(57)【要約】【課題】ｋＴＣノイズの発生を防止することができる半導体装置を提供することである。【解決手段】実施形態の半導体装置は、行列状に配列された複数の画素を備える。前記複数の画素のそれぞれは、光電変換部と、第１不純物拡散領域と、第２不純物拡散領域と、電位障壁部と、検出部とを備える。第１不純物拡散領域は、前記光電変換部により光電変換された電荷を保持する。第２不純物拡散領域には、電圧供給線が接続される。電位障壁部は、前記第１不純物拡散領域と前記第２不純物拡散領域との間に一定の電位障壁を形成し、前記第１不純物拡散領域と前記第２不純物拡散領域との間の電荷の移動を制限する。検出部は、前記第１不純物拡散領域に保持された電荷を検出する。【選択図】図１
2016063142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
行列状に配列された複数の画素を備え、
前記複数の画素のそれぞれは、
光電変換部と、
前記光電変換部により光電変換された電荷を保持する第１不純物拡散領域と、
電圧供給線が接続された第２不純物拡散領域と、
前記第１不純物拡散領域と前記第２不純物拡散領域との間に一定の電位障壁を形成し、前記第１不純物拡散領域と前記第２不純物拡散領域との間の電荷の移動を制限する電位障壁部と、
前記第１不純物拡散領域に保持された電荷を検出する検出部と、
を備える半導体装置。
【請求項２】
前記電圧供給線を通じて前記第２不純物拡散領域に電圧を印加する駆動部を更に備え、
前記駆動部は、前記第２不純物拡散領域の電圧を、前記電位障壁よりも低いポテンシャルエネルギーを与える第１電圧と、前記電位障壁よりも高いポテンシャルエネルギーを与える第２電圧との間で遷移させることにより、前記第１不純物拡散領域の電圧をリセットする、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記検出部は、
ドレインに所定電源電圧が印加されると共に、ゲートが前記第１不純物拡散領域に接続された増幅用トランジスタと、
ドレインが前記増幅用トランジスタのソースに接続されると共に、ゲートに選択信号が供給された選択用トランジスタと、
を備え、
前記増幅用トランジスタは、前記電圧供給線の電圧が前記第２電圧である場合にオフし、前記電圧供給線の電圧が前記電位障壁に相当するポテンシャルエネルギーを与える第３電圧以上である場合にオンする、
請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記光電変換部は、有機膜から構成された光電変換膜を有する、請求項２または３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記光電変換部は、光電変換により正孔・電子対を生成し、正孔を前記第１不純物拡散領域に供給する、請求項２から４の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記電圧供給線は、行列状に配列された前記複数の画素の行ごとに設けられ、
前記駆動部は、前記電圧供給線を通じて、前記複数の画素にそれぞれ備えられた前記第１不純物拡散領域の電圧を行ごとにリセットする、請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
行列状に配列された前記複数の画素のそれぞれは、前記第１不純物拡散領域と前記増幅用トランジスタのゲートとの間に行選択トランジスタを更に備え、
前記検出部は、前記選択トランジスタを介して複数の行の画素により共有された、請求項３から６の何れか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換素子を備えたイメージセンサの各画素は、光電変換された電荷を保持する浮遊拡散領域（以下、ＦＤ部と称す。）の信号レベルをリセットするためのリセットトランジスタを有している。この種のイメージセンサでは、リセットトランジスタがオフする際、ＦＤ部の容量に依存する熱雑音の一種であるｋＴＣノイズが発生する。ｋＴＣノイズはリセットの度にランダムに発生する。
【０００３】
一般に、光電変換素子としてフォトダイオードを備えたイメージセンサの場合、ｋＴＣノイズは、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）と呼ばれるノイズ除去手法により完全に除去することができる。相関二重サンプリングでは、リセットトランジスタによるリセット後のＦＤ部の電圧（以下、リセット電圧と称す。）を読み出した後、フォトダイオードにより光電変換された電荷をＦＤ部に転送し、光電変換された電荷を保持するＦＤ部の電圧（以下、信号電圧と称す。）を読み出す。そして、リセット電圧と信号電圧との減算を行うことによりｋＴＣノイズを相殺し、ｋＴＣノイズを含まない信号成分を得る。
【０００４】
このように、信号電圧を読み出す前にＦＤ部のリセットを行ってリセット電圧を読み出す手法は「前リセット方式」と称される。前リセット方式は、ＦＤ部をリセットしてリセット電圧を読み出すまでの間、光電変換された電荷を保持する機能を有する部位を画素内に備えていることを前提としている。光電変換素子としてフォトダイオードを備えたイメージセンサの場合、フォトダイオードが、光電変換を行うと共に、光電変換により得られた電荷を保持する機能を担っている。
【０００５】
近年、フォトダイオードに代えて、光電変換素子として、アモルファスシリコン、ＣＩＧＳ、有機膜などの光電変換膜を用いた積層型撮像装置の開発が推し進められている。積層型撮像装置では、画素を構成するトランジスタ等が形成された半導体基板上に光電変換膜が積層される。このため、光電変換素子としてフォトダイオードを用いた場合に比較して、１画素あたりの面積を小さくすることができると共に、効率よく受光することができる。従って、画素を微細化しても、感度の低下を抑制することが期待できる。
【０００６】
ただし、有機膜などの光電変換膜は、電荷を保持する機能を有していないため、相関二重サンプリングにおいて上述の前リセット方式を採用することはできない。このため、光電変換膜により生成された電荷をＦＤ部に保持した状態でＦＤ部の電圧信号を読み出した後にＦＤ部をリセットしてリセット電圧を読み出す「後リセット方式」が用いられる。
【０００７】
