本发明专利技术涉及具有单光子雪崩二极管和隔离结构的半导体器件。实施例公开了一种成像设备，该成像设备可包括单光子雪崩二极管(SPAD)。为了减轻串扰，可围绕每个SPAD形成隔离结构。该隔离结构可包括部分地或完全地延伸穿过用于SPAD的半导体衬底的前侧深沟槽隔离结构。该隔离结构可包括吸收光子的金属填充物，诸如钨。该隔离结构可包括p型掺杂半导体衬里以减轻暗电流。该隔离结构可包括缓冲层，诸如插置在金属填充物与p型掺杂半导体衬里之间的二氧化硅。该隔离结构可具有渐缩部分，或者可以以两个步骤形成，使得隔离结构具有不同的特性的不同部分。除了金属填充物之外，还可以在该隔离结构中的一些隔离结构中包括附加的填充物，诸如多晶硅或硼磷硅玻璃。诸如多晶硅或硼磷硅玻璃。诸如多晶硅或硼磷硅玻璃。
【技术实现步骤摘要】
具有单光子雪崩二极管和隔离结构的半导体器件
[0001]本专利技术整体涉及成像系统，并且更具体地，涉及包括用于单光子检测的单光子雪崩二极管(SPAD)的成像系统。
技术介绍
[0002]现代电子设备(诸如蜂窝电话、相机和计算机)常常使用数字图像传感器。图像传感器(有时称为成像器)可由二维图像感测像素的阵列形成。每个像素通常包括光敏元件诸如光电二极管，这些光敏元件接收入射光子(入射光)并把光子转变为电信号。
[0003]常规图像传感器可以多种方式受到有限功能的影响。例如，一些常规图像传感器可能无法确定从图像传感器到正在成像的物体的距离。常规图像传感器也可具有低于期望的图像质量和分辨率。
[0004]为了提高对入射光的灵敏度，有时可在成像系统中使用单光子雪崩二极管(SPAD)。单光子雪崩二极管可能够进行单光子检测。
[0005]本文所述的实施方案就是在这种背景下出现的。
附图说明
[0006]图1是根据一个实施方案的示出例示性单光子雪崩二极管像素的电路图。
[0007]图2是根据一个实施方案的例示性硅光电倍增器的图示。
[0008]图3为根据一个实施方案的具有快速输出端子的例示性硅光电倍增器的图示。
[0009]图4为包括微单元阵列的示例性硅光电倍增器的图示。
[0010]图5为根据一个实施方案的包括基于SPAD的半导体器件的例示性成像系统的图示。
[0011]图6是根据一个实施方案的包括具有金属填充物的前侧浅沟槽的示例性基于SPAD的半导体器件的截面侧视图。
[0012]图7是根据一个实施方案的包括具有金属填充物的局部前侧深沟槽的示例性基于SPAD的半导体器件的截面侧视图。
[0013]图8是根据一个实施方案的包括具有金属填充物的局部前侧深沟槽的示例性基于SPAD的半导体器件的截面侧视图，该金属填充物通过单独形成的导电材料电连接到金属接触件。
[0014]图9是根据一个实施方案的包括前侧深沟槽的示例性基于SPAD的半导体器件的截面侧视图，该前侧深沟槽完全延伸穿过半导体衬底、部分地填充有金属并具有渐缩(tapered)部分。
[0015]图10是根据一个实施方案的包括前侧深沟槽的示例性基于SPAD的半导体器件的截面侧视图，该前侧深沟槽完全延伸穿过半导体衬底、局部填充有金属并具有不同宽度的第一部分和第二部分。
[0016]图11是根据一个实施方案的包括前侧深沟槽的示例性基于SPAD的半导体器件的
截面侧视图，该前侧深沟槽完全延伸穿过半导体衬底、局部填充有金属并具有局部填充有附加非金属填充物材料。
具体实施方式
[0017]本技术的实施方案涉及包括单光子雪崩二极管(SPAD)的成像系统。
[0018]一些成像系统包括图像传感器，该图像传感器通过将撞击光子转换成在传感器阵列内的像素光电二极管中积聚的(收集的)电子或空穴来感测光。在完成积聚周期之后，收集到的电荷被转换成电压，该电压被提供给传感器的输出端子。在互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器中，电荷到电压的转换直接在像素本身中完成，并且模拟像素电压通过各种像素寻址和扫描方案被转移到输出端子。模拟像素电压也可随后在片上被转换成数字等同物，并且在数字域中以各种方式进行处理。
[0019]另一方面，在单光子雪崩二极管(SPAD)器件(诸如结合图1至图4所述的器件)中，光子检测原理是不同的。光感测二极管偏置在高于其击穿点，并且当入射光子生成电子或空穴时，该载流子会通过正在生成的附加的载流子启动雪崩击穿。雪崩倍增可产生电流信号，该电流信号能够通过与SPAD相关联的读出电路被容易地检测。能够通过将二极管偏置降低于其击穿点来停止(或淬灭)雪崩过程。因此，每个SPAD可包括用于停止雪崩的被动和/或主动淬灭电路。
[0020]可以通过两种方法来使用此概念。首先，可只是对到达的光子进行计数(例如，在低光度应用中)。其次，SPAD像素可用于测量从同步光源到场景对象点再返回到传感器的光子飞行时间(ToF)，该光子飞行时间可用于获得场景的三维图像。
