专利名称：带有控制电场的导电槽的半导体器件的制作方法
带有控制电场的导电槽的半导体器件相关专利申请的交叉引用本专利申请涉及于2010年4月8日提交的名称为“SEMICONDUCTOR DEVICE WITH CONDUCTIVE TRENCHES T0C0NTR0L ELECTRIC FIELD”的美国临时申请No. 61/321，972 (代理人案卷号SE-2785-TD)，且其以引用的方式并入本文。本专利申请据此要求美国临时申请 No. 61/321,972 的权益。
应当理解，附图仅示出了示例性实施例，因此不应认为其用来限制本发明的范围， 通过参照附图，将用其它的特征和细节对示例性实施例进行描述，其中图1是示出了可用来实施本发明的一个实施例的示例性系统的框图；图2是可用来实施本发明的一个实施例的半导体器件的侧视剖面图；图3是示出了可用来制作图2所示的半导体器件的示例性方法的流程图；图4是可用来实施本发明的第二实施例的半导体器件的侧视剖面图；以及图5是示出了可用来制作图4所示的半导体器件的示例性方法的流程图。按照惯例，各种所描述的特征并未按比例绘制，而是按照强调与示例性实施例相关的具体的特征来绘制的。
具体实施例方式在以下的具体实施方式
中，参照了形成本发明一部分的附图，且其中所述附图仅以举例说明特定示例性实施例的方式来示出。然而，应当理解也可以使用其它实施例，并可对上述示例性实施例做出逻辑的、机械的和电的方面的改变。此外，附图和说明书中所给出的方法不应理解为限制进行各个行动过程的顺序。因此，不应认为以下的具体实施方式
具有限制性的意义。本发明的实施例提供了一种带有多个导电槽的半导体器件，所述多个导电槽用于控制半导体器件内的电场。在一些实施例中，半导体器件是硅半导体器件。在一个实施例中，半导体器件是光电探测器件，诸如例如用在飞行时间接收机中用于光学感测。在一些实施例中，半导体器件是在红外光谱(例如，850nm波长)内以最大灵敏度工作的光电二极管。具体来说，在半导体器件中形成多个导电槽。导电槽之间的区域限定半导体器件的有源区。将电触头连接至各导电槽。例如，如果半导体器件是光电探测器件，则电触头延伸埋地半导体结构(例如，二极管、晶体管)的控制接线到外部端子以方便通过导电槽接入器件中的控制接线，以便设计人员能够从外部控制导电槽的电势。例如，光电探测器件中的控制接线可以是光电二极管中的多根阴极接线。电压信号可以施加到各电触头以控制半导体器件的有源区内的电场。在一个实施例中，差分电压信号施加到在光电探测器件中形成的多个导电槽的电触头，以便控制和最大化光电探测器件的有源区内的横向电场的量级。 因此，带有导电槽的半导体器件提供了对器件内的电场增强的控制。例如，利用在光电探测器件中带有电触头的导电槽提供了器件内横向电场的显著增强的控制，这会导致器件高得多的工作频率，并且因此，与现有的光电探测器件相比，对飞行时间的探测更准确。此外，带有导电槽和电触头的半导体器件与利用低电源或驱动电压的最先进的互补金属氧化物半导体(CM0Q方法或技术更兼容。此外，如果半导体器件是光电探测器件， 与传统的光电探测器件相比，则提高了光电探测器件的效率，因为器件内的耗尽区的范围是由导电槽的深度而不是扩散井(例如，扩散井用于现有的光电探测器件中)的深度来限定的。因此，半导体器件，诸如光电探测器件中的深、细导电槽为器件提供最佳的填充因子和效率因子。在一些实施例中，诸如例如，光电探测器件用于接近传感器应用和光传感器应用中，可以用位于有关的光电探测器件外部的电容器来改善kT/C噪音(例如，在滤波电容器(C)存在的情况下的热噪音(T))。此外，与现有的光电探测器件相比，带有导电槽和电触头的光电探测器件提供了较高的频率解调，并因此也提供更准确的飞行时间测量值。因此，在这样的光电探测器件中产生的较强的横向电场提高了收集效率，并因此也提高了器件的信噪比。而且由于因导电槽的形成过程而引起器件内耗尽区体积的增加，所以光电探测器件的可达到的灵敏度增加了。因此，提供了光电探测器件，由于设计人员能够用有关的导电槽形成来控制耗尽区的限定，所以光电探测器件能够获得极佳的感光灵敏度。在一个实施例中，形成了两个具有不同深度的导电槽。因此，使用户能够将差分电压或固定电压施加到任一导电槽。在该实施例中，器件有源区完全被导电槽和扩散埋层包围，这样使导电槽至基片的泄漏电流减到最小。同时，在一个实施例中，在本征区和导电槽之间的边界上形成具有增加的掺杂级(与本征区相比)的击穿区。