一種基于閃存工藝的三維圖像傳感器及其操作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于標(biāo)準(zhǔn)閃存工藝的三維圖像傳感器，所述三維傳感器結(jié)構(gòu)左右軸對稱；包括中間襯底、分別位于中間襯底左側(cè)的左襯底和右側(cè)的右襯底；包括設(shè)置于左襯底上方、橫跨至中間襯底左存儲區(qū)上方的左浮柵層，所述左浮柵層上方設(shè)置有左讀出柵和左控制柵，且所述左讀出柵位于左襯底上方、左控制柵位于中間襯底左存儲區(qū)上方；且左襯底、左浮柵層和左讀出柵構(gòu)成第一讀出晶體管；包括設(shè)置于中間襯底的中間產(chǎn)生區(qū)上方的光電子產(chǎn)生控制柵，所述光電子產(chǎn)生控制柵兩側(cè)對稱的設(shè)置有左電子轉(zhuǎn)移控制柵和右電子轉(zhuǎn)移控制柵，且所述左電子轉(zhuǎn)移控制柵位于左轉(zhuǎn)移區(qū)上方、右電子轉(zhuǎn)移控制柵位于右存儲區(qū)上方；能有效降低單個像素的大小。
【專利說明】一種基于閃存工藝的三維圖像傳感器及其操作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及圖像傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種三維成像的圖像傳感器及其獲得信號 的方法，其與標(biāo)準(zhǔn)閃存工藝相兼容，能夠?qū)崿F(xiàn)空間三維成像。

【背景技術(shù)】
[0002] 圖像傳感器是將光學(xué)圖像信息轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號的設(shè)備，從上世紀(jì)七十年代出現(xiàn) CCD技術(shù)后，固態(tài)數(shù)字圖像傳感器得到了飛速的發(fā)展，其在消費電子、交通工業(yè)、醫(yī)療以及航 空航天領(lǐng)域取得了巨大的成功。而CMOS圖像傳感器的發(fā)明更是推動了圖像傳感器在各個 領(lǐng)域得到了更多的應(yīng)用，特別是隨著集成電路技術(shù)的深入發(fā)展，使得CMOS圖像傳感器具有 更大的集成度、更低的功耗、更快的速度、更低的成本，數(shù)字圖像傳感器已經(jīng)進(jìn)入了社會生 活的各個方面。
[0003] 隨著技術(shù)的發(fā)展，圖像傳感器不僅可以記錄物體光強的大小，同時通過相關(guān)技術(shù) 可以得到被測物體的距離信息，從而實現(xiàn)三維成像，目前主要有兩種技術(shù)，包括多視角成像 技術(shù)，以及時間飛行（Time of Flight，T0F)成像技術(shù)。
[0004] 多視角成像技術(shù)主要應(yīng)用三角測距成像的原理得到物體的距離信息。實現(xiàn)方法可 以通過傳感器在不同位置對物體成像，或者利用兩顆攝像頭進(jìn)行成像。時間飛行成像技術(shù) 利用主動光源來照射被測物體，傳感器測量出物體反射回來的光波的飛行時間，從而得到 物體的三維信息。已有的時間飛行成像傳感器包括雪崩管、電荷調(diào)制器件等。由于時間飛 行成像技術(shù)利用光源去主動照射被測物體，所以也稱時間飛行成像技術(shù)為主動探測技術(shù)， 而多視角成像技術(shù)也被稱為被動探測技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的是：提出一種基于閃存工藝的三維圖像傳感器及其操作方法，該傳感 器結(jié)構(gòu)簡單，且基于標(biāo)準(zhǔn)閃存工藝技術(shù)，工藝兼容性好，能夠快速地實現(xiàn)三維成像。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于標(biāo)準(zhǔn)閃存工藝的三維圖像傳感器，所述三維傳感 器結(jié)構(gòu)左右軸對稱；包括中間襯底、分別位于中間襯底左側(cè)的左襯底和右側(cè)的右襯底；
