专利名称：入射电容式传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电容式传感器，更具体地涉及入射电容式传感器。
背景技术：
电容式传感器是一种其电容基于被测量的参数而变化的传感器。
通过参考附图，本发明可以更好地理解，其多个目的、特征以及益处对本领域技术人员变得非常明显。
图1-3是根据本发明一个实施例，展示制作入射电容式传感器器件的不同阶段的 部分截面图。
图4是根据本发明一个实施例，展示入射电容式传感器器件的部分截面图。
图5是根据本发明一个实施例的入射电容式传感器器件的部分截面图。
图6是根据本发明一个实施例的传感器阵列的顶视图。
图7是根据本发明一个实施例的传感器系统的电路图。
图8是根据本发明一个实施例的流程图，该流程图展示操作传感器系统的方法。
图9是根据本发明一个实施例的曲线图，所述曲线图展示施加到电容器的一个板 上的各种可能电压值。
图10是根据本发明一个实施例，展示入射电容式传感器器件的部分截面图。
图11是根据本发明一个实施例的传感器阵列的顶视图。
不同附图中所用的相同的参考符号表示相同的要素，除非另有说明。附图没有必 要按比例绘制。
具体实施方式
以下内容阐明了实施本发明一个模式的详细描述。所述描述意图例示本发明，而 不应解释为限制性的。
正如本发明所描述的，公开了入射电容式传感器器件，所述电容式传感器器件包 括传感器区域，在传感器区域中，由于每个传感器区域导致的电容可以独立进行测量并且 用于确定穿过窗口的辐射的参数。在一些例子中，根据被测辐射的方向，顶板或其它结构会 (部分地或完全地)阻止来自传感器的辐射。影响电容的辐射可以是可见范围或不可见范围 中(例如，紫外线、红外线、X射线)的波长辐射或粒子辐射(例如，阿尔法粒子或重离子)。电 容测量可用于确定辐射入射角度的一个分量。
图1-3是电容式传感器器件在其制作的不同阶段的部分截面图。图1是晶圆101 的部分截面图。在所示的实施例中，晶圆101包括在绝缘体配置上的半导体(S0I)，其中半 导体材料层105位于绝缘层103上面。在一个实施例中，层103由二氧化硅构成，但在其它 实施例中可以由其它电介质构成。在一些实施例中，层103可位于主体衬底层(例如娃)(未显不)上面。在其它实施例中，晶圆101可以是体晶圆，而绝缘层103不存在。
在一个实施例中，层105由单晶硅构成，但可以由其它半导体材料(例如硅锗、碳化硅、氮化镓、镓砷化物或其它II1-V族半导体材料)或其它材料类型构成。在所示的实施例中，层105轻微掺杂导电掺杂剂。在一个实施例中，层105掺杂有P类型掺杂剂(例如， 硼)，所述掺杂剂具有在每立方厘米IO16 — IO18的原子范围的浓度，但在其它实施例中，可以以其它浓度或用其它杂质掺杂。
在一些实施例中，层103是通过将离子植入到衬底形成的。在其它实施例中，层 105沉积在层103上面。在一些实施例中，层105是从施主晶圆形成的(未显不)。
在一些实施例中，层105的材料类型将根据电容式传感器测量的辐射类型而定。 在一些用于测量波长辐射的实施例中，层105的材料具有光子吸收截面，要被测量的期望波长辐射下的光子在所述截面被吸收以产生电子-空穴对。以下表格中所列的是衬底材料以及波长范围，在所述波长范围，入射辐射在衬底中被吸收以产生空穴电子对。材料类型_波长范围娃190-11 OOnm
锗400-1700 nm 铟镓砷化物 800-2600 nm铅(丨丨)疏化物<1000-3500 nm
在一些测量粒子辐射的实施例中，碰撞材料的晶格的粒子会扰乱晶格并将能量转移给 材料的原子，从而导致产生电子-空穴对。在一个实施例中，所用的材料类型具有一个吸收截面，所述截面相关于被测辐射的粒子能量和/或粒子大小。在一些实施例中，在任何电子-空穴对产生之前，辐射可以高于特定阈值。
分离区域107位于层105内，所述分离区域用于将层105的阱区域108以及层105 的阱区域109进行分离。区域107由一种材料构成，所述材料阻止由入射辐射撞击阱区域产生的电子-空穴对的电子迁移到其它阱区域。在所示的实施例中，区域107从层105的顶端延伸到层103的顶端。在一个实施例中，区域107由一种材料构成，所述材料具有高于层 105的其余部分的导电掺杂浓度。在一个例子中，区域107的形成是通过以下步骤实现在层105上形成保护氧化物层(未显示)，在保护氧化物层上形成一个光致抗蚀剂层(未显示)， 在区域107位置在光致抗蚀剂中形成开口，然后以较高浓度的导电掺杂剂(例如，每立方厘米1019-1021)对区域107进行植入，所述导电掺杂剂与用于掺杂层105的导电掺杂剂属于同样的导电类型。随后，移除光致抗蚀剂以及氧化物层。
在其它实施例中，区域107可以通过不同方法和/或由不同材料构成。例如，区域 107可以由二氧化硅或其它电介质材料构成。在一个实施例中，层105内会形成一个开口， 所述形成是在晶圆101上形成一个电介质材料(氧化和/或沉积)之后发生的。所述晶圆之后被平坦化，其结构如图1所示。
图2是晶圆101在制作中的另一个阶段的部分截面图。图2显示了顶板203以及电介质201在晶圆101上形成后的晶圆101。在一个实施例中，电介质201由二氧化硅构成并具有20-200埃的厚度，但在其它实施例中可能有其它厚度和/或由其它材料构成(例如，高K电介质或其它类型的电介质)。
在一个实施例中，顶板203由导电材料(例如，掺杂的多晶硅、钨、铝、其它金属、或 不同导电材料层)构成。在一个实施例中，顶板203具有800埃到1000埃的厚度，但在其它 实施例中可以是其它厚度。顶板203以及电介质201可以通过在晶圆101上形成这些材料 的层，之后对所述材料进行后续图案化来形成。在一些实施例中，图案化电介质201以形成 栅电介质，所述栅电介质是为建立在晶圆其它部分上的晶体管提供的，并且用于形成板203 的层被图案化以为这些晶体管形成栅。板203将被用作为电容器的一个电极以及电介质 201被用作电介质。
