CN111968999A - 堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器，包括：成像晶圆，具有前表面和后表面，包括；位于前表面和后表面之间的SPAD阵列，SPAD阵列包括：第一类型外延层：阴极区域，位于第一类型外延层中并具有第二类型掺杂层；第一类型掺杂层，位于所述阴极区域上方，第一类型掺杂层与第二类型掺杂层的交界处为雪崩区；阳极区域，包围第一类型外延层的四周和靠近后表面的一侧并具有第一类型深掺杂层；隔离层，包围阳极区域的四周；覆盖前表面的金属反射层、介电层和顶层金属层，阴极区域和阳极区域分别通过通孔贯穿金属连接层并连接顶层金属层；依次覆盖后表面的高k介电层、红外滤波层和抗反射层；逻辑晶圆，位于前表面下方并附接成像晶圆。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器技术领域，且特别涉及一种堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器。
背景技术
DTOF(Direct Time-of-Flight，直接测量飞行时间)用于各种电子设备中，诸如手机、数码相机、汽车、医学成像设备、安全系统以及AR、VR应用等。DTOF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。
目前当手机应用时，DTOF需要高分辨率。当分辨率高时会导致像素间距(PixelPitch)变小，例如，1um、2.5um、5um、10um等等。当像素间距变小后会带来光子探测效率(Photo detection efficiency,PDE)过低、串扰严重、后脉等一系列问题。最终导致使用量程受限或者功耗过大，无法满足手机应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器，实现高PDE、低串扰、低像素间距、低后脉、低功耗的DTOF。
本申请的一实施方式提供了一种堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器，包括：
成像晶圆，所述成像晶圆具有前表面和后表面，所述成像晶圆包括；
位于所述前表面和后表面之间的SPAD阵列，所述SPAD阵列包括：
第一类型外延层：
阴极区域，位于所述第一类型外延层中并具有第二类型掺杂层；
第一类型掺杂层，位于所述阴极区域上方靠近所述后表面的一侧，其中，所述第一类型掺杂层与所述第二类型掺杂层的交界处为雪崩区；
阳极区域，包围所述第一类型外延层的四周和靠近所述后表面的一侧并具有第一类型深掺杂层；
隔离层，包围所述阳极区域的四周；
覆盖所述前表面的金属反射层、介电层和顶层金属层，所述阴极区域和所述阳极区域分别通过通孔贯穿所述金属连接层并连接所述顶层金属层；
依次覆盖所述后表面的高k介电层、红外滤波层和抗反射层；
逻辑晶圆，所述逻辑晶圆位于所述前表面下方并附接所述成像晶圆。
在一优选例中，所述逻辑晶圆包括电压源与淬火/充电和读出电路，所述阳极区域连接所述电压源，所述淬火/充电和读出电路连接所述阴极区域。
在一优选例中，所述阴极区域与所述金属反射层之间形成有光栅层。
在一优选例中，所述光栅层包括由以下任意两种在同一平面上交替形成：多晶硅、二氧化硅、氮化硅、Si3N4。
在一优选例中，所述阴极区域与所述金属反射层之间形成有布拉格反射层。
在一优选例中，所述布拉格反射层由以下任意两种交替层叠形成：多晶硅、二氧化硅、氮化硅、Si3N4。
本申请的另一实施方式提供了一种堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器，包括：
成像晶圆，所述成像晶圆具有前表面和后表面，所述成像晶圆包括；
位于所述前表面和后表面之间的SPAD阵列，所述SPAD阵列包括：
第一类型外延层：
阴极区域，位于所述第一类型外延层中并具有第二类型掺杂层；
第一类型掺杂层，位于所述阴极区域上方靠近所述后表面的一侧，其中，所述第一类型掺杂层与所述第二类型掺杂层的交界处为雪崩区；
隔离层，包围所述第一类型外延层的四周；
阳极区域，位于所述第一类型外延层上方靠近所述后表面的一侧的和贯穿所述隔离层的第一类型深掺杂层；
覆盖所述前表面的金属反射层、介电层和顶层金属层，所述阴极区域和所述阳极区域分别通过通孔贯穿所述金属连接层并连接所述顶层金属层；
依次覆盖所述后表面的高k介电层、红外滤波层和抗反射层；
逻辑晶圆，所述逻辑晶圆位于所述前表面下方并附接所述成像晶圆。
本申请的另一实施方式提供了一种堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器，包括：
