JPWO2007026777A1 - 半導体測距素子及び固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
Description
それぞれの画素において、第1及び第2浮遊ドレイン領域に蓄積された電荷の配分比から対象物までの距離を測定し、全画素を2次元アクセスし、測定された距離に対応する2次元画像を得ることを特徴とする。
本発明の第1の実施の形態に係る固体撮像装置(2次元イメージセンサ)は、図1に示すように、画素アレイ部(X11〜X1m;X21〜X2m;・・・・・;Xn1〜Xnm)と周辺回路部(94,95,96,NC1〜NCm)とを同一の半導体チップ上に集積化している。画素アレイ部には、2次元マトリクス状に多数の画素Xij(i=1〜m;j=1〜n:m,nはそれぞれ整数である。)が配列されており、方形状の撮像領域を構成している。そして、この画素アレイ部の上辺部にはタイミング制御回路94が、下辺部には水平シフトレジスタ96が。それぞれ画素行X11〜X1m;X21〜X2m;・・・・・;Xn1〜Xnm方向に沿って設けられ、画素アレイ部の左辺部には画素列X11〜Xn1;X12〜Xn2;・・・・・;X1j〜Xnj;・・・・・;X1m〜Xnm方向に沿って垂直シフトレジスタ及び垂直走査回路95が設けられている。画素Xnjに内部構造を例示したように、それぞれの画素Xijは、半導体光電変換素子と電荷転送部を備えるTOF画素回路81及び電圧読み出し用バッファアンプ82からなる。
L=(cT0/2)(Q2/(Q1+Q2)) ・・・・・(1)
ここで、cは光速、T0は、パルス光のパルス幅である。
図6を用いて、図1に概略構成を示した本発明の第1の実施の形態に係る固体撮像装置(2次元イメージセンサ)の動作を説明する:
(a)図1に示したすべての画素X11〜X1m;X21〜X2m;・・・・・;Xn1〜Xnmの、それぞれの第1リセットゲート電極13a及び第2リセットゲート電極13Bに対し、制御信号Rをすべてハイ(H)レベルにして、第1浮遊ドレイン領域23a及び第2浮遊ドレイン領域23bに蓄積された電荷を第1リセットソース領域24a及び第2リセットソース領域24bにそれぞれ吐き出し、第1浮遊ドレイン領域23a及び第2浮遊ドレイン領域23bをリセットする。
図7〜図9を用いて、本発明の第1の実施の形態に係る半導体測距素子及び固体撮像装置の製造方法を説明する。なお、以下に述べる半導体測距素子及び固体撮像装置の製造方法は、一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である。
本発明の第2の実施の形態に係る固体撮像装置(2次元イメージセンサ)の全体構成は、図1にしたブロック図と同一であるため、重複した説明を省略する。又、第2の実施の形態に係る固体撮像装置のそれぞれの画素X11〜X1m;X21〜X2m;・・・・・;Xn1〜Xnm内のTOF画素回路81として機能する半導体測距素子の平面構造も、第1の実施の形態に係る半導体測距素子の平面構造の一例として示した図2と同様となるので、重複した説明を省略する。
図11〜図13を用いて、本発明の第2の実施の形態に係る半導体測距素子及び固体撮像装置の製造方法を説明するが、図7〜図9に示した第1の実施の形態に係る半導体測距素子及び固体撮像装置の製造方法と共通の工程を有している。
上記のように、本発明は第1及び第2の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
Claims (28)
- 第1導電型の電荷生成領域、該電荷生成領域上の第1導電型とは反対導電型の第2導電型の表面埋込領域の一部を備え、対象物が反射したパルス光を光信号として受光し、前記電荷生成領域で前記光信号を信号電荷に変換する半導体光電変換素子と、
前記電荷生成領域の直上の前記表面埋込領域の一部に隣接した前記表面埋込領域の他の一部からなる第1及び第2転送チャネルの電位を、該第1及び第2転送チャネルの上部にそれぞれ形成された絶縁膜を介して静電的に制御し、前記信号電荷を、前記第1及び第2転送チャネルを介して交互に転送する第1及び第2転送ゲート電極と、
前記第1及び第2転送ゲート電極により転送された前記信号電荷を順次それぞれ蓄積する、第2導電型で前記表面埋込領域より高不純物密度の第1及び第2浮遊ドレイン領域
とを備え、前記第1及び第2転送ゲート電極に、前記パルス光と同期して、順次パルス信号を与えて動作させることにより、前記第1及び第2浮遊ドレイン領域に蓄積された電荷の配分比から前記対象物までの距離を測定することを特徴とする半導体測距素子。 - 前記電荷生成領域が、第1導電型で前記電荷生成領域よりも高不純物密度の半導体基板の上に配置された半導体層の一部からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体測距素子。
- 前記電荷生成領域が、第1導電型で前記電荷生成領域よりも高不純物密度の半導体基板の上に配置されたエピタキシャル成長層の一部からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体測距素子。
- 前記半導体基板が不純物密度4×1017cm-3以上、1×1021cm-3以下、前記電荷生成領域が不純物密度6×1011cm-3以上、2×1015cm-3以下であることを特徴とする請求項2又は3のいずれか1項に記載の半導体測距素子。
