CN111670500A - 摄像装置和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本技术涉及全局快门型的摄像装置，并且涉及能够抑制光电转换单元与保持从该光电转换单元传输来的电荷的元件之间的干扰的摄像装置和电子设备。摄像装置在其像素中包括：光电转换单元；电荷传输单元；电极，其用于将电荷从所述光电转换单元传输到所述电荷传输单元；电荷‑电压转换单元；以及电荷排出单元，其中，使所述电荷传输单元能够在第一传输方向上将电荷传输到所述电荷‑电压转换单元，并在第二传输方向上将电荷传输到所述电荷排出单元。本技术能够应用于例如全局快门型的CMOS图像传感器。

Description

摄像装置和电子设备
技术领域
本技术涉及摄像装置和电子设备，特别地，涉及与全局快门兼容的摄像装置和电子设备。
背景技术
CMOS图像传感器采用卷帘快门型或全局快门型。
在卷帘快门型的CMOS图像传感器中，以行为单位顺序地进行像素的曝光。即，在复位像素中的光电二极管的电荷并开始累积电荷之后的预定时间段之后，在不同时间以行为单位依次执行读取光电二极管中累积的电荷的操作。因此，由于各行的像素的曝光时间段不同，所以在快速移动的被摄体的图像中尤其会发生失真。
相比之下，在全局快门型的CMOS图像传感器中，所有像素的曝光被一起执行。例如，在全局快门型的CMOS图像传感器中，除了光电二极管之外，在每个像素中还设置有保持电荷的电荷保持单元。然后，在复位像素中的光电二极管的电荷并开始累积电荷之后的预定时间段之后，在所有像素中同时执行将光电二极管中累积的电荷读取到电荷保持单元的操作。然后，以行为单位依次读取保存(累积)在电荷保持单元中的电荷。因此，由于统一了各像素的曝光时间段，所以抑制了被摄体的图像的失真(例如，参见专利文献1)。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请特开第2004-111590号
发明内容
本发明要解决的问题
在全局快门型的CMOS图像传感器中，不同帧的电荷累积在光电二极管和电荷保持单元中。因此，如果发生干扰(即，从光电二极管和电荷保持单元中的一者溢出的电荷流入另一者的现象)，则图像质量下降。
本技术就是鉴于上述情形而做出的，并且本技术能够抑制光电转换单元(例如，光电二极管)与保持从该光电转换单元传输来的电荷的元件之间的干扰。
解决问题的技术方案
本技术的第一方面的摄像装置在其像素中包括：光电转换单元；电荷传输单元；第一电极，其用于将电荷从所述光电转换单元传输到所述电荷传输单元；电荷-电压转换单元；以及第一电荷排出单元。这里，使所述电荷传输单元能够在第一传输方向上将电荷传输到所述电荷-电压转换单元，并在第二传输方向上将电荷传输到所述第一电荷排出单元。
本技术的第二方面的电子设备包括：摄像装置；以及信号处理单元，其对从所述摄像装置输出的信号进行处理。这里，所述摄像装置在其像素中包括：光电转换单元；电荷传输单元；电极，其用于将电荷从所述光电转换单元传输到所述电荷传输单元；电荷-电压转换单元；以及电荷排出单元，并且使所述电荷传输单元能够在第一传输方向上将电荷传输到所述电荷-电压转换单元，并在第二传输方向上将电荷传输到所述电荷排出单元。
在本技术的第一方面中，将电荷从光电转换单元传输到电荷传输单元，并且在第一传输方向上将电荷从电荷传输单元传输到电荷-电压转换单元，或在第二传输方向上将电荷传输到第一电荷排出单元。
在本技术的第二方面中，在处理从摄像装置输出的信号时，电荷从光电转换单元传输到电荷传输单元，并且电荷沿第一传输方向从电荷传输单元传输到电荷-电压转换单元，或者沿第二传输方向传输到电荷排出单元。
本发明的有益效果
根据本技术的第一或第二方面，能够抑制光电转换单元与保持从该光电转换单元传输来的电荷的元件之间的干扰。
附图说明
图1是示出CMOS图像传感器的构造示例的框图。
图2是示意性地示出图1中的单位像素的基本形式的构造示例的平面图。
图3是示意性地示出图1中的单位像素的基本形式的构造示例的截面图。
图4是图3中的单位像素的电位图。
图5是图3中的单位像素的电位图。
图6是示意性地示出图1中的单位像素的第一实施例的构造示例的平面图。
图7是示意性地示出图1中的单位像素的第一实施例的构造示例的截面图。
图8是示意性地示出图1中的单位像素的第一实施例的构造示例的截面图。
图9是图7中的单位像素的电位图。
图10是图8中的单位像素的电位图。
图11示出了从光电二极管和电荷保持单元溢出的电荷的流动。
图12是图7中的单位像素的电位图。
图13是图8中的单位像素的电位图。
图14是图7中的单位像素的电位图。
图15是图8中的单位像素的电位图。
图16是示意性地示出图1中的单位像素的第二实施例的构造示例的平面图。
图17是示意性地示出图1中的单位像素的第二实施例的构造示例的截面图。
图18是示意性地示出图1中的单位像素的第二实施例的构造示例的截面图。
图19是示意性地示出图1中的单位像素的第三实施例的构造示例的平面图。
图20是示意性地示出图1中的单位像素的第三实施例的构造示例的截面图。
图21是示意性地示出图1中的单位像素的第四实施例的构造示例的平面图。
图22是示意性地示出图1中的单位像素的第四实施例的构造示例的截面图。
图23示出了本技术的应用。
图24是示出电子设备的构造示例的框图。
具体实施方式
下面，将说明用于实施本技术的实施例(以下称为实施例)。注意，将按以下顺序给出说明。
1.基本构造示例
2.第一实施例
3.第二实施例(通过控制势垒高度来排出电荷的示例)
4.第三实施例(在半导体基板的深部设置光电二极管的示例)
