成像元件及其驅動方法和制造方法以及電子設備技術

本發明專利技術提供一種成像元件，包括多個像素。多個像素的每個像素包括如下的元件。光電傳感器，布置于多個像素的每個像素內并被配置產生對應接收的光的電荷。存儲單元，具有預定的電容并被配置在其中存儲從光電傳感器傳送的電荷。電容器，與硅襯底分開布置且在電容器和硅襯底之間有層間絕緣薄膜，光電傳感器和存儲單元形成在硅襯底上。連接單元，與硅襯底分開布置且在連接單元和硅襯底之間有層間絕緣薄膜，連接單元被配置以連接存儲單元和電容器。

【技術實現步驟摘要】
成像元件及其驅動方法和制造方法以及電子設備
公開的本專利技術涉及成像元件、用于成像元件的驅動方法、用于成像元件的制造方法以及電子設備。更具體地，本專利技術涉及實施成像操作以獲得高質量圖像的成像元件、用于該成像元件的驅動方法、用于該成像元件的制造方法以及電子設備。
技術介紹
迄今，在使用半導體的、作為將接收的光轉換為電信號的光電轉換元件的固態成像元件（圖像傳感器）中使用光電二極管（PD），光電二極管為利用半導體pn結的光電傳感器。在諸如數碼相機、攝像機、監控相機、復印機及傳真機的許多裝置中安裝了使用PD的元件。目前，作為固態成像元件的被稱為互補型金屬氧化半導體（CMOS）的固態成像元件及外圍電路被廣泛地使用，CMOS固態成像元件通過CMOS工藝制造。例如，在固態成像元件中，像素中包括的PD中進行光電轉換產生的電荷傳送（transfer）到浮動擴散（foatingdiffusion,FD），其為浮動擴散區域。然后，通過測量FD的電勢，提取代表對應于PD中電荷的電壓的信號。下面將參照圖1對此進行更詳細地描述。圖1示出像素11。在像素11中，作為驅動傳輸晶體管（transfertransistor）13的結果，PD12生成的電荷傳送到FD14，并且電荷存儲在FD14中包括的電容器15中。然后通過放大晶體管將FD14中存儲的電荷轉換為電壓，并作為驅動選擇晶體管17的結果輸出到垂直信號線。垂直信號線連接到以固定電壓偏置的晶體管（恒定電流源），該晶體管和放大晶體管16形成所謂的源極輸出電路（source-followercircuit）。同時，作為驅動重置晶體管18的結果，FD14中存儲的電荷被釋放到恒定電壓源VDD。在固態成像元件中，其中如上所述配置的像素11在半導體襯底上以矩陣形式排列，每單位電子的輸出電壓（轉換效率）由存儲電荷的FD14的電容分量（thecapacitancecomponents）的總量以及源極輸出電路的調制因素決定。存儲電荷的FD14的總電容成分通過將電容器15的電容加到連接到FD14的每個晶體管產生的電容求得。在相關技術中的固態成像元件中，FD的電容是固定的，并且當照明度低時動態范圍或輸出電壓沒有改變。相應地（Accordingly），日本未經審查的專利申請公開號2008-205638公開了一種固態成像元件，包括可以改變FD14的電容從而當照明度低時改變動態范圍或輸出電壓的像素。圖2圖示地示出像素11’的平面結構，像素11’可以改變存儲電荷的FD14’的電容。像素11’配置如下。PD12通過傳輸晶體管連接到FD14’，并且FD14’連接到放大晶體管16的柵極（gateelectrode）。選擇晶體管17布置在放大晶體管16的一端，并且重置晶體管18布置在放大晶體管16的另一端。在像素11’中，開關元件19布置在FD14’中傳輸晶體管13和重置晶體管18之間。由此配置，FD14’可以通過使用FD14’中包括的晶體管15以及通過開關元件19連接到FD14’的附加的晶體管15’將電荷存儲在FD14’中。在如上配置的像素11’中，控制開關元件19的驅動從而使得在照明度低的時候PD12中生成的電荷存儲在晶體管15中，在照明度高時電荷存儲在晶體管15和附加的晶體管15’中。