测距像素结构及TOF图像传感器的制作方法

测距像素结构及tof图像传感器
技术领域
1.本发明涉及图像传感器技术领域，特别是涉及一种tof图像传感器的测距像素结构及tof图像传感器。


背景技术：

2.tof图像传感即应用了tof技术的图像传感器，其中，tof(time of flight)技术是飞行时间技术的简称。tof图像传感工作时，发出经调制的测距光(或称发射光，例如近红外光)，并在该测距光遇物体后接收返回光(或称发射光)，tof图像传感可以通过计算光线发射和反射时间差或测距光脉冲信号与返回光脉冲信号相位差来换算被拍摄景物的距离，以产生深度信息，此外再结合传统的相机拍摄，就能将物体的三维轮廓以不同颜色代表不同距离的地形图方式呈现出来。tof技术在三维视觉、无人机、三维人脸识别、机器人等领域得到了广泛的应用，成为将会成为实现我们未来智能社会生活环境的最基础技术之一。
3.tof图像传感中通常包括测距像素和像素电路，其中，tof图像传感中的测距像素用于对光生电荷进行调制，tof图像传感中的像素电路用于获取调制后的电荷信息，以根据该电荷信息计算距离，产生深度信息。
4.传统的测距像素需要在硅衬底中形成pn结以实现光生电荷的调制，其中，在硅衬底中形成pn结的过程中，硅衬底中掺杂n型材料的区域需要外接电源，因此，传统的测距像素在进行光生电荷的调制时，存在外接电源的电流会流到硅衬底中的问题，故而会导致tof图像传感存在功耗高的问题。
5.针对以上问题，本领域技术人员一直在寻求解决方法。
6.前面的叙述在于提供一般的背景信息，并不一定构成现有技术。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题在于，针对上述现有技术的缺陷，提供了tof图像传感器的测距像素结构及tof图像传感器，以解决传统的tof图像传感存在的功耗高的问题。
8.本发明是这样实现的：
9.本发明提供了一种tof图像传感器的测距像素结构，包括衬底、第一收集节点、第二收集节点及两个门电极。第一收集节点和第二收集节点并列设置于衬底中，均用于收集周围的光生电荷。两个门电极并列设置并且部分嵌入于衬底中，且位于第一收集节点和第二收集节点之间，用于在衬底中产生导流电场，以将导流电场内的光生电荷导向第一收集节点或第二收集节点。其中，两个门电极嵌入所述衬底中的部分的外壁上均包覆有氧化层。
10.可选地，两个门电极均为多晶硅门。
11.可选地，两个门电极分别为第一门电极和第二门电极。第一门电极设有第一连接金属层，且第一门电极通过第一连接金属层接收第一电压信号。第二门电极设有第二连接金属层，且第二门电极通过第二连接金属层接收第二电压信号。其中，第一电压信号与第二电压信号互为反向电压信号。
12.可选地，第一收集节点设有第三连接金属层，且第一收集节点通过第三连接金属层与像素电路连接。第二收集节点设有第四连接金属层，且第二收集节点通过第四连接金属层与像素电路连接。
13.可选地，衬底为p型衬底。第一收集节点和第二收集界面均是通过在p型衬底内掺杂n型材料形成。
14.可选地，第一收集节点和第二收集节点的外围均设有保护环。
15.可选地，氧化层为二氧化硅。
16.可选地，两个门电极嵌入衬底的深度范围为2.5-3.5um。
17.可选地，两个门电极嵌入衬底的深度为3um。
18.可选地，两个门电极之间的距离范围为1.5-2.5um。
19.可选地，两个门电极之间的距离为2um。
20.本发明还提供一种tof图像传感器，包括如上所描述的测距像素结构。
21.可选地，还包括像素电路。该像素电路与测距像素结构中的第一收集节点和第二收集节点电连接，用于读出与第一收集节点和第二收集节点对应的电荷信息以计算图像中待测物体的距离。
22.可选地，计算距离的公式包括：d＝qb/(qa+qb)*t*c/2。其中，d表示距离，qa表示从第一收集节点读出的第一电荷量，qb表示从第二收集节点读出的第二电荷量，t表示测距光脉冲信号的周期，c表示光速。
23.本发明提供的tof图像传感器的测距像素结构及tof图像传感器。其中，tof图像传感器的测距像素结构，包括衬底、第一收集节点、第二收集节点及两个门电极。第一收集节点和第二收集节点并列设置于衬底中，均用于收集周围的光生电荷。两个门电极并列设置并且部分嵌入于衬底中，且位于第一收集节点和第二收集节点之间，用于在衬底中产生导流电场，以将导流电场内的光生电荷导向第一收集节点或第二收集节点。其中，两个门电极的外壁上均包覆有氧化层。因此，本发明提供的tof图像传感器的测距像素结构能够通过衬底中的两个包覆有氧化层的门电极与衬底中的两个收集节点配合实现通过导流电场对光生电荷进行调制，其中，衬底中的两个包覆有氧化层的门电极能够避免测距像素结构外接的电源的电流流入衬底中，故而，本实施例提供的测距像素结构的静态功耗很低，使得应用本发明提供的测距像素结构的tof图像传感器能够具有功耗低的优点。
24.为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
