CN110520998A - 摄像元件、层叠式摄像元件和固态摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的摄像元件设置有光电转换单元，所述光电转换单元包括层叠的第一电极21、光电转换层23A和第二电极22；并且在第一电极21与光电转换层23A之间形成有无机氧化物半导体材料层23B。在该摄像元件中，无机氧化物半导体材料层23B包含选自由铟、钨、锡和锌组成的群组中的至少两种元素。或者，用于构成位于无机氧化物半导体材料层23B附近的光电转换层23A的部分的材料的LUMO值E1和用于构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的LUMO值E2满足E1‑E2<0.2eV。或者，用于构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的迁移率在10cm2/V·s以上。

Description

摄像元件、层叠式摄像元件和固态摄像装置
技术领域
本发明涉及摄像元件、层叠式摄像元件和固态摄像装置。
背景技术
近年来，层叠式摄像元件作为用于构成图像传感器等的摄像元件而受到关注。层叠式摄像元件具有包括夹在两个电极之间的光电转换层(光接收层)的结构。另外，层叠式摄像元件需要具有如下结构：其能够累积且传输基于光电转换而在光电转换层中产生的信号电荷。在过去的结构中，需要能够把信号电荷累积和传输至FD(Floating Drain：浮动漏极)电极中的结构，并且需要高速传输以防止信号电荷的延迟。
用于解决上述问题的摄像元件(光电转换元件)例如在日本专利申请特开No.2016-63165中已经被公开。该摄像元件包括：
累积用电极，其形成在第一绝缘层上；
第二绝缘层，其形成在累积用电极上；
半导体层，其以覆盖累积用电极和第二绝缘层的方式而被形成；
收集电极，其形成得与半导体层接触，并形成得远离累积用电极；
光电转换层，其形成在半导体层上；以及
上电极，其形成在光电转换层上。
把有机半导体材料用于光电转换层的摄像元件能够对特定颜色(波长带)进行光电转换。此外，在固态摄像装置中使用该摄像元件的情况下，该特征就使得能够获得包括了在过去的固态摄像装置中不可能实现的层叠子像素的结构(层叠式摄像元件)(例如，参见日本专利申请特开No.2011-138927)。在上述结构中，子像素包括片上彩色滤光片层(OCCF：on-chip color filter layer)和摄像元件的组合，并且子像素呈二维形式排列着。还有一个优点是：不需要去马赛克处理，并且因此不会产生伪色。在下面的说明中，为了方便起见，设置于半导体基板之上或半导体基板上方的包括光电转换单元的摄像元件可以被称为“第一类型摄像元件”。为了方便起见，用于构成第一类型摄像元件的光电转换元件可以被称为“第一类型光电转换单元”。为了方便起见，设置于半导体基板中的摄像元件可以被称为“第二类型摄像元件”。为了方便起见，用于构成第二类型摄像元件的光电转换单元可以被称为“第二类型光电转换单元”。
图81示出了过去的层叠式摄像元件(层叠固态摄像装置)的构造示例。在图81所示的示例中，第三光电转换单元343A和第二光电转换单元341A(它们是用于构成作为第二类型摄像元件的第三摄像元件343和第二摄像元件341的第二类型光电转换单元)层叠在一起，并形成在半导体基板370中。另外，作为第一类型光电转换单元的第一光电转换单元310A布置在半导体基板370的上方(具体地，第二摄像元件341的上方)。这里，第一光电转换单元310A包括第一电极321、含有有机材料的光电转换层323、以及第二电极322。第一光电转换单元310A用于构成作为第一类型摄像元件的第一摄像元件310。第二光电转换单元341A和第三光电转换单元343A基于吸收系数的差异分别对例如蓝光和红光进行光电转换。另外，第一光电转换单元310A对例如绿光进行光电转换。
通过第二光电转换单元341A和第三光电转换单元343A中的光电转换而产生的电荷被临时累积在第二光电转换单元341A和第三光电转换单元343A中。随后，纵型晶体管(示出了栅极部345)和传输晶体管(示出了栅极部346)将电荷分别传输到第二浮动扩散层(Floating Diffusion)FD2和第三浮动扩散层FD3。电荷进一步被输出到外部读取电路(未示出)。这些晶体管以及浮动扩散层FD2和FD3也形成在半导体基板370上。
通过第一光电转换单元310A中的光电转换而产生的电荷经由接触孔部361和布线层362而被累积到形成于半导体基板370上的第一浮动扩散层FD1中。另外，第一光电转换单元310A还经由接触孔部361和布线层362连接到将电荷量转换成电压的放大晶体管的栅极部352。此外，第一浮动扩散层FD1是复位晶体管(示出了栅极部351)的一部分。附图标记371表示元件分离区域。附图标记372表示在半导体基板370的表面上形成的氧化膜。附图标记376和381表示层间绝缘层。附图标记383表示绝缘层。附图标记314表示芯片上微透镜。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请特开No.2016-63165
专利文献2：日本专利申请特开No.2011-138927
发明内容
要解决的问题
然而，在日本专利申请特开No.2016-63165中公开的技术中，存在如下制约：累积用电极和形成在累积用电极上的第二绝缘层必须形成为相同的长度，并且对累积用电极与收集电极之间的间隔有着详细的规定等。因此，制作过程可能变得很复杂，并且制造产量可能降低。此外，尽管存在着关于用于构成半导体层的材料的一些参考文献，但是它们都并未提及更具体的这些材料的组分和构成。另外，关于半导体层的迁移率与所累积电荷的相关方程也有所提及。然而，关于如何改进电荷传输的事宜，例如，对于所产生的电荷的传输而言很重要的关于半导体层的迁移率的事宜以及关于半导体层和与该半导体层相邻的光电转换层部分之间的能级关系的事宜，都没有提及。
因此，本发明的目的是提供这样的摄像元件、层叠式摄像元件和固态摄像装置：尽管它们具有简单的构造和结构，但是累积在光电转换层中的电荷的传输特性是优异的。
解决问题的技术方案
用于实现上述目的的根据本发明第一方面、第二方面和第三方面的摄像元件包括：光电转换单元，其包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，其中在所述第一电极与所述光电转换层之间形成有无机氧化物半导体材料层。
此外，在根据本发明第一方面的摄像元件中，无机氧化物半导体材料层包括选自由铟、钨、锡和锌组成的群组中的至少两种元素。
此外，在根据本发明第二方面的摄像元件中，用于构成位于所述无机氧化物半导体材料层附近的所述光电转换层的部分的材料的LUMO值E1和用于构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2满足以下表达式。注意，以下表达式的值可以为零或负值。
E1-E2<0.2eV
此外，在根据本发明第三方面的摄像元件中，用于构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的迁移率在10cm2/V·s以上。
用于实现上述目的的本发明层叠式摄像元件包括至少一个上述根据本发明第一～第三方面的摄像元件。
用于实现上述目的的本发明第一方面的固态摄像装置包括多个上述根据本发明第一～第三方面的摄像元件。另外，用于实现上述目的的本发明第二方面的固态摄像装置包括多个上述本发明层叠式摄像元件。
注意，在以下的说明中，根据本发明第一方面的摄像元件、本发明的层叠式摄像元件中所包括的根据本发明第一方面的摄像元件、以及本发明第一和第二方面的固态摄像装置中所包括的根据本发明第一方面的摄像元件可以统称为“根据本发明第一方面的摄像元件等”。另外，根据本发明第二方面的摄像元件、本发明的层叠式摄像元件中所包括的根据本发明第二方面的摄像元件、以及本发明第一和第二方面的固态摄像装置中所包括的根据本发明第二方面的摄像元件可以统称为“根据本发明第二方面的摄像元件等”。此外，根据本发明第三方面的摄像元件、本发明的层叠式摄像元件中所包括的根据本发明第三方面的摄像元件、以及本发明第一和第二方面的固态摄像装置中所包括的根据本发明第三方面的摄像元件可以统称为“根据本发明第三方面的摄像元件等”。
本发明的有益效果
在根据本发明第一方面的摄像元件等中，规定了用于构成无机氧化物半导体材料层的材料。此外，在根据本发明第二方面的摄像元件等中，规定了用于构成位于无机氧化物半导体材料层附近的光电转换层的部分的材料的LUMO值E1与用于构成无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2之间的预定关系。此外，在根据本发明第三方面的摄像元件等中，规定了用于构成无机氧化物半导体材料层的材料的迁移率。因此，尽管构造和结构简单，但是也能够提供其中累积于光电转换层中的电荷的传输特性优异的摄像元件。此外，根据本发明第一至第三方面的摄像元件等具有无机氧化物半导体材料层和光电转换层的两层结构，并且这能够防止电荷累积期间的再结合。能够增加累积于光电转换层中的电荷去往第一电极的传输效率，并且能够抑制暗电流的产生。注意，本说明书中所述的有益效果仅是说明性的而不是限制性的。另外，还可以有其他有益效果。
附图说明
图1是实施例1的摄像元件的示意性局部横截面图。
图2是实施例1的摄像元件的等效电路图。
图3是实施例1的摄像元件的等效电路图。
图4是实施例1的摄像元件中所包括的第一电极、电荷累积用电极和用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图5是示意性地示出了在实施例1的摄像元件的操作期间各部位的电位状态的图。
图6A、6B和6C是用于说明图5(实施例1)、图20和21(实施例4)、以及图32和33(实施例6)的各部位的实施例1、实施例4和实施例6的摄像元件的等效电路图。
图7是实施例1的摄像元件中所包括的第一电极和电荷累积用电极的示意性布局图。
图8是实施例1的摄像元件中所包括的第一电极、电荷累积用电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。
图9是实施例1的摄像元件的变形例的等效电路图。
图10是图9所示的实施例1的摄像元件的变形例中所包括的第一电极、电荷累积用电极和用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图11是实施例2的摄像元件的示意性局部横截面图。
图12是实施例3的摄像元件的示意性局部横截面图。
图13是实施例3的摄像元件的一个变形例的示意性局部横截面图。
图14是实施例3的摄像元件的另一变形例的示意性局部横截面图。
图15是实施例3的摄像元件的又一变形例的示意性局部横截面图。
图16是实施例4的摄像元件的一部分的示意性局部横截面图。
图17是实施例4的摄像元件的等效电路图。
图18是实施例4的摄像元件的等效电路图。
图19是实施例4的摄像元件中所包括的第一电极、传输控制电极、电荷累积用电极以及用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图20是示意性地示出了在实施例4的摄像元件的操作期间各部位的电位状态的图。
图21是示意性地示出了在实施例4的摄像元件的另一种操作期间各部位的电位状态的图。
图22是实施例4的摄像元件中所包括的第一电极、传输控制电极和电荷累积用电极的示意性布局图。
图23是实施例4的摄像元件中所包括的第一电极、传输控制电极、电荷累积用电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。
图24是实施例4的摄像元件的变形例中所包括的第一电极、传输控制电极、电荷累积用电极、和用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图25是实施例5的摄像元件的一部分的示意性局部横截面图。
图26是实施例5的摄像元件中所包括的第一电极、电荷累积用电极和电荷排出电极的示意性布局图。
图27是实施例5的摄像元件中所包括的第一电极、电荷累积用电极、电荷排出电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。
图28是实施例6的摄像元件的示意性局部横截面图。
图29是实施例6的摄像元件的等效电路图。
图30是实施例6的摄像元件的等效电路图。
图31是实施例6的摄像元件中所包括的第一电极、电荷累积用电极和用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图32是示意性地示出了在实施例6的摄像元件的操作期间各部位的电位状态的图。
图33是示意性地示出了在实施例6的摄像元件的另一操作期间(传输期间)各部位的电位状态的图。
图34是实施例6的摄像元件中所包括的第一电极和电荷累积用电极的示意性布局图。
图35是实施例6的摄像元件中所包括的第一电极、电荷累积用电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。
图36是实施例6的摄像元件的变形例中所包括的第一电极和电荷累积用电极的示意性布局图。
图37是实施例7的摄像元件的示意性局部横截面图。
图38是实施例7的摄像元件中的电荷累积用电极、光电转换层和第二电极的层叠部分的放大示意性局部横截面图。
图39是实施例7的摄像元件的变形例中所包括的第一电极、电荷累积用电极、和用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图40是实施例8的摄像元件中的电荷累积用电极、光电转换层和第二电极的层叠部分的放大示意性局部横截面图。
图41是实施例9的摄像元件的示意性局部横截面图。
图42是实施例10和实施例11的摄像元件的示意性局部横截面图。
图43A和43B是实施例11中的电荷累积用电极区段的示例性平面图。
图44A和44B是实施例11中的电荷累积用电极区段的示例性平面图。
图45是实施例11的摄像元件中所包括的第一电极、电荷累积用电极和用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图46是实施例11的摄像元件的变形例中所包括的第一电极和电荷累积用电极的示意性布局图。
图47是实施例12和实施例11的摄像元件的示意性局部横截面图。
图48A和48B是实施例12中的电荷累积用电极区段的示意性平面图。
图49是实施例13的固态摄像装置中的第一电极区段和电荷累积用电极区段的示意性平面图。
图50是实施例13的固态摄像装置的第一变形例中的第一电极区段和电荷累积用电极区段的示意性平面图。
图51是实施例13的固态摄像装置的第二变形例中的第一电极区段和电荷累积用电极区段的示意性平面图。
图52是实施例13的固态摄像装置的第三变形例中的第一电极区段和电荷累积用电极区段的示意性平面图。
图53是实施例13的固态摄像装置的第四变形例中的第一电极区段和电荷累积用电极区段的示意性平面图。
图54是实施例13的固态摄像装置的第五变形例中的第一电极区段和电荷累积用电极区段的示意性平面图。
图55是实施例13的固态摄像装置的第六变形例中的第一电极区段和电荷累积用电极区段的示意性平面图。
图56是实施例13的固态摄像装置的第七变形例中的第一电极区段和电荷累积用电极区段的示意性平面图。
图57是实施例13的固态摄像装置的第八变形例中的第一电极区段和电荷累积用电极区段的示意性平面图。
图58是实施例13的固态摄像装置的第九变形例中的第一电极区段和电荷累积用电极区段的示意性平面图。
图59A、59B和59C是示出实施例13的摄像元件区块中的读取和驱动的示例的图表。
图60是实施例14的固态摄像装置中的第一电极区段和电荷累积用电极区段的示意性平面图。
图61是实施例14的固态摄像装置的变形例中的第一电极区段和电荷累积用电极区段的示意性平面图。
图62是实施例14的固态摄像装置的变形例中的第一电极区段和电荷累积用电极区段的示意性平面图。
图63是实施例14的固态摄像装置的变形例中的第一电极区段和电荷累积用电极区段的示意性平面图。
图64是实施例1中的摄像元件的另一个变形例的示意性局部横截面图。
图65是实施例1中的摄像元件的另一个变形例的示意性局部横截面图。
图66A、66B和66C是实施例1的摄像元件的另一个变形例中的第一电极等的部分的放大示意性局部横截面图。
图67是实施例5的摄像元件的另一个变形例中的电荷排出电极等的部分的放大示意性局部横截面图。
图68是实施例1中的摄像元件的另一个变形例的示意性局部横截面图。
图69是实施例1中的摄像元件的另一个变形例的示意性局部横截面图。
图70是实施例1中的摄像元件的另一个变形例的示意性局部横截面图。
图71是实施例4中的摄像元件的另一个变形例的示意性局部横截面图。
图72是实施例1中的摄像元件的另一个变形例的示意性局部横截面图。
图73是实施例4中的摄像元件的另一个变形例的示意性局部横截面图。
图74是实施例7的摄像元件的变形例中的电荷累积用电极、光电转换层、和第二电极的层叠部分的放大示意性局部横截面图。
图75是实施例8的摄像元件的变形例中的电荷累积用电极、光电转换层、和第二电极的层叠部分的放大示意性局部横截面图。
图76是示出实施例1的摄像元件中的传输特性的评估结果的图表。
图77是示出了实施例1的摄像元件中的对传输特性的影响的评估结果的图表，所述传输特性受光电转换层的LUMO值E1和用于构成无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2影响。
图78A和78B是分别表示通过使用实施例1中的评估样品和比较样品来评价的暗电流特性和外部量子效率的评估结果的图表。
图79是实施例1的固态摄像装置的概念图。
图80是在电子设备(相机)中使用了包括本发明的摄像元件等的固态摄像装置的示例的概念图。
图81是过去的层叠式摄像元件(层叠式固态摄像装置)的概念图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图基于实施例说明本发明。然而，本发明不限于上述实施例，并且各实施例中的各个数值和材料是说明性的。注意，将按以下顺序说明本发明。
1.关于根据本发明的第一至第三方面的摄像元件、本发明的层叠式摄像元件、以及根据本发明的第一和第二方面的固态摄像装置的一般说明
2.实施例1(根据本发明的第一至第三方面的摄像元件、本发明的层叠式摄像元件、以及根据本发明的第二方面的固态摄像装置)
3.实施例2(实施例1的变形例)
4.实施例3(实施例1和2的变形例和根据本发明的第一方面的固态摄像装置)
5.实施例4(实施例1至3的变形例和包括传输控制电极的摄像元件)
6.实施例5(实施例1至4的变形例和包括电荷排出电极的摄像元件)
7.实施例6(实施例1至5的变形例和包括多个电荷累积用电极区段的摄像元件)
8.实施例7(第一和第六构造的摄像元件)
9.实施例8(本发明的第二和第六构造的摄像元件)
10.实施例9(第三构造的摄像元件)
11.实施例10(第四构造的摄像元件)
12.实施例11(第五构造的摄像元件)
13.实施例12(第六构造的摄像元件)
14.实施例13(第一和第二构造的固态摄像装置)
15.实施例14(实施例13的变形例)
16.其他
<关于根据本发明的第一至第三方面的摄像元件、本发明的层叠式摄像元件、以及根据本发明的第一和第二方面的固态摄像装置的一般说明>
根据本发明的第二方面的摄像元件等能够处于如下形态：在该摄像元件中，用于构成位于无机氧化物半导体材料层附近的光电转换层的部分的材料的LUMO值E1和用于构成无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2满足以下表达式。
E1-E2<0.1eV
此外，包括优选形态的根据本发明的第二方面的摄像元件等能够处于如下形态：其中，用于构成无机氧化物半导体材料层的材料的迁移率在10cm2/V·s以上。
在图81所示的过去的摄像元件中，通过第二光电转换单元341A和第三光电转换单元343A中的光电转换而产生的电荷临时累积于第二光电转换单元341A和第三光电转换单元343A中。然后，电荷传输到第二浮动扩散层FD2和第三浮动扩散层FD3。因此，第二光电转换单元341A和第三光电转换单元343A可以被完全耗尽(fully depleted)。然而，通过第一光电转换单元310A中的光电转换而产生的电荷直接累积于第一浮动扩散层FD1中。因此，难以将第一光电转换单元310A完全耗尽。因此，这可能会由于kTC噪声的增加而使随机噪声恶化，并且可能会降低摄像质量。
根据本发明的第一方面的摄像元件等、包括优选形态的根据本发明的第二方面的摄像元件等、或根据本发明的第三方面的摄像元件等能够处于如下形态：其中，光电转换单元还包括绝缘层和电荷累积用电极，所述电荷累积用电极与第一电极分开布置着，并布置成隔着绝缘层面对着无机氧化物半导体材料层。
以这种方式，提供了与第一电极分开布置着并布置成隔着绝缘层面对着无机氧化物半导体材料层的电荷累积用电极。因此，在光照射到光电转换单元之后，在光电转换单元中进行光电转换时，电荷能够累积于无机氧化物半导体材料层中(根据情况的不同，可累积于无机氧化物半导体材料层及光电转换层中)。因此，在曝光开始时，电荷存储部可被完全耗尽并抹除电荷。这可以抑制由于kTC噪声增加而使随机噪声恶化所导致的摄像质量降低的现象。注意，在下面的说明中，无机氧化物半导体材料、或者无机氧化物半导体材料层及光电转换层可以统称为“无机氧化物半导体材料层等”。
此外，在包括优选形态的根据本发明的第一方面的摄像元件等中，在包括优选形态的根据本发明的第二方面的摄像元件等中，或在包括优选形态的根据本发明的第三方面的摄像元件等中，无机氧化物半导体材料层不含镓原子。
可选择地，在包括优选形态的根据本发明的第一方面的摄像元件等中，在包括优选形态的根据本发明的第二方面的摄像元件等中，或在包括优选形态的根据本发明的第三方面的摄像元件等中，无机氧化物半导体材料层能够包括：作为通过向氧化铟添加钨(W)而获得的材料的铟钨氧化物(IWO)、作为通过向氧化铟添加钨(W)和锌(Zn)而获得的材料的铟-钨-锌氧化物(IWZO)、作为通过向氧化铟添加锡(Sn)和锌(Zn)而获得的材料的铟-锡-锌氧化物(ITZO)、或锌-锡氧化物(ZTO)。注意，在无机氧化物半导体材料层由锌-锡氧化物(ZTO)构成的情况下，当在形成ZTO膜期间对ZTO膜应用退火工艺时，微量的ZnO可能会析出。但即使在这种情况下，仍可以说，无机氧化物半导体材料层由锌-锡氧化物(ZTO)构成。具体地，无机氧化物半导体材料层包括In-W氧化物或In-Sn氧化物、In-Zn氧化物、W-Sn氧化物、W-Zn氧化物、Sn-Zn氧化物、In-W-Sn氧化物、In-W-Zn氧化物、In-Sn-Zn氧化物、或In-W-Sn-Zn氧化物。在IWO中，钨氧化物的质量比例优选为10％～30％(质量)，这里铟氧化物和钨氧化物的总质量为100％(质量)。此外，在IWZO中，钨氧化物的质量比例优选为2％～15％(质量)，并且锌氧化物的质量比例优选为1％～3％(质量)，这里铟氧化物、钨氧化物和锌氧化物的总质量为100％(质量)。另外，在ITZO中，钨氧化物的质量比例优选为3％～10％(质量)，并且锡氧化物的质量比例优选为10％～17％(质量)，这里铟氧化物、锌氧化物和锡氧化物的总质量为100％(质量)。然而，这些值不限于上述这些。
无机氧化物半导体材料层可以具有单层构造或多层构造。另外，用于构成位于电荷累积用电极上方的无机氧化物半导体材料层的材料和用于构成位于第一电极上方的无机氧化物半导体材料层的材料可以不同。
能够基于例如溅射方法沉积无机氧化物半导体材料层。具体地，能够将平行板溅射设备或DC磁控溅射设备用作溅射设备。氩(Ar)气能够用作处理气体，并且理想的烧结体(例如，InZnO烧结体、InWO烧结体和ZTO烧结体)能够用作溅射方法中的靶。
注意，能够控制基于溅射方法形成无机氧化物半导体材料层时的氧气引入量(氧气分压)，以便控制无机氧化物半导体材料层的能级。具体地，优选地，在基于溅射方法形成层时，氧气分压[＝(O2气压)/(Ar气和O2气的总气压)]设为0.005～0.02。此外，本发明的摄像元件等能够处于如下形态：其中，无机氧化物半导体材料层中的氧含有率低于化学计量组成的氧含有率。这里，能够基于氧含有率来控制无机氧化物半导体材料层的能级。该氧含有率相对于化学计量组成的氧含有率越低，即，氧缺失程度越高，那么能级越深。
