飞行时间成像系统、影像感测器及其制造方法与流程

1.本揭露有关于飞行时间成像系统、影像感测器及其制造方法。


背景技术：

2.飞行时间(time-of-flight，tof)系统使用光源及影像感测器判定相机与影像感测器视野内一或多个物件之间的距离。tof系统通过发射光脉冲照亮场景并量测反射回影像感测器的光的往复返回时间来操作。使用飞行时间技术判定由影像感测器获得的影像中各个点的深度。与诸如lidar的扫描距离成像系统不同，tof系统能够在一次拍摄中自场景中萃取深度信息。tof系统亦可在相对高的频率下操作，使其非常适合即时测距及深度绘图应用。


技术实现要素：

3.根据本揭露的各种实施例，飞行时间成像系统包括照明单元，用以发射光信号；影像感测器，侦测来自照明单元的光信号，光信号自影像感测器的视野中一或多个物件反射且在影像感测器处接收；及处理器，用以基于在影像感测器处侦测到的光信号来判定一或多个物件的距离信息。飞行时间成像系统的影像感测器包括感测器元件的阵列，各个感测器元件包括光侦测器及感测电路，且阵列包括多个主感测器元件及至少第二感测器元件，其中各个主感测器元件包括光侦测器，光侦测器包括至少部分形成于含锗材料中的光电接合区，含锗材料包括原子百分比数大于50％的锗，且各个第二感测器元件包括光侦测器，光侦测器包括在第二材料中形成的光电接合区，第二材料包括原子百分比数在0％与50％之间的锗。
4.根据本揭露的各种实施例，用于飞行时间成像系统的影像感测器，其包括基板、基板的第一区域上的主感测器、及基板的第二区域上的第二感测器。主感测器包括第一光侦测器区域中的光侦测器，其中主感测器的光侦测器包括至少部分位于含锗材料中的光电接合区，含锗材料包括原子百分比数大于50％的锗。第二感测器包括第二光侦测器区域中的光侦测器，其中第二感测器的光侦测器包括在第二材料中的光电接合区，第二材料包括原子百分比数在0％及50％之间的锗。
5.根据本揭露的各种实施例，制造用于飞行时间成像系统的影像感测器的方法，方法包括提供包括半导体材料层的基板及在基板上形成多个光侦测器，包括至少一光侦测器，其具有至少部分位于第一半导体材料中光电接合区，第一半导体材料包括原子百分比数大于50％的锗；及至少一光侦测器，其具有位于第二半导体材料中的光电接合区，第二半导体材料包括原子百分比数在0％与50％之间的锗。
附图说明
6.本揭露的态样在与随附附图一起研读时自以下详细描述内容来最佳地理解。应注意，根据行业中的标准规范，各种特征未按比例绘制。实际上，各种特征的尺寸可为了论述
清楚经任意地增大或减小。
7.图1a是根据一些实施例的飞行时间(time-of-flight，tof)成像系统的示意图；
8.图1b是显示电磁光谱的一部分上方锗及硅的吸收系数与太阳辐射的光谱组成的关系图；
9.图2a是根据本揭露的一实施例的用于tof成像系统的影像感测器的像素阵列的第一组态的平面图；
10.图2b是根据本揭露另一实施例的用于tof成像系统的影像感测器的像素阵列的第二组态的平面图；
11.图3a是根据本揭露另一实施例的用于tof成像系统的影像感测器的像素阵列的第三组态的平面图；
12.图3b是根据本揭露另一实施例的用于tof成像系统的影像感测器的像素阵列的第四组态的平面图；
13.图4a至图4m是根据本揭露的一实施例的用于tof系统的影像感测器的形成期间第一例示性结构的顺序垂直横截面图，该tof系统包括具有由基于锗的材料制成的光侦测器的至少一主感测器、及具有由第二材料制成的光侦测器的至少一第二感测器；
14.图5是根据本揭露的一实施例的用于tof成像系统的影像感测器的另一例示性结构的垂直横截面图；
15.图6是根据一实施例的图示第一例示性结构的替代组态的垂直横截面图；
16.图7a至图7g是根据一实施例的在影像感测器的形成期间第一例示性结构的另一替代组态的顺序垂直横截面图；
17.图8是根据一些实施例的用于tof系统的影像感测器的制造的方法的流程图。
18.【符号说明】
19.7:前侧
20.10:半导体材料层
21.12:介电遮罩层
22.17:背侧
23.20:浅沟槽隔离结构
24.21:第一导电型半导体材料区域
25.28:掺杂光侦测器接触区域
26.30:井
27.30l:含锗材料层
28.32:半导体材料衬里
29.46:悬浮漏极区
30.48:源极区
31.50:漏极介电质
32.52:栅电极
33.60:第二导电型掺杂井
34.67:光阻剂层
35.68:掺杂井接触区域
36.69:沟槽
37.80:金属互连结构
38.82:金属通孔结构
39.84:金属线结构
40.86:金属接合垫
41.90:介电材料层
42.100:tof系统
43.101:照明单元
44.103:影像感测器
45.105:控制电路系统
46.107:处理器
47.110:场景
48.112:物件
49.114:人工光
50.116:反射光
51.201:感测器(元件)/光侦测器
52.203:感测器(元件)/光侦测器
53.302:第二导电型含锗区域
54.303:第二导电型半导体材料区域
55.304:中间半导体材料区域
56.308:中间含锗区域
57.342:第二导电型硅区域
58.340:钝化硅区域
59.400:蚀刻遮罩
60.401:缝隙
61.403:扩散区
62.500:基板
63.501:第一区域
64.502:第一光侦测器区域
65.503:第二区域
66.504:第一感测电路区域
67.506:第二光侦测器区域
68.508:第二感测电路区域
69.509:光侦测器
70.511:感测电路
71.513:光侦测器
72.515:感测电路
73.600:蚀刻遮罩
74.610:晶体管
75.630:晶体管
76.640:晶体管
77.650:晶体管
78.670:光阻剂层
79.680:井
80.680l:半导体材料层
81.690:沟槽
82.800:方法
83.801:步骤
84.802:步骤
85.803:掺杂接触区
86.805:掺杂井
87.807:掺杂井
88.810:掺杂井
89.860:介电材料
90.900:像素
91.1000:阵列
具体实施方式
92.以下揭示内容提供用于实施所提供标的物的不同特征的许多不同实施例、或实例。下文描述组件及配置的特定实例以简化本揭露。当然，这些仅为实例且非意欲为限制性的。举例而言，在以下描述中第一特征于第二特征上方或上的形成可包括第一特征与第二特征直接接触地形成的实施例，且亦可包括额外特征可形成于第一特征与第二特征之间使得第一特征与第二特征可不直接接触的实施例。此外，本揭露在各种实例中可重复参考数字及/或字母。此重复是出于简单及清楚的目的，且本身且不指明所论述的各种实施例及/或组态之间的关系。
93.此外，为了便于描述，在本文中可使用空间相对术语，诸如“在
……
下面”、“在
……
之下”、“下部”、“在
……
之上”、“上部”及类似者，来描述诸图中图示的一个元件或特征与另一(多个)元件或特征的关系。空间相对术语意欲涵盖除了诸图中所描绘的定向以外的装置在使用或操作时的不同定向。装置可另外定向(旋转90度或处于其他定向)，且本文中所使用的空间相对描述符可类似地加以相应解释。
94.通常，本揭露的系统及方法涉及飞行时间(time-of-flight，tof)成像系统，且尤其涉及可用于飞行时间成像系统的影像感测器。tof系统可通过使用光源及影像感测器来判定相机与影像感测器视野内一或多个物件之间的距离。tof系统可经由其光源发射光脉冲以照亮场景。tof影像感测器可侦测反射回影像感测器的光。自光源发射的光与侦测到的反射光的往复返回时间可量测。可使用飞行时间技术来判定由影像感测器获得的影像中各个点的深度。与诸如lidar的扫描距离成像系统不同，tof系统能够在一次拍摄中自场景萃取深度信息。tof系统亦可在相对高的频率下操作，使其非常适合即时测距及深度绘图应用。
95.典型的tof系统包括照明源，诸如激光或led光源；及半导体影像感测器，诸如互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，cmos)影像感测器(cmos image sensor，cis)或电荷耦合装置(charge-coupled device，ccd)感测器。照明源通常发射红外(infrared，ir)范围内的光，从而使观察者不易察觉。影像感测器利用感测器元件(即，像素元件)阵列，其可包括光侦测器及晶体管，吸收反射的辐射并将感测的辐射转换成电信号。现行tof系统的一已知缺点是，它们易受环境光特别是日光的干扰，这可对室外环境的性能产生负面影响。本文揭示了各种实施例以减轻由于在日光下户外使用而产生的负面影响。
