JP7459739B2

JP7459739B2 - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP7459739B2
Application number: JP2020156503A
Authority: JP
Inventors: 広器佐々木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-09-17
Filing date: 2020-09-17
Publication date: 2024-04-02
Anticipated expiration: 2040-09-17
Also published as: JP2022050100A

Description

本発明は、固体撮像素子に関する。

従来より、可視光を受光する画素と、赤外光を受光する画素と、各画素に共通の電荷保持部と、を備えた撮像装置が、例えば特許文献１で提案されている。各画素は、受光量に応じた電荷を生成して蓄積する光電変換部の電荷を電荷保持部に転送する電荷転送部を有する。電荷保持部は、各画素から転送された電荷を保持する。

国際公開第２０１６／１６７０４４号

しかしながら、上記従来の技術では、電荷保持部が可視光用の画素と赤外光用の画素とで共通化されているので、可視光用の画素に電荷転送部が必要であると共に、赤外光用の画素を駆動するための電荷転送部も必要になる。したがって、電荷転送部すなわちトランジスタの数が多くなるので、電荷保持部のサイズを小さくせざるを得ず、ひいては電荷の蓄積容量も小さくなってしまう。これに伴い、外乱光が強い環境下では、可視光用の画素からのブルーミングの影響を受けて赤外光用の画素の電荷を長時間蓄積することが困難になる。

本発明は上記点に鑑み、外乱光が強い環境下でも可視光用の画素からのブルーミングの影響を受けずに赤外光用の画素の電荷を長時間蓄積することができる固体撮像素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、固体撮像素子は、可視光の受光量に応じた電荷を生成して蓄積する可視光用の第１画素（１０１）、第２画素（１０２）、第３画素（１０３）、及び第４画素（１０４）を含む。固体撮像素子は、赤外光の受光量に応じた電荷を生成して蓄積する赤外光用の第５画素（１０５）を含む。

また、固体撮像素子は、第１駆動回路部（１１０）、第２駆動回路部（１１１）、第３駆動回路部（１１２）、及び第４駆動回路部（１１３）を含む。

第１駆動回路部は、第１画素及び第５画素に接続されると共に、第１画素及び第５画素の両方を駆動する。第２駆動回路部は、第２画素及び第５画素に接続されると共に、第２画素及び第５画素の両方を駆動する。第３駆動回路部は、第３画素及び第５画素に接続されると共に、第３画素及び第５画素の両方を駆動する。第４駆動回路部は、第４画素及び第５画素に接続されると共に、第４画素及び第５画素の両方を駆動する。

第５画素は、第５画素で生成される電荷の一部を蓄積するための第１蓄積容量部（１５５）、第２蓄積容量部（１５６）、第３蓄積容量部（１５７）、及び第４蓄積容量部（１５８）を有する。

第１蓄積容量部は、第１駆動回路部と第５画素との間の第１経路（１０６）に接続される。第２蓄積容量部は、第２駆動回路部と第５画素との間の第２経路（１０７）に接続される。第３蓄積容量部は、第３駆動回路部と第５画素との間の第３経路（１０８）に接続される。第４蓄積容量部は、第４駆動回路部と第５画素との間の第４経路（１０９）に接続される。

