【手続補正書】
【提出日】平成31年4月19日(2019.4.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の素子形成層と前記素子形成層の上部に埋め込まれた第２導電型の表面埋込領域からなる埋め込みフォトダイオードを含む撮像領域と、
前記撮像領域の中央部に定義される受光領域を囲む５つ以上の位置に互いに離間して設けられた、前記素子形成層よりも高不純物密度で第２導電型の複数の電荷読出領域と、
前記受光領域から前記複数の電荷読出領域のそれぞれに独立した経路で至る、複数の第２導電型の電荷転送チャネルと、
前記受光領域を囲む位置において、前記複数の電荷転送チャネルのそれぞれの両側に対をなして配置された複数の電界制御電極と、
を備え、前記複数の電界制御電極に対し、それぞれ互いに位相の異なる電界制御パルスを周期的に順次印加し、前記表面埋込領域及び前記複数の電荷転送チャネルの空乏化電位を順次変化させることにより、前記表面埋込領域中で発生した多数キャリアの移動先を前記複数の電荷読出領域のいずれかに順次設定するように制御することを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
前記複数の電荷転送チャネルと前記電荷読出領域との間に、前記素子形成層よりも高不純物密度で、且つ前記電荷読出領域よりも低不純物密度となる第２導電型の複数の電荷蓄積領域と、
前記複数の電荷蓄積領域から対応するそれぞれの前記電荷読出領域に至る、複数の第２導電型の電荷読出チャネルと、
前記複数の電荷読出チャネルのそれぞれに配置された複数の転送電極と
を更に備え、前記表面埋込領域中で発生した前記多数キャリアの移動先を前記複数の電荷蓄積領域のいずれかに順次設定し、前記複数の転送電極に対しては、前記複数の電荷蓄積領域から対応する前記電荷読出領域へ前記多数キャリアを転送する電荷転送パルスを一斉に印加することを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記複数の転送電極は、前記複数の電荷読出チャネルのそれぞれの両側に対をなして配置されて横方向電界制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記５つ以上の電荷蓄積領域の個数をｎ個としたとき、前記複数の電荷蓄積領域の配置トポロジーは、前記受光領域の中心位置に関してｎ回転対称であることを特徴とする請求項２又は３に記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記複数の電荷蓄積領域のうち（ｎ−１）個の前記電荷蓄積領域のそれぞれは、前記表面埋込領域中で発生した多数キャリアを信号電荷として蓄積し、
残る１個の前記電荷読出領域は、背景光により前記表面埋込領域中で発生した背景光電荷を排出することを特徴とする請求項４に記載の光電変換素子。
【請求項６】
前記複数の電荷蓄積領域のそれぞれから離間し、前記受光領域を囲む位置に配置された、前記素子形成層よりも高不純物密度で第２導電型の電荷排出領域を更に備え、
前記ｎ個の電荷蓄積領域のそれぞれが、前記表面埋込領域中で発生した多数キャリアを信号電荷として蓄積することを特徴とする請求項４に記載の光電変換素子。
【請求項７】
前記受光領域の中央に、前記表面埋込領域に囲まれた第１導電型の電位丘設定部を更に備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項８】
前記受光領域が、前記表面埋込領域の周囲を囲むように設けられた、前記表面埋込領域より高不純物密度の第２導電型のガイド領域を更に備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項９】
第１導電型の素子形成層と前記素子形成層の上部に埋め込まれた第２導電型の表面埋込領域からなる埋め込みフォトダイオードを含む撮像領域と、
前記撮像領域の中央部に定義される受光領域を囲む５つ以上の位置に互いに離間して設けられた、前記素子形成層よりも高不純物密度で第２導電型の複数の電荷読出領域と、
前記受光領域から前記複数の電荷読出領域のそれぞれに独立した経路で至る、複数の第２導電型の電荷転送チャネルと、
前記受光領域を囲む位置において、前記複数の電荷転送チャネルのそれぞれの両側に対をなして配置された複数の電界制御電極と、
を備える画素の複数個が同一半導体チップ上に配列され、
前記画素のそれぞれにおいて、前記複数の電界制御電極に対し、それぞれ互いに位相の異なる電界制御パルスを周期的に順次印加し、前記表面埋込領域及び前記複数の電荷転送チャネルの空乏化電位を順次変化させることにより、前記表面埋込領域中で発生した多数キャリアの移動先を前記複数の電荷読出領域のいずれかに順次設定するように制御することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１０】