96.参考图1a，示意性地图示了飞行时间成像(tof)系统100的实例。一般而言，tof系统100可包括照明单元101及影像感测器103。照明单元101可是激光或led光源，且可发射红外(infrared，ir)波长范围内的光。影像感测器103可是半导体影像感测器，诸如互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，cmos)影像感测器(cmos image sensor，cis)或电荷耦合装置(charge-coupled device，ccd)感测器。影像感测器103可包括影像像素阵列(其可包括光侦测器及晶体管)，以使用电子空穴对的光生来侦测辐射(反射的或直接的)。影像感测器103亦可包括光学元件，诸如一或多个透镜，用于将反射光聚焦至感测器阵列的焦点面。影像感测器103亦可包括光学滤波器(多个)，用以通过照明单元101的操作波长范围内的光，同时抑制来自该范围之外的光。
97.tof系统100亦可包括控制电路系统105，其可操作地耦合照明单元101与影像感测器103。控制电路系统105可控制并同步照明单元101与影像感测器103的操作。tof系统100可另外包括处理器107，其可处理由影像感测器103接收的影像数据，以判定距离信息。
98.tof系统100可通过使用来自照明单元101的人工光114照明场景110、并侦测自场景110中一或多个物件112反射且在影像感测器103处侦测到的反射光116来操作。tof系统100可使用由影像感测器103收集的影像数据来计算影像感测器103与场景110内的各个点之间的距离。为了计算距离信息，tof系统100可利用直接飞行时间技术，其中tof系统100直接量测光离开照明单元101并反射回影像感测器103的各个像素所花费的时间。这可使得能够使用单个光脉冲撷取完整3d场景的深度信息。
99.或者，tof系统100可利用间接飞行时间量测技术，诸如相位侦测技术，其中自照明单元101(照明源)发射的光可通过周期性参考信号进行调变，且影像感测器103可侦测反射光116中参考信号的相转移，以判定距离信息。
100.tof系统100通常使用ir光，ir光对可见光范围内环境光的干扰不太敏感。此外，由于ir光对人眼是不可见的，因此使用ir光可使tof系统100对人类不易察觉。ir光的使用可影响在tof系统100中使用的影像感测器103的类型。举例而言，影像感测器103的光侦测器可由具有相对高的ir辐射量子效率的半导体材料制成。基于锗的光侦测器由于其在ir光谱中与其他候选材料(如硅)相比的高量子效率而被用于ir辐射侦测。图1b是显示锗及硅在可见光及近红外波长范围内的吸收系数的曲线图。如图1b中所示，锗及硅的吸收系数均随着波长自可见光谱移至近红外范围而减小。然而，在约700nm至940nm的波长范围内，硅的吸收系数比锗低至少一数量级。自约940nm的波长开始，硅的吸收系数自～100cm-1
迅速下降至《10cm-1
。相较之下，锗在940nm至约1550nm的波长范围内保持相对高的吸收系数(即，》1000cm-1
)，超过该范围则锗的吸收系数迅速降低。
101.现有tof系统的一问题是，某些类型的背景光(诸如明亮的日光)可产生高背景杂讯且降低影像感测器103中的信号杂讯比(signal-to-background noise ratio，sbr)，这可对系统性能产生负面影响。再次参考图1b的曲线图，地球上太阳辐射的光谱组成亦显示在可见光及红外波长范围内。如图1b中所示，太阳辐射在可见光范围内的强度通常比红外范围内的强度大。然而，太阳辐射在大部分近红外范围内仍保持一定强度。这意味着在明亮的日光环境中，太阳辐射在近红外光谱中可具有足够强的强度分量。因此，日光可是tof系统的重大干扰源。由于锗在近红外波长的高吸收系数，这对于具有基于锗的光侦测器的tof系统来说可能尤其如此。此外，由于干扰的太阳辐射可具有与来自tof系统的光信号相同的波长，这个问题不能用光学带通滤波完全消除。由于这些原因，当在日光下使用时，利用基于锗的光侦测器的tof系统的有效性可能有限。
102.为了解决背景光干扰问题且改善飞行时间系统的性能，本文揭示的各种实施例包括用于飞行时间系统的影像感测器，其包括至少一主感测器及至少一第二感测器。各个主感测器可包括具有第一材料的光侦测器，该第一材料对飞行时间系统的操作波长范围内的光具有高吸收系数。在一实施例中，第一材料可是基于锗的材料。主感测器(一或多个)可侦测在影像感测器103处接收的飞行时间量测光信号。各个第二感测器可包括具有第二材料的光侦测器，该第二材料对飞行时间系统的操作波长范围内的光具有相对低的吸收系数。在一实施例中，第二材料可是基于硅的材料。然而，第二感测器(多个)可侦测在影像感测器103处接收的背景光，诸如背景太阳辐射。由至少一第二感测器侦测到的背景光量可用于校正飞行时间量测中由于背景光而产生的杂讯，从而提高飞行时间系统的精度。在各种实施例中，该至少一第二感测器可包括一材料，该材料包括与太阳辐射光谱显著重叠的吸收光谱。至少一第二感测器可在飞行时间量测期间侦测太阳强度，这可用于校正使用主感测器(多个)获得的距离量测。
103.图2a是根据本揭露的一实施例的飞行时间(tof)系统100的影像感测器103的像素阵列的第一组态的平面图。图2b是根据本揭露的另一实施例的用于飞行时间系统100的影像感测器103的像素阵列的第二组态的平面图。参考图2a及图2b，在个别平面图中图示了影像感测器103的像素900的阵列1000的第一组态及影像感测器103的像素900的阵列1000的第二组态。影像感测器可是背侧照明(backside illuminated，bsi)影像感测器装置。然而，为简单起见，本揭露的实施例被论述为用于前侧照明(front-side illuminated，fsi)影像感测器。
104.各个像素900表示用于自影像感测器103产生的一影像的最小单位面积。本文中包括多个像素900的阵列1000的区域被称为像素阵列区域。像素阵列区域中像素900可配置成列及行。举例而言，像素阵列区域可包括m列及n行，其中m及n是自1至2
16
范围(诸如自28至2
14
)内的整数。像素900的列可用自1至m范围内的整数连续编号，且像素900的行可用自1至n范围内的整数连续编号。像素p
ij
是指第i列及第j行中的像素900。
105.各个像素900包括至少一光侦测器及至少一电子电路(即，感测电路)，用以侦测冲击光侦测器的特定波长范围的辐射。通常，像素900产生关于单位侦测面积的冲击辐射的信息。在一些实施例中，像素900可包括多个光侦测器。在一实施例中，各个像素900可包括多个子像素，各个子像素包括光侦测器及电子电路的个别组合，用以侦测冲击至光侦测器中的辐射。在一些实施例中，各个子像素可用以侦测特定波长范围内的辐射，该波长范围对于
多个子像素中的各个子像素可不同。在这样的实施例中，各个子像素可产生关于在单位侦测面积的区域内侦测到的特定波长范围内的冲击辐射的强度的信息。或者或另外地，如下文将进一步详细描述的，像素900的一或多个子像素可是可用于背景光杂讯校正的第二感测器203。
106.像素阵列区域中的光侦测器可包括光电二极管、互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，cmos)影像感测器、电荷耦合装置(charge-coupled device，ccd)感测器、主动感测器、被动感测器、其他适用感测器、或其组合。
107.根据本揭露的各种实施例，用于飞行时间系统100的影像感测器103的像素阵列1000可包括多个主感测器201及至少一第二感测器203。主感测器201及该至少一第二感测器203可各个包括至少一光侦测器及至少一感测电路，用以侦测冲击光侦测器的辐射。
108.主感测器201及该至少一第二感测器203在用于形成光侦测器的材料(多种)上可有所不同。在各种实施例中，主感测器201可包括具有基于锗的材料的光侦测器。具体而言，主感测器201的光侦测器可包括至少部分形成于基于锗的材料中的光电接合区。如本文所用，基于锗的材料可包括含锗材料，其包括原子百分比数大于50％的锗。基于锗的材料可包括元素锗、或锗与一或多种其他元素的化合物或合金，其中基于锗的材料包括原子百分比数大于50％的锗。
109.至少一第二感测器203可包括具有第二材料的至少一光侦测器，该第二材料不同于主感测器201的光侦测器的基于锗的材料。具体而言，第二感测器203的光侦测器可包括形成于第二材料中的光电接合区，该第二材料不同于主感测器201的光侦测器的基于锗的材料。第二材料可包括原子百分比数在0％与50％之间的锗。在各种实施例中，第二材料可是基于硅的材料。如本文所用，基于硅的材料可包括含硅材料，其包括原子百分比数大于50％的硅。基于硅的材料可包括元素硅或硅与一或多种其他元素的化合物或合金，其中基于硅的材料包括原子百分比数大于50％的硅。在各种实施例中，第二材料可是硅锗合金，其中硅的原子百分比数大于50％，且锗的原子百分比数小于50％(即，si
