单光子雪崩二极管图像传感器以及相关制造方法技术

本发明专利技术实施例揭露一种单光子雪崩二极管SPAD图像传感器以及相关制造方法。所述SPAD图像传感器包含：衬底，其具有第一导电类型，所述衬底具有前表面及后表面；深沟槽隔离DTI，其从所述衬底的所述前表面朝向所述后表面延伸，所述DTI具有第一表面及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面与所述衬底的所述前表面齐平；外延层，其具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型，所述外延层包围所述DTI的侧壁及所述第二表面；及注入区，其具有所述第一导电类型，所述注入区从所述衬底的所述前表面延伸到所述后表面。还揭露一种用于制造所述SPAD图像传感器的相关方法。

【技术实现步骤摘要】
单光子雪崩二极管图像传感器以及相关制造方法
本专利技术实施例涉及单光子雪崩二极管图像传感器以及相关制造方法。
技术介绍
数字相机及光学成像装置采用图像传感器。图像传感器将光学图像转换为数字数据，数字数据可表示为数字图像。图像传感器通常包含像素传感器阵列，其等是用于将光学图像转换为电讯号的单元装置。像素传感器通常显现为电荷耦合装置(CCD)或互补式金属氧化物半导体(CMOS)装置。雪崩光电二极管(APD)是与传统CMOS装置相容的固态装置。当反向偏压的p-n接面接收额外载子(例如由入射辐射产生的载子)时，可触发雪崩过程。举例来说，为了检测具有低强度的辐射，p-n接面经加偏压而高于其雪崩电压，借此容许单光生载子触发可检测的雪崩电流。在此模式中操作的图像传感器被称为单光子雪崩二极管(SPAD)图像传感器，或盖格(Geiger)模式雪崩光电二极管或G-APD。
技术实现思路
本专利技术的实施例涉及一种单光子雪崩二极管(SPAD)图像传感器，其包括：衬底，其具有第一导电类型，所述衬底具有前表面及后表面；深沟槽隔离(DTI)，其从所述衬底的所述前表面朝向所述后表面延伸，所述DTI具有第一表面及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面与所述衬底的所述前表面齐平；外延层，其具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型，所述外延层包围所述DTI的侧壁及所述第二表面；及注入区，其具有所述第一导电类型，其从所述衬底的所述前表面延伸到所述后表面。本专利技术的实施例涉及一种单光子雪崩二极管(SPAD)图像传感器，其包括：第一外延层，其具有第一导电类型，所述第一外延层具有前表面及后表面；第二外延层，其具有所述第一导电类型，所述第二外延层具有前表面及后表面，所述第二外延层形成于所述第一外延层上方，其中所述第二外延层的所述前表面面向所述第一外延层的所述后表面，所述第一外延层的所述第一导电类型的掺杂物浓度高于所述第二外延层的所述第一导电类型的掺杂物浓度；深沟槽隔离(DTI)，其从所述第一外延层的所述前表面朝向所述第二外延层的所述后表面延伸，所述DTI具有第一表面及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面与所述第一外延层的所述前表面齐平；及外延层，其具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型，所述外延层包围所述DTI的侧壁及所述第二表面。本专利技术的实施例涉及一种制造单光子雪崩二极管(SPAD)图像传感器的方法，其包括：提供第一导电类型的衬底，所述衬底具有前表面及后表面；在所述衬底的所述前表面处形成凹槽；在所述凹槽的暴露侧壁及底部上形成与所述第一导电类型相反的第二导电类型的外延层；使用介电材料填充所述凹槽；及执行离子注入以形成所述第一导电类型的注入区。附图说明当结合附图阅读时从以下详细描述最佳理解本揭露实施例的方面。应注意，根据业界中的标准实践，各种构件未按比例绘制。事实上，为了清楚论述起见，可任意增大或减小各种构件的尺寸。图1是绘示根据本揭露的第一实施例的包含接合在一起的CMOS(互补式金属氧化物半导体)芯片及成像芯片的SPAD图像传感器的剖面图的图式；图2是绘示沿着图1的线1-1截取的SPAD图像传感器的剖面图的图式；图3是绘示根据本揭露的第二实施例的包含接合在一起的CMOS芯片及成像芯片的SPAD图像传感器的剖面图的图式；图4是绘示根据本揭露的第三实施例的包含接合在一起的CMOS芯片及成像芯片的SPAD图像传感器的剖面图的图式；图5是绘示根据本揭露的第四实施例的包含CMOS芯片的SPAD图像传感器的剖面图的图式；图6是绘示根据本揭露的第五实施例的包含接合在一起的CMOS芯片及成像芯片的SPAD图像传感器的剖面图的图式；图7是绘示沿着图6的线6-6截取的SPAD图像传感器的剖面图的图式；图8到15是绘示根据本揭露的优选实施例的在制造的各个阶段的图1的SPAD图像传感器的局部剖面图的图式；及图16到20是绘示根据本揭露的优选实施例的在制造的各个阶段的图6的SPAD图像传感器的局部剖面图的图式。具体实施方式以下揭露内容提供用于实施本揭露实施例的不同特征的许多不同实施例或实例。下文描述组件及布置的特定实例以简化本揭露实施例。当然，此些仅为实例且不旨在限制。举例来说，在下列描述中的第一构件形成于第二构件上方或上可包含其中所述第一构件及所述第二构件经形成直接接触的实施例，且也可包含其中额外构件可形成在所述第一构件与所述第二构件之间，使得所述第一构件及所述第二构件可不直接接触的实施例。另外，本揭露实施例可在各种实例中重复元件符号及/或字母。此重复出于简化及清楚的目的，且本身不指示所论述的各项实施例及/或配置之间的关系。此外，为便于描述，可在本文中使用例如“在……下面”、“在……下方”、“下”、“在……上方”、“上”及类似者的空间相对术语来描述一个元件或构件与另一(些)元件或构件的关系，如图中绘示。空间相对术语旨在涵盖除在图中描绘的定向以外的使用或操作中的装置的不同定向。设备可以其它方式经定向(旋转90度或按其它定向)且本文中使用的空间相对描述符同样可相应地解释。尽管阐述本揭露实施例的广范围的数值范围及参数是近似值，但尽可能精确地报告在具体实例中阐述的数值。然而，任何数值固有地含有必然源自在各自测试测量中发现的标准偏差的某些误差。而且，如本文中使用，术语“约”通常意谓在给定值或范围的10％、5％、1％或0.5％内。替代地，术语“约”意谓在由一般技术者考量时在平均值的可接受标准误差内。除了在操作/工作实例中之外，或除非另外明确指定，否则全部数值范围、量、值及百分比(例如针对材料数量、持续时间、温度、操作条件、量的比率及本文中公开的其类似者的数值范围、量、值及百分比)应理解为在全部例项中由术语“约”修饰。因此，除非相反地指示，否则本揭露实施例及随附专利技术权利要求书中阐述的数值参数是可视需要变动的近似值。至少，各数值参数应至少依据所报告有效数字的数目且通过应用普通舍入技术而理解。可在本文中将范围表达为从一个端点到另一端点或在两个端点之间。除非另外指定，否则本文中公开的全部范围都包含端点。SPAD(单光子雪崩二极管)图像传感器可检测具有非常低的强度的入射辐射(例如，单光子)。SPAD图像传感器包含布置成阵列的多个SPAD单元。SPAD单元分别包含p-n接面、灭弧电路及读取电路。p-n接面在远高于其雪崩电压的反向偏压下操作。在操作期间，光生载子移动到p-n接面的空乏区(即，倍增区)且触发雪崩效应使得可检测讯号电流。使用灭弧电路来切断雪崩效应且复位SPAD单元。读取电路接收且传输讯号电流。现有平面SPAD图像传感器经配置以包含防护环。防护环消耗大面积且因此限制填充因数、特性化光电二极管面积对总像素面积的比率的参数。而且，减小总像素面积的整个面积难以达成。另外，取决于入射光的波长，可在平面SPAD图像传感器中通过不同深度吸收入射光，且所产生的电子需要额外时间来扩散到平面SPAD中的空乏区。额外时间不可预测且引发时序抖动。本揭露实施例涉及改进现有SPAD图像传感器的光谱响应、检测效率及时序抖动。本揭露实施例涉及一种具有垂直p-n接面结构的SPAD图像传感器。相较于具有水平p-n接面结构的现有平面SPAD图像传感器，可在SPAD图像传感器的不同深度处获得均匀电场。本SPAD本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单光子雪崩二极管SPAD图像传感器，其包括：衬底，其具有第一导电类型，所述衬底具有前表面及后表面；深沟槽隔离DTI，其从所述衬底的所述前表面朝向所述后表面延伸，所述DTI具有第一表面及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面与所述衬底的所述前表面齐平；外延层，其具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型，所述外延层包围所述DTI的侧壁及所述第二表面；及注入区，其具有所述第一导电类型，其从所述衬底的所述前表面延伸到所述后表面。

