CN115767294A - 摄像元件及摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种摄像元件及摄像装置。该摄像元件具备：设有多个像素的第一半导体层，多个像素分别具有对光进行光电转换而生成电荷的光电转换部、和用于对利用所述光电转换部生成的电荷进行复位的复位部；以及设有供给部的第二半导体层，所述供给部将用于对利用所述光电转换部生成的电荷进行复位的信号供给至所述复位部。

Description

摄像元件及摄像装置
本发明基于国际申请日为2016年9月27日、国际申请号为PCT/JP2016/078522、进入中国国家阶段的国家申请号为201680056712.2的发明申请(首次分案申请的申请号为202010656402.2)提出分案申请。
技术领域
本发明涉及摄像元件及电子相机(电子摄像头)。
背景技术
目前，已知有将形成有像素的芯片和形成有驱动像素的像素驱动电路的芯片层叠而成的摄像元件(例如专利文献1)。在现有的摄像元件中存在为了针对每一像素控制曝光量而必须对各像素设置传输脉冲的两个电源的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010－225927号公报
发明内容
根据第一方式，摄像元件具备：第一半导体层，其设置有多个像素，所述像素具有对入射光进行光电转换的光电转换部、传输并蓄积通过所述光电转换部进行光电转换而得到的电荷的蓄积部、和将通过所述光电转换部生成的电荷传输至所述蓄积部的传输部；第二半导体层，其针对所述多个像素的每一个设置有供给部，所述供给部将用于从所述光电转换部向所述蓄积部传输所述电荷的传输信号供给至所述传输部；以及第三半导体层，其被输入基于传输至所述蓄积部的所述电荷的信号。
根据第二方式，摄像元件具备：第一半导体衬底，其设置有多个像素，所述像素具有对入射光进行光电转换的光电转换部、传输并蓄积通过所述光电转换部进行光电转换而得到的电荷的蓄积部、将通过所述光电转换部生成的电荷传输至所述蓄积部的传输部；以及半导体层，其层叠配置于所述第一半导体衬底，且针对所述多个像素的每一个设置有供给部，所述供给部将用于从所述光电转换部向所述蓄积部传输所述电荷的传输信号供给至所述传输部。
根据第三方式，摄像元件具备：第一半导体衬底，其形成有绝缘部，且被设定有规定的衬底电压；光电转换部，其设置于所述第一半导体衬底，对入射光进行光电转换；传输部，其设置于所述第一半导体衬底，基于传输信号将通过所述光电转换部进行光电转换而得到的电荷传输至蓄积部；供给部，其将包含作为正电压的第一信号电压和作为负电压的第二信号电压在内的所述传输信号供给至所述传输部，且通过所述绝缘部而与所述第一半导体衬底电绝缘。
附图说明
图1是示意性表示拍摄装置的结构的剖视图。
图2是摄像元件的剖视图。
图3是示意性表示像素的结构的框图。
图4是模拟电路部及像素驱动部的电路图。
图5是示意性表示第一半导体衬底与第二半导体衬底的阱构造的图。
图6是表示使用了摄像元件的拍摄时序的时间图。
图7是传输信号供给部的电路图。
图8是传输信号供给部的俯视图。
图9是表示传输信号供给部的剖面的示意图。
其中，附图标记说明如下：
3摄像元件、7第一半导体衬底、8第二半导体衬底、9绝缘部、
30像素、31光电二极管、301模拟电路部、302A/D转换部、303采样部、306个别像素控制部、307像素驱动部
具体实施方式
(第一实施方式)
图1是示意性表示使用了第一实施方式的摄像元件的拍摄装置的结构的剖视图。拍摄装置1具备摄像光学系统2、摄像元件3、控制部4、透镜驱动部5、及显示部6。
摄像光学系统2使被被摄体像成像于摄像元件3的拍摄面。摄像光学系统2由透镜2a、聚焦透镜2b及透镜2c构成。聚焦透镜2b是用于进行摄像光学系统2的焦点调节的透镜。聚焦透镜2b构成为沿光轴O方向可被驱动。
透镜驱动部5具有未图示的执行机构。透镜驱动部5通过该执行机构使聚焦透镜2b沿光轴O方向仅驱动所期望的量。摄像元件3对被被摄体像进行拍摄并输出图像。控制部4控制摄像元件3等的各部。控制部4对通过摄像元件3而输出的图像信号实施图像处理等，并将其记录于未图示的记录介质，或在显示部6显示图像。显示部6是具有例如液晶面板等显示部件的显示装置。
图2是摄像元件3的剖视图。此外，在图2中，仅示出摄像元件3整体中的一部分的剖面。摄像元件3是所谓的背面照射型的摄像元件。摄像元件3对来自纸面上方向的入射光进行光电转换。摄像元件3具备第一半导体衬底7、第二半导体衬底8、绝缘部9。此外，在此，有时将第一半导体衬底7、第二半导体衬底8分别称为第一半导体层、第二半导体层。
第一半导体衬底7为SOI(Silicon on Insulator)基板的一部分。SOI衬底为内部形成有埋入有绝缘膜的硅衬底。第一半导体衬底7为一个SOI衬底所具有的通过埋入绝缘膜而被绝缘的(被隔离的)两个硅层中的一方。绝缘部9是设置于第一半导体衬底7与第二半导体衬底8之间的层。绝缘部9包含SOI衬底所具有的埋入绝缘膜和上述两个硅层中的另一方(不属于第一半导体衬底7的硅层)。即，SOI衬底具备硅衬底、埋入氧化膜层及硅层。
第一半导体衬底7具备作为埋入光电二极管的光电二极管31、和传输晶体管及复位晶体管。因此，第一半导体衬底7的绝缘部9侧的表面(即与入射光的入射侧相反侧的面)为与第一半导体衬底7相反的导电型。例如，若第一半导体衬底7为N型的半导体层，则绝缘部9侧的表面配置有浓度高且厚度薄的P型的半导体层。对第一半导体衬底7施加接地电压(GND)作为衬底电压。光电二极管31配置于第一半导体衬底7的光的入射面侧，传输晶体管及复位晶体管配置于第二半导体衬底8侧的面。
