CN115332278A - 成像元件、层叠式成像元件和固态成像装置 - Google Patents

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古闲史彦
伊东恭佑
富樫秀晃
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Abstract

本发明涉及成像元件、层叠式成像元件和固态成像装置。其中，成像元件可包括：光电转换单元，所述光电转换单元包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，其中，所述光电转换单元还包括电荷存储电极，所述电荷存储电极被布置成与所述第一电极分离并且布置成经由绝缘层面向所述光电转换层，并且包括在所述第一电极与所述电荷存储电极之间的区域中的绝缘材料的介电常数的值高于包括在所述成像元件与相邻成像元件之间的区域中的绝缘材料的介电常数的值。

Description

成像元件、层叠式成像元件和固态成像装置
本申请是申请日为2018年6月21日、发明名称为“成像元件、层叠式成像元件和固态成像装置”的申请号为201880039926.8的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及成像元件、层叠式成像元件和固态成像装置。
背景技术
在光电转换层中包括有机半导体材料的成像元件能够对特定的颜色(波段)进行光电转换。此外，在固态成像装置中使用成像元件的情况下，这种特征允许获得在常规固态成像装置中不可能的包括层叠子像素(层叠式成像元件)的结构。在该结构中，子像素包括片上滤色器(OCCF)和成像元件的组合，并且子像素二维地排列(例如，参见日本专利特开第2011-138927号)。还有一个优点是不需要去马赛克(demosaicing)，并且不会产生假色。注意，在下面的描述中，为了方便起见，可以将包括设置在半导体基板上的或半导体基板的上侧的光电转换单元的成像元件称为“第一类型的成像元件”。为了方便起见，可以将包括在第一类型的成像元件中的光电转换元件称为“第一类型的光电转换单元”。为了方便起见，可以将设置在半导体基板中的成像元件称为“第二类型的成像元件”。为了方便起见，可以将第二类型的成像元件中包括的光电转换单元称为“第二类型的光电转换单元”。
图102示出了传统的层叠式成像元件(层叠式固态成像装置)的结构的示例。在图102所示的示例中，作为包括在第三成像元件330和第二成像元件320中的第二类型的光电转换单元的第三光电转换单元331和第二光电转换单元321层叠并形成在半导体基板370中。另外，作为第一类型的光电转换单元的第一光电转换单元311布置在半导体基板370的上侧(具体来说是第二成像元件320的上侧)。这里，第一光电转换单元311包括第一电极311、包含有机材料的光电转换层313和第二电极312。第一光电转换单元311被包括在作为第一类型的成像元件的第一成像元件310中。基于吸收系数的差异，第二光电转换单元321和第三光电转换单元331分别光电转换蓝光和红光。另外，第一光电转换单元311光电转换例如绿光。
由第二光电转换单元321和第三光电转换单元331中的光电转换产生的电荷暂时性地存储在第二光电转换单元321和第三光电转换单元331中。纵向晶体管(示出了栅极部322)和传输晶体管(示出了栅极部332)将电荷分别传输到第二浮动扩散层(FloatingDiffusion)FD2和第三浮动扩散层FD3。进一步将电荷输出到外部读取电路(未示出)。晶体管和浮动扩散层FD2和FD3也形成在半导体基板370上。
由第一光电转换单元311中的光电转换产生的电荷通过接触孔部361和配线层362存储在形成于半导体基板370上的第一浮动扩散层FD1中。另外，第一光电转换单元311还通过接触孔部361和配线层362连接到放大晶体管的栅极部318，放大晶体管将电荷量转换为电压。此外，第一浮动扩散层FD1包括复位晶体管的部分(示出了栅极部317)。注意，附图标记371表示元件分离区。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。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：日本专利特开第2011-138927号
发明内容
本发明要解决的技术问题
同时，在具有该构造和结构的成像元件中，由光电转换产生的电荷可以流入到相邻成像元件中。可能会发生所谓的晕光(blooming)现象，并且拍摄的视频(图像)的质量可能会下降。
因此，本公开的目的是提供一种具有不太可能导致拍摄的视频(图像)的质量下降的构造和结构的成像元件、包括该成像元件的层叠式成像元件和包括成像元件或层叠式成像元件的固态成像装置。
技术问题的解决方案
用于实现该目的的根据本公开的第一至第九方面的每个成像元件包括光电转换单元，所述光电转换单元包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，其中所述光电转换单元还包括电荷存储电极，所述电荷存储电极被布置成与所述第一电极分离并且布置成经由绝缘层面向所述光电转换层。
此外，在根据第一方面的成像元件中，当光进入光电转换层之后在光电转换层中发生光电转换时，施加到光电转换层的面向电荷存储电极的部分上的电势的绝对值大于施加到光电转换层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域的电势的绝对值。
此外，在根据本公开的第二方面的成像元件中，光电转换层的位于第一电极和电荷存储电极之间的区域的宽度比光电转换层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域的宽度窄。
此外，在根据本发明的第三方面的成像元件中，在如下区域中形成有电荷运动控制电极：所述区域经由绝缘层面向光电转换层的位于成像元件与相邻成像元件之间的区域。
此外，在根据本公开的第四方面的成像元件中，代替第二电极，在光电转换层的位于成像元件与相邻成像元件之间的区域的范围内形成有电荷运动控制电极。
此外，在根据本公开的第五方面的成像元件中，包括在第一电极与电荷存储电极之间的区域中的绝缘材料的介电常数的值高于包括在成像元件与相邻成像元件之间的区域中的绝缘材料的介电常数的值。
此外，在根据本公开的第六方面的成像元件中，绝缘层的位于第一电极与电荷存储电极之间的区域的厚度比绝缘层的位于成像元件与相邻成像元件之间的区域的厚度薄。
此外，在根据本公开的第七方面的成像元件中，光电转换层的位于第一电极与电荷存储电极之间的区域的厚度比光电转换层的位于成像元件与相邻成像元件之间的区域的厚度厚。
此外，在根据本公开的第八方面的成像元件中，位于第一电极与电荷存储电极之间的在光电转换层和绝缘层之间的界面的区域中的固定电荷量小于位于成像元件与相邻成像元件之间的在光电转换层和绝缘层之间的界面的区域中的固定电荷量。
此外，在根据本发明的第九方面的成像元件中，光电转换层的位于第一电极与电荷存储电极之间的区域中的电荷迁移率的值大于光电转换层的位于成像元件与相邻成像元件之间的区域中的电荷迁移率的值。
用于实现所述目的的本公开的层叠式成像元件包括至少一个根据本公开的第一至第九方面的成像元件。
用于实现所述目的的根据本公开的第一方面的固态成像装置包括多个根据本公开的第一至第九方面的成像元件。另外，用于实现所述目的的根据本发明的第二方面的固态成像装置包括多个根据本发明的层叠式成像元件。
本发明的有益效果
在根据本公开的第一至第九方面的成像元件、包括在层叠式成像元件中的根据本公开的第一至第九方面的成像元件和包括在根据本公开的第一方面和第二方面的固态成像装置中的根据本公开的第一至第九方面的成像元件(以下，在某些情况下将所述成像元件统称为“本公开的成像元件和类似物”)中的每一者中，设置有与第一电极分离地布置并且布置成经由绝缘层面向光电转换层的电荷存储电极，并且当光施加到光电转换单元并被光电转换单元光电转换时，电荷能存储在光电转换层中。因此，能够在曝光开始时完全耗尽电荷存储部以消除电荷。这能够抑制由于kTC噪声的增大导致的随机噪声的劣化所引起的成像质量降低的现象。
此外，在根据本公开的第一方面的成像元件、包括在层叠式成像元件中的根据本公开的第一方面的成像元件和包括在根据本公开的第一方面和第二方面的固态成像装置中的根据本公开的第一方面的成像元件(以下，在某些情况下将所述成像元件统称为“根据本公开的第一方面的成像元件和类似物”)中的每一者中，当光进入光电转换层之后在光电转换层中发生光电转换时，施加到光电转换层的面向电荷存储电极的部分的电势的绝对值大于施加到光电转换层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域的电势的绝对值。因此，由光电转换产生的电荷被强烈地吸引到光电转换层的面向电荷存储电极的部分。这能够防止由光电转换产生的电荷流入相邻成像元件中，并且所拍摄的视频(图像)的质量不会降低。
此外，在根据本公开的第二方面的成像元件、包括在层叠式成像元件中的根据本公开的第二方面的成像元件和包括在根据本公开的第一方面和第二方面的固态成像装置中的根据本公开的第二方面的成像元件(以下，在某些情况下将所述成像元件统称为“根据本公开的第二方面的成像元件和类似物”)中的每一者中，光电转换层的位于第一电极与电荷存储电极之间的区域的宽度比光电转换层的位于成像元件与相邻成像元件之间的区域的宽度窄。此外，在这种情况下，与位于成像元件和相邻成像元件之间的部分相比，第一电极和电荷存储电极之间的区域不太可能受到第二电极(上电极)的电压的影响。因此，电势变大，并且这能够防止由光电转换产生的电荷流入相邻成像元件中，并且所拍摄的视频(图像)的质量不会降低。
此外，在根据本公开的第三方面的成像元件、包括在层叠式成像元件中的根据本公开的第三方面的成像元件和包括在根据本公开的第一方面和第二方面的固态成像装置中的根据本公开的第三方面的成像元件(以下，在某些情况下将所述成像元件统称为“根据本公开的第三方面的成像元件和类似物”)中的每一者中，电荷运动控制电极形成在如下区域中：所述区域经由绝缘层面向光电转换层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域。这能够控制光电转换层的位于电荷运动控制电极的上侧的区域的电场和电势。结果，电荷运动控制电极能够防止由光电转换产生的电荷流入相邻成像元件中，并且所拍摄的视频(图像)的质量不会降低。
此外，在根据本公开的第四方面的成像元件、包括在层叠式成像元件中的根据本公开的第四方面的成像元件和包括在根据本公开的第一方面和第二方面的固态成像装置中的根据本公开的第四方面的成像元件(以下，在某些情况下将所述成像元件统称为“根据本公开的第四方面的成像元件和类似物”)中的每一者中，电荷运动控制电极代替第二电极形成在光电转换层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域上。因此，电荷运动控制电极能够防止由光电转换产生的电荷流入相邻成像元件中，并且所拍摄的视频(图像)的质量不会降低。
此外，在根据本公开的第五方面的成像元件、包括在层叠式成像元件中的根据本公开的第五方面的成像元件和包括在根据本公开的第一方面和第二方面的固态成像装置中的根据本公开的第五方面的成像元件(以下，在某些情况下将所述成像元件统称为“根据本公开的第五方面的成像元件和类似物”)中的每一者中，第一电极与电荷存储电极之间的区域中包含的绝缘材料的介电常数的值高于成像元件与相邻成像元件之间的区域中包含的绝缘材料的介电常数的值。因此，形成在电荷存储电极的位于第一电极和电荷存储电极之间的区域中的一种电容器(为方便起见，称为“电容器A”)的容量大于形成在电荷存储电极的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域中的一种电容器(为方便起见，称为“电容器B”)的容量。与朝向成像元件和相邻成像元件之间的区域相比，电荷更多地被吸引向第一电极和电荷存储电极之间的区域。这能够防止由光电转换产生的电荷流入相邻成像元件中，并且所拍摄的视频(图像)的质量不会降低。
此外，在根据本公开的第六方面的成像元件、包括在层叠式成像元件中的根据本公开的第六方面的成像元件和包括在根据本公开的第一方面和第二方面的固态成像装置中的根据本公开的第六方面的成像元件(以下，在某些情况下将所述成像元件统称为“根据本公开的第六方面的成像元件和类似物”)中的每一者中，绝缘层的位于第一电极和电荷存储电极之间的区域的厚度比绝缘层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域的厚度薄。因此，电容器A的容量大于电容器B的容量，并且与朝向绝缘层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域相比，电荷被更多地吸引向绝缘层的位于第一电极和电荷存储电极之间的区域。这能够防止由光电转换产生的电荷流入相邻成像元件中，并且所拍摄的视频(图像)的质量不会降低。
此外，在根据本公开的第七方面的成像元件、包括在层叠式成像元件中的根据本公开的第七方面的成像元件和包括在根据本公开的第一方面和第二方面的固态成像装置中的根据本公开的第七方面的成像元件(以下，在某些情况下将所述成像元件统称为“根据本公开的第七方面的成像元件和类似物”)中的每一者中，光电转换层的位于第一电极和电荷存储电极之间的区域的厚度大于光电转换层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域的厚度。此外，在这种情况下，光电转换层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域受第二电极(上部电极)的电压的影响更大，并且电势变小。这能够防止由光电转换产生的电荷流入相邻成像元件中，并且所拍摄的视频(图像)的质量不会降低。
此外，在根据本公开的第八方面的成像元件、包括在层叠式成像元件中的根据本公开的第八方面的成像元件和包括在根据本公开的第一方面和第二方面的固态成像装置中的根据本公开的第八方面的成像元件(以下，在某些情况下将所述成像元件统称为“根据本公开的第八方面的成像元件和类似物”)中的每一者中，位于第一电极与电荷存储电极之间的在光电转换层与绝缘层之间的界面的区域中的固定电荷量小于位于成像元件与相邻成像元件之间的在光电转换层与绝缘层之间的界面的区域中的固定电荷量。此外，在这种情况下，光电转换层的位于成像元件与相邻成像元件之间的区域的电势根据固定电荷量而变化更多。这能够防止由光电转换产生的电荷流入相邻成像元件中，并且所拍摄的视频(图像)的质量不会降低。
此外，在根据本公开的第九方面的成像元件、包括在层叠式成像元件中的根据本公开的第九方面的成像元件和包括在根据本公开的第一方面和第二方面的固态成像装置中的根据本公开的第九方面的成像元件(以下，在某些情况下将所述成像元件统称为“根据本公开的第九方面的成像元件和类似物”)中的每一者中，光电转换层的位于第一电极和电荷存储电极之间的区域中的电荷迁移率的值大于光电转换层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域中的电荷迁移率的值。在这种情况下，与朝向相邻成像元件的方向相比，电荷更容易朝向第一电极流动。这能够防止由光电转换产生的电荷流入相邻成像元件中，并且所拍摄的视频(图像)的质量不会降低。
注意，本说明书中描述的有益效果仅是示例性的，并且不受限制。另外，还可能有其它有益效果。
附图说明
图1A和图1B分别是实施例1的成像元件(并排布置的两个成像元件)的一部分的示意性剖视图和实施例1的成像元件(并排布置的两个成像元件)的变型例(实施例1的变型例6)的示意性剖视图。
图2是实施例1的成像元件和层叠式成像元件的示意性局部剖视图。
图3是实施例1的成像元件和层叠式成像元件的等效电路图。
图4是实施例1的成像元件和层叠式成像元件的等效电路图。
图5是实施例1的成像元件中包括的第一电极、电荷存储电极和控制单元的晶体管的示意性布局图。
图6是实施例1的成像元件中包括的第一电极和电荷存储电极的示意性布局图。
图7是实施例1的成像元件中包括的第一电极和电荷存储电极的变型例(实施例1的变型例)的示意性布局图。
图8是示意性地图示了实施例1的成像元件的运行期间的每个部分中的电势的状态的图示。
图9A、9B和9C是实施例1、实施例11和实施例12的成像元件和层叠式成像元件的等效电路图，用于描述图8(实施例1)、图51(实施例11)、和图58(实施例12)的各部分。
图10是实施例1的固态成像装置的概念图。
图11是实施例1的成像元件和层叠式成像元件的变型例(实施例1的变型例2)的等效电路图。
图12是图11所示的实施例1的成像元件的变型例(实施例1的变型例2)中包括的第一电极、电荷存储电极和控制单元的晶体管的示意性布局图。
图13是实施例1的成像元件中包括的第一电极和电荷存储电极的变型例(实施例1的变型例3)的示意性布局图。
图14A和14B是实施例1的成像元件中包括的第一电极和电荷存储电极的变型例(实施例1的变型例4)的示意性布局图。
图15A和15B是实施例1的成像元件中包括的第一电极和电荷存储电极的变型例(实施例1的变型例5)的示意性布局图。
图16A是图15B所示的实施例1的变型例5中的沿着图15B的单点划线B-B截取的示意性剖视图，以及图16B是当电荷运动控制电极被图15A所示的实施例1的变型例5中的放电电极替换时的沿着图15A的单点划线A-A截取的示意性剖视图。
图17A和17B是实施例2的成像元件(并排布置的两个成像元件)的部分的示意性剖视图。
图18A和18B是实施例3的成像元件(并排布置的两个成像元件)的部分的示意性剖视图。
图19是实施例3的成像元件(并排布置的2×2个成像元件)的部分的示意性平面图。
图20是实施例3的成像元件(并排布置的2×2个成像元件)的变型例(实施例3的变型例1)的部分的示意性平面图。
图21A和21B示意性地图示了在光电转换层的下侧设置有电荷存储电极的实施例1的成像元件中的光电转换层内的电势的变化以及在光电转换层的上侧设置有电荷存储电极的实施例3的成像元件中的光电转换层内的电势的变化的图示。
图22A和22B是实施例3的成像元件的变型例(实施例3的变型例2)的部分的示意性平面图。
图23A、23B和23C是实施例3的成像元件的变型例(实施例3的变型例3)的部分的示意性平面图。
图24A和24B是实施例3的成像元件(并排布置的两个成像元件)的变型例(实施例3的变型例4A和变型例4B)的部分的示意性剖视图。
图25A和25B是实施例3的成像元件的变型例(实施例3的变型例4A)示意性平面图。
图26A和26B是实施例3的成像元件的变型例(实施例3的变型例4B)示意性平面图。
图27A和27B是实施例3的成像元件的变型例(实施例3的变型例4C)示意性平面图。
图28A和28B是实施例3的成像元件的变型例(实施例3的变型例4D)示意性平面图。
图29A、29B和29C分别是示意性地图示了实施例3的变型例4B、实施例3的变型例4C和实施例3的变型例4D中的各部分的电势的状态的图示。
图30是实施例4的成像元件(并排布置的两个成像元件)的部分的示意性剖视图。
图31是实施例4的成像元件(并排布置的两个成像元件)的变型例的部分的示意性剖视图。
图32是实施例4的成像元件(并排布置的两个成像元件)的另一变型例的部分的示意性剖视图。
图33是实施例4的成像元件(并排布置的两个成像元件)的又一变型例的部分的示意性剖视图。
图34是实施例5的成像元件(并排布置的两个成像元件)的部分的示意性剖视图。
图35是实施例5的成像元件(并排布置的两个成像元件)的变型例的部分的示意性剖视图。
图36是实施例5的成像元件(并排布置的两个成像元件)的另一变型例的部分的示意性剖视图。
图37是实施例6的成像元件(并排布置的两个成像元件)的部分的示意性剖视图。
图38是实施例6的成像元件(并排布置的两个成像元件)的变型例的部分的示意性剖视图。
图39是实施例7的成像元件(并排布置的两个成像元件)的部分的示意性剖视图。
图40是实施例8的成像元件(并排布置的两个成像元件)的部分的示意性剖视图。
图41是实施例8的成像元件(并排布置的两个成像元件)的变型例的部分的示意性剖视图。
图42是实施例9的成像元件和层叠式成像元件的示意性局部剖视图。
图43是实施例10的成像元件和层叠式成像元件的示意性局部剖视图。
图44是实施例10的成像元件和层叠式成像元件的变型例的示意性局部剖视图。
图45是实施例10的成像元件和层叠式成像元件的另一变型例的示意性局部剖视图。
图46是实施例10的成像元件和层叠式成像元件的又一变型例的示意性局部剖视图。
图47是实施例11的成像元件和层叠式成像元件的示意性局部剖视图。
图48是实施例11的成像元件和层叠式成像元件的等效电路图。
图49是实施例11的成像元件和层叠式成像元件的等效电路图。
图50是实施例11的成像元件中包括的第一电极、传输控制电极、电荷存储电极和控制单元的晶体管的示意性布局图。
图51是示意性地图示了在实施例11的成像元件的运行期间内各部分中的电势的状态的图示。
图52是示意性地图示了在实施例11的成像元件的另一运行期间内各部分中的电势的状态的图示。
图53是实施例11的成像元件的变型例中包括的第一电极、传输控制电极、电荷存储电极和控制单元的晶体管的示意性布局图。
图54是实施例12的成像元件和层叠式成像元件的示意性局部剖视图。
图55是实施例12的成像元件和层叠式成像元件的等效电路图。
图56是实施例12的成像元件和层叠式成像元件的等效电路图。
图57是实施例12的成像元件中包括的第一电极、电荷存储电极和控制单元的晶体管的示意性布局图。
图58是示意性地图示了在实施例12的成像元件的运行期间内各部分中的电势的状态的图示。
图59是示意性地图示了在实施例12的成像元件的另一运行期间(电荷传输期间)内各部分中的电势的状态的图示。
图60是实施例12的成像元件的变型例中包括的第一电极和电荷存储电极的示意性布局图。
图61是实施例13的成像元件和层叠式成像元件的示意性局部剖视图。
图62是实施例13的成像元件中层叠有电荷存储电极、光电转换层和第二电极的部分的示意性局部放大剖视图。
图63是实施例13的成像元件的变型例中包括的第一电极、电荷存储电极和控制单元的晶体管的示意性布局图。
图64是实施例14的成像元件中层叠有电荷存储电极、光电转换层和第二电极的部分的示意性局部放大剖视图。
图65是实施例15的成像元件和层叠式成像元件的示意性局部剖视图。
图66是实施例16和17的成像元件和层叠式成像元件的示意性局部剖视图。
图67A和67B是实施例17中的电荷存储电极区段的示意性平面图。
图68A和68B是实施例17中的电荷存储电极区段的示意性平面图。
图69是实施例17的成像元件中包括的第一电极、电荷存储电极和控制单元的晶体管的示意性布局图。
图70是实施例17的成像元件的变型例中包括的第一电极和电荷存储电极的示意性布局图。
图71是实施例18和17的成像元件和层叠式成像元件的示意性局部剖视图。
图72A和72B是实施例18中的电荷存储电极区段的示意性平面图。
图73是实施例19的固态成像装置中的第一电极和电荷存储电极区段的示意性平面图。
图74是实施例19的固态成像装置的第一变型例中的第一电极和电荷存储电极区段的示意性平面图。
图75是实施例19的固态成像装置的第二变型例中的第一电极和电荷存储电极区段的示意性平面图。
图76是实施例19的固态成像装置的第三变型例中的第一电极和电荷存储电极区段的示意性平面图。
图77是实施例19的固态成像装置的第四变型例中的第一电极和电荷存储电极区段的示意性平面图。
图78是实施例19的固态成像装置的第五变型例中的第一电极和电荷存储电极区段的示意性平面图。
图79是实施例19的固态成像装置的第六变型例中的第一电极和电荷存储电极区段的示意性平面图。
图80是实施例19的固态成像装置的第七变型例中的第一电极和电荷存储电极区段的示意性平面图。
图81是实施例19的固态成像装置的第八变型例中的第一电极和电荷存储电极区段的示意性平面图。
图82是实施例19的固态成像装置的第九变型例中的第一电极和电荷存储电极区段的示意性平面图。
图83A、83B和83C是示出在实施例19的成像元件块中读取和驱动的示例的图。
图84是实施例20的固态成像装置的第一电极和电荷存储电极区段的示意性平面图。
图85是实施例20的固态成像装置的变型例中的第一电极和电荷存储电极区段的示意性平面图。
图86是实施例20的固态成像装置的变型例中的第一电极和电荷存储电极区段的示意性平面图。
图87是实施例20的固态成像装置的变型例中的第一电极和电荷存储电极区段的示意性平面图。
图88是实施例1的成像元件和层叠式成像元件的另一变型例的示意性局部剖视图。
图89是实施例1的成像元件和层叠式成像元件的又一变型例的示意性局部剖视图。
图90A、90B和90C是实施例1的成像元件和层叠式成像元件的又一变型例中的第一电极等的各部分的示意性局部放大剖视图。
图91是实施例1的成像元件和层叠式成像元件的又一变型例的示意性局部剖视图。
图92是实施例1的成像元件和层叠式成像元件的又一变型例的示意性局部剖视图。
图93是实施例1的成像元件和层叠式成像元件的又一变型例的示意性局部剖视图。
图94是实施例11的成像元件和层叠式成像元件的另一变型例的示意性局部剖视图。
图95是实施例1的成像元件和层叠式成像元件的又一变型例的示意性局部剖视图。
图96是实施例1的成像元件和层叠式成像元件的又一变型例的示意性局部剖视图。
