CN113206116A - 成像器件及其驱动方法以及电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及成像器件及其驱动方法以及电子装置。所述成像器件包括：多个像素，每个像素包括：布置在基板中的第一光电转换单元，和布置在所述基板上方且位于所述基板的光入射侧的第二光电转换单元，所述第二光电转换单元包括：第一电极，层叠层结构，包括所述第一电极上方的多个层，第一层是氧化物半导体层，第二层是光电转换层，位于所述层叠层结构上方的第二电极，第三电极，所述第三电极与所述第一电极被布置在相同的层，以及绝缘材料，所述绝缘材料位于所述第三电极与所述层叠层结构之间，其中，所述绝缘材料的一部分位于所述第一电极与所述第三电极之间，并且其中，所述绝缘材料的至少一部分布置在所述第一电极上方。

Description

成像器件及其驱动方法以及电子装置
本申请是申请日为2017年03月01日、发明名称为“成像元件、层叠型成像元件、固态成像装置及其驱动方法”的申请号为201710116479.9的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及成像器件、成像器件的驱动方法以及电子装置。
背景技术
将有机半导体材料用于光电转换层的成像元件可以对特定颜色(波段)进行光电转换。此外，由于该特性，在将该成像元件用作固态成像装置中的成像元件的情况下，可以实现如下子像素结构(层叠型成像元件)：其中，每个子像素被构造为片上滤色器(on-chipcolor filter，OCCF)和成像元件的组合，并且子像素被二维地排列(例如，参见JP2011-138927A)。此外，由于无需进行去马赛克处理，因此其优点在于不会出现假色。注意，在以下说明中，在某些情况下，为便于说明，将设置在半导体基板上或上方并包括光电转换单元的成像元件称为“第一类型成像元件”；为便于说明，将构成第一类型成像元件的光电转换单元称为“第一类型光电转换单元”；为便于说明，将设置在半导体基板中的成像元件称为“第二类型成像元件”，并且为便于说明，将构成第二类型成像元件的光电转换单元称为“第二类型光电转换单元”。
在图49中示出了现有技术中层叠型成像元件(层叠型固态成像装置)的结构实施例。在图49示出的实施例中，第三光电转换单元331和第二光电转换单元321分别是构成作为形成在被层叠的半导体基板370中的第二类型成像元件的第三成像元件330和第二成像元件320的第二类型光电转换单元。此外，第一光电转换单元311为布置在半导体基板370上方(具体地，第二成像元件320上方)的第一类型光电转换单元。第一光电转换单元311被构造成包括第一电极311、由有机材料制成的光电转换层315以及第二电极316，并且第一光电转换单元构成作为第一类型成像元件的第一成像元件310。由于吸收系数的差异，第二光电转换单元321和第三光电转换单元331分别对例如蓝色光和红色光进行光电转换。此外，第一光电转换单元311对例如绿色光进行光电转换。
通过第二光电转换单元321和第三光电转换单元331中的光电转换而生成的电荷暂时存储在第二光电转换单元321和第三光电转换单元331中，此后，经由垂直型晶体管(示出了其栅极部322)和传输晶体管(示出了其栅极部332)将这些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。这些电荷被进一步输出至外部读取电路(未示出)。上述晶体管和浮动扩散层FD2、FD3也形成在半导体基板370中。
通过第一光电转换单元311中的光电转换而生成的电荷经由接触孔部361和配线层362存储至形成在半导体基板370中的第一浮动扩散层FD1中。第一光电转换单元311也通过接触孔部361和配线层362连接至将电荷量转换成电压的放大晶体管的栅极部318。另外，第一浮动扩散层FD1构成复位晶体管(示出了其栅极部317)的一部分。注意，附图标记371表示元件隔离区，附图标记372表示形成在半导体基板370的表面上的氧化膜，附图标记376和381表示层间绝缘层，附图标记383表示保护层，并且附图标记390表示片上微透镜。
引用列表
专利文献
专利文献1：JP 2011-138927A
发明内容
技术问题
然而，通过第二光电转换单元321和第三光电转换单元331中的光电转换而生成的电荷暂时存储在第二光电转换单元321和第三光电转换单元331中，此后，将这些电荷分别传输至第二浮动扩散层FD2和第三浮动扩散层FD3。因此，能够完全耗尽第二光电转换单元321和第三光电转换单元331。然而，通过第一光电转换单元311中的光电转换而生成的电荷直接存储在第一浮动扩散层FD1中。因此，难以完全耗尽第一光电转换单元311。因此，kTC噪声增大，随机噪声劣化，从而使成像的图像质量劣化。
本发明旨在提供一种将光电转换单元布置在半导体基板上或上方且具有能够抑制成像质量劣化的构造和结构的成像元件、该成像元件构成的层叠型成像元件、包括该成像元件或层叠型成像元件的固态成像装置以及固态成像装置的驱动方法。
技术方案
根据本发明的第一实施方案，提供了一种成像元件。所述成像元件可以包括：基板，所述基板具有第一光电转换单元；以及在所述基板的光入射侧的第二光电转换单元。所述第二光电转换单元可以包括光电转换层、第一电极、位于所述光电转换层上方的第二电极、第三电极以及所述第三电极与所述光电转换层之间的绝缘材料，其中，所述绝缘材料的一部分位于所述第一电极与所述第三电极之间。
根据本发明的第二实施方案，提供了一种电子设备，所述电子设备包括：成像装置，所述成像装置包括：基板，所述基板具有第一光电转换单元；以及在所述基板的光入射侧的第二光电转换单元。第二光电转换单元可包括光电转换层、第一电极、所述光电转换层上方的第二电极、第三电极以及所述第三电极与所述光电转换层之间的绝缘材料，其中，所述绝缘材料的一部分位于所述第一电极与所述第三电极之间，并且透镜被构造成将光引导至所述成像装置的表面。
根据本发明的第三实施方案，提供了一种成像装置的驱动方法。该方法包括以下步骤：在充电期间将第一电位施加至电荷存储电极，在充电期间将第二电位施加至第一电极，其中，所述第一电位大于所述第二电位；在电荷传输期间将第三电位施加至所述电荷存储电极，在电荷传输期间将第四电位施加至所述第一电极，其中，所述第四电位大于所述第三电位。在一些实施方案中，成像装置包括：基板，所述基板具有第一光电转换单元；以及在所述基板的光入射侧处的第二光电转换单元。第二光电转换单元可包括光电转换层、第一电极、所述光电转换层上方的第二电极、电荷存储电极以及所述电荷存储电极与所述光电转换层之间的绝缘材料，其中，所述绝缘材料的一部分位于所述第一电极与所述电荷存储电极之间。
有益效果
在根据本发明的实施方案的成像元件、构成根据本发明的实施方案的层叠型成像元件的根据本发明的实施方案的成像元件或构成根据本发明的第一实施方案或第二实施方案的固态成像装置的根据本发明的实施方案的成像元件(在下文中，在某些情况下，将这些成像元件统称为“根据本发明的实施方案的成像元件等”)中，由于包含与第一电极分离地布置且被布置成面对光电转换层的电荷存储电极(在电荷存储电极和光电转换层之间插入有绝缘层)，因此当用光照射光电转换单元时能够存储光电转换层的电荷，并且在光电转换单元中对光进行光电转换。因此，在开始曝光时，通过完全耗尽电荷存储单元，能够清除电荷。因此，能够抑制kTC噪声增大、随机噪声劣化以及成像时图像质量劣化这些现象的出现。在根据本发明的实施方案的固态成像装置的驱动方法中，各成像元件具有从第二电极侧入射的光不会入射在第一电极上的结构，因此在所有成像元件中，电荷同时存储在光电转换层中，并且第一电极的电荷被排出至外部，使得能够在所有成像元件中同时可靠地将第一电极复位。接着，在所有成像元件中，存储在光电转换层中的电荷同时被传输至第一电极，并且在完成传输之后，顺序地读出各个成像元件中的被传输至第一电极的电荷。因此，能够容易地实现所谓的全局快门功能。注意，在说明书中披露的效果是示例性的而非限制性的，并且还可具有附加效果。
附图说明
图1A-1D是实施例1的成像元件和层叠型成像元件的示意性局部横截面图。
图2是实施例1的成像元件和层叠型成像元件的等效电路图。
图3是实施例1的成像元件和层叠型成像元件的等效电路图。
图4是构成实施例1的成像元件的第一电极和电荷存储电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图5是示出了在实施例1的成像元件的操作期间各部件的电位状态的图。
图6是构成实施例1的成像元件的第一电极和电荷存储电极的示意性布局图。
图7是构成实施例1的成像元件的第一电极、电荷存储电极、第二电极以及接触孔部的示意性立体图。
图8是实施例1的固态成像装置的概念图。
图9是实施例1的成像元件和层叠型成像元件的变形例的等效电路图。
图10是构成如图9所示的实施例1的成像元件的变形例的第一电极和电荷存储电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图11是实施例2的成像元件和层叠型成像元件的示意性局部横截面图。
图12是实施例3的成像元件和层叠型成像元件的示意性局部横截面图。
图13是实施例3的成像元件和层叠型成像元件的变形例的示意性局部横截面图。
图14是实施例3的成像元件的另一个变形例的示意性局部横截面图。
图15A-15D是实施例3的成像元件的另一个变形例的示意性局部横截面图。
图16是实施例4的成像元件和层叠型成像元件的一部分的示意性局部横截面图。
图17是实施例4的成像元件和层叠型成像元件的等效电路图。
图18是实施例4的成像元件和层叠型成像元件的等效电路图。
图19是构成实施例4的成像元件的第一电极、传输控制电极和电荷存储电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图20是示出了在实施例4的成像元件的操作期间内各部件的电位状态的图。
图21是示出了在实施例4的成像元件的另一个操作期间内各部件的电位状态的图。
图22是构成实施例4的成像元件的第一电极、传输控制电极和电荷存储电极的示意性布局图。
图23是构成实施例4的成像元件的第一电极、传输控制电极、电荷存储电极、第二电极以及接触孔部的示意性立体图。
图24是构成实施例4的成像元件的变形例的第一电极、传输控制电极和电荷存储电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图25是实施例5的成像元件和层叠型成像元件的一部分的示意性局部横截面图。
图26是构成实施例5的成像元件的第一电极、电荷存储电极以及电荷排出电极的示意性布局图。
图27是构成实施例5的成像元件的第一电极、电荷存储电极、电荷排出电极、第二电极以及接触孔部的示意性立体图。
图28是实施例6的成像元件和层叠型成像元件的一部分的示意性局部横截面图。
图29是实施例6的成像元件和层叠型成像元件的等效电路图。
图30是实施例6的成像元件和层叠型成像元件的等效电路图。
图31是构成实施例6的成像元件的第一电极和电荷存储电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图32是示出了在实施例6的成像元件的操作期间内各部件的电位状态的图。
图33是示出了在实施例6的成像元件的另一个操作期间(传输期间)内各部件的电位状态的图。
图34是构成实施例6的成像元件的第一电极和电荷存储电极的示意性布局图。
图35是构成实施例6的成像元件的第一电极、电荷存储电极、第二电极以及接触孔部的示意性立体图。
图36是构成实施例6的成像元件的变形例的第一电极和电荷存储电极的示意性布局图。
图37是实施例1的成像元件和层叠型成像元件的另一个变形例的示意性布局图。
图38是实施例1的成像元件和层叠型成像元件的另一个变形例的示意性布局图。
图39A、39B和39C是实施例1的成像元件和层叠型成像元件的另一个变形例的第一电极等部分的示意性放大局部横截面图。
图40是实施例5的成像元件和层叠型成像元件的另一个变形例的电荷排出电极等部分的示意性放大局部横截面图。
图41是实施例1的成像元件和层叠型成像元件的另一个变形例的示意性局部横截面图。
图42是实施例1的成像元件和层叠型成像元件的另一个变形例的示意性局部横截面图。
图43是实施例1的成像元件和层叠型成像元件的另一个变形例的示意性局部横截面图。
图44是实施例4的成像元件和层叠型成像元件的另一个变形例的示意性局部横截面图。
图45是实施例1的成像元件和层叠型成像元件的另一个变形例的示意性局部横截面图。
图46A-46D是实施例1的成像元件和层叠型成像元件的另一个变形例的示意性局部横截面图。
图47是实施例4的成像元件和层叠型成像元件的另一个变形例的示意性局部横截面图。
图48是使用包含根据本发明的实施方案的成像元件和层叠型成像元件的固态成像装置的电子设备(照相机)的示例的概念图。
图49是现有技术中的层叠型成像元件(层叠型固态成像装置)的概念图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图并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是示例性的。注意，按照如下顺序进行说明。
1.根据本发明的实施方案的成像元件、根据本发明的实施方案的层叠型成像元件、根据本发明的第一实施方案或第二实施方案的固态成像装置以及根据本发明的实施方案的固态成像装置的驱动方法的整体说明
2.实施例1(根据本发明的实施方案的成像元件、根据本发明的实施方案的层叠型成像元件、根据本发明的第二实施方案的固态成像装置)
3.实施例2(实施例1的变形例)
4.实施例3(实施例1和2的变形例)
5.实施例4(实施例1-3的变形例，具有传输控制电极的成像元件)