5.第四实施例(省略电荷保持单元的示例)
6.变形
7.应用
<<1.基本构造示例>>
首先，将参考图1至图5说明作为全局快门型的摄像装置的一个示例的CMOS图像传感器的基本构造示例。
<CMOS图像传感器1的构造示例>
图1是示出CMOS图像传感器1的构造示例的框图。
CMOS图像传感器1包括像素阵列单元11、垂直驱动单元12、水平传输单元13、信号处理单元14和输出缓冲器15。
单位像素31以矩阵形式布置在像素阵列单元11中。单位像素31具有光电转换元件，该光电转换元件根据入射光的量产生电荷量的光电荷，并且将该光电荷累积在光电转换元件本身的内部。注意，在下文中，可以将光电荷简称为电荷，并且可以将单位像素简称为像素。
此外，在像素阵列单元11中，沿着图中的左右方向(像素行的方向)针对每行形成像素驱动线21，并且沿着图中的上下方向(像素列的方向)针对每列形成垂直信号线22。像素驱动线21的一端连接到垂直驱动单元12的对应于每行的输出端。电流源32连接到每个垂直信号线22。
注意，尽管在图中针对每行示出了一个像素驱动线21，但是像素驱动线21的数量不限于一个。
垂直驱动单元12是像素驱动单元，其包括例如移位寄存器和地址解码器，并且针对所有像素或以行为单位同时驱动像素阵列单元11的每个像素。例如，垂直驱动单元12驱动每个像素31，使得所有像素31同时执行曝光的全局快门操作。从垂直驱动单元12选择性扫描的行中的每个像素31输出的像素信号通过每个垂直信号线22提供给水平传输单元13。
针对每列，水平传输单元13包括信号处理单元41和开关42。信号处理单元41对经由垂直信号线22提供的像素信号进行例如模拟/数字(A/D)转换处理和相关双采样(CDS)处理等。通过依次接通开关42，进行了信号处理的列的像素信号被依次提供给信号处理单元14。
信号处理单元14对从水平传输单元13提供的像素信号执行诸如加法处理等各种信号处理，并将信号处理之后的像素信号提供给输出缓冲器15。
注意，在水平传输单元13的信号处理单元41与信号处理单元14之间的信号处理的共享不限于该示例，并且可以改变。
输出缓冲器15控制像素信号的输出。
注意，CMOS图像传感器1可以是前表面照射型或后表面照射型。
<像素31a的构造示例>
图2和图3示出了像素31a的构造示例，这是图1中的像素阵列单元11的像素31的基本形式。图2是像素31a的示意性平面图。图3示意性地示出了像素31a在图2中的A-A’方向上的截面的构造示例。尽管在图2和图3中仅示出了一个像素31a，但是其他像素基本上具有类似的构造。
注意，附图中的符号“P”和“N”表示半导体区域的极性(P型半导体区域和N型半导体区域)。此外，符号“P+”、“P-”、“N+”和“N-”的尾标“+”或“-”表示P型半导体区域或N型半导体区域的杂质浓度。标志“+”表示高杂质浓度。标志“-”表示低杂质浓度。此外，将既未添加“+”也未添加“-”的半导体区域的杂质浓度设置在添加了“+”的半导体区域的杂质浓度与添加了“-”的半导体区域的杂质浓度之间。这也适用于后续附图。
此外，在CMOS图像传感器1是前面照射型的情况下，图3中的半导体基板101的上表面(前面)对应于光入射面。相比之下，在CMOS图像传感器1是背面照射型的情况下，图3中的半导体基板101的下表面(背面)对应于光入射面。
注意，以下将半导体基板101的设置有栅电极的表面称为电路表面。
像素31a包括半导体基板101、光电二极管(PD)102、第一传输栅极(T1)103、电荷保持单元(MEM)104、第二传输栅极(T2)105、第三传输栅极(T3)106、浮动扩散部(FD)107、复位晶体管108、放大晶体管109、选择晶体管110、电荷排出栅极(ABG)111、以及电荷排出单元(Drain)112。
注意，图2和图3示出了N沟道MOS晶体管用于复位晶体管108、放大晶体管109和选择晶体管110的示例。然而，注意，复位晶体管108、放大晶体管109和选择晶体管110的导电类型的组合不限于这些组合。
此外，尽管未示出，但是电荷保持单元104和FD 107的表面被例如钨的遮光膜遮光。此外，尽管未示出，但是在第一传输栅极103、第二传输栅极105、第三传输栅极106和电荷排出栅极111的每个栅极与半导体基板101之间形成有绝缘膜。
光电二极管102是通过在半导体基板101的电路表面侧的表面上(半导体基板101的电路表面侧的P型阱层的表面上)形成P型层102A并且在P型层102A的下方埋入N型层102B而形成的埋入式光电二极管。P型层102A和N型层102B具有在排出电荷时引起耗尽状态的杂质浓度。
通过向栅电极103A施加控制脉冲T1，第一传输栅极103传输累积在光电二极管102中的电荷。
注意，在下文中，控制脉冲T1施加到栅电极103A的状态也将被称为第一传输栅极103导通的状态。此外，在下文中，未将控制脉冲T1施加到栅电极103A的状态也将被称为第一传输栅极103关断的状态。
电荷保持单元104通过N型埋入式沟道形成在第二传输栅极105的栅电极105A的下方，该N型埋入式沟道具有在排出电荷时引起耗尽状态的杂质浓度。电荷保持单元104保持通过第一传输栅极103从光电二极管102传输来的电荷。
第二传输栅极105通过向栅电极105A施加控制脉冲T2来调制电荷保持单元104。即，通过向栅电极105A施加控制脉冲T2，电荷保持单元104的电位加深。与未调制电荷保持单元104的情况相比，这导致电荷保持单元104的饱和电荷量增加。
注意，在下文中，控制脉冲T2施加到栅电极105A的状态也将被称为第二传输栅极105导通的状态。此外，在下文中，未将控制脉冲T2施加到栅电极105A的状态也将被称为第二传输栅极105关断的状态。
