CN104091813B - 一种基于闪存工艺的三维图像传感器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于标准闪存工艺的三维图像传感器，所述三维传感器结构左右轴对称；包括中间衬底、分别位于中间衬底左侧的左衬底和右侧的右衬底；包括设置于左衬底上方、横跨至中间衬底左存储区上方的左浮栅层，所述左浮栅层上方设置有左读出栅和左控制栅，且所述左读出栅位于左衬底上方、左控制栅位于中间衬底左存储区上方；且左衬底、左浮栅层和左读出栅构成第一读出晶体管；包括设置于中间衬底的中间产生区上方的光电子产生控制栅，所述光电子产生控制栅两侧对称的设置有左电子转移控制栅和右电子转移控制栅，且所述左电子转移控制栅位于左转移区上方、右电子转移控制栅位于右存储区上方；能有效降低单个像素的大小。

Description

一种基于闪存工艺的三维图像传感器及其操作方法

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别涉及一种三维成像的图像传感器及其获得信号的方法，其与标准闪存工艺相兼容，能够实现空间三维成像。

背景技术

图像传感器是将光学图像信息转化为电学信号的设备，从上世纪七十年代出现CCD技术后，固态数字图像传感器得到了飞速的发展，其在消费电子、交通工业、医疗以及航空航天领域取得了巨大的成功。而CMOS图像传感器的发明更是推动了图像传感器在各个领域得到了更多的应用，特别是随着集成电路技术的深入发展，使得CMOS图像传感器具有更大的集成度、更低的功耗、更快的速度、更低的成本，数字图像传感器已经进入了社会生活的各个方面。

随着技术的发展，图像传感器不仅可以记录物体光强的大小，同时通过相关技术可以得到被测物体的距离信息，从而实现三维成像，目前主要有两种技术，包括多视角成像技术，以及时间飞行(Time of Flight，TOF)成像技术。

多视角成像技术主要应用三角测距成像的原理得到物体的距离信息。实现方法可以通过传感器在不同位置对物体成像，或者利用两颗摄像头进行成像。时间飞行成像技术利用主动光源来照射被测物体，传感器测量出物体反射回来的光波的飞行时间，从而得到物体的三维信息。已有的时间飞行成像传感器包括雪崩管、电荷调制器件等。由于时间飞行成像技术利用光源去主动照射被测物体，所以也称时间飞行成像技术为主动探测技术，而多视角成像技术也被称为被动探测技术。

发明内容

本发明目的是：提出一种基于闪存工艺的三维图像传感器及其操作方法，该传感器结构简单，且基于标准闪存工艺技术，工艺兼容性好，能够快速地实现三维成像。

本发明的技术方案是：一种基于标准闪存工艺的三维图像传感器，所述三维传感器结构左右轴对称；包括中间衬底、分别位于中间衬底左侧的左衬底和右侧的右衬底；

所述中间衬底自左向右对称的分布为左存储区、左转移区、中间产生区、右存储区和右转移区，用于光电子产生、转移和存储；

包括设置于左衬底上方、横跨至中间衬底左存储区上方的左浮栅层，所述左浮栅层上方设置有左读出栅和左控制栅，且所述左读出栅位于左衬底上方、左控制栅位于中间衬底左存储区上方；且左衬底、左浮栅层和左读出栅构成第一读出晶体管；

包括设置于右衬底上方、横跨至中间衬底右存储区上方的右浮栅层，所述右浮栅层上方设置有右读出栅和右控制栅，且所述右读出栅位于右衬底上方、右控制栅位于中间衬底右存储区上方；且右衬底、右浮栅层和右读出栅构成第二读出晶体管；

包括设置于中间衬底的中间产生区上方的光电子产生控制栅，所述光电子产生控制栅两侧对称的设置有左电子转移控制栅和右电子转移控制栅，且所述左电子转移控制栅位于左转移区上方、右电子转移控制栅位于右存储区上方；

