WO2011065167A1 - 距離センサ及び距離画像センサ - Google Patents

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WO2011065167A1
WO2011065167A1 PCT/JP2010/068903 JP2010068903W WO2011065167A1 WO 2011065167 A1 WO2011065167 A1 WO 2011065167A1 JP 2010068903 W JP2010068903 W JP 2010068903W WO 2011065167 A1 WO2011065167 A1 WO 2011065167A1
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semiconductor
electrode
photogate electrode
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PCT/JP2010/068903
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高志 鈴木
光人 間瀬
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浜松ホトニクス株式会社
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    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a distance sensor and a distance image sensor.
  • a conventional active optical distance measuring sensor irradiates light from a light source for light projection such as an LED (Light Emitting Diode), and detects light reflected from the object with a light detection element. It is known to output a signal corresponding to the distance up to.
  • the PSD Position Sensitive Detector
  • the PSD is known as an optical triangulation type optical distance measuring sensor that can easily measure the distance to an object.
  • TOF Time-Of-Flight
  • Image sensors that can acquire distance information and image information at the same time on the same chip are required for in-vehicle use and factory automatic manufacturing systems. If an image sensor is installed in front of the vehicle, it is expected to be used for detection / recognition of the vehicle ahead and detection / recognition of pedestrians. Apart from image information, an image sensor that acquires a distance image composed of a single distance information or a plurality of distance information is also expected. It is preferable to use the TOF method for such a distance measuring sensor.
  • the TOF method emits pulsed light from a light source for projection toward an object, and detects the pulsed light reflected by the object with a light detection element, thereby making the time difference between the emission timing of the pulsed light and the detection timing. Is measuring.
  • the time difference ( ⁇ t) can be rephrased as the phase difference between the emission pulse from the light source and the detection pulse. If this phase difference is detected, the distance d to the object can be obtained.
  • the charge distribution type image sensor has attracted attention as a light detection element for performing distance measurement by the TOF method. That is, in the charge distribution type image sensor, for example, the charge generated in the image sensor in response to the incident detection pulse is distributed in one potential well during the ON period of the outgoing pulse, and the other during the OFF period. Allocate to potential wells. In this case, the ratio of the amount of charge distributed to the left and right is proportional to the phase difference between the detection pulse and the emission pulse, that is, the time required for the pulsed light to fly at the speed of light over twice the distance to the object. .
  • Various charge distribution methods are conceivable.
  • Patent Document 1 as a charge distribution type distance sensor (distance image sensor), a semiconductor substrate, a photogate electrode that is provided on the surface of the semiconductor substrate and has two sides whose planar shapes face each other, and the surface A plurality of transfer electrodes respectively provided adjacent to the two sides of the photogate electrode on the upper side, and having a conductivity type different from that of the semiconductor substrate and flowing from a region immediately below the photogate electrode to a region immediately below each transfer electrode A semiconductor device having a plurality of semiconductor regions each storing charges is disclosed.
  • Patent Document 2 as a distance sensor (distance image sensor) of charge distribution method, a semiconductor substrate, a rectangular electrode provided on the semiconductor substrate via an insulator, and two opposite sides of the electrode are provided. Four electrode contacts provided on the electrode adjacent to each other, and four charges adjacent to the two sides of the electrode, having a conductivity type different from that of the semiconductor substrate, and storing charges flowing from a region immediately below the electrode, respectively. A collection diffusion region is disclosed.
  • the depletion layer extending from the region immediately below the photogate electrode and the depletion layer extending from each semiconductor region When the depletion layer extending from the region immediately below the photogate electrode and the depletion layer extending from each semiconductor region are combined, the charge generated by the incidence of light may directly flow into each semiconductor region and cause crosstalk.
  • a well region having the same conductivity type as that of the semiconductor substrate and having an impurity concentration higher than that of the semiconductor substrate may be provided so as to overlap with each semiconductor region. .
  • the thickness of the depletion layer extending from the interface between the semiconductor region and the well region is suppressed, and the state where the depletion layer and the depletion layer extending from the region immediately below the photogate electrode are combined can be suppressed. Talk can be suppressed.
  • a mask for forming each region is in a direction opposite to the transfer electrode (semiconductor region) (direction in which charge flows into the semiconductor region from a region immediately below the photogate electrode). ),
  • the relative position between the semiconductor region and the well region is shifted in the opposite direction, and the semiconductor region and the well region overlap (hereinafter simply referred to as “overlapping region”).
  • the width in the opposite direction is different. In this case, when the width in the facing direction of the region where the semiconductor region and the well region overlap with each other increases, a flat portion is formed in the slope of the potential toward the semiconductor region, which hinders the flow of charge.
  • the potential gradient toward one semiconductor region is different from the potential gradient toward the other semiconductor region, and a difference occurs in the storage capacitance generated in each semiconductor region, so that the sensitivity to the charge transfer signal applied to each transfer electrode is reduced. Deviation occurs. In other words, it becomes impossible to properly distribute charges to a plurality of semiconductor regions.
  • the charge distribution type distance sensor distance image sensor
  • the time delay of the pulsed light incident on the sensor is detected based on the ratio of the distributed charge amount, the charge is appropriately applied to each semiconductor region. If it is not assigned to an error, an error occurs in the time delay to be detected.
  • the present invention provides a distance capable of appropriately distributing charges generated in a region immediately below a photogate electrode to each semiconductor region even when a mask is misaligned when forming each semiconductor region and well region.
  • An object is to provide a sensor and a distance image sensor.
  • a distance sensor is provided on a semiconductor substrate, a photogate electrode provided on the surface of the semiconductor substrate and having a first side and a second side whose planar shapes face each other, and on the first side of the photogate electrode
  • First and second semiconductor regions that are spaced apart from each other along the first side have a conductivity type different from that of the semiconductor substrate, and accumulates charges generated in a region immediately below the photogate electrode;
  • On the second side of the photogate electrode they are spatially separated from each other along the second side and are opposed to the first and second semiconductor regions with the photogate electrode sandwiched in the opposing direction of the first and second sides.
  • the third and fourth semiconductor regions that are different in conductivity type from the semiconductor substrate and store charges generated in the region immediately below the photogate electrode, and have the same conductivity type as that of the semiconductor substrate.
  • a semiconductor A charge transfer signal having a phase different from that of the well region having an impurity concentration higher than the impurity concentration of the plate and overlapping with each of the first to fourth semiconductor regions is provided, and the first and first charge transfer signals are provided on the surface.
  • a first transfer electrode provided between each of the three semiconductor regions and the photogate electrode, and a second transfer electrode provided on the surface between each of the second and fourth semiconductor regions and the photogate electrode. .
  • the first and second semiconductor regions are disposed on the first side of the photogate electrode, the first transfer electrode is provided between the photogate electrode and the first semiconductor region, A second transfer electrode to which a charge transfer signal having a phase different from that of the first transfer electrode is provided is provided between the photogate electrode and the second semiconductor region.
  • Third and fourth semiconductor regions are disposed on the second side of the photogate electrode, the first transfer electrode is provided between the photogate electrode and the third semiconductor region, and the photogate electrode and the fourth semiconductor are provided. The second transfer electrode is provided between the regions.
  • the first to fourth semiconductor regions and the well region are formed, if the masks for forming the respective regions are displaced in the opposing direction, as described above, the first to fourth semiconductor regions And the width of the overlapping region between the well region and the well region in the opposite direction is different.
  • the first semiconductor region and the third semiconductor region to which charges are sent by the first transfer electrode are disposed on the first side and the second side of the photogate electrode. Therefore, when the width in the facing direction of the overlapping region between the first semiconductor region and the well region is narrowed, the width in the facing direction of the overlapping region between the third semiconductor region and the well region is widened.
  • the second semiconductor region and the fourth semiconductor region to which charges are sent by the second transfer electrode are disposed on the first side and the second side of the photogate electrode. For this reason, when the charge transfer signal synchronized with each second transfer electrode is given and the charge generated in the region immediately below the photogate electrode is transferred to the second and fourth semiconductor regions, the second and fourth semiconductors Even when a flat portion with a potential gradient toward one semiconductor region is formed, no flat portion is formed with a potential gradient toward the other semiconductor region. As a result, there is no problem in transferring charges to the other semiconductor region.
  • the charge generated in the region immediately below the photogate electrode is transferred to the first and third semiconductor regions.
  • the region can be appropriately distributed to the second and fourth semiconductor regions. As a result, the amount of charge accumulated in the first and third semiconductor regions and the amount of charge accumulated in the second and fourth semiconductor regions are prevented from being unbalanced due to the displacement of the mask. be able to.
  • a distance image sensor includes the distance sensor, a light source, a drive circuit that provides a pulse drive signal to the light source, and first and second transfer electrodes that transfer charges that are synchronized with the pulse drive signal and have different phases.
  • a photogate having a conductivity type different from that of the semiconductor substrate is disposed on the first side of the photogate electrode along the first side and spatially separated from the first and second semiconductor regions.
  • a fifth semiconductor region for accumulating charges generated in a region immediately below the electrode, and a space on the second side of the photogate electrode that is spatially separated from the third and fourth semiconductor regions along the second side and facing the second side A sixth semiconductor region disposed opposite to the fifth semiconductor region across the photogate electrode and having a conductivity type different from that of the semiconductor substrate and collecting charges generated in a region immediately below the photogate electrode;
  • the well region is provided so as to overlap each of the fifth and sixth semiconductor regions, and a first transfer electrode is further provided on the surface between the fifth semiconductor region and the photogate electrode, and on the surface First Semiconductor region and may have a second transfer electrode is further provided between the photo gate electrode.
  • the total length of the first transfer electrodes and the total length of the second transfer electrodes are the same on each of the first side and the second side.
  • the charge amount accumulated in the first, third, and fifth semiconductor regions the charge amount accumulated in the first, third, and fifth semiconductor regions.
  • the amount of charge accumulated in the second, fourth, and sixth semiconductor regions can be further suppressed from being unbalanced due to the displacement of the mask.
  • a distance image sensor includes the distance sensor, a light source, a drive circuit that provides a pulse drive signal to the light source, and first and second transfer electrodes that transfer charges in phase different from each other in synchronization with the pulse drive signal.
  • the planar shape of the photogate electrode further includes a third side and a fourth side facing each other, and spatially separated from each other along the third side on the third side of the photogate electrode.
  • Seventh and eighth semiconductor regions that are disposed and have a conductivity type different from that of the semiconductor substrate and store generated charges in a region immediately below the photogate electrode, and the fourth side on the fourth side of the charge generation region Are spaced apart from each other and opposed to the seventh and eighth semiconductor regions across the photogate electrode in the opposing direction of the third and fourth sides, and have a conductivity type different from that of the semiconductor substrate.
  • the charge generated in the region immediately below the photogate electrode can be appropriately distributed to the seventh and ninth semiconductor regions and the eighth and tenth semiconductor regions.
  • the amount of charge accumulated in the seventh and ninth semiconductor regions and the amount of charge accumulated in the eighth and tenth semiconductor regions are prevented from being unbalanced due to mask misalignment. be able to.
  • the distance image sensor includes the distance sensor, a light source, a drive circuit that provides a pulse drive signal to the light source, and first to fourth transfer electrodes that transfer charges having different phases in synchronization with the pulse drive signal.
  • a control circuit for supplying signals; and an arithmetic circuit for calculating a distance to the object from signals read from the first to fourth semiconductor regions and the seventh to tenth semiconductor regions.