在顶板203以及电介质201形成之后，连接区域205以及207通过植入离子到这 些区域，在层105中形成。在所示实施例中，植入连接区域205以及207的掺杂剂与植入阱 区域108以及109的导电类型相反。在P类型掺杂剂被植入层105的实施例中，区域205 以及207以每立方厘米IO19-1O21的浓度被植入N类型掺杂剂(例如，砷、磷)，或在其它实施 例中用其它浓度。区域205以及207具有一个深度(例如，30-1000nm)，所述深度小于层105 的厚度，但在其它实施例中可能有其它深度。植入之后，植入的掺杂剂被退火，掺杂剂在顶 板203下扩散。在其它实施例中,掺杂剂会以一个角度植入，以在顶板203下被驱动。在一 个实施例中，多个轻微掺杂的延伸区可以在区域205以及207的植入之前形成，所述延伸区 具有相同传导类型的掺杂剂。
图3显示了在间隔物303和间隔物301以及硅化物结构309和311形成之后的晶 圆101。在所示实施例中，间隔物301由薄氧化物内衬构成以及间隔物303由氮化物构成。 间隔物301以及间隔物303通过形成氧化物层，然后在晶圆101上形成一层氮化物，然后各 向异性地蚀刻各层以留下间隔物而形成。
在各向异性蚀刻之后，氧化物层305以及氮化物层307在晶圆101上形成，然后被 蚀刻确定开口以暴露连接区域205以及207。然后硅化物结构309以及311在这些连接区 域的暴露部分形成。在一个实施例中，硅化物结构309以及311通过在晶圆101上形成一 层金属(例如钛、镍、或钴)以及加热所述晶圆以形成硅化物而形成。然后移除未反应的金 属。形成层307以及层305，然后对他们进行图案化，以为硅化物结构形成开口，从而允许硅 化物结构的位置远离顶板203。随后，移除层307以及层305。在其它实施例中，不会形成 间隔物301以及303。此外，在其它实施例中，不移除层305以及307。
在其它实施例中，会形成(通过各向异性蚀刻过程)其它间隔物，所述间隔物与间 隔物301以及303相邻以在硅化物结构309和311以及顶板203 (相反或另外形成层307 以及305)之间提供进一步的分离。此外，在一个实施例中，一个开口会形成于层307以及 层305中，以暴露顶板203的顶部，以便在顶板203上形成硅化物结构。
图4显示了电容式传感器器件的视图。在图4的实施例中，层305和层307被移 除。移除层305以及307之后，电互连体、电通孔、以及层间电介质层(未显示)在晶圆101 上形成。互连体以及通孔电耦合于结构309、311，以及顶板203将这些结构电耦合于其它电 路，以施加电压以及测量电压。这些其它电路可以在与传感器器件相同的晶圆上形成，或可 以在单独晶圆上形成，随后被电耦合。此外图4也未显示位于窗口 415、420以及顶板203 上面的电介质和钝化层。这些材料给互连层的电互连体提供绝缘，并给传感器器件提供物 理保护。相对于被测量的辐射类型，至少位于传感器器件上面的电介质和钝化材料是半透明的。
在晶圆101加工完成后，晶圆被分割成单个管芯，每个管芯包括至少一个图4所示的传感器器件。
图4显示了相对于层105的平面，辐射以一个入射水平角度Θη403入射在传感器器件上。在所示实施例中，顶板203、硅化物结构309、以及硅化物结构311具有不允许被测量辐射穿过到达层105的材料和厚度。顶板203以及结构309之间的空间确定了用于一个电容式传感器的第一窗口 415,顶板203以及结构311之间的空间确定了用于另一个电容式传感器的另一个窗口 420。在所示的实施例中，间隔物301以及303的间隔物材料(氧化硅以及氮化硅)允许被测量的辐射通过。在一些实施例中，结构309以及311的材料是允许被测量的辐射通过的材料和厚度。通过这样的实施例，窗口的宽度将更大。
阱区域108以及109充当电容式传感器区域。根据层105的材料类型，当辐射撞击层105时，电子-空穴对405在阱区域108以及109中形成。形成在阱中的电子_空穴对的数量相关于通过与阱相关联的每一个窗口的辐射的量。当电压施加到顶板203时，由辐射形成的电子-空穴对的电子被拉至顶板203之下的层105的顶部以在层105的顶部形成负电荷(反转层)407 (以及409)。负电荷407的这个区域充当电容器的一个电极，顶板203 充当另一个电极。在图4中，针对阱区域109的这个电容是通过电容器符号Cot1表示的，针对阱区域108的这个电容是通过电容器符号Cot2表示的。在其它实施例中，电容式传感器区域可以通过其它结构实施。
通过窗口的辐射所产生的电容取决于穿过窗口以产生电子-空穴对的辐射的量及能量。产生的对越多，阱顶端的电子数量越多，从而测量的电容越大。产生的孔延伸到与层105的接触(未显示，但在针对区域109的箭头411的方向)。电容Cot2在顶板203以及硅化物结构309之间被测量，所述硅化物结构309与连接区域207接触。电容Cot1在顶板203 以及硅化物结构311之间被测量，所述硅化物结构309与连接区域205接触。由阱 区域109 顶部的负电荷407的电子形成的反转区域电耦合于连接区域205，从而允许相对于顶板203 反转层电极的电容测量。同样，电子409形成的反转区域电耦合于连接区域207，以允许相对于顶板203反转层电极的电容测量。图4中的线461确定了当正电压施加到顶板203时形成的耗尽区域的底部。
在所示的实施例中，如果没有辐射穿过窗口 415以及420入射，那么所测量的顶板 203和硅化物结构309之间的电容值以及所测量的顶板203和硅化物结构311之间的电容值将会是比入射辐射穿过窗口情况下的值低的值。只要穿过窗口的辐射量以及能量增加， 层105表面的电子浓度也增加，因此，电容Cot2以及Cot1也增加。