しかしながら、後リセット方式によれば、リセット電圧に含まれるｋＴＣノイズは信号電圧に含まれるｋＴＣノイズと異なる。また、リセット動作で発生するｋＴＣノイズは一定ではなく、ばらつきを有している。このため、後リセット方式によれば、相関二重サンプリングにおいてリセット電圧と信号電圧とを減算しても、ｋＴＣノイズを完全に相殺することは困難であるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２８３６２９号公報
【特許文献２】特開２００９−１４７０６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、ｋＴＣノイズの発生を防止することができる半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施形態の半導体装置は、行列状に配列された複数の画素を備える。前記複数の画素のそれぞれは、光電変換部と、第１不純物拡散領域と、第２不純物拡散領域と、電位障壁部と、検出部とを備える。第１不純物拡散領域は、前記光電変換部により光電変換された電荷を保持する。第２不純物拡散領域には、電圧供給線が接続される。電位障壁部は、前記第１不純物拡散領域と前記第２不純物拡散領域との間に一定の電位障壁を形成し、前記第１不純物拡散領域と前記第２不純物拡散領域との間の電荷の移動を制限する。検出部は、前記第１不純物拡散領域に保持された電荷を検出する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態の半導体装置の全体構成例を示すブロック図。
【図２】第１実施形態の半導体装置に備えられた画素の回路構成例を示す回路図。
【図３】第１実施形態の半導体装置に備えられた画素のデバイス構造例を模式的に示す断面図。
【図４】第１実施形態の半導体装置の動作の流れの一例を示すフローチャート。
【図５】第１実施形態の半導体装置の動作を説明するためのタイミングチャート。
【図６】第１実施形態の半導体装置の動作の各過程における画素の内部ノードのポテンシャルエネルギーの一例を示す図。
【図７】第２実施形態の半導体装置に備えられた画素のデバイス構造例を模式的に示す断面図。
【図８】第３実施形態の半導体装置に備えられた画素のデバイス構造例を模式的に示す断面図。
【図９】第４実施形態の半導体装置に備えられた画素の回路構成例を示す回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施形態の半導体装置を、図面を参照して説明する。
なお、以下の説明において、実施形態の半導体装置の構成要素間の電気的な接続は、直接的な接続であってもよく、間接的な接続であってもよい。例えば、ＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタのソースとコンデンサの電極とが接続される場合、ＭＯＳトランジスタのソースを形成する不純物拡散領域とコンデンサの電極を形成する部材とが直接的に接続されてもよく、他の任意の導電部材を介してＭＯＳトランジスタのソースとコンデンサの電極とが間接的に接続されてもよい。
【００１３】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の半導体装置１の全体構成例を示すブロック図である。
半導体装置１は、固体撮像装置であり、例えば、画素信号の読出し時に、行列状に配列された複数の画素から１行ずつ信号を読み出していくローリングシャッター方式のＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサである。第１実施形態では、半導体装置１は固体撮像装置であるものとして説明するが、半導体装置１は、光を電気信号に変換する機能を有する装置であることを限度として、任意の装置であり得る。
【００１４】
半導体装置１は、画素アレイ２、垂直走査部３、水平走査部４、制御部５を備えている。画素アレイ２は、行列状に配列された複数の画素２０を備えており、画素アレイ２は半導体装置１の受光面を形成している。画素アレイ２の行方向には、垂直走査部３から出力された選択信号ＳＥＬを画素２０に伝送するための複数の選択信号線３Ａ−１，３Ａ−２，…，３Ａ−ｎ（ｎは自然数）が設けられている。以下では、選択信号線３Ａ−ｉ（ｉは、１≦ｉ≦ｎなる自然数）は、複数の選択信号線３Ａ−１，３Ａ−２，…，３Ａ−ｎのうちの一つを指す。
【００１５】
また、画素アレイ２の行方向には、垂直走査部３から出力されたリセット制御電圧ＶＲＳＴを伝送するための複数のリセット制御電圧供給線３Ｂ−１，３Ｂ−２，…，３Ｂ−ｎが、上記の複数の選択信号線３Ａ−１，３Ａ−２，…，３Ａ−ｎと平行に設けられている。即ち、リセット制御電圧供給線は、行列状に配列された複数の画素２０からなる画素アレイ２のの行ごとに設けられている。以下では、リセット制御電圧供給線３Ｂ−ｉは、複数のリセット制御電圧供給線３Ｂ−１，３Ｂ−２，…，３Ｂ−ｎのうちの一つを指す。
【００１６】
更に、画素アレイ２の列方向には、画素２０から出力された画素信号を水平走査部４に伝送するための複数の画素信号線４−１，４−２，…，４−ｍ（ｍは自然数）が設けられている。以下では、画素信号線４−ｊ（ｊは、１≦ｊ≦ｍなる自然数）は、複数の画素信号線４−１，４−２，…，４−ｍのうちの一つを指す。
【００１７】
画素アレイ２を構成する複数の画素２０は、複数の選択信号線３Ａ−１，３Ａ−２，…，３Ａ−ｎと複数の画素信号線４−１，４−２，…，４−ｍとの交差領域に配置されている。半導体装置１には、外部から所定の電源電圧Ｖｄｄ（例えば３．３Ｖ）およびバイアス電圧Ｖｂｉｓ（例えば１０Ｖ）が供給されている。
【００１８】
図２は、第１実施形態の半導体装置１に備えられた画素２０の回路構成例を示す回路図である。画素２０は、光電変換部２１と、電荷保持部２２と、検出部２３とを備えている。光電変換部２１は、入射光を光電変換するための要素である。光電変換部２１は、上部電極２１１、下部電極２１２、光電変換膜２１３から構成されている。
【００１９】
光電変換膜２１３は、有機膜等の光電変換膜から構成され、上部電極２１１（陰極）と下部電極２１２（陽極）との間に狭持されている。ただし、この例に限定されず、半導体基板上に積層可能であることを限度として、任意の光電変換膜を用いることができる。下部電極２１２は、電荷保持部２２を構成する後述の不純物拡散領域２２３（図３）に接続されている。
【００２０】
光電変換膜２１３は、光が照射されると、正孔・電子対を生成する。光電変換膜２１３において生成された正孔および電子のうち、負電荷である電子は上部電極２１１から排出され、正極性のバイアス電圧Ｖｂｉｓを供給する電源（図示なし）に吸収される。また、光電変換膜２１３において生成された正電荷である正孔は、下部電極２１２から排出され、電荷保持部２２を構成する後述の不純物拡散領域２２３に蓄積される。
