CN115881743A - 摄像元件、层叠型摄像元件和摄像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及摄像元件、层叠型摄像元件和摄像装置。摄像元件包括具有第一电极、光电转换层、第二电极、绝缘层和电荷存储电极的光电转换单元。所述绝缘层包括N个绝缘层段，其中N大于或等于2。所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间。所述光电转换单元包括N个光电转换单元段，第n个光电转换单元段包括所述电荷存储电极、第n个绝缘层段和所述光电转换层，其中n＝1,2,3...,N，随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且第1个光电转换单元段中的所述绝缘层段的厚度不同于第N个光电转换单元段中的所述绝缘层段的厚度。
Description
本申请是申请日为2017年11月14日、发明名称为“摄像元件、层叠型摄像元件和固态摄像装置”的申请号为201780070841.1的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及摄像元件、层叠型摄像元件和固态摄像装置。
背景技术
将有机半导体材料用于光电转换层的摄像元件能够对特定颜色(波段)进行光电转换。此外，由于具有该特性，在将该摄像元件用作固态摄像装置中的摄像元件的情况下，能够获得如下的子像素层叠结构(层叠型摄像元件)：其中，子像素由片上滤色器(OCCF：on-chip color filter)和摄像元件的组合形成，并且子像素被二维布置着，这种子像素层叠结构在传统的固态摄像装置中是不可能实现的(例如，参见JP2011-138927A)。此外，由于不需要去马赛克处理，因此其优点在于不会出现伪色。此外，在以下描述中，为了方便，将包括设置在半导体基板上或上方的光电转换单元的摄像元件称为“第一类型摄像元件”；为了方便，将形成第一类型摄像元件的光电转换单元称为“第一类型光电转换单元”；为了方便，将设置在半导体基板内的摄像元件称为“第二类型摄像元件”；并且为了方便，将形成第二类型摄像元件的光电转换单元称为“第二类型光电转换单元”。
图60示出了传统的层叠型摄像元件(层叠型固态摄像装置)的结构示例。在图60所示的示例中，作为形成第三摄像元件330的第二类型光电转换单元的第三光电转换单元331和作为形成第二摄像元件320的第二类型光电转换单元的第二光电转换单元321层叠成型。此外，作为第一类型光电转换单元的第一光电转换单元311设置在半导体基板370上方(具体地，在第二摄像元件320上方)。这里，第一光电转换单元311包括第一电极311、由有机材料形成的光电转换层315和第二电极316，并且第一光电转换单元311形成作为第一类型摄像元件的第一摄像元件310。例如，由于吸收系数的差异，在第二光电转换单元321和第三光电转换单元331中分别对蓝色光和红色光进行光电转换。此外，例如，在第一光电转换单元311中对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中的光电转换而产生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，然后，通过垂直晶体管(示出了栅极部322)和传输晶体管(示出了栅极部332)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，并且将这些电荷进一步输出到外部读出电路(未示出)。这些晶体管以及浮动扩散层FD2和FD3也形成在半导体基板370内。
通过第一光电转换单元311中的光电转换而产生的电荷经由接触孔部361和布线层362存储在形成于半导体基板370内的第一浮动扩散层FD1中。此外，第一光电转换单元311也经由接触孔部361和布线层362连接至将电荷量转换为电压的放大晶体管的栅极部318。此外，第一浮动扩散层FD1形成复位晶体管(示出了栅极部317)的一部分。另外，附图标记371是元件隔离区，附图标记372是形成在半导体基板370的表面上的氧化膜，附图标记376和381是层间绝缘层，附图标记383是保护层，且附图标记390是片上微透镜。
引用列表
专利文献
PTL 1：JP 2011-138927A
发明内容
技术问题
通过第二光电转换单元321和第三光电转换单元331中的光电转换而产生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，然后，将这些电荷传输到第二浮动扩散层FD2和第三浮动扩散层FD3。因此，可以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中的光电转换而产生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。此外，作为上述情况的结果，kTC噪声增加，随机噪声恶化，并且拍摄到的图像的图像质量劣化。此外，对更容易且更可靠地传输通过第一光电转换单元311中的光电转换而产生的电荷也有强烈的需求。此外，对布置有多个摄像元件的像素区域中的构造和结构的简化和小型化也有强烈的需求。
因此，期望提供一种将光电转换单元设置在半导体基板上或上方并且具有能够抑制图像质量劣化以及更容易且更可靠地传输通过光电转换产生的电荷的构造和结构的摄像元件、由该摄像元件形成的层叠型摄像元件、以及具有该摄像元件或该层叠型摄像元件的固态摄像装置。此外，期望提供一种具有多个将光电转换单元设置在半导体基板上或上方并且可以抑制图像质量劣化的摄像元件而且能够使布置有多个该摄像元件的像素区域中的构造和结构简化和小型化的固态摄像装置。
解决问题的技术方案
根据本发明的第一方面至第六方面，摄像元件包括通过层叠第一电极、光电转换层和第二电极而形成的光电转换单元，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设置成与所述第一电极间隔开，并且被设置成经由绝缘层面对所述光电转换层，所述光电转换单元由N(其中N≥2)个光电转换单元段形成，所述光电转换层由N个光电转换层段形成，并且所述绝缘层由N个绝缘层段形成。
在根据本发明的第一方面至第三方面的摄像元件中，所述电荷存储电极由N个电荷存储电极段形成。
在根据本发明的第四方面至第五方面的摄像元件中，所述电荷存储电极由N个被设置成彼此间隔开的电荷存储电极段形成，第n(其中n＝1,2,3...,N)个光电转换单元段由第n个电荷存储电极段、第n个绝缘层段和第n个光电转换层段形成，并且随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远。
在根据本发明的第一方面的摄像元件中，所述绝缘层段的厚度从第一个光电转换单元段到第N个光电转换单元段逐渐变化。
在根据本发明的第二方面的摄像元件中，所述光电转换层段的厚度从第一个光电转换单元段到第N个光电转换单元段逐渐变化。
在根据本发明的第三方面的摄像元件中，形成所述绝缘层段的材料与相邻的光电转换单元段不同。
在根据本发明的第四方面的摄像元件中，形成所述电荷存储电极段的材料与相邻的光电转换单元段不同。
在根据本发明的第五方面的摄像元件中，所述电荷存储电极段的面积从第一个光电转换单元段到第N个光电转换单元段逐渐减小。此外，所述面积可以连续地减小或逐步地减小。
根据本发明的第六方面，摄像元件包括通过层叠第一电极、光电转换层和第二电极而形成的光电转换单元，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设置成与所述第一电极间隔开，并且被设置成经由绝缘层面对所述光电转换层，在将所述电荷存储电极、所述绝缘层和所述光电转换层的层叠方向定义为Z方向并将远离所述第一电极的方向定义为X方向的情况下，当在YZ虚拟平面内切割所述电荷存储电极、所述绝缘层和所述光电转换层层叠的层叠部分时，所述层叠部分的横截面积根据与所述第一电极之间的距离而改变。此外，所述截面面积可以连续地变化或逐步地变化。
根据本发明的一个方面的层叠型摄像元件包括至少一个根据本发明的第一方面至第六方面的摄像元件。
根据本发明的第一方面，固态摄像装置包括通过层叠第一电极、光电转换层和第二电极而形成的光电转换单元，所述光电转换单元还包括多个摄像元件，所述多个摄像元件中的每个摄像元件包括电荷存储电极，所述电荷存储电极被设置成与所述第一电极间隔，并且被设置成经由绝缘层面对所述光电转换层，摄像元件块由多个所述摄像元件形成，并且所述第一电极由形成所述摄像元件块的多个所述摄像元件共用。
根据第二方面的固态摄像装置包括多个根据本发明的第一方面至第七方面的所述摄像元件，摄像元件块由多个所述摄像元件形成，并且所述第一电极由形成所述摄像元件块的多个所述摄像元件共用。
根据第三方面的固态摄像装置包括多个根据本发明的第一方面至第六方面的所述摄像元件。另外，根据本发明的第四方面的固态摄像装置包括多个根据本发明的一个方面的所述层叠型摄像元件。
根据本发明的实施例，摄像元件包括光电转换单元。所述光电转换单元可以包括第一电极、光电转换层、第二电极、绝缘层和电荷存储电极，所述绝缘层包括N个绝缘层段，其中N大于或等于2，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间。所述光电转换单元可以包括N个光电转换单元段，其中第n(其中n＝1,2,3...,N)个光电转换单元段包括所述电荷存储电极、第n个绝缘层段和所述光电转换层。随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且第一个光电转换单元段中的所述绝缘层段的厚度不同于第N个光电转换单元段中的所述绝缘层段的厚度。
根据本发明的实施例，摄像元件包括光电转换单元。所述光电转换单元包括第一电极、光电转换层、第二电极、绝缘层和电荷存储电极，所述光电转换层包括N个光电转换层段，其中N大于或等于2，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间。所述光电转换单元可以包括N个光电转换单元段，其中第n(其中n＝1,2,3...,N)个光电转换单元段由所述电荷存储电极、第n个光电转换层段和所述绝缘层形成。随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且第一个光电转换单元段中的所述光电转换层段的厚度不同于第N个光电转换单元段中的所述光电转换层段的厚度。
根据本发明的实施例，摄像元件包括光电转换单元。所述光电转换单元包括第一电极、光电转换层、第二电极、绝缘层和电荷存储电极，所述绝缘层包括N个绝缘层段，其中N大于或等于2，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间。所述光电转换单元可以包括N个光电转换单元段，其中第n(其中n＝1,2,3...,N)个光电转换单元段由所述电荷存储电极、第n个绝缘层段和所述光电转换层形成。随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且在相邻的所述光电转换单元段中，形成所述绝缘层段的材料是不同的。
根据本发明的实施例，摄像元件包括光电转换单元。所述光电转换单元可以包括第一电极、光电转换层、第二电极、绝缘层和电荷存储电极，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间。所述电荷存储电极可以包括N个彼此间隔开的电荷存储电极段，其中N大于或等于2。所述光电转换单元可以包括N个光电转换单元段，其中第n(其中n＝1,2,3...,N)个光电转换单元段由第n个电荷存储电极段、所述绝缘层和所述光电转换层形成。随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且在相邻的所述光电转换单元段中，形成所述电荷存储电极段的材料是不同的。
根据本发明的实施例，摄像元件可以包括光电转换单元。所述光电转换单元可以包括第一电极、光电转换层、第二电极、绝缘层和电荷存储电极，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间。所述电荷存储电极可以包括N个电荷存储电极段，其中N大于或等于2。所述光电转换单元可以包括N个光电转换单元段。第n(其中n＝1,2,3...,N)个光电转换单元段由第n个电荷存储电极段、所述绝缘层和所述光电转换层形成。随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且第一个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段的面积不同于第N个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段的面积。
根据本发明的实施例，摄像元件包括光电转换单元。所述光电转换单元包括第一电极、光电转换层、第二电极、绝缘层和电荷存储电极，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间。在将所述电荷存储电极、所述绝缘层和所述光电转换层的层叠方向定义为Z方向并且将远离所述第一电极的方向定义为X方向的情况下，包括所述电荷存储电极、所述绝缘层和所述光电转换层的层叠部分在YZ虚拟平面内的横截面积基于与所述第一电极之间的距离而改变。
根据本发明的实施例，摄像装置包括光电转换单元。所述光电转换单元可以包括第一电极、光电转换层、第二电极、绝缘层和多个摄像元件，所述多个摄像元件中的每个摄像元件包括电荷存储电极，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间。摄像元件块可以包括多个所述摄像元件，并且所述第一电极由所述摄像元件块中的多个所述摄像元件共用。
本发明的有益效果
根据本发明的第一方面至第六方面的摄像元件、根据本发明的一个方面的形成根据本发明的一个方面的层叠型摄像元件的摄像元件、以及形成根据本发明的第一方面至第四方面的固态摄像装置的摄像元件包括电荷存储电极，所述电荷存储电极被设置成与第一电极间隔开并且被设置成经由绝缘层面对光电转换层，因此当用光照射光电转换单元并在光电转换单元中发生光电转换时，可以存储光电转换层的电荷。因此，在曝光开始时，变得可以完全耗尽电荷存储部并可以清除电荷。结果，可以抑制下列现象的发生：kTC噪声增加，随机噪声恶化和图像质量劣化。此外，在根据本发明的第一方面至第六方面的摄像元件、根据本发明的一个方面的应用摄像元件的层叠型摄像元件、以及根据本发明的第一方面至第四方面的固态摄像装置中，定义绝缘层段的厚度，或定义光电转换层段的厚度，或形成绝缘层段的材料是不同的，或形成电荷存储电极段的材料是不同的，或定义电荷存储电极段的面积，或定义层叠部分的横截面积，从而形成一种电荷传输梯度，并且可以更容易且更可靠地将通过光电转换产生的电荷传输到第一电极。此外，结果，可以防止出现余像(afterimage)和传输残留。此外，在根据本发明的第一方面至第二方面的固态摄像装置中，由于第一电极由形成摄像元件块的多个摄像元件共用，因此布置有多个摄像元件的像素区域的构造和结构可以简化和小型化。此外，本说明书中所述的效果仅是示例，而不是限制性的，并且可以提供额外的效果。
附图说明
图1是实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件的示意性局部截面图。
图2是在实施例1的摄像元件中电荷存储电极、光电转换层和第二电极层叠的放大部分的示意性局部截面图。
图3是实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件的等效电路图。
图4是实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件的等效电路图。
图5是形成实施例1的摄像元件的第一电极和电荷存储电极以及形成控制单元的晶体管的示意性布置图。
图6是示意性地示出了在实施例1的摄像元件的操作期间内各部件的电位状态的视图。
图7是形成实施例1的摄像元件的第一电极和电荷存储电极的示意性布置图。
图8是形成实施例1的摄像元件的第一电极、电荷存储电极、第二电极和接触孔部的示意性立体图。
图9是实施例1的固态摄像装置的概念图。
图10是实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件的变型例的等效电路图。
图11是形成图10所示的实施例1的摄像元件的变型例的第一电极和电荷存储电极以及形成控制单元的晶体管的示意性布置图。
图12是在实施例2的摄像元件中电荷存储电极、光电转换层和第二电极层叠的放大部分的示意性局部截面图。
图13是实施例3的摄像元件和层叠型摄像元件的示意性局部截面图。
图14是实施例4和5的摄像元件和层叠型摄像元件的示意性局部截面图。
图15A示出了实施例5中的电荷存储电极段的示意性平面图。
图15B示出了实施例5中的电荷存储电极段的示意性平面图。
图16A示出了实施例5中的电荷存储电极段的示意性平面图。
图16B示出了实施例5中的电荷存储电极段的示意性平面图。
图17是实施例5的摄像元件和层叠型摄像元件的等效电路图。
图18是实施例5的摄像元件和层叠型摄像元件的等效电路图。
图19是形成实施例5的摄像元件的第一电极和电荷存储电极以及形成控制单元的晶体管的示意性布置图。
图20是示意性地示出了在实施例5的摄像元件的操作期间内各部件的电位状态的视图。
图21是示意性地示出了在实施例5的摄像元件的其他操作(传输等)期间内各部件的电位状态的视图。
图22是形成实施例5的摄像元件的变型例的第一电极和电荷存储电极的示意性布置图。
图23是实施例6和5的摄像元件和层叠型摄像元件的示意性局部截面图。
图24A示出了实施例6中的电荷存储电极段的示意性平面图。
图24B示出了实施例6中的电荷存储电极段的示意性平面图。
图25是实施例7的固态摄像装置中的第一电极和电荷存储电极段的示意性平面图。
图26是实施例7的固态摄像装置中的第一电极和电荷存储电极段的第一变型例的示意性平面图。
图27是实施例7的固态摄像装置中的第一电极和电荷存储电极段的第二变型例的示意性平面图。
图28是实施例7的固态摄像装置中的第一电极和电荷存储电极段的第三变型例的示意性平面图。
图29是实施例7的固态摄像装置中的第一电极和电荷存储电极段的第四变型例的示意性平面图。
图30是实施例7的固态摄像装置中的第一电极和电荷存储电极段的第五变型例的示意性平面图。
图31是实施例7的固态摄像装置中的第一电极和电荷存储电极段的第六变型例的示意性平面图。
图32是实施例7的固态摄像装置中的第一电极和电荷存储电极段的第七变型例的示意性平面图。
图33是实施例7的固态摄像装置中的第一电极和电荷存储电极段的第八变型例的示意性平面图。
图34是实施例7的固态摄像装置中的第一电极和电荷存储电极段的第九变型例的示意性平面图。
图35A是示出了实施例7的摄像元件块中的读出驱动示例的流程图。
图35B是示出了实施例7的摄像元件块中的读出驱动示例的流程图。
图35C是示出了实施例7的摄像元件块中的读出驱动示例的流程图。
图36是实施例8的固态摄像装置中的第一电极和电荷存储电极段的示意性平面图。
图37是根据实施例8的变型例的固态摄像装置中的第一电极和电荷存储电极段的示意性平面图。
图38是根据实施例8的变型例的固态摄像装置中的第一电极和电荷存储电极段的示意性平面图。
图39是根据实施例8的变型例的固态摄像装置中的第一电极和电荷存储电极段的示意性平面图。
图40是实施例9的摄像元件和层叠型摄像元件的示意性局部截面图。
图41是实施例10的摄像元件和层叠型摄像元件的示意性局部截面图。
图42是实施例10的摄像元件和层叠型摄像元件的变型例的示意性局部截面图。
图43是实施例10的摄像元件的另一变型例的示意性局部截面图。
图44是实施例10的摄像元件的又一变型例的示意性局部截面图。
图45是实施例11的摄像元件和层叠型摄像元件的一部分的示意性局部截面图。
图46是形成实施例11的摄像元件的第一电极、电荷存储电极和电荷排出电极的示意性布置图。
图47是形成实施例11的摄像元件的第一电极、电荷存储电极、电荷排出电极、第二电极和接触孔部的示意性立体图。
图48是实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件的另一变型例的示意性局部截面图。
图49是实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件的又一变型例的示意性局部截面图。
图50A示出了实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件的又一变型例的第一电极的放大部分等的示意性局部截面图。