25.图1是本发明第一实施例提供的测距像素结构的第一示意图；
26.图2是本发明第一实施例提供的测距像素结构的第二示意图。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前
提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.尽管本发明使用第一、第二、第三等术语来描述不同的收集节点、门电极、电压信号、连接金属层等，但是这些收集节点、门电极、电压信号、连接金属层等并不受这些术语的限制。这些术语仅是用来将一个收集节点、门电极、电压信号、连接金属层等与另一个收集节点、门电极、电压信号、连接金属层等区分开来。除非另有定义，否则本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员所通常理解的意思。
29.下面结合附图对本发明实施例做进一步详述。
30.第一实施例：
31.图1是本发明第一实施例提供的测距像素结构的第一示意图。图2是本发明第一实施例提供的测距像素结构的第二示意图。为了清楚的描述本发明第一实施例提供的tof图像传感器的测距像素结构，请参见图1和图2。
32.参见图1，本发明第一实施例提供的tof图像传感器的测距像素结构，包括衬底、第一收集节点c1、第二收集节点c2及两个门电极。
33.其中，第一收集节点c1和第二收集节点c2并列设置于衬底中，均用于收集周围的光生电荷。
34.在一实施方式中，第一收集节点c1和第二收集节点c2均可以是通过在p型衬底内掺杂n型材料形成。
35.在一实施方式中，第一收集节点c1可以设有第三连接金属层m3，且第一收集节点c1可以通过第三连接金属层m3与像素电路连接。第二收集节点c2可以设有第四连接金属层m4，且第二收集节点c2可以通过第四连接金属层m4与像素电路连接。可选地，像素电路可以读取第一收集节点c1的电荷量和第二收集节点c2中的电荷量以获取电荷信息，从而像素电路可以根据电荷信息计算出图像中待测物体的距离，进而能够得到深度信息。其中，电荷信息中可以包括第一收集节点c1和第二收集节点c2的差分信号。
36.在其他实施方式中，参见图2，第一收集节点c1和第二收集节点c2的外围均设有保护环r1。第一收集节点c1外围的保护环r1能够使得第一收集节点c1的电荷收集性能更良好、电荷收集效率更高，第二收集节点c2外围的保护环r1能够使得第二收集节点c2的电荷收集性能更良好、电荷收集效率更高。
37.在其他实施方式中，第一收集节点c1的保护环r1可以为n+区域，且该n+区域的n+浓度低于第一收集节点c1的n+浓度；同理，第二收集节点c2的保护环r1可以为n+区域，且该n+区域的n+浓度低于第一收集节点c1的n+浓度。
38.其中，两个门电极并列设置并且部分嵌入于衬底中，且位于第一收集节点c1和第二收集节点c2之间，用于在衬底中产生导流电场，以将导流电场内的光生电荷导向第一收集节点c1或第二收集节点c2。其中，两个门电极嵌入在衬底中的部分的外壁上均包覆有氧化层s1。
39.在一实施方式中，两个门电极的外壁上包覆的氧化层s1可以均为二氧化硅。
40.在一实施方式中，两个门电极嵌入衬底的深度范围可以为2.5-3.5um。优选地，两个门电极嵌入衬底的深度为3um。
41.在一实施方式中，两个门电极之间的距离范围可以为1.5-2.5um。优选地，两个门
电极之间的距离可以为2um。
42.在一实施方式中，两个门电极均可以为多晶硅门。门电极还可以称为多晶硅栅极。多晶硅可以是掺杂不同浓度的硅形成的材料。
43.在一实施方式中，两个门电极分别为第一门电极mixa和第二门电极mixb。第一门电极mixa设有第一连接金属层m1，且第一门电极mixa通过第一连接金属层m1接收第一电压信号。第二门电极mixb设有第二连接金属层m2，且第二门电极mixb通过第二连接金属层m2接收第二电压信号。其中，第一电压信号与第二电压信号互为反向电压信号。具体地，通过对第一门电极mixa的第一连接金属层m1和第二门电极mixb的第二连接金属层m2交替施加高电压、低电压，从而利用第一门电极mixa和第二门电极mixb的电压差在衬底中产生导流电场，进而将第一门电极mixa和第二门电极mixb之间的光生电荷(或称光生载流子)导向第一收集节点c1和第二收集节点c2中的一个，以实现电荷的调制。
44.在一实施方式中，两个门电极mixa、mixb在衬底中的插入深度，可以根据实际需求进行设置。两个门电极mixa、mixb嵌入衬底的深度范围为2.5-3.5um，优选地，为3um；两个门电极mixa、mixb之间的距离范围为1.5-2.5um，优选地，为2um。两个门电极可以是将两个外壁包覆有氧化层s1的多晶硅材料嵌入硅衬底中形成，且两个门电极可以在深硅中产生导流电场。
45.在一实施方式中，衬底可以为p型硅衬底。
46.在一实施方式中，本实施例提供的tof图像传感器的测距像素结构还可以包括光电二极管，用于累积光电效应产生的电荷以响应入射光。
