的功能的装置，可以为任意的装置。

半导体装置1包括像素阵列2、垂直扫描部3、水平扫描部4、控制部5。像素阵列2包括排列成矩阵状的多个像素20，像素阵列2形成半导体装置1的感光面。在像素阵列2的行方向上设有多条选择信号线3A-1、3A-2、……、3A-n(n为自然数)，所述多条选择信号线3A-1、3A-2、……、3A-n(n为自然数)用于将垂直扫描部3输出的选择信号SEL传送给像素20。以下，选择信号线3A-i(i为1≤i≤n的自然数)指多条选择信号线3A-1、3A-2、……、3A-n中的一条。

在像素阵列2的行方向上与上述多条选择信号线3A-1、3A-2、……、3A-n平行地设有：用于将垂直扫描部3输出的复位控制电压V_RST传送给像素20的多条复位控制电压供给线3B-1、3B-2、……、3B-n。即，在由排列成矩阵状的多个像素20构成的像素阵列2的每一行上设有复位控制电压供给线。以下，复位控制电压供给线3B-i指多条复位控制电压供给线3B-1、3B-2、……、3B-n中的一条。

此外，在像素阵列2的列方向上设有用于将从像素20输出的像素信号传送给水平扫描部4的多条像素信号线4-1、4-2、……、4-m(m为自然数)。以下，像素信号线4-j(j为1≤j≤m的自然数)指多条像素信号线4-1、4-2、……、4-m中的一条。

构成像素阵列2的多个像素20配置在多条选择信号线3A-1、3A-2、……、3A-n与多条像素信号线4-1、4-2、……、4-m的交叉区域。从外部向半导体装置1提供规定的电源电压Vdd(例如3.3V)和偏置电压Vbis(例如10V)。

图2是表示实施方式1的半导体装置1所具备的像素20的电路结构例的电路图。像素20包括光电转换部21、电荷保持部22和检测部23。光电转换部21是用于对入射光作光电转换的部件。光电转换部21由上部电极211、下部电极212、光电转换膜213构成。

光电转换膜213由有机膜等的光电转换膜构成，被夹持在上部电极211(阴极)与下部电极212(阳极)之间。然而，不受此例限制，只要能够层叠在半导体衬底上，可以使用任意的光电转换膜。下部电极212与构成电荷保持部22的后述的杂质扩散区223(图3)相连接。

光电转换膜213一受到光照射就生成空穴-电子对。在光电转换膜213上所生成的空穴和电子中，负电荷即电子从上部电极211排出，被提供正极性的偏置电压Vbis的电源(未图示)所吸收。光电转换膜213上所生成的正电荷即空穴从下部电极212排出，被蓄积在构成电荷保持部22的后述的杂质扩散区223中。

电荷保持部22是用于保持从光电转换部21排出的电荷的部件。电荷保持部22具有将从光电转换部21排出的电荷所产生的后述的杂质扩散区223的电压V_FD进行复位的功能。将复位控制电压V_RST作为用于此功能的控制信号，从上述垂直扫描部3经由复位控制电压供给线3B-i而提供给电荷保持部22。电荷保持部22在后文详述。

检测部23是用于检测电荷保持部22中所保持的电荷所产生的电压V_FD的部件，其构成为源极跟随器。具体而言，检测部23包括作为像素放大器的放大用晶体管而起作用的n沟道型MOS晶体管231、以及作为选择用晶体管而起作用的n沟道型MOS晶体管232。

向MOS晶体管231的漏极施加规定的电源电压Vdd。MOS晶体管231的栅极与上述光电转换部21的下部电极212一起连接于构成电荷保持部22的后述的杂质扩散区223(图3)。杂质扩散区223中所蓄积的正电荷(空穴)所产生的电压V_FD作为放大用MOS晶体管231的源极电压从MOS晶体管231的源极输出。实施方式1中，由于MOS晶体管的栅极阈值电压VT为0V，因此，电压V_FD不受MOS晶体管231的栅极阈值电压VT的影响地作为MOS晶体管231的源极电压来输出。

MOS晶体管232的漏极与MOS晶体管231的源极相连接。即，放大用MOS晶体管231的源极与选择用MOS晶体管232的漏极成为一体。MOS晶体管232的栅极与选择信号线3A-i相连接，从垂直扫描部3通过选择信号线3A-i向MOS晶体管232的栅极提供选择信号SEL。MOS晶体管232的源极与像素信号线4-j相连接。上述电源电压Vdd、放大用MOS晶体管231和选择用MOS晶体管232形成源极跟随器。

回到图1进行说明。

垂直扫描部3在像素信号的读取动作中以行为单位驱动构成像素阵列2的多个像素20。因此，垂直扫描部3输出用于以行为单位选择构成像素阵列2的多个像素20的选择信号SEL、以及用于以行为单位控制各像素20的复位动作的复位控制电压V_RST。

