WO2022201797A1 - センサ素子および測距システム - Google Patents

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WO2022201797A1
WO2022201797A1 PCT/JP2022/001897 JP2022001897W WO2022201797A1 WO 2022201797 A1 WO2022201797 A1 WO 2022201797A1 JP 2022001897 W JP2022001897 W JP 2022001897W WO 2022201797 A1 WO2022201797 A1 WO 2022201797A1
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well
semiconductor substrate
sensor element
pixel
region
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PCT/JP2022/001897
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睦 岡崎
翔平 島田
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ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社
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    • G—PHYSICS
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures

Definitions

  • the present disclosure relates to a sensor element and a distance measuring system, and more particularly to a sensor element and a distance measuring system that can be made smaller and more functional.
  • a range image sensor employs, for example, a pixel array in which pixels using SPAD (Single Photon Avalanche Diode) are arranged in a matrix.
  • SPAD Single Photon Avalanche Diode
  • avalanche amplification occurs when a single photon enters the high-field PN junction region under the applied voltage greater than the breakdown voltage. The distance can be measured with high accuracy by detecting the moment when the current flows at that time.
  • Patent Document 1 a high electric field region, an isolation region for separating adjacent pixels, and a hole accumulation region for trapping electrons on the sidewall of the isolation region are provided, and the hole accumulation region is electrically connected to the anode.
  • a connected photodetector is disclosed.
  • conventional ranging systems using SPADs have a laminated structure in which a sensor substrate provided with SPADs and a logic substrate provided with logic circuits are bonded together, and light is irradiated from the back side of the semiconductor substrate.
  • a back-illuminated sensor element is used.
  • the sensor element having such a device structure if the area of the sensor substrate is reduced as the pixel size is reduced in the future, the area of the logic substrate will also need to be reduced. In this case, the number of transistors that can be formed on the logic board is limited, and as a result, there is concern that the functions of the logic circuit will be reduced.
  • the function of the logic circuit is not reduced even if the pixel size is reduced, but the fill factor is limited. Become.
  • a sensor element includes a sensor substrate in which a SPAD is provided for each pixel on a semiconductor substrate, a logic substrate laminated on the sensor substrate and provided with a logic circuit, and a cathode voltage or an anode voltage of the SPAD. and a plurality of transistors used for outputting a signal according to the method, wherein at least some of the transistors of the plurality of transistors are provided in wells formed in the semiconductor substrate of the sensor substrate.
  • a distance measurement system includes a lighting device that emits irradiation light, and a sensor element that detects light reflected from the irradiation light, and the sensor element includes a SPAD provided on a semiconductor substrate for each pixel.
  • a sensor substrate stacked on the sensor substrate, a logic substrate provided with a logic circuit, and a plurality of transistors used for outputting signals according to the cathode voltage or the anode voltage of the SPAD; At least some of the transistors of are provided in wells formed in the semiconductor substrate of the sensor substrate.
  • a sensor substrate in which a SPAD is provided for each pixel on a semiconductor substrate and a logic substrate in which a logic circuit is provided are stacked to output a signal according to the cathode voltage or anode voltage of the SPAD. At least some of the plurality of transistors used for are provided in wells formed in the semiconductor substrate of the sensor substrate.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a planar layout of the sensor element of FIG. 1;
  • FIG. FIG. 2 is a diagram showing an example of a circuit diagram of the sensor element of FIG. 1;
  • FIG. It is a figure explaining operation
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of a planar layout of the sensor element of FIG. 5;
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of a circuit diagram of the sensor element of FIG. 5;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a configuration example of a third embodiment of a sensor element to which the present technology is applied;
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of a planar layout of the sensor element of FIG. 8;
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of a circuit diagram of the sensor element of FIG. 8;
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration example of a fourth embodiment of a sensor element to which the present technology is applied;
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of a planar layout of the sensor element of FIG. 11;
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of a circuit diagram of the sensor element of FIG. 11;
  • FIG. 21 is a cross-sectional view showing a configuration example of an eighth embodiment of a sensor element to which the present technology is applied;
  • FIG. 21 is a cross-sectional view showing a configuration example of an eighth embodiment of a sensor element to which the present technology is applied;
  • FIG. 22 is a diagram showing an example of a planar layout of the sensor elements of FIGS. 20 and 21;
  • FIG. FIG. 22 is a diagram showing an example of a circuit diagram of the sensor element of FIGS. 20 and 21;
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of an embodiment of a ranging system to which the present technology is applied;
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of use using an image sensor;
  • FIG. 1 A first embodiment of a sensor element to which the present technology is applied will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
  • FIG. 1 A first embodiment of a sensor element to which the present technology is applied will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
  • FIG. 1 A first embodiment of a sensor element to which the present technology is applied will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
  • FIG. 1 A first embodiment of a sensor element to which the present technology is applied will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
  • FIG. 1 shows an example of a cross-sectional configuration of the pixel 12 included in the sensor element 11 according to the first embodiment.
  • the cross-sectional configuration of the pixel 12 shown in FIG. 1 corresponds to the cross-section along arrows AA shown in the planar layout of FIG.
  • the sensor element 11 is laminated by joining a sensor substrate 13 provided with a SPAD 39 for each pixel 12 and a logic substrate 14 provided with a logic circuit at the joint surfaces shown by dashed lines. It has a two-layer structure.
  • the sensor substrate 13 is configured by laminating an on-chip lens layer 22 on the upper surface (rear surface) of a semiconductor substrate 21 and laminating a wiring layer 23 on the lower surface (front surface) of the semiconductor substrate 21 .
  • the logic substrate 14 is configured by laminating a wiring layer 25 on the upper surface of the semiconductor substrate 24 .
  • a microlens 26 is provided for each pixel 12 in the on-chip lens layer 22 .
  • the well layer 31 of the semiconductor substrate 21 of the pixel 12 is electrically isolated from the well layer 31 of the adjacent pixel 12 by the pixel isolation portion 32 , and the hole accumulation region 33 surrounds the side and top surfaces of the well layer 31 . provided and configured.
  • the hole accumulation region 33 is a p-type semiconductor region for accumulating holes.
  • An anode region 34 is provided which is a P-type region with a high impurity concentration.
  • the pixel 12 is provided with a P-well 35 as a p-type semiconductor region on the lower surface side of the semiconductor substrate 21, and an N-well 36 as an n-type semiconductor region so as to surround the side and upper surfaces of the P-well 35. provided and configured.
  • SPAD 39 is formed in the pn junction region of N-type multiplication region 37 and P-type multiplication region 38 provided so as to be stacked on the upper surface of N-well 36 .
  • the SPAD 39 is a photodiode (single-photon avalanche photodiode) whose cathode potential drops due to the current that flows when electrons generated in response to light incident on the pixel 12 are avalanche-amplified.
  • the pixel 12 is configured by providing an NMOS transistor 40 used for outputting a signal according to the cathode voltage of the SPAD 39 on the lower surface of the semiconductor substrate 21 within the region where the P-well 35 is formed.
  • a gate electrode 43 is provided so as to be stacked with respect to the semiconductor substrate 21 with an insulating film interposed between a source region 41 and a drain region 42 which are N-type regions provided for the P-well 35.
  • the pixel 12 is configured by providing a cathode region 44 having a higher n-type impurity concentration than the N well 36 on the lower surface side of the semiconductor substrate 21 corresponding to the region where the N well 36 is formed.
  • An isolation portion 45 is provided at the boundary between the P well 35 and the N well 36 and an isolation portion 46 is provided at the boundary between the well layer 31 and the N well 36 .
  • the isolation portions 45 and 46 are formed by, for example, embedding an insulating material such as an oxide film in trenches formed by shallowly carving the lower surface of the semiconductor substrate 21 .
  • the separation portion 45 separates the P well 35 and the N well 36 near the surface of the semiconductor substrate 21 .
  • the separating portion 46 separates the cathode region 44 provided near the surface of the semiconductor substrate 21 of the N-well 36 from the anode region 34 provided near the surface of the semiconductor substrate 21 along the outer periphery of the pixel 12 .
  • the separating portion 46 may be provided at any position as long as the anode region 34 and the cathode region 44 can be separated from each other, and is limited to the position of the boundary between the well layer 31 and the N well 36 as shown. no.
  • a plurality of metal wires 47 are arranged in the wiring layer 23, and electrical and mechanical connections are made by a plurality of Cu--Cu connecting portions 48 on the connection surfaces of the wiring layer 23 and the wiring layer 25.
  • the metal wiring 47a is provided to connect the anode regions 34 of the adjacent pixels 12, and is connected to the breakdown power supply (VBD) on the logic board 14 side via the Cu-Cu connection portion 48a.
  • a breakdown power supply is a power supply that provides a breakdown voltage at which avalanche multiplication begins.
  • the metal wiring 47b is provided between the gate electrode 43 of the NMOS transistor 40 and the Cu--Cu connection portion 48b, and a drive signal for driving the NMOS transistor 40 is supplied from the logic board 14.
  • the metal wiring 47c is connected to the drain region 42 of the NMOS transistor 40, and is connected to the logic board 14 via the Cu--Cu connection 48c as shown in FIG.
  • the metal wiring 47d is connected to the source region 41 of the NMOS transistor 40, and is connected to the VSS power supply as shown in FIG. 2 which will be described later.
  • FIG. 2 shows an example of a planar layout of four pixels 12-1 to 12-4 included in the sensor element 11 of the first embodiment. As shown in FIG. 2, the pixels 12-1 to 12-4 have the same configuration, and are simply referred to as pixels 12 when there is no need to distinguish between them.
  • the sensor element 11 is configured such that a P-well 35 is formed for each pixel 12 and an NMOS transistor 40 is provided within the P-well 35 .
  • the separation portion 45 separates the P well 35 from the cathode region 44 provided so as to surround the outer periphery of the P well 35, and the cathode region 44 and the anode region 44 provided so as to surround the outer periphery of the well layer 31 are separated. 34 is separated by the separating portion 46 .
  • FIG. 12 An example of a circuit diagram of the pixel 12 is shown in FIG.
  • the pixel 12 is configured by connecting a SPAD 39, an NMOS transistor 40, a PMOS transistor 51 for quenching or recharging (Quench/Recharge), an NMOS transistor 52 for inactivating the SPAD 39, and an inverter 53.
  • the SPAD 39 and the NMOS transistor 40 are formed on the sensor substrate 13 as described with reference to FIGS.
  • the PMOS transistor 51 , the NMOS transistor 52 and the inverter 53 are formed on the logic board 14 , and the breakdown power supply and excess bias power supply (VEX) are also supplied from the logic board 14 to the sensor board 13 .
  • the excess bias power supply is a power supply that supplies an excess bias voltage exceeding the breakdown voltage. Therefore, the sensor substrate 13 and the logic substrate 14 are connected via the Cu--Cu connecting portions 48a to 48c.
  • the Cu-Cu connection 48a connects the anode of the SPAD 39 and the breakdown power supply.
  • the Cu-Cu connection portion 48b connects the gate of the NMOS transistor 40 to the logic substrate 14 side.
  • the Cu—Cu connection portion 48 c connects the cathode of the SPAD 39 and the drain of the NMOS transistor 40 to the input terminal of the inverter 53 .
  • the vertical axis indicates the cathode potential of the SPAD 39
  • the horizontal axis indicates the passage of time.
  • the anode of SPAD 39 is connected to a breakdown power supply for applying a reverse voltage greater than the breakdown voltage of SPAD 39, and the cathode of SPAD 39 is supplied with an excess bias voltage power supply via PMOS transistor 51. There is Then, when a photon is incident on the SPAD 39, avalanche amplification occurs, and current flows through the SPAD 39 at that timing, causing a voltage drop. By monitoring the potential fluctuation when the SPAD 39 undergoes the avalanche reaction in this way, the sensor element 11 can detect the incidence of photons for each pixel 12 .
  • the sensor element 11 is configured as described above, and by providing a configuration in which the NMOS transistor 40 is provided on the sensor substrate 13 side, further miniaturization and higher functionality can be achieved. For example, even if the chip size of the sensor element 11 is reduced by shrinking the pixel size, the area occupied by the transistor on the logic board 14 can be reduced by the amount of the NMOS transistor 40 provided on the sensor substrate 13 side. As a result, it is possible to avoid reduction in the functions of the logic circuit provided on the logic substrate 14, and as a result, it is possible to realize a compact sensor element 11 with high performance.
  • the sensor element 11 is configured such that the separating portion 45 separates the P-well 35 and the N-well 36 in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate 21, and the separating portion 46 separates the anode region 34 and the cathode region 44. , the pressure resistance can be further improved. As a result, it is possible to improve the performance of the sensor element 11 .
  • FIG. 5 to 7 A second embodiment of a sensor element to which the present technology is applied will be described with reference to FIGS. 5 to 7.
  • FIG. 5 to 7 the same reference numerals are assigned to the configurations common to the sensor element 11 and the pixel 12 shown in FIGS. 1 to 3, respectively, and detailed description thereof will be omitted. .
  • FIG. 5 shows an example of a cross-sectional configuration of a pixel 12A included in a sensor element 11A according to the second embodiment.
  • the cross-sectional configuration of the pixel 12A shown in FIG. 5 corresponds to the cross-section taken along arrows AA shown in the planar layout of FIG.
  • the pixel 12A differs from the pixel 12 in FIG. 1 in that it has a PMOS transistor 61 provided on the lower surface of the semiconductor substrate 21 .
  • an N-well 62 which is an n-type semiconductor region, is provided on the lower surface side of the semiconductor substrate 21 in order to provide the PMOS transistor 61 therein.
  • N well 62 is surrounded by P well 35 on the side and top surfaces, and isolation portion 63 is provided at the boundary between P well 35 and N well 62 . Separation portion 63 separates P well 35 and N well 62 near the surface of semiconductor substrate 21 .
  • Separators 45 and 46 are also provided, similar to the pixel 12 of FIG.
