CN111034176B

CN111034176B - 固体摄像装置以及具备该固体摄像装置的摄像装置

Info

Publication number: CN111034176B
Application number: CN201880050721.XA
Authority: CN
Inventors: 铃木静; 松尾纯一; 河合真一
Original assignee: Nuvoton Technology Corp Japan
Current assignee: Nuvoton Technology Corp Japan
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2038-08-09
Also published as: WO2019054100A1; US11194025B2; JP6485725B1; EP3684051A4; JP2019071685A; US20200213539A1; JPWO2019054100A1; EP3684051A1; CN111034176A

Abstract

在半导体基板中具备以矩阵状配置的多个像素(20)的固体摄像装置(100)，多个像素(20)分别具备将接收到的光转换为信号电荷的光电转换部(1)、从光电转换部(1)读出信号电荷的至少1个读出栅极(6)、蓄积由至少1个读出栅极(6)读出的信号电荷的多个电荷蓄积部(2)、以及从多个电荷蓄积部(2)中的1个接受该电荷蓄积部(2)中蓄积的信号电荷的传送并将其保持、将所保持的信号电荷向多个电荷蓄积部(2)中的1个传送的电荷保持部(10)，多个电荷蓄积部(2)分别包括传送通道(4)的一部分以及在半导体基板的平面视中与该一部分重叠的传送电极(5)的一部分，传送通道(4)每1个像素有多条。

Description

固体摄像装置以及具备该固体摄像装置的摄像装置

技术领域

本发明涉及取得被摄体的距离图像的固体摄像装置。

背景技术

以往，已知利用TOF(Time Of Flight)方式取得被摄体的距离图像的固体摄像装置(例如参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开2015－215181号公报

在以往的固体摄像装置中，当取得运动的被摄体的距离图像时，有时会产生运动模糊(motion blur)。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供与以往相比能够抑制当取得被摄体的距离图像时的运动模糊的产生的固体摄像装置、以及具备该固体摄像装置的摄像装置。

本发明的一个技术方案的固体摄像装置，是在半导体基板中具备以矩阵状配置的多个像素的固体摄像装置。上述多个像素分别具备将接受到的光转换为信号电荷的光电转换部、从上述光电转换部读出上述信号电荷的至少1个读出栅极、蓄积通过上述至少1个读出栅极读出的上述信号电荷的多个电荷蓄积部、以及从上述多个电荷蓄积部中的1个接受并保持该电荷蓄积部中蓄积的上述信号电荷的传送并将所保持的上述信号电荷向上述多个电荷蓄积部中的1个传送的电荷保持部。上述多个电荷蓄积部分别包括用于传送上述信号电荷的传送通道的一部分、以及在上述半导体基板的平面视中与该一部分重叠的传送电极的一部分。上述传送通道每1个像素有多条。

本发明的一个技术方案的摄像装置，具备上述固体摄像装置、按1帧期间内的每个曝光期间以多个定时以脉冲状发出红外光的光源部、以及基于上述固体摄像装置的输出信号生成距离图像的处理器。

根据上述结构的固体摄像装置以及摄像装置，与以往相比能够抑制当取得被摄体的距离图像时的运动模糊的产生。

附图说明

图1是表示基本方式1的测距摄像装置(摄像装置)的概略结构的一例的功能框图。

图2是表示基本方式1的固体摄像装置所具备的像素的布局结构的概略平面图

图3A是表示基本方式1的固体摄像装置的曝光时的动作的驱动时序图。

图3B是表示基本方式1的固体摄像装置的曝光时的动作的驱动时序图。

图4是表示基本方式1的固体摄像装置的信号切换的动作的概略平面图。

图5是表示基本方式1的固体摄像装置的信号切换的动作的驱动时序图。

图6是表示基本方式1的固体摄像装置的信号切换的动作的概略平面图。

图7是表示基本方式2的固体摄像装置所具备的像素的布局结构的概略平面图。

图8A是表示基本方式2的固体摄像装置的曝光时的各信号的配置和动作的驱动时序图。

图8B是表示基本方式2的固体摄像装置的曝光时的各信号的配置和动作的驱动时序图。

图9是表示基本方式3的固体摄像装置所具备的像素的布局结构的概略平面图。

图10A是表示实施方式1的固体摄像装置所具备的像素的布局结构的概略平面图。

图10B是表示实施方式1的固体摄像装置所具备的像素的布局结构的概略平面图。

图10C是表示实施方式1的固体摄像装置所具备的像素的布局结构的概略平面图。

图11A是表示实施方式1的固体摄像装置的曝光时的动作的驱动时序图。

图11B是表示实施方式1的固体摄像装置的曝光时的动作的驱动时序图。

图12是表示实施方式1的固体摄像装置的曝光时的信号的动作的概略平面图。

图13A是表示实施方式1的固体摄像装置的测距信号输出与测距范围的对应的时序图。

图13B是表示实施方式1的固体摄像装置的测距信号输出与测距范围的对应的时序图。

图13C是表示实施方式1的固体摄像装置的测距信号输出与测距范围的对应的时序图。

图13D是表示实施方式1的各测距范围与在各电荷蓄积部中蓄积的A0、A1、A2、A3信号的对应关系的对应表。

图14A是表示实施方式1的固体摄像装置的信号切换前后的曝光时的动作的驱动时序图。

图14B是表示实施方式1的固体摄像装置的信号切换前后的曝光时的动作的驱动时序图。

图14C是表示实施方式1的固体摄像装置的信号切换前后的曝光时的动作的驱动时序图。

图14D是表示实施方式1的固体摄像装置的信号切换前后的曝光时的动作的驱动时序图。

图15是表示实施方式1的固体摄像装置的信号切换的动作的概略平面图。

图16A是表示实施方式1的固体摄像装置的信号切换的动作的时序图。

图16B是表示实施方式1的固体摄像装置的信号切换的动作的时序图。

图17是表示实施方式1的固体摄像装置的曝光时的各信号的配置和动作的平面图。

图18是表示实施方式1的固体摄像装置的信号读出时的各信号的配置和动作的平面图。

图19是表示实施方式2的固体摄像装置所具备的像素的布局结构的概略平面图。

图20是表示实施方式2的固体摄像装置的曝光时的各信号的配置和动作的平面图。

图21是表示实施方式2的固体摄像装置的曝光时的各信号的配置和动作的平面图。

图22A是表示实施方式2的固体摄像装置的曝光时的A0和A2信号的切换动作的时序图。

图22B是表示实施方式2的固体摄像装置的曝光时的A0和A2信号的切换动作的时序图。

图23是表示实施方式2的固体摄像装置的曝光时的A0和A2信号的切换动作的概略平面图。

图24是表示实施方式2的固体摄像装置的信号读出时的各信号的配置和动作的平面图。

图25A是表示实施方式3的固体摄像装置的曝光时的动作的驱动时序图。

图25B是表示实施方式3的固体摄像装置的曝光时的动作的驱动时序图。

图25C是表示实施方式3的固体摄像装置的曝光时的动作的驱动时序图。

图25D是表示实施方式3的固体摄像装置的曝光时的动作的驱动时序图。

图26A是表示实施方式3的固体摄像装置的曝光时的动作的驱动时序图。

图26B是表示实施方式3的固体摄像装置的曝光时的动作的驱动时序图。

图26C是表示实施方式3的固体摄像装置的曝光时的动作的驱动时序图。

图26D是表示实施方式3的固体摄像装置的曝光时的动作的驱动时序图。

图27是以往的测距装置的像素的平面图。

图28是以往的测距装置的各种信号的时序图。

具体实施方式

(得到本发明的一形态的经过)

在对到物体的距离进行检测的多个方式中，已知利用光到测定对象物为止往复的飞行时间来进行测距的TOF方式。

图27、图28是专利文献1所公开的现有技术的测距装置。

图27是现有技术的像素平面图，FD1、FD2是第一及第二电荷蓄积区域，TX1、TX2是第一及第二传送电极，PG是光栅(photo gate)电极。

此外，图28是现有技术的测距装置的各种信号的时序图，示出了多个帧周期T_F中按时间序列连续的两个帧周期T_F，S_D是光源的驱动信号，S_Lr是对象物的脉冲光的反射光返回到摄像区域时的反射光的强度信号，S1是施加于第一传送电极TX1的第一脉冲信号S1，S2是施加于第二传送电极TX2的第二脉冲信号S2，reset是复位信号，T_acc是蓄积期间，T_ro是读出期间。

专利文献1所示的现有技术公开了如下技术：如图28所示，在帧间对施加于读出栅极的脉冲的定时进行切换，将对2帧的信号进行加法运算而得到的2个信号Q1、Q2用于距离运算，由此抑制图27(b)所示那样的来自周围像素的电荷的漏入量(串扰(cross talk))的不同。

但是，现有技术中，在帧间进行了读出定时的变更，所以帧间的曝光期间具有时间差。因此，容易发生运动模糊，为了得到加法运算后的距离信号而需要读出2帧，具有实际有效的帧速率下降、此外在外部需要帧存储器这样的课题。

进而，现有技术由于没有考虑背景光成分及暗电流成分，所以在无法忽视这样的不含距离信息的信号的环境下的测距误差非常大。

发明者鉴于上述课题，反复研究的结果是，想到了实现没有运动模糊的发生和帧速率的大幅下降的高测距精度的固体摄像装置。

以下，关于本发明的实施方式，参照附图进行说明。另外，虽然利用附图进行说明，但它们以例示为目的，并不意欲限定本发明。在附图中，关于表示实质相同的结构、动作及效果的要素，附加同一符号。

