(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多角形状の画素領域における角部を除く領域内に配置され、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、
前記画素領域の中心部で且つ前記電荷発生領域に囲まれるように前記電荷発生領域の内側に配置され、前記電荷発生領域からの信号電荷を収集する信号電荷収集領域と、
前記電荷発生領域の上に配置されるフォトゲート電極と、
前記信号電荷収集領域と前記電荷発生領域との間に配置され、入力された信号に応じて前記電荷発生領域からの信号電荷を前記信号電荷収集領域に流入させる転送電極と、
一部が前記画素領域の前記角部に位置すると共に残部が前記画素領域の外側に位置し、前記信号電荷収集領域とは異なる導電型であり且つ周囲よりも不純物濃度が高い半導体領域と、
前記半導体領域に配置され、前記信号電荷収集領域に蓄積された電荷量に対応する信号を読み出す読出回路と、を備え、
前記画素領域のすべての前記角部に対して前記半導体領域が配置され、
隣り合う複数の前記画素領域を備えており、
前記半導体領域の前記残部は、隣に位置する前記画素領域の前記角部に位置している、距離センサ。
【請求項２】
前記画素領域の辺に沿うように前記電荷発生領域の外側に配置され、前記電荷発生領域からの不要電荷を排出する不要電荷排出領域と、
前記不要電荷排出領域と前記電荷発生領域との間に配置され、入力された信号に応じて前記電荷発生領域からの不要電荷を前記不要電荷排出領域に流入させる不要電荷排出ゲート電極と、を更に備えている、請求項１に記載の距離センサ。
【請求項３】
前記転送電極には、所定のタイミンクで間欠的に位相シフトが与えられた電荷転送信号が与えられる、請求項１又は２に記載の距離センサ。
【請求項４】
前記複数の画素領域の前記電荷発生領域同士が、一体的に形成され、
前記複数の画素領域の前記フォトゲート電極同士が、一体的に形成されている、請求項１に記載の距離センサ。
【請求項５】
前記複数の画素領域の前記転送電極には、異なる位相の電荷転送信号がそれぞれ与えられる、請求項４に記載の距離センサ。
【請求項６】
前記信号電荷収集領域は、平面視で矩形状であり、
前記転送電極は、略多角形環状を呈している、請求項１〜５のいずれか一項に記載の距離センサ。
【請求項７】
一次元状又は二次元状に配置された複数のユニットからなる撮像領域を半導体基板上に備え、前記ユニットから出力される電荷量に基づいて、距離画像を得る距離画像センサであって、
前記ユニットそれぞれが、請求項１〜６のいずれか一項に記載の距離センサである、距離画像センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離センサ及び距離画像センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＯＦ（Time-Of-Flight）型の距離画像センサ（距離センサ）が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。非特許文献１に記載された距離画像センサは、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、電荷発生領域に囲まれるように電荷発生領域の内側に配置された電荷収集領域と、電荷発生領域を囲むように電荷発生領域の外側に配置された電荷排出領域と、電荷発生領域の上に配置され、入力信号に応じて電荷発生領域の電荷を電荷収集領域に流入させる内側ゲート電極と、電荷発生領域の上に配置され、入力信号に応じて電荷発生領域の電荷を電荷排出領域に流入させる外側排出ゲート電極と、を備えている。電荷収集領域は、多角形状の画素領域の中心部に配置されており、電荷排出領域は、画素領域の全周にわたって配置されている。内側ゲート電極と外側排出ゲート電極とに与えられる電位差により、内側ゲート電極及び外側排出ゲート電極の直下の領域にはポテンシャルの勾配が形成される。このポテンシャルの勾配にしたがって、電荷発生領域に発生した電荷は、電荷収集領域又は電荷排出領域に移動する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】T. Y. Lee et al., “A 192×108 pixel ToF-3D image sensor withsingle-tap concentric-gate demodulation pixels in 0.13 μm technology”,Proceeding of the 2011 IEEE International Electron Devices Meeting, December5-8, 2011, pp.8.7.1-8.7.4
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような距離画像センサ（距離センサ）では、信号電荷収集領域に蓄積された電荷量に対応する信号を読み出す読出回路が必要である。しかしながら、非特許文献１に記載された距離画像センサには、読出回路の具体的な配置は示唆されていない。
【０００５】
読出回路が画素領域内に配置されている場合、電荷発生領域の面積が読出回路の面積分減少し、開口率が低下する。
【０００６】
読出回路が画素領域外に配置されている場合、開口率の低下は抑制される。しかしながら、画素領域とは別に読出回路が配置される領域を独立して設定する必要があるため、センサ面積の利用効率が低下する。また、画素領域用のチップと読出回路用のチップとを別々に作製して、これらをバンプなどにより接合することが必要となる懼れがある。この場合には、装置の大型化、製造工程の増大、及びコスト増加などの問題が生じる。
【０００７】
本発明は、開口率の低下とセンサ面積の利用効率の低下とを抑制しつつ、読出回路を適切に配置することが可能な距離センサ及び距離画像センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一つの観点では、本発明は、距離センサであって、多角形状の画素領域における角部を除く領域内に配置され、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、画素領域の中心部で且つ電荷発生領域に囲まれるように電荷発生領域の内側に配置され、電荷発生領域からの信号電荷を収集する信号電荷収集領域と、電荷発生領域の上に配置されるフォトゲート電極と、信号電荷収集領域と電荷発生領域との間に配置され、入力された信号に応じて電荷発生領域からの信号電荷を信号電荷収集領域に流入させる転送電極と、一部が画素領域の角部に位置すると共に残部が画素領域の外側に位置し、信号電荷収集領域とは異なる導電型であり且つ周囲よりも不純物濃度が高い半導体領域と、半導体領域に配置され、信号電荷収集領域に蓄積された電荷量に対応する信号を読み出す読出回路と、を備えている。
【０００９】
本発明では、読出回路が配置される半導体領域は、その一部が画素領域の角部に位置している。すなわち、画素領域と半導体領域（読出回路が配置される領域）とが、一部重複して設定される。したがって、読出回路を適切に配置した上で、開口率の低下とセンサ面積の利用効率の低下とを抑制することができる。
【００１０】
ところで、画素領域の角部にまで電荷発生領域が伸びていると、電荷発生領域における画素領域の角部に対応する領域で発生した電荷は、画素領域の中央部に配置されている信号電荷収集領域までの移動距離が長い。このため、上記角部に対応した領域で発生した電荷の信号電荷収集領域への転送時間が長くなり、信号電荷の電荷収集領域への転送効率が悪化する。これに対して、本発明では、上述したように、画素領域の角部には、電荷発生領域が配置されていないので、移動距離が長くなる領域から信号電荷が転送されることはない。このため、信号電荷の電荷収集領域への転送効率が向上する。
【００１１】
半導体領域により、当該半導体領域の直下の領域のポテンシャルが高められる。このため、信号電荷を電荷収集領域へ転送する際に、ポテンシャル勾配が大きくなり、電荷発生領域から電荷収集領域に転送される信号電荷の移動速度が高速になる。したがって、信号電荷の電荷収集領域への転送効率が向上する。
【００１２】
