CN112909034A - 半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及半导体器件。成像设备可包括单光子雪崩二极管(SPAD)。为了改善该SPAD的灵敏度和信噪比，可在该半导体衬底中形成光散射结构以增加入射光穿过半导体衬底的路径长度。为了减轻串扰，可在该SPAD周围的环中形成隔离结构。该隔离结构可以是具有吸收光的金属填料和反射光的低折射率填料两者的混合隔离结构。该隔离结构可形成为单个沟槽，或者可包括背侧深沟槽隔离部分和前侧深沟槽隔离部分。该隔离结构还可包含滤色材料。

Description

半导体器件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年12月4日提交的临时专利申请号62/943,475和于2020年2月26日提交的临时专利申请号62/981,902的权益，这两个临时专利申请在此通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本文的整体涉及成像系统，并且更具体地，涉及半导体器件。
背景技术
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。
常规图像传感器可以多种方式受到有限功能的影响。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在成像的物体的距离。常规图像传感器也可具有低于期望的图像质量和分辨率。
为了提高对入射光的灵敏度，有时可在成像系统中使用单光子雪崩二极管(SPAD)。单光子雪崩二极管可能够进行单光子检测。
本文所述的实施方案就是在这种背景下出现的。
发明内容
根据第一方面，提供了一种半导体器件，该半导体器件包括：衬底；单光子雪崩二极管，该单光子雪崩二极管形成在所述衬底中；和深沟槽隔离结构，该深沟槽隔离结构位于衬底中并围绕单光子雪崩二极管延伸，其中深沟槽隔离结构包括深沟槽隔离结构的第一子集中的金属填料和深沟槽隔离结构的第二不同子集中的低折射率填料。
根据第二方面，提供了一种半导体器件。该半导体器件包括：衬底；单光子雪崩二极管，该单光子雪崩二极管形成在衬底中；和深沟槽隔离结构，该深沟槽隔离结构位于衬底中并围绕单光子雪崩二极管延伸，其中深沟槽隔离结构包括沟槽和位于沟槽中的滤色材料。
根据第三方面，提供了一种半导体器件。该半导体器件包括：衬底；单光子雪崩二极管，该单光子雪崩二极管形成在衬底中；微透镜；滤色器元件，该滤色器元件插置在微透镜与衬底之间，其中滤色器元件由滤色材料形成；和深沟槽隔离结构，该深沟槽隔离结构位于衬底中并围绕单光子雪崩二极管延伸，其中深沟槽隔离结构包括沟槽，并且其中滤色材料的一部分形成在沟槽中。
附图说明
图1为根据一个实施方案的示出示例性单光子雪崩二极管像素的电路图。
图2为根据一个实施方案的示例性硅光电倍增器的图示。
图3为根据一个实施方案的具有快速输出端子的示例性硅光电倍增器的示意图。
图4为包括微小区阵列的示例性硅光电倍增器的图示。
图5为根据实施方案的包括基于SPAD的半导体器件的示例性成像系统的示意图。
图6为根据一个实施方案的具有隔离结构的示例性的基于背侧照明式(BSI)SPAD的半导体器件的截面侧视图，该隔离结构包括被配置为吸收光的金属填料和被配置为反射光的低折射率填料两者。
图7是根据一个实施方案的具有隔离结构的示例性的基于背侧照明式(BSI)SPAD的半导体器件的截面侧视图，该隔离结构包括具有金属填料的前侧深沟槽隔离(FDTI)部分和具有低折射率填料的背侧深沟槽隔离(BDTI)部分。
图8是根据一个实施方案的具有隔离结构的示例性的基于背侧照明式(BSI)SPAD的半导体器件的截面侧视图，该隔离结构包括具有金属填料的前侧深沟槽隔离(FDTI)部分和填充有滤色材料的背侧深沟槽隔离(BDTI)部分。
图9是根据一个实施方案的具有隔离结构的示例性的基于前侧照明式(FSI)SPAD的半导体器件的截面侧视图，该隔离结构包括被配置为吸收光的金属填料和被配置为反射光的低折射率填料两者。
图10是根据一个实施方案的具有隔离结构的示例性的基于前侧照明式(FSI)SPAD的半导体器件的截面侧视图，该隔离结构包含滤色材料。
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。