图50B示出了实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件的又一变型例的第一电极的放大部分等的示意性局部截面图。
图50C示出了实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件的又一变型例的第一电极的放大部分等的示意性局部截面图。
图51是实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件的又一变型例的电荷排出电极的放大部分等的示意性局部截面图。
图52是实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件的又一变型例的示意性局部截面图。
图53是实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件的又一变型例的示意性局部截面图。
图54是实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件的又一变型例的示意性局部截面图。
图55是实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件的又一变型例的示意性局部截面图。
图56是实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件的又一变型例的示意性局部截面图。
图57是在实施例1的摄像元件的变型例中电荷存储电极、光电转换层和第二电极层叠的放大部分的示意性局部截面图。
图58是在实施例2的摄像元件的变型例中电荷存储电极、光电转换层和第二电极层叠的放大部分的示意性局部截面图。
图59是由根据本发明的实施例的摄像元件和层叠型摄像元件形成的固态摄像装置用于电子设备(照相机)200的示例的概念图。
图60是传统的层叠型摄像元件(层叠型固态摄像装置)的概念图。
具体实施方式
在下文中，将基于参照附图的示例来说明本发明的实施例，但是本发明并不限于这些示例，并且这些示例中的各种数值和材料仅是说明性的。此外，将按以下顺序进行说明。
1.根据本发明的第一方面至第六方面的摄像元件、根据本发明的一个方面的层叠型摄像元件、以及根据本发明的第一方面至第四方面的固态摄像装置的整体说明。
2.实施例1(根据本发明的第一方面和本发明的第六方面的摄像元件、根据本发明的一个方面的层叠型摄像元件、以及根据本发明的第四方面的固态摄像装置)
3.实施例2(根据本发明的第二方面和本发明的第六方面的摄像元件)
4.实施例3(根据本发明的第三方面的摄像元件)
5.实施例4(根据本发明的第四方面的摄像元件)
6.实施例5(根据本发明的第五方面的摄像元件)
7.实施例6(根据本发明的第六方面的摄像元件)
8.实施例7(根据本发明的第一方面至第二方面的固态摄像装置)
9.实施例8(实施例7的变型例)
10.实施例9(实施例1至6的变型例)
11.实施例10(实施例1至6以及实施例9的变型例)
12.实施例11(实施例1至6以及实施例9至10的变型例)
13.其他
(根据本发明的第一方面至第六方面的摄像元件、根据本发明的一个方面的层叠型摄像元件、以及根据本发明的第一方面至第四方面的固态摄像装置的整体说明)
在根据本发明的第一方面至第二方面的固态摄像装置中，传输控制电极可以设置在形成摄像元件块的多个摄像元件之间。
传输控制电极可以在第一电极侧形成为与第一电极或电荷存储电极相同的电平，或者可以形成为不同的电平。可替代地，传输控制电极可以在第二电极侧形成为与第二电极相同的电平，或者可以形成为不同的电平。此外，在根据本发明的第一方面至第二方面的包括本优选实施例的固态摄像装置中，一个摄像元件上方可以设置有一个片上微透镜，可替代地，摄像元件块可以由两个摄像元件组成，并且一个摄像元件块上方可以设置有一个片上微透镜。
在根据本发明的第一方面至第二方面的固态摄像装置中，针对多个摄像元件设置一个浮动扩散层。这里，针对一个浮动扩散层设置的多个摄像元件可以由多个下述的第一类型摄像元件形成，或者可以由至少一个第一类型摄像元件和至少一个下述的第二类型摄像元件形成。此外，通过适当地控制电荷传输时段的时序，多个摄像元件可以共用一个浮动扩散层。多个摄像元件彼此相关联地操作，并且作为摄像元件块连接到下述的驱动电路。即，形成摄像元件块的多个摄像元件连接到一个驱动电路。然而，对各个摄像元件执行电荷存储电极的控制。此外，多个摄像元件可以共用一个接触孔部。由多个摄像元件共用的第一电极和各个摄像元件的电荷存储电极之间的布置关系可以使得第一电极和各个摄像元件的电荷存储电极相邻设置。可替代地，第一电极可以与多个摄像元件的电荷存储电极的一部分相邻设置，并且可以与多个摄像元件的其余电荷存储电极非相邻设置。在这种情况下，电荷从多个摄像元件的其余部分到第一电极的移动是通过多个摄像元件的一部分的移动。优选地，形成摄像元件的电荷存储电极和形成摄像元件的电荷存储电极之间的距离(为了方便，称为“距离A”)大于第一电极和与该第一电极相邻的摄像元件中的电荷存储电极之间的距离(为了方便，称为“距离B”)，因为可以确保电荷从各个摄像元件到第一电极的移动。此外，优选地，增大离第一电极较远的摄像元件的距离A的值。
在根据本发明的第一方面至第五方面的摄像元件中，n值越大的光电转换单元段离第一电极越远，但是其是否远离第一电极是基于X方向来确定的。此外，在根据本发明的第六方面的摄像元件中，将远离第一电极的方向定义为X方向。即，排列有多个摄像元件或多个层叠型摄像元件的像素区域由以二维阵列(即，在X方向和Y方向上)规则布置的多个像素形成。在像素的平面形状是矩形的情况下，将最靠近第一电极的一侧延伸的方向定义为Y方向，并将与Y方向正交的方向定义为X方向。可替代地，在像素的平面形状是任意形状的情况下，将包括最靠近第一电极的线段或曲线的整体方向(overall direction)定义为Y方向，并且将与Y方向正交的方向定义为X方向。
优选地，位于光入射侧的第二电极由多个摄像元件共用。即，第二电极可以是所谓的固体电极。光电转换层可以由多个摄像元件共用，即一层光电转换层可以形成在多个摄像元件中，或者可以针对各个摄像元件设置光电转换层。
在根据本发明的第一方面至第二方面的摄像元件中，N个光电转换层段串联设置，N个绝缘层段也串联设置，并且N个存储电极段也串联设置。在根据本发明的第三方面至第五方面的摄像元件中，N个光电转换层段串联设置。此外，在根据本发明的第四方面和第五方面的摄像元件中，N个绝缘层段串联设置，同时N个绝缘层段设置成对应于根据本发明的第三方面的摄像元件中的各个光电转换单元段。此外，在根据本发明的第四方面至第五方面的摄像元件中，并且在一些情况下，在根据本发明的第三方面的摄像元件中，N个电荷存储电极段设置成对应于各个光电转换单元段。此外，在根据本发明的第一方面至第六方面的摄像元件中，向所有电荷存储电极段施加相同电位。可替代地，在根据本发明的第四方面至第五方面的摄像元件中，并且在一些情况下，在根据本发明的第三方面的摄像元件中，可以向N个电荷存储电极段中的各者施加不同电位。
根据本发明的第一方面至第六方面的摄像元件或根据第一方面至第六方面的形成根据本发明的实施例的层叠型摄像元件的摄像元件、根据本发明的第一方面至第二方面的包括上述优选实施例的固态摄像装置、形成根据本发明的第三方面至第四方面的固态摄像装置的摄像元件(在下文中，将这些摄像元件统称为“根据本发明的实施例的摄像元件等”)还可以包括半导体基板，其中光电转换单元可以设置在半导体基板上方。此外，第一电极、电荷存储电极和第二电极连接到下述的驱动电路。
此外，在根据本发明的实施例的包括上述各种优选实施例的摄像元件等中，第一电极可以在设置于绝缘层中的开口中延伸并且可以连接到光电转换层。可替代地，光电转换层可以在设置于绝缘层中的开口中延伸并且可以连接到第一电极，而且在这种情况下，第一电极的顶表面的边缘覆盖有绝缘层，第一电极暴露在开口的底表面上，当将绝缘层的与第一电极的顶表面接触的表面定义为第一表面并且将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定义为第二表面时，开口的侧表面可以具有从第一表面朝向第二表面延伸的斜坡，此外，开口的具有从第一表面朝向第二表面延伸的斜坡的侧表面可以位于电荷存储电极侧。此外，包括如下的实施例：其中，在光电转换层和第一电极之间形成有另一层(例如，在光电转换层和第一电极之间形成有适合于电荷存储的材料层的实施例)。
此外，根据本发明的实施例的包括上述各种优选实施例的摄像元件等还可以包括设置在半导体基板上并且具有驱动电路的控制单元，其中第一电极和电荷存储电极可以连接到该驱动电路，在电荷存储时段内，可以从驱动电路将电位V11施加到第一电极，并且可以将电位V12施加到电荷存储电极，电荷可以存储在光电转换层中。在电荷传输时段内，可以从驱动电路将电位V21施加到第一电极，并且可以将电位V22施加到电荷存储电极，并且控制单元可以通过第一电极读取存储在光电转换层中的电荷。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，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。
在下文中，将说明第一电极的电位高于第二电极的电位的情况。这里，在第一电极的电位低于第二电极的电位的情况下，仅需要使电位电平(potential level)反转。
在根据本发明的第一方面的摄像元件中，绝缘层段的厚度从第一个光电转换单元段到第N个光电转换单元段逐渐变化，但绝缘层段的厚度可以逐渐增大或减小，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，可以采用绝缘层段的厚度逐渐增大的构造，并且在要存储的电荷是空穴的情况下，可以采用绝缘层段的厚度逐渐减小的构造。在这种情况下，在电荷存储时段内|V12|≥|V11|的状态下，第n个光电转换单元段可以存储比第(n+1)个光电转换单元段更多的电荷，并且可以向其施加强电场，从而可靠地防止电荷从第一个光电转换单元段流向第一电极。此外，在电荷传输时段内|V22|<|V21|的状态下，可以可靠地确保电荷从第一个光电转换单元段流向第一电极和电荷从第(n+1)个光电转换单元段流向第n个光电转换单元段。
在根据本发明的第二方面的摄像元件中，光电转换层段的厚度从第一个光电转换单元段到第N个光电转换单元段逐渐变化，但光电转换层段的厚度可以逐渐增大或减小，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，可以采用光电转换层段的厚度逐渐增大的构造，并且在要存储的电荷是空穴的情况下，可以采用光电转换层段的厚度逐渐减小的构造。此外，在光电转换层段的厚度逐渐增大且在电荷存储时段内V12≥V11的情况下，以及在光电转换层段的厚度逐渐减小且在电荷传输时段内V12≤V11的情况下，对第n个光电转换单元段施加比第(n+1)个光电转换单元段更强的电场，从而可靠地防止电荷从第一个光电转换单元段流向第一电极。此外，在光电转换层段的厚度逐渐增大且在电荷存储时段内V22<V21的情况下，以及在光电转换层段的厚度逐渐减小且在电荷传输时段内V22>V21的情况下，可以可靠地确保电荷从第一个光电转换单元段流向第一电极和电荷从第(n+1)个光电转换单元段流向第n个光电转换单元段。
在根据本发明的第三方面的摄像元件中，形成绝缘层段的材料与相邻的光电转换单元段不同，从而形成电荷传输梯度，但优选地，形成绝缘层段的材料的相对介电常数的值从第一个光电转换单元段到第N个光电转换单元段逐渐减小。当采用这种构造时，在电荷存储时段内V12≥V11的状态下，第n个光电转换单元段可以存储比第(n+1)个光电转换单元段更大的电荷量。此外，在电荷传输时段内V22<V21的状态下，可以可靠地确保电荷从第一个光电转换单元段流向第一电极和电荷从第(n+1)个光电转换单元段流向第n个光电转换单元段。
在根据本发明的第四方面的摄像元件中，形成电荷存储电极段的材料与相邻的光电转换单元段不同，从而形成电荷传输梯度，但优选地，形成绝缘层段的材料的功函数的值从第一个光电转换单元段到第N个光电转换单元段逐渐增大。此外，当采用这种构造时，可以形成有利于信号电荷传输的电位梯度，而不依赖于电压的正/负极性。
在根据本发明的第五方面的摄像元件中，电荷存储电极段的面积从第一个光电转换单元段到第N个光电转换单元段逐渐减小。结果，形成一种电荷传输梯度，因此，当在电荷存储时段内V12≥V11时，第n个光电转换单元段存储比第(n+1)个光电转换单元段更大的电荷量。此外，当在电荷传输时段内V22<V21时，可以可靠地确保电荷从第一个光电转换单元段流向第一电极和电荷从第(n+1)个光电转换单元段流向第n个光电转换单元段。此外，在电荷传输时段期间内V22<V21的状态下，可以可靠地确保电荷从第一个光电转换单元段流向第一电极和电荷从第(n+1)个光电转换单元段流向第n个光电转换单元段。
在根据本发明的第六方面的摄像元件中，层叠部分的横截面积根据与第一电极之间的距离而改变，从而形成电荷传输梯度。具体地，当采用层叠部分的截面厚度恒定且层叠部分的截面宽度随着远离第一电极而减小的构造时，如在根据本发明的第五方面的摄像元件中所说明的，当在电荷存储时段内V12≥V11时，可以在靠近第一电极的区域中存储比在远离第一电极的区域中更大量的电荷。因此，当在电荷传输时段内V22<V21时，可以可靠地确保电荷从靠近第一电极的区域流向第一电极和电荷从远离第一电极的区域流向靠近第一电极的区域。另一方面，当采用层叠部分的截面宽度恒定且层叠部分的截面厚度(具体地，绝缘层段的厚度)逐渐增大的构造时，如在根据本发明的第一方面的摄像元件中所说明的，当在电荷存储时段内V12≥V11时，靠近第一电极的区域可以存储比远离第一电极的区域更大的电荷量，并且可以向其施加强电场，因此可以可靠地防止电荷从靠近第一电极的区域流向第一电极。此外，当在电荷传输时段内V22<V21时，可以可靠地确保电荷从靠近第一电极的区域流向第一电极和电荷从远离第一电极的区域流向靠近第一电极的区域。此外，当采用光电转换层段的厚度逐渐增大的构造时，如在根据本发明的第二方面的摄像元件中所说明的，当在电荷存储时段内V12≥V11时，对靠近第一电极的区域施加比远离第一电极的区域强的电场，因此可以可靠地防止电荷从靠近第一电极的区域流向第一电极。此外，当在电荷传输时段内V22<V21时，可以可靠地确保电荷从靠近第一电极的区域流向第一电极和电荷从远离第一电极的区域流向靠近第一电极的区域。
此外，在根据本发明的第四方面至第五方面的摄像元件中，在一些情况下，在根据本发明的第三方面的摄像元件中，在对N个电荷存储电极段中的各者施加不同电位的情况下，在第一电极的电位高于第二电极的电位的情况下，在电荷传输时段内，施加到定位在最靠近第一电极的位置处的电荷存储电极段(第一个光电转换单元段)的电位可以高于定位在离第一电极最远的位置处的电荷存储电极段(第N个光电转换单元段)的电位。在第一电极的电位低于第二电极的电位的情况下，在电荷传输时段内，施加到定位在最靠近第一电极的位置处的电荷存储电极段(第一个光电转换单元段)的电位可以低于定位在离第一电极最远的位置处的电荷存储电极段(第N个光电转换单元段)的电位。
此外，在根据本发明的实施例的包括上述的各种优选实施例和构造的摄像元件等中，还可以包括电荷排出电极，该电荷排出电极连接到光电转换层并且设置成与第一电极和电荷存储电极间隔开。此外，为了方便，将根据这样的实施例的本发明的摄像元件等称为“根据本发明的实施例的设置有电荷排出电极的摄像元件等”。此外，在根据本发明的实施例的设置有电荷排出电极的摄像元件等中，电荷排出电极可以设置成围绕第一电极和电荷存储电极(即，以框架形式)。电荷排出电极可以由多个摄像元件共用。此外，在这种情况下，光电转换层可以在设置于绝缘层中的第二开口中延伸并且可以连接到电荷排出电极，电荷排出电极的顶表面的边缘可以覆盖有绝缘层，电荷排出电极可以暴露在第二开口的底表面上，当将绝缘层的与电荷排出电极的顶表面接触的表面定义为第三表面并且将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定义为第二表面时，第二开口的侧表面可以具有从第三表面朝向第二表面延伸的斜坡。
此外，根据本发明的实施例的设置有电荷排出电极的摄像元件等还可以包括控制单元，该控制单元设置在半导体基板上并具有驱动电路，其中第一电极、电荷存储电极和电荷排出电极可以连接到该驱动电路，在电荷存储时段内，可以从驱动电路将电位V11施加到第一电极，可以将电位V12施加到电荷存储电极，并且可以将电位V14施加到电荷排出电极，电荷可以存储在光电转换层中，在电荷传输时段内，可以从驱动电路将电位V21施加到第一电极，可以将电位V22施加到电荷存储电极，并且可以将电位V24施加到电荷排出电极，并且控制单元可以通过第一电极读取存储在光电转换层中的电荷。
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。
在根据本发明的实施例的包括上述的各种优选实施例和构造的摄像元件等中，形成控制单元的至少浮动扩散层和放大晶体管可以设置有半导体基板，并且第一电极可以连接到该浮动扩散层和该放大晶体管的栅极部。此外，在这种情况下，半导体基板可以设置有形成控制单元的复位晶体管和选择晶体管，浮动扩散层可以连接到复位晶体管的一侧的源极/漏极区域，放大晶体管的一侧的源极/漏极区域可以连接到选择晶体管的一侧的源极/漏极区域，并且选择晶体管的另一侧的源极/漏极区域可以连接到信号线。
此外，在根据本发明的实施例的包括上述的各种优选实施例和构造的摄像元件等中，电荷存储电极的尺寸可以大于第一电极的尺寸。当电荷存储电极的面积被定义为S1’并且第一电极的面积被定义为S1时，优选地满足4≤S1’/S1，但是本发明不限于此。
此外，在根据本发明的实施例的包括上述的各种优选实施例和构造的摄像元件等中，光可以从第二电极侧进入，并且可以在光从第二电极入射的光入射侧形成有遮光层。可替代地，光可以从第二电极侧入射，但是光可以不入射在第一电极上，并且在这种情况下，可以在第一电极上方形成遮光层，该上方是光从第二电极入射的光入射侧。可替代地，可以在电荷存储电极和第二电极上方设置片上微透镜，可以将入射在片上微透镜上的光收集到电荷存储电极。这里，遮光层可以设置在第二电极的光入射侧的表面上方，或者可以设置在第二电极的光入射侧表面上。在一些情况下，遮光层可以形成在第二电极上。形成遮光层的材料示例包括铬(Cr)、铜(Cu)、铝(Al)、钨(W)和耐光树脂(例如，聚酰亚胺树脂)。
根据本发明的实施例的摄像元件的具体示例包括：具有吸收蓝色光(425nm至495nm的光)的光电转换层(为了方便，称为“第一类型蓝色光电转换层”)并且对蓝色敏感的摄像元件(为了方便，称为“第一类型蓝色摄像元件”)；具有吸收绿色光(495nm至570nm的光)的光电转换层(为了方便，称为“第一类型绿色光电转换层”)并且对绿色敏感的摄像元件(为了方便，称为“第一类型绿色摄像元件”)；以及具有吸收红色光(620nm至750nm的光)的光电转换层(为了方便，称为“第一类型红色光电转换层”)并且对红色敏感的摄像元件(为了方便，称为“第一类型红色摄像元件”)。此外，在没有电荷存储电极的传统摄像元件中，为了方便，将对蓝色敏感的摄像元件称为“第二类型蓝色摄像元件”；为了方便，将对绿色敏感的摄像元件称为“第二类型绿色摄像元件”；为了方便，将对红色敏感的摄像元件称为“第二类型红色摄像元件”；为了方便，将形成第二类型蓝色摄像元件的光电转换层称为“第二类型蓝色光电转换层”；为了方便，将形成第二类型绿色摄像元件的光电转换层称为“第二类型绿色光电转换层”；而且为了方便，将形成第二类型红色摄像元件的光电转换层称为“第二类型红色光电转换层”。
根据本发明的实施例的层叠型摄像元件包括至少一个根据本发明的实施例的摄像元件(光电转换元件)，并且层叠型摄像元件的具体示例包括：
(A)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在垂直方向上层叠，并且第一类型蓝色摄像元件、第一类型绿色摄像元件和第一类型红色摄像元件的控制单元中的各者设置在半导体基板上的构造和结构；
(B)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在垂直方向上层叠，第二类型红色光电转换单元设置在这两层第一类型光电转换单元下方，并且第一类型蓝色摄像元件、第一类型绿色摄像元件和第二类型红色摄像元件的控制单元中的各者设置在半导体基板上的构造和结构；
(C)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设置在第一类型绿色光电转换单元下方，并且第一类型绿色摄像元件、第二类型蓝色摄像元件和第二类型红色摄像元件的控制单元中的各者设置在半导体基板上的构造和结构；以及