  • the PMOS transistor 61 is provided with a gate electrode 66 so as to be stacked on the semiconductor substrate 21 with an insulating film interposed between a source region 65 and a drain region 64 which are P-type regions provided for the N well 62 .
  • a metal wiring 47c is connected to the source region 65 of the PMOS transistor 61, and is connected to the logic substrate 14 via a Cu--Cu connecting portion 48c as shown in FIG.
  • a metal wiring 47d is connected to the drain region 64 of the PMOS transistor 61, which is connected to the VDD power supply as shown in FIG. 6, which will be described later.
  • the metal wiring 47e is connected to the VSS power supply as shown in FIG. 6 which will be described later.
  • FIG. 6 shows an example of a planar layout of four pixels 12A-1 to 12A-4 included in the sensor element 11A of the second embodiment. As shown in FIG. 6, the pixels 12A-1 to 12A-4 have the same configuration, and are simply referred to as the pixel 12A when there is no need to distinguish between them.
  • the sensor element 11A is configured such that an N well 62 is formed for each pixel 12A and a PMOS transistor 61 is provided in the N well 62. Further, the N-well 62 and the P-well 35 provided so as to surround the N-well 62 are separated by the separating portion 63 .
  • FIG. 7 shows an example of a circuit diagram of the pixel 12A.
  • the pixel 12A is configured by connecting a SPAD 39, a PMOS transistor 61, a PMOS transistor 51 for quenching or recharging, an NMOS transistor 52 for deactivating the SPAD 39, and an inverter 53.
  • the SPAD 39 and PMOS transistor 61 are formed on the sensor substrate 13 as described with reference to FIGS.
  • the PMOS transistor 51 , the NMOS transistor 52 and the inverter 53 are formed on the logic board 14 , and the breakdown power supply and excess bias power supply are also supplied from the logic board 14 to the sensor board 13 . Therefore, the sensor substrate 13 and the logic substrate 14 are connected via the Cu--Cu connecting portions 48a to 48c.
  • the Cu-Cu connection 48a connects the anode of the SPAD 39 and the breakdown power supply.
  • the Cu-Cu connection portion 48b connects the gate of the PMOS transistor 61 to the logic substrate 14 side.
  • the Cu—Cu connection portion 48 c connects the cathode of the SPAD 39 and the source of the PMOS transistor 61 to the input terminal of the inverter 53 .
  • the sensor element 11A is configured as described above, and by providing the PMOS transistor 61 on the sensor substrate 13 side of the pixel 12A, the sensor element 11 can be made smaller and more functional. be able to.
  • FIG. 8 to 10 A third embodiment of a sensor element to which the present technology is applied will be described with reference to FIGS. 8 to 10.
  • FIG. 8 to 10 the same reference numerals are assigned to the configurations common to the sensor element 11 and the pixel 12 in FIGS. 1 to 3, and detailed description thereof will be omitted. .
  • FIG. 8 shows an example of a cross-sectional configuration of a pixel 12B included in a sensor element 11B according to the third embodiment.
  • the cross-sectional configuration of the pixel 12B shown in FIG. 8 corresponds to the cross-section along arrows AA shown in the planar layout of FIG.
  • the pixel 12B differs from the pixel 12 in FIG. 1 in that a PMOS transistor 51 for quenching or recharging and an NMOS transistor 52 for inactivating the SPAD 39 are provided on the semiconductor substrate 21. It has become.
  • an NMOS transistor 52 is provided in the P-well 35, and an N-well 62 is provided in approximately half the area of the P-well 35 in order to provide the PMOS transistor 51 therein.
  • N well 62 is surrounded by P well 35 on the side and top surfaces, and isolation portion 63 is provided at the boundary between P well 35 and N well 62 . Separation portion 63 separates P well 35 and N well 62 near the surface of semiconductor substrate 21 .
  • Separators 45 and 46 are also provided, similar to the pixel 12 of FIG.
  • a gate electrode 66 is provided so as to be stacked with respect to the semiconductor substrate 21 with an insulating film interposed between a source region 65 and a drain region 64 which are P-type regions provided for the N well 62.
  • a gate electrode 43 is provided so as to be stacked on the semiconductor substrate 21 with an insulating film interposed between the source region 41 and the drain region 42 which are N-type regions provided for the P well 35.
  • FIG. 9 shows an example of a planar layout of four pixels 12B-1 to 12B-4 included in the sensor element 11B according to the third embodiment.
  • the pixels 12B-1 to 12B-4 are configured in the same manner, and are simply referred to as the pixel 12B when there is no need to distinguish between them.
  • a P-well 35 is formed for each pixel 12B, and an N-well 62 is formed in approximately half the region of the P-well 35.
  • the sensor element 11 B is configured such that the PMOS transistor 51 is provided in the N well 62 and the NMOS transistor 52 is provided in the P well 35 . Further, the N-well 62 and the P-well 35 provided so as to surround the N-well 62 are separated by the separating portion 63 .
  • a metal wiring 47c is connected to the drain region 64 of the PMOS transistor 51, and is connected to the VDD power supply.
  • a metal wiring 47e is connected to the source region 41 of the NMOS transistor 52, and is connected to the VSS power supply.
  • a metal wiring 47d is connected to the N well 62 and is connected to the VDD power supply.
  • FIG. 10 shows an example of a circuit diagram of the pixel 12B.
  • the pixel 12B is configured by connecting a SPAD 39, a PMOS transistor 51 for quenching or recharging, an NMOS transistor 52 for inactivating the SPAD 39, and an inverter 53.
  • the SPAD 39, PMOS transistor 51, and NMOS transistor 52 are formed on the sensor substrate 13 as described with reference to FIGS.
  • the inverter 53 is formed on the logic board 14 , and the breakdown power supply and excess bias power supply are also supplied from the logic board 14 to the sensor board 13 . Therefore, the sensor substrate 13 and the logic substrate 14 are connected via the Cu--Cu connecting portions 48a to 48d.
  • the Cu-Cu connection 48a connects the anode of the SPAD 39 and the breakdown power supply.
  • the Cu-Cu connection portion 48b connects the gate of the NMOS transistor 52 to the logic substrate 14 side.
  • the Cu—Cu connection portion 48 c connects the cathode of the SPAD 39 and the input terminal of the inverter 53 .
  • the Cu-Cu connection portion 48d connects the gate of the PMOS transistor 51 to the logic substrate 14 side.
  • the sensor element 11B is configured as described above, and by providing the PMOS transistor 51 and the NMOS transistor 52 on the sensor substrate 13 side of the pixel 12B, the sensor element 11B can be made smaller and higher in size similarly to the sensor element 11 described above. Functionalization can be achieved.
  • the arrangement of the PMOS transistor 51 and the NMOS transistor 52 and the layout of the metal wiring 47 are not limited to the arrangement and layout shown in FIG. or layout.
  • FIG. 11C and the pixel 12C shown in FIGS. 11 to 13 the same reference numerals are assigned to the configurations common to the sensor element 11 and the pixel 12, respectively, in FIGS. 1 to 3, and detailed description thereof will be omitted. .
  • FIG. 11 shows an example of a cross-sectional configuration of a pixel 12C included in a sensor element 11C according to the fourth embodiment.
  • the cross-sectional configuration of the pixel 12C shown in FIG. 11 corresponds to the cross-section taken along arrows AA illustrated in the planar layout of FIG.
  • the pixel 12C differs from the pixel 12 in FIG. 1 in that a PMOS transistor 51 for quenching or recharging and an NMOS transistor 52 for inactivating the SPAD 39 are provided on the semiconductor substrate 21. It has become. Furthermore, the pixel 12C differs from the pixel 12 in FIG. 1 in that the PMOS transistor 54 and the NMOS transistor 55 that constitute the inverter 53 are provided on the semiconductor substrate 21, as shown in FIG. 12 to be described later. It is configured.
  • an NMOS transistor 52 and an NMOS transistor 55 are provided in the P-well 35.
  • an N-well 62 is provided in approximately half the area of the P-well 35 in order to provide the PMOS transistor 51 and the PMOS transistor 54.
  • N well 62 is surrounded by P well 35 on the side and top surfaces, and isolation portion 63 is provided at the boundary between P well 35 and N well 62 . Separation portion 63 separates P well 35 and N well 62 near the surface of semiconductor substrate 21 .
  • Separators 45 and 46 are also provided, similar to the pixel 12 of FIG.
  • a gate electrode 66 is provided so as to be stacked with respect to the semiconductor substrate 21 with an insulating film interposed between a source region 65 and a drain region 64 which are P-type regions provided for the N well 62.
  • the PMOS transistor 54 is also configured similarly to the PMOS transistor 51 .
  • a gate electrode 43 is provided so as to be stacked on the semiconductor substrate 21 with an insulating film interposed between the source region 41 and the drain region 42 which are N-type regions provided for the P well 35.
  • the NMOS transistor 55 is configured similarly to the NMOS transistor 52 .
  • FIG. 12 shows an example of a planar layout of four pixels 12C-1 to 12C-4 included in the sensor element 11C according to the fourth embodiment.
  • the pixels 12C-1 to 12C-4 have the same configuration, and are simply referred to as the pixel 12C when there is no need to distinguish between them.
  • the sensor element 11C is configured such that a P-well 35 is formed for each pixel 12C, and an NMOS transistor 52 and an NMOS transistor 55 are provided for the P-well 35. Furthermore, the sensor element 11C is configured such that an N-well 62 is formed in a substantially half area of the P-well 35 and a PMOS transistor 51 and a PMOS transistor 54 are provided for the N-well 62 . Further, the N-well 62 and the P-well 35 provided so as to surround the N-well 62 are separated by the separating portion 63 .
  • a metal wiring 47f for supplying VDD power to the drain region 64 of the PMOS transistor 51 and the drain region of the PMOS transistor 54 and a metal wiring 47h for supplying VDD power to the N-well 62 are connected to the VSS power supply.
  • the layout is such that the connected metal wiring 47g is arranged. By arranging the metal wiring 47g in this way, it is possible to shield between the adjacent metal wiring 47f and the metal wiring 47h. That is, the metal wiring 47g is wiring for shielding.
  • FIG. 13 shows an example of a circuit diagram of the pixel 12C.
  • the pixel 12C is configured by connecting a SPAD 39, a PMOS transistor 51, an NMOS transistor 52, and a PMOS transistor 54 and an NMOS transistor 55 that constitute an inverter 53.
  • the PMOS transistor 51, the NMOS transistor 52, the PMOS transistor 54, and the NMOS transistor 55 are formed on the sensor substrate 13. Therefore, the sensor substrate 13 and the logic substrate 14 are connected via the Cu--Cu connecting portions 48a to 48d.
  • the Cu-Cu connection 48a connects the anode of the SPAD 39 and the breakdown power supply.
  • the Cu-Cu connection portion 48b connects the gate of the NMOS transistor 52 to the logic substrate 14 side.
  • the Cu-Cu connection portion 48c connects the output terminal of the inverter 53 to the logic board 14 side.
  • the Cu-Cu connection portion 48d connects the gate of the PMOS transistor 51 to the logic substrate 14 side.
  • the sensor element 11C is configured as described above, and by providing the PMOS transistor 51, the NMOS transistor 52, the PMOS transistor 54, and the NMOS transistor 55 on the sensor substrate 13 side of the pixel 12C, the above-described sensor element 11 Similarly, it is possible to achieve further miniaturization and higher functionality.
  • the arrangement of the PMOS transistor 51, the NMOS transistor 52, the PMOS transistor 54, and the NMOS transistor 55, the layout of the metal wiring 47, and the like are not limited to the arrangement and layout shown in FIG. Any arrangement or layout may be used as long as it realizes the wiring shown in the figure.
  • FIG. 14 and 15 A fifth embodiment of a sensor element to which the present technology is applied will be described with reference to FIGS. 14 and 15.
  • FIG. 14 and 15 the same reference numerals are assigned to the configurations common to the sensor element 11 and the pixel 12 shown in FIGS. 1 and 2, respectively, and detailed description thereof will be omitted.
  • the circuit diagram of the pixel 12D is the same as the circuit diagram of the pixel 12 shown in FIG.
  • FIG. 14 shows an example of a cross-sectional configuration of the pixel 12D included in the sensor element 11D according to the fifth embodiment.
  • the cross-sectional configuration of the pixel 12D shown in FIG. 14 corresponds to the cross-section taken along arrows AA illustrated in the planar layout of FIG.
  • FIG. 15 shows an example of a planar layout of four pixels 12D-1 to 12D-4. As shown in FIG. 15, the pixels 12D-1 to 12D-4 have the same configuration, and are simply referred to as the pixel 12D when there is no need to distinguish between them.
  • the pixel 12D has a pixel separating portion 32D formed in such a shape that an anode voltage can be applied from the back side of the semiconductor substrate 21, and an anode region 34D arranged on the back side of the semiconductor substrate 21. , has a configuration different from that of the pixel 12 in FIG.
  • the sensor element 11D configured in this way can improve the edge breakdown voltage compared to a configuration in which an anode voltage is applied from the surface side of the semiconductor substrate 21 (for example, the sensor element 11 in FIG. 1). Further, the sensor element 11D can be configured without the Cu--Cu connection portion 48a used to apply the anode voltage from the surface side of the semiconductor substrate 21.
  • FIG. 1 A configuration in which an anode voltage is applied from the surface side of the semiconductor substrate 21 (for example, the sensor element 11 in FIG. 1). Further, the sensor element 11D can be configured without the Cu--Cu connection portion 48a used to apply the anode voltage from the surface side of the semiconductor substrate 21.
  • the sensor element 11D is configured as described above, and by providing the NMOS transistor 40 on the sensor substrate 13 side, it is possible to achieve further miniaturization and higher functionality in the same manner as the sensor element 11 described above. .
  • FIG. 16 and 17 A sixth embodiment of a sensor element to which the present technology is applied will be described with reference to FIGS. 16 and 17.
  • FIG. 16 and 17 the same reference numerals are assigned to the configurations common to the sensor element 11 and the pixel 12 shown in FIGS. 1 and 2, respectively, and detailed description thereof will be omitted.
  • the circuit diagram of the pixel 12E is the same as the circuit diagram of the pixel 12 shown in FIG.
  • FIG. 16 shows an example of a cross-sectional configuration of the pixel 12E included in the sensor element 11E according to the sixth embodiment.
  • the cross-sectional configuration of the pixel 12E shown in FIG. 16 corresponds to the cross-section taken along arrows AA shown in the planar layout of FIG.
  • FIG. 17 shows an example of a planar layout of four pixels 12E-1 to 12E-4. As shown in FIG. 17, the pixels 12E-1 to 12E-4 have the same configuration, and are simply referred to as the pixel 12E when there is no need to distinguish between them.
  • the pixel 12E has a pixel separating portion 32E formed in a shape that allows an anode voltage to be applied from the back side of the semiconductor substrate 21, and an anode region 34E arranged on the back side of the semiconductor substrate 21. , has a configuration different from that of the pixel 12 in FIG.
  • the pixel 12E has a configuration different from that of the pixel 12 in FIG. 1 in that the hole accumulation region 33E is formed in a range deeper than a predetermined depth from the surface side of the semiconductor substrate 21 .
  • the hole accumulation region 33E may be formed in a range deeper than the position where the SPAD 39 is provided, and may be configured so as not to be provided on the side of the SPAD 39 .
  • the sensor element 11E configured in this manner applies an anode voltage from the surface side of the semiconductor substrate 21, and has a configuration in which a hole accumulation region 33 is provided on the side of the SPAD 39 (for example, the sensor element 11 in FIG. 1).
  • the guard ring can be secured more than this.
  • the sensor element 11E can improve the edge withstand voltage, for example.
  • the sensor element 11E can be configured without the Cu--Cu connection portion 48a used to apply the anode voltage from the surface side of the semiconductor substrate 21.
  • FIG. 18 A seventh embodiment of a sensor element to which the present technology is applied will be described with reference to FIGS. 18 and 19.
  • FIG. 18 and 19 the same reference numerals are assigned to the configurations common to the sensor element 11 and the pixel 12 shown in FIGS. 1 and 2, respectively, and detailed description thereof will be omitted.
  • the circuit diagram of the pixel 12F is the same as the circuit diagram of the pixel 12 shown in FIG.
  • FIG. 18 shows an example of a cross-sectional configuration of the pixel 12F included in the sensor element 11F according to the seventh embodiment.
  • the cross-sectional configuration of the pixel 12F shown in FIG. 18 corresponds to the cross-section taken along arrows AA illustrated in the planar layout of FIG.
  • FIG. 19 shows an example of a planar layout of four pixels 12F-1 to 12F-4. As shown in FIG. 19, the pixels 12F-1 to 12F-4 have the same configuration, and are simply referred to as the pixel 12F when there is no need to distinguish between them.
  • the pixel 12F has a pixel separating portion 32F formed in a shape that allows an anode voltage to be applied from the back side of the semiconductor substrate 21, and an anode region 34F is arranged on the back side of the semiconductor substrate 21. , has a configuration different from that of the pixel 12 in FIG.
  • the hole accumulation region 33F is formed in a range deeper than a predetermined depth from the surface side of the semiconductor substrate 21, and the insulating oxide film 71 is formed in a range shallower than the predetermined depth. It is different from the pixel 12 in FIG. 1 in that it is provided.
  • the hole accumulation region 33F is formed in a range deeper than the position where the SPAD 39 is provided, is not provided on the side of the SPAD 39, and is not provided with the hole accumulation region 33F on the side of the SPAD 39. It is possible to form a structure in which an oxide film 71 is formed on the .
  • the sensor element 11F configured in this manner applies an anode voltage from the surface side of the semiconductor substrate 21, and has a configuration in which a hole accumulation region 33 is provided on the side of the SPAD 39 (for example, the sensor element 11 in FIG. 1).
  • the guard ring can be secured more than this.
  • the sensor element 11F can further improve the edge withstand voltage, for example.
  • the sensor element 11F can be configured without the Cu--Cu connection portion 48a used to apply the anode voltage from the surface side of the semiconductor substrate 21.
  • FIG. 20 to 23 An eighth embodiment of a sensor element to which the present technology is applied will be described with reference to FIGS. 20 to 23.
  • FIG. 11G and the pixel 12G shown in FIGS. 20 to 23 the same reference numerals are assigned to the configurations common to the sensor element 11 and the pixel 12, respectively, in FIGS. 1 to 3, and detailed description thereof will be omitted. .
  • FIG. 20 and 21 show an example of a cross-sectional configuration of a pixel 12G included in a sensor element 11G according to the eighth embodiment.
  • the cross-sectional configuration of the pixel 12G shown in FIG. 20 corresponds to the cross-section along the arrow AA shown in the planar layout of FIG. 22, and the cross-sectional configuration of the pixel 12 shown in FIG. 21 is shown in FIG. corresponds to a cross-section along arrows BB.
  • FIG. 22 shows an example of a planar layout of four pixels 12G-1 to 12G-4 of the sensor element 11G.
  • FIG. 23 shows an example of a circuit diagram of the pixel 12G.
  • the pixel 12G-1 has a configuration in which a PMOS transistor 51 for quenching or recharging is provided on the semiconductor substrate 21, and the pixel 12G-2 has an NMOS transistor for deactivating the SPAD 39.
  • a transistor 52 is provided on the semiconductor substrate 21 .
  • the inverter 53 is composed of a PMOS transistor 54 and an NMOS transistor 55 .
  • the pixel 12G-3 has a configuration in which a PMOS transistor 54 forming an inverter 53 is provided on the semiconductor substrate 21, and the pixel 12G-4 has an NMOS transistor 55 forming an inverter 53. It is configured to be provided on the semiconductor substrate 21 .
  • the sensor element 11G has a configuration in which the PMOS transistor 51, the NMOS transistor 52, the PMOS transistor 54, and the NMOS transistor 55 are arranged for each of the four pixels 12G-1 to 12G-4.
  • an N-well 62-1 which is an n-type semiconductor region, is provided on the lower surface side of the semiconductor substrate 21 in order to provide the PMOS transistor 51 therein.
  • N-well 62-1 is surrounded by P-well 35-1 on its side and top surfaces, and separation portion 63-1 is provided at the boundary between P-well 35-1 and N-well 62-1.
  • the separation portion 63-1 separates the P-well 35-1 and the N-well 62-1 near the surface of the semiconductor substrate 21 from each other.
  • Separation portions 45-1 and 46-1 are also provided in the same manner as the pixel 12 of FIG.
  • a P well 35-2 which is a p-type semiconductor region, is provided on the lower surface side of the semiconductor substrate 21, and surrounds the side and upper surfaces of the P well 35-2.
  • an N-well 36-2 which is an n-type semiconductor region, is provided. Separation portions 45-2 and 46-2 are also provided as in the pixel 12 of FIG.
  • an N-well 62-3 which is an n-type semiconductor region, is provided on the lower surface side of the semiconductor substrate 21 in order to provide the PMOS transistor 54 therein.
  • the N-well 62-3 is surrounded by the P-well 35-3 on its side and top surfaces, and an isolation portion 63-3 is provided at the boundary between the P-well 35-3 and the N-well 62-3.
  • the separation portion 63-3 separates the P-well 35-3 and the N-well 62-3 near the surface of the semiconductor substrate 21 from each other.
  • Separation portions 45-3 and 46-3 are also provided, similar to the pixel 12 of FIG.
  • a P-well 35-4 which is a p-type semiconductor region, is provided on the lower surface side of the semiconductor substrate 21, and surrounds the side and upper surfaces of the P-well 35-4.
  • an N-well 36-4 which is an n-type semiconductor region, is provided. Separation portions 45-4 and 46-4 are also provided as in the pixel 12 of FIG.
  • a metal wiring 47d that supplies VDD power to the drain region 64-1 of the PMOS transistor 51 and the drain region 64-3 of the PMOS transistor 54, and VDD power to the N wells 62-1 and 62-3.
  • the layout is such that a metal wiring 47f connected to the VSS power supply is arranged between the metal wiring 47e. By arranging the metal wiring 47f in this way, it is possible to shield between the metal wiring 47d and the metal wiring 47e adjacent to each other.
  • the sensor element 11G is configured as described above, and by providing the PMOS transistor 51, the NMOS transistor 52, the PMOS transistor 54, and the NMOS transistor 55 on the sensor substrate 13 side of the pixel 12G, the above-described sensor element 11 Similarly, it is possible to achieve further miniaturization and higher functionality.
  • FIG. 23 shows an example of a circuit diagram of the pixels 12G-1 to 12G-4.
  • the pixels 12G-1 to 12G-4 include SPADs 39-1 to 39-4, a PMOS transistor 51 for quenching or recharging (Quench/Recharge), and an NMOS transistor 52 for inactivating the SPAD 39 for gating. , and a PMOS transistor 54 and an NMOS transistor 55 forming an inverter 53 are connected. As shown, the pixels 12G-1 through 12G-4 have a shared structure that shares a PMOS transistor 51, an NMOS transistor 52, and an inverter 53.
  • the PMOS transistor 51, the NMOS transistor 52, the PMOS transistor 54, and the NMOS transistor 55 are formed on the sensor substrate 13 as described with reference to FIGS. Therefore, the sensor substrate 13 and the logic substrate 14 are connected via the Cu--Cu connecting portions 48a to 48d.
  • the Cu-Cu connections 48a-1 to 48a-4 connect the anodes of the SPADs 39-1 to 39-4 and the breakdown VRLD power supply, respectively.
  • the Cu-Cu connection portion 48b connects the gate of the NMOS transistor 52 to the logic substrate 14 side.
  • the Cu-Cu connection portion 48c connects the output terminal of the inverter 53 to the logic board 14 side.
  • the Cu-Cu connection portion 48d connects the gate of the PMOS transistor 51 to the logic substrate 14 side.
  • the arrangement of the PMOS transistor 51, the NMOS transistor 52, the PMOS transistor 54, and the NMOS transistor 55 (assignment to the pixels 12G-1 to 12G-4), the layout of the metal wiring 47, and the like are as shown in FIG.
  • the layout is not limited as long as it realizes the wiring of the circuit diagram shown in FIG.
  • the present technology may be applied to a configuration (positive voltage application) in which a signal is output according to the anode voltage of the SPAD 39.
  • the sensor element 11 of each configuration example described above has a configuration in which the anode region and the cathode region are reversed.
  • the sensor element 11 of each embodiment as described above detects the distance in the depth direction to the subject for each pixel using the ToF method, and produces a distance image, which is an image composed of distance pixel signals based on the detected distance. It can be applied to a ranging system that takes an image.
  • FIG. 24 is a block diagram showing a configuration example of an embodiment of the ranging system 111 to which the present technology is applied.
  • the ranging system 111 includes an illumination device 121 and an imaging device 122.
  • the lighting device 121 includes a lighting control section 131 and a light source 132 .
  • the illumination control unit 131 controls the pattern in which the light source 132 emits light under the control of the control unit 142 of the imaging device 122 . Specifically, the illumination control unit 131 controls the pattern in which the light source 132 emits light according to the irradiation code included in the irradiation signal supplied from the control unit 142 .
  • the irradiation code consists of two values of 1 (High) and 0 (Low). 132 is turned off.
  • the light source 132 emits light in a predetermined wavelength range under the control of the lighting control section 131 .
  • the light source 132 consists of an infrared laser diode, for example.
  • the type of the light source 132 and the wavelength range of the irradiation light can be arbitrarily set according to the application of the distance measuring system 111 and the like.
  • the imaging device 122 is a device that receives light (irradiation light) emitted from the illumination device 121 and reflected by the subject 112, the subject 113, and the like.
  • the imaging device 122 includes an imaging unit 141 , a control unit 142 , a display unit 143 and a storage unit 144 .
  • the imaging unit 141 includes a lens 151, a light receiving element 152, and a signal processing circuit 153.
  • the lens 151 forms an image of incident light on the light receiving surface of the light receiving element 152 .
  • the configuration of the lens 151 is arbitrary, and for example, the lens 151 can be configured by a plurality of lens groups.
  • the sensor element 11 to which this technology is applied is applied to the light receiving element 152 .
  • the light receiving element 152 receives reflected light from the subject 112 , the subject 113 , etc. under the control of the control section 142 , and supplies the resulting pixel signal to the signal processing circuit 153 .
  • This pixel signal represents a digital count value obtained by counting the time from when the illumination device 121 irradiates the light until the light receiving element 152 receives the light.
  • a light emission timing signal indicating the timing at which the light source 132 emits light is also supplied from the control section 142 to the light receiving element 152 .
  • the signal processing circuit 153 processes pixel signals supplied from the light receiving element 152 under the control of the control unit 142 . For example, the signal processing circuit 153 detects the distance to the subject for each pixel based on the pixel signal supplied from the light receiving element 152, and generates a distance image showing the distance to the subject for each pixel. Specifically, the signal processing circuit 153 measures the time (count value) from when the light source 132 emits light to when each pixel of the light receiving element 152 receives light a plurality of times (for example, several thousand to several thousand) for each pixel. tens of thousands of times). The signal processing circuit 153 creates a histogram corresponding to the acquired times.
  • the signal processing circuit 153 determines the time until the light emitted from the light source 132 is reflected by the subject 112 or 113 and returns. Further, the signal processing circuit 153 performs an operation to obtain the distance to the object based on the determined time and speed of light. The signal processing circuit 153 supplies the generated distance image to the control section 142 .
  • the control unit 142 is composed of, for example, a control circuit such as an FPGA (Field Programmable Gate Array) or a DSP (Digital Signal Processor), a processor, or the like.