通过向栅电极106A施加控制脉冲T3，第三传输栅极106传输累积在电荷保持单元104中的电荷。
注意，在下文中，控制脉冲T3施加到栅电极106A的状态也将被称为第三传输栅极106导通的状态。此外，在下文中，未将控制脉冲T3施加到栅电极106A的状态也将被称为第三传输栅极106关断的状态。
FD 107是包括具有杂质浓度的N型层的电荷-电压转换单元，在该N型层处可以连接用于布线的触点。FD 107保持通过第三传输栅极106从电荷保持单元104传输来的电荷，并将电荷转换为电压。
复位晶体管108的漏极连接到电源VDD，源极连接到FD 107。从FD 107排出电荷，并且通过向复位晶体管108的栅电极施加复位脉冲RST并使复位晶体管108导通来复位FD107。
放大晶体管109的漏极连接到电源VDD，栅电极连接到FD 107。选择晶体管110的漏极连接到放大晶体管109的源极，源极连接到垂直信号线22。然后，通过向选择晶体管110的栅电极施加选择脉冲SEL并使选择晶体管110导通来选择像素31a。对于像素31a，将读取像素信号。即，在选择晶体管110导通的情况下，放大晶体管109经由垂直信号线22将表示FD107的电压的像素信号提供给水平传输单元13。
注意，选择晶体管110能够连接电源VDD和放大晶体管109的漏极。此外，根据读取像素信号的方法，能够省略复位晶体管108、放大晶体管109和选择晶体管110中的一者或多者，或者能够在多个像素之间共享复位晶体管108、放大晶体管109和选择晶体管110中的一者或多者。
通过向栅电极111A施加控制脉冲ABG，电荷排出栅极111传输累积在光电二极管102中的电荷。
注意，在下文中，控制脉冲ABG施加到栅电极111A的状态也将被称为电荷排出栅极111导通的状态。此外，在下文中，未将控制脉冲ABG施加到栅电极111A的状态也将被称为电荷排出栅极111关断的状态。
电荷排出单元112包括具有杂质浓度的N型层，在该N型层处能够连接用于布线的触点。电荷排出单元112连接到电源Vofd，并且电荷排出单元112的电位基本上等于电源Vofd的电位。通过电荷排出栅极111已经从光电二极管102传输到电荷排出单元112的电荷被排出到电源。
然后，垂直驱动单元12驱动每个像素31a，使得所有的像素31a同时执行电子快门操作。电子快门操作是如下操作：其中，在复位光电二极管102之后开始向光电二极管102中累积电荷，并且在预定时间段之后将累积在光电二极管102中的电荷传输到电荷保持单元104。此外，垂直驱动单元12驱动每个像素31a，从而针对每个像素行执行从电荷保持单元104到FD 107的电荷读取以及从每个像素31a到垂直信号线22的像素信号输出。
通过所有的像素31a同时执行电子快门操作，抑制了像素31a之间的曝光时间段的偏差和拍摄图像的失真。
相比之下，在使用像素31a的CMOS图像传感器1中，增加像素31a内部的组件(例如，电荷保持单元104、第二传输栅极105和第三传输栅极106)的数量。因此，减小了光电二极管102的光接收面积和体积。
此外，光电二极管102和电荷保持单元104不能增加每单位面积的累积电荷密度，原因如下。
图4的图A和图B是图2中像素31a的电荷传输时沿A-A’方向的电位图。在该电位图中，垂直方向表示电位，并且电位朝向下方向增加。
注意，在下文中，元件(例如，光电二极管102和电荷保持单元104)之间的势垒的电位的降低(势垒在图中的向上方向上的升高)将被称为势垒的升高或上升。相比之下，元件之间的势垒的电位的升高(势垒在图中的向下方向上的降低)将被称为势垒的降低或下降。
图4的图A是电荷从光电二极管102传输到电荷保持单元104时的电位图。此时，第一传输栅极103和第二传输栅极105导通，而第三传输栅极106和电荷排出栅极111关断。这降低了光电二极管102与电荷保持单元104之间的势垒(以下称为势垒T1)，并且加深了电荷保持单元104的电位。
注意，图中的
Figure BDA0002596318760000091
表示耗尽状态下的光电二极管102的电位深度。
Figure BDA0002596318760000092
表示由于从光电二极管102传输来的电荷而导致电荷保持单元104的电位变化量。
Figure BDA0002596318760000093
表示光电二极管102与电荷保持单元104之间的电位差。
这里，为了使电荷在光电二极管102饱和时能够完全传输，需要将光电二极管102饱和时的电位差
Figure BDA0002596318760000094
设定为预定值以上。因此，需要将光电二极管102的耗尽状态下的电位(以下称为耗尽电位)设置为充分低于电源电压VDD。因此，光电二极管102的每单位体积的累积电荷密度不能大幅度增加。
图4的图B是电荷从电荷保持单元104传输到FD 107时的电位图。此时，第三传输栅极106导通，而第一传输栅极103、第二传输栅极105和电荷排出栅极111关断。这降低了在电荷保持单元104与FD 107之间的势垒(以下称为势垒T3)。
注意，图中的
Figure BDA0002596318760000095
表示耗尽状态下的电荷保持单元104的电位深度。
Figure BDA0002596318760000096
表示由于已从电荷保持单元104传输来的电荷而导致的FD 107的电位变化量。
Figure BDA0002596318760000097
表示电荷保持单元104与FD 107之间的电位差。
这里，为了在电荷保持单元104饱和时能够完全传输电荷，需要将电荷保持单元104饱和时的电位差