(D)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设置在第一类型蓝色光电转换单元下方，并且第一类型蓝色摄像元件、第二类型绿色摄像元件和第二类型红色摄像元件的控制单元中的各者设置在半导体基板上的构造和结构。
此外，这些摄像元件的光电转换单元在垂直方向上的布置顺序优选为从光入射方向起蓝色光电转换单元、绿色光电转换单元和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、蓝色光电转换单元和红色光电转换单元的顺序。这是因为较短波长的光在入射表面侧被更有效地吸收。由于红色是三种颜色中最长的波长，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。一个像素由这些摄像元件的层叠结构形成。此外，可以设置第一类型红外光电转换单元。这里，优选地，第一类型红外光电转换单元的光电转换层例如由有机材料形成，并且是第一类型摄像元件的层叠结构的最下层，并且被设置在第二类型摄像元件上方。可替代地，可以在第一类型红外光电转换单元下方设置第二类型红外光电转换单元。
在第一类型摄像元件中，例如，在设置于半导体基板上的层间绝缘层上形成第一电极。形成在半导体基板上的摄像元件可以是背面照射式摄像元件或正面照射式摄像元件。
在光电转换层由有机材料形成的情况下，根据以下四个实施例形成光电转换层：(1)光电转换层由p型有机半导体形成；(2)光电转换层由n型有机半导体形成；(3)光电转换层由p型有机半导体层/n型有机半导体层的层叠结构形成。光电转换层由p型有机半导体层/p型有机半导体和n型有机半导体的混合层(体异质结构)/n型有机半导体层的堆叠结构形成。光电转换层由p型有机半导体层/p型有机半导体和n型有机半导体的混合层(体异质结构)的层叠结构形成。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)的层叠结构形成；(4)光电转换层由p型有机半导体和n型有机半导体的混合物(体异质结构)形成。然而，层叠顺序可以任意交换。
p型有机半导体的示例包括萘衍生物、蒽衍生物、菲衍生物、芘衍生物、苝衍生物、并四苯衍生物、并五苯衍生物、喹吖啶酮衍生物、噻吩衍生物、噻吩并噻吩衍生物、苯并噻吩衍生物、苯并噻吩并苯并噻吩衍生物、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。n型有机半导体的示例包括富勒烯和富勒烯衍生物(例如，诸如C60、C70、C74富勒烯等富勒烯(更高级的富勒烯)、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、富勒烯聚合物等))、具有比p型有机半导体更大(更深)的HOMO和LUMO的有机半导体、以及透明的无机金属氧化物。n型有机半导体的具体示例包括含有氮原子、氧原子和硫原子的杂环化合物，例如，具有吡啶衍生物、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、聚对苯乙炔(polyphenylene vinylene)衍生物、聚苯并噻二唑衍生物、聚芴衍生物等作为分子骨架的一部分的有机分子和有机金属络合物、以及亚酞菁衍生物。富勒烯衍生物中所含的官能团等的示例包括：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官能团；具有卤化物的官能团；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；芳基硫醚基；烷基硫醚基；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；甲酰胺基；烷氧碳酰(carboalkoxy)基；酰基；磺酰基；氰基；硝基；具有硫属化物的官能团；磷化氢基团；膦酸基团；它们的衍生物。由有机材料形成的光电转换层(可以称为“有机光电转换层”)的厚度可以是但不限于1×10-8m至5×10-7m，优选地为2.5×10-8m至3×10-7m，更优选地为2.5×10-8m至2×10-7m，进一步更优选地为1×10-7m至1.8×10-7m。此外，有机半导体通常分为p型或n型，但是p型表示空穴可以容易地传输，并且n型表示电子可以容易地传输，而且有机半导体不限于如下解释：如在无机半导体中，其具有作为热激发的多数载流子的空穴或电子。
可替代地，形成对绿色波长的光进行光电转换的有机光电转换层的材料的示例包括基于罗丹明的颜料、基于部花青(melacyanine)的颜料、基于喹吖啶酮的衍生物、基于亚酞菁的颜料(亚酞菁衍生物)等。形成对蓝色波长的光进行光电转换的有机光电转换层的材料的示例包括香豆酸颜料、三-8-羟基喹啉铝(Alq3)、基于部花青的颜料等。形成对红色波长的光进行光电转换的有机光电转换层的材料的示例包括基于酞菁的颜料和基于亚酞菁的颜料(亚酞菁衍生物)。
可替代地，形成光电转换层的无机材料的示例包括：晶体硅，非晶硅，微晶硅，晶体硒，非晶硒，诸如CIGS(CuInGaSe)、CIS(CuInSe2)、CuInS2、CuAlS2、CuAlSe2、CuGaS2、CuGaSe2、AgAlS2、AgAlSe2、AgInS2、AgInSe2(AgInSe2)等黄铜矿化合物，或诸如GaAs、InP、AlGaAs、InGaP、AlGaInP，InGaAsP等化合物半导体以及诸如CdSe、CdS、In2Se3、In2S3、Bi2Se3、Bi2S3、ZnSe、ZnS、PbSe、PbS等III-V族化合物等。此外，由这些材料形成的量子点可以用于光电转换层。
可替代地，光电转换层可以具有下半导体层和上光电转换层的层叠结构。当如上所述设置下半导体层时，可以防止在电荷存储期间内再复合，可以增大存储在光电转换层中的电荷传输到第一电极的效率，并且可以抑制暗电流的产生。形成上光电转换层的材料可以适当地选自形成光电转换层的各种材料。另一方面，优选地使用具有大的带隙能量值(例如，带隙能量值为3.0eV以上)并且具有比形成光电转换层的材料更高的迁移率的材料作为形成下半导体层的材料。所述材料的具体示例包括：有机半导体材料，例如，诸如IGZO等氧化物半导体材料；过渡金属二硫属化物；碳化硅；金刚石；石墨烯；碳纳米管；缩合多环烃化合物、稠合杂环化合物等。可替代地，在要存储的电荷是电子的情况下，形成下层半导体层的材料的示例可以是电离电位大于形成光电转换层的材料的电离电位的材料。在要存储的电荷是空穴的情况下，形成下层半导体层的材料的示例可以是电子亲和力小于形成光电转换层的材料的电子亲和力的材料。可替代地，形成下层半导体层的材料中的杂质浓度优选为1×1018cm-3或更小。下半导体层可以具有单层构造或多层构造。此外，形成位于电荷存储电极上方的下半导体层的材料和形成位于第一电极上方的下半导体层的材料可以彼此不同。
利用根据本发明的第一方面至第四方面的固态摄像装置，可以形成单板型彩色固态摄像装置。
在根据本发明的第二方面或第四方面的包括层叠型摄像元件的固态摄像装置中，与包括拜耳阵列摄像元件(即，不使用滤色器对蓝色、绿色和红色进行分光)的固态摄像装置不同，对多种波长的光敏感的元件在同一像素中沿光入射方向层叠以形成一个像素，因此可以实现每单位体积的灵敏度和像素密度的提高。此外，由于有机材料具有高吸收系数，因此与传统的Si基光电转换层相比，光电转换层的膜厚可以更薄，并且来自相邻像素的光泄漏和对光入射角的限制可以得到缓解。此外，由于传统的Si基摄像元件通过在三色像素之间执行插值处理来产生彩色信号，因此会产生伪色，但是在根据本发明的第二方面或第四方面的包括层叠型摄像元件的固态摄像装置中可以抑制伪色。此外，由于有机光电转换层本身用作滤色器，因此可以在不设置滤色器的情况下进行分色。
另一方面，在根据本发明的第一方面、第二方面或第三方面的固态摄像装置中，由于使用了滤色器，因此可以降低对蓝色、绿色和红色的分光特性的要求，此外，批量生产率高。除了拜耳阵列之外，根据本发明的第一方面、第二方面或第三方面的固态摄像装置中的摄像元件的布置示例还包括：行间布置、G条纹-RB方格阵列、G条纹-RB全方格阵列、方格互补颜色阵列、条纹阵列、对角条纹阵列、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、帧交错阵列和场交错阵列。这里，一个像素(或子像素)由一个摄像元件形成。
排列着根据本发明的实施例的多个摄像元件或根据本发明的实施例的层叠型摄像元件的像素区域由以二维阵列的方式规则布置的多个像素形成。通常，像素区域包括：有效像素区域，其实际接收光，放大通过光电转换产生的信号电荷，并且将该信号电荷读出到驱动电路；以及黑基准像素区域，其用于输出用作黑电平的基准的光学黑。黑基准像素区域通常设置在有效像素区域的外围部。
在根据本发明的实施例的包括上述的各种优选实施例和构造的摄像元件等中，照射光，在光电转换层中发生光电转换，分离包括空穴和电子的载流子。此外，将提取空穴的电极称为阳极，并且将提取电子的电极定义为阴极。第一电极可以形成阳极，并且第二电极可以形成阴极，或者相反地，第一电极可以形成阴极，并且第二电极可以形成阳极。
在形成层叠型摄像元件的情况下，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以由透明导电材料形成。此外，可以将第一电极、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”。可替代地，在根据本发明的实施例的摄像元件等例如如以拜耳阵列的方式布置在平面上的情况下，第二电极可以由透明导电材料形成，并且第一电极等可以由金属材料形成。在这种情况下，具体地，位于光入射侧的第二电极可以由透明导电材料形成，并且第一电极等可以由例如Al-Nd(铝和钕的合金)或ASC(铝、钐和铜的合金)形成。此外，可以将由透明导电材料形成的电极称为“透明电极”。这里，透明导电材料的带隙能量为2.5eV以上，并且优选为3.1eV以上。形成透明电极的透明导电材料的示例包括导电金属氧化物，并且所述透明导电材料的具体示例包括：氧化铟；氧化铟锡(ITO(indium-tin oxide)，其包括掺杂有Sn的In2O3、结晶ITO和非晶ITO)；将铟作为掺杂剂添加到氧化锌中的氧化铟锌(IZO：indium zinc oxide)；将铟作为掺杂剂添加到氧化镓中的氧化铟镓(IGO：indium-gallium oxide)；将铟和镓作为掺杂剂添加到氧化锌中的铟镓锌氧化物(IGZO，In-GaZnO4)；IFO(掺杂有F的In2O3)；氧化锡(SnO2)；ATO(掺杂有Sb的SnO2)；FTO(掺杂有F的SnO2)；氧化锌(包括掺杂有其他元素的ZnO)；将铝作为掺杂剂添加到氧化锌中的氧化铝锌(AZO：aluminum-zinc oxide)；将镓作为掺杂剂添加到氧化锌中的氧化镓锌(GZO：gallium-zinc oxide)；氧化钛(TiO2)；氧化锑；尖晶石型氧化物；具有YbFe2O4结构的氧化物。可替代地，可以给出作为示例的具有氧化镓、氧化钛、氧化铌或氧化镍等的基层的透明电极。透明电极的厚度可以为2×10-8m至2×10-7m，优选地为3×10-8m至1×10-7m。当第一电极需要透明度时，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形成。
可替代地，在不需要透明度的情况下，形成起到用于提取空穴的电极的作用的阳极的导电材料优选为具有高的功函数(例如，
至5.5eV)的导电材料，并且所述导电材料的具体示例包括：金(Au)、银(Ag)、铬(Cr)、镍(Ni)、钯(Pd)、铂(Pt)、铁(Fe)、铱(Ir)、锗(Ge)、锇(Os)、铼(Re)、碲(Te)。另一方面，形成起到用于提取电子的电极的作用的阴极的导电材料优选为具有低的功函数(例如，/>
至4.5eV)的导电材料，并且所述导电材料的具体示例包括：碱金属(例如，Li、Na、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；或它们的合金。可替代地，形成阳极或阴极的材料的示例包括：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)或钼(Mo)等金属；或者含有这些金属元素的合金；由这些金属形成的导电粒子；含有这些金属的合金的导电粒子；含有杂质的多晶硅；碳基材料；氧化物半导体；诸如碳纳米管和石墨烯等导电材料；以及含有这些元素的层的层叠结构。此外，形成阳极或阴极的材料的示例包括诸如聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)/聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)等有机材料(导电聚合物)。此外，通过将这些导电材料混合到粘合剂(聚合物)中而制备的膏剂或油墨可以固化以用作电极。
干法或湿法可以用作第一电极等(阳极)和第二电极(阴极)的成膜方法。干法的示例包括物理气相沉积法(PVD方法)和化学气相沉积法(CVD方法)。使用PVD方法的原理的成膜方法的示例包括：使用电阻加热或高频加热的真空蒸发方法、电子束(EB：electronbeam)蒸发方法、各种溅射法(磁控溅射法、RF-DC耦合偏置溅射法、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：等离子体CVD方法、热CVD方法、有机金属(MO)CVD方法和光CVD方法。另一方面，湿法的示例包括：电镀法和无电镀法、旋涂法、喷墨法、喷涂法、冲压法、微接触印刷法、柔性版印刷法、胶版印刷法、凹版印刷法、浸渍法等。关于图案化，可以使用诸如荫罩(shadow mask)、激光转印和光刻等化学蚀刻以及通过紫外线和激光等进行的物理蚀刻。用于第一电极和第二电极的平坦化技术的示例包括激光平坦化方法、回流法、化学机械抛光(CMP：chemicalmechanical polishing)方法等。
形成绝缘层的材料的示例包括以基于氧化硅的材料、氮化硅(SiNY)、诸如氧化铝(Al2O3)等金属氧化物高介电常数绝缘膜为例的无机绝缘材料，还包括以聚甲基丙烯酸甲酯(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；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)等硅烷醇衍生物(硅烷偶联剂)；诸如十八烷硫醇和十二烷基异氰酸酯等在一端具有能够与控制电极键合的官能团的直链烃为例的有机绝缘材料(有机聚合物)，并且包括这些材料的组合。另外，基于氧化硅的材料的示例包括：氧化硅(SiOX)、BPSG、PSG、BSG、AsSG、PbSG、氮氧化硅(SiON)、旋涂玻璃(SOG：spin-on-glass)和低介电常数材料(例如，聚芳醚、环全氟碳(cycloperfluorocarbon)聚合物和苯并环丁烯、环状氟树脂、聚四氟乙烯、氟代芳基醚(fluoroaryl ether)、氟化聚酰亚胺、无定形碳、以及有机SOG)。形成各种层间绝缘层和绝缘膜的材料可以适当地选自这些材料。
形成控制单元的浮动扩散层、放大晶体管、复位晶体管和选择晶体管的构造和结构可以与传统的浮动扩散层、放大晶体管、复位晶体管和选择晶体管相同。而且，驱动电路可以具有众所周知的构造和结构。
第一电极连接到浮动扩散层和放大晶体管的栅极部，并且可以形成接触孔部以将第一电极连接到浮动扩散层和放大晶体管的栅极部。形成接触孔部的材料的示例包括：诸如钨、Ti、Pt、Pd、Cu、TiW、TiN、TiNW、WSi2或MoSi2等高熔点金属；金属硅化物；或这些材料形成的层的层叠结构(例如，Ti/TiN/W)。
在有机光电转换层和第一电极之间可以设置第一载流子阻挡层，或者在有机光电转换层和第二电极之间可以设置第二载流子阻挡层。此外，在第一载流子阻挡层和第一电极之间可以设置第一电荷注入层，或者在第二载流子阻挡层和第二电极之间可以设置第二电荷注入层。形成电荷注入层的材料的示例包括：诸如锂(Li)、钠(Na)和钾(K)等碱金属及其氟化物和氧化物；诸如镁(Mg)和钙(Ca)等碱土金属及其氟化物和氧化物。
可以给出作为各种有机层的成膜方法的示例的干膜形成方法和湿膜形成方法。干膜形成方法的示例包括：使用电阻加热、高频加热或电子束加热的真空沉积法；闪蒸沉积法；等离子体沉积法；EB沉积法；各种溅射法(双极溅射法、直流溅射法、DC磁控溅射法、磁控溅射法、RF-DC耦合偏置溅射法、ECR溅射法、面对靶溅射法、高频溅射法和离子束溅射法)；DC(直流)法；RF法；多阴极法；活化反应法；电场气相沉积法；高频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；以及分子束外延(MBE：molecular beamepitaxy)法。此外，化学气相沉积(CVD：chemical vapor deposition)方法的示例包括等离子体CVD法、热CVD法、MOCVD法和光CVD法。另一方面，作为湿法，有旋涂法；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；喷涂法；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、吻涂法、铸涂法、喷涂法、狭缝孔涂布法和压延涂布法等各种涂布法。此外，涂布方法中的溶剂的示例包括无极性或低极性有机溶剂，例如甲苯、氯仿、己烷和乙醇。关于图案化，可以使用诸如荫罩、激光转印和光刻等化学蚀刻以及通过紫外线和激光等进行的物理蚀刻。用于各种有机层的平坦化技术的示例包括激光平坦化方法、回流方法等。
如上所述，在摄像元件或固态摄像装置中，必要时可以设置片上微透镜或遮光层，或者设置用于驱动摄像元件的驱动电路和布线。必要时可以设置用于控制光入射到摄像元件的快门，或者可以根据固态摄像装置的目的设置光学截止滤光器。
例如，在固态摄像装置与读出集成电路(ROIC：readout integrated circuit)层叠的情况下，可以通过使形成有读出集成电路和由铜(Cu)形成的连接部的驱动基板与形成有连接部的摄像元件重叠，使得所述连接部彼此接触，并且通过连接所述连接部来进行层叠。还可以使用焊料凸点等连接连接部。
(实施例1)
实施例1涉及根据本发明的第一方面和本发明的第六方面的摄像元件、根据本发明的一个方面的层叠型摄像元件、以及根据本发明的第四方面的固态摄像装置。
图1示出了实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件的示意性局部截面图；图2示出了在实施例1的摄像元件中电荷存储电极、光电转换层和第二电极层叠的放大部分的示意性局部截面图；图3和图4示出了实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件的等效电路图；图5示出了形成实施例1的摄像元件的第一电极和电荷存储电极以及形成控制单元的晶体管的示意性布置图；并且图6示意性地示出了在实施例1的摄像元件的操作期间内各部件的电位状态。此外，图7示出了形成实施例1的摄像元件的第一电极和电荷存储电极的示意性布置图；图8示出了形成实施例1的摄像元件的第一电极、电荷存储电极、第二电极和接触孔部的示意性立体图；并且图9示出了实施例1的固态摄像装置的概念图。此外，为了简化图3和图4的绘制，将绝缘层段的厚度图示为固定厚度。
实施例1的摄像元件(例如，下面将说明的绿色摄像元件)或下面将要说明的实施例2至6以及实施例9至11的摄像元件包括光电转换单元，在该光电转换单元中，第一电极11、光电转换层15和第二电极16层叠，并且该光电转换单元还包括电荷存储电极12，该电荷存储电极12设置成与第一电极11间隔开并且设置成通过绝缘层82面对光电转换层15。
此外，实施例1的层叠型摄像元件包括实施例1至6的摄像元件中的至少一者，并且包括实施例1至6中的实施例1的一个摄像元件。
此外，实施例1的固态摄像装置包括多个实施例1的层叠型摄像元件。
这里，在实施例1的摄像元件或下面将要说明的实施例2至6以及实施例9至11的摄像元件中，光电转换单元由N(其中N≥2)个光电转换单元段(具体地，在各实施例中为三个光电转换单元段101、102和103)形成，光电转换层15由N个光电转换层段(具体地，在各实施例中为三个光电转换层段151、152和153)形成，绝缘层82由N个绝缘层段(具体地，在各实施例中为三个绝缘层段821、822和823)形成，在实施例1至3中，电荷存储电极12由N个电荷存储电极段(具体地，在各实施例中为三个电荷存储电极段121、122和123)形成，在实施例4至5中，并且在一些情况下，在实施例3中，电荷存储电极12由设置成彼此间隔开的N个电荷存储电极段(具体地，在各实施例中为三个电荷存储电极段121、122和123)形成，第n(其中n＝1,2,3...,N)个光电转换单元段10n由第n个电荷存储电极段12n、第n个绝缘层段82n和第n个光电转换层段15n形成，n值越大的光电转换单元段离第一电极11越远。根据本发明的实施例，可以将第N个光电转换单元段中的电荷存储电极段称为第N个电荷存储电极段。例如，可以将第一个光电转换单元段中的电荷存储电极段称为121。