【００２１】
電荷保持部２２は、光電変換部２１から排出された電荷を保持するための要素である。また、電荷保持部２２は、光電変換部２１から排出された電荷による後述の不純物拡散領域２２３の電圧ＶＦＤをリセットする機能を有している。そのための制御信号として、電荷保持部２２には、上述の垂直走査部３からリセット制御電圧供給線３Ｂ−ｉを通じてリセット制御電圧ＶＲＳＴが供給される。電荷保持部２２の詳細については後述する。
【００２２】
検出部２３は、電荷保持部２２に保持された電荷による電圧ＶＦＤを検出するための要素であり、ソースフォロアとして構成されている。具体的には、検出部２３は、画素アンプの増幅用トランジスタとして機能するｎチャネル型のＭＯＳトランジスタ２３１と、選択用トランジスタとして機能するｎチャネル型のＭＯＳトランジスタ２３２とを備える。ＭＯＳトランジスタ２３１のドレインには所定の電源電圧Ｖｄｄが印加されている。ＭＯＳトランジスタ２３１のゲートは、上述の光電変換部２１の下部電極２１２と共に、電荷保持部２２を構成する後述の不純物拡散領域２２３（図３）に接続されている。不純物拡散領域２２３に蓄積された正電荷（正孔）による電圧ＶＦＤは、増幅用のＭＯＳトランジスタ２３１のソース電圧としてＭＯＳトランジスタ２３１のソースから出力される。第１実施形態では、ＭＯＳトランジスタのゲート閾値電圧ＶＴは０Ｖであるから、電圧ＶＦＤは、ＭＯＳトランジスタ２３１のゲート閾値電圧ＶＴの影響を受けることなく、ＭＯＳトランジスタ２３１のソース電圧として出力される。
【００２３】
ＭＯＳトランジスタ２３２のドレインはＭＯＳトランジスタ２３１のソースに接続されている。即ち、増幅用のＭＯＳトランジスタ２３１のソースは選択用のＭＯＳトランジスタ２３２のドレインと一体化されている。ＭＯＳトランジスタ２３２のゲートは選択信号線３Ａ−ｉに接続されており、ＭＯＳトランジスタ２３２のゲートには、垂直走査部３から選択信号線３Ａ−ｉを通じて選択信号ＳＥＬが供給される。ＭＯＳトランジスタ２３２のソースは画素信号線４−ｊに接続されている。上述の電源電圧Ｖｄｄ、増幅用のＭＯＳトランジスタ２３１、選択用のＭＯＳトランジスタ２３２は、ソースフォロアを形成している。
【００２４】
説明を図１に戻す。
垂直走査部３は、画素信号の読み出し動作において、画素アレイ２を構成する複数の画素２０を行単位で駆動する要素である。そのため、垂直走査部３は、画素アレイ２を構成する複数の画素２０を行単位で選択するための選択信号ＳＥＬと、各画素２０のリセット動作を行単位で制御するためのリセット制御電圧ＶＲＳＴを出力する。
【００２５】
水平走査部４は、画素信号の読み出し動作において、画素アレイ２の各画素２０から出力された画素信号の信号処理を実施するための要素である。水平走査部４は、各画素２０から出力された画素信号を増幅するためのカラムアンプと、増幅された画素信号を信号処理するための信号処理部とを含んでいる。水平走査部４に含まれた信号処理部は、例えば、いわゆる相関二重サンプリング処理（ＣＤＳ；Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）と、相関二重サンプリングにより得られた信号成分のアナログ／ディジタル変換処理（ＡＤＣ；Ａｎａｌｏｇｕｅ／Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｍｖｅｒｓｉｏｎ）を実施する。これにより、画素２０から出力された画素信号のディジタル値が半導体装置１の出力値として得られる。
【００２６】
制御部５は、半導体装置１の全体動作を制御するための要素であり、主として、画素２０の読み出し動作（選択動作とリセット動作）に関する制御を実施する。読み出し動作のうちの選択動作においては、制御部５の制御の下、垂直走査部３は、選択信号線３Ａ−ｉを通じて、画素２０の検出部２３を構成する選択用のＭＯＳトランジスタ２３２のゲートにハイレベルの選択信号ＳＥＬを印加する駆動部（符号なし）として機能する。また、リセット動作においては、制御部５の制御の下、垂直走査部３は、リセット制御電圧供給線３Ｂ−ｉを通じて、画素２０の電荷保持部２２を構成する後述の不純物拡散領域２２１にリセット制御電圧ＶＲＳＴを印加する駆動部（符号なし）として機能する。
【００２７】
リセット動作において駆動部として機能する垂直走査部３は、電荷保持部２２を構成する不純物拡散領域２２１の電圧を、不純物拡散領域２２２の電位障壁よりも低いポテンシャルエネルギーを与える例えば正極性の第１電圧ＶＲＳＴ１と、上記電位障壁よりも高いポテンシャルエネルギーを与える例えば負極性の第２電圧ＶＲＳＴ２との間で遷移させることにより、不純物拡散領域２２３の電圧ＶＦＤをリセットする。
なお、第１実施形態では、第１電圧ＶＲＳＴ１を正極性の電圧とし、第２電圧ＶＲＳＴ２を負極性の電圧とするが、この例に限定されない。
【００２８】
図３は、第１実施形態の半導体装置１に備えられた画素２０のデバイス構造例を模式的に示す断面図である。図３に示すように、画素２０は、半導体基板２０１に形成されている。半導体基板２０１の主面をなす第１面には、ｎ型（第１導電型）の不純物拡散領域２２１，２２２，２２３が形成されている。これら不純物拡散領域２２１，２２２，２２３は、図２に示す電荷保持部２２を構成する。
【００２９】
不純物拡散領域２２１および不純物拡散領域２２３は、半導体基板２０１上に相互に離して形成されている。また、不純物拡散領域２２１と不純物拡散領域２２３との間には、これら不純物拡散領域２２１と不純物拡散領域２２３との間を連結するようにｎ型（第１導電型）の不純物拡散領域２２２が形成されている。即ち、半導体基板２０１には、ｎ型の不純物拡散領域２２３に隣接するようにしてｎ型の不純物拡散領域２２２が形成され、ｎ型の不純物拡散領域２２２に隣接するようにして、ｎ型の不純物拡散領域２２１が形成されている。換言すれば、不純物拡散領域２２２を挟んで、不純物拡散領域２２３と反対側に不純物拡散領域２２１が形成されている。
【００３０】
不純物拡散領域２２１および不純物拡散領域２２１ａは、リセット制御電圧ＶＲＳＴを伝送するリセット制御電圧供給線３Ｂ−ｉとのコンタクト領域を形成する。また、不純物拡散領域２２３は、プラグ電極２０４とのコンタクト領域を形成する。本実施形態では、ｎ型の不純物拡散領域２２１および不純物拡散領域２２１ａは、リセット制御電圧供給線３Ｂ−ｉとオーミックに接触させるために、高濃度の不純物（ドナー）を含むｎ＋不純物拡散領域として形成されている。同様に、ｎ型の不純物拡散領域２２３は、プラグ電極２０４とオーミックに接触させるために、高濃度の不純物（ドナー）を含むｎ＋不純物拡散領域として形成されている。
