JP7086494B2 - 受光素子 - Google Patents

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Description

本技術は、受光素子に関し、特に、特性を向上させることができるようにした受光素子に関する。
従来、間接ToF（Time of Flight）方式を利用した測距システムが知られている。このような測距システムでは、ある位相でLED（Light Emitting Diode）やレーザを用いて照射されたアクティブ光が対象物にあたって反射した光を受光することで得られる信号電荷を高速に異なる領域に振り分けることのできるセンサが必要不可欠である。
そこで、例えばセンサの基板に直接電圧を印加して基板内に電流を発生させることで、基板内の広範囲の領域を高速に変調できるようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このようなセンサは、CAPD（Current Assisted Photonic Demodulator）センサとも呼ばれている。
特開２０１１－８６９０４号公報
しかしながら、上述した技術では十分な特性のCAPDセンサを得ることは困難であった。
例えば上述したCAPDセンサは、基板における外部からの光を受光する側の面に配線等が配置された表面照射型のセンサとなっている。
光電変換領域の確保のためにPD（Photodiode）、すなわち光電変換部の受光面側には配線など、入射してくる光の光路を遮るものがないことが望ましい。しかし、表面照射型のCAPDセンサでは、構造によってはPDの受光面側に電荷取り出し用の配線や各種制御線、信号線を配置せざるを得ないものがあり、光電変換領域が制限されてしまう。つまり、十分な光電変換領域を確保することができず、画素感度等の特性が低下してしまうことがある。
また、外光のある場所でCAPDセンサを使用することを考えた場合、外光成分はアクティブ光を用いて測距を行う間接ToF方式にとってはノイズ成分となるため、十分なSN比（Signal to Noise ratio）を確保して距離情報を得るためには、十分な飽和信号量（Qs）を確保する必要がある。しかし、表面照射型のCAPDセンサでは、配線レイアウトに制限があるため、容量を確保するために追加のトランジスタを設ける等、配線容量以外の手法を用いる工夫が必要であった。
さらに、表面照射型のCAPDセンサでは、基板内における光が入射する側にTapと呼ばれる信号取り出し部が配置されている。一方Si基板内の光電変換を考えた場合、光の波長で減衰率に差分はあるものの光入射面側で光電変換が起こる割合は高い。そのため、表面型のCAPDセンサにおいては信号取り出し部が設けられたTap領域のうち、信号電荷を振り分けないTap領域であるInactive Tap領域で光電変換が行われる確率が高くなる可能性がある。間接ToFセンサではアクティブ光の位相に応じて各電荷蓄積領域に振り分けられた信号を用いて測距情報を得るため、Inactive Tap領域で直接光電変換した成分がノイズとなり、その結果、測距精度が悪化してしまう可能性がある。すなわち、CAPDセンサの特性が低下してしまう可能性がある。
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、特性を向上させることができるようにするものである。
本技術の第１の側面の受光素子は、
半導体層と、
前記半導体層の光入射面の上方に設けられたオンチップレンズと、
前記半導体層の光入射面と反対の面に設けられた多層配線層と
を備え、
前記半導体層は、
第１の電圧が印加される第１の電圧印加部と、
前記第１の電圧とは異なる第２の電圧が印加される第２の電圧印加部と、
前記第１の電圧印加部の周囲に配置される第１の電荷検出部と、
前記第２の電圧印加部の周囲に配置される第２の電荷検出部と
を備え、
前記多層配線層は、
前記第１の電圧を供給する第１の電圧印加配線と、前記第２の電圧を供給する第２の電圧印加配線と、反射部材とを同層に備える配線層を少なくとも有し、
前記反射部材は、平面視において前記第１の電荷検出部または前記第２の電荷検出部と重なるように設けられている。
本技術の第１の側面においては、半導体層と、前記半導体層の光入射面の上方に設けられたオンチップレンズと、前記半導体層の光入射面と反対の面に設けられた多層配線層とを備え、前記半導体層は、第１の電圧が印加される第１の電圧印加部と、前記第１の電圧とは異なる第２の電圧が印加される第２の電圧印加部と、前記第１の電圧印加部の周囲に配置される第１の電荷検出部と、前記第２の電圧印加部の周囲に配置される第２の電荷検出部とを備え、前記多層配線層は、前記第１の電圧を供給する第１の電圧印加配線と、前記第２の電圧を供給する第２の電圧印加配線と、反射部材とを同層に備える配線層を少なくとも有し、前記反射部材は、平面視において前記第１の電荷検出部または前記第２の電荷検出部と重なるように設けられている。
受光素子は、独立した装置であっても良いし、他の装置に組み込まれるモジュールであっても良い。
本技術の第１の側面によれば、特性を向上させることができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載された何れかの効果であってもよい。
固体撮像素子の構成例を示す図である。 画素の構成例を示す図である。 画素の信号取り出し部の部分の構成例を示す図である。 感度向上について説明する図である。 電荷分離効率の向上について説明する図である。 電子の取り出し効率の向上について説明する図である。 表面照射型における信号キャリアの移動速度を説明する図である。 裏面照射型における信号キャリアの移動速度を説明する図である。 画素の信号取り出し部の部分の他の構成例を示す図である。 画素とオンチップレンズの関係を説明する図である。 画素の信号取り出し部の部分の他の構成例を示す図である。 画素の信号取り出し部の部分の他の構成例を示す図である。 画素の信号取り出し部の部分の他の構成例を示す図である。 画素の信号取り出し部の部分の他の構成例を示す図である。 画素の信号取り出し部の部分の他の構成例を示す図である。 画素の他の構成例を示す図である。 画素の他の構成例を示す図である。 画素の他の構成例を示す図である。 画素の他の構成例を示す図である。 画素の他の構成例を示す図である。 画素の他の構成例を示す図である。 画素の他の構成例を示す図である。 画素の他の構成例を示す図である。 画素の他の構成例を示す図である。 画素の他の構成例を示す図である。 画素の他の構成例を示す図である。 画素の他の構成例を示す図である。 画素の他の構成例を示す図である。 画素の他の構成例を示す図である。 画素の他の構成例を示す図である。 画素の等価回路を示す図である。 画素のその他の等価回路を示す図である。 Periodic配置を採用した電圧供給線の配置例を示す図である。 Mirror配置を採用した電圧供給線の配置例を示す図である。 Periodic配置とMirror配置の特性を説明する図である。 第１４の実施の形態における複数画素の断面図である。 第１４の実施の形態における複数画素の断面図である。 第９の実施の形態における複数画素の断面図である。 第９の実施の形態の変形例１における複数画素の断面図である。 第１５の実施の形態における複数画素の断面図である。 第１０の実施の形態における複数画素の断面図である。 多層配線層の５層の金属膜を説明する図である。 多層配線層の５層の金属膜を説明する図である。 ポリシリコン層を説明する図である。 金属膜に形成される反射部材の変形例を示す図である。 金属膜に形成される反射部材の変形例を示す図である。 固体撮像素子の基板構成を説明する図である。 測距モジュールの構成例を示すブロック図である。 車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。 車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
以下、図面を参照して、本技術を適用した実施の形態について説明する。
〈第１の実施の形態〉
〈固体撮像素子の構成例〉
本技術は、CAPDセンサを裏面照射型の構成とすることで、画素感度等の特性を向上させることができるようにするものである。
本技術は、例えば間接ToF方式により測距を行う測距システムを構成する固体撮像素子や、そのような固体撮像素子を有する撮像装置などに適用することが可能である。
例えば測距システムは、車両に搭載され、車外にある対象物までの距離を測定する車載用のシステムや、ユーザの手等の対象物までの距離を測定し、その測定結果に基づいてユーザのジェスチャを認識するジェスチャ認識用のシステムなどに適用することができる。この場合、ジェスチャ認識の結果は、例えばカーナビゲーションシステムの操作等に用いることができる。
図１は、本技術を適用した固体撮像素子（受光素子）の一実施の形態の構成例を示す図である。
図１に示す固体撮像素子１１は、裏面照射型のCAPDセンサであり、測距機能を有する撮像装置に設けられている。
固体撮像素子１１は、図示せぬ半導体基板上に形成された画素アレイ部２１と、画素アレイ部２１と同じ半導体基板上に集積された周辺回路部とを有する構成となっている。周辺回路部は、例えば垂直駆動部２２、カラム処理部２３、水平駆動部２４、およびシステム制御部２５から構成されている。
固体撮像素子１１には、さらに信号処理部２６およびデータ格納部２７も設けられている。なお、信号処理部２６およびデータ格納部２７は、固体撮像素子１１と同じ基板上に搭載してもよいし、撮像装置における固体撮像素子１１とは別の基板上に配置するようにしてもよい。
画素アレイ部２１は、受光した光量に応じた電荷を生成し、その電荷に応じた信号を出力する単位画素（以下、単に画素とも称する）が行方向および列方向に、すなわち行列状に２次元配置された構成となっている。すなわち、画素アレイ部２１は、入射した光を光電変換し、その結果得られた電荷に応じた信号を出力する画素を複数有している。
ここで、行方向とは画素行の画素の配列方向（すなわち、水平方向）をいい、列方向とは画素列の画素の配列方向（すなわち、垂直方向）をいう。つまり、行方向は図中、横方向であり、列方向は図中、縦方向である。
画素アレイ部２１において、行列状の画素配列に対して、画素行ごとに画素駆動線２８が行方向に沿って配線され、各画素列に２つの垂直信号線２９が列方向に沿って配線されている。例えば画素駆動線２８は、画素から信号を読み出す際の駆動を行うための駆動信号を伝送する。なお、図１では、画素駆動線２８について１本の配線として示しているが、１本に限られるものではない。画素駆動線２８の一端は、垂直駆動部２２の各行に対応した出力端に接続されている。
垂直駆動部２２は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、画素アレイ部２１の各画素を全画素同時あるいは行単位等で駆動する。すなわち、垂直駆動部２２は、垂直駆動部２２を制御するシステム制御部２５とともに、画素アレイ部２１の各画素の動作を制御する駆動部を構成している。
なお、間接ToF方式での測距においては、１つの制御線に接続されている、高速駆動させる素子（CAPD素子）の数が高速駆動の制御性や駆動の精度へ影響を及ぼす。間接ToF方式での測距に用いる固体撮像素子は、水平方向に長い画素アレイとされることが多い。したがって、そのようなときには高速駆動させる素子の制御線に関しては、垂直信号線２９や他の垂直方向に長い制御線が用いられるようにしてもよい。この場合、例えば垂直信号線２９や垂直方向に長い他の制御線に対して、垂直方向に配列された複数の画素が接続され、それらの垂直信号線２９や他の制御線を介して、垂直駆動部２２とは別に設けられた駆動部や水平駆動部２４等により画素の駆動、すなわちCAPDセンサの駆動が行われる。
垂直駆動部２２による駆動制御に応じて画素行の各画素から出力される信号は、垂直信号線２９を通してカラム処理部２３に入力される。カラム処理部２３は、各画素から垂直信号線２９を通して出力される信号に対して所定の信号処理を行うとともに、信号処理後の画素信号を一時的に保持する。
具体的には、カラム処理部２３は、信号処理としてノイズ除去処理やAD（Analog to Digital）変換処理などを行う。
水平駆動部２４は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、カラム処理部２３の画素列に対応する単位回路を順番に選択する。この水平駆動部２４による選択走査により、カラム処理部２３において単位回路ごとに信号処理された画素信号が順番に出力される。
システム制御部２５は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータなどによって構成され、そのタイミングジェネレータで生成された各種のタイミング信号を基に、垂直駆動部２２、カラム処理部２３、および水平駆動部２４などの駆動制御を行う。
信号処理部２６は、少なくとも演算処理機能を有し、カラム処理部２３から出力される画素信号に基づいて演算処理等の種々の信号処理を行う。データ格納部２７は、信号処理部２６での信号処理にあたって、その処理に必要なデータを一時的に格納する。
〈画素の構成例〉
次に、画素アレイ部２１に設けられた画素の構成例について説明する。画素アレイ部２１に設けられた画素は、例えば図２に示すように構成される。
図２は画素アレイ部２１に設けられた１つの画素５１の断面を示しており、この画素５１は外部から入射した光、特に赤外光を受光して光電変換し、その結果得られた電荷に応じた信号を出力する。
画素５１は、例えばシリコン基板、すなわちP型半導体領域からなるP型半導体基板である基板６１（半導体層）と、その基板６１上に形成されたオンチップレンズ６２とを有している。
例えば基板６１は図中、縦方向の厚さ、つまり基板６１の面と垂直な方向の厚さが20μｍ以下となるようになされている。なお、基板６１の厚さは20μｍ以上であっても勿論よく、その厚さは固体撮像素子１１の目標とする特性等に応じて定められればよい。
また、基板６１は、例えば１Ｅ＋１３オーダー以下の基板濃度とされた高抵抗のP‐Epi基板などとされ、基板６１の抵抗（抵抗率）は例えば500［Ωcm］以上となるようになされている。
ここで、基板６１の基板濃度と抵抗との関係は、例えば基板濃度6.48E＋12［cm3］のときに抵抗2000［Ωcm］、基板濃度1.30E＋13［cm3］のときに抵抗1000［Ωcm］、基板濃度2.59E＋13［cm3］のときに抵抗500［Ωcm］、および基板濃度1.30E＋14［cm3］のときに抵抗100［Ωcm］などとされる。
基板６１の図中、上側の表面、つまり基板６１における外部からの光が入射する側の面（以下、入射面とも称する）上には、外部から入射した光を集光して基板６１内に入射させるオンチップレンズ６２が形成されている。
さらに画素５１では、基板６１の入射面上における画素５１の端部分には、隣接する画素間での混色を防止するための画素間遮光部６３－１および画素間遮光部６３－２が形成されている。
この例では、外部からの光はオンチップレンズ６２を介して基板６１内に入射するが、外部から入射した光がオンチップレンズ６２や基板６１の一部を通り、基板６１における画素５１に隣接して設けられた他の画素の領域に入射しないようになされている。すなわち、外部からオンチップレンズ６２に入射し、画素５１と隣接する他の画素内へと向かう光が、画素間遮光部６３－１や画素間遮光部６３－２で遮光されて、隣接する他の画素内へと入射しないようになされている。以下、画素間遮光部６３－１および画素間遮光部６３－２を特に区別する必要のない場合、単に画素間遮光部６３とも称する。
固体撮像素子１１は裏面照射型のCAPDセンサであるため、基板６１の入射面が、いわゆる裏面となり、この裏面上には配線等からなる配線層は形成されていない。また、基板６１における入射面とは反対側の面の部分には、画素５１内に形成されたトランジスタ等を駆動するための配線や、画素５１から信号を読み出すための配線などが形成された配線層が積層により形成されている。
基板６１内における入射面とは反対の面側、すなわち図中、下側の面の内側の部分には、酸化膜６４と、Tap（タップ）と呼ばれる信号取り出し部６５－１および信号取り出し部６５－２とが形成されている。
この例では、基板６１の入射面とは反対側の面近傍における画素５１の中心部分に酸化膜６４が形成されており、その酸化膜６４の両端にそれぞれ信号取り出し部６５－１および信号取り出し部６５－２が形成されている。
ここで、信号取り出し部６５－１は、N型半導体領域であるN＋半導体領域７１－１およびN＋半導体領域７１－１よりもドナー不純物の濃度が低いN－半導体領域７２－１と、P型半導体領域であるP＋半導体領域７３－１およびP＋半導体領域７３－１よりもアクセプター不純物濃度が低いP－半導体領域７４－１とを有している。ここで、ドナー不純物とは、例えばSiに対してのリン（P）やヒ素（As）等の元素の周期表で5族に属する元素が挙げられ、アクセプター不純物とは、例えばSiに対してのホウ素（B）等の元素の周期表で３族に属する元素が挙げられる。ドナー不純物となる元素をドナー元素、アクセプター不純物となる元素をアクセプター元素と称する。
すなわち、基板６１の入射面とは反対側の面の表面内側部分における、酸化膜６４の図中、右側に隣接する位置にN＋半導体領域７１－１が形成されている。また、N＋半導体領域７１－１の図中、上側に、そのN＋半導体領域７１－１を覆うように（囲むように）N－半導体領域７２－１が形成されている。
さらに、基板６１の入射面とは反対側の面の表面内側部分における、N＋半導体領域７１－１の図中、右側に隣接する位置にP＋半導体領域７３－１が形成されている。また、P＋半導体領域７３－１の図中、上側に、そのP＋半導体領域７３－１を覆うように（囲むように）P－半導体領域７４－１が形成されている。
なお、ここでは図示はされていないが、より詳細には基板６１を基板６１の面と垂直な方向から見たときに、P＋半導体領域７３－１およびP－半導体領域７４－１を中心として、それらのP＋半導体領域７３－１およびP－半導体領域７４－１の周囲を囲むように、N＋半導体領域７１－１およびN－半導体領域７２－１が形成されている。
