KR102232213B1 - 거리 화상 센서 - Google Patents

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Abstract

거리 화상 센서(RS)에서는 복수의 거리 센서(P1~PN)가 일차원 방향으로 배치되어 있다. 복수의 거리 센서(P1~PN)는 포토 게이트 전극(PG)과, 포토 게이트 전극(PG)의 일방측에 배치되는 제1 및 제2 신호 전하 축적 영역(FD1, FD2)과, 타방측에 배치되는 제3 및 제4 신호 전하 축적 영역(FD3, FD4)과, 제1 전송 신호(S1)에 따라 전하를 제1 및 제4 신호 전하 축적 영역(FD1, FD4)으로 유입시키는 제1 전송 전극(TX1)과, 제2 전송 신호(S2)에 따라 전하를 제2 및 제3 신호 전하 축적 영역(FD2, FD3)으로 유입시키는 제2 전송 전극(TX2)을 구비하고 있다.

Description

거리 화상 센서{RANGE IMAGE SENSOR}
본 발명은 거리 화상 센서에 관한 것이다.
TOF(Time-Of-Flight)형 거리 화상 센서가 알려져 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조). 특허 문헌 1에 기재된 거리 화상 센서는, 일차원 방향으로 배치된 각 거리 센서가, 사각형의 전하 발생 영역과, 전하 발생 영역의 1세트의 대향하는 2변을 따라서 각각 마련된 전송 전극과, 전송 전극에 의해 전송된 신호 전하를 각각 축적하는 신호 전하 축적 영역을 구비하여 구성되어 있다.
이 거리 화상 센서에서는, 전송 전극이 전하 발생 영역에 발생한 전하를 신호 전하로 하여 위상이 다른 전송 신호에 따라 각 신호 전하 축적 영역으로 배분한다. 배분된 신호 전하는 대응하는 각 신호 전하 축적 영역에 각각 축적된다. 각 신호 전하 축적 영역에 축적된 신호 전하는, 축적된 전하량에 대응한 출력으로서 읽어 내진다. 이들 출력의 비율에 기초하여, 대상물까지의 거리가 산출된다.
특허문헌 1: 국제 공개 제2007/026779호 팜플렛
복수의 거리 센서가 일차원 방향으로 배치되어 있는 전하 배분형 거리 화상 센서에서는, 일차원 방향으로 서로 이웃하는 거리 센서 사이에서 전하의 크로스톡(누설)이 생기는 경우, 서로 이웃하는 거리 센서 사이에서, 거리 계측에 대한 전하의 크로스톡의 영향이 다를 우려가 있다. 거리 계측에 대한 전하의 크로스톡의 영향이 서로 이웃하는 거리 센서 사이에서 다르면, 거리 계측을 적절히 행하는 것이 곤란해진다.
본 발명의 일 양태는, 전하 배분형 거리 화상 센서로서, 일차원 방향으로 서로 이웃하는 거리 센서끼리에서 거리 계측에 대한 전하의 크로스톡의 영향이 같게 되는 거리 화상 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자 등은 전하 배분형 거리 화상 센서로서, 일차원 방향으로 서로 이웃하는 거리 센서끼리에서 거리 계측에 대한 전하의 크로스톡의 영향이 같게 되는 거리 화상 센서에 대해서, 조사 연구를 행했다. 그 결과, 본 발명자 등은 이하의 사실을 발견했다.
상기 특허 문헌 1에 기재되는 거리 화상 센서에서는, 광이 입사된 거리 센서(이하, 입사 거리 센서라고 칭함) 이외의 다른 거리 센서에서도 신호가 검출되는 경우가 있다. 이것은 입사 거리 센서의 전하 발생 영역에서 생성된 전하가, 다른 거리 센서의 각 신호 전하 축적 영역으로 유입되는 크로스톡이 생겨 있기 때문이라고 생각된다. 다른 거리 센서의 각 신호 전하 축적 영역으로의 크로스톡의 영향은, 당해 각 신호 전하 축적 영역의 배치에 따라서 다르다. 특히, 다른 거리 센서의 각 신호 전하 축적 영역의 배치가, 입사 거리 센서측인지 여부에 따라서 크게 다르다. 즉, 다른 거리 센서에 있어서 광입사 거리 센서측에 배치되는 신호 전하 축적 영역에서는 크로스톡의 영향이 커지고, 광입사 거리 센서측과는 반대측에 배치되는 신호 전하 축적 영역에서는 크로스톡의 영향이 작아진다.
전하 배분형 거리 센서에서는, 상기와 같이, 각 신호 전하 축적 영역의 출력의 비율에 기초하여, 대상물까지의 거리가 산출된다. 이 때문에, 각 신호 전하 축적 영역에 대해서, 주위의 거리 센서로부터의 전하의 누설에 의한 유입이 있으면, 산출되는 거리가 변화한다. 예를 들면, 광이 입사된 2개의 거리 센서의 각 신호 전하 축적 영역에 있어서, 한쪽의 위상의 전송 신호에 따라서 배분되는 전하량과, 다른 쪽의 위상에 따라서 배분되는 전하량이 같게 되는 경우에도, 크로스톡의 영향이 다르기 때문에, 측정 거리가 다른 경우가 있다. 즉, 2개의 광입사 거리 센서에 있어서, 측정 거리가 같게 되어야 하는 경우에도, 같은 위상의 전송 신호에 따라 신호 전하를 축적하는 각 신호 전하 축적 영역끼리의 배치가, 다른 한쪽의 광입사 거리 센서측인지 여부에서 서로 다른 경우는, 측정 거리가 거리 센서에 따라서 다를 수 있다.
본 발명자 등은 자신이 발견한 이들 사실에 주목하여, 일차원 방향으로 서로 이웃하는 거리 센서끼리에서 거리 계측에 대한 전하의 크로스톡의 영향이 같게 되는 구성에 대해 더욱 열심히 연구를 행하여, 본 발명을 생각하기에 이르렀다.
본 발명의 일 양태에 따른 거리 화상 센서는, 복수의 거리 센서가 일차원 방향으로 배치되어 있는 거리 화상 센서로서, 복수의 거리 센서 각각은, 입사광에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역과, 전하 발생 영역의 일차원 방향의 일방(一方)측에 전하 발생 영역으로부터 떨어지고 또한 일차원 방향과 직교하는 방향을 따라서 서로 떨어져서 배치되어, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 축적하는 제1 및 제2 신호 전하 축적 영역과, 전하 발생 영역의 일차원 방향의 타방(他方)측에 전하 발생 영역으로부터 떨어지고 또한 일차원 방향에서 전하 발생 영역을 사이에 두고 제1 신호 전하 축적 영역과 대향해서 배치되어, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 축적하는 제3 신호 전하 축적 영역과, 전하 발생 영역의 일차원 방향의 타방측에 전하 발생 영역으로부터 떨어지고 또한 일차원 방향에서 전하 발생 영역을 사이에 두고 제2 신호 전하 축적 영역과 대향해서 배치되어, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 축적하는 제4 신호 전하 축적 영역과, 제1 및 제4 신호 전하 축적 영역과 전하 발생 영역의 사이에 각각 배치되어, 제1 전송 신호에 따라 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 제1 및 제4 신호 전하 축적 영역에 유입시키는 2개의 제1 전송 전극과, 제2 및 제3 신호 전하 축적 영역과 전하 발생 영역의 사이에 각각 배치되어, 제1 전송 신호와 위상이 다른 제2 전송 신호에 따라 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 제2 및 제3 신호 전하 축적 영역에 유입시키는 2개의 제2 전송 전극을 구비하고 있고, 일차원 방향으로 서로 이웃하는 어느 2개의 거리 센서에 있어서, 제1 신호 전하 축적 영역과 제4 신호 전하 축적 영역이 일차원 방향으로 서로 이웃함과 아울러, 제2 신호 전하 축적 영역과 제3 신호 전하 축적 영역이 일차원 방향으로 서로 이웃해 있다.