Figure BDA0002596318760000101
设定为预定值以上。因此，需要将电荷保持单元104的耗尽电位设置为充分低于电源电压VDD。因此，电荷保持单元104的每单位体积的累积电荷密度不能大幅度增加。
图5是在图2中像素31a的曝光时间段内(在电荷累积到光电二极管102中的期间)在A-A’方向上的电位图。在电位图中，垂直方向表示电位，并且电位朝向下方向增加。
此时，第一传输栅极103、第二传输栅极105、第三传输栅极106和电荷排出栅极111关断。
此外，此时，不同帧的电荷累积在光电二极管102和电荷保持单元104中。因此，如果在光电二极管102与电荷保持单元104之间发生干扰，则图像质量会明显劣化。
相比之下，将光电二极管102与电荷排出单元112之间的势垒(以下称为势垒ABG)设置得比光电二极管102与电荷保持单元104之间的势垒T1低
Figure BDA0002596318760000102
从而即使光电二极管102饱和并且电荷溢出，溢出的电荷也不会流入电荷保持单元104中，而是流入电荷排出单元112中。以这种方式，通过将势垒ABG设置得较低，来减小光电二极管102的饱和电荷量。
此外，将电荷保持单元104与FD 107之间的势垒T3设置得比光电二极管102与电荷保持单元104之间的势垒T1低
Figure BDA0002596318760000103
从而即使电荷保持单元104饱和并且电荷溢出，溢出的电荷也不会流入光电二极管102，而是流入FD 107。以这种方式，通过将势垒T3设置得较低，来减小电荷保持单元104的饱和电荷量。
如上所述，在像素31a中，减小了光电二极管102的光接收面积、体积、饱和电荷量以及每单位体积的累积电荷密度。此外，减小了电荷保持单元104的饱和电荷量和每单位体积的累积电荷密度。结果，降低了CMOS图像传感器1的灵敏度和动态范围。
相比之下，为了防止CMOS图像传感器1的灵敏度和动态范围降低，需要扩展光电二极管102和电荷保持单元104。因此，增加了CMOS图像传感器1的尺寸。
<<2.第一实施例>>
接下来，将参考图6至图15说明本技术的第一实施例。
<像素31b的构造示例>
图6至图8示出了像素31b的构造示例，像素31b是图1中的像素阵列单元11的像素31的第一实施例。图6是像素31b的示意性平面图。图7示意性地示出了像素31b在图6中的B-B’方向上的截面的构造示例。图8示意性地示出了像素31b在图6中的C-C’方向上的截面的构造示例。尽管在图6至图8中仅示出了一个像素31b，但是其他像素基本上具有类似的构造。
注意，在附图中，相同的符号赋予与图2和图3中的像素31a相对应的部分，因此将适当地省略其说明。
像素31b与像素31a的不同之处在于，添加了电荷传输单元201、电荷排出单元(Drain1)202、分离单元203和深沟槽隔离(DTI)204，并且删除了电荷排出栅极111和电荷排出单元112。
电荷传输单元201在电荷保持单元104的方向和电荷排出单元202的方向的两个方向上传输电荷。例如，电荷传输单元201在电荷保持单元104的方向或电荷排出单元202的方向上传输通过第一传输栅极103从光电二极管102传输来的电荷。此外，例如，电荷传输单元201传输从光电二极管102和电荷保持单元104溢出并沿电荷排出单元202的方向流入其中的电荷。
注意，在说明书中，电荷传输方向不必限于线性方向，而可以是例如曲线的或弯曲的。
电荷传输单元201包括传输区域(Z)211、第四传输栅极(A1)212、第五传输栅极(A2)213和电荷排出栅极(ABG)214。
传输区域211是由第四传输栅极212的栅电极212A下方的N型埋入式沟道形成的传输沟道区域。N型埋入式沟道具有与N型层102B相同的极性，N型层102B是用于保持光电二极管102的电荷的区域。传输区域211是通过第一传输栅极103从光电二极管102传输来的电荷以及从光电二极管102和电荷保持单元104溢出的电荷流入的区域。
通过向栅电极212A施加控制脉冲A1，第四传输栅极212调制传输区域211。即，通过向栅电极212A施加控制脉冲A1，加深了传输区域211的电位。
注意，在下文中，向栅电极212A施加控制脉冲A1的状态也将被称为第四传输栅极212导通的状态。此外，在下文中，未向栅电极212A施加控制脉冲A1的状态将也被称为第四传输栅极212关断的状态。
通过向栅电极213A施加控制脉冲A2，第五传输栅极213传输已流入传输区域211的电荷。
注意，在下文中，向栅电极213A施加控制脉冲A2的状态也将被称为第五传输栅极213导通的状态。此外，在下文中，未向栅电极213A施加控制脉冲A2的状态也将被称为第五传输栅极213关断的状态。
通过向栅电极214A施加控制脉冲ABG，电荷排出栅极214传输已流入传输区域211的电荷。
注意，在下文中，向栅电极214A施加控制脉冲ABG的状态也将被称为电荷排出栅极214导通的状态。此外，在下文中，未向栅电极214A施加控制脉冲ABG的状态也将被称为电荷排出栅极214关断的状态。
电荷排出单元202包括具有杂质浓度的N型层，在该N型层处能够连接用于布线的触点。电荷排出单元202连接到电源Vofd，并且电荷排出单元202的电位基本上等于电源Vofd的电位。然后，通过电荷排出栅极214从光电二极管102传输到电荷排出单元202的电荷被排出到电源Vofd。
分离单元203设置在传输区域211的下方，并且将光电二极管102与电荷保持单元104和FD 107电分离。分离单元203包括例如物理势垒或漏极。物理势垒包括例如足够深的沟槽以及穿透至半导体基板101的与电路表面相对的下表面的DTI等。漏极收集电荷。分离单元203抑制电荷在传输区域211下方通过并大量出现(bloom)。
