光生電荷載流子的控制的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及光生電荷載流子的控制。描述并描繪了與光生電荷載流子的控制有關(guān)的實施例。一種制造設(shè)備的方法，所述方法包括：提供非均勻摻雜輪廓，以使得在光轉(zhuǎn)換區(qū)域的至少部分中生成具有垂直場矢量分量的電場；在非均勻摻雜輪廓上方生成包括多個控制電極的控制電極結(jié)構(gòu)用于引導(dǎo)光生電荷載流子。
【專利說明】光生電荷載流子的控制
【背景技術(shù)】
[0001]諸如成像器設(shè)備之類的感光設(shè)備被使用于許多應(yīng)用和變化中。除能夠提供2D (2維)圖像的諸如CXD (電荷耦合器件)成像器或CMOS (互補金屬氧化物半導(dǎo)體)成像器之類的固態(tài)成像器以外，3D成像器或深度成像器對于多種應(yīng)用變得越來越流行。對于3D成像和深度成像，基于飛行時間(TOF)的光學(xué)傳感器非常有希望用于未來的應(yīng)用，從對象或環(huán)境的輪廓的獲取、對象和人的跟蹤和識別到某些部分的運動的識別或手勢識別。
[0002]在TOF傳感器的應(yīng)用中以及對于其他光學(xué)成像器，電荷的轉(zhuǎn)移對成像器的操作至關(guān)重要。為了給出一個示例，對于解調(diào)由基于飛行時間原理的設(shè)備所提供的入射光來說，及時地將電荷載流子轉(zhuǎn)移到讀出節(jié)點對于深度信息以及其他操作參數(shù)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]根據(jù)一個方面，一種制造設(shè)備的方法包括提供非均勻摻雜輪廓(doping profile)以使得在光轉(zhuǎn)換區(qū)域的至少部分中生成有垂直場矢量分量的電場，并且在非均勻摻雜輪廓上方生成包括多個控制電極的控制電極結(jié)構(gòu)用于引導(dǎo)光生電荷載流子。
[0004]根據(jù)另外的方面，一種設(shè)備包括半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底包括用于將光轉(zhuǎn)換成光生電荷載流子的光轉(zhuǎn)換區(qū)域、用于累積光生電荷載流子的區(qū)域以及包括多個控制電極的控制電極結(jié)構(gòu)，用于生成電位分布以使得基于施加到控制電極結(jié)構(gòu)的信號而將光生載流子朝著用于累積光生電荷載流子的區(qū)域?qū)?。在半?dǎo)體襯底中提供非均勻摻雜輪廓以在光轉(zhuǎn)換區(qū)域的至少部分中生成有垂直場矢量分量的電場。
[0005]根據(jù)另外的方面，一種設(shè)備包括具有第一主表面和第二主表面的襯底，所述襯底包括用于將入射光轉(zhuǎn)換成光生電荷載流子的光轉(zhuǎn)換區(qū)域。所述設(shè)備被配置成在第二主表面接收入射光。提供至少一個區(qū)域用于累積位于第一主表面的光生電荷載流子?？刂齐姌O結(jié)構(gòu)被布置在第一主表面以在半導(dǎo)體襯底中生成電位分布，以使得基于施加到控制電極結(jié)構(gòu)的信號而將光生載流子朝著用于累積光生電荷載流子的至少一個區(qū)域?qū)?。半?dǎo)體摻雜輪廓用于在光轉(zhuǎn)換區(qū)域的至少部分中生成具有垂直場矢量分量的電場。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1A示出根據(jù)實施例的設(shè)備；
圖1B示出圖1A的設(shè)備的示例性電位分布；
圖2A示出根據(jù)進(jìn)一步實施例的設(shè)備；
圖2B示出圖2A的設(shè)備的示例性電位分布；
圖3示出根據(jù)進(jìn)一步實施例的設(shè)備；
圖4示出根據(jù)進(jìn)一步實施例的設(shè)備；
圖5示出根據(jù)進(jìn)一步實施例的設(shè)備；
圖6示出根據(jù)實施例的流程圖；
圖7示出根據(jù)實施例的流程圖； 圖8示出根據(jù)實施例的飛行時間系統(tǒng)應(yīng)用；以及 圖9示出階梯式(step-wise)摻雜輪廓的示例。
【具體實施方式】
[0007]以下的詳細(xì)描述解釋示例性實施例。該描述不被視為具有限制意義，而僅為了說明實施例的基本原理的目的而做出，而保護(hù)范圍僅由所附權(quán)利要求來確定。
[0008]在圖中示出的和在下文描述的示例性實施例中，在圖中示出的或本文描述的功能塊、設(shè)備、組件或其它物理或功能單元之間的任何直接連接或耦合也可通過間接連接或耦合實現(xiàn)。功能塊可以以硬件、固件、軟件、或其組合來實現(xiàn)。
[0009]此外，需要理解的是本文描述的各種示例性實施例的特征可相互結(jié)合，除非另有特別說明。
[0010]在各個附圖中，相同或類似的實體、模塊、設(shè)備等可以被分配相同的附圖標(biāo)記。
[0011]術(shù)語“垂直的”以非限制性的方式用于在實施例中描述垂直或基本上垂直于諸如襯底主表面之類的襯底表面的方向。術(shù)語“橫向的(lateral)”以非限制性的方式用于在實施例中描述平行或基本上平行于諸如襯底主表面之類的襯底表面的方向。
[0012]在實施例中使用的術(shù)語“襯底”可包括但不限于諸如半導(dǎo)體裸片(die)、堆疊裸片、具有一個或多個附加半導(dǎo)體層(諸如外延層、聚硅層等)的半導(dǎo)體裸片之類的半導(dǎo)體襯底。