본 양태에서는, 복수의 거리 센서가 일차원 방향으로 배치되어 있다. 복수의 거리 센서 각각은 전하 발생 영역의 일차원 방향의 일방측에 제1 및 제2 신호 전하 축적 영역을 구비함과 아울러, 전하 발생 영역의 타방측에 제3 및 제4 신호 전하 축적 영역을 구비하고 있다. 제1 및 제4 신호 전하 축적 영역은, 제1 전송 신호에 따라 유입되는 신호 전하를 축적한다. 제2 및 제3 신호 전하 축적 영역은, 제2 전송 신호에 따라 유입되는 신호 전하를 축적한다. 즉, 복수의 거리 센서 각각에 있어서, 제1 전송 신호에 따라 유입되는 신호 전하를 축적하는 신호 전하 축적 영역이, 전하 발생 영역의 일차원 방향의 양측 각각에 배치됨과 아울러, 제2 전송 신호에 따라 유입되는 신호 전하를 축적하는 신호 전하 축적 영역이, 전하 발생 영역의 일차원 방향의 양측 각각에 배치되어 있다. 이 때문에, 복수의 거리 센서 각각에 있어서, 다른 거리 센서로부터 누설되어 유입되는 전하는, 제1 전송 신호에 따라 유입되는 신호 전하를 축적하는 신호 전하 축적 영역과, 제2 전송 신호에 따라 유입되는 신호 전하를 축적하는 신호 전하 축적 영역에 밸런스 좋게 분배된다. 따라서 일차원 방향으로 서로 이웃하는 거리 센서끼리에서 거리 계측에 대한 전하의 크로스톡의 영향이 같게 된다.
본 양태에서는, 전하 발생 영역의 일차원 방향의 일방측 및 타방측에 전하 발생 영역으로부터 떨어져서 배치되어, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 불요(不要) 전하로서 수집하는 복수의 불요 전하 수집 영역과, 복수의 불요 전하 수집 영역과 전하 발생 영역의 사이에 각각 배치되어, 제1 및 제2 전송 신호와 위상이 다른 제3 전송 신호에 따라 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 불요 전하로서 복수의 불요 전하 수집 영역으로 유입시키는 복수의 제3 전송 전극을 추가로 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 불요 전하를 외부로 배출할 수 있으므로, 거리의 측정 정밀도를 향상시키는 것이 가능하다.
본 양태에서는, 일차원 방향과 직교하는 방향으로 전하 발생 영역을 사이에 두고 또한 전하 발생 영역으로부터 떨어져서 배치되어, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 불요 전하로서 수집하는 복수의 불요 전하 수집 영역과, 복수의 불요 전하 수집 영역과 전하 발생 영역의 사이에 각각 배치되어, 제1 및 제2 전송 신호와 위상이 다른 제3 전송 신호에 따라 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 불요 전하로서 복수의 불요 전하 수집 영역으로 유입시키는 복수의 제3 전송 전극을 추가로 구비하고 있어도 된다. 이 경우, 불요 전하를 외부로 배출할 수 있으므로, 거리의 측정 정밀도를 향상시키는 것이 가능하다.
본 발명의 상기 일 양태에 의하면, 전하 배분형 거리 화상 센서로서, 일차원 방향으로 서로 이웃하는 거리 센서끼리에서 거리 계측에 대한 전하의 크로스톡의 영향이 같게 되는 거리 화상 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 거리 화상 센서의 구성도이다.
도 2는 도 1의 거리 화상 센서에 있어서의 촬상 영역의 일부를 나타내는 개략 평면도이다.
도 3은 도 2에 있어서의 III－III선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2에 있어서의 IV－IV선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 2에 있어서의 V-V선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 반도체 기판의 제2 주면(主面) 근방에 있어서의 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 7은 반도체 기판의 제2 주면 근방에 있어서의 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 8은 반도체 기판의 제2 주면 근방에 있어서의 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 9는 각종 신호의 타이밍 차트이다.
도 10은 촬상 디바이스의 전체의 단면도이다.
도 11은 각종 신호의 타이밍 차트이다.
도 12는 거리 화상 측정 장치의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 13은 종래의 거리 화상 센서에 있어서의 전하의 누설에 의한 유입에 대해 설명하는 도면이다.
도 14는 변형예에 따른 거리 화상 센서의 촬상 영역을 구성하는 화소를 나타내는 개략 평면도이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 설명에 있어서, 동일 요소 또는 동일 기능을 가지는 요소에는, 동일 부호를 이용하는 것으로 하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 거리 화상 센서의 구성도이다.
거리 화상 센서(RS)는 복수의 거리 센서(P1~PN)(N은 2 이상의 자연수)가 일차원 방향(A)으로 배치된 어레이 구조를 이루는 라인 센서이다. 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각은, 하나 또는 2개 이상씩으로 거리 화상 센서(RS)의 한 화소를 구성하고 있다. 본 실시 형태에서는, 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각은, 하나로 거리 화상 센서(RS)의 한 화소를 구성하고 있다.
도 2는 도 1의 거리 화상 센서에 있어서의 촬상 영역의 일부를 나타내는 개략 평면도이다. 도 3은 도 2에 있어서의 III－III선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다. 도 4는 도 2에 있어서의 IV－IV선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다. 도 5는 도 2에 있어서의 V-V선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다. 도 2~5에서는, 특히, 서로 이웃하는 2개의 거리 센서(Pn, Pn ＋1)(n은 N－1 이하의 자연수)에 대해 나타낸다.
거리 화상 센서(RS)는 표면 입사형 거리 화상 센서로서, 서로 대향하는 제1 및 제2 주면(1a, 1b)을 가지는 반도체 기판(1)을 구비하고 있다. 제2 주면(1b)은 광입사면이다. 거리 화상 센서(RS)는 광입사면인 제2 주면(1b)의 전방에 차광층(LI)을 구비하고 있다. 차광층(LI)에는 복수의 거리 센서(P1~PN)에 대응하는 영역 각각에 있어서, 일차원 방향(A)에 개구(開口)(LIa)가 형성되어 있다. 개구(LIa)는 사각형 모양을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서는, 개구(LIa)는 직사각형 모양을 나타내고 있다. 광은 차광층(LI)의 개구(LIa)를 통해서, 반도체 기판(1)에 입사된다. 따라서 개구(LIa)에 의해, 반도체 기판(1)에는, 수광 영역이 규정된다. 차광층(LI)은, 예를 들어 알루미늄 등의 금속으로 이루어진다.
반도체 기판(1)은 제1 주면(1a)측에 위치하는 p형의 제1 반도체 영역(3)과, 제1 반도체 영역(3)보다도 불순물 농도가 낮고 또한 제2 주면(1b)측에 위치하는 p－형의 제2 반도체 영역(5)으로 이루어진다. 반도체 기판(1)은 예를 들면, p형의 반도체 기판상에, 당해 반도체 기판보다도 불순물 농도가 낮은 p－형의 에피택셜(epitaxial) 층을 성장시킴으로써 얻을 수 있다. 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b)(제2 반도체 영역(5)) 상에는, 절연층(7)이 형성되어 있다.
절연층(7)상에는, 복수의 거리 센서(P1~PN)가 일차원 방향(A)으로 배치되어 있다. 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각은, 포토 게이트 전극(PG)과, 제1 신호 전하 축적 영역(FD1)과, 제2 신호 전하 축적 영역(FD2)과, 제3 신호 전하 축적 영역(FD3)과, 제4 신호 전하 축적 영역(FD4)과, 2개의 제1 전송 전극(TX1)과, 2개의 제2 전송 전극(TX2)과, 4개의 불요 전하 수집 영역(11a~11d)과, 4개의 제3 전송 전극(TX3)과, p형의 웰 영역(W)을 구비하고 있다. 또한, 도 2에서는, 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4)상에 배치되어 있는 도체(13)(도 3~도 5 참조)를 생략하여 나타낸다.