[0021]图1是示例性SPAD器件202的电路图。如图1所示，SPAD器件202包括与淬灭电路206串联耦接在第一电源电压端子210(例如，接地电源电压端子)和第二电源电压端子208(例如，正电源电压端子)之间的SPAD204。具体地讲，SPAD器件202包括具有连接到电源电压端子210的阳极端子和直接连接到淬灭电路206的阴极端子的SPAD 204。包括与淬灭电阻器206串联连接的SPAD 204的SPAD器件202有时统称为光触发单元或“微小区”。在SPAD器件202的操作期间，电源电压端子208和210可用于将SPAD 204偏置到高于击穿电压的电压(例如，将偏置电压Vbias施加到端子208)。击穿电压是能够施加到SPAD 204的不会导致二极管中的泄漏电流呈指数级增加的最大反向电压。当SPAD 204以这种方式反向偏置在击穿电压之上时，单光子的吸收可通过碰撞电离触发短时间但是相对较大的雪崩电流。
[0022]淬灭电路206(有时称为淬灭元件206)可用于将SPAD 204的偏置电压降低到低于击穿电压的水平。将SPAD 204的偏置电压降低到低于击穿电压将停止雪崩过程和对应的雪崩电流。有多种方法来形成淬灭电路206。淬灭电路206可为被动淬灭电路或主动淬灭电路。一旦雪崩启动，被动淬灭电路无需外部控制或监测即可自动淬灭雪崩电流。例如，图1示出了使用电阻器部件来形成淬灭电路206的示例。这是被动淬灭电路的一个示例。
[0023]被动淬灭电路的这个示例仅仅是示例性的。主动淬灭电路也可用于SPAD器件202中。主动淬灭电路可减少SPAD器件202复位所花费的时间。这可允许SPAD器件202以比使用被动淬灭电路时更快的速率检测入射光，从而改善SPAD器件的动态范围。主动淬灭电路可调节SPAD淬灭电阻。例如，在检测到光子之前，将淬灭电阻设置为较高的值，然后一旦检测到光子并且雪崩淬灭，就将淬灭电阻最小化以减少恢复时间。
[0024]SPAD器件202还可包括读出电路212。有多种方式形成读出电路212以从SPAD器件202获得信息。读出电路212可包括对到达的光子进行计数的脉冲计数电路。另选地或除此之外，读出电路212可包括用于测量光子飞行时间(ToF)的飞行时间电路。光子飞行时间信息可用于执行深度感测。在一个示例中，光子可由模拟计数器计算以形成作为对应像素电压的光强度信号。也可以通过将光子飞行时间转换为电压来获得ToF信号。包括在读出电路212中的模拟脉冲计数电路的示例仅是示例性的。如果需要，读出电路212可包括数字脉冲计数电路。如果需要，读出电路212还可包括放大电路。
[0025]图1中读出电路212耦接到二极管204和淬灭电路206之间的节点的示例仅是例示性的。读出电路212可耦接到端子208或SPAD器件的任何所需部分。在一些情况下，淬灭电路206可被认为与读出电路212本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种半导体器件，包括：衬底；单光子雪崩二极管，所述单光子雪崩二极管形成在所述衬底中；以及位于所述衬底中的前侧深沟槽隔离结构，所述前侧深沟槽隔离结构插置在所述单光子雪崩二极管与相邻单光子雪崩二极管之间，其中所述前侧深沟槽隔离结构包括沟槽中的金属填充物，并且其中所述沟槽具有p型掺杂半导体衬里。2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述前侧深沟槽隔离结构从所述衬底的前表面到所述衬底的后表面完全延伸穿过所述衬底，其中所述金属填充物在所述衬底中具有小于所述衬底的总厚度的深度，其中所述前侧深沟槽隔离结构具有第一宽度的第一部分和不同于所述第一宽度的第二宽度的第二部分，其中所述p型掺杂半导体衬里在所述第一部分中具有第一掺杂浓度并且在所述第二部分中具有不同于所述第一掺杂浓度的第二掺杂浓度，其中所述第一部分与所述衬底的所述后表面相邻，其中所述第二部分与所述衬底的所述前表面相邻，其中所述第一宽度小于所述第二宽度，其中所述第一掺杂浓度小于所述第二掺杂浓度，并且其中所述金属填充物形成在所述第二部分中而不是所述第一部分中。3.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述前侧深沟槽隔离结构从所述衬底的前表面到所述衬底的后表面完全延伸穿过所述衬底，其中所述金属填充物在所述衬底中的深度小于所述衬底的总厚度，其中所述前侧深沟槽隔离结构包括插置在所述金属填充物与所述衬底之间的缓冲层，其中所述沟槽具有与所述衬底的所述前表面相邻的渐缩部分，其中没有金属填充物形成在所述渐缩部分中，并且其中用于形成所述缓冲层的材料形成在所述渐缩部分中。4.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述前侧深沟槽隔离结构从所述衬底的前表面到所述衬底的后表面完全延伸穿过所述衬底，其中所述金属填充物部分地填充所述沟槽,并且其中附加的填充物部分地填充所述沟槽。5.根据权利要求4所述的半导体器件，其中所述金属填充物和所述附加的填充物具有界面，其中所述金属填充物形成于所述衬底的所述前表面与所述界面之间，并且...
【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：半导体元件工业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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