【００３１】
また、ｎ型の不純物拡散領域２２２の不純物濃度は、不純物拡散領域２２１および不純物拡散領域２２３の各不純物濃度よりも低く設定されている。これにより、ｎ型の不純物拡散領域２２２は、不純物拡散領域２２１と不純物拡散領域２２３との間に一定の電位障壁を形成し、不純物拡散領域２２１と不純物拡散領域２２３との間の電荷の移動を制限する電位障壁部として機能する。換言すれば、不純物拡散領域２２２は、オーバーフローバリアとして作用し、不純物拡散領域２２３の後述のリセット電圧ＶＦＤＲを規定する。
【００３２】
第１実施形態では、電位障壁部として機能するｎ型の不純物拡散領域２２２から見て、半導体基板２０１の第１面側には、ｎ型の不純物拡散領域２２２を覆うように、ｐ型（第２導電型）の不純物拡散領域２２４が形成されている。ｐ型の不純物拡散領域２２４は、高濃度の不純物（アクセプタ）を含むｐ＋不純物拡散領域であり、半導体基板２０１の第１面側の表面近傍に存在する格子欠陥（ダングリングボンド）に起因した暗電流の発生を抑制するためのものである。第１実施形態では、電位障壁部として機能するｎ型の不純物拡散領域２２２を覆うようにｐ型の不純物拡散領域２２４が形成されるものとするが、暗電流の影響を考慮する必要がなければ、ｐ型の不純物拡散領域２２４を省略してもよい。
【００３３】
半導体基板２０１の第１面とは反対側の第２面には、図示しない絶縁層を介してリセット制御電圧供給線３Ｂ−ｉが形成されている。また、半導体基板２０１には、その第１面側に形成された不純物拡散領域２２１と、その第２面側に形成されたリセット制御電圧供給線３Ｂ−ｉとの間を連通するように、ｎ型の不純物拡散領域２２１ａが形成されている。これにより、リセット制御電圧供給線３Ｂ−ｉは、不純物拡散領域２２１と電気的に接続されている。
【００３４】
半導体基板２０１の第１面上には、絶縁層２０３が形成されている。また、半導体基板２０１上には、絶縁層２０３を介して光電変換部２１が積層されている。具体的には、絶縁層２０３上には、光電変換部２１の下部電極２１２が形成され、下部電極２１２上には、光電変換部２１の有機膜からなる光電変換膜２１３が形成され、光電変換膜２１３上には、光電変換部２１の上部電極２１１が形成されている。
【００３５】
光電変換膜２１３は、全ての可視域の光に感度を有しており、下部電極２１２と上部電極２１１とで挟持されている。少なくとも下部電極２１２は画素毎に分割されている。上部電極２１１は、透過率の高い透明電極であり、例えばＩＴＯ(Indium Thin Oxide)、またはＺｎＯ(Zinc Oxide)から構成される。更に、上部電極２１１には、保護膜として、アルミナ、シリコン酸窒化膜、あるいは両者の積層膜がコーティングされている。
【００３６】
絶縁層２０３には、絶縁層２０３を貫通するようにプラグ電極２０４が形成されており、光電変換部２１の下部膜電極２１２と電荷保持部２２の不純物拡散領域２２３とがプラグ電極２０４により電気的に接続されている。これにより、光電変換部２１により光電変換された電荷（正孔）は電荷保持部２２に供給され、電荷保持部２２を構成する不純物拡散領域２２３は、光電変換部２１により光電変換された電荷を保持する機能を担う。
【００３７】
光電変換部２１を構成する上部電極２１１上には、カラー撮像を可能とするために、カラーフィルタ２０５が配置されている。カラーフィルタ２０５は、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）を選択的に透過するフィルタである。カラーフィルタ２０５は、任意的要素であり、省略可能である。
【００３８】
半導体基板２０１には、図２に示すＭＯＳトランジスタ２３１，２３２からなる検出部２３が形成されている。上述の電荷保持部２２を構成する不純物拡散領域２２３は、図示しない配線を通じて、半導体基板２０１に形成された検出部２３を構成するＭＯＳトランジスタ２３１のゲートに接続されている。また、検出部２３を構成するＭＯＳトランジスタ２３２のゲートは、例えば、半導体基板２０１の第２面側に形成された選択信号線３Ａ−ｉ（図示なし）を通じて、垂直走査部３に接続されている。更に、検出部２３を構成するＭＯＳトランジスタ２３２のソースは、例えば、半導体基板２０１の第２面側に形成された画素信号線４−ｊ（図示なし）通じて、水平走査部４に接続されている。
【００３９】
次に、図４に示すフローチャートに沿って、図５及び図６を参照しながら、第１実施形態の半導体装置１の動作を説明する。
図４は、第１実施形態の半導体装置１の動作の流れの一例を示すフローチャートであり、図５は、第１実施形態の半導体装置１の動作を説明するためのタイミングチャートであり、図６は、第１実施形態の半導体装置１の動作の各過程における画素の内部ノードのポテンシャルエネルギーの一例を示す図である。
ここでは、図２に示す画素２０の動作を中心に説明する。また、説明の簡略化のため、図２に示すＭＯＳトランジスタ２３１，２３２のゲート閾値電圧ＶＴを０Ｖとするが、ゲート閾値電圧ＶＴは任意に設定し得る。
【００４０】
時刻ｔ１以前の初期状態では、後述のリセット動作により、電荷保持部２２を構成する不純物拡散領域２２３には、不純物拡散領域２２２の電位障壁を形成するポテンシャルエネルギーによって規定される一定量の負電荷（電子）が保持されているものとする。このときの不純物拡散領域２２３に保持された一定量の負電荷による不純物拡散領域２２３の電圧ＶＦＤをリセット電圧ＶＦＤＲとする。
【００４１】
また、時刻ｔ１以前の初期状態では、図５に示すように、制御部５の制御の下、垂直走査部３（駆動部）から電荷保持部２２の不純物拡散領域２２１に供給されるリセット制御電圧ＶＲＳＴは、正極性の第１電圧ＶＲＳＴ１に設定されている。第１実施形態では、第１電圧ＶＲＳＴ１は、図６（Ａ）に示すように、不純物拡散領域２２２が形成する電位障壁によるポテンシャルエネルギーＶＰよりも低いポテンシャルエネルギーを与える正極性の電圧である。従って、リセット制御電圧ＶＲＳＴが第１電圧ＶＲＳＴ１に設定されている場合、電荷保持部２２において、不純物拡散領域２２１から不純物拡散領域２２３への電荷（電子）の移動は発生せず、不純物拡散領域２２３の電荷（電子）は一定量に保持され、不純物拡散領域２２３に保持された負電荷による不純物拡散領域２２３の電圧ＶＦＤはリセット電圧ＶＦＤＲに維持される。ここで、後述するように、第１実施形態によれば、リセット電圧ＶＦＤＲにはｋＴＣノイズが含まれないので、この種のノイズによる感度の低下は防止される。