可替代地，实施例1的摄像元件或下面将要说明的实施例2和5的摄像元件还包括光电转换单元，在该光电转换单元中，第一电极11、光电转换层15和第二电极16层叠，其中，该光电转换单元还包括电荷存储电极12，该电荷存储电极12设置成与第一电极11间隔开并且设置成经由绝缘层82面对光电转换层15，在将电荷存储电极12、绝缘层82和光电转换层15的层叠方向定义为Z方向并且将远离第一电极11的方向定义为X方向的情况下，当在YZ虚拟平面内切割电荷存储电极12、绝缘层82和光电转换层15层叠的层叠部分时，该层叠部分的横截面积根据与第一电极之间的距离而改变。
此外，在实施例1的摄像元件中，绝缘层段的厚度从第一个光电转换单元段101到第N个光电转换单元段10N逐渐变化。具体地，绝缘层段的厚度逐渐增大。可替代地，在实施例1的摄像元件中，层叠部分的截面的宽度是恒定的，并且层叠部分的截面的厚度(具体地，绝缘层段的厚度)根据与第一电极11之间的距离而逐渐增大。此外，绝缘层段的厚度以阶梯方式增大。第n个光电转换单元段10n中的绝缘层段82n的厚度是恒定的。当将第n个光电转换单元段10n中的绝缘层段82n的厚度定义为“1”时，第(n+1)个光电转换单元段10(n+1)中的绝缘层段82(n+1)的厚度可以是2至10，但不限于此。在实施例1中，绝缘层段821、822和823的厚度通过逐渐减小电荷存储电极段121、122和123的厚度而逐渐增大。光电转换层段151、152和153的厚度是恒定的。
此外，在实施例1的摄像元件或实施例2至6以及实施例9至11的摄像元件中，还包括半导体基板(更具体地，硅半导体层)70，并且光电转换单元设置在半导体基板70上方。另外，还包括设置在半导体基板70上且具有连接到第一电极11的驱动电路的控制单元。这里，将半导体基板70的光入射表面定义为上方侧，并且将半导体基板70的相反侧定义为下方侧。由多个布线形成的布线层62设置在半导体基板70下方。此外，半导体基板70还至少包括形成控制单元的浮动扩散层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还包括形成控制单元的复位晶体管TR1rst和选择晶体管TR1sel。此外，浮动扩散层FD1连接到复位晶体管TR1rst的一侧的源极/漏极区域，并且放大晶体管TR1amp的一侧的源极/漏极区域连接到选择晶体管TR1sel的一侧的源极/漏极区域，而且选择晶体管TR1sel的另一侧的源极/漏极区域连接到信号线VSL1。上述的放大晶体管TR1amp、复位晶体管TR1rst和选择晶体管TR1sel形成驱动电路。
具体地，实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件是背面照射式摄像元件和背面照射式层叠型摄像元件，并且具有如下三种摄像元件层叠的结构：具有吸收绿色光的第一类型光电转换层并对绿色敏感的实施例1的第一类型绿色摄像元件(在下文中，称为“第一摄像元件”)；具有吸收蓝色光的第二类型光电转换层并对蓝色敏感的传统的第二类型蓝色摄像元件(在下文中，称为”第二摄像元件“)；以及具有吸收红色光的第二类型光电转换层并对红色敏感的传统的第二类型红色摄像元件(在下文中，称为“第三摄像元件”)。这里，红色摄像元件(第三摄像元件)和蓝色摄像元件(第二摄像元件)设置在半导体基板70内，并且第二摄像元件比第三摄像元件更靠近光入射侧。此外，绿色摄像元件(第一摄像元件)设置在蓝色摄像元件(第二摄像元件)上方。一个像素由第一摄像元件、第二摄像元件和第三摄像元件的层叠结构形成。没有设置滤色器。
在第一摄像元件中，第一电极11和电荷存储电极12在层间绝缘层81上彼此分开地形成。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，并且第二电极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12和第二电极16由例如ITO(功函数：约4.4eV)制成的透明电极形成。光电转换层15由至少包含对绿色敏感的已知有机光电转换材料(例如，诸如基于罗丹明的颜料、基于部花青的颜料、或喹吖啶酮等有机材料)的层形成。此外，光电转换层15还可以包括适合于电荷存储的材料层。换句话说，可以在光电转换层15和第一电极11之间(例如，在连接部67中)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由已知的绝缘材料(例如，SiO2或SiN)形成。光电转换层15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15在连接部67中延伸。即，光电转换层15在设置于绝缘层82中的开口84中延伸，并且光电转换层15连接到第一电极11。
电荷存储电极12连接到驱动电路。具体地，电荷存储电极12经由设置在层间绝缘层81中的连接孔66、焊盘部64和布线VOA而连接到形成驱动电路的垂直驱动电路112。
电荷存储电极12的尺寸大于第一电极11的尺寸。当将电荷存储电极12的面积定义为S1’并且将第一电极11的面积定义为S1时，优选地，满足4≤S1’/S1，但是本发明不限于此，并且在实施例1中，例如，S1’/S1＝8，但是本发明不限于此。此外，在实施例1或下面将要说明的实施例2至4中，三个光电转换单元段101、102和103具有相同的尺寸并具有相同的平面形状。
在半导体基板70的第一表面(正面)70A侧形成元件隔离区71，并且在半导体基板70的第一表面70A上形成氧化膜72。此外，形成第一摄像元件的控制单元的复位晶体管TR1rst、放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel设置在半导体基板70的第一表面侧，并且还设置有第一浮动扩散层FD1。
复位晶体管TR1rst由栅极部51、沟道形成区域51A以及源极/漏极区域51B和51C形成。复位晶体管TR1rst的栅极部51连接到复位线RST1，并且复位晶体管TR1rst的一侧的源极/漏极区域51C也用作第一浮动扩散层FD1，并且另一侧的源极/漏极区域51B连接到电源VDD。
第一电极11经由设置在层间绝缘层81中的连接孔65和焊盘部63、形成在半导体基板70和层间绝缘层76中的接触孔部61、以及形成在层间绝缘层76中的布线层62而连接到复位晶体管TR1rst的一侧的源极/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以及源极/漏极区域52B和52C形成。栅极部52通过布线层62连接到第一电极11和复位晶体管TR1rst的一侧的源极/漏极区域51C(第一浮动扩散层FD1)。此外，一侧的源极/漏极区域52B与形成复位晶体管TR1rst的另一侧的源极/漏极区域51B共用区域，并且源极/漏极区域52B连接到电源VDD。
选择晶体管TR1sel由栅极部53、沟道形成区域53A以及源极/漏极区域53B和53C形成。栅极部53连接到选择线SEL1。此外，一侧的源极/漏极区域53B与形成放大晶体管TR1amp的另一侧的源极/漏极区域52C共用区域，并且源极/漏极区域53C连接到信号线(数据输出线)VSL1 117。
第二摄像元件包括设置在半导体基板70中作为光电转换层的n型半导体区域41。由垂直晶体管形成的传输晶体管TR2trs的栅极部45延伸到n型半导体区域41并连接到传输栅极线TG2。此外，第二浮动扩散层FD2设置在半导体基板70的位于传输晶体管TR2trs的栅极部45附近的区域45C中。存储在n型半导体区域41中的电荷经由沿着栅极部45形成的传输通道被读出到第二浮动扩散层FD2。
在第二摄像元件中，在半导体基板70的第一表面侧还设置有形成第二摄像元件的控制单元的复位晶体管TR2rst、放大晶体管TR2amp和选择晶体管TR2sel。
复位晶体管TR2rst由栅极部、沟道形成区域和源极/漏极区域形成。复位晶体管TR2rst的栅极部连接到复位线RST2，并且复位晶体管TR2rst的一侧的源极/漏极区域连接到电源VDD，并且另一侧的源极/漏极区域还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/漏极区域形成。该栅极部连接到复位晶体管TR2rst的另一侧的源极/漏极区域(第二浮动扩散层FD2)。此外，一侧的源极/漏极区域与形成复位晶体管TR2rst的一侧的源极/漏极区域共用区域并且连接到电源VDD。
选择晶体管TR2sel由栅极部、沟道形成区域和源极/漏极区域形成。该栅极部连接到选择线SEL2。此外，一侧的源极/漏极区域与形成放大晶体管TR2amp的另一侧的源极/漏极区域共用区域，并且另一侧的源极/漏极区域连接到信号线(数据输出线)VSL2。
第三摄像元件具有设置在半导体基板70中作为光电转换层的n型半导体区域43。传输晶体管TR3trs的栅极部46连接到传输栅极线TG3。此外，第三浮动扩散层FD3设置在半导体基板70的位于传输晶体管TR3trs的栅极部46附近的区域46C中。存储在n型半导体区域43中的电荷经由沿着栅极部46形成的传输通道46A被读出到第三浮动扩散层FD3。
在第三摄像元件中，在半导体基板70的第一表面侧还设置有形成第三摄像元件的控制单元的复位晶体管TR3rst、放大晶体管TR3amp和选择晶体管TR3sel。
复位晶体管TR3rst由栅极部、沟道形成区域和源极/漏极区域形成。复位晶体管TR3rst的栅极部连接到复位线RST3，并且复位晶体管TR3rst的一侧的源极/漏极区域连接到电源VDD，并且另一侧的源极/漏极区域还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/漏极区域形成。该栅极部连接到复位晶体管TR3rst的另一侧的源极/漏极区域(第三浮动扩散层FD3)。此外，一侧的源极/漏极区域与形成复位晶体管TR3rst的一侧的源极/漏极区域共用区域并且连接到电源VDD。
选择晶体管TR3sel由栅极部、沟道形成区域和源极/漏极区域形成。该栅极部连接到选择线SEL3。此外，一侧的源极/漏极区域与形成放大晶体管TR3amp的另一侧的源极/漏极区域共用区域，并且另一侧的源极/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连接到形成驱动电路的垂直驱动电路112，并且信号线(数据输出线)VSL1、VSL2和VSL3连接到形成驱动电路的列信号处理电路113。
在n型半导体区域43和半导体基板70的表面70A之间设置有p+层44，以抑制暗电流的产生。在n型半导体区域41和n型半导体区域43之间形成有p+层42，并且n型半导体区域43的侧表面的一部分被p+层42围绕。在半导体基板70的背面70B侧形成有p+层73，并且从p+层73起在半导体基板70的将形成接触孔部61的部分中形成有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布线，但是从图示中省略。
HfO2膜74是具有负固定电荷的膜，并且能够通过设置这种膜来抑制暗电流的产生。此外，代替HfO2膜，可以使用氧化铝(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)膜、氧化镱(Yb2O3)膜、氧化镥(Lu2O3)膜、氧化钇(Y2O3)膜、氮化铪膜、氮化铝膜、氧氮化铪膜和氧氮化铝膜。这些膜的成膜方法的示例包括CVD方法、PVD方法和ALD方法。
在下文中，将参考图6说明实施例1的摄像元件(第一摄像元件)的操作。这里，第一电极11的电位高于第二电极的电位。即，例如，将第一电极11设定为正电位，将第二电极设定为负电位，在光电转换层15中进行光电转换，并且将电子读出到浮动扩散层。这也适用于其他实施例。此外，在将第一电极11设定为负电位，将第二电极设定为正电位并且将基于光电转换层15中的光电转换而产生的空穴读出到浮动扩散层的方面中，只需要使下述的电位的高度反转。
下面将要说明的实施例5中的图6、图20和图21中所使用的附图标记如下。
PA：在光电转换层15的与电荷存储电极12面对的区域中的点PA处的电位，或在光电转换层15的与电荷存储电极段123面对的区域中的点PA处的电位；
PB：在光电转换层15的与位于电荷存储电极12和第一电极11之间的区域面对的区域中的点PB处的电位，或在光电转换层15的与电荷存储电极段122面对的区域中的点PB处的电位；
PC：在光电转换层15的与第一电极11面对的区域中的点PC处的电位，或在光电转换层15的与电荷存储电极段121面对的区域中的点PC处的电位；
PD：在光电转换层15的与位于电荷存储电极段123和第一电极11之间的区域面对的区域中的点PD处的电位；
FD：第一浮动扩散层FD1的电位；
VOA：电荷存储电极12的电位；
VOA1：第一个电荷存储电极段121的电位；
VOA2：第二个电荷存储电极段122的电位；
VOA3：第三个电荷存储电极段123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；和
TR1_sel：选择晶体管TR1sel。
在电荷存储时段内，从驱动电路将电位V11施加到第一电极11，并且将电位V12施加到电荷存储电极12。通过入射在光电转换层15上的光在光电转换层15中发生光电转换。通过光电转换产生的空穴经由布线VOU从第二电极16发送到驱动电路。另一方面，由于第一电极11的电位高于第二电极16的电位，即，例如，将正电位施加到第一电极11并且将负电位施加到第二电极16，因此V12≥V11，或优选地V12>V11。结果，通过光电转换产生的电子被吸引到电荷存储电极12并停留在光电转换层15的与电荷存储电极12面对的区域中。即，电荷存储在光电转换层15中。由于V12>V11，因此在光电转换层15中产生的电子不会朝向第一电极11移动。随着光电转换时间的流逝，光电转换层15的与电荷存储电极12面对的区域中的电位变为更负的值。
在实施例1的摄像元件中，由于采用了绝缘层段的厚度逐渐增大的构造，因此当在电荷存储时段内V12≥V11时，第n个光电转换单元段10n可以存储比第(n+1)个光电转换单元段10(n+1)更大量的电荷，并且对其施加强电场，从而可以可靠地防止电荷从第一个光电转换单元段101流向第一电极11。
在电荷存储时段的后一阶段中，进行复位操作。结果，第一浮动扩散层FD1的电位被复位，使得第一浮动扩散层FD1的电位变成电源的电位VDD。
在复位操作完成后，读出电荷。即，在电荷传输时段内，从驱动电路将电位V21施加到第一电极11，并且将电位V22施加到电荷存储电极12。这里，假设V22<V21。结果，停留在光电转换层15的与电荷存储电极12面对的区域中的电子被读出到第一电极11，并且进一步被读出到第一浮动扩散层FD1。即，存储在光电转换层15中的电荷被读出到控制单元。
更具体地，当在电荷传输时段内V22<V21时，可以可靠地确保电荷从第一个光电转换单元段101流向第一电极11、电荷从第(n+1)个光电转换单元段10(n+1)流向第n个光电转换单元段10n。
因此，完成了包括电荷存储、复位操作和电荷传输等的一系列操作。
在将电子读出到第一浮动扩散层FD1之后放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel的操作与传统晶体管的操作相同。第二摄像元件和第三摄像元件的诸如电荷存储、复位操作和电荷传输等一系列操作与传统的诸如电荷存储、复位操作和电荷传输等一系列操作相同。此外，如在现有技术中，可以通过相关双采样(CDS：correlated double sampling)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，或在下面将要说明的实施例1至6以及实施例9至11的摄像元件中，由于包括设置成与第一电极间隔开并且设置成经由绝缘层与光电转换层面对的电荷存储电极，因此，当用光照射光电转换单元使得在光电转换单元中发生光电转换时，光电转换层、绝缘层和电荷存储电极形成一种电容器，光电转换层能够存储电荷。因此，在曝光开始时，可以完全耗尽电荷存储部并清除电荷。结果，可以抑制kTC噪声变大、随机噪声恶化和图像质量劣化的现象的出现。此外，由于可以同时使所有像素复位，因此可以实现所谓的全局快门功能。
另外，在实施例1的摄像元件中，由于绝缘层段的厚度从第一个光电转换单元段到第N个光电转换单元段逐渐变化，或由于当在YZ虚拟平面内切割电荷存储电极、绝缘层和光电转换层层叠的层叠部分时层叠部分的横截面积根据与第一电极之间的距离而变化，因此形成了一种电荷传输梯度，并且可以更容易且更可靠地传输通过光电转换产生的电荷。
图9示出了实施例1的固态摄像装置的概念图。实施例1的固态摄像装置100由摄像区域111、作为驱动电路(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等形成，在摄像区域111中，层叠型摄像元件101以二维阵列布置着。这些电路可以由众所周知的电路形成，而且可以通过使用其他电路构造(例如，用于传统的CCD型固态摄像装置或CMOS型固态摄像装置的各种电路)形成。此外，在图9中，层叠型摄像元件101的附图标记“101”仅在一行中示出。
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的操作的基础的时钟信号和控制信号。此外，所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。
例如，垂直驱动电路112由移位寄存器形成，并且在垂直方向上以行为单位选择性地扫描摄像区域111中的各个层叠型摄像元件101。此外，经由信号线(数据输出线)VSL 117将基于根据各个层叠型摄像元件101接收的光量而产生的电流(信号)的像素信号(图像信号)发送到列信号处理电路113。
例如，列信号处理电路113是针对层叠型摄像元件101的各列布置的，并且针对从各个层叠型摄像元件101中的一行，根据来自黑基准像素(未示出，但形成在有效像素区域的周围)的信号对从层叠型摄像元件101输出的图像信号进行噪声去除和信号放大的信号处理。水平选择开关(未示出)设置在列信号处理电路113的输出级中，以便连接到水平信号线118。
例如，水平驱动电路114由移位寄存器形成，并且通过顺序地输出水平扫描脉冲而顺序地选择各个列信号处理电路113，而且水平驱动电路114将来自各个列信号处理电路113的信号输出到水平信号线118。
通过对经由水平信号线118从各个列信号处理电路113顺序地供应的信号进行信号处理，输出电路115进行输出。
图10示出了实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件的变型例的等效电路图，并且图11示出了形成根据实施例1的摄像元件的变型例的第一电极、电荷存储电极和形成控制单元的晶体管的示意性布置，并且复位晶体管TR1rst的另一侧的源极/漏极区域51B可以接地，而不是连接到电源VDD。
例如，可以通过以下方法来制造实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件。即，首先，制备SOI基板。然后，通过外延生长方法在SOI基板的表面上形成第一硅层，并且在第一硅层中形成p+层73和n型半导体区域41。接下来，通过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，在第二硅层上形成用于形成摄像元件的控制单元的各种晶体管等，并在其上进一步形成布线层62、层间绝缘层76和各种布线，然后使层间绝缘层76和支撑基板(未示出)彼此粘接。其后，移除SOI基板以暴露出第一硅层。此外，第二硅层的表面对应于半导体基板70的表面70A，并且第一硅层的表面对应于半导体基板70的背面70B。此外，将第一硅层和第二硅层统称为半导体基板70。接下来，在半导体基板70的背面70B侧形成用于形成接触孔部61的开口，并且形成HfO2膜74、绝缘膜75和接触孔部61，并且进一步形成焊盘部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以及绝缘层82。接下来，将连接部67形成开口，以形成光电转换层15、第二电极16、保护层83和片上微透镜90。因此，可以获得实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件。