可选择地，在包括优选形态的根据本发明的第一方面的摄像元件等中，或在包括优选形态的根据本发明的第二方面的摄像元件等中，或在包括优选形态的根据本发明的第三方面的摄像元件等中，无机氧化物半导体材料层能够包括铟-钨-锌氧化物(IWZO)。
可选择地，在包括优选形态的根据本发明的第一方面的摄像元件等中，或在包括优选形态的根据本发明的第二方面的摄像元件等中，或在包括优选形态的根据本发明的第三方面的摄像元件等中，无机氧化物半导体材料层能够包括铟-钨氧化物(IWO)。
在包括上述各种优选形态和构造的根据本发明的第一方面的摄像元件等中，理想的是，用于构成位于无机氧化物半导体材料层附近的光电转换层的部分的材料的LUMO值E1和用于构成无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2满足
E1-E2<0.2eV，
优选地，
E1-E2<0.1eV。
这里，“位于无机氧化物半导体材料层附近的光电转换层的部分”表示：以无机氧化物半导体材料层与光电转换层之间的界面为基准面，位于与在光电转换层厚度的10％以下对应的区域中(即，光电转换层厚度的0％至10％的区域内)的光电转换层的部分。这类似地适用于根据本发明的第二方面的摄像元件。用于构成位于无机氧化物半导体材料层附近的光电转换层的部分的材料的LUMO值E1是在用于构成位于无机氧化物半导体材料层附近的光电转换层的部分处的平均值，并且用于构成无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2是在无机氧化物半导体材料层中的平均值。
此外，在包括上述各种优选形态和构造的根据本发明的第一方面的摄像元件等中，用于构成无机氧化物半导体材料层的材料的迁移率优选在10cm2/V·s以上。
此外，包括上述各种优选形态和构造的根据本发明的第一至第三方面的摄像元件等能够处于如下形态：其中，无机氧化物半导体材料层是非晶的(例如，该非晶材料不是局部地具备晶体结构)。能够基于X射线衍射分析来判定无机氧化物半导体材料层是否为非晶的。
此外，包括上述各种优选形态和构造的根据本发明的第一至第三方面的摄像元件等能够处于如下形态：其中，无机氧化物半导体材料层的厚度为1×10-8m～1.5×10-7m，优选地，2×10-8m～1.0×10-7m，更优选地，3×10-8m～1.0×10-7m。
此外，包括上述各种优选形态和构造的根据本发明的第一至第三方面的摄像元件等能够处于如下形态：其中
光从第二电极入射，并且
光电转换层与无机氧化物半导体材料层之间的界面处的无机氧化物半导体材料层的表面粗糙度Ra在1.5nm以下，无机氧化物半导体材料层的均方根粗糙度Rq的值在2.5nm以下。表面粗糙度Ra和表面粗糙度Rq是基于JIS B0601:2013的规定。光电转换层与无机氧化物半导体材料层之间的界面处的无机氧化物半导体材料层的平滑性可抑制无机氧化物半导体材料层中的表面散射反射，并且能够改善光电转换中的亮电流特性。电荷累积用电极的表面粗糙度Ra能够在1.5nm以下，并且电荷累积用电极的均方根粗糙度Rq的值能够在2.5nm以下。
为了方便起见，包括上述优选形态和构造的根据本发明的第一至第三方面的摄像元件等可以被称为“本发明的摄像元件等”。为了方便起见，作为包括上述优选形态和构造的根据本发明的第一至第三方面的摄像元件等并包括电荷累积用电极的摄像元件可以被称为“包括本发明的电荷累积用电极的摄像元件等”。
在包括本发明的电荷累积用电极的摄像元件等中，无机氧化物半导体材料层相对于波长为400nm～660nm的光的光透过率优选在65％以上。另外，电荷累积用电极相对于波长为400nm～660nm的光的光透过率也优选在65％以上。电荷累积用电极的薄层电阻值优选为3×10Ω/□～1×103Ω/□。
包括本发明的电荷累积用电极的摄像元件等还能包括：
半导体基板，并且
光电转换单元布置在半导体基板的上方。注意，第一电极、电荷累积用电极和第二电极连接到稍后说明的驱动电路。
位于光入射侧的第二电极可以由多个摄像元件共享。也就是说，第二电极可以是所谓的固体电极(solid electrode)。光电转换层可以由多个摄像元件共享。也就是说，可以针对多个摄像元件形成一个光电转换层。可以针对各摄像元件都设置有光电转换层。尽管优选针对各摄像元件都设置有无机氧化物半导体材料层，但是根据情况的不同，无机氧化物半导体材料层也可以由多个摄像元件等共享。也就是说，例如，在各摄像元件等之间可以设置有稍后说明的电荷移动控制电极，从而针对多个摄像元件等形成一个无机氧化物半导体材料层。
此外，包括上述各种优选形态和构造的具有本发明的电荷累积用电极的摄像元件等能够处于如下形态：其中，第一电极在设置于绝缘层上的开口部中延伸，并且第一电极连接到无机氧化物半导体材料层。可选择地，摄像元件等能够处于如下形态：其中，无机氧化物半导体材料层在设置于绝缘层上的开口部中延伸，并且无机氧化物半导体材料层连接到第一电极。在这种情况下，
第一电极的顶表面的边缘部分会被绝缘层覆盖，
第一电极会在开口部的底表面上暴露出来，并且
开口部的侧表面会从第一表面朝向第二表面倾斜着延伸，其中，第一表面是绝缘层的与第一电极的顶表面接触的表面，并且第二表面是绝缘层的与面对着电荷累积用电极的无机氧化物半导体材料层的部分接触的表面。此外，从第一表面朝向第二表面倾斜着延伸的开口部的侧表面能够位于电荷累积用电极侧。
此外，包括上述各种优选形态和构造的具有本发明的电荷累积用电极的摄像元件等还能够包括：
控制单元，其设置在半导体基板上，并包括驱动电路，其中
第一电极和电荷累积用电极连接到驱动电路，
在电荷存储期间，驱动电路将电位V11施加到第一电极，将电位V12施加到电荷累积用电极，并且电荷累积于无机氧化物半导体材料层中(或无机氧化物半导体材料层及光电转换层中)，并且
在电荷传输期间，驱动电路将电位V21施加到第一电极，将电位V22施加到电荷累积用电极，并且存储于无机氧化物半导体材料层中(或无机氧化物半导体材料层及光电转换层中)的电荷通过第一电极而被读出到控制单元。这里，第一电极的电位高于第二电极的电位，并且保持V12≥V11和V22<V21成立。
此外，包括上述各种优选形态和构造的具有本发明的电荷累积用电极的摄像元件等还能够包括：传输控制电极(电荷传输电极)，所述传输控制电极布置在第一电极与电荷累积用电极之间，其与第一电极和电荷累积用电极分开布置着、并且布置成隔着绝缘层面对着无机氧化物半导体材料层。为了方便起见，处于这种形态的包括本发明的电荷累积用电极的摄像元件等将被称为“包括本发明的传输控制电极的摄像元件等”。
另外，包括本发明的传输控制电极的摄像元件等还能包括：
控制单元，其设置在半导体基板上，并包括驱动电路，其中，
第一电极、电荷累积用电极和传输控制电极连接到驱动电路，
在电荷存储期间，驱动电路将电位V11施加到第一电极，将电位V12施加到电荷累积用电极，并且将电位V13施加到传输控制电极，并且电荷累积于无机氧化物半导体材料层中(或无机氧化物半导体材料层及光电转换层中)，并且
在电荷传输期间，驱动电路将电位V21施加到第一电极，将电位V22施加到电荷累积用电极，并且将电位V23施加到传输控制电极，并且累积于无机氧化物半导体材料层中(或无机氧化物半导体材料层及光电转换层中)的电荷通过第一电极读出到控制单元。这里，第一电极的电位高于第二电极的电位，并且
保持V12>V13和V22≤V23≤V21不变。
此外，包括上述各种优选形态和构造的具有本发明的电荷累积用电极的摄像元件等还能包括：电荷排出电极，所述电荷排出电极连接到无机氧化物半导体材料层，并与第一电极和电荷累积用电极分开布置着。为了方便起见，处于这种形态的包括本发明的电荷累积用电极的摄像元件等将被称为“包括本发明的电荷排出电极的摄像元件等”。另外，包括本发明的电荷排出电极的摄像元件等能够处于如下形态：其中，电荷排出电极布置成围绕第一电极和电荷累积用电极(即，呈框架形状)。电荷排出电极可以由多个摄像元件共享(共有化)。此外，在这种情况下，可以设置成如下形态：
无机氧化物半导体材料层能够在设置于绝缘层上的第二开口部中延伸，并且可以连接到电荷排出电极，
电荷排出电极的顶表面的边缘部分能够被绝缘层覆盖，
电荷排出电极能够在第二开口部的底表面上暴露出来，并且
第二开口部的侧表面能够从第三表面朝向第二表面倾斜着延伸，其中，第三表面是绝缘层的与电荷排出电极的顶表面接触的表面，并且第二表面是绝缘层的与面对着电荷累积用电极的无机氧化物半导体材料层的部分接触的表面。
此外，包括本发明的电荷排出电极的摄像元件等还能包括：
控制单元，其设置在半导体基板上，并包括驱动电路，其中
第一电极、电荷累积用电极和电荷排出电极连接到驱动电路，
在电荷存储期间，驱动电路将电位V11施加到第一电极，将电位V12施加到电荷累积用电极，并且将电位V14施加到电荷排出电极，并且电荷累积于无机氧化物半导体材料层中(或无机氧化物半导体材料层及光电转换层中)，并且
在电荷传输期间，驱动电路将电位V21施加到第一电极，将电位V22施加到电荷累积用电极，并且将电位V24施加到电荷排出电极，并且累积于无机氧化物半导体材料层中(或无机氧化物半导体材料层及光电转换层中)的电荷通过第一电极读出到控制单元。这里，第一电极的电位高于第二电极的电位，并且
保持V14>V11和V24<V21不变。
此外，在关于包括本发明的电荷累积用电极的摄像元件等的上述各种优选形态和构造中，电荷累积用电极能够包括多个电荷累积用电极区段。为了方便起见，处于这种形态的包括本发明的电荷累积用电极的摄像元件等将被称为“包括本发明的多个电荷累积用电极区段的摄像元件等”。电荷累积用电极区段的数量可以是2以上。此外，存在如下情况：其中，在包括本发明的多个电荷累积用电极区段的摄像元件等中，对N个电荷累积用电极区段施加不同的电位。此时，可以设置为如下形态：
在第一电极的电位高于第二电极的电位的情况下，在电荷传输期间，施加到位于最靠近第一电极的位置处的电荷累积用电极区段(第一个光电转换单元区段)的电位可以高于施加到位于最远离第一电极的位置处的电荷累积用电极区段(第N个光电转换单元区段)的电位，并且
在第一电极的电位低于第二电极的电位的情况下，在电荷传输期间，施加到位于最靠近第一电极的位置处的电荷累积用电极区段(第一个光电转换单元区段)的电位可以低于施加到位于最远离第一电极的位置处的电荷累积用电极区段(第N个光电转换单元区段)的电位。
在包括上述各种优选形态和构造的具有本发明的电荷累积用电极的摄像元件等中，
在半导体基板上可以设置有用于构成控制单元的至少浮动扩散层和放大晶体管，并且
第一电极能够连接到浮动扩散层和放大晶体管的栅极部。另外，在这种情况下，此外，
在半导体基板上可以进一步设置有用于构成控制单元的复位晶体管和选择晶体管，
浮动扩散层能够连接到复位晶体管的一个源极/漏极区，
放大晶体管的一个源极/漏极区能够连接到选择晶体管的一个源极/漏极区，并且选择晶体管的另一个源极/漏极区能够连接到信号线。
此外，包括上述各种优选形态和构造的具有本发明的电荷累积用电极的摄像元件等能够处于如下形态：其中，电荷累积用电极的尺寸大于第一电极的尺寸。尽管没有限制，但是优选满足
4≤S1'/S1，
其中，S1'是电荷累积用电极的面积，S1是第一电极的面积。
可选择地，包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等的变形例的实例包括下述的第一至第六构造的摄像元件。也就是说，在包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等中的第一至第六构造的摄像元件中，
光电转换单元包括N(其中，N≥2)个光电转换单元区段，
无机氧化物半导体材料层及光电转换层包括N个光电转换层区段，绝缘层包括N个绝缘层区段，
在第一至第三构造的摄像元件中，电荷累积用电极包括N个电荷累积用电极区段，
在第四和第五构造的摄像元件中，电荷累积用电极包括彼此分开布置的N个电荷累积用电极区段，
第n个(其中，n＝1,2,3,...N)光电转换单元区段包括第n个电荷累积用电极区段、第n个绝缘层区段、和第n个光电转换层区段，并且
光电转换单元区段的n值越大，光电转换单元区段的位置离第一电极越远。这里，“光电转换层区段”表示包括光电转换层和无机氧化物半导体材料层层叠而成的区段。
此外，在第一构造的摄像元件中，从第一个光电转换单元区段到第N个光电转换单元区段，绝缘层区段的厚度是逐渐变化的。另外，在第二构造的摄像元件中，从第一个光电转换单元区段到第N个光电转换单元区段，光电转换层区段的厚度是逐渐变化的。注意，在光电转换层区段中，可以改变光电转换层的部分的厚度，并且可以保持无机氧化物半导体材料层的部分的厚度，以这种方式来改变光电转换层区段的厚度。可以保持光电转换层的部分的厚度，并且可以改变无机氧化物半导体材料层的部分的厚度，以这种方式来改变光电转换层区段的厚度。可以改变光电转换层的部分的厚度，并且可以改变无机氧化物半导体材料层的部分的厚度，以这种方式来改变光电转换层区段的厚度。此外，在第三构造的摄像元件中，对于相邻的光电转换单元区段，用于构成绝缘层区段的材料是变化的。另外，在第四构造的摄像元件中，对于相邻的光电转换单元区段，用于构成电荷累积用电极区段的材料是变化的。此外，在第五构造的摄像元件中，从第一个光电转换单元区段到第N个光电转换单元区段，电荷累积用电极区段的面积逐渐减小。这些面积可以连续减小或呈阶梯状减小。
可选择地，在包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等中的第六构造的摄像元件中，假设Z方向是电荷累积用电极、绝缘层、无机氧化物半导体材料层和光电转换层的层叠方向，并且X方向是从第一电极离开的方向，当在YZ假想平面中切断层叠有电荷累积用电极、绝缘层、无机氧化物半导体材料层和光电转换层的层叠部分时，该层叠部分的横截面积依赖于离开第一电极的距离而变化。横截面积的变化可以是连续变化或者可以是呈阶梯变化。
在第一和第二构造的摄像元件中，连续设置有N个光电转换层区段。还连续地设置N个绝缘层区段，并且还连续地设置N个电荷累积用电极区段。在第三至第五构造的摄像元件中，连续设置有N个光电转换层区段。此外，在第四和第五构造的摄像元件中，连续设置有N个绝缘层区段。另一方面，在第三构造的摄像元件中，设置有N个绝缘层区段以分别对应于各个光电转换单元区段。此外，在第四和第五构造的摄像元件中，以及根据情况的不同在第三构造的摄像元件中，N个电荷累积用电极区段被设置为分别对应于各个光电转换单元区段。此外，在第一至第六构造的摄像元件中，相同的电位被施加给所有的电荷累积用电极区段。可选择地，在第四和第五构造的摄像元件中，以及根据情况的不同在第三构造的摄像元件中，可以将不同的电位施加给N个电荷累积用电极区段。
在包括第一至第六构造的摄像元件的本发明的摄像元件等中，规定了绝缘层区段的厚度。可选择地，规定了光电转换层区段的厚度。可选择地，用于构成绝缘层区段的材料是不同的。可选择地，用于构成电荷累积用电极区段的材料是不同的。可选择地，规定了电荷累积用电极区段的面积。可选择地，规定了层叠部分的横截面积。因此，可以形成一种电荷传输梯度，并且通过光电转换而产生的电荷能够更容易且确实地传输到第一电极。另外，结果，能够防止残像的产生或传输残留物的产生。
在第一至第五构造的摄像元件中，光电转换单元区段的n值越大，光电转换单元区段的位置离第一电极越远。光电转换单元区段是否远离第一电极，是以X方向为基准而判断的。另外，在第六构造的摄像元件中，从第一电极离开的方向是X方向，并且“X方向”定义如下。也就是说，含有多个排列起来的摄像元件或层叠式摄像元件的像素区域包括以二维阵列布置的多个像素，即，这些像素在X方向和Y方向上规则地布置着。在像素的平面形状是矩形的情况下，最靠近第一电极的边的延伸方向是Y方向，与Y方向正交的方向是X方向。可选择地，在像素的平面形状是任意形状的情况下，包括最接近第一电极的线段或曲线的总体方向是Y方向，并且与Y方向正交的方向是X方向。
在下文中，将针对第一至第六构造的摄像元件说明第一电极的电位高于第二电极的电位的情况。
在第一构造的摄像元件中，从第一个光电转换单元区段到第N个光电转换单元区段，绝缘层区段的厚度是逐渐变化的。优选地，绝缘层区段的厚度逐渐增加，结果，形成了一种电荷传输梯度。此外，在电荷存储期间当状态转变为|V12|≥|V11|时，第n个光电转换单元区段能够比第(n+1)个光电转换单元区段存储更多的电荷，并且施加更强电场。这能够可靠地防止电荷从第一个光电转换单元区段流向第一电极。另外，在电荷传输期间当状态转变为|V22|<|V21|时，能够可靠地确保电荷从第一个光电转换单元区段流向第一电极以及电荷从第(n+1)个光电转换单元区段流向第n个光电转换单元区段。
在第二构造的摄像元件中，从第一个光电转换单元区段到第N个光电转换单元区段，光电转换层区段的厚度是逐渐变化的。优选地，光电转换层区段的厚度逐渐增加，结果，形成了一种电荷传输梯度。此外，在电荷存储期间当状态转变为V12≥V11时，向第n个光电转换单元区段比向第(n+1)个光电转换单元区段施加更强的电场。这能够可靠地防止电荷从第一个光电转换单元区段流向第一电极。此外，在电荷传输期间当状态转变为V22<V21时，能够可靠地确保电荷从第一个光电转换单元区段流向第一电极以及电荷从第(n+1)个光电转换单元区段流向第n个光电转换单元区段。
在第三构造的摄像元件中，对于相邻的光电转换单元区段，用于构成绝缘层区段的材料有所变化。结果，形成了一种电荷传输梯度。优选地，从第一个光电转换单元区段到第N个光电转换单元区段，用于构成绝缘层区段的材料的介电常数值是逐渐减小的。另外，通过采用上述构造，在电荷存储期间当状态转变为V12≥V11，第n个光电转换单元区段能够存储比第(n+1)个光电转换单元区段更多的电荷。此外，在电荷传输期间当状态转变为V22<V21时，能够可靠地确保电荷从第一个光电转换单元区段流向第一电极以及电荷从第(n+1)个光电转换单元区段流向第n个光电转换单元区段。
在第四构造的摄像元件中，对于相邻的光电转换单元区段，用于构成电荷累积用电极区段的材料有所变化。结果，形成了一种电荷传输梯度。优选地，从第一个光电转换单元区段到第N个光电转换单元区段，用于构成绝缘层区段的材料的功函数值是逐渐增大的。另外，通过采用上述构造，不管电压是正还是负，都能够形成有利于信号电荷传输的电位梯度。
在第五构造的摄像元件中，从第一个光电转换单元区段到第N个光电转换单元区段，电荷累积用电极区段的面积是逐渐减小的。结果，形成了一种电荷传输梯度。因此，在电荷存储期间当状态转变为V12≥V11时，第n个光电转换单元区段能够存储比第(n+1)个光电转换单元区段更多的电荷。此外，在电荷传输期间当状态转变为V22<V21时，能够可靠地确保电荷从第一个光电转换单元区段流向第一电极以及电荷从第(n+1)个光电转换单元区段流向第n个光电转换单元区段。
在第六构造的摄像元件中，层叠部分的横截面积依赖于离开第一电极的距离而变化。结果，形成了一种电荷传输梯度。具体地，层叠部分的横截面的厚度可以是恒定的，并且层叠部分的横截面的宽度能够随离第一电极的距离的增加而减小。通过采用上述构造，则如在第五构造的摄像元件中所述的那样，在电荷存储期间当状态转变为V12≥V11时，靠近第一电极的区域能够存储比较远区域更多的电荷。因此，在电荷传输期间当状态转变为V22<V21时，能够可靠地确保电荷从靠近第一电极的区域流向第一电极以及电荷从较远区域流向较近区域。另一方面，层叠部分的横截面的宽度可以是恒定的，并且层叠部分的横截面的厚度可以逐渐增加，具体地，绝缘层区段的厚度可以逐渐增加。通过采用上述构造，则如在第一构造的摄像元件中所述的那样，在电荷存储期间当状态转变为V12≥V11时，靠近第一电极的区域能够存储比较远区域更多的电荷。另外，施加更强的电场，这能够可靠地防止电荷从靠近第一电极的区域流向第一电极。此外，在电荷传输期间当状态转变为V22<V21时，能够可靠地确保电荷从靠近第一电极的区域流向第一电极以及电荷从较远区域流向较近区域。另外，通过采用逐渐增加光电转换层区段的厚度的构造，则如在第二构造的摄像元件中所述的那样，在电荷存储期间当状态转变为V12≥V11时，向靠近第一电极的区域比向较远区域施加更强的电场，并且能够可靠地防止电荷从靠近第一电极的区域流向第一电极。此外，在电荷传输期间当状态转变为V22<V21时，能够可靠地确保电荷从靠近第一电极的区域流向第一电极以及电荷从较远区域流向较近区域。
作为根据本发明的第一和第二方面的固态摄像装置的变形例的固态摄像装置能够包括：
多个如第一至第六构造的摄像元件，其中
多个摄像元件构成摄像元件区块，并且
第一电极由摄像元件区块中所包括的多个摄像元件共享。为了方便起见，以这种方式构造的固态摄像装置将被称为“第一构造的固态摄像装置”。可选择地，作为根据本发明的第一和第二方面的固态摄像装置的变形例的固态摄像装置能够包括：
多个如第一至第六构造的摄像元件，或者多个层叠式摄像元件，该层叠式摄像元件包括至少一个如第一至第六构造的摄像元件，其中
多个摄像元件或多个层叠式摄像元件构成摄像元件区块，并且
第一电极由摄像元件区块中所包括的多个摄像元件或层叠式摄像元件共享。为了方便起见，以这种方式构造的固态摄像装置将被称为“第二构造的固态摄像装置”。另外，第一电极能够由摄像元件区块中所包括的多个摄像元件共享，从而使包括多个排列起来的摄像元件的像素区域中的构造和结构简化和小型化。
在第一和第二构造的固态摄像装置中，为多个摄像元件(一个摄像元件区块)设置一个浮动扩散层。这里，对应于一个浮动扩散层设置的多个摄像元件可以包括稍后说明的多个第一类型摄像元件，或者可以包括至少一个第一类型摄像元件和一个或至少两个稍后说明的第二类型摄像元件。另外，能够适当地控制电荷传输期间的时序，从而使多个摄像元件能够共享一个浮动扩散层。多个摄像元件有联系地进行操作，并且它们作为摄像元件区块连接到稍后所述的驱动电路。也就是说，摄像元件区块中所包括的多个摄像元件连接到一个驱动电路。然而，针对各摄像元件来控制电荷累积用电极。另外，多个摄像元件能够共享一个接触孔部。关于由多个摄像元件共享的第一电极与各摄像元件的电荷累积用电极之间的布置关系，第一电极可以布置成与各摄像元件的电荷累积用电极相邻。可选择地，第一电极可以布置成与多个摄像元件中的一部分的电荷累积用电极相邻，并且不与多个摄像元件中的剩余摄像元件的电荷累积用电极相邻。在这种情况下，电荷从多个摄像元件中的剩余摄像元件到第一电极的移动是通过多个摄像元件中的一部分而进行的移动。优选地，摄像元件中所包括的电荷累积用电极与摄像元件中所包括的电荷累积用电极之间的距离(为了方便，称为“距离A”)比与第一电极相邻的摄像元件中第一电极和电荷累积用电极之间的距离(为了方便，称为“距离B”)长，以便确保将电荷从各摄像元件移动到第一电极。另外，优选地，摄像元件的位置离第一电极越远，让距离A的值越大。
此外，包括上述各种优选形态和构造的本发明的摄像元件等能够处于如下形态：其中，光从第二电极侧入射，并且在更靠近第二电极的光入射侧形成有遮光层。可选择地，光可以从第二电极侧入射，并且光可以不入射到第一电极(视情况的不同，不入射到第一电极及传输控制电极)上。此外，在这种情况下，从更靠近第二电极的光入射侧，在第一电极(视情况的不同，第一电极及传输控制电极)的上方能够形成有遮光层。可选择地，芯片上微透镜能够设置在电荷累积用电极和第二电极的上方，并且入射到芯片上微透镜上的光能够会聚于电荷累积用电极。这里，遮光层可以布置在第二电极的光入射侧的表面的更上方，或者可以布置在第二电极的光入射侧的表面上。根据情况的不同，在第二电极上可以形成有遮光层。用于构成遮光层的材料的实例包括铬(Cr)、铜(Cu)、铝(Al)、钨(W)、不让光透过的树脂(例如，聚酰亚胺树脂)。
