JP2020013909A - 受光素子、測距モジュール、および、電子機器 - Google Patents

受光素子、測距モジュール、および、電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】ToF（Time of Flight）センサの特性を向上させることができる受光素子、測距モジュール、および、電子機器を提供する。【解決手段】受光素子は、オンチップレンズ４７と、配線層４２と、オンチップレンズ４７と配線層４２との間に配される半導体層４１とを備える。半導体層４１は、フォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤで生成された電荷を第１の電荷蓄積部ＦＤ１に転送する第１の転送トランジスタＴＲＧ１と、フォトダイオードＰＤで生成された電荷を第２の電荷蓄積部ＦＤ２に転送する第２の転送トランジスタＴＲＧ２と、半導体層４１の深さ方向の少なくとも一部について、隣接する画素どうしの半導体層４１を分離する画素間分離部６１とを備える。配線層４２は、遮光部材６３を備える１層を少なくとも有し、遮光部材６３は、平面視においてフォトダイオードＰＤと重なるように設けられている。【選択図】図２

Description

本技術は、受光素子、測距モジュール、および、電子機器に関し、特に、特性を向上させることができるようにした受光素子、測距モジュール、および、電子機器に関する。
従来、間接ToF（Time of Flight）方式を利用した測距システムが知られている。このような測距システムでは、ある位相でLED（Light Emitting Diode）やレーザを用いて照射されたアクティブ光が対象物にあたって反射した光を受光することで得られる信号電荷を高速に異なる領域に振り分けることのできるセンサが必要不可欠である。
そこで、例えばセンサの基板に直接電圧を印加して基板内に電流を発生させることで、基板内の広範囲の領域を高速に変調できるようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このようなセンサは、CAPD（Current Assisted Photonic Demodulator）センサとも呼ばれている。
特開２０１１−８６９０４号公報
しかしながら、上述した技術では十分な特性のCAPDセンサを得ることは困難であった。
例えば上述したCAPDセンサは、基板における外部からの光を受光する側の面に配線等が配置された表面照射型のセンサとなっている。
光電変換領域の確保のためにPD（Photodiode）、すなわち光電変換部の受光面側には配線など、入射してくる光の光路を遮るものがないことが望ましい。しかし、表面照射型のCAPDセンサでは、構造によってはPDの受光面側に電荷取り出し用の配線や各種制御線、信号線を配置せざるを得ないものがあり、光電変換領域が制限されてしまう。つまり、十分な光電変換領域を確保することができず、画素感度等の特性が低下してしまうことがある。
また、外光のある場所でCAPDセンサを使用することを考えた場合、外光成分はアクティブ光を用いて測距を行う間接ToF方式にとってはノイズ成分となるため、十分なSN比（Signal to Noise ratio）を確保して距離情報を得るためには、十分な飽和信号量（Qs）を確保する必要がある。しかし、表面照射型のCAPDセンサでは、配線レイアウトに制限があるため、容量を確保するために追加のトランジスタを設ける等、配線容量以外の手法を用いる工夫が必要であった。
光源には、太陽光の窓に相当する波長940nm近傍の近赤外線を使うケースが多い。近赤外線は、半導体層であるシリコンの吸収係数が低いため量子効率が低いため、光電変換領域となるシリコンの膜厚を厚くする必要がある。シリコンが厚い場合には、光電変換した電荷が電荷を吸引するための電極に到達するまでの時間がかかるために、振り分けが切り替わったあとに、電極に到達して、誤信号になることがある。その結果、測距精度が悪化してしまう可能性がある。すなわち、センサの特性が低下してしまう可能性がある。
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、ToFセンサの特性を向上させることができるようにするものである。
本技術の第１の側面の受光素子は、
オンチップレンズと、
配線層と、
前記オンチップレンズと前記配線層との間に配される半導体層とを備え、
前記半導体層は、
フォトダイオードと、
前記フォトダイオードで生成された電荷を第１の電荷蓄積部に転送する第１の転送トランジスタと、
前記フォトダイオードで生成された電荷を第２の電荷蓄積部に転送する第２の転送トランジスタと、
前記半導体層の深さ方向の少なくとも一部について、隣接する画素どうしの前記半導体層を分離する画素間分離部と
を備え、
前記配線層は、遮光部材を備える１層を少なくとも有し、
前記遮光部材は、平面視において前記フォトダイオードと重なるように設けられている。
本技術の第１の側面においては、オンチップレンズと、配線層と、前記オンチップレンズと前記配線層との間に配される半導体層とが設けられ、前記半導体層には、フォトダイオードと、前記フォトダイオードで生成された電荷を第１の電荷蓄積部に転送する第１の転送トランジスタと、前記フォトダイオードで生成された電荷を第２の電荷蓄積部に転送する第２の転送トランジスタと、前記半導体層の深さ方向の少なくとも一部について、隣接する画素どうしの前記半導体層を分離する画素間分離部とが設けられ、前記配線層には、遮光部材を備える１層が少なくとも設けられ、前記遮光部材は、平面視において前記フォトダイオードと重なるように設けられている。
本技術の第２の側面の測距モジュールは、
オンチップレンズと、
配線層と、
前記オンチップレンズと前記配線層との間に配される半導体層とを備え、
前記半導体層は、
フォトダイオードと、
前記フォトダイオードで生成された電荷を第１の電荷蓄積部に転送する第１の転送トランジスタと、
前記フォトダイオードで生成された電荷を第２の電荷蓄積部に転送する第２の転送トランジスタと、
前記半導体層の少なくとも一部の深さで、隣接する画素どうしの前記半導体層を分離する画素間分離部と
を備え、
前記配線層は、遮光部材を備える１層を少なくとも有し、
前記遮光部材は、平面視において前記フォトダイオードと重なるように設けられている
受光素子と、
周期的に明るさが変動する照射光を照射する光源と、
前記照射光の照射タイミングを制御する発光制御部と
を備える。
本技術の第２の側面においては、オンチップレンズと、配線層と、前記オンチップレンズと前記配線層との間に配される半導体層とが設けられ、前記半導体層には、フォトダイオードと、前記フォトダイオードで生成された電荷を第１の電荷蓄積部に転送する第１の転送トランジスタと、前記フォトダイオードで生成された電荷を第２の電荷蓄積部に転送する第２の転送トランジスタと、前記半導体層の少なくとも一部の深さで、隣接する画素どうしの前記半導体層を分離する画素間分離部とが設けられ、前記配線層には、遮光部材を備える１層が少なくとも設けられ、前記遮光部材が、平面視において前記フォトダイオードと重なるように設けられている受光素子と、周期的に明るさが変動する照射光を照射する光源と、前記照射光の照射タイミングを制御する発光制御部とが設けられている。
本技術の第３の側面の電子機器は、
オンチップレンズと、
配線層と、
前記オンチップレンズと前記配線層との間に配される半導体層とを備え、
前記半導体層は、
フォトダイオードと、
前記フォトダイオードで生成された電荷を第１の電荷蓄積部に転送する第１の転送トランジスタと、
前記フォトダイオードで生成された電荷を第２の電荷蓄積部に転送する第２の転送トランジスタと、
前記半導体層の少なくとも一部の深さで、隣接する画素どうしの前記半導体層を分離する画素間分離部と
を備え、
前記配線層は、遮光部材を備える１層を少なくとも有し、
前記遮光部材は、平面視において前記フォトダイオードと重なるように設けられている
受光素子と、
周期的に明るさが変動する照射光を照射する光源と、
前記照射光の照射タイミングを制御する発光制御部と
を備える測距モジュール
を備える。
本技術の第３の側面においては、オンチップレンズと、配線層と、前記オンチップレンズと前記配線層との間に配される半導体層とが設けられ、前記半導体層には、フォトダイオードと、前記フォトダイオードで生成された電荷を第１の電荷蓄積部に転送する第１の転送トランジスタと、前記フォトダイオードで生成された電荷を第２の電荷蓄積部に転送する第２の転送トランジスタと、前記半導体層の少なくとも一部の深さで、隣接する画素どうしの前記半導体層を分離する画素間分離部とが設けられ、前記配線層には、遮光部材を備える１層が少なくとも設けられ、前記遮光部材が、平面視において前記フォトダイオードと重なるように設けられている受光素子と、周期的に明るさが変動する照射光を照射する光源と、前記照射光の照射タイミングを制御する発光制御部とを備える測距モジュールとが設けられている。
本技術の第１乃至第３の側面によれば、特性を向上させることができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載された何れかの効果であってもよい。
本技術を適用した受光素子の概略構成例を示すブロック図である。 画素の第１構成例を示す断面図である。 図２の画素の回路構成例を示す図である。 図３の画素回路の配置例を示す平面図である。 図２の画素のその他の回路構成例を示す図である。 図５の画素回路の配置例を示す平面図である。 裏面照射型の効果を説明する図である。 裏面照射型の効果を説明する図である。 裏面照射型の効果を説明する図である。 裏面照射型の効果を説明する図である。 裏面照射型の効果を説明する図である。 画素の第２構成例を示す断面図である。 画素の第３構成例を示す断面図である。 画素の第４構成例を示す断面図である。 画素の第５構成例を示す断面図である。 モスアイ構造の構成例を示す斜視図である。 モスアイ構造のその他の構成例を示す斜視図である。 モスアイ構造のさらにその他の構成例を示す斜視図である。 画素の第６構成例を示す断面図である。 第６構成例の製造方法を説明する図である。 ４タップの画素構成例を示す図である。 本技術を適用した測距モジュールの構成例を示すブロック図である。 本技術を適用した電子機器としてのスマートフォンの構成例を示すブロック図である。 車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。 車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．受光素子の構成例
２．画素の第１構成例に係る断面図
３．画素の回路構成例
４．画素の平面図
５．画素のその他の回路構成例
６．画素の平面図
７．裏面照射型の効果
８．画素の第２構成例に係る断面図
９．画素の第３構成例に係る断面図
１０．画素の第４構成例に係る断面図
１１．画素の第５構成例に係る断面図
１２．画素の第６構成例に係る断面図
１３．４タップの画素構成例
１４．測距モジュールの構成例
１５．電子機器の構成例
１６．移動体への応用例
＜１．受光素子の構成例＞
図１は、本技術を適用した受光素子の概略構成例を示すブロック図である。
図１に示される受光素子１は、間接ToF方式による測距情報を出力する素子である。
受光素子１は、所定の光源から照射された光（照射光）が物体にあたって反射されてきた光（反射光）を受光し、物体までの距離情報をデプス値として格納したデプス画像を出力する。なお、光源から照射される照射光は、例えば、波長が７８０nm乃至１０００nmの範囲の赤外光であり、オンオフが所定の周期で繰り返されるパルス光である。
