光检测装置及光检测系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种光检测装置及光检测系统，在该装置中，在平面图中，第一导电类型的第一半导体区域与第三半导体区域的至少一部分重叠，第二半导体区域与第二导电类型的第四半导体区域的至少一部分重叠，第三半导体区域的关于第一导电类型的电荷的电位的高度低于第四半导体区域的电位的高度，并且第一半导体区域的电位的高度与第三半导体区域的电位的高度之间的差大于第二半导体区域的电位的高度与第四半导体区域的电位的高度之间的差。

【技术实现步骤摘要】
光检测装置及光检测系统
各实施例的方面涉及一种执行光电转换的光检测装置和光检测系统。
技术介绍
传统上，已知使用雪崩(电子雪崩)加倍能够检测单个光子水平的微弱光的光检测装置。在美国专利No.9,209,336的说明书中，讨论了单光子雪崩二极管(SPAD)，其中源自单个光子的光载流子引起构成光电转换器的半导体区域的PN结区域中的雪崩放大。在美国专利No.9,209,336的说明书中讨论的SPAD中，在半导体衬底的表面上布置有高杂质浓度的P型半导体区域，并且在P型半导体区域的下方布置有N型半导体区域。N型半导体区域被布置成被包括在N型外延层中。P型半导体区域和N型半导体区域构成PN结，并且高反向偏置电压被施加到PN结。在美国专利No.9,209,336的说明书中讨论的SPAD中，检测到电荷的区域是PN结区域。在检测到电荷的区域中产生强电场，因此在PN结中存在通过强电场产生隧道效应的可能性。通过在检测到电荷的区域中被检测为伪信号，由隧道效应产生的电荷可能变成噪声。由隧道效应产生的电荷与检测到电荷的区域的面积成比例地增加。另一方面，如果检测到电荷的区域的面积减小，则可以抑制由隧道效应产生的电荷。然而，如果检测到电荷的区域的面积减小，则存在降低光检测效率的可能性。
技术实现思路
根据实施例的一个方面，一种装置包括具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的半导体衬底，以及布置在半导体衬底上的具有包括雪崩二极管的多个像素的像素单元，其中，雪崩二极管包括：布置在第一深度中的第一导电类型的第一半导体区域；布置成与第一半导体区域接触的第二半导体区域；相对于第一表面布置在比第一深度深的第二深度中的第三半导体区域；布置成与第三半导体区域接触的第二导电类型的第四半导体区域，该第二导电类型是与第一导电类型相反的导电类型；以及相对于第一表面布置在比第二深度深的第三深度中的第五半导体区域，并且其中，在平面图中，第一半导体区域与第三半导体区域的至少一部分重叠，第二半导体区域与第四半导体区域的至少一部分重叠，并且第三半导体区域和第四半导体区域与第五半导体区域重叠，第三半导体区域的关于第一导电类型的电荷的电位的高度低于第四半导体区域的关于第一导电类型的电荷的电位的高度，并且第一半导体区域的关于第一导电类型的电荷的电位的高度与第三半导体区域的关于第一导电类型的电荷的电位的高度之间的差大于第二半导体区域的关于第一导电类型的电荷的电位的高度与第四半导体区域的关于第一导电类型的电荷的电位的高度之间的差。根据下面参照附图对示例性实施例的描述，本公开的另外的特征将变得清楚。附图说明图1是雪崩二极管的示意性截面图。图2A和2B是雪崩二极管的示意性平面图。图3是雪崩二极管的电位图。图4是光检测装置的框图。图5是包括等效电路的像素的框图。图6是雪崩二极管的示意性截面图。图7A至7C是雪崩二极管的示意性平面图。图8A至8D示出制造雪崩二极管的方法。图9A和9B是等效电路图。图10是雪崩二极管的示意性截面图。图11是雪崩二极管的示意性截面图。图12是雪崩二极管的示意性截面图。图13A和13B是雪崩二极管的示意性平面图。图14是雪崩二极管的示意性截面图。图15A和15B是雪崩二极管的示意性平面图。图16是雪崩二极管的示意性截面图。图17是光检测系统的框图。图18是光检测系统的框图。图19A和19B是光检测系统的框图。图20是雪崩二极管的示意性截面图。具体实施方式下面将参照附图详细地描述本公开的各种示例性实施例、特征和方面。将参照图1至图3描述根据示例性实施例的光检测装置。根据本示例性实施例的光检测装置具有包括雪崩二极管的像素。雪崩二极管中产生的一对电荷中的用作信号电荷的电荷的导电类型被称为第一导电类型。第一导电类型的相反导电类型被称为第二导电类型。图1是根据本示例性实施例的雪崩二极管的示意性截面图。