同様に信号取り出し部６５－２は、N型半導体領域であるN＋半導体領域７１－２およびN＋半導体領域７１－２よりもドナー不純物の濃度が低いN－半導体領域７２－２と、P型半導体領域であるP＋半導体領域７３－２およびP＋半導体領域７３－２よりもアクセプター不純物濃度が低いP－半導体領域７４－２とを有している。
すなわち、基板６１の入射面とは反対側の面の表面内側部分における、酸化膜６４の図中、左側に隣接する位置にN＋半導体領域７１－２が形成されている。また、N＋半導体領域７１－２の図中、上側に、そのN＋半導体領域７１－２を覆うように（囲むように）N－半導体領域７２－２が形成されている。
さらに、基板６１の入射面とは反対側の面の表面内側部分における、N＋半導体領域７１－２の図中、左側に隣接する位置にP＋半導体領域７３－２が形成されている。また、P＋半導体領域７３－２の図中、上側に、そのP＋半導体領域７３－２を覆うように（囲むように）P－半導体領域７４－２が形成されている。
なお、ここでは図示はされていないが、より詳細には基板６１を基板６１の面と垂直な方向から見たときに、P＋半導体領域７３－２およびP－半導体領域７４－２を中心として、それらのP＋半導体領域７３－２およびP－半導体領域７４－２の周囲を囲むように、N＋半導体領域７１－２およびN－半導体領域７２－２が形成されている。
以下、信号取り出し部６５－１および信号取り出し部６５－２を特に区別する必要のない場合、単に信号取り出し部６５とも称することとする。
また、以下、N＋半導体領域７１－１およびN＋半導体領域７１－２を特に区別する必要のない場合、単にN＋半導体領域７１とも称し、N－半導体領域７２－１およびN－半導体領域７２－２を特に区別する必要のない場合、単にN－半導体領域７２とも称することとする。
さらに、以下、P＋半導体領域７３－１およびP＋半導体領域７３－２を特に区別する必要のない場合、単にP＋半導体領域７３とも称し、P－半導体領域７４－１およびP－半導体領域７４－２を特に区別する必要のない場合、単にP－半導体領域７４とも称することとする。
また、基板６１では、N＋半導体領域７１－１とP＋半導体領域７３－１との間には、それらの領域を分離するための分離部７５－１が酸化膜等により形成されている。同様にN＋半導体領域７１－２とP＋半導体領域７３－２との間にも、それらの領域を分離するための分離部７５－２が酸化膜等により形成されている。以下、分離部７５－１および分離部７５－２を特に区別する必要のない場合、単に分離部７５とも称することとする。
基板６１に設けられたN＋半導体領域７１は、外部から画素５１に入射してきた光の光量、すなわち基板６１による光電変換により発生した信号キャリアの量を検出するための電荷検出部として機能する。なお、N＋半導体領域７１の他に、ドナー不純物濃度が低いN－半導体領域７２も含めて電荷検出部とみなすこともできる。また、P＋半導体領域７３は、多数キャリア電流を基板６１に注入するための、すなわち基板６１に直接電圧を印加して基板６１内に電界を発生させるための電圧印加部として機能する。なお、P＋半導体領域７３の他に、アクセプター不純物濃度が低いP－半導体領域７４も含めて電圧印加部とみなすこともできる。
画素５１では、N＋半導体領域７１－１には、直接、図示せぬ浮遊拡散領域であるFD（Floating Diffusion）部（以下、特にFD部Ａとも称する）が接続されており、さらにそのFD部Ａは、図示せぬ増幅トランジスタ等を介して垂直信号線２９に接続されている。
同様に、N＋半導体領域７１－２には、直接、FD部Ａとは異なる他のFD部（以下、特にFD部Ｂとも称する）が接続されており、さらにそのFD部Ｂは、図示せぬ増幅トランジスタ等を介して垂直信号線２９に接続されている。ここで、FD部ＡとFD部Ｂとは互いに異なる垂直信号線２９に接続されている。
例えば間接ToF方式により対象物までの距離を測定しようとする場合、固体撮像素子１１が設けられた撮像装置から対象物に向けて赤外光が射出される。そして、その赤外光が対象物で反射されて反射光として撮像装置に戻ってくると、固体撮像素子１１の基板６１は入射してきた反射光（赤外光）を受光して光電変換する。
このとき、垂直駆動部２２は画素５１を駆動させ、光電変換により得られた電荷に応じた信号をFD部ＡとFD部Ｂとに振り分ける。なお、上述したように画素５１の駆動は垂直駆動部２２ではなく、垂直信号線２９や他の垂直方向に長い制御線を介して、別に設けられた駆動部や水平駆動部２４等により行われるようにしてもよい。
例えばあるタイミングでは、垂直駆動部２２はコンタクト等を介して２つのP＋半導体領域７３に電圧を印加する。具体的には、例えば垂直駆動部２２はP＋半導体領域７３－１に1.5Vの電圧を印加し、P＋半導体領域７３－２には0Vの電圧を印加する。
すると、基板６１における２つのP＋半導体領域７３の間に電界が発生し、P＋半導体領域７３－１からP＋半導体領域７３－２へと電流が流れる。この場合、基板６１内の正孔（ホール）はP＋半導体領域７３－２の方向へと移動することになり、電子はP＋半導体領域７３－１の方向へと移動することになる。
したがって、このような状態でオンチップレンズ６２を介して外部からの赤外光（反射光）が基板６１内に入射し、その赤外光が基板６１内で光電変換されて電子と正孔のペアに変換されると、得られた電子はP＋半導体領域７３間の電界によりP＋半導体領域７３－１の方向へと導かれ、N＋半導体領域７１－１内へと移動する。
この場合、光電変換で発生した電子が、画素５１に入射した赤外光の量、すなわち赤外光の受光量に応じた信号を検出するための信号キャリアとして用いられることになる。
これにより、N＋半導体領域７１－１には、N＋半導体領域７１－１内へと移動してきた電子に応じた電荷が蓄積されることになり、この電荷がFD部Ａや増幅トランジスタ、垂直信号線２９等を介してカラム処理部２３で検出される。
すなわち、N＋半導体領域７１－１の蓄積電荷が、そのN＋半導体領域７１－１に直接接続されたFD部Ａに転送され、FD部Ａに転送された電荷に応じた信号が増幅トランジスタや垂直信号線２９を介してカラム処理部２３により読み出される。そして、読み出された信号に対して、カラム処理部２３においてAD変換処理等の処理が施され、その結果得られた画素信号が信号処理部２６へと供給される。
この画素信号は、N＋半導体領域７１－１により検出された電子に応じた電荷量、すなわちFD部Ａに蓄積された電荷の量を示す信号となる。換言すれば、画素信号は画素５１で受光された赤外光の光量を示す信号であるともいうことができる。
なお、このときN＋半導体領域７１－１における場合と同様にしてN＋半導体領域７１－２で検出された電子に応じた画素信号も適宜測距に用いられるようにしてもよい。
また、次のタイミングでは、これまで基板６１内で生じていた電界と反対方向の電界が発生するように、垂直駆動部２２によりコンタクト等を介して２つのP＋半導体領域７３に電圧が印加される。具体的には、例えばP＋半導体領域７３－２に1.5Vの電圧が印加され、P＋半導体領域７３－１には0Vの電圧が印加される。
これにより、基板６１における２つのP＋半導体領域７３の間で電界が発生し、P＋半導体領域７３－２からP＋半導体領域７３－１へと電流が流れる。
このような状態でオンチップレンズ６２を介して外部からの赤外光（反射光）が基板６１内に入射し、その赤外光が基板６１内で光電変換されて電子と正孔のペアに変換されると、得られた電子はP＋半導体領域７３間の電界によりP＋半導体領域７３－２の方向へと導かれ、N＋半導体領域７１－２内へと移動する。
これにより、N＋半導体領域７１－２には、N＋半導体領域７１－２内へと移動してきた電子に応じた電荷が蓄積されることになり、この電荷がFD部Ｂや増幅トランジスタ、垂直信号線２９等を介してカラム処理部２３で検出される。
すなわち、N＋半導体領域７１－２の蓄積電荷が、そのN＋半導体領域７１－２に直接接続されたFD部Ｂに転送され、FD部Ｂに転送された電荷に応じた信号が増幅トランジスタや垂直信号線２９を介してカラム処理部２３により読み出される。そして、読み出された信号に対して、カラム処理部２３においてAD変換処理等の処理が施され、その結果得られた画素信号が信号処理部２６へと供給される。
なお、このときN＋半導体領域７１－２における場合と同様にしてN＋半導体領域７１－１で検出された電子に応じた画素信号も適宜測距に用いられるようにしてもよい。
このようにして、同じ画素５１において互いに異なる期間の光電変換で得られた画素信号が得られると、信号処理部２６は、それらの画素信号に基づいて対象物までの距離を示す距離情報を算出し、後段へと出力する。
このように互いに異なるN＋半導体領域７１へと信号キャリアを振り分けて、それらの信号キャリアに応じた信号に基づいて距離情報を算出する方法は、間接ToF方式と呼ばれている。
なお、ここでは垂直駆動部２２によりP＋半導体領域７３への電圧の印加制御が行われる例について説明したが、上述したように垂直駆動部２２とは別に、P＋半導体領域７３への電圧の印加制御を行う電圧印加制御部として機能する駆動部（ブロック）が固体撮像素子１１に設けられてもよい。
また、画素５１における信号取り出し部６５の部分を図２中、上から下方向、つまり基板６１の面と垂直な方向に見ると、例えば図３に示すようにP＋半導体領域７３の周囲がN＋半導体領域７１により囲まれるような構造となっている。なお、図３において、図２における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図３に示す例では、画素５１の中央部分には図示せぬ酸化膜６４が形成されており、画素５１の中央からやや端側の部分に信号取り出し部６５が形成されている。特に、ここでは画素５１内には２つの信号取り出し部６５が形成されている。
そして、各信号取り出し部６５では、その中心位置に矩形状にP＋半導体領域７３が形成されており、そのP＋半導体領域７３を中心として、P＋半導体領域７３の周囲が矩形状、より詳細には矩形枠形状のN＋半導体領域７１により囲まれている。すなわち、N＋半導体領域７１は、P＋半導体領域７３の周囲を囲むように形成されている。
また、画素５１では、画素５１の中心部分、すなわち矢印Ａ１１に示す部分に外部から入射してくる赤外光が集光されるようにオンチップレンズ６２が形成されている。換言すれば、外部からオンチップレンズ６２に入射した赤外光は、オンチップレンズ６２により矢印Ａ１１に示す位置、つまり図２における酸化膜６４の図２中、上側の位置に集光される。
したがって、赤外光は信号取り出し部６５－１と信号取り出し部６５－２との間の位置に集光されることになる。これにより、赤外光が画素５１に隣接する画素へと入射して混色が発生してしまうことを抑制するとともに、信号取り出し部６５に直接、赤外光が入射してしまうことも抑制することができる。
例えば赤外光が直接、信号取り出し部６５に入射すると電荷分離効率、すなわちCmod（Contrast between active and inactive tap）やModulation contrastが低下してしまう。
ここで、光電変換で得られた電荷（電子）に応じた信号の読み出しが行われる方の信号取り出し部６５（タップ）、つまり光電変換で得られた電荷が検出されるべき信号取り出し部６５をアクティブタップ（active tap）とも称することとする。
逆に、基本的には光電変換で得られた電荷に応じた信号の読み出しが行われない方の信号取り出し部６５（タップ）、つまりアクティブタップではない方の信号取り出し部６５をイナクティブタップ（inactive tap）とも称することとする。
上述の例では、P＋半導体領域７３に1.5Vの電圧が印加される方の信号取り出し部６５がアクティブタップであり、P＋半導体領域７３に0Vの電圧が印加される方の信号取り出し部６５がイナクティブタップである。
Cmodは、入射した赤外光の光電変換で発生した電荷のうちの何％分の電荷がアクティブタップである信号取り出し部６５のN＋半導体領域７１で検出できるか、つまり電荷に応じた信号を取り出せるかを表す指標であり、電荷分離効率を示している。
したがって、例えば外部から入射した赤外光がイナクティブタップの領域に入射し、そのイナクティブタップ内で光電変換が行われると、光電変換により発生した信号キャリアである電子が、イナクティブタップ内のN＋半導体領域７１に移動してしまう可能性が高い。そうすると、光電変換により得られた一部の電子の電荷がアクティブタップ内のN＋半導体領域７１で検出されなくなり、Cmod、つまり電荷分離効率が低下してしまう。
そこで、画素５１では、２つの信号取り出し部６５から略等距離の位置にある画素５１の中心部分付近に赤外光が集光されるようにすることで、外部から入射した赤外光がイナクティブタップの領域で光電変換されてしまう確率を低減させ、電荷分離効率を向上させることができる。また、画素５１ではModulation contrastも向上させることができる。換言すれば、光電変換により得られた電子がアクティブタップ内のN＋半導体領域７１へと誘導され易くすることができる。
以上のような固体撮像素子１１によれば、以下のような効果を奏することができる。
すなわち、まず固体撮像素子１１は裏面照射型であることから、量子効率（QE）×開口率（FF(Fill Factor)）を最大化することができ、固体撮像素子１１による測距特性を向上させることができる。
例えば図４の矢印Ｗ１１に示すように、通常の表面照射型のイメージセンサは、光電変換部であるPD１０１における外部からの光が入射する入射面側に配線１０２や配線１０３が形成された構造となっている。
そのため、例えば外部から矢印Ａ２１や矢印Ａ２２に示すように、ある程度の角度を持ってPD１０１に対して斜めに入射してくる光の一部は、配線１０２や配線１０３に遮られてPD１０１に入射されないようなことが生じる。
これに対して、裏面照射型のイメージセンサは、例えば矢印Ｗ１２に示すように、光電変換部であるPD１０４における外部からの光が入射する入射面とは反対側の面上に配線１０５や配線１０６が形成された構造となっている。
そのため、表面照射型における場合と比較して十分な開口率を確保することができる。すなわち、例えば外部から矢印Ａ２３や矢印Ａ２４に示すように、ある程度の角度を持ってPD１０４に対して斜めに入射してくる光は配線に遮られることなくPD１０４に入射する。これにより、より多くの光を受光して画素の感度を向上させることができる。
このような裏面照射型とすることにより得られる画素感度の向上効果は、裏面照射型のCAPDセンサである固体撮像素子１１においても得ることができる。
また、例えば表面照射型のCAPDセンサでは、矢印Ｗ１３に示すように光電変換部であるPD１１１の内部における外部からの光が入射する入射面側にタップと呼ばれる信号取り出し部１１２、より詳細にはタップのP＋半導体領域やN＋半導体領域が形成されている。また、表面照射型のCAPDセンサは、入射面側に配線１１３や、信号取り出し部１１２に接続されたコンタクトやメタルなどの配線１１４が形成された構造となっている。
そのため、例えば外部から矢印Ａ２５や矢印Ａ２６に示すように、ある程度の角度を持ってPD１１１に対して斜めに入射してくる光の一部が配線１１３等に遮られてPD１１１に入射されないだけでなく、矢印Ａ２７に示すようにPD１１１に対して垂直に入射してくる光も配線１１４に遮られてPD１１１に入射されないようなことが生じる。
これに対して、裏面照射型のCAPDセンサは、例えば矢印Ｗ１４に示すように、光電変換部であるPD１１５における外部からの光が入射する入射面とは反対側の面の部分に信号取り出し部１１６が形成された構造となっている。また、PD１１５における入射面とは反対側の面上には配線１１７や、信号取り出し部１１６に接続されたコンタクトやメタルなどの配線１１８が形成されている。
ここで、PD１１５は図２に示した基板６１に対応し、信号取り出し部１１６は図２に示した信号取り出し部６５に対応する。
このような構造の裏面照射型のCAPDセンサでは、表面照射型における場合と比較して十分な開口率を確保することができる。したがって、量子効率（QE）×開口率（FF）を最大化することができ、測距特性を向上させることができる。
すなわち、例えば外部から矢印Ａ２８や矢印Ａ２９に示すように、ある程度の角度を持ってPD１１５に対して斜めに入射してくる光は配線に遮られることなくPD１１５に入射する。同様に、矢印Ａ３０に示すようにPD１１５に対して垂直に入射してくる光も配線等に遮られることなくPD１１５に入射する。
このように、裏面照射型のCAPDセンサでは、ある程度の角度を持って入射してくる光だけでなく、PD１１５に対して垂直に入射してくる、表面照射型では信号取り出し部（タップ）に接続された配線等で反射されていた光も受光することができる。これにより、より多くの光を受光して画素の感度を向上させることができる。換言すれば、量子効率（QE）×開口率（FF）を最大化することができ、その結果、測距特性を向上させることができる。
特に、画素外縁ではなく、画素の中央近傍にタップが配置されている場合、表面照射型のCAPDセンサでは、十分な開口率を確保することができず画素の感度が低下してしまうが、裏面照射型のCAPDセンサである固体撮像素子１１ではタップの配置位置によらず十分な開口率を確保することができ、画素の感度を向上させることができる。
また、裏面照射型の固体撮像素子１１では、基板６１における、外部からの赤外光が入射する入射面とは反対側の面近傍に信号取り出し部６５が形成されるため、イナクティブタップの領域での赤外光の光電変換の発生を低減させることができる。これにより、Cmod、つまり電荷分離効率を向上させることができる。
図５は、表面照射型と裏面照射型のCAPDセンサの画素断面図を示している。
図５左側の表面照射型のCAPDセンサでは、図中、基板１４１の上側が、光の入射面であり、基板１４１の入射面側に、複数層の配線を含む配線層１５２、画素間遮光部１５３、および、オンチップレンズ１５４が積層されている。
図５右側の裏面照射型のCAPDセンサでは、図中、光の入射面とは反対側となる基板１４２の下側に、複数層の配線を含む配線層１５２が形成されており、光の入射面側である基板１４２の上側に、画素間遮光部１５３、および、オンチップレンズ１５４が積層されている。
なお、図５においてグレーの台形形状は、赤外光がオンチップレンズ１５４で集光されることにより、光強度が強い領域を示している。