在实施例1的摄像元件中，在形成第一电极11、电荷存储电极12和绝缘层82时，首先，在层间绝缘层81上形成用于形成电荷存储电极123的导电材料，并且对导电材料层进行图案化，以在要形成光电转换单元段101、102和103以及第一电极11的区域中留下导电材料层，由此可以获得第一电极11的一部分和电荷存储电极123。接下来，在整个表面上形成用于形成绝缘层段823的绝缘层，对绝缘层进行图案化，并在其上进行平坦化处理，从而可以获得绝缘层段823。接下来，在整个表面上形成用于形成电荷存储电极122的导电材料层，并且对导电材料层进行图案化，以在要形成光电转换单元段101和102以及第一电极11的区域中留下导电材料层，从而可以获得第一电极11的一部分和电荷存储电极122。接下来，在整个表面上形成用于形成绝缘层段822的绝缘层，对绝缘层进行图案化，并在其上进行平坦化处理，从而可以获得绝缘层段822。接下来，在整个表面上形成用于形成电荷存储电极121的导电材料层，并且对导电材料层进行图案化，以在要形成光电转换单元段101和第一电极11的区域中留下导电材料层，从而可以获得第一电极11和电荷存储电极121。接下来，在整个表面上形成绝缘层，并在其上进行平坦化处理，从而可以获得绝缘层段821(绝缘层82)。然后，在绝缘层82上形成光电转换层15。因此，可以获得光电转换单元段101、102和103。
(实施例2)
实施例2的摄像元件涉及根据第二方面和第六方面的摄像元件。图12示出了在实施例2的摄像元件中电荷存储电极、光电转换层和第二电极层叠的放大部分的示意性局部截面图，在实施例2的摄像元件中，光电转换层段的厚度从第一个光电转换单元段101到第N个光电转换单元段10N逐渐变化。可替代地，在实施例2的摄像元件中，层叠部分的截面的宽度是恒定的，并且层叠部分的截面的厚度(具体地，光电转换层段的厚度)根据与第一电极11之间的距离而逐渐增大。更具体地，光电转换层段的厚度逐渐增大。此外，光电转换层段的厚度以阶梯方式增大。第n个光电转换单元段10n中的光电转换层段15n的厚度是恒定的。当将第n个光电转换单元段10n中的光电转换层段15n的厚度定义为“1”时，第(n+1)个光电转换单元段10(n+1)中的光电转换层段15(n+1)可以例示为2至10，但不限于这些值。在实施例2中，通过逐渐减小电荷存储电极段121、122和123的厚度，光电转换层段151、152和153的厚度逐渐增大。绝缘层段821、822和823的厚度是恒定的。
在实施例2的摄像元件中，由于光电转换层段的厚度逐渐增大，因此当在电荷存储时段内V12≥V11时，对第n个光电转换单元段10n施加比第(n+1)个光电转换单元段10(n+1)更强的电场，从而可以可靠地防止电荷从第一个光电转换单元段101流向第一电极11。此外，当在电荷传输时段内V22<V21时，可以可靠地确保电荷从第一个光电转换单元段101流向第一电极11和电荷从第(n+1)个光电转换单元段10(n+1)流向第n个光电转换单元段10n。
这样，在实施例2的摄像元件中，光电转换层段的厚度从第一个光电转换单元段到第N个光电转换单元段逐渐变化，或当在YZ虚拟平面内切割电荷存储电极、绝缘层和光电转换层层叠的层叠部分时层叠部分的横截面积根据与第一电极之间的距离而变化，形成了一种电荷传输梯度，并且可以更容易且更可靠地传输通过光电转换产生的电荷。
在实施例2的摄像元件中，在形成第一电极11、电荷存储电极12和绝缘层82时，首先，在层间绝缘层81上形成用于形成电荷存储电极123的导电材料，并且对导电材料层进行图案化，以在要形成光电转换单元段101、102和103以及第一电极11的区域中留下导电材料层，从而可以获得第一电极11的一部分和电荷存储电极123。接下来，在整个表面上形成用于形成电荷存储电极123的导电材料层，对导电材料层进行图案化，以在要形成光电转换单元段101和102以及第一电极11的区域中留下导电材料层，从而可以获得第一电极11的一部分和电荷存储电极122。接下来，在整个表面上形成用于形成电荷存储电极121的导电材料层，对导电材料层进行图案化，以在要形成光电转换单元段101和第一电极11的区域中留下导电材料层，从而可以获得第一电极11和电荷存储电极121。然后，将绝缘层82共形地沉积在整个表面上。然后，在绝缘层82上形成光电转换层15，并对光电转换层15进行平坦化处理。因此，可以获得光电转换单元段101、102和103。
(实施例3)
实施例3涉及根据本发明的第三方面的摄像元件。图13中示出了实施例3的摄像元件和层叠型摄像元件的示意性局部截面图。在实施例3的摄像元件中，形成绝缘层段的材料与相邻的光电转换单元段不同。这里，形成绝缘层段的材料的相对介电常数的值从第一个光电转换单元段101到第N个光电转换单元段10N逐渐减小。在实施例3的摄像元件中，可以将相同的电位施加到全部的N个电荷存储电极段，或可以将不同的电位添加到N个电荷存储电极段中的各者。在后一种情况下，如实施例4所述，设置成彼此间隔开的电荷存储电极段121、122和123可以经由焊盘部641、642和643连接到形成驱动电路的垂直驱动电路112。
此外，当采用这种构造时，会形成一种电荷传输梯度，因此，当在电荷存储时段内V12≥V11时，第n个光电转换单元段比第(n+1)个光电转换单元段存储更大的电荷量。此外，在电荷存储时段的期间内V22<V21的状态下，可以可靠地确保电荷从第一个光电转换单元段流向第一电极和电荷从第(n+1)个光电转换单元段流向第n个光电转换单元段。
(实施例4)
实施例4涉及根据本发明的第四方面的摄像元件。图14中图示了实施例4的摄像元件和层叠型摄像元件的示意性局部截面图。在实施例4的摄像元件中，形成电荷存储电极段的材料与相邻的光电转换单元段不同。这里，形成绝缘层段的材料的功函数的值从第一个光电转换单元段101到第N个光电转换单元段10N逐渐增大。在实施例4的摄像元件中，可以将相同的电位施加到全部的N个电荷存储电极段，或可以将不同的电位添加到N个电荷存储电极段中的各者。在后一种情况下，电荷存储电极段121、122和123经由焊盘部641、642和643连接到形成驱动电路的垂直驱动电路112。
(实施例5)
实施例5的摄像元件涉及根据本发明的第五方面的摄像元件。图15A、图15B、图16A和图16B中示出了实施例5的电荷存储电极段的示意性平面图。此外，图17和图18中示出了实施例5的摄像元件和层叠型摄像元件的等效电路图，并且图19中示出了形成实施例5的摄像元件的第一电极、电荷存储电极和控制单元的示意性布置图，而且图20和图21中示意性地示出了在实施例5的摄像元件的操作期间内各部件的电位状态。实施例5的摄像元件和层叠型摄像元件的示意性局部截面图与图14或图23中所示的摄像元件和层叠型摄像元件相同。在实施例5的摄像元件中，电荷存储电极段的面积从第一个光电转换单元段101到第N个光电转换单元段10N逐渐减小。在实施例5的摄像元件中，可以将相同的电位施加到全部的N个电荷存储电极段，或可以将不同的电位添加到N个电荷存储电极段中的各者。在后一种情况下，如实施例4所述，设置成彼此间隔开的电荷存储电极段121、122和123可以经由焊盘部641、642和643连接到垂直驱动电路112。
在实施例5中，电荷存储电极12由多个电荷存储电极段121、122和123形成。根据本发明的实施例，可以将第N个光电转换单元段中的电荷存储电极段称为第N个电荷存储电极段。例如，可以将第一个光电转换单元段中的电荷存储电极段称为121。电荷存储电极段的数量可以是2个以上，并且在实施例5中设定为“3”。此外，在实施例5的摄像元件和层叠型摄像元件中，由于第一电极11的电位高于第二电极16的电位，即，例如，将正电位施加到第一电极11，将负电位施加到第二电极16，因此，在电荷传输时段内，施加到最靠近第一电极11的电荷存储电极段121的电位高于施加到离第一电极11最远的电荷存储电极段123的电位。以这种方式，停留在光电转换层15的与电荷存储电极12面对的区域中的电子被传输到第一电极11，并且通过向电荷存储电极12施加电位梯度而进一步被可靠地读出到第一浮动扩散层FD1。即，存储在光电转换层15中的电荷被读出到控制单元。
在图20所示的示例中，当在电荷传输时段内电荷存储电极段123的电位<电荷存储电极段122的电位<电荷存储电极段121的电位时，将停留在光电转换层15的区域中的电子同时传输到第一浮动扩散层FD1。另一方面，在图21所示的示例中，当在电荷传输时段内电荷存储电极段123的电位、电荷存储电极段122的电位和电荷存储电极段121的电位逐渐变化(即，以阶梯方式或以斜坡方式变化)时，停留在光电转换层15的与电荷存储电极段123面对的区域中的电子移动到光电转换层15的与电荷存储电极段122面对的区域，并且随后，停留在光电转换层15的与电荷存储电极段122面对的区域中的电子移动到光电转换层15的与电荷存储电极段121面对的区域，并且随后，停留在光电转换层15的与电荷存储电极段121面对的区域中的电子被可靠地读出到第一浮动扩散层FD1。
作为图22所示的形成实施例5的摄像元件的变型例的第一电极和电荷存储电极以及形成控制单元的晶体管的示意性布置图，复位晶体管TR1rst的另一侧的源极/漏极区域51B可以接地，而不是连接到电源VDD。
即使在实施例5的摄像元件中，也可以通过采用这种构造来形成一种电荷传输梯度。即，由于电荷存储电极段的面积从第一个光电转换单元段101到第N个光电转换单元段10N逐渐减小，因此当在电荷存储时段内V12≥V11时，第n个光电转换单元段可以比第(n+1)个光电转换单元段存储更大的电荷量。此外，当在电荷传输时段内V22<V21时，可以可靠地确保电荷从第一个光电转换单元段流向第一电极和电荷从第(n+1)个光电转换单元段流向第n个光电转换单元段。
(实施例6)
实施例6涉及根据本发明的第六方面的摄像元件。图23中示出了实施例6的摄像元件和层叠型摄像元件的示意性局部截面图。此外，图24A和图24B中示出了实施例6的电荷存储电极段的示意性平面图。实施例6的摄像元件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，并且该光电转换单元还包括电荷存储电极12，该电荷存储电极12设置成与第一电极11间隔开并且设置成经由绝缘层82面对光电转换层15。此外，在将电荷存储电极12、绝缘层82和光电转换层15的层叠方向定义为Z方向并且将远离第一电极11的方向定义为X方向的情下，当在YZ虚拟平面内切割电荷存储电极12、绝缘层82和光电转换层15层叠的层叠部分时层叠部分的横截面积根据与第一电极11之间的距离而变化。
具体地，在实施例6的摄像元件中，层叠部分的截面的厚度是恒定的，并且层叠部分的截面的宽度随着远离第一电极11而变窄。此外，宽度可以连续变窄(参见图24A)，或可以以阶梯方式变窄(参见图24B)。根据本发明的实施例，并且如图24A和图24B所示，多个电荷存储电极段121、122和123可以形成有多个电荷存储电极段121、122和123中的各者公用的电荷存储电极段。因此，电荷存储电极的公用部分可以由多个电荷存储电极段中的各者公用。由于仍然可以在远离第一电极的方向上说明光电转换单元段(例如，在n增大的方向上的第N个光电转换单元段)，因此各个光电转换单元段可以包括多个电荷存储电极部，其中可以在垂直于n增大的方向的方向上说明各个电荷存储电极部。
如上所述，在实施例6的摄像元件中，由于当在YZ虚拟平面内切割电荷存储电极12、绝缘层82和光电转换层15层叠的层叠部分时层叠部分的横截面积根据与第一电极之间的距离而改变，因此形成了一种电荷传输梯度，并且可以更容易且更可靠地传输通过光电转换产生的电荷。
(实施例7)
实施例7涉及根据本发明的第一方面和第二方面的固态摄像装置。
实施例7的固态摄像装置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，该光电转换单元还包括多个具有电荷存储电极12’的摄像元件，电荷存储电极12’设置成与第一电极11’间隔开并且设置成经由绝缘层82面对光电转换层15，摄像元件块由多个摄像元件形成，并且第一电极11’由形成摄像元件块的多个摄像元件共用。
可替代地，实施例7的固态摄像装置包括多个实施例1至6中所述的摄像元件。
在实施例7中，针对多个摄像元件设置一个浮动扩散层。此外，通过适当地控制电荷传输时段的时序，多个摄像元件可以共用一个浮动扩散层。此外，在这种情况下，多个摄像元件可以共用一个接触孔部。
此外，实施例7的固态摄像装置基本上具有与实施例1至6中所述的固态摄像装置相同的构造和结构，除了第一电极11’由形成摄像元件块的多个摄像元件共用。
图25(实施例7)、图26(实施例7的第一变型例)、图27(实施例7的第二变型例)、图28(实施例7的第三变型例)和图29(实施例7的第四变型例)中示意性地示出了实施例7的固态摄像装置中的第一电极11’和电荷存储电极12’的布置状态。图25、图26、图29和图30中示出了16个摄像元件，并且图27和图28中示出了12个摄像元件。此外，摄像元件块由两个摄像元件形成。摄像元件块由虚线包围。附加到第一电极11’和电荷存储电极12’的后缀是为了区分第一电极11’和电荷存储电极12’。这也适用于以下描述。此外，一个片上微透镜(在图25至图34中未示出)设置在一个摄像元件上方。此外，在一个摄像元件块中，设置有两个电荷存储电极12’，并且其间插入有第一电极11’(参见图25和图26)。可替代地，一个第一电极11’设置成面对两个并置的电荷存储电极12’(参见图29和图30)。即，第一电极与各摄像元件的电荷存储电极相邻地设置。可替代地，第一电极与多个摄像元件的电荷存储电极的一部分相邻地设置，并且第一电极与多个摄像元件的其余电荷存储电极不相邻地设置(参见图27和图28)。在这种情况下，电荷从多个摄像元件的其余部分到第一电极的移动是通过多个摄像元件的一部分的移动。优选地，形成摄像元件的电荷存储电极和形成摄像元件的电荷存储电极之间的距离A比第一电极和与该第一电极相邻的摄像元件中的电荷存储电极之间的距离B短，以便确保电荷从各个摄像元件到第一电极的移动。此外，优选地，离第一电极较远的摄像元件具有更大的距离A的值。此外，在图26、图28和图30所示的示例中，传输控制电极13’设置在形成摄像元件块的多个摄像元件之间。通过设置传输控制电极13’，可以可靠地抑制电荷在摄像元件块中横跨传输控制电极13’的移动。此外，当将施加到传输控制电极13’的电位设定为V13时，可以将其设定为V12>V13(例如，V12-2>V13)。
传输控制电极13’可以在第一电极侧形成为与第一电极11’或电荷存储电极12’相同的电平或不同的电平(具体地，低于第一电极11’或电荷存储电极12’的电平)。在前一种情况下，由于可以缩短传输控制电极13’和光电转换层之间的距离，因此可以容易地控制电位。另一方面，在后一种情况下，由于可以缩短传输控制电极13’和电荷存储电极12’之间的距离，因此有利于小型化。
在下文中，将说明由第一电极11’2以及两个电荷存储电极12’21和12’22形成的摄像元件块的操作。
在电荷存储时段内，从驱动电路将电位Va施加到第一电极11’2，并且将电位VA施加到电荷存储电极12’21和12’22。通过入射在光电转换层15上的光在光电转换层15中发生光电转换。通过光电转换产生的空穴经由布线VOU从第二电极16发送到驱动电路。另一方面，由于第一电极11’2的电位高于第二电极16的电位，即，例如，将正电位施加到第一电极11’2并且将负电位施加到第二电极16，因此VA≥Va，或优选地VA>Va。结果，通过光电转换产生的电子被吸引到电荷存储电极12’21和12’22，并停留在光电转换层15的与电荷存储电极12’21和12’22面对的区域中。即，电荷存储在光电转换层15中。由于VA≥Va，因此在光电转换层15中产生的电子不会朝向第一电极11’2移动。随着光电转换时间的流逝，光电转换层15的与电荷存储电极12’21和12’22面对的区域中的电位变为更负的值。
在电荷存储时段的后一阶段中，进行复位操作。结果，第一浮动扩散层的电位被复位，并且第一浮动扩散层的电位变成电源的电位VDD。
在复位操作完成后，读出电荷。即，在电荷传输时段内，从驱动电路将电位Vb施加到第一电极11’2，将电位V21-B施加到电荷存储电极12’21，并且将电位V22-B施加到电荷存储电极12’22。这里，假设V21-B<Vb<V22-B。结果，停留在光电转换层15的与电荷存储电极12’21面对的区域中的电子被读出到第一电极11’2，并且进一步被读出到第一浮动扩散层。即，存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’21面对的区域中的电荷被读出到控制单元。当读出完成时，假设V22-B≤V21-B<Vb。此外，在图29和图30所示的示例中，可以假设V22-B<Vb<V21-B。因此，停留在光电转换层15的与电荷存储电极12’22面对的区域中的电子被读出到第一电极11’2，并且进一步被读出到第一浮动扩散层。即，存储在光电转换层15中的电荷被读出到控制单元。此外，在图27和图28所示的示例中，停留在光电转换层15的与电荷存储电极12’22面对的区域中的电子可以经由与电荷存储电极12’22相邻的第一电极11’3而被读出到第一浮动扩散层。以这种方式，存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’22面对的区域中的电荷被读出到控制单元。此外，当存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’21面对的区域中的电荷到控制单元的读出完成时，可以使第一浮动扩散层的电位复位。
图35A示出了实施例7的摄像元件块中的读出驱动示例。
(步骤A)
将自动归零信号输入到比较器
(步骤B)
一个共用的浮动扩散层的复位操作
(步骤C)
与电荷存储电极12’21对应的摄像元件中的P相读出和电荷移动到第一电极11’2
(步骤D)
与电荷存储电极12’21对应的摄像元件中的D相读出和电荷移动到第一电极11’2
(步骤E)
一个共用的浮动扩散层的复位操作
(步骤F)
将自动归零信号输入到比较器
(步骤G)
与电荷存储电极12’22对应的摄像元件中的P相读出和电荷移动到第一电极11’2
(步骤H)
根据与电荷存储电极12’22对应的摄像元件中的D相读出和电荷向第一电极11’2移动的流程，读出与电荷存储电极12’21和电荷存储电极12’22对应的两个摄像元件的信号。在相关双采样(CDS)处理的基础上，步骤C中的P相读出和步骤D中的D相读出之间的差异是来自与电荷存储电极12’21对应的摄像元件的信号，并且步骤G中的P相读出和步骤H中的D相读出之间的差异是来自与电荷存储电极12’22对应的摄像元件的信号。
此外，可以省略步骤E的操作(参见图35B)。此外，可以省略步骤F的操作，并且在这种情况下，可以省略步骤G(参见图35C)，并且步骤C中的P相读出和步骤D中的D相读出之间的差异是来自与电荷存储电极12’21对应的摄像元件的信号，并且步骤D中的D相读出和步骤H中的D相读出之间的差异是来自与电荷存储电极12’22对应的摄像元件的信号。
在图31(实施例7的第六变型例)和图32(实施例7的第七变型例)示意性地示出的第一电极11’和电荷存储电极12’的布置状态的变型例中，摄像元件块由四个摄像元件形成。这些固态摄像装置的操作可以与图25至图30所示的固态摄像装置的操作基本相同。
在图33和图34示意性地示出的第一电极11’和电荷存储电极12’的布置状态的变型例8和9中，摄像元件块由十六个摄像元件形成。如图33和图34所示，传输控制电极13’A1、13’A2和13’A3插入在电荷存储电极12’11和电荷存储电极12’12之间、在电荷存储电极12’12和电荷存储电极12’13之间、以及在电荷存储电极12’13和电荷存储电极12’14之间。此外，如图34所示，传输控制电极13’B1、13’B2和13’B3插入在电荷存储电极12’21、12’31、13’41和电荷存储电极12’22、12’32、13’42之间；在电荷存储电极12’22、12’32、13’42和电荷存储电极12’23、12’33、13’43之间；以及在电荷存储电极12’23、12’33、13’43和电荷存储电极12’24、12’34、13’44之间。此外，传输控制电极13’C插入在摄像元件块和摄像元件块之间。此外，在这些固态摄像装置中，通过控制十六个电荷存储电极12’，可以从第一电极11’读出存储在光电转换层15中的电荷。
(步骤10)
具体地，首先，从第一电极11’读出存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’11面对的区域中的电荷。接下来，经由光电转换层15的与电荷存储电极12’11面对的区域从第一电极11’读取存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’12面对的区域中的电荷。接下来，经由光电转换层15的与电荷存储电极12’12和电荷存储电极12’11面对的区域从第一电极11’读出存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’13面对的区域中的电荷。