受光素子１は、図示せぬ半導体基板上に形成された画素アレイ部２１と、画素アレイ部２１と同じ半導体基板上に集積された周辺回路部とを有する。周辺回路部は、例えば垂直駆動部２２、カラム処理部２３、水平駆動部２４、およびシステム制御部２５等から構成されている。
受光素子１には、さらに信号処理部２６およびデータ格納部２７も設けられている。なお、信号処理部２６およびデータ格納部２７は、受光素子１と同じ基板上に搭載してもよいし、受光素子１とは別のモジュール内の基板上に配置してもよい。
画素アレイ部２１は、受光した光量に応じた電荷を生成し、その電荷に応じた信号を出力する画素１０が行方向および列方向の行列状に２次元配置された構成となっている。すなわち、画素アレイ部２１は、入射した光を光電変換し、その結果得られた電荷に応じた信号を出力する画素１０を複数有する。画素１０の詳細については、図２以降で後述する。
ここで、行方向とは、水平方向の画素１０の配列方向をいい、列方向とは、垂直方向の画素１０の配列方向をいう。行方向は、図中、横方向であり、列方向は図中、縦方向である。
画素アレイ部２１においては、行列状の画素配列に対して、画素行ごとに画素駆動線２８が行方向に沿って配線されるとともに、各画素列に２つの垂直信号線２９が列方向に沿って配線されている。例えば画素駆動線２８は、画素１０から信号を読み出す際の駆動を行うための駆動信号を伝送する。なお、図１では、画素駆動線２８について１本の配線として示しているが、１本に限られるものではない。画素駆動線２８の一端は、垂直駆動部２２の各行に対応した出力端に接続されている。
垂直駆動部２２は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、画素アレイ部２１の各画素１０を全画素同時あるいは行単位等で駆動する。すなわち、垂直駆動部２２は、垂直駆動部２２を制御するシステム制御部２５とともに、画素アレイ部２１の各画素１０の動作を制御する駆動部を構成している。
垂直駆動部２２による駆動制御に応じて画素行の各画素１０から出力される検出信号は、垂直信号線２９を通してカラム処理部２３に入力される。カラム処理部２３は、各画素１０から垂直信号線２９を通して出力される検出信号に対して所定の信号処理を行うとともに、信号処理後の検出信号を一時的に保持する。具体的には、カラム処理部２３は、信号処理としてノイズ除去処理やAD（Analog to Digital）変換処理などを行う。
水平駆動部２４は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、カラム処理部２３の画素列に対応する単位回路を順番に選択する。この水平駆動部２４による選択走査により、カラム処理部２３において単位回路ごとに信号処理された検出信号が順番に出力される。
システム制御部２５は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータなどによって構成され、そのタイミングジェネレータで生成された各種のタイミング信号を基に、垂直駆動部２２、カラム処理部２３、および水平駆動部２４などの駆動制御を行う。
信号処理部２６は、少なくとも演算処理機能を有し、カラム処理部２３から出力される検出信号に基づいて演算処理等の種々の信号処理を行う。データ格納部２７は、信号処理部２６での信号処理にあたって、その処理に必要なデータを一時的に格納する。
以上のように構成される受光素子１は、物体までの距離情報をデプス値として画素値に格納したデプス画像を出力する。受光素子１は、例えば、車両に搭載され、車外にある対象物までの距離を測定する車載用のシステムや、ユーザの手等の対象物までの距離を測定し、その測定結果に基づいてユーザのジェスチャを認識するジェスチャ認識用の装置などに搭載することができる。
＜２．画素の第１構成例に係る断面図＞
図２は、画素アレイ部２１に配置される画素１０の第１構成例を示す断面図である。
受光素子１は、半導体基板４１と、その表面側（図中下側）に形成された多層配線層４２とを備える。
半導体基板４１は、例えばシリコン（Si）で構成され、例えば１乃至６μｍの厚みを有して形成されている。半導体基板４１では、例えば、P型（第１導電型）の半導体領域５１に、N型（第２導電型）の半導体領域５２が画素単位に形成されることにより、フォトダイオードPDが画素単位に形成されている。半導体基板４１の表裏両面に設けられているP型の半導体領域５１は、暗電流抑制のための正孔電荷蓄積領域を兼ねている。
図２において上側となる半導体基板４１の上面が、半導体基板４１の裏面であり、光が入射される光入射面となる。半導体基板４１の裏面側上面には、反射防止膜４３が形成されている。
反射防止膜４３は、例えば、例えば、固定電荷膜および酸化膜が積層された積層構造とされ、例えば、ALD（Atomic Layer Deposition）法による高誘電率（High-k）の絶縁薄膜を用いることができる。具体的には、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）や、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、ＳＴＯ（Strontium Titan Oxide）などを用いることができる。図２の例では、反射防止膜４３は、酸化ハフニウム膜５３、酸化アルミニウム膜５４、および酸化シリコン膜５５が積層されて構成されている。
反射防止膜４３の上面であって、半導体基板４１の隣接する画素１０の境界部４４（以下、画素境界部４４とも称する。）には、入射光の隣接画素への入射を防止する画素間遮光膜４５が形成されている。画素間遮光膜４５の材料は、光を遮光する材料であればよく、例えば、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）などの金属材料を用いることができる。
反射防止膜４３の上面と、画素間遮光膜４５の上面には、平坦化膜４６が、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）等の絶縁膜、または、樹脂などの有機材料により形成されている。
そして、平坦化膜４６の上面には、オンチップレンズ４７が画素ごとに形成されている。オンチップレンズ４７は、例えば、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン−アクリル共重合系樹脂、またはシロキサン系樹脂等の樹脂系材料で形成される。オンチップレンズ４７によって集光された光は、フォトダイオードPDに効率良く入射される。
また、半導体基板４１の裏面側の画素境界部４４には、半導体基板４１の裏面側（オンチップレンズ４７側）から基板深さ方向に所定の深さまで、半導体基板４１の深さ方向に隣接画素どうしを分離する画素間分離部６１が形成されている。画素間分離部６１の底面および側壁を含む外周部は、反射防止膜４３の一部である酸化ハフニウム膜５３で覆われている。画素間分離部６１は、入射光が隣の画素１０へ突き抜けることを防止し、自画素内に閉じ込めるとともに、隣接する画素１０からの入射光の漏れ込みを防止する。
図２の例では、反射防止膜４３の最上層の材料である酸化シリコン膜５５を、裏面側から掘り込んだトレンチ（溝）に埋め込むことにより酸化シリコン膜５５と画素間分離部６１を同時形成するため、反射防止膜４３としての積層膜の一部である酸化シリコン膜５５と、画素間分離部６１とが同一の材料で構成されているが、必ずしも同一である必要はない。画素間分離部６１として裏面側から掘り込んだトレンチ（溝）に埋め込む材料は、例えば、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等の金属材料でもよい。
一方、多層配線層４２が形成された半導体基板４１の表面側には、各画素１０に形成された１つのフォトダイオードPDに対して、２つの転送トランジスタTRG１およびTRG２が形成されている。また、半導体基板４１の表面側には、フォトダイオードPDから転送された電荷を一時保持する電荷蓄積部としての浮遊拡散領域FD１およびFD２が、高濃度のN型半導体領域（N型拡散領域）により形成されている。
多層配線層４２は、複数の金属膜Mと、その間の層間絶縁膜６２とで構成される。図２では、第１金属膜M１乃至第３金属膜M３の３層で構成される例が示されている。
多層配線層４２の複数の金属膜Mのうち、半導体基板４１に最も近い第１金属膜M１の、フォトダイオードPDの形成領域の下方に位置する領域、換言すれば、平面視において、フォトダイオードPDの形成領域と少なくとも一部が重なる領域には、銅やアルミニウムなどのメタル（金属）配線が遮光部材６３として形成されている。
遮光部材６３は、オンチップレンズ４７を介して光入射面から半導体基板４１内に入射し、半導体基板４１内で光電変換されずに半導体基板４１を透過してしまった赤外光を、半導体基板４１に最も近い第１金属膜M１で遮光し、それより下方の第２金属膜M２や第３金属膜M３へ透過させないようにする。この遮光機能により、半導体基板４１内で光電変換されずに半導体基板４１を透過してしまった赤外光が、第１金属膜M１より下の金属膜Mで散乱し、近傍画素へ入射してしまうことを抑制できる。これにより、近傍画素で誤って光を検知してしまうことを防ぐことができる。
また、遮光部材６３は、オンチップレンズ４７を介して光入射面から半導体基板４１内に入射し、半導体基板４１内で光電変換されずに半導体基板４１を透過してしまった赤外光を、遮光部材６３で反射させて半導体基板４１内へと再度入射させる機能も有する。したがって、遮光部材６３は、反射部材でもあるとも言える。この反射機能により、半導体基板４１内で光電変換される赤外光の量をより多くし、量子効率（QE）、つまり赤外光に対する画素１０の感度を向上させることができる。
なお、遮光部材６３は、金属材料の他、ポリシリコンや酸化膜などで反射または遮光する構造を形成してもよい。
また、遮光部材６３は、１層の金属膜Mで構成せずに、例えば第１金属膜M１と第２金属膜M２とで格子状に形成するなどして、複数の金属膜Mで構成してもよい。
多層配線層４２の複数の金属膜Mのうち、所定の金属膜Mである、例えば、第２金属膜M２には、例えば、櫛歯形状にパターン形成することにより、配線容量６４が形成されている。遮光部材６３と配線容量６４とは同じ層（金属膜M）に形成してもよいが、異なる層に形成する場合には、配線容量６４が、遮光部材６３よりも半導体基板４１から遠い層に形成される。換言すれば、遮光部材６３が、配線容量６４よりも半導体基板４１の近くに形成される。
以上のように、受光素子１は、オンチップレンズ４７と多層配線層４２との間に半導体層である半導体基板４１を配置し、オンチップレンズ４７が形成された裏面側から入射光をフォトダイオードPDに入射させる裏面照射型の構造を有する。
また、画素１０は、各画素に設けられたフォトダイオードPDに対して、２つの転送トランジスタTRG１およびTRG２を備え、フォトダイオードPDで光電変換されて生成された電荷（電子）を、浮遊拡散領域FD１またはFD２に振り分け可能に構成されている。
さらに、第１構成例に係る画素１０は、画素境界部４４に画素間分離部６１を形成することにより、入射光が隣の画素１０へ突き抜けることを防止し、自画素内に閉じ込めるとともに、隣接する画素１０からの入射光の漏れ込みを防止する。そして、フォトダイオードPDの形成領域の下方の金属膜Mに遮光部材６３を設けることにより、半導体基板４１内で光電変換されずに半導体基板４１を透過してしまった赤外光を、遮光部材６３で反射させて半導体基板４１内へと再度入射させる。
以上の構成により、半導体基板４１内で光電変換される赤外光の量をより多くし、量子効率（QE）、つまり赤外光に対する画素１０の感度を向上させることができる。
＜３．画素の回路構成例＞
図３は、画素アレイ部２１に２次元配置された画素１０の回路構成を示している。