포토 게이트 전극(PG)은 개구(LIa)에 대응해서 배치되어 있다. 반도체 기판(1)(제2 반도체 영역(5))에 있어서의 포토 게이트 전극(PG)에 대응하는 영역(도 3~도 5에 있어서, 포토 게이트 전극(PG)의 하방에 위치하는 영역)은, 입사광에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역으로서 기능한다. 포토 게이트 전극(PG)은 개구(LIa)의 형상에도 대응하며, 평면에서 볼 때 사각형 모양을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서는, 포토 게이트 전극(PG)은 개구(LIa)와 마찬가지로 직사각형 모양을 나타내고 있다. 즉, 포토 게이트 전극(PG)은 일차원 방향(A)과 직교하면서 또한 서로 대향하는 제1 및 제2 장변(長邊)(L1, L2)과, 일차원 방향(A)과 평행이면서 또한 서로 대향하는 제1 및 제2 단변(短邊)(S1, S2)을 가지는 평면 형상을 가지고 있다. 포토 게이트 전극(PG)은 일차원 방향(A)의 일방측에 제1 장변(L1), 일차원 방향(A)의 타방측에 제2 장변(L2)을 가지고 있다.
제1 및 제2 신호 전하 축적 영역(FD1, FD2)은 포토 게이트 전극(PG)의 제1 장변(L1)측(일차원 방향(A)의 일방측)에 포토 게이트 전극(PG)으로부터 떨어지고, 또한 일차원 방향(A)과 직교하는 방향을 따라서 서로 떨어져서 배치되어 있다. 제3 및 제4 신호 전하 축적 영역(FD3, FD4)은 포토 게이트 전극(PG)의 제2 장변(L2)측(일차원 방향(A)의 타방측)에 포토 게이트 전극(PG)으로부터 떨어지고, 또한 일차원 방향(A)과 직교하는 방향을 따라서 서로 떨어져서 배치되어 있다.
즉, 제3 신호 전하 축적 영역(FD3)은 일차원 방향(A)에서 포토 게이트 전극(PG)을 사이에 두고 제1 신호 전하 축적 영역(FD1)과 대향해서 배치되어 있다. 제4 신호 전하 축적 영역(FD4)은 일차원 방향(A)에서 포토 게이트 전극(PG)을 사이에 두고 제2 신호 전하 축적 영역(FD2)과 대향해서 배치되어 있다. 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4)은 제2 반도체 영역(5)에 형성된 불순물 농도가 높은 n형의 반도체 영역이고, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 축적한다.
불요 전하 수집 영역(11a, 11b)은 포토 게이트 전극(PG)의 제1 장변(L1)측에 포토 게이트 전극(PG)으로부터 떨어지고, 또한 일차원 방향(A)과 직교하는 방향을 따라서 제1 및 제2 신호 전하 축적 영역(FD1, FD2)을 사이에 두고 서로 대향해서 배치되어 있다. 일차원 방향(A)과 직교하는 방향을 따라서, 불요 전하 수집 영역(11a)은 제1 신호 전하 축적 영역(FD1)과 서로 이웃하고, 불요 전하 수집 영역(11b)은 제2 신호 전하 축적 영역(FD2)과 서로 이웃한다.
불요 전하 수집 영역(11c, 11d)은 포토 게이트 전극(PG)의 제2 장변(L2)측에 포토 게이트 전극(PG)으로부터 떨어지고, 또한 일차원 방향(A)과 직교하는 방향을 따라서 제3 및 제4 신호 전하 축적 영역(FD3, FD4)을 사이에 두고 서로 대향해서 배치되어 있다. 일차원 방향(A)과 직교하는 방향을 따라서, 불요 전하 수집 영역(11c)은 제3 신호 전하 축적 영역(FD3)과 서로 이웃하고, 불요 전하 수집 영역(11d)는 제4 신호 전하 축적 영역(FD4)과 서로 이웃한다. 불요 전하 수집 영역(11a, 11c)은 일차원 방향(A)으로 포토 게이트 전극(PG)을 사이에 두고 서로 대향해서 배치되어 있다. 불요 전하 수집 영역(11b, 11d)은 일차원 방향(A)으로 포토 게이트 전극(PG)을 사이에 두고 서로 대향해서 배치되어 있다.
불요 전하 수집 영역(11a~11d)은 제2 반도체 영역(5)에 형성된 불순물 농도가 높은 n형의 반도체 영역이고, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 불요 전하로서 수집한다.
웰 영역(W)은 제2 주면(1b)에 직교하는 방향에서 볼 때, 포토 게이트 전극(PG), 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2), 및 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4)을 둘러싸도록 제2 반도체 영역(5)에 형성되어 있다. 웰 영역(W)은 제2 주면(1b)에 직교하는 방향에서 볼 때, 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4) 각각의 일부와 겹쳐 있다. 웰 영역(W)의 바깥 테두리는 복수의 거리 센서(P1~PN)의 바깥 테두리와 대략 일치하고 있다. 웰 영역(W)은 제2 반도체 영역(5)의 도전형과 동일한 도전형으로서, 제2 반도체 영역(5)의 불순물 농도보다도 높은 불순물 농도를 가진다. 웰 영역(W)은 포토 게이트 전극(PG)으로의 전압의 인가에 의해서 넓어진 공핍층(空乏層)과, 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4)으로부터 넓어지는 공핍층의 결합을 억제하고 있다. 이것에 의해, 크로스톡이 억제된다.
제1 및 제2 신호 전하 축적 영역(FD1, FD2) 및 불요 전하 수집 영역(11a, 11b)은 포토 게이트 전극(PG)의 제1 장변(L1)측에 있어서, 일차원 방향(A)에 직교하는 방향을 따라서 서로 떨어져서 배치되어 있다. 제3 및 제4 신호 전하 축적 영역(FD3, FD4) 및 불요 전하 수집 영역(11c, 11d)은 포토 게이트 전극(PG)의 제2 장변(L2)측에 있어서, 일차원 방향(A)에 직교하는 방향을 따라서 서로 떨어져서 배치되어 있다. 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4) 및 불요 전하 수집 영역(11a~11d)은, 평면에서 볼 때 사각형 모양을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서는, 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4) 및 불요 전하 수집 영역(11a~11d)은 평면에서 보았을 때 정사각형 모양을 나타내고 있고, 서로 동(同)형상을 이루고 있다.
거리 센서(Pn) 및 거리 센서(Pn ＋1)는 한쪽이 짝수 번째에 배치되고, 다른 쪽이 홀수 번째에 배치되어 있다. 즉, 거리 화상 센서(RS)에서는 거리 센서(Pn) 및 거리 센서(Pn ＋1)가 일차원 방향(A)에 교호(交互)로 배치되어 있다.
거리 센서(Pn) 및 거리 센서(Pn ＋1)는 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4)과 불요 전하 수집 영역(11a~11d)의 배열순, 및 제1 ~ 제3 전송 전극(TX1~TX3)의 배열순이 다른 점에서만 상위(相違)하다. 즉, 포토 게이트 전극(PG)의 제1 장변(L1)측에 있어서, 거리 센서(Pn)에서는 불요 전하 수집 영역(11a), 제1 신호 전하 축적 영역(FD1), 제2 신호 전하 축적 영역(FD2) 및 불요 전하 수집 영역(11b)이 이 순서로 제1 단변(S1)측에서부터 배치되어 있는데 반해, 거리 센서(Pn ＋1)에서는, 이 순서로 제2 단변(S2)측에서부터 배치되어 있다. 포토 게이트 전극(PG)의 장변(L2)측에 있어서, 거리 센서(Pn)에서는 불요 전하 수집 영역(11c), 제3 신호 전하 축적 영역(FD3), 제4 신호 전하 축적 영역(FD4), 및 불요 전하 수집 영역(11d)이 이 순서로 제1 단변(S1)측에서부터 배치되어 있는데 반해, 거리 센서(Pn ＋1)에서는 이 순서로 제2 단변(S2)측에서부터 배치되어 있다.