水平扫描部4用于在像素信号的读取动作中对从像素阵列2的各像素20所输出的像素信号实施信号处理。水平扫描部4包含用于将从各像素20输出的像素信号进行放大的列放大器、以及用于对放大后的像素信号进行信号处理的信号处理部。水平扫描部4所包含的信号处理部例如实施所谓的相关双采样处理(CDS：CorrelatedDoubleSampling)、以及通过相关双采样得到的信号分量的模/数转换处理(ADC：Analogue/DigitalConversion)。由此，作为半导体装置1的输出值获得从像素20输出的像素信号的数字值。

控制部5用于控制半导体装置1的整体动作，主要实施与像素20的读取动作(选择动作和复位动作)有关的控制。在执行读取动作中的选择动作时，垂直扫描部3起到作为在控制部5的控制下通过选择信号线3A-i将高电平的选择信号SEL施加到构成像素20的检测部23的选择用MOS晶体管232的栅极的驱动部的作用。在复位动作时，垂直扫描部3起到作为在控制部5的控制下通过复位控制电压供给线3B-i将复位控制电压V_RST施加到构成像素20的电荷保持部22的后述的杂质扩散区221的驱动部的作用。

在复位动作时起到作为驱动部的作用的垂直扫描部3使构成电荷保持部22的杂质扩散区221的电压在赋予低于杂质扩散区222的电位障壁的势能的例如正极性的第一电压V_RST1、与赋予高于上述电位障壁的势能的例如负极性的第二电压V_RST2之间转变，从而将杂质扩散区223的电压V_FD进行复位。

在实施方式1中，假设第一电压V_RST1为正极性电压，第二电压V_RST2为负极性电压，但不受此例限定。

图3是示意地表示实施方式1的半导体装置1中所具备的像素20的器件结构例的剖面图。如图3所示，像素20形成在半导体衬底201上。在构成半导体衬底201的主面的第一面上，形成有n型(第一导电型)的杂质扩散区221、222、223。这些杂质扩散区221、222、223构成图2所示的电荷保持部22。

杂质扩散区221和杂质扩散区223在半导体衬底201上相互分离而形成。杂质扩散区221与杂质扩散区223之间形成有n型(第一导电型)的杂质扩散区222，使得杂质扩散区221与杂质扩散区223之间相连结。即，在半导体衬底201上与n型杂质扩散区223邻接地形成有n型杂质扩散区222，并与n型杂质扩散区222邻接地形成有n型杂质扩散区221。换言之，在杂质扩散区223的相反侧形成有杂质扩散区221，将杂质扩散区222夹于其间。

杂质扩散区221和杂质扩散区221a形成与传送复位控制电压V_RST的复位控制电压供给线3B-i的接触区。杂质扩散区223形成与插头电极204的接触区。在本实施方式1中，n型杂质扩散区221和杂质扩散区221a形成作为含高浓度杂质(施主)的n⁺杂质扩散区，以与复位控制电压供给线3B-i进行欧姆接触。类似地，n型杂质扩散区223形成作为含高浓度杂质(施主)的n⁺杂质扩散区，以与插头电极204进行欧姆接触。

n型杂质扩散区222的杂质浓度被设定得低于杂质扩散区221和杂质扩散区223各自的杂质浓度。由此，n型杂质扩散区222在杂质扩散区221与杂质扩散区223之间形成恒定的电位障壁，充当限制电荷在杂质扩散区221与杂质扩散区223之间移动的电位障壁部。换言之，杂质扩散区222作为溢出电位障壁而起作用，规定杂质扩散区223的后述的复位电压V_FDR。

在实施方式1中，从作为电位障壁部而起作用的n型杂质扩散区222来看，半导体衬底201的第一面侧上形成有p型(第二导电型)的杂质扩散区224，使得覆盖n型杂质扩散区222。p型杂质扩散区224为含有高浓度杂质(受主)的p⁺杂质扩散区，用来抑制因半导体衬底201的第一面侧的表面附近所存在的晶格缺陷(悬空键)而产生的暗电流。在实施方式1中，假定为了覆盖作为电位障壁部而起作用的n型杂质扩散区222而形成p型杂质扩散区224，但是如果不必考虑暗电流的影响，则可省略p型杂质扩散区224。

在与半导体衬底201的第一面相反一侧的第二面上，隔着未图示的绝缘层形成有复位控制电压供给线3B-i。在半导体衬底201上形成有n型杂质扩散区221a，使得该第一面侧上所形成的杂质扩散区221与该第二面侧上所形成的复位控制电压供给线3B-i之间相连通。由此，将复位控制电压供给线3B-i与杂质扩散区221进行电连接。