  • the present invention even when a mask is misaligned when forming each semiconductor region and well region, it is possible to appropriately distribute the charge generated in the region immediately below the photogate electrode to each semiconductor region.
  • Distance sensors and distance image sensors can be provided.
  • FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional configuration along the line VV in FIG. 4.
  • FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional configuration along the line VI-VI in FIG. 4.
  • It is a figure which shows potential distribution in the surface vicinity of a semiconductor substrate.
  • It is a figure which shows potential distribution in the surface vicinity of a semiconductor substrate.
  • It is a schematic diagram for demonstrating the structure of a pixel.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of the distance measuring apparatus.
  • the distance measuring device a distance image sensor 1, a light source 3 for emitting near-infrared light, a driving circuit 4 for giving a pulse drive signal S P to the light source 3, and a control circuit 2, the arithmetic circuit 5, the ing.
  • the control circuit 2 includes first and second gate electrode included in each pixel of the range image sensor 1 (TX1, TX2: see FIG. 4), the pulsed driving signal S gate signal detection is synchronous with the P S 1, S 2 give.
  • the arithmetic circuit 5 uses a signal d ′ (m, n) indicating distance information read from the first to fourth semiconductor regions (FD1 to FD4: see FIG. 4) of the distance image sensor 1 as an object such as a pedestrian.
  • the distance to the object H is calculated.
  • the distance in the horizontal direction D from the distance image sensor 1 to the object H is defined as d.
  • the control circuit 2 is input to the pulse drive signal S P to the switch 4b of the driving circuit 4.
  • a light projecting light source 3 comprising an LED or a laser diode is connected to a power source 4a via a switch 4b. Therefore, when the pulse drive signal S P is input to the switch 4b, a drive current having the same waveform as the pulse drive signal S P is supplied to the light source 3, the pulse light L P as a probe light for distance measurement from the light source 3 Is output.
  • the pulse detection signal S D is outputted.
  • the distance image sensor 1 is fixed on the wiring board 10. In the distance image sensor 1, a signal d ′ (m, n) having distance information is output from each pixel via a wiring on the wiring substrate 10.
  • Pulse drive signal S P a square wave of period T, the high level "1", when the low level is "0", the voltage V (t) is given by the following equation.
  • V (t) 0 (provided that (T / 2) ⁇ t ⁇ T)
  • V (t + T) V (t)
  • the waveforms of the detection gate signals S 1 and S 2 are square waves having a period T, and the voltage V (t) of the distance image sensor 1 is given by the following equation.
  • V (t) 0 (provided that (T / 2) ⁇ t ⁇ T)
  • V (t + T) V (t)
  • V (t) 0 (provided that 0 ⁇ t ⁇ (T / 2))
  • V (t) 1 (provided that (T / 2) ⁇ t ⁇ T)
  • V (t + T) V (t)
  • the pulse signal S P, S 1, S 2 , S D has all pulse period 2 ⁇ T P.
  • Detection gate signal S 1 and the pulse detection signal S D are both the amount of charge generated by the distance image sensor within 1 when "1" Q1, the detection gate signal S 2 and the pulse detection signal S D are both "1" In this case, the amount of charge generated in the distance image sensor 1 is Q2.
  • the phase difference between one detection gate signal S 1 and the pulse detection signal SD in the distance image sensor 1 is the distance in the overlap period when the other detection gate signal S 2 and the pulse detection signal SD are “1”. It is proportional to the amount of charge Q2 generated in the image sensor 1. That is, the charge amount Q2 is the charge amount for the period logical product of the detection gate signal S 2 and the pulse detection signal S D is "1".
  • the pulse detection signal SD is delayed.
  • the arithmetic circuit 5 can calculate the distance d.
  • the above-described pulse is repeatedly emitted, and the integrated value can be output as the respective charge amounts Q1 and Q2.
  • the ratio of the charge amounts Q1 and Q2 to the total charge amount corresponds to the above-described phase difference, that is, the distance to the object H.
  • the arithmetic circuit 5 calculates the distance to the object H according to this phase difference.
  • a coefficient ⁇ for correcting the latter is obtained in advance, and the product after shipping is obtained by multiplying the calculated distance d by the coefficient ⁇ .
  • the calculation distance d may be used.
  • the distance calculation can be performed after performing the calculation for correcting the light speed c.
  • the relationship between the signal input to the arithmetic circuit and the actual distance may be stored in advance in the memory, and the distance may be calculated by a lookup table method.
  • the calculation method can also be changed depending on the sensor structure, and a conventionally known calculation method can be used for this.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a cross-sectional configuration of the distance image sensor.
  • the distance image sensor 1 includes a semiconductor substrate 1A.
  • the semiconductor substrate 1A has a reinforcing frame portion F and a thin plate portion TF thinner than the frame portion F, and these are integrated.
  • the thickness of the thin plate portion TF is 10 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the thickness of the frame portion F in this example is 200 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less.
  • the entire semiconductor substrate 1A may be thinned.
  • the range image sensor 1 a pulse light L D is made incident from the light incident surface 1BK.
  • a surface 1FT opposite to the light incident surface 1BK of the distance image sensor 1 is connected to the wiring substrate 10 via an adhesion region AD.
  • the adhesion region AD is a region including an adhesion element such as a bump electrode, and has an insulating adhesive or filler as necessary.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the distance image sensor.
  • the semiconductor substrate 1 ⁇ / b> A has an imaging region 1 ⁇ / b> B composed of a plurality of pixels P (m, n) arranged two-dimensionally. From each pixel P (m, n), two charge amounts (Q1, Q2) are output as the signal d '(m, n) having the above-described distance information. Each pixel P (m, n) outputs a signal d '(m, n) corresponding to the distance to the object H as a minute distance measuring sensor. Therefore, if the reflected light from the object H is imaged on the imaging region 1B, a distance image of the object as a collection of distance information to each point on the object H can be obtained.
  • One pixel P (m, n) functions as one distance sensor.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the configuration of the pixels of the distance image sensor.
  • 5 is a diagram showing a cross-sectional configuration along line VV in FIG. 4
  • FIG. 6 is a diagram showing a cross-sectional configuration along line VI-VI in FIG.
  • the distance image sensor 1 includes a light incident surface 1BK and a semiconductor substrate 1A having a surface 1FT opposite to the light incident surface 1BK, a photogate electrode PG, and first and second gate electrodes TX1 and TX2 (first and second gates). 2 transfer electrodes) and first to fourth semiconductor regions FD1 to FD4.
  • the photogate electrode PG is provided on the surface 1FT via the insulating layer 1E.
  • the first and second gate electrodes TX1, TX2 are provided adjacent to the photogate electrode PG via the insulating layer 1E on the surface 1FT.
  • the first to fourth semiconductor regions FD1 to FD4 accumulate charges that flow into regions immediately below the gate electrodes TX1 and TX2.
  • the semiconductor substrate 1A of the present embodiment is made of Si
  • the insulating layer 1E is made of SiO 2.
  • the semiconductor substrate 1A may be made of an epitaxial layer.
  • the photogate electrode PG has a rectangular shape in plan view.
  • the photogate electrode PG has a rectangular shape. That is, the photogate electrode PG has a planar shape having first and second long sides LS1, LS2 facing each other and first and second short sides SS1, SS2 facing each other.
  • a region corresponding to the photogate electrode PG in the semiconductor substrate 1A (a region immediately below the photogate electrode PG) functions as a photosensitive region in which charges are generated according to incident light.
  • the photogate electrode PG is made of polysilicon, but other materials may be used.
  • the first and second semiconductor regions FD1, FD2 are arranged spatially separated from each other along the first long side LS1 on the first long side LS1 side of the photogate electrode PG.
  • the third and fourth semiconductor regions FD3, FD4 are arranged spatially separated from each other along the second long side LS2 on the second long side LS2 side of the photogate electrode PG.
  • the first semiconductor region FD1 and the fourth semiconductor region FD4 are opposed to the first and second long sides LS1 and LS2 (hereinafter sometimes simply referred to as “opposing directions”) with the photogate electrode PG interposed therebetween. Opposite.
  • the first semiconductor region FD2 and the fourth semiconductor region FD3 are opposed to each other across the photogate electrode PG in the opposed direction.
  • the first gate electrode TX1 is provided between the photogate electrode PG and the first semiconductor region FD1.
  • the second gate electrode TX2 is provided between the photogate electrode PG and the second semiconductor region FD2.
  • the first gate electrode TX1 is also provided between the photogate electrode PG and the third semiconductor region FD3.
  • the second gate electrode TX2 is also provided between the photogate electrode PG and the fourth semiconductor region FD4.
  • the first and second gate electrodes TX1, TX2 have a rectangular shape in plan view.
  • the first and second gate electrodes TX1, TX2 have a rectangular shape in which the long side direction of the photogate electrode PG is the long side direction.
  • the lengths of the first and second gate electrodes TX1, TX2 in the long side direction are set to be the same.
  • the first and second gate electrodes TX1 and TX2 are made of polysilicon, but other materials may be used.
  • the semiconductor substrate 1A is composed of a low impurity concentration P-type semiconductor substrate.
  • the first to second semiconductor regions FD1 to FD4 are floating diffusion regions made of a high impurity concentration N-type semiconductor.
  • the first to fourth semiconductor regions FD1 to FD4 are formed so as to overlap and be surrounded by the P-type well regions W1 to W4, respectively.
  • the periphery of the first to fourth semiconductor regions FD1 to FD4 is surrounded by well regions W1 to W4 having a higher concentration than the impurity concentration immediately below the substrate and the first and second gate electrodes TX1 and TX2.
  • the well regions W1 to W4 suppress the coupling between the depletion layer expanded by applying a voltage to the photogate electrode PG and the depletion layer expanded from the first to fourth semiconductor regions FD1 to FD4.
  • the thickness / impurity concentration of each semiconductor region is as follows.
  • Semiconductor substrate 1A thickness 10 to 1000 ⁇ m / impurity concentration 1 ⁇ 10 12 to 10 15 cm ⁇ 3
  • Well regions W1 to W4 thickness 0.5 to 5 ⁇ m / impurity concentration 1 ⁇ 10 16 to 10 18 cm ⁇ 3
  • Semiconductor regions FD1 to FD4 thickness 0.1 to 1 ⁇ m / impurity concentration 1 ⁇ 10 18 to 10 20 cm ⁇ 3
  • the insulating layer 1E is provided with contact holes for exposing the surfaces of the first to fourth semiconductor regions FD1 to FD4.
  • a conductor 11 for connecting the first to fourth semiconductor regions FD1 to FD4 to the outside is disposed in the contact hole. In FIG. 4, the conductor 11 is not shown.
  • Part of the first to fourth semiconductor regions FD1 to FD4 is in contact with a region immediately below the gate electrodes TX1 and TX2 in the semiconductor substrate 1A.
  • An antireflection film 1D is provided on the light incident surface 1BK side of the semiconductor substrate 1A.
  • the material of the antireflection film 1D is SiO 2 or SiN.
  • the wiring substrate 10 is electrically connected to the first to fourth semiconductor regions FD1 to FD4, the first and second gate electrodes TX1 and TX2, the photogate electrode PG, and the like through bump electrodes and the like in the adhesion region AD.
  • a through electrode (not shown) is provided.
  • the through electrode of the wiring board 10 is exposed on the back surface of the wiring board 10.
  • a light-shielding layer (not shown) is formed on the surface of the insulating substrate constituting the wiring substrate 10 on the interface side with the adhesion region AD, so that the light transmitted through the distance image sensor 1 is prevented from entering the wiring substrate 10. is doing.