本发明的摄像元件等的具体实例包括：对蓝光敏感的摄像元件(为了方便，称为“第一类型蓝光摄像元件”)，其包括吸收蓝光(425nm～495nm的光)的光电转换层或光电转换单元(为了方便，称为“第一类型蓝光光电转换层”或“第一类型蓝光光电转换单元”)；对绿光敏感的摄像元件(为了方便，称为“第一类型绿光摄像元件”)，其包括吸收绿光(495nm～570nm的光)的光电转换层或光电转换单元(为了方便，称为“第一类型绿光光电转换层”或“第一类型绿光光电转换单元”)；以及对红光敏感的摄像元件(为了方便，称为“第一类型红光摄像元件”)，其包括吸收红光(620nm～750nm的光)的光电转换层或光电转换单元(为了方便，称为“第一类型红光光电转换层”或“第一类型红光光电转换单元”)。另外，为了方便，过去的作为不包括电荷累积用电极的元件的对蓝光敏感的摄像元件将被称为“第二类型蓝光摄像元件”。为了方便，过去的对绿光敏感的摄像元件将被称为“第二类型绿光摄像元件”。为了方便，过去的对红光敏感的摄像元件将被称为“第二类型红光摄像元件”。为了方便，第二类型蓝光摄像元件中所包括的光电转换层或光电转换单元将被称为“第二类型蓝光光电转换层”或“第二类型蓝光光电转换单元”。为了方便，第二类型绿光摄像元件中所包括的光电转换层或光电转换单元将被称为“第二类型绿光光电转换层”或“第二类型绿光光电转换单元”。为了方便，第二类型红光摄像元件中所包括的光电转换层或光电转换单元将被称为“第二类型红光光电转换层”或“第二类型红光光电转换单元”。
含有电荷累积用电极的层叠式摄像元件的构造和结构的具体实例包括：
[A]构造和结构：其中，第一类型蓝光光电转换单元、第一类型绿光光电转换单元和第一类型红光光电转换单元在垂直方向上层叠，并且
第一类型蓝光摄像元件的控制单元、第一类型绿光摄像元件的控制单元、和第一类型红光摄像元件的控制单元都设置在半导体基板上；
[B]构造和结构：其中，第一类型蓝光光电转换单元和第一类型绿光光电转换单元在垂直方向上层叠，
在这两层第一类型光电转换单元的下方布置有第二类型红光光电转换单元，并且
第一类型蓝光摄像元件的控制单元、第一类型绿光摄像元件的控制单元、和第二类型红光摄像元件的控制单元都设置在半导体基板上；
[C]构造和结构：其中，第二类型蓝光光电转换单元和第二类型红光光电转换单元布置在第一类型绿光光电转换单元的下方，并且
第一类型绿光摄像元件的控制单元、第二类型蓝光摄像元件的控制单元、和第二类型红光摄像元件的控制单元都设置在半导体基板上；以及
[D]构造和结构：其中，第二类型绿光光电转换单元和第二类型红光光电转换单元布置在第一类型蓝光光电转换单元的下方，并且
第一类型蓝光摄像元件的控制单元、第二类型绿光摄像元件的控制单元、和第二类型红光摄像元件的控制单元都设置在半导体基板上。
优选地，摄像元件的光电转换单元在垂直方向上的布置顺序是从光入射方向开始依次为蓝光光电转换单元、绿光光电转换单元和红光光电转换单元，或者从光入射方向开始依次为绿光光电转换单元、蓝光光电转换单元和红光光电转换单元。这是因为较短波长的光在入射表面侧会被有效地吸收。红色具有三种颜色中最长的波长，并且从光入射表面观察，优选将红光光电转换单元定位在最下层。摄像元件的层叠结构提供一个像素。另外，可以包括第一类型近红外光电转换单元(或红外光电转换单元)。这里，优选地，第一类型红外光电转换单元的光电转换层包括例如有机材料，并且布置在第一类型摄像元件的层叠结构的最下层，位于第二类型摄像元件上方。可选择地，可以在第一类型光电转换单元的下方包括第二类型近红外光电转换单元(或红外光电转换单元)。
在第一类型摄像元件中，第一电极例如形成在设置于半导体基板上的层间绝缘层上。形成在半导体基板上的摄像元件可以是背照式或前照式。
在光电转换层包括有机材料的情况下，光电转换层能够处于以下四种形态中的一种。
(1)光电转换层包括p型有机半导体。
(2)光电转换层包括n型有机半导体。
(3)光电转换层包括p型有机半导体层/n型有机半导体层的层叠结构。光电转换层包括p型有机半导体层/(p型有机半导体和n型有机半导体的混合层(体异质结构))/n型有机半导体层的层叠结构。光电转换层包括p型有机半导体层/(p型有机半导体和n型有机半导体的混合层(体异质结构))的层叠结构。光电转换层包括n型有机半导体/(p型有机半导体和n型有机半导体的混合层(体异质结构))的层叠结构。
(4)光电转换层包括p型有机半导体和n型有机半导体的混合层(体异质结构)。
这里，能够任意地改变层叠的顺序。
p型有机半导体的实例包括：萘衍生物、蒽衍生物、菲衍生物、芘衍生物、苝衍生物、并四苯衍生物、并五苯衍生物、喹吖啶酮衍生物、噻吩衍生物、噻吩并噻吩衍生物、苯并噻吩衍生物、苯并噻吩-苯并噻吩衍生物、三烯丙基胺衍生物、咔唑衍生物、聚烯烃衍生物、吡啶衍生物、chrysene衍生物、荧蒽衍生物、酞菁衍生物、亚酞菁衍生物、亚卟啉衍生物、包括杂环化合物作为配体的金属络合物、聚噻吩衍生物、聚苯并噻二唑衍生物、和聚芴衍生物。n型有机半导体的实例包括富勒烯和富勒烯衍生物<例如，富勒烯(高级富勒烯)，例如C60、C70和C74、内嵌富勒烯等)或富勒烯衍生物(例如，富勒烯氟化物、PCBM富勒烯化合物、或富勒烯多聚体等)>、具有比p型有机半导体更大(更低)的HOMO和LUMO的有机半导体、以及透明无机金属氧化物。n型有机半导体的具体实例包括具有作为分子骨架的一部分的含有氮原子、氧原子和硫原子的杂环化合物的有机分子，所述杂环化合物例如是：吡啶衍生物、吡嗪衍生物、嘧啶衍生物、三嗪衍生物、喹啉衍生物、喹喔啉衍生物、异喹啉衍生物、吖啶衍生物、吩嗪衍生物、菲咯啉衍生物、四唑衍生物、吡唑衍生物、咪唑衍生物、噻唑衍生物、恶唑衍生物、咪唑衍生物、苯并咪唑衍生物、苯并三唑衍生物、苯并恶唑衍生物、咔唑衍生物、苯并呋喃衍生物、二苯并呋喃衍生物、亚卟啉衍生物、聚亚苯基亚乙烯衍生物、聚苯并噻吩衍生物、聚芴衍生物、有机金属络合物、和亚酞菁衍生物。富勒烯衍生物中所包括的基团等的实例包括：卤素原子；直链、支链或环状烷基或苯基；包括直链或缩合芳族化合物的基团；包括卤化物的基团；部分氟代烷基；全氟烷基；甲硅烷基烷基；甲硅烷基烷氧基；芳基甲硅烷基；芳基硫烷基；烷基硫烷基；芳基磺酰基；烷基磺酰基；芳基硫醚基；烷基硫醚基；氨基；烷基氨基；芳氨基；羟基；烷氧基；酰氨基；酰氧基；羰基；羧基；甲酰胺基；烷基烷氧基；酰基；磺酰基；氰基；硝基；包括硫族化合物的基团；磷化氢基团；以及上述这些的衍生物。尽管包括有机材料的光电转换层(在一些情况下称为“有机光电转换层”)的厚度不受特别限制，但是上述厚度例如能够是1×10-8m至5×10-7m，优选地，2.5×10-8m至3×10-7m，更优选地，2.5×10-8m至2×10-7m，最优选地，1×10-7m至1.8×10-7m。注意，有机半导体通常分为p型和n型。P型表示能够容易地传输空穴，n型表示能够容易地传输电子。有机半导体不限于如无机半导体中那样具有空穴或电子作为热激发的多数载流子的解释。
可选择地，用于对绿光进行光电转换的有机光电转换层中所包括的材料的实例包括：罗丹明染料、部花青类染料、喹吖啶酮衍生物和亚酞菁染料(亚酞菁衍生物)。用于对蓝光进行光电转换的有机光电转换层中所包括的材料的实例包括：香豆酸染料、三-8-羟基喹啉铝(Alq3)和部花青类染料。用于对红光进行光电转换的有机光电转换层中所包括的材料的实例包括：酞菁染料和亚酞菁染料(亚酞菁衍生物)。
可选择地，光电转换层中所包括的无机材料的实例包括：晶体硅、非晶硅、微晶硅、结晶硅、非晶硒、黄铜矿化合物(例如CIGS(CuInGaSe)、CIS(CuInSe2)、CuInS2、CuAlS2、CuAlSe2、CuGaS2、CuGaSe2、AgAlS2、AgAlSe2、AgInS2和AgInSe2)、III-V族化合物(例如，GaAs、InP、AlGaAs、InGaP、AlGaInP和InGaAsP)、以及CdSe、CdS、In2Se3、In2S3、Bi2Se3、Bi2S3、ZnSe、ZnS、PbSe、PbS等的化合物半导体。另外，包括这些材料的量子点也能够用于光电转换层。
根据本发明的第一和第二方面的固态摄像装置以及第一和第二构造的固态摄像装置能够提供单板彩色固态摄像装置。
在包括层叠式摄像元件的根据本发明的第二方面的固态摄像装置中，与包括拜耳阵列的摄像元件的固态摄像装置不同(即，不使用彩色滤光片层来进行蓝色、绿色和红色的分光)，在同一像素内的光入射方向上把对多种波长的光敏感的摄像元件层叠起来以提供一个像素。因此，能够提高灵敏度，并且能够提高每单位体积的像素密度。另外，有机材料的吸收系数高，并且与过去的Si基光电转换层相比，有机光电转换层的膜厚度能够减薄。这减少了来自相邻像素的光的泄漏，并减轻了对光入射角的限制。此外，在过去的Si基摄像元件中，对三种颜色的像素进行插值处理以产生彩色信号，因此，产生了伪色。在包括层叠式摄像元件的根据本发明的第二方面的固态摄像装置中，抑制了伪色的产生。有机光电转换层还用作彩色滤光片层，并且能够在不布置彩色滤光片层的情况下进行颜色分离。
另一方面，在根据本发明的第一方面的固态摄像装置中，彩色滤光片层能够用来减轻对蓝色、绿色和红色的分光特性的要求，并且批量生产率高。根据本发明的第一方面的固态摄像装置中的摄像元件阵列的实例包括拜耳阵列、以及隔行阵列、G条纹RB方格阵列、G条纹RB完全方格阵列、方格互补色阵列、条纹阵列、对角条纹阵列、原色色差阵列、场色差序列阵列、帧色差序列阵列、MOS阵列、改良的MOS阵列、帧交错阵列和场交错阵列。这里，一个摄像元件构成一个像素(或子像素)。
彩色滤光片层(波长选择机构)的实例包括：不仅透射红色、绿色和蓝色，而且还透射特定的波长(例如，青色、品红色和黄色等)的滤光片层，这视情况而定。彩色滤光片层不仅能够包括使用有机化合物(例如颜料和染料等)的有机材料的彩色滤光片层，而且还包括包含应用了光子结晶、等离子体的波长选择元件(具有导体栅格结构的彩色滤光片层，在该导体栅格结构中，在导体薄膜中设有栅格状孔结构，例如参见日本专利申请特开No.2008-177191)、诸如非晶硅等无机材料的薄膜。
设置有多个排列起来的本发明的摄像元件等的像素区域包括以二维阵列规则地布置的多个像素。像素区域通常包括：有效像素区域，在该有效像素区域中，实际接收光以通过光电转换产生信号电荷，并且信号电荷被放大并被读出到驱动电路；以及黑基准像素区域(也称为光学黑像素区域(OPB))，其用于将光学黑作为黑电平的基准而输出。黑基准像素区域通常布置在有效像素区域的外围。
在包括上述各种优选形态和构造的本发明的摄像元件等中，照射光，并且在光电转换层中进行光电转换。进行空穴(electron hole)和电子的载流子分离。另外，提取空穴的电极是阳极，提取电子的电极是阴极。第一电极构成阴极，第二电极构成阳极。
第一电极、电荷累积用电极、传输控制电极、电荷排出电极和第二电极能够包括透明导电材料。在某些情况下，第一电极、电荷累积用电极、传输控制电极和电荷排出电极将被统称为“第一电极等”。可选择地，在本发明的摄像元件等布置在例如拜耳阵列的平面上的情况下，第二电极能够包括透明导电材料，并且第一电极等能够包括金属材料。在这种情况下，具体地，位于光入射侧的第二电极能够包括透明导电材料，并且第一电极等能够包括例如Al-Nd(铝和钕的合金)或ASC(铝、钐和铜的合金)。在一些情况下，包括透明导电材料的电极将被称为“透明电极”。这里，希望透明导电材料的带隙能量在2.5eV以上，优选地，在3.1eV以上。透明电极中所包括的透明导电材料的实例包括导电金属氧化物。具体地，透明导电材料的实例包括氧化铟、铟锡氧化物(包括ITO(Indium Tin Oxide：氧化铟锡)、掺杂Sn的In2O3、结晶性ITO、和非晶ITO)、通过向氧化锌中添加作为掺杂剂的铟而获得的铟锌氧化物(IZO,Indium Zinc Oxide)、通过向氧化镓中添加作为掺杂剂的铟而获得的铟镓氧化物(IGO)、通过向氧化锌中添加作为掺杂剂的铟和镓而获得的铟-镓-锌氧化物(IGZO,In-GaZnO4)、通过向氧化锌中添加作为掺杂剂的铟和锡而获得的铟-锡-锌氧化物(ITZO)、IFO(掺杂有F的In2O3)、氧化锡(SnO2)、ATO(掺杂有Sb的SnO2)、FTO(掺杂有F的SnO2)、氧化锌(包括掺杂有其他元素的ZnO)、通过向氧化锌中添加作为掺杂剂的铝而获得的铝锌氧化物(AZO)、通过向氧化锌中添加作为掺杂剂的镓而获得的镓锌氧化物(GZO)、氧化钛(TiO2)、通过向氧化钛中添加作为掺杂剂的铌而获得的铌钛氧化物(TNO)、氧化锑、尖晶石型氧化物、和具有YbFe2O4结构的氧化物。可选择地，透明电极能够包括镓氧化物、钛氧化物、铌氧化物、镍氧化物等作为母层。透明电极的厚度的实例包括2×10-8m～2×10-7m，优选地，3×10-8m～1×10-7m。在需要第一电极是透明的情况下，从简化制造工艺的观点来看，电荷排出电极也优选包括透明导电材料。
可选择地，在不需要透明性的情况下，优选使用功函数低(例如，φ＝3.5eV～4.5eV)的导电材料作为阴极中包含的具有用于提取电子的电极功能的导电材料。具体地，导电材料的实例包括碱金属(例如，Li、Na或K等)和碱金属的氟化物或氧化物、碱土金属(例如，Mg或Ca等)和碱土金属的氟化物或氧化物、铝(Al)、锌(Zn)、锡(Sn)、铊(Tl)、钠-钾合金、铝-锂合金、镁-银合金、铟、诸如镱等稀土金属、以及上述这些的合金。可选择地，阴极中包含的材料的实例包括：金属，例如铂(Pt)、金(Au)、钯(Pd)、铬(Cr)、镍(Ni)、铝(Al)、银(Ag)、钽(Ta)、钨(W)、铜(Cu)、钛(Ti)、铟(In)、锡(Sn)、铁(Fe)、钴(Co)和钼(Mo)；包含上述这些金属元素的合金；包含上述这些金属的导电颗粒；包含上述这些金属的合金的导电颗粒；含有杂质的多晶硅；碳材料；氧化物半导体材料；碳纳米管；和诸如石墨烯等导电材料。阴极也能够具有包括上述这些元素的层的层叠结构。此外，阴极中包含的材料的实例还包括有机材料(导电聚合物)，例如聚(3,4-亚乙二氧基噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)[PEDOT/PSS]。另外，这些导电材料可以与粘合剂(聚合物)混合，以获得糊剂或墨剂，并且糊剂或墨剂可以被固化并被用作电极。
干法或湿法能够用作第一电极等或第二电极(阴极或阳极)的沉积方法。干法的实例包括物理气相沉积法(PVD法)和化学气相沉积法(CVD法)。使用PVD法原理的沉积方法的实例包括：使用电阻加热或射频加热的真空蒸发方法、EB(电子束)蒸发方法、各种溅射方法(磁控溅射方法、RF-DC耦合偏压溅射方法、ECR溅射方法、面向靶溅射方法、以及RF溅射方法)、离子电镀方法、激光烧蚀方法、分子束外延方法、以及激光转移方法。另外，CVD法的实例包括：等离子体CVD方法、热CVD方法、有机金属(MO)CVD方法、以及光学CVD方法。另一方面，湿法的实例包括如下方法：例如，电镀方法、化学镀方法、旋涂方法、喷墨方法、喷涂方法、冲压方法、微接触印刷方法、柔版印刷方法、胶版印刷方法、凹版印刷方法、以及浸渍方法。图案化方法的实例包括：化学刻蚀，例如阴影掩模、激光转移和光刻；以及使用紫外光、激光等的物理蚀刻。第一电极等和第二电极的平坦化方法的实例包括激光平坦方法、回流方法和化学机械抛光(CMP：Chemical Mechanical Polishing)方法。
绝缘层中所包括的材料的实例不仅包括无机绝缘材料(像金属氧化物高介电绝缘材料)，例如氧化硅材料、氮化硅(SiNY)、以及氧化铝(Al2O3)，而且还包括有机绝缘材料(有机聚合物)，例如：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；聚乙烯醇酚(PVP)；聚乙烯醇(PVA)；聚酰亚胺；聚碳酸酯(PC)；聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)；聚苯乙烯；硅烷醇衍生物(硅烷偶联剂)，例如N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷(AEAPTMS)、3-巯基丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)和十八烷基三氯硅烷(OTS)；酚醛清漆酚醛树脂；氟树脂；以及直链烃，例如十八烷硫醇和十二烷基异氰酸酯，在一端包括能够与对照电极结合的官能团。还能够使用上述这些的组合。氧化硅材料的实例包括氧化硅(SiOX)、BPSG、PSG、BSG、AsSG、PbSG、氮氧化硅(SiON)、SOG(旋涂玻璃)、和低介电绝缘材料(例如，聚芳醚、环氟聚合物、苯并环丁烯、环状氟树脂、聚四氟乙烯、氟化芳基醚、氟化聚酰亚胺、非晶碳、和有机SOG)。绝缘层能够具有单层构造，或者能够层叠多个层(例如，两层)。在后一种情况下，绝缘层/下层能够至少形成在电荷累积用电极上以及形成在电荷累积用电极与第一电极之间的区域中。能够将平坦化工艺应用于绝缘层/下层，以便至少在电荷累积用电极与第一电极之间的区域中留有绝缘层/下层。在留下的绝缘层/下层和电荷累积用电极上能够形成绝缘层/上层。以这种方式，能够确实地使绝缘层平坦化。这些材料也仅需要适当地选择各种层间绝缘层和绝缘材料膜中所包括的材料。
控制单元中所包括的浮动扩散层、放大晶体管、复位晶体管和选择晶体管的构造和结构能够与过去的浮动扩散层、放大晶体管、复位晶体管和选择晶体管的构造和结构相同。驱动电路也能够具有众所周知的构造和结构。
第一电极连接到浮动扩散层和放大晶体管的栅极部，并且接触孔部仅需要形成为用于第一电极与浮动扩散层和放大晶体管的栅极部的连接。接触孔部中所包括的材料的实例包括：掺杂有杂质的多晶硅；高熔点金属和金属硅化物，例如钨、Ti、Pt、Pd、Cu、TiW、TiN、TiNW、WSi2和MoSi2等；以及包括上述这些材料的层的层叠结构(例如，Ti/TiN/W)。
第一载流子阻挡层可以设置在无机氧化物半导体材料层与第一电极之间，并且第二载流子阻挡层可以设置在有机光电转换层与第二电极之间。另外，第一电荷注入层可以设置在第一载流子阻挡层与第一电极之间，并且第二电荷注入层可以设置在第二载流子阻挡层与第二电极之间。例如，电子注入层中包含的材料的实例包括；碱金属，例如锂(Li)、钠(Na)和钾(K)；碱金属的氟化物或氧化物；碱土金属，例如镁(Mg)和钙(Ca)；以及碱土金属的氟化物或氧化物。
各种有机层的沉积方法的实例包括干沉积方法和湿沉积方法。干沉积方法的实例包括：使用电阻加热、射频(RF)加热或电子束加热的真空蒸发方法；闪蒸方法；等离子体沉积方法；EB(电子束)蒸发方法；各种溅射方法(双极溅射方法、DC(直流)溅射方法、DC磁控溅射方法、RF溅射方法、磁控溅射方法、RF-DC耦合偏压溅射方法、ECR溅射方法、面向靶溅射方法、RF溅射方法和离子束溅射方法)；DC方法；RF方法；多阴极方法；活化反应方法；电场蒸发方法；各种离子电镀方法，例如RF离子电镀方法和反应离子电镀方法；激光烧蚀方法；分子束外延方法；激光转印方法；以及分子束外延方法(MBE方法)。另外，CVD法的实例包括：等离子体CVD方法、热CVD方法、MOCVD方法、以及光学CVD方法。另一方面，湿法的具体实例包括：旋涂方法；浸渍方法；浇铸方法；微接触印刷方法；滴铸方法；各种印刷方法，例如丝网印刷方法、喷墨印刷方法、胶版印刷方法、凹版印刷方法、和柔版印刷方法等；冲压方法；喷涂方法；以及各种涂布方法，例如气刀涂布机方法、刮刀涂布机方法、棒涂布机方法、刀涂布机方法、挤压涂布机方法、逆辊涂布机方法、转印辊涂布机方法、凹版涂布机方法、吻式涂布机方法、浇铸涂布机方法、喷涂机方法、狭缝孔涂布机方法和压延涂布机方法。在涂布方法中，溶剂的实例包括非极性或低极性有机溶剂，例如甲苯、氯仿、己烷和乙醇。图案化方法的实例包括：化学蚀刻，例如阴罩掩模、激光转印和光刻；以及使用紫外光、激光等的物理蚀刻。能够使用激光平坦化方法、回流方法等作为各种有机层的平坦化技术。
根据需要，能够适当地组合上述第一至第六构造的两种以上类型的摄像元件。
如上所述，芯片上微透镜和遮光层可以根据需要而被设置在摄像元件或固态摄像装置上，并且还可以设置用于驱动摄像元件的驱动电路和布线。可以根据需要，设置有用于控制光在摄像元件上的入射的快门，并且可以根据固态摄像装置的目的而设置有光学截止滤光片。
另外，第一和第二构造的固态摄像装置能够处于如下形态：其中，在本发明的一个摄像元件等的上方布置一个芯片上微透镜。可选择地，本发明的两个摄像元件等能够构成摄像元件区块，并且能够在摄像元件区块的上方布置一个芯片上微透镜。
例如，在把固态摄像装置和读出集成电路(ROIC)层叠起来的情况下，设置有读出集成电路和包含铜(Cu)的连接部的驱动基板以及设置有连接部的摄像元件能够彼此叠置，使得连接部彼此接触。以这种方式，连接部能够被接合，以便层叠固态摄像装置和读出集成电路。焊料凸块等也能够用于将连接部彼此接合。
此外，用于驱动根据本发明的第一和第二方面的固态摄像装置的驱动方法能够是重复以下步骤的固态摄像装置的驱动方法：
在所有摄像元件中，在将电荷同时累积于无机氧化物半导体材料层(或无机氧化物半导体材料层及光电转换层)中的时候，将第一电极中的电荷全部释放到系统的外部；以及
随后，在所有摄像元件中，同时将累积于无机氧化物半导体材料层(或无机氧化物半导体材料层及光电转换层)中的电荷传输到第一电极，并且在传输完成之后，顺序读取各摄像元件中的传输到第一电极的电荷。
在固态摄像装置的驱动方法中，在各摄像元件中，从第二电极侧入射的光不入射到第一电极上。在所有摄像元件中，在将电荷同时累积于无机氧化物半导体材料层等中的时候，第一电极中的电荷全部释放到系统外部。因此，在所有摄像元件中，必定能够同时复位第一电极。另外，随后，所有摄像元件中，同时将累积于无机氧化物半导体材料层等中的电荷传输到第一电极。在完成传输之后，顺序读取各摄像元件中的传输到第一电极的电荷。因此，能够容易地实现所谓的全局快门功能。
本发明的摄像元件的实例包括CCD元件、CMOS图像传感器、接触式图像传感器(CIS：Contact Image Sensor)和电荷调制装置(CMD：Charge Modulation Device)信号放大图像传感器。根据本发明的第一和第二方面的固态摄像装置以及第一和第二构造的固态摄像装置能够包括在例如数码相机、摄影机、摄像录像机、监控摄像机、车载摄像机、智能电话摄像机、用于游戏的用户接口摄像机和生物认证摄像机中。
实施例1
实施例1涉及根据本发明的第一至第三方面的摄像元件、本发明的层叠式摄像元件、以及根据本发明的第二方面的固态摄像装置。图1示出了实施例1的摄像元件和层叠式摄像元件(下文简称为“摄像元件”)的示意性局部横截面图。图2和图3示出了实施例1的摄像元件的等效电路图。图4示出了实施例1的摄像元件中所包括的用于构成控制单元的晶体管以及用于构成光电转换单元的第一电极和电荷累积用电极的示意性布局图。图5示意性地示出了在实施例1的摄像元件的操作期间各部位的电位状态。图6A示出了用于说明实施例1的摄像元件的各部位的等效电路图。另外，图7示出了实施例1的摄像元件的用于光电转换单元的第一电极和电荷累积用电极的示意性布局图。图8示出了第一电极、电荷累积用电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。此外，图79示出了实施例1的固态摄像装置的概念图。
实施例1的摄像元件包括光电转换单元，所述光电转换单元包括层叠的第一电极21、光电转换层23A和第二电极22，无机氧化物半导体材料层23B形成在第一电极21与光电转换层23A之间。另外，无机氧化物半导体材料层23B包括选自由铟、钨、锡和锌组成的群组中的至少两种元素。可选择地，用于构成位于无机氧化物半导体材料层23B附近的光电转换层23A的部分的材料的LUMO值E1和用于构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的LUMO值E2满足以下表达式(A)，优选地，以下表达式(B)。
E1-E2<0.2eV (A)
E1-E2<0.1eV (B)
可选择地，用于构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的迁移率在10cm2/V·s以上。
与根据本发明的第一方面的摄像元件对应的实施例1的摄像元件也满足表达式(A)，优选地表达式(B)。另外，在与根据本发明的第一和第二方面的摄像元件对应的实施例1的摄像元件中，用于构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的迁移率也在10cm2/V·s以上。
另外，实施例1的摄像元件中的光电转换单元还包括绝缘层82和电荷累积用电极24，所述电荷累积用电极24与第一电极21分开布置着，并被布置成隔着绝缘层82面向无机氧化物半导体材料层23B。注意，光从第二电极22入射。
实施例1的层叠式摄像元件包括至少一个如实施例1的摄像元件。另外，实施例1的固态摄像装置包括多个如实施例1的层叠式摄像元件。此外，实施例1的固态摄像装置包括在例如数码相机、摄影机、摄像录像机、监控摄像机、车载摄像机(车载摄像机)、智能电话摄像机、用于游戏的用户接口摄像机、和生物认证摄像机等。