注意，在通过物理势垒实现分离单元203的情况下，在CMOS图像传感器1是背面照射型时更容易形成分离单元203。
DTI 204围绕像素31b，并且将相邻的像素31b电分离。此外，DTI 204将光电二极管102与栅电极105A、栅电极106A、栅电极212A和栅电极213A电分离。
接下来，将参考图9和15说明像素31b的操作。
图9、12和14的下方图是图6中的像素31b在B-B’方向上的电位图。图10、13和15的下方图是图6中的像素31b在C-C’方向上的电位图。在这些电位图中，垂直方向表示电位，并且电位朝向下方向增加。
图9和图10示出了曝光时间段内(在电荷累积到光电二极管102中期间)的像素31b的状态。
具体地，第一传输栅极103至第五传输栅极213关断，而电荷排出栅极214导通。结果，光电二极管102与传输区域211之间的势垒T1高于光电二极管102的耗尽电位和传输区域211的耗尽电位。
这使得通过光电转换产生的电荷不变地存储在光电二极管102中。
此外，传输区域211与电荷保持单元104之间的势垒(以下称为势垒A2)高于传输区域211的耗尽电位和电荷保持单元104的耗尽电位。传输区域211与电荷排出单元202之间的势垒(以下称为势垒ABG)低于传输区域211的耗尽电位，并且基本上等于电源电压Vofd。
如图11所示，这使得由于光电二极管102的饱和而溢出的电荷和由于电荷保持单元104的饱和而溢出的电荷流入传输区域211。已经流入传输区域211的电荷经由电荷排出栅极214被排出到电荷排出单元202。结果，防止了光电二极管102与电荷保持单元104之间的干扰。
此外，电荷保持单元104与FD 107之间的势垒T3变得高于电荷保持单元104的耗尽电位和电源电压VDD。
图12和图13示出了在将电荷从光电二极管102传输到电荷保持单元104时的像素31b的状态。
首先，如图12的A和图13的A所示，第一传输栅极103、第二传输栅极105、第四传输栅极212和第五传输栅极213导通，而第三传输栅极106和电荷排出栅极214关断。结果，势垒T1和势垒A2变得低于光电二极管102的耗尽电位，并且变得高于传输区域211的耗尽电位和电荷保持单元104的耗尽电位。势垒ABG变得高于传输区域211的耗尽电位。
这使得累积在光电二极管102中的电荷经由第一传输栅极103、传输区域211和第五传输栅极213被传输到电荷保持单元104。
接下来，如图12的B和图13的B所示，第一传输栅极103和第四传输栅极212导通。结果，势垒T1变得高于光电二极管102的耗尽电位和传输区域211的耗尽电位。势垒A2变得低于传输区域211的耗尽电位。
这停止了电荷从光电二极管102的传输。相比之下，残留在传输区域211中的电荷经由第五传输栅极213被传输到电荷保持单元104。
以这种方式，累积在光电二极管102中的电荷被传输到电荷保持单元104。
图14和图15示出了在复位光电二极管102时像素31b的状态。
在这种情况下，第一传输栅极103、第四传输栅极212和电荷排出栅极214导通，而第二传输栅极105、第三传输栅极106和第五传输栅极213关断。结果，势垒T1变得低于光电二极管102的耗尽电位，并且变得高于传输区域211的耗尽电位。势垒ABG变得基本上等于传输区域211的耗尽电位和电源电压Vofd。
这使得累积在光电二极管102中的电荷经由第一传输栅极103被传输到传输区域211。已经传输到传输区域211的电荷经由电荷排出栅极214被排出到电荷排出单元202。以这种方式，复位了光电二极管102。
如上所述，在像素31b中，防止了光电二极管102与电荷保持单元104之间的干扰。
此外，仅设置一个第一传输栅极103作为光电二极管102的传输栅极，并且仅设置一个方向作为光电二极管102的电荷的传输方向。因此，与其中设置两个方向作为光电二极管102的电荷的传输方向的像素31a相比，能够更容易地设计像素31b。此外，与图5中的像素31a不同，不需要在光电二极管102中设置低于势垒T1的势垒ABG，因此能够增加光电二极管102的饱和电荷量。
此外，与图5中的像素31a不同，电荷保持单元104与FD 107之间的势垒T3不需要低于电荷保持单元104与传输区域211之间的势垒A2。因此，能够增加电荷保持单元104的饱和电荷量。
此外，由于传输区域211不需要保持电荷，因此能够减小面积。因此，尽管传输区域211具有两个电荷传输方向，但是能够容易地设计传输区域211。
<<3.第二实施例>>
接下来，将参考图16至图18说明本技术的第二实施例。
<像素31c的构造示例>
图16至图18示出了像素31c的构造示例，像素31c是图1中的像素阵列单元11的像素31的第二实施例。图16是像素31c的示意性平面图。图17示意性地示出了像素31c在图16中的D-D’方向上的截面的构造示例。图18示意性地示出了像素31c在图16中的E-E’方向上的截面的构造示例。尽管在图16至图18中仅示出了一个像素31c，但是其他像素基本上具有类似的构造。
注意，在附图中，相同的符号被赋予与图6和图8中的像素31b相对应的部分，因此将适当地省略其说明。
像素31c与像素31b的不同之处在于，设置电荷传输单元251来代替电荷传输单元201，并且添加了快门栅极(SHT)252和第二电荷排出单元(Drain2)253。电荷传输单元251与电荷传输单元201的不同之处在于，删除了电荷排出栅极214。
