CN111052382A - 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
一种摄像元件，包括光电转换单元，所述光电转换单元是通过把第一电极21、光电转换层23A和第二电极22层叠起来而形成的。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，其与光电转换层23A接触。所述光电转换单元还包括绝缘层82和电荷累积电极24，电荷累积电极24与第一电极21分开设置着，并且电荷累积电极24隔着绝缘层82面对着无机氧化物半导体材料层23B。构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的功函数值在4.5eV以下。通过从构成第二电极22的材料的功函数值减去构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的功函数值而获得的值超过0.2eV。
Description
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在两个电极之间夹有光电转换层(光接收层)的结构。另外，层叠式摄像元件必须有如下结构：该结构中，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。常规的结构必须有能够把信号电荷累积和传输至浮动漏极(FD：floatingdrain)电极中的结构，并且必须以信号电荷不会延迟的方式进行高速传输。
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：
累积电极，其形成在第一绝缘层上；
第二绝缘层，其形成在所述累积电极上；
半导体层，其以覆盖所述累积电极和所述第二绝缘层的方式而被形成；
收集电极，其以与所述半导体层接触的方式而被形成，并与所述累积电极分离开；
光电转换层，其形成在所述半导体层上；以及
上电极，其形成在所述光电转换层上。
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。另外，由于这种特性，在将上述摄像元件用作固态摄像装置中的摄像元件的情况下，可以获得在常规固态摄像装置中不可能实现的把子像素(sub-pixel)层叠起来的结构(层叠式摄像元件)，在这样的结构(层叠式摄像元件)中，每个子像素包括芯片上彩色滤光片层(OCCF：on-chip color filter layer)和摄像元件的组合，并且各个子像素呈二维方式排列着(例如，参见日本专利申请特开No.2011-138927)。此外，还有一个优点是：由于不需要去马赛克处理(demosaic processing)，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”，也为了方便起见，用于构成第一类型摄像元件的光电转换单元可以被称为“第一类型光电转换单元”，还为了方便起见，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”，以及为了方便起见，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79示出了常规的层叠式摄像元件(层叠式固态摄像装置)的构造示例。在图79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(它们分别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，并且形成在半导体基板370中。此外，在半导体基板370的上方(具体地，在第二摄像元件341的上方)，设置有作为第一类型光电转换单元的第一光电转换单元310A。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，并且第一光电转换单元310A构成作为第一类型摄像元件的第一摄像元件310。在第二光电转换单元341A和第三光电转换单元343A中，例如，由于吸收系数的差别而分别对蓝光和红光进行光电转换。此外，在第一光电转换单元310A中，例如，能够对绿光进行光电转换。
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)将上述电荷分别传输至第二浮动扩散层(floating diffusion)FD2和第三浮动扩散层FD3中，最后，上述电荷进一步被分别输出至外部读出电路(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中。
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中的第一浮动扩散层FD1。此外，第一光电转换单元310A还经由接触孔部361和布线层362连接到用于将电荷量转换成电压的放大晶体管的栅极部352。另外，第一浮动扩散层FD1构成复位晶体管(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表示层间绝缘膜，附图标记383表示绝缘膜，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
本发明要解决的问题
然而，在上述日本专利申请特开第2016-63165号中公开的技术中，存在如下局限性：累积电极和形成在该累积电极上的第二绝缘层必须形成为相同的长度，并且精细地规定了与收集电极等之间的间隙。这会使制造过程复杂化，并可能导致制造产量下降。此外，日本专利申请特开第2016-63165号记载了构成半导体层的一些材料，但是并没有记载跟构成半导体层的材料的特性与构成上电极的材料的特性之间的关系有关的事项，而这些相关事项对通过光电转换来产生电荷有很大的影响。
因此，本发明的目的是提供一种能够通过光电转换更有效地产生电荷的摄像元件、层叠式摄像元件和固态摄像装置。
解决问题的技术方案
用于实现上述目的的根据本发明的摄像元件包括：
光电转换单元，所述光电转换单元是通过把第一电极、光电转换层和第二电极层叠起来而形成的，
在所述第一电极与所述光电转换层之间，无机氧化物半导体材料层以与所述光电转换层接触的方式形成，
所述光电转换单元还包括绝缘层和电荷累积电极，所述电荷累积电极与所述第一电极分开设置着，并隔着所述绝缘层面对着所述无机氧化物半导体材料层，
构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的功函数值在4.5eV以下，并且
通过从构成所述第二电极的材料的功函数值减去构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的功函数值而获得的值超过0.2eV。
用于实现上述目的的本发明的层叠式摄像元件包括至少一个根据本发明的摄像元件。
用于实现上述目的的根据本发明的第一方面的固态摄像装置包括多个上述的根据本发明的摄像元件。此外，用于实现上述目的的根据本发明的第二方面的固态摄像装置包括多个上述的根据本发明的层叠式摄像元件。
本发明的有益效果
在本发明的摄像元件、构成本发明的层叠式摄像元件的本发明的摄像元件、以及构成根据本发明的第一和第二方面的固态摄像装置的本发明的摄像元件(这些摄像元件可以被统称为“本发明的摄像元件等”)中，规定了构成无机氧化物半导体材料层的材料的特性和构成第二电极的材料的特性。因此，可以提供一种能够通过光电转换更有效地产生电荷的摄像元件。另外，本发明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。因此，能够防止电荷累积期间的再结合，能够提高累积在光电转换层中的电荷去往第一电极的传输效率，并能够抑制暗电流的产生。注意，这里说明的效果仅是示例性的，而不是限制性的。此外，可以存在其他效果。
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是用于用于构成实施例1的摄像元件的第一电极和电荷累积电极以及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、图6B和图6C分别是实施例1、实施例4和实施例6的摄像元件的等效电路图，分别用于说明图5(实施例1)、图20和图21(实施例4)、以及图32和图33(实施例6)的各部位。
图7是用于构成实施例1的摄像元件的第一电极和电荷累积电极的示意性布局图。
图8是用于构成实施例1的摄像元件的第一电极、电荷累积电极、第二电极和接触孔部(contact hole portion)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是用于构成图9所示的实施例1的摄像元件的变形例的第一电极和电荷累积电极以及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是用于构成实施例4的摄像元件的第一电极、传输控制电极和电荷累积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是用于构成实施例4的摄像元件的第一电极、传输控制电极和电荷累积电极的示意性布局图。
图23是用于构成实施例4的摄像元件的第一电极、传输控制电极、电荷累积电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。
图24是用于构成实施例4的摄像元件的变形例的第一电极、传输控制电极、电荷累积电极以及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是用于构成实施例5的摄像元件的第一电极、电荷累积电极和电荷排出电极的示意性布局图。
图27是用于构成实施例5的摄像元件的第一电极、电荷累积电极、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是用于构成实施例6的摄像元件的第一电极和电荷累积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是示意性地示出在实施例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是用于构成实施例6的摄像元件的第一电极和电荷累积电极的示意性布局图。
图35是用于构成实施例6的摄像元件的第一电极、电荷累积电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。
图36是用于构成实施例6的摄像元件的变形例的第一电极和电荷累积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是通过放大实施例7的摄像元件中的有电荷累积电极、光电转换层和第二电极层叠着的部分而获得的示意性局部横截面图。
图39是用于构成实施例7的摄像元件的变形例的第一电极和电荷累积电极以及用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图40是通过放大实施例8的摄像元件中的有电荷累积电极、光电转换层和第二电极层叠着的部分而获得的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和图43B是实施例11中的电荷累积电极区段的示意性平面图。
图44A和图44B是实施例11中的电荷累积电极区段的示例性平面图。
图45是用于构成实施例11的摄像元件的第一电极和电荷累积电极以及用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图46是用于构成实施例11的摄像元件的变形例的第一电极和电荷累积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和图48B是实施例12中的电荷累积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和电荷累积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和电荷累积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和电荷累积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和电荷累积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和电荷累积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和电荷累积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和电荷累积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和电荷累积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和电荷累积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和电荷累积电极区段的示意性平面图。
图59A、图59B和图59C是分别示出实施例13的摄像元件区块中的读出驱动示例的图表。
图60是实施例14的固态摄像装置中的第一电极和电荷累积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和电荷累积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和电荷累积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和电荷累积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中的摄像元件的又一个变形例的示意性局部横截面图。
图66A、图66B和图66C分别是实施例1的摄像元件的其他一些变形例的第一电极部分等的放大示意性局部横截面图。
图67是实施例5的摄像元件的另一变形例中的电荷排出电极部分等的放大示意性局部横截面图。
图68是实施例1的摄像元件的又一个变形例的示意性局部横截面图。
图69是实施例1的摄像元件的又一个变形例的示意性局部横截面图。
图70是实施例1中的摄像元件的又一个变形例的示意性局部横截面图。
图71是实施例4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的摄像元件的又一个变形例的示意性局部横截面图。
图73是实施例4的摄像元件的又一个变形例的示意性局部横截面图。
图74是通过放大实施例7的摄像元件的变形例中的有电荷累积电极、光电转换层和第二电极层叠着的部分而获得的示意性局部横截面图。
图75是通过放大实施例8的摄像元件的变形例中的有电荷累积电极、光电转换层和第二电极层叠着的部分而获得的示意性局部横截面图。
图76是示出了实施例1的摄像元件中所产生电子的数量的模拟结果的曲线图。
图77是实施例1的固态摄像装置的概念图。
图78是把包括本发明的摄像元件等的固态摄像装置用于电子设备(相机)的示例的概念图。
图79是常规的层叠式摄像元件(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来说明本发明。然而，本发明不限于这些实施例，并且实施例中的各种数值和材料都是说明性的。注意，将按以下顺序进行说明。
1.对根据本发明的摄像元件、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至2的变形例、以及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、以及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、以及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、以及包括多个电荷累积电极区段的摄像元件)
8.实施例7(第一构造和第六构造的摄像元件)
9.实施例8(本发明的第二构造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
<对根据本发明的摄像元件、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>
在图79所示的常规摄像元件中，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被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，然后上述电荷被分别传输至第二浮动扩散层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能够被完全耗尽。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。另外，所带来的结果是，kTC噪声变大了，随机噪声恶化了，并且可能会降低所拍摄图像的质量。
然而，本发明的摄像元件等包括电荷累积电极，所述电荷累积电极与第一电极分开布置着，且所述电荷累积电极隔着绝缘层面对着无机氧化物半导体材料层。因此，当光照射至光电转换单元，并且该光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(或者，在某些情况下，累积于无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中。因此，在曝光开始时，电荷累积部能够完全耗尽并且电荷能够消除。结果，可以抑制kTC噪声变大、随机噪声恶化、以及所拍摄图像的质量降低等这些现象的发生。注意，在下面的说明中，无机氧化物半导体材料层、或者无机氧化物半导体材料层和光电转换层可以被统称为“无机氧化物半导体材料层等”。
在本发明的摄像元件中，通过从构成光电转换层的位于无机氧化物半导体材料层附近的一部分的材料的LUMO(最低未占分子轨道)值减去构成无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值而获得的值优选为0eV以上且0.2eV以下，更优选地，上述值在0.1eV以下。这能够实现在光电转换层中产生的电荷(具体地，电子)向无机氧化物半导体材料层的顺滑地转移。即，以这种方式，通过规定构成光电转换层的位于无机氧化物半导体材料层附近的一部分的材料的LUMO值与构成无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值之间的差，当通过光电转换而产生的载流子(具体地，光电子)从光电转换层流入无机氧化物半导体材料层时，在光电转换层与无机氧化物半导体材料层之间的界面处几乎不发生载流子停滞。此外，能够整体上提高光电转换层和无机氧化物半导体材料层的载流子传输能力。结果，可以提供如下的摄像元件等：其对摄像元件等的光响应性没有不利影响，并且累积于光电转换层中的电荷具有优异的传输特性。
这里，“光电转换层的位于无机氧化物半导体材料层附近的一部分”是指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，光电转换层的位于与光电转换层的厚度的10％以内对应的区域中的部分(即，从光电转换层的厚度的0％至10％的区域)。构成光电转换层的位于无机氧化物半导体材料层附近的一部分的材料的LUMO值是光电转换层的位于无机氧化物半导体材料层附近的一部分的平均值，并且构成无机氧化物半导体材料层的材料的功函数/LUMO值是无机氧化物半导体材料层的平均值。
在包括上述优选形态的本发明的摄像元件等中，从简化构造和简化制造工艺的观点出发，无机氧化物半导体材料层期望由与构成第一电极的材料相同的材料(或包含与构成第一电极的材料相同的材料的材料)构成。
在包括上述优选形态的本发明的摄像元件等中，无机氧化物半导体材料层能够包含铟-镓-锌复合氧化物(IGZO)。此外，在包括上述优选形态的本发明的摄像元件等中，无机氧化物半导体材料层通常包含对入射光透明的导电无机氧化物半导体材料。可替代地，在包括上述优选形态的本发明的摄像元件等中，无机氧化物半导体材料层能够包含选自由铟、钨、锡和锌组成的群组中的至少两种元素。在这种情况下，无机氧化物半导体材料层不需要包含镓原子。即，具体地，无机氧化物半导体材料层能够包含：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)、通过向氧化锌添加作为掺杂剂的铟而获得的铟锌氧化物(IZO)、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)。更具体地，无机氧化物半导体材料层包含In-W氧化物、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。可替代地，无机氧化物半导体材料层包含：混合有或掺杂有氧化硅的铟锡氧化物(ITO-SiOX系材料)；将镓作为掺杂剂添加到氧化锌中的镓锌氧化物(GZO)；以及将铟作为掺杂剂添加到氧化镓中的铟镓氧化物(IGO)。在IWO中，当铟氧化物和钨氧化物的总质量为100％(质量)时，钨氧化物的质量比例优选为10％～30％(质量)。此外，在IWZO中，当铟氧化物、钨氧化物和锌氧化物的总质量为100％(质量)时，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)。另外，在ITZO中，当铟氧化物、锌氧化物和锡氧化物的总质量为100％(质量)时，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)。然而，本发明不限于这些值。可替代地，无机氧化物半导体材料层也能够包含稍后所述的透明导电材料。
此外，在包括上述优选形态的本发明的摄像元件等中，无机氧化物半导体材料层的厚度能够是1×10-8m至1.5×10-7m，优选地为2×10-8m至1.0×10-7m，更优选地，为3×10- 8m至1.0×10-7m。
