DE112005000411T5 - Laufzeit-Reichweitenerfassungssensor - Google Patents

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Abstract

Laufzeit-Reichweitenerfassungssensor zum Erfassen von Reichweiten, indem ein Signal entnommen wird, das von einer Verzögerungszeit von repetitiven Lichtpulsen abhängt, die von einer Lichtquelle gesendet und dann von einem zu messenden Zielobjekt reflektiert werden, wobei der Laufzeit-Reichweitenerfassungssensor umfasst:
eine Isolationsschicht (3), die auf einem Halbleitersubstrat (20) gebildet ist;
zwei nahe aneinander angeordnete, leitfähige Fotogate-Elektroden (1 und 2), die für eine Wellenlänge eines Lichts, das von dem Zielobjekt reflektiert wird, transparent sind; und
erste floatende Diffusionsschichten (5 und 6), die unter den und an Enden der Fotogate-Elektroden angeordnet sind,
wobei Bereiche des Halbleitersubstrats unterhalb der zwei Fotogate-Elektroden und unterhalb einer Lücke zwischen den zwei Fotogate-Elektroden als eine Fotodetektorschicht (4) verwendet werden.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reichweitenerfassungssensor, der eine Verzögerungszeit eines Lichtpulses misst, der von einer Lichtquelle gesendet und dann von einem zu messenden Zielobjekt reflektiert wird.
  • STAND DER TECHNIK
  • Die folgenden Literaturstellen zeigen verwandten Sachstand:
    • (1) Erfinder: Cyrus Bamji, Bevollmächtigter: Canesta Inc., "CMOS-Compatible Three-dimensional image sensor", US Patent Nr. US 6323942 B1 , 27. November 2001;
    • (2) R. Lange, P. Seitz, A. Biber, und S. Lauxtermann, "Demodulation pixels in CCD and CMOS technologies for time-of-flight ranging", Proceedings of SPIE, Vol. 3965, Seiten 177–188, 2000;
    • (3) Ryohei Miyagawa, Takeo Kanade, "CCD-based range-finding sensor"; IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 44, Nr. 10, Seiten 1648–1652 (1997);
    • (4) Reichweitenabbildungsvorrichtung, offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2001-281336; und
    • (5) Ladungs-gekoppelte Vorrichtung, offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2003-51988.
  • Gemäß dem Verfahren aus (1) werden Lichtpulse gesendet, und die Wellenform von Empfangssignalpulsen wird geformt, indem Spitzenwerte der Empfangssignalpulse erfasst werden, so dass eine Verzögerungszeit digital unter Verwendung von Hochgeschwindigkeitspulsen gemessen werden kann. Da das Verfahren aus (1) nicht gut ohne eine ausreichende Lichtintensität arbeiten kann, die eine Erzeugung eines Pulssignals aus dem Empfangssignal erleichtert, sind Anwendungsfelder des Verfahrens aus (1) beschränkt.
  • Die Architekturen der Verfahren aus (2) und (3) sind einander ähnlich. In dem Verfahren aus (2), in welchem CCD und CMOS in einen einzigen Chip durch einen integrierten Herstellungsprozess zusammengeführt sind, wird mit einem Hochfrequenz-modulierten Licht von 20 MHz, in dem ein Ladungsübertragungsmechanismus der CCD benutzt wird, eine Charakteristik, wie etwa, dass das Verteilungsverhältnis von Ladungen in zwei Knoten von der Verzögerungszeit des modulierten Lichts abhängt, synchron zu dem modulierten Licht benutzt. Eine derartige integrierte CCD-CMOS-Herstellungsprozedur erhöht die Kosten.
  • Gemäß dem Verfahren nach (3) wird der Aufbau der CCD benutzt, um abwechselnd Ladungen, die durch ein pulsmoduliertes Licht erzeugt werden, zu zwei Knoten zu übertragen, und eine Charakteristik des resultierenden Ladungsverteilungsverhältnisses, das von der Verzögerungszeit des modulierten Lichts abhängt, wird benutzt. Eine Verwendung einer derartigen CCD erfordert einen speziellen Herstellungsprozess. Überdies kann, während nur ein eindimensionaler Sensor (d.h. ein Zeilensensor) offenbart ist, eine Implementierung eines zweidimensionalen Sensors (Flächensensors), der nur mit CCDs eingerichtet wird, schwierig sein, in Anbetracht dessen, dass sämtliche Pixel gleichzeitig bei einer hohen Frequenz getrieben werden sollten.