  • the signal can be given to each electrode through each wiring, and the device is miniaturized.
  • n-type semiconductor includes a positively ionized donor, has a positive potential, and attracts electrons.
  • Pulse light L D from the object incident from the light incident surface (back surface) 1BK of the semiconductor substrate 1A leads to the region immediately below the photogate electrode PG provided on the surface side of the semiconductor substrate 1A.
  • the charges generated in the semiconductor substrate 1A with the incidence of the pulsed light are distributed from the region immediately below the photogate electrode PG to the region immediately below the first and second gate electrodes TX1 and TX2 adjacent thereto.
  • the detection gate signal S 1, S 2 in synchronization with the drive signal S P output light source to the first and second gate electrodes TX1, TX2, via the wiring board 10, given alternating, the photo gate electrode PG
  • the charges generated in the region immediately below flow into the regions immediately below the first and second gate electrodes TX1 and TX2, respectively, and flow into the first to fourth semiconductor regions FD1 to FD4 from these.
  • the first and third semiconductor regions FD1, FD3, or the ratio to the total charge of the second and fourth semiconductor region FD2, accumulated in the FD4 charge amount Q1, Q2 (Q1 + Q2), the light source drive signals S P This corresponds to the phase difference between the outgoing pulse light emitted by applying to the detection pulse light and the detection pulse light returned by reflecting the outgoing pulse light by the object H.
  • the generation region of the charges generated in response to the incidence of near infrared light is closer to the surface 1FT on the opposite side than the light incident surface 1BK of the semiconductor substrate 1A. For this reason, even if the charge distribution speed is increased by increasing the frequency of the drive signals (detection gate signals S 1 and S 2 ) to the first and second gate electrodes TX 1 and TX 2 , many charges Flows from the region immediately below the photogate electrode PG into the first to fourth semiconductor regions FD1 to FD4. Then, the stored charges Q1 and Q2 can be read from these regions via the wiring (not shown) of the wiring board 10.
  • the distance image sensor 1 includes a back gate semiconductor region for fixing the potential of the semiconductor substrate 1A to a reference potential.
  • the back gate semiconductor region is a P-type semiconductor region containing a high concentration impurity and is provided in the well regions W1 to W4.
  • a through electrode that has a P-type semiconductor layer such as a P-type diffusion region and is electrically connected may be provided.
  • 7 and 8 are diagrams showing a potential distribution in the vicinity of the surface 1FT of the semiconductor substrate 1A for explaining the signal charge accumulation operation. 7 and 8, the downward direction is the positive direction of the potential. 7 and 8, (a) shows the potential distribution along the horizontal direction of the cross section in the horizontal direction of FIG. 7 and 8, (b) shows the potential distribution along the horizontal direction of the cross section in the horizontal direction of FIG.
  • the potential ⁇ PG in the region immediately below the photogate electrode PG is set slightly higher than the substrate potential.
  • Each figure shows a potential ⁇ TX1 in a region immediately below the first gate electrode TX1, a potential ⁇ TX2 in a region immediately below the second gate electrode TX2, a potential ⁇ FD1 in the first semiconductor region FD1, and a potential in the second semiconductor region FD2.
  • phi FD2 potential phi FD3 of third semiconductor regions FD3, and the potential phi FD4 fourth semiconductor region FD4 is shown.
  • High potential of the detection gate signals S 1 is inputted to the first gate electrode TX1, as shown in FIG. 7, the charges generated immediately below the photogate electrode PG, according to the potential gradient, the first gate Accumulation is performed in the potential wells of the first and third semiconductor regions FD1, FD3 via the region immediately below the electrode TX1.
  • a charge amount Q1 is accumulated in each potential well of the first and third semiconductor regions FD1, FD3.
  • the high potential of the detection gate signal S 2 is inputted to the second gate electrode TX2, as shown in FIG. 8, was generated immediately under the photo gate electrode PG charge Are accumulated in the potential wells of the second and fourth semiconductor regions FD2, FD4 via the region immediately below the second gate electrode TX2 in accordance with the potential gradient.
  • a charge amount Q2 is accumulated in each potential well of the second and fourth semiconductor regions FD2, FD4.
  • FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the configuration of a pixel.
  • the second gate electrode TX2, the detection gate signal S 2 is applied. That is, charge transfer signals having different phases are applied to the first gate electrode TX1 and the second gate electrode TX2.
  • the first and third semiconductor regions FD1, FD3 It flows as a signal charge into the potential well constituted by The signal charges accumulated in the first and third semiconductor regions FD1, FD3 is read from the first and third semiconductor regions FD1, FD3 as an output corresponding to the accumulated charge amount Q 1 (V out1).
  • the second and fourth semiconductor region FD2, FD4 It flows as a signal charge into the potential well constituted by The signal charges accumulated in the second and fourth semiconductor region FD2, FD4 is read from the second and fourth semiconductor region FD2, FD4 as an output corresponding to the accumulated charge amount Q 2 (V out2).
  • These outputs (V out1 , V out2 ) correspond to the signal d ′ (m, n) described above.
  • the first and second semiconductor regions FD1, FD2 are disposed on the first long side LS1 side of the photogate electrode PG.
  • a first gate electrode TX1 is provided between the photogate electrode PG and the first semiconductor region FD1.
  • a second gate electrode TX2 is provided between the photogate electrode PG and the second semiconductor region FD2.
  • Third and fourth semiconductor regions FD3, FD4 are disposed on the second side of the photogate electrode PG.
  • a first gate electrode TX1 is provided between the photogate electrode PG and the third semiconductor region FD3.
  • a second gate electrode TX2 is provided between the photogate electrode PG and the fourth semiconductor region FD4.
  • the masks for forming the respective regions are displaced in the opposing direction of the first and second long sides LS1 and LS2.
  • the widths of the overlapping regions of the first to fourth semiconductor regions FD1 to FD4 and the well regions W1 to W4 in the facing direction are different.
  • the well regions W1 to W4 are formed so as to be displaced from the first to fourth semiconductor regions FD1 to FD4 by the distance Y on the right side in the drawing.
  • “X” indicates a design reference value of the width in the facing direction of the overlapping region of the first to fourth semiconductor regions FD1 to FD4 and the well regions W1 to W4.
  • 10 and 11 shows the potential distribution along the horizontal direction of the cross section in the horizontal direction of FIG. 10 and 11
  • (b) shows the potential distribution along the horizontal direction of the cross section in the horizontal direction of FIG.
  • the charge generated in the region immediately below the photogate electrode PG is reduced.
  • the first and third semiconductor regions FD1 and FD3 and the second and fourth semiconductor regions FD2 and FD4 can be appropriately distributed.
  • the charge amount Q1 accumulated in the first and third semiconductor regions FD1, FD3 and the charge amount Q2 accumulated in the second and fourth semiconductor regions FD2, FD4 are caused by the displacement of the mask. Unbalance can be suppressed. Therefore, according to the distance image sensor 1, it can suppress that the detection accuracy of distance falls.
  • the first semiconductor region FD1 and the third semiconductor region FD3 sandwich the photogate electrode PG in the opposing direction of the first and second long sides LS1, LS2. You may face each other.
  • the second semiconductor region FD2 and the fourth semiconductor region FD4 may face each other with the photogate electrode PG interposed therebetween in the facing direction.
  • each pixel of the distance image sensor may further include fifth and sixth semiconductor regions FD5 and FD6.
  • the fifth and sixth semiconductor regions FD5 and FD6 are floating diffusion regions made of an N-type semiconductor with a high impurity concentration.
  • the fifth and sixth semiconductor regions FD5, FD6 are formed so as to overlap and be surrounded by the P-type well regions W5, W6, respectively.
  • the fifth semiconductor region FD5 is arranged spatially separated from the first and second semiconductor regions FD1, FD2 along the first long side LS1 on the first long side LS1 side of the photogate electrode PG.
  • the second semiconductor region FD2 is located between the first semiconductor region FD1 and the fifth semiconductor region FD5 in the long side direction of the photogate electrode PG.
  • a first gate electrode TX1 is provided between the photogate electrode PG and the fifth semiconductor region FD5.
  • the sixth semiconductor region FD6 is arranged spatially separated from the third and fourth semiconductor regions FD3, FD4 along the second long side LS2 on the second long side LS2 side of the photogate electrode PG.
  • the third semiconductor region FD3 is located between the fourth semiconductor region FD4 and the sixth semiconductor region FD6 in the long side direction of the photogate electrode PG.
  • a second gate electrode TX2 is provided between the photogate electrode PG and the sixth semiconductor region FD6.
  • the fifth semiconductor region FD5 and the sixth semiconductor region FD6 are opposed to each other across the photogate electrode PG in the facing direction of the first and second long sides LS1, LS2.
  • the length in the long side direction of the first gate electrode TX1 located between the photogate electrode PG and the third semiconductor region FD3 is located between the photogate electrode PG and the first and fifth semiconductor regions FD1, FD5.
  • the first gate electrode TX1 is set to about twice the length in the long side direction.
  • the length in the long side direction of the second gate electrode TX2 located between the photogate electrode PG and the second semiconductor region FD2 is located between the photogate electrode PG and the fourth and sixth semiconductor regions FD4 and FD6.
  • the second gate electrode TX2 is set to about twice the length in the long side direction.
  • the length of the second gate electrode TX2 located between the photogate electrode PG and the second semiconductor region FD2 in the long side direction is the first gate electrode located between the photogate electrode PG and the third semiconductor region FD3. It is set to the same length as the long side direction of TX1.
  • the total value of the lengths in the long side direction of the first gate electrodes TX1 positioned between the photogate electrode PG and the semiconductor regions FD1 and FD5, and the photogate The length in the long side direction of the second gate electrode TX2 located between the electrode PG and the second semiconductor region FD2 is substantially the same.
  • the total value of the lengths in the long side direction of the second gate electrodes TX2 located between the photogate electrode PG and the semiconductor regions FD4 and FD6 the photogate The length of the first gate electrode TX1 located between the electrode PG and the third semiconductor region FD3 in the long side direction is substantially the same.
  • the charge amount accumulated in the first, third, and fifth semiconductor regions FD1, FD3, and FD5 and the charge amount accumulated in the second, fourth, and sixth semiconductor regions FD2, FD4, and FD6, can be further suppressed from being unbalanced due to the displacement of the mask.
  • each pixel of the distance image sensor may further include seventh to tenth semiconductor regions FD7 to FD10, and third and fourth gate electrodes TX3 and TX4. Similar to the first and second gate electrodes TX1 and TX2, the third and fourth gate electrodes TX3 and TX4 are provided adjacent to the photogate electrode PG via the insulating layer 1E on the surface 1FT.
  • the photogate electrode PG has a square shape in plan view. That is, the photogate electrode PG has a planar shape having first and second sides facing each other and third and fourth sides facing each other.
  • the first and second semiconductor regions FD1, FD2 are arranged spatially separated from each other along the first side on the first side of the photogate electrode PG.
  • the third and fourth semiconductor regions FD3, FD4 are arranged spatially separated from each other along the second side on the second side of the photogate electrode PG.
  • the seventh and eighth semiconductor regions FD7, FD8 are arranged spatially separated from each other along the third side on the third side of the photogate electrode PG.
  • the ninth and tenth semiconductor regions FD9 and FD10 are arranged spatially separated from each other along the fourth side on the fourth side of the photogate electrode PG.
