JP2019004149A - 距離測定のためのイメージセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明によるイメージセンサは、互いに反対側に位置する第1面及び第2面を有し、前記第1面に隣接するウェル領域を有し、第1導電型である半導体基板、前記ウェル領域の少なくとも一部を貫通するように、前記第1面から前記半導体基板の厚み方向に沿って延長され、互いに離隔されている第1垂直伝達(トランスファー)ゲート及び第2垂直伝達ゲート、前記ウェル領域と前記第2面との間の前記半導体基板内に配置され、前記半導体基板の厚み方向に、前記第1垂直伝達ゲート及び前記第2垂直伝達ゲートと重畳し、前記第1導電型と異なる第2導電型である光電変換領域、及び前記半導体基板の前記第1面上に配置された配線構造体を含む。
図1を参照すれば、システム15は、プロセッサ19又はホストと通信して結合されるイメージングモジュール17を含む。一実施形態において、システム15は、プロセッサ19に連結され、イメージングモジュール17から受信されるイメージデータのような情報を保存するメモリモジュール20をさらに含む。一実施形態において、システム15は、1つの半導体チップとして集積される。他の一実施形態において、イメージングモジュール17、プロセッサ19及びメモリモジュール20の各々は、分離された別途の半導体チップとして具現される。一実施形態において、メモリモジュール20は、1又はそれより多くのメモリチップを含む。一実施形態において、プロセッサ19は、多重プロセッシングチップを含む。
発光素子33は、光制御器34によって、XY方向に制御可能であり、3次元物体26のポイントスキャンを遂行できる。一実施形態において、該可視光は、緑色光である。発光素子33からの放出された光は、鏡(図示せず)を利用して、3次元物体26の表面に照射される。又は、該ポイントスキャンは、鏡を使わず遂行される。例示的には、光源22は、図2に図示されたよりも少ないか、又は多い、構成要素を含む。
ピクセルアレイ42は、異なるピクセルが異なる色の光信号を収集するRGBピクセルアレイである。ピクセルアレイ42は、例えば、赤外線(IR)遮断フィルタを有する2次元RGBセンサ、2次元赤外線(IR)センサ、2次元近赤外線(NIR)センサ、2次元RGBWセンサ、2次元RGB−IRセンサなどの2次元センサである。システム15は、3次元物体26の3次元イメージング(深さ測定を含む)のためだけではなく、物体26の2次元RGBカラー(又は、物体を含む場面)のイメージングのために、同一ピクセルアレイ42を使用できる。
ピクセルアレイ制御/処理部46から受信され、処理されたイメージデータは、プロセッサ19によって、メモリモジュール20に保存される。プロセッサ19は、ユーザによって選択された2次元イメージ又は3次元イメージを、システム15の表示スクリーン(図示せず)に表示する。プロセッサ19は、上述の多様な処理作業を行うソフトウェア又はファームウェアによってプログラムされる。一実施形態において、プロセッサ19は、上述の機能の一部又は全部を遂行するためのプログラム可能なハードウェア論理回路を含む。例えば、メモリモジュール20は、プログラムコード、ルックアップテーブル、又は中間演算結果を保存し、プロセッサ19に当該機能を遂行させる。
ピクセルアレイ制御/処理部46は、1行のピクセル中の対応するピクセルを利用して、各光点を検出するように、プロセッサ19によって制御される。照明光点から反射された光が、収集レンズ44によって、2又はそれより多くの隣接ピクセルに集中されるとき、照明光点から反射された光は、単一ピクセル、又は1より多くのピクセルによって検出される。言い換えれば、2又はそれより多くの光点から反射された光が2次元アレイ42の単一ピクセルに収集される。ピクセルアレイ制御/処理部46は、順次的な光点で対応する光点のピクセル特定検出に応答し、ピクセル特定出力を生成するように、プロセッサ19によって制御される。従って、ピクセルアレイ制御/処理部46は、少なくとも、ピクセル特定出力、及び対応する光点を投写する光源22によって使用されたスキャン角に基づいて、3次元物体表面上の対応する光点までの3次元距離(又は、深み)を決定できる。
