图像感测设备和固态图像感测装置的制作方法

本申请基于并要求2014年9月19日提交的日本专利申请No.2014-191953的优先权的权益，该申请的全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本文中所描述的实施例一般涉及图像感测设备和固态图像感测装置。

背景技术：

在固态图像感测装置中广泛使用诸如CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器和CCD(电荷耦合器件)图像传感器之类的固态图像感测设备。固态图像感测设备通过使用杂质扩散区域将由光电转换所生成的信号电荷转换成信号电压。信号电荷是由光电转换所生成。杂质区通常被称为浮置扩散区域(FD区域)。

每次固态图像感测设备获取每一帧的图像时，该固态图像感测设备通过使用重置晶体管来将FD区域重置(初始化)为预定的电势。当通过重置晶体管重置FD区域时，生成随机热噪声(kTC噪声)。通过使用相关双采样方法来移除kTC噪声。

最近，在这些固态图像感测设备中，在提高光利用效率并且使像素小型化方面特别注意层压式(laminated)图像感测设备。例如，在层压式图像感测设备中，诸如有机光电转换膜之类的光电转换膜被层压在硅衬底的光接收表面上。在层压式图像感测设备中，因为形成在硅衬底上的光电 转换膜未保持信号电荷，所以kTC噪声由后者重置方法的相关双采样来移除。然而，在后者重置方法的相关双采样中，存在kTC噪声的移除不充足的问题。

为了解决该问题，提出了一种层压式图像感测设备，该设备在光电转换膜中对信号电荷充电并且通过使用前者重置方法的相关双采样来移除kTC噪声。

然而，在层压式图像感测设备中，当存储在光电转换膜中的信号电荷被转移到FD区域时，存在信号电荷未被完全地转移的情况。因此，在具有实际长度的传输时间中，存在非转移残余信号电荷存在的情况。

附图说明

图1是示出了第一实施例中的固态图像感测装置1的示例性总的配置的框图。

图2是示出了包括在第一实施例中的固态图像感测装置1中的图像像素10的示例性电路的绘图。

图3是设置在第一实施例中的固态图像感测装置1中的图像像素10的截面图。

图4是示出了设置在第一实施例中的固态图像感测装置1中的图像像素10的示例性结构的绘图。

图5是第一实施例中的固态图像感测装置1的操作的示例性流程图。

图6是示出了第一实施例中的固态图像感测装置1的操作的时序图。

图7是示出了在第一实施例中的固态图像感测装置1的操作的每个步骤中的图像像素的内部节点的电势的示例的绘图。

图8是示出了转移时间的公式中的模型的绘图。

图9是示出了根据第一实施例中的图像像素10中的半导体层35的各种类型的半导体材料的转移时间的估算的示例性结果的绘图。

图10是示出了被用于图9中所示的转移时间的估算的各种类型的半导体材料的示例性迁移率的绘图。

图11是示出了间隙长度L1和估算第一实施例中的固态图像感测装置1中的转移时间的结果之间的关系的绘图。

图12是设置在第一实施例的修改示例中的固态图像感测装置1A中的图像像素10A的截面图。

图13是设置在第二实施例中的固态图像感测装置1B中的图像像素10B的截面图。

图14是示出了第二实施例中的固态图像感测装置1B的制造方法的绘图。

图15是示出了第二实施例中的固态图像感测装置1B的制造方法的绘图。

图16是示出了第二实施例中的固态图像感测装置1B的制造方法的绘图。

图17是示出了第二实施例中的固态图像感测装置1B的制造方法的绘图。

图18是设置在第三实施例中的固态图像感测装置1C中的图像像素10C的平面图。

图19是设置在第四实施例中的固态图像感测装置1D中的图像像素阵列2D中的图像像素10D的平面图。

图20是设置在第四实施例的修改示例中的固态图像感测装置1E中的图像像素阵列2E中的图像像素10E的平面图。

具体实施方式

根据某些实施例，图像感测设备具有存储电极、第二绝缘层、集电极、半导体层、光电转换层和上电极。存储电极被设置在第一绝缘层之上。第二绝缘层被设置在存储电极之上。集电极被设置在第一绝缘层之上并且通过半导体层与存储电极分开。半导体层被设置在存储电极、第二绝 缘层和集电极之上并覆盖它们。光电转换层被设置在半导体层之上。上电极被设置在光电转换层之上。

参照附图，下面将描述图像感测设备和固态图像感测装置的实施例。在下面的描述中，在实施例中的固态图像感测装置的组成元素之间的电连接可以是直接连接或间接连接。例如，可通过直接地连接被包括在组成元素中的部件来执行直接连接。例如，可通过经由另一任意导电构件来间接地连接被包括在组成元素中的部件来执行间接连接。

下面说明书中的附图是为了描述固态图像感测装置的配置。每个示出的部件的参数(尺寸、厚度、长度等等)与固态图像感测装置的实际参数不同。

(第一实施例)

图1是示出了第一实施例中的固态图像感测装置1的示例性总的配置的框图。固态图像感测装置1具有图像像素阵列2、垂直扫描器3、水平扫描器4和控制器5。图像像素阵列2包括以矩阵形式设置的多个像素10。像素10是图像感测设备的具体示例。

在图像像素阵列2的行方向中，设置了选择信号线3-A1、3-A2、…、3-An(n是自然数)。选择信号线3-A1、3-A2、…、3-An被用于传输从垂直扫描器3输出的选择信号SEL。在下面的描述中，选择信号线3-Ai(i是自然数，大于或等于1，并且小于或等于n)表示选择信号线3-A1、3-A2、…、3-An中的一个。

在图像像素阵列2的行方向中，与选择信号线3-A1、3-A2、…、3-An平行地设置了控制信号线3-B1、3-B2、…、3-Bn。控制信号线3-B1、3-B2、…、3-Bn被用于传输从垂直扫描器3输出的重置信号RST。在下面的描述中，控制信号线3-Bi表示选择信号线3-B1、3-B2、…、3-Bn中的 一个。

在图像像素阵列2的列方向中，设置了图像像素信号线4-1、4-2、…、4-m(m是自然数)。图像像素信号线4-1、4-2、…、4-m被用于将从图像像素10输出的图像像素信号传输到水平扫描器4。在下面的描述中，图像像素信号线4-j(j是自然数，大于或等于1，并且小于或等于m)表示图像像素信号线4-1、4-2、…、4-m中的一个。图像像素10被设置在选择信号线3-A1、3-A2、…、3-An与图像像素信号线4-1、4-2、…、4-m交叉的交叉区域处。

垂直扫描器3按行来驱动设置在图像像素阵列2中的图像像素10。例如，垂直扫描器3具有移位寄存器。垂直扫描器3输出选择信号SEL和重置信号RST。选择信号SEL被用于按行来选择设置在图像像素阵列2中的图像像素10。重置信号RST被用于按行来控制设置在图像像素阵列2中的图像像素10。就是说，垂直扫描器3按行在垂直方向上顺序地选择并扫描图像像素10，并且经选择的图像像素10经由图像像素信号线4-j将图像像素信号输出至水平扫描器4。图像像素信号是基于由每一个图像像素10的光电转换器所生成的信号电荷的信号。光电转换器根据所接收的光的量来生成信号电荷。例如，光电转换器是被设置在面向彼此的两个电极之间的光电转换膜。

水平扫描器4针对从图像像素阵列2中的每一个图像像素10输出的图像像素信号执行信号处理。水平扫描器4具有列放大器和信号处理器。列放大器放大从每一个图像像素10输出的图像像素信号。信号处理器处理由列放大器所放大的图像像素信号。水平扫描器4执行CDS(相关双采样)、信号放大以及A/D(模拟/数字)转换。CDS被用于移除图像像素10所特有的固定图案噪声。