例えば、表面照射型のCAPDセンサでは、基板１４１の入射面側にイナクティブタップおおびアクティブタップが存在する領域Ｒ１１がある。このため、イナクティブタップに直接入射する成分が多く、イナクティブタップの領域で光電変換が行われると、その光電変換で得られた信号キャリアはアクティブタップのN＋半導体領域で検出されなくなる。
表面照射型のCAPDセンサでは、基板１４１の入射面近傍の領域Ｒ１１では赤外光の強度は強いため、領域Ｒ１１内で赤外光の光電変換が行われる確率が高くなる。つまり、イナクティブタップ近傍に入射する赤外光の光量は多いため、アクティブタップで検出できなくなってしまう信号キャリアが多くなり、電荷分離効率が低下してしまう。
これに対して、裏面照射型のCAPDセンサでは、基板１４２の入射面から遠い位置、つまり入射面側とは反対側の面近傍の位置に、イナクティブタップおおびアクティブタップが存在する領域Ｒ１２がある。ここでは、基板１４２は図２に示した基板６１に対応している。
この例では、基板１４２の入射面側とは反対側の面の部分に領域Ｒ１２があり、領域Ｒ１２は入射面から遠い位置にあるため、その領域Ｒ１２近傍では、入射した赤外光の強度は比較的弱くなっている。
基板１４２の中心付近や入射面近傍などの赤外光の強度が強い領域において光電変換により得られた信号キャリアは、基板１４２内で発生した電界によってアクティブタップへと導かれ、アクティブタップのN＋半導体領域で検出される。
一方、イナクティブタップを含む領域Ｒ１２近傍では、入射した赤外光の強度は比較的弱いので、領域Ｒ１２内で赤外光の光電変換が行われる確率は低くなる。つまり、イナクティブタップ近傍に入射する赤外光の光量は少ないため、イナクティブタップ近傍での光電変換により発生し、イナクティブタップのN＋半導体領域へと移動してしまう信号キャリア（電子）の数は少なくなり、電荷分離効率を向上させることができる。結果として測距特性を改善することができる。
さらに、裏面照射型の固体撮像素子１１では、基板６１の薄層化を実現することができるので、信号キャリアである電子（電荷）の取り出し効率を向上させることができる。
例えば、表面照射型のCAPDセンサでは開口率を十分に確保できないため、図６の矢印Ｗ３１に示すように、より高い量子効率を確保し、量子効率×開口率の低下を抑制するために基板１７１をある程度厚くする必要がある。
そうすると、基板１７１内における入射面とは反対側の面近傍の領域、例えば領域Ｒ２１の部分においてポテンシャルの傾斜が緩やかになり、実質的に基板１７１と垂直な方向の電界が弱くなってしまう。この場合、信号キャリアの移動速度が遅くなるので、光電変換が行われてからアクティブタップのN＋半導体領域で信号キャリアが検出されるまでに必要となる時間が長くなってしまう。なお、図６では、基板１７１内の矢印は、基板１７１における基板１７１と垂直な方向の電界を表している。
また、基板１７１が厚いと、基板１７１内のアクティブタップから遠い位置から、アクティブタップ内のN＋半導体領域までの信号キャリアの移動距離が長くなる。したがって、アクティブタップから遠い位置では、光電変換が行われてからアクティブタップのN＋半導体領域で信号キャリアが検出されるまでに必要となる時間がさらに長くなってしまう。
図７は、基板１７１の厚み方向の位置と、信号キャリアの移動速度との関係を示している。領域Ｒ２１は拡散電流領域に対応する。
このように基板１７１が厚くなると、例えば駆動周波数が高いとき、つまりタップ（信号取り出し部）のアクティブとイナクティブの切り替えを高速で行うときに、領域Ｒ２１などのアクティブタップから遠い位置で発生した電子を完全にアクティブタップのN＋半導体領域に引き込みきれなくなってしまう。すなわち、タップがアクティブとなっている時間が短いと、領域Ｒ２１内等で発生した電子（電荷）をアクティブタップのN＋半導体領域で検出できなくなってしまうことが生じ、電子の取り出し効率が低下する。
これに対して裏面照射型のCAPDセンサでは、十分な開口率を確保できることから、例えば図６の矢印Ｗ３２に示すように基板１７２を薄くしても十分な量子効率×開口率を確保することができる。ここで、基板１７２は図２の基板６１に対応し、基板１７２内の矢印は、基板１７２と垂直な方向の電界を表している。
図８は、基板１７２の厚み方向の位置と、信号キャリアの移動速度との関係を示している。
このように基板１７２における基板１７２と垂直な方向の厚さを薄くすると、実質的に基板１７２と垂直な方向の電界が強くなり、信号キャリアの移動速度が速いドリフト電流領域のみの電子（電荷）のみを使用して、信号キャリアの移動速度が遅い拡散電流領域の電子を使用しない。ドリフト電流領域のみの電子（電荷）のみを使用することで、光電変換が行われてからアクティブタップのN＋半導体領域で信号キャリアが検出されるまでに必要となる時間が短くなる。また、基板１７２の厚さが薄くなると、信号キャリアのアクティブタップ内のN＋半導体領域までの移動距離も短くなる。
これらのことから、裏面照射型のCAPDセンサでは、駆動周波数が高いときでも基板１７２内の各領域で発生した信号キャリア（電子）をアクティブタップのN＋半導体領域に十分に引き込むことができ、電子の取り出し効率を向上させることができる。
また、基板１７２の薄層化により高い駆動周波数でも十分な電子の取り出し効率を確保することができ、高速駆動耐性を向上させることができる。
特に、裏面照射型のCAPDセンサでは、基板１７２、すなわち基板６１に対して直接、電圧を印加することができるので、タップのアクティブおよびイナクティブの切り替えの応答速度が速く、高い駆動周波数で駆動させることができる。また、基板６１に対して直接、電圧を印加することができるので、基板６１内の変調可能な領域が広くなる。
さらに、裏面照射型の固体撮像素子１１（CAPDセンサ）では、十分な開口率を得ることができるので、その分だけ画素を微細化することができ、画素の微細化耐性を向上させることができる。
その他、固体撮像素子１１では裏面照射型とすることでBEOL（Back End Of Line）容量設計の自由化が可能となり、これにより飽和信号量（Qs）の設計自由度を向上させることができる。
〈第１の実施の形態の変形例１〉
〈画素の構成例〉
なお、以上においては基板６１内の信号取り出し部６５の部分は、図３に示したようにN＋半導体領域７１とP＋半導体領域７３が矩形状の領域とされる場合を例として説明した。しかし、基板６１と垂直な方向から見たときのN＋半導体領域７１とP＋半導体領域７３の形状は、どのような形状とされてもよい。
具体的には、例えば図９に示すようにN＋半導体領域７１とP＋半導体領域７３が円形状とされるようにしてもよい。なお、図９において図３における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図９は、画素５１における信号取り出し部６５の部分を基板６１と垂直な方向から見たときのN＋半導体領域７１およびP＋半導体領域７３を示している。
この例では、画素５１の中央部分には図示せぬ酸化膜６４が形成されており、画素５１の中央からやや端側の部分に信号取り出し部６５が形成されている。特に、ここでは画素５１内には２つの信号取り出し部６５が形成されている。
そして、各信号取り出し部６５では、その中心位置に円形状のP＋半導体領域７３が形成されており、そのP＋半導体領域７３を中心として、P＋半導体領域７３の周囲が円形状、より詳細には円環状のN＋半導体領域７１により囲まれている。
図１０は、図９に示した信号取り出し部６５を有する画素５１が行列状に２次元配置された画素アレイ部２１の一部に、オンチップレンズ６２を重ねた平面図である。
オンチップレンズ６２は、図１０に示されるように、画素単位に形成されている。換言すれば、１個のオンチップレンズ６２が形成された単位領域が１画素に対応する。
なお、図２では、N＋半導体領域７１とP＋半導体領域７３との間に、酸化膜等で形成された分離部７５が配置されているが、分離部７５はあってもなくてもどちらでもよい。
〈第１の実施の形態の変形例２〉
〈画素の構成例〉
図１１は、画素５１における信号取り出し部６５の平面形状の変形例を示す平面図である。
信号取り出し部６５は、平面形状を、図３に示した矩形状、図７に示した円形状の他、例えば、図１１に示されるように八角形状に形成してもよい。
また、図１１は、N＋半導体領域７１とP＋半導体領域７３との間に、酸化膜等で形成された分離部７５が形成された場合の平面図を示している。
図１１に示されているＡ－Ａ’線は、後述する図３７の断面線を示し、Ｂ－Ｂ’線は、後述する図３６の断面線を示している。
〈第２の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
さらに、以上においては、信号取り出し部６５内において、P＋半導体領域７３の周囲がN＋半導体領域７１により囲まれる構成を例として説明したが、N＋半導体領域の周囲がP＋半導体領域により囲まれるようにしてもよい。
そのような場合、画素５１は、例えば図１２に示すように構成される。なお、図１２において図３における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図１２は、画素５１における信号取り出し部６５の部分を基板６１と垂直な方向から見たときのN＋半導体領域およびP＋半導体領域の配置を示している。
この例では、画素５１の中央部分には図示せぬ酸化膜６４が形成されており、画素５１の中央からやや図中、上側の部分に信号取り出し部６５－１が形成されており、画素５１の中央からやや図中、下側の部分に信号取り出し部６５－２が形成されている。特にこの例では、画素５１内における信号取り出し部６５の形成位置は、図３における場合と同じ位置となっている。
信号取り出し部６５－１内では、図３に示したN＋半導体領域７１－１に対応する矩形状のN＋半導体領域２０１－１が信号取り出し部６５－１の中心に形成されている。そして、そのN＋半導体領域２０１－１の周囲が、図３に示したP＋半導体領域７３－１に対応する矩形状、より詳細には矩形枠形状のP＋半導体領域２０２－１により囲まれている。すなわち、P＋半導体領域２０２－１は、N＋半導体領域２０１－１の周囲を囲むように形成されている。
同様に、信号取り出し部６５－２内では、図３に示したN＋半導体領域７１－２に対応する矩形状のN＋半導体領域２０１－２が信号取り出し部６５－２の中心に形成されている。そして、そのN＋半導体領域２０１－２の周囲が、図３に示したP＋半導体領域７３－２に対応する矩形状、より詳細には矩形枠形状のP＋半導体領域２０２－２により囲まれている。
なお、以下、N＋半導体領域２０１－１およびN＋半導体領域２０１－２を特に区別する必要のない場合、単にN＋半導体領域２０１とも称することとする。また、以下、P＋半導体領域２０２－１およびP＋半導体領域２０２－２を特に区別する必要のない場合、単にP＋半導体領域２０２とも称することとする。
信号取り出し部６５が図１２に示す構成とされる場合においても、図３に示した構成とされる場合と同様に、N＋半導体領域２０１は信号キャリアの量を検出するための電荷検出部として機能し、P＋半導体領域２０２は基板６１に直接電圧を印加して電界を発生させるための電圧印加部として機能する。
〈第２の実施の形態の変形例１〉
〈画素の構成例〉
また、図９に示した例と同様に、N＋半導体領域２０１の周囲がP＋半導体領域２０２に囲まれるような配置とされる場合においても、それらのN＋半導体領域２０１およびP＋半導体領域２０２の形状は、どのような形状とされてもよい。
すなわち、例えば図１３に示すようにN＋半導体領域２０１とP＋半導体領域２０２が円形状とされるようにしてもよい。なお、図１３において図１２における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図１３は、画素５１における信号取り出し部６５の部分を基板６１と垂直な方向から見たときのN＋半導体領域２０１およびP＋半導体領域２０２を示している。
この例では、画素５１の中央部分には図示せぬ酸化膜６４が形成されており、画素５１の中央からやや端側の部分に信号取り出し部６５が形成されている。特に、ここでは画素５１内には２つの信号取り出し部６５が形成されている。
そして、各信号取り出し部６５では、その中心位置に円形状のN＋半導体領域２０１が形成されており、そのN＋半導体領域２０１を中心として、N＋半導体領域２０１の周囲が円形状、より詳細には円環状のP＋半導体領域２０２により囲まれている。
〈第３の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
さらに、信号取り出し部６５内に形成されるN＋半導体領域とP＋半導体領域は、ライン形状（長方形状）とされてもよい。
そのような場合、例えば画素５１は図１４に示すように構成される。なお、図１４において図３における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図１４は、画素５１における信号取り出し部６５の部分を基板６１と垂直な方向から見たときのN＋半導体領域およびP＋半導体領域の配置を示している。
この例では、画素５１の中央部分には図示せぬ酸化膜６４が形成されており、画素５１の中央からやや図中、上側の部分に信号取り出し部６５－１が形成されており、画素５１の中央からやや図中、下側の部分に信号取り出し部６５－２が形成されている。特にこの例では、画素５１内における信号取り出し部６５の形成位置は、図３における場合と同じ位置となっている。
信号取り出し部６５－１内では、図３に示したP＋半導体領域７３－１に対応するライン形状のP＋半導体領域２３１が信号取り出し部６５－１の中心に形成されている。そして、そのP＋半導体領域２３１の周囲に、P＋半導体領域２３１を挟み込むように図３に示したN＋半導体領域７１－１に対応するライン形状のN＋半導体領域２３２－１およびN＋半導体領域２３２－２が形成されている。すなわち、P＋半導体領域２３１は、N＋半導体領域２３２－１とN＋半導体領域２３２－２とに挟まれた位置に形成されている。
なお、以下、N＋半導体領域２３２－１およびN＋半導体領域２３２－２を特に区別する必要のない場合、単にN＋半導体領域２３２とも称することとする。
図３に示した例では、P＋半導体領域７３がN＋半導体領域７１により囲まれるような構造とされていたが、図１４に示す例ではP＋半導体領域２３１が隣接して設けられた２つのN＋半導体領域２３２により挟まれる構造となっている。
同様に、信号取り出し部６５－２内では、図３に示したP＋半導体領域７３－２に対応するライン形状のP＋半導体領域２３３が信号取り出し部６５－２の中心に形成されている。そして、そのP＋半導体領域２３３の周囲に、P＋半導体領域２３３を挟み込むように図３に示したN＋半導体領域７１－２に対応するライン形状のN＋半導体領域２３４－１およびN＋半導体領域２３４－２が形成されている。
なお、以下、N＋半導体領域２３４－１およびN＋半導体領域２３４－２を特に区別する必要のない場合、単にN＋半導体領域２３４とも称することとする。
図１４の信号取り出し部６５では、P＋半導体領域２３１およびP＋半導体領域２３３が、図３に示したP＋半導体領域７３に対応する電圧印加部として機能し、N＋半導体領域２３２およびN＋半導体領域２３４が図３に示したN＋半導体領域７１に対応する電荷検出部として機能する。この場合、例えばN＋半導体領域２３２－１およびN＋半導体領域２３２－２の両方の領域がFD部Ａに接続されることになる。
また、ライン形状とされるP＋半導体領域２３１、N＋半導体領域２３２、P＋半導体領域２３３、およびN＋半導体領域２３４の各領域の図中、横方向の長さはどのような長さであってもよく、それらの各領域が同じ長さとされなくてもよい。
〈第４の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
さらに、図１４に示した例ではP＋半導体領域２３１やP＋半導体領域２３３が、N＋半導体領域２３２やN＋半導体領域２３４に挟み込まれる構造を例として説明したが、逆にN＋半導体領域がP＋半導体領域に挟み込まれる形状とされてもよい。
そのような場合、例えば画素５１は図１５に示すように構成される。なお、図１５において図３における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図１５は、画素５１における信号取り出し部６５の部分を基板６１と垂直な方向から見たときのN＋半導体領域およびP＋半導体領域の配置を示している。
この例では、画素５１の中央部分には図示せぬ酸化膜６４が形成されており、画素５１の中央からやや端側の部分に信号取り出し部６５が形成されている。特にこの例では、画素５１内における２つの各信号取り出し部６５の形成位置は、図３における場合と同じ位置となっている。
信号取り出し部６５－１内では、図３に示したN＋半導体領域７１－１に対応するライン形状のN＋半導体領域２６１が信号取り出し部６５－１の中心に形成されている。そして、そのN＋半導体領域２６１の周囲に、N＋半導体領域２６１を挟み込むように図３に示したP＋半導体領域７３－１に対応するライン形状のP＋半導体領域２６２－１およびP＋半導体領域２６２－２が形成されている。すなわち、N＋半導体領域２６１は、P＋半導体領域２６２－１とP＋半導体領域２６２－２とに挟まれた位置に形成されている。
なお、以下、P＋半導体領域２６２－１およびP＋半導体領域２６２－２を特に区別する必要のない場合、単にP＋半導体領域２６２とも称することとする。
同様に、信号取り出し部６５－２内では、図３に示したN＋半導体領域７１－２に対応するライン形状のN＋半導体領域２６３が信号取り出し部６５－２の中心に形成されている。そして、そのN＋半導体領域２６３の周囲に、N＋半導体領域２６３を挟み込むように図３に示したP＋半導体領域７３－２に対応するライン形状のP＋半導体領域２６４－１およびP＋半導体領域２６４－２が形成されている。
なお、以下、P＋半導体領域２６４－１およびP＋半導体領域２６４－２を特に区別する必要のない場合、単にP＋半導体領域２６４とも称することとする。
図１５の信号取り出し部６５では、P＋半導体領域２６２およびP＋半導体領域２６４が、図３に示したP＋半導体領域７３に対応する電圧印加部として機能し、N＋半導体領域２６１およびN＋半導体領域２６３が図３に示したN＋半導体領域７１に対応する電荷検出部として機能する。なお、ライン形状とされるN＋半導体領域２６１、P＋半導体領域２６２、N＋半導体領域２６３、およびP＋半導体領域２６４の各領域の図中、横方向の長さはどのような長さであってもよく、それらの各領域が同じ長さとされなくてもよい。
