圖像感測設備和固態圖像感測裝置的製作方法

2023-05-28 00:49:26 4

本申請基於並要求2014年9月19日提交的日本專利申請No.2014-191953的優先權的權益，該申請的全部內容通過引用結合於此。

技術領域

本文中所描述的實施例一般涉及圖像感測設備和固態圖像感測裝置。

背景技術：

在固態圖像感測裝置中廣泛使用諸如CMOS(互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器和CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器之類的固態圖像感測設備。固態圖像感測設備通過使用雜質擴散區域將由光電轉換所生成的信號電荷轉換成信號電壓。信號電荷是由光電轉換所生成。雜質區通常被稱為浮置擴散區域(FD區域)。

每次固態圖像感測設備獲取每一幀的圖像時，該固態圖像感測設備通過使用重置電晶體來將FD區域重置(初始化)為預定的電勢。當通過重置電晶體重置FD區域時，生成隨機熱噪聲(kTC噪聲)。通過使用相關雙採樣方法來移除kTC噪聲。

最近，在這些固態圖像感測設備中，在提高光利用效率並且使像素小型化方面特別注意層壓式(laminated)圖像感測設備。例如，在層壓式圖像感測設備中，諸如有機光電轉換膜之類的光電轉換膜被層壓在矽襯底的光接收表面上。在層壓式圖像感測設備中，因為形成在矽襯底上的光電 轉換膜未保持信號電荷，所以kTC噪聲由後者重置方法的相關雙採樣來移除。然而，在後者重置方法的相關雙採樣中，存在kTC噪聲的移除不充足的問題。

為了解決該問題，提出了一種層壓式圖像感測設備，該設備在光電轉換膜中對信號電荷充電並且通過使用前者重置方法的相關雙採樣來移除kTC噪聲。

然而，在層壓式圖像感測設備中，當存儲在光電轉換膜中的信號電荷被轉移到FD區域時，存在信號電荷未被完全地轉移的情況。因此，在具有實際長度的傳輸時間中，存在非轉移殘餘信號電荷存在的情況。

附圖說明

圖1是示出了第一實施例中的固態圖像感測裝置1的示例性總的配置的框圖。

圖2是示出了包括在第一實施例中的固態圖像感測裝置1中的圖像像素10的示例性電路的繪圖。

圖3是設置在第一實施例中的固態圖像感測裝置1中的圖像像素10的截面圖。

圖4是示出了設置在第一實施例中的固態圖像感測裝置1中的圖像像素10的示例性結構的繪圖。

圖5是第一實施例中的固態圖像感測裝置1的操作的示例性流程圖。

圖6是示出了第一實施例中的固態圖像感測裝置1的操作的時序圖。

圖7是示出了在第一實施例中的固態圖像感測裝置1的操作的每個步驟中的圖像像素的內部節點的電勢的示例的繪圖。

圖8是示出了轉移時間的公式中的模型的繪圖。

圖9是示出了根據第一實施例中的圖像像素10中的半導體層35的各種類型的半導體材料的轉移時間的估算的示例性結果的繪圖。

圖10是示出了被用於圖9中所示的轉移時間的估算的各種類型的半導體材料的示例性遷移率的繪圖。

圖11是示出了間隙長度L1和估算第一實施例中的固態圖像感測裝置1中的轉移時間的結果之間的關係的繪圖。

圖12是設置在第一實施例的修改示例中的固態圖像感測裝置1A中的圖像像素10A的截面圖。

圖13是設置在第二實施例中的固態圖像感測裝置1B中的圖像像素10B的截面圖。

圖14是示出了第二實施例中的固態圖像感測裝置1B的製造方法的繪圖。

圖15是示出了第二實施例中的固態圖像感測裝置1B的製造方法的繪圖。

圖16是示出了第二實施例中的固態圖像感測裝置1B的製造方法的繪圖。

圖17是示出了第二實施例中的固態圖像感測裝置1B的製造方法的繪圖。

圖18是設置在第三實施例中的固態圖像感測裝置1C中的圖像像素10C的平面圖。

圖19是設置在第四實施例中的固態圖像感測裝置1D中的圖像像素陣列2D中的圖像像素10D的平面圖。

圖20是設置在第四實施例的修改示例中的固態圖像感測裝置1E中的圖像像素陣列2E中的圖像像素10E的平面圖。

具體實施方式

根據某些實施例，圖像感測設備具有存儲電極、第二絕緣層、集電極、半導體層、光電轉換層和上電極。存儲電極被設置在第一絕緣層之上。第二絕緣層被設置在存儲電極之上。集電極被設置在第一絕緣層之上並且通過半導體層與存儲電極分開。半導體層被設置在存儲電極、第二絕 緣層和集電極之上並覆蓋它們。光電轉換層被設置在半導體層之上。上電極被設置在光電轉換層之上。

參照附圖，下面將描述圖像感測設備和固態圖像感測裝置的實施例。在下面的描述中，在實施例中的固態圖像感測裝置的組成元素之間的電連接可以是直接連接或間接連接。例如，可通過直接地連接被包括在組成元素中的部件來執行直接連接。例如，可通過經由另一任意導電構件來間接地連接被包括在組成元素中的部件來執行間接連接。

下面說明書中的附圖是為了描述固態圖像感測裝置的配置。每個示出的部件的參數(尺寸、厚度、長度等等)與固態圖像感測裝置的實際參數不同。

(第一實施例)

圖1是示出了第一實施例中的固態圖像感測裝置1的示例性總的配置的框圖。固態圖像感測裝置1具有圖像像素陣列2、垂直掃描器3、水平掃描器4和控制器5。圖像像素陣列2包括以矩陣形式設置的多個像素10。像素10是圖像感測設備的具體示例。

在圖像像素陣列2的行方向中，設置了選擇信號線3-A1、3-A2、…、3-An(n是自然數)。選擇信號線3-A1、3-A2、…、3-An被用於傳輸從垂直掃描器3輸出的選擇信號SEL。在下面的描述中，選擇信號線3-Ai(i是自然數，大於或等於1，並且小於或等於n)表示選擇信號線3-A1、3-A2、…、3-An中的一個。

在圖像像素陣列2的行方向中，與選擇信號線3-A1、3-A2、…、3-An平行地設置了控制信號線3-B1、3-B2、…、3-Bn。控制信號線3-B1、3-B2、…、3-Bn被用於傳輸從垂直掃描器3輸出的重置信號RST。在下面的描述中，控制信號線3-Bi表示選擇信號線3-B1、3-B2、…、3-Bn中的 一個。

在圖像像素陣列2的列方向中，設置了圖像像素信號線4-1、4-2、…、4-m(m是自然數)。圖像像素信號線4-1、4-2、…、4-m被用於將從圖像像素10輸出的圖像像素信號傳輸到水平掃描器4。在下面的描述中，圖像像素信號線4-j(j是自然數，大於或等於1，並且小於或等於m)表示圖像像素信號線4-1、4-2、…、4-m中的一個。圖像像素10被設置在選擇信號線3-A1、3-A2、…、3-An與圖像像素信號線4-1、4-2、…、4-m交叉的交叉區域處。

垂直掃描器3按行來驅動設置在圖像像素陣列2中的圖像像素10。例如，垂直掃描器3具有移位寄存器。垂直掃描器3輸出選擇信號SEL和重置信號RST。選擇信號SEL被用於按行來選擇設置在圖像像素陣列2中的圖像像素10。重置信號RST被用於按行來控制設置在圖像像素陣列2中的圖像像素10。就是說，垂直掃描器3按行在垂直方向上順序地選擇並掃描圖像像素10，並且經選擇的圖像像素10經由圖像像素信號線4-j將圖像像素信號輸出至水平掃描器4。圖像像素信號是基於由每一個圖像像素10的光電轉換器所生成的信號電荷的信號。光電轉換器根據所接收的光的量來生成信號電荷。例如，光電轉換器是被設置在面向彼此的兩個電極之間的光電轉換膜。

水平掃描器4針對從圖像像素陣列2中的每一個圖像像素10輸出的圖像像素信號執行信號處理。水平掃描器4具有列放大器和信號處理器。列放大器放大從每一個圖像像素10輸出的圖像像素信號。信號處理器處理由列放大器所放大的圖像像素信號。水平掃描器4執行CDS(相關雙採樣)、信號放大以及A/D(模擬/數字)轉換。CDS被用於移除圖像像素10所特有的固定圖案噪聲。

