KR20230002240A - 수광 소자, 거리측정 모듈, 및, 전자 기기 - Google Patents

수광 소자, 거리측정 모듈, 및, 전자 기기 Download PDF

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Abstract

[과제]
특성을 향상시킬 수 있도록 한다.
[해결 수단]
수광 소자는, 온 칩 렌즈와, 배선층과, 온 칩 렌즈와 배선층 사이에 배치되는 반도체층을 구비한다. 반도체층은, 포토 다이오드와, 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제1의 전하 축적부에 전송하는 제1의 전송 트랜지스터와, 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제2의 전하 축적부에 전송하는 제2의 전송 트랜지스터와, 반도체층의 깊이 방향의 적어도 일부에 관해, 인접하는 화소끼리의 반도체층을 분리하는 화소사이 분리부를 구비한다. 배선층은, 차광 부재를 구비하는 1층을 적어도 가지며, 차광 부재는, 평면시에서 포토 다이오드와 겹쳐지도록 마련되어 있다. 본 기술은, 예를 들면, 간접 ToF 방식에 의한 거리측정 정보를 출력하는 수광 소자 등에 적용할 수 있다.

Description

수광 소자, 거리측정 모듈, 및, 전자 기기{LIGHT RECEIVING ELEMENT, RANGING MODULE, AND ELECTRONIC APPARATUS}
본 기술은, 수광 소자, 거리측정 모듈, 및, 전자 기기에 관한 것으로, 특히, 특성을 향상시킬 수 있도록 한 수광 소자, 거리측정 모듈, 및, 전자 기기에 관한 것이다.
종래, 간접 ToF(Time of Flight) 방식을 이용한 거리측정 시스템이 알려져 있다. 이와 같은 거리측정 시스템에서는, 어느 위상으로 LED(Light Emitting Diode)나 레이저를 이용하여 조사된 액티브광이 대상물에 닿아 반사한 광을 수광함으로써 얻어지는 신호 전하를 고속으로 다른 영역에 배분할 수 있는 센서가 필요 불가결하다.
그래서, 예를 들면 센서의 기판에 직접 전압을 인가하여 기판 내에 전류를 발생시킴으로써, 기판 내의 광범위한 영역을 고속으로 변조할 수 있도록 한 기술이 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 이와 같은 센서는, CAPD(Current Assisted Photonic Demodulator) 센서라고도 불리고 있다.
특허 문헌 1 : 일본국 특개2011-86904호 공보
그렇지만, 상술한 기술에서는 충분한 특성의 CAPD 센서를 얻는 것은 곤란하였다.
예를 들면 상술한 CAPD 센서는, 기판에서의 외부로부터의 광을 수광하는 측의 면에 배선 등이 배치된 표면 조사형의 센서로 되어 있다.
광전변환 영역의 확보를 위해 PD(Photodiode), 즉 광전변환부의 수광면측에는 배선 등, 입사하여 오는 광의 광로를 차단하는 것이 없는 것이 바람직하다. 그러나, 표면 조사형의 CAPD 센서에서는, 구조에 따라서는 PD의 수광면측에 전하 추출용의 배선이나 각종 제어선, 신호선을 배치하지 않을 수가 없는 것이 있어서, 광전변환 영역이 제한되어 버린다. 즉, 충분한 광전변환 영역을 확보할 수가 없어서, 화소 감도 등의 특성이 저하되어 버리는 일이 있다.
또한, 외광이 있는 장소에서 CAPD 센서를 사용하는 것을 생각한 경우, 외광 성분은 액티브광을 이용하여 거리측정을 행하는 간접 ToF 방식에서는 노이즈 성분으로 되기 때문에, 충분한 SN비(Signal to Noise ratio)를 확보하여 거리 정보를 얻기 위해서는, 충분한 포화 신호량(Qs)을 확보할 필요가 있다. 그러나, 표면 조사형의 CAPD 센서에서는, 배선 레이아웃에 제한이 있기 때문에, 용량을 확보하기 위해 추가의 트랜지스터를 마련하는 등, 배선 용량 이외의 수법을 이용하는 궁리가 필요하였다.
광원으로는, 태양광의 창(窓)에 상당하는 파장 940㎚ 부근의 근적외선을 사용하는 케이스가 많다. 근적외선은, 반도체층인 실리콘의 흡수 계수가 낮아서 양자 효율이 낮기 때문에, 광전변환 영역이 되는 실리콘의 막두께를 두껍게 할 필요가 있다. 실리콘이 두꺼운 경우에는, 광전변환한 전하가 전하를 흡인하기 위한 전극에 도달할 때까지의 시간이 걸리기 때문에, 배분이 전환된 후에, 전극에 도달하여, 오신호(誤信號)가 되는 일이 있다. 그 결과, 거리측정 정밀도가 악화하여 버릴 가능성이 있다. 즉, 센서의 특성이 저하되어 버릴 가능성이 있다.
본 기술은, 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것이고, ToF 센서의 특성을 향상시킬 수 있도록 하는 것이다.
본 기술의 제1의 측면의 수광 소자는,
온 칩 렌즈와,
배선층과,
상기 온 칩 렌즈와 상기 배선층 사이에 배치되는 반도체층을 구비하고,
상기 반도체층은,
포토 다이오드와,
상기 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제1의 전하 축적부에 전송하는 제1의 전송 트랜지스터와,
상기 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제2의 전하 축적부에 전송하는 제2의 전송 트랜지스터와,
상기 반도체층의 깊이 방향의 적어도 일부에 관해, 인접하는 화소끼리의 상기 반도체층을 분리하는 화소간 분리부를 구비하고,
상기 배선층은, 차광 부재를 구비하는 1층을 적어도 가지며,
상기 차광 부재는, 평면시(平面視)에서 상기 포토 다이오드와 겹쳐지도록 마련되어 있다.
본 기술의 제1의 측면에서는, 온 칩 렌즈와, 배선층과, 상기 온 칩 렌즈와 상기 배선층 사이에 배치되는 반도체층이 마련되고, 상기 반도체층에는, 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제1의 전하 축적부에 전송하는 제1의 전송 트랜지스터와, 상기 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제2의 전하 축적부에 전송하는 제2의 전송 트랜지스터와, 상기 반도체층의 깊이 방향의 적어도 일부에 관해, 인접하는 화소끼리의 상기 반도체층을 분리하는 화소간 분리부가 마련되고, 상기 배선층에는, 차광 부재를 구비하는 1층이 적어도 마련되고, 상기 차광 부재는, 평면시에서 상기 포토 다이오드와 겹쳐지도록 마련되어 있다.
본 기술의 제2의 측면의 거리측정 모듈은,
온 칩 렌즈와,
배선층과,
상기 온 칩 렌즈와 상기 배선층 사이에 배치되는 반도체층을 구비하고,
상기 반도체층은,
포토 다이오드와,
상기 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제1의 전하 축적부에 전송하는 제1의 전송 트랜지스터와,
상기 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제2의 전하 축적부에 전송하는 제2의 전송 트랜지스터와,
상기 반도체층의 적어도 일부의 깊이로, 인접하는 화소끼리의 상기 반도체층을 분리하는 화소간 분리부를 구비하고,
상기 배선층은, 차광 부재를 구비하는 1층을 적어도 가지며,
상기 차광 부재는, 평면시에서 상기 포토 다이오드와 겹쳐지도록 마련되어 있는 수광 소자와,
주기적으로 밝기가 변동하는 조사광을 조사하는 광원과,
상기 조사광의 조사 타이밍을 제어하는 발광 제어부를 구비한다.
본 기술의 제2의 측면에서는, 온 칩 렌즈와, 배선층과, 상기 온 칩 렌즈와 상기 배선층 사이에 배치되는 반도체층이 마련되고, 상기 반도체층에는, 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제1의 전하 축적부에 전송하는 제1의 전송 트랜지스터와, 상기 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제2의 전하 축적부에 전송하는 제2의 전송 트랜지스터와, 상기 반도체층의 적어도 일부의 깊이로, 인접하는 화소끼리의 상기 반도체층을 분리하는 화소간 분리부가 마련되고, 상기 배선층에는, 차광 부재를 구비하는 1층이 적어도 마련되고, 상기 차광 부재가, 평면시에서 상기 포토 다이오드와 겹쳐지도록 마련되어 있는 수광 소자와, 주기적으로 밝기가 변동하는 조사광을 조사하는 광원과, 상기 조사광의 조사 타이밍을 제어하는 발광 제어부가 마련되어 있다.
본 기술의 제3의 측면의 전자 기기는,
온 칩 렌즈와,
배선층과,
상기 온 칩 렌즈와 상기 배선층 사이에 배치되는 반도체층을 구비하고,
상기 반도체층은,
포토 다이오드와,
상기 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제1의 전하 축적부에 전송하는 제1의 전송 트랜지스터와,
상기 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제2의 전하 축적부에 전송하는 제2의 전송 트랜지스터와,
상기 반도체층의 적어도 일부의 깊이로, 인접하는 화소끼리의 상기 반도체층을 분리하는 화소간 분리부를 구비하고,
상기 배선층은, 차광 부재를 구비하는 1층을 적어도 가지며,
상기 차광 부재는, 평면시에서 상기 포토 다이오드와 겹쳐지도록 마련되어 있는 수광 소자와,
주기적으로 밝기가 변동하는 조사광을 조사하는 광원과,
상기 조사광의 조사 타이밍을 제어하는 발광 제어부를 구비하는 거리측정 모듈을 구비한다.
본 기술의 제3의 측면에서는, 온 칩 렌즈와, 배선층과, 상기 온 칩 렌즈와 상기 배선층 사이에 배치되는 반도체층이 마련되고, 상기 반도체층에는, 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제1의 전하 축적부에 전송하는 제1의 전송 트랜지스터와, 상기 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제2의 전하 축적부에 전송하는 제2의 전송 트랜지스터와, 상기 반도체층의 적어도 일부의 깊이로, 인접하는 화소끼리의 상기 반도체층을 분리하는 화소간 분리부가 마련되고, 상기 배선층에는, 차광 부재를 구비하는 1층이 적어도 마련되고, 상기 차광 부재가, 평면시에서 상기 포토 다이오드와 겹쳐지도록 마련되어 있는 수광 소자와, 주기적으로 밝기가 변동하는 조사광을 조사하는 광원과, 상기 조사광의 조사 타이밍을 제어하는 발광 제어부를 구비하는 거리측정 모듈이 마련되어 있다.
본 기술의 제1 내지 제3의 측면에 의하면, 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 여기에 기재된 효과는 반드시 한정되는 것이 아니고, 본 개시 중에 기재된 어느 하나의 효과라도 좋다.
도 1은 본 기술을 적용한 수광 소자의 개략 구성례를 도시하는 블록도.
도 2는 화소의 제1 구성례를 도시하는 단면도.
도 3은 도 2의 화소의 회로 구성례를 도시하는 도면.
도 4는 도 3의 화소 회로의 배치례를 도시하는 평면도.
도 5는 도 2의 화소의 기타의 회로 구성례를 도시하는 도면.
도 6은 도 5의 화소 회로의 배치례를 도시하는 평면도.
도 7은 이면 조사형의 효과를 설명하는 도면.
도 8은 이면 조사형의 효과를 설명하는 도면.
도 9는 이면 조사형의 효과를 설명하는 도면.
도 10은 이면 조사형의 효과를 설명하는 도면.
도 11은 이면 조사형의 효과를 설명하는 도면.
도 12는 화소의 제2 구성례를 도시하는 단면도.
도 13은 화소의 제3 구성례를 도시하는 단면도.
도 14는 화소의 제4 구성례를 도시하는 단면도.
도 15는 화소의 제5 구성례를 도시하는 단면도.
도 16은 모스아이 구조의 구성례를 도시하는 사시도.
도 17은 모스아이 구조의 기타의 구성례를 도시하는 사시도.
도 18은 모스아이 구조의 또한 기타의 구성례를 도시하는 사시도.
도 19는 화소의 제6 구성례를 도시하는 단면도.
도 20은 제6 구성례의 제조 방법을 설명하는 도면.
도 21은 4탭의 화소 구성례를 도시하는 도면.
도 22는 본 기술을 적용한 거리측정 모듈의 구성례를 도시하는 블록도.
도 23은 본 기술을 적용한 전자 기기로서의 스마트 폰의 구성례를 도시하는 블록도.
도 24는 차량 제어 시스템의 개략적인 구성의 한 예를 도시하는 블록도.
도 25는 차외 정보 검출부 및 촬상부의 설치 위치의 한 예를 도시하는 설명도.
이하, 본 기술을 실시하기 위한 형태(이하, 실시의 형태라고 한다)에 관해 설명한다. 또한, 설명은 이하의 순서로 행한다.
1. 수광 소자의 구성례
2. 화소의 제1 구성례에 관한 단면도
3. 화소의 회로 구성례
4. 화소의 평면도
5. 화소의 기타의 회로 구성례
6. 화소의 평면도
7. 이면 조사형의 효과
8. 화소의 제2 구성례에 관한 단면도
9. 화소의 제3 구성례에 관한 단면도
10. 화소의 제4 구성례에 관한 단면도
11. 화소의 제5 구성례에 관한 단면도
12. 화소의 제6 구성례에 관한 단면도
13. 4탭의 화소 구성례
14. 거리측정 모듈의 구성례
15. 전자 기기의 구성례
16. 이동체에의 응용례
<1. 수광 소자의 구성례>
도 1은, 본 기술을 적용한 수광 소자의 개략 구성례를 도시하는 블록도이다.
도 1에 도시되는 수광 소자(1)는, 간접 ToF 방식에 의한 거리측정 정보를 출력하는 소자이다.