首先，对成为本发明的基本的方式进行说明。

(本发明的基本方式1)

图1是表示成为本发明的基本的方式1(基本方式1)的测距摄像装置1000的概略结构的一例的功能框图。如该图所示，测距摄像装置1000具备固体摄像装置100、光源驱动器200、处理器300、光学透镜400和光源部500。此外，固体摄像装置100具备摄像部101、AD转换部102、定时生成部103和快门驱动器104。

定时生成部103产生用于指示向对象物600的光照射(这里例示近红外光的照射)的发光信号并经由光源驱动器200对光源部500进行驱动，并且，对于摄像部101，产生用于指示来自对象物600的反射光的曝光的曝光信号。

摄像部101包含以矩阵状配置于半导体基板的多个像素，对包含对象物600的区域，按照由定时生成部103产生的曝光信号所表示的定时，在1帧期间内进行多次曝光，得到与多次曝光量的总和对应的信号。

处理器300基于从固体摄像装置100接收到的信号，运算到对象物600的距离。

如图1所示，对于对象物600，从光源部500照射背景光和近红外光。来自对象物600的反射光经由光学透镜400向摄像部101入射。入射到摄像部101中的反射光成像，该成像出的图像被转换为电信号。光源部500以及固体摄像装置100的动作由固体摄像装置100的定时生成部103控制。固体摄像装置100的输出由处理器300转换为距离图像，根据用途也转换为可视图像。另外，处理器300不是必须设置在固体摄像装置100的外部，也可以将对距离进行运算的功能等的一部分或全部内置于固体摄像装置100。

作为固体摄像装置100，例示所谓的CMOS图像传感器。

此外，在一般的脉冲TOF方式中，将从脉冲宽度Tp的照射光的上升时刻开始的第1曝光期间设为T1，将从照射光的下降时刻开始的第2曝光期间设为T2，曝光期间T1、T2被设定为与脉冲宽度Tp相同的长度。将在第1曝光期间T1中摄像部101得到的信号量设为A0，将在第2曝光期间T2中相机得到的信号量设为A1，将光速(299792458m/s)设为c，则距离d由下式给出。

d＝c×Tp/2×A1/(A0+A1)

在TOF方式的测距相机中使用的固体摄像元件，将关于照射光的1周期进行的采样反复多次。

设测距范围为D，则D＝c×Tp/2。

另一方面，基本方式2中使用的TOF方式(脉冲TOF方式、测距方式)中，考虑背景光成分及暗电流成分，将从发光脉冲的脉冲宽度Tp的照射光的上升时刻开始的第1曝光期间设为T1，将从照射光的下降时刻开始的第2曝光期间设为T2，将在第1曝光期间T1中相机得到的信号量设为A0，将在第2曝光期间T2中相机得到的信号量设为A1，将光速(299792458m/s)设为c。并且，在信号中含有来自照射光以外的光源(例如太阳)的背景光成分及电荷蓄积部的暗电流成分的环境下，将使近红外光源关闭(OFF)了的第3曝光期间设为T3，将曝光期间T3设定为与脉冲宽度T_p相同的长度，将在第3曝光期间T3中得到的信号量作为A2而求出。并且，在计算距离d时，由于从A0、A1分别仅提取距离信息，所以将A2进行差分，能够设为d＝c×Tp/2×{(A1－A2)/(A0－A2+A1－A2)}。

此外，作为固体摄像装置100的像素结构，有通过多个读出栅极将由光电转换部产生的信号电荷向电荷蓄积部分配的方法。

作为电荷蓄积部，使用浮置扩散层(floating diffusion)、电荷耦合元件存储器(CCD存储器)。在使用多个读出栅极的构造的情况下，由于制造工序中的偏差及被聚光的光向特定的读出栅极侧偏倚等，在读出特性中产生差异。此外，有产生像素间的串扰而成为测距误差的原因的情况。

接着，图2是表示基本方式1的固体摄像装置100所具备的像素20的布局结构的概略平面图。

多个像素20以矩阵状配置在半导体基板的像素区域。各像素20具备光电转换部1、多个电荷蓄积部2(作为一例是第一电荷蓄积部2a、第二电荷蓄积部2b)、多个读出栅极6(作为一例是第一读出栅极6a、第二读出栅极6b)、输出控制栅极13、浮置扩散层14、复位栅极15、复位漏极16、读出电路17、多个曝光控制栅极8(作为一例是曝光控制栅极8a、曝光控制栅极8b)、多个溢出(overflow)漏极9(作为一例是溢出漏极9a、溢出漏极9b)、以及电荷保持部10。

光电转换部1将接收到的光转换为信号电荷。

读出栅极6从光电转换部1读出信号电荷。

电荷蓄积部2蓄积从读出栅极6读出的信号电荷。电荷蓄积部2由栅极绝缘膜下的用于传送信号电荷的传送通道(CCD通道)4、以及栅极绝缘膜上的传送电极5(作为一例是传送电极5a、传送电极5b、传送电极5c、传送电极5d、传送电极5e的某一个)构成。即，电荷蓄积部2如图2所示，包括传送通道4的一部分以及在半导体基板的平面视图中与传送通道4的一部分重叠的传送电极5的一部分。此外，如图2所示，传送通道4每1个像素是1条。

这里，将向传送电极5a、传送电极5b、传送电极5c、传送电极5d、传送电极5e施加的电压分别设为VG1、VG2、VG3、VG4、VG5。

第一电荷蓄积部2a和第二电荷蓄积部2b进行5相驱动。作为一例，第一电荷蓄积部2a和第二电荷蓄积部2b分别与第一读出栅极6a和第二读出栅极6b相邻，形成于在曝光时被施加成为High电压的VG1和VG3的传送电极5之下(这里是传送电极5a之下和传送电极5c之下)。

溢出漏极9从光电转换部1将信号电荷的至少一部分排出。

曝光控制栅极8控制向溢出漏极9的上述排出。

电荷保持部10，从多个电荷蓄积部2(这里是第一电荷蓄积部2a、第二电荷蓄积部2b)中的1个，接受该电荷蓄积部2中蓄积的信号电荷的传送并将其保持，将保持的信号电荷向多个电荷蓄积部2(这里是第一电荷蓄积部2a、第二电荷蓄积部2b)中的1个传送。电荷保持部10如图2所示，具备电荷保持栅极11和进行电荷保持部10的传送控制的传送控制栅极12。

浮置扩散层14从多个电荷蓄积部2(这里是第一电荷蓄积部2a、第二电荷蓄积部2b)中的1个，接受在该电荷蓄积部2中蓄积的信号电荷的传送并将其保持。

输出控制栅极13进行向浮置扩散层14的传送控制。

读出电路17将保持于浮置扩散层14的信号电荷转换为电压并读出到像素20的外部。例如，读出电路17包括栅极与浮置扩散层14连接的源极跟随晶体管和与源极跟随晶体管串联连接的选择晶体管。例如，通过由选择晶体管选择读出电路17，从而保持于浮置扩散层14的信号电荷被该读出电路17向AD转换部102读出。

这里，第一读出栅极6a和第二读出栅极6b相对于光电转换部1的将垂直方向(以矩阵状配置的多个像素20的列方向，即图2中的上下方向)分割的中心线而言上下对称地设置。并且，如图2所示，多个像素20通过第一读出栅极6a和第二读出栅极6b而在多个像素20的矩阵状配置中的行方向上以相同朝向(即，图2中的向左)从光电转换部1被读出信号电荷。

同样地，曝光控制栅极8a和曝光控制栅极8b也相对于光电转换部1的将垂直方向(以矩阵状配置的多个像素20的列方向，即图2中的上下方向)分割的中心线而言上下对称地设置。

第一读出栅极6a和第二读出栅极6b的上述上下对称的位置关系、以及曝光控制栅极8a和曝光控制栅极8b的上述上下对称的位置关系的目的在于，使利用读出栅极6和曝光控制栅极8的2组进行的读出的特性在设计上一致。

图3A、图3B是表示基本方式1的固体摄像装置的曝光时的动作的驱动时序图。

以下，参照图3A对曝光时的动作进行说明。

曝光控制栅极8a及8b分别被施加驱动脉冲ODG，第一读出栅极6a及第二读出栅极6b分别被施加驱动脉冲TG1、TG2。图3A中虽未示出，但传送电极5a～5e分别被施加驱动脉冲VG1～VG5。并且，在曝光时VG1和VG3被施加High电压，其他被施加Low电压。在施加了High电压的传送电极5下能够进行电荷蓄积。即，通过被施加了High电压的传送电极5(这里是传送电极5a、传送电极5c)和在其下重叠的传送通道4，形成电荷蓄积部2(这里是第一电荷蓄积部2a、第二电荷蓄积部2b)。此外，从光源部500，反复照射以一定周期反复开启关闭(ON/OFF)的近红外脉冲光。Tp是照射脉冲光的脉冲宽度。从对象物体反射了的近红外脉冲光，对应于距光源部500的距离而具有Td的迟延地到达摄像部101，在光电转换部1中被转换为信号电荷。