6.实施例5(实施例1-4的变形例，具有电荷排出电极的成像元件)
7.实施例6(实施例1-5的变形例，具有电荷存储电极段的成像元件)
8.其它
(根据本发明的实施方案的成像元件、根据本发明的实施方案的层叠型成像元件、根据本发明的第一实施方案或第二实施方案的固态成像装置以及根据本发明的实施方案的固态成像装置的驱动方法的整体说明)
在根据本发明的实施方案的成像元件等中，成像元件可进一步包括半导体基板，光电转换单元可布置在半导体基板上方。注意，第一电极、电荷存储电极和第二电极连接至稍后将进行说明的驱动电路。
位于光入射侧的第二电极可以相对于多个成像元件共同地设置。换句话说，第二电极可被构造成为所谓的固体电极。光电转换层可以相对于多个成像元件共同地设置。换句话说，一层光电转换层可以相对于多个成像元件而形成，或者可以相对于每个成像元件而形成。
另外，在根据本发明的实施方案的包括上述各种示例性形式和构造的成像元件等中，第一电极可以形成为在设置于绝缘层的开口部中延伸以被连接至光电转换层。可选地，光电转换层可形成为在设置于绝缘层的开口部中延伸以被连接至第一电极。在这种情况下，成像元件等可被构造成具有如下形式：第一电极的顶面的边缘覆盖有绝缘层，第一电极露出于开口部的底面，并且当由第一表面限定绝缘层的与第一电极的顶面接触的表面且由第二表面限定绝缘层的与光电转换层的面对电荷存储电极的一部分接触的表面时，开口部的侧表面具有从第一表面向第二表面扩展的斜坡。另外，成像元件等可被构造成具有如下形式：具有从第一表面向第二表面扩展的斜坡的开口部的侧表面位于电荷存储电极侧。此外，上述形式包括其中在光电转换层和第一电极之间形成有另一层的形式(例如，在光电转换层和第一电极之间形成有适于电荷存储的材料层的形式)。
另外，在根据本发明的实施方案的包括上述各种示例性形式和构造的成像元件等中，成像元件等可具有如下构造，其中，成像元件进一步包括：控制单元，该控制单元设置于半导体基板并且具有驱动电路，第一电极和电荷存储电极连接至该驱动电路，在电荷存储期间，从驱动电路将电位V11施加至第一电极，将电位V12施加至电荷存储电极，以使电荷存储在光电转换层中，并且在电荷传输期间，从驱动电路将电位V21施加至第一电极，将电位V22施加至电荷存储电极，以使存储在光电转换层中的电荷通过第一电极被读出至控制单元。这里，在第一电极的电位高于第二电极的电位的情况下，V12≥V11且V22<V21；并且，在第一电极的电位低于第二电极的电位的情况下，V12≤V11且V22>V21。
另外，在根据本发明的实施方案的包括上述各种示例性形式和构造的成像元件等中，成像元件等可被构造成具有如下形式：其中，进一步包括布置在第一电极和电荷存储电极之间且与第一电极和电荷存储电极分离，并且被布置成隔着绝缘层面对光电转换层的传输控制电极(电荷传输电极)。注意，为便于说明，将根据本发明的实施方案的具有这种形式的成像元件均称为“根据本发明的实施方案的具有传输控制电极的成像元件等”。
此外，在根据本发明的实施方案的包括传输控制电极的成像元件等中，所述成像元件等可具有如下构造：包括控制单元，该控制单元设置于半导体基板并且具有驱动电路，第一电极、电荷存储电极以及传输控制电极连接至驱动电路。在电荷存储期间，从驱动电路将电位V11施加至第一电极，将电位V12施加至电荷存储电极，将电位V13施加至传输控制电极，以使电荷存储在光电转换层中。此外，在电荷传输期间中，从驱动电路将电位V21施加至第一电极，将电位V22施加至电荷存储电极，将电位V23施加至传输控制电极，以使存储在光电转换层中的电荷通过第一电极被读出至控制单元。这里，在第一电极的电位高于第二电极的电位的情况下，V12>V13且V22≤V23≤V21；在第一电极的电位低于第二电极的电位的情况下，V12<V13且V22≥V23≥V21。
另外，在根据本发明的实施方案的包括上述各种示例性形式和构造的成像元件等中，成像元件等可被构造成具有如下形式：进一步包括连接至光电转换层且布置成与第一电极和电荷存储电极分离开的电荷排出电极。注意，为便于说明，将根据本发明的实施方案的具有这种形式的成像元件等称为“根据本发明的实施方案的具有电荷排出电极的成像元件等”。另外，在根据本发明的实施方案的包括电荷排出电极的成像元件等中，成像元件等可被构造成具有如下形式：电荷排出电极布置成围绕第一电极和电荷存储电极(换句话说，以框架形状布置)。可由多个成像元件共享(共用)电荷排出电极。另外，在这种情况下，成像元件可被构造层如下形式：光电转换层在设置于绝缘层的第二开口部中延伸以连接至电荷排出电极，电荷排出电极的顶面的边缘覆盖有绝缘层，电荷排出电极露出于第二开口部的底面，并且当由第三表面限定绝缘层的与电荷排出电极的顶面接触的表面且由第二表面限定绝缘层的与光电转换层的面对电荷存储电极的一部分接触的表面时，第二开口部的侧表面具有从第三表面向第二表面扩展的斜坡。
另外，在根据本发明的实施方案的包括电荷排出电极的成像元件等中，成像元件等可具有如下构造：进一步包括：控制单元，该控制单元设置于半导体基板并且具有驱动电路，第一电极、电荷存储电极和电荷排出电极连接至该驱动电路，在电荷存储期间，从驱动电路将电位V11施加至第一电极，将电位V12施加至电荷存储电极，将电位V14施加至电荷排出电极，以使电荷存储在光电转换层中。并且，在电荷传输期间，从驱动电路将电位V21施加至第一电极，将电位V22施加至电荷存储电极，将电位V24施加至电荷排出电极，以使存储在光电转换层中的电荷通过第一电极被读出至控制单元。这里，在第一电极的电位高于第二电极的电位的情况下，V14>V11且V24<V21；在第一电极的电位低于第二电极的电位的情况下，V14<V11且V24>V21。
另外，在根据本发明的实施方案的包括上述各种示例性形式和构造的成像元件等中，成像元件等可被构造成如下形式：电荷存储电极构造有多个电荷存储电极段。注意，为便于说明，将根据本发明的实施方案的具有这种形式的成像元件等称为“根据本发明的实施方案的具有多个电荷存储电极段的成像元件等”。电荷存储电极段的数量可以为两个以上。另外，在根据本发明的实施方案的具有多个电荷存储电极段的成像元件等中，成像元件等可被构造成具有如下形式：在第一电极的电位高于第二电极的电位的情况下，在电荷传输期间，施加至位于最靠近第一电极的位置处的电荷存储电极段的电位高于施加至位于最远离第一电极的位置处的电荷存储电极段的电位。在第一电极的电位低于第二电极的电位的情况下，在电荷传输期间，施加至位于最靠近第一电极的位置处的电荷存储电极段的电位低于施加至位于最远离第一电极的位置处的电荷存储电极段的电位。
另外，在根据本发明的实施方案的包括上述各种示例性形式和构造的成像元件等中，成像元件等可具有如下构造：至少浮动扩散层和构成控制单元的放大晶体管设置于半导体基板，并且第一电极连接至浮动扩散层和放大晶体管的栅极部。在这种情况下，进一步将构成控制单元的复位晶体管和选择晶体管设置于半导体基板，浮动扩散层连接至复位晶体管的一个源极/漏极区域，放大晶体管的一个源极/漏极区域连接至选择晶体管的一个源极/漏极区域，并且选择晶体管的另一个源极/漏极区域连接至信号线。
另外，在根据本发明的实施方案的包括上述各种示例性形式和构造的成像元件等中，成像元件等可被构造成具有如下形式：电荷存储电极比第一电极大。当电荷存储电极的面积由S1'表示且第一电极的面积由S1表示时，虽然并不局限于以下关系，但优选地满足如下关系：4≤S1'/S1。
另外，在根据本发明的实施方案的包括上述各种示例性形式和构造的成像元件等中，成像元件等可被构造成具有如下形式：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。可选地，成像元件等可被构造成具有如下形式：光从第二电极侧入射，但光不入射在第一电极(在某些情况下，第一电极和传输控制电极)上。在这种情况下，成像元件等可具有如下构造：在第一电极(在某些情况下，第一电极和传输控制电极)上方形成有遮光层作为第二电极的光入射侧。成像元件等可具有如下构造：在电荷存储电极和第二电极上方设置片上微透镜，在电荷存储电极中收集入射在片上微透镜上的光。遮光层可布置在第二电极的光入射侧表面上方，或可布置在第二电极的光入射侧表面上。在某些情况下，遮光层可形成在第二电极中。可使用例如铬(Cr)、铜(Cu)、铝(Al)、钨(W)和不透光的树脂(例如聚酰亚胺树脂)作为构成遮光层的材料。
作为根据本发明的实施方案的成像元件，具体地，例示了对蓝色敏感并且包括吸收蓝色光(波长范围为425nm至495nm的光)的光电转换层(为便于说明，称为“第一类型蓝色光电转换层”)的成像元件(为便于说明，称为“第一类型蓝色成像元件”)、对绿色敏感并且包括吸收绿色光(波长范围为495nm至570nm的光)的光电转换层(为便于说明，称为“第一类型绿色光电转换层”)的成像元件(为便于说明，称为“第一类型绿色成像元件”)以及对红色敏感并且包括吸收红色光(波长范围为620nm至750nm的光)的光电转换层(为便于说明，称为“第一类型红色光电转换层”)的成像元件(为便于说明，称为“第一类型红色成像元件”)。此外，作为现有技术中没有电荷存储电极的成像元件，为便于说明，将对蓝色敏感的成像元件称为“第二类型蓝色成像元件”；为便于说明，将对绿色敏感的成像元件称为“第二类型绿色成像元件”；为便于说明，将对红色敏感的成像元件称为“第二类型红色成像元件”；为便于说明，将构成第二类型蓝色成像元件的光电转换层称为“第二类型蓝色光电转换层”；为便于说明，将构成第二类型绿色成像元件的光电转换层称为“第二类型绿色光电转换层”；并且为便于说明，将构成第二类型红色成像元件的光电转换层称为“第二类型红色光电转换层”。
根据本发明的实施方案的层叠型成像元件包括根据本发明的实施方案的至少一个成像元件(光电转换元件)。也就是说，层叠型成像元件可包括但不限于以下的非限制性构造和结构。
[A]构造和结构
第一类型蓝色光电转换单元、第一类型绿色光电转换单元和第一类型红色光电转换单元沿垂直方向层叠，并且用于第一类型蓝色成像元件、第一类型绿色成像元件和第一类型红色成像元件的各控制单元设置在半导体基板中。
[B]构造和结构
第一类型蓝色光电转换单元和第一类型绿色光电转换单元沿垂直方向层叠，第二类型红色光电转换层布置在这两层第一类型光电转换单元下方，并且用于第一类型蓝色成像元件、第一类型绿色成像元件和第二类型红色成像元件的各个控制单元设置在半导体基板中。
[C]构造和结构
第二类型蓝色光电转换单元和第二类型红色光电转换单元布置在第一类型绿色光电转换单元下方，并且用于第一类型绿色成像元件、第二类型蓝色成像元件和第二类型红色成像元件的各个控制单元设置在半导体基板中。
[D]构造和结构
第二类型绿色光电转换单元和第二类型红色光电转换单元布置在第一类型蓝色光电转换单元下方，并且用于第一类型蓝色成像元件、第二类型绿色成像元件和第二类型红色成像元件的各个控制单元设置在半导体基板中。注意，优选地，成像元件的光电转换单元在垂直方向上的排列顺序为从光入射方向起蓝色光电转换单元、绿色光电转换单元以及红色光电转换单元的顺序，或者为从光入射方向起绿色光电转换单元、蓝色光电转换单元以及红色光电转换单元的顺序。这是因为具有较短波长的光在入射表面侧被更有效地吸收。由于在这三种颜色光之中，红色光的波长最长，因此从光入射表面观察时，优选地红色光电转换单元位于最下层。在成像元件的层叠型结构中构造有一个像素。还可包括第一类型红外线光电转换单元。这里，优选的是，使用例如有机材料来构造第一类型红外线光电转换单元的光电转换层，并且该光电转换层位于第一类型成像元件的层叠型结构的最下层，并布置在第二类型成像元件上方。此外，还可包括位于第一类型光电转换单元下方的第二类型红外线光电转换单元。
在第一类型成像元件中，例如，在设置在半导体基板上的层间绝缘层上形成第一电极。形成在半导体基板中的成像元件可被构造成背照式成像元件或前照式成像元件。
在光电转换层由有机材料制成的情况下，光电转换层可形成为以下非限制性形式中的任一种：
(1)光电转换层由p型有机半导体构造；
(2)光电转换层由n型有机半导体构造；
(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型结构构造(例如，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型结构构造。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)的层叠型结构构造。光电转换层由n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)的层叠型结构构造)。
(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)构造。
这里，可任意地改变层叠顺序。