[0007] 所述中間襯底自左向右對稱的分布為左存儲區(qū)、左轉(zhuǎn)移區(qū)、中間產(chǎn)生區(qū)、右存儲區(qū) 和右轉(zhuǎn)移區(qū)，用于光電子產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移和存儲；
[0008] 包括設(shè)置于左襯底上方、橫跨至中間襯底左存儲區(qū)上方的左浮柵層，所述左浮柵 層上方設(shè)置有左讀出柵和左控制柵，且所述左讀出柵位于左襯底上方、左控制柵位于中間 襯底左存儲區(qū)上方；且左襯底、左浮柵層和左讀出柵構(gòu)成第一讀出晶體管；
[0009] 包括設(shè)置于右襯底上方、橫跨至中間襯底右存儲區(qū)上方的右浮柵層，所述右浮柵 層上方設(shè)置有右讀出柵和右控制柵，且所述右讀出柵位于右襯底上方、右控制柵位于中間 襯底右存儲區(qū)上方；且右襯底、右浮柵層和右讀出柵構(gòu)成第二讀出晶體管；
[0010] 包括設(shè)置于中間襯底的中間產(chǎn)生區(qū)上方的光電子產(chǎn)生控制柵，所述光電子產(chǎn)生控 制柵兩側(cè)對稱的設(shè)置有左電子轉(zhuǎn)移控制柵和右電子轉(zhuǎn)移控制柵，且所述左電子轉(zhuǎn)移控制柵 位于左轉(zhuǎn)移區(qū)上方、右電子轉(zhuǎn)移控制柵位于右存儲區(qū)上方；
[0011] 所述三維圖像傳感器的光電子產(chǎn)生控制柵上方透光，其他部分均采用后端的金屬 走線將光給隔離。
[0012] 進(jìn)一步的，所述左電子轉(zhuǎn)移控制柵和右電子轉(zhuǎn)移控制柵的邊緣包住光電子產(chǎn)生控 制柵。
[0013] 進(jìn)一步的，所述左浮柵層、右浮柵層和光電子產(chǎn)生控制柵均由第一層多晶硅制成。
[0014] 進(jìn)一步的，所述左讀出柵、左控制柵、右讀出柵、右控制柵、左電子轉(zhuǎn)移控制柵和右 電子轉(zhuǎn)移控制柵均由第二層多晶硅制成。
[0015] 進(jìn)一步的，所述左襯底和右襯底均做pwell注入和晶體管源漏η型注入。
[0016] 進(jìn)一步的，所述左襯底、中間襯底和右襯底通過四道淺槽隔離分隔，每兩個淺槽隔 離之間形成一個襯底。
[0017] 進(jìn)一步的，所述左讀出柵上接左讀出電極、左控制柵上接左控制電極、左電子轉(zhuǎn)移 控制柵上接左電子轉(zhuǎn)移控制電極、光電子產(chǎn)生控制柵上接光電子產(chǎn)生電極、右讀出柵上接 左讀出電極、右控制柵上接左控制電極、右電子轉(zhuǎn)移控制柵上接右電子轉(zhuǎn)移控制電極。
[0018] 本發(fā)明還提供一種基于標(biāo)準(zhǔn)閃存工藝的三維圖像傳感器的操作方法，包括三個階 段：
[0019] 第一、復(fù)位階段
[0020] (1)將三維圖像傳感器所有的電極接地，排空襯底中的光電子，使器件復(fù)位；
[0021] (2)復(fù)位后，在左控制柵和右控制柵上加正電壓，左控制柵和右控制柵下方中間襯 底左右兩側(cè)分別形成光電子左存儲區(qū)和右存儲區(qū)；
[0022] (3)在第一讀出晶體管的柵極和漏端上加電壓，形成源極跟隨器，讀取源端輸出電 壓V 1(l，得到第一讀出晶體管曝光之前的初始信號；
[0023] (4)用同樣方法在第二讀出晶體管的柵極和漏端上加電壓，形成源極跟隨器，讀取 源端輸出電壓V 2(l，得到第二讀出晶體管曝光之前的初始信號；
[0024] 第二、感光階段
[0025] (1)脈沖光源發(fā)出一束光脈沖，光脈沖功率為P，脈沖寬度為TP，反射光在Δ t返回 到傳感器；在光脈沖發(fā)射tSH時間后，打開光電子產(chǎn)生控制柵和左電子轉(zhuǎn)移控制柵，三維圖 像傳感器接收反射回來的光束，并在光電子產(chǎn)生控制柵下方的產(chǎn)生區(qū)中產(chǎn)生光電子，產(chǎn)生 的光電子漂移擴散進(jìn)入左控制柵下方的左存儲區(qū)中；
[0026] (2)左存儲區(qū)收集完產(chǎn)生的光電子后，將光電子產(chǎn)生控制柵和左電子轉(zhuǎn)移控制柵 關(guān)閉；
[0027] (3)脈沖光源重新發(fā)射一束光脈沖，并在同一時刻打開光電子產(chǎn)生控制柵和右電 子轉(zhuǎn)移控制柵；三維圖像傳感器接收反射回來的光束，并在光電子產(chǎn)生控制柵下方的產(chǎn)生 區(qū)中產(chǎn)生光電子，產(chǎn)生的光電子漂移擴散進(jìn)入右控制柵下方的右存儲區(qū)；
[0028] (4)右存儲區(qū)收集完產(chǎn)生的光電子后，將光電子產(chǎn)生控制柵和右電子轉(zhuǎn)移控制柵 關(guān)閉；
[0029] 第三、讀出階段
[0030] (1)在第一讀出晶體管的柵極和漏端上加電壓，讀取源端輸出電壓 '，得到第一讀 出晶體管曝光之后的電壓信號；輸出電壓的變化量就等于左控制柵下方左存儲區(qū)收集 的光強大小Ii :
[0031]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于標(biāo)準(zhǔn)閃存工藝的三維圖像傳感器，其特征在于：所述三維傳感器結(jié)構(gòu)左右 軸對稱；包括中間襯底（101)、分別位于中間襯底（101)左側(cè)的左襯底（102)和右側(cè)的右襯 底（103); 所述中間襯底（101)自左向右對稱的分布為左存儲區(qū)、左轉(zhuǎn)移區(qū)、中間產(chǎn)生區(qū)、右存儲 區(qū)和右轉(zhuǎn)移區(qū)，用于光電子產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移和存儲； 包括設(shè)置于左襯底（102)上方、橫跨至中間襯底（101)左存儲區(qū)上方的左浮柵層 (104) ，所述左浮柵層（104)上方設(shè)置有左讀出柵（105)和左控制柵（106)，且所述左讀出柵 (105) 位于左襯底（102)上方、左控制柵（106)位于中間襯底（101)左存儲區(qū)上方；且左襯 底（102)、左浮柵層（104)和左讀出柵（105)構(gòu)成第一讀出晶體管； 包括設(shè)置于右襯底（103)上方、橫跨至中間襯底（101)右存儲區(qū)上方的右浮柵層 (111) ，所述右浮柵層（111)上方設(shè)置有右讀出柵（112)和右控制柵（113)，且所述右讀出柵 (112) 位于右襯底（103)上方、右控制柵（113)位于中間襯底（101)右存儲區(qū)上方；且右襯 底（103)、右浮柵層（111)和右讀出柵（112)構(gòu)成第二讀出晶體管； 包括設(shè)置于中間襯底（101)的中間產(chǎn)生區(qū)上方的光電子產(chǎn)生控制柵（110)，所述光 電子產(chǎn)生控制柵（110)兩側(cè)對稱的設(shè)置有左電子轉(zhuǎn)移控制柵（109)和右電子轉(zhuǎn)移控制柵 (114)，且所述左電子轉(zhuǎn)移控制柵（109)位于左轉(zhuǎn)移區(qū)上方、右電子轉(zhuǎn)移控制柵（114)位于 右存儲區(qū)上方； 所述三維圖像傳感器的光電子產(chǎn)生控制柵（110)上方透光，其他部分均采用后端的金 屬走線將光隔離。