WO2018042785A1 - 距離センサ及び距離画像センサ - Google Patents

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光人 間瀬
純 平光
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Definitions

  • the present invention relates to a distance sensor and a distance image sensor.
  • a distance sensor including a silicon substrate and a transfer electrode is known (for example, see Patent Document 1).
  • the silicon substrate has a first main surface and a second main surface that face each other.
  • a charge generation region in which charges are generated in response to incident light and a charge collection region in which charges from the charge generation region are collected are provided on the first main surface side.
  • the transfer electrode is disposed between the charge generation region and the charge collection region on the first main surface. The transfer electrode causes charge to flow from the charge generation region to the charge collection region in accordance with the input signal.
  • the distance sensor (distance image sensor) described in Patent Document 1 has room for improvement in spectral sensitivity characteristics in the ultraviolet wavelength band.
  • An object of one embodiment of the present invention is to provide a distance sensor and a distance image sensor that are improved in spectral sensitivity characteristics in the ultraviolet wavelength band.
  • One embodiment of the present invention is a distance sensor, which includes a silicon substrate and a transfer electrode.
  • the silicon substrate has a first main surface and a second main surface that face each other.
  • a charge generation region in which charges are generated in response to incident light and a charge collection region in which charges from the charge generation region are collected are provided on the first main surface side.
  • the transfer electrode is disposed between the charge generation region and the charge collection region on the first main surface. The transfer electrode causes charge to flow from the charge generation region to the charge collection region in accordance with the input signal.
  • a plurality of convex portions are formed in a region corresponding to at least the charge generation region in the second main surface. The plurality of convex portions have slopes inclined with respect to the thickness direction of the silicon substrate. In the convex portion, the (111) plane of the silicon substrate is exposed as a slope.
  • the height of the convex part is 200 nm or more.
  • the plurality of convex portions formed on the second main surface have slopes inclined with respect to the thickness direction of the silicon substrate.
  • the slope is inclined with respect to the thickness direction of the silicon substrate. For this reason, for example, the light reflected on the slope side of one convex part is directed to the slope side of the convex part adjacent to the one convex part, and enters the silicon substrate from the slope of the adjacent convex part.
  • the convex portion exposes the (111) plane of the silicon substrate as a slope, light incident on the silicon substrate from the slope is easily taken into the silicon substrate. Since the height of the convex portion is 200 nm or more, the surface area of the slope is large. Therefore, a lot of light incident on the slope is taken into the silicon substrate.
  • the light in the ultraviolet wavelength region has a large absorption coefficient by silicon. Therefore, the light in the ultraviolet wavelength region is absorbed in a region near the second main surface of the silicon substrate.
  • the (111) plane of the silicon substrate is exposed at the convex portion formed on the silicon substrate. As a result, light absorption in a region close to the second main surface is not hindered.
  • the spectral sensitivity characteristics in the ultraviolet wavelength band can be improved.
  • the distance sensor according to this aspect may be further provided with a silicon oxide film disposed on the second main surface and transmitting incident light.
  • the silicon oxide film functions as an antireflection film, light is more easily captured by the silicon substrate. Therefore, in this embodiment, the spectral sensitivity characteristic in the ultraviolet wavelength band is further improved.
  • the distance sensor according to this aspect may be further provided with an aluminum oxide film that is disposed on the second main surface and transmits incident light.
  • the fixed charge having a predetermined polarity is present on the light incident surface side of the silicon substrate by the aluminum oxide film.
  • a region on the second main surface side of the silicon substrate where a fixed charge of a predetermined polarity exists functions as an accumulation layer.
  • the accumulation layer recombines unnecessary charges generated on the second main surface side without depending on light, dark current is reduced.
  • the accumulation layer suppresses carriers generated by light near the second main surface of the silicon substrate from being trapped by the second main surface. Therefore, the electric charge generated by light efficiently moves to the first main surface side of the silicon substrate. As a result, according to this embodiment, the light detection sensitivity can be improved.
  • the silicon substrate has a first substrate region in which a charge generation region and a charge collection region are provided, and a second substrate region having an impurity concentration higher than that of the first substrate region and provided on the second main surface side. And may have.
  • the slope of the convex portion may be included in the surface of the second substrate region.
  • the second substrate region functions as an accumulation layer. Therefore, as described above, the light detection sensitivity can be improved.
  • the transfer electrode has an annular shape, and may be arranged so as to surround the charge collection region when viewed from a direction orthogonal to the first main surface. In this case, since the charge is transferred from the outside of the transfer electrode to the charge collection region positioned inside the transfer electrode, the charge collection region collects a lot of charges. As a result, in this embodiment, a distance output with a good S / N ratio can be obtained.
  • the distance sensor according to the present aspect may be disposed on the second main surface, and may further include a film that transmits incident light and contains boron. In this case, in the distance sensor, deterioration of the spectral sensitivity characteristic in the ultraviolet wavelength band is suppressed.
  • the distance image sensor includes a silicon substrate provided with an imaging region including a plurality of units arranged one-dimensionally or two-dimensionally. Each unit is the distance sensor.
  • the spectral sensitivity characteristics in the ultraviolet wavelength band can be improved.
  • a distance sensor and a distance image sensor that are improved in spectral sensitivity characteristics in the ultraviolet wavelength band.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of the distance measuring apparatus.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional configuration of the distance image sensor.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the distance image sensor.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of each pixel.
  • FIG. 5 is a timing chart of various signals.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing light travel in the distance image sensor.
  • FIG. 7 is an SEM image obtained by observing the distance image sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is an SEM image obtained by observing the distance image sensor according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing changes in quantum efficiency with respect to wavelength in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1.
  • FIG. 10 is a diagram showing changes in quantum efficiency with respect to wavelength in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of each pixel of a distance image sensor according to a modification.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of each pixel of a distance image sensor according to a modification.
  • FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a configuration of pixels of a distance image sensor according to a modification.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of each pixel.
  • FIG. 15 is a schematic diagram illustrating a configuration of each pixel.
  • FIG. 16 is a timing chart of various signals.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of each pixel of a distance image sensor according to a modification.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of each pixel of a distance image sensor according to a modification.
  • FIG. 13 is
  • FIG. 17 is a schematic diagram illustrating a configuration of pixels of a distance image sensor according to a modification.
  • FIG. 18 is a timing chart of various signals.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of each pixel of a distance image sensor according to a modification.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of each pixel of a distance image sensor according to a modification.
  • FIG. 21 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of each pixel of a distance image sensor according to a modification.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of each pixel of a distance image sensor according to a modification.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of the distance measuring apparatus.