对于p型有机半导体，可采用以下非限制性材料中的一种或多种：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、苯并噻吩并苯并噻吩衍生物、三烯丙基胺衍生物、咔唑衍生物、苉衍生物、屈衍生物、荧蒽衍生物、酞菁衍生物、亚酞菁衍生物、亚紫菜嗪(subporphyrazine)衍生物、具有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、聚芴衍生物等。对于n型有机半导体，可采用以下非限制性材料中的一种或多种：富勒烯和富勒烯衍生物(例如，诸如C60，C70，C74等的富勒烯(高级富勒烯)、内嵌型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、富勒烯多聚体等))、具有比p型有机半导体更大(更深)的HOMO和LUMO的有机半导体以及透明无机金属氧化物等。n型有机半导体包括但不限于以下材料中的一种或多种：具有作为分子骨架的一部分的含有氮原子、氧原子或硫原子的杂环化合物的有机分子或有机金属络合物，例如，吡啶衍生物、吡嗪衍生物、嘧啶衍生物、三嗪衍生物、喹啉衍生物、喹喔啉衍生物、异喹啉衍生物、吖啶衍生物、吩嗪衍生物、菲咯啉衍生物、四唑衍生物、吡唑衍生物、咪唑衍生物、噻唑衍生物、恶唑衍生物、苯并咪唑衍生物、苯并三唑衍生物、苯并恶唑衍生物、咔唑衍生物、苯并呋喃衍生物、二苯并呋喃衍生物、亚紫菜嗪衍生物、聚苯乙烯衍生物、聚苯并噻二唑衍生物、聚芴衍生物等以及亚酞菁衍生物等。富勒烯衍生物中所含的基团等可以包括但不限于以下材料中的一种或多种：卤素原子；直链、支链或环状烷基或苯基；具有直链或稠环芳族化合物的基团；具有卤化物的基团；部分氟烷基；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；芳基硫基；烷基硫基；氨基；烷基氨基；芳基氨基；羟基；烷氧基；酰氨基；酰氧基；羰基；羧基；羧基甲基酰胺基(carboxymethylkiso amide groups)；碳烷氧基；酰基；磺酰基；氰基；硝基；具有硫属化物的基团；膦基；膦酸酯基团；以及它们的衍生物。由有机材料构造的光电转换层(在某些情况下，被称为“有机光电转换层”)的厚度可包括但不限于以下非限制性范围：1×10-8m至5×10-7m的范围，优选地2.5×10-8m至3×10-7m的范围，更优选地，2.5×10-8m至2×10-7m的范围，进一步优选地，1×10-7m至1.8×10-7m的范围。注意，在许多情况下，将有机半导体分为p型和n型。这里，p型表示易于传输空穴，n型表示易于传输电子。上述类型不应被限制性地解释。
构成用于对具有绿色波长的光进行光电转换的有机光电转换层的材料可包括但不限于以下成分中的一种或多种：基于罗丹明的染料、基于部花青的染料、喹吖啶酮衍生物、亚酞菁染料(亚酞菁衍生物)等。构成用于对具有蓝色波长的光进行光电转换的有机光电转换层的材料可包括但不限于以下成分在的一种或多种：香豆素酸染料、三-8-羟基喹啉铝(Alq3)、基于部花青的染料等。构成用于对具有红色波长的光进行光电转换的有机光电转换层的材料可包括但不限于以下成分中的一种或多种：酞菁染料、亚酞菁染料(亚酞菁衍生物)等。
光电转换层的无机材料可包括但不限于以下化合物半导体中的一种或多种：晶体硅，非晶硅，微晶硅，结晶硒，非晶硒，诸如CIGS(CuInGaSe)、CIS(CuInSe2)、CuInS2、CuAlS2、CuAlSe2、CuGaS2、CuGaSe2、AgAlS2、AgAlSe2、AgInS2或AgInSe2等的黄铜矿系化合物，诸如GaAs、InP、AlGaAs、InGaP、AlGaInP等的III-V族化合物，或InGaAsP、CdSe、CdS、In2Se3、In2S3、Bi2Se3、Bi2S3、ZnSe、ZnS、PbSe、和PbS。由这些材料制成的量子点可以用于光电转换层。
可选地，光电转换层可被构造成具有下半导体层和上半导体层的层叠结构。这样，通过设置下半导体层，能够防止在电荷存储期间再耦合，从而可以提高存储在光电转换层中的电荷到第一电极的传输效率，并且可抑制出现暗电流。构成上光电转换层的材料可适当地选自构成上述光电转换层的各种材料。另一方面，优选地，对于构成下半导体层的材料，使用带隙值大(例如，带隙值为3.0eV以上)且迁移率比构成光电转换层的材料的迁移率高的材料。具体地，所述材料的非限制性示例可包括以下材料中的一种或多种：诸如IGZO的氧化物半导体材料；过渡金属硫属元素化物；碳化硅；钻石；石墨烯；碳纳米管；以及缩合多环烃化合物、稠合杂环化合物组成的有机半导体材料等。对于构成下半导体层的材料，在要存储的电荷为电子的情况下，示例材料包括但不限于电离电位比构成光电转换层的材料的电离电位高的材料；在要存储的电荷为空穴的情况下，示例材料包括但不限于电子亲和力比构成光电转换层的材料的电子亲和力小的材料。优选地，构成下半导体层的材料的杂质浓度为1×1018cm-3或更小。下半导体层可以具有单层构造或者可以为多层构造。此外，可将构成位于电荷存储电极上方的下半导体层的材料和构成位于第一电极上方的下半导体层的材料构造为彼此不同。
根据本发明的第一实施方案或第二实施方案的固态成像装置，可构造单板彩色固态成像装置。
在根据本发明的第二实施方案的具有层叠型成像元件的固态成像装置中，与具有以拜耳阵列排列的成像元件的固态成像装置不同(换句话说，不使用滤色器进行蓝色光、绿色光和红色光的光谱分离)，通过在同一像素中沿光入射方向层叠对具有多种类型的波长的光敏感的成像元件来构造一个像素，从而可以提高每单位体积的灵敏度和像素密度。此外，由于有机材料具有高吸收系数，因此有机光电转换层可以被构造成具有比现有技术的Si基光电转换层更小的厚度，并且减少了来自相邻像素的光泄漏或降低了对光入射角度的限制。另外，在现有技术的Si基成像元件中，在三个颜色像素之间进行插值处理，从而出现假彩色以产生颜色信号。然而，在根据本发明的第二实施方案的具有层叠型成像元件的固态成像装置中，会抑制出现假彩色。由于有机光电转换层本身具有滤色器的功能，因此可以在不布置滤色器的情况下实现分色。
另一方面，在根据本发明的第一实施方案的使用滤色器的固态成像装置中，可以减轻对蓝色光、绿色光和红色光的光谱分离特性的要求，并且可以实现高生产率。在根据本发明的第一实施方案的固态成像装置中的成像元件的阵列包括但不限于以下阵列中的一种或多种：拜耳阵列、行间布置、G条纹RB方格阵列、G条纹RB完全方格阵列、方格互补颜色阵列、条纹阵列、对角条纹布置、原色差阵列、场色差顺序阵列、帧色差顺序阵列、MOS型阵列、改进的MOS型阵列、帧交织阵列和场交织阵列。这里，一个像素(或子像素)由一个成像元件构成。
布置有根据本发明的实施方案的多个成像元件和根据本发明的实施方案的多个层叠型成像元件的像素区域由以二维阵列形状规则排列的多个像素构成。通常，像素区域被构造成包括有效像素区域和黑基准像素区域，其中，有效像素区域实际接收光，放大通过光电转换生成的信号电荷以及将该信号电荷读出到驱动电路，而黑基准像素区域输出作为黑电平的基准的光学黑。通常，黑基准像素区域布置在有效像素区域的外围处。
在根据本发明的实施方案的包括上述各种示例性形式和构造的成像元件等中，用光对其进行照射，并在光电转换层中发生光电转换，从而空穴和电子被分离作为载流子。然后，将提取空穴的电极定义为阳极，将提取电子的电极定义为阴极。存在第一电极构成阳极且第二电极构成阴极的形式。反之，也存在第一电极构成阴极且第二电极构成阳极的形式。
在构成层叠型成像元件的情况下，第一电极、电荷存储电极、传输控制电极、电荷排出电极和第二电极可被构造成由透明导电材料制成。注意，在某些情况下，将第一电极、电荷存储电极、传输控制电极和电荷排出电极统称为“第一电极等”。可选地，在根据本发明的实施方案的成像元件以例如拜耳阵列布置在平面中的情况下，第二电极可被构造成由透明导电材料制成，并且第一电极可被构造成由金属材料制成。在这种情况下，具体地，位于光入射侧处的第二电极可被构造成由透明导电材料制成，第一电极等可被构造成由例如Al-Nd(铝和钕的合金)或ASC(铝、钐和铜的合金)制成。注意，在某些情况下，将由透明导电材料制成的电极称为“透明电极”。透明导电材料的带隙能量为2.5eV，更优选为3.1eV以上。对于构成透明电极的透明导电材料，可以为示例性的导电金属氧化物。导电氧化物可包括但不限于以下材料中的一种或多种：铟氧化物、铟锡氧化物(ITO、Sn掺杂In2O3，包括结晶ITO和无定形ITO)、通过将铟作为掺杂剂添加到氧化锌中而形成的铟锌氧化物(IZO)、通过将铟作为掺杂剂添加到氧化镓而形成的镓铟氧化物(IGO)、通过将铟和镓作为掺杂剂添加到氧化锌中而形成的氧化物铟镓锌(IGZO，In-GaZnO4)、通过将锡作为掺杂剂添加到氧化锌中形成的铟锡锌氧化物(ITZO)、IFO(F掺杂In2O3)、氧化锡(SnO2)、ATO(Sb掺杂SnO2)、FTO(F掺杂SnO2)、锌氧化物(包括掺杂有其它元素的ZnO)、通过将铝作为掺杂剂添加到氧化锌中而形成的铝锌氧化物(AZO)、通过将镓作为掺杂剂添加到氧化锌中而形成的镓锌氧化物(GZO)、氧化钛(TiO2)、通过将铌作为掺杂剂添加到氧化钛中而形成的铌钛氧化物(TNO)、锑氧化物、尖晶石型氧化物和具有YbFe2O4结构的氧化物。可替代地，可以将使用氧化镓、氧化钛、氧化铌、氧化镍等中的一种或多种作为母层的透明电极作为示例。对于透明电极的厚度，非限制性范围的示例可以为2×10-8m至2×10-7m，优选地，可以是3×10-8m至1×10-7m的范围。在第一电极需要透明度的情况下，从简化制造工艺的角度来看，优选地，电荷排出电极也由透明导电材料制成。
在不需要透明度的情况下，优选地，构成起到排出空穴的电极的作用的正电极的导电材料是具有高的功函数(例如，φ＝4.5eV至5.5eV)的导电材料。具体地，所述导电材料可包括但不限于以下材料中的一种或多种：金(Au)、银(Ag)、铬(Cr)、镍(Ni)、钯(Pd)、铂(Pt)、铁(Fe)、铱(Ir)、锗(Ge)、锇(Os)、铼(Re)或碲(Te)。另一方面，优选地，构成起到排出电子的电极的作用的负电极的导电材料是具有低的功函数(例如，φ＝3.5eV至4.5eV)的导电材料。具体地，所述导电材料可包括但不限于以下材料中的一种或多种：碱金属(例如Li、Na或K等)及其氟化物或氧化物、碱土金属(例如Mg、Ca等)及其氟化物或氧化物、铝(Al)、锌(Zn)、锡(Sn)、铊(Tl)、钠钾合金、铝锂合金、镁银合金、铟、诸如镱等稀土金属或者它们的合金。构成阳极或阴极的材料包括但不限于以下一种或多种：诸如铂(Pt)、金(Au)、钯(Pd)、铬(Cr)、镍(Ni)、铝(Al)、银(Ag)、钽(Ta)、钨(W)、铜(Cu)、钛(Ti)、铟(In)、锡(Sn)、铁(Fe)、钴(Co)和钼(Mo)等金属、含有这些金属原子的合金、由这些金属制成的导电粒子、含有这些金属的合金的导电粒子或者诸如包含杂质的多晶硅、碳基材料、氧化物半导体、碳纳米管和石墨烯等导电材料，并且可以使用包含这些原子的多层的层叠型结构。另外，构成阳极或阴极的材料包括但不限于以下材料中的一种或多种：诸如聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)/聚苯乙烯磺酸[PEDOT/PSS]等的有机材料(导电聚合物)。此外，可以将通过使导电材料与粘合剂(聚合物)混合而获得的糊剂或油墨的固化材料用作电极。
关于第一电极等或第二电极(阳极或阴极)的膜形成方法，可以使用干法或湿法。干法的示例包括但不限于：物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)法和化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)法。使用PVD方法的原理的膜形成方法的示例包括但不限于：使用电阻加热或高频加热的真空气相沉积法、电子束(electron beam，EB)气相沉积法、各种溅射法(磁控溅射法、RF-DC耦合型偏置溅射法、ECR溅射法、面对靶溅射法和高频溅射法)、离子镀法、激光烧蚀法、分子束外延法和激光转印法。此外，CVD方法的示例包括但不限于：等离子体CVD法、热CVD法、金属有机(MO)CVD法和光CVD法。另一方面，湿法的示例包括但不限于：电镀法或无电镀法、旋涂法、喷墨法、喷涂法、印模法、微接触印刷法、柔性版印刷法、胶版印刷法、凹版印刷法和浸渍法等。图案化方法的示例包括但不限于：诸如荫罩(shadow mask)等的化学蚀刻、激光转印或使用紫外光、激光的光刻和物理蚀刻等。第一电极等或第二电极的平坦化技术可以包括但不限于：激光平坦化方法、回流法、化学机械抛光(chemical mechanical polishing，CMP)方法等。
绝缘层可包括一种或多种以下非限制性材料：除了诸如基于氧化硅的材料、氮化硅(SiNY)以及氧化铝(Al2O3)等金属氧化物高介电绝缘材料的无机绝缘材料之外，还可以是诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；聚乙烯基苯酚(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(诸如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)等的硅烷偶联剂)；醛清漆型酚醛树脂；氟系树脂；例如诸如十八烷硫醇或十二烷基异氰酸酯等在其一端具有能够与控制电极结合的官能团的直链烃等有机绝缘材料(有机聚合物)；并且可使用它们的组合。注意，对于氧化硅基材料，非限制性示例包括但不限于：氧化硅(SiOX)、BPSG，PSG、BSG，AsSG、PbSG、氮氧化硅(SiON)、SOG(旋涂玻璃)和低介电常数材料(例如，聚芳基醚(polyaryl ether)、环全氟碳聚合物和苯并环丁烯、环状氟树脂、聚四氟乙烯、芳基醚氟化物、聚酰亚胺氟化物、无定形碳和有机SOG)。构成各种层间绝缘层或绝缘膜的材料也可以适当地选自上述材料。
浮动扩散层、构成控制单元的放大晶体管、复位晶体管和选择晶体管的构造和结构可被形成为类似现有技术中的浮动扩散层、放大晶体管、复位晶体管和选择晶体管的构造和结构。也可以以已知构造和结构来形成驱动电路。
第一电极连接至浮动扩散层和放大晶体管的栅极部，因此期望形成接触孔部以用于第一电极和浮动扩散层之间的连接以及第一电极和放大晶体管的栅极部之间的连接。构成接触孔部的材料可以包括但不限于以下材料中的一种或多种：掺杂有杂质的多晶硅、诸如钨，Ti、Pt、Pd、Cu、TiW、TiN、TiNW、WSi2和MoSi2等的高熔点金属或金属硅化物，并且可以使用由这些材料制成的多层的层叠型结构(例如，Ti/TiN/W)。
