堆叠式背面照明SPAD阵列制造技术

本发明专利技术公开了背照式单光子雪崩二极管SPAD图像传感器，其包括垂直堆叠在电路晶圆上方的传感器晶圆。传感器晶圆包括一个或多个SPAD区域，其中每个SPAD区域(400)包括阳极梯度层(402)、定位成与SPAD区域的前表面相邻的阴极区域(404)、以及定位在阴极区域之上的阳极雪崩层(408)。每个SPAD区域通过晶圆间连接器连接到电路晶圆中的电压源和输出电路。深沟槽隔离元件424用于在SPAD区域之间提供电隔离和光隔离。

Stacked backlighting SPAD array

The invention discloses a backlit single photon avalanche diode SPAD image sensor, which comprises a sensor wafer vertically stacked above a circuit wafer. The sensor wafer includes one or more SPAD regions, where each SPAD region (400) includes an anode gradient layer (402), a cathode region (404) positioned adjacent to the front surface of the SPAD region, and an anode avalanche layer (408) positioned above the cathode region. Each SPAD region is connected to the voltage source and output circuit in the circuit wafer through an inter-wafer connector. Deep groove isolator 424 is used to provide electrical and optical isolation between SPAD regions.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】堆叠式背面照明SPAD阵列相关申请的交叉引用本专利合作条约专利申请要求2016年9月23日提交的名称为“Back-IlluminatedSPADImageSensor”(背照式SPAD图像传感器)的美国临时专利申请62/398,712以及2016年9月23日提交的名称为“Back-IlluminatedSPADImageSensor”(背照式SPAD图像传感器)的美国临时专利申请62/398,709的优先权，这两个申请的内容据此全文以引用方式并入。
所述实施方案整体涉及单光子雪崩二极管SPAD图像传感器。
技术介绍
图像传感器用于各种电子设备中，诸如数码相机、蜂窝电话、复印机、医学成像设备、安全系统以及飞行时间相机。图像传感器通常包括检测或响应入射光的光电探测器阵列。可用于图像传感器的一种光电探测器类型是单光子雪崩二极管SPAD区域。SPAD区域为光敏区，它被配置为检测低水平的光(最低为单个光子)并且发信号通知光子的到达时间。单片集成的SPAD图像传感器通常包括SPAD区域的阵列和用于SPAD区域的电路。然而，可以限制该阵列的填充系数，因为用于SPAD区域的电路在半导体晶圆上消耗空间。此外，在单片集成的SPAD图像传感器的构造过程中，可能难以防止半导体晶圆的污染。金属和其他污染物可能会不利地影响SPAD图像传感器的性能，诸如通过增加SPAD图像传感器中的噪声。在一些实例中，可以在光子检测效率和SPAD区域的定时响应之间进行权衡。较厚的半导体晶圆可提高SPAD区域的光子检测效率，但较厚的半导体晶圆可能会降低SPAD区域的定时分辨率或响应时间，因为电荷载子必须穿过较厚的半导体晶圆传播。此外，较厚的半导体晶圆可导致较高的击穿电压，这增加了SPAD图像传感器在Geiger模式下操作时的SPAD图像传感器的功率消耗。
技术实现思路