x
ge
1-x
，其中1》x》0.5)。
110.在进一步的实施例中，至少一第二感测器203的第二材料可包括一或多种镁铝尖晶石碳砖、氧化钇、及氮氧化铝材料。其他适合材料在本揭露的预期范畴内。在各种实施例中，至少一第二感测器203的第二材料可包括具有与太阳光谱显著重叠的吸收光谱的材料。
111.参考图2a及图2b，根据各种实施例的影像感测器103可包括像素900的阵列1000，其中阵列1000中的各个像素900包括主感测器201或第二感测器203。如图2a及图2b中所示，阴影像素p
33
包括第二感测器203。阵列1000的其他像素900可各个包括主感测器201。主感测器201中的各者可包括由基于锗的材料制成的光侦测器，且第二感测器203可包括由第二材料制成的光侦测器，如上所述，第二材料可是基于硅的材料。
112.尽管图2a及图2b中所示的例示性阵列1000各个具有包括第二感测器203的单个像素900，但应理解，各个阵列1000的多个像素900可包括第二感测器203。包括第二感测器203的一或多个像素900可位于阵列1000中的任何位置处，包括阵列1000的中心处或中心附近、沿阵列1000的一或多个边缘或其附近、及/或阵列1000中的其他位置中。包括第二感测器203的多个像素900可在阵列1000中以规则图案配置，或可在整个阵列1000中随机分布。在各种实施例中，阵列1000中包括主感测器201的像素900的数目可大于或等于阵列中包括第
二感测器203的像素900的数目。
113.现在参考图3a及图3b，在个别平面图中图示了影像感测器103的像素900的阵列1000的第三组态及影像感测器103的像素900的阵列1000的第四组态。在第三组态及第四组态中，影像感测器103包括多个像素900的阵列1000，其中阵列1000中的至少一像素900包括主感测器201及第二感测器203两者。如图3a及图3b中所示，部分阴影像素p
33
包括主感测器201及第二感测器203两者。主感测器201可包括由基于锗的材料制成的光侦测器，且第二感测器203可包括由第二材料制成的光侦测器，如上所述，第二材料可为基于硅的材料。
114.图3a及图3b中所示阵列1000中一或多个像素900可包括多个子像素，其中各个子像素可包括光侦测器及感测电路。参考图3a及图3b，部分阴影像素p
33
可具有包括主感测器201的第一子像素及包括第二感测器203的第二子像素。在一些实施例中，像素900可包括两个以上的子像素。举例而言，像素900可具有包括主感测器201的至少两个子像素及包括第二感测器203的至少一子像素。或者，像素900可具有包括主感测器201的至少两个子像素及包括第二感测器203的至少两个子像素。在各种实施例中，包括主感测器201的给定像素900的子像素的数目可等于或大于包括第二感测器203的像素900的子像素的数目。
115.尽管图3a及图3b中所示的例示性阵列1000各个具有包括主感测器201及第二感测器203两者的单个像素900，但应理解，各个阵列1000的多个像素900可包括第二感测器203，诸如阵列1000的所有像素900。在各种实施例中，阵列1000的各个像素900可包括多个子像素，包括含有主感测器201的至少一子像素及含有第二感测器203的至少一子像素。或者，在一些实施例中，阵列1000的仅一些像素900可包括多个子像素，而阵列1000的其他像素900可不包括多个子像素。
116.包括第二感测器203的子像素可在阵列1000中以规则图案配置，或可在整个阵列1000中随机分布。一般而言，阵列1000中主感测器201的总数目可等于或大于阵列1000中第二感测器203的总数目。
117.尽管图2a至图2b及图3a至图3b中所示的像素900的阵列1000的第一、第二、第三及第四组态图示了在平面图中看到时具有多边形形状的第二感测器203，但可理解，第二感测器203可具有任何形状，诸如圆形、椭圆形、三角形或不规则形状。
118.图4a至图4m是根据本揭露的第一实施例的在用于飞行时间(time-of-flight，tof)系统的影像感测器的形成期间第一例示性结构的顺序垂直横截面图，该tof系统包括具有由基于锗的材料制成的光侦测器的至少一主感测器201、及具有由第二材料制成的光侦测器的至少一第二感测器203。图4a是图示用于制造用于tof系统的影像感测器的中间结构的垂直横截面图。参考图4a，第一例示性结构包括基板500，基板500包括半导体材料层10。基板500可包括位于基板500的前侧7上的第一主水平表面、及位于基板500的背侧17上的第二主表面。基板500可包括体半导体基板，如图4a中所示，半导体材料层10可自基板500的前侧7连续延伸至背侧17。在其他实施例中，基板500可具有绝缘体上半导体结构，其中半导体材料层10位于基板500的埋入式绝缘体层上方。
119.基板500可包括至少一第一区域501，其中随后可形成影像感测器103的主感测器201。基板500亦可包括至少一第二区域503，其中随后可形成影像感测器103的第二感测器203。第一区域501可包括第一光侦测器区域502及第一感测电路区域504，其中随后可分别形成光侦测器及感测电路。第二区域503可类似地包括第二光侦测器区域506及第二感测电
路区域508，其中随后可分别形成光侦测器及感测电路。
120.尽管为了清楚起见仅图示了单个第一区域501及单个第二区域503，但应理解，多个第一区域501及多个第二区域503可位于基板500上，随后可在其上形成主感测器201及第二感测器203的阵列。在各种实施例中，根据上文参考图2a及图2b描述的像素900的阵列1000的第一组态及第二组态，基板500的第一区域501及第二区域503中的各者可对应于阵列1000的单独像素900。或者，根据上文参考图3a及图3b描述的像素900的阵列1000的第三组态及第四组态，基板500的第一区域501及第二区域503中的各者可对应于阵列1000的像素900的部分(即，子像素)。
121.在图4a至图4m的实施例中，半导体材料层10可包括半导体材料，该半导体材料包括原子百分比数在0％与50％之间的锗。在各种实施例中，半导体材料层10可是基于硅的半导体材料，且可是单晶硅材料。其他适合的基于硅的半导体材料在本揭露的预期范畴内，诸如多晶硅、非晶硅、及/或硅与一或多个其他元素的化合物或合金。在各种实施例中，半导体材料层10可包括硅锗合金，其中硅的原子百分比数大于50％且锗的原子百分比数小于50％。随后可在基板500的第二光侦测器区域506的半导体材料层10中形成用于第二感测器203的光侦测器，如下文进一步详细描述的。
122.半导体材料层10可具有适合导电型的掺杂，其可为p型或n型。在一实施例中，半导体材料层10可具有第一导电型的掺杂，且可包括原子浓度在1.0x10
13
/cm3至1.0x10
17
/cm3范围内的第一导电型的掺杂剂，尽管亦可使用更小及更大的掺杂浓度。
123.在一实施例中，可执行遮蔽离子布植工艺以形成具有不同深度的各种掺杂区。举例而言，具有第二导电型的掺杂的第二导电型掺杂井60可由离子布植形成。第二导电型掺杂井60可形成以横向围绕半导体材料层10的封闭区域。第二导电型与第一导电型相反。举例而言，若第一导电型为p型，则第二导电型为n型，反之亦然。第二导电型掺杂井60的深度可在1微米至2微米的范围内，尽管亦可使用更小及更大的深度。第二导电型掺杂井60可包括原子浓度在1.0x10
15
/cm3至1.0x10
18
/cm3范围内的第二导电型的掺杂剂，尽管亦可使用更小及更大的掺杂浓度。如图4a中所示，第二导电型掺杂井60可在第一光侦测器区域502及第二光侦测器区域506两者中横向围绕半导体材料层10的封闭区域。第二导电型掺杂井60可隔离阵列1000的个别第一光侦测器区域502、第二光侦测器区域506，以避免后续形成于第一光侦测器区域502、第二光侦测器区域506中的各者中的光侦测器之间的串扰及相互干扰。或者或另外地，可在半导体材料层10中形成浅沟槽隔离结构，以在个第一光侦测器区域502、第二光侦测器区域506之间提供隔离。
124.具有第二导电型的掺杂的掺杂井接触区域68可通过执行遮蔽离子布植工艺在第二导电型掺杂井60的上部部分中形成。掺杂井接触区域68可重掺杂以降低接触电阻。掺杂井接触区域68可包括原子浓度在1.0x10
19
/cm3至1.0x10
22
/cm3范围内的第二导电型的掺杂剂，尽管亦可使用更小及更大的掺杂浓度。