〈第５の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
さらに、以上においては画素アレイ部２１を構成する各画素内には、それぞれ２つの信号取り出し部６５が設けられる例について説明したが、画素内に設けられる信号取り出し部の数は１つであってもよいし、３以上であってもよい。
例えば画素内に１つの信号取り出し部が形成される場合、画素部分の構成は、例えば図１６に示すように構成される。なお、図１６において図３における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図１６は、画素アレイ部２１に設けられた一部の画素における信号取り出し部の部分を基板と垂直な方向から見たときのN＋半導体領域およびP＋半導体領域の配置を示している。
この例では、画素アレイ部２１に設けられた画素５１と、その画素５１に隣接する画素２９１－１乃至画素２９１－３とが示されており、それらの各画素には１つの信号取り出し部が形成されている。
すなわち、画素５１では、画素５１の中央部分に１つの信号取り出し部６５が形成されている。そして、信号取り出し部６５では、その中心位置に円形状のP＋半導体領域３０１が形成されており、そのP＋半導体領域３０１を中心として、P＋半導体領域３０１の周囲が円形状、より詳細には円環状のN＋半導体領域３０２により囲まれている。
ここで、P＋半導体領域３０１は図３に示したP＋半導体領域７３に対応し、電圧印加部として機能する。また、N＋半導体領域３０２は図３に示したN＋半導体領域７１に対応し、電荷検出部として機能する。なお、P＋半導体領域３０１やN＋半導体領域３０２は、どのような形状とされてもよい。
また、画素５１の周囲にある画素２９１－１乃至画素２９１－３も、画素５１と同様の構造となっている。
すなわち、例えば画素２９１－１の中央部分には１つの信号取り出し部３０３が形成されている。そして、信号取り出し部３０３では、その中心位置に円形状のP＋半導体領域３０４が形成されており、そのP＋半導体領域３０４を中心として、P＋半導体領域３０４の周囲が円形状、より詳細には円環状のN＋半導体領域３０５により囲まれている。
これらのP＋半導体領域３０４およびN＋半導体領域３０５は、それぞれP＋半導体領域３０１およびN＋半導体領域３０２に対応する。
なお、以下、画素２９１－１乃至画素２９１－３を特に区別する必要のない場合、単に画素２９１とも称することとする。
このように各画素に１つの信号取り出し部（タップ）が形成される場合、間接ToF方式により対象物までの距離を測定しようとするときには、互いに隣接するいくつかの画素が用いられて、それらの画素について得られた画素信号に基づいて距離情報が算出される。
例えば画素５１に注目すると、画素５１の信号取り出し部６５がアクティブタップとされている状態では、例えば画素２９１－１を含む、画素５１に隣接するいくつかの画素２９１の信号取り出し部３０３がイナクティブタップとなるように各画素が駆動される。
一例として、例えば画素２９１－１や画素２９１－３など、画素５１に対して図中、上下左右に隣接する画素の信号取り出し部がイナクティブタップとなるように駆動される。
その後、画素５１の信号取り出し部６５がイナクティブタップとなるように印加される電圧が切り替えられると、今度は画素２９１－１を含む、画素５１に隣接するいくつかの画素２９１の信号取り出し部３０３がアクティブタップとなるようにされる。
そして、信号取り出し部６５がアクティブタップとされた状態で信号取り出し部６５から読み出された画素信号と、信号取り出し部３０３がアクティブタップとされた状態で信号取り出し部３０３から読み出された画素信号とに基づいて距離情報が算出される。
このように画素内に設けられる信号取り出し部（タップ）の数が１個とされる場合においても、互いに隣接する画素を用いて間接ToF方式により測距を行うことが可能である。
〈第６の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
また、上述したように各画素内に３以上の信号取り出し部（タップ）が設けられるようにしてもよい。
例えば画素内に４つの信号取り出し部（タップ）が設けられる場合、画素アレイ部２１の各画素は図１７に示すように構成される。なお、図１７において図１６における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図１７は、画素アレイ部２１に設けられた一部の画素における信号取り出し部の部分を基板と垂直な方向から見たときのN＋半導体領域およびP＋半導体領域の配置を示している。
図１７に示されているＣ－Ｃ’線の断面図は、後述する図３６のようになる。
この例では、画素アレイ部２１に設けられた画素５１と画素２９１とが示されており、それらの各画素には４つの信号取り出し部が形成されている。
すなわち、画素５１では、画素５１の中央と画素５１の端部分との間の位置、すなわち画素５１中央の図中、左下側の位置、左上側の位置、右上側の位置、および右下側の位置に信号取り出し部３３１－１、信号取り出し部３３１－２、信号取り出し部３３１－３、および信号取り出し部３３１－４が形成されている。
これらの信号取り出し部３３１－１乃至信号取り出し部３３１－４は、図１６に示した信号取り出し部６５に対応する。
例えば信号取り出し部３３１－１では、その中心位置に円形状のP＋半導体領域３４１が形成されており、そのP＋半導体領域３４１を中心として、P＋半導体領域３４１の周囲が円形状、より詳細には円環状のN＋半導体領域３４２により囲まれている。
ここで、P＋半導体領域３４１は図１６に示したP＋半導体領域３０１に対応し、電圧印加部として機能する。また、N＋半導体領域３４２は図１６に示したN＋半導体領域３０２に対応し、電荷検出部として機能する。なお、P＋半導体領域３４１やN＋半導体領域３４２は、どのような形状とされてもよい。
また、信号取り出し部３３１－２乃至信号取り出し部３３１－４も信号取り出し部３３１－１と同様の構成とされており、それぞれ電圧印加部として機能するP＋半導体領域と、電荷検出部として機能するN＋半導体領域とを有している。さらに、画素５１の周囲に形成された画素２９１は画素５１と同様の構造となっている。
なお、以下、信号取り出し部３３１－１乃至信号取り出し部３３１－４を特に区別する必要のない場合、単に信号取り出し部３３１とも称することとする。
このように各画素に４つの信号取り出し部が設けられる場合、例えば間接ToF方式による測距時には、画素内の４つの信号取り出し部が用いられて距離情報が算出される。
一例として画素５１に注目すると、例えば信号取り出し部３３１－１および信号取り出し部３３１－３がアクティブタップとされている状態では、信号取り出し部３３１－２および信号取り出し部３３１－４がイナクティブタップとなるように画素５１が駆動される。
その後、各信号取り出し部３３１に印加される電圧が切り替えられる。すなわち、信号取り出し部３３１－１および信号取り出し部３３１－３がイナクティブタップとなり、かつ信号取り出し部３３１－２および信号取り出し部３３１－４がアクティブタップとなるように画素５１が駆動される。
そして、信号取り出し部３３１－１および信号取り出し部３３１－３がアクティブタップとされている状態でそれらの信号取り出し部３３１－１および信号取り出し部３３１－３から読み出された画素信号と、信号取り出し部３３１－２および信号取り出し部３３１－４がアクティブタップとされている状態でそれらの信号取り出し部３３１－２および信号取り出し部３３１－４から読み出された画素信号とに基づいて距離情報が算出される。
〈第７の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
さらに、画素アレイ部２１の互いに隣接する画素間で信号取り出し部（タップ）が共有されるようにしてもよい。
そのような場合、画素アレイ部２１の各画素は、例えば図１８に示すように構成される。なお、図１８において図１６における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図１８は、画素アレイ部２１に設けられた一部の画素における信号取り出し部の部分を基板と垂直な方向から見たときのN＋半導体領域およびP＋半導体領域の配置を示している。
この例では、画素アレイ部２１に設けられた画素５１と画素２９１とが示されており、それらの各画素には２つの信号取り出し部が形成されている。
例えば画素５１では、画素５１の図中、上側の端部分に信号取り出し部３７１が形成されており、画素５１の図中、下側の端部分に信号取り出し部３７２が形成されている。
信号取り出し部３７１は画素５１と画素２９１－１とで共有となっている。つまり、信号取り出し部３７１は、画素５１のタップとしても用いられ、画素２９１－１のタップとしても用いられる。また、信号取り出し部３７２は、画素５１と、その画素５１の図中、下側に隣接する図示せぬ画素とで共有となっている。
信号取り出し部３７１内では、その中心の位置に図１４に示したP＋半導体領域２３１に対応するライン形状のP＋半導体領域３８１が形成されている。そして、そのP＋半導体領域３８１の図中、上下の位置に、P＋半導体領域３８１を挟み込むように図１４に示したN＋半導体領域２３２に対応するライン形状のN＋半導体領域３８２－１およびN＋半導体領域３８２－２が形成されている。
特に、この例ではP＋半導体領域３８１は、画素５１と画素２９１－１との境界部分に形成されている。また、N＋半導体領域３８２－１は画素５１内の領域に形成されており、N＋半導体領域３８２－２は画素２９１－１内の領域に形成されている。
ここでは、P＋半導体領域３８１は電圧印加部として機能し、N＋半導体領域３８２－１およびN＋半導体領域３８２－２は電荷検出部として機能する。なお、以下、N＋半導体領域３８２－１およびN＋半導体領域３８２－２を特に区別する必要のない場合、単にN＋半導体領域３８２とも称することとする。
また、P＋半導体領域３８１やN＋半導体領域３８２は、どのような形状とされてもよい。さらにN＋半導体領域３８２－１およびN＋半導体領域３８２－２は同じFD部に接続されるようにしてもよいし、互いに異なるFD部に接続されるようにしてもよい。
信号取り出し部３７２内には、ライン形状のP＋半導体領域３８３、N＋半導体領域３８４－１、およびN＋半導体領域３８４－２が形成されている。
これらのP＋半導体領域３８３、N＋半導体領域３８４－１、およびN＋半導体領域３８４－２は、それぞれP＋半導体領域３８１、N＋半導体領域３８２－１、およびN＋半導体領域３８２－２に対応し、同様の配置と形状、機能とされている。なお、以下、N＋半導体領域３８４－１およびN＋半導体領域３８４－２を特に区別する必要のない場合、単にN＋半導体領域３８４とも称することとする。
以上のように隣接画素間で信号取り出し部（タップ）を共有する場合においても、図３に示した例と同様の動作によって間接ToF方式による測距を行うことができる。
図１８に示したように画素間で信号取り出し部を共有する場合には、例えばP＋半導体領域３８１とP＋半導体領域３８３との間の距離など、電界、つまり電流を発生させるための対となるP＋半導体領域間の距離が長くなる。換言すれば、画素間で信号取り出し部を共有することで、P＋半導体領域間の距離を最大限に長くすることができる。
これにより、P＋半導体領域間で電流が流れにくくなるので画素の消費電力を低減させることができ、また画素の微細化にも有利である。
なお、ここでは１つの信号取り出し部が互いに隣接する２つの画素で共有される例について説明したが、１つの信号取り出し部が互いに隣接する３以上の画素で共有されるようにしてもよい。また、信号取り出し部が互いに隣接する２以上の画素で共有される場合には、信号取り出し部のうちの信号キャリアを検出するための電荷検出部のみが共有されるようにしてもよいし、電界を発生させるための電圧印加部のみが共有されるようにしてもよい。
〈第８の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
さらに、画素アレイ部２１の画素５１等の各画素に設けられるオンチップレンズや画素間遮光部は、特に設けられないようにしてもよい。
具体的には、例えば画素５１を図１９に示す構成とすることができる。なお、図１９において図２における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図１９に示す画素５１の構成は、オンチップレンズ６２が設けられていない点で図２に示した画素５１と異なり、その他の点では図２の画素５１と同じ構成となっている。
図１９に示す画素５１には、基板６１の入射面側にオンチップレンズ６２が設けられていないので、外部から基板６１へと入射してくる赤外光の減衰をより少なくすることができる。これにより、基板６１で受光可能な赤外光の光量が増加し、画素５１の感度を向上させることができる。
〈第８の実施の形態の変形例１〉
〈画素の構成例〉
また、画素５１の構成を例えば図２０に示す構成とするようにしてもよい。なお、図２０において図２における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図２０に示す画素５１の構成は、画素間遮光部６３－１および画素間遮光部６３－２が設けられていない点で図２に示した画素５１と異なり、その他の点では図２の画素５１と同じ構成となっている。
図２０に示す例では、基板６１の入射面側に画素間遮光部６３が設けられていないので混色の抑制効果が低下してしまうが、画素間遮光部６３により遮光されていた赤外光も基板６１内に入射するようになるので、画素５１の感度を向上させることができる。
なお、画素５１にオンチップレンズ６２も画素間遮光部６３も設けられないようにしても勿論よい。
〈第８の実施の形態の変形例２〉
〈画素の構成例〉
その他、例えば図２１に示すように、オンチップレンズの光軸方向の厚さも最適化するようにしてもよい。なお、図２１において図２における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図２１に示す画素５１の構成は、オンチップレンズ６２に代えてオンチップレンズ４１１が設けられている点で図２に示した画素５１と異なり、その他の点では図２の画素５１と同じ構成となっている。
図２１に示す画素５１では、基板６１の入射面側、つまり図中、上側にオンチップレンズ４１１が形成されている。このオンチップレンズ４１１は、図２に示したオンチップレンズ６２と比較して光軸方向の厚さ、つまり図中、縦方向の厚さが薄くなっている。
一般的に、基板６１の表面に設けるオンチップレンズは厚い方が、オンチップレンズに入射する光の集光には有利である。しかし、オンチップレンズ４１１を薄くすることで、その分だけ透過率が高くなって画素５１の感度を向上させることができるので、基板６１の厚みや赤外光を集光したい位置などに応じてオンチップレンズ４１１の厚さを適切に定めればよい。
〈第９の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
さらに、画素アレイ部２１に形成された画素と画素の間に、隣接画素間の分離特性を向上させ、混色を抑制するための分離領域を設けるようにしてもよい。
そのような場合、画素５１は、例えば図２２に示すように構成される。なお、図２２において図２における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図２２に示す画素５１の構成は、基板６１内に分離領域４４１－１および分離領域４４１－２が設けられている点で図２に示した画素５１と異なり、その他の点では図２の画素５１と同じ構成となっている。
図２２に示す画素５１では、基板６１内における画素５１とその画素５１に隣接する他の画素との境界部分、つまり画素５１の図中、左右の端部分に基板６１の少なくとも一部を貫通する分離領域４４１－１および分離領域４４１－２が遮光膜等により形成されている。なお、以下、分離領域４４１－１および分離領域４４１－２を特に区別する必要のない場合、単に分離領域４４１とも称することとする。
例えば分離領域４４１の形成時には、基板６１の入射面側、つまり図中、上側の面から図中、下方向（基板６１の面と垂直な方向）に長い溝（トレンチ）が形成され、その溝部分に遮光膜が埋め込みにより形成されて分離領域４４１とされる。この分離領域４４１は、入射面から基板６１内に入射し、画素５１に隣接する他の画素へと向かう赤外光を遮光する画素分離領域として機能する。
このように埋め込み型の分離領域４４１を形成することで、画素間における赤外光の分離特性を向上させることができ、混色の発生を抑制することができる。
〈第９の実施の形態の変形例１〉
〈画素の構成例〉
さらに、画素５１に埋め込み型の分離領域を形成する場合、例えば図２３に示すように基板６１全体を貫通する分離領域４７１－１および分離領域４７１－２が設けられるようにしてもよい。なお、図２３において図２における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図２３に示す画素５１の構成は、基板６１内に分離領域４７１－１および分離領域４７１－２が設けられている点で図２に示した画素５１と異なり、その他の点では図２の画素５１と同じ構成となっている。すなわち、図２３に示す画素５１は、図２２に示した画素５１の分離領域４４１に代えて、分離領域４７１－１および分離領域４７１－２を設けた構成となっている。
図２３に示す画素５１では、基板６１内における画素５１とその画素５１に隣接する他の画素との境界部分、つまり画素５１の図中、左右の端部分に基板６１全体を貫通する分離領域４７１－１および分離領域４７１－２が遮光膜等により形成されている。なお、以下、分離領域４７１－１および分離領域４７１－２を特に区別する必要のない場合、単に分離領域４７１とも称することとする。
例えば分離領域４７１の形成時には、基板６１の入射面側とは反対側の面、つまり図中、下側の面から図中、上方向に長い溝（トレンチ）が形成される。このとき、それらの溝は、基板６１の入射面まで達するように、つまり基板６１を貫通するように形成される。そして、そのようにして形成された溝部分に遮光膜が埋め込みにより形成されて分離領域４７１とされる。