在第二半导体衬底8上配置有用于从光电二极管31读取信号的各种电路中的、在第一半导体衬底7的衬底电压以上的电压下动作的电路。具体而言，在第二半导体衬底8上配置下述的A/D转换部302、采样部303、像素值保持部304、运算部305、及个别像素控制部306、和像素驱动部307的一部分(在第一半导体衬底7的衬底电压以上的电压下动作的电路，即第一复位信号供给部307b、扩充容量信号供给部307d)。对第二半导体衬底8施加接地电压(GND)作为衬底电压。
在绝缘部9上配置有用于从光电二极管31读取信号的各种电路中的、处理负电压的电路。具体而言，在绝缘部9配置下述的像素驱动部307的一部分(处理小于第一半导体衬底7的衬底电压的电压的传输信号供给部307a和第二复位信号供给部307c)。
在第一半导体衬底7上二维地配置有多个光电二极管31。在第一半导体衬底7中的入射光的入射侧设置有与多个光电二极管31分别对应的多个彩色滤光片73。彩色滤光片73例如存在使与红(R)、绿(G)、蓝(B)分别对应的波长区域透过的多个种类。彩色滤光片73例如以与红(R)、绿(G)、蓝(B)对应的三种彩色滤光片成拜耳阵列的方式进行排列。
在彩色滤光片73的入射光的入射侧设置有与多个彩色滤光片73分别对应的多个微型透镜74。微型透镜74将入射光朝向对应的光电二极管31聚光。从微型透镜74通过的入射光通过彩色滤光片73仅被过滤一部分波长区域，并入射至光电二极管31。光电二极管31对入射光进行光电转换并产生电荷。
在绝缘部9的与第二半导体衬底8相对的面配置多个凸块75。在第二半导体衬底8的与绝缘部9相对的面配置与多个凸块75对应的多个凸块76。多个凸块75和多个凸块76相互接合。经由多个凸块75和多个凸块76将绝缘部9与第二半导体衬底8电性接。
摄像元件3具有多个像素30，详情后述。一个像素30包含设置于第一半导体衬底7的第一像素30x、设置于第二半导体衬底8的第二像素30y、设置于绝缘部9的第三像素30z。在一个第一像素30x中包含一个微型透镜74、一个彩色滤光片73、一个光电二极管31等。在第一像素30x中，除此之外还包含设置于第一半导体衬底7的各种电路(下述)。在第二像素30y中包含设置于第二半导体衬底8的各种电路(下述)。在第三像素30z中包含设置于绝缘部9的各种电路(下述)。
图3是示意性表示像素30的结构的框图。像素30具备模拟电路部301、A/D转换部302、采样部303、像素值保持部304、像素驱动部307、个别像素控制部306、及运算部305。
模拟电路部301将对入射光进行了光电转换的结果作为模拟信号输出至A/D转换部302。A/D转换部302对模拟电路部301输出的模拟信号进行采样，输出被进行规定的增益倍的缩放的数字信号。A/D转换部302对像素复位信号与像素信号反复进行采样，将像素复位信号的采样结果与像素信号的采样结果作为数字信号分别个别地输出。
采样部303对像素复位信号的采样结果与像素信号的采样结果的积分值进行运算并保持。采样部303具备像素复位信号用的第一加法器308及第一存储器309和像素信号用的第二加法器310及第二存储器311。
采样部303通过第一加法器308对通过A/D转换部302输出的像素复位信号的采样结果和保持于第一存储器309的过去的采样结果的积分值进行加法运算。采样部303将该加算结果存储于第一存储器309。采样部303在每次通过A/D转换部302而输出像素复位信号的采样结果时，更新存储于第一存储器309的值。
采样部303通过第二加法器310将通过A/D转换部302输出的像素信号的采样结果和保持于第二存储器311的过去的采样结果的积分值进行加法运算。采样部303将该加算结果存储于第二存储器311。采样部303在每次通过A/D转换部302而输出像素信号的采样结果时，更新存储于第二存储器311的值。
如上，A/D转换部302及采样部303执行对像素复位信号和像素信号反复进行采样、并将采样结果积分的处理。该处理为所谓相关双采样处理。
若通过个别像素控制部306完成预定次数的采样，则采样部303将基于存储于第一存储器309的值和存储于第二存储器311的值的数字值输出至像素值保持部304。像素值保持部304将该数字值作为像素30的光电转换结果而存储。像素值保持部304连接于信号线340。能够经由信号线340从外部读取存储于像素值保持部304的数字值。
运算部305基于从外部指示的曝光时间、或保持于像素值保持部304的上次的光电转换结果，进行相关双采样处理中的反复次数、曝光时间、增益等的运算。个别像素控制部306将通过运算部305运算的反复次数及增益输出至A/D转换部302。个别像素控制部306将通过运算部305运算的曝光时间及增益输出至像素驱动部307。像素驱动部307将驱动模拟电路部301的各部的各种信号(下述)输出至模拟电路部301。
图4是模拟电路部301、个别像素控制部306、及像素驱动部307的电路图。此外，在图4中，为了便于理解，仅图示个别像素控制部306及像素驱动部307的一部分。对个别像素控制部306的一部分以306a、306b的方式标注附图标记，对像素驱动部307的一部分以307a、307b的方式标注附图标记。
模拟电路部301具有光电二极管31、传输晶体管Tx、浮动扩散部FD、第一复位晶体管RST1、第二复位晶体管RST2、放大晶体管AMI、选择晶体管SEL、扩充容量晶体管FDS、及电容C1。
光电二极管31是对入射光进行光电转换而生成与入射光的光量对应的量的电荷的光电转换部。传输晶体管Tx是基于从下述的传输信号供给部307a供给的传输信号，将光电二极管31生成的电荷传输至浮动扩散部FD的传输部。浮动扩散部FD是蓄积通过传输晶体管Tx传输的电荷的蓄积部。放大晶体管AMI输出与蓄积于浮动扩散部FD的电荷的量对应的信号。在选择晶体管SEL导通时，通过放大晶体管AMI输出的信号被输入至A/D转换部302。