수광 소자(1)는, 소정의 광원으로부터 조사된 광(조사 광)이 물체에 닿아 반사되어 온 광(반사광)을 수광하여, 물체까지의 거리 정보를 뎁스값으로서 격납한 뎁스 화상을 출력한다. 또한, 광원으로부터 조사되는 조사광은, 예를 들면, 파장이 780㎚ 내지 1000㎚ 범위의 적외광이고, 온 오프가 소정의 주기로 반복되는 펄스광이다.
수광 소자(1)는, 도시하지 않은 반도체 기판상에 형성된 화소 어레이부(21)와, 화소 어레이부(21)와 같은 반도체 기판상에 집적된 주변 회로부를 갖는다. 주변 회로부는, 예를 들면 수직 구동부(22), 칼럼 처리부(23), 수평 구동부(24), 및 시스템 제어부(25) 등으로 구성되어 있다.
수광 소자(1)에는, 또한 신호 처리부(26) 및 데이터 격납부(27)도 마련되어 있다. 또한, 신호 처리부(26) 및 데이터 격납부(27)는, 수광 소자(1)와 같은 기판상에 탑재하여도 좋고, 수광 소자(1)와는 다른 모듈 내의 기판상에 배치하여도 좋다.
화소 어레이부(21)는, 수광한 광량에 응한 전하를 생성하고, 그 전하에 응한 신호를 출력하는 화소(10)가 행방향 및 열방향의 행렬형상으로 2차원 배치된 구성으로 되어 있다. 즉, 화소 어레이부(21)는, 입사한 광을 광전변환하고, 그 결과 얻어진 전하에 응한 신호를 출력하는 화소(10)를 복수 갖는다. 화소(10)의 상세에 관해서는, 도 2 이후에 후술한다.
여기서, 행방향이란, 수평 방향의 화소(10)의 배열 방향을 말하고, 열방향이란, 수직 방향의 화소(10)의 배열 방향을 말한다. 행방향은, 도면 중, 횡방향이고, 열방향은 도면 중, 종방향이다.
화소 어레이부(21)에서는, 행렬형상의 화소 배열에 대해, 화소행마다 화소 구동선(28)이 행방향에 따라 배선됨과 함께, 각 화소열에 2개의 수직 신호선(29)이 열방향에 따라 배선되어 있다. 예를 들면 화소 구동선(28)은, 화소(10)로부터 신호를 판독할 때의 구동을 행하기 위한 구동 신호를 전송한다. 또한, 도 1에서는, 화소 구동선(28)에 관해 1개의 배선으로서 나타내고 있지만, 1개로 한정되는 것이 아니다. 화소 구동선(28)의 일단은, 수직 구동부(22)의 각 행에 대응하는 출력단에 접속되어 있다.
수직 구동부(22)는, 시프트 레지스터나 어드레스 디코더 등에 의해 구성되고, 화소 어레이부(21)의 각 화소(10)를 전 화소 동시 또는 행 단위 등으로 구동한다. 즉, 수직 구동부(22)는, 수직 구동부(22)를 제어하는 시스템 제어부(25)와 함께, 화소 어레이부(21)의 각 화소(10)의 동작을 제어하는 구동부를 구성하고 있다.
수직 구동부(22)에 의한 구동 제어에 응하여 화소행의 각 화소(10)로부터 출력되는 검출 신호는, 수직 신호선(29)을 통하여 칼럼 처리부(23)에 입력된다. 칼럼 처리부(23)는, 각 화소(10)로부터 수직 신호선(29)을 통하여 출력되는 검출 신호에 대해 소정의 신호 처리를 행함과 함께, 신호 처리 후의 검출 신호를 일시적으로 유지한다. 구체적으로는, 칼럼 처리부(23)는, 신호 처리로서 노이즈 제거 처리나AD(Analog to Digital) 변환 처리 등을 행한다.
수평 구동부(24)는, 시프트 레지스터나 어드레스 디코더 등에 의해 구성되고, 칼럼 처리부(23)의 화소열에 대응하는 단위 회로를 순번대로 선택한다. 이 수평 구동부(24)에 의한 선택 주사에 의해, 칼럼 처리부(23)에서 단위 회로마다 신호 처리된 검출 신호가 순번대로 출력된다.
시스템 제어부(25)는, 각종의 타이밍 신호를 생성하는 타이밍 제너레이터 등에 의해 구성되고, 그 타이밍 제너레이터에서 생성된 각종의 타이밍 신호를 기초로, 수직 구동부(22), 칼럼 처리부(23), 및 수평 구동부(24) 등의 구동 제어를 행한다.
신호 처리부(26)는, 적어도 연산 처리 기능을 가지며, 칼럼 처리부(23)로부터 출력되는 검출 신호에 의거하여 연산 처리 등의 여러가지의 신호 처리를 행한다. 데이터 격납부(27)는, 신호 처리부(26)에서의 신호 처리에 있어서, 그 처리에 필요한 데이터를 일시적으로 격납한다.
이상과 같이 구성되는 수광 소자(1)는, 물체까지의 거리 정보를 뎁스값으로서 화소치에 격납한 뎁스 화상을 출력한다. 수광 소자(1)는, 예를 들면, 차량에 탑재되어, 차외에 있는 대상물까지의 거리를 측정하는 차량탑재용의 시스템이나, 유저의 손(手) 등의 대상물까지의 거리를 측정하고, 그 측정 결과에 의거하여 유저의 제스처를 인식하는 제스처 인식용의 장치 등에 탑재할 수 있다.
<2. 화소의 제1 구성례에 관한 단면도>
도 2는, 화소 어레이부(21)에 배치된 화소(10)의 제1 구성례를 도시하는 단면도이다.
수광 소자(1)는, 반도체 기판(41)과, 그 표면측(도면 중 하측)에 형성된 다층 배선층(42)을 구비한다.
반도체 기판(41)은, 예를 들면 실리콘(Si)으로 구성되고, 예를 들면 1 내지 6㎛의 두께를 갖고서 형성되어 있다. 반도체 기판(41)에서는, 예를 들면, P형(제1 도전형)의 반도체 영역(51)에, N형(제2 도전형)의 반도체 영역(52)이 화소 단위로 형성됨에 의해, 포토 다이오드(PD)가 화소 단위로 형성되어 있다. 반도체 기판(41)의 표리 양면에 마련되어 있는 P형의 반도체 영역(51)은, 암전류 억제를 위한 정공 전하 축적 영역을 겸하고 있다.
도 2에서 상측이 되는 반도체 기판(41)의 상면이, 반도체 기판(41)의 이면이고, 광이 입사되는 광입사면이 된다. 반도체 기판(41)의 이면측 상면에는, 반사 방지막(43)이 형성되어 있다.
반사 방지막(43)은, 예를 들면, 예를 들면, 고정 전하막 및 산화막이 적층된 적층 구조로 되고, 예를 들면, ALD(Atomic Layer Deposition)법에 의한 고유전율(High-k)의 절연 박막을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 산화하프늄(HfO2)이나, 산화알루미늄(Al2O3), 산화티탄(TiO2), STO(Strontium Titan Oxide) 등을 사용할 수 있다. 도 2의 예에서는, 반사 방지막(43)은, 산화하프늄막(53), 산화알루미늄막(54), 및 산화실리콘막(55)이 적층되어 구성되어 있다.
반사 방지막(43)의 상면으로서, 반도체 기판(41)의 인접하는 화소(10)의 경계부(44)(이하, 화소 경계부(44)라고도 칭한다.)에는, 입사광의 인접 화소로의 입사를 방지하는 화소사이 차광막(45)이 형성되어 있다. 화소사이 차광막(45)의 재료는, 광을 차광하는 재료라면 좋고, 예를 들면, 텅스텐(W), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 등의 금속재료를 사용할 수 있다.
반사 방지막(43)의 상면과, 화소사이 차광막(45)의 상면에는, 평탄화막(46)이, 예를 들면, 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiN), 산질화실리콘(SiON) 등의 절연막, 또는, 수지 등의 유기 재료에 의해 형성되어 있다.
그리고, 평탄화막(46)의 상면에는, 온 칩 렌즈(47)가 화소마다 형성되어 있다. 온 칩 렌즈(47)는, 예를 들면, 스티렌계 수지, 아크릴계 수지, 스티렌-아크릴 공중합계 수지, 또는 실록산계 수지 등의 수지계 재료로 형성된다. 온 칩 렌즈(47)에 의해 집광된 광은, 포토 다이오드(PD)에 효율 좋게 입사된다.
또한, 반도체 기판(41)의 이면측의 화소 경계부(44)에는, 반도체 기판(41)의 이면측(온 칩 렌즈(47)측)부터 기판 깊이 방향으로 소정의 깊이까지, 반도체 기판(41)의 깊이 방향으로 인접 화소끼리를 분리하는 화소간 분리부(61)가 형성되어 있다. 화소간 분리부(61)의 저면 및 측벽을 포함하는 외주부는, 반사 방지막(43)의 일부인 산화하프늄막(53)으로 덮여 있다. 화소간 분리부(61)는, 입사광이 옆의 화소(10)로 관통하는 것을 방지하고, 차체화소 내에 가둠과 함께, 인접하는 화소(10)로부터의 입사광의 누입을 방지한다.
도 2의 예에서는, 반사 방지막(43)의 최상층의 재료인 산화실리콘막(55)을, 이면측부터 파들어간 트렌치(홈)에 매입함에 의해 산화실리콘막(55)과 화소간 분리부(61)를 동시 형성하기 때문에) 반사 방지막(43)으로서의 적층막의 일부인 산화실리콘막(55)과, 화소간 분리부(61)가 동일한 재료로 구성되어 있지만, 반드시 동일할 필요는 없다. 화소간 분리부(61)로서 이면측부터 파들어간 트렌치(홈)에 매입하는 재료는, 예를 들면, 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 티탄(Ti), 질화티탄(TiN) 등의 금속재료라도 좋다.
한편, 다층 배선층(42)이 형성된 반도체 기판(41)의 표면측에는, 각 화소(10)에 형성된 하나의 포토 다이오드(PD)에 대해, 2개의 전송 트랜지스터(TRG1 및 TRG2)가 형성되어 있다. 또한, 반도체 기판(41)의 표면측에는, 포토 다이오드(PD)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.
다층 배선층(42)은, 복수의 금속막(M)과, 그 사이의 층간 절연막(62)으로 구성된다. 도 2에서는, 제1 금속막(M1) 내지 제3 금속막(M3)의 3층으로 구성되는 예가 도시되어 있다.
다층 배선층(42)의 복수의 금속막(M) 중, 반도체 기판(41)에 가장 가까운 제1 금속막(M1)의, 포토 다이오드(PD)의 형성 영역의 하방에 위치하는 영역, 환언하면, 평면시에서, 포토 다이오드(PD)의 형성 영역과 적어도 일부가 겹쳐지는 영역에는, 구리나 알루미늄 등의 메탈(금속) 배선이 차광 부재(63)로서 형성되어 있다.
차광 부재(63)는, 온 칩 렌즈(47)를 통하여 광입사면부터 반도체 기판(41) 내로 입사하고, 반도체 기판(41) 내에서 광전변환되지 않고서 반도체 기판(41)을 투과하여 버린 적외광을, 반도체 기판(41)에 가장 가까운 제1 금속막(M1)으로 차광하여, 그것보다 하방의 제2 금속막(M2)나 제3 금속막(M3)에 투과시키지 않도록 한다. 이 차광 기능에 의해, 반도체 기판(41) 내에서 광전변환되지 않고서 반도체 기판(41)을 투과하여 버린 적외광이, 제1 금속막(M1)보다 아래의 금속막(M)에서 산란하여, 근방 화소에 입사하여 버리는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 근방 화소에서 잘못 광을 검지하여 버리는 것을 막을 수 있다.
또한, 차광 부재(63)는, 온 칩 렌즈(47)를 통하여 광입사면부터 반도체 기판(41) 내로 입사하고, 반도체 기판(41) 내에서 광전변환되지 않고서 반도체 기판(41)을 투과하여 버린 적외광을, 차광 부재(63)에서 반사시켜서 반도체 기판(41) 내로 재차 입사시키는 기능도 갖는다. 따라서 차광 부재(63)는, 반사부재이기도 하다고 말할 수 있다. 이 반사 기능에 의해, 반도체 기판(41) 내에서 광전변환된 적외광의 양을 보다 많게 하여, 양자 효율(QE), 즉 적외광에 대한 화소(10)의 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 차광 부재(63)는, 금속재료 외에, 폴리실리콘이나 산화막 등으로 반사 또는 차광하는 구조를 형성하여도 좋다.
또한, 차광 부재(63)는, 1층의 금속막(M)으로 구성하지 않고, 예를 들면 제1 금속막(M1)과 제2 금속막(M2)으로 격자형상으로 형성하는 등으로, 복수의 금속막(M)으로 구성하여도 좋다.
다층 배선층(42)의 복수의 금속막(M) 중, 소정의 금속막(M)인, 예를 들면, 제2 금속막(M2)에는, 예를 들면, 빗살 형상으로 패턴 형성함에 의해, 배선 용량(64)이 형성되어 있다. 차광 부재(63)와 배선 용량(64)은 같은 층(금속막(M))에 형성하여도 좋지만, 다른 층에 형성하는 경우에는, 배선 용량(64)이, 차광 부재(63)보다도 반도체 기판(41)부터 먼 층에 형성된다. 환언하면, 차광 부재(63)가, 배선 용량(64)보다도 반도체 기판(41)의 가까이에 형성된다.
