CN1624929A

CN1624929A - 固体摄像元件

Info

Publication number: CN1624929A
Application number: CN200410095087.1A
Authority: CN
Inventors: 浜田稔; 东堤良仁
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2004-11-23
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2024-11-23
Also published as: JP2005166810A; CN100389500C; TWI251344B; JP4660086B2; TW200525757A; US20050128330A1; US7548268B2

Abstract

提供一种固体摄像元件，在电荷存储期间，将1组传送电极(24)中的3个传送电极(24－2～24－4)变为ON状态并在其传送电极(24－2～24－4)下的沟道区域中形成势阱(30)，将产生的信息电荷存储。另一方面，在非电荷存储期间，将1组传送电极(24)中用遮光膜覆盖的1个传送电极(24－3)变为ON状态并在其传送电极(24－3)下的沟道区域中形成势阱(31)，将在电荷存储期间所存储的信息电荷原样保持。由此，能够解决测距传感器用固体摄像元件在电荷存储期间和非电荷存储期间之间的灵敏度差较小，算出距离时的误差变大等问题。

Description

固体摄像元件

技术领域

本发明涉及适于在测距传感器中使用的固体摄像元件。

背景技术

图7是用于说明根据测距传感器测定距离的原理模式图。测距传感器由照明装置2、固体摄像元件3以及处理电路4构成。从照明装置2将照射红外线脉冲10照射在物体(被摄体)1上，从物体1将根据照射红外线脉冲10的反射光12入射到固体摄像元件3上。并且，固体摄像元件3存储根据反射光12的信息电荷，并将该信息发送到处理电路4中。处理电路4根据从固体摄像元件3送来的信息，根据照射红外线脉冲10与反射光12之间的相位差算出与物体1的距离。以下，对根据测距传感器测定距离的具体方法进行说明。

CCD(Charge Coupled Device)固体摄像元件是将信息电荷作为一个信号组，并能够让其用与外部时钟脉冲同步的速度在一个方向上按顺序移动的电荷传送元件。图8表示帧传送方式的固体摄像元件3的概略构成平面图。帧传送方式的固体摄像元件3包括摄像部3i、存储部3s、水平传送部3h以及输出部3d。摄像部3i包括由在垂直方向(图8的纵方向)上互相平行延伸的多个移位寄存器构成的垂直移位寄存器，并将各移位寄存器的各位分别配置为二维矩阵。存储部3s也包括由在垂直方向(图8的纵方向)上互相平行延伸的多个移位寄存器构成的垂直移位寄存器。在存储部3s中所包括的垂直移位寄存器被遮光，将各移位寄存器的各位作为存储信息电荷的存储像素发挥作用。水平传送部3h包括在水平方向(图8的横方向)上延伸并配置的水平移位寄存器，并将存储部3s的各移位寄存器的输出连接在水平移位寄存器的各位上。输出部3d包括暂时存储从水平传送部3h的水平移位寄存器传送的信息电荷的电容以及将在该电容中存储的信息电荷排出的复位晶体管。

图9(a)表示现有的摄像部3i的一部分模式平面图，图9(b)是沿其A-A线的侧截面图。在图9(b)中在N型半导体基板(N-sub)20上形成P阱(PW)21，在其上面形成N阱(NW)22。即，在N型半导体基板20上形成添加P型杂质的P阱21。在该P阱21的表面区域上，形成高浓度添加N型杂质的N阱22。

另外，设置分离区域25以便分离垂直移位寄存器的沟道区域之间。在N阱22上形成分离区域25，其由通过以给定间隔互相平行地将P型杂质离子注入的P型杂质区域构成。N阱22通过邻接的分离区域25电区分，由分离区域25所夹持的区域成为信息电荷的传送路线的沟道区域。分离区域25，在邻接的沟道区域间形成势垒，并电分离各沟道区域。