一些成像系统包括图像传感器，该图像传感器通过将撞击光子转换成在传感器阵列内的像素光电二极管中积聚的(收集的)电子或空穴来感测光。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。模拟像素电压也可随后在片上被转换成数字等同物，并且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)器件(诸如结合图1至图4所述的器件)中，光子检测原理是不同的。光感测二极管偏置在高于其击穿点，并且当入射光子生成电子或空穴时，该载流子会通过正在生成的附加的载流子启动雪崩击穿。雪崩倍增可产生电流信号，该电流信号能够通过与SPAD相关联的读出电路被容易地检测。能够通过将二极管偏置降低于其击穿点来停止(或淬灭)雪崩过程。因此，每个SPAD可包括用于停止雪崩的被动和/或主动淬灭电路。
可以通过两种方法来使用此概念。首先，可只是对到达的光子进行计数(例如，在低光度应用中)。其次，SPAD像素可用于测量从同步光源到场景对象点再返回到传感器的光子飞行时间(ToF)，该光子飞行时间可用于获得场景的三维图像。
图1是示例性SPAD器件202的电路图。如图1所示，SPAD器件202包括与淬灭电路206串联耦接在第一电源电压端子210(例如，接地电源电压端子)和第二电源电压端子208(例如，正电源电压端子)之间的SPAD 204。具体地讲，SPAD器件202包括具有连接到电源电压端子210的阳极端子和直接连接到淬灭电路206的阴极端子的SPAD 204。包括与淬灭电阻器206串联连接的SPAD 204的SPAD器件202有时统称为光触发单元或“微小区”。在SPAD器件202的操作期间，电源电压端子208和210可用于将SPAD 204偏置到高于击穿电压的电压(例如，将偏置电压Vbias施加到端子208)。击穿电压是能够施加到SPAD 204的不会导致二极管中的泄漏电流呈指数级增加的最大反向电压。当SPAD 204以这种方式反向偏置在击穿电压之上时，单光子的吸收可通过碰撞电离触发短时间但是相对较大的雪崩电流。
淬灭电路206(有时称为淬灭元件206)可用于将SPAD 204的偏置电压降低到低于击穿电压的水平。将SPAD 204的偏置电压降低到低于击穿电压将停止雪崩过程和对应的雪崩电流。有多种方法来形成淬灭电路206。淬灭电路206可以是被动淬灭电路或主动淬灭电路。一旦雪崩启动，被动淬灭电路无需外部控制或监测即可自动淬灭雪崩电流。例如，图1示出了使用电阻器部件来形成淬灭电路206的示例。这是被动淬灭电路的一个示例。
被动淬灭电路的这个示例仅仅是示例性的。主动淬灭电路也可用在SPAD器件202中。主动淬灭电路可减少SPAD器件202复位所花费的时间。这可允许SPAD器件202以比使用被动淬灭电路时更快的速率检测入射光，从而改善SPAD器件的动态范围。主动淬灭电路可调节SPAD淬灭电阻。例如，在检测到光子之前，将淬灭电阻设置为较高的值，然后一旦检测到光子并且雪崩淬灭，就将淬灭电阻最小化以减少恢复时间。
SPAD器件202还可包括读出电路212。有多种方式形成读出电路212以从SPAD器件202获得信息。读出电路212可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可包括用于测量光子飞行时间(ToF)的飞行时间电路。光子飞行时间信息可用于执行深度感测。在一个示例中，光子可由模拟计数器计算以形成作为对应像素电压的光强度信号。也可以通过将光子飞行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可包括数字脉冲计数电路。如果需要，读出电路212还可包括放大电路。
图1中读出电路212耦接到二极管204和淬灭电路206之间的节点的示例仅是示例性的。读出电路212可耦接到端子208或SPAD器件的任何所需部分。在一些情况下，淬灭电路206可被认为与读出电路212成一整体。
因为SPAD器件可检测单个入射光子，所以SPAD器件可有效地成像具有低光水平的场景。每个SPAD可检测在给定时间段内接收的光子的数量(例如，使用包括计数电路的读出电路)。然而，如上所述，每当接收到光子并且开始雪崩电流时，必须在准备好检测另一个光子之前对SPAD器件进行淬灭和复位。当入射光水平增加时，复位时间变得限制于SPAD器件的动态范围(例如，一旦入射光水平超过给定水平，则在复位时立即触发SPAD器件)。
可将多个SPAD器件分组在一起以帮助增加动态范围。图2是SPAD器件202的示例性组220的电路图。SPAD器件的组或阵列有时可被称为硅光电倍增器(SiPM)。如图2所示，硅光电倍增器220可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器件。图2示出了并联耦接的N个SPAD器件202(例如，SPAD器件202-1，SPAD器件202-2，SPAD器件202-3，SPAD器件202-4，......，SPAD器件202-N)。在给定的硅光电倍增器220中可包括多于两个的SPAD器件，多于十个的SPAD器件，多于一百个的SPAD器件，多于一千个的SPAD器件等。