  • This distance measuring device includes a distance image sensor 1, a light source 3, a drive circuit 4, a control circuit 2, and an arithmetic circuit 5.
  • Drive circuit 4 the light source 3 supplies a drive signal S P.
  • the control circuit 2 the distance the first and second transfer electrodes included in each pixel of the image sensor 1: (TX1, TX2 see FIG. 4), the first transfer signal S 1 and the second transfer in synchronization with the drive signal S P give the signal S 2.
  • the arithmetic circuit 5 calculates the distance from the signal d ′ (m, n) indicating the distance information read from the first and second semiconductor regions (FD1, FD2: see FIG. 4) of the distance image sensor 1 to the object. Is calculated. Let d be the distance in the horizontal direction D from the distance image sensor 1 to the object.
  • the control circuit 2 also outputs third transfer signals S 31 and S 32 described later.
  • the drive signal SP, the first transfer signal S 1 , and the second transfer signal S 2 are pulse signals.
  • the control circuit 2 has inputs a drive signal S P to the switch 4b of the driving circuit 4.
  • the light source 3 is connected to the power source 4a via the switch 4b.
  • a drive signal S P is input to the switch 4b, a drive current of the same waveform as the drive signal S P is supplied to the light source 3, it is outputted pulse light L P as a probe light for distance measurement from the light source 3 .
  • the pulse light L P When the pulse light L P is irradiated to the object, pulse light is reflected by the object.
  • the reflected pulsed light as reflected light L D, enters the range image sensor 1.
  • the distance image sensor 1 outputs a detection signal SD .
  • the detection signal SD is also a pulse signal.
  • the distance image sensor 1 is disposed on the wiring board 10.
  • a signal d ′ (m, n) having distance information is output from each pixel of the distance image sensor 1 through the wiring on the wiring board 10.
  • the detection signal SD includes a signal d ′ (m, n).
  • Waveform of the drive signal S P is a square wave of period T.
  • the high level "1", when the low level is "0”, the voltage of the drive signal S P V (t) is given by the following equation.
  • V (t) 0 (provided that (T / 2) ⁇ t ⁇ T)
  • V (t + T) V (t)
  • the first transfer signal S 1 and the second transfer signal S 2 of the waveform is a square wave of period T.
  • the first transfer signal S 1 and the second transfer signal S 2 of the voltage V (t) is given by the following equation.
  • V (t) 0 (provided that (T / 2) ⁇ t ⁇ T)
  • V (t + T) V (t)
  • V (t) 1 (provided that (T / 2) ⁇ t ⁇ T)
  • V (t + T) V (t)
  • Signal S P, S 1, S 2 , S D has all pulse period 2 ⁇ T P.
  • the amount of charge generated in the distance image sensor 1 when the first transfer signal S 1 and the detection signal SD are both “1” is defined as q 1 .
  • the amount of charge generated in the distance image sensor 1 when the second transfer signal S 2 and the detection signal SD are both “1” is defined as q 2 .
  • the phase difference between the first transfer signal S 1 and the detection signal SD is equal to the amount of charge q 2 generated in the distance image sensor 1 during the overlap period in which the second transfer signal S 2 and the detection signal SD are “1”.
  • the amount of charge q 2 is the amount of charge generated during a period in which the logical product of the second transfer signal S 2 and the detection signal SD is “1”.
  • the arithmetic circuit 5 can calculate the distance d. Note that the above-described pulse is repeatedly emitted, and the integrated value can be output as the respective charge amounts q 1 and q 2 .
  • the ratio of the charge amounts q 1 and q 2 to the total charge amount corresponds to the above-described phase difference, that is, the distance to the object.
  • a coefficient ⁇ for correcting the latter may be obtained in advance.
  • a value obtained by multiplying the calculated distance d by the coefficient ⁇ may be the final calculated distance d.
  • the light speed c differs according to the outside air temperature
  • the outside air temperature may be measured and the light speed c may be corrected based on the outside air temperature.
  • distance calculation may be performed based on the corrected light velocity c.
  • the relationship between the signal input to the arithmetic circuit and the actual distance may be stored in advance in the memory.
  • the distance calculation may be performed by a lookup table method.
  • the calculation method may be changed according to the sensor structure. In this case, a conventionally known calculation method may be used.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for illustrating a cross-sectional configuration of the distance image sensor.
  • the distance image sensor 1 is a back-illuminated distance image sensor and includes a semiconductor substrate 1A. In the present embodiment, the entire semiconductor substrate 1A is thinned.
  • the range image sensor 1 the reflected light L D from the light incident surface 1BK of the semiconductor substrate 1A is incident.
  • the light incident surface 1BK is the back surface of the semiconductor substrate 1A.
  • a surface 1FT of the distance image sensor 1 is connected to the wiring substrate 10 via an adhesion region AD.
  • the adhesion region AD is a region including an adhesion element such as a bump electrode.
  • the adhesion region AD has an electrically insulating adhesive or filler as necessary.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the distance image sensor.
  • the semiconductor substrate 1A has an imaging region 1B.
  • the imaging region 1B has a plurality of pixels P (m, n) that are arranged two-dimensionally. From each pixel P (m, n), two charge amounts (q 1 , q 2 ) are output as the signal d ′ (m, n) having the above-described distance information. That is, each pixel P (m, n) outputs a signal d ′ (m, n) corresponding to the distance to the object. Each pixel P (m, n) functions as a minute distance measuring sensor. When reflected light from the object is imaged on the imaging region 1B, a distance image of the object can be obtained. The distance image of the object is a collection of distance information to each point on the object.
  • One pixel P (m, n) functions as one distance sensor (unit).
  • the distance image sensor 1 includes a plurality of units (a plurality of distance sensors).
  • FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional configuration of each pixel of the distance image sensor.
  • the distance image sensor 1 includes a semiconductor substrate 1A, a photogate electrode PG, a first transfer electrode TX1, and a second transfer electrode TX2.
  • the semiconductor substrate 1A has a light incident surface 1BK (second main surface) and a surface 1FT (first main surface) that face each other.
  • the semiconductor substrate 1A is a silicon substrate.
  • the photogate electrode PG is disposed on the surface 1FT.
  • the first transfer electrode TX1 and the second transfer electrode TX2 are disposed on the surface 1FT and are adjacent to the photogate electrode PG.
  • An insulating layer 1E is arranged on the surface 1FT.
  • the surface 1FT is in contact with the insulating layer 1E.
  • the insulating layer 1E is located between the surface 1FT, the photogate electrode PG, the first transfer electrode TX1, and the second transfer electrode TX2.
  • the photogate electrode PG, the first transfer electrode TX1, and the second transfer electrode TX2 are in contact with the insulating layer 1E.