  • the seventh semiconductor region FD7 and the tenth semiconductor region FD10 face each other across the photogate electrode PG in the facing direction of the third and fourth sides (hereinafter also simply referred to as “facing direction”). .
  • the eighth semiconductor region FD8 and the ninth semiconductor region FD9 are opposed to each other across the photogate electrode PG in the opposed direction.
  • the third gate electrode TX3 is provided between the photogate electrode PG and the seventh semiconductor region FD7.
  • the fourth gate electrode TX4 is provided between the photogate electrode PG and the eighth semiconductor region FD8.
  • the third gate electrode TX3 is also provided between the photogate electrode PG and the ninth semiconductor region FD9.
  • the fourth gate electrode TX4 is also provided between the photogate electrode PG and the tenth semiconductor region FD10.
  • the third and fourth gate electrodes TX3 and TX4 have a rectangular shape in plan view.
  • the third and fourth gate electrodes TX3 and TX4 have a rectangular shape whose long side is the direction in which the third side (fourth side) of the photogate electrode PG extends.
  • the lengths in the long side direction of the first to fourth gate electrodes TX1 to TX4 are set to be the same.
  • the third and fourth gate electrodes TX3 and TX4 are also made of polysilicon, but other materials may be used.
  • the third gate electrode TX3, the detection gate signal S 3 is applied.
  • the fourth gate electrode TX4, the detection gate signal S 4 is provided. Charge transfer signals having different phases are supplied to the first to fourth gate electrodes TX1 to TX4.
  • the seventh to tenth semiconductor regions FD7 to FD10 are floating diffusion regions made of a high impurity concentration N-type semiconductor.
  • the seventh to tenth semiconductor regions FD7 to FD10 are formed so as to overlap and be surrounded by the P-type well regions W7 to W10, respectively.
  • the periphery of the seventh to tenth semiconductor regions FD7 to FD10 is surrounded by well regions W7 to W10 having a higher concentration than the substrate and the impurity concentration immediately below the third and fourth gate electrodes TX3 and TX4.
  • Well regions W7 to W10 like well regions W1 to W4, suppress the coupling between the depletion layer expanded by applying a voltage to photogate electrode PG and the depletion layer extending from seventh to tenth semiconductor regions FD7 to FD10. is doing.
  • the masks for forming the respective regions are the third and the tenth. Even when the position is shifted in the opposing direction of the fourth side, the charge generated in the region immediately below the photogate electrode PG is transferred to the seventh and ninth as in the relationship between the first to fourth semiconductor regions FD1 to FD4.
  • the semiconductor regions FD7 and FD9 can be appropriately allocated to the eighth and tenth semiconductor regions FD8 and FD10.
  • the amount of charge accumulated in the seventh and ninth semiconductor regions FD7, FD9 and the amount of charge accumulated in the eighth and tenth semiconductor regions FD8, FD10 are unbalanced due to the displacement of the mask. Can be suppressed.
  • control circuit 2 provides the first to fourth gate electrodes TX1 to TX4 with charge transfer signals having phases different from each other in synchronization with the pulse drive signal.
  • the arithmetic circuit 5 calculates the distance to the object from the signals read from the first to fourth semiconductor regions FD1 to FD4 and the seventh to tenth semiconductor regions FD7 to FD10.
  • the present invention can be used for a distance sensor and a distance image sensor mounted on a product monitor, a vehicle or the like in a factory production line.
  • SYMBOLS 1 Distance image sensor, 1A ... Semiconductor substrate, 2 ... Control circuit, 3 ... Light source, 4 ... Drive circuit, 5 ... Arithmetic circuit, FD1-FD10 ... 1st-10th semiconductor region, LS1 ... 1st long side, LS2 ... second long side, P ... pixel, PG ... photo gate electrode, S 1 to S 4 ... detection gate signal, TX1 to TX4 ... first to fourth gate electrode, W1 to W10 ... well region.

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Abstract

　フォトゲート電極ＰＧは、対向する第１及び第２辺を有する。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの第１辺側において当該第１辺に沿って互いに空間的に離間して配置されている。第３及び第４半導体領域ＦＤ３，ＦＤ４は、フォトゲート電極ＰＧの第２辺側において当該第２辺に沿って互いに空間的に離間して配置されている。第１ゲート電極ＴＸ１は、フォトゲート電極ＰＧと第１及び第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３との間に設けられている。第２ゲート電極ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧと第２及び第４半導体領域ＦＤ２，ＦＤ４との間に設けられている。第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４は、Ｐ型のウェル領域Ｗ１～Ｗ４と重複し且つ囲まれるようにそれぞれ形成されている。

Description

距離センサ及び距離画像センサ
　本発明は、距離センサ及び距離画像センサに関する。
　従来のアクティブ型の光測距センサは、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの投光用の光源から対象物に光を照射し、対象物における反射光を光検出素子で検出することで、対象物までの距離に応じた信号を出力するものとして知られている。ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）などは、対象物までの距離を簡易に測定することができる光三角測量型の光測距センサとして知られているが、近年、より精密な距離測定を行うため、光ＴＯＦ（Time-Of-Flight）型の光測距センサの開発が期待されている。
　距離情報と画像情報を同時に、同一チップで取得できるイメージセンサが車載用、工場の自動製造システム用などにおいて求められている。車両前方にイメージセンサを設置すれば、先方車両の検知・認識、歩行者などの検知・認識に使用することが期待される。画像情報とは別に、単一の距離情報又は複数の距離情報からなる距離画像を取得するイメージセンサも期待されている。このような測距センサにはＴＯＦ法を用いることが好ましい。
　ＴＯＦ法は、投光用の光源から、対象物に向けてパルス光を出射し、対象物で反射されたパルス光を光検出素子で検出することで、パルス光の出射タイミングと検出タイミングの時間差を測定している。この時間差（Δｔ）は、対象物までの距離ｄの２倍の距離（２×ｄ）をパルス光が光速（＝ｃ）で飛行するのに要する時間であるため、ｄ＝（ｃ×Δｔ）／２が成立する。時間差（Δｔ）は、光源からの出射パルスと検出パルスの位相差と言い換えることもできる。この位相差を検出すれば、対象物までの距離ｄを求めることができる。
　電荷振り分け方式のイメージセンサは、ＴＯＦ法によって測距を行うための光検出素子として着目されている。すなわち、電荷振り分け方式のイメージセンサでは、例えば、検出パルスの入射に応じてイメージセンサ内において発生する電荷を、出射パルスのＯＮ期間の間に一方のポテンシャル井戸内に振り分け、ＯＦＦ期間の間に他方のポテンシャル井戸に振り分ける。この場合、左右に振り分けられた電荷量の比率が、検出パルスと出射パルスの位相差、すなわち、対象物までの距離の２倍の距離をパルス光が光速で飛行するのに要する時間に比例する。電荷の振り分け方式としては種々のものが考えられる。
　特許文献１には、電荷の振り分け方式の距離センサ（距離画像センサ）として、半導体基板と、半導体基板の表面上に設けられ、平面形状が互いに対向する２辺を有するフォトゲート電極と、当該表面上においてフォトゲート電極の２辺に隣接してそれぞれ設けられた複数の転送電極と、半導体基板とは異なる導電型を有し且つフォトゲート電極の直下の領域から各転送電極の直下の領域に流れ込む電荷をそれぞれ蓄積する複数の半導体領域と、を備えたものが開示されている。
　特許文献２には、同じく電荷の振り分け方式の距離センサ（距離画像センサ）として、半導体基板と、半導体基板上に絶縁体を介して設けられた矩形状の電極と、電極の対向する２辺に隣接して電極上に設けられた４つの電極接点と、電極の上記２辺に隣接し、半導体基板とは異なる導電型を有し且つ電極の直下の領域から流れ込む電荷をそれぞれ蓄積する４つの電荷収集拡散領域と、を備えたものが開示されている。