模拟电路部301具有第一复位晶体管RST1及第二复位晶体管RST2这两个复位晶体管。第一复位晶体管RST1在对浮动扩散部FD进行复位时，自下述的第一复位信号供给部307b接收第一复位信号的供给。下述的第一复位信号供给部307b供给电压VDD的信号作为第一复位信号。第一复位晶体管RST1基于该第一复位信号对浮动扩散部FD进行复位。第二复位晶体管RST2在对光电二极管31进行复位时，自下述的第二复位信号供给部307c接收第二复位信号的供给。下述的第二复位信号供给部307c供给电压VDD的信号作为第二复位信号。第二复位晶体管RST2基于该第二复位信号对光电二极管31进行复位。
扩充容量晶体管FDS基于自下述的扩充容量信号供给部307d供给的扩充容量信号，对浮动扩散部FD和电容C1的连接进行切换。例如，在向光电二极管31的入射光量较大、且浮动扩散部FD饱和的情况下，通过使扩充容量晶体管FDS导通，将浮动扩散部FD和电容C1连接。由此，浮动扩散部FD的电容实质上仅增加电容C1的量，能够应对更大的光量。
第一复位信号供给部307b是由pMOS晶体管Tr7及nMOS晶体管Tr8构成的CMOS电路。第一复位信号供给部307b基于第一复位控制部306b的输出信号，将电压VDD(规定的电源电压。以下相同)与接地电压(GND)任一者的电压作为第一复位信号供给至第一复位晶体管RST1的栅极。如上述，第一复位控制部306b为个别像素控制部306的一部分，第一复位信号供给部307b为像素驱动部307的一部分。此外，在进行过驱动(over drive)时，第一复位控制部306b只要对第一复位晶体管RST1的栅极供给比电压VDD高的电压VRST1H来取代电压VDD即可。
扩充容量信号供给部307d是由pMOS晶体管Tr11及nMOS晶体管Tr12构成的CMOS电路。扩充容量信号供给部307d基于扩充容量控制部306d的输出信号，将电压VDD与接地电压(GND)任一者的电压作为扩充容量信号供给至扩充容量晶体管FDS的栅极。如上所述，扩充容量控制部306d为个别像素控制部306的一部分，扩充容量信号供给部307d为像素驱动部307的一部分。此外，在进行过驱动时，扩充容量信号供给部307d只要对扩充容量晶体管FDS的栅极供给比电压VDD高的电压VFDSH来取代电压VDD即可。
传输信号供给部307a为由pMOS晶体管Tr2及nMOS晶体管Tr1构成的CMOS电路。传输信号供给部307a基于传输控制部306a的输出信号，将自第一电源部供给的电压VTxH与自第二电源部供给的电压VTxL任一者的电压作为传输信号供给至传输晶体管Tx的栅极。第一电源部供给的电压VTxH为比第一半导体衬底7的衬底电压即接地电压高的电压(即正电压)，第二电源部供给的电压VTxL为比第一半导体衬底7的衬底电压即接地电压低的电压(即负电压)。如上所述，传输控制部306a为个别像素控制部306的一部分，传输信号供给部307a为像素驱动部307的一部分。
上述的第一复位信号或第二复位信号为电压VDD和接地电压任一者的电压，与之相对，传输信号供给部307a输出的传输信号为电压VTxH和电压VTxL任一者的电压。电压VTxH为比第一半导体衬底7的衬底电压即接地电压高的电压(即正电压)，电压VTxL为比第一半导体衬底7的衬底电压即接地电压低的电压(即负电压)。此外，电压VTxH和电压VDD均为正电压，但既可以为相同的电压，也可以为不同的电压。
传输控制部306a的输出信号为电压VDD和接地电压(GND)的任一者的电压。nMOS晶体管Tr1在传输控制部306a输出电压VDD时导通，将电压VTxL供给至传输晶体管Tx的栅极。pMOS晶体管Tr1在传输控制部306a输出电压VDDD时截止。nMOS晶体管Tr1在传输控制部306a输出接地电压时截止。pMOS晶体管Tr1在传输控制部306a输出接地电压时导通，将电压VTxH供给至传输晶体管Tx的栅极。即，传输信号供给部307a将从传输控制部306a供给的包含电压VDD和接地电压在内的信号转换为包含电压VTxH和电压VTxL在内的信号，并供给至传输晶体管Tx的栅极。电压VTxH为比第一半导体衬底7的衬底电压即接地电压高的电压(即正电压)，电压VTxL为比第一半导体衬底7的衬底电压即接地电压低的电压(即负电压)。此外，nMOS晶体管Tr1的阈值电压Vth设定为较高，以使漏极、源极间即使在传输控制部306a供给接地电压的状态下也不会漏电。例如，在电压VTxL为－2V的情况下，在传输控制部306a供给接地电压的状态下，对nMOS晶体管Tr1的栅极、源极间施加2V的电压。nMOS晶体管Tr1的阈值电压Vth设定为例如3～4V左右，以使漏极、源极间即使对该栅极、源极间施加2V的电压也不会导通。
传输晶体管Tx在传输信号为电压VTxH时，将光电二极管31生成的电荷传输至浮动扩散部FD。传输晶体管Tx在传输信号为电压VTxL时，不将光电二极管31生成的电荷传输至浮动扩散部FD。此外，对传输晶体管Tx的栅极施加比第一半导体衬底7的衬底电压低的电压VTxL是为了在传输晶体管Tx截止时不从光电二极管31向浮动扩散部FD传输电荷。
第二复位信号供给部307c为由pMOS晶体管Tr9及nMOS晶体管Tr10构成的CMOS电路。第二复位信号供给部307c基于第二复位控制部306c的输出信号，将电压VTxH和电压VTxL任一者的电压作为第二复位信号供给至第二复位晶体管RST2的栅极。第二复位信号供给部307c的结构由于与传输信号供给部307a相同，所以省略说明。如上所述，第二复位控制部306c为个别像素控制部306的一部分，第二复位信号供给部307c为像素驱动部307的一部分。
图5是示意性表示第一半导体衬底7和第二半导体衬底8的阱构造的图。入射光从纸面上方向朝向第一半导体衬底7入射。第一半导体衬底7为具有SOI构造的P型的半导体衬底。第一半导体衬底7的衬底电压设定为接地电压(GND)。第二半导体衬底8为不具有SOI构造的通常的P型半导体衬底。第二半导体衬底8的衬底电压被设定为接地电压(GND)。