  • the photogate electrode PG is located between the first transfer electrode TX1 and the second transfer electrode TX2 when viewed from the direction orthogonal to the surface 1FT.
  • a first semiconductor region FD1 and a second semiconductor region FD2 are provided on the surface 1FT side of the semiconductor substrate 1A.
  • the first semiconductor region FD1 collects charges flowing into a region immediately below the first transfer electrode TX1.
  • the first semiconductor region FD1 accumulates the flowed-in charges as signal charges.
  • the second semiconductor region FD2 collects charges flowing into the region immediately below the second transfer electrode TX2.
  • the second semiconductor region FD2 accumulates the flowed-in charges as signal charges.
  • the first semiconductor region FD1 and the second semiconductor region FD2 function as signal charge collection regions.
  • the photogate electrode PG has, for example, a rectangular shape in plan view.
  • a region corresponding to the photogate electrode PG in the semiconductor substrate 1A (a region immediately below the photogate electrode PG in the semiconductor substrate 1A) functions as a charge generation region (photosensitive region) in which charges are generated according to incident light.
  • the photogate electrode PG is made of polysilicon, for example.
  • the photogate electrode PG may be made of a material other than polysilicon.
  • the photogate electrode PG, the first transfer electrode TX1, and the second transfer electrode TX2 are located between the first semiconductor region FD1 and the second semiconductor region FD2 when viewed from the direction orthogonal to the surface 1FT.
  • the first transfer electrode TX1 is located between the photogate electrode PG and the first semiconductor region FD1 when viewed from the direction orthogonal to the surface 1FT.
  • the second transfer electrode TX2 is located between the photogate electrode PG and the second semiconductor region FD2 when viewed from the direction orthogonal to the surface 1FT.
  • the first semiconductor region FD1 and the second semiconductor region FD2 are separated from the photogate electrode PG.
  • the first semiconductor region FD1 and the second semiconductor region FD2 are opposed to each other through the photogate electrode PG.
  • the first semiconductor region FD1 is adjacent to a region immediately below the first transfer electrode TX1 in the semiconductor substrate 1A.
  • the second semiconductor region FD2 is adjacent to a region immediately below the second transfer electrode TX2 in the semiconductor substrate 1A.
  • the first transfer electrode TX1 causes the charge generated in the charge generation region to flow into the first semiconductor region FD1 in response to the first transfer signal S 1 (see FIG. 5).
  • the charge flowing into the first semiconductor region FD1 is treated as a signal charge.
  • Second transfer electrode TX2 according to the first transfer signals S 1 and the second phase have different transfer signal S 2 (see FIG. 5), the second semiconductor region FD2 charges generated at the charge generation region as signal charges Let it flow.
  • the charge flowing into the second semiconductor region FD2 is treated as a signal charge.
  • the first transfer electrode TX1 and the second transfer electrode TX2 have, for example, a rectangular shape in plan view.
  • the length of the first transfer electrode TX1 is equal to the length of the second transfer electrode TX2.
  • the first transfer electrode TX1 and the second transfer electrode TX2 are made of, for example, polysilicon.
  • the first transfer electrode TX1 and the second transfer electrode TX2 may be made of a material other than polysilicon.
  • the first transfer electrode TX1 and the second transfer electrode TX2 function as signal charge transfer electrodes.
  • the semiconductor substrate 1A is, for example, a silicon substrate having a low impurity concentration and made of a p-type semiconductor.
  • the first semiconductor region FD1 and the second semiconductor region FD2 are regions having a high impurity concentration and made of an n-type semiconductor.
  • the first semiconductor region FD1 and the second semiconductor region FD2 are floating diffusion regions.
  • the thickness of the semiconductor substrate 1A is, for example, 3 to 100 ⁇ m.
  • the impurity concentration of the semiconductor substrate 1A is, for example, 1 ⁇ 10 12 to 10 15 cm ⁇ 3 .
  • the thickness of the first and second semiconductor regions FD1, FD2 is, for example, 0.1 to 0.5 ⁇ m.
  • the impurity concentration of the first and second semiconductor regions FD1, FD2 is, for example, 1 ⁇ 10 18 to 10 20 cm ⁇ 3 .
  • the insulating layer 1E is provided with contact holes that expose the surfaces of the first semiconductor region FD1 and the second semiconductor region FD2.
  • a conductor 11 for electrically connecting the first semiconductor region FD1 and the second semiconductor region FD2 to the outside is disposed in the contact hole.
  • Insulating layer 1E for example, made of SiO 2.
  • the second transfer signal S 2 of the phase applied to the first transfer signals S 1 and the phase of the second transfer electrode TX2 applied to the first transfer electrode TX1, are 180 degrees.
  • the light incident on the pixel P (m, n) is converted into electric charge in the semiconductor substrate 1A.
  • a part of the generated charges is, as a signal charge, in the direction of the first transfer electrode TX1 or according to the potential gradient formed by the voltage applied to the photogate electrode PG and the first and second transfer electrodes TX1 and TX2. Travels in the direction of the second transfer electrode TX2.
  • a high level signal for example, positive potential
  • the potential below the first transfer electrode TX1 is below the photogate electrode PG. It becomes lower than the potential of the partial semiconductor substrate 1A. Therefore, electrons are drawn in the direction of the first transfer electrode TX1 and accumulated in the potential well formed by the first semiconductor region FD1. That is, charges generated in the semiconductor substrate 1A are collected in the first semiconductor region FD1.
  • An n-type semiconductor includes a positively ionized donor, has a positive potential, and attracts electrons.
  • a potential for example, ground potential
  • a potential barrier is generated by the first transfer electrode TX1. Therefore, the charge generated in the semiconductor substrate 1A is not drawn into the first semiconductor region FD1, and is not collected in the first semiconductor region FD1.
  • a high level signal for example, positive potential
  • the potential below the second transfer electrode TX2 is below the photogate electrode PG. It becomes lower than the potential of the partial semiconductor substrate 1A. Accordingly, electrons are drawn in the direction of the second transfer electrode TX2 and accumulated in the potential well formed by the second semiconductor region FD2. That is, charges generated in the semiconductor substrate 1A are collected in the second semiconductor region FD2.
  • a potential for example, a ground potential
  • a potential barrier is generated by the second transfer electrode TX2. Accordingly, the charges generated in the semiconductor substrate 1A are not drawn into the second semiconductor region FD2, and are not collected in the second semiconductor region FD2.
  • FIG. 5 is a timing chart of various signals.
  • the two frame period T F consecutive in time series is illustrated.