이상과 같이, 수광 소자(1)는, 온 칩 렌즈(47)와 다층 배선층(42) 사이에 반도체층인 반도체 기판(41)을 배치하고, 온 칩 렌즈(47)가 형성된 이면측부터 입사광을 포토 다이오드(PD)에 입사시키는 이면 조사형의 구조를 갖는다.
또한, 화소(10)는, 각 화소에 마련된 포토 다이오드(PD)에 대해, 2개의 전송 트랜지스터(TRG1 및 TRG2)를 구비하고, 포토 다이오드(PD)에서 광전변환되어 생성된 전하(전자)를, 부유 확산 영역(FD1 또는 FD2)에 배분 가능하게 구성되어 있다.
또한, 제1 구성례에 관한 화소(10)는, 화소 경계부(44)에 화소간 분리부(61)를 형성함에 의해, 입사광이 옆의 화소(10)로 관통하는 것을 방지하고, 차체화소 내에 가둠과 함께, 인접하는 화소(10)로부터의 입사광의 누입을 방지한다. 그리고, 포토 다이오드(PD)의 형성 영역의 하방의 금속막(M)에 차광 부재(63)를 마련함에 의해, 반도체 기판(41) 내에서 광전변환되지 않고서 반도체 기판(41)을 투과하여 버린 적외광을, 차광 부재(63)에서 반사시켜서 반도체 기판(41) 내로 재차 입사시킨다.
이상의 구성에 의해, 반도체 기판(41) 내에서 광전변환된 적외광의 양을 보다 많게 하여, 양자 효율(QE), 즉 적외광에 대한 화소(10)의 감도를 향상시킬 수 있다.
<3. 화소의 회로 구성례>
도 3은, 화소 어레이부(21)에 2차원 배치된 화소(10)의 회로 구성을 도시하고 있다.
화소(10)는, 광전변환 소자로서 포토 다이오드(PD)를 구비한다. 또한, 화소(10)는, 전송 트랜지스터(TRG), 부유 확산 영역(FD), 부가 용량(FDL), 전환 트랜지스터(FDG), 증폭 트랜지스터(AMP), 리셋 트랜지스터(RST), 및, 선택 트랜지스터(SEL)를 각각 2개씩 갖는다. 또한, 화소(10)는, 전하 배출 트랜지스터(OFG)를 갖고 있다.
여기서, 화소(10)에서 2개씩 마련된 전송 트랜지스터(TRG), 부유 확산 영역(FD), 부가 용량(FDL), 전환 트랜지스터(FDG), 증폭 트랜지스터(AMP), 리셋 트랜지스터(RST), 및, 선택 트랜지스터(SEL)의 각각을 구별하는 경우, 도 3에 도시되는 바와 같이, 전송 트랜지스터(TRG1 및 TRG2), 부유 확산 영역(FD1 및 FD2), 부가 용량(FDL1 및 FDL2), 전환 트랜지스터(FDG1 및 FDG2), 증폭 트랜지스터(AMP1 및 AMP2), 리셋 트랜지스터(RST1 및 RST2), 및, 선택 트랜지스터(SEL1 및 SEL2)와 같이 칭한다.
전송 트랜지스터(TRG), 전환 트랜지스터(FDG), 증폭 트랜지스터(AMP), 선택 트랜지스터(SEL), 리셋 트랜지스터(RST), 및, 전하 배출 트랜지스터(OFG)는, 예를 들면, N형의 MOS 트랜지스터로 구성된다.
전송 트랜지스터(TRG1)는, 게이트 전극에 공급되는 전송 구동 신호(TRG1g)가 액티브 상태가 되면 이에 응답하여 도통 상태가 됨으로써, 포토 다이오드(PD)에 축적되어 있는 전하를 부유 확산 영역(FD1)에 전송한다. 전송 트랜지스터(TRG2)는, 게이트 전극에 공급되는 전송 구동 신호(TRG2g)가 액티브 상태가 되면 이에 응답하여 도통 상태가 됨으로써, 포토 다이오드(PD)에 축적되어 있는 전하를 부유 확산 영역(FD2)에 전송한다.
부유 확산 영역(FD1 및 FD2)은, 포토 다이오드(PD)로부터 전송된 전하를 일시 유지하는 전하 축적부이다.
전환 트랜지스터(FDG1)는, 게이트 전극에 공급되는 FD 구동 신호(FDG1g)가 액티브 상태가 되면 이에 응답하여 도통 상태가 됨으로써, 부가 용량(FDL1)을, 부유 확산 영역(FD1)에 접속시킨다. 전환 트랜지스터(FDG2)는, 게이트 전극에 공급되는 FD 구동 신호(FDG2g)가 액티브 상태가 되면 이에 응답하여 도통 상태가 됨으로써, 부가 용량(FDL2)을, 부유 확산 영역(FD2)에 접속시킨다. 부가 용량(FDL1 및 FDL2)은, 도 2의 배선 용량(64)에 의해 형성되어 있다.
리셋 트랜지스터(RST1)는, 게이트 전극에 공급되는 리셋 구동 신호(RSTg)가 액티브 상태가 되면 이에 응답하여 도통 상태가 됨으로써, 부유 확산 영역(FD1)의 전위를 리셋한다. 리셋 트랜지스터(RST2)는, 게이트 전극에 공급되는 리셋 구동 신호(RSTg)가 액티브 상태가 되면 이에 응답하여 도통 상태가 됨으로써, 부유 확산 영역(FD2)의 전위를 리셋한다. 또한, 리셋 트랜지스터(RST1 및 RST2)가 액티브 상태로 된 때, 전환 트랜지스터(FDG1 및 FDG2)도 동시에 액티브 상태가 되어, 부가 용량(FDL1 및 FDL2)도 리셋된다.
수직 구동부(22)는, 예를 들면, 입사광의 광량이 많은 고조도(高照度)일 때, 전환 트랜지스터(FDG1 및 FDG2)를 액티브 상태로 하여, 부유 확산 영역(FD1)과 부가 용량(FDL1)을 접속함과 함께, 부유 확산 영역(FD2)과 부가 용량(FDL2)을 접속한다. 이에 의해, 고조도시에, 보다 많은 전하를 축적할 수 있다.
한편, 입사광의 광량이 적은 저조도일 때에는, 수직 구동부(22)는, 전환 트랜지스터(FDG1 및 FDG2)를 비액티브 상태로 하여, 부가 용량(FDL1 및 FDL2)을, 각각, 부유 확산 영역(FD1 및 FD2)으로부터 분리한다. 이에 의해, 변환 효율을 올릴 수 있다.
전하 배출 트랜지스터(OFG)는, 게이트 전극에 공급되는 배출 구동 신호(OFG1g)가 액티브 상태가 되면 이에 응답하여 도통 상태가 됨으로써, 포토 다이오드(PD)에 축적된 전하를 배출한다.
증폭 트랜지스터(AMP1)는, 소스 전극이 선택 트랜지스터(SEL1)를 통하여 수직 신호선(29A)에 접속됨에 의해, 도시하지 않은 정전류원과 접속하여, 소스 팔로워 회로를 구성한다. 증폭 트랜지스터(AMP2)는, 소스 전극이 선택 트랜지스터(SEL2)를 통하여 수직 신호선(29B)에 접속됨에 의해, 도시하지 않은 정전류원과 접속하여, 소스 팔로워 회로를 구성한다.
선택 트랜지스터(SEL1)는, 증폭 트랜지스터(AMP1)의 소스 전극과 수직 신호선(29A) 사이에 접속되어 있다. 선택 트랜지스터(SEL1)는, 게이트 전극에 공급되는 선택 신호(SEL1g)가 액티브 상태가 되면 이에 응답하여 도통 상태가 되어, 증폭 트랜지스터(AMP1)로부터 출력되는 검출 신호(VSL1)를 수직 신호선(29A)에 출력한다.
선택 트랜지스터(SEL2)는, 증폭 트랜지스터(AMP2)의 소스 전극과 수직 신호선(29B) 사이에 접속되어 있다. 선택 트랜지스터(SEL2)는, 게이트 전극에 공급되는 선택 신호(SEL2g)가 액티브 상태가 되면 이에 응답하여 도통 상태가 되어, 증폭 트랜지스터(AMP2)로부터 출력되는 검출 신호(VSL2)를 수직 신호선(29B)에 출력한다.
화소(10)의 전송 트랜지스터(TRG1 및 TRG2), 전환 트랜지스터(FDG1 및 FDG2), 증폭 트랜지스터(AMP1 및 AMP2), 선택 트랜지스터(SEL1 및 SEL2), 및, 전하 배출 트랜지스터(OFG)는, 수직 구동부(22)에 의해 제어된다.
도 2의 화소 회로에서, 부가 용량(FDL1 및 FDL2)과, 그 접속을 제어하는, 전환 트랜지스터(FDG1 및 FDG2)는 생략하여도 좋지만, 부가 용량(FDL)을 마련하고, 입사광량에 응하여 분간하여 사용함에 의해, 고다이내믹 레인지를 확보할 수 있다.
화소(10)의 동작에 관해 간단히 설명한다.
우선, 수광을 시작하기 전에, 화소(10)의 전하를 리셋하는 리셋 동작이 전 화소에서 행하여진다. 즉, 전하 배출 트랜지스터(OFG)와, 리셋 트랜지스터(RST1 및 RST2), 및, 전환 트랜지스터(FDG1 및 FDG2)가 온 되어, 포토 다이오드(PD), 부유 확산 영역(FD1 및 FD2), 및, 부가 용량(FDL1 및 FDL2)의 축적 전하가 배출된다.
축적 전하의 배출 후, 전 화소에서 수광이 시작된다.
수광 기간에서는, 전송 트랜지스터(TRG1과 TRG2)가 교대로 구동된다. 즉, 제1의 기간에서, 전송 트랜지스터(TRG1)가 온, 전송 트랜지스터(TRG2)가 오프로 제어된다. 이 제1의 기간에서는, 포토 다이오드(PD)에서 발생한 전하가, 부유 확산 영역(FD1)에 전송된다. 제1의 기간의 다음 제2의 기간에서는, 전송 트랜지스터(TRG1)가 오프, 전송 트랜지스터(TRG2)가 온으로 제어된다. 이 제2의 기간에서는, 포토 다이오드(PD)에서 발생한 전하가, 부유 확산 영역(FD2)에 전송된다. 이에 의해, 포토 다이오드(PD)에서 발생한 전하가, 부유 확산 영역(FD1과 FD2)에 배분되어, 축적된다.
여기서, 광전변환으로 얻어진 전하(전자)의 판독이 행하여지는 쪽의 전송 트랜지스터(TRG) 및 부유 확산 영역(FD)을 액티브 탭(active tap)으로 칭하기로 한다. 역으로, 광전변환으로 얻어진 전하의 판독이 행하여지지 않는 쪽의 전송 트랜지스터(TRG) 및 부유 확산 영역(FD)을 인액티브 탭(inactive tap)으로 칭하기로 한다.
그리고, 수광 기간이 종료되면, 화소 어레이부(21)의 각 화소(10)가, 선순차(線順次)로 선택된다. 선택된 화소(10)에서는, 선택 트랜지스터(SEL1 및 SEL2)가 온 된다. 이에 의해, 부유 확산 영역(FD1)에 축적된 전하가, 검출 신호(VSL1)로서, 수직 신호선(29A)을 통하여 칼럼 처리부(통23)에 출력된다. 부유 확산 영역(FD2)에 축적된 전하는, 검출 신호(VSL2)로서, 수직 신호선(29B)을 통하여 칼럼 처리부(23)에 출력된다.
이상으로 1회의 수광 동작이 종료되고, 리셋 동작부터 시작되는 다음의 수광 동작이 실행된다.
화소(10)가 수광하는 반사광은, 광원이 조사한 타이밍부터, 대상물까지의 거리에 응하여 지연되고 있다. 대상물까지의 거리에 응한 지연 시간에 의해, 2개의 부유 확산 영역(FD1과 FD2)에 축적되는 전하의 배분비가 변화하기 때문에, 2개의 부유 확산 영역(FD1과 FD2)에 축적되는 전하의 배분비로부터, 물체까지의 거리를 구할 수 있다.
<4. 화소의 평면도>
도 4는, 도 3에 도시한 화소 회로의 배치례를 도시한 평면도이다.
도 4에서 횡방향은, 도 1의 행방향(수평 방향)에 대응하고, 종방향은 도 1의 열방향(수직 방향)에 대응한다.
도 4에 도시되는 바와 같이, 사각형의 화소(10)의 중앙부의 영역에, 포토 다이오드(PD)가 N형의 반도체 영역(52)으로 형성되어 있다.
포토 다이오드(PD)의 외측으로서, 사각형의 화소(10)의 4변의 소정의 1변에 따라, 전송 트랜지스터(TRG1), 전환 트랜지스터(FDG1), 리셋 트랜지스터(RST1), 증폭 트랜지스터(AMP1), 및, 선택 트랜지스터(SEL1)가 직선적으로 나열하여 배치되고, 사각형의 화소(10)의 4변의 다른 1변에 따라, 전송 트랜지스터(TRG2), 전환 트랜지스터(FDG2), 리셋 트랜지스터(RST2), 증폭 트랜지스터(AMP2), 및, 선택 트랜지스터(SEL2)가 직선적으로 나열하여 배치되어 있다.
또한, 전송 트랜지스터(TRG), 전환 트랜지스터(FDG), 리셋 트랜지스터(RST), 증폭 트랜지스터(AMP), 및, 선택 트랜지스터(SEL)가 형성되어 있는 화소(10)의 2변과는 다른 변에, 전하 배출 트랜지스터(OFG)가 배치되어 있다.