每个SPAD器件202在本文中有时可被称为SPAD像素202。尽管未在图2中明确示出，用于硅光电倍增器220的读出电路可测量来自硅光电倍增器中全部SPAD像素的组合输出电流。以此方式配置，可增加包括SPAD像素的成像系统的动态范围。当接收到入射光子时，不保证每个SPAD像素具有触发的雪崩电流。SPAD像素可具有在接收到入射光子时触发雪崩电流的相关联概率。存在在光子到达二极管时产生电子的第一概率，然后是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传入的入射光。例如，如果单个SPAD像素的PDE为50％并且在某个时间段内接收到一个光子，则不会检测到光子的可能性为50％。利用图2的硅光电倍增器220，四个SPAD像素中的两个可能将检测光子，从而改善所提供的时间段的图像数据。
图2的示例仅是示例性的，其中所述多个SPAD像素202共享硅光电倍增器220中的公共输出。就包括具有用于所有SPAD像素的公共输出的硅光电倍增器的成像系统而言，成像系统在成像场景时可能不具有任何分辨率(例如，硅光电倍增器可仅检测单个点处的光子通量)。可能有利的是使用SPAD像素在阵列上获得图像数据，以允许成像场景的更高分辨率的再现。在诸如这些情况下，单成像系统中的SPAD像素可具有逐个像素读出能力。另选地，可在成像系统中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用于生成成像场景的图像数据。该阵列可能够在线阵列(例如，具有单行多列或单列多行的阵列)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(无论是在硅光电倍增器中使用单个SPAD像素还是多个SPAD像素)。
如上所述，虽然SPAD像素有多个可能的用例，但是用于检测入射光的基础技术是相同的。使用SPAD像素的器件的所有上述示例统称为基于SPAD的半导体器件。包括具有共同输出的多个SPAD像素的硅光电倍增器可被称为基于SPAD的半导体器件。具有逐个像素读出能力的SPAD像素阵列可被称为基于SPAD的半导体器件。具有逐个硅光电倍增器读出能力的硅光电倍增器阵列可被称为基于SPAD的半导体器件。
图3示出了硅光电倍增器30。如图3所示，SiPM 30具有电容耦接到每个阴极端子31的第三端子35，以便提供来自SPAD 33的雪崩信号的快速读出。当SPAD 33发射电流脉冲时，在阴极31处产生的电压变化的一部分将经由互电容耦接到第三(“快速”)输出端子35中。使用第三端子35进行读出避免了由于与偏置淬灭电阻器的顶部端子的偏置电路相关联的相对较大的RC时间常数而导致的受损瞬态性能。
本领域的技术人员应当理解，硅光电倍增器包括如图4所示的主总线44和次总线45。次总线45可直接连接到每个单独的微小区25。然后将次总线45耦接到主总线44，所述主总线连接到与端子37和35相关联的接合焊盘。通常，次总线45在微小区25的列之间竖直延伸，而主总线44邻近微小区25的外行水平地延伸。
图5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、医疗设备或其它电子设备。成像系统10可以是车辆上的成像系统(有时称为车载成像系统)。成像系统10可用于LIDAR应用。成像系统10有时可被称为基于SPAD的成像系统。
成像系统10可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意数量的SPAD像素(例如，数百、数千、数百万或更多)。在一些基于SPAD的半导体器件中，每个SPAD像素可由相应的滤色器元件和/或微透镜覆盖。
基于SPAD的半导体器件14可包括诸如控制电路50的电路。用于基于SPAD的半导体器件的控制电路可形成在芯片上(例如，在与SPAD器件相同的半导体衬底上)或芯片外(例如，在与SPAD器件不同的半导体衬底上)。控制电路可控制基于SPAD的半导体器件的操作。例如，控制电路可操作基于SPAD的半导体器件内的主动淬灭电路，可控制提供给每个SPAD的偏置电压供应端子208的偏置电压，可控制/监测耦接到SPAD器件的读出电路等。
基于SPAD的半导体器件14可任选地包括附加电路，诸如逻辑门、数字计数器、时间数字转换器、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。上述电路中的任何电路都可被认为是图5的控制电路50的一部分。
可将来自基于SPAD的半导体器件14的图像数据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、调整白平衡和曝光、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像素采集的数据，以确定将感兴趣的对象聚焦所需的透镜移动(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像素采集的数据，以确定场景的深度图。在一些情况下，控制电路50中的一些或全部可与图像处理电路16整体地形成。