在半导体基板20的表面上形成绝缘膜23。通过该绝缘膜23按照与沟道区域的延伸方向垂直那样，互相平行配置由多晶硅膜构成的多个传送电极24。另外，为了减少传送电极24的电阻分量，与沟道区域的延伸方向平行设置衬里布线26，其由通过开口部与传送电极24的每隔给定个数连接的由钨硅化物膜构成。邻接的5个传送电极24-1、24-2、24-3、24-4、24-5的组相当于1个像素。

图10表示将照射红外线脉冲10从图7所示的测距传感器中的照明装置2照射到物体1上时的摄像期间Ts的照射红外线脉冲10、反射光12的反射光强度、固体摄像元件3的传送时钟信号、固体摄像元件3的电荷存储的关系图。在图10中横轴表示时间。

首先，在摄像期间Ts之前将在固体摄像元件的各像素中所存储的信息电荷用电子快门及其它方法除去。

在此之后，从如图10(a)所示的测距传感器的照明装置2以由照射时间Tp以及非照射时间Tp构成的给定频率进行亮度调制后的照射红外线脉冲10只在摄像期间Ts被照射在物体1上。此时从物体1，将如图10(b)所示那样具有与测距传感器和物体1的距离成比例的相位差(相位延迟)的反射光12入射到固体摄像元件3中。如果测距传感器与物体1的距离为r，光速为c，那么由于光路距离为2r，1周期为2Tp，则该相位差为2πr/c/Tp[rad]。在此，如图10(c)所示那样，根据传送时钟信号在固体摄像元件3中让电荷存储期间(ON期间)和非电荷存储期间(OFF期间)与照射红外线脉冲10同步。此时，沿摄像时的摄像部3i的沟道区域(沿图9(a)的B-B线的侧截面)的N阱22内的电势分布的情况如图11所示。在电荷存储期间，如图11(a)所示将一组传送电极24中的3个传送电极24-2～24-4变为ON状态，并在该传送电极24-2～24-4下的沟道区域中形成势阱30，将剩余的传送电极24-1、24-5变为OFF状态。由此将根据反射光12的反射光强度的信息电荷存储在ON状态的传送电极24-2～25-4下的势阱30中。此时，如图10(d)所示在电荷存储期间与反射光强度较大期间重合的期间中存储ON电荷。在非电荷存储期间，如图11(b)所示将一组传送电极24中的1个传送电极24-3变为ON状态且在该传送电极24-3下的沟道区域中形成势阱31，将剩余的传送电极24-1、24-2、24-4、24-5变为OFF状态。由此将到那时的信息电荷保持在ON状态的传送电极24-3下的势阱31中。但是，在非电荷存储期间，如图10(d)所示在非电荷存储期间与反射光强度较大期间重合的期间中存储OFF电荷。如图11(b)所表明，这是由于即使在非电荷存储期间反射光12也被入射到传送电极24-3上，所以产生新的信息电荷。由于在1周期内所产生的ON电荷以及OFF电荷非常小，所以通过只在摄影期间Ts重复电荷存储期间和非电荷存储期间，在各像素中将在每一周期中的ON电荷以及OFF电荷作为信息电荷累积并存储。

经过摄像期间Ts后，将到那时在各像素中存储的信息电荷从摄像部3i传送到存储部3s。在传送时，例如，按照在图12的传送期间Tt中所示那样将5相传送时钟信号1～5施加在邻接的5个传送电极24-1、24-2、24-3、24-4、24-5的组合上，控制在传送电极24-1、24-2、24-3、24-4、24-5下的沟道区域的电势并将信息电荷在一个方向上传送。

如上所述，只在摄像期间Ts将照射红外线脉冲10照射在物体1上，让固体摄像元件3与照射红外线脉冲10同步而设置电荷存储期间时，将在固体摄像元件3的像素中所存储的信息电荷作为Qp。另一方面，只在摄像期间Ts连续照射向物体1的照射红外线，在将固体摄像元件3在整个摄像期间Ts都作为电荷存储期间时，将在固体摄像元件3的像素中所存储的信息电荷作为Qs。由于每单位时间的信息电荷产生量与光接收面积成比例，所以OFF电荷是ON电荷的1/3。因此，信息电荷Qp对信息电荷Qs的比率，根据图10(d)表示如下。

