KR20220133873A - 촬상 소자, 촬상 장치, 거리 측정 장치 - Google Patents

촬상 소자, 촬상 장치, 거리 측정 장치 Download PDF

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KR20220133873A
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히데키 아라이
유스케 오타케
타쿠로 무라세
타케시 야마자키
타이스케 스와
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소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤
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Abstract

본 기술은, 노이즈를 저감한 촬영을 행할 수 있게 하는 촬상 소자, 촬상 장치, 거리 측정 장치에 관한 것이다. 광전 변환을 행하는 광전 변환부와, 광전 변환부에 의해 얻어진 전하를 축적하는 전하 축적부와, 광전 변환부로부터 전하 축적부에 전하를 전송하는 전송부와, 전하 축적부를 리셋하는 리셋부와, 리셋부에 인가되는 전압의 제어를 행하는 리셋 전압 제어부와, 전하 축적부에의 용량의 부가를 제어하는 부가 제어부를 구비하고, 전하 축적부는, 복수의 영역으로 구성되어 있다. 본 기술은, 예를 들어 화상을 촬영하는 촬상 장치나, 거리 측정을 행하는 거리 측정 장치에 적용할 수 있다.

Description

촬상 소자, 촬상 장치, 거리 측정 장치
본 기술은 촬상 소자, 촬상 장치, 거리 측정 장치에 관한 것으로, 예를 들면, 노이즈를 저감하도록 한 촬상 소자, 촬상 장치, 거리 측정 장치에 관한 것이다.
종래, 디지털 스틸 카메라나 디지털 비디오 카메라 등의 촬상 기능을 구비한 전자 기기에서는, 예를 들면, CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서 등의 촬상 소자가 사용되고 있다.
촬상 소자는, 광전 변환을 행하는 PD(photodiode: 포토 다이오드)와 복수의 트랜지스터가 조합된 화소를 가지고 있고, 평면적으로 배치된 복수의 화소로부터 출력되는 화소 신호에 의거하여 화상이 구축된다. 또한, 화소로부터 출력되는 화소 신호는, 예를 들면, 화소의 열마다 배치된 복수의 AD(Analog to Digital) 변환기에 의해 병렬적으로 AD 변환되어 출력된다.
특허 문헌 1에서는, 화소마다의 kTC 노이즈를 포함하여 캔슬을 실시하기 위한 수법으로서, 노광 시작의 전후에 2번의 판독을 실시하는 것이 제안되어 있다. 이 제안에서는, 우선 노광 시작 전에 리셋이 걸어지고, 화소마다의 리셋 신호가, 전 유효 화소에 대해 취득되고, 디지털 데이터로서 메모리 등에 보존된다. 노광 완료 후에 취득된 축적 신호로부터, 그것들이 공제되어 CDS가 실시된다.
특허 문헌 1: 특개2004-140149호 공보
촬상 소자에서, kTC 노이즈 등의 노이즈의 더한층의 저감이 요구되고 있다.
본 기술은, 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 노이즈를 저감할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 한 측면의 제1 촬상 소자는, 광전 변환을 행하는 광전 변환부와, 상기 광전 변환부에 의해 얻어진 전하를 축적하는 전하 축적부와, 상기 광전 변환부로부터 상기 전하 축적부에 전하를 전송하는 전송부와, 상기 전하 축적부를 리셋하는 리셋부와, 상기 리셋부에 인가되는 전압의 제어를 행하는 리셋 전압 제어부와, 상기 전하 축적부에의 용량의 부가를 제어하는 부가 제어부를 구비하고, 상기 전하 축적부는, 복수의 영역으로 구성되어 있다.
본 발명의 한 측면의 제2 촬상 소자는, 광전 변환을 행하는 광전 변환부와, 상기 광전 변환부에 의해 얻어진 전하를 축적하는 복수의 전하 축적부와, 상기 광전 변환부로부터 상기 복수의 전하 축적부의 각각에 전하를 전송하는 복수의 전송부와, 상기 복수의 전하 축적부의 각각을 리셋하는 복수의 리셋부와, 상기 복수의 리셋부에 각각 인가되는 전압의 제어를 행하는 복수의 리셋 전압 제어부와, 상기 복수의 전하 축적부에의 용량의 부가를 각각 제어하는 복수의 부가 제어부를 구비하고, 상기 복수의 전하 축적부의 각각의 전하 축적부는, 복수의 영역으로 구성되어 있다.
본 발명의 한 측면의 촬상 장치는, 광전 변환을 행하는 광전 변환부와, 상기 광전 변환부에 의해 얻어진 전하를 축적하는 전하 축적부와, 상기 광전 변환부로부터 상기 전하 축적부에 전하를 전송하는 전송부와, 상기 전하 축적부를 리셋하는 리셋부와, 상기 리셋부에 인가되는 전압의 제어를 행하는 리셋 전압 제어부와, 상기 전하 축적부에의 용량의 부가를 제어하는 부가 제어부를 구비하고, 상기 전하 축적부는, 복수의 영역으로 구성되어 있는 촬상 소자와, 상기 촬상 소자로부터의 신호를 처리하는 처리부를 구비한다.
본 발명의 한 측면의 거리 측정 장치는, 조사광을 발광하는 발광부와, 상기 발광부로부터의 광이 물체에 반사된 반사광을 수광하는 수광 소자를 구비하고, 상기 수광 소자는, 광전 변환을 행하는 광전 변환부와, 상기 광전 변환부에 의해 얻어진 전하를 축적하는 복수의 전하 축적부와, 상기 광전 변환부로부터 상기 복수의 전하 축적부의 각각에 전하를 전송하는 복수의 전송부와, 상기 복수의 전하 축적부의 각각을 리셋하는 복수의 리셋부와, 상기 복수의 리셋부에 각각 인가되는 전압의 제어를 행하는 복수의 리셋 전압 제어부와, 상기 복수의 전하 축적부에의 용량의 부가를 각각 제어하는 복수의 부가 제어부를 구비하고, 상기 복수의 전하 축적부의 각각의 전하 축적부는, 복수의 영역으로 구성되어 있다.
본 발명의 한 측면의 제1 촬상 소자에서는, 광전 변환을 행하는 광전 변환부와, 광전 변환부에 의해 얻어진 전하를 축적하는 전하 축적부와, 광전 변환부로부터 전하 축적부에 전하를 전송하는 전송부와, 전하 축적부를 리셋하는 리셋부와, 리셋부에 인가되는 전압의 제어를 행하는 리셋 전압 제어부와, 전하 축적부에의 용량의 부가를 제어하는 부가 제어부가 구비되어 있다. 또한 전하 축적부는, 복수의 영역으로 구성되어 있다.
본 발명의 한 측면의 제2 촬상 소자에서는, 광전 변환을 행하는 광전 변환부와, 광전 변환부에 의해 얻어진 전하를 축적하는 복수의 전하 축적부와, 광전 변환부로부터 복수의 전하 축적부의 각각에 전하를 전송하는 복수의 전송부와, 복수의 전하 축적부의 각각을 리셋하는 복수의 리셋부와, 복수의 리셋부에 각각 인가되는 전압의 제어를 행하는 복수의 리셋 전압 제어부와, 복수의 전하 축적부에의 용량의 부가를 각각 제어하는 복수의 부가 제어부가 구비되어 있다. 복수의 전하 축적부의 각각의 전하 축적부는, 복수의 영역으로 구성되어 있다.
본 발명의 한 측면의 촬상 장치에서는, 상기 제1 촬상 소자가 구비된 구성으로 되어 있다.
본 발명의 한 측면의 거리 측정 장치에서는, 상기 제2 촬상 소자가 구비된 구성으로 되어 있다.
또한, 촬상 장치나 거리 측정 장치는, 독립된 장치라도 좋고, 하나의 장치를 구성하고 있는 내부 블록이라도 좋다.
도 1은 본 기술을 적용한 촬상 장치의 한 실시의 형태에서의 구성을 도시하는 도면.
도 2는 화소의 회로 구성례를 도시하는 도면.
도 3은 화소의 평면 구성례를 도시하는 도면.
도 4는 복수의 화소의 평면 구성례를 도시하는 도면.
도 5는 거리 측정 장치의 한 실시의 형태의 구성을 도시하는 도면.
도 6은 수광부의 구성례를 도시하는 도면.
도 7은 화소의 회로 구성례를 도시하는 도면.
도 8은 화소에서의 전하의 배분을 설명하는 도면.
도 9는 신호의 판독에 관해 설명하기 위한 도면.
도 10은 제2 실시의 형태에서의 화소의 다른 평면 구성례를 도시하는 도면.
도 11은 화소의 단면 구성례를 도시하는 도면.
도 12는 화소의 배선의 배치례를 도시하는 도면.
도 13은 화소의 배선의 배치례를 도시하는 도면.
도 14는 제3 실시의 형태에서의 화소의 평면 구성례를 도시하는 도면.
도 15는 제4 실시의 형태에서의 화소의 평면 구성례를 도시하는 도면.
도 16은 화소의 평면 구성례를 도시하는 도면.
도 17은 제5 실시의 형태에서의 화소의 평면 구성례를 도시하는 도면.
도 18은 제6 실시의 형태에서의 화소의 평면 구성례를 도시하는 도면.
도 19는 제7 실시의 형태에서의 화소의 평면 구성례를 도시하는 도면.
도 20은 제8 실시의 형태에서의 화소의 평면 구성례를 도시하는 도면.
도 21은 제9 실시의 형태에서의 화소의 평면 구성례를 도시하는 도면.
도 22는 게이트의 형상에 관해 설명하기 위한 도면.
도 23은 게이트의 형상에 관해 설명하기 위한 도면.
도 24는 전하의 전송 방향에 관해 설명하기 위한 도면.
도 25는 화소의 단면 구성례를 도시하는 도면.
도 26은 제10 실시의 형태에서의 화소의 평면 구성례를 도시하는 도면.
도 27은 제10 실시의 형태에서의 화소의 단면 구성례를 도시하는 도면.
도 28은 제11 실시의 형태에서의 화소의 평면 구성례를 도시하는 도면.
도 29는 제11 실시의 형태에서의 화소의 다른 평면 구성례를 도시하는 도면.
도 30은 제11 실시의 형태에서의 화소의 단면 구성례를 도시하는 도면.
도 31은 종형 게이트의 형성시의 지름의 크기에 관해 설명하기 위한 도면.
도 32는 제11 실시의 형태에서의 화소의 평면 구성례를 도시하는 도면.
도 33은 제11 실시의 형태에서의 화소의 단면 구성례를 도시하는 도면.
도 34는 제11 실시의 형태에서의 화소의 다른 평면 구성례를 도시하는 도면.
도 35는 제11 실시의 형태에서의 화소의 다른 단면 구성례를 도시하는 도면.
도 36은 제12 실시의 형태에서의 화소의 평면 구성례를 도시하는 도면.
도 37은 제12 실시의 형태에서의 화소의 단면 구성례를 도시하는 도면.
도 38은 제13 실시의 형태에서의 화소의 평면 구성례를 도시하는 도면.
도 39는 제13 실시의 형태에서의 화소의 단면 구성례를 도시하는 도면.
도 40은 전자 기기의 한 예의 구성을 도시하는 도면.
도 41은 내시경 수술 시스템의 개략적인 구성의 한 예를 도시하는 도면.
도 42는 카메라 헤드 및 CCU의 기능 구성의 한 예를 도시하는 블록도.
도 43은 차량 제어 시스템의 개략적인 구성의 한 예를 도시하는 블록도.
도 44는 차외 정보 검출부 및 촬상부의 설치 위치의 한 예를 도시하는 설명도.
이하에, 본 기술을 실시하기 위한 형태(이하, 실시의 형태라고 한다)에 관해 설명한다.
<촬상 장치의 구성>
도 1은, 본 기술의 한 실시의 형태에 관한 촬상 장치(10)의 기능의 구성례를 도시하는 블록도이다.
촬상 장치(10)는, 예를 들어 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서 등의, 이른바 글로벌 셔터 방식의 이면 조사형 이미지 센서이다. 촬상 장치(10)는, 피사체로부터의 광을 수광하여 광전 변환하고, 화상 신호를 생성함으로써 화상을 촬상하는 것이다.
글로벌 셔터 방식이란, 기본적으로는 전 화소 동시에 노광을 시작하고, 전 화소 동시에 노광을 종료하는 글로벌 노광을 행하는 방식이다. 여기서, 전 화소란, 화상에 나타나는 부분의 화소의 전부라고 말하는 것이고, 더미 화소 등은 제외된다. 또한, 시간차나 화상의 왜곡이 문제가 되지 않을 정도로 충분히 작으면, 전 화소 동시가 아니라, 복수행(예를 들면, 수십행) 단위로 글로벌 노광을 행하면서, 글로벌 노광을 행하는 영역을 이동하는 방식도 글로벌 셔터 방식에 포함된다. 또한, 화상에 나타나는 부분의 화소의 전부가 아니라, 소정 영역의 화소에 대해 글로벌 노광을 행하는 방식도 글로벌 셔터 방식에 포함된다.
이면 조사형 이미지 센서란, 피사체로부터의 광을 수광하여 전기 신호로 변환하는 포토 다이오드 등의 광전 변환부가, 피사체로부터의 광이 입사하는 수광면과, 각 화소를 구동시키는 트랜지스터 등의 배선이 마련된 배선층 사이에 마련되어 있는 구성의 이미지 센서를 말한다.
촬상 장치(10)는, 예를 들면, 화소 어레이부(21), 수직 구동부(22), 칼럼 신호 처리부(23), 데이터 격납부(29), 수평 구동부(24), 시스템 제어부(25), 및 신호 처리부(28)를 구비하고 있다.
촬상 장치(10)에서는, 반도체 기판(11)(뒤에 나오는)상에 화소 어레이부(21)가 형성된다. 수직 구동부(22), 칼럼 신호 처리부(23), 데이터 격납부(29), 수평 구동부(24), 시스템 제어부(25), 및 신호 처리부(28) 등의 주변 회로는, 예를 들면, 화소 어레이부(21)와 같은 반도체 기판(11)상에 형성된다.
화소 어레이부(21)는, 피사체로부터 입사하는 광의 양에 응한 전하를 생성하여 축적하는 광전 변환부(뒤에 나오는)를 포함하는 화소(20)를 복수 가진다. 화소(20)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 횡방향(행방향) 및 종방향(열방향)의 각각에 배열된다. 화소 어레이부(21)에서는, 행방향으로 일렬로 배열된 화소(20)로 이루어지는 화소행마다, 화소 구동선(26)이 행방향을 따라 배선되고, 열방향으로 일렬로 배열된 화소(20)로 이루어지는 화소열마다, 수직 신호선(VSL)(28)이 열방향을 따라 배선되어 있다.
수직 구동부(22)는, 시프트 레지스터나 어드레스 디코더 등으로 이루어진다. 수직 구동부(22)는, 복수의 화소 구동선(26)을 통하여 복수의 화소(20)에 대해 신호 등을 각각 공급함에 의해, 화소 어레이부(21)에서의 복수의 화소(20)의 전부를 동시에 구동시키고, 또는 화소행 단위로 구동시킨다.
수직 구동부(22)는, 예를 들어 판독 주사계와 소출(掃出) 주사계의 2개의 주사계를 가진다. 판독 주사계는, 단위 화소로부터 신호를 판독하기 위해, 화소 어레이부(21)의 단위 화소를 행 단위로 순차적으로 선택 주사한다. 소출 주사계는, 판독 주사계에 의해 판독하고 주사가 행해지는 판독 행에 대해, 그 판독 주사보다도 셔터 스피드의 시간분만큼 선행하여 소출 주사를 행한다.
이 소출 주사계에 의한 소출 주사에 의해, 판독 행의 단위 화소의 광전 변환부(51)(뒤에 나오는)로부터 불필요한 전하가 소출된다. 이것을 리셋이라고 한다. 그리고, 이 소출 주사계에 의한 불필요 전하의 소출, 즉 리셋에 의해, 이른바 전자 셔터 동작이 행해진다. 여기서, 전자 셔터 동작이란, 광전 변환부(51)의 광 전하를 버리고, 새롭게 노광을 시작하는, 즉 광 전하의 축적을 새롭게 시작하는 동작을 말한다.
판독 주사계에 의한 판독 동작에 의해 판독되는 신호는, 그 직전의 판독 동작 또는 전자 셔터 동작 이후에 입사한 광량에 대응한다. 직전의 판독 동작에 의한 판독 타이밍 또는 전자 셔터 동작에 의한 소출 타이밍으로부터, 금회의 판독 동작에 의한 판독 타이밍까지의 기간이, 단위 화소에서의 광 전하의 축적 시간, 즉 노광 시간이 된다.
수직 구동부(22)에 의해 선택 주사된 화소행의 각 단위 화소로부터 출력되는 신호는, 수직 신호선(27)의 각각을 통하여 칼럼 신호 처리부(23)에 공급되도록 되어 있다. 칼럼 신호 처리부(23)는, 화소 어레이부(21)의 화소열마다, 선택행의 각 단위 화소로부터 VSL(27)을 통하여 출력되는 신호에 대해 소정의 신호 처리를 행함과 함께, 신호 처리 후의 화소 신호를 일시적으로 유지하도록 되어 있다.
구체적으로는, 칼럼 신호 처리부(23)는, 예를 들어 시프트 레지스터나 어드레스 디코더 등으로 이루어지고, 노이즈 제거 처리, 상관 이중 샘플링 처리, 아날로그 화소 신호의 A/D(Analog/Digital) 변환 처리 등을 행하여, 디지털 화소 신호를 생성한다. 칼럼 신호 처리부(23)는, 생성한 화소 신호를 신호 처리부(28)에 공급한다.
수평 구동부(24)는, 시프트 레지스터나 어드레스 디코더 등에 의해 구성되고, 칼럼 신호 처리부(23)의 화소열에 대응하는 단위 회로를 순차적으로 선택하도록 되어 있다. 이 수평 구동부(24)에 의한 선택 주사에 의해, 칼럼 신호 처리부(23)에서 단위 회로마다 신호 처리된 화소 신호가 순차적으로 신호 처리부(28)에 출력되도록 되어 있다.
시스템 제어부(25)는, 각종의 타이밍 신호를 생성하는 타이밍 제너레이터 등으로 이루어진다. 시스템 제어부(25)는, 타이밍 제너레이터에서 생성된 타이밍 신호에 의거하여, 수직 구동부(22), 칼럼 신호 처리부(23), 및 수평 구동부(24)의 구동 제어를 행하는 것이다.
신호 처리부(28)는, 필요에 응하여 데이터 격납부(29)에 데이터를 일시적으로 격납하면서, 칼럼 신호 처리부(23)로부터 공급된 화소 신호에 대해 연산 처리 등의 신호 처리를 행하고, 각 화소 신호로 이루어지는 화상 신호를 출력하는 것이다.
데이터 격납부(29)는, 신호 처리부(28)에서의 신호 처리에 있어서, 그 신호 처리에 필요한 데이터를 일시적으로 격납하도록 되어 있다.
<화소의 회로 구성례>
다음으로, 도 2를 참조하여, 도 1의 화소 어레이부(21)에 마련된 화소(20)의 회로 구성례에 관해 설명한다. 도 2는, 화소 어레이부(21)에 마련된 복수의 화소(20)중의 임의의 하나의 화소(20)에서의 회로 구성례를 도시하고 있다. 도 2에 도시한 화소(20)는, 제1 실시의 형태에서의 화소(20)라고 하고, 다른 실시의 형태의 화소와 구별하기 위해 화소(20a)라고 기술한다.
도 2에 도시한 예에서는, 화소(20a)는, FD형의 글로벌 셔터를 실현하고 있다. 도 2의 예에서는, 화소 어레이부(21)에서의 화소(20a)는, 예를 들면, 광전 변환부(PD)(51), 전하 전송부(TG)(52), 전하 유지부 및 전하 전압 변환부로서의 플로팅 디퓨전(FD)(53), 리셋 트랜지스터(RST)(54), 피드백 이네이블 트랜지스터(FBEN)(55), 배출 트랜지스터(OFG)(56), 증폭 트랜지스터(AMP)(57), 선택 트랜지스터(SEL)(58), 변환 효율 전환용 트랜지스터(FDG)(59), 및 부가 용량부(60) 등을 포함하고 있다.
또한, 이 예에서는, TG(52), FD(53), RST(54), FBEN(55), OFG(56), AMP(57), 및 SEL(58)은, 모두 N형의 MOS 트랜지스터이다. 이들 TG(52), FD(53), RST(54), FBEN(55), OFG(56), AMP(57), 및 SEL(58)의 각 게이트 전극에는, 구동 신호가 각각 공급되도록 되어 있다. 각 구동 신호는, 고레벨의 상태가 액티브 상태, 즉 온 상태가 되고, 저레벨의 상태가 비액티브 상태, 즉 오프 상태가 되는 펄스 신호이다. 또한, 이하, 구동 신호를 액티브 상태로 하는 것을, 구동 신호를 온 한다고도 칭하고, 구동 신호를 비액티브 상태로 하는 것을, 구동 신호를 오프 한다고도 칭한다.