또한, 도 3에 도시한 화소 회로의 배치는, 이 예로 한정되지 않고, 기타의 배치로 하여도 좋다.
<5. 화소의 기타의 회로 구성례>
도 5는, 화소(10)의 기타의 회로 구성례를 도시하고 있다.
도 5에서, 도 3과 대응하는 부분에 관해서는 동일한 부호를 붙이고 있고, 그 부분의 설명은 적절히 생략한다.
화소(10)는, 광전변환 소자로서 포토 다이오드(PD)를 구비한다. 또한, 화소(10)는, 제1 전송 트랜지스터(TRGa), 제2 전송 트랜지스터(RST), 메모리(MEM), 부유 확산 영역(FD), 리셋 트랜지스터(RST), 증폭 트랜지스터(AMP), 및, 선택 트랜지스터(SEL)를 각각 2개씩 갖는다.
여기서, 화소(10)에서 2개씩 마련된 제1 전송 트랜지스터(TRGa), 제2 전송 트랜지스터(RST), 메모리(MEM), 부유 확산 영역(FD), 리셋 트랜지스터(RST), 증폭 트랜지스터(AMP), 및, 선택 트랜지스터(SEL)의 각각을 구별하는 경우, 도 5에 도시되는 바와 같이, 제1 전송 트랜지스터(TRGa1 및 TRGa2), 제2 전송 트랜지스터(TRGb1 및 TRGb2), 전송 트랜지스터(TRG1 및 TRG2), 메모리(MEM1 및 MEM2), 부유 확산 영역(FD1 및 FD2), 증폭 트랜지스터(AMP1 및 AMP2), 및, 선택 트랜지스터(SEL1 및 SEL2)와 같이 칭한다.
따라서 도 3의 화소 회로와, 도 5의 화소 회로를 비교하면, 전송 트랜지스터(TRG)가, 2종류의 제1 전송 트랜지스터(TRGa) 및 제2 전송 트랜지스터(TRGb)로 변경되고, 메모리(MEM)가 추가되어 있다. 또한, 부가 용량(FDL)과 전환 트랜지스터(FDG)가 생략되어 있다.
제1 전송 트랜지스터(TRGa), 제2 전송 트랜지스터(RST), 리셋 트랜지스터(RST), 증폭 트랜지스터(AMP), 및, 선택 트랜지스터(SEL)는, 예를 들면, N형의 MOS 트랜지스터로 구성된다.
도 3에 도시한 화소 회로에서는, 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하를, 부유 확산 영역(FD1 및 FD2)에 전송하여 유지하도록 하였지만, 도 5의 화소 회로에서는, 전하 축적부로서 마련된 메모리(MEM1 및 MEM2)에 전송되어, 유지된다.
즉, 제1 전송 트랜지스터(TRGa1)는, 게이트 전극에 공급되는 제1 전송 구동 신호(TRGa1g)가 액티브 상태가 되면 이에 응답하여 도통 상태가 됨으로써, 포토 다이오드(PD)에 축적되어 있는 전하를 메모리(MEM1)에 전송한다. 제1 전송 트랜지스터(TRGa2)는, 게이트 전극에 공급되는 제1 전송 구동 신호(TRGa2g)가 액티브 상태가 되면 이에 응답하여 도통 상태가 됨으로써, 포토 다이오드(PD)에 축적되어 있는 전하를 메모리(MEM2)에 전송한다.
또한, 제2 전송 트랜지스터(TRGb1)는, 게이트 전극에 공급되는 제2 전송 구동 신호(TRGb1g)가 액티브 상태가 되면 이에 응답하여 도통 상태가 됨으로써, 메모리(MEM1)에 축적되어 있는 전하를, 부유 확산 영역(FD1)에 전송한다. 제2 전송 트랜지스터(TRGb2)는, 게이트 전극에 공급되는 제2 전송 구동 신호(TRGb2g)가 액티브 상태가 되면 이에 응답하여 도통 상태가 됨으로써, 메모리(MEM2)에 축적되어 있는 전하를, 부유 확산 영역(FD2)에 전송한다.
리셋 트랜지스터(RST1)는, 게이트 전극에 공급되는 리셋 구동 신호(RST1g)가 액티브 상태가 되면 이에 응답하여 도통 상태가 됨으로써, 부유 확산 영역(FD1)의 전위를 리셋한다. 리셋 트랜지스터(RST2)는, 게이트 전극에 공급되는 리셋 구동 신호(RST2g)가 액티브 상태가 되면 이에 응답하여 도통 상태가 됨으로써, 부유 확산 영역(FD2)의 전위를 리셋한다. 또한, 리셋 트랜지스터(RST1 및 RST2)가 액티브 상태로 된 때, 제2 전송 트랜지스터(TRGb1 및 TRGb2)도 동시에 액티브 상태가 되어, 메모리(MEM1 및 MEM2)도 리셋된다.
도 5의 화소 회로에서는, 포토 다이오드(PD)에서 발생한 전하가, 메모리(MEM1과 MEM2)에 배분되어, 축적된다. 그리고, 판독되는 타이밍에서, 메모리(MEM1과 MEM2)에 유지되어 있는 전하가, 각각, 부유 확산 영역(FD1과 FD2)에 전송되어, 화소(10)로부터 출력된다.
<6. 화소의 평면도>
도 6은, 도 5에 도시한 화소 회로의 배치례를 도시한 평면도이다.
도 6에서의 횡방향은, 도 1의 행방향(수평 방향)에 대응하고, 종방향은 도 1의 열방향(수직 방향)에 대응한다.
도 6에 도시되는 바와 같이, 사각형의 화소(10)의 중앙부의 영역에, 포토 다이오드(PD)가 N형의 반도체 영역(52)으로 형성되어 있다.
포토 다이오드(PD)의 외측으로서, 사각형의 화소(10)의 4변의 소정의 1변에 따라, 제1 전송 트랜지스터(TRGa1), 제2 전송 트랜지스터(TRGb1), 리셋 트랜지스터(RST1), 증폭 트랜지스터(AMP1), 및, 선택 트랜지스터(SEL1)가 직선적으로 나열하여 배치되고, 사각형의 화소(10)의 4변의 다른 1변에 따라, 제1 전송 트랜지스터(TRGa2), 제2 전송 트랜지스터(TRGb2), 리셋 트랜지스터(RST2), 리셋 트랜지스터(RST2), 증폭 트랜지스터(AMP2), 및, 선택 트랜지스터(SEL2)가 직선적으로 나열하여 배치되어 있다. 메모리(MEM1 및 MEM2)는, 예를 들면, 매입형의 N형 확산 영역에 의해 형성된다.
또한, 도 5에 도시한 화소 회로의 배치는, 이 예로 한정되지 않고, 기타의 배치로 하여도 좋다.
<7. 이면 조사형의 효과>
이상과 같은 수광 소자(1)에 의하면, 이하와 같은 효과를 이룰 수 있다.
우선 수광 소자(1)는 이면 조사형익 때문에, 양자 효율(QE)×개구율(FF(Fill Factor))을 최대화할 수가 있어서, 수광 소자(1)에 의한 거리측정 특성을 향상시킬 수 있다.
예를 들면 도 7의 화살표(W11)로 도시하는 바와 같이, 통상의 표면 조사형의 이미지 센서는, 광전변환부인 PD(101)에서의 외부로부터의 광이 입사하는 광입사면측에 배선(102)이나 배선(103)이 형성된 구조로 되어 있다.
그때문에, 예를 들면 외부로부터 화살표(A21)나 화살표(A22)로 도시하는 바와 같이, 어느 정도의 각도를 갖고서 PD(101)에 대해 비스듬하게 입사하여 오는 광의 일부는, 배선(102)이나 배선(103)에 차단되어 PD(101)에 입사되지 않은 일이 생긴다.
이에 대해, 이면 조사형의 이미지 센서는, 예를 들면 화살표(W12)로 도시하는 바와 같이, 광전변환부인 PD(104)에서의 외부로부터의 광이 입사하는 광입사면과는 반대측의 면상에 배선(105)이나 배선(106)이 형성된 구조로 되어 있다.
그때문에, 표면 조사형에서의 경우와 비교하여 충분한 개구율을 확보할 수 있다. 즉, 예를 들면 외부로부터 화살표(A23)나 화살표(A24)로 도시하는 바와 같이, 어느 정도의 각도를 갖고서 PD(104)에 대해 비스듬하게 입사하여 오는 광은 배선에 차단되는 일 없이 PD(104)에 입사한다. 이에 의해, 보다 많은 광을 수광하여 화소의 감도를 향상시킬 수 있다.
이와 같은 이면 조사형으로 함에 의해 얻어지는 화소 감도의 향상 효과는, 이면 조사형의 ToF 센서인 수광 소자(1)에서도 얻을 수 있다.
즉, 표면 조사형의 ToF 센서에서는, 화살표(W13)로 도시하는 바와 같이, 광전변환부인 PD(111)의 광입사면측에, 배선(112)이나 배선(113)이 형성된 구조로 되어 있다. 그때문에, 예를 들면 외부로부터 화살표(A25)나 화살표(A26)로 도시하는 바와 같이, 어느 정도의 각도를 갖고서 PD(111)에 대해 비스듬하게 입사하여 오는 광의 일부가 배선(112)이나 배선(113) 등에 차단되어 PD(111)에 입사되지 않은 일이 생긴다.
이에 대해, 이면 조사형의 ToF 센서는, 예를 들면 화살표(W14)로 도시하는 바와 같이, 광전변환부인 PD(115)의 광입사면과는 반대측의 면의 부분에, 전하 판독용의 전송 트랜지스터가 형성된 구조로 되어 있다. 또한, PD(115)의 광입사면과는 반대측의 면에, 배선(117)이나 배선(118)이 형성되어 있다. 이에 의해, 예를 들면 화살표(A28)나 화살표(A29)로 도시하는 바와 같이, 어느 정도의 각도를 갖고서 PD(115)에 대해 비스듬하게 입사하여 오는 광은 배선에 차단되는 일 없이 PD(115)에 입사한다.
따라서 이면 조사형의 ToF 센서에서는, 표면 조사형에서의 경우와 비교하여 충분한 개구율을 확보할 수 있기 때문에, 양자 효율(QE)×개구율(FF)을 최대화할 수가 있어서, 거리측정 특성을 향상시킬 수 있다.
도 8은, 표면 조사형과 이면 조사형의 ToF 센서의 화소 단면도를 도시하고 있다.
도 8 좌측의 표면 조사형의 ToF 센서에서는, 도면 중, 기판(141)의 상측이, 광입사면이고, 기판(141)의 광입사면측에, 복수층의 배선을 포함하는 배선층(152), 화소사이 차광막(153), 및, 온 칩 렌즈(154)가 적층되어 있다.
도 8 우측의 이면 조사형의 ToF 센서에서는, 도면 중, 광입사면과는 반대측이 되는 기판(142)의 하측에, 복수층의 배선을 포함하는 배선층(152)이 형성되어 있고, 광입사면측인 기판(142)의 상측에, 화소사이 차광막(153), 및, 온 칩 렌즈(154)가 적층되어 있다.
또한, 도 8에서 그레이의 사다리꼴 형상은, 적외광이 온 칩 렌즈(154)에서 집광됨에 의해, 광강도가 강한 영역을 나타내고 있다.
예를 들면, 표면 조사형의 ToF 센서에서는, 기판(141)의 광입사면측에 전하 판독용의 전송 트랜지스터(TG1 및 TG2)가 존재하는 영역(R11)이 있다. 표면 조사형의 ToF 센서에서는, 기판(141)의 광입사면 부근의 영역(R11)에서는 적외광의 강도는 강하므로, 영역(R11) 내에서 적외광의 광전변환이 행하여질 확률이 높아진다. 즉, 인액티브 탭 근방에 입사하는 적외광의 광량은 많기 때문, 액티브 탭에서 검출할 수 없게 되어 버리는 신호 캐리어가 많아지고, 전하 분리 효율이 저하되어 버린다.
이에 대해, 이면 조사형의 ToF 센서에서는, 기판(142)의 광입사면부터 먼 위치, 즉 광입사면측과는 반대측의 면 근방의 위치에, 액티브 탭 및 인액티브 탭이 형성되는 영역(R12)이 있다. 기판(142)은, 도 2에 도시한 반도체 기판(41)에 대응하고 있다.
기판(142)의 광입사면측과는 반대측의 면의 부분에 영역(R12)이 있고, 영역(R12)은 광입사면부터 먼 위치에 있기 때문에, 그 영역(R12) 부근에서는, 입사한 적외광의 강도는 비교적 약하게 되어 있다.
기판(142)의 중심 부근이나 광입사면 부근 등의 적외광의 강도가 강한 영역에서 광전변환에 의해 얻어진 신호 캐리어는, 액티브 탭 및 인액티브 탭이 형성하는 전계 구배에 의해 액티브 탭으로 유도되어, 액티브 탭의 부유 확산 영역(FD)에서 검출된다.
한편, 인액티브 탭을 포함하는 영역(R12) 부근에서는, 입사한 적외광의 강도는 비교적 약하기 때문에, 영역(R12) 내에서 적외광의 광전변환이 행하여질 확률은 낮아진다. 즉, 인액티브 탭 근방에 입사하는 적외광의 광량은 적기 때문에, 인액티브 탭 부근에서의 광전변환에 의해 발생하고, 인액티브 탭의 부유 확산 영역(FD)으로 이동하여 버리는 신호 캐리어(전자)의 수는 적어져서, 전하 분리 효율을 향상시킬 수 있다. 결과로서 거리측정 특성을 개선할 수 있다.