このような埋め込み型の分離領域４７１によっても、画素間における赤外光の分離特性を向上させることができ、混色の発生を抑制することができる。
〈第１０の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
さらに、信号取り出し部６５が形成される基板の厚さは、画素の各種の特性等に応じて定めるようにすることができる。
したがって、例えば図２４に示すように画素５１を構成する基板５０１を、図２に示した基板６１よりも厚いものとすることができる。なお、図２４において図２における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図２４に示す画素５１の構成は、基板６１に代えて基板５０１が設けられている点で図２に示した画素５１と異なり、その他の点では図２の画素５１と同じ構成となっている。
すなわち、図２４に示す画素５１では、基板５０１における入射面側にオンチップレンズ６２と画素間遮光部６３が形成されている。また、基板５０１の入射面側とは反対側の面の表面近傍には、酸化膜６４、信号取り出し部６５、および分離部７５が形成されている。
基板５０１は、例えば厚さが20μｍ以上のP型半導体基板からなり、基板５０１と基板６１とは基板の厚みのみが異なっており、酸化膜６４、信号取り出し部６５、および分離部７５が形成される位置は基板５０１と基板６１とで同じ位置となっている。
なお、基板５０１や基板６１の入射面側等に適宜形成される各種の層（膜）の膜厚なども画素５１の特性等に応じて最適化するとよい。
〈第１１の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
さらに、以上においては画素５１を構成する基板がP型半導体基板からなる例について説明したが、例えば図２５に示すようにN型半導体基板からなるようにしてもよい。なお、図２５において図２における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図２５に示す画素５１の構成は、基板６１に代えて基板５３１が設けられている点で図２に示した画素５１と異なり、その他の点では図２の画素５１と同じ構成となっている。
図２５に示す画素５１では、例えばシリコン基板、すなわちN型半導体領域からなるN型半導体基板である基板５３１における入射面側にオンチップレンズ６２と画素間遮光部６３が形成されている。
また、基板５３１の入射面側とは反対側の面の表面近傍には酸化膜６４、信号取り出し部６５、および分離部７５が形成されている。これらの酸化膜６４、信号取り出し部６５、および分離部７５が形成される位置は基板５３１と基板６１とで同じ位置となっており、信号取り出し部６５の構成も基板５３１と基板６１とで同じとなっている。
基板５３１は、例えば図中、縦方向の厚さ、つまり基板５３１の面と垂直な方向の厚さが20μｍ以下となるようになされている。
また、基板５３１は、例えば１Ｅ＋１３オーダー以下の基板濃度とされた高抵抗のN‐Epi基板などとされ、基板５３１の抵抗（抵抗率）は例えば500［Ωcm］以上となるようになされている。これにより、画素５１における消費電力を低減させることができる。
ここで、基板５３１の基板濃度と抵抗との関係は、例えば基板濃度2.15E＋12［cm3］のときに抵抗2000［Ωcm］、基板濃度4.30E＋12［cm3］のときに抵抗1000［Ωcm］、基板濃度8.61E＋12［cm3］のときに抵抗500［Ωcm］、および基板濃度4.32E＋13［cm3］のときに抵抗100［Ωcm］などとされる。
このように画素５１の基板５３１をN型半導体基板としても、図２に示した例と同様の動作によって、同様の効果を得ることができる。
〈第１２の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
さらに、図２４を参照して説明した例と同様に、N型半導体基板の厚さも画素の各種の特性等に応じて定めるようにすることができる。
したがって、例えば図２６に示すように画素５１を構成する基板５６１を、図２５に示した基板５３１よりも厚いものとすることができる。なお、図２６において図２５における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図２６に示す画素５１の構成は、基板５３１に代えて基板５６１が設けられている点で図２５に示した画素５１と異なり、その他の点では図２５の画素５１と同じ構成となっている。
すなわち、図２６に示す画素５１では、基板５６１における入射面側にオンチップレンズ６２と画素間遮光部６３が形成されている。また、基板５６１の入射面側とは反対側の面の表面近傍には、酸化膜６４、信号取り出し部６５、および分離部７５が形成されている。
基板５６１は、例えば厚さが20μｍ以上のN型半導体基板かならなり、基板５６１と基板５３１とは基板の厚みのみが異なっており、酸化膜６４、信号取り出し部６５、および分離部７５が形成される位置は基板５６１と基板５３１とで同じ位置となっている。
〈第１３の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
また、例えば基板６１の入射面側にバイアスをかけることで、基板６１内における、基板６１の面と垂直な方向（以下、Ｚ方向とも称することとする）の電界を強化するようにしてもよい。
そのような場合、例えば画素５１は図２７に示す構成とされる。なお、図２７において図２における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図２７では、矢印Ｗ６１に示す部分には図２に示した画素５１が示されており、その画素５１の基板６１内の矢印は基板６１内におけるＺ方向の電界の強さを表している。
これに対して、矢印Ｗ６２に示す部分には、入射面にバイアス（電圧）を印加する場合における画素５１の構成を示している。矢印Ｗ６２に示す画素５１の構成は、基本的には図２に示した画素５１の構成と同じとされているが、基板６１の入射面側に電圧を印加する構成が設けられている。また、その画素５１の基板６１内の矢印は基板６１内におけるＺ方向の電界の強さ、すなわち印加されるバイアスの強さを表している。
矢印Ｗ６２に示す例では基板６１の入射面、つまり図中、上側の面の直下にはP＋半導体領域６０１が形成されている。
例えば正の固定電荷を持つ膜を積層して入射面全体を覆うP＋半導体領域６０１とし、基板６１の入射面側をホールアキュミレーション状態とすることで、暗電流の発生が抑制されている。なお、図２に示した基板６１においてもP＋半導体領域６０１が形成されていても勿論よい。
ここでは、このP＋半導体領域６０１に対して画素アレイ内または外部から0V以下の電圧を印加することでバイアスを加え、Ｚ方向の電界が強化されている。すなわち、基板６１内に描かれた矢印の太さも矢印Ｗ６１の例よりも太くなっており、Ｚ方向の電界がより強くなっていることが分かる。このように基板６１の入射面側、つまりP＋半導体領域６０１に電圧を印加することでＺ方向の電界を強化し、信号取り出し部６５における電子の取り出し効率を向上させることができる。
なお、基板６１の入射面側に電圧を印加するための構成は、P＋半導体領域６０１を設ける構成に限らず、他のどのような構成とされてもよい。例えば基板６１の入射面とオンチップレンズ６２との間に透明電極膜を積層により形成し、その透明電極膜に電圧を印加することでバイアスがかかるようにしてもよい。
〈第１４の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
さらに、赤外線に対する画素５１の感度を向上させるために基板６１の入射面とは反対側の面上に大面積の反射部材を設けるようにしてもよい。
そのような場合、画素５１は、例えば図２８に示すように構成される。なお、図２８において図２における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図２８に示す画素５１の構成は、基板６１の入射面とは反対側の面上に反射部材６３１が設けられている点で図２の画素５１と異なり、その他の点では図２の画素５１と同じ構成となっている。
図２８に示す例では、基板６１の入射面とは反対側の面全体を覆うように、赤外光を反射する反射部材６３１が設けられている。
この反射部材６３１は、赤外光の反射率が高いものであれば、どのようなものであってもよい。例えば基板６１の入射面とは反対側の面上に積層された多層配線層内に設けられた、銅やアルミニウムなどのメタル（金属）が反射部材６３１として用いられてもよいし、基板６１の入射面とは反対側の面上にポリシリコンや酸化膜などの反射構造を形成し、反射部材６３１としてもよい。
このように画素５１に反射部材６３１を設けることで、オンチップレンズ６２を介して入射面から基板６１内に入射し、基板６１内で光電変換されずに基板６１を透過してしまった赤外光を、反射部材６３１で反射させて基板６１内へと再度入射させることができる。これにより、基板６１内で光電変換される赤外光の量をより多くし、量子効率（QE）、つまり赤外光に対する画素５１の感度を向上させることができる。
〈第１５の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
さらに、画素５１の基板６１における酸化膜６４に代えて、P型半導体領域からなるPウェル領域が設けられるようにしてもよい。
そのような場合、画素５１は、例えば図２９に示すように構成される。なお、図２９において図２における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図２９に示す画素５１の構成は、酸化膜６４に代えて、Pウェル領域６７１、分離部６７２－１、および分離部６７２－２が設けられている点で図２に示した画素５１と異なり、その他の点では図２の画素５１と同じ構成となっている。
図２９に示す例では、基板６１内における入射面とは反対の面側、すなわち図中、下側の面の内側の中央部分には、P型半導体領域からなるPウェル領域６７１が形成されている。また、Pウェル領域６７１とN＋半導体領域７１－１との間には、それらの領域を分離するための分離部６７２－１が酸化膜等により形成されている。同様にPウェル領域６７１とN＋半導体領域７１－２との間にも、それらの領域を分離するための分離部６７２－２が酸化膜等により形成されている。図２９に示す画素５１では、N－半導体領域７２よりもP－半導体領域７４が図中、上方向により広い領域となっている。
〈第１６の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
また、画素５１の基板６１における酸化膜６４に加えて、さらにP型半導体領域からなるPウェル領域が設けられるようにしてもよい。
そのような場合、画素５１は、例えば図３０に示すように構成される。なお、図３０において図２における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図３０に示す画素５１の構成は、Pウェル領域７０１が新たに設けられている点で図２に示した画素５１と異なり、その他の点では図２の画素５１と同じ構成となっている。すなわち、図３０に示す例では、基板６１内における酸化膜６４の図中、上側にはP型半導体領域からなるPウェル領域７０１が形成されている。
以上のように、本技術によればCAPDセンサを裏面照射型の構成とすることで、画素感度等の特性を向上させることができる。
〈画素の等価回路構成例〉
図３１は、画素５１の等価回路を示している。
画素５１は、N＋半導体領域７１－１およびP＋半導体領域７３－１等を含む信号取り出し部６５－１に対して、転送トランジスタ７２１A、FD７２２A、リセットトランジスタ７２３A、増幅トランジスタ７２４A、及び、選択トランジスタ７２５Aを有する。
また、画素５１は、N＋半導体領域７１－２およびP＋半導体領域７３－２等を含む信号取り出し部６５－２に対して、転送トランジスタ７２１B、FD７２２B、リセットトランジスタ７２３B、増幅トランジスタ７２４B、及び、選択トランジスタ７２５Bを有する。
垂直駆動部２２は、P＋半導体領域７３－１に所定の電圧MIX0（第１の電圧）を印加し、P＋半導体領域７３－２に所定の電圧MIX1（第２の電圧）を印加する。上述した例では、電圧MIX0およびMIX１の一方が１．５Vで、他方が０Vである。P＋半導体領域７３－１および７３－２は、第１の電圧または第２の電圧が印加される電圧印加部である。
N＋半導体領域７１－１および７１－２は、基板６１に入射された光が光電変換されて生成された電荷を検出して、蓄積する電荷検出部である。
転送トランジスタ７２１Aは、ゲート電極に供給される駆動信号TRGがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、N＋半導体領域７１－１に蓄積されている電荷をFD７２２Aに転送する。転送トランジスタ７２１Bは、ゲート電極に供給される駆動信号TRGがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、N＋半導体領域７１－２に蓄積されている電荷をFD７２２Bに転送する。
FD７２２Aは、N＋半導体領域７１－１から供給された電荷を一時保持する。FD７２２Bは、N＋半導体領域７１－２から供給された電荷を一時保持する。FD７２２Aは、図２を参照して説明したFD部Aに対応し、FD７２２Bは、FD部Bに対応するものである。
リセットトランジスタ７２３Aは、ゲート電極に供給される駆動信号RSTがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、FD７２２Aの電位を所定のレベル（リセット電圧VDD）にリセットする。リセットトランジスタ７２３Bは、ゲート電極に供給される駆動信号RSTがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、FD７２２Bの電位を所定のレベル（リセット電圧VDD）にリセットする。なお、リセットトランジスタ７２３Aおよび７２３Bがアクティブ状態とされるとき、転送トランジスタ７２１Aおよび７２１Bも同時にアクティブ状態とされる。
増幅トランジスタ７２４Aは、ソース電極が選択トランジスタ７２５Aを介して垂直信号線２９Aに接続されることにより、垂直信号線２９Aの一端に接続されている定電流源回路部７２６Aの負荷MOSとソースフォロワ回路を構成する。増幅トランジスタ７２４Bは、ソース電極が選択トランジスタ７２５Bを介して垂直信号線２９Bに接続されることにより、垂直信号線２９Bの一端に接続されている定電流源回路部７２６Bの負荷MOSとソースフォロワ回路を構成する。
選択トランジスタ７２５Aは、増幅トランジスタ７２４Aのソース電極と垂直信号線２９Aとの間に接続されている。選択トランジスタ７２５Aは、ゲート電極に供給される選択信号SELがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態となり、増幅トランジスタ７２４Aから出力される画素信号を垂直信号線２９Aに出力する。
選択トランジスタ７２５Bは、増幅トランジスタ７２４Bのソース電極と垂直信号線２９Bとの間に接続されている。選択トランジスタ７２５Bは、ゲート電極に供給される選択信号SELがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態となり、増幅トランジスタ７２４Bから出力される画素信号を垂直信号線２９Bに出力する。
画素５１の転送トランジスタ７２１Aおよび７２１B、リセットトランジスタ７２３Aおよび７２３B、増幅トランジスタ７２４Aおよび７２４B、並びに、選択トランジスタ７２５Aおよび７２５Bは、例えば、垂直駆動部２２によって制御される。
〈画素のその他の等価回路構成例〉
図３２は、画素５１のその他の等価回路を示している。
図３２において、図３１と対応する部分については同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図３２の等価回路は、図３１の等価回路に対し、付加容量７２７と、その接続を制御する切替トランジスタ７２８が、信号取り出し部６５－１および６５－２の双方に対して追加されている。
具体的には、転送トランジスタ７２１AとFD７２２Aとの間に、切替トランジスタ７２８Aを介して付加容量７２７Aが接続されており、転送トランジスタ７２１BとFD７２２Bとの間に、切替トランジスタ７２８Bを介して付加容量７２７Bが接続されている。
切替トランジスタ７２８Aは、ゲート電極に供給される駆動信号FDGがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、付加容量７２７Aを、FD７２２Aに接続させる。切替トランジスタ７２８Bは、ゲート電極に供給される駆動信号FDGがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、付加容量７２７Bを、FD７２２Bに接続させる。
垂直駆動部２２は、例えば、入射光の光量が多い高照度のとき、切替トランジスタ７２８Aおよび７２８Bをアクティブ状態として、FD７２２Aと付加容量７２７Aを接続するとともに、FD７２２Bと付加容量７２７Bを接続する。これにより、高照度時に、より多くの電荷を蓄積することができる。
一方、入射光の光量が少ない低照度のときには、垂直駆動部２２は、切替トランジスタ７２８Aおよび７２８Bを非アクティブ状態として、付加容量７２７Aおよび７２７Bを、それぞれ、FD７２２Aおよび７２２Bから切り離す。
図３１の等価回路のように、付加容量７２７は省略してもよいが、付加容量７２７を設け、入射光量に応じて使い分けることにより、高ダイナミックレンジを確保することができる。
〈電圧供給線の配置例〉
次に、図３３乃至図３５を参照して、各画素５１の信号取り出し部６５の電圧印加部であるP＋半導体領域７３－１および７３－２に、所定の電圧MIX0またはMIX１を印加するための電圧供給線の配置について説明する。
なお、図３３および図３４においては、各画素５１の信号取り出し部６５の構成として、図９に示した円形状の構成を採用して説明するが、その他の構成でもよいことは言うまでもない。
図３３のAは、電圧供給線の第１の配置例を示す平面図である。