PD(51)은, 예를 들어 PN 접합의 포토 다이오드로 이루어지는 광전 변환 소자이고, 피사체로부터의 광을 수광하여, 그 수광량에 응한 전하를 광전 변환에 의해 생성하고, 축적하는 광전 변환부로서 기능한다.
TG(52)는, PD(51)와 FD(53) 사이에 접속되어 있고, TG(52)의 게이트 전극에 인가되는 구동 신호에 응하여, PD(51)에 축적되어 있는 전하를 FD(53)에 전송하는 전송부로서 기능한다.
FD(53)는, 글로벌 셔터 기능을 실현하기 위해, PD(51)에 축적된 전하를 일시적으로 유지하는 전하 유지부로서 기능한다. 또한, FD(53)는, TG(52)를 통하여 PD(51)로부터 전송되어 온 전하를 전기 신호(예를 들면, 전압 신호)로 변환하여 출력하는 부유 확산 영역이기도 한다. FD(53)에는, RST(54)가 접속됨과 함께, AMP(57) 및 SEL(58)을 통하여 VSL(28)이 접속되어 있다.
또한, FD(53)에는, FDG(59)를 통하여, 전하를 전기 신호, 예를 들면, 전압 신호로 변환하는 부유 확산 영역(FD)인 부가 용량부(60)도 접속되어 있다. 또한, 부가 용량부(60)는, 부유 확산 영역(FD)이지만, FD(53)와 같이 용량에서의 동작이 되기 때문에, 커패시터의 회로 기호를 이용하여 표현하는 것으로 한다.
FDG(59)는, 구동 신호(FDG)에 응하여 온, 오프 됨으로써, FD(53)와 부가 용량부(60)가, 전기적으로 접속된 상태 또는 전기적으로 분리된 상태의 어느 하나의 상태로 접속 상태를 전환한다. FDG(59)는, 부가 용량부(60)의 부가를 제어하는 부가 제어부로서 기능한다.
FDG(59)를 구성하는 게이트 전극에는, 구동 신호(FDG)가 공급되고, 이 구동 신호(FDG)가 온 되면, FDG(59)의 바로 아래의 포텐셜이 깊어지고, FD(53)와 부가 용량부(60)가 전기적으로 접속된다.
이에 대해, 구동 신호(FDG)가 오프 되면, FDG(59)의 바로 아래의 포텐셜이 얕아지고, FD(53)와 부가 용량부(60)가 전기적으로 분리된다. 따라서, 구동 신호(FDG)를 온, 오프 함으로써, FD(53)에 용량을 부가하고, 화소의 감도를 변화시킬 수 있다. 구체적으로는, 축적되는 전하의 변화량을 ΔQ로 하고, 그때의 전압의 변화를 ΔV로 하고, 용량치를 C라고 하면, ΔV=ΔQ/C의 관계가 성립한다.
지금, FD(53)의 용량치를 CFD라고고 하고, 부가 용량부(60)의 용량치를 CFD2라고 하면, 구동 신호(FDG)가 온 되어 있는 상태에서는, 신호 레벨의 판독이 행해지는 화소의 영역에서의 용량치(C)는, CFD+CFD2이다. 이에 대해, 구동 신호(FDG)가 오프 되면, 용량치(C)는 CFD로 변화하기 때문에, 전하의 변화량에 대한 전압의 감도(전압의 변화량: FD 변환 효율)가 오르게 된다.
이와 같이, 화소(20a)에서는, 구동 신호(FDG)를 온, 오프 시킴으로써, 화소의 감도가 적절히 변경된다. 예를 들면, 구동 신호(FDG)가 온 되면, 부가 용량부(60)는 전기적으로 FD(53)에 접속되기 때문에, FD(53)뿐만 아니라 부가 용량부(60)에도, PD(61)로부터 FD(53)에 전송되어 온 전하의 일부가 축적된다.
RST(54)는, FBEN(55)에 접속된 드레인과, FD(53)에 접속된 소스를 가지고 있다. RST(54)는, 그 게이트 전극에 인가되는 구동 신호에 응하여, FD(53)를 초기화, 즉 리셋하는 리셋부로서 기능한다. 또한, 도 2에 도시한 바와 같이, RST(54)의 드레인은, 접지와의 사이에 기생 용량(C_ST)을 형성하고, AMP(57)의 게이트 전극과의 사이에 기생 용량(C_FB)을 형성하고 있다.
FBEN(55)은, RST(54)에 인가되는 리셋 전압의 제어를 행하는 리셋 전압 제어부로서 기능한다.
OFG(56)는, 전원(VDD)에 접속된 드레인과, PD(51)에 접속된 소스를 가지고 있다. PD(51)의 캐소드는, OFG(56)의 소스 및 TG(52)의 소스에 대해 공통으로 접속되어 있다. OFG(56)는, 그 게이트 전극에 인가되는 구동 신호에 응하여, PD(51)를 초기화, 즉 리셋한다. PD(51)를 리셋한다란, PD(51)를 공핍화한다는 의미이다.
AMP(57)는, FD(53)에 접속된 게이트 전극과, 전원(VDD)에 접속된 드레인을 가지고 있고, PD(51)에서의 광전 변환에 의해 얻어지는 전하를 판독하는 소스 팔로워 회로의 입력부가 된다. 즉, AMP(57)는, 그 소스가 SEL(58)을 통하여 VSL(28)에 접속됨에 의해, VSL(28)의 일단에 접속되는 정전류원과 함께 소스 팔로워 회로를 구성한다.
SEL(58)은, AMP(57)의 소스와 VSL(28) 사이에 접속되어 있고, SEL(58)의 게이트 전극에는, 선택 신호가 공급된다. SEL(58)은, 그 선택 신호가 온하면 도통 상태가 되고, SEL(58)이 마련되어 있는 화소(20a)가 선택 상태가 된다. 화소(20a)가 선택 상태가 되면, AMP(57)로부터 출력되는 화소 신호가 VSL(28)을 통하여 칼럼 신호 처리부(23)에 의해 판독되도록 되어 있다.
또한, 화소 어레이부(21)에서는, 복수의 화소 구동선(26)이, 예를 들어 화소행마다 배선된다. 그리고, 수직 구동부(22)로부터 복수의 화소 구동선(26)을 통과시켜서, 선택된 화소(20a)에 대해 각 구동 신호가 공급되도록 되어 있다.
또한, 도 2에 도시한 화소 회로는, 화소 어레이부(21)에 이용하는 것이 가능한 화소 회로의 한 예이고, 다른 구성의 화소 회로를 이용하는 것도 가능하다.
<화소의 평면 구성례>
도 3은, 제1 실시의 형태에서의 화소(20a)의 구성을 도시하는 평면도이다. 도 3, 및 이하의 설명에서는, 도면 중 좌우 방향을 X축 방향으로 하고, 도면 중 상하 방향을 Y축 방향으로 한다. 또한, 도 3에서의 X 방향은, 도 2의 행방향(수평 방향)에 대응하고, Y 방향은 도 2의 열방향(수직 방향)에 대응하는 것으로 하여 설명을 계속한다.
도 3에 도시되는 바와 같이, 사각형의 화소(20a)의 중앙부의 영역에, PD(51)가 마련되어 있다. PD(51)의 도면 중 좌상측에, TG(52)가 마련되어 있다. TG(52)는, 전송 트랜지스터(52)의 게이트 부분이다.
TG(52)의 상측에는, FD(53-1)가 마련되어 있다. FD(53)는, FD(53-1)와 FD(53-2)의 2개의 영역으로 형성되고, FD(53-1)와 FD(53-2)는, 하층의 배선층(도시하지 않음)에서 접속되어, 하나의 FD(53)로서 기능하도록 구성되어 있다. 또한, 동일 화소(20a) 내에 형성되어 있는 FD(53-1)와 FD(53-2)가 접속되어 있도록 구성하는 것도 가능하고, 도 4를 참조하여 설명하는 바와 같이, 타 화소(20a)에 형성되어 있는 FD(53-1)와 FD(53-2)가 접속되어 있도록 구성하는 것도 가능하다.
FD(53-1)와 FD(53-2)의 2개의 영역은, PD(51)가 형성되어 있는 기판(예를 들어 실리콘 기판) 내에 형성되어 있는 영역이다. 이하의 설명에서, 영역이란, 특히 단서가 없는 경우, PD(51)가 형성되어 있는 기판 내의 영역인 것을 나타내는 것으로 한다.
FD(53)는, 기판 내의 다른 영역에 형성되어 있는 FD(53-1)와 FD(53-2)로 구성되어 있다. 환언하면, FD(53)는, 기판 내에 분산되어 마련되어 있는 복수의 영역이, 배선에 의해 접속됨으로써 형성되어 있다. 이하의 설명에서, 다른 영역이란, 기판 내의 복수의 영역이나, 기판 내에 분산되어 마련되어 있는 영역인 것을 나타내는 것으로 한다.
FD(53-2)는, FDG(59)와 접하는 위치에 형성되어 있다. 도 3에서는, PD(51)의 도면 중 우측에 FDG(59)가 마련되고, FDG(59)의 상측에 FD(53-2)가 형성되어 있다. 또한 FDG(59)의 도면 중 하측에는, 부가 용량부(FDext)(60)가 형성되어 있다. FD(53)가, FD(53-1)와 FD(53-2)의 2영역으로 형성되어 있기 때문에, FD(53) 자체의 용량을 크게 할 수 있다. 또한, FDG(59)와 부가 용량부(60)를 마련함으로써, 또한 FD(53)의 용량을 크게 할 수 있다.
PD(51)의 도면 중 우상측에는, RST(54)가 형성되어 있다. RST(54)의 도면 중 좌측에는, FBEN(55)이 형성되어 있다. FD(53)로부터의 신호량을 증폭하는 AMP(55)(의 게이트)는, PD(51)의 도면 중 좌하측에 형성되어 있다. 또한, AMP(55)의 도면 중 우측에는, SEL(58)이 형성되어 있다.
SEL(58)의 도면 중 우측이고, 화소(20a)의 도면 중 우하측에는, 웰 콘택트(61)가 마련되어 있다. PD(51)의 도면 중 좌측에는, OFG(56)가 마련되어 있다.
도 3 및 이하에 도시하는 배치는, 한 예이고, 한정을 나타내는 기재가 아니다. 또한, 도 3 및 이하에 도시하는 예에서는, OFG(56)를 마련한 구성을 나타내는데, OFG(56)가 없는 구성으로 할 수도 있다.
도 3에 도시한 배치는, 도 4에 도시하는 바와 같이 인접하는 화소(20a)에 배치되어 있는 FD(53-1)와 FD(53-2)를 접속하는 구성인 경우에 적합한 배치이고, 동일 화소(20a) 내의 FD(53-1)와 FD(53-2)를 접속하는 경우 등에는, 다른 배치로서, 보다 적절한 배치로 할 수 있다.
도 4를 참조한다. 도 4는, 화소 어레이부(21)에 배치되어 있는 2×2의 4 화소(20a)를 도시하고 있다. 도면 중 좌상의 화소를 화소(20a-1)로 하고, 도면 중 우상의 화소를 화소(20a-2)로 하고, 도면 중 우하의 화소를 화소(20a-3)로 하고, 도면 중 좌하의 화소를 화소(20a-4)로 한다. 도 4에서는, 설명에 필요한 개소에 부호를 붙이고, 적절히 부호를 생략하고 있다.
화소(20a-4)에 형성되어 있는 FD(53-2-4)와, 화소(20a-3)에 형성되어 있는 FD(53-1-3)가, 배선(65)에 의해 접속되어 있다. 배선(65)은, PD(51)가 형성되어 있는 층에 적층되어 있는 배선층(도시하지 않음)에 형성되어 있다.
화소(20a-4)와 화소(20a-3)는, 횡방향으로 인접하는 화소(20a)이고, 인접하는 화소(20a)의 일방의 화소(20a)에 형성되어 있는 FD(53-1)와 타방의 화소(20a)에 형성되어 있는 화소(20a)의 FD(53-2)가 접속되어, 하나의 FD(53)로서 기능하도록 형성되어 있다.
또한, FD(53-2-4)와 FD(53-1-3)로 구성되는 FD(53)로부터 판독을 행하는 AMP(57)는, 화소(20a-2)에 형성되어 있는 AMP(57-2)로 되어 있다. 화소(20a-3)에 형성되어 있는 FD(53-1-3)와 화소(20a-2)의 AMP(57-2)는, 배선(66)에 의해 접속되어 있다.
이 경우, 화소(20a-3)에 형성되어 있는 PD(51-3)로부터의 신호는, 동 화소(20a-3) 내에 형성되어 있는 TG(52-3)에 의해 판독되고, 동 화소(20a-3) 내의 FD(53-1-3)에 전송된다. FD(53-1-3)는, 인접하는 화소(20a-4)에 형성되어 있는 FD(53-2-4)와 배선(65)에 의해 접속되어 있기 때문에, PD(51-3)로부터의 신호는, FD(53-1-3)와 FD(53-2-4)로 구성되어 있는 FD(53)에 전송되게 된다.
또한, FD(53-2-4)에 접속되어 있는 FDG(59-4)가 온으로 되면, FD(53-2-4)와 부가 용량(60-4)이 접속된 상태가 되어, FD(53-1-3), FD(53-2-4), 및 부가 용량(60-4)으로 FD(53)가 형성되어 있는 상태가 된다.
FD(53-2-4)와 FD(53-1-3)로 구성되는 FD(53)에 전송된 전하(신호)는, 화소(20a-3)의 상측에 배치되어 있는 화소(20a-2)에 형성되어 있는 AMP(57-2)에 의해 판독되고, 증폭되는 구성으로 되어 있다. 또한, AMP(57-2)에서 증폭된 신호는, AMP(57-2)가 형성되어 있는 화소(20a-2) 내에 형성되어 있는 SEL(58-2)을 통하여 도 4에서는 도시하지 않은 VSL(27)에 출력된다.
FD(53)를, FD(53-1)와 FD(53-2)에 분산하여 마련함으로써, FD(53) 자체의 용량, 환언하면, FD로서 이용되는 영역을 큰 영역으로서 형성하는 것이 가능해진다. 또한, FD(53)를, FD(53-1)와 FD(53-2)에 분산함으로써, FD(53)의 배치하는 위치(형성하는 영역)의 자유도를 늘릴 수 있고, 예를 들면, 도 4에 도시한 바와 같이, 인접하는 2개의 화소(20a)에 배치되어 있는 FD(53-1)와 FD(53-2)가 접속되는 구성으로 할 수 있다.
또한, FD(53)의 용량을 크게 해도, FD(53)의 배치하는 위치(형성하는 영역)의 자유도를 늘릴 수 있음으로써, FBEN(55)을 배치하는 영역을 확보할 수 있다. FBEN(55)을 마련함으로써, 노이즈를 저감시킬 수 있다.
이와 같이, 본 실시의 형태에 의하면, FD의 용량을 크게 하고, 또한 노이즈를 저감할 수 있다.
<거리 측정을 행하는 촬상 장치에 적용한 경우에 관해>
상기한 화소(20a)와 같이, 용량이 큰 FD를 가지고, 노이즈를 저감하는 기능(FBEN(55))을 갖는 구성을 갖는 화소를, 거리 측정을 행하는 촬상 장치에 적용한 경우에 관해, 이하에 설명을 가한다. 우선, 거리 측정을 행하는 촬상 장치에 관해 설명을 가한다.
본 기술은, 예를 들어 간접 TOF 방식에 의해 거리 측정을 행하는 거리 측정 시스템을 구성하는 수광 소자나, 그와 같은 수광 소자를 갖는 촬상 장치 등에 적용하는 것이 가능하다.
예를 들어 거리 측정 시스템은, 차량에 탑재되고, 차외에 있는 대상물까지의 거리를 측정하는 차량 탑재용의 시스템이나, 유저의 손 등의 대상물까지의 거리를 측정하고, 그 측정 결과에 의거하여 유저의 제스처를 인식하는 제스처 인식용의 시스템 등에 적용할 수 있다. 이 경우, 제스처 인식의 결과는, 예를 들어 카 내비게이션 시스템의 조작 등에 이용할 수 있다.
<거리 측정 장치의 구성례>
도 5는, 본 기술을 적용한 거리 측정 장치의 한 실시의 형태의 구성례를 도시하고 있다.
거리 측정 장치(210)는, 렌즈(211), 수광부(212), 신호 처리부(213), 발광부(214), 및 발광 제어부(215)를 구비한다. 신호 처리부(213)는, 패턴 전환부(221)와 거리 화상 생성부(222)를 구비한다. 도 5의 거리 측정 장치(210)는, 물체에 대해 광을 조사하고, 그 광(조사광)이 물체에서 반사한 광(반사광)을 수광하여, 물체까지의 거리를 측정한다.
거리 측정 장치(210)의 발광계는, 발광부(214)와 발광 제어부(215)로 이루어진다. 발광계에서는, 발광 제어부(215)가, 신호 처리부(213)로부터의 제어에 따라, 발광부(214)에 의해 적외광(IR)을 조사시킨다. 렌즈(211)와 수광부(212) 사이에 IR 밴드 필터를 마련하고, IR 밴드 패스 필터의 투과 파장대에 대응하는 적외광을 발광부(214)가 발광하는 구성으로 하도록 해도 좋다.
발광부(214)는, 거리 측정 장치(210)의 몸체 내에 배치해도 좋고, 거리 측정 장치(210)의 몸체 외부에 배치해도 좋다. 발광 제어부(215)는, 발광부(214)를, 소정의 패턴으로 발광시킨다. 이 패턴은, 패턴 전환부(221)에 의해 설정되고, 소정의 타이밍에서 전환되도록 구성되어 있다.
패턴 전환부(221)를 마련하고, 예를 들면, 다른 거리 측정 장치(210)의 패턴과 겹쳐지지 않도록 발광 패턴을 전환하도록 구성할 수 있다. 또한, 이와 같은 패턴 전환부(221)를 마련하지 않는 구성으로 하는 것도 가능하다.
신호 처리부(213)는, 예를 들면, 수광부(212)로부터 공급되는 화상 신호에 의거하여, 거리 측정 장치(210)로부터 물체까지의 거리를 산출하는 산출부로서 기능한다. 산출된 거리를 화상으로서 출력하는 경우, 신호 처리부(213)의 거리 화상 생성부(222)는, 물체까지의 거리가 화소마다 표시된 거리 화상을 생성하고, 출력한다.
<촬상 소자의 구성>
도 6은, 수광부(212)의 구성례를 도시하는 블록도이다. 수광부(212)는, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서로 할 수 있다.
수광부(212)는, 화소 어레이부(241), 수직 구동부(242), 칼럼 처리부(243), 수평 구동부(244), 및 시스템 제어부(245)를 포함하여 구성된다. 화소 어레이부(241), 수직 구동부(242), 칼럼 처리부(243), 수평 구동부(244), 및 시스템 제어부(245)는, 도시하지 않은 반도체 기판(칩)상에 마련되어 있다.
화소 어레이부(241)에는, 입사광량에 응한 전하량의 광 전하를 발생하여 내부에 축적하는 광전 변환 소자를 갖는 단위 화소(예를 들면, 도 7의 화소(250))가 행렬형상으로 2차원 배치되어 있다.
화소 어레이부(241)에는 또한, 행렬형상의 화소 배열에 대해 행마다 화소 구동선(246)이 도면의 좌우 방향(화소행의 화소의 배열 방향)을 따라 마련되고, 열마다 수직 신호선(247)이 도면의 상하 방향(화소열의 화소의 배열 방향)을 따라 마련되어 있다. 화소 구동선(246)의 일단은, 수직 구동부(242)의 각 행에 대응한 출력단에 접속되어 있다.
수직 구동부(242)는, 시프트 레지스터나 어드레스 디코더 등에 의해 구성되고, 화소 어레이부(241)의 각 화소를, 전 화소 동시 또는 행 단위 등으로 구동하는 화소 구동부이다. 수직 구동부(242)에 의해 선택 주사된 화소행의 각 단위 화소로부터 출력되는 화소 신호는, 수직 신호선(247)의 각각을 통하여 칼럼 처리부(243)에 공급된다. 칼럼 처리부(243)는, 화소 어레이부(241)의 화소열마다, 선택행의 각 단위 화소로부터 수직 신호선(247)을 통하여 출력되는 화소 신호에 대해 소정의 신호 처리를 행함과 함께, 신호 처리 후의 화소 신호를 일시적으로 유지한다.