所述三维图像传感器的光电子产生控制栅上方透光，其他部分均采用后端的金属走线将光给隔离。

进一步的，所述左电子转移控制栅和右电子转移控制栅的边缘包住光电子产生控制栅。

进一步的，所述左浮栅层、右浮栅层和光电子产生控制栅均由第一层多晶硅制成。

进一步的，所述左读出栅、左控制栅、右读出栅、右控制栅、左电子转移控制栅和右电子转移控制栅均由第二层多晶硅制成。

进一步的，所述左衬底和右衬底均做pwell注入和晶体管源漏n型注入。

进一步的，所述左衬底、中间衬底和右衬底通过四道浅槽隔离分隔，每两个浅槽隔离之间形成一个衬底。

进一步的，所述左读出栅上接左读出电极、左控制栅上接左控制电极、左电子转移控制栅上接左电子转移控制电极、光电子产生控制栅上接光电子产生电极、右读出栅上接左读出电极、右控制栅上接左控制电极、右电子转移控制栅上接右电子转移控制电极。

本发明还提供一种基于标准闪存工艺的三维图像传感器的操作方法，包括三个阶段：

第一、复位阶段

(1)将三维图像传感器所有的电极接地，排空衬底中的光电子，使器件复位；

(2)复位后，在左控制栅和右控制栅上加正电压，左控制栅和右控制栅下方中间衬底左右两侧分别形成光电子左存储区和右存储区；

(3)在第一读出晶体管的栅极和漏端上加电压，形成源极跟随器，读取源端输出电压V₁₀，得到第一读出晶体管曝光之前的初始信号；

(4)用同样方法在第二读出晶体管的栅极和漏端上加电压，形成源极跟随器，读取源端输出电压V₂₀，得到第二读出晶体管曝光之前的初始信号；

第二、感光阶段

(1)脉冲光源发出一束光脉冲，光脉冲功率为P，脉冲宽度为T_P，反射光在Δt返回到传感器；在光脉冲发射t_SH时间后，打开光电子产生控制栅和左电子转移控制栅，三维图像传感器接收反射回来的光束，并在光电子产生控制栅下方的产生区中产生光电子，产生的光电子漂移扩散进入左控制栅下方的左存储区中；

(2)左存储区收集完产生的光电子后，将光电子产生控制栅和左电子转移控制栅关闭；

(3)脉冲光源重新发射一束光脉冲，并在同一时刻打开光电子产生控制栅和右电子转移控制栅；三维图像传感器接收反射回来的光束，并在光电子产生控制栅下方的产生区中产生光电子，产生的光电子漂移扩散进入右控制栅下方的右存储区；

(4)右存储区收集完产生的光电子后，将光电子产生控制栅和右电子转移控制栅关闭；

第三、读出阶段

(1)在第一读出晶体管的栅极和漏端上加电压，读取源端输出电压V₁，得到第一读出晶体管曝光之后的电压信号；输出电压的变化量ΔV₁就等于左控制栅下方左存储区收集的光强大小I₁：

ΔV₁＝V₁-V₁₀＝kI₁

其中k为将电压转化为光强的单位转化系数；左控制栅下方左存储区收集的光强大小I₁为

I₁＝P(Δt+T_P-t_SH)

综合上述两式可以得到

ΔV₁＝kP(Δt+T_P-t_SH) (1)

(2)在第二读出晶体管上的栅极和漏端加电压，使第二读出晶体管形成源极跟随器，读取源端输出电压V₂，从而得到第二读出晶体管曝光之后的电压信号；输出电压的变化量ΔV₂就等于右控制栅下方右存储区收集的光强大小I₂：

ΔV₂＝V₂-V₂₀＝kI₂

其中k为将电压转化为光强的单位转化系数；右控制栅下方右存储区收集的光强大小I₂可以表示为：

I₂＝PT_P

综合上述两式可以得到：

ΔV₂＝kPT_P (2)

通过(1)(2)两式，就可以得到光的飞行时间为：

$\mathrm{\Δt}=(\frac{{\mathrm{\ΔV}}_1}{\mathrm{\Δ}{V}_2}-1)T_P+t_{\mathrm{SH}}=(\frac{V_1-V_{10}}{V_2-V_{20}}-1)T_P+t_{\mathrm{SH}}$