125.具有第一导电型的掺杂的第一掺杂光侦测器接触区域28可形成于半导体材料层10中由第二导电型掺杂井60封闭的区域内。第一掺杂光侦测器接触区域28可重掺杂以降低接触电阻。第一掺杂光侦测器接触区域28可包括原子浓度在1.0x10
19
/cm3至1.0x10
22
/cm3范围内的第一导电型的掺杂剂，尽管亦可使用更小及更大的掺杂浓度。
126.参考图4b，可在半导体材料层10上方形成介电遮罩层12。介电遮罩层12包括介电
材料，诸如氧化硅。其他适合材料在本揭露的预期范畴内。介电遮罩层12可通过沉积氧化硅层或通过热氧化半导体材料层10的表面部分来形成。其他适合沉积方法或技术在本揭露的预期范畴内。介电遮罩层12的厚度可在50nm至300nm的范围内，诸如自80nm至150nm，尽管亦可使用更小及更大的厚度。
127.再次参考图4b，可在介电遮罩层12上方施加光阻剂层67。参考图4c，光阻剂层67可微影术图案化以形成蚀刻遮罩400。光阻剂层67可包括当曝光于某些类型的辐射时可改变的光敏材料。举例而言，光阻剂材料可是正型光阻剂材料，其中曝光于紫外线(ultraviolet，uv)辐射使光阻剂材料中含有的聚合物更易溶解且更易移除；或可是负型光阻剂材料，其中曝光于uv辐射使聚合物交联且更难以移除。光阻剂层67可经由微影术遮罩曝光于辐射(例如，紫外线(ultraviolet，uv)光)中，以将遮罩图案转移至光阻剂层。接着可移除不期望的光阻剂材料，以形成蚀刻遮罩400。
128.参考图4c，蚀刻遮罩400可在第二光侦测器区域506、第二感测电路区域508及第一感测电路区域504上方延伸。然而，蚀刻遮罩400可曝光第一光侦测器区域502的至少一部分。如图4c中所示，蚀刻遮罩400可包括在第一光侦测器区域502中由第二导电型掺杂井60横向封闭的区域内的开口。
129.参考图4d，可执行各向异性蚀刻工艺以移除介电遮罩层12及下伏半导体材料层10的部分，以在第一光侦测器区域502中形成沟槽69。在蚀刻工艺期间，蚀刻遮罩400可保护第二光侦测器区域506、第二感测电路区域508及第一感测电路区域504中的介电遮罩层12及半导体材料层10，以免受蚀刻。
130.形成于第一光侦测器区域502中的沟槽69可由第二导电型掺杂井60横向封闭、并横向向内间隔开。沟槽69的深度可大于、等于、或小于第二导电型掺杂井60的深度。在一实施例中，沟槽69的深度可在0.5微米至10微米的范围内，诸如1微米至6微米，尽管亦可使用更小及更大的深度。沟槽69的横向尺寸可在0.5微米至30微米的范围内，诸如1微米至15微米，尽管亦可使用更小及更大的横向尺寸。在沟槽69具有圆形或椭圆形水平横截面形状的实施例中，沟槽69的横向尺寸可是沟槽69的水平横截面形状的直径或长轴；或在沟槽69的水平横截面形状为矩形的实施例中，沟槽69的横向尺寸可是矩形的侧边的长度。蚀刻遮罩400可随后例如通过灰化来移除。
131.参考图4e，可在第一光侦测器区域502中沟槽69的区域周围布植第一导电型的掺杂剂。第一导电型的掺杂剂可至少布植于由第二导电型掺杂井60横向封闭的区域内。可执行多角度离子布植工艺以穿过沟槽69的侧壁布植第一导电型的掺杂剂。此外，第一导电型的掺杂剂可布植至第一光侦测器区域502中半导体材料层10的表面部分中。此外，可将第一导电型的掺杂剂布植至下伏于沟槽69的底表面的半导体材料层10的水平部分中。可在第一光侦测器区域502中半导体材料层10内形成第一导电型半导体材料区域21。第一导电型半导体材料区域21可连接至第一掺杂光侦测器接触区域28，第一掺杂光侦测器接触区域28是第一导电型半导体材料区域21的接触区域。沟槽69的各个侧壁周围的第一导电型半导体材料区域21的横向宽度可在100nm至1000nm的范围内，尽管亦可使用更小及更大的横向尺寸。第一导电型半导体材料区域21在沟槽69底表面下面的水平部分的厚度可在100nm至1000nm的范围内，尽管亦可使用更小及更大的厚度。
132.再次参考图4e，第一导电型的掺杂剂亦可布植至第二光侦测器区域506中半导体
材料层10中，以在第二光侦测器区域502中形成第一导电型半导体材料区域21。第一导电型的掺杂剂可至少布植至第二光侦测器区域502中由第二导电型掺杂井60横向封闭的区域的一部分内。第一导电型半导体材料区域21可连接至第二光侦测器区域502中第一掺杂光侦测器接触区域28，第一掺杂光侦测器接触区域28是第一导电型半导体材料区域21的接触区域。
133.参考图4f，在一些实施例中，半导体材料衬里32可选择性地自第一导电型半导体材料区域21的经实体曝光表面生长，该经实体曝光表面是沟槽69的表面。在一些实施例中，半导体材料衬里32可通过选择性磊晶工艺生长，该选择性磊晶工艺仅自经实体曝光半导体表面生长诸如磊晶硅的磊晶半导体材料，而不自介电表面生长半导体材料。半导体材料衬里32可包括磊晶生长的硅，即，与半导体材料层10的单晶硅材料磊晶对准的单晶硅。半导体材料衬里32可是本质的，或可具有低掺杂位准。举例而言，半导体材料衬里32内掺杂剂的原子浓度可在1.0x10
13
/cm3至1.0x10
16
/cm3的范围内，尽管亦可使用更小及更大的掺杂浓度。在半导体材料衬里32非本质的实施例中，半导体材料衬里32的导电型可是第一导电型或第二导电型。半导体材料衬里32的厚度可在5nm至200nm的范围内，诸如10nm至100nm，尽管亦可使用更小及更大的厚度。半导体材料衬里32(若存在)可用作后续待沉积于沟槽69中的基于锗的材料与第一导电型半导体材料区域21之间的缓冲器。
134.参考图4g，基于锗的材料在包括半导体材料衬里32的实施例中可自半导体材料衬里32的经实体曝光表面生长，或在不包括半导体材料的实施例中自第一导电型半导体材料区域21的经实体曝光表面生长。基于锗的材料包括原子百分比数大于50％的锗。在一实施例中，含锗材料可包括掺杂或无掺杂的锗，使得锗的原子百分比数至少为99％，且基本上或实质上不含硅或其他元素。在另一实施例中，含锗材料可包括锗原子百分比数大于50％、且硅原子百分比数小于50％的硅锗合金。含锗材料层30l可由沉积基于锗的材料而形成。
135.含锗材料层30l可通过选择性沉积工艺或非选择性沉积工艺形成。选择性沉积工艺是一工艺，其中含锗材料可自经实体曝光半导体表面生长，诸如半导体材料衬里32的经实体曝光表面或第一导电型半导体材料区域21的经实体曝光表面。在这个实施例中，含锗反应物(诸如锗烷或二锗烷)可与诸如氯化氢的蚀刻气体的流动同时、或交替地流动至含有第一例示性结构的工艺室中。通常，半导体材料(诸如含锗材料)在半导体表面上的生长速率高于在介电质表面上的生长速度。可控制流速及沉积温度，使得在选择性沉积工艺期间，净沉积速度(即，沉积速度减去蚀刻速度)在半导体表面上为正，而在介电表面上为负。在这个实施例中，含锗材料的生长主要发生在半导体表面上。非选择性沉积工艺是一沉积工艺，其中含锗材料不加选择地自经实体曝光表面(诸如所有经实体曝光表面)生长。在这个实施例中，沉积工艺可使用含锗反应物而不使用蚀刻气体。
136.在一实施例中，用于沉积含锗材料层30l的选择性沉积工艺或非选择性沉积工艺可是磊晶沉积工艺，即，提供经沉积含锗材料的晶体学结构与下伏材料部分的经实体曝光表面处的晶体结构的对准的一沉积工艺。因此，可沉积于沟槽69中的含锗材料层30l的部分可与半导体材料衬里32的晶体结构(在包括半导体材料衬里32的实施例中)及/或第一导电型半导体材料区域21的晶体结构磊晶对准。在使用选择性磊晶沉积工艺沉积含锗材料层30l的实施例中，含锗材料层30l的材料自半导体材料衬里32或第一导电型半导体材料区域21的经实体曝光表面生长。在这些实施例中，含锗材料层30l的整体可是单晶的，且可与单
晶半导体材料层10的单晶半导体材料磊晶对准。在使用非选择性磊晶沉积工艺沉积含锗材料层30l的实施例中，含锗材料层30l的材料可自半导体材料衬里32(在包括半导体材料衬里32的实施例中)或第一导电型半导体材料区域21的经实体曝光表面、且自介电遮罩层12的经实体曝光表面生长。在这个实施例中，含锗材料层30l中仅自半导体材料衬里32(在包括半导体材料衬里32的实施例中)或第一导电型半导体材料区域21的经实体曝光表面生长的部分可是单晶的，且自介电遮罩层12的经实体曝光表面生长的含锗材料层30l的部分可是多晶的。
137.通常，可执行磊晶沉积工艺以在沟槽69的内生长含锗单晶材料。在沟槽69内生长的含锗材料层30l的至少部分可是单晶的，且可形成为与单晶半导体材料基板10的单晶材料磊晶对准。在这个实施例中，含锗材料层30l的位于沟槽69内的部分的整体可是单晶的。
138.含锗材料层30l可是本质的，或可具有低掺杂位准。举例而言，含锗材料层30l内掺杂剂的原子浓度可在1.0x10
13
/cm3至1.0x10
