WO2005078386A1 - 光飛行時間型距離センサ - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a distance sensor that measures a delay time when pulsed light projected from a light source bounces back from a measurement object.
  • the method (1) projects pulsed light, shapes the pulse waveform by detecting the peak of the received signal, and measures the delay time digitally using high-speed pulses. is there. In this case, in order for the received signal to be pulsed, it cannot be realized unless the light is sufficiently bright, and its application is limited.
  • (2) and (3) are close to each other.
  • the method (2) is the same as CCD and CMOS. This is realized by an integrated process, using charge transfer of CCD using modulated light with a high frequency of 20 MHz, and the distribution ratio of charges to two nodes in synchronization with the modulated light. Utilizing that depends on the delay time. Costs are high because a mixed CCD and CMOS process is required.
  • the method (3) uses the structure of the CCD, and charges generated by pulse-modulated modulated light are transferred alternately to the two nodes, and the distribution ratio depends on the delay time of the modulated light. Use. Since this also uses CCD, a special process is required. Although only one-dimensional sensors (line sensors) have been reported, it is difficult to realize a two-dimensional sensor (area sensor) using only a CCD, considering that all pixels are driven at a high frequency simultaneously. it is conceivable that.
  • the method of (5) is not detailed in structure, but has a structure in which the charges generated in the photodiode portion are transferred to the floating diffusion layer by two transfer gates.
  • sufficient performance cannot be obtained unless the charge can be completely transferred from the photodiode to the two floating diffusion layers.
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • Addition is necessary and the production cost is high.
  • the pixel parallel drive circuit cannot be integrated, so a process in which the CCD and CMOS are integrated is necessary. After all, it is difficult to achieve both low cost and high performance. Disclosure of the invention
  • FIG. 1 is a structural diagram of a pixel portion of a TOF sensor.
  • FIG. 2 is a potential distribution diagram for explaining the operation of the TOF sensor.
  • FIG. 3 is a block diagram of a TOF distance image sensor.
  • FIG. 4 is an operation timing chart of the circuit of FIG.
  • FIG. 5 is a pixel circuit configuration diagram provided with a sample and hold function.
  • FIG. 6 is a timing diagram (including background light reading) of a distance image sensor using the circuit of FIG.
  • FIG. 7 is a structural diagram (where (a) is a cross-sectional view and (b) is a top view) using an n-type diffusion layer under a field oxide film as compared to FIG.
  • FIG. 8 is a TOF pixel structure diagram using a comb electrode structure.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the mixing of signal charges due to light leakage.
  • FIG. 10 is a diagram showing the operation in the case of a comb-shaped electrode structure.
  • Figure 11 shows the structure of a TOF sensor with three electrodes.
  • FIG. 12 is an operation explanatory diagram of the pixel circuit of FIG.
  • FIG. 13 is an operation timing chart of control signals of the pixel circuit of FIG.
  • Fig. 14 is a pixel structure diagram of a TOF sensor using a field oxide film by STI separation.
  • the present invention uses a special structure that can be realized with microfabrication and standard CMOS. It overcomes the problem.
  • Fig. 1 shows the configuration of one pixel of the distance sensor of the present invention. Depending on the application, it is possible to use this single pixel alone, but by disposing it in one or two dimensions, a range image sensor is constructed.
  • Fig. 1 (a) is a cross-sectional view
  • Fig. 1 (b) is a view from the semiconductor surface side (from the top in the cross-sectional view).
  • Figure 2 shows the potential distribution on the semiconductor surface to explain its operation.
  • An insulating layer (3) is provided on the semiconductor substrate (2 0), and two photogate electrodes (1, 2) for charge transfer are provided thereon.
  • a floating diffusion layer (5, 6) for taking out charges from the light receiving layer (4) is provided, and a reset gate electrode and a diffusion layer for supplying a reset potential are provided outside the floating diffusion layer.
  • a p-type silicon substrate is used as the semiconductor substrate (20)
  • a field oxide film is used as the insulating layer (3)
  • a polysilicon electrode is used as the photogate electrodes (1, 2).
  • two polysilicon electrodes are formed on the field oxide film as close as possible. These (TX1 and TX2) are operated by applying repetitive pulse signals with opposite phases to each other. It is assumed that the polysilicon electrode is thin enough to allow sufficient transmission for the wavelength of received light. If a compound of silicon and silicon called a silicide is formed on the polysilicon and there is not enough transmission power for the received light, the silicide should not be formed, Or a process is required to remove it after formation. Note that FIG. 1 assumes that a LOCOS (Local oxidation of silicon) process is used as a field oxide film formation process. In Figure 2, this is simplified to illustrate the principle.
