JP2017135167A - 半導体装置及び情報処理システム - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体装置において、電子及び正孔に基づいて生成される信号の精度を向上する技術を提供する。【解決手段】第１のフォトダイオードで生成された第１のキャリアと第２のフォトダイオードで生成された第２のキャリアとに基づいた信号を生成する半導体装置であって、第１のフォトダイオードは、第２の導電型の第１の半導体領域と表面に垂直な第２の方向において第１の半導体領域と表面との間に配された第１の導電型の第２の半導体領域とを含み、第２のフォトダイオードは、第１の導電型の第３の半導体領域と第２の方向において第３の半導体領域と表面との間に配された第２の導電型の第４の半導体領域とを含み、第１の半導体領域よりも表面から離れた位置に第１の導電型の第５の半導体領域が設けられており、第３の半導体領域の不純物濃度のピークが、第２の半導体領域と第５の半導体領域との間において第１の半導体領域が存在する深さの範囲に位置する。【選択図】図５
Description
本発明は、半導体装置及び情報処理システムに関する。
測距法の１つに、距離を測定する対象物に光源から光を照射し、対象物から反射された反射光を検出することによって測距するＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）法がある。ＴＯＦ法では、光の照射から反射光の受光までの時間と光の速度との関係に基づいて、対象物までの距離が算出される。ここで、反射光には、自然光や人工光などの、測距用の光源とは異なる光源に起因する光（環境光）が重畳される。測距の精度を高める上で、環境光の影響を抑制する必要がある。
特許文献１の実施形態２には、正孔を取り出すのに適した構造の第１の感光部と、電子を取り出すのに適した構造の第２の感光部とを設けた半導体装置について示されている。光源の消灯時に環境光によって第１の感光部で生成される正孔は、正孔保持部に保持され、光源の点灯時に反射光及び環境光によって第２の感光部で生成される電子は、電子保持部に保持される。正孔保持部に保持された正孔と電子保持部に保持された電子とは、再結合部において再結合され、環境光によって生成されたキャリアが取り除かれ、残留したキャリアが反射光によって生成されたキャリアとして取得される。
環境光によって生成されたキャリアを取り除くために、入射する光に対する第１の感光部と第２の感光部との感度の差を抑制し、環境光によって生成されるキャリアの数の差を抑制する必要がある。環境光によって生成されるキャリアの数に大きな差がある場合、残留したキャリアによって取得される信号の精度が低下する可能性がある。特許文献１には、それぞれの感光部の感度についての検討が十分になされていない。
本発明は、半導体装置において、電子及び正孔に基づいて生成される信号の精度を向上する技術を提供することを目的とする。
上記課題に鑑みて、本発明の一部の実施形態に係る半導体装置は、半導体基板に配された第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードとを含む検出ユニットを備え、第１のフォトダイオードで生成された、電子及び正孔の一方である第１のキャリアと、第２のフォトダイオードで生成された電子及び正孔の他方である第２のキャリアと、の両方に基づいた信号を生成する半導体装置であって、第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードとは、半導体基板の表面に沿った第１の方向において、互いに異なる位置に配され、第１のキャリアが多数キャリアであり第２のキャリアが少数キャリアである半導体領域を第１の導電型、第２のキャリアが少数キャリアであり第１のキャリアが多数キャリアである半導体領域を第２の導電型として、第１のフォトダイオードは、第２の導電型の第１の半導体領域と、表面に垂直な第２の方向において第１の半導体領域と表面との間に配された第１の導電型の第２の半導体領域と、を含み、第２のフォトダイオードは、第１の導電型の第３の半導体領域と、第２の方向において第３の半導体領域と表面との間に配された第２の導電型の第４の半導体領域と、を含み、第１の半導体領域よりも表面から離れた位置に第１の導電型の第５の半導体領域が設けられており、第２の方向において、第３の半導体領域の不純物濃度のピークが、第２の半導体領域と第５の半導体領域との間において第１の半導体領域が存在する深さの範囲に位置することを特徴とする。
上記手段によって、半導体装置において、電子及び正孔に基づいて生成される信号の精度を向上する技術が提供される。
以下、本発明に係る半導体装置の具体的な実施形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下の説明及び図面において、複数の図面に渡って共通の構成については共通の符号を付している。そのため、複数の図面を相互に参照して共通する構成を説明し、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。
図１は、本発明に係る半導体装置が適用された情報処理システム１００の構成例を説明するための図である。情報処理システム１００は、例えば、ＬＥＤなどの光源１０１、レンズなどの光学系１０２及び１０３、検出部１０４、並びに、処理部１０５を具備する。
光源１０１の発光光Ｌ１は、光学系１０２を介して測距対象である対象物１１０に照射される。光Ｌ２は、対象物１１０からの反射光を含み、光学系１０３を介して検出部１０４に入射する。検出部１０４は、光Ｌ２に基づく信号を処理部１０５に供給する。検出部１０４は、本発明に係る半導体装置に対応し、光電変換装置、光電変換デバイスなどと称されてもよい。処理部１０５は、光源１０１及び検出部１０４を駆動し、検出部１０４からの信号に基づいて、対象物１１０との距離を算出する（該算出の具体的な方法は後述とする。）。なお、情報処理システム１００の構成は本実施形態に限られるものではなく、目的などに応じて、本構成の一部は変更されてもよいし、付随的に他の要素が追加されてもよい。例えば、情報処理システム１００は、測距システムでありうる。また例えば、情報処理システム１００は撮像システムであり得、検出部１０４は撮像部としても機能しうる。