第一载流子阻挡层可设置在有机光电转换层和第一电极之间，第二载流子阻挡层可设置在有机光电转换层和第二电极之间。此外，第一电荷注入层可设置在第一载流子阻挡层和第一电极之间，并且第二电荷注入层可设置在第二载流子阻挡层和第二电极之间。构成电极注入层的材料可包括但不限于以下材料中的一种或多种：诸如锂(Li)、钠(Na)和钾(K)等的碱金属及其氟化物和氧化物，诸如镁(Mg)和钙(Ca)等的碱土金属及其氟化物和氧化物。
用于形成各种有机层的方法可以包括但不限于以下方法中的一种或多种：干膜形成法和湿膜形成法。干膜形成法的示例包括但不限于以下方法中的一种或多种：电阻加热或高频加热法、使用电子束加热的真空气相沉积法、闪急气相沉积法、等离子体气相沉积法，EB气相沉积法，各种溅射法(2极溅射法、DC溅射法、DC磁控溅射法、高频溅射法、磁控溅射法、RF-DC耦合型偏置溅射法、ECR溅射法、面对靶溅射法、高频溅射法和离子束溅射)、直流(DC)法、RF法、多阴极法、活化反应法、电场蒸镀法、诸如高频离子镀方法和反应离子镀方法等各种离子镀方法、激光烧蚀法、分子束外延法、激光转印法和分子束外延(molecularbeam epitaxy，MBE)法。此外，CVD方法的示例包括但不限于：等离子体CVD法、热CVD法、MOCVD法和光CVD法。另一方面，湿法的示例包括但不限于：旋涂法；浸渍法；铸造法；微接触印刷法；滴铸法；诸如丝网印刷法、喷墨印刷法、胶版印刷法、凹版印刷法和柔性版印刷法等各种印刷方法；冲压法；喷雾法；以及诸如气刀涂布法、刀片涂布法、棒涂法、刮刀涂布法、挤压涂布法、逆辊涂布法、转印辊涂布法、凹版涂布法，轻触涂布法、铸涂法、喷涂法，狭缝喷嘴涂布法，方格涂布法等的涂布法。注意，在涂布法中，溶剂包括但不限于：诸如甲苯、氯仿、己烷等的不具有极性或极性低的有机溶剂，并且可以使用乙醇。图案化方法的示例包括但不限于以下方法中的一种或多种：诸如荫罩等的化学蚀刻、激光转印或使用紫外光、激光的光刻和物理蚀刻等。针对各种类型有机层的平坦化技术包括但不限于以下方法中的一种或多种：激光平坦化方法、回流方法等。
如上所述，在成像元件或固态成像装置中，必要时设置片上微透镜或遮光层，并且设置用于驱动成像元件的驱动电路或配线。必要时，可以设置用于控制光入射至成像元件的快门，并且固态成像装置可以根据其目的而包括光学截止滤光器。
例如，在层叠固态成像装置和读出集成电路(ROIC)的情况下，能够将形成有读出集成电路和由铜(Cu)制成的连接部的驱动基板和形成有连接部的成像元件互相重叠，从而使各连接部互相接触，然后，通过粘接所述连接部来进行层叠。可替换地，可使用焊料凸块等将连接部互相粘接。
实施例1
实施例1涉及根据本发明的实施方案的成像元件、根据本发明的实施方案的层叠型成像元件以及根据本发明的第二实施方案的固态成像装置。
图1A示出了实施例1的成像元件和层叠型成像元件的一部分的示意性局部横截面图。图2和图3示出了实施例1的成像元件和层叠型成像元件的等效电路图。图4示出了构成实施例1的成像元件的第一电极和电荷存储电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。图5示出了在实施例1的成像元件的操作期间内各部件的电位状态。此外，图6示出了构成实施例1的成像元件的第一电极和电荷存储电极的示意性布局图。图7示出了构成实施例1的成像元件的第一电极、电荷存储电极、第二电极以及接触孔部的示意性立体图。图8示出了实施例1的固态成像装置的概念图。
实施例1的成像元件(例如，稍后将说明的绿色成像元件)被构造成包括通过层叠第一电极11、光电转换层15和第二电极16而形成的光电转换单元。光电转换单元被构造成包括电荷存储电极12，该电荷存储电极被布置成与第一电极11分离并且被布置为面对光电转换层15，并且在电荷存储电极12和光电转换层15之间插入有绝缘层82。
如图1B-图1D所示，绝缘层82可包括多层82E和82F。例如，可以存在绝缘材料82的位于电荷存储电极12和光电转换层15之间的第一区域，也可存在绝缘材料82的位于电荷存储电极12和第一电极11之间的第二区域。在某些实施方案中，绝缘材料的第二区域包括含绝缘材料的第一绝缘层82E和含绝缘材料的第二绝缘层82F，并且第一绝缘材料82F层叠在第二绝缘材料82E上。图1B-图1D进一步示出了有关绝缘层82的各种构造(例如，层82E和82F的构造发生改变)。
此外，实施例1的层叠型成像元件包括至少一个实施例1的成像元件。在实施例1中，层叠型成像元件包括实施例1的一个成像元件。
另外，实施例1的固态成像装置包括实施例1的多个层叠型成像元件。
另外，该成像元件进一步包括半导体基板(更具体地，硅半导体层)70，并且光电转换单元布置在半导体基板70上方。此外，进一步包括控制单元，所述控制单元设置在半导体基板70中且具有连接至第一电极11的驱动电路。这里，将半导体基板70的光入射侧设定为“在半导体基板上方”，并将半导体基板70的相对侧设定为“在半导体基板下方”。由多根配线构造的配线层62设置在半导体基板70下方。半导体基板70至少设置有浮动扩散层FD1和构成控制单元的放大晶体管TR1amp，第一电极11连接至浮动扩散层FD1和放大晶体管TR1amp的栅极部。半导体基板70进一步设置有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连接至复位晶体管TR1rst的一个源极/漏极区域，放大晶体管TR1amp的一个源极/漏极区域连接至选择晶体管TR1sel的一个源极/漏极区域，并且选择晶体管TR1sel的另一个源极/漏极区域连接至信号线VSL1。放大晶体管TR1amp、复位晶体管TR1rst以及选择晶体管TR1sel构成驱动电路。
具体地，实施例1的成像元件和层叠型成像元件为背照式成像元件和背照式层叠型成像元件，并包括以下三种成像元件的层叠型结构：对绿色敏感且包括吸收绿色光的第一类型绿色光电转换层的实施例1的第一类型绿色成像元件(在下文中，被称为“第一成像元件”)、对蓝色敏感且包括吸收蓝色光的第二类型蓝色光电转换层的现有技术的第二类型蓝色成像元件(在下文中，被称为“第二成像元件”)以及对红色敏感且包括吸收红色光的第二类型红色光电转换层的现有技术的第二类型红色成像元件(在下文中，被称为“第三成像元件”)。红色成像元件(第三成像元件)和蓝色成像元件(第二成像元件)设置在半导体基板70中，并且第二成像元件比第三成像元件更靠近光入射侧。此外，绿色成像元件(第一成像元件)设置在蓝色成像元件(第二成像元件)上方。一个像素被构造成第一成像元件、第二成像元件和第三成像元件的层叠型结构。未设置滤色器。
在第一成像元件中，第一电极11和电荷存储电极12互相分离地形成在层间绝缘层81上。层间绝缘层81和电荷存储电极12覆盖有绝缘层82。光电转换层15形成在绝缘层82上，第二电极16形成在光电转换层15上。在包括第二电极16的整个表面上形成保护层83，并将片上微透镜90设置在保护层83上。第一电极11、电荷存储电极12和第二电极16由例如由ITO制成的透明电极构造。光电转换层15由包含对绿色敏感的已知有机光电转换材料(例如，诸如但不限于基于罗丹明的染料、基于部花青的染料、喹吖啶酮等有机材料)的层构成。此外，光电转换层15还可具有包括适于电荷存储的材料层。换句话说，适于电荷存储的材料层可形成在光电转换层15和第一电极11之间(例如，形成在连接部67中)。层间绝缘层81、绝缘层82和保护层83由已知绝缘材料(例如，SiO2或SiN)构造。光电转换层15和第一电极11通过设置于绝缘层82的连接部67互相连接。光电转换层15在连接部67中延伸。换句话说，光电转换层15在设置于绝缘层82的开口部84中延伸以与第一电极11连接。
电荷存储电极12连接至驱动电路。具体地，电荷存储电极12通过设置在层间绝缘层81中的连接孔66、焊盘部64和配线VOA连接至构成驱动单元的垂直驱动电路112。
电荷存储电极12比第一电极11大。当电荷存储电极12的面积由S1'表示且第一电极11的面积由S1表示时，虽然并不局限于以下关系，但优选地满足4≤S1'/S1，并且在实施例1，虽然并不局限于以下关系，但是将其设定为S1'/S1＝8。
元件隔离区71形成在半导体基板70的第一表面(前表面)70A侧，氧化膜72形成在半导体基板70的第一表面70A上。另外，半导体基板70的第一表面侧设置有构成第一成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，并且进一步设置有第一浮动扩散层FD1。
复位晶体管TR1rst由栅极部51、沟道形成区域51A和源极/漏极区域51B和51C构造。复位晶体管TR1rst的栅极部51连接至复位线RST1，复位晶体管TR1rst的一个源极/漏极区域51C也用作第一浮动扩散层FD1，并且其另一个源极/漏极区域51B连接至电源VDD。
第一电极11通过设置在层间绝缘层81中的连接孔65和焊盘部63、设置于半导体基板70和层间绝缘层76的接触孔部61以及在层间绝缘层76中形成的配线层62连接至一个源极/漏极区域51C(第一浮动扩散层FD1)。
放大晶体管TR1amp由栅极部52、沟道形成区域52A和源极/漏极区域52B和52C构成。栅极部52通过配线层62连接至第一电极11和复位晶体管TR1rst的一个源极/漏极区域51C(第一浮动扩散层FD1)。此外，一个源极/漏极区域52B与构成复位晶体管TR1rst的另一个源极/漏极区域51B互相共享区域，并且连接在电源VDD。
放大晶体管TR1sel由栅极部53、沟道形成区域53A和源极/漏极区域53B和53C构造。栅极部53连接至选择线SEL1。此外，一个源极/漏极区域53B与构成放大晶体管TR1amp的另一个源极/漏极区域52C互相共享区域，并且另一个源极/漏极区域53C连接至信号线(数据输出线)VSL1(117)。
第二成像元件包括作为光电转换层设置于半导体基板70的n型半导体区域41。由垂直型晶体管构造的传输晶体管TR2trs的栅极部45延伸至n型半导体区域41并连接至传输栅极线TG2。此外，第二浮动扩散层FD2设置于半导体基板70的位于传输晶体管TR2trs的栅极部45附近的区域45C。存储在n型半导体区域41中的电荷经由沿栅极部45形成的传输通道被读出至第二浮动扩散层FD2。
在第二成像元件中，在半导体基板70的第一表面侧中进一步设置有构成第二成像元件的控制单元的复位晶体管TR2rst、放大晶体管TR2amp和选择晶体管TR2sel。
复位晶体管TR2rst由栅极部、沟道形成区域和源极/漏极区域构成。复位晶体管TR2rst的栅极部连接至复位线RST2，复位晶体管TR2rst的一个源极/漏极区域连接至电源VDD，并且其另一个源极/漏极区域用作第二浮动扩散层FD2。
放大晶体管TR2amp由栅极部、沟道形成区域和源极/漏极区域构成。该放大晶体管的栅极部连接至复位晶体管TR2rst的另一个源极/漏极区域(第二浮动扩散层FD2)。此外，该放大晶体管的一个源极/漏极区域与构成TR2rst的另一个源极/漏极区域共享区域，并连接至电源VDD。
选择晶体管TR2sel由栅极部、沟道形成区域和源极/漏极区域构造。其栅极部连接至选择线SEL2。此外，该选择晶体管的一个源极/漏极区域与构成放大晶体管TR2amp的另一个源极/漏极区域共享区域，并且其另一个源极/漏极区域连接至信号线(数据输出线)VSL2。
第三成像元件包括作为光电转换层设置于半导体基板70的n型半导体区域43。传输晶体管TR3trs的栅极部46连接至传输栅极线TG3。此外，第三浮动扩散层FD3设置于半导体基板70的位于传输晶体管TR3trs的栅极部46附近的区域46C。存储在n型半导体区域43中的电荷经由沿栅极部46形成的传输通道46A被读出至第三浮动扩散层FD3。
在第三成像元件中，在半导体基板70的第一表面侧中进一步设置有构成第三成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。
复位晶体管TR3rst由栅极部、沟道形成区域和源极/漏极区域构成。复位晶体管TR3rst的栅极部连接至复位线RST3，复位晶体管TR3rst的一个源极/漏极区域连接至电源VDD，并且其另一个源极/漏极区域用作第三浮动扩散层FD3。
放大晶体管TR3amp由栅极部、沟道形成区域和源极/漏极区域构成。栅极部连接至复位晶体管TR3rst的另一个源极/漏极区域(第三浮动扩散层FD3)。此外，该放大晶体管的一个源极/漏极区域与构成TR3rst的另一个源极/漏极区域共享区域，并连接至电源VDD。
选择晶体管TR3sel由栅极部、沟道形成区域和源极/漏极区域构成。
栅极部连接至选择线SEL3。此外，该选择晶体管的一个源极/漏极区域与构成放大晶体管TR3amp的另一个源极/漏极区域共享区域，并且其另一个源极/漏极区域连接至信号线(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连接至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连接至构成驱动电路的列信号处理电路113。
p+层44设置在n型半导体区域43与半导体基板70的表面70A之间，从而抑制出现暗电流。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，并且n型半导体区域43的一部分侧表面被p+层42围绕。p+层73形成在半导体基板70的背面70B侧，从p+层73起在半导体基板70内部的将形成接触孔部61的部分形成有HfO2膜74和绝缘膜75。在层间绝缘层76中，虽然在多个层上形成有配线，但是省略其图示。
HfO2膜74是具有负固定电荷的膜，通过制备这样的膜，可以抑制出现暗电流。注意，除HfO2膜之外，可还使用氧化铝(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、氧化鉕(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、氮氧化铪膜或氧氮化铝膜。作为这些膜的成膜方法，例如可以为CVD法、PVD法和ALD法。
