WO2015159977A1 - 距離画像センサ - Google Patents

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光人 間瀬
純 平光
明洋 島田
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Definitions

  • the present invention relates to a distance image sensor.
  • a TOF (Time-Of-Flight) type distance image sensor is known (for example, see Patent Document 1).
  • each distance sensor arranged in a one-dimensional direction is provided with a rectangular charge generation region and a pair of two opposite sides of the charge generation region.
  • An electrode and a signal charge storage region for storing the signal charge transferred by the transfer electrode, respectively.
  • the transfer electrode distributes the charge generated in the charge generation region as a signal charge to each signal charge storage region in accordance with transfer signals having different phases.
  • the distributed signal charge is stored in each corresponding signal charge storage region.
  • the signal charge accumulated in each signal charge accumulation region is read out as an output corresponding to the accumulated charge amount. Based on the ratio of these outputs, the distance to the object is calculated.
  • One aspect of the present invention is to provide a distance image sensor of a charge distribution type, in which the influence of charge crosstalk on distance measurement is similar between distance sensors adjacent in a one-dimensional direction.
  • the present inventors conducted a research on a distance image sensor that is a charge distribution type distance image sensor, in which the influence of charge crosstalk on the distance measurement is the same between distance sensors adjacent in a one-dimensional direction. . As a result, the present inventors have found the following facts.
  • a signal may be detected by a distance sensor other than a distance sensor in which light is incident (hereinafter referred to as an incident distance sensor). This is presumably because crosstalk occurs in which the charge generated in the charge generation region of the incident distance sensor flows into each signal charge storage region of another distance sensor.
  • the influence of crosstalk on each signal charge accumulation region of another distance sensor differs depending on the arrangement of each signal charge accumulation region. In particular, the arrangement of the signal charge accumulation regions of the other distance sensors varies greatly depending on whether or not the distance sensor is on the incident distance sensor side.
  • the distance to the object is calculated based on the output ratio of each signal charge accumulation region. For this reason, if there is a leakage of charges from the surrounding distance sensors with respect to each signal charge accumulation region, the calculated distance changes.
  • the amount of charge distributed according to the transfer signal of one phase is the same as the amount of charge distributed according to the other phase Even so, the measurement distance may be different due to the influence of crosstalk. That is, in the two light incident distance sensors, even if the measurement distances should be the same, the arrangement of the signal charge storage regions that store the signal charges according to the transfer signal of the same phase is the other light.
  • the measurement distance may differ depending on the distance sensor.
  • the inventors focused on these facts found by themselves, and conducted further research on a configuration in which the influence of charge crosstalk on distance measurement is similar between distance sensors adjacent in a one-dimensional direction.
  • the inventors came up with the invention.
  • a distance image sensor is a distance image sensor in which a plurality of distance sensors are arranged in a one-dimensional direction, and each of the plurality of distance sensors generates a charge according to incident light.
  • the charge generated in the charge generation region is separated from the charge generation region on one side in the one-dimensional direction of the charge generation region and spaced apart from each other along a direction orthogonal to the one-dimensional direction.
  • the first and second signal charge storage regions to be stored are spaced apart from the charge generation region on the other side in the one-dimensional direction of the charge generation region and face the first signal charge storage region with the charge generation region sandwiched in the one-dimensional direction.
  • a third signal charge accumulation region that accumulates the charge generated in the charge generation region as a signal charge, and is spaced apart from the charge generation region on the other side in the one-dimensional direction of the charge generation region and generates the charge in the one-dimensional direction.
  • a fourth signal charge storage region that is disposed opposite to the second signal charge storage region across the region and stores the charge generated in the charge generation region as a signal charge; the first and fourth signal charge storage regions; and the charge Two first transfer electrodes that are respectively disposed between the first generation signal region and the first transfer electrode that flows into the first and fourth signal charge storage regions as signal charges.
  • the second and third signal charge accumulation regions are arranged between the charge generation region and the charge generation region, respectively, and the charge generated in the charge generation region in response to the second transfer signal having a phase different from that of the first transfer signal is used as the signal charge.
  • a plurality of distance sensors are arranged in a one-dimensional direction.
  • Each of the plurality of distance sensors includes first and second signal charge storage regions on one side in the one-dimensional direction of the charge generation region, and third and fourth signal charge storage regions on the other side of the charge generation region. Yes.
  • the first and fourth signal charge accumulation regions accumulate signal charge that flows in response to the first transfer signal.
  • the second and third signal charge accumulation regions accumulate signal charge that flows in response to the second transfer signal.
  • the signal charge accumulation regions for accumulating signal charges that flow in response to the first transfer signal are arranged on both sides in the one-dimensional direction of the charge generation region, and the second transfer signal
  • the signal charge accumulation regions for accumulating the signal charges that flow in response thereto are arranged on both sides in the one-dimensional direction of the charge generation region.
  • a plurality of unnecessary charge collection regions that are disposed apart from the charge generation region on one side and the other side in the one-dimensional direction of the charge generation region and collect the charge generated in the charge generation region as unnecessary charges
  • a plurality of unnecessary charge collecting regions and a charge generation region are arranged respectively, and a plurality of charges generated in the charge generation region according to a third transfer signal having a phase different from that of the first and second transfer signals are used as unnecessary charges.
  • a plurality of third transfer electrodes that flow into the unnecessary charge collection region may be further provided. In this case, since unnecessary charges can be discharged to the outside, the distance measurement accuracy can be improved.
  • a plurality of unnecessary charge collection regions that are arranged to sandwich the charge generation region in a direction orthogonal to the one-dimensional direction and are spaced apart from the charge generation region and collect charges generated in the charge generation region as unnecessary charges
  • a plurality of unnecessary charge collecting regions and a charge generation region are arranged respectively, and a plurality of charges generated in the charge generation region according to a third transfer signal having a phase different from that of the first and second transfer signals are used as unnecessary charges.
  • a plurality of third transfer electrodes that flow into the unnecessary charge collection region may be further provided. In this case, since unnecessary charges can be discharged to the outside, the distance measurement accuracy can be improved.
  • a distance image sensor that is a charge distribution type distance image sensor, wherein the distance sensors adjacent in the one-dimensional direction have the same influence of charge crosstalk on distance measurement. be able to.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a distance image sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic plan view showing a part of an imaging region in the distance image sensor of FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional configuration along the line III-III in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional configuration along the line IV-IV in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional configuration along the line VV in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram showing a potential distribution in the vicinity of the second main surface of the semiconductor substrate.
  • FIG. 7 is a diagram showing a potential distribution in the vicinity of the second main surface of the semiconductor substrate.
  • FIG. 8 is a diagram showing a potential distribution in the vicinity of the second main surface of the semiconductor substrate.
  • FIG. 9 is a timing chart of various signals.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the entire imaging device.
  • FIG. 11 is a timing chart of various signals.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an overall configuration of the distance image measurement device.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining charge leakage in a conventional distance image sensor.
  • FIG. 14 is a schematic plan view showing pixels constituting an imaging region of a distance image sensor according to a modification.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a distance image sensor according to the present embodiment.
  • the distance image sensor RS is a line sensor having an array structure in which a plurality of distance sensors P 1 to P N (N is a natural number of 2 or more) are arranged in a one-dimensional direction A.
  • Each of the plurality of distance sensors P 1 to P N constitutes one pixel of the distance image sensor RS by one or two or more.
  • each of the plurality of distance sensors P 1 to P N constitutes one pixel of the distance image sensor RS.
  • FIG. 2 is a schematic plan view showing a part of an imaging region in the distance image sensor of FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional configuration along the line III-III in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional configuration along the line IV-IV in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional configuration along the line VV in FIG.
  • FIGS. 2 to 5 particularly show two adjacent distance sensors P n and P n + 1 (n is a natural number equal to or less than N ⁇ 1).
  • the distance image sensor RS is a surface incidence type distance image sensor, and includes a semiconductor substrate 1 having first and second main surfaces 1a and 1b facing each other.
  • the second main surface 1b is a light incident surface.
  • the distance image sensor RS includes a light shielding layer LI in front of the second main surface 1b which is a light incident surface.
  • An opening LIa is formed in the one-dimensional direction A in each of the regions corresponding to the plurality of distance sensors P 1 to P N in the light shielding layer LI.
  • the opening LIa has a rectangular shape. In the present embodiment, the opening LIa has a rectangular shape.
  • the light enters the semiconductor substrate 1 through the opening LIa of the light shielding layer LI. Therefore, the light receiving region is defined in the semiconductor substrate 1 by the opening LIa.
  • the light shielding layer LI is made of a metal such as aluminum, for example.
  • the semiconductor substrate 1 includes a p-type first semiconductor region 3 which is located on the first principal surface 1a side, p impurity concentration than the first semiconductor region 3 located on the lower and side second main surface 1b - type first Two semiconductor regions 5.
  • the semiconductor substrate 1 can be obtained, for example, by growing a p ⁇ type epitaxial layer having an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrate on the p type semiconductor substrate.
  • an insulating layer 7 is formed on the second main surface 1b (second semiconductor region 5) of the semiconductor substrate 1.
  • a plurality of distance sensors P 1 to P N are arranged in the one-dimensional direction A.
  • Each of the plurality of distance sensors P 1 to P N includes a photogate electrode PG, a first signal charge storage region FD1, a second signal charge storage region FD2, a third signal charge storage region FD3, and a fourth signal charge storage.
  • a region FD4 two first transfer electrodes TX1, two second transfer electrodes TX2, four unnecessary charge collection regions 11a to 11d, four third transfer electrodes TX3, a p-type well region W, It has.
  • the conductor 13 (see FIGS. 3 to 5) disposed on the first to fourth signal charge storage regions FD1 to FD4 is omitted.
  • the photogate electrode PG is disposed corresponding to the opening LIa.
  • the region corresponding to the photogate electrode PG in the semiconductor substrate 1 (second semiconductor region 5) (the region located below the photogate electrode PG in FIGS. 3 to 5) is a charge that generates charges in response to incident light. Functions as a generation area.
  • the photogate electrode PG also corresponds to the shape of the opening LIa and has a rectangular shape in plan view.
  • the photogate electrode PG has a rectangular shape like the opening LIa. That is, the photogate electrode PG includes first and second long sides L1 and L2 that are orthogonal to the one-dimensional direction A and face each other, and first and second short sides S1 that are parallel to the one-dimensional direction A and face each other. , S2 and a planar shape.
  • the photogate electrode PG has a first long side L1 on one side in the one-dimensional direction A and a second long side L2 on the other side in the one-dimensional direction A.
  • the first and second signal charge accumulation regions FD1 and FD2 are separated from the photogate electrode PG on the first long side L1 side (one side in the one-dimensional direction A) of the photogate electrode PG and orthogonal to the one-dimensional direction A. They are spaced apart from each other along the direction of the movement.
  • the third and fourth signal charge accumulation regions FD3 and FD4 are separated from the photogate electrode PG on the second long side L2 side (the other side in the one-dimensional direction A) of the photogate electrode PG and orthogonal to the one-dimensional direction A. They are spaced apart from each other along the direction of the movement.