在下文中，首先将说明实施例1的摄像元件的各种特征，然后，将详细说明实施例1的摄像元件和固态摄像装置。
能够控制在基于溅射方法形成无机氧化物半导体材料层23B时的氧气引入量(氧气分压)，以便控制无机氧化物半导体材料层23B的能级。氧气分压优选设定为0.005(0.5％)～0.02(2％)。
无机氧化物半导体材料层23B的膜厚度设为50nm，并且使用IWO来形成无机氧化物半导体材料层23B。下表1表示获得氧气分压与通过逆光电子能谱获得的能级之间的关系的结果。在实施例1的摄像元件中，能够控制在基于溅射方法形成无机氧化物半导体材料层23B时的氧气引入量(氧气分压)，以便控制无机氧化物半导体材料层23B的能级。注意，在无机氧化物半导体材料层23B中，氧含有率低于化学计量组成的氧含有率。
<表1>
氧气分压 能级
0.5％ 4.3eV
2.0％ 4.5eV
接下来，关于光电转换层23A和无机氧化物半导体材料层23B，检查无机氧化物半导体材料层23B的能级、光电转换层23A与无机氧化物半导体材料层23B之间的能级差(E1-E2)、以及用于构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的迁移率。情况分为如表2所示的三种情况。这里，用于构成位于无机氧化物半导体材料层23B附近的光电转换层23A的部分的材料的LUMO值E1设为4.5eV。在第一种情况下，能级差(E1-E2)为0.2eV。在第二种情况下，与第一种情况相比，能级差(E1-E2)得到改善。在第三种情况下，与第二种情况相比，迁移率进一步得到改善。基于具有图1所示的结构的摄像元件，在装置模拟中评估这三种情况下的传输特性。
注意，在第一种情况下，使用IGZO作为用于构成无机氧化物半导体材料层23B的材料。在第二种情况下，使用ZTO或ITZO作为用于构成无机氧化物半导体材料层23B的材料。在第三种情况中，使用IWZO或IWO作为用于构成无机氧化物半导体材料层23B的材料。另外，无机氧化物半导体材料层23B的膜厚度为50nm。此外，光电转换层23A包括喹吖啶酮，并且厚度为0.1μm。
<表2>
图76示出了传输特性的评估结果。在图76中，在电子被吸引到电荷累积用电极24的上方的状态下的相对的电子量是1×100。另外，在图76中，在所有电子被吸引到电荷累积用电极24的上方并且传输到第一电极21的状态下的相对的电子量为1×10-4。图76的横轴上表示吸引到电荷累积用电极24的上方的电子传输到第一电极21的时间(称为“传输时间”)。在图76中，“A”表示第一种情况下的传输特性的评估结果，“B”表示第二种情况下的传输特性的评估结果，“C”表示第三种情况下的传输特性的评估结果。第二种情况下的传输时间比第一种情况下的传输时间短，并且第三种情况下的传输时间比第二种情况下的传输时间短。
为了满足摄像元件所需的没有剩余传输电荷情况下的特性，电子的相对量达到1×10-4的适宜传输时间为1×10-7s。第二种情况在满足传输时间方面是很优异的，并且第三种情况更加优异。即，无机氧化物半导体材料层23B包括选自由铟、钨、锡和锌组成的群组中的至少两种元素。另外，用于构成位于无机氧化物半导体材料层23B附近的光电转换层23A的部分的材料的LUMO值E1和用于构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的LUMO值E2满足
E1-E2<0.2eV，
优选地，
E1-E2<0.1eV。
此外，用于构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的迁移率在10cm2/V·s以上。
图77示出了传输特性的评估结果，其中，光电转换层23A的LUMO值E1为4.5eV，用于构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的LUMO值E2为4.4eV(见图77的“C”)、4.5eV(见图77的“B”)、4.6eV(见图77的“A”)或4.7eV(见图77的“A”)。注意，4.6eV的数据和4.7eV的数据重叠。结果表明，LUMO值E2越高，传输特性越优异。因此，结果表明，形成层使得无机氧化物半导体材料层23B的LUMO值E2大于光电转换层23A的LUMO值E1是进一步改善传输特性的更优选的因素。
另外，图78A和78B示出了在光电转换层23A中的光电转换时的60℃下的暗电流特性(Jdk)和室温(25℃)下的外部量子效率特性(EQE)的评估结果，其中，ZTO包括在无机氧化物半导体材料层23B中。
评估样品具有如下结构：其中，包括ITO的第一电极形成在基板上，无机氧化物半导体材料层、光电转换层、包括MoOx的缓冲层和第二电极顺序层叠在第一电极上。这里，无机氧化物半导体材料层的厚度为20nm或100nm。另外，比较样品具有如下结构：其中，包括ITO的第一电极形成在基板上，光电转换层、包括MoOx的缓冲层和第二电极顺序层叠在第一电极上。即，无机氧化物半导体材料层未形成在比较样品中。关于暗电流特性(Jdk)，应理解评估样品具有对应于比较样品的性能(见图78A的“C”)。注意，对于无机氧化物半导体材料层的厚度为100nm的数据，见图78A和图78B的“A”。另外，对于无机氧化物半导体材料层的厚度为20nm的数据，见图78A和图78B的“B”。在图78A中，两种评估样品的暗电流特性的图形(“A”和“B”的数据)大多重叠。另外，当施加1V的正偏压时，比较样品的外部量子效率(EQE)特性为80％(见图78B的“C”)，而评估样品表现出更高的值。以这种方式，确认在形成无机氧化物半导体材料的情况下，该特性与未形成无机氧化物半导体材料层的情况下的特性相对应或比未形成无机氧化物半导体材料层的情况下的特性更优异。
另外，更具体地，无机氧化物半导体材料层23B不包含镓原子，无机氧化物半导体材料层23B包含IWO、IWZO、ITZO或ZTO。这里，从X射线衍射结果可以理解，无机氧化物半导体材料层23B是非晶的(例如，非晶材料不是局部地包括晶体结构)。此外，在光电转换层23A与无机氧化物半导体材料层23B之间的界面处的无机氧化物半导体材料层23B的表面粗糙度Ra在1.5nm以下，并且无机氧化物半导体材料层的均方根粗糙度Rq的值在2.5nm以下。具体地，上述值如下。
Ra＝0.8nm
Rq＝2.1nm
另外，电荷累积用电极24的表面粗糙度Ra在1.5nm以下，并且电荷累积用电极24的均方根粗糙度Rq的值在2.5nm以下。具体地，上述值如下。
Ra＝0.7nm
Rq＝2.3nm
此外，无机氧化物半导体材料层23B对于波长为400nm～660nm的光的光透过率在65％以上(具体地，80％)，并且电荷累积用电极24对于波长为400nm～660nm的光的光透过率也在65％以上(具体地，75％)。电荷累积用电极24的薄层电阻值为3×10Ω/□～1×103Ω/□(具体地，84Ω/□)。
在下文中，将详细说明实施例1的摄像元件和固态摄像装置。
实施例1的摄像元件还包括半导体基板(更具体地，硅半导体层)70，并且光电转换单元布置在半导体基板70的上方。另外，摄像元件还包括控制单元，所述控制单元设置在半导体基板70上，并且所述控制单元包括驱动电路，所述驱动电路连接到第一电极21和第二电极22。这里，半导体基板70的光入射表面是上方，半导体基板70的相对侧是下方。包括多个布线的布线层62设置在半导体基板70的下方。
用于构成控制单元的至少浮动扩散层FD1和放大晶体管TR1amp被设置在半导体基板70上，并且第一电极21被连接到浮动扩散层FD1和放大晶体管TR1amp的栅极部。用于构成控制单元的复位晶体管TR1rst和选择晶体管TR1SEL也被设置在半导体基板70上。浮动扩散层FD1连接到复位晶体管TR1rst的一个源极/漏极区。放大晶体管TR1amp的一个源极/漏极区连接到选择晶体管TR1SEL的一个源极/漏极区。选择晶体管TR1SEL的另一个源极/漏极区连接到信号线VSL1。放大晶体管TR1amp、复位晶体管TR1rst和选择晶体管TR1SEL都包括在驱动电路中。
具体地，实施例1的摄像元件是背照式摄像元件。摄像元件具有三个摄像元件的层叠结构，所述三个摄像元件包括：实施例1中的对绿光敏感的第一类型绿光摄像元件(下文称为“第一摄像元件”)，绿光摄像元件包括用于吸收绿光的第一类型绿光光电转换层；过去的对蓝光敏感的第二类型蓝光摄像元件(下文称为“第二摄像元件”)，蓝光摄像元件包括用于吸收蓝光的第二类型蓝光光电转换层；以及过去的对红光敏感的第二类型红光摄像元件(下文称为“第三摄像元件”)，红光摄像元件包括用于吸收红光的第二类型红光光电转换层。这里，红光摄像元件(第三摄像元件)和蓝光摄像元件(第二摄像元件)设置在半导体基板70中，并且第二摄像元件相对于第三摄像元件位于光入射侧。另外，绿光摄像元件(第一摄像元件)设置在蓝光摄像元件(第二摄像元件)的上方。第一摄像元件、第二摄像元件和第三摄像元件的层叠结构包括在一个像素中。不设置彩色滤光片层。
在第一摄像元件中，第一电极21和电荷累积用电极24在层间绝缘层81上彼此分开地形成。层间绝缘层81和电荷累积用电极24被绝缘层82覆盖。无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A形成在绝缘层82上，并且第二电极22形成在光电转换层23A上。绝缘层83形成在包括第二电极22的整个表面上，并且芯片上微透镜14设置在绝缘层83上。未设置彩色滤光片层。第一电极21、电荷累积用电极24和第二电极22包括例如含有ITO的透明电极(功函数：约4.4eV)。无机氧化物半导体材料层23B包含例如IWZO、IWO、ZTO或ITZO。光电转换层23A包括含有对至少绿光敏感的公知的有机光电转换材料(例如，诸如罗丹明染料、份菁染料和喹吖啶酮等有机材料)的层。层间绝缘层81以及绝缘层82和83包括公知的绝缘材料(例如，SiO2或SiN)。无机氧化物半导体材料层23B和第一电极21通过设置于绝缘层82上的连接部67连接。无机氧化物半导体材料层23B在连接部67中延伸。即，无机氧化物半导体材料层23B在设置于绝缘层82上的开口部85中延伸，并连接到第一电极21。
电荷累积用电极24连接到驱动电路。具体地，电荷累积用电极24通过设置于层间绝缘层81中的连接孔66、垫部分64和布线VOA连接到驱动电路中所包括的垂直驱动电路112。
电荷累积用电极24的尺寸大于第一电极21的尺寸。尽管不受限制，但是优选满足
4≤S1'/S1，
其中，S1'是电荷累积用电极24的面积，S1是第一电极21的面积。尽管不受限制，但是例如在实施例1中进行如下设定：
S1'/S1＝8
注意，在稍后所述的实施例7～10中，三个光电转换单元区段10'1、10'2和10'3)的尺寸相同，并且平面形状也相同。
元件分离区71形成在半导体基板70的第一表面(前表面)70A侧，并且氧化膜72形成在半导体基板70的第一表面70A上。此外，包括在第一摄像元件的控制单元中的复位晶体管TR1rst、放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel设置在半导体基板70的第一表面侧，并且还设置第一浮动扩散层FD1。
复位晶体管TR1rst包括栅极部51、沟道形成区51A、以及源极/漏极区51B和51C。复位晶体管TR1rst的栅极部51连接到复位线RST1。复位晶体管TR1rst的一个源极/漏极区51C也用作第一浮动扩散层FD1，并且另一个源极/漏极区51B连接到电源VDD。
第一电极21通过设置于层间绝缘层81中的连接孔65和垫部分63、通过形成在半导体基板70和层间绝缘层76上的接触孔部61、以及通过形成在层间绝缘层76上的布线层62连接到复位晶体管TR1rst的一个源极/漏极区51C(第一浮动扩散层FD1)。
放大晶体管TR1amp包括栅极部52、沟道形成区52A以及源极/漏极区52B和52C。栅极部52通过布线层62连接到第一电极21和复位晶体管TR1rst的一个源极/漏极区51C(第一浮动扩散层FD1)。另外，一个源极/漏极区52B连接到电源VDD。
选择晶体管TR1sel包括栅极部53、沟道形成区53A、以及源极/漏极区53B和53C。栅极部53连接到选择线SEL1。另外，一个源极/漏极区53B与放大晶体管TR1amp中所包括的另一个源极/漏极区52C共用该区域，并且另一个源极/漏极区53C连接到信号线(数据输出线)VSL1(117)。
第二摄像元件包括设置于半导体基板70上的作为光电转换层的n型半导体区域41。包括纵型晶体管的传输晶体管TR2trs的栅极部45延伸到n型半导体区域41并连接到传输栅极线TG2。另外，第二浮动扩散层FD2设置在半导体基板70的靠近传输晶体管TR2trs的栅极部45的区域45C中。存储在n型半导体区域41中的电荷通过沿着栅极部45形成的传输沟道读出到第二浮动扩散层FD2。
第二摄像元件还设置有用于构成半导体基板70的第一表面侧的第二摄像元件的控制单元的复位晶体管TR2rst、放大晶体管TR2amp和选择晶体管TR2sel。
复位晶体管TR2rst包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区。复位晶体管TR2rst的栅极部连接到复位线RST2。复位晶体管TR2rst的一个源极/漏极区连接到电源VDD。另一个源极/漏极区也用作第二浮动扩散层FD2。
放大晶体管TR2amp包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区。栅极部连接到复位晶体管TR2rst的另一个源极/漏极区(第二浮动扩散层FD2)。另外，一个源极/漏极区连接到电源VDD。
选择晶体管TR2sel包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区。栅极部连接到选择线SEL2。另外，一个源极/漏极区与包括在放大晶体管TR2amp中的另一个源极/漏极区共用该区域，并且另一个源极/漏极区连接到信号线(数据输出线)VSL2。
第三摄像元件包括设置在半导体基板70上的作为光电转换层的n型半导体区域43。传输晶体管TR3trs的栅极部46连接到传输栅极线TG3。另外，第三浮动扩散层FD3设置在半导体基板70的靠近传输晶体管TR3trs的栅极部46的区域46C中。存储在n型半导体区域43中的电荷通过沿着栅极部46形成的传输沟道46A读出到第三浮动扩散层FD3。
在第三摄像元件中，包括在第三摄像元件的控制单元中的复位晶体管TR3rst、放大晶体管TR3amp和选择晶体管TR3sel还设置在半导体基板70的第一表面侧。
复位晶体管TR3rst包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区。复位晶体管TR3rst的栅极部连接到复位线RST3。复位晶体管TR3rst的一个源极/漏极区连接到电源VDD。另一个源极/漏极区也用作第三浮动扩散层FD3。
放大晶体管TR3amp包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区。栅极部连接到复位晶体管TR3rst的另一个源极/漏极区(第三浮动扩散层FD3)。另外，一个源极/漏极区连接到电源VDD。
选择晶体管TR3sel包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区。栅极部连接到选择线SEL3。另外，一个源极/漏极区与包括在放大晶体管TR3amp中的另一个源极/漏极区共用该区域，并且另一个源极/漏极区连接到信号线(数据输出线)VSL3。
复位线RST1、RST2和RST3、选择线SEL1、SEL2和SEL3、以及传输栅极线TG2和TG3连接到包括在驱动电路中的垂直驱动电路112。信号线(数据输出线)VSL1、VSL2和VSL3连接到包括在驱动电路中的列信号处理电路113。
p+层44设置在半导体基板70的n型半导体区域43与前表面70A之间，以便抑制暗电流的产生。p+层42形成在n型半导体区域41与n型半导体区域43之间，此外，n型半导体区域43的侧表面的一部分被p+层42包围。p+层73形成在半导体基板70的背面70B侧，并且HfO2膜74和绝缘材料膜75包括p+层73到要形成半导体基板70内部的接触孔部61的部分。在层间绝缘层76中，在未示出的多个层上形成布线。
HfO2膜74是具有负的固定电荷的膜，并且能够设置该膜以抑制暗电流的产生。代替HfO2膜，也能够使用如下膜：氧化铝(Al2O3)膜、氧化锆(ZrO2)膜、氧化钽(Ta2O5)膜、氧化钛(TiO2)膜、氧化镧(La2O3)膜、氧化镨(Pr2O3)膜、氧化铈(CeO2)膜、氧化钕(Nd2O3)膜、氧化钷(Pm2O3)膜、氧化钐(Sm2O3)膜、氧化铕(Eu2O3)膜、氧化钆(Gd2O3)膜、氧化铽(Tb2O3)膜、氧化镝(Dy2O3)膜、氧化钬(Ho2O3)膜、氧化铥(Tm2O3)膜、氧化镱(Yb2O3)膜、氧化镥(Lu2O3)膜、氧化钇(Y2O3)膜、氮化铪膜、氮化铝膜、氧氮化铪膜、或氧氮化铝膜。这些膜的沉积方法的实例包括CVD方法、PVD方法和ALD方法。
在下文中，将参考图5和图6A说明包括实施例1的电荷累积用电极的层叠式摄像元件(第一摄像元件)的操作。这里，第一电极21的电位高于第二电极22的电位。即，例如，第一电极21设定为正电位，第二电极22设定为负电位。通过光电转换层23A中的光电转换产生的电子被读出到浮动扩散层。这类似地适用于其他实施例。
在图5、稍后所述的实施例4中的图20和图21中以及实施例6中的图32和图33中使用的符号如下。
PA.....无机氧化物半导体材料层23B的点PA处的电位，所述无机氧化物半导体材料层23B面向位于电荷累积用电极24和第一电极21的中间或传输控制电极(电荷传输电极)25和第一电极21的中间的区域
PB.....无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积用电极24的区域的点PB处的电位
PC1.....无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积用电极区段24A的区域的点PC1处的电位
PC2.....无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷蓄积用电极区段24B的区域的点PC2处的电位
PC3.....无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积用电极区段24C的区域的点PC3处的电位
PD.....无机氧化物半导体材料层23B的面向传输控制电极(电荷传输电极)25的区域的点PD处的电位
FD.....第一浮动扩散层FD1的电位
VOA.....电荷累积用电极24的电位
VOA-A....电荷累积用电极区段24A的电位
VOA-B....电荷累积用电极区段24B的电位
VOA-C....电荷累积用电极区段24C的电位
VOT.....传输控制电极(电荷传输电极)25的电位
RST....复位晶体管TR1rst的栅极部51的电位
VDD.....电源的电位
VSL1...信号线(数据输出线)VSL1
TR1rst..复位晶体管TR1rst
TR1amp..放大晶体管TR1amp
TR1sel..选择晶体管TR1sel
在电荷存储期间，驱动电路将电位V11施加到第一电极21，并将电位V12施加到电荷累积用电极24。入射到光电转换层23A上的光在光电转换层23A中引起光电转换。通过光电转换而产生的空穴从第二电极22通过布线VOU发送到驱动电路。另一方面，第一电极21的电位高于第二电极22的电位。即，例如，将正电位施加到第一电极21，并且将负电位施加到第二电极22。因此，设定电位，使得保持V12≥V11，优选地V12>V11不变。结果，通过光电转换产生的电子被吸引到电荷累积用电极24，并且电子在面向电荷累积用电极24的无机氧化物半导体材料层23B处或在无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A(以下，它们将被统称为“无机氧化物半导体材料层23B等”)的区域中停止。即，电荷累积于无机氧化物半导体材料层23B等中。V12高于V11，因此，光电转换层23A内部产生的电子不会向第一电极21移动。在光电转换的时间过程中，无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极24的区域中的电位变为更负的值。
在电荷存储期间的后期执行复位操作。这复位了第一浮动扩散层FD1的电位，并且第一浮动扩散层FD1的电位移位到电源的电位VDD。
在完成复位操作之后，读出电荷。即，在电荷传输期间，驱动电路将电位V21施加到第一电极21，并且将电位V22施加到电荷累积用电极24。这里，设定电位使得保持V22<V21不变。结果，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极24的区域中停止的电子被读出到第一电极21，并进一步被读出到第一浮动扩散层FD1。即，累积于无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷被读出到控制单元。
这就完成了包括电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作。
在电子被读出到第一浮动扩散层FD1之后，放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel的操作与过去的晶体管的操作相同。另外，第二摄像元件和第三摄像元件的包括电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作与过去的包括电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作相同。另外，如在过去的技术中那样，能够在相关双采样(CDS：correlated doublesampling)处理中去除第一浮动扩散层FD1的复位噪声。
如上所述，在实施例1中设置了电荷累积用电极，所述电荷累积用电极与第一电极分开布置着，并隔着绝缘层面对着光电转换层布置。因此，在光被施加到光电转换层之后的光电转换层中，通过无机氧化物半导体材料层等、绝缘层和电荷累积用电极形成一种电容器。电荷能够累积于无机氧化物半导体材料层等中。因此，在曝光开始时，电荷存储部能够被完全耗尽并抹除电荷。这能够抑制由于kTC噪声增加导致的随机信号的劣化而引起的图像质量降低的现象。另外，能够一次性复位所有像素，并且能够实现所谓的全局快门功能。
图79示出了实施例1的固态摄像装置的概念图。实施例1的固态摄像装置100包括：摄像区域111，所述摄像区域111包括呈二维阵列布置的层叠式摄像元件101；作为层叠式摄像元件101的驱动电路的垂直驱动电路112(外围电路)；列信号处理电路113；水平驱动电路114、输出电路115、驱动控制电路116等。所述电路能够包括众所周知的电路，或者其他电路构造(例如，过去在CCD摄像装置或CMOS摄像装置中使用的各种电路)显然能够用于提供上述电路。在图79中，仅在层叠式摄像元件101的一行中显示附图标记“101”。
驱动控制电路116基于垂直同步信号、水平同步信号和主时钟产生时钟信号和控制信号，所述时钟信号和所述控制信号作为垂直驱动电路112、列信号处理电路113、和水平驱动电路114的操作的参考。另外，所产生的时钟信号和控制信号被输入到垂直驱动电路112、列信号处理电路113和水平驱动电路114。
垂直驱动电路112包括例如移位寄存器，并且在垂直方向上逐行地顺序选择和扫描摄像区域111的层叠式摄像元件101。另外，基于每个层叠式摄像元件101中的光接收量产生的电流(信号)的像素信号(图像信号)通过信号线(数据输出线)117，VSL被发送到列信号处理电路113。
列信号处理电路113被布置用于例如层叠式摄像元件101的每列，并且列信号处理电路113被构造成使用来自黑基准像素的信号(尽管未示出，但形成在有效像素区域周围)，以针对各摄像元件对从一行层叠式摄像元件101输出的图像信号应用信号处理，例如噪声消除和信号放大。水平选择开关(未示出)连接并设置在列信号处理电路113的输出级和水平信号线118之间。