【００４２】
上記の初期状態から、時刻ｔ１において、半導体装置１を搭載する図示しないシステムの制御の下、半導体装置１の光電変換部２１に対する露光が開始される（ステップＳ１）。露光が開始されると、光電変換部２１は、光電変換により正孔・電子対を生成し、正孔による正電荷を電荷保持部２２の不純物拡散領域２２３に供給する。これにより、光電変換された正電荷（正孔）が不純物拡散領域２２３に蓄積され、それまで不純物拡散領域２２３に保持されていた負電荷（電子）の量が、見かけ上、徐々に減少する。このため、図５に示すように、時刻ｔ１から、光電変換部２１から供給される正電荷の量が増加するに従って、不純物拡散領域２２３の電圧ＶＦＤが徐々に上昇する。この場合、図６（Ｂ）に示すように、不純物拡散領域２２３のポテンシャルエネルギーが、リセット電圧ＶＦＤＲに相当するポテンシャルエネルギーから徐々に低下する。
【００４３】
続いて、時刻ｔ２において所定の露光時間（１フレーム期間）が経過し、露光が終了すると、制御部５の制御の下、垂直走査部３は、駆動対象の行の選択信号ＳＥＬをハイレベルにする。これにより、画素２０を構成する複数の行のうち、駆動対象の行に属する画素２０の検出部２３を構成する選択用のＭＯＳトランジスタ２３２がオン状態になる。このとき、増幅用のＭＯＳトランジスタ２３１のゲートに接続された電荷保持部２２の不純物拡散領域２２３には、光電変換された正電荷（正孔）が蓄積された状態となっており、不純物拡散領域２２３の電圧ＶＦＤは正電圧となっているため、ＭＯＳトランジスタ２３１はオン状態となっている。これにより、電荷保持部２２の不純物拡散領域２２３に保持された電荷による不純物拡散領域２２３の電圧ＶＦＤを示す信号電圧ＶＳＩＧが画素信号として検出部２３から画素信号線４−ｊに出力される。
【００４４】
続いて、時刻ｔ２直後の時刻ｔ２Ａにおいて、水平走査部４の信号処理部（ＣＤＳ回路）は、画素２０から信号電圧ＶＳＩＧとして出力される画素信号を読み出し（ステップＳ２）、この画素信号をサンプリングする。サンプリングされた画素信号は水平走査部４の信号処理部のＣＤＳ回路でホールドされる。
【００４５】
続いて、時刻ｔ３において、制御部５の制御の下、垂直走査部３は、リセット制御電圧供給線３Ｂ−ｉを通じて、画素２０のリセット動作を実施し（ステップＳ３）、複数の画素２０にそれぞれ備えられた不純物拡散領域２２３の電圧ＶＦＤを行ごとにリセットする。リセット動作以外の通常動作では、リセット制御電圧ＶＲＳＴは、電荷保持部２２の不純物拡散領域２２３のポテンシャルエネルギーよりも低い正極性の第１電圧ＶＲＳＴ１に設定されている。垂直走査部３は、リセット動作が開始する時刻ｔ３において、リセット制御電圧ＶＲＳＴを正極性の第１電圧ＶＲＳＴ１から負極性の第２電圧ＶＲＳＴ２に遷移させる。本実施形態では、第２電圧ＶＲＳＴ２は、図６（Ｃ）に示すように、不純物拡散領域２２２が形成する電位障壁によるポテンシャルエネルギーＶＰよりも高いポテンシャルエネルギーを与える負極性の電圧である。
【００４６】
上述のようにリセット制御電圧ＶＲＳＴが負極性の第２電圧ＶＲＳＴ２に設定されると、図６（Ｃ）に示すように、不純物拡散領域２２２は、電位障壁部として作用しなくなり、不純物拡散領域２２１と不純物拡散領域２２３との間で電荷（電子）の移動が可能になる。従って、リセット制御電圧ＶＲＳＴが第２電圧ＶＲＳＴ２に設定されている場合、電荷保持部２２において、不純物拡散領域２２１と不純物拡散領域２２３との間で電荷（電子）の移動が発生し、不純物拡散領域２２３のポテンシャルエネルギーは電位障壁部を形成する不純物拡散領域２２２のポテンシャルエネルギーを超えて、負極性の第２電圧ＶＲＳＴ２が印加されている不純物拡散領域２２１のポテンシャルエネルギーと等しくなる。
【００４７】
この結果、不純物拡散領域２２１および不純物拡散領域２２３の電荷（電子）は、電位障壁部を形成する不純物拡散領域２２２のポテンシャルエネルギーＶＰとは関係なく、第２電圧ＶＲＳＴ２によって与えられるポテンシャルエネルギーに応じた量に調整され、不純物拡散領域２２３に保持された負電荷による電圧ＶＦＤはリセット電圧ＶＦＤＲよりも低い電圧ＶＦＤＤとなる。この場合、画素アンプとして機能する増幅用のＭＯＳトランジスタ２３１のゲート電圧が負極性になるため、増幅用のＭＯＳトランジスタ２３１はオフ状態となる。即ち、増幅用のＭＯＳトランジスタ２３１は、リセット制御電圧供給線３Ｂ−ｉのリセット制御電圧ＶＲＳＴが第２電圧ＶＲＳＴ２である場合にオフする。また、この場合、選択信号ＳＥＬとしてハイレベルがゲートに印加された選択用のＭＯＳトランジスタ２３２はオン状態となっているが、増幅用のＭＯＳトランジスタ２３１がオフ状態であるため、画素２０から信号電圧ＶＳＩＧは出力されない。
【００４８】
続いて、時刻ｔ４において、制御部５の制御の下、垂直走査部３は、リセット制御電圧ＶＲＳＴを負極性の第２電圧ＶＲＳＴ２から元の正極性の第１電圧ＶＲＳＴ１に遷移させる。本実施形態では、図６（Ｄ）に示すように、第１電圧ＶＲＳＴ１は、不純物拡散領域２２２が形成する電位障壁によるポテンシャルエネルギーＶＰよりも低いポテンシャルエネルギーを与える正極性の電圧である。
【００４９】
従って、リセット制御電圧ＶＲＳＴが第１電圧ＶＲＳＴ１に設定されると、電荷保持部２２において、不純物拡散領域２２１のポテンシャルエネルギーが、不純物拡散領域２２２が形成する電位障壁によるポテンシャルエネルギーＶＰよりも低下する。これにより、それまで不純物拡散領域２２３に保持されていた電荷（電子）のうち、電位障壁部を形成する不純物拡散領域２２２のポテンシャルエネルギーＶＰと正極性の第２電圧ＶＲＳＴ２によって与えられるポテンシャルエネルギーとの差分に相当する余剰電荷（電子）がオーバーフローし、不純物拡散領域２２３から不純物拡散領域２２１に移動する。
【００５０】
換言すれば、不純物拡散領域２２２がオーバーフローバリアとして作用し、リセット時に不純物拡散領域２２３に蓄積されていた余剰電荷（電子）が不純物拡散領域２２２を熱拡散して不純物拡散領域２２１へオーバーフローする。従って、不純物拡散領域２２２の導電型は、オーバーフローバリアとして作用することを限度として、半導体基板２０１と同じｐ型であってもよく、不純物拡散領域２２１，２２３よりも不純物（ドナー）の濃度が低いｎ型であってもよい。