控制器5控制固態圖像感測裝置1的總的操作。在本實施例中，控制 器5主要執行對驅動圖像像素10的控制。在包括圖像像素電晶體的電路初始化之後，控制器5根據由光電轉換器所生成的信號電荷的量來讀取圖像像素信號。

圖2是示出了包括在第一實施例中的固態圖像感測裝置1中的圖像像素10的示例性電路的繪圖。在圖2中所示的具體示例中，每一個圖像像素10具有光電轉換器PEC和圖像像素電路21。圖像像素電路21具有多個圖像像素電晶體(被稱為「MOS電晶體」)。電壓(VB31、VB33和VB42)被施加至圖像像素10中的光電轉換器PEC的每個電極。

具體地，圖像像素10中的圖像像素電路21具有重置電晶體RX、放大電晶體AX和選擇電晶體SX的三個電晶體。預定的電源電壓被施加至放大電晶體AX的漏極。放大電晶體AX的源極被連接至選擇電晶體SX的漏極。選擇電晶體SX的源極被連接至圖像像素信號線4-j。從垂直掃描器3輸出的選擇信號SEL被施加至選擇電晶體SX的柵極。預定的電源電壓被施加至重置電晶體RX的漏極。重置電晶體RX的源極被連接至放大電晶體AX的柵極。從垂直掃描器3輸出的重置信號RST被施加至重置電晶體RX的柵極。放大電晶體AX的柵極和重置電晶體RX的源極被連接至浮置擴散區域(FD區域)。稍後將描述FD區域。

電壓VB31、VB33和VB42分別被施加至存儲電極31、集電極(collecting electrode)33和上電極42。稍後將描述存儲電極31、集電極33和上電極42。圖像像素10可具有進一步包括轉移電晶體的四個電晶體。

圖3是設置在第一實施例中的固態圖像感測裝置1中的圖像像素10的截面圖。固態圖像感測裝置1可以是層壓式CMOS圖像傳感器。

圖像像素10具有半導體襯底20、層間絕緣膜30、存儲電極31、絕緣膜32、集電極33、接觸插頭34、半導體層35、光電轉換層(光電轉換膜)41和上電極42。存儲電極31、絕緣膜32和集電極33被設置在層間絕緣膜30和半導體層35之間。集電極33在導電性方面高於半導體層35，並且半導體層35在導電性方面高於絕緣膜32。存儲電極31、絕緣膜32、 集電極33、半導體層35、光電轉換層41和上電極42被包括在圖2中所示的光電轉換器PEC中。

圖像像素10可具有多個光電轉換器。例如，除了光電轉換層41之外，圖像像素10可進一步具有諸如PD(光電二極體)之類的光電轉換器。在此情況中，光電轉換層41接收預定波長範圍的光並執行光電轉換。而且，形成在半導體襯底20上的光電轉換器接收另一波長範圍的光並執行光電轉換。在圖像像素10具有多個光電轉換器的情況中，採用一種圖像像素共用(share)結構(大家都這麼叫)。在圖像像素共用結構中，光電轉換器共用除了轉移電晶體之外的圖像像素電晶體，並且光電轉換器共用FD區域。

圖3中所示的固態圖像感測裝置1是背面照射類型(大家都這麼叫)的CMOS圖像傳感器。具體地，上電極42被設置在半導體襯底20的背面上。上電極42(圖3中所示的上電極42的上表面F1)是光接收表面。半導體襯底20的正面(圖3中所示的半導體襯底20的下表面F2)是形成有包括讀出電路的電路的電路形成表面。本實施例中的固態圖像感測裝置1不限於背面照射類型的CMOS圖像傳感器。固態圖像感測裝置1可以是諸如正面照射類型的CMOS圖像傳感器和CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器之類的任意圖像傳感器。

通過使用矽襯底來形成半導體襯底20，其中可通過摻雜離子汙染物來形成p-n結。作為矽襯底，可使用結晶矽(cSi)和非晶矽(aSi)。圖像像素電路21被設置在半導體襯底20中。圖像像素電路21包括圖像像素電晶體和FD區域22。FD區域22是可存儲電荷的半導體區域。FD區域22的電勢可以是浮置狀態。

層間絕緣膜30是第一絕緣層的特定示例。層間絕緣膜30被設置在半導體襯底20之上。例如，層間絕緣膜30是層間絕緣膜(大家都這麼叫)。 層間絕緣膜30可由高相對電容率(permittivity)的無機材料或有機材料製成。例如，層間絕緣膜30是由SiO2製成(二氧化矽層)。

相對於每個圖像像素來圖案化存儲電極31、絕緣膜32和集電極33。存儲電極31被設置在層間絕緣膜30之上。用於存儲電極31的材料期望地是具有優越的可加工性的材料。例如，存儲電極31可由ITO(銦錫氧化物)、氧化鋅(ZnO)或石墨烯製成。

絕緣膜32是第二絕緣層的特定示例。絕緣膜32被設置在存儲電極31之上。絕緣膜32使半導體層35和存儲電極31電絕緣。絕緣膜32可由與層間絕緣膜30相同的材料製成，並且還可由不同材料製成。絕緣膜32的厚度期望地是大於或等於3[nm]以便使半導體層35和存儲電極31電絕緣。用於絕緣膜32的材料期望地是具有優越的可加工性的材料。例如，絕緣膜32可由二氧化矽層、氮化矽層、氧化鋁或絕緣的有機化合物製成。

集電極33被設置在層間絕緣膜30之上。集電極33和存儲電極31之間的距離是L1。集電極33與半導體層35接觸。換言之，集電極33被半導體層35覆蓋。用於集電極33的材料期望地是具有優越的可加工性的材料。例如，集電極33由ITO(銦錫氧化物)、氧化鋅(ZnO)或石墨烯製成。

特定波長區域的光的大於或等於80[％]期望地透射通過存儲電極31、絕緣膜32和集電極33。例如，特定波長區域是紅色(R)區域(大於或等於約590[nm]並且小於或等於約750[nm]的波長區域)、綠色(G)區域(大於或等於約500[nm]並且小於或等於約590[nm]的波長區域)、藍色(B)區域(大於或等於約400[nm]並且小於或等於約500[nm]的波長區域)、可見光區域(大於或等於約400[nm]並且小於或等於約750[nm]的波長區域)等等。

在圖像像素10具有多個光電轉換器的情況中，如果存儲電極31、絕緣膜32和集電極33中的任何一個吸收輻射的光，則由除了光電轉換層41之外的光電轉換器所接收的光的量減少了。由於該原因，存在表觀靈敏度(apparent sensitivity)下降的問題。在本實施例中，光透射通過存儲電極31、絕緣膜32和集電極33。因此，可抑制此問題的出現。

接觸插頭34穿過層間絕緣膜30。接觸插頭34電連接集電極33和圖像像素電路21的FD區域22。通孔穿過層間絕緣膜30。可通過利用諸如鎢之類的導電材料填充通孔來形成接觸插頭34。還可通過經由離子注入的半導體層來形成接觸插頭34。

半導體層35覆蓋存儲電極31、絕緣膜32和集電極33。具體地，半導體層35覆蓋存儲電極31的側表面、絕緣膜32的側表面、絕緣膜32的上表面、集電極33的側表面和集電極33的上表面。半導體層35的厚度厚於存儲電極31的厚度和絕緣膜32的厚度之和。級低(step low)區域存在於存儲電極31和集電極33之間。半導體層35被形成為從級低區域到存儲電極31或集電極33的連續層。例如，在存儲電極31的厚度為20[nm]並且絕緣膜32的厚度為5[nm]的情況中，半導體層35的厚度期望地是大於或等於30[nm]。相對於每個圖像像素來圖案化半導體層35。由於該原因，可防止電荷在固態圖像感測裝置1中的相鄰的圖像像素10的集電極33之間轉移。

半導體層35將由光電轉換層41所生成的信號電荷存儲在半導體層35中。半導體層35將所存儲的信號電荷轉移至集電極33。

半導體層35可由無機材料或有機材料製成。例如，可在濺射並形成無機材料的膜之後通過光刻和蝕刻來形成半導體層35。例如，可通過經由絲網印刷(screen printing)圖案化有機材料來形成半導體層35。