在半导体衬底201的第一面上形成有绝缘层203。在半导体衬底201上隔着绝缘层203层叠有光电转换部21。具体而言，在绝缘层203上形成有光电转换部21的下部电极212，在下部电极212上形成有由光电转换部21的有机膜构成的光电转换膜213，在光电转换膜213上形成有光电转换部21的上部电极211。

光电转换膜213为下部电极212和上部电极211所夹持，其对整个可见光范围具有感光性。至少下部电极212被分割到每个像素。上部电极211为高透射率的透明电极，例如由ITO(氧化铟锡：IndiumThinOxide)或ZnO(氧化锌：ZincOxide)构成。此外，上部电极211上作为保护膜而涂覆有氧化铝、氮氧化硅膜或二者的层叠膜。

绝缘层203上形成有插头电极204，使得贯穿绝缘层203，光电转换部21的下部膜电极212和电荷保持部22的杂质扩散区223通过插头电极204进行电连接。从而，由光电转换部21光电转换出的电荷(空穴)被提供给电荷保持部22，构成电荷保持部22的杂质扩散区223承担保持由光电转换部21光电转换出的电荷的功能。

构成光电转换部21的上部电极211上配置有滤色片205，以使彩色摄像成为可能。滤色片205是选择性地透射红光(R)、绿光(G)、蓝光(B)的滤色片。滤色片205为任选部件，可以省略。

半导体衬底201上形成有如图2所示的由MOS晶体管231、232构成的检测部23。构成上述电荷保持部22的杂质扩散区223经由未图示的布线与半导体衬底201上所形成的构成检测部23的MOS晶体管231的栅极相连接。构成检测部23的MOS晶体管232的栅极经由例如形成于半导体衬底201的第二面侧的选择信号线3A-i(未图示)，与垂直扫描部3相连接。此外，构成检测部23的MOS晶体管232的源极经由例如形成于半导体衬底201的第二面侧的像素信号线4-j(未图示)，与水平扫描部4相连接。

接着，按图4所示的流程图，参照图5和图6A～图6D说明实施方式1的半导体装置1的动作。

图4是表示实施方式1的半导体装置1的动作流程的一个示例的流程图，图5是用于说明实施方式1的半导体装置1的动作的时序图，图6A～图6D是表示实施方式1的半导体装置1的动作的各过程中像素的内部节点的势能的一个示例的图。

现在以图2所示的像素20的动作为中心进行说明。为了简化说明，假设图2所示的MOS晶体管231，232的栅极阈值电压VT为0V，但栅极阈值电压VT可以任意设定。

假定在时刻t1前的初始状态，通过后述的复位动作，在构成电荷保持部22的杂质扩散区223上保持有由形成杂质扩散区222的电位障壁的势能所规定的固定量的负电荷(电子)。将此时的杂质扩散区223中所保持的固定量的负电荷所产生的杂质扩散区223的电压V_FD设为复位电压V_FDR。

在时刻t1前的初始状态，如图5所示，将在控制部5的控制下从垂直扫描部3(驱动部)提供给电荷保持部22的杂质扩散区221的复位控制电压V_RST设定为正极性的第一电压V_RST1。在实施方式1中，如图6A所示，第一电压V_RST1为赋予比杂质扩散区222所形成的电位障壁所产生的势能VP要低的势能的正极性电压。因此，在将复位控制电压V_RST设定为第一电压V_RST1的情况下，电荷保持部22中不发生电荷(电子)从杂质扩散区221向杂质扩散区223的移动，杂质扩散区223的电荷(电子)保持恒定，杂质扩散区223中所保持的负电荷所产生的杂质扩散区223的电压V_FD维持于复位电压V_FDR。如后所述，根据实施方式1，由于复位电压V_FDR中不包含kTC噪声，因此能防止该种噪声引起感光性下降。

从上述初始状态起，在装载半导体装置1的未图示的系统的控制下，在时刻t1开始对半导体装置1的光电转换部21进行曝光(步骤S1)。曝光一开始，光电转换部21就通过光电转换来生成空穴-电子对，将空穴形成的正电荷提供给电荷保持部22的杂质扩散区223。因而，光电转换出的正电荷(空穴)被蓄积在杂质扩散区223，之前保持在杂质扩散区223中的负电荷(电子)量显得逐渐减少。因此，如图5所示，从时刻t1起，随着由光电转换部21所提供的正电荷的量的增加，杂质扩散区223的电压V_FD逐渐上升。在这种情况下，如图6B所示，杂质扩散区223的势能从与复位电压V_FDR相当的势能逐渐降低。

