(57)【要約】  距離センサは、シリコン基板と転送電極とを備えている。シリコン基板は、互いに対向する第一主面と第二主面とを有している。シリコン基板の第一主面側には、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、電荷発生領域からの電荷を収集する電荷収集領域とが設けられている。転送電極は、第一主面上において、電荷発生領域と電荷収集領域との間に配置されている。転送電極は、入力される信号に応じて、電荷発生領域から電荷を電荷収集領域に流入させる。第二主面における少なくとも電荷発生領域に対応する領域には、複数の凸部が形成されている。複数の凸部は、シリコン基板の厚み方向に対して傾斜した斜面を有している。凸部では、斜面として、シリコン基板の（１１１）面が露出している。凸部の高さが、２００ｎｍ以上である。
2018042785.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
距離センサであって、
互いに対向する第一主面と第二主面とを有すると共に、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と前記電荷発生領域からの電荷を収集する電荷収集領域とが前記第一主面側に設けられているシリコン基板と、
前記第一主面上において、前記電荷発生領域と前記電荷収集領域との間に配置されており、入力される信号に応じて、前記電荷発生領域から電荷を前記電荷収集領域に流入させる転送電極と、を備え、
前記第二主面における少なくとも前記電荷発生領域に対応する領域には、前記シリコン基板の厚み方向に対して傾斜した斜面を有する複数の凸部が形成されており、
前記凸部では、前記斜面として、前記シリコン基板の（１１１）面が露出し、
前記凸部の高さが、２００ｎｍ以上である。
【請求項２】
請求項１に記載の距離センサであって、
前記第二主面上に配置されており、前記入射光を透過させる酸化シリコン膜を更に備えている。
【請求項３】
請求項１に記載の距離センサであって、
前記第二主面上に配置されており、前記入射光を透過させる酸化アルミニウム膜を更に備えている。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の距離センサであって、
前記シリコン基板は、
前記電荷発生領域と前記電荷収集領域とが設けられている第一基板領域と、
前記第一基板領域よりも不純物濃度が高く、かつ、前記第二主面側に設けられている第二基板領域と、を有し、
前記凸部の斜面が、前記第二基板領域の表面に含まれている。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の距離センサであって、
前記転送電極は、略環状を呈していると共に、前記第一主面に直交する方向から見て前記電荷収集領域を囲むように配置されている。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の距離センサであって、
前記第二主面上に配置されており、前記入射光を透過させると共にホウ素を含む膜を更に備えている。
【請求項７】
距離画像センサであって、
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が設けられているシリコン基板を備えており、
前記ユニットそれぞれは、請求項１〜６のいずれか一項に記載の距離センサである。
【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】
シリコン基板と転送電極とを備えている距離センサ（距離画像センサ）が知られている（たとえば、特許文献１参照）。シリコン基板は、互いに対向する第一主面と第二主面とを有している。シリコン基板の第一主面側には、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、電荷発生領域からの電荷を収集する電荷収集領域とが第一主面側に設けられている。転送電極は、第一主面上において、電荷発生領域と電荷収集領域との間に配置されている。転送電極は、入力される信号に応じて、電荷発生領域から電荷を電荷収集領域に流入させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００７−５２６４４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された距離センサ（距離画像センサ）では、紫外の波長帯域での分光感度特性に改善の余地がある。【０００５】
本発明の一態様は、紫外の波長帯域での分光感度特性の向上が図られている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】
【０００６】
本発明の一態様は、距離センサであって、シリコン基板と転送電極とを備えている。シリコン基板は、互いに対向する第一主面と第二主面とを有している。シリコン基板の第一主面側には、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域と、電荷発生領域からの電荷を収集する電荷収集領域とが第一主面側に設けられている。転送電極は、第一主面上において、電荷発生領域と電荷収集領域との間に配置されている。転送電極は、入力される信号に応じて、電荷発生領域から電荷を電荷収集領域に流入させる。第二主面における少なくとも電荷発生領域に対応する領域には、複数の凸部が形成されている。複数の凸部は、シリコン基板の厚み方向に対して傾斜した斜面を有している。凸部では、斜面として、シリコン基板の（１１１）面が露出している。凸部の高さが、２００ｎｍ以上である。【０００７】
本一態様に係る距離センサでは、第二主面に形成されている複数の凸部が、シリコン基板の厚み方向に対して傾斜した斜面を有している。光が第二主面からシリコン基板に入射する場合、一部の光は、距離センサの第二主面側で反射する。斜面が、シリコン基板の厚み方向に対して傾斜している。このため、たとえば、一つの凸部の斜面側で反射した光は、当該一つの凸部に近接する凸部の斜面側に向けられ、近接する凸部の斜面からシリコン基板に入射する。【０００８】
凸部では、斜面として、シリコン基板の（１１１）面が露出しているので、斜面からシリコン基板に入射する光は、シリコン基板に取り込まれ易い。凸部の高さが２００ｎｍ以上であるので、斜面の表面積が大きい。したがって、斜面に入射する光がシリコン基板に多く取り込まれる。【０００９】
紫外の波長領域の光は、シリコンによる吸収係数が大きい。したがって、紫外の波長領域の光は、シリコン基板における第二主面に近い領域で吸収される。本一態様に係る距離センサでは、シリコン基板に形成されている凸部において、シリコン基板の（１１１）面が露出している。この結果、第二主面に近い領域での光の吸収が阻害されることはない。【００１０】
以上の理由により、本一態様に係る距離センサでは、紫外の波長帯域での分光感度特性の向上が図られる。【００１１】
本一態様に係る距離センサは、第二主面上に配置されており、入射光を透過させる酸化シリコン膜を更に備えていてもよい。この場合、酸化シリコン膜が反射防止膜として機能するので、光がシリコン基板により一層取り込まれ易い。したがって、本形態では、紫外の波長帯域での分光感度特性がより一層向上する。【００１２】
本一態様に係る距離センサは、第二主面上に配置されており、入射光を透過させる酸化アルミニウム膜を更に備えていてもよい。この場合、酸化アルミニウム膜によって、所定の極性の固定電荷がシリコン基板の光入射面側に存在する。所定の極性の固定電荷が存在しているシリコン基板の第二主面側の領域は、アキュムレーション層として機能する。【００１３】
アキュムレーション層によって、第二主面側で光によらずに発生する不要電荷が再結合されるので、暗電流が低減される。アキュムレーション層は、シリコン基板の第二主面付近で光により発生したキャリアが該第二主面でトラップされるのを抑制する。したがって、光により発生した電荷は、シリコン基板の第一主面側へ効率的に移動する。これらの結果、本形態によれば、光検出感度の向上が図られる。【００１４】