半導體層35期望地由其光滲透性(light permeability)較高的材料製成。特定波長區域的光的大於或等於80[％]期望地透射通過半導體層35。例如，特定波長區域是紅色(R)區域、綠色(G)區域、藍色(B)區域、可見光區域等等。用於半導體層35的材料期望地是具有優越的可加工性的材料。

在圖像像素10具有多個光電轉換器的情況中，如果半導體層35吸收輻射的光，則由除了光電轉換層41之外的光電轉換器所接收的光的量減少了。由於該原因，存在表觀靈敏度下降的問題。在本實施例中，光透射通過半導體層35。因此，可抑制此問題的出現。

例如，半導體層35可由諸如碳化矽、IGZO、金剛石、石墨烯和碳納米管之類的無機材料製成。例如，半導體層35還可由諸如稠(condensed)多環碳氫化合物和稠雜環化合物之類的有機材料製成。例如，稠多環碳氫化合物可以是並五苯或紅熒烯。例如，稠雜環化合物及其衍生物可以是2,7–二辛基[1]苯並噻吩並(benzothieno)[3,2-b][1]苯並噻吩(C8-BTBT)或3,11-二癸基二萘並(didecyldinaphtho)[2,3-d:2』,3』-d』]苯並[1,2-b:4,5-b』]二硫代苯(dithiophene)(C10-DNBDT)。可通過使用在下面的參考文獻1中描述的方法來形成由C8-BTBT或C10-DNBDT製成的膜。

參考文獻1：成像會議日本2011，第112技術聯盟教科書(112-nd technology consortium textbook)，75頁。

光電轉換層41被設置在半導體層35之上。光電轉換層41沒有被圖案化。光電轉換層41被設置在圖像像素10的整個光接收表面之上。具體地，光電轉換層41覆蓋半導體層35的側表面和半導體層35的上表面。光電轉換層41根據輻射的光執行光電轉換並且生成信號電荷。由光電轉換層41所生成的信號電荷的量取決於由光電轉換層41所接收的光的量。

作為光電轉換層41，可使用可被層壓在半導體襯底上的任意的光電轉 換膜。例如，光電轉換層41由有機光電轉換材料製成。儘管光電轉換層41在圖3中所示的圖像像素10中被示為一層，但光電轉換層41可以是多個層。可相對於每個圖像像素來圖案化光電轉換層41。

在光電轉換層41之上形成上電極42。上電極42可被設置在圖像像素10的整個光接收表面之上而沒有圖案化。可相對於每個圖像像素來圖案化上電極42。例如，上電極42可由ITO(銦錫氧化物)、氧化鋅(ZnO)或石墨烯製成。

上電極42期望地由其光滲透性較高的材料製成。特定波長區域的光的大於或等於80[％]期望地透射通過上電極42。例如，特定波長區域是紅色(R)區域、綠色(G)區域、藍色(B)區域、可見光區域等等。由於該原因，抑制了上電極42吸收輻射的光，並且減少了由光電轉換層41所接收的光的量。

在圖3中所示的圖像像素10中，可通過使用乾式膜形成方法或溼式膜形成方法來形成在半導體襯底20之上形成的每個層。作為乾式膜形成方法，可使用真空沉積方法、濺射方法、離子電鍍方法、諸如MBE(分子束外延)方法之類的物理氣相生長方法以及諸如等離子體聚合之類的CVD(化學氣相沉積)方法。作為溼式膜形成方法，可使用澆鑄方法、旋塗方法、浸漬方法、LB方法等等。可使用諸如噴墨印刷和絲網印刷之類的印刷方法或者諸如熱轉移和雷射轉移之類的轉移方法。

接下來，下面將描述第一實施例中的固態圖像感測裝置1的製造方法。在將要成為半導體襯底20中的每個圖像像素10的區域處形成包括圖像像素電晶體和FD區域22的圖像像素電路21。接下來，在半導體襯底20上，層壓上述層間絕緣膜30。其後，形成穿過層間絕緣膜30的接觸插頭34。接觸插頭34被連接至FD區域22。接下來，在層間絕緣膜30之上形成存儲電極31、絕緣膜32和集電極33。形成集電極33以使得集電 極33與存儲電極31分開間隙長度L1。在被層壓在將要成為圖像像素10的整個區域上之後，可通過光刻和蝕刻來形成存儲電極31、絕緣膜32和集電極33。接下來，在存儲電極31、絕緣膜32和集電極33之上形成半導體層35。接下來，在半導體層35之上形成光電轉換層41。其後，在光電轉換層41之上形成上電極42。通過上述這些處理，可製造固態圖像感測裝置1。

圖4是示出了設置在第一實施例中的固態圖像感測裝置1中的圖像像素10的示例性結構的繪圖。在圖4中所示的圖像像素10中，圖3中所示的部件被分配相同的附圖標記。在圖4中，具有圖2中所示的圖像像素10中的結構元素，作為示例示出光電轉換器PEC的設備結構和包括在圖像像素電路21中的重置電晶體RX的設備結構。在圖4中，儘管放大電晶體AX和選擇電晶體SX被示為在圖像像素10的外面以便容易理解，然而放大電晶體AX和選擇電晶體SX連同重置電晶體RX一起被形成在半導體襯底20上。

如上所述，半導體襯底20的圖像像素10具有重置電晶體RX、放大電晶體AX和選擇電晶體SX。在下面描述的示例中，N溝道的MOS電晶體被用作三個電晶體。然而，可使用P溝道的MOS電晶體，並且可使用其它電晶體。

重置電晶體RX的柵極是導電層24。導電層24經由形成在圖像像素10中的半導體襯底20上的絕緣層(未示出)而被設置在半導體襯底20之上。導電層24被連接至控制信號線3-Bi。重置信號RST被施加至導電層24。重置電晶體RX的漏極是雜質擴散區域23，並且被連接至電源線。雜質擴散區域23被保持在恆定電壓(例如，V1)處。重置電晶體RX的源極被連接至FD區域22。當通過重置信號RST將重置電晶體RX改變至導通狀態時，重置電晶體RX被改變至導電狀態。其後，重置電晶體RX將FD區域22重置到預定電勢。

放大電晶體AX的柵極被連接至FD區域22。放大電晶體AX的漏極被連接至電源線。放大電晶體AX的源極被連接至選擇電晶體SX。放 大電晶體AX用作源極跟隨器。

選擇電晶體SX的柵極被連接至選擇信號線3-Ai。選擇信號SEL被施加至選擇電晶體SX的柵極。選擇電晶體SX的漏極被連接至放大電晶體AX的源極。選擇電晶體SX的源極被連接至圖像像素信號線4-j。當通過選擇信號SEL將選擇電晶體SX改變至導通狀態時，選擇電晶體SX將從放大電晶體AX輸出的圖像像素信號輸出傳輸至圖像像素信號線4-j。根據FD區域22的電勢的信號被放大電晶體AX和選擇電晶體SX輸出。

接下來，沿著圖5，將參照圖6和圖7描述第一實施例中的固態圖像感測裝置1的操作。圖5是第一實施例中的固態圖像感測裝置1的操作的示例性流程圖。圖6是示出了第一實施例中的固態圖像感測裝置1的操作的時序圖。圖7是示出了在第一實施例中的固態圖像感測裝置1的操作的每個步驟中的圖像像素的內部節點的電勢的示例的繪圖。

主要地，下面將描述圖3中所示的圖像像素10的操作。作為示例，由圖像像素10中的光電轉換層41所生成的信號電荷是電子。同樣，作為示例，固態圖像感測裝置1順序地獲取視頻記錄中的幀的圖像。

在時間t0處，開始曝光，並且由光電轉換層41所生成的信號電荷被存儲在半導體層35中(步驟S1)。具體地，固態圖像感測裝置1分別將電壓VB31、VB33和VB42施加至存儲電極31、集電極33和上電極42以使得滿足下面描述的公式1。在公式1中，是存儲電極31的電勢。是集電極33的電勢。是上電極42的電勢。例如，在控制器5的控制下，垂直掃描器3將0[V]作為電壓VB31施加以便於將電勢給予存儲電極31。垂直掃描器3將-1[V]作為電壓VB33施加以便於將電勢給予集電極33。垂直掃描器3將-5[V]作為電壓VB42施加以便於將電勢給予上電極42。