또한, 이면 조사형의 수광 소자(1)에서는, 반도체 기판(41)의 박층화를 실현할 수 있기 때문에, 신호 캐리어인 전자(전하)의 취출 효율을 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 표면 조사형의 ToF 센서에서는 개구율을 충분히 확보할 수가 없기 때문에, 도 9의 화살표(W31)로 도시하는 바와 같이, 보다 높은 양자 효율을 확보하고, 양자 효율×개구율의 저하를 억제하기 위해 기판(171)을 어느 정도 두껍게 할 필요가 있다.
그러면, 기판(171) 내에서의 광입사면과는 반대측의 면 근방의 영역, 예를 들면 영역(R21)의 부분에서 포텐셜의 경사가 완만해지고, 실질적으로 기판(171)과 수직한 방향의 전계가 약해져 버린다. 이 경우, 신호 캐리어의 이동 속도가 늦어지기 때문에, 광전변환이 행하여지고 나서 액티브 탭의 부유 확산 영역(FD)에 신호 캐리어가 전송될 때까지 필요해지는 시간이 길어져 버린다. 또한, 도 9에서는, 기판(171) 내의 화살표는, 기판(171)에서의 기판(171)과 수직한 방향의 전계를 도시하고 있다.
또한, 기판(171)이 두꺼우면, 기판(171) 내의 액티브 탭으로부터 먼 위치로부터, 액티브 탭의 부유 확산 영역(FD)까지의 신호 캐리어의 이동 거리가 길어진다. 따라서 액티브 탭으로부터 먼 위치에서는, 광전변환이 행하여지고 나서 액티브 탭의 부유 확산 영역(FD)에 신호 캐리어가 전송될 때까지 필요해지는 시간이 더욱 길어져 버린다. 그때문에, 전송 트랜지스터(TG)의 배분이 전환된 후에, 액티브 탭에 도달하여, 오신호가 되는 일이 있다.
도 10은, 기판(171)의 두께 방향의 위치와, 신호 캐리어의 이동 속도와의 관계를 도시하고 있다. 영역(R21)은 확산 전류 영역에 대응한다.
이처럼 기판(171)이 두꺼워지면, 예를 들면 구동 주파수가 높은 때, 즉 탭의 액티브와 인액티브의 전환을 고속으로 행할 때에, 영역(R21) 등의 액티브 탭으로부터 먼 위치에서 발생한 전자를 완전히 액티브 탭의 부유 확산 영역(FD)에 모두 인입할 수 없게 되어 버린다. 즉, 탭이 액티브로 되어 있는 시간이 짧으면, 영역(R21) 내 등에서 발생한 전자(전하)를 액티브 탭의 부유 확산 영역(FD)에서 검출할 수 없게 되어 버리는 일이 생기고, 전자의 취출 효율이 저하된다.
이에 대해 이면 조사형의 ToF 센서에서는, 충분한 개구율을 확보할 수가 있어서, 예를 들면 도 9의 화살표(W32)로 도시하는 바와 같이 기판(172)을 얇게 하여도 충분한 양자 효율×개구율을 확보할 수 있다. 여기서, 기판(172)은 도 2의 반도체 기판(41)에 대응하고, 기판(172) 내의 화살표는, 기판(172)과 수직한 방향의 전계를 도시하고 있다.
도 11은, 기판(172)의 두께 방향의 위치와, 신호 캐리어의 이동 속도와의 관계를 도시하고 있다.
이처럼 기판(172)의 두께를 얇게 하면, 실질적으로 기판(172)에 수직한 방향의 전계가 강해지고, 신호 캐리어의 이동 속도가 빠른 드리프트 전류 영역만의 전자(전하)만을 사용하고, 신호 캐리어의 이동 속도가 느린 확산 전류 영역의 전자를 사용하지 않는다. 드리프트 전류 영역만의 전자(전하)만을 사용함으로써, 광전변환이 행하여지고 나서 액티브 탭의 부유 확산 영역(FD)에서 신호 캐리어가 검출될 때까지 필요해지는 시간이 짧아진다. 또한, 기판(172)의 두께가 얇아지면, 신호 캐리어의 액티브 탭의 부유 확산 영역(FD)까지의 이동 거리도 짧아진다.
이로써, 이면 조사형의 ToF 센서에서는, 구동 주파수가 높은 때라도 기판(172) 내의 각 영역에서 발생한 신호 캐리어(전자)를 액티브 탭의 부유 확산 영역(FD)에 충분히 인입할 수 있고, 전자가 취출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 기판(172)의 박층화에 의해, 높은 구동 주파수라도 충분한 전자의 취출 효율을 확보할 수 있고, 고속 구동 내성(耐性)을 향상시킬 수 있다.
특히, 이면 조사형의 ToF 센서에서는, 충분한 개구율을 얻을 수 있기 때문에, 그만큼 화소를 미세화할 수 있고, 화소의 미세화 내성을 향상시킬 수 있다.
그 밖에, 수광 소자(1)에서는 이면 조사형으로 함으로써 BEOL(Back End Of Line) 설계의 자유화가 가능해지고, 이에 의해 포화 신호량(Qs)의 설계 자유도를 향상시킬 수 있다.
<8. 화소의 제2 구성례에 관한 단면도>
도 12는, 화소(10)의 제2 구성례를 도시하는 단면도이다.
도 12에서, 도 2에 도시한 제1 구성례와 대응하는 부분에 관해서는 동일한 부호를 붙이고 있고, 그 부분의 설명은 적절히 생략한다.
도 12의 제2 구성례에서는, 도 2의 제1 구성례에서 반도체 기판(41)의 이면측(온 칩 렌즈(47)측)부터 파들어가 형성된 DTI(Deep Trench Isolation)인 화소간 분리부(61)가, 반도체 기판(41)을 관통하는 화소간 분리부(211)로 치환된 점이 다르고, 기타의 점에서 공통된다.
화소간 분리부(211)는, 반도체 기판(41)의 이면측(온 칩 렌즈(47)측) 또는 표면측부터 반대측의 기판면에 관통할 때까지 트렌치를 형성하고, 그 내부에, 반사 방지막(43)의 최상층의 재료인 산화실리콘막(55)을 매입함에 의해 형성된다. 화소간 분리부(211)로서 트렌치 내에 매입하는 재료는, 산화실리콘막(55) 등의 절연막 외에, 예를 들면, 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 티탄(Ti), 질화티탄(TiN) 등의 금속재료라도 좋다.
이와 같은 화소간 분리부(211)를 형성함에 의해, 인접하는 화소끼리를 전기적으로 완전 분리할 수 있다. 이에 의해, 입사광이 옆의 화소(10)로 관통하는 것을 방지하고, 차체화소 내에 가둠과 함께, 인접하는 화소(10)로부터의 입사광의 누입을 방지한다.
제2 구성례에서도, 이면 조사형의 화소 구조로 함으로써, 표면 조사형에서의 경우와 비교하여 충분한 개구율을 확보할 수 있고, 양자 효율(QE)×개구율(FF)을 최대화할 수 있다.
또한, 다층 배선층(42)의 복수의 금속막(M) 중, 반도체 기판(41)에 가장 가까운 제1 금속막(M1)의, 포토 다이오드(PD)의 형성 영역의 하방에 위치하는 영역에, 차광 부재(반사부재)(63)를 구비함에 의해, 반도체 기판(41) 내에서 광전변환되지 않고서 반도체 기판(41)을 투과하여 버린 적외광을, 차광 부재(63)에서 반사시켜서 반도체 기판(41) 내로 재차 입사시킨다. 이에 의해, 반도체 기판(41) 내에서 광전변환된 적외광의 양을 보다 많게 하여, 양자 효율(QE), 즉 적외광에 대한 화소(10)의 감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 반도체 기판(41) 내에서 광전변환되지 않고서 반도체 기판(41)을 투과하여 버린 적외광이, 금속막(M)에서 산란하여, 근방 화소에 입사하여 버리는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 근방 화소에서 잘못 광을 검지하여 버리는 것을 막을 수 있다.
<9. 화소의 제3 구성례에 관한 단면도>
도 13은, 화소(10)의 제3 구성례를 도시하는 단면도이다.
도 13에서, 도 2에 도시한 제1 구성례와 대응하는 부분에 관해서는 동일한 부호를 붙이고 있고, 그 부분의 설명은 적절히 생략한다.
도 13의 제3 구성례에서는, 반도체 기판(41)(의 P형의 반도체 영역(51))의 포토 다이오드(PD)의 형성 영역의 상방에 위치하는 PD 상부 영역(223)이, 미세한 요철이 형성된 모스아이 구조로 되어 있다. 또한, 반도체 기판(41)의 PD 상부 영역(223)의 모스아이 구조에 대응하여, 그 상면에 형성된 반사 방지막(221)도 모스아이 구조로 형성되어 있다. 반사 방지막(221)은, 제1 구성례와 마찬가지로, 산화하프늄막(53), 산화알루미늄막(54), 및, 산화실리콘막(55)의 적층에 의해 구성되어 있다.
이와 같이, 반도체 기판(41)의 PD 상부 영역(223)을 모스아이 구조로 함으로써, 기판 계면에서의 급격한 굴절율의 변화를 완화하고, 반사광에 의한 영향을 저감시킬 수 있다.
또한, 도 13에서는, 반도체 기판(41)의 이면측(온 칩 렌즈(47)측)부터 파들어가 형성된 DTI로 형성된 화소간 분리부(61)가, 도 2의 제1 구성례의 화소간 분리부(61)보다도, 약간 깊은 위치까지 형성되어 있다. 화소간 분리부(61)가 형성된 기판 두께 방향의 깊이는, 이와 같이 임의의 깊이로 할 수 있다.
제3 구성례에서, 기타의 점은, 제1 구성례와 마찬가지이다.
<10. 화소의 제4 구성례에 관한 단면도>
도 14는, 화소(10)의 제4 구성례를 도시하는 단면도이다.
도 14에서, 상술한 제1 내지 제3 구성례와 대응하는 부분에 관해서는 동일한 부호를 붙이고 있고, 그 부분의 설명은 적절히 생략한다.
도 14의 제4 구성례는, PD 상부 영역(223)이 모스아이 구조의 기판 계면과 반사 방지막(221)을 갖는 점에서, 도 13에 도시한 제3 구성례와 공통된다.
한편, 도 14의 제4 구성례는, 반도체 기판(41) 전체를 관통한 화소간 분리부(211)를 갖는 점에서, 도 12에 도시한 제2 구성례와 공통된다.
환언하면, 도 14의 제4 구성례는, 제2 구성례의 화소간 분리부(211)와, 제3 구성례의 모스아이 구조의 반도체 기판(41) 및 반사 방지막(221)의 양방을 구비한다. 기타의 점은, 제2 구성례 또는 제3 구성례와 마찬가지이다.
제3 및 제4 구성례에서도, 이면 조사형의 화소 구조로 함으로써, 표면 조사형에서의 경우와 비교하여 충분한 개구율을 확보할 수 있고, 양자 효율(QE)×개구율(FF)을 최대화할 수 있다.
또한, 다층 배선층(42)의 소정의 금속막(M)에 차광 부재(반사부재)(63)를 구비함에 의해, 적외광에 대한 화소(10)의 감도를 향상시킴과 함께, 근방 화소에서 잘못 광을 검지하여 버리는 것을 막을 수 있다.
<11. 화소의 제5 구성례에 관한 단면도>
도 15는, 화소(10)의 제5 구성례를 도시하는 단면도이다.
도 15에서, 상술한 제1 내지 제4 구성례와 대응하는 부분에 관해서는 동일한 부호를 붙이고 있고, 그 부분의 설명은 적절히 생략한다.
상술한 제1 내지 제4 구성례에서, 화소 경계부(44)에 마련한 화소간 분리부(61) 또는 화소간 분리부(211)는, 생략하여도 좋다.
예를 들면, 상술한 제3 구성례의 화소간 분리부(61), 또는, 제4 구성례의 화소간 분리부(211)를 생략하면, 도 15와 같은 구조가 된다.
도 15의 제5 구성례는, 제3 구성례의 화소간 분리부(61), 또는, 제4 구성례의 화소간 분리부(211)를 생략한 구성을 가지며, 반사 방지막(221)이, 화소 경계부(44)에서 평탄하게 형성되어 있다. 기타의 구성은, 제3 구성례 또는 제4 구성례와 마찬가지이다.
<모스아이 구조의 사시도>
도 16의 A는, 반도체 기판(41)의 PD 상부 영역(223)에 형성되어 있는 모스아이 구조의 사시도이다.
반도체 기판(41)의 모스아이 구조는, 예를 들면, 도 16의 A에 도시되는 바와 같이, 반도체 기판(41)측에 정점(頂点)을 갖는 개략 동형상(同形狀)이면서 개략 같은 크기의 복수의 사각추의 영역이 규칙적으로(격자형상으로) 마련된 구성이 된다.
또한, 도 16의 A에서는, 반도체 기판(41)의 상측이, 광의 입사측, 즉 온 칩 렌즈(47)측이다.
모스아이 구조는, 반도체 기판(41)의 광입사면측에 형성되고, 포토 다이오드(PD)측에 정점을 갖는 사각추형상의 복수의 영역이 규칙적으로 나열하도록 배열된 역(逆)피라미드 구조로 되어 있다. 각 사각추의 저면은 정방형으로 되어 있고, 각 사각추형상의 영역은 포토 다이오드(PD)측에 볼록하게 되도록, 반도체 기판(41)이 파들어가져서 형성되어 있다. 도 16의 A에서, 예를 들면, 화살표(W51)에 도시하는 부분이, 각 사각추 영역의 포토 다이오드(PD)측에 있는 정점 부분의 오목부로 되어 있다. 화살표(W51)에 도시하는 오목부는, 예를 들면, 곡률을 가지며, 둥그스름한 형상으로 되어 있다.