前記画素のそれぞれにおいて、
前記複数の電荷転送チャネルと前記電荷読出領域との間に、前記素子形成層よりも高不純物密度で、且つ前記電荷読出領域よりも低不純物密度となる第２導電型の複数の電荷蓄積領域と、
前記複数の電荷蓄積領域から対応するそれぞれの前記電荷読出領域に至る、複数の第２導電型の電荷読出チャネルと、
前記複数の電荷読出チャネルのそれぞれに配置された複数の転送電極と
を更に備え、前記表面埋込領域中で発生した前記多数キャリアの移動先を前記複数の電荷蓄積領域のいずれかに順次設定し、前記複数の転送電極に対しては、前記複数の電荷蓄積領域から対応する前記電荷読出領域へ前記多数キャリアを転送する電荷転送パルスを一斉に印加することを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記画素のそれぞれにおいて、
前記複数の転送電極は、前記複数の電荷読出チャネルのそれぞれの両側に対をなして配置されて横方向電界制御を行うことを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記画素を構成する前記５つ以上の電荷蓄積領域の個数をｎ個としたとき、前記複数の電荷蓄積領域の配置トポロジーは、前記受光領域の中心位置に関してｎ回転対称であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記画素のそれぞれにおいて、
前記複数の電荷蓄積領域のうち（ｎ−１）個の前記電荷蓄積領域のそれぞれは、前記表面埋込領域中で発生した多数キャリアを信号電荷として蓄積し、
残る１個の前記電荷蓄積領域は、背景光により前記表面埋込領域中で発生した背景光電荷を排出することを特徴とする請求項１１に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記画素のそれぞれにおいて、
前記複数の電荷蓄積領域のそれぞれから離間し、前記受光領域を囲む位置に配置された、前記素子形成層よりも高不純物密度で第２導電型の電荷排出領域を更に備え、
前記ｎ個の電荷蓄積領域のそれぞれが、前記表面埋込領域中で発生した多数キャリアを信号電荷として蓄積することを特徴とする請求項１１に記載の固体撮像装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光電変換素子の概略を説明する模式的平面図（上面図）である。
【図２】図１のＡ−Ａ方向から見た第１実施形態に係る光電変換素子の概略構造を説明する模式的な断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る光電変換素子の動作を説明するタイミング図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る光電変換素子のゲート信号を整形する回路を説明するタイミング図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る光電変換素子の動作を説明する模式的平面図（上面図）である。
【図６】図５のＢ−Ｂ方向から見た第１実施形態の変形例に係る光電変換素子の伝導帯の下端部（底部）のポテンシャル分布を示す図である。
【図７】図５のＣ−Ｃ方向から見た第１実施形態の変形例に係る光電変換素子の伝導帯の下端部（底部）のポテンシャル分布を示す図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の半導体チップ上のレイアウトの概略を説明する模式的平面図である。
【図９】図８に示した固体撮像装置に用いられている画素の内部構造の概略を説明する模式的平面図である。
【図１０】本発明の第１実施形態の第１変形例に係る光電変換素子の概略を説明する模式的平面図（上面図）である。
【図１１】図１０のＤ−Ｄ方向から見た第１実施形態の第１変形例に係る光電変換素子の概略構造を説明する模式的な断面図である。
【図１２】図１０のＤ−Ｄ方向から見た第１実施形態の第１変形例に係る光電変換素子の伝導帯の下端部（底部）のポテンシャル分布を示す図である。
【図１３】本発明の第１実施形態の第２変形例に係る光電変換素子の概略を説明する模式的平面図（上面図）である。
【図１４】本発明の第１実施形態の第３変形例に係る光電変換素子の概略を説明する模式的平面図（上面図）である。
【図１５】図１４のＥ−Ｅ方向から見た第１実施形態の第３変形例に係る光電変換素子の概略構造を説明する模式的な断面図である。
【図１６】本発明の第１実施形態の第３変形例に係る光電変換素子の動作を説明するタイミング図である。
【図１７】図１７（a）は、図１４のＥ−Ｅ方向から見た第１実施形態の第３変形例に係る光電変換素子の、電荷転送時における、伝導帯の下端部（底部）のポテンシャル分布を示す図であり、図１７（ｂ）は、図１４のＦ−Ｆ方向から見た第１実施形態の変形例に係る光電変換素子の伝導帯の下端部（底部）のポテンシャル分布を示す図である。