  • Gemäß den Verfahren nach (4) und (5) wird, obwohl kein detaillierter Aufbau offenbart ist, ein Aufbau, bei welchem Ladungen, die durch eine Fotodiode erzeugt werden, zu floatenden Diffusionsschichten über zwei Übertragungsgatter übertragen werden, eingesetzt. Jedoch führt eine unvollständige Übertragung der Ladungen zu zwei floatenden Diffusionsschichten zu einem unzureichenden Betriebsverhalten. Deswegen muss ein komplexer Herstellungsprozess hinzugefügt werden, um eine CMOS-Struktur herzustellen, was zu hohen Herstellungskosten führt. Unterdessen ist, weil eine Integration einer parallelen Treiberschaltung zum Treiben von Pixeln in der CCD-Architektur durch diese selbst unmöglich ist, eine integrierte CCD-CMOS-Herstellungsprozedur für die CCD-Architektur erforderlich. Zusammenfassend gehen niedrige Kosten nicht einher mit einem guten Betriebsverhalten.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist vorzuziehen, einen Reichweitenerfassungssensor mit einem optimalen Betriebsverhalten bei niedrigen Kosten herzustellen, indem die geringstmögliche Anzahl von Fertigungsprozessen einer standardisierten CMOS-Herstellungsprozedur hinzugefügt werden.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Reichweitenerfassungssensor mit gutem Betriebsverhalten bereitzustellen, der durch eine standardisierte CMOS-Herstellungsprozedur hergestellt wird, oder indem ein einfacher Fertigungsschritt der standardisierten CMOS-Herstellungsprozedur hinzugefügt wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 einen Aufbau eines Pixelbereichs in einem TOF-Sensor;
  • 2 ein Potentialverteilungsdiagramm, das einen Betrieb des TOF-Sensors erläutert;
  • 3 ein Blockdiagramm eines TOF-Reichweitenerfassungs-Bildsensors;
  • 4 ein Zeitgebungsdiagramm, das das Verhalten der Schaltung in 3 zeigt;
  • 5 einen Aufbau einer Pixelschaltung, die eine Abtast- und Haltefunktion aufweist;
  • 6 ein Zeitgebungsdiagramm für einen Reichweitenerfassungs-Bildsensor unter Verwendung der Schaltung der 5, welches eine Zeitgebung zum Auslesen von Hintergrundlicht einschließt;
  • 7 Aufbauten unter Verwendung von Diffusionsschichten vom n-Typ unter einem Feldoxid – 7(a) ist eine Querschnittsansicht, während 7(b) eine Draufsicht ist – im Vergleich zu 1;
  • 8 einen Aufbau eines TOF-Pixels unter Verwendung eines Aufbaus von Interdigitalelektroden;
  • 9 eine Mischung von Signalladungen aufgrund einer Leckage von Licht;
  • 10 ein Verhalten des TOF-Pixels unter Verwendung des Aufbaus der Interdigitalelektroden;
  • 11 einen Aufbau eines TOF-Sensors, der drei Elektroden einschließt;
  • 12 eine Pixelschaltung der 11;
  • 13 ein Zeitgebungsdiagramm für Steuersignale in der Pixelschaltung der 11; und
  • 14 einen Pixelaufbau eines TOF-Sensors unter Verwendung eines Feldoxids, das durch eine STI-Architektur eingerichtet ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • [ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM]
  • Eine vollständige Übertragung von Ladungen ist erforderlich, um einen Laufzeitsensor (nachstehend als ein "TOF (time-of-flight)"-Sensor bezeichnet) bereitzustellen. Jedoch ist es als unmöglich angesehen worden, eine derartige vollständige Übertragung unter Verwendung einer Standard-CMOS-Architektur zu erreichen. Dementsprechend sind bestimmte Fertigungsprozesse der standardisierten CMOS-Herstellungsprozedur hinzugefügt worden. Die vorliegende Erfindung dient dazu, ein derartiges Problem unter Verwendung einer Mikrofabrikations-Technologie und eines speziellen Aufbaus zu überwinden, der unter Verwendung einer standardisierten CMOS-Herstellungsprozedur gefertigt werden kann.
  • 1 zeigt einen Aufbau eines Pixels eines Reichweitenerfassungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung. Während ein einzelnes Pixel selbst für ein bestimmtes Anwendungsfeld verwendet werden kann, implementiert ein Anordnen einer Mehrzahl von Pixeln eindimensional oder zweidimensional einen Reichweitenerfassungssensor. 1(a) zeigt eine Querschnittsansicht des Pixels des Reichweitenerfassungssensors, während 1(b) eine ebene Ansicht zeigt, die von oberhalb einer Fläche eines Halbleitersubstrats – beobachtet von einem Ort in der oberen Richtung des Papiers der Querschnittsansicht – zeigt. 2 zeigt eine Potentialverteilung in und auf der Fläche des Halbleitersubstrats, wobei das Verhalten des Pixels des Reichweitenerfassungssensors beschrieben wird.
  • Eine Isolationsschicht 3 ist auf dem Halbleitersubstrat 20 bereitgestellt, und ein Paar von Foto-Gate-Elektroden (1 und 2), die konfiguriert sind, Ladungen zu übertragen, sind auf den Foto-Gate-Elektroden bereitgestellt. An den Enden der Isolatorschicht sind floatende Diffusionsschichten (5 und 6), die konfiguriert sind, Ladungen aus einer Fotodetektorschicht (4) zu extrahieren, bereitgestellt, und an den Außenseiten der floatenden Diffusionsschichten sind Gate-Elektroden für Rücksetztransistoren und Diffionsschichten, die konfiguriert sind, Rücksetzspannungen in floatenden Diffusionsschichten über die Rücksetztransistoren zuzuführen, bereitgestellt. Nachstehend wird ein beispielhafter Aufbau, der ein Siliziumsubstrat vom p-Typ als das Halbleitersubstrat (20), ein Feldoxid als die Isolationsschicht (3), und Polysiliziumelektroden als jeweilige Foto-Gate-Elektroden (1 und 2) enthält, erläutert werden.