  • the third signal charge accumulation region FD3 is arranged to face the first signal charge accumulation region FD1 across the photogate electrode PG in the one-dimensional direction A.
  • the fourth signal charge accumulation region FD4 is disposed to face the second signal charge accumulation region FD2 with the photogate electrode PG interposed therebetween in the one-dimensional direction A.
  • the first to fourth signal charge storage regions FD1 to FD4 are n-type semiconductor regions formed in the second semiconductor region 5 and having a high impurity concentration, and store charges generated in the charge generation region as signal charges.
  • the unnecessary charge collection regions 11a and 11b are separated from the photogate electrode PG on the first long side L1 side of the photogate electrode PG and are first and second signal charge accumulation regions along a direction orthogonal to the one-dimensional direction A. They are arranged opposite to each other with FD1 and FD2 interposed therebetween. Along the direction orthogonal to the one-dimensional direction A, the unnecessary charge collection region 11a is adjacent to the first signal charge storage region FD1, and the unnecessary charge collection region 11b is adjacent to the second signal charge storage region FD2.
  • the unnecessary charge collection regions 11c and 11d are separated from the photogate electrode PG on the second long side L2 side of the photogate electrode PG, and the third and fourth signal charge accumulation regions along the direction orthogonal to the one-dimensional direction A.
  • the FD3 and the FD4 are arranged opposite to each other.
  • the unnecessary charge collection region 11c is adjacent to the third signal charge storage region FD3
  • the unnecessary charge collection region 11d is adjacent to the fourth signal charge storage region FD4.
  • the unnecessary charge collection regions 11a and 11c are arranged to face each other across the photogate electrode PG in the one-dimensional direction A.
  • the unnecessary charge collection regions 11b and 11d are arranged to face each other with the photogate electrode PG interposed therebetween in the one-dimensional direction A.
  • the unnecessary charge collection regions 11a to 11d are n-type semiconductor regions formed in the second semiconductor region 5 and having a high impurity concentration, and collect the charges generated in the charge generation region as unnecessary charges.
  • the well region W surrounds the photogate electrode PG, the first and second transfer electrodes TX1 and TX2, and the first to fourth signal charge storage regions FD1 to FD4 when viewed from the direction orthogonal to the second main surface 1b.
  • the second semiconductor region 5 is formed.
  • the well region W overlaps with a part of each of the first to fourth signal charge accumulation regions FD1 to FD4 when viewed from the direction orthogonal to the second main surface 1b.
  • the outer edge of the well region W substantially coincides with the outer edges of the plurality of distance sensors P 1 to P N.
  • the well region W has the same conductivity type as that of the second semiconductor region 5 and has an impurity concentration higher than that of the second semiconductor region 5.
  • the well region W suppresses 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 signal charge storage regions FD1 to FD4. Thereby, crosstalk is suppressed.
  • the first and second signal charge accumulation regions FD1, FD2 and the unnecessary charge collection regions 11a, 11b are separated from each other along the direction orthogonal to the one-dimensional direction A on the first long side L1 side of the photogate electrode PG.
  • the third and fourth signal charge accumulation regions FD3, FD4 and the unnecessary charge collection regions 11c, 11d are separated from each other along the direction orthogonal to the one-dimensional direction A on the second long side L2 side of the photogate electrode PG.
  • the first to fourth signal charge accumulation regions FD1 to FD4 and the unnecessary charge collection regions 11a to 11d have a rectangular shape in plan view.
  • the first to fourth signal charge accumulation regions FD1 to FD4 and the unnecessary charge collection regions 11a to 11d have a square shape in plan view, and have the same shape.
  • One of the distance sensor P n and the distance sensor P n + 1 is arranged at an even number, and the other is arranged at an odd number. That is, in the distance image sensor RS, the distance sensor P n and the distance sensor P n + 1 are alternately arranged in the one-dimensional direction A.
  • the distance sensor P n and the distance sensor P n + 1 are arranged in the arrangement order of the first to fourth signal charge accumulation areas FD1 to FD4 and the unnecessary charge collection areas 11a to 11d, and the arrangement order of the first to third transfer electrodes TX1 to TX3. Differ only in the differences. That is, on the first long side L1 side of the photogate electrode PG, the distance sensor Pn includes an unnecessary charge collection region 11a, a first signal charge storage region FD1, a second signal charge storage region FD2, and an unnecessary charge collection region 11b.
  • the distance sensor P n + 1 is arranged in this order from the first short side S1 side, whereas the distance sensor P n + 1 is arranged in this order from the second short side S2 side.
  • the unnecessary charge collection region 11c, the third signal charge storage region FD3, the fourth signal charge storage region FD4, and the unnecessary charge collection region 11d are arranged in this order.
  • the distance sensor P n + 1 is arranged from the one short side S1 side, it is arranged from the second short side S2 side in this order.
  • the third transfer electrode TX3, the first transfer electrode TX1, the second transfer electrode TX2, and the third transfer electrode TX3 are in this order in the first short side.
  • the distance sensor P n + 1 is arranged from the side S1 side, it is arranged from the second short side S2 side in this order.
  • the third transfer electrode TX3, the second transfer electrode TX2, the first transfer electrode TX1, and the third transfer electrode TX3 are in this order in the first short side S1.
  • the distance sensor P n + 1 is arranged in this order from the second short side S2 side.
  • the distance between the sensor P n fourth signal charge storage region FD4 a distance sensor P n + 1 of the first signal charge accumulating region FD1 of are adjacent in one-dimensional direction A.
  • Distance sensor P n of the third signal charge storage region FD3 a distance sensor P n + 1 of the second signal charge accumulating region FD2 are adjacent in the one-dimensional direction A.
  • the first signal charge accumulation region FD1 and the fourth signal charge accumulation region FD4 are in the one-dimensional direction.
  • the second signal charge storage region FD2 and the third signal charge storage region FD3 are adjacent to each other in the one-dimensional direction A.
  • the impurity concentration is high means, for example, that the impurity concentration is about 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more, and “+” is attached to the conductivity type.
  • impurity concentration is low means, for example, about 10 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or less, and “ ⁇ ” is attached to the conductivity type.
  • the thickness / impurity concentration of each semiconductor region is as follows.
  • First semiconductor region 3 thickness 10 to 1000 ⁇ m / impurity concentration 1 ⁇ 10 12 to 10 19 cm ⁇ 3
  • Second semiconductor region 5 thickness 1 to 50 ⁇ m / impurity concentration 1 ⁇ 10 12 to 10 15 cm ⁇ 3
  • First to fourth signal charge accumulation regions FD1 to FD4, unnecessary charge collection regions 11a to 11d thickness 0.1 to 1 ⁇ m / impurity concentration 1 ⁇ 10 18 to 10 20 cm ⁇ 3
  • Well region W thickness 0.5 to 5 ⁇ m / impurity concentration 1 ⁇ 10 16 to 10 18 cm ⁇ 3
  • the semiconductor substrate 1 (first and second semiconductor regions 3 and 5) is supplied with a reference potential such as a ground potential via a back gate or a through electrode.
  • the first transfer electrode TX1 is disposed on the insulating layer 7 and between the first and fourth signal charge storage regions FD1, FD4 and the photogate electrode PG.
  • the first transfer electrode TX1 is disposed away from the first and fourth signal charge storage regions FD1, FD4 and the photogate electrode PG.
  • the first transfer electrode TX1 causes charges generated in the charge generation region in response to the first transfer signal S 1 (see FIG. 9) to flow into the first and fourth signal charge storage regions FD1 and FD4 as signal charges.
  • the second transfer electrode TX2 is disposed on the insulating layer 7 and between the second and third signal charge storage regions FD2, FD3 and the photogate electrode PG.
  • the second transfer electrode TX2 is disposed away from the second and third signal charge storage regions FD2, FD3 and the photogate electrode PG.
  • the second transfer electrode TX2 uses the charge generated in the charge generation region in response to the second transfer signal S 2 (see FIG. 9) having a phase different from that of the first transfer signal S 1 as the signal charge. It flows into the accumulation areas FD2, FD3.
  • the third transfer electrode TX3 is disposed on the insulating layer 7 and between the unnecessary charge collection regions 11a to 11d and the photogate electrode PG.
  • the third transfer electrode TX3 is disposed away from the unnecessary charge collection regions 11a to 11d and the photogate electrode PG.
  • the third transfer electrode TX3 uses the charge generated in the charge generation region according to the third transfer signal S 3 (see FIG. 9) having a phase different from that of the first transfer signal S 1 and the second transfer signal S 2 as an unnecessary charge. Unnecessary charge collection regions 11a to 11d are caused to flow.
  • the first to third transfer electrodes TX1 to TX3 are spaced apart from each other along the direction orthogonal to the one-dimensional direction A on the first long side L1 side and the second long side L2 side of the photogate electrode PG. Yes.
  • the first to third transfer electrodes TX1 to TX3 have a rectangular shape in plan view.
  • the first to third transfer electrodes TX1 to TX3 have a rectangular shape having a long side in a direction orthogonal to the one-dimensional direction A, and have the same shape.
  • the lengths of the long sides of the first to third transfer electrodes TX1 to TX3 are substantially equal to, for example, the length obtained by dividing the first long side L1 of the photogate electrode PG into four equal parts.
  • the insulating layer 7 is provided with a contact hole for exposing the surface of the second semiconductor region 5.
  • a conductor 13 for connecting the first to fourth signal charge accumulation regions FD1 to FD4 and the unnecessary charge collection regions 11a to 11d to the outside is disposed in the contact hole.
  • the semiconductor substrate is made of Si
  • the insulating layer 7 is made of SiO 2
  • photo gate electrode PG and the first to third transfer electrodes TX1-TX3 is made of polysilicon, these other materials may be used.
  • the second transfer signal S 2 of the phase applied to the first transfer signals S 1 and the phase of the second transfer electrode TX2 applied to the first transfer electrode TX1, are 180 degrees.
  • Light incident on each of the plurality of distance sensors P 1 to P N is converted into electric charges in the semiconductor substrate 1 (second semiconductor region 5).
  • a part of the charges generated in this way is a first transfer electrode according to a potential gradient formed by a voltage applied to the photogate electrode PG and the first and second transfer electrodes TX1, TX2 as a signal charge. It runs in the direction of TX1 or the second transfer electrode TX2, that is, the direction parallel to the first and second short sides S1, S2 of the photogate electrode PG.
  • An n-type semiconductor includes a positively ionized donor, has a positive potential, and attracts electrons.
  • a part of the charges generated by the incidence of light on each of the plurality of distance sensors P 1 to P N is formed as a potential by a voltage applied to the photogate electrode PG and the third transfer electrode TX3 as unnecessary charges. It travels in the direction of the third transfer electrode TX3 according to the gradient.
  • the potential below the third transfer electrode TX3 is greater than the potential of the semiconductor substrate 1 (second semiconductor region 5) below the photogate electrode PG relative to electrons.