구체적으로는, 칼럼 처리부(243)는, 신호 처리로서 적어도, 노이즈 제거 처리, 예를 들어 CDS(Correlated Double Sampling ; 상관 이중 샘플링) 처리를 행한다. 이 칼럼 처리부(243)에 의한 상관 이중 샘플링에 의해, 리셋 노이즈나 증폭 트랜지스터의 임계치 편차 등의 화소 고유의 고정 패턴 노이즈가 제거된다. 또한, 칼럼 처리부(243)에 노이즈 제거 처리 이외에, 예를 들면, AD(아날로그 디지털) 변환 기능을 주어, 신호 레벨을 디지털 신호로 출력하는 것도 가능하다.
수평 구동부(244)는, 시프트 레지스터나 어드레스 디코더 등에 의해 구성되고, 칼럼 처리부(243)의 화소열에 대응하는 단위 회로를 순차적으로 선택한다. 이 수평 구동부(244)에 의한 선택 주사에 의해, 칼럼 처리부(243)에서 신호 처리된 화소 신호가 순차적으로 신호 처리부(248)에 출력된다.
시스템 제어부(245)는, 각종의 타이밍 신호를 생성하는 타이밍 제너레이터 등에 의해 구성되고, 타이밍 제너레이터에서 생성된 각종의 타이밍 신호를 기초로 수직 구동부(242), 칼럼 처리부(243), 및 수평 구동부(244) 등의 구동 제어를 행한다.
화소 어레이부(241)에서, 행렬형상의 화소 배열에 대해, 화소행마다 화소 구동선(246)이 행방향을 따라 배선되고, 각 화소열에 2개의 수직 신호선(247)이 열방향을 따라 배선되어 있다. 예를 들어 화소 구동선(246)은, 화소로부터 신호를 판독할 때의 구동을 행하기 위한 구동 신호를 전송한다. 또한, 도 6에서는, 화소 구동선(246)에 관해 하나의 배선으로서 나타내고 있는데, 하나로 한정되는 것이 아니다. 화소 구동선(246)의 일단은, 수직 구동부(242)의 각 행에 대응한 출력단에 접속되어 있다.
<단위 화소의 구조>
다음으로, 화소 어레이부(241)에 행렬형상으로 배치되어 있는 화소(250)의 구체적인 구조에 관해 설명한다.
화소(250)는, 광전 변환 소자인 포토 다이오드(261)(이하, PD(261)라고 기술한다)를 구비하고, PD(261)에서 발생한 전하가 탭(251A) 및 탭(251B)에 배분되도록 구성되어 있다. 그리고, PD(261)에서 발생한 전하 중, 탭(251A)에 배분된 전하가 수직 신호선(247A)으로부터 판독되어 검출 신호(SIG1)로서 출력된다. 또한, 탭(251B)에 배분된 전하가 수직 신호선(247B)으로부터 판독되어 검출 신호(SIG2)로서 출력된다.
화소(250)의 기본적인 구성은, 도 2에 도시한 화소(20a)를 2화소분 조합시킨 구성으로 되어 있다. 탭(251A)과 탭(251B)은, 각각 화소(20a)와 개략 같은 구성을 가지고 있다.
탭(251A)은, 전송 트랜지스터(252A), FD(253A), 리셋 트랜지스터(254A), 피드백 이네이블 트랜지스터(FBEN)(255A), 배출 트랜지스터(OFG)(256), 증폭 트랜지스터(257A), 선택 트랜지스터(258A), 변환 효율 전환용 트랜지스터(FDG)(259A), 및 부가 용량부(260A)에 의해 구성된다.
마찬가지로, 탭(251B)은, 전송 트랜지스터(252B), FD(253B), 리셋 트랜지스터(254B), FBEN(255B), 증폭 트랜지스터(257B), 선택 트랜지스터(258B), FDG(259B), 및 부가 용량부(260B)에 의해 구성된다.
또한, 도 7에 도시한 바와 같이 리셋 트랜지스터(254)를, FD(253A)와 FD(253B)의 각각에 마련되어 있는 구성으로 해도 좋고, FD(253A)와 FD(253B)에서 공용하는 구성으로 해도 좋다.
도 7에 도시한 바와 같이 FD(253A)와 FD(253B)의 각각에 리셋 트랜지스터(254A, 254B)를 마련하는 구성으로 한 경우, 리셋의 타이밍을, FD(253A)와 FD(253B)를 각각 개별적으로 제어할 수 있기 때문에, 섬세한 제어를 행하는 것이 가능해진다. FD(253A)와 FD(253B)에 공통된 리셋 트랜지스터(254)를 마련하는 구성으로 한 경우, 리셋의 타이밍을, FD(253A)와 FD(253B)에서 동일하게 할 수 있어, 제어가 간편해지고, 회로 구성도 간편화할 수 있다.
이하의 설명에서는, FD(253A)와 FD(253B)의 각각에 리셋 트랜지스터(254)를 마련하는 구성을 예로 들어 설명한다.
도 8을 참조하여, 화소(250)에서의 전하의 배분에 관해 설명한다. 여기서, 배분이란, 화소(250)(PD(251))에 축적된 전하를 다른 타이밍에서 판독함으로써, 탭마다 판독을 행하는 것을 의미한다.
도 8에 도시하는 바와 같이, 조사 시간(T)에서 조사의 온/오프를 반복하도록 변조(1주기=Tp)된 조사광이 발광부(214)로부터 출력되고, 물체까지의 거리에 응한 지연 시간(Td)만큼 지연되어, PD(251)에서 반사광이 수광된다. 또한, 전송 제어 신호(TRT1)는, 전송 트랜지스터(252A)의 온/오프를 제어하고, 전송 제어 신호(TRT2)는, 전송 트랜지스터(252B)의 온/오프를 제어한다. 도시하는 바와 같이, 전송 제어 신호(TRT1)가, 조사광과 동일한 위상인 한편으로, 전송 제어 신호(TRT2)는, 전송 제어 신호(TRT1)를 반전한 위상으로 되어 있다.
따라서, PD(251)가 반사광을 수광함에 의해 발생하는 전하는, 전송 제어 신호(TRT1)에 따라 전송 트랜지스터(252A)가 온으로 되어 있는 사이에는 FD(253A)에 전송된다. 또한 전송 제어 신호(TRT2)에 따라 전송 트랜지스터(252B)가 온으로 되어 있는 사이에는 FD(253B)에 전송된다. 이에 의해, 조사 시간(T)의 조사광의 조사가 주기적으로 행해지는 소정의 기간에서, 전송 트랜지스터(252A)를 통하여 전송된 전하는 FD(253A)에 순차적으로 축적되고, 전송 트랜지스터(252B)를 통하여 전송된 전하는 FD(253B)에 순차적으로 축적된다. FD(253)는, 이와 같이, PD(251)에서 발생한 전하를 축적하는 전하 축적부로서 기능한다.
그리고, 전하를 축적하는 기간의 종료 후, 선택 신호(SELm1)에 따라 선택 트랜지스터(258A)가 온으로 되면, FD(253A)에 축적되어 있는 전하가 수직 신호선(247A)을 통하여 판독되고, 그 전하량에 응한 검출 신호(SIG1)가 수광부(212)로부터 출력된다. 마찬가지로, 선택 신호(SELm2)에 따라 선택 트랜지스터(258B)가 온으로 되면, FD(253B)에 축적되어 있는 전하가 수직 신호선(247B)을 통하여 판독되고, 그 전하량에 응한 검출 신호(SIG2)가 수광부(212)로부터 출력된다.
FD(253A)에 축적되어 있는 전하와 FD(253B)에 축적되어 있는 전하는, 리셋 신호(RST)에 따라 리셋 트랜지스터(254)가 온으로 되면 배출된다.
이와 같이, 화소(50)는, PD(251)가 수광한 반사광에 의해 발생하는 전하를, 지연 시간(Td)에 응하여 탭(251A) 및 탭(251B)에 배분하여, 검출 신호(SIG1) 및 검출 신호(SIG2)를 출력할 수 있다. 그리고, 지연 시간(Td)은, 발광부(214)에서 발광한 광이 물체까지 비행하고, 물체에서 반사한 후에 수광부(212)까지 비행하는 시간에 응한 것, 즉, 물체까지의 거리에 응한 것이다. 따라서, 거리 측정 장치(210)는, 검출 신호(SIG1) 및 검출 신호(SIG2)에 의거하여, 지연 시간(Td)에 따라 물체까지의 거리(뎁스)를 구할 수 있다.
<간접 TOF 방식의 거리 측정 방법>
상기한 바와 같이, 하나의 PD(251)에 축적된 전하를 2개의 탭(251)을 이용하여 판독하는 2탭 방식에서의 간접 TOF 방식에 의한 거리의 산출에 관해, 도 9를 참조하여 설명한다. 도 9를 참조하여 거리 측정 방법에 관해 설명을 가한다. 도 9를 참조한 설명에서는, 2개의 탭과 4개의 페이즈(Phase)를 이용한 검출 방법인 2Tap-4Phase 방식을 예로 들어 설명한다.
거리 화상을 생성하는 1프레임 기간은, A 프레임(A frame)과 B 프레임(B frame)의 2개의 신호 검출 기간에 분할된다. 거리 화상을 생성하는 1프레임 기간은, 예를 들면, 약 1/30초로 설정되어 있다. 따라서, A 프레임의 기간과 B 프레임의 기간은, 각각 약 1/60초가 된다.
발광부(214)(도 5)로부터, 조사 시간(Tp)으로 조사의 온/오프를 반복하도록 변조(1주기=Tp)된 조사광이 출력된다. 조사 시간(Tp)은, 예를 들면, 210㎱ 정도로 할 수 있다. 수광부(212)에서는, 물체까지의 거리에 응한 지연 시간(Td)만큼 지연되어, 반사광이 수광된다.
4Phase 방식에서 수광부(212)는, 탭(251A) 또는 탭(251B)의 어느 하나에서, 조사광과 동일한 위상(Phase0), 90도 어긋나게 한 위상(Phase90), 180도 어긋나게 한 위상(Phase180), 270도 어긋나게 한 위상(Phase270)의 4개의 타이밍에서 수광한다. 또한, 여기서의 수광이란, PD(251)에서 발생한 전하를, 전송 트랜지스터(252)를 온으로 하고, FD(253)에 전송하기까지의 처리를 포함하는 것으로 한다.
도 9에서는, A 프레임에서, 전송 제어 신호(TRT1)가, 조사광과 동일한 위상(Phase0)의 타이밍에서 온이 되어, 탭(251A)에 의해 수광이 시작된다. 또한, A 프레임에서, 전송 제어 신호(TRT2)가, 조사광과 180도 어긋나게 한 위상(Phase180)의 타이밍에서 온이 되어, 탭(251B)에 의해 수광이 시작된다.
또한, B 프레임에서, 전송 제어 신호(TRT1)가, 조사광과 90도 어긋나게 한 위상(Phase90)의 타이밍에서 온이 되어, 탭(251A)에 의해 수광이 시작된다. 또한, B 프레임에서, 전송 제어 신호(TRT2)가, 조사광과 270도 어긋나게 한 위상(Phase270)의 타이밍에서 온이 되어, 탭(251B)에 의해 수광이 시작된다.
이 경우, 탭(251A)과 탭(251B)은, 180도 위상 반전된 타이밍에서 수광을 행한다. A 프레임 기간에서, 조사 시간(Tp)으로 Phase0의 타이밍에서 탭(251A)의 FD(253A)에 축적되는 전하를 전하(Q1)라고 하면, A 프레임 기간에서는, A 프레임 기간 내에서의 조사 시간(Tp)의 누적 시간에 응한 전하(Q1')가 FD(253A)에 축적된다. 그리고, FD(253A)에 축적된 전하(Q1')가, 판독 기간에서, FD(253A)로부터 검출 신호(SIG1)에 해당하는 신호로서 판독된다. 이 전하(Q1')에 대응한 검출 신호(SIG1)의 신호치를, 신호치(I1)라고 한다.
A 프레임 기간에서, 조사 시간(Tp)으로 Phase180의 타이밍에서 탭(251B)의 FD(253B)에 축적되는 전하를 전하(Q2)라고 하면, A 프레임 기간에서는, A 프레임 기간 내에서의 조사 시간(Tp)의 누적 시간에 응한 전하(Q2')가 FD(253B)에 축적된다. 그리고, FD(253B)에 축적된 전하(Q2')가, 판독 기간에서, FD(253B)로부터 검출 신호(SIG2)에 해당하는 신호로서 판독된다. 이 전하(Q2')에 대응한 검출 신호(SIG2)의 신호치를, 신호치(I2)라고 한다.
B 프레임 기간에서, 조사 시간(Tp)으로 Phase90의 타이밍에서 탭(251A)의 FD(253A)에 축적되는 전하를 전하(Q3)라고 하면, B 프레임 기간에서는, B 프레임 기간 내에서의 조사 시간(Tp)의 누적 시간에 응한 전하(Q3')가 FD(253A)에 축적된다. 그리고, FD(253A)에 축적된 전하(Q3')가, 판독 기간에서, FD(253A)로부터 검출 신호(SIG1)에 해당하는 신호로서 판독된다. 이 전하(Q3')에 대응한 검출 신호(SIG1)의 신호치를, 신호치(I3)라고 한다.
B 프레임 기간에서, 조사 시간(Tp)으로 Phase270의 타이밍에서 탭(251B)의 FD(253A)에 축적되는 전하를 전하(Q4)라고 하면, B 프레임 기간에서는, B 프레임 기간 내에서의 조사 시간(Tp)의 누적 시간에 응한 전하(Q4')가 FD(253B)에 축적된다. 그리고, FD(253B)에 축적된 전하(Q4')가, 판독 기간에서, FD(253B)로부터 검출 신호(SIG2)에 해당하는 신호로서 판독된다. 이 전하(Q4')에 대응한 검출 신호(SIG2)의 신호치를, 신호치(I4)라고 한다.
이들 신호치(I1), 신호치(I2), 신호치(I3), 신호치(I4)의 배분비로 지연 시간(Td)에 대응하는 어긋남량(θ)을 검출할 수 있다. 즉, 위상 어긋남량(θ)에 의거하여 지연 시간(Td)이 구해지기 때문에, 지연 시간(Td)에 의해 대상물까지의 거리가 구해진다.
위상 어긋남량(θ)은, 다음 식(1)에 의해 구해지고, 대상물까지의 거리(D)는, 다음 식(2)에 의해 연산된다. 식(2)에서, C는 광속이고, Tp는 펄스 폭을 나타낸다.
[수식 1]
Figure pct00001
[수식 2]
Figure pct00002
이와 같이 하여, 소정의 대상물까지의 거리를 산출할 수 있다. 이와 같은 거리 측정 방식에 의하면, 환경광에 의한 영향을 저감한 거리 측정을 행할 수 있다. 상기 및 이하의 설명에서는, 발광 펄스광의 반사광만을 수광하는 것을 전제로 하고 있는데, 실제로는, 발광 펄스광 이외에도, 다양한 환경광도 동시에 수광된다. 따라서, PD(251)에서 축적되는 전하는, 발광 펄스광과 환경광에 의한 것이 된다.
그렇지만, 환경광은, 펄스 주기에 대해 정상(定常)이라고 간주할 수 있고, 정상광인 경우, 신호치(I1), 신호치(I2), 신호치(I3), 신호치(I4)에 동등한 오프셋으로서 중첩되어 있는 것이 된다. 따라서, 식(1)의 연산에서 환경광에 의한 성분(오프셋 성분)은, 캔슬되어, 거리 측정 결과에는 영향을 미치지 않는다.
여기서는 2Tap-4Phase 방식의 TOF형 센서의 경우를 예로 들어 설명을 했지만, 본 기술은, 다른 방식의 TOF형 센서에도 적용할 수 있다. 예를 들면, 4Tap-4Phase 방식의 TOF형 센서에 적용할 수도 있다.
<화소의 평면 구성례>
도 7에 도시한 회로 구성례에 대응하는 화소(250)의 평면 구성례를 도 10에 도시한다. 도 10에 도시한 화소(250b)는, 제2 실시의 형태에서의 화소(250b)로서 설명을 계속한다.
도 10에 도시되는 바와 같이, 사각형의 화소(250a)의 중앙 부근의 영역에, PD(261)가 마련되어 있다. PD(261)의 도면 중 상측(상변)에, TG(252A)와 TG(252B)가 마련되어 있다. TG(252A)는, 전송 트랜지스터(252A)의 게이트 부분이고, TG(252B)는, 전송 트랜지스터(252B)의 게이트 부분이다.
TG(252A)와 TG(252B)의 각각은, PD(261)의 4변 중의 1변에 인접하도록 마련되어 있다. 도 10에 도시한 예에서는, TG(252A)와 TG(252B)는, PD(261)의 상변의 X축 방향으로, 가로로 나란히 배치되어 있다.
TG(252A)의 상측에는, FD(253A-1)가 마련되어 있다. 이 FD(253A-1)는, 탭(251A)에 포함되는 FD(253A)의 일부를 구성하고 있다. 즉, 화소(250b)에서도, 제1 실시의 형태에서의 화소(20a)(도 3)와 마찬가지로, FD(253)는, 2개의 영역으로 구성되어 있다.
탭(251A)에 포함되는 FD(253A)는, FD(253A-1)와 FD(253A-2)로 구성되어 있다. 이 FD(253A-1)와 FD(253A-2)는, 다른 영역에 형성되어 있다. FD(253A-1)는, TG(252A)의 도면 중 상측에 형성되고, FD(253A-2)는, FD(253A-1)와는 떨어진 위치이고, FD(253A-1)의 오른쪽으로 비스듬히 상측의 위치에 형성되어 있다. 후술하는 바와 같이, FD(253A-1)와 FD(253A-2)는, 배선층에서의 배선으로 접속되고, 1영역으로서 취급할 수 있도록 구성되어 있다.
FD(253A-2)의 도면 중 상측에는, FDG(259A)가 형성되어 있다. 또한, FDG(259A)의 도면 중 상측에는, 부가 용량부(260A)가 형성되어 있다. FDG(259A)가 온이 되면, FD(253A-1), FD(253A-2), 및 부가 용량부(260A)의 3영역이 접속된 상태가 된다.
탭(251A)에 포함되는 증폭 트랜지스터(257A)(의 게이트 부분)는, 도면 중, TG(252A)의 좌측에 형성되어 있다. 또한, TG(252A)의 도면 중 상측에는, 선택 트랜지스터(258A)(의 게이트 부분)가 형성되어 있다. 또한, 탭(251A)에는, FBEN(255A)도 마련되어 있고, 이 FBEN(255A)은, 리셋 트랜지스터(254A)의 도면 중 상측에 형성되어 있다.
이와 같이, FD(253A)는, FD(253A-1)와 FD(253A-2)의 2개의 영역에 분산되어 형성되어 있다. FD(253A-1)에는, RST(254A)가 접속되고, 이 RST(254A)에는, FBEN(255A)이 접속되어 있다. 또한 FD(253A-2)에는, FDG(259A)가 접속되어 있다. 이와 같이, FD(253A)를, FD(253A-1)와 FD(253A-2)의 2영역으로 나누어서 배치함으로써, 일방에, RST(254A)를 통하여 FBEN(255A)을 접속하고, 타방에, FDG(259A)를 접속할 수 있다.
탭(251A)의 도면 중 우측에는, 탭(251B)을 형성하는 각 부가 배치되어 있다. 탭(251B)도, 탭(251A)과 같은 구성을 가지고 있다.
탭(251B)에 포함되는 TG(252B)는, PD(261)의 도면 중 우상측에 형성되어 있다. TG(252B)의 도면 중 상측에는, FD(253B-1)가 마련되어 있다. 탭(251B)에 포함되는 FD(253B)는, FD(253B-1)와 FD(253B-2)로 구성되어 있다. FD(253B-1)는, TG(252B)의 도면 중 상측에 형성되고, FD(253B-2)는, FD(253B-1)와는 떨어진 위치이고, FD(253B-1)의 왼쪽 비스듬히 상측의 위치에 형성되어 있다. 후술하는 바와 같이, FD(253B-1)와 FD(253B-2)는, 배선층에서의 배선으로 접속되고 1영역으로서 취급할 수 있도록 구성되어 있다.
FD(253B-2)의 도면 중 상측에는, FDG(259B)가 형성되어 있다. 또한, FDG(259B)의 도면 중 상측에는, 부가 용량부(260B)가 형성되어 있다. FDG(259B)가 온이 되면, FD(253B-1), FD(253B-2), 및 부가 용량부(260B)의 3영역이 접속된 상태가 된다.