これによると、第１駆動回路部は、第１画素の駆動だけでなく、第５画素を駆動するためにも共有される。このため、赤外光用の第５画素から第１蓄積容量部に電荷を蓄積する際に、可視光用の第１画素からあふれ出る電荷を第１経路の一部及び第１駆動回路部を介して排出することができる。第２画素、第３画素、及び第４画素からあふれ出る電荷も同様に排出することができる。また、第５画素は４個の蓄積容量部を有しているので、赤外光の受光量に応じた電荷を蓄積するための容量を充分に確保することができる。したがって、外乱光が強い環境下でも可視光用の第１～第４画素からのブルーミングの影響を受けずに赤外光用の第５画素の電荷を長時間蓄積することができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態に係る固体撮像素子の画素配置を示した図である。固体撮像素子の回路構成を示した図である。固体撮像素子の平面レイアウトを示した図である。図３のIV－IV断面図である。画素の読み出しシーケンスであり、可視蓄積と赤外光蓄積とがオーバーラップしない場合を示した図である。第５画素の読み出し方法を示したタイムチャートである。可視光用の画素から電荷を排出することを説明するための回路図である。画素の読み出しシーケンスであり、可視蓄積と赤外光蓄積とがオーバーラップする場合を示した図である。第２実施形態に係る蓄積容量部を示した断面図である。第３実施形態に係る固体撮像素子の回路構成を示した図である。第３実施形態に係る固体撮像素子の平面レイアウトを示した図である。図１１のXII－XII断面図である。第４実施形態に係る固体撮像素子の回路構成を示した図である。第４実施形態に係る固体撮像素子の平面レイアウトを示した図である。図１４のXV－XV断面図である。第４実施形態に係る画素の読み出しシーケンスであり、可視蓄積と赤外光蓄積とがオーバーラップしない場合を示した図である。第４実施形態に係る第５画素の読み出し方法を示したタイムチャートである。第４実施形態に係る画素の読み出しシーケンスであり、可視蓄積と赤外光蓄積とがオーバーラップする場合を示した図である。第４実施形態に係る画素の配列を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る固体撮像素子は、昼間あるいは夜間での撮影及び前方の距離情報を取得するための撮像装置に適用される。

図１に示されるように、固体撮像素子１００は、第１画素１０１、第２画素１０２、第３画素１０３、第４画素１０４、及び第５画素１０５を備える。第１～第４画素１０１～１０４は、可視光の受光量に応じた電荷を生成して蓄積する可視光用の画素である。第１画素１０１及び第４画素１０４は、緑（Ｇ）に対応する光を検出する。第２画素１０２は、青（Ｂ）に対応する光を検出する。第３画素１０３は、赤（Ｒ）に対応する光を検出する。第５画素１０５は、赤外光（ＩＲ）の受光量に応じた電荷を生成して蓄積する赤外光用の画素である。

各画素１０１～１０５は、４×４の各マス目に対応する位置に配置される。第５画素１０５は、中央の４マスに位置する。第１画素１０１及び第４画素１０４は、第５画素１０５を中心とした対角にそれぞれ位置する。第２画素１０２及び第３画素１０３は、第１画素１０１及び第４画素１０４の反対の対角にそれぞれ位置する。つまり、第１～第４画素１０１～１０４は、第５画素１０５を囲んでいる。これにより、固体撮像素子１００は、画素単位を構成する。また、複数の固体撮像素子１００がマトリクス状に配置されることで画素配列部が構成される。

図示しないが、画素配列部は撮像装置の一部を構成する。撮像装置は、読み出し制御を行うための水平制御線、読み出された信号を伝送する垂直信号線、読み出し対象となる画素を垂直方向に走査する垂直走査回路、読み出し対象となる画素を水平方向に走査する水平走査回路、各回路を制御する制御回路等を備える。

図２に示されるように、固体撮像素子１００は、各画素１０１～１０５の他に、第１経路１０６、第２経路１０７、第３経路１０８、第４経路１０９、第１駆動回路部１１０、第２駆動回路部１１１、第３駆動回路部１１２、及び第４駆動回路部１１３を備える。

第１経路１０６の一端は、第１駆動回路部１１０に接続される。第２経路１０７の一端は、第２駆動回路部１１１に接続される。第３経路１０８の一端は、第３駆動回路部１１２に接続される。第４経路１０９の一端は、第４駆動回路部１１３に接続される。各経路１０６～１０９の他端は、第５画素１０５に接続される。

第１駆動回路部１１０は、第１経路１０６を介して第１画素１０１及び第５画素１０５の両方に接続される。第１駆動回路部１１０は、第１画素１０１または第５画素１０５に蓄積された電荷を電圧に変換し、第１信号線１１４に出力する。第１駆動回路部１１０は、図示しない制御回路の指令に従って第１画素１０１及び第５画素１０５の両方を駆動する。

第１駆動回路部１１０は、電源と第１信号線１１４との間に直列接続された２つのトランジスタ１１５、１１６（Ｔｓ１）と、電源とトランジスタ１１５のゲートとの間に接続されたトランジスタ１１７（Ｔｒ１）と、を有する。トランジスタ１１５のゲートは、第１経路１０６の一端に接続される。