第１の配置例では、行列状に２次元配置された複数の画素５１に対して、水平方向に隣接する２画素の間（境界）に、電圧供給線７４１－１または７４１－２が、垂直方向に沿って配線されている。
電圧供給線７４１－１は、画素５１内に２つある信号取り出し部６５のうちの一方である信号取り出し部６５－１のP＋半導体領域７３－１に接続されている。電圧供給線７４１－２は、画素５１内に２つある信号取り出し部６５のうちの他方である信号取り出し部６５－２のP＋半導体領域７３－２に接続されている。
この第１の配置例では、画素２列に対して、２本の電圧供給線７４１－１および７４１－２が配置されるので、画素アレイ部２１において、配列される電圧供給線７４１の本数は、画素５１の列数とほぼ等しくなる。
図３３のBは、電圧供給線の第２の配置例を示す平面図である。
第２の配置例では、行列状に２次元配置された複数の画素５１の１つの画素列に対して、２本の電圧供給線７４１－１および７４１－２が、垂直方向に沿って配線されている。
電圧供給線７４１－１は、画素５１内に２つある信号取り出し部６５のうちの一方である信号取り出し部６５－１のP＋半導体領域７３－１に接続されている。電圧供給線７４１－２は、画素５１内に２つある信号取り出し部６５のうちの他方である信号取り出し部６５－２のP＋半導体領域７３－２に接続されている。
この第２の配置例では、１つの画素列に対して、２本の電圧供給線７４１－１および７４１－２が配線されるので、画素２列に対しては、４本の電圧供給線７４１が配置される。画素アレイ部２１において、配列される電圧供給線７４１の本数は、画素５１の列数の約２倍となる。
図３３のAおよびBの配置例は、いずれも、電圧供給線７４１－１が信号取り出し部６５－１のP＋半導体領域７３－１に接続し、電圧供給線７４１－２が信号取り出し部６５－２のP＋半導体領域７３－２に接続する構成が、垂直方向に並ぶ画素に対して周期的に繰り返されるPeriodic配置（周期的配置）である。
図３３のAの第１の配置例は、画素アレイ部２１に対して配線する電圧供給線７４１－１および７４１－２の本数を少なくすることができる。
図３３のBの第２の配置例は、第１の配置例と比較すると配線する本数は多くなるが、１本の電圧供給線７４１に対して接続される信号取り出し部６５の数が１／２となるので、配線の負荷を低減することができ、高速駆動や画素アレイ部２１の総画素数が多いときに有効である。
図３４のAは、電圧供給線の第３の配置例を示す平面図である。
第３の配置例は、図３３のAの第１の配置例と同様に、画素２列に対して、２本の電圧供給線７４１－１および７４１－２が配置される例である。
第３の配置例が、図３３のAの第１の配置例と異なる点は、垂直方向に並ぶ２画素で、信号取り出し部６５－１と６５－２の接続先が異なっている点である。
具体的には、例えば、ある画素５１では、電圧供給線７４１－１が信号取り出し部６５－１のP＋半導体領域７３－１に接続され、電圧供給線７４１－２が信号取り出し部６５－２のP＋半導体領域７３－２に接続されているが、その下または上の画素５１では、電圧供給線７４１－１が信号取り出し部６５－２のP＋半導体領域７３－２に接続され、電圧供給線７４１－２が信号取り出し部６５－１のP＋半導体領域７３－１に接続されている。
図３４のBは、電圧供給線の第４の配置例を示す平面図である。
第４の配置例は、図３３のBの第２の配置例と同様に、画素２列に対して、２本の電圧供給線７４１－１および７４１－２が配置される例である。
第４の配置例が、図３３のBの第２の配置例と異なる点は、垂直方向に並ぶ２画素で、信号取り出し部６５－１と６５－２の接続先が異なっている点である。
具体的には、例えば、ある画素５１では、電圧供給線７４１－１が信号取り出し部６５－１のP＋半導体領域７３－１に接続され、電圧供給線７４１－２が信号取り出し部６５－２のP＋半導体領域７３－２に接続されているが、その下または上の画素５１では、電圧供給線７４１－１が信号取り出し部６５－２のP＋半導体領域７３－２に接続され、電圧供給線７４１－２が信号取り出し部６５－１のP＋半導体領域７３－１に接続されている。
図３４のAの第３の配置例は、画素アレイ部２１に対して配線する電圧供給線７４１－１および７４１－２の本数を少なくすることができる。
図３４のBの第４の配置例は、第３の配置例と比較すると配線する本数は多くなるが、１本の電圧供給線７４１に対して接続される信号取り出し部６５の数が１／２となるので、配線の負荷を低減することができ、高速駆動や画素アレイ部２１の総画素数が多いときに有効である。
図３４のAおよびBの配置例は、いずれも、上下（垂直方向）に隣接する２画素に対する接続先がミラー反転されたMirror配置（ミラー配置）である。
Periodic配置は、図３５のAに示されるように、画素境界を挟んで隣接する２つの信号取り出し部６５に印加される電圧が異なる電圧となるので、隣接画素間での電荷のやり取りが発生する。そのため、電荷の転送効率はMirror配置よりも良いが、隣接画素の混色特性はMirror配置よりも劣る。
一方、Mirror配置は、図３５のBに示されるように、画素境界を挟んで隣接する２つの信号取り出し部６５に印加される電圧が同じ電圧となるので、隣接画素間での電荷のやり取りは抑制される。そのため、電荷の転送効率はPeriodic配置よりも劣るが、隣接画素の混色特性はPeriodic配置よりも良い。
〈第１４の実施の形態の複数画素の断面構成〉
図２等で示した画素の断面構成では、P＋半導体領域７３－１およびP－半導体領域７４－１を中心として、それらのP＋半導体領域７３－１およびP－半導体領域７４－１の周囲を囲むN＋半導体領域７１－１およびN－半導体領域７２－１の一方の図示が省略されていた。また、基板６１の入射面とは反対側の面に形成された多層配線層の図示も省略されていた。
そこで、以下では、上述した実施の形態のいくつかについて、P＋半導体領域７３－１およびP－半導体領域７４－１の周囲のN＋半導体領域７１－１およびN－半導体領域７２－１や、多層配線層を省略しない形で、隣接する複数画素の断面図を示す。
初めに、図３６および図３７に、図２８に示した第１４の実施の形態の複数画素の断面図を示す。
図２８に示した第１４の実施の形態は、基板６１の入射面とは反対側に、大面積の反射部材６３１を備えた画素の構成である。
図３６は、図１１のB－B’線における断面図に相当し、図３７は、図１１のA－A’線における断面図に相当する。また、図１７のC－C’線における断面図も、図３６のように示すことができる。
図３６に示されるように、各画素５１において、中心部分に酸化膜６４が形成されており、その酸化膜６４の両側に、信号取り出し部６５－１および信号取り出し部６５－２がそれぞれ形成されている。
信号取り出し部６５－１においては、P＋半導体領域７３－１およびP－半導体領域７４－１を中心として、それらP＋半導体領域７３－１およびP－半導体領域７４－１の周囲を囲むように、N＋半導体領域７１－１およびN－半導体領域７２－１が形成されている。P＋半導体領域７３－１およびN＋半導体領域７１－１は、多層配線層８１１と接触している。P－半導体領域７４－１は、P＋半導体領域７３－１を覆うように、P＋半導体領域７３－１の上方（オンチップレンズ６２側）に配置され、N－半導体領域７２－１は、N＋半導体領域７１－１を覆うように、N＋半導体領域７１－１の上方（オンチップレンズ６２側）に配置されている。言い換えれば、P＋半導体領域７３－１およびN＋半導体領域７１－１は、基板６１内の多層配線層８１１側に配置され、N－半導体領域７２－１とP－半導体領域７４－１は、基板６１内のオンチップレンズ６２側に配置されている。また、N＋半導体領域７１－１とP＋半導体領域７３－１との間には、それらの領域を分離するための分離部７５－１が酸化膜等により形成されている。
信号取り出し部６５－２においては、P＋半導体領域７３－２およびP－半導体領域７４－２を中心として、それらP＋半導体領域７３－２およびP－半導体領域７４－２の周囲を囲むように、N＋半導体領域７１－２およびN－半導体領域７２－２が形成されている。P＋半導体領域７３－２およびN＋半導体領域７１－２は、多層配線層８１１と接触している。P－半導体領域７４－２は、P＋半導体領域７３－２を覆うように、P＋半導体領域７３－２の上方（オンチップレンズ６２側）に配置され、N－半導体領域７２－２は、N＋半導体領域７１－２を覆うように、N＋半導体領域７１－２の上方（オンチップレンズ６２側）に配置されている。言い換えれば、P＋半導体領域７３－２およびN＋半導体領域７１－２は、基板６１内の多層配線層８１１側に配置され、N－半導体領域７２－２とP－半導体領域７４－２は、基板６１内のオンチップレンズ６２側に配置されている。また、N＋半導体領域７１－２とP＋半導体領域７３－２との間にも、それらの領域を分離するための分離部７５－２が酸化膜等により形成されている。
隣り合う画素５１どうしの境界領域である、所定の画素５１の信号取り出し部６５－１のN＋半導体領域７１－１と、その隣の画素５１の信号取り出し部６５－２のN＋半導体領域７１－２との間にも、酸化膜６４が形成されている。
基板６１の光入射面側（図３６および図３７における上面）の界面には、正の固定電荷を持つ膜を積層して光入射面全体を覆うP＋半導体領域６０１が形成されている。
図３６に示されるように、基板６１の光入射面側に画素毎に形成されたオンチップレンズ６２を、高さ方向に、画素内の領域全面で厚みが均一に嵩上げされた嵩上げ部８２１と、画素内の位置によって厚みが異なる曲面部８２２とに分けると、嵩上げ部８２１の厚みは、曲面部８２２の厚みよりも薄く形成されている。嵩上げ部８２１の厚みが厚くなるほど、斜めの入射光が画素間遮光部６３で反射されやすくなるため、嵩上げ部８２１の厚みを薄く形成することにより、斜めの入射光も基板６１内へ取り込むことができる。また、曲面部８２２の厚みを厚くするほど、入射光を画素中心に集光することができる。
オンチップレンズ６２が画素毎に形成されている基板６１の光入射面側とは反対側に、多層配線層８１１が形成されている。言い換えれば、オンチップレンズ６２と多層配線層８１１との間に、半導体層である基板６１が配置されている。多層配線層８１１は、５層の金属膜M１乃至M５と、その間の層間絶縁膜８１２とで構成される。なお、図３６では、多層配線層８１１の５層の金属膜M１乃至M５のうち、最も外側の金属膜M５が見えない場所にあるため図示されていないが、図３６の断面図と異なる方向からの断面図である図３７においては図示されている。
図３７に示されるように、多層配線層８１１の基板６１との界面部分の画素境界領域には、画素トランジスタTrが形成されている。画素トランジスタTrは、図３１および図３２で示した転送トランジスタ７２１、リセットトランジスタ７２３、増幅トランジスタ７２４、及び、選択トランジスタ７２５のいずれかである。
多層配線層８１１の５層の金属膜M１乃至M５のうち、最も基板６１に近い金属膜M１には、電源電圧を供給するための電源線８１３、P＋半導体領域７３－１または７３－２に所定の電圧を印加するための電圧印加配線８１４、および、入射光を反射する部材である反射部材８１５が含まれる。図３６の金属膜M１において、電源線８１３および電圧印加配線８１４以外の配線は反射部材８１５となるが、図が煩雑となるのを防止するため一部の符号が省略されている。反射部材８１５は、入射光を反射する目的で設けられるダミー配線であり、図２８に示した反射部材６３１に相当する。反射部材８１５は、平面視において電荷検出部であるN＋半導体領域７１－１および７１－２と重なるように、N＋半導体領域７１－１および７１－２の下方に配置されている。また、金属膜M１では、N＋半導体領域７１に蓄積された電荷をFD７２２へ転送するため、N＋半導体領域７１と転送トランジスタ７２１とを接続する電荷取り出し配線（図３６では不図示）も形成されている。
なお、この例では、反射部材８１５（反射部材６３１）と電荷取り出し配線を、金属膜M１の同一層に配置することとするが、必ずしも同一層に配置するものに限定されない。
基板６１側から２層目の金属膜M２では、例えば、金属膜M１の電圧印加配線８１４に接続されている電圧印加配線８１６、駆動信号TRG、駆動信号RST、選択信号SEL、駆動信号FDGなどを伝送する制御線８１７、グランド線などが形成されている。また、金属膜M２では、FD７２２Bや付加容量７２７Aが形成されている。
基板６１側から３層目の金属膜M３では、例えば、垂直信号線２９や、シールド用の配線などが形成される。
基板６１側から４層目および５層目の金属膜M４およびM５では、例えば、信号取り出し部６５の電圧印加部であるP＋半導体領域７３－１および７３－２に、所定の電圧MIX0またはMIX１を印加するための電圧供給線７４１－１および７４１－２（図３３、図３４）が形成されている。
なお、多層配線層８１１の５層の金属膜M１乃至M５の平面配置については、図４２および図４３を参照して後述する。
〈第９の実施の形態の複数画素の断面構成〉
図３８は、図２２で示した第９の実施の形態の画素構造を、N＋半導体領域７１－１およびN－半導体領域７２－１や多層配線層を省略しない形で、複数画素について示した断面図である。
図２２で示した第９の実施の形態は、基板６１内の画素境界に、基板６１の裏面（入射面）側から、所定の深さまで長い溝（トレンチ）を形成して、遮光膜を埋め込んだ分離領域４４１を備えた画素の構成である。
信号取り出し部６５－１および６５－２、並びに、多層配線層８１１の５層の金属膜M１乃至M５などを含むその他の構成については、図３６に示した構成と同様である。
〈第９の実施の形態の変形例１の複数画素の断面構成〉
図３９は、図２３で示した第９の実施の形態の変形例１の画素構造を、N＋半導体領域７１－１およびN－半導体領域７２－１や多層配線層を省略しない形で、複数画素について示した断面図である。
図２３で示した第９の実施の形態の変形例１は、基板６１内の画素境界に、基板６１全体を貫通する分離領域４７１を備えた画素の構成である。
信号取り出し部６５－１および６５－２、並びに、多層配線層８１１の５層の金属膜M１乃至M５などを含むその他の構成については、図３６に示した構成と同様である。
〈第１５の実施の形態の複数画素の断面構成〉
図４０は、図２９で示した第１５の実施の形態の画素構造を、N＋半導体領域７１－１およびN－半導体領域７２－１や多層配線層を省略しない形で、複数画素について示した断面図である。
図２９で示した第１５の実施の形態は、基板６１内における入射面とは反対の面側、すなわち図中、下側の面の内側の中央部分に、Pウェル領域６７１を備えた構成である。また、Pウェル領域６７１とN＋半導体領域７１－１との間には、分離部６７２－１が酸化膜等により形成されている。同様に、Pウェル領域６７１とN＋半導体領域７１－２との間にも、分離部６７２－２が酸化膜等により形成されている。基板６１の下側の面の画素境界にも、Pウェル領域６７１が形成されている。
信号取り出し部６５－１および６５－２、並びに、多層配線層８１１の５層の金属膜M１乃至M５などを含むその他の構成については、図３６に示した構成と同様である。
〈第１０の実施の形態の複数画素の断面構成〉
図４１は、図２４で示した第１０の実施の形態の画素構造を、N＋半導体領域７１－１およびN－半導体領域７２－１や多層配線層を省略しない形で、複数画素について示した断面図である。
図２４で示した第１０の実施の形態は、基板６１に代えて、基板厚が厚い基板５０１が設けられている画素の構成である。
信号取り出し部６５－１および６５－２、並びに、多層配線層８１１の５層の金属膜M１乃至M５などを含むその他の構成については、図３６に示した構成と同様である。
<５層の金属膜M１乃至M５の平面配置例>
次に、図４２および図４３を参照して、図３６乃至図４１で示した多層配線層８１１の５層の金属膜M１乃至M５の平面配置例について説明する。
図４２のAは、多層配線層８１１の５層の金属膜M１乃至M５のうちの、１層目である金属膜M１の平面配置例を示している。
図４２のBは、多層配線層８１１の５層の金属膜M１乃至M５のうちの、２層目である金属膜M２の平面配置例を示している。
図４２のCは、多層配線層８１１の５層の金属膜M１乃至M５のうちの、３層目である金属膜M３の平面配置例を示している。
図４３のAは、多層配線層８１１の５層の金属膜M１乃至M５のうちの、４層目である金属膜M４の平面配置例を示している。
図４３のBは、多層配線層８１１の５層の金属膜M１乃至M５のうちの、５層目である金属膜M５の平面配置例を示している。
なお、図４２のA乃至Cおよび図４３のAおよびBでは、画素５１の領域と、図１１に示した八角形状を有する信号取り出し部６５－１および６５－２の領域とを、破線で示している。
図４２のA乃至Cおよび図４３のAおよびBにおいて、図面の縦方向が、画素アレイ部２１の垂直方向であり、図面の横方向が、画素アレイ部２１の水平方向である。
多層配線層８１１の１層目である金属膜M１には、図４２のAに示されるように、赤外光を反射する反射部材６３１が形成されている。画素５１の領域において、信号取り出し部６５－１および６５－２それぞれに対して２枚の反射部材６３１が形成され、信号取り出し部６５－１の２枚の反射部材６３１と、信号取り出し部６５－１の２枚の反射部材６３１とが、垂直方向に対して対称に形成されている。
また、水平方向における、隣り合う画素５１の反射部材６３１との間には、画素トランジスタ配線領域８３１が配置されている。画素トランジスタ配線領域８３１には、転送トランジスタ７２１、リセットトランジスタ７２３、増幅トランジスタ７２４、または、選択トランジスタ７２５の画素トランジスタTr間を接続する配線が形成されている。この画素トランジスタTr用の配線も、２つの信号取り出し部６５－１および６５－２の中間線（不図示）を基準に、垂直方向に対称に形成されている。
また、垂直方向における、隣り合う画素５１の反射部材６３１との間には、グランド線８３２、電源線８３３、グランド線８３４等の配線が形成されている。これらの配線も、２つの信号取り出し部６５－１および６５－２の中間線を基準に、垂直方向に対称に形成されている。
このように、１層目の金属膜M１が、画素内の信号取り出し部６５－１側の領域と、信号取り出し部６５－２側の領域とで対称に配置されたことにより、配線負荷が信号取り出し部６５－１と６５－２とで均等に調整されている。これにより、信号取り出し部６５－１と６５－２の駆動バラツキを低減させている。