由于顶板203由不允许所测量的辐射穿过的阻挡材料构成，来自非垂直方向的辐射将部分地被窗口 415以及420中的至少一个阻挡，这要取决于辐射进入窗口的入射角度。 例如，如果辐射从图4右侧进入，水平角度(Θη)将小于90度。利用这样的入射角度，由于顶板203将阻挡一些辐射，窗口 420将比窗口 415接收更多的辐射。如果辐射以相同角度来自相反方向，那么窗口 415将比窗口 420接收到更多的辐射。
因此，根据入射角度，电容Cot2或Cot1将会有较高电容值。如果Oh(如图所示)是 90度，那么Cot2等于COTl。因此，通过测量Cot2或Cot1之间的电容差异可以确定针对某入射角度的 H的值。
在其它实施例中，电容式传感器器件可在一块何半导体材料的衬底上制作。在这 样的实施例中，在层103位置的衬底的一个层可以以与阱区域108以及109的掺杂剂相反 导电性的掺杂剂(例如，N+类型)重掺杂。层103中的掺杂剂与阱区域108以及109的掺杂 剂类型相反，以便层103提供结隔离。此外在其它实施例中，掺杂剂的导电性可以被转换。 例如，层105可以掺杂N型掺杂剂，以及区域205和207将掺杂P型掺杂剂。对于N型掺杂 的阱，电容板(在电荷407的位置处)将由孔构成。
在另一个实施例中，顶板将具有一个内部开口，设置所述开口以暴露至少两个不 同阱区域的部分。阱区域将被一个分离区域分开，至少一部分分离区域通过开口暴露。辐 射通过开口入射到部分暴露的阱区域。连接区域在顶板外部形成。测量板开口内每个阱区 域的电容以确定通过内部开口入射到阱区域的辐射的入射角度。
图9是一个曲线图，示出了用于测量由于入射辐射通过窗口入射到阱区域而产生 的电容的顶板电压(施加到顶板203的电压)的期望操作区。在图9中，Y轴代表在连接区 域(例如205)以及顶板(203)之间测量的电容。X轴代表施加到顶板(例如203)的电压。
如图所示，当顶板电压处于初始低电压时，所测量的电容由于阱区域内产生的最 小耗尽深度(图4中的461)而处在相对高的值。随着顶板电压的增加，耗尽区域深度也增 加，直到当电压处在点903时其达到最大深度。随着顶板电压的进一步增加，所测量的电容 由于在顶板下方的阱顶端的反转层的形成(见电荷407)也增加。随着电压的进一步增加， 反转层变的更加密集，直到反转层达到饱和(例如，当顶板电压处于点905)。此时，随着顶板 电压的增加或通过窗口入射到阱的入射辐射的增加，电容不会增加。
因此，由于入射辐射是提供由于辐射变化引起的测量电容的最大变化的电压值， 施加电压到顶板以测量电容是希望的。在一些实施例中，测量电容的顶板位于点903的电 压和点905的电压之间。一个例子是在点907的电压。所使用的最佳电压将根据这些因 素，例如电介质厚度、电介质材料类型、顶板材料类型、窗口大小、阱区域108以及109的掺 杂浓度、连接区域205以及207的掺杂浓度、施加到阱区域108和109以及连接区域205和 207的电压、位于窗口内的任何材料的透明度、所测量的辐射敏感性的希望范围以及所测量 的辐射类型。
图5显示了根据本发明的电容式传感器器件的另一个实施例。图5的实施例与图 4的实施例类似，不同之处在于顶板结构522有倒T形。另外，那些类似于图4相应结构的 结构具有相同的参考号码。
在图5的实施例中，结构522的顶端部分523具有不允许被测量的波长辐射穿透 到达层105的高度和材料。然而，顶板结构的底部部分521具有允许被测量的辐射穿过到 达层105的高度和材料。在一个实施例中，部分521由多晶硅构成，并且足够薄(如100-300 埃)，以允许所测量的辐射通过到达层105。在其它实施例中，部分521由氮化钽或氮化钨构 成。所述氮化钽或氮化钨相对于顶端部分523被选择性蚀刻。在一个实施例中，部分523 的材料由具有足够厚度的多晶硅或金属构成，以阻止辐射穿透。举一个例子，部分523由多 晶硅构成，部分523具有800-10000埃的厚度(如图5中的尺寸“H”所示)，但在其它实施例 中可以具有其它厚度。
制作部分521以便辐射可以通过，在顶板结构522下面，窗口 529以及531的位置 可以至少部分被移动，如图5所示的尺寸“W”。由于在顶板结构下，尤其是顶板结构W部分下产生的电子-空穴对比较密集，这就起到了增加所测量电容的信号强度的作用。在这样一个实施例中，电子-空穴对密度的增加产生了一个更加敏感的器件。
可设置窗口 529以及531的宽度与顶端部分523的高度“H”的差异比，以在一个特定范围中调整分辨率以测量水平角度。例如，如果阻挡部分523的厚度(“H”尺寸表示) 比窗口的宽度相对大一些，那么图5中电容式传感器器件能够提供接近90度的有更好分辨率的水平角度。这是由于相对“高”的顶端部分523，当入射的水平角度从90度偏离时，大大阻挡了窗口(529或531 )。在其它实施例中，相对于窗口宽度，部分523可做的相对短些以能够供一个范围更广的水平角度测量。
在一个实施例中，生成的顶板结构可以通过利用具有部分523的宽度的光致抗蚀剂图案(或通过光致抗蚀剂图案图案化的硬掩模图案)图案化一个层(例如，多晶硅层)形成。定时地蚀刻使层的一部分在图案外具有部分521的厚度。之后，牺牲间隔物(未显示) 在顶端部分523 —侧形成。间隔物有W的宽度。之后，所述层经受各向异性蚀刻以移除底层的剩余部分。如果间隔物对被测量的辐射半透明，那么就不需要间隔物。
在其它实施例中，部分523和521可由不同材料构成。在一个实施例中，不同材料的两层将在晶圆101上形成。部分523首先被图案化，然后在部分523周围形成牺牲间隔物。部分523以及间隔物被用作蚀刻掩模，以通过各向异性蚀刻形成部分521。在其它实施例中，顶端部分523以及底部521由不同的光致抗蚀剂掩模图案形成。然而，使用位于部分 523 一侧的牺牲间隔物更优�。蛭梢员苊饬礁鲅谀Ｍ及付云氲奶粽�。
在另一个实施例中，部分523可能不导电可以没有电耦合到部分521。在这样一个实施例中，部分521是传感器的顶板。利用这样一个实施例，部分521将进一步向外延伸到一个超出部分523的区域(位于页面内或页面外)，以便形成到部分521的接触。