图97是实施例13的成像元件的变型例中层叠有电荷存储电极、光电转换层和第二电极的部分的示意性局部放大剖视图。
图98是实施例14的成像元件的变型例中层叠有电荷存储电极、光电转换层和第二电极的部分的示意性局部放大剖视图。
图99A和99B是驱动电荷存储电极的晶体管的变型例的等效电路图。
图100A和100B是示意性地图示了驱动图99A和99B中所示的等效电路中的晶体管的脉冲波形的图示。
图101是在电子装置(相机)中使用包括本公开的成像元件和层叠式成像元件的固态成像装置的示例的概念图。
图102是传统的层叠式成像元件(层叠式固态成像装置)的概念图。
对实施例的描述
在下文中，将参考附图基于实施例来说明本公开。然而，本公开不限于实施例，并且实施例中的各种值和材料是说明性的。注意，本公开将按以下顺序说明。
1.关于根据本公开的第一至第九方面的成像元件和层叠式成像元件以及根据本公开的第一和第二方面的固态成像装置的一般性描述
2.实施例1(根据本公开的第一至第三方面的成像元件、本公开的层叠式成像元件和根据本公开的第二方面的固态成像装置)
3.实施例2(根据本公开的第二方面的成像元件)
4.实施例3(根据本公开的第四方面的成像元件)
5.实施例4(根据本公开的第五方面的成像元件)
6.实施例5(根据本公开的第六方面的成像元件)
7.实施例6(根据本公开的第七方面的成像元件)
8.实施例7(根据本公开的第八方面的成像元件)
9.实施例8(根据本公开的第九方面的成像元件)
10.实施例9(实施例1至8的成像元件的变型)
11.实施例10(实施例1至9的变型，根据本公开的第一方面的固态成像装置)
12.实施例11(实施例1至10的变型，包括传输控制电极的成像元件)
13.实施例12(实施例1至11的变型，包括多个电荷存储电极区段的成像元件)
14.实施例13(第一构造和第六构造的成像元件)
15.实施例14(本公开的第二构造和第六构造的成像元件)
16.实施例15(第三构造的成像元件)
17.实施例16(第四构造的成像元件)
18.实施例17(第五构造的成像元件)
19.实施例18(第六构造的成像元件)
20.实施例19(第一构造和第二构造的固态成像装置)
21.实施例20(实施例19的变型)
22.其它
具体实施方式
<关于本公开的第一至第九方面的成像元件和层叠式成像元件以及本公开的第一至第二方面的固态成像装置的一般性描述>
在下面的描述中，为方便起见，将“光电转换层的位于第一电极和电荷存储电极之间的区域”称为“光电转换层的区域A”，为方便起见，将“光电转换层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域”称为“光电转换层的区域B”。此外，为方便起见，将“绝缘层的位于第一电极和电荷存储电极之间的区域”称为“绝缘层的区域A”，为了方便起见，将“绝缘层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域”称为“绝缘层的区域B”。光电转换层的区域B对应于绝缘层的区域B。此外，为方便起见，将“第一电极和电荷存储电极之间的区域”称为“区域a”，为方便起见，将“成像元件和邻近成像元件之间的区域”称为“区域b”。在区域a中，光电转换层的区域A对应于绝缘层的区域A。在b区域中，光电转换层的区域B对应于绝缘层的区域B。
在根据本发明的第一和第二方面的成像元件等中，换句话说，光电转换层的区域B表示光电转换层如下部分：该部位定位在绝缘层的位于电荷存储电极和包括在相邻成像元件中的电荷存储电极之间的区域(区域b)中的部分(绝缘层的区域B)之上。
在根据本发明的第三方面的成像元件等中，电荷运动控制电极形成在经由绝缘层面向光电转换层的区域B的区域中。换句话说，电荷运动控制电极形成在绝缘层的位于电荷存储电极和包括在相邻成像元件中的电荷存储电极之间的区域(区域b)中的部分(绝缘层的区域B)的下方。电荷运动控制电极远离电荷存储电极设置。或者，换句话说，电荷运动控制电极设置在电荷存储电极周围且与电荷存储电极分离，并且电荷运动控制电极布置成经由绝缘层面向光电转换层的区域B。
在根据本发明的第四方面的成像元件等中，作为第二电极的代替，在光电转换层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域形成有电荷运动控制电极。电荷运动控制电极与第二电极分离地设置。换句话说：
[A]可以为每个成像元件提供第二电极，并且电荷运动控制电极可以设置为在光电转换层的区域B上包围第二电极的至少一部分且与第二电极分离，
[B]可以为每个成像元件提供第二电极，电荷运动控制电极可以设置为包围第二电极的至少一部分并与第二电极分离，并且电荷存储电极的一部分可以存在于电荷运动控制电极的下侧，或者
[C]可以为每个成像元件提供第二电极，电荷运动控制电极可设置为包围第二电极的至少一部分并且与第二电极分离，电荷存储电极的一部分可以存在于电荷运动控制电极的下侧，并且此外，根据第三方面的成像元件等中的电荷运动控制电极可以形成在电荷运动控制电极的下侧。由电荷运动控制电极和第二电极的耦合产生的电势在某些情况下施加至光电转换层的如下区域：该区域位于电荷运动控制电极与第二电极之间的区域下方。
在根据本发明的第五方面的成像元件等中，区域a中包含的绝缘材料(为方便起见称为“绝缘材料A”)可以从平面上填充所有区域a、也可以填充区域a的一部分、可以包括区域a到电荷存储电极的边缘部分(面向区域a的边缘部分)上方、或者可形成在电荷存储电极的部分或全部上。或者，绝缘材料可沿绝缘层的厚度方向填充所有区域a或可填充区域a的一部分。绝缘层的区域B(区域b)中包含的绝缘材料(为方便起见称为“绝缘材料B”)可从平面上填充绝缘层的所有区域B、可填充绝缘层的区域B的一部分(区域b)、或者可以包括绝缘层的区域B(区域b)至电荷存储电极的边缘部分(面向绝缘层的区域B(区域b)的边缘部分)。或者，绝缘材料可以沿绝缘层的厚度方向填充绝缘层的区域B(区域b)的全部或可填充绝缘层的区域B的一部分(区域b)。
在根据本发明的第六方面的成像元件等中，绝缘层的区域A的厚度比绝缘层的区域B的厚度薄。绝缘层的区域A和绝缘层的区域B的所有区域可以满足要求，或者区域的一部分可以满足要求。
在根据本发明的第七方面的成像元件等中，光电转换层的区域A的厚度比光电转换层的区域B的厚度厚。光电转换层的区域A和光电转换层的区域B的所有区域均可满足所述要求，或区域的一部分可满足所述要求。光电转换层的区域B的厚度可以是“0”。即，根据情况，光电转换层的定位于成像元件和相邻成像元件之间的区域可能不存在。
在根据本发明的第八方面的成像元件等中，光电转换层的区域A和绝缘层的区域A之间的界面的区域中的固定电荷量小于光电转换层的区域B和绝缘层的区域B之间的界面的区域中的固定电荷量。光电转换层的区域A和绝缘层的区域A之间的界面的区域以及光电转换层的区域B和绝缘层的区域B之间的界面的区域的全部可以满足所述要求，或者区域的一部分可以满足所述要求。
在根据本发明的第九方面的成像元件等中，光电转换层的区域A中的电荷迁移率的值(为方便起见称为“电荷迁移率A”)大于光电转换层的区域B中的电荷迁移率的值(为了方便，称为“电荷迁移率B”)。光电转换层的区域A和光电转换层的区域B的所有区域均可满足所述要求，或区域的一部分可满足所述要求。或者，光电转换层的具有电荷迁移率A的区域可以在电荷存储电极的一部分或全部上延伸。
根据本发明的第三方面的成像元件等还可以包括控制单元，控制单元设置在半导体基板上并包括驱动电路，其中
第一电极、第二电极、电荷存储电极和电荷运动控制电极连接到驱动电路，
在电荷存储期间，驱动电路将电势V11施加到第一电极，将电势V12施加到电荷存储电极，并将电势V13施加到电荷运动控制电极，并且电荷存储在光电转换层中，并且
在电荷传输期间，驱动电路将电势V21施加到第一电极，将电势V22施加到电荷存储电极，并将电势V23施加到电荷运动控制电极，并且存储在光电转换层中的电荷通过第一电极被读出到控制单元，其中
在第一电极的电势高于第二电极的电势的情况下，
V12≥V11，V12>V13和V21>V22>V23得以保持，并且
在第一电极的电势低于第二电极的电势的情况下，
V12≤V11，V12<V13和V21<V22<V23得以保持。电荷运动控制电极可以形成在与第一电极或电荷存储电极相同的水平上，也可以形成在不同的水平上。
根据本发明的第四方面的成像元件等还可以包括设置在半导体基板上并包含驱动电路的控制单元，其中
第一电极、第二电极、电荷存储电极和电荷运动控制电极连接到驱动电路，
在电荷存储期间，驱动电路向第二电极施加电势V2'并向电荷运动控制电极施加电势V13'，并且电荷存储在光电转换层中，并且
在电荷传输期间，驱动电路向第二电极施加电势V2”并向电荷运动控制电极施加电势V23”，并且存储在光电转换层中的电荷通过第一电极读出到控制单元，其中
在第一电极的电势高于第二电极的电势的情况下
V2'≥V13'和V2"≥V23"得以保持，并且
在第一电极的电势低于第二电极的电势的情况下
V2'≤V13'和V2"≤V23"得以保持。电荷运动控制电极形成在与第二电极相同的水平上。
包括上述优选模式的本公开的成像元件等的各者还可以包括半导体基板，其中光电转换单元布置在半导体基板的上侧上。注意，第一电极、电荷存储电极、第二电极和各种电极连接到后面描述的驱动电路。
此外，包括上述各种优选模式的本公开的成像元件等中的各者还可以包括传输控制电极(电荷传输电极)，其布置在第一电极和电荷存储电极之间，被布置为与第一电极和电荷存储电极分离，并布置成经由绝缘层面向光电转换层。注意，为方便起见，在某些情况下，将该模式中的本公开的成像元件等称为“包括传输控制电极的本公开的成像元件等”。此外，包括传输控制电极的本公开的成像元件等还可包括：
设置在半导体基板上并包括驱动电路的控制单元，其中
第一电极、电荷存储电极和传输控制电极连接到驱动电路，
在电荷存储期间，驱动电路将电势V11施加到第一电极，将电势V12施加到电荷存储电极，并将电势V14施加到传输控制电极，电荷存储在光电转换层中，并且
在电荷传输期间，驱动电路将电势V21施加到第一电极，将电势V22施加到电荷存储电极，并将电势V24施加到传输控制电极，存储在光电转换层中的电荷通过第一电极读出到控制单元，其中
在第一电极的电势高于第二电极的电势的情况下
V12>V14和V22≤V24≤V21得以保持，并且
在第一电极的电势低于第二电极的电势的情况下
V12<V14且V22≥V24≥V21得以保持。
此外，在包括上述各种优选模式的本公开的成像元件等的各者中，电荷存储电极可以包括多个电荷存储电极区段。注意，为方便起见，在某些情况下，将模式中的本公开的成像元件等称为“包括多个电荷存储电极区段的本公开的成像元件等”。电荷存储电极区段的数量可以等于或大于2。此外，在对包括多个电荷存储电极区段的本公开的成像元件等中的N个电荷存储电极区段中的各者施加不同电势的情况下，
在第一电极的电势高于第二电极的电势的情况下，在电荷传输期间，施加到定位于最靠近第一电极的位置处的电荷存储电极区段(第一光电转换单元区段)的电势可以高于施加到定位于离第一电极最远的位置处的电荷存储电极区段(第N光电转换单元区段)的电势，并且
在第一电极的电势低于第二电极的电势的情况下，在电荷传输期间，施加到定位于最靠近第一电极的位置的电荷存储电极区段(第一光电转换单元区段)的电势可以低于施加到定位于离第一电极最远的位置的电荷存储电极区段(第N光电转换单元区段)的电势。
此外，在包括上述各种优选模式的本公开的成像元件S等的各者中，电荷存储电极的尺寸可以大于第一电极的尺寸。尽管并非限制，但优选的是满足
4≤S1'/S1，
其中S1'是电荷存储电极的面积，S1是第一电极的面积。
在根据本发明的第二方面的成像元件中，光电转换层的区域A的宽度WA比光电转换层的区域B的宽度WB窄，并且(WA/WB)的值的示例包括
1/2≤(WA/WB)<1。
在根据本发明的第五方面的成像元件中，绝缘材料A的具体示例包括SiN，且绝缘材料B的具体示例包括SiO2。
在根据本发明的第六方面的成像元件中，绝缘层的区域A的厚度tIn-A比绝缘层的区域B的厚度tIn-B薄，并且(tIn-A/tIn-B)的值的示例包括
1/2≤(tIn-A/tIn-B)<1。
在根据本发明的第七方面的成像元件中，光电转换层的区域A的厚度tPc-A比光电转换层的区域B的厚度tPc-B厚，并且(tPc-A/tPc-B)的值的示例包括
1<(tPc-A/tPc-B)≤2。
在根据本发明的第八方面的成像元件中，光电转换层的区域A和绝缘层的区域A之间的界面的区域中的固定电荷量FCA小于光电转换层的区域B和绝缘层的区域B之间的界面的区域中的固定电荷量FCB。
1/10≤(FCA/FCB)<1。
这里，可以基于例如沉积具有固定电荷的薄膜的方法来控制光电转换层和绝缘层之间的界面的区域中的固定电荷量。
在根据本发明的第九方面的成像元件中，光电转换层的区域A中的电荷迁移率的值CTA大于光电转换层的区域B中的电荷迁移率的值CTB。
1<(CTA/CTB)≤1×102。
光电转换层的区域A中包含的材料和光电转换层的区域B中包含的材料可以从光电转换层中包含的材料中适当地选择。或者，光电转换层的一部分可以具有上层/下层的双层构造。光电转换层的区域A的上层和光电转换层的区域B的上层以及光电转换层的定位于电荷存储电极的上侧的部分可以包含相同的材料(为方便起见称为“上层组成材料”)。光电转换层的区域A的下层和光电转换层的定位于电荷存储电极的上侧的部分的下层可以包含相同的材料(为方便起见称为“下层组成材料”)。上层组成材料和下层组成材料可以是不同的。
这样，可以设置光电转换层的下层(在某些情况下将称为“下半导体层”)来防止例如在电荷存储期间内的再结合(recombination)。这也可以提高存储在光电转换层中的电荷向第一电极的电荷传输效率。此外，可以暂时保持在光电转换层中产生的电荷以控制传输的时序等。此外，还可以抑制暗电流的产生。注意，在某些情况下，将光电转换层的上层称为“上光电转换层”。
除根据本公开的第四方面的成像元件等之外，位于光入射侧的第二电极可以由多个成像元件共用。即，第二电极可以是所谓的固体电极。在本公开的成像元件等中，光电转换层由多个成像元件共用。即，在多个成像元件中形成一个光电转换层。
此外，在包括上述各种优选模式的本公开的成像元件等中，第一电极可以在设置于绝缘层中的开口部中延伸并且可以连接到光电转换层。或者，光电转换层可以在设置于绝缘层中的开口部中延伸并且可以连接到第一电极。在这种情况下，
第一电极的顶部表面的边缘部分可以被绝缘层覆盖，
第一电极可以暴露在开口部的底面上，并且
开口部的侧表面可以倾斜以从第一表面向第二表面延伸，其中第一表面是绝缘层的与第一电极的顶部表面接触的表面，第二表面是绝缘层的与光电转换层的面向电荷存储电极的一部分接触的表面。此外，开口部的从第一表面向第二表面倾斜延伸的侧表面可以位于电荷存储电极侧。注意，也可以在光电转换层和第一电极之间形成另一层(例如，可以在光电转换层和第一电极之间形成适合于电荷存储的材料层)。
此外，在包括上述各种优选模式的本公开的成像元件等中，
控制单元中包含的至少浮动扩散层和放大晶体管可以设置在半导体基板上，并且
第一电极可以连接到浮动扩散层和放大晶体管的栅极部。此外，在这种情况下，
包括在控制单元中的复位晶体管和选择晶体管可以进一步设置在半导体基板上，
浮动扩散层可以连接到复位晶体管的一个源极/漏极区域
放大晶体管的一个源极/漏极区域可以连接到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/漏极区域可以连接到信号线。
或者，包括上述各种优选模式的本公开的成像元件等的变型例包括下面说明的第一至第六构造的成像元件。即，在包括上述各种优选模式的本公开的成像元件等中的第一至第六构造的每个成像元件中，
光电转换单元包括N(其中N≥2)个光电转换单元区段，
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，
在第一到第三构造的每个成像元件中，电荷存储电极包括N个电荷存储电极区段，
在第四构造和第五构造的每个成像元件中，电荷存储电极包括彼此分开排列的N个电荷存储电极区段，
第n(其中n＝1，2，3，··N)个光电转换单元区段包括第n个电荷存储电极区段、第n个绝缘层区段和第n个光电转换层区段，并且
光电转换单元区段的n值越大，光电转换单元区段的位置离第一电极越远。
此外，在第一构造的成像元件中，光电转换层区段的厚度从第一光电转换单元区段逐渐变化到第N光电转换单元区段。此外，在第二构造的成像元件中，光电转换层区段的厚度从第一光电转换单元区段逐渐变化到第N光电转换单元区段。此外，在第三构造的成像元件中，绝缘层区段中包含的材料在相邻的光电转换单元区段之间是变化的。此外，在第四构造的成像元件中，电荷存储电极区段中包含的材料在相邻的光电转换单元区段之间是变化的。此外，在第五构造的成像元件中，电荷存储电极区段的面积从第一光电转换单元区段至第N光电转换单元区段逐渐减小。注意，面积可以连续地减少或可以台阶式地减少。
或者，在包括上述各种优选模式的本公开的第六构造的成像元件中，电荷存储电极、绝缘层和光电转换层的层叠部分(当在YZ虚拟平面中切割层叠部分时)的横截面积随着距第一电极的距离而变化，其中Z方向是电荷存储电极、绝缘层和光电转换层的层叠方向，X方向是远离第一电极的方向。注意，横截面积的变化可以是连续变化也可以是逐步变化。
在第一和第二构造的每个成像元件中，连续设置N个光电转换层区段被，也连续设置N个绝缘层区段，并且还连续设置N个电荷存储电极区段。在第三至第五构造的每个成像元件中，连续设置N个光电转换层区段。此外，在第四和第五构造的每个成像元件中，连续设置N个绝缘层区段。另一方面，在第三构造的成像元件上，设置N个绝缘层区段以分别对应于光电转换单元区段。此外，在第四和第五构造的每个成像元件中以及在第三构造的成像元件中，视情况而定，设置N个电荷存储电极区段以分别对应于光电转换单元区段。此外，在第一至第六构造的每个成像元件中，相同的电势施加于所有电荷存储电极区段。或者，在第四和第五构造的每个成像元件中以及在第三构造的成像元件中，视情况而定，不同的电势可以施加于N个电荷存储电极区段中的各者。
在第一至第六构造的成像元件和应用成像元件的本公开的层叠式成像元件和固态成像装置中的各者中，定义绝缘层区段的厚度，定义光电转换层区段的厚度，各绝缘层区段中包含的材料不同，各电荷存储电极区段中包含的材料不同，定义电荷存储电极区段的面积，或者定义层叠部分的横截面积。从而，形成一种电荷传输梯度，并且由光电转换产生的电荷可以更容易且更确定地传输到第一电极。另外，作为结果，能够防止残像或电荷传输残余(charge transfer leftover)的产生。
本公开的层叠式成像元件的变型例包括层叠式成像元件，该层叠式成像元件包括第一至第六构造的成像元件中的至少一个。此外，根据本公开的第一方面的固态成像装置的变型例包括固态成像装置，该固态成像装置包括多个第一至第六构造的成像元件。根据本公开的第二方面的固态成像装置的变型例包括固态成像装置，该固态成像装置包括多个层叠式成像元件，每个层叠式成像元件包括第一到第六构造的成像元件中的至少一个。
在第一至第五构造的每个成像元件中，光电转换单元区段的n值越大，光电转换单元区段离第一电极的位置越远。根据X方向确定光电转换单元区段是否远离第一电极而定位。此外，在第六构造的成像元件中，远离第一电极的方向是X方向，“X方向”定义如下。即，包括多个阵列成像元件或层叠式成像元件的像素区域包括布置成二维阵列(即，沿X方向和Y方向有系统地排列)的多个像素。在像素的平面形状是矩形的情况下，最靠近第一电极的一侧的延伸方向是Y方向，与Y方向正交的方向是X方向。或者，在像素的平面形状是任意形状的情况下，包括最接近第一电极的直线段或曲线的总体方向是Y方向，与Y方向正交的方向是X方向。
在下文中，将针对第一至第六构造的成像元件描述第一电极的电势高于第二电极的电势的情况。在第一电极的电势低于第二电极的情况下，只需要反转电势的高和低即可。
在第一构造的成像元件中，绝缘层区段的厚度从第一光电转换单元区段到第N光电转换单元区段逐渐变化。绝缘层区段的厚度可以逐渐增加或逐渐减少。从而，形成一种电荷传输梯度。
在要存储的电荷是电子的情况下，绝缘层区段的厚度可以逐渐增加。在要存储的电荷是电子空穴的情况下，绝缘层区段的厚度可以逐渐减小。此外，在这些情况下，当在电荷储存期间状态变为|V12|≥|V11|时，第n光电转换单元区段比第(n+1)光电转换单元区段可以存储更多的电荷。施加强电场，这当然可以防止电荷从第一光电转换单元区段流向第一电极。此外，当在电荷传输周期中状态变为|V22|<|V21|时，一定可以保证从第一光电转换单元区段到第一电极的电荷流动和从第(n+1)光电转换单元区段到第n光电转换单元区段的电荷流。
在第二构造的成像元件中，光电转换层区段的厚度从第一光电转换单元区段到第N光电转换单元区段逐渐变化。光电转换层区段的厚度可以逐渐增加或逐渐减少。从而，形成一种电荷传输梯度。
在要存储的电荷是电子的情况下，可以逐渐增加光电转换层区段的厚度。在要存储的电荷是空穴的情况下，可以逐渐减小光电转换层区段的厚度。此外，在光电转换层区段的厚度逐渐增加的情况下当在电荷储存期间状态变为V12≥V11时，或者在光电转换层区段的厚度逐渐减小的情况下当在电荷储存期间状态变为V12≤V11时，施加到第n光电转换单元区段的电场比施加到第(n+1)光电转换单元区段的电场强。这一定可以防止从第一光电转换单元区段到第一电极的电荷流动。此外，在光电转换层区段的厚度逐渐增加的情况下当在电荷储存期间状态变为V22<V21时，或者在光电转换层区段的厚度逐渐减小的情况下当状态变为V22>V21时，一定可以保证从第一光电转换单元区段到第一电极的电荷流动和从第(n+1)光电转换单元区段到第n光电转换单元区段的电荷流动。
在第三构造的成像元件中，绝缘层区段中包含的材料在相邻的光电转换单元区段中是不同的，从而，形成一种电荷传输梯度。优选的是，绝缘层区段中包含的材料的介电常数值从第一光电转换单元区段到第N光电转换单元区段逐渐减小。此外，通过采用该构造，当在电荷存储期间状态变为V12≥V11时，第n光电转换单元区段比第(n+1)光电转换单元区段可以存储更多的电荷。此外，当在电荷传输周期中状态变为V22<V21时，一定可以保证从第一光电转换单元区段到第一电极的电荷流动和从第(n+1)光电转换单元区段到第n光电转换单元区段的电荷流动。
在第四构造的成像元件中，电荷存储电极区段中包含的材料在相邻的光电转换单元区段中是不同的。从而，形成一种电荷传输梯度。优选的是，绝缘层区段中包含的材料的功函数的值从第一光电转换单元区段到第N光电转换单元区段逐渐增加。此外，通过采用该构造，不管电压是正的还是负的，都可以形成有利于信号电荷传输的电势梯度。
在第五构造的成像元件中，电荷存储电极区段的面积从第一光电转换单元区段到第N光电转换单元区段逐渐减小。从而，形成一种电荷传输梯度。因此，当在电荷存储周期内状态变为V12≥V11时，第n光电转换单元区段比第(n+1)光电转换单元区段可以存储更多的电荷。另外，当在电荷传输期间内状态变为V22<V21时，一定可以保证从第一光电转换单元区段到第一电极的电荷流动和从第(n+1)光电转换单元区段到第n光电转换单元区段的电荷流动。
在第六构造的成像元件中，层叠部件的横截面积根据与第一电极的距离而变化。从而，形成一种电荷传输梯度。具体地，层叠部件的横截面的厚度可以是恒定的，并且随着与第一电极的距离的增加，层叠部件的横截面的宽度可以减小。通过采用该构造，如在第五构造的成像元件中所述的，当在电荷存储周期内状态变为V12≥V11时，靠近第一电极的区域能够比远离第一电极的区域存储更多的电荷。因此，当在电荷传输周期内状态变为V22<V21时，一定可以保证从靠近第一电极的区域到第一电极的电荷流动和从远离第一电极的区域到靠近第一电极的区域的电荷流动。另一方面，层叠部件的横截面的宽度可以是恒定的，堆叠部分的横截面的厚度，特别是绝缘层区段的厚度，可以逐渐增加。通过采用该构造，如在第一构造的成像元件中所述的，当在电荷存储周期内状态变为V12≥V11时，靠近第一电极的区域比远离第一电极的区域存储更多的电荷。施加强电场，一定可以阻止从靠近第一电极的区域到第一电极的电荷流动。此外，当在电荷传输周期内状态变为V22<V21时，一定可以保证从靠近第一电极的区域到第一电极的电荷流动和从远离第一电极的区域到靠近第一电极的区域的电荷流动。此外，光电转换层区段的厚度可以逐渐增加。通过采用该构造，如在第二构造的成像元件中所述的，当电荷存储周期内状态变为V12≥V11时，施加到靠近第一电极的区域的电场比施加到远离第一电极的区域的电场强。这当然能够防止从靠近第一电极的区域到第一电极的电荷流动。此外，当在电荷传输周期内状态变为V22<V21时，一定可以保证从靠近第一电极的区域到第一电极的电荷流动和从远离第一电极的区域到靠近第一电极的区域的电荷流动。
根据本发明的第一方面的固态成像装置的另一变型例包括：
固态成像装置，其包括根据本公开的第一至第九方面的多个成像元件或根据第一至第六构造的成像元件，其中
多个成像元件被包括在成像元件块中，并且
第一电极由包括在成像元件块中的多个成像元件共用。注意，为了方便，将以这种方式构造的固态成像装置称为“第一构造的固态成像装置”。或者，根据本公开的第二方面的固态成像装置的另一变型例包括：
固态成像装置，包括多个层叠式成像元件，每个层叠式成像元件包括根据本公开的第一至第九方面的成像元件或根据第一至第六构造的成像元件中的至少一个，其中
多个层叠式成像元件包括在成像元件块中，并且
