KR101699110B1 - 거리 센서 및 거리 화상 센서 - Google Patents

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Abstract

거리 화상 센서(RS)는 2차원 형상으로 배치된 복수의 유닛으로 이루어진 촬상 영역을 반도체 기판(1) 상에 구비하고, 유닛으로부터 출력되는 전하량에 기초하여 거리 화상을 얻는다. 1개의 유닛은 광감응 영역과; 제1 및 제2 장변(L1, L2)의 대향 방향에서 포토 게이트 전극(PG)을 사이에 두고 대향하는 복수의 제3 반도체 영역(9a, 9b)과; 복수의 제3 반도체 영역(9a, 9b)과 포토 게이트 전극(PG)의 사이에 마련되는 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)과; 제3 반도체 영역(9a, 9b)을 제1 및 제2 장변(L1, L2)의 대향 방향에 있어서 사이에 두고 배치되는 복수의 제4 반도체 영역(11a, 11b)과; 복수의 제4 반도체 영역(11a, 11b)과 포토 게이트 전극(PG)의 사이에 각각 마련되는 복수의 제3 전송 전극(TX3)을 구비한다.

Description

거리 센서 및 거리 화상 센서{RANGE SENSOR AND RANGE IMAGE SENSOR}
본 발명은 거리 센서 및 거리 화상 센서에 관한 것이다.
종래 액티브형의 광측거 센서는 LED(Light　Emitting　Diode) 등의 투광용 광원으로부터 대상물에 광을 조사하고, 대상물에 있어서 반사광을 광검출 소자에서 검출하는 것에 의해, 대상물까지의 거리에 따른 신호를 출력하는 것으로서 알려져 있다. PSD(Position　Sensitive　Detector) 등은 대상물까지의 거리를 간이하게 측정할 수 있는 광 삼각측량형의 광측거(光測距) 센서로서 알려져 있다. 그렇지만 최근 보다 정밀한 거리 측정을 행하기 위해, 광TOF(Time-Of-Flight)형 광측거 센서의 개발이 기대되고 있다.
거리 정보와 화상 정보를 동시에, 동일 칩에서 취득할 수 있는 이미지 센서가 차재용, 공장의 자동 제조 시스템용 등에 있어서 요구되고 있다. 화상 정보와는 별도로, 단일의 거리 정보 또는 복수의 거리 정보로 이루어진 거리 화상을 취득하는 이미지 센서가 기대되고 있다. 이와 같은 측거 센서에는 TOF법을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 TOF법에 따른 거리 화상 센서로서, 예를 들어, 특허 문헌 1에 기재된 고체 촬상 장치가 알려져 있다. 특허 문헌 1에 기재된 거리 화상 센서는 2차원으로 배열된 각 화소가 직사각형의 전하 생성 영역과, 전하 생성 영역의 1조(組)의 대향하는 2개 변을 따라서 각각 마련된 전송 게이트 전극과, 전송 게이트 전극에 의해 전송된 신호 전하를 각각 축적하는 부유(浮遊) 드레인 영역과, 전하 생성 영역의 다른 1조의 대향하는 2개 변을 따라서 각각 마련되고, 전하 생성 영역으로부터 배경광 전하를 배출하는 배출 게이트 전극과, 배출 게이트 전극에 의해 배출된 배경광 전하를 각각 받아 들이는 배출 드레인 영역을 구비하여 구성되어 있다. 이 거리 화상 센서에서는 부유 드레인 영역 내에 배분된 전하량에 기초하여 대상물까지의 거리가 연산된다. 전하 생성 영역에서 생성된 배경광 전하가 배출되기 때문에, 배경광의 영향이 저감되어, 다이나믹 레인지가 향상된다.
선행 기술 문헌
특허 문헌
특허 문헌 1 : 국제 공개 제2007／026779호 팜플렛
그렇지만 특허 문헌 1에 기재된 거리 화상 센서에서는, 각 화소에 있어서 전하 생성 영역의 주위 중 일부에서는 있지만, 배출 게이트 전극으로 둘러싸여 있다. 이 때문에, 특허 문헌 1에 기재된 거리 화상 센서는 개구 비율이 나쁘다고 하는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기 과제 해결을 위해서 이루어진 것이며, 개구 비율의 향상을 도모하는 것이 가능한 거리 센서 및 거리 화상 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 거리 센서는, 입사광에 따라 전하를 발생하고, 또한 그 평면 형상이 서로 대향하는 제1 및 제2 장변과 서로 대향하는 제1 및 제2 단변을 가지는 광감응 영역과; 제1 및 제2 장변의 대향 방향에서 광감응 영역을 사이에 두고 대향해서 배치되고, 광감응 영역으로부터의 신호 전하를 수집(收集)하는 복수의 신호 전하 수집 영역과; 다른 위상의 전하 전송 신호가 주어지고, 복수의 신호 전하 수집 영역과 광감응 영역의 사이에 각각 마련되는 복수의 전송 전극과; 제1 장변측에 있어서 제1 장변을 따라서 신호 전하 수집 영역을 사이에 두도록 서로 공간적으로 이간(離間)해서 배치되고, 광감응 영역으로부터의 불요 전하를 수집하는 복수의 제1 불요 전하 수집 영역과; 제1 및 제2 장변의 대향 방향에서 광감응 영역을 사이에 두고 복수의 제1 불요 전하 수집 영역과 대향함과 아울러, 제2 장변측에 있어서 제2 장변을 따라서 신호 전하 수집 영역을 사이에 두도록 서로 공간적으로 이간해서 배치되고, 광감응 영역으로부터의 불요 전하를 수집하는 복수의 제2 불요 전하 수집 영역과; 복수의 제1 및 제2 불요 전하 수집 영역과 광감응 영역의 사이에 각각 마련되고, 광감응 영역으로부터 제1 및 제2 불요 전하 수집 영역으로의 불요 전하 흐름의 차단 및 개방을 선택적으로 행하는 복수의 불요 전하 수집 게이트 전극을 구비하고 있다.
본 발명에 관한 거리 센서에서는, 제1 및 제2 장변의 대향 방향에 있어서 광감응 영역을 사이에 두고 신호 전하 수집 영역이 대향해서 복수 배치되고, 복수의 신호 전하 수집 영역과 광감응 영역의 사이에 각각 전송 전극이 마련되어 있다. 제1 장변측에 있어서 제1 장변을 따라서 신호 전하 수집 영역을 사이에 두도록 서로 공간적으로 이간하여 복수의 제1 불요 전하 수집 영역이 배치되어 있다. 복수의 제1 불요 전하 수집 영역에 대향해서 제2 장변측에 복수의 제2 불요 전하 수집 영역이 배치되어 있다. 복수의 제1 및 제2 불요 전하 수집 영역과 광감응 영역의 사이에 각각 불요 전하 수집 게이트 전극이 마련되어 있다. 이와 같은 구성에 의해, 광감응 영역의 제1 및 제2 단변의 대향 방향에는 전극이 배치되지 않기 때문에, 광감응 영역을 둘러싸도록 전송 전극 및 불요 전하 수집 게이트 전극이 배치되는 경우에 비해, 개구 비율이 현저하게 개선된다.
본 발명에 관한 거리 센서에서는, 광감응 영역에서 발생한 신호 전하 및 불요 전하는 전송 전극 및 불요 전하 수집 게이트 전극에 의해 제1 및 제2 장변의 대향 방향으로 전송된다. 이 때문에, 광감응 영역을 제1 및 제2 단변의 대향 방향으로 확대하여 형성한 경우에도, 제1 및 제2 장변의 대향 방향의 거리는 일정하게 유지된다. 이에 의해, 전송 전극 및 불요 전하 수집 게이트 전극에 있어서 전하의 전송 속도를 충분히 확보할 수 있다. 따라서 전송 속도를 확보하면서, 개구 비율의 향상을 도모할 수 있다. 그 결과, S／N비가 좋은 거리 화상을 얻을 수 있다.