成像晶圆，所述成像晶圆具有前表面和后表面，所述成像晶圆包括；
位于所述前表面和后表面之间的SPAD阵列，所述SPAD阵列包括：
第一类型外延层：
阴极区域，位于所述第一类型外延层中并具有第二类型掺杂层；
第一类型掺杂层，位于所述阴极区域上方靠近所述后表面的一侧，其中，所述第一类型掺杂层与所述第二类型掺杂层的交界处为雪崩区；
隔离层，包围所述第一类型外延层的四周；
阳极区域，位于所述第一类型外延层上方靠近所述后表面的一侧的第一类型深掺杂层；
覆盖所述前表面的金属反射层、介电层和顶层金属层，所述阴极区域通过通孔贯穿所述金属连接层并连接所述顶层金属层，所述阳极区域通过金属连接层贯穿所述金属反射层连接所述顶层金属层；
依次覆盖所述后表面的高k介电层、红外滤波层和抗反射层；
逻辑晶圆，所述逻辑晶圆位于所述前表面下方并附接所述成像晶圆。
相对于现有技术，本申请的方法具有以下有益效果：
本发明提供的SPAD在940nm波段的PDE提升几倍，其发射功耗可以大幅度降低，从而降低了系统的功耗。并且，量程和帧率都得到了优化，促进了DTOF在手机上的普及。
附图说明
图1是本发明实施例一中堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器的示意图。
图2是本发明一实施例中具有光栅的堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器的示意图。
图3是本发明一实施例中具有布拉格反射层的堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器的示意图。
图4是本发明实施例二中堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器的示意图。
图5是本发明实施例三中堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器的示意图。
图6是本发明实施例四中背照单光子雪崩二极管图像传感器的示意图。
图7是本发明实施例一中堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器的PDE的仿真示意图。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各项权利要求所要求保护的技术方案。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本申请的一实施方式提供了一种堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器，图1示出了堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器的示意图，其包括：成像晶圆100，所述成像晶圆100具有前表面和后表面；逻辑晶圆200，所述逻辑晶圆200位于所述前表面下方并附接所述成像晶圆100。成像晶圆与逻辑晶圆之间呈堆栈式封装结构。
所述成像晶圆100包括位于所述前表面和后表面之间的SPAD阵列，覆盖所述前表面的金属反射层109、介电(ILD)层110和顶层金属(TM)层112，依次覆盖所述后表面的高k介电层113、红外滤波层114、抗反射层115和微透镜116。所述SPAD阵列包括：第一类型(p--)外延层101：位于所述第一类型外延层101的第二类型(n)掺杂层102，用做SPAD像素的阴极区域，第二类型(n)掺杂层102中还具有第二类型深(n+)掺杂层106，用于将阴极区域读出；位于所述阴极区域上方靠近所述后表面的一侧的第一类型(p)掺杂层103，其中，所述第一类型掺杂层103与所述第二类型掺杂层102的交界处为雪崩区104，所述第一类型掺杂层103上方还具有第一类型掺杂层105；包围所述第一类型外延层101的四周和靠近所述后表面的一侧的第一类型深(p++)掺杂层107，用做SPAD像素的阳极区域；包围所述阳极区域107的四周的隔离层108。
所述阴极区域和所述阳极区分别通过通孔(conta)111贯穿所述金属反射层109并连接所述顶层金属层112。
在一实施例中，所述逻辑晶圆200包括位于P型衬底(PSUB层)201中的电压源202与淬火/充电和读出电路203，与所述阳极区域连接的顶层金属层112通过位于P型衬底201表面的顶层金属层204连接所述电压源202，与所述阴区域连接的顶层金属层112通过顶层金属层204连接所述淬火/充电和读出电路203。
本发明采用两片晶圆堆叠封装。图1中仅显示单个SPAD像素，DTOF里的SPAD阵列，例如，为m*n个该最小模块重复组合构成。成像晶圆最上方的微透镜116用于聚合光路提高填充因子(Fill factor)，抗反射层115使入射波段尽可能的降低反射，红外滤波层114只允许发射波段波长通过，如940nm等，高k介电层113用于隔离保护。