  • the negative charge (electrons) is pulled down in the direction of the third transfer electrode TX3 and collected in the potential well formed by the unnecessary charge collection regions 11a to 11d.
  • a potential (for example, ground potential) lower than the positive potential is applied to the third transfer electrode TX3, a potential barrier is generated by the third transfer electrode TX3, and the charge generated in the semiconductor substrate 1 It is not drawn into 11d.
  • FIG. 6 is a diagram showing a potential distribution in the vicinity of the second main surface of the semiconductor substrate along the line III-III in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram showing a potential distribution in the vicinity of the second main surface of the semiconductor substrate along the line IV-IV in FIG.
  • FIG. 8 is a diagram showing a potential distribution in the vicinity of the second main surface of the semiconductor substrate along the line VV in FIG. 6 to 8, the downward direction is the positive direction of the potential.
  • FIGS. 6A, 6B, 7A, 7B, and 8A are diagrams for explaining a signal charge accumulation operation.
  • FIG. 6C, FIG. 7C, and FIG. 8B are diagrams for explaining an unnecessary charge discharging operation.
  • the potential ⁇ PG in the region immediately below the photogate electrode PG is the potential ( ⁇ TX1 , ⁇ TX2 , ⁇ TX3 ) in the region immediately below the adjacent first to third transfer electrodes TX1 to TX3 when no bias is applied. Is set higher than this reference potential.
  • the potential ⁇ PG of the charge generation region is higher than the potentials ⁇ TX1 , ⁇ TX2 , and ⁇ TX3 , and the potential distribution has a shape recessed downward in the drawing in the charge generation region.
  • the first transfer electrode TX1 When the first transfer signals S 1 of phase applied to the first transfer electrode TX1 is 0 degrees, the first transfer electrode TX1 is given positive potential.
  • the second transfer electrode TX2 is supplied with a reverse-phase potential, that is, a potential having a phase of 180 degrees (for example, a ground potential).
  • a potential between the potential applied to the first transfer electrode TX1 and the potential applied to the second transfer electrode TX2 is applied to the photogate electrode PG.
  • the negative charge e generated in the charge generation region is caused by the potential ⁇ TX1 of the semiconductor immediately below the first transfer electrode TX1 being the potential of the charge generation region. by falls below phi PG, it flows into the first signal charge storage region FD1 and the potential well of the fourth signal charge storage region FD4.
  • the second transfer electrode TX2 semiconductor potential phi TX2 immediately below is not lowered, the second signal charge accumulation region FD2 and the potential well of the third signal charge storage region FD3, charge does not flow into.
  • signal charges are collected and accumulated in the potential wells of the first signal charge accumulation region FD1 and the fourth signal charge accumulation region FD4.
  • the potential is recessed in the positive direction because the n-type impurity is added.
  • a potential between the potential applied to the first transfer electrode TX1 and the potential applied to the second transfer electrode TX2 is applied to the photogate electrode PG.
  • the negative charge e generated in the charge generation region is caused by the potential ⁇ TX2 of the semiconductor immediately below the second transfer electrode TX2 being the potential of the charge generation region. by falls below phi PG, it flows into the second signal charge storage region FD2 and the potential well of the third signal charge storage region FD3.
  • the semiconductor potential phi TX1 directly under the first transfer electrode TX1 is not lowered, the first signal charge accumulation region FD1 and the potential well of the fourth signal charge storage region FD4, charge does not flow into.
  • signal charges are collected and accumulated in the potential wells of the second signal charge accumulation region FD2 and the third signal charge accumulation region FD3.
  • signal charges are collected and accumulated in the potential wells of the first to fourth signal charge accumulation regions FD1 to FD4.
  • the signal charges accumulated in the potential wells of the first to fourth signal charge accumulation regions FD1 to FD4 are read out to the outside.
  • a ground potential is applied to the first and second transfer electrodes TX1, TX2. For this reason, as shown in FIGS. 6C and 7C, the potentials ⁇ TX1 and ⁇ TX2 of the semiconductor immediately below the first and second transfer electrodes TX1 and TX2 are not lowered, and the first to fourth signals Charges do not flow into the potential wells of the charge storage regions FD1 to FD4. On the other hand, a positive potential is applied to the third transfer electrode TX3. In this case, as shown in FIG.
  • the semiconductor potential phi TX3 immediately below the third transfer electrodes TX3 drops below the potential phi PG charge generation region
  • unnecessary charges are collected in the potential wells of the unnecessary charge collection regions 11a to 11d.
  • Unnecessary charges collected in the potential wells of the unnecessary charge collection regions 11a to 11d are discharged to the outside. That is, the unnecessary charge collection regions 11a to 11d also function as unnecessary charge discharge regions (unnecessary charge discharge drains).
  • the unnecessary charge collection regions 11a to 11d are connected to a fixed potential, for example.
  • FIG. 9 is a timing chart of various signals.
  • Intensity signal L P and the second transfer signal S 2 of overlapping portions to be applied to the second transfer electrode TX2 of the reflected light is the sum of the second and third signal charge storage region FD2, respectively accumulated amount of charges to FD3 It corresponds to the amount of charge Q 2 is.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the entire imaging device.
  • the imaging device IM includes a distance image sensor RS and a wiring board WB.
  • the distance image sensor RS is affixed to the wiring substrate WB via the adhesion region FL in a state where the first main surface 1a side of the semiconductor substrate 1 is opposed to the wiring substrate WB.
  • the adhesion region FL has an insulating adhesive or filler.
  • FIG. 11 is a timing chart of various actual signals.
  • the one-frame period TF includes a signal charge accumulation period (accumulation period) T acc and a signal charge read period (readout period) Tro . Focusing on one pixel, in the accumulation period T acc , a drive signal SD having a plurality of pulses is applied to the light source LS (see FIG. 12), and in synchronization therewith, the first and second transfer signals S 1 , S 2 is applied to the first and second transfer electrodes TX1, TX2 in opposite phases. Prior to the distance measurement, the reset signal reset is applied to the first to fourth signal charge accumulation regions FD1 to FD4, and the charges accumulated inside are discharged to the outside.
  • accumulation period T acc Focusing on one pixel, in the accumulation period T acc , a drive signal SD having a plurality of pulses is applied to the light source LS (see FIG. 12), and in synchronization therewith, the first and second transfer signals S 1 , S 2 is applied to the first and second transfer electrodes TX1, TX2 in opposite phases. Prior to the
  • the signal charges accumulated in the first to fourth signal charge accumulation regions FD1 to FD4 are read.
  • the third transfer signal S 3 is ON applied to the third transfer electrodes TX3, a positive potential is applied to the third transfer electrodes TX3, unnecessary charges in the potential wells of the unnecessary charge collection region 11a ⁇ 11d Collected.
  • FIG. 12 is a diagram showing an overall configuration of the distance image measuring apparatus.
  • the distance d to the object OJ is measured by a distance image measuring device.
  • the light source LS such as a laser beam irradiation apparatus and the LED drive signal S D is applied
  • the charge generation region of the intensity signal L P is the range image sensor RS of the reflecting light image reflected by the object OJ Is incident on.
  • the amount of electric charge collected in synchronization with the first and second transfer signals S 1, S 2 Q 1, Q 2 are output in synchronization with the drive signal S D calculation Input to circuit ART.
  • the distance d is calculated for each pixel as described above, and the calculation result is transferred to the control unit CONT.
  • the control unit CONT controls the drive circuit DRV that drives the light source LS, outputs the first to third transfer signals S 1 to S 3 , and displays the calculation result input from the calculation circuit ART on the display DSP. .
  • the operation and effect of the distance image sensor RS configured as described above will be described.
  • the operation and effect of the distance image sensor RS will be described in comparison with a conventional distance image sensor.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining charge leakage in a conventional distance image sensor.
  • each of the plurality of distance sensors R 1 to R N arranged in the one-dimensional direction includes the first signal charge accumulation region FD1 and the first transfer electrode on one side in the one-dimensional direction of the photogate electrode PG.
  • TX1 is provided, and the second signal charge storage region FD2 and the second transfer electrode TX2 are provided on the other side in the one-dimensional direction of the photogate electrode PG. That is, the plurality of distance sensors R 1 to R N are arranged one-dimensionally in the charge distribution direction. In the two adjacent distance sensors R n and R n + 1 , the first signal charge accumulation region FD1 and the second signal charge accumulation region FD2 are adjacent in a one-dimensional direction.
  • the conventional distance image sensor further includes a p-type well region W.
  • the well region W surrounds the photogate electrode PG, the first and second transfer electrodes TX1 and TX2, and the first and second signal charge storage regions FD1 and FD2 when viewed from the direction orthogonal to the second main surface 1b.
  • the second semiconductor region 5 is formed.
  • the well region W overlaps with a part of each of the first and second signal charge storage regions FD1, FD2 when viewed from the direction orthogonal to the second main surface 1b.
  • the outer edge of the well region W substantially coincides with the outer edges of the plurality of distance sensors R 1 to R N.
  • the first signal charge accumulation region FD1 is disposed on the distance sensor R n side, and the second signal charge accumulation region FD2 is disposed on the opposite side to the distance sensor R n . Therefore, if the distance sensor R n distance sensor R n + 1 to the charge leaks, leakage amount B% to the first signal charge storage region FD1, from leakage amount A% to the second signal charge storage region FD2 also grows.
  • the distance sensor R n + 1 light is incident, the distance sensor if R n + 1 distance sensor R n charge leaks from the distance sensor R n, the distance sensor R n + 1 side second signal charge accumulating region FD2 Therefore, the leakage amount D% into the second signal charge storage region FD2 is larger than the leakage amount C% into the first signal charge storage region FD1.
  • the distance to be measured should become distance sensor R n and the distance sensor R n + 1 and the same.
  • charges leak into each other in the distance sensors R n and R n + 1 so that the amount of charge accumulated in each of the first and second signal charge accumulation regions FD1 and FD2 is equal to the distance sensor R n and the distance. It differs from sensor R n + 1 . Therefore, the distance to be measured may be different between the distance sensor R n and the distance sensor R n + 1.
  • a plurality of distance sensors P 1 to P N are arranged in the one-dimensional direction A, and each of the plurality of distance sensors P 1 to P N is a photogate electrode PG.
  • the first and second signal charge accumulation regions FD1 and FD2 are provided on one side in the one-dimensional direction A, and the third and fourth signal charge accumulation regions FD3 and FD4 are provided on the other side of the photogate electrode PG.
  • the first and fourth signal charge storage regions FD1, FD4 accumulates the signal charges flowing in response to the first transfer signal S 1.
  • Second and third signal charge storage region FD2, FD3 accumulates the signal charges flowing in response to the second transfer signal S 2.
  • the first and fourth signal charge accumulation regions FD1 and FD4 that accumulate the signal charge that flows in response to the first transfer signal S 1 are primary charge generation regions. together are arranged on each sides of the original direction a, the second transfer signal second and third signal charge storage region FD2, FD3 accumulates the inflow signal charges in response to S 2 is one-dimensional direction of the charge generation region It is arranged on each side of A. For this reason, in each of the plurality of distance sensors P 1 to P N , the charge leaking from the other distance sensors is the first and fourth signal charge accumulations that accumulate the signal charge that flows in accordance with the first transfer signal S 1.