- 前記半導体基板が不純物密度4×1017cm-3以上、1×1021cm-3以下のシリコン基板、前記電荷生成領域が不純物密度6×1011cm-3以上、2×1015cm-3以下のシリコンエピタキシャル成長層であることを特徴とする請求項2又は3のいずれか1項に記載の半導体測距素子。
- 前記半導体光電変換素子が、
前記電荷生成領域の直上の表面埋込領域上にまで延伸する前記絶縁膜の一部と、
前記電荷生成領域の直上で、前記絶縁膜上の受光ゲート電極
とを更に備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体測距素子。 - 前記信号電荷が互いに反対方向に転送されるように、平面パターン上、前記第1転送ゲート電極と前記第2転送ゲート電極のそれぞれの中心線が、同一直線上に配置されていることを特徴とする請求項6に記載の半導体測距素子。
- 前記信号電荷の転送方向に直交する方向に測った前記第1及び第2転送ゲート電極のそれぞれの幅が、前記直交する方向に測った前記受光ゲート電極の幅よりも狭いことを特徴とする請求項7に記載の半導体測距素子。
- 前記第1及び第2転送チャネルの上部にそれぞれ形成された絶縁膜の厚さが、熱酸化膜の比誘電率換算で150nm以上、1000nm以下であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体測距素子。
- 前記電荷生成領域と同一の半導体領域からなる第1排出チャネルの電位を該第1排出チャネルの上部に形成された絶縁膜を介して静電的に制御し、背景光を受光して前記電荷生成領域が生成した背景光電荷を排出する第1排出ゲート電極と、
前記第1排出ゲート電極により排出された前記背景光電荷を受け入れる第1排出ドレイン領域
とを更に備え、前記第1、第2転送ゲート電極及び第1排出ゲート電極に、前記パルス光と同期して、順次制御パルス信号を与えて動作させることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体測距素子。 - 前記第1排出ゲート電極に加える制御パルス信号の時間幅が、前記第1及び第2転送ゲート電極に加える制御パルス信号の時間幅よりも長いことを特徴とする請求項10に記載の半導体測距素子。
- 前記信号電荷の転送方向と直交する方向において前記第1排出ゲート電極と対向し、前記電荷生成領域と同一の半導体領域からなる第2排出チャネルの電位を該第2排出チャネルの上部に形成された絶縁膜を介して静電的に制御し、前記背景光電荷を前記第1排出チャネルを走行する前記背景光電荷とは逆方向に排出する第2排出ゲート電極と、
前記第2排出ゲート電極により排出された前記背景光電荷を受け入れる第2排出ドレイン領域
とを更に備えることを特徴とする請求項10又は11に記載の半導体測距素子。 - 第1導電型の電荷生成領域、該電荷生成領域上の第1導電型とは反対導電型の第2導電型の表面埋込領域の一部を備え、対象物が反射したパルス光を光信号として受光し、前記電荷生成領域で前記光信号を信号電荷に変換する半導体光電変換素子と、
前記電荷生成領域の直上の前記表面埋込領域の一部に隣接した前記表面埋込領域の他の一部からなる第1及び第2転送チャネルの電位を、該第1及び第2転送チャネルの上部にそれぞれ形成された絶縁膜を介して静電的に制御し、前記信号電荷を、前記第1及び第2転送チャネルを介して交互に転送する第1及び第2転送ゲート電極と、
前記第1及び第2転送ゲート電極により転送された前記信号電荷を順次それぞれ蓄積する、第2導電型で前記表面埋込領域より高不純物密度の第1及び第2浮遊ドレイン領域
とを備える画素を1次元方向に配列し、前記パルス光と同期して、すべての画素の前記第1及び第2転送ゲート電極に、順次パルス信号を与え、
それぞれの画素において、前記第1及び第2浮遊ドレイン領域に蓄積された電荷の配分比から前記対象物までの距離を測定することを特徴とする固体撮像装置。 - 第1導電型の電荷生成領域、該電荷生成領域上の第1導電型とは反対導電型の第2導電型の表面埋込領域の一部を備え、対象物が反射したパルス光を光信号として受光し、前記電荷生成領域で前記光信号を信号電荷に変換する半導体光電変換素子と、
前記電荷生成領域の直上の前記表面埋込領域の一部に隣接した前記表面埋込領域の他の一部からなる第1及び第2転送チャネルの電位を、該第1及び第2転送チャネルの上部にそれぞれ形成された絶縁膜を介して静電的に制御し、前記信号電荷を、前記第1及び第2転送チャネルを介して交互に転送する第1及び第2転送ゲート電極と、
前記第1及び第2転送ゲート電極により転送された前記信号電荷を順次それぞれ蓄積する、第2導電型で前記表面埋込領域より高不純物密度の第1及び第2浮遊ドレイン領域
とを備える画素を2次元マトリクス状に配列し、前記パルス光と同期して、すべての画素の前記第1及び第2転送ゲート電極に、順次パルス信号を与え、
それぞれの画素において、前記第1及び第2浮遊ドレイン領域に蓄積された電荷の配分比から前記対象物までの距離を測定し、全画素を2次元アクセスし、前記測定された距離に対応する2次元画像を得ることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記電荷生成領域が、第1導電型で前記電荷生成領域よりも高不純物密度の半導体基板の上に配置された半導体層の一部からなることを特徴とする請求項13又は14に記載の固体撮像装置。