控制器5控制固态图像感测装置1的总的操作。在本实施例中，控制 器5主要执行对驱动图像像素10的控制。在包括图像像素晶体管的电路初始化之后，控制器5根据由光电转换器所生成的信号电荷的量来读取图像像素信号。

图2是示出了包括在第一实施例中的固态图像感测装置1中的图像像素10的示例性电路的绘图。在图2中所示的具体示例中，每一个图像像素10具有光电转换器PEC和图像像素电路21。图像像素电路21具有多个图像像素晶体管(被称为“MOS晶体管”)。电压(VB31、VB33和VB42)被施加至图像像素10中的光电转换器PEC的每个电极。

具体地，图像像素10中的图像像素电路21具有重置晶体管RX、放大晶体管AX和选择晶体管SX的三个晶体管。预定的电源电压被施加至放大晶体管AX的漏极。放大晶体管AX的源极被连接至选择晶体管SX的漏极。选择晶体管SX的源极被连接至图像像素信号线4-j。从垂直扫描器3输出的选择信号SEL被施加至选择晶体管SX的栅极。预定的电源电压被施加至重置晶体管RX的漏极。重置晶体管RX的源极被连接至放大晶体管AX的栅极。从垂直扫描器3输出的重置信号RST被施加至重置晶体管RX的栅极。放大晶体管AX的栅极和重置晶体管RX的源极被连接至浮置扩散区域(FD区域)。稍后将描述FD区域。

电压VB31、VB33和VB42分别被施加至存储电极31、集电极(collecting electrode)33和上电极42。稍后将描述存储电极31、集电极33和上电极42。图像像素10可具有进一步包括转移晶体管的四个晶体管。

图3是设置在第一实施例中的固态图像感测装置1中的图像像素10的截面图。固态图像感测装置1可以是层压式CMOS图像传感器。

图像像素10具有半导体衬底20、层间绝缘膜30、存储电极31、绝缘膜32、集电极33、接触插头34、半导体层35、光电转换层(光电转换膜)41和上电极42。存储电极31、绝缘膜32和集电极33被设置在层间绝缘膜30和半导体层35之间。集电极33在导电性方面高于半导体层35，并且半导体层35在导电性方面高于绝缘膜32。存储电极31、绝缘膜32、 集电极33、半导体层35、光电转换层41和上电极42被包括在图2中所示的光电转换器PEC中。

图像像素10可具有多个光电转换器。例如，除了光电转换层41之外，图像像素10可进一步具有诸如PD(光电二极管)之类的光电转换器。在此情况中，光电转换层41接收预定波长范围的光并执行光电转换。而且，形成在半导体衬底20上的光电转换器接收另一波长范围的光并执行光电转换。在图像像素10具有多个光电转换器的情况中，采用一种图像像素共用(share)结构(大家都这么叫)。在图像像素共用结构中，光电转换器共用除了转移晶体管之外的图像像素晶体管，并且光电转换器共用FD区域。

图3中所示的固态图像感测装置1是背面照射类型(大家都这么叫)的CMOS图像传感器。具体地，上电极42被设置在半导体衬底20的背面上。上电极42(图3中所示的上电极42的上表面F1)是光接收表面。半导体衬底20的正面(图3中所示的半导体衬底20的下表面F2)是形成有包括读出电路的电路的电路形成表面。本实施例中的固态图像感测装置1不限于背面照射类型的CMOS图像传感器。固态图像感测装置1可以是诸如正面照射类型的CMOS图像传感器和CCD(电荷耦合器件)图像传感器之类的任意图像传感器。

通过使用硅衬底来形成半导体衬底20，其中可通过掺杂离子污染物来形成p-n结。作为硅衬底，可使用结晶硅(cSi)和非晶硅(aSi)。图像像素电路21被设置在半导体衬底20中。图像像素电路21包括图像像素晶体管和FD区域22。FD区域22是可存储电荷的半导体区域。FD区域22的电势可以是浮置状态。

层间绝缘膜30是第一绝缘层的特定示例。层间绝缘膜30被设置在半导体衬底20之上。例如，层间绝缘膜30是层间绝缘膜(大家都这么叫)。 层间绝缘膜30可由高相对电容率(permittivity)的无机材料或有机材料制成。例如，层间绝缘膜30是由SiO₂制成(二氧化硅层)。

相对于每个图像像素来图案化存储电极31、绝缘膜32和集电极33。存储电极31被设置在层间绝缘膜30之上。用于存储电极31的材料期望地是具有优越的可加工性的材料。例如，存储电极31可由ITO(铟锡氧化物)、氧化锌(ZnO)或石墨烯制成。

绝缘膜32是第二绝缘层的特定示例。绝缘膜32被设置在存储电极31之上。绝缘膜32使半导体层35和存储电极31电绝缘。绝缘膜32可由与层间绝缘膜30相同的材料制成，并且还可由不同材料制成。绝缘膜32的厚度期望地是大于或等于3[nm]以便使半导体层35和存储电极31电绝缘。用于绝缘膜32的材料期望地是具有优越的可加工性的材料。例如，绝缘膜32可由二氧化硅层、氮化硅层、氧化铝或绝缘的有机化合物制成。

集电极33被设置在层间绝缘膜30之上。集电极33和存储电极31之间的距离是L₁。集电极33与半导体层35接触。换言之，集电极33被半导体层35覆盖。用于集电极33的材料期望地是具有优越的可加工性的材料。例如，集电极33由ITO(铟锡氧化物)、氧化锌(ZnO)或石墨烯制成。

特定波长区域的光的大于或等于80[％]期望地透射通过存储电极31、绝缘膜32和集电极33。例如，特定波长区域是红色(R)区域(大于或等于约590[nm]并且小于或等于约750[nm]的波长区域)、绿色(G)区域(大于或等于约500[nm]并且小于或等于约590[nm]的波长区域)、蓝色(B)区域(大于或等于约400[nm]并且小于或等于约500[nm]的波长区域)、可见光区域(大于或等于约400[nm]并且小于或等于约750[nm]的波长区域)等等。

在图像像素10具有多个光电转换器的情况中，如果存储电极31、绝缘膜32和集电极33中的任何一个吸收辐射的光，则由除了光电转换层41之外的光电转换器所接收的光的量减少了。由于该原因，存在表观灵敏度(apparent sensitivity)下降的问题。在本实施例中，光透射通过存储电极31、绝缘膜32和集电极33。因此，可抑制此问题的出现。

接触插头34穿过层间绝缘膜30。接触插头34电连接集电极33和图像像素电路21的FD区域22。通孔穿过层间绝缘膜30。可通过利用诸如钨之类的导电材料填充通孔来形成接触插头34。还可通过经由离子注入的半导体层来形成接触插头34。

半导体层35覆盖存储电极31、绝缘膜32和集电极33。具体地，半导体层35覆盖存储电极31的侧表面、绝缘膜32的侧表面、绝缘膜32的上表面、集电极33的侧表面和集电极33的上表面。半导体层35的厚度厚于存储电极31的厚度和绝缘膜32的厚度之和。级低(step low)区域存在于存储电极31和集电极33之间。半导体层35被形成为从级低区域到存储电极31或集电极33的连续层。例如，在存储电极31的厚度为20[nm]并且绝缘膜32的厚度为5[nm]的情况中，半导体层35的厚度期望地是大于或等于30[nm]。相对于每个图像像素来图案化半导体层35。由于该原因，可防止电荷在固态图像感测装置1中的相邻的图像像素10的集电极33之间转移。

半导体层35将由光电转换层41所生成的信号电荷存储在半导体层35中。半导体层35将所存储的信号电荷转移至集电极33。

半导体层35可由无机材料或有机材料制成。例如，可在溅射并形成无机材料的膜之后通过光刻和蚀刻来形成半导体层35。例如，可通过经由丝网印刷(screen printing)图案化有机材料来形成半导体层35。