18
/cm3的范围内，尽管亦可使用更小及更大的掺杂浓度。
139.参考图4h，可自包括介电遮罩层12的顶表面的水平面之上移除含锗材料的多余部分。在一实施例中，可执行化学机械平坦化(chemical mechanical planarization，cmp)工艺以移除位于包括介电遮罩层12的顶表面的水平面之上的含锗材料层30l的部分。位于沟槽69内的含锗材料层30l的剩余部分包括含锗材料部分，其在本文中称为锗基井30。锗基井30的顶表面可与介电遮罩层12的顶表面在同一水平面内(即，共面)。
140.虽然本揭露是使用锗基井30形成为单晶含锗材料部分的实施例来描述的，但锗基井30可形成为多晶材料部分或非晶材料部分，尽管效率降低。本文明确考虑了这种变化。
141.参考图4i，可使含锗材料的剩余部分垂直凹陷于介电遮罩层12中的开口内。具体而言，可例如通过执行凹槽蚀刻工艺使锗基井30及可选地选择性的半导体材料衬里32的上部部分垂直凹陷。在这些实施例中，垂直凹陷距离可大于、等于、或小于介电遮罩层12的厚度。无论垂直凹陷距离如何，锗基井30不接触介电遮罩层12，且锗基井30的材料不接触介电遮罩层12的任何含氧材料(诸如氧化硅)。在未使用半导体材料衬里32的实施例中，垂直凹陷距离可大于介电遮罩层12的厚度，以防止锗基井30与介电遮罩层12之间的直接接触。
142.参考图4j，可在锗基井30的经实体曝光顶表面上沉积含硅覆盖材料。在存在半导体材料衬里32的实施例中，含硅覆盖材料可沉积于半导体材料衬里32的顶表面上。含硅覆盖材料可包括、或基本上由可防止氧扩散的含硅材料组成。举例而言，含硅覆盖材料可包括、或基本上由硅或氮化硅组成。
143.在一实施例中，可执行选择性磊晶工艺以自锗基井30的顶表面生长硅。在这个实施例中，可在锗基井30上方形成包括单晶硅的钝化硅区域340。或者，可在形成多晶硅的条件下执行选择性或非选择性硅沉积工艺。在这个实施例中，钝化硅区域340可包括多晶硅、或基本上由多晶硅组成。
144.若使用选择性硅沉积工艺(可是磊晶沉积工艺，或可是非磊晶沉积工艺)，则钝化硅区域340可仅形成于介电遮罩层12中开口之内。在这个实施例中，不需要平坦化工艺，且钝化硅区域340的顶表面可位于包括介电遮罩层12的顶表面的水平面处、之下、或之上。若使用非选择性硅沉积工艺，则可执行诸如化学机械平坦化工艺的平坦化工艺，以自包括介电遮罩层12的顶表面的水平面之上移除经沉积硅材料的部分。在这个实施例中，钝化硅区
域340的顶表面可位于与介电遮罩层12的顶表面相同的水平面内。
145.在一实施例中，形成的钝化硅区域340可包括本质硅或轻掺杂硅，即，包括原子浓度在1.0x10
13
/cm3至1.0x10
17
/cm3范围内的电掺杂剂的硅。钝化硅区域340中掺杂的导电型可是第一导电型或第二导电型。通常，钝化硅区域340可根据沉积条件形成为单晶硅部分、多晶硅部分、微晶硅部分、或非晶硅部分。
146.参考图4k，第二导电型的掺杂剂可布植至第一光侦测器区域502中钝化硅区域340及锗基井30的上部部分中。锗基井30的经布植部分可转换成第二导电型含锗区域302，且钝化硅区域340可转换成第二导电型硅区域342。第二导电型含锗区域302及第二导电型硅区域342中的第二导电型的电掺杂剂的原子浓度可在1.0x10
18
/cm3至1.0x10
21
/cm3的范围内，尽管亦可使用更小及更大的原子浓度。第二导电型含锗区域302的厚度可在50nm至500nm的范围内，尽管亦可使用更小及更大的厚度。第二导电型含锗区域302的厚度可在50nm至300nm的范围内，尽管亦可使用更小及更大的厚度。尽管图4k中显示了单个第二导电型硅区域342及单个第二导电型含锗区域302，在各种实施例中，多个离散的第二导电型硅区域342及第二导电型含锗区域302可诸如通过遮蔽离子布植工艺形成于第一光侦测器区域502中。
147.锗基井30的未布植部分在本文中称为中间含锗区域308。中间含锗区域308可是本质的，或可具有掺杂剂原子浓度在1.0x10
13
/cm3至1.0x10
18
/cm3范围内的掺杂。中间含锗区域308与第二导电型含锗区域302接触，且由第一导电型半导体材料区域21横向围绕。第二导电型含锗区域302与中间含锗区域308的组合构成锗基井30。
148.第一导电型半导体材料区域21(第一导电型硅区域)、中间含锗区域308、及第二导电型含锗区域302共同形成p-i-n型光电接合区，即，包括p型掺杂区、n型掺杂区、及位于p型掺杂区与n型掺杂区之间、且包括本质半导体材料或轻掺杂半导体材料的中间半导体区的光电接合区。在一实施例中，第一导电型可是p型，且第二导电型可是n型。在另一实施例中，第一导电型可是n型，且第二导电型可是p型。光电接合区可跨沟槽69形成，即，由于沟槽69之外存在第一导电型半导体材料区域21，光电接合区可在空间上跨沟槽69的边界延伸。中间含锗区域308位于沟槽69内，且用作包括本质半导体材料或轻掺杂半导体材料的中间半导体区域。
149.在替代实施例中，中间含锗区域308可具有第二导电型的掺杂，且光电接合区可包括在中间含锗区域308与第一导电型半导体材料区域21之间形成的p-n接合区。在这个实施例中，中间含锗区域308可包括原子浓度在1.0x10
17
/cm3至1.0x10
20
/cm3范围内的第二导电型的掺杂剂，尽管亦可使用更小及更大的原子浓度。在不包括半导体材料衬里32的实施例中，p-n接合区可形成于沟槽69的侧壁及底表面处。在包括半导体材料衬里32为硅衬里的实施例中，硅衬里32可是本质的，可是p型掺杂，或可是n型掺杂。通常，光电接合区可包含p-i-n接合区或p-n接合区，跨含锗的锗基井30及含有第一导电型半导体材料区域21(第一导电型硅区域)的半导体材料层10形成。
150.再次参考图4k，第二导电型的掺杂剂亦可布植至第二光侦测器区域506中的半导体材料层10中。半导体材料层10的经布植部分可转换成第二导电型半导体材料区域303。第二导电型半导体材料区域303中第二导电型的电掺杂剂的原子浓度可在1.0x10
18
/cm3至1.0x10
21
/cm3的范围内，尽管亦可使用更小及更大的原子浓度。第二导电型半导体材料区域303的厚度可在50nm至500nm的范围内，尽管亦可使用更小及更大的厚度。第二导电型半导
体材料区域303的厚度可在50nm至300nm的范围内，尽管亦可使用更小及更大的厚度。尽管图4k中显示了单个第二导电型半导体材料区域303，但在各种实施例中，可诸如通过遮蔽离子布植工艺在第二光侦测器区域506中形成多个离散的第二导电型半导体材料区域303。
151.第二导电型半导体材料区域303及第一导电型半导体材料区域21可在影像感测器的第二光侦测器区域506内的半导体材料层10中形成光电接合区。光电接合区可是p-n接合区或p-i-n接合区。
152.在第一光侦测器区域502中及第二光侦测器区域506中的第二导电型的掺杂剂的布植可在同一布植步骤期间发生，或在分离的布植步骤中发生。在第一光侦测器区域502中布植第二导电型的掺杂剂及在第二光侦测器区域506中布植第二导电型的掺杂剂可使用相同或不同的掺杂材料、布植能量、布植深度、及/或掺杂浓度。
153.参考图4l，举例而言，可通过执行湿式蚀刻工艺移除介电遮罩层12。在介电遮罩层12包括氧化硅的实施例中，可执行使用稀氢氟酸的湿式蚀刻工艺，以移除介电遮罩层12。
154.浅沟槽隔离结构20可形成于半导体材料层10的上部部分中。浅沟槽隔离结构20可包括诸如氧化硅的介电填充材料，并提供与后续待形成的半导体装置的电隔离。各种场效晶体管(晶体管610、630、640、650)可形成于第一光侦测器区域502及第二光侦测器区域506以及第一感测电路区域504及第二感测电路区域508中。举例而言，可在第一光侦测器区域502及第二光侦测器区域506中形成转移晶体管610、640，且可在第一感测电路区域504及第二感测电路区域508中形成场效晶体管630、650。场效晶体管(晶体管610、630、640、650)中的各者可包括个别漏极介电质50、个别栅电极52、及个别对的源极区与漏极区。源极区及漏极区统称为源极/漏极区。转移晶体管610、640可包括分别电连接至第二导电型含锗区域302及第二导电型半导体材料区域303的源极区48、及悬浮漏极区46。转移晶体管610、640的悬浮漏极区46可具有第二导电型的掺杂。可根据需要在第一感测电路区域504及第二感测电路区域508中形成各种掺杂井。虽然本揭露图示了第一感测电路区域504及第二感测电路区域508中的各者中的单个场效晶体管630、650，但应理解，用于为各个光侦测器提供感测电路的全套场效晶体管可形成于第一感测电路区域504及第二感测电路区域508中。第一感测电路区域504及第二感测电路区域508中的场效晶体管可包括诸如重置晶体管、源极随耦器晶体管、及选择晶体管的晶体管。可形成用于感测第一光侦测器区域502及第二光侦测器区域506中储存的电荷的任何感测电路。