本示例性实施例中的雪崩二极管布置在半导体衬底15中。半导体衬底15具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。例如，第一表面是半导体衬底15的正面，并且，第二表面是半导体衬底15的背面。在本示例性实施例中，深度方向被定义为从第一表面朝向第二表面的方向。晶体管的栅电极和多层互连结构布置在半导体衬底15的正面上。在图1中，第一导电类型的第一半导体区域71，第二半导体区域76，第三半导体区域74，第二导电类型的第四半导体区域72，以及第五半导体区域75布置在被隔离部分16包围的区域中。第一半导体区域71和第二半导体区域76布置在第一深度X中。第一半导体区域71和第二半导体区域76接触。第二半导体区域76布置在第一半导体区域71和隔离部分16之间。这里，第一半导体区域71和第二半导体区域76布置在第一深度X中的意思是，例如，最高注入杂质浓度(峰值)的区域布置在第一深度X中。然而，该峰值不必一定需要布置在第一深度X中，并且允许设计误差或制造误差。第三半导体区域74和第四半导体区域72相对于第一表面被布置在比第一深度X深的第二深度Y中。第三半导体区域74和第四半导体区域72接触。第一半导体区域71与第三半导体区域74的至少一部分重叠，并且，第二半导体区域76与第四半导体区域72的至少一部分重叠。第四半导体区域72布置在第三半导体区域74和隔离部分16之间。第五半导体区域75相对于第一表面布置在比第二深度Y深的第三深度Z中。第三半导体区域74和第四半导体区域72与第五半导体区域75重叠。图2A和2B是示意性平面图。图2A示出第一深度X中的示意性平面图，图2B示出第二深度Y中的示意性平面图。如图2A所示，第一半导体区域71被包括在第一深度X中的第二半导体区域76中。第二半导体区域76被包括在隔离部分16中。如图2B所示，第三半导体区域74被包括在第二深度Y中的第四半导体区域72中。第四半导体区域72被包括在隔离部分16中。从图1至2B可以看出，第一半导体区域71与第三半导体区域74的至少一部分重叠，并且第三半导体区域74和第四半导体区域72在平面图中与第五半导体区域75重叠。此外，第二半导体区域76与第四半导体区域72的至少一部分重叠。图3示出雪崩二极管的电位图。图3示出图1所示的截面图的线段JK和线段GH的电位分布的示例。虚线20示出线段GH的电位分布，并且，实线21示出线段JK的电位分布。这里，示出从作为信号电荷的电子观看到的电位。如果信号电荷由空穴组成，则电位电平的关系相反。此外，在图3中，深度X，Y，Z和W对应于图1所示的每个深度，并且，深度W是深度Y和深度Z之间的任何深度。XH电平的电位电平示出第四半导体区域72的电位电平。H电平的电位电平示出第三半导体区域74的电位电平。M电平的电位电平示出第二半导体区域76的电位电平。L电平的电位电平示出第一半导体区域71的电位电平。这里，假设第二半导体区域76的电位电平低于第三半导体区域74的电位电平，但该关系可以相反。虚线20示出深度Z中的XH电平和H电平之间的电位电平。随着深度从深度Z接近深度W，电位逐渐下降。然后，随着深度从深度W接近深度Y，电位逐渐上升以达到深度Y中的XH电平。随着深度从深度Y接近深度X，电位逐渐下降。在深度X中达到M电平的电位。实线21示出深度Z中的XH电平和H电平之间的电位电平。在深度从深度Z接近深度Y本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光检测装置，包括：具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的半导体衬底；以及布置在半导体衬底上的具有包括雪崩二极管的多个像素的像素单元，其中，雪崩二极管包括：布置在第一深度中的第一导电类型的第一半导体区域；布置成与第一半导体区域接触的第二半导体区域；相对于第一表面布置在比第一深度深的第二深度中的第三半导体区域；布置成与第三半导体区域接触的第二导电类型的第四半导体区域，该第二导电类型是与第一导电类型相反的导电类型；以及相对于第一表面布置在比第二深度深的第三深度中的第五半导体区域，并且其中，在平面图中，第一半导体区域与第三半导体区域的至少一部分重叠，第二半导体区域与第四半导体区域的至少一部分重叠，并且第三半导体区域和第四半导体区域与第五半导体区域重叠，第三半导体区域的关于第一导电类型的电荷的电位的高度低于第四半导体区域的关于第一导电类型的电荷的电位的高度，并且第一半导体区域的关于第一导电类型的电荷的电位的高度与第三半导体区域的关于第一导电类型的电荷的电位的高度之间的差，大于第二半导体区域的关于第一导电类型的电荷的电位的高度与第四半导体区域的关于第一导电类型的电荷的电位的高度之间的差。