在下文中，将参照图5对根据实施例1的成像元件(第一成像元件)的操作进行说明。这里，将第一电极11的电位设定为高于第二电极的电位。换句话说，例如，当将第一电极11设定成正电位而将第二电极的电位设定成负电位时，通过在光电转换层15中进行的光电转换将电子读出至浮动扩散层。在其它示例中以进行类似操作。注意，当将第一电极11设定成负电位而将第二电极的电位设定成正电位时，通过在光电转换层15中进行的光电转换将空穴读出至浮动扩散层，并且可以相反地设置在下文中提到的电位的电平。
稍后将对图5、实施例4的图20和图21使用的附图标记进行说明，并且稍后将进行说明的实施例6的图32和图33使用的附图标记说明如下。
PA......光电转换层15的与电荷存储电极12面对的区域的点PA的电位或光电转换层15的与电荷存储电极段12C面对的区域的点PA的电位；
PB......光电转换层15的与位于电荷存储电极12与第一电极11中间的区域相面对的区域的点PB的电位、光电转换层15的与传输控制电极(电荷传输电极)13面对的区域的点PB的电位或光电转换层15的与电荷存储电极段12B面对的区域的点PB的电位；
PC......光电转换层15的与第一电极11面对的区域的点PC的电位或光电转换层15的与电荷存储电极段12A面对的区域的点PC的电位；
PD......光电转换层15的与位于电荷存储电极段12C和第一电极11中间的区域面对的区域的点PD的电位；
FD......第一浮动扩散层FD1的电位；
VOA......电荷存储电极12的电位；
VOA-A......电荷存储电极段12A的电位；
VOA-B......电荷存储电极段12B的电位；
VOA-C......电荷存储电极段12C的电位；
VOT......传输控制电极(电荷传输电极)13的电位；
RST......复位晶体管TR1rst的栅极部51的电位；
VDD......电源的电位；
VSL_1......信号线(数据输出线)VSL1；
TR1_rst......复位晶体管TR1rst；
TR1_amp......放大晶体管TR1amp；以及
TR1_sel......选择晶体管TR1sel。
在电荷存储期间，从驱动电路将电位V11施加至第一电极11，将电位V12施加至电荷存储电极12。凭借入射至光电转换层15上的光，在光电转换层15中进行光电转换。通过光电转换生成的空穴经由配线VOU从第二电极16传输到驱动电路。另一方面，由于第一电极11的电位设定成高于第二电极16的电位，换句话说，例如，由于将正电位施加至第一电极11而将负电位施加至第二电极16，因此，将电位关系设定成V12≥V11，优选地，V12>V11。因此，通过光电转换生成的电子被电荷存储电极12吸引，从而电子会停留在光电转换层15的面对电荷存储电极12的区域中。换句话说，电荷被存储在光电转换层15中。由于V12>V11，在光电转换层15内部生成的电子不会朝向第一电极11移动。随着光电转换的进行，光电转换层15的面对电荷存储电极12的区域的电位变成更负的值。
在电荷存储时段的最后阶段中，进行复位操作。因此，第一浮动扩散层FD1的电位被复位，并且第一浮动扩散层FD1的电位变成电源的电位VDD。
在复位操作完成之后，进行电荷读出。换句话说，在电荷传输期间，从驱动电路将电位V21施加至第一电极11，将电位V22施加至电荷存储电极12。这里，设定成V22<V21。这样，停留在光电转换层15的面对电荷存储电极12的区域中的电子被读出至第一电极11，并进一步被读出至第一浮动扩散层FD1。换句话说，将存储在光电转换层15中的电荷读出至控制单元。
包括位于电荷存储电极12和第一电极11之间的绝缘层82的结构能够抑制PB电位的变化。如果在该位置处没有绝缘层82，则除了电荷存储电极12和第一电极11之间的距离之外，绝缘层82的边缘的不同的位置也可以引起PB电位的变化。相反，在电荷存储电极12和第一电极11之间的开口中设置有绝缘层82，使得能够通过电荷存储电极12和第一电极11之间的距离来确定PB电位的影响。因此，通过包括如上所述的绝缘层82，绝缘层82可以使最小PB电位增大，这有效地将电子限制在PA位置，并且还减少了电流泄漏。
以前文说明的方式，可完成电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作。
在将电子读出至第一浮动扩散层FD1之后的放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel的操作与现有技术中的上述晶体管的操作相同。此外，第二成像元件和第三成像元件的电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作类似于现有技术中的电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作。此外，类似于现有技术，可以通过相关双采样(CDS)处理来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，由于设置了布置成与第一电极分离且布置成面对光电转换层的电荷存储电极，并且在电荷存储电极和光电转换层之间插入有绝缘层，因此，当用光照射光电转换单元并且在光电转换单元中进行光电转换时，光电转换层、绝缘层和电荷存储电极形成某种电容器，使得电荷可被存储在光电转换层中。因此，在开始曝光时，通过完全耗尽电荷存储单元，可以清除电荷。因此，能够抑制kTC噪声增大、随机噪声劣化以及成像时图像质量劣化这些现象的出现。此外，由于可以一次重置全部的像素，所以可以实现所谓的全局快门功能。
图8示出了实施例1的固态成像装置的概念图。实施例1的固态成像装置100被构造成包括：成像区域111，其中层叠型成像元件101以二维阵列形状布置；以及诸如垂直驱动电路112、列信号处理电路113、水平驱动电路114、输出电路115和驱动控制电路116等的驱动电路(外围电路)。注意，这些电路可以由已知电路构造。显然，这些电路也可以通过使用现有技术中的其它电路构造(例如，用于CCD成像装置或CMOS成像装置的各种电路)来构造。注意，在图8中，附图标记“101”仅标示了一行层叠型成像元件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而生成作为垂直驱动电路112、列信号处理电路113和水平驱动电路114的操作的基准的时钟信号和控制信号。接着，将生成的时钟信号或控制信号输入至垂直驱动电路112、列信号处理电路113和水平驱动电路114。
垂直驱动电路112例如由移位寄存器构成，并且在垂直方向上以行为单位顺序地选择性地扫描成像区域111中的层叠型成像元件101。然后，将基于根据每个层叠型成像元件101的接收光量而生成的电流(信号)的像素信号(图像信号)通过信号线(数据输出线)117和VSL传输至列信号处理电路113。
列信号处理电路113例如针对层叠型成像元件101的每一列进行布置，并且根据来自每个成像元件的黑参考像素(未示出，但形成在有效像素区域的外围)的信号对从一行层叠型成像元件101输出的图像信号进行诸如噪声去除或信号放大等的信号处理。设置水平选择开关(未示出)以连接在列信号处理电路113的输出级与水平信号线118之间。
水平驱动电路114例如由移位寄存器构成，并且通过顺序地输出水平扫描脉冲来顺序地选择列信号处理电路113，以将列信号处理电路113的信号输出至水平信号线118。
输出电路115对通过水平信号线118从列信号处理电路113顺序地提供的信号进行信号处理，并输出所述信号。
图9示出了实施例1的成像元件和层叠型成像元件的变形例的等效电路图。图10示处出的构成实施例1的成像元件的变形例的第一电极和电荷存储电极以及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/漏极区域51B可以接地，而不是连接至电源VDD。
例如，可以通过在下文中说明的方法来制造实施例1的成像元件和层叠型成像元件。即，首先，制备SOI基板。然后，基于外延生长法将第一硅层形成在SOI基板的表面上，并且在第一硅层上形成p+层73和n型半导体区域41。接着，基于外延生长法将第二硅层形成在第一硅层上，在第二硅层上形成元件隔离区71、氧化膜72、p+层42、n型半导体区域43和p+层44。此外，将构成成像元件的控制单元的各种晶体管等形成在第二硅层中，并在其上形成配线层62、层间绝缘层76以及各种配线。使层间绝缘层76和支撑基板(未示出)互相粘接。之后，通过移除SOI衬底，使第一硅层露出。注意，第二硅层的表面对应于半导体基板70的表面70A，第一硅层的表面对应于半导体基板70的背面70B。此外，将第一硅层和第二硅层统称为半导体基板70。接着，在半导体基板70的背面70B侧中，形成用于形成接触孔部61的开口部；形成HfO2膜74、绝缘膜75和接触孔部61；并且形成焊盘部63和64、层间绝缘层81、连接孔65和66、第一电极11、电荷存储电极12和绝缘层82。然而，将连接部67形成开口，并形成光电转换层15、第二电极16、保护层83和片上微透镜90。这样，可获得实施例1的成像元件和层叠型成像元件。
实施例2
实施例2是实施例1的变形例。在图11中示出了示意性局部横截面图的实施例2的成像元件和层叠型成像元件为前照式成像元件和前照式层叠型成像元件，并包括以下三种成像元件的层叠型结构：对绿色敏感且包括吸收绿色光的第一类型绿色光电转换层的实施例1的第一类型绿色成像元件(第一成像元件)、对蓝色敏感且包括吸收蓝色光的第二类型蓝色光电转换层的现有技术的第二类型蓝色成像元件(第二成像元件)以及对红色敏感且包括吸收红色光的第二类型红色光电转换层的现有技术的第二类型红色成像元件(第三成像元件)。这里，红色成像元件(第三成像元件)和蓝色成像元件(第二成像元件)设置在半导体基板70中，并且第二成像元件比第三成像元件更靠近光入射侧。此外，绿色成像元件(第一成像元件)设置在蓝色成像元件(第二成像元件)上方。
类似于实施例1，构成控制单元的各种晶体管设置在半导体基板70的表面70A侧中。这些晶体管可以形成为具有与实施例1中说明的那些晶体管基本相同的构造和结构。此外，虽然第二成像元件和第三成像元件设置在半导体基板70中，但是这些成像元件可以形成为具有与实施例1中说明的第二成像元件和第三成像元件基本相同的构造和结构。
层间绝缘层77和78形成在半导体基板70的表面70A上，并且构成实施例1的成像元件的光电转换单元(第一电极11、光电转换层15以及第二电极16)、电荷存储电极12等设置在层间绝缘层78上。
这样，除成像元件和层叠型成像元件为前照式之外，由于实施例2的成像元件和层叠型成像元件的构造和结构可被形成为类似于实施例1的成像元件和层叠型成像元件的构造和结构，因此省略其详细说明。
实施例3
实施例3是实施例1和2的变形例。
在图12中示出了示意性局部横截面图的实施例3的成像元件和层叠型成像元件为背照式成像元件和背照式层叠型成像元件，并包括实施例1的第一类型第一成像元件和第二类型第二成像元件这两种成像元件的层叠型结构。此外，在图13中示出了示意性局部横截面图的实施例3的成像元件和层叠型成像元件为前照式成像元件和前照式层叠型成像元件，并包括实施例1的第一类型第一成像元件和第二类型第二成像元件这两种成像元件的层叠型结构。这里，第一成像元件吸收原色光，并且第二成像元件吸收补色光。可替代地，第一成像元件吸收白色光，并且第二成像元件吸收红外线。
在图14中示出了示意性局部横截面图的实施例3的成像元件为背照式成像元件，并由实施例1的第一类型第一成像元件构造。可替代地，在图15A中示出了示意性局部横截面图的实施例3的成像元件的变形例为前照式成像元件，并由实施例1的第一类型第一成像元件构造。这里，第一成像元件由以下三种成像元件构造：吸收红色光的成像元件、吸收绿色光的成像元件和吸收蓝色光的成像元件。另外，根据本发明的第一实施方案的固态成像装置由多个成像元件构成。可将拜耳阵列作为多个成像元件的阵列的示例。必要时，将用于进行蓝色光、绿色光和红色光的光谱分离的滤色器布置在每个成像元件的光入射侧。此外，如图15B-图15D所示，绝缘层82可包括多层。如图15B-图15D所示，绝缘层82可包括多层82E和82F。例如，可以存在绝缘材料82的位于电荷存储电极12与光电转换层15之间的第一区域，也可存在绝缘材料82的位于电荷存储电极12和第一电极11之间的第二区域。在某些实施方案中，绝缘材料的第二区域包括含绝缘材料的第一绝缘层82E和含绝缘材料的第二绝缘层82F，并且第一绝缘材料82F层叠在第二绝缘材料82E上。图15B-图15D进一步示出了有关绝缘层82的各种构造(例如，层82E和82F的构造发生改变)。
注意，作为制备实施例1的一个第一类型成像元件的替代方案，可以层叠两个成像元件(即，层叠两个光电转换单元，并且在半导体基板中制备用于两个成像元件的控制单元)或层叠三个成像元件(即，层叠三个光电转换单元，并且在半导体基板中制备用于三个成像元件的控制单元)。在下表中列出了第一类型成像元件和第二类型成像元件的层叠结构的示例。
表格1
Figure BDA0003007998860000341
Figure BDA0003007998860000351
实施例4