  • the drive signal S P the intensity signal S Lr of the light source 3, the first transfer signal S 1 applied to the first transfer electrode TX1, the second transfer signal S 2 applied to the second transfer electrode TX2, And a reset signal reset is shown.
  • Intensity signal S Lr is the intensity signal of the reflected light L D when reflected light L D is back to the imaging region 1B.
  • Each of the two frame periods TF includes a period for accumulating signal charges (accumulation period) T acc and a period for reading signal charges (readout period) Tro .
  • Drive signal S P, the intensity signal S Lr, first transfer signal S 1, and the second transfer signal S 2 are both pulse signal having a pulse width T P.
  • a reset signal reset is applied to the first semiconductor region FD1 and the second semiconductor region FD2.
  • the drive signal SP is applied to the light source 3.
  • the drive signal S P it is applied to the first transfer signals S 1 and the second transfer signal S 2 in the reverse phase to each other first transfer electrode TX1 and the second transfer electrode TX2.
  • the application of the first transfer signals S 1 and the second transfer signal S 2 the charge transfer is performed.
  • signal charges are collected in the first semiconductor region FD1 and the second semiconductor region FD2.
  • the readout period T ro collected signal charges in the first semiconductor region FD1 and the second semiconductor region FD2 is read.
  • the first transfer signal S 1 is output in synchronization with the drive signal SP with a phase difference of 0, and the second transfer signal S 2 is synchronized with the drive signal SP with a phase difference of 180 degrees. Is output. Output control of the first transfer signal S 1 and the second transfer signal S 2 is performed by the control circuit 2.
  • Control circuit 2 in synchronization with the emission of the pulse light L P, for each frame period T F, so as to flow into the first semiconductor region FD1 charges generated at the charge generation region as the signal charge, the first transfer outputs signals S 1 to the first transfer electrodes TX1, so as to flow into the second semiconductor region FD2 charges generated at the charge generation region as the signal charge, the first transfer signals S 1 and the phase is different second transfer signal and it outputs the S 2 to the second transfer electrode TX2.
  • intensity signal S Lr the driving signal S charge quantity q 1 of P to correspond to overlapping portions of the first transfer signals S 1 to be output in synchronization with the phase difference 0 is collected in the first semiconductor region FD1 .
  • intensity signal S Lr of the reflected light L D the charge amount q 2 corresponding to overlapping portions of the second transfer signal S 2 to be synchronized and output at a phase difference of 180 to the drive signal S P, the second semiconductor region Collected in FD2.
  • phase difference Td is from the range image sensor 1 to the object Represents the distance d.
  • the distance d is calculated by the calculation circuit 5 using the ratio of the charge amount q 1 and the charge amount q 2 in one frame period TF according to the following equation (1).
  • C is the speed of light.
  • the arithmetic circuit 5 reads out the charge amounts q 1 and q 2 of the signal charges collected in the first semiconductor region FD1 and the second semiconductor region FD2 for each frame period TF .
  • the arithmetic circuit 5 calculates the distance d to the object based on the read charge amounts q 1 and q 2 .
  • a plurality of convex portions 20 are formed on the light incident surface 1BK of the semiconductor substrate 1A.
  • the plurality of convex portions 20 are formed in the entire imaging region 1B on the light incident surface 1BK.
  • the plurality of convex portions 20 may be formed only in a region corresponding to the charge generation region in the semiconductor substrate 1A. That is, the plurality of convex portions 20 may be formed only in a region corresponding to the photogate electrode PG in the semiconductor substrate 1A.
  • Each convex portion 20 has a substantially pyramid shape, and has a slope 20a inclined with respect to the thickness direction of the semiconductor substrate 1A.
  • the convex portion 20 has, for example, a substantially quadrangular pyramid shape.
  • the height of the convex part 20 is 200 nm or more.
  • the distance between the apexes of the two adjacent convex portions 20 is, for example, 500 to 3000 nm.
  • the (111) plane of the semiconductor substrate 1A is exposed as the inclined surface 20a.
  • the slope 20a is optically exposed.
  • the fact that the inclined surface 20a is optically exposed includes not only the case where the inclined surface 20a is in contact with atmospheric gas such as air, but also the case where an optically transparent film is formed on the inclined surface 20a.
  • the distance image sensor 1 includes an antireflection film 21.
  • the antireflection film 21 is disposed on the light incident surface 1BK of the semiconductor substrate 1A.
  • the antireflection film 21 is a silicon oxide (SiO 2 ) film. That is, the antireflection film 21 is an oxide film that transmits incident light.
  • the antireflection film 21 is in contact with the inclined surface 20 a so as to cover the inclined surface 20 a of the convex portion 20. Concavities and convexities corresponding to the plurality of convex portions 20 are formed on the surface of the antireflection film 21.
  • the thickness of the antireflection film 21 is, for example, 1 to 200 nm.
  • the plurality of convex portions 20 formed on the light incident surface 1BK have the inclined surfaces 20a. If the reflected light L D is made incident from the light incident surface 1BK into the semiconductor substrate 1A, as shown in FIG. 6, part of the light is reflected by the light incident surface 1BK side. Since the inclined surface 20a is inclined with respect to the thickness direction of the semiconductor substrate 1A, for example, the light reflected on the inclined surface 20a side of one convex portion 20 is the inclined surface 20a of the convex portion 20 adjacent to the one convex portion 20. The light is incident on the semiconductor substrate 1 ⁇ / b> A from the inclined surface 20 a of the convex portion 20 that is directed toward the side. That is, the light reflected on the light incident surface 1BK (slope 20a) side is incident on the semiconductor substrate 1A again.
  • the (111) plane of the semiconductor substrate 1A is exposed as the inclined surface 20a. Therefore, light incident on the semiconductor substrate 1A from the inclined surface 20a is easily taken into the semiconductor substrate 1A. Since the height of the convex part 20 is 200 nm or more, the surface area of the slope 20a is large. Therefore, a lot of light incident on the inclined surface 20a is taken into the semiconductor substrate 1A.
  • the light in the ultraviolet wavelength region has a large absorption coefficient by silicon. Therefore, light in the ultraviolet wavelength region is absorbed in a region near the light incident surface 1BK (slope 20a) in the semiconductor substrate 1A. In the distance image sensor 1, the (111) surface of the semiconductor substrate 1A is exposed at the convex portion 20 formed on the semiconductor substrate 1A. Therefore, light absorption in a region close to the light incident surface 1BK is not hindered.
  • the range image sensor 1 has improved spectral sensitivity characteristics in the ultraviolet wavelength band.
  • the distance image sensor 1 is also improved in spectral sensitivity characteristics in the near-infrared wavelength band.