Qp/Qs＝{(Tp-2r/c)+(2r/c)·(1/3)}/2Tp (1)

如果改写该式(1)，那么测距传感器与物体1的距离r由下式给出。

r＝3Tp·c(1-2Qp/Qs)/4 (2)

如上所述，根据式(2)算出测距传感器与物体1的距离r。实际上由于不能直接检测信息电荷Qp以及Qs，所以根据与将照射红外线脉冲照射时的信息电荷Qp以及连续照射时的信息电荷Qs相对应的从输出部输出的图像信号的比率算出距离r。

如上所述，根据式(2)算出测距传感器与物体1的距离r。但是，由于在每1周期的ON电荷非常小时，在非电荷存储期间也产生了不少OFF电荷，所以存在在电荷存储期间与非电荷存储期间之间的固体摄像元件3中的灵敏度变小，在算出距离r时的误差变大的问题。在此，根据脉冲照射时的信息电荷Qp对连续照射时的信息电荷Qs的比算出距离r，该比的由距离r的变化率(微分系数)为-2/(3Tp·c)。

非专利文献1：米本和也，“CCD/CMOS图像·传感器的基础和应用”，P67-70，CQ出版株式会社，2003年8月10日出版。

发明内容

有关本发明的固体摄像元件，用于测距传感器，该测距传感器通过将由给定频率进行亮度调制后的照射光在物体上照射给定时间，同时让传送时钟信号与上述亮度调制后的照射光同步进行摄影，检测上述照射光与来自上述物体的反射光之间的相位差，算出与上述物体的距离，其特征在于，将存储响应入射光所产生的信息电荷的光接收元件、和直接保持上述信息电荷的电荷保持元件邻接配置在半导体基板的表面上；根据上述传送时钟信号，将上述信息电荷在上述光接收元件与上述电荷保持元件之间双方向传送。

根据本发明，能够增大在电荷存储期间和非电荷存储期间之间的固体摄像元件3中的灵敏度差，能够减小算出测距传感器与物体1的距离r时的误差。

附图说明

图1表示作为本发明第1实施方式的帧传送型CCD固体摄像元件的摄像部一部分的模式平面图及其侧截面图。

图2表示本发明第1实施方式的电势分布的模样图。

图3表示在本发明中摄像期间的照射红外线脉冲、反射光的反射光强度、固体摄像元件的传送时钟信号、固体摄像元件的电荷存储的关系图。

图4表示作为本发明第2实施方式的帧传送型CCD固体摄像元件的摄像部一部分的模式平面图及其侧截面图。

图5表示本发明第2实施方式的电势分布的模样图。

图6表示本发明第3实施方式的电势分布的模样图。

图7表示用于说明根据测距传感器测定距离的原理的模式图。

图8表示帧传送方式的固体摄像元件的概略构成平面图。

图9表示现有的固体摄像元件的摄像部一部分的模式平面图及其侧截面图。

图10表示在现有的摄像期间的照射红外线脉冲、反射光的反射光强度、固体摄像元件的传送时钟信号、固体摄影元件的电荷存储的关系图。

图11表示现有的固体摄影元件的电势分布的模样图。

图12表示在固体摄像元件的摄像期间以及传送期间将传送时钟信号施加在传送电极上的图。

图中：1-物体(被测体)，2-照明装置，3-固体摄像元件，4-处理装置，10-红外线脉冲，12-反射光，20-N-sub，21-P阱(PW)，22-N阱(NW)，23-绝缘膜，24-传送电极，25-分离区域，26-衬里布线，27-遮光膜，28-透镜，30、31-势阱。