实施例4是实施例1至3的变形例，并涉及根据本发明的实施方案的具有传输控制电极(电荷传输电极)的成像元件等。图16示出了实施例4的成像元件和层叠型成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的成像元件和层叠型成像元件的等效电路图。图19示出了构成实施例4的成像元件的第一电极、传输控制电极和电荷存储电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。图20和图21示出了在实施例4的成像元件操作期间内各部件的电位状态的图。此外，图22示出了构成实施例4的成像元件的第一电极、传输控制电极和电荷存储电极的示意性布局图。图23示出了构成实施例4的成像元件的第一电极、传输控制电极、电荷存储电极、第二电极以及接触孔部的示意性立体图。
实施例4的成像元件和层叠型成像元件被构造成进一步包括传输控制电极(电荷传输电极)13，传输控制电极13布置在第一电极11与电荷存储电极12之间且与第一电极11和电荷存储电极12分离，并且传输控制电极13被布置为隔着绝缘层82面对光电转换层15。传输控制电极13通过设置在层间绝缘层81中的连接孔68B、焊盘部68A和配线VOT连接至构成驱动电路的像素驱动电路。注意，为了简化附图，将位于层间绝缘层81下方的成像元件的各种部件共同地由附图标记91表示。
在下文中，将参照图20和图21来对实施例4的成像元件(第一成像元件)的操作进行说明。注意，特别地，在施加至电荷存储电极12的电位和点PB的电位的方面，图20和图21互不相同。
在电荷存储期间，从驱动电路将电位V11施加至第一电极11，将电位V12施加至电荷存储电极12，并且将电位V13施加至传输控制电极13。借助入射至光电转换层15上的光，在光电转换层15中进行光电转换。通过光电转换生成的空穴经由配线VOU从第二电极16传输到驱动电路。另一方面，由于第一电极11的电位被设定成高于第二电极16的电位，即，例如，由于将正电位施加至第一电极11而将负电位施加至第二电极16，因此，将电位关系被设定成V12>V13(例如，V12>V11>V13或V11>V12>V13)。因此，通过光电转换生成的电子被电荷存储电极12吸引，从而电子会停留在光电转换层15的面对电荷存储电极12的区域中。换句话说，电荷被存储在光电转换层15中。由于V12>V13，能够可靠地防止在光电转换层15中生成的电子朝向第一电极11移动。随着光电转换的进行，光电转换层15的面对电荷存储电极12的区域的电位变为更负的值。
在电荷存储时段的最后阶段中，进行复位操作。因此，第一浮动扩散层FD1的电位被复位，并且第一浮动扩散层FD1的电位变成电源的电位VDD。
在复位操作完成之后，进行电荷读出。即，在电荷传输期间，从驱动电路将电位V21施加至第一电极11，将电位V22施加至电荷存储电极12，并将电位V23施加至传输控制电极13。这里，设定成V22≤V23≤V21。这样，停留在光电转换层15的面对电荷存储电极12的区域中的电子被可靠地读出至第一电极11，并进一步被读出至第一浮动扩散层FD1。换句话说，存储在光电转换层15中的电荷被读出至控制单元。
按照在这之前说明的方式，可完成电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作。
在将电子读出至第一浮动扩散层FD1之后的放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel的操作与现有技术中的上述晶体管的操作相同。此外，例如第二成像元件和第三成像元件的电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作类似于现有技术中的电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作。
图24示出了构成实施例4的成像元件的变形例的第一电极和电荷存储电极以及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/漏极区域51B可以接地，而不是连接至电源VDD。
实施例5
实施例5是实施例1至4的变形例，并涉及根据本发明的实施方案的具有电荷排出电极的成像元件等。图25示出了实施例5的成像元件和层叠型成像元件的一部分的示意性局部横截面图。图26示出了构成实施例5的成像元件的第一电极、电荷存储电极和电荷排出电极的示意性布局图。图27示出了构成实施例5的成像元件的第一电极、电荷存储电极、电荷排出电极、第二电极以及接触孔部的示意性立体图。
在实施例5的成像元件和层叠型成像元件中，成像元件被构造成进一步包括电荷排出电极14，该电荷排出电极通过连接部69连接至光电转换层15并布置成与第一电极11和电荷存储电极12分离。电荷排出电极14被布置成围绕第一电极11和电荷存储电极12(换句话说，电荷排出电极被布置成框架形)。电荷排出电极14连接至构成驱动电路的像素驱动电路。光电转换层15在连接部69中延伸。换句话说，光电转换层15在设置于绝缘层82中的第二开口部85中延伸以连接至电荷排出电极14。电荷排出电极14由多个成像元件共享(共用)。
在实施例5中，在电荷存储期间，将电位V11从驱动电路施加至第一电极11，将电位V12施加至电荷存储电极12，并且将电位V14施加至电荷排出电极14，从而使电荷存储在光电转换层15中。借助入射至光电转换层15上的光，在光电转换层15中进行光电转换。通过光电转换生成的空穴经由配线VOU从第二电极16传输到驱动电路。另一方面，由于第一电极11的电位设定成高于第二电极16的电位，换句话说，例如，由于将正电位施加至第一电极11而将负电位施加至第二电极16，因此，将电位关系设定成V14>V11(例如，V12>V14>V11)。因此，通过光电转换生成的电子被电荷存储电极12吸引，从而电子会停留在光电转换层15的面对电荷存储电极12的区域中，从而能够可靠地防止电子朝向第一电极11移动。然而，未被电荷存储电极12充分吸引或未被存储在光电转换层15中的电子(所谓的溢出电子)通过电荷排出电极14被传输至驱动电路。
在电荷存储时段的最后阶段中，进行复位操作。因此，第一浮动扩散层FD1的电位被复位，并且第一浮动扩散层FD1的电位变成电源的电位VDD。
在复位操作完成之后，进行电荷读出。换句话说，在电荷传输期间，从驱动电路将电位V21施加至第一电极11，将电位V22施加至电荷存储电极12，并将电位V24施加至电荷排出电极14。这里，设定成V24<V21(例如，V24<V22<V21)。这样，停留在光电转换层15的面对电荷存储电极12的区域中的电子被可靠地读出至第一电极11，并进一步被读出至第一浮动扩散层FD1。换句话说，存储在光电转换层15中的电荷被读出至控制单元。
按照上文中说明的方式，可完成电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作。
在将电子读出至第一浮动扩散层FD1之后的放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel的操作与现有技术中的这种晶体管的操作相同。此外，例如第二成像元件和第三成像元件的电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作类似于现有技术中的电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作。
在实施例5中，由于溢出的电子通过电荷排出电极14被传输至驱动电路，因此可以抑制溢出的电子泄漏到相邻像素的电荷存储单元，从而能够抑制出现高光溢出(blooming)。另外，因此，能够提高成像元件的成像性能。
实施例6
实施例6是实施例1至5的变形例，并涉及根据本发明的实施方案的具有多个电荷存储电极段的成像元件等。
图28示出了实施例6的成像元件的一部分的示意性局部横截面图。图29和图30图示了实施例6的成像元件和层叠型成像元件的等效电路图。图31示出了构成实施例6的成像元件的第一电极和电荷存储电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。图32和图33示出了在实施例6的成像元件的操作期间内各部件的电位状态。此外，图34示出了构成实施例6的第一电极和电荷存储电极的示意性布局图。图35示出了构成实施例6的成像元件的第一电极、电荷存储电极、第二电极以及接触孔部的示意性立体图。
在实施例6中，电荷存储电极12由多个电荷存储电极段12A、12B和12C构成。电荷存储电极段的数量可以为两个以上，在实施例6中，该数量设定为“3”。然后，在实施例6的成像元件和层叠型成像元件中，由于第一电极的电位高于第二电极16的电位，即，例如，由于正电位施加至第一电极11而负电位施加至第二电极16，在电荷传输期间，施加至位于离第一电极11最近位置处的电荷存储电极段12A的电位高于施加至位于离第一电极11最远位置处的电荷存储电极段12C的电位。这样，电荷存储电极12具有电位梯度，使得停留在光电转换层15的面对电荷存储电极12的区域中的电子被更可靠地读出至第一电极11，并进一步被读出至第一浮动扩散层FD1。换句话说，存储在光电转换层15中的电荷被读出至控制单元。
在图32示出的示例中，在电荷传输期间，由于电位关系被设定成：电荷存储电极段12C的电位<电荷存储电极段12B的电位<电荷存储电极段12A的电位，因此停留在光电转换层15的区域中的电子同时被读出至第一浮动扩散层FD1。另一方面，在图33的示例中，在电荷传输期间，允许电荷存储电极段12C的电位、电荷存储电极段12B的电位和电荷存储电极段12A的电位逐渐改变(换句话说，以阶梯状或斜坡状变化)。因此，停留在光电转换层15的面对电荷存储电极段12C的区域中的电子能够移动至光电转换层15的面对电荷存储电极段12B的区域。然后，停留在光电转换层15的面对电荷存储电极段12B的区域中的电子能移动至光电转换层15的面对电荷存储电极段12A的区域。接着，停留在光电转换层15的面对电荷存储电极段12A的区域中的电子够可靠地被读出第一浮动扩散层FD1。
图36中图示了构成实施例6的成像元件的变形例的第一电极和电荷存储电极以及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/漏极区域51B可以接地，而不是连接至电源VDD。
至此，虽然基于优选实施例对本发明进行说明，但是本发明不限于这些实施例。在实施例中说明的成像元件、层叠型成像元件和固态成像装置的结构、构造、制造条件、制造方法和使用的材料是示例性的，因此，可适当地对这些特征进行改变。除了一个浮动扩散层针对一个成像元件设置的形式之外，还可以采用一个浮动扩散层针对多个成像元件设置的形式。换句话说，通过适当地控制电荷传送时段的时序，可允许多个成像元件共用一个浮动扩散层。另外，在这种情况下，也可允许多个成像元件共用一个接触孔部。
作为图37示出的实施例1中所说明的成像元件和层叠型成像元件的变形例，第一电极11可被构造成在设置于绝缘层82的开口部84A中延伸以连接至光电转换层15。
可替代地，图38图示了实施例1中所说明的成像元件和层叠型成像元件的变形例并且图39A图示了第一电极的一部分等的示意性放大局部横截面图，第一电极11的顶面边缘覆盖有绝缘层82；第一电极11露出于开口部84B的底面；并且当由第一表面82a限定绝缘层82的与第一电极11的顶面接触的表面且由第二表面82b限定绝缘层82的与光电转换层15的面对电荷存储电极12的的一部分接触的表面时，开口部84B的侧表面具有从第一表面82a向第二表面82b扩展的斜坡。这样，由于在开口部84B的侧表面设置有斜坡，因此电荷可更顺利地从光电转换层15向第一电极11移动。注意，在图39A示出的示例中，使用开口部84B的轴线作为中心，开口部84B的侧表面具有旋转对称性。然而，如图39B所示，开口部84C可以被设置为使开口部84C的具有从第一表面82a朝向第二表面82b扩展的斜坡的侧表面位于电荷存储电极12侧。因此，来自光电转换层15的与电荷存储电极12相反侧的部分的电荷难以移动(在该部分与电荷存储电极之间插入有开口部84C)。此外，尽管开口部84B的侧表面具有从第一表面82a朝向第二表面82b扩展的斜坡，但是如图39A所示，开口部84B的侧表面的在第二表面82b中的边缘可以位于第一电极11的边缘的外侧，或者如图39C所示，可以位于第一电极11的边缘的内侧。通过采用前一种结构，可以更容易地进行电荷传输；并且通过采用后一种构造，可以减小形成开口部时的形状不规则性。
可以通过如下步骤形成开口部84B和84C：回流在基于蚀刻方法在绝缘层中形成开口部的时候形成的由抗蚀剂材料制成的蚀刻掩模，以此为蚀刻掩模的开口部的侧表面设置斜坡，并且使用蚀刻掩模来蚀刻绝缘层82。
可替代地，如图40所示，对于实施例5所说明的电荷排出电极14，光电转换层15可形成为在设置于绝缘层82的第二开口部85A中延伸以连接至电荷排出电极14；电荷排出电极14的顶面边缘覆盖有绝缘层82；电荷排出电极14露出于第二开口部85A的底面；并且当由第三表面82c限定绝缘层82的与电荷排出电极14的顶面接触的表面且由第二表面82b限定绝缘层82的与光电转换层15的面对电荷存储电极12的一部分接触的表面时，第二开口部85A的侧表面具有从第三表面82c向第二表面82b扩展的斜坡。
可替换地，如图41所示的实施例1所说明的成像元件和层叠型成像元件的变形例，光可被构造成在第二电极16侧入射，并且遮光层92可被构造为形成在第二电极16的光入射侧。注意，被设置为比光电转换层更靠近光入射侧的各种配线可以用作遮光层。
注意，在图41示出的示例中，尽管遮光层92形成在第二电极16上方，换句话说，尽管遮光层92被形成在作为第二电极16的光入射侧的第一电极11上方，但是，如图42所示，遮光层可布置在第二电极16的光入射侧的表面上。此外，在某些情况下，如图43所示，遮光层92可形成在第二电极16中。