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，成像系统可包括输入输出设备22，诸如小键盘、按钮、输入输出端口、操纵杆和显示器。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/或其它处理电路，也可包括在成像系统中。
输入输出设备22可包括与基于SPAD的半导体器件结合工作的输出设备。例如，发光部件52可包括在成像系统中以发射光(例如，红外线或任何其他期望类型的光)。发光部件52可为激光器、发光二极管或任何其他期望类型的发光部件。半导体器件14可测量从对象的光反射，以在LIDAR(光检测和测距)方案中测量到对象的距离。用于控制基于SPAD的半导体器件的操作的控制电路50也可任选地用于控制发光部件52的操作。图像处理电路16可在处理来自基于SPAD的半导体器件的数据时使用来自发光部件的光脉冲的已知时间(或已知图案)。
光子被吸收的可能性(例如，吸收百分比)随着半导体深度的增加而增加。为了提高基于SPAD的半导体器件的灵敏度，因此期望增加半导体衬底的厚度。然而，制造考虑和其他设计因素可能会阻止或阻碍半导体衬底的厚度达到目标吸收百分比的程度。为了在不增加半导体衬底厚度的情况下增加吸收百分比，基于SPAD的半导体器件中可包括光散射结构。散射结构可以散射入射光(例如，使用填充半导体衬底中的沟槽的低折射率材料)，从而增加穿过半导体衬底的光的路径长度并增加入射光被半导体吸收的概率。散射入射光(使用折射和/或衍射)以增加路径长度可尤其有助于较高波长的入射光。散射入射光可以提高吸收效率，但也可使得基于SPAD的半导体器件易受串扰的影响。
基于SPAD的半导体器件也可易受由二次发射引起的串扰的影响。二次发射可以是在给定的SPAD中发生雪崩时发射的光子。来自二次发射的光子可从原点的SPAD传递到相邻的SPAD，从而引起串扰。可在每个SPAD周围包括隔离结构以防止串扰。本文所述的基于SPAD的半导体器件可用于感测近红外光或任何其他期望类型的光。
图6为具有散射结构和混合隔离结构的示例性基于SPAD的半导体器件的截面侧视图。基于SPAD的半导体器件14包括与相应SPAD(例如，图6中的SPAD 204-2和SPAD 204-3)相邻的SPAD 204-1。每个SPAD可以被认为是相应SPAD器件、SPAD像素或微小区(例如，图1中的微小区202)的一部分。图6中的基于SPAD的半导体器件14是背侧照明式(BSI)器件(例如，入射光穿过衬底的背表面)。
衬底254具有背表面256和前表面258。前表面258可与布线层302相邻。布线层302可包括用于操作嵌入在一个或多个介电层中的基于SPAD的半导体器件的金属信号线304和/或晶体管。衬底254的与布线层302相邻的侧面可被认为是半导体器件的前侧。因此，表面258是前表面，并且基于SPAD的半导体器件通过背表面256被照亮。
SPAD 204-1可通过隔离结构与相邻的SPAD隔离。隔离结构可包括一个或多个深沟槽隔离(DTI)结构。隔离结构可包括具有用于不同功能的不同填料的沟槽。隔离结构可包含吸收光的金属填料，诸如钨。吸光材料可防止光子(例如，在雪崩期间由SPAD产生的光子)传递到相邻的微小区并引起串扰。隔离结构还可具有包含引起全内反射的低折射率填料的部分。低折射率填料可反射光，从而将光保持在SPAD的有源区域内以提高效率。
图6示出了包括光吸收部分和反射部分两者的第一隔离结构252。用于结构252的沟槽可形成在衬底254(例如，由诸如硅的材料形成的半导体衬底)中。沟槽可从衬底的前侧朝向衬底的背侧延伸。在这种情况下，隔离结构可以被称为前侧深沟槽隔离(FDTI)。
隔离结构252的第一部分(子集)可填充有金属填料296(例如，钨或任何其他期望的金属)。金属填料吸收入射光。隔离结构252的第二部分(子集)可填充有低折射率填料294(有时称为介电填料294或氧化物填料294)。低折射率填料294可具有比衬底254低的折射率(例如，低0.1以上、0.2以上、0.3以上、0.5以上、1.0以上、1.5以上、2.0以上等的折射率)。低折射率材料294引起光的全内反射，从而将光保持在SPAD 204-1的有源区域内并提高了SPAD204-1的效率。低折射率填料可以是二氧化硅或任何其他期望的材料。