포토 게이트 전극(PG)의 제1 장변(L1)측에 있어서, 거리 센서(Pn)에서는, 제3 전송 전극(TX3), 제1 전송 전극(TX1), 제2 전송 전극(TX2) 및 제3 전송 전극(TX3)이 이 순서로 제1 단변(S1)측에서부터 배치되어 있는데 대해, 거리 센서(Pn＋1)에서는, 이 순서로 제2 단변(S2)측에서부터 배치되어 있다. 포토 게이트 전극(PG)의 장변(L2)측에 있어서, 거리 센서(Pn)에서는 제3 전송 전극(TX3), 제2 전송 전극(TX2), 제1 전송 전극(TX1) 및 제3 전송 전극(TX3)이 이 순서로 제1 단변(S1)측에서부터 배치되어 있는데 대해, 거리 센서(Pn＋1)에서는 이 순서로 제2 단변(S2)측에서부터 배치되어 있다.
거리 센서(Pn)의 제4 신호 전하 축적 영역(FD4)과 거리 센서(Pn ＋1)의 제1 신호 전하 축적 영역(FD1)은, 일차원 방향(A)으로 서로 이웃해 있다. 거리 센서(Pn)의 제3 신호 전하 축적 영역(FD3)과 거리 센서(Pn ＋1)의 제2 신호 전하 축적 영역(FD2)은, 일차원 방향(A)으로 서로 이웃해 있다. 이와 같이, 거리 화상 센서(RS)에서는, 일차원 방향(A)으로 서로 이웃하는 2개의 거리 센서(Pn) 및 거리 센서(Pn ＋1)에 있어서, 제1 신호 전하 축적 영역(FD1)과 제4 신호 전하 축적 영역(FD4)이 일차원 방향(A)으로 서로 이웃함과 아울러, 제2 신호 전하 축적 영역(FD2)과 제3 신호 전하 축적 영역(FD3)이 일차원 방향(A)으로 서로 이웃해 있다.
본 실시 형태에서는, 「불순물 농도가 높다」란 예를 들면 불순물 농도가 10×1017cm－3 정도 이상인 것으로서, 「＋」를 도전형에 부여하여 나타낸다. 한편, 「불순물 농도가 낮다」란 예를 들면 10×1015cm－3 정도 이하인 것으로서, 「－」을 도전형에 부여하여 나타낸다.
각 반도체 영역의 두께/불순물 농도는 이하와 같다.
제1 반도체 영역(3)：두께 10~1000㎛/불순물 농도 10×1012~1019cm－3
제2 반도체 영역(5)：두께 1~50㎛/불순물 농도 10×1012~1015cm－3
제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4), 불요 전하 수집 영역(11a~11d)：두께 0.1~1㎛/불순물 농도 10×1018~1020cm－3
웰 영역(W)：두께 0.5~5㎛/불순물 농도 10×1016~1018cm－3
반도체 기판(1)(제1 및 제2 반도체 영역(3, 5)에는, 백 게이트 또는 관통 전극 등을 통해서 그라운드 전위 등의 기준 전위가 주어진다.
제1 전송 전극(TX1)은 절연층(7)상으로서, 제1 및 제4 신호 전하 축적 영역(FD1, FD4)과 포토 게이트 전극(PG)의 사이에 각각 배치되어 있다. 제1 전송 전극(TX1)은 제1 및 제4 신호 전하 축적 영역(FD1, FD4)과 포토 게이트 전극(PG)으로부터 각각 떨어져 배치되어 있다. 제1 전송 전극(TX1)은 제1 전송 신호(S1)(도 9 참조)에 따라 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 제1 및 제4 신호 전하 축적 영역(FD1, FD4)으로 유입시킨다.
제2 전송 전극(TX2)은 절연층(7)상으로서, 제2 및 제3 신호 전하 축적 영역(FD2, FD3)과 포토 게이트 전극(PG)의 사이에 각각 배치되어 있다. 제2 전송 전극(TX2)은 제2 및 제3 신호 전하 축적 영역(FD2, FD3)과 포토 게이트 전극(PG)으로부터 각각 떨어져 배치되어 있다. 제2 전송 전극(TX2)은 제1 전송 신호(S1)와 위상이 다른 제2 전송 신호(S2)(도 9 참조)에 따라 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 제2 및 제3 신호 전하 축적 영역(FD2, FD3)으로 유입시킨다.
제3 전송 전극(TX3)은 절연층(7)상으로서, 불요 전하 수집 영역(11a~11d)과 포토 게이트 전극(PG)의 사이에 각각 배치되어 있다. 제3 전송 전극(TX3)은 불요 전하 수집 영역(11a~11d)과 포토 게이트 전극(PG)으로부터 각각 떨어져 배치되어 있다. 제3 전송 전극(TX3)은 제1 전송 신호(S1) 및 제2 전송 신호(S2)와 위상이 다른 제3 전송 신호(S3)(도 11 참조)에 따라 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 불요 전하로서 불요 전하 수집 영역(11a~11d)으로 유입시킨다.
제1 ~ 제3 전송 전극(TX1~TX3)은 포토 게이트 전극(PG)의 제1 장변(L1)측 및 제2 장변(L2)측에 있어서, 일차원 방향(A)에 직교하는 방향을 따라서 서로 떨어져서 배치되어 있다. 제1 ~ 제3 전송 전극(TX1~TX3)은 평면에서 볼 때 사각형 모양을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서는, 제1 ~ 제3 전송 전극(TX1~TX3)은 일차원 방향(A)에 직교하는 방향을 장변으로 하는 직사각형 모양을 나타내고, 서로 동형상을 이루고 있다. 제1 ~ 제3 전송 전극(TX1~TX3)의 장변의 길이는, 예를 들면, 포토 게이트 전극(PG)의 제1 장변(L1)을 4등분한 길이와 거의 같다.
절연층(7)에는 제2 반도체 영역(5)의 표면을 노출시키기 위한 컨택트홀이 마련되어 있다. 컨택트홀 내에는 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4) 및 불요 전하 수집 영역(11a~11d)을 외부에 접속시키기 위한 도체(13)가 배치된다.
반도체 기판은 Si로 이루어지고, 절연층(7)은 SiO2로 이루어지고, 포토 게이트 전극(PG) 및 제1 ~ 제3 전송 전극(TX1~TX3)은 폴리 실리콘으로 이루어지지만, 이것들은 다른 재료를 이용해도 된다.
제1 전송 전극(TX1)에 인가되는 제1 전송 신호(S1)의 위상과 제2 전송 전극(TX2)에 인가되는 제2 전송 신호(S2)의 위상은, 180도 시프트되어 있다. 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각에 입사된 광은, 반도체 기판(1)(제2 반도체 영역(5)) 내에서 전하로 변환된다. 이와 같이 하여 발생된 전하 중 일부는 신호 전하로서, 포토 게이트 전극(PG) 및 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 인가되는 전압에 의해 형성되는 포텐셜 구배에 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 주행(走行)한다.
