JP2005235893A - 光飛行時間型距離センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、標準CMOSプロセス、またはそれに簡単な工程を追加することにより、低コストで高性能な距離画像センサを実現する。シリコン基板(20)上に酸化膜(3)を設け、その上に電荷転送用のフォトゲート電極(1,2)を2つ設ける。酸化膜の縁部には受光層(4)からの電荷取りだし用の浮遊拡散層(5,6)を設けるとともに、その外側にリセット用ゲート電極及びリセット電位供給用の拡散層を設ける。
【選択図】 図1
Description
(1) Inventer:Cyrus Bamji, Assignee:Canesta Inc.,
"CMOS-Compatible Three-dimensional image sensor" , US Patent No. US6323942 B1,
Nov. 27, 2001
(2)R. Lange, P. Seitz, A. Biber, S. Lauxtermann, "Demodulation pixels in CCD and CMOS technologies for time-of-flight ranging", Proceedings of SPIE, Vol. 3965, pp. 177- 188, 2000.
(3) Ryohei Miyagawa, Takeo Kanade, "CCD-based range-finding sensor", IEEE Trans.
Electron Devices, vol. 44, no. 10, pp.1648-1652 (1997).
(4) 距離画像撮像装置, 特開2001-281336
(5) 固体撮像素子, 特開2003-51988
(2)と(3)は、方式としては近いものである。(2)の方式は、CCDとCMOSと一体化したプロセスで実現するものであり、20MHzの高い周波数の変調光を用いて、CCDの電荷転送を利用し、変調光と同期して、2つのノードへの電荷の配分比が変調光の遅れ時間に依存することを利用する。CCDとCMOSの混在プロセスが必要であるため、コストが高くなる。
(3)の方式は、CCDの構造を利用し、パルス変調された変調光で発生した電荷を、2つのノードに交互に転送し、その配分比が、変調光に遅れ時間に依存することを利用する。これもCCDを利用するため、特殊な工程が必要となる。また1次元センサ(ラインセンサ)のみが報告されているが、CCDのみで2次元センサ(エリアセンサ)を実現するのは、全画素を同時に高い周波数で駆動することを考えると困難さを伴うと考えられる。
(4)(5)の方式は、構造の詳細がかかれていないが、フォトダイオード部で発生した電荷を2つの転送ゲートで浮遊拡散層に転送する構造を有するものである。しかし、フォトダイオードから、2つの浮遊拡散層に電荷を完全転送することができなければ十分な性能が得られず、このような構造をCMOSで実現するためには、複雑な工程の追加が必要であり、製作コストが高くなる。また、CCDで実現する場合には、画素の並列駆動回路を集積できないという課題があるため、CCDとCMOSを一体化した工程が必要になる。結局低コストと、高性能化の両立が難しい。
図1に本発明の距離センサの1画素の構成を示す。用途によっては、この1画素分を単独で用いることも可能であるが、これを1次元、または、2次元に配置することで、距離画像センサが構成される。図1(a)が、断面図、図1(b)が、半導体表面側(断面図でいえば上から)から見た図である。図2に、その動作を説明するための半導体表面のポテンシャルの分布を示す。
フォトゲート電極となるポリシリコンにn型の不純物が導入されている場合には、半導体基板とフォトゲート電極側の仕事関数差があり、2つのフォトゲート電極のギャップの大きさによっては、TX1に正の高い電圧(例えば3.3V)、TX2の0Vを加えた場合、ギャップ部にポテンシャルの山ができて、TX2側の電荷がTX1側に転送できない場合もあり得る。そのような場合には、TX2に、負の電圧(例えば-1V)を加えることで、ポテンシャルの山をなくすことができる。TX2側には基板に対して負の電圧を与えることで、このポテンシャルの山をなくし、左側のポリシリコン電極の直下の半導体で、発生した電子も右側に転送されるようにする。