可在与半导体衬底相邻的沟槽中形成高介电常数涂层292。高介电常数涂层292(有时称为高k涂层292或钝化层292)可减小暗电流。作为一个示例，钝化层可以是氧化物涂层(例如，氧化铝、氧化铪、氧化钽等)。因此，钝化层可以插置在金属填料296和衬底254之间以及低折射率填料294和衬底254之间。可在钝化涂层292和金属填料296之间形成缓冲层298。缓冲层298可由二氧化硅或另一种期望的材料(例如，与钝化涂层和金属填料两者兼容的材料)形成。在图6所示的一个示例中，缓冲层298和低折射率填料294二者可使用相同的材料。
隔离结构可形成围绕包括SPAD 204-1的微小区的环。SPAD 204-1可被隔离结构252完全横向包围。
金属填料296可具有深度(厚度)306，并且低折射率填料294可具有深度(厚度)308。可选择深度306和深度308以优化基于SPAD的半导体器件的性能。通常，增加金属填料296的厚度将减小相邻SPAD之间的串扰。然而，因为金属填料296吸收光，所以包含更多的金属填料296可降低感测效率。相比之下，低折射率填料294以高角度反射光以将光保持在SPAD 204-1的有源区域内。因此，该光有机会在SPAD 204-1内被吸收，从而提高了感测效率。但是，因为低折射率填料不吸收光，所以未被反射的光可穿过相邻的SPAD并引起串扰。因此，可选择深度306和深度308以优化特定的基于SPAD的半导体器件的串扰和效率。
如图6所示，隔离结构252的更靠近前侧258的部分可由金属填料296形成。SPAD204-1的阳极触点可与前表面258相邻。因此，二次发射的原点可主要邻近于前表面。隔离结构252的与前表面258相邻的部分可以以正交或接近正交的角度接收(来自二次发射的)光子。因此，在该位置使用吸光金属填料来防止串扰。金属填料可具有足以阻挡大多数二次发射的深度306。在金属填料上方，低折射率填料294可以以较高的角度(非正交角度)接收光，因为二次发射源于前表面258附近。因此，低折射率填料294(使用全内反射)反射光，从而防止光传递到相邻的SPAD。
半导体衬底的厚度可大于4微米、大于6微米、大于8微米、大于10微米、大于12微米、小于12微米、在4微米和10微米之间、在5微米和20微米之间、小于10微米、小于6微米、小于4微米、小于2微米、大于1微米等。深度306可大于4微米、大于6微米、大于8微米、大于10微米、大于12微米、小于12微米、在4微米和10微米之间、在5微米和20微米之间、在2微米和10微米之间、在3微米和6微米之间、小于10微米、小于6微米、小于4微米、小于2微米、大于1微米等。深度308可大于4微米、大于6微米、大于8微米、大于10微米、大于12微米、小于12微米、在4微米和10微米之间、在5微米和20微米之间、在2微米和10微米之间、在3微米和6微米之间、小于10微米、小于6微米、小于4微米、小于2微米、大于1微米等。用于深沟槽隔离结构252的沟槽的总厚度可大于4微米、大于6微米、大于8微米、大于10微米、大于12微米、小于12微米、在4微米和10微米之间、在5微米和20微米之间、在2微米和10微米之间、在3微米和6微米之间、小于10微米、小于6微米、小于4微米、小于2微米、大于1微米等。
深度306可构成隔离结构252的总深度的一定百分比。该百分比可大于20％、大于40％、大于50％、大于70％、大于90％、小于90％、小于80％、小于60％、小于40％在10％和70％之间、在30％和60％之间等。低折射率填料294的深度308可占隔离结构252的总深度的剩余百分比。在一些情况下，可省略低折射率填料294，而金属填料296可以是DTI 252中的唯一填料。换句话说，金属填料296的深度可以是总沟槽深度的100％或大约100％(例如，在其5％之内)。
深度306可以构成衬底254的总厚度的一定百分比。该百分比可大于20％、大于40％、大于50％、大于70％、大于90％、小于80％、小于60％、小于40％在10％和70％之间、在30％和60％之间等。
隔离结构252的深度可以小于衬底厚度的90％、小于衬底厚度的80％、小于衬底厚度的60％、小于衬底厚度的50％，小于衬底厚度的40％、大于衬底厚度的50％、在衬底厚度的20％和90％之间等。另选地，隔离结构252可完全延伸穿过衬底。
除了隔离结构之外，可在衬底中形成散射结构270。散射结构270可被配置为(例如，使用填充衬底254中的沟槽的低折射率材料)散射入射光，从而增加光穿过半导体衬底的路径长度并增加入射光被半导体吸收的概率。(使用折射和/或衍射)散射入射光以增加路径长度可尤其有助于较高波长的入射光(例如，近红外光)。
可使用衬底中的沟槽(例如，图6中的从表面256朝向表面258延伸的沟槽)来形成散射结构。在图6中，基于SPAD的半导体器件14是BSI器件，因此光散射结构形成在背侧沟槽中。然而，在一些情况下，基于SPAD的半导体器件14是FSI器件，并且光散射结构可形成在前侧沟槽中。
沟槽可由钝化涂层262和低折射率填料264填充。低折射率填料264(有时称为介电填料264或氧化物填料264)可具有比衬底254低的折射率(例如，例如，低0.1以上、0.2以上、0.3以上、0.5以上、1.0以上、1.5以上、2.0以上等的折射率)。沟槽中的低折射率材料引起入射光的衍射散射和/或折射散射。低折射率填料264可以是二氧化硅或任何其他期望的材料。在一些情况下，形成低折射率填料294和/或缓冲层298的相同材料可用作低折射率填料264。
钝化层262可以是形成在衬底254和低折射率填料264之间的高介电常数涂层。钝化层262(有时称为高k涂层262)可以减小暗电流。作为一个示例，钝化涂层可以是氧化物涂层(例如，氧化铝、氧化铪、氧化钽等)。钝化层262可以由与钝化层292相同的材料形成，或者由与钝化层262不同的材料形成。
如图所示，钝化涂层262在用于光散射结构270的沟槽的内部和外部均具有均匀的厚度。这个示例仅仅为示例性的。如图6所示，低折射率填料264可以填充用于散射结构270的沟槽并且在表面256的平面上方延伸。
散射结构270散射入射光，从而增加了光穿过半导体衬底的路径长度，并增加了入射光被半导体吸收的概率。隔离结构252防止散射光到达相邻的SPAD并引起串扰。
可以在SPAD 204-1之上形成一个或多个微透镜286。在图6的布置中，在SPAD 204-1之上形成单个微透镜286。微透镜可将光聚焦朝向光散射结构270和SPAD 204-1。微透镜286可以具有带有球面曲率的上表面。该示例仅是示例性的，并且如果需要，可以使用一个或多个微透镜的其他微透镜布置。SPAD之上的其他可能的微透镜布置可能包括单个环形微透镜、两个圆柱形微透镜、具有中央开口的环形微透镜以及位于中央开口中的附加微透镜等。
滤色器层282可以任选地插置在低折射率填料264和微透镜286之间。滤色器层282可以是带通滤光器，该带通滤光器透射感兴趣的波长的光(例如，近红外光)同时阻挡(例如，吸收和/或反射)其他波长的光。可以任选地在低折射率层264和滤色器层282之间的衬底254的背侧上形成附加氧化物层283(例如，二氧化硅或另一种期望的材料)。
光散射结构各自具有高度272(有时称为深度)和宽度274。光散射结构还具有节距276(例如，每个光散射结构之间的中心到中心的间隔)。通常，每个散射结构的高度272可小于5微米、小于3微米、小于2微米、小于1微米、小于0.5微米、小于0.1微米、大于0.01微米、大于0.5微米、大于1微米、在1和2微米之间、在0.5和3微米之间、在0.3微米和10微米之间等。每个散射结构的宽度274可小于5微米、小于3微米、小于2微米、小于1微米、小于0.5微米、小于0.1微米、大于0.01微米、大于0.5微米、大于1微米、在1和2微米之间、在0.5和3微米之间、在0.3微米和10微米之间等。节距276可小于5微米、小于3微米、小于2微米、小于1微米、小于0.5微米、小于0.1微米、大于0.01微米、大于0.5微米，大于1微米、在1和2微米之间、在0.5和3微米之间、在0.3微米和10微米之间等。宽度274与节距276的比率可以被称为衬底的占空比或蚀刻百分比。占空比(蚀刻百分比)指示在每对散射结构之间存在多少未蚀刻的衬底以及衬底的上表面有多少被蚀刻以形成光散射结构。该比率可以是100％(例如，每个散射结构紧邻周围的散射结构)、小于100％、小于90％、小于70％、小于60％、大于50％、大于70％、介于(包括)50％和100％之间等。
在图6的示例中，散射结构270具有倾斜侧壁(例如，与背表面256非正交且不平行的侧壁)。散射结构可以是金字塔形的，或者可以具有沿着纵向轴线延伸的三角形截面(例如，三角棱镜)。非正交角度可以大于10度、大于30度、大于60度、小于80度、在20度和70度之间等。图6的倾斜侧壁的示例仅是示例性的。如果需要，散射结构可以具有竖直侧壁(正交于表面256)。
可以选择散射结构270的布置和尺寸以优化入射光的转换。如图6所示，SPAD 204-1的有源区域可以不包括衬底254的整体。可以选择散射结构270的布置和尺寸，以将入射光引导到SPAD 204-1并且不包围半导体衬底中的死区。
微透镜286的厚度可大于0.5微米、大于1微米、大于2微米、大于3微米、大于5微米、大于8微米、介于(包括)1和10微米之间、小于10微米、小于5微米、介于(包括)5和10微米之间、介于(包括)3和5微米之间等。
光散射结构可以具有均匀的密度(每单位面积的光散射结构的数量)。另选地，光散射结构可以具有不均匀的密度。以这种方式布置具有密度不均匀的光散射结构可以帮助以最佳方式将光引导至SPAD 204-1。通常，蚀刻衬底254(例如，以形成光散射结构)可导致基于SPAD的半导体器件中的暗电流增加。因此，在可能的情况下可以省略光散射结构以最小化暗电流，同时仍然优化吸收。省略光散射结构可以包括将光散射结构的密度减小到非零幅值或在微小区的特定区域中完全省略光散射结构(例如，减小到零密度)。