之后，在时刻t2经过规定的曝光时间(一帧期间)，在控制部5的控制下，曝光一结束垂直扫描部3就将驱动对象的行的选择信号SEL设为高电平。因而，在构成像素20的多个行中，构成属于驱动对象的行的像素20的检测部23的选择用MOS晶体管232成为导通状态。此时，在与放大用MOS晶体管231的栅极相连接的电荷保持部22的杂质扩散区223中成为光电转换出的正电荷(空穴)被蓄积的状态，杂质扩散区223的电压V_FD成为正电压，所以MOS晶体管231成为导通状态。由此，表示电荷保持部22的杂质扩散区223中所保持的电荷所产生的杂质扩散区223的电压V_FD的信号电压V_SIG作为像素信号从检测部23输出到像素信号线4-j。

之后，在紧接时刻t2的时刻t2A，水平扫描部4的信号处理部(CDS电路)读取作为信号电压V_SIG从像素20输出的像素信号(步骤S2)，并对该像素信号进行采样。采样到的像素信号由水平扫描部4的信号处理部的CDS电路保持。

之后，在控制部5的控制下，垂直扫描部3在时刻t3通过复位控制电压供给线3B-i实施像素20的复位动作(步骤S3)，逐行地将多个像素20各自包括的杂质扩散区223的电压V_FD进行复位。通过复位动作以外的正常动作，将复位控制电压V_RST设定为低于电荷保持部22的杂质扩散区223的势能的正极性的第一电压V_RST1。在复位动作开始的时刻t3，垂直扫描部3将复位控制电压V_RST从正极性的第一电压V_RST1转变为负极性的第二电压V_RST2。如图6C所示，在实施方式1中第二电压V_RST2是赋予高于杂质扩散区222所形成的电位障壁所产生的势能VP的势能的负极性电压。

如上所述，若将复位控制电压V_RST被设定为负极性的第二电压V_RST2，则如图6C所示杂质扩散区222不再作为电位障壁部而起作用，电荷(电子)可在杂质扩散区221与杂质扩散区223之间移动。因此，在将复位控制电压V_RST设定为第二电压V_RST2的情况下，电荷保持部22中杂质扩散区221与杂质扩散区223之间发生电荷(电子)的移动，杂质扩散区223的势能超过形成电位障壁部的杂质扩散区222的势能，并与被施加负极性的第二电压V_RST2的杂质扩散区221的势能相等。

其结果是，无论形成电位障壁部的杂质扩散区222的势能VP如何，杂质扩散区221和杂质扩散区223的电荷(电子)都被调整到与由第二电压V_RST2所赋予的势能相应的量，杂质扩散区223中所保持的负电荷所确定的电压V_FD成为比复位电压V_FDR要低的电压V_FDD。在这种情况下，作为像素放大器而起作用的放大用MOS晶体管231的栅极电压成为负极性，因此，放大用MOS晶体管231成为截止状态。即，放大用MOS晶体管231在复位控制电压供给线3B-i的复位控制电压V_RST成为第二电压V_RST2时截止。在这种情况下，其栅极被施加作为选择信号SEL的高电平的选择用MOS晶体管232成为导通状态，但由于放大用MOS晶体管231为截止状态，因此，不从像素20输出信号电压V_SIG。

之后，在控制部5的控制下，垂直扫描部3在时刻t4使复位控制电压V_RST从负极性的第二电压V_RST2转变到原来的正极性的第一电压V_RST1。在实施方式1中，如图6D所示，第一电压V_RST1成为赋予比杂质扩散区222所形成的电位障壁所产生的势能VP要低的势能的正极性电压。

因此，若将复位控制电压V_RST设定为第一电压V_RST1，则电荷保持部22中杂质扩散区221的势能降到比杂质扩散区222所形成的电位障壁所产生的势能VP要低。由此，之前在杂质扩散区223中保持的电荷(电子)中，相当于形成电位障壁部的杂质扩散区222的势能VP与由正极性的第二电压V_RST2赋予的势能之差的剩余电荷(电子)溢出，从杂质扩散区223转移到杂质扩散区221。

换言之，杂质扩散区222作为溢出电位障壁而起作用，复位时杂质扩散区223中蓄积的剩余电荷(电子)热扩散过杂质扩散区222而向杂质扩散区221溢出。因此，只要能作为溢出电位障壁而起作用，杂质扩散区222的导电型就可以是与半导体201相同的p型，也可以是杂质(施主)浓度低于杂质扩散区221，223的n型。

其结果是，杂质扩散区223的电压V_FD成为由作为电位障壁部而起作用的杂质扩散区222的势能所规定的恒定复位电压V_FDR。在这种情况下，其栅极被赋予复位电压V_FDR的MOS晶体管231成为导通状态。即，当复位控制电压V_RST为赋予与杂质扩散区222的电位障壁相当的势能的复位电压V_FDR(第三电压)以上的第一电压V_RST1时，构成检测部23的MOS晶体管231导通。由此，从检测部23输出表示复位电压V_FDR的信号电压V_SIG。

