具有護(hù)圈區(qū)域反射結(jié)構(gòu)的背照式圖像傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及光檢測(cè)器，且更具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明針對(duì)包含單光子雪崩二極管成像傳感器的成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器已變得無(wú)所不在。圖像傳感器在數(shù)碼靜態(tài)相機(jī)、蜂窩式電話、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、以及醫(yī)療、汽車及其它應(yīng)用中廣泛使用。用于制造圖像傳感器及(特定來(lái)說(shuō))互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器(CIS)的技術(shù)繼續(xù)大幅進(jìn)步。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)高分辨率和低功率消耗的需求已促使這些圖像傳感器的進(jìn)一步小型化及集成。
[0003]其中大小和圖像質(zhì)量特別重要的兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是醫(yī)療成像和汽車應(yīng)用。對(duì)于這些應(yīng)用，圖像傳感器芯片通常必須提供可見(jiàn)光譜中的高質(zhì)量圖像，并且具有光譜的紅外部分及近紅外部分中的改進(jìn)的靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)方面涉及一種光子檢測(cè)器，其包括:單光子雪崩二極管(SPAD)，其接近第一半導(dǎo)體層的前側(cè)而安置，其中所述SPAD包含在所述第一半導(dǎo)體層中界定在所述SPAD的η摻雜層與ρ摻雜層之間的界面處的倍增結(jié)，其中所述倍增結(jié)經(jīng)反向偏置而高于擊穿電壓，使得被透過(guò)所述第一半導(dǎo)體層的背側(cè)引導(dǎo)到所述SPAD中的光在所述倍增結(jié)中觸發(fā)雪崩倍增過(guò)程；護(hù)圈，其在所述第一半導(dǎo)體層中的護(hù)圈區(qū)域中接近所述SPAD而安置，其中所述護(hù)圈圍繞所述SPAD以在所述第一半導(dǎo)體中隔離所述SPAD ;以及護(hù)圈區(qū)域反射結(jié)構(gòu)，其在所述護(hù)圈區(qū)域中接近所述護(hù)圈且接近所述第一半導(dǎo)體層的所述前側(cè)而安置，使得繞過(guò)所述SPAD被透過(guò)所述第一半導(dǎo)體層的所述背側(cè)引導(dǎo)到所述護(hù)圈區(qū)域中的光被所述護(hù)圈區(qū)域反射結(jié)構(gòu)重新引導(dǎo)回到所述第一半導(dǎo)體層中且引導(dǎo)到所述SPAD中。
[0005]本發(fā)明的實(shí)施例的另一方面涉及一種成像傳感器系統(tǒng)，其包括:像素陣列，其具有安置在第一半導(dǎo)體層中的多個(gè)像素單元，其中所述多個(gè)像素單元中的每一者包含:單光子雪崩二極管(SPAD)，其接近第一半導(dǎo)體層的前側(cè)而安置，其中所述SPAD包含在所述第一半導(dǎo)體層中界定在所述SPAD的η摻雜層與ρ摻雜層之間的界面處的倍增結(jié)，其中所述倍增結(jié)經(jīng)反向偏置而高于擊穿電壓，使得被透過(guò)所述第一半導(dǎo)體層的背側(cè)引導(dǎo)到所述SPAD中的光在所述倍增結(jié)中觸發(fā)雪崩倍增過(guò)程；護(hù)圈，其在所述第一半導(dǎo)體層中的護(hù)圈區(qū)域中接近所述SPAD而安置，其中所述護(hù)圈圍繞所述SPAD以在所述第一半導(dǎo)體層中隔離所述SPAD ;以及護(hù)圈區(qū)域反射結(jié)構(gòu)，其在所述護(hù)圈區(qū)域中接近所述護(hù)圈且接近所述第一半導(dǎo)體層的所述前側(cè)而安置，使得繞過(guò)所述SPAD被透過(guò)所述第一半導(dǎo)體層的所述背側(cè)引導(dǎo)到所述護(hù)圈區(qū)域中的光被所述護(hù)圈區(qū)域反射結(jié)構(gòu)重新引導(dǎo)回到所述第一半導(dǎo)體層中且引導(dǎo)到所述SPAD中；控制電路，其耦合到所述像素陣列以控制所述像素陣列的操作；以及讀出電路，其耦合到所述像素陣列以從所述多個(gè)像素單元讀出圖像數(shù)據(jù)。
【附圖說(shuō)明】
[0006]參看以下圖式描述本發(fā)明的非限制性且非詳盡的實(shí)施例，圖式中除非另有說(shuō)明，否則在各個(gè)視圖中相同參考數(shù)字均指代相同部件。
[0007]圖1是根據(jù)本發(fā)明的教示的實(shí)例單光子雪崩二極管(SPAD)成像傳感器系統(tǒng)的具有集成電路裸片的堆疊半導(dǎo)體裝置晶片的一個(gè)實(shí)例的分解圖。
[0008]圖2是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的教示的堆疊芯片系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例的電路圖，堆疊芯片系統(tǒng)包含光子檢測(cè)器和計(jì)數(shù)器電路，所述光子檢測(cè)器具有耦合到淬熄元件的SPAD。
[0009]圖3是根據(jù)本發(fā)明的教示的在堆疊芯片系統(tǒng)的半導(dǎo)體裝置晶片中實(shí)施的光子檢測(cè)器的一個(gè)實(shí)例的橫截面圖，所述堆疊芯片系統(tǒng)包含由護(hù)圈圍繞的SPAD以及包含在半導(dǎo)體的金屬層中的實(shí)例護(hù)圈區(qū)域反射結(jié)構(gòu)加上實(shí)例SPAD區(qū)域反射結(jié)構(gòu)。
[0010]圖4是根據(jù)本發(fā)明的教示的包含在堆疊芯片系統(tǒng)的半導(dǎo)體裝置晶片的金屬層中的護(hù)圈區(qū)域反射結(jié)構(gòu)加上實(shí)例SPAD區(qū)域反射結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例的仰視圖/俯視圖。
[0011]圖5是展示具有根據(jù)本發(fā)明的教示的具有實(shí)例SPAD成像傳感器系統(tǒng)的集成電路系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例的框圖。
[0012]貫穿圖式的數(shù)個(gè)視圖，對(duì)應(yīng)參考符號(hào)指示對(duì)應(yīng)組件。技術(shù)人員將理解，為了簡(jiǎn)明清晰而說(shuō)明圖中的元件，且所述元件不一定按比例繪制。舉例來(lái)說(shuō)，圖中的一些元件的尺寸可能相對(duì)于其它元件有所夸示，以幫助提改進(jìn)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的理解。而且，未描繪對(duì)于在商業(yè)上可行的實(shí)施例中有用或必需的常見(jiàn)但好理解的元件以促進(jìn)對(duì)本發(fā)明的這些各種實(shí)施例的較少阻礙的查看。
【具體實(shí)施方式】
[0013]在以下描述中，陳述許多特定細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明的徹底了解。然而，對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將顯而易見(jiàn)的是，不需要使用特定細(xì)節(jié)以實(shí)踐本發(fā)明。在其它例子中，未詳細(xì)描述眾所周知的材料或方法以避免使本發(fā)明模糊不清。
[0014]貫穿本說(shuō)明書對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”、“一實(shí)施例”、“一個(gè)實(shí)例”或“一實(shí)例”的引用意味著結(jié)合所述實(shí)施例或?qū)嵗枋龅奶囟ㄌ卣?、結(jié)構(gòu)或特性包含在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，貫穿本說(shuō)明書的各處出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”、“在一實(shí)施例中”、“一個(gè)實(shí)例”或“一實(shí)例”不一定全部指代相同的實(shí)施例或?qū)嵗?。此外，在一或多個(gè)實(shí)施例或?qū)嵗?，特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以任何適宜的組合及/或子組合進(jìn)行組合。特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可包含在集成電路、電子電路、組合邏輯電路中，或提供所描述功能性的其它適宜組件中。另外，應(yīng)了解，在此提供的圖式是出于向所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員進(jìn)行解釋的目的，且所述圖式不一定按比例繪制。
[0015]在典型的圖像傳感器中，入射紅外或近紅外光的顯著部分可傳播通過(guò)圖像傳感器的半導(dǎo)體材料(例如，硅)而不被吸收。為幫助增大被吸收的紅外或近紅外光的量，通常需要較厚的硅。然而，存在折衷選擇，這是因?yàn)榈湫偷膱D像傳感器的半導(dǎo)體材料通常被薄化以便提高可見(jiàn)光性能，這使圖像傳感器的紅外或近紅外性能降級(jí)。具有包含單光子雪崩二極管(SPAD)的光子檢測(cè)器的背照式所面臨的額外挑戰(zhàn)是:歸因于圍繞SPAD的護(hù)圈占據(jù)成像傳感器的半導(dǎo)體層中的可用面積中的一些，SPAD成像系統(tǒng)的填充因數(shù)不是100%。護(hù)圈區(qū)域不如SPAD的高場(chǎng)p/n+結(jié)對(duì)光敏感且具有比SPAD的高場(chǎng)p/n+結(jié)更差的時(shí)序分辨率。
[0016]因此，如下文將描述，根據(jù)本發(fā)明的教示，根據(jù)本發(fā)明的教示的實(shí)例堆疊芯片成像傳感器系統(tǒng)以具有護(hù)圈區(qū)域反射結(jié)構(gòu)的背照式SPAD為特征，護(hù)圈區(qū)域反射結(jié)構(gòu)在護(hù)圈區(qū)域和金屬層中接近在半導(dǎo)體層的前側(cè)圍繞SPAD的護(hù)圈而安置，使得繞過(guò)SPAD被透過(guò)半導(dǎo)體層的背側(cè)引導(dǎo)到護(hù)圈區(qū)域中的光被護(hù)圈區(qū)域反射結(jié)構(gòu)重新引導(dǎo)回到半導(dǎo)體層中且引導(dǎo)到SPAD中由SPAD進(jìn)行吸收。
[0017]為進(jìn)行說(shuō)明，圖1是堆疊裝置晶片100和100’的分解圖，裝置晶片100和100’結(jié)合在一起以形成根據(jù)本發(fā)明的教示的堆疊芯片集成電路成像傳感器系統(tǒng)102的一個(gè)實(shí)例。裝置晶片100和100’可包含硅、砷化鎵或其它合適半導(dǎo)體材料。在所說(shuō)明的實(shí)例中，裝置晶片100包含半導(dǎo)體芯片111到119，而裝置晶片100