可替代地，可设置光从第二电极16侧入射而没有光入射在第一电极11上的结构。具体地，如图41所示，遮光层92形成在第一电极11上方作为第二电极16的光入射侧。可替代地，如图45所示，可设置片上微透镜90设置在电荷存储电极12和第二电极16上方的结构，并且在电荷存储电极12中收集入射至片上微透镜90上的光，从而光可以不到达第一电极11。注意，如实施例4所说明，在设置有传输控制电极13的情况下，能够实现光不入射至第一电极11和传输控制电极13的形式。具体地，如图44所示，可设置遮光层92形成在第一电极11和传输控制电极13上方的形式。可替代地，可设置入射在片上微透镜90上的光不到达第一电极11和传输控制电极13的结构。
通过采用上述构造和结构，可替代地，设置遮光层92，使光仅入射在光电转换层15的位于电荷存储电极12上方的部分上，或者可替代地，设计片上微透镜90，由于光电转换层15的位于第一电极11上方(或第一电极11和传输控制电极13上方)的部分没有起光电转换的作用，因此能够更可靠地同时复位全部像素，从而能够更容易地实现全局快门功能。即，在包括具有上述构造和结构的多个成像元件的固态成像装置的驱动方法中，重复以下处理：
在所有成像元件中，电荷同时被存储在光电转换层15中，并且第一电极11的电荷被排出至外部；在所有成像元件中，存储在光电转换层15中的电荷被同时传输至第一电极11；并且在完成传输之后，将传输至各个成像元件中的第一电极11的电荷顺序地读出。
光电转换层不局限于光电转换层为一层的构造。例如，如图46A示出的实施例1所说明的成像元件和层叠型成像元件的变形例，光电转换层15可被构造成具有例如下半导体层15A和上半导体层15B的层叠层结构，其中下半导体层由IGZO制成，上半导体层由构成实施例1中说明的光电转换层15的材料制成。这样，通过设置下半导体层15A，能够防止电荷存储期间内再耦合，从而能够提高存储在光电转换层15中的电荷到第一电极11的传输效率，并且能够抑制出现暗电流。此外，作为实施例4的变形例，如图47所示，可以从最靠近第一电极11的位置朝向电荷存储电极12设置多个传输控制电极。注意，图47示出了设置有两个传输控制电极13A和13B的示例。
如图46B-图46D所示，绝缘层82可包括多层82E和82F。例如，可以存在绝缘材料82的位于电荷存储电极12和光电转换层15之间的第一区域，也可存在绝缘材料82的位于电荷存储电极12和第一电极11之间的第二区域。在某些实施方案中，绝缘材料的第二区域包括含绝缘材料的第一绝缘层82E和含绝缘材料的第二绝缘层82F，并且第一绝缘材料82F层叠在第二绝缘材料82E上。图46B-图46D进一步示出了有关绝缘层82的各种构造(例如，层82E和82F的构造发生改变)。
以上说明的各种修变形例可以适当地应用于实施例1或其它实施例。
在实施例中，尽管将电子设定为信号电荷，并且将形成在半导体基板中的光电转换层的导电类型设定为n型，但是本发明也可应用于将空穴设定为信号电荷的固态成像装置。在这种情况下，每个半导体区域可以被构造为具有相反导电类型的半导体区域，并且在半导体基板中形成的光电转换层的导电类型可以为p型。
此外，在实施例中，尽管在说明书中示例了应用于检测根据作为物理量的入射光量的信号电荷的单位像素以矩阵形状布置的CMOS型固态成像装置的情况，但是本发明不局限于应用至CMOS型固态成像装置，并且可应用至CCD型固态成像装置。在后一种情况下，信号电荷通过具有CCD型结构的垂直传输寄存器在垂直方向上传输，并且信号电荷通过水平传输寄存器在水平方向上传输以被放大，从而输出像素信号(图像信号)。此外，本发明不限于其中像素以二维矩阵形状形成并且针对各个像素列来布置列信号处理电路的整体列型固态成像装置。另外，在某些情况下，可省略选择晶体管。
另外，本发明的成像元件和层叠型成像元件不限于应用至检测可见光的入射光量的分布以将该分布成像为图像的固态成像装置，本发明的成像元件和层叠型成像元件还可应用于将红外线、X射线、粒子等的入射量的分布成像为图像的固态成像装置。此外，广义上讲，本发明的成像元件和层叠型成像元件可应用至诸如指纹检测传感器等检测诸如压力或静电电容等的其它物理量的分布以将所述分布成像为图像的整体固态成像装置(物理量分布检测装置)。
另外，本发明不限于以行为单位顺序地扫描成像区域的单位像素以从单位像素读出像素信号的固态成像装置。本发明可应用至以像素为单位任意选择像素并以像素为单位从选定像素中读出像素信号的X-Y地址型固态成像装置。固态成像装置可以形成为一个芯片，或者固态成像装置可以形成为具有成像功能的模块形式，其中，成像区域、驱动电路或光学系统被共同封装。
此外，本发明不限于应用至固态成像装置，本发明可应用于成像装置。这里，成像装置表示诸如数码相机或数码摄像机等的照相机系统或诸如具有成像功能的移动电话等的电子设备。在某些情况下，本发明可以被实现为要安装在电子设备上的模块形式，即，相机模块。
图48的概念图示出了将由本发明的成像元件或层叠型成像元件构造的固态成像装置201用于电子设备(照相机)的示例。电子设备200包括固态成像装置201、光学透镜210、快门装置211、驱动电路212以及信号处理电路213。光学透镜210将来自被摄体的图像光(入射光)的图像形成在固态成像装置201的成像位置处。因此，信号电荷在固态成像装置201中存储一段时间。快门装置211控制固态成像装置201的光照射时段和遮光时段。驱动电路212提供用于控制固态成像装置201的传输操作和快门装置211的快门操作的驱动信号。根据从驱动电路212提供的驱动信号(时序信号)来进行固态成像装置201的信号传输。信号处理电路213进行各种信号处理。经过信号处理的图像信号存储在诸如存储器等的存储媒介中或者输出至监视器。在电子设备200中，由于改善了固态成像装置201的像素尺寸和传输效率，因此能够获得像素特性得到改善的电子设备200。可以应用固态成像装置201的电子设备200并不限于相机，并且电子设备可施加至诸如数码相机等的成像设备或用于诸如移动电话等的移动设备的相机模块。
本领域技术人员应当理解，根据设计要求和其它因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变更，只要它们在所附权利要求或其等同物的范围内。
另外，例如，本技术可具有如下构造。
(1)一种成像装置，所述成像装置包括：
基板，所述基板包括第一光电转换单元；以及第二光电转换单元，所述第二光电转换单元处于所述基板的光入射侧，所述第二光电转换单元包括：光电转换层、第一电极、位于光电转换层上方的第二电极、第三电极以及位于所述第三电极与所述光电转换层之间的绝缘材料，其中，所述绝缘材料的一部分位于所述第一电极与所述第三电极之间。
(2)根据以上(1)所述的成像装置，进一步包括：所述绝缘材料的位于所述第三电极与所述光电转换层之间的第一区域；以及所述绝缘材料的位于所述第三电极与所述第一电极之间的第二区域，其中，所述绝缘材料的所述第二区域包括含有所述绝缘材料的第一绝缘层和含有所述绝缘材料的第二绝缘层，并且第一绝缘材料层叠在第二绝缘材料上。
(3)根据以上(2)所述的成像装置，其中，所述第二区域中的所述第一绝缘层的一部分位于所述第一电极与所述光电转换层之间。
(4)根据以上(3)所述的成像装置，其中，所述第一区域和所述第二区域包括含有所述绝缘材料的不同数量的绝缘层。
(5)根据以上(1)至(4)任一项所述的成像装置，进一步包括：传输控制电极，所述传输控制电极位于所述第一电极与第三电极之间。
(6)根据以上(5)所述的成像装置，其中，在电荷存储操作期间，施加至所述传输控制电极的电位低于施加至所述第三电极的电位。
(7)根据以上(5)至(6)任一项所述的成像装置，其中，所述基板包括第三光电转换单元，并且所述第一光电转换单元、所述第二光电转换单元和所述第三光电转换单元分别连接至单独的信号线。
(8)根据以上(1)至(7)任一项所述的成像装置，进一步包括：电荷排出电极，所述电荷排出电极与所述第一电极和所述第三电极分离，并且所述光电转换层与所述电荷排出电极接触。
(9)根据以上(8)所述的成像装置，其中，所述电荷排出电极围绕所述第一电极和第三电极。
(10)根据以上(1)至(9)任一项所述的成像装置，进一步包括：多个第三电极段。
(11)根据以上(10)所述的成像装置，其中，施加至位于最靠近所述第一电极位置处的所述第三电极段的电位高于施加至位于最远离所述第一电极位置处的所述第三电极段的电位。
(12)根据以上(1)至(11)任一项所述的成像装置，其中，所述光电转换层包括层叠层结构，所述层叠层结构包括下半导体层和上半导体层。
(13)根据以上(12)所述的成像装置，其中，位于所述第三电极上方的所述下半导体层的材料组成不同于位于所述第一电极上方的所述下半导体层的材料组成。
(14)根据以上(12)至(13)任一项所述的成像装置，其中，所述下半导体层包括含铟氧化物。
(15)根据以上(1)至(14)任一项所述的成像装置，其中，在电荷存储期间，施加至所述第三电极的电位大于施加至所述第一电极的电位。
(16)根据以上(1)至(15)任一项所述的成像装置，其中，所述绝缘材料的至少一部分布置在所述第一电极上方。
(17)根据以上(16)所述的成像装置，其中，随着所述第一电极和所述第三电极之间的距离减小，所述第一电极的上表面与所述光电转换层之间的所述绝缘材料的厚度在所述第一电极的第三电极侧增大。
(18)根据以上(1)至(17)任一项所述的成像装置，其中，所述成像装置为背照式成像装置。
(19)一种电子设备，所述电子设备包括：成像装置，所述成像装置包括：基板，所述基板包括第一光电转换单元；以及第二光电转换单元，所述第二光电转换单元处于所述基板的光入射侧，所述第二光电转换单元包括：光电转换层、第一电极、位于光电转换层上方的第二电极、第三电极以及位于所述第三电极与所述光电转换层之间的绝缘材料，其中，所述绝缘材料的一部分位于所述第一电极与所述第三电极之间；透镜，所述透镜被构造用于将光引导至所述成像装置的表面上；以及电路，所述电路被构造用于控制来自所述成像装置的输出信号。
(20)一种驱动成像装置的方法，所述方法包括以下步骤：在充电期间，将第一电位施加至电荷存储电极；在充电期间，将第二电位施加至第一电极，其中，所述第一电大于所述第二电位；在电荷传输期间，将第三电位施加至所述电荷存储电极；并且在所述电荷传输期间，将第四电位施加至所述第一电极，其中，所述第四电位大于所述第三电位，并且
所述成像装置包括：基板，所述基板包括第一光电转换单元；以及第二光电转换单元，所述第二光电转换单元处于所述基板的光入射侧，所述第二光电转换单元包括：光电转换层、第一电极、位于所述光电转换层上方的第二电极、电荷存储电极以及位于所述电荷存储电极与所述光电转换层之间的绝缘材料，其中，所述绝缘材料的一部分位于所述第一电极与所述电荷存储电极之间。
(A01)成像元件
一种成像元件，所述成像元件包括：
通过层叠第一电极、光电转换层和第二电极而构成的光电转换单元，
其中，所述光电转换单元进一步包括电荷存储电极，所述电荷存储电极被布置成与所述第一电极分离，并且被布置为隔着绝缘层面对所述光电转换层。
(A02)
根据(A01)所述的成像元件，进一步包括：半导体基板，其中，所述光电转换单元布置在所述半导体基板上方。
(A03)
根据(A01)或(A02)所述的成像元件，其中，所述第一电极在设置于所述绝缘层的开口部中延伸以连接至所述光电转换层。
(A04)
根据(A01)或(A02)所述的成像元件，其中，所述光电转换层在设置于所述绝缘层的开口部中延伸以连接至所述第一电极。
(A05)
根据(A04)所述的成像元件，其中，
所述第一电极的顶面的边缘被所述绝缘层覆盖，所述第一电极露出于所述开口部的底面，并且当由第一表面限定所述绝缘层的与所述第一电极的所述顶面接触的表面且由第二表面限定所述绝缘层的与所述光电转换层的面对所述电荷存储电极的一部分接触的表面时，所述开口部的侧表面具有从所述第一表面向所述第二表面扩展的斜坡。
(A06)
根据(A05)所述的成像元件，其中，
所述开口部的具有从所述第一表面向所述第二表面扩展的所述斜坡的所述侧表面位于电荷存储电极侧。
(A07)对第一电极和电荷存储电极的电位的控制
根据(A01)至(A06)任一项所述的成像元件，进一步包括：控制单元，所述控制单元设置于半导体基板且包括驱动电路，其中，所述第一电极和所述电荷存储电极连接至所述驱动电路，
在电荷存储期间，从驱动电路将电位V11施加至所述第一电极，将电位V12施加至所述电荷存储电极，以使电荷被存储在所述光电转换层中，并且
在电荷传输期间，从驱动电路将电位V21施加至所述第一电极，将电位V22施加至所述电荷存储电极，以使存储在所述光电转换层中的电荷通过所述第一电极被读出至所述控制单元，
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，V12≥V11且V22<V21，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，V12≤V11且V22>V21。
(A08)传输控制电极
根据(A01)至(A06)任一项所述的成像元件，进一步包括：输控制电极，所述传输控制电极布置在所述第一电极与所述电荷存储电极之间且与所述第一电极和所述电荷存储电极分离，并且被布置为隔着所述绝缘层面对所述光电转换层。
(A09)第一电极、电荷存储电极和传输控制电极的电位控制
根据(A08)所述的成像元件，进一步包括：控制单元，所述控制单元设置于半导体基板且包括驱动电路，其中，所述第一电极、所述所述电荷存储电极和所述传输控制电极连接至所述驱动电路，
在电荷存储期间，从所述驱动电路将电位V11施加至所述第一电极，将电位V12施加至所述电荷存储电极，将电位V13施加至所述传输控制电极，以使电荷被存储在所述光电转换层中，并且
在电荷传输期间，从所述驱动电路将电位V21施加至所述第一电极，将电位V22施加至所述电荷存储电极，将电位V23施加至所述传输控制电极，以使存储在所述光电转换层中的电荷通过所述第一电极被读出至所述控制单元，