作为初始状态，ODG是High状态，光电转换部1处于复位状态。此外，第一读出栅极6a和第二读出栅极6b是Low状态，传送电极5a及传送电极5c保持为High状态的第一电荷蓄积部2a及第二电荷蓄积部2b与光电转换部1被电切断。该状态下由光电转换部1生成的信号电荷经由曝光控制栅极8被向溢出漏极9排出，不蓄积于光电转换部1。

接着，与照射脉冲光开启的时刻t1同步地，ODG成为Low状态，从光电转换部1向溢出漏极9的电荷排出停止。此时，第一读出栅极6a从Low状态转移为High状态，通过反射脉冲光的入射而生成的信号电荷的经由第一读出栅极6a向第一电荷蓄积部2a的传送开始，反射脉冲光的在先成分(A0)被保持于第一电荷蓄积部2a。

接着，第二读出栅极6b从Low状态转移为High状态，通过反射脉冲光的入射而生成的信号电荷的经由第二读出栅极6b向第二电荷蓄积部2b的传送开始，反射脉冲光的在后成分(A1)被保持于第二电荷蓄积部2b。

这样，第一读出栅极6a和第二读出栅极6b，在1帧期间的曝光期间，分别以第一相位差进行第一信号电荷(反射脉冲光的在先成分(A0))的读出和第二信号电荷(反射脉冲光的在后成分(A1))的读出。

另外，在上述的现有技术中，按每帧来切换TG1和TG2的脉冲定时，但在基本方式1中，通过在像素20内具有电荷保持部10，来将曝光时的测距信号A0、A1的位置进行切换，在切换后切换TG1和TG2的脉冲，从而能够在1帧内抑制由读出位置、电荷蓄积部2的位置引起的特性差。

以下，对该动作进行说明。

图4是表示基本方式1的固体摄像装置100的信号切换的动作的概略平面图。

图5是表示基本方式1的固体摄像装置100的信号切换动作的驱动定时。

在图4中，向各传送电极5施加VG1～VG5的驱动脉冲，将信号电荷向希望的场所传送。电荷保持栅极11被施加VS的驱动脉冲，传送控制栅极12被施加VB的驱动脉冲。为了使信号的位置明确，仅将各行的中央的像素20所生成的A0、A1信号的文字背景用点涂布。

这里，施加于传送电极5a～5e的驱动脉冲VG1～VG5、施加于电荷保持栅极11的驱动脉冲VS、施加于传送控制栅极12的驱动脉冲VB被从定时生成部103输出。

tt1是图3A所示的曝光完成了的定时(即t3)，在被施加成为了High电压的VG1、VG3的传送电极5下分别蓄积有A0、A1信号。之后，在图4中向上方通过5相驱动而传送电荷。

接着，在tt2，VG2、VG5成为High电压，在被施加VG2、VG5的传送电极5下蓄积信号电荷。接着，如图5所示，通过使VS为High电压并接着使VB为High电压，从而在被施加了VG5的传送电极5的电荷蓄积部2与电荷保持部10之间制作出电荷传送的路径后，向被施加VG5和VB的传送电极5和传送控制栅极12依次施加Low电压，将A0信号向电荷保持栅极11下传送(图4、图5中的tt3)。这样，定时生成部103输出使从多个电荷蓄积部2中的1个将该电荷蓄积部2中蓄积的信号电荷向电荷保持部10传送的第1信号。

接着，在tt3，通过5相驱动将位于电荷保持栅极11下的A0信号之下的A1信号向上部传送，并越过电荷保持栅极11而蓄积到被施加VG3的传送电极5下(tt4)。

然后，使VG5、VB再次为High电压，在电荷保持部10和被施加VG5的传送电极5的电荷蓄积部2之间制作出传送路径之后，按VS、VB的顺序施加Low电压，将A0信号向被施加了成为High电压的VG5的传送电极5下传送(tt5)。这样，定时生成部103输出使从电荷保持部10将所保持的信号电荷向多个电荷蓄积部2中的1个传送的第2信号。

接着，通过5相驱动向下方进行传送，得到A0和A1的纵向位置切换了的状态(tt6)。以下将该一系列动作称作切换动作。这样，定时生成部103通过输出包括第1信号和第2信号的多个信号，来切换通过第一读出栅极6a读出了第一信号电荷(A0)并通过第二读出栅极6b读出了第二信号电荷(A1)的情况下的、蓄积第一信号电荷(A0)的第一电荷蓄积部2a的位置和蓄积第二信号电荷(A1)的第二电荷蓄积部2b的位置。

在实施了该切换动作后，如图4所示那样，A1信号配置于被施加TG1的第一读出栅极6a旁边，A0信号配置于被施加TG2的第二读出栅极6b旁边，所以能够如图3B所示那样切换向TG1和TG2施加的脉冲定时，再次开始曝光。即，第一读出栅极6a和第二读出栅极6b，在曝光期间，在实施了上述切换动作后，能够以与第一相位差相差180度相位的第二相位差，来进行第一读出栅极6a的向第二电荷蓄积部2b的信号电荷的读出和第二读出栅极6b的向第一电荷蓄积部2a的电荷的读出。这里，将图3A中的施加于TG1的驱动脉冲与施加于TG2的驱动脉冲的相位关系以及图3B中的施加于TG1的驱动脉冲和施加于TG2的驱动脉冲的相位关系成为相反相位的定时这一情况称作相差180度相位。

在切换前的曝光中，

A0＝A0(TG1)

A1＝A1(TG2)

这里，(TG1)(TG2)的记载表示分别通过被施加TG1、TG2的第一读出栅极6a、第二读出栅极6b进行的读出。

另一方面，在切换后的曝光中，

A0＝A0(TG2)

A1＝A1(TG1)

如果将A0、A1彼此相加，则成为A0＝A0(TG1)+A0(TG2)

A1＝A1(TG1)+A1(TG2)

A0、A1都均等地包括通过被施加TG1、TG2的第一读出栅极6a、第二读出栅极6b读出的成分，此外关于电荷蓄积位置也被均等地划分，即使具备2个读出栅极6、电荷蓄积部2，也能够消除在1帧内的曝光期间中读出的场所以及电荷蓄积位置的差所带来的信号的差。

图6是表示基本方式1的固体摄像装置100的信号切换的动作的概略平面图。

在图4所示的切换动作后的曝光后，如果再次进行图6所示的切换动作则能够回到图4的初始状态(tt1)，优选的是，将图3A的曝光、图4的切换动作、图3B的曝光、图6的切换动作重复多次，降低时间轴上的信号的偏倚。

如以上详细说明那样，通过基本方式1，能够不使用多个帧地抑制读出栅极6和电荷蓄积部2的位置所带来的特性差，所以能够提供测距精度良好的测距用固体摄像元件。

(本发明的基本方式2)

关于成为本发明的基本的方式2(基本方式2)的固体摄像装置及其驱动方法，以与上述基本方式1的不同点为中心来说明。

图7是表示基本方式2的固体摄像装置所具备的像素20a的布局结构的概略平面图。基本方式2的固体摄像装置与上述的基本方式1相比不同点在于，配置有7个传送电极5。因此，相对于上述基本方式1，能够使电荷蓄积部2为3个。如图7所示，像素20a除了第一电荷蓄积部2a、第二电荷蓄积部2b以外还具备第三电荷蓄积部2c。

上述的基本方式1中的固体摄像装置100的电荷蓄积部2是2个。

相对于此，在基本方式2中，追加了1个用于独立地获得背景光以及电荷蓄积部2所产生的暗电流和寄生灵敏度成分这样的不含距离信息的信号的电荷蓄积部2，与上述基本方式1同样地抑制在1帧内经由2个读出栅极得到的测距信号(信号电荷)的特性差，并且将背景光成分(以下记作BG)以及电荷蓄积部2所产生的暗电流成分(以下记作DS)及寄生灵敏度成分(以下记作Sm)在距离计算时去除从而降低了测距误差。因此，如图7所示那样设置7个构成电荷耦合元件的电极(传送电极5a～5g)，设为7相驱动，从而将能够蓄积的信号电荷增加到3个。另外，8相驱动也没问题。

以下，对动作进行说明。

关于在曝光时进行了切换动作后、将施加于TG1和TG2的脉冲定时切换而抑制读出特性差，与上述的基本方式1相同，但多个电荷蓄积部2中的暗电流成分DS、寄生灵敏度Sm也按每个电荷蓄积部2而不同，因此将第一电荷蓄积部2a的暗电流成分和寄生灵敏度作为DS1、Sm1，将第二电荷蓄积部2b的暗电流成分和寄生灵敏度作为DS2、Sm2，将第三电荷蓄积部2c的暗电流成分和寄生灵敏度作为DS3、Sm3来分开考虑。

此外，关于电荷保持部10，也与电荷蓄积部2同样地产生暗电流、寄生灵敏度所带来的信号电荷，所以将它们设为DSX、SmX。在信号电荷的切换动作中，最初向电荷保持部10传送的信号电荷中混入上述暗电流DSX、寄生灵敏度SmX所带来的电荷，因此在有A0、A1、A2这3个信号的情况下，需要使最初向电荷保持部10传送的次数在上述3个信号间是均等的。