第１画素１０１は、緑（Ｇ）に対応する電荷を生成して蓄積する複数の光電変換部１１８、１１９、１２０と、読み出し用のトランジスタ１２１、１２２、１２３（Ｔｘｇ１、Ｔｘｇ２、Ｔｘｇ３）と、を有する。第１経路１０６とグランドとの間に、光電変換部１１８とトランジスタ１２１とが直列接続され、光電変換部１１９とトランジスタ１２２とが直列接続され、光電変換部１２０とトランジスタ１２３とが直列接続される。光電変換部は、フォトダイオードである。読み出しの際は、トランジスタ１２１～１２３がＯＮされ、フォトダイオードである各光電変換部１１８、１１９、１２０から第１経路１０６に電荷が転送され、第１駆動回路部１１０が駆動されることによって、各光電変換部１１８～１２０の電荷が信号として第１信号線１１４に出力される。

第２駆動回路部１１１は、第２経路１０７を介して第２画素１０２及び第５画素１０５の両方に接続される。第２駆動回路部１１１は、第２画素１０２または第５画素１０５に蓄積された電荷を電圧に変換し、第２信号線１２４に出力する。第２駆動回路部１１１は、図示しない制御回路の指令に従って第２画素１０２及び第５画素１０５の両方を駆動する。

第２駆動回路部１１１は、電源と第２信号線１２４との間に直列接続された２つのトランジスタ１２５、１２６（Ｔｓ２）と、電源とトランジスタ１２５のゲートとの間に接続されたトランジスタ１２７（Ｔｒ２）と、を有する。トランジスタ１２５のゲートは、第２経路１０７の一端に接続される。

第２画素１０２は、青（Ｂ）に対応する電荷を生成して蓄積する複数の光電変換部１２８、１２９、１３０と、読み出し用のトランジスタ１３１、１３２、１３３（Ｔｘｂ１、Ｔｘｂ２、Ｔｘｂ３）と、を有する。第２経路１０７とグランドとの間に、光電変換部１２８とトランジスタ１３１とが直列接続され、光電変換部１２９とトランジスタ１３２とが直列接続され、光電変換部１３０とトランジスタ１３３とが直列接続される。各光電変換部１２８～１３０の読み出しは、第１画素１０１と同じである。

第３駆動回路部１１２は、第３経路１０８を介して第３画素１０３及び第５画素１０５の両方に接続される。第３駆動回路部１１２は、第３画素１０３または第５画素１０５に蓄積された電荷を電圧に変換し、第３信号線１３４に出力する。第３駆動回路部１１２は、図示しない制御回路の指令に従って第３画素１０３及び第５画素１０５の両方を駆動する。

第３駆動回路部１１２は、電源と第３信号線１３４との間に直列接続された２つのトランジスタ１３５、１３６（Ｔｓ３）と、電源とトランジスタ１３５のゲートとの間に接続されたトランジスタ１３７（Ｔｒ３）と、を有する。トランジスタ１３５のゲートは、第３経路１０８の一端に接続される。

第３画素１０３は、赤（Ｒ）に対応する電荷を生成して蓄積する複数の光電変換部１３８、１３９、１４０と、読み出し用のトランジスタ１４１、１４２、１４３（Ｔｘｒ１、Ｔｘｒ２、Ｔｘｒ３）と、を有する。第３経路１０８とグランドとの間に、光電変換部１３８とトランジスタ１４１とが直列接続され、光電変換部１３９とトランジスタ１４２とが直列接続され、光電変換部１４０とトランジスタ１４３とが直列接続される。各光電変換部１３８～１４０の読み出しは、第１画素１０１と同じである。

第４駆動回路部１１３は、第４経路１０９を介して第４画素１０４及び第５画素１０５の両方に接続される。第４駆動回路部１１３は、第４画素１０４または第５画素１０５に蓄積された電荷を電圧に変換し、第４信号線１４４に出力する。第４駆動回路部１１３は、図示しない制御回路の指令に従って第４画素１０４及び第５画素１０５の両方を駆動する。

第４駆動回路部１１３は、電源と第４信号線１４４との間に直列接続された２つのトランジスタ１４５、１４６（Ｔｓ４）と、電源とトランジスタ１４５のゲートとの間に接続されたトランジスタ１４７（Ｔｒ４）と、を有する。トランジスタ１４５のゲートは、第４経路１０９の一端に接続される。