ポリシリコン電極間のギャップは、小さいほどポテンシャルの山ができにくいが、これは微細加工技術によって小さく実現することができる。
なお、基板の構造としては、高濃度のp基板上にエピタキシャル成長などの手段により、低濃度のp型シリコン層を形成したものや、n型基板上にエピタキシャル成長などの手段により、低濃度のp型シリコン層を形成したものを用いることもできる。これらは、半導体中の深いところで発生し、拡散によってゆっくりと取り込まれる成分を減らし、距離分解能を改善する意味で効果がある。
すべての画素の2つの浮遊層に対し、制御信号RをすべてHighにしてリセットした後、パルス光源を発光させ、これに同期して、全ての画素にTX1,TX2の繰り返しパルスをいっせいに与えて一定期間動作させる。その後パルス光源の発光を止め、浮遊拡散層の電圧を外部に読み出す。読み出しは、1水平ライン毎に、カラムのノイズキャンセル回路に読み出し、ノイズキャンセルを行った後、水平走査を行う。1水平ラインの選択は、制御信号Sを画素内のバッファアンプの画素選択スイッチに与えることで行い、垂直信号線に当該水平ラインの信号が現れる。
求める。
右側、左側それぞれに2つの浮遊拡散層を分離するためのMOSトランジスタ(9,10)を設け、そのゲートを信号SHによって制御する。パルス光を受信している間はSHをHighにしておき、2つの拡散層を接続しておく、パルス光受信が完了した後、SHをLowにし、2つの拡散層を分離する。これによって受光部から分離されたほうの拡散層の電圧を読み出すことで、読み出し時に追加される背景光による電荷の影響をなくすことができる。
この蓄積時間としては、全画素の信号読み出しに要する時間に合わせる。検出感度を同じにするため、SHはHighにしておく。図6は、ある一水平行の読み出しを示しているが、これをすべての水平行の信号の読み出しに対して行う。それらの背景光の蓄積時間は、同じになる。パルス光照射時の蓄積時間(TL)と全画素を読み出す時間(TLR)が異なる場合は、背景光の除去の際にはそのことを考慮する必要がある。
または、信号量を増やすため、このサイクルを繰り返して、外部において、信号の積分を行うか、あるいは、サイクル毎に距離計算を行い、これを多数回に繰り返して、その平均値処理を行うことで軽減できる。この平均値処理は、距離分解能を高める上でも効果がある。
なお、2つの画素出力の和は、撮像対象の明暗画像情報に相当するので、本発明では、距離画像情報とともに、明暗画像情報を同時に取得することができる。これによって、明暗画像と距離画像を組み合わせて、明暗画像を3次元的に表示するなどといった応用も可能である。
なお、フィールド酸化膜の下に形成するn型拡散層としてn−wellを用いることもできる。
このように、櫛形電極を入れ子にしたことによって、TOF距離センサにおいて、パルスの遅れ量によって、2つの電荷検出部に電荷を振り分ける際の電荷の分離性を高くすることができ、距離分解能をより高くすることができる。
単に2つのフォトゲート電極を、対向させただけの構造では、図9のように、遮光部にも一部光が漏れこむため、これによって生じた信号電荷(E)が、本来右側の電荷検出部に転送されるべきはずが、左側の電荷検出部に転送されることになる。これは、2つの信号の分離性を低下させることになり、距離分解能を悪くする。これをさけるためには、光の開口部を減らし中央部分だけに入るようにすれば良いが、その場合は、開口率の低下により感度が低下する。
図8のようにくし型電極を入れ子の構造にした場合の、図8のA-A線の断面に沿った表面電位の分布を図10に示す。このように、櫛形電極を入れ子の構造にすれば、電荷の転送の方向が電荷検出部と直交する方向であるため、櫛形電極の歯の部分を長くし、開口を十分にとったとしても、2つの電荷検出部への電荷の流入の分離性を高くすることができ、また、各櫛の歯の部分の電極の幅を十分小さくできるので、フリンジ電界を有効に利用でき、分解能が向上する。
図1、図5、図8の構造に対してもSTI分離の場合でも同様に実現可能である。
これらの場合を含め、CMOS集積回路あるいは、CMOSイメージセンサとして用いられるあらゆる構造に対して、本発明の構造及び考え方を、一般性を失うことなく適用することができる。つまり、フィールド酸化膜上に形成した受光部となる隣接した2つの光透過性電極(一般的にはポリシリコン)に2つの浮遊拡散層となるn型領域がそれぞれ結合され、それらに電荷が伝送される構造を採用すればよい。