进而，在3个电荷蓄积部2中，也需要使A0、A1、A2停留在各个电荷蓄积部2中的时间相等。

图8A、图8B是表示基本方式2的固体摄像装置的曝光时的各信号的配置和动作的驱动时序图。图8A示出了曝光和切换动作序列，图8B示出了曝光定时。为了简单，传送电极5省略，仅记载了第一电荷蓄积部2a、第二电荷蓄积部2b、第三电荷蓄积部2c和各电荷蓄积部2a～2c中蓄积的信号。

基本方式2中，为了使读出特性差和电荷蓄积部2的暗电流差、寄生灵敏度差、以及在切换动作中混入到各信号中的电荷保持部10的暗电流和寄生灵敏度均等地分散于各信号，如图8A所示那样由曝光(1)～(6)、切换动作(1)～(6)构成曝光期间。曝光(1)～(6)中，曝光时间相同。为了进行2个信号的切换动作，需要将某一方的信号向电荷保持部10传送，但在切换动作(1)～(6)中，将哪个信号向电荷保持部10传送是不同的，所以这也记载于图8A中。

首先，在最初的曝光(1)中，A0、A1、A2成分由以下的式子表示。

A0＝A0(TG1)+DS1+Sm1

A1＝A1(TG2)+DS2+Sm2

A2＝DS3+Sm3

这里，(TG1)(TG2)的记载与上述的基本方式1相同，分别表示通过被施加TG1的第一读出栅极6a、被施加TG2的第二读出栅极6b进行的读出。

在切换动作(1)和曝光(2)之间，在切换动作(1)时，A0信号被向电荷保持部10传送，所以对A0加上电荷保持部10的暗电流DSX和寄生灵敏度SmX，

A0＝A0(TG2)+DS2+Sm2+DSX+SmX

A1＝A1(TG1)+DS1+Sm1

A2＝DS3+Sm3

在切换动作(2)与曝光(3)之间，在切换动作(2)时，A2信号被向电荷保持部10传送，所以对A2加上电荷保持部10的暗电流DSX和寄生灵敏度SmX，此外，在曝光(3)中不进行光源部500的发光，读出脉冲仅是TG2，将背景光成分(BG)读出，因此，

A0＝DS3+Sm3

A1＝DS1+Sm1

A2＝BG(TG2)+DS2+Sm2+DSX+SmX

在切换动作(3)与曝光(4)之间，在切换动作(3)时，A1信号被向电荷保持部10传送，所以对A1加上电荷保持部10的暗电流DSX和寄生灵敏度SmX，此外，在曝光(4)中不进行光源部500的发光，读出脉冲仅是TG1，将背景光成分(BG)读出，因此

A0＝DS3+Sm3

A1＝DS2+Sm2+DSX+SmX

A2＝BG(TG1)+DS1+Sm1

在切换动作(4)与曝光(5)之间，在切换动作(4)时，A0信号被向电荷保持部10传送，所以对A0加上电荷保持部10的暗电流DSX和寄生灵敏度SmX，此外，在曝光(5)中不进行光源部500的发光，读出脉冲不施加，因此

A0＝DS2+Sm2+DSX+SmX

A1＝DS3+Sm3

A2＝DS1+Sm1

在切换动作(5)与曝光(6)之间，在切换动作(5)时，A2信号被向电荷保持部10传送，所以对A2加上电荷保持部的暗电流DSX和寄生灵敏度SmX，此外，在曝光(6)中，不进行光源部500的发光，读出脉冲不施加，因此

A0＝DS1+Sm1

A1＝DS3+Sm3

A2＝DS2+Sm2+DSX+SmX

在切换动作(6)后，在切换动作(6)时，A1信号被向电荷保持部10传送，所以对A1加上电荷保持部的暗电流DSX和寄生灵敏度SmX，此外，由于不进行曝光，所以其他寄生灵敏度和暗电流几乎能够忽视而设为0，那么

A0＝0

A1＝DSX+SmX

A2＝0

蓄积为A0、A1、A2。

将以上按每个A0、A1、A2进行加法运算，那么

A0＝A0(TG1)+A0(TG2)

+2×DS1+2×Sm1+2×DS2+2×Sm2+2×DS3+2×Sm3

+2×DSX+2×SmX

A1＝A1(TG1)+A1(TG2)

+2×DS1+2×Sm1+2×DS2+2×Sm2+2×DS3+2×Sm3

+2×DSX+2×SmX

A2＝BG(TG1)+BG(TG2)

+2×DS1+2×Sm1+2×DS2+2×Sm2+2×DS3+2×Sm3

+2×DSX+2×SmX

A0、A1、A2各自中，将通过不同的2个读出栅极6读出的A0、A1、BG信号以相加后的状态而包含，所以读出特性的差被消除。

此外，DS1、Sm1、DS2、Sm2、DS3、Sm3、DSX、SmX这样的关于3个电荷蓄积部2和电荷保持部10的暗电流和寄生灵敏度也均等地包含于A0、A1、A2，因此A0－A2、A1－A2的差分后的值中不包含这些与距离信息没有关系的信号。此外，各曝光时间相等地设定，因此A0(TG1)+A0(TG2)、A1(TG1)+A1(TG2)中包含的背景光成分与BG(TG1)+BG(TG2)相等，差分后仅得到距离信息，能够抑制测距误差。

为了降低电荷保持部10的暗电流，优选的是，向形成电荷保持部10的电荷保持栅极11和传送控制栅极12，除了通过切换动作将信号电荷传送、蓄积的情况以外，以使传送通道的界面钉扎(pinning)的方式施加负电压而降低暗电流。即，优选的是，电荷保持部10包括电荷保持通道(未图示)的至少一部分、以及在半导体基板的平面视中与电荷保持通道的至少一部分重叠的电荷保持栅极11的至少一部分而构成，电荷保持栅极11，在除了电荷保持部10保持信号电荷的期间以外的期间的至少一部分期间，以使电荷保持通道与电荷保持栅极11之间的界面被钉扎的方式被施加负电压。

此外，为了降低寄生灵敏度，优选的是，以将电荷保持栅极11和传送控制栅极12周边的一部分或全部覆盖的方式隔着绝缘膜设置遮光膜。即，优选的是，电荷保持部10的至少一部分被遮光膜覆盖。在MOS工艺中布线设置于距栅极电极较高的位置，所以通过在与布线不同的较低位置利用W(钨)等进行遮光从而能够降低寄生灵敏度。

进而，在图7中，在1个像素内设有电荷保持部10，但通过使电荷保持部10由多个像素共有，从而与不共有的情况相比，能够使切换动作时混入到信号电荷中的寄生灵敏度和暗电流成为“1/共有像素数”，因此能够抑制A0－A2、A1－A2的差分时产生的散粒噪声(shotnoise)增加，降低测距偏差。

另外，图8A、图8B仅处理了曝光期间，但在1帧期间中的上述曝光期间之后的信号读出期间中各信号也蓄积于不同的电荷蓄积部，所以在该期间中也产生暗电流差、寄生灵敏度差。

与曝光期间中的情况同样地，通过将切换动作(1)～(6)在信号读出期间中也进行，能够使该期间中的不同的电荷蓄积部中产生的暗电流、寄生灵敏度差也相等。

该情况下，由于仅仅是将信号读出，所以不需要图8B的TG1、TG2所示的读出脉冲，TG1和TG2始终为Low状态，此外ODG始终为High状态即可。

如以上详细说明的那样，通过基本方式2，不使用多个帧，能够抑制读出栅极6的位置带来的特性差，并且将背景光、暗电流、寄生灵敏度的各信号间差进行抑制而进行减法运算，因此能够提供测距精度良好的测距用固体摄像元件。

(本发明的基本方式3)

图9是表示成为本发明的基本的方式3(基本方式3)的固体摄像装置所具备的像素20b的布局结构的概略平面图。如图9所示，像素20b具备电荷保持部复位栅极18和电荷保持部复位漏极19。基本方式3的固体摄像装置与上述的基本方式2相比不同点在于，追加了电荷保持部复位栅极18和电荷保持部复位漏极19，因此其他说明已经说明而省略，以电荷保持部复位栅极18和电荷保持部复位漏极19为中心进行说明。

上述的基本方式1、上述的基本方式2都优选的是，电荷保持部10的处理电荷量为了避免溢出而设定得比电荷蓄积部2的处理电荷量大，但在电荷保持部10的寄生灵敏度(SmX)、暗电流(DSX)变大等情况下，优选的是，与电荷保持部10相邻地追加对电荷保持部10的电荷蓄积和向漏极的排出进行控制的电荷保持部复位栅极18与电荷保持部复位漏极19、即从电荷保持部10将信号电荷的至少一部分排出的电荷保持部复位漏极19和控制向电荷保持部复位漏极19的上述排出的电荷保持部复位栅极18，抑制电荷保持部10的溢出。

此外，在切换动作前，使电荷保持部复位栅极18成为ON(接通)，由此，将在曝光期间中、信号读出期间中蓄积的DSX、SmX成分向电荷保持部复位漏极19排出，从而能够降低在切换动作时DSX、SmX成分混入到被传送至电荷保持部10的A0、A1、BG等信号中，因此能够抑制在减法运算处理时产生的散粒噪声的增加，能够降低测距偏差。

进而，如果使向传送控制栅极12施加了Low电压时的通道电位比向传送通道4上的传送电极5施加了Low电压时的通道电位以一定量较深，使电荷保持部10和电荷保持部复位栅极18为High电压，则还能够降低由电荷耦合元件构成的电荷蓄积部2的溢出。