第４画素１０４は、緑（Ｇ）に対応する電荷を生成して蓄積する複数の光電変換部１４８、１４９、１５０と、読み出し用のトランジスタ１５１、１５２、１５３（Ｔｘｇ４、Ｔｘｇ５、Ｔｘｇ６）と、を有する。第４経路１０９とグランドとの間に、光電変換部１４８とトランジスタ１５１とが直列接続され、光電変換部１４９とトランジスタ１５２とが直列接続され、光電変換部１５０とトランジスタ１５３とが直列接続される。各光電変換部１４８～１５０の読み出しは、第１画素１０１と同じである。

第５画素１０５は、各経路１０６～１０９の他端とグランドとの間に接続された光電変換部１５４を有する。第５画素１０５は、第１蓄積容量部１５５、第２蓄積容量部１５６、第３蓄積容量部１５７、及び第４蓄積容量部１５８を有する。各蓄積容量部１５５～１５８は、第５画素１０５で生成される電荷の一部を蓄積するための第５画素１０５に専用の電荷保持部である。

第１蓄積容量部１５５は、第１駆動回路部１１０と第５画素１０５との間の第１経路１０６に接続される。第１蓄積容量部１５５は、第１経路１０６上に配置された２つのトランジスタ１５９、１６０（Ｔｘｉ１、Ｔｘｉ５）と、各トランジスタ１５９、１６０の間とグランドとの間に接続された蓄積容量１６１と、を有する。蓄積容量１６１はコンデンサとして構成される。トランジスタ１５９がＯＦＦ、トランジスタ１６０がＯＮの場合、第５画素１０５の電荷が蓄積容量１６１に転送される。トランジスタ１５９がＯＮ、トランジスタ１６０がＯＦＦの場合、電荷が蓄積容量１６１から第１経路１０６に転送され、第１駆動回路部１１０の動作によって、蓄積容量１６１の電荷が電圧に変換され、第１信号線１１４に出力される。

第２蓄積容量部１５６は、第２駆動回路部１１１と第５画素１０５との間の第２経路１０７に接続される。第２蓄積容量部１５６は、第２経路１０７上に配置された２つのトランジスタ１６２、１６３（Ｔｘｉ２、Ｔｘｉ６）と、各トランジスタ１６２、１６３の間とグランドとの間に接続された蓄積容量１６４と、を有する。蓄積容量１６４に対する電荷の入出力は第１蓄積容量部１５５と同じである。

第３蓄積容量部１５７は、第３駆動回路部１１２と第５画素１０５との間の第３経路１０８に接続さる。第３蓄積容量部１５７は、第３経路１０８上に配置された２つのトランジスタ１６５、１６６（Ｔｘｉ３、Ｔｘｉ７）と、各トランジスタ１６５、１６６の間とグランドとの間に接続された蓄積容量１６７と、を有する。蓄積容量１６７に対する電荷の入出力は第１蓄積容量部１５５と同じである。

第４蓄積容量部１５８は、第４駆動回路部１１３と第５画素１０５との間の第４経路１０９に接続される。第４蓄積容量部１５８は、第４経路１０９上に配置された２つのトランジスタ１６８、１６９（Ｔｘｉ４、Ｔｘｉ８）と、各トランジスタ１６８、１６９の間とグランドとの間に接続された蓄積容量１７０と、を有する。蓄積容量１７０に対する電荷の入出力は第１蓄積容量部１５５と同じである。

図３及び図４に示されるように、固体撮像素子１００は、半導体製造プロセスによって半導体基板２００に形成される。半導体基板２００は、例えばｐ－型のＳｉ基板である。半導体基板２００は、光が入射する入射面２０１と、入射面２０１とは反対側の他面２０２と、を有する。入射面２０１の上には酸化膜２０３が形成され、他面２０２の上には酸化膜２０４が形成されている。各酸化膜２０３、２０４は、例えばＳｉＯ_２である。なお、図３は、半導体基板２００の他面２０２の側を見ている。

図４に示されるように、第１画素１０１の各光電変換部１１８～１２０は、ｎ－型の領域２０５として形成されている。各第４画素１０４の光電変換部１４８～１５０は、ｎ－型の領域２０６として形成されている。図４に示されていない第２画素１０２の各光電変換部１２８～１３０、及び、第３画素１０３の各光電変換部１３８～１４０も同じである。各領域２０５、２０６の上には、ｐ＋型の領域２０７、２０８が形成されている。