  • FD1 a region FD1, FD4, and the second transfer signal second and third signal charge storage region FD2, FD3 accumulates the inflow signal charges in response to S 2, balance is well distributed. Therefore, the influence of charge crosstalk on distance measurement is the same between distance sensors adjacent in the one-dimensional direction A.
  • the distance image sensor RS includes unnecessary charge collection regions 11a to 11d that collect charges generated in the charge generation region as unnecessary charges, and a third transfer signal S having a phase different from that of the first and second transfer signals S 1 and S 2. And a third transfer electrode TX3 that allows the charge generated in the charge generation region to flow into the unnecessary charge collection regions 11a to 11d as an unnecessary charge. For this reason, unnecessary charges can be discharged to the outside, so that the distance measurement accuracy can be improved.
  • the first and second transfer electrodes TX1 and TX2 are arranged to face each other across the photogate electrode PG in the one-dimensional direction A. That is, in each of the plurality of distance sensors P 1 to P N , the first and second transfer electrodes TX1 and TX2 are arranged without deviation in the direction orthogonal to the one-dimensional direction A. For this reason, even if light is incident only on a portion in the direction orthogonal to the one-dimensional direction A of the photogate electrode PG, and the amount of charge generated in the charge generation region is biased in the direction orthogonal to the one-dimensional direction A, The amount of charge distributed to the first and second transfer electrodes TX1 and TX2 is not easily biased. As a result, the accuracy of the measurement distance is improved.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the unnecessary charge collection regions 11a to 11d and the third transfer electrode TX3 are disposed on the first long side L1 side or the second long side L2 side of the photogate electrode PG. I can't.
  • FIG. 14 is a schematic plan view showing pixels constituting an imaging region of a distance image sensor according to a modification.
  • the distance image sensor RS according to the modification includes a plurality of distance sensors P 1 to P N that collect unnecessary charges on the first long side L1 side and the second long side L2 side.
  • the regions 11a to 11d one unnecessary charge collecting region 11e, 11f arranged on the first short side S1 side and the second short side S2 side, and the first long side L1 side and the second long side are provided.
  • the embodiment includes two third transfer electrodes TX3 arranged on the first short side S1 side and the second short side S2 side instead of the four third transfer electrodes TX3 arranged on the side L2 side. This is mainly different from the distance image sensor RS according to FIG.
  • the unnecessary charge collection region 11e is arranged on the first short side S1 side of the photogate electrode PG and is separated from the photogate electrode PG.
  • the unnecessary charge collection region 11f is arranged on the second short side S2 side of the photogate electrode PG and spaced from the photogate electrode PG. That is, the unnecessary charge collection regions 11e and 11f are arranged so as to sandwich the photogate electrode PG in a direction orthogonal to the one-dimensional direction A and to be separated from the photogate electrode PG.
  • the unnecessary charge collection regions 11e and 11f have a rectangular shape in plan view. Here, it has a rectangular shape, has the same shape, and has long sides parallel to the one-dimensional direction A.
  • the first to fourth signal charge accumulation regions FD1 to FD4 have a rectangular shape in plan view, have the same shape, and have long sides parallel to the direction orthogonal to the one-dimensional direction A.
  • the third transfer electrode TX3 is disposed between the unnecessary charge collection regions 11e and 11f and the photogate electrode PG, respectively.
  • the third transfer electrode TX3 is disposed away from the unnecessary charge collection regions 11e and 11f and the photogate electrode PG.
  • the third transfer electrode TX3 has a rectangular shape in plan view, and has the same shape and long sides parallel to the one-dimensional direction A.
  • the length of this long side is equal to the length of the first and second short sides S1, S2 of the photogate electrode PG, for example.
  • the lengths of the long sides of the first and second transfer electrodes TX1, TX2 are approximately equal to, for example, the lengths of the first and second long sides L1, L2 of the photogate electrode PG divided into two equal parts, respectively.
  • the unnecessary charge collection regions 11a to 11d and the third transfer electrode TX3 are arranged on the first long side L1 side and the second long side L2 side of the photogate electrode PG, and in addition, the first short side of the photogate electrode PG is arranged. Unnecessary charge collection regions 11e and 11f and a third transfer electrode TX3 may be further arranged on the side S1 side or the second short side S2 side.
  • the number of unnecessary charge collection regions is not limited to four or two and can be set as appropriate, and need not be provided.
  • the unnecessary charge collection region may be arranged, for example, between the first and second transfer electrodes TX1 and TX2, and may be appropriately arranged.
  • the distance image sensor RS is a line sensor in which each of the plurality of distance sensors P 1 to P N is arranged one-dimensionally, but may be arranged two-dimensionally. In this case, a two-dimensional image can be easily obtained. A two-dimensional image can also be obtained by rotating the line sensor or by scanning with two line sensors.
  • the distance image sensor RS is not limited to the surface incident type distance image sensor.
  • the distance image sensor RS may be a back-illuminated distance image sensor.
  • the charge generation region in which charge is generated in response to incident light may be configured by a photodiode (for example, an embedded photodiode).
  • the p-type and n-type conductivity types in the distance image sensor RS according to the present embodiment may be switched so as to be opposite to those described above.
  • the present invention can be used for a charge distribution type distance image sensor.