特表２００７－５２６４４８号公報 特表２００５－５３０１７１号公報
　フォトゲート電極の直下の領域から広がる空乏層と、各半導体領域から拡がる空乏層とが結合すると、光の入射により生じた電荷が各半導体領域に直接流れ込み、クロストークが生じる懼れがある。クロストークを抑制するため、各半導体領域と重複するように、半導体基板の導電型と同一の導電型であって、半導体基板の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有するウェル領域を設けることが考えられる。この場合、半導体領域とウェル領域との界面から広がる空乏層の厚みが抑制され、当該空乏層と、フォトゲート電極の直下の領域から広がる空乏層とが結合する状態を抑制することができ、クロストークを抑制することができる。
　ところで、半導体領域とウェル領域とを形成する際に、それぞれの領域を形成するためのマスクが、転送電極（半導体領域）の対向方向（電荷がフォトゲート電極の直下の領域から半導体領域に流れ込む方向）で位置ずれしていると、半導体領域とウェル領域との相対位置が上記対向方向にずれてしまい、半導体領域とウェル領域とが重複している領域（以下、単に「重複領域」と称することもある）の上記対向方向での幅が異なってしまう。この場合、半導体領域とウェル領域とが重複している領域の対向方向での幅が広がると、当該半導体領域に向うポテンシャルの傾斜に平坦な部分が形成され、電荷の流れに支障が生じる。一方の半導体領域に向うポテンシャルの傾斜と他方の半導体領域に向うポテンシャルの傾斜とが異なり、各半導体領域に生じる蓄積容量に差が生じて、各転送電極に与えられる電荷転送信号に対して感度のずれが生じてしまう。すなわち、電荷を複数の半導体領域に適切に振り分けることが不可能となってしまう。
　電荷の振り分け方式の距離センサ（距離画像センサ）では、上述したように、振り分けられた電荷量の比率に基づいてセンサに入射したパルス光の時間遅れを検出するため、電荷が各半導体領域に適切に振り分けられていないと、検出する時間遅れに誤差が生じる。
　本発明は、各半導体領域とウェル領域とを形成する際にマスクの位置ずれが生じた場合でも、フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を各半導体領域に適切に振り分けることが可能な距離センサ及び距離画像センサを提供することを目的とする。
　本発明に係る距離センサは、半導体基板と、半導体基板の表面上に設けられ、平面形状が互いに対向する第１辺及び第２辺を有するフォトゲート電極と、フォトゲート電極の第１辺側において該第１辺に沿って互いに空間的に離間して配置され、半導体基板とは異なる導電型を有し且つフォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第１及び第２半導体領域と、フォトゲート電極の第２辺側において該第２辺に沿って互いに空間的に離間し且つ第１辺及び第２辺の対向方向でフォトゲート電極を挟んで第１及び第２半導体領域と対向して配置され、半導体基板とは異なる導電型を有し且つフォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第３及び第４半導体領域と、半導体基板の導電型と同一の導電型であって、半導体基板の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有し且つ第１～第４半導体領域それぞれと重複するように設けられたウェル領域と、異なる位相の電荷転送信号が与えられ、表面上において第１及び第３半導体領域とフォトゲート電極との間にそれぞれ設けられた第１転送電極並びに表面上において第２及び第４半導体領域とフォトゲート電極との間にそれぞれ設けられた第２転送電極と、を備える。
　本発明に係る距離センサでは、フォトゲート電極の第１辺側には第１及び第２半導体領域が配置され、フォトゲート電極と第１半導体領域との間には第１転送電極が設けられ、フォトゲート電極と第２半導体領域との間には第１転送電極とは異なる位相の電荷転送信号が与えられる第２転送電極が設けられている。フォトゲート電極の第２辺側には第３及び第４半導体領域が配置され、フォトゲート電極と第３半導体領域との間には上記第１転送電極が設けられ、フォトゲート電極と第４半導体領域との間には上記第２転送電極が設けられている。
　第１～第４半導体領域とウェル領域とを形成する際に、それぞれの領域を形成するためのマスクが上記対向方向で位置ずれしている場合、上述したように、第１～第４半導体領域とウェル領域との重複領域の上記対向方向での幅が異なってしまう。本発明では、フォトゲート電極の第１辺側及び第２辺側に、第１転送電極により電荷が送られる第１半導体領域と第３半導体領域とが配置されている。したがって、第１半導体領域とウェル領域との重複領域の対向方向での幅が狭くなると、第３半導体領域とウェル領域との重複領域の対向方向での幅は広くなる。逆に、第１半導体領域とウェル領域との重複領域の対向方向での幅が広くなると、第３半導体領域とウェル領域との重複領域の対向方向での幅は狭くなる。このため、各第１転送電極に同期した電荷転送信号が与えられ、フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷が第１及び第３半導体領域に転送される際に、第１及び第３半導体領域のうち一方の半導体領域に向うポテンシャルの傾斜の平坦な部分が形成された場合でも、他方の半導体領域に向うポテンシャルの傾斜には平坦な部分は形成されない。この結果、上記他方の半導体領域への電荷の転送に支障が生じることはない。
　本発明では、フォトゲート電極の第１辺側及び第２辺側に、第２転送電極により電荷が送られる第２半導体領域と第４半導体領域とが配置されている。このため、各第２転送電極に同期した電荷転送信号が与えられ、フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷が第２及び第４半導体領域に転送される際に、第２及び第４半導体領域のうち一方の半導体領域に向うポテンシャルの傾斜の平坦な部分が形成された場合でも、他方の半導体領域に向うポテンシャルの傾斜には平坦な部分は形成されない。この結果、上記他方の半導体領域への電荷の転送に支障が生じることはない。
　以上のことから、第１～第４半導体領域とウェル領域とを形成する際にマスクの位置ずれが生じた場合でも、フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を、第１及び第３半導体領域と、第２及び第４半導体領域と、に適切に振り分けることができる。この結果、第１及び第３半導体領域に蓄積された電荷量と、第２及び第４半導体領域に蓄積された電荷量と、がマスクの位置ずれに起因してアンバランスとなるのを抑制することができる。
　特許文献２に記載された距離センサでは、矩形状の電極の対向する２辺それぞれに対して、２つの電荷収集拡散領域が設けられている。しかしながら、特許文献２に記載された距離センサでは、４つの電荷収集拡散領域には、それぞれ位相が異なる電圧信号が与えられるため、４つの電荷収集拡散領域それぞれに蓄積されたがマスクの位置ずれに起因してアンバランスとなる。したがって、特許文献２に記載された距離センサでは、本発明が着目した上記問題点を解決することはできない。
　本発明に係る距離画像センサは、上記距離センサと、光源と、光源にパルス駆動信号を与える駆動回路と、第１及び第２転送電極に、パルス駆動信号に同期し且つ互いに異なる位相の電荷転送信号をそれぞれ与える制御回路と、第１～第４半導体領域から読み出された信号から、対象物までの距離を演算する演算回路と、を備える。本発明に係る距離画像センサは、上記距離センサを備えることで、距離の検出精度が低下するのを抑制することができる。
　本発明では、フォトゲート電極の第１辺側において該第１辺に沿って第１及び第２半導体領域と空間的に離間して配置され、半導体基板とは異なる導電型を有し且つフォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第５半導体領域と、フォトゲート電極の第２辺側において該第２辺に沿って第３及び第４半導体領域と空間的に離間し且つ対向方向でフォトゲート電極を挟んで第５半導体領域と対向して配置され、半導体基板とは異なる導電型を有し且つフォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を収集する第６半導体領域と、を更に備え、ウェル領域は、第５及び第６半導体領域それぞれと重複するように設けられ、表面上において第５半導体領域とフォトゲート電極との間に第１転送電極が更に設けられ、表面上において第６半導体領域とフォトゲート電極との間に第２転送電極が更に設けられていてもよい。この場合、第１辺側及び第２辺側それぞれにおいて、第１転送電極の長さの合計値と第２転送電極の長さの合計値とが同じであることが好ましい。特に、第１転送電極の長さの合計値と第２転送電極の長さの合計値とが同じである場合、第１、第３、及び第５半導体領域に蓄積された電荷量と、第２、第４、及び第６半導体領域に蓄積された電荷量と、がマスクの位置ずれに起因してアンバランスとなるのをより一層抑制することができる。
　本発明に係る距離画像センサは、上記距離センサと、光源と、光源にパルス駆動信号を与える駆動回路と、第１及び第２転送電極に、パルス駆動信号に同期し且つ互いに異なる位相の電荷転送信号をそれぞれ与える制御回路と、第１～第６半導体領域から読み出された信号から、対象物までの距離を演算する演算回路と、を備える。本発明に係る距離画像センサは、上記距離センサを備えることで、距離の検出精度が低下するのを抑制することができる。
　本発明では、フォトゲート電極の平面形状は、互いに対向する第３辺及び第４辺を更に有し、フォトゲート電極の第３辺側において該第３辺に沿って互いに空間的に離間して配置され、半導体基板とは異なる導電型を有し且つフォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第７及び第８半導体領域と、電荷発生領域の第４辺側において該第４辺に沿って互いに空間的に離間し且つ第３辺及び第４辺の対向方向でフォトゲート電極を挟んで第７及び第８半導体領域と対向して配置され、半導体基板とは異なる導電型を有し且つフォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第９及び第１０半導体領域と、異なる位相の電荷転送信号が与えられ、表面上において第７及び第９半導体領域とフォトゲート電極との間にそれぞれ設けられた第３転送電極並びに表面上において第８及び第１０半導体領域とフォトゲート電極との間にそれぞれ設けられた第４転送電極と、を更に備え、ウェル領域は、第７～第９半導体領域それぞれと重複するように設けられていてもよい。この場合、第７～第１０半導体領域とウェル領域とを形成する際に、それぞれの領域を形成するためのマスクが上記対向方向に直交する方向で位置ずれしている場合でも、第１～第４半導体領域の関係と同様に、フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を、第７及び第９半導体領域と、第８及び第１０半導体領域と、に適切に振り分けることができる。この結果、第７及び第９半導体領域に蓄積された電荷量と、第８及び第１０半導体領域に蓄積された電荷量と、がマスクの位置ずれに起因してアンバランスとなるのを抑制することができる。
　本発明に係る距離画像センサは、上記距離センサと、光源と、光源にパルス駆動信号を与える駆動回路と、第１～第４転送電極に、パルス駆動信号に同期し且つ互いに異なる位相の電荷転送信号をそれぞれ与える制御回路と、第１～第４半導体領域並びに第７～第１０半導体領域から読み出された信号から、対象物までの距離を演算する演算回路と、を備える。本発明に係る距離画像センサは、上記距離センサを備えることで、距離の検出精度が低下するのを抑制することができる。
　本発明によれば、各半導体領域とウェル領域とを形成する際にマスクの位置ずれが生じた場合でも、フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を各半導体領域に適切に振り分けることが可能な距離センサ及び距離画像センサを提供することができる。
本実施形態に係る測距装置の構成を示す説明図である。 距離画像センサの断面構成を説明するための図である。 距離画像センサの概略平面図である。 距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。 図４におけるV－V線に沿った断面構成を示す図である。 図４におけるVI－VI線に沿った断面構成を示す図である。 半導体基板の表面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 半導体基板の表面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 画素の構成を説明するための模式図である。 半導体基板の表面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 半導体基板の表面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。 距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。 距離画像センサの変形例における画素の構成を説明するための模式図である。
　以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
　図１は、測距装置の構成を示す説明図である。
　この測距装置は、距離画像センサ１と、近赤外光を出射する光源３と、光源３にパルス駆動信号ＳＰを与える駆動回路４と、制御回路２と、演算回路５と、を備えている。制御回路２は、距離画像センサ１の各画素に含まれる第１及び第２ゲート電極（ＴＸ１，ＴＸ２：図４参照）に、パルス駆動信号ＳＰに同期した検出用ゲート信号Ｓ１、Ｓ２を与える。演算回路５は、距離画像センサ１の第１～第４半導体領域（ＦＤ１～ＦＤ４：図４参照）から読み出された距離情報を示す信号ｄ’（ｍ，ｎ）から、歩行者などの対象物Ｈまでの距離を演算する。距離画像センサ１から対象物Ｈまでの水平方向Ｄの距離をｄとする。