第５画素１０５の光電変換部１５４は、ｎ－型の領域２０９として形成されている。領域２０７のうちの他面２０２の側には２つのウェル２１０、２１１が形成されている。各ウェル２１０、２１１の表層部には、ｎ＋型の領域２１２、２１３（ＭＥＭ）がそれぞれ形成されている。領域２１２が蓄積容量１６１であり、領域２１３が蓄積容量１７０である。図４に示されていない蓄積容量１６４、１６７も同様に形成されている。

すなわち、各蓄積容量部１５５～１５８と第５画素１０５の光電変換部１５４とは、入射面２０１に垂直な垂直方向に積層されて半導体基板２００の形成されている。各蓄積容量部１５５～１５８が半導体基板２００のうちの他面２０２の側に位置し、第５画素１０５の光電変換部１５４が半導体基板２００のうちの入射面２０１の側に位置する。これにより、各蓄積容量部１５５～１５８が入射面２０１の面方向に配置されずに済むので、高い開口率と、蓄積容量１６１、１６４、１６７、１７０と、を両立することができる。なお、第５画素１０５は透過光の波長幅が狭く、半導体基板２００の吸収効率が低いため、積層化によって発生する寄生光の影響は少ない。

また、各ウェル２１０、２１１の表層部には、ｎ＋型の領域２１４、２１５及びｐ＋型の領域２１６が形成されている。酸化膜２０４の上には、第１画素１０１のトランジスタ１２１、第１蓄積容量部１５５のトランジスタ１５９、１６０、第４蓄積容量部１５８のトランジスタ１６８、１６９、及び第４画素１０４のトランジスタ１５３の各ゲート電極２１７、２１８、２１９、２２０、２２１、２２２が形成されている。他のトランジスタも同様に構成される。図３に示されるように、各ゲート電極２１７～２２２は配線部２２３にそれぞれ接続される。他のゲート電極も同様に配線部２２３に接続される。

図４に示されるように、酸化膜２０３の上にはカラーフィルタ２２４が配置される。カラーフィルタ２２４のうち第５画素１０５に対応する領域には、９４０ｎｍで半値幅が１０ｎｍのバンドパスフィルタ等が用いられる。カラーフィルタ２２４の上にはマイクロレンズ２２５が配置される。以上が、固体撮像素子１００の構成である。

次に、固体撮像素子１００の作動について説明する。固体撮像素子１００は、撮像装置の制御回路に従って動作する。例えば、図５に示されるように、赤外光用の第５画素１０５はグローバルシャッタ動作で動かし、可視光用の各画素１０１～１０４はローリングシャッタ動作で動かす。

グローバルシャッタ動作では、画素配列部の一行分の第５画素１０５を全て同じタイミングで駆動する。具体的には、図６に示されるように、時点Ｔ１０から時点Ｔ１３まで各駆動回路部１１０～１１３の各トランジスタ１１７、１２７、１３７、１４７（Ｔｒ１～Ｔｒ４）をＯＮする。これにより、第１～第４画素１０１～１０４の電荷を排出する。また、時点Ｔ１１から時点Ｔ１２まで、各蓄積容量部１５５～１５８の各トランジスタ１５９、１６０、１６２、１６３、１６５、１６６、１６８、１６９（Ｔｘｉ１～Ｔｘｉ８）をＯＮする。これにより、第５画素１０５及び各蓄積容量１６１、１６４、１６７、１７０の電荷を排出する。こうして各画素１０１～１０５をリセットする。

続いて、時点Ｔ１４では、図示しないが、撮像装置に含まれる光源からパルス光を発光させる。パルス光は、前方の距離を計測するための光である。パルス光の発光タイミングに対する露光タイミングを変更することで、前方の撮影距離を調整することができる。

時点Ｔ１５では第１蓄積容量部１５５のトランジスタ１６０をＯＮし、第５画素１０５の電荷を蓄積容量１６１に転送する。一定時間後、トランジスタ１６０をＯＦＦする。

時点Ｔ１６、時点Ｔ１７、時点Ｔ１８では、上記と同様に、第２蓄積容量部１５６の蓄積容量１６４、第３蓄積容量部１５７の蓄積容量１６７、第４蓄積容量部１５８の蓄積容量１７０に第５画素１０５の電荷を順に転送する。この後、時点Ｔ１９から時点Ｔ２０まで、各第５画素１０５の電荷の蓄積を行う。