如前所述，在实施方式1中，为了简化说明，假设MOS晶体管的栅极阈值电压VT为0V，然而，例如若栅极阈值电压VT为0.7V，则需要从像素20输出表示复位电压V_FDR的信号电压V_SIG，从而也可以将复位电压V_FDR设定为0.7V以上。

从杂质扩散区223移动到杂质扩散区221的剩余电荷(电子)由供给第一电压V_RST1的电源侧吸收，使得杂质扩散区221的势能成为由第一电压V_RST1赋予的势能。其结果是，杂质扩散区223保持的电荷(电子)被调整为由形成电位障壁部的杂质扩散区222的势能VP规定的固定量，杂质扩散区223中保持的电荷所确定的杂质扩散区223的电压V_FD成为复位电压V_FDR。

之后，在紧接时刻t4的时刻t4A，在控制部5的控制下，水平扫描部4的信号处理部采样并读取作为信号电压V_SIG从像素20输出的复位电压V_FDR(步骤S4)。水平扫描部4的信号处理部通过用相关双采样将上述步骤S2中读取的信号电压V_SIG与步骤S4中读取的复位电压V_FDR相减来抵消噪声分量并提取信号分量。在读取复位电压V_FDR后，像素20在时刻t5至时刻t7的期间被再次复位，在此复位结束后的时刻t7，开始下一帧的曝光。

在上述实施方式1中，在构成用于保持由构成光电转换部21的光电转换膜213提供的正电荷(空穴)的电荷保持部22的杂质扩散区222中，没有连接任何晶体管的源极和漏极。在将杂质扩散区223的电压V_FD复位到复位电压V_FDR的过程中，构成像素20的任何MOS晶体管均未实施截止动作。因此，根据实施方式1，能够防止kTC噪声的产生，不出现复位电压V_FDR中包含kTC噪声的情况。

根据实施方式1，由于采用将复位时电荷保持部22的杂质扩散区223的势阱设为满电子状态的结构，因此可检测到光电转换出的空穴。即，作为在光电转换部21的有机膜中使用的电荷输送层，在尚未实现电子输送层的情况下，需要检测由使用空穴输送层的光电转换部21所生成的空穴。根据上述实施方式1，通过设置成使电荷保持部22的杂质扩散区223的电子的电荷量与光电转换出的空穴的电荷量相应地减少的结构，能将光电转换出的空穴的增加量当作电子的减少量来检测。因此，在不能得到电子输送层的情况下，也能有效地检测出由光电转换膜(有机膜)所生成的空穴。

根据实施方式1，在电荷保持部22中从形成电位障壁部的杂质扩散区222来看，由于在半导体衬底201的主面侧形成有p型杂质扩散区224，因此，能够抑制因半导体衬底201的界面上存在的晶格缺陷(悬空键)而产生的暗电流。根据实施方式1，既能防止暗电流分量混入同时又能消除kTC噪声，实现适合于将有机膜用作光电转换膜的层叠型图像传感器的固体摄像元件。

此外，根据实施方式1，由于将由光电转换膜构成的光电转换部21层叠在半导体衬底201上，因此能将像素微细化，并能由光电转换部21有效地进行感光。

在上述实施方式1中，假定电荷保持部22的杂质扩散区221的电压V_FD的复位动作用普通的复位电源和复位晶体管的开关动作来进行，则在复位动作中每次复位晶体管截止时都会产生随机的kTC噪声，而且复位后的杂质扩散区223的电压V_FD每次复位时都有偏差。因此，即使采用在信号电压V_SIG读出后读取复位电压V_FDR的“后复位方式”来执行相关双采样处理，也不能完全消除kTC噪声。与此相反，根据实施方式1，杂质扩散区223的复位电压V_FDR由作为电位障壁部而起作用的杂质扩散区222的势能所规定，因此，复位电压V_FDR无偏差，即便使用后复位方式，也能通过相关双采样处理来完全消除kTC噪声。

根据上述实施方式1，由于能执行复位动作而不使用复位晶体管，因此，能够减少每单位像素的晶体管数，有利于像素的微细化。从作为电位障壁部而起作用的n型杂质扩散区222来看，利用在半导体衬底201的第一面侧形成的p型杂质扩散区224的空穴，来将半导体衬底201的第一面侧所存在的悬空键进行端接，并且从杂质扩散区223溢出到杂质扩散区221的电荷(电子)不在半导体衬底201的表面上而在体积内传导。因此，能不受暗电流分量影响地进行信号电压V_SIG和复位电压V_FDR的读取。