탭(251B)에 포함되는 증폭 트랜지스터(257B)(의 게이트 부분)는, 도면 중, TG(252B)의 우측에 형성되어 있다. 또한, TG(252B)의 도면 중 상측에는, 선택 트랜지스터(258B)(의 게이트 부분)가 형성되어 있다. 또한, 탭(251B)에는, FBEN(255B)도 마련되어 있고, 이 FBEN(255B)은, 리셋 트랜지스터(254B)의 도면 중 상측에 형성되어 있다.
PD(261)의 상측에는, 웰 콘택트(265)가 마련되어 있다. PD(261)의 하측에는, 배출 트랜지스터(OFG)(256)(의 게이트 부분)가 마련되어 있다. 배출 트랜지스터(256)는, 블루밍 방지용의 오버플로우 게이트이고, 탭(251A)과 탭(251B)에서 공유된 구성이기 때문에, 도 10에 도시한 바와 같이 화소(250b) 내에, 하나의 OFD(256)가 형성되어 있다.
도 10 및 이하에 나타내는 배치는, 한 예이고, 한정을 나타내는 기재가 아니다. 또한, 도 10 및 이하에 나타내는 예에서는, 배출 트랜지스터(256)를 마련한 구성을 나타내는데, 배출 트랜지스터(256)가 없는 구성으로 할 수도 있다.
도 10에 도시한 예에서는, 화소(250b)의 중앙선(L1)(도면 중 점선으로 표시한 선(L1))을 기준으로 하여, 탭(251A)을 구성하는 각 부와, 탭(251B)을 구성하는 각 부는, 선대칭으로 배치되어 있다.
즉, 탭(251A)을 구성하는 TG(252A), FD(253A-1), FD(253A-2), 리셋 트랜지스터(254A), FBEN(255A), 증폭 트랜지스터(257A), 선택 트랜지스터(258A), FDG(259A), 및 부가 용량부(260A)와, 탭(251B)을 구성하는 TG(252B), FD(253B-1), FD(253B-2), 리셋 트랜지스터(254B), FBEN(255B), 증폭 트랜지스터(257B), 선택 트랜지스터(258B), FDG(259B), 및 부가 용량부(260B)는, 각각 선대칭으로 배치되어 있다.
도 10에서는, 배선은 도시하지 않지만, FD(253A-1)와 증폭 트랜지스터(257A)는 접속되어 있고, FD(253A-1)로부터의 신호량이, 증폭 트랜지스터(257A)에 공급되도록 구성되어 있다. 또한, FD(253B-1)와 증폭 트랜지스터(257B)도 접속되어 있고, FD(253B-1)로부터의 신호량이, 증폭 트랜지스터(257B)에 공급되도록 구성되어 있다.
상기한 바와 같이, 선대칭으로 구성함으로써, FD(253A-1)와 증폭 트랜지스터(257A) 사이의 배선의 길이와, FD(253B-1)와 증폭 트랜지스터(257B) 사이의 배선의 길이를, 개략 동일하게 할 수 있다. 또한, 다른 배선도, 좌우 대상의 배선으로 함으로써, 동일한 길이로 할 수 있다.
<화소의 단면 구성례>
도 11은, 도 7, 도 10에 도시한 2개의 탭(251)을 갖는 화소(250b)의 단면 구성례를 도시하는 도면이다.
화소(250b)는, 반도체 기판(341)과, 그 표면측(도면 중 하측)에 형성된 다층 배선층(342)을 구비한다.
반도체 기판(341)은, 예를 들어 실리콘(Si)으로 구성되고, 예를 들어 수㎛ 정도의 두께를 가지고 형성되어 있다. 반도체 기판(341)에서는, 예를 들면, P형(제1 도전형)의 반도체 영역(351)에, N형(제2 도전형)의 반도체 영역(352)이 화소 단위로 형성됨에 의해, 포토 다이오드(261)가 화소 단위로 형성되어 있다. 반도체 기판(341)의 표리 양면에 마련되어 있는 P형의 반도체 영역(351)은, 암 전류 억제를 위한 정공 전하 축적 영역을 겸하고 있다.
도 11에서 상측이 되는 반도체 기판(341)의 상면이, 반도체 기판(341)의 이면이고, 광이 입사되는 광입사면이 된다. 반도체 기판(341)의 이면측 상면에는, 반사 방지막(343)이 형성되어 있다.
반사 방지막(343)은, 고정 전하막 및 산화막이 적층된 적층 구조가 되고, 예를 들면, ALD(Atomic Layer Deposition)법에 의한 고유전율(High-k)의 절연 박막을 이용할 수 있다. 구체적으로는, 산화 하프늄(HfO2)이나, 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 티탄(TiO2), STO(Strontium Titan Oxide) 등을 이용할 수 있다. 도 11의 예에서는, 반사 방지막(343)은, 산화 하프늄막(353), 산화 알루미늄막(354), 및 산화 실리콘막(355)이 적층되어 구성되어 있다.
반사 방지막(343)의 상면으로서, 반도체 기판(341)이 인접하는 화소(250b)의 경계부(344)(이하, 화소 경계부(344)라고도 칭한다.)에는, 입사광의 인접 화소에의 입사를 방지하는 화소간 차광막(345)이 형성되어 있다. 화소간 차광막(345)의 재료는, 광을 차광하는 재료라면 좋고, 예를 들면, 텅스텐(W), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 등의 금속 재료를 이용할 수 있다.
반사 방지막(343)의 상면과, 화소간 차광막(345)의 상면에는, 평탄화막(346)이, 예를 들면, 산화 실리콘(SiO2), 질화 실리콘(SiN), 산질화 실리콘(SiON) 등의 절연막, 또는, 수지 등의 유기 재료에 의해 형성되어 있다.
그리고, 평탄화막(346)의 상면에는, 온 칩 렌즈(347)가 화소 단위로 형성되어 있다. 온 칩 렌즈(347)는, 예를 들면, 스티렌계 수지, 아크릴계 수지, 스티렌-아크릴 공중합계 수지, 또는 실록산계 수지 등의 수지계 재료로 형성된다. 온 칩 렌즈(347)에 의해 집광된 광은, PD(261)에 효율 좋게 입사된다.
또한, 반도체 기판(341)의 이면측의 화소 경계부(344)에는, 반도체 기판(341)의 이면측(온 칩 렌즈(347)측)으로부터 기판 깊이 방향으로 소정의 깊이까지, 인접 화소끼리를 분리하는 화소간 분리부(361)가 형성되어 있다. 화소간 분리부(361)의 저면 및 측벽을 포함하는 외주부는, 반사 방지막(343)의 일부인 산화 하프늄막(353)으로 덮여 있다. 화소간 분리부(361)는, 입사광이 옆의 화소(250b)에 관통하는 것을 방지하고, 자화소 내에 가둠과 함께, 인접하는 화소(250b)로부터의 입사광의 누입을 방지한다.
도 11의 예에서는, 반사 방지막(343)의 최상층의 재료인 산화 실리콘막(355)을, 이면측으로부터 파낸 트렌치(홈)에 매입함에 의해 산화 실리콘막(355)과 화소간 분리부(361)를 동시 형성하기 때문에, 반사 방지막(343)으로서의 적층막의 일부인 산화 실리콘막(355)과, 화소간 분리부(361)가 동일한 재료로 구성되어 있는데, 반드시 동일할 필요는 없다. 화소간 분리부(361)로서 이면측부터 파낸 트렌치(홈)에 매입하는 재료는, 예를 들면, 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 티탄(Ti), 질화 티탄(TiN) 등의 금속 재료라도 좋다.
한편, 다층 배선층(342)이 형성된 반도체 기판(341)의 표면측에는, 각 화소(250b)에 형성된 하나의 PD(261)에 대해, 2개의 전송 트랜지스터(TRG1 및 TRG2)가 형성되어 있다. 예를 들면, 전송 트랜지스터(TRG1)는, TG(252A)(도 10)에 해당하고, 전송 트랜지스터(TRG2)는, TG(252B)(도 10)에 해당한다.
또한, 반도체 기판(341)의 표면측에는, PD(261)로부터 전송된 전하를 일시 유지하는 전하 축적부로서의 부유 확산 영역(FD1 및 FD2)이, 고농도의 N형 반도체 영역(N형 확산 영역)에 의해 형성되어 있다. 예를 들면, 부유 확산 영역(FD1)은, FD(253A)(를 구성하는 FD(253A-1) 또는 FD(253A-2)(도 10))에 해당하고, 부유 확산 영역(FD2)은, FD(253B)(를 구성하는 FD(253B-1) 또는 FD(253B-2)(도 10))에 해당한다.
다층 배선층(342)은, 복수의 배선층(M)과, 그 사이의 층간 절연막(362)으로 구성된다. 도 11에서는, 배선층(M1 내지 M4)의 4층으로 구성되는 예가 도시되어 있다.
다층 배선층(342)의 복수의 배선층(M)의 각각에는, 배선(371 내지 374)이 형성되어 있다. 배선(371 내지 374)은, 예를 들면, 구리(Cu)나 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 티탄(Ti), 질화 티탄(TiN) 등의 금속막으로 형성되어 있다. 여기서는, 배선층(M1)에 배치되어 있는 배선을 배선(371)이라고 하고, 배선층(M2)에 배치되어 있는 배선을 배선(372)이라고 하고, 배선층(M3)에 배치되어 있는 배선을 배선(373)이라고 하고, 배선층(M4)에 배치되어 있는 배선을 배선(374)이라고 한다.
배선층(M1 내지 M4)에 배치되어 있는 배선(371 내지 374)은, 종방향으로 마련되어 있는 비아(366)에 의해, 필요한 개소에서 접속되어 있다.
이상과 같이, 화소(250b)는, 온 칩 렌즈(347)와 다층 배선층(342) 사이에 반도체층인 반도체 기판(341)을 배치하고, 온 칩 렌즈(347)가 형성된 이면측으로부터 입사광을 PD(261)에 입사시키는 이면 조사형의 구조를 가진다.
또한, 화소(250b)는, 각 화소에 마련된 PD(261)에 대해, 2개의 전송 트랜지스터(TRG1 및 TRG2)를 구비하고, PD(261)에서 광전 변환되어 생성된 전하(전자)를, 부유 확산 영역(FD1 또는 FD2)에 배분 가능하게 구성되어 있다.
<배선에 관해>
상기한 바와 같이, 예를 들면, 탭(251A)에 포함되는 FD(253A)는, FD(253A-1)와 FD(253A-2)의 2영역으로 형성되고, 이 2영역은 배선에 의해 접속된 구성으로 되어 있다. 이 배선에 관해 도 12, 도 13을 참조하여 설명한다.
배선은, PD(261)가 형성되어 있는 반도체 기판(341)에 적층되어 있는 다층 배선층(342)(도 11)에 형성되어 있다. 도 12는, 도 10에 도시한 화소(250b)의 평면도에, 배선층(M1)의 배선을 추가한 도면이다. 도 13은, 도 10에 도시한 화소(250b)의 평면도에, 배선층(M2)의 배선을 추가한 도면이다.
도 12를 참조하면, PD(261)와 TG(252A)는, 배선층(M1)에 형성되어 있는 배선(431A)에 의해 접속되어 있다. 배선(431A)의 일단이고, 도 12에서는, PD(261)의 하측에는, 배선층(M2)과 접속되는 비아(411A)가 형성되어 있다. 또한, 배선(431A)의 타단이고, 도 12에서는, TG(252A)의 하측에는, TG(251A)와 배선(431A)을 접속하는 콘택트(412A)가 형성되어 있다.
또한, 상기한 설명 및 이하의 설명에서, 접속이란, 물리적으로 접속되어 있는 것을 포함함과 함께, 물리적으로 접촉하고 있지 않아도, 전하나 신호를 판독할 수 있도록 형성되어 있는 경우도 포함된다.
도 13을 참조하면, 비아(411A)는, 배선층(M2)에 형성되어 있는 화소 구동선(246A)과 접속되어 있다. 비아(411A)는, 배선(431A)(도 12)과 접속되고, 배선(431)은, TG(252A)와 접속되어 있기 때문에, 화소 구동선(246A)은, TG(251A)와 접속되어 있게 된다. 화소 구동선(246A)은, 전송 트랜지스터(252A)를 구동시키는 신호가 전송되는 배선이다.
도 12를 참조하면, FD(253A-2), FD(253A-1), 및 AMP(257A)는, 배선(432A)에 의해 접속되어 있다. FD(253A-2), FD(253A-1), 및 AMP(257A)의 각각에는, 콘택트(413A), 콘택트(414A), 및 콘택트(415A)가 형성되고, 이들 콘택트가, 배선(432A)에 접속되어 있다.
이 배선(432A)도, FD(253A)를 구성하는 영역으로서 이용할 수 있다. 이 배선(432A)의 배선 길이를 길게 함으로써, FD(253A)의 용량을 늘릴 수 있다. 그래서, 도 13에 도시하는 바와 같이, 배선층(M2)에도, FD(253A)의 일부를 구성하는 배선(441A)을 형성한다. 배선(441A)은, 비아(416A)에 의해 배선(432A)과 접속되어 있다.
비아(416A)는, 도 12, 도 13에서는, TG(252A)와 AMP(257A) 사이에 형성되어 있다. 이 비아(416A)와 접속되도록, 배선(432A)이 배선층(M1)에 형성되고, 배선(441A)이 배선층(M2)에 형성되어 있다.
또한, 배선(441A)은, 상기한 바와 같이, FD(253A)의 용량을 늘리기 위해 형성되어 있고, 접속하기 위한 배선이 아니기 때문에, 생략하는 것도 가능하다. 또한, 여기서는, 배선층(M2)에 배선(441A)이 형성되어 있는 예를 들어 설명을 계속하지만, 배선층(M2) 이외의 배선층(M3)이나 배선층(M4)에 형성되어 있어도 좋다.
도 12를 참조하면, AMP(257A)와 SEL(258A)의 하측에 해당하는 영역에는, 배선(433A)이 형성되어 있다. 이 배선(433A)은, SEL(258A)에 형성되어 있는 비아(417A)와, RST(254A)와 FBEN(255A) 사이(리셋 트랜지스터(254A)의 드레인에 해당하는 영역)에 형성되어 있는 콘택트(418A)와 접속되어 있다.
배선(433A)은, 도 7에 도시한 회로도에서, 기생 용량(C_ST)에 해당하는 부분이다. 기생 용량(C_ST)의 용량을 크게 함으로써, KTC 노이즈를 보다 저감시킬 수 있다. 그래서, 기생 용량(C_ST)에 해당하는 영역으로서, 도 12에 도시하는 바와 같이, 배선층(M1)에 배선(434A)을 마련하고, 도 13에 도시하는 바와 같이, 배선층(M2)에 배선(442A)을 마련한다. 기생 용량(C_ST)에 해당하는 부분은, 배선(433A), 배선(434A), 및 배선(442A)으로 구성된다.
배선층(M1)에 형성되어 있는 배선(433A)은, 비아(417A)와 접속되어 있다. 또한 배선층(M1)에 형성되어 있는 배선(434A)은, 비아(419A)와 접속되어 있다. 배선층(M2)에 형성되어 있는 배선(442A)은, 비아(417A)와 비아(419A)에 접속되어 있다. 따라서, 배선(433A), 비아(417A), 배선(442A), 비아(419A), 배선(434A)은, 접속된 상태로 형성되어 있고, 기생 용량(C_ST)을 형성하고 있다.
도 12를 참조하면, 배선(434A)은, FD(253A-2)의 도면 중 우측의 영역으로부터, 웰 콘택트(265)와 PD(261)의 하측을 통과하고, OFD(256)까지 신장하고 있는 배선으로서 형성되어 있다.
이들 탭(251A)에 관한 배선은, 탭(251B)에 관한 배선과 선대칭의 관계를 이루도록 형성되어 있다. 탭(251B)에 관한 배선에 관해, 도 12와 도 13을 참조하여 설명한다.
도 12를 참조하면, PD(261)와 TG(252B)는, 배선층(M1)에 형성되어 있는 배선(431B)에 의해 접속되어 있다. 배선(431B)의 일단이고, 도 12에서는, PD(261)의 하측에는, 배선층(M2)과 접속되는 비아(411B)가 형성되어 있다. 또한, 배선(431B)의 타단이고, 도 12에서는, TG(252B)의 하측에는, TG(251B)와 배선(431B)을 접속하는 콘택트(412B)가 형성되어 있다.
도 13을 참조하면, 비아(411B)는, 배선층(M2)에 형성되어 있는 화소 구동선(246B)과 접속되어 있다. 따라서, 화소 구동선(246B)은, TG(251B)와 접속되어 있다. 화소 구동선(246B)은, 전송 트랜지스터(252B)를 구동시키는 신호가 전송되는 배선이다.
도 12를 참조하면, FD(253B-1), FD(253B-2), 및 AMP(257B)는, 배선(432B)에 의해 접속되어 있다. FD(253B-1), FD(253B-2), 및 AMP(257B)의 각각에는, 콘택트(413B), 콘택트(414B), 및 콘택트(415B)가 형성되고, 이들 콘택트가, 배선(432B)에 접속되어 있다.
또한 도 13에 도시하는 바와 같이, 배선층(M2)에도, FD(253B)의 일부를 구성하는 배선(441B)이 형성되어 있다. 배선(441B)은, 비아(416B)에 의해 배선(432B)과 접속되어 있다.
도 12를 참조하면, AMP(257B)와 SEL(258B)의 하측에 해당하는 영역에는, 배선(433B)이 형성되어 있다. 이 배선(433B)은, SEL(258B)에 형성되어 있는 비아(417B)와, RST(254B)와 FBEN(255B) 사이(리셋 트랜지스터(254B)의 드레인에 해당하는 영역)에 형성되어 있는 콘택트(418B)와 접속되어 있다.
배선층(M1)에 형성되어 있는 배선(433B)은, 비아(417B)와 접속되어 있다. 또한 배선층(M1)에 형성되어 있는 배선(434B)은, 비아(419B)와 접속되어 있다. 배선층(M2)에 형성되어 있는 배선(442B)은, 비아(417B)와 비아(419B)에 접속되어 있다. 따라서, 배선(433B), 비아(417B), 배선(442B), 비아(419B), 배선(434B)은, 접속된 상태로 형성되어 있고, 기생 용량(C_ST)을 형성하고 있다.
도 12를 참조하면, 배선(434B)은, FD(253B-2)의 도면 중 좌측의 영역으로부터, 웰 콘택트(265)와 PD(261)의 하측을 통과하고, OFD(256)까지 신장하고 있는 배선으로서 형성되어 있다.
이와 같이, 탭(251B)에 관한 배선은, 탭(251A)에 관한 배선과 선대칭의 관계를 이루도록 형성되어 있다.
화소(250b)에 포함되는 탭(251A)에 포함되는 트랜지스터나 배선 등과, 화소(250b)에 포함되는 탭(251B)에 포함되는 트랜지스터나 배선 등은, 화소(250b)에서의 중앙선(L1)(도 10)에서 선대칭이 되도록 배치되어 있다.
따라서, 예를 들면, 노이즈 캔슬에 기여하는 배선, 예를 들면, 기생 용량(C_ST)에 해당하는 배선(433)이나 배선(434) 등의 길이의 편차가 발생하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 탭(251A)과 탭(251B)에서, 노이즈 저감에 관한 성능에 차이가 생기는 것을 막을 수 있고, 거리 측정 제도를 향상시킬 수 있다.
<제3 실시의 형태에서의 화소의 구성례>
도 14를 참조하여, 제3 실시의 형태에서의 화소(250c)의 구성에 관해 설명한다. 도 14는, 제3 실시의 형태에서의 화소(250c)의 평면 구성례를 도시하는 도면이다.
제3 실시의 형태에서의 화소(250c)의 회로 구성례는, 도 7에 도시한 화소(250)의 회로 구성례와 동일하다. 또한 제3 실시의 형태에서의 화소(250c)의 단면 구성례는, 도 11에 도시한 화소(250b)의 단면 구성례와 동일하게 할 수 있다. 여기서는, 회로 구성과 단면 구성에 관한 설명은 생략한다.
도 14에 도시한 화소(250c)에서, 도 10에 도시한 제2 실시의 형태에서의 화소(250b)와 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명은 적절히 생략한다. 도 14에 도시한 화소(250c)와 도 10에 도시한 화소(250b)를 비교하면, 화소(250c)는, 도면 중, PD(261)의 하측에 FDG(259Ac)와 FDG(259Bc)가 마련되어 있는 점이 다르다.
또한 PD(261)의 하측으로 FDG(259Ac)와 FDG(259Bc)가 이동됨에 의해, FDG(259Ac)에 접속되는 FD(253A-2c)와, FDG(259Bc)에 접속되는 FD(253B-2c)도 하측에 배치되어 있다. 마찬가지로, FDG(259Ac)에 접속되는 부가 용량부(260Ac)와, FDG(259Bc)에 접속되는 부가 용량부(260Bc)도 하측에 배치되어 있다.