  • the light L D 1 that has entered the semiconductor substrate 1A from the inclined surface 20a may travel in the direction intersecting the thickness direction of the semiconductor substrate 1A and reach the surface 1FT as shown in FIG. At this time, the light L D 1 reaching the surface 1FT is totally reflected by the surface 1FT depending on the angle reaching the surface 1FT. As a result, the travel distance of the light incident on the distance image sensor 1 (semiconductor substrate 1A) becomes longer.
  • the light L D 2 re-entering the semiconductor substrate 1A travels through the semiconductor substrate 1A in a direction intersecting the thickness direction of the semiconductor substrate 1A. Therefore, the traveling distance of the light L D 2 re-entering the distance image sensor 1 (semiconductor substrate 1A) is also increased.
  • the distance image sensor 1 can improve spectral sensitivity characteristics in the near-infrared wavelength band.
  • the distance image sensor 1 When the distance image sensor 1 is used outdoors, it may be affected by ambient light. When the distance image sensor 1 is affected by disturbance light, the distance accuracy detected by the distance image sensor 1 deteriorates.
  • the disturbance light includes, for example, sunlight.
  • the intensity of irradiation with sunlight sharply decreases in a wavelength band of about 400 nm or less. Therefore, by using a light source that emits light of a wavelength band of about 400 nm or less as the light source 3, it is possible to suppress the deterioration of the distance accuracy detected by the distance image sensor 1. As described above, the range image sensor 1 is improved in spectral sensitivity characteristics in the ultraviolet wavelength band. Therefore, even if the light source 3 is a light source for emitting light of a wavelength band of about 400 nm, the range image sensor 1 is properly detect the reflected light L D.
  • the irradiation intensity of sunlight decreases not only in the wavelength band of about 400 nm or less, but also in the wavelength band near about 940 nm. Therefore, the use of a light source that emits light having a wavelength band near about 940 nm as the light source 3 can also suppress the deterioration of the distance accuracy detected by the distance image sensor 1.
  • the distance image sensor 1 has improved spectral sensitivity characteristics even in the near-infrared wavelength band. Therefore, even if the light source 3 is a light source for emitting light in the wavelength band around about 940 nm, the range image sensor 1 is properly detect the reflected light L D.
  • the distance image sensor 1 includes an antireflection film 21 that is a silicon oxide film. Therefore, light is more easily taken in by the semiconductor substrate 1A. As a result, the distance image sensor 1 further improves the spectral sensitivity characteristics in the ultraviolet and near-infrared wavelength bands.
  • the present inventors conducted an experiment for confirming the effect of improving the spectral sensitivity characteristic according to the present embodiment.
  • the distance image sensor 1 (referred to as Examples 1 and 2) having the above-described configuration and the distance image sensor 1 (referred to as Comparative Example 1) in which no convex portion is formed on the light incident surface of the semiconductor substrate are manufactured. Then, the spectral sensitivity characteristics of each distance image sensor 1 were examined. Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 have the same configuration except for the formation of convex portions. The size of the charge generation region was set to 0.5 mm ⁇ .
  • Example 1 the height of the convex portion 20 is 1570 nm (however, the thickness of the antireflection film 21 is included).
  • Example 2 the height of the convex portion 20 is 1180 nm (however, the thickness of the antireflection film 21 is included).
  • FIGS. 7 and 8A are SEM images obtained by observing the surface on the light incident surface side of the distance image sensor (the surface of the antireflection film 21) from an oblique angle of 45 °.
  • FIG. 7 and FIG. 8B are SEM images obtained by observing the end face of the distance image sensor.
  • the spectral sensitivity characteristic of Example 1 is indicated by T1
  • the spectral sensitivity characteristic of Example 1 is indicated by T2
  • the spectral sensitivity characteristic of Comparative Example 1 is indicated by T3.
  • the vertical axis indicates the quantum efficiency (QE)
  • the horizontal axis indicates the wavelength (nm) of light.
  • FIG. 10 shows spectral sensitivity characteristics in the vacuum ultraviolet wavelength band.
  • Example 1 has improved spectral sensitivity characteristics in each wavelength band of ultraviolet and near infrared.
  • the distance image sensor 1 includes an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film 23 instead of the antireflection film 21.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of each pixel of the distance image sensor according to the present modification.
  • the aluminum oxide film 23 is disposed on the light incident surface 1BK.
  • the aluminum oxide film 23 is an oxide film that transmits incident light.
  • the thickness of the aluminum oxide film 23 is, for example, 0.0003 to 3 ⁇ m. Concavities and convexities corresponding to the plurality of convex portions 20 are formed on the surface of the aluminum oxide film 23.
  • the aluminum oxide film 23 is negatively charged. Since the conductivity type of the semiconductor substrate 1A is p-type, the aluminum oxide film 23 causes a predetermined fixed charge (positive fixed charge) to exist on the light incident surface 1BK side of the semiconductor substrate 1A. The region on the light incident surface 1BK side of the semiconductor substrate 1A where the positive fixed charge exists functions as an accumulation layer. Therefore, the slope 20a of the convex portion 20 is included in the surface of the accumulation layer.
  • the unnecessary charge generated without depending on the light on the light incident surface 1BK side is recombined by the accumulation layer, so that dark current is reduced.
  • the accumulation layer suppresses charges generated by light near the light incident surface 1BK of the semiconductor substrate 1A from being trapped by the light incident surface 1BK. Therefore, the electric charge generated by light efficiently moves to the surface 1FT side of the semiconductor substrate 1A. As a result, the distance image sensor 1 according to this modification can improve the light detection sensitivity.
  • a silicon oxide film may be disposed between the aluminum oxide film 23 and the light incident surface 1BK. That is, the aluminum oxide film 23 may not be in direct contact with the light incident surface 1BK. Even in this case, the aluminum oxide film 23 causes positive fixed charges to exist on the light incident surface 1BK side of the semiconductor substrate 1A.
  • the semiconductor substrate 1A includes a first substrate region 1Aa and a second substrate region 1Ab.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of each pixel of the distance image sensor according to the present modification.
  • the first substrate region 1Aa is provided on the surface 1FT side of the semiconductor substrate 1A.
  • the first substrate region 1Aa includes the surface 1FT.
  • the second substrate region 1Ab is provided on the light incident surface 1BK side of the semiconductor substrate 1A.
  • the second substrate region 1Ab includes a light incident surface 1BK.
  • the first substrate region 1Aa and the second substrate region 1Ab are made of a p-type semiconductor.
  • the impurity concentration of the second substrate region 1Ab is higher than the impurity concentration of the first substrate region 1Aa.
  • the semiconductor substrate 1A can be obtained, for example, by growing a p ⁇ type epitaxial layer having an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrate on the p type semiconductor substrate.