[0013]圖1示出設(shè)備100的實施例，設(shè)備100包括具有光轉(zhuǎn)換區(qū)域112的襯底102。該設(shè)備被配置成使得光透入到光轉(zhuǎn)換區(qū)域112且至少部分入射光被轉(zhuǎn)換成兩種類型的電荷載流子(即，電子和空穴)。在一些實施例中，可以將光從設(shè)備100的正面10a引入到光轉(zhuǎn)換區(qū)域。在其它實施例中，可以將光從設(shè)備100的背面10b引入到光轉(zhuǎn)換區(qū)域。在實施例中，光轉(zhuǎn)換區(qū)域可以在垂直方向上延伸到襯底中在15μπι和60 μ m之間，其中該范圍內(nèi)的每個值和每個子范圍構(gòu)成特定實施例。
[0014]設(shè)備100進(jìn)一步包括在其上提供第一控制電極106a、第二控制電極106b和第三控制電極106c的絕緣材料層104。層104通常被提供為薄層(例如，柵極層)，并且可以例如包括二氧化硅。圖1A所示的元件可以形成多個像素中的單個像素。因而，在一些實施例中，控制電極可以在連續(xù)波飛行時間成像器的像素內(nèi)形成解調(diào)結(jié)構(gòu)的調(diào)制柵極。因此，應(yīng)該注意的是，在一些實施例中在該設(shè)備內(nèi)形成多個像素，導(dǎo)致對于單個像素的圖1A中示出的元件和結(jié)構(gòu)的重復(fù)。
[0015]結(jié)構(gòu)108形成于控制電極106a、106b、106c之間。結(jié)構(gòu)108可以包括例如在用于控制電極106a、106b、106c的電隔離的制造過程中生成的間隔器或畫線器(liner)。未在圖1A中示出的諸如金屬層和通孔之類的其他結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步被包含在設(shè)備100中。
[0016]此外，提供了在半導(dǎo)體襯底102上方延伸的覆蓋層100。如能從圖1A所見，覆蓋層110覆蓋設(shè)備100中提供的控制電極106a、106b、106c和結(jié)構(gòu)108。在一些實施例中，可以在覆蓋層110中或在其上方提供諸如用于屏蔽感光區(qū)域(諸如，讀出節(jié)點)的屏蔽元件之類的附加元件。
[0017]在圖1A的實施例中，第二控制電極106b關(guān)于橫向方向(X-方向)被布置在第一控制電極106a和第三控制電極106c之間。在一些實施例中，第二控制電極到第一或第二控制電極的至少之一具有在50nm和I μ m之間的橫向距離，其中該范圍內(nèi)的每個值和每個子范圍構(gòu)成一個實施例。在一些實施例中，第三控制電極到第一或第二控制電極的至少之一具有在0.ΙμL?和0.5μπ?之間的橫向距離。在一些實施例中，第二控制電極到第一或第三控制電極二者具有在50nm和I μ m之間的橫向距離，其中該范圍內(nèi)的每個值和每個子范圍構(gòu)成一個實施例。在一些實施例中，第二控制電極到第一或第三控制電極二者具有在0.1ym和0.5 μ m之間的橫向距離。
[0018]在實施例中，控制電極106a、106b和106c被制造成使得控制電極對于在光轉(zhuǎn)換區(qū)域112中生成電荷載流子的入射光是透明的或至少半透明的。這可以通過具有用于電極的各個薄層和/或使用對于入射光透明或半透明的材料來提供。在一些實施例中，操作的光可以是紅外光或近紅外光。在一些實施例中，操作的光可以是可見光。如隨后關(guān)于圖8將描述的，當(dāng)從光源發(fā)出時，操作的光可以被調(diào)制信號所調(diào)制。當(dāng)在解調(diào)像素內(nèi)使用時，然后向控制電極提供相對于光調(diào)制信號具有相同頻率而有預(yù)定義的時間延遲的信號。
[0019]在實施例中，控制電極106a、106b、106c是用于基于存在于各個控制電極106a、106b、106c處的電位而在橫向方向引導(dǎo)光生電荷載流子的電極。在實施例中，在控制電極106a、106b、106c處的電位使在各個控制電極下方的半導(dǎo)體區(qū)域中生成空間電荷區(qū)。如將在下文進(jìn)一步描述的，設(shè)備100能夠基于存在于控制電極的各個電位而在各個控制電極106a、106b、106c下方生成不同延伸的空間電荷區(qū)。在各個控制電極下方，空間電荷區(qū)的延伸近似恒定并因此電位近似恒定，而在有不同空間電荷延伸的兩個鄰近的控制電極之間的區(qū)域中生成電漂移場。因此在接近襯底表面的半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)生成用于光生電荷載流子的電位分布，從而依賴于在控制電極106a、106b、106c處存在的電位而引起橫向方向上的漂移場。
[0020]在一個實施例中，可以主要通過電容耦合到其他控制電極而生成控制電極中的至少一個的電位。這具有減少的電流消耗的優(yōu)勢，由于至少一個控制電極不是有源驅(qū)動而只是通過電容分壓器(divider)的方式。通過將電位供應(yīng)到包圍所述至少一個控制電極的控制電極，在控制電極106c處的電荷重分布(redistribut1n)被啟動,這使得在操作中至少一個控制電極的電位在鄰近的控制電極的當(dāng)前存在的電位之間。在用變化的電位驅(qū)動有源驅(qū)動的控制電極的至少一個的情況下，在至少一個控制電極中實現(xiàn)連續(xù)的電荷重分布。與由固定電位源或時變電位源為其供應(yīng)電位的其他控制電極不同，該控制電極的電位通過電容耦合到其他控制電極而驅(qū)動，這允許減少用于驅(qū)動控制電極的電流消耗。
[0021]圖1B示出根據(jù)實施例由圖1A的控制電極106a、106b和106c的示例性操作所產(chǎn)生的曲線圖。圖1B示出在控制柵極下方的半導(dǎo)體區(qū)域中的控制電極106a、106b和106c所引起的負(fù)電位的電位分布作為橫坐標(biāo)。負(fù)電位對應(yīng)于光生電子(負(fù)電荷)所見的位能，在描述的實施例中所述光生電子是要被控制電極106a、106b、106c轉(zhuǎn)移的電荷載流子。