복수 전송 전극의 제1 및 제2 장변 방향의 길이 치수는 복수의 불요 전하 수집 게이트 전극의 제1 및 제2 장변 방향의 길이 치수보다 커도 좋다. 복수 전송 전극의 제1 및 제2 장변 방향의 길이 치수, 즉 복수 전송 전극의 게이트폭을 복수의 불요 전하 수집 게이트 전극의 게이트폭보다 길게 함으로써, 복수의 전송 전극에 있어서 신호 전하의 전송 속도의 향상을 도모할 수 있다.
복수의 불요 전하 수집 게이트 전극에 있어서 제1 및 제2 단변의 대향 방향의 외측 단부는 광감응 영역의 제1 및 제2 단변의 대향 방향의 양단부와 거의 한 면이어도 좋다. 복수의 불요 전하 수집 게이트 전극에 있어서 제1 및 제2 단변의 대향 방향의 외측 단부는 광감응 영역의 제1 및 제2 단변의 대향 방향의 양단부보다 내측이어도 좋다. 이에 의해, 예를 들어 거리 센서가 2차원 형상으로 배치되는 경우에는, 제1 및 제2 단변의 대향 방향에 있어서 인접하는 거리 센서끼리를 근접해서 배치할 수 있다.
본 발명에 관한 거리 화상 센서는 1차원 또는 2차원으로 배치된 복수의 유닛으로 이루어진 촬상 영역을 반도체 기판 상에 구비하고, 유닛으로부터 출력되는 전하량에 기초하여 거리 화상을 얻는 거리 화상 센서에 있어서, 1개의 유닛은 상기 거리 센서이다. 본 발명에 관한 거리 화상 센서에 의하면, 상기 거리 센서를 구비하는 것에 의해, 개구 비율의 향상을 도모할 수 있다.
복수의 불요 전하 수집 게이트 전극에 있어서 제1 및 제2 단변의 대향 방향의 외측 단부는 광감응 영역의 제1 및 제2 단변의 대향 방향의 양단부보다 외측으로 돌출하도록 해도 좋다. 그리고 광감응 영역은 반도체 기판 상에 있어서 광감응 영역의 제1 및 제2 단변의 대향 방향에 복수 배치되어 있고, 복수의 불요 전하 수집 게이트 전극은 인접하는 2개의 광감응 영역에 걸쳐 배치되어 있어도 좋다. 이 경우에는 불요 전하 수집 게이트 전극이 인접하는 2개의 광감응 영역에서 공유화된다. 제1 및 제2 불요 전하 수집 영역도 인접하는 2개의 광감응 영역에서 각각 공유화된다. 이 때문에, 거리 화상 센서에 있어서 유닛의 제조를 간이화할 수 있다.
본 발명에 의하면, 개구 비율의 향상을 도모하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 거리 화상 센서의 촬상 영역의 개략 평면도이다.
도 2는 촬상 영역의 II－II선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 촬상 영역의 III－III선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 반도체 기판의 제2 주면 근방에 있어서 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 5는 반도체 기판의 제2 주면 근방에 있어서 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 6은 각종 신호의 타이밍차트이다.
도 7은 촬상 디바이스 전체의 단면도이다.
도 8은 각종 신호의 타이밍차트이다.
도 9는 거리 화상 측정 장치의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 10은 종래 거리 화상 센서의 촬상 영역의 개략 평면도이다.
도 11은 본 발명의 거리 화상 센서의 촬상 영역의 일례를 나타내는 개략 평면도이다.
도 12는 변형예에 관한 거리 화상 센서의 촬상 영역을 구성하는 화소의 개략 평면도이다.
도 13은 변형예에 관한 거리 화상 센서의 촬상 영역을 구성하는 화소의 개략 평면도이다.
도 14는 변형예에 관한 거리 화상 센서의 촬상 영역을 구성하는 화소의 개략 평면도이다.
도 15는 변형예에 관한 거리 화상 센서의 촬상 영역의 개략 평면도이다.
도 16은 변형예에 관한 각종 신호의 타이밍차트이다.
도 17은 본 실시 형태의 변형예에 관한 거리 화상 센서의 촬상 영역의 개략 평면도이다.
도 18은 촬상 영역의 XVIII－XVIII선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다.
도 19는 반도체 기판의 제2 주면 근방에 있어서 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 20은 본 실시 형태의 변형예에 관한 거리 화상 센서의 촬상 영역의 개략 평면도이다.
도 21은 촬상 영역의 XXI－XXI선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다.
도 22는 각종 신호의 타이밍차트이다.
도 23은 반도체 기판의 제2 주면 근방에 있어서 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 설명에 있어서, 동일 요소 또는 동일 기능을 가지는 요소에는 동일 부호를 이용하는 것으로 하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 거리 화상 센서의 촬상 영역의 개략 평면도이다. 도 2는 촬상 영역의 II－II선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이고, 도 3은 촬상 영역의 III－III선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다.
거리 화상 센서(RS)는 서로 대향하는 제1 및 제2 주면(1a, 1b)을 가지는 반도체 기판(1)을 구비하고 있다. 반도체 기판(1)은 제1 주면(1a)측에 위치하는 p형의 제1 반도체 영역(3)과, 제1 반도체 영역(3)보다 불순물 농도가 낮고 또한 제2 주면(1b)측에 위치하는 p－형의 제2 반도체 영역(5)으로 이루어진다. 반도체 기판(1)은 예를 들어, p형의 반도체 기판 상에, 당해 반도체 기판보다 불순물 농도가 낮은 p－형의 에피텍셜층을 성장시키는 것에 의해 얻을 수 있다. 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b; 제2 반도체 영역(5)) 상에는 절연층(7)이 형성되어 있다.
절연층(7) 상에는 복수의 포토 게이트 전극(PG)이 공간적으로 이간하여 2차원 형상으로 배치되어 있다. 포토 게이트 전극(PG)은 평면에서 보아 직사각 형상을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서, 포토 게이트 전극(PG)은 장방 형상을 나타내고 있다. 즉, 포토 게이트 전극(PG)은 포토 게이트 전극(PG)의 배치 방향과 평행하고 또한 서로 대향하는 제1 및 제2 장변(L1, L2)과, 제1 및 제2 장변(L1, L2)에 직교하고 또한 서로 대향하는 제1 및 제2 단변(S1, S2)을 가지는 평면 형상을 가지고 있다. 반도체 기판(1; 제2 반도체 영역(5))에 있어서 포토 게이트 전극(PG)에 대응하는 영역(도 2 및 도 3에 있어서, 포토 게이트 전극(PG)의 하방에 위치하는 영역)은 입사광에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역(광감응 영역)으로서 기능한다.
제2 반도체 영역(5)에는 각 포토 게이트 전극(PG)으로부터 떨어져서 위치하는 영역 각각에, 불순물 농도가 높은 n형의 제3 반도체 영역(신호 전하 수집 영역; 9a, 9b)이 대향해서 형성되어 있다. 즉, 제3 반도체 영역(9a, 9b)은 제1 및 제2 장변(L1, L2)의 대향 방향에서 포토 게이트 전극(PG)을 사이에 두고 대향해서 배치되어 있다. 제3 반도체 영역(9a)은 포토 게이트 전극(PG)의 4개 변 중 제1 장변(L1)측에 배치되고, 제3 반도체 영역(9b)은 포토 게이트 전극(PG)의 4개 변 중 제3 반도체 영역(9a)이 배치된 제1 장변(L1)에 대향하는 제2 장변(L2)측에 배치되어 있다. 제3 반도체 영역(9a, 9b)은 평면에서 보아 직사각 형상을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서, 제3 반도체 영역(9a, 9b)은 정방형상을 나타내고 있다.
제2 반도체 영역(5)에는 각 포토 게이트 전극(PG)으로부터 떨어져서 위치하는 영역 각각에, 불순물 농도가 높은 n형의 제4 반도체 영역(제1 및 제2 불요 전하 수집 영역; 11a, 11b)이 형성되어 있다. 본 실시 형태에서, 제4 반도체 영역(11a, 11b)은 각 포토 게이트 전극(PG) 각각에 두 쌍 배치되어 있다. 제4 반도체 영역(11a)은 포토 게이트 전극(PG)의 4개 변 중 제1 장변(L1)측에 있어서 제1 장변(L1)을 따르고, 또한 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향에 있어서 제3 반도체 영역(9a)을 사이에 두고 배치되고, 제4 반도체 영역(11b)은 포토 게이트 전극(PG)의 4개 변 중 제4 반도체 영역(11a)이 배치된 제1 장변(L1)에 대향하는 제2 장변(L2)측에 있어서 제2 장변(L2)을 따르고, 또한 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향에 있어서 제3 반도체 영역(9b)을 사이에 두고 배치되어 있다. 제4 반도체 영역(11a, 11b)은 평면에서 보아 직사각 형상을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서, 제4 반도체 영역(11a, 11b)은 정방형상을 나타내고 있다.