通過這種方式，存儲電荷FD14’的總電容成分通過使用開關元件19動態改變，因此在像素11’中實現了大動態范圍。在相關技術的CMOS固態成像元件中從每行連續依次讀取像素信號，這導致圖像的失真。相應地，為了減少圖像失真的產生，已經發展了用于同時轉送（transfer）固態成像元件中包括的所有PD中的電荷、稱作為“全局快門”（globalshutter）的技術。例如，日本未經審查的專利申請公開號2011-119950公開了一種固態成像裝置，其通過使用布置在布線層的薄膜晶體管（thin-filmtransistor）實現全局快門。Aoki等人發表在Symp.OnVLSTTechnology2001，2011年第174頁上的“ElectronicGlobalShutterCMOSImageSensorusingOxideSemiconductorFETwithExtremelyLowOff-stateCurrent”的非專利文獻也公開了一種SCMOS圖像傳感器，其中在布線層布置薄膜晶體管。
技術實現思路
然而，在日本未經審查的專利申請公開號2008-205638中公開的像素結構中，附加電容器15’和布置在PD14’中的電容器15和附加電容器15’之間的開關元件19形成在與光電轉換區域（PD）所形成的同一硅襯底中。類似地，在日本未經審查的專利申請公開號2011-119950中，在其中存儲有在PD中產生的電荷的電容器元件布置在硅襯底中。在這種情況下，光電轉換區域的面積減小，從而可使光電轉換效率降低。在以上描述的非專利文獻中公開的CMOS圖像傳感器中，由于沒有提供存儲電容器元件，因此可以被存儲的電荷量較小，從而可能難以提高動態范圍。為了通過實施全局快門獲得沒有失真的圖像或者獲得具有更大動態范圍的圖像，對在像素內增加電容器元件的效果進行調查（examine）。然而同時，光電轉換區域的面積可由增加電容器元件而減小。由此期望在不減小光電轉換區域的面積的情況下獲得更高質量的圖像。根據這種背景，期望實現一種圖像操作以獲得更高質量的圖像。根據本專利技術的實施例，提供一種包括多個像素的成像元件。所述多個像素的每個像素包括：光電轉換器，布置在多個像素的每個像素內并且被配置以生成與接收的光對應的電荷；存儲單元，具有預定的電容并且被配置以在其中存儲從光電轉換器傳送的電荷；電容器，與硅襯底之間用層間絕緣薄膜隔開布置，光電傳感器和存儲單元形成在硅襯底內；以及連接單元，與硅襯底之間用層間絕緣膜隔開布置，并被配置以連接存儲單元和電容器。根據本專利技術的實施例，提供用于成像元件的第一驅動方法，成像元件包括多個像素。多個像素的每個像素包括布置在多個像素的每個像素內并且被配置以生成與接收的光對應的電荷的光電轉換器、具有預定的電容并且被配置以在其中存儲從光電轉換器傳送的電荷的存儲單元、與硅襯底之間用層間絕緣薄膜隔開布置的電容器，其中光電傳感器和存儲單元形成在硅襯底內、以及與硅襯底之間用層間絕緣膜隔開布置并被配置以連接存儲單元和電容器的連接單元。所述第一驅動方法包括：驅動成像元件使得在多個像素中同時執行電荷從光電傳感器到存儲單元的傳送；以及通過連接單元將存儲單元中存儲的電荷傳送到電容器并將電荷保留在電容器中。根據本專利技術的實施例，通過用于成像元件的第二驅動方法，成像元件包括多個像素。多個像素的每個像素包括布置在多個像素的每個像素內并且被配置以生成與接收的光對應的電荷的光電轉換器、具有預定的電容并且被配置以在其中存儲從光電轉換器傳送的電荷的存儲單元、與硅襯底之間用層間絕緣薄膜隔開布置的電容器、光電傳感器和存儲單元形成在硅襯底內，以及與硅襯底之間用層間絕緣膜隔開布置并被配置以連接存儲單元和電容器的連接單元。