CN109716525B - 堆叠式背面照明spad阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明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。

Description

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-IlluminatedSPAD Image Sensor”(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-Illuminated SPADImage Sensor”(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。
技术领域
所述实施方案整体涉及单光子雪崩二极管SPAD图像传感器。
背景技术
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，因为电荷载流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。
发明内容
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流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流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SPAD区域包括感光半导体部分，并且用作SPAD图像传感器的像素元件，即它接收光子并产生电流。每个SPAD的半导体部分被配置为二极管。SPAD区域通过将二极管部分反向偏压到其雪崩区域来实现检测光。入射光子产生引发雪崩电流的电荷载流子。电路晶圆包括连接到SPAD区域并检测雪崩电流的电路。在一些实施方案中，每个SPAD区域通过第一晶圆间连接器连接到至少一个电压源并通过第二晶圆间连接器连接到输出电路。
由于传感器晶圆主要包括SPAD区域，因此可针对SPAD区域的生产优化传感器晶圆的构造过程。类似地，可针对电路晶圆中的电路优化电路晶圆的构造过程。由于传感器晶圆中不包括电路，因此传感器晶圆的污染会减少或消除。
如下文更充分的解释，一些SPAD区域包括被配置为接收光的表面(称为“后表面”)，以及被配置为引导光子生成的电荷载流子(例如电子)从阳极梯度层的侧边缘至阳极梯度层的内部(即中间)的阳极梯度层。然后将电荷载流子引导至SPAD区域的阳极雪崩层。在阳极雪崩层中，电荷载流子引发进一步生成电荷载流子，该电荷载流子与阴极区域中的相对类型电荷载流子结合。结果是生成进入SPAD区域的电流脉冲。在一个实施方案中，SPAD区域包括相邻于该SPAD区域的第一侧边缘(例如左侧边缘)的第一侧边缘掺杂物浓度梯度和相邻于该SPAD区域的相对侧边缘(例如右侧边缘)的第二侧边缘掺杂物浓度梯度。其他掺杂物浓度梯度可在阳极梯度层中从轻掺杂层垂直地增加至阳极梯度层或SPAD区域的后表面。
在一些实施方案中，防护环层可定位到相邻于或靠近每个SPAD区域中的阳极雪崩层和阴极区域。防护环层被配置为放松阴极区域和阳极雪崩层之间的最大电场。阳极雪崩层的宽度和长度可基于防护环层延长。
深沟槽隔离(DTI)区域被设置在相邻于和围绕SPAD区域的传感器晶圆中。DTI区域从传感器晶圆的后表面延伸至SPAD区域的前表面以减少或抑制光串扰和电串扰。在一些实施方案中，DTI区域延伸穿过传感器晶圆的后表面(光接收表面)。可将光罩定位在传感器晶圆的后表面上方(例如，在DTI区域上方)以进一步减少光串扰。
DTI区域的外表面(例如形成SPAD区域半导体截面体积的侧壁的表面)可具有钉扎层和/或钝化层。在一些实施方案中，可将掺杂阱定位在相邻于SPAD区域的前表面的DTI区域的一部分的上方，以提供到SPAD区域的电连接。当钉扎层被定位在DTI区域的外表面上方时，掺杂阱可连接到钉扎层。
在一些实施方案中，在隔离电压源(与反向偏压电压源分开)与包含在DTI区域中的导电材料之间进行电连接。施加到导电材料上的隔离电压可防止SPAD区域之间的串扰，并且将光子生成的电荷载流子直接引导至雪崩区域。可通过SPAD区域的DTI区域中的通孔进行连接。其他通孔可以是DTI区域的一部分，以允许与反向偏压电压源连接。在DTI区域中使用的通孔可允许更大面积的光线聚集。
此外，光反射器可被定位在每个SPAD区域的至少一部分下方，以将最初未被检测到的光子反射回传感器晶圆的SPAD区域中，以引发电荷载流子生成。将光子反射回SPAD区域可提高每个SPAD区域的光子检测效率(PDE)，因为反射的光子可产生额外的光子生成的电荷载流子。
以下参考图1-图8来论述这些实施方案和其他实施方案。然而，本领域的技术人员将容易地理解，本文相对于这些附图所给出的详细描述仅出于说明性目的，而不应被理解为是限制性的。
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。系统100包括发射器102、检测器104和目标106。发射器102和检测器104各自分别表示一个或多个发射器和检测器。发射器102被定位为朝目标106发射光，而检测器104被定位为检测从场景和/或目标106反射的光。
处理设备108可操作地连接到发射器102和检测器104。当检测到光时，处理设备108使发射器102朝目标106发射光(发射光由箭头110表示)。然后，由检测器104检测从目标106反射的光(反射光由箭头112表示)。处理设备108接收来自检测器104的输出信号并且处理输出信号以确定与反射光、目标106和/或场景相关联的一个或多个特性。
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。检测器200包括与SPAD图像传感器204进行光通信的成像级202。成像级202可操作地连接到检测器200的外壳206并定位在SPAD图像传感器204的前方。成像级202可包括常规元件，例如透镜、滤波器、光圈和快门。成像级202将其视野内的光208引导、会聚或传输到SPAD图像传感器204。SPAD图像传感器204通过将入射光子转换成电信号来检测光(例如，图1中的反射光112)。