水平驱动电路114例如包括移位寄存器，并且水平驱动电路114顺序输出水平扫描脉冲以顺序选择列信号处理电路113。水平驱动电路114将来自各列信号处理电路113的信号输出到水平信号线118。
输出电路115对从列信号处理电路113通过水平信号线118顺序提供的信号进行信号处理，并输出该信号。
图9示出了实施例1的摄像元件的变形例的等效电路图，图10示出了第一电极、电荷累积用电极和用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图。以这种方式，复位晶体管TR1rst的另一个源极/漏极区51B可以接地，而不是将另一个源极/漏极区51B连接到电源VDD。
例如，实施例1的摄像元件能够通过以下方法来制造。即，首先，制备SOI基板。然后，基于外延生长方法在SOI基板的表面上形成第一硅层，并且在第一硅层上形成p+层73和n型半导体区域41。接下来，基于外延生长方法在第一硅层上形成第二硅层，并且在第二硅层上形成元件分离区71、氧化膜72、p+层42、n型半导体区域43、和p+层44。另外，在第二硅层上形成摄像元件的用于构成控制单元的各种晶体管等，并且在第二硅层上进一步形成布线层62、层间绝缘层76和各种布线。然后，将层间绝缘层76和支撑基板(未示出)贴合在一起。随后，移除SOI基板以使第一硅层暴露出来。第二硅层的表面对应于半导体基板70的前表面70A，并且第一硅层的表面对应于半导体基板70的背面70B。另外，第一硅层和第二硅层被统一表示为半导体基板70。接下来，在半导体基板70的背面70B侧形成用于形成接触孔部61的开口部，并且形成HfO2膜74、绝缘材料膜75和接触孔部61。此外，形成垫部分63和64、层间绝缘层81、连接孔65和66、第一电极21、电荷累积用电极24、和绝缘层82。接下来，连接部67被开设开口，并形成无机氧化物半导体材料层23B、光电转换层23A、第二电极22、绝缘层83和芯片上微透镜14。以这种方式，能够获得实施例1的摄像元件。
另外，尽管未示出，绝缘层82可以具有包括绝缘层/下层和绝缘层/上层的两层构造。即，绝缘层/下层能够至少形成在电荷累积用电极24上以及形成在电荷累积用电极24与第一电极21之间的区域中(更具体地，绝缘层/下层能够形成在包括电荷累积用电极24的层间绝缘层81上)。可以向绝缘层/下层应用平坦化工艺，然后可以在绝缘层/下层和电荷累积用电极24上形成绝缘层/上层。结果，能够确实地使绝缘层82变平坦。此外，仅需要在以这种方式获得的绝缘层82中打开连接部67。
实施例2
实施例2是实施例1的变形。图11的示意性局部横截面图所示的实施例2的摄像元件是前照式摄像元件。摄像元件具有三个摄像元件的层叠结构，所述三个摄像元件包括：实施例1中对绿光敏感的第一类型绿光摄像元件(第一摄像元件)，绿光摄像元件包括用于吸收绿光的第一类型绿光光电转换层；过去对蓝光敏感的第二类型蓝光摄像元件(第二摄像元件)，蓝光摄像元件包括用于吸收蓝光的第二类型蓝光光电转换层；以及过去对红光敏感的第二类型红光摄像元件(第三摄像元件)，红光摄像元件包括用于吸收红光的第二类型红光光电转换层。这里，红光摄像元件(第三摄像元件)和蓝光摄像元件(第二摄像元件)设置在半导体基板70中，并且第二摄像元件相对于第三摄像元件位于光入射侧。另外，绿光摄像元件(第一摄像元件)设置在蓝光摄像元件(第二摄像元件)的上方。
如同实施例1中一样，用于构成控制单元的各种晶体管被设置在半导体基板70的前表面70A侧。晶体管能够具有基本上与实施例1中所述的晶体管相同的构造和结构。另外，第二摄像元件和第三摄像元件设置在半导体基板70上，并且摄像元件也能够具有基本上与实施例1中所述的第二摄像元件和第三摄像元件相同的构造和结构。
层间绝缘层81形成在半导体基板70的前表面70A的上方，并且实施例1的用于构成摄像元件的包括电荷累积用电极的光电转换单元(第一电极21、无机氧化物半导体材料层23B、光电转换层23A、第二电极22、和电荷累积用电极24等)设置在层间绝缘层81的上方。
以这种方式，实施例2的摄像元件的构造和结构能够与实施例1的摄像元件的构造和结构相同，除了实施例2的摄像元件是前照式。因此，将不再详细说明。
实施例3
实施例3是实施例1和实施例2的变形。
图12的示意性局部横截面图所示的实施例3的摄像元件是背照式摄像元件。摄像元件具有包括实施例1中的第一类第一摄像元件和第二类第二摄像元件的两个摄像元件的层叠结构。另外，图13的示意性局部横截面图所示的实施例3的摄像元件的变形例提供了前照式摄像元件。摄像元件具有包括实施例1中的第一类第一摄像元件和第二类第二摄像元件的两个摄像元件的层叠结构。这里，第一摄像元件吸收原色光，第二摄像元件吸收互补色光。可选择地，第一摄像元件吸收白光，第二摄像元件吸收红外线。
图14的示意性局部横截面图所示的实施例3的摄像元件的变形例是背照式摄像元件。摄像元件包括实施例1中的第一类第一摄像元件。另外，图15的示意性局部横截面图所示的实施例3的摄像元件的变形例是前照式摄像元件。摄像元件包括实施例1中的第一类第一摄像元件。这里，第一摄像元件包括三种摄像元件，所述三种摄像元件包括：用于吸收红光的摄像元件；用于吸收绿光的摄像元件；以及用于吸收蓝光的摄像元件。此外，多个摄像元件包括在根据本发明的第一方面的固态摄像装置中。多个摄像元件的布置示例包括拜耳阵列。用于分离蓝色、绿色和红色的彩色滤光片层根据需要布置在摄像元件的光入射侧。
代替在实施例1中提供包括第一类电荷累积用电极的一个光电转换单元，能够层叠两个光电转换单元(即，层叠包括电荷累积用电极的两个光电转换单元，并且两个光电转换单元的控制单元设置在半导体基板上)，或者能够层叠三个光电转换单元(即，层叠包括电荷累积用电极的三个光电转换单元，并且三个光电转换单元的控制单元设置在半导体基板上)。下表示出了第一类型摄像元件和第二类型摄像元件的层叠结构的示例。
实施例4
实施例4是实施例1至实施例3的变形，并且实施例4涉及一种本发明的包括传输控制电极(电荷传输电极)的摄像元件等。图16示出了实施例4的摄像元件的一部分的示意性局部横截面图。图17和图18示出了实施例4的摄像元件的等效电路图。图19示出了实施例4的摄像元件中所包括的用于构成光电转换单元的第一电极、传输控制电极和电荷累积用电极以及用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图。图20和图21示意性地示出了在实施例4的摄像元件的操作期间各部位的电位状态。图6B示出了用于说明实施例4的摄像元件的各部位的等效电路图。另外，图22示出了实施例4的摄像元件的光电转换单元中所包括的第一电极、传输控制电极和电荷累积用电极的示意性布局图。图23示出了第一电极、传输控制电极、电荷累积用电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。
实施例4的摄像元件还包括传输控制电极(电荷传输电极)25，所述传输控制电极25布置在第一电极21与电荷累积用电极24之间，与第一电极21和电荷累积用电极24分开布置着，并且布置成隔着绝缘层82面对着无机氧化物半导体材料层23B。传输控制电极25通过设置于层间绝缘层81中的连接孔68B和垫部分68A以及通过布线VOT连接到包括在驱动电路中的像素驱动电路。注意，为了简化附图，为了方便起见，位于层间绝缘层81的下方的摄像元件的各种组成元件统一由附图标记13表示。
在下文中，将参考图20和图21说明实施例4的摄像元件(第一摄像元件)的操作。注意，对于图20和图21，施加到电荷累积用电极24的电位值和点PD处的电位特别地有所变化。
在电荷存储期间，驱动电路将电位V11施加到第一电极21，将电位V12施加到电荷累积用电极24，并将电位V13施加到传输控制电极25。入射到光电转换层23A上的光在光电转换层23A中引起光电转换。通过光电转换产生的空穴通过布线VOU从第二电极22发送到驱动电路。另一方面，第一电极21的电位高于第二电极22的电位。即，例如，将正电位施加到第一电极21，并且将负电位施加到第二电极22。因此，电位被设置成使得保持V12>V13(例如，V12>V11>V13或V11>V12>V13)不变。结果，通过光电转换产生的电子被吸引到电荷累积用电极24，并且电子停止在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极24的区域中。即，电荷累积于无机氧化物半导体材料层23B等中。V12大于V13，并且这能够可靠地防止在光电转换层23A内部产生的电子向第一电极21移动。在光电转换的时间过程中，无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极24的区域中的电位变为更负的值。
在电荷存储期间的后期执行复位操作。这复位了第一浮动扩散层FD1的电位，并且第一浮动扩散层FD1的电位移位到电源的电位VDD。
在完成复位操作之后，读出电荷。即，在电荷传输期间，驱动电路将电位V21施加到第一电极21，将电位V22施加到电荷累积用电极24，并将电位V23施加到传输控制电极25。这里，电位被设置成使得保持V22≤V23≤V21(优选地，V22<V23<V21)不变。在将电位V13施加到传输控制电极25的情况下，仅需要将电位设置成使得保持V22≤V13≤V21(优选地，V22<V13<V21)不变。结果，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极24的区域中停止的电子肯定被读出到第一电极21并且进一步被读出到第一浮动扩散层FD1。即，累积于无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷被读出到控制单元。
这完成了包括电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作。
在电子被读出到第一浮动扩散层FD1之后，放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel的操作与过去的晶体管的操作相同。另外，例如，第二摄像元件和第三摄像元件的包括电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作与过去的包括电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作相同。
在示出了实施例4的摄像元件的变形例中所包括的第一电极、电荷累积用电极和用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图的图24中，复位晶体管TR1rst的另一个源极/漏极区51B可以接地，而不是将另一个源极/漏极区51B连接到电源VDD。
实施例5
实施例5是实施例1至实施例4的变形，并且实施例5涉及一种包括本发明的电荷排出电极的摄像元件等。图25示出了实施例5的摄像元件的一部分的示意性局部横截面图。图26示出了实施例5的摄像元件的用于构成包括电荷累积用电极的光电转换单元的第一电极、电荷累积用电极和电荷排出电极的示意性布局图。图27示出了第一电极、电荷累积用电极、电荷排出电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。
实施例5的摄像元件还包括电荷排出电极26，所述电荷排出电极26通过连接部69连接到无机氧化物半导体材料层23B，并且电荷排出电极26与第一电极21和电荷累积用电极24分开布置着。这里，电荷排出电极26被布置成环绕第一电极21和电荷累积用电极24(即，呈框架形状)。电荷排出电极26连接到驱动电路中所包括的像素驱动电路。无机氧化物半导体材料层23B在连接部69中延伸。即，无机氧化物半导体材料层23B在设置于绝缘层82中的第二开口部86中延伸并连接到电荷排出电极26。电荷排出电极26由多个摄像元件共用(共有化)。
在实施例5中，在电荷存储期间，驱动电路将电位V11施加到第一电极21，将电位V12施加到电荷累积用电极24，并将电位V14施加到电荷排出电极26。电荷被累积于无机氧化物半导体材料层23B等中。入射到光电转换层23A上的光在光电转换层23A中引起光电转换。通过光电转换产生的空穴通过布线VOU从第二电极22发送到驱动电路。另一方面，第一电极21的电位高于第二电极22的电位。另一方面，第一电极21的电位高于第二电极22的电位。即，例如，将正电位施加到第一电极21，并且将负电位施加到第二电极22。因此，电位被设置成使得保持V14>V11(例如，V12>V14>V11)不变。结果，通过光电转换产生的电子被吸引到电荷累积用电极24，并且电子停止在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极24的区域中。这能够可靠地防止电子向第一电极21移动。然而，未充分地吸引到电荷累积用电极24的电子，或未完全累积于无机氧化物半导体材料层23B等中的电子(所谓的溢出电子)，通过电荷排出电极26发送到驱动电路。
在电荷存储期间的后期执行复位操作。这复位了第一浮动扩散层FD1的电位，并且第一浮动扩散层FD1的电位移位到电源的电位VDD。
在完成复位操作之后，读出电荷。即，在电荷传输期间，驱动电路将电位V21施加到第一电极21，将电位V22施加到电荷累积用电极24，并将电位V24施加到电荷排出电极26。这里，电位被设置成使得保持V24<V21(例如，V24<V22<V21)不变。结果，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极24的区域中停止的电子肯定被读出到第一电极21并且进一步被读出到第一浮动扩散层FD1。即，累积于无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷被读出到控制单元。
这完成了包括电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作。
在电子被读出到第一浮动扩散层FD1之后，放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel的操作与过去的晶体管的操作相同。另外，例如，第二摄像元件和第三摄像元件的包括电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作与过去的包括电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作相同。
在实施例5中，所谓的溢出电子通过电荷排出电极26被发送到驱动电路。因此，能够抑制电子泄漏到相邻像素的电荷存储部，并且能够抑制模糊。这还能够改善摄像元件的摄像性能。
实施例6
实施例6是实施例1至实施例5的变形，并且实施例6涉及一种包括本发明的多个电荷累积用电极区段的摄像元件等。
图28示出了实施例6的摄像元件的一部分的示意性局部横截面图。
图29和图30示出了实施例6的摄像元件的等效电路图。图31示出了实施例6的摄像元件中所包括的用于构成光电转换单元的第一电极和电荷累积用电极以及用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图。图32和图33示意性地示出了在实施例6的摄像元件的操作期间各部位的电位状态。图6C示出了用于说明实施例6的摄像元件的各部位的等效电路图。另外，图34示出了实施例6的摄像元件的用于构成光电转换单元的第一电极和电荷累积用电极的示意性布局图。图35示出了第一电极、电荷累积用电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。
在实施例6中，电荷累积用电极24包括多个电荷累积用电极区段24A、24B和24C。电荷累积用电极区段的数量能够在2以上，并且在实施例6中该数量为“3”。另外，在实施例6的摄像元件中，第一电极21的电位高于第二电极22的电位。即，例如，将正电位施加到第一电极21，并且将负电位施加到第二电极22。此外，在电荷传输期间，施加到位于最靠近第一电极21的位置的电荷累积用电极区段24A的电位高于施加到位于离第一电极21最远的位置的电荷累积用电极区段24C的电位。以这种方式，向电荷累积用电极24提供电位梯度。因此，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极24的区域中停止的电子更可靠地被读出到第一电极21并且进一步被读出到第一浮动扩散层FD1。即，累积于无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷被读出到控制单元。
在图32所示的示例中，在电荷传输期间，保持电荷累积用电极区段24C的电位<电荷累积用电极区段24B的电位<电荷累积用电极区段24A的电位不变。以这种方式，在无机氧化物半导体材料层23B等的区域中停止的电子一次全部被读出到第一浮动扩散层FD1。另一方面，在图33所示的示例中，在电荷传输期间，电荷累积用电极区段24C的电位、电荷累积用电极区段24B的电位、和电荷累积用电极区段24A的电位逐渐变化(即，呈阶梯变化或呈倾斜形状变化)。以这种方式，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极区段24C的区域中停止的电子移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极区段24B的区域。然后，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极区段24B的区域中停止的电子移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极区段24A的区域。然后，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极区段24A的区域中停止的电子确实地被读出到第一浮动扩散层FD1。
在示出了实施例6的摄像元件的变形例中所包括的第一电极、电荷累积用电极和用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图的图36中，复位晶体管TR1rst的另一个源极/漏极区51B可以接地，而不是将另一个源极/漏极区51B连接到电源VDD。
实施例7
实施例7是实施例1至实施例6的变形，并且实施例7涉及第一构造和第六构造的摄像元件。
图37示出了实施例7的摄像元件的示意性局部横截面图。图38示出了其中电荷累积用电极、无机氧化物半导体材料层、光电转换层和第二电极层叠在一起的部分的放大示意性局部横截面图。实施例7的摄像元件的等效电路图与图2和图3中所述的实施例1的摄像元件的等效电路图相同。实施例7的摄像元件中所包括的用于构成光电转换单元的第一电极和电荷累积用电极以及用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图与图4中所述的实施例1的摄像元件相同。此外，实施例7的摄像元件(第一摄像元件)的操作与实施例1的摄像元件的操作基本相同。
这里，在稍后所述的实施例7的摄像元件或实施例8～12的摄像元件中，
光电转换单元包括N(其中，N≥2)个光电转换单元区段(具体地，三个光电转换单元区段10'1、10'2和10'3)，
无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A包括N个光电转换层区段(具体地，三个光电转换层区段23'1、23'2和23'3)，并且
绝缘层82包括N个绝缘层区段(具体地，三个绝缘层区段82'1、82'2和82'3)。
在实施例7～9中，电荷累积用电极24包括N个电荷累积用电极区段(具体地，每个实施例中的三个电荷累积用电极区段24'1、24'2和24'3)。
在实施例10和11以及实施例9中，根据情况的不同，电荷累积用电极24包括彼此分开布置着的N个电荷累积用电极区段(具体地，三个电荷累积用电极区段24'1、24'2和24'3)，
第n(其中，n＝1,2,3...N)个光电转换单元区段10'n包括第n个电荷累积用电极区段24'n、第n个绝缘层区段82'n、和第n个光电转换层区段23'n，并且
光电转换单元区段的n值越大，光电转换单元区段的位置离第一电极21就越远。这里，光电转换层区段23'1、23'2和23'3表示其中光电转换层和无机氧化物半导体材料层层叠的区段，并且在附图中，为了简化附图，该区段由一层表示。这类似地适用于以下说明。
注意，在光电转换层区段中，可以改变光电转换层的部分的厚度，并且可以保持无机氧化物半导体材料层的部分的厚度以改变光电转换层区段的厚度。可以保持光电转换层的部分的厚度，并且可以改变无机氧化物半导体材料层的部分的厚度以改变光电转换层区段的厚度。可以改变光电转换层的部分的厚度，并且可以改变无机氧化物半导体材料层的部分的厚度以改变光电转换层区段的厚度。
可选择地，稍后说明的实施例8和11的摄像元件或实施例7的摄像元件包括：
光电转换单元，其包括层叠的第一电极21、无机氧化物半导体材料层23B、光电转换层23A、和第二电极22，其中
光电转换单元还包括电荷累积用电极24，所述电荷累积用电极24与第一电极21分开布置着，并且被布置成隔着绝缘层82面向无机氧化物半导体材料层23B，并且
假设Z方向是电荷累积用电极24、绝缘层82、无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A的层叠方向，并且X方向是从第一电极21离开的方向，当在YZ假想平面中切断层叠有电荷累积用电极24、绝缘层82、无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A的层叠部分时，该层叠部分的横截面积依赖于离开第一电极的距离而变化。
此外，在实施例7的摄像元件中，绝缘层区段的厚度从第一个光电转换单元区段10'1到第N个光电转换单元区段10'N逐渐变化。具体地，绝缘层区段的厚度逐渐增加。可选择地，在实施例7的摄像元件中，层叠部分的横截面的宽度是恒定的，并且层叠部分的横截面的厚度，具体地，绝缘层区段的厚度依赖于离开第一电极21的距离逐渐增加。注意，绝缘层区段的厚度呈阶梯状增加。第n个光电转换单元区段10'n中的绝缘层区段82'n的厚度是恒定的。假设第n个光电转换单元区段10'n中的绝缘层区段82'n的厚度是“1”，则第(n+1)个光电转换单元区段10'(n+1)中的绝缘层区段82'(n+1)的厚度能够是2至10。然而，该值不限于上述这些。在实施例7中，电荷累积用电极区段24'1、24'2和24'3的厚度逐渐减小，从而绝缘层区段82'1、82'2和82'3的厚度逐渐增加。光电转换层区段23'1、23'2和23'3的厚度是恒定的。
在下文中，将说明实施例7的摄像元件的操作。
在电荷存储期间，驱动电路将电位V11施加到第一电极21，并将电位V12施加到电荷累积用电极24。入射到光电转换层23A上的光在光电转换层23A中引起光电转换。通过光电转换产生的空穴从第二电极22通过布线VOU发送到驱动电路。另一方面，第一电极21的电位高于第二电极22的电位。即，例如，将正电位施加到第一电极21，将负电位施加到第二电极22。因此，电位被设置成使得保持V12≥V11，优选地，V12>V11不变。结果，通过光电转换产生的电子被吸引到电荷累积用电极24，并且电子停止在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极24的区域中。即，电子被累积于无机氧化物半导体材料层23B等中。V12大于V11，因此，在光电转换层23A内部产生的电子不会向第一电极21移动。在光电转换的时间过程中，无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极24的区域中的电位变为更负的值。
在实施例7的摄像元件中采用的构造中，绝缘层区段的厚度逐渐增加。因此，在电荷存储期间当状态转变为V12≥V11时，第n个光电转换单元区段10'n能够存储比第(n+1)个光电转换单元区段10'(n+1)更多的电荷。还施加强电场，并且能够确实地防止电荷从第一个光电转换单元区段10'1流向第一电极21。
在电荷存储期间的后期执行复位操作。这复位了第一浮动扩散层FD1的电位，并且第一浮动扩散层FD1的电位移位到电源的电位VDD。