図２は、検出部１０４の構成例を説明するための図である。検出部１０４は、アレイ部２１０、駆動部２２０、読出部２３０、出力部２４０及び制御部２５０を含む。アレイ部２１０は、半導体基板上に検出ユニット２００を複数備え、それぞれの検出ユニット２００は、アレイ状に（複数の行及び複数の列を形成するように）配列されうる。駆動部２２０は、例えば、各行に配された制御線Ｌ＿ＣＮＴを用いてアレイ部２１０のそれぞれの検出ユニット２００を行単位で駆動する。該駆動された検出ユニット２００は、光Ｌ２に応じた信号を、列信号線Ｌ＿ＣＯＬを介して出力する。読出部２３０は、列信号線Ｌ＿ＣＯＬを介して出力された信号を水平転送し、出力部２４０は、該水平転送された信号を前述の処理部１０５に出力する。制御部２５０は、クロック信号などの基準信号に基づいて上述の各ユニットを制御する。検出部１０４は、駆動部２２０、読出部２３０、出力部２４０及び制御部２５０の少なくとも何れかに電力を供給する電力供給部（不図示）などを更に備えていてもよい。
図３は、検出ユニット２００の構成例を説明するための図である。検出ユニット２００は、例えば、フォトダイオードＰＤ＿Ｎ及びＰＤ＿Ｐ、転送部ＭＮ１〜ＭＮ６及びＭＰ１〜ＭＰ２、容量Ｃ１＿Ｎ、Ｃ２＿Ｎ、Ｃ１＿Ｐ及びＣ２＿Ｐを有する。
フォトダイオードＰＤ＿Ｎは、入射する光によって生成される電子及び正孔のうち、ｎ型半導体の多数キャリアである電子を蓄積するフォトダイオードである。また、フォトダイオードＰＤ＿Ｐは、入射する光によって生成される電子及び正孔のうち、ｐ型半導体の多数キャリアである正孔を蓄積するフォトダイオードである。フォトダイオードＰＤ＿Ｎは、光電変換部（第１光電変換部）と表現されてもよい。他のフォトダイオードＰＤ＿Ｐについても同様であり、例えば、第２光電変換部と表現されてもよい。
転送部ＭＮ１〜ＭＮ６及びＭＰ１〜ＭＰ２は、それぞれＭＩＳ型のゲート構造を有している。つまり、転送部ＭＮ１〜ＭＮ６及びＭＰ１〜ＭＰ２は、半導体領域（チャネル領域）とゲート絶縁膜とゲート電極の積層構造を有する。そのため、転送部ＭＮ１〜ＭＮ６及びＭＰ１〜ＭＰ２を転送ゲートと称することもできる。転送部ＭＮ１〜ＭＮ６は、ＯＮ状態（導通状態）では反転によって半導体領域にｎ型のチャネルが形成され、転送部ＭＰ１〜ＭＰ２は、ＯＮ状態では反転によって半導体領域にｐ型のチャネルが形成される。このように転送部ＭＮ１〜ＭＮ６と転送部ＭＰ１〜ＭＰ２とは、互いに導電型が異なる。
転送部ＭＮ１は、フォトダイオードＰＤ＿Ｎのカソードと、検出ノードｎ１とに電流経路を形成するように配される。フォトダイオードＰＤ＿Ｎのアノードは、電位Ｖ１に固定される。即ち、電位Ｖ１を供給する電位供給部の電源ラインに接続される。転送部ＭＰ１は、フォトダイオードＰＤ＿Ｐのアノードと、検出ノードｎ１とに電流経路を形成するように配される。フォトダイオードＰＤ＿Ｐのカソードは、電位Ｖ２に固定される。即ち、電位Ｖ２を供給する電位供給部の電源ラインに接続される。
転送部ＭＮ２は、フォトダイオードＰＤ＿Ｎのカソードと、検出ノードｎ２とに電流経路を形成するように配される。転送部ＭＰ２は、フォトダイオードＰＤ＿Ｐのアノードと、検出ノードｎ２とに電流経路を形成するように配される。
容量Ｃ１＿Ｎ及びＣ２＿Ｎは、ｐ型半導体領域と、その中に配されているｎ型半導体領域とで構成されうる（詳細は後述とする。）。容量Ｃ１＿Ｎの一方の端子は検出ノードｎ１に接続され、容量Ｃ１＿Ｎの他方の端子は電位Ｖ１に固定される。容量Ｃ２＿Ｎの一方の端子は検出ノードｎ２に接続され、容量Ｃ２＿Ｎの他方の端子は電位Ｖ１に固定される。また、容量Ｃ１＿Ｐ及びＣ２＿Ｐは、ｎ型半導体領域と、その中に配されているｐ型半導体領域とで構成されうる（詳細は後述とする。）。容量Ｃ１＿Ｐの一方の端子は検出ノードｎ１に接続され、容量Ｃ１＿Ｐの他方の端子は電位Ｖ２に固定される。容量Ｃ２＿Ｐの一方の端子は検出ノードｎ２に接続され、容量Ｃ２＿Ｐの他方の端子は電位Ｖ２に固定される。
容量Ｃ１＿Ｎと容量Ｃ１＿Ｐとは、構造上これらを区別することが可能であるため、ここでは個別に図示されたが、いずれも検出ノードｎ１側の反対側において定電位で固定されるため、これらを合成して等価的に単一の容量成分として見なしてもよい。容量Ｃ１＿ＮにはフォトダイオードＰＤ＿Ｎでの光電変換によって生成された電子が保持され、容量Ｃ１＿ＰにはフォトダイオードＰＤ＿Ｐでの光電変換によって生成された正孔が保持される。容量Ｃ１＿Ｎと容量Ｃ１＿Ｐを合成した容量としての容量Ｃ１には、電子と正孔との差分に相当するキャリアの電荷量が保持されることになる。容量Ｃ１には、電荷量／静電容量に基づく電位差（電圧）が発生する。したがって、容量Ｃ１＿Ｎ、容量Ｃ１＿Ｐあるいはこれらを合成した容量Ｃ１は、それぞれ、フォトダイオードからのキャリアの電荷に応じた電位を保持し、換言すると、該電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部として作用する。同様に、容量Ｃ２＿Ｎ、容量Ｃ２＿Ｐ及びこれらを合成した容量Ｃ２を電荷電圧変換部として用いることもできる。
ここで、検出ノードｎ１の電位を電位Ｖｎとする。フォトダイオードＰＤ＿Ｎで発生した電子をフォトダイオードＰＤ＿Ｎのカソードから、転送部ＭＮ１を介して容量Ｃ１＿Ｎへ転送する際、転送の容易さから、電位Ｖ１＜電位Ｖｎであるとよい。また、同様に、フォトダイオードＰＤ＿Ｐで発生した正孔をフォトダイオードＰＤ＿Ｐのアノードから、転送部ＭＰ１を介して容量Ｃ１＿Ｐへ転送する際、転送の容易さから、電位Ｖ２＞電位Ｖｎであるとよい。この結果、電位Ｖ１＜電位Ｖ２であるとよい。このように、電位Ｖ１と電位Ｖ２とが、互いに異なる電位を有し、電位Ｖ２が電位Ｖ１よりも高いこと（電位Ｖ１＜電位Ｖ２）が、電位Ｖ２が電位Ｖ１以下であること（電位Ｖ１≧電位Ｖ２）に比べて、測距精度を高める上で有利である。このようにすることで、電荷の収集効率が高まり、高速な動作と精度の高い信号の取得が可能となるからである。実用的には、電位Ｖ１と電位Ｖ２との電位差は０．１０Ｖ以上であるとよい。電位Ｖ１と電位Ｖ２の電位差は典型的には１Ｖ以上５Ｖ以下である。電位Ｖ１を接地電位ＧＮＤ（０Ｖ）よりも低く（電位Ｖ１＜接地電位ＧＮＤ）し、電位Ｖ２を接地電位ＧＮＤ（０Ｖ）よりも高くする（接地電位ＧＮＤ＜電位Ｖ２）こともできる。つまり、接地電位が電位Ｖ１と電位Ｖ２との間であり、電位Ｖ１は負電位、電位Ｖ２は正電位であってもよい。本実施形態において、電位Ｖ１は−２［Ｖ］程度に設定され、電位Ｖ２は＋２［Ｖ］程度に設定されうる。