(公式1)

在光電轉換層41中，通過光電轉換生成電子和空穴(電子-空穴對)。所生成的電子-空穴對的量對應於曝光量。具體地，例如，在光電轉換層41是由有機光電轉換膜形成的情況中，相對於通過曝光在有機光電轉換膜中生成的激子(exciter)，載流子(careers)被光電轉換層41中生成的電場分開。在光電轉換層41中生成的電場是由上電極42的電勢和存儲電極31的電勢之差所生成的電場或者由上電極42的電勢和集電極33的電勢之差所生成的電場。

在信號電荷是電子的情況中，電子-空穴對中的大多數電子朝向存儲電極31移動。在此情況中，電子-空穴對中的空穴移動至上電極42。其後，空穴經由上電極42從光電轉換層41中排出。

在存儲電極31和半導體層35之間存在絕緣膜32。由於該原因，從光電轉換層41朝向存儲電極31移動的電子無法橫穿過(cross)絕緣膜32的勢壘。電子被存儲在處於半導體層35中的存儲電極31和絕緣膜32的上表面的附近(在下文中「信號電荷存儲區域」)。換言之，信號電荷(電子)被存儲在半導體層35中的第二絕緣層32a的界面的附近。此時，因為存儲電極31的電勢大於集電極33的電勢，所以存儲在信號電荷存儲區域中的信號電荷未朝向集電極33移動，並且信號電荷被保持為被存儲在信號電荷存儲區域中。

接下來，在時間t1處，固態圖像感測裝置1重置圖像像素10中的FD區域22(步驟S2)。具體地，在控制器5的控制下，垂直掃描器3使選擇信號SEL和重置信號RST為高電平。此時，被施加至導電層24的重置信號RST的電壓VRST大於被施加至雜質擴散區域23的電壓V1。由於該原因，向其施加了電壓VRST的導電層24的電勢低於雜質擴散區域23電勢並且重置電晶體RX變為導通狀態。當重置電晶體RX變為導通狀態時，在FD區域22和雜質擴散區域23之間轉移電荷。因此，FD區 域22變為與雜質擴散區域23相同的電勢，並且FD區域22被重置(參考圖7中所示的第一繪圖)。

接下來，在時間t2處，在控制器5的控制下，垂直掃描器3使重置信號RST為低電平。因此，重置電晶體RX變為截止狀態，FD區域22與雜質擴散區域23電分離。就是說，FD區域22變為浮置狀態。當重置電晶體RX變為截止狀態時，生成熱噪聲(kTC噪聲)。由於該原因，FD區域22的電勢變為與電勢不同的電勢每當重置電晶體RX被改變至截止狀態時，隨機生成kTC噪聲。

接下來，在時間t3處，在控制器5的控制下，水平掃描器4讀取指示FD區域22的電壓的電壓VSIG。水平掃描器4檢測該電壓VSIG作為重置電平(步驟S3)。具體地，經由放大電晶體AX從圖像像素10輸出FD區域22的電壓。從FD區域22讀取的電壓VSIG是對應於電勢的電壓。電壓VSIG包括kTC噪聲，該kTC噪聲是在重置電晶體RX在時間t2處被改變至截止狀態時生成的(參考圖7中所示的第二繪圖)。從圖像像素10輸出的圖像像素信號VSIG經由圖像像素信號線4-j被供應至水平掃描器4。水平掃描器4通過放大圖像像素信號VSIG來生成電壓V輸出。水平掃描器4的信號處理器(未示出)採樣並存儲電壓V輸出作為重置電平。

接下來，在時間t4處，固態圖像感測裝置1將信號電荷轉移至FD區域22(步驟S4)。在時間t4處，固態圖像感測裝置1結束(完成)從時間t0執行的曝光，並且固態圖像感測裝置1還結束(完成)信號電荷的存儲。

具體地，固態圖像感測裝置1將電壓施加至存儲電極31、集電極33和上電極42以使得滿足下面描述的公式2。在公式2中，是存儲電極31的電勢。是集電極33的電勢。是上電極42的電勢。例如，在控制器5的控制下，垂直掃描器3將-1[V]作為電壓VB31施加以便於將電勢給予存儲電極31。垂直掃描器3將0[V]作為電壓VB33施加以 便於將電勢給予集電極33。垂直掃描器3將-5[V]作為電壓VB42施加以便於將電勢給予上電極42。

(公式2)

此時，在集電極33的一側處的存儲電極31的邊緣的附近和集電極33之間生成邊緣電場。該邊緣電場由存儲電極31和集電極33之間的勢差所引起。該邊緣電場未在信號電荷存儲區域的中心的附近(換言之，在半導體層35中的存儲電極31的上表面的中心的附近)生成。被存儲在集電極33的一側處的信號電荷存儲區域的邊緣的附近的信號電荷通過邊緣電場被轉移至集電極33。由於該原因，在集電極33的一側處的信號電荷存儲區域的邊緣的附近的信號電荷密度變得較低，並且信號電荷的密度梯度在信號電荷存儲區域中出現。通過信號電荷的密度梯度，存儲在信號電荷存儲區域中的信號電荷從信號電荷存儲區域的中心的附近朝向集電極33的一側處的信號電荷存儲區域的邊緣的附近擴散地移動。

以此方式，即使由存儲電極31和集電極33之間的勢差所引起的邊緣電場未在信號電荷存儲區域的中心的附近生成，被存儲在信號電荷存儲區域的中心的附近的信號電荷也同樣被轉移至集電極33。被轉移至集電極33的信號電荷經由接觸插頭34被轉移至FD區域22。在從信號電荷存儲區域轉移信號電荷之後，FD區域22的電勢變為電勢(參考圖7中所示的第三繪圖)。

通常，由擴散所引起的電荷的移動速度慢於由電場漂移所引起的電荷的移動速度。因此，對於信號電荷在信號電荷存儲區域中擴散地移動所需的時間長於對於信號電荷根據邊緣電場移動所需的時間。然而，如稍後所描述的，在半導體層35由其遷移率足夠高的材料製成的情況中，信號電荷可在現實時間內從存儲電極31被轉移至集電極33。

固態圖像感測裝置1通過重複步驟S1到步驟S4來獲取幀的圖像。每 次固態圖像感測裝置1重複地執行步驟S1到步驟S4，固態圖像感測裝置1在步驟S4之後執行下面將描述的步驟S5和步驟S6。

在步驟S4之後，在時間t5處，在控制器5的控制下，作為圖像像素信號，水平掃描器4檢測指示FD區域22的電壓的電壓VSIG(步驟S5)。具體地，作為圖像像素信號VSIG，經由放大電晶體AX和選擇電晶體SX從圖像像素10中輸出FD區域22的電壓。此時，圖像像素信號VSIG的電壓是對應於電勢的電壓(參考圖7中所示的第四繪圖)。

在時間t1處重置FD區域22之後，kTC噪聲被保持在FD區域22中。由於該原因，圖像像素信號VSIG包括kTC噪聲，該kTC噪聲是被包括在於時間t3處檢測到的電壓VSIG中的相同的kTC噪聲。從圖像像素10輸出的圖像像素信號VSIG經由圖像像素信號線4-j被供應至水平掃描器4。水平掃描器4通過放大圖像像素信號VSIG來生成電壓V輸出。水平掃描器4的信號處理器(未示出)採樣並存儲電壓V輸出。

接下來，在時間t5處，在控制器5的控制下，水平掃描器4根據通過採樣獲得的電壓V輸出來計算信號電壓VS(步驟S6)。具體地，水平掃描器4的信號處理器計算根據時間t3處的FD區域22的電壓VSIG的電壓V輸出(重置電平)的採樣值和根據時間t6處的FD區域22的電壓VSIG的電壓V輸出的採樣值之間的差別。其後，水平掃描器4的信號處理器生成計算上述差別的結果作為信號電壓VS。信號電壓VS表示對應於由光電轉換層41所生成的電荷的量的信號分量。如上所述，固態圖像感測裝置1可獲得信號電壓，從中通過使用前者重置方法的相關雙採樣來移除kTC噪聲。