47.在一实施方式中，本实施例提供的tof图像传感器的测距像素结构的工作原理可以参考如下说明：
48.在光生电荷收集期间，第一收集节点c1和第二收集节点c2被偏置为正电压，以产生高电位来收集光生电荷。当第一门电极mixa接收的第一电压信号和第二门电极mixb接收的第二电压信号均为0v时，在衬底中产生的光生电荷平等地流向第一收集节点c1和第二收集节点c2。当第一门电极mixa接收的第一电压信号大于第二门电极mixb接收的第二电压信号时，第一门电极mixa和第二门电极mixb之间的电压差会在衬底的深硅中产生导流电场，以将衬底中的光生电荷引导至第一收集节点c1的耗尽区边缘，一旦光生电荷进入第一收集节点c1的耗尽区边缘，由于第一收集节点c1较高的电势，光生电荷就会流入第一收集节点c1(大多数光生电荷被第一收集节点c1收集，很少的光生电荷被第二收集节点c2收集)。同理，当第一门电极mixa接收的第一电压信号小于第二门电极mixb接收的第二电压信号时，第一门电极mixa和第二门电极mixb之间的电压差会在衬底的深硅中产生导流电场，以将衬底中的光生电荷引导至第二收集节点c2的耗尽区边缘，一旦光生电荷进入第二收集节点c2的耗尽区边缘，由于第二收集节点c2较高的电势，光生电荷就会流入第二收集节点c2(大多数光生电荷被第二收集节点c2收集，很少的光生电荷被第一收集节点c1收集)。
49.本发明第一实施例提供的tof图像传感器的测距像素结构，包括衬底、第一收集节点c1、第二收集节点c2及两个门电极。其中，第一收集节点c1和第二收集节点c2并列设置于衬底中，均用于收集周围的光生电荷。其中，两个门电极并列设置并且部分嵌入于衬底中，且位于第一收集节点c1和第二收集节点c2之间，用于在衬底中产生导流电场，以将导流电场内的光生电荷导向第一收集节点c1或第二收集节点c2。其中，两个门电极嵌入所述衬底
中的部分的外壁上均包覆有氧化层s1。因此，本发明第一实施例提供的tof图像传感器的测距像素结构能够通过衬底中的两个包覆有氧化层s1的门电极与衬底中的两个收集节点配合，实现通过导流电场对光生电荷进行调制，其中，衬底中的两个包覆有氧化层s1的门电极能够避免测距像素结构外接的电源的电流流入衬底中，故而，本实施例提供的测距像素结构的静态功耗很低，使得应用本实施例提供的测距像素结构的tof图像传感器能够具有功耗低的优点。
50.第二实施例：
51.本发明第二实施例提供的tof图像传感器，包括如第一实施例所描述的测距像素结构。
52.在一实施方式中，还包括像素电路。所述像素电路包括两路读取电路，每路读取电路可以为3t、4t、5t的电路结构，比如可包括转移晶体管、复位晶体管、源极跟随晶体管、行选晶体管以及双转换增益晶体管。每路读取电路分别与测距像素结构中的第一收集节点和第二收集节点电连接，用于交替读出与第一收集节点和第二收集节点对应的电荷信息以计算图像中待测物体的距离。
53.在一实施方式中，计算距离的公式包括：d＝qb/(qa+qb)*t*c/2。其中，d表示距离，qa表示从第一收集节点读出的第一电荷量，qb表示从第二收集节点读出的第二电荷量，t表示测距光脉冲信号的周期，c表示光速。
54.在一实施方式中，测距光脉冲信号的周期t是固定的，通过qb/(qa+qb)能够得到一个系数，从而测距光脉冲信号的周期t乘以得到的系数就能够得到发射光和返回光的飞行时间t，从而d＝t*c/2。
55.本发明第二实施例提供的tof图像传感器，包括如第一实施例所描述的测距像素结构。因此，本发明第二实施例提供的tof图像传感器具有功耗低的优点。
56.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
57.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素，此外，本发明不同实施例中具有同样命名的部件、特征、要素可能具有相同含义，也可能具有不同含义，其具体含义需以其在该具体实施例中的解释或者进一步结合该具体实施例中上下文进行确定。
58.应当理解，尽管在本文可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本文范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语"如果"可以被解释成为"在
……
时"或"当
……
时"或"响应于确定"。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操
作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“a、b或c”或者“a、b和/或c”意味着“以下任一个：a；b；c；a和b；a和c；b和c；a、b和c”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
59.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。