(实施方式2)

接着，说明实施方式2。

图7是示意地表示实施方式2的半导体装置所具备的像素20-2的器件结构例的剖面图。

图7所示的像素20-2在前述的图3所示的像素20的构成中还包括在半导体衬底201上形成的光电二极管部(PD部)24A、24B。光电二极管部24A、24B是形成光电二极管以用作光电转换元件的区域。在实施方式2中，构成层叠于绝缘层203上的光电转换部21的光电转换膜(有机膜)212对绿光的波长区(500nm～600nm)具有高感光性。由此，光电转换部21对绿光作光电转换，并以高透射率透过绿光以外的波长区的光。

光电二极管部24A对蓝光的波长区具有高感光性。由此，光电二极管部24A对蓝光作光电转换。光电二极管部24B对红光的波长区具有高感光性。由此，光电二极管部24B对红光作光电转换。

实施方式2中，为了不妨碍蓝光对光电二极管部24A的照射和红光对光电二极管部24B的照射，滤色片205的光学特性有部分不同。为了不阻碍在下层侧形成的光电二极管部(PD部)24A、24B的感光，光电转换部21、绝缘层203对于蓝光和红光具有高透射率。

如上所述，实施方式2中，对于视觉敏感度较高的绿光利用由具有高敏感度的有机膜构成的光电转换膜来进行光电转换，而对于绿光以外的蓝光和红光则利用在半导体衬底201上形成的光电二极管部24A，24B来进行光电转换。因而，根据实施方式2，可以获得彩色显示所需的像素信号。

根据实施方式2，在光电转换部21的下层侧配置有光电二极管部24A，24B，因此可限制像素尺寸的增加。

(实施方式3)

接着，说明实施方式3。

图8是示意地表示实施方式3的半导体装置所具备的像素20-3的器件结构例的剖面图。图8所示的杂质扩散区221A、222A、223A是分别对应于图3所示的杂质扩散区221、222、223的部分。光电转换部21对例如绿光作光电转换而产生的电荷(空穴)被蓄积在杂质扩散区223A。

杂质扩散区223A形成在半导体衬底201的第一面侧。杂质扩散区221A与杂质扩散区223A分离，形成在半导体衬底201的第二面侧。在杂质扩散区221A与杂质扩散区223A之间形成有n型(第一导电型)的杂质扩散区222A，将这两个杂质扩散区221A和杂质扩散区223A之间连接。即，在半导体衬底201的第一面与第二面之间，以层叠的方式形成有杂质扩散区221A、222A、223A。其中，杂质扩散区221A、223A是扩散有高浓度杂质(施主)的n+杂质扩散区。杂质扩散区222A是杂质浓度低于杂质扩散区221A，223A的区域，其形成与图3所示的杂质扩散区222同样的电位障壁部。杂质扩散区221A、222A、223A构成用于保持由光电转换部21光电转换出的电荷的电荷保持部22A。

在与半导体衬底201的第一面相反侧的第二面上，隔着未图示的绝缘层形成有复位控制电压供给线3B-i和布线H。复位控制电压供给线3B-i与杂质扩散区221A相连接。半导体衬底201上形成有n型杂质扩散区223a，使得第一面侧上形成的杂质扩散区221A与第二面侧上形成的布线H之间相连通。布线H与构成检测部23的MOS晶体管231的栅极(图2)相连接。由此，杂质扩散区223A通过杂质扩散区223a和布线H与检测部23的MOS晶体管231的栅极进行电连接。

在实施方式3中，光电转换出的电荷所蓄积的杂质扩散区223A的电压V_FD通过杂质扩散区223a提供到MOS晶体管231的栅极，作为MOS晶体管231的源极电压而被读取。此时，杂质扩散区222A与图3所示的杂质扩散区222相同，在复位动作时作为溢出电位障壁(电位障壁部)而起作用。因此，只要能作为溢出电位障壁而起作用，杂质扩散区222A的导电型就可以是与半导体衬底201相同的p型，也可以是杂质(施主)的浓度比杂质扩散区221A、223A要低的n型。

根据实施方式3，由于构成电荷保持部22A的杂质扩散区221A、222A、223A层叠地形成在半导体衬底201上，因此，能减少电荷保持部22A的面积。因此，可以扩大例如上述图7所示的用于对蓝光进行光电转换的光电二极管部24A和用于对红光进行光电转换的光电二极管部24B的光电转换区域。

(实施方式4)