接下來，將描述對於存儲在信號電荷存儲區域中的信號電荷從信號電荷存儲區域擴散地轉移至集電極33所需的時間的估算。通過使用在下面的參考文獻2中描述的MOS補償電橋的轉移時間來執行對於存儲在信號電荷存儲區域中的信號電荷擴散地移動所需的時間的估算。

參考文獻2：M.G.Collet和L.J.M.Esser，Festkorperprobleme XIII，1973，337頁。

圖8是示出了轉移時間的公式中的模型的繪圖。在圖8中所示的模型中，形成MOS(金屬氧化物半導體)結構(在下文中「MOS」)。MOS結構彼此相鄰並且連續形成。圖8中所示的MOS具有半導體襯底J1、柵極氧化膜J2和柵極電極J3。通過使用p型矽來形成半導體襯底J1。在半導體襯底J1中，通過使用n型矽來形成溝道J4。通過使用SiO2在半導體襯底J1之上形成柵極氧化膜J2。在柵極氧化膜J2之上形成柵極電極J3。

在以此方式形成的MOS補償電橋中，存儲在位於柵極電極J3正下方的溝道J4中的電荷被轉移至相鄰的MOS。在MOS補償電橋中，轉移電荷的步驟包括由邊緣J5中的邊緣電場所引起的漂移步驟以及在溝道J4中的擴散步驟。

在MOS補償電橋中，假設溝道J4中的摻雜密度是足夠高的並且除了邊緣J5的附近以外不存在溝道J4的勢梯度(換言之，勢梯度是平坦的)。還假設在轉移電荷的時間，電流在電勢阻擋區域J6中是連續的。

關於電荷的擴散步驟，通過下面描述的公式3和公式4來表示轉移時間和所存儲電荷的量之間的關係。

(公式3)

(公式4)

在公式中，t是時間。在當電荷開始轉移時的時間處，t＝0。QS(0)是當電荷開始轉移時(t＝0)存儲在溝道J4中的電荷的量。QS(t)是在時間t處存儲在溝道J4中的電荷的量。COX是每單位面積溝道J4的容量。LB是MOS的相鄰的柵極電極之間的距離。LC是MOS的柵極電極的長度。μn是矽層(半導體襯底J1)的遷移率。q是元電荷。n0是每單位面積的初始電子數量(在當t＝0時的時間處的電子的數量)。

將圖8中所示的MOS補償電橋的模型與圖3中所示的圖像像素10進行比較，半導體襯底J1可被認為是圖像像素10中的半導體層35。柵極氧化膜J2也可被視為圖像像素10中的絕緣膜32。柵極電極J3也可被視為存儲電極31。電荷被轉移至的MOS的柵極電極也可被視為圖像像素10中的集電極33。

就是說，μn可被視為半導體層35的遷移率。MOS的相鄰的柵極電極之間的距離LB也可被視為存儲電極31和集電極33之間的間隙長度L1。MOS的柵極電極的長度LC也可被視為存儲電極31的邊緣之間的最小長度L2。每單位面積的溝道14的容量COX也可被視為包括半導體層35、絕緣膜32和存儲電極31的電容器的每單位面積的容量。

為了執行與包括四個電晶體的現有CMOS圖像傳感器(在下文中「現有CMOS傳感器」)的高速讀取相同的高速讀取，需要固態圖像感測裝置1在1/(f×Line)秒內從每個圖像像素讀取信號(在下文中「信號讀取操作」)。f是幀頻。Line是圖像像素陣列2(傳感器陣列)的行的數量。信號讀取操作包括從每個圖像像素讀取信號電壓的操作以及重置FD區域22的操作。例如，重置FD區域22的操作需要約2[μsec]。

根據關於信號讀取操作的時間的條件以及公式3和4，需要固態圖像感測裝置1滿足下面描述的公式5。

(公式5)

<![CDATA[ L 1 * L 2

SC是每一個圖像像素10的存儲電極31的面積。Q是在讀取信號電荷的操作之後(換言之，在1/(f×Line)秒之後)在信號電荷存儲區域中剩餘的信號電荷(非轉移殘餘信號電荷)的數量。

以便固態圖像感測裝置1可在與現有CMOS傳感器相同的讀取噪聲級別下操作，需要非轉移殘餘信號電荷Q小於或等於現有CMOS傳感器的非轉移殘餘信號電荷。例如，以便固態圖像感測裝置1可在與可植入矽光電二極體的暗電流噪聲近似相同的讀取噪聲級別下操作，需要非轉移殘餘信號電荷Q小於或等於約0.5電子。例如，以便固態圖像感測裝置1可在與下面描述的參考文獻3中描述的反饋重置應用至的有機層壓CMOS圖像傳感器(在下文中「反饋重置有機CMOS傳感器」)的讀取噪聲近似相同的讀取噪聲級別下操作，需要非轉移殘餘信號電荷Q小於或等於約2.3電子。

參考文獻3：M.Ishii，S.Kasuga，K.Yazawa，Y.Sakata，T.Okino，Y.Sato，J.Hirase，Y.Hirose，T.Tamaki，Y.Matsunaga和Y.Kato，「An ultra-low noise photoconductive film image sensor with a high speed column feedback amplifier noise canceller」，2013 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers，C8。

例如，以便固態圖像感測裝置可執行與現有CMOS圖像傳感器的高速讀取相同的高速讀取並且在與反饋重置有機CMOS傳感器的讀取噪聲近似相同的讀取噪聲級別下操作，需要固態圖像感測裝置1滿足下面描述的公式6。

(公式6)

<![CDATA[ L 1 * L 2

接下來，參照圖9和圖10，將描述根據半導體層35的各種類型的半導體材料的信號電荷的轉移時間。圖9是示出了根據第一實施例中的圖像像素10中的半導體層35的各種類型的半導體材料的轉移時間的估算的示例性結果的繪圖。圖10是示出了被用於圖9中所示的轉移時間的估算的各種類型的半導體材料的示例性遷移率的繪圖。

在圖9中所示的圖中，垂直軸指示帶隙，並且水平軸指示根據半導體層35的各種類型的半導體材料的轉移時間。

在圖像像素10中的存儲電極31的形狀在平面圖中是其一邊為1[μm]的正方形並且存儲電極31和集電極33之間的間隙長度L1是50[nm]的情況中估算圖9中所示的轉移時間。具體地，在公式6中，L1是50[nm]，並且L2是1[μm]。由於公式6中的μn可被視為半導體層35的遷移率，因而可通過使用與圖10中所示的半導體材料相關聯的遷移率的值來計算圖9中所示的轉移時間。

由圖9中所示的折線所指示的轉移時間(8.6[μsec])是對於固態圖像感測裝置1可執行信號讀取操作以便執行與現有CMOS傳感器的高速讀取相同的高速讀取的時間的最大值。在固態圖像感測裝置1是全高清(Full-HD)(圖像像素尺寸1920×1082)並且幀頻f是60[Hz]的情況中估算轉移時間(8.6[μsec])。在固態圖像感測裝置1是全高清的情況中，指示圖像像素陣列2的行的數量的Line是1920。

在圖9中所示的轉移時間的估算的特定示例中，在由IGZO製成半導體層35的情況中，固態圖像感測裝置1的轉移時間是2.87[μsec]。因此，在由IGZO製成半導體層35的情況中，固態圖像感測裝置1可在上述8.6[μsec]內執行包括重置FD區域22的操作(例如，2[μsec])的信號讀取操作。

另一方面，在美國未審查專利申請公開No.2013/0093911中，公開了被存儲在有機光電轉換膜中的信號電荷穿過有機光電轉換膜，並且信號電荷被轉移至集電極。在此情況中，轉移時間被估算為大於或等於6[msec]。 在轉移時間的估算中，有機光電轉換膜是C60，並且該有機光電轉換膜的遷移率是0.000001[m2/V/秒]。

從信號電荷的轉移時間的觀點，期望半導體層35的材料的遷移率是大的。特定波長區域的光的大於或等於80[％]期望地透射通過半導體層35的材料。例如，半導體層35可由石墨烯、IGZO、碳化矽(SiC)、金剛石膜、稠多環碳氫化合物和稠雜環化合物製成。例如，稠多環碳氫化合物可以是並五苯或紅熒烯。例如，稠雜環化合物可以是2,7–二辛基[1]苯並噻吩並(benzothieno)[3,2-b][1]苯並噻吩(C8-BTBT)或3,11-二癸基二萘並(didecyldinaphtho)[2,3-d:2』,3』-d』]苯並[1,2-b:4,5-b』]二硫代苯(dithiophene)(C10-DNBDT)。