또한, 모스아이 구조의 각 사각추의 각 오목부만이 아니라, 도 16의 B에서 해치가 시행된 부분인 각 사각추의 영역의 사변(斜邊) 부분도, 어느 정도 곡률을 갖도록 하여도 좋다. 이와 같이 사변 부분에도 곡률을 갖게 함으로써, 평탄화막(46)의 형성 얼룩이나 벗겨짐의 억제 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 17은, 반도체 기판(41)의 모스아이 구조의 기타의 예를 도시하는 사시도이다.
도 16에서는, 모스아이 구조는 포토 다이오드(PD)측에 정점을 갖는 사각추의 영역이 되는 역피라미드 구조로 된 예에 관해 설명하였지만, 예를 들면, 도 17에 도시되는 바와 같이, 순(順)피라미드 구조로 하여도 좋다.
구체적으로는, 도 17의 A에 도시되는 바와 같이, 모스아이 구조는, 반도체 기판(41)에서의 광의 입사측의 면에 형성되어 있다. 그리고, 이 모스아이 구조는, 광이 입사하는 측인 온 칩 렌즈(47)측에 정점을 갖는 복수의 사각추의 영역이, 규칙적으로, 즉 격자형상으로 배열된 순피라미드 구조로 되어 있다.
또한, 도 17의 A에서도, 복수의 각 사각추의 영역은 개략 동형상 및 거의 같은 크기로 되어 있고, 각 사각추의 저면은 정방형으로 되어 있다. 또한, 각 사각추형상의 영역이 포토 다이오드(PD)측과는 반대측으로 볼록하게 되도록, 반도체 기판(41)이 파들어가저서 그들 사각추형상의 영역이 형성되어 있다.
예를 들면, 화살표(W71)로 도시하는 부분이, 각 사각추의 영역의 포토 다이오드(PD)측에 있는 저변 부분의 오목부로 되어 있다. 화살표(W71)로 도시하는 오목부는, 도 16에 도시한 예와 마찬가지로, 반도체 기판(41)의 광의 입사측부터 포토 다이오드(PD)를 향하는 방향과 개략 평행한 단면(斷面)을 본 때에, 포토 다이오드(PD)측으로 볼록하게 되는 부분이 곡률을 가지며, 둥그스름한 형상으로 되어 있다.
도 17의 B에서 해치가 시행된, 위로 볼록한 각 사각추의 저변으로 이루어지는 부분이 곡률을 갖도록 형성할 수 있고, 이 경우, 도 16에 도시한 예와 마찬가지로, 반도체 기판(41)상에 형성되는 평탄화막(46)의 형성 얼룩이나 벗겨짐을 억제할 수 있다.
도 18은, 반도체 기판(41)의 모스아이 구조의 또한 기타의 예를 도시하는 사시도이다.
모스아이 구조는, 예를 들면, 도 18의 A에 도시하는 바와 같이, 미세한 요철 부분의 저면이 장방형이 되도록 하여도 좋다.
도 18의 A의 모스아이 구조는, 반도체 기판(41)의 광입사면측에 형성되어 있고, 화소(10)의 종방향(수직 방향) 또는 횡방향(수평 방향)으로 긴(長い) 라인형상의 오목부를 갖고 있다.
보다 구체적으로는, 도 18의 A의 모스아이 구조는, 도 13 내지 도 15의 단면도와 같은 방향의 단면을 본 때에 톱니 형상이고, 개략 동형상이면서 거의 같은 크기의 복수의 삼각주(三角柱)를, 삼각형의 하나의 정점과, 삼각주의 하나의 장방형의 면을, 포토 다이오드(PD)를 향하는 상태로, 일방향으로 나열하여 얻어지는 형상으로 되어 있다.
도 18의 A에서, 예를 들면 화살표(W91)로 도시하는 부분이 오목부로 되어 있고, 예를 들면 화살표(W92)로 도시하는 부분이 볼록부로 되어 있다. 각 오목부의 해치가 시행되어 있는 부분은, 소정의 곡률을 갖는 둥그스름한 형상으로 되어 있다. 따라서 이 예에서도, 반도체 기판(41)상에 형성된 평탄화막(46)의 형성 얼룩이나 벗겨짐을 억제할 수 있다.
또한, 반도체 기판(41)의 모스아이 구조는, 사각추의 형상이 개략 같은 크기로 규칙적으로 배열된 구성 외에, 도 18의 B에 도시되는 바와 같이, 각각 다른 크기의 사각추의 형상이, 불규칙하게 배치된 구조라도 좋다.
도 18의 B에 도시되는 예에서는, 온 칩 렌즈(47)측에 정점을 갖는 사각추의 영역이 불규칙하게 나열하는 순피라미드 구조로 되어 있다. 또한, 복수의 각 사각추의 영역의 크기도 같은 크기로는 되어 있지 않다. 즉, 사각추의 크기 및 배치가 랜덤하게 되어 있다.
예를 들면, 화살표(W93)나 화살표(W94)로 도시하는 부분이 오목부로 되어 있고, 이 오목부가 곡률을 가지며, 둥그스름한 형상으로 되어 있다. 이에 의해, 반도체 기판(41)상에 형성된 평탄화막(46)의 형성 얼룩이나 벗겨짐을 억제할 수 있다.
도 18의 B에서는, 온 칩 렌즈(47)측에 정점을 갖는 복수의 사각추의 영역이 랜덤하게 배열된 순피라미드 구조의 모스아이 구조를 나타냈지만, 도 16에 도시한 역피라미드 구조에서도, 복수의 사각추의 영역의 크기나 배치를 랜덤하게 한 구조도 물론 가능하다.
PD 상부 영역(223)에 형성되어 있는 반도체 기판(41)의 모스아이 구조는, 예를 들면, 도 16 내지 도 18에 도시한 형상과 같이 구성할 수 있다. 이에 의해, 기판 계면에서의 급격한 굴절율의 변화를 완화하고, 반사광에 의한 영향을 저감시킬 수 있다.
또한, 모스아이 구조를 채용한 제3 내지 제5 구성례에서는, 모스아이 구조에 의한 반사 방지 효과가 충분한 경우에는, 그 위의 반사 방지막(221)을 생략하여도 좋다.
<12. 화소의 제6 구성례에 관한 단면도>
도 19는, 화소(10)의 제6 구성례를 도시하는 단면도이다.
도 19에서, 상술한 제1 내지 제5 구성례와 대응하는 부분에 관해서는 동일한 부호를 붙이고 있고, 그 부분의 설명은 적절히 생략한다.
상술한 제1 내지 제5 구성례에서는, 수광 소자(1)가 1장의 반도체 기판, 즉 반도체 기판(41)만을 이용하여 구성되어 있지만, 도 19의 제6 구성례에서는, 반도체 기판(41)과 반도체 기판(301)의 2장의 반도체 기판을 이용하여 구성되어 있다. 이하에서는, 이해를 용이하게 하기 위해, 반도체 기판(41)과 반도체 기판(301)을, 각각, 제1 기판(41)과 제2 기판(301)이라고도 칭하여 설명한다.
도 19의 제6 구성례에서, 제1 기판(41)의 광입사면측에, 화소사이 차광막(45), 평탄화막(46), 및, 온 칩 렌즈(47)가 형성되어 있는 점은, 도 2의 제1 구성례와 마찬가지이다. 제1 기판(41)의 이면측의 화소 경계부(44)에는, 화소간 분리부(61)가 형성되어 있는 점도, 도 2의 제1 구성례와 마찬가지이다.
또한, 제1 기판(41)에, 광전변환부인 포토 다이오드(PD)가 화소 단위로 형성되어 있는 점, 제1 기판(41)의 표면측에, 2개의 전송 트랜지스터(TRG1 및 TRG2)나, 전하 축적부로서의 부유 확산 영역(FD1 및 FD2)이 형성되어 있는 점도 마찬가지이다.
한편, 도 2의 제1 구성례와 다른 점으로서, 제1 기판(41)의 표면측인 배선층(311)의 절연층(313)이, 제2 기판(301)의 절연층(312)과 접합되어 있다.
제1 기판(41)의 배선층(311)에는, 적어도 1층의 금속막(M)을 포함하고, 그 금속막(M)을 이용하여, 포토 다이오드(PD)의 형성 영역의 하방에 위치하는 영역에, 차광 부재(63)가 형성되어 있다.
제2 기판(301)이 접합면측인 절연층(312)측과 반대측의 계면에는, 화소 트랜지스터(Tr1, Tr2)가 형성되어 있다. 화소 트랜지스터(Tr1, Tr2)는, 예를 들면, 증폭 트랜지스터(AMP), 선택 트랜지스터(SEL)이다.
즉, 1장의 반도체 기판(41)(제1 기판(41))만을 이용하여 구성되는 제1 내지 제5 구성례에서는, 전송 트랜지스터(TRG), 전환 트랜지스터(FDG), 증폭 트랜지스터(AMP), 및, 선택 트랜지스터(SEL)의 모든 화소 트랜지스터가, 반도체 기판(41)에 형성되어 있지만, 2장의 반도체 기판의 적층 구조로 구성되는 제6 구성례의 수광 소자(1)에서는, 전송 트랜지스터(TRG) 이외의 화소 트랜지스터, 즉, 전환 트랜지스터(FDG), 증폭 트랜지스터(AMP), 및, 선택 트랜지스터(SEL)는, 제2 기판(301)에 형성되어 있다.
제2 기판(301)의 제1 기판(41)측과 반대측에는, 적어도 2층의 금속막(M)을 갖는 다층 배선층(321)이 형성되어 있다. 다층 배선층(321)은, 제1 금속막(M11)과, 제2 금속막(M12), 및, 층간 절연막(333)을 포함한다.
전송 트랜지스터(TRG1)를 제어하는 전송 구동 신호(TRG1g)는, 제2 기판(301)을 관통하는 TSV(Through Silicon Via)(331-1)에 의해, 제2 기판(301)의 제1 금속막(M11)부터, 제1 기판(41)의 전송 트랜지스터(TRG1)의 게이트 전극에 공급된다. 전송 트랜지스터(TRG2)를 제어하는 전송 구동 신호(TRG2g)는, 제2 기판(301)을 관통하는 TSV(331-2)에 의해, 제2 기판(301)의 제1 금속막(M11)부터, 제1 기판(41)의 전송 트랜지스터(TRG2)의 게이트 전극에 공급된다.
마찬가지로, 부유 확산 영역(FD1)에 축적된 전하는, 제2 기판(301)을 관통하는 TSV(332-1)에 의해, 제1 기판(41)측부터 제2 기판(301)의 제1 금속막(M11)에 전송된다. 부유 확산 영역(FD2)에 축적된 전하도, 제2 기판(301)을 관통하는 TSV(332-2)에 의해, 제1 기판(41)측부터 제2 기판(301)의 제1 금속막(M11)에 전송된다.
배선 용량(64)은, 제1 금속막(M11)이나, 또는, 제2 금속막(M12)의 도시하지 않은 영역에 형성되어 있다. 배선 용량(64)이 형성되는 금속막(M)은, 용량 형성을 위해 배선 밀도가 높게 형성되고, 전송 트랜지스터(TRG)나 전환 트랜지스터(FDG) 등의 게이트 전극에 접속되는 금속막(M)은, 유도전류 저감을 위해, 배선 밀도는 낮게 형성된다. 화소 트랜지스터마다, 게이트 전극과 접속된 배선층(금속막(M))이 다르도록 구성하여도 좋다.
이상과 같이, 제6 구성례에 관한 화소(10)는, 제1 기판(41)과 제2 기판(301)의 2장의 반도체 기판을 적층하여 구성할 수 있고, 전송 트랜지스터(TRG) 이외의 화소 트랜지스터가, 광전변환부를 갖는 제1 기판(41)과는 다른 제2 기판(301)에 형성된다. 또한, 화소(10)의 구동을 제어하는 수직 구동부(22)나 화소 구동선(28), 검출 신호를 전송하는 수직 신호선(29) 등도 제2 기판(301)에 형성된다. 이에 의해, 화소를 미세화할 수 있고, BEOL(Back End Of Line) 설계의 자유도도 높아진다.
제6 구성례에서도, 이면 조사형의 화소 구조로 함으로써, 표면 조사형에서의 경우와 비교하여 충분한 개구율을 확보할 수 있고, 양자 효율(QE)×개구율(FF)을 최대화할 수 있다.
또한, 제1 기판(41)에 가장 가까운 배선층(311)의 포토 다이오드(PD)의 형성 영역과 겹쳐지는 영역에, 차광 부재(반사부재)(63)를 구비함에 의해, 반도체 기판(41) 내에서 광전변환되지 않고서 반도체 기판(41)를 투과하여 버린 적외광을, 차광 부재(63)에서 반사시켜서 반도체 기판(41) 내로 재차 입사시킨다. 이에 의해, 반도체 기판(41) 내에서 광전변환된 적외광의 양을 보다 많게 하여, 양자 효율(QE), 즉 적외광에 대한 화소(10)의 감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 반도체 기판(41) 내에서 광전변환되지 않고서 반도체 기판(41)을 투과하여 버린 적외광이, 제2 기판(301)측으로 입사하여 버리는 것을 억제할 수 있다.
<제6 구성례의 제조 방법>
다음에, 도 20을 참조하여, 제6 구성례의 제조 방법에 관해 설명한다.
처음에, 도 20의 A에 도시되는 바와 같이, 제1 기판(41)의 소정의 영역에 광전변환부인 포토 다이오드(PD)나 부유 확산 영역(FD)이, 화소 단위로 형성된 후, 전송 트랜지스터(TRG)의 게이트 전극(351)이 형성된다.
