光学传感器器件及制造光学传感器器件的方法技术

本文提供了光学传感器器件及制造光学传感器器件的方法。一种光学传感器器件包括：包括用于将电磁信号转换为光生电荷载流子的转换区域的半导体衬底；被配置为读出光生电荷载流子的第一部分的读出节点；形成在延伸到半导体衬底中的沟槽中的控制电极；以及在半导体衬底中的掺杂区域，其中掺杂区域邻近于沟槽，并且其中掺杂区域的掺杂类型不同于读出节点，其中掺杂区域的掺杂浓度使得掺杂区在操作期间保持耗尽。

【技术实现步骤摘要】
光学传感器器件及制造光学传感器器件的方法
本公开总体上涉及集成电路领域，并且更具体地涉及适于检测电磁信号的飞行时间的光学传感器器件领域。另外的实施例示出了用于飞行时间传感器的光混合器件。
技术介绍
在一些光学传感器器件中，光检测器中的控制电极用于解调光生电荷载流子。由辐射源生成并且通过调制信号幅度调制的电磁信号被定向到对象并且被反射到光检测器。与调制信号同相或与调制信号具有固定相位关系的解调信号被施加到光检测器中的控制电极。取决于施加到控制电极的解调信号，光生电荷载流子被定向到第一读出节点或第二读出节点。检测被定向到读出节点的光生电荷载流子，并且确定调制信号与从对象反射并且在光检测器处检测到的电磁信号之间的相移。因此，电磁信号的飞行时间可以根据检测到的光生电荷载流子来确定。换言之，使用接收到的辐射与解调信号的混合来根据由辐射源发射的辐射与由光学传感器器件接收的辐射之间的相移来确定飞行时间信息。因此，这样的光学传感器器件也称为光混合器件(PMD)或解调检测器。为了定向光生电荷载流子，使用控制电极。在传统的传感器器件中，使用单个种类的控制电极。更具体地，已经使用了用于电流辅助的光子解调的光栅或沟槽栅或引导场电极。然而，目前的光传感器器件的设计受到传感器信号质量的限制。因此，需要一种转换电信号中的所接收的光信号的增强的方法。
技术实现思路
进一步的实施例提供了一种光学传感器器件，其包括：具有用于将电磁信号转换为光生电荷载流子的转换区域的半导体衬底、被配置为读出光生电荷载流子的第一部分的读出节点、控制电极、和在半导体衬底中在控制电极与转换区域之间的掺杂区域，其中掺杂区域邻近于控制电极并且延伸到半导体衬底中，其中掺杂区域的掺杂类型不同于读出节点，并且其中掺杂区域的掺杂浓度使得掺杂区域在操作期间保持耗尽。根据实施例，控制电极可以包括在半导体衬底的表面区域上横向延伸的控制电极部分，并且其中半导体衬底中的掺杂区域邻近于横向延伸的控制电极部分。根据实施例，光学传感器器件可以包括控制电极，控制电极具有形成在延伸到半导体衬底中的沟槽中的控制电极部分，并且其中掺杂区域邻近于沟槽。根据实施例，控制电极可以包括在半导体衬底的表面区域上横向延伸的控制电极部分、以及形成在延伸到半导体衬底中的沟槽中的控制电极部分，其中掺杂区域邻近于控制电极部分。进一步的实施例提供了一种光学传感器器件，其包括包括用于将电磁信号转换为光生电荷载流子的转换区域的半导体衬底、被配置为读出光生电荷载流子的第一部分的读出节点、通过另外的隔离材料与半导体衬底分离并且形成在延伸到半导体衬底中的沟槽中的控制电极、以及在半导体衬底中的掺杂区域，其中掺杂区域邻近于沟槽，并且其中掺杂区域的掺杂类型不同于读出节点，其中掺杂区域的掺杂浓度使得掺杂区在操作期间保持耗尽。根据实施例，例如，光学传感器器件可以被认为是用于接收由光源发射并且被待感测对象反射的光学可见光或红外辐射的二维集成像素阵列的像素，其中各个像素被集成到半导体衬底中并且提供用于通过测量光学可见光或红外辐射的飞行时间(行进时间)来确定与对象的距离的电输出信号。根据实施例，光学传感器器件(例如，PMD像素＝光子混合器器件像素)的半导体衬底的半导体材料在与形成在延伸到半导体衬底中的沟槽中的控制电极和/或被实现为横向电极的控制电极接界的区域中被提供有(增加的)p型掺杂。这些附加的p型掺杂区域的掺杂浓度高于光敏半导体材料(转换区域)的主要部分(体积量最大的部分)的掺杂浓度，但是低于其中在光学传感器器件的(正常)操作条件期间相应的掺杂区域将不再完全耗尽的半导体材料中的掺杂浓度。这种附加掺杂区域的效果使得光生电荷载流子的同相空间分离甚至跨若干调制周期被保持。因此，在各个调制栅(控制电极)处一次收集的光生电荷载流子不再被“排斥”。