KR20220093313A - 수광 소자 및 거리 측정 장치 - Google Patents

수광 소자 및 거리 측정 장치 Download PDF

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KR20220093313A
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다이스케 와시오
마사히코 츠지타
히데노리 마에다
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소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤
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Abstract

수광 소자의 화소 영역(11)의 주위 화소로부터의 입사광의 누설을 막는다.
수광 소자는 화소 영역 및 인접 화소(400)를 구비한다. 화소 영역은 입사광의 광전 변환에 의해 생성된 전하를 높은 역 바이어스 전압에 의해 증배하는 반도체 기판(110)에 형성되는 포토 다이오드, 그 입사광을 상기 포토 다이오드에 집광하는 온 칩 렌즈(160) 및 그 포토 다이오드에 접속되는 배선층 및 그 배선층(122)을 절연하는 절연층(121)을 갖는 배선 영역(120)을 구비하는 복수의 화소(100)가 배치된다. 인접 화소는 화소 영역에 인접하여 배치되어 그 포토 다이오드, 그 온 칩 렌즈와는 다른 곡률의 온 칩 렌즈(161) 및 그 배선 영역을 구비한다.

Description

수광 소자 및 거리 측정 장치
<관련 출원에 대한 상호 참조>
본 출원은 2019.11.06.에 출원된 일본 우선권 특허출원 JP2019-201655의 이익을 주장하며, 이들 각각의 전체 내용은 참조에 의해 여기에 포함된다.
본 개시는 수광 소자 및 거리 측정 장치에 관한 것이다. 상세하게는 애벌란시 포토 다이오드를 구비하는 수광 소자 및 당해 수광 소자를 사용하여 대상물까지의 거리를 측정하는 거리 측정 장치에 관한 것이다.
종래, 반도체 기판에 형성되는 입사광을 광전 변환하는 포토 다이오드를 갖는 복수의 화소가 배치되어 구성된 촬상 소자나 수광 소자가 사용되고 있다. 이와 같은 촬상 소자를 사용함에 의해 입사광을 화소마다 검출하여 화상 신호를 생성하고, 대상물의 촬상을 행할 수 있다. 또한, 대상물까지의 거리를 측정하는 거리 측정 장치에 적용할 수도 있다. 이 거리 측정 장치에서는 대상물에 광을 조사하여 대상물에 의해 반사한 반사광을 수광 소자에 의해 검출하고, 광의 조사로부터 반사광의 검출까지의 시간을 계측함에 의해 거리를 측정할 수 있다. 화소마다 대상물까지의 거리를 측정함에 의해 대상물의 3차원 형상을 취득하는 것이 가능해진다.
이와 같은 촬상 소자로서, 예를 들면, 화소끼리 사이의 반도체 기판의 영역에 형성된 홈부에 절연막을 매입하여 구성된 소자 분리 영역에 의해 화소를 분리하는 고체 촬상 장치가 사용되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 이 고체 촬상 장치는 반도체 기판의 이면에 입사광이 조사되는 이면 조사형의 촬상 소자로 구성되고, 반도체 기판에 근접하여 온 칩 렌즈가 배치된다. 분리 영역을 화소 사이에 배치함에 의해 근접하여 배치되는 인접 화소의 온 칩 렌즈를 투과하여 비스듬히 입사하는 광을 차광하여 크로스토크나 혼색의 발생을 막을 수 있다. 고체 촬상 장치의 복수의 화소는 2차원 어레이형상으로 배치되어 화소 영역을 구성하고, 반도체 기판의 중앙부에 배치된다.
특허 문헌 1 : 일본 특개2017-191950호 공보
상술한 종래 기술에서는 화소 영역의 단부로부터의 입사광의 혼입이 생긴다는 문제가 있다. 촬상 소자에서는 화소 영역의 각 화소의 균일성을 확보하기 위해 화소 영역과 반도체 기판의 단부 사이에 화상 신호의 생성에 관여하지 않는 화소가 배치된다. 이와 같은 화소는 더미 화소라고 칭해지고, 화소 영역의 화소와 같은 구성을 채택함과 함께 화소 영역에 인접하여 배치된다. 이 더미 화소를 투과한 입사광이 반도체 기판의 표면측에 배치된 배선 영역 등에 의해 반사되어 화소 영역의 화소에 혼입되면 플레어 등의 노이즈가 생긴다. 이 때문에 화질이 저하된다는 문제가 생긴다. 또한, 거리 측정 장치에 사용되는 수광 소자는 감도를 향상시키기 위해 포토 다이오드 대신에 애벌란시 포토 다이오드(APD: Avalanche Photo Diode)나 SPAD(Single Photon Avalanche diode)가 화소에 배치된다. 이들은 광전 변환에 의해 생성된 전하를 증배시킴에 의해 고감도화한 포토 다이오드이고, 더미 화소로부터의 입사광의 누설에 의해 오동작이 생긴다.
본 개시는 상술한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서 화소 영역의 주위의 화소로부터의 입사광의 누설을 막는 것을 목적으로 하고 있다.
본 개시는 상술한 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것이고, 그 제1 양태는 입사광의 광전 변환에 의해 생성된 전하를 높은 역 바이어스 전압에 의해 증배하는 반도체 기판에 형성되는 포토 다이오드, 상기 입사광을 상기 포토 다이오드에 집광하는 온 칩 렌즈 및 상기 포토 다이오드에 접속되는 배선층 및 당해 배선층을 절연하는 절연층을 갖는 배선 영역을 구비하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과, 상기 화소 영역에 인접하여 배치되어 상기 포토 다이오드, 상기 온 칩 렌즈와는 다른 곡률의 온 칩 렌즈 및 상기 배선 영역을 구비하는 인접 화소를 구비하는 수광 소자이다.
또한, 이 제1 양태에서 상기 인접 화소는 상기 화소의 온 칩 렌즈보다 작은 곡률의 온 칩 렌즈가 배치되어도 좋다.
본 개시의 제1 양태를 채택함에 의해 인접 화소에서 화소와는 다른 반도체 기판의 위치에 입사광이 집광된다는 작용을 가져온다. 집광 위치의 조정이 상정된다.
또한, 본 개시의 제2 양태는 입사광의 광전 변환에 의해 생성된 전하를 높은 역 바이어스 전압에 의해 증배하는 반도체 기판에 형성되는 포토 다이오드, 상기 입사광을 상기 포토 다이오드에 집광하는 온 칩 렌즈 및 상기 포토 다이오드에 접속되는 배선층 및 당해 배선층을 절연하는 절연층을 갖는 배선 영역을 구비하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과, 상기 화소 영역에 인접하여 배치되어 상기 포토 다이오드, 상기 배선 영역 및 인접하는 상기 화소와의 경계의 상기 반도체 기판에 형성되어 상기 입사광을 차광하는 반도체 영역 차광벽을 구비하는 인접 화소를 구비하는 수광 소자이다.
또한, 이 제2 양태에서 상기 인접 화소는 상기 화소와의 경계와는 다른 경계에는 상기 반도체 영역 차광벽이 형성되지 않아도 좋다.
또한, 이 제2 양태에서 상기 반도체 영역 차광벽은 상기 반도체 기판에 형성된 홈에 상기 입사광을 차광하는 재료를 배치함에 의해 형성되어도 좋다.
본 개시의 제2 양태를 채택함에 의해 반도체 기판에서의 인접 화소로부터 화소에의 입사광이 반도체 영역 차광벽에 의해 차광된다는 작용을 가져온다.
또한, 본 개시의 제3 양태는 입사광의 광전 변환에 의해 생성된 전하를 높은 역 바이어스 전압에 의해 증배하는 반도체 기판에 형성되는 포토 다이오드, 상기 입사광을 상기 포토 다이오드에 집광하는 온 칩 렌즈 및 상기 포토 다이오드에 접속되는 배선층 및 당해 배선층을 절연하는 절연층을 갖는 배선 영역을 구비하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과, 상기 화소 영역에 인접하여 배치되어 상기 포토 다이오드 및 상기 배선층을 갖지 않는 상기 배선 영역을 구비하는 인접 화소를 구비하는 수광 소자이다.
본 개시의 제3 양태를 채택함에 의해 인접 화소의 배선층에 의한 입사광의 반사가 제거된다는 작용을 가져온다.
또한, 본 개시의 제4 양태는 입사광의 광전 변환에 의해 생성된 전하를 높은 역 바이어스 전압에 의해 증배하는 반도체 기판에 형성되는 포토 다이오드, 상기 입사광을 상기 포토 다이오드에 집광하는 온 칩 렌즈 및 상기 포토 다이오드에 접속되는 배선층 및 당해 배선층을 절연하는 절연층을 갖는 배선 영역을 구비하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과, 상기 화소 영역에 인접하여 배치되어 상기 포토 다이오드 및 상기 배선층과 같은 층에 배치됨과 함께 다른 사이즈로 구성되는 배선층을 갖는 상기 배선 영역을 구비하는 인접 화소를 구비하는 수광 소자이다.
