成像元件及其驱动方法和制造方法以及电子设备技术

本发明专利技术提供一种成像元件，包括多个像素。多个像素的每个像素包括如下的元件。光电传感器，布置于多个像素的每个像素内并被配置产生对应接收的光的电荷。存储单元，具有预定的电容并被配置在其中存储从光电传感器传送的电荷。电容器，与硅衬底分开布置且在电容器和硅衬底之间有层间绝缘薄膜，光电传感器和存储单元形成在硅衬底上。连接单元，与硅衬底分开布置且在连接单元和硅衬底之间有层间绝缘薄膜，连接单元被配置以连接存储单元和电容器。

【技术实现步骤摘要】
成像元件及其驱动方法和制造方法以及电子设备
公开的本专利技术涉及成像元件、用于成像元件的驱动方法、用于成像元件的制造方法以及电子设备。更具体地，本专利技术涉及实施成像操作以获得高质量图像的成像元件、用于该成像元件的驱动方法、用于该成像元件的制造方法以及电子设备。
技术介绍
迄今，在使用半导体的、作为将接收的光转换为电信号的光电转换元件的固态成像元件（图像传感器）中使用光电二极管（PD），光电二极管为利用半导体pn结的光电传感器。在诸如数码相机、摄像机、监控相机、复印机及传真机的许多装置中安装了使用PD的元件。目前，作为固态成像元件的被称为互补型金属氧化半导体（CMOS）的固态成像元件及外围电路被广泛地使用，CMOS固态成像元件通过CMOS工艺制造。例如，在固态成像元件中，像素中包括的PD中进行光电转换产生的电荷传送（transfer）到浮动扩散（foatingdiffusion,FD），其为浮动扩散区域。然后，通过测量FD的电势，提取代表对应于PD中电荷的电压的信号。下面将参照图1对此进行更详细地描述。图1示出像素11。在像素11中，作为驱动传输晶体管（transfertransistor）13的结果，PD12生成的电荷传送到FD14，并且电荷存储在FD14中包括的电容器15中。然后通过放大晶体管将FD14中存储的电荷转换为电压，并作为驱动选择晶体管17的结果输出到垂直信号线。垂直信号线连接到以固定电压偏置的晶体管（恒定电流源），该晶体管和放大晶体管16形成所谓的源极输出电路（source-followercircuit）。同时，作为驱动重置晶体管18的结果，FD14中存储的电荷被释放到恒定电压源VDD。在固态成像元件中，其中如上所述配置的像素11在半导体衬底上以矩阵形式排列，每单位电子的输出电压（转换效率）由存储电荷的FD14的电容分量（thecapacitancecomponents）的总量以及源极输出电路的调制因素决定。存储电荷的FD14的总电容成分通过将电容器15的电容加到连接到FD14的每个晶体管产生的电容求得。在相关技术中的固态成像元件中，FD的电容是固定的，并且当照明度低时动态范围或输出电压没有改变。相应地（Accordingly），日本未经审查的专利申请公开号2008-205638公开了一种固态成像元件，包括可以改变FD14的电容从而当照明度低时改变动态范围或输出电压的像素。图2图示地示出像素11’的平面结构，像素11’可以改变存储电荷的FD14’的电容。像素11’配置如下。PD12通过传输晶体管连接到FD14’，并且FD14’连接到放大晶体管16的栅极（gateelectrode）。选择晶体管17布置在放大晶体管16的一端，并且重置晶体管18布置在放大晶体管16的另一端。在像素11’中，开关元件19布置在FD14’中传输晶体管13和重置晶体管18之间。由此配置，FD14’可以通过使用FD14’中包括的晶体管15以及通过开关元件19连接到FD14’的附加的晶体管15’将电荷存储在FD14’中。在如上配置的像素11’中，控制开关元件19的驱动从而使得在照明度低的时候PD12中生成的电荷存储在晶体管15中，在照明度高时电荷存储在晶体管15和附加的晶体管15’中。通过这种方式，存储电荷FD14’的总电容成分通过使用开关元件19动态改变，因此在像素11’中实现了大动态范围。在相关技术的CMOS固态成像元件中从每行连续依次读取像素信号，这导致图像的失真。相应地，为了减少图像失真的产生，已经发展了用于同时转送（transfer）固态成像元件中包括的所有PD中的电荷、称作为“全局快门”（globalshutter）的技术。例如，日本未经审查的专利申请公开号2011-119950公开了一种固态成像装置，其通过使用布置在布线层的薄膜晶体管（thin-filmtransistor）实现全局快门。Aoki等人发表在Symp.OnVLSTTechnology2001，2011年第174页上的“ElectronicGlobalShutterCMOSImageSensorusingOxideSemiconductorFETwithExtremelyLowOff-stateCurrent”的非专利文献也公开了一种SCMOS图像传感器，其中在布线层布置薄膜晶体管。
技术实现思路
然而，在日本未经审查的专利申请公开号2008-205638中公开的像素结构中，附加电容器15’和布置在PD14’中的电容器15和附加电容器15’之间的开关元件19形成在与光电转换区域（PD）所形成的同一硅衬底中。类似地，在日本未经审查的专利申请公开号2011-119950中，在其中存储有在PD中产生的电荷的电容器元件布置在硅衬底中。在这种情况下，光电转换区域的面积减小，从而可使光电转换效率降低。在以上描述的非专利文献中公开的CMOS图像传感器中，由于没有提供存储电容器元件，因此可以被存储的电荷量较小，从而可能难以提高动态范围。为了通过实施全局快门获得没有失真的图像或者获得具有更大动态范围的图像，对在像素内增加电容器元件的效果进行调查（examine）。然而同时，光电转换区域的面积可由增加电容器元件而减小。由此期望在不减小光电转换区域的面积的情况下获得更高质量的图像。根据这种背景，期望实现一种图像操作以获得更高质量的图像。根据本专利技术的实施例，提供一种包括多个像素的成像元件。所述多个像素的每个像素包括：光电转换器，布置在多个像素的每个像素内并且被配置以生成与接收的光对应的电荷；存储单元，具有预定的电容并且被配置以在其中存储从光电转换器传送的电荷；电容器，与硅衬底之间用层间绝缘薄膜隔开布置，光电传感器和存储单元形成在硅衬底内；以及连接单元，与硅衬底之间用层间绝缘膜隔开布置，并被配置以连接存储单元和电容器。根据本专利技术的实施例，提供用于成像元件的第一驱动方法，成像元件包括多个像素。多个像素的每个像素包括布置在多个像素的每个像素内并且被配置以生成与接收的光对应的电荷的光电转换器、具有预定的电容并且被配置以在其中存储从光电转换器传送的电荷的存储单元、与硅衬底之间用层间绝缘薄膜隔开布置的电容器，其中光电传感器和存储单元形成在硅衬底内、以及与硅衬底之间用层间绝缘膜隔开布置并被配置以连接存储单元和电容器的连接单元。所述第一驱动方法包括：驱动成像元件使得在多个像素中同时执行电荷从光电传感器到存储单元的传送；以及通过连接单元将存储单元中存储的电荷传送到电容器并将电荷保留在电容器中。根据本专利技术的实施例，通过用于成像元件的第二驱动方法，成像元件包括多个像素。多个像素的每个像素包括布置在多个像素的每个像素内并且被配置以生成与接收的光对应的电荷的光电转换器、具有预定的电容并且被配置以在其中存储从光电转换器传送的电荷的存储单元、与硅衬底之间用层间绝缘薄膜隔开布置的电容器、光电传感器和存储单元形成在硅衬底内，以及与硅衬底之间用层间绝缘膜隔开布置并被配置以连接存储单元和电容器的连接单元。