此外在其它实施例中，电介质519具有给利用部分521形成的电容器提供足够的电容的介电常数，当入射福射撞击层105时，电子位于层105顶端。
在其它实施例中，硅化物结构311以及309可以位于离间隔物301的更大的距离或更小的距离内。在一些实施例中，硅化物结构309以及311延长到间隔物301。
图6显示了根据本发明一个实施例的传感器单元的阵列603的顶视图。阵列603 包括很多在衬底601上形成的传感器单元(635、643、627、639、633、641、631以及637)。这些单元以不同的位置取向以允许阵列603测量辐射入射角的辐射方向角度(Od)以及水平角度(ΘΗ)。水平角度 H是相对于衬底601的平面所测量的辐射角度。方向角度 D是如图6所示的从12点钟方向所测量的辐射角。例如，参考图6，来自页面顶部(12点钟)的辐射会有O度的方向角度(0D)。来自页面底部(6点)的辐射会有180度的方向角度(0D)。 来自一个特定方向的入射辐射不但有方向角度 D分量，而且有水平角度 H分量。
在所示实施例中，每个传感器单元(如635)类似于图4的传感器器件。关于传感器单元627，顶板605类似于顶板203，硅化物结构607类似于硅化物结构309，硅化物结构 608类似于硅化物结构311，以及隔离区域617 (虚线所示)类似于隔离区域107。在所示实施例中，窗口 651类似于窗口 420,而窗口 653类似于窗口 415。在一个实施例中，讲区域 (例如108和以及109)位于衬底601内，在硅化物部分下以及窗户区域中。阵列603的阱区域形成了被隔离区域(例如617)分离的环段(或其它实施例中的其它封闭循环结构)，如图6所示。衬底601包括电介质材料602，所述材料不但围绕位阱区域，而且为了阱区域的电隔离，所述材料位于阱区域内。在实施例中，环结构具有由电容式传感器阱区域所形成的 边，其中分离区域(例如，617)与环各边的位置正交定位。
阵列603包括多个顶板接触(613)以及硅化物结构接触(615)，以在传感器阵列 603的各个点提供对测量电容的电接触。所述接触电耦合于在衬底601以及阵列603上形 成的电互连体(未显不)。互连体位于同样在衬底601以及阵列603上形成的电介质材料中 (未显示)。
在所示的实施例中，每个硅化物接触615用于测量针对两个阱区域的电容。例如， 接触615用于测量来自窗口 653的阱区域的电容(如通过顶板605和硅化物结构607之间 的电容的差异所显示)并用于测量窗口 655的阱区域的电容(如通过来自硅化物结构607和 顶板606的电容的差异所显示)。因此，在所示的实施例中，每个电容式传感器与相邻的传 感器共享连接区域以及阱区域。
在一个实施例中，阵列包括体接触(未显示)，所述体接触用于吸引入射到阱区域 的辐射形成的孔。在一些实施例中，传感器阵列在绝缘体上硅结构(SOI)的衬底上实现，每 个传感器区域包括一个体连接。然而，在实施在SOI衬底上的其它实施例中，阵列可能包括单一阱连接。
传感器单元以不同方向角度设置，以便能够测量辐射的方向角度(Od)。例如，如 果入射辐射具有O度的方向角度(来自页面顶端)的方向角度( D)或180度(来自页面底 部)的方向角度，单元631以及627会显示它们两个窗口之间的电容的最大差异。这是因为 顶板结构(例如605)阻挡与顶板结构相邻的两个窗口中的任何一个接收全额辐射。例如， 如果方向角度是180度(辐射来自页面底部)，那么板605会阻挡(或至少部分地阻挡)辐射 通过窗口 651，而窗口 653不会受到阻挡。因此，顶板605和硅化物结构607之间以及顶板 605和娃化物结构608之间的电容读数差异,连同其它传感器的相对电容读数将表明方向 角度是180度。
单元635以及633将针对270度(从页面左侧)或90度(从页面右侧)的辐射方向 角度显示电容的最大差异。单元637以及633将针对45度和225度的辐射方向角度显示 电容的最大差异。单元643以及641将针对135度或315度的辐射方向角度显示电容的最大差异。
如上所述，单元对设置成针对0、45、90、135、180、225、270以及315度的辐射方向角度提供电容最大差异。此外，可以比较每个传感器单元的电容测量以确定位于这些值之 间的方向角度以及水平角度。
举一个例子，为了测定辐射的一个方向角度，将测量每一个单元以确定哪些单元 提供单元的阱之间的最大差异电容。例如，如果单元631以及627提供最大差异，那么根据 窗口 651 (指示O度)或窗口 653 (指示180度)是否具有更大的测量结果，方向角度将很有 可能接近O度或180度。测量单元对637和633以及单元对643和641 (以及单元对635 和633)可以用于确定方向角度是大于180度还是小于180度。例如，如果单元对641以及 643提供比单元对633以及637更大的电容差异，那么方向角度小于180度。但是如果单元 对633以及637提供更大的电容差异，那么方向角度大于180度。如果相邻单元对(对633 和637以及对641和643)之间的电容差异是相同的，那么方向角度正好是180度。因此， 通过测量以及比较阵列的每个单元之间的电容差异，可以确定对辐射的方向角度的准确估计。
利用所确定的方向角度，基于单元之间的实际电容差异，水平角度也可以确定。例 如，如果最大电容差异的单元有小电容差异，那么水平角度接近90度。如果最大差异很大， 那么水平角度接近O度。
通过及时或几乎同时在单一点添加阵列所有单元总电容测量，可以测量单一点处 的辐射剂量。总的测量越大，辐射剂量越大。在一些实施例中，水平角度剂量可用于计算剂 量以补偿具有低水平值(例如，接近零)的角度。剂量可以相对于时间积分以测量累积剂量。
在所示的实施例中，阵列603针对每个角都具有多余的单元。例如,将单元635以 及633以O度的方向角度放置在一条线上。向阵列提供放置在同样方向角度的冗余单元， 将提供更精确的系统，所述系统可以容忍制造缺陷。然而，在其它实施例中，其它阵列不包 括冗余单元。