  • LOCOS Local oxidation of silicon
  • the semiconductor directly under the electrode has a low concentration so that a fringe electric field as large as possible can be obtained.
  • a low-concentration p-substrate is used to form a p-type well and an n-type well to form a CMOS device. In this process, the concentration is lowered so as not to form P-type wells.
  • a channel stop impurity may be introduced under the field oxide film to prevent inversion, but this should be avoided. This can be done by changing the mask pattern used in the standard CMOS process, but if this is not the case, a new mask and process must be added.
  • Figure 2 shows an example of the distribution of potential when 0V is applied to TX2 and 3.3V is applied to TX1, for example.
  • almost all the light incident from the opening enters the floating diffusion layer (n + region) on the right side.
  • the voltage shown in FIG. 2 is merely an example, and the present invention is not limited to this.
  • the field oxide film is relatively thick, so the electric field applied to the semiconductor surface is reduced. It can be expected that the fringe electric field will increase accordingly. At this time, it is necessary to prevent potential peaks at the gap between the two polysilicon electrodes.
  • the TX1 When n-type impurities are introduced into the polysilicon that serves as the photogate electrode, there is a work function difference between the semiconductor substrate and the photogate electrode.
  • the TX1 When a positive high voltage (for example, 3.3V) and 0V of TX2 are applied, a potential peak is created in the gap, and the charge on the TX2 side may not be transferred to the TX1 side.
  • potential peaks can be eliminated by applying a negative voltage (eg -IV) to TX2.
  • a negative voltage eg -IV
  • the structure of the substrate is a method in which a low-concentration p-type silicon layer is formed on a high-concentration p substrate by means such as epitaxy, or by means such as epitaxy growth on an n-type substrate.
  • a low-concentration P-type silicon layer can be used. These occur deep in the semiconductor and are effective in reducing the components that are slowly incorporated by diffusion and improving the distance resolution.
  • Fig. 3 shows a block diagram of a distance image sensor in which the pixel circuit of Fig. 1 is arranged in two dimensions.
  • Figure 4 shows the operation timing diagram.
  • the pulsed light source After resetting all the control signals R to High for the two floating layers of all pixels, the pulsed light source is emitted, and in synchronization with this, repeated pulses of TX1 and TX2 are sent to all pixels. Give them all together and operate for a certain period of time. After that, the pulsed light source stops emitting and the voltage of the floating diffusion layer is read out. Reading is performed to the noise cancellation circuit of the column every horizontal line, and after performing noise cancellation, horizontal scanning is performed. The selection of one horizontal line is performed by applying the control signal S to the pixel selection switch of the buffer amplifier in the pixel, and the signal of the horizontal line appears on the vertical signal line.
  • a circuit that takes the difference between the signal level and the level when the floating diffusion layer is reset to reduce fixed pattern noise and i / f noise generated by the buffer amplifier in the pixel is a noise cancellation circuit.
  • the noise cancellation circuit is a circuit that samples the signal level and the reset level at ⁇ S, and calculates the difference. Since the noise cancellation circuit itself is not so much related to the essence of the present invention, the description thereof is omitted.
  • Ip is the photocurrent generated by the received light
  • To is the width of the optical pulse
  • Td is the delay time of the optical pulse.
  • Equation (5) Equation (5) can be expressed as follows using output signal voltages VI and V2. [Equation 6]
  • the configuration in Figure 2 is susceptible to background light.
  • the background light charge processing is included even during signal readout, and the background light removal time is different for each row, making background light removal processing difficult.
  • Figure 5 shows the configuration of the pixel circuit that is not affected by background light during signal readout.
  • Figure 6 shows the timing diagram for reading out the signal from the background light only and removing the effect of the background light.
  • MOS transistors (9, 10) for separating two floating diffusion layers are provided on the right and left sides, respectively, and the gates are controlled by a signal SH. While receiving pulsed light, keep SH high and connect the two diffusion layers. After pulse light reception is complete, set SH low and separate the two diffusion layers. As a result, by reading the voltage of the diffusion layer separated from the light receiving portion, it is possible to eliminate the influence of the charge due to the background light added at the time of reading.
  • This accumulation time is adjusted to the time required for signal reading of all pixels. To keep the detection sensitivity the same, keep SH high.
  • Figure 6 shows a single horizontal reading, which is performed for all horizontal signals.