제1 또는 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 양전위를 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 전자(電子)에 대해서 낮아져, 음의 전하(전자)는 제1 또는 제2 전송 전극(TX1, TX2)의 방향으로 끌려 들어가, 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4)에 의해서 형성되는 포텐셜 우물 내에 축적된다. n형의 반도체는 양으로 이온화된 도너(donor)를 포함하고 있고, 양의 포텐셜을 가져, 전자를 끌어 당긴다. 제1 또는 제2 전송 전극(TX1, TX2)에, 상기 양전위보다도 낮은 전위(예를 들어, 그라운드 전위)를 주면, 제1 또는 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 의한 포텐셜 장벽이 생겨, 반도체 기판(1)에서 발생한 전하는 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4)으로는 끌려 들어가지 않는다.
복수의 거리 센서(P1~PN) 각각에 광이 입사됨으로써 발생한 전하 중 일부는, 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 양전위를 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 낮아져, 음의 전하(전자)는 제3 전송 전극(TX3)의 방향으로 끌려 들어가, 불요 전하 수집 영역(11a~11d)에 의해서 형성되는 포텐셜 우물 내에 수집된다. 제3 전송 전극(TX3)에, 상기 양전위보다도 낮은 전위(예를 들어, 그라운드 전위)를 주면, 제3 전송 전극(TX3)에 의한 포텐셜 장벽이 생겨, 반도체 기판(1)에서 발생한 전하는 불요 전하 수집 영역(11a~11d)으로는 끌려 들어가지 않는다.
도 6은 도 2의 III－III선을 따른 반도체 기판의 제2 주면 근방에 있어서의 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다. 도 7은 도 2의 IV－IV선을 따른 반도체 기판의 제2 주면 근방에 있어서의 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다. 도 8은 도 2의 V－V선을 따른 반도체 기판의 제2 주면 근방에 있어서의 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다. 도 6~8에서는 하향(下向)이 포텐셜의 양방향이다. 도 6 (a), (b), 도 7 (a), (b), 및 도 8 (a)는, 신호 전하의 축적 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 6 (c), 도 7 (c) 및 도 8 (b)는, 불요 전하의 배출 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6~8에는, 제1 전송 전극(TX1)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φTX1, 제2 전송 전극(TX2)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φTX2, 제3 전송 전극(TX3)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φTX3, 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래인 전하 발생 영역의 포텐셜 φPG, 제1 신호 전하 축적 영역(FD1)의 포텐셜 φFD1, 제2 신호 전하 축적 영역(FD2)의 포텐셜 φFD2, 제3 신호 전하 축적 영역(FD3)의 포텐셜 φFD3, 제4 신호 전하 축적 영역(FD4)의 포텐셜 φFD4, 불요 전하 수집 영역(11a)의 포텐셜 φOFDa, 불요 전하 수집 영역(11b)의 포텐셜 φOFDb, 불요 전하 수집 영역(11c)의 포텐셜 φOFDc, 및 불요 전하 수집 영역(11d)의 포텐셜 φOFDd이 도시되어 있다.
포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역(전하 발생 영역)의 포텐셜 φPG는, 무바이어스시에 있어서의 인접하는 제1 ~ 제3 전송 전극(TX1~TX3) 바로 아래 영역의 포텐셜(φTX1, φTX2, φTX3)을 기준 전위로 하면, 이 기준 전위보다도 높게 설정되어 있다. 이 전하 발생 영역의 포텐셜 φPG은 포텐셜 φTX1, φTX2, φTX3보다도 높아져, 포텐셜 분포는 전하 발생 영역에 있어서 도면의 하향으로 오목한 형상이 된다.
도 6 (a), (b), 도 7 (a), (b) 및 도 8 (a)를 참조하여, 신호 전하의 축적 동작을 설명한다.
제1 전송 전극(TX1)에 인가되는 제1 전송 신호(S1)의 위상이 0도일 때, 제1 전송 전극(TX1)에는 양의 전위가 주어진다. 제2 전송 전극(TX2)에는 역상(逆相)의 전위, 즉 위상이 180도인 전위(예를 들어, 그라운드 전위)가 주어진다. 포토 게이트 전극(PG)에는 제1 전송 전극(TX1)에 주어지는 전위와 제2 전송 전극(TX2)에 주어지는 전위 사이의 전위가 주어진다. 이 경우, 도 6 (a) 및 도 7 (a)에 도시되는 것처럼, 전하 발생 영역에서 발생한 음의 전하 e는 제1 전송 전극(TX1) 바로 아래의 반도체의 포텐셜 φTX1이 전하 발생 영역의 포텐셜 φPG보다도 낮아짐으로써, 제1 신호 전하 축적 영역(FD1) 및 제4 신호 전하 축적 영역(FD4)의 포텐셜 우물 내로 유입된다.
한편, 제2 전송 전극(TX2) 바로 아래의 반도체의 포텐셜 φTX2는 낮아지지 않아, 제2 신호 전하 축적 영역(FD2) 및 제3 신호 전하 축적 영역(FD3)의 포텐셜 우물 내에는, 전하는 유입되지 않는다. 이것에 의해, 신호 전하가 제1 신호 전하 축적 영역(FD1) 및 제4 신호 전하 축적 영역(FD4)의 포텐셜 우물에 수집되어, 축적된다. 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4)에서는, n형의 불순물이 첨가되어 있기 때문에, 양방향으로 포텐셜이 오목해져 있다.
제2 전송 전극(TX2)에 인가되는 제2 전송 신호(S2)의 위상이 0도일 때, 제2 전송 전극(TX2)에는 양의 전위가 주어지고, 제1 전송 전극(TX1)에는 역상의 전위, 즉 위상이 180도인 전위(예를 들어, 그라운드 전위)가 주어진다. 포토 게이트 전극(PG)에는 제1 전송 전극(TX1)에 주어지는 전위와, 제2 전송 전극(TX2)에 주어지는 전위 사이의 전위가 주어진다. 이 경우, 도 6 (b) 및 도 7 (b)에 도시되는 것처럼, 전하 발생 영역에서 발생한 음의 전하 e는, 제2 전송 전극(TX2) 바로 아래의 반도체의 포텐셜 φTX2이 전하 발생 영역의 포텐셜 φPG보다도 낮아짐으로써, 제2 신호 전하 축적 영역(FD2) 및 제3 신호 전하 축적 영역(FD3)의 포텐셜 우물 내로 유입된다.
한편, 제1 전송 전극(TX1) 바로 아래의 반도체의 포텐셜 φTX1은 낮아지지 않아, 제1 신호 전하 축적 영역(FD1) 및 제4 신호 전하 축적 영역(FD4)의 포텐셜 우물 내에는, 전하는 유입되지 않는다. 이것에 의해, 신호 전하가 제2 신호 전하 축적 영역(FD2) 및 제3 신호 전하 축적 영역(FD3)의 포텐셜 우물에 수집되어, 축적된다.
제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 위상이 180도 시프트된 제1 및 제2 전송 신호(S1, S2)가 인가되고 있는 동안, 제3 전송 전극(TX3)에는 그라운드 전위가 주어지고 있다. 이 때문에, 도 8 (a)에 도시되는 것처럼, 제3 전송 전극(TX3) 바로 아래의 반도체의 포텐셜 φTX3은 낮아지지 않아, 불요 전하 수집 영역(11a~11d)의 포텐셜 우물 내에는, 전하는 유입되지 않는다.
이상에 의해, 신호 전하가 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4)의 포텐셜 우물에 수집되어, 축적된다. 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4)의 포텐셜 우물에 축적된 신호 전하는 외부로 읽어 내진다.
도 6 (c), 도 7 (c) 및 도 8 (b)를 참조하여, 불요 전하의 배출 동작을 설명한다.