SPAD图像传感器204可包括支撑结构210或由该结构支撑。支撑结构210可以为半导体基材料，包括但不限于：硅、绝缘体上硅(SOI)技术、蓝宝石上硅(SOS)技术、掺杂和未掺杂半导体、半导体基板上形成的外延层、半导体基板中形成的阱区域或掩埋层以及其他半导体结构。
成像级202或SPAD图像传感器204的各种元件可由处理设备或存储器(例如，图1中的处理设备108、图8中的处理设备804和图8中的存储器806)提供的定时信号或其他信号控制。成像级202中的一些或全部元件可被集成到单个部件中。此外，成像级202中的一些或全部元件可与SPAD图像传感器204集成，并且可能与检测器200的一个或多个其他元件集成，以形成相机模块。例如，在一些实施方案中，处理器或存储器可与SPAD图像传感器204集成。
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。背照式SPAD图像传感器300包括垂直堆叠在电路晶圆304上方的传感器晶圆302。具体地讲，电路晶圆304的后表面在接口306处被附接或粘结到传感器晶圆302的前表面。虽然图3A仅描绘了一个电路晶圆304，但其他实施方案可包括多个电路晶圆。
传感器晶圆302和电路晶圆304可各自由任何合适的材料构成。在一个实施方案中，传感器晶圆302和电路晶圆304采用半导体基材料构成。如前所述，示例半导体基材料包括硅、硅绝缘体硅、蓝宝石上硅、掺杂和未掺杂半导体。传感器晶圆302和电路晶圆304可在半导体基板上形成为外延层，以及在半导体基板和其他类似结构中形成为区域或掩埋层。
在图3A例示的实施方案中，传感器晶圆302包括SPAD区域308的阵列。每个SPAD区域308包括一个阳极区域和一个阴极区域以实现二极管结构。阳极区域包括阳极雪崩层314和阳极梯度层310，两者均掺杂有第一掺杂物类型。阴极区域312掺杂有第二掺杂物类型。在一些实施方案中，阳极区域包括p型掺杂硅，阴极区域312包括n型掺杂硅。然而，下面描述的实施方案也有可能反转这些掺杂类型，或者使用另选的半导体材料。阴极区域312位于靠近传感器晶圆302和电路晶圆304之间的界面306的阳极梯度层310的一侧。例如，阴极区域312可以位于半导体基阳极梯度层310和二氧化硅层315之间的接口313处的阳极梯度层310的前表面上。阴极区域312具有第一横向宽度(参见图7中的W1)和第一横向长度(参见图7中的L1)。SPAD区域的形状大体上为平行柱。柱的端面(例如后表面336和接口313)可被塑成正方形、矩形、椭圆形或其他平面形状。其横向尺寸是指前表面和后表面在两个垂直方向上的最大范围，不一定意味着前表面或后表面的矩形形状。后表面336与接口313之间的距离可大于、小于或等于SPAD区域的横向宽度或横向长度。
阳极梯度层310形成二极管结构的阳极区域的一部分，阴极区域312形成二极管结构的阴极。阳极区域还包括在阴极区域312上方形成的阳极雪崩层314，并且该层还掺杂有第一掺杂物类型。阳极雪崩层314具有第二横向宽度和第二横向长度(分别为图7所示的具体形状的W2和L2)。在一些实施方案中，W2小于W1且L2小于L1，使得阳极雪崩层314的面积(L2×W2)小于阴极区域312的面积(L1×W1)。当阳极雪崩层314的面积小于阴极区域312的面积时，会减少或避免边缘击穿。
阳极雪崩层314可以是在传感器晶圆制造期间在阳极梯度层310内专门产生的区域。当不对SPAD区域308施加反向偏压时，阳极雪崩层314可以包围在与阴极区域312形成的p-n结处形成的全部或部分耗尽区域。一般来讲，在没有任何反向偏压电压的情况下，耗尽区域围绕阴极区域，而阳极雪崩层是阳极和阴极之间耗尽区域的一部分。阳极梯度层310和阳极雪崩层314一起被称为阳极区域。
当启用SPAD区域308以检测光时，阳极区域和阴极区域312之间的p-n结在击穿电压处或之上被反向偏压。当如此启用时，通过后表面336进入阳极梯度层310的光的光子通过电子空穴创建生成光子生成的电荷载流子(例如电子)。光子生成的电荷载流子会被注入阳极梯度层310的反向偏压放大耗尽区域(参见例如图4A中的耗尽层418)。这可以触发导致SPAD区域308在输出时的输出信号(例如电流)迅速上升的自维持雪崩。电流输出脉冲的前缘标记探测到的光子的到达时间。电流会持续下去，直到雪崩通过使偏压电压降低到或低于击穿电压而淬火。在一些实施方案中，在到达击穿电压之前，雪崩区域可完全耗尽。(在下文中，“耗尽”区域或层将被理解为意指“完全耗尽”。)在某些实施方案中，当偏压电压降低到击穿电压或低于或刚刚低于击穿电压时，SPAD区域308基本上被重置。经过一段时间后，偏压电压会恢复到高于击穿电压的水平，并且SPAD区域308能够检测到另一个光子。SPAD区域308的击穿电压可以至少部分地基于传感器晶圆302的半导体材料、SPAD区域308的结构和温度。
包括在传感器晶圆302的二氧化硅层315中并定位在SPAD区域308下方的是第一连接器316、第二连接器318、第一接触垫320和第二接触垫322。第一连接器316将SPAD区域308连接到第一接触垫320。第二连接器318将阴极区域312连接到第二接触垫322。
电路晶圆304包括第三接触垫324、第四接触垫326、一个或多个电压源328，以及淬火/充电和输出电路350。虽然在图3A中未示出，但电路晶圆304可包括其他部件和/或电路。例如，电路晶圆304在其他实施方案中可包括多个电压源。至少一个电压源328可被配置为提供高电压以反向偏压p-n结，并且相同的电压源328或另一个电压源328可被配置为向传感器晶圆302中的深沟槽隔离(DTI)区域334和/或其他层、阱和/或掺杂区域提供偏压电压。
第三接触垫324连接到传感器晶圆302中的第一接触垫320，而第四接触垫326连接到传感器晶圆302中的第二接触垫322。可使用任何合适的方法将第一接触垫320附接或粘结到第三接触垫324，以及将第二接触垫322附接到第四接触垫326。一个示例粘结方法是铜到铜粘结工艺。
电压源328通过第三连接器329连接到第三接触垫324。电压源328被配置为向二极管部分SPAD区域308至少提供高反向偏压电压，以在处于击穿电压或高于击穿电压时反向偏压p-n结。电压源328也可将第二隔离电压施加到SPAD区域的DTI区域中的导电材料以增加SPAD区域之间的电隔离和光频隔离。