転送部ＭＮ１及びＭＰ１のゲート電極には、制御線Ｌ＿ＣＮＴを介して制御信号ＴＸ１が供給される。例えば、信号ＴＸ１がハイレベルのとき、転送部ＭＮ１はＯＮ状態（導通状態）となり、一方で、転送部ＭＰ１はＯＦＦ状態（非導通状態）となる。また例えば、信号ＴＸ１がローレベルのとき、転送部ＭＮ１はＯＦＦ状態となり、一方で、転送部ＭＰ１はＯＮ状態となる。つまり、転送部ＭＮ１と転送部ＭＰ１とは、互いに導電型が異なるため、交互に相補的に転送動作するように構成されている。同様に、転送部ＭＮ２及びＭＰ２のゲート電極には、制御線Ｌ＿ＣＮＴを介して制御信号ＴＸ２が供給される。例えば、信号ＴＸ２がハイレベルのとき、転送部ＭＮ２はＯＮ状態となり、一方で、転送部ＭＰ２はＯＦＦ状態となる。また例えば、信号ＴＸ２がローレベルのとき、転送部ＭＮ２はＯＦＦ状態となり、一方で、転送部ＭＰ２はＯＮ状態となる。つまり、転送部ＭＮ２と転送部ＭＰ２とは、互いに導電型が異なるため、交互に相補的に転送動作するように構成されている。
転送部ＭＮ３は、検出ノードｎ１と電位Ｖ０の電源ラインとの間に電流経路を形成するように配される。転送部ＭＮ３のゲート電極には、制御線Ｌ＿ＣＮＴを介して制御信号ＲＥＳ１が供給され、転送部ＭＮ３は、信号ＲＥＳ１に応答して容量Ｃ１＿Ｎ及びＣ１＿Ｐを初期化する。同様に、転送部ＭＮ４は、検出ノードｎ２と電位Ｖ０の電源ラインとの間に電流経路を形成するように配され、制御信号ＲＥＳ２に応答して容量Ｃ２＿Ｎ及びＣ２＿Ｐを初期化する。本実施形態において、電位Ｖ０は０［Ｖ］に設定されうる。
また、本実施形態において、転送部ＭＮ３及びＭＮ４には互いに異なる制御信号ＲＥＳ１及びＲＥＳ２がそれぞれ供給される態様を例示したが、例えば、ＲＥＳ１及びＲＥＳ２に共通の制御信号が供給されてもよい。また、本実施形態において、転送部ＭＮ３及びＭＮ４のいずれもが電位Ｖ０に固定される態様を例示したが、これらは互いに異なる電位に固定されてもよい。
転送部ＭＮ５は、検出ノードｎ１の電位に応じてソースフォロワ動作を行う。転送部ＭＮ６は、制御線Ｌ＿ＣＮＴを介して供給される制御信号ＳＥＬに応答して、転送部ＭＮ５のソースの電位に応じた信号を列信号線Ｌ＿ＣＯＬに出力する。本実施形態において、転送部ＭＮ５及びＭＮ６にｎＭＯＳトランジスタが用いられるが、ｐＭＯＳトランジスタが用いられてもよい。転送部ＭＮ５及びＭＮ６は、検出ユニット２００で生成された信号を検出ユニット２００から出力するための回路部として作用し、信号出力部（或いは、単に出力部）などと称されてもよい。検出ユニット２００から出力された信号に基づいて、処理部１０５は、情報処理システム１００と対象物１１０と間の距離を算出する。
このように検出ユニット２００は、上述のように、フォトダイオードＰＤ＿Ｎと、フォトダイオードＰＤ＿Ｐとの両方に蓄積されたキャリアに基づいた信号を生成する。また、検出ユニット２００内に電荷電圧変換部及び信号出力部を設けることによって、半導体装置の最終出力部まで電子あるは正孔を転送することなく、両方のキャリアに基づいて生成された信号を検出ユニット２００から出力できる。そのため、半導体装置の最終出力部まで電子あるは正孔を転送する場合にくらべて、電子及び正孔に応じたキャリアの電荷量の検出を高速化することができる。検出ユニット２００の構成が上述の実施形態に限られないことは言うまでもなく、該構成の一部は必要に応じて適切に変更されればよい。本実施形態において、フォトダイオード（ＰＤ＿Ｎなど）で発生したキャリアを、ＭＩＳゲート構造を用いた転送部（ＭＮ１など）によって、それぞれの容量（Ｃ１＿Ｎなど）に転送する構成を例示した。しかし、これに限られることなく、例えば、フォトダイオード（ＰＤ＿Ｎなど）と容量（Ｃ１＿Ｎなど）とは、ＭＩＳゲート構造を用いずに直接的に接続されてもよい。また例えば、転送部（ＭＮ１など）と容量（Ｃ１＿Ｎなど）との間に他のＭＩＳゲート構造が更に配されてもよい。即ち、容量（Ｃ１＿Ｎなど）は、フォトダイオード（ＰＤ＿Ｎなど）で発生し蓄積されたキャリア又はそれに応じた電位を保持し、それを後段の回路部に提供するように構成されればよい。
図４（ａ）〜（ｄ）は、ＴＯＦ法に基づく測距法を行う際の検出ユニット２００の駆動方法の例を説明するためのタイミングチャートである。ここで、横軸は時間軸を示す。図４（ａ）及び（ｂ）は、制御信号ＴＸ１及びＴＸ２の波形をそれぞれ示している。縦軸は信号レベルを示す。信号ＴＸ１がハイレベル（正電位）のときに、転送部ＭＮ１はＯＮ状態になり、転送部ＭＰ１はＯＦＦ状態になる。また、信号ＴＸ１がローレベル（負電位）のときに、転送部ＭＰ１はＯＮ状態になり、転送部ＭＮ１はＯＦＦ状態になる。なお、信号ＴＸ１が０［Ｖ］のとき、転送部ＭＮ１及びＭＰ１のいずれもＯＦＦ状態になるものとする。信号ＴＸ２についても同様である。信号ＴＸ１と信号ＴＸ２との波形は逆位相になっている。このため、転送部ＭＮ１と転送部ＭＮ２とは、互いに異なるタイミングでキャリアをそれぞれ対応する容量に転送し、同様に、転送部ＭＰ１と転送部ＭＰ２とは、互いに異なるタイミングでキャリアをそれぞれ対応する容量に転送する。
図４（ｃ）は、光Ｌ１及びＬ２の光量の波形を示している。縦軸は光量を示す。前述のとおり、光Ｌ１は光源１０１の発生光であり、図示されるように、光源１０１の点灯（オン）と消灯（オフ）とを所定の周期で繰り返す。また、光Ｌ２は、検出部１０４が受ける受光光であり、対象物１１０からの反射光だけでなく、外部環境の光である環境光を含みうる。そのため、図中では、受光光Ｌ２について、０でないローレベルであって光源１０１の消灯に対応するローレベルと、ローレベルよりも高いレベルであって光源１０１の点灯に対応するハイレベルとを示している。また、受光光Ｌ２には、光Ｌ１に対して、対象物１１０との距離に相当する遅延（位相差）が発生する。
図４（ａ）〜（ｃ）から分かるように、信号ＴＸ１及びＴＸ２のハイレベル／ローレベルの周期は、光源１０１の点灯／消灯の周期に同期される。本実施形態において、信号ＴＸ１又はＴＸ２を受ける転送部ＭＮ１〜ＭＮ２及びＭＰ１〜ＭＰ２の個々のＯＮ状態／ＯＦＦ状態の切り替えは、光源１０１の点灯／消灯の切り替えのタイミングと略同時に為される。
図４（ｄ）は、検出ノードｎ１の電位ＶＦＤ１（具体的には、容量Ｃ１＿Ｎ及びＣ１＿Ｐの合成された容量Ｃ１の電位）と、検出ノードｎ２の電位ＶＦＤ２（具体的には、容量Ｃ２＿Ｎ及びＣ２＿Ｐの合成された容量Ｃ２の電位）とを示している。縦軸は電位値を示す。即ち、電位ＶＦＤ１は、容量Ｃ１＿Ｎ及びＣ１＿Ｐを合成した容量Ｃ１に保持された電荷量に対応し、電位ＶＦＤ２は、容量Ｃ２＿Ｎ及びＣ２＿Ｐを合成した容量Ｃ２に保持された電荷量に対応する。
最初に（時刻ｔ０の前）、転送部ＭＮ３〜ＭＮ４により容量Ｃ１＿Ｎ及びＣ１＿Ｐ並びにＣ２＿Ｎ及びＣ２＿Ｐを初期化し、即ち、電位ＶＦＤ１及びＶＦＤ２を初期化する。本実施形態（Ｖ０＝０［Ｖ］、Ｖ１＝−２［Ｖ］、Ｖ２＝＋２［Ｖ］）では、電位ＶＦＤ１及びＶＦＤ２の初期値は、実質的に０［Ｖ］である。これと共に、転送部ＭＮ１〜ＭＮ２及びＭＰ１〜ＭＰ２をＯＮ状態にすることにより、フォトダイオードＰＤ＿Ｎ及びＰＤ＿Ｐは初期化される。例えば、初期化後のフォトダイオードＰＤ＿Ｎのカソード電位は−１［Ｖ］程度となり、初期化後のフォトダイオードＰＤ＿Ｐのアノード電位は＋１［Ｖ］程度となる。