半导体层35期望地由其光渗透性(light permeability)较高的材料制成。特定波长区域的光的大于或等于80[％]期望地透射通过半导体层35。例如，特定波长区域是红色(R)区域、绿色(G)区域、蓝色(B)区域、可见光区域等等。用于半导体层35的材料期望地是具有优越的可加工性的材料。

在图像像素10具有多个光电转换器的情况中，如果半导体层35吸收辐射的光，则由除了光电转换层41之外的光电转换器所接收的光的量减少了。由于该原因，存在表观灵敏度下降的问题。在本实施例中，光透射通过半导体层35。因此，可抑制此问题的出现。

例如，半导体层35可由诸如碳化硅、IGZO、金刚石、石墨烯和碳纳米管之类的无机材料制成。例如，半导体层35还可由诸如稠(condensed)多环碳氢化合物和稠杂环化合物之类的有机材料制成。例如，稠多环碳氢化合物可以是并五苯或红荧烯。例如，稠杂环化合物及其衍生物可以是2,7–二辛基[1]苯并噻吩并(benzothieno)[3,2-b][1]苯并噻吩(C8-BTBT)或3,11-二癸基二萘并(didecyldinaphtho)[2,3-d:2’,3’-d’]苯并[1,2-b:4,5-b’]二硫代苯(dithiophene)(C10-DNBDT)。可通过使用在下面的参考文献1中描述的方法来形成由C8-BTBT或C10-DNBDT制成的膜。

参考文献1：成像会议日本2011，第112技术联盟教科书(112-nd technology consortium textbook)，75页。

光电转换层41被设置在半导体层35之上。光电转换层41没有被图案化。光电转换层41被设置在图像像素10的整个光接收表面之上。具体地，光电转换层41覆盖半导体层35的侧表面和半导体层35的上表面。光电转换层41根据辐射的光执行光电转换并且生成信号电荷。由光电转换层41所生成的信号电荷的量取决于由光电转换层41所接收的光的量。

作为光电转换层41，可使用可被层压在半导体衬底上的任意的光电转 换膜。例如，光电转换层41由有机光电转换材料制成。尽管光电转换层41在图3中所示的图像像素10中被示为一层，但光电转换层41可以是多个层。可相对于每个图像像素来图案化光电转换层41。

在光电转换层41之上形成上电极42。上电极42可被设置在图像像素10的整个光接收表面之上而没有图案化。可相对于每个图像像素来图案化上电极42。例如，上电极42可由ITO(铟锡氧化物)、氧化锌(ZnO)或石墨烯制成。

上电极42期望地由其光渗透性较高的材料制成。特定波长区域的光的大于或等于80[％]期望地透射通过上电极42。例如，特定波长区域是红色(R)区域、绿色(G)区域、蓝色(B)区域、可见光区域等等。由于该原因，抑制了上电极42吸收辐射的光，并且减少了由光电转换层41所接收的光的量。

在图3中所示的图像像素10中，可通过使用干式膜形成方法或湿式膜形成方法来形成在半导体衬底20之上形成的每个层。作为干式膜形成方法，可使用真空沉积方法、溅射方法、离子电镀方法、诸如MBE(分子束外延)方法之类的物理气相生长方法以及诸如等离子体聚合之类的CVD(化学气相沉积)方法。作为湿式膜形成方法，可使用浇铸方法、旋涂方法、浸渍方法、LB方法等等。可使用诸如喷墨印刷和丝网印刷之类的印刷方法或者诸如热转移和激光转移之类的转移方法。

接下来，下面将描述第一实施例中的固态图像感测装置1的制造方法。在将要成为半导体衬底20中的每个图像像素10的区域处形成包括图像像素晶体管和FD区域22的图像像素电路21。接下来，在半导体衬底20上，层压上述层间绝缘膜30。其后，形成穿过层间绝缘膜30的接触插头34。接触插头34被连接至FD区域22。接下来，在层间绝缘膜30之上形成存储电极31、绝缘膜32和集电极33。形成集电极33以使得集电 极33与存储电极31分开间隙长度L₁。在被层压在将要成为图像像素10的整个区域上之后，可通过光刻和蚀刻来形成存储电极31、绝缘膜32和集电极33。接下来，在存储电极31、绝缘膜32和集电极33之上形成半导体层35。接下来，在半导体层35之上形成光电转换层41。其后，在光电转换层41之上形成上电极42。通过上述这些处理，可制造固态图像感测装置1。

图4是示出了设置在第一实施例中的固态图像感测装置1中的图像像素10的示例性结构的绘图。在图4中所示的图像像素10中，图3中所示的部件被分配相同的附图标记。在图4中，具有图2中所示的图像像素10中的结构元素，作为示例示出光电转换器PEC的设备结构和包括在图像像素电路21中的重置晶体管RX的设备结构。在图4中，尽管放大晶体管AX和选择晶体管SX被示为在图像像素10的外面以便容易理解，然而放大晶体管AX和选择晶体管SX连同重置晶体管RX一起被形成在半导体衬底20上。

如上所述，半导体衬底20的图像像素10具有重置晶体管RX、放大晶体管AX和选择晶体管SX。在下面描述的示例中，N沟道的MOS晶体管被用作三个晶体管。然而，可使用P沟道的MOS晶体管，并且可使用其它晶体管。

重置晶体管RX的栅极是导电层24。导电层24经由形成在图像像素10中的半导体衬底20上的绝缘层(未示出)而被设置在半导体衬底20之上。导电层24被连接至控制信号线3-Bi。重置信号RST被施加至导电层24。重置晶体管RX的漏极是杂质扩散区域23，并且被连接至电源线。杂质扩散区域23被保持在恒定电压(例如，V₁)处。重置晶体管RX的源极被连接至FD区域22。当通过重置信号RST将重置晶体管RX改变至导通状态时，重置晶体管RX被改变至导电状态。其后，重置晶体管RX将FD区域22重置到预定电势。

放大晶体管AX的栅极被连接至FD区域22。放大晶体管AX的漏极被连接至电源线。放大晶体管AX的源极被连接至选择晶体管SX。放 大晶体管AX用作源极跟随器。

选择晶体管SX的栅极被连接至选择信号线3-Ai。选择信号SEL被施加至选择晶体管SX的栅极。选择晶体管SX的漏极被连接至放大晶体管AX的源极。选择晶体管SX的源极被连接至图像像素信号线4-j。当通过选择信号SEL将选择晶体管SX改变至导通状态时，选择晶体管SX将从放大晶体管AX输出的图像像素信号输出传输至图像像素信号线4-j。根据FD区域22的电势的信号被放大晶体管AX和选择晶体管SX输出。

接下来，沿着图5，将参照图6和图7描述第一实施例中的固态图像感测装置1的操作。图5是第一实施例中的固态图像感测装置1的操作的示例性流程图。图6是示出了第一实施例中的固态图像感测装置1的操作的时序图。图7是示出了在第一实施例中的固态图像感测装置1的操作的每个步骤中的图像像素的内部节点的电势的示例的绘图。

主要地，下面将描述图3中所示的图像像素10的操作。作为示例，由图像像素10中的光电转换层41所生成的信号电荷是电子。同样，作为示例，固态图像感测装置1顺序地获取视频记录中的帧的图像。

在时间t0处，开始曝光，并且由光电转换层41所生成的信号电荷被存储在半导体层35中(步骤S1)。具体地，固态图像感测装置1分别将电压VB31、VB33和VB42施加至存储电极31、集电极33和上电极42以使得满足下面描述的公式1。在公式1中，是存储电极31的电势。是集电极33的电势。是上电极42的电势。例如，在控制器5的控制下，垂直扫描器3将0[V]作为电压VB31施加以便于将电势给予存储电极31。垂直扫描器3将-1[V]作为电压VB33施加以便于将电势给予集电极33。垂直扫描器3将-5[V]作为电压VB42施加以便于将电势给予上电极42。