第一电极由包括在成像元件块中的多个层叠式成像元件共用。注意，为了方便，以这种方式构造的固态成像装置将被称为“第二构造的固态成像装置”。此外，以这种方式，第一电极可以由包括在成像元件块中的多个成像元件共用，以简化和小型化包括多个阵列成像元件的像素区域的构造和结构。
在第一和第二构造的固态成像装置的各者中，为多个成像元件(一个成像元件块)提供一个浮动扩散层。这里为一个浮动扩散层提供的多个成像元件可以包括稍后描述的第一类型的多个成像元件，或者可以包括至少一个第一类型的成像元件和一个或两个或更多稍后描述的第二类型的成像元件。此外，可以适当地控制电荷传输周期的时序，以允许多个成像元件共用一个浮动扩散层。多个成像元件一起操作并作为成像元件块连接到稍后描述的驱动电路。即，包括在成像元件块中的多个成像元件连接到一个驱动电路。然而，对于每个成像元件控制电荷存储电极。另外，多个成像元件可以共用一个接触孔部。关于多个成像元件共用的第一电极与每个成像元件的电荷存储电极之间的布置关系，第一电极可以布置在每个成像元件的电荷存储电极附近。或者，第一电极可以布置成与多个成像元件中的一部分的电荷存储电极相邻，而不布置成与多个成像元件中的其余部分的电荷存储电极相邻。在这种情况下，电荷从多个成像元件的其余部分到第一电极的移动是通过多个成像元件的所述一部分的移动。优选的是，成像元件中包括的电荷存储电极与成像元件中包括的电荷存储电极之间的距离(为方便起见称为“距离A”)比第一电极与和第一电极相邻的成像元件中的电荷存储电极之间的距离(为方便起见称为“距离B”)长，以确保将电荷从每个成像元件移动到第一电极。此外，优选的是，成像元件离第一电极的位置越远，距离A的值越大。
此外，在包括上述各种优选模式的本公开的成像元件等中的各者中，光可以从第二电极侧入射，并且可以在更靠近第二电极的光入射侧上形成有遮光层。或者，光可以从第二电极侧入射，而光可以未入射在第一电极上(视情况而定，第一电极和传输控制电极)。此外，在这种情况下，遮光层可以形成在更靠近第二电极的光入射侧和第一电极的上侧(视情况而定，第一电极和传输控制电极)。或者，可以在电荷存储电极和第二电极的上侧设置片上微透镜，并且入射到片上微透镜上的光可以被电荷存储电极收集。这里，遮光层可以设置在第二电极的光入射侧的表面的上侧上，或者可以设置在第二电极的光入射侧的表面上。视情况而定，可以在第二电极上形成遮光层。遮光层中包含的材料的例子包括铬(Cr)、铜(Cu)、铝(Al)、钨(W)以及防光树脂(例如，聚酰亚胺树脂)。
本公开的成像元件的具体示例包括：对蓝光敏感的成像元件(为方便起见称为“第一类型的蓝光成像元件”)，其包括吸收蓝光(425至495nm的光)的光电转换层(为方便起见称为“第一类型的蓝光光电转换层”)；对绿光敏感的成像元件(为方便起见称为“第一类型的绿光成像元件”)，其包括吸收绿光(495至570nm的光)的光电转换层(为方便起见称为“第一类型的绿光光电转换层”)；以及对红光敏感的成像元件(为方便起见称为“第一类型的红光成像元件”)，其包括吸收红光(620至750nm的光)的光电转换层(为方便起见称为“第一类型的红光光电转换层”)。此外，为方便起见，将作为不包括电荷存储电极的常规成像元件的对蓝光敏感的成像元件称为“第二类型的蓝光成像元件”。为方便起见，将对绿光敏感的常规成像元件称为“第二类型的绿光成像元件”。为方便起见，将对红光敏感的常规成像元件称为“第二类型的红光成像元件”。为方便起见，将第二类型的蓝光成像元件中包括的光电转换层称为“第二类型的蓝光光电转换层”。为方便起见，将第二类型的绿光成像元件中包括的光电转换层称为“第二类型的绿光光电转换层”。为方便起见，将第二类型的红光成像元件中包括的光电转换层将称为“第二类型的红光光电转换层”。
本公开的层叠式成像元件包括至少一个本公开的成像元件(光电转换元件)，构造和结构的具体示例包括：
[A]第一类型的蓝光光电转换单元、第一类型的绿光光电转换单元和第一类型的红光光电转换单元在垂直方向上层叠的构造和构造，并且
在半导体基板上设置有第一类型的蓝光成像元件、第一类型的绿光成像元件和第一类型的红光成像元件的控制单元；
[B]第一类型的蓝光光电转换单元和第一类型的绿光光电转换单元在垂直方向上层叠的构造和构造，
第二类型的红光光电转换单元布置在这两层第一类型的光电转换单元的下侧，并且
在半导体基板上设置有第一类型的蓝光成像元件、第一类型的绿光成像元件和第二类型的红光成像元件的控制单元；
[C]第二类型的蓝光光电转换单元和第二类型的红光光电转换单元布置在第一类型的绿光光电转换单元的下侧的构造和构造，并且
在半导体基板上设置有第一类型的绿光成像元件、第二类型的蓝光成像元件和第二类型的红光成像元件的控制单元；
[D]第二类型的绿光光电转换单元和第二类型的红光光电转换单元布置在第一类型的蓝光光电转换单元的下侧的构造和构造，并且
在半导体基板上设置第一类型的蓝光成像元件、第二类型的绿光成像元件和第二类型的红光成像元件的控制单元。注意，优选的是，成像元件的光电转换单元在垂直方向上的排列顺序是：从光入射方向，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，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被有效吸收。在三种颜色中，红色具有最长的波长，并且优选的是，从光入射表面看，红光光电转换单元位于最下层中。成像元件的层叠结构提供一个像素。此外，还可以包括第一类型的红外光电转换单元。这里，优选的是，第一类型的红外光电转换单元的光电转换层包括例如有机材料并布置在第一类型的成像元件的层叠构造的最下层中且位于第二类型的成像元件上方。或者，第二类型的红外光电转换单元也可以包括在第一类型的光电转换单元的下侧。
在第一类型的成像元件中，第一电极形成在例如设置在半导体基板上的层间绝缘层上。形成在半导体基板上的成像元件可以是后照射型，也可以是前照射型。
在光电转换层包括有机材料的情况下，光电转换层可以是以下四种模式之一。
(1)该光电转换层包括P型有机半导体。
(2)光电转换层包括n型有机半导体。
(3)光电转换层包括p型有机半导体层/n型有机半导体层的层叠结构。光电转换层包括p型有机半导体层/p型有机半导体和n型有机半导体的混合层(体异质结构)/n型有机半导体层的层叠结构。光电转换层包括p型有机半导体层/p型有机半导体和n型有机半导体的混合层(体异质结构)的层叠结构。光电转换层包括n型有机半导体层/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。
(4)光电转换层包括p型有机半导体和n型有机半导体的混合物(体异质结构)。
在这里，层叠的顺序可以任意改变。
p型有机半导体的例子包括萘衍生物、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、苯并噻吩并苯并噻吩衍生物、三烯丙胺衍生物、咔唑衍生物、苝衍生物、苉衍生物、
Figure BDA0003811235130000321
衍生物、荧蒽衍生物、酞菁衍生物、亚酞菁衍生物、亚卟啉衍生物、包括杂环化合物为配体的金属络合物、聚噻吩衍生物、聚苯并噻二唑衍生物和聚芴衍生物。n型有机半导体的例子包括富勒烯和富勒烯衍生物<例如，诸如C60、C70和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(更深)的HOMO和LUMO的有机半导体、以及透明无机金属氧化物。n型有机半导体的具体例子包括含有作为分子框架的一部分的杂环化合物的有机分子，所述杂环化合物包含氮原子、氧原子和硫原子，诸如吡啶衍生物、吡嗪衍生物、嘧啶衍生物、三嗪衍生物、喹啉衍生物、喹恶啉衍生物、异喹啉衍生物、吖啶衍生物、吩嗪衍生物、菲咯啉衍生物、四唑衍生物、吡唑衍生物、咪唑衍生物、噻唑衍生物、恶唑衍生物、咪唑衍生物、苯并咪唑衍生物、苯并三唑衍生物、苯并恶唑衍生物、苯并恶唑衍生物，咔唑衍生物，苯并呋喃衍生物、二苯并呋喃衍生物、亚卟啉衍生物、聚苯乙烯撑衍生物、聚苯并噻唑衍生物和聚芴衍生物、有机金属络合物和亚酞菁衍生物。包含在富勒烯衍生物中的基团等的例子包括：卤素原子；直链、支链或环烷基或苯基；包括直链或缩合芳族化合物的基团；包括卤化物的基团；部分氟烷基；全氟烷基；硅烷基烷基；硅烷基烷氧基；芳基硅烷基；芳基巯基(arylsulfanylgroup)；烷基巯基(alkylsulfanyl group)；芳基磺酰基；烷基磺酰基；芳基硫醚基团；烷基硫醚基团；氨基；烷氨基；芳氨基；羟基；烷氧基；酰氨基；酰氧基；羰基；羧基；羧酰胺基；烷氧羧基；酰基；磺酰基；氰基；硝基；包括硫系化合物的基团；膦基(phosphine group)；膦酸基(phosphon group)；以及它们的衍生物。虽然包括有机材料的光电转换层(在某些情况下称为“有机光电转换层”)的厚度不受限制，厚度例如可以是1×10-8m到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，进一步优选地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型表示空穴易于输运，n型表示电子易于输运。有机半导体不限于以下解释：空穴或电子作为热激发的多数载流子而被包括在无机半导体中。
或者，用于绿光的光电转换的有机光电转换层中包含的材料的例子包括罗丹明染料、部花青染料、喹吖啶酮衍生物和亚酞菁染料(亚酞菁衍生物)。用于蓝光的光电转换的有机光电转换层中包含的材料的例子包括香豆酸染料、三(8-羟基喹啉)铝(Alq3)和部花青染料。用于红光的光电转换的有机光电转换层中包含的材料的例子包括酞菁染料和亚酞菁染料(亚酞菁衍生物)。
或者，光电转换层中包含的无机材料的例子包括晶体硅、非晶硅、微晶硅、晶体硒、无定形硒、黄铜矿化合物，诸如CIGS(CuInGaSe)、cis(CuInSe2)、CuInS2、CuAlS2、CuAlSe2、CuGaS2、CuGaSe2、AgAlS2、AgAlSe2、AgInS2和AgInSe2，III-V族化合物，诸如GaAs、InP、AlGaAs、InGaP、AlGaInP和InGaAsP，以及CdSe、Cds、In2Se3、In2S3、Bi2Se3、Bi2S3、ZnSe、ZnS、PbSe和PbS等的化合物半导体等等。此外，包含这些材料的量子点也可以用于光电转换层。
或者，光电转换层可以具有如上所述的下半导体层和上光电转换层的堆叠构造。下半导体层能够以这种方式设置，从而防止例如在电荷存储期间的再结合。此外，可以提高存储在光电转换层中的电荷向第一电极的电荷传输效率。此外，可以暂时保持在光电转换层中产生的电荷，以控制传输的时序等。此外，还能够抑制暗电流的产生。上光电转换层中包含的材料能够从光电转换层中包含的各种材料中适当地选择。另一方面，优选的是，用于下半导体层的材料是具有大的带隙能量的值(例如，带隙能量的值等于或大于3.0eV)且具有的迁移率高于光电转换层中包含的材料的迁移率的材料。该材料的具体实例包括：氧化物半导体材料，诸如IGZO；过渡金属二卤化物；碳化硅；金刚石；石墨烯；碳纳米管；以及有机半导体材料，例如稠合多环烃化合物和稠合杂环化合物。或者，下半导体层中包括的材料的其它示例包括：在要储存的电荷是电子的情况下，具有的电离电势大于光电转换层中包含的材料的电离电势的材料；以及在要储存的电荷是空穴的情况下，具有的电子亲和势小于光电转换层中包含的材料的电子亲和势的材料。或者，优选的是，下半导体层中包含的材料的杂质浓度等于或小于1×1018cm-3。下半导体层可以具有单层构造或者可以具有多层构造。此外，位于电荷存储电极的上侧的下半导体层中包含的材料和位于第一电极的上侧的下半导体层中包含的材料可以不同。
根据本公开的第一和第二方面的固态成像装置以及第一和第二构造的固态成像装置能够提供单板彩色固态成像装置。
在根据本公开的第二方面的固态成像装置或包括层叠式成像元件的第二构造的固态成像装置中，与在包括拜耳阵列(即，不使用滤色器来分离蓝色、绿色和红色)的成像元件的固态成像装置中不同的是，在同一像素内在光入射方向上堆叠对多种波长类型的光敏感的成像元件，以提供一个像素。因此，能够提高灵敏度，并且能够提高单位体积的像素密度。此外，有机材料的吸收系数高，并且有机光电转换层的膜厚可以比传统的Si基光电转换层更薄。这减少了来自相邻像素的光泄漏并且减轻了对光入射角的限制。此外，在传统的Si基成像元件中，对三种颜色的像素执行内插处理以产生彩色信号，因此会产生伪色。在根据本公开的第二方面的固态成像装置或包括层叠式成像元件的第二构造的固态成像装置中，抑制了伪色产生。有机光电转换层还起到滤色器的作用，并且可以在不布置滤色器的情况下分离颜色。
另一方面，在根据本公开的第一方面的固态成像装置或第一构造的固态成像装置中，滤色器可用于减轻对蓝色、绿色和红色的光谱特性的要求，而且大规模生产性高。根据本公开的第一方面的固态成像装置或第一构造的固态成像装置中的成像元件的阵列的示例包括拜耳阵列、以及行间阵列(interline array)、G条RB格状阵列、G条RB全格状阵列、格状补色阵列、条纹阵列、对角线条纹阵列、主色差阵列、场色差序列阵列、帧色差序列阵列、MOS阵列、改进的MOS阵列、帧交织阵列和场交织阵列。这里，一个成像元件提供一个像素(或子像素)。
设置有本公开的多个阵列成像元件或本公开的多个阵列层叠式成像元件的像素区域包括系统地排列在二维阵列中的多个像素。像素区域通常包括：有效像素区域，在该有效像素区域中实际接收光，从而通过光电转换产生信号电荷，信号电荷被放大并读出到驱动电路；以及黑色参考像素区域，用于输出作为黑电平的标准的光学黑色。黑色参考像素区域通常布置在有效像素区域的外围。
在包括上述各种优选模式和构造的本公开的成像元件等中，施加光，在光电转换层中发生光电转换。进行电子空穴(空穴)与电子的载流子分离。此外，从中提取空穴的电极是阳极，从中提取电子的电极是阴极。存在这样一种模式：其中，第一电极提供阳极，第二电极提供阴极。相反，也存在这样一种模式：其中，第一电极提供阴极，第二电极提供阳极。
在提供层叠式成像元件的情况下，第一电极、电荷存储电极、电荷运动控制电极、传输控制电极和第二电极能够包含透明导电材料。注意，在某些情况下，将第一电极、电荷存储电极、电荷运动控制电极、传输控制电极统称为“第一电极等”。或者，在本公开的成像元件等以例如拜耳阵列布置在平面上的情况下，第二电极可以包含透明导电材料，并且第一电极等可以包含金属材料。在这种情况下，具体地说，位于光入射侧的第二电极可以包含透明导电材料，第一电极等可以包含例如Al-Nd(铝和钕的合金)或ASC(铝、钐和铜的合金)。注意，在某些情况下，将包含透明导电材料的电极称为“透明电极”。这里，希望透明导电材料的带隙能量等于或大于2.5eV，优选地等于或大于3.1eV。透明电极中包含的透明导电材料的示例包括导电金属氧化物。具体地，透明导电材料的例子包括铟氧化物、铟锡氧化物(包括ITO、氧化铟锡、Sn掺杂的In2O3、晶态ITO和非晶态ITO)，通过将铟作为掺杂剂而加入到氧化锌中而获得的铟锌氧化物(IZO，氧化铟锌)、通过将铟作为掺杂剂加入到氧化镓中而获得的铟镓氧化物(IGO)、通过向氧化锌中添加铟和镓作为掺杂剂而获得的铟-镓-锌氧化物(IGZO，In-GaZnO4)、通过在氧化锌中添加铟和锡作为掺杂剂而获得的铟-锡-锌氧化物(ITZO)、IFO(掺杂氟的In2O3)、二氧化锡(SnO2)、ATO(掺杂锑的SnO2)、FTO(掺杂氟的SnO2)、锌氧化物(包括掺杂其它元素的氧化锌)、通过在氧化锌中加入铝作为掺杂剂而获得的铝锌氧化物(AZO)、通过在氧化锌中加入镓作为掺杂剂而获得的镓锌氧化物(GZO)、氧化钛(TiO2)、通过在氧化钛中加入铌作为掺杂剂而获得的铌钛氧化物(TNO)、氧化锑、尖晶石氧化物和具有YbFe2O4结构的氧化物。或者，透明电极可以包含氧化镓、氧化钛、氧化铌、氧化镍等作为母层(mother layer)。透明电极的厚度的示例包括2×10-8m至2×10-7m，优选地3×10-8m至1×10-7m。在第一电极需要是透明的情况下，从简化制造工艺的角度来看，优选的是，其它电极也包含透明导电材料。
可替代地，在不需要透明度的情况下，优选的是，使用具有高功函数(例如
Figure BDA0003811235130000361
至5.5eV)的导电材料作为被包含在具有用于提取空穴的电极的功能的阳极中的导电材料。具体地，所述导电材料的例子包括金(Au)、银(Ag)、铬(Cr)、镍(Ni)、钯(Pd)、铂(Pt)、铁(Fe)、铱(Ir)、锗(Ge)、锇(Os)、铼(Re)和碲(Te)。另一方面，优选的是，使用具有低功函数(例如
Figure BDA0003811235130000362
至4.5eV)的导电材料作为被包含在具有用于提取电子的电极的功能的阴极中的导电材料。具体地，所述导电材料的例子包括碱金属(例如Li、Na、K等)和碱金属的氟化物或氧化物、碱土金属(例如Mg、Ca等)和碱土金属的氟化物或氧化物、铝(Al)、锌(Zn)、锡(Sn)、铊(Tl)、钠-钾合金、铝-锂合金、镁-银合金、铟、稀土金属(诸如镱)以及它们的合金。可替代地，阳极或阴极中包含的材料的例子包括金属，例如铂(Pt)、金(Au)、钯(PD)、铬(Cr)、镍(Ni)、铝(Al)、银(Ag)、钽(Ta)、钨(W)、铜(Cu)、钛(Ti)、铟(In)、锡(Sn)、铁(Fe)钴(Co)和钼(Mo)、含有这些金属元素的合金、包括这些金属的导电颗粒、含有这些金属的合金的导电颗粒、含有杂质的多晶硅、碳材料、氧化物半导体材料、碳纳米管以及诸如石墨烯等导电材料。阳极或阴极也可以具有包含这些元素的多层层叠结构。此外，阳极或阴极中包含的材料的例子还包括有机材料(导电聚合物)，诸如聚(3,4-乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐))[PEDOT/PSS]。此外，这些导电材料可以与粘合剂(聚合物)混合，以获得糊状物或油墨，并且所述糊状物或油墨可固化并用作电极。
干法或湿法可用作第一电极等或第二电极(阴极或阳极)的沉积方法。干法的例子包括物理气相沉积法(PVD法)和化学气相沉积法(CVD法)。使用PVD法原理的沉积方法的实例包括使用电阻加热或射频加热的真空蒸发法、EB(电子束)蒸发法、各种溅射法(磁控溅射法、RF-DC耦合偏置溅射法、ECR溅射法、对靶溅射法和RF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方法的实例包括等离子体CVD法、热CVD法、有机金属(MO)CVD法和光学CVD法。另一方面，湿法的例子包括各种方法，诸如电镀法、化学镀法、旋涂法、喷墨法、喷涂法、压印法、微接触印刷法、柔性版印刷法、胶印法、凹版印刷法和浸渍法。图案化方法的例子包括化学蚀刻，诸如荫罩、激光转印和光刻以及使用紫外线或激光等的物理蚀刻。第一电极等和第二电极的平坦化方法的例子包括激光平坦化法、回流法和CMP(化学机械抛光)法。
除了根据本公开的第五方面的成像元件中的绝缘层等之外，绝缘层中包含的材料的示例不仅包括类似金属氧化物高介电绝缘材料的无机绝缘材料，诸如氧化硅材料、氮化硅(SiNy)和氧化铝(Al2O3)，但还包括有机绝缘材料(有机聚合物)，诸如：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；聚乙烯苯酚(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(硅烷偶联剂)，诸如N-(2-氨基乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷(AEAPTMS)、3-巯基丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)和十八烷基三氯硅烷(OTS)、酚醛型酚醛树脂(novolac phenolic resin)；氟树脂以及直链烃，诸如十八烷基硫醇和十二烷基异氰酸酯，在一端包括可与控制电极结合的官能团。注意，硅氧化物材料的示例包括氧化硅(SiOx)、BPSG、PSG、BSG、AsSG、PbSG、氮氧化硅(SiON)、SOG(在玻璃上自旋)和低介电绝缘材料(例如，聚芳醚、环氟碳聚合物、苯并环丁烯、环氟树脂、聚四氟乙烯、氟化芳基醚、氟代聚酰亚胺、无定形碳和有机SOG)。这些材料也可以被适当地选择用于各种层间绝缘层和绝缘膜中包含的材料。
控制单元中包括的浮动扩散层、放大晶体管、复位晶体管和选择晶体管的构造和结构可以类似于传统的浮动扩散层、放大晶体管、复位晶体管和选择晶体管的构造和结构。驱动电路也可以具有公知的构造和结构。
第一电极连接到浮动扩散层和放大晶体管的栅极部，并且可以形成接触孔部以用于将第一电极连接到浮动扩散层和放大晶体管的栅极部。接触孔部中包含的材料的例子包括掺杂有杂质的多晶硅、高熔点金属和金属硅化物，诸如钨、Ti、Pt、Pd、Cu、TiW、TiN、TiNW、WSi2和MoSi2以及包括这些材料(例如，Ti/TiN/W)的层叠结构。
在有机光电转换层与第一电极之间可以设置有第一载流子阻挡层，并且在有机光电转换层与第二电极之间可以设置有第二载流子阻挡层。此外，在第一载流子阻挡层与第一电极之间可以设置有第一电荷注入层，并且在第二载流子阻挡层与第二电极之间可以设置有第二电荷注入层。例如，电子注入层中包含的材料的例子包括诸如锂(Li)、钠(Na)和钾(K)等碱金属、碱金属的氟化物或氧化物、诸如镁(Mg)和钙(Ca)等碱土金属、以及碱土金属的氟化物或氧化物。
各种有机层的沉积方法的实例包括干沉积法和湿沉积法。干沉积法的实例包括使用电阻加热、射频加热或电子束加热的真空蒸发法、闪蒸法、等离子体沉积法、EB蒸发法、各种溅射法(双极溅射法、DC溅射法、DC磁控溅射法、RF溅射法、磁控溅射法、RF-DC耦合偏置溅射法、ECR溅射法、对靶溅射法、RF溅射法和离子束溅射法)、DC(直流电)法、RF法、多阴极法、活化反应法、电场蒸发法、各种离子镀方法(例如RF离子镀法和反应离子镀法)、激光烧蚀法、分子束外延法、激光转印法和分子束外延法(MBE法)。此外，CVD法的例子包括等离子体CVD法、热CVD法、MOCVD法和光学CVD法。另一方面，湿法的具体例子包括：旋涂法；浸渍法；铸造法；微接触印刷法；滴注法；各种印刷法，诸如丝网印刷法、喷墨印刷法、胶印法、凹版印刷法、柔版印刷法、冲压法、喷涂法；以及各种涂布法，诸如气刀涂布法、刮刀涂布法、棒涂布法、刀涂布法、挤压涂布法、反辊涂布法、转印辊涂布法、凹版涂布法、吻合式涂布法、涂铸法、喷雾涂布法、狭缝孔涂布法和压延涂布(calendar coater)法。注意，在涂布法中，溶剂的例子包括非极性或低极性有机溶剂，诸如甲苯、氯仿、己烷和乙醇。图案化方法的例子包括化学蚀刻，例如荫罩、激光转印和光刻，以及使用紫外线、激光等的物理蚀刻。激光平坦化法、回流法等可用作各种有机层的平坦化技术。
根据本公开的第一至第九方面的两种以上类型的成像元件等和包括上述优选模式和构造的第一至第六构造的成像元件可以根据需要适当地组合。
如上所述，可以根据需要在成像元件或固态成像装置上设置片上微透镜和遮光层，并且设置驱动电路和用于驱动成像元件的配线。可以根据需要布置用于控制入射到成像元件上的光的快门，并且可以根据固态成像装置的目的设置光学截止滤波器。
此外，第一和第二构造的固态成像装置可以处于如下模式：其中，一个片上微透镜布置在一个成像元件的上侧。或者，两个成像元件可以被包括在成像元件块中，并且一个片上微透镜可以布置在成像元件块的上侧。
例如，在堆叠固态成像装置和读出集成电路(ROIC)的情况下，具有读出集成电路和包含铜(Cu)的连接部的驱动基板和设置有连接部的成像元件可相互叠放，使得连接部彼此接触。连接部可结合以层叠固态成像装置和读出集成电路，也可使用焊料凸块等来接合连接部。
此外，用于驱动根据本公开的第一和第二方面的固态成像装置的驱动方法可以是重复以下步骤的固态成像装置的驱动方法：
在所有成像元件中，将电荷存储在光电转换层中，并且将第一电极中的电荷一次性全部排出至系统外部；随后，
在所有成像元件中将存储在光电转换层中的电荷一次性全部传输到第一电极，并且在传输完成后，顺序地读取传输到各成像元件中的第一电极的电荷。
在固态成像装置的驱动方法中，在各成像元件中，从第二电极侧入射的光不入射至第一电极上。在所有成像元件中，电荷存储在所有成像元件中的光电转换层中，并且第一电极中的电荷一次性全部释放到系统外部。因此，在所有成像元件中，第一电极一定能够同时被复位。此外，随后，在所有成像元件中，存储在光电转换层中的电荷一次性全部传输到第一电极。在传输完成后，成像元件顺序地读取传输到第一电极的电荷。因此，能够容易地实现所谓的全局快门功能。
实施例1
实施例1涉及根据本公开的第一方面的成像元件等、根据本公开的第三方面的成像元件等、本公开的层叠式成像元件和根据本公开的第二方面的固态成像装置。
图1A示出了实施例1的成像元件(并排布置的两个成像元件)的一部分的示意性剖视图。注意，稍后描述的图1A或图1B的示意性剖视图类似于例如沿着图15A的单点划线A-A截取的示意性剖视图。此外，图2示出了实施例1的成像元件和层叠式成像元件的示意性局部剖视图。图3和图4示出了实施例1的成像元件和层叠式成像元件的等效电路图。图5示出了包括在实施例1的成像元件中的第一电极、电荷存储电极和控制单元的晶体管的示意性布局图。此外，图6和图7示出了包括在实施例1的成像元件中的第一电极和电荷存储电极的示意性布局图。图8示意性地图示了了实施例1的成像元件的操作期间的各部位中的电势的状态。图9A示出了用于描述图8的各部位的实施例1的成像元件和层叠式成像元件的等效电路图。图10示出了实施例1的固态成像装置的概念图。注意，为方便起见，位于层间绝缘层81的下侧的成像元件的各种组成元件可共同由参考标号91表示，以简化图式。