時刻ｔ０で、光源１０１を点灯する。また、時刻ｔ０では、信号ＴＸ１をハイレベルにすると共に信号ＴＸ２をローレベルにし、転送部ＭＮ１及びＭＰ２がＯＮ状態になり且つ転送部ＭＮ２及びＭＰ１がＯＦＦ状態になる。即ち、フォトダイオードＰＤ＿Ｎは、転送部ＭＮ１によって容量Ｃ１＿Ｎに接続され、また、フォトダイオードＰＤ＿Ｐは、転送部ＭＰ２よって容量Ｃ２＿Ｐに接続される。その後の時刻ｔ１において、受光光Ｌ２がハイレベルになる。
ここで、時刻ｔ０〜ｔ１の期間では、受光光Ｌ２がローレベル（０ではない）であるから、容量Ｃ１＿Ｎには、フォトダイオードＰＤ＿Ｎで発生し蓄積された電子であって光Ｌ２のローレベルの光量に応じた電子が転送される。同様に、容量Ｃ２＿Ｐには、フォトダイオードＰＤ＿Ｐで発生し蓄積された正孔であって光Ｌ２のローレベルの光量に応じた正孔が転送される。よって、図４（ｄ）に図示されるように、時刻ｔ１では、電位ＶＦＤ１は、該転送された電子に応じた電位になり、同様に、電位ＶＦＤ２は、該転送された正孔に応じた電位になる。
時刻ｔ１で受光光Ｌ２がハイレベルになるため、時刻ｔ１以降（後述の時刻ｔ２まで）のフォトダイオードＰＤ＿Ｎでの電子の発生量、及び、フォトダイオードＰＤ＿Ｐでの正孔の発生量は、それぞれ、時刻ｔ０〜ｔ１の期間に比べて大きくなる。即ち、時刻ｔ１〜ｔ２の電位ＶＦＤ１及びＶＦＤ２の電位の変化量は、それぞれ、時刻ｔ０〜ｔ１の期間に比べて大きくなる。
時刻ｔ２では、光源１０１を消灯する。また、時刻ｔ２では、信号ＴＸ１をローレベルにすると共に信号ＴＸ２をハイレベルにし、転送部ＭＮ１及びＭＰ２がＯＦＦ状態になり且つ転送部ＭＮ２及びＭＰ１がＯＮ状態になる。即ち、フォトダイオードＰＤ＿Ｎは、転送部ＭＮ２によって容量Ｃ２＿Ｎに接続され、また、フォトダイオードＰＤ＿Ｐは、転送部ＭＰ１によって容量Ｃ１＿Ｐに接続される。
これによって、時刻ｔ２以降（後述の時刻ｔ３まで）、容量Ｃ１＿Ｐには、フォトダイオードＰＤ＿Ｐで発生し蓄積された正孔であって光Ｌ２のハイレベルの光量に応じた正孔が転送される。ここで、該容量Ｃ１＿Ｐに転送された正孔と、時刻ｔ０〜ｔ２の期間に容量Ｃ１＿Ｎに転送された電子とは、これらが再結合することにより消滅する。そのため、電位ＶＦＤ１は上がる。前述のとおり、容量Ｃ１＿Ｎと容量Ｃ１＿Ｐとは単一の容量Ｃ１に対応するため、電位ＶＦＤ１は、単に容量Ｃ１への正孔の転送によって上がるとも言える。同様に、時刻ｔ２〜ｔ３では、容量Ｃ２＿Ｎには、フォトダイオードＰＤ＿Ｎで発生し蓄積された電子であって光Ｌ２のハイレベルの光量に応じた電子が転送され、電位ＶＦＤ２は下がる。
その後、時刻ｔ３で受光光Ｌ２がローレベルになるため、時刻ｔ３以降（後述の時刻ｔ４まで）のフォトダイオードＰＤ＿Ｎでの電子の発生量、及び、フォトダイオードＰＤ＿Ｐでの正孔の発生量は、それぞれ、時刻ｔ２〜ｔ３の期間に比べて小さくなる。即ち、時刻ｔ３〜ｔ４の電位ＶＦＤ１及びＶＦＤ２の電位の変化量は、それぞれ、時刻ｔ２〜ｔ３の期間に比べて小さくなる。
時刻ｔ４では、再び、光源１０１を点灯し、また、信号ＴＸ１をハイレベルにすると共に信号ＴＸ２をローレベルにする。即ち、時刻ｔ０〜ｔ４を１周期として、時刻ｔ４以降では、上述の一連の動作が周期的に繰り返される。なお、１周期分の期間は、１０［ｎｓｅｃ］〜１００［ｎｓｅｃ］程度である。
上述の一連の動作を繰り返すことにより、電位ＶＦＤ１（ＶＦＤ２）は、徐々に初期値（本実施形態では０［Ｖ］）からシフトしていく。例えば、図４（ｃ）の例のように、受光光Ｌ２の光Ｌ１に対する遅延量が小さい場合（上述の一連の動作の１周期の期間をＴとして、該遅延量がＴ／４よりも小さい場合）には、電位ＶＦＤ１は下がっていく（電位ＶＦＤ２は上がっていく）。これに対して、受光光Ｌ２の光Ｌ１に対する遅延量が大きい場合（該遅延量がＴ／４よりも大きい場合）には、電位ＶＦＤ１は上がっていく（電位ＶＦＤ２は下がっていく）。なお、受光光Ｌ２の光Ｌ１に対する遅延量がＴ／４と略等しい場合には、電位ＶＦＤ１（ＶＦＤ２）は実質的に初期値（本実施形態では０［Ｖ］）のままである。よって、上述の一連の動作を繰り返した後の電位ＶＦＤ１（ＶＦＤ２）に基づいて、ＴＯＦ法に基づく測距を行うことができる。
本実施形態において、電位ＶＦＤ１に応じた信号を転送部ＭＮ５及びＭＮ６によって読み出す態様を例示したが、電位ＶＦＤ２に応じた信号を読み出してもよい。電位ＶＦＤ１及びＶＦＤ２の一方のみに応じた信号を読み出す場合には、転送部ＭＮ１〜ＭＮ４及びＭＰ１〜ＭＰ２のうち該読み出しに用いられないトランジスタは配置されなくてもよい。また例えば、電位ＶＦＤ１に応じた信号及び電位ＶＦＤ２に応じた信号の双方を読み出し、これら双方を用いてＳＮ比を向上させることも可能である。
次いで、図５（ａ）〜（ｄ）を参照しながら検出ユニット２００の構造の例を述べる。図５（ａ）は、平面視（半導体基板の上面又はそれに平行な面に対する平面視。以下、単に「平面視」という。）における検出ユニット２００のレイアウト図である。図５（ｂ）は、カットラインＢ１−Ｂ２での断面構造を示す模式図である。図５（ｃ）は、カットラインＣ１−Ｃ２での断面構造を示す模式図である。図５（ｄ）は、カットラインＤ１−Ｄ２での断面構造を示す模式図である。図中では、本構造の理解を容易にするため、半導体基板の表面に沿った方向をＸ方向及びＸ方向と交差するＹ方向とする。また、半導体基板の表面に垂直な半導体基板の深さ方向をＺ方向とする。これらの方向を用いて図５（ａ）〜（ｄ）の対応関係を示している。なお、Ｘ方向及びＹ方向は、前述のアレイ部２１０の行方向及び列方向にそれぞれ対応してもよい。
検出ユニット２００は、半導体基板の表面に配された電子を多数キャリア、正孔を少数キャリアとするｎ型の半導体領域ＲＮ０に設けられる。半導体領域ＲＮ０は、例えば、ｎ型の半導体基板の表面であってもよいし、半導体基板にリン、ヒ素、アンチモンなどをイオン注入して形成したｎ型の領域であってもよい。
半導体領域ＲＮ０の中に、正孔を多数キャリア、電子を少数キャリアとするｐ型の半導体領域ＲＰ１、及び、ｎ型の半導体領域ＲＮ１が、それぞれ配される。半導体領域ＲＰ１には、フォトダイオードＰＤ＿Ｎ、転送部ＭＮ１及びＭＮ２、容量Ｃ１＿Ｎ及びＣ２＿Ｎが配され、半導体領域ＲＮ１には、フォトダイオードＰＤ＿Ｐ、転送部ＭＮ３及びＭＮ４、容量Ｃ１＿Ｎ及びＣ２＿Ｎが配される。