(公式1)

在光电转换层41中，通过光电转换生成电子和空穴(电子-空穴对)。所生成的电子-空穴对的量对应于曝光量。具体地，例如，在光电转换层41是由有机光电转换膜形成的情况中，相对于通过曝光在有机光电转换膜中生成的激子(exciter)，载流子(careers)被光电转换层41中生成的电场分开。在光电转换层41中生成的电场是由上电极42的电势和存储电极31的电势之差所生成的电场或者由上电极42的电势和集电极33的电势之差所生成的电场。

在信号电荷是电子的情况中，电子-空穴对中的大多数电子朝向存储电极31移动。在此情况中，电子-空穴对中的空穴移动至上电极42。其后，空穴经由上电极42从光电转换层41中排出。

在存储电极31和半导体层35之间存在绝缘膜32。由于该原因，从光电转换层41朝向存储电极31移动的电子无法横穿过(cross)绝缘膜32的势垒。电子被存储在处于半导体层35中的存储电极31和绝缘膜32的上表面的附近(在下文中“信号电荷存储区域”)。换言之，信号电荷(电子)被存储在半导体层35中的第二绝缘层32a的界面的附近。此时，因为存储电极31的电势大于集电极33的电势，所以存储在信号电荷存储区域中的信号电荷未朝向集电极33移动，并且信号电荷被保持为被存储在信号电荷存储区域中。

接下来，在时间t1处，固态图像感测装置1重置图像像素10中的FD区域22(步骤S2)。具体地，在控制器5的控制下，垂直扫描器3使选择信号SEL和重置信号RST为高电平。此时，被施加至导电层24的重置信号RST的电压V_RST大于被施加至杂质扩散区域23的电压V₁。由于该原因，向其施加了电压V_RST的导电层24的电势低于杂质扩散区域23电势并且重置晶体管RX变为导通状态。当重置晶体管RX变为导通状态时，在FD区域22和杂质扩散区域23之间转移电荷。因此，FD区 域22变为与杂质扩散区域23相同的电势，并且FD区域22被重置(参考图7中所示的第一绘图)。

接下来，在时间t2处，在控制器5的控制下，垂直扫描器3使重置信号RST为低电平。因此，重置晶体管RX变为截止状态，FD区域22与杂质扩散区域23电分离。就是说，FD区域22变为浮置状态。当重置晶体管RX变为截止状态时，生成热噪声(kTC噪声)。由于该原因，FD区域22的电势变为与电势不同的电势每当重置晶体管RX被改变至截止状态时，随机生成kTC噪声。

接下来，在时间t3处，在控制器5的控制下，水平扫描器4读取指示FD区域22的电压的电压VSIG。水平扫描器4检测该电压VSIG作为重置电平(步骤S3)。具体地，经由放大晶体管AX从图像像素10输出FD区域22的电压。从FD区域22读取的电压VSIG是对应于电势的电压。电压VSIG包括kTC噪声，该kTC噪声是在重置晶体管RX在时间t2处被改变至截止状态时生成的(参考图7中所示的第二绘图)。从图像像素10输出的图像像素信号VSIG经由图像像素信号线4-j被供应至水平扫描器4。水平扫描器4通过放大图像像素信号VSIG来生成电压V_输出。水平扫描器4的信号处理器(未示出)采样并存储电压V_输出作为重置电平。

接下来，在时间t4处，固态图像感测装置1将信号电荷转移至FD区域22(步骤S4)。在时间t4处，固态图像感测装置1结束(完成)从时间t0执行的曝光，并且固态图像感测装置1还结束(完成)信号电荷的存储。

具体地，固态图像感测装置1将电压施加至存储电极31、集电极33和上电极42以使得满足下面描述的公式2。在公式2中，是存储电极31的电势。是集电极33的电势。是上电极42的电势。例如，在控制器5的控制下，垂直扫描器3将-1[V]作为电压VB31施加以便于将电势给予存储电极31。垂直扫描器3将0[V]作为电压VB33施加以 便于将电势给予集电极33。垂直扫描器3将-5[V]作为电压VB42施加以便于将电势给予上电极42。

(公式2)

此时，在集电极33的一侧处的存储电极31的边缘的附近和集电极33之间生成边缘电场。该边缘电场由存储电极31和集电极33之间的势差所引起。该边缘电场未在信号电荷存储区域的中心的附近(换言之，在半导体层35中的存储电极31的上表面的中心的附近)生成。被存储在集电极33的一侧处的信号电荷存储区域的边缘的附近的信号电荷通过边缘电场被转移至集电极33。由于该原因，在集电极33的一侧处的信号电荷存储区域的边缘的附近的信号电荷密度变得较低，并且信号电荷的密度梯度在信号电荷存储区域中出现。通过信号电荷的密度梯度，存储在信号电荷存储区域中的信号电荷从信号电荷存储区域的中心的附近朝向集电极33的一侧处的信号电荷存储区域的边缘的附近扩散地移动。

以此方式，即使由存储电极31和集电极33之间的势差所引起的边缘电场未在信号电荷存储区域的中心的附近生成，被存储在信号电荷存储区域的中心的附近的信号电荷也同样被转移至集电极33。被转移至集电极33的信号电荷经由接触插头34被转移至FD区域22。在从信号电荷存储区域转移信号电荷之后，FD区域22的电势变为电势(参考图7中所示的第三绘图)。

通常，由扩散所引起的电荷的移动速度慢于由电场漂移所引起的电荷的移动速度。因此，对于信号电荷在信号电荷存储区域中扩散地移动所需的时间长于对于信号电荷根据边缘电场移动所需的时间。然而，如稍后所描述的，在半导体层35由其迁移率足够高的材料制成的情况中，信号电荷可在现实时间内从存储电极31被转移至集电极33。

固态图像感测装置1通过重复步骤S1到步骤S4来获取帧的图像。每 次固态图像感测装置1重复地执行步骤S1到步骤S4，固态图像感测装置1在步骤S4之后执行下面将描述的步骤S5和步骤S6。

在步骤S4之后，在时间t5处，在控制器5的控制下，作为图像像素信号，水平扫描器4检测指示FD区域22的电压的电压VSIG(步骤S5)。具体地，作为图像像素信号VSIG，经由放大晶体管AX和选择晶体管SX从图像像素10中输出FD区域22的电压。此时，图像像素信号VSIG的电压是对应于电势的电压(参考图7中所示的第四绘图)。

在时间t1处重置FD区域22之后，kTC噪声被保持在FD区域22中。由于该原因，图像像素信号VSIG包括kTC噪声，该kTC噪声是被包括在于时间t3处检测到的电压VSIG中的相同的kTC噪声。从图像像素10输出的图像像素信号VSIG经由图像像素信号线4-j被供应至水平扫描器4。水平扫描器4通过放大图像像素信号VSIG来生成电压V_输出。水平扫描器4的信号处理器(未示出)采样并存储电压V_输出。

接下来，在时间t5处，在控制器5的控制下，水平扫描器4根据通过采样获得的电压V_输出来计算信号电压VS(步骤S6)。具体地，水平扫描器4的信号处理器计算根据时间t3处的FD区域22的电压VSIG的电压V_输出(重置电平)的采样值和根据时间t6处的FD区域22的电压VSIG的电压V_输出的采样值之间的差别。其后，水平扫描器4的信号处理器生成计算上述差别的结果作为信号电压VS。信号电压VS表示对应于由光电转换层41所生成的电荷的量的信号分量。如上所述，固态图像感测装置1可获得信号电压，从中通过使用前者重置方法的相关双采样来移除kTC噪声。