또한, 이 제4 양태에서 상기 인접 화소는 상기 화소의 배선층보다 작은 폭의 상기 배선층을 갖는 상기 배선 영역을 구비해도 좋다.
또한, 이 제4 양태에서 상기 인접 화소는 상기 반도체 기판을 덮는 형상으로 구성되는 상기 배선층인 차광 배선을 갖는 상기 배선 영역을 구비해도 좋다.
또한, 이 제4 양태에서 상기 인접 화소는 인접하는 상기 화소와의 경계에서의 상기 차광 배선 및 상기 반도체 기판 사이에 배치되는 벽형상의 벽부를 또한 구비해도 좋다.
또한, 이 제4 양태에서 상기 인접 화소는 상기 화소의 배선층보다 큰 폭의 상기 배선층을 갖는 상기 배선 영역을 구비해도 좋다.
본 개시의 제4 양태를 채택함에 의해 인접 화소의 배선층에 의한 입사광의 반사가 조정된다는 작용을 가져온다.
또한, 본 개시의 제5 양태는 입사광의 광전 변환에 의해 생성된 전하를 높은 역 바이어스 전압에 의해 증배하는 반도체 기판에 형성되는 포토 다이오드, 상기 입사광을 상기 포토 다이오드에 집광하는 온 칩 렌즈 및 상기 포토 다이오드에 접속되는 배선층 및 당해 배선층을 절연하는 절연층을 갖는 배선 영역을 구비하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과, 상기 화소 영역에 인접하여 배치되어 상기 포토 다이오드, 상기 배선 영역 및 인접하는 상기 화소와의 경계의 상기 배선 영역에 배치되어 상기 입사광을 차광하는 배선 영역 차광벽을 구비하는 인접 화소를 구비하는 수광 소자이다.
또한, 이 제5 양태에서 상기 배선 영역 차광벽은 인접하는 상기 화소와의 경계에 배치되는 상기 배선층과 당해 배선층 및 상기 반도체 기판 사이에 인접하여 배치되는 벽형상의 벽부에 의해 구성되어도 좋다.
또한, 이 제5 양태에서 상기 배선 영역 차광벽은 인접하는 상기 화소와의 경계에서 다층으로 배치되는 복수의 상기 배선층 및 당해 복수의 배선층의 층 사이에 배치되는 벽형상의 층 사이 벽부에 의해 구성되어도 좋다.
본 개시의 제5 양태를 채택함에 의해 인접 화소의 배선층에 의한 입사광의 반사가 삭감된다는 작용을 가져온다.
또한, 본 개시의 제6 양태는 광원 장치로부터 출사되어 대상물로부터 반사된 광인 입사광의 광전 변환에 의해 생성된 전하를 높은 역 바이어스 전압에 의해 증배하는 반도체 기판에 형성되는 포토 다이오드, 상기 입사광을 상기 포토 다이오드에 집광하는 온 칩 렌즈 및 상기 포토 다이오드에 접속되는 배선층 및 당해 배선층을 절연하는 절연층을 갖는 배선 영역을 구비하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과, 상기 화소 영역에 인접하여 배치되어 상기 포토 다이오드, 상기 온 칩 렌즈와는 다른 곡률의 온 칩 렌즈 및 상기 배선 영역을 구비하는 인접 화소와, 상기 광원 장치로부터의 광의 출사로부터 상기 화소의 배선층에 의해 전달되는 상기 포토 다이오드를 흐르는 전류에 의거하는 신호의 검출까지를 계시함에 의해 상기 대상물까지의 거리를 검출하는 처리 회로를 구비하는 거리 측정 장치이다.
본 개시의 제6 양태를 채택함에 의해 인접 화소에서 화소와는 다른 반도체 기판의 위치에 입사광이 집광된다는 작용을 가져온다. 집광 위치의 조정이 상정된다.
도 1은 본 개시의 실시의 형태에 관한 수광 소자의 구성례를 도시하는 도면.
도 2는 본 개시의 실시의 형태에 관한 화소 어레이부의 구성례를 도시하는 도면.
도 3은 본 개시의 실시의 형태에 관한 화소의 구성례를 도시하는 도면.
도 4는 본 개시의 제1 실시의 형태에 관한 인접 화소의 구성례를 도시하는 도면.
도 5는 본 개시의 제1 실시의 형태에 관한 온 칩 렌즈의 제조 방법의 한 예를 도시하는 도면.
도 6은 본 개시의 제2 실시의 형태에 관한 인접 화소의 구성례를 도시하는 도면.
도 7은 본 개시의 제3 실시의 형태에 관한 인접 화소의 구성례를 도시하는 도면.
도 8은 본 개시의 제4 실시의 형태에 관한 인접 화소의 구성례를 도시하는 도면.
도 9는 본 개시의 제5 실시의 형태에 관한 인접 화소의 구성례를 도시하는 도면.
도 10은 본 개시의 제6 실시의 형태에 관한 인접 화소의 구성례를 도시하는 도면.
도 11은 본 개시의 제7 실시의 형태에 관한 인접 화소의 구성례를 도시하는 도면.
도 12는 본 개시의 실시의 형태에 관한 화소의 구성례를 도시하는 회로도.
도 13은 본 개시의 실시의 형태에 관한 거리 측정 장치의 구성례를 도시하는 도면.
다음에 도면을 참조하여 본 개시를 실시하기 위한 형태(이하, 실시의 형태라고 칭한다)를 설명한다. 이하의 도면에서 동일 또는 유사한 부분에는 동일 또는 유사한 부호를 붙이고 있다. 또한, 이하의 순서로 실시 형태의 설명을 행한다.
1. 제1 실시의 형태
2. 제2 실시의 형태
3. 제3 실시의 형태
4. 제4 실시의 형태
5. 제5 실시의 형태
6. 제6 실시의 형태
7. 제7 실시의 형태
8. 제8 실시의 형태
9. 제9 실시의 형태
<1. 제1 실시의 형태>
[수광 소자의 구성]
도 1은 본 개시의 실시의 형태에 관한 수광 소자의 구성례를 도시하는 도면이다. 동 도면의 수광 소자(2)는 화소 어레이부(10)와, 바이어스 전원부(20)와, 수광 신호 처리부(30)를 구비한다.
화소 어레이부(10)는 입사광의 광전 변환을 행하는 광전 변환부를 갖는 복수의 화소(100)가 2차원 격자형상으로 배치되어 구성된 것이다. 이 화소(100)는 입사광을 검출하고, 수광 신호를 검출 결과로서 출력한다. 광전 변환부로는 예를 들면, 애벌란시 포토 다이오드나 SPAD 등을 사용할 수 있다. 이하, 화소(100)에는 광전 변환부로서 SPAD가 배치되는 것으로 상정한다. 각각의 화소(100)에는 신호선(21 및 31)이 접속된다. 신호선(21)은 화소(100)의 바이어스 전압을 공급하는 신호선이다. 신호선(31)은 화소(100)로부터의 수광 신호를 전달하는 신호선이다. 또한, 동 도면의 화소 어레이부(10)에는 화소(100)가 4행 5열로 배치하는 예가 기재되어 있는데 화소 어레이부(10)에 배치되는 화소(100) 수를 한정하는 것은 아니다.
바이어스 전원부(20)는 화소(100)에 바이어스 전압을 공급하는 전원이다. 이 바이어스 전원부(20)는 신호선(21)을 통하여 바이어스 전압을 공급한다.
수광 신호 처리부(30)는 화소 어레이부(10)에 배치되는 복수의 화소(100)로부터 출력된 수광 신호를 처리하는 것이다. 이 수광 신호 처리부(30)의 처리에는 예를 들면, 화소(100)에 의해 검출한 입사광에 의거하여 대상물과의 거리를 검출하는 처리가 해당된다. 구체적으로는 수광 신호 처리부(30)는 차량 탑재 카메라 등의 촬상 장치에서 원방의 대상물과의 거리를 계측할 때에 사용되는 ToF(Time of Flight) 방식의 거리 검출 처리를 행할 수 있다. 이 거리 검출 처리는 촬상 장치에 배치된 광원에 의해 대상물에 광을 조사하여 대상물에 의해 반사된 광을 검출하고, 광원으로부터의 광이 대상물과의 사이를 왕복하는 시간을 계측함에 의해 거리를 검출하는 처리이다. 이와 같은 거리 검출 처리를 행하는 장치에는 고속의 광검출이 가능한 SPAD가 사용된다. 또한, 수광 신호 처리부(30)는 특허 청구의 범위에 기재된 처리 회로의 한 예이다.