画素１０は、光電変換素子としてフォトダイオードPDを備える。また、画素１０は、転送トランジスタTRG、浮遊拡散領域FD、付加容量FDL、切替トランジスタFDG、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRST、及び、選択トランジスタSELをそれぞれ２個ずつ有する。さらに、画素１０は、電荷排出トランジスタOFGを有している。
ここで、画素１０において２個ずつ設けられる転送トランジスタTRG、浮遊拡散領域FD、付加容量FDL、切替トランジスタFDG、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRST、及び、選択トランジスタSELのそれぞれを区別する場合、図３に示されるように、転送トランジスタTRG１およびTRG２、浮遊拡散領域FD１およびFD２、付加容量FDL１およびFDL２、切替トランジスタFDG１およびFDG２、増幅トランジスタAMP１およびAMP２、リセットトランジスタRST１およびRST２、並びに、選択トランジスタSEL１およびSEL２のように称する。
転送トランジスタTRG、切替トランジスタFDG、増幅トランジスタAMP、選択トランジスタSEL、リセットトランジスタRST、及び、電荷排出トランジスタOFGは、例えば、N型のMOSトランジスタで構成される。
転送トランジスタTRG１は、ゲート電極に供給される転送駆動信号TRG１gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、フォトダイオードPDに蓄積されている電荷を浮遊拡散領域FD１に転送する。転送トランジスタTRG２は、ゲート電極に供給される転送駆動信号TRG２gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、フォトダイオードPDに蓄積されている電荷を浮遊拡散領域FD２に転送する。
浮遊拡散領域FD１およびFD２は、フォトダイオードPDから転送された電荷を一時保持する電荷蓄積部である。
切替トランジスタFDG１は、ゲート電極に供給されるFD駆動信号FDG１gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、付加容量FDL１を、浮遊拡散領域FD１に接続させる。切替トランジスタFDG２は、ゲート電極に供給されるFD駆動信号FDG２gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、付加容量FDL２を、浮遊拡散領域FD２に接続させる。付加容量FDL１およびFDL２は、図２の配線容量６４によって形成されている。
リセットトランジスタRST１は、ゲート電極に供給されるリセット駆動信号RSTgがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、浮遊拡散領域FD１の電位をリセットする。リセットトランジスタRST２は、ゲート電極に供給されるリセット駆動信号RSTgがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、浮遊拡散領域FD２の電位をリセットする。なお、リセットトランジスタRST１およびRST２がアクティブ状態とされるとき、切替トランジスタFDG１およびFDG２も同時にアクティブ状態とされ、付加容量FDL１およびFDL２もリセットされる。
垂直駆動部２２は、例えば、入射光の光量が多い高照度のとき、切替トランジスタFDG１およびFDG２をアクティブ状態として、浮遊拡散領域FD１と付加容量FDL１を接続するとともに、浮遊拡散領域FD２と付加容量FDL２を接続する。これにより、高照度時に、より多くの電荷を蓄積することができる。
一方、入射光の光量が少ない低照度のときには、垂直駆動部２２は、切替トランジスタFDG１およびFDG２を非アクティブ状態として、付加容量FDL１およびFDL２を、それぞれ、浮遊拡散領域FD１およびFD２から切り離す。これにより、変換効率を上げることができる。
電荷排出トランジスタOFGは、ゲート電極に供給される排出駆動信号OFG１gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、フォトダイオードPDに蓄積された電荷を排出する。
増幅トランジスタAMP１は、ソース電極が選択トランジスタSEL１を介して垂直信号線２９Aに接続されることにより、不図示の定電流源と接続し、ソースフォロワ回路を構成する。増幅トランジスタAMP２は、ソース電極が選択トランジスタSEL２を介して垂直信号線２９Bに接続されることにより、不図示の定電流源と接続し、ソースフォロワ回路を構成する。
選択トランジスタSEL１は、増幅トランジスタAMP１のソース電極と垂直信号線２９Aとの間に接続されている。選択トランジスタSEL１は、ゲート電極に供給される選択信号SEL１gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態となり、増幅トランジスタAMP１から出力される検出信号VSL１を垂直信号線２９Aに出力する。
選択トランジスタSEL２は、増幅トランジスタAMP２のソース電極と垂直信号線２９Bとの間に接続されている。選択トランジスタSEL２は、ゲート電極に供給される選択信号SEL２gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態となり、増幅トランジスタAMP２から出力される検出信号VSL２を垂直信号線２９Bに出力する。
画素１０の転送トランジスタTRG１およびTRG２、切替トランジスタFDG１およびFDG２、増幅トランジスタAMP１およびAMP２、選択トランジスタSEL１およびSEL２、並びに、電荷排出トランジスタOFGは、垂直駆動部２２によって制御される。
図２の画素回路において、付加容量FDL１およびFDL２と、その接続を制御する、切替トランジスタFDG１およびFDG２は省略してもよいが、付加容量FDLを設け、入射光量に応じて使い分けることにより、高ダイナミックレンジを確保することができる。
画素１０の動作について簡単に説明する。
まず、受光を開始する前に、画素１０の電荷をリセットするリセット動作が全画素で行われる。すなわち、電荷排出トランジスタOFGと、リセットトランジスタRST１およびRST２、並びに、切替トランジスタFDG１およびFDG２がオンされ、フォトダイオードPD、浮遊拡散領域FD１およびFD２、並びに、付加容量FDL１およびFDL２の蓄積電荷が排出される。
蓄積電荷の排出後、全画素で受光が開始される。
受光期間では、転送トランジスタTRG１とTRG２とが交互に駆動される。すなわち、第１の期間において、転送トランジスタTRG１がオン、転送トランジスタTRG２がオフに制御される。この第１の期間では、フォトダイオードPDで発生した電荷が、浮遊拡散領域FD１に転送される。第１の期間の次の第２の期間では、転送トランジスタTRG１がオフ、転送トランジスタTRG２がオンに制御される。この第２の期間では、フォトダイオードPDで発生した電荷が、浮遊拡散領域FD２に転送される。これにより、フォトダイオードPDで発生した電荷が、浮遊拡散領域FD１とFD２とに振り分けられて、蓄積される。
ここで、光電変換で得られた電荷（電子）の読み出しが行われる方の転送トランジスタTRGおよび浮遊拡散領域FDをアクティブタップ（active tap）とも称することとする。逆に、光電変換で得られた電荷の読み出しが行われない方の転送トランジスタTRGおよび浮遊拡散領域FDをイナクティブタップ（inactive tap）とも称することとする。
そして、受光期間が終了すると、画素アレイ部２１の各画素１０が、線順次に選択される。選択された画素１０では、選択トランジスタSEL１およびSEL２がオンされる。これにより、浮遊拡散領域FD１に蓄積された電荷が、検出信号VSL１として、垂直信号線２９Aを介してカラム処理部２３に出力される。浮遊拡散領域FD２に蓄積された電荷は、検出信号VSL２として、垂直信号線２９Bを介してカラム処理部２３に出力される。
以上で１回の受光動作が終了し、リセット動作から始まる次の受光動作が実行される。
画素１０が受光する反射光は、光源が照射したタイミングから、対象物までの距離に応じて遅延されている。対象物までの距離に応じた遅延時間によって、２つの浮遊拡散領域FD１とFD２に蓄積される電荷の配分比が変化するため、２つの浮遊拡散領域FD１とFD２に蓄積される電荷の配分比から、物体までの距離を求めることができる。
＜４．画素の平面図＞
図４は、図３に示した画素回路の配置例を示した平面図である。
図４における横方向は、図１の行方向（水平方向）に対応し、縦方向は図１の列方向（垂直方向）に対応する。
図４に示されるように、矩形の画素１０の中央部の領域に、フォトダイオードPDがN型の半導体領域５２で形成されている。
フォトダイオードPDの外側であって、矩形の画素１０の四辺の所定の一辺に沿って、転送トランジスタTRG１、切替トランジスタFDG１、リセットトランジスタRST１、増幅トランジスタAMP１、及び、選択トランジスタSEL１が直線的に並んで配置され、矩形の画素１０の四辺の他の一辺に沿って、転送トランジスタTRG２、切替トランジスタFDG２、リセットトランジスタRST２、増幅トランジスタAMP２、及び、選択トランジスタSEL２が直線的に並んで配置されている。
さらに、転送トランジスタTRG、切替トランジスタFDG、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、及び、選択トランジスタSELが形成されている画素１０の二辺とは別の辺に、電荷排出トランジスタOFGが配置されている。
なお、図３に示した画素回路の配置は、この例に限られず、その他の配置としてもよい。
＜５．画素のその他の回路構成例＞
図５は、画素１０のその他の回路構成例を示している。
図５において、図３と対応する部分については同一の符号を付してあり、その部分の説明は適宜省略する。
画素１０は、光電変換素子としてフォトダイオードPDを備える。また、画素１０は、第１転送トランジスタTRGa、第２転送トランジスタTRGb、メモリMEM、浮遊拡散領域FD、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、及び、選択トランジスタSELをそれぞれ２個ずつ有する。
ここで、画素１０において２個ずつ設けられる第１転送トランジスタTRGa、第２転送トランジスタTRGb、メモリMEM、浮遊拡散領域FD、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、及び、選択トランジスタSELのそれぞれを区別する場合、図５に示されるように、第１転送トランジスタTRGa1およびTRGa2、第２転送トランジスタTRGb1およびTRGb2、転送トランジスタTRG１およびTRG２、メモリMEM１およびMEM２、浮遊拡散領域FD１およびFD２、増幅トランジスタAMP１およびAMP２、並びに、選択トランジスタSEL１およびSEL２のように称する。
従って、図３の画素回路と、図５の画素回路を比較すると、転送トランジスタTRGが、２種類の第１転送トランジスタTRGaおよび第２転送トランジスタTRGbに変更され、メモリMEMが追加されている。また、付加容量FDLと切替トランジスタFDGが省略されている。
第１転送トランジスタTRGa、第２転送トランジスタTRGb、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、及び、選択トランジスタSELは、例えば、N型のMOSトランジスタで構成される。
図３に示した画素回路では、フォトダイオードPDで生成された電荷を、浮遊拡散領域FD１およびFD２に転送して保持するようにしたが、図５の画素回路では、電荷蓄積部として設けられたメモリMEM１およびMEM２に転送されて、保持される。