　制御回路２は、パルス駆動信号ＳＰを駆動回路４のスイッチ４ｂに入力している。ＬＥＤ又はレーザダイオードからなる投光用の光源３は、スイッチ４ｂを介して電源４ａに接続されている。したがって、スイッチ４ｂにパルス駆動信号ＳＰが入力されると、パルス駆動信号ＳＰと同じ波形の駆動電流が光源３に供給され、光源３からは測距用のプローブ光としてのパルス光ＬＰが出力される。
　パルス光ＬＰが対象物Ｈに照射されると、対象物Ｈによってパルス光が反射される。そして、パルス光ＬＤとして、距離画像センサ１に入射して、パルス検出信号ＳＤが出力される。
　距離画像センサ１は、配線基板１０上に固定されている。距離画像センサ１では、配線基板１０上の配線を介して、距離情報を有する信号ｄ’（ｍ，ｎ）が各画素から出力される。
　パルス駆動信号ＳＰの波形は、周期Ｔの方形波であり、ハイレベルを「１」、ローレベルを「０」とすると、その電圧Ｖ（ｔ）は以下の式で与えられる。
パルス駆動信号ＳＰ：
　Ｖ（ｔ）＝１（但し、０＜ｔ＜（Ｔ／２）の場合）
　Ｖ（ｔ）＝０（但し、（Ｔ／２）＜ｔ＜Ｔの場合）
　Ｖ（ｔ＋Ｔ）＝Ｖ（ｔ）
　検出用ゲート信号Ｓ１、Ｓ２の波形は、周期Ｔの方形波であり、その電圧Ｖ（ｔ）は以距離画像センサ１は、下の式で与えられる。
検出用ゲート信号Ｓ１：
　Ｖ（ｔ）＝１（但し、０＜ｔ＜（Ｔ／２）の場合）
　Ｖ（ｔ）＝０（但し、（Ｔ／２）＜ｔ＜Ｔの場合）
　Ｖ（ｔ＋Ｔ）＝Ｖ（ｔ）
検出用ゲート信号Ｓ２（＝Ｓ１の反転）：
　Ｖ（ｔ）＝０（但し、０＜ｔ＜（Ｔ／２）の場合）
　Ｖ（ｔ）＝１（但し、（Ｔ／２）＜ｔ＜Ｔの場合）
　Ｖ（ｔ＋Ｔ）＝Ｖ（ｔ）
　上記パルス信号ＳＰ，Ｓ１，Ｓ２，ＳＤは、全てパルス周期２×ＴＰを有している。検出用ゲート信号Ｓ１及びパルス検出信号ＳＤが共に「１」のときに距離画像センサ１内で発生する電荷量をＱ１、検出用ゲート信号Ｓ２及びパルス検出信号ＳＤが共に「１」のときに距離画像センサ１内で発生する電荷量をＱ２とする。
　距離画像センサ１における一方の検出用ゲート信号Ｓ１とパルス検出信号ＳＤの位相差は、他方の検出用ゲート信号Ｓ２とパルス検出信号ＳＤが「１」の時の重複期間において、距離画像センサ１において発生した電荷量Ｑ２に比例する。すなわち、電荷量Ｑ２は、検出用ゲート信号Ｓ２とパルス検出信号ＳＤの論理積が「１」である期間において発生した電荷量である。１画素内において発生する全電荷量をＱ１＋Ｑ２とし、駆動信号ＳＰの半周期のパルス幅をＴＰとすると、Δｔ＝ＴＰ×Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）の期間だけ、駆動信号ＳＰに対してパルス検出信号ＳＤが遅れている。１つのパルス光の飛行時間Δｔは、対象物までの距離をｄ、光速をｃとすると、Δｔ＝２ｄ／ｃで与えられる。このため、特定の画素からの距離情報を有する信号ｄ’として２つの電荷量（Ｑ１，Ｑ２）が出力されると、演算回路５は、入力された電荷量Ｑ１，Ｑ２と、予め判明している半周期パルス幅ＴＰに基づいて、対象物Ｈまでの距離ｄ＝（ｃ×Δｔ）／２＝ｃ×ＴＰ×Ｑ２／（２×（Ｑ１＋Ｑ２））を演算する。
　上述のように、電荷量Ｑ１、Ｑ２を分離して読み出せば、演算回路５は、距離ｄを演算することができる。上述のパルスは繰り返して出射され、その積分値を各電荷量Ｑ１，Ｑ２として出力することができる。
　電荷量Ｑ１，Ｑ２の全体電荷量に対する比率は、上述の位相差、すなわち、対象物Ｈまでの距離に対応している。演算回路５は、この位相差に応じて対象物Ｈまでの距離を演算している。上述のように、位相差に対応する時間差をΔｔとすると、距離ｄは、好適にはｄ＝（ｃ×Δｔ）／２で与えられるが、適当な補正演算をこれに加えて行ってもよい。例えば、実際の距離と、演算された距離ｄとが異なる場合、後者を補正する係数βを予め求めておき、出荷後の製品では演算された距離ｄに係数βを乗じたものを最終的な演算距離ｄとしてもよい。外気温度を測定しておき、外気温度に応じて光速ｃが異なる場合には、光速ｃを補正する演算を行ってから、距離演算を行うこともできる。演算回路に入力された信号と、実際の距離との関係を予めメモリに記憶しておき、ルックアップテーブル方式によって、距離を演算してもよい。センサ構造によっても演算方法は変更することができ、これには従来から知られている演算方法を用いることができる。
　図２は、距離画像センサの断面構成を説明するための図である。
　距離画像センサ１は、半導体基板１Ａを備えている。半導体基板１Ａは、補強用のフレーム部Ｆと、フレーム部Ｆよりも薄い薄板部ＴＦを有しており、これらは一体化している。薄板部ＴＦの厚さは、１０μｍ以上１００μｍ以下である。本例のフレーム部Ｆの厚さは２００μｍ以上１０００μｍ以下である。半導体基板１Ａは、全体が薄化されていてもよい。距離画像センサ１には、光入射面１ＢＫからパルス光ＬＤが入射する。距離画像センサ１の光入射面１ＢＫとは逆側の表面１ＦＴは、接着領域ＡＤを介して配線基板１０に接続されている。接着領域ＡＤは、バンプ電極などの接着素子を含む領域であり、必要に応じて絶縁性の接着剤やフィラーを有している。
　図３は、距離画像センサの概略平面図である。
　距離画像センサ１では、半導体基板１Ａが、二次元状に配列した複数の画素Ｐ（ｍ，ｎ）からなる撮像領域１Ｂを有している。各画素Ｐ（ｍ，ｎ）からは、上述の距離情報を有する信号ｄ’（ｍ，ｎ）として２つの電荷量（Ｑ１，Ｑ２）が出力される。各画素Ｐ（ｍ，ｎ）は微小測距センサとして対象物Ｈまでの距離に応じた信号ｄ’（ｍ，ｎ）を出力する。したがって、対象物Ｈからの反射光を、撮像領域１Ｂに結像すれば、対象物Ｈ上の各点までの距離情報の集合体としての対象物の距離画像を得ることができる。一つの画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、一つの距離センサとして機能する。
　図４は、距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。図５は、図４におけるV－V線に沿った断面構成を示す図であり、図６は、図４におけるVI－VI線に沿った断面構成を示す図である。
　距離画像センサ１は、光入射面１ＢＫ及び光入射面１ＢＫとは逆側の表面１ＦＴを有する半導体基板１Ａと、フォトゲート電極ＰＧと、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２（第１及び第２転送電極）と、第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４と、を備えている。フォトゲート電極ＰＧは、表面１ＦＴ上に絶縁層１Ｅを介して設けられている。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、表面１ＦＴ上において絶縁層１Ｅを介してフォトゲート電極ＰＧに隣接して設けられている。第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４は、各ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に流れ込む電荷を蓄積する。本例の半導体基板１ＡはＳｉからなり、絶縁層１ＥはＳｉＯ２からなる。半導体基板１Ａは、エピタキシャル層からなっていてもよい。
　フォトゲート電極ＰＧは、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、フォトゲート電極ＰＧは、長方形状を呈している。すなわち、フォトゲート電極ＰＧは、互いに対向する第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２と、互いに対向する第１及び第２短辺ＳＳ１，ＳＳ２と、を有する平面形状を呈している。半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧに対応する領域（フォトゲート電極ＰＧの直下の領域）は、入射光に応じて電荷が発生する光感応領域として機能する。フォトゲート電極ＰＧはポリシリコンからなるが、他の材料を用いてもよい。
　第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの第１長辺ＬＳ１側において当該第１長辺ＬＳ１に沿って互いに空間的に離間して配置されている。第３及び第４半導体領域ＦＤ３，ＦＤ４は、フォトゲート電極ＰＧの第２長辺ＬＳ２側において当該第２長辺ＬＳ２に沿って互いに空間的に離間して配置されている。第１半導体領域ＦＤ１と第４半導体領域ＦＤ４とは、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向（以下、単に「対向方向」と称することもある）で、フォトゲート電極ＰＧを挟んで対向している。第１半導体領域ＦＤ２と第４半導体領域ＦＤ３とは、上記対向方向で、フォトゲート電極ＰＧを挟んで対向している。
　第１ゲート電極ＴＸ１は、フォトゲート電極ＰＧと第１半導体領域ＦＤ１との間に設けられている。第２ゲート電極ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧと第２半導体領域ＦＤ２との間に設けられている。第１ゲート電極ＴＸ１は、フォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域ＦＤ３との間にも設けられている。第２ゲート電極ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧと第４半導体領域ＦＤ４との間にも設けられている。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧの長辺方向をその長辺方向とする長方形状を呈している。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の長辺方向での長さは、同じに設定されている。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２はポリシリコンからなるが、これらは他の材料を用いてもよい。
　半導体基板１Ａは低不純物濃度のＰ型半導体基板からなる。第１～第２半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４は高不純物濃度のＮ型半導体からなるフローティング・ディフュージョン領域である。第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４は、Ｐ型のウェル領域Ｗ１～Ｗ４と重複し且つ囲まれるようにそれぞれ形成されている。第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４の周辺は、基板、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２直下の不純物濃度よりも、さらに高濃度のウェル領域Ｗ１～Ｗ４で囲まれている。これにより、各半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４からの空乏層の広がりを抑えるとともに、リーク電流の低減を図り、更に、クロストークや迷光による不要電荷の捕獲を低減することができる。ウェル領域Ｗ１～Ｗ４は、フォトゲート電極ＰＧへの電圧の印加によって広がった空乏層と、第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４から広がる空乏層との結合を抑制している。
　各半導体領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
半導体基板１Ａ：厚さ１０～１０００μｍ／不純物濃度１×１０１２～１０１５ｃｍ－３
ウェル領域Ｗ１～Ｗ４：厚さ０．５～５μｍ／不純物濃度１×１０１６～１０１８ｃｍ－３
半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４：厚さ０．１～１μｍ／不純物濃度１×１０１８～１０２０ｃｍ－３
　絶縁層１Ｅには、第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４の表面を露出させるためのコンタクトホールが設けられている。コンタクトホール内には、第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４を外部に接続するための導体１１が配置される。図４では、導体１１の図示を省略している。
　第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４の一部は、半導体基板１Ａにおける各ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に接触している。半導体基板１Ａの光入射面１ＢＫの側には、反射防止膜１Ｄが設けられている。反射防止膜１Ｄの材料は、ＳｉＯ２やＳｉＮである。
　配線基板１０には、接着領域ＡＤ内のバンプ電極等を通して第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２、及びフォトゲート電極ＰＧ等にそれぞれ電気的に接続される貫通電極（不図示）が設けられている。配線基板１０の貫通電極は配線基板１０の裏面に露出している。配線基板１０を構成する絶縁基板における接着領域ＡＤとの界面側の表面には、遮光層（不図示）が形成されており、距離画像センサ１を透過した光の配線基板１０への入射を抑制している。この測距装置は、距離画像センサ１を配線基板１０上にマウントすると、各配線を介して、上記信号をそれぞれの電極に与えることができ、装置が小型化されている。
　第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に、ハイレベルの信号（正電位）を与えると、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の下のポテンシャルがフォトゲート電極ＰＧの下のポテンシャルより高くなる。これにより、負の電荷（電子）は、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の方向に引き込まれ、第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。ｎ型の半導体は、正にイオン化したドナーを含んでおり、正のポテンシャルを有し、電子を引き付ける。第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に、ローレベル（グランド電位）の信号を与えると、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の下のポテンシャルがフォトゲート電極ＰＧの下のポテンシャルより低くなり、障壁が形成される。したがって、半導体基板１Ａで発生した電荷は、第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４内には引き込まれない。
　距離画像センサ１では、投光用の光の入射に応答して半導体深部で発生した電荷を、光入射面１ＢＫとは逆側の電荷発生位置近傍に設けられたポテンシャル井戸に引き込み、高速で正確な測距が可能としている。
　半導体基板１Ａの光入射面（裏面）１ＢＫから入射した対象物からのパルス光ＬＤは、半導体基板１Ａの表面側に設けられたフォトゲート電極ＰＧの直下の領域まで至る。パルス光の入射に伴って半導体基板１Ａ内で発生した電荷は、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域から、これに隣接する第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に振り分けられる。すなわち、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に光源の駆動信号ＳＰに同期した検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２を、配線基板１０を介して、交互に与えると、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域で発生した電荷が、それぞれ第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２の直下の領域に流れ、これらから第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４に流れ込む。
　第１及び第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３、又は、第２及び第４半導体領域ＦＤ２，ＦＤ４内に蓄積された電荷量Ｑ１，Ｑ２の全体電荷量（Ｑ１＋Ｑ２）に対する比率は、駆動信号ＳＰを光源に与えることによって出射された出射パルス光と、対象物Ｈによって出射パルス光が反射されることによって戻ってきた検出パルス光の位相差に対応する。
　近赤外光の入射に応じて発生した電荷の発生領域は、半導体基板１Ａの光入射面１ＢＫよりも、逆側の表面１ＦＴに近い。このため、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２への駆動信号（検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２）の周波数を増加させることで、この電荷の振り分け速度を増加させても、多くの電荷はフォトゲート電極ＰＧの直下の領域から第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４に流れ込む。そして、これらの領域から、配線基板１０の配線（不図示）を介して、蓄積電荷Ｑ１，Ｑ２を読み出すことができる。
　距離画像センサ１は、図示は省略するが、半導体基板１Ａの電位を基準電位に固定するためのバックゲート半導体領域を備えている。バックゲート半導体領域は、高濃度不純物を含有するＰ型の半導体領域であって、ウェル領域Ｗ１～Ｗ４内に設けられる。バックゲート半導体領域の代わりに、Ｐ型の拡散領域などのＰ型半導体層を有し、電気的に接続された貫通電極を設けていてもよい。
　図７及び図８は、信号電荷の蓄積動作を説明するための、半導体基板１Ａの表面１ＦＴ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図７及び図８では、下向きがポテンシャルの正方向である。図７及び図８において、（ａ）は、図５の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示す。図７及び図８において、（ｂ）は、図６の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示す。
　光入射時において、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域のポテンシャルφＰＧは、基板電位よりも若干高く設定されている。各図には、第１ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１、第２ゲート電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ２、第１半導体領域ＦＤ１のポテンシャルφＦＤ１、第２半導体領域ＦＤ２のポテンシャルφＦＤ２、第３半導体領域ＦＤ３のポテンシャルφＦＤ３、及び、第４半導体領域ＦＤ４のポテンシャルφＦＤ４が示されている。
　検出用ゲート信号Ｓ１の高電位が、第１ゲート電極ＴＸ１に入力されると、図７に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下で発生した電荷は、ポテンシャル勾配にしたがって、第１ゲート電極ＴＸ１の直下の領域を介して、第１及び第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３のポテンシャル井戸内に蓄積される。第１及び第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３の各ポテンシャル井戸内には電荷量Ｑ１が蓄積される。
　検出用ゲート信号Ｓ１に続いて、検出用ゲート信号Ｓ２の高電位が、第２ゲート電極ＴＸ２に入力されると、図８に示されるように、フォトゲート電極ＰＧの直下で発生した電荷は、ポテンシャル勾配にしたがって、第２ゲート電極ＴＸ２の直下の領域を介して、第２及び第４半導体領域ＦＤ２，ＦＤ４のポテンシャル井戸内に蓄積される。第２及び第４半導体領域ＦＤ２，ＦＤ４の各ポテンシャル井戸内には電荷量Ｑ２が蓄積される。
　図９は、画素の構成を説明するための模式図である。
　第１ゲート電極ＴＸ１には、検出用ゲート信号Ｓ１が与えられる。第２ゲート電極ＴＸ２には、検出用ゲート信号Ｓ２が与えられる。すなわち、第１ゲート電極ＴＸ１と、第２ゲート電極ＴＸ２とには、異なる位相の電荷転送信号が与えられる。
　フォトゲート電極ＰＧの直下の光感応領域において発生した電荷は、第１ゲート電極ＴＸ１にハイレベルの検出用ゲート信号Ｓ１が与えられている場合には、第１及び第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３によって構成されるポテンシャル井戸に信号電荷として流れ込む。第１及び第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３に蓄積された信号電荷は、蓄積された電荷量Ｑ１に対応した出力（Ｖｏｕｔ１）として第１及び第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３から読み出される。フォトゲート電極ＰＧの直下の光感応領域において発生した電荷は、第２ゲート電極ＴＸ２にハイレベルの検出用ゲート信号Ｓ２が与えられている場合には、第２及び第４半導体領域ＦＤ２，ＦＤ４によって構成されるポテンシャル井戸に信号電荷として流れ込む。第２及び第４半導体領域ＦＤ２，ＦＤ４に蓄積された信号電荷は、蓄積された電荷量Ｑ２に対応した出力（Ｖｏｕｔ２）として第２及び第４半導体領域ＦＤ２，ＦＤ４から読み出される。これらの出力（Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２）により、上述した信号ｄ’（ｍ，ｎ）に相当する。
　上述の距離画像センサ１では、フォトゲート電極ＰＧの第１長辺ＬＳ１側には第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２が配置されている。フォトゲート電極ＰＧと第１半導体領域ＦＤ１との間には第１ゲート電極ＴＸ１が設けられている。フォトゲート電極ＰＧと第２半導体領域ＦＤ２との間には第２ゲート電極ＴＸ２が設けられている。フォトゲート電極ＰＧの第２辺側には第３及び第４半導体領域ＦＤ３，ＦＤ４が配置されている。フォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域ＦＤ３との間には第１ゲート電極ＴＸ１が設けられている。フォトゲート電極ＰＧと第４半導体領域ＦＤ４との間には第２ゲート電極ＴＸ２が設けられている。
　第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４とウェル領域Ｗ１～Ｗ４とを形成する際に、それぞれの領域を形成するためのマスクが第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向で位置ずれしている場合、図１０及び図１１に示されるように、第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４とウェル領域Ｗ１～Ｗ４との重複領域の上記対向方向での幅が異なってしまう。図１０及び図１１では、第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４に対して、ウェル領域Ｗ１～Ｗ４が図中右側に距離Ｙ分だけ位置ずれして形成されている。図１０及び図１１中、「Ｘ」は、第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４とウェル領域Ｗ１～Ｗ４との重複領域の対向方向での幅の設計基準値を示す。図１０及び図１１において、（ａ）は、図５の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示す。図１０及び図１１において、（ｂ）は、図６の横方向の断面の横方向に沿ったポテンシャル分布を示す。
　第３半導体領域ＦＤ３とウェル領域Ｗ３とが重複している領域の対向方向での幅が広がると、図１０（ｂ）に示されるように、第３半導体領域ＦＤ３に向うポテンシャルの傾斜に平坦な部分が形成され、電荷の流れに支障が生じる。しかしながら、図１０（ａ）に示されるように、第１半導体領域ＦＤ１とウェル領域Ｗ１とが重複している領域の対向方向での幅が狭くなり、第１半導体領域ＦＤ１に向うポテンシャルの傾斜に平坦な部分は形成されず、電荷の流れに支障が生じることはない。図１０中、第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４に対してウェル領域Ｗ１～Ｗ４が図中左側に距離Ｙ分だけ位置ずれして形成されている場合では、第３半導体領域ＦＤ３に向うポテンシャルの傾斜に平坦な部分は形成されず、電荷の流れに支障が生じることはない。
　第４半導体領域ＦＤ４とウェル領域Ｗ４とが重複している領域の対向方向での幅が広がると、図１１（ａ）に示されるように、第４半導体領域ＦＤ４に向うポテンシャルの傾斜に平坦な部分が形成され、電荷の流れに支障が生じる。しかしながら、図１１（ｂ）に示されるように、第２半導体領域ＦＤ２とウェル領域Ｗ２とが重複している領域の対向方向での幅が狭くなり、第２半導体領域ＦＤ２に向うポテンシャルの傾斜に平坦な部分は形成されず、電荷の流れに支障が生じることはない。図１１中、第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４に対してウェル領域Ｗ１～Ｗ４が図中左側に距離Ｙ分だけ位置ずれして形成されている場合では、第４半導体領域ＦＤ４に向うポテンシャルの傾斜に平坦な部分は形成されず、電荷の流れに支障が生じることはない。
　以上のことから、第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４とウェル領域Ｗ１～Ｗ４とを形成する際にマスクの位置ずれが生じた場合でも、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域に発生した電荷を、第１及び第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３と、第２及び第４半導体領域ＦＤ２，ＦＤ４と、に適切に振り分けることができる。この結果、第１及び第３半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３に蓄積された電荷量Ｑ１と、第２及び第４半導体領域ＦＤ２，ＦＤ４に蓄積された電荷量Ｑ２と、がマスクの位置ずれに起因してアンバランスとなるのを抑制することができる。したがって、距離画像センサ１によれば、距離の検出精度が低下するのを抑制することができる。
　以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
　図１２に示されるように、距離画像センサの各画素において、第１半導体領域ＦＤ１と第３半導体領域ＦＤ３とは、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向にフォトゲート電極ＰＧを挟んで対向していてもよい。第２半導体領域ＦＤ２と第４半導体領域ＦＤ４とは、上記対向方向にフォトゲート電極ＰＧを挟んで対向していてもよい。
　図１３に示されるように、距離画像センサの各画素は、第５及び第６半導体領域ＦＤ５，ＦＤ６を更に備えていてもよい。第５及び第６半導体領域ＦＤ５，ＦＤ６は、第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４と同じく、高不純物濃度のＮ型半導体からなるフローティング・ディフュージョン領域である。第５及び第６半導体領域ＦＤ５，ＦＤ６は、Ｐ型のウェル領域Ｗ５，Ｗ６と重複し且つ囲まれるようにそれぞれ形成されている。