본 실시 형태에서, 「불순물 농도가 높다」는 예를 들어 불순물 농도가 1×1017cm－3 정도 이상인 것이고, 「＋」를 도전형에 붙여 나타낸다. 「불순물 농도가 낮다」는 예를 들어 10×1015cm－3 정도 이하인 것이고, 「－」를 도전형에 붙여 나타낸다.
각 반도체 영역의 두께／불순물 농도는 이하와 같다.
제1 반도체 영역(3)：두께 10 ~ 1000㎛／불순물 농도 1×1012 ~ 1019 cm－3
제2 반도체 영역(5)：두께 1 ~ 50㎛／불순물 농도 1×1012 ~ 1015 cm－3
제3 반도체 영역(9a, 9b) 및 제4 반도체 영역(11a, 11b)：두께 0.1 ~ 1㎛／불순물 농도 1×1018 ~ 1020 cm－3
반도체 기판(1; 제1 및 제2 반도체 영역(3, 5))에는 백 게이트 또는 관통 전극 등을 통하여 그라운드 전위 등의 기준 전위가 주어진다.
절연층(7) 상에는 각 포토 게이트 전극(PG)에 대응하여, 제1 전송 전극(TX1) 및 제2 전송 전극(TX2)이 각각 배치되어 있다. 제1 전송 전극(TX1)는 제1 장변(L1)측에 있어서 포토 게이트 전극(PG)과 제3 반도체 영역(9a)의 사이에 위치하고, 포토 게이트 전극(PG)으로부터 떨어져서 배치되어 있다. 제2 전송 전극(TX2)은 제1 장변(L1)에 대향하는 제2 장변(L2)측에 있어서 포토 게이트 전극(PG)과 제3 반도체 영역(9b)의 사이에 위치하고, 포토 게이트 전극(PG)으로부터 떨어져서 배치되어 있다. 제1 전송 전극(TX1)과 제2 전송 전극(TX2)은 평면에서 보아 직사각 형상을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서, 제1 전송 전극(TX1)과 제2 전송 전극(TX2)은 포토 게이트 전극(PG)의 배치 방향을 장변 방향으로 하는 장방 형상을 나타내고 있다.
절연층(7) 상에는 각 포토 게이트 전극(PG)에 대응하여, 불요 전하 수집 게이트 전극으로서 기능하는 제3 전송 전극(TX3)이 각각 배치되어 있다. 제3 전송 전극(TX3)은 포토 게이트 전극(PG)과 제4 반도체 영역(11a, 11b)의 사이에 위치하고, 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향에 있어서, 제1 전송 전극(TX1) 및 제2 전송 전극(TX2)을 사이에 두고 포토 게이트 전극(PG)으로부터 떨어져서 배치되어 있다. 제3 전송 전극(TX3)은 평면에서 보아 직사각 형상을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서, 제3 전송 전극(TX3)은 포토 게이트 전극(PG)의 배치 방향을 장변 방향으로 하는 장방 형상을 나타내고 있고, 그 길이 치수가 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)의 길이 치수보다 짧다. 제3 전송 전극(TX3)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향에 있어서 외측의 단부(TX3a)는 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향에 있어서 양단부(PGa, PGb)와 거의 한 면이다.
제1 ~ 제3 전송 전극(TX1 ~ TX3)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향의 길이 치수, 즉 제1 ~ 제3 전송 전극(TX1 ~ TX3)의 게이트폭은 제1 ~ 제3 전송 전극(TX1 ~ TX3)에 있어서 신호 전하 및 불요 전하의 고속 전송이 가능하게 되는 포토 게이트 전극(PG)의 영역을 커버하도록, 신호 전하 및 불요 전하의 전송 가능한 거리에 따라 결정된다.
본 실시 형태에서는 하나의 포토 게이트 전극(PG), 반도체 기판(1)에 있어서 포토 게이트 전극(PG)에 대응하는 영역(광감응 영역), 한 쌍의 제1 전송 전극(TX1) 및 제2 전송 전극(TX2), 한 쌍의 제3 반도체 영역(9a, 9b), 두 쌍의 제3 전송 전극(TX3), 및 두 쌍의 제4 반도체 영역(11a, 11b)이 거리 화상 센서(RS)에 있어서 하나의 화소(거리 센서)를 구성하고 있다.
절연층(7)에는 제1 반도체 영역(3)의 표면을 노출시키기 위한 컨택트홀이 마련되어 있다. 컨택트홀 내에 제3 반도체 영역(9a, 9b) 및 제4 반도체 영역(11a, 11b)을 외부에 접속하기 위한 도체(13)가 배치된다.
반도체 기판은 Si로 이루어지고, 절연층(7)은 SiO2로 이루어지며, 포토 게이트 전극(PG) 및 제1 ~ 3 전송 전극(TX1 ~ TX3)은 폴리 실리콘으로 이루어지지만, 이들은 다른 재료를 이용해도 좋다.
제3 반도체 영역(9a, 9b)은 광의 입사에 따라 반도체 기판(1)에 있어서 광감응 영역에서 발생한 신호 전하를 수집하는 것이다. 제1 전송 전극(TX1)에 인가되는 전하 전송 신호의 위상과 제2 전송 전극(TX2)에 인가되는 전하 전송 신호의 위상은 180도 벗어나 있다. 1개의 화소에 입사한 광은 반도체 기판(1; 제2 반도체 영역(5)) 내에 있어서 전하로 변환되고, 이와 같이 하여 발생한 전하 중 일부의 전하가, 신호 전하로서, 포토 게이트 전극(PG) 및 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 인가되는 전압에 의해 형성되는 포텐셜 구배(勾配)에 따라서, 제1 전송 전극(TX1) 또는 제2 전송 전극(TX2)의 방향, 즉 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)에 평행한 방향으로 주행한다.
제1 또는 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 정전위를 주면, 제1 또는 제2 전송 전극(TX1, TX2) 아래의 포텐셜이 포토 게이트 전극(PG)의 아래 부분의 반도체 기판(1; 제2 반도체 영역(5))의 포텐셜보다 전자에 대해서 낮아지고, 부(負)의 전하(전자)는 제1 또는 제2 전송 전극(TX1, TX2)의 방향에 끌여 들여져서, 제3 반도체 영역(9a) 또는 제3 반도체 영역(9b)에 의해 형성되는 포텐셜 우물 내에 축적된다. n형의 반도체는 정(正)으로 이온화한 도너를 포함하고 있으며, 정의 포텐셜을 가지고, 전자를 끌어당긴다. 제1 또는 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 상기 정전위보다 낮은 전위(예를 들어, 그라운드 전위)를 주면, 제1 또는 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 의한 포텐셜 장벽이 생겨서, 반도체 기판(1)에서 발생한 전하는 제3 반도체 영역(9a) 또는 제3 반도체 영역(9b)에는 끌어 들여지지 않는다.
제4 반도체 영역(11a, 11b)은 광의 입사에 따라 반도체 기판(1)에 있어서 광감응 영역에서 발생한 불요 전하를 수집하는 것이다. 1개의 화소에 입사한 광은 반도체 기판(1; 제2 반도체 영역(5)) 내에서 발생한 전하 중 일부의 전하가, 불요 전하로서, 포토 게이트 전극(PG) 및 제3 전송 전극(TX3)에 인가되는 전압에 의해 형성되는 포텐셜 구배에 따라서, 제3 전송 전극(TX3)의 방향으로 주행한다.