  • the controller 142 controls the illumination controller 131 and the light receiving element 152 .
  • the controller 142 supplies an irradiation signal to the illumination controller 131 and a light emission timing signal to the light receiving element 152 .
  • the light source 132 emits irradiation light according to the irradiation signal.
  • the light emission timing signal may be an irradiation signal supplied to the illumination control section 131 .
  • the control unit 142 supplies the distance image acquired from the imaging unit 141 to the display unit 143 and causes the display unit 143 to display it.
  • the control unit 142 causes the storage unit 144 to store the distance image acquired from the imaging unit 141 .
  • the control unit 142 outputs the distance image acquired from the imaging unit 141 to the outside.
  • the display unit 143 is, for example, a panel-type display device such as a liquid crystal display device or an organic EL (Electro Luminescence) display device.
  • a panel-type display device such as a liquid crystal display device or an organic EL (Electro Luminescence) display device.
  • the storage unit 144 can be configured by any storage device, storage medium, or the like, and stores distance images and the like.
  • the distance measuring system 111 configured in this manner can achieve, for example, further miniaturization and higher functionality.
  • FIG. 25 is a diagram showing a usage example using the image sensor (sensor element 11) described above.
  • the image sensor described above can be used in various cases for sensing light such as visible light, infrared light, ultraviolet light, and X-rays, for example, as follows.
  • ⁇ Devices that capture images for viewing purposes, such as digital cameras and mobile devices with camera functions.
  • Devices used for transportation such as in-vehicle sensors that capture images behind, around, and inside the vehicle, surveillance cameras that monitor running vehicles and roads, and ranging sensors that measure the distance between vehicles.
  • Devices used in home appliances such as TVs, refrigerators, air conditioners, etc., to take pictures and operate devices according to gestures ⁇ Endoscopes, devices that perform angiography by receiving infrared light, etc.
  • Equipment used for medical and healthcare purposes such as surveillance cameras for crime prevention and cameras for personal authentication
  • microscopes used for beauty such as microscopes used for beauty
  • Sports such as action cameras and wearable cameras for use in sports ⁇ Cameras, etc. for monitoring the condition of fields and crops , agricultural equipment
  • the sensor element wherein at least some of the transistors among the plurality of transistors are provided in a well formed in the semiconductor substrate of the sensor substrate.
  • the transistor provided on the sensor substrate is an NMOS (Negative-channel Metal-Oxide Semiconductor) transistor, A P-well is provided as the well on the surface side of the semiconductor substrate, An N-well is provided so as to surround the side and top surfaces of the P-well, and an N-type multiplication region and a P-type multiplication region forming the SPAD are arranged so as to be stacked on the N-well. ).
  • NMOS Negative-channel Metal-Oxide Semiconductor
  • the transistor provided on the sensor substrate is a PMOS (Positive-channel Metal-Oxide Semiconductor) transistor, A first N-well is provided as the well on the surface side of the semiconductor substrate, A P-well is provided to surround the side and top surfaces of the first N-well, and a second N-well is provided to surround the side and top surfaces of the P-well.
  • PMOS Positive-channel Metal-Oxide Semiconductor
  • the sensor element according to (1) above wherein the N-type multiplication region and the P-type multiplication region that constitute the SPAD are arranged so as to be stacked.
  • a first separation section separating the P-well and the second N-well in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate; One of the cathode region and the anode region provided in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate of the second N-well and the other of the anode region and the cathode region provided in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate along the outer periphery of the pixel are separated.
  • a second separation unit that The sensor element according to (4) above, further comprising: a third separation section that separates the P well and the first N well in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate.
  • the transistors provided on the sensor substrate are an NMOS transistor for deactivating the SPAD and a PMOS transistor for quenching or recharging;
  • a first N-well in which the PMOS transistor is arranged is provided on the surface side of the semiconductor substrate, and a P-well in which the NMOS transistor is arranged surrounds the side surface and the upper surface of the first N-well. is provided as
  • a second N-well is provided so as to surround the side and top surfaces of the P-well, and an N-type multiplication region and a P-type multiplication region forming the SPAD are stacked on the second N-well.
  • a first separation section separating the P-well and the second N-well in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate; One of the cathode region and the anode region provided in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate of the second N-well and the other of the anode region and the cathode region provided in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate along the outer periphery of the pixel are separated.
  • a second separation unit that The sensor element according to (6) above, further comprising: a third separation section that separates the P well and the first N well in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate.
  • the transistors provided on the sensor substrate include a first NMOS transistor for deactivating the SPAD, a first PMOS transistor for quenching or recharging, and a second NMOS transistor and a second NMOS transistor forming an inverter.
  • a first NMOS transistor for deactivating the SPAD a first PMOS transistor for quenching or recharging
  • a second NMOS transistor and a second NMOS transistor forming an inverter is a PMOS transistor
  • a first N-well in which the first PMOS transistor and the second PMOS transistor are arranged is provided on the surface side of the semiconductor substrate, and the first NMOS transistor and the second NMOS are provided.
  • a P-well in which a transistor is arranged is provided so as to surround side surfaces and an upper surface of the first N-well;
  • a second N-well is provided so as to surround the side and top surfaces of the P-well, and an N-type multiplication region and a P-type multiplication region forming the SPAD are stacked on the second N-well.
  • a first separation section separating the P-well and the second N-well in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate; One of the cathode region and the anode region provided in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate of the second N-well and the other of the anode region and the cathode region provided in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate along the outer periphery of the pixel are separated.