此外，在包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等中，构成无机氧化物半导体材料层的材料的迁移率优选为10cm2/V·s以上。
此外，在包括上述优选形态的本发明的摄像元件等中，无机氧化物半导体材料层能够是非晶态的(例如，不具有局部结晶结构的非晶态)。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态。
此外，包括上述优选形态的本发明的摄像元件等能够具有如下形态：其中，
光从第二电极入射，
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为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的值为2.5nm以下。表面粗糙度Ra和Rq的值是基于JIS B0601:2013的规定而确定的。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这种平滑性能够抑制无机氧化物半导体材料层中的表面漫反射，并且能够改善光电转换中的亮电流特性。能够采用如下形态：其中，电荷累积电极的表面粗糙度Ra为1.5nm以下，并且电荷累积电极的均方根粗糙度Rq的值为2.5nm以下。
无机氧化物半导体材料层可以具有单层构造或多层构造。此外，构成位于电荷累积电极上方的无机氧化物半导体材料层的材料可以与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不同。
无机氧化物半导体材料层能够例如基于溅射方法而形成。具体地，能够举例说明如下溅射方法：使用平行板溅射设备或DC磁控溅射设备作为溅射设备；使用氩(Ar)气作为处理气体；以及使用诸如IGZO烧结体、InZnO烧结体或InWO烧结体等理想的烧结体作为靶。
注意，能够通过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)，来控制无机氧化物半导体材料层的能级。具体地，当基于溅射方法形成无机氧化物半导体材料层时，氧气分压(＝(O2气体压力)/(Ar气体和O2气体的压力总和))优选设为0.005至0.02。此外，在本发明的摄像元件等中，无机氧化物半导体材料层中的氧含量可以小于化学计量组成中的氧含量。这里，能够基于氧含量来控制无机氧化物半导体材料层的能级。当氧含量低于化学计量组成中的氧含量时，即，随着缺氧的增加，能级会降低。
在本发明的摄像元件等中，无机氧化物半导体材料层针对于波长为400nm至660nm的光的光透过率优选为65％以上。此外，电荷累积电极相对于波长为400nm至660nm的光的光透过率也优选为65％以上。电荷累积电极的薄层电阻值优选为3×10Ω/□至1×103Ω/□。
本发明的摄像元件等能够具有如下形态：其中，
还包括半导体基板，并且
光电转换单元设置于半导体基板的上方。注意，第一电极、电荷累积电极和第二电极连接到稍后所述的驱动电路。
位于光入射侧的第二电极可以由多个摄像元件等共用。即，第二电极能够是所谓的固体电极(solid electrode)。光电转换层可以由多个摄像元件等共用。即，在多个摄像元件等中可以形成一个光电转换层，或者可以针对每个摄像元件等而设置有一个光电转换层。无机氧化物半导体材料层优选地针对每个摄像元件等而设置，但在某些情况下，无机氧化物半导体材料层也可以由多个摄像元件等共用。即，例如，通过把稍后说明的电荷传输控制电极设置在在摄像元件之间，可以在多个摄像元件等中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的本发明的摄像元件等能够具有如下形态：其中，第一电极在形成于绝缘层中的开口部中延伸，以连接到无机氧化物半导体材料层。可替代地，能够采用无机氧化物半导体材料层在形成于绝缘层中的开口部中延伸以连接到第一电极的形态。在这种情况下，
能够采用如下形态：其中，第一电极的顶面的边缘被绝缘层覆盖，
第一电极在开口部的底面上暴露出来，并且
当将绝缘层的与第一电极的顶面接触的表面称为第一表面，并且将绝缘层的与无机氧化物半导体材料层的面对着电荷累积电极的部分接触的表面称为第二表面时，开口部的侧表面具有从第一表面朝着第二表面变宽的倾斜度。此外，能够采用如下形态：其中，具有从第一表面朝着第二表面变宽的倾斜度的开口部的侧表面位于电荷累积电极侧。
此外，包括上述各种优选的形态和构造的包括本发明的电荷累积电极的摄像元件等能够具有如下构造：其中
还包括控制单元，所述控制单元设置在半导体基板上，并具有驱动电路，
第一电极和电荷累积电极连接到驱动电路，
在电荷累积时段中，驱动电路将电位V11施加到第一电极，将电位V12施加到电荷累积电极，并且电荷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和光电转换层)中，并且
在电荷传输时段中，驱动电路将电位V21施加到第一电极，将电位V22施加到电荷累积电极，并且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和光电转换层)中的电荷通过第一电极而被控制单元读出。然而，第一电极的电位高于第二电极的电位，并满足V12≥V11且V22<V21。
此外，包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等还能够包括设置于第一电极与电荷累积电极之间的传输控制电极(电荷传输电极)，所述传输控制电极与第一电极和电荷累积电极分开布置着，并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，具有这种形态的本发明的摄像元件等被称为“本发明的包括传输控制电极的摄像元件等”。
此外，本发明的包括传输控制电极的摄像元件等能够具有如下构造：其中
还包括控制单元，所述控制单元设置于半导体基板上，并具有驱动电路，
第一电极、电荷累积电极和传输控制电极连接到驱动电路，
在电荷累积时段中，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(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中，并且
在电荷传输时段中，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(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中的电荷通过第一电极读出到控制单元。然而，第一电极的电位高于第二电极的电位，并满足V12>V13且V22≤V23≤V21。
此外，包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等还能够包括电荷排出电极，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电极分开设置着。为了方便起见，具有这种形态的本发明的摄像元件等被称为“本发明的包括电荷排出电极的摄像元件等”。此外，本发明的包括电荷排出电极的摄像元件等能够具有如下形态：其中，电荷排出电极被设置成围绕第一电极和电荷累积电极(即，呈框架形状)。电荷排出电极能够由多个摄像元件等共用(共有化)。此外，在这种情况下，
能够采用如下形态：其中，无机氧化物半导体材料层在形成于绝缘层上的第二开口部中延伸，以连接到电荷排出电极，
电荷排出电极的顶面的边缘被绝缘层覆盖，
电荷排出电极在第二开口部的底面上暴露出来，并且
当将绝缘层的与电荷排出电极的顶面接触的表面称为第三表面，并且将绝缘层的与无机氧化物半导体材料层的面对着电荷累积电极的部分接触的表面称为第二表面时，第二开口部的侧表面具有从第三表面朝着第二表面变宽的倾斜度。
此外，本发明的包括电荷排出电极的摄像元件等能够具有如下构造：其中，
还包括控制单元，所述控制单元设置在半导体基板上，并具有驱动电路，
第一电极、电荷累积电极和电荷排出电极连接到驱动电路，
在电荷累积时段中，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(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中，并且
在电荷传输时段中，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(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中的电荷通过第一电极读出到控制单元。然而，第一电极的电位高于第二电极的电位，并且
满足V14≥V11且V24<V21。
此外，在本发明的摄像元件等中的上述各种优选形态中，电荷累积电极能够包括多个电荷累积电极区段。为了方便起见，具有这种形态的本发明的摄像元件等被称为“本发明的包括多个电荷累积电极区段的摄像元件等”。电荷累积电极区段的数量只需要是2以上即可。此外，本发明的包括多个电荷累积电极区段的摄像元件等能够具有如下形态：其中，在对N个电荷累积电极区段施加不同的电位的情况下，
在第一电极的电位高于第二电极的电位的情况下，在电荷传输时段中，施加到离第一电极最近的电荷累积电极区段(第一个光电转换单元区段)的电位高于施加到离第一电极最远的电荷累积电极区段(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，在电荷传输时段中，施加到离第一电极最近的电荷累积电极区段(第一个光电转换单元区段)的电位低于施加到离第一电极最远的电荷累积电极区段(第N个光电转换单元区段)的电位。
包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等能够具有如下构造：其中，
在半导体基板上，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，
能够采用如下构造：其中，
在半导体基板上，进一步设置有构成控制单元的复位晶体管和选择晶体管，
浮动扩散层连接到复位晶体管的一个源极/漏极区，并且
放大晶体管的一个源极/漏极区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/漏极区连接到信号线。
此外，包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等能够具有如下形态：其中，电荷累积电极大于第一电极。当电荷累积电极的面积由S1′表示，并且第一电极的面积由S1表示时，
尽管没有限制，但是优选满足
4≤S1'/S1
可替代地，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。即，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各摄像元件中，
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和光电转换层包括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，电荷累积电极包括N个电荷累积电极区段，
在第四和第五构造的各摄像元件中，电荷累积电极包括彼此分开布置的N个电荷累积电极区段，
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
n值越大的光电转换单元区段离第一电极越远。这里，“光电转换层区段”指的是通过层叠光电转换层和无机氧化物半导体材料层而形成的区段。
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。此外，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，可以通过改变光电转换层部分的厚度并且保持无机氧化物半导体材料层部分的厚度不变，来改变光电转换层区段的厚度。此外，可以通过保持光电转换层部分的厚度不变并且改变无机氧化物半导体材料层部分的厚度，来改变光电转换层区段的厚度。此外，可以通过改变光电转换层部分的厚度并且改变无机氧化物半导体材料层部分的厚度，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不同的。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，用于构成电荷累积电极区段的材料是不同的。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。
可替代地，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，如果将电荷累积电极、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定义为Z方向，并且将与第一电极分离的方向定义为X方向，则当把有电荷累积电极、绝缘层、无机氧化物半导体材料层和光电转换层层叠着的层叠部分用YZ假想平面切开时，该层叠部分的横截面积根据离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。与此同时，在第三构造的摄像元件中，设置有N个绝缘层区段以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，以及在某些情况下在第三构造的摄像元件中，设置有N个电荷累积电极区段以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电极区段。可替代地，在第四和第五构造的摄像元件中，以及在某些情况下在第三构造的摄像元件中，可以将不同的电位施加给N个电荷累积电极区段中的各者。
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，或者规定了光电转换层区段的厚度，或者用于构成绝缘层区段的材料是不同的，或者用于构成电荷累积电极区段的材料是不同的，或者规定了电荷累积电极区段的面积，或者规定了层叠部分的横截面积。因此，形成了一种电荷传输梯度，并且通过光电转换而产生的电荷能够更容易且更可靠地传输到第一电极。另外，结果，可以防止残像的产生或传输残余的产生。
在第一至第五构造的摄像元件中，n值越大的光电转换单元区段离第一电极越远，但是光电转换单元区段是否与第一电极分离开，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，将与第一电极分离的方向定义为X方向，并且“X方向”定义如下。也就是说，里面布置有多个摄像元件或层叠式摄像元件的像素区域包括以二维方式规则地布置的像素，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，离第一电极最近的边的延伸方向被定义为Y方向，与Y方向正交的方向被定义为X方向。可替代地，在像素的平面形状是任意形状的情况下，包括离第一电极最近的线段或曲线的总体方向被定义为Y方向，并且与Y方向正交的方向被定义为X方向。
在下文中，关于第一至第六构造的摄像元件，将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。然而，绝缘层区段的厚度优选地逐渐增加，从而形成了一种电荷传输梯度。然后，当在电荷累积时段中达到了|V12|≥|V11|的状态时，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累积更多的电荷，并且与第(n+1)个光电转换单元区段相比，对第n个光电转换单元区段施加了更强的电场，而且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，当在电荷传输时段中达到了|V22|<|V21|的状态时，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。然而，光电转换层区段的厚度优选地逐渐增加，从而形成了一种电荷传输梯度。然后，当在电荷累积时段中达到了|V12|≥|V11|的状态时，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，并且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，当在电荷传输时段中达到了V22<V21的状态时，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是不同的，这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相对介电常数值是逐渐减小的。此时，通过采用这种构造，在电荷累积时段中，当达到了V12≥V11的状态时，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累积更多的电荷。此外，当在电荷传输时段中达到了V22<V21的状态时，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，用于构成电荷累积电极区段的材料是不同的，这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，通过采用这种构造，不管电压是正的还是负的，都能够形成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，电荷累积电极区段的面积是逐渐减小的，这形成了一种电荷传输梯度。因此，当在电荷累积时段中达到了V12≥V11的状态时，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累积更多的电荷。此外，当在电荷传输时段中达到了V22<V21的状态时，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与第一电极的距离而变化，这形成了一种电荷传输梯度。具体地，通过采用如下构造：其中，层叠部分的横截面的厚度是一定的，并且随着层叠部分从第一电极的远离，层叠部分的横截面的宽度变窄，如在第五构造的摄像元件中所述的那样，当在电荷累积时段中达到了V12≥V11的状态时，离第一电极近的区域能够比离第一电极远的区域累积更多的电荷。因此，当在电荷传输时段中达到了V22<V21的状态时，能够可靠地确保电荷从离第一电极近的区域流向第一电极以及电荷从离第一电极远的区域流向离第一电极近的区域。与此同时，通过采用如下构造：其中，层叠部分的横截面的宽度是一定的，并且层叠部分的横截面的厚度逐渐增加，具体地，绝缘层区段的厚度逐渐增加。如在第一构造的摄像元件中所述的那样，当在电荷累积时段中达到了V12≥V11的状态时，离第一电极近的区域能够比离第一电极远的区域累积更多的电荷，对离第一电极近的区域施加比离第一电极远的区域更强的电场，从而能够可靠地防止电荷从离第一电极近的区域流向第一电极。此外，当在电荷传输时段中达到了V22<V21的状态时，能够可靠地确保电荷从离第一电极近的区域流向第一电极以及电荷从离第一电极远的区域流向离第一电极近的区域。另外，通过采用逐渐增加光电转换层区段的厚度的构造，如在第二构造的摄像元件中所述的那样，当在电荷累积时段中达到了V12≥V11的状态时，向离第一电极近的区域比向离第一电极远的区域施加更强的电场，并且能够可靠地防止电荷从离第一电极近的区域流向第一电极。此外，当在电荷传输时段中达到了V22<V21的状态时，能够可靠地确保电荷从离第一电极近的区域流向第一电极以及电荷从离第一电极远的区域流向离第一电极近的区域。
根据本发明的第一和第二方面的固态摄像装置的变形例能够是：
包括多个第一至第六构造的摄像元件的固态摄像装置，其中，
多个摄像元件构成摄像元件区块，并且
第一电极由构成摄像元件区块的多个摄像元件共用。为了方便起见，具有这种构造的固态摄像装置被称为“第一构造的固态摄像装置”。可替代地，根据本发明的第一和第二方面的固态摄像装置的变形例能够是：
包括多个第一至第六构造的摄像元件或者多个层叠式摄像元件的固态摄像装置，上述多个层叠式摄像元件均包括至少一个第一至第六构造的摄像元件，
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
第一电极由构成摄像元件区块的多个摄像元件或层叠式摄像元件共用。为了方便起见，具有这种构造的固态摄像装置被称为“第二构造的固态摄像装置”。另外，如果以这种方式第一电极由构成摄像元件区块的多个摄像元件共用，则能够使排列有多个摄像元件的像素区域中的构造和结构简化和微小化。
在第一和第二构造的固态摄像装置中，针对多个摄像元件(一个摄像元件区块)设置有一个浮动扩散层。这里，与一个浮动扩散层对应设置着的多个摄像元件可以由多个稍后说明的第一类型摄像元件构成，或者可以由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构成。另外，通过适当地控制电荷传输时段的时序，来允许多个摄像元件能够共用一个浮动扩散层。多个摄像元件协同操作，从而作为摄像元件区块连接到稍后所述的驱动电路。即，构成摄像元件区块的多个摄像元件连接到一个驱动电路。然而，针对每个摄像元件来控制电荷累积电极。此外，多个摄像元件能够共用一个接触孔部。关于由多个摄像元件共用的第一电极与各摄像元件的电荷累积电极之间的布置关系，还存在将第一电极布置成与各摄像元件的电荷累积电极相邻的情况。可替代地，还存在如下情况：第一电极布置成与多个摄像元件中的一些电荷累积电极相邻，并且不与多个摄像元件中的剩余电荷累积电极相邻。在这种情况下，电荷从多个摄像元件中的剩余摄像元件向第一电极的移动是通过多个摄像元件中的一些摄像元件而进行的移动。优选地，构成摄像元件的电荷累积电极与构成摄像元件的电荷累积电极之间的距离(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。此外，优选地，随着摄像元件距第一电极的距离越远，距离A的值越大。