シリコン基板は、電荷発生領域と電荷収集領域とが設けられている第一基板領域と、第一基板領域よりも不純物濃度が高く、かつ、第二主面側に設けられている第二基板領域と、を有していてもよい。この場合、凸部の斜面は、第二基板領域の表面に含まれていてもよい。本形態によれば、第二基板領域は、アキュムレーション層として機能する。したがって、上述したように、光検出感度の向上が図られる。【００１５】
転送電極は、環状を呈しており、第一主面に直交する方向から見て電荷収集領域を囲むように配置されていてもよい。この場合、転送電極の外側から転送電極の内側に位置する電荷収集領域に電荷が転送されるので、電荷収集領域は、多くの電荷を収集する。この結果、本形態では、Ｓ／Ｎ比の良い距離出力が得られる。【００１６】
本一態様に係る距離センサは、第二主面上に配置されており、入射光を透過させると共にホウ素を含む膜を更に備えていてもよい。この場合、距離センサでは、紫外の波長帯域での分光感度特性の劣化が抑制される。【００１７】
本発明の一態様に係る距離画像センサは、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が設けられているシリコン基板を備えている。ユニットそれぞれが、上記距離センサである。【００１８】
本一態様に係る距離画像センサでは、上述したように、紫外の波長帯域での分光感度特性の向上が図られる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の一態様によれば、紫外の波長帯域での分光感度特性の向上が図られている距離センサ及び距離画像センサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、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示す模式図である。
【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、各画素の断面構成を示す図である。
【図５】図５は、各種信号のタイミングチャートである。
【図６】図６は、距離画像センサでの光の走行を示す模式図である。
【図７】図７は、実施例１に係る距離画像センサを観察したＳＥＭ画像である。
【図８】図８は、実施例２に係る距離画像センサを観察したＳＥＭ画像である。
【図９】図９は、実施例１及び２並びに比較例１における、波長に対する量子効率の変化を示す線図である。
【図１０】図１０は、実施例１及び２並びに比較例１における、波長に対する量子効率の変化を示す線図である。
【図１１】図１１は、変形例に係る距離画像センサの各画素の断面構成を示す図である。
【図１２】図１２は、変形例に係る距離画像センサの各画素の断面構成を示す図である。
【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示す模式図である。
【図１４】図１４は、各画素の断面構成を示す図である。
【図１５】図１５は、各画素の構成を示す模式図である。
【図１６】図１６は、各種信号のタイミングチャートである。
【図１７】図１７は、変形例に係る距離画像センサの画素の構成を示す模式図である。
【図１８】図１８は、各種信号のタイミングチャートである。
【図１９】図１９は、変形例に係る距離画像センサの各画素の断面構成を示す図である。
【図２０】図２０は、変形例に係る距離画像センサの各画素の断面構成を示す図である。
【図２１】図２１は、変形例に係る距離画像センサの各画素の断面構成を示す図である。
【図２２】図２２は、変形例に係る距離画像センサの各画素の断面構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２２】
図１は、測距装置の構成を示す説明図である。
【００２３】
この測距装置は、距離画像センサ１と、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及び第二転送電極（ＴＸ１，ＴＸ２：図４参照）に、駆動信号ＳＰに同期した第一転送信号Ｓ１及び第二転送信号Ｓ２を与える。演算回路５は、距離画像センサ１の第一及び第二半導体領域（ＦＤ１，ＦＤ２：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、対象物までの距離を演算する。距離画像センサ１から対象物までの水平方向Ｄの距離をｄとする。制御回路２は、後述する第三転送信号Ｓ３１，Ｓ３２も出力する。駆動信号ＳＰ、第一転送信号Ｓ１、及び第二転送信号Ｓ２は、パルス信号である。
【００２４】
制御回路２は、駆動信号ＳＰを駆動回路４のスイッチ４ｂに入力している。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に駆動信号ＳＰが入力されると、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。
【００２５】
パルス光ＬＰが対象物に照射されると、対象物によってパルス光が反射される。反射されたパルス光は、反射光ＬＤとして、距離画像センサ１に入射する。距離画像センサ１は、検出信号ＳＤを出力する。検出信号ＳＤも、パルス信号である。
【００２６】
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。検出信号ＳＤは、信号ｄ’（ｍ，ｎ）を含んでいる。
【００２７】
駆動信号ＳＰの波形は、周期Ｔの方形波である。ハイレベルを「１」、ローレベルを「０」とすると、駆動信号ＳＰの電圧Ｖ（ｔ）は以下の式で与えられる。
駆動信号ＳＰ：
Ｖ（ｔ）＝１（ただし、０＜ｔ＜（Ｔ／２）の場合）
Ｖ（ｔ）＝０（ただし、（Ｔ／２）＜ｔ＜Ｔの場合）
Ｖ（ｔ＋Ｔ）＝Ｖ（ｔ）
【００２８】
第一転送信号Ｓ１及び第二転送信号Ｓ２の波形は、周期Ｔの方形波である。第一転送信号Ｓ１及び第二転送信号Ｓ２の電圧Ｖ（ｔ）は以下の式で与えられる。
第一転送信号Ｓ１：
Ｖ（ｔ）＝１（ただし、０＜ｔ＜（Ｔ／２）の場合）
Ｖ（ｔ）＝０（ただし、（Ｔ／２）＜ｔ＜Ｔの場合）
Ｖ（ｔ＋Ｔ）＝Ｖ（ｔ）
第二転送信号Ｓ２（＝Ｓ１の反転）：
Ｖ（ｔ）＝０（ただし、０＜ｔ＜（Ｔ／２）の場合）
Ｖ（ｔ）＝１（ただし、（Ｔ／２）＜ｔ＜Ｔの場合）
Ｖ（ｔ＋Ｔ）＝Ｖ（ｔ）
【００２９】
信号ＳＰ，Ｓ１，Ｓ２，ＳＤは、全てパルス周期２×ＴＰを有している。第一転送信号Ｓ１と検出信号ＳＤとが共に「１」のときに距離画像センサ１内で発生する電荷量をｑ１とする。第二転送信号Ｓ２と検出信号ＳＤとが共に「１」のときに距離画像センサ１内で発生する電荷量をｑ２とする。
【００３０】
第一転送信号Ｓ１と検出信号ＳＤの位相差は、第二転送信号Ｓ２と検出信号ＳＤとが「１」である重複期間において、距離画像センサ１において発生した電荷量ｑ２に比例する。電荷量ｑ２は、第二転送信号Ｓ２と検出信号ＳＤとの論理積が「１」である期間において発生した電荷量である。
【００３１】
１画素内において発生する全電荷量をｑ１＋ｑ２とし、駆動信号ＳＰの半周期のパルス幅をＴＰとすると、Δｔ＝ＴＰ×ｑ２／（ｑ１＋ｑ２）の期間だけ、駆動信号ＳＰに対して検出信号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、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、予め判明している半周期パルス幅ＴＰとに基づいて、対象物までの距離ｄ＝（ｃ×Δｔ）／２＝ｃ×ＴＰ×ｑ２／（２×（ｑ１＋ｑ２））を演算する。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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が予め求められていてもよい。この場合、出荷後の製品では、演算された距離ｄに係数βを乗じて得られた値が、最終的な演算距離ｄであってもよい。
外気温度に応じて光速ｃが異なる場合には、外気温度が測定され、外気温度に基づいて光速ｃが補正されてもよい。この場合、補正された光速ｃに基づいて、距離演算が行われてもよい。演算回路に入力された信号と、実際の距離との関係が、予めメモリに記憶されていてもよい。この場合、ルックアップテーブル方式によって、距離演算が行われてもよい。センサ構造に応じて、演算方法が変更されてもよい。この場合、従来から知られている演算方法が用いられてもよい。
【００３５】
図２は、距離画像センサの断面構成を示すための模式図である。