[화소 어레이부의 구성]
도 2는 본 개시의 실시의 형태에 관한 화소 어레이부의 구성례를 도시하는 도면이다. 동 도면은 화소 어레이부(10)의 구성례를 도시하는 도면이다. 동 도면의 화소 어레이부(10)는 화소 영역(11)과, 인접 화소(400)를 구비한다. 또한, 동 도면에서 흰색 사각형은 화소(100)를 나타내고, 사선의 해칭이 부착된 사각형은 인접 화소(400)를 나타낸다.
화소 영역(11)은 복수의 화소(100)가 배치되는 영역이다. 이들 복수의 화소(100)는 화소 어레이부(10)가 배치되는 반도체 기판의 중앙부에 배치된다.
인접 화소(400)는 화소 영역(11)에 인접하여 배치되는 화소이다. 이 인접 화소(400)는 화소 영역(11)과 반도체 기판의 단부 사이에 배치된다. 화소 영역(11)의 화소(100)는 입사광의 검출을 행한다. 이에 대해, 인접 화소(400)는 화소(100)와 같은 구성임에도 불구하고 입사광의 검출을 행할 필요는 없다. 인접 화소(400)는 화소 영역(11)에 배치되는 화소(100)의 형상 등을 균일화하기 위해 화소 영역(11)에 인접하여 배치되는 화소이다.
인접 화소(400)를 배치하지 않는 경우, 화소 영역(11)의 최외주에 배치되는 화소(100)는 화소 영역(11)의 내부에 배치되는 화소(100)와는 불균일한 형상이 되기 쉽다. 3변 또는 2변만이 화소(100)에 인접하게 되고, 4변이 다른 화소(100)와 인접하는 내부의 화소(100)와 비교하여 배치되는 화소의 형상의 주기성이 손상되고, 제조할 때에 형상이 변화하기 때문이다. 그래서 인접 화소(400)를 화소 영역(11)에 인접하여 배치하고, 화소 영역(11)의 최외주에 배치되는 화소(100)의 4변이 다른 화소와 인접하는 구성으로 함으로서 형상 등을 균일하게 할 수 있다.
동 도면의 화소 어레이부(10)는 화소 영역(11)의 주위에 2열의 인접 화소(400)가 배치되는 예를 나타낸 것이다.
[화소의 구성]
도 3은 본 개시의 실시의 형태에 관한 화소의 구성례를 도시하는 도면이다. 동 도면은 화소(100)의 구성례를 도시하는 단면도이다. 화소(100)는 반도체 기판(110 및 130)과, 배선 영역(120 및 140)과, 반도체 영역 차광벽(152)과, 절연막(151 및 153)과, 온 칩 렌즈(160)를 구비한다.
반도체 기판(110)은 수광 소자(2)의 SPAD 등의 소자의 확산 영역이 배치되는 반도체의 기판이다. 반도체 기판(110)은 예를 들면, 실리콘(Si)에 의해 구성할 수 있다. 소자의 확산 영역은 이 반도체 기판(110)에 형성된 웰 영역(111)에 반도체 영역을 배치함에 의해 구성할 수 있다. 동 도면의 화소(100)에는 SPAD(101)가 배치된다. 이 SPAD(101)는 반도체 기판(110)의 웰 영역(111)과 웰 영역(111)에 배치된 n형의 반도체 영역(113), p형의 반도체 영역(112) 및 p형의 반도체 영역(114)에 의해 구성된다. n형의 반도체 영역(113)은 캐소드에 해당되고, p형의 반도체 영역(112)과 함께 pn 접합을 구성한다. 이 pn 접합에 웰 영역(111)을 통하여 역 바이어스 전압이 인가되어 공핍층이 형성된다.
SPAD(101)에서 광전 변환은 웰 영역(111)에서 행해진다. 광전 효과에 의해 생성된 전하 중의 전자가 드리프트에 의해 pn 접합의 공핍층에 달하면 역 바이어스 전압에 의거하는 전계에 의해 가속된다. 애벌란시 포토 다이오드에서는 항복 전압 근방의 역 바이어스 전압이 인가된다. 이 역 바이어스 전압에 의한 강전계에 의해 전자 눈사태가 생기고, 전하가 증가한다. SPAD(101)에서는 항복 전압을 초과하는 역 바이어스 전압이 인가된다. 전자 눈사태가 연속해서 발생하고, 전하가 급격하게 증가한다. 이 때문에 SPAD(101)는 단일한 광자의 입사를 검출하는 것이 가능해진다. SPAD(101)를 배치함에 의해 고감도의 화소(100)를 구성할 수 있다. 이 p형의 반도체 영역(114)은 웰 영역(111)에 인접하여 배치되고, 애노드를 구성하는 반도체 영역이다. 이 p형의 반도체 영역(114)은 n형의 반도체 영역(113)의 근방의 웰 영역(111)을 둘러싸는 형상으로 구성된다.
배선 영역(120)은 반도체 기판(110)의 표면측에 배치되는 배선 영역이다. 이 배선 영역(120)에는 배선층(122) 및 절연층(121)이 배치된다. 배선층(122)은 SPAD(101)의 신호 등을 전달하는 것이다. 이 배선층(122)은 구리(Cu) 등의 금속에 의해 구성할 수 있다. 절연층(121)은 배선층(122)을 절연하는 것이다. 이 절연층(121)은 예를 들면, 산화 실리콘(SiO2)에 의해 구성할 수 있다. 또한, 배선 영역(120)에는 반도체 기판(110)의 반도체 영역과 배선층(122)을 접속하기 위한 콘택트 플러그(123)가 또한 배치된다. 콘택트 플러그(123)에 의해 SPAD(101)의 애노드를 구성하는 반도체 영역(114) 및 캐소드를 구성하는 반도체 영역(113)이 배선층(122)에 접속된다. 콘택트 플러그(123)는 예를 들면, 텅스텐(W)에 의해 구성할 수 있다.
배선 영역(120)에는 패드(125) 및 비아 플러그(124)가 또한 배치된다. 패드(125)는 배선 영역(120)의 표면에 배치되는 전극이다. 이 패드(125)는 예를 들면, Cu에 의해 구성할 수 있다. 비아 플러그(124)는 배선층(122) 및 패드(125)를 접속하는 것이다. 이 비아 플러그(124)는 예를 들면, Cu에 의해 구성할 수 있다.
반도체 기판(130)은 반도체 기판(110)에 첩합되는 반도체의 기판이다. 이 반도체 기판(130)에는 예를 들면, 도 1에서 설명한 수광 신호 처리부(30) 등의 소자의 확산 영역을 형성할 수 있다.
배선 영역(140)은 반도체 기판(130)의 표면측에 형성되는 배선 영역이고, 배선층(142) 및 절연층(141)을 구비한다. 또한, 배선 영역(140)에는 패드(145)가 배치되고, 비아 플러그(143)에 의해 배선층(142)과 접속된다. 반도체 기판(130)이 반도체 기판(110)에 첩합될 때 패드(145) 및 패드(125)가 접합된다. 이 패드(145) 및 패드(125)를 통하여 반도체 기판(110 및 130)에 배치된 소자 사이의 신호의 주고받음을 행할 수 있다.
반도체 영역 차광벽(152)은 화소(100)의 경계의 반도체 기판(110)에 배치되어 입사광을 차광하는 것이다. 이 반도체 영역 차광벽(152)은 화소(100)를 둘러싸는 벽형상으로 구성되어, 인접하는 화소(100)로부터 비스듬히 입사하는 입사광을 차광한다. 이에 의해 크로스토크의 발생을 저감할 수 있다. 도 2에서 설명한 화소 영역(11)에서 반도체 영역 차광벽(152)은 격자형상으로 배치된다. 반도체 영역 차광벽(152)은 반도체 기판(110)을 관통하여 형성된 홈부(150)에 금속 등의 차광 재료를 매입함에 의해 구성할 수 있다.
또한, 반도체 영역 차광벽(152)은 반도체 기판(110)의 이면측으로 돌출하는 형상으로 구성됨과 함께 개구부(159)가 배치된다. 이 개구부(159)는 평면시에서 원형형상으로 구성할 수 있다. 이 개구부(159)에 후술하는 온 칩 렌즈(160)가 배치된다.
절연막(151)은 반도체 기판(110)의 이면을 절연하는 막이다. 동 도면의 절연막(151)은 홈부(150)의 측면의 반도체 기판(110)에도 인접하여 배치되고, 반도체 기판(110) 및 반도체 영역 차광벽(152)을 절연한다. 이 절연막(151)은 예를 들면, SiO2나 질화 실리콘(SiN)에 의해 구성할 수 있다. 또한, 절연막(151)과 반도체 기판(110) 사이에 피닝을 위한 고정 전하막을 배치할 수도 있다. 이 고정 전하막은 산화 알루미늄(Al2O3)이나 산화 하프늄(HfO2)에 의해 구성할 수 있다.