１層目の金属膜M１では、基板６１に形成された信号取り出し部６５－１と６５－２の下側に大面積の反射部材６３１を形成することにより、オンチップレンズ６２を介して基板６１内に入射し、基板６１内で光電変換されずに基板６１を透過してしまった赤外光を、反射部材６３１で反射させて基板６１内へと再度入射させることができる。これにより、基板６１内で光電変換される赤外光の量をより多くし、量子効率（QE）、つまり赤外光に対する画素５１の感度を向上させることができる。
多層配線層８１１の２層目である金属膜M２には、図４２のBに示されるように、信号取り出し部６５－１と６５－２の間の位置に、所定の信号を水平方向に伝送する制御線８４１乃至８４４等が形成された制御線領域８５１が配置されている。制御線８４１乃至８４４は、例えば、駆動信号TRG、駆動信号RST、選択信号SEL、または、駆動信号FDGを伝送する線である。
２層目の金属膜M２においても、制御線領域８５１を、隣接する画素５１の境界領域に配置し、信号取り出し部６５－１および６５－２のそれぞれに対する影響を均等にすることで、信号取り出し部６５－１と６５－２の駆動バラツキを低減させている。
また、制御線領域８５１と異なる所定の領域には、FD７２２Bや付加容量７２７Aが形成された容量領域８５２が配置されている。容量領域８５２では、金属膜M２を櫛歯形状にパターン形成することにより、FD７２２Bまたは付加容量７２７Aが構成されている。
FD７２２Bまたは付加容量７２７Aを、２層目である金属膜M２に配置することで、設計上の所望の配線容量に応じて、FD７２２Bまたは付加容量７２７Aのパターンを自由に配置することができ、設計自由度を向上させることができる。
多層配線層８１１の３層目である金属膜M３には、図４２のCに示されるように、各画素５１から出力された画素信号をカラム処理部２３に伝送する垂直信号線２９が、少なくとも形成されている。垂直信号線２９は、画素信号の読み出し速度向上のため、１つの画素列に対して３本以上配置することができる。また、垂直信号線２９の他に、シールド配線を配置し、カップリング容量を低減させてもよい。
多層配線層８１１の４層目の金属膜M４および５層目の金属膜M５には、各画素５１の信号取り出し部６５のP＋半導体領域７３－１および７３－２に、所定の電圧MIX0またはMIX１を印加するための電圧供給線７４１－１および７４１－２が形成されている。
図４３のAおよびBに示される金属膜M４および金属膜M５は、図３３のAで示した第１の配置例の電圧供給線７４１を採用した場合の例を示している。
金属膜M４の電圧供給線７４１－１が、金属膜M３およびM２を介して金属膜M１の電圧印加配線８１４（例えば、図３６）に接続され、電圧印加配線８１４が、画素５１の信号取り出し部６５－１のP＋半導体領域７３－１に接続されている。同様に、金属膜M４の電圧供給線７４１－２が、金属膜M３およびM２を介して金属膜M１の電圧印加配線８１４（例えば、図３６）に接続され、電圧印加配線８１４が、画素５１の信号取り出し部６５－２のP＋半導体領域７３－２に接続されている。
金属膜M５の電圧供給線７４１－１および７４１－２は、画素アレイ部２１の周辺の周辺回路部の駆動部に接続されている。金属膜M４の電圧供給線７４１－１と、金属膜M５の電圧供給線７４１－１とは、平面領域において両方の金属膜が存在する所定の位置で図示せぬビア等によって接続されている。画素アレイ部２１の周辺の周辺回路部の駆動部からの所定の電圧（電圧MIX0またはMIX１）が、金属膜M５の電圧供給線７４１－１および７４１－２を伝送して、金属膜M４の電圧供給線７４１－１および７４１－２に供給され、電圧供給線７４１－１および７４１－２から、金属膜M３およびM２を介して金属膜M１の電圧印加配線８１４に供給される。
上述したように、画素５１は、垂直駆動部２２のみで駆動する他、垂直方向に配線した他の制御線を介して水平駆動部２４や、垂直駆動部２２および水平駆動部２４とは別に設けた駆動部に制御させることができる。
固体撮像素子１１を裏面照射型のCAPDセンサとすることにより、例えば、図４３のAおよびBに示したように、各画素５１の信号取り出し部６５に所定の電圧MIX0またはMIX１を印加するための電圧供給線７４１－１および７４１－２を垂直方向に配線することができるなど、駆動配線の配線幅およびレイアウトを自由に設計することができる。また、高速駆動に適した配線や、負荷低減を考慮した配線も可能である。
<画素トランジスタの平面配置例>
図４４は、図４２のAで示した１層目の金属膜M１と、その上に形成された画素トランジスタTrのゲート電極等を形成するポリシリコン層とを重ね合わせた平面図である。
図４４のAは、図４４のCの金属膜M１と図４４のBのポリシリコン層とを重ね合わせた平面図であり、図４４のBは、ポリシリコン層のみの平面図であり、図４４のCは、金属膜M１のみの平面図である。図４４のCの金属膜M１の平面図は、図４２のAに示した平面図と同じであるが、ハッチングが省略されている。
図４２のAを参照して説明したように、各画素の反射部材６３１の間には、画素トランジスタ配線領域８３１が形成されている。
画素トランジスタ配線領域８３１には、信号取り出し部６５－１および６５－２それぞれに対応する画素トランジスタTrが、例えば、図４４のBに示されるように配置される。
図４４のBでは、２つの信号取り出し部６５－１および６５－２の中間線（不図示）を基準に、中間線に近い側から、リセットトランジスタ７２３Aおよび７２３B、転送トランジスタ７２１Aおよび７２１B、切替トランジスタ７２８Aおよび７２８B、選択トランジスタ７２５Aおよび７２５B、並びに、増幅トランジスタ７２４Aおよび７２４Bのゲート電極が形成されている。
図４４のCに示される金属膜M１の画素トランジスタTr間を接続する配線も、２つの信号取り出し部６５－１および６５－２の中間線（不図示）を基準に、垂直方向に対称に形成されている。
このように、画素トランジスタ配線領域８３１内の複数の画素トランジスタTrを、信号取り出し部６５－１側の領域と、信号取り出し部６５－２側の領域とで対称に配置することで、信号取り出し部６５－１と６５－２の駆動バラツキを低減させることができる。
<反射部材６３１の変形例>
次に、図４５および図４６を参照して、金属膜M１に形成される反射部材６３１の変形例について説明する。
上述した例では、図４２のAに示したように、画素５１内の信号取り出し部６５周辺となる領域に、大面積の反射部材６３１が配置されていた。
これに対して、反射部材６３１は、例えば、図４５のAに示されるように、格子形状のパターンで配置することもできる。このように、反射部材６３１を格子形状のパターンで形成することにより、パターン異方性をなくすことができ、反射能力のXY異方性を低減することができる。言い換えると、反射部材６３１を格子形状のパターンで形成することにより、偏った一部領域への入射光の反射を低減し、等方的に反射させやすくできるため測距精度が向上する。
あるいはまた、反射部材６３１は、例えば、図４５のBに示されるように、ストライプ形状のパターンで配置してもよい。このように、反射部材６３１をストライプ形状のパターンで形成することにより、反射部材６３１のパターンを配線容量としても使用することができるので、ダイナミックレンジを最大限まで拡大した構成を実現することができる。
なお、図４５のBは、垂直方向のストライプ形状の例であるが、水平方向のストライプ形状としてもよい。
あるいはまた、反射部材６３１は、例えば、図４５のCに示されるように、画素中心領域のみ、より具体的には２つの信号取り出し部６５の間のみに配置してもよい。このように、反射部材６３１を画素中心領域に形成し、画素端には形成しないことにより、画素中心領域に対しては反射部材６３１による感度向上の効果を得ながら、斜め光が入射された場合の隣接画素へ反射する成分を抑制することができ、混色の抑制を重視した構成を実現することができる。
また、反射部材６３１は、例えば、図４６のAに示されるように、一部を櫛歯形状にパターン配置することにより、金属膜M１の一部を、FD７２２または付加容量７２７の配線容量に割り当ててもよい。図４６のAにおいて、実線の丸で囲まれた領域８６１乃至８６４内の櫛歯形状が、FD７２２または付加容量７２７の少なくとも一部を構成する。FD７２２または付加容量７２７は、金属膜M１と金属膜M２に適宜振り分けて配置してもよい。金属膜M１のパターンを、反射部材６３１と、FD７２２または付加容量７２７の容量に、バランス良く配置することができる。
図４６のBは、反射部材６３１を配置しない場合の金属膜M１のパターンを示している。基板６１内で光電変換される赤外光の量をより多くして、画素５１の感度を向上させるためには、反射部材６３１を配置することが好ましいが、反射部材６３１を配置しない構成を採用することもできる。
<固体撮像素子の基板構成例>
図１の固体撮像素子１１は、図４７のA乃至Cのいずれかの基板構成を採用することができる。
図４７のAは、固体撮像素子１１を、１枚の半導体基板９１１と、その下の支持基板９１２で構成した例を示している。
この場合、上側の半導体基板９１１には、上述した画素アレイ部２１に対応する画素アレイ領域９５１と、画素アレイ領域９５１の各画素を制御する制御回路９５２と、画素信号の信号処理回路を含むロジック回路９５３とが形成される。
制御回路９５２には、上述した垂直駆動部２２や水平駆動部２４などが含まれる。ロジック回路９５３には、画素信号のAD変換処理などを行うカラム処理部２３や、画素内の２つ以上の信号取り出し部６５それぞれで取得された画素信号の比率から距離を算出する距離算出処理、キャリブレーション処理などを行う信号処理部２６が含まれる。
あるいはまた、固体撮像素子１１は、図４７のBに示されるように、画素アレイ領域９５１と制御回路９５２が形成された第１の半導体基板９２１と、ロジック回路９５３が形成された第２の半導体基板９２２とを積層した構成とすることも可能である。なお、第１の半導体基板９２１と第２の半導体基板９２２は、例えば、貫通ビアやCu-Cuの金属結合により電気的に接続される。
あるいはまた、固体撮像素子１１は、図４７のCに示されるように、画素アレイ領域９５１のみが形成された第１の半導体基板９３１と、各画素を制御する制御回路と画素信号を処理する信号処理回路を、１画素単位または複数画素のエリア単位に設けたエリア制御回路９５４が形成された第２の半導体基板９３２とを積層した構成とすることも可能である。第１の半導体基板９３１と第２の半導体基板９３２は、例えば、貫通ビアやCu-Cuの金属結合により電気的に接続される。
図４７のCの固体撮像素子１１のように、１画素単位またはエリア単位で制御回路と信号処理回路を設けた構成によれば、分割制御単位ごとに最適な駆動タイミングやゲインを設定することができ、距離や反射率によらず、最適化された距離情報を取得することができる。また、画素アレイ領域９５１の全面ではなく、一部の領域のみを駆動させて、距離情報を算出することもできるので、動作モードに応じて消費電力を抑制することも可能である。
<測距モジュールの構成例>
図４８は、図１の固体撮像素子１１を用いて測距情報を出力する測距モジュールの構成例を示すブロック図である。
測距モジュール１０００は、発光部１０１１、発光制御部１０１２、および、受光部１０１３を備える。
発光部１０１１は、所定波長の光を発する光源を有し、周期的に明るさが変動する照射光を発して物体に照射する。例えば、発光部１０１１は、光源として、波長が７８０nm乃至１０００nmの範囲の赤外光を発する発光ダイオードを有し、発光制御部１０１２から供給される矩形波の発光制御信号ＣＬＫｐに同期して、照射光を発生する。
なお、発光制御信号ＣＬＫｐは、周期信号であれば、矩形波に限定されない。例えば、発光制御信号ＣＬＫｐは、サイン波であってもよい。
発光制御部１０１２は、発光制御信号ＣＬＫｐを発光部１０１１および受光部１０１３に供給し、照射光の照射タイミングを制御する。この発光制御信号ＣＬＫｐの周波数は、例えば、２０メガヘルツ（ＭＨｚ）である。なお、発光制御信号ＣＬＫｐの周波数は、２０メガヘルツ（ＭＨｚ）に限定されず、５メガヘルツ（ＭＨｚ）などであってもよい。
受光部１０１３は、物体から反射した反射光を受光し、受光結果に応じて距離情報を画素ごとに算出し、物体までの距離を画素ごとに階調値で表したデプス画像を生成して、出力する。
受光部１０１３には、上述した固体撮像素子１１が用いられ、受光部１０１３としての固体撮像素子１１は、例えば、発光制御信号ＣＬＫｐに基づいて、画素アレイ部２１の各画素５１の信号取り出し部６５－１および６５－２それぞれの電荷検出部（N＋半導体領域７１）で検出された信号強度から、距離情報を画素ごとに算出する。
以上のように、間接ToF方式により被写体までの距離情報を求めて出力する測距モジュール１０００の受光部１０１３として、図１の固体撮像素子１１を組み込むことができる。測距モジュール１０００の受光部１０１３として、上述した各実施の形態の固体撮像素子１１、具体的には、裏面照射型として画素感度を向上させた固体撮像素子を採用することにより、測距モジュール１０００としての測距特性を向上させることができる。
以上のように、本技術によればCAPDセンサを、裏面照射型の受光素子の構成とすることで、測距特性を向上させることができる。
なお、本技術では、以上において説明した実施形態を適宜組み合わせることも勿論可能である。すなわち、例えば画素の感度等のどの特性を優先するかに応じて、画素内に設ける信号取り出し部の個数や配置位置、信号取り出し部の形状や共有構造とするか否か、オンチップレンズの有無、画素間遮光部の有無、分離領域の有無、オンチップレンズや基板の厚み、基板の種類や膜設計、入射面へのバイアスの有無、反射部材の有無などを適切に選択することが可能である。
また、以上においては信号キャリアとして電子を用いる例について説明したが、光電変換で発生した正孔を信号キャリアとして用いるようにしてもよい。そのような場合、信号キャリアを検出するための電荷検出部がP＋半導体領域により構成され、基板内に電界を発生させるための電圧印加部がN＋半導体領域により構成されるようにし、信号取り出し部に設けられた電荷検出部において、信号キャリアとしての正孔が検出されるようにすればよい。
＜移動体への応用例＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
図４９は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
車両制御システム１２０００は、通信ネットワーク１２００１を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図４９に示した例では、車両制御システム１２０００は、駆動系制御ユニット１２０１０、ボディ系制御ユニット１２０２０、車外情報検出ユニット１２０３０、車内情報検出ユニット１２０４０、及び統合制御ユニット１２０５０を備える。また、統合制御ユニット１２０５０の機能構成として、マイクロコンピュータ１２０５１、音声画像出力部１２０５２、及び車載ネットワークＩ／Ｆ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１２０５３が図示されている。
駆動系制御ユニット１２０１０は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット１２０１０は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
ボディ系制御ユニット１２０２０は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット１２０２０は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット１２０２０には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット１２０２０は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
車外情報検出ユニット１２０３０は、車両制御システム１２０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット１２０３０には、撮像部１２０３１が接続される。車外情報検出ユニット１２０３０は、撮像部１２０３１に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット１２０３０は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
撮像部１２０３１は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部１２０３１は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部１２０３１が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
車内情報検出ユニット１２０４０は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット１２０４０には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部１２０４１が接続される。運転者状態検出部１２０４１は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット１２０４０は、運転者状態検出部１２０４１から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット１２０１０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｒｉｖｅｒ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ）の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット１２０２０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