此外，包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等能够具有如下形态：其中，光从第二电极侧入射，并且在第二电极的光入射侧形成有遮光层。可替代地，能够采用如下形态：其中，光从第二电极侧入射，并且光不入射到第一电极(在某些情况下，不入射到第一电极和传输控制电极)上。另外，在这种情况下，能够采用如下形态：其中，在第二电极的光入射侧，在第一电极上方(在某些情况下，在第一电极和传输控制电极上方)形成有遮光层。可替代地，能够采用如下形态：其中，芯片上微透镜设置在电荷累积电极和第二电极的上方，并且入射到芯片上微透镜上的光会聚于电荷累积电极。这里，遮光层可以布置在第二电极的光入射侧的表面的上方，或者可以布置在第二电极的光入射侧的表面上。在某些情况下，在第二电极上形成有遮光层。构成遮光层的材料的实例包括铬(Cr)、铜(Cu)、铝(Al)、钨(W)、以及不透光的树脂(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”)。此外，为了方便，常规的不包括电荷累积电极且对蓝光敏感的摄像元件被称为“第二类型蓝光摄像元件”。为了方便，常规的不包括电荷累积电极且对绿光敏感的摄像元件被称为“第二类型绿光摄像元件”。为了方便，常规的不包括电荷累积电极且对红光敏感的摄像元件被称为“第二类型红光摄像元件”。为了方便，构成第二类型蓝光摄像元件的光电转换层或光电转换单元被称为“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，构成第二类型绿光摄像元件的光电转换层或光电转换单元被称为“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，构成第二类型红光摄像元件的光电转换层或光电转换单元被称为“第二类型红光光电转换层”或“第二类型红光光电转换单元”。
包括电荷累积电极的层叠式摄像元件的具体实例包括：
[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，
在这两个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，这些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更有效地吸收。由于红色具有三种颜色中最长的波长，因此从光入射面观察，优选将红光光电转换单元定位在最下层。这些摄像元件的层叠结构构成一个像素。此外，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例如包括有机材料，并且布置为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。可替代地，可以在第一类型光电转换单元的下方设置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，例如，第一电极形成在设置于半导体基板上的层间绝缘层上。形成于半导体基板上的摄像元件可以是背面照射型或前面照射型。
在光电转换层包括有机材料的情况下，光电转换层能够具有以下四种形态中的任一种。
(1)光电转换层由p型有机半导体构成。
(2)光电转换层由n型有机半导体构成。
(3)光电转换层由p型有机半导体层/n型有机半导体层的层叠结构构成。光电转换层由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构成。光电转换层由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)]的层叠结构构成。光电转换层由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)]的层叠结构构成。
(4)光电转换层由p型有机半导体和n型有机半导体的混合层(体异质结构(bulkheterostructure))构成。
然而，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、苝衍生物、苉衍生物、
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、包括作为配体的杂环化合物的金属络合物、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，例如C60、诸如C70或C74等富勒烯(高级富勒烯)、或内嵌富勒烯等)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(最高占据分子轨道)和LUMO(最低未占据分子轨道)的有机半导体、以及透明的无机金属氧化物。n型有机半导体的具体实例包括含有氮原子、氧原子或硫原子的杂环化合物。它的实例包括：例如下列之类的在分子骨架的一部分中含有有机分子、有机金属络合物或亚酞菁衍生物：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、噁唑衍生物、咪唑衍生物、苯并咪唑衍生物、苯并三唑衍生物、苯并噁唑衍生物、苯并噁唑衍生物、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、聚苯撑乙烯撑衍生物、聚苯并噻吩衍生物、和聚芴衍生物等的有机金属络合物、以及亚酞菁衍生物。富勒烯衍生物中所包含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；具有直链或缩合芳族化合物的基团；具有卤化物的基团；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；羧酰胺基；碳烷氧基；酰基；磺酰基；氰基；硝基；具有硫族化合物的基团；磷化氢基；磷酸基；以及上述这些的衍生物。尽管包括有机材料的光电转换层(也称为“有机光电转换层”)的厚度不受限制，但是上述厚度例如是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型表示容易传输空穴，n型表示容易传输电子，而不限于如无机半导体中那样有机半导体具有空穴或电子作为多数热激发的载流子的解释。
可替代地，构成对绿光进行光电转换的有机光电转换层的材料的实例包括：罗丹明类染料、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)等。构成对蓝光进行光电转换的有机光电转换层的材料的实例包括：香豆酸染料、三-8-羟基喹啉铝(Alq3)和部花青类染料等。构成对红光进行光电转换的有机光电转换层的材料的实例包括：酞菁类染料和亚酞菁类染料(亚酞菁衍生物)。
可替代地，构成光电转换层的无机材料的实例包括：结晶硅、非晶硅、微晶硅、结晶硒、非晶硒、黄铜矿化合物(例如CIGS(CuInGaSe)、CIS(CuInSe2)、CuInS2、CuAlS2、CuAlSe2、CuGaS2、CuGaSe2、AgAlS2、AgAlSe2、AgInS2或AgInSe2)、III-V族化合物(例如，GaAs、InP、AlGaAs、InGaP、AlGaInP或InGaAsP)、以及CdSe、CdS、In2Se3、In2S3、Bi2Se3、Bi2S3、ZnSe、ZnS、PbSe、或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。
单板彩色固态摄像装置能够由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中的每者构成。
在根据本发明第二方面的包括层叠式摄像元件的固态摄像装置中，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)，一个像素是通过在同一像素内在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而构成，因此，可以提高灵敏度和每单位体积的像素密度。此外，由于有机材料具有高的吸收系数，因此，有机光电转换层的膜厚度能够比常规的Si基光电转换层的膜厚度薄，并且减轻了来自相邻像素的光的泄漏和对光入射角的限制。此外，在常规的Si系摄像元件中，由于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。然而，根据本发明第二方面的包括层叠式摄像元件的固态摄像装置能够抑制伪色的产生。有机光电转换层本身还用作彩色滤光片层。因此，即使不设置彩色滤光片层，也能够进行颜色分离。
与此同时，在根据本发明的第一方面的固态摄像装置中，使用彩色滤光片层能够减轻对蓝色、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、行间阵列(interline array)、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型阵列、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)。
在某些情况下，彩色滤光片层(波长选择装置)的实例包括：不仅透射红光、绿光和蓝光，而且还透射具有特定波长(例如，青色、品红色或黄色等)的光的滤光片层。彩色滤光片层不仅能够由使用有机化合物(例如颜料和染料等)的有机材料类彩色滤光片层构成，而且还能够由包含诸如光子结晶、应用了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)、或非晶硅等无机材料的薄膜构成。
排列有多个本发明的摄像元件等的像素区域包括以二维方式规则地排列的多个像素。像素区域通常包括：有效像素区域，其用于实际接收光、放大通过光电转换而产生的信号电荷、以及将信号电荷读出到驱动电路；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周边。
用光照射包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等，在光电转换层中发生光电转换，并且进行空穴和电子的载流子分离。另外，提取空穴的电极称为阳极，提取电子的电极称为阴极。第一电极构成阴极，第二电极构成阳极。
第一电极、电荷累积电极、传输控制电极、电荷排出电极和第二电极各自能够包含透明导电材料。第一电极、电荷累积电极、传输控制电极和电荷排出电极可以统称为“第一电极等”。可替代地，在本发明的摄像元件等布置在如拜耳阵列的平面上的情况下，例如，第二电极能够包含透明导电材料，并且第一电极等能够包含金属材料。在这种情况下，具体地，位于光入射侧的第二电极能够包含透明导电材料，并且第一电极等能够包含例如Al-Nd(铝和钕的合金)或ASC(铝、钐和铜的合金)。包含透明导电材料的电极可以被称为“透明电极”。这里，透明导电材料的带隙能量在2.5eV以上，优选地，在3.1eV以上。构成透明电极的透明导电材料的实例包括导电金属氧化物。其具体实例包括氧化铟、铟锡氧化物(ITO(Indium Tin oxide：氧化铟锡)，包括掺杂Sn的In2O3、结晶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。可替代地，透明电极的实例包括含有镓氧化物、钛氧化物、铌氧化物、镍氧化物等作为母层的透明电极。透明电极的厚度可以是2×10-8m至2×10-7m，优选地，3×10-8m至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含透明导电材料。
可替代地，在不需要透明性的情况下，作为构成用作提取电子的电极的阴极的导电材料，阴极优选由功函数低(例如，φ＝3.5eV～4.5eV)的导电材料构成。其具体实例包括：碱金属(例如，Li、Na或K等)、碱金属的氟化物、碱金属的氧化物、碱土金属(例如，Mg或Ca等)、碱土金属的氟化物、碱土金属的氧化物、铝(Al)、锌(Zn)、锡(Sn)、铊(Tl)、钠-钾合金、铝-锂合金、镁-银合金、诸如铟或镱等稀土金属、以及上述这些的合金。可替代地，构成阴极的材料的实例包括：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)或钼(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；碳系材料；氧化物半导体材料；和诸如碳纳米管或石墨烯等的导电材料。也能够使用包含上述这些元素的层的层叠结构。此外，构成阴极的材料的实例包括有机材料(导电高分子)，例如聚(3,4-亚乙二氧基噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)[PEDOT/PSS]。此外，这些导电材料可以与粘合剂(高分子)混合，以形成糊剂或墨剂，并且糊剂或墨剂可以被硬化并被用作电极。
干法或湿法能够用作第一电极等或第二电极(阴极或阳极)的成膜方法。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法原理的成膜方法的实例包括：使用电阻加热或高频加热的真空气相沉积方法、EB(电子束)气相沉积方法、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、或高频溅射方法)、离子电镀方法、激光烧蚀方法、分子束外延方法、以及激光转印方法。此外，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。与此同时，湿法的实例包括：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、激光转印或光刻；以及使用紫外光、激光等的物理蚀刻。用于使第一电极等或第二电极平坦化的技术的实例包括激光平坦化方法、回流方法和化学机械抛光(CMP：Chemical Mechanical Polishing)方法。
构成绝缘层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)、或氧化铝(Al2O3)，而且还包括有机绝缘材料(有机聚合物)，以如下具有在一端能够与控制电极结合的官能团的直链烃为例：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)或十八烷基三氯硅烷(OTS)；酚醛清漆酚醛树脂；氟基树脂；十八烷硫醇或十二烷基异氰酸酯。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、环氟聚合物和苯并环丁烯、环状氟碳树脂、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，或者层叠有多个层(例如，两层)的构造。在后一种情况下，通过至少在电荷累积电极上形成绝缘层·下层以及在电荷累积电极与第一电极之间的区域中形成绝缘层·下层，并使绝缘层·下层平坦化，从而仅需要至少在电荷累积电极与第一电极之间的区域中留有绝缘层·下层，以及仅需要在留下的绝缘层·下层和电荷累积电极上形成绝缘层·上层。结果，能够可靠地实现绝缘层的平坦化。仅需要从这些材料中适当地选择构成各种层间绝缘层和绝缘材料膜的材料。
构成控制单元的浮动扩散层、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常规的浮动扩散层、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使第一电极连接到浮动扩散层和放大晶体管的栅极部。构成接触孔部的材料的实例包括：掺杂有杂质的多晶硅；高熔点金属，例如钨、Ti、Pt、Pd、Cu、TiW、TiN、TiNW、WSi2或MoSi2等；金属硅化物；以及包含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。此外，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。构成电子注入层的材料的实例包括；碱金属，例如锂(Li)、钠(Na)和钾(K)；碱金属的氟化物；碱金属的氧化物；碱土金属，例如镁(Mg)或钙(Ca)；碱土金属的氟化物；以及碱土金属的氧化物。
各种有机层的成膜方法的实例包括干式成膜方法和湿式成膜方法。干式成膜方法的实例包括：使用电阻加热、高频加热或电子束加热的真空气相沉积方法；闪蒸沉积方法；等离子体气相沉积方法；EB(电子束)气相沉积方法；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、高频溅射方法、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、高频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；电场气相沉积方法；各种离子电镀方法，例如高频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)。此外，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。与此同时，湿式成膜方法的具体实例包括：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的有机溶剂，例如甲苯、氯仿、己烷或乙醇。图案化方法的实例包括：化学蚀刻，例如阴影掩模、激光转印或光刻；以及使用紫外线、激光等的物理蚀刻。用于使各种有机层平坦化的技术的实例包括激光平坦化方法和回流方法。
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，摄像元件或固态摄像装置可以包括芯片上微透镜或遮光层，如果需要，摄像元件或固态摄像装置可以包括用于驱动摄像元件的驱动电路或布线。如果需要，可以设置用于控制光在摄像元件上的入射的快门，或者可以根据固态摄像装置的目的而设置光学截止滤光片。
此外，第一和第二构造的固态摄像装置都能够具有如下形态：其中，在本发明的一个摄像元件等的上方设置有一个芯片上微透镜，或者能够具有如下形态：其中，摄像元件区块由本发明的两个摄像元件等构成，并且在摄像元件区块的上方设置有一个芯片上微透镜。
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，通过把其上形成有读出集成电路和包含铜(Cu)的连接部的驱动基板与其中形成有连接部的摄像元件等叠置，使得连接部彼此接触，并且使连接部彼此接合，从而能够进行层叠，并且能够使用焊料凸块等将连接部彼此接合。
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和光电转换层)中的时候，将第一电极中的电荷全部释放到系统的外部，然后
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和光电转换层)中的电荷传输到第一电极，在传输完成之后，顺序地读出各摄像元件中的传输到第一电极的电荷。
在驱动固态摄像装置的这种方法中，各摄像元件具有如下结构：其中，从第二电极侧入射的光不入射到第一电极上，并且在所有摄像元件中，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，能够同时可靠地复位第一电极。此外，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中的电荷传输到第一电极，并且在完成传输之后，在各摄像元件中，顺序地读出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)式信号放大图像传感器。例如，数码相机、摄影机、摄录机、监控摄像机、车载摄像机、智能电话摄像机、游戏用户接口摄像机和生物认证摄像机能够由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构成。
[实施例1]
实施例1涉及本发明的摄像元件、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(在下文中，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的摄像元件的构成光电转换单元的第一电极和电荷累积电极，以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。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。此外，图7示出了实施例1的摄像元件的构成光电转换单元的第一电极和电荷累积电极的示意性布局图。图8示出了第一电极、电荷累积电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。此外，图77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，该光电转换单元是通过将第一电极21、光电转换层23A和第二电极22层叠在一起而形成的。在第一电极21与光电转换层23A之间，无机氧化物半导体材料层23B以与光电转换层23A接触的方式形成。光电转换单元还包括绝缘层82和电荷累积电极24，该电荷累积电极24与第一电极21分开设置着，并隔着绝缘层82面对着无机氧化物半导体材料层23B。注意，光从第二电极侧入射。此外，构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的功函数值在4.5eV以下，并且从构成第二电极22的材料的功函数值减去构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的功函数值而获得的值超过0.2eV。此外，无机氧化物半导体材料层23B由与构成第一电极21的材料相同的材料构成。
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。此外，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。另外，例如，数码相机、摄影机、摄录机、监控摄像机、车载摄像机、智能电话摄像机、游戏用户接口摄像机、和生物认证摄像机等都由实施例1的固态摄像装置构成。