절연막(153)은 반도체 영역 차광벽(152)의 표면에 배치되고, 반도체 영역 차광벽(152)을 절연하는 막이다. 이 절연막(153)은 예를 들면, SiO2에 의해 구성할 수 있다.
온 칩 렌즈(160)는 입사광을 집광하는 렌즈이다. 이 온 칩 렌즈(160)는 반구 형상으로 구성되어 반도체 기판(110)의 이면에 배치되고, SPAD(101)를 구성하는 웰 영역(111)에 입사광을 집광한다. 온 칩 렌즈(160)는 SiN 등의 무기 재료나 아크릴 수지 등의 유기 재료에 의해 구성할 수 있다.
온 칩 렌즈(160)의 표면에는 반사 방지막(169)을 배치할 수 있다. 이 반사 방지막(169)은 온 칩 렌즈(160)의 표면으로부터의 입사광의 반사를 막는 막이다. 반사 방지막(169)은 예를 들면, SiO2나 산질화 실리콘(SiON)에 의해 구성할 수 있다. 동 도면의 반사 방지막(169)은 온 칩 렌즈(160) 및 절연막(153)을 덮는 형상으로 구성된다.
[인접 화소의 구성]
도 4는 본 개시의 제1 실시의 형태에 관한 인접 화소의 구성례를 도시하는 도면이다. 동 도면은 인접 화소(400)의 구성례를 도시하는 단면도이다. 또한, 동 도면에는 화소 영역(11)의 단부에 배치되는 화소(100)도 기재하였다. 또한, 동 도면은 화소(100) 및 인접 화소(400)의 구성의 개략을 도시한 도면이고, 반도체 기판(110)의 반도체 영역 등의 기재는 생략했지만, 인접 화소(400)에도 SPAD 등이 배치된다. 또한, 반사 방지막(169), 반도체 기판(130) 및 배선 영역(140)의 기재를 생략하였다.
동 도면의 인접 화소(400)는 온 칩 렌즈(160) 대신에 온 칩 렌즈(161)를 구비하는 점에서 화소(100)와 다르다. 온 칩 렌즈(161)는 온 칩 렌즈(160)와는 다른 곡률로 구성되는 온 칩 렌즈이다. 동 도면의 온 칩 렌즈(161)는 온 칩 렌즈(160)보다 작은 곡률의 반구 형상으로 구성된다. 이에 의해 온 칩 렌즈(161)는 반도체 기판의 심부(深部)에 입사광을 집광한다. 동 도면의 인접 화소(400)에 기재한 파선은 온 칩 렌즈(160)가 배치되는 경우를 상정한 것이고, 점선의 화살표는 이 온 칩 렌즈(160)에 의해 집광되는 입사광을 나타낸 것이다. 높은 곡률의 온 칩 렌즈(160)에 의해 집광된 입사광은 큰 입사 각도로 반도체 기판(110)에 입사한다. 이 입사광이 반도체 기판(110)에 흡수되지 않는 경우, 반도체 영역 차광벽(152)에 의해 2회 반사되어 배선 영역(120)에 입사한다. 배선 영역(120)에도 큰 입사 각도로 입사하기 때문에 이 입사광이 배선층(122)에 의해 반사되면 화소(100)의 반도체 기판(110)에 입사한다. 이 때문에 크로스토크나 플레어 등이 생긴다.
이에 대해, 온 칩 렌즈(161)는 곡률이 작기 때문에 입사광은 반도체 기판(110)에 작은 입사 각도로 입사한다. 동 도면의 실선의 화살표는 온 칩 렌즈(161)인 경우의 입사광을 나타낸다. 이 입사광은 반도체 영역 차광벽(152)에 의해 한번 반사되어 배선 영역(120)에 입사하여 배선층(122)에 의해 반사된다. 배선층(122)에의 입사 각도가 작기 때문에 반사광은 인접 화소(400)측으로 입사한다. 이 때문에 크로스토크의 발생을 저감할 수 있다.
이와 같은 온 칩 렌즈(161)의 제조 방법에 관해 설명한다. 온 칩 렌즈(160 및 161)의 제조 방법으로서, 이른바 열 멜트 플로우법을 채용할 수 있다. 이 열 멜트 플로우법은 온 칩 렌즈(160)의 재료 수지를 용해시켜서 반구 형상으로 성형하는 제조 방법이다.
[온 칩 렌즈의 제조 방법]
도 5는 본 개시의 제1 실시의 형태에 관한 온 칩 렌즈의 제조 방법의 한 예를 도시하는 도면이다. 동 도면은 온 칩 렌즈(160 및 161)의 제조 공정의 한 예를 도시하는 도면이다. 우선, 반도체 기판(110)에 홈부(150)를 형성한다. 이것은 예를 들면, 반도체 기판(110)을 드라이 에칭함에 의해 형성할 수 있다. 다음에 홈부(150)를 포함하는 반도체 기판(110)의 이면에 절연막(151)(도시하지 않음)을 배치한다. 이것은 예를 들면, 스퍼터링 등에 의해 절연 재료의 막을 형성함에 의해 행할 수 있다. 다음에 홈부(150)를 포함하는 반도체 기판(110)의 이면에 반도체 영역 차광벽(152)의 재료가 되는 금속막을 배치한다. 이것은 스퍼터링에 의해 행할 수 있다. 다음에 이 금속막에 원형형상의 개구부(159)를 에칭에 의해 형성한다(동 도면에서의 A).
다음에 반도체 기판(110)의 이면에 온 칩 렌즈(160 및 161)의 재료가 되는 수지막(501)을 배치한다. 이 수지막(501)으로는 감광성을 갖는 아크릴 수지를 사용할 수 있다(동 도면에서의 B).
다음에 수지막(501)을 리소그래피에 의해 가공하여 원주 형상의 수지층(502 및 503)을 생성한다. 수지층(502)은 화소(100)의 개구부(159)에 배치된다. 수지층(503)은 수지층(502)보다 작은 용적으로 구성되고, 인접 화소(400)의 개구부(159)에 배치된다(동 도면에서의 C).
다음에 반도체 기판(110)을 리플로우 등에 의해 가열하고, 수지층(502 및 503)을 연화점 이상의 온도로 가열한다. 이에 의해 수지층(502 및 503)이 용해되어 개구부(159) 내로 넓어진다. 이때 개구부(159)의 단부에 의해 용해된 수지층(502 및 503)이 멈추어지고, 표면 장력에 의해 반구 형상이 된다. 용적이 큰 수지층(502)은 곡률이 큰 온 칩 렌즈(160)로 변화하고, 용적이 작은 수지층(503)은 곡률이 작은 온 칩 렌즈(161)로 변화한다(동 도면에서의 D). 이상의 공정에 의해 온 칩 렌즈(161)를 제조할 수 있다.
또한, 온 칩 렌즈(161)의 제조 방법으로서, 이른바 드라이 에칭법을 채용할 수도 있다. 이 드라이 에칭법은 반도체 기판(110)의 이면에 온 칩 렌즈(160 및 161)의 재료막을 배치하고, 이 재료막 위에 반구 형상의 레지스트를 형성한다. 다음에 이 레지스트 및 레지스트의 하층의 온 칩 렌즈 재료막을 드라이 에칭함에 의해 레지스트의 형상이 온 칩 렌즈 재료막에 전사되어, 온 칩 렌즈가 형성된다. 이 드라이 에칭법에 의해 온 칩 렌즈를 형성할 때에는 화소(100)에 온 칩 렌즈(160)를 형성함과 함께, 인접 화소(400)에도 온 칩 렌즈(160)와 같은 형상의 온 칩 렌즈를 배치한다. 그 후, 화소(100)의 온 칩 렌즈(160)를 레지스트 등에 의해 보호하면서 인접 화소(400)의 온 칩 렌즈를 연삭하여 감육(thinned)한다. 이에 의해 곡률을 작게 한 온 칩 렌즈(161)를 형성할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 개시의 제1 실시 형태의 수광 소자(2)는 화소 영역(11)에 인접하여 배치되는 인접 화소(400)에 곡률이 작은 온 칩 렌즈(161)를 배치함에 의해 화소 영역(11)의 화소(100)에의 입사광의 누설을 저감할 수 있다. 수광 소자(2)의 오동작을 막는 것이 가능해진다.
<2. 제2 실시의 형태>
상술한 제1 실시 형태의 수광 소자(2)는 인접 화소(400)에 곡률이 작은 온 칩 렌즈(161)가 배치되어 있었다. 이에 대해, 본 개시의 제2 실시 형태의 수광 소자(2)는 인접 화소(400)의 온 칩 렌즈를 생략하는 점에서 상술한 제1 실시의 형태와 다르다.