フォトダイオードＰＤ＿Ｎは、半導体領域ＲＰ１と、Ｚ方向に半導体領域ＲＰ１と半導体基板の表面との間に配されたｎ型の半導体領域ＲＮ２とを含む。フォトダイオードＰＤ＿Ｎは、半導体領域ＲＰ１の中に、半導体領域ＲＮ２が配されることによって構成される。半導体領域ＲＮ２は、少なくとも底部が半導体領域ＲＰ１によって覆われる。また図５に示すように、半導体領域ＲＮ２の側面も半導体領域ＲＰ１に覆われていてもよい。換言すると、半導体領域ＲＮ２は、半導体領域ＲＰ１に囲まれていてもよい。また、フォトダイオードＰＤ＿Ｎの底部となる半導体領域ＲＰ１の半導体基板の表面からＺ方向に離れた少なくとも底部は、半導体領域ＲＮ０によって覆われる。つまり、半導体領域ＲＮ０は、半導体基板の表面に沿って半導体領域ＲＮ２の下に延在し、半導体領域ＲＰ１が、半導体領域ＲＮ２と半導体領域ＲＮ０との間に位置する。
同様に、フォトダイオードＰＤ＿Ｐは、半導体領域ＲＮ１と、Ｚ方向に半導体領域ＲＮ１と半導体基板の表面との間に配されたｐ型の半導体領域ＲＰ２とを含む。フォトダイオードＰＤ＿Ｐは、半導体領域ＲＮ１の中に、半導体領域ＲＰ２が配されることによって構成される。半導体領域ＲＰ２は、少なくとも底部が半導体領域ＲＮ１によって覆われる。また図５に示すように、半導体領域ＲＰ２の側面も半導体領域ＲＮ１に覆われていてもよい。換言すると、半導体領域ＲＰ２は、半導体領域ＲＮ１に囲まれていてもよい。また、フォトダイオードＰＤ＿Ｐの底部となる半導体領域ＲＮ１の半導体基板の表面からＺ方向に離れた少なくとも底部は、半導体領域ＲＮ０によって覆われる。つまり、半導体領域ＲＮ０は、半導体基板の表面に沿って半導体領域ＲＰ２の下に延在し、半導体領域ＲＮ１が、半導体領域ＲＰ２と半導体領域ＲＮ０との間に位置する。
フォトダイオードＰＤ＿Ｎの半導体領域ＲＮ２とフォトダイオードＰＤ＿Ｐの半導体領域ＲＰ２とは、半導体基板の表面に沿った方向に並んで、互いに異なる位置に配される。
容量Ｃ１＿Ｎは、半導体領域ＲＰ１の中にｎ型の半導体領域である浮遊拡散領域ＦＤ１＿Ｎが配されることによって構成される。同様に、容量Ｃ２＿Ｎは、半導体領域ＲＰ１の中にｎ型の半導体領域である浮遊拡散領域ＦＤ２＿Ｎが配されることによって構成される。半導体領域ＲＰ１と浮遊拡散領域ＦＤ１＿Ｎ及びＦＤ２＿Ｎとは、ＰＮ接合を構成する。また、転送部ＭＮ１のゲート電極に対応する電極ＧＴＸ１は、平面視における浮遊拡散領域ＦＤ１＿Ｎと半導体領域ＲＮ２との間かつ半導体基板上に絶縁膜Ｆを介して配されている。同様に、転送部ＭＮ２のゲート電極に対応する電極ＧＴＸ２は、平面視における浮遊拡散領域ＦＤ２＿Ｎと半導体領域ＲＮ２との間かつ半導体基板上に絶縁膜Ｆを介して配されている。
同様に、容量Ｃ１＿Ｐは、半導体領域ＲＮ１の中にｐ型の半導体領域である浮遊拡散領域ＦＤ１＿Ｐが配されることによって構成される。同様に容量Ｃ２＿Ｐは、半導体領域ＲＮ１の中にｐ型の半導体領域である浮遊拡散領域ＦＤ２＿Ｐが配されることによって構成される。半導体領域ＲＮ１と浮遊拡散領域ＦＤ１＿Ｐ及びＦＤ２＿Ｐとは、ＰＮ接合を構成する。浮遊拡散領域ＦＤ１＿Ｎと浮遊拡散領域ＦＤ１＿Ｐとは、上述のように、共通の検出ノードｎ１に電気的に接続される。同様に、浮遊拡散領域ＦＤ２＿Ｎと浮遊拡散領域ＦＤ２＿Ｐとは、上述のように、共通の検出ノードｎ２に電気的に接続される。また、電極ＧＴＸ１は、転送部ＭＮ１のゲート電極の他、転送部ＭＰ１のゲート電極にも対応しており、即ち、転送部ＭＮ１のゲート電極と転送部ＭＰ１のゲート電極とは電極ＧＴＸ１により共通に形成されている。同様に、電極ＧＴＸ２は、転送部ＭＰ２のゲート電極にも対応している。なお、ゲート電極ＧＴＸ１（ＧＴＸ２）は共通に形成されなくてもよく、転送部ＭＮ１及びＭＰ１（ＭＮ２及びＭＰ２）の個々に対応する電極が個別に形成されてもよい。
半導体領域ＲＰ１及び半導体領域ＲＮ１からＹ方向に離れた位置には、ｐ型の半導体領域ＲＰ３が配され、半導体領域ＲＰ３には、転送部ＭＮ３〜ＭＮ６に対応する要素ないし部分の個々が配される。図５（ａ）に示された電極ＧＲＥＳ１、ＧＲＥＳ２、ＧＳＦ及びＧＳＥＬは、それぞれ、転送部ＭＮ３、ＭＮ４、ＭＮ５及びＭＮ６のゲート電極に対応する。
図５（ｂ）及び（ｃ）に示される半導体領域ＲＰ３は、転送部ＭＮ３〜ＭＮ６のｐ型ウェルに対応し、本実施形態において半導体領域ＲＰ１及び半導体領域ＲＰ３は、半導体領域ＲＮ０によって分離され互いに独立した態様を示す。しかしながら、これに限られることなく、例えば、半導体領域ＲＰ１及び半導体領域ＲＰ３は一体に形成されてもよい。また、半導体領域ＲＮ２、ＲＰ２は、半導体基板の表面に配されているが、半導体領域ＲＮ２の半導体基板の表面側にｐ型の半導体領域、半導体領域ＲＰ２の半導体基板の表面側にｎ型の半導体領域をそれぞれ配してもよい。埋め込み型のフォトダイオードにすることによって、暗電流を低減できる。
ここで、本実施形態の効果について説明する。フォトダイオードＰＤ＿Ｎで発生し蓄積された電子と、フォトダイオードＰＤ＿Ｐで発生し蓄積された正孔とを再結合させ、環境光の影響を抑制し、残留したキャリアによって生じる電位ＶＦＤ１（ＶＦＤ２）に基づいて、ＴＯＦ法に基づく測距を行う。この場合、フォトダイオードＰＤ＿Ｎでキャリアを生成する感度と、フォトダイオードＰＤ＿Ｐでキャリアを生成する感度との差を、入射する光の波長によらず小さくする必要がある。フォトダイオードＰＤ＿ＮとフォトダイオードＰＤ＿Ｐとにおいて感度が異なる場合、キャリアを再結合しても環境光によって生成されたキャリアが多く残留しうる。このため、環境光による影響を抑制することが不十分となり、測距の精度が低下する可能性がある。環境光の影響を抑制するために、例えば、平面視においてフォトダイオードＰＤ＿ＮとフォトダイオードＰＤ＿Ｐとの面積が等しい場合、単位面積当たりのそれぞれのダイオードにおいて感度の差が小さくなるとよい。また例えば、フォトダイオードＰＤ＿ＮとフォトダイオードＰＤ＿Ｐとで、感度が等しくてもよい。
図５に示す半導体領域ＲＮ１を配さない場合であっても、半導体領域ＲＮ０と半導体領域ＲＰ２とでフォトダイオードＰＤ＿Ｐは構成されうる。しかしながら、半導体領域ＲＮ０と半導体領域ＲＰ２とでフォトダイオードＰＤ＿Ｐを構成した場合、半導体領域ＲＮ０の深い領域（図５（ｄ）に示す下側の領域。）で発生したキャリアが、ドリフトによって移動し、半導体領域ＲＰ２に蓄積されうる。太陽光に代表されるような環境光には、様々な波長の光が含まれ、波長に応じて半導体領域ＲＮ０中に吸収されキャリアが生成されるＺ方向の深さが変化する。このため、光電変換素子としてのフォトダイオードＰＤ＿Ｐの深さを明確に定義することは難しい。従って、フォトダイオードＰＤ＿ＮとフォトダイオードＰＤ＿Ｐとの感度の差をコントロールすることが難しい。