  • Wie in 1 gezeigt, sind auf dem Feldoxid zwei Polysiliziumelektroden so nah wie möglich aneinander bereitgestellt. Repetitive Signalpulse TX1 und TX2, die zueinander umgekehrte Phasen aufweisen, werden an die Polysiliziumelektroden angelegt, wodurch das Pixel betrieben wird. Es wird angenommen, dass die Polysiliziumelektroden dünn genug sind, damit ein Empfangslicht mit einer spezifischen Wellenlänge hindurch läuft. Es sei darauf hingewiesen, dass eine Verbindung, die als "Silizid" bezeichnet ist, die aus Metall und Silizium ausgeführt ist, auf den Polysiliziumelektroden gebildet ist, und wenn das Silizid nicht eine ausreichende Transmissivität für ein Empfangslicht aufweist, dort hindurch zu laufen, wird ein Prozess zum Verhindern einer Bildung des Silizids oder zum Entfernen des Silizids danach benötigt. Überdies sei darauf hingewiesen, dass 1 auf der Annahme basiert ist, dass zum Bilden des Feldoxids ein Prozess mit einer lokalen Oxidation von Silizium-(LOCOS)-Prozess verwendet wird. Eine Veranschaulichung der Geometrie der LOCOS-Konfigurationen ist in 2 weggelassen, weil 2 das Betriebsprinzip des Pixels erläutern soll.
  • Eine Apertur ist nur in dem zentralen Bereich zwischen zwei jeweiligen Polysiliziumelektroden bereitgestellt, so dass die anderen Bereiche optisch abgeschirmt werden können. Es ist vorzuziehen, dass die Halbleiterschicht unterhalb der Polysiliziumelektroden von einer niedrigen Konzentration ist, so dass das stärkstmögliche elektrische Streufeld in der Halbleiterschicht eingerichtet werden kann. Ein derartiger Bereich einer niedrigen Konzentration kann durch eine Herstellungsprozedur derart erreicht werden, dass der Bildungsprozess einer Senke von p-Typ gegenüber der standardisierten Herstellungsprozedur weggelassen wird, durch welche eine Senke vom p-Typ und eine Senke vom n-Typ in einem Substrat vom p-Typ einer niedrigen Konzentration gebildet wird, um so eine CMOS-Vorrichtung zu implementieren. Während im Allgemeinen Kanal-Stopp-Verunreinigungen in die Halbleiterschicht unterhalb des Feldoxids eingeführt werden können, um so die Bildung einer Inversionsschicht an der Fläche des Halbleitersubstrats zu verhindern, sollte die Einführung von Kanal-Stopp-Verunreinigungen in der Halbleiterschicht verhindert werden. Die Verhinderung der Einführung von Kanal-Stopp-Verunreinigungen kann durch ein Ändern des Maskenmusters, das in der standardisierten CMOS-Herstellungsprozedur verwendet wird, erreicht werden; anderenfalls werden eine Hinzufügung einer neuen Maske und eines neuen Fertigungsprozesses benötigt.
  • Mit einem derartigen Aufbau ist eine beispielhafte Potentialverteilung, wenn beispielsweise 0 V und 3,3 V an den TX2 bzw. den TX1 angelegt werden, in 2 gezeigt. In diesem Fall treten nahezu sämtliche der Ladungen, die von dem Licht erzeugt werden, das aus der Apertur kommt, in die floatende Diffusionsschicht (n+-Bereich) auf der rechten Seite ein. Dies geht aus der Potentialverteilung in 2 hervor, die durch ein Anlegen derartiger Spannung an die jeweiligen Gates erzeugt wird, und einer Beschleunigungskraft zu der rechten Seite hervor, die durch das elektrische Streufeld eingerichtet wird, das der Potentialverteilung zuschreibbar ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die in 2 gezeigten Spannungen nur Beispiele sind, und dass die vorliegende Erfindung nicht auf die in 2 gezeigten Beispiele beschränkt ist.
  • Da das Feldoxid relativ dick ist, wird das elektrische Feld, das an die Halbleiterfläche angelegt wird, relativ schwach werden, und es wird erwartet, dass das elektrische Streufeld dementsprechend gegenüber der Abnahme des elektrischen Felds an der Halbleiterfläche zunimmt. Deswegen ist ein Schema zum Verhindern einer Entwicklung eines Potentialhügels an der Lücke zwischen zwei Polysiliziumelektroden erforderlich.
  • Wenn Verunreinigungsatome vom n-Typ in Polysilizium-Gates eingeführt worden sind, die als Foto-Gate-Elektroden dienen, unterscheidet sich die Austrittsarbeit für die Seite des Halbleitersubstrats von jener für die Foto-Gate-Elektrode. Somit kann, wenn eine hohe positive Spannung (z.B. 3,3 V) und 0 V an den TX1 bzw. den TX2 angelegt werden, eine bestimmte Größe einer Lücke zwischen den zwei Foto-Gate-Elektroden einen Potentialhügel in der Lücke entwickeln, was verhindert, dass sich die Ladungen in der TX2-Seite zu der TX1-Seite bewegen. In einem derartigen Fall kann der Potentialhügel durch ein Anlegen einer negativen Spannung (z.B. –1 V) an den TX2 beseitigt werden. Eine Anlegung einer derartigen negativen Spannung an die TX2-Seite relativ zu dem Substrat entfernt den Potentialhügel, wodurch Elektronen, die in dem Halbleiter direkt unterhalb der Polysiliziumelektrode bei der linken Seite erzeugt werden, zu der rechten Seite übertragen werden können.