3 絶縁層
4 受光層
5,6 第1の浮遊拡散層
7,8 第1のMOSトランジスタ
9,10 第2のMOSトランジスタ
11,12 第2の浮遊拡散層
13,14 拡散層
20 半導体基板
Claims (12)
- 光源から投射された繰り返しパルス光が測定対象物によりはね返ってきたときの遅れ時間に依存した信号を取り出すことにより距離測定を行うセンサにおいて、半導体基板(20)上に設けられる絶縁層(3)と、該絶縁層(3)上に近接配置された導電性かつ測定対象の波長の光に対して透過性のある2つのフォトゲート電極(1,2)と、前記フォトゲート電極のそれぞれに対して、その端部の下層に設けられた第1の浮遊拡散層(5,6)とからなり、前記2つのフォトゲート電極下及び前記2つのフォトゲート電極のギャップ下の半導体基板を受光層(4)として用いることを特徴とする光飛行時間型距離センサ。
- 前記2つのフォトゲート電極は、複数の突起をもつ櫛型の平面形状を有し、前記複数の突起が互いに相手方の突起間に間挿されるように配置されてなる請求項1記載の光飛行時間型距離センサ。
- 前記第1の浮遊拡散層(5,6)に信号取りだし用の第1のMOSトランジスタ(7,8)のゲートを接続してなる請求項1または請求項2記載の光飛行時間型距離センサ。
- 前記第1の浮遊拡散層に第2のMOSトランジスタ(9,10)のソース(またはドレイン)を接続するとともに第2の浮遊拡散層(11,12)を設け、前記第2のMOSトランジスタ(9,10)のドレイン(またはソース)を前記第2の浮遊拡散層(11,12)に接続し、前記第2の浮遊拡散層(5,6)に信号取りだし用の第1のMOSトランジスタ(7,8)のゲートを接続してなり、前記第2のMOSトランジスタ(9,10)のゲート電圧を制御することにより、前記第1の浮遊拡散層と前記第2の浮遊拡散層とを電気的に分離し、信号のアナログ記憶を可能にしたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の光飛行時間型距離センサ。
- 前記絶縁物(3)は、CMOS集積回路製造過程におけるフィールド酸化膜を利用したものである請求項1または請求項2記載の光飛行時間型距離センサ。
- 前記絶縁物(3)の下に、前記受光層(4)と前記第1の浮遊拡散層(5,6)との間に間挿され、かつ前記第1の浮遊拡散層(5,6)と同極性の不純物からなる2つの拡散層(13,14)を形成してなる請求項1または請求項2記載の光飛行時間型距離センサ。
- 前記フォトゲート電極(1,2)は、CMOS集積回路におけるMOSトランジスタのゲートと同じ素材あるいは同素材に光の透過性を増す処理を施したものである請求項1または請求項2記載の光飛行時間型距離センサ。
- 前記受光層(4)は、p型の低濃度の半導体基板(20)上にp型のウェルとn型のウェルを形成するCMOS集積回路にあっては、どちらのウェルも形成せずにp型の低濃度の半導体基板(20)そのものを利用することを特徴とする請求項1または請求項2記載の光飛行時間型距離センサ。
- 前記受光層(4)は、n型の低濃度の半導体基板(20)上にp型のウェルとn型のウェルを形成するCMOS集積回路にあっては、どちらのウェルも形成せずにn型の低濃度の半導体基板(20)そのものを利用することを特徴とする請求項1または請求項2記載の光飛行時間型距離センサ。
- 前記フォトゲート電極、受光層、第1の浮遊拡散層からなる単位構造を1次元または2次元状に配置してなり、距離の分布を表す画像を求めることを特徴とする請求項1または請求項2記載の光飛行時間型距離センサ。
- さらに、光ビーム走査手段を設けてなり、距離センサへの入力光を2次元面から得ることにより距離の分布を表す画像を求めることを特徴とする請求項1または請求項2記載の光飛行時間型距離センサ。
- 前記フォトゲート電極(1,2)により取り出される2つの信号の比から距離情報を、該2つの信号の和から明暗情報を取り出すことを特徴とする請求項1または請求項2記載の光飛行時間型距離センサ。
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