時点Ｔ２１から時点Ｔ２４までは、各蓄積容量１６１、１６４、１６７、１７０にそれぞれ電荷転送された信号を画素配列部の各行毎に順次読み出していく動作になる。

時点Ｔ２１では、各駆動回路部１１０～１１３の各トランジスタ１１６、１２６、１３６、１４６（Ｔｓ１～Ｔｓ４）をＯＮして各駆動回路部１１０～１１３と各信号線１１４、１２４、１３４、１４４とを接続する。また、時点Ｔ２２では、各駆動回路部１１０～１１３の各トランジスタ１１７、１２７、１３７、１４７（Ｔｒ１～Ｔｒ４）をＯＮし、各経路１０６～１０９を電源電圧でリセットする。各トランジスタ１１７、１２７、１３７、１４７（Ｔｒ１～Ｔｒ４）をＯＦＦした後、各経路１０６～１０９における信号電荷転送前の電圧を周辺回路にて読み出す。

時点Ｔ２３では、各蓄積容量部１５５～１５８の各トランジスタ１５９、１６２、１６５、１６８（Ｔｘｉ１～Ｔｘｉ４）をＯＮする。これにより、各蓄積容量部１５５～１５８に蓄積された電荷が各経路１０６～１０９に転送され、各駆動回路部１１０～１１３を介して電圧に変換された後、各信号線１１４、１２４、１３４、１４４に読み出される。赤外光の電荷の読み出し後、時点Ｔ２４では、各駆動回路部１１０～１１３の各トランジスタ１１６、１２６、１３６、１４６（Ｔｓ１～Ｔｓ４）をＯＦＦする。こうして、一行分の第５画素１０５の動作が終了する。

続いて、図５に示されるように、可視光用の各画素１０１～１０４については、画素配列部の上の行から順番に露光を行って電荷を蓄積するローリングシャッタ動作を行う。また、画素配列部の上の行の各画素１０１～１０４から順番に電荷の読み出しを行う。すなわち、第１画素１０１のトランジスタ１２１～１２３（Ｔｘｇ１～Ｔｘｇ３）をＯＮすると共に、第１駆動回路部１１０のトランジスタ１１６（Ｔｒｓ１）をＯＮする。これにより、第１画素１０１の電荷を電圧に変換し第１信号線１１４に出力する。第２～第４画素１０２～１０４も同様である。

上記のようにして、撮像装置はグローバルシャッタ動作とローリングシャッタ動作とを繰り返す。

以上説明したように、本実施形態では、各駆動回路部１１０～１１３は、可視光用の各画素１０１～１０４の駆動だけでなく、赤外光用の第５画素１０５を駆動するためにも共有される。このため、赤外光用の第５画素１０５から各蓄積容量部１５５～１５８に電荷を蓄積する際に、図７に示されるように、可視光用の各画素１０１～１０４からあふれ出る電荷を各経路１０６～１０９の一部及び各駆動回路部１１０～１１３を介して排出することができる。

また、各駆動回路部１１０～１１３が共有化されることでゲートも共有化されるので、半導体基板２００に占めるゲートも少なく済む。よって、半導体基板２００における開口率を高くすることができる。

さらに、赤外光用の第５画素１０５は４個の蓄積容量部１５５～１５８を有しているので、赤外光の受光量に応じた電荷を蓄積するための容量を充分に確保することができる。すなわち、第５画素１０５は大きな蓄積容量を用いた長時間の蓄積時間を確保することができる。一方、可視光用の各画素１０１～１０４については、第１経路１０６～第４経路１０９の小さい蓄積容量を用いた高い変換ゲインを確保することができる。

よって、外乱光が強い環境下でも可視光用の第１～第４画素１０１～１０４からのブルーミングの影響を受けずに赤外光用の第５画素１０５の電荷を長時間蓄積することができる。