从而，显著降低了半导体器件中槽至槽的泄漏电流。图1是示出可用来实施本发明的一个实施例的系统100的框图。例如，系统100 可以用来实施CMOS图像传感器、接近传感器或环境光传感器。例如，系统100也可用来实施数码摄像机、手持显示器/便携显示器、个人数字助理(PDA)、智能电话或任何类型的利用半导体器件的系统，诸如例如用于接近传感器或光传感器应用的光电探测器件。例如，在接近传感器应用中，通过检测反射到用户面部的红外信号的强度，这样的光电探测器件可用于手机中来确定用户面部的接近程度。响应反射的信号强度手机屏可以打开或关闭。例如，为了节省电池电量，当手机靠近用户的耳朵的时候，手机屏关闭，而当手机离开耳朵的时候，手机屏打开。如另一个实例，在光传感器应用中，这样的光电探测器件可以用于笔记本电脑来感测环境光的强度，以便将电脑显示器的亮度调整到用户舒适的水平。系统100包括光电探测器单元102、光数据处理器单元104、处理器单元108和显示器单元110。例如，光电探测器单元102可以被设计来检测和解调可见光频率范围内的入射光(例如，直接照在光电探测器单元表面的光)UR光或可见光频率范围以上的光。同时，例如，光数据处理器单元104可以是或包括模拟信号处理器(ASP)和模拟数字转换器 (ADC)，该转换器将从光电探测器102接收的解调的光信号转换为数字信号。处理器单元 108可以是，例如数字信号处理器(DSP)或微处理器。显示器单元110可以是，例如光学发光二极管(OLED)显示器或液晶显示器(LCD)。将来自光数据处理器单元104的数字信号耦合到处理器单元108。响应数字信号，处理器单元108输出控制信号至显示器单元110以控制待显示的图像的强度。
值得注意的是，系统100还包括多个电触头101、103。各电触头101、103都连接到在光电探测器单元102中形成的各自的导电槽(例如，以下相对于图2进行详细描述)。 可调压发生器(例如，差分电压发生器)106可通过各电触头101、103连接到光电探测器单元102的阴极接线上。如果由可调(例如，差分)电压发生器106产生的差分电压的频率与光电探测器单元102所检测到的调制的入射光信号的频率相同，则光电探测器单元102 解调所检测的入射光信号并输出直流(DC)信号，该直流信号可用来确定所检测的入射光信号的相位。更确切地说，例如，将相同频率的两个正弦信号相乘以产生与其幅度乘积成比例的直流分量。如果控制信号已知，则其它信号的幅度可以因此用直流测量推导出来。解调器(例如，光电探测器单元102)输出的直流信号表示检测的入射光信号的同相位和正交相位(IQ)分量向量。依照公认的IQ解调原理这些分量的组合可用来完全重新合成所检测的入射光信号。具体来说，可以通过计算直流分量比例的反正切将检测到的入射光信号的相位从直流分量中推导出来。可由光电探测器单元102检测到的调制的入射光信号的上频率受到光电探测器单元102的有源区内的横向电场量级的限制(例如，由于硅中载流子的饱和速度)。因此， 系统100使设计人员能够控制施加到光电探测器单元102中的多个导电槽的差分电压信号，并因此，设计人员可以控制并最大化光电探测器单元102内的横向电场的量级。图2是可用来实施本发明的一个实施例的半导体器件200的侧视剖面图。图3是示出了可用来制作图2所示的半导体器件200的示例性方法300的流程图。注意本文所示的方法300可与P-沟道半导体器件(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管或M0SFET)的制作结合使用。但是，应理解所示的方法同样适用于制作N-沟道半导体器件或其它半导体结构等。还应注意，为清晰起见，本文所示的方法300包括某些示例性步骤，而且并没有示出可用在这种方法中的多个传统的半导体制作步骤。参见图2和图3，所述方法的第一步(302)是在半导体器件200内形成有源器件 (例如，二极管、晶体管)。在一个实施例中，可以通过在适用的基材202之上形成第一极型 (例如，N-型)的第一区204来制作有源器件。例如，可以形成第一区204以使半导体晶片的表面是N-型的，而基材202可以采用P-型的基材形成。采用适用的注入法，将第二极型(例如，P-型)的杂质注入第一区204中并驱使其(例如，通过退火)在第一区204上形成第二极型206的区(例如，P-沟道区)。