【００５１】
この結果、不純物拡散領域２２３の電圧ＶＦＤが、電位障壁部として機能する不純物拡散領域２２２のポテンシャルエネルギーで規定される一定のリセット電圧ＶＦＤＲになる。この場合、リセット電圧ＶＦＤＲがゲートに与えられるＭＯＳトランジスタ２３１はオン状態となる。即ち、検出部２３を構成するＭＯＳトランジスタ２３１は、リセット制御電圧ＶＲＳＴが不純物拡散領域２２２の電位障壁に相当するポテンシャルエネルギーを与えるリセット電圧ＶＦＤＲ（第３電圧）以上の第１電圧ＶＲＳＴ１である場合にオンする。これにより、リセット電圧ＶＦＤＲを示す信号電圧ＶＳＩＧが検出部２３から出力される。
【００５２】
なお、前述のように、第１実施形態では、説明の簡略化のため、ＭＯＳトランジスタのゲート閾値電圧ＶＴを０Ｖとしたが、例えば、ゲート閾値電圧ＶＴが０．７Ｖであれば、リセット電圧ＶＦＤＲを示す信号電圧ＶＳＩＧを画素２０から出力する必要上、望ましくは、リセット電圧ＶＦＲＲは０．７Ｖ以上に設定される。
【００５３】
不純物拡散領域２２３から不純物拡散領域２２１に移動した余剰電荷（電子）は、不純物拡散領域２２１のポテンシャルエネルギーが第１電圧ＶＲＳＴ１によって与えられるポテンシャルエネルギーとなるように、第１電圧ＶＲＳＴ１を供給する電源側に吸収される。この結果、不純物拡散領域２２３に保持される電荷（電子）は、電位障壁部を形成する不純物拡散領域２２２のポテンシャルエネルギーＶＰによって規定される一定量に調整され、不純物拡散領域２２３に保持された電荷による不純物拡散領域２２３の電圧ＶＦＤはリセット電圧ＶＦＤＲとなる。
【００５４】
続いて、時刻ｔ４直後の時刻ｔ４Ａにおいて、制御部５の制御の下、水平走査部４の信号処理部は、画素２０から信号電圧ＶＳＩＧとして出力されるリセット電圧ＶＦＤＲをサンプリングして読み出す（ステップＳ４）。そして、水平走査部４の信号処理部は、相関二重サンプリングより、上述のステップＳ２において読み出した信号電圧ＶＦＤＳと、ステップＳ４において読み出したリセット電圧ＶＦＤＲとを減算することにより、ノイズ成分を相殺し、信号成分を抽出する。リセット電圧ＶＦＤＲの読み出し後、時刻ｔ５から時刻ｔ７の期間において、画素２０は再度リセットされ、そのリセットの終了後、時刻ｔ７において次のフレームの露光が開始される。
【００５５】
上述した第１実施形態において、光電変換部２１を構成する光電変換膜２１３から供給される正電荷（正孔）を保持するための電荷保持部２２を構成する不純物拡散領域２２２には、如何なるトランジスタのソース・ドレインも接続されていない。また、不純物拡散領域２２３の電圧ＶＦＤをリセット電圧ＶＦＤＲにリセットする過程で、画素２０を構成する如何なるＭＯＳトランジスタもオフする動作を実施しない。従って、第１実施形態によれば、ｋＴＣノイズの発生を防止することができ、リセット電圧ＶＦＤＲにｋＴＣノイズが含まれることはない。
【００５６】
また、第１実施形態によれば、リセット時に電荷保持部２２の不純物拡散領域２２３のポテンシャルエネルギーの井戸を電子で満たした状態とする構成を採用したので、光電変換された正孔を検出することができる。即ち、光電変換部２１の有機膜に用いられる電荷輸送層として、電子の輸送層が実現されていない状況においては、正孔の輸送層を用いた光電変換部２１により生成された正孔を検出する必要がある。上述の第１実施形態によれば、光電変換された正孔の電荷量に応じて電荷保持部２２の不純物拡散領域２２３の電子の電荷量を減少させる構成としたことにより、光電変換された正孔の増加分を電子の減少分として検出することができる。このため、電子の輸送層が得られない状況においても、光電変換膜（有機膜）により生成された正孔を有効に検出することができる。
【００５７】
また、第１実施形態によれば、電荷保持部２２において、電位障壁部を形成する不純物拡散領域２２２から見て、半導体基板２０１の主面側にｐ型の不純物拡散領域２２４を形成したので、半導体基板２０１の界面に存在する格子欠陥（ダングリングボンド）による暗電流の発生を抑制することができる。したがって、第１実施形態によれば、暗電流成分の混入防止とｋＴＣノイズの除去を同時に可能とし、有機膜を有光電変換膜として使用した積層型イメージセンサに適合した固体撮像素子を実現することができる。
更に、第１実施形態によれば、光電変換膜からなる光電変換部２１を半導体基板２０１上に積層したので、画素を微細化することができ、光電変換部２１で効率的に受光することができる。
【００５８】
なお、上述の第１実施形態において、仮に、電荷保持部２２の不純物拡散領域２２１の電圧ＶＦＤのリセット動作を、一般的なリセット電源とリセットトランジスタのスイッチングを用いて行うものとした場合、リセット動作においてリセットトランジスタがオフする度にランダムなｋＴＣノイズが発生し、しかも、リセット後の不純物拡散領域２２３の電圧ＶＦＤがリセット毎にばらつく。このため、信号電圧ＶＳＩＧの読出し後にリセット電圧ＶＦＤＲを読み出す「後リセット方式」では相関二重サンプリング処理を実施しても、ｋＴＣノイズを完全に除去することができない。これに対し、第１実施形態によれば、不純物拡散領域２２３のリセット電圧ＶＦＤＲは、電位障壁部として作用する不純物拡散領域２２２のポテンシャルエネルギーで規定されるため、リセット電圧ＶＦＲＲにばらつきがなく、後リセット方式を用いても相関二重サンプリング処理によりｋＴＣノイズを完全に除去することができる。
【００５９】
また、上述の第１実施形態によれば、リセットトランジスタを用いずにリセット動作を行うことができるため、単位画素あたりのトランジスタ数を削減することができ、画素の微細化に有利となる。また、電位障壁部として作用するｎ型の不純物拡散領域２２２から見て半導体基板２０１の第１面側に形成されたｐ型の不純物拡散領域２２４の正孔により、半導体基板２０１の第１面側に存在するダングリングボンドが終端され、かつ、不純物拡散領域２２３から不純物拡散領域２２１にオーバーフローする電荷（電子）は、半導体基板２０１の表面ではなく、バルク内を伝導する。このため、暗電流成分の影響を受けることなく、信号電圧ＶＦＤＳとリセット電圧ＶＦＤＲの読出しを行うことができる。
【００６０】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態を説明する。
図７は、第２実施形態の半導体装置に備えられた画素２０−２のデバイス構造例を模式的に示す断面図である。