  • Weil je schmäler die Lücke zwischen den Polysiliziumelektroden ist, es desto schwieriger ist, dass sich ein Potentialhügel entwickelt, sollte die Lücke mit einer schmäleren Größe unter Verwendung einer Mikrofertigungstechnologie gefertigt werden.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass der Aufbau des Substrats mittels einer Einrichtung zum Bilden einer Siliziumschicht vom p-Typ einer niedrigen Konzentration auf einem Substrat vom p-Typ einer hohen Konzentration, wie etwa beispielsweise einer epitaktischen Aufwachstechnologie oder durch eine Einrichtung zum Bilden der Siliziumschicht vom p-Typ einer niedrigen Konzentration auf einem Substrat vom n-Typ etwa unter Verwendung der epitaktischen Aufwachstechnologie implementiert werden können. Ein derartiger Aufbau des Substrats ist dahingehend wirksam, dass die Komponenten von Ladungen, da die Ladungen in einem Tiefenbereich in der Halbleiterschicht erzeugt werden und langsam durch Diffusion extrahiert werden, verringert werden können, um so die Reichweiten-Erfassungsauflösung zu verbessern.
  • 3 ist ein Blockdiagramm eines Reichweitenerfassungs-Bildsensors, der aus zweidimensional angeordneten Pixelschaltungen ausgeführt ist, wovon eine in 1 gezeigt ist. 4 ist ein Zeitgebungsdiagramm, das das Verhalten des Reichweitenerfassungs-Bildsensors zeigt.
  • Nachdem hohe Steuersignale R an zwei floatende Diffusionsschichten für jedes Pixel angelegt sind, um diese so zurückzusetzen, wird eine gepulste Lichtquelle eingeschaltet, und repetitive Pulse TX1 und TX2 werden an sämtliche Pixel synchronisiert zu der gepulsten Lichtquelle angelegt, wodurch die Pixel für eine feste Zeitperiode betrieben werden. Danach wird die gepulste Lichtquelle ausgeschaltet, und die Spannungen der jeweiligen floatenden Diffusionsschichten werden dann ausgelesen. Dieses Auslesen wird durch ein Auslesen bei jeder horizontalen Zeile in Rauschlöschschaltungen für jeweilige Lücken ausgeführt, indem Rauschen gelöscht wird, und dann durch ein horizontales Abtasten. Eine Auswahl jeder horizontalen Zeile wird durch ein Bereitstellen eines Steuersignals S für den Pixelauswahlschalter des Pufferverstärkers in jedem Pixel ausgeführt, was dazu führt, dass Signale von jeder horizontalen Zeile in vertikalen Signalleitungen auftreten.
  • Eine Rauschlöschschaltung ist eine Schaltung, die konfiguriert ist, den Unterschied zwischen einem Signalpegel und einem Pegel nach einem Rücksetzen der floatenden Diffusionsschicht zu löschen, um ein festes Rauschmuster und 1/f-Rauschanteile, die durch Pufferverstärker jeweiliger Pixel erzeugt werden, zu verringern. Dementsprechend ist, wie in 4 gezeigt, die Rauschlöschschaltung konfiguriert, einen Signalpegel und einen Pegel nach einem Rücksetzen synchronisiert zu ϕS bzw. ϕR abzutasten und dann die Differenz zwischen dem Signalpegel und dem Pegel nach einem Rücksetzen zu berechnen. Eine Beschreibung der Rauschlöschschaltung selbst ist weggelassen, weil die Rauschlöschschaltung geringe Relevanz für das Wesen der vorliegenden Erfindung aufweist.
  • Ladungen Q1 und Q2, die in den zwei floatenden Diffusionsschichten akkumuliert sind, indem N-Mal der TX1 und TX2 angelegt werden, um so N-Mal die sich ergebenden Ladungen, die durch die angelegten Lichtpulse erzeugt sind, in die floatenden Diffusionsschichten zu übertragen, werden jeweils durch die folgenden Gleichungen dargestellt: Q1 = N × Ip(T0 – Td) (1) Q2 = N × IpTd (2)wobei Ip einen Fotostrom bezeichnet, der aufgrund eines Empfangslichts erzeugt wird, T0 die Breite eines Lichtpulses bezeichnet, und Td die Verzögerungszeit des Lichtpulses bezeichnet. Die Summe der Gleichungen (1) und (2) wird dargestellt durch: Q1 + Q2 = N × IpT0 (3)
  • Die Verzögerungszeit des Empfangslichts und ein Abstand L zu einem Zielobjekt werden unter Verwendung der folgenden Gleichungen gemäß der Gleichungen (1) und (2) berechnet: Td = (Q2/(Q1 + Q2))T0 (4) L = (c/2)(Q2/(Q1 + Q2))T0 (5)wobei c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet. Da die Spannungen der floatenden Diffusionsschichten proportional zu Q1 bzw. Q2 sind, wird die Gleichung (5) durch die folgende Gleichung unter Verwendung von Ausgangssignalspannungen V1 und V2 dargestellt: L = (c/2)(V2/(V1 + V2))T0 (6)
  • Da c und T0 bekannt sind, kann der Abstand aus den empfangenen Ausgangsspannungen unter Verwendung der Gleichung (6) berechnet werden.
  • [ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM]
  • Der Aufbau der 2 wird leicht durch ein Hintergrundlicht (falls es vorhanden ist) beeinflusst. Das heißt, dass gemäß der 2, auch wenn ein Signal ausgelesen wird, Ladungen aufgrund des Hintergrundlichts in dem Signal eingeschlossen sind, und sich überdies die Zeiten, die zum Auslesen der Ladungen aufgrund des Hintergrundlichts erforderlich sind, in jeweiligen horizontalen Zeilen unterscheiden. Dies erschwert es, eine Hintergrundlicht-Entfernungsverarbeitung durchzuführen. Um die Schwierigkeit bei der Hintergrundlicht-Entfernungsverarbeitung zu vermeiden, muss die Ausleseperiode ausreichend kurz relativ zu der TOF-Betriebszeit sein, und somit ist ein Hochgeschwindigkeits-Auslesen erforderlich.