  • 11a to 11f Unnecessary charge collection region, A: One-dimensional direction, FD1: First signal charge storage region, FD2: Second signal charge storage region, FD3 ... Third signal charge storage region, FD4 ... Fourth signal charge storage region , P 1 to P N ... distance sensor, PG ... photogate electrode, RS ... distance image sensor, S 1 ... first transfer signal, S 2 ... second transfer signal, S 3 ... third transfer signal, TX1 ... first Transfer electrode, TX2 ... second transfer electrode, TX3 ... third transfer electrode.

Landscapes

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Abstract

　距離画像センサＲＳでは、複数の距離センサＰ１～ＰＮが一次元方向に配置されている。複数の距離センサＰ１～ＰＮは、フォトゲート電極ＰＧと、フォトゲート電極ＰＧの一方側に配置される第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２と、他方側に配置される第三及び第四信号電荷蓄積領域ＦＤ３，ＦＤ４と、第一転送信号Ｓ１に応じて電荷を第一及び第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ４に流入させる第一転送電極ＴＸ１と、第二転送信号Ｓ２に応じて電荷を第二及び第三信号電荷蓄積領域ＦＤ２，ＦＤ３に流入させる第二転送電極ＴＸ２と、を備えている。

Description

距離画像センサ
　本発明は、距離画像センサに関する。
　ＴＯＦ（Time-Of-Flight）型の距離画像センサが知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された距離画像センサは、一次元方向に配置された各距離センサが、矩形の電荷発生領域と、電荷発生領域の一組の対向する二辺に沿ってそれぞれ設けられた転送電極と、転送電極により転送された信号電荷をそれぞれ蓄積する信号電荷蓄積領域と、を備えて構成されている。
　この距離画像センサでは、転送電極が電荷発生領域に発生した電荷を信号電荷として位相の異なる転送信号に応じて各信号電荷蓄積領域に振り分ける。振り分けられた信号電荷は、対応する各信号電荷蓄積領域にそれぞれ蓄積される。各信号電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷は、蓄積された電荷量に対応した出力として読み出される。これらの出力の比率に基づいて、対象物までの距離が算出される。
国際公開第２００７／０２６７７９号パンフレット
　複数の距離センサが一次元方向に配置されている電荷振り分け型の距離画像センサでは、一次元方向で隣り合う距離センサ間で電荷のクロストーク（漏れ込み）が生じる場合、隣り合う距離センサ間で、距離計測に対する電荷のクロストークの影響が異なる懼れがある。距離計測に対する電荷のクロストークの影響が隣り合う距離センサ間で異なると、距離計測を適切に行うことが困難となる。
　本発明の一態様は、電荷振り分け型の距離画像センサであって、一次元方向で隣り合う距離センサ同士で距離計測に対する電荷のクロストークの影響が同様となる距離画像センサを提供することを目的とする。
　本発明者らは、電荷振り分け型の距離画像センサであって、一次元方向で隣り合う距離センサ同士で距離計測に対する電荷のクロストークの影響が同様となる距離画像センサについて、調査研究を行った。その結果、本発明者らは以下の事実を見出した。
　上記特許文献１に記載されるような距離画像センサでは、光が入射した距離センサ（以下、入射距離センサと称する）以外の他の距離センサでも信号が検出される場合がある。これは、入射距離センサの電荷発生領域で生成された電荷が、他の距離センサの各信号電荷蓄積領域に流入するクロストークが生じているためと考えられる。他の距離センサの各信号電荷蓄積領域へのクロストークの影響は、当該各信号電荷蓄積領域の配置によって異なる。特に、他の距離センサの各信号電荷蓄積領域の配置が、入射距離センサ側であるか否かによって大きく異なる。すなわち、他の距離センサにおいて光入射距離センサ側に配置される信号電荷蓄積領域では、クロストークの影響が大きくなり、光入射距離センサ側とは逆側に配置される信号電荷蓄積領域では、クロストークの影響が小さくなる。
　電荷振り分け型の距離センサでは、上記のように、各信号電荷蓄積領域の出力の比率に基づいて、対象物までの距離が算出される。このため、各信号電荷蓄積領域に対して、周りの距離センサからの電荷の漏れ込みがあると、算出される距離が変化する。例えば、光が入射された二つの距離センサの各信号電荷蓄積領域において、一方の位相の転送信号に応じて振り分けられる電荷量と、他方の位相に応じて振り分けられる電荷量とが同じとなる場合であっても、クロストークの影響が異なるために、測定距離が異なる場合がある。すなわち、二つの光入射距離センサにおいて、測定距離が同じとなるべき場合であっても、同じ位相の転送信号に応じて信号電荷を蓄積する各信号電荷蓄積領域同士の配置が、もう一方の光入射距離センサ側であるか否かで互いに異なる場合は、測定距離が距離センサによって異なり得る。
　本発明者らは、自らが見出したこれらの事実に着目して、一次元方向で隣り合う距離センサ同士で距離計測に対する電荷のクロストークの影響が同様となる構成について更に鋭意研究を行い、本発明を想到するに至った。
　本発明の一態様に係る距離画像センサは、複数の距離センサが一次元方向に配置されている距離画像センサであって、複数の距離センサそれぞれは、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、電荷発生領域の一次元方向の一方側に電荷発生領域から離間し且つ一次元方向と直交する方向に沿って互いに離間して配置され、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として蓄積する第一及び第二信号電荷蓄積領域と、電荷発生領域の一次元方向の他方側に電荷発生領域から離間し且つ一次元方向で電荷発生領域を挟んで第一信号電荷蓄積領域と対向して配置され、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として蓄積する第三信号電荷蓄積領域と、電荷発生領域の一次元方向の他方側に電荷発生領域から離間し且つ一次元方向で電荷発生領域を挟んで第二信号電荷蓄積領域と対向して配置され、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として蓄積する第四信号電荷蓄積領域と、第一及び第四信号電荷蓄積領域と電荷発生領域との間にそれぞれ配置され、第一転送信号に応じて電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第一及び第四信号電荷蓄積領域に流入させる二つの第一転送電極と、第二及び第三信号電荷蓄積領域と電荷発生領域との間にそれぞれ配置され、第一転送信号と位相が異なる第二転送信号に応じて電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第二及び第三信号電荷蓄積領域に流入させる二つの第二転送電極と、を備えており、一次元方向に隣り合ういずれの二つの距離センサにおいて、第一信号電荷蓄積領域と第四信号電荷蓄積領域とが一次元方向で隣り合うと共に、第二信号電荷蓄積領域と第三信号電荷蓄積領域とが一次元方向で隣り合っている。
　本態様では、複数の距離センサが一次元方向に配置されている。複数の距離センサそれぞれは、電荷発生領域の一次元方向の一方側に第一及び第二信号電荷蓄積領域を備えると共に、電荷発生領域の他方側に第三及び第四信号電荷蓄積領域を備えている。第一及び第四信号電荷蓄積領域は、第一転送信号に応じて流入される信号電荷を蓄積する。第二及び第三信号電荷蓄積領域は、第二転送信号に応じて流入される信号電荷を蓄積する。すなわち、複数の距離センサそれぞれにおいて、第一転送信号に応じて流入される信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積領域が、電荷発生領域の一次元方向の両側それぞれに配置されると共に、第二転送信号に応じて流入される信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積領域が、電荷発生領域の一次元方向の両側それぞれに配置されている。このため、複数の距離センサそれぞれにおいて、他の距離センサから漏れ込む電荷は、第一転送信号に応じて流入される信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積領域と、第二転送信号に応じて流入される信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積領域とにバランスよく分配される。したがって、一次元方向で隣り合う距離センサ同士で距離計測に対する電荷のクロストークの影響が同様となる。
　本態様では、電荷発生領域の一次元方向の一方側及び他方側に電荷発生領域から離間して配置され、電荷発生領域にて発生した電荷を不要電荷として収集する複数の不要電荷収集領域と、複数の不要電荷収集領域と電荷発生領域との間にそれぞれ配置され、第一及び第二転送信号と位相が異なる第三転送信号に応じて電荷発生領域にて発生した電荷を不要電荷として複数の不要電荷収集領域に流入させる複数の第三転送電極と、を更に備えていてもよい。この場合、不要電荷を外部に排出することができるので、距離の測定精度を向上させることが可能である。
　本態様では、一次元方向と直交する方向で電荷発生領域を挟み且つ電荷発生領域から離間して配置され、電荷発生領域にて発生した電荷を不要電荷として収集する複数の不要電荷収集領域と、複数の不要電荷収集領域と電荷発生領域との間にそれぞれ配置され、第一及び第二転送信号と位相が異なる第三転送信号に応じて電荷発生領域にて発生した電荷を不要電荷として複数の不要電荷収集領域に流入させる複数の第三転送電極と、を更に備えていてもよい。この場合、不要電荷を外部に排出することができるので、距離の測定精度を向上させることが可能である。
　本発明の上記一態様によれば、電荷振り分け型の距離画像センサであって、一次元方向で隣り合う距離センサ同士で距離計測に対する電荷のクロストークの影響が同様となる距離画像センサを提供することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る距離画像センサの構成図である。 図２は、図１の距離画像センサにおける撮像領域の一部を示す概略平面図である。 図３は、図２におけるIII－III線に沿った断面構成を示す図である。 図４は、図２におけるIV－IV線に沿った断面構成を示す図である。 図５は、図２におけるV－V線に沿った断面構成を示す図である。 図６は、半導体基板の第二主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 図７は、半導体基板の第二主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 図８は、半導体基板の第二主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 図９は、各種信号のタイミングチャートである。 図１０は、撮像デバイスの全体の断面図である。 図１１は、各種信号のタイミングチャートである。 図１２は、距離画像測定装置の全体構成を示す図である。 図１３は、従来の距離画像センサにおける電荷の漏れ込みについて説明する図である。 図１４は、変形例に係る距離画像センサの撮像領域を構成する画素を示す概略平面図である。
　以下、図面を参照しながら、本発明の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、本実施形態に係る距離画像センサの構成図である。
　距離画像センサＲＳは、複数の距離センサＰ１～ＰＮ（Ｎは２以上の自然数）が一次元方向Ａに配置されたアレイ構造を成すラインセンサである。複数の距離センサＰ１～ＰＮそれぞれは、一つ又は二つ以上ずつで距離画像センサＲＳの一画素を構成している。本実施形態では、複数の距離センサＰ１～ＰＮそれぞれは、一つで距離画像センサＲＳの一画素を構成している。
　図２は、図１の距離画像センサにおける撮像領域の一部を示す概略平面図である。図３は、図２におけるIII－III線に沿った断面構成を示す図である。図４は、図２におけるIV－IV線に沿った断面構成を示す図である。図５は、図２におけるV－V線に沿った断面構成を示す図である。図２～５では、特に、隣り合う二つの距離センサＰｎ，Ｐｎ＋１（ｎはＮ－１以下の自然数）について示す。
　距離画像センサＲＳは、表面入射型の距離画像センサであって、互いに対向する第一及び第二主面１ａ，１ｂを有する半導体基板１を備えている。第二主面１ｂは、光入射面である。距離画像センサＲＳは、光入射面である第二主面１ｂの前方に遮光層ＬＩを備えている。遮光層ＬＩには、複数の距離センサＰ１～ＰＮに対応する領域それぞれにおいて、一次元方向Ａに開口ＬＩａが形成されている。開口ＬＩａは、矩形状を呈している。本実施形態では、開口ＬＩａは、長方形状を呈している。光は、遮光層ＬＩの開口ＬＩａを通って、半導体基板１に入射する。したがって、開口ＬＩａにより、半導体基板１には、受光領域が規定される。遮光層ＬＩは、たとえば、アルミニウムなどの金属からなる。
　半導体基板１は、第一主面１ａ側に位置するｐ型の第一半導体領域３と、第一半導体領域３よりも不純物濃度が低く且つ第二主面１ｂ側に位置するｐ－型の第二半導体領域５と、からなる。半導体基板１は、例えば、ｐ型の半導体基板上に、当該半導体基板よりも不純物濃度が低いｐ－型のエピタキシャル層を成長させることにより得ることができる。半導体基板１の第二主面１ｂ（第二半導体領域５）上には、絶縁層７が形成されている。
　絶縁層７上には、複数の距離センサＰ１～ＰＮが一次元方向Ａに配置されている。複数の距離センサＰ１～ＰＮそれぞれは、フォトゲート電極ＰＧと、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１と、第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２と、第三信号電荷蓄積領域ＦＤ３と、第四信号電荷蓄積領域ＦＤ４と、二つの第一転送電極ＴＸ１と、二つの第二転送電極ＴＸ２と、四つの不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄと、四つの第三転送電極ＴＸ３と、ｐ型のウェル領域Ｗと、を備えている。なお、図２では、第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４上に配置されている導体１３（図３～図５参照）を省略して示す。
　フォトゲート電極ＰＧは、開口ＬＩａに対応して配置されている。半導体基板１（第二半導体領域５）におけるフォトゲート電極ＰＧに対応する領域（図３～図５において、フォトゲート電極ＰＧの下方に位置する領域）は、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域として機能する。フォトゲート電極ＰＧは、開口ＬＩａの形状にも対応し、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、開口ＬＩａと同様に長方形状を呈している。すなわち、フォトゲート電極ＰＧは、一次元方向Ａと直交し且つ互いに対向する第一及び第二長辺Ｌ１，Ｌ２と、一次元方向Ａと平行で且つ互いに対向する第一及び第二短辺Ｓ１，Ｓ２とを有する平面形状を有している。フォトゲート電極ＰＧは、一次元方向Ａの一方側に第一長辺Ｌ１、一次元方向Ａの他方側に第二長辺Ｌ２を有している。
　第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧの第一長辺Ｌ１側（一次元方向Ａの一方側）にフォトゲート電極ＰＧから離間し、且つ一次元方向Ａと直交する方向に沿って互いに離間して配置されている。第三及び第四信号電荷蓄積領域ＦＤ３，ＦＤ４は、フォトゲート電極ＰＧの第二長辺Ｌ２側（一次元方向Ａの他方側）にフォトゲート電極ＰＧから離間し、且つ一次元方向Ａと直交する方向に沿って互いに離間して配置されている。
　すなわち、第三信号電荷蓄積領域ＦＤ３は、一次元方向Ａでフォトゲート電極ＰＧを挟んで第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１と対向して配置されている。第四信号電荷蓄積領域ＦＤ４は、一次元方向Ａでフォトゲート電極ＰＧを挟んで第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２と対向して配置されている。第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４は、第二半導体領域５に形成された不純物濃度が高いｎ型の半導体領域であり、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として蓄積する。
　不要電荷収集領域１１ａ，１１ｂは、フォトゲート電極ＰＧの第一長辺Ｌ１側にフォトゲート電極ＰＧから離間し、且つ一次元方向Ａと直交する方向に沿って第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２を挟んで互いに対向して配置されている。一次元方向Ａと直交する方向に沿って、不要電荷収集領域１１ａは第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１と隣り合い、不要電荷収集領域１１ｂは第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２と隣り合う。
　不要電荷収集領域１１ｃ，１１ｄは、フォトゲート電極ＰＧの第二長辺Ｌ２側にフォトゲート電極ＰＧから離間し、且つ一次元方向Ａと直交する方向に沿って第三及び第四信号電荷蓄積領域ＦＤ３，ＦＤ４を挟んで互いに対向して配置されている。一次元方向Ａと直交する方向に沿って、不要電荷収集領域１１ｃは第三信号電荷蓄積領域ＦＤ３と隣り合い、不要電荷収集領域１１ｄは第四信号電荷蓄積領域ＦＤ４と隣り合う。不要電荷収集領域１１ａ，１１ｃは、一次元方向Ａでフォトゲート電極ＰＧを挟んで互いに対向して配置されている。不要電荷収集領域１１ｂ，１１ｄは、一次元方向Ａでフォトゲート電極ＰＧを挟んで互いに対向して配置されている。
　不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄは、第二半導体領域５に形成された不純物濃度が高いｎ型の半導体領域であり、電荷発生領域にて発生した電荷を不要電荷として収集する。
　ウェル領域Ｗは、第二主面１ｂに直交する方向から見て、フォトゲート電極ＰＧ、第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２、並びに第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４を囲むように第二半導体領域５に形成されている。ウェル領域Ｗは、第二主面１ｂに直交する方向から見て、第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４それぞれの一部と重なっている。ウェル領域Ｗの外縁は、複数の距離センサＰ１～ＰＮの外縁と略一致している。ウェル領域Ｗは、第二半導体領域５の導電型と同一の導電型であって、第二半導体領域５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Ｗ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、第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４から広がる空乏層との結合を抑制している。これにより、クロストークが抑制される。
　第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２並びに不要電荷収集領域１１ａ，１１ｂは、フォトゲート電極ＰＧの第一長辺Ｌ１側において、一次元方向Ａに直交する方向に沿って互いに離間して配置されている。第三及び第四信号電荷蓄積領域ＦＤ３，ＦＤ４並びに不要電荷収集領域１１ｃ，１１ｄは、フォトゲート電極ＰＧの第二長辺Ｌ２側において、一次元方向Ａに直交する方向に沿って互いに離間して配置されている。第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４及び不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄは、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４及び不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄは、平面視で正方形状を呈しており、互いに同形状を成している。
　距離センサＰｎ及び距離センサＰｎ＋１は、一方が偶数番目に配置され、他方が奇数番目に配置されている。すなわち、距離画像センサＲＳでは、距離センサＰｎ及び距離センサＰｎ＋１が一次元方向Ａに交互に配置されている。
　距離センサＰｎ及び距離センサＰｎ＋１は、第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４と不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄとの並び順、及び第一～第三転送電極ＴＸ１～ＴＸ３の並び順が異なる点のみで相違する。すなわち、フォトゲート電極ＰＧの第一長辺Ｌ１側において、距離センサＰｎでは、不要電荷収集領域１１ａ、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１、第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２、及び不要電荷収集領域１１ｂがこの順番で第一短辺Ｓ１側から配置されているのに対し、距離センサＰｎ＋１では、この順番で第二短辺Ｓ２側から配置されている。フォトゲート電極ＰＧの長辺Ｌ２側において、距離センサＰｎでは、不要電荷収集領域１１ｃ、第三信号電荷蓄積領域ＦＤ３、第四信号電荷蓄積領域ＦＤ４、及び不要電荷収集領域１１ｄがこの順番で第一短辺Ｓ１側から配置されているのに対し、距離センサＰｎ＋１では、この順番で第二短辺Ｓ２側から配置されている。
　フォトゲート電極ＰＧの第一長辺Ｌ１側において、距離センサＰｎでは、第三転送電極ＴＸ３、第一転送電極ＴＸ１、第二転送電極ＴＸ２、及び第三転送電極ＴＸ３がこの順番で第一短辺Ｓ１側から配置されているのに対し、距離センサＰｎ＋１では、この順番で第二短辺Ｓ２側から配置されている。フォトゲート電極ＰＧの長辺Ｌ２側において、距離センサＰｎでは、第三転送電極ＴＸ３、第二転送電極ＴＸ２、第一転送電極ＴＸ１、及び第三転送電極ＴＸ３がこの順番で第一短辺Ｓ１側から配置されているのに対し、距離センサＰｎ＋１では、この順番で第二短辺Ｓ２側から配置されている。
　距離センサＰｎの第四信号電荷蓄積領域ＦＤ４と距離センサＰｎ＋１の第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１とは、一次元方向Ａで隣り合っている。距離センサＰｎの第三信号電荷蓄積領域ＦＤ３と距離センサＰｎ＋１の第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２とは、一次元方向Ａで隣り合っている。このように、距離画像センサＲＳでは、一次元方向Ａで隣り合う二つの距離センサＰｎ及び距離センサＰｎ＋１において、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１と第四信号電荷蓄積領域ＦＤ４とが一次元方向Ａで隣り合うと共に、第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２と第三信号電荷蓄積領域ＦＤ３とが一次元方向Ａで隣り合っている。
　本実施形態では、「不純物濃度が高い」とは例えば不純物濃度が１×１０１７ｃｍ－３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示す。一方、「不純物濃度が低い」とは例えば１０×１０１５ｃｍ－３程度以下のことであって、「－」を導電型に付けて示す。
　各半導体領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
第一半導体領域３：厚さ１０～１０００μｍ／不純物濃度１×１０１２～１０１９ｃｍ－３
第二半導体領域５：厚さ１～５０μｍ／不純物濃度１×１０１２～１０１５ｃｍ－３
第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４、不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄ：厚さ０．１～１μｍ／不純物濃度１×１０１８～１０２０ｃｍ－３
ウェル領域Ｗ：厚さ０．５～５μｍ／不純物濃度１×１０１６～１０１８ｃｍ－３
　半導体基板１（第一及び第二半導体領域３，５）には、バックゲート又は貫通電極などを介してグラウンド電位などの基準電位が与えられる。
　第一転送電極ＴＸ１は、絶縁層７上であって、第一及び第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ４とフォトゲート電極ＰＧとの間にそれぞれ配置されている。第一転送電極ＴＸ１は、第一及び第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ４とフォトゲート電極ＰＧとからそれぞれ離れて配置されている。第一転送電極ＴＸ１は、第一転送信号Ｓ１（図９参照）に応じて電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第一及び第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ４に流入させる。
　第二転送電極ＴＸ２は、絶縁層７上であって、第二及び第三信号電荷蓄積領域ＦＤ２，ＦＤ３とフォトゲート電極ＰＧとの間にそれぞれ配置されている。第二転送電極ＴＸ２は、第二及び第三信号電荷蓄積領域ＦＤ２，ＦＤ３とフォトゲート電極ＰＧとからそれぞれ離れて配置されている。第二転送電極ＴＸ２は、第一転送信号Ｓ１と位相が異なる第二転送信号Ｓ２（図９参照）に応じて電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第二及び第三信号電荷蓄積領域ＦＤ２，ＦＤ３に流入させる。
　第三転送電極ＴＸ３は、絶縁層７上であって、不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄとフォトゲート電極ＰＧとの間にそれぞれ配置されている。第三転送電極ＴＸ３は、不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄとフォトゲート電極ＰＧとからそれぞれ離れて配置されている。第三転送電極ＴＸ３は、第一転送信号Ｓ１及び第二転送信号Ｓ２と位相が異なる第三転送信号Ｓ３（図９参照）に応じて電荷発生領域にて発生した電荷を不要電荷として不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄに流入させる。
　第一～第三転送電極ＴＸ１～ＴＸ３は、フォトゲート電極ＰＧの第一長辺Ｌ１側及び第二長辺Ｌ２側において、一次元方向Ａに直交する方向に沿って互いに離間して配置されている。第一～第三転送電極ＴＸ１～ＴＸ３は、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第一～第三転送電極ＴＸ１～ＴＸ３は、一次元方向Ａに直交する方向を長辺とする長方形状を呈し、互いに同形状を成している。第一～第三転送電極ＴＸ１～ＴＸ３の長辺の長さは、例えば、フォトゲート電極ＰＧの第一長辺Ｌ１を４等分した長さにほぼ等しい。
　絶縁層７には、第二半導体領域５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、第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４及び不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄを外部に接続するための導体１３が配置される。
　半導体基板はＳｉからなり、絶縁層７はＳｉＯ２からなり、フォトゲート電極ＰＧ及び第一～第三転送電極ＴＸ１～ＴＸ３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。
　第一転送電極ＴＸ１に印加される第一転送信号Ｓ１の位相と第二転送電極ＴＸ２に印加される第二転送信号Ｓ２の位相とは、１８０度ずれている。複数の距離センサＰ１～ＰＮそれぞれに入射した光は、半導体基板１（第二半導体領域５）内において電荷に変換される。このようにして発生した電荷のうち一部は、信号電荷として、フォトゲート電極ＰＧ並びに第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される電圧により形成されるポテンシャル勾配にしたがって、第一転送電極ＴＸ１又は第二転送電極ＴＸ２の方向、すなわちフォトゲート電極ＰＧの第一及び第二短辺Ｓ１，Ｓ２に平行な方向に走行する。
　第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に正電位を与えると、第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の下のポテンシャルがフォトゲート電極ＰＧの下の部分の半導体基板１（第二半導体領域５）のポテンシャルより電子に対して低くなり、負の電荷（電子）は、第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の方向に引き込まれ、第一～第四信号電荷蓄積領域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。第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に、上記正電位よりも低い電位（たとえば、グラウンド電位）を与えると、第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２によるポテンシャル障壁が生じ、半導体基板１で発生した電荷は、第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４には引き込まれない。