在完成复位操作之后，读出电荷。即，在电荷传输期间，驱动电路将电位V21施加到第一电极21，并且将电位V22施加到电荷累积用电极24。这里，设定电位使得保持V21>V22不变。结果，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极24的区域中停止的电子被读出到第一电极21，并进一步被读出到第一浮动扩散层FD1。即，累积于无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷被读出到控制单元
更具体地，在电荷传输期间当状态转变为V21>V22时，能够可靠地确保电荷从第一个光电转换单元区段10'1流向第一电极21以及确保电荷从第(n+1)个光电转换单元区段10'(n+1)流向第n个光电转换单元区段10'n。
这完成了包括电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作。
在实施例7的摄像元件中，从第一个光电转换单元区段到第N个光电转换单元区段，绝缘层区段的厚度是逐渐变化的。可选择地，当在YZ假想平面中切断层叠有电荷累积用电极、绝缘层、无机氧化物半导体材料层和光电转换层的层叠部分时，该层叠部分的横截面积依赖于离开第一电极的距离而变化。因此，形成了电荷传输梯度，并且能够更容易且可靠地传输通过光电转换产生的电荷。
实施例7的摄像元件能够通过与实施例1的摄像元件基本类似的方法来制造，并且将不再详细说明。
注意，在形成实施例7的摄像元件中的第一电极21、电荷累积用电极24和绝缘层82时，首先在层间绝缘层81上沉积用于形成电荷累积用电极24'3的导电材料层。使导电材料层图案化，并且导电材料层留在将要形成光电转换单元区段10'1、10'2和10'3以及第一电极21的区域中。以这种方式，能够获得第一电极21和电荷累积用电极24'3的一部分。接下来，在整个表面上沉积用于形成绝缘层区段82'3的绝缘层。使绝缘层图案化，并且执行平坦化工艺。以这种方式，能够获得绝缘层区段82'3。接下来，在整个表面上沉积用于形成电荷累积用电极24'2的导电材料层，并且使导电材料层图案化。导电材料层留在将要形成光电转换单元区段10'1和10'2以及第一电极21的区域中。以这种方式，能够获得第一电极21和电荷累积用电极24'2的一部分。接下来，在整个表面上沉积用于形成绝缘层区段82'2的绝缘层。使绝缘层图案化，并且执行平坦化工艺。以这种方式，能够获得绝缘层区段82'2。接下来，在整个表面上沉积用于形成电荷累积用电极24'1的导电材料层。使导电材料层图案化，并且导电材料层留在将要形成光电转换单元区段10'1和第一电极21的区域中。以这种方式，能够获得第一电极21和电荷累积用电极24'1。接下来，在整个表面上沉积绝缘层，并且执行平坦化工艺。以这种方式，能够获得绝缘层区段82'1(绝缘层82)。此外，在绝缘层82上形成无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A。以这种方式，能够获得光电转换单元区段10'1、10'2和10'3。
在示出了实施例7的摄像元件的变形例中所包括的第一电极、电荷累积用电极和用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图的图39中，复位晶体管TR1rst的另一个源极/漏极区51B可以接地，而不是将另一个源极/漏极区51B连接到电源VDD。
实施例8
实施例8的摄像元件涉及本发明的第二构造和第六构造的摄像元件。在示出了其中电荷累积用电极、无机氧化物半导体材料层、光电转换层和第二电极层叠着的那部分的放大示意性局部横截面图的图40中，在实施例8的摄像元件中，光电转换层区段的厚度从第一个光电转换单元区段10'1到第N个光电转换单元区段10'N逐渐变化。可选择地，在实施例8的摄像元件中，层叠部分的横截面的宽度是恒定的，并且层叠部分的横截面的厚度，具体地，光电转换层区段的厚度依赖于离开第一电极21的距离而逐渐增加。更具体地，光电转换层区段的厚度逐渐增加。注意，光电转换层区段的厚度呈阶梯状增加。第n个光电转换单元区段10'n中的光电转换层区段23'n的厚度是恒定的。假设第n个光电转换单元区段10'n中的光电转换层区段23'n的厚度是“1”，那么第(n+1)个光电转换单元区段10'(n+1)中的光电转换层区段23'(n+1)的厚度能够是2至10。然而，该值不限于上述这些。在实施例8中，电荷累积用电极区段24'1、24'2和24'3的厚度逐渐减小，从而光电转换层区段23'1、23'2和23'3的厚度逐渐增加。绝缘层区段82'1、82'2和82'3的厚度是恒定的。此外，在光电转换层区段中，例如，能够保持无机氧化物半导体材料层的部分的厚度，并且能够改变光电转换层的部分的厚度以改变光电转换层区段的厚度。
在实施例8的摄像元件中，光电转换层区段的厚度逐渐增加。因此，在电荷存储期间当状态转变为V12≥V11时，向第n个光电转换单元区段10'n比向第(n+1)个光电转换单元区段10'(n+1)施加更强的电场。这能够可靠地防止电荷从第一个光电转换单元区段10'1流向第一电极21。此外，在电荷传输期间当状态转变为V22<V21时，能够可靠地确保电荷从第一个光电转换单元区段10'1流向第一电极21以及确保电荷从第(n+1)个光电转换单元区段10'(n+1)流向第n个光电转换单元区段10'n。
以这种方式，在实施例8的摄像元件中，从第一个光电转换单元区段到第N个光电转换单元区段，光电转换层区段的厚度是逐渐变化的。可选择地，当在YZ假想平面中切断层叠有电荷累积用电极、绝缘层、无机氧化物半导体材料层、和光电转换层的层叠部分时，该层叠部分的横截面积依赖于离开第一电极的距离而变化。因此，形成了电荷传输梯度，并且能够更容易且可靠地传输通过光电转换产生的电荷。
在形成实施例8的摄像元件中的第一电极21、电荷累积用电极24、绝缘层82、无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A时，首先在层间绝缘层81上沉积用于形成电荷累积用电极24'3的导电材料层。使导电材料层图案化，并且导电材料层留在将要形成光电转换单元区段10'1、10'2和10'3以及第一电极21的区域中。以这种方式，能够获得第一电极21和电荷累积用电极24'3的部分。接下来，在整个表面上沉积用于形成电荷累积用电极24'2的导电材料层，并使导电材料层图案化。导电材料层留在将要形成光电转换单元区段10'1和10'2以及第一电极21的区域中。以这种方式，能够获得第一电极21和电荷累积用电极24'2的部分。接下来，在整个表面上沉积用于形成电荷累积用电极24'1的导电材料层，并使导电材料层图案化。导电材料层留在将要形成光电转换单元区段10'1和第一电极21的区域中。以这种方式，能够获得第一电极21和电荷累积用电极24'1。接下来，在整个表面上共形地沉积绝缘层82。此外，在绝缘层82上形成无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A，并对光电转换层23A应用平坦化工艺。以这种方式，能够获得光电转换单元区段10'1、10'2和10'3。
实施例9
实施例9涉及第三构造的摄像元件。图41示出了实施例9的摄像元件的示意性局部横截面图。在实施例9的摄像元件中，对于相邻的光电转换单元区段，用于构成绝缘层区段的材料有所变化。这里，用于构成绝缘层区段的材料的介电常数值从第一个光电转换单元区段10'1到第N个光电转换单元区段10'N逐渐减小。在实施例9的摄像元件中，可以将相同的电位施加到所有N个电荷累积用电极区段，或者可以将不同的电位施加到N个电荷累积用电极区段中的每一者。在后一种情况下，如实施例10中所述，彼此分开设置的电荷累积用电极区段24'1、24'2和24'3仅需要通过垫部分641、642和643连接到驱动电路中所包括的垂直驱动电路112。
另外，通过采用上述构造，形成了一种电荷传输梯度。在电荷存储期间当状态转变为V12≥V11时，第n个光电转换单元区段能够存储比第(n+1)个光电转换单元区段更多的电荷。此外，在电荷传输期间当状态转变为V22<V21时，能够可靠地确保电荷从第一个光电转换单元区段流向第一电极以及确保电荷从第(n+1)个光电转换单元区段流向第n个光电转换单元区段。
实施例10
实施例10涉及第四构造的摄像元件。图42示出了实施例10的摄像元件的示意性局部横截面图。在实施例10的摄像元件中，用于构成电荷累积用电极区段的材料在相邻的光电转换单元区段之间有所变化。这里，用于构成绝缘层区段的材料的功函数值从第一个光电转换单元区段10'1到第N个光电转换单元区段10'N逐渐增大。在实施例10的摄像元件中，可以将相同的电位施加到所有N个电荷累积用电极区段，或者可以将不同的电位施加到N个电荷累积用电极区段中的每一者。在后一种情况下，电荷累积用电极区段24'1、24'2和24'3能够通过垫部分641、642和643连接到驱动电路中所包括的垂直驱动电路112。
实施例11
实施例11的摄像元件涉及第五构造的摄像元件。图43A、43B、44A、和44B示出了实施例11中的电荷累积用电极区段的示意性平面图。图45示出了实施例11的摄像元件中所包括的用于构成光电转换单元的第一电极和电荷累积用电极以及用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图。实施例11的摄像元件的示意性局部横截面图与图42或图47所示的示意性局部横截面图类似。在实施例11的摄像元件中，电荷累积用电极区段的面积从第一个光电转换单元区段10'1到第N个光电转换单元区段10'N逐渐减小。在实施例11的摄像元件中，可以将相同的电位施加到所有N个电荷累积用电极区段，或者可以将不同的电位施加到N个电荷累积用电极区段中的每一者。具体地，如实施例10中所述，彼此分开设置的电荷累积用电极区段24'1、24'2和24'3仅需要通过垫部分641、642和643连接到驱动电路中所包括的垂直驱动电路112。
在实施例11中，电荷累积用电极24包括多个电荷累积用电极区段24'1、24'2和24'3。电荷累积用电极区段的数量能够在2以上，并且该数量在实施例11中为“3”。另外，在实施例11的摄像元件中，第一电极21的电位高于第二电极22的电位。即，例如，将正电位施加到第一电极21，将负电位施加到第二电极22。因此，在电荷传输期间，施加到位于最靠近第一电极21的位置的电荷累积用电极区段24'1的电位高于施加到位于离第一电极21最远的位置的电荷累积用电极区段24'3的电位。以这种方式，向电荷累积用电极24提供电位梯度。因此，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极24的区域中停止的电子更可靠地被读出到第一电极21并且进一步被读出到第一浮动扩散层FD1。即，累积于无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷被读出到控制单元。
此外，在电荷传输期间，保持电荷累积用电极区段24'3的电位<电荷累积用电极区段24'2的电位<电荷累积用电极区段24'1的电位不变。以这种方式，在无机氧化物半导体材料层23B等的区域中停止的电子一次全部被读出到第一浮动扩散层FD1。可选择地，在电荷传输期间，电荷累积用电极区段24'3的电位、电荷累积用电极区段24'2的电位、和电荷累积用电极区段24'1的电位逐渐变化(即，呈阶梯变化或呈倾斜形状变化)。以这种方式，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极区段24'3的区域中停止的电子移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极区段24'2的区域。然后，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极区段24'2的区域中停止的电子移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极区段24'1的区域。然后，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极区段24'1的区域中停止的电子能够确实地被读出到第一浮动扩散层FD1。
在示出了实施例11的摄像元件的变形例中所包括的第一电极、电荷累积用电极和用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图的图46中，复位晶体管TR3rst的另一个源极/漏极区51B可以接地，而不是将另一个源极/漏极区51B连接到电源VDD。
在实施例11的摄像元件中，通过采用上述构造还形成了一种电荷传输梯度。即，电荷累积用电极区段的面积从第一个光电转换单元区段10'1到第N个光电转换单元区段10'N逐渐减小。因此，在电荷存储期间当在状态转变为V12≥V11时，第n个光电转换单元区段能够存储比第(n+1)个光电转换单元区段更多的电荷。此外，在电荷传输期间当状态转变为V22<V21时，能够可靠地确保电荷从第一个光电转换单元区段流向第一电极以及确保电荷从第(n+1)个光电转换单元区段流向第n个光电转换单元区段。
实施例12
实施例12涉及第六构造的摄像元件。图47示出了实施例12的摄像元件的示意性局部横截面图。另外，图48A和图48B示出了实施例12中的电荷累积用电极区段的示意性平面图。实施例12的摄像元件包括光电转换单元，所述光电转换单元包括层叠的第一电极21、无机氧化物半导体材料层23B、光电转换层23A和第二电极22。光电转换单元还包括电荷累积用电极24(24″1、24″2和24″3)，所述电荷累积用电极24与第一电极21分开布置着，并被布置成隔着绝缘层82面向无机氧化物半导体材料层23B。假设Z方向是电荷累积用电极24(24″1、24″2和24″3)、绝缘层82、无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A的层叠方向，并且X方向是从第一电极21离开的方向，当在YZ假想平面中切断层叠有电荷累积用电极24(24″1、24″2和24″3)、绝缘层82、无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A的层叠部分时，该层叠部分的横截面积依赖于离开第一电极21的距离而变化。
具体地，在实施例12的摄像元件中，层叠部分的横截面的厚度是恒定的，并且层叠部分的横截面的宽度随着离第一电极21的距离的增大而减小。注意，上述宽度可以连续减小(见图48A)，或者可以呈阶梯状减小(见图48B)。
以这种方式，在实施例12的摄像元件中，当在YZ假想平面中切断层叠有电荷累积用电极24(24″1、24″2和24″3)、绝缘层82、和光电转换层23A的层叠部分时，该层叠部分的横截面积依赖于离开第一电极的距离而变化。因此，形成了一种电荷传输梯度，并且能够更容易且可靠地传输通过光电转换而产生的电荷。
实施例13
实施例13涉及第一构造和第二构造的固态摄像装置。
实施例13的固态摄像装置包括：
光电转换单元，其包括层叠的第一电极21、无机氧化物半导体材料层23B、光电转换层23A和第二电极22，其中
光电转换单元还包括多个摄像元件，所述摄像元件包括电荷累积用电极24，所述电荷累积用电极24与第一电极21分开布置着，并被布置成隔着绝缘层82面向无机氧化物半导体材料层23B，
由多个摄像元件构成摄像元件区块，并且
第一电极21由摄像元件区块中所包括的多个摄像元件共用。
可选择地，实施例13的固态摄像装置包括实施例1～12中所述的多个摄像元件。
在实施例13中，针对多个摄像元件设置一个浮动扩散层。另外，能够适当地控制电荷传输期间的时刻以使多个摄像元件能够共用一个浮动扩散层。此外，在这种情况下，多个摄像元件能够共用一个接触孔部。
注意，除了摄像元件区块中所包括的多个摄像元件共用第一电极21之外，实施例13的固态摄像装置具有与实施例1～12中所述的固态摄像装置基本相同的构造和结构。
图49(实施例13)、图50(实施例13的第一变形例)、图51(实施例13的第二变形例)、图52(实施例13的第三变形例)和图53(实施例13的第四变形例)示意性地示出了实施例13的固态摄像装置中的第一电极21和电荷累积用电极24的状态。图49、50、53和54示出了16个摄像元件，并且图51和52示出了12个摄像元件。另外，两个摄像元件构成摄像元件区块。摄像元件区块由虚线包围并示出。附于第一电极21和电荷累积用电极24的下标用于区分第一电极21和电荷累积用电极24。这类似地适用于以下说明。此外，一个芯片上微透镜(图49～图58未示出)布置在一个摄像元件的上方。此外，在一个摄像元件区块中，两个电荷累积用电极24分别布置在第一电极21的两边(见图49和图50)。可选择地，一个第一电极21被布置成面向并排排列的两个电荷累积用电极24(见图53和图54)。即，第一电极与每个摄像元件的电荷累积用电极相邻布置。可选择地，第一电极与多个摄像元件的一部分摄像元件的电荷累积用电极相邻布置，并且不与多个摄像元件的其余摄像元件的电荷累积用电极相邻布置(见图51和图52)。在这种情况下，电荷从多个摄像元件的其余摄像元件到第一电极的移动是通过多个摄像元件的一部分摄像元件的移动。优选地，摄像元件中所包括的两个电荷累积用电极之间的距离A比第一电极和与第一电极相邻的摄像元件中的电荷累积用电极之间的距离B长，以便确保电荷从每个摄像元件移动到第一电极。另外，优选地，摄像元件的位置离第一电极越远，距离A的值越大。此外，在图50、图52和图54所示的示例中，电荷移动控制电极27布置在摄像元件区块中所包括的多个摄像元件之间。布置电荷移动控制电极27能够可靠地抑制位于电荷移动控制电极27两边的摄像元件中的电荷的移动。注意，电位仅需要被设置成使得保持V12>V17不变，其中，V17是施加到电荷移动控制电极27的电位。
电荷移动控制电极27可以形成为与第一电极21或电荷累积用电极24相同的电平，或者可以形成为与第一电极侧不同的电平(具体地，第一电极21或电荷累积用电极24的下方的电平)。在前一种情况下，能够减小电荷移动控制电极27与光电转换层之间的距离，并且能够易于控制电位。另一方面，在后一种情况下，能够减小电荷移动控制电极27与电荷累积用电极24之间的距离，这有利于小型化。
在下文中，将说明包括第一电极212以及两个电荷累积用电极2421和2422的摄像元件区块的操作。
在电荷存储期间，驱动电路将电位Va施加到第一电极212，并将电位VA施加到电荷累积用电极2421和2422。入射到光电转换层23A上的光在光电转换层23A中引起光电转换。通过光电转换产生的空穴从第二电极22通过布线VOU输送到驱动电路。另一方面，第一电极212的电位高于第二电极22的电位。即，例如，将正电位施加到第一电极212，并将负电位施加到第二电极22。因此，电位被设置成使得保持VA≥Va，优选地，VA>Va不变。结果，通过光电转换产生的电子被吸引到电荷累积用电极2421和2422，并且电子停止在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2421和2422的区域中。即，电荷被累积于无机氧化物半导体材料层23B等中。VA在Va以上，因此，在光电转换层23A的内部产生的电子不会向第一电极212移动。在光电转换的时间过程中，无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2421和2422的区域中的电位变为更负的值。
在电荷存储期间的后期执行复位操作。这复位了第一浮动扩散层的电位，并且第一浮动扩散层的电位移位到电源的电位VDD。
在完成复位操作之后，读出电荷。即，在电荷传输期间，驱动电路将电位Vb施加到第一电极212，将电位V21-B施加到电荷累积用电极2421，并将电位V22-B施加到电荷累积用电极2422。这里，设定电位使得保持V21-B<Vb<V22-B不变。结果，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2421的区域中停止的电子被读出到第一电极212，并进一步被读出到第一浮动扩散层。即，累积于无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2421的区域中的电荷被读出到控制单元。读取完成后，设置电位，使V22-B≤V21-B<Vb成立。注意，在图53和图54所示的示例中，可以设置电位，使V22-B<Vb<V21-B成立。结果，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2422的区域中停止的电子被读出到第一电极212，并进一步被读出到第一浮动扩散层。此外，在图51和图52所示的示例中，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2422的区域中停止的电子可以通过与电荷累积用电极2422相邻的第一电极213被读出到第一浮动扩散层。以这种方式，累积于无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2422的区域中的电荷被读出到控制单元。注意，当累积于无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2421的区域中的电荷被读出到控制单元完成时，可以复位第一浮动扩散层的电位。
图59A示出了实施例13的摄像元件区块中的读取和驱动的示例。
[步骤-A]
将自动归零信号输入比较器
[步骤-B]
一个共用浮动扩散层的复位操作
[步骤-C]
读取与电荷累积用电极2421对应的摄像元件中的P相，并且电荷向第一电极212移动
[步骤-D]
读取与电荷累积用电极2421对应的摄像元件中的D相，并且电荷向第一电极212移动
[步骤-E]
一个共用浮动扩散层的复位操作
[步骤-F]
将自动归零信号输入比较器
[步骤-G]
读取与电荷累积用电极2422对应的摄像元件中的P相，并且电荷向第一电极212移动
[步骤-H]
读取与电荷累积用电极2422对应的摄像元件中的D相，并且电荷向第一电极212移动
在该流程中，读取来自与电荷累积用电极2421和电荷累积用电极2422对应的两个摄像元件的信号。基于相关双采样(CDS)处理，[步骤-C]中的P相的读数与[步骤-D]中的D相的读数之间的差是来自与电荷累积用电极2421对应的摄像元件的信号。[步骤-G]中的P相的读数与[步骤-H]中的D相的读数之间的差是来自与电荷累积用电极2422对应的摄像元件的信号。
注意，可以跳过[步骤-E]的操作(见图59B)。另外，可以跳过[步骤-F]的操作，并且在这种情况下，能够进一步跳过[步骤-G]的操作(见图59C)。[步骤-C]中的P相的读数与[步骤-D]中的D相的读数之间的差是来自与电荷累积用电极2421对应的摄像元件的信号。[步骤-D]中的D相的读数与[步骤-H]中的D相的读数之间的差是来自与电荷累积用电极2422对应的摄像元件的信号。
在示意性地示出了第一电极21和电荷累积用电极24的布置状态的图55(实施例13的第六变形例)和图56(实施例13的第七变形例)的变形例中，4个摄像元件构成摄像元件区块。固态摄像装置的操作能够基本上类似于图49～54所示的固态摄像装置的操作。
在示意性地示出了第一电极21和电荷累积用电极24的布置状态的图57和图58的第八变形例和第九变形例中，16个摄像元件构成摄像元件区块。如图57和58所示，电荷移动控制电极27A1、27A2和27A3布置在电荷累积用电极2411和电荷累积用电极2412之间、电荷累积用电极2412和电荷累积用电极2413之间、以及电荷累积用电极2413和电荷累积用电极2414之间。另外，如图58所示，电荷移动控制电极27B1、27B2和27B3布置在电荷累积用电极2421、2431和2441与电荷累积用电极2422、2432和2442之间、电荷累积用电极2422、2432和2442与电荷累积用电极2423、2433和2443之间、以及电荷累积用电极2423、2433和2443与电荷累积用电极2424、2434和2444之间。此外，电荷移动控制电极27C布置在摄像元件区块与摄像元件区块之间。此外，在每个固态摄像装置中，能够控制16个电荷累积用电极24，以从第一电极21读取累积于无机氧化物半导体材料层23B中的电荷。