所述电容器是被配置以在除了存储电荷的存储单元以外还在其中存储电荷的附加电容器。所述第二驱动方法包括：在从像素读取信号的读出期间连接或断开存储单元和附加电容器。根据本专利技术的实施例，提供用于成像元件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括多个像素的成像元件，所述多个像素的每个像素包括：光电转换器，布置在多个像素的每个像素内并且被配置以生成与接收的光对应的电荷；存储单元，具有预定的电容并且被配置以在其中存储从光电转换器传送的电荷；电容器，与硅衬底之间用层间绝缘薄膜隔开布置，光电传感器和存储单元形成在硅衬底内；以及连接单元，与硅衬底之间用层间绝缘膜隔开布置，并被配置以连接存储单元和电容器。

【技术特征摘要】
2011.06.30 JP 2011-145563;2011.12.07 JP 2011-26751.一种包括多个像素的成像元件，所述多个像素的每个像素包括：光电转换器，布置在多个像素的每个像素内并且被配置以生成与接收的光对应的电荷；存储单元，具有预定的电容并且被配置以在其中存储从光电转换器传送的电荷；电容器，与硅衬底之间用层间绝缘薄膜隔开布置，光电传感器和存储单元形成在硅衬底内；以及连接单元，与硅衬底之间用层间绝缘膜隔开布置，并被配置为选择性地连接存储单元和电容器。2.根据权利要求1所述的成像元件，其中驱动成像元件使得在多个像素中同时执行电荷从光电传感器到存储单元的传送，并且存储单元中存储的电荷通过连接单元传送到电容器并被保留在电容器中。3.根据权利要求1所述的成像元件，多个像素的每个像素还包括：第二电容器，与硅衬底之间用层间绝缘膜隔开布置；以及第二连接单元，与硅衬底之间用层间绝缘膜隔开布置，并被配置以连接所述电容器和第二电容器，其中，在读取表示第二电容器的重置电平的信号之后，将电荷通过第二连接单元从电容器传送到第二电容器并且读取表示对应于第二电容器中存储的电荷的电平的信号。4.根据权利要求1所述的成像元件，其中对于多个像素的所有像素布置输出单元，该输出单元被配置为输出表示对应于电容器中存储的电荷的电平的信号。5.根据权利要求1所述的成像元件，多个像素的每个像素还包括：附加电容器，被配置以在除了存储电荷的存储单元以外还在该附加电容器中存储电荷；以及连接/断开单元，被配置以使存储单元和附加电容器连接或断开，其中附加电容器和连接/断开单元形成在与硅衬底之间用层间绝缘膜隔开布置的布线层内，光电转换器形成在硅衬底内。6.根据权利要求1所述的成像元件，其中：电容器是被配置以在除了存储电荷的存储单元以外还在其中存储电荷的附加电容器；以及驱动连接单元以便在从像素读取信号的读出期间存储单元和附加电容器连接或断开。7.根据权利要求6所述的成像元件，其中，在从像素读取信号的读出期间，在连接单元连接存储单元和附加电容器的状态下读取信号，并且在连接单元没有连接存储单元和附加电容器的状态下读取信号。8.根据权利要求6所述的成像元件，其中要由光电传感器接收的光投射到硅衬底的背面，与硅衬底的、在其上堆叠有布线层的面相对。9.根据权利要求6所述的成像元件，其中存储单元被用于多个像素的所有像素。10.根据权利要求6所述的成像元件，其中多个电容器通过多个关联的连接单元连接到存储单元。11.根据权利要求6所述的成像元件，其中在硅衬底和连接单元之间形成挡光膜，光电传感器形成在硅衬底内。12.根据权利要求1所述的成像元件，其中电容器包括一对形成为梳状的电极并且电极具有布线部分，一个电极的布线部分和另一个电极的布线部分以之间预定的间隔交替布置。13.根据权利要求1所述的成像元件，其中电容...

【专利技术属性】
技术研发人员：山川真弥，
申请(专利权)人：索尼公司，
类型：发明
国别省市：