即ち、第１転送トランジスタTRGa1は、ゲート電極に供給される第１転送駆動信号TRGa1gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、フォトダイオードPDに蓄積されている電荷をメモリMEM１に転送する。第１転送トランジスタTRGa2は、ゲート電極に供給される第１転送駆動信号TRGa2gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、フォトダイオードPDに蓄積されている電荷をメモリMEM２に転送する。
また、第２転送トランジスタTRGb1は、ゲート電極に供給される第２転送駆動信号TRGb1gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、メモリMEM１に蓄積されている電荷を、浮遊拡散領域FD１に転送する。第２転送トランジスタTRGb2は、ゲート電極に供給される第２転送駆動信号TRGb2gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、メモリMEM２に蓄積されている電荷を、浮遊拡散領域FD２に転送する。
リセットトランジスタRST１は、ゲート電極に供給されるリセット駆動信号RST１gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、浮遊拡散領域FD１の電位をリセットする。リセットトランジスタRST２は、ゲート電極に供給されるリセット駆動信号RST２gがアクティブ状態になるとこれに応答して導通状態になることで、浮遊拡散領域FD２の電位をリセットする。なお、リセットトランジスタRST１およびRST２がアクティブ状態とされるとき、第２転送トランジスタTRGb1およびTRGb2も同時にアクティブ状態とされ、メモリMEM１およびMEM２もリセットされる。
図５の画素回路では、フォトダイオードPDで発生した電荷が、メモリMEM１とMEM２とに振り分けられて、蓄積される。そして、読み出されるタイミングで、メモリMEM１とMEM２に保持されている電荷が、それぞれ、浮遊拡散領域FD１とFD２に転送され、画素１０から出力される。
＜６．画素の平面図＞
図６は、図５に示した画素回路の配置例を示した平面図である。
図６における横方向は、図１の行方向（水平方向）に対応し、縦方向は図１の列方向（垂直方向）に対応する。
図６に示されるように、矩形の画素１０の中央部の領域に、フォトダイオードPDがN型の半導体領域５２で形成されている。
フォトダイオードPDの外側であって、矩形の画素１０の四辺の所定の一辺に沿って、第１転送トランジスタTRGa1、第２転送トランジスタTRGb1、リセットトランジスタRST１、増幅トランジスタAMP１、及び、選択トランジスタSEL１が直線的に並んで配置され、矩形の画素１０の四辺の他の一辺に沿って、第１転送トランジスタTRGa2、第２転送トランジスタTRGb2、リセットトランジスタRST２、リセットトランジスタRST２、増幅トランジスタAMP２、及び、選択トランジスタSEL２が直線的に並んで配置されている。メモリMEM１およびMEM２は、例えば、埋め込み型のN型拡散領域により形成される。
なお、図５に示した画素回路の配置は、この例に限られず、その他の配置としてもよい。
＜７．裏面照射型の効果＞
以上のような受光素子１によれば、以下のような効果を奏することができる。
まず受光素子１は裏面照射型であることから、量子効率（QE）×開口率（FF(Fill Factor)）を最大化することができ、受光素子１による測距特性を向上させることができる。
例えば図７の矢印Ｗ１１に示すように、通常の表面照射型のイメージセンサは、光電変換部であるPD１０１における外部からの光が入射する光入射面側に配線１０２や配線１０３が形成された構造となっている。
そのため、例えば外部から矢印Ａ２１や矢印Ａ２２に示すように、ある程度の角度を持ってPD１０１に対して斜めに入射してくる光の一部は、配線１０２や配線１０３に遮られてPD１０１に入射されないようなことが生じる。
これに対して、裏面照射型のイメージセンサは、例えば矢印Ｗ１２に示すように、光電変換部であるPD１０４における外部からの光が入射する光入射面とは反対側の面上に配線１０５や配線１０６が形成された構造となっている。
そのため、表面照射型における場合と比較して十分な開口率を確保することができる。
すなわち、例えば外部から矢印Ａ２３や矢印Ａ２４に示すように、ある程度の角度を持ってPD１０４に対して斜めに入射してくる光は配線に遮られることなくPD１０４に入射する。これにより、より多くの光を受光して画素の感度を向上させることができる。
このような裏面照射型とすることにより得られる画素感度の向上効果は、裏面照射型のToFセンサである受光素子１においても得ることができる。
すなわち、表面照射型のToFセンサでは、矢印Ｗ１３に示すように、光電変換部であるPD１１１の光入射面側に、配線１１２や配線１１３が形成された構造となっている。そのため、例えば外部から矢印Ａ２５や矢印Ａ２６に示すように、ある程度の角度を持ってPD１１１に対して斜めに入射してくる光の一部が配線１１２や配線１１３等に遮られてPD１１１に入射されないようなことが生じる。
これに対して、裏面照射型のToFセンサは、例えば矢印Ｗ１４に示すように、光電変換部であるPD１１５の光入射面とは反対側の面の部分に、電荷読み出し用の転送トランジスタが形成された構造となっている。また、PD１１５の光入射面とは反対側の面に、配線１１７や配線１１８が形成されている。これにより、例えば矢印Ａ２８や矢印Ａ２９に示すように、ある程度の角度を持ってPD１１５に対して斜めに入射してくる光は配線に遮られることなくPD１１５に入射する。
したがって、裏面照射型のToFセンサでは、表面照射型における場合と比較して十分な開口率を確保することができるので、量子効率（QE）×開口率（FF）を最大化することができ、測距特性を向上させることができる。
図８は、表面照射型と裏面照射型のToFセンサの画素断面図を示している。
図８左側の表面照射型のToFセンサでは、図中、基板１４１の上側が、光入射面であり、基板１４１の光入射面側に、複数層の配線を含む配線層１５２、画素間遮光膜１５３、および、オンチップレンズ１５４が積層されている。
図８右側の裏面照射型のToFセンサでは、図中、光入射面とは反対側となる基板１４２の下側に、複数層の配線を含む配線層１５２が形成されており、光入射面側である基板１４２の上側に、画素間遮光膜１５３、および、オンチップレンズ１５４が積層されている。
なお、図８においてグレーの台形形状は、赤外光がオンチップレンズ１５４で集光されることにより、光強度が強い領域を示している。
例えば、表面照射型のToFセンサでは、基板１４１の光入射面側に電荷読み出し用の転送トランジスタTG１およびTG２が存在する領域Ｒ１１がある。表面照射型のToFセンサでは、基板１４１の光入射面近傍の領域Ｒ１１では赤外光の強度は強いため、領域Ｒ１１内で赤外光の光電変換が行われる確率が高くなる。つまり、イナクティブタップ近傍に入射する赤外光の光量は多いため、アクティブタップで検出できなくなってしまう信号キャリアが多くなり、電荷分離効率が低下してしまう。
これに対して、裏面照射型のToFセンサでは、基板１４２の光入射面から遠い位置、つまり光入射面側とは反対側の面近傍の位置に、アクティブタップおよびイナクティブタップが形成される領域Ｒ１２がある。基板１４２は、図２に示した半導体基板４１に対応している。
基板１４２の光入射面側とは反対側の面の部分に領域Ｒ１２があり、領域Ｒ１２は光入射面から遠い位置にあるため、その領域Ｒ１２近傍では、入射した赤外光の強度は比較的弱くなっている。
基板１４２の中心付近や光入射面近傍などの赤外光の強度が強い領域において光電変換により得られた信号キャリアは、アクティブタップおよびイナクティブタップが形成する電界勾配によってアクティブタップへと導かれ、アクティブタップの浮遊拡散領域FDで検出される。
一方、イナクティブタップを含む領域Ｒ１２近傍では、入射した赤外光の強度は比較的弱いので、領域Ｒ１２内で赤外光の光電変換が行われる確率は低くなる。つまり、イナクティブタップ近傍に入射する赤外光の光量は少ないため、イナクティブタップ近傍での光電変換により発生し、イナクティブタップの浮遊拡散領域FDへと移動してしまう信号キャリア（電子）の数は少なくなり、電荷分離効率を向上させることができる。結果として測距特性を改善することができる。
さらに、裏面照射型の受光素子１では、半導体基板４１の薄層化を実現することができるので、信号キャリアである電子（電荷）の取り出し効率を向上させることができる。
例えば、表面照射型のToFセンサでは開口率を十分に確保できないため、図９の矢印Ｗ３１に示すように、より高い量子効率を確保し、量子効率×開口率の低下を抑制するために基板１７１をある程度厚くする必要がある。
そうすると、基板１７１内における光入射面とは反対側の面近傍の領域、例えば領域Ｒ２１の部分においてポテンシャルの傾斜が緩やかになり、実質的に基板１７１と垂直な方向の電界が弱くなってしまう。この場合、信号キャリアの移動速度が遅くなるので、光電変換が行われてからアクティブタップの浮遊拡散領域FDへ信号キャリアが転送されるまでに必要となる時間が長くなってしまう。なお、図９では、基板１７１内の矢印は、基板１７１における基板１７１と垂直な方向の電界を表している。
また、基板１７１が厚いと、基板１７１内のアクティブタップから遠い位置から、アクティブタップの浮遊拡散領域FDまでの信号キャリアの移動距離が長くなる。したがって、アクティブタップから遠い位置では、光電変換が行われてからアクティブタップの浮遊拡散領域FDへ信号キャリアが転送されるまでに必要となる時間がさらに長くなってしまう。そのため、転送トランジスタTGの振り分けが切り替わったあとに、アクティブタップへ到達して、誤信号になることがある。
図１０は、基板１７１の厚み方向の位置と、信号キャリアの移動速度との関係を示している。領域Ｒ２１は拡散電流領域に対応する。
このように基板１７１が厚くなると、例えば駆動周波数が高いとき、つまりタップのアクティブとイナクティブの切り替えを高速で行うときに、領域Ｒ２１などのアクティブタップから遠い位置で発生した電子を完全にアクティブタップの浮遊拡散領域FDに引き込みきれなくなってしまう。すなわち、タップがアクティブとなっている時間が短いと、領域Ｒ２１内等で発生した電子（電荷）をアクティブタップの浮遊拡散領域FDで検出できなくなってしまうことが生じ、電子の取り出し効率が低下する。
これに対して裏面照射型のToFセンサでは、十分な開口率を確保できることから、例えば図９の矢印Ｗ３２に示すように基板１７２を薄くしても十分な量子効率×開口率を確保することができる。ここで、基板１７２は図２の半導体基板４１に対応し、基板１７２内の矢印は、基板１７２と垂直な方向の電界を表している。
図１１は、基板１７２の厚み方向の位置と、信号キャリアの移動速度との関係を示している。
このように基板１７２の厚さを薄くすると、実質的に基板１７２に垂直な方向の電界が強くなり、信号キャリアの移動速度が速いドリフト電流領域のみの電子（電荷）のみを使用して、信号キャリアの移動速度が遅い拡散電流領域の電子を使用しない。ドリフト電流領域のみの電子（電荷）のみを使用することで、光電変換が行われてからアクティブタップの浮遊拡散領域FDで信号キャリアが検出されるまでに必要となる時間が短くなる。また、基板１７２の厚さが薄くなると、信号キャリアのアクティブタップの浮遊拡散領域FDまでの移動距離も短くなる。
これらのことから、裏面照射型のToFセンサでは、駆動周波数が高いときでも基板１７２内の各領域で発生した信号キャリア（電子）をアクティブタップの浮遊拡散領域FDに十分に引き込むことができ、電子の取り出し効率を向上させることができる。