画素領域のすべての角部に対して半導体領域が配置されていてもよい。この場合、信号電荷の電荷収集領域への転送効率がより一層向上する。
【００１３】
隣り合う複数の画素領域を備えており、半導体領域の残部は、隣に位置する画素領域の角部に位置していてもよい。この場合、隣り合う複数の画素領域が備えられていても、開口率の低下とセンサ面積の利用効率の低下とを抑制することができる。
【００１４】
画素領域の辺に沿うように電荷発生領域の外側に配置され、電荷発生領域からの不要電荷を排出する不要電荷排出領域と、不要電荷排出領域と電荷発生領域との間に配置され、入力された信号に応じて電荷発生領域からの不要電荷を不要電荷排出領域に流入させる不要電荷排出ゲート電極と、を更に備えていてもよい。この場合、開口率の低下の抑制を図りつつ、不要電荷排出領域を配置することができる。
【００１５】
転送電極には、所定のタイミンクで間欠的に位相シフトが与えられた電荷転送信号が与えられていてもよい。この場合、一つの画素領域からの出力に基づいて距離が演算される。このため、複数の画素領域からの出力に基づいて距離を演算する構成に比して、距離演算のばらつきを低減できる。センサ面積の利用効率をより一層高めることができる。
【００１６】
隣り合う複数の画素領域を備えており、複数の画素領域の電荷発生領域同士が、一体的に形成され、複数の画素領域のフォトゲート電極同士が、一体的に形成されていてもよい。この場合、センサ面積の利用効率をより一層高めることができる。
【００１７】
複数の画素領域の転送電極には、異なる位相の電荷転送信号がそれぞれ与えられていてもよい。この場合、隣り合う複数の画素領域からの出力に基づいて、距離演算が行われる。
【００１８】
信号電荷収集領域は、平面視で矩形状であり、転送電極は、略多角形環状を呈していてもよい。
【００１９】
別の観点では、本発明は、一次元状又は二次元状に配置された複数のユニットからなる撮像領域を半導体基板上に備え、ユニットから出力される電荷量に基づいて、距離画像を得る距離画像センサであって、ユニットそれぞれが、上記距離センサである。
【００２０】
本発明では、上述したように、読出回路を適切に配置した上で、開口率の低下とセンサ面積の利用効率の低下とを抑制することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、開口率の低下とセンサ面積の利用効率の低下とを抑制しつつ、読出回路を適切に配置することが可能な距離センサ及び距離画像センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本実施形態に係る測距装置の構成を示す説明図である。
【図２】図２は、距離画像センサの断面構成を説明するための図である。
【図３】図３は、距離画像センサの概略平面図である。
【図４】図４は、距離画像センサの画素領域の構成を説明するための模式図である。
【図５】図５は、図４におけるV−V線に沿った断面構成を示す図である。
【図６】図６は、図４におけるVI−VI線に沿った断面構成を示す図である。
【図７】図７は、電荷の蓄積動作を説明するための、ポテンシャル分布を示す図である。
【図８】図８は、電荷の蓄積動作を説明するための、ポテンシャル分布を示す図である。
【図９】図９は、電荷の排出動作を説明するための、ポテンシャル分布を示す図である。
【図１０】図１０は、電荷の排出動作を説明するための、ポテンシャル分布を示す図である。
【図１１】図１１は、画素の構成を説明するための模式図である。
【図１２】図１２は、各種信号のタイミングチャートである。
【図１３】図１３は、変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。
【図１４】図１４は、図１３におけるXIV−XIV線に沿った断面構成を示す図である。
【図１５】図１５は、画素の構成を説明するための模式図である。
【図１６】図１６は、各種信号のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２４】
図１は、測距装置の構成を示す説明図である。
【００２５】
この測距装置は、距離画像センサ１と、近赤外光を出射する光源３と、駆動回路４と、制御回路２と、演算回路５と、を備えている。駆動回路４は、光源３にパルス駆動信号ＳＰを与える。制御回路２は、距離画像センサ１の各画素に含まれる第一ゲート電極（ＴＸ１：図４参照）に、パルス駆動信号ＳＰに同期した検出用ゲート信号Ｓ１を与える。演算回路５は、距離画像センサ１の第一半導体領域（ＦＤ１：図４参照）から読み出された距離情報を示す信号ｄ’（ｍ，ｎ）から、歩行者などの対象物Ｈまでの距離を演算する。距離画像センサ１から対象物Ｈまでの水平方向Ｄの距離をｄとする。制御回路２は、後述する電荷転送信号Ｓ３も出力する。
【００２６】
制御回路２は、パルス駆動信号ＳＰを駆動回路４のスイッチ４ｂに入力している。ＬＥＤ又はレーザダイオードからなる投光用の光源３は、スイッチ４ｂを介して電源４ａに接続されている。スイッチ４ｂにパルス駆動信号ＳＰが入力されると、パルス駆動信号ＳＰと同じ波形の駆動電流が光源３に供給され、光源３からは測距用のプローブ光としてのパルス光ＬＰが出力される。パルス光ＬＰが対象物Ｈに照射されると、対象物Ｈによってパルス光が反射される。反射されたパルス光は、パルス光ＬＤとして、距離画像センサ１に入射して、パルス検出信号ＳＤが出力される。
【００２７】
距離画像センサ１は、配線基板１０上に配置されている。配線基板１０上の配線を介して、距離情報を有する信号ｄ’（ｍ，ｎ）が距離画像センサ１の各画素から出力される。
【００２８】
図２は、距離画像センサの断面構成を説明するための図である。
【００２９】
距離画像センサ１は、表面入射型の距離画像センサであって、半導体基板１Ａを備えている。距離画像センサ１には、半導体基板１Ａの光入射面１ＦＴからパルス光ＬＤが入射する。距離画像センサ１の光入射面１ＦＴとは逆側の裏面１ＢＫは、接着領域ＡＤを介して配線基板１０に接続されている。接着領域ＡＤは、絶縁性の接着剤やフィラーを有している。距離画像センサ１は、所定の位置に開口が形成された遮光層ＬＩを備えている。遮光層ＬＩは、光入射面１ＦＴの前方に配置されている。
【００３０】
図３は、距離画像センサの概略平面図である。
【００３１】
距離画像センサ１では、半導体基板１Ａが、二次元状に配列した複数の画素Ｐ（ｍ，ｎ）からなる撮像領域１Ｂを有している。各画素Ｐ（ｍ，ｎ）からは、上述の距離情報を有する信号ｄ’（ｍ，ｎ）として二つの電荷量（Ｑ１，Ｑ２）が出力される。各画素Ｐ（ｍ，ｎ）は微小測距センサとして対象物Ｈまでの距離に応じた信号ｄ’（ｍ，ｎ）を出力する。したがって、対象物Ｈからの反射光を、撮像領域１Ｂに結像すれば、対象物Ｈ上の各点までの距離情報の集合体としての対象物の距離画像を得ることができる。一つの画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、一つの距離センサとして機能する。
【００３２】
図４は、距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。図５は、図４におけるV−V線に沿った断面構成を示す図である。図６は、図４におけるVI−VI線に沿った断面構成を示す図である。
【００３３】
距離画像センサ１は、図２にも示されているように、互いに対向する光入射面１ＦＴと裏面１ＢＫとを有する半導体基板１Ａを備えている。半導体基板１Ａは、裏面１ＢＫ側に位置するｐ型の第一基板領域１Ａａと、光入射面１ＦＴ側に位置するｐ−型の第二基板領域１Ａｂと、を有する。第二基板領域１Ａｂは、第一基板領域１Ａａよりも不純物濃度が低い。半導体基板１Ａは、たとえば、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。
【００３４】
距離画像センサ１の各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、一つの画素領域ＰＡ１を含んでいる。すなわち、一つの画素領域ＰＡ１に配置されるユニットが一画素Ｐ（ｍ，ｎ）を構成している。距離画像センサ１では、複数の画素領域ＰＡ１が行方向及び列方向に二次元状に配置されている。画素領域ＰＡ１は、平面視で略多角形状を呈している。本実施形態では、各画素領域ＰＡ１は、矩形状（詳細には、正方形状）を呈している。複数の画素領域ＰＡ１は、行方向及び列方向に連続している。