　第５半導体領域ＦＤ５は、フォトゲート電極ＰＧの第１長辺ＬＳ１側において当該第１長辺ＬＳ１に沿って第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２と空間的に離間して配置されている。第２半導体領域ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの長辺方向において、第１半導体領域ＦＤ１と第５半導体領域ＦＤ５との間に位置している。フォトゲート電極ＰＧと第５半導体領域ＦＤ５との間には、第１ゲート電極ＴＸ１が設けられている。
　第６半導体領域ＦＤ６は、フォトゲート電極ＰＧの第２長辺ＬＳ２側において当該第２長辺ＬＳ２に沿って第３及び第４半導体領域ＦＤ３，ＦＤ４と空間的に離間して配置されている。第３半導体領域ＦＤ３は、フォトゲート電極ＰＧの長辺方向において、第４半導体領域ＦＤ４と第６半導体領域ＦＤ６との間に位置している。フォトゲート電極ＰＧと第６半導体領域ＦＤ６との間には、第２ゲート電極ＴＸ２が設けられている。第５半導体領域ＦＤ５と第６半導体領域ＦＤ６とは、第１及び第２長辺ＬＳ１，ＬＳ２の対向方向で、フォトゲート電極ＰＧを挟んで対向している。
　フォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域ＦＤ３との間に位置する第１ゲート電極ＴＸ１の長辺方向の長さは、フォトゲート電極ＰＧと第１及び第５半導体領域ＦＤ１，ＦＤ５との間に位置する第１ゲート電極ＴＸ１の長辺方向の長さの２倍程度に設定されている。
　フォトゲート電極ＰＧと第２半導体領域ＦＤ２との間に位置する第２ゲート電極ＴＸ２の長辺方向の長さは、フォトゲート電極ＰＧと第４及び第６半導体領域ＦＤ４，ＦＤ６との間に位置する第２ゲート電極ＴＸ２の長辺方向の長さの２倍程度に設定されている。フォトゲート電極ＰＧと第２半導体領域ＦＤ２との間に位置する第２ゲート電極ＴＸ２の長辺方向の長さは、フォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域ＦＤ３との間に位置する第１ゲート電極ＴＸ１の長辺方向の長さと同じに設定されている。
　フォトゲート電極ＰＧの第１長辺ＬＳ１側において、フォトゲート電極ＰＧと各半導体領域ＦＤ１，ＦＤ５との間に位置する各第１ゲート電極ＴＸ１の長辺方向の長さの合計値と、フォトゲート電極ＰＧと第２半導体領域ＦＤ２との間に位置する第２ゲート電極ＴＸ２の長辺方向の長さと、は略同じである。フォトゲート電極ＰＧの第２長辺ＬＳ２側において、フォトゲート電極ＰＧと各半導体領域ＦＤ４，ＦＤ６との間に位置する各第２ゲート電極ＴＸ２の長辺方向の長さの合計値と、フォトゲート電極ＰＧと第３半導体領域ＦＤ３との間に位置する第１ゲート電極ＴＸ１の長辺方向の長さと、は略同じである。この場合、第１、第３、及び第５半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３，ＦＤ５に蓄積された電荷量と、第２、第４、及び第６半導体領域ＦＤ２，ＦＤ４，ＦＤ６に蓄積された電荷量と、がマスクの位置ずれに起因してアンバランスとなるのをより一層抑制することができる。
　図１４に示されるように、距離画像センサの各画素は、第７～第１０半導体領域ＦＤ７～ＦＤ１０、及び、第３及び第４ゲート電極ＴＸ３，ＴＸ４を更に備えていてもよい。第３及び第４ゲート電極ＴＸ３，ＴＸ４は、第１及び第２ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２と同じく、表面１ＦＴ上において絶縁層１Ｅを介してフォトゲート電極ＰＧに隣接して設けられている。
　フォトゲート電極ＰＧは、平面視で正方形状を呈している。すなわち、フォトゲート電極ＰＧは、互いに対向する第１及び第２辺と、互いに対向する第３及び第４辺と、を有する平面形状を呈している。第１及び第２半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの第１辺側において当該第１辺に沿って互いに空間的に離間して配置されている。第３及び第４半導体領域ＦＤ３，ＦＤ４は、フォトゲート電極ＰＧの第２辺側において当該第２辺に沿って互いに空間的に離間して配置されている。
　第７及び第８半導体領域ＦＤ７，ＦＤ８は、フォトゲート電極ＰＧの第３辺側において当該第３辺に沿って互いに空間的に離間して配置されている。第９及び第１０半導体領域ＦＤ９，ＦＤ１０は、フォトゲート電極ＰＧの第４辺側において当該第４辺に沿って互いに空間的に離間して配置されている。第７半導体領域ＦＤ７と第１０半導体領域ＦＤ１０とは、第３及び第４辺の対向方向（以下、単に「対向方向」と称することもある）で、フォトゲート電極ＰＧを挟んで対向している。第８半導体領域ＦＤ８と第９半導体領域ＦＤ９とは、上記対向方向で、フォトゲート電極ＰＧを挟んで対向している。
　第３ゲート電極ＴＸ３は、フォトゲート電極ＰＧと第７半導体領域ＦＤ７との間に設けられている。第４ゲート電極ＴＸ４は、フォトゲート電極ＰＧと第８半導体領域ＦＤ８との間に設けられている。第３ゲート電極ＴＸ３は、フォトゲート電極ＰＧと第９半導体領域ＦＤ９との間にも設けられている。第４ゲート電極ＴＸ４は、フォトゲート電極ＰＧと第１０半導体領域ＦＤ１０との間にも設けられている。第３及び第４ゲート電極ＴＸ３，ＴＸ４は、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第３及び第４ゲート電極ＴＸ３，ＴＸ４は、フォトゲート電極ＰＧの第３辺（第４辺）が伸びる方向をその長辺方向とする長方形状を呈している。第１～第４ゲート電極ＴＸ１～ＴＸ４の長辺方向での長さは、同じに設定されている。第３及び第４ゲート電極ＴＸ３，ＴＸ４もポリシリコンからなるが、これらは他の材料を用いてもよい。
　第３ゲート電極ＴＸ３には、検出用ゲート信号Ｓ３が与えられる。第４ゲート電極ＴＸ４には、検出用ゲート信号Ｓ４が与えられる。第１～第４ゲート電極ＴＸ１～ＴＸ４には、異なる位相の電荷転送信号が与えられる。
　第７～第１０半導体領域ＦＤ７～ＦＤ１０は、第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４と同じく、高不純物濃度のＮ型半導体からなるフローティング・ディフュージョン領域である。第７～第１０半導体領域ＦＤ７～ＦＤ１０は、Ｐ型のウェル領域Ｗ７～Ｗ１０と重複し且つ囲まれるようにそれぞれ形成されている。第７～第１０半導体領域ＦＤ７～ＦＤ１０の周辺は、基板並びに第３及び第４ゲート電極ＴＸ３，ＴＸ４直下の不純物濃度よりもさらに高濃度のウェル領域Ｗ７～Ｗ１０で囲まれている。このため、各半導体領域ＦＤ７～ＦＤ１０からの空乏層の広がりを抑えるとともに、リーク電流の低減を図り、更に、クロストークや迷光による不要電荷の捕獲を低減することができる。ウェル領域Ｗ７～Ｗ１０は、ウェル領域Ｗ１～Ｗ４と同じく、フォトゲート電極ＰＧへの電圧の印加によって広がった空乏層と、第７～第１０半導体領域ＦＤ７～ＦＤ１０から広がる空乏層との結合を抑制している。
　図１４に示された画素を有する距離画像センサでは、第７～第１０半導体領域ＦＤ７～ＦＤ１０とウェル領域Ｗ７～Ｗ１０とを形成する際に、それぞれの領域を形成するためのマスクが第３及び第４辺の対向方向で位置ずれしている場合でも、第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４の関係と同様に、フォトゲート電極ＰＧの直下の領域に発生した電荷を、第７及び第９半導体領域ＦＤ７，ＦＤ９と、第８及び第１０半導体領域ＦＤ８，ＦＤ１０と、に適切に振り分けることができる。この結果、第７及び第９半導体領域ＦＤ７，ＦＤ９に蓄積された電荷量と、第８及び第１０半導体領域ＦＤ８，ＦＤ１０に蓄積された電荷量と、がマスクの位置ずれに起因してアンバランスとなるのを抑制することができる。
　図１４に示された画素を有する距離画像センサでは、制御回路２は、第１～第４ゲート電極ＴＸ１～ＴＸ４に、パルス駆動信号に同期し且つ互いに異なる位相の電荷転送信号をそれぞれ与える。演算回路５は、第１～第４半導体領域ＦＤ１～ＦＤ４並びに第７～第１０半導体領域ＦＤ７～ＦＤ１０から読み出された信号から、対象物までの距離を演算する。
　本発明は、工場の製造ラインにおける製品モニタや車両等に搭載される距離センサ及び距離画像センサに利用できる。
　１…距離画像センサ、１Ａ…半導体基板、２…制御回路、３…光源、４…駆動回路、５…演算回路、ＦＤ１～ＦＤ１０…第１～第１０半導体領域、ＬＳ１…第１長辺、ＬＳ２…第２長辺、Ｐ…画素、ＰＧ…フォトゲート電極、Ｓ１～Ｓ４…検出用ゲート信号、ＴＸ１～ＴＸ４…第１～第４ゲート電極、Ｗ１～Ｗ１０…ウェル領域。

Claims (7)

  1. 　距離センサであって、
    　半導体基板と、
    　半導体基板の表面上に設けられ、平面形状が互いに対向する第１辺及び第２辺を有するフォトゲート電極と、
    　前記フォトゲート電極の前記第１辺側において該第１辺に沿って互いに空間的に離間して配置され、前記半導体基板とは異なる導電型を有し且つ前記フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第１及び第２半導体領域と、
    　前記フォトゲート電極の前記第２辺側において該第２辺に沿って互いに空間的に離間し且つ前記第１辺及び前記第２辺の対向方向で前記フォトゲート電極を挟んで前記第１及び第２半導体領域と対向して配置され、前記半導体基板とは異なる導電型を有し且つ前記フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第３及び第４半導体領域と、
    　前記半導体基板の導電型と同一の導電型であって、前記半導体基板の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有し且つ前記第１～第４半導体領域それぞれと重複するように設けられたウェル領域と、
    　異なる位相の電荷転送信号が与えられ、前記表面上において前記第１及び第３半導体領域と前記フォトゲート電極との間にそれぞれ設けられた第１転送電極並びに前記表面上において前記第２及び第４半導体領域と前記フォトゲート電極との間にそれぞれ設けられた第２転送電極と、を備える。
  2. 　請求項１に記載の距離センサであって、
    　前記フォトゲート電極の前記第１辺側において該第１辺に沿って前記第１及び第２半導体領域と空間的に離間して配置され、前記半導体基板とは異なる導電型を有し且つ前記フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第５半導体領域と、
    　前記フォトゲート電極の前記第２辺側において該第２辺に沿って前記第３及び第４半導体領域と空間的に離間し且つ前記対向方向で前記フォトゲート電極を挟んで前記第５半導体領域と対向して配置され、前記半導体基板とは異なる導電型を有し且つ前記フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を収集する第６半導体領域と、を更に備え、
    　前記ウェル領域は、前記第５及び第６半導体領域それぞれと重複するように設けられ、
    　前記表面上において前記第５半導体領域と前記フォトゲート電極との間に前記第１転送電極が更に設けられ、
    　前記表面上において前記第６半導体領域と前記フォトゲート電極との間に前記第２転送電極が更に設けられている。
  3. 　請求項２に記載の距離センサであって、
    　前記第１辺側及び前記第２辺側それぞれにおいて、前記第１転送電極の長さの合計値と前記第２転送電極の長さの合計値とが同じである。
  4. 　請求項１～３のいずれか一項に記載の距離センサであって、
    　前記フォトゲート電極の平面形状は、互いに対向する第３辺及び第４辺を更に有し、
    　前記フォトゲート電極の前記第３辺側において該第３辺に沿って互いに空間的に離間して配置され、前記半導体基板とは異なる導電型を有し且つ前記フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第７及び第８半導体領域と、
    　前記電荷発生領域の前記第４辺側において該第４辺に沿って互いに空間的に離間し且つ前記第３辺及び前記第４辺の対向方向で前記フォトゲート電極を挟んで前記第７及び第８半導体領域と対向して配置され、前記半導体基板とは異なる導電型を有し且つ前記フォトゲート電極の直下の領域に発生した電荷を蓄積する第９及び第１０半導体領域と、
    　異なる位相の電荷転送信号が与えられ、前記表面上において前記第７及び第９半導体領域と前記フォトゲート電極との間にそれぞれ設けられた第３転送電極並びに前記表面上において前記第８及び第１０半導体領域と前記フォトゲート電極との間にそれぞれ設けられた第４転送電極と、を更に備え、
    　前記ウェル領域は、前記第７～第９半導体領域それぞれと重複するように設けられている。
  5. 　距離画像センサであって、
    　請求項１に記載の距離センサと、
    　光源と、
    　前記光源にパルス駆動信号を与える駆動回路と、
    　前記第１及び第２転送電極に、前記パルス駆動信号に同期し且つ互いに異なる位相の電荷転送信号をそれぞれ与える制御回路と、
    　前記第１～第４半導体領域から読み出された信号から、対象物までの距離を演算する演算回路と、を備える。
  6. 　距離画像センサであって、
    　請求項２又は３に記載の距離センサと、
    　光源と、
    　前記光源にパルス駆動信号を与える駆動回路と、
    　前記第１及び第２転送電極に、前記パルス駆動信号に同期し且つ互いに異なる位相の電荷転送信号をそれぞれ与える制御回路と、
    　前記第１～第６半導体領域から読み出された信号から、対象物までの距離を演算する演算回路と、を備える。
  7. 　距離画像センサであって、
    　請求項４に記載の距離センサと、
    　光源と、
    　前記光源にパルス駆動信号を与える駆動回路と、
    　前記第１～第４転送電極に、前記パルス駆動信号に同期し且つ互いに異なる位相の電荷転送信号をそれぞれ与える制御回路と、
    　前記第１～第４半導体領域並びに前記第７～第１０半導体領域から読み出された信号から、対象物までの距離を演算する演算回路と、を備える。
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