(步骤20)
其后，存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’21面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’11面对的区域。存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’22面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’12面对的区域。存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’23面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’13面对的区域。存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’24面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’14面对的区域。
(步骤21)
存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’31面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’21面对的区域。存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’32面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’22面对的区域。存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’33面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’23面对的区域。存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’34面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’24面对的区域。
(步骤22)
存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’41面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’31面对的区域。存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’42面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’32面对的区域。存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’43面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’33面对的区域。存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’44面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’34面对的区域。
(步骤30)
此外，再次执行步骤10，由此可以经由第一电极11’读出存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’21面对的区域中的电荷、存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’22面对的区域中的电荷、存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’23面对的区域中的电荷、以及存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’24面对的区域中的电荷。
(步骤40)
其后，存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’21面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’11面对的区域。存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’22面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’12面对的区域。存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’23面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’13面对的区域。存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’24面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’14面对的区域。
(步骤41)
存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’31面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’21面对的区域。存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’32面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’22面对的区域。存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’33面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’23面对的区域。存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’34面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’24面对的区域。
(步骤50)
此外，再次执行步骤10，由此可以经由第一电极11’读出存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’31面对的区域中的电荷、存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’32面对的区域中的电荷、存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’33面对的区域中的电荷、以及存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’34面对的区域中的电荷。
(步骤60)
其后，存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’21面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’11面对的区域。存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’22面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’12面对的区域。存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’23面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’13面对的区域。存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’24面对的区域中的电荷移动到光电转换层15的与电荷存储电极12’14面对的区域。
(步骤70)
此外，再次执行步骤10，由此可以经由第一电极11’读出存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’41面对的区域中的电荷、存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’42面对的区域中的电荷、存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’43面对的区域中的电荷、以及存储在光电转换层15的与电荷存储电极12’44面对的区域中的电荷。
在实施例7的固态摄像装置中，第一电极由形成摄像元件块的多个摄像元件共用，因此布置有多个摄像元件的像素区域的构造和结构可以简化和小型化。此外，针对一个浮动扩散层设置的多个摄像元件可以由多个第一类型摄像元件形成，或可以由至少一个第一类型摄像元件和至少一个第二类型摄像元件形成。
(实施例8)
实施例8是实施例7的变型例。在示意性地示出了第一电极11’和电荷存储电极12’的布置状态的图36、图37、图38和图39所示的实施例8的固态摄像装置中，摄像元件块由两个摄像元件形成。此外，一个片上微透镜90设置在摄像元件块上方。此外，在图37和图39所示的示例中，传输控制电极13’插入在形成摄像元件块的多个摄像元件之间。
例如，与形成摄像元件块的电荷存储电极12’11、12’21、12’31和12’41对应的光电转换层对从图中斜右上方入射的光具有高灵敏度。此外，与形成摄像元件块的电荷存储电极12’12、12’22、12’32和12’42对应的光电转换层对从图中斜左上方入射的光具有高灵敏度。此外，与形成摄像元件块的电荷存储电极12’12、12’22、12’32和12’42对应的光电转换层对从图中斜左上方入射的光具有高灵敏度。因此，例如，可以通过组合具有电荷存储电极12’11的摄像元件和具有电荷存储电极12’12的摄像元件来获取图像平面相位差信号。此外，当添加来自具有电荷存储电极12’11的摄像元件的信号和来自具有电荷存储电极12’12的摄像元件的信号时，可以通过这些摄像元件的组合形成一个摄像元件。在图36所示的示例中，第一电极11’1插入在电荷存储电极12’11和电荷存储电极12’12之间，但是如图38所示的示例那样，通过将一个第一电极11’1设置成与两个并置的电荷存储电极12’11和12’12相对，可以进一步提高灵敏度。
(实施例9)
实施例9是实施例1至6的变型例。图40中示意性地示出的实施例9的摄像元件和层叠型摄像元件是正面照射式摄像元件和正面照射式层叠型摄像元件，并且具有如下结构：其中，具有吸收绿色光的第一类型光电转换层并对绿色敏感的实施例1至6的第一类型绿色摄像元件(第一摄像元件)、具有吸收蓝色光的第二类型光电转换层并对蓝色敏感的传统的第二类型蓝色摄像元件(第二摄像元件)、以及具有吸收红色光的第二类型光电转换层并对红色敏感的传统的第二类型红色摄像元件(第三摄像元件)层叠。这里，红色摄像元件(第三摄像元件)和蓝色摄像元件(第二摄像元件)设置在半导体基板70内，并且与第三摄像元件相比，第二摄像元件更靠近光入射侧。此外，绿色摄像元件(第一摄像元件)设置在蓝色摄像元件(第二摄像元件)上方。
此外，在图40、图41、图42、图43、图44、图45、图48、图49、图51、图52、图53、图54、图55和图56中，为了简化附图，省略了光电转换单元段的图示，但按顺序图示了电荷存储电极12、绝缘层82和光电转换层15。
如在实施例1中，形成控制单元的各种晶体管设置在半导体基板70的表面70A上。这些晶体管可以具有与实施例1中所述的晶体管基本相同的构造和结构。此外，第二摄像元件和第三摄像元件设置在半导体基板70上，并且这些摄像元件也可以具有与实施例1中所述的第二摄像元件和第三摄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，并且形成实施例1至6的摄像元件的光电转换单元(第一电极11、光电转换层15和第二电极16)和电荷存储电极12等形成在层间绝缘层78上。
如上所述，除了作为正面照射式摄像元件和正面照射式层叠型摄像元件，实施例9的摄像元件和层叠型摄像元件的构造和结构与实施例1至6的摄像元件和层叠型摄像元件的构造和结构相同，因此将省略详细描述。
(实施例10)
实施例10是实施例1至9的变型例。
图41示意性地示出的实施例10的摄像元件和层叠型摄像元件是背面照射式摄像元件和背面照射式层叠型摄像元件，并且具有如下结构：其中，实施例1至6的第一类型的第一摄像元件和两个第二类型的第二摄像元件层叠。此外，图42中示出了局部截面图的实施例10的摄像元件和层叠型摄像元件的变型例是正面照射式摄像元件和正面照射式层叠型摄像元件，并且具有如下结构：其中，实施例1至6的第一类型的第一摄像元件和两个第二类型的第二摄像元件层叠。这里，第一摄像元件吸收光的原色，并且第二摄像元件吸收光的互补色。可替代地，第一摄像元件吸收白光，并且第二摄像元件吸收红外线。
图43中示出了示意性局部截面图的实施例10的摄像元件的变型例是背面照射式摄像元件，并且该变型例由实施例1至6的第一类型的第一摄像元件形成。此外，图44中示出了示意性局部截面图的实施例10的摄像元件的变型例是正面照射式摄像元件，并且该变型例由实施例1至6的第一类型的第一摄像元件形成。这里，第一摄像元件由包括吸收红色光的摄像元件、吸收绿色光的摄像元件和吸收蓝色光的摄像元件的这三种类型的摄像元件形成。此外，根据本发明的第三方面的固态摄像装置由多个这些摄像元件形成。多个摄像元件的布置示例包括拜耳阵列。必要时，在各个摄像元件的光入射侧设置用于进行蓝色、绿色和红色的分光的滤色器。
此外，可以采用如下形式来代替设置一个实施例1至6的第一类型摄像元件：其中，两个实施例1至6的第一类型摄像元件层叠(即，两个光电转换单元层叠，并且两个摄像元件的控制单元设置在半导体基板上)，或三个实施例1至6的第一类型摄像元件层叠(即，三个光电转换单元层叠，并且三个摄像元件的控制单元设置在半导体基板上)。在下表中例示了第一类型摄像元件和第二类型摄像元件的层叠结构的示例。
[表1]
(实施例11)
实施例11是实施例1至10的变型例，并且涉及根据本发明的实施例的具有电荷排出电极的摄像元件等。图45中示出了实施例11的摄像元件和层叠型摄像元件的一部分的示意性局部截面图，图46中示出了形成实施例11的摄像元件的第一电极、电荷存储电极和电荷排出电极的示意性布置图，并且图47中示出了形成实施例11的摄像元件的第一电极、电荷存储电极、电荷排出电极、第二电极和接触孔部。
实施例11的摄像元件和层叠型摄像元件还包括电荷排出电极14，电荷排出电极14经由连接部69连接到光电转换层15并设置成与第一电极11和电荷存储电极间隔开。这里，电荷排出电极14设置成围绕第一电极11和电荷存储电极12(即，以框架形式)。电荷排出电极14连接到形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85中延伸，并且光电转换层15连接到电荷排出电极14。电荷排出电极14由多个摄像元件共用。
在实施例11中，在电荷存储时段内，从驱动电路将电位V11施加到第一电极11，将电位V12施加到电荷存储电极12，并将电位V14施加到电荷排出电极14，并且将电荷存储在光电转换层15中。通过入射在光电转换层15上的光在光电转换层15中发生光电转换。通过光电转换产生的空穴经由布线VOU从第二电极16发送到驱动电路。另一方面，由于第一电极11的电位高于第二电极16的电位，即，例如，将正电位施加到第一电极11而将负电位施加到第二电极16，因此V14>V11(例如，V12>V14>V11)。结果，通过光电转换产生的电子被吸引到电荷存储电极12并停留在光电转换层15的与电荷存储电极12面对的区域中，并且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充分吸引的或未存储在光电转换层15中的电子(所谓的溢出电子)经由电荷排出电极14被发送到驱动电路。
在电荷存储时段的后一阶段中，进行复位操作。结果，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。
在复位操作完成后，读出电荷。即，在电荷传输时段内，从驱动电路将电位V21施加到第一电极11，将电位V22施加到电荷存储电极12，并且将电位V24施加到电荷存储电极14。这里，假设V24<V21(例如，V24<V22<V21)。结果，停留在光电转换层15的与电荷存储电极12面对的区域中的电子必定会被读出到第一电极11，并进一步会被读出到第一浮动扩散层FD1。即，存储在光电转换层15中的电荷被读出到控制单元。
因此，完成了包括电荷存储、复位操作和电荷传输等的一系列操作。
在将电子读出到第一浮动扩散层FD1之后放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel的操作与传统晶体管的操作相同。此外，例如，第二摄像元件和第三摄像元件的诸如电荷存储、复位操作和电荷传输等一系列操作与传统的诸如电荷存储、复位操作和电荷传输等一系列操作相同。
在实施例11中，所谓的溢出电子经由电荷排出电极14被发送到驱动电路，因此可以抑制相邻像素向电荷存储部的泄漏，并且可以抑制晕染的发生。此外，结果，可以改善摄像元件的摄像性能。
尽管已经基于优选实施例说明了本发明，但是本发明不限于这些实施例。实施例中所述的摄像元件、层叠型摄像元件和固态摄像装置的结构和构造、制造条件、制造方法和使用材料是说明性的，并且可以适当地变化。实施例1的摄像元件、实施例2的摄像元件、实施例3的摄像元件、实施例4的摄像元件和实施例5的摄像元件可以任意地组合，并且实施例1的摄像元件、实施例2的摄像元件、实施例3的摄像元件、实施例4的摄像元件和实施例6的摄像元件可以任意地组合。
在一些情况下，可以共用浮动扩散层FD1、FD2、FD3、51C、45C和46C。
例如，作为图48所示的实施例1中说明的摄像元件和层叠型摄像元件的变型例，第一电极11可以在设置于绝缘层82中的开口84A中延伸，并且第一电极11可以连接到光电转换层15。
可替代地，作为图49所示的实施例1中说明的摄像元件和层叠型摄像元件的变型例，并且图50A中示出了第一电极的局部放大部分的示意性局部截面图，第一电极11的顶表面的边缘覆盖有绝缘层82，并且第一电极11暴露在开口84B的底表面上。当将绝缘层82的与第一电极11的顶表面接触的表面定义为第一表面82a并且将绝缘层82的与光电转换层15的面对电荷存储电极12的部分接触的表面定义为第二表面82b时，开口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。如上所述，通过使开口84B的侧表面倾斜，电荷从光电转换层15到第一电极11的移动会变得更平滑。此外，开口84B的侧表面在图50A所示的示例中关于开口84B的轴线旋转对称。但是，如图50B所示，开口84C可以设置成使得具有从第一表面82a朝向第二表面82b扩展的斜坡的开口84C的侧表面布置在电荷存储电极12侧。结果，将电荷从光电转换层15的与电荷存储电极12面对的一侧的一部分横跨开口84传输变得困难。此外，开口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，但是开口84B的侧表面在第二表面82b中的边缘部分可以如图50A所示位于第一电极11的边缘外，或可以如图50C所示位于第一电极11的边缘内。当采用前一种构造时，电荷的传输变得更容易，并且当采用后一种构造时，可以减少形成开口时的形状变化。
通过使由抗蚀剂材料形成的蚀刻掩模回流并使用该蚀刻掩模对绝缘层82进行蚀刻而使蚀刻掩模的开口侧表面倾斜，可以形成这些开口84B和84C，所述蚀刻掩模是在通过蚀刻方法于绝缘层中形成开口时形成的。
可替代地，对于实施例11中所述的电荷排出电极14，如图51所示，光电转换层15可以在设置于绝缘层82中的第二开口85A中延伸并且可以连接到电荷排出电极14，电荷排出电极14的顶表面的边缘可以覆盖有绝缘层82，并且电荷排出电极14可以暴露在第二开口85A的底表面上。当将绝缘层82的与电荷排出电极14的顶表面接触的表面定义为第三表面82c并且将绝缘层82的与光电转换层15的面对电荷存储电极12的部分接触的表面定义为第二表面82b时，第二开口85A的侧表面可以具有从第三表面82c朝向第二表面82b扩展的斜坡。
此外，例如，作为图52所示的实施例1中说明的摄像元件和层叠型摄像元件的变型例，光可以从第二电极16侧入射，并且遮光层92可以形成在光从第二电极16入射的光入射侧。此外，设置得比光电转换层更靠近光入射侧的各种布线也可以用作遮光层。