在下文中，首先，将说明实施例1的摄像元件的各种特性。随后，将详细说明实施例1的摄像元件和固态摄像装置。
当无机氧化物半导体材料层23B的膜厚度为50nm且无机氧化物半导体材料层23B由厚度为50nm的IWO构成时，氧气分压与通过逆光电子能谱法确定的能级之间的关系的结果示于下表1中。在实施例1的摄像元件中，通过控制基于溅射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)，能够控制无机氧化物半导体材料层23B的能级。氧气分压优选为0.005(0.5％)至0.02(2％)。注意，在无机氧化物半导体材料层23B中，氧含量低于化学计量组成中的氧含量。
<表1>
氧气分压 能级
0.5％ 4.3eV
2.0％ 4.5eV
第二电极22由功函数值为4.8eV的铟锡氧化物(ITO)构成。此外，构成光电转换层23A的位于无机氧化物半导体材料层23B附近的一部分的材料的LUMO值为4.5eV。然后，使用无机氧化物半导体材料层23B的功函数值作为参数，在具有图1所示的结构的摄像元件的基础上，通过元件模拟来确定光从第二电极22入射时由光电转换产生的电子数。结果在图76中示出。在所需的所产生电子的数量为20000以上的情况下，发现构成无机氧化物半导体材料层23B的材料必须具有4.5eV以下的功函数值，并且通过从构成第二电极22的材料的功函数值减去构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的功函数值而获得的值超过0.2eV。注意，在构成无机氧化物半导体材料层23B的材料为ATO(掺杂Sb的SnO2，功函数值为4.7eV)的情况下，通过从构成第二电极22的材料的功函数值(4.8eV)减去构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的功函数值(4.7eV)而获得的值为0.1eV。因此，所产生的电子数小于20000。
同样，在无机氧化物半导体材料层23B由例如IGZO、IWZO、ITZO、ZTO、ITO-SiOX基材料、GZO、IGO等构成的情况下，通过使用由适当的材料构成的第二电极22和光电转换层23A，能够获得与无机氧化物半导体材料层23B由IWO构成的情况相同的结果。
此外，在实施例1的摄像元件中，从构成光电转换层23A的位于无机氧化物半导体材料层23B附近的一部分的材料的LUMO值减去构成无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值而获得的值在0eV以上且0.2eV以下，期望为0.1eV以下。此外，构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的迁移率为10cm2/V·s以上。此外，IGZO、IWZO、ITZO、ZTO、ITO-SiOX基材料、GZO、IGO等的LUMO值为4.3eV至4.5eV。从构成光电转换层23A的位于无机氧化物半导体材料层23B附近的一部分的材料的LUMO值减去构成无机氧化物半导体材料层的这些材料中任一者的LUMO值而获得的值在0eV以上且0.2eV以下，期望为0.1eV以下。此外，构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的迁移率为10cm2/V·s以上。
根据X射线衍射分析的结果，发现无机氧化物半导体材料层23B是非晶态的(例如，不具有局部结晶结构的非晶态)。此外，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为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的值为2.5nm以下。具体地，
获得了Ra＝0.8nm且Rq＝2.1nm。
此外，电荷累积电极24的表面粗糙度Ra为1.5nm以下，并且电荷累积电极24的均方根粗糙度Rq的值为2.5nm以下。具体地，
获得了Ra＝0.7nm且Rq＝2.3nm
此外，无机氧化物半导体材料层23B相对于波长为400nm至660nm的光的光透过率在65％以上(具体地，80％)，并且电荷累积电极24相对于波长为400nm至660nm的光的光透过率也在65％以上(具体地，75％)。电荷累积电极24的薄层电阻值为3×10Ω/□至1×103Ω/□(具体地，84Ω/□)。
在实施例1的摄像元件中，规定了构成无机氧化物半导体材料层的材料和构成第二电极的材料的特性。因此，可以提供一种能够通过光电转换更有效地产生电荷的摄像元件。即，构成无机氧化物半导体材料层的材料的功函数值在4.5eV以下，并且通过从构成第二电极的材料的功函数值减去构成无机氧化物半导体材料层的材料的功函数值而获得的值超过了0.2eV。因此，当向第二电极和电荷累积电极施加反向偏压而使光入射到光电转换层上并产生电荷时，能够基于功函数值的差，在光电转换层中产生较大的内部电场。因此，能够在光电转换层中更有效地产生电荷。另外，实施例1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。因此，能够防止电荷累积期间的再结合，能够提高累积于光电转换层中的电荷去往第一电极的传输效率，并能够抑制暗电流的产生。
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，并且在半导体基板70的上方设置有光电转换单元。此外，实施例1的摄像元件等还包括控制单元，所述控制单元设置在半导体基板70上，并且所述控制单元具有驱动电路，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的光入射面被定义为上方，半导体基板70的相对侧被定义为下方。包括多个布线的布线层62设置在半导体基板70的下方。
半导体基板70包括用于构成控制单元的至少浮动扩散层FD1和放大晶体管TR1amp，并且第一电极21连接到浮动扩散层FD1和放大晶体管TR1amp的栅极部。半导体基板70还包括构成控制单元的复位晶体管TR1rst和选择晶体管TR1SEL。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。这些放大晶体管TR1amp、复位晶体管TR1rst、和选择晶体管TR1sel构成驱动电路。
具体地，实施例1的摄像元件是背面照射型摄像元件，并且具有通过层叠三个摄像元件而形成的结构，所述三个摄像元件是：实施例1中的第一类型绿光摄像元件(以下称为“第一摄像元件”)，其对绿光敏感，并包括吸收绿光的第一类型绿光光电转换层；第二类型常规的蓝光摄像元件(以下称为“第二摄像元件”)，其对蓝光敏感，并包括吸收蓝光的第二类型蓝光光电转换层；以及第二类型常规的红光摄像元件(以下称为“第三摄像元件”)，其对红光敏感，并包括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，并且第二摄像元件比第三摄像元件更靠近光入射侧。此外，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。一个像素由第一摄像元件、第二摄像元件、和第三摄像元件的层叠结构构成。不设置彩色滤光片层。
在第一摄像元件中，第一电极21和电荷累积电极24形成在层间绝缘层81上并彼此分开。层间绝缘层81和电荷累积电极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。不设置彩色滤光片层。第一电极21、无机氧化物半导体材料层23B和电荷累积电极24各自由含有例如IGZO的透明电极(功函数：约4.4eV)构成。此外，第二电极22由含有例如ITO的透明电极(功函数：约4.8eV)构成。可替代地，第一电极21和无机氧化物半导体材料层23B各自由例如IGZO、IWZO、IWO、ZTO、ITZO、ITO-SiOX基材料、GZO或IGO等构成。光电转换层23A由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、部花青类染料和喹吖啶酮等有机材料)的层构成。层间绝缘层81以及绝缘层82和83各自包含公知的绝缘材料(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中的连接部67彼此连接。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。
电荷累积电极24连接到驱动电路。具体地，电荷累积电极24通过形成于层间绝缘层81中的连接孔66、垫部64和布线VOA连接到构成驱动电路的垂直驱动电路112。
电荷累积电极24大于第一电极21。当电荷累积电极24的面积由S1′表示，并且第一电极21的面积由S1表示时，
尽管不受限制，但是优选满足：
4≤S1'/S1。
在实施例1中，例如，尽管不受限制，但是还是设定了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)的尺寸是相同的，并且其平面形状也是相同的。
元件分离区71形成在半导体基板70的第一表面(前面)70A侧。此外，氧化膜72形成在半导体基板70的第一表面70A上。此外，构成第一摄像元件的控制单元的复位晶体管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通过形成于层间绝缘层81中的连接孔65和垫部63、通过形成于半导体基板70和层间绝缘层76中的接触孔部61、以及通过形成于层间绝缘层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)。此外，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。此外，一个源极/漏极区53B与构成放大晶体管TR1amp的另一个源极/漏极区52C共用区域，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。由纵型晶体管构成的传输晶体管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。此外，第二浮动扩散层FD2设置在半导体基板70的与传输晶体管TR2trs的栅极部45接近的区域45C中。累积于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。
在第二摄像元件中，构成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还设置在半导体基板70的第一表面侧。
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，并且另一个源极/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)。此外，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。此外，一个源极/漏极区与构成放大晶体管TR2amp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。此外，第三浮动扩散层FD3设置在半导体基板70的与传输晶体管TR3trs的栅极部46接近的区域46C中。累积于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，构成第三摄像元件的控制单元的复位晶体管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，并且另一个源极/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)。此外，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。此外，一个源极/漏极区与构成放大晶体管TR3amp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连接到构成驱动电路的垂直驱动电路112，并且信号线(数据输出线)VSL1、VSL2和VSL3连接到构成驱动电路的列信号处理电路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。从p+层73到在半导体基板70内部要形成接触孔部61的部分形成有HfO2膜74和绝缘材料膜75。在层间绝缘层76中，在多个层中形成布线，但这并未示出。
HfO2膜74具有负的固定电荷。通过形成这种膜，能够抑制暗电流的产生。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。这些膜的形成方法的实例包括CVD方法、PVD方法和ALD方法。
在下文中，参考图5和图6A，将说明包括实施例1的电荷累积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的电位被设得高于第二电极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中使用的附图标记如下。
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的该点PA面向位于电荷累积电极24和第一电极21之间或位于传输控制电极(电荷传输电极)25和第一电极21之间的区域
PB：无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极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的面向电荷累积电极区段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：电荷累积电极24的电位
VOA-A：电荷累积电极区段24A的电位
VOA-B：电荷累积电极区段24B的电位
VOA-C：电荷累积电极区段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
在电荷累积时段中，驱动电路将电位V11施加到第一电极21，并将电位V12施加到电荷累积电极24。通过入射到光电转换层23A上的光，在光电转换层23A中发生光电转换。通过光电转换而产生的空穴从第二电极22通过布线VOU传输到驱动电路。与此同时，第一电极21的电位被设得高于第二电极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，满足V12≥V11，优选地满足V12>V11。结果，通过光电转换产生的电子被吸引到电荷累积电极24，并且电子在无机氧化物半导体材料层23B或无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A(以下统称为“无机氧化物半导体材料层23B等”)的面向电荷累积电极24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。由于满足V12>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等的面向电荷累积电极24的区域中的电位变为更负的值。
在电荷累积时段的后期，执行复位操作。结果，复位了第一浮动扩散层FD1的电位，并且第一浮动扩散层FD1的电位变为电源的电位VDD。
在复位操作完成之后，读出电荷。即，在电荷传输时段中，驱动电路将电位V21施加到第一电极21，并且将电位V22施加到电荷累积电极24。这里，满足V22<V21。结果，已经在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积电极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。
以这种方式，完成了包括电荷累积、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的操作与这些晶体管的常规操作相同。此外，第二摄像元件和第三摄像元件的包括电荷累积、复位操作和电荷传输的一系列操作与常规的包括电荷累积、复位操作和电荷传输的一系列操作相同。此外，如在现有技术中那样，能够通过相关双采样(CDS：correlated doublesampling)处理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，由于包括了电荷累积电极(所述电荷累积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)，因此，当用光照射光电转换层，并在光电转换层中对光进行光电转换时，无机氧化物半导体材料层等、绝缘层和电荷累积电极形成一种电容器，并且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，电荷累积部能够被完全耗尽并消除电荷。结果，可以抑制kTC噪声增加、随机噪声劣化、以及拍摄图像质量降低等现象的发生。此外，由于能够一起将所有像素复位，因此能够实现所谓的全局快门功能。
图77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，在该摄像区域中，层叠式摄像元件101呈二维方式排列着；作为层叠式摄像元件101的驱动电路(周边电路)的垂直驱动电路112；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。不用说，上述这些电路能够由众所周知的电路构成，并且上述这些电路也能够使用其他电路构造(例如，在常规的CCD摄像装置或CMOS摄像装置中使用的各种电路)来构成。在图77中，仅在一行中显示了层叠式摄像元件101的附图标记“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或控制信号，所述时钟信号或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的操作的基准。此外，所产生的时钟信号或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。
例如，垂直驱动电路112由移位寄存器构成，并且垂直驱动电路112对摄像区域111中的层叠式摄像元件101以行为单位顺序地在垂直方向上进行选择和扫描。此外，基于根据每个层叠式摄像元件101接收到的光量产生的电流(信号)的像素信号(图像信号)通过信号线(数据输出线)117，即VSL，被传输到列信号处理电路113。
例如，列信号处理电路113被布置用于层叠式摄像元件101的每列。对于从一行层叠式摄像元件101输出的图像信号，针对每个摄像元件都使用来自黑基准像素(尽管未示出，但形成在有效像素区域周围)的信号进行例如噪声消除或信号放大等信号处理。在列信号处理电路113的输出级中，水平选择开关(未示出)连接并设置在列信号处理电路113与水平信号线118之间。
例如，水平驱动电路114由移位寄存器构成。通过顺序输出水平扫描脉冲，水平驱动电路114顺序选择列信号处理电路113各者，并将来自列信号处理电路113各者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各者通过水平信号线118顺序提供的信号进行信号处理，然后输出该信号。
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、电荷累积电极和用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图，复位晶体管TR1rst的另一个源极/漏极区51B可以不是连接到电源VDD，而是接地。
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，在SOI基板的表面上基于外延生长方法形成第一硅层，并且在第一硅层上形成p+层73和n型半导体区域41。随后，在第一硅层上基于外延生长方法形成第二硅层，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。此外，在第二硅层上形成摄像元件的构成控制单元的各种晶体管等。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的前面70A，并且第一硅层的表面对应于半导体基板70的背面70B。此外，第一硅层和第二硅层被统一表示为半导体基板70。随后，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。还形成了垫部63和64、层间绝缘层81、连接孔65和66、第一电极21、电荷累积电极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。结果，能够获得实施例1的摄像元件。
此外，尽管未示出，但是绝缘层82能够具有包括绝缘层·下层和绝缘层·上层的两层构造。即，仅需要将绝缘层·下层至少形成在电荷累积电极24上以及形成在电荷累积电极24与第一电极21之间的区域中(更具体地，仅需要将绝缘层·下层形成在包括电荷累积电极24的层间绝缘层81上)，接着使绝缘层·下层变平坦化，然后在绝缘层·下层和电荷累积电极24上形成绝缘层·上层。结果，能够可靠地使绝缘层82变平坦化。然后，仅需要在由此获得的绝缘层82中将连接部67开设开口。