【００３６】
距離画像センサ１は、裏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。本実施形態では、半導体基板１Ａは、全体が薄化されている。距離画像センサ１には、半導体基板１Ａの光入射面１ＢＫから反射光ＬＤが入射する。光入射面１ＢＫは、半導体基板１Ａの裏面である。距離画像センサ１（半導体基板１Ａ）の表面１ＦＴは、接着領域ＡＤを介して配線基板１０に接続されている。接着領域ＡＤは、バンプ電極などの接着素子を含む領域である。接着領域ＡＤは、必要に応じて電気絶縁性の接着剤又はフィラーを有している。
【００３７】
図３は、距離画像センサの概略平面図である。
【００３８】
距離画像センサ１では、半導体基板１Ａが、撮像領域１Ｂを有している。撮像領域１Ｂは、二次元状に配列されている複数の画素Ｐ（ｍ，ｎ）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。すなわち、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、対象物までの距離に応じた信号ｄ’（ｍ，ｎ）を出力する。各画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、微小測距センサとして機能する。対象物からの反射光が、撮像領域１Ｂに結像されると、対象物の距離画像を得ることができる。対象物の距離画像は、対象物上の各点までの距離情報の集合体である。一つの画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、一つの距離センサ（ユニット）として機能する。距離画像センサ１は、複数のユニット（複数の距離センサ）を備えている。
【００３９】
図４は、距離画像センサの各画素の断面構成を示す図である。
【００４０】
距離画像センサ１は、半導体基板１Ａと、フォトゲート電極ＰＧと、第一転送電極ＴＸ１と、第二転送電極ＴＸ２とを備えている。半導体基板１Ａは、互いに対向する光入射面１ＢＫ（第二主面）及び表面１ＦＴ（第一主面）を有している。半導体基板１Ａは、シリコン基板である。
【００４１】
フォトゲート電極ＰＧは、表面１ＦＴ上に配置されている。第一転送電極ＴＸ１と第二転送電極ＴＸ２とは、表面１ＦＴ上に配置されていると共に、フォトゲート電極ＰＧに隣接している。表面１ＦＴ上には、絶縁層１Ｅが配置されている。表面１ＦＴは、絶縁層１Ｅと接している。絶縁層１Ｅは、表面１ＦＴと、フォトゲート電極ＰＧ並びに第一転送電極ＴＸ１及び第二転送電極ＴＸ２との間に位置している。フォトゲート電極ＰＧ、第一転送電極ＴＸ１、及び第二転送電極ＴＸ２は、絶縁層１Ｅと接している。フォトゲート電極ＰＧは、表面１ＦＴに直交する方向から見て、第一転送電極ＴＸ１と第二転送電極ＴＸ２との間に位置している。
【００４２】
半導体基板１Ａの表面１ＦＴ側には、第一半導体領域ＦＤ１と第二半導体領域ＦＤ２とが設けられている。第一半導体領域ＦＤ１は、第一転送電極ＴＸ１の直下の領域に流れ込む電荷を収集する。第一半導体領域ＦＤ１は、流れ込んだ電荷を信号電荷として蓄積する。第二半導体領域ＦＤ２は、第二転送電極ＴＸ２の直下の領域に流れ込む電荷を収集する。第二半導体領域ＦＤ２は、流れ込んだ電荷を信号電荷として蓄積する。第一半導体領域ＦＤ１及び第二半導体領域ＦＤ２は、信号電荷収集領域として機能する。
【００４３】
フォトゲート電極ＰＧは、たとえば、平面視で矩形状を呈している。半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧに対応する領域（半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧの直下の領域）は、入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域（光感応領域）として機能する。フォトゲート電極ＰＧは、たとえば、ポリシリコンからなる。フォトゲート電極ＰＧは、ポリシリコン以外の材料からなっていてもよい。
【００４４】
フォトゲート電極ＰＧ、第一転送電極ＴＸ１、及び第二転送電極ＴＸ２は、表面１ＦＴに直交する方向から見て、第一半導体領域ＦＤ１と第二半導体領域ＦＤ２との間に位置している。第一転送電極ＴＸ１は、表面１ＦＴに直交する方向から見て、フォトゲート電極ＰＧと第一半導体領域ＦＤ１との間に位置している。第二転送電極ＴＸ２は、表面１ＦＴに直交する方向から見て、フォトゲート電極ＰＧと第二半導体領域ＦＤ２との間に位置している。
【００４５】
第一半導体領域ＦＤ１及び第二半導体領域ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧから離間している。第一半導体領域ＦＤ１と第二半導体領域ＦＤ２とは、フォトゲート電極ＰＧを介して対向している。第一半導体領域ＦＤ１は、半導体基板１Ａにおける第一転送電極ＴＸ１の直下の領域と隣り合っている。第二半導体領域ＦＤ２は、半導体基板１Ａにおける第二転送電極ＴＸ２の直下の領域と隣り合っている。
【００４６】
第一転送電極ＴＸ１は、第一転送信号Ｓ１（図５参照）に応じて、電荷発生領域にて発生した電荷を第一半導体領域ＦＤ１に流入させる。第一半導体領域ＦＤ１に流入する電荷は、信号電荷として扱われる。第二転送電極ＴＸ２は、第一転送信号Ｓ１と位相が異なる第二転送信号Ｓ２（図５参照）に応じて、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第二半導体領域ＦＤ２に流入させる。第二半導体領域ＦＤ２に流入する電荷は、信号電荷として扱われる。第一転送電極ＴＸ１及び第二転送電極ＴＸ２は、たとえば、平面視で矩形状を呈している。第一転送電極ＴＸ１の長さと第二転送電極ＴＸ２の長さとは、同等である。第一転送電極ＴＸ１及び第二転送電極ＴＸ２は、たとえば、ポリシリコンからなる。第一転送電極ＴＸ１及び第二転送電極ＴＸ２は、ポリシリコン以外の材料からなっていてもよい。第一転送電極ＴＸ１及び第二転送電極ＴＸ２は、信号電荷転送電極として機能する。
【００４７】
半導体基板１Ａは、たとえぱ、低不純物濃度であり、かつ、ｐ型半導体からなるシリコン基板である。第一半導体領域ＦＤ１及び第二半導体領域ＦＤ２は、高不純物濃度であり、かつ、ｎ型半導体からなる領域である。第一半導体領域ＦＤ１及び第二半導体領域ＦＤ２は、フローティング・ディフュージョン領域である。
【００４８】
半導体基板１Ａの厚みは、たとえば、３〜１００μｍである。半導体基板１Ａの不純物濃度は、たとえば、１×１０１２〜１０１５ｃｍ−３である。第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の厚みは、たとえば、０．１〜０．５μｍである。第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２の不純物濃度は、たとえば、１×１０１８〜１０２０ｃｍ−３である。
【００４９】
絶縁層１Ｅには、第一半導体領域ＦＤ１及び第二半導体領域ＦＤ２の各表面を露出させるコンタクトホールが設けられている。コンタクトホール内には、第一半導体領域ＦＤ１及び第二半導体領域ＦＤ２を電気的に外部に接続するための導体１１が配置される。絶縁層１Ｅは、たとえば、ＳｉＯ２からなる。
【００５０】
第一転送電極ＴＸ１に印加される第一転送信号Ｓ１の位相と第二転送電極ＴＸ２に印加される第二転送信号Ｓ２の位相とは、１８０度ずれている。画素Ｐ（ｍ，ｎ）に入射した光は、半導体基板１Ａ内において電荷に変換される。発生した電荷のうち一部は、信号電荷として、フォトゲート電極ＰＧ並びに第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される電圧によって形成されるポテンシャル勾配にしたがって、第一転送電極ＴＸ１の方向又は第二転送電極ＴＸ２の方向に走行する。
【００５１】