接下来，将描述对于存储在信号电荷存储区域中的信号电荷从信号电荷存储区域扩散地转移至集电极33所需的时间的估算。通过使用在下面的参考文献2中描述的MOS补偿电桥的转移时间来执行对于存储在信号电荷存储区域中的信号电荷扩散地移动所需的时间的估算。

参考文献2：M.G.Collet和L.J.M.Esser，Festkorperprobleme XIII，1973，337页。

图8是示出了转移时间的公式中的模型的绘图。在图8中所示的模型中，形成MOS(金属氧化物半导体)结构(在下文中“MOS”)。MOS结构彼此相邻并且连续形成。图8中所示的MOS具有半导体衬底J1、栅极氧化膜J2和栅极电极J3。通过使用p型硅来形成半导体衬底J1。在半导体衬底J1中，通过使用n型硅来形成沟道J4。通过使用SiO₂在半导体衬底J1之上形成栅极氧化膜J2。在栅极氧化膜J2之上形成栅极电极J3。

在以此方式形成的MOS补偿电桥中，存储在位于栅极电极J3正下方的沟道J4中的电荷被转移至相邻的MOS。在MOS补偿电桥中，转移电荷的步骤包括由边缘J5中的边缘电场所引起的漂移步骤以及在沟道J4中的扩散步骤。

在MOS补偿电桥中，假设沟道J4中的掺杂密度是足够高的并且除了边缘J5的附近以外不存在沟道J4的势梯度(换言之，势梯度是平坦的)。还假设在转移电荷的时间，电流在电势阻挡区域J6中是连续的。

关于电荷的扩散步骤，通过下面描述的公式3和公式4来表示转移时间和所存储电荷的量之间的关系。

(公式3)

$\frac{Q_s\left(t\right)}{Q_s\left(0\right)}=\frac{1}{1+\frac{t}{t_{BB}}}...\left(3\right)$

(公式4)

$t_{BB}=\frac{2C_{ox}{L}_B{L}_C}{{\mathrm{\μ}}_n{\mathrm{qn}}_0}...\left(4\right)$

在公式中，t是时间。在当电荷开始转移时的时间处，t＝0。Q_S(0)是当电荷开始转移时(t＝0)存储在沟道J4中的电荷的量。Q_S(t)是在时间t处存储在沟道J4中的电荷的量。C_OX是每单位面积沟道J4的容量。L_B是MOS的相邻的栅极电极之间的距离。L_C是MOS的栅极电极的长度。μ_n是硅层(半导体衬底J1)的迁移率。q是元电荷。n₀是每单位面积的初始电子数量(在当t＝0时的时间处的电子的数量)。

将图8中所示的MOS补偿电桥的模型与图3中所示的图像像素10进行比较，半导体衬底J1可被认为是图像像素10中的半导体层35。栅极氧化膜J2也可被视为图像像素10中的绝缘膜32。栅极电极J3也可被视为存储电极31。电荷被转移至的MOS的栅极电极也可被视为图像像素10中的集电极33。

就是说，μ_n可被视为半导体层35的迁移率。MOS的相邻的栅极电极之间的距离L_B也可被视为存储电极31和集电极33之间的间隙长度L₁。MOS的栅极电极的长度L_C也可被视为存储电极31的边缘之间的最小长度L₂。每单位面积的沟道14的容量C_OX也可被视为包括半导体层35、绝缘膜32和存储电极31的电容器的每单位面积的容量。

为了执行与包括四个晶体管的现有CMOS图像传感器(在下文中“现有CMOS传感器”)的高速读取相同的高速读取，需要固态图像感测装置1在1/(f×Line)秒内从每个图像像素读取信号(在下文中“信号读取操作”)。f是帧频。Line是图像像素阵列2(传感器阵列)的行的数量。信号读取操作包括从每个图像像素读取信号电压的操作以及重置FD区域22的操作。例如，重置FD区域22的操作需要约2[μsec]。

根据关于信号读取操作的时间的条件以及公式3和4，需要固态图像感测装置1满足下面描述的公式5。

(公式5)

$L_1*L_2\<\frac{{\mathrm{\μ}}_n*q*Q}{2*f*Line*C_{ox}*S_C}...\left(5\right)$

S_C是每一个图像像素10的存储电极31的面积。Q是在读取信号电荷的操作之后(换言之，在1/(f×Line)秒之后)在信号电荷存储区域中剩余的信号电荷(非转移残余信号电荷)的数量。

以便固态图像感测装置1可在与现有CMOS传感器相同的读取噪声级别下操作，需要非转移残余信号电荷Q小于或等于现有CMOS传感器的非转移残余信号电荷。例如，以便固态图像感测装置1可在与可植入硅光电二极管的暗电流噪声近似相同的读取噪声级别下操作，需要非转移残余信号电荷Q小于或等于约0.5电子。例如，以便固态图像感测装置1可在与下面描述的参考文献3中描述的反馈重置应用至的有机层压CMOS图像传感器(在下文中“反馈重置有机CMOS传感器”)的读取噪声近似相同的读取噪声级别下操作，需要非转移残余信号电荷Q小于或等于约2.3电子。

参考文献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，以便固态图像感测装置可执行与现有CMOS图像传感器的高速读取相同的高速读取并且在与反馈重置有机CMOS传感器的读取噪声近似相同的读取噪声级别下操作，需要固态图像感测装置1满足下面描述的公式6。

(公式6)

$L_1*L_2\<\frac{{\mathrm{\μ}}_n*q*2.3}{2*f*Line*C_{ox}*S_C}...\left(6\right)$

接下来，参照图9和图10，将描述根据半导体层35的各种类型的半导体材料的信号电荷的转移时间。图9是示出了根据第一实施例中的图像像素10中的半导体层35的各种类型的半导体材料的转移时间的估算的示例性结果的绘图。图10是示出了被用于图9中所示的转移时间的估算的各种类型的半导体材料的示例性迁移率的绘图。

在图9中所示的图中，垂直轴指示带隙，并且水平轴指示根据半导体层35的各种类型的半导体材料的转移时间。

在图像像素10中的存储电极31的形状在平面图中是其一边为1[μm]的正方形并且存储电极31和集电极33之间的间隙长度L₁是50[nm]的情况中估算图9中所示的转移时间。具体地，在公式6中，L₁是50[nm]，并且L₂是1[μm]。由于公式6中的μ_n可被视为半导体层35的迁移率，因而可通过使用与图10中所示的半导体材料相关联的迁移率的值来计算图9中所示的转移时间。

由图9中所示的折线所指示的转移时间(8.6[μsec])是对于固态图像感测装置1可执行信号读取操作以便执行与现有CMOS传感器的高速读取相同的高速读取的时间的最大值。在固态图像感测装置1是全高清(Full-HD)(图像像素尺寸1920×1082)并且帧频f是60[Hz]的情况中估算转移时间(8.6[μsec])。在固态图像感测装置1是全高清的情况中，指示图像像素阵列2的行的数量的Line是1920。

在图9中所示的转移时间的估算的特定示例中，在由IGZO制成半导体层35的情况中，固态图像感测装置1的转移时间是2.87[μsec]。因此，在由IGZO制成半导体层35的情况中，固态图像感测装置1可在上述8.6[μsec]内执行包括重置FD区域22的操作(例如，2[μsec])的信号读取操作。

另一方面，在美国未审查专利申请公开No.2013/0093911中，公开了被存储在有机光电转换膜中的信号电荷穿过有机光电转换膜，并且信号电荷被转移至集电极。在此情况中，转移时间被估算为大于或等于6[msec]。 在转移时间的估算中，有机光电转换膜是C60，并且该有机光电转换膜的迁移率是0.000001[m²/V/秒]。