  • a second separation unit that The sensor element according to (8) above, further comprising: a third separation section that separates the P well and the first N well in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate.
  • a wiring for shielding is arranged between a wiring for supplying VDD power to the drain regions of the first PMOS transistor and the second PMOS transistor and a wiring for supplying VDD power to the first N-well.
  • (11) The sensor element according to any one of (1) to (10) above, wherein an anode region for applying an anode voltage to the pixel is arranged on the back surface side of the semiconductor substrate.
  • the sensor element according to (12) above wherein an insulating film is provided in a range shallower than a predetermined depth from the surface side of the semiconductor substrate so as to surround the side surface of the pixel.
  • the transistors provided on the sensor substrate include a first NMOS transistor for deactivating the SPAD, a first PMOS transistor for quenching or recharging, and a second NMOS transistor and a second NMOS transistor forming an inverter. is a PMOS transistor, The sensor element according to (1) above, wherein the first NMOS transistor, the first PMOS transistor, the second NMOS transistor, and the second PMOS transistor are individually arranged in the four pixels.
  • a lighting device that emits irradiation light; a sensor element that detects reflected light with respect to the irradiation light,
  • the sensor element is A sensor substrate in which a SPAD (Single Photon Avalanche Diode) is provided on a semiconductor substrate for each pixel; a logic substrate laminated on the sensor substrate and provided with a logic circuit; and a plurality of transistors used to output a signal according to the cathode voltage or anode voltage of the SPAD,
  • the distance measuring system wherein at least some of the transistors among the plurality of transistors are provided in a well formed in the semiconductor substrate of the sensor substrate.

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Abstract

本開示は、より小型化かつ高機能化を図ることができるようにするセンサ素子および測距システムに関する。 センサ素子は、SPADが画素ごとに半導体基板に設けられたセンサ基板と、センサ基板に積層され、ロジック回路が設けられたロジック基板と、SPADのカソード電圧またはアノード電圧に従った信号を出力するために用いられる複数のトランジスタとを備える。そして、複数のトランジスタのうちの少なくとも一部のトランジスタが、センサ基板の半導体基板に形成されたウェル内に設けられる。本技術は、例えば、ToF法を用いて測距を行う測距システムに適用できる。

Description

センサ素子および測距システム
　本開示は、センサ素子および測距システムに関し、特に、より小型化かつ高機能化を図ることができるようにしたセンサ素子および測距システムに関する。
　近年、ToF（Time-of-Flight）法により距離計測を行う距離画像センサが注目されている。距離画像センサでは、例えば、SPAD（Single Photon Avalanche Diode）を用いた画素を行列状に配置した画素アレイが採用される。SPADでは、降伏電圧よりも大きい電圧を印加した状態で、高電界のPN接合領域へ１個の光子が入ると、アバランシェ増幅が発生する。その際の瞬間的に電流が流れたタイミングを検出することで、高精度に距離を計測することができる。
　例えば、特許文献１には、高電界領域と、隣接する画素と分離するための分離領域と、分離領域の側壁に電子をトラップするホール蓄積領域とを備え、ホール蓄積領域がアノードと電気的に接続されている光検出器が開示されている。
国際公開第２０２０／０７４５３０号
　ところで、従来、SPADを利用した測距システムでは、SPADが設けられたセンサ基板とロジック回路が設けられたロジック基板とが貼り合された積層構造で、半導体基板の裏面側から光が照射される裏面照射型のセンサ素子が採用されている。このようなデバイス構造のセンサ素子では、将来的に、画素サイズを小さくするのに伴ってセンサ基板が小面積化された場合、ロジック基板も小面積とする必要がある。この場合、ロジック基板に形成可能なトランジスタの個数が制限されることになる結果、ロジック回路の機能が削減されることが懸念される。なお、画素とロジック回路とが同一の半導体基板に形成される平置き構造では、画素サイズを小さくしてもロジック回路の機能が削減されることがない一方で、フィルファクタが制限されることになる。
　そこで、積層構造のセンサ素子において、画素サイズを小さくしてもロジック回路の機能が削減されることを回避して、小型で高機能なセンサ素子を開発することが求められている。
　本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、より小型化かつ高機能化を図ることができるようにするものである。
　本開示の一側面のセンサ素子は、SPADが画素ごとに半導体基板に設けられたセンサ基板と、前記センサ基板に積層され、ロジック回路が設けられたロジック基板と、前記SPADのカソード電圧またはアノード電圧に従った信号を出力するために用いられる複数のトランジスタとを備え、複数の前記トランジスタのうちの少なくとも一部の前記トランジスタが、前記センサ基板の前記半導体基板に形成されたウェル内に設けられる。
　本開示の一側面の測距システムは、照射光を照射する照明装置と、前記照射光に対する反射光を検出するセンサ素子とを備え、前記センサ素子は、SPADが画素ごとに半導体基板に設けられたセンサ基板と、前記センサ基板に積層され、ロジック回路が設けられたロジック基板と、前記SPADのカソード電圧またはアノード電圧に従った信号を出力するために用いられる複数のトランジスタとを有し、複数の前記トランジスタのうち、少なくとも一部の前記トランジスタが前記センサ基板の前記半導体基板に形成されたウェル内に設けられる。
　本開示の一側面においては、SPADが画素ごとに半導体基板に設けられたセンサ基板とロジック回路が設けられたロジック基板とが積層され、SPADのカソード電圧またはアノード電圧に従った信号を出力するために用いられる複数のトランジスタのうちの少なくとも一部のトランジスタが、センサ基板の半導体基板に形成されたウェル内に設けられる。
本技術を適用したセンサ素子の第１の実施の形態の構成例を示す断面図である。 図１のセンサ素子の平面レイアウトの一例を示す図である。 図１のセンサ素子の回路図の一例を示す図である。 SPADの動作について説明する図である。 本技術を適用したセンサ素子の第２の実施の形態の構成例を示す断面図である。 図５のセンサ素子の平面レイアウトの一例を示す図である。 図５のセンサ素子の回路図の一例を示す図である。 本技術を適用したセンサ素子の第３の実施の形態の構成例を示す断面図である。 図８のセンサ素子の平面レイアウトの一例を示す図である。 図８のセンサ素子の回路図の一例を示す図である。 本技術を適用したセンサ素子の第４の実施の形態の構成例を示す断面図である。 図１１のセンサ素子の平面レイアウトの一例を示す図である。 図１１のセンサ素子の回路図の一例を示す図である。 本技術を適用したセンサ素子の第５の実施の形態の構成例を示す断面図である。 図１４のセンサ素子の平面レイアウトの一例を示す図である。 本技術を適用したセンサ素子の第６の実施の形態の構成例を示す断面図である。 図１６のセンサ素子の平面レイアウトの一例を示す図である。 本技術を適用したセンサ素子の第７の実施の形態の構成例を示す断面図である。 図１８のセンサ素子の平面レイアウトの一例を示す図である。 本技術を適用したセンサ素子の第８の実施の形態の構成例を示す断面図である。 本技術を適用したセンサ素子の第８の実施の形態の構成例を示す断面図である。 図２０および図２１のセンサ素子の平面レイアウトの一例を示す図である。 図２０および図２１のセンサ素子の回路図の一例を示す図である。 本技術を適用した測距システムの一実施の形態の構成例を示すブロック図である。 イメージセンサを使用する使用例を示す図である。
　以下、本技術を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
　＜センサ素子の第１の構成例＞
　図１乃至図４を参照して、本技術を適用したセンサ素子の第１の実施の形態について説明する。
　図１には、第１の実施の形態であるセンサ素子１１が有する画素１２の断面的な構成例の一例が示されている。図１に示す画素１２の断面構成は、図２の平面レイアウトに図示されている矢印Ａ－Ａに沿った断面に対応する。
　図１に示すように、センサ素子１１は、画素１２ごとにSPAD３９が設けられたセンサ基板１３とロジック回路が設けられたロジック基板１４とが、破線で図示する接合面において接合されることで積層された２層構造となっている。センサ基板１３は、半導体基板２１の上面（裏面）に対してオンチップレンズ層２２が積層されるとともに、半導体基板２１の下面（表面）に対して配線層２３が積層されて構成される。ロジック基板１４は、半導体基板２４の上面に対して配線層２５が積層されて構成される。オンチップレンズ層２２には、画素１２ごとにマイクロレンズ２６が設けられる。
　画素１２は、半導体基板２１のウェル層３１が画素分離部３２によって隣接する他の画素１２のウェル層３１と電気的に分離され、ウェル層３１の側面および上面を囲うようにホール蓄積領域３３が設けられて構成される。ホール蓄積領域３３は、ホールを蓄積するためのｐ型の半導体領域であり、ホール蓄積領域３３が形成される領域に対応する半導体基板２１の下面側には、ホール蓄積領域３３よりもｐ型の不純物濃度が高いＰ型領域であるアノード領域３４が設けられている。
　画素１２は、半導体基板２１の下面側に、ｐ型の半導体領域であるＰウェル３５が設けられるとともに、Ｐウェル３５の側面および上面を囲うように、ｎ型の半導体領域であるＮウェル３６が設けられて構成される。そして、画素１２では、Ｎウェル３６の上面に対して積層するように設けられるＮ型増倍領域３７およびＰ型増倍領域３８のｐｎ接合領域にSPAD３９が構成される。SPAD３９は、画素１２に光が入射したのに応じて発生する電子がアバランシェ増幅されることで流れる電流によってカソード電位が降下するフォトダイオード（単一光子アバランシェフォトダイオード）である。
　画素１２は、Ｐウェル３５が形成される領域内の半導体基板２１の下面に、SPAD３９のカソード電圧に従った信号を出力するために用いられるNMOSトランジスタ４０が設けられて構成される。NMOSトランジスタ４０は、Ｐウェル３５に対して設けられるＮ型領域であるソース領域４１およびドレイン領域４２の間に、半導体基板２１に対して絶縁膜を介して積層するようにゲート電極４３が設けられて構成される。
　画素１２は、Ｎウェル３６が形成される領域に対応する半導体基板２１の下面側に、Ｎウェル３６よりもｎ型の不純物濃度が高いカソード領域４４が設けられて構成される。また、Ｐウェル３５およびＮウェル３６の境界に分離部４５が設けられるとともに、ウェル層３１およびＮウェル３６の境界に分離部４６が設けられている。分離部４５および４６は、例えば、半導体基板２１の下面を浅く彫り込んで形成されるトレンチに、酸化膜などの絶縁物が埋め込まれて構成される。
　分離部４５は、半導体基板２１の表面近傍においてＰウェル３５とＮウェル３６とを分離する。分離部４６は、Ｎウェル３６の半導体基板２１の表面近傍に設けられるカソード領域４４と、画素１２の外周に沿って半導体基板２１の表面近傍に設けられるアノード領域３４とを分離する。なお、分離部４６は、アノード領域３４とカソード領域４４とを分離することができれば任意の位置に設けてもよく、図示するようなウェル層３１およびＮウェル３６の境界の位置に限定されることはない。
　配線層２３には、複数のメタル配線４７が配置されているとともに、配線層２３および配線層２５の接続面において、複数のCu-Cu接続部４８によって電気的および機械的な接続が行われる。
　例えば、メタル配線４７ａは、隣接する画素１２のアノード領域３４どうしを接続するように設けられ、Cu-Cu接続部４８ａを介してロジック基板１４側のブレークダウン電源（VBD）に接続されている。ブレークダウン電源は、アバランシェ増倍が始まるブレークダウン電圧を供給する電源である。メタル配線４７ｂは、NMOSトランジスタ４０のゲート電極４３とCu-Cu接続部４８ｂとの間に設けられ、NMOSトランジスタ４０を駆動するための駆動信号がロジック基板１４から供給される。メタル配線４７ｃは、NMOSトランジスタ４０のドレイン領域４２に接続されており、後述する図２に示すように、Cu-Cu接続部４８ｃを介してロジック基板１４に接続される。メタル配線４７ｄは、NMOSトランジスタ４０のソース領域４１に接続されており、後述する図２に示すように、VSS電源に接続されている。
　図２には、第１の実施の形態であるセンサ素子１１が有する４つの画素１２－１乃至１２－４の平面レイアウトの一例が示されている。なお、図２に示すように、画素１２－１乃至１２－４は、それぞれ同様に構成されており、それらを区別する必要がない場合には、単に画素１２と称する。
　例えば、センサ素子１１は、画素１２ごとにＰウェル３５を形成し、Ｐウェル３５内にNMOSトランジスタ４０が設けられるように構成される。また、Ｐウェル３５と、Ｐウェル３５の外周を囲うように設けられるカソード領域４４との間が分離部４５により分離され、カソード領域４４と、ウェル層３１の外周を囲うように設けられるアノード領域３４との間が分離部４６により分離される。
　図３には、画素１２の回路図の一例が示されている。
　画素１２は、SPAD３９、NMOSトランジスタ４０、クエンチまたはリチャージ（Quench/Recharge）用のPMOSトランジスタ５１、SPAD３９を非アクティブにするためのNMOSトランジスタ５２、およびインバータ５３が接続されて構成される。
　図１および図２を参照して説明したように、SPAD３９およびNMOSトランジスタ４０はセンサ基板１３に形成される。一方、PMOSトランジスタ５１、NMOSトランジスタ５２、およびインバータ５３はロジック基板１４に形成され、ブレークダウン電源やエクセスバイアス電源（VEX）などもロジック基板１４からセンサ基板１３へ供給される。エクセスバイアス電源は、ブレークダウン電圧を超えるエクセスバイアス電圧を供給する電源である。従って、センサ基板１３およびロジック基板１４の間は、Cu-Cu接続部４８ａ乃至４８ｃを介して接続されることになる。