[인접 화소의 구성]
도 6은 본 개시의 제2 실시의 형태에 관한 인접 화소의 구성례를 도시하는 도면이다. 동 도면은 도 4와 마찬가지로 인접 화소(400)의 구성례를 도시하는 도면이다. 인접 화소(400)에 온 칩 렌즈(161)가 배치되지 않는 점에서 도 4의 인접 화소(400)와 다르다.
동 도면의 인접 화소(400)의 반도체 기판(110)의 이면에는 온 칩 렌즈 대신에 보호막(163)이 배치된다. 이 보호막(163)은 온 칩 렌즈와 같은 재료에 의해 구성되고, 반도체 기판(110)의 이면을 보호하는 막이다. 온 칩 렌즈가 배치되지 않기 때문에 인접 화소(400)의 입사광은 집광되지 않고, 반도체 기판(110)에 개략 수직으로 입사한다. 이 때문에 반도체 영역 차광벽(152)에 의해 반사되지 않고 반도체 기판(110)을 통과하여 배선 영역(120)에 달한다. 배선층(122)에 의해 반사된 경우에는 반사광은 인접 화소(400)에 돌아가고, 화소(100)에의 입사광을 저감할 수 있다. 또한, 보호막(163)은 곡률이 극단적으로 작은 온 칩 렌즈 또는 곡률이 0인 온 칩 렌즈라고 파악할 수 있다. 또한, 온 칩 렌즈(160)와 마찬가지로 보호막(163)의 표면에도 반사 방지막(169)을 배치할 수 있다.
이 이외의 수광 소자(2)의 구성은 본 개시의 제1 실시의 형태에서 설명한 수광 소자(2)의 구성과 마찬가지이기 때문에 설명을 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 개시의 제2 실시 형태의 수광 소자(2)는 인접 화소(400)의 온 칩 렌즈를 생략함에 의해 화소(100)에의 입사광의 누설을 더욱 저감할 수 있다. 수광 소자(2)의 오동작의 발생을 막을 수 있다.
<3. 제3 실시의 형태>
상술한 제1 실시 형태의 수광 소자(2)는 인접 화소(400)의 주위에 반도체 영역 차광벽(152)이 배치되어 있었다. 이에 대해, 본 개시의 제3 실시 형태의 수광 소자(2)는 인접 화소(400)에서의 화소(100)와의 경계에 반도체 영역 차광벽이 배치되는 점에서 상술한 제1 실시의 형태와 다르다.
[인접 화소의 구성]
도 7은 본 개시의 제3 실시의 형태에 관한 인접 화소의 구성례를 도시하는 도면이다. 동 도면은 도 4와 마찬가지로 인접 화소(400)의 구성례를 도시하는 도면이다. 온 칩 렌즈(161) 대신에 온 칩 렌즈(160)가 인접 화소(400)에 배치되고, 인접 화소(400)끼리의 경계의 반도체 영역 차광벽(152)이 생략되는 점에서 도 2의 인접 화소(400)와 다르다.
동 도면의 화소(100) 및 인접 화소(400)에는 같은 곡률의 온 칩 렌즈(160)가 배치된다. 또한, 화소(100) 및 인접 화소(400)의 경계에는 반도체 영역 차광벽(152)이 배치되고, 인접 화소(400)끼리의 경계에는 반도체 영역 차광벽이 배치되지 않는다. 즉, 인접 화소(400)에서의 화소(100)와의 경계 이외의 경계의 반도체 영역 차광벽이 생략된다. 이 때문에 동 도면의 실선의 화살표로 나타낸 바와 같이, 화소(100)와의 경계의 반도체 영역 차광벽(152)에 의해 반사된 입사광은 화소 영역(11)으로부터 멀어지는 방향으로 직진한다.
이 이외의 수광 소자(2)의 구성은 본 개시의 제1 실시의 형태에서 설명한 수광 소자(2)의 구성과 마찬가지이기 때문에 설명을 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 개시의 제3 실시 형태의 수광 소자(2)는 인접 화소(400)에서의 화소(100)와의 경계 이외의 경계의 반도체 영역 차광벽을 생략함에 의해 화소 영역(11)을 향하는 반사광을 저감할 수 있다. 수광 소자(2)의 오동작의 발생을 막을 수 있다.
<4. 제4 실시의 형태>
상술한 제1 실시 형태의 수광 소자(2)는 배선 영역(120)에 배선층(122)이 배치되어 있다. 이에 대해, 본 개시의 제4 실시 형태의 수광 소자(2)는 사이즈를 축소한 배선층을 인접 화소(400)에 배치하는 점에서 상술한 제1 실시의 형태와 다르다.
[인접 화소의 구성]
도 8은 본 개시의 제4 실시의 형태에 관한 인접 화소의 구성례를 도시하는 도면이다. 동 도면은 도 4와 마찬가지로 인접 화소(400)의 구성례를 도시하는 도면이다. 배선층(122) 대신에 배선층(126)이 배치되는 점에서 도 2의 인접 화소(400)와 다르다.
동 도면의 인접 화소(400)에는 배선층(126)이 배치된다. 이 배선층(126)은 화소(100)에 배치되는 배선층(122)과는 다른 사이즈의 배선층이다. 구체적으로는 배선층(126)은 배선층(122)보다 작은 폭으로 구성된다. 또한, 배선층(126)은 배선층(122)과 같은 두께로 구성할 수 있고, 배선층(122)과 같은 층에 배치할 수 있다. 배선층(126)의 폭을 축소함에 의해 입사광이 입사하는 면의 면적이 축소되고, 배선층(126)에 의한 반사광이 감소한다. 이 때문에 화소(100)에의 입사광의 누설도 감소한다. 한편, 배선층(126)을 인접 화소(400)의 배선 영역에 배치함에 의해 화소 영역(11)의 단부의 화소(100)의 배선 영역을 균일하게 형성할 수 있고, 보이드의 발생 등을 막을 수 있다.
동 도면은 인접 화소(400)의 배선 영역(120)의 최하층에만 배선층(126)이 배치되는 예를 도시한 것이다. 배선층(126)의 배치는 이 예로 한정되지 않는다. 예를 들면, 배선 영역(120)의 모든 층에 배선층(122)보다 작은 폭의 배선층(126)을 배치할 수도 있다.
또한, 인접 화소(400)의 구성은 이 예로 한정되지 않는다. 예를 들면, 화소(100)의 배선층(122)과 비교하여 인접 화소(400)에 배치되는 배선층을 삭감할 수도 있다. 또한, 인접 화소(400)의 배선층을 생략할 수도 있다.
이 이외의 수광 소자(2)의 구성은 본 개시의 제1 실시의 형태에서 설명한 수광 소자(2)의 구성과 마찬가지이기 때문에 설명을 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 개시의 제4 실시 형태의 수광 소자(2)는 화소(100)의 배선층(122)보다 작은 폭의 배선층(126)을 인접 화소(400)에 배치함에 의해 화소(100)에의 입사광의 누설을 저감할 수 있다. 수광 소자(2)의 오동작의 발생을 막을 수 있다.
<5. 제5 실시의 형태>
상술한 제1 실시 형태의 수광 소자(2)는 배선 영역(120)에 배선층(122)이 배치되어 있었다. 이에 대해, 본 개시의 제5 실시 형태의 수광 소자(2)는 반도체 기판(110)을 덮는 형상의 배선층을 인접 화소(400)에 배치하는 점에서 상술한 제1 실시의 형태와 다르다.
[인접 화소의 구성]
도 9는 본 개시의 제5 실시의 형태에 관한 인접 화소의 구성례를 도시하는 도면이다. 동 도면은 도 4와 마찬가지로 인접 화소(400)의 구성례를 도시하는 도면이다. 배선층(127)이 배치되는 점에서 도 2의 인접 화소(400)와 다르다.
동 도면의 인접 화소(400)에는 배선층(127)이 배치된다. 이 배선층(127)은 화소(100)의 배선층(122)과는 다른 사이즈의 배선층이고, 인접 화소(400)에서의 반도체 기판(110)을 덮는 형상으로 구성되는 배선층이다. 이 배선층(127)을 배치함에 의해 반도체 기판(110)의 표면측이 차광되고, 화소(100)에의 입사광의 누설을 저감할 수 있다. 배선층(127)을 반도체 기판(110)에 근접하여 배치함에 의해 차광의 효과를 향상시킬 수 있다. 동 도면은 배선층(127)을 화소(100)의 배선층(122)과 같은 층에 배치하는 경우의 예를 기재한 것이지만, 배선층(127)을 배선층(122)과는 다른 위치에 배치할 수도 있다. 예를 들면, 배선층(127)을 반도체 기판(110)에 인접하는 위치에 배치할 수도 있다. 또한, 배선층(127)은 특허 청구의 범위에 기재된 차광 배선의 한 예이다.