これに対して、本実施形態において、半導体領域ＲＮ０と半導体領域ＲＰ２との間に半導体領域ＲＮ１を配する。図５に示す構成において、半導体領域ＲＮ０の中に半導体領域ＲＮ１を配し、半導体領域ＲＮ１の中にフォトダイオードＰＤ＿Ｐの蓄積領域を構成する半導体領域ＲＰ２を配する。半導体領域ＲＮ１の不純物濃度の分布によって、深さ方向にポテンシャル障壁を作ることができる。このポテンシャル障壁によって、半導体領域ＲＮ０の深い位置で発生したキャリアが、フォトダイオードＰＤ＿Ｐの蓄積領域を構成する半導体領域ＲＰ２に流入することを抑制できる。これによって、フォトダイオードＰＤ＿Ｐの深さをより明確にすることができる。
ここで、半導体領域ＲＮ１の不純物濃度のピークが、深さ方向（Ｚ方向）において、半導体領域ＲＮ２と半導体領域ＲＮ０との間において半導体領域ＲＰ１が存在する深さの範囲に位置するとよい。このとき、図５（ｄ）に示すように、半導体領域ＲＰ１の不純物濃度のピークが、半導体領域ＲＮ２と半導体領域ＲＮ０との間に存在してもよい。また、図５（ｄ）に示すように、Ｚ方向に半導体領域ＲＮ２から半導体領域ＲＮ０までの距離を距離Ｄ、半導体領域ＲＮ２から半導体領域ＲＮ１の不純物濃度のピークの位置の深さまでの距離を距離ｄとする。このとき、距離ｄを距離Ｄで除した値が、０．２５〜０．７５の範囲（０．２５≦ｄ／Ｄ≦０．７５）にあってもよい。同じ範囲に半導体領域ＲＰ１の不純物濃度のピークの位置があってもよい。例えば、半導体領域ＲＮ１及び半導体領域ＲＰ１の不純物濃度のピーク位置が、半導体領域ＲＮ２と半導体領域ＲＮ０との間の領域を４等分したうち中央の５０％の領域に存在してもよい。また、図５（ｄ）に示すように、半導体領域ＲＮ１及び半導体領域ＲＰ１の不純物濃度のピーク位置が、略同じであってもよい。略同じという範囲は、半導体領域ＲＰ１の不純物濃度のピークが、半導体領域ＲＮ１のピークにおける不純物濃度の４０％以上の不純物濃度となる深さの範囲である。これはイオン注入の射影飛程の統計的ばらつきである射影分散程度という意味である。また、半導体領域ＲＮ１と半導体領域ＲＰ１とで、上述の範囲内で不純物濃度のピークの位置が、互いに異なっていてもよい。例えば、半導体領域ＲＮ１を作るドーパントに砒素Ａｓ、半導体領域ＲＰ１を作るドーパントに硼素Ｂを用いる場合、同じイオン注入エネルギで注入した場合、砒素Ａｓの不純物濃度のピークは硼素Ｂよりも浅い所に位置する。砒素Ａｓは硼素Ｂに比べて珪素素Ｓｉにおける射影飛程が短いためである。砒素Ａｓは硼素Ｂよりもイオン注入エネルギを大きくすることで不純物濃度のピークの位置を相互に近づけることがきる。加えて、砒素ＡｓはシリコンＳｉにおける拡散係数も硼素Ｂと比較して小さい。そのため、後工程のアニールでピーク位置が移動する量が小さくなる。この点も考慮してイオン注入エネルギを調整してもよい。
フォトダイオードＰＤ＿Ｐにおいて、半導体領域ＲＮ０と同じ導電型で半導体領域ＲＮ０よりも不純物濃度の高い半導体領域ＲＮ１を配することによってポテンシャル障壁を形成し、フォトダイオードＰＤ＿Ｐの深さをより明確にする。これによって、フォトダイオードＰＤ＿ＮとフォトダイオードＰＤ＿Ｐとの感度の差が抑制され、キャリアを再結合する際の環境光の影響を抑制し、測距の精度を向上することが可能となる。
それぞれの半導体領域ＲＮ１、ＲＮ２、ＲＰ１、ＲＰ２、ＲＰ３などは、例えばイオン注入や固相拡散などを用いて形成されうる。半導体領域ＲＮ１及び半導体領域ＲＰ１の不純物濃度のピーク位置の調整は、それぞれの半導体領域を形成する際、例えばイオン注入に用いるイオンの種類、注入エネルギ、注入量、活性化アニールの温度や時間を適宜選択することによって調整できる。
半導体領域ＲＮ１及び半導体領域ＲＰ１の半導体領域ＲＮ０の中での配置や構造は、図５に示す構成に限られるものではない。図６（ａ）〜（ｄ）は、半導体領域ＲＮ１及び半導体領域ＲＰ１の構成例を示すＸ−Ｚ方向の断面図である。図５（ｄ）に示す構成では、フォトダイオードＰＤ＿Ｎの外縁となる半導体領域ＲＰ１と、フォトダイオードＰＤ＿Ｐの外縁となる半導体領域ＲＮ１との間に半導体領域ＲＮ１よりも不純物濃度の低いｎ型の半導体領域が位置している。例えば、半導体領域ＲＰ１と半導体領域ＲＮ１との間に、半導体領域ＲＮ０の一部が延在してもよい。つまり、半導体領域ＲＰ１及び半導体領域ＲＮ１は、底部だけでなく側面も半導体領域ＲＮ０によって覆われてもよい。このため、フォトダイオードＰＤ＿ＮとフォトダイオードＰＤ＿Ｐとは、離れて配されているが、図６（ａ）に示すように、フォトダイオードＰＤ＿Ｎの半導体領域ＲＰ１とフォトダイオードＰＤ＿Ｐの半導体領域ＲＮ１とが接していてもよい。
また、ｎ型の半導体領域ＲＮ１とｎ型の半導体領域ＲＮ０との間にｐ型の半導体領域が位置していてもよい。ｐ型の半導体領域は、半導体領域ＲＰ１とは別に設けてもよいし、例えば、図６（ｂ）に示すように半導体領域ＲＰ１が半導体領域ＲＮ２の下から半導体領域ＲＮ１の下まで連続して延在していてもよい。この場合、半導体領域ＲＮ１の少なくとも底部と半導体領域ＲＮ０との間に半導体領域ＲＰ１が位置する。ｎ型の半導体領域ＲＮ０と半導体領域ＲＮ１との間にｐ型の半導体領域を配することによって、半導体領域ＲＮ０と半導体領域ＲＮ１とが電気的に絶縁される。このため、半導体領域ＲＮ０の深い位置から移動してくるキャリアが、フォトダイオードＰＤ＿Ｐの半導体領域ＲＰ２に流入することを防ぐことができる。また、図６（ｂ）に示すように、半導体領域ＲＮ１の全体が、半導体領域ＲＰ１によって覆われていてもよい。フォトダイオードＰＤ＿Ｐがｐ型の半導体領域ＲＰ１で囲まれることによって、キャリアが、フォトダイオードＰＤ＿Ｐの側面から回り込んで流入することを防ぐことができる。
また、図６（ｃ）に示すように、半導体領域ＲＮ２の下における半導体基板の表面から半導体領域ＲＮ０までの距離が、半導体領域ＲＰ２の下における半導体基板の表面から半導体領域ＲＮ０までの距離よりも小さくてもよい。換言すると、半導体領域ＲＰ１の底部が、半導体領域ＲＮ２の下の部分よりも半導体領域ＲＮ１の下の部分においてＺ方向に深くなっていてもよい。この場合、距離Ｄは、半導体領域ＲＮ２から、半導体領域ＲＮ２の下の半導体領域ＲＮ０までの距離としてもよい。また、半導体領域ＲＮ２の下における半導体基板の表面から半導体領域ＲＮ０までの距離と、半導体領域ＲＰ２の下における半導体基板の表面から半導体領域ＲＰ１までの距離とが、それぞれ異なっていてもよい。半導体領域ＲＮ２の下における半導体基板の表面から半導体領域ＲＮ０までの距離が、半導体領域ＲＰ２の下における半導体基板の表面から半導体領域ＲＰ１までの距離よりも長くてもよいし、また、短くてもよい。図６（ｃ）に示す形状の半導体領域ＲＰ１を形成する場合、例えば２度のイオン注入を用いて形成してもよい。まず、図６（ｃ）の半導体領域ＲＰ１の左側の底部が浅い領域に開口を有するマスクパターンを形成する。この開口を介して、イオン注入を行い半導体領域ＲＰ１の左側の底部が浅い領域を形成する。浅い領域の形成に用いたマスクパターンを除去した後、図６（ｃ）の半導体領域ＲＰ１の右側の底部が深い領域に開口を有するマスクパターンを形成する。この開口を介して、浅い領域を形成したときよりも高い注入エネルギを用いたイオン注入を行い、半導体領域ＲＰ１の右側の底部が深い領域を形成する。その後、半導体領域ＲＮ１、ＲＮ２及びＲＰ２を、それぞれイオン注入などを用いて形成することによって図６（ｃ）に示す構成が形成される。それぞれの半導体領域を形成する際、イオン注入に用いるイオンの種類、注入エネルギ、注入量、活性化アニールの温度や時間は、適宜選択すればよい。また、それぞれの半導体領域を形成する順番は、上述に限られることはない。