155.参考图4m，可在场效晶体管(晶体管610、630、640、650)及半导体材料层10的前侧7(半导体材料层10的前表面)上方形成介电材料层90及金属互连结构80。介电材料层90中的各者可包括个别层间介电(interlayer dielectric，ild)材料，诸如无掺杂硅酸盐玻璃、掺杂硅酸盐玻璃、有机硅酸盐玻璃、及/或多孔介电材料。介电材料层90可包括介电衬里，诸如氮化硅介电衬里、介电金属氧化物介电衬里、碳化硅介电衬里、及/或氧氮化硅介电衬里。金属互连结构80可包括金属通孔结构82及金属线结构84。转移晶体管610、640可包括源极区48，源极区48可通过金属互连结构80的子集电连接至第一光侦测器区域502中第二导电型含锗区域302、及第二光侦测器区域506中第二导电型半导体材料区域303。
156.再次参考图4m，根据本揭露的一实施例的用于飞行时间成像系统的影像感测器103可包括基板500，基板500的第一区域501上具有主感测器201，且基板500的第二区域503上具有第二感测器203。主感测器201可包括第一光侦测器区域502中的光侦测器509及第一
感测电路区域504中的感测电路511，其中主感测器201的光侦测器509包括至少部分位于基于锗的材料中的光电接合区，该基于锗的材料包括原子百分比数大于50％的锗。第二感测器203可包括第二光侦测器区域506中的光侦测器513及第二感测电路区域508中的感测电路515，其中第二感测器203的光侦测器513包括第二材料中的光电接合区，该第二材料包括原子百分比数在0％与50％之间的锗。
157.图5是根据本揭露的一实施例的用于tof成像系统的影像感测器103的另一例示性结构的垂直横截面图。参考图5，影像感测器103包括基板500的第一区域501中的主感测器201、及形成于基板500的第二区域503中的第二感测器203。如在图4m的例示性结构中，可在半导体材料层10的前侧7(前表面)上方形成介电材料层90及金属互连结构80，金属互连结构80包括金属通孔结构82、金属线结构84、及金属接合垫86。图5中所示的例示性结构与图4m中所示的例示性结构的不同之处在于，用于光侦测器509及光侦测器513的感测电路511不位于基板500上。这可使能基板500的更多面积用于形成光侦测器。
158.在图5中所示的例示性结构中，与图4m中所示的例示性结构相比，感测电路511可随后形成且位于介电材料层90(多个)上方。感测电路511可通过穿过介电材料层90形成的金属互连结构80电连接至光侦测器509及光侦测器513。在图5中所示的例示性结构的一些实施例中，感测电路511可形成于介电材料层90上方。在替代实施例中，感测电路511的全部或一部分可形成于分离的基板上，诸如载体基板(未图示)。图5中所示的例示性结构可随后接合至含有感测电路511的分离基板。
159.再次参考图5，基板500的第一区域501中的主感测器201可包括光侦测器509，光侦测器509包括至少部分位于基于锗的材料中的光电接合区，基于锗的材料包括原子百分比数大于50％的锗。基板500的第二区域503中的第二感测器203可包括光侦测器513，该光侦测器513包括第二材料中的光电接合区，该第二材料包括原子百分比数在0％与50％之间的锗。
160.光侦测器509及光侦测器513中的各者可包括多个掺杂区，其可包括掺杂井805、807、810及/或掺杂接触区803。掺杂区可包括第一导电型的掺杂剂或第二导电型的掺杂剂。在一些实施例中，光侦测器509及光侦测器513中的各者可包括至少一第一导电型的掺杂区及至少一第二导电型的掺杂区，使得光电接合区(诸如p-i-n接合区或p-n接合区)位于光侦测器509、513内。在图5中所示的实施例中，介电材料860(诸如氧化物材料)可位于基板500的半导体材料层10的底表面之下，且可在各个光侦测器509、513的周围横向围绕半导体材料层10。
161.图6是根据本揭露的一实施例的第一例示性结构的替代组态的垂直横截面图。参考图6，可通过在锗基井30的侧面周围执行蚀刻步骤以在锗基井30与沟槽69的侧壁之间提供缝隙401来导出图4j中所示的第一例示性结构的替代组态。各向异性蚀刻工艺可用于移除锗基井30与半导体材料衬里32(在包括半导体材料衬里32的实施例中)或第一导电型半导体材料区域21(在不包括半导体材料衬里32的实施例中)之间的界面处的材料，使得锗基井30在其横侧面处由缝隙401围绕。在图6中所示的实施例中，为了清晰起见，不包括半导体材料衬里32。蚀刻工艺可沿锗基井30的横侧表面曝光扩散区403。扩散区403可通过先前穿过沟槽69的侧壁(见图4e)布植的第一导电型的掺杂剂扩散至锗基井30的外围区域而形成。
162.锗基井30的横侧壁周围形成的缝隙401可具有0.5nm或更大(例如，1nm至1000nm)
的宽度。用于产生缝隙401的蚀刻工艺亦可移除介电遮罩层12的一部分，以曝光围绕锗基井30的第一导电型半导体材料区域21的水平延伸部分。
163.在形成缝隙401之后，锗基井30可沿沟槽69的底部水平表面而非其他部分接触第一导电型半导体材料区域21(或包括半导体材料衬里32的实施例中的半导体材料衬里32)。锗基井30的横侧表面周围的缝隙401可最小化锗基井30的含锗材料与围绕的半导体材料(可为基于硅的材料)之间的错位的形成。这可减少待在第一光侦测器区域502中形成的光侦测器中的暗电流，从而提高其性能。
164.再次参考图6，如上文参考图4j所述，含硅覆盖材料可沉积于锗基井30的经实体曝光顶表面上。在实施例中，含硅覆盖材料亦可沉积于围绕锗基井30的第一导电型半导体材料区域21的经曝光水平延伸部分上方，且在存在半导体材料衬里32的实施例中，含硅覆盖材料可沉积于半导体材料衬里32的顶表面上。含硅覆盖材料亦可形成于围绕锗基井30的横侧表面的缝隙401的顶部上方，且可选地在缝隙401的侧壁上方，以提供在锗基井30的顶表面、围绕锗基井30的横侧表面的缝隙401、半导体材料衬里32(若存在)的顶表面、及围绕锗基井30的第一导电型半导体材料区域21的水平延伸部分上方延伸的连续钝化硅区域340。钝化硅区域340的顶表面可位于与介电遮罩层12的顶表面相同的水平面内。
165.随后，可执行图4k至图4m的处理步骤，以形成第一光侦测器区域502及第二光侦测器区域506中的各者中的光电接合区、浅沟槽隔离结构20以及第一光侦测器区域502及第二光侦测器区域506中的场效晶体管(晶体管610、630、640、650)以及影像感测器103的第一区域501及第二区域503中的场效晶体管(晶体管610、630、640、650)及半导体材料层10的前侧7(前表面)上方的介电材料层90及金属互连结构80。可选地，浅沟槽隔离结构20及场效晶体管(晶体管610、630、640、650)可不形成于基板500上，以提供如图5中所示的例示性结构。
166.图7a至图7g是在根据一实施例的影像感测器形成期间第一例示性结构的又另一替代组态的顺序垂直横截面图。参考图7a，图4j中所示的第一例示性结构的替代组态可通过在基板500的前侧7顶表面上方施加光阻剂层670来导出。参考图7b，光阻剂层670可微影术图案化以形成蚀刻遮罩600。可使用上文参考图4b及图4c中所述的方法来形成蚀刻遮罩600。蚀刻遮罩600可在第一光侦测器区域502、第一感测电路区域504及第二感测电路区域508上方延伸。然而，蚀刻遮罩600可曝光第二光侦测器区域506的至少一部分。如图7b中所示，蚀刻遮罩600可包括第二光侦测器区域506中由第二导电型掺杂井60横向封闭的区域内的开口。
167.参考图7c，可执行各向异性蚀刻工艺以移除介电遮罩层12及半导体材料层10的部分，从而在第二光侦测器区域506中形成沟槽690。在蚀刻工艺期间，蚀刻遮罩600可保护第一光侦测器区域502、第一感测电路区域504及第二感测电路区域508，以免受蚀刻。
168.形成于第二光侦测器区域506中的沟槽690可由第二导电型掺杂井60横向封闭且横向向内间隔开。沟槽690可具有与形成于第一光侦测器区域502中的沟槽69相同的尺寸，或可具有不同的尺寸。在一实施例中，沟槽690的深度可在0.5微米至10微米的范围内，诸如1微米至6微米，尽管亦可使用更小及更大的深度。沟槽690的横向尺寸可在0.5微米至30微米的范围内，诸如1微米至15微米，尽管亦可使用更小及更大的横向尺寸。在沟槽690具有圆形或椭圆形水平横截面形状的实施例中，沟槽690的横向尺寸可是沟槽690水平横截面形状的直径或长轴，或在沟槽690的水平横截面形状为矩形的实施例中，沟槽690的横向尺寸可