从而得到物体的距离信息。

进一步的，所述打开光电子产生控制栅和左电子转移控制栅即在光电子产生电极和左电子转移控制电极上加正偏压，所述将光电子产生控制栅和左电子转移控制栅关闭即光电子产生电极和左电子转移控制电极接地；所述打开光电子产生控制栅和右电子转移控制栅即在光电子产生电极和右电子转移控制电极上加正偏压；所述将光电子产生控制栅和右电子转移控制栅关闭即光电子产生电极和右电子转移控制电极接地。

进一步的，所述三维图像传感器在构成阵列时，复位时阵列中所有像素同时复位；感光阶段阵列中所有像素同时感光；读出时，通过第一读出晶体管和第二读出晶体管起到行选择管的作用，阵列采用逐行读出方式，一个像素中两个晶体管同时读出，同一行像素同时读出；读出时在晶体管栅极和漏极加电源电压，使晶体管构成源极跟随器，信号从晶体管源端读出。

本发明的有效效益是：

本发明所述三维图像传感器包括一个光电子产生控制栅，两个转移控制栅，两个光电子存储控制栅和两个读出晶体管，器件结构简单，读出晶体管能同时完成选择管和源极跟随器读出管的作用，能有效降低单个像素的大小。

本发明所述三维图像传感器基于标准闪存工艺，工艺改动较小，成本低廉。

本发明所述左电子转移控制栅和右电子转移控制栅的边缘包住光电子产生控制栅，从而达到较高的转移效率。

附图说明

图1为本发明所述三维图像传感器的器件结构图；

图2为本发明所述三维图像传感器的主要版图层次图；

图3为本发明所述三维图像传感器的读出晶体管截面图；

图4为本发明所述三维图像传感器的衬底导带图；

图5为本发明所述三维图像传感器的读出晶体管在曝光前后的阈值电压变化图；

图6为本发明所述三维图像传感器的工作原理图；

图7为本发明所述三维图像传感器得到光飞行时间的原理图；

图8为本发明所述三维图像传感器控制栅106下方存储区收集光电子时的衬底导带图；

图9为本发明所述三维图像传感器控制栅113下方存储区收集光电子时的衬底导带图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示为本发明所述的三维图像传感器截面图，器件关于中心轴左右对称。中间衬底101区为光电子产生、转移和收集区，不做任何阱注入工艺。左衬底102和右衬底103做读出晶体管的衬底，做pwell注入以及晶体管源漏n型注入，浅槽隔离STI将两种衬底区隔开。在左衬底102上方为左浮栅层104，左浮栅层104用第一层多晶硅poly1制成，不接任何电极。左浮栅层104横跨至中间衬底101区。左浮栅层104层上方设有左读出栅105和左控制栅106,两个栅都用第二层多晶硅制成，左读出栅105在左衬底102上方，左控制栅106在中间衬底101区上方，左控制栅106下方的衬底为光电子存储区。左读出栅105上接电极RG1，左控制栅106上接电极CG1。中间衬底101产生区上方为用第一层多晶硅制成的110层，其上接电极PG，作为光电子产生控制栅。中间衬底101转移区上方为用第二层多晶硅制成的109层，其上接电极TG1，作为光电子转移控制栅，109层在边缘包住110层，从而达到较高的转移效率。整个器件左右对称，在110层右侧为右转移控制栅114，其上接电极TG2。右衬底103上方为右浮栅111层，111层上方有右控制栅113和右读出栅112，右控制栅113上接电极CG2，右读出栅112上接电极RG2。传感器只有光电子产生控制栅110上方透光，其他部分都用后端的金属走线将光给隔离。