[0022]如能夠看到的，施加于第一控制電極106a的電位(在圖1B中通過‘a(chǎn)’表示)變化，以使得位能的最大值在時間t=0獲得而最小值在時間t=T/2獲得。第二控制電極106b的電位(在圖1B中通過‘b’表示)保持恒定。能夠看到在時間t=0和時間t=T/2 二者，電位分布是階梯式的，以使得對于在控制電極106a和106c之間布置的控制電極106b來說，控制電極106b的電位也在控制電極106a、106c的電位之間。在一個控制電極被保持在恒定電位的同時使用由時變信號驅(qū)動的兩個控制電極以非常功率有效的方式提供了所需的階梯式電位分布，這是因為不是必須施加時變驅(qū)動信號到控制電極106b。[0023]應(yīng)該注意到的是，由控制電極配置所生成的電位分布中階梯的數(shù)量能夠通過添加附加控制電極來增加。如果控制電極的數(shù)量是K，則電位分布中階梯的數(shù)量合計達(dá)K+1。
[0024]在上述操作中，所生成的電荷載流子可以被控制電極所生成的電場導(dǎo)向到讀出節(jié)點，所述讀出節(jié)點被布置在控制電極結(jié)構(gòu)的側(cè)面。換句話說，一旦電荷載流子到達(dá)控制電極的影響區(qū)，控制電極布置就能夠提供到每個側(cè)面的雙向轉(zhuǎn)移。在光學(xué)飛行時間傳感器中，電荷載流子的控制是時間嚴(yán)格的，這是由于操作依賴于及時將電荷載流子傳輸?shù)綑M向布置的讀出節(jié)點。
[0025]在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，在光轉(zhuǎn)換區(qū)域內(nèi)生成的電荷載流子僅通過擴散而從電荷生成原點移動到控制電極106a、106b、106c的影響區(qū)。只有在控制電極106a、106b、106c的影響區(qū)，然后基于施加到控制電極106a、106b、106c的對應(yīng)的電位分布，電荷載流子受到電場并從而橫向轉(zhuǎn)移到控制電極結(jié)構(gòu)。然而，在時間嚴(yán)格的應(yīng)用中(諸如，在用于連續(xù)波(cw)飛行時間系統(tǒng)的解調(diào)像素中)，由于電荷載流子從光轉(zhuǎn)換區(qū)域內(nèi)移動到控制電極106a、106b、106c的影響區(qū)可能要花費很長時間，這可能是限制因素。同樣地，在擴散作為用于垂直運動的唯一機制的情況下，特定百分比的電荷載流子丟失而沒有到達(dá)影響區(qū)，并因此在到達(dá)讀出節(jié)點之前丟失。這降低了系統(tǒng)的有效性。由于許多飛行時間系統(tǒng)使用具有比可見光更高的穿透深度的紅外光，從電荷生成的原點到控制電極106a、106b、106c的平均距離更被提高。
[0026]本文所述的實施例通過生成用于建立漂移運動的內(nèi)建電場而提供了對光生電荷載流子的改進(jìn)的和更高效的控制。
[0027]在一些實施例中，內(nèi)建電場可以具有基本上的垂直場分量，從而導(dǎo)致從光轉(zhuǎn)換區(qū)域內(nèi)部朝向其中控制電極106a、106b、106c被布置平面的垂直場運動，如圖1A所示。如將在后文描述的，在一些實施例中，內(nèi)建電場在光轉(zhuǎn)換區(qū)域的一些部分中不僅建立垂直運動，而且建立橫向運動。換句話說，在一些實施例中，除垂直場分量之外，內(nèi)建電場可以在光轉(zhuǎn)換區(qū)域的至少部分區(qū)域中還具有橫向場分量。在一些實施例中，被內(nèi)建場所影響的橫向運動影響預(yù)定義的部分中電荷載流子的濃度。
[0028]在實施例中，所述內(nèi)建電場是通過在光轉(zhuǎn)換區(qū)域中提供非均勻凈摻雜輪廓而生成的靜態(tài)內(nèi)建場。圖1A示出示例性摻雜輪廓122，其中特定的凈摻雜濃度的區(qū)域被示為一條實線。在非均勻摻雜濃度的結(jié)果得到的內(nèi)建電場中光生電子所受到的加速的方向在圖1A中示為黑色大箭頭。鑒于施加到控制電極106a、106b、106c的時變控制信號，電子所受到的加速的方向在圖1A中示為灰色大箭頭。
[0029]進(jìn)一步應(yīng)該注意到的是，在所述實施例中，內(nèi)建電場通過僅一種類型的摻雜(η摻雜或P摻雜)的非均勻摻雜輪廓而建立。因而，該內(nèi)建場與在雙極結(jié)中建立的內(nèi)建場不同。尤其應(yīng)該注意的是，內(nèi)建電場的強度由摻雜濃度的梯度而確定。換句話說，摻雜濃度在一個方向上的每單位長度的變化越多，在該方向上建立的內(nèi)建電場的分量越高。在一些實施例中，光轉(zhuǎn)換區(qū)域中的摻雜濃度在垂直方向上連續(xù)變化，以使得在光轉(zhuǎn)換區(qū)域中建立具有垂直矢量分量的內(nèi)建電場。盡管所述實施例使用通過僅一種載流子類型的摻雜而建立的內(nèi)建場，應(yīng)該注意的是其他實施例可以使用通過雙極摻雜輪廓建立的內(nèi)建電場作為代替或作為附加。
[0030]在一些實施例中，內(nèi)建電場的垂直分量可以是恒定的。內(nèi)建電場可以根據(jù)E: kB:sT/qO d Iu(Na)Mz來計算，其中kB是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度，q0是電荷載流子的電荷，并且d MNuydz是摻雜濃度的自然對數(shù)隨在垂直方向上增加的距離的變化。因而通過提供摻雜輪廓能夠?qū)崿F(xiàn)線性內(nèi)建場，其中摻雜濃度的對數(shù)在垂直方向上線性變化。在其他實施例中，可以提供摻雜輪廓，其中摻雜濃度的對數(shù)在垂直方向上超線性變化。然后，可以獲得具有垂直場分量的結(jié)果得到的內(nèi)建場，所述垂直場分量在垂直方向上增加。此類實施例可以通過增加深度來補償由于較高的摻雜濃度而引起的降低的載流子遷移率，例如以獲得電荷載流子的恒定的漂移速度。上述實施例可以允許電荷載流子在垂直方向上更有效的傳輸，這是由于與更接近控制電極106a、106b、106c而生成的電荷載流子相比，更遠(yuǎn)離控制電極106a、106b、106c而生成的電荷載流子受到內(nèi)建場的更強的加速力。
[0031]在一些實施例中，非均勻摻雜輪廓可以在垂直方向上從控制電極延伸到至少在3 μ m和50 μ m之間，其中該范圍內(nèi)的每個值和該范圍的每個子范圍形成特定實施例。
[0032]在一些實施例中，非均勻摻雜輪廓可以通過在半導(dǎo)體層中提供包含摻雜物的摻雜層來生成，其中摻雜層的至少部分摻雜物之后遷移到至少摻雜層上方的區(qū)域。圖6示出示例性制造流程過程600。在602，提供了摻雜層，其中在604，摻雜層的部分摻雜物之后被遷移以提供非均勻摻雜輪廓。在一些實施例中，摻雜步驟可以包括熱處理。在一些實施例中，在遷移步驟之前，摻雜層可以具有在0.1和5 μ m之間的寬度(整個寬度在垂直方向最大值的一半)，其中其間的每個值和每個子范圍形成特定實施例。在一些實施例中，激活步驟可以在遷移步驟之前應(yīng)用于摻雜層。激活步驟可以包括用于最小化缺陷的推進(jìn)(drive-1n)退火。在一些實施例中，非均勻摻雜輪廓可以在垂直方向上從控制電極延伸到與用于累積的一個區(qū)域關(guān)聯(lián)的控制電極的橫向延伸的寬度(橫向延伸)的至少30%和300%之間，其中該范圍中的每個值和該范圍的每個子范圍形成特定實施例。
[0033]在一些實施例中，遷移到摻雜區(qū)上方的區(qū)域的摻雜層的摻雜物的部分可以在摻雜層的摻雜濃度的1%和30%之間的范圍。最終，在606，在非均勻摻雜輪廓上方生成控制電極結(jié)構(gòu)。
[0034]在一些實施例中，可以通過分級外延工藝來生成摻雜輪廓，其中在形成光轉(zhuǎn)換區(qū)域的材料的外延生長期間，摻雜輪廓逐漸改變。在一些實施例中，可以在其中生成階梯式摻雜輪廓以提供內(nèi)建場。在一些實施例中，可以生成階梯式摻雜輪廓，然后是遷移步驟，其中階梯式摻雜輪廓的摻雜物被遷移以使摻雜步驟平滑。此類摻雜步驟可以通過加熱來提供。在遷移步驟之前，可以提供激活步驟來激活摻雜物。激活步驟可以包括例如加熱。階梯式摻雜輪廓可以包括任何數(shù)量的階梯，諸如2個階梯、3個階梯等。階梯式摻雜輪廓對于凈摻雜濃度中的每個階梯可以包括其中摻雜輪廓在垂直方向上不改變或變化緩慢的至少一個平坦區(qū)和其中摻雜輪廓在垂直方向上的變化遠(yuǎn)高于平坦區(qū)的一個陡峭區(qū)。圖9示出在遷移步驟之前的階梯式摻雜輪廓910的示例。在圖9中，縱坐標(biāo)與以任意單位的對數(shù)尺度的凈摻雜濃度對應(yīng)，并且橫坐標(biāo)與垂直軸(z軸)對應(yīng)。在圖9的摻雜輪廓910中，處于高凈摻雜濃度的第一平坦區(qū)901之后是第一階梯區(qū)902，其后是處于低于第一平坦區(qū)的摻雜濃度的第二平坦區(qū)903。在另一端，第二平坦區(qū)903之后是第二陡峭區(qū)904，其后是處于低于第二平坦區(qū)903的凈摻雜濃度的第三平坦區(qū)905。應(yīng)該理解的是，圖9示出用于實現(xiàn)階梯式摻雜輪廓的許多示例中的僅一個。階梯式摻雜輪廓的平坦區(qū)在垂直方向上具有比陡峭區(qū)更大的延伸。在一些實施例中，平坦區(qū)和陡峭區(qū)的垂直方向上延伸之比在3:1和10:1之間。在一些實施例中，每個平坦區(qū)在垂直方向上可以具有在3和8μπι之間的延伸，其中每個值和每個子范圍形成一個實施例。在一些實施例中，每個陡峭區(qū)在垂直方向上可以具有在0.3和
1.5 μ m之間的延伸，其中每個值和每個子范圍形成一個實施例。在通過加熱而應(yīng)用遷移步驟之后，階梯式摻雜輪廓910變換成摻雜輪廓912。摻雜輪廓912的凈摻雜濃度在垂直方向上可以從第一摻雜濃度(在119到117CnT3之間的范圍)改變?yōu)榈诙魮诫s濃度(在113到115CnT3之間的范圍)。每I μ m的凈摻雜濃度變化(以CnT3計)的對數(shù)所描述的摻雜輪廓912的平均斜率可以在0.6和0.3之間的范圍，其中每個值和每個子范圍形成一個實施例。應(yīng)該注意的是，此類平均斜率也可以通過其他制造和摻雜方法來實現(xiàn)。在一些實施例中，可以應(yīng)用階梯式外延工藝，其中生長具有第一摻雜濃度的第一外延層和具有第二摻雜濃度的第二外延層。在一些實施例中，分級外延工藝或階梯式外延工藝可以與允許高效和改進(jìn)的調(diào)整(tailor)摻雜輪廓的摻雜物的遷移步驟相結(jié)合。在一些實施例中，摻雜層可以被提供與分級外延工藝或階梯式外延工藝相結(jié)合以提供摻雜輪廓的附加調(diào)整。
[0035]圖2A示出包括具有摻雜層的摻雜輪廓的設(shè)備200。盡管設(shè)備200包括未在圖1A中示出的附加元件，應(yīng)該注意的是，后文解釋的摻雜輪廓也可以應(yīng)用于圖1A所示的設(shè)備結(jié)構(gòu)以及其他元件配置和控制電極配置。在一些實施例中，提供了用于在控制電極側(cè)面累積光生電荷載流子的區(qū)域。
[0036]與圖1A不同，圖2A示出在電極結(jié)構(gòu)的兩端的側(cè)面充當(dāng)讀出節(jié)點的二極管結(jié)構(gòu)114。二極管結(jié)構(gòu)114用于累積電荷載流子并可以例如由襯底內(nèi)的摻雜阱來形成。控制電極結(jié)構(gòu)被布置在兩個二極管結(jié)構(gòu)114之間。二極管結(jié)構(gòu)114通過連接結(jié)構(gòu)118而被電連接用于提供輸出信號以進(jìn)一步處理。除了控制電極106a、106b和106c之外,在二極管結(jié)構(gòu)114和控制電極106a、106b、106c之間還提供了保持在恒定電位的附加分離電極106d和106e。分離電極106d和106e用于限制控制電極106a、106b、106c的影響，諸如到二極管114的信號耦合。此外，提供了埋入溝道206用于增強在控制電極106a、106b、106c的影響下電荷載流子的橫向傳輸。類似于圖1B，圖2B示出對于示例性操作的由控制電極106a、106b、106c和分離電極106d和106e所生成的對應(yīng)的電位分布。
[0037]與圖1A不同，由根據(jù)圖2A的摻雜輪廓所建立的內(nèi)建電場在光轉(zhuǎn)換區(qū)域的部分區(qū)域中不僅具有垂直場分量還具有橫向場分量。該摻雜輪廓具有基本關(guān)于通過如圖2A所示的控制電極結(jié)構(gòu)中心的平面對稱的凈摻雜濃度的橫向變化。鏡像對稱除了建立垂直運動之外還建立了橫向運動以將電荷載流子集中于像素的預(yù)定義部分中，所述部分可以例如是控制電極106a、106b、106c的最高轉(zhuǎn)移效率的部分。
[0038]為了獲得橫向場分量，在圖2A的實施例中光轉(zhuǎn)換區(qū)域包括具有凈摻雜濃度的橫向變化的摻雜層202。在圖2A的實施例中，摻雜層202被分割成第一部分202a、第二部分202b和第三部分202c。摻雜層202可以例如被提供作為在制造工藝中提供的埋入層。
[0039]包圍第二部分202b的第一和第三部分202a、202c被摻雜成比第二部分202b更高的凈摻雜濃度。在一些實施例中，第一和第三部分202a、202c可以具有基本相同的凈摻雜濃度。在圖2A的實施例中提供的非均勻摻雜輪廓可以通過摻雜層202的摻雜物的遷移而生成，如下文關(guān)于圖6解釋的。
[0040]能夠從圖2A進(jìn)一步觀察到的是，在光轉(zhuǎn)換區(qū)域中的摻雜層202提供了凈摻雜濃度在垂直方向上的局部最大值。換句話說，當(dāng)以垂直方向從摻雜層202朝向控制電極106a、106b、106c移動時，以及當(dāng)以垂直方向從摻雜層202遠(yuǎn)離控制電極106a、106b、106c移動時，凈摻雜濃度降低。這導(dǎo)致垂直分量在摻雜層202上方和下方反轉(zhuǎn)。利用此類摻雜輪廓，能夠提供對光生電荷載流子的深度選擇性傳輸。這允許丟棄在襯底深處生成而不能通過提供傳輸而及時被傳輸?shù)娇刂齐姌O106a、106b、106c的影響區(qū)的光生電荷載流子,其中此類光生電荷載流子被移動得遠(yuǎn)離控制電極106a、106b、106c。因而，通過提供此類深度選擇性傳輸機制能夠進(jìn)一步改善對比度(contrast)。
[0041]類似于圖1A，圖2A中的黑色大箭頭示出與內(nèi)建電場對應(yīng)的加速矢量場。能夠觀察到的是，所建立的內(nèi)建場提供考慮鏡像對稱的集中效應(yīng)以及深度選擇性效應(yīng)，這使在摻雜層202下方生成的光生電子被引導(dǎo)遠(yuǎn)離控制電極結(jié)構(gòu)。
[0042]應(yīng)該認(rèn)識到的是，調(diào)整內(nèi)建電場的多個變形是可能的。在一些實施例中，摻雜層中凈摻雜濃度的橫向變化包括至少摻雜層的最大凈摻雜濃度的至少30%的變化。盡管圖2A通過提供三個部分示出了摻雜濃度的橫向變化，應(yīng)該理解的是能夠?qū)崿F(xiàn)其他橫向變化，包括具有不同摻雜濃度的多于三個部分的摻雜層或者摻雜層的摻雜濃度的連續(xù)變化。
[0043]非均勻摻雜輪廓可以具有隨著沿垂直方向增長的深度而從第一凈摻雜濃度(在112CnT3和115CnT3之間的范圍)增長到第二凈摻雜濃度(在1.1XlO15cnT3和102°cnT3之間的范圍)的凈摻雜濃度，其中每個范圍內(nèi)的每個值和每個范圍內(nèi)的每個子范圍形成一個實施例。
[0044]在一些實施例中，有最低凈摻雜濃度的摻雜層202的部分可以在控制電極結(jié)構(gòu)的中心部分下方，如圖2A所示。在一些實施例中，控制電極結(jié)構(gòu)的中心部分可以在兩側(cè)的讀出節(jié)點之間中間。這提供了在控制電極結(jié)構(gòu)中心部分的集中效應(yīng)，在那里電荷載流子的調(diào)制效率最高。然而應(yīng)該注意的是，可以提供非均勻摻雜輪廓的許多變化，包括不對稱摻雜輪廓。
[0045]在一些實施例中，在進(jìn)行摻雜物的遷移之前，摻雜層202可以具有與襯底102基本相同的凈摻雜濃度的較低摻雜部分202b，如關(guān)于圖6所解釋的。圖3示出具有如上所述的摻雜濃度的設(shè)備300的實施例。設(shè)備300的結(jié)構(gòu)基本與關(guān)于圖2A所解釋的結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。能夠從圖3觀察到的是，來自部分202a和部分202c的摻雜物的部分已經(jīng)遷移到中心部分202b以在部分202b中以及在光轉(zhuǎn)換區(qū)域的其他部分中形成摻雜輪廓。
[0046]在一些實施例中，可以在襯底中與另一個摻雜層的深度不同的深度(在z方向上離控制柵極被布置于的表面的距離)提供另外的摻雜層。
[0047]圖4示出與圖2A類似的包括另外的摻雜層204的設(shè)備400的實施例。在實施例中，另外的摻雜層204可以在橫向方向上至少延伸到光生電荷載流子被控制電極106a、106b和106c引導(dǎo)到的預(yù)定義區(qū)域之外。換句話說，在實施例中，該另外的摻雜層可以延伸到至少在光生電子被控制電極106a、106b和106c引導(dǎo)到的二極管結(jié)構(gòu)114的下方并延伸到二極管結(jié)構(gòu)114之外。如能在圖4中所見的，摻雜層204除了提供增加的集中效應(yīng)之外還提供用于二極管結(jié)構(gòu)114的屏蔽效應(yīng)，以使得不允許光生電子從光轉(zhuǎn)換內(nèi)部直接移動到二極管結(jié)構(gòu)114而僅由控制電極106a、106b、106c所建立的電場所影響。