다음에, 도 20의 B에 도시되는 바와 같이, 전송 트랜지스터(TRG)의 게이트 전극(351)과 제1 기판(41) 상면에, 절연막(361)이 형성된 후, 포토 다이오드(PD)의 영역에 대응하여, 차광 부재(63)가 패턴 형성된다.
다음에, 도 20의 C에 도시되는 바와 같이, 차광 부재(63)와 절연막(361)의 위에, 또한 절연막이 적층되어 절연층(313)이 되고, 제1 기판(41)의 표면측인 배선층(311)이 형성된다. 그리고, 증폭 트랜지스터(AMP), 선택 트랜지스터(SEL)등의 화소 트랜지스터(Tr1 및 Tr2)가 미리 형성된 제2 기판(301)의 이면측의 절연층(312)이, 제1 기판(41)의 절연층(313)과 접합된다.
다음에, 도 20의 D에 도시되는 바와 같이, 제2 기판(301)의 상면에 절연층(362)이 형성된 후, 화소 트랜지스터(Tr1 및 Tr2)의 게이트 전극의 콘택트를 위한 트렌치(371-1 및 371-2)가 형성된다. 또한, 전송 트랜지스터(TRG1 및 TRG2)의 게이트 전극이나, 부유 확산 영역(FD1 및 FD2) 등, 제1 기판(41)과 제2 기판(301)을 전기적으로 접속할 필요가 있는 부분에 대해, 제2 기판(301)을 관통하는 트렌치(372-1, 372-2, 373-1, 및 373-2)가 형성된다.
다음에, 도 20의 E에 도시되는 바와 같이, 트렌치(371-1 및 371-2)나, 트렌치(372-1, 372-2, 373-1, 및 373-2)에, 텅스텐(W) 등의 금속재료가 매입된다. 이에 의해, TSV(331-1, 331-2, 332-1, 및 332-2)가 형성된다.
다음에, 도 20의 F에 도시되는 바와 같이, 절연층(362)의 위에, 제1 금속막(M11)과 제2 금속막(M12)과 절연층이 형성되고, 다층 배선층(321)이 형성된다.
도 20의 F의 후, 제1 기판(41)의 광입사면인 이면측에, 반사 방지막(43), 온 칩 렌즈(47) 등이 형성됨으로써, 도 19의 수광 소자(1)가 완성된다.
또한, 도 19에 도시한 제6 구성례는, 도 2에 도시한 제1 구성례를, 2장의 반도체 기판의 적층 구조로 변형한 구성이지만, 상술한 기타의 구성례, 즉, 제2 구성례 내지 제5 구성례를, 2장의 반도체 기판의 적층 구조에 변형한 구성도 물론 가능하다.
<13. 4탭의 화소 구성례>
제1 구성례 내지 제6 구성례에 관한 화소(10)는, 하나의 포토 다이오드(PD)에 대해, 전송 게이트로서 2개의 전송 트랜지스터(TRG1 및 TRG2)를 가지며, 전하 축적부로서 2개의 부유 확산 영역(FD1 및 FD2)을 가지며, 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하를, 2개의 부유 확산 영역(FD1 및 FD2)에 배분하는, 이른바 2탭의 화소 구조였다.
이에 대해, 화소(10)는, 1개의 포토 다이오드(PD)에 대해, 4개의 전송 트랜지스터(TRG1 내지 TRG4)와, 부유 확산 영역(FD1 내지 FD4)을 가지며, 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하를, 4개의 부유 확산 영역(FD1 내지 FD4)에 배분하는, 이른바 4탭의 화소 구조로 하는 것도 가능하다.
도 21은, 4탭의 화소 구조로 한 경우의, 화소(10)의 평면도이다.
화소(10)는, 제1 전송 트랜지스터(TRGa), 제2 전송 트랜지스터(RST)리셋 트랜지스터(RST), 증폭 트랜지스터(AMP), 및, 선택 트랜지스터(SEL)를 각각 4개씩 갖는다.
포토 다이오드(PD)의 외측으로서, 사각형의 화소(10)의 4변의 각 변에 따라, 제1 전송 트랜지스터(TRGa), 제2 전송 트랜지스터(RST), 리셋 트랜지스터(RST), 증폭 트랜지스터(AMP), 및, 선택 트랜지스터(SEL)의 세트가 직선적으로 나열하여 배치되어 있다.
도 21에서는, 사각형의 화소(10)의 4변의 각 변에 따라 배치된, 제1 전송 트랜지스터(TRGa), 제2 전송 트랜지스터(RST), 리셋 트랜지스터(RST), 증폭 트랜지스터(AMP), 및, 선택 트랜지스터(SEL)의 각 세트에, 1 내지 4의 어느 하나의 숫자를 붙여서 구별되어 있다.
이상과 같이, 화소(10)는, 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하를, 2탭으로 나누는 구조 외에, 4탭으로 나누는 구조도 가능하고, 2탭으로 한하지 않고, 3탭 이상으로 하는 것이 가능하다.
예를 들면, 화소(10)가 2탭 구조인 경우에는, 제1의 탭과 제2의 탭으로 위상(수광 타이밍)을 180도 비켜 놓음에 의해, 생성 전하를 2개의 부유 확산 영역(FD)에 배분하는 구동이 행하여진다. 이에 대해, 화소(10)가 4탭 구조인 경우에는, 제1 내지 제4의 탭으로 위상(수광 타이밍)을 90도씩, 비켜 놓음에 의해, 생성 전하를 4개의 부유 확산 영역(FD)에 배분하는 구동을 행할 수가 있다. 그리고, 4개의 부유 확산 영역(FD)에 축적된 전하의 배분비에 의거하여, 물체까지의 거리를 구할 수 있다.
<14. 거리측정 모듈의 구성례>
도 22는, 상술한 수광 소자(1)를 이용하여 거리측정 정보를 출력하는 거리측정 모듈의 구성례를 도시하는 블록도이다.
거리측정 모듈(500)은, 발광부(511), 발광 제어부(512), 및, 수광부(513)를 구비한다.
발광부(511)는, 소정 파장의 광을 발하는 광원을 가지며, 주기적으로 밝기가 변동하는 조사광을 발하여 물체에 조사한다. 예를 들면, 발광부(511)는, 광원으로서, 파장이 780㎚ 내지 1000㎚의 범위의 적외광을 발한 발광 다이오드를 가지며, 발광 제어부(512)로부터 공급되는 구형파(矩形波)의 발광 제어 신호(CLKp)에 동기하여, 조사광을 발생한다.
또한, 발광 제어 신호(CLKp)는, 주기 신호라면, 사각형파로 한정되지 않는다. 예를 들면, 발광 제어 신호(CLKp)는, 사인파라도 좋다.
발광 제어부(512)는, 발광 제어 신호(CLKp)를 발광부(511) 및 수광부(513)에 공급하여, 조사광의 조사 타이밍을 제어한다. 이 발광 제어 신호(CLKp)의 주파수는, 예를 들면, 20메가헤르츠(㎒)이다. 또한, 발광 제어 신호(CLKp)의 주파수는, 20메가헤르츠(㎒)로 한정되지 않고, 5메가헤르츠(㎒) 등이라도 좋다.
수광부(513)는, 물체로부터 반사한 반사광을 수광하고, 수광 결과에 응하여 거리 정보를 화소마다 산출하고, 물체(피사체)까지의 거리에 대응하는 뎁스값을 화소치로서 격납한 뎁스 화상을 생성하고, 출력한다.
수광부(513)에는, 상술한 제1 내지 제6 구성례의 어느 하나의 화소 구조를 갖는 수광 소자(1)가 사용된다. 예를 들면, 수광부(513)로서의 수광 소자(1)는, 발광 제어 신호(CLKp)에 의거하여, 화소 어레이부(21)의 각 화소(10)의 부유 확산 영역(FD1 또는 FD2)에 배분된 전하에 응한 신호 강도로부터, 거리 정보를 화소마다 산출한다. 또한, 화소(10)의 탭 수는, 상술한 4탭 등이라도 좋다.
이상과 같이, 간접 ToF 방식에 의해 피사체까지의 거리 정보를 구하여 출력하는 거리측정 모듈(500)의 수광부(513)로서, 상술한 제1 내지 제6 구성례의 어느 하나의 화소 구조를 갖는 수광 소자(1)를 조립할 수 있다. 이에 의해, 거리측정 모듈(500)로서의 거리측정 특성을 향상시킬 수 있다.
<15. 전자 기기의 구성례>
또한, 수광 소자(1)는, 상술한 바와 같이 거리측정 모듈에 적용할 수 있는 외에, 예를 들면, 거리측정 기능을 구비하는 디지털 스틸 카메라나 디지털 비디오 카메라 등의 촬상 장치, 거리측정 기능을 구비한 스마트 폰이라는 각종의 전자 기기에 적용할 수 있다.
도 23은, 본 기술을 적용한 전자 기기로서의, 스마트 폰의 구성례를 도시하는 블록도이다.
스마트 폰(601)은, 도 23에 도시되는 바와 같이, 거리측정 모듈(602), 촬상 장치(603), 디스플레이(604), 스피커(605), 마이크로폰(606), 통신 모듈(607), 센서 유닛(608), 터치 패널(609), 및 제어 유닛(610)이, 버스(611)를 통하여 접속되어 구성된다. 또한, 제어 유닛(610)에서는, CPU가 프로그램을 실행함에 의해, 어플리케이션 처리부(621) 및 오퍼레이션 시스템 처리부(622)로서의 기능을 구비한다.
거리측정 모듈(602)에는, 도 22의 거리측정 모듈(500)이 적용된다. 예를 들면, 거리측정 모듈(602)은, 스마트 폰(601)의 전면(前面)에 배치되고, 스마트 폰(601)의 유저를 대상으로 한 거리측정을 행함에 의해, 그 유저의 얼굴이나 손, 손가락 등의 표면 형상의 뎁스값을 거리측정 결과로서 출력할 수 있다.
촬상 장치(603)는, 스마트 폰(601)의 전면에 배치되고, 스마트 폰(601)의 유저를 피사체로 한 촬상을 행함에 의해, 그 유저가 그려진 화상을 취득한다. 또한, 도시하지 않지만, 스마트 폰(601)의 배면에도 촬상 장치(603)가 배치된 구성으로 하여도 좋다.
디스플레이(604)는, 어플리케이션 처리부(621) 및 오퍼레이션 시스템 처리부(622)에 의한 처리를 행하기 위한 조작 화면이나, 촬상 장치(603)가 촬상한 화상 등을 표시한다. 스피커(605) 및 마이크로폰(606)은, 예를 들면, 스마트 폰(601)에 의해 통화를 행할 때에, 상대측의 음성의 출력, 및, 유저의 음성의 수음(收音)을 행한다.
통신 모듈(607)은, 인터넷, 공중전화 회선망, 이른바 4G 회선이나 5G 회선 등의 무선 이동체용의 광역 통신망, WAN(Wide Area Network), LAN(Local Area Network) 등의 통신망을 통한 네트워크 통신, Bluetooth(등록상표), NFC(Near Field Communication) 등의 근거리 무선 통신 등을 행한다. 센서 유닛(608)은, 속도나 가속도, 근접 등을 센싱하고, 터치 패널(609)은, 디스플레이(604)에 표시되어 있는 조작 화면에 대한 유저에 의한 터치 조작을 취득한다.
어플리케이션 처리부(621)는, 스마트 폰(601)에 의해 다양한 서비스를 제공하기 위한 처리를 행한다. 예를 들면, 어플리케이션 처리부(621)는, 거리측정 모듈(602)로부터 공급된 뎁스값에 의거하여, 유저의 표정을 버추얼로 재현하는 컴퓨터 그래픽스에 의한 얼굴을 작성하고, 디스플레이(604)에 표시하는 처리를 행할 수가 있다. 또한, 어플리케이션 처리부(621)는, 거리측정 모듈(602)로부터 공급되는 뎁스값에 의거하여, 예를 들면, 임의의 입체적인 물체의 3차원 형상 데이터를 작성하는 처리를 행할 수가 있다.
오퍼레이션 시스템 처리부(622)는, 스마트 폰(601)의 기본적인 기능 및 동작을 실현하기 위한 처리를 행한다. 예를 들면, 오퍼레이션 시스템 처리부(622)는, 거리측정 모듈(602)로부터 공급되는 뎁스값에 의거하여, 유저의 얼굴을 인증하고, 스마트 폰(601)의 로크를 해제하는 처리를 행할 수가 있다. 또한, 오퍼레이션 시스템 처리부(622)는, 거리측정 모듈(602)로부터 공급되는 뎁스값에 의거하여, 예를 들면, 유저의 제스처를 인식하는 처리를 행하고, 그 제스처에 따른 각종의 조작을 입력하는 처리를 행할 수가 있다.
이와 같이 구성되어 있는 스마트 폰(601)에서는, 거리측정 모듈(602)로서, 상술한 거리측정 모듈(500)을 적용함으로써로, 예를 들면, 소정의 물체까지의 거리를 측정하여 표시하거나, 소정의 물체의 3차원 형상 데이터를 작성하여 표시하는 처리 등을 행할 수가 있다.
<16. 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, 퍼스널모빌리티, 비행기, 드론, 선박, 로봇 등의 어느 한 종류의 이동체에 탑재된 장치로서 실현되어도 좋다.
도 24는, 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 네트워크12001)을 통하여 접속된 복수의 전자 제어 유닛을 구비한다. 도 24에 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 차량탑재 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 포그램프 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, 이들의 전파 또는 신호의 입력을 접수하여, 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 행하여도 좋다.