変形例として、夜間等では、図８に示されるように、可視光の電荷の蓄積のタイミングと赤外光の電荷の蓄積のタイミングとをオーバーラップさせても良い。

（第２実施形態）
本実施形態では、主に第１実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態では、図９に示されるように、各ウェル２１０、２１１の表層部には、ｎ－型の領域２２６、２２７（ＭＥＭ）がそれぞれ形成されている。領域２２６が蓄積容量１６１であり、領域２２７が蓄積容量１７０である。そして、各領域２２６、２２７は、ｐ＋型の領域２２８、２２９によって終端されている。図９に示されていない蓄積容量１６４、１６７も同様に形成されている。すなわち、各蓄積容量１６１、１６４、１６７、１７０は、埋め込みフォトダイオードとして半導体基板２００に形成されている。

上記の構成によると、各蓄積容量１６１、１６４、１６７、１７０は、読み出し電圧が掛かっても表面で発生した暗電流が読み出されないので、暗電流の削減することができる。また、暗電流が読み出されないので、暗電流による固定パターンノイズを減少させることができる。これに伴い、距離測定の誤差を減少させることができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、主に第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。図１０に示されるように、第５画素１０５の光電変換部１５４から各蓄積容量１６１、１６４、１６７、１７０への電荷転送は、トランジスタ１６０、１６３、１６６、１６９（Ｔｘｉ５～Ｔｘｉ８）ではなく、第１～第４変調部１７１～１７４によって行われる。

このため、図１１及び図１２に示されるように、半導体基板２００において、各ウェル２１０、２１１の間の表層部にｐ＋型の領域２３０、２３１が離間して形成されている。領域２３０が第１変調部１７１に対応し、領域２３１が第４変調部１７４に対応する。図１２に示されていない第２変調部１７２及び第３変調部１７３も同様に形成されている。

上記の構成によると、各変調部１７１～１７４に与える電位を変化させることによって空乏層の幅を制御することができる。すなわち、拡散層電位を用いた空乏層変調によって電荷転送を実現することができる。また、トランジスタ１６０、１６３、１６６、１６９（Ｔｘｉ５～Ｔｘｉ８）のゲートが不要になるので、半導体基板２００における開口率を高くすることができる。

（第４実施形態）
本実施形態では、主に上記各実施形態と異なる部分について説明する。図１３に示されるように、第５画素１０５は、電荷排出部１７５を有する。電荷排出部１７５は、第５画素１０５に蓄積された余分な電荷を排出するものであり、光電変換部１５４のアノードに接続される。電荷排出部１７５は、第５画素１０５に専用のものであり、いわゆるＯＦＤ（ＯｖｅｒＦｌｏｗＤｒａｉｎ）である。

具体的には、図１４及び図１５に示されるように、半導体基板２００において、各ウェル２１０、２１１の間の表層部にトランジスタ１６０、１６９（Ｔｘｉ５、Ｔｘｉ８）用のｐ＋型の領域２３２、２３３が離間して形成され、各領域２３２、２３３の間にｎ＋型の領域２３４が形成されている。領域２３４が電荷排出部１７５に対応する。電荷排出部１７５が使用されないときは、領域２３４は高電位に接続される。

次に、電荷排出部１７５を有する固体撮像素子１００の作動について説明する。図１６に示されるように、グローバルシャッタ動作によって赤外光の電荷の蓄積が完了した後、電荷排出部１７５によって第５画素１０５の光電変換部１５４に蓄積された電荷を排出する。

電荷排出部１７５は、図１７に示されるように動作する。まず、時点Ｔ３０から時点Ｔ３４までは、上述の時点Ｔ１０から時点Ｔ１４までと同じである。また、電荷排出部１７５をＯＮし、光電変換部１５４の電荷を排出する。

続いて、時点Ｔ３５では、電荷排出部１７５をＯＦＦする。この後、赤外線に対応する電荷を蓄積するためである。時点Ｔ３６から時点Ｔ３９までは、上述の時点Ｔ１５から時点Ｔ１８までと同じである。

時点Ｔ４０から時点Ｔ４１までの間、電荷排出部１７５をＯＮし、光電変換部１５４の電荷を排出する。これにより、第１蓄積容量部１５５の電荷と第４蓄積容量部１５８の電荷との混ざりを回避することができる。時点Ｔ４２から時点Ｔ４３までは、上述の時点Ｔ１９から時点Ｔ２０までと同じである。