[0048]在一些實施例中，摻雜層202可以被提供在襯底102的背面或接近襯底102的背面，如圖5所示。例如通過使不同部分有不同的凈摻雜濃度，可以給在背面或接近背面處所提供的摻雜層202提供橫向凈摻雜變化，如上所述。在一些實施例中，摻雜層202可以沒有橫向的摻雜變化，即凈摻雜濃度可以在摻雜層202中恒定。應(yīng)該注意的是，圖5的實施例允許具有背面照明而不是正面。換句話說，光可以從襯底102的背面穿透進(jìn)入光轉(zhuǎn)換區(qū)域。薄化工藝可以被用于實施例中，以便提供具有在20 μ m到100 μ m之間范圍的厚度的襯底，其中該范圍的每個值和每個子范圍形成一個特定實施例。
[0049]上述設(shè)備的應(yīng)用可以包括光子混合應(yīng)用以便在飛行時間系統(tǒng)中提供解調(diào)，其中控制電極結(jié)構(gòu)被配置成接收在時間關(guān)系(例如，相位延遲)上與調(diào)制信號有關(guān)聯(lián)的電信號。
[0050]圖8示出設(shè)備800的實施例，其中基于信號源806所生成的調(diào)制信號804來對由光源802所生成的光進(jìn)行連續(xù)調(diào)幅。調(diào)制信號可以包括正弦波形，而也可以使用諸如矩形或三角形波形之類的其他信號波形。提供已調(diào)光信號以確定到對象808的距離。被對象808所反射的已調(diào)光被引導(dǎo)到成像器設(shè)備810，所述成像器設(shè)備810包括如例如在關(guān)于圖1A、2A、3、4和5所描述的實施例中示出的像素。在成像器設(shè)備810中，與調(diào)制信號804對應(yīng)的被相移預(yù)定相位(例如0°、90°、180°和270° )的信號804A被提供到控制電極用于混合和解調(diào)每個像素內(nèi)的反射光。為每個預(yù)定相位分配特定時間間隔。在用于每個相位0°、90°、180°和270°的各個時間間隔中對信號進(jìn)行積分之后，獲得與每個相位對應(yīng)的輸出信號10、
I1、12、13。根據(jù)輸出信號10、I1、12、13，對應(yīng)于傳播時間的相位信息能夠被計算，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所已知的。應(yīng)該注意的是，圖2A在兩側(cè)具有兩個讀出節(jié)點的結(jié)構(gòu)允許分別同時獲得相位1和12以及相位il和13。
[0051]在輸出信號的進(jìn)一步處理中，與對象808的距離對應(yīng)的信息被提供給用戶。在圖8中不出的實施例中，在各時間間隔中提供了相對于調(diào)制信號804被相移的信號804A。應(yīng)該理解的是，只需要調(diào)制信號和解調(diào)信號的相對相移。因此，在其他實施例中，可以提供具有交換的信號804和804A的系統(tǒng)，其中在不同的時間間隔中用于光調(diào)制的調(diào)制信號804相對于信號804A被相移，所述信號804A沒有被提供相位改變。
[0052]盡管描述的實施例包括4相位計算，應(yīng)該注意的是在其他實施例中可以利用使用3個相位延遲或5個或更多相位延遲的其他計算。
[0053]現(xiàn)參考圖7，將描述當(dāng)使用設(shè)備800時示例性光解調(diào)的流程圖。在第一步驟702中，基于周期性調(diào)制信號對光源進(jìn)行調(diào)制以生成連續(xù)波光束。在704，已調(diào)光束被提供給對象。在706，從對象反射的已調(diào)光束被提供到具有由非均勻摻雜輪廓所引起的內(nèi)建電場的光轉(zhuǎn)換區(qū)域，如上文所解釋的。在708，由控制電極基于信號的施加而生成時變電位分布。
[0054]應(yīng)該注意的是，在連續(xù)飛行時間系統(tǒng)中的應(yīng)用僅是示例性特征，并且本文所述的思想的許多其他應(yīng)用可以被利用于例如基于光脈沖的飛行時間系統(tǒng)等。
[0055]在上面的描述中，本文中實施例已經(jīng)被示出和描述得足夠詳細(xì)而使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍疚闹泄_的教導(dǎo)。其它實施例可被利用和由其衍生，以使得可以在不背離本公開的范圍的情況下做出結(jié)構(gòu)上和邏輯上的替換和改變。
[0056]因此本【具體實施方式】不視為具有限制意義，并且各種實施例的范圍只由所附權(quán)利要求連同這樣的權(quán)利要求有權(quán)享有的等價物的完整范圍所定義。
[0057]本發(fā)明主題的此類實施例在本文中進(jìn)行描述并非意在將本申請的范圍主動限制為任何單個實施例或概念，如果實際中公開多于一個實施例或概念的話。因此盡管在本文中說明并描述了特定實施例，但是應(yīng)該認(rèn)識到的是打算實現(xiàn)相同目的的任何布置可以代替所示出的特定實施例。本公開意在覆蓋各種實施例的任何和所有的適配或變化。在回顧上面的描述時，上面的實施例的組合和在本文沒有被特別描述的其它實施例對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。
[0058]需要進(jìn)一步注意的是，可在廣上解釋用在說明書和權(quán)利要求中使用的特定術(shù)語。例如，本文使用的術(shù)語“電路”或“電路系統(tǒng)”在某種意義上被解釋成不僅包括硬件而且包括軟件、固件或其任何組合。術(shù)語“數(shù)據(jù)”可以被解釋成包括諸如模擬信號表示、數(shù)字信號表示、到載波信號上的調(diào)制等之類的任何形式的表示。術(shù)語“信息”除任何形式的數(shù)字信息以外，也可包括其它形式的表示信息。術(shù)語“實體”或“單元”在實施例中可包括任何設(shè)備、裝置電路、硬件、軟件、固件、芯片或其他半導(dǎo)體和邏輯單元或協(xié)議層的物理實現(xiàn)等。此外，可以注意的是，設(shè)備或裝置可以包括諸如多個芯片、多個邏輯單元等之類的分離的部件。此夕卜，術(shù)語“耦合”或“連接”可以在廣義上被解釋成不僅包括直接而且包括間接耦合。
[0059]需要進(jìn)一步注意的是結(jié)合特定實體所描述的實施例，除在這些實體中的實現(xiàn)方式之外，也可以包括在所述實體的一個或多個子實體或子部中的一個或多個實現(xiàn)方式。例如，本文描述的在TOF成像器設(shè)備中實現(xiàn)的特定實施例可以在其它成像器設(shè)備或在預(yù)定義區(qū)域中需要快速且高效的載流子收集的其他設(shè)備中實現(xiàn)。
[0060]形成本文一部分的附圖通過說明而非限制的方式示出其中可以實現(xiàn)本發(fā)明主題的特定實施例。
[0061]在前述的【具體實施方式】中，能看到為了使本公開簡化的目的而將各種特征一起組合在單個實施例中。本公開的方法不被解釋為反映如下意圖:與每個權(quán)利要求中所清楚記載的特征相比，所要保護(hù)的實施例需要更多特征。更確切地說，如以下權(quán)利要求反映，發(fā)明主題在于比單個公開實施例的所有特征少的特征。因此以下的權(quán)利要求由此合并到【具體實施方式】中，其中每個權(quán)利要求可獨立作為單獨的實施例。雖然每個權(quán)利要求可以獨立作為單獨的實施例，但是需要注意的是——盡管從屬權(quán)利要求在權(quán)利要求中可以指代與一個或多個其他權(quán)利要求的特定組合——其它實施例也可以包括該從屬權(quán)利要求與每個其它從屬權(quán)利要求的主題的組合。此類組合在本文中被提出除非聲明特定組合不是預(yù)期的。而且也意在將一個權(quán)利要求的特征包括到其它任何獨立權(quán)利要求，即使該權(quán)利要求未被直接聲明從屬于該獨立權(quán)利要求。
[0062]需要進(jìn)一步注意的是在說明書中或在權(quán)利要求中公開的方法可通過具有用于執(zhí)行這些方法的每個相應(yīng)步驟的裝置的設(shè)備來實現(xiàn)。
[0063]而且，需要被理解的是，在說明書或權(quán)利要求中公開的多個步驟或功能的公開可以不按照特定次序來解釋。因此多個步驟或功能的公開不會將這些限制為特定次序，除非此類步驟或功能由于技術(shù)原因不可互換。
[0064]而且，在一些實施例中單個步驟可包括或可分解為多個子步驟。此類子步驟可被包括并且是此單個步驟的公開的部分，除非被明確排除。
【權(quán)利要求】
1.一種制造設(shè)備的方法，所述方法包括: 提供非均勻摻雜輪廓，以使得在光轉(zhuǎn)換區(qū)域的至少部分中生成具有垂直場矢量分量的電場； 在非均勻摻雜輪廓上方生成包括多個控制電極的控制電極結(jié)構(gòu)用于引導(dǎo)光生電荷載流子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中生成控制電極結(jié)構(gòu)包括: 生成多個控制電極用于將基本階梯式的電位分布施加到光轉(zhuǎn)換區(qū)域中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中提供非均勻摻雜輪廓包括: 在半導(dǎo)體層中提供包含摻雜物的摻雜層； 提供摻雜層的至少部分摻雜物到摻雜層上方的區(qū)域的遷移。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中在1%和30%之間范圍內(nèi)的摻雜物的部分遷移到摻雜層上方的區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中提供摻雜層進(jìn)一步包括: 生成摻雜層，以使得所述摻雜層包括凈摻雜濃度的橫向變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中凈摻雜濃度的橫向變化關(guān)于控制電極結(jié)構(gòu)的中心基本對稱。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中凈摻雜濃度的橫向變化包括摻雜層的最大凈摻雜濃度的至少30%的變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括: 至少提供具有基本第一凈摻雜濃度的摻雜層的第一部分和具有基本第二凈摻雜濃度的摻雜層的第二部分，以使得第二凈摻雜濃度低于第一凈摻雜濃度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，進(jìn)一步包括: 提供具有基本第一凈摻雜濃度的摻雜層的第三部分；以及 其中摻雜層的第二部分在摻雜層的第一部分和第三部分之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述第二部分在控制電極結(jié)構(gòu)的中心部分的下方。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，進(jìn)一步包括提供在與摻雜層的深度不同的深度處的至少一個另外的摻雜層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述另外的摻雜層在橫向方向上至少延伸到光生成電荷載流子被引導(dǎo)到的預(yù)定義區(qū)域之外。