[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的摄像元件是前面照射型摄像元件，并且该摄像元件具有通过层叠三个摄像元件而形成的结构，所述三个摄像元件是：实施例1中的第一类型绿光摄像元件(第一摄像元件)，其包括用于吸收绿光的第一类型绿光光电转换层，并且对绿光敏感；第二类型常规的蓝光摄像元件(第二摄像元件)，其包括用于吸收蓝光的第二类型蓝光光电转换层，并且对蓝光敏感；以及第二类型常规的红光摄像元件(第三摄像元件)，其包括用于吸收红光的第二类型红光光电转换层，并且对红光敏感。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，并且第二摄像元件比第三摄像元件更靠近光入射侧。此外，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，在半导体基板70的前面70A侧设置用于构成控制单元的各种晶体管。这些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。此外，半导体基板70包括第二摄像元件和第三摄像元件，并且这些摄像元件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的前面70A的上方。在层间绝缘层81的上方，设置有用于构成实施例1的摄像元件的、包括电荷累积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、和电荷累积电极24等)。
以这种方式，除了实施例2的摄像元件是前面照射型以外，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。因此，省略其详细说明。
[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的摄像元件是背面照射型摄像元件，并且该摄像元件具有通过层叠实施例1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而形成的结构。此外，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是前面照射型摄像元件，并且该摄像元件具有通过层叠实施例1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而形成的结构。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。可替代地，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面照射型摄像元件，并且所述摄像元件由实施例1的第一类第一摄像元件构成。此外，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面照射型摄像元件，并且所述摄像元件由实施例1的第一类第一摄像元件构成。这里，第一摄像元件由三种摄像元件构成，所述三种摄像元件是：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，根据本发明的第一方面的固态摄像装置由多个上述摄像元件构成。能够引用拜耳阵列作为多个摄像元件的布置。在各摄像元件的光入射侧，根据需要设置用于对蓝色、绿色和红色进行分光的彩色滤光片层。
代替设置实施例1的包括电荷累积电极的一个第一类型光电转换单元的是，能够采用层叠两个第一类型光电转换单元(即，层叠各自包括电荷累积电极的两个光电转换单元，并且这两个光电转换单元的控制单元设置在半导体基板上)的形态，或者能够采用层叠三个第一类型光电转换单元(即，层叠各自包括电荷累积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)的形态。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。此外，图22示出了实施例4的摄像元件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与电荷累积电极24之间，与第一电极21和电荷累积电极24分开布置着，并隔着绝缘层82面对着无机氧化物半导体材料层23B。传输控制电极25通过形成于层间绝缘层81中的连接孔68B、垫部68A、以及布线VOT连接到构成驱动电路的像素驱动电路。注意，为了简化附图，为了方便起见，位于层间绝缘层81下方的各种摄像元件构成要素统一由附图标记13表示。
在下文中，参考图20和图21，将说明实施例4的摄像元件(第一摄像元件)的操作。注意，对于图20和图21，施加到电荷累积电极24的电位值和点PD处的电位特别地不同。
在电荷累积时段中，驱动电路将电位V11施加到第一电极21，将电位V12施加到电荷累积电极24，并将电位V13施加到传输控制电极25。通过入射到光电转换层23A上的光，在光电转换层23A中发生光电转换。通过光电转换产生的空穴从第二电极22通过布线VOU传输到驱动电路。与此同时，第一电极21的电位被设得高于第二电极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，满足V12>V13(例如，V12>V11>V13或V11>V12>V13)。结果，通过光电转换产生的电子被吸引到电荷累积电极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。由于满足V12>V13，因此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等的面向电荷累积电极24的区域中的电位变为更负的值。
在电荷累积时段的后期，执行复位操作。结果，复位了第一浮动扩散层FD1的电位，并且第一浮动扩散层FD1的电位变为电源的电位VDD。
在复位操作完成之后，读出电荷。即，在电荷传输时段中，驱动电路将电位V21施加到第一电极21，将电位V22施加到电荷累积电极24，并将电位V23施加到传输控制电极25。这里，满足V22≤V23≤V21(优选地，V22<V23<V21)。在将电位V13施加到传输控制电极25的情况下，仅需要满足V22≤V13≤V21(优选地，V22<V13<V21)。结果，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积电极24的区域中停止的电子被可靠地读出到第一电极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。
以这种方式，完成了包括电荷累积、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的操作与常规的这些晶体管的操作相同。此外，例如，第二摄像元件和第三摄像元件的包括电荷累积、复位操作和电荷传输的一系列操作与常规的包括电荷累积、复位操作和电荷传输的一系列操作相同。
图24示出了用于构成实施例4的摄像元件的变形例的第一电极和电荷累积电极以及用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图，复位晶体管TR1rst的另一个源极/漏极区51B可以不是连接到电源VDD，而是接地。
[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涉及本发明的包括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电极的光电转换单元的第一电极、电荷累积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和电荷累积电极24都分开布置着。这里，电荷排出电极26被布置成围绕第一电极21和电荷累积电极24(即，呈框架形状)。电荷排出电极26连接到构成驱动电路的像素驱动电路。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在形成于绝缘层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，在电荷累积时段中，驱动电路将电位V11施加到第一电极21，将电位V12施加到电荷累积电极24，并将电位V14施加到电荷排出电极26，而且电荷被累积于无机氧化物半导体材料层23B等中。通过入射到光电转换层23A上的光，在光电转换层23A中发生光电转换。通过光电转换产生的空穴从第二电极22通过布线VOU送出到驱动电路。与此同时，第一电极21的电位被设得高于第二电极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，满足V14>V11(例如，V12>V14>V11)。结果，通过光电转换产生的电子被吸引到电荷累积电极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电极24的电子，或无法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送出到驱动电路。
在电荷累积时段的后期，执行复位操作。结果，复位了第一浮动扩散层FD1的电位，并且第一浮动扩散层FD1的电位变为电源的电位VDD。
在复位操作完成之后，读出电荷。即，在电荷传输时段中，驱动电路将电位V21施加到第一电极21，将电位V22施加到电荷累积电极24，并将电位V24施加到电荷排出电极26。这里，满足V24<V21(例如，V24<V22<V21)。结果，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积电极24的区域中停止的电子被可靠地读出到第一电极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。
以这种方式，完成了包括电荷累积、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的操作与这些晶体管的常规操作相同。此外，例如，第二摄像元件和第三摄像元件的包括电荷累积、复位操作和电荷传输的一系列操作与常规的包括电荷累积、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被送出到驱动电路。因此，能够抑制电子泄漏到相邻像素的电荷累积部，并且能够抑制高光溢出(blooming)的发生。另外，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涉及本发明的包括多个电荷累积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的摄像元件的用于构成包括电荷累积电极的光电转换单元的第一电极和电荷累积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。此外，图34示出了实施例6的摄像元件的用于构成包括电荷累积电极的光电转换单元的第一电极和电荷累积电极的示意性布局图。图35示出了第一电极、电荷累积电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。
在实施例6中，电荷累积电极24包括多个电荷累积电极区段24A、24B和24C。电荷累积电极区段的数量只需要在2以上，并且在实施例6中该数量被设为“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。因此，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。另外，在电荷传输时段中，施加到位于离第一电极21最近的位置的电荷累积电极区段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电极区段24C的电位。以这种方式，通过向电荷累积电极24赋予电位梯度，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积电极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，在电荷传输时段中，由于满足电荷累积电极区段24C的电位<电荷累积电极区段24B的电位<电荷累积电极区段24A的电位，在无机氧化物半导体材料层23B等的区域中停止的电子一起全部被读出到第一浮动扩散层FD1。与此同时，在图33所示的示例中，在电荷传输时段中，通过逐渐改变电荷累积电极区段24C的电位、电荷累积电极区段24B的电位、和电荷累积电极区段24A的电位(即，通过以阶梯形状或斜坡形状改变电荷累积电极区段24C的电位、电荷累积电极区段24B的电位、和电荷累积电极区段24A的电位)，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积电极区段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等的面向电荷累积电极区段24B的区域。随后，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积电极区段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等的面向电荷累积电极区段24A的区域。随后，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积电极区段24A的区域中停止的电子被可靠地读出到第一浮动扩散层FD1。
图36示出了用于构成实施例6的摄像元件的变形例的第一电极和电荷累积电极以及用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图，复位晶体管TR1rst的另一个源极/漏极区51B可以不是连接到电源VDD，而是接地。
[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示出了通过放大有电荷累积电极、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部分而获得的示意性局部横截面图。实施例7的摄像元件等的等效电路图与图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的摄像元件的用于构成包括电荷累积电极的光电转换单元的第一电极和电荷累积电极以及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个(其中，N≥2)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)，
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，电荷累积电极24包括N个电荷累积电极区段(具体地，每个实施例中的三个电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3)，
在实施例10和11中，以及在某些情况下在实施例9中，电荷累积电极24包括彼此分开布置着的N个电荷累积电极区段(具体地，三个电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3)，
第n个(其中，n＝1,2,3...N)光电转换单元区段10'n包括第n个电荷累积电极区段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
n值越大的光电转换单元区段离第一电极21越远。这里，光电转换层区段23'1、23'2和23'3表示通过层叠无机氧化物半导体材料层和光电转换层而形成的区段，并且在附图中，为了简化附图，该区段由一层表示。这也适用于以下说明。
注意，在光电转换层区段中，通过改变光电转换层部分的厚度，并且保持无机氧化物半导体材料层部分的厚度不变，可以改变光电转换层区段的厚度。此外，通过保持光电转换层部分的厚度不变，并且改变无机氧化物半导体材料层部分的厚度，可以改变光电转换层区段的厚度。此外，通过改变光电转换层部分的厚度，并且改变无机氧化物半导体材料层部分的厚度，可以改变光电转换层区段的厚度。
可替代地，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，其是通过层叠第一电极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而形成的。
光电转换单元还包括电荷累积电极24，所述电荷累积电极24与第一电极21分开布置着，并且隔着绝缘层82面向无机氧化物半导体材料层23B。
如果将电荷累积电极24、绝缘层82、无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A的层叠方向定义为Z方向，并且将与第一电极21分离的方向定义为X方向，则当把有电荷累积电极24、绝缘层82、无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A层叠着的层叠部分用YZ假想平面切开时，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。可替代地，在实施例7的摄像元件中，层叠部分的横截面的宽度是一定的，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的厚度是一定的。当第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”时，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)的厚度的实例包括2至10，但是该值不限于上述这些值。在实施例7中，通过逐渐减小电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3的厚度，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的厚度是一定的。
在下文中，将说明实施例7的摄像元件的操作。
在电荷累积时段中，驱动电路将电位V11施加到第一电极21，并将电位V12施加到电荷累积电极24。通过入射到光电转换层23A上的光，在光电转换层23A中发生光电转换。通过光电转换产生的空穴从第二电极22通过布线VOU传输出到驱动电路。与此同时，第一电极21的电位被设得高于第二电极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，满足V12≥V11，优选地，满足V12>V11。结果，通过光电转换产生的电子被吸引到电荷累积电极24，并且电子停止在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积电极24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。由于满足V12>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，采用其中绝缘层区段的厚度逐渐增加的构造。因此，当在电荷累积时段中达到了|V12|≥|V11|的状态时，第n个光电转换单元区段10'n能够比第(n+1)个光电转换单元区段10'(n+1)累积更多的电荷，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，并且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。
在电荷累积时段的后期，执行复位操作。结果，复位了第一浮动扩散层FD1的电位，并且第一浮动扩散层FD1的电位变为电源的电位VDD。
在复位操作完成之后，读出电荷。即，在电荷传输时段中，驱动电路将电位V21施加到第一电极21，并且将电位V22施加到电荷累积电极24。这里，满足V21>V22。结果，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积电极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，当在电荷传输时段中达到了V21>V22的状态时，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，完成了包括电荷累积、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。可替代地，当把有电荷累积电极、绝缘层、无机氧化物半导体材料层和光电转换层层叠着的层叠部分用YZ假想平面切开时，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，并且能够更容易且更可靠地传输通过光电转换而产生的电荷。
由于实施例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，因此省略其详细说明。
注意，在实施例7的摄像元件中，在形成第一电极21、电荷累积电极24和绝缘层82时，首先，在层间绝缘层81上形成用于形成电荷累积电极24'3的导电材料层。使导电材料层图案化，并将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。因此，能够获得第一电极21的一部分和电荷累积电极24'3。接下来，在整个表面上形成用于形成绝缘层区段82'3的绝缘层。使绝缘层图案化，并使绝缘层变平坦化以获得绝缘层区段82'3。接下来，在整个表面上形成用于形成电荷累积电极24'2的导电材料层。使导电材料层图案化，并将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。因此，能够获得第一电极21的一部分和电荷累积电极24'2。接下来，在整个表面上形成用于形成绝缘层区段82'2的绝缘层。使绝缘层图案化，并使绝缘层变平坦化以获得绝缘层区段82'2。接下来，在整个表面上形成用于形成电荷累积电极24'1的导电材料层。使导电材料层图案化，并使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。因此，能够获得第一电极21和电荷累积电极24'1。接下来，在整个表面上形成绝缘层。使绝缘层变平坦化以获得绝缘层区段82'1(绝缘层82)。然后，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。