また、図６（ｃ）に示す形状の半導体領域ＲＰ１を、１度のイオン注入によって形成してもよい。この場合、例えば厚さ方向の形状に段差を有するマスクパターンを用いてもよい。半導体領域ＲＰ１を形成しない部分は、イオン注入の際に基板までイオンが注入されない厚さのマスクを形成する。また、図６（ｃ）の半導体領域ＲＰ１の左側の底部が浅い領域の上に、イオン注入時に入射したイオンがエネルギを失いながらマスクを突き抜け、基板に注入される程度の厚さのマスクを形成する。つまり、半導体領域ＲＰ１が形成されない領域は厚く、半導体領域ＲＰ１の左側の底部が浅い領域は、半導体領域ＲＰ１が形成されない領域よりも薄い、更に半導体領域ＲＰ１の右側の底部が深い領域はマスクのない、段差を有するマスクパターンを形成する。マスクパターンの形成後、イオン注入を行うことによって、図６（ｃ）に示す形状を有する半導体領域ＲＰ１が形成される。
また例えば、図６（ｄ）に示すように、半導体領域ＲＰ１と半導体領域ＲＮ０との間、及び、半導体領域ＲＮ１と半導体領域ＲＮ０との間に、ｐ型の半導体領域ＲＰ４を配してもよい。半導体領域ＲＰ４は、半導体領域ＲＰ１よりも不純物濃度が低い半導体領域である。この場合、半導体領域ＲＰ１と半導体領域ＲＮ１との少なくとも底部が、半導体領域ＲＰ４によって覆われる。また、図６（ｄ）に示すように、半導体領域ＲＰ１と半導体領域ＲＮ１との全体が、半導体領域ＲＰ４によって覆われていてもよい。図６（ｄ）に示す構成を形成する場合、例えば２度のイオン注入を用いて半導体領域ＲＰ１及び半導体領域ＲＰ４を形成してもよい。まず、半導体領域ＲＰ４をイオン注入によって形成する。次いで、半導体領域ＲＰ４を形成するイオン注入よりも低い注入エネルギを用い、また、注入量を増やして半導体領域ＲＰ１を形成することによって、図６（ｄ）に示す半導体領域ＲＰ１及び半導体領域ＲＰ４を形成できる。
また、図５（ｄ）、図６（ａ）、（ｂ）、（ｄ）では、半導体領域ＲＮ２の下における半導体基板の表面から半導体領域ＲＮ０までの距離と、半導体領域ＲＰ２の下における半導体基板の表面から半導体領域ＲＮ０までの距離とが略同じになっている。しかしながら、半導体領域ＲＮ２の下における半導体基板の表面から半導体領域ＲＮ０までの距離と、半導体領域ＲＰ２の下における半導体基板の表面から半導体領域ＲＮ０までの距離とが、それぞれ異なっていてもよい。例えば、半導体領域ＲＰ１よりも半導体領域ＲＮ１の方が、Ｚ方向に深い位置まで形成され、半導体領域ＲＮ２の下よりも半導体領域ＲＰ２の下において、半導体基板の表面から半導体領域ＲＮ０までの距離が長くてもよい。
何れの構成であっても、深さ方向（Ｚ方向）において、半導体領域ＲＮ１及び半導体領域ＲＰ１の不純物濃度のピークの位置が、半導体領域ＲＮ２と半導体領域ＲＮ０との間の深さに位置するとよい。これによって、フォトダイオードＰＤ＿ＮとフォトダイオードＰＤ＿Ｐとの感度の差が抑制され、キャリアを再結合する際の環境光の影響を抑制し、測距の精度を向上することが可能となる。
以上、本発明に係る実施形態を示したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更、組み合わせが可能である。
例えば、本明細書において、第１の導電型に対応する導電型をｎ型、第２の導電型に対応する導電型をｐ型として説明したが、第１の導電型がｐ型で、第２の導電型がｎ型であってもよい。
なお、半導体装置を構成する複数の半導体領域の各々はそれぞれ、必要に応じて第Ｎの半導体領域（Ｎ≧１）と称することができる。第Ｎの半導体領域と称された半導体領域が半導体装置のどの半導体領域に対応するかは、上記説明及び図面の対応関係から把握できる範囲内において、合理的に理解されよう。また、製造工程上で同時に形成された半導体領域は、位置あるいは機能に応じて、別々の半導体領域とみなすこともできるし、同一の半導体領域とみなすこともできる。また、製造工程上で別々に形成された半導体領域も、位置あるいは機能に応じて、別々の半導体領域とみなすこともできるし、同一の半導体領域とみなすこともできる。
また、本明細書では、本発明の適用例である情報処理システム１００を測距システムとして例示したが、本発明は他の用途にも用いられうることは言うまでもなく、ここで例示された態様に限られるものではない。例えば、本発明の適用例である情報処理システム１００はカメラであってもよいし、撮影機能を有する情報機器であってもよい。また本発明は、自動車などに搭載されうる人感センサや障害物センサなどに適用されてもよいし、仮想空間を実現するゲーム機などに適用されてもよい。また、例えば、本発明は、ＴＯＦ法に基づいて測距を行うための構造に限られず、位相差検出法に基づいて焦点位置を調整するための構造に適用されてもよい。
その他、本明細書に記載された個々の用語は、本発明を説明する目的で用いられたものに過ぎず、本発明は、その用語の厳密な意味に限定されるものでないことは言うまでもなく、その均等物をも含みうる。
２００：検出ユニット、ＰＤ＿Ｎ、ＰＤ＿Ｐ：フォトダイオード、ＲＮ０、ＲＮ１、ＲＮ２、ＲＰ１、ＲＰ２：半導体領域
Claims (20)
- 半導体基板に配された第１のフォトダイオードと第２のフォトダイオードとを含む検出ユニットを備え、
前記第１のフォトダイオードで生成された、電子及び正孔の一方である第１のキャリアと、前記第２のフォトダイオードで生成された電子及び正孔の他方である第２のキャリアと、の両方に基づいた信号を生成する半導体装置であって、
前記第１のフォトダイオードと前記第２のフォトダイオードとは、前記半導体基板の表面に沿った第１の方向において、互いに異なる位置に配され、
前記第１のキャリアが多数キャリアであり前記第２のキャリアが少数キャリアである半導体領域を第１の導電型、前記第２のキャリアが少数キャリアであり前記第１のキャリアが多数キャリアである半導体領域を第２の導電型として、