在第一半导体衬底7的与第二半导体衬底8相对的面上设置有埋入绝缘膜77。埋入绝缘膜77为埋入于硅衬底内的绝缘膜。在埋入绝缘膜77上形成有传输信号供给部307a。即，在埋入绝缘膜77上形成有由pMOS晶体管Tr2及nMOS晶体管Tr1构成的CMOS电路。
pMOS晶体管Tr2具有p型区域325、n型区域326、p型区域327、栅电极332。p型区域325及p型区域327为漏极、源极区域，这些区域通过对形成于埋入绝缘膜77上的硅层离子注入高浓度的杂质而形成。n型区域326为沟道区域，其通过对形成于埋入绝缘膜77上的硅层以使其成为规定的阈值电压Vth的方式离子注入杂质而形成。
nMOS晶体管Tr1具有n型区域322、p型区域323、n型区域324、栅电极331。n型区域322及n型区域324为源极、漏极区域，这些区域通过对形成于埋入绝缘膜77上的硅层离子注入高浓度的杂质而形成。p型区域323为沟道区域，其通过对形成于埋入绝缘膜77上的硅层以使其成为规定的阈值电压Vth的方式离子注入杂质而形成。
pMOS晶体管Tr2及nMOS晶体管Tr1通过STI(Shallow Trench Isolation：浅沟道隔离)的元件隔离构造328、329、330而与其它电路元件隔离。
pMOS晶体管Tr2的p型区域327连接于未图示的电源部。该电源部对所有像素30中包含的pMOS晶体管Tr2的p型区域327供给电压VTxH(即高于第一半导体衬底7的衬底电压的电压)。nMOS晶体管Tr1的n型区域322连接于未图示的电源部。该电源部对所有像素30中包含的nMOS晶体管Tr1的n型区域322供给电压VTxL(即比第一半导体衬底7的衬底电压低的电压)。
传输信号供给部307a与传输晶体管Tx的栅电极连接。传输信号供给部307a与设置于第一半导体衬底7的其它元件电绝缘。
本实施方式中的埋入绝缘膜77仅存在于第一半导体衬底7的整体中设置有传输信号供给部307a的区域。第一半导体衬底7利用具有SOI构造的(即在整个面埋入有埋入绝缘膜77的状态的)晶片来制造。在制造第一半导体衬底7时，将存在于与设置有传输信号供给部307a的区域不同的区域的埋入绝缘膜77、及形成于埋入绝缘膜77上的硅层去除。
在第一半导体衬底7的整体中不存在(已去除)埋入绝缘膜77的区域配置有图4所示的模拟电路部301。此外，在图5中，由于纸面的关系，仅图示了模拟电路部301所具有的各部中的、光电二极管31、传输晶体管Tx、第一复位晶体管RST1、及浮动扩散部FD。
光电二极管31对从纸面上方入射的入射光进行光电转换。如图5所示，在本实施方式中，光电二极管31的一部分位于埋入绝缘膜77的下部。换言之，光电二极管31的一部分经由埋入绝缘膜77与传输信号供给部307a的一部分相对。这样是为了使光电二极管31可接收更广泛的范围的入射光。对于形成于埋入绝缘膜77的pMOS晶体管Tr2及nMOS晶体管Tr1而言，埋入绝缘膜77下的硅层作为支承基材而发挥功能。即，埋入绝缘膜77下的硅层与埋入绝缘膜77上的pMOS晶体管Tr2及nMOS晶体管Tr1的电性动作无关。因此，在本实施方式中，通过将光电二极管31扩展至埋入绝缘膜77下的区域，取得更大的光电二极管31的开口。
此外，在光电二极管31中，在杂质浓度上设有浓度梯度，越是接近传输晶体管Tx的区域，杂质浓度越浓。这样是为了能够通过传输晶体管Tx可靠地传输光电二极管31内的电荷。光电二极管31例如在形成传输信号供给部307a之前通过离子注入而形成于第一半导体衬底7。
在第二半导体衬底8上配置有图4所示的各部中的传输控制部306a、第一复位控制部306b、第一复位信号供给部307b。此外，图5中省略了图示，但图4所图示的其它各部也配置于第二半导体衬底8。
图6是表示使用了摄像元件3的拍摄时序的时间图。摄像元件3选择性地执行多重曝光和相关双采样。首先，使用图6的(a)对多重曝光控制进行说明。
图6的(a)是进行针对每一像素30的多重曝光时的时间图。图6的(a)的横轴为时间，时间朝向右方向前进。图6的(a)中写上“Dark”的四边形表示A/D转换部302进行像素复位信号的采样的定时。图6的(a)中写上“Sig”的四边形表示A/D转换部302进行像素信号的采样的定时。图6的(a)的写上“Out”的四边形表示将像素值保持部304所存储的数字值(光电转换结果)经由信号线340输出至外围电路的定时。在图6的(a)中，根据入射光量的多少将像素30分类为像素30a～像素30d的4个而进行多重曝光。
在曝光期间T1的开始时刻t0对光电二极管31及浮动扩散部FD进行复位的动作针对所有像素30均相同。然后，在入射光量极少的像素30a中，在时刻t3，对浮动扩散部FD进行复位，进行像素复位信号的采样。时刻t3是从曝光期间T1的结束时刻t4减去浮动扩散部FD)的复位和像素复位信号的采样所需的时间而得的时刻。在曝光期间T1的结束时刻t4将从时刻t0到t4而生成的蓄积于光电二极管31的电荷传输至浮动扩散部FD，进行像素信号的采样。然后，在时刻t5，将光电转换结果存储于像素值保持部304。
在入射光量稍少的像素30b中，将从外部指定的曝光期间T1等分为期间T2与期间T3这两个期间，进行两次上述的动作。具体而言，在时刻t1与时刻t3，对浮动扩散部FD进行复位，进行像素复位信号的采样。时刻t1是从期间T2的结束时刻t2减去浮动扩散部FD的复位和像素复位信号的采样所需的时间而得的时刻。然后，在时刻t2，将蓄积于光电二极管31的电荷传输至浮动扩散部FD，进行像素信号的采样。时刻t3～t5的动作与像素30a的情况相同。
在入射光量稍多的像素30c中，将从外部指定的曝光期间T14等分，并进行4次上述动作。在入射光量极多的像素30d中，将从外部指定的曝光期间T18等分，并进行8次上述动作。