  • the background light accumulation time is the same. If the accumulation time (TL) during pulsed light irradiation and the time to read all pixels (TLR) are different, this must be taken into account when removing the background light.
  • the MOS transistor source is interposed through the n layer as shown in FIG. It is also possible to take a structure connected to the floating diffusion layer of the source (or drain). In order to secure a sufficient light receiving area, when the gate width (depth direction) of the light receiving part is wide,
  • n-well As the n-type diffusion layer formed under the field oxide film.
  • Figure 8 shows a layout diagram of a TOF pixel structure in which two photogate electrodes are comb-shaped and nested in each other.
  • 3 1 is a photogate electrode
  • 3 2 is an opening where light enters
  • the outside is a boundary indicating a portion to be shielded
  • 3 3 is also under the field oxide film.
  • N-type diffusion layer 3 4 is the p-well region on the outside, the inside is the boundary indicating that it is a p-type semiconductor of the substrate
  • 3 5 is the source or drain region of the MOS transistor (n + diffusion layer) )
  • 36 indicates metal wiring for connection to the diffusion layer or the photogate electrode.
  • the TOF distance sensor can increase the separation of charges when distributing the charges to the two charge detectors according to the amount of delay of the pulse. Can be high.
  • the interdigital electrode When the interdigital electrode is nested as shown in Fig. 8, the cross section along the line AA in Fig. 8 The distribution of surface potential along the line is shown in Fig. 10.
  • the direction of charge transfer is perpendicular to the charge detector, so even if the teeth of the comb electrode are long and the opening is sufficiently large, The separation of the inflow of charges to the two charge detectors can be increased, and the width of the electrodes at the comb teeth can be made sufficiently small, so that the fringe electric field can be used effectively and the resolution is improved. To do.
  • the light input to the light-receiving layer is scanned from a two-dimensional surface by a rotating polygon mirror or a vibrating mirror. This is done by providing beam scanning means.
  • a distance sensor with a light receiving layer arranged one-dimensionally also obtains a two-dimensional image by combining it with the same scanning means. be able to.
  • Fig. 14 shows an example in which the same structure as Fig. 7 is realized by the CMOS image sensor process using STI.
  • the structure shown in Fig. 1, Fig. 5, and Fig. 8 can also be realized in the case of STI separation. Including these cases, the structure and concept of the present invention can be applied to any structure used as a CMOS integrated circuit or a CMOS image sensor without losing generality.
  • two adjacent light-transmitting electrodes typically polysilicon
  • the structure to be used may be adopted.