【００３５】
距離画像センサ１は、画素領域ＰＡ１において、フォトゲート電極ＰＧ１と、第一ゲート電極ＴＸ１と、複数の第三ゲート電極ＴＸ３と、第一半導体領域ＦＤ１と、複数の第三半導体領域ＦＤ３と、複数の第四半導体領域ＳＲと、を備えている。
【００３６】
フォトゲート電極ＰＧ１は、光入射面１ＦＴ上に絶縁層１Ｅを介して設けられており、画素領域ＰＡ１内の領域に配置されている。第一及び第三ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ３は、光入射面１ＦＴ上において絶縁層１Ｅを介して設けられており、フォトゲート電極ＰＧ１に隣接している。各第一及び第三半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３は、対応するゲート電極ＴＸ１，ＴＸ３の直下の領域に流れ込む電荷を蓄積する。本実施形態の半導体基板１ＡはＳｉからなり、絶縁層１ＥはＳｉＯ２からなる。
【００３７】
遮光層ＬＩには、画素領域ＰＡ１に対応する領域において、略多角形環状の開口ＬＩａが形成されている。光（対象物Ｈからの反射光）は、遮光層ＬＩの開口ＬＩａを通して、半導体基板１Ａに入射する。したがって、開口ＬＩａにより、半導体基板１Ａには、矩形環状である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。
【００３８】
フォトゲート電極ＰＧ１は、画素領域ＰＡ１において、開口ＬＩａに対応して配置されている。フォトゲート電極ＰＧ１の形状は、開口ＬＩａの形状に対応しており、平面視で略多角形環状を呈している。フォトゲート電極ＰＧ１は、画素領域ＰＡ１の各辺（外縁）から所定の間隔を有して内側に位置する領域に配置されている。すなわち、フォトゲート電極ＰＧ１は、画素領域ＰＡ１における角部を除く領域内に配置されている。フォトゲート電極ＰＧ１は、外側の輪郭形状が略八角形状を呈し、内側の輪郭形状が略矩形状（詳細には、正方形状）を呈している。フォトゲート電極ＰＧ１はポリシリコンからなるが、他の材料を用いてもよい。
【００３９】
第一半導体領域ＦＤ１は、フォトゲート電極ＰＧ１に囲まれるようにフォトゲート電極ＰＧ１の内側に配置されている。第一半導体領域ＦＤ１は、フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域から空間的に離間して配置されている。すなわち、第一半導体領域ＦＤ１は、受光領域に囲まれるように受光領域の内側で且つ受光領域から空間的に離間して配置されている。
【００４０】
第一半導体領域ＦＤ１は、平面視で略多角形状を呈している。本実施形態では、第一半導体領域ＦＤ１は、矩形状（詳細には、正方形状）を呈している。第一半導体領域ＦＤ１は、信号電荷収集領域として機能する。第一半導体領域ＦＤ１は高不純物濃度のｎ型半導体からなる領域であり、フローティング・ディフュージョン領域である。
【００４１】
第一ゲート電極ＴＸ１は、フォトゲート電極ＰＧ１（受光領域）と第一半導体領域ＦＤ１との間に配置されている。第一ゲート電極ＴＸ１は、第一半導体領域ＦＤ１を囲むように第一半導体領域ＦＤ１の外側に位置していると共に、フォトゲート電極ＰＧ１に囲まれるようにフォトゲート電極ＰＧ１の内側に位置している。第一ゲート電極ＴＸ１は、フォトゲート電極ＰＧ１と第一半導体領域ＦＤ１とに挟まれるように、フォトゲート電極ＰＧ１及び第一半導体領域ＦＤ１から空間的に離間して配置されている。
【００４２】
第一ゲート電極ＴＸ１は、平面視で略多角形環状を呈している。本実施形態では、第一ゲート電極ＴＸ１は、矩形環状を呈している。第一ゲート電極ＴＸ１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。第一ゲート電極ＴＸ１は、転送電極として機能する。
【００４３】
各第三半導体領域ＦＤ３は、画素領域ＰＡ１の各辺に沿ってフォトゲート電極ＰＧ１の外側に配置されている。第三半導体領域ＦＤ３は、フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域から空間的に離間して配置されている。すなわち、第三半導体領域ＦＤ３は、受光領域の外側で且つ受光領域から空間的に離間して配置されている。
【００４４】
第三半導体領域ＦＤ３は、各画素領域ＰＡ１において、平面視で略多角形状を呈している。本実施形態では、第三半導体領域ＦＤ３は、略矩形状（詳細には、画素領域ＰＡ１の各辺が延びる方向を長辺方向とする長方形状）を呈している。行方向又は列方向に隣り合う第三半導体領域ＦＤ３は、一体に形成されている。これにより、行方向又は列方向に隣り合う二つ画素領域ＰＡ１において、これらの画素領域ＰＡ１の間に位置する二つの第三半導体領域ＦＤ３は、一つの矩形状（詳細には、一つの長方形状）を呈する。第三半導体領域ＦＤ３は、不要電荷排出領域として機能する。すなわち、第三半導体領域ＦＤ３は、不要電荷排出ドレインとして機能し、たとえば固定電位Ｖｄｄに接続されている。
【００４５】
第三ゲート電極ＴＸ３は、フォトゲート電極ＰＧ１（受光領域）と第三半導体領域ＦＤ３との間に配置されている。第三ゲート電極ＴＸ３は、フォトゲート電極ＰＧ１と第三半導体領域ＦＤ３とに挟まれるように、フォトゲート電極ＰＧ１及び第三半導体領域ＦＤ３から空間的に離間して配置されている。第三ゲート電極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。第三ゲート電極ＴＸ３は、不要電荷排出ゲート電極として機能する。
【００４６】
第三ゲート電極ＴＸ３は、各画素領域ＰＡ１において、平面視で略多角形状を呈している。本実施形態では、第三半導体領域ＦＤ３は、略矩形状（詳細には、画素領域ＰＡ１の各辺が延びる方向を長辺方向とする長方形状）を呈している。
【００４７】
フォトゲート電極ＰＧ１、第一ゲート電極ＴＸ１、及び第三ゲート電極ＴＸ３は、第一半導体領域ＦＤ１を中心として、第一半導体領域ＦＤ１側から第一ゲート電極ＴＸ１、フォトゲート電極ＰＧ１、第三ゲート電極ＴＸ３の順に同心状に配置されている。
【００４８】
各第四半導体領域ＳＲは、画素領域ＰＡ１の角部で且つフォトゲート電極ＰＧ１の外側に配置されている。各画素領域ＰＡ１において、隣り合う二つの角部に配置された第四半導体領域ＳＲは、行方向又は列方向で第三半導体領域ＦＤ３と第三ゲート電極ＴＸ３とを挟むように配置されている。
【００４９】
第四半導体領域ＳＲは、各画素領域ＰＡ１において、平面視で略多角形状を呈している。本実施形態では、第四半導体領域ＳＲは、略五角形状を呈している。行方向及び列方向に隣り合う第四半導体領域ＳＲは、一体に形成されている。すなわち、一部が一つの画素領域ＰＡ１の角部に位置する第四半導体領域ＳＲの残部は、上記一つの画素領域ＰＡ１の隣に位置する三つの画素領域ＰＡ１の角部にそれぞれ位置している。これにより、行方向及び列方向に隣り合う四つの画素領域ＰＡ１において、これらの画素領域ＰＡ１の中心部に位置する四つの第四半導体領域ＳＲは、一つの八角形状を呈する。
【００５０】
行方向及び列方向に隣り合う四つの第四半導体領域ＳＲは、互いに直交する対角線を有し且つ当該対角線の交点に第一半導体領域ＦＤ１が位置する四角形（本実施形態では、正方形）の角部に配置されている。行方向及び列方向に隣り合う第一半導体領域ＦＤ１は、互いに直交する対角線を有し且つ一体に形成された四つ第四半導体領域ＳＲが当該対角線の交点に位置する四角形（本実施形態では、正方形）の角部に配置されている。
【００５１】
第四半導体領域ＳＲは、半導体基板１Ａと同じ導電型であり且つ第二基板領域１Ａｂよりも不純物濃度が高い、すなわち高不純物濃度のｐ型半導体からなる領域である。第四半導体領域ＳＲは、ｐ型ウエル領域であってもよく、また、ｐ型拡散領域であってもよい。
【００５２】
第四半導体領域ＳＲには、読出回路ＲＣ１が配置される。読出回路ＲＣ１は、画素領域ＰＡ１毎に設けられている。読出回路ＲＣ１は、対応する画素領域ＰＡ１の第一半導体領域ＦＤ１に蓄積された電荷量に対応する信号を読み出す。読出回路ＲＣ１は、フローティングディフュージョンアンプ（ＦＤＡ：Floating Diffusion Amplifier）などから構成される。
【００５３】
各領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