제3 전송 전극(TX3)에 정전위를 주면, 제3 전송 전극(TX3) 아래의 포텐셜이 포토 게이트 전극(PG)의 아래 부분의 반도체 기판(1; 제2 반도체 영역(5))의 포텐셜보다 전자에 대해서 낮아지고, 부의 전하(전자)는 제3 전송 전극(TX3)의 방향에 끌여 들여져서, 제4 반도체 영역(11a, 11b)에 의해 형성되는 포텐셜 우물 내에 축적된다. 제3 전송 전극(TX3)에 상기 정전위보다 낮은 전위(예를 들어, 그라운드 전위)를 주면, 제3 전송 전극(TX3)에 의한 포텐셜 장벽이 생겨서, 반도체 기판(1)에서 발생한 전하는 제4 반도체 영역(11a, 11b) 내에 끌어 들여지지 않는다.
도 4는 신호 전하의 축적 동작을 설명하기 위한, 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b) 근방에 있어서 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다. 도 5는 불요 전하의 배출 동작을 설명하기 위한, 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b) 근방에 있어서 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다. 도 4 및 도 5에서는 하향이 포텐셜의 정방향이다. 도 4에 있어서, (a) 및 (b)는 도 2에서 횡방향의 단면의 횡방향을 따른 포텐셜 분포를 나타내고, (c)는 도 3에서 횡방향의 단면의 횡방향을 따른 포텐셜 분포를 나타낸다. 도 5에 있어서, (a)는 도 2에서 횡방향의 단면의 횡방향을 따른 포텐셜 분포를 나타내고, (b)는 도 3에서 횡방향의 단면의 횡방향을 따른 포텐셜 분포를 나타낸다.
도 4 및 도 5에는 제1 전송 전극(TX1)의 바로 아래 영역의 포텐셜(φ TX1), 제2 전송 전극(TX2)의 바로 아래 영역의 포텐셜(φ TX2), 제3 전송 전극(TX3)의 바로 아래 영역의 포텐셜(φ TX3), 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 광감응 영역의 포텐셜(φ PG), 제3 반도체 영역(9a)의 포텐셜(φ FD1), 제3 반도체 영역(9b)의 포텐셜(φ FD2), 제4 반도체 영역(11a)의 포텐셜(φ OFD1), 제4 반도체 영역(11b)의 포텐셜(φ OFD2)이 나타나 있다.
포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역(광감응 영역)의 포텐셜(φ PG)은 무바이어스 시에 있어서 인접하는 제1 ~ 제3 전송 전극(TX1 ~ TX3)의 바로 아래 영역의 포텐셜(φ TX1, φ TX2, φ TX3)을 기준 전위로 하면, 이 기준 전위보다 높게 설정되어 있다. 이 광감응 영역의 포텐셜(φ PG)은 포텐셜(φ TX1, φ TX2, φ TX3)보다 높아지고, 이 영역의 포텐셜 분포는 도면의 하향으로 오목한 형상으로 된다.
도 4를 참조하여 신호 전하의 축적 동작을 설명한다.
제1 전송 전극(TX1)에 인가되는 전하 전송 신호의 위상이 0도일 때, 제1 전송 전극(TX1)에는 정의 전위가 주어지고, 제2 전송 전극(TX2)에는 역상(逆相)의 전위, 즉 위상이 180도인 전위(예를 들어, 그라운드 전위)가 주어진다. 이 경우, 도 4(a)에 나타난 바와 같이, 광감응 영역에서 발생한 부의 전하(e)는 제1 전송 전극(TX1)의 바로 아래 반도체의 포텐셜(φ TX1)을 내리는 것에 의해, 제3 반도체 영역(9a)의 포텐셜 우물 내로 유입된다.
한편, 제2 전송 전극(TX2)의 바로 아래 반도체의 포텐셜(φ TX2)은 내려지지 않아서, 제3 반도체 영역(9b)의 포텐셜 우물 내로 전하는 유입되지 않는다. 제3 반도체 영역(9a, 9b)에서는 n형의 불순물이 첨가되어 있기 때문에, 정방향으로 포텐셜이 오목해 있다.
제2 전송 전극(TX2)에 인가되는 전하 전송 신호의 위상이 0도일 때, 제2 전송 전극(TX2)에는 정의 전위가 주어지고, 제1 전송 전극(TX1)에는 역상의 전위, 즉 위상이 180도인 전위(예를 들어, 그라운드 전위)가 주어진다. 이 경우, 도 4(b)에 나타난 바와 같이, 광감응 영역에서 발생한 부의 전하(e)는 제2 전송 전극(TX2)의 바로 아래 반도체의 포텐셜(φ TX2)을 내리는 것에 의해, 제3 반도체 영역(9b)의 포텐셜 우물 내로 유입된다. 한편, 제1 전송 전극(TX1)의 바로 아래 반도체의 포텐셜(φ TX1)은 내려지지 않아서, 제3 반도체 영역(9a)의 포텐셜 우물 내로 전하는 유입되지 않는다. 이에 의해, 신호 전하가 제3 반도체 영역(9b)의 포텐셜 우물에 수집되어서 축적된다.
제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 위상이 180도 벗어난 전하 전송 신호가 인가되고 있는 동안, 제3 전송 전극(TX3)에는 예를 들어 그라운드 전위가 주어져 있다. 이 때문에, 도 4(c)에 나타난 바와 같이, 제3 전송 전극(TX3)의 바로 아래 반도체의 포텐셜(φ TX3)은 내려지지 않아서, 제4 반도체 영역(11)의 포텐셜 우물 내로 전하는 유입되지 않는다.
이상에 의해, 신호 전하가 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 포텐셜 우물에 수집되어서 축적된다. 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 포텐셜 우물에 축적된 신호 전하는 외부에 독출된다.
도 5를 참조하여 불요 전하의 배출 동작을 설명한다.
제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)에는 예를 들어 그라운드 전위가 주어져 있다. 이 때문에, 도 5(a)에 나타난 바와 같이, 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)의 바로 아래 반도체의 포텐셜(φ TX1, φ TX2)은 내려지지 않아서, 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 포텐셜 우물 내로 전하는 유입되지 않는다. 한편, 제3 전송 전극(TX3)에는 정의 전위가 주어진다. 이 경우, 도 5(b)에 나타난 바와 같이, 광감응 영역에서 발생한 부의 전하(e)는 제3 전송 전극(TX3)의 바로 아래 반도체의 포텐셜(φ TX3)을 내리는 것에 의해, 제4 반도체 영역(11a, 11b)의 포텐셜 우물 내로 유입된다. 이상에 의해, 불요 전하가 제4 반도체 영역(11a, 11b)의 포텐셜 우물에 수집된다. 제4 반도체 영역(11a, 11b)의 포텐셜 우물에 수집된 불요 전하는 외부로 배출된다.
도 6은 각종 신호의 타이밍차트이다.
도 6에는 후술의 광원의 구동 신호(SD), 광원이 대상물에 도달하여 촬상 영역까지 돌아왔을 때 반사광의 강도 신호(LP), 제1 전송 전극(TX1)에 인가되는 전하 전송 신호(S1), 및 제2 전송 전극(TX2)에 인가되는 전하 전송 신호(S2)가 나타나 있다. 전하 전송 신호(S1)는 구동 신호(SD)에 동기하여 있으므로, 반사광의 강도 신호(LP)의 전하 전송 신호(S1)에 대한 위상이 광의 비행 시간이며, 이것은 센서로부터 대상물까지의 거리를 나타내고 있다. 반사광의 강도 신호(LP)와 제1 전송 전극(TX1)에 인가되는 전하 전송 신호(S1)의 중합된 부분이 제3 반도체 영역(9a)에서 수집되는 전하량(Q1)에 해당되고, 반사광의 강도 신호(LP)와 제2 전송 전극(TX2)에 인가되는 전하 전송 신호(S2)의 중합된 부분이 제3 반도체 영역(9b)에서 수집되는 전하량(Q2)에 해당된다. 여기서는 각 전하 전송 신호(S1, S2)의 인가 시에, 제3 반도체 영역(9a, 9b)에서 수집된 전하량(Q1, Q2)의 비율을 이용하여 거리(d)를 연산한다. 즉, 구동 신호 중 하나의 펄스폭을 TP로 하면, 거리(d)=(c／2)×(TP×Q2／(Q1＋Q2))로 주어진다. 또한, c는 광속이다.