注意，在将电荷排出单元202与第二电荷排出单元253区分开的情况下，以下，电荷排出单元202将被称为第一电荷排出单元202。
通过向栅电极252A施加控制脉冲SHT，快门栅极252传输累积在光电二极管102中的电荷。
注意，在下文中，向栅电极252A施加控制脉冲SHT的状态也将被称为快门栅极252导通的状态。此外，在下文中，未向栅电极252A施加控制脉冲SHT的状态也将被称为快门栅极252关断的状态。
第二电荷排出单元253包括具有杂质浓度的N型层，在该N型层处能够连接用于布线的触点。第二电荷排出单元253连接到电源Vofd，并且第二电荷排出单元253的电位基本上等于电源Vofd的电位。已经从光电二极管102经由快门栅极252传输到第二电荷排出单元253的电荷被排出到电源Vofd。这使得光电二极管102被复位。
通过可变电源电压Vofd来控制传输区域211与电荷排出单元202之间的势垒ABG的高度。具体地，如图18的下方图所示，在增加电源电压Vofd的情况下，传输区域211与电荷排出单元202之间的势垒ABG被耗尽并降低。然后，传输区域211的电荷超过势垒ABG，并被传输到电荷排出单元202。
如上所述，在像素31c中，在不使用电荷排出栅极214的情况下，通过电压来控制势垒ABG的高度，从而将传输区域211的电荷排出到电荷排出单元202。
注意，通过电源电压Vofd和传输区域211与电荷排出单元202之间的杂质浓度来调节势垒ABG的高度。
<<4.第三实施例>>
接下来，将参考图19和图20说明本技术的第三实施例。
<像素31d的构造示例>
图19和图20示出了像素31d的构造示例，像素31d是图1中的像素阵列单元11的像素31的第三实施例。图19是像素31d的示意性平面图。图20示意性地示出了像素31d在图19中的F-F’方向上的截面的构造示例。尽管在图19和图20中仅示出了一个像素31d，但是其他像素基本上具有类似的构造。
注意，在附图中，相同的符号被赋予与图6和图8中的像素31b相对应的部分，因此将适当地省略其说明。
像素31d与像素31b的不同之处在于，半导体基板101较厚，并且设置光电二极管301、第一传输栅极302和电荷保持单元303来代替光电二极管102、第一传输栅极103和电荷保持单元104。
在CMOS图像传感器1是背面照射型的情况下，能够将光电二极管和电荷保持单元设置在半导体基板101的较深位置处，该较深位置与半导体基板101的电路表面隔开预定距离以上。
具体地，光电二极管301包括N型层301A和元件分离层301B。N型层301A形成在半导体基板101中的较深位置处，该较深位置与半导体基板101的电路表面隔开预定距离以上。包括P型层的元件分离层301B覆盖N型层301A的侧表面。
N型层301A与元件分离层301B之间的接合面的面积可以大于图3中的光电二极管102的P型层102A与N型层102B之间的接合面的面积。因此，通过增加元件分离层301B的杂质浓度并增加N型层301A与元件分离层301B之间的电场，可以使光电二极管301的饱和电荷量大于图3中的光电二极管102的饱和电荷量。
此外，在与半导体基板101的电路表面垂直的方向上，在与N型层301A重叠的位置处设置有包括垂直晶体管的第一传输栅极302的栅电极302A。栅电极302A具有沟槽形状，并且沟槽部分的端部到达N型层301A的上表面。
通过向栅电极302A施加控制脉冲T1，第一传输栅极302传输累积在光电二极管301中的电荷。
注意，在下文中，向栅电极302A施加控制脉冲T1的状态也将被称为第一传输栅极302导通的状态。此外，在下文中，未向栅电极302A施加控制脉冲T1的状态也将被称为第一传输栅极302关断的状态。
如上所述，在像素31d中，诸如第一传输栅极302等晶体管能够设置在N型层301A的上方，该N型层301A构成半导体基板101的电路表面上的光电二极管301。这使得能够设置在半导体基板101的电路表面上的晶体管的数量和面积增加。
电荷保持单元303包括N型层303A和元件分离层303B。与构成图3中的电荷保持单元104的N型层类似，N型层303A设置在栅电极105A的下方，并且扩展到栅电极213A的下部以及扩展到半导体基板101的较深位置处的FD 107的下部。这使得电荷保持单元303的体积和饱和电荷量增加。
此外，包括P型层的元件分离层303B覆盖在N型层303A的半导体基板101的较深位置处扩展的部分的侧面。然后，通过增加元件分离层303B的杂质浓度并增加N型层303A与元件分离层303B之间的电场，能够进一步增加电荷保持单元303的饱和电荷量。
注意，例如，在与图16中的像素31c类似地在像素301d中设置有快门栅极的情况下，快门栅极例如包括与第一传输栅极302类似的垂直晶体管。
<<5.第四实施例>>
接下来，将参考图21和图22说明本技术的第四实施例。
<像素31e的构造示例>
图21和图22示出了像素31e的构造示例，像素31e是图1中的像素阵列单元11的像素31的第四实施例。图21是像素31e的示意性平面图。图22示意性地示出了像素31e在图21中的G-G’方向上的截面的构造示例。尽管在图21和图22中仅示出了一个像素31e，但是其他像素基本上具有类似的构造。
注意，在附图中，相同的符号被赋予与图6和图8中的像素31b相对应的部分，因此将适当地省略其说明。
像素31e与像素31b的不同之处在于，删除了电荷保持单元104、第二传输栅极105和第三传输栅极106。
即，在像素31e中，FD 107保持通过第五传输栅极213从传输区域211传输来的电荷，并将该电荷转换为电压。
分离单元203设置在传输区域211的下方，并将光电二极管102与FD 107电分离。