通常，每个微小区(和对应的SPAD)可以被任何期望的一个或多个微透镜覆盖。然而，在微透镜设计和用于微小区的光散射结构的布置之间可能存在相关性。一个或多个微透镜可以在衬底的第一区域上比在衬底的第二区域上聚焦更多的光。因此，光散射结构在衬底的第一区域中可以具有比衬底的第二区域更大的密度(例如，对于散射结构，更高百分比的衬底被蚀刻)(以更有效地散射光)。衬底的第二区域(具有较低密度的散射结构)可以不具有散射结构(例如，散射结构被完全省略)，或者可以具有较低的非零密度的散射结构。不同密度之间的过渡可以是逐渐的或立即的。
图6示出了这样的示例，其中，光散射结构在微小区的中心比在微小区的环形周边中具有更低的密度(例如，光散射结构被省略)。如果需要，可以使用微小区的其他布置。
前侧反射器310可以任选地形成在SPAD 204-1的前侧(例如，在布线层302中)。如图所示，前侧反射器310与半导体衬底254的前表面258相邻。前侧反射器310可以具有宽度312。微小区可以具有在隔离结构252之间延伸的宽度314。宽度312可以任选地小于宽度314。宽度312可以小于宽度314的90％、小于宽度314的80％、小于宽度314的60％、小于宽度314的50％、小于宽度314的40％、在宽度314的20％和90％之间、大于宽度314的30％等。
图6示出了混合深沟槽隔离结构的示例(其包括第一子集中的第一填料和第二不同子集中的第二填料)。混合深沟槽隔离结构包括沟槽。沟槽的第一部分填充有金属(吸光)填料。沟槽的第二部分填充有低折射率填料，以引起光的反射。在图6中，单个前侧沟槽用于混合DTI结构。这个示例仅仅为示例性的。
图7是另一可能布置的截面侧视图，其中由与前侧沟槽交汇的背侧沟槽形成混合深沟槽隔离结构。如图所示，隔离结构252包括由从前表面258朝向背表面256延伸(具有深度306)的沟槽形成的FDTI部分316。隔离结构的该部分在沟槽中具有金属填料296以及缓冲层298和钝化层292-1(例如，与结合图6讨论的布置相同的布置)。
隔离结构252还包括由从背表面256朝向前表面258延伸(具有深度308)的沟槽形成的BDTI部分318。BDTI部分318包含低折射率填料294(如图6中所示)。隔离结构的该部分还包括钝化层292-2(该钝化层可以由与钝化层292-1和/或钝化层262相同的材料形成)。因为使用单独的蚀刻步骤形成BDTI 318和FDTI 316，所以两个隔离结构部分可以具有不同的沟槽宽度(如图7所描绘的)。
在另一可能布置中，如图8所示，滤色材料可以用作混合隔离结构的BDTI部分中的填料。如图8所示，BDTI部分318可以包括钝化层292-2、缓冲层298-2和填料材料320。钝化层292-2可以由与钝化层262和/或钝化层292-1相同的材料形成。缓冲层298-2可以由与低折射率层264和/或缓冲层298-1相同的材料形成。
填料材料320可以是吸收某些或所有波长的光的滤色器材料。在一个示例中，填料材料320可以是与滤色器元件282的滤色材料相同的材料。在这种情况下，BDTI 318中的滤色器材料320用作透射近红外光(或另一期望类型的光)的带通滤光器(类似于滤色器元件282)。在另一可能的实施方案中，填料材料可以由吸收所有波长(例如，所有可见和红外波长)的光的黑色滤光材料形成。填料材料可以是有机材料或其他期望的材料(例如，非金属材料)。
在一些情况下，可以省略FDTI部分316，并且具有滤色填料320的BDTI部分318可以是隔离结构的唯一部件。
图6至图8示出了基于背侧照明式(BSI)SPAD的半导体器件的示例。然而，混合DTI结构以及使用滤色材料作为DTI填料材料的构思也可以应用于基于前侧照明式(FSI)SPAD的半导体器件。
图9是具有混合隔离结构的示例性的基于FSI SPAD的半导体器件的截面侧视图。如图9所示，布线层302插置在衬底254和微透镜286之间。滤色器元件282插置在布线层302和微透镜286之间。
图9中的隔离结构252类似于图6所描绘的结构。如图所示，隔离结构包括从前表面258向后表面256延伸的沟槽。沟槽包含金属填料296(例如钨)和低折射率填料294二者。缓冲层298插置在金属填料296和衬底254之间。缓冲层298可以任选地由与低折射率填料294和/或(用于光散射结构270的)低折射率填料264相同的材料形成。
在图9中，DTI结构252的更靠近微透镜286的部分具有金属填料(而不是图6中的氧化物填料)。现在将布线层302插置在衬底254和微透镜286之间。SPAD 204-1的阳极触点可能仍与前表面258相邻。因此，仍然期望形成更靠近前表面的吸光金属填料296以及远离前表面的低折射率(反射)填料。相应深度306和308可以与结合图6所讨论的相同。