如上，根据多重曝光控制，能够在入射光量较多的像素30和入射光量较少的像素30使曝光时间个别地变化而进行拍摄。在通常的拍摄中，即使为浮动扩散部FD越饱和入射光量越多的情况，也能够通过较细地划分曝光时间并反复进行拍摄，而使动态范围扩大。
其次，使用图6的(b)对相关双采样控制进行说明。图6的(b)是针对每一像素30进行相关双采样控制时的时间图。图6的(b)的横轴为时间，时间朝向右方向前进。图6的(b)中写上“Dark”的四边形表示A/D转换部302进行像素复位信号的采样的定时。图6的(b)中写上“Sin”的四边形表示A/D转换部302进行像素信号的采样的定时。图6的(b)中写上“Out”的四边形表示A/D转换部302向采样部303输出采样结果的定时。在图6的(b)中，根据入射光量的多少将像素30分类为像素30a～像素30d这4个而进行相关双采样。
像素30a曝光时间最长，像素30d曝光时间最短。在相关双采样控制中，曝光时间越长的像素30，以越早的定时对浮动扩散部FD进行复位。曝光时间越长的像素30，从多浮动扩散部FD进行复位到对像素信号进行采样为止会产生时间间隔。在该期间，对像素复位信号反复进行采样。
例如，在图6的(b)中，像素30a曝光时间最长。在从像素30a的曝光时间T4的结束时刻t6起提前了期间T5的时刻t7，对浮动扩散部FD进行复位。其结果为，至时刻t6为止，像素复位信号被采样了4次。在曝光时间T4结束后至下一曝光时间T6结束为止的期间，对像素信号反复进行采样。
曝光时间较长是指入射光量较少，且是指像素信号中的放大晶体管AMI、选择晶体管SEL、及A/D转换部302的噪声的影响较大。即，越是上述的噪声的影响大的像素30，对像素复位信号和像素信号进行更多次数的采样，能以更高灵敏度进行拍摄。
摄像元件3对像素30分别并行地执行以上的动作。即，各像素30并行进行从通过光电二极管31进行的光电转换至向像素值保持部304的数字值的存储为止的动作。针对每一像素30依序进行对来自像素值保持部304的拍摄结果的读取。
如上，本实施方式的摄像元件3可针对每一像素控制曝光时间。为了针对每一像素控制曝光时间，必须能够针对每一像素控制传输晶体管Tx的导通截止的定时。即，必须能够针对每一像素控制向传输晶体管Tx的栅极供给的电压(本实施方式中为电压VTxH和电压VTxL)。即，必须要针对每一像素设置对传输晶体管Tx的栅极供给电压VTxH及电压VTxL的供给部。第一半导体衬底7所处理的电压由于与电压VTxH或电压VTxL不同，所以若要将处理电压VTxH或电压VTxL的供给部设置于像素30内，则供给部会占很大的面积。其结果，光电二极管31在像素30中所占的面积大幅变小。即，光电二极管31的开口率大幅降低。在本实施方式中，通过将传输信号供给部307a设置于绝缘部9，能够不在第一半导体衬底7的光电二极管31附近个别地设置处理电压VTxH或电压VTxL的供给部(不使光电二极管31的开口率降低)而针对每一像素控制曝光时间。
根据上述实施方式，获得以下的作用效果。
(1)设置于第一半导体衬底7的多个像素30各自具有输入由比第一半导体衬底7的衬底电压即接地电压高的电压VTxH和比第一半导体衬底7的衬底电压即接地电压低的电压VTxL构成的传输信号的传输晶体管Tx。设置于第二半导体衬底8的A/D转换部302及采样部303输出基于蓄积于浮动扩散部FD的电荷的量的数字信号。在设置于第一半导体衬底7和第二半导体衬底8之间的绝缘部9，针对多个像素30各自设置将传输信号供给至传输晶体管Tx的传输信号供给部307a。因此，能够不降低光电二极管31的面积而使传输晶体管Tx可靠地截止，抑制暗电流的增大。另外，由于处理负电源的电路不存在于第一半导体衬底7，所以无须在第一半导体衬底7上设置用于处理负电源的扩散层等，能够使光电二极管31的开口率提高。对于第二复位晶体管RST2，也能够获得相同的效果。
(2)多个传输信号供给部307a中的一部分传输信号供给部307a使在第一期间光电二极管31生成的电荷传输至浮动扩散部FD。另一部分传输信号供给部307a使在与第一期间的长度不同的第二期间光电二极体31生成的电荷传输至浮动扩散部FD。因此，能够使曝光时间针对每一像素30而不同，使摄像元件3的动态范围扩大。
(3)光电二极管31对入射至第一半导体衬底7的一面的入射光进行光电转换。绝缘部9与第一半导体衬底7的另一面相对设置。由此，能够提高光电二极管31的光电转换效率。
(4)传输信号供给部307a具有：p型区域327，其从比第一半导体衬底7的衬底电压高的电压的电源部接收电压VTxH；n型区域322，其从比第一半导体衬底7的衬底电压低的电压的电源部接收电压VTxL。传输信号供给部307a将从前者的电源部接收到的电压VTxH及从后者的电源部接收到的电压VTxL作为传输信号输入至传输晶体管Tx。因此，传输信号供给部307a能够处理具有与配置于第一半导体衬底7及第二半导体衬底8的各电路不同的电压的信号。对于第二复位信号供给部307c，也能够获得相同的效果。
(5)光电二极管31的一部分经由埋入绝缘膜77而与传输晶体管Tx的一部分相对。由此，能够使光电二极管31的面积变大，能够更有效地利用入射光。
(6)第一半导体衬底7形成有埋入绝缘膜77，衬底电压被设定为接地电压。在第一半导体衬底7上设置有：光电二极管31，其对入射光进行光电转换；传输晶体管Tx，其将通过光电二极管31进行光电转换而得到的电荷基于传输信号传输至浮动扩散部FD；传输信号供给部307a，其将包含与比第一半导体衬底7的衬底电压高的电压VTxH对应的电压及与比第一半导体衬底7的衬底电压低的电压VTxL对应的电压的传输信号供给至传输晶体管Tx，且通过埋入绝缘膜77而与第一半导体衬底7电绝缘。因此，能够使传输晶体管Tx可靠地截止，抑制暗电流的增大。对于第二复位晶体管RST2，也能够获得相同的效果。
