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最近几年,3D成像技术正成为智能传感器领域最为热门的研究方向之一,特别是苹果公司发布配备有散斑结构光进行3D人脸建模和解锁的iPhone X后,掀起了国内外厂商对新一代3D成像技术的研究热潮。相位式飞行时间法(Indirect Time-Of-Flight,I-TOF)是新一代3D成像技术的一个分支,其采用CCD/CMOS图像传感器配合周期性调制激光进行探测,伴随着CMOS图像传感器工艺(CMOS Image Sensor,CIS)的飞速发展和改善,相位式飞行时间法相较于其他3D成像技术,比如双目立体视觉(Stereo Vision)、结构光(Structured Light)和直接式飞行时间法(Direct Time-Of-Flight,D-TOF)在抗强环境光干扰、探测距离、有效特征点量级、模组基线限制、系统集成度及成本上有一定的优势。所以在移动终端、自动驾驶、工厂机器人、安防领域、虚拟现实(Virtual Reality,VR)对其有巨大的市场需求。由于I-TOF的像素结构与2D成像的CMOS传感器有所不同,且应用在高频率调制光下,对像素性能要求较为苛刻,其像素好坏会很大程度地决定深度测量的精度,因此需要不断改进工艺和迭代设计去进行优化像素。本文基于Sentaurus TCAD搭建的像素仿真平台上设计了一种相位式TOF深度探测器的像素结构,对该像素进行工艺仿真和器件结构生成和器件仿真,分析相位解调效果,并采用中芯国际130 nm 1P4M CIS工艺进行流片验证,经过流片后的测试和结果分析,本文提出的这种I-TOF像素结构可以正常实现深度探测功能,验证了相位式飞行时间法在CIS上的可行性。针对目前标准工艺下的像素存在不足之处,对像素提出了三个优化方案并在仿真平台上验证:(1)两次N型注入形成双N掩埋层提高长波段的吸收效率。(2)设计非均匀沟道掺杂,优化转移路径电势提高电荷转移效率和解调对比度。(3)设计深沟槽隔离减轻红外电学串扰。与标准工艺的像素性能比对分析,仿真结果表明优化后的像素在长波段的吸收效率提升了10%左右,解调对比度在40M、850nm的红外调制光入射下提升至26.09%,并且在4um的深沟槽工艺下像素间的红外电学串扰下降了43.34%。本文搭建的I-TOF像素仿真平台为今后进行I-TOF像素设计和工艺优化提供一套较为高效的解决方案,并且提出的I-TOF像素结构经过流片验证了其可实现深度探测功能,然后针对目前标准工艺的不足提出了优化像素性能的三种工艺优化方案,仿真结果证明本文所采取的优化能有效提升I-TOF深度探测器的关键参数,为后续进行工艺优化的流片打下坚实的基础。