每个淬火/充电和输出电路350都通过第四连接器331连接到相应的第四接触垫326，并且包括淬火和充电电路以及输出电路。淬火/充电和输出电路350还可包括其他电路或部件。淬火和充电电路被配置为淬火雪崩电流并将偏压电压恢复到大于击穿电压的水平。可使用任何合适的数字和/或模拟电路来实现淬火和充电电路。下文结合图3C论述了特定示例淬火/充电和输出电路350。
输出电路被配置为接收来自相应SPAD区域308的输出信号，并且计数从SPAD区域308接收的输出脉冲的数量。由SPAD区域308接收的光的强度由在给定时间段内检测到的输出信号脉冲(取决于光子的数量)确定。可使用任何合适的数字和/或模拟电路来实现输出电路。例如，在一些实施方案中，每个输出电路350都包括读出输出信号和/或放大输出信号和接收来自晶体管的输出信号的计数器电路的一个或多个晶体管。另选地，可以使用时间到数字转换器电路。
传感器晶圆和电路晶圆之间的第一电连接由第一连接器316、第一接触垫320、第三接触垫324和第三连接器329形成。类似地，第二连接器318、第二接触垫322、第四接触垫326和第四连接器331在传感器晶圆和电路晶圆之间形成第二连接。
在一些实施方案中，第一连接器316可在包括横向罩332的情况下连接，横向罩332在SPAD区域308的至少一部分下方横向延伸。在一些实施方案中，横向罩332耦接到第一连接器316，并且可以在反向偏压电压或不同的电压(诸如基准电压，例如接地)下偏压。在其他实施方案中，横向罩332可与第一连接器316分开或脱离。横向罩332可以用作将光子反射回SPAD区域308(例如，到阳极梯度层310)的反射元件。反射的光子能够产生额外的电荷载流子，这可提高每个SPAD区域308的光子检测效率(PDE)。可以在不增加传感器晶圆302的厚度的情况下实现提高的PDE。因此，横向罩332可以帮助维持或改善SPAD区域308的定时性能，因为横向罩332减少或消除了增加传感器晶圆302的厚度的需要。
潜在的问题是，进入第一SPAD区域308的入射光子由于光子反射到邻近SPAD区域308(光串扰)、光子因雪崩光发射而穿透邻近SPAD区域308(光串扰)和/或电荷载流子迁移到邻近SPAD区域308(电串扰)，可能传播到相邻或邻近SPAD区域308。为了减少或抑制光串扰和电串扰，DTI区域334被定位在相邻的SPAD区域308之间。DTI区域334电隔离和光频隔离每个SPAD区域308与邻近SPAD区域308。每个DTI区域334可从SPAD区域308的前表面(例如，从阴极区域312)延伸到传感器晶圆302的后表面336。在一些实施方案中，每个DTI区域334延伸穿过传感器晶圆302的后表面336，以在SPAD区域308之间提供更大的隔离。结合图4D更详细地论述了DTI区域334的不同实施方案。
在一些实施方案中，可以将钝化层和/或钉扎层定位在DTI区域334的侧表面或外表面上方。在其他实施方案中，掺杂有第一掺杂物类型的钉扎层可沿DTI区域334的侧表面或外表面延伸。钉扎层在后表面336和第一接触垫320之间提供电连接。
此外，在一些实施方案中，电压源328可以通过第三连接器329、第三接触垫324、第一接触垫320和第一连接器316向钝化层/钉扎层施加第二隔离电压。每个第一连接器316都可以连接到相应的DTI区域334。
图3B示出了基于图3A的背照式SPAD图像传感器的示例的另一个实施方案的横截面视图。微透镜阵列可以定位在SPAD图像传感器300的后表面336上方。具体地讲，可以将微透镜338置于每个SPAD区域308上方。每个微透镜338将光(例如光子)引导至相应SPAD区域308的中心。在其他实施方案中可能省略微透镜阵列。
为了进一步减少或防止光串扰，可选光罩340可以定位在传感器晶圆302的后表面336上方。在例示的实施方案中，光罩340被设置在每个DTI区域334上方。除此之外或另选地，光罩340可位于传感器晶圆302的后表面336上方的其他位置。可使用任何合适的不透明材料来形成光罩340。不透明材料的一个示例是金属，诸如钨。
在一些实施方案中，第一掺杂物类型为p型掺杂物(例如硼或镓)，第二掺杂物类型为n型掺杂物(例如磷或锑)。在此类实施方案中，电荷载流子为电子。在其他实施方案中，第一掺杂物类型为n型掺杂物，第二掺杂物类型为p型掺杂物。在此类实施方案中，电荷载流子为空穴。在一些情况下，当电子是电荷载流子时，SPAD区域308的PDE和定时性能更好，因为电子具有更高的电离系数。
图3C示出了可在图3A-图3B中所示的SPAD区域中实现淬火/充电和输出电路350(以下简称“电路350”)的电路的示例的示意图。电路350允许每个SPAD区域被启用/禁用、充电和淬火。SPAD区域352在负电压源-VBD与输出电压VOUT的输出线路上的节点354之间连接。SPAD 352具有连接到负电压源-VBD的阳极以及连接到节点354的阴极，但其他实施方案不限于此配置。
选择晶体管358的第一端子和选通晶体管356的第一端子也连接到节点354。选通晶体管356的第二端子连接到基准电压(例如接地)。选择晶体管358的第二端子连接到淬火晶体管360的第一端子。淬火晶体管360的第二端子连接到电压源VE。选择晶体管358和选通晶体管356的门控连接到公共输入线路366。将选通信号VGATE施加到输入线路366以启用并选择用于光检测的SPAD 352，并且还可禁用和取消选择SPAD 352。因此，选通信号VGATE确定SPAD 352的检测周期。在启用SPAD时，在输出线路VOUT上检测雪崩事件。
在图3C中，选择晶体管358和淬火晶体管360被描绘为PMOS晶体管，选通晶体管356示为NMOS晶体管。另选地，选择晶体管358、选通晶体管356和/或淬火晶体管360可各自被配置为不同类型的晶体管或电路。
淬火/充电和输出电路350还包括从正电压源VE和节点354连接的快速充电晶体管364。对于所示的SPAD区域，快速充电晶体管364为PMOS晶体管。快速充电晶体管364通过充电信号VRC进行门控。充电信号VRC可以与选通信号VGATE同步。
淬火/充电和输出电路350还可以包括缓冲电路368以在节点354放大输出信号。缓冲电路368还可以在产生输出电压VOUT之前执行信号反转。
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区域的一个示例。如前所述，SPAD区域400包括设置在后表面406处的阳极区域和设置在前表面410处的阴极区域404。阳极区域包括阳极梯度层402和定位在阴极区域404上方的阳极雪崩层408。阳极梯度层402和阳极雪崩层408掺杂有一种掺杂物类型，而阴极区域404掺杂有不同的第二掺杂物类型。例如，在一个实施方案中，阳极梯度层402和阳极雪崩层408掺杂有p型掺杂物，而阴极区域404掺杂有n型掺杂物。
如图4A所示，阳极梯度层402中的掺杂物浓度从SPAD区域400中的阳极梯度层402的前表面410增加至SPAD区域400中的阳极梯度层402的后表面406(掺杂物浓度的增加由箭头412a表示)。因此，阳极梯度层402包括掺杂物浓度梯度(由不同的点密度表示)，其中相邻于传感器晶圆的后表面406的掺杂物浓度较高，而相邻于SPAD区域的前表面的掺杂物浓度较低。在一个实施方案中，掺杂浓度从阳极梯度层402的前表面410单调地增加至传感器晶圆的后表面406。
在一些实施方案中，阴极区域404周围的掺杂浓度足以提供合适的导电性，而阳极雪崩层408周围的掺杂浓度高于阴极区域404周围的掺杂浓度。这允许阳极雪崩层408周围的阳极梯度层402用作防护环。防护环可以减小电场的峰值，这会增加雪崩区域的宽度。防护环还可以增加传感器晶圆(例如，图3A-图3B中的传感器晶圆302)上SPAD区域400阵列的填充系数。下文结合图5描述了具有直接制造的防护环的实施方案。
阳极梯度层402中的掺杂物浓度梯度可减小SPAD击穿电压和/或缩短少数电荷载流子的收集时间，这可以改善SPAD区域400的响应时间。当光子414撞击SPAD区域400时，掺杂物浓度梯度通过下文进一步论述的耗尽区域418引导光子生成的电荷载流子416(例如电子)通过阳极梯度层402(由箭头420表示的引导)，然后引导至阳极雪崩层408(由箭头422表示的引导)。
如前所述，DTI区域424定位在相邻或邻近的SPAD区域400之间。DTI区域424被配置为抑制光串扰并减少或防止电串扰。每个DTI区域424从阳极梯度层402的前表面410(例如，从阴极区域404)延伸到并穿过传感器晶圆(例如，图3A-图3B中的传感器晶圆302)的后表面406。在一些实施方案中，层426定位在DTI区域424的外表面上方。层426可以是掺杂有与阳极梯度层402相同的掺杂物类型的钉扎层和/或钝化层。如前所述，钉扎层在后表面406与第一连接器316之间提供电连接(图3A-图3B)。
此外，在一些实施方案中，扩散区域429和掺杂有与阳极梯度层402相同的掺杂物类型的掺杂阱428可以定位在沿阳极梯度层402的前表面410。扩散区域429和掺杂阱428可以提供至SPAD区域400的电连接。第一连接器316可以通过扩散区域429连接至掺杂阱428，这允许电压源328(图3A-图3B)向钉扎层施加偏压电压(例如层426)。在其他实施方案中可以省略掺杂阱428，但在电接触部下方的掺杂井428的部分可以保持。
当阳极区域作为整体接触阴极区域404时，将形成p-n结。可以掺杂阳极雪崩层408和阴极区域404，以便在后表面406和前表面410之间不施加反向偏压，耗尽区域仅包含在阳极雪崩层408内并围绕阴极区域404。当施加反向偏压时，耗尽层418可以扩展到阳极梯度层402中，如图4A中所示。阳极雪崩层408被高度掺杂，以便当施加反向偏压时，可以从电荷载流子产生自维持雪崩脉冲。雪崩脉冲是自维持的，直到通过改变反向偏压电压淬火。此外，阳极雪崩层408可以同时低度掺杂低(即，掺杂度不太高)，使得其在反向偏压下耗尽。
如前面所论述，光罩430可定位在传感器晶圆的后表面406上方。每个光罩430可设置在DTI区域424上方以减少或防止入射光子传播到相邻或邻近SPAD区域400中。
图4B示出了图4A的SPAD区域的更多详细信息。具体地讲，阴极区域404和阳极雪崩层408的尺寸如何影响光子检测效率。在图4B中，掺杂物梯度在由箭头412b表示的方向上增加。如上所述，光子414产生电荷载流子416，这通过施加的反向偏压电压移动到阳极雪崩层408，并在与阴极区域404的结处进入雪崩区域425。
在例示的实施方案中，阳极雪崩层408的横向长度和横向宽度小于阴极区域404的横向长度和横向宽度。因此，阴极区域404的面积大于阳极雪崩层408的面积。当阳极雪崩层408的面积小于阴极区域404的面积时，阴极区域404和相邻于阴极区域404的阳极梯度层402之间不需要的击穿会减少或消除。
然而，减少不需要的击穿会限制雪崩区域425的最大尺寸。一般来讲，雪崩区域425的最大尺寸受阳极雪崩层408和阴极区域404的面积的控制，并且当阴极区域404和阳极雪崩层408的面积相同时出现最大雪崩区域425。当阳极雪崩层408的面积小于阴极区域404的面积时，雪崩区域425的实际面积小于最大尺寸。因此，在一些情况下，在光子431在SPAD区域400的侧边缘附近撞击时产生的光子生成的电荷载流子432可能不会被掺杂物浓度梯度引导至雪崩区域425。相反，光子生成的电荷载流子432可漂移并通过阴极区域404的边缘收集(漂移由箭头434表示)。然而，阴极区域404的边缘周围的电场通常较弱，这意味着光子生成的电荷载流子432不会触发雪崩。当不触发雪崩时，SPAD区域400不检测光子生成的电荷载流子432。
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440从SPAD区域400的左侧边缘延伸到SPAD区域400的右侧边缘。图440表明，PDE在雪崩区域425的大部分中处于峰值PDE值442，并且在雪崩区域425的边缘附近下降或降低。因此，在例示的实施方案中，光子414具有高PDE，因为光子生成的电荷载流子416被引导至或接近与峰值PDE值442相关联的雪崩区域425的中心。
然而，光子430的PDE低或为零，因为相关联的光子生成的电荷载流子432不被引导至雪崩区域425并且不触发雪崩。因此，SPAD区域400中的区域436、438可被视为死区。死区是由于光子产生的电荷载流子没有触发雪崩而不能被SPAD区域检测到在该区域中产生的电荷载流子的区域。
图4A的深沟槽隔离(DTI)区域424可在各种具体实施中构建。图4D示出了SPAD区域452的DTI区域的一个示例的横截面。在SPAD区域452的每个侧面上可以有DTI区域(诸如DTI区域450)，以将该区域与传感器晶圆中的其他SPAD区域隔离。DTI区域450可包括一个或多个通孔(诸如通孔454)，该通孔从SPAD区域452的前表面462延伸至传感器晶圆(例如，图3A-图3B中的传感器晶圆302)的后表面458。在一些实施方案中，通孔454延伸穿过后表面458以改善SPAD区域452与邻近SPAD区域的隔离。通孔可用于施加到SPAD区域452的p-n结上的反向偏压电压的电连接。
在图4D的实施方案中，DTI区域450填充有绝缘材料，诸如二氧化硅。钉扎层460位于DTI区域450的外表面上方。钉扎层460从SPAD区域452的前表面462延伸至传感器晶圆的后表面458。钉扎层460可以包括朝向后表面458延伸的外展区域464。钉扎层可由于从前表面462执行专用注入处理而出现。
此外，如前所述，扩散区域467和掺杂阱466可沿SPAD区域452的前表面定位，并连接到钉扎层460。扩散区域467与掺杂阱466可提供至SPAD区域452的前表面510的电连接。第一连接器316可以通过扩散区域467连接至掺杂阱466，这允许电压源(例如图3A-图3B中的电压源328)向钉扎层460施加隔离电压。
在第二组实施方案中，DTI区域可包括导电材料。然后，隔离电压可施加于导电材料，以引发SPAD的半导体区域内的钉扎层。与导电材料的连接可通过通孔进行。
在第三组实施方案中，DTI区域可包括多晶硅。在第四组实施方案中，DTI区域可包括多层低折射率材料和高折射率材料。例如，在一个实施方案中，低折射率材料和高折射率材料的层被布置为低折射率材料和高折射率材料的交替层。层的示例配置包括但不限于三个氧化硅(SiOx)和氮化硅(SiN)交替层，或三个氧化硅和硅交替层。内部层的其他示例配置具有低-高-低-高-低折射率。一个此类示例被配置为SiOx/SiN/SiOx/SiN/SiOx。本示例的变型仅取代SiOx的硅。
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SPAD区域的另一个示例。SPAD区域500包括阳极区域和位置与SPAD区域500的前表面510相邻的阴极区域504。阳极区域包括阳极梯度层502和定位在阴极区域504上方的阳极雪崩层508。阳极梯度层502和阳极雪崩层508掺杂有一种掺杂物类型，而阴极区域504掺杂有不同的第二掺杂物类型。例如，在一个实施方案中，阳极梯度层502和阳极雪崩层508掺杂有p型掺杂物，而阴极区域504掺杂有n型掺杂物。阳极梯度层502和阳极雪崩层508共同形成SPAD区域500的二极管结构的阳极部分，该阳极部分被反向偏压以用于光检测。
阳极梯度层502包括多个掺杂物浓度梯度。后边缘掺杂物浓度梯度从较轻掺杂层522垂直延伸至阳极梯度层502的后表面506。在例示的实施方案中，掺杂物的后边缘掺杂物浓度从较轻掺杂层522的中心区域增加至阳极梯度层502的后表面506(掺杂物浓度的增加由箭头512表示)。掺杂物浓度在阳极梯度层502的后表面506处及附近最高。在图5中所示的实施方案中，包括后边缘掺杂物浓度梯度的阳极梯度层502中的面积由深度D1和宽度W1限定。在其他实施方案中，后边缘掺杂物浓度梯度的面积可不同于例示的后边缘掺杂物浓度梯度。
此外，阳极梯度层502中的掺杂物的水平浓度从阳极梯度层502的内部增加到阳极梯度层502的右侧边缘514，以产生第一侧边缘掺杂物浓度梯度(掺杂物浓度的增加由箭头516表示)。第一侧边缘掺杂物浓度梯度横向(例如，垂直于或在对角线上)于后边缘掺杂物浓度梯度。在阳极梯度层502的右侧边缘514处及附近，第一侧边缘掺杂物浓度梯度中的掺杂物浓度最高。
在例示的实施方案中，包括第一侧边缘掺杂物浓度梯度的阳极梯度层502中的面积由较轻掺杂层522的宽度W2和轮廓边缘限定(具有相邻于右侧边缘514的最深深度D2)。在一些实施方案中，宽度W2大于雪崩区域524与阳极梯度层502的右侧边缘514之间的宽度。在其他实施方案中，第一侧边缘掺杂物浓度梯度的面积可不同于例示的第一侧边缘掺杂物浓度梯度。
类似地，阳极梯度层502中的掺杂物的浓度从阳极梯度层502的内部增加到左侧边缘518，以产生第二侧边缘掺杂物浓度梯度(掺杂物浓度的增加由箭头520表示)。第二侧边缘掺杂物浓度梯度也横向于后边缘掺杂物浓度梯度。在阳极梯度层502的左侧边缘518处及附近，第二侧边缘掺杂物浓度梯度中的掺杂物浓度最高。
在例示的实施方案中，包括第二侧边缘掺杂物浓度梯度的阳极梯度层502中的面积由较轻掺杂层522的宽度W3和轮廓边缘限定(具有相邻于右侧边缘514的最深深度D2)。在图5所示的实施方案中，W2大体上等于W3，尽管这不是必需的。在一些实施方案中，宽度W3大于雪崩区域524与阳极梯度层502的左侧边缘518之间的宽度。在其他实施方案中，第二侧边缘掺杂物浓度梯度的面积可不同于例示的第二侧边缘掺杂物浓度梯度。
在一些实例中，为了避免边缘击穿，第一侧边缘掺杂物浓度梯度和第二侧边缘掺杂物浓度梯度不会延伸至(例如接触)传感器晶圆(例如，图3A-图3B中的传感器晶圆302)的后表面。在一个非限制性示例中，第一边缘掺杂物浓度梯度和第二边缘掺杂物浓度梯度通过大于1微米的距离与传感器晶圆的后表面分开。
可使用任何合适的构造方法来形成第一侧边缘掺杂物浓度梯度和第二侧边缘掺杂物浓度梯度。例如，在一个实施方案中，离子被注入将包括第一边缘掺杂物浓度梯度和第二边缘掺杂物浓度梯度的区域中。然后，注入的离子被热扩散以产生第一边缘掺杂物浓度梯度和第二边缘掺杂物浓度梯度。在另一个示例中，在从互补金属氧化物半导体前道工序高温过程热扩散之后，当高掺杂多晶硅材料在DTI区域(例如图3A-图3B中的DTI区域334)中形成时，可以执行横向梯度掺杂过程。在一些实施方案中，高掺杂多晶硅材料掺杂有p型掺杂物。
当SPAD被反向偏压时，耗尽区域可从阳极雪崩区域508中延伸到较轻掺杂层522中，并且可包括较轻掺杂层522的全部或大部分。结果可以是，扩展耗尽区域的面积大于图4A中的耗尽层418的面积。图5中的较轻掺杂层522轻掺杂或低掺杂，以增加耗尽区域的深度和宽度。扩展耗尽区域以包括较轻掺杂层522的全部或大部分，可减少光子产生的电荷载流子通过较轻掺杂层522的总传播时间。传播时间是从产生电荷载流子的光子入射到产生雪崩电流为止的时间。作为示例，通过更快速地进入光子526和534引发的电荷载流子进入延伸耗尽区域，并且更快速地进入雪崩区域524。此外，耗尽区域的延伸深度和宽度会减小结电容。
较轻掺杂层522的边缘可由后边缘掺杂物浓度梯度、第一侧边缘掺杂物浓度梯度和第二侧边缘掺杂物浓度梯度的密度剖面或区域勾画轮廓或形状。在例示的实施方案中，阳极梯度层502中的第一侧边缘掺杂物浓度梯度和第二侧边缘掺杂物浓度梯度的区域使较轻掺杂层522的外部边缘向下延伸到雪崩区域524。在其他实施方案中，耗尽区域的形状可能不同。
第一后边缘掺杂物浓度梯度被配置为将光子生成的电荷载流子引导至雪崩区域524。例如，当光子526撞击阳极梯度层502时，后边缘掺杂物浓度梯度将光子生成的电荷载流子528引导至耗尽区域(引导由箭头530表示)。一旦进入耗尽区域，光子生成的电荷载流子528就会传播到雪崩区域524(由箭头532表示)。
第一侧边缘掺杂物浓度梯度和第二侧边缘掺杂物浓度梯度将光子生成的电荷载流子(例如，光子生成的电荷载流子536)从阳极梯度层502的侧边缘引导朝向或进入阳极梯度层502的内部(例如，到阳极梯度层502的中心)。换句话讲，第一侧边缘掺杂物浓度梯度和第二侧边缘掺杂物浓度梯度引导光子生成的电荷载流子远离死区(例如，图4B中的死区436、438)至阳极梯度层502中的区域，该区域允许光子生成的电荷载流子被引导至雪崩区域524。在一些实施方案中，第一侧边缘掺杂物浓度梯度和第二侧边缘掺杂物浓度梯度还可将光子生成的电荷载流子从阳极梯度层502的内部引导至较轻掺杂层522。另选地，在其他实施方案中，后边缘掺杂物浓度梯度和侧边缘掺杂物浓度梯度之一的组合可以将光子产生的电荷载流子从阳极梯度层502的内部引导至较轻掺杂层522。在一些情况下，后边缘掺杂物浓度梯度将光子生成的电荷载流子从阳极梯度层502的内部引导至较轻掺杂层522。一旦进入耗尽区域，光子生成的电荷载流子就会传播到雪崩区域524。
例如，当光子534在阳极梯度层502的左侧边缘附近撞击时，第一侧边缘掺杂物浓度梯度将光子生成的电荷载流子536引导进入或朝向阳极梯度层502的内部(引导由箭头538表示)。然后，光子生成的电荷载流子536会被引导至耗尽区域(引导由箭头540表示)。一旦进入耗尽区域，光子生成的电荷载流子536就会传播到雪崩区域524(由箭头542表示)。
防护环层544被定位到相邻于或靠近雪崩区域524。防护环层544掺杂有第二掺杂物类型(与阴极区域504的掺杂物类型相同)。具体地讲，防护环层544具有小于阴极区域504的掺杂物浓度。防护环层544修改阴极区域504与相邻于雪崩区域524的阳极梯度层502之间的电场分布。
图6描绘了雪崩区域524边缘周围的电场的示例图，其中分别具有和没有防护环层544。图600、602描绘了阴极区域504的边缘(图5中的区域546)与相邻阳极梯度层502(图5中的区域548)之间的电场。图600表示不存在防护环层544时的电场。图600中指定为A1的曲线下的面积基本上与阴极区域504边缘中的结可以支持的电压成比例，而不受边缘击穿的影响。当不存在防护环层544时，阴极区域504的边缘与阳极梯度层502的边缘之间的宽度在图6中被指定为W4。如图600中所示，电场迅速上升，峰值604在雪崩区域(例如，图4B中的雪崩区域425)边缘附近。
此外，电场中的峰值604随后在朝向区域548的方向上(例如，到点606)急剧下降。这种急剧下降意味着在雪崩区域边缘周围的电场分布不能有效地优化以最小化W4，同时保持峰值604低于具有常量A1的碰撞电离的临界阈值。
图602例示了当防护环层544相邻于雪崩区域524时的电场。当存在防护环层544时，图602的曲线下的面积被指定为A2，而阴极区域504的边缘与阳极梯度层502的边缘之间的宽度在图6中被指定为W5。防护环层544保持雪崩区域524边缘处(例如，在区域546处)的电场峰值低于碰撞电离的临界阈值，类似于不存在防护环层544时的情况。然而，当存在防护环层544时，对于与A1大体上相同的A2而言，W5小于W4。因此，当存在防护环层544时，雪崩区域524的面积大于不存在防护环层544时雪崩区域425的面积。因此，防护环层544的引入使得阴极区域504和阳极雪崩层508的面积(L×W)大体上相等，同时防止边缘击穿，从而提高了光子检测效率。
对于阳极雪崩层、阳极梯度层和阴极区域，可以选择不同的掺杂水平来获得不同的性能特性。例如，结合图5论述的侧梯度掺杂特性至少可通过将电荷载流子引导进入阳极雪崩层和阴极区域结处的雪崩区域来提高PDE。掺杂阳极梯度层，使防护环层增加雪崩区域。
另一组实施方案使阳极雪崩层和阴极区域的掺杂水平基于阳极雪崩层如何相对于结处的击穿电压耗尽。该组实施方案可用于本公开的任何实施方案中，包括结合图4A-图4C和图5论述的实施方案。在这些实施方案中，阳极雪崩层(诸如阳极雪崩层408和508)可被掺杂，使得其在达到击穿电压之前通过反向偏压电压耗尽。此外，当在阳极雪崩层上方也使用低掺杂区域(诸如阳极梯度层402或较轻掺杂层522)时，低掺杂区域也将因反向偏压电压相对于耗尽阳极雪崩层的反向偏压电压的微小增加而耗尽。此类实施方案的一个性能特性是电荷载流子的快速传播时间。另一个性能特性是，由于可通过将施加的反向偏压设定为在击穿电压时或刚好在击穿电压之前禁用SPAD区域检测光，反向偏压的较小变化可用于启用/禁用SPAD区域检测光。
由于上文公开的所有实施方案都提供了对电荷载流子的快速传播时间，这些实施方案可与快速选通电路(例如，图3C的选通电路)结合使用，以用于快速感测。在一些应用中，SPAD图像传感器被用作电子设备内的光距离和测距(LIDAR)系统的一部分。例如，智能电话可使用具有SPAD图像传感器的LIDAR作为相机中的自动聚焦子系统的一部分。此类系统可通过发射一系列短光脉冲(例如，来自激光的2毫微秒脉冲)和在SPAD图像传感器上检测来自脉冲的反射光来工作。到物体的距离是通过飞行时间决定的：从发射到检测的时间。由于发射光脉冲是在SPAD图像传感器上或附近产生的，在脉冲发射期间，SPAD区域自身必须被禁用检测光，以防止接收不需要的光(例如，散射光或来自设备覆盖玻璃的发射脉冲的反射)，并且可能使SPAD区域饱和。
快速选通电路(诸如图3C中所示)可以快速将SPAD带入其雪崩偏压区域。但是，此类快速选通会引入两个问题。首先，如果光子进入SPAD并且在选通电路启用SPAD之前生成电荷载流子，并且如果电荷载流子传播时间太慢，则电荷载流子可在快速选通电路启用SPAD之后进入雪崩区域。在启用SPAD时，这可能会产生假接收信号。第二，如果在启用SPAD时产生电荷载流子，并且如果电荷载流子传播时间太慢，则快速选通电路可在电荷载流子到达雪崩区域之前将SPAD的偏压淬火到雪崩区域中，因此不能产生来自电荷载流子的期望信号。侧梯度层还通过将电荷载流子引导至SPAD的中心区域来加快传播时间。上述实施方案具有快速传播时间，因此减少或避免了此类问题。
图7示出了传感器层中SPAD区域阵列的示例布局。虽然阵列700描绘有九个SPAD区域702，但其他实施方案可包括任意数量的SPAD区域702。定位在SPAD区域702之间和周围的是DTI区域704。如前所述，每个SPAD区域702都包括阴极区域706和阳极区域708。阴极区域706具有第一横向宽度W1和第一横向长度L1，而阳极区域708具有第二横向宽度W2和第二横向长度L2。在一些实施方案中，W2小于W1且L2小于L1，使得阳极区域708的面积小于阴极区域706的面积。当阳极区域708的面积小于阴极区域706的面积时，会减少或防止边缘击穿。
通过避免阳极区域708和阴极区域706的拐角中的锐角可进一步减少或防止边缘击穿。更好的是，阳极区域708和阴极区域706的布局呈现圆角，圆角通过足够大以防止由于曲率半径的影响而在局部电场中出现不希望的增大的半径来表征。
第一接触垫710(以虚线示出)定位在阴极区域706下方。第一连接器712(以虚线示出)将第一接触垫710连接到位置714处的阴极区域706。第一接触垫710和第一连接器712类似于图3A-图3B中的第二接触垫322和第二连接器318。虽然第一接触垫710被描绘为定位在阴极区域706的中心下方，但这不是必需的。第一接触垫710可位于SPAD有效显示区内的任何合适位置。
第二接触垫716定位在DTI区域704的交叉点处并且连接到另一个连接器(例如，图3A-图3B中的第一连接器316)。每个第二接触垫716可以是四个SPAD区域702的阳极区域708的接触垫，这四个SPAD区域702紧靠或共享第二接触垫716。另选地，每个第二接触垫716可以是DTI区域704、钉扎层和/或共享第二接触垫716的四个SPAD区域702的扩散区域的触点。第二接触垫716连接到第二连接器(例如，图3A-图3B中的第一连接器316)，该第二连接器可操作地连接到电压源(例如图3A-图3B中的电压源328)。
在一些实施方案中，沿一个维度(例如，沿行或列)布置的第二接触垫716的功能可在阵列700上交替。例如，第二接触垫718可以为紧靠或共享该第二接触垫718的四个SPAD区域720、722、724、726提供高电压。如前所述，高电压在SPAD区域702中反向偏压p-n结。在例示的实施方案中，与第二接触垫718水平对准的所有第二接触垫可执行相同的功能(例如，为SPAD区域提供高电压)。
第二接触垫728可为DTI区域704、钉扎层和/或与紧靠或共享第二接触垫728的四个SPAD区域724、726、730、732相关联的掺杂阱提供偏压电压。在例示的实施方案中，与第二接触垫728水平对准的所有第二接触垫716可执行相同的功能(例如，为DTI区域704、钉扎层、扩散区域和/或掺杂阱提供偏压电压)。
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。电子设备800包括一个或多个背照式SPAD图像传感器802、一个或多个处理设备804、存储器806、一个或多个网络接口808和电源810，每个都将在下文中依次论述。
一个或多个SPAD图像传感器802可如图2-图7中所示进行配置。该一个或多个处理设备804可控制电子设备800的一些或所有操作。一个或多个处理设备804可直接或间接地与电子设备800的基本上所有部件进行通信。例如，一个或多个系统总线812或其他通信机构可在SPAD图像传感器802、处理设备804、存储器806、网络接口808和/或电源810之间提供通信。在一些实施方案中，一个或多个处理设备804可被配置为接收来自SPAD图像传感器802的输出信号并执行飞行时间确定。一个或多个处理设备804可以实现为能够处理、接收或传输数据或指令的任何电子设备。例如，一个或多个处理设备804可为微处理器、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)或多个此类设备的组合。如本文所述，术语“处理器”意在涵盖单个处理器或处理单元、多个处理器、多个处理单元或一个或多个其他适当配置的计算元件。
存储器806可存储可由电子设备800使用的电子数据。例如，存储器806可存储电数据或内容，诸如音频文件、文档文件、定时和控制信号、飞行时间计算、光子计数、光子到达时间等。存储器806可被配置为任何类型的存储器。仅以举例的方式，存储器806可以实现为任何组合形式的随机存取存储器、只读存储器、闪存存储器、可移除存储器或其他类型的存储元件。
网络接口808可从用户或一个或多个其他电子设备接收数据。此外，网络接口808可帮助向用户或其他电子设备传输数据。网络接口808可通过无线连接或有线连接从网络接收数据或发送和传输电子信号。例如，由处理设备804确定的飞行时间数据和/或光子计数可被传输到另一个电子设备。
无线连接和有线连接的示例包括但不限于蜂窝网络、Wi-Fi、蓝牙和以太网。在一个或多个实施方案中，网络接口808支持多种网络或通信机构。例如，网络接口808可以与蓝牙网络上的另一个设备配对以向其他设备传输信号，同时通过Wi-Fi或其他有线连接或无线连接接收信号。
一个或多个电源810可利用能够向电子设备800提供能量的任何设备来实现。例如，电源810可以是电池。除此之外或另选地，电源810可以是电子设备800通过电源线连接到的墙壁插座。除此之外或另选地，电源810可以是电子设备800通过无线连接或有线连接(诸如通用串行总线(USB)线缆等连接线缆)连接到的另一个电子设备。
为了说明的目的，前述描述使用具体命名以提供对所述实施方案的彻底理解。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，不需要具体细节，以便实践所述实施方案。因此，出于例示和描述的目的，呈现了对本文所述的具体实施方案的前述描述。它们并非旨在是穷举性的或将实施方案限制到所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，鉴于上面的教导内容，许多修改和变型是可能的。

Claims (21)

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传感器晶圆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朝着所述传感器晶圆的与所述前表面相对的后表面升高，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由进入所述后表面的光引起的光子生成的电荷载流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传感器晶圆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传感器晶圆的所述前表面，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，所述掺杂阱在所述传感器晶圆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传感器晶圆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流子。
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：
第一SPAD区域和与所述第一SPAD区域相邻的第二SPAD区域，所述第一SPAD区域和所述第二SPAD区域各自包括：
阳极梯度层，所述阳极梯度层包含第一掺杂物类型，其中所述阳极梯度层中的所述第一掺杂物类型的掺杂物浓度朝着所述传感器晶圆的后表面升高并且在所述阳极梯度层中提供掺杂物浓度梯度；
阴极区域，所述阴极区域包含第二掺杂物类型并与所述传感器晶圆的前表面相邻，所述前表面与所述后表面相对；
阳极雪崩层，所述阳极雪崩层包含所述第一掺杂物类型并定位在所述阴极区域之上；和
深沟槽隔离区域，所述深沟槽隔离区域定位在所述第一SPAD区域和所述第二SPAD区域之间，所述深沟槽隔离区域延伸穿过所述传感器晶圆到所述传感器晶圆的后表面；
其中在所述阳极梯度层中的掺杂物浓度梯度用于引导由进入所述后表面的光引起的光子生成的电荷载流子穿过所述阳极梯度层到达所述阳极雪崩层；以及
电路晶圆，所述电路晶圆附接到所述传感器晶圆的前表面；和
处理设备，所述处理设备可操作地连接到所述背照式SPAD图像传感器并被配置为接收来自所述背照式SPAD图像传感器的输出信号。
13.根据权利要求12所述的电子设备，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第一SPAD区域，并通过第二晶圆间连接器耦接到所述第二SPAD区域，所述电压源被配置为向所述第一SPAD区域和所述第二SPAD区域提供高反向偏压电压水平；和
输出电路，所述输出电路通过第三晶圆间连接器耦接到相应的阴极区域。
14.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述深沟槽隔离区域包括：
通孔；和
导电材料，所述导电材料设置在所述通孔中。
15.根据权利要求14所述的电子设备，其中所述导电材料通过第四晶圆间连接器连接到所述电压源，所述电压源进一步被配置为向所述导电材料提供隔离电压。
16.根据权利要求12所述的电子设备，其中所述深沟槽隔离区域包括设置在所述深沟槽隔离区域中的绝缘材料。
17.根据权利要求12所述的电子设备，其中所述深沟槽隔离区域包括：
通孔；和
低折射率材料与高折射率材料的交替层。
18.根据权利要求12所述的电子设备，还包括钝化层，所述钝化层定位在所述深沟槽隔离区域的外表面之上。
19.根据权利要求12所述的电子设备，还包括：
钉扎层，所述钉扎层定位在所述深沟槽隔离区域的外表面之上并包含所述第一掺杂物；和
掺杂阱，所述掺杂阱定位在所述深沟槽隔离区域的所述外表面的与所述阳极梯度层相邻的一部分之上并且包含所述第一掺杂物，其中所述掺杂阱连接到所述钉扎层。
20.一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区域阵列，每个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，所述第一掺杂物类型被配置为具有朝着所述传感器晶圆的后表面升高的掺杂物浓度，以提供掺杂物浓度梯度；
阴极区域，所述阴极区域包含第二掺杂物类型并定位成与所述传感器晶片的与所述后表面相对的前表面相邻，所述阴极区域具有第一面积；和
阳极雪崩层，所述阳极雪崩层包含所述第一掺杂物类型并定位在所述阴极区域之上，所述阳极雪崩层具有小于所述第一面积的第二面积，并且所述掺杂物浓度梯度用于引导由进入所述后表面的光引起的光子生成的电荷载流子穿过所述阳极梯度层到达所述阳极雪崩层；
深沟槽隔离区域，所述深沟槽隔离区域与所述SPAD区域阵列中的每个SPAD区域相邻；
光罩，所述光罩定位在深沟槽隔离区域之上；
钝化层，所述钝化层定位在所述深沟槽隔离区域的外表面之上；和
光反射器，所述光反射器定位在每个SPAD区域的至少一部分下方；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。
21.根据权利要求20所述的背照式SPAD图像传感器，其中所述深沟槽隔离区域包括：
通孔；和
低折射率材料与高折射率材料的交替层。
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