　複数の距離センサＰ１～ＰＮそれぞれに光が入射することにより発生した電荷のうち一部は、不要電荷として、フォトゲート電極ＰＧ及び第三転送電極ＴＸ３に印加される電圧により形成されるポテンシャル勾配にしたがって、第三転送電極ＴＸ３の方向に走行する。
　第三転送電極ＴＸ３に、正電位を与えると、第三転送電極ＴＸ３の下のポテンシャルが、フォトゲート電極ＰＧの下の部分の半導体基板１（第二半導体領域５）のポテンシャルより電子に対して低くなり、負の電荷（電子）は、第三転送電極ＴＸ３の方向に引き込まれ、不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄによって形成されるポテンシャル井戸内に収集される。第三転送電極ＴＸ３に、上記正電位よりも低い電位（たとえば、グラウンド電位）を与えると、第三転送電極ＴＸ３によるポテンシャル障壁が生じ、半導体基板１で発生した電荷は、不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄには引き込まれない。
　図６は、図２のIII－III線に沿った半導体基板の第二主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図７は、図２のIV－IV線に沿った半導体基板の第二主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図８は、図２のV－V線に沿った半導体基板の第二主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図６～８では、下向きがポテンシャルの正方向である。図６（ａ）、（ｂ）、図７（ａ）、（ｂ）、及び図８（ａ）は、信号電荷の蓄積動作を説明するための図である。図６（ｃ）、図７（ｃ）、及び図８（ｂ）は、不要電荷の排出動作を説明するための図である。
　図６～８には、第一転送電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１、第二転送電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ２、第三転送電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３、フォトゲート電極ＰＧの直下の電荷発生領域のポテンシャルφＰＧ、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１のポテンシャルφＦＤ１、第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２のポテンシャルφＦＤ２、第三信号電荷蓄積領域ＦＤ３のポテンシャルφＦＤ３、第四信号電荷蓄積領域ＦＤ４のポテンシャルφＦＤ４、不要電荷収集領域１１ａのポテンシャルφＯＦＤａ、不要電荷収集領域１１ｃのポテンシャルφＯＦＤｂ、不要電荷収集領域１１ｃのポテンシャルφＯＦＤｃ、及び不要電荷収集領域１１ｃのポテンシャルφＯＦＤｄが示されている。
　フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域）のポテンシャルφＰＧは、無バイアス時における隣接する第一～第三転送電極ＴＸ１～ＴＸ３直下の領域のポテンシャル（φＴＸ１，φＴＸ２，φＴＸ３）を基準電位とすると、この基準電位よりも高く設定されている。この電荷発生領域のポテンシャルφＰＧはポテンシャルφＴＸ１，φＴＸ２，φＴＸ３よりも高くなり、ポテンシャル分布は電荷発生領域において図面の下向きに凹んだ形状となる。
　図６（ａ）、（ｂ）、図７（ａ）、（ｂ）、及び図８（ａ）を参照して、信号電荷の蓄積動作を説明する。
　第一転送電極ＴＸ１に印加される第一転送信号Ｓ１の位相が０度のとき、第一転送電極ＴＸ１には正の電位が与えられる。第二転送電極ＴＸ２には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（たとえば、グラウンド電位）が与えられる。フォトゲート電極ＰＧには、第一転送電極ＴＸ１に与えられる電位と、第二転送電極ＴＸ２に与えられる電位との間の電位が与えられる。この場合、図６（ａ）及び図７（ａ）に示されるように、電荷発生領域で発生した負の電荷ｅは、第一転送電極ＴＸ１直下の半導体のポテンシャルφＴＸ１が電荷発生領域のポテンシャルφＰＧよりも下がることにより、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１及び第四信号電荷蓄積領域ＦＤ４のポテンシャル井戸内に流れ込む。
　一方、第二転送電極ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφＴＸ２は下がらず、第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２及び第三信号電荷蓄積領域ＦＤ３のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。これにより、信号電荷が第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１及び第四信号電荷蓄積領域ＦＤ４のポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４では、ｎ型の不純物が添加されているため、正方向にポテンシャルが凹んでいる。
　第二転送電極ＴＸ２に印加される第二転送信号Ｓ２の位相が０度のとき、第二転送電極ＴＸ２には正の電位が与えられ、第一転送電極ＴＸ１には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（たとえば、グラウンド電位）が与えられる。フォトゲート電極ＰＧには、第一転送電極ＴＸ１に与えられる電位と、第二転送電極ＴＸ２に与えられる電位との間の電位が与えられる。この場合、図６（ｂ）及び図７（ｂ）に示されるように、電荷発生領域で発生した負の電荷ｅは、第二転送電極ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφＴＸ２が電荷発生領域のポテンシャルφＰＧよりも下がることにより、第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２及び第三信号電荷蓄積領域ＦＤ３のポテンシャル井戸内に流れ込む。
　一方、第一転送電極ＴＸ１直下の半導体のポテンシャルφＴＸ１は下がらず、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１及び第四信号電荷蓄積領域ＦＤ４のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。これにより、信号電荷が第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２及び第三信号電荷蓄積領域ＦＤ３のポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。
　第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に位相が１８０度ずれた第一及び第二転送信号Ｓ１、Ｓ２が印加されている間、第三転送電極ＴＸ３にはグラウンド電位が与えられている。このため、図８（ａ）に示されるように、第三転送電極ＴＸ３直下の半導体のポテンシャルφＴＸ３は下がらず、不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄのポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。
　以上により、信号電荷が第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４のポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４のポテンシャル井戸に蓄積された信号電荷は、外部に読み出される。
　図６（ｃ）、図７（ｃ）、及び図８（ｂ）を参照して、不要電荷の排出動作を説明する。
　第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２には、グラウンド電位が与えられている。このため、図６（ｃ）及び図７（ｃ）に示されるように、第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφＴＸ１，φＴＸ２は下がらず、第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。一方、第三転送電極ＴＸ３には正の電位が与えられる。この場合、図８（ｂ）に示されるように、電荷発生領域で発生した負の電荷ｅは、第三転送電極ＴＸ３直下の半導体のポテンシャルφＴＸ３が電荷発生領域のポテンシャルφＰＧよりも下がることにより、不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄのポテンシャル井戸内に流れ込む。以上により、不要電荷が不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄのポテンシャル井戸に収集される。不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄのポテンシャル井戸に収集された不要電荷は、外部に排出される。すなわち、不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄは、不要電荷排出領域（不要電荷排出ドレイン）としても機能する。不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄは、たとえば固定電位に接続されている。
　図９は、各種信号のタイミングチャートである。
　後述の光源ＬＳ（図１２参照）の駆動信号ＳＤ、光源ＬＳから出射された光が対象物ＯＪ（図１２参照）に当たって撮像領域まで戻ってきたときの反射光の強度信号ＬＰ、第一転送電極ＴＸ１に印加される第一転送信号Ｓ１、及び、第二転送電極ＴＸ２に印加される第二転送信号Ｓ２が示されている。第一転送信号Ｓ１は、駆動信号ＳＤに同期しているので、反射光の強度信号ＬＰの第一転送信号Ｓ１に対する位相が、光の飛行時間であり、これは距離画像センサＲＳから対象物ＯＪまでの距離を示している。
　反射光の強度信号ＬＰと第一転送電極ＴＸ１に印加される第一転送信号Ｓ１との重なり合った部分が、第一及び第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ４にそれぞれ蓄積される電荷量の総和である電荷量Ｑ１に当たる。反射光の強度信号ＬＰと第二転送電極ＴＸ２に印加される第二転送信号Ｓ２の重なり合った部分が、第二及び第三信号電荷蓄積領域ＦＤ２，ＦＤ３にそれぞれ蓄積される電荷量の総和である電荷量Ｑ２に当たる。ここでは、第一及び第二転送信号Ｓ１，Ｓ２の印加時に、第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４で収集された電荷量Ｑ１，Ｑ２の比率を用いて、距離ｄ（図１２参照）を演算する。すなわち、駆動信号ＳＤの１つのパルス幅をＴＰとすると、距離ｄ＝（ｃ／２）×（ＴＰ×Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２））で与えられる。なお、ｃは光速である。
　図１０は、撮像デバイスの全体の断面図である。
　撮像デバイスＩＭは、距離画像センサＲＳと、配線基板ＷＢと、を備えている。距離画像センサＲＳは、半導体基板１の第一主面１ａ側を配線基板ＷＢに対向させた状態で、接着領域ＦＬを介して配線基板ＷＢに貼り付けられている。接着領域ＦＬは、絶縁性の接着剤やフィラーを有している。
　図１１は、実際の各種信号のタイミングチャートである。
　１フレームの期間ＴＦは、信号電荷を蓄積する期間（蓄積期間）Ｔａｃｃと、信号電荷を読み出す期間（読み出し期間）Ｔｒｏと、からなる。１つの画素に着目すると、蓄積期間Ｔａｃｃにおいて、複数のパルスを有する駆動信号ＳＤが光源ＬＳ（図１２参照）に印加され、これに同期して、第一及び第二転送信号Ｓ１，Ｓ２が互いに逆位相で第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される。なお、距離測定に先立って、リセット信号ｒｅｓｅｔが第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４に印加され、内部に蓄積された電荷が外部に排出される。本例では、リセット信号ｒｅｓｅｔが一瞬ＯＮし、続いてＯＦＦした後、複数の駆動信号ＳＤが逐次印加され、更に、これに同期して電荷転送が逐次的に行われ、第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４に信号電荷が積算して蓄積される。
　その後、読み出し期間Ｔｒｏにおいて、第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４内に蓄積された信号電荷が読み出される。このとき、第三転送電極ＴＸ３に印加される第三転送信号Ｓ３がＯＮして、第三転送電極ＴＸ３に正の電位が与えられ、不要電荷が不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄのポテンシャル井戸に収集される。
　図１２は、距離画像測定装置の全体構成を示す図である。
　対象物ＯＪまでの距離ｄは、距離画像測定装置によって測定される。上記のように、レーザ光照射装置及びＬＥＤなどの光源ＬＳには、駆動信号ＳＤが印加され、対象物ＯＪで反射された反射光像の強度信号ＬＰが距離画像センサＲＳの電荷発生領域に入射する。距離画像センサＲＳからは、画素毎に、第一及び第二転送信号Ｓ１，Ｓ２に同期して収集された電荷量Ｑ１，Ｑ２が出力され、駆動信号ＳＤに同期して演算回路ＡＲＴに入力される。演算回路ＡＲＴでは、上記のように画素毎に距離ｄを演算し、演算結果を制御部ＣＯＮＴに転送する。制御部ＣＯＮＴは、光源ＬＳを駆動する駆動回路ＤＲＶを制御すると共に、第一～第三転送信号Ｓ１～Ｓ３を出力し、演算回路ＡＲＴから入力された演算結果を表示器ＤＳＰに表示する。
　以上のように構成された距離画像センサＲＳの作用及び効果について説明する。ここでは、従来の距離画像センサと比較しながら、距離画像センサＲＳの作用及び効果について説明する。
　図１３は、従来の距離画像センサにおける電荷の漏れ込みについて説明する図である。