图39示出了用于构成实施例7的摄像元件的变形例的第一电极和电荷累积电极以及用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图，复位晶体管TR1rst的另一个源极/漏极区51B可以不是连接到电源VDD，而是接地。
[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。图40示出了其中电荷累积电极、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被放大的示意性局部横截面图，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。可替代地，在实施例8的摄像元件中，层叠部分的横截面的宽度是一定的，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的厚度是一定的。当第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”时，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)的厚度的实例包括2至10，但是不限于上述这些值。在实施例8中，通过逐渐减小电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3的厚度，来逐渐增加光电转换层区段23'1、23'2和23'3的厚度。绝缘层区段82'1、82'2和82'3的厚度是一定的。此外，在电转换层区段中，例如，并保持无机氧化物半导体材料层部分的厚度不变，仅需要通过改变光电转换层部分的厚度，来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，当在电荷累积时段中达到了|V12|≥|V11|的状态时，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，并且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。然后，当在电荷传输时段中达到了V22<V21的状态时，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。可替代地，当把有电荷累积电极、绝缘层、无机氧化物半导体材料层、和光电转换层层叠着的层叠部分用YZ假想平面切开时，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，并且能够更容易且更可靠地传输通过光电转换产生的电荷。
在实施例8的摄像元件中，在形成第一电极21、电荷累积电极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上形成用于形成电荷累积电极24'3的导电材料层。使导电材料层图案化，并将该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。因此，能够获得第一电极21的一部分和电荷累积电极24'3。随后，在整个表面上形成用于形成电荷累积电极24'2的导电材料层。使导电材料层图案化，并将该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。因此，能够获得第一电极21的一部分和电荷累积电极24'2。随后，在整个表面上形成用于形成电荷累积电极24'1的导电材料层。使导电材料层图案化，并将该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。因此，能够获得第一电极21和电荷累积电极24'1。接下来，在整个表面上将绝缘层82共形地成膜。然后，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，并使光电转换层23A平坦化。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是不同的。这里，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，用于构成绝缘层区段的材料的相对介电常数值逐渐减小。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个电荷累积电极区段，或者可以将不同的电位施加到N个电荷累积电极区段中的各者。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电极区段24'1、24'2和24'3仅需要通过垫部641、642和643连接到构成驱动电路的垂直驱动电路112。
此外，通过采用上述构造，形成了一种电荷传输梯度。在电荷累积时段中，当达到了V12≥V11的状态时，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累积更多的电荷。此外，当在电荷传输时段中达到了V22<V21的状态时，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，对于相邻的光电转换单元区段，用于构成电荷累积电极区段的材料是不同的。这里,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，用于构成绝缘层区段的材料的功函数值逐渐增大。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个电荷累积电极区段，或者可以将不同的电位施加到N个电荷累积电极区段中的各者。在后一种情况下，电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3通过垫部641、642和643连接到构成驱动电路的垂直驱动电路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的摄像元件的用于构成包括电荷累积电极的光电转换单元的第一电极和电荷累积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，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，电荷累积电极区段的面积逐渐减小。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个电荷累积电极区段，或者可以将不同的电位施加到N个电荷累积电极区段中的各者。具体地，如实施例10中所述，彼此分开设置的电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3仅需要通过垫部641、642和643连接到构成驱动电路的垂直驱动电路112。
在实施例11中，电荷累积电极24包括多个电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3。电荷累积电极区段的数量只需要在2以上，并且该数量在实施例11中被设为“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。因此，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，在电荷传输时段中，施加到位于离第一电极21最近的位置的电荷累积电极区段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电极区段24'3的电位。以这种方式，通过向电荷累积电极24赋予电位梯度，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积电极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，在电荷传输时段中，通过满足：电荷累积电极区段24'3的电位<电荷累积电极区段24'2的电位<电荷累积电极区段24'1的电位，在无机氧化物半导体材料层23B等的区域中停止的电子能够一起全部被读出到第一浮动扩散层FD1。可替代地，在电荷传输时段中，通过逐渐改变电荷累积电极区段24'3的电位、电荷累积电极区段24'2的电位、和电荷累积电极区段24'1的电位(即，通过以阶梯形状或斜坡形状的方式改变电荷累积电极区段24'3的电位、电荷累积电极区段24'2的电位、和电荷累积电极区段24'1的电位)，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积电极区段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等的面向电荷累积电极区段24'2的区域。随后，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积电极区段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等的面向电荷累积电极区段24'1的区域。随后，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积电极区段24'1的区域中停止的电子能够被可靠地读出到第一浮动扩散层FD1。
图46示出了用于构成实施例11的摄像元件的变形例的第一电极和电荷累积电极以及用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图，复位晶体管TR3rst的另一个源极/漏极区51B可以不是连接到电源VDD，而是接地。
同样在实施例11的摄像元件中，通过采用上述构造，形成了一种电荷传输梯度。即，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，电荷累积电极区段的面积逐渐减小。因此，当在电荷累积时段中达到了V12≥V11的状态时，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累积更多的电荷。此外，当在电荷传输时段中达到了V22<V21的状态时，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。此外，图48A和图48B示出了实施例12中的电荷累积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，所述光电转换单元是通过层叠第一电极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而形成的。光电转换单元还包括电荷累积电极24(24″1、24″2和24″3)，所述电荷累积电极24与第一电极21分开布置着，并隔着绝缘层82面向无机氧化物半导体材料层23B。另外，如果将电荷累积电极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的层叠方向定义为Z方向，并将从第一电极21离开的方向定义为X方向，则当把有电荷累积电极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层叠着的层叠部分用YZ假想平面切开时，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一定的，并且层叠部分的横截面的宽度随着该层叠部分从第一电极21的远离而变窄。注意，上述宽度可以连续变窄(见图48A)，或者可以呈阶梯状变窄(见图48B)。
以这种方式，在实施例12的摄像元件中，当把有电荷累积电极24(24″1、24″2和24″3)、绝缘层82、和光电转换层23A层叠着的层叠部分用YZ假想平面切开时，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，并且能够更容易且更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，其是通过层叠第一电极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而形成的。
实施例13的固态摄像装置包括多个摄像元件，在每个摄像元件中，光电转换单元还包括电荷累积电极24，所述电荷累积电极24与第一电极21分开布置着，并隔着绝缘层82面向无机氧化物半导体材料层23B。
多个摄像元件构成摄像元件区块。
第一电极21由构成摄像元件区块的多个摄像元件共用。
可替代地，实施例13的固态摄像装置包括多个如实施例1～12中所述的摄像元件。
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，通过适当地控制电荷传输时段的时序，多个摄像元件能够共用一个浮动扩散层。另外，在这种情况下，多个摄像元件能够共用一个接触孔部。
注意，除了构成摄像元件区块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和电荷累积电极24的布置状态。图49、50、53和54示出了16个摄像元件，并且图51和52分别示出了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。附于第一电极21和电荷累积电极24的下标被示出用于分别区分第一电极21和电荷累积电极24。这类似地适用于以下说明。此外，在一个摄像元件的上方布置有一个芯片上微透镜(图49～图58未示出)。另外，在一个摄像元件区块中，以将第一电极21插入到两个电荷累积电极24之间的方式来设置这两个电荷累积电极24(见图49和图50)。可替代地，一个第一电极21被布置成面向并排排列的两个电荷累积电极24(见图53和图54)。即，第一电极被布置成与每个摄像元件的电荷累积电极都相邻。可替代地，第一电极与多个摄像元件的一些电荷累积电极相邻布置，并且不与多个摄像元件的剩余电荷累积电极相邻布置(见图51和图52)。在这种情况下，电荷从多个摄像元件的剩余摄像元件到第一电极的移动是通过多个摄像元件的一些摄像元件的移动。优选地，构成摄像元件的电荷累积电极与构成摄像元件的电荷累积电极之间的距离A比第一电极跟与第一电极相邻的摄像元件中的电荷累积电极之间的距离B长，以便确保电荷从每个摄像元件移动到第一电极。此外，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被设置在构成摄像元件区块的多个摄像元件与构成摄像元件区块的多个摄像元件之间。通过设置电荷移动控制电极27，可以可靠地抑制位于电荷移动控制电极27两边的摄像元件区块中的电荷的移动。注意，当施加到电荷移动控制电极27的电位被称为V17时，仅需要满足V12>V17。
电荷移动控制电极27可以在第一电极侧被形成在与第一电极21或电荷累积电极24相同的水平处，或者形成在与第一电极21或电荷累积电极24不同的水平处(具体地，比第一电极21或电荷累积电极24低的水平处)。在前一种情况下，由于能够缩短电荷移动控制电极27与光电转换层之间的距离，所以能够易于控制电位。与此同时，在后一种情况下，由于能够缩短电荷移动控制电极27与电荷累积电极24之间的距离，所以有利于微小化。
在下文中，将说明由第一电极212以及两个电荷累积电极2421和2422构成的摄像元件区块的操作。
在电荷累积时段中，驱动电路将电位Va施加到第一电极212，并将电位VA施加到电荷累积电极2421和2422。通过入射到光电转换层23A上的光，在光电转换层23A中产生光电转换。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。与此同时，第一电极212的电位被设得高于第二电极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，满足VA≥Va，优选地，满足VA>Va。结果，通过光电转换产生的电子被吸引到电荷累积电极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。由于满足VA≥Va，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等的面向电荷累积电极2421和2422的区域中的电位变为更负的值。
在电荷累积时段的后期，执行复位操作。结果，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变为电源的电位VDD。
在复位操作完成之后，读出电荷。即，在电荷传输时段中，驱动电路将电位Vb施加到第一电极212，将电位V21-B施加到电荷累积电极2421，并将电位V22-B施加到电荷累积电极2422。这里，满足V21-B<Vb<V22-B。结果，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积电极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等的面向电荷累积电极2421的区域中的电荷被读出到控制单元。当完成读出时，满足V22-B≤V21-B<Vb。注意，在图53和图54所示的示例中，可以满足V22-B<Vb<V21-B。结果，在无机氧化物半导体材料层23B等的面向电荷累积电极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等的面向电荷累积电极2422的区域中停止的电子可以通过与电荷累积电极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等的面向电荷累积电极2421的区域中的电荷的读出完成时，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出驱动示例。
通过以下步骤A至H，读出来自与电荷累积电极2421和电荷累积电极2422对应的两个摄像元件的信号。
[步骤-A]
将自动归零信号输入比较器
[步骤-B]
共用的一个浮动扩散层的复位操作
[步骤-C]
在与电荷累积电极2421对应的摄像元件中的P相读出、以及电荷向第一电极212移动
[步骤-D]
在与电荷累积电极2421对应的摄像元件中的D相读出、以及电荷向第一电极212移动
[步骤-E]
共用的一个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]
在与电荷累积电极2422对应的摄像元件中的P相读出、以及电荷向第一电极212移动
[步骤-H]
在与电荷累积电极2422对应的摄像元件中的D相读出、以及电荷向第一电极212移动
基于相关双采样(CDS)处理，[步骤-C]中的P相读出与[步骤-D]中的D相读出之间的差分是来自与电荷累积电极2421对应的摄像元件的信号，并且[步骤-G]中的P相读出与[步骤-H]中的D相读出之间的差分是来自与电荷累积电极2422对应的摄像元件的信号。
注意，可以省略[步骤-E]的操作(见图59B)。此外，可以省略[步骤-F]的操作。在这种情况下，能够进一步省略[步骤-G]的操作(见图59C)。[步骤-C]中的P相读出与[步骤-D]中的D相读出之间的差分是来自与电荷累积电极2421对应的摄像元件的信号。并且[步骤-D]中的D相读出与[步骤-H]中的D相读出之间的差分是来自与电荷累积电极2422对应的摄像元件的信号。
在示意性地示出第一电极21和电荷累积电极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，摄像元件区块包括4个摄像元件。这样的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。
在示意性地示出第一电极21和电荷累积电极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，摄像元件区块包括16个摄像元件。如图57和58所示，电荷移动控制电极27A1、27A2和27A3分别设置在电荷累积电极2411和电荷累积电极2412之间、电荷累积电极2412和电荷累积电极2413之间、以及电荷累积电极2413和电荷累积电极2414之间。此外，如图58所示，电荷移动控制电极27B1、27B2和27B3分别设置在电荷累积电极2421、2431和2441与电荷累积电极2422、2432和2442之间、电荷累积电极2422、2432和2442与电荷累积电极2423、2433和2443之间、以及电荷累积电极2423、2433和2443与电荷累积电极2424、2434和2444之间。此外，电荷移动控制电极27C设置在摄像元件区块与摄像元件区块之间。另外，在这些固态摄像装置中，通过控制16个电荷累积电极24，能够从第一电极21读出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读出累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2411的区域中的电荷。接下来，通过无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2411的区域从第一电极21读出累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2412的区域中的电荷。接下来，通过无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2412和电荷累积电极2411的区域从第一电极21读出累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2413的区域中的电荷。
[步骤-20]
随后，累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2412的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2411的区域。累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2422的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2412的区域。累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2423的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2413的区域。累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2424的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2414的区域。