FD(253A-2c), FDG(259Ac), 및 부가 용량부(260Ac)는, 도면 중 가로로 나란히 배치되어 있다. 또한, FD(253B-2c), FDG(259Bc), 및 부가 용량부(260Bc)도, 도면 중 가로로 나란히 배치되어 있다. FD(253A-2c), FDG(259Ac), 및 부가 용량부(260Ac)와, FD(253B-2c), FDG(259Bc), 및 부가 용량부(260Bc)는, 중앙선(L1)에서, 선대칭이 되도록 배치되어 있다.
도 14에 도시한 화소(250c)의 구성도, 도 10에 도시한 화소(250b)와 마찬가지로, 탭(251A)을 구성하는 각 부와, 탭(251B)을 구성하는 각 부는, 선대칭으로 배치되어 있다.
도시는 하지 않지만, 도 14에 도시한 화소(250c)에서도, 제2 실시의 형태에서의 화소(250b)와 같이, 탭(251A)에 포함되는 배선과, 탭(251B)에 포함되는 배선은, 선대칭이 되도록 배치되어 있다.
따라서, 화소(250c)에 포함되는 탭(251A)에 포함되는 트랜지스터나 배선 등과, 화소(250c)에 포함되는 탭(251B)에 포함되는 트랜지스터나 배선 등은, 화소(250c)에서의 중앙선(L1)(도 14)에서 선대칭이 되도록 배치할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 노이즈 캔슬에 기여하는 배선, 예를 들면, 기생 용량(C_ST)에 해당하는 배선 등의 편차가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
<제4 실시의 형태에서의 화소의 구성례>
도 15를 참조하여, 제4 실시의 형태에서의 화소(250d)의 구성에 관해 설명한다. 도 15는, 제4 실시의 형태에서의 화소(250d)의 평면 구성례를 도시하는 도면이다.
제4 실시의 형태에서의 화소(250d)의 회로 구성례는, 도 7에 도시한 화소(250)의 회로 구성례와 동일하다. 또한 제4 실시의 형태에서의 화소(250c)의 단면 구성례는, 도 11에 도시한 화소(250b)의 단면 구성례와 동일하게 할 수 있다. 여기서는, 회로 구성과 단면 구성에 관한 설명은 생략한다.
도 15에 도시한 화소(250d)에서, 도 10에 도시한 제2 실시의 형태에서의 화소(250b)와 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명은 적절히 생략한다. 도 15에 도시한 화소(250d)와 도 10에 도시한 화소(250b)를 비교하면, 화소(250d)는, 도면 중, PD(261)의 하측에 FDG(259Ad)와 FDG(259Bd)가 마련되어 있는 점이 다르다.
도 15에 도시한 화소(250d)와 도 14에 도시한 화소(250c)를 비교한 경우, 화소(250d)는, 도면 중, PD(261)의 하측에 FDG(259Ad)와 FDG(259Bd)가 마련되어 있는 점은 동일하지만, FD(253A-2d), FDG(259Ad), 및 부가 용량부(260Ad)가 도면 중 종방향으로 배치되고, FD(253B-2d), FDG(259Bd), 및 부가 용량부(260Bd)가 도면 중 종방향으로 배치되어 있는 점이 다르다.
FD(253A-2d), FDG(259Ad), 및 부가 용량부(260Ad)를 종방향으로 배치하고, FD(253B-2d), FDG(259Bd), 및 부가 용량부(260Bd)를 종방향으로 배치한 경우도, 이들 각 부는, 중앙선(L1)에서 선대칭이 되도록 배치되어 있다.
도 15에 도시한 화소(250d)에서는, FBEN(255)의 위치도, 화소(250b)나 화소(250c)와는 다른 위치에 배치되어 있다. 화소(250d)에서는, FDG(259) 등을, PD(261)의 하부에 배치함에 의해, FDG(259) 등이 배치되어 있던 영역에, FBEN(255) 등을 배치하는 것이 가능해진다.
도 15에서는, FBEN(255A)과 FBEN(255B)을 도면 중 상측에 배치하고, FBEN(255A)과 FBEN(255B)을 횡방향으로 형성한 경우를 나타내고 있다. FBEN(255Ac)의 위치를, 화소(250d) 중의 상방의 중앙측에 배치한 경우, RST(254A)의 위치를 상방에 어긋나게 하고, RST(254A)와 TG(252A) 사이의 영역, 즉 FD(253A-1)에 해당하는 영역을 넓게 형성하도록 해도 좋다.
도 15에 도시한 화소(250d)의 구성도, 도 10에 도시한 화소(250b)와 마찬가지로, 탭(251A)을 구성하는 각 부와, 탭(251B)을 구성하는 각 부는, 선대칭으로 배치되어 있다.
도시는 하지 않지만, 도 15에 도시한 화소(250d)에서도, 제2 실시의 형태에서의 화소(250b)와 마찬가지로, 탭(251A)에 포함되는 배선과, 탭(251B)에 포함되는 배선은, 선대칭이 되도록 배치되어 있다.
따라서, 화소(250d)에 포함되는 탭(251A)에 포함되는 트랜지스터나 배선 등과, 화소(250d)에 포함되는 탭(251B)에 포함되는 트랜지스터나 배선 등은, 화소(250d)에서의 중앙선(L1)(도 15)에서 선대칭이 되도록 배치할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 노이즈 캔슬에 기여하는 배선, 예를 들면, 기생 용량(D_ST)에 해당하는 배선 등의 편차가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
여기서는, 제2 내지 제4 실시의 형태로서, 트랜지스터의 배치나 크기 등을 변경한 예를 들었지만, 이들 배치나 크기는 한 예이고, 여기서 든 예 이외의 배치나 크기라도, 본 기술을 적용할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 기술을 적용한 화소는, FD(부유 확산 영역)를 구성하는 영역을 2영역에 분산 배치하고, 그 2영역을 접속함으로써, 하나의 FD로서 취급할 수 있도록 구성되어 있다. FD를 2영역에 분산 배치함으로써, 배치의 자유도를 늘리는 것이 가능해진다. 또한, FD를 2영역에 분산 배치함으로써, FD를 하나의 영역에서 마련한 경우보다도 큰 영역으로서 형성하는 것도 가능해진다.
또한, 상술한 실시의 형태에서는, FD를 2영역, 예를 들면, 도 10에 도시한 화소(250b)에서는 FD(253A-1)와 FD(253A-2)으로 FD(253A)가 형성되어 있는 경우를 예로 들어 설명했는데, FD는 2영역 이상으로 분할되어 마련되어 있어도 좋다.
상술한 바와 같이, 본 기술을 적용한 화소는, FD의 용량을 변환하는 변환 효율 전환용 트랜지스터(FDG)와 부가 용량부를 마련함에 의해, 더욱 FD의 용량을 증가할 수 있는 구성으로 되어 있다. 또한, 적층되는 배선층에도, FD의 일부를 이루는 배선을 마련함으로써, 보다 FD의 용량을 증가할 수 있는 구성으로 되어 있다. 이런 점에서, 본 기술을 적용한 화소에 의하면, FD의 용량을 증가시킨 화소로 할 수 있다.
또한 상기한 바와 같이, 본 기술을 적용한 화소는, 피드백 이네이블 트랜지스터(FBEN)를 마련하고, 기생 용량(C_ST)이나 기생 용량(C_FB)을 배선에 의해 확보할 수 있는 구성으로 했기 때문에, KTC 노이즈 등의 노이즈를 저감시킬 수 있다.
또한 상기한 바와 같이, 2탭 구성의 화소에 대해 본 기술을 적용한 경우, 탭 내의 트랜지스터나 배선은, 화소 내에서, 선대칭이 되도록 배치되어 있기 때문에, 배선의 길이의 편차를 없앨 수 있다. 배선의 길이에 편차가 있으면, 배선 용량에 차이가 생기고, 노이즈를 적절하게 억제할 수 없게 되는 등의 문제가 발생할 가능성이 있는데, 본 기술을 적용함으로써, 그와 같은 일이 생길 가능성을 저감시킬 수 있다.
<제5 실시의 형태>
이하의 설명에서는, TG(252), FD(253), OFD(256), PD(261)의 배치에 관해 설명한다. 다른 부분은, 제2 내지 제4 실시의 형태의 모두 적용할 수 있기 때문에, 그 설명은 생략한다.
도 16은, 제2 내지 제4 실시의 형태에서의 화소(250) 중, TG(252), FD(253), OFD(256), PD(261)의 배치례를 도시한 도면이다. TG(252A)와 TG(252B)의 각각은, PD(261)의 4변 중의 1변에 인접하도록 마련되어 있다. 도 16에 도시한 예에서는, TG(252A)와 TG(252B)는, PD(261)의 상변의 X축 방향으로, 가로로 나란히 배치되어 있다.
TG(252A)의 상측에는, FD(253A-1)가 마련되고, TG(252B)의 상측에는, FD(253B-1)가 마련되어 있다. PD(261)의 TG(252)가 배치되어 있는 변과 역측의 변에는, OFG(256)가 배치되어 있다.
도 16에 도시한 예에서도, 화소(250)의 중앙선(L1)을 기준으로 하여, TG(252A), FD(253A-1)와, TG(252B), FD(253B-1)는 선대칭으로 배치되어 있다. OFG(256)도, 중앙선(L1)상에 배치되고, OFG(256)의 가령 중앙선(L1)의 좌측과 우측으로 나눈 경우, 좌측 영역과 우측 영역이, 선대칭으로 배치되어 있다.
제2 내지 제4 실시의 형태에서는, 도 16에 도시한 바와 같이, TG(252), FD(253), OFG(256)가 선대칭이 되도록 배치되어 있다. TG(252), FD(253), OFG(256)의 배치나, 배치되는 개수는, 도 16에 도시한 예 이외라도 좋고, 이하에 설명하는 배치례나 개수라도 좋다.
도 17은, 제5 실시의 형태에서의 화소(250e)의 구성례를 도시하는 도면이다. 도 17에 도시한 화소(250e)와, 도 16에 도시한 화소(250)를 비교하면, 도 17에 도시한 화소(250e)는, OFD(256)가 2개 구비되어 있는 점이 도 16에 도시한 화소(250)와 다르다.
도 17에 도시한 화소(250e)에서는, PD(261)의 하변의 X축 방향으로 가로로 나란히 OFD(256-1)와 OFD(256-2)가 배치되어 있다. OFD(256-1)와 OFD(256-2)는, 화소(250)의 중앙선(L1)을 기준으로 하여, 선대칭으로 배치되어 있다.
이와 같이, OFD(256)를 복수 마련함으로써, 배출 능력을 향상시킬 수 있다. 도 17에 도시한 바와 같이, OFD(256)도, TG(252)와 마찬가지로, 중앙선(L1)을 기준으로 하여 선대칭으로 배치되어 있는 구성으로 함으로써, 화소(250e)에서의 대칭성을 보다 높일 수 있고, 광학 대칭성을 향상시킬 수도 있다.
<제6 실시의 형태>
도 18은, 제6 실시의 형태에서의 화소(250f)의 평면 구성례를 도시하는 도면이다.
도 18에 도시한 화소(250f)와, 도 17에 도시한 화소(250e)를 비교하면, 도 18에 도시한 화소(250f)에서도, OFD(256)를 2개 구비하는 점은 동일하지만, 배치되어 있는 위치가 다르다.
도 18에 도시한 화소(250f)는, PD(261)의 좌변에 OFD(256-1)가 배치되고, PD(261)의 우변에 OFD(256-2)가 배치되어 있다. 화소(250f)에서는, OFD(256-1)와 OFD(256-2)가, 대변(對邊)으로 배치되어 있다. OFD(256-1)와 OFD(256-2)는, 화소(250f)의 중앙선(L1)을 기준으로 하여, 선대칭으로 배치되어 있다.
화소(250f)에서는, TG(252)와 OFG(256)는 대면(對面)으로 배치되어 있는 것이 아니라, TG(252)에 가까운 위치에 OFG(256)가 배치되어 있다. 구체적으로는 TG(252)와 OFG(256)는 직각을 이루도록 위치에 배치되어 있다. 이와 같이, TG(252)와 OFG(256)는 대면하지 않는 위치에 배치함으로써, 전하의 전송 방향이 대향하지 않고, TG(252)에 전하가 전송되는 전송 속도와, OFG(256)에 전하가 전송되는 전송 속도에 차가 생기는 것을 막는 구성으로 할 수 있다.
<제7 실시의 형태>
도 19는, 제7 실시의 형태에서의 화소(250g)의 평면 구성례를 도시하는 도면이다.
도 19에 도시한 화소(250g)와, 도 17에 도시한 화소(250e)를 비교하면, 도 18에 도시한 화소(250f)에서도, OFD(256)를 2개 구비하는 점은 동일하지만, 배치되어 있는 위치가 다르다.
도 18에 도시한 화소(250f)는, PD(261)의 상변에, TG(252A), TG(252B), OFD(256-1), OFD(256-2)가 배치되어 있다. 화소(250f)에서는, 화소(250g)의 중앙선(L1)을 기준으로 하여, TG(252A), FD(253A-1), OFG(256-1)와, TG(252B), FD(253B-1), OFG(256-2)는 선대칭으로 배치되어 있다.
화소(250g)에서는, TG(252)와 OFG(256)는 PD(261)의 소정의 한 변에 배치되어 있기 때문에, 그 한 변이 위치하고 있는 방향으로 전하의 전송 방향을 갖출 수 있다. 전하의 전송 방향을 일방향으로 갖춤으로써, 예를 들면, 포텐셜 구배를, 그 방향을 향하는 구배로 하는 설계가 행하기 쉬워지고, TG(252)에 전하가 전송되는 전송 속도와, OFG(256)에 전하가 전송되는 전송 속도에 차가 생기는 것을 막고, TG(252)의 전하의 전송 능력을 향상시키고, OFG(256)의 전하의 배출 능력을 향상시킬 수 있다.
<제8 실시의 형태>
도 20은, 제8 실시의 형태에서의 화소(250h)의 평면 구성례를 도시하는 도면이다.
도 20에 도시한 화소(250h)는, 도 19에 도시한 화소(250g)와 마찬가지로, PD(261)의 1변에 TG(253)와 OFG(256)가 배치되어 있는 점에서 동일하지만, OFG(256)가 1개인 점이 다르다.
화소(250h)는, PD(261)의 상변의 X축 방향으로, TG(252A), OFG(256), TG(252B)의 순서로 배치되어 있다. OFG(256)는, 화소(250h)의 중앙선(L1)상에 위치하고, OFG(256)의 양측에 TG(252A)와 TG(252B)가 배치되어 있다.
화소(250g)에서도, 1변에 TG(252)와 OFG(256)가 배치되어 있기 때문에, 화소(250g)(도 19)와 마찬가지로, TG(252)의 전하의 전송 능력을 향상시키고, OFG(256)의 전하의 배출 능력을 향상시킬 수 있다.
<제9 실시의 형태>
도 21은, 제9 실시의 형태에서의 화소(250i)의 평면 구성례를 도시하는 도면이다.
제1 내지 제8 실시의 형태에서의 화소(250)는, 2탭 구성의 화소이고, TG(252)가 2개 구비되어 있는 구성을 예로 들어 설명했는데, 4탭 구성의 화소로 할 수도 있다. 4탭 구성으로 한 경우, 도 21에 도시하는 바와 같이, TG(252)를 4개 구비하는 구성이 된다. 도 21에 도시한 화소(250i)는, PD(261)의 상변의 X축 방향으로, 왼쪽으로부터 TG(252A-2), TG(252A-1), TG(252B-1), TG(252B-2)의 순으로 배치되어 있다.
TG(252A-2)에는 FD(253A-1-2)가 마련되고, TG(252A-1)에는 FD(253A-1-1)가 마련되고, TG(252B-1)에는 FD(253B-1-1)가 마련되고, TG(252B-2)에는 FD(253B-1-2)가 마련되어 있다. PD(261)의 하변의 중앙에는, 하나의 OFG(256)가 마련되어 있다. 제5 실시의 형태의 화소(250e)(도 17)와 같이, 2개의 OFG(256)가 마련된 구성이나, TG(252)의 개수에 맞추어서 4개의 OFG(256)가 마련된 구성으로 할 수도 있다.
이와 같이, TG(256)를 4개 배치하는, 환언하면, 4탭 구성으로 함으로써, 한번에 4개의 위상 정보를 취득할 수 있고, 예를 들어 거리 측정 화상을 취득하는데 필요한 프레임 수를 줄일 수 있고, 동체 떨림을 억제할 수 있다.
<게이트의 평면시에서의 형상에 관해>
도 22는, 게이트의 평면시에서의 형상에 관해 설명하기 위한 도면이다.
제1 내지 제9 실시의 형태에서는, TG(252)나 OFG(256)라는 게이트의 형상은 4각 형상이라고 하여 설명했지만, 사각 형상 이외의 형상이라도 좋다. 도 22에, 도 16에 도시한 화소(250)의 구성에서, 게이트의 형상을 사각 형상 이외의 형상으로 한 구성의 한 예를 도시한다.
도 22에 도시한 TG(252A), TG(252B), 및 OFG(256)는, 각각 육각 형상으로 되어 있다. 환언하면, 사각 형상의 게이트의 모서리를 떨어뜨린 형상으로 되어 있다. 이와 같이, 게이트의 형상을, 모서리를 떨어뜨린 형상으로 함으로써, 게이트 용량을 줄일 수 있고, 전송 능력을 향상시킬 수 있다.
도 22에 도시한 TG(252A), TG(252B), 및 OFG(256)는, PD(261) 위를 넘는 위치에 배치되어 있다. 이와 같이, 평면시에서 게이트의 일부가, PD(261)상에 형성되어 있도록 구성할 수도 있다.
도 23은, 도 18에 도시한 화소(250f)의 구성에서, 게이트의 형상을 사각 형상 이외의 형상으로 한 구성의 한 예를 도시한다. 도 23에 도시한 바와 같이, 게이트의 형상을, 모서리를 떨어뜨린 형상으로 함으로써, 모서리를 떨어뜨린 부분끼리를 접근시킬 수 있다. 도 23에 도시한 바와 같이, TG(252A)와 OFG(256-1), TG(252B)와 OFG(256-2)라는 직교하는 게이트의 거리를 접근시킬 수 있고, TG(252)와 OFG(256)의 레이아웃이나, 그들 이외의 게이트의 레이아웃의 자유도를 늘릴 수 있다.
TG(252)와 OFG(256)의 거리를 접근시켜서 배치함으로써, 도 18의 화소(250f)를 참조하여 설명한 바와 같이, 전하의 전송 방향을 일방향으로 갖출 수 있고, TG(252)의 전하의 전송 능력을 향상시키고, OFG(256)의 전하의 배출 능력을 향상시킬 수 있다.
<게이트의 단면시에서의 형상>
다음으로 게이트의 단면시에서의 형상에 관해 설명을 가한다.
도 24에, 다시 도 16에 도시한 화소(250)의 평면시에서의 도면을 도시하고, 도 25에, 도 24에 도시한 화소(250)의 평면도에서, 선분 A-A'으로 절단했을 때의 단면의 구성을 나타내는 도면을 도시한다.
도 25에 도시하는 바와 같이, Si(실리콘) 기판으로 이루어지는 Pwell 영역(401) 내에 PD(261)가 마련되어 있다. PD(261)는, 예를 들어 N형 불순물층(전하 축적층)으로 구성되고, 그 상부에 공핍화 방지층(피닝층)을 이루는 고농도의 P형 불순물층이 부가된 구조로 되어 있다.
PD(261)의 도면 중 좌측에는, PD(61)에서 발생한 전하를 축적하는 FD(253A-1)가 마련되어 있다. 도 25에서, PD(261)와 FD(253A-1) 사이에 TG(252A)가 마련되어 있다. 한편, 도면 중 우측에는, OFD(256)가 마련되어 있다.
도 24를 참조하면, PD(261)에 발생한 전하는, TG(252A) 또는 TG(252B)의 온, 오프의 타이밍에 맞추어서, 탭(251A)에 포함되는 TG(252A), 탭(251B)에 포함되는 TG(252B)로 배분된다. 또한, 배출용의 OFG(256)에 의해 배출될 때도 있다. 즉, PD(261)에 발생한 전하는, 게이트의 온, 오프의 타이밍에서, 다른 3방향의 어느 하나로 배분된다.
예를 들면, TG(252A)와 TG(252B)의 위치적으로 사이에 있는 전하가, TG(252A)가 온으로 되었을 때에 TG(252A)에 전부 들어가지 않고, 반대측의 TG(252B)에 들어가 버리면, Cmod(Contrast between active and inactive tap: 전하 배분 효율)가 저하되어 버리고, DNU(Depth Non Uniformity)가 발생할 가능성이 있다.