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于標(biāo)準(zhǔn)閃存工藝的三維圖像傳感器，其特征在于： 所述左電子轉(zhuǎn)移控制柵（109)和右電子轉(zhuǎn)移控制柵（114)的邊緣包住光電子產(chǎn)生控制柵 (110)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于標(biāo)準(zhǔn)閃存工藝的三維圖像傳感器，其特征在于：所 述左浮柵層（104)、右浮柵層（111)和光電子產(chǎn)生控制柵（110)均由第一層多晶硅制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于標(biāo)準(zhǔn)閃存工藝的三維圖像傳感器，其特征在于：所 述左讀出柵（105)、左控制柵（106)、右讀出柵（112)、右控制柵（113)、左電子轉(zhuǎn)移控制柵 (109)和右電子轉(zhuǎn)移控制柵（114)均由第二層多晶硅制成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于標(biāo)準(zhǔn)閃存工藝的三維圖像傳感器，其特征在于：所 述左襯底（102)和右襯底（103)均做pwell注入和晶體管源漏η型注入。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于標(biāo)準(zhǔn)閃存工藝的三維圖像傳感器，其特征在于：所 述左襯底（102)、中間襯底（101)和右襯底（103)通過四道淺槽隔離（STI)分隔，每兩個淺 槽隔離之間形成一個襯底。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于標(biāo)準(zhǔn)閃存工藝的三維圖像傳感器，其特征在于：所 述左讀出柵（105)上接左讀出電極（RG1)、左控制柵（106)上接左控制電極（CG1)、左電子 轉(zhuǎn)移控制柵（109)上接左電子轉(zhuǎn)移控制電極（TG1)、光電子產(chǎn)生控制柵（110)上接光電子 產(chǎn)生電極（PG)、右讀出柵（112)上接左讀出電極（RG2)、右控制柵（113)上接左控制電極 (CG2)、右電子轉(zhuǎn)移控制柵（114)上接右電子轉(zhuǎn)移控制電極（TG2)。
8. -種基于標(biāo)準(zhǔn)閃存工藝的三維圖像傳感器的操作方法，其特征在于：包括三個階 段： 第一、復(fù)位階段 (1) 將三維圖像傳感器所有的電極接地，排空襯底中的光電子，使器件復(fù)位； (2) 復(fù)位后，在左控制柵（106)和右控制柵（113)上加正電壓，左控制柵（106)和右控 制柵（113)下方中間襯底（101)左右兩側(cè)分別形成光電子左存儲區(qū)和右存儲區(qū)； (3) 在第一讀出晶體管的柵極和漏端上加電壓，形成源極跟隨器，讀取源端輸出電壓 V1(1，得到第一讀出晶體管曝光之前的初始信號； (4) 用同樣方法在第二讀出晶體管的柵極和漏端上加電壓，形成源極跟隨器，讀取源端 輸出電壓V2(l，得到第二讀出晶體管曝光之前的初始信號； 第二、感光階段 (1) 脈沖光源發(fā)出一束光脈沖，光脈沖功率為P，脈沖寬度為Tp，反射光在At返回到傳 感器；在光脈沖發(fā)射tSH時間后，打開光電子產(chǎn)生控制柵（110)和左電子轉(zhuǎn)移控制柵（109)， 三維圖像傳感器接收反射回來的光束，并在光電子產(chǎn)生控制柵（110)下方的產(chǎn)生區(qū)中產(chǎn)生 光電子，產(chǎn)生的光電子漂移擴散進(jìn)入左控制柵（106)下方的左存儲區(qū)中； (2) 左存儲區(qū)收集完產(chǎn)生的光電子后，將光電子產(chǎn)生控制柵（110)和左電子轉(zhuǎn)移控制 