如以上详细说明那样，除了上述的基本方式2的效果以外，还能够抑制电荷保持部10的暗电流和寄生灵敏度混入到距离运算所需要的信号中，因此能够提供测距精度更好的测距用固体摄像元件。

(实施方式1)

图10A、图10B、图10C是表示本发明的实施方式1的固体摄像装置所具备的像素20c的布局结构的概略平面图。

如图10A所示，本实施方式的固体摄像装置与上述的基本方式2相比不同点在于，每1个像素的传送通道4(CCD通道)为多条(作为一例是2条，这里是传送通道4a、传送通道4b)，输出控制栅极13、浮置扩散层14、复位栅极15、复位漏极16、电荷保持部10、读出电路17在纵向上被2个像素共有，每1个像素具备第一电荷蓄积部2a、第二电荷蓄积部2b、第三电荷蓄积部2c、第四电荷蓄积部2d这4个电荷蓄积部2。但是，各构成要素是同样的所以已经说明而将说明省略。

另外，如图10B、图10C所示，为了将传送通道4a和传送通道4b分离，将杂质以高浓度注入而形成通道阻挡(channel stop)区域21，或者利用STI分离。在前者的构造中，在向传送电极5施加了High电压的情况下可以考虑图10B所示的矩形形状的传送电极5。但是，根据矩形形状的传送电极5，在半导体基板的平面视中与通道阻挡区域21重叠的部分较多，有容易产生由高电场引起的暗电流的情况。

因此，优选的是，减小通道阻挡区域21与传送电极5的重叠。例如，优选采用与传送通道4上的传送电极长相比使通道阻挡区域21上的电极长较短地进行布局等。作为实现该布局的一例，可以采用图10C所示的具有所谓哑铃形状的传送电极5。

上述的基本方式2中的固体摄像装置能够处理3个信号，其中的1个是用于从距离信号A0、A1中将背景光(BG)、暗电流(DS)、寄生灵敏度(Sm)减去的信号。

相对于此，在本实施方式中，将传送通道4设置多条(作为一例是2条)，进行5相驱动，从而得到每1个像素能够处理4个测距用信号的结构。因此能够保持较窄的脉冲宽度而使测距范围延长3倍。进而，电荷保持部10的寄生灵敏度、暗电流成分在上述的基本方式2中向3个信号分开来混入，而在本实施方式中向4个信号分开来混入，因此有能够减小影响的优点。

以下，对其动作进行说明。

图11A、图11B是表示实施方式1的固体摄像装置的曝光时的动作的驱动时序图。作为曝光定时，有定时不同的2种，以下，设图11A所示的曝光定时为第1序列，设图11B所示的曝光定时为第2序列。通过第1序列取得A0、A2信号，通过第2序列取得A1、A3信号。详情后述。

图12是表示实施方式1的固体摄像装置的曝光时的信号的动作的概略平面图。为了蓄积4个信号，在实施了第1序列后，将1像素量的A0和A2信号向图12中的下方传送。然后实施第2序列，将A1和A3信号经由读出栅极6a、6b蓄积。在不进行切换动作的情况下，在实施了第2序列后，向上方传送1像素量，再次实施第1序列。将这些反复多次，以避免在A0和A2、A1和A3的曝光期间中产生极端的时间差。

接着，参照图11A、图11B说明曝光动作的详细内容。

作为初始状态，施加于曝光控制栅极8a及8b的驱动脉冲信号ODG是High状态，由光电转换部1生成的信号电荷分别经由曝光控制栅极8a及8b向溢出漏极9a及9b排出，不蓄积于光电转换部1。驱动脉冲信号TG1、TG2是Low状态，此外，虽然图11中未图示，但施加于与读出栅极6a、6b相邻的传送电极5的驱动脉冲信号VG1、VG4是High状态，形成电荷蓄积部2。这些电荷蓄积部2与光电转换部1被电切断。

在第1序列中，与照射脉冲光开启(ON)的时刻t1同步地，驱动脉冲信号ODG成为Low状态，从光电转换部1向溢出漏极9的电荷排出停止。此时，驱动脉冲信号TG1相对于驱动脉冲信号ODG而言，在先(Tp/2)而从Low状态向High状态转移，由光的入射生成的信号电荷的、经由被施加TG1的读出栅极6a而向电荷蓄积部2的传送开始。

接着，在时刻t2，驱动脉冲信号ODG再次成为High状态，由光电转换部1生成的信号电荷向溢出漏极9排出。通过该一系列动作，图11所示的A0信号被保持于电荷蓄积部2。接着，在时刻t3，驱动脉冲信号ODG成为Low状态，从光电转换部1向溢出漏极9的电荷排出停止。此时，驱动脉冲信号TG2相对于驱动脉冲信号ODG而言，在先(Tp/2)而从Low状态向High状态转移，由光的入射生成的信号电荷的、经由被施加TG2的读出栅极6b而向电荷蓄积部2的传送开始。接着，在时刻t4，驱动脉冲信号ODG成为High状态，由光电转换部1生成的信号电荷向溢出漏极9排出。通过该动作，图11所示的A2信号被保持于电荷蓄积部2。

在第2序列中，在时刻t2，驱动脉冲信号ODG成为Low状态，从光电转换部1向溢出漏极9的电荷排出停止。此时，驱动脉冲信号TG1相对于驱动脉冲信号ODG而言，在先(Tp/2)而从Low状态向High状态转移，由光的入射生成的信号电荷的、经由被施加TG1的读出栅极6a而向电荷蓄积部2的传送开始。接着，在时刻t3，驱动脉冲信号ODG成为High状态，由光电转换部1生成的信号电荷向溢出漏极9排出。通过该动作，图11所示的A1信号被保持于电荷蓄积部2。接着，在时刻t4，驱动脉冲信号ODG成为Low状态，从光电转换部1向溢出漏极9的电荷排出停止。此时，驱动脉冲信号TG2相对于驱动脉冲信号ODG而言，在先(Tp/2)而从Low状态向High状态转移，由光的入射生成的信号电荷的、经由被施加TG2的读出栅极6b而向电荷蓄积部2的传送开始。接着，在时刻t5，驱动脉冲信号ODG成为High状态，由光电转换部1生成的信号电荷向溢出漏极9排出。通过该动作，图11所示的A3信号被保持于电荷蓄积部2。

通过以上的动作，在图10A所示的第一电荷蓄积部2a～第四电荷蓄积部2d蓄积A0、A1、A2、A3信号。

图13A～图13C是表示实施方式1的固体摄像装置的测距信号输出与测距范围的对应的时序图。图13A中是测距范围1，图13B中是测距范围2，图13C中是测距范围3，但分别由反射脉冲光的迟延时间Td来分类，将Td为0～Tp的情况设为测距范围1，将Td为Tp～2Tp的情况设为测距范围2，将Td为2Tp～3Tp的情况设为测距范围3。此外，时刻t1～t5全部以相同的时间间隔排列，该时间间隔与照射脉冲宽度Tp相等。此外，图13D是表示各测距范围与在各电荷蓄积部2中蓄积的A0、A1、A2、A3信号的对应关系的对应表。

首先，对图13A的测距范围1的情况进行说明。

包含背景光的反射脉冲光的在先成分A0在第1序列中以TG1的High电压而被读出，以TG2的High电压而被读出的是背景光成分BG。另一方面，包含背景光的反射脉冲光的在后成分A1在第2序列中以TG1的High电压而被读出，以TG2的High电压读出的是背景光成分BG。

根据这些信号求出反射脉冲光的迟延量Td＝Tp×((A1－BG)/(A0+A1－2×BG))，计算到对象物的距离。

在测距范围1中是A0＞A2、A1＞A3，距离d通过下述的式1计算。另外，该情况下，背景光的曝光量即BG优选的是，对于分子部分A3、分母部分A0使用A2，对于A1使用A3。虽然后述，但在本实施方式中是为了合并A0和A2、A1和A3间的暗电流、寄生灵敏度。

【数1】

由于反射脉冲光的迟延量不同，所以各个具有距离信息的信号和仅背景光的信号定位到A0～A4的哪处如图13D的表所示那样。无论哪种情况下，都能够通过选择适当的信号而计算到对象物的距离，能够不有损距离精度地使测距范围从以往例的c×T0/2延长到3倍的3c×T0/2。

在测距范围2中，A2＞A0，A1＞A3，距离d通过下述的式2计算。另外，该情况下，背景光的曝光量即BG优选的是，对于分子部分A0、分母部分A1使用A3，对于A2使用A0。理由如在测距范围1的说明中叙述的那样。

【数2】

测距范围3中，A2＞A0，A3＞A1，距离d通过下述的式3计算。另外，该情况下，背景光的曝光量即BG优选的是，对于分子部分A1、分母部分A2使用A0，对于A3使用A1。理由如在测距范围1的说明中叙述的那样。

【数3】

接着，对于信号切换动作，参照图14A～图14D、图15、图16A、图16B来说明。

图14A～图14D是表示实施方式1的固体摄像装置的信号切换前后的曝光时的动作的驱动时序图。还示出了信号切换前后的A0、A1、A2、A3在像素中的蓄积场所与被施加TG1、TG2的读出栅极6的位置关系。