  • 5 zeigt einen Aufbau eine Pixelschaltung, die durch das Hintergrundlicht nicht beeinflusst wird, wenn ein Signal ausgelesen wird. 6 ist ein Zeitgebungsdiagramm zum Aufheben des Einflusses des Hintergrundlichts, indem nur Signale aufgrund des Hintergrundlichts ausgelesen werden.
  • MOS-Transistoren (9 und 10) sind auf der rechten bzw. der linken Seite eingerichtet, um so zwei floatende Diffusionsschichten von einer Fotodetektorschicht zu trennen, und die Gates der MOS-Transistoren (9 und 10) werden durch ein Signal SH gesteuert. Das Signal SH wird auf einen hohen Pegel während eines Lichtpulsempfangs gesetzt, um dadurch die zwei Diffusionsschichten mit der Fotodetektorschicht zu verbinden. Nach dem Empfang des Lichtpulses wird das SH auf einen niedrigen Pegel gesetzt, und dadurch werden die zwei floatenden Diffusionsschichten von der Fotodetektorschicht getrennt. Zu dieser Zeit wird die Spannung der floatenden Diffusionsschicht, die von der Fotodetektorschicht getrennt ist, ausgelesen, was den Einfluss der Ladungen aufgrund des Hintergrundlichts, das auf die Fotodetektorschicht während der Ausleseperiode einfällt, aufhebt.
  • Der Einfluss des Hintergrundlichts muss während einer Empfangsperiode eines Lichtpulses unter dem Hintergrundlicht aufgehoben werden, und dann muss der Abstand berechnet werden. Deswegen sind Signale für jeweilige Pixel, die durch das Hintergrundlicht erzeugt werden, erforderlich. Es ist zweckmäßig, als das Hintergrundsignal die Ladungen zu verwenden, die während der Ausleseperiode des Signals, das durch den Lichtpuls erzeugt wird, akkumuliert werden.
  • Dementsprechend werden, gleich nach einem Auslesen der Signale, die durch den Lichtpuls erzeugt sind, aus den Pixeln auf einer betreffenden horizontalen Zeile die floatende Diffusionsschichten der Pixel auf der betreffenden horizontalen Zeile zurückgesetzt, die Akkumulation der Hintergrundsignale für eine feste Zeitperiode wird durchgeführt, und dann wird der gleiche Signalauslesebetrieb der Hintergrundsignale durchgeführt.
  • Die Akkumulationsperiode wird eingestellt, gleich der gesamten Ausleseperiode der Signale von sämtlichen der Pixel zu sein. Um eine gleichförmige Erfassungsempfindlichkeit zu erreichen, wird das SH auf einen hohen Pegel gesetzt. 6 zeigt ein Zeitgebungsdiagramm zum Auslesen von Signalen aus einer der horizontalen Zeilen. Der Auslesebetrieb, der in 6 gezeigt ist, wird für Signale von sämtlichen horizontalen Zeilen durchgeführt. Hintergrundlicht-Akkumulationsperiode für jede der horizontalen Zeilen ist die gleiche. Wenn sich die Akkumulationsperiode während einer Lichtpulsbestrahlung (TL) von der Gesamtpixel-Ausleseperiode (TLR) unterscheidet, wird eine Berücksichtigung der Differenz der Perioden benötigt, wenn das Hintergrundlicht gelöscht wird.
  • Die oben erwähnte Löschung des Hintergrundlichts ist kein Problem, wenn ein Zielobjekt in einem Stillstand ist. Eine Messung mit einem sich bewegenden Zielobjekt schließt jedoch einen Fehler ein, weil die Hintergrundsignale für den Löschungsprozess bei einer unterschiedlichen Zeitgebung während der Lichtpulsbestrahlung entnommen werden. Um den Fehler zu verringern, wird eine Zyklusperiode, die durch (TL + TLR + TBR) definiert ist, gezeigt in 6, kürzer ausgeführt.
  • Überdies wird, um den Betrag der Signale zu erhöhen, der Betrieb des in 6 gezeigten Zyklus wiederholt, und die resultierenden Signale werden in einer externen Schaltung integriert. Alternativ wird eine Berechnung des Abstands in jedem Zyklus durchgeführt und mehrfach wiederholt, und ein Mittelwert der resultierenden, berechneten Abstände wird dann berechnet, wodurch der Betrieb vereinfacht wird. Außerdem ist eine derartige Ermittlungsberechnung wirksam zum Verbessern der Reichweiten-Erfassungsauflösung.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass, da die Summe der zwei Pixelausgänge einer Intensitätsbildinformation eines Zielobjekts entspricht, eine Intensitätsbildinformation und eine Reichweitenbildinformation gleichzeitig gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden können. Die Methodologie eines Summierens der zwei Pixelausgänge erleichtert Anwendungen, wie etwa ein dreidimensionales Anzeigen eines Intensitätsbilds unter Verwendung einer Kombination der Intensitätsbildinformation und der Reichweitenbildinformation.