接着，说明实施方式4。

图9是表示实施方式4的半导体装置所具备的像素的电路结构例的电路图。在实施方式4中，将图2所示的像素20的结构中光电转换部21和电荷保持部22作为1个像素的构成要素来进行定义。图9所示的检测部23被属于同一列上的不同的多个行的两个(多个)像素20A、20B所共有。例如像素20A是图1所示的像素阵列2中的第一行第一列的像素，而像素20B是第二行第一列的像素。共有一个检测部23的多个像素的个数(即行数)是任意的。

具体而言，像素20A、20B各自还在杂质扩散区223与放大用晶体管231的栅极之间包括行选择用晶体管2321、2322。检测部23经由行选择用MOS晶体管2321、2322而为多个行的像素20A、20B所共有。

即，如图9所示，构成像素20A的光电转换部21与电荷保持部22之间的连接点通过行选择用MOS晶体管2321与检测部23的MOS晶体管231的栅极相连接。更具体地说，构成像素20A的电荷保持部22的杂质扩散区223与MOS晶体管2321的漏极相连接，MOS晶体管2321的源极与MOS晶体管231的栅极相连接。行选择用MOS晶体管2321的栅极由垂直扫描部3来提供行选择信号SELA。

同样，构成像素20B的光电转换部21与电荷保持部22之间的连接点通过行选择用MOS晶体管2322与检测部23的MOS晶体管231的栅极相连接。更具体地说，构成像素20B的电荷保持部22的杂质扩散区223与MOS晶体管2322的漏极相连接，MOS晶体管2322的源极与MOS晶体管231的栅极相连接。MOS晶体管2322的栅极由垂直扫描部3来提供行选择信号SELB。

构成MOS晶体管2321的漏极和像素20A的电荷保持部22的杂质扩散区223在半导体衬底201上一体地形成。同样，构成MOS晶体管2322的漏极和像素20B的电荷保持部22的杂质扩散区223在半导体衬底201上一体地形成。由此，能减少杂质扩散区的面积，缩小像素尺寸。

在实施方式4中，若由垂直扫描部3提供的选择信号SEL成为高电平，则两个像素20A、20B所属的两行像素成为驱动的对象。行选择信号SELA、SELB中的任何一个成为高电平，从而MOS晶体管2321、2322中的一个选择性地成为导通状态。由此，两个像素20A、20B中的一个最终被选中。

根据实施方式4，构成一个检测部23的MOS晶体管231、232可以为多个像素所共有。因此，能减少每一个像素的晶体管数。例如由不同行的4个像素共有一个检测部23时，每一个像素的晶体管数实质上成为1.5个。

接着，就本发明与相关技术之间的差异进行补充说明，仅供参考。

在第一相关技术中，在FD(浮动扩散)部的复位晶体管侧设置成为耗尽状态的杂质浓度区域(溢出障壁：OFB)，在复位晶体管导通的复位期间，使复位电源电压从赋予高于OFB势能的势能的电压(即，低于复位电源电压的电压)转变到赋予低于OFB势能的势能的电压(即，高于复位电源电压的电压)，从而以OFB势能来规定复位电平。由此，能不受kTC噪声的影响地设定复位电平。

然而，在第一相关技术的方法中，由于用复位晶体管进行FD部的复位，不可避免地产生kTC噪声。与此相反，根据上述实施方式，进行复位而不使用复位晶体管，因此根本不产生kTC噪声。

此外，在上述第一相关技术的方法中，需要将FD部的一部分作为复位晶体管的源极。在这种情况下，形成了由作为FD部的一部分的n型杂质扩散区和半导体衬底的p阱区、或半导体衬底表面的p⁺区域形成的pn结区露出于半导体衬底表面的构造。利用该露出的pn结区的晶带弯曲所产生的电场，使从半导体衬底与硅氧化膜之间的界面的悬空键产生的电子形成暗电流从而容易被引入FD部。因此，根据第一相关技术的方法，光电转换出的电荷所产生的信号分量容易混入因暗电流而产生的噪声。与此相反，在上述实施方式中，从形成电位障壁部的杂质扩散区222来看，在半导体衬底201的第一面侧对p型杂质扩散区224进行覆盖而形成，因此，因悬空键而产生的暗电流受到抑制。

在第二相关技术中，邻接与从层叠的光电转换部的下部电极延伸的插头电极的半导体衬底相接触的接触区(n⁺区域)来设置OFB，溢出OFB的电子被埋入并蓄积在PD部的n区域。如此，根据第二相关技术的方式，由于需要经常使电子在插头电极的接触区处溢出，因此，从光电转换部读取的光电荷限定于电子。例如，如果存在使用有机膜作为光电转换膜而又不能在有机膜上涂覆形成电子输送层的情况(例如，在不能制备电子输送层的涂覆剂时)，对于从光电转换部的读取，优选为通过空穴来进行读取。因此，如果在有机膜上不能涂覆形成电子输送层，则第二相关技术的方式难以适用于将有机膜用作为光电转换膜的层叠图像传感器。