实施例1的成像元件(例如，稍后描述的绿光成像元件)和稍后描述的实施例2至8的成像元件中的每个包括光电转换单元，该光电转换单元包括层叠的第一电极11、光电转换层13和第二电极12。光电转换单元还包括远离第一电极11布置并且布置成通过绝缘层82面向光电转换层13的电荷存储电极14。
注意，在图6所示的示例中，一个成像元件设置有对应于一个第一电极11的一个电荷存储电极14。另一方面，在图7所示的示例(实施例1的变型例1)中，两个成像元件设置有对应于两个电荷存储电极14的一个共用第一电极11。图1A所示的实施例1的成像元件(并排布置的两个成像元件)的一部分的示意性剖视图对应于图7。
除了稍后描述的实施例3的成像元件等之外，位于光入射侧的第二电极12由多个成像元件共用，即，第二电极12是所谓的固体电极。光电转换层13由多个成像元件共用。即，一个光电转换层13形成在多个成像元件中。
实施例1的层叠式成像元件包括实施例1的成像元件和稍后描述的实施例2至8的成像元件中的至少一个。在实施例1中，层叠式成像元件包括实施例1的成像元件的和稍后描述的实施例2至8的成像元件中的一个。
此外，实施例1的固态成像装置包括实施例1和稍后描述的实施例2至8的成像元件的多个层叠式成像元件。
此外，当光入射到光电转换层13上时，并且在实施例1的成像元件中的光电转换层13中发生光电转换时，施加到光电转换层13的面向电荷存储电极14的部分13C的电势的绝对值大于施加到光电转换层13的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域13B(光电转换层的区域B)的电势的绝对值。
或者，在实施例1的成像元件中，电荷运动控制电极21形成在经由绝缘层82面向光电转换层13的定位于成像元件和相邻成像元件之间的区域13B(光电转换层的区域B)的区域中。换言之，电荷运动控制电极21在绝缘层82的部分82B(绝缘层82的区域B)的下方形成在电荷存储电极14和相邻成像元件的电荷存储电极14之间的区域(区域b)中。电荷运动控制电极21被设置为与电荷存储电极14分离。或者，换句话说，电荷运动控制电极21设置在电荷存储电极14周围且与电荷存储电极14分离，并且电荷运动控制电极21设置成经由绝缘层82面向光电转换层的区域B(13B)。注意，尽管图2中未示出电荷运动控制电极21，电荷运动控制电极21形成在箭头“A”的方向上。电荷运动控制电极21由布置在图5的左右方向上的成像元件共用并由布置在图5的上下方向上的一对成像元件共用。
为方便起见，将未图示电荷运动控制电极21以及稍后说明的连接孔23、焊盘部22和配线V0B的成像元件称为“具有本公开的基本结构的成像元件”。图2是具有本公开的基本结构的成像元件的示意性局部剖视图。图42、43、44、45、46、47、54、61、62、64、65、66、71、88、89、91、92、93、94、95、96、97和98是如图2所示的具有本公开的基本结构的成像元件的各种变型例的示意性局部剖视图，并且未示出电荷运动控制电极21等。
此外，还包括半导体基板(更具体地说，硅半导体层)，并且光电转换单元设置在半导体基板70的上侧。此外，还包括控制单元，控制单元设置在半导体基板70上并包括连接到第一电极11和第二电极12的驱动电路。这里，半导体基板70中的光入射表面为上侧，半导体基板70的相对侧为下侧。在半导体基板70的下侧设置有包括多个配线的配线层62。
半导体基板70设置有包括在控制单元中的至少一个浮动扩散层FD1和放大晶体管TR1amp，并且第一电极11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还设置有包括在控制单元中的复位晶体管TR1rst和选择晶体管TR1set。浮动扩散层FD1连接到复位晶体管TR1rst的一个源极/漏极区域。放大晶体管TR1amp的另一个源极/漏极区域连接到选择晶体管TR1set的一个源极/漏极区域。选择晶体管TR1set的另一个源极/漏极区域连接到信号线VSL1。放大晶体管TR1amp、复位晶体管TR1rst和选择晶体管TR1set包括在驱动电路中。
具体地，实施例1的成像元件和层叠式成像元件是背照式成像元件和背照式层叠式成像元件。成像元件和层叠式成像元件具有三个成像元件的层叠结构，包括：对绿光敏感的实施例1中的第一类型的绿光成像元件(以下，称为“第一成像元件”)，绿光成像元件包括用于吸收绿光的第一类型的绿光光电转换层；对蓝光敏感的常规的第二类型的蓝光成像元件(以下，称为“第二成像元件”)，蓝光成像元件包括用于吸收蓝光的第二类型的蓝光光电转换层；以及对红光敏感的常规的第二类型的红光成像元件(以下，称为“第三成像元件”)，红光成像元件包括用于吸收红光的第二类型的红光光电转换层。这里，红光成像元件(第三成像元件)和蓝光成像元件(第二成像元件)设置在半导体基板70中，并且第二成像元件位于相对于第三成像元件的光入射侧。此外，绿光成像元件(第一成像元件)设置在蓝光成像元件(第二成像元件)的上侧。第一成像元件、第二成像元件和第三成像元件的层叠构造被包括在一个像素中。未设置滤色器。
在第一成像元件中，在层间绝缘层81上彼此分开地形成第一电极11和电荷存储电极14。此外，电荷运动控制电极21与电荷存储电极14分离地形成在层间绝缘层81上。层间绝缘层81、电荷存储电极14和电荷运动控制电极21被绝缘层82覆盖。光电转换层13形成在绝缘层82上，第二电极12形成在光电转换层13上。在包括第二电极12的整个表面上形成保护层83，并且在保护层83上设置片上微透镜90。例如，第一电极11、电荷存储电极14、电荷运动控制电极21和第二电极12包括含有ITO的透明电极(功函数：约4.4ev)。光电转换层13包括含有至少对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、分菁染料和喹吖啶酮等有机物质)的层。此外，光电转换层13还可以包括适合于电荷存储的材料层。也就是说，可以在光电转换层13与第一电极11之间(例如，在连接部67中)进一步形成适合于电荷存储的材料层。层间绝缘层81、绝缘层82和保护层83包括公知的绝缘材料(例如，SiO2或SiN)。光电转换层13和第一电极11通过设置在绝缘层82上的连接部67连接。光电转换层13在连接部67中延伸。也就是说，光电转换层13在设置于绝缘层82的开口部84中延伸并连接到第一电极11。
电荷存储电极14连接到驱动电路，具体地，电荷存储电极14通过连接孔66、焊盘部64和设置在层间绝缘层81中的线材V0A连接到包括在驱动电路中的垂直驱动电路112。
电荷运动控制电极21还连接到驱动电路。具体地，电荷运动控制电极21通过连接孔23、焊盘部22和设置在层间绝缘层81中的配线V0B连接到包括在驱动电路中的垂直驱动电路112。更具体地，电荷运动控制电极21形成在经由绝缘层82面向光电转换层13的区域B(13B)的区域(绝缘层的区域B(82B))中。换句话说，电荷运动控制电极21在绝缘层82的部分82B下方形成在电荷存储电极14和包括在相邻成像元件中的电荷存储电极14之间的区域(区域b)中。电荷运动控制电极21与电荷存储电极14分离地设置。或者，换句话说，电荷运动控制电极21设置在电荷存储电极14周围且与电荷存储电极14分离，并且电荷运动控制电极21布置成经由绝缘层82面向光电转换层13的区域B(13B)。
电荷存储电极14的尺寸大于第一电极11。尽管不受限制，但优选的是满足
4≤S1′/S1
其中，S1′是电荷存储电极14的面积，S1是第一电极11的面积。尽管不受限制，例如，在实施例1和稍后描述的实施例2至8的成像元件中设定，
S1′/S1＝8
注意，在稍后描述的实施例13至16中，三个光电转换单元区段(101、102和103)的尺寸相同，并且平面形状也相同。
元件分离区71形成在半导体基板70的第一表面(前表面)70A侧，并且氧化膜72形成在半导体基板70的第一表面70A上。此外，包括在第一成像元件的控制单元中的复位晶体管TR1rst、放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel设置在半导体基板70的第一表面侧上，进一步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、源极/漏极区域51B和51C。复位晶体管TR1rst的栅极部51连接到重置线RST1，复位晶体管TR1rst的源极/漏极区域51C也作为第一浮动扩散层FD1，另一个源极/漏极区域51B连接到电源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、通过形成在半导体基板70和层间绝缘层76上的接触孔部61、以及通过形成在层间绝缘层76上的配线层62连接到复位晶体管TR1rst的源极/漏极区域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和源极/漏极区域52B和52C。栅极部52通过配线层62连接到第一电极11和复位晶体管TR1rst的源极/漏极区域51C(第一浮动扩散层FD1)。此外，一个源极/漏极区域52B连接到电源VDD。
选择晶体管TR1sel包括栅极部53、沟道形成区53A、源极/漏极区域53B和53C。栅极部53连接到选择线SEL1。此外，一个源极/漏极区域53B与包括在放大晶体管TR1amp中的另一个源极/漏极区域52C共用该区域，另一个源极/漏极区域53C连接到信号线(数据输出线)VSL1(117)。
第二成像元件包括作为设置在半导体基板70上的光电转换层的n型半导体区41。包括纵向晶体管的传输晶体管TR2trs的栅极部45延伸到n型半导体区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的区域45C中，该区域靠近传输晶体管TR2trs的栅极部45。存储在n型半导体区41中的电荷通过沿着栅极部45形成的传输通道而被读出到第二浮动扩散层FD2。
在半导体基板70的第一表面侧上，第二成像元件还设置有包括在第二成像元件的控制单元中的复位晶体管TR2rst、放大晶体管TR2amp和选择晶体管TR2sel。
复位晶体管TR2rst包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区域。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/漏极区域连接到电源VDD。另一个源极/漏极区域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/漏极区域。栅极部连接到复位晶体管TR2rst的另一个源极/漏极区域(第二浮动扩散层FD2)。此外，一个源极/漏极区域连接到电源VDD。
选择晶体管TR2sel包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区域。栅极部连接到选择线SEL2。另外，一个源极/漏极区域与包括在放大晶体管TR2amp中的另一个源极/漏极区域共用该区域，而另一个源极/漏极区域连接到信号线(数据输出线)VSL2。
第三成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的区域46C中，该区域靠近传输晶体管TR3trs的栅极部46。存储在n型半导体区43中的电荷通过沿着栅极部46形成的传输通道46A而被读出到第三浮动扩散层FD3。
在第三成像元件中，在半导体基板70的第一表面侧上进一步设置有包括在第三成像元件的控制单元中的复位晶体管TR3rst、放大晶体管TR3amp和选择晶体管TR3sel。
复位晶体管TR3rst包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区域。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/漏极区域连接到电源VDD。另一个源极/漏极区域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/漏极区域。栅极部连接到复位晶体管TR3rst的另一个源极/漏极区域(第三浮动扩散层FD3)。另外，一个源极/漏极区域连接到电源VDD。
选择晶体管TR3sel包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区域。栅极部连接到选择线SEL3。此外，一个源极/漏极区域与包括在放大晶体管TR3amp中的另一个源极/漏极区域共用该区域，而另一个源极/漏极区域连接到信号线(数据输出线)VSL3。
复位线RST1、RST2和RST3，选择线SEL1、SEL2和SEL3，以及传输栅极线TG2和TG3连接到包括在驱动电路中的垂直驱动电路112。信号线(数据输出线)VSL1、VSL2和VSL3连接到包括在驱动电路中的列信号处理电路113。
在n型半导体区43和半导体基板70的前表面70A之间设置有p+层44，以抑制暗电流的产生。在n型半导体区41和n型半导体区43之间形成有p+层42，且此外，n型半导体区43的侧表面的一部分被p+层42包围。在半导体基板70的后表面70B侧上形成有p+层73，并且在从p+层73到半导体基板70的内部应形成接触孔部61的部分处形成有HfO2膜74和绝缘膜75。在层间绝缘层76中，在多个层中形成配线，但所述配线未图示出。
HfO2膜74是具有负固定电荷的膜，可以设置该膜来抑制暗电流的产生。注意，作为HfO2膜的替代，也可以使用氧化铝(Al2O3)膜、氧化锆(ZrO2)膜、氧化钽(Ta2O5)膜、二氧化钛(TiO2)膜、氧化镧(La2O3)膜、氧化镨(Pr2O3)膜、氧化铈(CeO2)膜、氧化钕(Nd2O3)膜、氧化镨(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)薄膜、氧化镱(Yb2O3)薄膜，氧化镥(Lu2O3)膜、氧化钇(Y2O3)膜、铪氮化物膜、铝氮化物膜、铪氮氧化物膜、或铝氮氧化物膜。这些膜的沉积方法的实例包括CVD法、PVD法和ALD法。
在下文中，将参考图8和9A描述实施例1的成像元件(第一成像元件)的操作。实施例1的成像元件还包括设置在半导体基板70上并包括驱动电路的控制单元，并且第一电极11、第二电极12、电荷存储电极14和电荷运动控制电极21连接到驱动电路。这里，第一电极11的电势高于第二电极12的电势。也就是说，例如，第一电极11被设置为正电势，而第二电极12被设置为负电势。由光电转换层13中的光电转换产生的电子被读出到浮动扩散层。这同样适用于其他实施例。注意，在第一电极11被设置为负电势、第二电极被设置为正电势并且基于光电转换层13中的光电转换产生的电子空穴被读出到浮动扩散层的模式中，只需要颠倒下面说明的电势的高和低即可。
在图8、稍后描述的实施例11的图51和52以及实施例12的图58和59中使用的标记如下。注意，图9A、9B和9C是用于描述图8(实施例1)、图51(实施例11)和图58(实施例12)中的每个部位的实施例1、实施例11和实施例12的成像元件和层叠式成像元件的等效电路图。
PA·····光电转换层13的与位于电荷存储电极14与第一电极11的中间或者位于传输控制电极(电荷传输电极)15和第一电极11的中间的区域相对的区域的点PA处的电势
PB·····光电转换层13的面向电荷运动控制电极21的区域的点PB处的电势
PC·····光电转换层13的面向电荷存储电极14的区域的点PC处的电势
PC1·····光电转换层13的面向电荷存储电极区段14A的区域的点PC1处的电势
PC2·····光电转换层13的面向电荷存储电极区段14B的区域的点PC2处的电势
PC3·····光电转换层13的面向电荷存储电极区段14C的区域的点PC3处的电势
PD·····光电转换层13的面向传输控制电极(电荷传输电极)15的区域的点PD处的电势
FD·····第一浮动扩散层FD1的电势
V0A·····电荷存储电极14的电势
V0A-A·····电荷存储电极区段14A的电势
V0A-B·····电荷存储电极区段14B的电势
V0A-C·····电荷存储电极区段14C的电势
V0T·····传输控制电极(电荷传输电极)15的电势
RST·····复位晶体管TR1rst的栅极部51的电势
VDD·····电源的电势
VSL1·····信号线(数据输出线)VSL1
TR1rst·····复位晶体管TR1rst
TR1amp·····放大晶体管TR1amp
TR1sel·····选择晶体管TR1sel
在电荷存储期间，驱动电路将电势V11施加到第一电极11，将电势V12施加到电荷存储电极14，并将电势V13施加到电荷运动控制电极21。入射到光电转换层13上的光引起光电转换层13中的光电转换。由光电转换产生的电子空穴通过配线V0U从第二电极12发送到驱动电路。另一方面，第一电极11的电势高于第二电极12的电势。也就是说，例如，正电势施加到第一电极11，而负电势施加到第二电极12。因此，电势设置成使得V12≥V11，优选地，V12>V11，得以保持，且V12>V13得以保持。因此，由光电转换产生的电子被吸引到电荷存储电极14上，并且电子停止在光电转换层13的面向电荷存储电极14的区域13C。即，电荷存储在光电转换层13中。V12大于V11，因此，在光电转换层13内产生的电子不向第一电极11移动。此外，V12大于V13，因此，在光电转换层13内产生的电子也不向电荷运动控制电极21移动。也就是说，这可以防止由光电转换产生的电荷流入相邻成像元件中。在光电转换的时间过程中，光电转换层13的面向电荷存储电极14的区域中的电势变为更大的负值。
随后在电荷存储期间执行复位操作。这复位第一浮动扩散层FD1的电势，并且第一浮动扩散层FD1的电势变为电源的电势VDD。
复位操作完成后，读出电荷。即，在电荷传输期间，驱动电路将电势V21施加到第一电极11，将电势V22施加到电荷存储电极14，并将电势V23施加到电荷运动控制电极21。在这里，电势设置成使得V21>V22>V23得以保持。因此，停止在光电转换层13的面向电荷存储电极14的区域中的电子被读出到第一电极11并进一步读出到第一浮动扩散层FD1。也就是说，存储在光电转换层13中的电荷被读出到控制单元。此外，V22大于V23，因此，在光电转换层13内产生的电子不向电荷运动控制电极21移动。也就是说，这可以防止由光电转换产生的电荷流入相邻成像元件中。
这就完成了一系列操作，包括电荷存储、复位操作和电荷传输。
在电子被读出到第一浮动扩散层FD1之后的放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel的操作与常规晶体管的操作相同。此外，包括第二成像元件和第三成像元件的电荷存储、复位操作以及电荷传输的一系列操作类似于传统的包括电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作。此外，与在传统技术中一样，第一浮动扩散层FD1的复位噪声可以在相关双采样(CDS)过程中去除。
如上所述，与第一电极分离布置并布置成经由绝缘层面向光电转换层的电荷存储电极设置在实施例1或稍后描述的实施例2至8的成像元件中。因此，在将光施加到光电转换单元后的光电转换单元中的光电转换中，光电转换层、绝缘层和电荷存储电极组成了一种电容器。电荷可以存储在光电转换层中。因此，电荷存储部可以完全耗尽以在曝光开始时去除电荷。这能够抑制由于KTC噪声的增加而导致的随机噪声的退化所引起的成像质量下降的现象。此外，还可以一次性复位所有像素，实现所谓的全局快门功能。
此外，当光进入实施例1的成像元件中的光电转换层后在光电转换层中发生光电转换时，施加于光电转换层的面向电荷存储电极的部分的电势的绝对值大于施加于光电转换层的区域B的电势的绝对值。因此，由光电转换产生的电荷被强烈地吸引到光电转换层的面向电荷存储电极的部分。这可以防止由光电转换产生的电荷流入相邻成像元件中，并且拍摄到的视频(图像)的质量没有降低。或者，电荷运动控制电极形成在经由绝缘层面向光电转换层的区域B的区域中，并且可以控制位于电荷运动控制电极的上侧上的光电转换层的区域B的电场和电势。因此，电荷运动控制电极可以防止由光电转换产生的电荷流入相邻成像元件中，并且拍摄到的视频(图像)的质量没有降低。
图10示出了实施例1的固态成像装置的概念图。固态成像装置100的实施例1包括成像区域111，该成像区域111包括布置成二维阵列的层叠式成像元件101、作为层叠式成像元件101的驱动电路(外围电路)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等等。注意，电路可以包括公知的电路或其它电路构造(例如，传统CCD固态成像装置或CMOS固态成像装置中使用的各种电路)。注意，在图10中，仅在一行层叠式成像元件101中显示了参考标号“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。此外，生成的时钟信号和控制信号被输入到垂直驱动电路112、列信号处理电路113和水平驱动电路114。
垂直驱动电路112包括例如移位寄存器，并且在垂直方向上逐行顺序地选择和扫描成像区域111的层叠式成像元件101。此外，基于根据每个层叠式成像元件101中的光接收量而产生的电流(信号)的像素信号(图像信号)通过信号线(数据输出线)117、VSL发送到列信号处理电路113。
例如，列信号处理电路113针对例如层叠式成像元件101的每一列布置，并且被构造成使用来自黑色参考像素(尽管未示出，形成在有效像素区周围)的信号，以针对每个成像元件对从一行层叠式成像元件101输出的图像信号信号处理，例如噪声去除和信号放大。水平选择开关(未示出)连接并设置在列信号处理电路113的输出级和水平信号线118之间。
水平驱动电路114包括例如移位寄存器，并且顺序地输出水平扫描脉冲以顺序地选择列信号处理电路113。水平驱动电路114将来自每个列信号处理电路113的信号输出到水平信号线118。
输出电路115对从列信号处理电路113通过水平信号线118顺序地提供的信号施加信号处理并输出信号。
图11示出了实施例1的成像元件和层叠式成像元件的变型例(实施例1的变型例2)的等效电路图。图12示出了实施例1的成像元件的变型例(实施例1的变型例2)中包括的第一电极、电荷存储电极和控制单元的晶体管的示意性布局图。这样，复位晶体管TR1rst的另一个源极/漏极区域51B可以接地，而不是将另一个源极/漏极区域51B连接到电源VDD。
例如，可以通过以下方法来产生实施例1的成像元件和层叠式成像元件。即，首先制备SOI基板。然后基于外延生长方法在SOI基板的表面上形成第一硅层，并且在第一硅层上形成p+层73和n型半导体区域41。接下来，基于外延生长方法在第一硅层上形成第二硅层，并且在第二硅层上形成元件分离区域71、氧化膜72、p+层42、n型半导体区域43和p+层44。另外，在第二硅层上形成包括在成像元件的控制单元中的各种晶体管等，并且在其顶部上进一步形成配线层62、层间绝缘层76和各种配线。然后将层间绝缘层76和支撑基板(未示出)粘贴在一起。随后，移除SOI基板以露出第一硅层。注意，第二硅层的表面对应于半导体基板70的前表面70A，第一硅层的表面对应于半导体基板70的后表面70B。此外，第一硅层和第二硅层共同表示为半导体基板70。接着，在半导体基板70的后表面70B侧上形成用于形成接触孔部61的开口部，并且形成HfO2膜74、绝缘膜75和接触孔部61。此外，形成焊盘部63、64和22、层间绝缘层81、连接孔65、66和23、第一电极11、电荷存储电极14、电荷运动控制电极21以及绝缘层82。接下来，打开连接部67，并且形成光电转换层13、第二电极12、保护层83和片上微透镜90。这样，可以获得实施例1的成像元件和层叠式成像元件。
图13(实施例1的变型例3)、图14A(实施例1的变型例4)、图14B、图15A(实施例1的变型例5)和图15B示出了包括在实施例1的成像元件中的第一电极和电荷存储电极的其他变型例的示意性布局图。在这些附图所示的示例中，设置一个共用第一电极11以对应于四个成像元件中的四个电荷存储电极14。此外，在图13所示的示例中，电荷运动控制电极21形成在绝缘层82的位于电荷存储电极14和电荷存储电极14之间的区域(区域b)中的部分82B的下方。另一方面，在图14A所示的示例中，电荷运动控制电极21形成在绝缘层82的由四个电荷存储电极14包围的区域中的部分的下方。图15A中所示的示例是图13和图14A中所示的示例的组合，图15B中所示的示例是图14B和图15A中所示的示例的组合。注意，图13、14A、14B、15A和15B中所示的示例也表示第一构造和第二构造的固态成像装置。
在图14B所示的示例中，设置一个共用第一电极11以对应于四个成像元件中的四个电荷存储电极14，并且电荷运动控制电极21形成在绝缘层82的由四个电荷存储电极14包围的区域中的部分的下方。此外，在绝缘层82的由四个电荷存储电极14包围的区域中的部分的下方形成有放电电极25。放电电极25可用作例如光电转换层13的浮动扩散区或溢流口。放电电极25和光电转换层13通过设置在绝缘层82上的开口部连接。即，类似于光电转换层13和第一电极11之间的关系，光电转换层13在设置在绝缘层82上的开口部中延伸，并且光电转换层13的延伸部分与放电电极25接触。放电电极25通过连接孔25A、焊盘部25B和设置在层间绝缘层81中的配线(未示出)连接到驱动电路中包括的垂直驱动电路112。放电电极25也可应用于其它实施例。注意，作为参考，图16B示出了当以图15A中所示的实施例1的变型例5中的放电电极25替换电荷运动控制电极21时沿着图15A的单点划线A-A截取的示意性剖视图。