第一転送電極ＴＸ１にハイレベルの信号（たとえば、正電位）が与えられた場合、負の電荷（電子）から見ると、第一転送電極ＴＸ１の下のポテンシャルは、フォトゲート電極ＰＧの下の部分の半導体基板１Ａのポテンシャルより低くなる。したがって、電子は、第一転送電極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。すなわち、半導体基板１Ａで発生した電荷は、第一半導体領域ＦＤ１に収集される。ｎ型の半導体は、正にイオン化したドナーを含んでおり、正のポテンシャルを有し、電子を引き付ける。第一転送電極ＴＸ１に上記正電位よりも低い電位（たとえば、グラウンド電位）が与えられると、第一転送電極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には引き込まれず、第一半導体領域ＦＤ１に収集されることはない。
【００５２】
第二転送電極ＴＸ２にハイレベルの信号（たとえば、正電位）が与えられた場合、負の電荷（電子）から見ると、第二転送電極ＴＸ２の下のポテンシャルは、フォトゲート電極ＰＧの下の部分の半導体基板１Ａのポテンシャルより低くなる。したがって、電子は、第二転送電極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。すなわち、半導体基板１Ａで発生した電荷は、第二半導体領域ＦＤ２に収集される。第二転送電極ＴＸ２に上記正電位よりも低い電位（たとえば、グラウンド電位）が与えられると、第二転送電極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には引き込まれず、第二半導体領域ＦＤ２に収集されることはない。
【００５３】
続いて、図５を参照して、距離ｄの演算方法を説明する。図５は、各種信号のタイミングチャートである。図５では、複数のフレーム周期ＴＦのうち、時系列で連続する二つのフレーム周期ＴＦが示されている。
【００５４】
図５には、光源３の駆動信号ＳＰ、強度信号ＳＬｒ、第一転送電極ＴＸ１に印加される第一転送信号Ｓ１、第二転送電極ＴＸ２に印加される第二転送信号Ｓ２、及びリセット信号ｒｅｓｅｔが示されている。強度信号ＳＬｒは、反射光ＬＤが撮像領域１Ｂまで戻ってきたときの反射光ＬＤの強度信号である。二つのフレーム周期ＴＦそれぞれは、信号電荷を蓄積する期間（蓄積期間）Ｔａｃｃと、信号電荷を読み出す期間（読み出し期間）Ｔｒｏとを含んでいる。駆動信号ＳＰ、強度信号ＳＬｒ、第一転送信号Ｓ１、及び第二転送信号Ｓ２は、いずれもパルス幅ＴＰのパルス信号である。
【００５５】
蓄積期間Ｔａｃｃにおいて、まず距離測定に先立って、リセット信号ｒｅｓｅｔが第一半導体領域ＦＤ１及び第二半導体領域ＦＤ２に印加される。この結果、第一半導体領域ＦＤ１及び第二半導体領域ＦＤ２に蓄積された電荷が、外部に排出される。本例では、リセット信号ｒｅｓｅｔが一瞬ＯＮし、続いてＯＦＦした後、駆動信号ＳＰが光源３に印加される。駆動信号ＳＰの印加に同期して、第一転送信号Ｓ１と第二転送信号Ｓ２とが互いに逆位相で第一転送電極ＴＸ１及び第二転送電極ＴＸ２に印加される。第一転送信号Ｓ１と第二転送信号Ｓ２との印加により、電荷転送が行われる。この結果、第一半導体領域ＦＤ１及び第二半導体領域ＦＤ２に信号電荷が収集される。その後、読み出し期間Ｔｒｏにおいて、第一半導体領域ＦＤ１及び第二半導体領域ＦＤ２内に収集された信号電荷が読み出される。
【００５６】
各フレーム周期ＴＦでは、第一転送信号Ｓ１が駆動信号ＳＰに位相差０で同期して出力されると共に、第二転送信号Ｓ２が駆動信号ＳＰに位相差１８０度で同期して出力される。第一転送信号Ｓ１及び第二転送信号Ｓ２の出力制御は、制御回路２により行われる。制御回路２は、パルス光ＬＰの出射と同期するように、フレーム周期ＴＦ毎に、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第一半導体領域ＦＤ１に流入させるように、第一転送信号Ｓ１を第一転送電極ＴＸ１に出力し、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として第二半導体領域ＦＤ２に流入させるように、第一転送信号Ｓ１と位相が異なる第二転送信号Ｓ２を第二転送電極ＴＸ２に出力する。
【００５７】
強度信号ＳＬｒと、駆動信号ＳＰに位相差０で同期して出力される第一転送信号Ｓ１との重なり合った部分に相当する電荷量ｑ１は、第一半導体領域ＦＤ１に収集される。反射光ＬＤの強度信号ＳＬｒと、駆動信号ＳＰに位相差１８０で同期して出力される第二転送信号Ｓ２との重なり合った部分に相当する電荷量ｑ２は、第二半導体領域ＦＤ２に収集される。
【００５８】
強度信号ＳＬｒと、駆動信号ＳＰに位相差０で同期して出力される信号との位相差Ｔｄが、光の飛行時間であり、位相差Ｔｄは、距離画像センサ１から対象物までの距離ｄを表す。距離ｄは、演算回路５により、一つのフレーム周期ＴＦにおける電荷量ｑ１及び電荷量ｑ２の比率を用いて、下記の式（１）により演算される。なお、ｃは光速である。
距離ｄ＝（ｃ／２）×（ＴＰ×ｑ２／（ｑ１＋ｑ２））  ・・・  （１）
演算回路５は、フレーム周期ＴＦ毎に、第一半導体領域ＦＤ１及び第二半導体領域ＦＤ２に収集された信号電荷の電荷量ｑ１，ｑ２それぞれを読み出す。演算回路５は、読み出した電荷量ｑ１，ｑ２に基づいて対象物までの距離ｄを演算する。
【００５９】
再び、図４を参照する。半導体基板１Ａの光入射面１ＢＫには、複数の凸部２０が形成されている。本実施形態では、複数の凸部２０が、光入射面１ＢＫにおける撮像領域１Ｂ全体に形成されている。複数の凸部２０は、半導体基板１Ａにおける電荷発生領域に対応する領域のみに形成されていてもよい。すなわち、複数の凸部２０は、半導体基板１Ａにおけるフォトゲート電極ＰＧに対応する領域のみに形成されていてもよい。各凸部２０は、略錐体形状を呈しており、半導体基板１Ａの厚み方向に対して傾斜した斜面２０ａを有している。凸部２０は、たとえば、略四角錐形状を呈する。凸部２０の高さは、２００ｎｍ以上である。隣り合う二つの凸部２０の頂点の間隔は、たとえば、５００〜３０００ｎｍである。
【００６０】
凸部２０では、斜面２０ａとして、半導体基板１Ａの（１１１）面が露出している。斜面２０ａは、光学的に露出している。斜面２０ａが光学的に露出しているとは、斜面２０ａが空気などの雰囲気ガスと接しているのみならず、斜面２０ａ上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。
【００６１】
距離画像センサ１は、反射防止膜２１を備えている。反射防止膜２１は、半導体基板１Ａの光入射面１ＢＫ上に配置されている。本実施形態では、反射防止膜２１は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜である。すなわち、反射防止膜２１は、入射光を透過させる酸化物膜である。反射防止膜２１は、凸部２０の斜面２０ａを覆うように、斜面２０ａと接している。反射防止膜２１の表面には、複数の凸部２０に対応する凹凸が形成されている。反射防止膜２１の厚みは、たとえば、１〜２００ｎｍである。
【００６２】
以上のように、本実施形態では、光入射面１ＢＫに形成されている複数の凸部２０が、斜面２０ａを有している。反射光ＬＤが光入射面１ＢＫから半導体基板１Ａに入射する場合、図６に示されるように、一部の光は、光入射面１ＢＫ側で反射する。斜面２０ａが半導体基板１Ａの厚み方向に対して傾斜しているので、たとえば、一つの凸部２０の斜面２０ａ側で反射した光は、当該一つの凸部２０に近接する凸部２０の斜面２０ａ側に向けられ、近接する凸部２０の斜面２０ａから半導体基板１Ａに入射する。すなわち、光入射面１ＢＫ（斜面２０ａ）側で反射した光が、半導体基板１Ａに再入射する。
【００６３】
凸部２０では、斜面２０ａとして、半導体基板１Ａの（１１１）面が露出している。したがって、斜面２０ａから半導体基板１Ａに入射する光は、半導体基板１Ａに取り込まれ易い。凸部２０の高さが２００ｎｍ以上であるので、斜面２０ａの表面積が大きい。したがって、斜面２０ａに入射する光が、半導体基板１Ａに多く取り込まれる。
【００６４】
紫外の波長領域の光は、シリコンによる吸収係数が大きい。したがって、紫外の波長領域の光は、半導体基板１Ａにおける光入射面１ＢＫ（斜面２０ａ）に近い領域で吸収される。距離画像センサ１では、半導体基板１Ａに形成されている凸部２０において、半導体基板１Ａの（１１１）面が露出している。したがって、光入射面１ＢＫに近い領域での光の吸収が阻害されることはない。
【００６５】
これらの結果、距離画像センサ１では、紫外の波長帯域での分光感度特性の向上が図られている。以下の理由により、距離画像センサ１では、近赤外の波長帯域での分光感度特性の向上も図られている。
【００６６】
斜面２０ａから半導体基板１Ａ内に入射した光ＬＤ１は、図６にも示されるように、半導体基板１Ａの厚み方向と交差する方向に進み、表面１ＦＴに到達することがある。このとき、表面１ＦＴに到達する光ＬＤ１は、表面１ＦＴに到達する角度によっては、表面１ＦＴで全反射する。この結果、距離画像センサ１（半導体基板１Ａ）に入射した光の走行距離が長くなる。
【００６７】
半導体基板１Ａに再入射した光ＬＤ２は、半導体基板１Ａの厚み方向と交差する方向に半導体基板１Ａ内を進む。したがって、距離画像センサ１（半導体基板１Ａ）に再入射した光ＬＤ２の走行距離も長くなる。
【００６８】
半導体基板１Ａ内を進む光の走行距離が長くなると、光が吸収される距離も長くなる。このため、シリコンによる吸収係数が小さい近赤外の波長帯域の光であっても、半導体基板１Ａで吸収される。この結果、距離画像センサ１では、近赤外の波長帯域での分光感度特性の向上が図られる。
【００６９】
距離画像センサ１が、屋外で使用される場合、外乱光の影響を受けるおそれがある。距離画像センサ１が乱光の影響を受けた場合、距離画像センサ１により検出される距離精度が劣化する。外乱光には、たとえば、太陽光が含まれる。
【００７０】
太陽光の照射強度は、約４００ｎｍ以下の波長帯域で急激に低下する。したがって、光源３として、約４００ｎｍ以下の波長帯域の光を出射する光源が用いられることにより、距離画像センサ１により検出される距離精度の劣化を抑制することが可能である。距離画像センサ１は、上述したように、紫外の波長帯域での分光感度特性の向上が図られている。したがって、光源３が約４００ｎｍ以下の波長帯域の光を出射する光源である場合でも、距離画像センサ１は、反射光ＬＤを適切に検出する。
【００７１】
太陽光の照射強度は、約４００ｎｍ以下の波長帯域だけでなく、約９４０ｎｍ付近の波長帯域でも低下する。したがって、光源３として、約９４０ｎｍ付近の波長帯域の光を出射する光源が用いられることによっても、距離画像センサ１により検出される距離精度の劣化を抑制することが可能である。距離画像センサ１は、上述したように、近赤外の波長帯域でも分光感度特性の向上が図られている。したがって、光源３が約９４０ｎｍ付近の波長帯域の光を出射する光源である場合でも、距離画像センサ１は、反射光ＬＤを適切に検出する。
【００７２】
距離画像センサ１は、酸化シリコン膜である反射防止膜２１を備えている。したがって、光が半導体基板１Ａにより一層取り込まれ易い。この結果、距離画像センサ１では、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性がより一層向上する。
【００７３】
本発明者らは、本実施形態による分光感度特性の向上効果を確認するための実験を行なった。
【００７４】
上述した構成を備えた距離画像センサ１（実施例１及び２と称する）と、半導体基板の光入射面に凸部が形成されていない距離画像センサ１（比較例１と称する）と、を作製し、各距離画像センサ１の分光感度特性を調べた。実施例１及び２並びに比較例１は、凸部の形成の点を除いて、同じ構成とされている。電荷発生領域のサイズは、０．５ｍｍφに設定した。
【００７５】
実施例１（図７参照）では、凸部２０の高さは、１５７０ｎｍである（ただし、反射防止膜２１の厚みを含む）。実施例２（図８参照）では、凸部２０の高さは、１１８０ｎｍである（ただし、反射防止膜２１の厚みを含む）。図７及び図８の（ａ）は、距離画像センサの光入射面側の表面（反射防止膜２１の表面）を、斜め４５°から観察したＳＥＭ画像である。図７及び図８の（ｂ）は、距離画像センサの端面を観察したＳＥＭ画像である。
【００７６】
結果を図９及び図１０に示す。図９及び図１０において、実施例１の分光感度特性はＴ１で示され、実施例１の分光感度特性はＴ２で示され、比較例１の分光感度特性はＴ３で示されている。図９において、縦軸は量子効率（Ｑ．Ｅ．）を示し、横軸は光の波長（ｎｍ）を示している。図１０では、真空紫外の波長帯域での分光感度特性が示されている。
【００７７】
図９及び図１０から分かるように、実施例１及び２では、比較例１に比して、紫外の波長帯域での分光感度が大幅に向上している。もちろん、実施例１及び２では、比較例１に比して、近赤外の波長帯域での分光感度も向上している。実施例１は、実施例２に比して、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性が向上している。
【００７８】
次に、図１１〜図２２を参照して、本実施形態の変形例の構成を説明する。
【００７９】
図１１に示された変形例では、距離画像センサ１は、反射防止膜２１の代わりに、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜２３を備えている。図１１は、本変形例に係る距離画像センサの各画素の断面構成を示す図である。
【００８０】
酸化アルミニウム膜２３は、光入射面１ＢＫ上に配置されている。酸化アルミニウム膜２３は、入射光を透過させる酸化物膜である。酸化アルミニウム膜２３の厚みは、たとえば、０．０００３〜３μｍである。酸化アルミニウム膜２３の表面には、複数の凸部２０に対応する凹凸が形成されている。
【００８１】
酸化アルミニウム膜２３は、負極性に帯電している。半導体基板１Ａの導電型がｐ型であるため、酸化アルミニウム膜２３によって、所定の固定電荷（正極性の固定電荷）が半導体基板１Ａの光入射面１ＢＫ側に存在する。正極性の固定電荷が存在している半導体基板１Ａの光入射面１ＢＫ側の領域は、アキュムレーション層として機能する。したがって、凸部２０の斜面２０ａは、アキュムレーション層の表面に含まれる。
【００８２】
アキュムレーション層によって、光入射面１ＢＫ側で光によらずに発生する不要電荷が、再結合されるので、暗電流が低減される。アキュムレーション層は、半導体基板１Ａの光入射面１ＢＫ付近で光により発生した電荷が光入射面１ＢＫでトラップされるのを抑制する。したがって、光により発生した電荷は、半導体基板１Ａの表面１ＦＴ側に効率的に移動する。この結果、本変形例に係る距離画像センサ１では、光検出感度の向上が図られる。
【００８３】
酸化アルミニウム膜２３と光入射面１ＢＫとの間に、酸化シリコン膜が配置されていてもよい。すなわち、酸化アルミニウム膜２３は、光入射面１ＢＫと直接的に接していなくてもよい。この場合でも、酸化アルミニウム膜２３によって、正極性の固定電荷が半導体基板１Ａの光入射面１ＢＫ側に存在する。
【００８４】
図１２に示された変形例では、半導体基板１Ａが、第一基板領域１Ａａと第二基板領域１Ａｂとを備えている。図１２は、本変形例に係る距離画像センサの各画素の断面構成を示す図である。
【００８５】
第一基板領域１Ａａは、半導体基板１Ａの表面１ＦＴ側に設けられている。第一基板領域１Ａａは、表面１ＦＴを含んでいる。第二基板領域１Ａｂは、半導体基板１Ａの光入射面１ＢＫ側に設けられている。第二基板領域１Ａｂは、光入射面１ＢＫを含んでいる。第一基板領域１Ａａと第二基板領域１Ａｂとは、ｐ型の半導体からなる。第二基板領域１Ａｂの不純物濃度は、第一基板領域１Ａａの不純物濃度よりも高い。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。
【００８６】
本変形例では、第一基板領域１Ａａに、第一半導体領域ＦＤ１と第二半導体領域ＦＤ２とが設けられている。絶縁層１Ｅは、第一基板領域１Ａａの表面（表面１ＦＴ）上に配置されている。
【００８７】
第二基板領域１Ａｂが含んでいる光入射面１ＢＫに、複数の凸部２０が形成されている。すなわち、凸部２０の斜面２０ａが、第二基板領域１Ａｂの表面（光入射面１ＢＫ）に含まれている。凸部２０では、斜面２０ａとして、第二基板領域１Ａｂの（１１１）面が露出している。反射防止膜２１は、第二基板領域１Ａｂの表面（光入射面１ＢＫ）上に配置されている。
【００８８】
本変形例では、第二基板領域１Ａｂが、アキュムレーション層として機能する。したがって、上述したように、本変形例に係る距離画像センサ１では、光検出感度の向上が図られる。図１２に示された変形例に係る距離画像センサ１も、反射防止膜２１の代わりに、酸化アルミニウム膜２３を備えていてもよい。
【００８９】
図１３及び図１４に示された変形例では、距離画像センサ１は、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、複数のフォトゲート電極（本変形例では、二つのフォトゲート電極）ＰＧ１，ＰＧ２と、第一転送電極ＴＸ１及び第二転送電極ＴＸ２と、複数の第三転送電極（本実施形態では、二つの第三転送電極）ＴＸ３１，ＴＸ３２と、第一半導体領域ＦＤ１及び第二半導体領域ＦＤ２と、複数の第三半導体領域（本実施形態では、二つの第三半導体領域）ＦＤ３１，ＦＤ３２と、を備えている。図１３は、本変形例に係る距離画像センサの画素の構成を示すための模式図である。図１４は、各画素の断面構成を示す図である。
【００９０】
二つのフォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２は、表面１ＦＴ上に配置されており、互いに離間している。第一転送電極ＴＸ１及び第三転送電極ＴＸ３１は、表面１ＦＴ上に配置されており、フォトゲート電極ＰＧ１に隣接している。第二転送電極ＴＸ２及び第三転送電極ＴＸ３２は、表面１ＦＴ上に配置されており、フォトゲート電極ＰＧ１に隣接している。表面１ＦＴ上には、絶縁層１Ｅが配置されている。絶縁層１Ｅは、表面１ＦＴと、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２及び第一〜第三転送電極ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３１，ＴＸ３２との間に位置している。フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２及び第一〜第三転送電極ＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３１，ＴＸ３２は、絶縁層１Ｅと接している。第一半導体領域ＦＤ１は、第一転送電極ＴＸ１の直下の領域に流れ込む電荷を収集する。第一半導体領域ＦＤ１は、流れ込んだ電荷を蓄積する。第二半導体領域ＦＤ２は、第二転送電極ＴＸ２の直下の領域に流れ込む電荷を収集する。第二半導体領域ＦＤ２は、流れ込んだ電荷を蓄積する。第三半導体領域ＦＤ３１は、第三転送電極ＴＸ３１の直下の領域に流れ込む電荷を収集する。第三半導体領域ＦＤ３２は、第三転送電極ＴＸ３２の直下の領域に流れ込む電荷を収集する。
【００９１】
フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２は、平面視で略環状を呈している。本変形例では、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２は、略多角形環状（たとえば、矩形環状）を呈している。フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２は、円環状を呈していてもよい。本変形例では、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２は、たとえば、ポリシリコンからなる。が、他の材料を用いてもよい。フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２は、ポリシリコン以外の材料からなっていてもよい。
【００９２】
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の直下の領域から離間している。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に位置しており、電荷発生領域から離間している。
【００９３】
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の直下の領域から離間している。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に位置しており、電荷発生領域から離間している。
【００９４】
第一半導体領域ＦＤ１及び第二半導体領域ＦＤ２は、平面視で略多角形状を呈している。本変形例では、第一半導体領域ＦＤ１及び第二半導体領域ＦＤ２は、矩形状（たとえば、正方形状）を呈している。
【００９５】
第一転送電極ＴＸ１は、フォトゲート電極ＰＧ１と第一半導体領域ＦＤ１との間に配置されている。第一転送電極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。第一転送電極ＴＸ１は、フォトゲート電極ＰＧ１と第一半導体領域ＦＤ１との間に位置し、フォトゲート電極ＰＧ１及び第一半導体領域ＦＤ１から離間している。
【００９６】
第二転送電極ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧ２と第二半導体領域ＦＤ２との間に配置されている。第二転送電極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。第二転送電極ＴＸ２は、フォトゲート電極ＰＧ２と第二半導体領域ＦＤ２との間に位置し、フォトゲート電極ＰＧ２及び第二半導体領域ＦＤ２から離間している。
【００９７】
第一転送電極ＴＸ１及び第二転送電極ＴＸ２は、平面視で略多角形環状を呈している。本変形例では、第一転送電極ＴＸ１及び第二転送電極ＴＸ２は、矩形環状を呈している。
【００９８】
第三半導体領域ＦＤ３１は、フォトゲート電極ＰＧ１を囲むようにフォトゲート電極ＰＧ１の外側に配置されている。第三半導体領域ＦＤ３１は、フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域から離間している。第三半導体領域ＦＤ３１は、受光領域を囲むように受光領域の外側に位置しており、電荷発生領域から離間している。
【００９９】
第三半導体領域ＦＤ３２は、フォトゲート電極ＰＧ２を囲むようにフォトゲート電極ＰＧ２の外側に配置されている。第三半導体領域ＦＤ３２は、フォトゲート電極ＰＧ２の直下の領域から離間している。第三半導体領域ＦＤ３２は、受光領域を囲むように受光領域の外側に位置しており、電荷発生領域から離間している。
【０１００】
第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２は、平面視で略多角形環状を呈している。本変形例では、第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２は、矩形環状を呈している。また、本変形例では、隣り合う第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２は、一体に形成されている。すなわち、第三半導体領域ＦＤ３１と第三半導体領域ＦＤ３２とは、第三転送電極ＴＸ３１と第三転送電極ＴＸ３２との間の領域が共通化されている。第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２は、不要電荷収集領域として機能する。第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２は、高不純物濃度であり、かつ、ｎ型半導体からなる領域である。第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２は、フローティング・ディフュージョン領域である。
【０１０１】
第三転送電極ＴＸ３１は、フォトゲート電極ＰＧ１と第三半導体領域ＦＤ３１との間に配置されている。第三転送電極ＴＸ３１は、フォトゲート電極ＰＧ１を囲むようにフォトゲート電極ＰＧ１の外側に位置していると共に、第三半導体領域ＦＤ３１に囲まれるように第三半導体領域ＦＤ３１の内側に位置している。第三転送電極ＴＸ３１は、フォトゲート電極ＰＧ１と第三半導体領域ＦＤ３１との間に位置し、フォトゲート電極ＰＧ１及び第三半導体領域ＦＤ３１から離間している。
【０１０２】
第三転送電極ＴＸ３２は、フォトゲート電極ＰＧ２と第三半導体領域ＦＤ３２との間に配置されている。第三転送電極ＴＸ３２は、フォトゲート電極ＰＧ２を囲むようにフォトゲート電極ＰＧ２の外側に位置していると共に、第三半導体領域ＦＤ３２に囲まれるように第三半導体領域ＦＤ３２の内側に位置している。第三転送電極ＴＸ３２は、フォトゲート電極ＰＧ２と第三半導体領域ＦＤ３２との間に位置し、フォトゲート電極ＰＧ２及び第三半導体領域ＦＤ３２から離間している。