[步骤-10]
具体地，首先从第一电极21读取在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2411的区域中存储的电荷。接下来，通过无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2411的区域从第一电极21读取在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2412的区域中存储的电荷。接下来，通过无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2412和电荷累积用电极2411的区域从第一电极21读取在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2413的区域中存储的电荷。
[步骤-20]
随后，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2412的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2411的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2422的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2412的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2423的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2413的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2424的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2414的区域。
[步骤-21]
在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2431的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2421的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2432的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2422的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2433的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2423的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2434的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2424的区域。
[步骤-22]
在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2441的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2431的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2442的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2432的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2443的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2433的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2444的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2434的区域。
[步骤-30]
此外，能够再次执行[步骤-10]，从而通过第一电极21读取在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2421的区域中存储的电荷、在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2422的区域中存储的电荷、在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2423的区域中存储的电荷、以及在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2424的区域中存储的电荷。
[步骤-40]
随后，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2421的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2411的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2422的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2412的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2423的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2413的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2424的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2414的区域。
[步骤-41]
在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2431的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2421的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2432的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2422的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2433的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2423的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2434的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2424的区域。
[步骤-50]
此外，能够再次执行[步骤-10]，从而通过第一电极21读取在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2431的区域中存储的电荷、在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2432的区域中存储的电荷、在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2433的区域中存储的电荷、以及在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2434的区域中存储的电荷。
[步骤-60]
随后，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2421的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2411的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2422的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2412的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2423的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2413的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2424的区域中存储的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2414的区域。
[步骤-70]
此外，能够再次执行[步骤-10]，从而通过第一电极21读取在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2441的区域中存储的电荷、在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2442的区域中存储的电荷、在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2443的区域中存储的电荷、以及在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积用电极2444的区域中存储的电荷。
在实施例13的固态摄像装置中，第一电极由摄像元件区块中所包括的多个摄像元件共用。这能够使其中排列有多个摄像元件的像素区域中的构造和结构简化和小型化。注意，针对一个浮动扩散层设置的多个摄像元件可以包括多个第一类型摄像元件，或者可以包括至少一个第一类型摄像元件和一个或两个及以上的第二类型摄像元件。
实施例14
实施例14是实施例13的变形。在示意性地示出了第一电极21和电荷累积用电极24的布置状态的图60、61、62和63中的实施例14的固态摄像装置中，两个摄像元件构成摄像元件区块。另外，一个芯片上微透镜14布置在摄像元件区块的上方。注意，在图61和63所示的示例中，电荷移动控制电极27布置在摄像元件区块中所包括的多个摄像元件之间。
例如，与摄像元件区块中所包括的电荷累积用电极2411、2421、2431和2441对应的光电转换层对图中右上方的入射光高度敏感。另外，与摄像元件区块中所包括的电荷累积用电极2412、2422、2432和2442对应的光电转换层对图中左上方的入射光高度敏感。因此，例如，包括电荷累积用电极2411的摄像元件和包括电荷累积用电极2412的摄像元件能够组合，从而获取像面相位差信号。另外，能够添加来自包括电荷累积用电极2411的摄像元件的信号和来自包括电荷累积用电极2412的摄像元件的信号，并且摄像元件的组合能够提供一个摄像元件。尽管在图60所示的示例中第一电极211布置在电荷累积用电极2411与电荷累积用电极2412之间，但是一个第一电极211能够被布置成面向如图62所示的示例中那样并排布置的两个电荷累积用电极2411和2412，从而进一步提高灵敏度。
尽管已经基于优选的实施例说明了本发明，但是本发明不限于上述这些实施例。实施例中所述的层叠式摄像元件、摄像元件和固态摄像装置的结构、构造、制造条件、制造方法和使用的材料是说明性的，并且能够适当地改变。能够适当地组合实施例的摄像元件。例如，实施例7的摄像元件、实施例8的摄像元件、实施例9的摄像元件、实施例10的摄像元件、以及实施例11的摄像元件能够任意组合，并且实施例7的摄像元件、实施例8的摄像元件、实施例9的摄像元件、实施例10的摄像元件、以及实施例12的摄像元件能够任意组合。
根据情况的不同，也能够共用浮动扩散层FD1、FD2、FD3、51C、45C和46C。
在图64的示例所示的实施例1中所述的摄像元件的变形例中，第一电极21可以在设置于绝缘层82中的开口部85A中延伸，并且第一电极21可以连接到无机氧化物半导体材料层23B。
可选择地，在图65的示例所示的实施例1中所述的摄像元件的变形例中，以及在图66A所示的第一电极的一部分等的放大示意性局部横截面图中，第一电极21的顶表面的边缘部分被绝缘层82覆盖，并且第一电极21在开口部85B的底表面上暴露出来。开口部85B的侧表面具有从第一表面82a朝向第二表面82b延伸的斜面，其中，第一表面82a是绝缘层82与第一电极21的顶表面接触的表面，并且第二表面82b是绝缘层82与无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积用电极24的部分接触的表面。以这种方式，开口部85B的侧表面倾斜，并且电荷更平稳地从无机氧化物半导体材料层23B移动到第一电极21。注意，尽管在图66A所示的示例中开口部85B的侧表面相对于开口部85B的轴线旋转对称，但是，如图66B所示，开口部85C可以设置成这样：开口部85C的从第一表面82a朝向第二表面82b倾斜地延伸的侧表面被定位成更靠近电荷累积用电极24。这使得电荷难以从无机氧化物半导体材料层23B的与电荷累积用电极24相对的部分穿过开口部85C移动。另外，尽管开口部85B的侧表面从第一表面82a朝向第二表面82b倾斜地延伸，但是第二表面82b中的开口部85B的侧表面的边缘部分可以位于第一电极21的边缘部分的外部，如图66A所示，或者可以位于第一电极21的边缘部分的内部，如图66C所示。能够采用前一种构造以更容易地传输电荷，并且能够采用后一种构造以减少在形成开口部期间形状的变化。
包括形成为基于蚀刻方法在绝缘层中形成开口部的抗蚀剂材料的蚀刻掩模的回流能够使蚀刻掩模的开口侧表面倾斜，并且蚀刻掩模能够用来蚀刻绝缘层82，以形成开口部85B和85C。
可选择地，关于实施例5中所述的电荷排出电极26，如图67所示，无机氧化物半导体材料层23B能够在设置于绝缘层82中的第二开口部86A中延伸，并且能够连接到电荷排出电极26。电荷排出电极26的顶表面的边缘部分能够被绝缘层82覆盖，并且电荷排出电极26能够在第二开口部86A的底表面上暴露出来。第二开口部86A的侧表面能够从第三表面82c朝向第二表面82b倾斜地延伸，其中，第三表面82c是绝缘层82与电荷排出电极26的顶表面接触的表面，并且第二表面82b是绝缘层82与无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积用电极24的部分接触的表面。
另外，在例如图68所示的实施例1中所述的摄像元件的变形例中，光可以从第二电极22侧入射，并且遮光层15可以形成在更靠近第二电极22的光入射侧。注意，相对于光电转换层设置在光入射侧的各种布线也可以用作遮光层。
注意，尽管在图68所示的示例中遮光层15形成在第二电极22的上方，即，尽管遮光层15形成在更靠近第二电极22的光入射侧和第一电极21的上方，但是如图69所示，遮光层15还可以布置在第二电极22的光入射侧的表面上。另外，如图70所示，根据情况的不同，遮光层15可以形成在第二电极22上。
可选择地，光可以从第二电极22侧入射，并且光不会入射到第一电极21上。具体地，如图68所示，遮光层15形成在更靠近第二电极22的光入射侧和第一电极21的上方。可选择地，如图72所示，芯片上微透镜14可以设置在电荷累积用电极24和第二电极22的上方。入射到芯片上微透镜14上的光可以由电荷累积用电极24收集，并且该光不会到达第一电极21。注意，在如实施例4所述设置传输控制电极25的情况下，光不会入射到第一电极21和传输控制电极25上。具体地，如图71所示，遮光层15可以形成在第一电极21和传输控制电极25的上方。可选择地，入射到芯片上微透镜14上的光不会到达第一电极21或第一电极21和传输控制电极25。
能够采用上述构造和结构。可选择地，能够设置遮光层15，使得光仅入射到位于电荷累积用电极24的上方的光电转换层23A的一部分上，可选择地，能够设计芯片上微透镜14。以这种方式，位于第一电极21的上方(或第一电极21和传输控制电极25的上方)的光电转换层23A的一部分对光电转换没有贡献。因此，能够更确实地一次性复位所有像素，并且能够更容易地实现全局快门功能。即，在包括多个具有上述构造和结构的摄像元件的固态摄像装置的驱动方法中，重复以下步骤：
在所有摄像元件中，在将电荷同时累积于无机氧化物半导体材料层23B等中的时候，将第一电极21中的电荷全部释放到系统外部；然后
在所有摄像元件中，将累积于无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷同时传输到第一电极21，并且在完成传输之后，各摄像元件顺序读取传输到第一电极21的电荷。
在固态摄像装置的驱动方法中，从第二电极侧入射的光不会入射到各摄像元件中的第一电极上。在所有摄像元件中，在将电荷同时累积于无机氧化物半导体材料层等中的时候，第一电极中的电荷全部被释放到系统外部。因此，在所有摄像元件中，能够确实地同时复位第一电极。另外，随后，在所有摄像元件中，累积于无机氧化物半导体材料层等中的电荷同时传输到第一电极。在完成传输之后，各摄像元件顺序读取传输到第一电极的电荷。因此，能够容易地实现所谓的全局快门功能。
此外，在实施例4的变形例中，如图73所示，可以从最靠近第一电极21的位置朝向电荷累积用电极24设置多个传输控制电极。注意，图73示出了设置两个传输控制电极25A和25B的示例。此外，芯片上微透镜14可以设置在电荷累积用电极24和第二电极22的上方。入射到芯片上微透镜14上的光可以由电荷累积用电极24收集，并且光不会到达第一电极21以及传输控制电极25A和25B。
在图37和38所示的实施例7中，电荷累积用电极区段24'1、24'2和24'3的厚度逐渐减小，从而绝缘层区段82'1、82'2和82'3的厚度逐渐增加。另一方面，在示出了实施例7的变形例中的电荷累积用电极、无机氧化物半导体材料层、光电转换层、和第二电极的层叠部分的放大示意性局部横截面图的图74中，电荷累积用电极区段24'1、24'2和24'3的厚度可以是恒定的，并且绝缘层区段82'1、82'2和82'3的厚度可以逐渐增加。注意，光电转换层区段23'1、23'2和23'3的厚度是恒定的。
此外，在图40所示的实施例8中，电荷累积用电极区段24'1、24'2和24'3的厚度逐渐减小，从而光电转换层区段23'1、23'2和23'3的厚度逐渐增加。另一方面，在示出了实施例8的变形例中的电荷累积用电极、光电转换层、和第二电极的层叠部分的放大示意性局部横截面图的图75中，电荷累积用电极区段24'1、24'2和24'3的厚度可以是恒定的，并且绝缘层区段82'1、82'2和82'3的厚度可以逐渐减小，从而光电转换层区段23'1、23'2和23'3的厚度逐渐增加。
显然，上述各种变形例也能够应用于实施例2～14。
在上述示例中，实施例应用于CMOS固态摄像装置，其中，根据入射光量检测作为物理量的信号电荷的单位像素以矩阵方式布置。然而，实施例不限于CMOS固态摄像装置的应用，并且实施例还能够应用于CCD固态摄像装置。在后一种情况下，CCD结构的垂直传输寄存器在垂直方向上传输信号电荷，并且水平传输寄存器在水平方向上传输信号电荷。电荷被放大，并且像素信号(图像信号)被输出。另外，实施例通常不限于列式固态摄像装置，其中，像素以二维矩阵形成，并且针对每个像素列布置列信号处理电路。此外，根据情况的不同，可以不包括选择晶体管。
此外，本发明的摄像元件不限于应用于如下固态摄像装置：所述固态摄像装置检测可见光的入射光量的分布以获得分布的图像。摄像元件还能够应用于如下固态摄像装置：所述固态摄像装置获取红外线、X射线、或粒子等的入射量的分布图像。此外，从广义上讲，摄像元件通常能够应用于用于检测其他物理量(例如，压力和电容)的分布以获得分布的图像的固态摄像装置(物理量分布检测装置)，例如指纹检测传感器。
此外，摄像元件不限于逐行顺序扫描摄像区域的单位像素以从单位像素读取像素信号的固态摄像装置。摄像元件还能够应用于X-Y地址型固态摄像装置，所述X-Y地址型固态摄像装置用于逐个像素地选择任意像素，并且从所选的像素中逐个像素地读取像素信号。固态摄像装置可以形成为一个芯片，或者可以是具有摄像功能的模块的形式，其中，摄像区域和驱动电路或光学系统被封装在一起。
另外，摄像元件不限于应用于固态摄像装置，并且摄像元件还能够应用于摄像装置。这里，摄像装置表示相机系统(例如数码相机和摄像机)，或者具有摄像功能的电子设备(例如手机)。在某些情况下，摄像装置是安装在电子设备上的模块的形式，即，相机模块。
图80示出了其中在电子设备(相机)200中使用包括本发明的摄像元件的固态摄像装置201的示例的概念图。电子设备200包括固态摄像装置201、光学透镜210、快门装置211、驱动电路212和信号处理电路213。光学透镜210使用来自被摄体的图像光(入射光)在固态摄像装置201的成像表面上形成图像。结果，信号电荷在固态摄像装置201中存储一段时间。快门装置211控制固态摄像装置201的光照时段和遮光时段。驱动电路212提供驱动信号，用于控制固态摄像装置201的传输操作等和快门装置211的快门操作。基于从驱动电路212提供的驱动信号(时序信号)来传送固态摄像装置201的信号。信号处理电路213执行各种类型的信号处理。信号处理之后的视频信号被存储在诸如存储器等存储介质中，或被输出到监视器。在电子设备200中，能够使固态摄像装置201的像素尺寸小型化，并且能够提高传输效率。因此，在电子设备200中能够改善像素特性。能够应用固态摄像装置201的电子设备200不限于相机。固态摄像装置201能够应用于数码相机、移动装置(例如手机)的相机模块、和其他摄像装置。
注意，本发明还能够如下构造。
[A01][摄像元件：第一方面>
一种摄像元件，包括：
光电转换单元，其包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，其中
无机氧化物半导体材料层形成在所述第一电极与所述光电转换层之间，并且
所述无机氧化物半导体材料层包括选自由铟、钨、锡和锌组成的群组中的至少两种元素。
[A02]
根据[A01]所述的摄像元件，其中
所述光电转换单元还包括绝缘层和电荷累积用电极，所述电荷累积用电极与所述第一电极分开布置着，并被布置成隔着所述绝缘层面向所述无机氧化物半导体材料层。
[A03]
根据[A01]或[A02]所述的摄像元件，其中
所述无机氧化物半导体材料层不包含镓原子。
[A04]
根据[A01]或[A02]所述的摄像元件，其中
所述无机氧化物半导体材料层包括铟-钨氧化物(IWO)、铟-钨-锌氧化物(IWZO)、铟-锡-锌氧化物(ITZO)、或锌-锡氧化物(ZTO)。
[A05]
根据[A01]或[A02]所述的摄像元件，其中
所述无机氧化物半导体材料层包括铟-钨-锌氧化物(IWZO)。
[A06]
根据[A01]或[A02]所述的摄像元件，其中
所述无机氧化物半导体材料层包括铟-钨氧化物(IWO)。
[A07]
根据[A01]至[A06]中任一项所述的摄像元件，其中
用于构成位于所述无机氧化物半导体材料层附近的所述光电转换层的部分的材料的LUMO值E1和用于构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2满足以下表达式：
E1-E2<0.2eV
[A08]
根据[A07]所述的摄像元件，其中
用于构成位于所述无机氧化物半导体材料层附近的所述光电转换层的部分的材料的LUMO值E1和用于构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2满足以下表达式：
E1-E2<0.1eV
[A09]
根据[A01]至[A08]中任一项所述的摄像元件，其中
用于构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的迁移率在10cm2/V·s以上。
[A10][摄像元件：第二方面]
一种摄像元件，包括：
光电转换单元，其包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，其中