도 7은 촬상 디바이스 전체의 단면도이다.
촬상 디바이스(IM)는 거리 화상 센서(RS)와 배선 기판(WB)을 구비하고 있다. 거리 화상 센서(RS)는 이면 조사형의 거리 화상 센서이다. 거리 화상 센서(RS)는 그 중앙부가 주변부와 비해 박화(薄化)되어 있고, 박화된 영역이 촬상 영역으로 되어, 대상물로부터의 반사광이 입사된다. 거리 화상 센서(RS)에서는 전하 발생부의 광입사측에 전극이 존재하지 않기 때문에, S／N비가 높은 거리 출력 및 거리 화상을 얻을 수 있다.
거리 화상 센서(RS)는 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b)측을 배선 기판(WB)에 대향시킨 상태에서, 다층 배선 기판(M1)과 접착제(FL)를 개재시켜 배선 기판(WB)에 첩부되어 있다. 다층 배선 기판(M1)의 내부에는 각 반도체 영역(9a, 9b, 11a, 11b), 각 전송 전극(TX1 ~ TX3), 및 포토 게이트 전극(PG) 등에 각각 전기적으로 접속된 관통 전극(도시하지 않음)이 마련되어 있다. 관통 전극은 배선 기판(WB)과 다층 배선 기판(M1)의 사이에 개재하는 범프 전극(도시하지 않음)을 통하여, 배선 기판(WB)의 관통 전극(도시하지 않음)에 접속되어 있고, 배선 기판(WB)의 관통 전극은 배선 기판(WB)의 이면에 노출하고 있다. 배선 기판(WB)을 구성하는 절연 기판에 있어서 접착제(FL)와의 계면측 표면에는 차광층(도시하지 않음)이 형성되어 있고, 거리 화상 센서(RS)를 투과한 광의 배선 기판(WB)으로의 입사를 억제하고 있다.
도 8은 실제 각종 신호의 타이밍차트이다.
1 프레임의 기간(TF)은 신호 전하를 축적하는 기간(축적 기간; Tacc)과, 신호 전하를 독출하는 기간(독출 기간; Tro)으로 이루어진다. 1개의 화소에 주목하면, 축적 기간(Tacc)에 있어서, 복수의 펄스를 가지는 구동 신호(SD)가 광원에 인가되고, 이것에 동기하여, 전하 전송 신호(S1, S2)가 서로 역위상으로 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 인가된다. 또한, 거리 측정에 앞서, 리셋 신호(reset)가 제3 반도체 영역(9a, 9b)에 인가되고, 내부에 축적된 전하가 외부로 배출된다. 본 예에서는 리셋 신호(reset)가 일순 온하고, 계속해서 오프한 후, 복수의 구동 진동 펄스가 순서대로 인가되고, 다시 이것에 동기하여 전하 전송이 순차적으로 행해지고, 제3 반도체 영역(9a, 9b) 내에 신호 전하가 적산되어 축적된다.
그 후, 독출 기간(Tro)에 있어서, 제3 반도체 영역(9a, 9b) 내에 축적된 신호 전하가 독출된다. 이 때, 제3 전송 전극(TX3)에 인가되는 전하 전송 신호(S3)가 온되고, 제3 전송 전극(TX3)에 정의 전위가 주어지고, 불요 전하가 제4 반도체 영역(11a, 11b)의 포텐셜 우물에 수집된다.
도 9는 거리 화상 측정 장치의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
대상물(OJ)까지의 거리(d)는 거리 화상 측정 장치에 의해 측정된다. 상술한 바와 같이, LED 등의 광원(LS)에는 구동 신호(SD)가 인가되고, 대상물(OJ)에서 반사된 반사광 상의 강도 신호(LP)가 거리 화상 센서(RS)의 광감응 영역에 입사한다. 거리 화상 센서(RS)로부터는 화소마다, 전하 전송 신호(S1, S2)에 동기하여 수집된 전하량(Q1, Q2)이 출력되고, 이것은 구동 신호(SD)에 동기하여 연산 회로(ART)에 입력된다. 연산 회로(ART)에서는 상술한 바와 같이 화소마다 거리(d)를 연산하고, 연산 결과를 제어부(CONT)에 전송한다. 제어부(CONT)는 광원(LS)을 구동하는 구동 회로(DRV)를 제어함과 아울러, 전하 전송 신호(S1, S2, S3)를 출력하고, 연산 회로(ART)로부터 입력된 연산 결과를 표시기(DSP)에 표시한다.
도 10은 종래 거리 화상 센서의 촬상 영역의 개략 평면도이다.
도 10에 나타난 바와 같이, 거리 화상 센서(RS1)에서는 직사각형의 전하 생성 영역(EA)과 전하 생성 영역(EA)의 1조의 대향하는 2개 변을 따라서 각각 마련된 전송 게이트 전극(제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 상당; tx1, tx2)과, 전송 게이트 전극(tx1, tx2)에 의해 전송된 신호 전하를 각각 축적하는 부유 드레인 영역(도시하지 않음)과, 전하 생성 영역의 다른 1조의 대향하는 2개 변을 따라서 각각 마련된 배출 게이트 전극(제3 전송 전극(TX3)에 상당; tx3)과, 배출 게이트 전극(tx3)에 의해 배출된 배경광 전하를 각각 받아 들이는 배출 드레인 영역(도시하지 않음)이 하나의 화소(거리 센서)를 구성하고 있다.
상기의 거리 화상 센서(RS1)에 있어서는 반도체 기판(1A)이 3행 3열(3×3)에 배열된 9개의 화소로 이루어진 촬상 영역(1B)을 가지고 있다. 이 거리 화상 센서(RS1)에서는 コ자형의 배출 게이트 전극(tx3)이 전하 생성 영역(EA)의 주위를 둘러싸도록(도시 상하 방향으로부터 사이에 두도록) 배치되어 있기 때문에, 개구 비율이 나쁘다고 하는 문제가 있다.
이에 대해, 본 발명에 관한 거리 화상 센서(RS)에서는 제1 및 제2 장변(L1, L2)의 대향 방향에 있어서 포토 게이트 전극(PG; 광감응 영역)을 사이에 두고 제3 반도체 영역(9a, 9b)이 대향해서 배치되고, 이 제3 반도체 영역(9a, 9b)과 포토 게이트 전극(PG)의 사이에 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)이 각각 마련되어 있다. 또, 제1 장변(L1)측에 있어서 제1 장변(L1)을 따라서 서로 공간적으로 이간하여 또한 제3 반도체 영역(9a)을 사이에 두도록 제4 반도체 영역(11a)이 배치되고, 이 제4 반도체 영역(11a)에 대향해서 제4 반도체 영역(11b)이 배치되고, 제4 반도체 영역(11a, 11b)과 포토 게이트 전극(PG)의 사이에 각각 제3 전송 전극(TX3)이 마련되어 있다.
이와 같은 구성에 의해, 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향에는 전극이 배치되지 않기 때문에, 포토 게이트 전극(PG)의 일부를 제3 전송 전극(TX3)으로 둘러싸도록 배치하는 종래의 구성에 비해, 개구 비율이 현저하게 개선된다.
상기의 구성에 의해, 광감응 영역에서 발생한 신호 전하 및 불요 전하는 제1 ~ 제3 전송 전극(TX1 ~ TX3)에 의해 제1 및 제2 장변(L1, L2)의 대향 방향으로 전송된다. 이 때문에, 포토 게이트 전극(PG)을 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향으로 확대하여 형성한 경우에도, 제1 및 제2 장변(L1, L2)의 대향 방향의 거리는 일정하게 유지된다. 이에 의해, 제1 ~ 제3 전송 전극(TX1 ~ TX3)에 있어서 전하의 전송 속도를 충분히 확보할 수 있다. 따라서 전송 속도를 확보하면서, 개구 비율의 향상을 도모할 수 있다. 그 결과, S／N비가 좋은 거리 화상을 얻을 수 있다.