【０１０３】
第三転送電極ＴＸ３１，ＴＸ３２は、平面視で略多角形環状を呈している。本変形例では、第三転送電極ＴＸ３１，ＴＸ３２は、矩形環状を呈している。第三転送電極ＴＸ３１，ＴＸ３２は、たとえば、ポリシリコンからなる。第三転送電極ＴＸ３１，ＴＸ３２は、ポリシリコン以外の材料からなっていてもよい。第三転送電極ＴＸ３１，ＴＸ３２は、不要電荷転送電極として機能する。
【０１０４】
フォトゲート電極ＰＧ１と第一転送電極ＴＸ１と第三転送電極ＴＸ３１とは、第一半導体領域ＦＤ１を中心として、第一半導体領域ＦＤ１側から第一転送電極ＴＸ１、フォトゲート電極ＰＧ１、第三転送電極ＴＸ３１の順に同心状に配置されている。フォトゲート電極ＰＧ２と第二転送電極ＴＸ２と第三転送電極ＴＸ３２とは、第二半導体領域ＦＤ２を中心として、第二半導体領域ＦＤ２側から第二転送電極ＴＸ２、フォトゲート電極ＰＧ２、第三転送電極ＴＸ３２の順に同心状に配置されている。
【０１０５】
絶縁層１Ｅには、第一〜第三半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３１，ＦＤ３２の表面を露出させるコンタクトホール（不図示）が設けられている。コンタクトホール内には、第一〜第三半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３１，ＦＤ３２を電気的に外部に接続するための導体（不図示）が配置される。
【０１０６】
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（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）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の形状に対応して、矩形環状を呈している。本変形例では、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）を含む第一ユニットと、フォトゲート電極ＰＧ２（フォトゲート電極ＰＧ２の直下の電荷発生領域）を含む第二ユニットと、が隣り合って配置されている。隣り合って配置された第一ユニットと第二ユニットとが一つの画素Ｐ（ｍ，ｎ）を構成している。
【０１０７】
第三転送電極ＴＸ３１，ＴＸ３２に、ハイレベルの信号（たとえば、正電位）が与えられた場合、負の電荷（電子）から見ると、第三転送電極ＴＸ３１，ＴＸ３２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，ＰＧ２の直下の領域のポテンシャルに対して低くなる。負の電荷（電子）は、第三転送電極ＴＸ３１，ＴＸ３２の方向に引き込まれ、第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２によって形成されるポテンシャル井戸内に流れ込む。第三転送電極ＴＸ３１，ＴＸ３２に、ローレベルの信号（たとえば、グランド電位）が与えられた場合、負の電荷（電子）から見ると、第三転送電極ＴＸ３１，ＴＸ３２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ＦＤ３１，ＦＤ３２内には引き込まれない。第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２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を、不要電荷として収集し、排出する。
【０１０８】
図１５は、各画素の構成を示すための模式図である。
【０１０９】
第一転送電極ＴＸ１には、第一転送信号Ｓ１が与えられる。第二転送電極ＴＸ２には、第二転送信号Ｓ２が与えられる。第三転送電極ＴＸ３１，ＴＸ３２には、第三転送信号Ｓ３１，Ｓ３２が与えられる。
【０１１０】
電荷発生領域（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、第一転送電極ＴＸ１にハイレベルの第一転送信号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、電荷量ｑ１に対応した出力（Ｖｏｕｔ１）として第一半導体領域ＦＤ１から読み出される。
【０１１１】
電荷発生領域（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、第二転送電極ＴＸ２にハイレベルの第二転送信号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、電荷量ｑ２に対応した出力（Ｖｏｕｔ２）として第二半導体領域ＦＤ２から読み出される。
【０１１２】
これらの出力（Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２）は、上述した信号ｄ’（ｍ，ｎ）に相当する。
【０１１３】
図１６は、各種信号のタイミングチャートである。
【０１１４】
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、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、第一転送信号Ｓ１が第一転送電極ＴＸ１に印加される。そして、第二転送信号Ｓ２が、第一転送信号Ｓ１に所定の位相差（たとえば、１８０度の位相差）で第二転送電極ＴＸ２に印加される。距離測定に先立って、リセット信号が第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に印加される。この結果、第一半導体領域ＦＤ１及び第二半導体領域ＦＤ２に蓄積された電荷が、外部に排出される。リセット信号が一瞬ＯＮし、続いてＯＦＦした後、第一及び第二転送信号Ｓ１，Ｓ２が第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に逐次印加される。第一及び第二転送信号Ｓ１，Ｓ２の印加に同期して、電荷転送が逐次的に行われる。この結果、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２に信号電荷が蓄積される。すなわち、蓄積期間中、第一及び第二半導体領域ＦＤ１，ＦＤ２それぞれにおいて、信号電荷が積算される。
【０１１５】
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。このとき、第三転送電極ＴＸ３１，ＴＸ３２に印加される第三転送信号Ｓ３１，Ｓ３２がハイレベルとなり、第三転送電極ＴＸ３１，ＴＸ３２に正の電位が与えられる。この結果、不要電荷が、第三半導体領域ＦＤ３１，ＦＤ３２のポテンシャル井戸に収集される。第一転送信号Ｓ１と第三転送信号Ｓ３１とは、逆の位相である。第二転送信号Ｓ２と第三転送信号Ｓ３２とは、逆の位相である。
【０１１６】
フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２に与えられる電位ＶＰＧは、電位ＶＴＸ１，ＶＴＸ２，ＶＴＸ３１，ＶＴＸ３２より低く設定されている。第一転送信号Ｓ１又は第二転送信号Ｓ２がハイレベルとなった際に、第一転送電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルは、フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域のポテンシャルよりも低くなる。第二転送信号Ｓ２がハイレベルとなった際に、第二転送電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルは、フォトゲート電極ＰＧ２の直下の領域のポテンシャルよりも低くなる。第三転送信号Ｓ３１，Ｓ３２がハイレベルとなった際に、第三転送電極ＴＸ３１，ＴＸ３２の直下の領域のポテンシャルは、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の直下の領域のポテンシャルよりも低くなる。
【０１１７】