无机氧化物半导体材料层形成在所述第一电极与所述光电转换层之间，并且
用于构成位于所述无机氧化物半导体材料层附近的所述光电转换层的部分的材料的LUMO值E1和用于构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2满足以下表达式：
E1-E2<0.2eV
[A11]
根据[A10]所述的摄像元件，其中
用于构成位于所述无机氧化物半导体材料层附近的所述光电转换层的部分的材料的LUMO值E1和用于构成所述无机氧化物半导体材料层材料的LUMO值E2满足以下表达式：
E1-E2<0.1eV
[A12]
根据[A10]或[A11]所述的摄像元件，其中
用于构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的迁移率在10cm2/V·s以上。
[A13][摄像元件：第三方面]
一种摄像元件，包括：
光电转换单元，其包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，其中
无机氧化物半导体材料层形成在所述第一电极与所述光电转换层之间，并且
用于构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的迁移率在10cm2/V·s以上。
[A14]
根据[A01]至[A13]中任一项所述的摄像元件，其中
所述无机氧化物半导体材料层是非结晶的。
[A15]
根据[A01]至[A14]中任一项所述的摄像元件，其中
所述无机氧化物半导体材料层的厚度为1×10-8m～1.5×10-7m。
[A16]
根据[A01]至[A15]中任一项所述的摄像元件，其中
光从所述第二电极入射，
在所述光电转换层与所述无机氧化物半导体材料层之间的界面中的所述无机氧化物半导体材料层的表面粗糙度Ra在1.5nm以下，并且所述无机氧化物半导体材料层的均方根粗糙度Rq的值在2.5nm以下。
[B01]
根据[A01]至[A16]中任一项所述的摄像元件，其中
所述光电转换单元还包括绝缘层和电荷累积用电极，所述电荷累积用电极与所述第一电极分开布置着，并且被布置成隔着所述绝缘层面向所述无机氧化物半导体材料层。
[B02]
根据[B01]所述的摄像元件，还包括：
半导体基板，其中
所述光电转换单元布置在所述半导体基板的上方。
[B03]
根据[B01]或[B02]所述的摄像元件，其中
所述第一电极在设置于所述绝缘层中的开口部中延伸，并连接到所述无机氧化物半导体材料层。
[B04]
根据[B01]或[B02]所述的摄像元件，其中
所述无机氧化物半导体材料层在设置于所述绝缘层中的开口部中延伸，并连接到所述第一电极。
[B05]
根据[B04]所述的摄像元件，其中
所述第一电极的顶表面的边缘部分被所述绝缘层覆盖，
所述第一电极在所述开口部的底表面上暴露出来，并且
所述开口部的侧表面从第一表面朝向第二表面倾斜地延伸，其中，所述第一表面是所述绝缘层与所述第一电极的所述顶表面接触的表面，并且所述第二表面是所述绝缘层与面向所述电荷累积用电极的所述无机氧化物半导体材料层的一部分接触的表面。
[B06]
根据[B05]所述的摄像元件，其中
从所述第一表面朝向所述第二表面倾斜地延伸的所述开口部的所述侧表面位于电荷累积用电极侧。
[B07][控制第一电极和电荷累积用电极的电位]
根据[B01]至[B06]中任一项所述的摄像元件，还包括：
控制单元，其设置在所述半导体基板上，并包括驱动电路，其中
所述第一电极和所述电荷累积用电极连接到所述驱动电路，
在电荷存储期间，所述驱动电路将电位V11施加到所述第一电极，并将电位V12施加到所述电荷累积用电极，并且电荷被累积于所述无机氧化物半导体材料层中，并且
在电荷传输期间，所述驱动电路将电位V21施加到所述第一电极，并将电位V22施加到所述电荷累积用电极，并且累积于所述无机氧化物半导体材料层中的所述电荷通过所述第一电极被读出到所述控制单元，其中
所述第一电极的所述电位高于所述第二电极的所述电位，并且
V12≥V11和V22<V21成立。
[B08][传输控制电极]
根据[B01]至[B06]中任一项所述的摄像元件，还包括：
传输控制电极，其布置在所述第一电极与所述电荷累积用电极之间，并与所述第一电极和所述电荷累积用电极分开布置着，并且被布置成隔着所述绝缘层面向所述无机氧化物半导体材料层。
[B09][控制第一电极、电荷累积用电极和传输控制电极的电位]
根据[B08]所述的摄像元件，还包括：
控制单元，其设置在所述半导体基板上，并包括驱动电路，其中
所述第一电极、所述电荷累积用电极和所述传输控制电路连接到所述驱动电路，
在电荷存储期间，所述驱动电路将电位V11施加到所述第一电极，将电位V12施加到所述电荷累积用电极，并将电位V13施加到所述传输控制电极，并且电荷被累积于所述无机氧化物半导体材料层中，并且
在电荷传输期间，所述驱动电路将电位V21施加到所述第一电极，将电位V22施加到所述电荷累积用电极，并将电位V23施加到所述传输控制电极，并且累积于所述无机氧化物半导体材料层中的所述电荷通过所述第一电极被读出到所述控制单元，其中
所述第一电极的所述电位高于所述第二电极的所述电位，并且
V12>V13和V22≤V23≤V21成立。
[B10][电荷排出电极]
根据[B01]至[B09]中任一项所述的摄像元件，还包括：
电荷排出电极，其连接到所述无机氧化物半导体材料层，并与所述第一电极和所述电荷累积用电极分开布置着。
[B11]
根据[B10]所述的摄像元件，其中
所述电荷排出电极被布置成环绕所述第一电极和所述电荷累积用电极。
[B12]
根据[B10]或[B11]所述的摄像元件，其中
所述无机氧化物半导体材料层在设置于所述绝缘层上的第二开口部中延伸，并连接到所述电荷排出电极，
所述电荷排出电极的顶表面的边缘部分被所述绝缘层覆盖，
所述电荷排出电极在所述第二开口部的底表面上暴露出来，并且
所述第二开口部的侧表面从第三表面朝向第二表面倾斜地延伸，其中，所述第三表面是所述绝缘层与所述电荷排出电极的所述顶表面接触的表面，并且所述第二表面是所述绝缘层与面向所述电荷累积用电极的所述无机氧化物半导体材料层的一部分接触的表面。
[B13][控制第一电极、电荷累积用电极和电荷排出电极的电位]
根据[B01]至[B12]中任一项所述的摄像元件，还包括：
控制单元，其设置在所述半导体基板上，并包括驱动电路，其中
所述第一电极、所述电荷累积用电极和所述电荷排出电极连接到所述驱动电路，
在电荷存储期间，所述驱动电路将电位V11施加到所述第一电极，将电位V12施加到所述电荷累积用电极，并将电位V14施加到所述电荷排出电极，并且电荷被累积于所述无机氧化物半导体材料层中，并且
在电荷传输期间，所述驱动电路将电位V21施加到所述第一电极，将电位V22施加到所述电荷累积用电极，并将电位V24施加到所述电荷排出电极，并且累积于所述无机氧化物半导体材料层中的所述电荷通过所述第一电极被读出到所述控制单元，其中
所述第一电极的所述电位高于所述第二电极的所述电位，并且
V14>V11和V24<V21成立。
[B14][电荷累积用电极区段]
根据[B01]至[B13]中任一项所述的摄像元件，其中
所述电荷累积用电极包括多个电荷累积用电极区段。
[B15]
根据[B14]所述的摄像元件，其中
在所述第一电极的所述电位高于所述第二电极的所述电位的情况下，在电荷传输期间，施加到位于最靠近所述第一电极的位置的电荷累积用电极区段的电位高于施加到位于离所述第一电极最远的位置的电荷累积用电极区段的电位，并且
在所述第一电极的所述电位低于所述第二电极的所述电位的情况下，在电荷传输期间，施加到位于最靠近所述第一电极的位置的所述电荷累积用电极区段的电位低于施加到位于离所述第一电极最远的位置的所述电荷累积用电极区段的电位。
[B16]
根据[B01]至[B15]中任一项所述的摄像元件，其中
用于构成所述控制单元的至少浮动扩散层和放大晶体管设置在所述半导体基板上，并且
所述第一电极连接到所述浮动扩散层和所述放大晶体管的栅极部。
[B17]
根据[B16]所述的摄像元件，其中
用于构成所述控制单元的复位晶体管和选择晶体管也设置在所述半导体基板上，
所述浮动扩散层连接到所述复位晶体管的一个源极/漏极区，
所述放大晶体管的一个源极/漏极区连接到所述选择晶体管的一个源极/漏极区，并且所述选择晶体管的另一个源极/漏极区连接到信号线。
[B18]
根据[B01]至[B17]中任一项所述的摄像元件，其中
所述电荷累积用电极的尺寸大于所述第一电极的尺寸。
[B19]
根据[B01]至[B18]中任一项所述的摄像元件，其中
光从第二电极侧入射，并且遮光层形成在更靠近所述第二电极的光入射侧。
[B20]
根据[B01]至[B18]中任一项所述的摄像元件，其中
光从第二电极侧入射，并且所述光不会入射到所述第一电极上。
[B21]
根据[B20]所述的摄像元件，其中
遮光层形成在更靠近所述第二电极的光入射侧和所述第一电极的上方。
[B22]
根据[B20]所述的摄像元件，其中
芯片上微透镜设置在所述电荷累积用电极和所述第二电极的上方，并且
入射到所述芯片上微透镜上的光由所述电荷累积用电极收集。
[B23][摄像元件：第一构造]
根据[B01]至[B22]中任一项所述的摄像元件，其中
所述光电转换单元包括N(其中，N≥2)个光电转换单元区段，
所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层包括N个光电转换层区段，
所述绝缘层包括N个绝缘层区段，
所述电荷累积用电极包括N个电荷累积用电极区段，
第n(其中，n＝1,2,3,...N)个光电转换单元区段包括第n个电荷累积用电极区段、第n个绝缘层区段、和第n个光电转换层区段，
所述光电转换单元区段的n值越大，所述光电转换单元区段的所述位置离所述第一电极越远，并且
从所述第一个光电转换单元区段到所述第N个光电转换单元区段，所述绝缘层区段的厚度逐渐变化。
[B24][摄像元件：第二构造]
根据[B01]至[B22]中任一项所述的摄像元件，其中
所述光电转换单元包括N(其中，N≥2)个光电转换单元区段，
所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层包括N个光电转换层区段，
所述绝缘层包括N个绝缘层区段，
所述电荷累积用电极包括N个电荷累积用电极区段，
第n(其中，n＝1,2,3,...N)个光电转换单元区段包括第n个电荷累积用电极区段、第n个绝缘层区段、和第n个光电转换层区段，
所述光电转换单元区段的n值越大，所述光电转换单元区段的所述位置离所述第一电极越远，并且
从所述第一个光电转换单元区段到所述第N个光电转换单元区段，所述光电转换层区段的厚度逐渐变化。
[B25][摄像元件：第三构造]
根据[B01]至[B22]中任一项所述的摄像元件，其中
所述光电转换单元包括N(其中，N≥2)个光电转换单元区段，
所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层包括N个光电转换层区段，
所述绝缘层包括N个绝缘层区段，
所述电荷累积用电极包括N个电荷累积用电极区段，
第n(其中，n＝1,2,3,...N)个光电转换单元区段包括第n个电荷累积用电极区段、第n个绝缘层区段、和第n个光电转换层区段，
所述光电转换单元区段的n值越大，所述光电转换单元区段的所述位置离所述第一电极越远，并且
对于相邻的光电转换单元区段，用于构成所述绝缘层区段的材料变化。
[B26][摄像元件：第四构造]
根据[B01]至[B22]中任一项所述的摄像元件，其中
所述光电转换单元包括N(其中，N≥2)个光电转换单元区段，
所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层包括N个光电转换层区段，
所述绝缘层包括N个绝缘层区段，
所述电荷累积用电极包括彼此分开布置着的N个电荷累积用电极区段，
第n(其中，n＝1,2,3,...N)个光电转换单元区段包括第n个电荷累积用电极区段、第n个绝缘层区段、和第n个光电转换层区段，
所述光电转换单元区段的n值越大，所述光电转换单元区段的所述位置离所述第一电极越远，并且
对于相邻的光电转换单元区段，用于构成所述电荷累积用电极区段的材料变化。
[B27][摄像元件：第五构造]
根据[B01]至[B22]中任一项所述的摄像元件，其中
所述光电转换单元包括N(其中，N≥2)个光电转换单元区段，
所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层包括N个光电转换层区段，
所述绝缘层包括N个绝缘层区段，
所述电荷累积用电极包括彼此分开布置着的N个电荷累积用电极区段，
第n(其中，n＝1,2,3,...N)个光电转换单元区段包括第n个电荷累积用电极区段、第n个绝缘层区段、和第n个光电转换层区段，
所述光电转换单元区段的n值越大，所述光电转换单元区段的所述位置离所述第一电极越远，并且
从所述第一个光电转换单元区段到所述第N个光电转换单元区段，所述电荷累积用电极区段的面积逐渐减小。
[B28][摄像元件：第六构造]
根据[B01]至[B22]中任一项所述的摄像元件，其中
假设Z方向是所述电荷累积用电极、所述绝缘层、所述无机氧化物半导体材料层、和所述光电转换层的层叠方向，并且X方向是从所述第一电极离开的方向，当在YZ假想平面中切断层叠有所述电荷累积用电极、所述绝缘层、所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层的所述层叠部分时，该层叠部分的横截面积依赖于离开所述第一电极的距离而变化。
[C01][层叠式摄像元件]
一种层叠式摄像元件，其包括至少一个根据[A01]～[B28]中任一项所述的摄像元件。
[D01][固态摄像装置：第一方面]
一种固态摄像装置，其包括多个根据[A01]～[B28]中任一项所述的摄像元件。
[D02][固态摄像装置：第二方面]
一种固态摄像装置，其包括多个根据[C01]所述的层叠式摄像元件。
[E01][固态摄像装置：第一构造]
一种固态摄像装置，包括：
光电转换单元，其包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，其中
所述光电转换单元包括多个根据[A01]～[B28]中任一项所述的摄像元件，
多个摄像元件构成摄像元件区块，并且
所述第一电极由所述摄像元件区块中所包括的所述多个摄像元件共用。
[E02][固态摄像装置：第二构造]
一种固态摄像装置，包括：
根据[A01]～[B28]中任一项所述的多个摄像元件，其中
多个摄像元件构成摄像元件区块中，并且
所述第一电极由所述摄像元件区块中所包括的所述多个摄像元件共用。
[E03]
根据[E01]或[E02]所述的固态摄像装置，其中
一个芯片上微透镜布置在一个摄像元件的上方。
[E04]
根据[E01]或[E02]所述的固态摄像装置，其中
两个摄像元件包括在所述摄像元件区块中，并且
一个芯片上微透镜布置在所述摄像元件区块的上方。
[E05]
根据[E01]～[E04]中任一项所述的固态摄像装置，其中
针对多个摄像元件设置一个浮动扩散层。
[E06]
根据[E01]～[E05]中任一项所述的固态摄像装置，其中
所述第一电极与每个摄像元件的所述电荷累积用电极相邻布置。
[E07]
根据[E01]～[E06]中任一项所述的固态摄像装置，其中
所述第一电极与所述多个摄像元件的一部分摄像元件的所述电荷累积用电极相邻布置，并且不与所述多个摄像元件的其余摄像元件的所述电荷累积用电极相邻布置。
[E08]
根据[E07]所述的固态摄像装置，其中
所述摄像元件中所包括的所述电荷累积用电极之间的距离比所述第一电极和所述摄像元件的与所述第一电极相邻的所述电荷累积用电极之间的距离长。
[F01][固态摄像装置的驱动方法]
一种包括多个摄像元件的固态摄像装置的驱动方法，所述多个摄像元件各自包括：
光电转换单元，其包括层叠的第一电极、光电转换层、和第二电极，其中
所述光电转换单元还包括电荷累积用电极，所述电荷累积用电极与所述第一电极分开布置着，并被布置成隔着绝缘层面向所述光电转换层，
所述多个摄像元件具有这样的结构：其中，光从第二电极侧入射，并且所述光不入射到所述第一电极上，
所述固态摄像装置的所述驱动方法重复如下步骤：
将所述第一电极中的电荷一次性全部释放到系统的外部，同时将所述电荷累积于所有所述摄像元件中的所述无机氧化物半导体材料层中；以及
随后，将累积于所述无机氧化物半导体材料层中的所述电荷一次性全部传送到所有所述摄像元件中的所述第一电极，并且在完成传送之后，在所述摄像元件中，顺序读取传送到所述第一电极的所述电荷。
附图标记列表
10'1,10'2,10'3...光电转换单元区段；13...位于层间绝缘层的下方的摄像元件的各种组成元素；14...芯片上微透镜(OCL)；15...遮光层；21...第一电极；22...第二电极；23A...光电转换层；23B...无机氧化物半导体材料层；23'1,23'2,23'3...光电转换层区段；24,24″1,24″2,24″,24″3...电荷累积用电极；24A,24B,24C,24'1,24'2,24'3...电荷累积用电极区段；25,25A,25B...传输控制电极(电荷传输电极)；26...电荷排出电极；27,27A1,27A2,27A3,27B1,27B2,27B3,27C...电荷移动控制电极；41,43...n型半导体区域；42,44,73...p+层；45,46...传输晶体管的栅极部；51...复位晶体管TR1rst的栅极部；51A...复位晶体管TR1rst的沟道形成区；51B,51C...复位晶体管TR1rst的源极/漏极区；52...放大晶体管TR1amp的栅极部；52A...放大晶体管TR1amp的沟道形成区；52B,52C...放大晶体管TR1amp的源极/漏极区；53...选择晶体管TR1sel的栅极部；53A...选择晶体管TR1sel的沟道形成区；53B,53C...选择晶体管TR1sel的源极/漏极区；61...接触孔部；62...布线层；63,64,68A...垫部分；65,66；68B...连接孔；67,69...连接部；70...半导体基板；70A...半导体基板的第一表面(前表面)；70B...半导体基板的第二表面(背面)；71...元件分离区；72...氧化膜；74...HfO2膜；75...绝缘材料膜；76,81...层间绝缘层；82...绝缘层；82'1,82'2,83'3...绝缘层区段；82a...绝缘层的第一表面；82b...绝缘层的第二表面；82c...绝缘层的第三表面；83...绝缘层；85,85A,85B,85C...开口部；86,86A...第二开口部；100...固态摄像装置；101...层叠式摄像元件；111...摄像区域；112...垂直驱动电路；113...列信号处理电路；114...水平驱动电路；115...输出电路；116...驱动控制电路；117...信号线(数据输出线)；118...水平信号线；200...电子设备(相机)；201...固态摄像装置；210...光学透镜；211...快门装置；212...驱动电路；213...信号处理电路；FD1,FD2,FD3,45C,46C...浮动扩散层；TR1trs,TR2trs,TR3trs...传输晶体管；TR1rst,TR2rst,TR3rst...复位晶体管；TR1amp,TR2amp,TR3amp...放大晶体管；TR1sel,TR3sel,TR3sel...选择晶体管；VDD...电源；TG1,TG2,TG3...传输栅极线；RST1,RST2,RST3...复位线；SEL1,SEL2,SEL3...选择线；VSL,VSL1,VSL2,VSL3...信号线(数据输出线)；VOA,VOT,VOU...布线。

Claims (19)

1.一种摄像元件，包括：
光电转换单元，其包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，
其中，在所述第一电极与所述光电转换层之间形成有无机氧化物半导体材料层，并且
所述无机氧化物半导体材料层包含选自由铟、钨、锡和锌组成的群组中的至少两种元素。
2.根据权利要求1所述的摄像元件，其中
所述光电转换单元还包括绝缘层和电荷累积用电极，
所述电荷累积用电极与所述第一电极分开布置着，并被布置成隔着所述绝缘层面向所述无机氧化物半导体材料层。
3.根据权利要求1所述的摄像元件，其中
所述无机氧化物半导体材料层不包含镓原子。
4.根据权利要求1所述的摄像元件，其中
所述无机氧化物半导体材料层包括铟-钨氧化物(IWO)、铟-钨-锌氧化物(IWZO)、铟-锡-锌氧化物(ITZO)、或锌-锡氧化物(ZTO)。
5.根据权利要求1所述的摄像元件，其中
所述无机氧化物半导体材料层包括铟-钨-锌氧化物(IWZO)。
6.根据权利要求1所述的摄像元件，其中
所述无机氧化物半导体材料层包括铟-钨氧化物(IWO)。
7.根据权利要求1所述的摄像元件，其中
用于构成位于所述无机氧化物半导体材料层附近的所述光电转换层的部分的材料的LUMO值E1和用于构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2满足以下表达式：
E1-E2<0.2eV
8.根据权利要求7所述的摄像元件，其中
用于构成位于所述无机氧化物半导体材料层附近的所述光电转换层的部分的材料的LUMO值E1和用于构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2满足以下表达式：
E1-E2<0.1eV
9.根据权利要求1所述的摄像元件，其中
用于构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的迁移率在10cm2/V·s以上。
10.一种摄像元件，包括：
光电转换单元，其包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，
其中，在所述第一电极与所述光电转换层之间形成有无机氧化物半导体材料层，并且
用于构成位于所述无机氧化物半导体材料层附近的所述光电转换层的部分的材料的LUMO值E1和用于构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2满足以下表达式：
E1-E2<0.2eV
11.根据权利要求10所述的摄像元件，其中
用于构成位于所述无机氧化物半导体材料层附近的所述光电转换层的部分的材料的LUMO值E1和用于构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2满足以下表达式：
E1-E2<0.1eV
12.根据权利要求10所述的摄像元件，其中
用于构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的迁移率在10cm2/V·s以上。
13.一种摄像元件，包括：
光电转换单元，其包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，
其中，在所述第一电极与所述光电转换层之间形成有无机氧化物半导体材料层，并且
用于构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的迁移率在10cm2/V·s以上。
14.根据权利要求1所述的摄像元件，其中
所述无机氧化物半导体材料层是非晶的。
15.根据权利要求1所述的摄像元件，其中
所述无机氧化物半导体材料层的厚度为1×10-8m至1.5×10-7m。
16.根据权利要求1所述的摄像元件，其中
光从所述第二电极入射，
在所述光电转换层与所述无机氧化物半导体材料层之间的界面中的所述无机氧化物半导体材料层的表面粗糙度Ra在1.5nm以下，并且所述无机氧化物半导体材料层的均方根粗糙度Rq的值在2.5nm以下。
17.一种层叠式摄像元件，包括：
至少一个根据权利要求1～16中任一项所述的摄像元件。
18.一种固态摄像装置，包括：
多个根据权利要求1～16中任一项所述的摄像元件。
19.一种固态摄像装置，包括：
多个根据权利要求17所述的层叠式摄像元件。
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