거리 화상 센서(RS)에서는 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 장변(L1, L2)의 대향 방향에 제3 전송 전극(TX3)을 배치하지 않고, 제1 및 제2 장변(L1, L2)을 따라서 제3 전송 전극(TX3)을 분할하여 복수 배치하고 있다. 이 때문에, 도 10에 나타나는 배출 게이트 전극(tx3)보다 제3 전송 전극(TX3)의 면적을 작게 할 수 있다. 거리 화상 센서(RS)에 있어서 화소는 종래 거리 화상 센서(RS1)의 화소보다 화소 면적을 작게 할 수 있다. 따라서 거리 화상 센서(RS1)에서는 반도체 기판(1B) 상에 화소를 3행 3열밖에 배열할 수 없지만, 본 발명의 거리 화상 센서(RS)에서는 도 11에 나타난 바와 같이, 거리 화상 센서(RS1)의 반도체 기판(1B)와 동일한 면적(점선으로 둘러싼 영역)의 반도체 기판 상에 화소를 3행 4열(3×4)로 배열할 수 있다. 거리 화상 센서(RS)는 종래의 거리 화상 센서(RS1)에 비해 개구 비율이 현저하게 향상된다.
제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)의 게이트폭은 제3 전송 전극(TX3)의 게이트폭보다 길다. 이에 의해, 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 있어서 신호 전하의 전송 속도의 향상을 도모할 수 있다.
제3 전송 전극(TX3)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향에 있어서 외측의 단부(TX3a)는 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향에 있어서 양단부(PGa, PGb)와 거의 한 면이다. 이에 의해, 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향에 있어서, 포토 게이트 전극(PG)끼리를 근접해서 배치할 수 있다.
본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 실시 형태에서는 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)의 게이트폭을 제3 전송 전극(TX3)의 게이트폭보다 크게 형성하고 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 12에 나타나는 화소(G1)와 같이, 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)의 게이트폭과 제3 전송 전극(TX3)의 게이트폭이 동일한 폭으로 되도록, 제1 ~ 제3 전송 전극(TX1 ~ TX3)을 동일 형상으로 형성해도 좋다. 이와 같은 구성의 화소(G1)를 구비하는 거리 화상 센서이어도 상기의 거리 화상 센서(RS)와 동일한 작용ㆍ효과를 얻을 수 있다.
상기 실시 형태에서는 제3 전송 전극(TX3)에 있어서 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향의 외측 단부(TX3a)와, 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향의 양단부(PGa, PGb)가 거의 한 면이지만, 도 13, 14에 나타나는 구성이어도 좋다.
도 13에 나타난 바와 같이, 화소(G2)에 있어서, 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향의 양단부(PGa, PGb)는 제3 전송 전극(TX3)에 있어서 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향의 외측 단부(TX3a)보다 외측을 향해서 돌출되어 있다. 바꾸어 말하면, 제3 전송 전극(TX3)에 있어서 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향의 외측 단부(TX3a)는 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향의 양단부(PGa, PGb)보다 내측이다. 이와 같은 구성의 화소(G2)를 구비하는 거리 화상 센서이어도 상기의 거리 화상 센서(RS)와 동일한 작용ㆍ효과를 얻을 수 있다.
도 14에 나타난 바와 같이, 화소(G3)에서는 제3 전송 전극(TX3)에 있어서 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향의 외측 단부(TX3a)는 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향의 양단부(PGa, PGb)보다 외측으로 돌출되어 있다. 이와 같은 구성의 화소(G3)를 구비하는 거리 화상 센서이어도 상기의 거리 화상 센서(RS)와 동일한 작용ㆍ효과를 얻을 수 있다.
상기 실시 형태에서는 하나의 포토 게이트 전극(PG), 반도체 기판(1)에 있어서 포토 게이트 전극(PG)에 대응하는 영역, 한 쌍의 제1 전송 전극(TX1) 및 제2 전송 전극(TX2), 한 쌍의 제3 반도체 영역(9a, 9b), 두 쌍의 제3 전송 전극(TX3), 및 두 쌍의 제4 반도체 영역(11a, 11b)이 거리 화상 센서(RS)에 있어서 하나의 화소(거리 센서)를 구성하고 있지만, 예를 들어 도 15에 나타나는 구성이어도 좋다.
도 15에 나타난 바와 같이, 거리 화상 센서(RS3)에서는 점선으로 둘러싸여진 부분이 하나의 화소를 나타내고 있다. 거리 화상 센서(RS3)에서는 거리 화상 센서(RS)와 동일하게, 하나의 포토 게이트 전극(PG), 반도체 기판(1)에 있어서 포토 게이트 전극(PG)에 대응하는 영역, 한 쌍의 제1 전송 전극(TX1) 및 제2 전송 전극(TX2), 한 쌍의 제3 반도체 영역(9a, 9b), 두 쌍의 제3 전송 전극(TX3), 및 두 쌍의 제4 반도체 영역(11a, 11b)이 하나의 화소를 구성하고 있다. 두 쌍의 제3 전송 전극(TX3) 및 두 쌍의 제4 반도체 영역(11a, 11b)은 인접하는 다른 화소도 구성하고 있다. 즉, 제3 전송 전극(TX3)은 도 14에 나타난 바와 같이 제3 전송 전극(TX3)의 단부(TX3a)가 포토 게이트 전극(PG)의 양단부(PGa, PGb)보다 외측으로 돌출하는 것에 의해, 인접하는 2개의 포토 게이트 전극(PG, PG)에 걸쳐 배치되어 있다. 제4 반도체 영역(11a, 11b)은 제3 전송 전극(TX3)에 대응하여 포토 게이트 전극(PG, PG)의 경계에 배치되어 있다. 따라서 거리 화상 센서(RS3)에서는 제3 전송 전극(TX3) 및 제4 반도체 영역(11a, 11b)이 공유화되는 것에 의해 하나의 화소가 구성되어 있다. 이에 의해, 거리 화상 센서에 있어서 화소의 제조를 간이화할 수 있다.
도 16은 변형예에 관한 각종 신호의 타이밍차트이다.
본 변형예에서는 구동 신호(SD)에 관하여 상기 실시 형태에 비해 듀티비(단위 시간에 대한 온 시간)가 커지고 있다. 이에 의해, 광원(LS; 도 9 참조)의 구동 파워가 증가하여, S／N비가 보다 한층 향상된다. 본 변형예에서는 구동 신호(SD) 중 하나의 펄스마다, 제1 ~ 제3 전송 전극(TX1 ~ TX3) 중 하나의 펄스를 각각 발생시키고 있다. 이에 의해, 광원(LS)의 구동 파워를 증가시킨 경우에도, 불요 전하를 배출하여, 거리 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다. 물론, 개구 비율도 개선된다.
계속해서, 도 17 및 도 18을 참조하여 추가로 변형예를 설명한다. 도 17은 본 변형예에 관한 거리 화상 센서의 촬상 영역의 개략 평면도이다. 도 18은 촬상 영역의 XVIII－XVIII선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다. 본 변형예에 관한 거리 화상 센서(RS4)는 제5 반도체 영역(12)을 구비한 점에서, 상술한 거리 화상 센서(RS)와 상위하다.
제5 반도체 영역(12)은 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)측에 있어서 당해 제1 및 제2 단변(S1, S2)을 각각 따라서 배치되어 있다. 즉, 제5 반도체 영역(12)은 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향에서 포토 게이트 전극(PG; 광감응 영역)을 사이에 두고 대향해서 배치되어 있다. 제5 반도체 영역(12)은 평면에서 보아 직사각 형상을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서, 제5 반도체 영역(12)은 제1 및 제2 장변(L1, L2)의 대향 방향을 그 장변 방향으로 하는 장방 형상을 나타내고 있다.
제5 반도체 영역(12)은 반도체 기판(1A)과 동일한 도전형이며 또한 반도체 기판(1A)보다 불순물 농도가 높은, 즉 고불순물 농도의 p형 반도체로 이루어진 영역이다. 제5 반도체 영역(12)은 p형 웰 영역이어도 좋고, 또 p형 확산 영역이어도 좋다. 제5 반도체 영역(12)의 두께／불순물 농도는 이하와 같다.