제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)에는, 그라운드 전위가 주어지고 있다. 이 때문에 도 6 (c) 및 도 7 (c)에 도시되는 것처럼, 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2) 바로 아래의 반도체의 포텐셜 φTX1, φTX2은 낮아지지 않아, 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4)의 포텐셜 우물 내에는, 전하는 유입되지 않는다. 한편, 제3 전송 전극(TX3)에는 양의 전위가 주어진다. 이 경우, 도 8 (b)에 도시되는 것처럼, 전하 발생 영역에서 발생한 음의 전하 e는, 제3 전송 전극(TX3) 바로 아래의 반도체의 포텐셜 φTX3이 전하 발생 영역의 포텐셜 φPG보다도 낮아짐으로써, 불요 전하 수집 영역(11a~11d)의 포텐셜 우물 내로 유입된다. 이상에 의해, 불요 전하가 불요 전하 수집 영역(11a~11d)의 포텐셜 우물에 수집된다. 불요 전하 수집 영역(11a~11d)의 포텐셜 우물에 수집된 불요 전하는, 외부로 배출된다. 즉, 불요 전하 수집 영역(11a~11d)은 불요 전하 배출 영역(불요 전하 배출 드레인)으로서도 기능한다. 불요 전하 수집 영역(11a~11d)은, 예를 들어 고정 전위에 접속되어 있다.
도 9는 각종 신호의 타이밍 차트이다.
후술의 광원(LS)(도 12 참조)의 구동 신호(SD), 광원(LS)으로부터 출사된 광이 대상물(OJ)(도 12 참조)에 부딪혀 촬상 영역까지 돌아왔을 때의 반사광의 강도 신호(LP), 제1 전송 전극(TX1)에 인가되는 제1 전송 신호(S1), 및 제2 전송 전극(TX2)에 인가되는 제2 전송 신호(S2)가 도시되어 있다. 제1 전송 신호(S1)는 구동 신호(SD)에 동기하고 있으므로, 반사광의 강도 신호(LP)의 제1 전송 신호(S1)에 대한 위상이, 광의 비행 시간이고, 이것은 거리 화상 센서(RS)로부터 대상물(OJ)까지의 거리를 나타내고 있다.
반사광의 강도 신호(LP)와 제1 전송 전극(TX1)에 인가되는 제1 전송 신호(S1)의 서로 겹친 부분이, 제1 및 제4 신호 전하 축적 영역(FD1, FD4)에 각각 축적되는 전하량의 총합인 전하량 Q1에 해당한다. 반사광의 강도 신호(LP)와 제2 전송 전극(TX2)에 인가되는 제2 전송 신호(S2)가 서로 겹친 부분이, 제2 및 제3 신호 전하 축적 영역(FD2, FD3)에 각각 축적되는 전하량의 총합인 전하량 Q2에 해당한다. 여기에서는, 제1 및 제2 전송 신호(S1, S2)의 인가시에, 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4)에서 수집된 전하량 Q1, Q2의 비율을 이용하여, 거리(d)(도 12 참조)를 연산한다. 즉, 구동 신호(SD)의 하나의 펄스 폭을 TP라고 하면, 거리 d=(c/2)×(TP×Q2/(Q1＋Q2))로 주어진다. 또한, c는 광속이다.
도 10은 촬상 디바이스의 전체의 단면도이다.
촬상 디바이스(IM)는 거리 화상 센서(RS)와, 배선 기판(WB)을 구비하고 있다. 거리 화상 센서(RS)는 반도체 기판(1)의 제1 주면(1a)측을 배선 기판(WB)에 대향시킨 상태에서, 접착 영역(FL)을 통해서 배선 기판(WB)에 부착되어 있다. 접착 영역(FL)은 절연성의 접착제나 필러를 가지고 있다.
도 11은 실제의 각종 신호의 타이밍 차트이다.
1 프레임의 기간 TF은 신호 전하를 축적하는 기간(축적 기간) Tacc과, 신호 전하를 읽어내는 기간(읽어내기 기간) Tro으로 이루어진다. 1개의 화소에 주목하면, 축적 기간 Tacc에 있어서, 복수의 펄스를 가지는 구동 신호(SD)가 광원(LS)(도 12 참조)에 인가되고, 이것에 동기하여, 제1 및 제2 전송 신호(S1, S2)가 서로 역위상으로 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 인가된다. 또한, 거리 측정에 앞서, 리셋 신호 reset가 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4)에 인가되어, 내부에 축적된 전하가 외부로 배출된다. 본 예에서는, 리셋 신호 reset가 순간적으로 ON 되고, 이어서 OFF 된 후, 복수의 구동 신호(SD)가 순차 인가되고, 추가로, 이것에 동기하여 전하 전송이 순차적으로 행해지고, 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4)에 신호 전하가 적산(積算)되어 축적된다.
그 후, 읽어내기 기간 Tro에 있어서, 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4) 내에 축적된 신호 전하가 읽어 내진다. 이때, 제3 전송 전극(TX3)에 인가되는 제3 전송 신호(S3)가 ON 되어, 제3 전송 전극(TX3)에 양의 전위가 주어져, 불요 전하가 불요 전하 수집 영역(11a~11d)의 포텐셜 우물에 수집된다.
도 12는 거리 화상 측정 장치의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
대상물(OJ)까지의 거리(d)는 거리 화상 측정 장치에 의해서 측정된다. 상기와 같이, 레이저광 조사 장치 및 LED 등의 광원(LS)에는, 구동 신호(SD)가 인가되고, 대상물(OJ)에서 반사된 반사광 이미지의 강도 신호(LP)가 거리 화상 센서(RS)의 전하 발생 영역에 입사된다. 거리 화상 센서(RS)로부터는, 화소마다, 제1 및 제2 전송 신호(S1, S2)에 동기하여 수집된 전하량 Q1, Q2이 출력되고, 구동 신호(SD)에 동기하여 연산 회로(ART)에 입력된다. 연산 회로(ART)에서는, 상기와 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, 제1 ~ 제3 전송 신호(S1~S3)를 출력하고, 연산 회로(ART)로부터 입력된 연산 결과를 표시기(DSP)에 표시한다.
이상과 같이 구성된 거리 화상 센서(RS)의 작용 및 효과에 대해 설명한다. 여기에서는, 종래의 거리 화상 센서와 비교하면서, 거리 화상 센서(RS)의 작용 및 효과에 대해 설명한다.
도 13은 종래의 거리 화상 센서에 있어서의 전하의 누설에 의한 유입에 대해 설명하는 도면이다.
종래의 거리 화상 센서는 일차원 방향으로 배치된 복수의 거리 센서(R1~RN) 각각이, 포토 게이트 전극(PG)의 일차원 방향의 일방측에 제1 신호 전하 축적 영역(FD1) 및 제1 전송 전극(TX1)을 구비함과 아울러, 포토 게이트 전극(PG)의 일차원 방향의 타방측에 제2 신호 전하 축적 영역(FD2) 및 제2 전송 전극(TX2)을 구비하고 있다. 즉, 복수의 거리 센서(R1~RN)는 전하의 배분 방향으로 1차원으로 배치되어 있다. 서로 이웃하는 2개의 거리 센서(Rn,Rn ＋1)에 있어서, 제1 신호 전하 축적 영역(FD1)과 제2 신호 전하 축적 영역(FD2)은 일차원 방향으로 서로 이웃해 있다. 종래의 거리 화상 센서는 p형의 웰 영역(W)을 추가로 구비하고 있다. 웰 영역(W)은 제2 주면(1b)에 직교하는 방향에서 볼 때, 포토 게이트 전극(PG), 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2) 및 제1 및 제2 신호 전하 축적 영역(FD1, FD2)을 둘러싸도록 제2 반도체 영역(5)에 형성되어 있다. 웰 영역(W)은 제2 주면(1b)에 직교하는 방향에서 볼 때, 제1 및 제2 신호 전하 축적 영역(FD1, FD2) 각각의 일부와 겹쳐 있다. 웰 영역(W)의 바깥 테두리는, 복수의 거리 센서(R1~RN)의 바깥 테두리와 대략 일치하고 있다.