音声画像出力部１２０５２は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図４９の例では、出力装置として、オーディオスピーカ１２０６１、表示部１２０６２及びインストルメントパネル１２０６３が例示されている。表示部１２０６２は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
図５０は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
図５０では、車両１２１００は、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５を有する。
撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５は、例えば、車両１２１００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部１２１０１及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として車両１２１００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部１２１０２，１２１０３は、主として車両１２１００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部１２１０４は、主として車両１２１００の後方の画像を取得する。撮像部１２１０１及び１２１０５で取得される前方の画像は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
なお、図５０には、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲１２１１１は、フロントノーズに設けられた撮像部１２１０１の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１２，１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２，１２１０３の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１４は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部１２１０４の撮像範囲を示す。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両１２１００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１ないし１２１１４内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化（車両１２１００に対する相対速度）を求めることにより、特に車両１２１００の進行路上にある最も近い立体物で、車両１２１００と略同じ方向に所定の速度（例えば、０ｋｍ／ｈ以上）で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ１２０５１は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御（追従停止制御も含む）や自動加速制御（追従発進制御も含む）等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、２輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両１２１００の周辺の障害物を、車両１２１００のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ１２０５１は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ１２０６１や表示部１２０６２を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット１２０１０を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ１２０５１が、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部１２０５２は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部１２０６２を制御する。また、音声画像出力部１２０５２は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部１２０６２を制御してもよい。
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部１２０３１に適用され得る。具体的には、例えば図１に示した固体撮像素子１１を撮像部１２０３１に適用することで、感度等の特性を向上させることができる。
また、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
また、本明細書中に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、他の効果があってもよい。
さらに、本技術は、以下の構成とすることも可能である。
（A１）
オンチップレンズと、
配線層と、
前記オンチップレンズと前記配線層との間に配される半導体層とを備え、
前記半導体層は、
第１の電圧が印加される第１の電圧印加部と、
前記第１の電圧とは異なる第２の電圧が印加される第２の電圧印加部と、
前記第１の電圧印加部の周囲に配置される第１の電荷検出部と、
前記第２の電圧印加部の周囲に配置される第２の電荷検出部とを備え、
前記配線層は、
前記第１の電圧を供給する第１の電圧印加配線と、前記第２の電圧を供給する第２の電圧印加配線と、反射部材とを備える１層を少なくとも有し、
前記反射部材は、平面視において前記第１の電荷検出部または前記第２の電荷検出部と重なるように設けられている
受光素子。
（A２）
前記第１の電圧印加部、前記第２の電圧印加部、前記第１の電荷検出部、及び、前記第２の電荷検出部は、前記配線層と接触している
（A１）に記載の受光素子。
（A３）
前記第１の電圧印加配線と、前記第２の電圧印加配線と、前記反射部材とを備える前記１層は、前記半導体層に最も近い層である
（A１）または（A２）に記載の受光素子。
（A４）
前記第１の電圧印加部または前記第２の電圧印加部は、
前記配線層側に第１の不純物濃度でアクセプター元素を含有する第１の領域と、
前記オンチップレンズ側に前記第１の不純物濃度よりも低い第２の不純物濃度でアクセプター元素を含有する第２の領域と
を有する
（A１）乃至（A３）の何れか一項に記載の受光素子。
（A５）
前記第１の電荷検出部または前記第２の電荷検出部は、
前記配線層側に第３の不純物濃度でドナー元素を含有する第３の領域と、
前記オンチップレンズ側に前記第３の不純物濃度よりも低い第２の不純物濃度でドナー元素を含有する第４の領域と
を有する
（A１）乃至（A４）の何れか一項に記載の受光素子。
（A６）
前記反射部材は、金属膜である
（A１）乃至（A５）の何れか一項に記載の受光素子。
（A７）
前記反射部材は、前記第１の電荷検出部側の領域と、前記第２の電荷検出部側の領域とで対称に配置されている
（A１）乃至（A６）の何れか一項に記載の受光素子。
（A８）
前記反射部材は、格子形状のパターンで配置されている
（A１）乃至（A７）の何れか一項に記載の受光素子。
（A９）
前記反射部材は、ストライプ形状のパターンで配置されている
（A１）乃至（A７）の何れか一項に記載の受光素子。
（A１０）
前記反射部材は、画素中心領域のみに配置されている
（A１）乃至（A７）の何れか一項に記載の受光素子。
（A１１）
前記配線層は、前記反射部材と同一層に、配線容量をさらに備える
（A１）乃至（A７）の何れか一項に記載の受光素子。
（A１２）
前記配線層は、前記反射部材と異なる層に、配線容量をさらに備える
（A１）乃至（A１１）の何れか一項に記載の受光素子。
（A１３）
前記配線層は、前記第１の電圧印加配線および前記第２の電圧印加配線に前記第１の電圧または前記第２の電圧を供給する電圧供給線をさらに備える
（A１）乃至（A１２）の何れか一項に記載の受光素子。
（A１４）
前記電圧供給線は、上下に隣接する２画素に対する接続先がミラー反転されたMirror配置で配置される
（A１３）に記載の受光素子。
（A１５）
前記電圧供給線は、垂直方向に並ぶ画素に対して周期的に繰り返されるPeriodic配置で配置される
（A１３）に記載の受光素子。
（A１６）
前記電圧供給線は、画素２列に対して、２本配置されている
（A１３）乃至（A１５）の何れか一項に記載の受光素子。
（A１７）
前記電圧供給線は、画素２列に対して、４本配置されている
（A１３）乃至（A１５）の何れか一項に記載の受光素子。
（A１８）
前記配線層は、
前記第１の電荷検出部を駆動する第１の画素トランジスタと、
前記第２の電荷検出部を駆動する第２の画素トランジスタと
をさらに備え、
前記第１の画素トランジスタと前記第２の画素トランジスタは、対称に配置されている （A１）乃至（A１７）の何れか一項に記載の受光素子。
（B１）
入射した光を光電変換する画素を複数有する画素アレイ部を備え、
前記画素は、
入射した前記光を光電変換する基板と、
前記基板内における、前記光が入射する前記基板の入射面とは反対の面側に設けられ、前記基板に電圧を印加して電界を発生させるための電圧印加部と、前記光電変換により発生した信号キャリアを検出するための電荷検出部とを有する信号取り出し部と
を有する
撮像素子。
（B２）
前記画素には、２つの前記信号取り出し部が形成されている
（B１）に記載の撮像素子。
（B３）
前記画素には、１つの前記信号取り出し部が形成されている
（B１）に記載の撮像素子。
（B４）
前記画素には、３以上の前記信号取り出し部が形成されている
（B１）に記載の撮像素子。
（B５）
前記画素と、前記画素に隣接する他の画素とで前記信号取り出し部が共有されている
（B１）に記載の撮像素子。
（B６）
前記画素と、前記画素に隣接する他の画素とで前記電圧印加部が共有されている
（B１）に記載の撮像素子。
（B７）
前記信号取り出し部は、前記電圧印加部としてのP型半導体領域と、その前記P型半導体領域の周囲を囲むように形成された前記電荷検出部としてのN型半導体領域とを有している
（B１）乃至（B６）の何れか一項に記載の撮像素子。
（B８）
前記信号取り出し部は、前記電荷検出部としてのN型半導体領域と、その前記N型半導体領域の周囲を囲むように形成された前記電圧印加部としてのP型半導体領域とを有している
（B１）乃至（B６）の何れか一項に記載の撮像素子。
（B９）
前記信号取り出し部は、前記電荷検出部としての第１のN型半導体領域および第２のN型半導体領域と、前記第１のN型半導体領域および前記第２のN型半導体領域に挟まれた位置に形成された前記電圧印加部としてのP型半導体領域とを有している
（B１）乃至（B６）の何れか一項に記載の撮像素子。
（B１０）
前記信号取り出し部は、前記電圧印加部としての第１のP型半導体領域および第２のP型半導体領域と、前記第１のP型半導体領域および前記第２のP型半導体領域に挟まれた位置に形成された前記電荷検出部としてのN型半導体領域とを有している
（B１）乃至（B６）の何れか一項に記載の撮像素子。
（B１１）
前記基板における前記入射面側に電圧が印加される
（B１）乃至（B１０）の何れか一項に記載の撮像素子。
（B１２）
前記画素は、前記基板の前記入射面とは反対側の面に形成された、前記入射面から前記基板に入射した前記光を反射する反射部材をさらに有する
（B１）乃至（B１１）の何れか一項に記載の撮像素子。
（B１３）
前記信号キャリアは電子である
（B１）乃至（B１２）の何れか一項に記載の撮像素子。
（B１４）
前記信号キャリアは正孔である
（B１）乃至（B１２）の何れか一項に記載の撮像素子。
（B１５）
前記画素は、前記光を集光して前記基板に入射させるレンズをさらに有する
（B１）乃至（B１４）の何れか一項に記載の撮像素子。
（B１６）
前記画素は、前記基板の前記入射面における画素端部分に形成された、入射した前記光を遮光する画素間遮光部をさらに有する
（B１）乃至（B１５）の何れか一項に記載の撮像素子。
（B１７）
前記画素は、前記基板内における画素端部分に形成され、少なくとも前記基板の一部を貫通し、入射した前記光を遮光する画素分離領域をさらに有する
（B１）乃至（B１６）の何れか一項に記載の撮像素子。
（B１８）
前記基板は、抵抗が500［Ωcm］以上であるP型半導体基板である
（B１）乃至（B１７）の何れか一項に記載の撮像素子。
（B１９）
前記基板は、抵抗が500［Ωcm］以上であるN型半導体基板である
（B１）乃至（B１７）の何れか一項に記載の撮像素子。
（B２０）
入射した光を光電変換する画素を複数有する画素アレイ部と、
前記画素から出力された信号に基づいて対象物までの距離情報を算出する信号処理部と を備え、
前記画素は、
入射した前記光を光電変換する基板と、
前記基板内における、前記光が入射する前記基板の入射面とは反対の面側に設けられ、前記基板に電圧を印加して電界を発生させるための電圧印加部と、前記光電変換により発生した信号キャリアを検出するための電荷検出部とを有する信号取り出し部と
を有する
撮像装置。
１１ 固体撮像素子， ２１ 画素アレイ部， ２２ 垂直駆動部， ５１ 画素， ６１ 基板， ６２ オンチップレンズ， ７１－１，７１－２，７１ N＋半導体領域， ７３－１，７３－２，７３ P＋半導体領域， ４４１－１，４４１－２，４４１ 分離領域， ４７１－１，４７１－２，４７１ 分離領域， ６３１ 反射部材， ７２１ 転送トランジスタ， ７２２ FD， ７２３ リセットトランジスタ， ７２４ 増幅トランジスタ， ７２５ 選択トランジスタ， ７２７ 付加容量， ７２８ 切替トランジスタ， ７４１ 電圧供給線， ８１１ 多層配線層， ８１２ 層間絶縁膜， ８１３ 電源線， ８１４ 電圧印加配線， ８１５ 反射部材， ８１６ 電圧印加配線， ８１７ 制御線， M１乃至M５ 金属膜

Claims (18)

  1. 半導体層と、
    前記半導体層の光入射面の上方に設けられたオンチップレンズと、
    前記半導体層の光入射面と反対の面に設けられた多層配線層と
    を備え、
    前記半導体層は、
    第１の電圧が印加される第１の電圧印加部と、
    前記第１の電圧とは異なる第２の電圧が印加される第２の電圧印加部と、
    前記第１の電圧印加部の周囲に配置される第１の電荷検出部と、
    前記第２の電圧印加部の周囲に配置される第２の電荷検出部と
    を備え、
    前記多層配線層は、
    前記第１の電圧を供給する第１の電圧印加配線と、前記第２の電圧を供給する第２の電圧印加配線と、反射部材とを同層に備える配線層を少なくとも有し、
    前記反射部材は、平面視において前記第１の電荷検出部または前記第２の電荷検出部と重なるように設けられている
    受光素子。
  2. 前記第１の電圧印加部、前記第２の電圧印加部、前記第１の電荷検出部、及び、前記第２の電荷検出部は、前記多層配線層と接触している
    請求項１に記載の受光素子。
  3. 前記第１の電圧印加配線と、前記第２の電圧印加配線と、前記反射部材とを備える前記配線層は、前記半導体層に最も近い層である
    請求項１または２に記載の受光素子。
  4. 前記第１の電圧印加部または前記第２の電圧印加部は、
    前記多層配線層側に第１の不純物濃度でアクセプター元素を含有する第１の領域と、
    前記オンチップレンズ側に前記第１の不純物濃度よりも低い第２の不純物濃度でアクセプター元素を含有する第２の領域と
    を有する
    請求項１乃至３のいずれかに記載の受光素子。
  5. 前記第１の電荷検出部または前記第２の電荷検出部は、
    前記多層配線層側に第３の不純物濃度でドナー元素を含有する第３の領域と、
    前記オンチップレンズ側に前記第３の不純物濃度よりも低い第４の不純物濃度でドナー元素を含有する第４の領域と
    を有する
    請求項１乃至４のいずれかに記載の受光素子。
  6. 前記反射部材は、金属膜である
    請求項１に記載の受光素子。
  7. 前記反射部材は、前記第１の電荷検出部側の領域と、前記第２の電荷検出部側の領域とで対称に配置されている
    請求項１に記載の受光素子。
  8. 前記反射部材は、格子形状のパターンで配置されている
    請求項１に記載の受光素子。
  9. 前記反射部材は、ストライプ形状のパターンで配置されている
    請求項１に記載の受光素子。
  10. 前記反射部材は、画素中心領域のみに配置されている
    請求項１に記載の受光素子。
  11. 前記多層配線層は、前記反射部材と同一層に、配線容量をさらに備える
    請求項１に記載の受光素子。
  12. 前記多層配線層は、前記反射部材と異なる層に、配線容量をさらに備える
    請求項１に記載の受光素子。
  13. 前記多層配線層は、前記第１の電圧印加配線および前記第２の電圧印加配線に前記第１の電圧または前記第２の電圧を供給する電圧供給線をさらに備える
    請求項１に記載の受光素子。
  14. 前記電圧供給線は、上下に隣接する２画素に対する接続先がミラー反転されたMirror配置で配置される
    請求項１３に記載の受光素子。
  15. 前記電圧供給線は、垂直方向に並ぶ画素に対して周期的に繰り返されるPeriodic配置で配置される
    請求項１３に記載の受光素子。
  16. 前記電圧供給線は、画素２列に対して、２本配置されている
    請求項１３に記載の受光素子。
  17. 前記電圧供給線は、画素２列に対して、４本配置されている
    請求項１３に記載の受光素子。
  18. 前記多層配線層は、
    前記第１の電荷検出部を駆動する第１の画素トランジスタと、
    前記第２の電荷検出部を駆動する第２の画素トランジスタと
    をさらに備え、
    前記第１の画素トランジスタと前記第２の画素トランジスタは、対称に配置されている
    請求項１に記載の受光素子。
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