(第二实施方式)
第一实施方式的摄像元件3具备具有SOI构造的半导体衬底。第二实施方式的摄像元件3在如下方面与第一实施方式不同，即，具备并非SOI构造的通常的构造的半导体衬底，且由薄膜晶体管构成传输信号供给部307a。以下，以与第一实施方式的摄像元件3之间的差异为中心对第二实施方式的摄像元件3进行说明。此外，对于与第一实施方式相同的部位标注与第一实施方式相同的附图标记，并省略说明。
图7是传输信号供给部307a的电路图，图8是传输信号供给部307a的俯视图。如图7及图8所示，本实施方式的传输信号供给部307a具有nMOS晶体管Tr21、nMOS晶体管Tr22、pMOS晶体管Tr23、nMOS晶体管Tr24、nMOS晶体管Tr25、pMOS晶体管Tr26。这些晶体管为薄膜晶体管(TFT)。另外，本实施方式的像素30还具有反相电路312。
nMOS晶体管Tr22及pMOS晶体管Tr23构成CMOS电路。通过规定电源对pMOS晶体管Tr23的源极施加电压VTxH。通过传输控制部306a对nMOS晶体管Tr22及pMOS晶体管Tr23的栅极供给传输控制信号。nMOS晶体管Tr22的源极与nMOS晶体管Tr21的漏极连接。通过规定电源对nMOS晶体管Tr21的源极施加电压VTxL。电压VTxH为比第一半导体衬底7的衬底电压即接地电压高的电压(即正电压)，电压VTxL为比第一半导体衬底7的衬底电压即接地电压低的电压(即负电压)。
nMOS晶体管Tr25及pMOS晶体管Tr26构成CMOS电路。通过规定电源对pMOS晶体管Tr26的源极施加电压VTxH。通过反相电路312对nMOS晶体管Tr25及pMOS晶体管Tr26的栅极供给使传输控制信号的高电平与低电平反转的信号。nMOS晶体管Tr25的源极与nMOS晶体管Tr24的漏极连接。通过规定电源对nMOS晶体管Tr24的源极施加电压VTxL。
nMOS晶体管Tr24的栅极与nMOS晶体管Tr22及pMOS晶体管Tr23的漏极连接。nMOS晶体管Tr21的栅极与nMOS晶体管Tr25及pMOS晶体管Tr26的漏极连接。来自nMOS晶体管Tr25及pMOS晶体管Tr26的漏极的电压作为传输信号供给至传输晶体管Tx。
如上构成的传输信号供给部307a基于传输控制部306a的输出信号，将比第一半导体衬底7的衬底电压高的电压VTxH与比第一半导体衬底7的衬底电压低的电压VTxL的任一电压作为传输信号供给至传输晶体管Tx的栅极。即，由nMOS晶体管Tr21、nMOS晶体管Tr22、pMOS晶体管Tr23、nMOS晶体管Tr24、nMOS晶体管Tr25、PMOS晶体管Tr26构成的电路为将由电压VTxH与接地电压构成的信号转换为由电压VTxH与电压VTxL构成的信号的电平转换电路。
反相电路312为由pMOS晶体管Tr28及nMOS晶体管Tr27构成的CMOS电路。反相电路312设置于第一半导体衬底7。反相电路312基于传输控制部306a的输出信号，将电压VDD和接地电压(GND)的任一电压向nMOS晶体管Tr25的栅极及pMOS晶体管Tr26的栅极供给。
图9的(a)是表示传输信号供给部307a的A－A’剖面(图8)的示意图，图9的(b)是表示传输信号供给部307a的B－B’剖面(图8)的示意图。传输信号供给部307a形成在设置于第一半导体衬底7和第二半导体衬底8之间的绝缘部9。与第一半导体衬底7之间的信号的传送接收经由接合焊盘90进行。
在图9中，传输信号供给部307a设置于绝缘部9。在绝缘部9和第二半导体衬底8的界面形成有绝缘层，传输信号供给部307a形成于该绝缘层上。
如上，本实施方式的摄像元件3能够针对每一像素控制曝光时间。为了针对每一像素控制曝光时间，必须能够针对每一像素控制传输晶体管Tx的导通截止的定时。即，必须能够针对每一像素控制供给至传输晶体管Tx的栅极的电压(在本实施方式中为电压VTxH及电压VTxL)。即，必须要针对每一像素设置对传输晶体管Tx的栅极供给电压VTxH及电压VTxL的供给部。由于第一半导体衬底7处理的电压与电压VTxH或电压VTxL不同，所以如果要将处理电压VTxH或电压VTxL的供给部设置于像素30内，则供给部会占很大的面积。尤其是，供给比衬底电压低的电压VTxL的供给部需要以相对于基板不成为正向偏压的方式成为三阱构造。因此，供给电压VTxL的供给部需要特别宽的面积。其结果，光电二极管31在像素30上所占的面积大幅变小。即，光电二极管31的开口率大幅降低，摄像元件的微细化变得困难。在本实施方式中，通过将传输信号供给部307a设置于绝缘部9，能够不在第一半导体衬底7的光电二极管31附近个别地设置处理电压VTxH或电压VTxL的供给部(不使光电二极管31的开口率降低)而针对每一像素控制曝光时间。
根据上述实施方式，除了第一实施方式中所说明的作用效果以外，进一步获得以下的作用效果。
(7)传输信号供给部307a具有将由接地电压和接地电压以上的电压VTxH构成的驱动信号转换为由电压VTxL和电压VTxH构成的传输信号的电平转换电路。因此，传输信号供给部307a能够将具有与配置于第一半导体衬底7及第二半导体衬底8的各电路不同的电压的信号供给至传输晶体管Tx。
(8)在第一半导体衬底7上设置有将从传输控制部306a供给的信号输出至电平转换电路的反相电路312。电平转换电路包含6个晶体管Tr21～Tr26，在从传输控制部306a供给的信号为接地电压时，将电压VTxL作为传输信号输出，在从传输控制部306a供给的信号为电压VTxH时，将电压VTxH作为传输信号输出。因此，传输控制部306a无须处理电压VTxL即可对传输晶体管Tx供给电压VTxL。