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第二凈摻雜濃度與光轉(zhuǎn)換區(qū)域的凈摻雜濃度基本相等。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中非均勻摻雜輪廓的凈摻雜濃度隨著沿垂直的方向增長的深度而從在112CnT3和115CnT3之間的范圍中的第一摻雜濃度增長到在1.lX1015cm_3和102°cm_3之間的范圍中的第二摻雜濃度。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述非均勻摻雜輪廓關(guān)于預(yù)定義的平面鏡像對稱。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中提供非均勻摻雜輪廓，以使得所述電場在至少部分光轉(zhuǎn)換區(qū)域中包括垂直和橫向場矢量分量。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中提供非均勻摻雜輪廓包括生成在垂直方向上的階梯式的摻雜輪廓。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中提供非均勻摻雜輪廓包括生成在垂直方向上的分級的摻雜輪廓。
19.一種設(shè)備,包括: 半導(dǎo)體襯底，包括用于將光轉(zhuǎn)換成光生電荷載流子的光轉(zhuǎn)換區(qū)域； 用于累積光生電荷載流子的區(qū)域； 包括多個控制電極的控制電極結(jié)構(gòu)，用于生成電位分布以使得基于施加到控制電極結(jié)構(gòu)的信號而將光生載流子朝著用于累積光生電荷載流子的區(qū)域?qū)颍? 半導(dǎo)體襯底中的非均勻摻雜輪廓，用于在光轉(zhuǎn)換區(qū)域的至少部分中生成具有垂直場矢量分量的電場。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中非均勻摻雜輪廓提供電場以將光生載流子朝著控制電極結(jié)構(gòu)的預(yù)定義部分引導(dǎo)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中非均勻摻雜輪廓提供電場，以使得在第一深度范圍內(nèi)所生成的光生電荷 載流子被朝著控制電極結(jié)構(gòu)的預(yù)定義部分引導(dǎo)并且以使得在第二深度范圍內(nèi)所生成的光生電荷載流子被引導(dǎo)遠(yuǎn)離控制電極結(jié)構(gòu)。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中非均勻摻雜輪廓包括關(guān)于控制電極結(jié)構(gòu)的中心基本對稱的凈摻雜濃度的變化，以使得所述電場關(guān)于通過控制電極結(jié)構(gòu)中心的平面基本成鏡像。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中電場的垂直分量的幅度隨著增長的深度而增加。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置成基于調(diào)制信號而生成要被發(fā)射到對象的調(diào)幅光，其中控制電極結(jié)構(gòu)被配置成接收在時間關(guān)系上與調(diào)制信號有關(guān)聯(lián)的電信號。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中非均勻摻雜輪廓在光轉(zhuǎn)換區(qū)域的至少部分中提供具有橫向和垂直場矢量分量的電場。
26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包括用于累積光生電荷載流子的另外的區(qū)域，其中控制電極結(jié)構(gòu)被布置在用于累積光生電荷載流子的區(qū)域和用于累積光生電荷載流子的另外的區(qū)域之間。
27.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中非均勻摻雜輪廓是在垂直方向上分級的或階梯式的摻雜輪廓。
28.—種設(shè)備,包括: 具有第一主表面和第二主表面的襯底，所述襯底包括用于將入射光轉(zhuǎn)換成光生電荷載流子的光轉(zhuǎn)換區(qū)域，其中所述設(shè)備被配置成在第二主表面接收入射光； 用于累積位于第一主表面的光生電荷載流子的至少一個區(qū)域； 控制電極結(jié)構(gòu)，被布置在第一主表面以在半導(dǎo)體襯底中生成電位分布以使得基于施加到控制電極結(jié)構(gòu)的信號而將光生載流子朝著用于累積光生電荷載流子的至少一個區(qū)域?qū)颍? 半導(dǎo)體摻雜輪廓，用于在光轉(zhuǎn)換區(qū)域的至少部分中生成具有垂直場矢量分量的電場。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的設(shè)備，其中半導(dǎo)體摻雜輪廓包括布置在第二主表面的局部最大凈摻雜濃度的摻雜層。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括: 在與摻雜層的深度不同的深度處的另外的摻雜層，其中另外的摻雜層的凈摻雜濃度沿橫向方向 變化。
【文檔編號】H01L27/146GK104037181SQ201310619425
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月29日
【發(fā)明者】T.貝弗, H.法伊克, T.考奇, D.梅因霍爾德, H.梅爾茨納, D.奧芬貝格, S.帕拉斯坎多拉, I.尤利希 申請人:英飛凌科技股份有限公司