また、基板１７２の薄層化により、高い駆動周波数でも十分な電子の取り出し効率を確保することができ、高速駆動耐性を向上させることができる。
特に、裏面照射型のToFセンサでは、十分な開口率を得ることができるので、その分だけ画素を微細化することができ、画素の微細化耐性を向上させることができる。
その他、受光素子１では裏面照射型とすることでBEOL（Back End Of Line）設計の自由化が可能となり、これにより飽和信号量（Qs）の設計自由度を向上させることができる。
＜８．画素の第２構成例に係る断面図＞
図１２は、画素１０の第２構成例を示す断面図である。
図１２において、図２に示した第１構成例と対応する部分については同一の符号を付してあり、その部分の説明は適宜省略する。
図１２の第２構成例では、図２の第１構成例において半導体基板４１の裏面側（オンチップレンズ４７側）から掘り込んで形成されたDTI（Deep Trench Isolation)である画素間分離部６１が、半導体基板４１を貫通する画素間分離部２１１に置き換えられた点が異なり、その他の点で共通する。
画素間分離部２１１は、半導体基板４１の裏面側（オンチップレンズ４７側）または表面側から反対側の基板面に貫通するまでトレンチを形成し、その内部に、反射防止膜４３の最上層の材料である酸化シリコン膜５５を埋め込むことにより形成される。画素間分離部２１１としてトレンチ内に埋め込む材料は、酸化シリコン膜５５等の絶縁膜の他、例えば、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等の金属材料でもよい。
このような画素間分離部２１１を形成することにより、隣接する画素どうしを電気的に完全分離することができる。これにより、入射光が隣の画素１０へ突き抜けることを防止し、自画素内に閉じ込めるとともに、隣接する画素１０からの入射光の漏れ込みを防止する。
第２構成例においても、裏面照射型の画素構造とすることで、表面照射型における場合と比較して十分な開口率を確保することができ、量子効率（QE）×開口率（FF）を最大化することができる。
また、多層配線層４２の複数の金属膜Mのうち、半導体基板４１に最も近い第１金属膜M１の、フォトダイオードPDの形成領域の下方に位置する領域に、遮光部材（反射部材）６３を備えることにより、半導体基板４１内で光電変換されずに半導体基板４１を透過してしまった赤外光を、遮光部材６３で反射させて半導体基板４１内へと再度入射させる。これにより、半導体基板４１内で光電変換される赤外光の量をより多くし、量子効率（QE）、つまり赤外光に対する画素１０の感度を向上させることができる。また、半導体基板４１内で光電変換されずに半導体基板４１を透過してしまった赤外光が、金属膜Mで散乱し、近傍画素へ入射してしまうことを抑制できる。これにより、近傍画素で誤って光を検知してしまうことを防ぐことができる。
＜９．画素の第３構成例に係る断面図＞
図１３は、画素１０の第３構成例を示す断面図である。
図１３において、図２に示した第１構成例と対応する部分については同一の符号を付してあり、その部分の説明は適宜省略する。
図１３の第３構成例では、半導体基板４１（のP型の半導体領域５１）のフォトダイオードPDの形成領域の上方に位置するPD上部領域２２３が、微細な凹凸が形成されたモスアイ構造となっている。また、半導体基板４１のPD上部領域２２３のモスアイ構造に対応して、その上面に形成された反射防止膜２２１もモスアイ構造で形成されている。反射防止膜２２１は、第１構成例と同様に、酸化ハフニウム膜５３、酸化アルミニウム膜５４、および、酸化シリコン膜５５の積層により構成されている。
このように、半導体基板４１のPD上部領域２２３をモスアイ構造とすることで、基板界面における急激な屈折率の変化を緩和し、反射光による影響を低減させることができる。
なお、図１３では、半導体基板４１の裏面側（オンチップレンズ４７側）から掘り込んで形成されたDTIで形成された画素間分離部６１が、図２の第１構成例の画素間分離部６１よりも、やや深い位置まで形成されている。画素間分離部６１が形成される基板厚み方向の深さは、このように任意の深さとすることができる。
第３構成例において、その他の点は、第１構成例と同様である。
＜１０．画素の第４構成例に係る断面図＞
図１４は、画素１０の第４構成例を示す断面図である。
図１４において、上述した第１乃至第３構成例と対応する部分については同一の符号を付してあり、その部分の説明は適宜省略する。
図１４の第４構成例は、PD上部領域２２３がモスアイ構造の基板界面と反射防止膜２２１を有する点で、図１３に示した第３構成例と共通する。
一方、図１４の第４構成例は、半導体基板４１全体を貫通する画素間分離部２１１を有する点で、図１２に示した第２構成例と共通する。
換言すれば、図１４の第４構成例は、第２構成例の画素間分離部２１１と、第３構成例のモスアイ構造の半導体基板４１および反射防止膜２２１の両方を備える。その他の点は、第２構成例または第３構成例と同様である。
第３および第４構成例においても、裏面照射型の画素構造とすることで、表面照射型における場合と比較して十分な開口率を確保することができ、量子効率（QE）×開口率（FF）を最大化することができる。
また、多層配線層４２の所定の金属膜Mに遮光部材（反射部材）６３を備えることにより、赤外光に対する画素１０の感度を向上させるとともに、近傍画素で誤って光を検知してしまうことを防ぐことができる。
＜１１．画素の第５構成例に係る断面図＞
図１５は、画素１０の第５構成例を示す断面図である。
図１５において、上述した第１乃至第４構成例と対応する部分については同一の符号を付してあり、その部分の説明は適宜省略する。
上述した第１乃至第４構成例において、画素境界部４４に設けた画素間分離部６１または画素間分離部２１１は、省略してもよい。
例えば、上述した第３構成例の画素間分離部６１、または、第４構成例の画素間分離部２１１を省略すると、図１５のような構造となる。
図１５の第５構成例は、第３構成例の画素間分離部６１、または、第４構成例の画素間分離部２１１を省略した構成を有し、反射防止膜２２１が、画素境界部４４において平坦に形成されている。その他の構成は、第３構成例または第４構成例と同様である。
＜モスアイ構造の斜視図＞
図１６のAは、半導体基板４１のPD上部領域２２３に形成されているモスアイ構造の斜視図である。
半導体基板４１のモスアイ構造は、例えば、図１６のAに示されるように、半導体基板４１側に頂点を有する略同形状かつ略同じ大きさの複数の四角錐の領域が規則的に（格子状に）設けられた構成とされる。
なお、図１６のAでは、半導体基板４１の上側が、光の入射側、つまりオンチップレンズ４７側である。
モスアイ構造は、半導体基板４１の光入射面側に形成され、フォトダイオードPD側に頂点を有する四角錐形状の複数の領域が規則的に並ぶように配列された逆ピラミッド構造となっている。各四角錐の底面は正方形となっており、各四角錐形状の領域はフォトダイオードPD側に凸となるように、半導体基板４１が掘り込まれて形成されている。図１６のAにおいて、例えば、矢印Ｗ５１に示す部分が、各四角錐の領域のフォトダイオードPD側にある頂点部分の凹部となっている。矢印Ｗ５１に示す凹部は、例えば、曲率を有し、丸みのある形状となっている。
なお、モスアイ構造の各四角錐の各凹部だけではなく、図１６のBにおいてハッチが施された部分である各四角錐の領域の斜辺部分も、ある程度曲率を持つようにしてもよい。このように斜辺部分にも曲率を持たせることで、平坦化膜４６の形成ムラや剥がれの抑制効果をさらに向上させることができる。
図１７は、半導体基板４１のモスアイ構造のその他の例を示す斜視図である。
図１６では、モスアイ構造はフォトダイオードPD側に頂点を有する四角錐の領域からなる逆ピラミッド構造とされる例について説明したが、例えば、図１７に示されるように、順ピラミッド構造としてもよい。
具体的には、図１７のAに示されるように、モスアイ構造は、半導体基板４１における光の入射側の面に形成されている。そして、このモスアイ構造は、光が入射する側であるオンチップレンズ４７側に頂点を有する複数の四角錐の領域が、規則的に、つまり格子状に配列された順ピラミッド構造となっている。
また、図１７のAにおいても、複数の各四角錐の領域は略同形状および略同じ大きさとなっており、各四角錐の底面は正方形となっている。さらに、各四角錐形状の領域がフォトダイオードPD側とは反対側に凸となるように、半導体基板４１が掘り込まれてそれらの四角錐形状の領域が形成されている。
例えば、矢印Ｗ７１に示す部分が、各四角錐の領域のフォトダイオードPD側にある底辺部分の凹部となっている。矢印Ｗ７１に示す凹部は、図１６に示した例と同様に、半導体基板４１の光の入射側からフォトダイオードPDへと向かう方向と略平行な断面を見たときに、フォトダイオードPD側に凸となる部分が曲率を有し、丸みのある形状となっている。
図１７のBにおいてハッチが施された、上に凸の各四角錐の底辺からなる部分が曲率を持つように形成することができ、この場合、図１６に示した例と同様に、半導体基板４１上に形成される平坦化膜４６の形成ムラや剥がれを抑制することができる。
図１８は、半導体基板４１のモスアイ構造のさらにその他の例を示す斜視図である。
モスアイ構造は、例えば、図１８のAに示すように、微細な凹凸部分の底面が長方形となるようにしてもよい。
図１８のAのモスアイ構造は、半導体基板４１の光入射面側に形成されており、画素１０の縦方向（垂直方向）または横方向（水平方向）に長いライン状の凹部を有している。
より具体的には、図１８のAのモスアイ構造は、図１３乃至図１５の断面図と同じ方向の断面を見たときに鋸歯形状であり、略同形状かつ略同じ大きさの複数の三角柱を、三角形の１つの頂点と、三角柱の１つの長方形の面を、フォトダイオードPDに向けた状態で、一方向に並べて得られるような形状となっている。
図１８のAにおいて、例えば矢印Ｗ９１に示す部分が凹部となっており、例えば矢印Ｗ９２に示す部分が凸部となっている。各凹部のハッチが施されている部分は、所定の曲率を有する丸みのある形状となっている。したがって、この例においても、半導体基板４１上に形成される平坦化膜４６の形成ムラや剥がれを抑制することができる。
また、半導体基板４１のモスアイ構造は、四角錐の形状が略同じ大きさで規則正しく配列された構成の他、図１８のBに示されるように、それぞれ異なる大きさの四角錐の形状が、不規則に配置された構造でもよい。
図１８のBに示される例では、オンチップレンズ４７側に頂点を有する四角錐の領域が不規則に並ぶ順ピラミッド構造となっている。また、複数の各四角錐の領域の大きさも同じ大きさとはなっていない。すなわち、四角錐の大きさおよび配置がランダムとなっている。
例えば、矢印Ｗ９３や矢印Ｗ９４に示す部分が凹部となっており、この凹部が曲率を有して、丸みのある形状となっている。これにより、半導体基板４１上に形成される平坦化膜４６の形成ムラや剥がれを抑制することができる。
図１８のBでは、オンチップレンズ４７側に頂点を有する複数の四角錐の領域がランダムに配列された順ピラミッド構造のモスアイ構造を示したが、図１６に示した逆ピラミッド構造においても、複数の四角錐の領域の大きさや配置をランダムとした構造も勿論可能である。
PD上部領域２２３に形成されている半導体基板４１のモスアイ構造は、例えば、図１６乃至図１８に示した形状のように構成することができる。これにより、基板界面における急激な屈折率の変化を緩和し、反射光による影響を低減させることができる。
なお、モスアイ構造を採用した第３乃至第５構成例では、モスアイ構造による反射防止効果が十分である場合には、その上の反射防止膜２２１を省略してもよい。
＜１２．画素の第６構成例に係る断面図＞
図１９は、画素１０の第６構成例を示す断面図である。