半導体基板１Ａの第一基板領域１Ａａ：厚さ５〜７００μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
半導体基板１Ａの第二基板領域１Ａｂ：厚さ３〜５０μｍ／不純物濃度１×１０１３〜１０１６ｃｍ−３
第一半導体領域ＦＤ１：厚さ０．１〜０．４μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
第三半導体領域ＦＤ３：厚さ０．１〜０．４μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
第四半導体領域ＳＲ：厚さ１〜５μｍ／不純物濃度１×１０１６〜１０１８ｃｍ−３
【００５４】
絶縁層１Ｅには、第一及び第三半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３の表面を露出させるためのコンタクトホール（不図示）が設けられている。コンタクトホール内には、第一及び第三半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３を外部に接続するための導体（不図示）が配置される。
【００５５】
遮光層ＬＩは、半導体基板１Ａにおける第一及び第三ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ３並びに第一、第三、及び第四半導体領域ＦＤ１，ＦＤ３，ＳＲが配置された領域を覆っており、当該領域に光が入射するのを防止している。これにより、上記領域に入射した光による不要電荷の発生を防止することができる。
【００５６】
半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧ１に対応する領域（フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域）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。したがって、電荷発生領域は、フォトゲート電極ＰＧ１及び開口ＬＩａの形状に対応している。すなわち、電荷発生領域は、各画素領域ＰＡ１において、画素領域ＰＡ１の角部を除き且つ画素領域ＰＡ１の各辺（外縁）から所定の間隔を有して内側に位置する領域に配置されている。電荷発生領域は、外側の輪郭形状が略八角形状を呈し、内側の輪郭形状が略矩形状（詳細には、正方形状）を呈している。
【００５７】
第一ゲート電極ＴＸ１に、ハイレベルの信号（正電位）が与えられると、第一ゲート電極ＴＸ１の下のポテンシャルが半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域のポテンシャルに対して低くなる。これにより、負の電荷（電子）は、第一ゲート電極ＴＸ１の方向に引き込まれ、第一半導体領域ＦＤ１によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。第一ゲート電極ＴＸ１は、入力された信号に応じて、信号電荷を第一半導体領域ＦＤ１に流入させる。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。第一ゲート電極ＴＸ１に、ローレベルの信号（たとえば、グランド電位）が与えられると、第一ゲート電極ＴＸ１によるポテンシャル障壁が生じる。したがって、半導体基板１Ａで発生した電荷は、第一半導体領域ＦＤ１内には引き込まれない。
【００５８】
第三ゲート電極ＴＸ３に、ハイレベルの信号（正電位）が与えられると、第三ゲート電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルが半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域のポテンシャルに対して低くなる。これにより、負の電荷（電子）は第三ゲート電極ＴＸ３の方向に引き込まれ、第三半導体領域ＦＤ３によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。第三ゲート電極ＴＸ３に、ローレベルの信号（たとえば、グランド電位）が与えられると、第三ゲート電極ＴＸ３によるポテンシャル障壁が生じる。したがって、半導体基板１Ａで発生した電荷は、第三半導体領域ＦＤ３内には引き込まれない。第三半導体領域ＦＤ３には、光の入射に応じて電荷発生領域で発生した電荷のうち一部の電荷が、不要電荷として排出される。
【００５９】
距離画像センサ１では、投光用の光の入射に応答して半導体深部で発生した電荷を、光入射面１ＦＴ側に設けられたポテンシャル井戸に引き込み、高速で正確な測距が可能としている。
【００６０】
半導体基板１Ａの光入射面１ＦＴから入射した対象物からのパルス光ＬＤは、半導体基板１Ａの表面側に設けられた受光領域（電荷発生領域）に至る。パルス光の入射に伴って半導体基板１Ａ内で発生した電荷は、各電荷発生領域（フォトゲート電極ＰＧ１の直下の各領域）から、対応する電荷発生領域に隣接する第一ゲート電極ＴＸ１の直下の領域に送られる。すなわち、第一ゲート電極ＴＸ１に光源のパルス駆動信号ＳＰに同期した検出用ゲート信号Ｓ１を、配線基板１０を介して与えると、各電荷発生領域で発生した電荷が、それぞれ第一ゲート電極ＴＸ１の直下の領域に流れ、これらから第一半導体領域ＦＤ１に流れ込む。
【００６１】
所定のタイミンクで第一半導体領域ＦＤ１内に蓄積された電荷量Ｑ１，Ｑ２の全体電荷量（Ｑ１＋Ｑ２）に対する比率は、パルス駆動信号ＳＰを光源に与えることによって出射された出射パルス光と、対象物Ｈによって出射パルス光が反射されることによって戻ってきた検出パルス光の位相差に対応する。
【００６２】
距離画像センサ１は、図示は省略するが、半導体基板１Ａの電位を基準電位に固定するためのバックゲート半導体領域を備えている。
【００６３】
図７及び図８は、電荷の蓄積動作を説明するための、半導体基板１Ａの光入射面１ＦＴ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図９及び図１０は、電荷の排出動作を説明するための、半導体基板１Ａの光入射面１ＦＴ近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。図７〜図１０では、下向きがポテンシャルの正方向である。図７及び図９は、図４のV−V線に沿ったポテンシャル分布を示す。図８及び図１０は、図４のVI−VI線に沿ったポテンシャル分布を示す。
【００６４】
光入射時において、フォトゲート電極ＰＧ１に与えられる電位（たとえば、第一ゲート電極ＴＸ１に与えられる高い方の電位と低い方の電位の中間の電位）により、フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域のポテンシャルφＰＧ１は、基板電位よりも若干高く設定されている。各図には、第一ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１、第三ゲート電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３、第一半導体領域ＦＤ１のポテンシャルφＦＤ１、第三半導体領域ＦＤ３のポテンシャルφＦＤ３、及び、第四半導体領域ＳＲのポテンシャルφＳＲが示されている。
【００６５】
検出用ゲート信号Ｓ１の高電位が、第一ゲート電極ＴＸ１に入力されると、図７に示されるように、フォトゲート電極ＰＧ１の直下で発生した電荷は、ポテンシャル勾配にしたがって、第一ゲート電極ＴＸ１の直下の領域を介して、第一半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内に蓄積される。第一半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内には、検出用ゲート信号Ｓ１のパルスタイミングに応じて、電荷量Ｑ１又は電荷量Ｑ２が蓄積される。
【００６６】