従って、少なくとも2個の垂直伝達ゲート244,254は、デモデュレーション領域222を挟んで互いに離隔される。一実施形態において、デモデュレーション領域222は、第1導電型を有する。一実施形態において、デモデュレーション領域222は、第1導電型を有し、ウェル領域220の他の部分と同一不純物濃度を有することができる。他の一実施形態において、デモデュレーション領域222は、ウェル領域220の他の部分と不純物濃度が異なる。さらに他の一実施形態において、デモデュレーション領域222は、第2導電型を有する。
その場合、第1ピクセルPIXEL 1と第3ピクセルPIXEL 3との各々の第1出力電圧のVout1及び第2出力電圧Vout2(図3)を4相アルゴリズムで分析し、イメージセンサ1から3次元物体26までの距離を決定できる。同様に、ピクセルアレイにおいて、第2ピクセルPIXEL 2及び第4ピクセルPIXEL 4など他の2個のピクセルの各々の第1出力電圧Vout1及び第2出力電圧Vout2を4相アルゴリズムで分析し、イメージセンサ1から3次元物体26の表面までの距離を決定できる。即ち、2個のピクセルから、1個の距離情報を得ることができる。
15 システム
17 イメージングモジュール
19 プロセッサ
20 メモリモジュール
22 光源
24 イメージセンサ部
26 3次元物体
28、29 (照明方向を示す)矢印
30、31 光放射経路を示す破線
33 発光素子
34 光制御器
35 投射レンズ
36、37 (集光方向を示す)矢印
38、39 (集光経路を示す)破線
42 2次元ピクセルアレイ
44 収集レンズ
46 ピクセルアレイ制御/処理部
202 第1面
204,204a 第2面
210 半導体基板
212 リセス
214 散乱誘導層
220 ウェル領域
222 デモデュレーション領域
222a サブウェル領域
222b デモデュレーション領域
224 第1バリア不純物領域
226 第2バリア不純物領域
230 光電変換領域
232 第1光電変換領域(D−PD)
234 第2光電変換領域(S−PD)
240 第1伝達ゲート構造体
242 伝達ゲート絶縁膜
244 第1垂直伝達ゲート
250 第2伝達ゲート構造体
252 伝達ゲート絶縁膜
254 第2垂直伝達ゲート
262 第1電荷保存領域(FD1)
264 第1リセット不純物領域
266 第1ストレージ拡散領域(SD1)
272 第2電荷保存領域(FD2)
274 第2リセット不純物領域
276 第2ストレージ拡散領域(SD2)
280 ゲート絶縁膜
282 第1リセットゲート(RG1)
284 第2リセットゲート(RG2)
286 第1水平伝達ゲート(TG3)
288 第2水平伝達ゲート(TG4)
292 負固定電荷層
294 反射防止層
296 マイクロレンズ
300 配線構造体
310 背面反射層
320 DTI構造物
322 導電物質層
324 カバー絶縁層
Claims (20)
- 互いに反対側に位置する第1面及び第2面を有し、前記第1面に隣接するウェル領域を有し、第1導電型である半導体基板と、
前記ウェル領域の少なくとも一部を貫通するように、前記第1面から前記半導体基板の厚み方向に沿って延長され、互いに離隔されている第1垂直伝達ゲート及び第2垂直伝達ゲートと、
前記ウェル領域と前記第2面との間の前記半導体基板内に配置され、前記半導体基板の厚み方向に、前記第1垂直伝達ゲート及び前記第2垂直伝達ゲートと重畳し、前記第1導電型と異なる第2導電型である光電変換領域と、
前記半導体基板の前記第1面上に配置された配線構造体と、を含むことを特徴とするイメージセンサ。 - 前記光電変換領域は、第1光電変換領域、及び前記第1光電変換領域と前記ウェル領域との間に配置され、前記第1光電変換領域より小さい値の幅を有する第2光電変換領域を含むことを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサ。
- 前記第2光電変換領域は、前記半導体基板の厚み方向に、前記第1垂直伝達ゲート及び前記第2垂直伝達ゲートと重畳されることを特徴とする請求項2に記載のイメージセンサ。
- 前記第2光電変換領域の不純物濃度は、前記第1光電変換領域の不純物濃度より濃い値を有することを特徴とする請求項2に記載のイメージセンサ。
- 前記第1光電変換領域は、前記半導体基板の厚み方向に、前記第2光電変換領域の全体と重畳されることを特徴とする請求項2に記載のイメージセンサ。
- 前記半導体基板の前記第2面上に順次に積層された、負固定電荷層、反射防止層、及びマイクロレンズをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサ。
- 前記半導体基板は、前記第2面に、前記第1面に向けて陥没した複数のリセスを有し、