図７に示す画素２０−２は、前述の図３に示す画素２０の構成において、更に、半導体基板２０１に形成されたフォトダイオード部（ＰＤ部）２４Ａ，２４Ｂを備えている。フォトダイオード部２４Ａ，２４Ｂは、光電変換素子としてフォトダイオードが形成された領域である。第２実施形態では、絶縁層２０３上に積層された光電変換部２１を構成する光電変換膜（有機膜）２１２は、緑色光の波長域（５００ｎｍ〜６００ｎｍ）に対して高い感度を持っている。これにより、光電変換部２１は、緑色光を光電変換し、それ以外の波長域の光に対しては高い透過率で透過させる。
【００６１】
また、フォトダイオード部２４Ａは、青色光の波長域に対して高い感度を持っている。これにより、フォトダイオード部２４Ａは、青色光を光電変換する。また、フォトダイオード部２４Ｂは、赤色光の波長域に対して高い感度を持っている。これにより、フォトダイオード部２４Ｂは、赤色光を光電変換する。
【００６２】
また、第２実施形態では、フォトダイオード部２４Ａに対する青色光の照射と、フォトダイオード部２４Ｂに対する赤色光の照射とを妨げないように、カラーフィルタ２０５の光学特性が部分的に異なっている。また、光電変換部２１、絶縁層２０３は、下層側に形成されたフォトダイオード部（ＰＤ部）２４Ａ，２４Ｂでの受光を阻害しないように、青色光と赤色光に対して高い透過率を有している。
【００６３】
上述のように、第２実施形態では、視感度が高い緑色光に対して高感度を有する有機膜からなる光電変換膜により光電変換を行い、それ以外の青色光と赤色光に対しては半導体基板２０１に形成されたフォトダイオード部２４Ａ，２４Ｂにより光電変換する。これにより、第２実施形態によれば、カラー表示に必要な画素信号を得ることができる。
また、第２実施形態によれば、光電変換部２１の下層側にフォトダイオード部２４Ａ，２４Ｂが配置されているので、画素サイズの増加を抑制することができる。
【００６４】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態を説明する。
図８は、第３実施形態の半導体装置に備えられた画素２０−３のデバイス構造例を模式的に示す断面図である。図８に示す不純物拡散領域２２１Ａ，２２２Ａ，２２３Ａは、それぞれ、図３に示す不純物拡散領域２２１，２２２，２２３に対応する要素である。光電変換部２１により例えば緑色光を光電変換して生成された電荷（正孔）は不純物拡散領域２２３Ａに蓄積される。
【００６５】
不純物拡散領域２２３Ａは、半導体基板２０１の第１面側に形成されている。不純物拡散領域２２１Ａは、不純物拡散領域２２３Ａから離して半導体基板２０１の第２面側に形成されている。不純物拡散領域２２１Ａと不純物拡散領域２２３Ａとの間には、これら不純物拡散領域２２１Ａと不純物拡散領域２２３Ａとの間を連結するようにｎ型（第１導電型）の不純物拡散領域２２２Ａが形成されている。即ち、半導体基板２０１の第１面と第２面との間に、不純物拡散領域２２１Ａ，２２２Ａ，２２３Ａが積層されるようにして形成されている。このうち、不純物拡散領域２２１Ａ，２２３Ａは高濃度の不純物（ドナー）が拡散されたｎ＋不純物拡散領域である。また、不純物拡散領域２２２Ａは、不純物拡散領域２２１Ａ，２２３Ａよりも不純物濃度が低い領域であり、図３に示す不純物拡散領域２２２と同様の電位障壁部を形成する。不純物拡散領域２２１Ａ，２２２Ａ，２２３Ａは、光電変換部２１により光電変換された電荷を保持するための電荷保持部２２Ａを構成する。
【００６６】
また、半導体基板２０１の第１面とは反対側の第２面には、図示しない絶縁層を介してリセット制御電圧供給線３Ｂ−ｉおよび配線Ｈが形成されている。リセット制御電圧供給線３Ｂ−ｉは不純物拡散領域２２１Ａと接続されている。また、半導体基板２０１には、第１面側に形成された不純物拡散領域２２１Ａと第２面側に形成された配線Ｈとの間を連通するように、ｎ型の不純物拡散領域２２３ａが形成されている。配線Ｈは、検出部２３を構成するＭＯＳトランジスタ２３１のゲート（図２）と接続されている。これにより、不純物拡散領域２２３Ａは、不純物拡散領域２２３ａおよび配線Ｈを通じて、検出部２３のＭＯＳトランジスタ２３１のゲートと電気的に接続されている。
【００６７】
第３実施形態では、光電変換された電荷が蓄積される不純物拡散領域２２３Ａの電圧ＶＦＤは、不純物拡散領域２２３ａを通じてＭＯＳトランジスタ２３１のゲートに供給され、ＭＯＳトランジスタ２３１のソース電圧として読み出される。このとき、不純物拡散領域２２２Ａは、図３に示す不純物拡散領域２２２と同様に、リセット動作においてオーバーフローバリア（電位障壁部）として作用する。従って、不純物拡散領域２２２Ａの導電型は、オーバーフローバリアとして作用することを限度として、半導体基板２０１と同じｐ型であってもよく、不純物拡散領域２２１Ａ，２２３Ａよりも不純物（ドナー）の濃度が低いｎ型であってもよい。
【００６８】
第３実施形態によれば、電荷保持部２２Ａを構成する不純物拡散領域２２１Ａ，２２２Ａ，２２３Ａを積層して半導体基板２０１に形成したので、電荷保持部２２Ａの面積を削減することができる。このため、例えば、上述の図７に示す青色光を光電変換するためのフォトダイオード部２４Ａと、赤色光を光電変換するためのフォトダイオード部２４Ｂの光電変換領域を拡大することができる。
【００６９】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態を説明する。
図９は、第４実施形態の半導体装置に備えられた画素の回路構成例を示す回路図である。第４実施形態では、図２に示す画素２０の構成において、光電変換部２１と電荷保持部２２とを１画素の構成要素として定義する。図９に示す検出部２３は、同一列上の異なる複数の行に属する二つ（複数）の画素２０Ａ，２０Ｂで共有されている。例えば、画素２０Ａは、図１に示す画素アレイ２における第１行第１列の画素であり、画素２０Ｂは、第２行第１列の画素である。なお、一つの検出部２３を共有する複数の画素の個数（即ち、行の数）は任意である。
【００７０】
詳細には、画素２０Ａ，２０Ｂは、それぞれ、不純物拡散領域２２３と増幅用のトランジスタ２３１のゲートとの間に行選択用のトランジスタ２３２１，２３２２を更に備えている。検出部２３は、行選択用のＭＯＳトランジスタ２３２１，２３２２を介して複数の行の画素２０Ａ，２０Ｂにより共有されている。
【００７１】