所述電容器是被配置以在除了存儲電荷的存儲單元以外還在其中存儲電荷的附加電容器。所述第二驅動方法包括：在從像素讀取信號的讀出期間連接或斷開存儲單元和附加電容器。根據本專利技術的實施例，提供用于成像元件本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種包括多個像素的成像元件，所述多個像素的每個像素包括：光電轉換器，布置在多個像素的每個像素內并且被配置以生成與接收的光對應的電荷；存儲單元，具有預定的電容并且被配置以在其中存儲從光電轉換器傳送的電荷；電容器，與硅襯底之間用層間絕緣薄膜隔開布置，光電傳感器和存儲單元形成在硅襯底內；以及連接單元，與硅襯底之間用層間絕緣膜隔開布置，并被配置以連接存儲單元和電容器。

【技術特征摘要】
2011.06.30 JP 2011-145563;2011.12.07 JP 2011-26751.一種包括多個像素的成像元件，所述多個像素的每個像素包括：光電轉換器，布置在多個像素的每個像素內并且被配置以生成與接收的光對應的電荷；存儲單元，具有預定的電容并且被配置以在其中存儲從光電轉換器傳送的電荷；電容器，與硅襯底之間用層間絕緣薄膜隔開布置，光電傳感器和存儲單元形成在硅襯底內；以及連接單元，與硅襯底之間用層間絕緣膜隔開布置，并被配置為選擇性地連接存儲單元和電容器。2.根據權利要求1所述的成像元件，其中驅動成像元件使得在多個像素中同時執行電荷從光電傳感器到存儲單元的傳送，并且存儲單元中存儲的電荷通過連接單元傳送到電容器并被保留在電容器中。3.根據權利要求1所述的成像元件，多個像素的每個像素還包括：第二電容器，與硅襯底之間用層間絕緣膜隔開布置；以及第二連接單元，與硅襯底之間用層間絕緣膜隔開布置，并被配置以連接所述電容器和第二電容器，其中，在讀取表示第二電容器的重置電平的信號之后，將電荷通過第二連接單元從電容器傳送到第二電容器并且讀取表示對應于第二電容器中存儲的電荷的電平的信號。4.根據權利要求1所述的成像元件，其中對于多個像素的所有像素布置輸出單元，該輸出單元被配置為輸出表示對應于電容器中存儲的電荷的電平的信號。5.根據權利要求1所述的成像元件，多個像素的每個像素還包括：附加電容器，被配置以在除了存儲電荷的存儲單元以外還在該附加電容器中存儲電荷；以及連接/斷開單元，被配置以使存儲單元和附加電容器連接或斷開，其中附加電容器和連接/斷開單元形成在與硅襯底之間用層間絕緣膜隔開布置的布線層內，光電轉換器形成在硅襯底內。6.根據權利要求1所述的成像元件，其中：電容器是被配置以在除了存儲電荷的存儲單元以外還在其中存儲電荷的附加電容器；以及驅動連接單元以便在從像素讀取信號的讀出期間存儲單元和附加電容器連接或斷開。7.根據權利要求6所述的成像元件，其中，在從像素讀取信號的讀出期間，在連接單元連接存儲單元和附加電容器的狀態下讀取信號，并且在連接單元沒有連接存儲單元和附加電容器的狀態下讀取信號。8.根據權利要求6所述的成像元件，其中要由光電傳感器接收的光投射到硅襯底的背面，與硅襯底的、在其上堆疊有布線層的面相對。9.根據權利要求6所述的成像元件，其中存儲單元被用于多個像素的所有像素。10.根據權利要求6所述的成像元件，其中多個電容器通過多個關聯的連接單元連接到存儲單元。11.根據權利要求6所述的成像元件，其中在硅襯底和連接單元之間形成擋光膜，光電傳感器形成在硅襯底內。12.根據權利要求1所述的成像元件，其中電容器包括一對形成為梳狀的電極并且電極具有布線部分，一個電極的布線部分和另一個電極的布線部分以之間預定的間隔交替布置。13.根據權利要求1所述的成像元件，其中電容...

【專利技術屬性】
技術研發人員：山川真彌，
申請(專利權)人：索尼公司，
類型：發明
國別省市：