从信号电荷的转移时间的观点，期望半导体层35的材料的迁移率是大的。特定波长区域的光的大于或等于80[％]期望地透射通过半导体层35的材料。例如，半导体层35可由石墨烯、IGZO、碳化硅(SiC)、金刚石膜、稠多环碳氢化合物和稠杂环化合物制成。例如，稠多环碳氢化合物可以是并五苯或红荧烯。例如，稠杂环化合物可以是2,7–二辛基[1]苯并噻吩并(benzothieno)[3,2-b][1]苯并噻吩(C8-BTBT)或3,11-二癸基二萘并(didecyldinaphtho)[2,3-d:2’,3’-d’]苯并[1,2-b:4,5-b’]二硫代苯(dithiophene)(C10-DNBDT)。

为了抑制由通过环境温度的热能所激励的载流子(career)所引起的噪声，半导体层35的半导体材料的带隙期望地大于或等于被用于现有的光电二极管的硅树脂(Si)的带隙。借助于此，在半导体层35中，由环境温度的热能所激励的载流子(career)与存储在半导体层35中的信号电荷混合，并且固态图像感测装置1可抑制噪声。

接下来，下面将描述存储电极31和集电极33之间的间隙长度L₁和信号电荷的转移时间之间的关系。图11是示出了间隙长度L₁和估算第一实施例中的固态图像感测装置1中的转移时间的结果之间的关系的绘图。在固态图像感测装置1中的存储电极31的边缘之间的最小长度L₂是1[μm]，半导体层35由IGZO制成并且半导体层35的迁移率是15[cm²/(V*秒)]的情况中估算图11中所示的转移时间。

例如，在固态图像感测装置1是全高清(图像像素尺寸1920×1082)并且帧频f是60[Hz]的情况中，以便固态图像感测装置1可执行与现有CMOS图像传感器的高速读取相同的高速读取，需要固态图像感测装置1在8.6[μsec]内执行从每个图像像素读取信号电压的操作以及重置FD区域 22的操作。在对于重置FD区域22的操作所需的时间是2[μsec]的情况中，需要固态图像感测装置1在6.6[μsec](＝8.6-2)内执行从每个图像像素读取信号电压的操作。

在图11中所示的特定示例中，以便对于从每个图像像素读取信号电压所需的转移时间可小于6.6[μsec]，需要存储电极31和集电极33之间的间隙长度L₁小于115[nm]。

在第一实施例中，固态图像感测装置1具有半导体层35，该半导体层35覆盖存储电极31和绝缘膜32并且将所存储的信号电荷转移至集电极33。借助于此，可抑制非转移残余信号电荷。

具体地，即使由存储电极31和集电极33之间的势差所引起的边缘电场没有在半导体层35中的存储电极31的中心生成，通过扩散半导体层35中的信号电荷并且将存储在信号电荷存储区域中的信号电荷转移至集电极33，也可执行与现有CMOS图像传感器的高速读取相同的高速读取。

通过第一实施例，在半导体层35中，可存储并保持由光电转换层41中的光电转换所生成的信号电荷。由于该原因，通过使用前者重置方法的相关双采样，与后者重置方法的相关双采样进行比较，固态图像感测装置1可更准确地移除kTC噪声。

接下来，下面将描述第一实施例的修改示例。图12是设置在第一实施例的修改示例中的固态图像感测装置1A中的图像像素10A的截面图。

在第一实施例的修改示例中，图12中所示的图像像素10A具有代替集电极33的集电极33a，并且具有代替接触插头34的接触插头34a。除了集电极33a和接触插头34a以外，第一实施例的修改示例的图像像素10A具有与第一实施例的图像像素10相同的结构。因此，在图12中所示的图像像素10A中，图3中所示的部件被分配相同的附图标记并且省略对这些部件的描述。

集电极33a与固态图像感测装置1中的集电极33相同，除了集电极33a 围绕(surround)存储电极31。

接触插头34a与固态图像感测装置1中的接触插头34相同，除了多个接触插头穿过层间绝缘膜30。

将图8中所示的MOS补偿电桥的模型与图12中所示的图像像素10A进行比较，公式4中的MOS的相邻的栅极电极之间的距离L_B可被视为存储电极31和集电极33之间的间隙长度L₁(图12)。MOS的栅极电极的长度L_C还可被视为存储电极31的边缘之间的最小长度的长度的一半。具体地，在图像像素10A的平面中的存储电极31的形状是正方形的情况中，公式5中的L₂对应于存储电极31的一边的长度的一半。由于该原因，通过使用其尺寸大于固态图像感测装置1的存储电极的尺寸的存储电极31，固态图像感测装置1A可执行与现有CMOS图像传感器的高速读取相同的高速读取。

图像像素10A的平面是垂直于图像像素10A的层压方向的平面。图像像素10的层压方向是层压图像像素10A中的每个层的方向。换言之，层压方向是垂直于半导体衬底20的平面的方向。

接下来，下面将描述固态图像感测装置1A的制造方法。除了形成集电极33a和形成接触插头34a之外，固态图像感测装置1A的制造方法可与第一实施例中的固态图像感测装置1的制造方法相同。因此，在固态图像感测装置1A的制造方法中，省略了对与固态图像感测装置1的制造步骤相同的制造步骤的描述。

在层压层间绝缘膜30之后，形成穿过层间绝缘膜30的多个接触插头34a。除了集电极33a围绕存储电极31之外，通过与第一实施例中的固态图像感测装置1的集电极33的方法相同的方法在层间绝缘膜30之上形成集电极33a。通过上述这些处理，可制造固态图像感测装置1A。

通过第一实施例的修改示例，如利用第一实施例的情况，可抑制非转移 残余信号电荷。进一步，在第一实施例的修改示例中，由于集电极33a围绕存储电极31，因而在集电极33a和存储电极31之间生成边缘电场的区域可大于固态图像感测装置1的相应区域。由于该原因，固态图像感测装置1A可更有效地将存储在信号电荷存储区域中的信号电荷转移至集电极33a。

换言之，固态图像感测装置1A可在相同时间内将多得多的信号电荷转移至集电极33a。因此，固态图像感测装置1A可将多得多的信号电荷存储在信号电荷存储区域中，并且动态范围可以更宽。由于公式5中的L_C可被视为存储电极31的边缘之间的最小长度的长度的一半，因而固态图像感测装置1A中的存储电极31的尺寸可以较大。

(第二实施例)

接下来，下面将描述第二实施例。图13是设置在第二实施例中的固态图像感测装置1B中的图像像素10B的截面图。

除了下面描述的两点以外，第二实施例的图像像素10B可具有与第一实施例的图像像素10相同的结构。第一点是图像像素10B具有代替存储电极31、绝缘膜32、集电极33、接触插头34和半导体层35的存储电极31a、绝缘膜32a、集电极33b、接触插头34b和半导体层35a。第二点是图像像素10B进一步具有势垒膜36。在图13中所示的图像像素10B中，图3中所示的部件被分配相同的附图标记并且省略了对这些部件的描述。

如图13中所示，在固态图像感测装置1B中，存储电极31a和绝缘膜32a被设置在层间绝缘膜30和半导体层35a之间。集电极33b被设置在半导体层35a之上。

相对于每个图像像素图案化存储电极31a和绝缘膜32a。存储电极31a被设置在层间绝缘膜30之上。如图13中所示，存储电极31a在平面图中可被形成直到图像像素10B的光接收表面的边缘。

绝缘膜32a被设置在存储电极31a之上。如图13中所示，绝缘膜32a在平面图中可被形成直到图像像素10B的光接收表面的边缘。

集电极33b被设置在半导体层35a之上。具体地，从集电极33b到光接收表面(上电极42)的距离短于从存储电极31a到光接收表面的距离。

层压存储电极31a、半导体层35a和集电极33b以使得半导体层35a被设置在集电极33b的一部分和存储电极31a的一部分之间。换言之，在半导体层35a上相对地设置集电极33b的该部分和存储电极31a的该部分。