또한, 인접 화소(400)의 구성은 이 예로 한정되지 않는다. 예를 들면, 배선층(122)보다 큰 폭의 배선층을 인접 화소(400)에 배치할 수도 있다. 이 큰 폭의 배선층(122)을 반도체 기판(110)의 표면측에 배치함에 의해 인접 화소(400)에서의 입사광의 배선 영역(120)에의 입사를 저감할 수 있다.
또한, 배선층(127) 대신에 반도체 기판(110)을 덮는 형상의 콘택트 플러그를 인접 화소(400)에 배치할 수도 있다. 구체적으로는 콘택트 플러그(123)와 같은 재료를 사용하여 콘택트 플러그(123)와 동시에 형성되는 콘택트 플러그 형상의 차광막을 배치하여 차광할 수도 있다.
이 이외의 수광 소자(2)의 구성은 본 개시의 제1 실시의 형태에서 설명한 수광 소자(2)의 구성과 마찬가지이기 때문에 설명을 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 개시의 제5 실시 형태의 수광 소자(2)는 배선층(127)을 인접 화소(400)에 배치하여 반도체 기판(110)의 표면측을 차광함에 의해 화소(100)에의 입사광의 누설을 저감할 수 있다. 수광 소자(2)의 오동작의 발생을 막을 수 있다.
<6. 제6 실시의 형태>
상술한 제5 실시 형태의 수광 소자(2)는 배선 영역(120)에 배선층(127)이 배치되어 있었다. 이에 대해, 본 개시의 제6 실시 형태의 수광 소자(2)는 배선층(127) 및 반도체 기판(110) 사이에 배치되는 벽형상의 벽부를 또한 구비하는 점에서 상술한 제5 실시의 형태와 다르다.
[인접 화소의 구성]
도 10은 본 개시의 제6 실시의 형태에 관한 인접 화소의 구성례를 도시하는 도면이다. 동 도면은 도 9와 마찬가지로 인접 화소(400)의 구성례를 도시하는 도면이다. 벽부(128)가 또한 배치되는 점에서 도 9의 인접 화소(400)와 다르다.
벽부(128)는 벽형상으로 구성되어 입사광을 차광하는 것이다. 이 벽부(128)는 화소(100) 및 인접 화소(400)의 경계에서의 배선층(127) 및 반도체 기판(110)의 표면 사이에 배치된다. 벽부(128)는 W 등의 금속에 의해 구성할 수 있고, 콘택트 플러그(123)와 동시에 형성할 수 있다. 벽부(128)를 배치함에 의해 배선층(127)과 반도체 기판(110)의 표면 사이의 간극이 차광되고, 화소(100)에의 입사광의 누설을 더욱 저감할 수 있다.
이 이외의 수광 소자(2)의 구성은 본 개시의 제5 실시의 형태에서 설명한 수광 소자(2)의 구성과 마찬가지이기 때문에 설명을 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 개시의 제6 실시 형태의 수광 소자(2)는 벽부(128)를 또한 배치하여 배선층(127) 및 반도체 기판(110) 사이를 차광함에 의해 화소(100)에의 입사광의 누설을 더욱 저감할 수 있다. 수광 소자(2)의 오동작의 발생을 막을 수 있다.
<7. 제7 실시의 형태>
상술한 제1 실시 형태의 수광 소자(2)는 화소(100) 및 인접 화소(400)의 경계의 반도체 기판(110)에 반도체 영역 차광벽(152)이 배치되어 있었다. 이에 대해, 본 개시의 제7 실시 형태의 수광 소자(2)는 화소(100) 및 인접 화소(400)의 경계의 배선 영역(120)에도 차광벽이 배치되는 점에서 상술한 제1 실시의 형태와 다르다.
[인접 화소의 구성]
도 11은 본 개시의 제7 실시의 형태에 관한 인접 화소의 구성례를 도시하는 도면이다. 동 도면은 도 4와 마찬가지로 인접 화소(400)의 구성례를 도시하는 도면이다. 배선 영역(120)에 배선 영역 차광벽(420)이 또한 배치되는 점에서 도 4의 인접 화소(400)와 다르다.
배선 영역 차광벽(420)은 벽형상으로 구성되어 입사광을 차광하는 것이다. 이 배선 영역 차광벽(420)은 화소(100) 및 인접 화소(400)의 경계에 배치되는 다층으로 배치된 배선층(122)과 이들 배선층(122)의 층 사이에 배치되는 벽형상의 벽부인 층 사이 벽부(129)에 의해 구성할 수 있다. 층 사이 벽부(129)는 Cu 등의 금속에 의해 구성할 수 있고, 비아 플러그(124)와 동시에 형성할 수 있다. 또한, 반도체 기판(110)의 표면과 배선층(122) 사이에는 도 10에서 설명한 벽부(128)를 배치할 수 있다. 배선 영역 차광벽(420)을 배치함에 의해 화소(100) 및 인접 화소(400)의 경계의 배선 영역(120)이 차광되고, 화소(100)에의 입사광의 누설을 저감할 수 있다.
또한, 배선 영역 차광벽(420)의 구성은 이 예로 한정되지 않는다. 예를 들면, 화소(100) 및 인접 화소(400)의 경계에 배치된 배선층(122) 및 벽부(128)에 의해 배선 영역 차광벽(420)을 구성할 수도 있다. 또한, 동 도면은 인접 화소(400)의 개념적인 구성을 도시한 것이고, 도 3에서 설명한 배선 영역(140)에 배선 영역 차광벽(420)을 확장할 수 있는 것은 물론이다. 이 경우, 패드(125 및 145)를 화소(100) 및 인접 화소(400)의 경계에 배치할 수 있다.
이 이외의 수광 소자(2)의 구성은 본 개시의 제1 실시의 형태에서 설명한 수광 소자(2)의 구성과 마찬가지이기 때문에 설명을 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 개시의 제7 실시 형태의 수광 소자(2)는 배선 영역(120)에 배선 영역 차광벽(420)을 또한 배치하여 화소(100)와의 경계를 차광함에 의해 화소(100)에의 입사광의 누설을 더욱 저감할 수 있다. 수광 소자(2)의 오동작의 발생을 막을 수 있다.
<8. 제8 실시의 형태>
상술한 실시 형태의 화소 어레이부(10)에 배치되는 화소(100)의 회로 구성에 관해 설명한다.
[화소의 구성]
도 12는 본 개시의 실시의 형태에 관한 화소의 구성례를 도시하는 회로도이다. 동 도면은 도 1에서 설명한 화소(100)의 구성례를 도시하는 회로도이다. 동 도면의 화소(100)는 SPAD(101)와, 저항(102)과, 반전 버퍼(103)를 구비한다. 또한, 동 도면의 신호선(21)은 SPAD(101)의 항복 전압을 인가하는 신호선(Vbd) 및 SPAD(101)의 항복 상태를 검출하기 위한 전원을 공급하는 신호선(Vd)에 의해 구성된다.
SPAD(101)의 애노드는 신호선(Vbd)에 접속된다. SPAD(101) 캐소드는 저항(102)의 일단 및 반전 버퍼(103)의 입력에 접속된다. 저항(102)의 다른 일단은 신호선(Vd)에 접속된다. 반전 버퍼(103)의 출력은 신호선(31)에 접속된다.
동 도면의 SPAD(101)는 신호선(Vbd) 및 신호선(Vd)에 의해 역 바이어스 전압이 인가된다.
저항(102)은 퀀칭(quenting)을 행하기 위한 저항이다. 이 퀀칭은 항복 상태가 된 SPAD(101)를 정상 상태로 복귀시키는 처리이다. 광의 입사에 기인하는 증배 작용에 의해 SPAD(101)가 항복 상태가 되면 SPAD(101)에 급격한 역방향 전류가 흐른다. 이 역방향 전류에 의해 저항(102)의 단자 전압이 증가한다. 저항(102)은 SPAD(101)와 직렬로 접속되어 있기 때문에 저항(102)에 의해 전압 강하가 생겨서 SPAD(101)의 단자 전압이 항복 상태를 유지 가능한 전압보다도 낮아진다. 이에 의해 SPAD(101)를 항복 상태로부터 정상 상태로 복귀시킬 수 있다. 또한, 저항(102) 대신에, MOS 트랜지스터에 의한 정전류 회로를 사용할 수도 있다.
반전 버퍼(103)는 SPAD(101)의 항복 상태로의 천이 및 복귀에 의거하는 펄스 신호를 정형하는 버퍼이다. 이 반전 버퍼(103)에 의해 조사된 광에 응하여 SPAD(101)에 흐르는 전류에 의거하는 수광 신호가 생성되어 신호선(31)에 출력된다.
<9. 제9 실시의 형태>
상술한 실시 형태의 수광 소자(2)가 배치되어 대상물까지의 거리를 측정하는 거리 측정 장치(1)의 구성에 관해 설명한다.
[거리 측정 장치의 구성]
도 13은 본 개시의 실시의 형태에 관한 거리 측정 장치의 구성례를 도시하는 도면이다. 동 도면은 도 1에서 설명한 수광 소자(2)를 사용하는 거리 측정 장치(1)의 구성례를 도시하는 블록도이다. 동 도면의 거리 측정 장치(1)는 수광 소자(2)와, 제어부(3)와, 광원 장치(4)와, 렌즈(5)를 구비한다. 또한, 동 도면에는 거리 측정의 대상물(601)을 기재하였다.
광원 장치(4)는 거리 측정의 대상물에 광을 출사하는 것이다. 이 광원 장치(4)는 예를 들면, 적외광을 출사하는 레이저 광원을 사용할 수 있다.
제어부(3)는 거리 측정 장치(1)의 전체를 제어하는 것이다. 구체적으로는 제어부(3)는 광원 장치(4)를 제어하여 출사광(602)을 대상물(601)에 출사시킴과 함께, 당해 출사의 시작을 수광 소자(2)에 대해 통지한다. 출사광(602)의 출사가 통지된 수광 소자(2)는 대상물(601)로부터의 반사광(603)을 검출하여 출사광(602)의 출사로부터 반사광(603)의 검출까지의 시간을 계측하고, 대상물(601)까지의 거리를 측정한다. 이 측정된 거리는 거리 데이터로서 거리 측정 장치(1)의 외부에 출력된다.
또한, 제1 실시 형태의 구성은 다른 실시 형태의 수광 소자(2)에 조합시켜도 좋다. 구체적으로는 도 4의 온 칩 렌즈(161)는 도 7 내지 11의 수광 소자(2)에 적용할 수 있다.
또한, 제2 실시 형태의 구성은 다른 실시 형태의 수광 소자(2)에 조합시켜도 좋다. 구체적으로는 도 6의 보호막(163)은 도 7 내지 11의 수광 소자(2)에 적용할 수 있다.
또한, 제3 실시 형태의 구성은 다른 실시 형태의 수광 소자(2)에 조합시켜도 좋다. 구체적으로는 도 4, 6 및 8 내지 11의 수광 소자(2)에서 인접 화소(400)에서의 화소(100)와의 경계 이외의 경계의 반도체 영역 차광벽을 생략할 수 있다.
또한, 제4 실시 형태의 구성은 다른 실시 형태의 수광 소자(2)에 조합시켜도 좋다. 구체적으로는 도 8의 배선층(126)은 도 4, 6, 7 및 11의 수광 소자(2)에 적용할 수 있다.
또한, 제5 실시 형태의 구성은 다른 실시 형태의 수광 소자(2)에 조합시켜도 좋다. 구체적으로는 도 9의 배선층(127)은 도 4, 6, 7 및 11의 수광 소자(2)에 적용할 수 있다.
또한, 제7 실시 형태의 구성은 다른 실시 형태의 수광 소자(2)에 조합시켜도 좋다. 구체적으로는 도 11의 배선 영역 차광벽(420)은 도 4 및 6 내지 10의 수광 소자(2)에 적용할 수 있다.
마지막으로, 상술한 각 실시 형태의 설명은 본 개시의 한 예이고, 본 개시는 상술한 실시의 형태로 한정되는 일은 없다. 이 때문에 상술한 각 실시의 형태 이외라도, 본 개시에 관한 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위라면 설계 등에 응하여 여러 가지 변경이 가능한 것은 물론이다.
또한, 본 명세서에 기재된 효과는 어디까지나 예시로서 한정되는 것이 아니다. 또한, 다른 효과가 있어도 좋다.
또한, 상술한 실시의 형태에서의 도면은 모식적인 것이고, 각 부의 치수의 비율 등은 현실의 것과는 반드시는 일치하지 않는다. 또한, 도면 상호간에서도 서로의 치수의 관계나 비율이 다른 부분이 포함되는 것은 물론이다.
또한, 본 기술은 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
(1) 입사광의 광전 변환에 의해 생성된 전하를 높은 역 바이어스 전압에 의해 증배하는 반도체 기판에 형성되는 포토 다이오드, 상기 입사광을 상기 포토 다이오드에 집광하는 온 칩 렌즈 및 상기 포토 다이오드에 접속되는 배선층 및 당해 배선층을 절연하는 절연층을 갖는 배선 영역을 구비하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과,
상기 화소 영역에 인접하여 배치되어 상기 포토 다이오드, 상기 온 칩 렌즈와는 다른 곡률의 온 칩 렌즈 및 상기 배선 영역을 구비하는 인접 화소를 구비하는 수광 소자.
(2) 상기 인접 화소는 상기 화소의 온 칩 렌즈보다 작은 곡률의 온 칩 렌즈가 배치되는 상기 (1)에 기재된 수광 소자.
(3) 입사광의 광전 변환에 의해 생성된 전하를 높은 역 바이어스 전압에 의해 증배하는 반도체 기판에 형성되는 포토 다이오드, 상기 입사광을 상기 포토 다이오드에 집광하는 온 칩 렌즈 및 상기 포토 다이오드에 접속되는 배선층 및 당해 배선층을 절연하는 절연층을 갖는 배선 영역을 구비하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과,
상기 화소 영역에 인접하여 배치되어 상기 포토 다이오드, 상기 배선 영역 및 인접하는 상기 화소와의 경계의 상기 반도체 기판에 형성되어 상기 입사광을 차광하는 반도체 영역 차광벽을 구비하는 인접 화소를 구비하는 수광 소자.
(4) 상기 인접 화소는 상기 화소와의 경계와는 다른 경계에는 상기 반도체 영역 차광벽이 형성되지 않는 상기 (3)에 기재된 수광 소자.
(5) 상기 반도체 영역 차광벽은 상기 반도체 기판에 형성된 홈에 상기 입사광을 차광하는 재료를 배치함에 의해 형성되는 상기 (3) 또는 (4)에 기재된 수광 소자.
(6) 입사광의 광전 변환에 의해 생성된 전하를 높은 역 바이어스 전압에 의해 증배하는 반도체 기판에 형성되는 포토 다이오드, 상기 입사광을 상기 포토 다이오드에 집광하는 온 칩 렌즈 및 상기 포토 다이오드에 접속되는 배선층 및 당해 배선층을 절연하는 절연층을 갖는 배선 영역을 구비하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과,
상기 화소 영역에 인접하여 배치되어 상기 포토 다이오드 및 상기 배선층을 갖지 않는 상기 배선 영역을 구비하는 인접 화소를 구비하는 수광 소자.
(7) 입사광의 광전 변환에 의해 생성된 전하를 높은 역 바이어스 전압에 의해 증배하는 반도체 기판에 형성되는 포토 다이오드, 상기 입사광을 상기 포토 다이오드에 집광하는 온 칩 렌즈 및 상기 포토 다이오드에 접속되는 배선층 및 당해 배선층을 절연하는 절연층을 갖는 배선 영역을 구비하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과,
상기 화소 영역에 인접하여 배치되어 상기 포토 다이오드 및 상기 배선층과 같은 층에 배치됨과 함께 다른 사이즈로 구성되는 배선층을 갖는 상기 배선 영역을 구비하는 인접 화소를 구비하는 수광 소자.
(8) 상기 인접 화소는 상기 화소의 배선층보다 작은 폭의 상기 배선층을 갖는 상기 배선 영역을 구비하는 상기 (7)에 기재된 수광 소자.
(9) 상기 인접 화소는 상기 반도체 기판을 덮는 형상으로 구성되는 상기 배선층인 차광 배선을 갖는 상기 배선 영역을 구비하는 상기 (7)에 기재된 수광 소자.
(10) 상기 인접 화소는 인접하는 상기 화소와의 경계에서의 상기 차광 배선 및 상기 반도체 기판 사이에 배치되는 벽형상의 벽부를 또한 구비하는 상기 (9)에 기재된 수광 소자.
(11) 상기 인접 화소는 상기 화소의 배선층보다 큰 폭의 상기 배선층을 갖는 상기 배선 영역을 구비하는 상기 (7)에 기재된 수광 소자.