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Abstract

これまでの光の反射時間測定による距離画像センサは、CCDプロセスとCMOSプロセスとを必要としているため、高価格であった。低価格にするためには、標準的なCMOSプロセスにできる限り少ない工程の追加で実現できることが望ましい。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。

Description

光飛行時間型距離センサ
技術分野 この発明は、 光源から投射されたパルス光が測定対象物により、 はね返ってき たときの遅れ時間を測定する距離センサに関する。
明 背景技術
書
関連する従来技術としては、 以下の文献がある。 、丄 ) Inventer: Cyrus Bamji, Assignee:Canesta Inc., "CMOS-Compatible Three-dimensional image sensor" , US Patent No. US6323942 Bl, 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
( 1 )の方式は、 パルス光を投影し、 受光した信号をパルスのピークを検出するこ とでパルスの波形を整形し、 高速なパルスを用いて遅れ時間をディジタル的に計 測するものである。 この場合、 受光した信号をパルスにできるためには、 光の明 るさが十分にないと実現できず、 用途が限られる。 ( 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つの転送ゲー卜で浮遊拡散層に転送する構造を有するものである。 しカゝし、 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。 発明の開示
低コス卜でできる限り性能のよい距離センサを得るためには、 標準的な CMOS プロセスにできる限り少ない工程の追加で実現できることが望ましい。 本発明は. 標準 CMOS、 または簡単な工程の追加により、 高性能な距離センサを実現するも のである。 図面の簡単な説明
第 1図は、 TOFセンサの画素部の構造図である。
第 2図は、 TOFセンサの動作を説明するポテンシャル分布図である。
第 3図は、 TOF距離画像センサのブロック図である。
第 4図は、 第 3図の回路の動作タイミング図である。
第 5図は、 サンプル &ホールド機能を設けた画素回路構成図である。
第 6図は、 第 5図の回路を用いた距離画像センサのタイミング図（背景光読み 出しを含む）である。
第 7図は、 第 1図に対してフィールド酸化膜の下の n型拡散層を用いた構造図 ( ( a )は断面図、 （b )は上面図） である。
第 8図は、 櫛形電極構造を用いた TOF画素構造図である。
第 9図は、 光の漏れこみによる信号電荷の混合を説明する図である。
第 1 0図は、 櫛形電極構造の場合の動作を示す図である。
第 1 1図は、 電極を 3つ備えた TOFセンサの構造図である。
第 1 2図は、 第 1 1図の画素回路の動作説明図である。
第 1 3図は、 第 1 1図の画素回路の制御信号の動作タイミング図である。
第 1 4図は、 STI分離によるフィールド酸化膜を用いた TOFセンサの画素構造 図である。 発明を実施するための最良の形態
【実施例 1】
光飛行時間型（Time Of Flight, 以下 「TOF」 という）センサを実現するためには, 電荷の完全転送が行えることが必要である。 しカゝし、 従来の標準 CMOSでこれを 行うことは困難であると考えられており、 そのために、 工程の追加がなされてい る。 本発明は、 微細加工と標準 CMOSでも実現可能な特殊な構造を用いて、 その 問題を克服するものである。
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。
半導体基板（2 0 )上に絶縁層（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。 絶縁層の縁部には受光層（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。 半導体基板（2 0 )として p型シリコン基 板、 絶縁層（3 )としてフィールド酸化膜、 フォ トゲート電極（1， 2 )としてポリ シリコン電極を用いるものを例として、 以下説明する。
図 1に示すように、 フィールド酸化膜の上に、 できるだけ接近して 2つのポリ シリコン電極を形成する。 それら（TX1 , TX2)に互いに逆位相の繰り返しパルス 信号を与えて動作させる。 ポリシリコン電極は十分に薄く、 受信する光の波長に 対して十分な透過が可能であるものとする。 なお、 ポリシリコンの上に、 シリサ ィ ドと呼ばれる金属とシリコンの化合物が形成されており、 受信する光に対して 十分な透過力がない場合には、 シリサイ ドが形成されないようにするか、 あるい は形成後除去するために工程が必要になる。 なお、 図 1は、 フィールド酸化膜の 形成工程として LOCOS (Local oxidation of silicon)工程を用いる場合を想定してい る。 図 2では、 原理の説明のため、 これを簡略化している。
2つのポリシリコン電極の中央部分のみが開口され、 それ以外は遮光されるよ うにする。 また、 その電極直下の半導体は、 できるだけ大きなフリンジ電界が得 られるようにするため、 低濃度であることが望ましい。 これは、 低濃度の p基板 を用い、 これの p型のゥエルと n型のゥエルを形成して CMOSデバイスを構成す る工程の場合には、 P型のゥエルを形成しないようにして低濃度にする。 また、 一般にはフィ一ルド酸化膜の下に反転を防ぐためのチャネルストップの不純物を 導入することがあるが、 これが入らないようにする。 これは、 標準 CMOSプロセ スに用いるマスクのパターンの変更によってできる場合もあるが、 そうでない場 合には、 あらたにマスクと工程を追加する必要がある。
このような構造において、 例えば TX2に 0V、 TX1に 3.3 Vを加えたときのポテ ンシャルの分布の例を図 2に示す。 この場合開口部から入射した光は、 殆どすベ て、 右側の浮遊拡散層 （n +の領域） に入る。 これは、 ゲートにこのような電圧 を加えることで、 半導体表面のポテンシャル分布が、 図 2に示したようになり、 そのフリンジ電界によって、 右側に加速を受けることによる。 なお、 図 2に示し た電圧は、 あくまで一例であり、 これに限定するものではない。
フィールド酸化膜は、 比較的厚いので、 半導体表面にかかる電界は小さくなる 力 その分フリンジ電界も大きくなることが期待できる。 このとき、 2つのポリ シリコン電極間のギヤップの部分でポテンシャルの山ができないようにする必要 がある。