在平面图中期望地重叠集电极33b的该部分和存储电极31a的该部分。通过此设置，与集电极33b的该部分和存储电极31a的该部分在平面图中没有重叠的情况相比较，可在集电极33b和存储电极31a之间生成较高的边缘电场。

接触插头34b穿过层间绝缘膜30和半导体层35a。接触插头34b电连接集电极33b和图像像素电路21的FD区域22。

半导体层35a覆盖存储电极31a和绝缘膜32a。半导体层35a的一部分与集电极33b的一部分接触。

半导体层35a的厚度厚于存储电极31a的厚度和绝缘膜32a的厚度之和。

级低区域存在于存储电极31a的一端处。半导体层35在级低区域同样被形成为连续层。

相对于每个图像像素图案化半导体层35a。在此情况中，可在溅射并形成无机材料的膜之后通过光刻和蚀刻来形成半导体层35a。可通过经由丝网印刷图案化有机材料来形成半导体层35。由于该原因，可防止电荷在固态图像感测装置1B中的相邻的图像像素10B的集电极33b之间转移。

可在固态图像感测装置1B中的图像像素阵列2的整个表面(换言之，传感器阵列的整个表面)之上形成半导体层35a。在此情况中，可通过溅 射并形成无机材料的膜来形成半导体层35a。可由通过使用半月板(meniscus)方法来施加有机半导体材料来形成半导体层35。当存储信号电荷时，通过施加至存储电极31a的偏置电压在信号电荷存储区域中形成势阱。因此，即使在固态图像感测装置1B中的图像像素阵列2的整个表面之上形成半导体层35a，也可防止存储在半导体层35a中的电荷在相邻的图像像素10B的集电极33b之间转移。

势垒膜36是第三绝缘层的特定示例。势垒膜36被设置在集电极33b之上。势垒膜36阻止电荷在集电极33b和光电转化层41之间转移。例如，电荷的转移意为电荷从光电转换层41到集电极33b的直接注入。例如，势垒膜36在光电转换层41是由有机半导体制成的情况中是势垒膜(大家都这么叫)。

用于势垒膜36的材料期望地是具有优越的可加工性的材料。势垒膜36可由其绝缘性质较高的介电材料制成。特定波长区域的光的大于或等于80[％]期望地透射通过势垒膜36。例如，特定波长区域是红色(R)区域、绿色(G)区域、蓝色(B)区域、可见光区域等等。在图像像素10具有多个光电转换器的情况中，如果势垒膜36吸收辐射的光，则由除了光电转换层41之外的光电转换器所接收的光的量减少了。由于该原因，存在表观灵敏度下降的问题。在本实施例中，光透射通过势垒膜36。因此，可抑制此问题的出现。

在光电转换层41由有机半导体制成的情况中，可通过使用肖特基(Schottky)势垒来形成势垒膜36，该肖特基势垒被形成在光电转换层41的有机半导体和集电极33b之间的接触界面之上。

如利用第一实施例的情况，特定波长区域的光的大于或等于80[％]期望地透射通过存储电极31a、绝缘膜32a、集电极33b和半导体层35a。除了这些结构元素以外，图像像素10B与图3中所示的图像像素10相同。

期望地配置图像像素10B以便满足公式5。在以此方式配置图像像素10B的情况中，公式3和4中的L_B对应于集电极33b和存储电极31a之间 的距离，并且对应于半导体层35a的厚度。因此，公式5和6中的L₁对应于半导体层35a的厚度。

例如，在图像像素尺寸是全高清并且帧频f是60[Hz]的情况中，以便固态图像感测装置1B可执行与现有CMOS图像传感器的高速读取相同的高速读取，需要固态图像感测装置1B在8.6[μsec]内执行从每个图像像素读取信号电压的操作。在固态图像感测装置1B中的存储电极31a的边缘之间的最小长度L₂是1[μm]，半导体层35由IGZO制成并且半导体层35a的迁移率是15[cm²/(V*秒)]的情况中，半导体层35a的厚度期望地是小于115[nm]。

接下来，下面将描述第二实施例中的固态图像感测装置1B的制造方法。图14到图17是示出了第二实施例中的固态图像感测装置1B的制造方法的绘图。在形成存储电极31a、绝缘膜32a、集电极33b、接触插头34b、半导体层35a和势垒膜36的步骤方面，第二实施例中的固态图像感测装置1B的制造方法与第一实施例中的固态图像感测装置1的制造方法不同。除了这些步骤以外，固态图像感测装置1B的制造方法与第一实施例中的固态图像感测装置1的制造方法相同。因此，在第二实施例中的固态图像感测装置1B的制造方法中，图3中所示的部件被分配相同的附图标记并且省略了对这些部件的描述。

如图14中所示，如利用固态图像感测装置1的制造方法的情况，形成图像像素电路21和层间绝缘膜30。接下来，在层间绝缘膜30之上形成存储电极31a和绝缘膜32a。在被层压在将要成为图像像素10B的整个区域上之后，可通过光刻和蚀刻来形成存储电极31a和绝缘膜32a。接下来，在存储电极31a和绝缘膜32a之上形成半导体层35a。接下来，形成穿过层间绝缘膜30和半导体层35a的接触插头34b。接触插头34b被连接至FD区域22。

接下来，如图15中所示，在半导体层35a之上形成集电极33b和势垒 膜36。在被层压在将要成为图像像素10B的整个区域上之后，可通过光刻和蚀刻来形成集电极33b和势垒膜36。如图16中所示，层压集电极33b和存储电极31a以使得半导体层35a被设置在集电极33b的一部分和存储电极31a的一部分之间。

接下来，如图17中所示，在于集电极33b、势垒膜36和半导体层35a之上形成光电转换层41之后，在光电转换层41之上形成上电极42。通过这些处理，可制造固态图像感测装置1B。

通过第二实施例，如利用第一实施例的情况，可抑制非转移残余信号电荷。进一步，在第二实施例中，公式5中的L₁对应于集电极33b和存储电极31a之间的距离。L₁也对应于半导体层35a的厚度。因此，通过调节半导体层35a的厚度，可调节集电极33b和存储电极31a之间的距离(公式5中的L₁)。由于该原因，与通过光刻等等在同一平面中形成集电极和存储电极的情况相比较，可更容易地调节集电极33b和存储电极31a之间的距离。

在第二实施例中的固态图像感测装置1B中，集电极33b和存储电极31a之间的距离不存在于图像像素10B的平面中，而是该距离存在于厚度方向(图像像素10B的层压方向)中。由于该原因，图像像素10B的面积可以较小。换言之，在固态图像感测装置1B中，可提高元素的集成度。

接下来，下面将描述第二实施例的修改示例。图12是设置在第一实施例的修改示例中的固态图像感测装置1A中的图像像素10A的截面图。在第二实施例中的固态图像感测装置1B中，尽管集电极33b面向存储电极31a的一端，但集电极33b在平面图中可围绕存储电极31a。通过此设置，在存储电极31a和集电极33b之间生成边缘电场的区域可以较大。由于该原因，固态图像感测装置1B可更有效地将存储在信号电荷存储区域中的信号电荷转移至集电极33b。

换言之，固态图像感测装置1B可在相同时间内将多得多的信号电荷转 移至集电极33b。因此，固态图像感测装置1B可将多得多的信号电荷存储在信号电荷存储区域中，并且动态范围可以更宽。

(第三实施例)

接下来，下面将描述第三实施例。图18是设置在第三实施例中的固态图像感测装置1C中的图像像素10C的平面图。

除了图像像素10C具有代替存储电极31、绝缘膜32和集电极33的存储电极31b、绝缘膜32b、集电极33c之外，第三实施例中的图像像素10C可与第一实施例中的图像像素10的那些相同。在图18中所示的图像像素10C中，图3中所示的部件被分配相同的附图标记并且省略了对这些部件的描述。