此外，在图52所示的示例中，遮光层92形成在第二电极16上方，即，遮光层92形成在光从第二电极16入射的光入射侧并且形成在第一电极11上方，但是可以如图53所示设置在第二电极16的光入射表面侧。此外，在一些情况下，如图54所示，遮光层92可以形成在第二电极16上。
可替代地，光可以从第二电极16侧入射，并且光可以不进入第一电极11。具体地，如图52所示，遮光层92形成在光从第二电极16入射的光入射侧并且形成在第一电极11上方。可替代地，如图55所示，片上微透镜90可以设置在电荷存储电极12和第二电极16上方，并且入射在片上微透镜90上的光可以聚焦在电荷存储电极12上，并且可以不到达第一电极11。可替代地，入射在片上微透镜90上的光可以不到达第一电极11。
当采用这些构造和结构，或遮光层92设置成使得光仅进入位于电荷存储电极12上方的光电转换层15，或设置片上微透镜90时，光电转换层15的位于第一电极11上方的部分对光电转换没有贡献，因此可以更可靠地使所有像素同时复位，并且可以更容易地实现全局快门功能。即，在包括多个具有这种构造和结构的摄像元件的固态摄像装置的驱动方法中，在所有摄像元件中，当将电荷存储在光电转换层15中的同时，第一电极11中的电荷同时被排出系统，然后，在所有摄像元件中，存储在光电转换层15中的电子同时被传输到第一电极11。在传输完成之后，传输到第一电极11的电荷在各个摄像元件中顺序地被读出。各个过程都是重复的。
在固态摄像装置的这种驱动方法中，各个摄像元件具有如下结构：其中，从第二电极侧入射的光不进入第一电极，并且在所有摄像元件中，在将电荷存储在光电转换层中的同时，第一电极中的电荷同时被排放到系统外部，因此可以在所有摄像元件中同时可靠地进行第一电极的复位。此外，其后，在所有摄像元件中，将存储在光电转换层中的电荷同时传输到第一电极，并且在完成传输之后，传输到各个摄像元件中的第一电极的电荷被依次读出。因此，可以容易地实现所谓的全局快门功能。
光电转换层不限于单层构造。例如，如图56所示的实施例1中说明的摄像元件和层叠型摄像元件的变型例，光电转换层15可以具有下半导体层15A和上光电转换层15B的层叠结构，下半导体层15A由例如IGZO形成，上光电转换层15B由形成实施例1中所述的光电转换层15的材料形成。当以这种方式设置下半导体层15A时，可以防止电荷存储时的复合，可以增加存储在光电转换层15中的电荷到第一电极11的传输效率，并且可以抑制暗电流的产生。
在图1和图2所示的实施例1中，通过逐渐减小电荷存储电极段121、122和123的厚度，绝缘层段821、822和823的厚度逐渐增大。另一方面，如作为在实施例1的摄像元件的变型例中电荷存储电极、光电转换层和第二电极层叠的放大部分的示意性局部截面图的图57所示，电荷存储电极段121、122和123的厚度可以是恒定的，并且绝缘层段821、822和823的厚度可以逐渐增大。此外，光电转换层段151、152和153的厚度是恒定的。
此外，在图12所示的实施例2中，通过逐渐减小电荷存储电极段121、122和123的厚度，光电转换层段151、152和153的厚度逐渐增大。另一方面，如作为在实施例2的摄像元件的变型例中电荷存储电极、光电转换层和第二电极层叠的放大部分的示意性局部截面图的图58所示，电荷存储电极段121、122和123的厚度可以是恒定的，并且光电转换层段151、152和153的厚度可以通过逐渐减小绝缘层段821、822和823的厚度而逐渐减大。
毋庸置疑，上述的各种变型例也可以应用到其他实施例。
在实施例中，电子用作信号电荷，并且形成在半导体基板上的光电转换层的导电类型是n型，但是本发明的实施例也可以应用到使用空穴作为信号电荷的固态摄像装置。在这种情况下，各个半导体区域可以由相反的导电类型的半导体区域形成，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，将本发明的实施例应用到如下的CMOS型固态摄像装置的情况当作实施例中的一个示例：其中，用于检测与作为物理量的入射光量对应的信号电荷的单位像素以矩阵的方式布置着，但是本发明不限于应用到CMOS型固态摄像装置，且还可以应用到CCD型固态摄像装置。在后一种情况下，信号电荷通过CCD型结构的垂直传输寄存器在垂直方向上传输，通过水平传输寄存器在水平方向上传输，并被放大，从而输出像素信号(图像信号)。此外，本发明不限于一般的列型固态摄像装置，在列型固态摄像装置中，像素以二维矩阵形成，并且通常针对各个像素列布置列信号处理电路。此外，在一些情况下，可以省略选择晶体管。
此外，根据本发明的实施例的摄像元件和层叠型摄像元件不限于应用到用于检测可见光的入射光量的分布并且采集为图像的固态摄像装置，并且可以应用到采集红外线、X射线或粒子等的入射光量的分布作为图像的固态摄像装置，此外，其可以应用到诸如指纹检测传感器等固态摄像装置(物理量分布检测装置)，该指纹检测传感器检测诸如压力和静电容量等其他物理量的分布并且采集为广义上的图像。
此外，本发明不限于如下的固态摄像装置：其逐行顺序地扫描摄像区域的各个单位像素，并从各个单位像素读出像素信号。本发明还可以应用到如下的XY地址型固态摄像装置：其以像素为单位选择任意像素，并以像素为单位从所选像素中读出像素信号。固态摄像装置可以是一个芯片的形式，或是具有摄像功能并与摄像区域和驱动电路或光学系统一起封装的模块的形式。
此外，本发明不仅可以应用到固态摄像装置，还可以应用到摄像装置。这里，摄像设备是指具有摄像功能的电子设备，例如，诸如数码照相机或摄像机等相机系统、或移动电话。摄像装置可以是安装在电子设备上的模块(即，相机模块)的形式。
图59以概念图示出了由根据本发明的实施例的摄像元件和层叠型摄像元件形成的固态摄像装置201用于电子设备(照相机)200的示例。电子设备200具有固态摄像装置201、光学透镜210、快门设备211、驱动电路212和信号处理电路213。光学透镜210在固态摄像装置201的成像表面上形成来自物体的图像光(入射光)的图像。结果，在固态摄像装置201中将信号电荷存储一段时间。快门设备211控制相对于固态摄像装置201的光照射时段和遮光时段。驱动电路212提供用于控制固态摄像装置201的传输操作等和快门设备211的快门操作的驱动信号。固态摄像装置201的信号通过从驱动电路212供应的驱动信号(时序信号)被传输。信号处理电路213执行各种信号处理。将已经执行了信号处理的视频信号存储在诸如存储器等存储介质中或输出到监视器。在这种电子设备200中，可以在固态摄像装置201中实现像素尺寸的小型化和传输效率的提高，因此可以获得像素特性得到改善的电子设备200。可以应用固态摄像装置201的电子设备200不是仅局限于照相机，并且其可以应用到诸如用于移动设备(例如数码照相机或移动电话)的相机模块等摄像装置。
本领域技术人员应该理解，可以根据设计需要和其他因素进行各种变型、组合、子组合和变更，只要这些变型、组合、子组合和变更在所附权利要求或其等同物的范围内。
另外，本技术还可以如下地构造。
(A01)(摄像元件：第一方面)
摄像元件，其包括：
光电转换单元，所述光电转换单元是通过层叠第一电极、光电转换层和第二电极形成的，
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设置成与所述第一电极间隔开，并且被设置成经由绝缘层面对所述光电转换层，
所述光电转换单元由N(其中N≥2)个光电转换单元段形成，
所述光电转换层由N个光电转换层段形成，
所述绝缘层由N个绝缘层段形成，
所述电荷存储电极由N个电荷存储电极段形成，
第n(其中n＝1,2,3...,N)个光电转换单元段由第n个电荷存储电极段、第n个绝缘层段和第n个光电转换层段形成，
随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且
所述绝缘层段的厚度从第一个光电转换单元段到第N个光电转换单元段逐渐变化。
(A02)(摄像元件：第二方面)
摄像元件，其包括：
光电转换单元，所述光电转换单元是通过层叠第一电极、光电转换层和第二电极形成的，
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设置成与所述第一电极间隔开，并且被设置成经由绝缘层面对所述光电转换层，
所述光电转换单元由N(其中N≥2)个光电转换单元段形成，
所述光电转换层由N个光电转换层段形成，
所述绝缘层由N个绝缘层段形成，
所述电荷存储电极由N个电荷存储电极段形成，
第n(其中n＝1,2,3...,N)个光电转换单元段由第n个电荷存储电极段、第n个绝缘层段和第n个光电转换层段形成，
随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且
所述光电转换层段的厚度从第一个光电转换单元段到第N个光电转换单元段逐渐变化。
(A03)(摄像元件：第三方面)
摄像元件，其包括：
光电转换单元，所述光电转换单元是通过层叠第一电极、光电转换层和第二电极形成的，
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设置成与所述第一电极间隔开，并且被设置成经由绝缘层面对所述光电转换层，
所述光电转换单元由N(其中N≥2)个光电转换单元段形成，
所述光电转换层由N个光电转换层段形成，
所述绝缘层由N个绝缘层段形成，
所述电荷存储电极由N个电荷存储电极段形成，
第n(其中n＝1,2,3...,N)个光电转换单元段由第n个电荷存储电极段、第n个绝缘层段和第n个光电转换层段形成，
随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且
在相邻的光电转换单元段中，形成所述绝缘层段的材料是不同的。
(A04)(摄像元件：第四方面)
摄像元件，其包括：
光电转换单元，所述光电转换单元是通过层叠第一电极、光电转换层和第二电极形成的，
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设置成与所述第一电极间隔开，并且被设置成经由绝缘层面对所述光电转换层，
所述光电转换单元由N(其中N≥2)个光电转换单元段形成，
所述光电转换层由N个光电转换层段形成，
所述绝缘层由N个绝缘层段形成，
所述电荷存储电极由N个被设置成彼此间隔开的电荷存储电极段形成，
第n(其中n＝1,2,3...,N)个光电转换单元段由第n个电荷存储电极段、第n个绝缘层段和第n个光电转换层段形成，
随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且
在相邻的光电转换单元段中，形成所述电荷存储电极段的材料是不同的。
(A05)(摄像元件：第五方面)
摄像元件，其包括：
光电转换单元，所述光电转换单元是通过层叠第一电极、光电转换层和第二电极形成的，
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设置成与所述第一电极间隔开，并且被设置成经由绝缘层面对所述光电转换层，
所述光电转换单元由N(其中N≥2)个光电转换单元段形成，
所述光电转换层由N个光电转换层段形成，
所述绝缘层由N个绝缘层段形成，
所述电荷存储电极由N个被设置成彼此间隔开的电荷存储电极段形成，
第n(其中n＝1,2,3...,N)个光电转换单元段由第n个电荷存储电极段、第n个绝缘层段和第n个光电转换层段形成，
随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且
所述电荷存储电极段的面积从第一个光电转换单元段到第N个光电转换单元段逐渐减小。
(A06)(摄像元件：第六方面)
摄像元件，其包括：
光电转换单元，所述光电转换单元是通过层叠第一电极、光电转换层和第二电极形成的，
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设置成与所述第一电极间隔开，并且被设置成经由绝缘层面对所述光电转换层，
在将所述电荷存储电极、所述绝缘层和所述光电转换层的层叠方向定义为Z方向并将远离所述第一电极的方向定义为X方向的情况下，当在YZ虚拟平面内切割所述电荷存储电极、所述绝缘层和所述光电转换层层叠的层叠部分时，所述层叠部分的横截面积根据与所述第一电极之间的距离而改变。
(B01)如(A01)至(B01)中任一项所述的摄像元件，其还包括半导体基板，
其中，所述光电转换单元设置在所述半导体基板上方。
(B02)如(A01)至(B01)中任一项所述的摄像元件，其中，所述第一电极在设置于所述绝缘层中的开口中延伸，并且所述第一电极连接到所述光电转换层。
(B03)如(A01)至(B01)中任一项所述的摄像元件，其中，所述光电转换层在设置于所述绝缘层中的开口中延伸，并且所述光电转换层连接到所述第一电极。
(B04)如(B03)所述的摄像元件，其中，所述第一电极的顶表面的边缘覆盖有所述绝缘层，并且所述第一电极暴露在所述开口的底表面上，
当将所述绝缘层的与所述第一电极的所述顶表面接触的表面定义为第一表面并且将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部分接触的表面定义为第二表面时，所述开口的侧表面具有从所述第一表面朝向所述第二表面延伸的斜坡。
(B05)如(B04)所述的摄像元件，其中，具有从所述第一表面朝向所述第二表面延伸的斜坡的开口的侧表面位于所述电荷存储电极侧。
(B06)(第一电极和电荷存储电极的电位控制)
如(A01)至(B05)中任一项所述的摄像元件，其还包括控制单元，所述控制单元设置在所述半导体基板上并具有驱动电路，其中，所述第一电极和所述电荷存储电极连接到所述驱动电路，
在电荷存储时段内，从所述驱动电路将电位V11施加到所述第一电极，并且将电位V12施加到所述电荷存储电极，将电荷存储在所述光电转换层中，
在电荷传输时段内，从所述驱动电路将电位V21施加到所述第一电极，并且将电位V22施加到所述电荷存储电极，所述控制单元通过所述第一电极读取存储在所述光电转换层中的电荷。
这里，当所述第一电极的电位高于所述第二电极的电位时，V12≥V11且V22<V21，当所述第一电极的电位低于所述第二电极的电位时，V12≤V11且V22>V21。
(B07)(电荷排出电极)
如(A01)至(B06)中任一项所述的摄像元件，其还包括电荷排出电极，所述电荷排出电极连接到所述光电转换层，并且所述电荷排出电极被设置成与所述第一电极和所述电荷存储电极间隔开。
(B08)如(B07)所述的摄像元件，其中，所述电荷排出电极被设置成包围所述第一电极和所述电荷存储电极。
(B09)如(B07)或(B08)所述的摄像元件，其中，所述光电转换层在设置于所述绝缘层上的第二开口中延伸，并且所述光电转换层连接到所述电荷排出电极，所述电荷排出电极的顶表面的边缘覆盖有所述绝缘层，所述电荷排出电极暴露在所述第二开口的底表面上，
当将所述绝缘层的与所述电荷排出电极的所述顶表面接触的表面定义为第三表面并且将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部分接触的表面定义为第二表面时，所述第二开口的侧表面具有从所述第三表面朝向所述第二表面延伸的斜坡。
(B10)(第一电极、电荷存储电极和电荷排出电极的电位控制)
如(B07)至(B09)中任一项所述的摄像元件，其还包括控制单元，所述控制单元设置在所述半导体基板上并具有驱动电路，其中，所述第一电极、所述电荷存储电极和所述电荷排出电极连接到所述驱动电路，
在电荷存储时段内，从所述驱动电路将电位V21施加到所述第一电极，将电位V12施加到所述电荷存储电极，并且将电位V14施加到所述电荷排出电极，将电荷存储在所述光电转换层中，
在电荷传输时段内，将电位V21施加到所述第一电极，从所述驱动电路将电位V22施加到所述电荷存储电极，并且从所述驱动电路将电位V24施加到所述电荷排出电极，并且所述控制单元通过所述第一电极读取存储在所述光电转换层中的电荷。
这里，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，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。
(B11)如(A01)至(B10)中任一项所述的摄像元件，其中，当所述第一电极的电位高于所述第二电极的电位时，在电荷传输时段内，施加到最靠近所述第一电极的所述电荷存储电极段的电位高于施加到离所述第一电极最远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时，在所述电荷传输时段内，施加到最靠近所述第一电极的所述电荷存储电极段的电位低于施加到离所述第一电极最远的所述电荷存储电极段的电位。
(B12)如(A01)至(B11)中任一项所述的摄像元件，其中，所述半导体基板设置有形成控制单元的至少一个浮动扩散层和放大晶体管，并且所述第一电极连接到所述浮动扩散层和所述放大晶体管的栅极部。
(B13)如(B12)所述的摄像元件，其中，所述半导体基板还设置有形成控制单元的复位晶体管和选择晶体管，所述浮动扩散层连接到所述复位晶体管的一侧的源极/漏极区域，并且所述放大晶体管的一侧的源极/漏极区域连接到所述选择晶体管的一侧的源极/漏极区域，并且所述选择晶体管的另一侧的源极/漏极区域连接到信号线。
(B14)如(A01)至(B13)中任一项所述的摄像元件，其中，所述电荷存储电极的尺寸大于所述第一电极的尺寸。
(B15)如(A01)至(B14)中任一项所述的摄像元件，其中，光从所述第二电极侧入射，并且遮光层形成在光从所述第二电极入射的光入射侧。
(B16)如(A01)至(B14)中任一项所述的摄像元件，其中，光从所述第二电极侧入射，并且没有光入射在所述第一电极上。
(B17)如(B16)所述的摄像元件，其中，遮光层形成在所述第一电极上方，所述上方是光从所述第二电极入射的光入射侧。
(B18)如(B16)所述的摄像元件，其中，片上微透镜设置在所述电荷存储电极和所述第二电极上方，并且入射在所述片上微透镜上的光被收集到所述电荷存储电极。
(C01)(层叠型摄像元件)
层叠型摄像元件，其包括至少一个如(A01)至(B18)中任一项所述的摄像元件。
(D01)(固态摄像装置：第一方面)
固态摄像装置，其包括：
光电转换单元，所述光电转换单元是通过层叠第一电极、光电转换层和第二电极形成的，
其中，所述光电转换单元还包括多个摄像元件，所述多个摄像元件中的每个摄像元件包括电荷存储电极，所述电荷存储电极被设置成与所述第一电极间隔开，并且被设置成经由绝缘层面对所述光电转换层，
摄像元件块由多个所述摄像元件形成，并且
所述第一电极由形成所述摄像元件块的多个所述摄像元件共用。
(D02)(固态摄像装置：第二方面)
固态摄像装置，其包括：
多个如(A01)至(B17)中任一项所述的摄像元件，
其中，摄像元件块由多个所述摄像元件形成，并且
所述第一电极由形成所述摄像元件块的多个所述摄像元件共用。
(D03)如(D01)或(D02)所述的固态摄像装置，其中，传输控制电极设置在形成所述摄像元件块的多个所述摄像元件之间。
(D04)如(D01)至(D03)中任一项所述的固态摄像装置，其中，一个片上微透镜设置在一个摄像元件上方。
(D05)如(D01)至(D04)中任一项所述的固态摄像装置，其中，所述摄像元件块由两个所述摄像元件形成，并且
一个片上微透镜设置在所述摄像元件块上方。
(D06)如(D01)至(D05)中任一项所述的固态摄像装置，其中，针对多个所述摄像元件设置一个浮动扩散层。
(D07)如(D01)至(D06)中任一项所述的固态摄像装置，其中所述第一电极被设置成与每个摄像元件的所述电荷存储电极相邻。
(D08)如(D01)至(D07)中任一项所述的固态摄像装置，其中，所述第一电极被设置成与多个所述摄像元件的所述电荷存储电极的一部分相邻，并且没有被设置成与多个所述摄像元件的其余电荷存储电极相邻。
(D09)如(D08)所述的固态摄像装置，其中，形成所述摄像元件的所述电荷存储电极和形成所述摄像元件的所述电荷存储电极之间的距离大于所述第一电极和与所述第一电极相邻的所述摄像元件中的所述电荷存储之间的距离。
(E01)(固态摄像装置：第三方面)
固态摄像装置，其包括：
多个如(A01)至(A06)中任一项所述的摄像元件。
(E02)(固态摄像装置：第四方面)
固态摄像装置，其包括：
多个如(C01)中所述的层叠型摄像元件。
(F01)(固态摄像装置的驱动方法)
固态摄像装置的驱动方法，所述固态摄像装置包括多个摄像元件，其中，所述摄像元件包括光电转换单元，所述光电转换单元是通过层叠第一电极、光电转换层和第二电极形成的，并且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设置成与所述第一电极间隔开，并且被设置成经由绝缘层面对所述光电转换层，并且所述摄像元件具有光从所述第二电极侧入射并且光不会进入所述第一电极的结构，