前記第１のフォトダイオードは、前記第２の導電型の第１の半導体領域と、前記表面に垂直な第２の方向において前記第１の半導体領域と前記表面との間に配された前記第１の導電型の第２の半導体領域と、を含み、
前記第２のフォトダイオードは、前記第１の導電型の第３の半導体領域と、前記第２の方向において前記第３の半導体領域と前記表面との間に配された前記第２の導電型の第４の半導体領域と、を含み、
前記第１の半導体領域よりも前記表面から離れた位置に前記第１の導電型の第５の半導体領域が設けられており、
前記第２の方向において、前記第３の半導体領域の不純物濃度のピークが、前記第２の半導体領域と前記第５の半導体領域との間において前記第１の半導体領域が存在する深さの範囲に位置することを特徴とする半導体装置。 - 前記第２の方向において、前記第１の半導体領域の不純物濃度のピークが、前記第３の半導体領域の前記ピークにおける不純物濃度の４０％以上の不純物濃度である深さの範囲に位置することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記第２の方向において、前記第２の半導体領域から前記第５の半導体領域までの距離をＤ、前記第２の半導体領域から前記第３の半導体領域の不純物濃度の前記ピークの位置の深さまでの距離をｄとしたとき、０．２５≦ｄ／Ｄ≦０．７５を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
- 前記第３の半導体領域の不純物濃度は、前記第５の半導体領域の不純物濃度よりも高いことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体装置。
- 前記第１の方向に沿って前記第５の半導体領域が前記第４の半導体領域の下に延在し、
前記第３の半導体領域が、前記第４の半導体領域と前記第５の半導体領域との間に位置していることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の半導体装置。 - 前記第１の方向において、前記第１の半導体領域と前記第３の半導体領域との間に、前記第３の半導体領域よりも不純物濃度が低い前記第１の導電型の半導体領域が位置していることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の半導体装置。
- 前記第１の半導体領域と前記第３の半導体領域とが接していることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の半導体装置。
- 前記第３の半導体領域と前記第５の半導体領域との間に前記第２の導電型の半導体領域が位置していることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の半導体装置。
- 前記第２の半導体領域の下における前記表面から前記第５の半導体領域までの距離が、前記第４の半導体領域の下における前記表面から前記第５の半導体領域までの距離よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の半導体装置。
- 前記第１の半導体領域と前記第５の半導体領域との間、及び、前記第３の半導体領域と前記第５の半導体領域との間に、前記第１の導電型の半導体領域が配されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の半導体装置。
- 前記第１の導電型がｎ型であり、前記第２の導電型がｐ型であることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の半導体装置。
- 前記第１の導電型がｐ型であり、前記第２の導電型がｎ型であることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の半導体装置。
- 前記検出ユニットは、
前記第１の半導体領域に、第１の電位を供給する第１の電位供給部と、
前記第３の半導体領域に、第２の電位を供給する第２の電位供給部と、を更に含み、
前記第１の電位と前記第２の電位とは互いに異なることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の半導体装置。 - 接地電位が前記第１の電位と前記第２の電位との間であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
- 前記検出ユニットは、
前記第１の導電型の第６の半導体領域と、
前記第１のキャリアを前記第２の半導体領域から前記第６の半導体領域に転送するための第１の転送部と、
前記第２の導電型の第７の半導体領域と、
前記第２のキャリアを前記第４の半導体領域から前記第７の半導体領域に転送するための第２の転送部と、
前記第６の半導体領域と前記第７の半導体領域とに共通に電気的に接続された検出ノードと、を更に含み、
前記検出ノードの電位に基づいて前記信号を生成することを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載の半導体装置。 - 前記検出ユニットは、前記第１の転送部による前記第１のキャリアの転送と、前記第２の転送部による前記第２のキャリアの転送とを、交互に行うことを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置。
- 前記検出ユニットは、
前記第１の導電型の第８の半導体領域と、
前記第１のキャリアを前記第２の半導体領域から前記第８の半導体領域に転送するための第３の転送部と、
前記第２の導電型の第９の半導体領域と、
前記第２のキャリアを前記第４の半導体領域から前記第９の半導体領域に転送するための第４の転送部と、を更に含むことを特徴とする請求項１５又は１６に記載の半導体装置。 - 前記検出ユニットは、前記第１の転送部による前記第１のキャリアの転送と、前記第３の転送部による前記第１のキャリアの転送とを、交互に行い、前記第２の転送部による前記第２のキャリアの転送と、前記第４の転送部による前記第２のキャリアの転送とを、交互に行うことを特徴とする請求項１７に記載の半導体装置。
- 前記半導体装置が、前記検出ユニットを複数備えることを特徴とする請求項１乃至１８の何れか１項に記載の半導体装置。
- 請求項１乃至１９の何れか１項に記載の半導体装置と、
前記半導体装置から出力される信号を処理する処理部と、を備えることを特徴とする情報処理システム。
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