存储电极31b被设置在层间绝缘膜30和半导体层35之间。存储电极31b在图像像素10C中具有多个矩形部分。存储电极31b中的矩形部分可与彼此平行。可形成存储电极31b以使得存储电极31b的形状变为近似梳型形状。通过该形状，与存储电极31b的形状是矩形形状相比，存储电极31b的周界的长度可以较长。换言之，在固态图像感测装置1C中，存储电极31b面向集电极33c的区域可以较大。

绝缘膜32b被设置在存储电极31b之上。绝缘膜32b覆盖存储电极31b的整个表面。绝缘膜32b使半导体层35和存储电极31b电绝缘。

集电极33c被设置在层间绝缘膜30和半导体层35之间。集电极33c在图像像素10C中具有多个矩形部分。集电极33c中的矩形部分可与彼此平行。进一步，集电极33c中的矩形部分可被连接至彼此以便在同一平面中形成连续平面。可形成集电极33c以使得集电极33c的形状变为近似梳型形状。

设置存储电极31b中的矩形部分和集电极33c中的矩形部分以使得半导体层35存在于存储电极31b中的矩形部分和集电极33c中的矩形部分之间。 如利用第一实施例的情况，特定波长区域的光的大于或等于80[％]期望地透射通过存储电极31b、绝缘膜32b和集电极33c。除了这些结构元素以外，图像像素10C可与图3中所示的第一实施例中的图像像素10相同。

通过第三实施例，如利用第一实施例的情况，可抑制非转移残余信号电荷。进一步，通过第三实施例，在存储电极31a和集电极33b之间生成边缘电场的区域可以较大。由于该原因，固态图像感测装置1C可更有效地将存储在信号电荷存储区域中的信号电荷转移至集电极33c。换言之，固态图像感测装置1C可在相同时间内将多得多的信号电荷转移至集电极33c。因此，固态图像感测装置1C可将多得多的信号电荷存储在信号电荷存储区域中，并且动态范围可以更宽。

接下来，下面将描述第三实施例的修改示例。在第三实施例中的固态图像感测装置1C中，尽管集电极33c被设置在层间绝缘膜30和半导体层35之间，但集电极33c可被设置在半导体层35之上。

在此情况中，势垒膜36可被设置在集电极33c之上。势垒膜36阻止电荷在集电极33c和光电转化层41之间转移。势垒膜36可由其绝缘性质较高的介电材料制成。在光电转换层41由有机半导体制成的情况中，可通过使用肖特基势垒来形成势垒膜36，该肖特基势垒被形成在光电转换层41的有机半导体和集电极33c之间的接触界面之上。

在第三实施例的修改示例中，公式5中的L₁对应于集电极33c和存储电极31b之间的距离，并且对应于半导体层35的厚度。因此，通过调节半导体层35的厚度，可调节集电极33c和存储电极31b之间的距离(公式5中的L₁)。由于该原因，与通过光刻等等在同一平面中形成集电极33c和存储电极31b的情况相比较，可更容易地调节集电极33c和存储电极31b之间的距离。

(第四实施例)

接下来，下面将描述第四实施例。图19是设置在第四实施例中的固态图像感测装置1D中的图像像素阵列2D中的图像像素10D的平面图。

除了集电极33d被图像像素阵列2D中的多个图像像素10D共用之外，固态图像感测装置1D可与第一实施例中的固态图像感测装置1相同。

在图19中所示的特定示例中，集电极33d被图像像素阵列2D的列方向中设置的四个相邻的图像像素10D共用。共用集电极33d的图像像素10D的数量不限于四。

在固态图像感测装置1D中，共用集电极33d的图像像素10D也可共用接触插头34和FD区域。

相对于每个图像像素图案化半导体层35。在相邻的半导体层35之间形成光电转换层41。由于该原因，可防止电荷经由半导体层35在共用集电极33d的相邻的图像像素10D之间转移。

在图像像素阵列2D中，在列方向上相互相邻的两个图像像素10D之间的距离可能长于在同一图像像素10D中的存储电极31和集电极33d之间的距离。除了这些结构元素以外，固态图像感测装置1D可与图1和图3中所示的第一实施例中的固态图像感测装置1相同。

通过第四实施例，如利用第一实施例的情况，可抑制非转移残余信号电荷。进一步，通过第四实施例，相邻的图像像素10D共用集电极33d以使得每个图像像素10D中的集电极33的面积可以较小。由于该原因，在图像像素10D中，可减少集电极33d的面积比，并且可增加存储电极31的面积比。因此，相对于相同尺寸的图像像素，可更为增加由光电转换所生成的信号电荷的数量。而且，相对于相同尺寸的图像像素，可更为增加存储在那里的信号电荷的数量。就是说，相对于相同尺寸的图像像素，可读取更多的信号电荷。就是说，相对于相同尺寸的图像像素，可提高图像像素的效率。

在固态图像感测装置1D中，在共用集电极33d的图像像素10D也可共 用接触插头34和FD区域的情况中，可减少接触插头34和FD区域的数量。

由于该原因，接触插头34和FD区域的面积可以较小，并且可提高集成度。

接下来，下面将描述第四实施例的修改示例。图20是设置在第四实施例的修改示例中的固态图像感测装置1E中的图像像素阵列2E中的图像像素10E的平面图。

除了固态图像感测装置1E具有代替集电极33d的集电极33e之外，图像像素10E可与第四实施例中的图像像素10D相同。在图20中所示的图像像素10E中，图19中所示的部件被分配相同的附图标记并且省略了对这些部件的描述。

除了集电极33e围绕存储电极31之外，集电极33e与固态图像感测装置1D中的集电极33d相同，集电极33e可被电连接至在列方向上互相相邻的图像像素10E中的集电极33e。集电极33e的形状不限于图20的特定示例中所示的形状。

如图17中所示的图像像素10B中的集电极33b的情况，集电极33e可被设置在半导体层35之上。在此情况中，层压存储电极31、半导体层35和集电极33e以使得半导体层35存在于集电极33e的一部分和存储电极31的一部分之间。在平面图中期望地重叠集电极33e的一部分和存储电极31的一部分。

通过第四实施例的修改示例，在固态图像感测装置1E中，在存储电极31和集电极33e之间生成边缘电场的区域可大于固态图像感测装置1D的相应区域。由于该原因，与固态图像感测装置1D(除了集电极33e围绕存储电极31之外，该固态图像感测装置1D与固态图像感测装置1E相同)相比较，固态图像感测装置1E可更有效地将存储在信号电荷存储区域中的信号电荷转移至集电极33e。换言之，固态图像感测装置1E可在相同时 间内将多得多的信号电荷转移至集电极33e。因此，固态图像感测装置1E可将多得多的信号电荷存储在信号电荷存储区域中，并且动态范围可以更宽。

在每个实施例中，尽管固态图像感测装置是CMOS图像感测器，然而固态图像感测装置可以是CCD图像感测器。

根据上述实施例中的至少一个，半导体层覆盖存储电极和第二绝缘层。半导体层存储并保持由光电转换层所生成的信号电荷，并且将所存储的信号电荷转移至集电极。因此，可抑制非转移残余信号电荷。

如本文中所使用的，下列方向性术语“向前、向后、之上、向下、上部、下部、右、左、垂直、水平、下面、横向、行和列”以及任何其它类似的方向性术语指代配备有本发明的装置的那些方向。因此，当被用于描述本发明时，应当相对于配备有本发明的装置来解释这些术语。

虽然已描述了某些实施例，但这些实施例仅已通过示例的方式呈现，并且不旨在限制发明的范围。实际上，本文中所描述的新颖方法和系统可以各种其它形式体现；此外，可在没有背离本发明的精神的情况下作出以本文中所描述的方法和系统为形式的各种省略、替代和变更。所附权利要求和它们的等效方案旨在覆盖将落入发明的范围和精神内的这种形式或修改。