- 前記電荷生成領域が、第1導電型で前記電荷生成領域よりも高不純物密度の半導体基板の上に配置されたエピタキシャル成長層の一部からなることを特徴とする請求項13又は14に記載の固体撮像装置。
- 前記半導体基板が不純物密度4×1017cm-3以上、1×1021cm-3以下、前記電荷生成領域が不純物密度6×1011cm-3以上、2×1015cm-3以下であることを特徴とする請求項15又は16に記載の固体撮像装置。
- 前記半導体基板が不純物密度4×1017cm-3以上、1×1021cm-3以下のシリコン基板、前記電荷生成領域が不純物密度6×1011cm-3以上、2×1015cm-3以下のシリコンエピタキシャル成長層であることを特徴とする請求項15又は16に記載の固体撮像装置。
- 前記半導体光電変換素子が、
前記電荷生成領域の直上の表面埋込領域上にまで延伸する前記絶縁膜の一部と、
前記電荷生成領域の直上で、前記絶縁膜上の受光ゲート電極
とを更に備えることを特徴とする請求項13〜18のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 - 前記信号電荷が互いに反対方向に転送されるように、平面パターン上、前記第1転送ゲート電極と前記第2転送ゲート電極のそれぞれの中心線が、同一直線上に配置されていることを特徴とする請求項19に記載の固体撮像装置。
- 前記信号電荷の転送方向に直交する方向に測った前記第1及び第2転送ゲート電極のそれぞれの幅が、前記直交する方向に測った前記受光ゲート電極の幅よりも狭いことを特徴とする請求項20に記載の固体撮像装置。
- 前記第1及び第2転送チャネルの上部にそれぞれ形成された絶縁膜の厚さが、熱酸化膜の比誘電率換算で150nm以上、1000nm以下であることを特徴とする請求項13〜21のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
- 前記絶縁膜をCMOS集積回路のフィールド酸化膜の工程で同時に形成される酸化膜とし、前記半導体光電変換素子、前記第1転送ゲート電極、前記第2転送ゲート電極、前記第1浮遊ドレイン領域及び前記第2浮遊ドレイン領域をCMOS集積回路の製造工程の一部の工程として形成することを特徴とする請求項13〜22のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
- 前記画素が、前記第1及び第2浮遊ドレイン領域にそれぞれ接続され、前記第1及び第2浮遊ドレイン領域に蓄積された電荷をそれぞれ読み出す電圧読み出し用バッファアンプを更に備えることを特徴とする請求項13〜23のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
- 前記画素が、
前記第1浮遊ドレイン領域に平面パターン上隣接した第1リセットゲート電極と、
該第1リセットゲート電極を介して、前記第1浮遊ドレイン領域に対向する第1リセットソース領域と、
前記第2浮遊ドレイン領域に平面パターン上隣接した第2リセットゲート電極と、
該第2リセットゲート電極を介して、前記第2浮遊ドレイン領域に対向する第2リセットソース領域とを更に備え、
前記第1及び第2リセットゲート電極にリセット信号を印加して前記第1及び前記第2浮遊ドレイン領域に蓄積された電荷を前記第1及び第2リセットソース領域にそれぞれ吐き出し、前記第1及び前記第2浮遊ドレイン領域をリセットすることを特徴とする請求項13〜24のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 - 前記電荷生成領域と同一の半導体領域からなる第1排出チャネルの電位を該第1排出チャネルの上部に形成された絶縁膜を介して静電的に制御し、背景光を受光して前記電荷生成領域が生成した背景光電荷を排出する第1排出ゲート電極と、
前記第1排出ゲート電極により排出された前記背景光電荷を受け入れる第1排出ドレイン領域
とを更に備え、前記第1、第2転送ゲート電極及び第1排出ゲート電極に、前記パルス光と同期して、順次制御パルス信号を与えて動作させることを特徴とする請求項13〜25のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 - 前記第1排出ゲート電極に加える制御パルス信号の時間幅が、前記第1及び第2転送ゲート電極に加える制御パルス信号の時間幅よりも長いことを特徴とする請求項26に記載の固体撮像装置。
- 前記信号電荷の転送方向と直交する方向において前記第1排出ゲート電極と対向し、前記電荷生成領域と同一の半導体領域からなる第2排出チャネルの電位を該第2排出チャネルの上部に形成された絶縁膜を介して静電的に制御し、前記背景光電荷を前記第1排出チャネルを走行する前記背景光電荷とは逆方向に排出する第2排出ゲート電極と、
前記第2排出ゲート電極により排出された前記背景光電荷を受け入れる第2排出ドレイン領域
とを更に備えることを特徴とする請求項26又は27に記載の固体撮像装置。
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