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- IV) 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 力 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基板上にェ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型基板上にェピタキシ 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。
図 1の画素回路を 2次元に配置した距離画像センサのプロック図を図 3に示す。 また、 その動作タイミング図を図 4に示す。
すべての画素の 2つの浮遊層に対し、 制御信号 Rをすベて 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 素選択スィ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。
画素内のバッファアンプが発生する固定パターンノイズと i / f ノイズの低減 のため、 信号レベルと浮遊拡散層をリセットした時のレベルの差を取る回路がノ ィズキャンセル回路であり、 そのため、 図 4に示したようにノイズキャンセル回 路は、 信号レベルとリセット後のレベルをそれぞれ φ S , でサンプルし、 差 を求める回路になっている。 ノイズキャンセル回路自体は本発明の本質とあまり 関わりがないので説明を省略する。
TX1 , TX2を N回与えて、 光パルスにより発生した電荷の取り込みを N回行え ば、 2つの浮遊拡散層にためられる電荷 01 , 02は、 次式のようになる。 【数 ι】
Figure imgf000009_0001
【数 2】
Q2 =NxIpTd (2)
ここで、 Ipは、 受信光により発生する光電流、 Toは、 光パルスの幅、 Tdは 光パルスの遅れ時間である。 式（ 1 )と（2)の和は、
【数 3】
Qx+Q2 ^N IPTQ (3) であるので、 式（2), (3)より、 受信光の遅れ時間及び対象物までの距離 Lを次 式により
求める。
【数 4】
Figure imgf000009_0002
【数 5】
Figure imgf000009_0003
2Q Q2 ここで cは光速である。 浮遊拡散層の信号電圧は、 Ql， Q2にそれぞれ比例す るので、 出力信号電圧 VI , V2を用いて式（5 )は次式のように表すことができる。 【数 6】
Figure imgf000010_0001
c , Toが既知であるので、 読み出した 2つの出力電圧から、 式（6 )により距 離を求めることができる。
【実施例 2】
図 2の構成では、 背景光がある場合には、 その影響を受けやすい。 つまり、 図 2では、 信号読み出し時にも、 背景光による電荷が含まれ、 しかも行ごとにその 背景光による読み出し時間が異なるため、 背景光除去処理が困難になる。 これを 避けるためには、 読み出しを TOFの動作期間に対して十分短くする必要があり、 高速読み出しが必要になる。
信号読み出し時の背景光の影響を受けないようにした画素回路の構成を図 5に 示す。 また、 背景光のみによる信号を読み出して、 背景光の影響を除去するため のタイミング図を図 6に示す。
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 , 1 0 )を設け、 そのゲートを信号 S Hによって制御する。 パルス光を受信し ている間は S H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、 S Hを Lowにし、 2つの拡散層を分離する。 これによつて受光部 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。
パルス光を、 背景光下で受信しているときに、 背景光の影響を除去してから距 離の計算を行う必要がある。 そのため背景光のみによる画素ごとの信号が必要に なる。 これは、 パルス光を受信して得た信号を読み出す期間に蓄積される信号を 用いて、 背景信号とすれば効率がよい。 そこで、 当該水平行のパルス光による信 号を読み出した直後、 浮遊拡散層をリセッ トし、 一定時間蓄積して、 同じ信号読 み出しの動作を行う。
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、 S H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、 これをすベ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。
この背景光の除去は、 対象物が静止している場合には問題ないが、 動いている ものに対して計測するときは、 その除去処理に用いる背景光の取り出しが、 パル ス光照射時の違うタイミングで行われているため、 誤差が生じる。 これを少なく するためには、 図 6の 1サイクル （TL+TLR+TBR) を高速化する。
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 号の積分を行う力、 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、 撮像対象の明喑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。 これによつて、 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 するなどといつた応用も可能である。
【実施例 3】
図 1において、 フィールド酸化膜の下に n型の別の拡散層を形成することがで きる工程を有する場合は、 図 7のように n層を介して、 MOSトランジスタのソ ース （またはドレイン） の浮遊拡散層と接続する構造をとることもできる。 十分 な受光面積の確保のために、 受光部のゲートの幅 （奥行き方向） を広く取る場合、
MOSトランジスタのソースまたはドレインの高濃度層の面積を広げると喑電流 が増加するとともに、 容量が大きくなつて電圧感度が低下する。 そこで、 図 7に 示すように、 まず別の n層によって受光部で発生した電子を捕獲するようにする。 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。
【実施例 4】