图16A、图16B是表示实施方式1的固体摄像装置的信号切换的动作的时序图。

图15、图16A、图16B中，为了简单，示出了A0信号和A2信号、A0’信号和A2’信号的信号切换动作。

图15、图16A、图16B中，将从初始到进行A0和A2信号的切换为止的动作设为驱动A，将从切换结束到信号返回到初始的曝光位置为止的动作设为驱动B。驱动B是通常的5相驱动。

图10A、图15中，实施方式1的固体摄像装置中，作为被施加VG4的传送电极5d，为了切换动作时的驱动的控制，具备被施加VG4A和VG4B的2种传送电极5d(这里是传送电极5dA、传送电极5dB)。并且，这对于被施加VG5的传送电极5e也同样，实施方式1的固体摄像装置中，具备被施加VG5A和VG5B的2种传送电极5e(这里是传送电极5eA、传送电极5eB)。V5B被施加于与传送控制栅极12相邻的传送电极5eB，V4B被施加于位于被施加V5B的传送电极5eB上侧的传送电极5dB。

图15中，各传送电极5被施加VG1、VG2、VG3、VG4A、VG4B、VG5A、VG5B的驱动脉冲，将信号电荷向希望的场所传送。应考虑的信号是A0、A1、A2、A3这4个信号，将从图15中的最下方的读出栅极6a、6b读出的信号设为A0、A1、A2、A3，将从其2像素上的读出栅极6a、6b读出的信号设为A0’、A1’、A2’、A3’。为了简单，其他相邻像素的信号省略。首先对驱动A的动作进行说明。tt1是图14A、图14B所示的曝光完成了的状态，在被施加作为High电压的VG1、VG4A、VG4B的传送电极5下蓄积了8个信号，A0信号位于被施加TG1的读出栅极6a旁边，A2信号位于被施加TG2的读出栅极6b旁边。然后，在图15中，向上方通过5相驱动来传送信号电荷，在tt2，VG3、VG5A、VG5B成为High电压，在被施加VG3、VG5A、VG5B的传送电极5下蓄积信号电荷。接着，如图16A所示，使被施加VS的电荷保持栅极11为High电压，接着使被施加VB的传送控制栅极12为High电压，在被施加了VG5B的High电压的传送电极5的电荷蓄积部2与电荷保持部10之间制作出电荷传送的路径后，向被施加VG5B和VB的传送电极5与传送控制栅极12依次施加Low电压，将A2信号向电荷保持栅极11下传送(图15、图16A中的tt3)。

接着，在tt3，将位于电荷保持栅极11下的A2信号之下的A0信号向上部传送，越过电荷保持栅极11而蓄积于被施加VG3的传送电极5下(tt4)。

然后，使VG5B、VB再次为High电压，在电荷保持部10与被施加了VG5B的传送电极5的电荷蓄积部2之间制作出传送路径后，以VS、VB的顺序施加Low电压，将A2信号向被施加了VG5B的High电压的传送电极5下传送(tt5)。

接着，通过驱动B所示的5相驱动向下方进行传送，得到A0和A2的纵向位置切换了的状态(tt6)。

在实施了该切换动作后，如图15所示那样在被施加TG2的读出栅极6b旁边配置A0信号，在被施加TG1的读出栅极6a旁边配置A2信号，因此能够如图14C的A0－A2信号切换后的第1序列所示那样切换向TG1和TG2施加的脉冲定时，再次使曝光开始。

图17是表示实施方式1的固体摄像装置的曝光时的各信号的配置和动作的平面图。为了简单，传送电极5省略，记载了第一电荷蓄积部2a、第二电荷蓄积部2b、第三电荷蓄积部2c、第四电荷蓄积部2d和在各电荷蓄积部2中蓄积的信号电荷。

本实施方式中，为了使读出特性差与电荷蓄积部2的暗电流差、寄生灵敏度差、以及通过切换动作向各信号混入的电荷保持部10的暗电流与寄生灵敏度均等地向各信号分散，如图17所示那样由曝光(1)～(8)、切换动作(1)～(4)构成曝光期间。曝光(1)～(8)中曝光时间相同。为了进行2个信号的切换动作，需要将某一个向电荷保持部10传送，而在切换动作(1)～(4)中，还记载了将哪个信号向电荷保持部10传送。

如图12所示，通过第1序列向被施加TG1的读出栅极6a施加读出脉冲而蓄积A0，向被施加TG2的读出栅极6b施加读出脉冲而蓄积A2信号。与上述的基本方式2同样地，将通过TG1读出的A0设为A0(TG1)，将通过TG2读出的A2设为A2(TG2)。然后，以1像素量向下进行电荷传送，向TG1施加读出脉冲而蓄积A1(TG1)，向TG2施加读出脉冲而得到A3(TG2)。然后，以1像素量向上进行电荷传送，返回到原来的曝光位置。如图17所示那样向存在被曝光的信号的像素的上下进行1像素量传送，所以虽然信号是4个，但应考虑的电荷蓄积部2是6处，将被施加TG2、TG1的读出栅极6b、6a旁边的电荷蓄积部2的暗电流分别设为DS1、DS2，将漏入以及寄生灵敏度设为Sm1、Sm2，将在进行曝光的像素的上部存在的像素中的电荷蓄积部2的暗电流从上起设为DSU1、DSU2，将寄生灵敏度设为SmU1、SmU2，将下侧的像素的电荷蓄积部2的暗电流设为DSD1、DSD2，将寄生灵敏度设为SmD1、SmD2，与上述的基本方式2同样地将电荷保持部10的暗电流设为DX，将寄生灵敏度设为SmX。

首先，在最初的曝光(1)中，A0、A1、A2、A3信号通过以下式子表示。

A0＝A0(TG1)+DS2+Sm2

A2＝A2(TG2)+DS1+Sm1

A1＝DSU2+SmU2

A3＝DSU1+SmU1

在曝光(2)中，同样地

A0＝DSD2+SmD2

A2＝DSD1+SmD1

A1＝A1(TG1)+DS2+Sm2

A3＝A3(TG2)+DS1+Sm1

在切换动作(1)后的曝光(3)中，由于在切换动作(1)时A2信号被向电荷保持部10传送，所以对A2加上电荷保持部10的暗电流DSX和寄生灵敏度SmX，

A0＝A0(TG2)+DS1+Sm1

A2＝A2(TG1)+DS2+Sm2+DSX+SmX

A1＝DSU2+SmU2

A3＝DSU1+SmU1

在曝光(4)中，

A0＝DSD1+SmD1

A2＝DSD2+SmD2

A1＝A1(TG1)+DS2+Sm2

A3＝A3(TG2)+DS1+Sm1

在切换动作(2)后的曝光(5)中，由于在切换动作(2)时A3信号被向电荷保持部10传送，所以对A3加上电荷保持部10的暗电流DSX和寄生灵敏度SmX，

A0＝A0(TG2)+DS1+Sm1

A2＝A2(TG1)+DS2+Sm2

A1＝DSU1+SmU1

A3＝DSU2+SmU2+DSX+SmX

在曝光(6)中，

A0＝DSD1+SmD1

A2＝DSD2+SmD2

A1＝A1(TG2)+DS1+Sm1

A3＝A3(TG1)+DS2+Sm2

在切换动作(3)后的曝光(7)中，由于在切换动作(3)时A0信号被向电荷保持部10传送，所以对A0加上电荷保持部10的暗电流DSX和寄生灵敏度SmX，

A0＝A0(TG1)+DS2+Sm2+DSX+SmX

A2＝A2(TG2)+DS1+Sm1

A1＝DSU1+SmU1

A3＝DSU2+SmU2

在曝光(8)中，

A0＝DSD2+SmD2

A2＝DSD1+SmD1

A1＝A1(TG2)+DS1+Sm1

A3＝A3(TG1)+DS2+Sm2

在切换动作(4)后，A1信号被向电荷保持部10传送，所以对A1加上电荷保持部10的暗电流DSX和寄生灵敏度SmX，然后，由于没有曝光，所以其他寄生灵敏度和暗电流几乎能够忽视而设为0，那么

A0＝0

A2＝0

A1＝DSX+SmX

A3＝0

将以上按A0、A1、A2、A3的每个进行加法运算，那么

A0＝2×A0(TG1)+2×A0(TG2)

+2×DS1+2×Sm1+2×DS2+2×Sm2

+2×DSD1+2×SmD1+2×DSD2+2×SmD2

+DSX+SmX

A2＝2×A2(TG1)+2×A2(TG2)

+2×DS1+2×Sm1+2×DS2+2×Sm2

+2×DSD1+2×SmD1+2×DSD2+2×SmD2

+DSX+SmX

A1＝2×A1(TG1)+2×A1(TG2)

+2×DS1+2×Sm1+2×DS2+2×Sm2

+2×DSU1+2×SmU1+2×DSU2+2×SmU2

+DSX+SmX

A3＝2×A3(TG1)+2×A3(TG2)

+2×DS1+2×Sm1+2×DS2+2×Sm2

+2×DSU1+2×SmU1+2×DSU2+2×SmU2

+DSX+SmX

可知，在A0、A2成分的各个中用2个不同的读出栅极6将A0或A2读出并将其进行加法运算从而消除读出特性差。此外，关于暗电流、寄生灵敏度，分别均等地包含于A0、A2。A1和A3也同样。在本实施方式的曝光方式中，如图13D所示，A0和A2的一方从光电转换部1仅将不含距离信息的背景光成分读出，A1和A3也同样，所以在各范围中，如果计算A0－A2(或A2－A0)、A1―A3(或A3－A1)，则能够将背景光成分进行减法运算，能够消除不同的电荷蓄积部2的暗电流、寄生灵敏度差。由此，能够消除差分后的误差，能够降低测距误差。