図１９において、上述した第１乃至第５構成例と対応する部分については同一の符号を付してあり、その部分の説明は適宜省略する。
上述した第１乃至第５構成例では、受光素子１が１枚の半導体基板、即ち半導体基板４１のみを用いて構成されていたが、図１９の第６構成例では、半導体基板４１と半導体基板３０１の２枚の半導体基板を用いて構成されている。以下では、理解を容易にするため、半導体基板４１と半導体基板３０１を、それぞれ、第１基板４１と第２基板３０１とも称して説明する。
図１９の第６構成例において、第１基板４１の光入射面側に、画素間遮光膜４５、平坦化膜４６、および、オンチップレンズ４７が形成されている点は、図２の第１構成例と同様である。第１基板４１の裏面側の画素境界部４４には、画素間分離部６１が形成されている点も、図２の第１構成例と同様である。
また、第１基板４１に、光電変換部であるフォトダイオードPDが画素単位に形成されている点、第１基板４１の表面側に、２つの転送トランジスタTRG１およびTRG２や、電荷蓄積部としての浮遊拡散領域FD１およびFD２が形成されている点も同様である。
一方、図２の第１構成例と異なる点として、第１基板４１の表面側である配線層３１１の絶縁層３１３が、第２基板３０１の絶縁層３１２と貼り合わされている。
第１基板４１の配線層３１１には、少なくとも１層の金属膜Mを含み、その金属膜Mを用いて、フォトダイオードPDの形成領域の下方に位置する領域に、遮光部材６３が形成されている。
第２基板３０１の貼り合わせ面側である絶縁層３１２側と反対側の界面には、画素トランジスタTr１、Tr２が形成されている。画素トランジスタTr１、Tr２は、例えば、増幅トランジスタAMP、選択トランジスタSELである。
すなわち、１枚の半導体基板４１（第１基板４１）のみを用いて構成される第１乃至第５構成例では、転送トランジスタTRG、切替トランジスタFDG、増幅トランジスタAMP、及び、選択トランジスタSELの全ての画素トランジスタが、半導体基板４１に形成されていたが、２枚の半導体基板の積層構造で構成される第６構成例の受光素子１では、転送トランジスタTRG以外の画素トランジスタ、即ち、切替トランジスタFDG、増幅トランジスタAMP、及び、選択トランジスタSELは、第２基板３０１に形成されている。
第２基板３０１の第１基板４１側と反対側には、少なくとも２層の金属膜Mを有する多層配線層３２１が形成されている。多層配線層３２１は、第１金属膜M１１と、第２金属膜M１２、および、層間絶縁膜３３３を含む。
転送トランジスタTRG１を制御する転送駆動信号TRG１gは、第２基板３０１を貫通するTSV（Through Silicon Via）３３１−１により、第２基板３０１の第１金属膜M１１から、第１基板４１の転送トランジスタTRG１のゲート電極に供給される。転送トランジスタTRG２を制御する転送駆動信号TRG２gは、第２基板３０１を貫通するTSV３３１−２により、第２基板３０１の第１金属膜M１１から、第１基板４１の転送トランジスタTRG２のゲート電極に供給される。
同様に、浮遊拡散領域FD１に蓄積された電荷は、第２基板３０１を貫通するTSV３３２−１により、第１基板４１側から第２基板３０１の第１金属膜M１１へ伝送される。浮遊拡散領域FD２に蓄積された電荷も、第２基板３０１を貫通するTSV３３２−２により、第１基板４１側から第２基板３０１の第１金属膜M１１へ伝送される。
配線容量６４は、第１金属膜M１１か、または、第２金属膜M１２の不図示の領域に形成されている。配線容量６４が形成される金属膜Mは、容量形成のため配線密度が高く形成され、転送トランジスタTRGや切替トランジスタFDGなどのゲート電極に接続される金属膜Mは、誘導電流低減のため、配線密度は低く形成される。画素トランジスタごとに、ゲート電極と接続される配線層（金属膜M）が異なるように構成してもよい。
以上のように、第６構成例に係る画素１０は、第１基板４１と第２基板３０１の２枚の半導体基板を積層して構成することができ、転送トランジスタTRG以外の画素トランジスタが、光電変換部を有する第１基板４１とは異なる第２基板３０１に形成される。また、画素１０の駆動を制御する垂直駆動部２２や画素駆動線２８、検出信号を伝送する垂直信号線２９なども第２基板３０１に形成される。これにより、画素を微細化することができ、BEOL（Back End Of Line）設計の自由度も高まる。
第６構成例においても、裏面照射型の画素構造とすることで、表面照射型における場合と比較して十分な開口率を確保することができ、量子効率（QE）×開口率（FF）を最大化することができる。
また、第１基板４１に最も近い配線層３１１のフォトダイオードPDの形成領域と重なる領域に、遮光部材（反射部材）６３を備えることにより、半導体基板４１内で光電変換されずに半導体基板４１を透過してしまった赤外光を、遮光部材６３で反射させて半導体基板４１内へと再度入射させる。これにより、半導体基板４１内で光電変換される赤外光の量をより多くし、量子効率（QE）、つまり赤外光に対する画素１０の感度を向上させることができる。また、半導体基板４１内で光電変換されずに半導体基板４１を透過してしまった赤外光が、第２基板３０１側へ入射してしまうことを抑制できる。
＜第６構成例の製造方法＞
次に、図２０を参照して、第６構成例の製造方法について説明する。
初めに、図２０のAに示されるように、第１基板４１の所定の領域に光電変換部であるフォトダイオードPDや浮遊拡散領域FDが、画素単位に形成された後、転送トランジスタTRGのゲート電極３５１が形成される。
次に、図２０のBに示されるように、転送トランジスタTRGのゲート電極３５１と第１基板４１上面に、絶縁膜３６１が形成された後、フォトダイオードPDの領域に対応して、遮光部材６３がパターン形成される。
次に、図２０のCに示されるように、遮光部材６３と絶縁膜３６１の上に、さらに絶縁膜が積層されて絶縁層３１３とされ、第１基板４１の表面側である配線層３１１が形成される。そして、増幅トランジスタAMP、選択トランジスタSEL等の画素トランジスタTr１およびTr２が予め形成された第２基板３０１の裏面側の絶縁層３１２が、第１基板４１の絶縁層３１３と貼り合わされる。
次に、図２０のDに示されるように、第２基板３０１の上面に絶縁層３６２が形成された後、画素トランジスタTr１およびTr２のゲート電極のコンタクトのためのトレンチ３７１−１および３７１−２が形成される。また、転送トランジスタTRG１およびTRG２のゲート電極や、浮遊拡散領域FD１およびFD２など、第１基板４１と第２基板３０１とを電気的に接続する必要のある部分に対して、第２基板３０１を貫通するトレンチ３７２−１、３７２−２、３７３−１、および３７３−２が形成される。
次に、図２０のEに示されるように、トレンチ３７１−１および３７１−２や、トレンチ３７２−１、３７２−２、３７３−１、および３７３−２に、タングステン（Ｗ）等の金属材料が埋め込まれる。これにより、TSV３３１−１、３３１−２、３３２−１、および３３２−２が形成される。
次に、図２０のFに示されるように、絶縁層３６２の上に、第１金属膜M１１と第２金属膜M１２と絶縁層が形成され、多層配線層３２１が形成される。
図２０のFの後、第１基板４１の光入射面である裏面側に、反射防止膜４３、オンチップレンズ４７等が形成されることで、図１９の受光素子１が完成する。
なお、図１９に示した第６構成例は、図２に示した第１構成例を、２枚の半導体基板の積層構造に変形した構成であるが、上述したその他の構成例、即ち、第２構成例乃至第５構成例を、２枚の半導体基板の積層構造に変形した構成も勿論可能である。
＜１３．４タップの画素構成例＞
第１構成例乃至第６構成例に係る画素１０は、１つのフォトダイオードPDに対して、転送ゲートとして２つの転送トランジスタTRG１およびTRG２を有し、電荷蓄積部として２つの浮遊拡散領域FD１およびFD２とを有し、フォトダイオードPDで生成された電荷を、２つの浮遊拡散領域FD１およびFD２に振り分ける、いわゆる２タップの画素構造であった。
これに対して、画素１０は、１つのフォトダイオードPDに対して、４つの転送トランジスタTRG１乃至TRG４と、浮遊拡散領域FD１乃至FD４とを有し、フォトダイオードPDで生成された電荷を、４つの浮遊拡散領域FD１乃至FD４に振り分ける、いわゆる４タップの画素構造とすることも可能である。
図２１は、４タップの画素構造とした場合の、画素１０の平面図である。
画素１０は、第１転送トランジスタTRGa、第２転送トランジスタTRGb、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、及び、選択トランジスタSELをそれぞれ４個ずつ有する。
フォトダイオードPDの外側であって、矩形の画素１０の四辺の各辺に沿って、第１転送トランジスタTRGa、第２転送トランジスタTRGb、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、及び、選択トランジスタSELのセットが直線的に並んで配置されている。
図２１においては、矩形の画素１０の四辺の各辺に沿って配置された、第１転送トランジスタTRGa、第２転送トランジスタTRGb、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、及び、選択トランジスタSELの各セットに、１乃至４のいずれかの数字を付して区別されている。
以上のように、画素１０は、フォトダイオードPDで生成された電荷を、２タップで振り分ける構造の他、４タップで振り分ける構造も可能であり、２タップに限らず、３タップ以上とすることが可能である。
例えば、画素１０が２タップ構造である場合には、第１のタップと第２のタップとで位相（受光タイミング）を１８０度ずらすことにより、生成電荷を２つの浮遊拡散領域FDに振り分ける駆動が行われる。これに対して、画素１０が４タップ構造である場合には、第１乃至第４のタップとで位相（受光タイミング）を９０度ずつ、ずらすことにより、生成電荷を４つの浮遊拡散領域FDに振り分ける駆動を行うことができる。そして、４つの浮遊拡散領域FDに蓄積された電荷の配分比に基づいて、物体までの距離を求めることができる。
＜１４．測距モジュールの構成例＞
図２２は、上述した受光素子１を用いて測距情報を出力する測距モジュールの構成例を示すブロック図である。
測距モジュール５００は、発光部５１１、発光制御部５１２、および、受光部５１３を備える。
発光部５１１は、所定波長の光を発する光源を有し、周期的に明るさが変動する照射光を発して物体に照射する。例えば、発光部５１１は、光源として、波長が７８０nm乃至１０００nmの範囲の赤外光を発する発光ダイオードを有し、発光制御部５１２から供給される矩形波の発光制御信号ＣＬＫｐに同期して、照射光を発生する。
なお、発光制御信号ＣＬＫｐは、周期信号であれば、矩形波に限定されない。例えば、発光制御信号ＣＬＫｐは、サイン波であってもよい。
発光制御部５１２は、発光制御信号ＣＬＫｐを発光部５１１および受光部５１３に供給し、照射光の照射タイミングを制御する。この発光制御信号ＣＬＫｐの周波数は、例えば、２０メガヘルツ（ＭＨｚ）である。なお、発光制御信号ＣＬＫｐの周波数は、２０メガヘルツ（ＭＨｚ）に限定されず、５メガヘルツ（ＭＨｚ）などであってもよい。
受光部５１３は、物体から反射した反射光を受光し、受光結果に応じて距離情報を画素ごとに算出し、物体（被写体）までの距離に対応するデプス値を画素値として格納したデプス画像を生成して、出力する。
受光部５１３には、上述した第１乃至第６構成例のいずれかの画素構造を有する受光素子１が用いられる。例えば、受光部５１３としての受光素子１は、発光制御信号ＣＬＫｐに基づいて、画素アレイ部２１の各画素１０の浮遊拡散領域FD１またはFD２に振り分けられた電荷に応じた信号強度から、距離情報を画素ごとに算出する。なお、画素１０のタップ数は、上述した４タップなどでもよい。