이러한 거리 화상 센서에 있어서, 예를 들면, 거리 센서(Rn)에 광이 입사되면, 거리 센서(Rn)에서는 입사광에 따라 전하가 발생한다. 발생한 전하는 제1 및 제2 전송 신호(S1, S2)에 따라서, 거리 센서(Rn)의 제1 및 제2 신호 전하 축적 영역(FD1, FD2)으로 배분된다. 이때 전하의 일부가 다른 거리 센서(R)의 제1 및 제2 신호 전하 축적 영역(FD1, FD2)으로 누설되어 유입된다. 누설되어 유입되는 양은 다른 거리 센서(R)에 있어서의 제1 및 제2 신호 전하 축적 영역(FD1, FD2)의 배치가, 거리 센서(Rn)측인지 여부에 따라서 크게 다르다.
거리 센서(Rn ＋1)에 있어서, 제1 신호 전하 축적 영역(FD1)은 거리 센서(Rn)측에 배치되어 있고, 제2 신호 전하 축적 영역(FD2)은 거리 센서(Rn)와는 역측에 배치되어 있다. 이 때문에, 거리 센서(Rn)로부터 거리 센서(Rn ＋1)로 전하가 누설되어 유입되는 경우, 제1 신호 전하 축적 영역(FD1)으로의 누설되어 유입되는 양 B%은, 제2 신호 전하 축적 영역(FD2)으로의 누설되어 유입되는 양 A%보다도 커진다. 마찬가지로, 거리 센서(Rn ＋1)에 광이 입사되어, 거리 센서(Rn ＋1)로부터 거리 센서(Rn)로 전하가 누설되어 유입되는 경우, 거리 센서(Rn)에 있어서, 거리 센서(Rn＋1)측에는 제2 신호 전하 축적 영역(FD2)이 배치되어 있기 때문에, 제2 신호 전하 축적 영역(FD2)으로의 누설되어 유입되는 양 D%은, 제1 신호 전하 축적 영역(FD1)으로의 누설되어 유입되는 양 C%보다도 커진다.
거리 센서(Rn,Rn ＋1)에 있어서, 제1 전송 전극(TX1)에 의해서 제1 신호 전하 축적 영역(FD1)에 배분되는 전하량과, 제2 전송 전극(TX2)에 의해서 제2 신호 전하 축적 영역(FD2)에 배분되는 전하량의 비가 같게 되는 경우, 측정되는 거리는 거리 센서(Rn)와 거리 센서(Rn ＋1)에서 같게 되어야 한다. 그렇지만, 상기한 것처럼, 거리 센서(Rn,Rn ＋1)에 있어서 서로 전하가 누설되어 유입됨으로써, 제1 및 제2 신호 전하 축적 영역(FD1, FD2) 각각에 축적되는 전하량은, 거리 센서(Rn)와 거리 센서(Rn ＋1)에서 다르다. 이 때문에, 측정되는 거리가 거리 센서(Rn)와 거리 센서(Rn ＋1)에서 다른 경우가 있다.
이것에 대해서, 본 실시 형태에 따른 거리 화상 센서(RS)에서는 복수의 거리 센서(P1~PN)가 일차원 방향(A)으로 배치되고, 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각은, 포토 게이트 전극(PG)의 일차원 방향(A)의 일방측에 제1 및 제2 신호 전하 축적 영역(FD1, FD2)을 구비함과 아울러, 포토 게이트 전극(PG)의 타방측에 제3 및 제4 신호 전하 축적 영역(FD3, FD4)을 구비하고 있다. 제1 및 제4 신호 전하 축적 영역(FD1, FD4)은 제1 전송 신호(S1)에 따라 유입되는 신호 전하를 축적한다. 제2 및 제3 신호 전하 축적 영역(FD2, FD3)은 제2 전송 신호(S2)에 따라 유입되는 신호 전하를 축적한다. 즉, 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각에 있어서, 제1 전송 신호(S1)에 따라 유입되는 신호 전하를 축적하는 제1 및 제4 신호 전하 축적 영역(FD1, FD4)이, 전하 발생 영역의 일차원 방향(A)의 양측 각각에 배치됨과 아울러, 제2 전송 신호(S2)에 따라 유입되는 신호 전하를 축적하는 제2 및 제3 신호 전하 축적 영역(FD2, FD3)이, 전하 발생 영역의 일차원 방향(A)의 양측 각각에 배치되어 있다. 이 때문에, 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각에 있어서, 다른 거리 센서로부터 누설되어 유입되는 전하는, 제1 전송 신호(S1)에 따라 유입되는 신호 전하를 축적하는 제1 및 제4 신호 전하 축적 영역(FD1, FD4)과, 제2 전송 신호(S2)에 따라 유입되는 신호 전하를 축적하는 제2 및 제3 신호 전하 축적 영역(FD2, FD3)에 밸런스 좋게 분배된다. 따라서 일차원 방향(A)으로 서로 이웃하는 거리 센서끼리에서 거리 계측에 대한 전하의 크로스톡의 영향이 같게 된다.
거리 화상 센서(RS)는 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 불요 전하로서 수집하는 불요 전하 수집 영역(11a~11d)과, 제1 및 제2 전송 신호(S1, S2)와 위상이 다른 제3 전송 신호(S3)에 따라 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 불요 전하로서 불요 전하 수집 영역(11a~11d)에 유입시키는 제3 전송 전극(TX3)을 추가로 구비하고 있다. 이 때문에, 불요 전하를 외부로 배출할 수 있으므로, 거리의 측정 정밀도를 향상시키는 것이 가능하다.
복수의 거리 센서(P1~PN) 각각에 있어서, 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)은 일차원 방향(A)으로 포토 게이트 전극(PG)을 사이에 두고 서로 대향해서 배치되어 있다. 즉, 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각에 있어서, 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)은 일차원 방향(A)에 직교하는 방향에 있어서 편향되지 않게 배치되어 있다. 이 때문에, 만일 포토 게이트 전극(PG)의 일차원 방향(A)에 직교하는 방향에 있어서의 일부분에만 광이 입사되고, 전하 발생 영역 내에서 발생하는 전하량이 일차원 방향(A)에 직교하는 방향에 있어서 편향되는 경우라도, 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 배분되는 전하량에는 편향이 생기기 어렵다. 이 결과, 측정 거리의 정밀도가 향상된다.
본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 실시 형태에서는, 불요 전하 수집 영역(11a~11d) 및 제3 전송 전극(TX3)이, 포토 게이트 전극(PG)의 제1 장변(L1)측 또는 제2 장변(L2)측에 배치되어 있지만, 이것으로 한정되지 않는다.
도 14는 변형예에 따른 거리 화상 센서의 촬상 영역을 구성하는 화소를 나타내는 개략 평면도이다.
동 도면에 도시되는 것처럼, 변형예에 따른 거리 화상 센서(RS)는 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각이, 제1 장변(L1)측 및 제2 장변(L2)측에 배치되는 불요 전하 수집 영역(11a~11d) 대신에, 제1 단변(S1)측 및 제2 단변(S2)측에 배치되는 불요 전하 수집 영역(11e, 11f)을 1개씩 구비하는 점과, 제1 장변(L1)측 및 제2 장변(L2)측에 배치되는 4개의 제3 전송 전극(TX3) 대신에, 제1 단변(S1)측 및 제2 단변(S2)측에 배치되는 2개의 제3 전송 전극(TX3)을 구비하는 점에서, 실시 형태에 따른 거리 화상 센서(RS)와 주로 상위하다.