図 8に、 2つのフォトゲート電極を櫛形にし、 互いに入れ子構造にした TOF画 素構造のレイアウト図をしめす。 図中、 3 1は、 フォ トゲート電極、 3 2は、 そ の内側が、 光の入射する開口部であり、 その外側は遮光される部分を示す境界、 3 3は、 フィールド酸化膜下にもぐりこませた n型拡散層、 3 4は、 その外側に pゥエル領域、 その内側は、 基板の p型半導体であることを示す境界、 3 5は、 MOSトランジスタのソースまたはドレイン領域 （n+拡散層）、 3 6は、 拡散層ま たは、 フォ トゲート電極に接続するための金属配線を示す。
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、 これによつて生じた信号電荷（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 1 0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。
【実施例 5】
さらに、 ポリシリコンの電極の幅を大きく しすぎるとフリンジ電界が小さくな り、 電荷の転送が十分に行えない可能性がある。 そこで、 図 1 1に示すように電 極を 3つ用意し、 それらに図 1 3に示したタイミングで、 制御信号を加える方法 も考えられる。 これは、 図 1 2のように動作する。 信号を、 右側の拡散層に転送 する場合には、 まず TX1及び中央の電極の制御電圧である TX3にともに正の高い 電圧を加え、 TX2に 0 Vを加える（図 1 2 ( a ) )。 これによつて、 TX1の電極下の 電荷は右側の浮遊拡散層に転送され、 TX3の直下の電荷は、 TX3の電極の下に一 時的にためられる。
転送を左側に変更する直前に、 短時間 TX3を 0 Vに変化して、 TX3の電極下の 電荷を右側に転送する（図 1 2 ( b ) )。 その後、 TX〗を 0 Vに変化し、 ΤΧ2と ΤΧ3 に正の電圧を加えることで、 電荷の転送を左側に切り替える（図 1 2 ( c ) )。 図 1 3には描いていないが、 転送を右側に切り替える直前に短時間 TX3を 0 Vに変化 して、 TX3の電極下の電荷を左側に転送する。 これらの動作を繰り返す。 このよ うにすることで、 十分な受光面積を確保しながら、 十分なフリンジ電界を利用し て電荷の転送を高速に行うことができる。
単一の受光層で 2次元画像を得るためには、 受光層に入力される光を、 回転す るポリゴンミラー（多角形鏡体）や、 振動ミラーなどにより 2次元の面上から走査 する光ビーム走査手段を設けることにより行う。 受光層を 1次元上に配置した距 離センサにおいても同様の走査手段と組み合わせることにより 2次元画像を得る ことができる。 産業上の利用可能性
以上に示した構造図は、 実際のフィ一ルド酸化膜の部分の構造として LOCOS (Local Oxidation of Silicon) を想、定している力 STI (Shallow Trench Isolation)と などの別の構造を用いる場合でも同様に実現できる。 例えば、 図 7と同様の構造 を STIを用いた CMOSイメージセンサの工程により実現する場合の例を図 1 4に 示す。
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。

Claims

請 求 の 範 囲
1. 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。
2. 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 の範囲第 1項記載の光飛行時間型距離センサ。
3. 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の範囲第 1項または第 2項記載の光飛 行時間型距離センサ。
4. 前記第 1の浮遊拡散層に第 2の MO S トランジスタ（9， 1 0)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（1 1， 1 2)を設け、 前 記第 2の MOS トランジスタ（9, 1 0)のドレイン（またはソース）を前記第 2の 浮遊拡散層（1 1, 1 2)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, 1 0)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の範囲第 1項または第 2項記載の光飛行時間型 距離センサ。
5. 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の範囲第 1項または第 2項記載の光飛行時間型距離セ ンサ。
6. 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（1 3， 14)を形成してなる請求の範囲第 1項または第 2項記載 の光飛行時間型距離センサ。
7. 前記フォ トゲート電極（1, 2)は、 CMO S集積回路における M〇 S 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 のである請求の範囲第 1項または第 2項記載の光飛行時間型距離センサ。
8. 前記受光層（4)は、 p型の低濃度の半導体基板（20)上に p型のゥエルと n型のゥヱルを形成する CM〇 S集積回路にあっては、 どちらのゥヱルも形成せ 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 の範囲第 1項または第 2項記載の光飛行時間型距離センサ。
9. 前記受光層（4)は、 n型の低濃度の半導体基板（20)上に p型のゥエルと n型のゥヱルを形成する CMO S集積回路にあっては、 どちらのゥヱルも形成せ 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 の範囲第 1項または第 2項記載の光飛行時間型距離センサ。
10. 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 徴とする請求の範囲第 1項または第 2項記載の光飛行時間型距離センサ。
1 1. さらに、 光ビーム走查手段を設けてなり、 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の 範囲第 1項または第 2項記載の光飛行時間型距離センサ。
1 2. 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喑情報を取り出すことを特徴とする請求の 範囲第 1項または第 2項記載の光飛行時間型距離センサ。
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