　従来の距離画像センサは、一次元方向に配置された複数の距離センサＲ１～ＲＮそれぞれが、フォトゲート電極ＰＧの一次元方向の一方側に第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１及び第一転送電極ＴＸ１を備えると共に、フォトゲート電極ＰＧの一次元方向の他方側に第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２及び第二転送電極ＴＸ２を備えている。すなわち、複数の距離センサＲ１～ＲＮは、電荷の振り分け方向に一次元に配置されている。隣り合う二つの距離センサＲｎ,Ｒｎ＋１において、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１と第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２とは一次元方向で隣り合っている。従来の距離画像センサは、ｐ型のウェル領域Ｗを更に備えている。ウェル領域Ｗは、第二主面１ｂに直交する方向から見て、フォトゲート電極ＰＧ、第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２、並びに第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２を囲むように第二半導体領域５に形成されている。ウェル領域Ｗは、第二主面１ｂに直交する方向から見て、第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２それぞれの一部と重なっている。ウェル領域Ｗの外縁は、複数の距離センサＲ１～ＲＮの外縁と略一致している。
　このような距離画像センサにおいて、例えば、距離センサＲｎに光が入射されると、距離センサＲｎでは入射光に応じて電荷が発生する。発生した電荷は、第一及び第二転送信号Ｓ１，Ｓ２にしたがって、距離センサＲｎの第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２へと振り分けられる。このとき電荷の一部が他の距離センサＲの第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２に漏れ込む。漏れ込み量は、他の距離センサＲにおける第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２の配置が、距離センサＲｎ側であるか否かによって大きく異なる。
　距離センサＲｎ＋１において、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１は、距離センサＲｎ側に配置されており、第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２は、距離センサＲｎとは逆側に配置されている。このため、距離センサＲｎから距離センサＲｎ＋１に電荷が漏れ込む場合、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１への漏れ込み量Ｂ％は，第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２への漏れ込み量Ａ％よりも大きくなる。同様に、距離センサＲｎ＋１に光が入射され、距離センサＲｎ＋１から距離センサＲｎに電荷が漏れ込む場合、距離センサＲｎにおいて、距離センサＲｎ＋１側には第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２が配置されているため、第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２への漏れ込み量Ｄ％は、第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１への漏れ込み量Ｃ％よりも大きくなる。
　距離センサＲｎ,Ｒｎ＋１において、第一転送電極ＴＸ１よって第一信号電荷蓄積領域ＦＤ１に振り分けられる電荷量と、第二転送電極ＴＸ２によって第二信号電荷蓄積領域ＦＤ２に振り分けられる電荷量との比が同じとなる場合、測定される距離は、距離センサＲｎと距離センサＲｎ＋１とで同じとなるべきである。しかしながら、上記したように、距離センサＲｎ,Ｒｎ＋１において互いに電荷が漏れ込み合うことにより、第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２それぞれに蓄積される電荷量は、距離センサＲｎと距離センサＲｎ＋１とで異なる。このため、測定される距離が、距離センサＲｎと距離センサＲｎ＋１とで異なる場合がある。
　これに対して、本実施形態に係る距離画像センサＲＳでは、複数の距離センサＰ１～ＰＮが一次元方向Ａに配置され、複数の距離センサＰ１～ＰＮそれぞれは、フォトゲート電極ＰＧの一次元方向Ａの一方側に第一及び第二信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２を備えると共に、フォトゲート電極ＰＧの他方側に第三及び第四信号電荷蓄積領域ＦＤ３，ＦＤ４を備えている。第一及び第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ４は、第一転送信号Ｓ１に応じて流入される信号電荷を蓄積する。第二及び第三信号電荷蓄積領域ＦＤ２，ＦＤ３は、第二転送信号Ｓ２に応じて流入される信号電荷を蓄積する。すなわち、複数の距離センサＰ１～ＰＮそれぞれにおいて、第一転送信号Ｓ１に応じて流入される信号電荷を蓄積する第一及び第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ４が、電荷発生領域の一次元方向Ａの両側それぞれに配置されると共に、第二転送信号Ｓ２に応じて流入される信号電荷を蓄積する第二及び第三信号電荷蓄積領域ＦＤ２，ＦＤ３が、電荷発生領域の一次元方向Ａの両側それぞれに配置されている。このため、複数の距離センサＰ１～ＰＮそれぞれにおいて、他の距離センサから漏れ込む電荷は、第一転送信号Ｓ１に応じて流入される信号電荷を蓄積する第一及び第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ４と、第二転送信号Ｓ２に応じて流入される信号電荷を蓄積する第二及び第三信号電荷蓄積領域ＦＤ２，ＦＤ３と、にバランスよく分配される。したがって、一次元方向Ａで隣り合う距離センサ同士で距離計測に対する電荷のクロストークの影響が同様となる。
　距離画像センサＲＳは、電荷発生領域にて発生した電荷を不要電荷として収集する不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄと、第一及び第二転送信号Ｓ１，Ｓ２と位相が異なる第三転送信号Ｓ３に応じて電荷発生領域にて発生した電荷を不要電荷として不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄに流入させる第三転送電極ＴＸ３と、を更に備えている。このため、不要電荷を外部に排出することができるので、距離の測定精度を向上させることが可能である。
　複数の距離センサＰ１～ＰＮそれぞれにおいて、第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２は、一次元方向Ａでフォトゲート電極ＰＧを挟んで互いに対向して配置されている。すなわち、複数の距離センサＰ１～ＰＮそれぞれにおいて、第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２は、一次元方向Ａに直交する方向において偏りなく配置されている。このため、仮にフォトゲート電極ＰＧの一次元方向Ａに直交する方向における一部分にのみ光が入射され、電荷発生領域内で発生する電荷量が一次元方向Ａに直交する方向において偏る場合でも、第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に振り分けられる電荷量には偏りが生じ難い。この結果、測定距離の精度が向上する。
　本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄ及び第三転送電極ＴＸ３が、フォトゲート電極ＰＧの第一長辺Ｌ１側又は第二長辺Ｌ２側に配置されているが、これに限られない。
　図１４は、変形例に係る距離画像センサの撮像領域を構成する画素を示す概略平面図である。
　同図に示されるように、変形例に係る距離画像センサＲＳは、複数の距離センサＰ１～ＰＮそれぞれが、第一長辺Ｌ１側及び第二長辺Ｌ２側に配置される不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄの代わりに、第一短辺Ｓ１側及び第二短辺Ｓ２側に配置される不要電荷収集領域１１ｅ，１１ｆを１つずつ備える点と、第一長辺Ｌ１側及び第二長辺Ｌ２側に配置される四つの第三転送電極ＴＸ３の代わりに、第一短辺Ｓ１側及び第二短辺Ｓ２側に配置される二つの第三転送電極ＴＸ３を備える点とで、実施形態に係る距離画像センサＲＳと主に相違している。
　不要電荷収集領域１１ｅは、フォトゲート電極ＰＧの第一短辺Ｓ１側に、フォトゲート電極ＰＧから離間して配置されている。不要電荷収集領域１１ｆは、フォトゲート電極ＰＧの第二短辺Ｓ２側に、フォトゲート電極ＰＧから離間して配置されている。すなわち、不要電荷収集領域１１ｅ，１１ｆは、一次元方向Ａに直交する方向でフォトゲート電極ＰＧを挟み且つフォトゲート電極ＰＧから離間して配置されている。不要電荷収集領域１１ｅ，１１ｆは、平面視で矩形状を呈している。ここでは、長方形状を呈し、互いに同形状で、一次元方向Ａに平行な長辺を有している。第一～第四信号電荷蓄積領域ＦＤ１～ＦＤ４は、平面視で長方形状を呈しており、互いに同形状で、一次元方向Ａに直交する方向に平行な長辺を有している。
　第三転送電極ＴＸ３は、不要電荷収集領域１１ｅ，１１ｆとフォトゲート電極ＰＧとの間にそれぞれ配置されている。第三転送電極ＴＸ３は、不要電荷収集領域１１ｅ，１１ｆとフォトゲート電極ＰＧとからそれぞれ離れて配置されている。ここでは、第三転送電極ＴＸ３は、平面視で長方形状を呈しており、互いに同形状で、一次元方向Ａに平行な長辺を有している。この長辺の長さは、例えば、フォトゲート電極ＰＧの第一及び第二短辺Ｓ１，Ｓ２の長さにそれぞれ等しい。第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の長辺の長さは、例えば、フォトゲート電極ＰＧの第一及び第二長辺Ｌ１，Ｌ２の長さをそれぞれ２等分した長さにほぼ等しい。
　このような構成の距離画像センサＲＳであっても、図２の距離画像センサＲＳと同様の作用・効果を得ることができる。なお、フォトゲート電極ＰＧの第一長辺Ｌ１側及び第二長辺Ｌ２側に不要電荷収集領域１１ａ～１１ｄ及び第三転送電極ＴＸ３が配置されるのに加え、フォトゲート電極ＰＧの第一短辺Ｓ１側又は第二短辺Ｓ２側に不要電荷収集領域１１ｅ，１１ｆ及び第三転送電極ＴＸ３が更に配置されてもよい。
　不要電荷収集領域の数は四つ又は二つに限られず適宜設定することができ、備えなくてもよい。不要電荷収集領域の配置は、例えば、第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の間としてもよく、適宜配置することができる。
　距離画像センサＲＳは、複数の距離センサＰ１～ＰＮそれぞれが一次元に配置されたラインセンサであるが、二次元に配置してもよい。この場合、二次元画像を容易に得ることができる。なお、ラインセンサを回転させることによって、または、２つのラインセンサを用いて走査させることによっても二次元画像を得ることができる。
　距離画像センサＲＳは、表面入射型の距離画像センサに限られない。距離画像センサＲＳは、裏面入射型の距離画像センサであってもよい。
　入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域をフォトダイオード（たとえば、埋め込み型のフォトダイオードなど）により構成してもよい。
　本実施形態に係る距離画像センサＲＳにおけるｐ型およびｎ型の各導電型は、上述したものとは逆になるように入れ替えられていてもよい。
　本発明は、電荷振り分け型の距離画像センサに利用できる。
　１１ａ～１１ｆ…不要電荷収集領域、Ａ…一次元方向、ＦＤ１…第一信号電荷蓄積領域、ＦＤ２…第二信号電荷蓄積領域、ＦＤ３…第三信号電荷蓄積領域、ＦＤ４…第四信号電荷蓄積領域、Ｐ１～ＰＮ…距離センサ、ＰＧ…フォトゲート電極、ＲＳ…距離画像センサ、Ｓ１…第一転送信号、Ｓ２…第二転送信号、Ｓ３…第三転送信号、ＴＸ１…第一転送電極、ＴＸ２…第二転送電極、ＴＸ３…第三転送電極。

Claims (3)

  1. 　複数の距離センサが一次元方向に配置されている距離画像センサであって、
    　前記複数の距離センサそれぞれは、
    　入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、
    　前記電荷発生領域の前記一次元方向の一方側に前記電荷発生領域から離間し且つ前記一次元方向と直交する方向に沿って互いに離間して配置され、前記電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として蓄積する前記第一及び第二信号電荷蓄積領域と、
    　前記電荷発生領域の前記一次元方向の他方側に前記電荷発生領域から離間し且つ前記一次元方向で前記電荷発生領域を挟んで前記第一信号電荷蓄積領域と対向して配置され、前記電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として蓄積する第三信号電荷蓄積領域と、
    　前記電荷発生領域の前記一次元方向の他方側に前記電荷発生領域から離間し且つ前記一次元方向で前記電荷発生領域を挟んで前記第二信号電荷蓄積領域と対向して配置され、前記電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として蓄積する第四信号電荷蓄積領域と、
    　前記第一及び第四信号電荷蓄積領域と前記電荷発生領域との間にそれぞれ配置され、第一転送信号に応じて前記電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として前記第一及び第四信号電荷蓄積領域に流入させる二つの第一転送電極と、
    　前記第二及び第三信号電荷蓄積領域と前記電荷発生領域との間にそれぞれ配置され、前記第一転送信号と位相が異なる第二転送信号に応じて前記電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として前記第二及び前記第三信号電荷蓄積領域に流入させる二つの第二転送電極と、を備えており、
    　前記一次元方向に隣り合ういずれの二つの前記距離センサにおいて、前記第一信号電荷蓄積領域と前記第四信号電荷蓄積領域とが前記一次元方向で隣り合うと共に、前記第二信号電荷蓄積領域と前記第三信号電荷蓄積領域とが前記一次元方向で隣り合っている、距離画像センサ。
  2. 　前記電荷発生領域の前記一次元方向の一方側及び他方側に前記電荷発生領域から離間して配置され、前記電荷発生領域にて発生した電荷を不要電荷として収集する複数の不要電荷収集領域と、
    　前記複数の不要電荷収集領域と前記電荷発生領域との間にそれぞれ配置され、前記第一及び第二転送信号と位相が異なる第三転送信号に応じて前記電荷発生領域にて発生した電荷を不要電荷として前記複数の不要電荷収集領域に流入させる複数の第三転送電極と、を更に備えている、請求項１に記載の距離画像センサ。
  3. 　前記一次元方向と直交する方向で前記電荷発生領域を挟み且つ前記電荷発生領域から離間して配置され、前記電荷発生領域にて発生した電荷を不要電荷として収集する複数の不要電荷収集領域と、
    　前記複数の不要電荷収集領域と前記電荷発生領域との間にそれぞれ配置され、前記第一及び第二転送信号と位相が異なる第三転送信号に応じて前記電荷発生領域にて発生した電荷を不要電荷として前記複数の不要電荷収集領域に流入させる複数の第三転送電極と、を更に備えている、請求項１に記載の距離画像センサ。
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