以上のように、間接ToF方式により被写体までの距離情報を求めて出力する測距モジュール５００の受光部５１３として、上述した第１乃至第６構成例のいずれかの画素構造を有する受光素子１を組み込むことができる。これにより、測距モジュール５００としての測距特性を向上させることができる。
＜１５．電子機器の構成例＞
なお、受光素子１は、上述したように測距モジュールに適用できる他、例えば、測距機能を備えるデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置、測距機能を備えたスマートフォンといった各種の電子機器に適用することができる。
図２３は、本技術を適用した電子機器としての、スマートフォンの構成例を示すブロック図である。
スマートフォン６０１は、図２３に示されるように、測距モジュール６０２、撮像装置６０３、ディスプレイ６０４、スピーカ６０５、マイクロフォン６０６、通信モジュール６０７、センサユニット６０８、タッチパネル６０９、および制御ユニット６１０が、バス６１１を介して接続されて構成される。また、制御ユニット６１０では、CPUがプログラムを実行することによって、アプリケーション処理部６２１およびオペレーションシステム処理部６２２としての機能を備える。
測距モジュール６０２には、図２２の測距モジュール５００が適用される。例えば、測距モジュール６０２は、スマートフォン６０１の前面に配置され、スマートフォン６０１のユーザを対象とした測距を行うことにより、そのユーザの顔や手、指などの表面形状のデプス値を測距結果として出力することができる。
撮像装置６０３は、スマートフォン６０１の前面に配置され、スマートフォン６０１のユーザを被写体とした撮像を行うことにより、そのユーザが写された画像を取得する。なお、図示しないが、スマートフォン６０１の背面にも撮像装置６０３が配置された構成としてもよい。
ディスプレイ６０４は、アプリケーション処理部６２１およびオペレーションシステム処理部６２２による処理を行うための操作画面や、撮像装置６０３が撮像した画像などを表示する。スピーカ６０５およびマイクロフォン６０６は、例えば、スマートフォン６０１により通話を行う際に、相手側の音声の出力、および、ユーザの音声の収音を行う。
通信モジュール６０７は、インターネット、公衆電話回線網、所謂4G回線や5G回線等の無線移動体用の広域通信網、WAN（Wide Area Network）、LAN（Local Area Network）等の通信網を介したネットワーク通信、Bluetooth（登録商標）、NFC（Near Field Communication）等の近距離無線通信などを行う。センサユニット６０８は、速度や加速度、近接などをセンシングし、タッチパネル６０９は、ディスプレイ６０４に表示されている操作画面に対するユーザによるタッチ操作を取得する。
アプリケーション処理部６２１は、スマートフォン６０１によって様々なサービスを提供するための処理を行う。例えば、アプリケーション処理部６２１は、測距モジュール６０２から供給されるデプス値に基づいて、ユーザの表情をバーチャルに再現したコンピュータグラフィックスによる顔を作成し、ディスプレイ６０４に表示する処理を行うことができる。また、アプリケーション処理部６２１は、測距モジュール６０２から供給されるデプス値に基づいて、例えば、任意の立体的な物体の三次元形状データを作成する処理を行うことができる。
オペレーションシステム処理部６２２は、スマートフォン６０１の基本的な機能および動作を実現するための処理を行う。例えば、オペレーションシステム処理部６２２は、測距モジュール６０２から供給されるデプス値に基づいて、ユーザの顔を認証し、スマートフォン６０１のロックを解除する処理を行うことができる。また、オペレーションシステム処理部６２２は、測距モジュール６０２から供給されるデプス値に基づいて、例えば、ユーザのジェスチャを認識する処理を行い、そのジェスチャに従った各種の操作を入力する処理を行うことができる。
このように構成されているスマートフォン６０１では、測距モジュール６０２として、上述した測距モジュール５００を適用することで、例えば、所定の物体までの距離を測定して表示したり、所定の物体の三次元形状データを作成して表示する処理などを行うことができる。
＜１６．移動体への応用例＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
図２４は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
車両制御システム１２０００は、通信ネットワーク１２００１を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図２４に示した例では、車両制御システム１２０００は、駆動系制御ユニット１２０１０、ボディ系制御ユニット１２０２０、車外情報検出ユニット１２０３０、車内情報検出ユニット１２０４０、及び統合制御ユニット１２０５０を備える。また、統合制御ユニット１２０５０の機能構成として、マイクロコンピュータ１２０５１、音声画像出力部１２０５２、及び車載ネットワークＩ／Ｆ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１２０５３が図示されている。
駆動系制御ユニット１２０１０は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット１２０１０は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
ボディ系制御ユニット１２０２０は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット１２０２０は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット１２０２０には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット１２０２０は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
車外情報検出ユニット１２０３０は、車両制御システム１２０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット１２０３０には、撮像部１２０３１が接続される。車外情報検出ユニット１２０３０は、撮像部１２０３１に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット１２０３０は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
撮像部１２０３１は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部１２０３１は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部１２０３１が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
車内情報検出ユニット１２０４０は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット１２０４０には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部１２０４１が接続される。運転者状態検出部１２０４１は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット１２０４０は、運転者状態検出部１２０４１から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット１２０１０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｒｉｖｅｒ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ）の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット１２０２０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
音声画像出力部１２０５２は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図２４の例では、出力装置として、オーディオスピーカ１２０６１、表示部１２０６２及びインストルメントパネル１２０６３が例示されている。表示部１２０６２は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
図２５は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
図２５では、車両１２１００は、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５を有する。
撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５は、例えば、車両１２１００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部１２１０１及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として車両１２１００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部１２１０２，１２１０３は、主として車両１２１００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部１２１０４は、主として車両１２１００の後方の画像を取得する。撮像部１２１０１及び１２１０５で取得される前方の画像は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
なお、図２５には、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲１２１１１は、フロントノーズに設けられた撮像部１２１０１の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１２，１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２，１２１０３の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１４は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部１２１０４の撮像範囲を示す。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両１２１００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１ないし１２１１４内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化（車両１２１００に対する相対速度）を求めることにより、特に車両１２１００の進行路上にある最も近い立体物で、車両１２１００と略同じ方向に所定の速度（例えば、０ｋｍ／ｈ以上）で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ１２０５１は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御（追従停止制御も含む）や自動加速制御（追従発進制御も含む）等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、２輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両１２１００の周辺の障害物を、車両１２１００のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ１２０５１は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ１２０６１や表示部１２０６２を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット１２０１０を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。