SPAD像素中最下方的是N+读出区106，其次是环绕在N+读出区106周围的N掺杂层102，其掺杂浓度低于N+层，二者构成了SPAD的阴极。N型掺杂层上方是P型掺杂层103，二者交界处即雪崩区104，也是最核心的区域。P掺杂层103上方有一层掺杂稍微轻的P-掺杂层105，可以减小后脉的影响。P-掺杂层105上方是P--外延层101。在SPAD像素的正上方和侧壁是P++掺杂层107，用于引出SPAD像素的阳极，P++掺杂层107最终通过通孔111通过侧壁底部的P++掺杂层引出。相邻SPAD相邻的P++掺杂层之间是隔离层，隔离层不导电、不透光，其作用可降低相邻SPAD像素之间的串扰。在SPAD的下方有反射金属层，其作用可以使光路返回到雪崩区，避免了光子浪费，提高PDE。SPAD像素的阳极、阴极分别通过通孔111连接到成像晶圆的顶层金属层，并与其下方逻辑晶圆的相关顶层金属层TM层连接。从而将SPAD像素的阴极、阳极都引入到下方的逻辑晶圆，并被其控制。在下方逻辑晶圆，包含用于控制SPAD阳极的电压源模块，以及用于控制SPAD的阴极的淬火/充电和读出电路模块，并感测相关信号进行处理后输出。
在一实施例中，参考图2所示，所述阴极区域与所述金属反射层之间形成有光栅层117。光栅的作用是使入射到SPAD像素底部的光再通过各个角度反射回去，并经侧壁碰撞后再进入雪崩区被有效吸收。在一实施例中，所述光栅层117包括由以下任意两种在同一平面上交替形成：多晶硅、二氧化硅、氮化硅、Si3N4。例如，光栅可以由未掺杂的多晶硅和二氧化硅在同一平面上交替组成，可以降低了生产难度，不带来良率降低。光栅也可以由未掺杂的多晶硅和SiN交替组成。光栅也可以由二氧化硅和Si3N4交替组成。光栅也可以由二氧化硅和SiN交替组成。光栅也可以是其他组合构成，本发明对此不予限制。
在一实施例中，参考图3所示，所述阴极区域与所述金属反射层之间形成有布拉格反射层118，其作用是使入射到底部的光返回雪崩区，增加了PDE。在一实施例中，所述布拉格反射层118由以下任意两种交替层叠形成：多晶硅、二氧化硅、氮化硅、Si3N4。例如，布拉格反射层由未掺杂的多晶硅和二氧化硅交替叠加组成。布拉格反射层也可以由未掺杂的多晶硅和SiN交替叠加组成。布拉格反射层也可以由二氧化硅和Si3N4交替叠加组成。布拉格反射层也可以由二氧化硅和SiN交替叠加组成。布拉格反射层也可以是其他组合构成，本发明对此不予限制。
实施例二
本申请的实施例二中提供了一种堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器，参考图4所示，其包括：成像晶圆100，所述成像晶圆100具有前表面和后表面；逻辑晶圆200，所述逻辑晶圆200位于所述前表面下方并附接所述成像晶圆100。
所述成像晶圆100包括位于所述前表面和后表面之间的SPAD阵列，覆盖所述前表面的金属反射层109、介电(ILD)层110和顶层金属(TM)层112，依次覆盖所述后表面的高k介电层113、红外滤波层114、抗反射层115和微透镜116。所述SPAD阵列包括：第一类型(p--)外延层101：位于所述第一类型外延层101的第二类型(n)掺杂层102，用做SPAD像素的阴极区域，第二类型(n)掺杂层102中还具有第二类型深(n+)掺杂层106，用于将阴极区域读出；位于所述阴极区域上方靠近所述后表面的一侧的第一类型(p)掺杂层103，其中，所述第一类型掺杂层103与所述第二类型掺杂层102的交界处为雪崩区104，所述第一类型掺杂层103上方还具有第一类型掺杂层105；包围所述述第一类型外延层101的四周的隔离层108；位于所述第一类型外延层101上方靠近所述后表面的一侧的和贯穿所述隔离层108的第一类型深(p++)掺杂层107。
所述阴极区域和所述阳极区分别通过通孔(conta)111贯穿所述金属反射层109并连接所述顶层金属层112。
所述逻辑晶圆200包括位于P型衬底(PSUB层)201中的电压源203与淬火/充电和读出电路203，与所述阳极区域连接的顶层金属层112通过位于P型衬底201表面的顶层金属层204连接所述电压源202，与所述阴区域连接的顶层金属层112通过顶层金属层204连接所述淬火/充电和读出电路203。
实施例一与实施例二的堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器基本相同，主要区别在于：将实施例一中环绕在SPAD像素侧壁的P++掺杂层位置移动到隔离层中间，这样可以降低制造的难度，提高了工艺一致性。
应当理解，实施例二中的堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器还可以包括实施一种所示的光栅层或布拉格反射层，其作用和结构与实施例一种类型，在此不做赘述。
实施例三
本申请的另一实施方式提供了一种堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器，参考图5所示，其包括：成像晶圆100，所述成像晶圆100具有前表面和后表面；逻辑晶圆200，所述逻辑晶圆200位于所述前表面下方并附接所述成像晶圆100。
所述成像晶圆100包括位于所述前表面和后表面之间的SPAD阵列，覆盖所述前表面的金属反射层109、介电(ILD)层110和顶层金属(TM)层112，依次覆盖所述后表面的高k介电层113、红外滤波层114、抗反射层115和微透镜116。所述SPAD阵列包括：第一类型(p--)外延层101：位于所述第一类型外延层101的第二类型(n)掺杂层102，用做SPAD像素的阴极区域，第二类型(n)掺杂层102中还具有第二类型深(n+)掺杂层106，用于将阴极区域读出；位于所述阴极区域上方靠近所述后表面的一侧的第一类型(p)掺杂层103，其中，所述第一类型掺杂层103与所述第二类型掺杂层102的交界处为雪崩区104，所述第一类型掺杂层103上方还具有第一类型掺杂层105；包围所述述第一类型外延层101的四周的隔离层108；位于所述第一类型外延层101上方靠近所述后表面的一侧的第一类型深(p++)掺杂层107。
所述阳极区域通过金属连接层119贯穿金属反射层109并连接所述顶层金属层112，所述阴极区域通过通孔(conta)111贯穿所述金属反射层109并连接所述顶层金属层112。
所述逻辑晶圆200包括位于P型衬底(PSUB层)201中的电压源202与淬火/充电和读出电路203，与所述阳极区域连接的顶层金属层112通过位于P型衬底201表面的顶层金属层204连接所述电压源202，与所述阴区域连接的顶层金属层112通过顶层金属层204连接所述淬火/充电和读出电路203。
实施例一与实施例三的堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器基本相同，主要区别在于：去掉实施例一中环绕在SPAD侧壁的P++掺杂层，并用深通孔直接将SPAD像素最顶部的P++掺杂层引出到SPAD像素底部，这样导电性更好，提高了工艺的鲁棒性，进一步降低了串扰。
应当理解，实施例三中的堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器还可以包括实施一种所示的光栅层或布拉格反射层，其作用和结构与实施例一种类型，在此不做赘述。
实施例四
本申请的另一实施方式提供了一种背照单光子雪崩二极管图像传感器，参考图6所示，其包括：成像晶圆100，具有前表面和后表面；衬底晶圆300，所述衬底载体300位于所述前表面下方并附接所述成像晶圆100’。在一实施例中，成像晶圆100’与衬底载体300之间具有缓冲层301。
所述成像晶圆100’包括位于所述前表面和后表面之间的SPAD阵列，覆盖所述前表面的金属反射层109’、介电(ILD)层110’和顶层金属(TM)层112’，依次覆盖所述后表面的高k介电层113’、红外滤波层114’、抗反射层115’和微透镜116’。所述SPAD阵列包括：第一类型(p--)外延层101’：位于所述第一类型外延层10’1的第二类型(n)掺杂层102’，用做SPAD像素的阴极区域，第二类型(n)掺杂层102’中还具有第二类型深(n+)掺杂层106’，用于将阴极区域读出；位于所述阴极区域上方靠近所述后表面的一侧的第一类型(p)掺杂层103’，其中，所述第一类型掺杂层103’与所述第二类型掺杂层102’的交界处为雪崩区104’，所述第一类型掺杂层103’上方还具有第一类型掺杂层105’；包围所述第一类型外延层101’的四周和靠近所述后表面的一侧的第一类型深(p++)掺杂层107’，用做SPAD像素的阳极区域；包围所述阳极区域107’的四周的隔离层108’。
所述阴极区域和所述阳极区分别通过通孔(conta)111’贯穿所述金属反射层109并连接所述顶层金属层112’。
在一实施例中，所述成像晶圆100’中还包括位于所述SPAD像素一侧的电压源202’与淬火/充电和读出电路203’，与所述阳极区域连接的顶层金属层112’通过顶层金属层204’连接所述电压源202’，与所述阴区域连接的顶层金属层112’通过顶层金属层204’连接所述淬火/充电和读出电路203’。
本实施例中，
图7示出了本发明一实施例中的SPAD与现有技术中的SPAD的PDE的对比结果示意图，从图中可以看出，本发明中PDE可以提升几倍。
在本说明书提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本申请的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，以上仅为本说明书的较佳实施例而已，并非用于限定本说明书的保护范围。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器，其特征在于，包括：
成像晶圆，所述成像晶圆具有前表面和后表面，所述成像晶圆包括；
位于所述前表面和后表面之间的SPAD阵列，所述SPAD阵列包括：
第一类型外延层：
阴极区域，位于所述第一类型外延层中并具有第二类型掺杂层；
第一类型掺杂层，位于所述阴极区域上方靠近所述后表面的一侧，其中，所述第一类型掺杂层与所述第二类型掺杂层的交界处为雪崩区；
阳极区域，包围所述第一类型外延层的四周和靠近所述后表面的一侧并具有第一类型深掺杂层；
隔离层，包围所述阳极区域的四周；
覆盖所述前表面的金属反射层、介电层和顶层金属层，所述阴极区域和所述阳极区域分别通过通孔贯穿所述金属连接层并连接所述顶层金属层；
依次覆盖所述后表面的高k介电层、红外滤波层和抗反射层；
逻辑晶圆，所述逻辑晶圆位于所述前表面下方并附接所述成像晶圆。
2.如权利要求1所述的堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器，其特征在于，所述逻辑晶圆包括电压源与淬火/充电和读出电路，所述阳极区域连接所述电压源，所述淬火/充电和读出电路连接所述阴极区域。
3.如权利要求1所述的堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器，其特征在于，所述阴极区域与所述金属反射层之间形成有光栅层。
4.如权利要求3所述的堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器，其特征在于，所述光栅层包括由以下任意两种在同一平面上交替形成：多晶硅、二氧化硅、氮化硅、Si3N4。
5.如权利要求1所述的堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器，其特征在于，所述阴极区域与所述金属反射层之间形成有布拉格反射层。
6.如权利要求5所述的堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器，其特征在于，所述布拉格反射层由以下任意两种交替层叠形成：多晶硅、二氧化硅、氮化硅、Si3N4。
7.一种堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器，其特征在于，包括：
成像晶圆，所述成像晶圆具有前表面和后表面，所述成像晶圆包括；
位于所述前表面和后表面之间的SPAD阵列，所述SPAD阵列包括：
第一类型外延层：
阴极区域，位于所述第一类型外延层中并具有第二类型掺杂层；
第一类型掺杂层，位于所述阴极区域上方靠近所述后表面的一侧，其中，所述第一类型掺杂层与所述第二类型掺杂层的交界处为雪崩区；
隔离层，包围所述第一类型外延层的四周；
阳极区域，位于所述第一类型外延层上方靠近所述后表面的一侧的和贯穿所述隔离层的第一类型深掺杂层；
覆盖所述前表面的金属反射层、介电层和顶层金属层，所述阴极区域和所述阳极区域分别通过通孔贯穿所述金属连接层并连接所述顶层金属层；
依次覆盖所述后表面的高k介电层、红外滤波层和抗反射层；
逻辑晶圆，所述逻辑晶圆位于所述前表面下方并附接所述成像晶圆。
8.一种堆栈式背照单光子雪崩二极管图像传感器，其特征在于，包括：
成像晶圆，所述成像晶圆具有前表面和后表面，所述成像晶圆包括；
位于所述前表面和后表面之间的SPAD阵列，所述SPAD阵列包括：
第一类型外延层：
阴极区域，位于所述第一类型外延层中并具有第二类型掺杂层；
第一类型掺杂层，位于所述阴极区域上方靠近所述后表面的一侧，其中，所述第一类型掺杂层与所述第二类型掺杂层的交界处为雪崩区；
隔离层，包围所述第一类型外延层的四周；
阳极区域，位于所述第一类型外延层上方靠近所述后表面的一侧的第一类型深掺杂层；
覆盖所述前表面的金属反射层、介电层和顶层金属层，所述阴极区域通过通孔贯穿所述金属连接层并连接所述顶层金属层，所述阳极区域通过金属连接层贯穿所述金属反射层连接所述顶层金属层；
依次覆盖所述后表面的高k介电层、红外滤波层和抗反射层；
逻辑晶圆，所述逻辑晶圆位于所述前表面下方并附接所述成像晶圆。
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