(9)传输信号供给部307a包含形成于层叠于第一半导体衬底7的绝缘层9的薄膜晶体管即6个晶体管Tr21～Tr26。因此，能够将第一半导体衬底7作为主体的半导体衬底，能够削减制造成本。
以下的变形例也包含于本发明的范围内，也可以将一个或多个变形例与上述实施方式组合。
(变形例1)
也可以在第一实施方式中所说明的传输信号供给部307a的前级附加第二实施方式中所说明的电平转换电路。即，也可以在图5所示的栅电极331、332和传输控制部306a之间插入电平转换电路。因此，无须将nMOS晶体管Tr1的阈值电压Vth设定得较高。
(变形例2)
在第二实施方式中，如图9所示，将传输信号供给部307a设置于绝缘层上，该绝缘层设置于第二半导体衬底8的一面，但也可以将传输信号供给部307a设置于第一半导体衬底7侧。在该情况下，只在第一半导体衬底7的与第二半导体衬底8相对的面形成绝缘层，并在该绝缘层上形成传输信号供给部307a即可。
上述中，对各种实施方式及变形例进行了说明，但本发明并不限定于这些内容。在本发明的技术思想的范围内考虑到的其它方式也包含于本发明的范围内。
上述的实施方式及变形例也包含如下的拍摄装置及电子相机。
(1)一种摄像元件，其具备：第一半导体层，其设置有多个像素，上述像素具有对入射光进行光电转换的光电转换部、传输并蓄积通过上述光电转换部进行光电转换而得到的电荷的蓄积部、和将通过上述光电转换部生成的电荷传输至上述蓄积部的传输部；第二半导体层，其针对上述多个像素的每一个设置有供给部，上述供给部将用于从上述光电转换部向上述蓄积部传输上述电荷的传输信号供给至上述传输部；以及第三半导体层，其被输入有基于传输至上述蓄积部的上述电荷的信号。
(2)在(1)的摄像元件中，上述第二半导体层具有薄膜晶体管。
(3)在(2)的摄像元件中，上述第一半导体层及上述第三半导体层由半导体衬底构成。
(4)在(2)或(3)的摄像元件中，上述第二半导体层配置于在作为上述第一半导体层的半导体衬底与作为上述第三半导体层的半导体衬底之间设置的绝缘部。
(5)在(1)的摄像元件中，上述第一半导体层为具备硅衬底、埋入氧化膜层和硅层的SOI衬底的上述硅衬底及上述硅层中的一方，上述第二半导体层为上述硅衬底及上述硅层的另一方。
(6)在(5)的摄像元件中，上述第三半导体层通过半导体衬底构成。
(7)在(1)～(6)的摄像元件中，多个上述供给部中的一部分上述供给部使在第一期间上述光电转换部生成的电荷传输至上述蓄积部，另一部分上述供给部供给使在与上述第一期间的长度不同的第二期间上述光电转换部生成的电荷传输至上述蓄积部的上述传输信号。
(8)在(1)～(7)的摄像元件中，上述供给部具有通过第一电源部被施加比上述第一半导体层的电压高的电压的第一扩散部、和通过第二电源部被施加比上述第一半导体层的电压低的电压的第二扩散部，将基于通过上述第一电源部施加来的电压的第一电压供给至上述传输部，将基于通过上述第二电源部施加来的电压的第二电压供给至上述传输部。
(9)在(8)的摄像元件中，上述光电转换部为埋入光电二极管，上述传输部在上述传输信号为上述第一电压时，将通过上述光电转换部进行光电转换而得到的电荷传输至上述蓄积部，在上述传输信号为上述第二电压时，不将通过上述光电转换部进行光电转换而得到的电荷向上述蓄积部传输。
(10)在(9)的摄像元件中，上述供给部具有电平转换电路，该电平转换电路将由接地电压以上的第三电压和接地电压以上且比上述第三电压高的第四电压构成的驱动信号转换为由上述第一电压和上述第二电压构成的上述传输信号。
(11)在(10)的摄像元件中，还具备将上述驱动信号输出至上述电平转换电路的反相电路，上述电平转换电路包含至少6个晶体管，在上述驱动信号为上述第三电压时，输出作为上述第一电压的上述传输信号，在上述驱动信号为上述第四电压时，输出作为上述第二电压的上述传输信号。
(12)在(1)～(11)的摄像元件中，上述光电转换部设置于上述第一半导体层的光入射的面，上述传输部及上述蓄积部设置于上述第一半导体层的上述第二半导体层侧的面。
(13)一种摄像元件，其具备：第一半导体衬底，其设置有多个像素，上述像素具有对入射光进行光电转换的光电转换部、传输并蓄积通过上述光电转换部进行光电转换而得到的电荷的蓄积部、和将通过上述光电转换部而生成的电荷传输至上述蓄积部的传输部；半导体层，其层叠配置于上述第一半导体衬底，且针对上述多个像素的每一个设置有供给部，上述供给部将用于将上述电荷从上述光电转换部传输至上述蓄积部的传输信号向上述传输部供给。
(14)一种摄像元件，其具备：第一半导体衬底，其形成有绝缘部，且设定有规定的衬底电压；光电转换部，其设置于上述第一半导体衬底，对入射光进行光电转换；传输部，其设置于上述第一半导体衬底，基于传输信号将通过上述光电转换部进行光电转换而得到的电荷传输至蓄积部；供给部，其将包含作为正电压的第一信号电压和作为负电压的第二信号电压在内的上述传输信号供给至上述传输部，且通过上述绝缘部而与上述第一半导体衬底电绝缘。
(15)一种电子相机，其具有(1)～(14)的摄像元件。
另外，上述实施方式及变形例也包含如下的摄像元件。
(1)一种摄像元件，其具备：第一半导体层，其设置有多个像素，上述像素具有对入射光进行光电转换的光电转换部、蓄积通过上述光电转换部进行光电转换而得到的电荷的蓄积部、和被输入由比接地电压高的第一电压和比接地电压低的第二电压构成的传输信号的传输部；第二半导体衬底，其对上述多个像素的每一个设置有输出基于蓄积于上述蓄积部的电荷的量的数字信号的A/D转换部；绝缘部，其配置于上述第一半导体衬底和上述第二半导体衬底之间，且对上述多个像素的每一个设置有将上述传输信号供给至上述传输部的传输信号供给部。
(2)在(1)的摄像元件中，多个上述传输信号供给部中的一部分上述传输信号供给部使在第一期间上述光电转换部生成的电荷传输至上述蓄积部，另一部分上述传输信号供给部供给使在与上述第一期间的长度不同的第二期间上述光电转换部生成的电荷传输至上述蓄积部的上述传输信号。