通过各个p型掺杂区域，改善了PMD像素的性能。特别地，获得了改进的解调对比度，即使在高调制频率下，例如在80至250MHz之间的频率范围内。对光学传感器器件的实施例的以下描述同样适用于互补掺杂类型。根据实施例，光学传感器器件还可以包括：被配置为读出光生电荷载流子的第二部分的另外的读出节点；通过另外的隔离材料与半导体衬底分离的另外的控制电极，其中另外的控制电极和另外的隔离材料形成在延伸到半导体衬底中的另外的沟槽中；以及在半导体衬底中的另外的掺杂区域，其中另外的掺杂区域与具有控制电极的另外的沟槽接界，并且其中另外的掺杂区域的掺杂类型与转换区域相同并且掺杂浓度高于转换区域，其中在半导体衬底的平面图中，另外的掺杂区域的横向延伸小于转换区域的横向延伸的20％。另外的掺杂区域被布置为邻接另外的沟槽，其中在半导体衬底的平面图中，转换区域布置在控制电极与另外的控制电极之间。另外的掺杂区域的掺杂浓度使得在光学传感器器件的(正常)操作条件期间，另外的掺杂区域保持耗尽。掺杂区域和另外的掺杂区域具有相同的掺杂浓度。在半导体衬底的平面图中，掺杂区域的横向延伸和另外的掺杂区域的横向延伸小于两个沟槽之间的距离的20％(15％、10％、5％或1％)。在半导体衬底的平面图中，控制电极和另外的控制电极、以及读出节点和另外的读出节点可以关于对称轴对称地布置。控制器可以被配置为向第一控制电极施加在与向第二控制电极施加的变化的电位相比较时具有相移的变化的电位，以在转换区域中生成电位分布，通过该电位分布转换区域中的光生电荷载流子根据电磁信号的飞行时间被定向在不同方向上。读出节点被配置为检测定向的电荷载流子的第一部分，另外的读出节点被配置为检测定向的电荷载流子的第二部分。因此，控制器可以被配置为基于在第一读出节点处收集的电荷载流子的量和/或在第二读出节点处收集的电荷载流子的量的关系来确定电磁信号的运行时间。附图说明本文中随后参考附图来描述实施例，在附图中：图1A示出了根据实施例的光学传感器器件的示意性截面图；图1B示出了根据另一实施例的光学传感器器件的示意性截面图和平面图；图1C示出了根据另一实施例的光学传感器器件的示意性截面图和平面图；图2A示出了根据另一实施例的光学传感器器件的示意性截面图；图2B示出了根据实施例的在两个沟槽处具有附加的p型掺杂区域的沟槽栅像素的主要p型掺杂分布；图2C示出了根据实施例的在两个沟槽电极(虚线)之间的沟槽栅像素的静电电位的示例性图示；图3示出了根据另一实施例的光学传感器器件的示意性截面图；图4A示出了根据实施例的飞行时间传感器系统(TOF传感器系统)；图4B示出了用于说明光学传感器器件的实施例的操作的示例性时序图；图5A至图5G示出了在半导体衬底中的相应沟槽中制造控制电极的示例性方法；图6A至图6D示出了用于在半导体衬底中的相应沟槽中制造控制电极的另一示例性方法；以及图7A至图7G示出了在半导体衬底中的相应沟槽中制造控制电极的另一示例性方法。具体实施方式在使用附图进一步详细地讨论实施例之前，应当指出，在附图和说明书中，相同要素和具有相同功能和/或相同技术或物理效果的元素通常设置有相同的附图标记，或者利用相同的名称/术语来标识，使得对在不同实施例中所示的这些要素及其功能的描述是相互可交换的，并且可以在不同的实施例中应用于彼此。在下面的描述中，将详细讨论实施例，然而，应当理解，不同的实施例提供可以在各种各样的光学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学传感器器件(10；10a；10b；10c；10d)，包括：半导体衬底(14)，包括用以将电磁信号(12)转换为光生电荷载流子(18)的转换区域(16)；读出节点(20)，被配置为读出所述光生电荷载流子(18)的第一部分；控制电极(22)；掺杂区域(28)，在所述半导体衬底(14)中位于所述控制电极(22)与所述转换区域(16)之间，其中所述掺杂区域(28)邻近于所述控制电极并且延伸到所述半导体衬底(14)中，其中所述掺杂区域(28)具有不同于所述读出节点(20)的掺杂类型，并且其中所述掺杂区域(28)具有的掺杂浓度使得所述掺杂区域(28)在操作期间保持耗尽。

【技术特征摘要】