TG(252)를, 종형 게이트 트랜지스터로 해도 좋다. 종형 게이트 트랜지스터로 함으로써, Si(실리콘) 기판으로 이루어지는 Pwell 영역(401) 내의 포텐셜 변조를 크게 하는 것이 가능해지고, TG(252A), TG(252B)에의 전하의 배분 능력을 향상시킬 수 있다.
OFG(256)를 가하는 구성으로 함으로써, PD(261)의 리셋 능력을 추가할 수 있고, PD(261) 내의 전송 불량 등으로 잔존하는 전하가, TG(252A)나 TG(252B)를 통하여 신호 성분으로서 검출되는 것을 억제할 수 있다. 이러한 점에서, 전하 배분 효율을 향상시키고, 거리 측정 정밀도를 높일 수 있다.
이하에, TG(252)나 OFG(256)를, 종형 게이트 트랜지스터로 한 경우에 관해 설명을 가한다. 이하의 실시의 형태는, 제1 내지 제9 실시의 형태와 조합시켜서 적용하는 것이 가능하다.
<제10 실시의 형태>
도 26은, 제10 실시의 형태에서의 화소(250j)의 구성례를 도시하는 평면도이고, 도 27은, 도 26의 화소(250j)의 평면도에서, 선분 A-A'으로 절단했을 때의 단면의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 26에 도시한 화소(250j)는, TG(252A)에 종형 게이트부(421A)를 구비하고, TG(252B)에 종형 게이트부(421B)를 구비하고, OFG(256)에 종형 게이트부(422)를 구비한다.
도 27에 도시한 단면도를 참조하면, TG(252A)는 종형 게이트부(421A)를 구비한 구성으로 되어 있다. 이 종형 게이트부(421A)는, 종형 트랜지스터 트렌치가 개구되고, 그곳에 PD(261)로부터 전하를 판독하기 위한 전송 게이트로서 형성되어 있는 부분이다. TG(252A)는, 평면 게이트 전극과 종형 게이트 전극이 일체로 형성된 전송 게이트 전극이고, 종형 게이트 전극을 여기서는 종형 게이트부(421A)라고 기술한다.
도 27에는 도시하지 않지만, TG(252B)도, TG(252A)와 같이, 평면 게이트 전극과 종형 게이트부(421B)로 구성되어 있다. 마찬가지로, OFG(256)도, TG(252A)와 같이, 평면 게이트 전극과 종형 게이트부(422)로 구성되어 있다.
이와 같이, TG(253)를, 종형 게이트부(421)를 갖는 종형 트랜지스터로 함으로써, PD(261)의 깊은 부분으로부터의 전하도 효율 좋게 판독하는 것이 가능해진다. PD(261)에서 광전 변환에 의해 발생한 전하를, 종형 게이트부(422)에 의한 전위 구배로, 고속으로 배분하는 전송을 실현할 수 있다.
게이트에 가하는 인가 전압을 바꿈에 의해, 용이하게 벌크 내부의 전위 변조도를 컨트롤하는 것도 가능해진다. 이것은 불순물을 도펀트로서 전위 변조하는 경우보다도 효과가 크고, 용이하게 행할 수 있다.
종형 게이트부(421)에 의한 변조를 이용함으로써, 예를 들면, TG(253)를 형성할 때에, 마스크 패턴의 맞춤 어긋남이 발생하고, 평면 게이트 전극이 어긋난 상태로 형성되었다 하더라도, 종형 게이트부(421)는, 그 영향을 받지 않고 로버스트화할 수 있다.
OFG(256)를 구비하는 구성으로 함으로써, 전하 배출 기능을 추가할 수 있고, OFG(256)도, 종형 게이트부(422)를 구비하는 구성으로 함으로써, PD(261) 내에 전송 불량 등으로 잔존하는 전하가, TG(252A), TG(252B)를 통하여 신호 성분으로서 검출되는 것을 보다 억제할 수 있고, Cmod를 향상시키고, 거리 측정 정밀도를 높이는 것이 가능해진다.
종형 게이트부를 구비하는 게이트의 구성은, 다른 트랜지스터의 게이트에 대해서도 적용할 수 있다.
<제11 실시의 형태>
도 28은, 제11 실시의 형태에서의 화소(250k)의 구성례를 도시하는 평면도이다. 종형 게이트부는, 1게이트당 복수개 마련되어 있어도 좋다.
도 28은, 1게이트당 2개의 종형 게이트부를 구비하는 화소(250k)의 구성례를 도시하고 있다. 화소(250k)의 TG(252A)에는, 종형 게이트부(421A-1)와 종형 게이트부(421A-2)가, 도면 중 좌우 방향(X축 방향)으로 나란히 배치되어 있다. 화소(250k)의 TG(252B)에는, 종형 게이트부(421B-1)와 종형 게이트부(421B-2)가, 도면 중 좌우 방향으로 나란히 배치되어 있다. 화소(250k)의 OFG(256)에는, 종형 게이트부(422-1)와 종형 게이트부(422-2)가, 도면 중 좌우 방향으로 나란히 배치되어 있다.
이와 같이, 하나의 TG(252)에 2개의 종형 게이트부(421)를 구비하는 구성으로 해도 좋다. TG(252) 내에 배치되는 2개의 종형 게이트부(421)의 배열은, 상기한 X축 방향이라도 좋고, Y축 방향(도면 중 상하 방향)이라도 좋다. 다른 게이트도, TG(252)와 같이, 2개의 종형 게이트부를 구비하는 구성으로 할 수 있다.
도 29에 도시하는 바와 같이, 하나의 TG(252)에 4개의 종형 게이트부(421)를 구비한 화소(250k')의 구성례를 나타낸다. 화소(250k)의 TG(252A)에는, 종형 게이트부(421A-1 내지 421A-4)의 각각이 TG(252A)의 네모퉁이에 배치되어 있다. 화소(250k)의 TG(252B)에는, 종형 게이트부(421B-1 내지 421B-4)의 각각이 TG(252B)의 네모퉁이에 배치되어 있다. 화소(250k)의 OFG(256)에는, 종형 게이트부(422-1 내지 422-4)의 각각이 OFG(256)의 네모퉁이에 배치되어 있다.
이와 같이, 하나의 TG(252)에 4개의 종형 게이트부(421)를 구비하는 구성으로 해도 좋다. 다른 게이트도, TG(252)와 같이, 4개의 종형 게이트부를 구비하는 구성으로 할 수 있다.
도시는 하지 않지만, 1게이트에 2개, 4개 이외의 복수의 종형 게이트부를 마련하는 구성으로 할 수도 있다. 1게이트에 복수의 종형 게이트부를 마련한 경우에, 그 종형 게이트부의 배치는, 상기한 소정의 방향으로 나란히 배치하는, 게이트의 형상에 맞추어서 예를 들어 게이트의 네모퉁이에 배치하는 이외의 배치라도 좋다.
종형 게이트부의 개수를 늘림으로써, 전위 변조의 효과를 향상시킬 수 있다.
도 30은, 도 29의 화소(250k')의 평면도에서, 선분 A-A'으로 절단했을 때의 단면의 구성을 도시하는 단면도이다. 도 30에서는, TG(252A)에 마련되어 있는 4개의 종형 게이트부(421A-1 내지 421A-4) 중, FD(253A-1)와 PD(261)를 연결하는 직선상(선분 A-A')에 배치되어 있는 종형 게이트부(421A-2)와 종형 게이트부(421A-4)를 나타낸다.
종형 게이트부(421)는, 배치되어 있는 위치에 의하지 않고 같은 깊이로 형성되어 있어도 좋고, 배치되어 있는 위치에 의해 깊이가 다르도록 형성되어 있어도 좋다. 배치되어 있는 위치에 의해 깊이를 바꾸는 경우, 도 30에 도시한 바와 같이, PD(261)에 가까운 쪽에 배치되어 있는 종형 게이트부(421A-4)의 깊이(A)가, PD(261)보다 먼 쪽에 배치되어 있는 종형 게이트부(421A-2)의 깊이(B)보다도 깊게 형성되어 있도록 구성할 수 있다.
이와 같이 종형 게이트부(421)를 복수 구비하고, 배치되어 있는 위치에 의해 깊이를 바꿈으로써, 도 30의 아래 도면에 도시한 전위 구배를 얻을 수 있다(얻도록 조정할 수 있다). 도 31에 도시한 바와 같이, PD(261)로부터 FD(253A-1) 쪽에 걸쳐, Pwell 영역(401) 내의 전위가 내려가는 전위 구배를, 종형 게이트부(421A-2, 421A-4)의 깊이를 조정함으로써 만들어낼 수 있다.
이와 같은 깊이가 다른 종형 게이트부(421)를 형성하는 경우, 도 31에 도시하는 바와 같이, 형성시의 지름을 다른 크기로 함으로써 형성할 수 있다. 도 30에 도시한 바와 같이, 종형 게이트부(421A-3(421A-4))를, 종형 게이트부(421A-1(421A-2))보다도 깊게 형성하는 경우, 도 31에 도시하는 바와 같이, 종형 게이트부(421A-3)를 형성할 때의 트렌치의 지름(L2)을, 종형 게이트부(421A-1)를 형성할 때의 트렌치의 지름(L1)보다도 크게 한다.
종형 게이트부(421A-3)를 형성할 때의 트렌치의 지름(L2)>종형 게이트부(421A-1)를 형성할 때의 트렌치의 지름(L1)으로 함으로써, 동일 공정으로 파내는 양을 변화시킬 수 있고, 지름이 큰 쪽을 깊은 위치까지 파낼 수 있고, 깊이가 다른 종형 게이트부(421)를 형성할 수 있다.
이와 같이, 복수의 종형 게이트부(421)를 형성하고, 종형 게이트부(421)의 깊이를 다르도록 형성함으로써, 소망하는 전위 구배를 형성할 수 있고, 전하의 전송 효율을 향상시킬 수 있다.
<제12 실시의 형태>
도 32는, 제12 실시의 형태에서의 화소(250m)의 구성례를 도시하는 평면도이고, 도 33은, 도 32의 화소(250m)의 평면도에서, 선분 A-A'으로 절단했을 때의 단면의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 32에 도시한 화소(250m)는, 도 26에 도시한 화소(250j)에, TG(252A-2), TG(252B-2), OFG(256-2)를 추가한 구성을 가지고 있다.
도 32, 도 33에 도시한 화소(250m)는, PD(261)의 한 변에, TG(252A-1)와 TG(252B-1)를 구비하고, PD(261)상에 TG(252A-2)와 TG(252B-2)를 구비한다. TG(252A-1)와 TG(252A-2)는, 탭(251A)에 포함되는 전송 트랜지스터의 게이트이고, TG(252B-1)와 TG(252B-2)는, 탭(251B)에 포함되는 전송 트랜지스터의 게이트이다.
도 33에 도시하는 바와 같이, TG(252A-1)는, PD(261)와 FD(253A-1) 사이에 배치되고, TG(252A-2)는, PD(261)상에 배치되어 있다. TG(252A-2)는, 평면시에서, PD(261)와 중첩하는 위치에 배치되어 있다. TG(252B-1)와 TG(252B-2)도, TG(252A-1)와 TG(252A-2)와 같은 위치 관계로 배치되어 있다.
이와 같이, PD(261)와 TG(252A-1)의 전하가 전송되는 경로에, TG(252A-2)를 마련함으로써, 화소(250m)의 중앙 부근까지 전위 구배를 주는 것이 가능해지고, 전하의 전송 능력을 향상시킬 수 있다. TG(252B)측도 같은 구성으로 함으로써, 전하의 전송 능력을 향상시킬 수 있다. TG(252A)와 TG(252B)의 양쪽에서, 전하의 전송 능력을 향상시킬 수 있음으로써, 전하의 배분 능력도 향상시킬 수 있다.
다른 게이트, 예를 들면, OFG(256)도, TG(252)와 같은 구성으로 함으로써, 전하의 배출 능력을 향상시킬 수 있다.
여기서는, TG(252)가, TG(252-1)와 TG(252-2)로 구성되는 예를 나타내고 있는데, PD(261)상에 배치되는 TG(252-2)는, 1개가 아니라 복수개라도 좋다.
TG(252A)를 TG(252A-1)와 TG(252B-2)의 2개의 게이트로 구성한 경우, TG(252A-1)와 TG(252B-2)에 동시에 구동 전압을 가하여, 동시에 온의 상태로 하는 구동을 행해도 좋다. 이와 같이 동시에 온의 상태로 하는 구동을 행하는 경우, TG(252A-1)와 TG(252B-2)에 동 전압을 가하는 구성으로 해도 좋고, 다른 전압이 가해지도록 해도 좋다.
다른 전압이 가해지도록 하는 경우, 예를 들면, TG(252A-1)에 가해지는 전압 쪽이, TG(252A-2)에 가해지는 전압보다도 커지도록 제어되도록 해도 좋다.
TG(252A-1)와 TG(252B-2)에 다른 타이밍에서 구동 전압을 가하여, 온의 상태가 되는 타이밍이 어긋나는 구동을 행해도 좋다. 예를 들면, TG(252A-2)를 구동하고, 그 후, TG(252A-2)가 구동된 상태가 유지된 채 TG(252B-1)가 구동되도록 해도 좋다. 또는, TG(252A-2)를 구동하고, TG(252A-2)를 오프로 한 후, TG(252B-1)가 구동되도록 해도 좋다.
TG(252A-2)나 TG(252B-2)는, 도 32, 33에 도시한 바와 같은 크기보다도 크게 형성되어 있어도 좋다. 도 33, 도 34에, TG(252A-2)나 TG(252B-2)를 크게 한 경우의 화소(250m)의 구성례를 도시한다.
도 34는, 제12 실시의 형태에서의 화소(250m)(화소(250m')라고 한다)의 다른 구성례를 도시하는 평면도이고, 도 35는, 도 34의 화소(250m')의 평면도에서, 선분 A-A'으로 절단했을 때의 단면의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 34를 참조하면, 평면시로 보았을 때, PD(261)상에 배치되어 있는 TG(252A-2'), TG(252B-2'), OFG(256-2')는, PD(261)의 면적을 3분할하는 크기로, 각각 형성되어 있다. 도 35를 참조하면, TG(252A-2')는, PD(261)상에, TG(252A-1)보다도 크게 형성되어 있다.
이와 같이, TG(252-2')의 크기는, 도 32, 도 33에 도시한 예와 같이, TG(252-1)와 같은 정도의 크기로 형성되어 있어도 좋고, 도 34, 35에 도시한 예와 같이, TG(252-1)보다도 크게 형성되어 있어도 좋다.
<제13 실시의 형태>
도 36은, 제13 실시의 형태에서의 화소(250n)의 구성례를 도시하는 평면도이고, 도 37은, 도 36의 화소(250n)의 평면도에서, 선분 A-A'으로 절단했을 때의 단면의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 36에 도시한 화소(250n)는, 도 32에 도시한 화소(250m)의 TG(252A-2), TG(252B-2), OFG(256-2)의 각각을 종형 게이트 트랜지스터로 구성한 점이 다르고, 다른 구성은 같다.
TG(252A-2)에는, 종형 게이트부(421A-2)가 마련되고, TG(252B-2)에는, 종형 게이트부(421B-2)가 마련되고, OFG(256-2)에는, 종형 게이트부(422-2)가 마련되어 있다.
TG(252-1)와 TG(252-2)의 양쪽을 종형 게이트부(421)로 한 경우, 도 37의 A에 도시하는 바와 같이 깊이는 동일하게 형성해도 좋고, 도 37의 B에 도시하는 바와 같이 깊이는 다르도록 형성해도 좋다.
도 37의 A에 도시한 예는, TG(252A-1)의 종형 게이트부(421A-1)의 깊이(B)와, TG(252A-2)의 종형 게이트부(421A-2)의 깊이(A)는 동일한 깊이로 형성되어 있다.
도 37의 B에 도시한 예는, TG(252A-1)의 종형 게이트부(421A-1)의 깊이(B)와, TG(252A-2)의 종형 게이트부(421A-2)의 깊이(A)는 다른 깊이로 형성되어 있다. 도 37의 B에서는, 종형 게이트부(421A-1)의 깊이(B)가, 종형 게이트부(421A-2)의 깊이(A)보다도 얕게 형성되어 있는 경우를 나타냈는데, 종형 게이트부(421A-1)의 깊이(B)가, 종형 게이트부(421A-2)의 깊이(A)보다도 깊게 형성되어 있어도 좋다.
이와 같이, PD(261)상에 형성되는 TG(252-2)를, 종형 게이트부(421)를 구비하는 종형 게이트 트랜지스터로서 형성함으로써, 소망하는 전위 구배를 형성할 수 있고, 전하의 전송 효율을 향상시킬 수 있다.
<제14 실시의 형태>
도 38은, 제14 실시의 형태에서의 화소(250p)의 구성례를 도시하는 평면도이고, 도 39는, 도 38의 화소(250p)의 평면도에서, 선분 A-A'으로 절단했을 때의 단면의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 38, 도 39에 도시한 화소(250p)는, 도 36에 도시한 화소(250n)의 TG(252A-1), TG(252B-1), OFG(256-1)의 각각을 종형 게이트가 아닌 구성, 환언하면 평치(平置) 게이트로 한 점이 다르고, 다른 구성은 같다.
도 38에 도시한 화소(250p)는, TG(252A-1)는 종형 게이트부를 구비하지 않는 평치 게이트로 되어 있다. 마찬가지로 TG(252B-1)는 종형 게이트부를 구비하지 않는 평치 게이트로 되어 있다. OFG(256-1)는 종형 게이트부를 구비하지 않는 평치 게이트로 되어 있다.
이와 같이, 예를 들어 탭(251A)에 포함되는 TG(252A-1)와 TG(252A-2) 중의 어느 일방을 종형 게이트로 하고, 타방을 평치 게이트로 하는 구성으로 해도 좋다.
TG(252A-2)를 종형 게이트로 함으로써, 도 39에 도시하는 바와 같이, 깊이 방향에서 PD(261)에 가까운 위치에 게이트를 형성할 수 있고, 전송 능력을 향상시킬 수 있다. 따라서, 화소(250p)에서도, 전하의 전송 효율을 향상시킬 수 있다.
상기한 제1 내지 제9 실시의 형태의 어느 하나와, 제10 내지 제14 실시의 형태의 어느 하나를 조합시킨 구성으로 할 수 있다. 즉, 제1 내지 제9 실시의 형태의 어느 하나의 화소(250)에서, 그 화소(250)를 구성하는 게이트를, 종형 게이트로 할 수 있다.
<전자 기기에의 적용례>
본 기술은, 촬상 소자에의 적용으로 한정되는 것이 아니다. 즉, 본 기술은, 디지털 스틸 카메라나 비디오 카메라 등의 촬상 장치나, 촬상 기능을 갖는 휴대 단말 장치나, 화상 판독부에 촬상 소자를 이용하는 복사기 등, 화상 취입부(광전 변환부)에 촬상 소자를 이용하는 전자 기기 전반에 대해 적용 가능하다. 촬상 소자는, 원칩으로서 형성된 형태라도 좋고, 촬상부와 신호 처리부 또는 광학계가 통합하여 패키징된 촬상 기능을 갖는 모듈형상의 형태라도 좋다.
도 40은, 본 기술을 적용한 전자 기기로서의, 촬상 장치의 구성례를 도시하는 블록도이다.
도 40의 촬상 소자(1000)는, 렌즈군 등으로 이루어지는 광학부(1001), 도 1의 촬상 장치(10)의 구성이 채용되는 촬상 소자(촬상 디바이스)(1002), 및 카메라 신호 처리 회로인 DSP(Digital Signal Processor) 회로(1003)를 구비한다. 또한, 촬상 소자(1000)는, 프레임 메모리(1004), 표시부(1005), 기록부(1006), 조작부(1007), 및 전원부(1008)도 구비한다. DSP 회로(1003), 프레임 메모리(1004), 표시부(1005), 기록부(1006), 조작부(1007) 및 전원부(1008)는, 버스 라인(1009)을 통하여 상호 접속되어 있다.
광학부(1001)는, 피사체로부터의 입사광(상광)을 취입하여 촬상 소자(1002)의 촬상면상에 결상한다. 촬상 소자(1002)는, 광학부(1001)에 의해 촬상면상에 결상된 입사광의 광량을 화소 단위로 전기 신호로 변환하여 화소 신호로서 출력한다. 이 촬상 소자(1002)로서, 도 1의 촬상 장치(1)를 이용할 수 있다.
표시부(1005)는, 예를 들면, LCD(Liquid Crystal Display)나 유기 EL(Electro Luminescence) 디스플레이 등의 박형 디스플레이로 구성되고, 촬상 소자(1002)에서 촬상된 동화 또는 정지화를 표시한다. 기록부(1006)는, 촬상 소자(1002)에서 촬상된 동화 또는 정지화를, 하드 디스크나 반도체 메모리 등의 기록 매체에 기록한다.