传感器主要版图层次如图2所示，图中201为第二层多晶硅poly2的版图，其形成了传感器的读出栅(105和112)、控制栅(106和113)以及转移控制栅(109和114)。图中202为器件有源区(active area，AA)版图，读出区(102和103)与中间衬底(101)的有源区AA被STI隔开。图中203为第一层多晶硅poly1的版图，其形成传感器的光电子产生控制栅110和浮栅层(104和111)。图中204为阱注入隔离层psub，该区域不做任何阱注入，而晶体管区做pwell注入以及后续的晶体管源漏n型注入。

沿图2BB’做切线的器件截面图如图3所示，即为图1中晶体管区B点垂直于纸面的器件截面图。图1中的左浮栅104和左读出栅105构成了图3中的读出晶体管的两层栅(304和305)，302和303为读出晶体管的源区和漏区，衬底301即为图1中的左衬底102区。由于传感器结构对称，所以图1中的右浮栅111和右读出栅112构成了第二个读出晶体管。这两个晶体管即作为选择管，也作为信号读出缓冲管。

传感器感光时，在光电子产生控制栅110的电极PG上加正电压，两个控制栅电极CG1和CG2加正电压，读出栅电极RG1和RG2接地，转移控制栅接地或加小的负电压，如果有光入射，则在光电子产生控制栅110下产生光电子，此时传感器衬底导带图如图4实线所示。因为转移控制栅109和114接地，所以产生区的电子不能流入到两个控制栅(106和113)下方的存储区。如果在左转移控制栅109上加一个合适的正电压，则109下方的衬底导带下降，使光电子流入到左控制栅106下方的存储区，从而造成左读出晶体管的阈值电压增大。如图5所示为左读出晶体管在曝光前后漏端电流随栅压的关系，通过读取曝光前后管子的阈值电压差，就可以得到流入到左控制栅106下方存储区中的光强大小。同理，在右转移控制栅114上加一个正电压，光电子产生控制栅110下的光电流会流入到右控制栅113下方的存储区，通过右读取晶体管的阈值电压，就可以得到流入到右控制栅113下方存储区的光强大小。

本发明所述三维传感器测距原理如图6所示，利用脉冲光源向被测物体发射光脉冲，光遇到物体后被反射回来并被传感器接收，通过本发明所述传感器将光的飞行时间Δt得到，从而可以算出被测物体距离传感器的距离为：

其中c是光速。

本发明所述传感器得到光飞行时间的原理如图7所示。传感器两个控制栅电极106和113上加正电压，在106和103下方形成光电子存储区(其他电极接地)。脉冲光源发出一束脉冲光，光脉冲功率为P，脉冲宽度为TP，反射光在Δt返回到传感器。在光脉冲发射t_SH时间后，打开光电子产生控制栅110和左转移控制栅109(在电极PG和TG1上加正偏压)，这时反射回来的光将产生光电子并被转移到左控制栅106下方的存储区。之后，关闭左转移控制栅109和光电子产生控制栅110。脉冲光源再次发射一束脉冲光，并在同一时间打开光电子产生控制栅110和右转移控制栅114(在电极PG和TG2上加正偏压)，这时反射回来的光产生的光电子被转移到113下方的存储区。最后读取左读取晶体管的阈值电压差，可以得到流入到106下方存储区的光强大小为：

I₁＝P(Δt+T_P-t_SH) (1)

同样，通过读取右读取晶体管的阈值电压差，可以得到流入到113下方存储区的光强大小为：

I₂＝PT_P (2)

通过(1)(2)两式，就可以得到光的飞行时间为：

$\mathrm{\Δt}=(\frac{I_1}{I_2}-1)T_P+t_{\mathrm{SH}}---\left(3\right)$

从而可以得到物体的距离信息。

本发明所述三维传感器工作过程包括三个阶段：复位阶段、感光阶段、读出阶段。

复位阶段。

将传感器中所有的电极接地，排空衬底中的光电子，达到复位目的。复位后，在控制栅106和113上加正电压，此时控制栅106和113下方衬底耗尽，形成光电子存储区。在左读取晶体管的栅极和漏端上加电压，形成源极跟随器，读取源端输出电压V₁₀，从而得到左读取晶体管曝光之前的初始信号。再在右读取晶体管上的栅极和漏端加电压，使晶体管形成源极跟随器，读取源端输出电压V₂₀，从而得到右读取晶体管曝光之前的初始信号。

感光阶段。

该阶段包括两个过程，首先是左控制栅106下方存储区收集光电子，然后是右控制栅113下方存储区收集光电子。

左控制栅106下方存储区收集光电子过程。如图7所示，脉冲光源发出一束光脉冲，在光脉冲发射t_SH时间后，打开光电子产生控制栅110和左转移控制栅109(在电极PG和TG1上加正偏压)，其能带图如图8所示，反射回来的光束被传感器接收，并在光电子产生控制栅110下方的产生区中产生光电子，由于左转移控制栅109打开，所以产生的光电子会漂移扩散进入左控制栅106下方的存储区中。收集完成后，将光电子产生控制栅110和左转移控制栅109关闭(电极PG和TG1接地)。

右控制栅113下方存储区收集光电子过程。光源重新发射一束光脉冲，并在同一时刻打开光电子产生控制栅110和右转移控制栅114(在电极PG和TG2上加正偏压)。如图9所示，反射回来的光在光电子产生控制栅110下方衬底中产生光电子，由于右转移控制栅114打开，产生的光电子会漂移扩散进去右控制栅113下方的存储区。收集完成后，将光电子产生控制栅110和右转移控制栅114关闭(电极PG和TG2接地)。

读出阶段。

感光之后，首先在左读出晶体管的栅极和漏端上加电压，读取源端输出电压V₁，得到左读出晶体管曝光之后的电压信号。输出电压的变化量就等于左控制栅106下方存储区收集的光强大小：

ΔV₁＝V₁-V₁₀＝kI₁

其中k为将电压转化为光强的单位转化系数。如图7所示，左控制栅106下方存储区收集的光强大小可以表示为

I₁＝P(Δt+T_P-t_SH)

综合上述两式可以得到

ΔV₁＝kP(Δt+T_P-t_SH) (4)

再在右读出晶体管上的栅极和漏端加电压，使晶体管形成源极跟随器，读取源端输出电压V₂，从而得到右读出晶体管曝光之后的电压信号。输出电压的变化量就等于右控制栅113下方存储区收集的光强大小：

ΔV₂＝V₂-V₂₀＝kI₂

其中k为将电压转化为光强的单位转化系数。如图7所示，右控制栅113下方存储区收集的光强大小可以表示为

I₂＝PT_P

综合上述两式可以得到

ΔV₂＝kPT_P (5)

通过(4)(5)两式，就可以得到光的飞行时间为：

$\mathrm{\Δt}=(\frac{{\mathrm{\ΔV}}_1}{\mathrm{\Δ}{V}_2}-1)T_P+t_{\mathrm{SH}}=(\frac{V_1-V_{10}}{V_2-V_{20}}-1)T_P+t_{\mathrm{SH}}$

从而可以得到物体的距离信息。

本发明所述图像传感器在构成阵列时，复位时，阵列中所有像素同时复位。感光阶段阵列中所有像素同时感光。读出时，通过两个晶体管可以起到行选择管的作用，阵列采用逐行读出方式，一个像素中两个晶体管同时读出，同一行像素同时读出。读出时在晶体管栅极和漏极加电源电压，使晶体管构成源极跟随器，信号从晶体管源端读出。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实例的示意图，并不用一限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于标准闪存工艺的三维图像传感器的操作方法，其特征在于：包括三个阶段：

第一、复位阶段

(1)将三维图像传感器所有的电极接地，排空衬底中的光电子，使器件复位；

(2)复位后，在左控制栅(106)和右控制栅(113)上加正电压，左控制栅(106)和右控制栅(113)下方中间衬底(101)左右两侧分别形成光电子左存储区和右存储区；

(3)在第一读出晶体管的栅极和漏端上加电压，形成源极跟随器，读取源端输出电压V₁₀，得到第一读出晶体管曝光之前的初始信号；

(4)用同样方法在第二读出晶体管的栅极和漏端上加电压，形成源极跟随器，读取源端输出电压V₂₀，得到第二读出晶体管曝光之前的初始信号；

第二、感光阶段

(1)脉冲光源发出一束光脉冲，光脉冲功率为P，脉冲宽度为T_P，反射光在Δt返回到传感器；在光脉冲发射t_SH时间后，打开光电子产生控制栅(110)和左电子转移控制栅(109)，三维图像传感器接收反射回来的光束，并在光电子产生控制栅(110)下方的产生区中产生光电子，产生的光电子漂移扩散进入左控制栅(106)下方的左存储区中；

(2)左存储区收集完产生的光电子后，将光电子产生控制栅(110)和左电子转移控制栅(109)关闭；

(3)脉冲光源重新发射一束光脉冲，并在同一时刻打开光电子产生控制栅(110)和右电子转移控制栅(114)；三维图像传感器接收反射回来的光束，并在光电子产生控制栅(110)下方的产生区中产生光电子，产生的光电子漂移扩散进入右控制栅(113)下方的右存储区；

(4)右存储区收集完产生的光电子后，将光电子产生控制栅(110)和右电子转移控制栅(114)关闭；

第三、读出阶段

(1)在第一读出晶体管的栅极和漏端上加电压，读取源端输出电压V₁，得到第一读出晶体管曝光之后的电压信号；输出电压的变化量ΔV₁就等于左控制栅(106)下方左存储区收集的光强大小I₁：

ΔV₁＝V₁-V₁₀＝kI₁

其中k为将电压转化为光强的单位转化系数；左控制栅(106)下方左存储区收集的光强大小I₁为

I₁＝P(Δt+T_P-t_SH)

综合上述两式可以得到

ΔV₁＝kP(Δt+T_P-t_SH) (1)

(2)在第二读出晶体管上的栅极和漏端加电压，使第二读出晶体管形成源极跟随器，读取源端输出电压V₂，从而得到第二读出晶体管曝光之后的电压信号；输出电压的变化量ΔV₂就等于右控制栅(113)下方右存储区收集的光强大小I₂：

ΔV₂＝V₂-V₂₀＝kI₂

其中k为将电压转化为光强的单位转化系数；右控制栅(113)下方右存储区收集的光强大小I₂表示为：

I₂＝PT_P

综合ΔV₂＝V₂-V₂₀＝kI₂和I₂＝PT_P两式可以得到：

ΔV₂＝kPT_P (2)

通过(1)(2)两式，就可以得到光的飞行时间为：

$\mathrm{\Δ}t=(\frac{{\mathrm{\ΔV}}_1}{{\mathrm{\ΔV}}_2}-1)T_P+t_{SH}=(\frac{V_1-V_{10}}{V_2-V_{20}}-1)T_P+t_{SH}$

从而得到物体的距离信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于标准闪存工艺的三维图像传感器的操作方法，其特征在于：所述打开光电子产生控制栅(110)和左电子转移控制栅(109)即在光电子产生电极(PG)和左电子转移控制电极(TG1)上加正偏压，所述将光电子产生控制栅(110)和左电子转移控制栅(109)关闭即光电子产生电极(PG)和左电子转移控制电极(TG1)接地；所述打开光电子产生控制栅(110)和右电子转移控制栅(114)即在光电子产生电极(PG)和右电子转移控制电极(TG2)上加正偏压；所述将光电子产生控制栅(110)和右电子转移控制栅(114)关闭即光电子产生电极(PG)和右电子转移控制电极(TG2)接地。

3.根据权利要求1所述的一种基于标准闪存工艺的三维图像传感器的操作方法，其特征在于：所述三维图像传感器在构成阵列时，复位时阵列中所有像素同时复位；感光阶段阵列中所有像素同时感光；读出时，通过第一读出晶体管和第二读出晶体管起到行选择管的作用，阵列采用逐行读出方式，一个像素中两个晶体管同时读出，同一行像素同时读出；读出时在晶体管栅极和漏极加电源电压，使晶体管构成源极跟随器，信号从晶体管源端读出。