ㆍ 제5 반도체 영역(12)：두께 1 ~ 5㎛／불순물 농도 1×1016 ~ 1018 cm－3
본 변형예에서는 제5 반도체 영역(12)이 배치되어 있으므로, 도 19에 나타난 바와 같이, 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역의 포텐셜(φ PG)은 제1 및 제2 단변(S1, S2)측에서 높아져 있다. 따라서 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역에는 제1 및 제2 단변(S1, S2)측으로부터 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 사이에 위치하는 영역을 향해 낮아지는 포텐셜의 구배가 형성되어 있다.
포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역에 있어서 제1 및 제2 단변(S1, S2) 근방에서 발생한 전하는 제5 반도체 영역(12)에 의해 형성되는 상기 포텐셜의 구배에 따라서 가속되고, 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 사이에 위치하는 영역을 향해 신속하게 이동한다. 그리고 이동해 온 전하는 상기 거리 화상 센서(RS)와 동일하게, 제1 전송 전극(TX1) 및 제3 반도체 영역(9a)의 전계에 의해 형성되는 포텐셜의 구배, 또는 제2 전송 전극(TX2) 및 제3 반도체 영역(9b)의 전계에 의해 형성되는 포텐셜의 구배에 따라서, 제3 반도체 영역(9a)의 포텐셜 우물 내 또는 제3 반도체 영역(9b)의 포텐셜 우물 내에 축적된다.
이상과 같이, 본 변형예에서는 포토 게이트 전극(PG)의 평면 형상이 장방 형상으로 설정되어 있다. 이에 의해, 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역(광감응 영역)의 면적을 증가시켜서 거리 화상 센서(RS4)의 고감도화를 도모하면서 제3 반도체 영역(9a, 9b)을 향하는 전하의 전송 속도를 높일 수 있다.
그리고 본 변형예에서, 제3 반도체 영역(9a, 9b)은 제1 및 제2 단변(SS1, SS2)의 대향 방향에서 길이가 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향에서 길이보다 지극히 작게 설정되고, 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 면적도 포토 게이트 전극(PG)의 면적에 비해 작게 설정되어 있다. 이 때문에, 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역(광감응 영역)에 있어서 제3 반도체 영역(9a, 9b)에 전하를 전송 가능한 영역의 면적에 대해, 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 면적이 상대적으로 크게 저감된다. 제3 반도체 영역(9a, 9b)에 전송되고, 축적된 전하(전하량(Q1, Q2))는 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 정전 용량(Cfd)에 의해, 하기 관계식으로 나타나는 전압 변화(ΔV)를 각각 발생시킨다.
　　　ΔV=Q1／Cfd
　　　ΔV=Q2／Cfd
따라서 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 면적이 저감되면, 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 정전 용량(Cfd)도 저감되고, 발생하는 전압 변화(ΔV)가 커진다. 즉, 전하 전압 변환 게인이 높아진다. 이것으로부터도, 거리 화상 센서(RS4)의 고감도화를 도모할 수 있다.
그런데 본 변형예에서는 제5 반도체 영역(12)에 의해, 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역(광감응 영역)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)측에서의 포텐셜이, 제1 및 제2 반도체 영역(FD1, FD2)의 사이에 위치하는 영역에서의 포텐셜보다 높아져 있고, 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 사이에 위치하는 영역을 향해 낮아지는 포텐셜의 구배가 형성되어 있다. 이 때문에, 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역에 있어서 제1 및 제2 단변(S1, S2) 근방에서 발생한 전하는 상기 포텐셜의 구배에 의해, 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 사이에 위치하는 영역을 향해 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향으로 이동하기 쉬워진다. 제1 및 제2 단변(S1, S2)측으로부터 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 사이에 위치하는 영역을 향해 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향으로 이동해 온 전하는 제1 전송 전극(TX1) 및 제3 반도체 영역(9a)에 의한 전계, 또는 제2 전송 전극(TX2) 및 제3 반도체 영역(9b)에 의한 전계에 의해 고속으로 전송된다. 따라서 포토 게이트 전극(PG; 광감응 영역)의 평면 형상을 장방 형상으로 설정하는 것에 의해 대면적화를 도모하고, 및 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 면적을 지극히 작게 설정하는 것에 의해 고감도화를 도모한 경우에도, 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역에서 생긴 전하를 고속으로 전송할 수 있다.
본 실시 형태에서는 반도체 기판(1)의 불순물 농도를 조정하는 것에 의해 제5 반도체 영역(12)을 형성하고 있다. 이 때문에, 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역에 있어서 제1 및 제2 단변(S1, S2)측에서의 포텐셜을 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 사이에 위치하는 영역에서의 포텐셜보다 높이기 위한 구성을 간이하게 실현될 수 있다.
다음에 도 20 및 도 21을 참조하여 거리 화상 센서(RS4)의 변형예에 대해서 설명한다. 도 20은 본 변형예에 관한 거리 화상 센서의 촬상 영역의 개략 평면도이다. 도 21은 촬상 영역의 XXI－XXI선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다. 본 변형예는 제5 반도체 영역(12) 대신에, 포텐셜 조정 전극(EL)을 구비한 점에서 상기 변형예와 상위하다.
포텐셜 조정 전극(EL)은 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)측에 있어서 당해 제1 및 제2 단변(S1, S2)을 각각 따라서 배치되어 있다. 즉, 포텐셜 조정 전극(EL)은 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 대향 방향에서 포토 게이트 전극(PG; 광감응 영역)을 사이에 두고 대향해서 배치되어 있다.
포텐셜 조정 전극(EL)은 평면에서 보아 직사각 형상을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서, 포텐셜 조정 전극(EL)은 제1 및 제2 장변(L1, L2)의 대향 방향을 그 장변 방향으로 하는 장방 형상을 나타내고 있다. 포텐셜 조정 전극(EL)의 제1 및 제2 장변(L1, L2)의 대향 방향에서 길이는 예를 들어 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 길이 정도로 설정된다. 포텐셜 조정 전극(EL)은 폴리 실리콘으로 이루어지지만, 이들은 다른 재료를 이용해도 좋다.
포텐셜 조정 전극(EL)에는 도 22에 나타난 바와 같이, 포텐셜 조정 신호(S4)에 의해, 포토 게이트 전극(PG)에 주어지는 전위(PPG)보다 낮은 전위가 주어져 있다. 도 22는 실제 각종 신호의 타이밍차트이며, 포텐셜 조정 신호(S4)를 제외한 다른 신호는 도 8에 나타난 신호와 동일하다. 포텐셜 조정 신호(S4)는 제어부(CONT)로부터 주어진다.
본 변형예에서는 포텐셜 조정 전극(EL)에 포토 게이트 전극(PG)에 주어지는 전위보다 낮은 전위가 주어져 있으므로, 도 23에 나타난 바와 같이, 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역의 포텐셜(φ PG)은 제1 및 제2 단변(S1, S2)측에서 높아져 있다. 따라서 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역에는 제1 및 제2 단변(S1, S2)측으로부터 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 사이에 위치하는 영역을 향해 낮아지는 포텐셜의 구배가 형성되어 있다.
포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역에 있어서 제1 및 제2 단변(S1, S2) 근방에서 발생한 전하는 포텐셜 조정 전극(EL)에 의해 형성되는 상기 포텐셜의 구배에 따라서 가속되고, 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 사이에 위치하는 영역을 향해 신속하게 이동한다. 그리고 이동해 온 전하는 상기 실시 형태와 동일하게, 제1 전송 전극(TX1) 및 제3 반도체 영역(9a)의 전계에 의해 형성되는 포텐셜의 구배, 또는 제2 전송 전극(TX2) 및 제3 반도체 영역(9b)의 전계에 의해 형성되는 포텐셜의 구배에 따라서, 제3 반도체 영역(9a)의 포텐셜 우물 내 또는 제3 반도체 영역(9b)의 포텐셜 우물 내에 축적된다.
이상과 같이, 본 변형예에 있어서도 상기 실시 형태와 동일하게, 포토 게이트 전극(PG; 전하 발생 영역)의 평면 형상이 장방 형상으로 설정하는 것에 의해 대면적화를 도모하고, 및 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 면적을 지극히 작게 설정하는 것에 의해 고감도화를 도모한 경우에도, 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역에서 생긴 전하를 고속으로 전송할 수 있다.