時点Ｔ４４以降、電荷排出部１７５をＯＮし、光電変換部１５４の電荷を排出する。時点Ｔ４５から時点Ｔ４８までは、上述の時点Ｔ２１から時点Ｔ２４までと同じである。こうして、一行分の第５画素１０５の動作が終了する。なお、可視光用の各画素１０１～１０４は上述のローリングシャッタ動作を行う。

また、夜間等では、図１８に示されるように、可視光の電荷の蓄積のタイミングと赤外光の電荷の蓄積のタイミングとをオーバーラップさせる場合にも、光電変換部１５４の電荷を排出することができる。

以上の構成によると、電荷排出部１７５によって、赤外光用の第５画素１０５に蓄積される環境光に基づく不要な電荷を排出することができる。また、各蓄積容量１６１、１６４、１６７、１７０で発生する暗電流起因の固定パターンノイズを削減することができる。

（第５実施形態）
本実施形態では、主に上記各実施形態と異なる部分について説明する。図１９に示されるように、Ｑｕａｄ－ｂａｙｅｒの配列構造の中央を２の大きさの赤外光用の画素に置換する。すなわち、第５画素１０５の位置におけるＲＧＢの色を周囲の同色画素信号から予測できるように補完する。そして、ＲＧＢをそれぞれ配列シフトし、Ｂａｙｅｒ変換する。

以上の信号復元方法によると、近傍の同色画素信号から赤外光用の第５画素１０５の部分の欠損信号を補完できるので、固体撮像素子１００に第５画素１０５を含めたことによる可視光用の各画素１０１～１０４の解像度の低下を抑制することができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された固体撮像素子１００の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。

１０１～１０５画素
１１０～１１３駆動回路部
１５５～１５８蓄積容量部
１０６～１０９経路

Claims

可視光の受光量に応じた電荷を生成して蓄積する可視光用の第１画素（１０１）、第２画素（１０２）、第３画素（１０３）、及び第４画素（１０４）と、
赤外光の受光量に応じた電荷を生成して蓄積する赤外光用の第５画素（１０５）と、
前記第１画素及び前記第５画素に接続されると共に、前記第１画素及び前記第５画素の両方を駆動する第１駆動回路部（１１０）と、
前記第２画素及び前記第５画素に接続されると共に、前記第２画素及び前記第５画素の両方を駆動する第２駆動回路部（１１１）と、
前記第３画素及び前記第５画素に接続されると共に、前記第３画素及び前記第５画素の両方を駆動する第３駆動回路部（１１２）と、
前記第４画素及び前記第５画素に接続されると共に、前記第４画素及び前記第５画素の両方を駆動する第４駆動回路部（１１３）と、
を含み、
前記第５画素は、前記第５画素で生成される電荷の一部を蓄積するための第１蓄積容量部（１５５）、第２蓄積容量部（１５６）、第３蓄積容量部（１５７）、及び第４蓄積容量部（１５８）を有し、
前記第１蓄積容量部は、前記第１駆動回路部と前記第５画素との間の第１経路（１０６）に接続され、
前記第２蓄積容量部は、前記第２駆動回路部と前記第５画素との間の第２経路（１０７）に接続され、
前記第３蓄積容量部は、前記第３駆動回路部と前記第５画素との間の第３経路（１０８）に接続され、
前記第４蓄積容量部は、前記第４駆動回路部と前記第５画素との間の第４経路（１０９）に接続される、固体撮像素子。
前記各画素及び前記各蓄積容量部は、光の入射面（２０１）を有する半導体基板（２００）に形成され、
前記第５画素は、前記赤外光の受光量に応じた電荷を生成する光電変換部（１５４）を有し、
前記各蓄積容量部と前記光電変換部とは、前記入射面に垂直な垂直方向に積層されて前記半導体基板の形成されている、請求項１に記載の固体撮像素子。
前記各画素及び前記各蓄積容量部は、光の入射面（２０１）を有する半導体基板（２００）に形成され、
前記各蓄積容量部は、前記第５画素で生成される電荷の一部を蓄積する蓄積容量（１６１、１６４、１６７、１７０）をそれぞれ有し、
前記蓄積容量は、埋め込みフォトダイオードとして前記半導体基板に形成されている、請求項１または２に記載の固体撮像素子。
前記第５画素は、前記第５画素に専用のものであって、前記第５画素に蓄積された電荷を排出するための電荷排出部（１７５）を有する、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の固体撮像素子。