在一些实施例中，电耦合(如通过电互连体(未显示))冗余单元的顶板以便可实现 一个反映两个单元的电容的测量。例如，单元635以及633的顶板电耦合在一起。在这样的 实施例中，环的相对边上的硅化物结构也电耦合在一起。例如，为了测量单元对641和643 以及单元对631和627的组合电容，硅化物结构608将电耦合于硅化物结构656。在其它实 施例中，一个阵列可能包括更多数量(多于两个)的冗余单元。
在图6中，显示单元位于环内，其中硅化物结构以及阱区域在相邻单元之间共享。 然而，在其它实施例中，一个阵列的阱以及硅化物结构可能彼此隔离(例如，通过电介质材 料或大剂量地植入导电性杂质)，这样就防止电子在阱区域之间的迁移。
其它阵列可能包括不同数量的单元和/或可以相对于彼此放置在不同角度，例 如，一个阵列可能包括更多位于环内(或在另一种配置中)的传感器单元以提供对方向辐射 角度( D)测量的更好的分辨率。然而，一个阵列可能包括更少的、例如2个单元，一个传感 器单元的顶板相对于另一个传感器单元的顶板以90度取向。在另一个实施例中，一个阵列 包括3个单元，其中顶板以120度彼此取向。
在其它实施例中，阵列的各个单元可能位于不同配置中而不是环中。例如，放置在 阵列上每个方向角度的单元可以定位在阵列的行或列中，位于衬底的不同行或列中的单元 以其它角度取向。
在其它实施例中，窗口以及顶板可以具有不同于图6所示的形状的形状。例如，窗 口和/或顶板可能有圆形、椭圆形、方形或其它形状，其可设计成最大化针对特定入射角度 或入射角范围获得的电容差异。此外在一些实施例中，顶板可能会阻挡不止一个到窗口的 方向角度。此外，在其它实施例中，窗口相对于顶板的尺寸可以不同。
在其它实施例中，相对于阵列中的其它单元，阵列中的单元可以具有不同的顶板 高度、窗口大小、和/或窗口位置，以在阵列中提供角度测量的不同分辨率。例如，单元627 的顶板605可以高于单元631的顶板，以便单元627可以提供接近90度水平角度的更好的 分辨率以及单元631可以提供接近O度水平角度的更好的分辨率。
在一些实施例中，一个单元将包括多于两个的环绕单一顶板结构的区域。例如， 图11显示了传感器阵列1101的顶视图，该传感器阵列包括8个阱区域(1105、1107、1109、 1111、1113、1115、1117以及1119)，这些区域位于环绕顶板1103的衬底1102内。每个阱区 域与一个硅化物结构(如1121)相关联，所述硅化物结构用于获取阱区域以及顶板1103之间的电容测量。在每个硅化物结构(I 121)上形成接触(如1123)，用于通过电互连体(未显 示)电耦合所述硅化物结构和电容测量电路。顶板1103包括接触1125，用于通过互连体电 耦合于电容测量电路(未显示)。图11没有显示位于阵列1101上的电介质层。此外，图11 没有显示用于吸引由入射到阱区域的辐射所形成的孔的至少一个阱连接。
在一些实施例中，接触1125的多个互连体将以相等的距离方向从顶板1103的中 心延伸，从而等同地影响由于顶板互连对每个区域的覆盖。此外在其它实施例中，导电通道 可以从顶板1103形成，通过衬底1102，到达衬底1102的背面，用于电耦合顶板1103。
在一个实施例中，电容式测量电容顺序测量阵列1101的每个阱区域以及顶板 1103之间的电容。入射辐射的方向角度以及水平角度可以通过不同阱区域以及顶板1103 的电容读数的差异进行确定。相对于入射辐射的方向角度，在顶板1103背面上区域由于顶 板1103遮住了这些区域，将提供最低电容读数。
在其它实施例中，阱区域、硅化物结构以及顶板可能具有不同于图11所示的大小 和/或形状。此外，阵列1101可能包含不同于图11所示的数量的阱。此外，在其它实施例 中，顶板结构可能具有多个电绝缘的导电结构，所述结构用作不同阱区域的顶板结构。在一 个这样的实施例中，每个阱区域有其自身的导电顶板结构。
图7是系统701的电路图，所述系统用于测量辐射的方向角度、水平角度以及剂 量。系统701包括传感器阵列703、705以及708。在一个实施例中，系统701的每个阵列类 似于阵列603或类似于传感器阵列1101。在一个实施例中，调整每个传感器阵列以测量不 同波长范围的波长辐射。在一些实施例中，调整每个阵列以测量不同类型的粒子辐射。例 如在一个实施例中，传感器阵列703被设计为测量波长在100-1000纳米范围中的辐射，传 感器阵列705被设计为测量波长在1000-2000纳米范围中的辐射，传感器阵列708被设计 为测量波长在2000-3000纳米范围中的辐射。为了测量不同波长的辐射，传感器阵列可以 具有不同材料的传感器区域，和/或可以具有过滤不同波长辐射的覆盖电介质材料。在一 些实施例中，传感器阵列可能测量水平角度的不同范围或方向角度的不同范围。在一些实 施例中，系统701只包括一个阵列。在一些实施例中，阵列可能只有一个传感器。
在一个实施例中，覆盖传感器阵列中的一个以便没有辐射影响其电容值。这样一 个阵列被用于提供参考电容值，以将所述参考电容值与从其它传感器阵列的测量的电容值 进行比较。
系统701包括电路707，所述电路707用于测量阵列的传感器的电容以及使用测 量的电容计算辐射的水平角度、方向角度以及剂量。电路707 (需要一个新的编号)包括复 用器711，所述复用器711的输入耦合于每个阵列的每个顶板以及每个阱连接区域。复用 器711包括两个输入，以将所测量的顶板以及阱连接区域耦合到电容测量电路713以测量 传感器的电容。在一个实施例中，每个传感器(顶板-阱连接区域的组合)顺次耦合到电路 713以确定顶板-阱连接区域的电容值(或者在一些实施例中，冗余结构连接在一起以测量 冗余结构的总电容值)。在其它实施例中，每个单元阵列703、705以及708将与其自身的电 容测量电路相关联。仍然在其它实施例中，每个传感器将与其自身的电容测量电路相关联。 在包括图11的阵列的实施例中，顶板1103将耦合到电路713而不使用复用器。
在所示的实施例中，电路713包括振荡器715，所述振荡器715在预定的频率给所 测量的电容式传感器的顶板或阱连接区域提供信号以确定电容。在一个实施例中，直流电流施加到顶板/阱连接区域的组合，其中测量顶板以及阱连接区域之间电压变化率。在另 一个实施例中，AC电流施加到顶板/阱连接区域的组合，其中测量产生的电压差。在又一 个实施例中，电路713实施平衡电桥法。在一些实施例中，O伏电压施加到顶板，较高的电压 施加到阱连接区域。然而，在其它实施例中，顶板/阱连接区域的组合的电容可以通过其它 方法测量。
每个顶板连接区域的测量值通过模拟数字转换器(A/D) 717提供给处理器719。在 一个实施例中，所测量的电容值提供给处理器719。在其它实施例中，处理器719接收测量 值(例如电压、电流)并计算电容值。每个电容值存储在存储器721中。在所示的实施例中， 在顶板-阱连接区域的电容确定后，为了测量电容，处理器719控制复用器711以将不同的 顶板/阱连接区域耦合至用于测量电容的电路713。
当阵列的所有电容值被确定后，处理器719使用这些值来计算入射到阵列的辐射 的方向角度、水平角度、以及剂量值。在系统701包括不接收任何辐射的“虚拟阵列”的实施 例中，处理器719在其计算方向、水平、以及剂量值时，使用来自虚拟阵列的参考电容测量。
在一个实施例中，存储器721包括阵列的各个单元的归一化电容值条目的表格 722。每个条目与不同的水平角度/方向角度组合相关联。为了确定入射到传感器阵列的 辐射的水平角度，处理器719将搜寻表格722，寻找具有最接近匹配所确定的电容值的电容 值的条目(例如，作为每个传感器的值或存储为关联传感器对的差分值)。在一些实施例中， 来自表格722的所确定的水平角度值以及方向角度值将基于所确定的电容值以及表格条 目电容值之间的差异从表格条目值进一步推算。
在其它实施例中，处理器719使用确定的电容值作为方程的变量，通过执行方程 (例如存储在存储器721中)计算水平角度、方向角度、和/或光剂量。其它实施例可以利用 以不同技术和/或电路内测量的电容值计算方向角度、水平角度、和/或剂量值。
电路707包括输出762，所述输出762用于给外部源(例如，使用控制电路中的数据 的用户显示器或系统)提供测量的水平角度、方向角度以及剂量值。在一个实施例中，处理 器719是使用测量的信息控制装置(例如，太阳能阵列)的器件的控制电路的一部分。
在其它实施例中，电路707可能具有其它配置和/或使用其它组件。例如，电路 707可能包括逻辑器或其它类型的“硬线电路”，用于根据所测量的电容值计算水平值以及 方向值。此外，在一些实施例中，电路713的一些功能可通过处理器719进行。
在一些实施例中，电路707包括校准电路(未显示)，所述校准电路用于校准阵列的 电容测量以产生对水平角度、方向角度以及剂量值的精确测定。举一个例子，校准电路包括 用于设置校准值的熔丝。在一个实施例中，传感器会受到预定水平以及方向角度以及剂量 的辐射。在各角度处所测量的电容值将被归一化并存储在表格722的条目中。在其它实施 例中，所述值是可以例如通过修整修改的。
在一些实施例中，电路707位于与阵列703、705以及708相同的集成电路上。然 而在其它实施例中，部分或全部电路707位于不同的集成电路上。此外，在一些实施例中， 每个阵列(703、705以及708)可以位于单独的集成电路上。
在一些实施例中，电路707仅计算方向角度或水平角度。在一些实施例中，每个电 容式传感器包括其自身的电容测量电路(例如713)。此外在一些实施例中，用于利用电容式 传感器测量辐射分量的系统仅仅包括与图4的相似的电容式传感器器件。在另一个实施例中，用于利用电容式传感器测量辐射分量的系统仅仅包括一个传感器(例如，一个阱-顶板 结构)，其中电容式测量电路耦合到所述传感器。
图8显示了用于通过系统(例如,类似于系统701)确定辐射的方向角度、水平角度 以及剂量的流程图。在操作801，测量阵列的每个传感器的电容值(例如，图4所示实施例的 Covl以及Cot2)。在803，计算在单元的这些电容值之间的差异，并且这些差异用于确定入射 到单元的波长辐射的方向角度以及水平角度。在805，通过添加单元总的测量电容值确定辐 射剂量。在一些实施例中，剂量的计算利用了 803中所确定的水平以及方向值。
在一些实施例中，传感器单元的两个传感器之间的电容差异被明确计算(例如通 过处理器)。那些差值用于计算(或在表中查找)水平以及方向角度。在其它实施例中，每个 传感器的值被用于公式中或用作表格条目以计算方向以及水平角度，其中，表格条目或公 式内在地使用单元的传感器之间的电容差异来计算方向以及水平角度。
图10是根据本发明另一个实施例在制作传感器单元1000中的一个阶段的晶圆的 部分侧面图。单元1000在衬底1001上形成。阱1021以及1023由一种材料(例如硅)构 成，当辐射入射到所述材料时，所述材料形成空穴-电子对。阱1021以及1023位于埋入氧 化物层1005上。阱区域1021位于隔离区域1007和1009之间，阱区域1023位于隔离区域 1007和1010之间。在一个实施例中，隔离区域由氧化物构成。连接区域1013以及1015以 P类型掺杂剂重掺杂，阱区域1021和1023以P类型掺杂剂轻掺杂。因为连接区域和阱以相 同导电类型的掺杂剂轻掺杂，所以阱区域被隔离区域1009以及1010隔离，这与同其它单元 的其它阱区域共享相反。顶板1027在电介质层1026上形成。硅化物结构1017以及1019 分别在连接区域1013以及1015上形成。阱区域1021的窗口 1025是硅化物结构1017以及 顶板1027之间的空间，阱区域1023的窗口 1028是顶板1027以及硅化物结构1019之间的 空间。与P+连接区域1013以及1015对比，反转层电极是相反的极性类型。在一个实施例 中，传感器像在反向模式下的变容二级管那样操作，这不是正常的模式。在其它实施例中， 负电压施加到顶板，其中，传感器像正常变容二极管那样在累积模式下操作。
在一个实施例中，电容式传感器器件包括衬底，所述衬底包括第一传感器区域以 及第二传感器区域。所述第一传感器区域以及所述第二传感器区域具有当辐射入射到其时 有助于电子-空穴对产生的材料，所述辐射具有在辐射参数值范围中的参数。所述电容式 传感器器件包括在所述衬底内的分离区域，所述分离区域位于所述第一传感器区域以及所 述第二传感器区域之间。所述分离区域抑制所述第一传感器区域以及所述第二传感器区域 之间的载流子流动。所述器件包括位于所述衬底上的顶板结构。所述顶板结构包括对具有 在所述范围中的参数的辐射不透明的阻挡结构。所述顶板结构包括导电结构以及位于导电 结构以及衬底之间的电介质。所述顶板结构位于所述第一传感器区域的第一部分上，以及 所述第二传感器区域的第一部分上。所述阻挡结构相对于所述第一传感器区域以及所述第 二传感器区域定位以选择性地以及区别性地阻挡来自所述第一传感器区域以及所述第二 传感器区域的具有所述范围中的参数值的辐射，以便在选定的辐射入射角下相对于所述第 二传感器区域的电子-空穴对的产生区别性地影响所述第一传感器区域的电子-空穴对的 产生。
在另一个实施例中，一种形成电容式传感器的方法包括形成第一传感器区域、第 二传感器区域、以及分离区域。所述分离区域位于所述第一传感器区域以及所述第二传感器区域之间。所述分离区域阻止所述第一传感器区域以及所述第二传感器区域之间的载流 子流动。所述第一传感器区域以及所述第二传感器区域具有当辐射入射到其时有助于电 子-空穴对产生的材料，所述辐射具有辐射参数值范围中的参数值。所述方法包括在所述 第一传感器区域的第一部分以及所述第二传感器区域的第一部分上形成顶板结构，其中所 述顶板结构包括对具有在所述范围中的参数的辐射不透明的阻挡结构。所述顶板结构包括 导电结构以及位于导电结构下面的电介质层。所述阻挡结构相对于所述第一传感器区域以 及所述第二传感器区域定位，以选择性地以及区别性地阻挡来自所述第一传感器区域以及 所述第二传感器区域的具有在所述范围中的参数值的辐射，以便在选定的辐射入射角下相 对于在所述第二传感器区域的电子-空穴对的产生区别性地影响在所述第一传感器区域 中电子-空穴对的产生。所述阻挡结构不放置在所述第一传感器区域的一个第二部分上以 及所述第二传感器区域的一个第二部分上。
尽管已经显示以及描述了本发明的特定实施例，但是本领域技术人员应所述认识 到基于本专利的教导，在不脱离本发明以及其宽范围的情况下可以做进一步的改变和修 改，因此所附权利要求意图在其范围中涵盖这些改变和修改，就像其在本发明真正的精神 和范围中那样。
权利要求
1.一种电容式传感器器件,包括包括第一传感器区域以及第二传感器区域的衬底，所述第一传感器区域以及所述第二传感器区域具有当具有辐射参数值范围中的参数值的辐射入射到其时有助于电子-空穴对产生的材料；所述衬底内的位于所述第一传感器区域以及所述第二传感器区域之间的分离区域，所述分离区域抑制在所述第一传感器区域以及所述第二传感器区域之间的载流子流动；位于所述衬底上的顶板结构，其中所述顶板结构包括对于具有所述范围中的参数值的辐射不透明的阻挡结构，所述顶板结构包括导电结构以及位于所述导电结构和所述衬底之间的电介质层，其中所述顶板结构位于所述第一传感器区域的第一部分上以及所述第二传感器区域的第一部分上；其中所述阻挡结构相对于所述第一传感器区域和所述第二传感器区域定位，以选择性且区别性地阻挡来自所述第一传感器区域以及所述第二传感器区域的具有所述范围中的参数值的辐射，以便在选定的辐射入射角下相对于所述第二传感器区域中的电子-空穴对的产生区别性地影响所述第一传感器区域的电子-空穴对的产生。
2.根据权利要求1所述的电容式传感器器件，其中所述阻挡结构包括导电结构。
3.根据权利要求1所述的电容式传感器器件，其中所述材料是具有第一浓度的第一导电类型的导电杂质的半导体材料，所述分离区域由包括具有第二浓度的第一导电类型的导电杂质的相同的半导体材料构成，其中所述第二浓度大于所述第一浓度。
4.根据权利要求1所述的电容式传感器器件，还包括电耦合到所述第一传感器区域的第一连接区域；电耦合到所述第二传感器区域的第二连接区域；其中所述材料是具有净掺杂浓度的第一导电类型的导电杂质的半导体材料，其中所述第一连接区域以及所述第二连接区域由所述半导体材料构成，并且具有净掺杂浓度的与所述第一导电类型相反的第二导电类型的导电杂质；其中与所述第一传感器区域和导电结构相关联的电容通过所述第一连接区域测量，以及与所述第二传感器区域和导电结构相关联的电容通过所述第二连接区域测量。
5.根据权利要求4所述的电容式传感器器件，还包括与所述第一连接区域电接触的第一硅化物结构以及与所述第二连接区域电接触的第二硅化物结构。
6.根据权利要求1所述的电容式传感器器件，其中所述顶板结构位于所述分离区域之上。
7.根据权利要求1所述的电容式传感器器件，其中所述顶板结构包括位于所述衬底上的在所述第一传感器区域以及所述第二传感器区域之间的位置处的部分。
8.根据权利要求1所述的电容式传感器器件，其中对于辐射入射到所述第一传感器区域和所述第二传感器区域的至少一个入射角度，所述阻挡结构设置成允许具有所述范围中的参数值的辐射入射到所述第一传感器区域以及所述第二传感器区域，使得所述第一传感器区域的电子-空穴对的产生等于所述第二传感器区域的电子-空穴对的产生。
9.根据权利要求1所述的电容式传感器器件，其中所述辐射是波长辐射以及所述参数是波长大小。
10.根据权利要求1所述的电容式传感器器件，其中所述辐射是粒子辐射以及所述参数是包括粒子大小和粒子能量的组中的至少ー个。
11.根据权利要求1所述的电容式传感器器件，其中所述顶板结构具有第一部分以及位于所述第一部分之上的第二部分，所述第二部分具有短于所述第一部分的宽度的宽度，其中所述第一部分导电并对具有在所述范围中的參数值的辐射半透明，其中所述第二部分对具有所述范围中的參数值的辐射不透明，其中所述阻挡结构包括所述第二部分。