  • [DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM]
  • In einem Aufbau, der in 1 gezeigt ist, ist, wenn ein Fertigungsprozess zum Bilden anderer Diffusionsschichten vom n-Typ unter dem Feldoxid verfügbar ist, ein Aufbau zum Verbinden der Fotodetektorschicht mit den floatenden Diffusionsschichten, die als die Sources (oder Drains) der MOS-Transistoren dienen, über die Diffusionsschichten vom n-Typ möglich ist, wie in 7 gezeigt. Wenn eine weite (entlang der Tiefenrichtung in die Papierebene) Gatebreite einer Fotodetektorschicht so ausgelegt ist, um eine ausreichend große optische Erfassungsfläche bereitzustellen, nimmt, je größer die Fläche des Source- oder Drainbereichs einer hohen Konzentration des MOS-Transistors ist, desto mehr der Dunkelstrom zu, und desto mehr nimmt auch die Kapazität zu, was die Spannungsempfindlichkeit verringert. Deswegen sind, wie in 7 gezeigt, die Diffusionsschichten vom n-Typ so bereitgestellt, dass die Diffusionsschichten vom n-Typ Elektronen aufnehmen können, die in der Fotodetektorschicht erzeugt werden.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass eine Senkenschicht vom n-Typ als die Diffusionsschicht vom n-Typ, die unter dem Feldoxid gebildet wird, verwendet werden kann.
  • [VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM]
  • 8 zeigt ein Layout eines TOF-Pixelaufbaus, der zwei kammförmige Fotogate-Elektroden umfasst, die interdigital angeordnet sind. In der Figur bezeichnen Bezugszeichen 31 Fotogate-Elektroden; ein Bezugszeichen 32 bezeichnet eine Grenzlinie, die anzeigt, dass das Innere der Grenzlinie eine Apertur ist, in welche Licht eintritt, und das Äußere eine optisch abgeschirmte Fläche ist; Bezugszeichen 33 bezeichnen Diffusionsschichten vom n-Typ, die unter dem Feldoxid vergraben sind; ein Bezugszeichen 34 bezeichnet eine Grenzlinie, die anzeigt, dass das Äußere der Grenzlinie ein Senkenbereich vom p-Typ ist, und das Innere ein Halbleitersubstrat vom p-Typ ist; Bezugszeichen 35 bezeichnen Source- oder Drainbereiche (n+-Diffusionsschichten) der MOS-Transistoren; und Bezugszeichen 36 bezeichnen Diffusionsschichten oder Metallverbindungen, die konfiguriert sind, mit den Fotogate-Elektroden verbunden zu sein.
  • Eine derartige interdigitale Konfiguration der kammförmigen Elektroden gestattet es, dass der TOF-Reichweitenerfassungssensor eine hohe Ladungstrennungsfähigkeit aufweist, wenn die Ladungen in zwei Ladungsdetektoren in Übereinstimmung mit dem Betrag einer Pulsverzögerung geteilt/geliefert werden, wodurch eine höhere Reichweiten-Erfassungsauflösung bereitgestellt wird.
  • Mit einem derartigen einfachen Aufbau, der aus zwei rechteckigen Fotogate-Elektroden besteht, die einander gegenüberstehen, wird, da Licht in einen Teil der Fotoabschirmung lecken kann, um so eine Signalladung (E) zu erzeugen, wie in 9 gezeigt, von der grundsätzlich angenommen wird, dass sie in den Ladungsdetektor auf der rechten Seite übertragen wird, in Wirklichkeit jedoch die erzeugte Signalladung (E) zu dem Ladungsdetektor auf der linken Seite übertragen werden. Die Fehlübertragung von Ladung führt zu einem niedrigeren Trennungs-Betriebsverhalten zwischen zwei Signalen, was die Reichweiten-Erfassungsauflösung absenkt. Um das Problem, das mit der Ladungstrennungsfähigkeit einhergeht, zu vermeiden, sollte die Fläche der Apertur, durch die das Licht läuft, verringert werden, so dass das Licht nur den zentralen Bereich des Pixels bestrahlen kann. Jedoch senkt die kleinere Apertur die Empfindlichkeit ab.
  • 10 zeigt eine Oberflächenspannungsverteilung entlang des Querschnitts, der in der Linie A-A der 8 genommen ist, in der interdigitalen Konfiguration der kammförmigen Elektroden. Mit einer derartigen interdigitalen Konfiguration der kammförmigen Elektroden kann, da die Ladungsübertragungsrichtung orthogonal zu der Richtung ist, die die zwei Ladungsdetektoren verbindet, eine hohe Trennungsfähigkeit für Ladungen, die in die zwei Ladungsdetektoren fließen, erreicht werden, auch wenn die Zähne der interdigitalen Elektroden verlängert sind, um so eine ausreichend große optische Apertur einzurichten. Ferner ist, da die Breite der Zähne der kammförmigen Elektroden schmal genug ausgeführt werden kann, eine effektive Benutzung von elektrischen Streufeldern möglich, was die Auflösung erhöht.
  • [FÜNFTE AUSFÜHRUNGSFORM]
  • Überdies wird, wenn die Breite der Polysiliziumelektrode zu groß ist, das elektrische Streufeld schwächer ausgeführt, und somit kann eine Ladungsübertragung unzureichend getrieben werden. Dementsprechend werden drei Elektroden eingerichtet, wie in 11 gezeigt, und ein Verfahren zum Bereitstellen von Steuersignalen für drei Elektroden zu Zeitgebungen, wie sie in 13 gezeigt sind, kann verwendet werden.