像素31e与像素31b的不同之处在于，能够增加光电二极管102的光接收面积，并且能够提高光接收灵敏度。
此外，在像素31e中，与像素31b至31d类似地，能够防止光电二极管102与FD 107之间的干扰。
<<6.变形>>
下面，将说明本技术的上述实施例的变形。
例如，能够组合上述第一至第四实施例。例如，可以组合第二或第三实施例和第四实施例，并且可以在像素31c或31d中省略电荷保持单元104，以将光电二极管102的电荷传输到FD 107。例如，通过组合第二实施例和第三实施例，可以将光电二极管设置在像素31c中的半导体基板101的较深位置处。
此外，例如，可以将第一传输栅极103和第四传输栅极212组合成一个传输栅极，并且可以将栅电极103A和栅电极212A组合成一个栅电极。
此外，本技术能够应用于上述实施例中所述的单位像素以外的结构。例如，本技术能够应用于在一个像素中设置两个以上的电荷保持单元的情况。
此外，本技术的实施例中的所有像素是指图像中出现的部分中的所有像素，并且排除了虚拟像素等。此外，如果时间差和图像失真足够小而不会引起问题，则能够以多行(例如，几十行)为单位执行高速扫描，而不是同时操作所有像素。此外，全局快门操作不仅能够应用于图像中出现的所有像素，而且还能够应用于预定的多行。
此外，上面所示的像素31的装置结构的导电类型仅仅是一个示例。N型和P型可以互换，并且半导体基板101的导电类型可以是N型或P型。注意，根据在像素中移动的多数载流子是空穴还是电子，上述部件中的各者的电位的大小关系可以互换。
此外，除了CMOS图像传感器之外，本技术还能够应用于执行全局快门操作的一般摄像装置。在像素中，摄像装置包括光电转换单元和保持从该光电转换单元传输来的电荷的元件。
<<7.应用>>
接下来，将说明本技术的应用。
<本技术的应用>
例如，如图23所示，本技术能够应用于感测诸如可见光、红外线、紫外线和X射线等光的各种情况。
·用于拍摄供欣赏的图像的装置，例如数码相机和具有相机功能的便携式装置
·用于交通的装置，例如车载传感器、监视相机和测距传感器，为了诸如自动停止和驾驶员状态识别等安全驾驶，车载传感器拍摄例如汽车的前方、后方、周围、和内部的图像，监视相机监测行驶中的车辆和道路，测距传感器测量例如车辆之间的距离。
·诸如电视、冰箱和空调等家用电器用的装置，用于拍摄使用者手势的图像，并根据该手势操作设备。
·医疗保健用的装置，例如，内窥镜和通过接收红外光来拍摄血管的图像的装置。
·安全用的装置，例如，用于安全的监控相机和用于个人认证的相机。
·美容用的装置，例如，用于拍摄皮肤的图像的皮肤测量仪器和用于拍摄头皮的图像的显微镜。
·运动用的装置，例如，运动用的动作相机和可穿戴相机等。
·农业用的装置，例如，用于监测农田和农作物状况的相机。
<电子设备的应用>
图24示出了应用本技术的电子设备的构造示例。
电子设备600包括光学系统构造单元601、驱动单元602、摄像装置603和信号处理单元604。
光学系统构造单元601包括例如光学透镜，并且使被摄体的光学图像进入摄像装置603。驱动单元602通过产生并输出与摄像装置603内部的驱动相关的各种时序信号来控制摄像装置603的驱动。信号处理单元604对从摄像装置603输出的图像信号进行预定的信号处理，并根据该信号处理结果进行处理。此外，信号处理单元604将作为信号处理结果的图像信号输出到下一级。例如，信号处理单元604将图像信号记录在诸如固态存储器等记录介质中，并且经由预定网络将图像信号发送到预定服务器。
这里，通过使用上述CMOS图像传感器1作为摄像装置603，能够提高拍摄图像的质量。
注意，本技术的实施例不限于上述实施例，并且在不脱离本技术的主旨的情况下，可以进行各种变形。
<构造的组合示例>
此外，例如，本技术还能够具有如下构造。
(1)
一种摄像装置，在像素中，其包括：
光电转换单元；
电荷传输单元；
第一电极，其用于将电荷从所述光电转换单元传输到所述电荷传输单元；
电荷-电压转换单元；以及
第一电荷排出单元，
其中，所述电荷传输单元可以在第一传输方向上将电荷传输到所述电荷-电压转换单元，并可以在第二传输方向上将电荷传输到所述第一电荷排出单元。
(2)
根据(1)所述的摄像装置，
其中，所述电荷传输单元包括：
传输通道区域，其是与用于累积所述光电转换单元的电荷的区域具有相同极性的区域，通过使用所述第一电极从所述光电转换单元传输来的电荷流入所述区域；
第二电极，其用于控制所述传输通道区域的电位；以及
第三电极，其用于在所述第一传输方向上从所述传输通道区域传输电荷。
(3)
根据(2)所述的摄像装置，在所述像素中，还包括：
电荷保持单元，其在所述第一传输方向上设置在所述电荷传输单元与所述电荷-电压转换单元之间，并且其保持通过使用所述第三电极从所述传输通道区域传输来的电荷；以及
第四电极，其用于将电荷从所述电荷保持单元传输到所述电荷-电压转换单元。
(4)
根据(2)所述的摄像装置，
其中，通过使用所述第三电极将电荷从所述传输通道区域传输到所述电荷-电压转换单元。
(5)
根据(2)至(4)中任一项所述的摄像装置，
其中，所述电荷传输单元还包括第五电极，所述第五电极用于将电荷从所述传输通道区域传输到所述第一电荷排出单元。
(6)
根据(2)至(4)中任一项所述的摄像装置，
其中，将可变电压施加到所述第一电荷排出单元，并且通过施加到所述第一电荷排出单元的电压，来改变所述传输通道区域与所述第一电荷排出单元之间的势垒的电位。
(7)
根据(6)所述的摄像装置，在所述像素中，还包括：
第二电荷排出单元；以及