根据以上所述的至少一个实施方式的半导体装置，能够防止kTC噪声的产生。

以上就本发明的几个实施方式作了说明，但这些实施方式只是以举例方式呈示，无意对本发明的范围加以限定。这些实施方式可以通过其他的各种方式来进行实施，并且在不脱离发明要点的范围内可以作出各种省略、置换和变更。这些实施方式及其变形被包括在本发明的范围和要点中，同样被包括在本发明的权利要求书中阐述的本发明及其等同的范围内。

Claims (15)

1.一种半导体装置，其特征在于，

所述半导体装置包括多个像素，

所述多个像素分别包括：

光电转换部；

第一杂质扩散区，该第一杂质扩散区对由所述光电转换部所光电转换出的电荷进行保持；

电压供给线；

第二杂质扩散区，该第二杂质扩散区与所述电压供给线相连接；

电位障壁部，该电位障壁部在所述第一杂质扩散区与所述第二杂质扩散区之间形成恒定的电位障壁，限制电荷在所述第一杂质扩散区与所述第二杂质扩散区之间移动；以及

检测部，该检测部对所述第一杂质扩散区中所保持的电荷进行检测。

2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，

所述半导体装置还包括驱动部，该驱动部通过所述电压供给线向所述第二杂质扩散区施加电压，

所述驱动部使所述第二杂质扩散区的电压在第一电压与第二电压之间转变，从而将所述第一杂质扩散区的电压进行复位，其中，所述第一电压赋予低于所述电位障壁的势能，所述第二电压赋予高于所述电位障壁的势能。

3.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，

所述检测部包括：

放大用晶体管，该放大用晶体管的漏极被施加规定电源电压，并且其栅极与所述第一杂质扩散区相连接；以及

选择用晶体管，该选择用晶体管的漏极与所述放大用晶体管的源极相连接，并且其栅极被提供有选择信号，

当所述电压供给线的电压为所述第二电压时，所述放大用晶体管截止，当所述电压供给线的电压为第三电压以上时，所述放大用晶体管导通，其中，所述第三电压赋予与所述电位障壁相当的势能。

4.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，

所述光电转换部具有由有机膜构成的光电转换膜。

5.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，

所述光电转换部通过光电转换来生成空穴-电子对，并将所述空穴提供给所述第一杂质扩散区。

6.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，

所述电压供给线设置在所述多个像素的每一行上，

所述驱动部通过所述电压供给线将所述多个像素各自所包括的所述第一杂质扩散区的电压逐行进行复位。

7.如权利要求3至6的任一项所述的半导体装置，其特征在于，

所述多个像素的各个像素在所述第一杂质扩散区与所述放大用晶体管的栅极之间还包括行选择晶体管，

所述检测部经由所述选择晶体管而被多行像素所共有。

8.如权利要求1至6的任一项所述的半导体装置，其特征在于，

所述多个像素分别还包括半导体衬底，

所述第一杂质扩散区、所述第二杂质扩散区和所述电位障壁部配置在所述半导体衬底内。

9.如权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，

所述第一杂质扩散区、所述第二杂质扩散区和所述电位障壁部具有第一导电型。

10.如权利要求9所述的半导体装置，其特征在于，

所述第一导电型为n型，

所述电位障壁部的杂质浓度设定得比所述第一杂质扩散区和所述第二杂质扩散区各自的杂质浓度要低。

11.如权利要求9所述的半导体装置，其特征在于，

所述多个像素的各个像素在所述半导体衬底的第一面与所述电位障壁部之间还包括覆盖所述电位障壁部的第二导电型的第三杂质扩散区。

12.如权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，

所述多个像素分别还包括：

绝缘层，该绝缘层设置在所述半导体衬底与所述光电转换部之间；以及

电极，该电极贯穿所述绝缘层，

所述电极将所述光电转换部与所述第一杂质扩散区进行电连接。

13.如权利要求1至6的任一项所述的半导体装置，其特征在于，

所述多个像素分别还包括第一光电二极管和第二光电二极管，

所述光电转换部对第一色光的波长区具有感光性，

所述第一光电二极管对第二色光的波长区具有感光性，

所述第二光电二极管对第三色光的波长区具有感光性。

14.如权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，

所述半导体衬底包括第一面和与所述第一面相对的第二面，

所述第一杂质扩散区、所述电位障壁部和所述第二杂质扩散区层叠配置在所述第一面与所述第二面之间。

15.如权利要求14所述的半导体装置，其特征在于，

所述第一导电型为n型，

所述电位障壁部的杂质浓度设定得比所述第一杂质扩散区和所述第二杂质扩散区各自的杂质浓度要低。