在一个方面，背照式单光子雪崩二极管SPAD图像传感器包括传感器晶圆和定位在传感器晶圆下方并附接到传感器晶圆的电路晶圆。传感器晶圆包括SPAD区域，该SPAD区域包括阳极区域(包括第一掺杂物类型)和阴极区域(包括第二掺杂物类型)，并且定位到相邻于SPAD区域的前表面。阳极区域包括阳极梯度层和阳极雪崩层，阳极雪崩层包括第一掺杂物类型并定位在阴极区域上方。为了减少边缘击穿，阴极区域具有第一区域，阳极雪崩层具有小于第一区域的第二区域。阳极梯度层中的第一掺杂物类型的掺杂物浓度在阳极梯度层的后表面较高，并且在阳极梯度层的前表面较低，以在阳极梯度层中产生掺杂物浓度梯度。掺杂物浓度梯度可引导光子生成的电荷载子穿过阳极梯度层至阳极雪崩层。背照式SPAD传感器可包括相邻于SPAD区域的深沟槽隔离区域。在另一个方面，公开了包括背照式单光子雪崩二极管SPAD图像传感器的电子设备。SPAD图像传感器包括传感器晶圆和附接到传感器晶圆的前表面的电路晶圆。传感器晶圆包括第一SPAD区域和相邻于第一SPAD区域的第二SPAD区域。第一SPAD区域和第二SPAD区域各自包括：包括第一掺杂物的阳极梯度层；相邻于阳极梯度层的前表面并且包括第二掺杂物的阴极区域；以及定位在阴极区域上方并且包括第一掺杂物的阳极雪崩层。传感器层还包括定位在第一SPAD区域和第二SPAD区域之间的深沟槽隔离区域，并且从传感器晶圆的后表面延伸。电子设备还包括可操作地连接到背照式SPAD图像传感器的处理设备。处理设备可被配置为接收来自背照式SPAD图像传感器的输出信号。在另外的实施方案中，深沟槽隔离区域定位在第一SPAD区域和第二SPAD区域之间。深沟槽隔离区域延伸穿过传感器晶圆的后表面，光罩定位在深沟槽隔离区域上方。处理设备被配置为接收来自背照式SPAD图像传感器的输出信号并基于输出信号确定飞行时间数据。在另一个方面，电子设备包括可操作地耦接到处理设备的背照式单光子雪崩二极管SPAD图像传感器。SPAD图像传感器继而包括传感器晶圆和堆叠在传感器晶圆下方的电路晶圆。传感器晶圆包括通过深沟槽隔离区域分隔的SPAD区域的阵列。每个SPAD区域包括：包括第一掺杂物类型的阳极梯度层；定位到相邻于SPAD区域的前表面并且包括第二掺杂物类型的阴极区域；以及定位在阴极区域上方并且包括第一掺杂物类型的阳极雪崩层。阳极梯度层中的第一掺杂物类型在掺杂物浓度梯度中被配置，其中与相邻于阳极梯度层的前表面的掺杂物浓度相比，相邻于阳极梯度层的后表面的掺杂物浓度更高。掺杂物浓度梯度将光子生成的电荷载子引导至阳极雪崩层。为了减少边缘击穿，阴极区域具有第一区域，阳极雪崩层具有小于第一区域的第二区域。深沟槽隔离区域相邻于SPAD区域阵列中的每个SPAD区域，并且光罩定位在深沟槽隔离区域上方。深沟槽隔离区域和光罩可减少或抑制SPAD区域之间的光串扰和电串扰。深沟槽隔离区域可包括导电材料，或可包括低折射率材料和高折射率材料的交替层。附图说明本公开通过下面结合附图的具体描述将更易于理解，其中类似的附图标记表示类似的结构元件。图1示出了包括一个或多个SPAD图像传感器的系统的一个示例。图2描绘了图1中所示的检测器的一个示例的横截面视图。图3A示出了背照式SPAD图像传感器的一个示例的横截面视图。图3B示出了图3A的示例背照式SPAD图像传感器的变型的横截面视图。图3C示出了可用于图3A-图3B的实施方案的示例淬火/充电和输出电路的电路图。图4A描绘了适合在图3A-图3B中所示的SPAD图像传感器中使用的SPAD区域的第一示例。图4B描绘了图4A的示例SPAD区域的进一步细节。图4C是图4B中所示的跨SPAD区域的光子检测效率的表示图。图4D描绘了适合在图3A-图3B中所示的SPAD图像传感器中使用的具有深沟槽隔离区域的SPAD区域的第二示例。图5示出了适合在图3A-图3B中所示的SPAD图像传感器中使用的具有防护环层的SPAD区域的第三示例。图6描绘了图5的示例中雪崩区域边缘周围的电场的示例图，其中分别具有和没有防护环层。图7示出了传感器晶圆中SPAD区域阵列的示例布局。图8描绘了包括一个或多个背照式SPAD图像传感器的电子设备的框图。附图中的交叉阴影线或阴影的用途通常被提供以阐明相邻元件之间的边界并且还有利于附图的易读性。因此，存在或不存在无交叉阴影线或阴影均不表示或指示对特定材料、材料属性、元件比例、元件尺寸、类似图示元件的共同性或在附图中所示的任何元件的任何其他特性、性质或属性的任何偏好或要求。此外，应当理解，各个特征部和元件(以及其集合和分组)的比例和尺寸(相对的或绝对的)以及其间呈现的界限、间距和位置关系在附图中被提供，以仅用于促进对本文所述的各个实施方案的理解，并因此可不必要地被呈现或示出以进行缩放并且并非旨在指示对所示的实施方案的任何偏好或要求，以排除结合其所述的实施方案。具体实施方式现在将具体地参考在附图中示出的代表性实施方案。应当理解，以下描述不旨在将实施方案限制于一个优选实施方案。相反，其旨在涵盖可被包括在由所附权利要求书限定的所述实施方案的实质和范围内的另选形式、修改形式和等同形式。以下公开涉及背照式单光子雪崩二极管SPAD图像传感器。SPAD图像传感器包括传感器晶圆和附接到或粘结到传感器晶圆的前表面的独立电路晶圆。