[步骤-21]
累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2431的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2421的区域。累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2432的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2422的区域。累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2433的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2423的区域。累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2434的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2424的区域。
[步骤-22]
累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2441的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2431的区域。累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2442的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2432的区域。累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2443的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2433的区域。累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2444的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2434的区域。
[步骤-30]
然后，通过再次执行[步骤-10]，能够通过第一电极21读出累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2421的区域中的电荷、累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2422的区域中的电荷、累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2423的区域中的电荷、以及累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2424的区域中的电荷。
[步骤-40]
随后，累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2421的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2411的区域。累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2422的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2412的区域。累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2423的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2413的区域。累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2424的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2414的区域。
[步骤-41]
累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2431的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2421的区域。累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2432的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2422的区域。累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2433的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2423的区域。累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2434的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2424的区域。
[步骤-50]
然后，通过再次执行[步骤-10]，能够通过第一电极21读出累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2431的区域中的电荷、累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2432的区域中的电荷、累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2433的区域中的电荷、以及累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2434的区域中的电荷。
[步骤-60]
随后，累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2421的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2411的区域。累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2422的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2412的区域。累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2423的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2413的区域。累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2424的区域中的电荷移动到无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2414的区域。
[步骤-70]
然后，通过再次执行[步骤-10]，能够通过第一电极21读出累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2441的区域中的电荷、累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2442的区域中的电荷、累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2443的区域中的电荷、以及累积在无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极2444的区域中的电荷。
在实施例13的固态摄像装置中，由于第一电极由构成摄像元件区块的多个摄像元件共用，因此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微小化。注意，针对一个浮动扩散层设置的多个摄像元件可以由多个第一类型摄像元件构成，或者可以由至少一个第一类型摄像元件和一个以上的第二类型摄像元件构成。
[实施例14]
实施例14是实施例13的变形。在示意性地示出第一电极21和电荷累积电极24的布置状态的图60、61、62和63所示的实施例14的固态摄像装置中，摄像元件区块包括两个摄像元件。另外，在摄像元件区块的上方设置有一个芯片上微透镜14。注意，在图61和63所示的示例中，电荷移动控制电极27设置在构成摄像元件区块的多个摄像元件之间。
例如，与构成摄像元件区块的电荷累积电极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。此外，与构成摄像元件区块的电荷累积电极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，通过将包括电荷累积电极2411的摄像元件和包括电荷累积电极2412的摄像元件组合，能够获取像面相位差信号。此外，如果将来自包括电荷累积电极2411的摄像元件的信号与来自包括电荷累积电极2412的摄像元件的信号进行加算，则一个摄像元件能够由与这些摄像元件的组合构成。在图60所示的示例中，第一电极211设置在电荷累积电极2411与电荷累积电极2412之间。然而，如图62所示的示例中那样，通过将一个第一电极211设置成面向并排布置的两个电荷累积电极2411和2412，能够进一步提高灵敏度。
至此，已经基于优选的实施例说明了本发明。然而，本发明不限于上述这些实施例。实施例中所述的摄像元件、层叠式摄像元件、和固态摄像装置的结构和构造、制造条件、制造方法和使用的材料都是说明性的，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。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。
在某些情况下，也能够共用浮动扩散层FD1、FD2、FD3、51C、45C和46C。
例如，图64示出了实施例1中所述的摄像元件的变形例，第一电极21能够在形成于绝缘层82中的开口部85A中延伸，并连接到无机氧化物半导体材料层23B。
可替代地，例如，图65示出了实施例1中所述的摄像元件等的变形例，图66A示出了第一电极部分等的放大示意性局部横截面图，第一电极21的顶面的边缘被绝缘层82覆盖，并且第一电极21在开口部85B的底面处暴露出来，并且当将绝缘层82的与第一电极21的顶面接触的表面称为第一表面82a，并将绝缘层82的与无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极24的部分接触的表面称为第二表面82b时，开口部85B的侧表面具有从第一表面82a朝着第二表面82b加宽的斜面。以这种方式，通过使开口部85B的侧表面倾斜，电荷从无机氧化物半导体材料层23B向第一电极21的移动变得更顺滑。注意，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。然而，如图66B所示，开口部85C可以这样形成：开口部85C的具有从第一表面82a朝着第二表面82b加宽的斜面的侧表面被设置在电荷累积电极侧。结果，电荷难以从无机氧化物半导体材料层23B的跨过开口85C与电荷累积电极24相反侧的部分移动。此外，开口部85B的侧表面具有从第一表面82a朝着第二表面82b加宽的倾斜度。然而，第二表面82b中的开口部85B的侧表面的边缘可以如图66A所示，位于第一电极21的边缘的外侧，或者可以如图66C所示，位于第一电极21的边缘的内侧。通过采用前一种构造，进一步使得电荷的传输更容易。通过采用后一种构造，能够减少在形成开口部时形状的差异。
这些开口部85B和85C能够按如下方式而被形成：对当基于蚀刻方法在绝缘层中形成开口部时形成的由抗蚀剂材料形成的蚀刻掩模进行回流处理，致使该蚀刻掩模的开口侧面倾斜，并且使用该蚀刻掩模来蚀刻绝缘层82。
可替代地，关于实施例5中所述的电荷排出电极26，如图67所示，能够采用如下形态：其中，无机氧化物半导体材料层23B在形成于绝缘层82中的第二开口部86A中延伸，并连接到电荷排出电极26，所述电荷排出电极26的顶面的边缘被绝缘层82覆盖，并且电荷排出电极26在第二开口部86A的底面处暴露出来，并且当将绝缘层82的与电荷排出电极26的顶面接触的表面称为第三表面82c，将绝缘层82的与无机氧化物半导体材料层23B的面向电荷累积电极24的部分接触的表面称为第二表面82b时，第二开口部86A的侧表面具有从第三表面82c朝着第二表面82b加宽的倾斜度。
此外，例如，图68示出了实施例1中所述的摄像元件和层叠式摄像元件的变形例，能够采用如下构造：其中，光从第二电极22侧入射，并且遮光层15形成在第二电极22的光入射侧。注意，设置于光电转换层的光入射侧的各种布线能够用作遮光层。
注意，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，遮光层15形成在第二电极22的光入射侧且位于第一电极21的上方。然而，如图69所示，遮光层15还可以设置在第二电极22的光入射侧的表面上。此外，如图70所示，在某些情况下，遮光层15可以形成在第二电极22中。
可替代地，能够采用如下结构：其中，光从第二电极侧入射，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形成在第二电极22的光入射侧且位于第一电极21的上方。可替代地，如图72所示，能够采用如下结构：其中，芯片上微透镜14设置在电荷累积电极24和第二电极22的上方，并且入射到芯片上微透镜14上的光由电荷累积电极24收集，并且该光不会到达第一电极21。注意，如实施例4中所述的那样，在设置有传输控制电极25的情况下，能够采用如下结构：其中，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能够形成在第一电极21和传输控制电极25的上方。可替代地，能够采用如下结构：其中，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。
通过采用上述那些构造和结构，或者可替代地，通过设置遮光层15而使得光仅入射到位于电荷累积电极24的上方的光电转换层23A的一部分上，或者可替代地，通过设计芯片上微透镜14，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，能够更可靠地将所有像素一起复位，并且能够更容易地实现全局快门功能。即，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，顺序地在各摄像元件中读出传输到第一电极21的电荷。
在固态摄像装置的上述驱动方法中，各摄像元件具有如下结构：其中，从第二电极侧入射的光不会入射到第一电极上，并且在所有摄像元件中，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，能够可靠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，并且在完成传输之后，顺序地在各摄像元件中读出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，作为实施例4的变形例，如图73所示，可以从离第一电极21最近的位置朝着电荷累积电极24设置有多个传输控制电极。注意，图73示出了设置有两个传输控制电极25A和25B的示例。另外，能够采用如下结构：其中，芯片上微透镜14设置在电荷累积电极24和第二电极22的上方，并且入射到芯片上微透镜14上的光由电荷累积电极24收集，并且该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，通过逐渐减小电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3的厚度，来逐渐增加绝缘层区段82'1、82'2和82'3的厚度。与此同时，图74示出了通过放大实施例7的变形例中的有电荷累积电极、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部分而获得的示意性局部横截面图，电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3的厚度可以是一定的，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的厚度是一定的。
此外，在图40所示的实施例8中，通过逐渐减小电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3的厚度，来逐渐增加光电转换层区段23'1、23'2和23'3的厚度。与此同时，图75示出了通过放大实施例8的变形例中的有电荷累积电极、光电转换层、和第二电极层叠着的部分而获得的示意性局部横截面图，通过使电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3的厚度是一定的，并且逐渐减小绝缘层区段82'1、82'2和82'3的厚度，可以逐渐增加光电转换层区段23'1、23'2和23'3的厚度。
不言而喻，上述各种变形例也能够应用于实施例2～14。
在实施例中，已经将本发明应用于CMOS式固态摄像装置的情况作为示例进行了说明，在所述CMOS式固态摄像装置中，将与入射光量对应的信号电荷作为物理量进行检测的单位像素以矩阵方式布置。然而，本发明不限于CMOS式固态摄像装置的应用，并且本发明还能够应用于CCD式固态摄像装置。在后一种情况下，具有CCD式结构的垂直传输寄存器在垂直方向上传输信号电荷，水平传输寄存器在水平方向上传输信号电荷，并且该信号电荷被放大，并输出像素信号(图像信号)。此外，本发明不限于普通的列式固态摄像装置，在所述列式固态摄像装置中，像素以二维矩阵的方式形成，并且针对每个像素列设置列信号处理电路。此外，在某些情况下，能够省略选择晶体管。
此外，本发明的摄像元件和层叠式摄像元件不限于如下固态摄像装置的应用，所述固态摄像装置用于检测可见光的入射光量的分布并将该分布描绘为图像，但是本发明的摄像元件和层叠式摄像元件还能够应用于如下固态摄像装置：所述固态摄像装置用于将红外线、X射线、和粒子等的入射量的分布描绘为图像。此外，从广义上讲，本发明能够应用于普通的用于检测其他物理量(例如，压力和电容)的分布并将该物理量成像为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，本发明不限于以行为单位顺序扫描摄像区域的各单位像素并从各单位像素读出像素信号的固态摄像装置。本发明还能够应用于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以像素为单位地选择任意像素，并且从所选的像素中以像素为单位地读出像素信号。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形式，其中，摄像区域和驱动电路或光学系统被封装在一起。
此外，本发明不限于固态摄像装置的应用，而且还能够应用于摄像装置。这里，摄像装置指的是相机系统(例如，数码相机或数码摄像机)，或者具有摄像功能的电子设备(例如手机)。有时将安装在电子设备上的模块形式(即，相机模块)用作摄像装置。
图78作为概念图示出了其中将包括本发明的摄像元件和层叠式摄像元件的固态摄像装置201用于电子设备(相机)200的示例。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把自被摄体的像光(入射光)在固态摄像装置201的摄像表面上成像。结果，在固态摄像装置201中，信号电荷累积一段时间。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。利用从从驱动电路212提供的驱动信号(时序信号)，固态摄像装置201进行信号传送。信号处理电路213执行各种信号处理。已经经过了信号处理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。在这样的电子设备200中，能够使得固态摄像装置201的像素尺寸变得微小化，并且能够提高传输效率，因此，能够得到改善了像素特性的电子设备200。能够应用固态摄像装置201的电子设备200不限于相机，并且固态摄像装置201能够应用于诸如数码相机、或移动装置(例如手机)的相机模块等摄像装置。
注意，本发明能够具有如下构造。
[A01]<<摄像元件>>
一种摄像元件，包括光电转换单元，所述光电转换单元是通过把第一电极、光电转换层和第二电极层叠起来而形成的，其中，
在所述第一电极与所述光电转换层之间，无机氧化物半导体材料层以与所述光电转换层接触的方式形成，
所述光电转换单元还包括绝缘层和电荷累积电极，所述电荷累积电极与所述第一电极分开设置着，并隔着所述绝缘层面对着所述无机氧化物半导体材料层，
构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的功函数值在4.5eV以下，并且
通过从构成所述第二电极的材料的功函数值减去构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的功函数值而获得的值超过0.2eV。