然后，采用适用的掩蔽和蚀刻法(步骤304)，通过向下蚀刻到沟道区206中形成第一导电槽208和第二导电槽210。采用适用的沉积法，然后在第一导电槽208和第二导电槽 210中填充一层，例如第一极型(例如，η-型)的材料。例如，可以采用适用的多晶硅(例如，η-型的多晶硅)材料或任何其它适用的可用来形成导电槽的材料形成各导电槽208、 210。例如，在一个实施例中，纯粹作为设计约束，因此而形成的各导电槽208、210都可约为十五(15)微米深、约为0. 5微米宽。在任何情况下，有源区212都被限定(步骤306)在两个导电槽208、210之间。有源区212将在半导体器件工作期间限定电场213的范围。例如，在光电探测器件中，有源区 212将在光电探测器件工作期间限定横向电场213的范围。注意电场213应延伸穿过导电槽208、210之间材料的整个体积，而不仅仅是表面。然后，采用适用的镀金属法(步骤308)， 将第一电触头214连接到导电槽208的表面，并将第二电触头216连接到导电槽210的表面。第一和第二电触头214、216可以延伸(步骤310)来形成电压发生器的外部接线，从而用于将电压发生器连接到第一和第二电触头214、216。在工作的时候，将电压(例如，差分电压)施加到各电触头214、216以控制有源区 212内产生的电场213(例如，横向电场)的量级。值得注意的是，虽然图2中示出了特定的埋地器件配置，但是以类似于上述方法的方式，可实施采用不同配置的埋地器件的半导体器件并可使用带有多个导电槽和电触头的半导体器件。图4是可用来实施本发明的第二实施例的半导体器件400的侧视剖面图。图5是示出了可用来制作图4所示的半导体器件的示例性方法500的流程图。注意本文所示的方法500可与P-沟道半导体器件(例如，M0SFET)的制作结合使用。但是，应理解所示的方法同样适用于制作N-沟道半导体器件或其它半导体结构等。还应注意，为清晰起见，本文所示的方法500包括某些示例性步骤，而且并没有示出可用在这种方法中的传统的半导体制作步骤。参见图4和图5，所述方法的第一步(50 是在半导体器件400内形成有源器件 (例如，二极管、晶体管)。在一个实施例中，可以通过在适用的基材402上形成第一极型 (例如，N-型)的第一区404来形成有源器件。例如，第一区404可以是由N-型半导体晶片的表面形成的N-型埋层(NBL)，而基材402可以采用P-型的基材形成。采用适用的方法，例如外延生长，将第二极型(例如，P-型)的杂质引入以在一部分第一区404上形成第二极型(例如，P-型本征区)的本征区(例如，沟道区)406。在一个实施例中，纯粹作为设计约束，本征区406可约为一(1)微米宽。然后，采用适用的掩蔽和蚀刻法(步骤504)，通过向下蚀刻到本征区406中形成第一导电槽408和第二导电槽410。采用适用的沉积法，然后在第一导电槽408和第二导电槽 410中填充一层，例如第一极型(例如，N-型)的材料。例如，可以采用适用的多晶硅(例如，N-型的多晶硅)材料或任何其它适用的可用来形成导电槽的材料形成各导电槽408、 410。例如，在一个实施例中，因此而形成的第一导电槽408可约为十三(13)微米深，第二导电槽410约为十(10)微米深。注意通过形成具有不同深度的这样的导电槽，使用户能够将差分电压或固定电压施加到任一导电槽上(如下进行更详细的描述)。此外，此时的本征区406完全被相反的掺杂极型(例如，N-型)包围，这样可以防止光生载流子泄漏到基片 402。然后，在一个实施例中，采用适用的注入法(步骤506)，将增加剂量的第二极型 (例如，P-型)的杂质注入在其与第一导电槽408和第一区404的边界上的本征区406，以形成第一击穿区412。例如，根据有关的操作应用，可以使用剂量范围在lel2至lel3cm-2 内且能级小于25keV的P-型掺杂剂(例如，硼)形成第一击穿区412。也可以将类似增加剂量的第二极型(例如，P-型)的杂质注入在其与第二导电槽410之间的边界的本征区406， 以形成第二击穿区414。因此，通过在形成击穿区412、414的时候选择适用的掺杂剂浓度， 可以显著降低半导体器件400内的槽至槽的泄漏电流，而且也可以提高半导体器件的整体灵敏度。另外，通过控制击穿区412、414内的掺杂剂浓度，设计人员在选择有关的半导体器件的速度/灵敏度性能权衡的时候有更多的灵活性。在任何情况下，有源区418都被其位置限定在本征区406内和两个导电槽408、410 之间。