為了抑制由通過環境溫度的熱能所激勵的載流子(career)所引起的噪聲，半導體層35的半導體材料的帶隙期望地大於或等於被用於現有的光電二極體的矽樹脂(Si)的帶隙。藉助於此，在半導體層35中，由環境溫度的熱能所激勵的載流子(career)與存儲在半導體層35中的信號電荷混合，並且固態圖像感測裝置1可抑制噪聲。

接下來，下面將描述存儲電極31和集電極33之間的間隙長度L1和信號電荷的轉移時間之間的關係。圖11是示出了間隙長度L1和估算第一實施例中的固態圖像感測裝置1中的轉移時間的結果之間的關係的繪圖。在固態圖像感測裝置1中的存儲電極31的邊緣之間的最小長度L2是1[μm]，半導體層35由IGZO製成並且半導體層35的遷移率是15[cm2/(V*秒)]的情況中估算圖11中所示的轉移時間。

例如，在固態圖像感測裝置1是全高清(圖像像素尺寸1920×1082)並且幀頻f是60[Hz]的情況中，以便固態圖像感測裝置1可執行與現有CMOS圖像傳感器的高速讀取相同的高速讀取，需要固態圖像感測裝置1在8.6[μsec]內執行從每個圖像像素讀取信號電壓的操作以及重置FD區域 22的操作。在對於重置FD區域22的操作所需的時間是2[μsec]的情況中，需要固態圖像感測裝置1在6.6[μsec](＝8.6-2)內執行從每個圖像像素讀取信號電壓的操作。

在圖11中所示的特定示例中，以便對於從每個圖像像素讀取信號電壓所需的轉移時間可小於6.6[μsec]，需要存儲電極31和集電極33之間的間隙長度L1小於115[nm]。

在第一實施例中，固態圖像感測裝置1具有半導體層35，該半導體層35覆蓋存儲電極31和絕緣膜32並且將所存儲的信號電荷轉移至集電極33。藉助於此，可抑制非轉移殘餘信號電荷。

具體地，即使由存儲電極31和集電極33之間的勢差所引起的邊緣電場沒有在半導體層35中的存儲電極31的中心生成，通過擴散半導體層35中的信號電荷並且將存儲在信號電荷存儲區域中的信號電荷轉移至集電極33，也可執行與現有CMOS圖像傳感器的高速讀取相同的高速讀取。

通過第一實施例，在半導體層35中，可存儲並保持由光電轉換層41中的光電轉換所生成的信號電荷。由於該原因，通過使用前者重置方法的相關雙採樣，與後者重置方法的相關雙採樣進行比較，固態圖像感測裝置1可更準確地移除kTC噪聲。

接下來，下面將描述第一實施例的修改示例。圖12是設置在第一實施例的修改示例中的固態圖像感測裝置1A中的圖像像素10A的截面圖。

在第一實施例的修改示例中，圖12中所示的圖像像素10A具有代替集電極33的集電極33a，並且具有代替接觸插頭34的接觸插頭34a。除了集電極33a和接觸插頭34a以外，第一實施例的修改示例的圖像像素10A具有與第一實施例的圖像像素10相同的結構。因此，在圖12中所示的圖像像素10A中，圖3中所示的部件被分配相同的附圖標記並且省略對這些部件的描述。

集電極33a與固態圖像感測裝置1中的集電極33相同，除了集電極33a 圍繞(surround)存儲電極31。

接觸插頭34a與固態圖像感測裝置1中的接觸插頭34相同，除了多個接觸插頭穿過層間絕緣膜30。

將圖8中所示的MOS補償電橋的模型與圖12中所示的圖像像素10A進行比較，公式4中的MOS的相鄰的柵極電極之間的距離LB可被視為存儲電極31和集電極33之間的間隙長度L1(圖12)。MOS的柵極電極的長度LC還可被視為存儲電極31的邊緣之間的最小長度的長度的一半。具體地，在圖像像素10A的平面中的存儲電極31的形狀是正方形的情況中，公式5中的L2對應於存儲電極31的一邊的長度的一半。由於該原因，通過使用其尺寸大於固態圖像感測裝置1的存儲電極的尺寸的存儲電極31，固態圖像感測裝置1A可執行與現有CMOS圖像傳感器的高速讀取相同的高速讀取。

圖像像素10A的平面是垂直於圖像像素10A的層壓方向的平面。圖像像素10的層壓方向是層壓圖像像素10A中的每個層的方向。換言之，層壓方向是垂直於半導體襯底20的平面的方向。

接下來，下面將描述固態圖像感測裝置1A的製造方法。除了形成集電極33a和形成接觸插頭34a之外，固態圖像感測裝置1A的製造方法可與第一實施例中的固態圖像感測裝置1的製造方法相同。因此，在固態圖像感測裝置1A的製造方法中，省略了對與固態圖像感測裝置1的製造步驟相同的製造步驟的描述。

在層壓層間絕緣膜30之後，形成穿過層間絕緣膜30的多個接觸插頭34a。除了集電極33a圍繞存儲電極31之外，通過與第一實施例中的固態圖像感測裝置1的集電極33的方法相同的方法在層間絕緣膜30之上形成集電極33a。通過上述這些處理，可製造固態圖像感測裝置1A。

通過第一實施例的修改示例，如利用第一實施例的情況，可抑制非轉移 殘餘信號電荷。進一步，在第一實施例的修改示例中，由於集電極33a圍繞存儲電極31，因而在集電極33a和存儲電極31之間生成邊緣電場的區域可大於固態圖像感測裝置1的相應區域。由於該原因，固態圖像感測裝置1A可更有效地將存儲在信號電荷存儲區域中的信號電荷轉移至集電極33a。

換言之，固態圖像感測裝置1A可在相同時間內將多得多的信號電荷轉移至集電極33a。因此，固態圖像感測裝置1A可將多得多的信號電荷存儲在信號電荷存儲區域中，並且動態範圍可以更寬。由於公式5中的LC可被視為存儲電極31的邊緣之間的最小長度的長度的一半，因而固態圖像感測裝置1A中的存儲電極31的尺寸可以較大。

(第二實施例)

接下來，下面將描述第二實施例。圖13是設置在第二實施例中的固態圖像感測裝置1B中的圖像像素10B的截面圖。

除了下面描述的兩點以外，第二實施例的圖像像素10B可具有與第一實施例的圖像像素10相同的結構。第一點是圖像像素10B具有代替存儲電極31、絕緣膜32、集電極33、接觸插頭34和半導體層35的存儲電極31a、絕緣膜32a、集電極33b、接觸插頭34b和半導體層35a。第二點是圖像像素10B進一步具有勢壘膜36。在圖13中所示的圖像像素10B中，圖3中所示的部件被分配相同的附圖標記並且省略了對這些部件的描述。

如圖13中所示，在固態圖像感測裝置1B中，存儲電極31a和絕緣膜32a被設置在層間絕緣膜30和半導體層35a之間。集電極33b被設置在半導體層35a之上。

相對於每個圖像像素圖案化存儲電極31a和絕緣膜32a。存儲電極31a被設置在層間絕緣膜30之上。如圖13中所示，存儲電極31a在平面圖中可被形成直到圖像像素10B的光接收表面的邊緣。

絕緣膜32a被設置在存儲電極31a之上。如圖13中所示，絕緣膜32a在平面圖中可被形成直到圖像像素10B的光接收表面的邊緣。

集電極33b被設置在半導體層35a之上。具體地，從集電極33b到光接收表面(上電極42)的距離短於從存儲電極31a到光接收表面的距離。

層壓存儲電極31a、半導體層35a和集電極33b以使得半導體層35a被設置在集電極33b的一部分和存儲電極31a的一部分之間。換言之，在半導體層35a上相對地設置集電極33b的該部分和存儲電極31a的該部分。

在平面圖中期望地重疊集電極33b的該部分和存儲電極31a的該部分。通過此設置，與集電極33b的該部分和存儲電極31a的該部分在平面圖中沒有重疊的情況相比較，可在集電極33b和存儲電極31a之間生成較高的邊緣電場。