電位ＶＰＧは、第一転送信号Ｓ１、第二転送信号Ｓ２、及び第三転送信号Ｓ３１，Ｓ３２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。第一転送信号Ｓ１がローレベルとなった際に、第一転送電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルは、フォトゲート電極ＰＧ１の直下の領域のポテンシャルよりも高くなる。第二転送信号Ｓ２がローレベルとなった際に、第二転送電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルは、フォトゲート電極ＰＧ２の直下の領域のポテンシャルよりも高くなる。第三転送信号Ｓ３１，Ｓ３２がローレベルとなった際に、第三転送電極ＴＸ３１，ＴＸ３２の直下の領域のポテンシャルは、フォトゲート電極ＰＧ１，ＰＧ２の直下の領域のポテンシャルよりも高くなる。
【０１１８】
図１７に示された変形例では、フォトゲート電極ＰＧを含む一つのユニットが一画素Ｐ（ｍ，ｎ）を構成している点が、図１３に示された変形例と相違する。図１７は、変形例に係る距離画像センサの画素の構成を示すための模式図である。
【０１１９】
本変形例の距離画像センサは、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）において、フォトゲート電極ＰＧと、第一転送電極ＴＸ１と、第三転送電極ＴＸ３と、第一半導体領域ＦＤ１と、第三半導体領域ＦＤ３と、を備えている。各画素Ｐ（ｍ，ｎ）を構成する一つのユニットの構成は、上述した実施形態の第一ユニット（又は第二ユニット）の構成と同じである。
【０１２０】
図１８は、図１７に示される変形例における、各種信号のタイミングチャートである。
【０１２１】
図１８に示されるように、第一転送電極ＴＸ１に印加される第一転送信号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。本変形例では、第一転送信号Ｓ１は、１８０度のタイミングで１８０度の位相シフトが与えられている。第一転送信号Ｓ１は、０度のタイミングで駆動信号ＳＰに同期し、１８０度のタイミングで駆動信号ＳＰに１８０度の位相差を有している。第一転送信号Ｓ１と第三転送電極ＴＸ３とは、逆の位相である。
【０１２２】
本変形例では、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、出力（Ｖｏｕｔ１）として第一半導体領域ＦＤ１から読み出される。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、出力（Ｖｏｕｔ２）として第一半導体領域ＦＤ１から読み出される。これらの出力（Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２）は、上述した信号ｄ’（ｍ，ｎ）に相当する。
【０１２３】
図１９に示された変形例では、距離画像センサ１が、ホウ素を含む膜４０を備えている点で、図４に示された距離画像センサ１と相違する。図１９は、変形例に係る距離画像センサの各画素の断面構成を示す図である。
【０１２４】
膜４０は、光入射面１ＢＫ上に配置されており、入射光を透過させる。膜４０は、光入射面１ＢＫと接している。本変形例では、膜４０は、ホウ素からなる膜である。膜４０は、凸部２０の斜面２０ａを覆うように、斜面２０ａと接している。膜４０の表面には、複数の凸部２０に対応する凹凸が形成されている。膜４０の厚みは、たとえば、１〜３０ｎｍである。膜４０は、たとえば、複数の凸部２０が形成されている領域全体を覆っている。
【０１２５】
図１９に示された距離画像センサ１では、図４に示された距離画像センサ１と同様に、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性の向上が図られている。
【０１２６】
本変形例では、光入射面１ＢＫ（光入射面）上にホウ素を含む膜４０が配置されているので、紫外の波長帯域での分光感度特性の劣化が抑制されている。
【０１２７】
図２０に示された変形例では、距離画像センサ１が、膜４０を備えている点で、図１１に示された距離画像センサ１と相違する。図２０は、変形例に係る距離画像センサの各画素の断面構成を示す図である。
【０１２８】
酸化アルミニウム膜２３は、膜４０上に配置されている。酸化アルミニウム膜２３は、膜４０と接している。酸化アルミニウム膜２３は、たとえば、膜４０全体を覆っている。本変形例でも、膜４０は、ホウ素からなる膜である。酸化アルミニウム膜２３の厚みは、たとえば、０．０１〜１μｍである。
【０１２９】
図２０に示された距離画像センサ１では、図１１に示された距離画像センサ１と同様に、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性の向上が図られている。本変形例でも、距離画像センサ１は、酸化アルミニウム膜２３を備えているので、正極性の固定電荷が半導体基板１Ａの光入射面１ＢＫ側に存在する。この結果、本変形例に係る距離画像センサ１でも、光検出感度の向上が図られる。
【０１３０】
本変形例では、図１９に示された距離画像センサ１と同様に、光入射面１ＢＫ（光入射面）上にホウ素を含む膜４０が配置されているので、紫外の波長帯域での分光感度特性の劣化が抑制されている。
【０１３１】
図２１に示された変形例では、距離画像センサ１が、膜４０を備えている点で、図１２に示された距離画像センサ１と相違する。図２１は、変形例に係る距離画像センサの各画素の断面構成を示す図である。
【０１３２】
図２１に示された距離画像センサ１では、図１２に示された距離画像センサ１と同様に、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性の向上が図られている。本変形例でも、光入射面１ＢＫ（光入射面）上にホウ素を含む膜４０が配置されているので、紫外の波長帯域での分光感度特性の劣化が抑制されている。
【０１３３】
図２２に示された変形例では、距離画像センサ１が、膜４０を備えている点で、図１４に示された距離画像センサ１と相違する。図２２は、変形例に係る距離画像センサの各画素の断面構成を示す図である。
【０１３４】
図２２に示された距離画像センサ１では、図１４に示された距離画像センサ１と同様に、紫外及び近赤外の各波長帯域での分光感度特性の向上が図られている。本変形例でも、光入射面１ＢＫ（光入射面）上にホウ素を含む膜４０が配置されているので、紫外の波長帯域での分光感度特性の劣化が抑制されている。
【０１３５】
以上、本発明の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。
【０１３６】
入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域が、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）で構成されていてもよい。距離画像センサ１では、画素Ｐ（ｍ，ｎ）が二次元状に配置されている必要はない。たとえば、画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、一次元状に配置されていてもよい。
【０１３７】
本実施形態及び変形例に係る距離画像センサ１では、ｐ型及びｎ型の各導電型が、上述した導電型と逆になるように入れ替えられていてもよい。
【０１３８】
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もよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３９】
本発明は、シリコン基板を備える距離センサ及び距離画像センサに利用することができる。
【符号の説明】
【０１４０】
１…距離画像センサ、１Ａ…半導体基板、１Ａａ…第一基板領域、１Ａｂ…第二基板領域、１ＢＫ…光入射面、１ＦＴ…表面、２０…凸部、２０ａ…斜面、２１…反射防止膜、２３…酸化アルミニウム膜、４０…ホウ素を含む膜、ＦＤ１…第一半導体領域、ＦＤ２…第二半導体領域、Ｐ…画素、ＴＸ１…第一転送電極、ＴＸ２…第二転送電極。
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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