불요 전하 수집 영역(11e)은 포토 게이트 전극(PG)의 제1 단변(S1)측에, 포토 게이트 전극(PG)으로부터 떨어져서 배치되어 있다. 불요 전하 수집 영역(11f)은 포토 게이트 전극(PG)의 제2 단변(S2)측에, 포토 게이트 전극(PG)으로부터 떨어져서 배치되어 있다. 즉, 불요 전하 수집 영역(11e, 11f)은 일차원 방향(A)에 직교하는 방향으로 포토 게이트 전극(PG)을 사이에 두고 또한 포토 게이트 전극(PG)으로부터 떨어져서 배치되어 있다. 불요 전하 수집 영역(11e, 11f)은 평면에서 볼 때 사각형 모양을 나타내고 있다. 여기에서는 직사각형 모양을 나타내고, 서로 동형상으로, 일차원 방향(A)으로 평행한 장변을 가지고 있다. 제1 ~ 제4 신호 전하 축적 영역(FD1~FD4)은 평면에서 보았을 때 직사각형 모양을 나타내고 있고, 서로 동형상으로, 일차원 방향(A)에 직교하는 방향으로 평행한 장변을 가지고 있다.
제3 전송 전극(TX3)은 불요 전하 수집 영역(11e, 11f)과 포토 게이트 전극(PG)의 사이에 각각 배치되어 있다. 제3 전송 전극(TX3)은 불요 전하 수집 영역(11e, 11f)과 포토 게이트 전극(PG)으로부터 각각 떨어져 배치되어 있다. 여기에서는, 제3 전송 전극(TX3)은 평면에서 보았을 때 직사각형 모양을 나타내고 있고, 서로 동형상으로, 일차원 방향(A)으로 평행한 장변을 가지고 있다. 이 장변의 길이는 예를 들면, 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 단변(S1, S2)의 길이와 각각 같다. 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)의 장변의 길이는, 예를 들면, 포토 게이트 전극(PG)의 제1 및 제2 장변(L1, L2)의 길이를 각각 2등분한 길이와 거의 같다.
이러한 구성의 거리 화상 센서(RS)여도, 도 2의 거리 화상 센서(RS)와 마찬가지의 작용·효과를 얻을 수 있다. 또한, 포토 게이트 전극(PG)의 제1 장변(L1)측 및 제2 장변(L2)측에 불요 전하 수집 영역(11a~11d) 및 제3 전송 전극(TX3)이 배치되는데 더해, 포토 게이트 전극(PG)의 제1 단변(S1)측 또는 제2 단변(S2)측에 불요 전하 수집 영역(11e, 11f) 및 제3 전송 전극(TX3)이 추가로 배치되어도 된다.
불요 전하 수집 영역의 수는 4개 또는 2개로 한정되지 않고 적당히 설정할 수 있고, 구비하지 않아도 된다. 불요 전하 수집 영역의 배치는, 예를 들면, 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)의 사이로 해도 되며, 적당히 배치할 수 있다.
거리 화상 센서(RS)는 복수의 거리 센서(P1~PN) 각각이 1차원으로 배치된 라인 센서이지만, 이차원으로 배치해도 된다. 이 경우, 이차원 화상을 용이하게 얻을 수 있다. 또한, 라인 센서를 회전시킴으로써, 또는 2개의 라인 센서를 이용하여 주사(走査)시킴으로써도 이차원 화상을 얻을 수 있다.
거리 화상 센서(RS)는 표면 입사형 거리 화상 센서로 한정되지 않는다. 거리 화상 센서(RS)는 이면(裏面) 입사형 거리 화상 센서여도 된다.
입사광에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역을 포토 다이오드(예를 들어, 매립형 포토 다이오드 등)에 의해 구성해도 된다.
본 실시 형태에 따른 거리 화상 센서(RS)에 있어서의 p형 및 n형의 각 도전형은, 상술한 것과는 반대가 되도록 바꿔 넣어져 있어도 된다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명은 전하 배분형 거리 화상 센서에 이용할 수 있다.
11a~11f … 불요 전하 수집 영역, A … 일차원 방향,
FD1 … 제1 신호 전하 축적 영역, FD2 … 제2 신호 전하 축적 영역,
FD3 … 제3 신호 전하 축적 영역, FD4 … 제4 신호 전하 축적 영역,
P1~PN … 거리 센서, PG … 포토 게이트 전극,
RS … 거리 화상 센서, S1 … 제1 전송 신호,
S2 … 제2 전송 신호, S3 … 제3 전송 신호,
TX1 … 제1 전송 전극, TX2 … 제2 전송 전극,
TX3 … 제3 전송 전극.

Claims (3)

  1. 복수의 거리 센서가 일차원 방향으로 배치되어 있는 거리 화상 센서로서,
    상기 복수의 거리 센서 각각은,
    입사광에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역과,
    상기 전하 발생 영역의 상기 일차원 방향의 일방측에 상기 전하 발생 영역으로부터 떨어지고 또한 상기 일차원 방향과 직교하는 방향을 따라서 서로 떨어져서 배치되어, 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 축적하는 제1 및 제2 신호 전하 축적 영역과,
    상기 전하 발생 영역의 상기 일차원 방향의 타방측에 상기 전하 발생 영역으로부터 떨어지고 또한 상기 일차원 방향으로 상기 전하 발생 영역을 사이에 두고 상기 제1 신호 전하 축적 영역과 대향해서 배치되어, 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 축적하는 제3 신호 전하 축적 영역과,
    상기 전하 발생 영역의 상기 일차원 방향의 타방측에 상기 전하 발생 영역으로부터 떨어지고 또한 상기 일차원 방향으로 상기 전하 발생 영역을 사이에 두고 상기 제2 신호 전하 축적 영역과 대향해서 배치되어, 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 축적하는 제4 신호 전하 축적 영역과,
    상기 제1 및 제4 신호 전하 축적 영역과 상기 전하 발생 영역의 사이에 각각 배치되어, 제1 전송 신호에 따라 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 상기 제1 및 제4 신호 전하 축적 영역에 유입시키는 2개의 제1 전송 전극과,
    상기 제2 및 제3 신호 전하 축적 영역과 상기 전하 발생 영역의 사이에 각각 배치되어, 상기 제1 전송 신호와 위상이 다른 제2 전송 신호에 따라 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 상기 제2 및 상기 제3 신호 전하 축적 영역에 유입시키는 2개의 제2 전송 전극을 구비하고 있고,
    상기 일차원 방향으로 서로 이웃하는 어느 2개의 상기 거리 센서에 있어서, 상기 제1 신호 전하 축적 영역과 상기 제4 신호 전하 축적 영역이 상기 일차원 방향으로 서로 이웃함과 아울러, 상기 제2 신호 전하 축적 영역과 상기 제3 신호 전하 축적 영역이 상기 일차원 방향으로 서로 이웃해 있는 거리 화상 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전하 발생 영역의 상기 일차원 방향의 일방측 및 타방측에 상기 전하 발생 영역으로부터 떨어져서 배치되어, 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 불요 전하로서 수집하는 복수의 불요 전하 수집 영역과,
    상기 복수의 불요 전하 수집 영역과 상기 전하 발생 영역의 사이에 각각 배치되어, 상기 제1 및 제2 전송 신호와 위상이 다른 제3 전송 신호에 따라 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 불요 전하로서 상기 복수의 불요 전하 수집 영역으로 유입시키는 복수의 제3 전송 전극을 추가로 구비하고 있는 거리 화상 센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 일차원 방향과 직교하는 방향으로 상기 전하 발생 영역을 사이에 두고 또한 상기 전하 발생 영역으로부터 떨어져서 배치되어, 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 불요 전하로서 수집하는 복수의 불요 전하 수집 영역과,
    상기 복수의 불요 전하 수집 영역과 상기 전하 발생 영역의 사이에 각각 배치되어, 상기 제1 및 제2 전송 신호와 위상이 다른 제3 전송 신호에 따라 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 불요 전하로서 상기 복수의 불요 전하 수집 영역으로 유입시키는 복수의 제3 전송 전극을 추가로 구비하고 있는 거리 화상 센서.
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