(3)在(1)或(2)的摄像元件中，上述传输信号供给部具有从正电压的第一电源部接收正电压的第一扩散部、和从负电压的第二电源部接收负电压的第二扩散部，基于从上述第一电源部接收到的正电压将上述第一电压输入至上述传输部，基于从上述第二电源部接收到的负电压将上述第二电压输入至上述传输部。
(4)在(1)～(3)的摄像元件中，上述光电转换部为埋入光电二极管，上述传输部在上述传输信号为上述第一电压时将通过上述光电转换部进行光电转换而得到的电荷传输至上述蓄积部，在上述传输信号为上述第二电压时不将通过上述光电转换部进行光电转换而得的电荷传输至上述蓄积部。
(5)在(4)的摄像元件中，上述传输信号供给部具有电平转换电路，该电平转换电路将由接地电压以上的第三电压和接地电压以上且比上述第三电压高的第四电压构成的驱动信号转换为由上述第一电压和上述第二电压构成的上述传输信号。
(6)在(5)的摄像元件中，还具备将上述驱动信号输出至上述电平转换电路的反相电路，上述电平转换电路包含至少6个晶体管，在上述驱动信号为上述第三电压时输出作为上述第一电压的上述传输信号，在上述驱动信号为上述第四电压时输出作为上述第二电压的上述传输信号。
(7)在(1)～(6)的摄像元件中，上述光电转换部设置于上述第一半导体衬底的供光入射的面，上述传输部及上述蓄积部设置于上述第一半导体衬底的上述第二半导体衬底侧的面。
(8)在(1)～(7)的摄像元件中，上述第一半导体衬底为SOI衬底，上述绝缘部包含埋入绝缘膜。
(9)在(1)～(8)的摄像元件中，上述绝缘部包含层叠于上述第一半导体衬底或上述第二半导体衬底的绝缘层，上述传输信号供给部包含形成于上述绝缘层的薄膜晶体管。
(10)一种摄像元件，其具备：第一半导体衬底，其形成有绝缘部，且被设定有规定的基板电位；光电转换部，其设置于上述第一半导体衬底，对入射光进行光电转换；传输部，其设置于上述第一半导体衬底，将通过上述光电转换部进行光电转换而得到的电荷基于传输信号传输至蓄积部；传输信号供给部，其将包含作为正电位的第一信号电位和作为负电位的第二信号电位在内的上述传输信号供给至上述传输部，且通过上述绝缘部与上述第一半导体衬底电绝缘。
以下的优先权基础申请的公开内容作为引用内容而并入本文中。
日本专利申请2015年第195281号(2015年9月30日申请)。

Claims (16)

1.一种摄像元件，其特征在于，具备：
设有多个像素的第一半导体层，多个像素分别具有对光进行光电转换而生成电荷的光电转换部、和用于对利用所述光电转换部生成的电荷进行复位的复位部；以及
设有供给部的第二半导体层，所述供给部将用于对利用所述光电转换部生成的电荷进行复位的信号供给至所述复位部。
2.根据权利要求1所述的摄像元件，其特征在于，
所述第二半导体层具有薄膜晶体管。
3.根据权利要求2所述的摄像元件，其特征在于，
具备第三半导体层，向该第三半导体层输出基于利用所述光电转换部生成的电荷的信号。
4.根据权利要求3所述的摄像元件，其特征在于，
所述第一半导体层以及所述第三半导体层由半导体衬底构成。
5.根据权利要求4所述的摄像元件，其特征在于，
所述第二半导体层设在所述第一半导体层与所述第三半导体层之间。
6.根据权利要求5所述的摄像元件，其特征在于，
所述第二半导体层设于在所述第一半导体层与所述第三半导体层之间设置的绝缘部。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的摄像元件，其特征在于，
当从所述供给部向所述复位部供给第一电压的信号时所述复位部将电荷复位，当从所述供给部向所述复位部供给第二电压的信号时所述复位部不对电荷进行复位。
8.根据权利要求7所述的摄像元件，其特征在于，
所述第二半导体层具有被供给所述第一电压的第一电压源和、被供给所述第二电压的第二电压源。
9.根据权利要求8所述的摄像元件，其特征在于，
所述第一电压源供给接地电压以上的电压，
所述第二电压源供给少于接地电压的电压。
10.根据权利要求9所述的摄像元件，其特征在于，
所述供给部针对每个所述像素设置。
11.根据权利要求10所述的摄像元件，其特征在于，
一部分所述像素所具有的所述供给部将用于对在第一期间由所述光电转换部生成的电荷进行复位的信号供给至所述复位部，其他所述像素所具有的所述供给部将用于对在长度与所述第一期间不同的第二期间由所述光电转换部生成的电荷进行复位的信号供给至所述复位部。
12.根据权利要求10所述的摄像元件，其特征在于，
具有多个所述供给部，
一部分所述像素所具有的所述供给部和其他所述像素所具有的所述供给部将用于对所述光电转换部生成的电荷进行复位的信号供给至所述复位部的定时不同。
13.根据权利要求1～6中任一项所述的摄像元件，其特征在于，
所述供给部具有被施加接地电压以上的电压的第一扩散部、和被施加少于接地电压的电压的第二扩散部，将基于被施加至所述第一扩散部的电压的第一电压供给至所述复位部，将基于被施加至所述第二扩散部的电压的第二电压供给至所述复位部。
14.根据权利要求13所述的摄像元件，其特征在于，
所述供给部具有电平转换电路，该电平转换电路将基于作为接地电压以上的第三电压、和作为接地电压以上且为所述第三电压以上的第四电压的驱动信号转换成所述第一电压的信号或者所述第二电压的信号。
15.根据权利要求14所述的摄像元件，其特征在于，
所述电平转换电路在所述驱动信号为所述第三电压时将所述驱动信号转换成所述第一电压的信号，在所述驱动信号为所述第四电压时将所述驱动信号转换成所述第二电压的信号。
16.一种摄像装置，其特征在于，
具备权利要求1～15中任一项所述的摄像元件。
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