　Cu-Cu接続部４８ａは、SPAD３９のアノードとブレークダウン電源とを接続する。Cu-Cu接続部４８ｂは、NMOSトランジスタ４０のゲートをロジック基板１４側に接続する。Cu-Cu接続部４８ｃは、SPAD３９のカソードおよびNMOSトランジスタ４０のドレインと、インバータ５３の入力端子とを接続する。
　図４を参照して、SPAD３９の動作について説明する。図４において、縦軸はSPAD３９のカソード電位を示し、横軸は時間の経過を示している。
　例えば、SPAD３９のアノードは、SPAD３９の降伏電圧よりも大きな逆電圧を印加するためのブレークダウン電源に接続されており、SPAD３９のカソードには、PMOSトランジスタ５１を介してエクセスバイアス電圧電源が供給されている。そして、SPAD３９に光子が入射するとアバランシェ増幅が発生し、そのタイミングでSPAD３９に電流が流れることにより電圧降下が発生する。このようにSPAD３９がアバランシェ反応したときの電位変動をモニタすることにより、センサ素子１１は、画素１２ごとの光子の入射を検出することができる。
　以上のようにセンサ素子１１は構成されており、センサ基板１３側にNMOSトランジスタ４０を設ける構成とすることによって、より小型化かつ高機能化を図ることができる。例えば、センサ素子１１は、画素サイズをシュリンクしてチップサイズを小型化しても、センサ基板１３側にNMOSトランジスタ４０を設けた分だけ、ロジック基板１４におけるトランジスタの占有面積を減らすことができる。これにより、ロジック基板１４に設けられるロジック回路の機能が削減されることを回避することができる結果、小型で高機能なセンサ素子１１を実現することができる。
　また、センサ素子１１は、分離部４５によって半導体基板２１の表面近傍におけるＰウェル３５とＮウェル３６とを分離し、分離部４６によってアノード領域３４とカソード領域４４とを分離する構成とすることにより、より耐圧性の向上を図ることができる。これにより、センサ素子１１の高性能化を図ることができる。
　＜センサ素子の第２の構成例＞
　図５乃至図７を参照して、本技術を適用したセンサ素子の第２の実施の形態について説明する。なお、図５乃至図７に示すセンサ素子１１Ａおよび画素１２Ａにおいて、図１乃至図３のセンサ素子１１および画素１２とそれぞれ共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　図５には、第２の実施の形態であるセンサ素子１１Ａが有する画素１２Ａの断面的な構成例の一例が示されている。図５に示す画素１２Ａの断面構成は、図６の平面レイアウトに図示されている矢印Ａ－Ａに沿った断面に対応する。
　画素１２Ａは、半導体基板２１の下面に対してPMOSトランジスタ６１が設けられた構成となっている点で、図１の画素１２と異なる構成となっている。画素１２Ａでは、PMOSトランジスタ６１を設けるために、半導体基板２１の下面側に、ｎ型の半導体領域であるＮウェル６２が設けられている。Ｎウェル６２は、側面および上面がＰウェル３５により囲われており、Ｐウェル３５およびＮウェル６２の境界に分離部６３が設けられる。分離部６３は、半導体基板２１の表面近傍においてＰウェル３５とＮウェル６２とを分離する。また、図１の画素１２と同様に、分離部４５および４６も設けられている。
　PMOSトランジスタ６１は、Ｎウェル６２に対して設けられるＰ型領域であるソース領域６５およびドレイン領域６４の間に、半導体基板２１に対して絶縁膜を介して積層するようにゲート電極６６が設けられて構成される。
　PMOSトランジスタ６１のソース領域６５にはメタル配線４７ｃが接続されており、後述する図６に示すように、Cu-Cu接続部４８ｃを介してロジック基板１４に接続される。PMOSトランジスタ６１のドレイン領域６４にはメタル配線４７ｄが接続されており、後述する図６に示すように、VDD電源に接続される。メタル配線４７ｅは、後述する図６に示すように、VSS電源に接続される。
　図６には、第２の実施の形態であるセンサ素子１１Ａが有する４つの画素１２Ａ－１乃至１２Ａ－４の平面レイアウトの一例が示されている。なお、図６に示すように、画素１２Ａ－１乃至１２Ａ－４は、それぞれ同様に構成されており、それらを区別する必要がない場合には、単に画素１２Ａと称する。
　例えば、センサ素子１１Ａは、画素１２ＡごとにＮウェル６２を形成し、Ｎウェル６２内にPMOSトランジスタ６１が設けられるように構成される。また、Ｎウェル６２と、Ｎウェル６２を囲うように設けられるＰウェル３５との間が分離部６３により分離される。
　図７には、画素１２Ａの回路図の一例が示されている。
　画素１２Ａは、SPAD３９、PMOSトランジスタ６１、クエンチまたはリチャージ用のPMOSトランジスタ５１、SPAD３９を非アクティブにするためのNMOSトランジスタ５２、およびインバータ５３が接続されて構成される。
　図５および図６を参照して説明したように、SPAD３９およびPMOSトランジスタ６１はセンサ基板１３に形成される。一方、PMOSトランジスタ５１、NMOSトランジスタ５２、およびインバータ５３はロジック基板１４に形成され、ブレークダウン電源やエクセスバイアス電源などもロジック基板１４からセンサ基板１３へ供給される。従って、センサ基板１３およびロジック基板１４の間は、Cu-Cu接続部４８ａ乃至４８ｃを介して接続されることになる。
　Cu-Cu接続部４８ａは、SPAD３９のアノードとブレークダウン電源とを接続する。Cu-Cu接続部４８ｂは、PMOSトランジスタ６１のゲートをロジック基板１４側に接続する。Cu-Cu接続部４８ｃは、SPAD３９のカソードおよびPMOSトランジスタ６１のソースと、インバータ５３の入力端子とを接続する。
　以上のようにセンサ素子１１Ａは構成されており、画素１２Ａのセンサ基板１３側にPMOSトランジスタ６１を設ける構成とすることにより、上述したセンサ素子１１と同様に、より小型化かつ高機能化を図ることができる。
　＜センサ素子の第３の構成例＞
　図８乃至図１０を参照して、本技術を適用したセンサ素子の第３の実施の形態について説明する。なお、図８乃至図１０に示すセンサ素子１１Ｂおよび画素１２Ｂにおいて、図１乃至図３のセンサ素子１１および画素１２とそれぞれ共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　図８には、第３の実施の形態であるセンサ素子１１Ｂが有する画素１２Ｂの断面的な構成例の一例が示されている。図８に示す画素１２Ｂの断面構成は、図９の平面レイアウトに図示されている矢印Ａ－Ａに沿った断面に対応する。
　画素１２Ｂは、クエンチまたはリチャージ用のPMOSトランジスタ５１、および、SPAD３９を非アクティブにするためのNMOSトランジスタ５２が半導体基板２１に設けられた構成となっている点で、図１の画素１２と異なる構成となっている。
　画素１２Ｂでは、NMOSトランジスタ５２がＰウェル３５内に設けられるとともに、PMOSトランジスタ５１を設けるために、Ｐウェル３５の略半分の領域にＮウェル６２が設けられている。Ｎウェル６２は、側面および上面がＰウェル３５により囲われており、Ｐウェル３５およびＮウェル６２の境界に分離部６３が設けられる。分離部６３は、半導体基板２１の表面近傍においてＰウェル３５とＮウェル６２とを分離する。また、図１の画素１２と同様に、分離部４５および４６も設けられている。
　PMOSトランジスタ５１は、Ｎウェル６２に対して設けられるＰ型領域であるソース領域６５およびドレイン領域６４の間に、半導体基板２１に対して絶縁膜を介して積層するようにゲート電極６６が設けられて構成される。NMOSトランジスタ５２は、Ｐウェル３５に対して設けられるＮ型領域であるソース領域４１およびドレイン領域４２の間に、半導体基板２１に対して絶縁膜を介して積層するようにゲート電極４３が設けられて構成される。
　図９には、第３の実施の形態であるセンサ素子１１Ｂが有する４つの画素１２Ｂ－１乃至１２Ｂ－４の平面レイアウトの一例が示されている。なお、図９に示すように、画素１２Ｂ－１乃至１２Ｂ－４は、それぞれ同様に構成されており、それらを区別する必要がない場合には、単に画素１２Ｂと称する。
　例えば、センサ素子１１Ｂでは、画素１２ＢごとにＰウェル３５が形成され、Ｐウェル３５内の略半分の領域にＮウェル６２が形成される。そして、センサ素子１１Ｂは、Ｎウェル６２内にPMOSトランジスタ５１が設けられるとともに、Ｐウェル３５内にNMOSトランジスタ５２が設けられるように構成される。また、Ｎウェル６２と、Ｎウェル６２を囲うように設けられるＰウェル３５との間が分離部６３により分離される。
　PMOSトランジスタ５１のドレイン領域６４にはメタル配線４７ｃが接続されており、VDD電源に接続される。NMOSトランジスタ５２のソース領域４１にはメタル配線４７ｅが接続されており、VSS電源に接続される。Ｎウェル６２にはメタル配線４７ｄが接続されており、VDD電源に接続される。
　図１０には、画素１２Ｂの回路図の一例が示されている。
　画素１２Ｂは、SPAD３９、クエンチまたはリチャージ用のPMOSトランジスタ５１、SPAD３９を非アクティブにするためのNMOSトランジスタ５２、およびインバータ５３が接続されて構成される。
　図８および図９を参照して説明したように、SPAD３９、PMOSトランジスタ５１、およびNMOSトランジスタ５２はセンサ基板１３に形成される。一方、インバータ５３はロジック基板１４に形成され、ブレークダウン電源やエクセスバイアス電源などもロジック基板１４からセンサ基板１３へ供給される。従って、センサ基板１３およびロジック基板１４の間は、Cu-Cu接続部４８ａ乃至４８ｄを介して接続されることになる。
　Cu-Cu接続部４８ａは、SPAD３９のアノードとブレークダウン電源とを接続する。Cu-Cu接続部４８ｂは、NMOSトランジスタ５２のゲートをロジック基板１４側に接続する。Cu-Cu接続部４８ｃは、SPAD３９のカソードと、インバータ５３の入力端子とを接続する。Cu-Cu接続部４８ｄは、PMOSトランジスタ５１のゲートをロジック基板１４側に接続する。
　以上のようにセンサ素子１１Ｂは構成されており、画素１２Ｂのセンサ基板１３側にPMOSトランジスタ５１およびNMOSトランジスタ５２を設ける構成とすることにより、上述したセンサ素子１１と同様に、より小型化かつ高機能化を図ることができる。
　なお、PMOSトランジスタ５１およびNMOSトランジスタ５２の配置やメタル配線４７のレイアウトなどは、図９に示すような配置やレイアウトに限定されることなく、図１０に示す回路図の配線を実現するような配置やレイアウトであればよい。
　＜センサ素子の第４の構成例＞
　図１１乃至図１３を参照して、本技術を適用したセンサ素子の第４の実施の形態について説明する。なお、図１１乃至図１３に示すセンサ素子１１Ｃおよび画素１２Ｃにおいて、図１乃至図３のセンサ素子１１および画素１２とそれぞれ共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　図１１には、第４の実施の形態であるセンサ素子１１Ｃが有する画素１２Ｃの断面的な構成例の一例が示されている。図１１に示す画素１２Ｃの断面構成は、図１２の平面レイアウトに図示されている矢印Ａ－Ａに沿った断面に対応する。
　画素１２Ｃは、クエンチまたはリチャージ用のPMOSトランジスタ５１、および、SPAD３９を非アクティブにするためのNMOSトランジスタ５２が半導体基板２１に設けられた構成となっている点で、図１の画素１２と異なる構成となっている。さらに、画素１２Ｃでは、後述する図１２に示すように、インバータ５３を構成するPMOSトランジスタ５４およびNMOSトランジスタ５５が半導体基板２１に設けられた構成となっている点でも、図１の画素１２と異なる構成となっている。
　画素１２Ｃでは、NMOSトランジスタ５２およびNMOSトランジスタ５５がＰウェル３５内に設けられる。画素１２Ｃでは、PMOSトランジスタ５１およびPMOSトランジスタ５４を設けるために、Ｐウェル３５の略半分の領域にＮウェル６２が設けられている。Ｎウェル６２は、側面および上面がＰウェル３５により囲われており、Ｐウェル３５およびＮウェル６２の境界に分離部６３が設けられる。分離部６３は、半導体基板２１の表面近傍においてＰウェル３５とＮウェル６２とを分離する。また、図１の画素１２と同様に、分離部４５および４６も設けられている。
　PMOSトランジスタ５１は、Ｎウェル６２に対して設けられるＰ型領域であるソース領域６５およびドレイン領域６４の間に、半導体基板２１に対して絶縁膜を介して積層するようにゲート電極６６が設けられて構成される。なお、図示しないが、PMOSトランジスタ５４も、PMOSトランジスタ５１と同様に構成される。
　NMOSトランジスタ５２は、Ｐウェル３５に対して設けられるＮ型領域であるソース領域４１およびドレイン領域４２の間に、半導体基板２１に対して絶縁膜を介して積層するようにゲート電極４３が設けられて構成される。なお、図示しないが、NMOSトランジスタ５５は、NMOSトランジスタ５２と同様に構成される。
　図１２には、第４の実施の形態であるセンサ素子１１Ｃが有する４つの画素１２Ｃ－１乃至１２Ｃ－４の平面レイアウトの一例が示されている。なお、図１２に示すように、画素１２Ｃ－１乃至１２Ｃ－４は、それぞれ同様に構成されており、それらを区別する必要がない場合には、単に画素１２Ｃと称する。
　例えば、センサ素子１１Ｃは、画素１２ＣごとにＰウェル３５を形成し、Ｐウェル３５に対してNMOSトランジスタ５２およびNMOSトランジスタ５５が設けられるように構成される。さらに、センサ素子１１Ｃは、Ｐウェル３５の略半分の領域にＮウェル６２を形成し、Ｎウェル６２に対してPMOSトランジスタ５１およびPMOSトランジスタ５４が設けられるように構成される。また、Ｎウェル６２と、Ｎウェル６２を囲うように設けられるＰウェル３５との間が分離部６３により分離される。
　センサ素子１１Ｃでは、PMOSトランジスタ５１のドレイン領域６４およびPMOSトランジスタ５４のドレイン領域にVDD電源を供給するメタル配線４７ｆと、Ｎウェル６２にVDD電源を供給するメタル配線４７ｈとの間に、VSS電源に接続されたメタル配線４７ｇが配置されるレイアウトとなっている。このようにメタル配線４７ｇを配置することで、隣り合うメタル配線４７ｆおよびメタル配線４７ｈとの間をシールドすることができる。即ち、メタル配線４７ｇは、シールド用の配線である。
　図１３には、画素１２Ｃの回路図の一例が示されている。
　画素１２Ｃは、SPAD３９、PMOSトランジスタ５１、NMOSトランジスタ５２、並びに、インバータ５３を構成するPMOSトランジスタ５４およびNMOSトランジスタ５５が接続されて構成される。
　図１１および図１２を参照して説明したように、PMOSトランジスタ５１、NMOSトランジスタ５２、PMOSトランジスタ５４、およびNMOSトランジスタ５５はセンサ基板１３に形成される。従って、センサ基板１３およびロジック基板１４の間は、Cu-Cu接続部４８ａ乃至４８ｄを介して接続される。
　Cu-Cu接続部４８ａは、SPAD３９のアノードとブレークダウン電源とを接続する。Cu-Cu接続部４８ｂは、NMOSトランジスタ５２のゲートをロジック基板１４側に接続する。Cu-Cu接続部４８ｃは、インバータ５３の出力端子をロジック基板１４側に接続する。Cu-Cu接続部４８ｄは、PMOSトランジスタ５１のゲートをロジック基板１４側に接続する。
　以上のようにセンサ素子１１Ｃは構成されており、画素１２Ｃのセンサ基板１３側にPMOSトランジスタ５１、NMOSトランジスタ５２、PMOSトランジスタ５４、およびNMOSトランジスタ５５を設ける構成とすることにより、上述したセンサ素子１１と同様に、より小型化かつ高機能化を図ることができる。
　なお、PMOSトランジスタ５１、NMOSトランジスタ５２、PMOSトランジスタ５４、およびNMOSトランジスタ５５の配置やメタル配線４７のレイアウトなどは、図１２に示すような配置やレイアウトに限定されることなく、図１３に示す回路図の配線を実現するような配置やレイアウトであればよい。
　＜センサ素子の第５の構成例＞
　図１４および図１５を参照して、本技術を適用したセンサ素子の第５の実施の形態について説明する。なお、図１４および図１５に示すセンサ素子１１Ｄおよび画素１２Ｄにおいて、図１および図２のセンサ素子１１および画素１２とそれぞれ共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。また、画素１２Ｄの回路図は、図３に示した画素１２の回路図と同様である。
　図１４には、第５の実施の形態であるセンサ素子１１Ｄが有する画素１２Ｄの断面的な構成例の一例が示されている。図１４に示す画素１２Ｄの断面構成は、図１５の平面レイアウトに図示されている矢印Ａ－Ａに沿った断面に対応する。図１５には、４つの画素１２Ｄ－１乃至１２Ｄ－４の平面レイアウトの一例が示されている。なお、図１５に示すように、画素１２Ｄ－１乃至１２Ｄ－４は、それぞれ同様に構成されており、それらを区別する必要がない場合には、単に画素１２Ｄと称する。