是矩形形状的侧边的长度。可随后例如通过灰化来移除蚀刻遮罩600。
169.参考图7d，第一导电型的掺杂剂可布植至第二光侦测器区域506中的沟槽690内。可执行多角度离子布植工艺以穿过沟槽690的侧壁布植第一导电型的掺杂剂。此外，可将第一导电型的掺杂剂布植至半导体材料层10的水平部分中，该半导体材料层10下伏于沟槽690的底表面。在沟槽690内布植第一导电型的掺杂剂可在沟槽690的侧壁周围及底表面下面延伸第一导电型半导体材料区域21。沟槽690的各个侧壁周围的第一导电型半导体材料区域21的横向宽度可在100nm至1000nm的范围内，尽管亦可使用更小及更大的横向尺寸。沟槽690底表面下面的第一导电型半导体材料区域21的水平部分的厚度可在100nm至1000nm的范围内，尽管亦可使用更小及更大的厚度。
170.参考图7e，可自第一导电型半导体材料区域21的经实体曝光表面生长半导体材料。半导体材料可包括原子百分比数在0％与50％之间的锗。在一实施例中，半导体材料可是含硅材料。含硅材料可包括掺杂或无掺杂的硅，使得硅的原子百分比数至少为99％，且基本上或实质上不含锗或其他元素。在另一实施例中，含硅材料可包括硅的原子百分比数大于50％且锗的原子百分比数小于50％的硅锗合金。在一些实施例中，经沉积半导体材料可包括一或多个镁铝尖晶石碳砖、氧化钇、及氮氧化铝。半导体材料层680l可由经沉积半导体材料形成。
171.经沉积半导体材料层680l可是与基板500的半导体材料层10的材料相同或不同的材料。在一实施例中，半导体材料层680l及半导体材料层10的材料可通过晶体结构、化学组成物、掺杂剂类型及掺杂浓度中的一或多者而不同。举例而言，基板500的半导体材料层10可是多晶硅，且经沉积半导体材料层680l可是单晶硅。在另一实例中，基板500的半导体材料层10可是实质上不含其他元素的硅，且半导体材料层680l可包括含硅合金，诸如硅锗合金。在进一步的实例中，基板500的半导体材料层10可具有第一导电型的掺杂，且半导体材料层680l可是本质的，或可具有相对较低的掺杂位准。
172.半导体材料层680l可通过选择性沉积工艺或非选择性沉积工艺形成，如上文参考图4g所述。在一实施例中，用于沉积半导体材料层680l的选择性沉积工艺或非选择性沉积工艺可是磊晶沉积工艺，该磊晶沉积工艺提供经沉积半导体材料的晶体学结构与下伏材料部分的经实体曝光表面处的晶体结构的对准。因此，沉积于沟槽690中的半导体材料层680l的部分可与第一导电型半导体材料区域21的晶体结构磊晶对准。在实施例中，半导体材料层680l的整体可是单晶的，且可与基板的半导体材料层10(亦可是单晶的)磊晶对准。在使用非选择性磊晶沉积工艺沉积半导体材料层680l的实施例中，半导体材料层680l的材料不仅可自经实体曝光的半导体材料表面(例如，沟槽690的经曝光表面)生长，且亦可自介电遮罩层12的经实体曝光表面生长。在这些实施例中，自单晶半导体材料的经实体曝光表面生长的半导体材料层680l的仅部分(多个)可是单晶的，且半导体材料层680l的其他部分可是多晶的。
173.通常，可执行磊晶沉积工艺以在沟槽690之内生长单晶半导体材料。在沟槽69内生长的半导体材料层680l的至少该部分可是单晶的，且可形成为与单晶半导体材料基板10的单晶材料磊晶对准。在这个实施例中，位于沟槽69内的半导体材料层680l的该部分的整体可是单晶的。
174.半导体材料层680l可是本质的，或可具有低掺杂位准。举例而言，半导体材料层
680l内掺杂剂的原子浓度可在1.0x10
13
/cm3至1.0x10
18
/cm3的范围内，尽管亦可使用更小及更大的掺杂浓度。
175.参考图7f，半导体材料层680l的多余部分可自包括介电遮罩层12的顶表面的水平面之上移除。在一实施例中，可执行化学机械平坦化(chemical mechanical planarization，cmp)工艺以移除位于包括介电遮罩层12的顶表面的水平面之上的半导体材料层680l的部分。位于沟槽690内的半导体材料层680l的剩余部分包含半导体材料部分，其在本文中称为半导体材料井680。半导体材料井680可具有与介电遮罩层12的顶表面在同一水平面内的顶表面。
176.虽然本揭露使用一实施例进行描述，其中半导体材料井680形成为单晶半导体材料部分，诸如单晶硅材料部分，半导体材料井680可形成为多晶材料部分或非晶材料部分，尽管效率降低。本文明确考虑了此类变化。
177.在进一步的实施例中，在如以上图4i中所示的锗基井30中的含锗材料的一部分垂直凹陷之后，但在如图4j中所示的锗基井30的经实体曝光顶表面上形成含硅覆盖材料之前，可以沉积半导体材料层680l。在这个实施例中，可包括含硅材料的半导体材料层680l可沉积于沟槽690的经曝光半导体材料表面上方、以及锗基井30的顶表面上的经曝光含锗材料上方。半导体材料层680l的多余部分可自包括介电遮罩层12的顶表面的水平面之上移除，以在第二光侦测器区域506中形成半导体材料井680，且在第一光侦测器区域502中形成钝化硅区域340。
178.参考图7g，第二导电型的掺杂剂可布植至第二光侦测器区域506中半导体材料井680的上部部分中。半导体材料井680的经布植部分可转换成第二导电型半导体材料区域303。第二导电型半导体材料区域303中第二导电型的电掺杂剂的原子浓度可在1.0x10
18
/cm3至1.0x10
21
/cm3的范围内，尽管亦可使用更小及更大的原子浓度。第二导电型半导体材料区域303的厚度可在50nm至500nm的范围内，尽管亦可使用更小及更大的厚度。
179.半导体材料井680的未布植部分可是中间半导体材料区域304。中间半导体材料区域304可是本质的，或可具有掺杂剂原子浓度在1.0x10
13
/cm3至1.0x10
18
/cm3范围内的掺杂。中间半导体材料区域304可接触第二导电型半导体材料区域303，且可由第一导电型半导体材料区域21横向围绕。
180.第一导电型半导体材料区域21、中间半导体材料区域304、及第二导电型半导体材料区域303可共同形成p-i-n型光电接合区，即，包括p型掺杂区、n型掺杂区、及位于p型掺杂区与n型掺杂区之间且包括本质半导体材料或轻掺杂半导体材料的中间半导体区的光电接合区。在一实施例中，第一导电型可是p型，且第二导电型可是n型。在另一实施例中，第一导电型可是n型，且第一导电型可是p型。光电接合区可跨沟槽690形成，即，由于沟槽69之外存在第一导电型半导体材料区域21，光电接合区可在空间上跨沟槽690的边界延伸。
181.在替代实施例中，中间半导体材料区域304可具有第二导电型的掺杂，且光电接合区可包括形成于中间半导体材料区域304与第一导电型半导体材料区域21之间的p-n接合区。在这个实施例中，中间半导体材料区域304可包括原子浓度在1.0x10
17
/cm3至1.0x10
20
/cm3范围内的第二导电型的掺杂剂，尽管亦可使用更小及更大的原子浓度。通常，光电接合区可包含跨半导体材料井680及含有第一导电型半导体材料区域21的半导体材料层10形成的p-i-n接合区或p-n接合区。
182.在第二光侦测器区域506中半导体材料井680的上部部分中第二导电型的掺杂剂的布植与如上文参考图4k所述的将第二导电型的掺杂剂布植至第一光侦测器区域502中钝化硅区域340及锗基井30的上部部分可在相同的布植步骤期间发生，或在分离的布植步骤中发生。在第一光侦测器区域502中布植第二导电型的掺杂剂及在第二光侦测器区域506中布植第二导电型的掺杂剂可使用相同或不同的掺杂材料、布植能量、布植深度、及/或掺杂浓度。
183.随后，可执行图4l及图4m的处理步骤，以形成第一光侦测器区域502及第二光侦测器区域506中的浅沟槽隔离结构20及场效晶体管(晶体管610、630、640、650)以及在场效晶体管(晶体管610、630、640、650)及影像感测器103的第一区域501及第二区域503中半导体材料层10的前侧7(前表面)上方的介电材料层90及金属互连结构80。可选地，浅沟槽隔离结构20及场效晶体管(晶体管610、630、640、650)可不形成于基板500上，以提供如图5中所示的例示性结构。
184.尽管图7a至图7g的实施例包括在第二光侦测器区域506中形成半导体材料井680之前在第一光侦测器区域502中形成锗基井30，但各种替代制造工艺在本揭露的预期范畴内。在其他实施例中，可在第一光侦测器区域502中形成锗基井30之前在第二光侦测器区域506中形成半导体材料井680。诸如图4c中所示的蚀刻遮罩400可保护半导体材料井680，使其在第一光侦测器区域502中形成沟槽69期间免受蚀刻。
185.在进一步的实施例中，第一光侦测器区域502中的沟槽69及第二光侦测器区域506中的沟槽690可在同一蚀刻步骤中形成。随后，含锗第一半导体材料可沉积于第一光侦测器区域502中的沟槽69内以形成锗基井30，且第二半导体材料可沉积于第二光侦测器区域506中的沟槽690内以形成半导体材料井680。
186.在进一步的实施例中，第一光侦测器区域502中的沟槽69及第二光侦测器区域506中的沟槽690可在同一蚀刻步骤中形成。随后，含锗第一半导体材料可沉积于第一光侦测器区域502中的沟槽69内以形成锗基井30，且第二半导体材料可沉积于第二光侦测器区域506中的沟槽690内以形成半导体材料井680。
187.在又进一步的实施例中，基板500的半导体材料层10可包括基于锗的材料，且第一光侦测器区域502中的光侦测器509可形成于半导体材料层10中，而无需在第一光侦测器区域502中形成锗基井30。在这样的实施例中，可执行图7a至图7g的工艺步骤，以在第二光侦测器区域506中形成半导体材料井680。
188.在又进一步的实施例中，基板500的半导体材料层10可包括基于锗的材料，且第一光侦测器区域502中的光侦测器509可形成于半导体材料层10中，而无需在第一光侦测器区域502中形成锗基井30。在这样的实施例中，可执行图7a至图7g的工艺步骤以在第二光侦测器区域506中形成半导体材料井680。
189.图8是图示制造用于飞行时间成像系统100的影像感测器103的一般方法800的流程图。参考图4a，在方法800的步骤801中，可提供包括半导体材料层10的基板500。参考图4b至图4m、图5、图6、及图7a至图7g，在步骤802中，可在基板500上形成多个光侦测器201、203，包括至少一光侦测器201，其具有至少部分位于井30的第一半导体材料中的光电接合区，井30的第一半导体材料包括原子百分比数大于50％的锗；及至少一光侦测器，其具有位于第二半导体材料(半导体材料层10或井680)中的光电接合区，该第二半导体材料(半导体材料
层10/或井680)包括原子百分比数在0％与50％之间的锗。
190.参考所有附图且根据本揭露的各种实施例，提供了飞行时间成像系统100，其中飞行时间成像系统100包括照明单元101，用以发射光信号；影像感测器103，侦测来自照明单元101的光信号，所述多个光信号自影像感测器103的视野中一或多个物件反射且在影像感测器103处接收；及处理器107，用以基于在影像感测器103处侦测到的光信号来判定一或多个物件的距离信息。飞行时间系统100的影像感测器103包括感测器元件201、203的阵列1000，各个感测器元件201、203包括光侦测器及感测电路，且阵列1000包括多个主感测器元件201及至少一第二感测器元件203，其中各个主感测器元件201包括光侦测器，该光侦测器包括至少部分形成于含锗材料中的光电接合区，该含锗材料包括原子百分比数大于50％的锗，且各个第二感测器元件203包括光侦测器，该光侦测器包括在第二材料中形成的光电接合区，该第二材料包括原子百分比数在0％与50％之间的锗。
191.在飞行时间成像系统的一实施例中，第二材料是含硅材料。
192.在一实施例飞行时间成像系统中，多个主感测器元件201侦测来自照明单元101的光信号，这些光信号在影像感测器103的视野中自一或多个物件反射并在影像感测器103处接收，且至少一第二感测器元件203侦测背景光。
193.在一实施例飞行时间成像系统中，处理器107用以在基于在影像感测器103处侦测到的光信号判定一或多个物件的距离信息时，校正由至少一第二感测器元件203侦测到的背景光引起的杂讯。
194.在一实施例飞行时间成像系统中，阵列1000包括多个像素900，其中阵列1000的各个像素900包括主感测器元件201或第二感测器元件203，且阵列1000的包括主感测器元件201的像素900的数目大于或等于阵列1000中包括第二感测器元件203的像素900的数目。
195.在一实施例飞行时间成像系统中，阵列1000包括多个像素900，其中阵列1000的至少一像素900包括多个子像素，各个子像素包括主感测器元件201或第二感测器元件203，且阵列1000的包括主感测器元件201的子像素的数目等于或大于阵列1000的包括第二感测器元件201的子像素的数目。
196.在一实施例飞行时间成像系统中，照明单元101发射红外波长范围内的光信号。
197.在一实施例飞行时间成像系统中，主感测器元件201及至少一第二感测器元件203的光侦测器包含光电二极管、互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，cmos)影像感测器、及电荷耦合装置(charge-coupled device，ccd)感测器中的至少一者。
198.在一实施例飞行时间成像系统中，感测器元件201、203的阵列1000位于具有半导体材料层10及嵌入于基板500的半导体材料层10中的至少一井30、680的基板500上。
199.在一实施例飞行时间成像系统中，基板500的半导体材料层10包括含硅材料，其中包括原子百分比数在0％与50％之间的锗，且该至少一井30含有主感测器元件201的光侦测器的含锗材料。
200.在一实施例飞行时间成像系统中，缝隙401位于井30的横侧表面周围，使得井30的含锗材料不在井30的横侧表面周围接触基板500的半导体材料层10的含硅材料。
201.另一实施例引出了用于飞行时间成像系统100的影像感测器103，其包括基板500、基板500的第一区域501上的主感测器201、及基板500的第二区域上的第二感测器203。主感
测器201包括第一光侦测器区域502中的光侦测器，其中主感测器201的光侦测器包括至少部分位于含锗材料(井30)中的光电接合区，含锗材料(井30)包括原子百分比数大于50％的锗。第二感测器203包括第二光侦测器区域506中的光侦测器，其中第二感测器203的光侦测器包括在第二材料中的光电接合区，该第二材料包括原子百分比数在0％及50％之间的锗。
202.在一实施例影像感测器中，第二材料是含硅材料。
203.在一实施例影像感测器中，第二材料是硅锗合金，其包括原子百分比数在0％与50％之间的锗。
204.在一实施例影像感测器中，基板500包括半导体材料层10及嵌入于基板500的半导体材料层10中的至少一井30、680。
205.在一实施例影像感测器中，基板500的半导体材料层10包括含硅材料，其包括原子百分比数在0％与50％之间的锗，且井30位于第一光侦测器区域502中，并含有主感测器201的光侦测器的含锗材料。
206.在一实施例影像感测器中，缝隙401位于井30的横侧表面周围，使得井30的含锗材料不在井30的横侧表面周围接触基板500的半导体材料层10的含硅材料，且含硅覆盖层340位于井30的含锗材料及井30的横侧表面周围的缝隙401上方。
207.在一实施例影像感测器中，井680位于第二光侦测器区域506中，且含有第二感测器203的光侦测器的第二材料。
208.另一实施例引出了制造用于飞行时间成像系统100的影像感测器103的方法，该方法包括提供包括半导体材料层10的基板500、及在基板500上形成多个光侦测器201、203，包括至少一光侦测器201，其具有至少部分位于第一半导体材料中光电接合区，该第一半导体材料包括原子百分比数大于50％的锗；及至少一光侦测器203，其具有位于第二半导体材料中的光电接合区，该第二半导体材料包括原子百分比数在0％与50％之间的锗。
209.在一实施例中，该方法另外包括在基板500的半导体材料层10中形成沟槽69、690，且在沟槽69、690中形成井30、680，其中井30、680含有嵌入于基板500的半导体材料层10中的第一半导体材料或第二半导体材料。
210.通过形成用于飞行时间成像系统100的影像感测器103，该系统包括至少一主感测器201(主感测器201具有光侦测器，该光侦测器包括至少部分形成于含锗材料中的光电接合区，该含锗材料包括原子百分比数大于50％的锗)、及至少一第二感测器203(第二感测器203具有光侦测器，该光侦测器包括在第二材料中形成的光电接合区，该第二材料包括原子百分比数在0％与50％之间的锗)，可在飞行时间量测期间监测且校正背景光干扰量，从而提高飞行时间系统的准确性。
211.前述内容概述若干实施例的特征，使得熟悉此项技术者可更佳地理解本揭露的态样。熟悉此项技术者应了解，其可易于使用本揭露作为用于设计或修改用于实施本文中引入的实施例的相同目的及/或达成相同优势的其他工艺及结构的基础。熟悉此项技术者亦应认识到，此类等效构造并不偏离本揭露的精神及范畴，且此类等效构造可在本文中进行各种改变、取代、及替代而不偏离本揭露的精神及范畴。