  • Eigenschaften mit drei Elektroden sind in 12 gezeigt. Zum Übertragen des Signals in die floatende Diffusionsschicht auf der rechten Seite werden hohe positive Spannungen an den TX1 bzw. TX3 angelegt, wobei TX3 eine Steuerspannung für die zentrale Elektrode ist, und 0 V wird an den TX2 angelegt (12(a)). Folglich werden die Ladungen, die unterhalb der TX1-Elektrode gespeichert sind, zu der floatenden Diffusionsschicht auf der rechten Seite übertragen, während Ladungen unter der TX3-Elektrode vorübergehend unterhalb der TX3-Elektrode gespeichert werden.
  • Kurz vor einem Ändern der Ladungsübertragungsrichtungen zu der linken Seite hin wird der TX3 auf 0 V für eine kurze Periode geändert, wodurch die Ladungen unterhalb der TX3-Elektrode zu der rechten Seite übertragen werden (12(b)). Danach wird der TX1 geändert, 0 V zu sein, während positive Spannungen an den TX2 bzw. den TX3 angelegt werden, wodurch die Ladungsübertragungsrichtung zu der linken Seite hin geändert wird (12(c)). Nicht gezeigt in 13 ist, dass der TX3 geändert wird, 0 V für eine kurze Periode kurz vor einem Ändern der Ladungsübertragungsrichtung zu der rechten Seite hin zu sein, wodurch die Ladungen unterhalb der TX3-Elektrode zu der linken Seite hin übertragen werden. Diese Betriebsschritte werden wiederholt. Durch diese Betriebsschritte werden ausreichende elektrische Streufelder benutzt, um Ladungen bei einer hohen Geschwindigkeit zu übertragen, während eine ausreichende optische Erfassungsfläche bereitgestellt wird.
  • Um ein zweidimensionales Bild mit einer einzigen Fotodetektorschicht zu erzeugen, kann eine optische Strahlabtasteinrichtung, wie etwa ein rotierender Polygonspiegel oder ein vibrierender Spiegel, der einfallende Strahlen von einer zweidimensionalen Fläche abtastet, eingesetzt werden. Alternativ kann eine Kombination eines Reichweitenerfassungssensors, der aus linear angeordneten Fotodetektorschichten ausgeführt ist, und einer ähnlichen Strahlabtasteinrichtung auch ein zweidimensionales Bild bereitstellen.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Die Diagramme der Aufbauten, die bis hierher gezeigt sind, beruhen darauf, dass der Aufbau des tatsächlichen Feldoxids durch ein Verfahren einer lokalen Oxidation von Silizium (LOCOS) implementiert ist. Alternativ kann das Feldoxid durch ein Verfahren einer flachen Grabenisolation (STI) implementiert werden. 14 zeigt einen beispielhaften Aufbau, der der gleiche wie jener der 7 ist, und durch einen CMOS-Bildsensor-Fertigungsprozess mit dem STI hergestellt ist.
  • Auf die gleiche Weise können die Aufbauten, die in 1, 5 und 8 gezeigt sind, durch den STI-Aufbau ersetzt werden.
  • Die Aufbauten und Ideen gemäß der vorliegenden Erfindung können auf sämtliche Strukturen, die in CMOS-LSIs oder CMOS-Bildsensoren verwendet werden, zusätzlich zu diesen Fällen angewandt werden, ohne eine Allgemeingültigkeit zu verlieren. Das heißt, dass ein Aufbau, der zwei benachbarte lichttransmittierende Elektroden (die üblicherweise aus Polysilizium ausgeführt sind), die als auf einem Feldoxid gebildete, optische Empfangsabschnitte dienen, und zwei Bereiche vom n-Typ umfasst, die jeweils als floatende Diffusionsschichten dienen, eingesetzt werden kann, so dass Ladungen zu den floatenden Diffusionsschichten übertragen werden können.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Herstellungskosten früherer Reichweitenerfassungs-Bildsensoren, die auf einer Messung einer Reflexionszeit von Licht basiert sind, waren hoch, weil frühere Reichweitenerfassungs-Bildsensoren durch CCD- und CMOS-Herstellungsprozeduren hergestellt werden. Um niedrigere Kosten zu erreichen, ist es vorzuziehen, die geringstmögliche Anzahl von Fertigungsprozessen zu den standardisierten CMOS-Herstellungsprozeduren hinzuzufügen. Die vorliegende Erfindung stellt einen Reichweitenerfassungs-Bildsensor niedriger Kosten und eines guten Betriebsverhaltens unter Verwendung des standardisierten CMOS-Fertigungsprozesses oder durch ein Hinzufügen eines einfachen Fertigungsprozesses bereit. Ein Oxidfilm (3) wird auf einem Siliziumsubstrat (20) gebildet, und zwei Fotogate-Elektroden (1 und 2) für eine Ladungsübertragung werden auf dem Oxidfilm bereitgestellt. Floatende Diffusionsschichten (5 und 6) zum Entnehmen von Ladungen aus einer Fotodetektorschicht (4) sind an den Enden des Oxidfilms bereitgestellt, und auf der Außenseite davon sind eine Gate-Elektrode zum Rücksetzen und eine Diffusionsschicht zum Bereitstellen eine Rücksetzspannung bereitgestellt.