第六电极，其用于将电荷从所述光电转换单元传输到所述第二电荷排出单元。
(8)
根据(2)至(7)中任一项所述的摄像装置，还包括：
分离单元，其在表面与所述传输通道区域之间将所述光电转换单元和所述电荷-电压转换单元电分离，所述表面与设置有半导体基板的所述第一电极的表面相对，所述光电转换单元形成在所述半导体基板中。
(9)
根据(2)至(8)中任一项所述的摄像装置，
其中，所述第一电极和所述第二电极由一个电极形成。
(10)
根据(1)至(9)中任一项所述的摄像装置，
其中，电路表面与所述光电转换单元之间隔开预定距离以上，所述半导体基板的所述第一电极设置在所述电路表面上，所述光电转换单元形成在所述半导体基板中。
(11)
根据(10)所述的摄像装置，
其中，所述第一电极在与所述半导体基板的所述电路表面垂直的方向上设置在与所述光电转换单元重叠的位置处。
(12)
一种电子设备，包括：
摄像装置；以及
信号处理单元，其对从所述摄像装置输出的信号进行处理，
其中，所述摄像装置包括，在像素中：
光电转换单元；
电荷传输单元；
电极，其用于将电荷从所述光电转换单元传输到所述电荷传输单元；
电荷-电压转换单元；以及
电荷排出单元，并且
所述电荷传输单元可以在第一传输方向上将电荷传输到所述电荷-电压转换单元，并可以在第二传输方向上将电荷传输到所述电荷排出单元。
注意，说明书中所述的效果仅是示例，而不受限制。可以显示其他效果。
附图标记列表
1 CMOS图像传感器
11 像素阵列单元
12 垂直驱动单元
13 水平传输单元
14 信号处理单元
31,31a至31e 像素
41 信号处理单元
101 半导体基板
102 光电二极管
102B N型层
103 第一传输栅极
103A 栅电极
104 电荷保持单元
105 第二传输栅极
105A 栅电极
106 第三传输栅极
106A 栅电极
107 FD
201 电荷传输单元
202 电荷排出单元
203 分离单元
204 DTI
211 传输区域
212 第四传输栅极
212A 栅电极
213 第五传输栅极
213A 栅电极
214 电荷排出栅极
214A 栅电极
251 电荷传输单元
252 复位栅极
252A 栅电极
253 第二电荷排出单元
301 光电二极管
301A N型层
302 第一传输栅极
302A 栅电极
303 电荷保持单元
600 电子设备
603 摄像装置
604 信号处理单元。

Claims (12)

1.一种摄像装置，在像素中，包括：
光电转换单元；
电荷传输单元；
第一电极，其用于将电荷从所述光电转换单元传输到所述电荷传输单元；
电荷-电压转换单元；以及
第一电荷排出单元，
其中，所述电荷传输单元在第一传输方向上将电荷传输到所述电荷-电压转换单元，并在第二传输方向上将电荷传输到所述第一电荷排出单元。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，
其中，所述电荷传输单元包括：
传输通道区域，其是与用于累积所述光电转换单元的电荷的区域具有相同极性的区域，通过使用所述第一电极从所述光电转换单元传输来的电荷流入所述区域；
第二电极，其用于控制所述传输通道区域的电位；以及
第三电极，其用于在所述第一传输方向上从所述传输通道区域传输电荷。
3.根据权利要求2所述的摄像装置，在所述像素中，还包括：
电荷保持单元，其在所述第一传输方向上设置在所述电荷传输单元与所述电荷-电压转换单元之间，并且其保持通过使用所述第三电极从所述传输通道区域传输来的电荷；以及
第四电极，其用于将电荷从所述电荷保持单元传输到所述电荷-电压转换单元。
4.根据权利要求2所述的摄像装置，
其中，通过使用所述第三电极将电荷从所述传输通道区域传输到所述电荷-电压转换单元。
5.根据权利要求2所述的摄像装置，
其中，所述电荷传输单元还包括第五电极，所述第五电极用于将电荷从所述传输通道区域传输到所述第一电荷排出单元。
6.根据权利要求2所述的摄像装置，
其中，将可变电压施加到所述第一电荷排出单元，并且通过施加到所述第一电荷排出单元的电压，来改变所述传输通道区域与所述第一电荷排出单元之间的势垒的电位。
7.根据权利要求6所述的摄像装置，在所述像素中，还包括：
第二电荷排出单元；以及
第六电极，其用于将电荷从所述光电转换单元传输到所述第二电荷排出单元。
8.根据权利要求2所述的摄像装置，还包括：
分离单元，其在表面与所述传输通道区域之间将所述光电转换单元和所述电荷-电压转换单元电分离，所述表面与设置有半导体基板的所述第一电极的表面相对，所述光电转换单元形成在所述半导体基板中。
9.根据权利要求2所述的摄像装置，
其中，所述第一电极和所述第二电极由一个电极形成。
10.根据权利要求1所述的摄像装置，
其中，电路表面与所述光电转换单元之间隔开预定距离以上，所述半导体基板的所述第一电极设置在所述电路表面上，所述光电转换单元形成在所述半导体基板中。
11.根据权利要求10所述的摄像装置，
其中，所述第一电极在与所述半导体基板的所述电路表面垂直的方向上设置在与所述光电转换单元重叠的位置处。
12.一种电子设备，包括：
摄像装置；以及
信号处理单元，其对从所述摄像装置输出的信号进行处理，
其中，所述摄像装置在像素中包括：
光电转换单元；
电荷传输单元；
电极，其用于将电荷从所述光电转换单元传输到所述电荷传输单元；
电荷-电压转换单元；以及
电荷排出单元，并且
所述电荷传输单元在第一传输方向上将电荷传输到所述电荷-电压转换单元，并在第二传输方向上将电荷传输到所述电荷排出单元。
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