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，V12>V13且V22≤V23≤V21，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，V12<V13且V22≥V23≥V21。
(A10)电荷排出电极
根据(A01)至(A09)任一项所述的成像元件，进一步包括：电荷排出电极，所述电荷排出电极连接至所述光电转换层并且被布置为与所述第一电极和所述电荷存储电极分离。
(A11)
根据(A10)所述的成像元件，其中，所述电荷排出电极被布置成围绕所述第一电极和所述电荷存储电极。
(A12)
根据(A10)或(A11)所述的成像元件，其中，
所述光电转换层在设置于所述绝缘层的第二开口部中延伸以连接至所述电荷排出电极，
所述电荷排出电极的顶面的边缘覆盖有所述绝缘层，
所述电荷排出电极露出于所述第二开口部的底面，并且
当由第三表面限定所述绝缘层的与所述电荷排出电极的顶面接触的表面且由第二表面限定所述绝缘层的与所述光电转换层的面对所述电荷存储电极的一部分接触的表面时，所述第二开口部的侧表面具有从所述第三表面向所述第二表面扩展的斜坡。
(A13)第一电极、电荷存储电极和电荷排出电极的电位控制
根据(A10)至(A12)任一项所述的成像元件，进一步包括：控制单元，所述控制单元设置于半导体基板且包括驱动电路，其中，所述第一电极、所述所述电荷存储电极和所述电荷排出电极连接至所述驱动电路，
在电荷存储期间，从所述驱动电路将电位V11施加至所述第一电极，将电位V12施加至所述电荷存储电极，将电位V14施加至所述电荷排出电极，以使电荷被存储在所述光电转换层中，
在电荷传输期间，从所述驱动电路将电位V21施加至所述第一电极，将电位V22施加至所述电荷存储电极，将电位V24施加至所述电荷排出电极，以使存储在所述光电转换层中的电荷通过所述第一电极被读出至所述控制单元，
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，V14>V11且V24<V21，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，V14<V11且V24>V21。
(A14)电荷存储电极段
根据(A01)至(A13)任一项所述的成像元件，其中，所述电荷存储电极由多个电荷存储电极段构成。
(A15)
根据(A14)所述的成像元件，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，在电荷传输期间，施加至位于最靠近所述第一电极的位置处的所述电荷存储电极段的电位高于施加至位于最远离所述第一电极的位置处的所述电荷存储电极段的电位，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，在电荷传输期间，施加至位于最靠近所述第一电极的位置处的所述电荷存储电极段的电位低于施加至位于最远离所述第一电极的位置处的所述电荷存储电极段的电位。
(B01)
根据(A01)至(A15)任一项所述的成像元件，
其中，至少浮动扩散层和构成控制单元的放大晶体管设置于半导体基板，并且
所述第一电极连接至所述浮动扩散层和所述放大晶体管的栅极部。
(B02)
根据(B01)所述的成像元件，
其中，构成所述控制单元的复位晶体管和选择晶体管设置于半导体基板，
所述浮动扩散层连接至所述复位晶体管的一个源极/漏极区域，
所述放大晶体管的一个源极/漏极区域连接至所述选择晶体管的一个源极/漏极区域，并且
所述选择晶体管的另一个源极/漏极区域连接至信号线。
(B03)
根据(A01)至(B02)任一项所述的成像元件，其中，所述电荷存储电极比所述第一电极大。
(B04)
根据(A01)至(B03)任一项所述的成像元件，其中，光从第二电极侧入射，并且遮光层形成在所述第二电极的光入射侧处。
(B05)
根据(A01)至(B03)任一项所述的成像元件，其中，光从第二电极侧入射，并且光不入射在所述第一电极上。
(B06)
根据(B05)所述的成像元件，其中，遮光层形成在所述第一电极上方作为所述第二电极的光入射侧。
(B07)
根据(B05)所述的成像元件，其中，在所述电荷存储电极和所述第二电极上方设置有片上微透镜，并且
在所述电荷存储电极中收集入射在所述片上微透镜上的光。
(C01)层叠型成像元件
一种包括至少一个根据(A01)至(B07)任一项所述的成像元件的层叠型成像元件。
(D01)固态成像装置的第一实施方案
一种包括多个根据(A01)至(B04)任一项所述的成像元件的固态成像装置。
(D02)固态成像装置的第二实施方案
一种包括多个根据(C01)所述的层叠型成像元件的固态成像装置。
(E01)固态成像装置的驱动方法
一种固态成像装置的驱动方法，所述固态成像装置具有多个成像元件，所述多个成像元件具有如下结构，其中：
包括有通过层叠第一电极、光电转换层和第二电极而构成的光电转换单元，
所述光电转换单元进一步包括：电荷存储电极，所述电荷存储电极布置成与所述第一电极分离并且布置成隔着绝缘层面对所述光电转换层，并且
光从第二电极侧入射，且光不入射在所述第一电极上，所述驱动方法包括以下重复步骤：
在所有成像元件中，将电荷同时存储在所述光电转换层中，并且将所述第一电极的电荷排出至外部；
在所有成像元件中，将存储在所述光电转换层中的电荷同时传输至所述第一电极；并且
在完成传输之后，顺序地在各个成像元件中读出被传输至所述第一电极的电荷。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年9月30日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2016-193919的权益，在这里将该优先权申请的全部内容以引用的方式并入本文。
附图标记列表
11 第一电极
12 电荷存储电极
12A、12B、12C 电荷存储电极段
13、13A、13B 传输控制电极(电荷传输电极)
14 电荷排出电极
15 光电转换层
16 第二电极
41 构成第二成像元件的n型半导体区域
43 构成第三成像元件的n型半导体区域
42、44、73 p+层
FD1、FD21、FD3、45C、46C 浮动扩散层
TR1amp 放大晶体管
TR1rst 复位晶体管
TR1sel 选择晶体管
51 复位晶体管TR1rst的栅极部
51A 复位晶体管TR1rst的沟道形成区域
51B、51C 复位晶体管TR1rst的源极/漏极区域
52 放大晶体管TR1amp的栅极部
52A 放大晶体管TR1amp的沟道形成区域
52B、52C 放大晶体管TR1amp的源极/漏极区域
53 选择晶体管TR1sel的栅极部
53A 选择晶体管TR1sel的沟道形成区域
53B、53C 选择晶体管TR1sel的源极/漏极区域
TR2trs 传输晶体管
45 传输晶体管的栅极部
TR2rst 复位晶体管
TR2amp 放大晶体管
TR2sel 选择晶体管
TR3trs 传输晶体管
46 传输晶体管的栅极部
TR3rst 复位晶体管
TR3amp 放大晶体管
TR3sel 选择晶体管
VDD 电源
RST1、RST2、RST3 复位线
SEL1、SEL2、SEL3 选择线
117、VSL1、VSL2、VSL3 信号线
TG2、TG3 传输栅极线
VOA、VOT、VOU 配线
61 接触孔部
62 配线层
63、64、68A 焊盘部
65、68B 连接孔
66、67、69 连接部
70 半导体基板
70A 第一表面(前表面)半导体基板
70B 第二表面(背面)半导体基板
71 元件隔离区
72 氧化膜
74 HfO2膜
75 绝缘膜
76 层间绝缘层
77、78、81 层间绝缘层
82 绝缘层
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 保护层
84、84A、84B、84C 开口部
85、85A 第二开口部
90 片上微透镜
91 成像元件位于层间绝缘层81下方的各种部件
92 遮光层
100 固态成像装置
101 层叠型成像元件
111 成像区域
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
118 水平信号线
200 电子设备(照相机)
201 固态成像装置
210 光学透镜
211 快门装置
212 驱动电路
213 信号处理电路

Claims (18)

1.一种成像器件，所述成像器件包括：
多个像素，所述多个像素中的每个像素包括：
布置在基板中的第一光电转换单元，和
布置在所述基板上方且位于所述基板的光入射侧的第二光电转换单元，所述第二光电转换单元包括：
第一电极，
层叠层结构，所述层叠层结构包括所述第一电极上方的多个层，其中，所述层叠层结构的第一层是氧化物半导体层，并且其中，所述层叠层结构的第二层是光电转换层，
位于所述层叠层结构上方的第二电极，
第三电极，所述第三电极与所述第一电极被布置在相同的层，以及
绝缘材料，所述绝缘材料位于所述第三电极与所述层叠层结构之间，
其中，所述绝缘材料的一部分位于所述第一电极与所述第三电极之间，并且
其中，所述绝缘材料的至少一部分布置在所述第一电极上方。
2.根据权利要求1所述的成像器件，
其中，所述绝缘材料的第一区域位于所述第三电极与所述层叠层结构之间；并且
其中，所述绝缘材料的第二区域位于所述第三电极与所述第一电极之间，其中，所述绝缘材料的所述第二区域包括第一绝缘层和第二绝缘层，并且其中所述第一绝缘层层叠在所述第二绝缘层上。
3.根据权利要求2所述的成像器件，其中，所述第二区域中的所述第二绝缘层的一部分位于所述第一电极和所述层叠层结构之间。
4.根据权利要求2所述的成像器件，其中，所述第一区域和所述第二区域包括含有所述绝缘材料的不同数量的绝缘层。
5.根据权利要求1所述的成像器件，进一步包括：
传输控制电极，所述传输控制电极位于所述第一电极和第三电极之间。
6.根据权利要求5所述的成像器件，其中，
在电荷存储操作期间，施加至所述传输控制电极的电位低于施加至所述第三电极的电位。
7.根据权利要求5所述的成像器件，其中，所述基板包括第三光电转换单元，并且其中，所述第一光电转换单元、所述第二光电转换单元和所述第三光电转换单元分别连接至单独的信号线。
8.根据权利要求1所述的成像器件，进一步包括：
电荷排出电极，所述电荷排出电极与所述第一电极和所述第三电极分离，其中，所述光电转换层与所述电荷排出电极接触。
9.根据权利要求8所述的成像器件，其中
所述电荷排出电极与所述第一电极和所述第三电极布置在所述相同的层，并且其中，所述电荷排出电极围绕所述第一电极和所述第三电极。
10.根据权利要求1所述的成像器件，进一步包括：
多个第三电极段。
11.根据权利要求10所述的成像器件，其中，位于最靠近所述第一电极的位置处的第三电极段的电位高于位于最远离所述第一电极的位置处的第三电极段的电位。
12.根据权利要求1所述的成像器件，其特征在于，所述层叠结构的所述第一层包含铟。
13.根据权利要求1所述的成像器件，其中，在电荷存储期间，施加至所述第三电极的电位高于施加至所述第一电极的电位。
14.根据权利要求1所述的成像器件，其中，随着所述第一电极与所述第三电极之间的距离减小，位于所述第一电极的上表面与所述层叠层结构之间的所述绝缘材料的厚度在所述第一电极的第三电极侧增大。
15.根据权利要求1所述的成像器件，其中，所述第三电极的厚度等于所述第一电极的厚度。
16.根据权利要求1所述的成像器件，其中，所述层叠层结构的所述第二层布置在所述层叠层结构的所述第一层与所述第二电极之间。
17.一种电子装置，所述电子装置包括：
成像器件，所述成像器件包括多个像素，所述多个像素中的每个像素包括：
布置在基板中的第一光电转换单元，和
布置在所述基板上方且位于所述基板的光入射侧的第二光电转换单元，所述第二光电转换单元包括：
第一电极，
层叠层结构，所述层叠层结构包括所述第一电极上方的多个层，其中，所述层叠层结构的第一层是氧化物半导体层，并且其中，所述层叠层结构的第二层是光电转换层，
位于所述层叠层结构上方的第二电极，
第三电极，所述第三电极与所述第一电极被布置在相同的层，以及
绝缘材料，所述绝缘材料位于所述第三电极与所述层叠层结构之间，其中，所述绝缘材料的一部分位于所述第一电极与所述第三电极之间，并且，其中所述绝缘材料的至少一部分布置在所述第一电极上方；以及
透镜，所述透镜被构造用于将光引导至所述成像器件的表面上；以及
电路，所述电路被构造用于控制来自所述成像器件的输出信号。
18.一种成像器件的驱动方法，所述驱动方法包括如下步骤：
在充电期间，将第一电位施加至电荷存储电极；
在所述充电期间，将第二电位施加至第一电极，其中，所述第一电位高于所述第二电位；
在电荷传输期间，将第三电位施加至所述电荷存储电极；并且
在所述电荷传输期间，将第四电位施加至所述第一电极，其中，所述第四电位高于所述第三电位，并且
其中，所述成像器件包括多个像素，所述多个像素中的每个像素包括：
布置在基板中的第一光电转换单元，和
布置在所述基板上方且位于所述基板的光入射侧的第二光电转换单元，所述第二光电转换单元包括：
第一电极，
层叠层结构，所述层叠层结构包括所述第一电极上方的多个层，其中，所述层叠层结构的第一层是氧化物半导体层，并且其中，所述层叠层结构的第二层是光电转换层，
位于所述层叠层结构上方的第二电极，
被布置在与所述第一电极相同的层的所述电荷存储电极，以及
绝缘材料，所述绝缘材料位于所述电荷存储电极与所述层叠层结构之间，其中，所述绝缘材料的一部分位于所述第一电极与所述电荷存储电极之间，并且其中，所述绝缘材料的至少一部分布置在所述第一电极上方。
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