或者，在图15B所示的示例中，设置一个共用第一电极11以对应于四个成像元件中的四个电荷存储电极14，并且电荷运动控制电极21形成在绝缘层的位于电荷存储电极14之间的区域中的部分的下方。此外，放电电极25形成在绝缘层82的由四个电荷存储电极14包围的区域中的部分的下方。放电电极25和光电转换层13通过设置在绝缘层82上的开口部连接。即，类似于光电转换层13和第一电极11之间的关系，光电转换层13在设置在绝缘层82上的开口部中延伸，并且光电转换层13的延伸部分与放电电极25接触。图16A示出了图15B中所示的实施例1的变型例5中沿着图15B的单点划线B-B截取的示意性剖视图。
或者，图1B示出了实施例1的成像元件(并排布置的两个成像元件)的变型例(实施例1的变型例6)的一部分的示意性剖视图，并且光电转换层可以具有下半导体层13DN和上光电转换层13UP的层叠结构。上光电转换层13UP和下半导体层13DN由多个成像元件共用。即，在多个成像元件中形成一个上光电转换层13UP和一个下半导体层13DN。能够以这种方式提供下半导体层13DN，从而防止例如在电荷存储期间的再结合。这也可以提高存储在光电转换层13中的电荷向第一电极11的电荷传输效率。此外，可以暂时保持在光电转换层13中产生的电荷以控制传输的时序等。此外，还可以抑制暗电流的产生。上光电转换层13UP中包含的材料可以从光电转换层13中包含的各种材料中适当地选择。另一方面，优选的是，下半导体层13DN中包含的材料是具有大的带隙能量值(例如，带隙能量值等于或大于3.0ev)并且具有比光电转换层中包含的材料更高的流动性的材料，具体来说，该材料的一个示例包括氧化物半导体材料，例如IGZO。或者，下半导体层13DN中包含的材料的另一示例包括在要储存的电荷是电子的情况下具有比光电转换层中包含的材料的电离电势大的电离电势的材料。或者，优选的是，下半导体层中包含的材料的杂质浓度优选等于或小于1×1018cm-3。注意，实施例1的变型例6的构造和构造可以应用于其他实施例。
实施例2
实施例2涉及根据本发明的第二方面的成像元件等。图17A示出了实施例2的成像元件(并排布置的两个成像元件)的一部分的示意性剖视图。在实施例2的成像元件中，光电转换层13的位于第一电极11和电荷存储电极14之间的区域13A(光电转换层的区域A)的宽度WA比光电转换层13的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域13B(光电转换层的区域B)的宽度WB窄。(WA/WB)值的一个示例包括
1/2≤(WA/WB)<1
具体来说，在实施例2中，该值是
(WA/WB)＝2/3
除此之外，实施例2的成像元件中的构造和构造可以类似于具有本公开的基本结构的成像元件，并且将不再说明细节。
这样，在实施例2的成像元件中，光电转换层的位于第一电极和电荷存储电极之间的区域的宽度比光电转换层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域的宽度WB窄。这能够防止由光电转换产生的电荷流入相邻成像元件中，并且所拍摄的视频(图像)的质量不会降低。
实施例3
实施例3涉及根据本发明的第四方面的成像元件等。图17B示出了实施例3的成像元件(并排布置的两个成像元件)的一部分的示意性剖视图，图19和图20示出了实施例3的成像元件(并排布置的2×2成像元件)的一部分的示意性平面图。在实施例3的成像元件，代替第二电极12，在光电转换层13的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域13B上形成有电荷运动控制电极24。电荷运动控制电极24与第二电极12分离地设置。换句话说，第二电极12是为每个成像元件设置的，并且电荷运动控制电极24在光电转换层13的区域B上与第二电极12分离地围绕第二电极12的至少一部分设置。电荷运动控制电极24形成在与第二电极12相同的水平上。
此外，如图18A所示，其示出了实施例3的成像元件(并排布置的两个成像元件)的一部分的示意性剖视图，第二电极12可以划分为多个第二电极12，并且不同的电势可以单独地施加到划分后的第二电极12。此外，如18B所示，电荷运动控制电极24可以设置在划分的第二电极12和第二电极12之间。
注意，在图19所示的示例中，设置一个电荷存储电极14以对应于一个成像元件中的一个第一电极11。另一方面，在图20(实施例3的变型例1)所示的示例中，设置一个共用第一电极11以对应于两个成像元件中的两个电荷存储电极14。图17B所示的实施例3的成像元件(并排布置的两个成像元件)的一部分的示意性剖视图对应于图20。
在实施例3中，位于光入射侧上的第二电极12由布置在图19的左右方向上的成像元件共用，并且由布置在图19的上下方向上的一对成像元件共用。此外，电荷运动控制电极24也由布置在图19的左右方向上的成像元件共用，并且由布置在图19的上下方向上的一对成像元件共用。第二电极12和电荷运动控制电极24可以通过将第二电极12和电荷运动控制电极24的材料层沉积在光电转换层13上然后对材料层进行图案化来获得。第二电极12和电荷运动控制电极24分别连接到配线(未示出)，并且该配线连接到驱动电路。连接到第二电极12的配线由多个成像元件共用。连接到电荷运动控制电极24的配线也由多个成像元件共用。
在实施例3的成像元件中，驱动电路向第二电极12施加电势V2'并向电荷运动控制电极24施加电势V13'，并且电荷在电荷存储期间存储在光电转换层13中。在电荷传输期间，驱动电路向第二电极12施加电势V2”并向电荷运动控制电极24施加电势V23”，并且存储在光电转换层13中的电荷通过第一电极11读出到控制单元。这里，第一电极11的电势高于第二电极12的电势，并且因此，
V2'≥V13'和V2”≥V23”得以保持。
同时，在如图1所示的与第一电极11相邻地设置有电荷运动控制电极21的构造中可能出现以下问题。即，在电荷存储期间，驱动电路将电势V11施加到第一电极11，将电势V12施加到电荷存储电极14，将电势V13施加到电荷运动控制电极21，并将电势V2施加到第二电极12。例如，在这里，V12>V11>V2和V12>V13>V2得以保持。图21A和图21B中的“A”表示位于第一电极11的上侧上的光电转换层13内的电势。另一方面，在电势V13施加到电荷运动控制电极21而所述电势未施加到电荷存储电极14的情况下，位于电荷运动控制电极21的上侧上的光电转换层13内的电势将如图21A中的“B”所指示的那样简单地改变。然而，电势V12施加于电荷存储电极14，并且由于电荷存储电极14的影响，电势如图21A中的“C”所指示的那样变化。也就是说，在绝缘层82内，电势朝向电荷运动控制电极21减小。因此，在电荷存储期间，电子空穴存储在绝缘层82的位于电荷存储电极14的上侧上的区域中，并且由光电转换产生的电荷可以被微弱地吸引到光电转换层的面向电荷存储电极的部分。
另一方面，在实施例3中，电荷运动控制电极24形成在与第二电极12相同的水平上，并且电势V13'施加到电荷运动控制电极24。因此，位于电荷运动控制电极24的下侧上的光电转换层13内的电势如图21B中的“B”所示的那样简单地增加。此外，在位于电荷运动控制电极24的下侧的光电转换层13的下侧没有电荷运动控制电极21，并且电势在绝缘层82内进一步简单地增加。因此，在电荷存储期间，电子空穴未存储在绝缘层82的位于电荷运动控制电极24的下侧的区域中，并且这能够防止由光电转换产生的电荷被微弱地吸引到光电转换层的面向电荷存储电极的部分的现象。这能够更确定地防止所拍摄的视频(图像)的质量降低。
以这种方式，在实施例3的成像元件中，代替第二电极，在光电转换层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域上形成电荷运动控制电极。因此，电荷运动控制电极能够防止由光电转换产生的电荷流入相邻成像元件中，并且所拍摄的视频(图像)的质量不会降低。
图22A和22B示出了实施例3的成像元件的变型例(实施例3的变型例2)的一部分的示意性平面图。注意，图22A、23A、25A、26A、27A和28A示出了其中设置一个共用第一电极11以对应于四个成像元件中的四个电荷存储电极14的示例。此外，如图22B所示，第二电极12以与电荷存储电极14基本相同的尺寸设置在电荷存储电极14的上侧。第二电极12被电荷运动控制电极24包围。电荷运动控制电极24由成像元件共用。在包括第二电极12和电荷运动控制电极24的光电转换层13上形成绝缘膜(未示出)，并且在第二电极12的上侧的绝缘膜上形成连接到第二电极12的接触孔(未示出)。在绝缘膜上设置与接触孔连接的配线V0U(未示出)。注意，第二电极12、绝缘膜、接触孔和配线V0U的构造和结构在以下变型例中是相似的。此外，图22A、22B、23A、23B、23C、25A、25B、26A、26B、27A、27B、28A和28B中所示的示例还表示第一和第二构造的固态成像装置。
图23A、23B和23C示出了实施例3的变型例3的一部分的示意性平面图。如图23B和23C所示，第二电极12以与电荷存储电极14基本相同的尺寸设置在电荷存储电极14的上侧。第二电极12被电荷运动控制电极24包围。电荷运动控制电极24由四个成像元件共用。共用部分形成在光电转换层13上。注意，在图23C所示的示例中，第二电极12延伸到相邻成像元件的第二电极。
图24A示出了实施例3的成像元件(并排布置的两个成像元件)的变型例(实施例3的变型例4A)的一部分的示意性剖视图，图25A和25B示出了该部分的示意性平面图。在实施例3的变型例4A中，为每个成像元件设置第二电极12，并且电荷运动控制电极24设置在第二电极12的至少一部分周围并与第二电极12分离。电荷存储电极14的一部分存在于电荷运动控制电极24的下侧上。第二电极12以小于电荷存储电极14的尺寸设置在电荷存储电极14的上侧上。
图24B示出了实施例3的成像元件(并排布置的两个成像元件)的变型例(实施例3的变型例4B)的一部分的示意性剖视图，图26A和26B示出了该部分示意性平面图。在变型例4B中，针对每个成像元件设置第二电极12，并且电荷运动控制电极24围绕第二电极12的至少一部分且与第二电极12分离。电荷存储电极14的一部分存在于电荷运动控制电极24的下侧，并且此外，电荷运动控制电极(下电荷运动控制电极)21设置在电荷运动控制电极(上电荷运动控制电极24)的下侧。第二电极12的尺寸小于变型例4A中的尺寸。也就是说，与变型例4A中的第二电极12的面向电荷运动控制电极24的区域相比，第二电极12的面向电荷运动控制电极24的区域更靠近第一电极11。电荷存储电极14被电荷运动控制电极21包围。
图27A和图27B示出了实施例3的成像元件的变型例(实施例3的变型例4C)的一部分的示意性平面图。在变型例4C中，与在实施例3的变型例4B中一样，电荷存储电极14的一部分存在于电荷运动控制电极24的下侧。第二电极12的尺寸小于变型例4A中的尺寸。也就是说，与变型例4A中的第二电极12的面向电荷运动控制电极24的区域相比，第二电极12的面向电荷运动控制电极24的区域更靠近第一电极11。此外，电荷运动控制电极24包括外部电荷运动控制电极241和设置在外部电荷运动控制电极241和第二电极12之间的内部电荷运动控制电极242。电荷存储电极14被电荷运动控制电极21包围。在电荷传输期间，能够满足关系(施加到外部电荷运动控制电极241的电势)<(施加到内部电荷运动控制电极242的电势)<(施加到第二电极12的电势)，以更有效地传输电荷。
图28A和图28B示出了实施例3的成像元件的变型例(实施例3的变型例4D)的一部分的示意性平面图。在实施例4D中，与在实施例3的变型例4B中一样，电荷运动控制电极(下电荷运动控制电极)21设置在电荷运动控制电极(上电荷运动控制电极)24的下侧。第二电极12的尺寸小于变型例4B中的尺寸。也就是说，与变型例4B中的第二电极12的面向电荷运动控制电极24的区域相比，第二电极12的面向电荷运动控制电极24的区域更靠近第一电极11。此外，电荷运动控制电极24和第二电极12之间的间隔比变型例4B中的更宽。电荷存储电极14被电荷运动控制电极21包围。通过电荷运动控制电极24和第二电极12的耦合产生的电势施加到光电转换层13的如下区域：该区域位于电荷运动控制电极24和第二电极12之间的区域下方。
图29A、29B和29C分别示意性地图示了了实施例3的变型例4B、实施例3的变型例4C和实施例3的变型例4D的每个部分(在电荷传输期间)中的电势状态。
实施例4
实施例4涉及根据本公开的第五方面的成像元件等。图30示出了实施例4的成像元件(并排布置的两个成像元件)的一部分的示意性剖视图。在实施例4的成像元件中，位于第一电极11和电荷存储电极14之间的区域(区域a)82A(具体而言，绝缘层82的位于第一电极11和电荷存储电极14之间的区域82A)中包含的绝缘材料(绝缘材料A)82A′的介电常数的值εA高于位于成像元件和相邻成像元件之间的区域(区域b)82B(具体而言，绝缘层82的定位于成像元件和相邻成像元件之间的区域82B)中包含的绝缘材料(绝缘材料B)82B′的介电常数的值εB。绝缘材料A(82A′)和绝缘材料B(82B′)形成在覆盖电荷存储电极14的绝缘层82的水平中。也就是，当绝缘层82由包括填充电荷存储电极14和电荷存储电极14之间的间隙的下绝缘层和覆盖电荷存储电极14并形成在下绝缘层上的上绝缘层的两层表示时，绝缘材料A(82A′)和绝缘材料B(82B′)填充上绝缘层的一部分(具体而言，上绝缘层的在绝缘层82的位于第一电极11和电荷存储电极14之间的区域82A中的一部分和上绝缘层的在成像元件和相邻成像元件之间的区域(区域b)82B中的一部分)。
实施例4的成像元件和层叠式成像元件还可以通过在成像元件和实施例1的层叠式成像元件的制造工艺中形成绝缘层82时形成包含绝缘材料A(82A′)和绝缘材料B(82B′)的绝缘层82的区域82A和82B来获得。
在实施例4的成像元件中，包含在第一电极和电荷存储电极之间的区域中的绝缘材料的介电常数的值高于在成像元件和相邻成像元件之间的区域中包含的绝缘材料的介电常数的值。因此，电容器A的容量大于电容器B的容量，并且与朝着成像元件和相邻成像元件之间的区域相比，电荷更多地被吸引向第一电极和电荷存储电极之间的区域。这可以防止由光电转换产生的电荷流入相邻成像元件中，并且所拍摄的视频(图像)的质量没有降低。
图31示出了实施例4的成像元件(并排布置的两个成像元件)的一部分的示意性剖视图，并且图32和33示出了其它变型例的一部分的示意性剖视图。注意，图30、31、32和33中示出的绝缘材料A(82A′)和绝缘材料B(82B′)的形成位置可以适当地组合。
在图31所示的示例中，绝缘材料A(82A′)从绝缘层82的位于第一电极11和电荷存储电极14之间的区域82A开始填充上绝缘层的在电荷存储电极14上的一部分，绝缘材料B(82B′)填充上绝缘层的在成像元件和相邻成像元件的之间的区域(区域b)82B中的一部分。
在图32所示的示例中，绝缘材料A(82A′)填充绝缘层82的位于第一电极11和电荷存储电极14之间的区域82A中的下绝缘层的一部分，并且绝缘材料B(82B′)填充成像元件和相邻成像元件之间的区域(区域b)82B中的下绝缘层的一部分。
在图33所示的示例中，绝缘材料A(82A′)填充层间绝缘层81的位于绝缘层82的区域82A下方的一部分，区域82A位于第一电极11和电荷存储电极14之间，并且绝缘材料B(82B′)填充层间绝缘层81的位于在成像元件和相邻成像元件之间的区域(区域b)82B下方的一部分。
实施例5
实施例5涉及根据本公开的第六方面的成像元件等。图34示出了实施例5的成像元件(并排布置的两个成像元件)的一部分的示意性剖视图。在实施例5的成像元件中，绝缘层82的位于第一电极11和电荷存储电极14之间的区域82A(绝缘层的区域A)的厚度tIn-A比绝缘层82的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域82B(绝缘层的区域B)的厚度tIn-B薄。(tIn-A/tIn-B)值的示例包括
1/2≤(tIn-A/tIn-B)<1，
具体来说，该值是
(tIn-A/tIn-B)＝0.9。
实施例5的成像元件和层叠式成像元件可以通过在实施例1的成像元件和层叠式成像元件的制造工艺中形成绝缘层82时控制绝缘层82的区域82A和82B中的厚度(例如，基于蚀刻控制厚度)来获得。
在实施例5的成像元件中，绝缘层的位于第一电极和电荷存储电极之间的区域的厚度比绝缘层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域的厚度薄。因此，电容器A的容量大于电容器B的容量，并且与被吸引到绝缘层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域相比，电荷更多地被吸引到绝缘层的位于第一电极和电荷存储电极之间的区域。这能够防止由光电转换产生的电荷流入相邻成像元件中，并且所拍摄的视频(图像)的质量没有降低。
图35示出了实施例5的成像元件(并排布置的两个成像元件)的变型例的一部分的示意性剖视图，并且图36示出了另一变型例的一部分的示意性剖视图。
在图35所示的变型例中，绝缘层82的位于第一电极11和电荷存储电极14之间的区域82A(绝缘层的区域A)的厚度tIn-A比绝缘层82的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域82B(绝缘层的区域B)的厚度tIn-B薄。然而，电荷存储电极14上方的绝缘层82的顶部表面的水平与绝缘层的区域B中的绝缘层82的顶部表面的水平是相同的。
在图36所示的变型例中，绝缘层的区域B中的绝缘层82的顶部表面的水平与包括在一个成像元件(位于图36中的右侧的成像元件)中的电荷存储电极14上方的绝缘层82的顶部表面的水平相同。然而，该顶部表面处于比包括在另一个成像元件(位于图36中的左侧的成像元件)中的电荷存储电极14上方的绝缘层82的顶部表面的水平更高的水平中。此外，绝缘层82在绝缘层的区域A中的顶部表面的水平与绝缘层82的位于包括在另一成像元件中的电荷存储电极14上方的顶部表面的水平相同。然而，该顶部表面处于比绝缘层82的位于包括在一个成像元件中的电荷存储电极14上方的顶部表面的水平低的水平中。
实施例6
实施例6涉及根据本公开的第七方面的成像元件等。图37示出了实施例6的成像元件(并排布置的两个成像元件)的一部分的示意性剖视图。在实施例6的成像元件中，光电转换层13的位于第一电极11和电荷存储电极14之间的区域13A(光电转换层13的区域A)的厚度tPc-A比光电转换层13的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域13B(光电转换层13的区域B)的厚度tPc-B厚。(tPc-A/tPc-B)值的示例包括
1<(tPc-A/tPc-B)≤2
具体来说，该值为
(tPc-A/tPc-B)＝1.25。
实施例6的成像元件和层叠式成像元件可以通过在实施例1的成像元件和层叠式成像元件的制造过程中形成光电转换层13时控制光电转换层13的区域13A和13B中的厚度(例如，基于蚀刻控制厚度)来获得。
在实施例6的成像元件中，光电转换层的位于第一电极和电荷存储电极之间的区域的厚度比光电转换层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域的厚度厚。这能够防止由光电转换产生的电荷流入相邻地成像元件中，并且所拍摄的视频(图像)的质量不会降低。
图38示出了实施例6的成像元件(并排布置的两个成像元件)的变型例的一部分的示意性剖视图，并且视情况而定，tPc-B的值可以是0。即，视情况而定，光电转换层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域可以不存在。
实施例7
实施例7涉及根据本公开的第八方面的成像元件等。图39示出了实施例7的成像元件(并排布置的两个成像元件)的一部分的示意性剖视图。在实施例7的成像元件中，在位于第一电极11和电荷存储电极14之间的光电转换层13A(光电转换层13的区域A)和绝缘层82A(绝缘层82的区域A)之间的界面的区域中的固定电荷量FCA小于在位于成像元件和相邻成像元件之间的光电转换层13B(光电转换层13的区域B)和绝缘层82B(绝缘层82的区域B)之间的界面的区域中的固定电荷量FCB。(FCA/FCB)的值的示例包括
1/10≤(FCA/FCB)<1。
在图39中，黑圈表示在绝缘层的界面处产生的电荷(电子空穴)。光电转换层13和绝缘层82之间的界面的区域中的固定电荷量例如可以基于沉积具有固定电荷的薄膜的方法来控制。
在实施例7的成像元件中，在位于第一电极与电荷存储电极之间的光电转换层与绝缘层之间的界面的区域中的固定电荷量少于在位于成像元件和相邻成像之间的光电转换层和绝缘层之间的界面的区域中的固定电荷量。这能够防止由光电转换产生的电荷流入相邻成像元件中，并且所拍摄的视频(图像)的质量没有降低。
实施例8
实施例8涉及根据本发明第九方面的成像元件等。图40示出了实施例8的成像元件(并排布置的两个成像元件)的一部分的示意性剖视图。在实施例8的成像元件中，光电转换层的位于第一电极11和电荷存储电极14之间的区域13A(光电转换层13的区域A)中的电荷迁移率CTA的值大于光电转换层13的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域13B(光电转换层13的区域B)的电荷迁移率CTB的值。(CTA/CTB)值的示例包括
1<(CTA/CTB)≤1×102。
具体说来，该值为
(CTA/CTB)＝2。
实施例8的成像元件和层叠式成像元件可通过使用具有如下关系的材料形成光电转换层13的区域13A和13B来获得，所述关系是与在实施例1的成像元件和层叠式成像元件的制造过程中在形成光电转换层13时在光电转换层13的区域13A和13B中包含的材料相同的如上所述的电荷迁移率CTA和电荷迁移率CTB的关系。
在实施例8的成像元件中，光电转换层的位于第一电极和电荷存储电极之间的区域中的电荷迁移率的值大于光电转换层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域中的电荷迁移率的值。这能够防止由光电转换产生的电荷流入相邻成像元件中，并且所拍摄的视频(图像)的质量不会降低。
图41示出了实施例8的成像元件(并排布置的两个成像元件)的变型例的一部分的示意性剖视图。在图41所示的变型例中，光电转换层13的一部分具有上层(上光电转换层)13UP′/下层(下半导体层)13DN′的两层构造。光电转换层13的区域A(13A)的上层和光电转换层13的区域B(13B)的上层13UP′以及光电转换层13的位于电荷存储电极14上侧的部分包含相同的材料(上层组成材料)。此外，光电转换层的区域A(13A)的下层13DN′和光电转换层13的位于电荷存储电极14的上侧的部分的下层13DN′包含相同的材料(下层组成材料)。然而，上层组成材料和下层组成材料是不同的。能够以此方式提供下层13DN′，以防止例如在电荷存储期间的再结合。这也可以提高存储在光电转换层13中的电荷向第一电极11的电荷传输效率。此外，可以暂时保持在光电转换层13中产生的电荷，以控制传输的时序等。此外，还能够抑制暗电流的产生。
实施例9
实施例9是实施例1至8的修改。在图42的示意性局部剖视图中示出的实施例9的成像元件和层叠式成像元件是前照明型成像元件和层叠式成像元件。成像元件和层叠式成像元件具有三个成像元件的层叠结构，包括：对绿光敏感的实施例1中的第一类型的绿光成像元件(第一成像元件)，该绿光成像元件包括用于吸收绿光的第一类型的绿光光电转换层；对蓝光敏感的第二类型的常规蓝光成像元件(第二成像元件)，该蓝光成像元件包括用于吸收蓝光的第二类型的蓝光光电转换层；以及对红光敏感的第二类型的常规红光成像元件(第三成像元件)，该红光成像元件包括用于吸收红光的第二类型的红光光电转换层。这里，红光成像元件(第三成像元件)和蓝光成像元件(第二成像元件)设置在半导体基板70中，并且第二成像元件相对于第三成像元件位于光入射侧。另外，绿光成像元件(第一成像元件)设置在蓝光成像元件(第二成像元件)的上侧。
如实施例1中那样，控制单元中包含的各种晶体管设置在半导体基板70的前表面70A侧。各晶体管可以具有与实施例1中描述的晶体管基本类似的构造和结构。此外，第二成像元件和第三成像元件设置在半导体基板70中，并且成像元件还可以具有与实施例1中描述的第二成像元件和第三成像元件基本类似的构造和结构。
在半导体基板70的前表面70A上形成层间绝缘层77和78，并且在层间绝缘层78上设置包括在实施例1的成像元件中的光电转换单元(第一电极11、光电转换层13和第二电极12)和电荷存储电极14等。
这样，除了成像元件和层叠式成像元件是前照式成像元件和层叠式成像元件之外，实施例9的成像元件和层叠式成像元件的构造和结构可以类似于实施例1的成像元件和层叠式成像元件的构造和结构，并且将不再说明细节。
实施例10
实施例10是实施例1至9的修改。
图43的示意性局部剖视图中示出的实施例10的成像元件和层叠式成像元件是背照式成像元件和层叠式成像元件。该成像元件和层叠式成像元件具有包括实施例1中的第一类型的第一成像元件和第二类型的第二成像元件的两个成像元件的层叠结构。此外，图44的示意性局部剖视图中所示的实施例10的成像元件和层叠式成像元件的变型例提供了前照式成像元件和层叠式成像元件。所述成像元件和层叠式成像元件具有包括实施例1中的第一类型的第一成像元件和第二类型的第二成像元件的两个成像元件的层叠结构。这里，第一成像元件吸收原色光，第二成像元件吸收补色光。或者，第一成像元件吸收白光，第二成像元件吸收红外线。