  • the first semiconductor region FD1 and the second semiconductor region FD2 are provided in the first substrate region 1Aa.
  • the insulating layer 1E is disposed on the surface (front surface 1FT) of the first substrate region 1Aa.
  • a plurality of convex portions 20 are formed on the light incident surface 1BK included in the second substrate region 1Ab. That is, the inclined surface 20a of the convex portion 20 is included in the surface (light incident surface 1BK) of the second substrate region 1Ab. In the convex part 20, (111) plane of 2nd board
  • the antireflection film 21 is disposed on the surface (light incident surface 1BK) of the second substrate region 1Ab.
  • the second substrate region 1Ab functions as an accumulation layer. Therefore, as described above, the distance image sensor 1 according to this modification can improve the light detection sensitivity.
  • the distance image sensor 1 according to the modification shown in FIG. 12 may also include an aluminum oxide film 23 instead of the antireflection film 21.
  • the distance image sensor 1 includes a plurality of photogate electrodes (two photogate electrodes in this modification) PG1 and PG2 in each pixel P (m, n).
  • First transfer electrode TX1 and second transfer electrode TX2 a plurality of third transfer electrodes (two third transfer electrodes in the present embodiment) TX3 1 , TX3 2 , first semiconductor region FD1 and second semiconductor region FD2 and a plurality of third semiconductor regions (in this embodiment, two third semiconductor regions) FD3 1 and FD3 2 are provided.
  • FIG. 13 is a schematic diagram for illustrating a configuration of a pixel of a distance image sensor according to this modification.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of each pixel.
  • the two photogate electrodes PG1 and PG2 are disposed on the surface 1FT and are separated from each other.
  • the first transfer electrode TX1 and the third transfer electrodes TX3 1 is disposed on the surface 1FT, adjacent to the photo gate electrode PG1.
  • Second transfer electrode TX2 and the third transfer electrodes TX3 2 is disposed on the surface 1FT, adjacent to the photo gate electrode PG1.
  • An insulating layer 1E is arranged on the surface 1FT. The insulating layer 1E is located between the surface 1FT and the photogate electrodes PG1, PG2 and the first to third transfer electrodes TX1, TX2, TX3 1 , TX3 2 .
  • the photogate electrodes PG1, PG2 and the first to third transfer electrodes TX1, TX2, TX3 1 , TX3 2 are in contact with the insulating layer 1E.
  • the first semiconductor region FD1 collects charges flowing into a region immediately below the first transfer electrode TX1.
  • the first semiconductor region FD1 accumulates the flowing charge.
  • the second semiconductor region FD2 collects charges flowing into the region immediately below the second transfer electrode TX2.
  • the second semiconductor region FD2 accumulates the flowing charge.
  • the third semiconductor region FD3 1 collects the charge flowing into the region immediately below the third transfer electrode TX3 1 .
  • the third semiconductor region FD3 2 collects the charge flowing into the region immediately below the third transfer electrode TX3 2 .
  • the photogate electrodes PG1, PG2 have a substantially annular shape in plan view.
  • the photogate electrodes PG1, PG2 have a substantially polygonal ring (for example, a rectangular ring).
  • the photogate electrodes PG1 and PG2 may have an annular shape.
  • the photogate electrodes PG1, PG2 are made of polysilicon, for example. However, other materials may be used.
  • the photogate electrodes PG1 and PG2 may be made of a material other than polysilicon.
  • the first semiconductor region FD1 is disposed inside the photogate electrode PG1 so as to be surrounded by the photogate electrode PG1.
  • the first semiconductor region FD1 is separated from the region immediately below the photogate electrode PG1.
  • the first semiconductor region FD1 is located inside the light receiving region so as to be surrounded by the light receiving region, and is separated from the charge generation region.
  • the second semiconductor region FD2 is disposed inside the photogate electrode PG2 so as to be surrounded by the photogate electrode PG2.
  • the second semiconductor region FD2 is separated from the region immediately below the photogate electrode PG2.
  • the second semiconductor region FD2 is located inside the light receiving region so as to be surrounded by the light receiving region, and is separated from the charge generation region.
  • the first semiconductor region FD1 and the second semiconductor region FD2 have a substantially polygonal shape in plan view.
  • the first semiconductor region FD1 and the second semiconductor region FD2 have a rectangular shape (for example, a square shape).
  • the first transfer electrode TX1 is disposed between the photogate electrode PG1 and the first semiconductor region FD1.
  • the first transfer electrode TX1 is located outside the first semiconductor region FD1 so as to surround the first semiconductor region FD1, and is located inside the photogate electrode PG1 so as to be surrounded by the photogate electrode PG1. .
  • the first transfer electrode TX1 is located between the photogate electrode PG1 and the first semiconductor region FD1, and is separated from the photogate electrode PG1 and the first semiconductor region FD1.
  • the second transfer electrode TX2 is disposed between the photogate electrode PG2 and the second semiconductor region FD2.
  • the second transfer electrode TX2 is located outside the second semiconductor region FD2 so as to surround the second semiconductor region FD2, and is located inside the photogate electrode PG2 so as to be surrounded by the photogate electrode PG2. .
  • the second transfer electrode TX2 is located between the photogate electrode PG2 and the second semiconductor region FD2, and is separated from the photogate electrode PG2 and the second semiconductor region FD2.
  • the first transfer electrode TX1 and the second transfer electrode TX2 have a substantially polygonal shape in plan view.
  • the first transfer electrode TX1 and the second transfer electrode TX2 have a rectangular ring shape.
  • Third semiconductor region FD3 1 is disposed on the outside of the photo gate electrode PG1 so as to surround the photo gate electrode PG1. Third semiconductor region FD3 1 is spaced apart from the region immediately below the photogate electrode PG1. Third semiconductor region FD3 1 is located outside of the light-receiving region so as to surround the light receiving area is spaced from the charge generation region.
  • Third semiconductor region FD3 2 is disposed on the outside of the photo gate electrode PG2 so as to surround the photo gate electrode PG2. Third semiconductor region FD3 2 is spaced apart from the region immediately below the photogate electrode PG2. Third semiconductor region FD3 2 is located outside of the light-receiving region so as to surround the light receiving area is spaced from the charge generation region.
  • the third semiconductor regions FD3 1 and FD3 2 have a substantially polygonal shape in plan view.
  • the third semiconductor regions FD3 1 and FD3 2 have a rectangular annular shape.
  • adjacent third semiconductor regions FD3 1 and FD3 2 are integrally formed. That is, the third semiconductor region FD3 1 and the third semiconductor region FD3 2 share a region between the third transfer electrode TX3 1 and the third transfer electrode TX3 2 .