前記複数のリセスの各々に配置された、絶縁物からなる散乱誘導層をさらに含み、
前記負固定電荷層は、前記散乱誘導層と、前記半導体基板の前記第2面とが離隔されるように、前記散乱誘導層を覆い包むことを特徴とする請求項6に記載のイメージセンサ。 - 前記光電変換領域の周囲を取り囲み、前記半導体基板の前記第2面から前記第1面に向けて延長されるように配置されたDTI(deep trench insulator)構造物をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサ。
- 前記配線構造体上に配置された背面反射層をさらに含むことを特徴とする請求項6に記載のイメージセンサ。
- 前記第2導電型を有し、前記第1面に隣接する前記ウェル領域に互いに離隔して配置された第1電荷保存領域及び第2電荷保存領域を含むことを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサ。
- 前記第1電荷保存領域は、前記第1垂直伝達ゲートの、前記第2垂直伝達ゲートに対して反対となる側に配置され、
前記第2電荷保存領域は、前記第2垂直伝達ゲートの、前記第1垂直伝達ゲートに対して反対となる側に配置されることを特徴とする請求項10に記載のイメージセンサ。 - 前記第1垂直伝達ゲート及び前記第2垂直伝達ゲートには、互いに180゜の位相差を有するパルス電圧が印加されることを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサ。
- 配線構造体と、
デモデュレーション領域を有し、前記配線構造体上に配置されるウェル領域と、
前記ウェル領域上に配置される光電変換領域と、
前記光電変換領域上に配置されるマイクロレンズと、
前記ウェル領域の少なくとも一部を貫通するように、前記ウェル領域の厚み方向に沿って延長される垂直伝達ゲート、及び前記垂直伝達ゲートを各々取り囲む伝達ゲート絶縁膜を各々含み、前記デモデュレーション領域を挟んで互いに離隔されるように配置された少なくとも2個の伝達ゲート構造体と、を含むことを特徴とするイメージセンサ。 - 前記光電変換領域に隣接する前記ウェル領域の前記デモデュレーション領域以外の一部分に、前記少なくとも2個の伝達ゲート構造体と離隔されて配置され、前記ウェル領域の不純物濃度より濃い値の不純物濃度を有する第1バリア不純物領域をさらに含むことを特徴とする請求項13に記載のイメージセンサ。
- 前記配線構造体に隣接する前記デモデュレーション領域の一部分に配置され、前記ウェル領域の不純物濃度より濃い値の不純物濃度を有する第2バリア不純物領域をさらに含むことを特徴とする請求項14に記載のイメージセンサ。
- 前記第2バリア不純物領域に接する、前記デモデュレーション領域の一部分は、前記ウェル領域及び前記第2バリア不純物領域と異なる導電型を有することを特徴とする請求項15に記載のイメージセンサ。
- 前記光電変換領域は、
前記マイクロレンズに隣接して配置される第1光電変換領域、及び前記ウェル領域に隣接して配置される第2光電変換領域からなり、
前記第1光電変換領域の不純物濃度は、前記第2光電変換領域の不純物濃度より薄い値を有し、前記第1光電変換領域の幅は、前記第2光電変換領域の幅より広い値を有することを特徴とする請求項13に記載のイメージセンサ。 - 互いに反対側に位置する第1面及び第2面を有し、前記第1面に隣接するウェル領域を有し、第1導電型である半導体基板と、
前記ウェル領域の少なくとも一部を貫通するように、前記第1面から前記第2面に向けて延長され、互いに離隔されている複数の垂直伝達ゲートと、
前記第2面に隣接する半導体基板内に配置される第1光電変換領域と、
前記第1光電変換領域と前記ウェル領域との間に配置され、前記第1光電変換領域より小さい値の幅、及び大きい値の不純物濃度を有し、前記第1導電型と異なる第2導電型である第2光電変換領域と、を有し、BSI(back side illumination、背面照明)構造を有する、ことを特徴とするイメージセンサ。 - 前記半導体基板の第2面は、光の入射面であることを特徴とする請求項18に
記載のイメージセンサ。 - 前記第2光電変換領域は、前記複数の垂直伝達ゲートの各々の全体と前記半導体基板の厚み方向に重畳され、前記第1光電変換領域は、前記第2光電変換領域の全体と重畳されることを特徴とする請求項18に記載のイメージセンサ。
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