图45的示意性局部剖视图中示出的实施例10的成像元件的变型例是背照式成像元件。该成像元件包括实施例1中的第一类型的第一成像元件。此外，图46的示意性局部剖视图中示出的实施例10的成像元件的变型例是前照式成像元件。该成像元件包括实施例1中的第一类型的第一成像元件。这里，第一成像元件包括三种类型的成像元件，其包括吸收红光的成像元件、吸收绿光的成像元件和吸收蓝光的成像元件。
此外，根据本公开的第一方面的固态成像装置中包括多个成像元件。多个成像元件的布置的示例包括拜耳阵列。用于分离蓝、绿和红的滤色器根据需要布置在成像元件的光入射侧上。
注意，作为在实施例1中设置一个第一类型的成像元件的替代，可以层叠两个成像元件(即，层叠两个光电转换单元，并且在半导体基板上设置两个成像元件的控制单元)或者可以层叠三个成像元件(即，层叠三个光电转换单元，并且在半导体基板上设置三个成像元件的控制单元)。下表举例说明了第一类型的成像元件和第二类型的成像元件的层叠结构。
Figure BDA0003811235130000651
Figure BDA0003811235130000661
实施例11
实施例11是实施例1到10的修改，并且实施例11涉及包括传输控制电极(电荷传输电极)的本公开的成像元件等。图47示出了实施例11的成像元件和层叠式成像元件的一部分的示意性局部剖视图。图48和49示出了实施例11的成像元件和层叠式成像元件的等效电路图。图50示出了实施例11的成像元件中包括的第一电极、传输控制电极、电荷存储电极和控制单元的晶体管的示意性布局图。图51和52示意性地图示了了在实施例11的成像元件的运行期间每个区段中的电势状态。此外，图53示出了实施例11的成像元件中包括的第一电极、传输控制电极和电荷存储电极的示意性布局图。图9B示出了用于描述图51和52的每个区段的实施例11的成像元件和层叠式成像元件的等效电路图。
实施例11的成像元件和层叠式成像元件还包括布置在第一电极11和电荷存储电极14之间、与第一电极11和电荷存储电极14分离布置并且布置成经由绝缘层82面向光电转换层13的传输控制电极(电荷传输电极)15。传输控制电极15通过设置在层间绝缘层81中的连接孔68B和焊盘部68A并通过配线V0T连接到包括在驱动电路中的像素驱动电路。
在下文中，将参照图51和52描述实施例11的成像元件(第一成像元件)的操作。注意，特别地，施加到电荷存储电极14的电势和点PD处的电势的值在图51和52之间变化。
在电荷存储期间，驱动电路将电势V11施加到第一电极11，将电势V12施加到电荷存储电极14，并将电势V14施加到传输控制电极15。入射到光电转换层13上的光引起光电转换层13中的光电转换。由光电转换产生的电子空穴通过配线V0U从第二电极12发送到驱动电路。另一方面，第一电极11的电势高于第二电极12的电势。也就是说，例如，正电势施加到第一电极11，而负电势施加到第二电极12。因此，电势设置为使得V12>V14(例如，V12>V11>V14或V11>V12>V14)得以保持。因此，由光电转换产生的电子被吸引到电荷存储电极14上，并且电子停止在光电转换层13的面向电荷存储电极14的区域中。即，电荷存储在光电转换层13中。V12大于V14，这当然可以防止在光电转换层13内产生的电子向第一电极11移动。在光电转换的时间过程中，光电转换层13的面向电荷存储电极14的区域中的电势变为更大的负值。
随后，在电荷存储期间执行复位操作。这将第一浮动扩散层FD1的电势复位，并且第一浮动扩散层FD1的电势变为电源的电势VDD。
复位操作完成后，读出电荷。即，在电荷传输期间，驱动电路将电势V21施加到第一电极11，将电势V22施加到电荷存储电极14，并将电势V24施加到传输控制电极15。在这里，电势设置为使得V22≤V24≤V21得以保持。因此，停止在光电转换层13的面向电荷存储电极14的区域中的电子必定被读出到第一电极11并且进一步读出到第一浮动扩散层FD1。也就是说，存储在光电转换层13中的电荷被读出到控制单元。
这就完成了包括电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作。
将电子读出到第一浮动扩散层FD1后的放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel的操作与常规晶体管的操作相同。此外，例如，包括第二成像元件和第三成像元件的电荷存储、复位操作以及电荷传输的一系列操作类似于传统的包括电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作。
如图53中示出了实施例11的成像元件的变型例中包括的第一电极、电荷存储电极和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，而不是将另一个源极/漏极区域51B连接到电源VDD。
实施例12
实施例12是实施例1至11的修改，实施例12涉及包括多个电荷存储电极区段的本公开的成像元件等。
图54示出了实施例12的成像元件的一部分的示意性局部剖视图。
图55和56示出了实施例12的成像元件和层叠式成像元件的等效电路图。图57示出了实施例12的成像元件中包括的第一电极、电荷存储电极和控制单元的晶体管的示意性布局图。图58和59示意性地图示了了实施例12的成像元件的运行期间每个部分中的电势状态。此外，图9C示出了用于描述图58中的每个部分的实施例12的成像元件和层叠式成像元件的等效电路图。
在实施例12中，电荷存储电极14包括多个电荷存储电极区段14A、14B和14C。电荷存储电极区段的数量可以等于或大于2，在实施例12中，数量为“3”。此外，将不同的电势施加到实施例12的成像元件和层叠式成像元件中的N个电荷存储电极区段中的每个。第一电极11的电势高于第二电极12的电势。也就是说，例如，正电势施加到第一电极11，而负电势施加到第二电极12。因此，在电荷传输期间，施加到位于最靠近第一电极11的位置的电荷存储电极区段(第一光电转换单元区段)14A的电势高于施加到位于距第一电极11最远的位置的电荷存储电极区段(第N光电转换单元区段)14C的电势。以这种方式，向电荷存储电极14提供电势梯度。因此，停止在光电转换层13的面向电荷存储电极14的区域中的电子更确定地被读出到第一电极11并进一步读出到第一浮动扩散层FD1。也就是说，存储在光电转换层13中的电荷被读出到控制单元。
在图58中所示的示例中，在电荷传输期间，电荷存储电极区段14C的电势<电荷存储电极区段14B的电势<电荷存储电极区段14A的电势得以保持。这样，停止在光电转换层13的区域中的电子同时被读出到第一浮动扩散层FD1。另一方面，在图59所示的示例中，在电荷传输期间，电荷存储电极区段14C的电势、电荷存储电极区段14B的电势和电荷存储电极区段14A的电势逐渐改变(即，阶梯式地或以倾斜形状改变)。以这种方式，停止在光电转换层13的面向电荷存储电极区段14C的区域中的电子移动到光电转换层13的面向电荷存储电极区段14B的区域中。接着，停止在光电转换层13的面向电荷存储电极区段14B的区域中的电子移动到光电转换层13的面向电荷存储电极区段14A的区域中。接着，停止在光电转换层13的面向电荷存储电极区段14A的区域中的电极必定被读出到第一浮动扩散层FD1。
如图60中示出了实施例12的成像元件的变型例中包括的第一电极、电荷存储电极和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，而不是将另一个源极/漏极区域51B连接到电源VDD。
实施例13
实施例13是实施例1至12的修改，并且涉及成像元件的第一构造和第六构造。
图61示出了实施例13的成像元件和层叠式成像元件的示意性局部剖视图。图62示出了电荷存储电极、光电转换层和第二电极层叠的部分的放大示意性局部剖视图。实施例13的成像元件和层叠式成像元件的等效电路图类似于图3和4中描述的实施例1的成像元件的等效电路图。实施例13的成像元件中包括的第一电极、电荷存储电极和控制单元的晶体管的示意性布局图类似于图5中描述的实施例1的成像元件。此外，实施例13的成像元件(第一成像元件)的操作与实施例1的成像元件的操作基本类似。
这里，在实施例13的成像元件或稍后描述的实施例14至18的成像元件中，
光电转换单元包括N(其中N≥2)个光电转换单元区段(具体地，三个光电转换单元区段101、102、103)
光电转换层13包括N个光电转换层区段(具体地，三个光电转换层区段131、132和133)，并且
绝缘层82包括N个绝缘层区段(具体地，三个绝缘层区段821、822和823)。
在实施例13到15中，电荷存储电极14包括N个电荷存储电极区段(具体来说，在每个实施例中有三个电荷存储电极区段141、142和143)。
在实施例16和17中和在实施例15中(视情况而定)，电荷存储电极14包括彼此分开布置的N个电荷存储电极区段(具体地，三个电荷存储电极区段141、142和143)，
第n(其中，n＝1、2、3···N)光电转换单元区段10n包括第n电荷存储电极区段14n、第n绝缘层区段82n和第n光电转换层区段13n，并且
光电转换单元区段的n值越大，该光电转换单元区段距第一电极11的位置越远。
可替代地，实施例13的成像元件或稍后描述的实施例14和17的成像元件包括
光电转换单元，包括层叠的第一电极11、光电转换层13和第二电极12，其中
光电转换单元还包括与第一电极11分离地布置并布置成经由绝缘层82面向光电转换层13的电荷存储电极14，并且
电荷存储电极14、绝缘层82和光电转换层13的层叠部分在YZ虚拟平面中被切割时的横截面积根据距第一电极的距离而变化，其中Z方向是电荷存储电极14、绝缘层82和光电转换层13的层叠方向，并且X方向是远离第一电极11的方向。
此外，在实施例13的成像元件中，绝缘层区段的厚度从第一光电转换单元区段101到第N光电转换单元区段10N逐渐变化。具体地，绝缘层区段的厚度逐渐增加。或者，在实施例13的成像元件中，层叠部分的横截面的宽度是恒定的，并且层叠部分的横截面的厚度，具体地，绝缘层区段的厚度，根据距第一电极11的距离逐渐增加。注意，绝缘层区段的厚度阶梯式地增加。第n光电转换单元区段10n中的绝缘层区段82n的厚度是恒定的。假设第n光电转换单元区段10n中的第n绝缘层区段82n的厚度为“1”，则第(n+1)光电转换单元区段10(n+1)中的绝缘层区段82(n+1)的厚度可以是2到10。但是，值不限于这些。在实施例13中，电荷存储电极区段141、142和143的厚度逐渐减小，以使绝缘层区段821、822和823的厚度逐渐增加。光电转换层区段131、132和133的厚度是恒定的。
在下文中，将说明实施例13的成像元件的操作。
在电荷存储期间，驱动电路将电势V11施加到第一电极11，并将电势V12施加到电荷存储电极14。入射到光电转换层13上的光引起光电转换层13中的光电转换。由光电转换产生的电子空穴通过配线V0U从第二电极12发送到驱动电路。另一方面，第一电极11的电势高于第二电极12的电势。也就是说，例如，正电势施加到第一电极11，而负电势施加到第二电极12。因此，电势设置成使得V12≥V11，优选地，V12>V11，得以保持。因此，由光电转换产生的电子被吸引到电荷存储电极14，并且电子停止在光电转换层13的面向电荷存储电极14的区域中。即，电荷存储在光电转换层13中。V12大于V11，因此，在光电转换层13内产生的电子不向第一电极11移动。在光电转换的时间过程中，光电转换层13的面向电荷存储电极14的区域中的电势变为更大的负值。
在实施例13的成像元件采用的构造中，绝缘层区段的厚度逐渐增加。因此，当电荷存储期间内状态变为V12≥V11时，第n光电转换单元区段10n可以存储比第(n+1)光电转换单元区段10(n+1)更多的电荷。施加强电场，并且一定能够防止电荷从第一光电转换单元区段101流向第一电极11。
随后在电荷存储期间执行复位操作。这将第一浮动扩散层FD1的电势复位，并且第一浮动扩散层FD1的电势变为电源的电势VDD。
复位操作完成后，读出电荷。即，在电荷传输期间，驱动电路将电势V21施加到第一电极11，并将电势V22施加到电荷存储电极14。在这里，电势设置成使得V21>V22得以保持。因此，停止在光电转换层13的面向电荷存储电极14的区域中的电子被读出到第一电极11并进一步读出到第一浮动扩散层FD1。也就是说，存储在光电转换层13中的电荷被读出到控制单元。
更具体地，当电荷传输期间状态变为V21>V22时，一定可以保证从第一光电转换单元区段101到第一电极11的电荷流动和从第(n+1)光电转换单元区段10(n+1)到第n光电转换单元区段10n的电荷流动。
这就完成了包括电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作。
在实施例13的成像元件中，绝缘层区段的厚度从第一光电转换单元区段到第N光电转换单元区段逐渐变化。或者，电荷存储电极、绝缘层和光电转换层的层叠部分的当该层叠部分在YZ虚拟平面中被切割时的横截面积根据距第一电极的距离而变化。从而，形成一种电荷传输梯度，并且由光电转换产生的电荷能够更容易且更确定地传输。
实施例13的成像元件和层叠式成像元件可以通过基本类似于实施例1的成像元件的方法来产生，并且将不再说明细节。
注意，在形成实施例13的成像元件中的第一电极11、电荷存储电极14和绝缘层82时，首先在层间绝缘层81上沉积用于形成电荷存储电极143的导电材料层。对导电材料层进行图案化，并且将导电材料层留在将形成光电转换单元区段101、102和103以及第一电极11的区域中。以这种方式，可以获得第一电极11的一部分和电荷存储电极143。接下来，在整个表面上沉积用于形成绝缘层区段823的绝缘层。对绝缘层进行图案化，并执行平面化处理。这样，可以获得绝缘层区段823。接着，在整个表面上沉积用于形成电荷存储电极142的导电材料层，并且对导电材料层进行图案化。将导电材料层留在将形成光电转换单元区段101和102以及第一电极11的区域中。以这种方式，可以获得第一电极11的一部分和电荷存储电极142。接着，在整个表面上沉积用于形成绝缘层区段822的绝缘层。对绝缘层进行图案化，并执行平面化处理。这样，可以获得绝缘层区段822。接着，在整个表面上沉积用于形成电荷存储电极141的导电材料层。对导电材料层进行图案化，并且将导电材料层留在将形成光电转换单元区段101和第一电极11的区域中。以这种方式，可以获得第一电极11和电荷存储电极141。接着，在整个表面上沉积绝缘层，并执行平面化处理。以这种方式，可以获得绝缘层区段821(绝缘层82)。此外，在绝缘层82上形成光电转换层13。以这种方式，可以获得光电转换单元区段101、102和103。
如图63所示，其示出了实施例13的成像元件的变型例中包括的第一电极、电荷存储电极和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，而不是将所述另一个源极/漏极区域51B连接到电源VDD。
实施例14
实施例14的成像元件涉及本公开的第二构造和第六构造的成像元件。如在图64中示出了层叠电荷存储电极、光电转换层和第二电极的部分的放大示意性局部剖视图，在实施例14的成像元件中，光电转换层区段的厚度从第一光电转换单元区段101到第N光电转换单元区段10N逐渐变化。或者，在实施例14的成像元件中，层叠部件的横截面的宽度是恒定的，并且层叠部分的横截面的厚度，特别是光电转换层区段的厚度，根据距第一电极11的距离而逐渐增大。具体地，光电转换层区段的厚度逐渐增大。注意，光电转换层区段的厚度阶梯式增大。第n光电转换单元区段10n中的光电转换层区段13n的厚度是恒定的。假设第n光电转换单元区段10n中的光电转换层区段13n的厚度为“1”，则第(n+1)光电转换单元区段10(n+1)中的光电转换层区段13(n+1)的厚度可以是2到10。但是，值不限于这些。在实施例14中，电荷存储电极区段141、142和143的厚度逐渐减小，以使光电转换层区段131、132和133的厚度逐渐增大。绝缘层区段821、822和823的厚度是恒定的。
在实施例14的成像元件中，光电转换层区段的厚度逐渐增大。因此，当电荷存储周期中状态变为V12≥V11时，施加到第n光电转换单元区段10n的电场比施加到第n+1光电转换单元区段10(n+1)的电场强。这必定能够防止电荷从第一光电转换单元区段101流向第一电极11。此外，当电荷传输期间内状态变为V22<V21时，一定能够确保从第一光电转换单元区段101至第一电极11的电荷流动以及从第(n+1)光电转换单元区段10(n+1)至第n光电转换单元区段10n的电荷流动。
以这种方式，在实施例14的成像元件中，光电转换层区段的厚度从第一光电转换单元区段逐渐变化到第N光电转换单元区段。或者，当层叠部分在YZ虚拟平面中被切割时的电荷存储电极、绝缘层和光电转换层的层叠部分的横截面积根据距第一电极的距离而变化。从而，形成一种电荷传输梯度，并且由光电转换产生的电荷能够更容易且更确定地传输。
在形成实施例14的成像元件中的第一电极11、电荷存储电极14、绝缘层82和光电转换层13时，首先在层间绝缘层81上沉积用于形成电荷存储电极143的导电材料层。对导电材料层进行图案化，将导电材料层留在将形成光电转换单元区段101、102和103以及第一电极11的区域中。以这种方式，可以获得第一电极11的一部分和电荷存储电极143。接着，在整个表面上沉积用于形成电荷存储电极142的导电材料层，并且对导电材料层进行图案化。将导电材料层留在将形成光电转换单元区段101和102以及第一电极11的区域中。以这种方式，可以获得第一电极11的一部分和电荷存储电极142。接着，在整个表面上沉积用于形成电荷存储电极141的导电材料层，并对导电材料层进行图案化。将导电材料层留在将形成光电转换单元区段101和第一电极11的区域中。这样，可以得到第一电极11和电荷存储电极141。接着，将绝缘层82共形地沉积在整个表面上。此外，在绝缘层82上形成光电转换层13，并对光电转换层13应用平面化处理。以这种方式，可以获得光电转换单元区段101、102和103。
实施例15
实施例15涉及第三构造的成像元件。图65示出了实施例15的成像元件和层叠式成像元件的示意性局部剖视图。在实施例15的成像元件中，绝缘层区段中包含的材料在相邻光电转换单元区段之间变化。在这里，绝缘层区段中包含的材料的介电常数值从第一光电转换单元区段101至第n光电转换单元区段10n逐渐减小。在实施例15的成像元件中，相同的电势可以施加于所有N个电荷存储电极区段，或者不同的电势可以施加于N个电荷存储电极区段中的各者。在后一种情况下，如在实施例16中所述，彼此分开布置的电荷存储电极区段141、142和143可以通过焊盘部641、642和643连接到包括在驱动电路中的垂直驱动电路112。
此外，通过采用该构造，形成了一种电荷传输梯度。当在电荷储存期间内状态变为V12≥V11时，第n光电转换单元区段能够比第(n+1)光电转换单元区段储存更多的电荷。此外，当在电荷传输周期内状态变为V22<V21时，一定能够保证从第一光电转换单元区段至第一电极的电荷流动以及从第(n+1)光电转换单元区段至第n光电转换单元区段的电荷流动。
实施例16
实施例16涉及第四次构造的成像元件，图66示出了实施例16的成像元件和层叠式成像元件的示意性局部剖视图。在实施例16的成像元件中，电荷存储电极区段中包含的材料在相邻光电转换单元区段之间变化。在这里，绝缘层区段中包含的材料的功函数的值从第一光电转换单元区段101至第N光电转换单元区段10N逐渐增大。在实施例16的成像元件中，相同的电势可以施加到所有N个电荷存储电极区段，或者不同的电势可以施加到N个电荷存储电极区段中的各者。在后一种情况下，电荷存储电极区段141、142和143通过焊盘部641、642和643连接到包括在驱动电路中的垂直驱动电路112。
实施例17
实施例17的成像元件涉及第五构造的成像元件。图67A、67B、68A和68B示出了实施例17中的电荷存储电极区段的示意性平面图。图69示出了实施例17的成像元件中包括的第一电极、电荷存储电极和控制单元的晶体管的示意性布局图。实施例17的成像元件和层叠式成像元件的示意性局部剖视图类似于图66或71中所示的示意性局部剖视图。在实施例17的成像元件中，电荷存储电极区段的面积从第一光电转换单元区段101到第N光电转换单元区段10N逐渐减小。在实施例17的成像元件中，相同的电势可以施加到所有N个电荷存储电极区段，或者不同的电势可以施加到N个电荷存储电极区段中的各者。具体而言，如实施例16中所述，彼此分开布置的电荷存储电极区段141、142和143可以通过焊盘部641、642和643连接到包括在驱动电路中的垂直驱动电路112。
在实施例17中，电荷存储电极14包括多个电荷存储电极区段141、142和143。电荷存储电极区段的数量可以等于或大于2，在实施例17中，数量为“3”。此外，在实施例17的成像元件和层叠式成像元件中，第一电极11的电势高于第二电极12的电势。也就是说，例如，正电势施加到第一电极11，而负电势施加到第二电极12。因此，在电荷传输期间，施加到位于最靠近第一电极11的位置的电荷存储电极区段141的电势高于施加到位于距第一电极11最远的位置的电荷存储电极区段143的电势。以这种方式，向电荷存储电极14提供电势梯度。因此，停止在光电转换层13的面向电荷存储电极14的区域中的电子更确定地被读出到第一电极11并进一步读出到第一浮动扩散层FD1。也就是说，存储在光电转换层13中的电荷被读出到控制单元。
此外，在电荷传输期间，电荷存储电极区段143的电势<电荷存储电极区段142的电势<电荷存储电极区段141的电势得以保持。这样，停止在光电转换层13的区域中的电子可以同时被读出到第一浮动扩散层FD1。或者，在电荷传输期间，电荷存储电极区段143的电势、电荷存储电极区段142的电势和电荷存储电极区段141的电势逐渐改变(即，阶梯式地或以倾斜形状改变)。以这种方式，停止在光电转换层13的面向电荷存储电极区段143的区域中的电子移动至光电转换层13的面向电荷存储电极区段142的区域中。接着，停止在光电转换层13的面向电荷存储电极区段142的区域中的电子移动至光电转换层13的面向电荷存储电极区段141的区域中。接着，停止在光电转换层13的面向电荷存储电极区段141的区域中的电极一定能够读出至第一浮动扩散层FD1。
如图70中示出了实施例17的成像元件的变型例中包括的第一电极、电荷存储电极和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/漏极区域51B可以接地，而不是将另一个源极/漏极区域51B连接到电源VDD。
在实施例17的成像元件中，通过采用该构造也形成了一种电荷传输梯度。也就是说，电荷存储电极区段的面积从第一光电转换单元区段101到第N光电转换单元区段10N逐渐减小。因此，当在电荷存储期间内状态变为V12≥V11时，第n光电转换单元区段可以比第(n+1)光电转换单元区段存储更多的电荷。此外，当在电荷传输期间内状态变为V22<V21时，一定可以保证从第一光电转换单元区段至第一电极的电荷流动和从第(n+1)光电转换单元区段至第n光电转换单元区段的电荷流动。
实施例18
实施例18涉及第六构造的成像元件。图71示出了实施例18的成像元件和层叠式成像元件的示意性局部剖视图。图72A和72B示出了实施例18中电荷存储电极区段的示意性平面图。实施例18的成像元件包括光电转换单元，该光电转换单元包括层叠的第一电极11、光电转换层13和第二电极12。该光电转换单元还包括与第一电极11分离地布置并布置成经由绝缘层82面向光电转换层13的电荷存储电极14。此外，电荷存储电极14、绝缘层82和光电转换层13的层叠部分的在该层叠部分在YZ虚拟平面中被切割时的横截面积根据距第一电极11的距离而变化，其中Z方向是电荷存储电极14、绝缘层82和光电转换层13的层叠方向，并且X方向是远离第一电极11的方向。
具体地，在实施例18的成像元件中，层叠部分的横截面的厚度是恒定的，并且层叠部分的横截面的宽度随着距第一电极11的距离的增加而减小。注意，宽度可以连续地减小(参见图72A)或者可以阶梯式减小(参见图72B)。
这样，在实施例18的成像元件中，电荷存储电极14、绝缘层82和光电转换层13的层叠部分的在该层叠部分在YZ虚拟平面上被切割时的横截面积根据距第一电极的距离而改变。因此，形成一种电荷传输梯度，并且光电转换产生的电荷可以更容易和更确定地传输。
实施例19
实施例19涉及第一构造和第二构造的固态成像装置。
固态成像装置实施例19包括
光电转换单元，包括层叠的第一电极11、光电转换层13和第二电极12，其中
光电转换单元还包括多个成像元件，每个成像元件包括与第一电极11分离地布置的并布置成经由绝缘层82面向光电转换层13的电荷存储电极14，
多个成像元件包括在成像元件块中，并且
第一电极11由包括在成像元件块中的多个成像元件共用。
或者，实施例19的固态成像装置包括实施例1至18中说明的多个成像元件。
在实施例19中，为多个成像元件设置一个浮动扩散层。另外，可以适当地控制电荷传输周期的时序，以允许多个成像元件共用一个浮动扩散层。此外，在这种情况下，多个成像元件可以共用一个接触孔部。
注意，除了包括在实施例块中的多个固态成像装置共用第一电极11之外，实施例19的固态成像装置具有与实施例1至18中描述的固态成像装置基本类似的构造和构造。