即ち、図９に示すように、画素２０Ａを構成する光電変換部２１と電荷保持部２２との間の接続点は、行選択用のＭＯＳトランジスタ２３２１を通じて検出部２３のＭＯＳトランジスタ２３１のゲートと接続されている。より具体的には、画素２０Ａの電荷保持部２２を構成する不純物拡散領域２２３は、ＭＯＳトランジスタ２３２１のドレインと接続され、ＭＯＳトランジスタ２３２１のソースはＭＯＳトランジスタ２３１のゲートと接続されている。行選択用のＭＯＳトランジスタ２３２１のゲートには、垂直走査部３から行選択信号ＳＥＬＡが供給される。
【００７２】
同様に、画素２０Ｂを構成する光電変換部２１と電荷保持部２２との間の接続点は、行選択用のＭＯＳトランジスタ２３２２を通じて検出部２３のＭＯＳトランジスタ２３１のゲートと接続されている。より具体的には、画素２０Ｂの電荷保持部２２を構成する不純物拡散領域２２３は、ＭＯＳトランジスタ２３２２のドレインと接続され、ＭＯＳトランジスタ２３２２のソースはＭＯＳトランジスタ２３１のゲートと接続されている。ＭＯＳトランジスタ２３２２のゲートには、垂直走査部３から行選択信号ＳＥＬＢが供給される。
【００７３】
ＭＯＳトランジスタ２３２１のドレインと画素２０Ａを構成する電荷保持部２２の不純物拡散領域２２３は、半導体基板２０１上に一体的に形成されている。同様に、ＭＯＳトランジスタ２３２２のドレインと画素２０Ｂを構成する電荷保持部２２の不純物拡散領域２２３は、半導体基板２０１上に一体的に形成されている。これにより、不純物拡散領域の面積を削減し、画素サイズを小さくすることができる。
【００７４】
第４実施形態では、垂直走査部３から供給される選択信号ＳＥＬがハイレベルになると、二つの画素２０Ａ，２０Ｂが属する２行分の画素が駆動の対象となる。そして、行選択信号ＳＥＬＡ，ＳＥＬＢのうちの何れか一つがハイレベルになることにより、ＭＯＳトランジスタ２３２１，２３２２のうちの一つが選択的にオン状態とされる。これにより、二つの画素２０Ａ，２０Ｂのうちの一つが最終的に選択される。
【００７５】
第４実施形態によれば、１つの検出部２３を構成するＭＯＳトランジスタ２３１，２３２は、複数の画素で共有することができる。このため、１画素あたりのトランジスタ数を削減することが可能になる。例えば行が異なる４個の画素で一つの検出部２３を共有する場合、１画素あたりのトランジスタ数は、実質的に１．５個となる。
【００７６】
次に、参考までに、先行技術文献として提示した特許文献１，２による技術との違いを補足する。
特許文献１では、ＦＤ部のリセットトランジスタ側に空乏化状態となるような不純物濃度の領域（オーバーフローバリア：ＯＢＦ）が設けられており、リセットトランジスタがオンしているリセット期間中に、リセット電源電圧を、ＯＢＦのポテンシャルエネルギーよりも高いポテンシャルエネルギーを与える電圧（即ち、リセット電源電圧よりも低い電圧）から、ＯＦＢのポテンシャルエネルギーよりも低いポテンシャルエネルギーを与える電圧（即ち、リセット電源電圧よりも高い電圧）へ遷移させることにより、リセットレベルをＯＦＢのポテンシャルエネルギーで規定している。これにより、ｋＴＣノイズの影響を受けることなく、リセットレベルを設定することを可能としている。
【００７７】
しかしながら、特許文献１の手法では、リセットトランジスタを用いてＦＤ（フローティングディフュージョン）部のリセットを行うために、ｋＴＣノイズが不可避的に発生する。これに対し、上述の実施形態によれば、リセットトランジスタを用いずにリセットするので、ｋＴＣノイズが根本的に発生しない。
【００７８】
また、上述の特許文献１の手法では、ＦＤ部の一部をリセットトランジスタのソースとする必要がある。この場合、ＦＤ部の一部であるｎ型不純物拡散領域と半導体基板のｐウェル領域、または半導体基板表面のｐ＋領域とで形成されたｐｎ接合領域が半導体基板表面に露出した構造となる。この露出したｐｎ接合領域でのバンドの曲りにより発生した電界によって、半導体基板とシリコン酸化膜との界面のダングリングボンドから発生した電子が暗電流となってＦＤ部に引き込まれやすくなる。従って、特許文献１の手法によれば、光電変換された電荷による信号成分に暗電流によるノイズが混入しやすくなる。これに対し、上述の実施形態では、電位障壁部を形成する不純物拡散領域２２２から見て半導体基板２０１の第１面側にｐ型の不純物拡散領域２２４を覆うように形成したので、ダングリングボンドに起因した暗電流の発生が抑制される。
【００７９】
特許文献２では、積層された光電変換部の下部電極から伸びたプラグ電極の半導体基板とのコンタクト領域（ｎ＋領域）に隣接してＯＦＢが設けられ、ＯＦＢをオーバーフローした電子が埋め込みＰＤ部のｎ領域に蓄積される。このように、特許文献２の方式によれば、プラグ電極のコンタクト領域で常に電子をオーバーフローさせておく必要があるため、光電変換部から読み出される光電荷は電子に限定される。例えば、光電変換膜に有機膜を使用し、有機膜に電子輸送層を塗布形成できない状況にある場合（例えば、電子輸送層の塗布剤が準備できない場合）、光電変換部から読み出しは、正孔による読み出しが望ましい。したがって、有機膜に電子輸送層を塗布形成できない状況にある場合、特許文献２の方式は、有機膜を光電変化膜に使用した積層イメージセンサに適用することは困難である。
【００８０】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の半導体装置によれば、ｋＴＣノイズの発生を防止することができる。
【００８１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００８２】
１…半導体装置、２…画素アレイ、３…垂直走査部、４…水平走査部、５…制御部、２０，２０−２，２０−３，２０Ａ，２０Ｂ…画素、２１…光電変換部、２２，２２Ａ…電荷保持部、２３…検出部、２４Ａ，２４Ｂ…フォトダイオード部（ＰＤ部）、２１１…上部電極、２１２…下部電極、２１３…光電変換膜（有機膜）、２３１…ＭＯＳトランジスタ（増幅用）、２３２，２３２１，２３２２…ＭＯＳトランジスタ（選択用），２０１…半導体基板、２０３…絶縁層、２０４…プラグ電極、２０５…カラーフィルタ、２２１，２２１Ａ…不純物拡散領域（ｎ型）、２２２，２２２Ａ…不純物拡散領域（ｎ型）、２２３，２２３Ａ，２２３ａ…不純物拡散領域（ｎ型）、２２４…不純物拡散領域（ｐ型）、３Ａ−ｉ…選択信号線、３Ｂ−ｉ…リセット制御電圧供給線、４−ｊ…画素信号線、Ｓ１〜Ｓ５…処理ステップ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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