12.ー种电容式传感器阵列，包括多个根据权利要求1所述的电容式传感器器件，每个电容式传感器器件包括所述衬底内的所述第一传感器区域以及所述第二传感器区域。
13.根据权利要求12所述的电容式传感器阵列，其中所述多个电容式传感器器件中的每个电容式传感器器件还包括 与所述第一传感器区域电接触的第一连接区域； 与所述第二传感器区域电接触的第二连接区域； 其中所述材料是具有净掺杂浓度的第一导电类型的导电杂质的半导体材料，其中所述第一连接区域以及所述第二连接区域由所述半导体材料构成，并且具有净掺杂浓度的与所述第一导电类型相反的第二导电类型的导电杂质； 其中与所述第一传感器区域和导电结构相关联的电容通过所述第一连接区域測量，以及与所述第二传感器区域和导电结构相关联的电容通过所述第二连接区域測量， 其中所述多个电容式传感器器件中的第一电容式传感器器件的第一连接区域与所述传感器阵列的所述多个电容式传感器器件中的相邻电容式传感器器件的第二连接区域共用。
14.根据权利要求1所述的电容式传感器器件，其中 所述衬底包括第三传感器区域，所述第三传感器区域具有当具有辐射參数值范围中的參数值的辐射入射到其时有助于电子-空穴对产生的材料； 其中所述顶板结构位于所述第三传感器区域的第一部分之上； 其中所述阻挡结构相对于所述第一传感器区域、所述第二传感器区域和所述第三传感器区域定位，以选择性且区别性地阻挡来自所述第一传感器区域、所述第二传感器区域和所述第三传感器区域的具有所述范围中的參数值的辐射，以便在选定的辐射入射角下相对于所述第一传感器区域的电子-空穴对的产生且相对于所述第二传感器区域的电子-空穴对的产生区别性地影响所述第三传感器区域的电子-空穴对的产生。
15.根据权利要求1所述的电容式传感器,其中 所述第一传感器区域与允许具有在所述范围中的參数值的辐射入射到所述第一传感器区域的第一窗ロ相关联； 所述第二传感器区域与允许具有在所述范围中的參数值的辐射入射到所述第二传感器区域的第二窗ロ相关联； 其中所述第一窗ロ位于所述阻挡结构的第一侧，以及所述第二窗ロ位于所述阻挡结构与所述第一侧相对的第二侧。
16.—种形成电容式传感器的方法,包括 形成第一传感器区域、第二传感器区域、以及分离区域，其中所述分离区域位于所述第一传感器区域与所述第二传感器区域之间，所述分离区域阻止在所述第一传感器区域与所述第二传感器区域之间的载流子流动，所述第一传感器区域以及所述第二传感器区域具有当具有辐射參数值范围中的參数值的辐射入射到其时有助于电子-空穴对产生的材料； 在所述第一传感器区域的第一部分以及所述第二传感器区域的第一部分上形成顶板结构，其中所述顶板结构包括对于具有所述范围中的參数值的辐射不透明的阻挡结构，所述顶板结构包括导电结构以及位于所述导电结构之下的电介质层； 其中所述阻挡结构相对于所述第一传感器区域和所述第二传感器区域定位，以选择性且区别性地阻挡来自所述第一传感器区域以及所述第二传感器区域的具有所述范围中的參数值的辐射，以便在选定的辐射入射角下相对于所述第二传感器区域中的电子-空穴对的产生区别性地影响所述第一传感器区域的电子-空穴对的产生，其中所述阻挡结构不位于所述第一传感器区域的第二部分以及所述第二传感器区域的第二部分之上。
17.根据权利要求16所述的方法，其中形成所述顶板结构包括在所述第一传感器区域、所述第二传感器区域、以及所述分离区域之上形成电介质材料层，在所述电介质材料层上形成导电材料层，以及图案化所述电介质材料层以及所述导电材料层，其中图案化所述导电材料层形成所述导电结构的至少一部分。
18.根据权利要求17所述的方法，其中 形成所述顶板结构还包括在所述导电材料层上形成阻挡材料层，所述阻挡材料层的材料和厚度使得其对于具有在所述范围中的參数值的辐射不透明； 形成所述顶板结构还包括图案化所述阻挡材料层，其中所述阻挡结构的宽度短于所述导电结构的宽度。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述材料是具有净掺杂浓度的第一导电类型的导电杂质的半导体材料，所述方法还包括 形成所述第一传感器区域中的第一连接区域以及所述第二传感器区域中的第二连接区域，其中所述形成包括在所述第一传感器区域的所述第一连接区域以及所述第二传感器区域的所述第二连接区域植入第二导电类型的导电掺杂剂，其中所述第二导电类型与所述第一导电类型相反。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括 形成与所述第一连接区域电接触的第一硅化物结构以及与所述第二连接区域电接触的第二硅化物结构。
21.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一传感器区域以及所述第二传感器区域各自实现为掺杂有导电掺杂剂的衬底的半导体材料的阱区域。
全文摘要
本发明涉及入射电容式传感器，公开了用于测量辐射的电容式传感器器件。所述器件包括两个传感器区域(108，109)以及顶板结构(203)。所述传感器区域具有当辐射入射到其时产生电子-空穴对的材料。分离区域位于所述两个传感器区域之间。传感器区域与顶板结构之间的所述电容取决于入射到所述传感器区域的辐射。阻挡结构选择性地并且区别性地阻挡来自传感器区域具有一个范围中的参数值的辐射，以便在选定的辐射入射角下相对于其它传感器区域的电子-空穴对的产生区别性地影响一个传感器区域的电子-空穴对的产生。
文档编号G01D5/24GK102997944SQ201210328798
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月7日 优先权日2011年9月8日
发明者M·D·豪尔, M·D·施洛夫 申请人:飞思卡尔半导体公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