【技术特征摘要】
2017.10.31 US 62/579,535;2018.01.17 US 15/873,2891.一种单光子雪崩二极管SPAD图像传感器，其包括：衬底，其具有第一导电类型，所述衬底具有前表面及后表面；深沟槽隔离DTI，其从所述衬底的所述前表面朝向所述后表面延伸，所述DTI具有第一表面及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面与所述衬底的所述前表面齐平；外延层，其具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型，所述外延层包围所述DTI的侧壁及所述第二表面；及注入区，其具有所述第一导电类型，其从所述衬底的所述前表面延伸到所述后表面。2.根据权利要求1所述的SPAD图像传感器，其中所述衬底包含在所述前表面处的第一层及在所述后表面处的第二层，且所述第一层的所述第一导电类型的掺杂物浓度高于所述第二层的所述第一导电类型的掺杂物浓度。3.根据权利要求2所述的SPAD图像传感器，其中所述DTI从所述第一层延伸到所述第二层，且所述DTI在到达所述后表面之前停止。4.根据权利要求3所述的SPAD图像传感器，其中所述外延层包含分别在所述第一层及所述第二层中的第一部分及第二部分，且所述第一部分的所述第二导电类型的掺杂物浓度大体上均匀，且所述第二部分的所述第二导电类型的掺杂物浓度从所述第一部分与所述第二部分之间的界面朝向所述DTI的所述第二表面降低。5.根据权利要求1所述的SPAD图像传感器，其进一步包括毗连所述外延层及所述衬底的所述前表面的所述第二导电类型的重度掺杂区。6.根据权利要求1所述的SP...

【专利技术属性】
技术研发人员：王子睿，施俊吉，山下雄一郎，黄国钦，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71