接觸插頭34b穿過層間絕緣膜30和半導體層35a。接觸插頭34b電連接集電極33b和圖像像素電路21的FD區域22。

半導體層35a覆蓋存儲電極31a和絕緣膜32a。半導體層35a的一部分與集電極33b的一部分接觸。

半導體層35a的厚度厚於存儲電極31a的厚度和絕緣膜32a的厚度之和。

級低區域存在於存儲電極31a的一端處。半導體層35在級低區域同樣被形成為連續層。

相對於每個圖像像素圖案化半導體層35a。在此情況中，可在濺射並形成無機材料的膜之後通過光刻和蝕刻來形成半導體層35a。可通過經由絲網印刷圖案化有機材料來形成半導體層35。由於該原因，可防止電荷在固態圖像感測裝置1B中的相鄰的圖像像素10B的集電極33b之間轉移。

可在固態圖像感測裝置1B中的圖像像素陣列2的整個表面(換言之，傳感器陣列的整個表面)之上形成半導體層35a。在此情況中，可通過濺 射並形成無機材料的膜來形成半導體層35a。可由通過使用半月板(meniscus)方法來施加有機半導體材料來形成半導體層35。當存儲信號電荷時，通過施加至存儲電極31a的偏置電壓在信號電荷存儲區域中形成勢阱。因此，即使在固態圖像感測裝置1B中的圖像像素陣列2的整個表面之上形成半導體層35a，也可防止存儲在半導體層35a中的電荷在相鄰的圖像像素10B的集電極33b之間轉移。

勢壘膜36是第三絕緣層的特定示例。勢壘膜36被設置在集電極33b之上。勢壘膜36阻止電荷在集電極33b和光電轉化層41之間轉移。例如，電荷的轉移意為電荷從光電轉換層41到集電極33b的直接注入。例如，勢壘膜36在光電轉換層41是由有機半導體製成的情況中是勢壘膜(大家都這麼叫)。

用於勢壘膜36的材料期望地是具有優越的可加工性的材料。勢壘膜36可由其絕緣性質較高的介電材料製成。特定波長區域的光的大於或等於80[％]期望地透射通過勢壘膜36。例如，特定波長區域是紅色(R)區域、綠色(G)區域、藍色(B)區域、可見光區域等等。在圖像像素10具有多個光電轉換器的情況中，如果勢壘膜36吸收輻射的光，則由除了光電轉換層41之外的光電轉換器所接收的光的量減少了。由於該原因，存在表觀靈敏度下降的問題。在本實施例中，光透射通過勢壘膜36。因此，可抑制此問題的出現。

在光電轉換層41由有機半導體製成的情況中，可通過使用肖特基(Schottky)勢壘來形成勢壘膜36，該肖特基勢壘被形成在光電轉換層41的有機半導體和集電極33b之間的接觸界面之上。

如利用第一實施例的情況，特定波長區域的光的大於或等於80[％]期望地透射通過存儲電極31a、絕緣膜32a、集電極33b和半導體層35a。除了這些結構元素以外，圖像像素10B與圖3中所示的圖像像素10相同。

期望地配置圖像像素10B以便滿足公式5。在以此方式配置圖像像素10B的情況中，公式3和4中的LB對應於集電極33b和存儲電極31a之間 的距離，並且對應於半導體層35a的厚度。因此，公式5和6中的L1對應於半導體層35a的厚度。

例如，在圖像像素尺寸是全高清並且幀頻f是60[Hz]的情況中，以便固態圖像感測裝置1B可執行與現有CMOS圖像傳感器的高速讀取相同的高速讀取，需要固態圖像感測裝置1B在8.6[μsec]內執行從每個圖像像素讀取信號電壓的操作。在固態圖像感測裝置1B中的存儲電極31a的邊緣之間的最小長度L2是1[μm]，半導體層35由IGZO製成並且半導體層35a的遷移率是15[cm2/(V*秒)]的情況中，半導體層35a的厚度期望地是小於115[nm]。

接下來，下面將描述第二實施例中的固態圖像感測裝置1B的製造方法。圖14到圖17是示出了第二實施例中的固態圖像感測裝置1B的製造方法的繪圖。在形成存儲電極31a、絕緣膜32a、集電極33b、接觸插頭34b、半導體層35a和勢壘膜36的步驟方面，第二實施例中的固態圖像感測裝置1B的製造方法與第一實施例中的固態圖像感測裝置1的製造方法不同。除了這些步驟以外，固態圖像感測裝置1B的製造方法與第一實施例中的固態圖像感測裝置1的製造方法相同。因此，在第二實施例中的固態圖像感測裝置1B的製造方法中，圖3中所示的部件被分配相同的附圖標記並且省略了對這些部件的描述。

如圖14中所示，如利用固態圖像感測裝置1的製造方法的情況，形成圖像像素電路21和層間絕緣膜30。接下來，在層間絕緣膜30之上形成存儲電極31a和絕緣膜32a。在被層壓在將要成為圖像像素10B的整個區域上之後，可通過光刻和蝕刻來形成存儲電極31a和絕緣膜32a。接下來，在存儲電極31a和絕緣膜32a之上形成半導體層35a。接下來，形成穿過層間絕緣膜30和半導體層35a的接觸插頭34b。接觸插頭34b被連接至FD區域22。

接下來，如圖15中所示，在半導體層35a之上形成集電極33b和勢壘 膜36。在被層壓在將要成為圖像像素10B的整個區域上之後，可通過光刻和蝕刻來形成集電極33b和勢壘膜36。如圖16中所示，層壓集電極33b和存儲電極31a以使得半導體層35a被設置在集電極33b的一部分和存儲電極31a的一部分之間。

接下來，如圖17中所示，在於集電極33b、勢壘膜36和半導體層35a之上形成光電轉換層41之後，在光電轉換層41之上形成上電極42。通過這些處理，可製造固態圖像感測裝置1B。

通過第二實施例，如利用第一實施例的情況，可抑制非轉移殘餘信號電荷。進一步，在第二實施例中，公式5中的L1對應於集電極33b和存儲電極31a之間的距離。L1也對應於半導體層35a的厚度。因此，通過調節半導體層35a的厚度，可調節集電極33b和存儲電極31a之間的距離(公式5中的L1)。由於該原因，與通過光刻等等在同一平面中形成集電極和存儲電極的情況相比較，可更容易地調節集電極33b和存儲電極31a之間的距離。

在第二實施例中的固態圖像感測裝置1B中，集電極33b和存儲電極31a之間的距離不存在於圖像像素10B的平面中，而是該距離存在於厚度方向(圖像像素10B的層壓方向)中。由於該原因，圖像像素10B的面積可以較小。換言之，在固態圖像感測裝置1B中，可提高元素的集成度。

接下來，下面將描述第二實施例的修改示例。圖12是設置在第一實施例的修改示例中的固態圖像感測裝置1A中的圖像像素10A的截面圖。在第二實施例中的固態圖像感測裝置1B中，儘管集電極33b面向存儲電極31a的一端，但集電極33b在平面圖中可圍繞存儲電極31a。通過此設置，在存儲電極31a和集電極33b之間生成邊緣電場的區域可以較大。由於該原因，固態圖像感測裝置1B可更有效地將存儲在信號電荷存儲區域中的信號電荷轉移至集電極33b。

換言之，固態圖像感測裝置1B可在相同時間內將多得多的信號電荷轉 移至集電極33b。因此，固態圖像感測裝置1B可將多得多的信號電荷存儲在信號電荷存儲區域中，並且動態範圍可以更寬。

(第三實施例)

接下來，下面將描述第三實施例。圖18是設置在第三實施例中的固態圖像感測裝置1C中的圖像像素10C的平面圖。

除了圖像像素10C具有代替存儲電極31、絕緣膜32和集電極33的存儲電極31b、絕緣膜32b、集電極33c之外，第三實施例中的圖像像素10C可與第一實施例中的圖像像素10的那些相同。在圖18中所示的圖像像素10C中，圖3中所示的部件被分配相同的附圖標記並且省略了對這些部件的描述。