[A02]根据[A01]所述的摄像元件，其中，通过从构成所述光电转换层的位于所述无机氧化物半导体材料层附近的一部分的材料的LUMO值减去构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值而获得的值在0eV以上。
[A03]根据[A02]所述的摄像元件，其中，通过从构成所述光电转换层的位于所述无机氧化物半导体材料层附近的一部分的材料的LUMO值减去构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值而获得的值小于0.2eV。
[A04]根据[A03]所述的摄像元件，其中，通过从构成所述光电转换层的位于所述无机氧化物半导体材料层附近的一部分的材料的LUMO值减去构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值而获得的值在0.1eV以下。
[A05]根据[A01]至[A04]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由与构成所述第一电极的材料相同的材料构成。
[A06]根据[A01]至[A05]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包含铟镓锌复合氧化物。
[A07]根据[A01]至[A05]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包含选自由铟、钨、锡和锌构成的群组中的至少两种元素。
[A08]根据[A07]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。
[A09]根据[A07]所述的摄像元件，其中，所述无机氧化物半导体材料层包含铟钨氧化物(IWO)、铟钨锌氧化物(IWZO)、铟锡锌氧化物(ITZO)或锌锡氧化物(ZTO)。
[A10]根据[A07]所述的摄像元件，其中，所述无机氧化物半导体材料层包含铟钨锌氧化物(IWZO)。
[A11]根据[A07]所述的摄像元件，其中，所述无机氧化物半导体材料层包含铟钨氧化物(IWO)。
[A12]根据[A01]至[A11]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3×10-8m至1.0×10-7m。
[A13]根据[A01]至[A12]中任一项所述的摄像元件，其中，构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的迁移率为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晶态的。
[A15]根据[A01]至[A14]中任一项所述的摄像元件，其中，
光从所述第二电极入射，
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处的所述无机氧化物半导体材料层的表面粗糙度Ra为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的值为2.5nm以下。
[A16]根据[A01]至[A15]中任一项所述的摄像元件，还包括半导体基板，其中，
所述光电转换单元设置在所述半导体基板的上方。
[A17]根据[A01]至[A16]中任一项所述的摄像元件，其中，所述第一电极在形成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。
[A18]根据[A01]至[A16]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在形成于所述绝缘层中的开口部中延伸，并连接到所述第一电极。
[A19]根据[A18]所述的摄像元件，其中，
所述第一电极的顶面的边缘被所述绝缘层覆盖，
所述第一电极在所述开口部的底面处暴露出来，并且
当将所述绝缘层的与所述第一电极的所述顶面接触的表面称为第一表面，并且将所述绝缘层的与所述无机氧化物半导体材料层的面对着所述电荷累积电极的部分接触的表面称为第二表面时，所述开口部的侧表面具有从所述第一表面朝着所述第二表面变宽的倾斜度。
[A20]根据[A19]所述的摄像元件，其中，具有从所述第一表面朝着所述第二表面变宽的倾斜度的所述开口部的所述侧表面位于所述电荷累积电极侧。
[A21]<<第一电极和电荷累积电极的电位控制>>
根据[A01]至[A20]中任一项所述的摄像元件，还包括控制单元，所述控制单元设置在所述半导体基板上，并具有驱动电路，其中
所述第一电极和所述电荷累积电极连接到所述驱动电路，
在电荷累积时段中，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电极，并且电荷累积于所述无机氧化物半导体材料层中，并且
在电荷传输时段中，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而被所述控制单元读出。
然而，所述第一电极的电位高于所述第二电极的电位，并且
满足V12≥V11且V22<V21。
[A22]<<传输控制电极>>
根据[A01]至[A21]中任一项所述的摄像元件，还包括设置于所述第一电极与所述电荷累积电极之间的传输控制电极，所述传输控制电极与所述第一电极和所述电荷累积电极分开布置着，并隔着所述绝缘层面对着所述无机氧化物半导体材料层。
[A23]<<第一电极、电荷累积电极和传输控制电极的电位控制>>
根据[A22]所述的摄像元件，还包括控制单元，所述控制单元设置于半导体基板上，并具有驱动电路，其中
所述第一电极、所述电荷累积电极和所述传输控制电极连接到所述驱动电路，
在电荷累积时段中，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电极，并且将电位V13施加到所述传输控制电极，并且电荷累积于所述无机氧化物半导体材料层中，并且
在电荷传输时段中，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电极，并且将电位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读出到所述控制单元。
然而，所述第一电极的电位高于所述第二电极的电位，并且
满足V12>V13且V22≤V23≤V21。
[A24]<<电荷排出电极>>
根据[A01]至[A23]中任一项所述的摄像元件，还包括电荷排出电极，所述电荷排出电极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电极分开设置着。
[A25]根据[A24]所述的摄像元件，其中，所述电荷排出电极被设置成围绕所述第一电极和所述电荷累积电极。
[A26]根据[A24]或[A25]所述的摄像元件，其中，
所述无机氧化物半导体材料层在形成于所述绝缘层上的第二开口部中延伸，以连接到所述电荷排出电极，
所述电荷排出电极的顶面的边缘被所述绝缘层覆盖，
所述电荷排出电极在所述第二开口部的底面处暴露出来，并且
当将所述绝缘层的与所述电荷排出电极的所述顶面接触的表面称为第三表面，并且将所述绝缘层的与所述无机氧化物半导体材料层的面对着所述电荷累积电极的部分接触的表面称为第二表面时，所述第二开口部的侧表面具有从所述第三表面朝着所述第二表面变宽的倾斜度。
[A27]<<第一电极、电荷累积电极和电荷排出电极的电位控制>>
根据[A24]至[A26]中任一项所述的摄像元件，还包括控制单元，所述控制单元设置在半导体基板上，并具有驱动电路，其中
所述第一电极、所述电荷累积电极和所述电荷排出电极连接到所述驱动电路，
在电荷累积时段中，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电极，并且将电位V14施加到所述电荷排出电极，并且电荷累积于所述无机氧化物半导体材料层中，并且
在电荷传输时段中，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电极，并且将电位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读出到所述控制单元。
然而，所述第一电极的电位高于所述第二电极的电位，并且
满足V14≥V11且V24<V21。
[A28]<<电荷累积电极区段>>
根据[A01]至[A27]中任一项所述的摄像元件，其中，所述电荷累积电极包括多个电荷累积电极区段。
[A29]根据[A28]所述的摄像元件，其中
在所述第一电极的电位高于所述第二电极的电位的情况下，在电荷传输时段中，施加到离所述第一电极最近的电荷累积电极区段的电位高于施加到离所述第一电极最远的电荷累积电极区段的电位，并且
在所述第一电极的电位低于所述第二电极的电位的情况下，在所述电荷传输时段中，施加到离所述第一电极最近的电荷累积电极区段的电位低于施加到离所述第一电极最远的电荷累积电极区段的电位。
[A30]根据[A01]至[A29]中任一项所述的摄像元件，其中，
光从所述第二电极入射，
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处的所述无机氧化物半导体材料层的表面粗糙度Ra为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的值为2.5nm以下。
[A31]根据[A01]至[A30]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相对于波长为400nm至660nm的光的光透过率在65％以上。
[A32]根据[A01]至[A31]中任一项所述的摄像元件，其中，所述电荷累积电极相对于波长为400nm至660nm的光的光透过率在65％以上。
[A33]根据[A01]至[A32]中任一项所述的摄像元件，其中，所述电荷累积电极的薄层电阻值为3×10Ω/□至1×103Ω/□。
[A34]根据[A01]至[A33]中任一项所述的摄像元件，其中，
在所述半导体基板上，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
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。
[A35]根据[A34]所述的摄像元件，其中
在所述半导体基板上，进一步设置有构成所述控制单元的复位晶体管和选择晶体管，
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，并且
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。
[A36]根据[A01]至[A35]中任一项所述的摄像元件，其中，所述电荷累积电极大于所述第一电极。
[A37]根据[A01]至[A36]中任一项所述的摄像元件，其中，光从所述第二电极侧入射，并且在所述第二电极的光入射侧形成有遮光层。
[A38]根据[A01]至[A36]中任一项所述的摄像元件，其中，光从所述第二电极侧入射，并且光不入射到所述第一电极上。
[A39]根据[A38]所述的摄像元件，其中，遮光层形成在所述第二电极的所述光入射侧，并位于所述第一电极的上方。
[A40]根据[A38]所述的摄像元件，其中，
芯片上微透镜设置在所述电荷累积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电极收集。
[A41]<<摄像元件：第一构造>>
根据[A01]至[A40]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，
所述电荷累积电极包括N个电荷累积电极区段，
第n个(其中，n＝1,2,3,...N)光电转换单元区段包括第n个电荷累积电极区段、第n个绝缘层区段、和第n个光电转换层区段，
n值越大的光电转换单元区段离所述第一电极越远，并且
从第一个光电转换单元区段到第N个光电转换单元区段，所述绝缘层区段的厚度是逐渐变化的。
[A42]<<摄像元件：第二构造>>
根据[A01]至[A40]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，
所述电荷累积电极包括N个电荷累积电极区段，
第n个(其中，n＝1,2,3,...N)光电转换单元区段包括第n个电荷累积电极区段、第n个绝缘层区段、和第n个光电转换层区段，
n值越大的光电转换单元区段离所述第一电极越远，并且
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。
[A43]<<摄像元件：第三构造>>
根据[A01]至[A40]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，
所述电荷累积电极包括N个电荷累积电极区段，
第n个(其中，n＝1,2,3,...N)光电转换单元区段包括第n个电荷累积电极区段、第n个绝缘层区段、和第n个光电转换层区段，
n值越大的光电转换单元区段离所述第一电极越远，并且
对于相邻的光电转换单元区段，构成绝缘层区段的材料是不同的。
[A44]<<摄像元件：第四构造>>
根据[A01]至[A40]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，
所述电荷累积电极包括彼此分开布置的N个电荷累积电极区段，
第n个(其中，n＝1,2,3,...N)光电转换单元区段包括第n个电荷累积电极区段、第n个绝缘层区段、和第n个光电转换层区段，
n值越大的光电转换单元区段离所述第一电极越远，并且
对于相邻的光电转换单元区段，构成电荷累积电极区段的材料是不同的。
[A45]<<摄像元件：第五构造>>
根据[A01]至[A40]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，
所述电荷累积电极包括彼此分开布置的N个电荷累积电极区段，
第n个(其中，n＝1,2,3,...N)光电转换单元区段包括第n个电荷累积电极区段、第n个绝缘层区段、和第n个光电转换层区段，
n值越大的光电转换单元区段离所述第一电极越远，并且
从第一个光电转换单元区段到第N个光电转换单元区段，电荷累积电极区段的面积逐渐减小。
[A46]<<摄像元件：第六构造>>
根据[A01]至[A40]中任一项所述的摄像元件，其中，如果将所述电荷累积电极、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定义为Z方向，并且将与所述第一电极分离的方向定义为X方向，则当把有所述电荷累积电极、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层叠着的层叠部分用YZ假想平面切开时，所述层叠部分的横截面积根据离所述第一电极的距离而变化。
[B01]<<层叠式摄像元件>>
一种层叠式摄像元件，包括至少一个根据[A01]至[A46]中任一项所述的摄像元件。
[C01]<<固态摄像装置：第一方面>>
一种固态摄像装置，包括多个根据[A01]至[A46]中任一项所述的摄像元件。
[C02]<<固态摄像装置：第二方面>>
一种固态摄像装置，包括多个根据[B01]所述的层叠式摄像元件。
[D01]<<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，所述光电转换单元是通过把第一电极、光电转换层和第二电极层叠起来而形成的，其中，
所述光电转换单元包括多个根据[A01]至[A46]中任一项所述的摄像元件，
所述多个摄像元件构成摄像元件区块，并且
所述第一电极由构成所述摄像元件区块的所述多个摄像元件共用。
[D02]<<固态摄像装置：第二构造>>
一种固态摄像装置，包括多个根据[A01]至[A46]中任一项所述的摄像元件，
所述多个摄像元件构成摄像元件区块，并且
所述第一电极由构成所述摄像元件区块的所述多个摄像元件共用。
[D03]根据[D01]或[D02]所述的固态摄像装置，其中，在一个所述摄像元件的上方设置有一个芯片上微透镜。
[D04]根据[D01]或[D02]所述的固态摄像装置，其中，
两个所述摄像元件构成摄像元件区块，并且
在所述摄像元件区块的上方设置有一个芯片上微透镜。
[D05]根据[D01]至[D04]中任一项所述的固态摄像装置，其中，针对所述多个摄像元件设置一个浮动扩散层。
[D06]根据[D01]至[D05]中任一项所述的固态摄像装置，其中，所述第一电极与每个所述摄像元件的所述电荷累积电极相邻设置。
[D07]根据[D01]至[D06]中任一项所述的固态摄像装置，其中，所述第一电极布置成与所述多个摄像元件中的一些电荷累积电极相邻，并且不与所述多个摄像元件中的剩余电荷累积电极相邻。
[D08]根据[D07]所述的固态摄像装置，其中，构成摄像元件的电荷累积电极与构成摄像元件的电荷累积电极之间的距离比与所述第一电极相邻的摄像元件中第一电极和电荷累积电极之间的距离长。
[E01]<<固态摄像装置的驱动方法>>
一种固态摄像装置的驱动方法，所述固态摄像装置包括多个根据[A01]至[A46]中任一项所述的摄像元件，每个所述摄像元件具有如下结构：其中，光从所述第二电极侧入射，并且光不入射到所述第一电极，其中
所述方法重复以下步骤：
在所有所述摄像元件中，在将电荷同时累积于所述无机氧化物半导体材料层中的时候，将所述第一电极中的电荷全部释放到系统的外部，然后
在所有所述摄像元件中，同时将累积于所述无机氧化物半导体材料层中的电荷传输到所述第一电极，在所述传输完成之后，顺序地读出各个所述摄像元件中的传输到所述第一电极的电荷。
附图标记列表
10'1,10'2,10'3 光电转换单元区段
13 位于层间绝缘层下方的各种摄像元件构成要素
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"3 电荷累积电极
24A,24B,24C,24'1,24'2,24'3 电荷累积电极区段
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 电荷传输控制电极
31,33,41,43 n型半导体区域
32,34,42,44,73 p+层
35,36,45,46 传输晶体管的栅极部
35C,36C 半导体基板的区域
36A 传输沟道
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(pad)部
65,68B 连接孔
66,67,69 连接部
70 半导体基板
70A 半导体基板的第一表面(前面)
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
82'1,82'2,82'3 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,TR2sel,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 (13)
1.一种摄像元件，包括光电转换单元，所述光电转换单元是通过把第一电极、光电转换层和第二电极层叠起来而形成的，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，所述无机氧化物半导体材料层与所述光电转换层接触，
所述光电转换单元还包括绝缘层和电荷累积电极，所述电荷累积电极与所述第一电极分开设置着，且所述电荷累积电极隔着所述绝缘层面对着所述无机氧化物半导体材料层，
构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的功函数值在4.5eV以下，并且
通过从构成所述第二电极的材料的功函数值减去构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的功函数值而获得的值超过0.2eV。
2.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，通过从构成所述光电转换层的位于所述无机氧化物半导体材料层附近的一部分的材料的LUMO值减去构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值而获得的值在0eV以上。
3.根据权利要求2所述的摄像元件，其中，通过从构成所述光电转换层的位于所述无机氧化物半导体材料层附近的一部分的材料的LUMO值减去构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值而获得的值小于0.2eV。
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由与构成所述第一电极的材料相同的材料构成。
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含铟镓锌复合氧化物。
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含选自由铟、钨、锡和锌构成的群组中的至少两种元素。
7.根据权利要求6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。
8.根据权利要求6所述的摄像元件，其中，所述无机氧化物半导体材料层包含铟钨氧化物(IWO)、铟钨锌氧化物(IWZO)、铟锡锌氧化物(ITZO)或锌锡氧化物(ZTO)。
9.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3×10-8m至1.0×10-7m。
10.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的迁移率为10cm2/V·s以上。
11.一种层叠式摄像元件，包括至少一个根据权利要求1～10中任一项所述的摄像元件。
12.一种固态摄像装置，包括多个根据权利要求1～10中任一项所述的摄像元件。
13.一种固态摄像装置，包括多个根据权利要求11所述的层叠式摄像元件。
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