在本实施方式中，也如在上述的基本方式2中叙述的那样，在信号读出期间中各信号也蓄积于电荷蓄积部2，因此在该期间中也产生暗电流差、寄生灵敏度差。因此在信号读出期间中也需要在电荷蓄积部2间进行信号电荷的切换动作。

图18是表示实施方式1的固体摄像装置的信号读出时的各信号的配置和动作的平面图。与图17同样地，为了简单，传送电极5省略，仅记载了第一电荷蓄积部2a、第二电荷蓄积部2b、第三电荷蓄积部2c、第四电荷蓄积部2d与在各电荷蓄积部2中蓄积的信号。

通过在信号读出期间中也进行切换动作(1)～(4)，能够使在该期间中由不同的电荷蓄积部2产生的暗电流差、寄生灵敏度差也在A0和A2、A1和A3间分别相等。在信号读出期间中，优选将切换动作(1)～(4)进行至少4次。

另外，图10A中虽未图示，但可以与上述的基本方式3同样地在电荷保持部10附近设置电荷保持部复位栅极18、电荷保持部复位漏极19。

另外，在实施方式1中，作为实施方式1的固体摄像装置，例示了从光电转换部1读出信号电荷的读出栅极6是多个的结构，但不必须限定于读出栅极6是多个的结构的例子。作为一例，作为实施方式1的固体摄像装置，也可以是从光电转换部1读出信号电荷的读出栅极是1个的结构的例子。

如以上详细说明的那样，通过本实施方式，与上述的基本方式2相比，测距范围大，并且，能够降低电荷保持部10的寄生灵敏度、暗电流的影响，因此能够提供测距精度也良好的测距用固体摄像元件。

(实施方式2)

关于本发明的实施方式2的固体摄像装置，利用附图，以与上述基本方式以及实施方式的不同点为中心进行说明。

图19是表示本发明的实施方式2的固体摄像装置所具备的像素20d、20e的布局结构的概略平面图。

本实施方式的固体摄像装置，与实施方式1相比不同点在于，输出控制栅极13、浮置扩散层14、复位栅极15、复位漏极16、读出电路17、电荷保持部10在纵向上由4像素共有。但是，各构成要素是同样的所以已经说明而将说明省略。

与实施方式1相比，在本实施方式中，共有纵向4像素的输出部(输出控制栅极13、浮置扩散层14、复位栅极15、复位漏极16、读出电路17)和电荷保持部10，因此成为在以矩阵状配置的多个像素20的列方向即图19中的上下方向上相邻的光电转换部1间的分离区域中配置电荷保持部10或输出部的某1个的布局，从而能够比较容易地实现电荷保持部10的面积扩大以及电荷保持部10的布局，具有能够增加电荷保持部10的处理电荷量的优点。进而，虽然后述，但电荷保持部10的寄生灵敏度、暗电流向8个信号分开而混入，所以能够降低由电荷保持部10产生的寄生灵敏度、暗电流的影响。

这样，实施方式2的固体摄像装置具备具有电荷保持部10的第1像素20d、和具有包括浮置扩散层14和读出电路17的输出部的第2像素20e这2种像素20。并且，第1像素20e，与多个像素20的矩阵状配置中的列方向上排列的第2像素20d中的至少1个共用浮置扩散层14，第2像素20d，与上述列方向上排列的第1像素20e中的至少1个共用电荷保持部10。

以下，对实施方式2的固体摄像装置的动作进行说明。

曝光时的动作与实施方式1同样，如图11、图12所示那样，将第1序列反复多次得到A0、A2信号后，将信号电荷以1像素量进行传送，通过第2序列得到A1、A3信号。

图20、图21是表示实施方式2的固体摄像装置的曝光时的各信号的配置和动作的平面图。为了简单，传送电极5省略，记载了第一电荷蓄积部2a、第二电荷蓄积部2b、第三电荷蓄积部2c、第四电荷蓄积部2d和在各电荷蓄积部2中蓄积的信号。

在本实施方式中，为了将读出特性差和电荷蓄积部2的暗电流差、寄生灵敏度差、以及通过切换动作向各信号混入的电荷保持部10的暗电流和寄生灵敏度均等地向各信号分散，如图20、图21所示，由曝光(1)～(16)、切换动作(1)～(8)构成曝光期间。在曝光(1)～(16)中曝光时间相同。为了进行2个信号的切换动作，需要将某一个向电荷保持部10传送，而在切换动作(1)～(8)中，还记载了将哪个信号向电荷保持部10传送。

以下，参照图20和图21说明动作的详细内容。

在本实施方式中，由纵向4像素共有电荷保持部10和输出部，所以需要关于8个信号进行考虑。如图20、图21所示，从具有读出栅极6的下部的像素20朝向上部将通过曝光(1)得到的信号设为A0、A2、A1、A3、A0’、A2’、A1’、A3’。在本实施方式中，由4像素共有1个电荷保持部10，所以不同于实施方式1，曝光时的切换动作如例如图20的切换动作(1)所记载的那样，在进行了A0和A2信号的切换动作之后需要进行其他像素的A0’、A2’信号的切换动作。将其设为1组，在切换动作时最初向电荷保持部10传送的信号需要各信号实施同一次数，因此如图20、图21所示，切换动作优选进行(1)～(8)的最低8组。详细内容省略，但与实施方式1同样地，A0和A2、A1和A3、A0’和A2’、A1’和A3’中，各信号均等地包含通过2个不同的读出栅极6读出的成分，它们被进行加法运算，因此读出特性差被消除。此外，关于暗电流、寄生灵敏度，在A0和A2、A1和A3、A0’和A2’、A1’和A3’间也分别均等地包含。本实施方式的曝光方式中，如图13D所示，A0和A2的一方仅将不含距离信息的背景光成分从光电转换部1读出，A1和A3、A0’和A2’、A1和A3’也同样，因此在各测距范围中，如果计算A0－A2(或A2－A0)、A1―A3(或A3－A1)、A0’－A2’(或A2’－A0’)、A1’―A3’(或A3’－A1’)，则能够将背景光成分进行减法运算，能够消除不同的电荷蓄积部2的暗电流、寄生灵敏度差。由此，能够消除差分后的误差，能够降低测距误差。

图22A、图22B是表示实施方式2的固体摄像装置的曝光时的A0和A2信号的切换动作的时序图。

图22A、图22B、图23所示的动作相当于图20中的切换动作(1)的A0和A2信号的切换动作。将从初始到进行A0和A2信号的切换为止的动作设为驱动A，将从切换结束到信号返回初始的曝光位置为止的动作设为驱动B。驱动B是通常的5相驱动。

图22A、图22B、图23中，各传送电极5被施加VG1、VG2、VG3、VG4A、VG4B、VG5A、VG5B、VG5C的驱动脉冲，将信号电荷向希望的场所传送。虽然以5相驱动为基本，但实施方式2的固体摄像装置与实施方式1的固体摄像装置同样地，为了切换动作时的驱动的控制，具备被施加VG4A和VG4B的2种传送电极5d(这里是传送电极5dA、传送电极5dB)，并具备被施加VG5A、VG5B的2种传送电极5e(这里是传送电极5eA、传送电极5eB)。除此之外，由于需要使与输出控制栅极13相邻的传送电极5独立，所以具备被施加VG5C的传送电极5e(这里是传送电极5eC)。

VG5C仅在将信号电荷向输出控制栅极13传送的情况下被施加与VG5A、VG5B不同的定时，所以在切换动作及利用通常的5相驱动的上下传送中成为与VG5A相同的定时。

如图23所示，该情况的动作中，将A2信号向电荷保持部10传送，并暂时保持，在A0信号被向电荷保持部10的上部传送之后，向被施加VG5B的传送电极5下返回从而实现了A0和A2信号的切换动作(驱动A)。然后，通过通常的5相驱动，直到进行曝光的像素为止进行传送(驱动B)。图23的信号的配置与图22A、图22B的时序图中的时间轴上的对应用tt1～tt7表示。

其他信号的切换动作也能够通过上下的传送和向电荷保持部10的信号电荷的出入而同样地实施。

另外，在本实施方式中，在信号读出期间中各信号也蓄积于不同的电荷蓄积部2，因此在该期间中也产生暗电流差、寄生灵敏度差。因此，在信号读出期间也需要在电荷蓄积部2间进行信号电荷的切换动作。

图24是表示实施方式2的固体摄像装置的信号读出时的各信号的配置和动作的平面图。与图20、图21同样地，传送电极5省略，仅记载了第一电荷蓄积部2a、第二电荷蓄积部2b、第三电荷蓄积部2c、第四电荷蓄积部2d和各电荷蓄积部2中蓄积的信号。切换动作实施(1)～(8)的8次。电荷保持部10中保持的信号虽然混入电荷保持部10的暗电流和寄生灵敏度，但A0～A3、A0’～A3’的8个信号被电荷保持部10保持各1次合计8次而实施切换动作，所以电荷保持部10的暗电流和寄生灵敏度被8分割而均等地向各信号混入。通过在信号读出期间中也进行切换动作(1)～(8)，能够使该期间中的不同的电荷蓄积部2间的暗电流差、寄生灵敏度差也在A0和A2、A1和A3、A0’和A2’、A1’和A3’间分别相等。