具体实施方式

下面，根据附图说明本发明的实施方式。

第1实施方式

图1(a)表示作为本发明第1实施方式的帧传送型CCD固体摄像元件的摄像部一部分的模式平面图，图1(b)是沿其A-A线的侧截面图。另外，图2表示沿摄像部的沟道区域(沿图1(a)的B-B线的侧截面)N阱22内的电势分布的模样。在本实施方式中，对与在图9以及图11中所述的现有的帧传送型固体摄像元件3相同的构成采用相同的符号。

在本实施方式中，在非电荷存储期间形成势阱31的传送电极24-3上覆盖遮光膜27。因此，如图3(a)所示，将照射红外线脉冲10从照明装置2照射到物体1上，与采用本实施方式的固体摄像元件的物体1的距离r的测定如下。

首先，在摄像期间Ts之前将在固体摄像元件的各像素中存储的信息电荷用电子快门及其它方法除去。

并且，在摄像期间Ts中的电荷存储期间中，如图2(a)所示，将1组传送电极24中的3个传送电极24-2～24-4变为ON状态并在该传送电极24-2～24-4下的沟道区域中形成势阱30，将剩余的传送电极24-1、24-5变为OFF状态。由此将所产生的信息电荷存储在ON状态的传送电极24-2～24-4下的势阱30中。此时，如图3(d)所示，在电荷存储期间与反射光强度较大期间重合的期间中存储ON电荷。另一方面，在摄影期间Ts的非电荷存储期间中，如图2(b)所示，将1组传送电极24中的1个传送电极24-3变为ON状态并在其传送电极24-3下的沟道区域中形成势阱31，将剩余的传送电极24-1、24-2、24-4、24-5变为OFF状态。由此将信息电荷保持在ON状态的传送电极24-3下的势阱31中。此时，在非电荷存储期间中，由于传送电极24-3用遮光膜27覆盖，故由反射光12不产生信息电荷，所以按照图3(d)那样不存储新的信息电荷。由此仅在电荷存储期间将形成根据反射光12产生并存储信息电荷的传送电极24-2、24-4以及其下的势阱的部分作为光接收元件，在非电荷存储期间将形成直接保持由该光接收元件存储的信息电荷的传送电极24-3以及其下的势阱作为电荷保持元件。

此时，在1周期内只产生ON电荷，通过重复电荷存储期间和非电荷存储期间，在各像素中每周期将ON电荷作为信息电荷累积并存储。经过摄像期间Ts后，与以往相同将这之前在各像素中存储的信息电荷从摄像部传送到存储部中。

如上所述，仅在摄像期间Ts将照射红外线脉冲10照射到物体1上，让本实施方式的固体摄像元件与照射红外光脉冲10同步而设置电荷存储期间时，将在固体摄像元件的像素中存储的信息电荷作为Qp。另一方面，仅在摄像期间Ts连续照射向物体1的照射红外线，将固体摄像元件在整个摄像期间Ts都作为电荷存储期间时，将在固体摄像元件的像素中所存储的信息电荷作为Qs。另外，由于每单位时间的信息电荷发生量与光接收面积成比例，所以ON电荷是作为现有技术的图11时的2/3，不产生OFF电荷。因此，信息电荷Qp对信息电荷Qs的比率根据图10(d)表示如下。

Qp/Qs＝{(Tp-2r/c)·(2/3)}/{2Tp·(2/3)} (3)

如果改写该式(3)，那么测距传感器与物体1的距离r由下式给出。

r＝Tp·c(1-2Qp/Qs)/2 (4)

如上所述，根据式(4)算出测距传感器与物体1的距离r。由于在每一周期中仅将ON电荷作为信息电荷存储，不产生OFF电荷，所以在电荷存储期间与非电荷存储期间之间的固体摄像元件中的灵敏度差大，算出距离r时的误差小。即，根据脉冲照射时的信息电荷Qp对连续照射时的信息电荷Qs的比算出距离r，该比的由距离r的变化率(微分系数)为1/(Tp·c)，在距离r变化时，由于Qp/Qs与作为现有技术的图11相比变化3/2倍，所以能够将测定距离r时的灵敏度(分辨率)变大。