조작부(1007)는, 유저에 의한 조작 아래에, 촬상 소자(1000)가 갖는 다양한 기능에 관해 조작 지령을 발한다. 전원부(1008)는, DSP 회로(1003), 프레임 메모리(1004), 표시부(1005), 기록부(1006) 및 조작부(1007)의 동작 전원이 되는 각종의 전원을, 이들 공급 대상에 대해 적절히 공급한다.
<내시경 수술 시스템에의 응용례>
본 개시에 관한 기술(본 기술)은, 다양한 제품에 응용할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 관한 기술은, 내시경 수술 시스템에 적용되어도 좋다.
도 41은, 본 개시에 관한 기술(본 기술)이 적용될 수 있는 내시경 수술 시스템의 개략적인 구성의 한 예를 도시하는 도면이다.
도 41에서는, 수술자(의사)(11131)가, 내시경 수술 시스템(11000)을 이용하여, 환자 베드(11133)상의 환자(11132)에게 수술을 행하고 있는 상태가 도시되어 있다. 도시하는 바와 같이, 내시경 수술 시스템(11000)은, 내시경(11100)과, 기복 튜브(11111)나 에너지 처치구(11112) 등의, 그 외의 수술구(11110)와, 내시경(11100)을 지지하는 지지 암 장치(11120)와, 내시경하 수술을 위한 각종의 장치가 탑재된 카트(11200)로 구성된다.
내시경(11100)은, 선단으로부터 소정 길이의 영역이 환자(11132)의 체강 내에 삽입되는 경통(11101)과, 경통(11101)의 기단에 접속되는 카메라 헤드(11102)로 구성된다. 도시하는 예에서는, 경성의 경통(11101)을 갖는 이른바 경성경으로서 구성되는 내시경(11100)을 도시하고 있는데, 내시경(11100)은, 연성의 경통을 갖는 이른바 연성경으로서 구성되어도 좋다.
경통(11101)의 선단에는, 대물 렌즈가 감입된 개구부가 마련되어 있다. 내시경(11100)에는 광원 장치(11203)가 접속되어 있고, 당해 광원 장치(11203)에 의해 생성된 광이, 경통(11101)의 내부에 연설(延設)되는 라이트 가이드에 의해 당해 경통의 선단까지 도광되고, 대물 렌즈를 통하여 환자(11132)의 체강 내의 관찰 대상을 향하여 조사된다. 또한, 내시경(11100)은, 직시경이라도 좋고, 사시경 또는 측시경이라도 좋다.
카메라 헤드(11102)의 내부에는 광학계 및 촬상 소자가 마련되어 있고, 관찰 대상으로부터의 반사광(관찰광)은 당해 광학계에 의해 당해 촬상 소자에 집광된다. 당해 촬상 소자에 의해 관찰광이 광전 변환되고, 관찰광에 대응하는 전기 신호, 즉 관찰상에 대응하는 화상 신호가 생성된다. 당해 화상 신호는, RAW 데이터로서 카메라 컨트롤 유닛(CCU: Camera Control Unit)(11201)에 송신된다.
CCU(11201)는, CPU(Central Processing Unit)나 GPU(Graphics Processing Unit) 등에 의해 구성되고, 내시경(11100) 및 표시 장치(11202)의 동작을 통괄적으로 제어한다. 또한, CCU(11201)는, 카메라 헤드(11102)로부터 화상 신호를 수취하고, 그 화상 신호에 대해, 예를 들어 현상 처리(디모자이크 처리) 등의, 당해 화상 신호에 의거하는 화상을 표시하기 위한 각종의 화상 처리를 시행한다.
표시 장치(11202)는, CCU(11201)로부터의 제어에 의해, 당해 CCU(11201)에 의해 화상 처리가 시행된 화상 신호에 의거하는 화상을 표시한다.
광원 장치(11203)는, 예를 들어 LED(light emitting diode) 등의 광원으로 구성되고, 수술부 등을 촬영할 때의 조사광을 내시경(11100)에 공급한다.
입력 장치(11204)는, 내시경 수술 시스템(11000)에 대한 입력 인터페이스이다. 유저는, 입력 장치(11204)를 통하여, 내시경 수술 시스템(11000)에 대해 각종의 정보의 입력이나 지시 입력을 행할 수 있다. 예를 들면, 유저는, 내시경(11100)에 의한 촬상 조건(조사광의 종류, 배율 및 초점 거리 등)을 변경하는 취지의 지시 등을 입력한다.
처치구 제어 장치(11205)는, 조직의 소작(燒灼), 절개 또는 혈관의 봉지 등을 위한 에너지 처치구(11112)의 구동을 제어한다. 기복 장치(11206)는, 내시경(11100)에 의한 시야의 확보 및 수술자의 작업 공간의 확보의 목적으로, 환자(11132)의 체강을 팽창시키기 위해, 기복 튜브(11111)를 통하여 당해 체강 내에 가스를 보낸다. 레코더(11207)는, 수술에 관한 각종의 정보를 기록 가능한 장치이다. 프린터(11208)는, 수술에 관한 각종의 정보를, 텍스트, 화상 또는 그래프 등 각종의 형식으로 인쇄 가능한 장치이다.
또한, 내시경(11100)에 수술부를 촬영할 때의 조사광을 공급하는 광원 장치(11203)는, 예를 들어 LED, 레이저 광원 또는 이들 조합에 의해 구성되는 백색 광원으로 구성할 수 있다. RGB 레이저 광원의 조합에 의해 백색 광원이 구성되는 경우에는, 각 색(각 파장)의 출력 강도 및 출력 타이밍을 고정밀도로 제어할 수 있기 때문에, 광원 장치(11203)에서 촬상 화상의 화이트 밸런스의 조정을 행할 수 있다. 또한, 이 경우에는, RGB 레이저 광원 각각으로부터의 레이저광을 시분할로 관찰 대상에 조사하고, 그 조사 타이밍에 동기하여 카메라 헤드(11102)의 촬상 소자의 구동을 제어함에 의해, RGB 각각에 대응한 화상을 시분할로 촬상하는 것도 가능하다. 당해 방법에 의하면, 당해 촬상 소자에 컬러 필터를 마련하지 않아도, 컬러 화상을 얻을 수 있다.
또한, 광원 장치(11203)는, 출력하는 광의 강도를 소정의 시간마다 변경하도록 그 구동이 제어되어도 좋다. 그 광의 강도의 변경의 타이밍에 동기하여 카메라 헤드(11102)의 촬상 소자의 구동을 제어하여 시분할로 화상을 취득하고, 그 화상을 합성함에 의해, 이른바 흑바램 및 백바램이 없는 고다이내믹 레인지의 화상을 생성할 수 있다.
또한, 광원 장치(11203)는, 특수광 관찰에 대응한 소정의 파장 대역의 광을 공급 가능하게 구성되어도 좋다. 특수광 관찰에서는, 예를 들면, 체조직에서의 광의 흡수의 파장 의존성을 이용하여, 통상의 관찰시에서의 조사광(즉, 백색광)에 비해 협대역의 광을 조사함에 의해, 점막 표층의 혈관 등의 소정의 조직을 고콘트라스트로 촬영하는, 이른바 협대역 광관찰(Narrow Band Imaging)이 행해진다. 또는, 특수광 관찰에서는, 여기광을 조사함에 의해 발생하는 형광에 의해 화상을 얻는 형광 관찰이 행해져도 좋다. 형광 관찰에서는, 체조직에 여기광을 조사하고 당해 체조직으로부터의 형광을 관찰하는 것(자가 형광 관찰), 또는 인도시아닌그린(ICG) 등의 시약을 체조직에 국주(局注)함과 함께 당해 체조직에 그 시약의 형광 파장에 대응한 여기광을 조사하고 형광상을 얻는 것 등을 행할 수 있다. 광원 장치(11203)는, 이와 같은 특수광 관찰에 대응한 협대역광 및/또는 여기광을 공급 가능하게 구성될 수 있다.
도 42는, 도 41에 도시하는 카메라 헤드(11102) 및 CCU(11201)의 기능 구성의 한 예를 도시하는 블록도이다.
카메라 헤드(11102)는, 렌즈 유닛(11401)과, 촬상부(11402)와, 구동부(11403)와, 통신부(11404)와, 카메라 헤드 제어부(11405)를 가진다. CCU(11201)는, 통신부(11411)와, 화상 처리부(11412)와, 제어부(11413)를 가진다. 카메라 헤드(11102)와 CCU(11201)는, 전송 케이블(11400)에 의해 서로 통신 가능하게 접속되어 있다.
렌즈 유닛(11401)은, 경통(11101)과의 접속부에 마련되는 광학계이다. 경통(11101)의 선단으로부터 취입된 관찰광은, 카메라 헤드(11102)까지 도광되고, 당해 렌즈 유닛(11401)에 입사한다. 렌즈 유닛(11401)은, 줌렌즈 및 포커스 렌즈를 포함하는 복수의 렌즈가 조합되어 구성된다.
촬상부(11402)를 구성하는 촬상 소자는, 1개(이른바 단판식)라도 좋고, 복수(이른바 다판식)라도 좋다. 촬상부(11402)가 다판식으로 구성되는 경우에는, 예를 들면 각 촬상 소자에 의해 RGB 각각에 대응하는 화상 신호가 생성되고, 그것들이 합성됨에 의해 컬러 화상을 얻어져도 좋다. 또는, 촬상부(11402)는, 3D(dimensional) 표시에 대응하는 우안용 및 좌안용의 화상 신호를 각각 취득하기 위한 한 쌍의 촬상 소자를 갖도록 구성되어도 좋다. 3D 표시가 행해짐에 의해, 수술자(11131)는 수술부에서의 생체 조직의 깊이를 보다 정확하게 파악하는 것이 가능해진다. 또한, 촬상부(11402)가 다판식으로 구성되는 경우에는, 각 촬상 소자에 대응하여, 렌즈 유닛(11401)도 복수 계통 마련될 수 있다.
또한, 촬상부(11402)는, 반드시 카메라 헤드(11102)에 마련되지 않아도 좋다. 예를 들면, 촬상부(11402)는, 경통(11101)의 내부에, 대물 렌즈의 직후에 마련되어도 좋다.
구동부(11403)는, 액추에이터에 의해 구성되고, 카메라 헤드 제어부(11405)로부터의 제어에 의해, 렌즈 유닛(11401)의 줌렌즈 및 포커스 렌즈를 광축을 따라 소정의 거리만큼 이동시킨다. 이에 의해, 촬상부(11402)에 의한 촬상 화상의 배율 및 초점이 적절히 조정될 수 있다.
통신부(11404)는, CCU(11201)와의 사이에서 각종의 정보를 송수신하기 위한 통신 장치에 의해 구성된다. 통신부(11404)는, 촬상부(11402)로부터 얻은 화상 신호를 RAW 데이터로서 전송 케이블(11400)을 통하여 CCU(11201)에 송신한다.
또한, 통신부(11404)는, CCU(11201)로부터, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어하기 위한 제어 신호를 수신하고, 카메라 헤드 제어부(11405)에 공급한다. 당해 제어 신호에는, 예를 들면, 촬상 화상의 프레임 레이트를 지정하는 취지의 정보, 촬상 시의 노출치를 지정하는 취지의 정보, 및/또는 촬상 화상의 배율 및 초점을 지정하는 취지의 정보 등, 촬상 조건에 관한 정보가 포함된다.
또한, 상기 프레임 레이트나 노출치, 배율, 초점 등의 촬상 조건은, 유저에 의해 적절히 지정되어도 좋고, 취득된 화상 신호에 의거하여 CCU(11201)의 제어부(11413)에 의해 자동적으로 설정되어도 좋다. 후자인 경우에는, 이른바 AE(Auto Exposure) 기능, AF(Auto Focus) 기능 및 AWB(Auto White Balance) 기능이 내시경(11100)에 탑재되어 있게 된다.
카메라 헤드 제어부(11405)는, 통신부(11404)를 통하여 수신한 CCU(11201)로부터의 제어 신호에 의거하여, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어한다.
통신부(11411)는, 카메라 헤드(11102)와의 사이에서 각종의 정보를 송수신하기 위한 통신 장치에 의해 구성된다. 통신부(11411)는, 카메라 헤드(11102)로부터, 전송 케이블(11400)을 통하여 송신되는 화상 신호를 수신한다.
또한, 통신부(11411)는, 카메라 헤드(11102)에 대해, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어하기 위한 제어 신호를 송신한다. 화상 신호나 제어 신호는, 전기 통신이나 광통신 등에 의해 송신할 수 있다.
화상 처리부(11412)는, 카메라 헤드(11102)로부터 송신된 RAW 데이터인 화상 신호에 대해 각종의 화상 처리를 시행한다.
제어부(11413)는, 내시경(11100)에 의한 수술부 등의 촬상, 및, 수술부 등의 촬상에 의해 얻어지는 촬상 화상의 표시에 관한 각종의 제어를 행한다. 예를 들면, 제어부(11413)는, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어하기 위한 제어 신호를 생성한다.
또한, 제어부(11413)는, 화상 처리부(11412)에 의해 화상 처리가 시행된 화상 신호에 의거하여, 수술부 등이 찍힌 촬상 화상을 표시 장치(11202)에 표시시킨다. 이때, 제어부(11413)는, 각종의 화상 인식 기술을 이용하여 촬상 화상 내에서의 각종의 물체를 인식해도 좋다. 예를 들면, 제어부(11413)는, 촬상 화상에 포함되는 물체의 에지의 형상이나 색 등을 검출함에 의해, 겸자(鉗子) 등의 수술구, 특정한 생체 부위, 출혈, 에너지 처치구(11112)의 사용 시의 미스트 등을 인식할 수 있다. 제어부(11413)는, 표시 장치(11202)에 촬상 화상을 표시시킬 때에, 그 인식 결과를 이용하여, 각종의 수술 지원 정보를 당해 수술부의 화상에 중첩 표시시켜도 좋다. 수술 지원 정보가 중첩 표시되고, 수술자(11131)에게 제시됨에 의해, 수술자(11131)의 부담을 경감하는 것이나, 수술자(11131)가 확실하게 수술을 진행시키는 것이 가능해진다.
카메라 헤드(11102) 및 CCU(11201)를 접속하는 전송 케이블(11400)은, 전기 신호의 통신에 대응한 전기 신호 케이블, 광통신에 대응한 광파이버, 또는 이들 복합 케이블이다.
여기서, 도시하는 예에서는, 전송 케이블(11400)을 이용하여 유선으로 통신이 행해지고 있었는데, 카메라 헤드(11102)와 CCU(11201) 사이의 통신은 무선으로 행해져도 좋다.
<이동체에의 응용례>
본 개시에 관한 기술(본 기술)은, 다양한 제품에 응용할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 관한 기술은, 자동차, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 자동 이륜차, 자전거, 퍼스널 모빌리티, 비행기, 드론, 선박, 로봇 등의 어느 한 종류의 이동체에 탑재되는 장치로서 실현되어도 좋다.
도 43은, 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 이동체 제어 시스템의 한 예인 차량 제어 시스템의 개략적인 구성례를 도시하는 블록도이다.
차량 제어 시스템(12000)은, 통신 네트워크(12001)를 통하여 접속된 복수의 전자 제어 유닛을 구비한다. 도 43에 도시한 예에서는, 차량 제어 시스템(12000)은, 구동계 제어 유닛(12010), 바디계 제어 유닛(12020), 차외 정보 검출 유닛(12030), 차내 정보 검출 유닛(12040), 및 통합 제어 유닛(12050)을 구비한다. 또한, 통합 제어 유닛(12050)의 기능 구성으로서, 마이크로 컴퓨터(12051), 음성 화상 출력부(12052), 및 차량 탑재 네트워크 I/F(Interface)(12053)가 도시되어 있다.
구동계 제어 유닛(12010)은, 각종 프로그램에 따라 차량의 구동계에 관련되는 장치의 동작을 제어한다. 예를 들면, 구동계 제어 유닛(12010)은, 내연 기관 또는 구동용 모터 등의 차량의 구동력을 발생시키기 위한 구동력 발생 장치, 구동력을 차륜에 전달하기 위한 구동력 전달 기구, 차량의 타각을 조절하는 스티어링 기구, 및, 차량의 제동력을 발생시키는 제동 장치 등의 제어 장치로서 기능한다.
바디계 제어 유닛(12020)은, 각종 프로그램에 따라 차체에 장비된 각종 장치의 동작을 제어한다. 예를 들면, 바디계 제어 유닛(12020)은, 키레스 엔트리 시스템, 스마트 키 시스템, 파워 윈도우 장치, 또는, 헤드 램프, 백 램프, 브레이크 램프, 윙커 또는 포그 램프 등의 각종 램프의 제어 장치로서 기능한다. 이 경우, 바디계 제어 유닛(12020)에는, 키를 대체하는 휴대기로부터 발신되는 전파 또는 각종 스위치의 신호가 입력될 수 있다. 바디계 제어 유닛(12020)은, 이들 전파 또는 신호의 입력을 접수하고, 차량의 도어 로크 장치, 파워 윈도우 장치, 램프 등을 제어한다.
차외 정보 검출 유닛(12030)은, 차량 제어 시스템(12000)을 탑재한 차량의 외부의 정보를 검출한다. 예를 들면, 차외 정보 검출 유닛(12030)에는, 촬상부(12031)가 접속된다. 차외 정보 검출 유닛(12030)은, 촬상부(12031)에 차외의 화상을 촬상시킴과 함께, 촬상된 화상을 수신한다. 차외 정보 검출 유닛(12030)은, 수신한 화상에 의거하여, 사람, 차, 장애물, 표지 또는 노면상의 문자 등의 물체 검출 처리 또는 거리 검출 처리를 행해도 좋다.
촬상부(12031)는, 광을 수광하고, 그 광의 수광량에 응한 전기 신호를 출력하는 광센서이다. 촬상부(12031)는, 전기 신호를 화상으로서 출력할 수도 있고, 거리 측정의 정보로서 출력할 수도 있다. 또한, 촬상부(12031)가 수광하는 광은, 가시광이라도 좋고, 적외선 등의 비가시광이라도 좋다.
차내 정보 검출 유닛(12040)은, 차내의 정보를 검출한다. 차내 정보 검출 유닛(12040)에는, 예를 들면, 운전자의 상태를 검출하는 운전자 상태 검출부(12041)가 접속된다. 운전자 상태 검출부(12041)는, 예를 들어 운전자를 촬상하는 카메라를 포함하고, 차내 정보 검출 유닛(12040)은, 운전자 상태 검출부(12041)로부터 입력되는 검출 정보에 의거하여, 운전자의 피로 정도 또는 집중 정도를 산출해도 좋고, 운전자가 앉아서 졸고 있지 않는지를 판별해도 좋다.
마이크로 컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득되는 차내외의 정보에 의거하여, 구동력 발생 장치, 스티어링 기구 또는 제동 장치의 제어 목표치를 연산하고, 구동계 제어 유닛(12010)에 대해 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 차량의 충돌 회피 또는 충격 완화, 차간 거리에 의거하는 추종 주행, 차속 유지 주행, 차량의 충돌 경고, 또는 차량의 레인 일탈 경고 등을 포함하는 ADAS(Advanced Driver Assistance System)의 기능 실현을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
또한, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득되는 차량의 주위의 정보에 의거하여 구동력 발생 장치, 스티어링 기구 또는 제동 장치 등을 제어함에 의해, 운전자의 조작에 의하지 않고 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
또한, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030)에서 취득되는 차외의 정보에 의거하여, 바디계 제어 유닛(12030)에 대해 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030)에서 검지한 선행차 또는 대향차의 위치에 응하여 헤드 램프를 제어하여, 하이 빔을 로우 빔으로 전환하는 등의 방현(防眩)을 도모하는 것을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
음성 화상 출력부(12052)는, 차량의 탑승자 또는 차외에 대해, 시각적 또는 청각적으로 정보를 통지하는 것이 가능한 출력 장치에 음성 및 화상 중의 적어도 일방의 출력 신호를 송신한다. 도 43의 예에서는, 출력 장치로서, 오디오 스피커(12061), 표시부(12062) 및 인스트루먼트 패널(12063)이 예시되어 있다. 표시부(12062)는, 예를 들면, 온 보드 디스플레이 및 헤드 업 디스플레이의 적어도 하나를 포함하고 있어도 좋다.
도 44는, 촬상부(12031)의 설치 위치의 예를 도시하는 도면이다.
도 44에서는, 촬상부(12031)로서, 촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)를 가진다.
촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)는, 예를 들면, 차량(12100)의 프런트 노우즈, 사이드 미러, 리어 범퍼, 백 도어 및 차실 내의 프런트글라스의 상부 등의 위치에 마련된다. 프런트 노우즈에 구비되는 촬상부(12101) 및 차실 내의 프런트글라스의 상부에 구비되는 촬상부(12105)는, 주로 차량(12100)의 전방의 화상을 취득한다. 사이드 미러에 구비되는 촬상부(12102, 12103)는, 주로 차량(12100)의 측방의 화상을 취득한다. 리어 범퍼 또는 백 도어에 구비되는 촬상부(12104)는, 주로 차량(12100)의 후방의 화상을 취득한다. 차실 내의 프런트글라스의 상부에 구비되는 촬상부(12105)는, 주로 선행 차량 또는, 보행자, 장애물, 신호기, 교통 표지 또는 차선 등의 검출에 이용된다.
또한, 도 44에는, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬영 범위의 한 예가 도시되어 있다. 촬상 범위(12111)는, 프런트 노우즈에 마련된 촬상부(12101)의 촬상 범위를 나타내고, 촬상 범위(12112, 12113)는, 각각 사이드 미러에 마련된 촬상부(12102, 12103)의 촬상 범위를 나타내고, 촬상 범위(12114)는, 리어 범퍼 또는 백 도어에 마련된 촬상부(12104)의 촬상 범위를 나타낸다. 예를 들면, 촬상부(12101 내지 12104)에서 촬상된 화상 데이터가 맞겹쳐짐에 의해, 차량(12100)을 상방에서 본 부감(俯瞰) 화상이 얻어진다.
촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 거리 정보를 취득하는 기능을 가지고 있어도 좋다. 예를 들면, 촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 복수의 촬상 소자로 이루어지는 스테레오 카메라라도 좋고, 위상차 검출용의 화소를 갖는 촬상 소자라도 좋다.
예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어진 거리 정보를 기초로, 촬상 범위(12111 내지 12114) 내에서의 각 입체물까지의 거리와, 이 거리의 시간적 변화(차량(12100)에 대한 상대 속도)를 구함에 의해, 특히 차량(12100)의 진행로상에 있는 가장 가까운 입체물로, 차량(12100)과 개략 같은 방향으로 소정의 속도(예를 들면, 0㎞/h 이상)로 주행하는 입체물을 선행차로서 추출할 수 있다. 또한, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 선행차와 내 차와의 사이에 미리 확보해야 할 차간 거리를 설정하고, 자동 브레이크 제어(추종 정지 제어도 포함한다)나 자동 가속 제어(추종 발진 제어도 포함한다) 등을 행할 수 있다. 이와 같이 운전자의 조작에 의하지 않고 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어진 거리 정보를 기초로, 입체물에 관한 입체물 데이터를, 이륜차, 보통 차량, 대형 차량, 보행자, 전신주 등 그 외의 입체물로 분류하여 추출하고, 장애물의 자동 회피에 이용할 수 있다. 예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 차량(12100)의 주변의 장애물을, 차량(12100)의 드라이버가 시인 가능한 장애물과 시인 곤란한 장애물로 식별한다. 그리고, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 각 장애물과의 충돌의 위험도를 나타내는 충돌 리스크를 판단하고, 충돌 리스크가 설정치 이상으로 충돌 가능성이 있는 상황일 때에는, 오디오 스피커(12061)나 표시부(12062)를 통하여 드라이버에게 경보를 출력하는 것이나, 구동계 제어 유닛(12010)을 통하여 강제 감속이나 회피 조타를 행함으로써, 충돌 회피를 위한 운전 지원을 행할 수 있다.
촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 적외선을 검출하는 적외선 카메라라도 좋다. 예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재하는지의 여부를 판정함으로써 보행자를 인식할 수 있다. 이러한 보행자의 인식은, 예를 들어 적외선 카메라로서의 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상에서의 특징점을 추출하는 순서와, 물체의 윤곽을 나타내는 일련의 특징점에 패턴 매칭 처리를 행하여 보행자인지의 여부를 판별하는 순서에 의해 행해진다. 마이크로 컴퓨터(12051)가, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재한다고 판정하고, 보행자를 인식하면, 음성 화상 출력부(12052)는, 당해 인식된 보행자에게 강조를 위한 사각형 윤곽선을 중첩 표시하도록, 표시부(12062)를 제어한다. 또한, 음성 화상 출력부(12052)는, 보행자를 나타내는 아이콘 등을 소망하는 위치에 표시하도록 표시부(12062)를 제어해도 좋다.
또한, 본 기술은, Indirect ToF 방식 중에서도 Continuous-Wave 방식이라고 칭하는, 물체에 투사하는 광을 진폭 변조하는 방식에 적용할 수 있다. 또한, 포토 다이오드(261)의 구조로서는, CAPD(Current Assisted Photonic Demodulator) 구조의 거리 측정 센서나, 포토 다이오드의 전하를 2개의 게이트에 교대로 펄스를 가하는 게이트 방식의 거리 측정 센서 등, 2개의 전하 축적부에 전하를 나누는 구조의 거리 측정 센서에 적용할 수 있다.
또한, 상술한 실시의 형태에서는, 화소(250)가, 포토 다이오드(261)에서 생성된 전하를, 탭(251A) 또는 탭(251B)의 2개의 탭으로 배분하는 2탭 구조인 경우에 관해 설명했는데, 본 기술은, 1탭 구조나, 4탭 구조 등, 그 외의 탭 수의 화소 구조에도 적용할 수 있다.
본 기술의 실시의 형태는, 상술한 실시의 형태로 한정되는 것이 아니라, 본 기술의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변경이 가능하다.
본 명세서에서 복수 설명한 본 기술은, 모순이 생기지 않는 한, 각각 독립적으로 단체로 실시할 수 있다. 물론, 임의의 복수의 본 기술을 병용하여 실시할 수도 있다. 예를 들면, 어떠한 실시의 형태에서 설명한 본 기술의 일부 또는 전부를, 다른 실시의 형태에서 설명한 본 기술의 일부 또는 전부와 조합시켜서 실시할 수도 있다. 또한, 상술한 임의의 본 기술의 일부 또는 전부를, 상술하지 않은 다른 기술과 병용하여 실시할 수도 있다.
또한, 예를 들면, 하나의 장치(또는 처리부)로서 설명한 구성을 분할하고, 복수의 장치(또는 처리부)로서 구성하도록 해도 좋다. 역으로, 이상에서 복수의 장치(또는 처리부)로서 설명한 구성을 통합하여 하나의 장치(또는 처리부)로서 구성되도록 해도 좋다. 또한, 각 장치(또는 각 처리부)의 구성에 상술한 이외의 구성을 부가하도록 해도 물론 좋다. 또한, 시스템 전체로서의 구성이나 동작이 실질적으로 같으면, 어떤 장치(또는 처리부)의 구성의 일부를 다른 장치(또는 다른 처리부)의 구성에 포함하도록 해도 좋다.
또한, 본 명세서에서, 시스템이란, 복수의 구성 요소(장치, 모듈(부품) 등)의 집합을 의미하고, 모든 구성 요소가 동일 몸체 중에 있는지의 여부는 묻지 않는다. 따라서, 별개의 몸체에 수납되고, 네트워크를 통하여 접속되어 있는 복수의 장치, 및, 하나의 몸체의 중에 복수의 모듈이 수납되어 있는 하나의 장치는, 모두, 시스템이다.
또한, 본 명세서에 기재된 효과는 어디까지나 예시로서 한정되는 것이 아니고, 본 명세서에 기재된 것 이외의 효과가 있어도 좋다.
또한, 본 기술은, 이하의 구성을 취할 수 있다.
(1)
광전 변환을 행하는 광전 변환부와,
상기 광전 변환부에 의해 얻어진 전하를 축적하는 전하 축적부와,
상기 광전 변환부로부터 상기 전하 축적부에 전하를 전송하는 전송부와,
상기 전하 축적부를 리셋하는 리셋부와,
상기 리셋부에 인가되는 전압의 제어를 행하는 리셋 전압 제어부와,
상기 전하 축적부에의 용량의 부가를 제어하는 부가 제어부를 구비하고,
상기 전하 축적부는, 복수의 영역으로 구성되어 있는 촬상 소자.
(2)
상기 전하 축적부를 구성하는 복수의 영역 중의 한 영역은, 상기 전송부에 접속되고, 다른 한 영역은 상기 부가 제어부에 접속되어 있는 상기 (1)에 기재된 촬상 소자.
(3)
상기 광전 변환부가 마련되어 있는 기판에 상기 전하 축적부를 구성하는 복수의 영역이 마련되고,
상기 기판에 적층되어 있는 배선층에, 상기 복수의 영역을 접속하는 배선이 마련되어 있는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 촬상 소자.
(4)
상기 복수의 영역은 2영역이고, 일방의 영역은 제1 화소에 마련되고, 타방의 영역은 상기 제1 화소에 인접하는 제2 화소에 마련되어 있는 상기 (1) 내지 (3)의 어느 하나에 기재된 촬상 소자.
(5)
광전 변환을 행하는 광전 변환부와,
상기 광전 변환부에 의해 얻어진 전하를 축적하는 복수의 전하 축적부와,
상기 광전 변환부로부터 상기 복수의 전하 축적부의 각각에 전하를 전송하는 복수의 전송부와,
상기 복수의 전하 축적부의 각각을 리셋하는 복수의 리셋부와,
상기 복수의 리셋부에 각각 인가되는 전압의 제어를 행하는 복수의 리셋 전압 제어부와,
상기 복수의 전하 축적부에의 용량의 부가를 각각 제어하는 복수의 부가 제어부를 구비하고,
상기 복수의 전하 축적부의 각각의 전하 축적부는, 복수의 영역으로 구성되어 있는 촬상 소자.
(6)
상기 전하 축적부를 구성하는 복수의 영역 중의 한 영역은, 상기 전송부에 접속되고, 다른 한 영역은 상기 부가 제어부에 접속되어 있는 상기 (5)에 기재된 촬상 소자.
(7)
상기 광전 변환부가 마련되어 있는 기판에 상기 전하 축적부를 구성하는 복수의 영역이 마련되고,
상기 기판에 적층되어 있는 배선층에, 상기 복수의 영역을 접속하는 배선이 마련되어 있는 상기 (5) 또는 (6)에 기재된 촬상 소자.
(8)
상기 복수의 영역을 접속하는 상기 배선이 마련되어 있는 층과는 다른 층에, 상기 전하 축적부의 일부를 이루는 배선이 마련되어 있는 상기 (7)에 기재된 촬상 소자.
(9)
상기 배선층에는, 상기 리셋 전압 제어부에 접속되고, 기생 용량으로서 기능하는 배선이 마련되어 있는 상기 (8)에 기재된 촬상 소자.
(10)
상기 복수의 전하 축적부, 상기 복수의 전송부, 상기 복수의 리셋부, 상기 복수의 리셋 전압 제어부, 상기 복수의 부가 제어부는, 선대칭으로 배치되어 있는 상기 (5) 내지 (9)에 기재된 촬상 소자.
(11)
상기 광전 변환부에 의해 얻어진 전하를 배출하는 배출부를 또한 구비하고,
상기 배출부도 선대칭으로 배치되어 있는 상기 (10)에 기재된 촬상 소자.
(12)
상기 배출부는, 상기 전송부와 직각을 이루는 위치에 배치되어 있는 상기 (11)에 기재된 촬상 소자.
(13)
상기 배출부와 상기 전송부는, 상기 광전 변환부의 1변에 나란히 배치되어 있는 상기 (11)에 기재된 촬상 소자.
(14)
상기 전송부는, 종형 게이트를 구비하는 상기 (5) 내지 (13)의 어느 하나에 기재된 촬상 소자.
(15)
상기 전송부는, 상기 종형 게이트를 복수 구비하고,
상기 종형 게이트의 깊이는 다른 상기 (14)에 기재된 촬상 소자.
(16)
상기 전송부는, 제1 게이트와 제2 게이트를 구비하고,
상기 제1 게이트는, 상기 광전 변환부와 상기 전하 축적부 사이에 배치되고, 상기 제2 게이트는, 상기 광전 변환부에 중첩되는 위치에 배치되어 있는 상기 (5) 내지 (15)의 어느 하나에 기재된 촬상 소자.
(17)
상기 제1 게이트 또는 상기 제2 게이트의 적어도 일방은, 종형 게이트인 상기 (16)에 기재된 촬상 소자.
(18)
상기 제1 게이트와 상기 제2 게이트는, 동시에 구동되는 상기 (17)에 기재된 촬상 소자.
(19)
광전 변환을 행하는 광전 변환부와,
상기 광전 변환부에 의해 얻어진 전하를 축적하는 전하 축적부와,
상기 광전 변환부로부터 상기 전하 축적부에 전하를 전송하는 전송부와,
상기 전하 축적부를 리셋하는 리셋부와,
상기 리셋부에 인가되는 전압의 제어를 행하는 리셋 전압 제어부와,
상기 전하 축적부에의 용량의 부가를 제어하는 부가 제어부를 구비하고,
상기 전하 축적부는, 복수의 영역으로 구성되어 있는 촬상 소자와,
상기 촬상 소자로부터의 신호를 처리하는 처리부를 구비하는 촬상장치.
(20)
조사광을 발광하는 발광부와,
상기 발광부로부터의 광이 물체에 반사된 반사광을 수광하는 수광 소자를 구비하고,
상기 수광 소자는,
광전 변환을 행하는 광전 변환부와,
상기 광전 변환부에 의해 얻어진 전하를 축적하는 복수의 전하 축적부와,
상기 광전 변환부로부터 상기 복수의 전하 축적부의 각각에 전하를 전송하는 복수의 전송부와,
상기 복수의 전하 축적부의 각각을 리셋하는 복수의 리셋부와,
상기 복수의 리셋부에 각각 인가되는 전압의 제어를 행하는 복수의 리셋 전압 제어부와,
상기 복수의 전하 축적부에의 용량의 부가를 각각 제어하는 복수의 부가 제어부를 구비하고,
상기 복수의 전하 축적부의 각각의 전하 축적부는, 복수의 영역으로 구성되어 있는 거리 측정 장치.
10: 촬상 장치
11: 반도체 기판
20: 화소
21: 화소 어레이부
22: 수직 구동부
23: 칼럼 신호 처리부
24: 수평 구동부
25: 시스템 제어부
26: 화소 구동선
27: 수직 신호선
28: 신호 처리부
29: 데이터 격납부
50: 화소
51: 광전 변환부
52: 전송 트랜지스터
60: 부가 용량부
61: 웰 콘택트
62: 층간 절연막
65, 66: 배선
210: 거리 측정 장치
211: 렌즈
212: 수광부
213: 신호 처리부
214: 발광부
215: 발광 제어부
221: 패턴 전환부
222: 거리 화상 생성부
241: 화소 어레이부
242: 수직 구동부
243: 칼럼 처리부
244: 수평 구동부
245: 시스템 제어부
246: 화소 구동선
247: 수직 신호선
248: 신호 처리부
250: 화소
251: 탭
252: 전송 트랜지스터
254: 리셋 트랜지스터
256: 배출 트랜지스터
257: 증폭 트랜지스터
258: 선택 트랜지스터
260: 부가 용량부
261: 포토 다이오드
265: 웰 콘택트
341: 반도체 기판
342: 다층 배선층
343: 반사 방지막
345: 화소간 차광막
346: 평탄화막
347: 온 칩 렌즈
351 반도체 영역
352: 반도체 영역
353: 산화 하프늄막
354: 산화 알루미늄막
355: 산화 실리콘막
361: 화소간 분리부
366: 비아
371 내지 374: 배선
411: 비아
412 내지 415: 콘택트
416, 417: 비아
418: 콘택트
419: 비아
431 내지 434: 배선
441, 442: 배선

Claims (20)

  1. 광전 변환을 행하는 광전 변환부와,
    상기 광전 변환부에 의해 얻어진 전하를 축적하는 전하 축적부와,
    상기 광전 변환부로부터 상기 전하 축적부에 전하를 전송하는 전송부와,
    상기 전하 축적부를 리셋하는 리셋부와,
    상기 리셋부에 인가되는 전압의 제어를 행하는 리셋 전압 제어부와,
    상기 전하 축적부에의 용량의 부가를 제어하는 부가 제어부를 구비하고,
    상기 전하 축적부는 복수의 영역으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전하 축적부를 구성하는 복수의 영역 중의 한 영역은 상기 전송부에 접속되고, 다른 한 영역은 상기 부가 제어부에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광전 변환부가 마련되어 있는 기판에 상기 전하 축적부를 구성하는 복수의 영역이 마련되고,
    상기 기판에 적층되어 있는 배선층에 상기 복수의 영역을 접속하는 배선이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 영역은 2개의 영역이고, 일방의 영역은 제1 화소에 마련되고, 타방의 영역은 상기 제1 화소에 인접하는 제2 화소에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  5. 광전 변환을 행하는 광전 변환부와,
    상기 광전 변환부에 의해 얻어진 전하를 축적하는 복수의 전하 축적부와,
    상기 광전 변환부로부터 상기 복수의 전하 축적부의 각각에 전하를 전송하는 복수의 전송부와,
    상기 복수의 전하 축적부의 각각을 리셋하는 복수의 리셋부와,
    상기 복수의 리셋부에 각각 인가되는 전압의 제어를 행하는 복수의 리셋 전압 제어부와,
    상기 복수의 전하 축적부에의 용량의 부가를 각각 제어하는 복수의 부가 제어부를 구비하고,
    상기 복수의 전하 축적부의 각각의 전하 축적부는 복수의 영역으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전하 축적부를 구성하는 복수의 영역 중의 한 영역은 상기 전송부에 접속되고, 다른 한 영역은 상기 부가 제어부에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 광전 변환부가 마련되어 있는 기판에 상기 전하 축적부를 구성하는 복수의 영역이 마련되고,
    상기 기판에 적층되어 있는 배선층에 상기 복수의 영역을 접속하는 배선이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 영역을 접속하는 상기 배선이 마련되어 있는 층과는 다른 층에 상기 전하 축적부의 일부를 이루는 배선이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배선층에는 상기 리셋 전압 제어부에 접속되고, 기생 용량으로서 기능하는 배선이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 전하 축적부, 상기 복수의 전송부, 상기 복수의 리셋부, 상기 복수의 리셋 전압 제어부, 상기 복수의 부가 제어부는 선대칭으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 광전 변환부에 의해 얻어진 전하를 배출하는 배출부를 또한 구비하고,
    상기 배출부도 선대칭으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배출부는 상기 전송부와 직각을 이루는 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 배출부와 상기 전송부는, 상기 광전 변환부의 1변에 나란히 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  14. 제5항에 있어서,
    상기 전송부는 종형 게이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전송부는 상기 종형 게이트를 복수 구비하고,
    상기 종형 게이트의 깊이는 다른 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  16. 제5항에 있어서,
    상기 전송부는 제1 게이트와 제2 게이트를 구비하고,
    상기 제1 게이트는 상기 광전 변환부와 상기 전하 축적부 사이에 배치되고, 상기 제2 게이트는 상기 광전 변환부에 중첩되는 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 게이트 또는 상기 제2 게이트의 적어도 일방은 종형 게이트인 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 게이트와 상기 제2 게이트는 동시에 구동되는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  19. 광전 변환을 행하는 광전 변환부와,
    상기 광전 변환부에 의해 얻어진 전하를 축적하는 전하 축적부와,
    상기 광전 변환부로부터 상기 전하 축적부에 전하를 전송하는 전송부와,
    상기 전하 축적부를 리셋하는 리셋부와,
    상기 리셋부에 인가되는 전압의 제어를 행하는 리셋 전압 제어부와,
    상기 전하 축적부에의 용량의 부가를 제어하는 부가 제어부를 구비하고,
    상기 전하 축적부는 복수의 영역으로 구성되어 있는 촬상 소자와,
    상기 촬상 소자로부터의 신호를 처리하는 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  20. 조사광을 발광하는 발광부와,
    상기 발광부로부터의 광이 물체에 반사된 반사광을 수광하는 수광 소자를 구비하고,
    상기 수광 소자는,
    광전 변환을 행하는 광전 변환부와,
    상기 광전 변환부에 의해 얻어진 전하를 축적하는 복수의 전하 축적부와,
    상기 광전 변환부로부터 상기 복수의 전하 축적부의 각각에 전하를 전송하는 복수의 전송부와,
    상기 복수의 전하 축적부의 각각을 리셋하는 복수의 리셋부와,
    상기 복수의 리셋부에 각각 인가되는 전압의 제어를 행하는 복수의 리셋 전압 제어부와,
    상기 복수의 전하 축적부에의 용량의 부가를 각각 제어하는 복수의 부가 제어부를 구비하고,
    상기 복수의 전하 축적부의 각각의 전하 축적부는 복수의 영역으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
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