【図１８】図１８（a）は、図１４のＥ−Ｅ方向から見た第１実施形態の第３変形例に係る光電変換素子の、背景光電荷の排出時における、伝導帯の下端部（底部）のポテンシャル分布を示す図であり、図１８（ｂ）は、図１４のＦ−Ｆ方向から見た第１実施形態の変形例に係る光電変換素子の伝導帯の下端部（底部）のポテンシャル分布を示す図である。
【図１９】本発明の第１実施形態の第３変形例に係る固体撮像装置に用いられている画素の内部構造の概略を説明する模式的平面図である。
【図２０】本発明の第１実施形態の第４変形例に係る光電変換素子の概略を説明する模式的平面図（上面図）である。
【図２１】第１実施形態の第４変形例に係る光電変換素子の撮像領域の上方から見たＸ−Ｙ面内の等電位線と、この等電位線の電位分布によって設定される電子の電荷輸送路を示す図である。
【図２２】本発明の第２実施形態に係る光電変換素子の概略を説明する模式的平面図（上面図）である。
【図２３】図２２のＧ−Ｇ方向から見た第２実施形態に係る光電変換素子の概略構造を説明する模式的な断面図である。
【図２４】図２２のＩ−Ｉ方向から見た第２実施形態に係る光電変換素子の概略構造を説明する模式的な断面図である。
【図２５】図２５（a）は、図２２のＧ−Ｇ方向から見た第２実施形態に係る光電変換素子の伝導帯の下端部（底部）のポテンシャル分布を示す図であり、図２５（ｂ）は、図２２のＨ−Ｈ方向から見た第２実施形態に係る光電変換素子の伝導帯の下端部（底部）のポテンシャル分布を示す図であり、図２５（ｃ）は、図２２のＩ−Ｉ方向から見た第２実施形態に係る光電変換素子の伝導帯の下端部（底部）のポテンシャル分布を示す図である。
【図２６】本発明の第２実施形態の第１変形例に係る光電変換素子の概略を説明する模式的平面図（上面図）である。
【図２７】第２実施形態の第１変形例に係る光電変換素子の撮像領域の上方から見たＸ−Ｙ面内の等電位線と、この等電位線の電位分布によって設定される電子の電荷輸送路を示す図である。
【図２８】図２７の等電位線の一部を拡大して示す図である。
【図２９】第２実施形態の第１変形例に係る光電変換素子の伝導帯の下端部（底部）のポテンシャル分布を３次元メッシュ構造で示す図である。
【図３０】本発明の第２実施形態の第２変形例に係る光電変換素子の概略構造を説明する模式的な断面図である。
【図３１】本発明の第２実施形態の第３変形例に係る光電変換素子の概略を説明する模式的平面図（上面図）である。
【図３２】本発明の第２実施形態の第４変形例に係る光電変換素子の概略を説明する模式的平面図（上面図）である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
−固体撮像装置−
第１実施形態に係る光電変換素子は、固体撮像装置（光飛行時間距離画像センサ）の画素Ｘijに適用可能であり、固体撮像装置の画素Ｘijに適用することにより、各画素Ｘijの内部において、高速の信号電荷の転送が可能になる。図８は、第１実施形態に係る光電変換素子を画素Ｘijとし、この画素Ｘijをマトリクス状に複数個配列した固体撮像装置の構成例である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５８】
本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置を光飛行時間距離画像センサとして構成する場合について例示すれば、図８に示すように、画素アレイ部と周辺回路部（２１，２２，２３，２４）とを同一半導体チップ上に配置し、集積化した構造として示すことが可能である。画素アレイ部例えば、方形状の領域として定義することが可能であり、図９に示した画素Ｘij（ｉ＝１〜ｎ；ｊ＝１〜ｍ：ｎ，ｍはそれぞれ整数である。）を２次元マトリクス状に多数配列できる。画素アレイ部の下辺部には、図８において水平方向に示した画素行Ｘ11，Ｘ12，……Ｘ1m；Ｘ21，Ｘ22，……Ｘ2m；……Ｘn1，Ｘn2，……Ｘnm方向に沿ってカラム並列折り返し積分／巡回型Ａ／Ｄ変換器２２と、このカラム並列折り返し積分／巡回型Ａ／Ｄ変換器２２に接続される水平シフトレジスタ２１が設けられている。画素アレイ部の左辺部には、図８において垂直方向に示した画素列Ｘ11，Ｘ21，……，Ｘn1；Ｘ12，Ｘ22，……，Ｘn2；……；Ｘ1m，Ｘ2m，……，Ｘnm方向に沿って垂直シフトレジスタ２３が設けられている。垂直シフトレジスタ２３及び水平シフトレジスタ２１には、図示を省略したタイミング発生回路が接続されている。第１実施形態に係る固体撮像装置では、画素アレイ部の下辺部に設けられたカラム並列折り返し積分／巡回型Ａ／Ｄ変換器２２に信号を読み出してＡ／Ｄ変換を行い、更にノイズキャンセルする。これにより、光電荷による信号レベルが抽出され、固定パターンノイズや、時間的ランダムノイズの一部（リセットノイズ）がキャンセルされた信号を求める。