このとき、第四半導体領域ＳＲが配置されていることにより、図８に示されるように、フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域のポテンシャルφＰＧ１は、画素領域ＰＡ１の角部側で高められている。したがって、フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域には、画素領域ＰＡ１の角部側から第一半導体領域ＦＤ１に向かって低くなるポテンシャルのより一層大きな勾配が形成される。フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域における画素領域ＰＡ１の角部近くで発生した電荷は、第四半導体領域ＳＲにより形成される上記ポテンシャルの勾配にしたがって加速され、第一半導体領域ＦＤ１に向かって速やかに移動する。
【００６７】
第一ゲート電極ＴＸ１に検出用ゲート信号Ｓ１が印加されている間、第三ゲート電極ＴＸ３には、ローレベルの電位（たとえば、グランド電位）が与えられている。このため、第三ゲート電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３は下がらず、第三半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。
【００６８】
第三ゲート電極ＴＸ３に正の電位が与えられると、図９に示されるように、電荷発生領域（フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域）で発生した電荷は、第三ゲート電極ＴＸ３の直下の領域のポテンシャルφＴＸ３が下がることにより、第三半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸内に流れ込む。これにより、電荷発生領域にて発生した電荷が、不要電荷として第三半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸に流れ込む。第三半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸に流入した不要電荷は、外部に排出される。第三ゲート電極ＴＸ３に正の電位が与えられる間、第一ゲート電極ＴＸ１には、ローレベルの電位が与えられる。このため、図１０にも示されるように、第一ゲート電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１は下がらず、第一半導体領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。
【００６９】
図１１は、画素の構成を説明するための模式図である。
【００７０】
第一ゲート電極ＴＸ１には、電荷転送信号として検出用ゲート信号Ｓ１が与えられる。第三ゲート電極ＴＸ３には、電荷転送信号Ｓ３が与えられる。電荷発生領域（主としてフォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域）において発生した電荷は、第一ゲート電極ＴＸ１にハイレベルの検出用ゲート信号Ｓ１が与えられている場合には、第一半導体領域ＦＤ１によって構成されるポテンシャル井戸に信号電荷として流れ込む。第一半導体領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷は、読出回路ＲＣ１により、蓄積された電荷量Ｑ１に対応した電圧出力Ｖｏｕｔ１又は蓄積された電荷量Ｑ２に対応した電圧出力Ｖｏｕｔ２としてとして第一半導体領域ＦＤ１から読み出される。これらの電圧出力Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２は、上述した信号ｄ’（ｍ，ｎ）に相当する。
【００７１】
読出回路ＲＣ１は、図１１に示されるように、ソースフォロアトランジスタＴＲ１、選択トランジスタＴＲ２、及びリセットトランジスタＴＲ３を備えている。第一半導体領域ＦＤ１は、ソースフォロアトランジスタＴＲ１のゲート電極に接続されている。ソースフォロアトランジスタＴＲ１のソースは電源電位Ｖｄｄに接続され、ドレインは選択トランジスタＴＲ２に接続されている。選択トランジスタＴＲ２のドレインは、信号読出ラインＲＬに接続されている。信号読出ラインＲＬには、第一半導体領域ＦＤ１に蓄積される電荷量Ｑ１又は電荷量Ｑ２に応じた電圧が出力される。選択トランジスタＴＲ２のゲート電極には、選択信号Ｓｓが印加される。
【００７２】
第一半導体領域ＦＤ１は、リセットトランジスタＴＲ３のドレインにも接続されている。リセットトランジスタＴＲ３がＯＮされることによって、第一半導体領域ＦＤ１はリセット電位Ｖｒに接続され、第一半導体領域ＦＤ１に蓄積された電荷はリセットされる。リセットトランジスタＴＲ３のゲート電極には、リセット信号Ｓｒが印加される。電源電位Ｖｄｄ及びリセット電位Ｖｒの大きさは設計に応じて互いに異なる。
【００７３】
図１２は、実際の各種信号のタイミングチャートである。
【００７４】
１フレームの期間は、信号電荷を蓄積する期間（蓄積期間）と、信号電荷を読み出す期間（読み出し期間）と、からなる。一つの画素に着目すると、蓄積期間において、パルス駆動信号ＳＰに基づいた信号が光源に印加され、これに同期して、検出用ゲート信号Ｓ１第一ゲート電極ＴＸ１に印加される。距離測定に先立って、上述したように、リセット信号がリセットトランジスタＴＲ３に印加され、第一半導体領域ＦＤ１に蓄積された電荷がリセット電位Ｖｒにリセットされる。リセット信号が一瞬ＯＮし、続いてＯＦＦした後、検出用ゲート信号Ｓ１のパルスが第一ゲート電極ＴＸ１に印加され、更に、これに同期して電荷転送が逐次的に行われる。そして、第一半導体領域ＦＤ１内に信号電荷が積算して蓄積される。
【００７５】
図１２に示されるように、第一ゲート電極ＴＸ１に印加される検出用ゲート信号Ｓ１は、所定のタイミンクで間欠的に位相シフトが与えられている。本実施形態では、第一フレームと第二フレームとが交互に連続している。第一フレームでは、蓄積期間において、検出用ゲート信号Ｓ１がパルス駆動信号ＳＰに０度の位相差を有している。第二フレームでは、蓄積期間において、検出用ゲート信号Ｓ１がパルス駆動信号ＳＰに１８０度の位相差を有している。すなわち、検出用ゲート信号Ｓ１は、１フレームおきに、１８０度の位相シフトが与えられている。各フレームとも、蓄積期間において、検出用ゲート信号Ｓ１が複数回ハイレベルとされる。
【００７６】
その後、読み出し期間において、第一半導体領域ＦＤ１内に蓄積された信号電荷が読み出される。このとき、第三ゲート電極ＴＸ３に印加される電荷転送信号Ｓ３がハイレベルとなり、第三ゲート電極ＴＸ３に正の電位が与えられ、不要電荷が第三半導体領域ＦＤ３のポテンシャル井戸に流れ込み、第三半導体領域ＦＤ３から排出される。第一ゲート電極ＴＸ１に印加される検出用ゲート信号Ｓ１がローレベルの際に、第三ゲート電極ＴＸ３に印加される電荷転送信号Ｓ３がハイレベルとされる。すなわち、検出用ゲート信号Ｓ１と電荷転送信号Ｓ３とは、逆の位相である。
【００７７】
フォトゲート電極ＰＧ１に与えられる電位ＶＰＧは、電位ＶＴＸ１，ＶＴＸ３より低く設定されている。これにより、検出用ゲート信号Ｓ１がハイレベルとなった際に、ポテンシャルφＴＸ１はポテンシャルφＰＧ１よりも低くなる。電荷転送信号Ｓ３がハイレベルとなった際に、ポテンシャルφＴＸ３はポテンシャルφＰＧ１よりも低くなる。
【００７８】
電位ＶＰＧは、検出用ゲート信号Ｓ１及び電荷転送信号Ｓ３がローレベルであるときの電位より高く設定されている。検出用ゲート信号Ｓ１がローレベルとなった際に、ポテンシャルφＴＸ１はポテンシャルφＰＧ１よりも高くなる。また、電荷転送信号Ｓ３がローレベルとなった際に、ポテンシャルφＴＸ３はポテンシャルφＰＧ１よりも高くなる。
【００７９】
上記パルス信号ＳＰ，Ｓ１，ＳＤのパルス幅がＴＰであるとする。検出用ゲート信号Ｓ１及びパルス検出信号ＳＤが共に「ハイレベル」のときに距離画像センサ１内で発生する電荷量が上述したＱ１又はＱ２である。詳細には、パルス駆動信号ＳＰに同期して検出用ゲート信号Ｓ１が「ハイレベル」であり且つパルス検出信号ＳＤが「ハイレベル」のときに距離画像センサ１（電荷発生領域）内で発生する電荷量がＱ１である。パルス駆動信号ＳＰに１８０度の位相差を有して検出用ゲート信号Ｓ１が「ハイレベル」であり且つパルス検出信号ＳＤが「ハイレベル」であるときに距離画像センサ１（電荷発生領域）内で発生する電荷量がＱ２である。
【００８０】