  • the third semiconductor regions FD3 1 and FD3 2 function as unnecessary charge collection regions.
  • the third semiconductor regions FD3 1 and FD3 2 are regions having a high impurity concentration and made of an n-type semiconductor.
  • the third semiconductor regions FD3 1 and FD3 2 are floating diffusion regions.
  • Third transfer electrodes TX3 1 is disposed between the photo gate electrode PG1 and the third semiconductor region FD3 1.
  • Third transfer electrodes TX3 1, together are positioned outside of the photo gate electrode PG1 so as to surround the photo gate electrode PG1, positioned in the third inner semiconductor region FD3 1 so as to be surrounded by the third semiconductor region FD3 1 is doing.
  • Third transfer electrodes TX3 1 is located between the photo gate electrode PG1 and the third semiconductor region FD3 1, spaced apart from the photo gate electrode PG1 and third semiconductor regions FD3 1.
  • Third transfer electrodes TX3 2 is disposed between the photo gate electrode PG2 and the third semiconductor region FD3 2.
  • Third transfer electrodes TX3 2 together are positioned outside of the photo gate electrode PG2 so as to surround the photo gate electrode PG2, positioned inside of the third semiconductor region FD3 2 so as to be surrounded by the third semiconductor region FD3 2 is doing.
  • Third transfer electrodes TX3 2 is located between the photo gate electrode PG2 and the third semiconductor region FD3 2, it is spaced apart from the photo gate electrode PG2 and the third semiconductor region FD3 2.
  • the third transfer electrodes TX3 1 , TX3 2 have a substantially polygonal shape in plan view. In this modification, the third transfer electrodes TX3 1 and TX3 2 have a rectangular ring shape.
  • the third transfer electrodes TX3 1 and TX3 2 are made of polysilicon, for example.
  • the third transfer electrodes TX3 1 and TX3 2 may be made of a material other than polysilicon.
  • the third transfer electrodes TX3 1 and TX3 2 function as unnecessary charge transfer electrodes.
  • the insulating layer 1E is provided with contact holes (not shown) exposing the surfaces of the first to third semiconductor regions FD1, FD2, FD3 1 and FD3 2 .
  • a conductor (not shown) for electrically connecting the first to third semiconductor regions FD1, FD2, FD3 1 and FD3 2 to the outside is disposed in the contact hole.
  • the region corresponding to the photogate electrodes PG1 and PG2 in the semiconductor substrate 1A functions as a charge generation region in which charges are generated according to incident light. Therefore, the charge generation region has a rectangular ring shape corresponding to the shape of the photogate electrodes PG1 and PG2.
  • a first unit including a photogate electrode PG1 (a charge generation region immediately below the photogate electrode PG1), and a second unit including a photogate electrode PG2 (a charge generation region immediately below the photogate electrode PG2) Are arranged next to each other.
  • the first unit and the second unit arranged adjacent to each other constitute one pixel P (m, n).
  • a high-level signal e.g., positive potential
  • Negative charges (electrons) are drawn in the direction of the third transfer electrodes TX3 1 and TX3 2 and flow into the potential well formed by the third semiconductor regions FD3 1 and FD3 2 .
  • the third semiconductor regions FD3 1 and FD3 2 collect a part of the charges generated in the charge generation region in response to the incidence of light as unnecessary charges and discharge them.
  • FIG. 15 is a schematic diagram for illustrating the configuration of each pixel.
  • the first transfer electrode TX1, the first transfer signal S 1 is given.
  • the second transfer electrodes TX2, the second transfer signal S 2 is applied.
  • Third transfer signals S 31 and S 32 are applied to the third transfer electrodes TX 3 1 and TX 3 2 .
  • V out1 , V out2 correspond to the signal d ′ (m, n) described above.
  • FIG. 16 is a timing chart of various signals.
  • the period of one frame includes a period for accumulating signal charges (accumulation period) and a period for reading signal charges (readout period). Focusing on a single pixel, the accumulation period, the signal based on the drive signal S P is applied to the light source, in synchronization with this, the first transfer signal S 1 is applied to the first transfer electrode TX1. Then, the second transfer signal S 2 is predetermined phase difference to the first transfer signal S 1 (e.g., a phase difference of 180 degrees) is applied to the second transfer electrode TX2 in. Prior to the distance measurement, a reset signal is applied to the first and second semiconductor regions FD1, FD2. As a result, the charges accumulated in the first semiconductor region FD1 and the second semiconductor region FD2 are discharged to the outside.
  • accumulation period Focusing on a single pixel, the accumulation period, the signal based on the drive signal S P is applied to the light source, in synchronization with this, the first transfer signal S 1 is applied to the first transfer electrode TX1. Then, the second transfer signal
  • the first and second transfer signals S 1 and S 2 are sequentially applied to the first and second transfer electrodes TX1 and TX2.
  • Charge transfer is sequentially performed in synchronization with the application of the first and second transfer signals S 1 and S 2 .
  • signal charges are accumulated in the first and second semiconductor regions FD1, FD2. That is, during the accumulation period, signal charges are integrated in each of the first and second semiconductor regions FD1, FD2.
  • the signal charges accumulated in the first and second semiconductor regions FD1, FD2 are read out.
  • the third transfer signal S 31, S 32 are applied to the third transfer electrodes TX3 1, TX3 2 becomes high level, the positive potential is applied to the third transfer electrodes TX3 1, TX3 2.
  • unnecessary charges are collected in the potential wells of the third semiconductor regions FD3 1 and FD3 2 .
  • the second transfer signal S 2 and the third transfer signal S 32 which is opposite in phase.
  • V PG applied to the photo gate electrode PG1, PG2 is set lower than the potential V TX1, V TX2, V TX31 , V TX32.
  • the first transfer signals S 1 or the second transfer signal S 2 becomes high level, the potential of the region immediately below the first transfer electrode TX1 is lower than the potential of the region immediately below the photogate electrode PG1.
  • the second transfer signal S 2 becomes high level, the potential of the region immediately below the second transfer electrode TX2 is lower than the potential of the region immediately below the photogate electrode PG2.
  • the third transfer signals S 31 and S 32 are at a high level, the potential of the region immediately below the third transfer electrodes TX3 1 and TX3 2 is lower than the potential of the region immediately below the photogate electrodes PG1 and PG2.
  • the potential V PG is set higher than the potential when the first transfer signal S 1 , the second transfer signal S 2 , and the third transfer signals S 31 and S 32 are at a low level.
  • the first transfer signals S 1 becomes low level
  • the potential of the region immediately below the first transfer electrode TX1 is higher than the potential of the region immediately below the photogate electrode PG1.