有源区418将在半导体器件工作期间限定电场413的范围。例如，在光电探测器件中，有源区418将在光电探测器件工作期间限定横向电场413的范围。然后采用适用的镀金属法(步骤510)，将第一电触头414连接到导电槽408的表面，将第二电触头416连接到导电槽410的表面。第一和第二电触头414、416可以延伸(步骤512)来形成外部接线，从而用于将电压发生器连接到第一和第二电触头414、416。在工作的时候，将电压信号(例如，差分或固定电压信号)施加到各电触头414、 416，以控制有源区418内产生的电场413 (例如，横向电场)的量级。值得注意的是，虽然图 4中示出了特定的埋地器件配置，但是以类似于上述方法的方式，可实施采用不同配置的埋地器件的半导体器件并可使用带有多个导电槽和电触头的半导体器件。在本文的讨论和权利要求书中，相对于两种材料所使用的术语“在...上面”，一个在另一个“上面”是指在材料之间至少有一些接触，而“在.· ·之上”是指材料相接近，但是可能会有一种或多种其它插入材料，从而使得材料间的接触是可能的，但不是必需的。如本文所用“在...上面”和“在...之上”都不意指任何方向性。术语“共形的”描述的是其中通过共形材料保持了底层材料的角度的涂层材料。术语“约”表示所列的值可能会有些改变，只要所做的改变不会使方法或结构与图示的实施例不一致即可。基于与晶片或基片的传统平面或工作面平行的平面来限定如本申请中所用的相对位置的术语，而不用考虑晶片或基片的方向。如本申请中所用的术语“水平的”或“横向的”被限定为与晶片或基片的传统平面或工作面平行的平面，而不用考虑晶片或基片的方向。术语“垂直的”指的是与水平面垂直的方向。诸如“在...上面”、“侧面”(如在“侧壁” 中)、“较高”、“较低”、“在.· ·之上”、“顶部”和“在...之下”的术语都是相对于晶片或基片的顶部表面上的传统平面或工作面而限定的，而不用考虑晶片或基片的方向。虽然本文已经示出并描述了特定的实施例，但是本领域的普通技术人员应当理解，在认为达到相同之目的情况下，可用任何布置来取代所示的特定实施例。因此，这显然旨在使得本发明仅受权利要求书和其等效内容的限制。
权利要求
1.一种成像系统，包括光电探测器单元，所述光电探测器单元包括在其中形成的多个导电槽以及多个电触头，各电触头都连接到各自的导电槽；光数据处理器单元，所述光数据处理器单元耦合到所述光电探测器单元的输出以将从所述光电探测器单元接收的模拟信号转换为数字信号；处理单元，所述处理单元耦合到所述光数据处理器单元的输出以响应所述数字信号生成控制信号；以及显示器单元，所述显示器单元耦合到所述处理单元的输出以改变响应所述控制信号所显示的图像的强度。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括本征区，所述本征区在所述光电探测器单元中形成；以及击穿区，所述击穿区在所述本征区和至少一个所述导电槽之间形成。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括连接到所述多个电触头以生成电压信号并控制所述光电探测器单元内的横向电场的量级的电压发生器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述光数据处理器单元包括模拟信号处理器 (ASP)和模拟数字转换器(ADC)中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述显示器单元包括光学发光二极管(OLED)显示器和液晶显示器(LCD)中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统包括互补金属氧化物半导体(CM0Q图像传感器系统、光传感器系统、接近传感器系统、红外(IR)传感器系统和CMOS飞行时间光学传感器系统中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统包括数码摄像机UR摄像机、手持或便携显示器、个人数字助理(PDA)和智能电话中的至少一个。
8.一种半导体器件，包括第一导电槽，所述第一导电槽包括第一极型的第一半导体材料；第二导电槽，所述第二导电槽包括所述第一极型的第二半导体材料，其中以第二极型的第三半导体材料形成所述第一和第二导电槽，并且所述第一导电槽和所述第二导电槽限定两者间的有源区；第一电触头，所述第一电触头连接到所述第一导电槽的表面；以及第二电触头，所述第二电触头连接到所述第二导电槽的表面。