　画素１２Ｄは、半導体基板２１の裏面側からアノード電圧を印加することができるような形状に画素分離部３２Ｄが形成されるとともに、アノード領域３４Ｄが半導体基板２１の裏面側に配置されている点で、図１の画素１２と異なる構成となっている。
　このように構成されるセンサ素子１１Ｄは、半導体基板２１の表面側からアノード電圧を印加するような構成（例えば、図１のセンサ素子１１）よりも、エッジ耐圧の向上を図ることができる。また、センサ素子１１Ｄは、半導体基板２１の表面側からアノード電圧を印加するのに用いられていたCu-Cu接続部４８ａを設けることのない構成とすることができる。
　以上のようにセンサ素子１１Ｄは構成されており、センサ基板１３側にNMOSトランジスタ４０を設ける構成とすることにより、上述したセンサ素子１１と同様に、より小型化かつ高機能化を図ることができる。
　＜センサ素子の第６の構成例＞
　図１６および図１７を参照して、本技術を適用したセンサ素子の第６の実施の形態について説明する。なお、図１６および図１７に示すセンサ素子１１Ｅおよび画素１２Ｅにおいて、図１および図２のセンサ素子１１および画素１２とそれぞれ共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。また、画素１２Ｅの回路図は、図３に示した画素１２の回路図と同様である。
　図１６には、第６の実施の形態であるセンサ素子１１Ｅが有する画素１２Ｅの断面的な構成例の一例が示されている。図１６に示す画素１２Ｅの断面構成は、図１７の平面レイアウトに図示されている矢印Ａ－Ａに沿った断面に対応する。図１７には、４つの画素１２Ｅ－１乃至１２Ｅ－４の平面レイアウトの一例が示されている。なお、図１７に示すように、画素１２Ｅ－１乃至１２Ｅ－４は、それぞれ同様に構成されており、それらを区別する必要がない場合には、単に画素１２Ｅと称する。
　画素１２Ｅは、半導体基板２１の裏面側からアノード電圧を印加することができるような形状に画素分離部３２Ｅが形成されるとともに、アノード領域３４Ｅが半導体基板２１の裏面側に配置されている点で、図１の画素１２と異なる構成となっている。
　さらに、画素１２Ｅは、ホール蓄積領域３３Ｅが、半導体基板２１の表面側から所定の深さよりも深い範囲に形成されている構成される点で、図１の画素１２と異なる構成となっている。例えば、ホール蓄積領域３３Ｅは、SPAD３９が設けられている位置よりも深い範囲に形成され、SPAD３９の側方には設けられないような構成とすることができる。
　このように構成されるセンサ素子１１Ｅは、半導体基板２１の表面側からアノード電圧を印加するとともに、SPAD３９の側方にホール蓄積領域３３が設けられている構成（例えば、図１のセンサ素子１１）よりも、ガードリングをより確保することができる。これにより、センサ素子１１Ｅは、例えば、よりエッジ耐圧の向上を図ることができる。また、センサ素子１１Ｅは、半導体基板２１の表面側からアノード電圧を印加するのに用いられていたCu-Cu接続部４８ａを設けることのない構成とすることができる。
　＜センサ素子の第７の構成例＞
　図１８および図１９を参照して、本技術を適用したセンサ素子の第７の実施の形態について説明する。なお、図１８および図１９に示すセンサ素子１１Ｆおよび画素１２Ｆにおいて、図１および図２のセンサ素子１１および画素１２とそれぞれ共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。また、画素１２Ｆの回路図は、図３に示した画素１２の回路図と同様である。
　図１８には、第７の実施の形態であるセンサ素子１１Ｆが有する画素１２Ｆの断面的な構成例の一例が示されている。図１８に示す画素１２Ｆの断面構成は、図１９の平面レイアウトに図示されている矢印Ａ－Ａに沿った断面に対応する。図１９には、４つの画素１２Ｆ－１乃至１２Ｆ－４の平面レイアウトの一例が示されている。なお、図１９に示すように、画素１２Ｆ－１乃至１２Ｆ－４は、それぞれ同様に構成されており、それらを区別する必要がない場合には、単に画素１２Ｆと称する。
　画素１２Ｆは、半導体基板２１の裏面側からアノード電圧を印加することができるような形状に画素分離部３２Ｆが形成されるとともに、アノード領域３４Ｆが半導体基板２１の裏面側に配置されている点で、図１の画素１２と異なる構成となっている。
　さらに、画素１２Ｆは、ホール蓄積領域３３Ｆが、半導体基板２１の表面側から所定の深さよりも深い範囲に形成されるとともに、その所定の深さよりも浅い範囲に絶縁性を備えた酸化膜７１が設けられている構成される点で、図１の画素１２と異なる構成となっている。例えば、ホール蓄積領域３３Ｆは、SPAD３９が設けられている位置よりも深い範囲に形成され、SPAD３９の側方には設けられないようにし、SPAD３９の側方においてホール蓄積領域３３Ｆが設けられていない範囲に酸化膜７１が形成されるような構成とすることができる。
　このように構成されるセンサ素子１１Ｆは、半導体基板２１の表面側からアノード電圧を印加するとともに、SPAD３９の側方にホール蓄積領域３３が設けられている構成（例えば、図１のセンサ素子１１）よりも、ガードリングをより確保することができる。これにより、センサ素子１１Ｆは、例えば、さらなるエッジ耐圧の向上を図ることができる。また、センサ素子１１Ｆは、半導体基板２１の表面側からアノード電圧を印加するのに用いられていたCu-Cu接続部４８ａを設けることのない構成とすることができる。
　＜センサ素子の第８の構成例＞
　図２０乃至図２３を参照して、本技術を適用したセンサ素子の第８の実施の形態について説明する。なお、図２０乃至図２３に示すセンサ素子１１Ｇおよび画素１２Ｇにおいて、図１乃至図３のセンサ素子１１および画素１２とそれぞれ共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　図２０および図２１には、第８の実施の形態であるセンサ素子１１Ｇが有する画素１２Ｇの断面的な構成例の一例が示されている。図２０に示す画素１２Ｇの断面構成は、図２２の平面レイアウトに図示されている矢印Ａ－Ａに沿った断面に対応し、図２１に示す画素１２の断面構成は、図２２に図示されている矢印Ｂ－Ｂに沿った断面に対応する。図２２には、センサ素子１１Ｇが有する４つの画素１２Ｇ－１乃至１２Ｇ－４の平面レイアウトの一例が示されている。図２３には、画素１２Ｇの回路図の一例が示されている。
　図２０に示すように、画素１２Ｇ－１は、クエンチまたはリチャージ用のPMOSトランジスタ５１が半導体基板２１に設けられた構成となっており、画素１２Ｇ－２は、SPAD３９を非アクティブにするためのNMOSトランジスタ５２が半導体基板２１に設けられた構成となっている。
　また、図２３に示すように、インバータ５３はPMOSトランジスタ５４およびNMOSトランジスタ５５により構成されている。図２１に示すように、画素１２Ｇ－３は、インバータ５３を構成するPMOSトランジスタ５４が半導体基板２１に設けられた構成となっており、画素１２Ｇ－４は、インバータ５３を構成するNMOSトランジスタ５５が半導体基板２１に設けられた構成となっている。
　このように、センサ素子１１Ｇは、４つの画素１２Ｇ－１乃至１２Ｇ－４それぞれに対して、PMOSトランジスタ５１、NMOSトランジスタ５２、PMOSトランジスタ５４、およびNMOSトランジスタ５５が配置された構成となっている。
　画素１２Ｇ－１では、PMOSトランジスタ５１を設けるために、半導体基板２１の下面側に、ｎ型の半導体領域であるＮウェル６２－１が設けられている。Ｎウェル６２－１は、側面および上面がＰウェル３５－１により囲われており、Ｐウェル３５－１およびＮウェル６２－１の境界に分離部６３－１が設けられる。分離部６３－１は、半導体基板２１の表面近傍においてＰウェル３５－１とＮウェル６２－１とを分離する。また、図１の画素１２と同様に、分離部４５－１および４６－１も設けられている。
　画素１２Ｇ－２では、NMOSトランジスタ５２を設けるために、半導体基板２１の下面側に、ｐ型の半導体領域であるＰウェル３５－２が設けられるとともに、Ｐウェル３５－２の側面および上面を囲うように、ｎ型の半導体領域であるＮウェル３６－２が設けられて構成される。また、図１の画素１２と同様に、分離部４５－２および４６－２も設けられている。
　画素１２Ｇ－３では、PMOSトランジスタ５４を設けるために、半導体基板２１の下面側に、ｎ型の半導体領域であるＮウェル６２－３が設けられている。Ｎウェル６２－３は、側面および上面がＰウェル３５－３により囲われており、Ｐウェル３５－３およびＮウェル６２－３の境界に分離部６３－３が設けられる。分離部６３－３は、半導体基板２１の表面近傍においてＰウェル３５－３とＮウェル６２－３とを分離する。また、図１の画素１２と同様に、分離部４５－３および４６－３も設けられている。
　画素１２Ｇ－４では、NMOSトランジスタ５５を設けるために、半導体基板２１の下面側に、ｐ型の半導体領域であるＰウェル３５－４が設けられるとともに、Ｐウェル３５－４の側面および上面を囲うように、ｎ型の半導体領域であるＮウェル３６－４が設けられて構成される。また、図１の画素１２と同様に、分離部４５－４および４６－４も設けられている。
　センサ素子１１Ｇでは、PMOSトランジスタ５１のドレイン領域６４－１およびPMOSトランジスタ５４のドレイン領域６４－３にVDD電源を供給するメタル配線４７ｄと、Ｎウェル６２－１および６２－３にVDD電源を供給するメタル配線４７ｅとの間に、VSS電源に接続されたメタル配線４７ｆが配置されるレイアウトとなっている。このようにメタル配線４７ｆを配置することで、隣り合うメタル配線４７ｄおよびメタル配線４７ｅとの間をシールドすることができる。
　以上のようにセンサ素子１１Ｇは構成されており、画素１２Ｇのセンサ基板１３側にPMOSトランジスタ５１、NMOSトランジスタ５２、PMOSトランジスタ５４、およびNMOSトランジスタ５５を設ける構成とすることにより、上述したセンサ素子１１と同様に、より小型化かつ高機能化を図ることができる。
　図２３には、画素１２Ｇ－１乃至１２Ｇ－４の回路図の一例が示されている。
　画素１２Ｇ－１乃至１２Ｇ－４は、SPAD３９－１乃至３９－４、クエンチまたはリチャージ（Quench/Recharge）用のPMOSトランジスタ５１、ゲーティング（Gating）用のSPAD３９を非アクティブにするためのNMOSトランジスタ５２、並びに、インバータ５３を構成するPMOSトランジスタ５４およびNMOSトランジスタ５５が接続されて構成される。図示するように、画素１２Ｇ－１乃至１２Ｇ－４は、PMOSトランジスタ５１、NMOSトランジスタ５２、およびインバータ５３を共有する共有構造となっている。
　図２０乃至図２２を参照して説明したように、PMOSトランジスタ５１、NMOSトランジスタ５２、PMOSトランジスタ５４、およびNMOSトランジスタ５５はセンサ基板１３に形成される。従って、センサ基板１３およびロジック基板１４の間は、Cu-Cu接続部４８ａ乃至４８ｄを介して接続される。
　Cu-Cu接続部４８ａ－１乃至４８ａ－４は、SPAD３９－１乃至３９－４のアノードそれぞれとブレークダウンVRLD電源とを接続する。Cu-Cu接続部４８ｂは、NMOSトランジスタ５２のゲートをロジック基板１４側に接続する。Cu-Cu接続部４８ｃは、インバータ５３の出力端子をロジック基板１４側に接続する。Cu-Cu接続部４８ｄは、PMOSトランジスタ５１のゲートをロジック基板１４側に接続する。
　なお、PMOSトランジスタ５１、NMOSトランジスタ５２、PMOSトランジスタ５４、およびNMOSトランジスタ５５の配置（画素１２Ｇ－１乃至１２Ｇ－４への割り当て）やメタル配線４７のレイアウトなどは、図２２に示すような配置やレイアウトに限定されることなく、図２３に示す回路図の配線を実現するような配置やレイアウトであればよい。
　ところで、本実施の形態では、SPAD３９のカソード電圧に従って信号が出力される構成について説明したが、SPAD３９のアノード電圧に従って信号が出力される構成（正電圧印加）に本技術を適用してもよい。この場合、上述した各構成例のセンサ素子１１では、アノード領域とカソード領域とが反転した構成となる。
　＜測距システムの構成例＞
　上述したような各実施の形態のセンサ素子１１は、ToF法を用いて、被写体までの奥行き方向の距離を画素毎に検出し、検出した距離に基づく距離画素信号からなる画像である距離画像の撮像を行う測距システムに適用することができる。
　図２４は、本技術を適用した測距システム１１１の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。
　図２４に示すように、測距システム１１１は、照明装置１２１および撮像装置１２２を備える。
　照明装置１２１は、照明制御部１３１および光源１３２を備える。
　照明制御部１３１は、撮像装置１２２の制御部１４２の制御の下に、光源１３２が光を照射するパターンを制御する。具体的には、照明制御部１３１は、制御部１４２から供給される照射信号に含まれる照射コードに従って、光源１３２が光を照射するパターンを制御する。例えば、照射コードは、１（High）と０（Low）の２値からなり、照明制御部１３１は、照射コードの値が１のとき光源１３２を点灯させ、照射コードの値が０のとき光源１３２を消灯させる。
　光源１３２は、照明制御部１３１の制御の下に、所定の波長域の光を発する。光源１３２は、例えば、赤外線レーザダイオードからなる。なお、光源１３２の種類、及び、照射光の波長域は、測距システム１１１の用途等に応じて任意に設定することが可能である。
　撮像装置１２２は、照明装置１２１から照射された光（照射光）が被写体１１２及び被写体１１３等により反射された反射光を受光する装置である。撮像装置１２２は、撮像部１４１、制御部１４２、表示部１４３、及び、記憶部１４４を備える。
　撮像部１４１は、レンズ１５１、受光素子１５２、及び、信号処理回路１５３を備える。
　レンズ１５１は、入射光を受光素子１５２の受光面に結像させる。なお、レンズ１５１の構成は任意であり、例えば、複数のレンズ群によりレンズ１５１を構成することも可能である。
　受光素子１５２には、本技術を適用したセンサ素子１１が適用される。受光素子１５２は、制御部１４２の制御の下に、被写体１１２及び被写体１１３等からの反射光を受光し、その結果得られた画素信号を信号処理回路１５３に供給する。この画素信号は、照明装置１２１が照射光を照射してから、受光素子１５２が受光するまでの時間をカウントしたデジタルのカウント値を表す。光源１３２が発光するタイミングを示す発光タイミング信号は、制御部１４２から受光素子１５２にも供給される。
　信号処理回路１５３は、制御部１４２の制御の下に、受光素子１５２から供給される画素信号の処理を行う。例えば、信号処理回路１５３は、受光素子１５２から供給される画素信号に基づいて、画素毎に被写体までの距離を検出し、画素毎の被写体までの距離を示す距離画像を生成する。具体的には、信号処理回路１５３は、光源１３２が光を発光してから受光素子１５２の各画素が光を受光するまでの時間（カウント値）を画素毎に複数回（例えば、数千乃至数万回）取得する。信号処理回路１５３は、取得した時間に対応するヒストグラムを作成する。そして、信号処理回路１５３は、ヒストグラムのピークを検出することで、光源１３２から照射された光が被写体１１２または被写体１１３で反射して戻ってくるまでの時間を判定する。さらに、信号処理回路１５３は、判定した時間と光速に基づいて、物体までの距離を求める演算を行う。信号処理回路１５３は、生成した距離画像を制御部１４２に供給する。
　制御部１４２は、例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の制御回路やプロセッサ等により構成される。制御部１４２は、照明制御部１３１、及び、受光素子１５２の制御を行う。具体的には、制御部１４２は、照明制御部１３１に照射信号を供給するとともに、発光タイミング信号を受光素子１５２に供給する。光源１３２は、照射信号に応じて照射光を発光する。発光タイミング信号は、照明制御部１３１に供給される照射信号でもよい。また、制御部１４２は、撮像部１４１から取得した距離画像を表示部１４３に供給し、表示部１４３に表示させる。さらに、制御部１４２は、撮像部１４１から取得した距離画像を記憶部１４４に記憶させる。また、制御部１４２は、撮像部１４１から取得した距離画像を外部に出力する。
　表示部１４３は、例えば、液晶表示装置や有機ＥＬ（Electro Luminescence）表示装置等のパネル型表示装置からなる。
　記憶部１４４は、任意の記憶装置や記憶媒体等により構成することができ、距離画像等を記憶する。
　このように構成されている測距システム１１１では、本技術を適用したセンサ素子１１を適用することで、例えば、より小型化かつ高機能化を図ることができる。
　＜イメージセンサの使用例＞
　図２５は、上述のイメージセンサ（センサ素子１１）を使用する使用例を示す図である。
　上述したイメージセンサは、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
　・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
　・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
　・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
　・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
　・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
　・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
　・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
　・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
　＜構成の組み合わせ例＞
　なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
　SPAD（Single Photon Avalanche Diode）が画素ごとに半導体基板に設けられたセンサ基板と、
　前記センサ基板に積層され、ロジック回路が設けられたロジック基板と、
　前記SPADのカソード電圧またはアノード電圧に従った信号を出力するために用いられる複数のトランジスタと
　を備え、
　複数の前記トランジスタのうちの少なくとも一部の前記トランジスタが、前記センサ基板の前記半導体基板に形成されたウェル内に設けられる
　センサ素子。
（２）
　前記センサ基板に設けられるトランジスタはNMOS（Negative-channel Metal-Oxide Semiconductor）トランジスタであり、
　前記ウェルとして、前記半導体基板の表面側にＰウェルが設けられており、
　前記Ｐウェルの側面および上面を囲うようにＮウェルが設けられ、前記Ｎウェルに対して積層するように前記SPADを構成するＮ型増倍領域およびＰ型増倍領域が配置される
　上記（１）に記載のセンサ素子。
（３）
　前記半導体基板の表面近傍において前記Ｐウェルと前記Ｎウェルとを分離する第１の分離部と、
　前記Ｎウェルの前記半導体基板の表面近傍に設けられるカソード領域またはアノード領域の一方と前記画素の外周に沿って前記半導体基板の表面近傍に設けられるアノード領域またはカソード領域の他方とを分離する第２の分離部と
　をさらに備える上記（２）に記載のセンサ素子。
（４）
　前記センサ基板に設けられるトランジスタはPMOS（Positive-channel Metal-Oxide Semiconductor）トランジスタであり、
　前記ウェルとして、前記半導体基板の表面側に第１のＮウェルが設けられており、
　前記第１のＮウェルの側面および上面を囲うようにＰウェルが設けられるとともに、前記Ｐウェルの側面および上面を囲うように第２のＮウェルが設けられ、前記第２のＮウェルに対して積層するように前記SPADを構成するＮ型増倍領域およびＰ型増倍領域が配置される
　上記（１）に記載のセンサ素子。
（５）
　前記半導体基板の表面近傍において前記Ｐウェルと前記第２のＮウェルとを分離する第１の分離部と、
　前記第２のＮウェルの前記半導体基板の表面近傍に設けられるカソード領域またはアノード領域の一方と前記画素の外周に沿って前記半導体基板の表面近傍に設けられるアノード領域またはカソード領域の他方とを分離する第２の分離部と、
　前記半導体基板の表面近傍において前記Ｐウェルと前記第１のＮウェルとを分離する第３の分離部と
　をさらに備える上記（４）に記載のセンサ素子。
（６）
　前記センサ基板に設けられるトランジスタは、前記SPADを非アクティブにするためのNMOSトランジスタ、および、クエンチまたはリチャージ用のPMOSトランジスタであり、
　前記ウェルとして、前記PMOSトランジスタが配置される第１のＮウェルが前記半導体基板の表面側に設けられるとともに、前記NMOSトランジスタが配置されるＰウェルが前記第１のＮウェルの側面および上面を囲うように設けられており、
　前記Ｐウェルの側面および上面を囲うように第２のＮウェルが設けられ、前記第２のＮウェルに対して積層するように前記SPADを構成するＮ型増倍領域およびＰ型増倍領域が配置される
　上記（１）に記載のセンサ素子。
（７）
　前記半導体基板の表面近傍において前記Ｐウェルと前記第２のＮウェルとを分離する第１の分離部と、
　前記第２のＮウェルの前記半導体基板の表面近傍に設けられるカソード領域またはアノード領域の一方と前記画素の外周に沿って前記半導体基板の表面近傍に設けられるアノード領域またはカソード領域の他方とを分離する第２の分離部と、
　前記半導体基板の表面近傍において前記Ｐウェルと前記第１のＮウェルとを分離する第３の分離部と
　をさらに備える上記（６）に記載のセンサ素子。
（８）
　前記センサ基板に設けられるトランジスタは、前記SPADを非アクティブにするための第１のNMOSトランジスタ、クエンチまたはリチャージ用の第１のPMOSトランジスタ、並びに、インバータを構成する第２のNMOSトランジスタおよび第２のPMOSトランジスタであり、
　前記ウェルとして、前記第１のPMOSトランジスタおよび前記第２のPMOSトランジスタが配置される第１のＮウェルが前記半導体基板の表面側に設けられるとともに、前記第１のNMOSトランジスタおよび前記第２のNMOSトランジスタが配置されるＰウェルが前記第１のＮウェルの側面および上面を囲うように設けられており、
　前記Ｐウェルの側面および上面を囲うように第２のＮウェルが設けられ、前記第２のＮウェルに対して積層するように前記SPADを構成するＮ型増倍領域およびＰ型増倍領域が配置される
　上記（１）に記載のセンサ素子。
（９）
　前記半導体基板の表面近傍において前記Ｐウェルと前記第２のＮウェルとを分離する第１の分離部と、
　前記第２のＮウェルの前記半導体基板の表面近傍に設けられるカソード領域またはアノード領域の一方と前記画素の外周に沿って前記半導体基板の表面近傍に設けられるアノード領域またはカソード領域の他方とを分離する第２の分離部と、
　前記半導体基板の表面近傍において前記Ｐウェルと前記第１のＮウェルとを分離する第３の分離部と
　をさらに備える上記（８）に記載のセンサ素子。
（１０）
　前記第１のPMOSトランジスタおよび前記第２のPMOSトランジスタのドレイン領域にVDD電源を供給する配線と、前記第１のＮウェルにVDD電源を供給する配線との間に、シールド用の配線が配置されている
　上記（９）に記載のセンサ素子。
（１１）
　前記画素にアノード電圧を印加するためのアノード領域が前記半導体基板の裏面側に配置される
　上記（１）から（１０）までのいずれかに記載のセンサ素子。
（１２）
　前記アノード領域に接続し、前記画素の側面を囲うように設けられるホール蓄積領域が、前記半導体基板の表面側から所定の深さよりも深い範囲に形成されている
　上記（１１）に記載のセンサ素子。
（１３）
　前記画素の側面を囲うように、前記半導体基板の表面側から所定の深さよりも浅い範囲に絶縁膜が設けられている
　上記（１２）に記載のセンサ素子。
（１４）
　前記センサ基板に設けられるトランジスタは、前記SPADを非アクティブにするための第１のNMOSトランジスタ、クエンチまたはリチャージ用の第１のPMOSトランジスタ、並びに、インバータを構成する第２のNMOSトランジスタおよび第２のPMOSトランジスタであり、
　前記第１のNMOSトランジスタ、前記第１のPMOSトランジスタ、前記第２のNMOSトランジスタ、前記第２のPMOSトランジスタが個別に４つの前記画素に配置されている
　上記（１）に記載のセンサ素子。
（１５）
　照射光を照射する照明装置と、
　前記照射光に対する反射光を検出するセンサ素子と
　を備え、
　前記センサ素子は、
　　SPAD（Single Photon Avalanche Diode）が画素ごとに半導体基板に設けられたセンサ基板と、
　　前記センサ基板に積層され、ロジック回路が設けられたロジック基板と、
　　前記SPADのカソード電圧またはアノード電圧に従った信号を出力するために用いられる複数のトランジスタと
　　を有し、
　　複数の前記トランジスタのうち、少なくとも一部の前記トランジスタが前記センサ基板の前記半導体基板に形成されたウェル内に設けられる
　測距システム。
　なお、本実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、他の効果があってもよい。
　１１　センサ素子，　１２　画素，　１３　センサ基板，　１４　ロジック基板，　３１　ウェル層，　３２　画素分離部，　３３　ホール蓄積領域，　３４　アノード領域，　３５　Ｐウェル，　３６　Ｎウェル，　３７　Ｎ型増倍領域，　３８　Ｐ型増倍領域，　３９　SPAD，　４０　NMOSトランジスタ，　４４　カソード領域，　４５および４６　分離部，　４７　メタル配線，　４８　Cu-Cu接続部，　５１　PMOSトランジスタ，　５２　NMOSトランジスタ，　５３　インバータ

Claims (15)

  1. 　SPAD（Single Photon Avalanche Diode）が画素ごとに半導体基板に設けられたセンサ基板と、
    　前記センサ基板に積層され、ロジック回路が設けられたロジック基板と、
    　前記SPADのカソード電圧またはアノード電圧に従った信号を出力するために用いられる複数のトランジスタと
    　を備え、
    　複数の前記トランジスタのうちの少なくとも一部の前記トランジスタが、前記センサ基板の前記半導体基板に形成されたウェル内に設けられる
    　センサ素子。
  2. 　前記センサ基板に設けられるトランジスタはNMOS（Negative-channel Metal-Oxide Semiconductor）トランジスタであり、
    　前記ウェルとして、前記半導体基板の表面側にＰウェルが設けられており、
    　前記Ｐウェルの側面および上面を囲うようにＮウェルが設けられ、前記Ｎウェルに対して積層するように前記SPADを構成するＮ型増倍領域およびＰ型増倍領域が配置される
    　請求項１に記載のセンサ素子。
  3. 　前記半導体基板の表面近傍において前記Ｐウェルと前記Ｎウェルとを分離する第１の分離部と、
    　前記Ｎウェルの前記半導体基板の表面近傍に設けられるカソード領域またはアノード領域の一方と前記画素の外周に沿って前記半導体基板の表面近傍に設けられるアノード領域またはカソード領域の他方とを分離する第２の分離部と
    　をさらに備える請求項２に記載のセンサ素子。
  4. 　前記センサ基板に設けられるトランジスタはPMOS（Positive-channel Metal-Oxide Semiconductor）トランジスタであり、
    　前記ウェルとして、前記半導体基板の表面側に第１のＮウェルが設けられており、
    　前記第１のＮウェルの側面および上面を囲うようにＰウェルが設けられるとともに、前記Ｐウェルの側面および上面を囲うように第２のＮウェルが設けられ、前記第２のＮウェルに対して積層するように前記SPADを構成するＮ型増倍領域およびＰ型増倍領域が配置される
    　請求項１に記載のセンサ素子。
  5. 　前記半導体基板の表面近傍において前記Ｐウェルと前記第２のＮウェルとを分離する第１の分離部と、
    　前記第２のＮウェルの前記半導体基板の表面近傍に設けられるカソード領域またはアノード領域の一方と前記画素の外周に沿って前記半導体基板の表面近傍に設けられるアノード領域またはカソード領域の他方とを分離する第２の分離部と、
    　前記半導体基板の表面近傍において前記Ｐウェルと前記第１のＮウェルとを分離する第３の分離部と
    　をさらに備える請求項４に記載のセンサ素子。
  6. 　前記センサ基板に設けられるトランジスタは、前記SPADを非アクティブにするためのNMOSトランジスタ、および、クエンチまたはリチャージ用のPMOSトランジスタであり、
    　前記ウェルとして、前記PMOSトランジスタが配置される第１のＮウェルが前記半導体基板の表面側に設けられるとともに、前記NMOSトランジスタが配置されるＰウェルが前記第１のＮウェルの側面および上面を囲うように設けられており、
    　前記Ｐウェルの側面および上面を囲うように第２のＮウェルが設けられ、前記第２のＮウェルに対して積層するように前記SPADを構成するＮ型増倍領域およびＰ型増倍領域が配置される
    　請求項１に記載のセンサ素子。
  7. 　前記半導体基板の表面近傍において前記Ｐウェルと前記第２のＮウェルとを分離する第１の分離部と、
    　前記第２のＮウェルの前記半導体基板の表面近傍に設けられるカソード領域またはアノード領域の一方と前記画素の外周に沿って前記半導体基板の表面近傍に設けられるアノード領域またはカソード領域の他方とを分離する第２の分離部と、
    　前記半導体基板の表面近傍において前記Ｐウェルと前記第１のＮウェルとを分離する第３の分離部と
    　をさらに備える請求項６に記載のセンサ素子。
  8. 　前記センサ基板に設けられるトランジスタは、前記SPADを非アクティブにするための第１のNMOSトランジスタ、クエンチまたはリチャージ用の第１のPMOSトランジスタ、並びに、インバータを構成する第２のNMOSトランジスタおよび第２のPMOSトランジスタであり、
    　前記ウェルとして、前記第１のPMOSトランジスタおよび前記第２のPMOSトランジスタが配置される第１のＮウェルが前記半導体基板の表面側に設けられるとともに、前記第１のNMOSトランジスタおよび前記第２のNMOSトランジスタが配置されるＰウェルが前記第１のＮウェルの側面および上面を囲うように設けられており、
    　前記Ｐウェルの側面および上面を囲うように第２のＮウェルが設けられ、前記第２のＮウェルに対して積層するように前記SPADを構成するＮ型増倍領域およびＰ型増倍領域が配置される
    　請求項１に記載のセンサ素子。
  9. 　前記半導体基板の表面近傍において前記Ｐウェルと前記第２のＮウェルとを分離する第１の分離部と、
    　前記第２のＮウェルの前記半導体基板の表面近傍に設けられるカソード領域またはアノード領域の一方と前記画素の外周に沿って前記半導体基板の表面近傍に設けられるアノード領域またはカソード領域の他方とを分離する第２の分離部と、
    　前記半導体基板の表面近傍において前記Ｐウェルと前記第１のＮウェルとを分離する第３の分離部と
    　をさらに備える請求項８に記載のセンサ素子。
  10. 　前記第１のPMOSトランジスタおよび前記第２のPMOSトランジスタのドレイン領域にVDD電源を供給する配線と、前記第１のＮウェルにVDD電源を供給する配線との間に、シールド用の配線が配置されている
    　請求項９に記載のセンサ素子。
  11. 　前記画素にアノード電圧を印加するためのアノード領域が前記半導体基板の裏面側に配置される
    　請求項１に記載のセンサ素子。
  12. 　前記アノード領域に接続し、前記画素の側面を囲うように設けられるホール蓄積領域が、前記半導体基板の表面側から所定の深さよりも深い範囲に形成されている
    　請求項１１に記載のセンサ素子。
  13. 　前記画素の側面を囲うように、前記半導体基板の表面側から所定の深さよりも浅い範囲に絶縁膜が設けられている
    　請求項１２に記載のセンサ素子。
  14. 　前記センサ基板に設けられるトランジスタは、前記SPADを非アクティブにするための第１のNMOSトランジスタ、クエンチまたはリチャージ用の第１のPMOSトランジスタ、並びに、インバータを構成する第２のNMOSトランジスタおよび第２のPMOSトランジスタであり、
    　前記第１のNMOSトランジスタ、前記第１のPMOSトランジスタ、前記第２のNMOSトランジスタ、前記第２のPMOSトランジスタが個別に４つの前記画素に配置されている
    　請求項１に記載のセンサ素子。
  15. 　照射光を照射する照明装置と、
    　前記照射光に対する反射光を検出するセンサ素子と
    　を備え、
    　前記センサ素子は、
    　　SPAD（Single Photon Avalanche Diode）が画素ごとに半導体基板に設けられたセンサ基板と、
    　　前記センサ基板に積層され、ロジック回路が設けられたロジック基板と、
    　　前記SPADのカソード電圧またはアノード電圧に従った信号を出力するために用いられる複数のトランジスタと
    　　を有し、
    　　複数の前記トランジスタのうち、少なくとも一部の前記トランジスタが前記センサ基板の前記半導体基板に形成されたウェル内に設けられる
    　測距システム。
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