マイクロコンピュータ１２０５１が、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部１２０５２は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部１２０６２を制御する。また、音声画像出力部１２０５２は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部１２０６２を制御してもよい。
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、車外情報検出ユニット１２０３０や撮像部１２０３１に適用され得る。具体的には、受光素子１または測距モジュール５００を、車外情報検出ユニット１２０３０や撮像部１２０３１の距離検出処理ブロックに適用することができる。車外情報検出ユニット１２０３０や撮像部１２０３１に、本開示に係る技術を適用することにより、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体までの距離を高精度に測定することができ、得られた距離情報を用いて、ドライバの疲労を軽減したり、ドライバや車両の安全度を高めることが可能になる。
本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
また、上述した受光素子１おいては、信号キャリアとして電子を用いる例について説明したが、光電変換で発生した正孔を信号キャリアとして用いるようにしてもよい。
例えば、上述した受光素子１おいては、各実施の形態の全てまたは一部を組み合わせた形態を採用することができる。
また、本明細書中に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、他の効果があってもよい。
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
オンチップレンズと、
配線層と、
前記オンチップレンズと前記配線層との間に配される半導体層とを備え、
前記半導体層は、
フォトダイオードと、
前記フォトダイオードで生成された電荷を第１の電荷蓄積部に転送する第１の転送トランジスタと、
前記フォトダイオードで生成された電荷を第２の電荷蓄積部に転送する第２の転送トランジスタと、
前記半導体層の深さ方向の少なくとも一部について、隣接する画素どうしの前記半導体層を分離する画素間分離部と
を備え、
前記配線層は、遮光部材を備える１層を少なくとも有し、
前記遮光部材は、平面視において前記フォトダイオードと重なるように設けられている
受光素子。
（２）
前記画素間分離部は、深さ方向に前記半導体層を貫通して構成される
前記（１）に記載の受光素子。
（３）
前記半導体層は、
第１の付加容量と、
前記第１の付加容量を前記第１の電荷蓄積部に接続する第１の切替トランジスタと、
第２の付加容量と、
前記第２の付加容量を前記第２の電荷蓄積部に接続する第２の切替トランジスタと
をさらに備える
前記（１）または（２）に記載の受光素子。
（４）
前記第１の付加容量および前記第２の付加容量は、前記配線層の配線容量で構成される
前記（３）に記載の受光素子。
（５）
前記配線層は、前記遮光部材が形成された層と、前記配線容量が形成された層とを含み、
前記配線容量は、前記遮光部材よりも前記半導体層から遠い層に形成されるように構成される
前記（４）に記載の受光素子。
（６）
前記遮光部材は、２層で構成される
前記（１）乃至（５）のいずれかに記載の受光素子。
（７）
前記半導体層の画素境界部に、画素間遮光膜をさらに備える
前記（１）乃至（６）のいずれかに記載の受光素子。
（８）
前記半導体層の前記フォトダイオードの上方の領域は、微細な凹凸が形成されたモスアイ構造である
前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の受光素子。
（９）
前記半導体層は、別の半導体層である第２半導体層と前記配線層を介して貼り合わされて構成され、
前記第２半導体層は、増幅トランジスタ、選択トランジスタを少なくとも有する
前記（１）乃至（８）のいずれかに記載の受光素子。
（１０）
オンチップレンズと、
配線層と、
前記オンチップレンズと前記配線層との間に配される半導体層とを備え、
前記半導体層は、
フォトダイオードと、
前記フォトダイオードで生成された電荷を第１の電荷蓄積部に転送する第１の転送トランジスタと、
前記フォトダイオードで生成された電荷を第２の電荷蓄積部に転送する第２の転送トランジスタと、
前記半導体層の少なくとも一部の深さで、隣接する画素どうしの前記半導体層を分離する画素間分離部と
を備え、
前記配線層は、遮光部材を備える１層を少なくとも有し、
前記遮光部材は、平面視において前記フォトダイオードと重なるように設けられている
受光素子と、
周期的に明るさが変動する照射光を照射する光源と、
前記照射光の照射タイミングを制御する発光制御部と
を備える測距モジュール。
（１１）
オンチップレンズと、
配線層と、
前記オンチップレンズと前記配線層との間に配される半導体層とを備え、
前記半導体層は、
フォトダイオードと、
前記フォトダイオードで生成された電荷を第１の電荷蓄積部に転送する第１の転送トランジスタと、
前記フォトダイオードで生成された電荷を第２の電荷蓄積部に転送する第２の転送トランジスタと、
前記半導体層の少なくとも一部の深さで、隣接する画素どうしの前記半導体層を分離する画素間分離部と
を備え、
前記配線層は、遮光部材を備える１層を少なくとも有し、
前記遮光部材は、平面視において前記フォトダイオードと重なるように設けられている
受光素子と、
周期的に明るさが変動する照射光を照射する光源と、
前記照射光の照射タイミングを制御する発光制御部と
を備える測距モジュール
を備える電子機器。
１ 受光素子， １０ 画素， PD フォトダイオード， RST リセットトランジスタ， SEL 選択トランジスタ， TRG 転送トランジスタ， FD 浮遊拡散領域， FDG 切替トランジスタ， FDL 付加容量， M 金属膜， MEM メモリ， OFG 電荷排出トランジスタ， ２１ 画素アレイ部， ４１ 半導体基板（第１基板）， ４２ 多層配線層， ４３ 反射防止膜， ４４ 画素境界部（境界部）， ４５ 画素間遮光膜， ４７ オンチップレンズ， ６１ 画素間分離部， ６３ 遮光部材（反射部材）， ６４ 配線容量， ２１１ 画素間分離部， ２２１ 反射防止膜， ２２３ PD上部領域， ３０１ 半導体基板（第２基板）， ３２１ 多層配線層， ５００ 測距モジュール， ５１１ 発光部， ５１２ 発光制御部， ５１３ 受光部， ６０１ スマートフォン， ６０２ 測距モジュール

Claims (11)

  1. オンチップレンズと、
    配線層と、
    前記オンチップレンズと前記配線層との間に配される半導体層とを備え、
    前記半導体層は、
    フォトダイオードと、
    前記フォトダイオードで生成された電荷を第１の電荷蓄積部に転送する第１の転送トランジスタと、
    前記フォトダイオードで生成された電荷を第２の電荷蓄積部に転送する第２の転送トランジスタと、
    前記半導体層の深さ方向の少なくとも一部について、隣接する画素どうしの前記半導体層を分離する画素間分離部と
    を備え、
    前記配線層は、遮光部材を備える１層を少なくとも有し、
    前記遮光部材は、平面視において前記フォトダイオードと重なるように設けられている
    受光素子。
  2. 前記画素間分離部は、深さ方向に前記半導体層を貫通して構成される
    請求項１に記載の受光素子。
  3. 前記半導体層は、
    第１の付加容量と、
    前記第１の付加容量を前記第１の電荷蓄積部に接続する第１の切替トランジスタと、
    第２の付加容量と、
    前記第２の付加容量を前記第２の電荷蓄積部に接続する第２の切替トランジスタと
    をさらに備える
    請求項１に記載の受光素子。
  4. 前記第１の付加容量および前記第２の付加容量は、前記配線層の配線容量で構成される
    請求項３に記載の受光素子。
  5. 前記配線層は、前記遮光部材が形成された層と、前記配線容量が形成された層とを含み、
    前記配線容量は、前記遮光部材よりも前記半導体層から遠い層に形成されるように構成される
    請求項４に記載の受光素子。
  6. 前記遮光部材は、２層で構成される
    請求項１に記載の受光素子。
  7. 前記半導体層の画素境界部に、画素間遮光膜をさらに備える
    請求項１に記載の受光素子。
  8. 前記半導体層の前記フォトダイオードの上方の領域は、微細な凹凸が形成されたモスアイ構造である
    請求項１に記載の受光素子。
  9. 前記半導体層は、別の半導体層である第２半導体層と前記配線層を介して貼り合わされて構成され、
    前記第２半導体層は、増幅トランジスタ、選択トランジスタを少なくとも有する
    請求項１に記載の受光素子。
  10. オンチップレンズと、
    配線層と、
    前記オンチップレンズと前記配線層との間に配される半導体層とを備え、
    前記半導体層は、
    フォトダイオードと、
    前記フォトダイオードで生成された電荷を第１の電荷蓄積部に転送する第１の転送トランジスタと、
    前記フォトダイオードで生成された電荷を第２の電荷蓄積部に転送する第２の転送トランジスタと、
    前記半導体層の少なくとも一部の深さで、隣接する画素どうしの前記半導体層を分離する画素間分離部と
    を備え、
    前記配線層は、遮光部材を備える１層を少なくとも有し、
    前記遮光部材は、平面視において前記フォトダイオードと重なるように設けられている
    受光素子と、
    周期的に明るさが変動する照射光を照射する光源と、
    前記照射光の照射タイミングを制御する発光制御部と
    を備える測距モジュール。
  11. オンチップレンズと、
    配線層と、
    前記オンチップレンズと前記配線層との間に配される半導体層とを備え、
    前記半導体層は、
    フォトダイオードと、
    前記フォトダイオードで生成された電荷を第１の電荷蓄積部に転送する第１の転送トランジスタと、
    前記フォトダイオードで生成された電荷を第２の電荷蓄積部に転送する第２の転送トランジスタと、
    前記半導体層の少なくとも一部の深さで、隣接する画素どうしの前記半導体層を分離する画素間分離部と
    を備え、
    前記配線層は、遮光部材を備える１層を少なくとも有し、
    前記遮光部材は、平面視において前記フォトダイオードと重なるように設けられている
    受光素子と、
    周期的に明るさが変動する照射光を照射する光源と、
    前記照射光の照射タイミングを制御する発光制御部と
    を備える測距モジュール
    を備える電子機器。
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