第2实施方式

图4(a)表示作为本发明第2实施方式的帧传送型CCD固体摄像元件的摄像部一部分的模式平面图，图4(b)是沿其A-A线的侧截面图。另外，图5表示沿摄像部的沟道区域(沿图4(a)的B-B线的侧面图)的N阱22内的电势分布的模样图。在本实施方式中，对与图9以及图11中所记载的现有的帧传送型固体摄影元件相同的构成采用相同的符号。

在本实施方式中，在传送电极24之上覆盖透镜28。根据该透镜28的作用将反射光12折射，并将反射光12聚光在传送电极24-2、24-4上，在传送电极24-3上不聚光。因此，如图3(a)所示，将照射红外线脉冲10从照明装置2照射到物体1上，与采用本实施方式的固体摄像元件的距离r的测定如下。

并且，在摄像期间Ts的电荷存储期间中，如图5(a)所示，将1组传送电极24中的3个传送电极24-2～24-4变为ON状态，并在该传送电极24-2～24-4下的沟道区域中形成势阱30，将剩余的传送电极24-1、24-5变为OFF状态。由此将产生的信息电荷存储在ON状态的传送电极24-2～24-4下的势阱30中。此时，如图3(d)所示，在电荷存储期间和反射光强度较大期间重合的期间中存储ON电荷。另一方面，在摄像期间Ts的非电荷存储期间中，如图5(b)所示，将1组传送电极24中的一个传送电极24-3变为ON状态并在该传送电极24-3下的沟道区域中形成势阱31，将剩余的传送电极24-1、24-2、24-4、24-5变为OFF状态。由此将信息电荷保持在ON状态的传送电极24-3下的势阱31中。此时，在非电荷存储期间中，传送电极24-3由于透镜的作用仅接收透过邻接的透镜28的空隙的反射光12，所以不产生信息电荷，如图3(d)所示，不存储新的信息电荷。由此仅在电荷存储期间将形成根据反射光12产生并存储信息电荷的传送电极24-2、24-4以及其下的势阱的部分作为光接收元件，在非电荷存储期间将形成直接保持由该光接收元件存储的信息电荷的传送电极24-3以及其下的势阱作为电荷保持元件。

此时在1周期只产生ON电荷，通过重复电荷存储期间和非电荷存储期间，各像素在每一周期中将ON电荷作为信息电荷累积并存储。经过摄像期间Ts后，与以往相同将这之前在各像素中存储的信息电荷从摄像部传送到存储部。

如上所述，只在摄像期间Ts将照射红外线脉冲10照射到物体1上，让本实施方式的固体摄影元件与照射红外线脉冲10同步而设置电荷存储期间时，将在固体摄像元件的像素中存储的信息电荷作为Qp。另一方面，只在摄像期间Ts连续照射向物体1的照射红外线，将固体摄像元件3在整个摄像期间Ts都作为电荷存储期间时，将在固体摄像元件的像素中所存储的信息电荷作为Qs。另外，由于每单位时间的信息电荷产生量与光接收面积成比例，所以ON电荷是作为现有技术的图11时的4/3，OFF电荷由于通过邻接的透镜28的空隙的反射光12很少所以几乎不产生。因此，信息电荷Qp对信息电荷Qs的比率根据图3(d)表示如下。

Qp/Qs＝{(Tp-2r/c)·(4/3)}/{2Tp·(4/3)} (5)

如果改写该式，那么测距传感器与物体1的距离r由下式给出。

r＝Tp·c(1-2Qp/Qs)/2 (6)

如上所述，根据式(6)算出测距传感器与物体1的距离r。由于式(6)与式(4)相同，所以第2实施方式也与第1实施方式相同，在电荷存储期间与非电荷存储期间之间的固体摄像元件中的灵敏度差大，算出距离r时的误差小。在第2实施方式中，由于在1周期所产生的ON电荷与第1实施方式相比增大，所以即使减少电荷存储期间和非电荷存储期间的重复次数也能够存储同量的信息电荷。即，由于能够缩短摄像时间Ts，所以根据测距传感器能够缩短距离r的测定时间，同时也能够减少其消费电力。

第3实施方式

作为本发明第3实施方式的帧传送型CCD固体摄像元件的摄像部兼具第1实施方式与第2实施方式两者。图6表示沿摄像部的沟道区域的N阱22内的电势分布的模样。在本实施方式中也对与图9以及图11中所记载的现有的帧传送型固体摄像元件相同的构成采用相同的符号。

在本实施方式中，在传送电极24-3上覆盖遮光膜27。进一步在传送电极24-3的遮光膜27上覆盖透镜28。根据该透镜28的作用折射反射光12，将反射光12聚光在传送电极24-2、24-4上，在传送电极24-3上不聚光。并且，在传送电极24-3上用遮光膜27遮挡仅仅通过邻接的透镜28的空隙的反射光12。因此，在第2实施方式中在非电荷存储期间产生少量OFF电荷，在本实施方式中不让OFF电荷产生。

在第3实施方式中也与第1以及第2实施方式相同也能够将在电荷存储期间与非电荷存储期间之间的固体摄像元件中的灵敏度差增大，并能够将算出距离r时的误差变小。另外，与第2实施方式相同，由于在1周期所产生的ON电荷与第1实施方式相比变大，所以即使减少电荷存储期间和非电荷存储期间的重复次数也能够存储同量的信息电荷。即，由于能够缩短摄像时间Ts，所以根据测距传感器能够缩短距离r的测定时间，同时也能够减少其消费电力。

在以上的各实施方式的固体摄影元件中，将光接收元件和电荷保持元件作为一对进行矩阵配置。为此，在每个像素中通过算出与物体1的距离r，能够三维掌握物体1的表面的凹凸。

还有，在本实施方式中，虽然用帧传送型CCD固体摄影元件进行了说明，但本发明并不限于此。即，只要将存储响应入射的光所产生的信息电荷的光接收元件、和直接保持该信息电荷的电荷保持元件邻接配置在半导体基板的表面上，根据传送时钟信号，将该信息电荷在光接收元件和电荷保持元件之间双方向传送即可。

Claims

1、一种固体摄像元件，用于测距传感器，该测距传感器通过将由给定频率进行亮度调制后的照射光在物体上照射给定时间，同时让传送时钟信号与所述亮度调制后的照射光同步进行摄影，检测所述照射光与来自所述物体的反射光之间的相位差，算出与所述物体的距离，其特征在于，

将存储响应入射光所产生的信息电荷的光接收元件、和直接保持所述信息电荷的电荷保持元件邻接配置在半导体基板的表面上；

根据所述传送时钟信号，将所述信息电荷在所述光接收元件与所述电荷保持元件之间双方向传送。

2、根据权利要求1中所述的固体摄像元件，其特征在于，

固体摄像元件为帧传送型；

所述电荷保持元件具有在光接收元件上形成遮光膜的结构。

3、根据权利要求1中所述的固体摄像元件，其特征在于，

固体摄像元件为帧传送型；

所述电荷保持元件构成为：在光接收元件上形成有透镜，并且入射到所述电荷保持元件的光不聚光在所述电荷保持元件上。

4、根据权利要求1中所述的固体摄像元件，其特征在于，

固体摄像元件为帧传送型；

所述电荷保持元件构成为：在光接收元件上形成有遮光膜，同时在光接收元件上的遮光膜上进一步形成有透镜，并且入射到所述电荷保持元件的光不聚光在所述电荷保持元件上。

5、根据权利要求1～4中任一项所述的固体摄像元件，其特征在于，

将所述光接收元件与所述电荷保持元件作为一对成矩阵配置。