另外，图19中虽未图示，但可以与上述的基本方式3同样地在电荷保持部10附近设置电荷保持部复位栅极18、电荷保持部复位漏极19。与实施方式1相比，通过增加在以矩阵状配置的多个像素20的列方向即图19中的纵向上共有的像素20，从而电荷保持部10的配置区域中能够有裕度，从而容易地配置电荷保持部复位栅极18和电荷保持部复位漏极19。

如以上详细说明的那样，通过本实施方式，与实施方式1相比，能够降低电荷保持部的寄生灵敏度、暗电流的影响，电荷保持部10的处理电荷量也较大，因此能够提供测距精度也良好的测距用固体摄像元件。

(实施方式3)

关于本发明的实施方式3的固体摄像装置，利用附图以与实施方式的不同点为中心来说明。

图25A～图25D与图26A～图26D是表示实施方式3的固体摄像装置的曝光时的动作的驱动时序图。图25A～图25D和图26A～图26D中TG脉冲宽度不同(换言之，TG脉冲的脉冲宽度大于照射光的脉冲宽度Tp)但取得的信号是同样的。

关于实施方式3的固体摄像装置所具备的像素的布局结构，实施方式1和实施方式2均能够适用，所以省略说明。此外，关于信号切换的动作，基本思考方法也是相同的所以省略说明。

与实施方式1、实施方式2相比，本实施方式中，使用相同的像素布局结构，但曝光时的动作定时不同。具体而言，使用A0、A1、A2、A3这4个信号这一点与实施方式1及实施方式2相同，但光源的发光次数是1/2，从光电转换部1获得包含距离信息的信号的仅是A0和A1，A2、A3获得背景光成分。

以下，说明实施方式3的固体摄像装置的动作。

如图25A～图25D、图26A～图26D所示，在第1序列(参照图25A、图26A)中，通过TG1、TG2的施加脉冲取得包含距离信息的A0、A1信号，在第2序列(参照图25C、图26C)中，取得不含距离信息的背景光成分即A2、A3信号。关于将信号切换后的曝光定时，在第1序列中，A0－A1信号切换后适用第1序列(参照图25B、图26B)，在第2序列中，A2－A3信号切换后适用第2序列(参照图25D、图26D)。由此，与实施方式1及实施方式2同样地，能够消除读出特性差、电荷蓄积部2的暗电流差和寄生灵敏度差，此外还能够实现背景光成分的减法运算。

测距范围相比于实施方式1、实施方式2成为1/3，但发光次数相比于图11A、图11B所示的曝光定时能够成为1/2，因此是对于要求近距离且低耗电的应用而言有用的曝光定时。能够以同一像素布局结构、通过曝光定时的变更来应对多个程序对于要求规格多样的测距摄像装置是非常有用的。

如以上详细说明的那样，通过本实施方式，与实施方式1及实施方式2相比，能够使发光次数为1/2，因此能够提供适于要求近距离且低耗电的应用的测距用固体摄像元件。

本发明能够广泛利用于取得被摄体的距离图像的固体摄像装置、以及摄像装置。

标号说明

1 光电转换部

2 电荷蓄积部

2a 第一电荷蓄积部

2b 第二电荷蓄积部

2c 第三电荷蓄积部

2d 第四电荷蓄积部

4，4a，4b 传送通道

5，5a，5b，5c，5d，5dA，5dB，5e，5eA，5eB，5eC，5f，5g 传送电极

6 读出栅极

6a 第一读出栅极

6b 第二读出栅极

8，8a，8b 曝光控制栅极

9，9a，9b 溢出漏极

10 电荷保持部

11 电荷保持栅极

12 传送控制栅极

13 输出控制栅极

14 浮置扩散层

15 复位栅极

16 复位漏极

18 电荷保持部复位栅极

19 电荷保持部复位漏极

20，20a，20b，20c 像素

20d 第1像素

20e 第2像素

21 通道阻挡区域

100 固体摄像装置

103 定时生成部

Claims

1.一种固体摄像装置，在半导体基板中具备像素，其特征在于，

上述像素具备：

光电转换部，将接收到的光转换为信号电荷；

至少1个读出栅极，从上述光电转换部将上述信号电荷读出；

多个电荷蓄积部，将通过上述至少1个读出栅极向第一方向读出的上述信号电荷进行蓄积；以及

电荷保持部，从上述多个电荷蓄积部中的1个，将在该电荷蓄积部中蓄积的上述信号电荷的向与上述第一方向反向的第二方向的传送接受并保持，向上述第一方向将所保持的上述信号电荷向上述多个电荷蓄积部中的1个传送；

上述多个电荷蓄积部分别包括用于传送上述信号电荷的传送通道的一部分、和在上述半导体基板的平面视中与该一部分重叠的传送电极的一部分；

每1个像素的上述传送通道是多条。

2.如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述固体摄像装置具备以矩阵状配置的多个上述像素；

上述多个像素，从上述光电转换部，按每一行，在上述多个像素的配置中的行方向上相互反向地被读出上述信号电荷。

3.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述固体摄像装置具备定时生成部，该定时生成部进行通过上述至少1个读出栅极读出了第一信号电荷和第二信号电荷的情况下的、蓄积该第一信号电荷的场所和蓄积该第二信号电荷的场所的切换。

4.如权利要求3所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述至少1个读出栅极是包括第一读出栅极和第二读出栅极的多个；

上述第一读出栅极及上述第二读出栅极分别以第一相位差进行上述第一信号电荷的读出和上述第二信号电荷的读出。

5.如权利要求4所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述多个电荷蓄积部包括第一电荷蓄积部和第二电荷蓄积部；

上述定时生成部，在以上述第一相位差进行的、上述第一读出栅极向上述第一电荷蓄积部的上述第一信号电荷的读出以及上述第二读出栅极向上述第二电荷蓄积部的上述第二信号电荷的读出之后，进行上述切换。

6.如权利要求5所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述第一读出栅极及上述第二读出栅极分别以与上述第一相位差相差180度相位的第二相位差进行上述第一读出栅极向上述第二电荷蓄积部的上述信号电荷的读出和上述第二读出栅极向上述第一电荷蓄积部的上述信号电荷的读出。

7.如权利要求3所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述定时生成部在信号读出期间进行上述切换。

8.如权利要求3所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述定时生成部进行多次上述切换，以使上述第一信号电荷被向上述电荷保持部传送的次数等于上述第二信号电荷被向上述电荷保持部传送的次数。

9.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述电荷保持部包括电荷保持通道和电荷保持栅极；

上述电荷保持栅极，在除了上述电荷保持部保持上述信号电荷的期间以外的期间中的至少一部分期间，以使上述电荷保持通道与上述电荷保持栅极之间的界面被钉扎的方式被施加负电压。

10.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述电荷保持部的至少一部分被遮光膜覆盖。

11.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述像素还具备：

电荷保持部复位漏极，从上述电荷保持部将上述信号电荷的至少一部分排出；以及

电荷保持部复位栅极，控制向上述电荷保持部复位漏极的上述排出。

12.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述像素还具备：

溢出漏极，从上述光电转换部将上述信号电荷的至少一部分排出；以及

曝光控制栅极，控制向上述溢出漏极的上述排出。

13.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述传送电极是矩形形状。

14.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述固体摄像装置具备将多条上述传送通道分离的通道阻挡区域；

上述通道阻挡区域上的传送电极长度比上述传送通道上的传送电极长度短。

15.如权利要求1或2所述的固体摄像装置，其特征在于，

驱动上述至少1个读出栅极的驱动脉冲的脉冲宽度大于照射光的脉冲宽度(Tp)。

16.一种固体摄像装置，具备像素，其特征在于，

上述像素具备：

光电转换部，将接收到的光转换为信号电荷；

至少1个读出栅极，从上述光电转换部读出上述信号电荷；

多个电荷蓄积部，蓄积通过上述至少1个读出栅极向第一方向读出的上述信号电荷；

每1个像素中，上述多个电荷蓄积部分别包括多条传送通道、和传送电极；

以矩阵状配置的多个上述像素包括多个第1像素和多个第2像素；

上述多个第1像素分别还具备电荷保持部，该电荷保持部从上述多个电荷蓄积部中的1个将在该电荷蓄积部中蓄积的上述信号电荷的向与上述第一方向反向的第二方向的传送接受并保持、并向上述第一方向将所保持的上述信号电荷向上述多个电荷蓄积部中的1个传送；

上述多个第2像素分别还具备浮置扩散层，该浮置扩散层从上述多个电荷蓄积部中的1个接受并保持该电荷蓄积部中蓄积的上述信号电荷的传送。

17.如权利要求16所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述多个第1像素分别与在列方向上排列的上述第2像素中的至少1个共用上述浮置扩散层。

18.如权利要求16或17所述的固体摄像装置，其特征在于，

上述多个第2像素分别与在列方向上排列的上述第1像素中的至少1个共用上述电荷保持部。

19.一种摄像装置，其特征在于，

具备：

权利要求1～18中任1项所述的固体摄像装置；

光源部，按多个定时以脉冲状发出红外光；以及

处理器，基于上述固体摄像装置的输出信号，生成距离图像。