所述方法重复下列的每个过程：在光电转换层中同时累积电荷的同时，在所有摄像元件中将所述第一电极中的电荷排出系统，其后，在所有摄像元件中将存储在所述光电转换层中的电荷同时传输到所述第一电极，并且在传输完成之后，在每个摄像元件中顺序地读出传输到的所述第一电极的电荷。
(G01)摄像元件，其包括光电转换单元，所述光电转换单元包括第一电极、光电转换层、第二电极、绝缘层和电荷存储电极，所述绝缘层包括N个绝缘层段，其中N大于或等于2，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间，其中，所述光电转换单元包括N个光电转换单元段，第n(其中n＝1,2,3...,N)个光电转换单元段包括所述电荷存储电极、第n个绝缘层段和所述光电转换层，随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且第一个光电转换单元段中的所述绝缘层段的厚度不同于第N个光电转换单元段中的所述绝缘层段的厚度。
(G02)摄像装置，其包括多个如(G01)所述的摄像元件。
(G03)层叠型摄像元件，其包括至少一个如(G01)所述的摄像元件。
(G04)摄像装置，其包括多个如(G03)所述的层叠型摄像元件。
(G05)摄像元件，其包括光电转换单元，所述光电转换单元包括第一电极、光电转换层、第二电极、绝缘层和电荷存储电极，所述光电转换层包括N个光电转换单元段，其中N大于或等于2，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间，其中，所述光电转换单元包括N个光电转换单元段，第n(其中n＝1,2,3...,N)个光电转换单元段由所述电荷存储电极、第n个光电转换层段和所述绝缘层形成，随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且第一个光电转换单元段中的所述光电转换层段的厚度不同于第N个光电转换单元段中的所述光电转换层段的厚度。
(G06)摄像元件，其包括光电转换单元，所述光电转换单元包括第一电极、光电转换层、第二电极、绝缘层和电荷存储电极，所述绝缘层包括N个绝缘层段，其中N大于或等于2，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间，其中，所述光电转换单元包括N个光电转换单元段，第n(其中n＝1,2,3...,N)个光电转换单元段由所述电荷存储电极、第n个绝缘层段和所述光电转换层段形成，随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且在相邻的光电转换单元段中，形成所述绝缘层段的材料是不同的。
(G07)摄像元件，其包括光电转换单元，所述光电转换单元包括第一电极、光电转换层、第二电极、绝缘层和电荷存储电极，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间，其中，所述电荷存储电极包括N个彼此间隔开的电荷存储段，N大于或等于2，所述光电转换单元包括N个光电转换单元段，第n(其中n＝1,2,3...,N)个光电转换单元段由第n个电荷存储电极段、所述绝缘层和所述光电转换层段形成，随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且在相邻的光电转换单元段中，形成所述电荷存储电极段的材料是不同的。
(G08)摄像元件，其包括光电转换单元，所述光电转换单元包括第一电极、光电转换层、第二电极、绝缘层和电荷存储电极，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间，其中，所述电荷存储电极包括N个电荷存储段，N大于或等于2，所述光电转换单元包括N个光电转换单元段，第n(其中n＝1,2,3...,N)个光电转换单元段由第n个电荷存储电极段、所述绝缘层和所述光电转换层形成，随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且第一个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段的面积不同于第N个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段的面积。
(G09)如(G08)所述的摄像元件，其中，在平面图中，所述第一个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段的所述面积大于所述第N个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段的所述面积。
(G10)如(G10)所述的摄像元件，其中，在平面图中，所述第一个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段在第一方向上的第一尺寸大于所述第N个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段在所述第一方向上的第一尺寸，并且
其中，在所述平面图中，所述第一个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段在第二方向上的第二尺寸小于所述第N个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段在所述第二方向上的第二尺寸。
(G11)如(G08)所述的摄像元件，其中，在平面图中，所述第一个光电转换单元段中的所述电荷存储段的至少三个边缘与所述第N个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段的对应边缘相邻。
(G12)如(G08)所述的摄像元件，其中，所述电荷存储电极包括公用部分，并且其中，至少一个光电转换单元段包括在与n增大的方向垂直的方向上彼此间隔开的多个电荷存储电极部。
(G13)摄像元件，其包括光电转换单元，所述光电转换单元包括第一电极、光电转换层、第二电极、绝缘层和电荷存储电极，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层过孔之间，其中，在将所述电荷存储电极、所述绝缘层和所述光电转换层的层叠方向定义为Z方向并且将远离所述第一电极的方向定义为X方向的情况下，包括所述电荷存储电极、所述绝缘层和所述光电转换层的层叠部分在YZ虚拟平面内的横截面积基于与所述第一电极之间的距离而改变。
(G14)摄像装置，其包括光电转换单元，所述光电转换单元包括第一电极、光电转换层、第二电极、绝缘层和多个摄像元件，所述多个摄像元件中的每个摄像元件包括电荷存储电极，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间，其中，摄像元件块包括多个所述摄像元件，并且所述第一电极由所述摄像元件块中的多个所述摄像元件共用。
(G15)如(G14)所述的摄像装置，其中，所述多个摄像元件中的每个摄像元件包括光电转换单元，所述光电转换单元包括第一电极、光电转换层、第二电极、绝缘层和电荷存储电极，所述绝缘层包括N个绝缘层段，其中N大于或等于2，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间，其中，所述光电转换单元包括N个光电转换单元段，第n(其中n＝1,2,3...,N)个光电转换单元段包括所述电荷存储电极、第n个绝缘层段和所述光电转换层，随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且第一个光电转换单元段中的所述绝缘层段的厚度不同于第N个光电转换单元段中的所述绝缘层段的厚度。
(G16)如(G14)所述的摄像装置，其中，在形成所述摄像元件块的多个所述摄像元件之间设置有传输控制电极。
(G17)如(G01)至(G16)中任一项所述的摄像装置，其中，在一个摄像元件上方设置有一个片上微透镜。
(G18)如(G14)所述的摄像装置，其中，所述摄像元件块由两个摄像元件形成，且在所述摄像元件块上方设置有一个片上微透镜。
(G19)如(G14)所述的摄像装置，其还包括：多个所述摄像元件块中的第一摄像元件块；以及多个所述摄像元件块中的第二摄像元件块，其中，在平面图中，所述第一摄像元件块中的第一摄像元件与所述第二摄像元件块中的第一摄像元件相邻。
(G20)如(G14)所述的摄像装置，其还包括：多个所述摄像元件块中的第一摄像元件块；多个所述摄像元件块中的第二摄像元件块；以及设置在所述第一摄像元件块和所述第二摄像元件块之间的传输控制电极。
(G21)如(G14)所述的摄像装置，其还包括：多个所述摄像元件块中的第一摄像元件块；以及多个所述摄像元件块中的第二摄像元件块，其中，在平面图中，所述第一摄像元件块中的第一摄像元件与所述第一摄像元件块中的第二摄像元件相邻，在所述平面图中，所述第二摄像元件块中的第一摄像元件与所述第二摄像元件块中的第二摄像元件相邻，并且所述第一摄像元件块中的所述第二摄像元件与所述第二摄像元件块中的所述第一摄像元件相邻。
(G22)如(G21)所述的摄像装置，其中，在所述平面图中，所述第一电极对角地位于所述第一摄像元件块中的所述第一摄像元件和所述第一摄像元件块中的第三摄像元件之间。
(G23)如(G21)所述的摄像装置，其还包括传输控制电极，所述传输控制电极设置在所述第一摄像元件块中的所述第二摄像元件和所述第二摄像元件块中的所述第一摄像元件之间。
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年11月22日提交的日本优先权专利申请JP2016-226658的权益，因此将其全部内容通过引用并入本文中。
附图标记列表
101、102、103 光电转换单元段
11、11’ 第一电极
12、12’ 电荷存储电极
121、122、123 电荷存储电极段
13’ 传输控制电极
14 电荷排出电极
15 光电转换层
151、152、153 光电转换层段
16 第二电极
41 形成第二摄像元件的n型半导体区域
43 形成第三摄像元件的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
TR2trs 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 布线
61 接触孔部
62 布线层
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(正面)
70B 半导体基板的第二表面(背面)
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
821、822、823 绝缘层段
82a 绝缘层的第一表面
82b 绝缘层的第二表面
82c 绝缘层的第三表面
83 保护层
84、84A、84B、84C 开口
85、85A 第二开口
90 片上微透镜
91 摄像元件的位于层间绝缘层下方的各种部件
92 遮光层
100 固态摄像装置
101 层叠型摄像元件
111 摄像区域
112 垂直驱动电路
113 列信号处理电路
114 水平驱动电路
115 输出电路
116 驱动控制电路
118 水平信号线
200 电子设备(照相机)
201 固态摄像装置
210 光学透镜
211 快门设备
212 驱动电路
213 信号处理电路
Claims (23)
1.摄像元件，其包括光电转换单元，所述光电转换单元包括：
第一电极，
光电转换层，
第二电极，
绝缘层，所述绝缘层包括N个绝缘层段，其中N大于或等于2，以及
电荷存储电极，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间，
其中，
所述光电转换单元包括N个光电转换单元段，
第n个光电转换单元段包括所述电荷存储电极、第n个绝缘层段和所述光电转换层，其中n＝1,2,3...,N，随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且
第1个光电转换单元段中的所述绝缘层段的厚度不同于第N个光电转换单元段中的所述绝缘层段的厚度。
2.摄像装置，其包括多个如权利要求1所述的摄像元件。
3.层叠型摄像元件，其包括至少一个如权利要求1所述的摄像元件。
4.摄像装置，其包括多个如权利要求3所述的层叠型摄像元件。
5.摄像元件，其包括光电转换单元，所述光电转换单元包括：
第一电极，
光电转换层，所述光电转换层包括N个光电转换单元段，其中N大于或等于2，
第二电极，
绝缘层，以及
电荷存储电极，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间，
其中，
所述光电转换单元包括N个光电转换单元段，
第n个光电转换单元段由所述电荷存储电极、第n个光电转换层段和所述绝缘层形成，其中n＝1,2,3...,N，
随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且
第1个光电转换单元段中的所述光电转换层段的厚度不同于第N个光电转换单元段中的所述光电转换层段的厚度。
6.摄像元件，其包括光电转换单元，所述光电转换单元包括：
第一电极，
光电转换层，
第二电极，
绝缘层，所述绝缘层包括N个绝缘层段，其中N大于或等于2，以及
电荷存储电极，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间，
其中，
所述光电转换单元包括N个光电转换单元段，
第n个光电转换单元段由所述电荷存储电极、第n个绝缘层段和所述光电转换层段形成，其中n＝1,2,3...,N，
随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且
在相邻的光电转换单元段中，形成所述绝缘层段的材料是不同的。
7.摄像元件，其包括光电转换单元，所述光电转换单元包括：
第一电极，
光电转换层，
第二电极，
绝缘层，以及
电荷存储电极，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间，
其中，
所述电荷存储电极包括N个彼此间隔开的电荷存储段，
N大于或等于2，
所述光电转换单元包括N个光电转换单元段，
第n个光电转换单元段由第n个电荷存储电极段、所述绝缘层和所述光电转换层段形成，其中n＝1,2,3...,N，
随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且
在相邻的光电转换单元段中，形成所述电荷存储电极段的材料是不同的。
8.摄像元件，其包括光电转换单元，所述光电转换单元包括：
第一电极，
光电转换层，
第二电极，
绝缘层，以及
电荷存储电极，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间，
其中，
所述电荷存储电极包括N个电荷存储段，
N大于或等于2，
所述光电转换单元包括N个光电转换单元段，
第n个光电转换单元段由第n个电荷存储电极段、所述绝缘层和所述光电转换层形成，其中n＝1,2,3...,N，
随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且
第1个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段的面积不同于第N个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段的面积。
9.如权利要求8所述的摄像元件，其中，在平面图中，所述第1个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段的所述面积大于所述第N个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段的所述面积。
10.如权利要求9所述的摄像元件，其中，在平面图中，所述第1个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段在第一方向上的第一尺寸大于所述第N个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段在所述第一方向上的第一尺寸，并且
其中，在所述平面图中，所述第1个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段在第二方向上的第二尺寸小于所述第N个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段在所述第二方向上的第二尺寸。
11.如权利要求8所述的摄像元件，其中，在平面图中，所述第1个光电转换单元段中的所述电荷存储段的至少三个边缘与所述第N个光电转换单元段中的所述电荷存储电极段的对应边缘相邻。
12.如权利要求8所述的摄像元件，其中，所述电荷存储电极包括公用部分，并且其中，至少一个光电转换单元段包括在与n增大的方向垂直的方向上彼此间隔开的多个电荷存储电极部。
13.摄像元件，其包括光电转换单元，所述光电转换单元包括：
第一电极，
光电转换层，
第二电极，
绝缘层，以及
电荷存储电极，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层过孔之间，
其中，在将所述电荷存储电极、所述绝缘层和所述光电转换层的层叠方向定义为Z方向并且将远离所述第一电极的方向定义为X方向的情况下，包括所述电荷存储电极、所述绝缘层和所述光电转换层的层叠部分在YZ虚拟平面内的横截面积基于与所述第一电极之间的距离而改变。
14.摄像装置，其包括光电转换单元，所述光电转换单元包括：
第一电极，
光电转换层，
第二电极，
绝缘层，以及
多个摄像元件，所述多个摄像元件中的每个摄像元件包括电荷存储电极，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间，
其中，
摄像元件块包括多个所述摄像元件，并且
所述第一电极由所述摄像元件块中的多个所述摄像元件共用。
15.如权利要求14所述的摄像装置，其中，所述多个摄像元件中的每个摄像元件包括光电转换单元，所述光电转换单元包括：
第一电极，
光电转换层，
第二电极，
绝缘层，所述绝缘层包括N个绝缘层段，其中N大于或等于2，以及
电荷存储电极，所述电荷存储电极与所述第一电极间隔开，并且所述电荷存储电极被设置成使得所述绝缘层位于所述电荷存储电极和所述光电转换层之间，
其中，
所述光电转换单元包括N个光电转换单元段，
第n个光电转换单元段包括所述电荷存储电极、第n个绝缘层段和所述光电转换层，其中n＝1,2,3...,N，
随着n值增大，所述第n个光电转换单元段离所述第一电极越远，并且
第1个光电转换单元段中的所述绝缘层段的厚度不同于第N个光电转换单元段中的所述绝缘层段的厚度。
16.如权利要求14所述的摄像装置，其中，在形成所述摄像元件块的多个所述摄像元件之间设置有传输控制电极。
17.如权利要求14所述的摄像装置，其中，在一个摄像元件上方设置有一个片上微透镜。
18.如权利要求14所述的摄像装置，其中，所述摄像元件块由两个摄像元件形成，且在所述摄像元件块上方设置有一个片上微透镜。
19.如权利要求14所述的摄像装置，其还包括：
多个所述摄像元件块中的第一摄像元件块；以及
多个所述摄像元件块中的第二摄像元件块，其中，在平面图中，所述第一摄像元件块中的第一摄像元件与所述第二摄像元件块中的第一摄像元件相邻。
20.如权利要求14所述的摄像装置，其还包括：
多个所述摄像元件块中的第一摄像元件块；
多个所述摄像元件块中的第二摄像元件块；以及
设置在所述第一摄像元件块和所述第二摄像元件块之间的传输控制电极。
21.如权利要求14所述的摄像装置，其还包括：
多个所述摄像元件块中的第一摄像元件块；以及
多个所述摄像元件块中的第二摄像元件块，其中，
在平面图中，所述第一摄像元件块中的第一摄像元件与所述第一摄像元件块中的第二摄像元件相邻，
在所述平面图中，所述第二摄像元件块中的第一摄像元件与所述第二摄像元件块中的第二摄像元件相邻，并且
所述第一摄像元件块中的所述第二摄像元件与所述第二摄像元件块中的所述第一摄像元件相邻。
22.如权利要求21所述的摄像装置，其中，在所述平面图中，所述第一电极对角地位于所述第一摄像元件块中的所述第一摄像元件和所述第一摄像元件块中的第三摄像元件之间。
23.如权利要求21所述的摄像装置，其还包括：
传输控制电极，所述传输控制电极设置在所述第一摄像元件块中的所述第二摄像元件和所述第二摄像元件块中的所述第一摄像元件之间。
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