본 변형예에서는 포텐셜 조정 전극(EL)에 의해, 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역에 있어서 제1 및 제2 단변(S1, S2)측에서의 포텐셜을 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 사이에 위치하는 영역에서의 포텐셜보다 높이고 있다. 이 때문에, 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역에 있어서 제1 및 제2 단변(S1, S2)측에서의 포텐셜을 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 사이에 위치하는 영역에서의 포텐셜보다 높이기 위한 구성을 간이하게 실현될 수 있다.
추가로 변형예로서 입사광에 따라 전하가 발생하는 광감응 영역을 포토 다이오드(예를 들어, 매입형의 포토 다이오드 등)에 의해 구성해도 좋다. 거리 화상 센서(RS ~ RS4)는 표면 조사형의 거리 화상 센서이어도 좋다. 거리 화상 센서(RS ~ RS4)는 화소가 2차원으로 배열된 것에 한정되는 일 없이, 화소가 1차원으로 배열된 것이어도 좋다.
제5 반도체 영역(12) 및 포텐셜 조정 전극(EL)의, 제1 및 제2 장변(L1, L2)의 대향 방향에서 길이는 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역에 있어서 제1 및 제2 단변(S1, S2)측에서의 포텐셜을 제3 반도체 영역(9a, 9b)의 사이에 위치하는 영역에서의 포텐셜보다 높일 수 있다면, 예를 들어, 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 길이보다 짧게 설정되어 있어도 좋다.
[산업상 이용 가능성]
본 발명은 공장의 제조 라인에 있어서 제품 모니터나 차량 등에 탑재되는 거리 센서 및 거리 화상 센서에 이용할 수 있다.
9a, 9bㆍㆍㆍ제3 반도체 영역(신호 전하 수집 영역),
11a, 11bㆍㆍㆍ제4 반도체 영역(제1 불요 전하 수집 영역, 제2 불요 전하 수집 영역),
12ㆍㆍㆍ제5 반도체 영역,
ELㆍㆍㆍ포텐셜 조정 전극,
L1ㆍㆍㆍ제1 장변,
L2ㆍㆍㆍ제2 장변,
PGㆍㆍㆍ포토 게이트 전극,
PGa, PGbㆍㆍㆍ양단부,
RS, RS2, RS3ㆍㆍㆍ거리 화상 센서,
S1ㆍㆍㆍ제1 단변,
S2ㆍㆍㆍ제2 단변,
S1, S2ㆍㆍㆍ전하 전송 신호,
TX1ㆍㆍㆍ제1 전송 전극,
TX2ㆍㆍㆍ제2 전송 전극,
TX3ㆍㆍㆍ제3 전송 전극(불요 전하 수집 게이트 전극),
TX3aㆍㆍㆍ단부.

Claims (13)

  1. 거리 센서로서,
    입사광에 따라 전하를 발생하고, 또한 그 평면 형상이 서로 대향하는 제1 및 제2 장변과 서로 대향하는 제1 및 제2 단변을 가지는 광감응 영역과,
    상기 제1 및 제2 장변의 대향 방향에서 상기 광감응 영역을 사이에 두고 대향해서 배치되고, 상기 광감응 영역으로부터의 신호 전하를 수집(收集)하는 복수의 신호 전하 수집 영역과,
    각각에 서로 다른 위상의 전하 전송 신호가 주어지고, 상기 복수의 신호 전하 수집 영역과 상기 광감응 영역의 사이에 각각 마련되는 복수의 전송 전극과,
    상기 제1 장변측에 있어서 그 제1 장변을 따라서 상기 신호 전하 수집 영역을 사이에 두도록 서로 공간적으로 이간(離間)해서 배치되고, 상기 광감응 영역으로부터의 불요 전하를 수집하는 복수의 제1 불요 전하 수집 영역과,
    상기 제1 및 제2 장변의 대향 방향에서 상기 광감응 영역을 사이에 두고 상기 복수의 제1 불요 전하 수집 영역과 대향함과 아울러, 상기 제2 장변측에 있어서 그 제2 장변을 따라서 상기 신호 전하 수집 영역을 사이에 두도록 서로 공간적으로 이간해서 배치되고, 상기 광감응 영역으로부터의 불요 전하를 수집하는 복수의 제2 불요 전하 수집 영역과,
    상기 복수의 제1 및 제2 불요 전하 수집 영역과 상기 광감응 영역의 사이에 각각 마련되고, 상기 광감응 영역으로부터 상기 제1 및 제2 불요 전하 수집 영역으로의 불요 전하 흐름의 차단 및 개방을 선택적으로 행하는 복수의 불요 전하 수집 게이트 전극을 구비하고 있는 거리 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수 전송 전극의 상기 제1 및 제2 장변 방향의 길이 치수는 상기 복수의 불요 전하 수집 게이트 전극의 상기 제1 및 제2 장변 방향의 길이 치수보다 큰 거리 센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 불요 전하 수집 게이트 전극에 있어서 상기 제1 및 제2 단변의 대향 방향의 외측 단부는 상기 광감응 영역의 상기 제1 및 제2 단변의 대향 방향의 양단부와 한 면인 거리 센서.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 불요 전하 수집 게이트 전극에 있어서 상기 제1 및 제2 단변의 대향 방향의 외측 단부는 상기 광감응 영역의 상기 제1 및 제2 단변의 대향 방향의 양단부와 한 면인 거리 센서.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 불요 전하 수집 게이트 전극에 있어서 상기 제1 및 제2 단변의 대향 방향의 외측 단부는 상기 광감응 영역의 상기 제1 및 제2 단변의 대향 방향의 양단부보다 내측인 거리 센서.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 불요 전하 수집 게이트 전극에 있어서 상기 제1 및 제2 단변의 대향 방향의 외측 단부는 상기 광감응 영역의 상기 제1 및 제2 단변의 대향 방향의 양단부보다 내측인 거리 센서.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 불요 전하 수집 게이트 전극에 있어서 상기 제1 및 제2 단변의 대향 방향의 외측 단부는 상기 광감응 영역의 상기 제1 및 제2 단변의 대향 방향의 양단부보다 외측으로 돌출되어 있는 거리 센서.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 불요 전하 수집 게이트 전극에 있어서 상기 제1 및 제2 단변의 대향 방향의 외측 단부는 상기 광감응 영역의 상기 제1 및 제2 단변의 대향 방향의 양단부보다 외측으로 돌출되어 있는 거리 센서.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 단변의 대향 방향에서 상기 광감응 영역을 사이에 두고 대향해서 배치되고, 상기 광감응 영역의 상기 제1 및 제2 단변측에서의 포텐셜을 상기 광감응 영역에 있어서 상기 신호 전하 수집 영역의 사이에 위치하는 영역에서의 포텐셜보다 높이는 복수의 포텐셜 조정 수단을 추가로 구비하고 있는 거리 센서.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 복수의 포텐셜 조정 수단은 상기 광감응 영역과 동일한 도전형이며, 상기 광감응 영역보다 불순물 농도가 높은 반도체 영역인 거리 센서.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 광감응 영역상에 배치되는 포토 게이트 전극을 추가로 구비하고 있고,
    상기 복수의 포텐셜 조정 수단은 상기 포토 게이트 전극에 주어지는 전위보다 낮은 전위가 주어지는 전극인 거리 센서.
  12. 1차원 또는 2차원으로 배치된 복수의 유닛으로 이루어진 촬상 영역을 반도체 기판 상에 구비하고, 상기 유닛으로부터 출력되는 전하량에 기초하여 거리 화상을 얻는 거리 화상 센서로서,
    1개의 상기 유닛은 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 기재된 거리 센서인 거리 화상 센서.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 광감응 영역은 상기 반도체 기판 상에 있어서 상기 광감응 영역의 상기 제1 및 제2 단변의 대향 방향에 복수 배치되어 있고,
    상기 복수의 불요 전하 수집 게이트 전극은 인접하는 2개의 광감응 영역에 걸쳐 배치되어 있는 거리 화상 센서.
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