棚（109)關(guān)閉； (3) 脈沖光源重新發(fā)射一束光脈沖，并在同一時刻打開光電子產(chǎn)生控制柵（110)和 右電子轉(zhuǎn)移控制柵（114);三維圖像傳感器接收反射回來的光束，并在光電子產(chǎn)生控制柵 (110)下方的產(chǎn)生區(qū)中產(chǎn)生光電子，產(chǎn)生的光電子漂移擴散進(jìn)入右控制柵（113)下方的右 存儲區(qū)； (4) 右存儲區(qū)收集完產(chǎn)生的光電子后，將光電子產(chǎn)生控制柵（110)和右電子轉(zhuǎn)移控制 棚（114)關(guān)閉； 第三、讀出階段 (1) 在第一讀出晶體管的柵極和漏端上加電壓，讀取源端輸出電壓 '，得到第一讀出晶 體管曝光之后的電壓信號；輸出電壓的變化量々'就等于左控制柵（106)下方左存儲區(qū)收 集的光強大小L: AVi = VrV10 = kli 其中k為將電壓轉(zhuǎn)化為光強的單位轉(zhuǎn)化系數(shù)；左控制柵（106)下方左存儲區(qū)收集的光 強大小L為 11. P(At+TP-tSH) 綜合上述兩式可以得到 Δ = kP ( Δ t+TP_tSH) (1) (2) 在第二讀出晶體管上的柵極和漏端加電壓，使第二讀出晶體管形成源極跟隨器， 讀取源端輸出電壓V2，從而得到第二讀出晶體管曝光之后的電壓信號；輸出電壓的變化量 Λ V2就等于右控制柵（113)下方右存儲區(qū)收集的光強大小12 : Δν2 = v2-v20 = kl2 其中k為將電壓轉(zhuǎn)化為光強的單位轉(zhuǎn)化系數(shù)；右控制柵（113)下方右存儲區(qū)收集的光 強大小12可以表示為： 12. PTP 綜合上述兩式可以得到： Δ V2 = kPTp (2) 通過（1) (2)兩式，就可以得到光的飛行時間為：
從而得到物體的距離信息。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于標(biāo)準(zhǔn)閃存工藝的三維圖像傳感器的操作方法，其特 征在于：所述打開光電子產(chǎn)生控制柵（110)和左電子轉(zhuǎn)移控制柵（109)即在光電子產(chǎn)生電 極（PG)和左電子轉(zhuǎn)移控制電極（TG1)上加正偏壓，所述將光電子產(chǎn)生控制柵（110)和左電 子轉(zhuǎn)移控制柵（109)關(guān)閉即光電子產(chǎn)生電極（PG)和左電子轉(zhuǎn)移控制電極（TG1)接地；所述 打開光電子產(chǎn)生控制柵（110)和右電子轉(zhuǎn)移控制柵（114)即在光電子產(chǎn)生電極（PG)和右 電子轉(zhuǎn)移控制電極（TG2)上加正偏壓；所述將光電子產(chǎn)生控制柵（110)和右電子轉(zhuǎn)移控制 柵（114)關(guān)閉即光電子產(chǎn)生電極（PG)和右電子轉(zhuǎn)移控制電極（TG2)接地。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于標(biāo)準(zhǔn)閃存工藝的三維圖像傳感器的操作方法，其 特征在于：所述三維圖像傳感器在構(gòu)成陣列時，復(fù)位時陣列中所有像素同時復(fù)位；感光階 段陣列中所有像素同時感光；讀出時，通過第一讀出晶體管和第二讀出晶體管起到行選擇 管的作用，陣列采用逐行讀出方式，一個像素中兩個晶體管同時讀出，同一行像素同時讀 出；讀出時在晶體管柵極和漏極加電源電壓，使晶體管構(gòu)成源極跟隨器，信號從晶體管源端 讀出。
【文檔編號】H01L21/82GK104091813SQ201410264080
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】閆鋒, 吳福偉, 紀(jì)小麗 申請人:南京大學(xué)