传感器晶圆包括一个或多个SPAD区域。每个SPA本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种背照式单光子雪崩二极管SPAD图像传感器，包括：传感器晶圆，所述传感器晶圆包括：SPAD区域，所述SPAD区域包括：阳极梯度层，所述阳极梯度层包含第一掺杂物类型；阴极区域，所述阴极区域定位成与所述SPAD区域的前表面相邻并包含第二掺杂物类型；和阳极雪崩层，所述阳极雪崩层定位在所述阴极区域之上并包含所述第一掺杂物类型；其中：所述阴极区域具有第一面积，并且所述阳极雪崩层具有小于所述第一面积的第二面积；并且所述阳极梯度层中的所述第一掺杂物类型的掺杂物浓度在所述传感器晶圆的后表面较高并在所述阳极梯度层的前表面较低，以在所述阳极梯度层中产生掺杂物浓度梯度，所述掺杂物浓度梯度引导光子生成的电荷载子穿过所述阳极梯度层到达所述阳极雪崩层；和电路晶圆，所述电路晶圆定位在所述传感器晶圆下方并附接到所述传感器晶圆。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.23 US 62/398,709;2016.09.23 US 62/398,7121.一种背照式单光子雪崩二极管SPAD图像传感器，包括：传感器晶圆，所述传感器晶圆包括：SPAD区域，所述SPAD区域包括：阳极梯度层，所述阳极梯度层包含第一掺杂物类型；阴极区域，所述阴极区域定位成与所述SPAD区域的前表面相邻并包含第二掺杂物类型；和阳极雪崩层，所述阳极雪崩层定位在所述阴极区域之上并包含所述第一掺杂物类型；其中：所述阴极区域具有第一面积，并且所述阳极雪崩层具有小于所述第一面积的第二面积；并且所述阳极梯度层中的所述第一掺杂物类型的掺杂物浓度在所述传感器晶圆的后表面较高并在所述阳极梯度层的前表面较低，以在所述阳极梯度层中产生掺杂物浓度梯度，所述掺杂物浓度梯度引导光子生成的电荷载子穿过所述阳极梯度层到达所述阳极雪崩层；和电路晶圆，所述电路晶圆定位在所述传感器晶圆下方并附接到所述传感器晶圆。2.根据权利要求1所述的背照式SPAD图像传感器，其中所述电路晶圆包括：电压源，所述电压源通过第一晶圆间连接器耦接到所述SPAD区域；和输出电路，所述输出电路通过第二晶圆间连接器耦接到所述阴极区域；其中所述电压源被配置为向所述SPAD区域供应高电压以在所述阴极区域和所述阳极梯度层上提供反向偏压。3.根据权利要求2所述的背照式SPAD图像传感器，还包括与所述SPAD区域相邻的深沟槽隔离区域，所述深沟槽隔离区域从所述SPAD区域的所述前表面延伸到并穿过所述传感器晶圆的所述后表面。4.根据权利要求3所述的背照式SPAD图像传感器，还包括钉扎层，所述钉扎层包含所述第一掺杂物类型并沿所述深沟槽隔离区域的外表面从所述传感器晶圆的所述后表面延伸至所述SPAD区域的所述前表面，所述钉扎层连接到所述第一晶圆间连接器。5.根据权利要求4所述的背照式SPAD图像传感器，其中所述电压源被配置为通过所述第一晶圆间连接器向所述钉扎层提供隔离电压。6.根据权利要求5所述的背照式SPAD图像传感器，还包括掺杂阱，所述掺杂阱在所述SPAD区域的所述前表面处与所述深沟槽隔离区域的所述外表面相邻并包含所述第一掺杂物类型，所述掺杂阱连接到所述钉扎层并连接到所述第一晶圆间连接器。7.根据权利要求6所述的背照式SPAD图像传感器，其中所述电压源被配置为通过所述第一晶圆间连接器向所述掺杂阱提供隔离电压。8.根据权利要求6所述的背照式SPAD图像传感器，还包括扩散区域，所述扩散区域与所述深沟槽隔离区域的外表面和所述SPAD区域的所述前表面相邻并包含所述第一掺杂物类型，所述扩散区域连接到所述掺杂阱。9.根据权利要求3所述的背照式SPAD图像传感器，还包括在所述深沟槽隔离区域之上设置在所述传感器晶圆的所述后表面上的光罩。10.根据权利要求1所述的背照式SPAD图像传感器，其中横向罩在所述SPAD区域的至少一部分下方横向延伸以将光子反射回所述SPAD区域。11.根据权利要求1所述的背照式SPAD图像传感器，其中所述阳极雪崩层具有掺杂水平，使得所述阳极雪崩层在与所述阴极区域的结处的击穿电压之前的施加的反向偏压电压下耗尽电荷载子。12.一种电子设备，包括：背照式单光子雪崩二极管SPAD图像传感器，所述背照式单光子雪崩二极管SPAD图像传感器包括：传感器晶圆，所述传感器晶圆包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：万代新悟，C·L·尼克拉斯，N·卡拉萨瓦，范晓峰，A·拉弗莱奎尔，G·A·阿格拉诺弗，
申请(专利权)人：苹果公司，
类型：发明
国别省市：美国,US