検出用ゲート信号Ｓ１とパルス検出信号ＳＤの位相差は、上述した電荷量Ｑ２に比例する。１画素内において発生する全電荷量をＱ１＋Ｑ２とすると、Δｔ＝ＴＰ×Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）の期間だけ、パルス駆動信号ＳＰに対してパルス検出信号ＳＤが遅れている。一つのパルス光の飛行時間Δｔは、対象物までの距離をｄとし、光速をｃとすると、Δｔ＝２ｄ／ｃで与えられる。このため、特定の画素からの距離情報を有する信号ｄ’（ｍ，ｎ）として二つの電荷量（Ｑ１，Ｑ２）が出力されると、演算回路５は、入力された電荷量Ｑ１，Ｑ２と、予め判明しているパルス幅ＴＰとに基づいて、対象物Ｈまでの距離ｄ＝（ｃ×Δｔ）／２＝ｃ×ＴＰ×Ｑ２／（２×（Ｑ１＋Ｑ２））を演算する。
【００８１】
上述のように、電荷量Ｑ１，Ｑ２を分離して読み出せば、演算回路５は、距離ｄを演算することができる。なお、上述のパルスは繰り返して出射され、その積分値を各電荷量Ｑ１，Ｑ２として出力することができる。
【００８２】
電荷量Ｑ１，Ｑ２の全体電荷量に対する比率は、上述の位相差、すなわち、対象物Ｈまでの距離に対応している。演算回路５は、この位相差に応じて対象物Ｈまでの距離を演算している。上述のように、位相差に対応する時間差をΔｔとすると、距離ｄは、好適にはｄ＝（ｃ×Δｔ）／２で与えられるが、適当な補正演算をこれに加えて行ってもよい。たとえば、実際の距離と、演算された距離ｄとが異なる場合、後者を補正する係数βを予め求めておき、出荷後の製品では演算された距離ｄに係数βを乗じたものを最終的な演算距離ｄとしてもよい。外気温度を測定しておき、外気温度に応じて光速ｃが異なる場合には、光速ｃを補正する演算を行ってから、距離演算を行うこともできる。演算回路に入力された信号と、実際の距離との関係を予めメモリに記憶しておき、ルックアップテーブル方式によって、距離を演算してもよい。センサ構造によっても演算方法は変更することができ、これには従来から知られている演算方法を用いることができる。
【００８３】
以上のように、本実施形態では、読出回路ＲＣ１が配置される第四半導体領域ＳＲは、その一部が画素領域ＰＡ１の角部に位置している。すなわち、画素領域ＰＡ１と第四半導体領域ＳＲ（読出回路ＲＣ１が配置される領域）とが、一部重複して設定される。したがって、距離画像センサ１では、読出回路ＲＣ１が適切に配置された上で、開口率の低下とセンサ面積の利用効率の低下とをそれぞれ抑制することができる。
【００８４】
画素領域ＰＡ１の角部にまで電荷発生領域が伸びていると、電荷発生領域における画素領域ＰＡ１の角部に対応する領域で発生した電荷は、画素領域ＰＡ１の中央部に配置されている第一半導体領域ＦＤ１までの移動距離が長い。このため、上記角部に対応した領域で発生した電荷の第一半導体領域ＦＤ１への転送時間が長くなり、信号電荷の第一半導体領域ＦＤ１への転送効率が悪化する。これに対して、本実施形態では、上述したように、画素領域ＰＡ１の角部には、電荷発生領域が配置されていないので、移動距離が長くなる領域から信号電荷が転送されることはない。このため、信号電荷の第一半導体領域ＦＤ１への転送効率が向上する。
【００８５】
第四半導体領域ＳＲにより、当該第四半導体領域ＳＲの直下の領域のポテンシャルが高められる。このため、信号電荷を第一半導体領域ＦＤ１へ転送する際に、ポテンシャル勾配が大きくなり、電荷発生領域（フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域）から第一半導体領域ＦＤ１に転送される信号電荷の移動速度が高速になる。したがって、信号電荷の第一半導体領域ＦＤ１への転送効率が更に向上する。
【００８６】
これらにより、本実施形態に係る距離画像センサ１によれば、距離検出精度を向上できる。
【００８７】
ところで、本実施形態では、第一半導体領域ＦＤ１は、フォトゲート電極ＰＧ１の内側に位置しており、第一半導体領域ＦＤ１の面積がフォトゲート電極ＰＧ１の面積に比して小さく設定されている。このため、フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域（電荷発生領域）における第一半導体領域ＦＤ１に電荷を転送可能な領域の面積に対し、第一半導体領域ＦＤ１の面積が相対的に大きく低減される。第一半導体領域ＦＤ１に転送されて、蓄積された電荷（電荷量Ｑ１，Ｑ２）は、第一半導体領域ＦＤ１の静電容量（Ｃｆｄ）により、下記関係式で示される電圧変化（ΔＶ）をそれぞれ発生させる。
ΔＶ＝Ｑ１／Ｃｆｄ
ΔＶ＝Ｑ２／Ｃｆｄ
したがって、第一半導体領域ＦＤ１の面積が低減されると、第一半導体領域ＦＤ１の静電容量（Ｃｆｄ）も低減され、発生する電圧変化（ΔＶ）が大きくなる。すなわち、電荷電圧変換ゲインが高くなる。この結果、距離画像センサ１の高感度化を図ることができる。
【００８８】
第四半導体領域ＳＲが、画素領域ＰＡ１のすべての角部に配置されている。これにより、信号電荷の第一半導体領域ＦＤ１への転送効率がより一層向上する。
【００８９】
その一部が任意の一つの画素領域ＰＡ１の角部に位置する第四半導体領域ＳＲの残部は、上記任意の一つの画素領域ＰＡ１の隣に位置する画素領域ＰＡ１の角部に位置している。これにより、隣り合う複数の画素領域ＰＡ１が備えられていても、開口率の低下とセンサ面積の利用効率の低下とを抑制することができる。
【００９０】
本実施形態では、０度のタイミングで第一半導体領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷が、電圧出力Ｖｏｕｔ１として第一半導体領域ＦＤ１から読み出される。そして、１８０度のタイミングで第一半導体領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷が、電圧出力Ｖｏｕｔ２として第一半導体領域ＦＤ１から読み出される。フォトゲート電極ＰＧ１（フォトゲート電極ＰＧ１の直下の電荷発生領域）を含む一つの画素領域ＰＡ１が一画素に対応し、同一画素からの出力に基づいて距離が演算される。このため、複数の画素領域が一画素に対応する構成に比して、距離演算のばらつきを低減できる。また、センサ面積の利用効率を高めることができ、空間解像度を向上できる。
【００９１】
検出用ゲート信号Ｓ１は、９０度のタイミングで９０度の位相シフトが与えられ、１８０度のタイミングで１８０度の位相シフトが与えられ、２７０度のタイミングで２７０度の位相シフトが与えられていてもよい。この場合、０度、９０度、１８０度、及び２７０度のタイミングで第一半導体領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷が、出力として第一半導体領域ＦＤ１から読み出され、これらの出力に基づいて距離が演算される。
【００９２】
第三半導体領域ＦＤ３と第三ゲート電極ＴＸ３とは、画素領域ＰＡ１の辺に沿うように電荷発生領域（フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域）の外側に配置されているので、開口率の低下の抑制を図りつつ、不要電荷排出領域を配置することができる。
【００９３】
第一ゲート電極ＴＸ１は、第一半導体領域ＦＤ１の全周を囲んでいる。このため、信号電荷は、第一半導体領域ＦＤ１の全方位から第一半導体領域ＦＤ１に収集される。この結果、撮像領域の面積効率（開口率）を高めることができる。
【００９４】
第三半導体領域ＦＤ３は、行方向又は列方向で隣り合う電荷発生領域（フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域）の間に位置している。すなわち、行方向又は列方向で隣り合う電荷発生領域は、第三半導体領域ＦＤ３により電気的に分離される。これにより、画素領域ＰＡ１の間でのクロストークの発生を抑制することができる。行方向と列方向とに交差する方向で隣り合う電荷発生領域の間には、第四半導体領域ＳＲが位置している。したがって、行方向と列方向とに交差する方向で隣り合う電荷発生領域は、第四半導体領域ＳＲにより電気的に分離される。これによっても、画素領域ＰＡ１の間でのクロストークの発生を抑制することができる。
【００９５】
続いて、図１３〜図１５を参照して、本実施形態の変形例に係る距離画像センサ１の構成を説明する。
【００９６】
図１３に示された変形例では、距離画像センサ１の各画素Ｐ（ｍ，ｎ）が、行方向又は列方向に隣り合う二つの画素領域ＰＡ１，ＰＡ２を含んでいる点で、上述した実施形態と相違する。図１３は、変形例に係る距離画像センサの画素の構成を説明するための模式図である。図１４は、図１３におけるXIV−XIV線に沿った断面構成を示す図である。
【００９７】
変形例では、画素領域ＰＡ１に配置される第一ユニットと、画素領域ＰＡ２に配置される第二ユニットと、が行方向及び列方向に隣り合って配置されている。行方向又は列方向に隣り合って配置された第一及び第二ユニットが一画素Ｐ（ｍ，ｎ）を形成している。画素領域ＰＡ１，ＰＡ２は、平面視で略多角形状を呈している。本実施形態では、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２は、矩形状（詳細には、正方形状）を呈している。画素領域ＰＡ１と画素領域ＰＡ２とは、撮像領域１Ｂにおいて、行方向及び列方向に交互に配置されており、行方向及び列方向に連続している。
【００９８】
変形例に係る距離画像センサ１は、画素領域ＰＡ１において、フォトゲート電極ＰＧ１と、第一ゲート電極ＴＸ１と、第一半導体領域ＦＤ１と、複数の第四半導体領域ＳＲと、を備えている。また、距離画像センサ１は、画素領域ＰＡ２において、フォトゲート電極ＰＧ２と、第二ゲート電極ＴＸ２と、第二半導体領域ＦＤ２と、複数の第四半導体領域ＳＲと、を備えている。
【００９９】
フォトゲート電極ＰＧ１は、画素領域ＰＡ１において、開口ＬＩａに対応して配置されている。フォトゲート電極ＰＧ２は、画素領域ＰＡ２において、開口ＬＩａに対応して配置されている。フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２は、画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の角部を除く、画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の各辺まで外縁が延びている。フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２は、それぞれの外縁が画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の各辺まで延びていることにより、行方向及び列方向に連続している。フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２は、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２において、外側の輪郭形状が略「＋」形状を呈し、内側の輪郭形状が略矩形状（詳細には、正方形状）を呈している。フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２はポリシリコンからなるが、他の材料を用いてもよい。
【０１００】
第二半導体領域ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧ２に囲まれるようにフォトゲート電極ＰＧ２の内側に配置されている。第二半導体領域ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧ２の直下の領域から空間的に離間して配置されている。すなわち、第二半導体領域ＦＤ２は、受光領域に囲まれるように受光領域の内側で且つ受光領域から空間的に離間して配置されている。
【０１０１】
第二半導体領域ＦＤ２は、平面視で略多角形状を呈している。本変形例では、第二半導体領域ＦＤ２は、矩形状（詳細には、正方形状）を呈している。第二半導体領域ＦＤ２は、信号電荷収集領域として機能する。第二半導体領域ＦＤ２は高不純物濃度のｎ型半導体からなる領域であり、フローティング・ディフュージョン領域である。
【０１０２】
第二ゲート電極ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧ２（受光領域）と第二半導体領域ＦＤ２との間に配置されている。第二ゲート電極ＴＸ２は、第二半導体領域ＦＤ２を囲むように第二半導体領域ＦＤ２の外側に位置していると共に、フォトゲート電極ＰＧ２に囲まれるようにフォトゲート電極ＰＧ２の内側に位置している。第二ゲート電極ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧ２と第二半導体領域ＦＤ２とに挟まれるように、フォトゲート電極ＰＧ２及び第二半導体領域ＦＤ２から空間的に離間して配置されている。フォトゲート電極ＰＧ２と第二ゲート電極ＴＸ２とは、第二半導体領域ＦＤ２を中心として、第二半導体領域ＦＤ２側から第二ゲート電極ＴＸ２、フォトゲート電極ＰＧ２の順に同心状に配置されている。
【０１０３】
第二ゲート電極ＴＸ２は、平面視で略多角形環状を呈している。本実施形態では、第二ゲート電極ＴＸ２は、矩形環状を呈している。第二ゲート電極ＴＸ２はポリシリコンからなるが、これらは他の材料を用いてもよい。第二ゲート電極ＴＸ２は、転送電極として機能する。
【０１０４】
第四半導体領域ＳＲは、画素領域ＰＡ２の角部で且つフォトゲート電極ＰＧ２の外側にも配置されている。行方向及び列方向に隣り合う第四半導体領域ＳＲは、一体に形成されている。すなわち、一部が一つの画素領域ＰＡ１の角部に位置する第四半導体領域ＳＲの残部は、上記一つの画素領域ＰＡ１の隣に位置する三つの画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の角部にそれぞれ位置している。また、一部が一つの画素領域ＰＡ２の角部に位置する第四半導体領域ＳＲの残部は、上記一つの画素領域ＰＡ２の隣に位置する三つの画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の角部にそれぞれ位置している。これにより、行方向及び列方向に隣り合う四つの画素領域ＰＡ１，ＰＡ２において、これらの画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の中心部に位置する四つの第四半導体領域ＳＲは、一つの八角形状を呈する。
【０１０５】
第四半導体領域ＳＲには、読出回路ＲＣ１，ＲＣ２が配置される。読出回路ＲＣ１は、画素領域ＰＡ１毎に設けられ、読出回路ＲＣ２は、画素領域ＰＡ２毎に設けられている。読出回路ＲＣ１は、対応する画素領域ＰＡ１の第一半導体領域ＦＤ１に蓄積された電荷量に対応する信号を読み出す。読出回路ＲＣ２は、対応する画素領域ＰＡ２の第二半導体領域ＦＤ２に蓄積された電荷量に対応する信号を読み出す。
【０１０６】
第二半導体領域ＦＤ２の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
第二半導体領域ＦＤ２：厚さ０．１〜０．４μｍ／不純物濃度１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３
【０１０７】
絶縁層１Ｅには、第二半導体領域ＦＤ２の表面を露出させるためのコンタクトホール（不図示）も設けられている。コンタクトホール内には、第二半導体領域ＦＤ２を外部に接続するための導体（不図示）が配置される。
【０１０８】
半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２に対応する領域（フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の直下の領域）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。したがって、電荷発生領域は、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２及び開口ＬＩａの形状に対応している。すなわち、電荷発生領域は、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２において、画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の角部を除く、画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の各辺まで外縁が延びている。詳細には、電荷発生領域は、各画素領域ＰＡ１，ＰＡ２において、外側の輪郭形状が略「＋」形状を呈し、内側の輪郭形状が略矩形状（詳細には、正方形状）を呈している。電荷発生領域は、それぞれの外縁が画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の各辺まで延びていることにより、行方向及び列方向に連続している。
【０１０９】
図１５は、画素の構成を説明するための模式図である。図１６は、実際の各種信号のタイミングチャートである。
【０１１０】
一つの画素に着目すると、蓄積期間において、パルス駆動信号ＳＰに基づいた信号が光源に印加され、これに同期して、検出用ゲート信号Ｓ１が、第一ゲート電極ＴＸ１に印加される。そして、検出用ゲート信号Ｓ２が、検出用ゲート信号Ｓ１に所定の位相差（たとえば、１８０度の位相差）で第二ゲート電極ＴＸ２に印加される。すなわち、第一ゲート電極ＴＸ１と、第二ゲート電極ＴＸ２とには、異なる位相の電荷転送信号が与えられる。読出回路ＲＣ２も、読出回路ＲＣ１と同じく、図１５に示されるように、ソースフォロアトランジスタＴＲ１、選択トランジスタＴＲ２、及びリセットトランジスタＴＲ３を備えている。
【０１１１】
リセット信号が一瞬ＯＮし、続いてＯＦＦした後、検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２のパルスが第一及び第二ゲート電極ＴＸ１，ＴＸ２に逐次印加され、更に、これに同期して電荷転送が逐次的に行われる。そして、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２内に信号電荷が積算して蓄積される。その後、読み出し期間において、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２内に蓄積された信号電荷が読み出される。
【０１１２】
第一ゲート電極ＴＸ１と、第二ゲート電極ＴＸ２とには、異なる位相の電荷転送信号が与えられる。第二ゲート電極ＴＸ２に、ハイレベルの信号（正電位）が与えられると、第二ゲート電極ＴＸ２の下のポテンシャルが半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の直下の領域のポテンシャルに対して低くなる。これにより、負の電荷（電子）は、第二ゲート電極ＴＸ２の方向に引き込まれ、第二半導体領域ＦＤ２によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。第二ゲート電極ＴＸ２は、入力された信号に応じて、信号電荷を第二半導体領域ＦＤ２に流入させる。第二ゲート電極ＴＸ２に、ローレベルの信号（たとえば、グランド電位）が与えられると、第二ゲート電極ＴＸ２によるポテンシャル障壁が生じる。したがって、半導体基板１Ａで発生した電荷は、第二半導体領域ＦＤ２内には引き込まれない。
【０１１３】
電荷発生領域（主としてフォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域）において発生した電荷は、第一ゲート電極ＴＸ１にハイレベルの検出用ゲート信号Ｓ１が与えられている場合には、第一半導体領域ＦＤ１によって構成されるポテンシャル井戸に信号電荷として流れ込む。第一半導体領域ＦＤ１に蓄積された信号電荷は、蓄積された電荷量Ｑ１に対応した電圧出力Ｖｏｕｔ１として第一半導体領域ＦＤ１から読み出される。電荷発生領域（主としてフォトゲート電極ＰＧ２の直下の領域）において発生した電荷は、第二ゲート電極ＴＸ２にハイレベルの検出用ゲート信号Ｓ２が与えられている場合には、第二半導体領域ＦＤ２によって構成されるポテンシャル井戸に信号電荷として流れ込む。第二半導体領域ＦＤ２に蓄積された信号電荷は、蓄積された電荷量Ｑ２に対応した電圧出力Ｖｏｕｔ２として第二半導体領域ＦＤ２から読み出される。
【０１１４】
フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２に与えられる電位ＶＰＧは、電位ＶＴＸ１，ＶＴＸ２より低く設定されている。また、電位ＶＰＧは、検出用ゲート信号Ｓ１，Ｓ２がローレベルであるときの電位より高く設定されている。
【０１１５】
本変形例においても、上述した実施形態と同じく、読出回路ＲＣ１，ＲＣ２が適切に配置された上で、開口率の低下とセンサ面積の利用効率の低下とをそれぞれ抑制することができる。
【０１１６】
画素領域ＰＡ２の角部にも、電荷発生領域が配置されていないので、移動距離が長くなる領域から信号電荷が転送されることはない。このため、信号電荷の第二半導体領域ＦＤ２への転送効率も向上する。第四半導体領域ＳＲにより、信号電荷を第二半導体領域ＦＤ２へ転送する際に、ポテンシャル勾配が大きくなるため、第二半導体領域ＦＤ２に転送される信号電荷の移動速度も高速になる。したがって、信号電荷の第二半導体領域ＦＤ２への転送効率も更に向上する。
【０１１７】
本変形例では、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の内側に位置しており、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の面積がフォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の面積に比して小さく設定されている。したがって、上述した実施形態と同様に、電荷電圧変換ゲインが高くなり、距離画像センサ１の高感度化を図ることができる。
【０１１８】
複数の画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の電荷発生領域同士が、一体的に形成され、複数の画素領域ＰＡ１，ＰＡ２のフォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２同士が、一体的に形成されている。これにより、センサ面積の利用効率を高めることができる。また、複数の画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の第四半導体領域ＳＲ同士が、一体的に形成されている。これによっても、センサ面積の利用効率を高めることができる。
【０１１９】
第二ゲート電極ＴＸ２は、第二半導体領域ＦＤ２の全周を囲んでいる。このため、信号電荷は、第二半導体領域ＦＤ２の全方位から第二半導体領域ＦＤ２に収集される。この結果、撮像領域の面積効率（開口率）を高めることができる。
【０１２０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【０１２１】
画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の形状は、矩形状（正方形状）に限られない。画素領域ＰＡ１，ＰＡ２の形状は、たとえば、三角形状、又は、五以上の多角形状でもよい。
【０１２２】
距離画像センサ１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１は、裏面照射型の距離画像センサであってもよい。
【０１２３】
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。距離画像センサ１は、画素Ｐ（ｍ，ｎ）が二次元状に配置されたものに限られることなく、画素Ｐ（ｍ，ｎ）が一次元状に配置されたものであってもよい。
【０１２４】
本実施形態に係る距離画像センサ１におけるｐ型及びｎ型の各導電型は、上述したものとは逆になるよう入れ替えられていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２５】
本発明は、工場の製造ラインにおける製品モニタ、又は、車両などに搭載される距離センサ及び距離画像センサに利用できる。
【符号の説明】
【０１２６】
１…距離画像センサ、１Ａ…半導体基板、１Ｂ…撮像領域、ＦＤ１…第一半導体領域、ＦＤ２…第二半導体領域、ＦＤ３…第三半導体領域、Ｐ…画素、ＰＡ１，ＰＡ２…画素領域、ＰＧ１，ＰＧ２…フォトゲート電極、ＲＣ１，ＲＣ２…読出回路、ＳＲ…第四半導体領域、ＴＸ１…第一ゲート電極、ＴＸ２…第二ゲート電極、ＴＸ３…第三ゲート電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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