(12) 입사광의 광전 변환에 의해 생성된 전하를 높은 역 바이어스 전압에 의해 증배하는 반도체 기판에 형성되는 포토 다이오드, 상기 입사광을 상기 포토 다이오드에 집광하는 온 칩 렌즈 및 상기 포토 다이오드에 접속되는 배선층 및 당해 배선층을 절연하는 절연층을 갖는 배선 영역을 구비하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과,
상기 화소 영역에 인접하여 배치되어 상기 포토 다이오드, 상기 배선 영역 및 인접하는 상기 화소와의 경계의 상기 배선 영역에 배치되어 상기 입사광을 차광하는 배선 영역 차광벽을 구비하는 인접 화소를 구비하는 수광 소자.
(13) 상기 배선 영역 차광벽은 인접하는 상기 화소와의 경계에 배치되는 상기 배선층과 당해 배선층 및 상기 반도체 기판 사이에 인접하여 배치되는 벽형상의 벽부에 의해 구성되는 상기 (12)에 기재된 수광 소자.
(14) 상기 배선 영역 차광벽은 인접하는 상기 화소와의 경계에서 다층으로 배치되는 복수의 상기 배선층 및 당해 복수의 배선층의 층 사이에 배치되는 벽형상의 층 사이 벽부에 의해 구성되는 상기 (12) 또는 (13)에 기재된 수광 소자.
(15) 광원 장치로부터 출사되어 대상물로부터 반사된 광인 입사광의 광전 변환에 의해 생성된 전하를 높은 역 바이어스 전압에 의해 증배하는 반도체 기판에 형성되는 포토 다이오드, 상기 입사광을 상기 포토 다이오드에 집광하는 온 칩 렌즈 및 상기 포토 다이오드에 접속되는 배선층 및 당해 배선층을 절연하는 절연층을 갖는 배선 영역을 구비하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과,
상기 화소 영역에 인접하여 배치되어 상기 포토 다이오드, 상기 온 칩 렌즈와는 다른 곡률의 온 칩 렌즈 및 상기 배선 영역을 구비하는 인접 화소와,
상기 광원 장치로부터의 광의 출사로부터 상기 화소의 배선층에 의해 전달되는 상기 포토 다이오드를 흐르는 전류에 의거하는 신호의 검출까지를 계시함에 의해 상기 대상물까지의 거리를 검출하는 처리 회로를 구비하는 거리 측정 장치.
첨부된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범위 내에 있는 한 설계 요건 및 기타 요인에 따라 다양한 수정, 조합, 하위 조합 및 변경이 발생할 수 있음을 당업자는 이해해야 한다.
1: 거리 측정 장치 2: 수광 소자
10: 화소 어레이부 11: 화소 영역
30: 수광 신호 처리부 100: 화소
101: SPAD 110, 130: 반도체 기판
120, 140: 배선 영역 121, 141: 절연층
122, 126, 127, 142: 배선층 123: 콘택트 플러그
124, 143: 비아 플러그 125, 145: 패드
128: 벽부 129: 층 사이 벽부
150: 홈부 151: 절연막
152: 반도체 영역 차광벽 159: 개구부
160, 161: 온 칩 렌즈 163: 보호막
169: 반사 방지막 400: 인접 화소
420: 배선 영역 차광벽

Claims (15)

  1. 입사광의 광전 변환에 의해 생성된 전하를 높은 역 바이어스 전압에 의해 증배하는 반도체 기판에 형성되는 포토 다이오드, 상기 입사광을 상기 포토 다이오드에 집광하는 온 칩 렌즈 및 상기 포토 다이오드에 접속되는 배선층 및 당해 배선층을 절연하는 절연층을 갖는 배선 영역을 구비하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과,
    상기 화소 영역에 인접하여 배치되어 상기 포토 다이오드, 상기 온 칩 렌즈와는 다른 곡률의 온 칩 렌즈 및 상기 배선 영역을 구비하는 인접 화소를 구비하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인접 화소는 상기 화소의 온 칩 렌즈보다 작은 곡률의 온 칩 렌즈가 배치되는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  3. 입사광의 광전 변환에 의해 생성된 전하를 높은 역 바이어스 전압에 의해 증배하는 반도체 기판에 형성되는 포토 다이오드, 상기 입사광을 상기 포토 다이오드에 집광하는 온 칩 렌즈 및 상기 포토 다이오드에 접속되는 배선층 및 당해 배선층을 절연하는 절연층을 갖는 배선 영역을 구비하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과,
    상기 화소 영역에 인접하여 배치되어 상기 포토 다이오드, 상기 배선 영역 및 인접하는 상기 화소와의 경계의 상기 반도체 기판에 형성되어 상기 입사광을 차광하는 반도체 영역 차광벽을 구비하는 인접 화소를 구비하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 인접 화소는 상기 화소와의 경계와는 다른 경계에는 상기 반도체 영역 차광벽이 형성되지 않는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 반도체 영역 차광벽은 상기 반도체 기판에 형성된 홈에 상기 입사광을 차광하는 재료를 배치함에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  6. 입사광의 광전 변환에 의해 생성된 전하를 높은 역 바이어스 전압에 의해 증배하는 반도체 기판에 형성되는 포토 다이오드, 상기 입사광을 상기 포토 다이오드에 집광하는 온 칩 렌즈 및 상기 포토 다이오드에 접속되는 배선층 및 당해 배선층을 절연하는 절연층을 갖는 배선 영역을 구비하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과,
    상기 화소 영역에 인접하여 배치되어 상기 포토 다이오드 및 상기 배선층을 갖지 않는 상기 배선 영역을 구비하는 인접 화소를 구비하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  7. 입사광의 광전 변환에 의해 생성된 전하를 높은 역 바이어스 전압에 의해 증배하는 반도체 기판에 형성되는 포토 다이오드, 상기 입사광을 상기 포토 다이오드에 집광하는 온 칩 렌즈 및 상기 포토 다이오드에 접속되는 배선층 및 당해 배선층을 절연하는 절연층을 갖는 배선 영역을 구비하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과,
    상기 화소 영역에 인접하여 배치되어 상기 포토 다이오드 및 상기 배선층과 같은 층에 배치됨과 함께 다른 사이즈로 구성되는 배선층을 갖는 상기 배선 영역을 구비하는 인접 화소를 구비하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인접 화소는 상기 화소의 배선층보다 작은 폭의 상기 배선층을 갖는 상기 배선 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 인접 화소는 상기 반도체 기판을 덮는 형상으로 구성되는 상기 배선층인 차광 배선을 갖는 상기 배선 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 인접 화소는 인접하는 상기 화소와의 경계에서의 상기 차광 배선 및 상기 반도체 기판 사이에 배치되는 벽형상의 벽부를 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 인접 화소는 상기 화소의 배선층보다 큰 폭의 상기 배선층을 갖는 상기 배선 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  12. 입사광의 광전 변환에 의해 생성된 전하를 높은 역 바이어스 전압에 의해 증배하는 반도체 기판에 형성되는 포토 다이오드, 상기 입사광을 상기 포토 다이오드에 집광하는 온 칩 렌즈 및 상기 포토 다이오드에 접속되는 배선층 및 당해 배선층을 절연하는 절연층을 갖는 배선 영역을 구비하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과,
    상기 화소 영역에 인접하여 배치되어 상기 포토 다이오드, 상기 배선 영역 및 인접하는 상기 화소와의 경계의 상기 배선 영역에 배치되어 상기 입사광을 차광하는 배선 영역 차광벽을 구비하는 인접 화소를 구비하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 배선 영역 차광벽은 인접하는 상기 화소와의 경계에 배치되는 상기 배선층과 당해 배선층 및 상기 반도체 기판 사이에 인접하여 배치되는 벽형상의 벽부에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 배선 영역 차광벽은 인접하는 상기 화소와의 경계에서 다층으로 배치되는 복수의 상기 배선층 및 당해 복수의 배선층의 층 사이에 배치되는 벽형상의 층 사이 벽부에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  15. 광원 장치로부터 출사되어 대상물로부터 반사된 광인 입사광의 광전 변환에 의해 생성된 전하를 높은 역 바이어스 전압에 의해 증배하는 반도체 기판에 형성되는 포토 다이오드, 상기 입사광을 상기 포토 다이오드에 집광하는 온 칩 렌즈 및 상기 포토 다이오드에 접속되는 배선층 및 당해 배선층을 절연하는 절연층을 갖는 배선 영역을 구비하는 복수의 화소가 배치되는 화소 영역과,
    상기 화소 영역에 인접하여 배치되어 상기 포토 다이오드, 상기 온 칩 렌즈와는 다른 곡률의 온 칩 렌즈 및 상기 배선 영역을 구비하는 인접 화소와,
    상기 광원 장치로부터의 광의 출사로부터 상기 화소의 배선층에 의해 전달되는 상기 포토 다이오드를 흐르는 전류에 의거하는 신호의 검출까지를 계시함에 의해 상기 대상물까지의 거리를 검출하는 처리 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
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