촬상부(12031)는, 광을 수광하고, 그 광의 수광량에 응한 전기 신호를 출력하는 광센서이다. 촬상부(12031)는, 전기 신호를 화상으로서 출력할 수도 있고, 거리측정의 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 들면 운전자를 촬상하는 카메라를 포함하고, 차내 정보 검출 유닛(12040)은, 운전자 상태 검출부(12041)로부터 입력된 검출 정보에 의거하여, 운전자의 피로 정도 또는 집중 정도를 산출하여도 좋고, 운전자가 앉아서 졸고 있지 않는지를 판별하여도 좋다.
마이크로 컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득된 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 의거한 추종 주행, 차속 유지 주행, 차량의 충돌 경고, 또는 차량의 레인 일탈 경고 등을 포함하는ADAS(Advanced Driver Assistance System)의 기능 실현을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수가 있다.
또한, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득된 차량의 주위의 정보에 의거하여 구동력 발생 장치, 스티어링 기구 또는 제동 장치 등을 제어함에 의해, 운전자의 조작에 근거하지 않고 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수가 있다.
또한, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030)에서 취득된 차외의 정보에 의거하여, 바디계 제어 유닛(12020)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 수가 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 24의 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 25는, 촬상부(12031)의 설치 위치의 예를 도시하는 도면이다.
도 25에서는, 차량(12100)은, 촬상부(12031)로서, 촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)를 갖는다.
촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)는, 예를 들면, 차량(12100)의 프런트 노우즈, 사이드 미러, 리어 범퍼, 백 도어 및 차실내의 프론트유리의 상부 등의 위치에 마련된다. 프런트 노우즈에 구비되는 촬상부(12101) 및 차실내의 프론트유리의 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. 촬상부(12101 및 12105)에서 취득된 전방의 화상은, 주로 선행 차량 또는, 보행자, 장애물, 신호기, 교통 표지 또는 차선 등의 검출에 사용된다.
또한, 도 25에는, 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) 화상을 얻을 수 있다.
촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 거리 정보를 취득하는 기능을 갖고 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, 선행차의 내차와의 사이에 미리 확보하여야 할 차간 거리를 설정하고, 자동 브레이크 제어(추종 정지 제어도 포함한다)나 자동 가속 제어(추종 발진 제어도 포함한다) 등을 행할 수가 있다. 이와 같이 운전자의 조작에 근거하지 않고서 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수가 있다.
예를 들면, 마이크로 컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어진 거리 정보를 기초로, 입체물에 관한 입체물 데이터를, 2륜차, 보통 차량, 대형 차량, 보행자, 전신주 등 기타의 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(視認) 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 상황인 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 수가 있다.
촬상부(12101 내지 12104)의 적어도 하나는, 적외선을 검출한 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 들면 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 행하여진다. 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 제어하여도 좋다.
이상, 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 차량 제어 시스템의 한 예에 관해 설명하였다. 본 개시에 관한 기술은, 이상 설명한 구성 중, 차외 정보 검출 유닛(12030)이나 촬상부(12031)에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 수광 소자(1) 또는 거리측정 모듈(500)을, 차외 정보 검출 유닛(12030)이나 촬상부(12031)의 거리 검출 처리 블록에 적용할 수 있다. 차외 정보 검출 유닛(12030)이나 촬상부(12031)에, 본 개시에 관한 기술을 적용함에 의해, 사람, 차, 장애물, 표지 또는 노면상의 문자 등의 물체까지의 거리를 고정밀도로 측정할 수 있고, 얻어진 거리 정보를 이용하여, 드라이버의 피로를 경감하거나, 드라이버나 차량의 안전도를 높이는 것이 가능해진다.
본 기술의 실시의 형태는, 상술한 실시의 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 기술의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지의 변경이 가능하다.
또한, 상술한 수광 소자(1)에서는, 신호 캐리어로서 전자를 이용하는 예에 관해 설명하였지만, 광전변환에서 발생한 정공을 신호 캐리어로서 이용하도록 하여도 좋다.
예를 들면, 상술한 수광 소자(1)에서는, 각 실시의 형태의 전부 또는 일부를 조합시킨 형태를 채용할 수 있다.
또한, 본 명세서 중에 기재된 효과는 어디까지나 예시이고 한정되는 것이 아니고, 다른 효과가 있어도 좋다.
또한, 본 기술은 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
(1)
온 칩 렌즈와,
배선층과,
상기 온 칩 렌즈와 상기 배선층 사이에 배치되는 반도체층을 구비하고,
상기 반도체층은,
포토 다이오드와,
상기 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제1의 전하 축적부에 전송하는 제1의 전송 트랜지스터와,
상기 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제2의 전하 축적부에 전송하는 제2의 전송 트랜지스터와,
상기 반도체층의 깊이 방향의 적어도 일부에 관해, 인접하는 화소끼리의 상기 반도체층을 분리하는 화소간 분리부를 구비하고,
상기 배선층은, 차광 부재를 구비하는 1층을 적어도 가지며,
상기 차광 부재는, 평면시에서 상기 포토 다이오드와 겹쳐지도록 마련되어 있는 수광 소자.
(2)
상기 화소간 분리부는, 깊이 방향으로 상기 반도체층을 관통하여 구성되는
상기 (1)에 기재된 수광 소자.
(3)
상기 반도체층은,
제1의 부가 용량과,
상기 제1의 부가 용량을 상기 제1의 전하 축적부에 접속하는 제1의 전환 트랜지스터와,
제2의 부가 용량과,
상기 제2의 부가 용량을 상기 제2의 전하 축적부에 접속하는 제2의 전환 트랜지스터를 또한 구비하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 수광 소자.
(4)
상기 제1의 부가 용량 및 상기 제2의 부가 용량은, 상기 배선층의 배선 용량으로 구성되는 상기 (3)에 기재된 수광 소자.
(5)
상기 배선층은, 상기 차광 부재가 형성된 층과, 상기 배선 용량이 형성된 층을 포함하고,
상기 배선 용량은, 상기 차광 부재보다도 상기 반도체층부터 먼 층에 형성되도록 구성되는 상기 (4)에 기재된 수광 소자.
(6)
상기 차광 부재는, 2층으로 구성되는 상기 (1) 내지 (5)의 어느 하나에 기재된 수광 소자.
(7)
상기 반도체층의 화소 경계부에, 화소사이 차광막을 또한 구비하는 상기 (1) 내지 (6)의 어느 하나에 기재된 수광 소자.
(8)
상기 반도체층의 상기 포토 다이오드의 상방의 영역은, 미세한 요철이 형성된 모스아이 구조인 상기 (1) 내지 (7)의 어느 하나에 기재된 수광 소자.
(9)
상기 반도체층은, 다른 반도체층인 제2 반도체층과 상기 배선층을 통하여 접합되어 구성되고,
상기 제2 반도체층은, 증폭 트랜지스터, 선택 트랜지스터를 적어도 갖는 상기 (1) 내지 (8)의 어느 하나에 기재된 수광 소자.
(10)
온 칩 렌즈와,
배선층과,
상기 온 칩 렌즈와 상기 배선층 사이에 배치되는 반도체층을 구비하고,
상기 반도체층은,
포토 다이오드와,
상기 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제1의 전하 축적부에 전송하는 제1의 전송 트랜지스터와,
상기 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제2의 전하 축적부에 전송하는 제2의 전송 트랜지스터와,
상기 반도체층의 적어도 일부의 깊이로, 인접하는 화소끼리의 상기 반도체층을 분리하는 화소간 분리부를 구비하고,
상기 배선층은, 차광 부재를 구비하는 1층을 적어도 가지며,
상기 차광 부재는, 평면시에서 상기 포토 다이오드와 겹쳐지도록 마련되어 있는 수광 소자와,
주기적으로 밝기가 변동하는 조사광을 조사하는 광원과,
상기 조사광의 조사 타이밍을 제어하는 발광 제어부를 구비하는 거리측정 모듈.
(11)
온 칩 렌즈와,
배선층과,
상기 온 칩 렌즈와 상기 배선층 사이에 배치되는 반도체층을 구비하고,
상기 반도체층은,
포토 다이오드와,
상기 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제1의 전하 축적부에 전송하는 제1의 전송 트랜지스터와,
상기 포토 다이오드에서 생성된 전하를 제2의 전하 축적부에 전송하는 제2의 전송 트랜지스터와,
상기 반도체층의 적어도 일부의 깊이로, 인접하는 화소끼리의 상기 반도체층을 분리하는 화소간 분리부를 구비하고,
상기 배선층은, 차광 부재를 구비하는 1층을 적어도 가지며,
상기 차광 부재는, 평면시에서 상기 포토 다이오드와 겹쳐지도록 마련되어 있는 수광 소자와,
주기적으로 밝기가 변동하는 조사광을 조사하는 광원과,
상기 조사광의 조사 타이밍을 제어하는 발광 제어부를 구비하는 거리측정 모듈을 구비하는 전자 기기.
1 : 수광 소자
10 : 화소
PD : 포토 다이오드
RST: 리셋 트랜지스터
SEL: 선택 트랜지스터
TRG: 전송 트랜지스터
FD: 부유 확산 영역
FDG: 전환 트랜지스터
FDL: 부가 용량
M : 금속막
MEM: 메모리
OFG: 전하 배출 트랜지스터
21 : 화소 어레이부
41 : 반도체 기판(제1 기판)
42 : 다층 배선층
43 : 반사 방지막
44 : 화소 경계부(경계부)
45 : 화소사이 차광막
47 : 온 칩 렌즈
61 : 화소간 분리부
63 : 차광 부재(반사부재)
64 : 배선 용량
211 : 화소간 분리부
221 : 반사 방지막
223 : PD 상부 영역
301 : 반도체 기판(제2 기판)
321 : 다층 배선층
500 : 거리측정 모듈
511 : 발광부
512 : 발광 제어부
513 : 수광부
601 : 스마트 폰
602 : 거리측정 모듈

Claims (20)

  1. 온칩 렌즈;
    배선층; 및
    상기 온칩 렌즈와 상기 배선층 사이에 배치된 반도체층을 포함하고,
    상기 반도체층은,
    포토다이오드;
    상기 포토다이오드로부터의 전하를 제1 전하 축적부로 전송하는 제1 전송 트랜지스터; 및
    상기 포토다이오드로부터의 전하를 제2 전하 축적부로 전송하는 제2 전송 트랜지스터를 포함하고,
    상기 배선층은 차광 부재를 포함하는 적어도 하나의 층을 갖고, 상기 차광 부재는 평면으로 보아 상기 포토다이오드와 중첩되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 포토다이오드는 단면으로 보아 상기 제1 전송 트랜지스터와 상기 제2 전송 트랜지스터 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전송 트랜지스터는 상기 온칩 렌즈의 직하에 배치되는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전하 축적부는 상기 온칩 렌즈의 직하에 배치되는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반도체층은,
    제1 부가 용량;
    상기 제1 부가 용량을 상기 제1 전하 축적부에 접속하는 제1 스위치 트랜지스터;
    제2 부가 용량; 및
    상기 제2 부가 용량을 제2 전하 축적부에 접속하는 제2 스위치 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 부가 용량 및 상기 제2 부가 용량은 상기 배선층의 배선 용량을 포함하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 배선층은 상기 차광 부재가 형성된 층과, 상기 배선 용량이 형성된 층을 포함하고,
    상기 배선 용량은 상기 차광 부재보다 상기 반도체층으로부터 더 먼 층에 형성되는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 차광 부재는 2개의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반도체층의 화소 경계부에 화소간 차광막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수광소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 포토다이오드의 상부에 위치하는 상기 반도체층의 영역은 미세한 요철이 형성된 모스아이 구조인 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    단면으로 보아 상기 포토다이오드에 인접하게 배치된 트렌치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  12. 온칩 렌즈;
    배선층; 및
    상기 온칩 렌즈와 상기 배선층 사이에 배치된 반도체층을 포함하고,
    상기 반도체층은,
    포토다이오드;
    상기 포토다이오드로부터의 전하를 제1 전하 축적부로 전송하는 제1 전송 트랜지스터; 및
    상기 포토다이오드로부터의 전하를 제2 전하 축적부로 전송하는 제2 전송 트랜지스터를 포함하고,
    상기 배선층은 반사 부재를 포함하는 적어도 하나의 층을 갖고, 상기 반사 부재는 평면으로 보아 상기 포토다이오드와 중첩되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 포토다이오드는 단면으로 보아 상기 제1 전송 트랜지스터와 상기 제2 전송 트랜지스터 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전송 트랜지스터는 상기 온칩 렌즈의 직하에 배치되는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전하 축적부는 상기 온칩 렌즈의 직하에 배치되는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 반도체층은,
    제1 부가 용량;
    상기 제1 부가 용량을 제1 전하 축적부에 접속하는 제1 스위치 트랜지스터;
    제2 부가 용량; 및
    상기 제2 부가 용량을 상기 제2 전하 축적부에 접속하는 제2 스위치 트랜지스터를 포함하고,
    상기 제1 부가 용량 및 상기 제2 부가 용량은 상기 배선층의 배선 용량을 포함하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 배선층은 상기 반사 부재가 형성된 층과, 상기 배선 용량이 형성된 층을 포함하고,
    상기 배선 용량은 상기 반사 부재보다 상기 반도체층으로부터 더 먼 층에 형성되는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 차광 부재는 2개의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 반도체층의 화소 경계부에 화소간 차광막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수광소자.
  20. 제12항에 있어서,
    단면으로 보아 상기 포토다이오드에 인접하게 배치된 트렌치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
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