【技术特征摘要】
2016.10.13 JP 2016-202052;2017.07.28 JP 2017-146721.一种光检测装置，包括：具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的半导体衬底；以及布置在半导体衬底上的具有包括雪崩二极管的多个像素的像素单元，其中，雪崩二极管包括：布置在第一深度中的第一导电类型的第一半导体区域；布置成与第一半导体区域接触的第二半导体区域；相对于第一表面布置在比第一深度深的第二深度中的第三半导体区域；布置成与第三半导体区域接触的第二导电类型的第四半导体区域，该第二导电类型是与第一导电类型相反的导电类型；以及相对于第一表面布置在比第二深度深的第三深度中的第五半导体区域，并且其中，在平面图中，第一半导体区域与第三半导体区域的至少一部分重叠，第二半导体区域与第四半导体区域的至少一部分重叠，并且第三半导体区域和第四半导体区域与第五半导体区域重叠，第三半导体区域的关于第一导电类型的电荷的电位的高度低于第四半导体区域的关于第一导电类型的电荷的电位的高度，并且第一半导体区域的关于第一导电类型的电荷的电位的高度与第三半导体区域的关于第一导电类型的电荷的电位的高度之间的差，大于第二半导体区域的关于第一导电类型的电荷的电位的高度与第四半导体区域的关于第一导电类型的电荷的电位的高度之间的差。2.根据权利要求1所述的光检测装置，其中，在平面图中第一半导体区域与第三半导体区域重叠。3.根据权利要求1或2所述的光检测装置，其中，第三半导体区域是第一导电类型的半导体区域，第三半导体区域的杂质浓度低于第一半导体区域的杂质浓度，其中，第三半导体区域和第四半导体区域形成PN结，并且其中，第三半导体区域的杂质浓度是当向PN结施加反向偏压的电位时使第三半导体区域耗尽的杂质浓度。4.根据权利要求3所述的光检测装置，其中，第三半导体区域的杂质浓度Nd、第四半导体区域的杂质浓度Na、基本电荷q、半导体的介电常数ε、第三半导体区域和第四半导体区域之间的PN结的电位差V、以及由第四半导体区域包围的第三半导体区域的长度D满足式1：5.一种光检测装置，包括：具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的半导体衬底；以及布置在半导体衬底上的具有包括雪崩二极管的多个像素的像素单元，其中，雪崩二极管包括：布置在第一深度中的第一导电类型的第一半导体区域；布置成与第一半导体区域接触的第一导电类型的第二半导体区域；相对于第一表面布置在比第一深度深的第二深度中的第一导电类型的第三半导体区域；布置成与第三半导体区域接触的第二导电类型的第四半导体区域，该第二导电类型是与第一导电类型相反的导电类型；以及相对于第一表面布置在比第二深度深的第三深度中的第五半导体区域，并且其中，在平面图中，第一半导体区域与第三半导体区域的至少一部分重叠，第二半导体区域与第四半导体区域的至少一部分重叠，并且第三半导体区域和第四半导体区域与第五半导体区域重叠，第一半导体区域的杂质浓度为6.0×1018[atms/cm3]以上，第二半导体区域的杂质浓度为1.0×1016[atms/cm3]以上且1.0×1018[atms/cm3]以下，第三半导体区域的杂质浓度为1.0×1017[atms/cm3]以下，并且第四半导体区域的杂质浓度为1.0×1016[atms/cm3]以上。6.根据权利要求1或2所述的光检测装置，其中，第三半导体区域是第二导电类型的半导体区域，第三半导体区域的杂质浓度低于第四半导体区域的杂质浓度，并且其中，第三半导体区域和第一半导体区域形成PN结。7.根据权利要求1所述的光检测装置，其中，第五半导体区域是第一导电类型的半导体区域，第五半导体区域的杂质浓度等于或小于第三半导体区域的杂质浓度。8.根据权利要求1所述的光检测装置，其中，第五半导体区域是第二导电类型的半导体区域，第五半导体区域的杂质浓度...

【专利技术属性】
技术研发人员：森本和浩，篠原真人，
申请(专利权)人：佳能株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP