CN111697014A - 用于具有单光子雪崩二极管像素的半导体器件的改进微透镜 - Google Patents

用于具有单光子雪崩二极管像素的半导体器件的改进微透镜 Download PDF

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Abstract

本发明题为“用于具有单光子雪崩二极管像素的半导体器件的改进微透镜”。本发明公开了一种成像设备，其可以包括多个单光子雪崩二极管(SPAD)像素。该SPAD像素可以与方形曲面微透镜重叠以将入射在像素上的光引导到像素的光敏区域上。方形曲面微透镜可以被形成为与每个其他SPAD像素对准的第一组和第二组微透镜，并且可以允许在相邻透镜之间没有间隙的情况下形成方形曲面微透镜。除此之外或另选地，每个方形曲面微透镜的中心部分可以由填充微透镜填充。方形曲面微透镜和填充微透镜可以一起在每个SPAD像素上方形成凸形微透镜。形成填充微透镜的材料具有比形成方形曲面微透镜的材料更高的折射率。

Description

用于具有单光子雪崩二极管像素的半导体器件的改进微透镜
背景技术
本申请整体涉及成像系统，并且更具体地讲，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。
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。每个像素还可以包括与光重叠并且将光聚焦在光敏元件上的微透镜。有时，图像传感器被设计为使用联合图像专家组(JPEG)格式将图像提供给电子设备。
具有背面照明式像素的常规图像传感器可能以各种方式遭受功能受限。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被成像的对象的距离。常规图像传感器的图像质量和分辨率也可能低于期望的图像质量和分辨率。
为了改进对入射光的敏感性，有时可以在成像系统中使用单光子雪崩二极管(SPAD)。然而，SPAD可能需要比常规图像传感器更大的光敏区域，并且因此可能需要更厚的微透镜以将光聚焦在SPAD内的光敏元件上。创建足够厚以将光聚焦到下面的SPAD像素上的微透镜可能是不可行或不实际的。
因此，希望能够为单光子雪崩二极管像素提供改进的微透镜。
附图说明
图1是示出根据一个实施方案的示例性单光子雪崩二极管像素的电路图。
图2是根据一个实施方案的示例性硅光电倍增器的图。
图3是根据一个实施方案的具有基于SPAD的半导体器件的示例性成像系统的示意图。
图4是根据一个实施方案的用于读出基于SPAD的半导体器件中的图像信号的示例性像素阵列以及相关联的读出电路的图。
图5是根据一个实施方案的被球形微透镜覆盖的示例性SPAD像素的截面图。
图6是根据一个实施方案的被曲面微透镜覆盖的示例性SPAD像素的截面图。
图7是根据一个实施方案的被方形曲面微透镜覆盖的示例性SPAD像素阵列的图。
图8是根据一个实施方案的在SPAD像素上方形成微透镜所涉及的示例性步骤的图。
图9A是根据一个实施方案的用于使用两个回流步骤在SPAD像素上方形成微透镜的方法步骤的流程图。
图9B是根据一个实施方案的用于使用三个回流步骤在SPAD像素上方形成微透镜的方法步骤的流程图。
图10是根据一个实施方案的被球形微透镜覆盖的示例性SPAD像素阵列的图。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及包括单光子雪崩二极管(SPAD)的成像系统。
一些成像系统包括通过以下方式来感测光的图像传感器：将撞击光子转换成积聚(收集)到传感器阵列内的像素光电二极管中的电子或空穴。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。模拟像素电压也可以随后在片上转换为数字等效的并在数字域中以各种方式进行处理。
另一方面，在单光子雪崩二极管(SPAD)设备(诸如结合图1至图4描述的设备)中，光子检测原理是不同的。光感测二极管被偏置为略高于其击穿点，并且当入射光子生成电子或空穴时，该载流子启动雪崩击穿，其中生成附加载流子。雪崩倍增可以产生电流信号，该电流信号可以容易地由与SPAD相关联的读出电路检测。需要通过将二极管偏置降低到低于其击穿点来停止(猝熄)雪崩过程。因此，每个SPAD可以包括用于猝熄雪崩的无源和/或有源猝熄电路。
可能以两种方式使用该概念。首先，可以简单地对到达光子进行计数(例如，在弱光水平应用中)。其次，可以使用SPAD像素来测量从同步光源到场景对象点并返回到传感器的光子渡越时间(ToF)，其可用于获得场景的3维图像。
图1是示例性SPAD设备202的电路图。如图1所示，SPAD设备202包括在第一电源电压端子208(例如，接地电源电压端子)和第二电源电压端子210(例如，正电源电压端子)之间与猝熄电路206串联耦接的SPAD 204。在SPAD设备202的操作期间，电源电压端子208和210可以用于将SPAD 204偏置到高于击穿电压的电压。击穿电压是可以施加而不会导致二极管中的泄漏电流呈指数增加的最大反向电压。当以这种方式将SPAD 204偏置到高于击穿电压时，单光子的吸收可以通过碰撞电离来触发短持续时间但相对较大的雪崩电流。
猝熄电路206(有时称为猝熄元件206)可以用于将SPAD 204的偏置电压降低到低于击穿电压的电平。将SPAD 204的偏置电压降低到低于击穿电压会停止雪崩过程和对应的雪崩电流。有多种方法来形成猝熄电路206。猝熄电路206可以是无源猝熄电路或有源猝熄电路。一旦启动，无源猝熄电路可以在没有外部控制或监测的情况下自动猝熄雪崩电流。例如，图1示出了使用电阻器来形成猝熄电路206的示例。这是无源猝熄电路的示例。在启动雪崩后，所产生的电流会迅速使设备的容量放电，从而将SPAD处的电压降低到击穿电压附近。与猝熄电路206中的电阻器相关联的电阻可能导致最终电流低于维持其自身所需的电流。然后可以将SPAD重置为高于击穿电压以能够检测另一个光子。
无源猝熄电路的该示例仅是示例性的。也可以在SPAD设备202中使用有源猝熄电路。有源猝熄电路可以减小将SPAD设备202重置所花费的时间。与使用无源猝熄电路时相比，这可以允许SPAD设备202以更快的速率检测入射光，从而改进SPAD设备的动态范围。有源猝熄电路可以调节SPAD猝熄电阻。例如，在检测到光子之前，将猝熄电阻设置为较高，并且然后一旦检测到光子并猝熄雪崩，则将猝熄电阻最小化以减小恢复时间。
SPAD设备202还可包括读出电路212。有多种方式来形成读出电路212以从SPAD设备202获得信息。读出电路212可以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可以包括用于测量光子渡越时间(ToF)的渡越时间电路。光子渡越时间信息可以用于执行深度感测。
在一个示例中，光子可以由模拟计数器计数以形成作为对应像素电压的光强度信号。还可以通过将光子渡越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可以包括数字脉冲计数电路。如果需要，读出电路212也可以包括放大电路。
图1的读出电路212耦接到二极管204和猝熄电路206之间的节点的示例仅是示例性的。读出电路212可以耦接到SPAD设备的任何期望部分。在一些情况下，猝熄电路206可以被认为是与读出电路212一体的。
因为SPAD设备可以检测单个入射光子，所以SPAD设备在具有弱光水平的成像场景处很有效。每个SPAD可以检测在给定时间段内接收到多少光子(例如，使用包括计数电路的读出电路)。然而，如上所讨论，每次接收到光子并启动雪崩电流时，SPAD设备必须在准备好检测另一个光子之前被猝熄并重置。随着入射光水平增加，重置时间变得受限于SPAD设备的动态范围(例如，一旦入射光水平超过给定水平，则SPAD设备在重置后立即被触发)。
可以将多个SPAD设备分组在一起以增加动态范围。图2是SPAD设备202的示例性组220的电路图。该组SPAD设备可以被称为硅光电倍增器(SiPM)。如图2所示，硅光电倍增器220可以包括在第一电源电压端子208和第二电源电压端子210之间并联耦接的多个SPAD设备。图2示出了并行耦接的N个SPAD设备202(例如，SPAD设备202-1、SPAD设备202-2、SPAD设备202-3、SPAD设备202-4、…、SPAD设备202-N)。给定硅光电倍增器中可以包括多于两个的SPAD设备、多于十个的SPAD设备、多于一百个的SPAD设备、多于一千个的SPAD设备等。
在本文中，每个SPAD设备可以被称为SPAD像素202。尽管在图2中未明确示出，用于硅光电倍增器的读出电路可以测量来自硅光电倍增器中的所有SPAD像素的组合输出电流。以此方式，可以增加包括SPAD像素的成像系统的动态范围。当接收到入射光子时，无法保证每个SPAD像素会触发雪崩电流。当接收到入射光子时，SPAD像素可能具有触发雪崩电流的相关联概率。存在当光子到达二极管时产生电子的第一概率，以及然后电子触发雪崩电流的第二概率。光子触发雪崩电流的总概率可以称为SPAD的光子检测效率(PDE)。因此，在硅光电倍增器中将多个SPAD像素分组在一起允许更准确地测量进入的入射光。例如，如果单个SPAD像素的PDE为50％，并且在一定时间段内接收一个光子，则有50％的机会将不会检测到该光子。利用图2的硅光电倍增器220，四个SPAD像素中的两个将有可能检测到光子，从而改进该时间段内提供的图像数据。
在硅光电倍增器中多个SPAD像素具有公共输出的示例仅是示例性的。在成像系统包括针对所有SPAD像素具有公共输出的硅光电倍增器的情况下，成像系统在对场景成像时可能没有任何分辨率(例如，硅光电倍增器只能检测单个点处的光子通量)。可能期望使用SPAD像素来获得阵列上的图像数据以允许被成像场景的更高分辨率的再现。在这些情况下，单个成像系统中的SPAD像素可具有逐像素读出能力。另选地，在成像系统中可以包括硅光电倍增器的阵列(每个硅光电倍增器包括多于一个的SPAD像素)。来自每个像素或来自每个硅光电倍增器的输出可以用于生成用于被成像场景的图像数据。该阵列可以能够在行阵列(例如，具有单行和多列或单列和多行的阵列)或具有多于十个、多于一百个或多于一千个的行和/或列的阵列中进行独立检测(无论是使用单个SPAD像素还是硅光电倍增器中的多个SPAD像素)。
虽然如上所讨论的，SPAP像素有许多可能的用例，但用于检测入射光的基础技术是相同的。使用SPAD像素的设备的所有上述示例可以统称为基于SPAD的半导体器件。具有带公共输出的多个SPAD像素的硅光电倍增器可以被称为基于SPAD的半导体器件。具有逐像素读出能力的SPAD像素的阵列可以被称为基于SPAD的半导体器件。具有逐硅光电倍增器读出能力的硅光电倍增器的阵列可以被称为基于SPAD的半导体器件。
在图3中示出了具有基于SPAD的半导体器件的成像系统10。成像系统10可以是电子设备，诸如数字相机、计算机、蜂窝电话、医疗设备或其他电子设备。成像系统10可以是车辆上的成像系统(有时称为车辆成像系统)。成像系统可以用于激光雷达应用。
成像系统14可以包括一个或多个基于SPAD的半导体器件14(有时称为半导体器件14、器件14、基于SPAD的图像传感器14、或图像传感器14)。一个或多个透镜28可以任选地覆盖每个半导体器件14。在操作期间，透镜28(有时称为光学器件28)可以将光聚焦到基于SPAD的半导体器件14上。基于SPAD的半导体器件14可以包括将光转换成数字数据的SPAD像素。基于SPAD的半导体器件可具有任何数量(例如，数百、数千、数百万或更多)的SPAD像素。
基于SPAD的半导体器件14可以任选地包括附加电路，诸如偏置电路(例如，源极跟随器负载电路)、采样和保持电路、相关双采样(CDS)电路、放大器电路、模拟-数字(ADC)转换器电路、数据输出电路、存储器(例如，缓冲电路)、地址电路等。
来自基于SPAD的半导体器件14的图像数据可以被提供给图像处理电路16。图像处理电路16可用于执行图像处理功能，诸如自动聚焦功能、深度感测、数据格式化、调节白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。例如，在自动聚焦操作期间，图像处理电路16可处理由SPAD像素收集的数据，以确定将感兴趣的对象对焦所需的透镜移动(例如，透镜28的移动)的幅度和方向。图像处理电路16可以处理由SPAD像素收集的数据以确定场景的深度图。
成像系统10可为用户提供许多高级功能。例如，在计算机或高级移动电话中，可为用户提供运行用户应用的能力。为了实现这些功能，成像系统可以包括输入输出设备22，诸如键盘、按钮、输入输出端口、操纵杆和显示器。也可以在成像系统中包括附加的存储和处理电路，诸如易失性和非易失性存储器(例如，随机存取存储器、闪存存储器、硬盘驱动器、固态驱动器等)、微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路和/或其他处理电路。
输入输出设备22可以包括与基于SPAD的半导体器件结合工作的输出设备。例如，发光部件可以包括在成像系统中以发射光(例如，红外光或任何其他期望类型的光)。半导体器件14可以测量光从对象的反射以在激光雷达(光检测和测距)方案中测量到对象的距离。
图4示出了半导体器件14的一个示例，该半导体器件包括以行和列布置的SPAD像素202(在本文中有时称为一个或多个图像像素)的阵列120。阵列120可包含例如几百或几千行以及几百或几千列的SPAD像素202。每个SPAD像素可以耦接到模拟脉冲计数器，该模拟脉冲计数器基于所接收的光子而生成对应像素电压。每个SPAD像素可以附加地或替代地耦接到渡越时间至电压转换器电路。在两种类型的读出电路中，电压可以存储在像素电容器上，并且稍后可能以逐行方式进行扫描。控制电路124可耦接到行控制电路126和图像读出电路128(有时称为列控制电路、读出电路、处理电路或列解码器电路)。行控制电路126可从控制电路124接收行地址，并且通过行控制路径130将对应的行控制信号提供给SPAD像素202。可将一根或多根导线(诸如，列线132)耦接到阵列120中的像素202的每一列。列线132可用于从像素202读出图像信号以及用于将偏置信号(例如，偏置电流或偏置电压)提供给像素202。如果需要，在像素读出操作期间，可使用行控制电路126选择阵列120中的像素行，并且可沿列线132读出由该像素行中的图像像素202生成的图像信号。
图像读出电路128可以通过列线132接收图像信号(例如，来自SPAD像素的模拟或数字信号)。图像读出电路128可包括用于对从阵列120读出的图像信号进行采样和暂时存储的采样保持电路、放大器电路、模拟-数字转换(ADC)电路、偏置电路、列存储器、用于选择性启用或禁用列电路的锁存电路，或者耦接到阵列120中的一个或多个像素列以用于操作像素202和用于从像素122读出信号的其他电路。读出电路128中的ADC电路可将从阵列120接收的模拟像素值转换成对应数字像素值(有时称为数字图像数据或数字像素数据)。另选地，可以将ADC电路合并到每个SPAD像素202中。图像读出电路128可针对一个或多个像素列中的像素通过路径125将数字像素数据提供给控制和处理电路124和/或图像处理和数据格式化电路16(图1)。
图像传感器14具有读出电路以按照逐行方式从SPAD像素读出信号的示例仅是示例性的。在其他实施方案中，图像传感器中的读出电路可以简单地包括耦接到每个SPAD像素的数字脉冲计数电路。可以使用任何其他期望的读出电路布置。
如果需要，阵列120可以是堆叠管芯布置方式的一部分，其中阵列120的像素202被划分在两个或更多个堆叠衬底之间。另选地，像素202可以在第一衬底中形成，并且一些或全部的对应控制和读出电路可以在第二衬底中形成。阵列120中的每个像素202可在像素内的任何所需节点处被划分在两个管芯之间。
应当理解，代替具有如图4中的SPAD像素的阵列，基于SPAD的半导体器件14可以替代地具有硅光电倍增器的阵列(每个硅光电倍增器包括具有公共输出的多个SPAD像素)。
如图5所示，SPAD设备组220(参见图2)中的每个SPAD像素202可以被微透镜502覆盖(另选地，图4所示的SPAD像素的阵列中的每个SPAD像素202可以被微透镜502覆盖)。具体地，每个微透镜502可以将入射光聚焦在SPAD像素202的相关联SPAD像素上。一般来讲，微透镜502可以是任何期望的形状以根据需要聚焦光。然而，由于SiPM设备中的较大光敏区域，因此传统球形透镜(诸如图5的微透镜502)在使用常规制造方法和设备来形成时，可能太薄而不能将光正确地聚焦在光敏区域上。具体地，SiPM设备可以具有间距大约在20微米至35微米宽之间的SPAD像素。为了将入射在图像传感器上的光聚焦到SPAD像素阵列上，可能需要厚度约为20微米的球形微透镜。这比厚度可能约为5微米的传统微透镜更厚，并且标准设备可能因此不能够形成用于SiPM设备的微透镜。
如图6所示，曲面微透镜602可以覆盖SPAD像素202。具体地，曲面透镜可以比球形微透镜更有效地聚焦入射光，从而导致下面的SPAD像素202进行更有效的光检测。这是因为曲面透镜的曲率半径可能小于球形微透镜的曲率半径，并且因此可以将光聚焦到较小区域上。曲面透镜可以通过小于10微米、小于5微米、大于3微米或小于4微米的厚度来实现有效的光聚焦。然而，这仅仅是示例性的。一般来讲，可以使用具有任何期望厚度的曲面透镜，但曲面透镜通常需要比球形微透镜更小的厚度。可以配备标准微透镜制造设备以形成这种厚度的微透镜，从而可以更有效地形成曲面微透镜。
一般来讲，SPAD像素可具有有源区域和无源区域。有源区域可能对入射光中的光子敏感，并且因此可以用于确定光子是否入射在SPAD像素上。相反，无源区域可能对光不敏感，而是包含电路或其他材料。在一些情况下，尽管曲面透镜可以比球形透镜更好地聚焦光，但曲面透镜可能将光散布到有源区域606的外部。具体地，如果曲面透镜602是圆形的，但下面的SPAD像素202是方形，则穿过曲面透镜602的光可以被引导到有源区域606的外部。例如，微透镜部分602A和602B可以将入射在SPAD像素202-1上的一些光聚焦到无源区域608中。这可能导致关于光是否入射在SPAD像素202-1上的不正确确定，并且降低SPAD像素的整体效率。因此，可能期望使用与下面的SPAD像素的形状匹配的曲面透镜。
在一个实施方案中，可以使用方形曲面微透镜。方形曲面透镜可以具有与下面的SPAD像素202的方形形状匹配的方形形状。方形曲面透镜可将更多的光聚焦到有源区域606上，并且因此比圆形曲面透镜更有效(例如，较少的光将被聚焦到无源区域608上)。然而，一般而言，SPAD像素202可以具有任何期望的几何形状，并且曲面透镜602可以具有与该几何形状匹配的形状以增加到达有源区域606的光的量。
如图7所示，方形曲面微透镜702可以被布置成阵列。例如，每个方形曲面微透镜702可以覆盖SPAD像素202中的相应SPAD像素(例如，在图2的SPAD设备组220中或在图4的阵列120中)。具体地，可以在SPAD像素(诸如SPAD像素202)上方形成方形曲面微透镜702。如图7所示，可能以网格图案形成四个方形曲面微透镜。方形曲面微透镜可以将更多的光聚焦到下面的SPAD像素的有源区域上(例如，图6中的SPAD像素202的有源区域606)，并且因此有效地将光聚焦在下面的像素上。
一般来讲，方形曲面微透镜可在微透镜的中心中具有间隙704。这也由图6中的间隙604示出。此外，尽管方形曲面微透镜702被示为在任何相邻的两个微透镜之间没有间隙，但这仅是示例性的。一般来讲，可以应用掩模以在相邻微透镜之间形成间隙(例如，在微透镜702-1和微透镜702-2之间可以存在间隙，在微透镜702-1和微透镜702-3之间可以存在间隙，和/或微透镜702-1和微透镜702-3之间可以存在间隙)。在一些情况下，可能期望移除或填充方形曲面微透镜的中心中或相邻方形曲面微透镜之间的一个或多个间隙，以确保入射在图像传感器上的更多光被引导到下面的SPAD像素。在图8中示出了用于形成曲面微透镜以及填充微透镜的中心中的间隙(诸如，方形曲面微透镜702中的间隙704)的示例性步骤。
如图8所示，可以用微透镜材料804涂覆晶圆802。微透镜材料804可以由丙烯酸、硅、任何其他期望的材料、或材料的任何期望组合形成。晶圆802可以由硅或任何其他期望半导体材料形成。一般来讲，晶圆802可以具有与SPAD像素808的有源区域相对应的第一部分810以及与SPAD像素808的无源区域相对应的第二部分812。例如，图像传感器14中需要的电路可以在晶圆802的第二部分上布线。可以将微透镜材料804施加在第一部分810和第二部分812的部分上方，如图8所示。可以在单个步骤中将微透镜材料施加在整个晶圆802上方，或者可以在多个步骤中将微透镜材料施加到晶圆802的不同部分。一般来讲，可以根据需要调整施加到晶圆802的微透镜材料的量和位置。
在将微透镜材料804施加到晶圆802之后，可以使用回流过程以将微透镜材料成形为曲面微透镜814。该回流过程可以在单个步骤中应用或者可以在多个步骤中应用。曲面微透镜814可以是方形曲面微透镜，诸如图7的方形微透镜702-1。可以通过回流过程来控制曲面微透镜814以及在晶圆802上形成的其他微透镜的每个部分的曲率。例如，可能期望使一些微透镜的曲率半径与其他微透镜的曲率半径不同，或者所有微透镜可以具有相同的曲率。然而，这仅仅是示例性的。一般来讲，可以通过回流过程在晶圆814上形成任何期望的微透镜。
在一些情况下，可能期望在下面的SPAD像素上方施加方形曲面微透镜(或其他曲面微透镜)。在这种情况下，图8的过程可以通过装置820来完成，该装置包括微透镜814和下面的晶圆802。然而，在一些情况下，可能期望填充方形曲面微透镜中的间隙(诸如间隙816)，和/或可能期望填充相邻方形曲面微透镜之间的间隙(诸如间隙818)。
为了填充间隙816，可以在每个间隙816中施加附加微透镜材料822。附加微透镜材料822可以由与微透镜材料804相同的材料形成，或者可以由不同的材料形成。例如，附加微透镜材料822可以具有比微透镜材料804更高的折射率，其可以将更多的入射光引导到下面的SPAD像素以进行检测。然而，这仅仅是示例性的。一般来讲，附加微透镜材料822可以具有比微透镜材料804更低的折射率，或者附加微透镜材料822可以具有与微透镜材料804相同的折射率。
在将附加微透镜材料822施加到晶圆802之后，可以使用附加的回流过程以将附加微透镜材料成形为微透镜824。如图8所示，微透镜824和曲面微透镜814可以形成连续凸形，其与常规曲面透镜相比可以朝向下面的SPAD像素的有源区域(诸如图6中的SPAD像素202-1的有源区域606)聚焦更多的光。然而，这仅仅是示例性的。一般来讲，可以调整微透镜材料、附加微透镜材料和回流条件以形成任何期望的微透镜形状。
在图9A中示出了具有用于形成带已填充中心的曲面透镜的步骤(诸如以上结合图8所描述的那些)的示例性方法。在步骤902处，可以用微透镜材料涂覆晶圆，诸如硅晶圆或由其他半导体材料形成的晶圆。微透镜材料可以由丙烯酸、硅或任何其他期望的材料形成。
在步骤904处，可以通过在相邻透镜位置之间具有间隙的掩模来暴露微透镜材料并且可以对其进行显影。具体地，掩模可以具有与图8的间隙818相对应的间隙。可能需要间隙以避免相邻微透镜之间的合并。例如，如果不提供间隙，则对应于第一微透镜的微透镜材料可与对应于邻近第一微透镜的第二微透镜的微透镜材料合并。然而，通过以间隙分离相邻透镜，可以使所有的微透镜材料回流以同时形成微透镜。
在步骤906处，可以使用回流过程来使微透镜材料回流以形成外部曲面透镜。例如，外部曲面透镜可以对应于图8的曲面透镜814。一般来讲，外部曲面透镜可以具有任何期望的形状和/或曲率。在一些情况下，外部曲面透镜可以具有方形形状以匹配下面的方形SPAD像素的形状，以便最大化到达SPAD像素的有源区域的入射光的量。然而，这仅仅是示例性的。
在步骤908处，可以用附加微透镜材料涂覆晶圆以填充外部曲面透镜中的间隙，诸如图8的间隙816。附加微透镜材料可以由与用于形成外部曲面透镜的微透镜材料相同的材料形成，或者其可以由不同的材料形成。例如，附加微透镜材料可以具有比用于形成外部曲面透镜的微透镜材料更高的折射率，这可以允许更多的光聚焦在下面的SPAD像素上以进行检测。然而，这仅仅是示例性的。一般来讲，附加微透镜材料可以具有比用于形成外部曲面透镜的微透镜材料更低的折射率，或者附加微透镜材料可以具有与用于形成外部曲面透镜的微透镜材料相同的折射率。
在步骤910处，可以通过填充掩模图案来暴露附加微透镜材料并且可以对其进行显影。可以调整填充掩模图案以确保附加微透镜材料与外部曲面透镜中的间隙对准，并且确保针对每个中心透镜使用期望的形状和材料量。
在步骤912处，可以使用附加回流过程来使附加微透镜材料回流以形成填充透镜部分(例如，对应于图8的微透镜824的透镜部分)。填充透镜部分和外部曲面透镜可以一起形成连续凸形，其可以朝向下面的SPAD像素的有源区域(诸如图6的SPAD像素202-1的有源区域606)聚焦光。然而，这仅仅是示例性的。一般来讲，可以调整微透镜材料、附加微透镜材料和回流条件以形成任何期望的微透镜形状。
一般来讲，图9A所示的方法可能需要相邻曲面微透镜之间的间隙以避免微透镜之间的合并。例如，这些间隙可以对应于图8的间隙818。这些间隙可以是必需的，因为所有微透镜是同时形成的。在一些情况下，可能期望避免相邻微透镜之间的间隙。例如，可能期望形成微透镜以将相邻像素之间的光引导到单个像素中，这可以增加像素阵列的效率。
在图9B中示出了具有用于形成具有已填充中心并且在相邻透镜之间没有间隙的曲面透镜的步骤的示例性方法。在步骤920处，可以用微透镜材料涂覆晶圆，诸如硅晶圆或由其他半导体材料形成的晶圆。微透镜材料可以由丙烯酸、硅或任何其他期望的材料形成。
在步骤922处，可以通过限定透镜阵列中的每个其他曲面形状的第一掩模来暴露微透镜材料并且可以对其进行显影。例如，第一掩模可以限定对应于图7的微透镜702-1和702-4的透镜位置。然而，第一掩模可以替代地限定对应于微透镜702-2和702-3的透镜位置。一般来讲，第一掩模可以限定与完成的透镜阵列中的每个其他透镜相对应的透镜位置。
在步骤924处，可以使用回流过程来使微透镜材料回流以形成第一组外部曲面透镜。例如，第一组外部曲面透镜可以与图7的外部曲面透镜702-1和702-4相对应。一般来讲，外部曲面透镜可以具有任何期望的形状和/或曲率。在一些情况下，外部曲面透镜可以具有方形形状以匹配下面的方形SPAD像素的形状，以便最大化到达SPAD像素的有源区域的入射光的量。然而，这仅仅是示例性的。
在步骤926处，可以用更多的微透镜材料涂覆晶圆。微透镜材料可以由丙烯酸、硅或任何其他期望的材料形成。通常，微透镜材料可以与用于形成第一组外部曲面透镜的微透镜材料相同。然而，如果需要，微透镜材料可以不同。
在步骤928处，可以通过限定与第一组曲面形状互补的第二组曲面形状的第二掩模来暴露微透镜材料并且可以对其进行显影。例如，如果第一掩模可以限定对应于图7的微透镜702-1和702-4的透镜位置，则第二掩模可以限定对应于微透镜702-2和702-3的透镜位置。然而，第二掩模可以替代地限定对应于微透镜702-1和702-4的透镜位置。一般来讲，第二掩模可以限定与第一组外部曲面透镜互补的透镜位置。
在步骤930处，可以使用回流过程来使微透镜材料回流以形成第二组外部曲面透镜。例如，第二组外部曲面透镜可以与图7的外部曲面透镜702-2和702-3相对应。一般来讲，外部曲面透镜可以具有任何期望的形状和/或曲率。在一些情况下，外部曲面透镜可以具有方形形状以匹配下面的方形SPAD像素的形状，以便最大化到达SPAD像素的有源区域的入射光的量。然而，这仅仅是示例性的。
因为第一组外部曲面透镜和第二组外部曲面透镜是顺序形成的(例如，而不是如图9A所示的那样同时形成)，所以如果需要，可以取消相邻曲面透镜之间的间隙(诸如图8的间隙818)。换句话说，相邻曲面透镜可以彼此直接接触。因为在针对第二组外部曲面透镜施加微透镜材料之前针对第一组外部曲面透镜进行回流操作，所以在使第二组透镜回流时，可能不会存在相邻透镜合并在一起的风险，并且相邻透镜之间的间隙可能不是必需的。
在步骤932处，可以用附加微透镜材料涂覆晶圆以填充外部曲面透镜中的间隙，诸如图8中的间隙816。附加微透镜材料可以由与用于形成第一组和第二组外部曲面透镜的微透镜材料相同的材料形成，或者其可以由不同的材料形成。例如，附加微透镜材料可以具有比用于形成第一组和第二组外部曲面透镜的微透镜材料更高的折射率，这可以允许更多的光到达下面的SPAD像素以进行检测。然而，这仅仅是示例性的。一般来讲，附加微透镜材料可以具有比用于形成第一组和第二组外部曲面透镜的微透镜材料更低的折射率，或者附加微透镜材料可以具有与用于形成第一组和第二组外部曲面透镜的微透镜材料相同的折射率。
在步骤934处，可以通过填充掩模图案来暴露附加微透镜材料并且可以对其进行显影。可以调整填充掩模图案以确保附加微透镜材料与第一组和第二组外部曲面透镜中的间隙对准，并且确保针对每个中心透镜使用期望的形状和材料量。
在步骤936处，可以使用附加回流过程来使附加微透镜材料回流以形成填充透镜部分(例如，对应于图8的微透镜824的透镜部分)。填充透镜部分以及第一组和第二组外部曲面透镜的外部曲面透镜可以一起形成连续凸形，其可以朝向下面的SPAD像素的有源区域(诸如图6的SPAD像素202-1的有源区域606)聚焦光。然而，这仅仅是示例性的。一般来讲，可以调整微透镜材料、附加微透镜材料和回流条件以形成任何期望的微透镜形状。
尽管图8和图9所示的过程已经被描述为填充曲面微透镜中的间隙，但这仅是示例性的。一般来讲，图8和图9中描述的过程可以填充任何期望的微透镜中的间隙。例如，如图10所示，可以在每个SPAD像素上方形成多个微透镜。如图所示，球形微透镜1002可以在每个SPAD像素上方以二乘二的阵列布置。球形微透镜1002可以限定中心部分，该中心部分可以通过结合图8和和9描述的过程来填充，由此形成可将光有效地聚焦在下面的SPAD像素上的连续凸形微透镜。
在任何上述实施方案中，应当理解，可以使用硅光电倍增器(具有带公共输出的多个SPAD像素)代替单个SPAD像素。如果需要，硅倍增器中的每个SPAD像素可以被微透镜覆盖，或者硅倍增器内的多个SPAD像素可以被单个微透镜覆盖。
尽管已经将每个前述实施方案描述为在SPAD像素上方施加微透镜，但可以在任何期望的像素类型上方形成微透镜。例如，可以将前述微透镜施加在常规CMOS成像器中的像素上方。
在本发明的各种实施方案中，半导体器件可以包括：多个单光子雪崩二极管像素；多个第一微透镜，其中该多个第一微透镜中的至少一个可以覆盖该多个单光子雪崩二极管像素的每个；以及多个第二微透镜，该多个第二微透镜中的每个可以填充多个第一微透镜中的间隙。
根据一个实施方案，每个第一微透镜可以是具有中心开口的曲面微透镜，并且每个第二微透镜可以填充第一微透镜中的中心开口中的相应中心开口。多个单光子雪崩二极管像素可以各自具有第一形状，并且第一微透镜中的每个可以具有与第一形状匹配的第二形状。在一些实施方案中，第一形状和第二形状都可以是方形。
根据一个实施方案，第一微透镜中的每个可以由具有第一折射率的材料形成，并且第二微透镜中的每个可以由具有与第一折射率不同的第二折射率的材料形成。第二折射率可高于第一折射率。
根据一个实施方案，第一微透镜和第二微透镜可以一起形成多个微透镜，该多个微透镜中的每个可以与多个单光子雪崩二极管像素中的相应单光子雪崩二极管像素重叠。另选地或除此之外，第一微透镜和第二微透镜可以至少部分地由相同材料形成。
根据一个实施方案，第一微透镜可以是球形微透镜，并且球形微透镜可以在每个单光子雪崩二极管像素上方以二乘二的阵列形成。第二微透镜可以填充每个像素上方的四个球形微透镜之间的间隙。
根据一个实施方案，第一微透镜可以是方形曲面微透镜，并且相邻的第一微透镜可以彼此直接接触。第二微透镜可以填充方形曲面微透镜中的中心间隙。
根据各种实施方案，微透镜可以通过以下方式在多个单光子雪崩二极管上方形成：在半导体晶圆上方施加第一微透镜材料；通过第一掩模来暴露第一微透镜材料；使第一微透镜材料回流以形成第一组不重叠外部曲面微透镜；在半导体晶圆上方施加第二微透镜材料；通过第二掩模来暴露第二微透镜材料；以及使第二微透镜材料回流以形成第二组互补外部曲面微透镜。
根据一个实施方案，通过第一掩模来暴露第一微透镜材料以及使第一微透镜材料回流可以形成第一组方形曲面微透镜，并且通过第二掩模来暴露第二微透镜材料以及使第二微透镜材料回流可以形成第二组方形曲面微透镜。如果需要，可以在使第一微透镜材料回流之后施加第二微透镜材料。
根据一个实施方案，可以通过以下方式进一步形成微透镜：在半导体晶圆上方施加附加微透镜材料；通过填充掩模来暴露附加微透镜材料；以及使附加微透镜材料回流以形成填充透镜部分。附加微透镜材料可以填充第一组和第二组外部曲面微透镜中的开口。此外，填充透镜部分以及第一组和第二组外部曲面微透镜可以在多个SPAD像素上方形成多个凸形微透镜。
根据一个实施方案，可以在整个半导体晶圆上方施加第一微透镜材料和第二微透镜材料，并且在已经施加两组材料之后，可以暴露和回流第一微透镜材料和第二微透镜材料。
根据各种实施方案，半导体器件可以包括：单光子雪崩二极管像素；在单光子雪崩二极管像素上方的曲面微透镜，该曲面微透镜具有中心开口；以及填充微透镜，该填充微透镜填充曲面微透镜的中心开口。
根据一个实施方案，单光子雪崩二极管像素可以具有方形形状，并且曲面微透镜可以是方形曲面微透镜。方形曲面微透镜可以具有第一折射率，并且填充微透镜可以具有高于第一折射率的第二折射率。
根据一个实施方案，半导体器件可以包括多个单光子雪崩二极管像素、多个第一微透镜和多个第二微透镜。第一微透镜中的至少一个可以覆盖多个单光子雪崩二极管像素中的每个，并且每个第二微透镜可以填充多个第一微透镜中的间隙。
根据另一个实施方案，每个第一微透镜可以是具有中心开口的曲面微透镜，每个第二微透镜可以填充第一微透镜中的中心开口中的相应中心开口，多个单光子雪崩二极管像素可以各自具有第一形状，第一微透镜中的每个可以具有与第一形状匹配的第二形状，第一形状和第二形状都可以是方形，每个第一微透镜可以由具有第一折射率的材料形成，并且每个第二微透镜可以由具有高于第一折射率的第二折射率的材料形成。
根据另一个实施方案，第一微透镜和第二微透镜可以一起形成多个凸形微透镜，凸形微透镜中的每个可以与多个单光子雪崩二极管像素中的相应单光子雪崩二极管像素重叠，并且第一微透镜和第二微透镜可以至少部分地由相同材料形成。
根据另一个实施方案，第一微透镜可以是球形微透镜，并且球形微透镜可以在每个单光子雪崩二极管像素上方以二乘二的阵列形成，并且第二微透镜中的每个可以填充每个像素上方的四个球形微透镜之间的间隙。
根据另一个实施方案，第一微透镜可以是方形曲面微透镜，相邻的第一微透镜可以彼此直接接触，并且第二微透镜可以填充方形曲面微透镜中的中心间隙。
根据一个实施方案，在多个单光子雪崩二极管上方形成微透镜的方法可以包括：在半导体晶圆上方施加第一微透镜材料；通过第一掩模来暴露第一微透镜材料；使第一微透镜材料回流以形成第一组不重叠外部曲面微透镜；在半导体晶圆上方施加第二微透镜材料；通过第二掩模来暴露第二微透镜材料；以及使第二微透镜材料回流以形成第二组互补外部曲面微透镜。
根据另一个实施方案，通过第一掩模来暴露第一微透镜材料以及使第一微透镜材料回流可以包括形成第一组方形曲面微透镜，通过第二掩模来暴露第二微透镜材料以及使第二微透镜材料回流可以包括形成第二组方形曲面微透镜，并且施加第二微透镜材料可以包括在使第一微透镜材料回流之后施加第二微透镜材料。
根据另一个实施方案，方法还可以包括：在半导体晶圆上方施加附加微透镜材料，其中施加附加微透镜材料以及通过填充掩模来暴露附加微透镜材料可以包括用附加微透镜材料填充第一组和第二组外部曲面微透镜中的开口；通过填充掩模来暴露附加微透镜材料；以及使附加微透镜材料回流以形成填充透镜部分，其中使附加微透镜材料回流以形成填充透镜部分包括形成填充透镜部分，这些填充透镜部分填充第一组和第二组外部曲面微透镜中的开口以形成多个凸形微透镜。
根据另一个实施方案，施加第一微透镜材料和施加第二微透镜材料可以包括在整个半导体晶圆上方施加第一微透镜材料和第二微透镜材料，并且暴露和回流第一微透镜材料以及暴露和回流第二微透镜材料可以包括在将第一微透镜材料和第二微透镜材料施加在整个半导体晶圆上方之后暴露和回流第一微透镜材料和第二微透镜材料。
根据一个实施方案，半导体器件可以包括：单光子雪崩二极管像素；在单光子雪崩二极管像素上方的曲面微透镜，其中曲面微透镜具有中心开口；以及填充微透镜，该填充微透镜填充曲面微透镜的中心开口。
前述内容仅仅是对本发明原理的示例性说明，并且本领域技术人员可以进行多种修改。上述实施方案可单个实施或以任意组合方式实施。

Claims (10)

1.一种半导体器件，包括：
多个单光子雪崩二极管像素；
多个第一微透镜，其中所述第一微透镜中的至少一个覆盖所述多个单光子雪崩二极管像素中的每个；和
多个第二微透镜，其中每个第二微透镜填充所述多个第一微透镜中的间隙。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中每个第一微透镜是具有中心开口的曲面微透镜，其中每个第二微透镜填充所述第一微透镜中的中心开口中的相应的中心开口，其中所述多个单光子雪崩二极管像素各自具有第一形状，其中所述第一微透镜中的每个具有与所述第一形状匹配的第二形状，其中所述第一形状和所述第二形状都是方形，其中每个第一微透镜由具有第一折射率的材料形成，并且其中每个第二微透镜由具有比所述第一折射率更高的第二折射率的材料形成。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第一微透镜和所述第二微透镜一起形成多个凸形微透镜，其中所述凸形微透镜中的每个与所述多个单光子雪崩二极管像素中的相应单光子雪崩二极管像素重叠，并且其中所述第一微透镜和所述第二微透镜至少部分地由相同材料形成。
4.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第一微透镜是球形微透镜，其中所述球形微透镜在每个单光子雪崩二极管像素上方以二乘二的阵列形成，并且其中所述第二微透镜中的每个填充每个像素上方的四个球形微透镜之间的间隙。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述第一微透镜是方形曲面微透镜，其中相邻的第一微透镜彼此直接接触，并且其中所述第二微透镜填充所述方形曲面微透镜中的中心间隙。
6.一种在多个单光子雪崩二极管上方形成微透镜的方法，所述方法包括：
在半导体晶圆上方施加第一微透镜材料；
通过第一掩模来暴露所述第一微透镜材料；
使所述第一微透镜材料回流以形成第一组不重叠外部曲面微透镜；
在所述半导体晶圆上方施加第二微透镜材料；
通过第二掩模来暴露所述第二微透镜材料；以及
使所述第二微透镜材料回流以形成第二组互补外部曲面微透镜。
7.根据权利要求6所述的方法，其中通过所述第一掩模来暴露所述第一微透镜材料以及使所述第一微透镜材料回流包括形成第一组方形曲面微透镜，其中通过所述第二掩模来暴露所述第二微透镜材料以及使所述第二微透镜材料回流包括形成第二组方形曲面微透镜，并且其中施加所述第二微透镜材料包括在使所述第一微透镜材料回流之后施加所述第二微透镜材料。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括：
在所述半导体晶圆上方施加附加微透镜材料，其中施加所述附加微透镜材料以及通过所述填充掩模来暴露所述附加微透镜材料包括用所述附加微透镜材料填充所述第一组和第二组外部曲面微透镜中的开口；
通过填充掩模来暴露所述附加微透镜材料；以及
使所述附加微透镜材料回流以形成填充透镜部分，其中使所述附加微透镜材料回流以形成填充透镜部分包括形成这样的填充透镜部分，所述填充透镜部分填充所述第一组和第二组外部曲面微透镜中的所述开口以形成多个凸形微透镜。
9.根据权利要求6所述的方法，其中施加所述第一微透镜材料和施加所述第二微透镜材料包括在所述整个半导体晶圆上施加所述第一微透镜材料和所述第二微透镜材料，并且其中暴露和回流所述第一微透镜材料以及暴露和回流所述第二微透镜材料包括在将所述第一微透镜材料和所述第二微透镜材料施加在所述整个半导体晶圆上方之后暴露和回流所述第一微透镜材料和所述第二微透镜材料。
10.一种半导体器件，包括：
单光子雪崩二极管像素；
在所述单光子雪崩二极管像素上方的曲面微透镜，其中所述曲面微透镜具有中心开口；和
填充微透镜，所述填充微透镜填充所述曲面微透镜的所述中心开口。
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