9.根据权利要求8所述的半导体器件，还包括以第三半导体材料形成的并与所述第一导电槽和所述第二导电槽中的至少一个的侧壁相邻的所述第二极型的区。
10.根据权利要求9所述的半导体器件，其中所述区包括击穿区。
11.根据权利要求8所述的半导体器件，其中所述第一导电槽和所述第二导电槽各包括多晶硅槽。
12.根据权利要求8所述的半导体器件，其中所述半导体器件是硅半导体器件。
13.根据权利要求8所述的半导体器件，其中所述半导体器件是光电探测器件。
14.根据权利要求8所述的半导体器件，其中所述第一极型是N-型，并且所述第二极型是P-型。
15.根据权利要求8所述的半导体器件，其中所述第一极型是P-型，并且所述第二极型是N-型。
16.根据权利要求8所述的半导体器件，其中所述有源区可操作来生成电场。
17.根据权利要求8所述的半导体器件，其中所述半导体器件是光电探测器件，并且所述有源区可操作来生成横向电场。
18.根据权利要求8所述的半导体器件，其中所述第一导电槽和所述第二导电槽中的至少一个的深度在0. 7微米和13. 0微米之间的范围内。
19.一种光电探测器件的制作方法，包括 在所述光电探测器件内形成有源器件； 在所述有源器件中形成第一导电槽；将第一电触头连接到所述第一导电槽的表面；在所述有源器件内形成第二导电槽；将第二电触头连接到所述第二导电槽的表面；在所述第一导电槽和所述第二导电槽之间形成有源区；以及形成接线从而将电压发生器连接到所述第一电触头和所述第二电触头。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括在所述有源器件中形成第一极型的本征区；以及在所述第一本征区中形成的并与所述第一导电槽和所述第二导电槽中的至少一个的侧壁相邻的所述第一极型的区。
21.根据权利要求20所述的方法，其中在所述本征区中形成所述第一极型的区包括形成击穿区。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述形成接线还包括形成所述差分电压发生器的接线以生成差分电压信号并用所述差分电压信号控制横向电场的量级。
23.根据权利要求19所述的方法，其中所述形成第一导电槽包括用第一极型的半导体材料形成所述第一导电槽，并且所述形成第二导电槽包括用所述第一极型的半导体材料形成所述第二导电槽。
24.根据权利要求19所述的方法，其中所述形成第一导电槽和第二导电槽还包括以第二极型的第三半导体材料形成所述第一和第二导电槽。
25.根据权利要求19所述的方法，其中所述形成将光电探测器件单片集成至少一个其它的半导体器件。
26.—种控制半导体器件中电场的方法，其包括 生成电压信号；将所述电压信号耦合到所述半导体器件中的第一导电槽和第二导电槽； 调整所述电压信号；以及控制所述半导体器件中的电场的量级。
27.根据权利要求沈所述的方法，其中所述生成包括生成差分电压信号。
28.根据权利要求沈所述的方法，其中所述耦合包括将所述电压信号耦合到光电探测器件的所述第一导电槽和所述第二导电槽。
29.根据权利要求沈所述的方法，其中所述控制包括控制所述半导体器件的有源区中的横向电场的量级。
30.根据权利要求沈所述的方法，还包括增加由所述半导体器件待检测的光信号的频率。
全文摘要
本发明公开了一种成像系统、半导体器件和制作光电探测器件的方法。例如，本发明公开了一种成像系统，其包括光电探测器单元，所述光电探测器单元包括在其中形成的多个导电槽以及多个电触头，各电触头都连接到各自的导电槽。所述成像系统还包括光数据处理器单元、处理单元和显示器单元，其中所述光数据处理器单元耦合到所述光电探测器单元的输出，以将从所述光电探测器单元接收的模拟信号转换为数字信号；所述处理单元耦合到所述光数据处理器单元的输出以响应所述数字信号生成控制信号；所述显示器单元耦合到所述处理单元的输出以改变响应所述控制信号所显示的图像的强度。
文档编号H01L31/0352GK102214706SQ201110094418
公开日2011年10月12日 申请日期2011年4月7日 优先权日2010年4月8日
发明者A·M·丹尼森-吉比, C·W·克拉多克, D·W·瑞特, I-S·孙, P·戈尔登 申请人:英特赛尔美国股份有限公司