2016.10.14 DE 102016220161.1;2017.02.21 DE 10201721.一种光学传感器器件(10；10a；10b；10c；10d)，包括：半导体衬底(14)，包括用以将电磁信号(12)转换为光生电荷载流子(18)的转换区域(16)；读出节点(20)，被配置为读出所述光生电荷载流子(18)的第一部分；控制电极(22)；掺杂区域(28)，在所述半导体衬底(14)中位于所述控制电极(22)与所述转换区域(16)之间，其中所述掺杂区域(28)邻近于所述控制电极并且延伸到所述半导体衬底(14)中，其中所述掺杂区域(28)具有不同于所述读出节点(20)的掺杂类型，并且其中所述掺杂区域(28)具有的掺杂浓度使得所述掺杂区域(28)在操作期间保持耗尽。2.根据权利要求1所述的光学传感器器件(10；10a；10b；10c；10d)，其中所述掺杂区域(28)的掺杂浓度以小于1000的因子高于所述转换区域(16)的掺杂浓度。3.根据权利要求1或2所述的光学传感器器件(10；10a；10b；10c；10d)，其中所述光学传感器器件(10)被配置为检测进入所述转换区域(16)的所述电磁信号(12)的飞行时间，所述光学传感器器件(10)还包括：控制器(40)，被配置为向所述控制电极(22)施加变化的电位以在所述转换区域(16)中生成电位分布，通过所述电位分布所述转换区域(16)中的所述光生电荷载流子(18)根据所述电磁信号(12)的飞行时间朝向所述掺杂区域(28)在不同方向上被定向；其中所述读出节点(20)被配置为检测定向的电荷载流子(18)的第一部分。4.根据前述权利要求中任一项所述的光学传感器器件(10；10a；10b；10c；10d)，其中所述变化的电位是与用来调制所述电磁信号(12)的调制信号具有固定相位关系的解调信号。5.根据前述权利要求中任一项所述的光学传感器器件(10；10a；10b；10c；10d)，其中所述读出节点(20)被配置为检测定向的电荷载流子(18)的第一部分。6.根据前述权利要求中任一项所述的光学传感器器件(10；10a；10b；10c；10d)，其中所述光生电荷载流子的第一部分在所述变化的电位的至少一个完整周期内暂时存储在所述掺杂区域(28)中。7.根据前述权利要求中任一项所述的光学传感器器件(10；10a；10b；10c；10d)，其中所述控制电极(22)通过隔离材料(28)与所述半导体衬底(14)分离。8.根据前述权利要求中任一项所述的光学传感器器件(10a；10b；10d)，其中所述控制电极在所述半导体衬底(14)的表面区域(14a)上横向延伸，并且其中所述半导体衬底(14)中的所述掺杂区域(28)邻近于横向延伸的控制电极。9.根据权利要求8所述的光学传感器器件(10a；10b；10d)，其中所述横向延伸的控制电极包括多个横向延伸的控制电极部分。10.根据权利要求9所述的光学传感器器件(10a；10b；10d)，还包括在横向延伸的控制电极部分之间的浅掺杂区域(29)，其中所述浅掺杂区域(29)与所述掺杂区域(28)相比具有更高的掺杂浓度。11.根据权利要求10所述的光学传感器器件(10a；10b；10d)，其中所述掺杂区域(28)具有的峰值掺杂浓度在5E14至5E17原子/cm3之间，并且所述浅掺杂区域(29)具有的峰值掺杂浓度在5E17至5E21原子/cm3之间的区域中。12.根据权利要求1至7中任一项所述的光学传感器器件(10；10c；10d)，其中所述控制电极(22)形成在延伸到所述半导体衬底(14)中的沟槽(26)中，并且其中所述掺杂区域(28)邻近于所述沟槽(26)。13.根据权利要求12所述的光学传感器器件(10；10c；10d)，其中所述掺杂区域(28)布置在所述控制电极(22)与所述转换区域(16)之间，并且其中所述掺...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·罗斯勒，H·菲克，M·弗兰克，D·奥芬贝格，S·帕拉斯坎德拉，J·普里玛，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，PMD科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE