CN109585468B - 单光子雪崩二极管spad图像传感器以及相关制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开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，其具有前表面及后表面；沟槽隔离，其在所述衬底中，所述沟槽隔离从所述衬底的所述前表面朝向所述衬底的所述后表面延伸，所述沟槽隔离具有第一表面及与所述第一表面对置的第二表面，所述第一表面与所述衬底的所述前表面共面，所述第二表面与所述衬底的所述后表面相距大于0的距离；其中所述衬底包含：第一层，其掺杂有第一导电类型的掺杂物，所述第一层从所述衬底的所述后表面朝向所述沟槽隔离延伸且横向围绕所述沟槽隔离的侧壁的至少一部分。

Description

单光子雪崩二极管SPAD图像传感器以及相关制造方法
技术领域
本发明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。
背景技术
数码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，其是用于将光学图像转换为电信号的单元装置。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。
发明内容
本发明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，其具有前表面及后表面；沟槽隔离，其在所述衬底中，所述沟槽隔离从所述衬底的所述前表面朝向所述衬底的所述后表面延伸，所述沟槽隔离具有第一表面及与所述第一表面对置的第二表面，所述第一表面与所述衬底的所述前表面共面，所述第二表面与所述衬底的所述后表面相距大于0的距离；其中所述衬底包含：第一层，其掺杂有第一导电类型的掺杂物，所述第一层从所述衬底的所述后表面朝向所述沟槽隔离延伸且横向围绕所述沟槽隔离的侧壁的至少一部分；感测节点，其重度掺杂有与所述第一导电类型相反的第二导电类型的掺杂物，所述感测节点是在所述衬底内且毗连所述衬底的所述前表面；及共同节点，其重度掺杂有所述第一导电类型的掺杂物，所述共同节点介于所述沟槽隔离的所述第二表面与所述衬底的所述后表面之间。
本发明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，其具有前表面及后表面，所述衬底包含：第一层，其掺杂有第一导电类型的掺杂物，所述第一层毗连所述衬底的所述后表面；第二层，其掺杂有与所述第一导电类型相反的第二导电类型的掺杂物，所述第二层毗连所述衬底的所述前表面；第三层，其掺杂有所述第一导电类型的掺杂物，所述第三层是在所述第一层内且毗连所述第二层；感测节点，其掺杂有所述第二导电类型的掺杂物，所述感测节点是在所述第二层内；及共同节点，其掺杂有所述第一导电类型的掺杂物，所述共同节点是在所述第一层内且相对于垂直于所述衬底的所述前表面的第二方向的第一方向与所述第二层相距大于0的距离，且所述第三层相对于所述第一方向介于所述感测节点与所述共同节点之间。
本发明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：像素阵列，其布置于衬底中，所述衬底具有前表面及后表面，且各像素包含：第一层，其掺杂有第一导电类型的掺杂物，所述第一层是在所述衬底内且毗连所述衬底的所述后表面；第二层，其掺杂有与所述第一导电类型相反的第二导电类型的掺杂物，所述第二层是在所述衬底内且介于所述衬底的所述前表面与所述第一层之间；第三层，其掺杂有所述第一导电类型的掺杂物，所述第三层是在所述第一层内且毗连所述第二层；感测节点，其掺杂有所述第二导电类型的掺杂物，所述感测节点是在所述第二层内；及共同节点，其掺杂有所述第一导电类型的掺杂物，所述共同节点是在所述第一层内且相对于垂直于所述衬底的所述前表面的第二方向的第一方向与所述第二层相距一距离，且所述第三层在所述第一方向上介于所述感测节点与所述共同节点之间；及隔离器，其在对应于所述像素阵列的邻近像素的邻近共同节点之间。
附图说明
当结合附图阅读时从以下详细描述最佳理解本公开实施例的方面。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是绘示根据本公开的第一实施例的包含接合在一起的互补式金属氧化物半导体(CMOS)芯片及成像芯片的SPAD图像传感器的剖面图的图式；
图2是绘示根据本公开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3是绘示根据本公开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4是绘示根据本公开的第四实施例的包含成像芯片的SPAD图像传感器的剖面图的图式；及
图5到图11是绘示根据本公开的优选实施例的在制造的各个阶段的SPAD图像传感器的片段剖面图的图式。
具体实施方式
以下公开内容提供用于实施本公开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公开实施例。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，且还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，本公开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。
尽管阐述本公开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”意谓在由一般技术人员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，否则本公开实施例及随附发明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。
单光子雪崩二极管(SPAD)图像传感器可检测具有非常低强度的入射辐射(例如，单光子)。SPAD图像传感器包含布置成阵列的多个SPAD胞元。SPAD胞元分别包含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信号电流。使用灭弧电路来切断雪崩效应且复位SPAD胞元。读取电路接收且发射信号电流。
现有平面SPAD图像传感器经配置以包含在感测节点与共同节点之间的防护环。在无防护环来松弛在感测节点与共同节点之间附近的电场的情况下，可在光电检测部分处发生雪崩之前发生边缘雪崩。如果首先发生边缘雪崩，那么无法充分提高光电检测部分处的电场强度，这是因为电压的增加仅引起电流流动。确切来说，如果边缘雪崩在低于光电检测部分处的雪崩电压的电压下发生，那么无法在光电检测部分处获得足够倍增因数，这是因为无法充分提高光电检测部分处的电场强度且无法确保足够高的光电检测灵敏度，因此，无法充分充当SPAD。此外，如果已发生边缘雪崩，那么因此引起出现过量噪声，且这也引发问题。
然而，防护环消耗大面积且因此限制充填因数、特性化光电二极管面积对总像素面积的比率的参数。因此，对于现有SPAD图像传感器，难以达成收缩像素面积且保持性能。本公开实施例涉及一种相较于现有SPAD图像传感器消耗较小面积而不牺牲性能的SPAD图像传感器。
图1是绘示根据本公开的第一实施例的包含接合在一起的互补式金属氧化物半导体(CMOS)芯片103及成像芯片101的SPAD图像传感器100的剖面图的图式。SPAD图像传感器100包含如图1中为了阐释性目的展示的像素101a到101b的阵列。针对许多例项，SPAD图像传感器100可包含两个以上像素。CMOS芯片103具有多个有源装置105。在一些实施例中，CMOS芯片103包含放置于衬底206上方的互连结构212。在一些实施例中，互连结构212包含放置于层间介电(ILD)层203内的多个金属层201。有源装置105至少放置于衬底206中。成像芯片101包含放置于CMOS芯片103的互连结构212与成像芯片101的衬底109之间的互连结构124。互连结构124包含放置于ILD层128内的多个金属层111。
像素101a及101b的各者包含放置于衬底109内的SPAD胞元。衬底109包含面向互连结构124的前表面100a及背朝互连结构124的后表面100b。介电层129介于衬底109与互连结构124之间。每两个邻近SPAD胞元由沟槽隔离117分离。在一些实施例中，沟槽隔离117可包含从前表面100a朝向后表面100b延伸的主要结构108。主要结构108可具有长形矩形轮廓。主要结构108的第一表面与前表面100a共面，且主要结构108的第二表面108b是在衬底109中且不与后表面100b接触或重叠。针对许多例项，沟槽隔离117可任选地包含内间隔件106及外间隔件104。
内间隔件106可具有沿着主要结构108的侧壁108a从前表面100a朝向后表面100b延伸的长形直角三角形轮廓。内间隔件106的长形直角三角形轮廓包含斜边、第一腿及长于第一腿的第二腿。内间隔件106的第一腿与前表面100a共面且内间隔件106的第二腿紧邻沟槽隔离117的侧壁108a。内间隔件106的第二腿可具有与沟槽隔离117的侧壁108a相同的长度。以此方式，内间隔件106能够完全覆盖沟槽隔离117的侧壁108a且侧壁108a不与衬底109直接接触。
外间隔件104可具有沿着内间隔件106的侧壁106a从前表面100a朝向后表面100b延伸的长形三角形轮廓。外间隔件104的长形三角形轮廓包含斜边、第一腿及长于第一腿的第二腿。外间隔件104的第一腿与前表面100a共面且外间隔件104的第二腿紧邻内间隔件106的斜边。外间隔件104的第二腿的长度可短于内间隔件106的斜边的长度。以此方式，外间隔件104可仅覆盖内间隔件106的斜边的一部分，且未由外间隔件104覆盖的内间隔件106的斜边的一部分可与衬底109直接接触。
沟槽隔离117可由介电材料(例如氧化物(例如，氧化硅)、氮化物(例如，氮化硅或氮氧化硅)、低介电系数介电质及/或另一适合介电材料)形成。
衬底109可包含掺杂有第一导电类型(例如，p型)的掺杂物的第一层114。第一导电类型的第一层114的掺杂物浓度可处于约1e16/cm3的水平。第一层114从衬底109的后表面100b朝向沟槽隔离117延伸且包围沟槽隔离117的邻近后表面100b的至少一部分。衬底109可进一步包含在像素101a及101b的各者中的第二层102。第二层102可掺杂有第二导电类型(例如，n型)的掺杂物，所述第二导电类型与第一层114的导电类型相反。第二层102的掺杂物浓度可处于约1e17/cm3到约1e19/cm3的水平。第二层102介于第一层114与衬底109的前表面100a之间。确切来说，第二层102紧邻衬底109的前表面100a及沟槽隔离117。针对许多例项，像素101a的第二层102通过沟槽隔离117与像素101b的第二层102分离，且像素101a的第二层102不与像素101b的第二层102接触。在一些实施例中，第二层102可省略，即，由第一层114取代。
像素101a及101b的各者进一步包含重度掺杂有第二导电类型(例如，n型)的掺杂物的感测节点110，所述第二导电类型与第二层102的导电类型相同。感测节点110的掺杂物浓度可重于第二层102的掺杂物浓度。在一些实施例中，感测节点110的掺杂物浓度对第二层102的掺杂物浓度的比率可在从约10到约1000的范围中。在一实施例中，感测节点110的掺杂物浓度可处于约1e20/cm3的水平。感测节点110形成于衬底109中且紧邻衬底109的前表面100a。确切来说，感测节点110形成于第二层102内且由第二层102包围。换句话说，感测节点110通过第二层102与第一层114分离。透过接触插塞122，感测节点110能够通过互连结构124及ILD层203而耦合到CMOS芯片103的有源装置105。在一些实施例中，有源装置105可包含有源灭弧电路以停止SPAD胞元的雪崩效应及复位偏压。有源装置105还可包含读取电路及其它控制或逻辑电路。举例来说，有源装置105可包含具有栅极结构202及源极/漏极区204的晶体管装置。感测节点110可透过接触插塞208耦合到晶体管的源极/漏极区204。
像素101a及101b的各者可进一步包含掺杂有第一导电类型(例如，p型)的掺杂物的第三层112，所述第一导电类型与第一层114的导电类型相同。第三层112的掺杂物浓度可重于第一层114的掺杂物浓度。在一些实施例中，第三层112的掺杂物浓度对第一层114的掺杂物浓度的比率可在从约1到约100的范围中。在一实施例中，第三层112的掺杂物浓度可处于约1e17/cm3的水平。第三层112形成于第一层114中且紧邻第二层102。确切来说，第三层112形成于第一层114内且由第一层114包围。确切来说，第三层112通过第二层102与感测节点110分离。
共同节点116邻近沟槽隔离117的各者的第二表面108b。针对许多例项，共同节点116紧邻沟槽隔离117的各者的第二表面108b。共同节点116重度掺杂有第一导电类型(例如，p型)的掺杂物，所述第一导电类型与第一层114及第三层112的导电类型相同。共同节点116的掺杂物浓度可重于第一层114及第三层112的掺杂物浓度。在一些实施例中，共同节点116的掺杂物浓度对第三层112的掺杂物浓度的比率可在从约10到约1000的范围中。在一实施例中，共同节点116的掺杂物浓度可处于约1e20/cm3的水平。共同节点116形成于第一层114内且由第一层114包围。确切来说，共同节点116相对于垂直于衬底的前表面或后表面的方向的垂直方向与第二层102分离距离D1。在一些实施例中，距离D1可在从约0.5um到约1um的范围中。透过接触插塞120，共同节点116能够通过互连结构124及ILD层203而耦合到CMOS芯片103的有源装置105。
根据本公开的各项实施例，在图1中描绘在第三层112及第二层102的接口周围的所要雪崩区119。由于第三层112与第二层102之间的距离短于共同节点116与第二层102之间的垂直距离D1，因此相较于在所要雪崩区119处发生的雪崩，边缘雪崩较不可能发生。换句话说，共同节点116与第二层102之间的垂直距离D1能够取代现有SPAD胞元的防护环的功能。通过将共同节点116的位置从衬底109的前表面100a调整到衬底109内部深处，可节省原始在前表面100a处且在感测节点110与共同节点116之间的防护环。因此，可改进本公开实施例的填充因数。当雪崩在雪崩区119处成功发生时，空穴流动到感测节点110且由感测节点110收集，且电子由共同节点116吸收。在实施例中，共同节点116及接触插塞120的各者由邻近SPAD胞元共享。
在一些实施例中，通过混合接合(包含金属间接合及介电质间接合)将成像芯片101及CMOS芯片103接合在一起。金属间接合(例如，扩散接合)可在多个金属层111的顶部金属层126与多个金属层201的顶部金属层210之间。介电质间接合可在ILD层128与ILD层203之间使得ILD层128及ILD层203彼此直接接触。顶部金属层126及210充当一对接垫且可包含重布层(RDL)。在一些实施例中，介电质间接合是氧化物间接合。
在一些实施例中，成像芯片101还可具有在衬底109的周边区中像素101a到101b的阵列周围的多个有源装置。举例来说，有源灭弧电路、读取电路及上文提及的其它控制或逻辑电路的一部分或全部可放置于成像芯片101的衬底109中而非CMOS芯片103中。
在一些实施例中，SPAD图像传感器100进一步包含放置于衬底109的后表面100b上方的高介电系数介电层214及/或抗反射涂层(ARC)层216，其经配置以促进将入射光子115从后表面100b透射到SPAD胞元。SPAD图像传感器100可进一步包含在ARC层216上方的彩色滤波器层217。针对许多例项，彩色滤波器层217含有经定位使得传入辐射被引导于其上且穿过其的多个彩色滤波器。彩色滤波器包含用于对传入辐射的特定波长带滤波的基于染料(或基于颜料)的聚合物或树脂，所述特定波长带对应于色谱(例如，红色、绿色及蓝色)。含有多个微透镜的微透镜层218形成于彩色滤波器层217上方。微透镜218引导且聚焦传入辐射115朝向SPAD胞元。取决于用于微透镜218的材料的折射率及距传感器表面的距离，微透镜218可以各种布置定位且具有各种形状。针对许多例项，从俯视图，微透镜218的各者的中心与对应SPAD胞元的各者的中心重叠。
图2是绘示根据本公开的第二实施例的包含接合在一起的CMOS芯片103及成像芯片301的SPAD图像传感器200的剖面图的图式。成像芯片301与成像芯片101相同，惟成像芯片301的衬底109进一步包含第一阻挡区302及/或第二阻挡区304除外。
第一阻挡区302可掺杂有第一导电类型(例如，p型)的掺杂物，所述第一导电类型与共同节点116的导电类型相同。在一些实施例中，共同节点116的掺杂物浓度对第一阻挡区302的掺杂物浓度的比率可在从约10到约100的范围中。举例来说，第一阻挡区302的掺杂物浓度可处于约1e19/cm3的水平。第一阻挡区302是在第一层114内。确切来说，第一阻挡区302紧邻且包围共同节点116及沟槽隔离117的一部分。针对许多例项，第一阻挡区302未延伸到后表面100b及第二层102。第一阻挡区302可用作用于电场松弛以进一步防止SPAD胞元的过早边缘雪崩的防护环。
第二阻挡区304可掺杂有第二导电类型(例如，n型)的掺杂物，所述第二导电类型与第二层102的导电类型相同。在一些实施例中，第二层102的掺杂物浓度对第二阻挡区304的掺杂物浓度的比率可在从约10到约100的范围中。举例来说，第二阻挡区304的掺杂物浓度可处于约1e16/cm3到约1e18/cm3的水平。第二阻挡区304是在第一层114内。确切来说，第二阻挡区304紧邻且包围沟槽隔离117的一部分。针对许多例项，第二阻挡区304介于第一阻挡区302与第二层102之间。在一些实施例中，第二阻挡区304紧邻第一阻挡区302及第二层102。如同第一阻挡区302，第二阻挡区304还可用作用于电场松弛以进一步防止SPAD胞元的过早边缘雪崩的防护环。
图3是绘示根据本公开的第三实施例的包含接合在一起的CMOS芯片103及成像芯片401的SPAD图像传感器300的剖面图的图式。如上文提及，成像芯片101及成像芯片301的共同节点116及接触插塞120由邻近SPAD胞元共享。在成像芯片401中展示替代配置，其中成像芯片101及成像芯片301的共同节点116被分割成两个共同节点116a及116b，且接触插塞120被分割成两个接触插塞120a及120b。接触插塞120a及120b分别耦合到共同节点116a及共同节点116b。确切来说，沟槽隔离117可进一步包含在共同节点116a与共同节点116b之间的隔离器306。在一些实施例中，隔离器306从沟槽隔离117的第二表面108b朝向后表面100b延伸且分离第一阻挡区302。在一些实施例中，隔离器306与后表面100b接触以进一步防止邻近像素之间的串扰。如同沟槽隔离117的其它部分，隔离器306可由介电材料(例如氧化物(例如，氧化硅)、氮化物(例如，氮化硅或氮氧化硅)、低介电系数介电质及/或另一适合介电材料)形成。针对许多例项，可任选地在SPAD图像传感器300中省略第一阻挡区302及/或第二阻挡区304。
如上文提及，成像芯片101还可具有在衬底109的周边区中像素101a到101b的阵列周围的多个有源装置。举例来说，有源灭弧电路、读取电路及上文提及的其它控制或逻辑电路的一部分或全部可放置于成像芯片101的衬底109中而非CMOS芯片103中。针对许多例项，有源灭弧电路、读取电路及其它控制或逻辑电路以及像素全部集成在相同衬底中且可省略CMOS芯片103。图4是绘示根据本公开的第四实施例的包含成像芯片501的SPAD图像传感器400的剖面图的图式。成像芯片501与成像芯片101相同，惟成像芯片501透过缓冲层502接合到载体衬底504除外。缓冲层502可包含介电材料，例如氧化硅。替代地，缓冲层502可任选地包含氮化硅。
载体衬底504可包含硅材料。替代地，载体衬底504可包含玻璃衬底或其它适合材料。载体衬底504可通过分子力(即，称为直接接合或光学熔合接合的技术)或通过所属领域中已知的其它接合技术(例如金属扩散或阳极接合)接合到缓冲层502。缓冲层502提供对于形成于衬底109的前表面100a上的各种特征的电隔离及保护。载体衬底504还提供用于处理SPAD图像传感器400的机械强度及支撑。在一些实施例中，多个有源装置506及508可集成在成像芯片501中。有源装置可形成于衬底109中像素101a到101b的阵列周围。举例来说，有源装置506及508可包含有源灭弧电路、读取电路及其它控制或逻辑电路。
图5到图11是绘示根据本公开的优选实施例的在制造的各个阶段的SPAD图像传感器200的片段剖面图的图式。应理解，为了更优选理解本公开实施例的发明概念，图5到图11已经简化且可不按比例绘制。参考图5，提供衬底109。衬底109包含第一层114。第一层114可掺杂有第一导电类型的掺杂物，且具有处于约1e16/cm3的水平的掺杂物浓度。第一层114从衬底109的前表面100a延伸到后表面100b。隔离结构404经形成于第一层114中且分别具有矩形形状、某种程度梯形形状或另一适合形状。隔离结构404的各者具有底表面404a及侧壁404b。
参考图6，可在衬底109的前表面100a上使用与第一层114的导电类型相反的第二导电类型的掺杂物(例如，n型掺杂物)执行离子植入以形成第二层102。第二层102的掺杂物浓度可处于约1e17/cm3到约1e19/cm3的水平。第二层102介于隔离沟槽404之间。确切来说，第二层102从衬底109的前表面100a朝向衬底109的后表面100b延伸，且不超出隔离结构404的底表面404a。换句话说，第二层102紧邻隔离结构404的侧壁404b的至少一部分。
在第二层102之后，还可通过离子植入形成第三层112及感测节点110。第三层112可掺杂有第一导电类型(例如，p型)的掺杂物，所述第一导电类型与第一层114的导电类型相同。第三层112的掺杂物浓度可重于第一层114的掺杂物浓度。在一些实施例中，第三层112的掺杂物浓度对第一层114的掺杂物浓度的比率可在从约1到约100的范围中。在实施例中，第三层112的掺杂物浓度可处于约1e17/cm3的水平。第三层112形成于第一层114中且紧邻第二层102。确切来说，第三层112形成于第一层114内且由第一层114包围。感测节点110可重度掺杂有第二导电类型(例如，n型)的掺杂物，所述第二导电类型与第二层102的导电类型相同。感测节点110的掺杂物浓度可重于第二层102的掺杂物浓度。在一些实施例中，感测节点110的掺杂物浓度对第二层102的掺杂物浓度的比率可在从约10到约1000的范围中。在实施例中，感测节点110的掺杂物浓度可处于约1e20/cm3的水平。感测节点110形成于衬底109中且紧邻衬底109的前表面100a。确切来说，感测节点110形成于第二层102内且由第二层102包围。
在一些实施例中，可通过离子植入形成第一阻挡区302及第二阻挡区304。第一阻挡区302可掺杂有第一导电类型(例如，p型)的掺杂物。在一些实施例中，第一阻挡区302的掺杂物浓度可处于约1e19/cm3的水平。第一阻挡区302是在第一层114内。确切来说，第一阻挡区302包围凹槽结构107的至少一部分。第二阻挡区304可掺杂有第二导电类型(例如，n型)的掺杂物。在一些实施例中，第二阻挡区304的掺杂物浓度可处于约1e16/cm3到约1e18/cm3的水平。第二阻挡区304是在第一层114内。确切来说，第二阻挡区304介于第一阻挡区302与第二层102之间，且第二阻挡区304包围凹槽结构107的至少一部分。应注意，可如本公开的第一实施例的SPAD图像传感器100般任选地省略第一阻挡区302及第二阻挡区304。
参考图7，可执行蚀刻过程以在前表面100a处获得凹槽结构107。确切来说，凹槽结构107分别通过隔离结构404的底表面404a，且进一步通过第二阻挡区304且延伸到第一阻挡区302。针对许多例项，可有意地保留而不蚀除隔离结构404的一部分，且剩余部分可被称为外间隔件104。外间隔件104可能够在后续过程期间保护感测节点110或衬底109中的其它植入区。在一些实施例中，蚀刻过程包含干式蚀刻过程。可在执行蚀刻过程之前形成蚀刻掩模(例如，硬掩模，本文中未绘示)以界定凹槽结构107的大小及位置。凹槽结构107可经形成以分别具有矩形形状，某种程度梯形形状或另一适合形状。
参考图8，可在衬底的前表面100a上沉积保护层702以覆盖表面100a处的第二层102及感测节点110的曝光部分。在一些实施例中，保护层702可以是介电材料，例如氧化物(例如，氧化硅)、氮化物(例如，氮化硅或氮氧化硅)、低介电系数介电质及/或另一适合介电材料。在一些实施例中，保护层702可以是由选自由倍半硅氧烷旋涂玻璃(SOG)材料及非晶碳材料组成的群组的材料形成的硬掩模。在一些实施例中，可任选地形成内间隔件106以覆盖凹槽结构107的侧壁。确切来说，内间隔件106至少覆盖衬底109的透过凹槽结构107曝光的部分。内间隔件106可能够在后续过程期间进一步保护感测节点110或衬底109中的其它植入区。以此方式，衬底109的唯一曝光区是凹槽结构107的底部。
接着，可在凹槽结构107的底部上执行离子植入以产生共同节点116。共同节点116可重度掺杂有第一导电类型(例如，p型)的掺杂物，所述第一导电类型与第一层114及第三层112的导电类型相同。共同节点116的掺杂物浓度可重于第一层114及第三层112的掺杂物浓度。
参考图9，使用介电材料108(例如氧化物(例如，氧化硅)、氮化物(例如，氮化硅或氮氧化硅)、低介电系数介电质及/或另一适合介电材料)填充凹槽结构107。接着，可执行化学机械抛光(CMP)以去除保护层702以及内间隔件106及介电材料108的一部分以曝光感测节点110。
如图10中展示，针对重度掺杂的共同节点116及感测节点110形成接触插塞120及122。在一些实施例中，可通过在衬底109的前表面100a上方形成介电层129而形成接触插塞120及122。随后蚀刻介电层129以形成通孔及/或金属沟槽。接着使用导电材料填充通孔及/或金属沟槽以形成接触插塞122。在一些实施例中，接触插塞120及122可由(例如)钨、铜或铝铜构成。在衬底109上方形成互连结构124，从而形成成像芯片101。在一些实施例中，可通过在介电层129上方形成ILD层128(其包含一或多个ILD材料层)而形成互连结构124。随后蚀刻ILD层128以形成通孔及/或金属沟槽。接着使用导电材料填充通孔及/或金属沟槽以形成多个金属层111。在一些实施例中，可通过物理气相沉积技术(例如，PVD、CVD等)沉积ILD层128。可使用沉积过程及/或镀覆过程(例如，电镀、无电式电镀等)形成多个金属层111。在各项实施例中，多个金属层111可由(例如)钨、铜或铝铜构成。在一些实施例中，多个金属层111的顶部金属层126具有与ILD层128的上表面对准的上表面。
如图11中展示，将成像芯片101接合到CMOS芯片103。CMOS芯片103包含衬底206。在衬底206内形成有源装置105。在各项实施例中，衬底206可包含任何类型的半导体本体(例如，硅/CMOS块体、SiGe、SOI等)，例如半导体晶片或晶片上的一或多个裸片，以及任何其它类型的半导体及/或形成于其上及/或以其它方式与其相关的外延层。在一些实施例中，有源装置105可包含通过以下各者形成的晶体管：在衬底206上方沉积栅极结构202且通过植入或外延生长而形成源极/漏极区204。在衬底206上方形成互连结构212以形成CMOS芯片103。在一些实施例中，可通过在衬底206上方形成ILD层203(其包含一或多个ILD材料层)而形成互连结构212。随后蚀刻ILD层203以形成通孔及/或金属沟槽。接着使用导电材料填充通孔及/或金属沟槽以形成多个金属层201。在一些实施例中，可通过物理气相沉积技术(例如，PVD、CVD等)沉积ILD层203。可使用沉积过程及/或镀覆过程(例如，电镀、无电式电镀等)形成金属层201。在各项实施例中，多个金属层201可由(例如)钨、铜或铝铜构成。在一些实施例中，多个金属层201的顶部金属层210具有与ILD层203的上表面对准的上表面。
在一些实施例中，接合过程可形成混合接合，所述混合接合包含金属间接合及介电质间接合。顶部金属层210及顶部金属层126可直接接合在一起。ILD层128及ILD层203可彼此毗连以定义混合接合的介电质间接合。在一些实施例中，介电质间接合是氧化物间接合。在一些其它实施例中，接合过程可使用布置于ILD层128与ILD层203之间的中间接合氧化物层(未展示)。
再次参考图2，在衬底109的后表面100b上方形成高介电系数介电层214。可在高介电系数介电层214上方形成ARC层216。在一些实施例中，可使用物理气相沉积技术沉积高介电系数介电层214及ARC层216。在一些实施例中，可在衬底109的后表面100b上方形成高介电系数介电层214的前降低经接合成像芯片101的厚度。在一些实施例中，可通过蚀刻衬底109的后表面100b而使衬底109薄化。在其它实施例中，可通过机械研磨衬底109的后表面100b而使衬底109薄化。在一些实施例中，可使衬底109薄化但不曝光外延层108。
可在衬底109的后表面100b上方形成彩色滤波器217。在一些实施例中，可通过形成彩色滤波器层且图案化所述彩色滤波器层而形成彩色滤波器217。彩色滤波器层是由容许透射具有特定波长范围的辐射(例如，光)同时阻挡具有在指定范围之外的波长的光的材料形成。此外，在一些实施例中，彩色滤波器层在形成之后经平坦化。还可在彩色滤波器217上方形成微透镜218。在一些实施例中，可通过在多个彩色滤波器上方沉积微透镜材料(例如，通过旋涂方法或沉积过程)而形成微透镜218。在微透镜材料上方图案化具有弯曲上表面的微透镜模板(未展示)。在一些实施例中，微透镜模板可包含光阻剂材料，其使用分散曝光剂量进行曝光(例如，针对负光阻剂，在曲面的底部处曝光较多光且在曲面的顶部处曝光较少光)、显影且烘烤以形成圆形形状。接着通过根据微透镜模板选择性地蚀刻微透镜材料而形成微透镜218。
本公开的一些实施例提供一种单光子雪崩二极管(SPAD)图像传感器。所述SPAD图像传感器包含：衬底，其具有前表面及后表面；沟槽隔离，其在所述衬底中，所述沟槽隔离从所述衬底的所述前表面朝向所述衬底的所述后表面延伸，所述沟槽隔离具有第一表面及与所述第一表面对置的第二表面，所述第一表面与所述衬底的所述前表面共面，所述第二表面与所述衬底的所述后表面相距大于0的距离；其中所述衬底包含：第一层，其掺杂有第一导电类型的掺杂物，所述第一层从所述衬底的所述后表面朝向所述沟槽隔离延伸且横向围绕所述沟槽隔离的侧壁的至少一部分；感测节点，其重度掺杂有与所述第一导电类型相反的第二导电类型的掺杂物，所述感测节点在所述衬底内且毗连所述衬底的所述前表面；及共同节点，其重度掺杂有所述第一导电类型的掺杂物，所述共同节点介于所述沟槽隔离的所述第二表面与所述衬底的所述后表面之间。
本公开的一些实施例提供一种单光子雪崩二极管(SPAD)图像传感器。所述SPAD图像传感器包含：衬底，其具有前表面及后表面，所述衬底包含：第一层，其掺杂有第一导电类型的掺杂物，所述第一层毗连所述衬底的所述后表面；第二层，其掺杂有与所述第一导电类型相反的第二导电类型的掺杂物，所述第二层毗连所述衬底的所述前表面；第三层，其掺杂有所述第一导电类型的掺杂物，所述第三层是在所述第一层内且毗连所述第二层；感测节点，其掺杂有所述第二导电类型的掺杂物，所述感测节点是在所述第二层内；及共同节点，其掺杂有所述第一导电类型的掺杂物，所述共同节点是在所述第一层内且相对于垂直于所述衬底的所述前表面的第二方向的第一方向与所述第二层相距大于0的距离，且所述第三层相对于所述第一方向介于所述感测节点与所述共同节点之间。
本公开的一些实施例提供一种单光子雪崩二极管(SPAD)图像传感器。所述SPAD图像传感器包含：像素阵列，其布置于衬底中，所述衬底具有前表面及后表面，且各像素包含：第一层，其掺杂有第一导电类型的掺杂物，所述第一层是在所述衬底内且毗连所述衬底的所述后表面；第二层，其掺杂有与所述第一导电类型相反的第二导电类型的掺杂物，所述第二层是在所述衬底内且介于所述衬底的所述前表面与所述第一层之间；第三层，其掺杂有所述第一导电类型的掺杂物，所述第三层是在所述第一层内且毗连所述第二层；感测节点，其掺杂有所述第二导电类型的掺杂物，所述感测节点是在所述第二层内；及共同节点，其掺杂有所述第一导电类型的掺杂物，所述共同节点是在所述第一层内且相对于垂直于所述衬底的所述前表面的第二方向的第一方向与所述第二层相距一距离，且所述第三层在所述第一方向上介于所述感测节点与所述共同节点之间；及隔离器，其在对应于所述像素阵列的邻近像素的邻近共同节点之间。
上文概述若干实施例的特征，使得所属领域的技术人员可较佳理解本公开实施例的方面。所属领域的技术人员应了解，其可容易使用本公开实施例作为用于设计或修改用于实行相同目的及/或达成本文中介绍的实施例的相同优点的其它过程及结构的基础。所属领域的技术人员还应意识到此些等效构造不脱离本公开实施例的精神及范围且其可在本文中做出各种改变、替代及更改而不脱离本公开实施例的精神及范围。
符号说明
100 单光子雪崩二极管(SPAD)图像传感器
100a 前表面
100b 后表面
101 成像芯片
101a 像素
101b 像素
102 第二层
103 互补式金属氧化物半导体(CMOS)芯片
104 外间隔件
105 有源装置
106 内间隔件
106a 侧壁
107 凹槽结构
108 主要结构/介电材料/外延层
108a 侧壁
108b 第二表面
109 衬底
110 感测节点
111 金属层
112 第三层
114 第一层
115 入射光子/传入辐射
116 共同节点
116a 共同节点
116b 共同节点
117 沟槽隔离
119 雪崩区
120 接触插塞
120a 接触插塞
120b 接触插塞
122 接触插塞
124 互连结构
126 顶部金属层
128 层间介电(ILD)层
129 介电层
200 单光子雪崩二极管(SPAD)图像传感器
201 金属层
202 栅极结构
203 层间介电(ILD)层
204 源极/漏极区
206 衬底
208 接触插塞
210 顶部金属层
212 互连结构
214 高介电系数介电层
216 抗反射涂层(ARC)层
217 彩色滤波器层
218 微透镜层
300 单光子雪崩二极管(SPAD)图像传感器
301 成像芯片
302 第一阻挡区
304 第二阻挡区
306 隔离器
400 单光子雪崩二极管(SPAD)图像传感器
401 成像芯片
404 隔离结构/隔离沟槽
404a 底表面
404b 侧壁
501 成像芯片
502 缓冲层
504 载体衬底
506 有源装置
508 有源装置
702 保护层
D1 距离

Claims (20)

1.一种单光子雪崩二极管SPAD图像传感器，其包括：
衬底，其具有前表面及后表面；
沟槽隔离，其在所述衬底中，所述沟槽隔离从所述衬底的所述前表面朝向所述衬底的所述后表面延伸，所述沟槽隔离具有第一表面及与所述第一表面对置的第二表面，所述第一表面与所述衬底的所述前表面共面，所述第二表面与所述衬底的所述后表面相距大于0的距离；
其中所述衬底包含：
第一层，其掺杂有第一导电类型的掺杂物，所述第一层从所述衬底的所述后表面朝向所述沟槽隔离延伸且横向围绕所述沟槽隔离的侧壁的至少一部分，且所述第一层不毗连所述衬底的所述前表面；
感测节点，其重度掺杂有与所述第一导电类型相反的第二导电类型的掺杂物，所述感测节点是在所述衬底内且毗连所述衬底的所述前表面；及
共同节点，其重度掺杂有所述第一导电类型的掺杂物，所述共同节点介于所述沟槽隔离的所述第二表面与所述衬底的所述后表面之间。
2.根据权利要求1所述的SPAD图像传感器，其中所述衬底进一步包括：
第二层，其掺杂有所述第二导电类型的掺杂物，所述第二层介于所述衬底的所述前表面与所述第一层之间；及
第三层，其掺杂有所述第一导电类型的掺杂物，所述第三层是在所述第一层内且毗连所述第二层。
3.根据权利要求2所述的SPAD图像传感器，其中所述共同节点与所述第二层之间的距离在从约0.5um到约1um的范围中。
4.根据权利要求2所述的SPAD图像传感器，其中所述感测节点的掺杂物浓度对所述第二层的掺杂物浓度的比率在从约10到约1000的范围中。
5.根据权利要求2所述的SPAD图像传感器，其中所述第三层的掺杂物浓度对所述第一层的掺杂物浓度的比率在从约1到约100的范围中。
6.根据权利要求2所述的SPAD图像传感器，其中所述共同节点的掺杂物浓度对所述第三层的掺杂物浓度的比率在从约10到约1000的范围中。
7.根据权利要求1所述的SPAD图像传感器，其中所述衬底进一步包含在所述第一层内的第一阻挡区，所述第一阻挡区毗连且包围所述共同节点。
8.根据权利要求7所述的SPAD图像传感器，其中所述共同节点的掺杂物浓度对所述第一阻挡区的掺杂物浓度的比率在从约10到约100的范围中。
9.根据权利要求7所述的SPAD图像传感器，其中所述衬底进一步包含在所述第一层内的第二阻挡区，所述第一阻挡区毗连且包围所述沟槽隔离的一部分。
10.根据权利要求9所述的SPAD图像传感器，其中所述衬底进一步包括第二层，所述第二层介于所述衬底的所述前表面与所述第一层之间，所述第二层的掺杂物浓度对所述第二阻挡区的掺杂物浓度的比率在从约10到约100的范围中。
11.一种单光子雪崩二极管SPAD图像传感器，其包括：
衬底，其具有前表面及后表面，所述衬底包含：
第一层，其掺杂有第一导电类型的掺杂物，所述第一层毗连所述衬底的所述后表面，且所述第一层不毗连所述衬底的所述前表面；
第二层，其掺杂有与所述第一导电类型相反的第二导电类型的掺杂物，所述第二层毗连所述衬底的所述前表面；
第三层，其掺杂有所述第一导电类型的掺杂物，所述第三层是在所述第一层内且毗连所述第二层；
感测节点，其掺杂有所述第二导电类型的掺杂物，所述感测节点是在所述第二层内；及
共同节点，其掺杂有所述第一导电类型的掺杂物，所述共同节点是在所述第一层内且相对于垂直于所述衬底的所述前表面的第二方向的第一方向与所述第二层相距大于0的距离，且所述第三层相对于所述第一方向介于所述感测节点与所述共同节点之间。
12.根据权利要求11所述的SPAD图像传感器，其进一步包括从所述衬底的所述前表面朝向所述衬底的所述后表面延伸的沟槽隔离，所述沟槽隔离具有第一表面及与所述第一表面对置的第二表面，所述第一表面与所述衬底的所述前表面共面，所述第二表面与所述衬底的所述后表面相距大于0的距离。
13.根据权利要求12所述的SPAD图像传感器，其中所述沟槽隔离包含主要结构及内间隔件，所述主要结构具有矩形轮廓，且所述内间隔件具有直角三角形轮廓，所述直角三角形轮廓包含斜边、第一腿及长于所述第一腿的第二腿；其中：
所述内间隔件的所述第一腿与所述衬底的所述前表面共面，且所述内间隔件的所述第二腿毗连所述主要结构的侧壁。
14.根据权利要求13所述的SPAD图像传感器，其中所述沟槽隔离进一步包含具有直角三角形轮廓的外间隔件，所述直角三角形轮廓包含斜边、第一腿及长于所述第一腿的第二腿；其中：
所述外间隔件的所述第一腿与所述衬底的所述前表面共面，且所述外间隔件的所述第二腿毗连所述内间隔件的所述斜边，且所述外间隔件的所述第二腿的长度短于所述内间隔件的所述斜边的长度。
15.根据权利要求11所述的SPAD图像传感器，其进一步包括在所述衬底的所述前表面处的第一ILD层，所述第一ILD层包含多个金属层。
16.根据权利要求15所述的SPAD图像传感器，其进一步包括芯片，所述芯片包含多个主动装置及接合到所述第一ILD层的第二ILD层。
17.根据权利要求11所述的SPAD图像传感器，其进一步包括在所述衬底的所述后表面处的透镜。
18.一种单光子雪崩二极管SPAD图像传感器，其包括：
像素阵列，其布置于衬底中，所述衬底具有前表面及后表面，且各像素包含：
第一层，其掺杂有第一导电类型的掺杂物，所述第一层是在所述衬底内且毗连所述衬底的所述后表面，且所述第一层不毗连所述衬底的所述前表面；
第二层，其掺杂有与所述第一导电类型相反的第二导电类型的掺杂物，所述第二层是在所述衬底内且介于所述衬底的所述前表面与所述第一层之间；
第三层，其掺杂有所述第一导电类型的掺杂物，所述第三层是在所述第一层内且毗连所述第二层；
感测节点，其掺杂有所述第二导电类型的掺杂物，所述感测节点是在所述第二层内；及
共同节点，其掺杂有所述第一导电类型的掺杂物，所述共同节点是在所述第一层内且相对于垂直于所述衬底的所述前表面的第二方向的第一方向与所述第二层相距一距离，且所述第三层在所述第一方向上介于所述感测节点与所述共同节点之间；及
隔离器，其在对应于所述像素阵列的邻近像素的邻近共同节点之间。
19.根据权利要求18所述的SPAD图像传感器，其中相对于所述第一方向所述共同节点与所述第二层之间的所述距离在从约0.5um到约1um的范围中。
20.根据权利要求18所述的SPAD图像传感器，其中所述第一导电类型是n型且所述第二导电类型是p型。
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