Claims (12)

  1. Laufzeit-Reichweitenerfassungssensor zum Erfassen von Reichweiten, indem ein Signal entnommen wird, das von einer Verzögerungszeit von repetitiven Lichtpulsen abhängt, die von einer Lichtquelle gesendet und dann von einem zu messenden Zielobjekt reflektiert werden, wobei der Laufzeit-Reichweitenerfassungssensor umfasst: eine Isolationsschicht (3), die auf einem Halbleitersubstrat (20) gebildet ist; zwei nahe aneinander angeordnete, leitfähige Fotogate-Elektroden (1 und 2), die für eine Wellenlänge eines Lichts, das von dem Zielobjekt reflektiert wird, transparent sind; und erste floatende Diffusionsschichten (5 und 6), die unter den und an Enden der Fotogate-Elektroden angeordnet sind, wobei Bereiche des Halbleitersubstrats unterhalb der zwei Fotogate-Elektroden und unterhalb einer Lücke zwischen den zwei Fotogate-Elektroden als eine Fotodetektorschicht (4) verwendet werden.
  2. Laufzeit-Reichweitenerfassungssensor nach Anspruch 1, wobei jede der zwei Fotogate-Elektroden eine kammförmige Geometrie aufweist, die eine Mehrzahl von Auskragungen in einer ebenen Ansicht aufweist, wobei die Auskragungen einer der Fotogate-Elektroden interdigital zwischen die Auskragungen der anderen Fotogate-Elektrode eingeführt sind.
  3. Laufzeit-Reichweitenerfassungssensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, weiter umfassend erste MOS-Transistoren (7 und 8), die konfiguriert sind, Signale aus den ersten floatenden Diffusionsschichten (5 und 6) zu extrahieren, wobei Gates der ersten MOS-Transistoren jeweils mit den ersten floatenden Diffusionsschichten gekoppelt sind.
  4. Laufzeit-Reichweitenerfassungssensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, weiter umfassend zweite MOS-Transistoren (9 und 10) und erste Signalextraktions-MOS-Transistoren (7 und 8), wobei jeder der zweiten MOS-Transistoren umfasst: eine Source (oder ein Drain), die (das) mit einer der ersten floatenden Diffusionsschichten verbunden ist; zweite floatende Diffusionsschichten (11 oder 12), die als ein Drain (oder eine Source) dienen, die mit einem der Gates der ersten Signalextraktions-MOS-Transistoren (7 oder 8) verbunden sind; und eine Gateelektrode, an die eine Gatespannung anzulegen ist, die so gesteuert wird, die erste floatende Diffusionsschicht von der zweiten floatenden Diffusionsschicht zu trennen, konfiguriert, um eine Speicherung eines Analogsignals zuzulassen.
  5. Laufzeit-Reichweitenerfassungssensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Isolatorschicht (3) ein Feldoxid benutzt, das in einer Herstellungsprozedur einer CMOS-integrierten Schaltung gebildet wird.
  6. Laufzeit-Reichweitenerfassungssensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, weiter umfassend zwei unter der Isolatorschicht zwischen der Fotodetektorschicht (4) und den ersten floatenden Diffusionsschichten (5 und 6) bereitgestellte Diffusionsschichten (13 und 14), die mit Verunreinigungsatomen dotiert sind, die die gleiche Polarität wie die Verunreinigungsatome der ersten floatenden Diffusionsschichten (5 und 6) aufweisen.
  7. Laufzeit-Reichweitenerfassungssensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Fotogate-Elektroden (1 und 2) aus dem gleichen Material wie die Gate-Elektrode des MOS-Transistors in einer CMOS-integrierten Schaltung oder dem Material, das so behandelt ist, um eine optische Transmissivität zu erhöhen, ausgeführt sind.
  8. Laufzeit-Reichweitenerfassungssensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Fotodetektorschicht (4) ein Halbleitersubstrat (20) vom p-Typ einer niedrigen Konzentration benutzt, das so belassen wird, wie es ist, derart, dass sowohl eine Senke vom p-Typ als auch eine Senke vom n-Typ in dem Halbleitersubstrat nicht gebildet sind, im Gegensatz zu einer CMOS-integrierten Schaltung, bei welcher Senken vom p-Typ und n-Typ in dem Halbleitersubstrat (20) vom p-Typ einer niedrigen Konzentration bereitgestellt sind.
  9. Laufzeit-Reichweitenerfassungssensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Fotodetektorschicht (4) ein Halbleitersubstrat (20) vom n-Typ einer niedrigen Konzentration benutzt, das belassen wird, wie es ist, derart, dass sowohl eine Senke vom p-Typ als auch eine Senke vom n-Typ in dem Halbleitersubstrat nicht gebildet sind, im Gegensatz zu einer CMOS-integrierten Schaltung, bei welcher Senken vom p-Typ und n-Typ in dem Halbleitersubstrat (20) vom n-Typ einer niedrigen Konzentration bereitgestellt sind.
  10. Laufzeit-Reichweitenerfassungssensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei eine Mehrzahl von Einheitsstrukturen, wovon jede die Fotogate-Elektroden, die Fotodetektorschicht und die ersten floatenden Diffusionsschichten umfasst, eindimensional oder zweidimensional angeordnet sind, um so ein Bild zu erzeugen, das eine Reichweitenverteilung darstellt.
  11. Laufzeit-Reichweitenerfassungssensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner umfassend einen Lichtstrahlscanner, der konfiguriert ist, in den Reichweitenerfassungssensor von einer zweidimensionalen Ebene einfallende Strahlen zu erzeugen, um so ein Bild zu erzeugen, das eine Reichweitenverteilung darstellt.
  12. Laufzeit-Reichweitenerfassungssensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei eine Reichweiteninformation aus dem Verhältnis zweier Signale erhalten wird, die jeweils aus den Fotogate-Elektroden (1 und 2) entnommen werden, während eine Intensitätsinformation aus der Summe der zwei Signale erhalten wird.
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