图73(实施例19)、图74(实施例19的第一变型例)、图75(实施例19的第二变型例)、变型例76(实施例19的第三变型例)和实施例77(实施例19的第四变型例)示意性地图示了了实施例19的固态成像装置中的第一电极11和电荷存储电极14的布置状态。图73、74、77和78示出了16个成像元件，图75和76示出了12个成像元件。此外，两个成像元件包括在成像元件块中。成像元件块被虚线包围并示出。附于第一电极11和电荷存储电极14的下标用于区分第一电极11和电荷存储电极14。这同样适用于下面的说明。此外，在一个成像元件的上侧布置有一个片上微透镜(图73至82中未示出)。此外，在一个成像元件块中，两个电荷存储电极14设置在第一电极11两侧(参见图73和74)。或者，一个第一电极11布置成面向并排布置的两个电荷存储电极14(参见图77和78)。即，第一电极布置成与各成像元件的电荷存储电极相邻。或者，第一电极布置成与多个成像元件中的一部分的电荷存储电极相邻，而未布置成与多个成像元件中的其余部分的电荷存储电极相邻(参见图75和76)。在这种情况下，电荷从多个成像元件的其余部分向第一电极的移动是通过多个成像元件中的所述一部分的移动。优选的是，包括在成像元件中的电荷存储电极和包括在成像元件中的电荷存储电极之间的距离A比第一电极与和所述第一电极相邻的成像元件中的电荷存储电极之间的距离B长，以确定地使电荷从每个成像元件移动到第一电极。此外，优选的是，成像元件的位置距第一电极越远，距离A的值就越大。此外，在图74、76和78所示的示例中，电荷运动控制电极21布置在包括在成像元件块中的多个成像元件之间。布置电荷运动控制电极21能够确定地抑制位于电荷运动控制电极21两侧的成像元件块中的电荷的移动。注意，电势可以设置为使得V12>V13(例如，V12-2>V13)得以保持，其中V13是施加到电荷运动控制电极21的电势。
电荷运动控制电极21可以形成在与第一电极11或电荷存储电极14相同的水平上，或者可以形成在第一电极侧的不同水平(具体而言，位于第一电极11或电荷存储电极14的下侧的水平)上。在前一种情况下，可以减小电荷运动控制电极21与光电转换层之间的距离，并且电势可以容易地控制。另一方面，在后一种情况下，可以减小电荷运动控制电极21与电荷存储电极14之间的距离，这有利于微型化。
在下文中，将描述包括第一电极112和两个电荷存储电极1421和1422的成像元件块的操作。
在电荷存储期间，驱动电路将电势Va施加到第一电极112，并将电势VA施加到电荷存储电极1421和1422。入射到光电转换层13上的光引起光电转换层13中的光电转换。由光电转换产生的电子空穴通过配线V0U从第二电极22发送到驱动电路。另一方面，第一电极112的电势高于第二电极12的电势。也就是说，例如，正电势施加到第一电极112，而负电势施加到第二电极12。因此，电势设置成使得VA≥Va得以保持。因此，由光电转换产生的电子被吸引到电荷存储电极1421和1422，并且电子停止在光电转换层13的面向电荷存储电极1421和1422的区域中。即，电荷存储在光电转换层13中。VA等于或大于Va，因此，在光电转换层13内产生的电子不向第一电极112移动。在光电转换的时间过程中，光电转换层13的面向电荷存储电极1421和1422的区域中的电势变为更大的负值。
随后在电荷存储期间执行复位操作。这将第一浮动扩散层的电势复位，并且第一浮动扩散层的电势变为电源的电势VDD。
复位操作完成后，读出电荷。即，在电荷传输期间，驱动电路将电势Vb施加到第一电极112，将电势V21-B施加到电荷存储电极1421，并将电势V22-B施加到电荷存储电极1422。在这里，电势设置为使得V21-B<Vb<V22-B得以保持。因此，停止在光电转换层13的面向电荷存储电极1421的区域中的电子被读出到第一电极112并进一步读出到第一浮动扩散层FD1。即，存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1421的区域中的电荷被读出到控制单元。一旦读取完成，电势设置为使得V22-B≤V21-B<Vb得以保持。注意，在图77和图78中图示的示例中，电势可以被设置为使得V22-B<Vb<V21-B得以保持。因此，停止在光电转换层13的面向电荷存储电极1422的区域中的电子被读出到第一电极112并进一步读出到第一浮动扩散层FD1。此外，在图75和76所示的示例中，停止在光电转换层13的面向电荷存储电极1422的区域中的电子可以通过与电荷存储电极1422相邻的第一电极113读出到第一浮动扩散层FD1。以这种方式，存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1422的区域中的电荷被读出到控制单元。注意，当完成了将存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1421的区域中的电荷读出到控制单元时，可以将第一浮动扩散层的电势复位。
图83A示出了在实施例19的成像元件块中读取和驱动的示例。
[步骤A]
自动调零信号(auto zero signal)至比较器的输入
[步骤B]
一个共用浮动扩散层的复位操作
[步骤C]
成像元件中对应于电荷存储电极1421的P相的读取以及电荷向第一电极112的移动
[步骤D]
成像元件中对应于电荷存储电极1421的D相的读取以及电荷向第一电极112的移动
[步骤E]
一个共用浮动扩散层的复位操作
[步骤F]
自动调零信号至比较器的输入
[步骤G]
成像元件中对应于电荷存储电极1422的P相的读取以及电荷向第一电极112的移动
[步骤H]
成像元件中对应于电荷存储电极1422的D相的读取以及电荷向第一电极112的移动
在该流程中读取来自对应于电荷存储电极1421和电荷存储电极1422的两个成像元件的信号。基于相关双采样(CDS)处理，[步骤C]中的P相的读取与[步骤D]中的D相的读取之差就是来自对应于电荷存储电极1421的成像元件的信号。[步骤G]中的P相的读取与[步骤H]中的D相的读取之差就是来自对应于电荷存储电极1422的成像元件的信号。
注意，可以跳过[步骤E]的操作(参见图83B)。此外，可以跳过[步骤F]的操作，在这种情况下，可以进一步跳过[步骤G]的操作(参见图83C)。[步骤C]中的P相的读取与[步骤D]中的D相的读取之差就是来自对应于电荷存储电极1421的成像元件的信号。[步骤D]中的D相的读取与[步骤H]中的D相的读取之差就是来自对应于电荷存储电极1422的成像元件的信号。
在示意性地示出第一电极11和电荷存储电极14的布置状态的图79的变型例(实施例19的第六变型例)和图80(实施例19的第七变型例)中，在成像元件块中包括四个成像元件。固态成像装置的操作可以基本类似于图73至78中示出的固态成像装置的操作。
在示意性地图示了第一电极11和电荷存储电极14的布置状态的图81和82的第八变型例和第九变型例中，在成像元件块中包括16个成像元件。如图81和82所示，电荷运动控制电极21A1、21A2和21A3布置在电荷存储电极1411和电荷存储电极1412之间、电荷存储电极1412和电荷存储电极1413之间以及电荷存储电极1413和电荷存储电极1414之间。此外，如图82所示，电荷运动控制电极21B1、21B2和21B3布置在电荷存储电极1421、1431和1441与电荷存储电极1422、1432和1442之间、电荷存储电极1422、1432和1442与电荷存储电极1423、1433和1443年之间以及电荷存储电极1423、1433和1443与电荷存储电极1424、1434和1444之间。此外，电荷运动控制电极21C设置在成像元件块和成像元件块之间。此外，在每个固态成像装置中，可以控制十六个电荷存储电极14，以从第一电极11读取存储在光电转换层13中的电荷。
[步骤10]
具体地，首先从第一电极11读取存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1411的区域中的电荷。接着，通过光电转换层13的面向电荷存储电极1411的区域从第一电极11读取存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1412的区域中的电荷。接着，通过光电转换层13的面向电荷存储电极1412和电荷存储电极1411的区域从第一电极11读取存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1413的区域中的电荷。
[步骤20]
随后，使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1421的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1411的区域中。使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1422的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1412的区域中。使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1423的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1413的区域中。使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1424的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1414的区域中。
[步骤21]
使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1431的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1421的区域中。使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1432的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1422的区域中。使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1433的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1423的区域中。使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1434的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1424的区域中。
[步骤22]
使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1441的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1431的区域中。使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1442的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1432的区域中。使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1443的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1433的区域中。使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1444的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1434的区域中。
[步骤30]
此外，能够再次执行步骤10，以通过第一电极11读取存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1421的区域中的电荷、存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1422的区域中的电荷、存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1423的区域中的电荷以及存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1424的区域中的电荷。
[步骤40]
随后，使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1421的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1411的区域中。使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1422的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1412的区域中。使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1423的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1413的区域中。使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1424的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1414的区域中。
[步骤41]
使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1431的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1421的区域中。使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1432的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1422的区域中。使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1433的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1423的区域中。使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1434的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1424的区域中。
[步骤50]
此外，能够再次执行步骤10，以通过第一电极11读取存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1431的区域中的电荷、存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1432的区域中的电荷、存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1433的区域中的电荷以及存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1434的区域中的电荷。
[步骤60]
随后，使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1421的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1411的区域中。使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1422的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1412的区域中。使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1423的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1413的区域中。使存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1424的区域中的电荷移动到光电转换层13的面向电荷存储电极1414的区域中。
[步骤70]
此外，能够再次执行步骤10，以通过第一电极11读取存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1441的区域中的电荷、存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1442的区域中的电荷、存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1443的区域中的电荷以及存储在光电转换层13的面向电荷存储电极1444的区域中的电荷。
在固态成像装置实施例19中，第一电极由包括在成像元件块中的多个成像元件共用。这能够简化和小型化其中排列有多个成像元件的像素区中的构造和构造。注意，为一个浮动扩散层设置的多个成像元件可以包括多个第一类型的成像元件，或者可以包括至少一个第一类型的成像元件或一个或两个或更多的第二类型的成像元件。
实施例20
实施例20是实施例19的修改。在示意性地图示了第一电极11和电荷存储电极14的布置状态的图84、85、86和87中的实施例20的固态成像装置中，两个成像元件包括在成像元件块中。此外，在成像元件块的上侧设置有一个片上微透镜90。注意，在图85和图87中所示的示例中，电荷运动控制电极21布置在成像元件块中包含的多个成像元件之间。
例如，与包括在成像元件块中的电荷存储电极1411、1421、1431和1441对应的光电转换层对来自附图中右上方的入射光高度敏感。此外，与包括在成像元件块中的电荷存储电极1412、1422、1432和1442对应的光电转换层对来自附图中左上方的入射光高度敏感。因此，例如，可以组合包括电荷存储电极1411的成像元件和包括电荷存储电极1412的成像元件，以获取图像平面相位差信号。另外，来自包括电荷存储电极1411的成像元件的信号和来自包括电荷存储电极1412的成像元件的信号可以相加，并且成像元件的组合可以提供一个成像元件。虽然在图84所示的示例中，第一电极111布置在电荷存储电极1411和电荷存储电极1412之间，但可以将一个第一电极111布置成面向并排布置的两个电荷存储电极1411和1412，如图86中所示的示例，从而进一步提高灵敏度。
尽管已经基于优选实施例描述了本公开，但本公开不限于这些实施例。在实施例中描述的成像元件、层叠式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说明性的，并且可以适当地改变。实施例的成像元件可以适当组合。例如，实施例13的成像元件、实施例14的成像元件、实施例15的成像元件、实施例16的成像元件和实施例17的成像元件可以任意组合，以及实施例13的成像元件、实施例14的成像元件、实施例15的成像元件、实施例16的成像元件和实施例18的成像元件可以任意组合。
浮动扩散层FD1、FD21、FD3、51C、45C和46C也可以根据情况而被共用。
如在例如在图88中示出的实施例1中描述的成像元件和层叠式成像元件的变型例中，第一电极11可以在设置于绝缘层82中的开口部84A中延伸，并且第一电极11可以连接到层叠式光电转换层13。
或者，如在例如在图89中示出的实施例1中描述的成像元件和层叠式成像元件的变型例中，并且如在图90A所示的第一电极的一部分等的放大示意性局部剖视图中，第一电极11的顶部表面的边缘部分被绝缘层82覆盖，并且第一电极11在开口部84B的底面上露出。开口部84B的侧表面具有从第一表面82a向第二表面82b延伸的斜坡，其中第一表面82a是绝缘层82的与第一电极11的顶部表面接触的表面，第二表面82b是绝缘层82的与光电转换层13的面向电荷存储电极14的部分接触的表面。这样，开口部84B的侧表面倾斜，电荷更顺利地从光电转换层13移动到第一电极11。注意，虽然在图90A中所示的示例中，开口部84B的侧表面相对于开口部84B的轴线具有旋转对称性，但如图90B所示，开口部84C可以设置为使得开口部84C的从第一表面82a向第二表面82b倾斜延伸的侧表面更靠近电荷存储电极14。这使得电荷难以从光电转换层13的相对于开口部84C位于电荷存储电极14的相反侧的部分移动。此外，虽然开口部84B的侧表面从第一表面82a向第二表面82b倾斜延伸，但开口部84B的在第二表面82b中的的侧表面的边缘部分可以如图90A所示位于第一电极11的边缘部分之外，或者可以如图90C所示位于第一电极11的边缘部分以内。能够采用前一种构造来更容易地传输电荷，并且能够采用后一种构造来减少开口部形成过程中的形状变化。
包括被形成用于基于蚀刻方法在绝缘层中形成开口部的抗蚀剂材料的蚀刻掩模的回流可以使蚀刻掩模的开口侧表面形成斜坡，并且蚀刻掩模可以用于对绝缘层进行82蚀刻，以形成开口部84B和84C。
此外，如在例如在图91中示出的的实施例1中描述的成像元件和层叠式成像元件的变型例中，光可以从第二电极12侧入射，并且可以在更靠近第二电极12的光入射侧形成遮光层92。注意，相对于光电转换层设置在光入射侧上的各种配线也可以用作遮光层。
注意，尽管在图91所示的示例中遮光层92形成在第二电极12的上侧，即，尽管遮光层92形成在更靠近第二电极12的光入射侧和第一电极11的上侧，但遮光层92可以如图92中所示地布置在第二电极12的光入射侧的表面上。此外，如图93中所示，视情况而定，遮光层92可以形成在第二电极12上。
或者，光可以从第二电极12侧入射，并且光可以不入射到第一电极11上。具体而言，如图91中所示，遮光层92形成在更靠近第二电极12的光入射侧和第一电极11的上侧。或者，如图95中所示，片上微透镜90可以设置在电荷存储电极14和第二电极12的上侧上。入射到片上微透镜90上的光可以由电荷存储电极14收集，并且所述光可以不到达第一电极11。注意，在如实施例11中所述的设置有传输控制电极15的情况下，光可能不入射在第一电极11和传输控制电极15上。具体地，如图94中所示，遮光层92可以形成在第一电极11和传输控制电极15的上侧。或者，入射在片上微透镜90上的光可能不到达第一电极11，或者可能不到达第一电极11和传输控制电极15。
可以采用这些构造和结构。或者，遮光层92可以被设置为使得光仅入射到光电转换层13的位于电荷存储电极14的上侧上的部分。或者，可以设计片上微透镜90。这样，光电转换层13的位于第一电极11的上侧(或第一电极11和传输控制电极15的上侧)上的部分不有助于光电转换。因此，所有像素能够更确定地被同时全部复位，并且可以更容易地实现全局快门功能。即，在包括多个具有构造和结构的成像元件的固态成像装置的驱动方法中，重复以下步骤：
在所有成像元件中，将第一电极11中的电荷全部同时释放到系统外部，并且将电荷存储在光电转换层13中；随后，
在所有成像元件中，将存储在光电转换层13中的电荷同时全部传输到第一电极11，并且在传输完成后，成像元件顺序地读取传输到第一电极11的电荷。
在固态成像装置的驱动方法中，在每个成像元件中，来自第二电极侧的光不会入射在第一电极上。在所有成像元件中，将第一电极中的电荷同时全部释放到系统外部，并且将电荷存储在光电转换层中。因此，第一电极一定可以在所有成像元件中被同时复位。此外，随后，在所有成像元件中，存储在光电转换层中的电荷同时全部传输到第一电极。在传输完成后，成像元件顺序地读取传输到第一电极的电荷。因此，可以容易地实现所谓的全局快门功能。
此外，在实施例11的变型例中，如图95中所示，可以从最靠近第一电极11的位置朝向电荷存储电极14设置多个传输控制电极。注意，图96示出了设置两个传输控制电极15A和15B的示例。此外，片上微透镜90可以设置在电荷存储电极14和第二电极12的上侧。入射在片上微透镜90上的光可以由电荷存储电极14收集，并且光可以不到达第一电极11和传输控制电极15A和15B。
在图61和62所示的实施例13中，电荷存储电极区段141、142和143的厚度逐渐减小，以使绝缘层区段821、822和823的厚度逐渐增加。另一方面，如在图97中示出了实施例13的变型例中的电荷存储电极、光电转换层和第二电极的层叠部分的放大示意性局部剖视图，电荷存储电极区段141、142和143的厚度可以是恒定的，并且绝缘层区段821、822和823的厚度可以逐渐增加。注意，光电转换层区段131、132和133的厚度是恒定的。
此外，在图64所示的实施例14中，电荷存储电极区段141、142和143的厚度逐渐减小，以使光电转换层区段131、132和133的厚度逐渐增加。另一方面，如在图98中示出了实施例14的变型例中的电荷存储电极、光电转换层和第二电极的层叠部分的放大示意性局部剖视图，电荷存储电极区段141、142和143的厚度可以是恒定的，并且绝缘层区段821、822和823的厚度可以逐渐减小，以使光电转换层区段131、132和133的厚度逐渐增加。
很明显，上述各种变型例也可以应用于除实施例1以外的实施例。
虽然电子是信号电荷，并且在实施例中形成在半导体基板上的光电转换层的导电类型是n型，但实施例也可以应用于其中空穴是信号电荷的固态成像装置。在这种情况下，各半导体区域可以是相反导电类型的半导体区域，并且形成在半导体基板上的光电转换层的导电类型可以是p型。
此外，在上述示例中，将实施例应用于CMOS固态成像装置，其中，对作为根据入射光量的物理量的信号电荷进行检测的单位像素以矩阵排列。然而，实施例并不限于应用于CMOS固态成像装置，实施例也可以应用于CCD固态成像装置。在后一种情况下，CCD结构的垂直传输寄存器沿垂直方向传输信号电荷，水平传输寄存器沿水平方向传输信号电荷。电荷被放大，并输出像素信号(图像信号)。此外，实施例不限于通常的列型固态成像装置，其中像素以二维矩阵形成并且为每个像素列设置列信号处理电路。此外，根据具体情况，可以不包括选择晶体管。
此外，本公开的成像元件和层叠式成像元件不限于应用于检测可见光的入射光量的分布以获得该分布的图像的固态成像装置。成像元件和层叠式成像元件还可应用于拍摄红外射线、X射线、粒子等的入射量的分布的图像的固态成像装置。此外，在广义上，成像元件和层叠式成像元件通常能够应用于诸如指纹检测传感器等固态成像装置(物理量分布检测装置)，其检测其它物理量(诸如压力和电容)的分布以获得该分布的图像。
此外，成像元件和层叠式成像元件不限于顺序地逐行扫描成像区域的单元像素以从单位像素读取像素信号的固态成像装置。成像元件和层叠式成像元件还可以应用于X-Y地址型固态成像装置，该固态成像装置逐个像素地选择任意像素并从所选的像素中逐个像素地读取像素信号。固态成像装置可以形成为一个芯片，或者可以是具有成像功能的模块的形式，其中成像区域和驱动电路或光学系统被封装在一起。
此外，成像元件及层叠式成像元件不限于应用于固态成像装置，并且成像元件和层叠式成像元件还可以应用于成像设备。这里，成像设备表示相机系统，例如数码相机和摄像机，或者诸如手机等具有成像功能的电子设备。在某些情况下，成像设备是安装在电子设备上的模块的形式，即相机模块。
图99A和99B图示了驱动电荷存储电极的晶体管的变型例的等效电路图。图100A和100B示意性地图示了用于驱动在图99A和99B中示出的等效电路中的晶体管的脉冲波形。图100A和图100B的横轴表示时间，纵轴表示电荷存储电极14的电势。一个晶体管通常将电势施加于电荷存储电极14。注意，将电势施加于电荷存储电极14的晶体管的操作将表达为“电荷存储电极14由晶体管驱动”。另一方面，在图99A和100A所示的示例中，两个晶体管(FET-1、FET-2)驱动电荷存储电极14。此外，在电荷传输期间的初期，电荷存储电极14由一个晶体管(FET-1)驱动，在电荷传输期间的后期，电荷存储电极14由两个晶体管(FET-1，FET-2)同时驱动。注意，参考标号“FET-0”表示用于控制的晶体管。在图99B和图100B所示的示例中，电荷存储电极14由驱动能力大的晶体管(FET-5)和驱动能力小的晶体管(FET-3)驱动。具体地，在电荷传输期间的初期，电荷存储电极14由驱动能力小的晶体管(FET-3)驱动，在电荷传输期间的后期，电荷存储电极14由驱动能力大的晶体管(FET-5)驱动。注意，参考标号“FET-4”表示MOS二极管。晶体管的驱动能力的大小由例如晶体管的通道宽度来定义。基于构造，当有大量电荷要传输时，电荷存储电极14可以由一个晶体管驱动或者由具有小驱动能力的晶体管驱动。这样就可以抑制散光(blooming)的产生。当不再担心散光的产生时，电荷存储电极14可以由两个晶体管驱动或者由具有大驱动能力的晶体管驱动(或者由具有大驱动能力的晶体管和具有小驱动能力的晶体管驱动)。这可以提高电荷传输速度(减少电荷传输时间)。
图101示出了在电子设备(照相机)200中使用包括本公开的成像元件和层叠式成像元件的固态成像装置201的示例的概念图。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和信号处理电路213。光学透镜210使用来自物体的图像光(入射光)成像，以在固态成像装置201的成像表面上形成图像。因此，信号电荷在固态成像装置201中存储一定时间。快门装置211控制固态成像装置201的光照时段和遮光时段。驱动电路212提供用于控制固态成像装置201的传输操作等和快门装置211的快门操作的驱动信号。基于从驱动电路212提供的驱动信号(时序信号)来传输固态成像装置201的信号。信号处理电路213执行各种类型的信号处理。信号处理后的视频信号存储在诸如存储器等存储媒介中，或者被输出到监视器。在电子设备200中，固态成像装置201中的像素尺寸可以小型化，并且可以提高传输效率。因此，可以提高电子设备200中的像素特性。能够应用固态成像装置201的电子设备200不限于相机。固态成像装置201可应用于数码相机、用于移动设备(例如，手机)的相机模块以及其它成像设备。
注意，本公开还能够构造如下。
[A01]<<成像元件：第一方面>
一种成像元件，包括：
光电转换单元，包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，其中
光电转换单元还包括电荷存储电极，电荷存储电极与第一电极分离地布置的并且布置成经由绝缘层面向光电转换层，并且
当光在进入光电转换层之后在光电转换层中发生光电转换时，施加到光电转换层的面向电荷存储电极的一部分的电势的绝对值大于施加到光电转换层的位于成像元件与相邻成像元件之间的区域的电势的绝对值。
[A02]<<成像元件：第二方面>>
一种成像元件，包括：
光电转换单元，包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，其中
光电转换单元还包括电荷存储电极，电荷存储电极与第一电极分离地布置并且布置成经由绝缘层面向光电转换层，并且
光电转换层的位于第一电极和电荷存储电极之间的区域的宽度比光电转换层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域的宽度窄。
[A03]<<成像元件：第三:方面>>
一种成像元件，包括：
光电转换单元，包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，其中
光电转换单元还包括电荷存储电极，电荷存储电极与第一电极分离地布置并且布置成经由绝缘层面向光电转换层，并且
电荷运动控制电极形成在如下区域中：所述区域经由绝缘层面向光电转换层的位于成像元件和相邻成像元件之间的区域。
[A04]<<成像元件：第四方面>>
一种成像元件，包括：
光电转换单元，包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，其中
光电转换单元还包括电荷存储电极，电荷存储电极与第一电极分离地布置并且布置成经由绝缘层面向光电转换层，并且
作为第二电极的替代，在光电转换层的位于成像元件与相邻成像元件之间的区域范围中形成有电荷运动控制电极。
[A05]<<成像元件：第五方面>>
一种成像元件，包括：
光电转换单元，包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，其中
光电转换单元还包括电荷存储电极，电荷存储电极与第一电极分离地布置并且布置成经由绝缘层面向光电转换层，并且
第一电极和电荷存储电极之间的区域中包含的绝缘材料的介电常数的值高于在成像元件与相邻成像元件之间的区域中包含的绝缘材料的介电常数的值。
[A06]<<成像元件：第六方面>>
一种成像元件，包括：
光电转换单元，包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，其中
光电转换单元还包括电荷存储电极，电荷存储电极与第一电极分离地布置并且布置成经由绝缘层面向光电转换层，并且
绝缘层的位于第一电极与电荷存储电极之间的区域的厚度比绝缘层的位于成像元件与相邻成像元件之间的区域的厚度薄。
[A07]<<成像元件：第七方面>>
一种成像元件，包括：
光电转换单元，包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，其中
光电转换单元还包括电荷存储电极，电荷存储电极与第一电极分离地布置并且布置成经由绝缘层面向光电转换层，并且
光电转换层的位于第一电极与电荷存储电极之间的区域的厚度比光电转换层的位于成像元件与相邻成像元件之间的区域的厚度厚。
[A08]<<成像元件：第八方面>>
一种成像元件包括：
光电转换单元，包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，其中
光电转换单元还包括电荷存储电极，电荷存储电极与第一电极分离地布置并且布置成经由绝缘层面向光电转换层，并且
位于第一电极与电荷存储电极之间的光电转换层和绝缘层之间的界面的区域中的固定电荷量小于位于成像元件与相邻成像元件之间的光电转换层和绝缘层之间的界面的区域中的固定电荷量。
[A09]<<成像元件：第九方面>>
一种成像元件包括：
光电转换单元，包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，其中
光电转换单元还包括电荷存储电极，电荷存储电极与第一电极分离地布置并且布置成经由绝缘层面向光电转换层，并且
光电转换层的位于第一电极与电荷存储电极之间的区域中的电荷迁移率的值大于光电转换层的位于成像元件与相邻成像元件之间的区域中的电荷迁移率的值。
[A10]
根据[A03]的成像元件，进一步包括：
设置在半导体基板上并包括驱动电路的控制单元，其中
第一电极、第二电极、电荷存储电极和电荷运动控制电极连接到驱动电路，
在电荷存储期间，驱动电路将电势V11施加到第一电极，将电势V12施加到电荷存储电极，并将电势V13施加到电荷运动控制电极，并且电荷存储在光电转换层中，并且
在电荷传输期间，驱动电路将电势V21施加到第一电极，将电势V22施加到电荷存储电极，并将电势V23施加到电荷运动控制电极，并且存储在光电转换层中的电荷通过第一电极而被读出到控制单元，其中
在第一电极的电势高于第二电极电势的情况下
保持V12≥V11、V12>V13和V21>V22>V23，并且
在第一电极的电势低于第二电极电势的情况下
保持V12≤V11、V12<V13和V21<V22<V23。
[A11]
根据[A04]的成像元件，进一步包括：
设置在半导体基板上并包括驱动电路的控制单元，其中
第一电极、第二电极、电荷存储电极和电荷运动控制电极连接到驱动电路，
在电荷存储期间，驱动电路将电势V2'施加到第二电极，并将电势V13'施加到电荷运动控制电极，并且电荷存储在光电转换层中，并且
在电荷传输期间，驱动电路将电势V2”施加到第二电极，并将电势V23”施加到电荷运动控制电极，并且存储在光电转换层中的电荷通过第一电极而被读出到控制单元，其中
在第一电极的电势高于第二电极的电势的情况下
保持V2'≥V13'和V2"≥V23"，并且
在第一电极的电势低于第二电极的电势的情况下
保持V2'≤V13'和V2”≤V23”。
[A12]
根据[A01]至[A11]中的任一者的成像元件，进一步包括：
半导体基板，其中
光电转换单元布置在半导体基板的上侧。
[A13]
根据[A01]至[A12]中的任一者的成像元件，进一步包括：
传输控制电极，所述传输控制电极布置在第一电极与电荷存储电极之间，与第一电极和电荷存储电极分离地布置，并且布置成经由绝缘层面向光电转换层。
[A14]
根据[A01]至[A13]中的任一者的成像元件，其中
电荷存储电极包括多个电荷存储电极区段。
[A15]
根据[A01]至[A14]中的任一者的成像元件，其中
电荷存储电极的尺寸比第一电极的尺寸大。
[A16]
根据[A01]至[A15]中的任一者的成像元件，其中
第一电极在设置于绝缘层中的开口部中延伸并连接到光电转换层。
[A17]
根据[A01]至[A15]中的任一者的成像元件，其中
光电转换层在设置于绝缘层中的开口部中延伸并连接到第一电极。
[A18]
根据[A17]的成像元件，其中，
第一电极的顶部表面的边缘部分被绝缘层覆盖，
第一电极暴露在开口部的底面上，并且
开口部的侧表面是倾斜的以从第一表面向第二表面延伸，其中第一表面是绝缘层的与第一电极的顶部表面接触的表面，第二表面是绝缘层的与光电转换层的面向电荷存储电极的部分接触的表面。
[A19]
根据[A18]的成像元件，其中，
开口部的从第一表面朝向第二表面倾斜延伸的侧表面位于电荷存储电极侧。
[A20]<<第一电极和电荷存储电极的电势的控制>>
根据[A01]至[A19]中的任一者的成像元件，进一步包括：
设置在半导体基板上并包括驱动电路的控制单元，其中
第一电极和电荷存储电极连接到驱动电路，
在电荷存储期间，驱动电路将电势V11施加到第一电极上，并将电势V12施加到电荷存储电极上，并且电荷存储在光电转换层中，并且
在电荷传输期间，驱动电路将电势V21施加到第一电极，并将电势V22施加到电荷存储电极，并且存储在光电转换层中的电荷通过第一电极而被读出到控制单元，其中
在第一电极的电势高于第二电极的电势的情况下
保持V12≥V11和V22<V21，并且
在第一电极的电势低于第二电极的电势的情况下
保持V12≤V11和V22>V21。
[A21]<<电荷存储电极区段>>
根据[A01]至[A13]中的任一者的成像元件，其中
电荷存储电极包括多个电荷存储电极区段。
[A22]
根据[A21]的成像元件，其中
在第一电极的电势高于第二电极的电势的情况下，在电荷传输期间，施加到位于最靠近第一电极的位置处的电荷存储电极区段的电势高于施加到位于距第一电极最远的位置处的电荷存储电极区段的电势，并且
在第一电极的电势低于第二电极的电势的情况下，在电荷传输期间，施加到位于最靠近第一电极的位置处的电荷存储电极区段的电势低于施加到位于距第一电极最远的位置处的电荷存储电极区段的电势。
[A23]
根据[A01]至[A22]中的任一者的成像元件，其中
控制单元中包括的至少浮动扩散层和放大晶体管设置在半导体基板上，并且
第一电极连接到浮动扩散层和放大晶体管的栅极部。
[A24]
根据[A23]的成像元件，其中
控制单元中包括的复位晶体管和选择晶体管进一步设置在半导体基板上，
浮动扩散层连接到复位晶体管的一个源极/漏极区域，
放大晶体管的一个源极/漏极区域连接到选择晶体管的一个源极/漏极区域，选择晶体管的另一个源极/漏极区连接到信号线。
[A25]
根据[A01]至[A24]中的任一者的成像元件，其中
光从第二电极侧入射，并且在更靠近第二电极的光入射侧上形成有遮光层。
[A26]
根据[A01]至[A24]中的任一者的成像元件，其中
光从第二电极侧入射，而光不入射在第一电极上。
[A27]
根据[A26]的成像元件，其中
在第一电极的上侧，遮光层形成在更靠近第二电极的光入射侧。
[A28]
根据[A26]的成像元件，其中
在电荷存储电极和第二电极的上侧设置有片上微透镜，
入射到片内微透镜上的光由电荷存储电极收集。
[A29]
根据[A01]至[A28]中的任一者的成像元件，其中
电荷存储电极由两个晶体管驱动，
电荷存储电极在电荷传输期的初期由一个晶体管驱动，电荷存储电极在电荷传输期的后期同时由两个晶体管驱动。
[A30]
根据[A01]至[A28]中的任一者的成像元件，其中
电荷存储电极由驱动能力大的晶体管和驱动能力小的晶体管驱动，
电荷存储电极在电荷传输期的初期由驱动能力小的晶体管驱动，电荷存储电极在电荷传输期的后期由驱动能力大的晶体管驱动。
[B01]<<成像元件：第一构造>>
根据[A01]至[A30]中的任一者的成像元件，其中
光电转换单元包括N(其中N≥2)个光电转换单元区段，
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，
电荷存储电极包括N个电荷存储电极区段，
第n(其中n＝1，2，3，···N)光电转换单元区段包括第n电荷存储电极区段、第n绝缘层区段和第n光电转换层区段，
光电转换单元区段的n值越大，则该光电转换单元区段的位置距第一电极越远，并且
绝缘层区段的厚度从第一光电转换单元区段到第N光电转换单元区段逐渐变化。
[B02]<<成像元件：第二构造>>
根据[A01]至[A30]中的任一者的成像元件，其中
光电转换单元包括N(其中N≥2)个光电转换单元区段，
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，
电荷存储电极包括N个电荷存储电极区段，
第n(其中n＝1，2，3，···N)光电转换单元区段包括第n电荷存储电极区段、第n绝缘层区段和第n光电转换层区段，
光电转换单元区段的n值越大，则该光电转换单元区段的位置距第一电极越远，且
光电转换层区段的厚度从第一光电转换单元区段到第N光电转换单元区段逐渐变化。
[B03]<<成像元件：第三构造>>
根据[A01]至[A30]中的任一者的成像元件，其中
光电转换单元包括N(其中N≥2)个光电转换单元区段，
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，
电荷存储电极包括N个电荷存储电极区段，
第n(其中n＝1，2，3，···N)光电转换单元区段包括第n电荷存储电极区段、第n绝缘层区段和第n光电转换层区段，
光电转换单元区段的n值越大，则该光电转换单元区段的位置距第一电极越远，并且
绝缘层区段中包含的材料在相邻光电转换单元区段之间变化。
[B04]<<成像元件：第四构造>>
根据[A01]至[A30]中的任一者的成像元件，其中
光电转换单元包括N(其中N≥2)个光电转换单元区段，
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，
电荷存储电极包括彼此分开布置的N个电荷存储电极区段，
第n(其中n＝1，2，3，···N)光电转换单元区段包括第n电荷存储电极区段、第n绝缘层区段和第n光电转换层区段，
光电转换单元区段的n值越大，则该光电转换单元区段的位置距第一电极越远，并且
电荷存储电极区段中包含的材料在相邻光电转换单元区段之间变化。
[B05]<<成像元件：第五构造>>
根据[A01]至[A30]中的任一者的成像元件，其中
光电转换单元包括N(其中N≥2)个光电转换单元区段，
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，
电荷存储电极包括彼此分开布置的N个电荷存储电极区段，
第n(其中n＝1，2，3，···N)光电转换单元区段包括第n电荷存储电极区段、第n绝缘层区段和第n光电转换层区段，
光电转换单元区段的n值越大，则该光电转换单元区段的位置距第一电极越远，并且
电荷存储电极区段的面积从第一光电转换单元区段到第N光电转换单元区段逐渐减小。
[B06]<<成像元件：第六构造>>
根据[A01]至[A30]中的任一者的成像元件，其中
电荷存储电极、绝缘层和光电转换层的层叠部分的在该层叠部分在YZ虚拟平面上被切割时的横截面积根据距第一电极的距离而变化，其中Z方向是电荷存储电极、绝缘层和光电转换层的层叠方向，X方向是远离第一电极的方向。
[C01]<<层叠式成像元件>>
一种层叠式成像元件，包括至少一个根据[A01]至[B06]中的任一者的成像元件。
[D01]<<固态成像装置：第一方面>>
一种固态成像装置，包括多个根据[A01]至[B06]中的任一者的成像元件。
[D02]<<固态成像装置：第二方面>>
一种固态成像装置，包括多个根据[C01]的层叠式成像元件。
[D03]<<固态成像装置：第一构造>>
一种固态成像装置，包括：
多个根据[A01]至[B06]中的任一者的成像元件，其中
多个成像元件包括在成像元件块中，并且
第一电极由包括在成像元件块中的多个成像元件共用。
[D04]<<固态成像装置：第二构造>>
一种固态成像装置，包括：
多个层叠式成像元件，每个层叠式成像元件包括至少一个根据[A01]至[B06]中的任一者的成像元件，其中
多个层叠式成像元件包括在成像元件块中，并且
第一电极由包括在成像元件块中的多个层叠式成像元件共用。
[D05]
根据[D01]至[D04]中的任一者的固态成像装置，其中
在一个成像元件的上侧设置有一个片上微透镜。
[D06]
根据[D01]至[D04]中的任一者的固态成像装置，其中
两个成像元件包括在成像元件块中，并且
在成像元件块的上侧设置有一个片上微透镜。
[D07]
根据[D01]至[D06]中的任一者的固态成像元件，其中
为多个成像元件设置一个浮动扩散层。
[D08]
根据[D01]至[D07]中的任一者的固态成像装置，其中
第一电极布置为靠近每个成像元件的电荷存储电极。
[D09]
根据[D01]至[D08]中的任一者的固态成像装置，其中
第一电极布置成靠近所述多个成像元件的一部分的电荷存储电极，并且布置成不靠近所述多个成像元件的其余部分的电荷存储电极。
[D10]
根据[D09]的固态成像装置，其中
包括在成像元件中的电荷存储电极与包括在所述成像元件中的电荷存储电极之间的距离大于第一电极与和所述第一电极相邻的成像元件中的电荷存储电极之间的距离。
[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，该固态成像装置包括多个成像元件，所述多个成像元件中的各成像元件包括：
光电转换单元，包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，其中
光电转换单元还包括与第一电极分离地布置的并且布置成经由绝缘层面向光电转换层的电荷存储电极，
光从第二电极侧入射，并且光不入射到第一电极上，
固态成像装置的驱动方法重复以下步骤：
在所有成像元件中，将第一电极中的电荷同时全部释放到系统外部，并且将电荷存储在光电转换层中；随后，
在所有成像元件中将存储在光电转换层中的电荷同时全部传输到第一电极，并且在传输完成后，顺序地读取传输到成像元件中的第一电极的电荷。
参考符号列表
101、102、103···光电转换单元区段，11···第一电极，12···第二电极，13···光电转换层，13A···光电转换层的位于第一电极和电荷存储电极之间的区域(光电转换层的区域A)，13B···光电转换层的位于成像元件与相邻成像元件之间的区域(光电转换层的区域B)，13C···光电转换层的面向电荷存储电极的部分，13DN、13DN′···光电转换层的下层，13UP、13UP′···光电转换层的上层，14···电荷存储电极，14A、14B、14C···电荷存储电极区段，15、15A、15B··传输控制电极(电荷传输电极)，21···电荷运动控制电极，22···焊盘部，23···连接孔，24，241，242···电荷运动控制电极，25···放电电极，41···第二成像元件中包含的n型半导体区，43···第三成像元件中包含的n型半导体区域，42、44、73··p+层、FD1、FD2、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，V0A、V0B、V0T、V0U···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···半导体基板的第一表面(前表面)，70B···半导体基板的第二表面(后表面)，71···元件分离区域，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···第一电极和电荷存储电极之间的区域(区域a)，82B···成像元件与相邻成像元件之间的区域(区域b)，82A′···绝缘材料A，82B′···绝缘材料B，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···位于层间绝缘层的下侧的各种成像元件组成元件，92···遮光层，100···固态成像装置，101···层叠式成像元件，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(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 (8)

1.一种成像元件，其包括：
光电转换单元，所述光电转换单元包括层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，其中，
所述光电转换单元还包括电荷存储电极，所述电荷存储电极被布置成与所述第一电极分离并且布置成经由绝缘层面向所述光电转换层，并且
包括在所述第一电极与所述电荷存储电极之间的区域中的绝缘材料的介电常数的值高于包括在所述成像元件与相邻成像元件之间的区域中的绝缘材料的介电常数的值。
2.根据权利要求1所述的成像元件，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侧。
3.根据权利要求1所述的成像元件，还包括：
传输控制电极，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，与所述第一电极和所述电荷存储电极分离地布置，并且布置为经由所述绝缘层面向所述光电转换层。
4.根据权利要求1所述的成像元件，其中
所述电荷存储电极包括多个电荷存储电极区段。
5.根据权利要求1所述的成像元件，其中
所述电荷存储电极的尺寸比所述第一电极的大。
6.一种层叠式成像元件，包括至少一个根据权利要求1至5中任一项所述的成像元件。
7.一种固态成像装置，包括多个根据权利要求1至5中任一项所述的成像元件。
8.一种固态成像装置，包括多个根据权利要求6所述的层叠式成像元件。
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