存儲電極31b被設置在層間絕緣膜30和半導體層35之間。存儲電極31b在圖像像素10C中具有多個矩形部分。存儲電極31b中的矩形部分可與彼此平行。可形成存儲電極31b以使得存儲電極31b的形狀變為近似梳型形狀。通過該形狀，與存儲電極31b的形狀是矩形形狀相比，存儲電極31b的周界的長度可以較長。換言之，在固態圖像感測裝置1C中，存儲電極31b面向集電極33c的區域可以較大。

絕緣膜32b被設置在存儲電極31b之上。絕緣膜32b覆蓋存儲電極31b的整個表面。絕緣膜32b使半導體層35和存儲電極31b電絕緣。

集電極33c被設置在層間絕緣膜30和半導體層35之間。集電極33c在圖像像素10C中具有多個矩形部分。集電極33c中的矩形部分可與彼此平行。進一步，集電極33c中的矩形部分可被連接至彼此以便在同一平面中形成連續平面。可形成集電極33c以使得集電極33c的形狀變為近似梳型形狀。

設置存儲電極31b中的矩形部分和集電極33c中的矩形部分以使得半導體層35存在於存儲電極31b中的矩形部分和集電極33c中的矩形部分之間。 如利用第一實施例的情況，特定波長區域的光的大於或等於80[％]期望地透射通過存儲電極31b、絕緣膜32b和集電極33c。除了這些結構元素以外，圖像像素10C可與圖3中所示的第一實施例中的圖像像素10相同。

通過第三實施例，如利用第一實施例的情況，可抑制非轉移殘餘信號電荷。進一步，通過第三實施例，在存儲電極31a和集電極33b之間生成邊緣電場的區域可以較大。由於該原因，固態圖像感測裝置1C可更有效地將存儲在信號電荷存儲區域中的信號電荷轉移至集電極33c。換言之，固態圖像感測裝置1C可在相同時間內將多得多的信號電荷轉移至集電極33c。因此，固態圖像感測裝置1C可將多得多的信號電荷存儲在信號電荷存儲區域中，並且動態範圍可以更寬。

接下來，下面將描述第三實施例的修改示例。在第三實施例中的固態圖像感測裝置1C中，儘管集電極33c被設置在層間絕緣膜30和半導體層35之間，但集電極33c可被設置在半導體層35之上。

在此情況中，勢壘膜36可被設置在集電極33c之上。勢壘膜36阻止電荷在集電極33c和光電轉化層41之間轉移。勢壘膜36可由其絕緣性質較高的介電材料製成。在光電轉換層41由有機半導體製成的情況中，可通過使用肖特基勢壘來形成勢壘膜36，該肖特基勢壘被形成在光電轉換層41的有機半導體和集電極33c之間的接觸界面之上。

在第三實施例的修改示例中，公式5中的L1對應於集電極33c和存儲電極31b之間的距離，並且對應於半導體層35的厚度。因此，通過調節半導體層35的厚度，可調節集電極33c和存儲電極31b之間的距離(公式5中的L1)。由於該原因，與通過光刻等等在同一平面中形成集電極33c和存儲電極31b的情況相比較，可更容易地調節集電極33c和存儲電極31b之間的距離。

(第四實施例)

接下來，下面將描述第四實施例。圖19是設置在第四實施例中的固態圖像感測裝置1D中的圖像像素陣列2D中的圖像像素10D的平面圖。

除了集電極33d被圖像像素陣列2D中的多個圖像像素10D共用之外，固態圖像感測裝置1D可與第一實施例中的固態圖像感測裝置1相同。

在圖19中所示的特定示例中，集電極33d被圖像像素陣列2D的列方向中設置的四個相鄰的圖像像素10D共用。共用集電極33d的圖像像素10D的數量不限於四。

在固態圖像感測裝置1D中，共用集電極33d的圖像像素10D也可共用接觸插頭34和FD區域。

相對於每個圖像像素圖案化半導體層35。在相鄰的半導體層35之間形成光電轉換層41。由於該原因，可防止電荷經由半導體層35在共用集電極33d的相鄰的圖像像素10D之間轉移。

在圖像像素陣列2D中，在列方向上相互相鄰的兩個圖像像素10D之間的距離可能長於在同一圖像像素10D中的存儲電極31和集電極33d之間的距離。除了這些結構元素以外，固態圖像感測裝置1D可與圖1和圖3中所示的第一實施例中的固態圖像感測裝置1相同。

通過第四實施例，如利用第一實施例的情況，可抑制非轉移殘餘信號電荷。進一步，通過第四實施例，相鄰的圖像像素10D共用集電極33d以使得每個圖像像素10D中的集電極33的面積可以較小。由於該原因，在圖像像素10D中，可減少集電極33d的面積比，並且可增加存儲電極31的面積比。因此，相對於相同尺寸的圖像像素，可更為增加由光電轉換所生成的信號電荷的數量。而且，相對於相同尺寸的圖像像素，可更為增加存儲在那裡的信號電荷的數量。就是說，相對於相同尺寸的圖像像素，可讀取更多的信號電荷。就是說，相對於相同尺寸的圖像像素，可提高圖像像素的效率。

在固態圖像感測裝置1D中，在共用集電極33d的圖像像素10D也可共 用接觸插頭34和FD區域的情況中，可減少接觸插頭34和FD區域的數量。

由於該原因，接觸插頭34和FD區域的面積可以較小，並且可提高集成度。

接下來，下面將描述第四實施例的修改示例。圖20是設置在第四實施例的修改示例中的固態圖像感測裝置1E中的圖像像素陣列2E中的圖像像素10E的平面圖。

除了固態圖像感測裝置1E具有代替集電極33d的集電極33e之外，圖像像素10E可與第四實施例中的圖像像素10D相同。在圖20中所示的圖像像素10E中，圖19中所示的部件被分配相同的附圖標記並且省略了對這些部件的描述。

除了集電極33e圍繞存儲電極31之外，集電極33e與固態圖像感測裝置1D中的集電極33d相同，集電極33e可被電連接至在列方向上互相相鄰的圖像像素10E中的集電極33e。集電極33e的形狀不限於圖20的特定示例中所示的形狀。

如圖17中所示的圖像像素10B中的集電極33b的情況，集電極33e可被設置在半導體層35之上。在此情況中，層壓存儲電極31、半導體層35和集電極33e以使得半導體層35存在於集電極33e的一部分和存儲電極31的一部分之間。在平面圖中期望地重疊集電極33e的一部分和存儲電極31的一部分。

通過第四實施例的修改示例，在固態圖像感測裝置1E中，在存儲電極31和集電極33e之間生成邊緣電場的區域可大於固態圖像感測裝置1D的相應區域。由於該原因，與固態圖像感測裝置1D(除了集電極33e圍繞存儲電極31之外，該固態圖像感測裝置1D與固態圖像感測裝置1E相同)相比較，固態圖像感測裝置1E可更有效地將存儲在信號電荷存儲區域中的信號電荷轉移至集電極33e。換言之，固態圖像感測裝置1E可在相同時 間內將多得多的信號電荷轉移至集電極33e。因此，固態圖像感測裝置1E可將多得多的信號電荷存儲在信號電荷存儲區域中，並且動態範圍可以更寬。

在每個實施例中，儘管固態圖像感測裝置是CMOS圖像感測器，然而固態圖像感測裝置可以是CCD圖像感測器。

根據上述實施例中的至少一個，半導體層覆蓋存儲電極和第二絕緣層。半導體層存儲並保持由光電轉換層所生成的信號電荷，並且將所存儲的信號電荷轉移至集電極。因此，可抑制非轉移殘餘信號電荷。

如本文中所使用的，下列方向性術語「向前、向後、之上、向下、上部、下部、右、左、垂直、水平、下面、橫向、行和列」以及任何其它類似的方向性術語指代配備有本發明的裝置的那些方向。因此，當被用於描述本發明時，應當相對於配備有本發明的裝置來解釋這些術語。

雖然已描述了某些實施例，但這些實施例僅已通過示例的方式呈現，並且不旨在限制發明的範圍。實際上，本文中所描述的新穎方法和系統可以各種其它形式體現；此外，可在沒有背離本發明的精神的情況下作出以本文中所描述的方法和系統為形式的各種省略、替代和變更。所附權利要求和它們的等效方案旨在覆蓋將落入發明的範圍和精神內的這種形式或修改。