  • the second transfer signal S 2 becomes low level
  • the potential of a region directly under the second transfer electrode TX2 is higher than the potential of the area immediately under the photo gate electrode PG2.
  • the third transfer signals S 31 and S 32 are at a low level
  • the potential of the region immediately below the third transfer electrodes TX3 1 and TX3 2 is higher than the potential of the region immediately below the photogate electrodes PG1 and PG2.
  • FIG. 17 is different from the modification shown in FIG. 13 in that one unit including the photogate electrode PG constitutes one pixel P (m, n).
  • FIG. 17 is a schematic diagram for illustrating a configuration of a pixel of a distance image sensor according to a modification.
  • the distance image sensor of this modification example includes a photogate electrode PG, a first transfer electrode TX1, a third transfer electrode TX3, a first semiconductor region FD1, and a third semiconductor region in each pixel P (m, n). FD3.
  • the configuration of one unit configuring each pixel P (m, n) is the same as the configuration of the first unit (or second unit) of the above-described embodiment.
  • FIG. 18 is a timing chart of various signals in the modification shown in FIG.
  • the first transfer signals S 1 applied to the first transfer electrode TX1 is given intermittently phase shifted by a predetermined Taiminku.
  • the first transfer signals S 1 is given 180 degree phase shift at the timing of 180 degrees.
  • the first transfer signals S 1 is synchronized with the drive signal S P 0 degree timing, it has a phase difference of 180 degrees to the drive signal S P at a timing of 180 degrees.
  • the signal charge accumulated in the first semiconductor region FD1 is read out from the first semiconductor region FD1 as an output (V out1 ) at a timing of 0 degrees.
  • the signal charge accumulated in the first semiconductor region FD1 is read from the first semiconductor region FD1 as an output (V out2 ).
  • These outputs (V out1 , V out2 ) correspond to the signal d ′ (m, n) described above.
  • FIG. 19 is different from the distance image sensor 1 shown in FIG. 4 in that the distance image sensor 1 includes a film 40 containing boron.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of each pixel of a distance image sensor according to a modification.
  • the film 40 is disposed on the light incident surface 1BK and transmits incident light.
  • the film 40 is in contact with the light incident surface 1BK.
  • the film 40 is a film made of boron.
  • the film 40 is in contact with the inclined surface 20 a so as to cover the inclined surface 20 a of the convex portion 20. Concavities and convexities corresponding to the plurality of convex portions 20 are formed on the surface of the film 40.
  • the thickness of the film 40 is, for example, 1 to 30 nm.
  • membrane 40 has covered the whole area
  • the spectral sensitivity characteristics in the ultraviolet and near-infrared wavelength bands are improved as in the distance image sensor 1 shown in FIG.
  • FIG. 20 is different from the distance image sensor 1 shown in FIG. 11 in that the distance image sensor 1 includes a film 40.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of each pixel of a distance image sensor according to a modification.
  • the aluminum oxide film 23 is disposed on the film 40.
  • the aluminum oxide film 23 is in contact with the film 40.
  • the aluminum oxide film 23 covers the entire film 40.
  • the film 40 is a film made of boron.
  • the thickness of the aluminum oxide film 23 is, for example, 0.01 to 1 ⁇ m.
  • the distance image sensor 1 shown in FIG. 20 the spectral sensitivity characteristics in the ultraviolet and near-infrared wavelength bands are improved in the same manner as the distance image sensor 1 shown in FIG. Also in this modification, since the distance image sensor 1 includes the aluminum oxide film 23, positive fixed charges exist on the light incident surface 1BK side of the semiconductor substrate 1A. As a result, the distance image sensor 1 according to this modification can also improve the light detection sensitivity.
  • the film 40 containing boron is disposed on the light incident surface 1BK (light incident surface), so that the spectral sensitivity in the ultraviolet wavelength band. Deterioration of characteristics is suppressed.
  • FIG. 21 is different from the distance image sensor 1 shown in FIG. 12 in that the distance image sensor 1 includes a film 40.
  • FIG. 21 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of each pixel of a distance image sensor according to a modification.
  • the spectral sensitivity characteristics in the ultraviolet and near-infrared wavelength bands are improved in the same manner as the distance image sensor 1 shown in FIG. Also in this modification, since the film 40 containing boron is disposed on the light incident surface 1BK (light incident surface), deterioration of spectral sensitivity characteristics in the ultraviolet wavelength band is suppressed.
  • FIG. 22 is different from the distance image sensor 1 shown in FIG. 14 in that the distance image sensor 1 includes a film 40.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of each pixel of a distance image sensor according to a modification.
  • the spectral sensitivity characteristics in the ultraviolet and near-infrared wavelength bands are improved as in the distance image sensor 1 shown in FIG. 14. Also in this modification, since the film 40 containing boron is disposed on the light incident surface 1BK (light incident surface), deterioration of spectral sensitivity characteristics in the ultraviolet wavelength band is suppressed.
  • the charge generation region in which charge is generated in response to incident light may be constituted by a photodiode (for example, an embedded photodiode).
  • the pixels P (m, n) do not need to be arranged two-dimensionally.
  • the pixels P (m, n) may be arranged one-dimensionally.
  • the p-type and n-type conductivity types may be switched so as to be opposite to the above-described conductivity types.
  • the distance image sensor 1 may be a surface incident type distance image sensor.
  • the present invention can be used for a distance sensor and a distance image sensor including a silicon substrate.
  • SYMBOLS 1 Distance image sensor, 1A ... Semiconductor substrate, 1Aa ... 1st substrate area

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Abstract

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。

Description

距離センサ及び距離画像センサ
　本発明は、距離センサ及び距離画像センサに関する。
　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。
特表２００７－５２６４４８号公報
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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１は、測距装置の構成を示す説明図である。 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は、距離画像センサの概略平面図である。 図４は、各画素の断面構成を示す図である。 図５は、各種信号のタイミングチャートである。 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は、各画素の断面構成を示す図である。 図１５は、各画素の構成を示す模式図である。 図１６は、各種信号のタイミングチャートである。 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模式図である。 図１８は、各種信号のタイミングチャートである。 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。 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。
　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。
　図１は、測距装置の構成を示す説明図である。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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）
　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）
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　図３は、距離画像センサの概略平面図である。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　図１５は、各画素の構成を示すための模式図である。
　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。
　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。
　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。
　これらの出力（Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２）は、上述した信号ｄ’（ｍ，ｎ）に相当する。
　図１６は、各種信号のタイミングチャートである。
　１フレームの期間は、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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。

Claims (7)

  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
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