图10示出了基于FSI SPAD的半导体器件，其中滤色材料被用作隔离结构的填料(类似于图8)。如图所示，滤色材料320填充用于DTI结构252的沟槽。缓冲层298可以插置在滤色材料320和半导体衬底之间。
类似于结合图8所讨论的，填料材料320可以是与滤色器元件282相同的材料。在这种情况下，FDTI 252中的滤色器材料用作带通滤色器(类似于滤色器元件282)。在另一可能实施方案中，填料材料320可以由吸收所有波长(例如，所有可见和红外波长)的光的黑色滤光材料形成。填料材料可以是有机材料或其他期望的材料(例如，非金属材料)。
图9和10中的具有单个FDTI沟槽形式的隔离结构252的示例仅是示例性的。如果需要，在基于FSI SPAD的半导体器件中，FDTI和BDTI沟槽二者可用于形成隔离结构(类似于图7所示)。
应当注意，如果需要，可以从图6至图10的实施方案中的任何实施方案中省略滤色器元件282。另外，图6至图10中的任何一个都可以具有任何期望的微透镜和光散射结构布置。
另外，DTI结构有时被描绘为包括钝化层(例如，图6中的钝化层292)。应当理解，任何DTI结构可以任选地包括或不包括钝化层。例如，FDTI结构(诸如图9和图10的那些)可以省略钝化层，并且可以使用其他技术来减小由蚀刻(例如，沟槽周围的p型掺杂衬里)引起的暗电流。
根据实施方案，半导体器件可以包括衬底、形成在衬底中的单光子雪崩二极管以及衬底中围绕单光子雪崩二极管延伸的深沟槽隔离结构。深沟槽隔离结构可以包含在深沟槽隔离结构的第一子集中的金属填料和在深沟槽隔离结构的第二不同子集中的低折射率填料。
根据另一个实施方案，低折射率填料可以具有比衬底低的折射率。
根据另一个实施方案，衬底可具有前表面和后表面，金属填料和低折射率填料可形成在从前表面朝向背表面延伸的前侧沟槽中，金属填料可从前表面延伸至前侧沟槽中的第一深度，并且低折射率填料可从前侧沟槽中的第一深度延伸至前侧沟槽中的第二深度。
根据另一个实施方案，半导体器件可包括与衬底的前表面相邻的布线层。
根据另一个实施方案，半导体器件还可以包括布线层中的反射器。反射器和单光子雪崩二极管可重叠。
根据另一个实施方案，半导体器件还可包括衬底中的光散射结构。
根据另一个实施方案，光散射结构可被包括在单光子雪崩二极管之上的环形图案中。
根据另一个实施方案，半导体器件还可包括微透镜和插置在微透镜与衬底之间的滤色器元件。
根据另一个实施方案，衬底可具有前表面和背表面，金属填料可形成在深沟槽隔离结构的前侧沟槽部分中，并且低折射率填料可形成在深沟槽隔离结构的背侧沟槽部分中。
根据另一个实施方案，深沟槽隔离结构可包括插置在金属填料和衬底之间的缓冲层。
根据另一个实施方案，缓冲层和低折射率填料可由相同的材料形成。
根据实施方案，半导体器件可以包括衬底、形成在衬底中的单光子雪崩二极管以及衬底中围绕单光子雪崩二极管延伸的深沟槽隔离结构。深沟槽隔离结构可包括沟槽和沟槽中的滤色材料。
根据另一个实施方案，滤色材料可为带通滤光器。
根据另一个实施方案，滤色材料可以是黑色滤色材料。
根据另一个实施方案，衬底可具有前表面和背表面，并且半导体器件可为背侧照明式。
根据另一个实施方案，衬底可具有前表面和背表面，并且半导体器件可为前侧照明式。
根据另一个实施方案，半导体器件可包括微透镜和插置在微透镜与衬底之间的滤色器元件。
根据另一个实施方案，滤色器元件可包含与滤色材料不同的附加滤色材料。
根据实施方案，半导体器件可包括衬底、形成在衬底中的单光子雪崩二极管、微透镜、插置在微透镜与衬底之间的滤色器元件和衬底中的深沟槽隔离结构，该深沟槽隔离结构围绕单光子雪崩二极管延伸。滤色器元件可由滤色材料形成，深沟槽隔离结构可包括沟槽，并且滤色材料的一部分可形成在沟槽中。
根据另一个实施方案，滤色材料可为透射近红外光的带通滤光器。
前述内容仅仅是对本发明原理的例示性说明，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，其特征在于，所述半导体器件包括：
衬底；
单光子雪崩二极管，所述单光子雪崩二极管形成在所述衬底中；和
深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构位于所述衬底中并围绕所述单光子雪崩二极管延伸，其中，所述深沟槽隔离结构包括所述深沟槽隔离结构的第一子集中的金属填料和所述深沟槽隔离结构的第二不同子集中的低折射率填料。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述低折射率填料具有比所述衬底的折射率低的折射率。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述衬底具有前表面和背表面，其中，所述金属填料和所述低折射率填料形成在从所述前表面朝向所述背表面延伸的前侧沟槽中，其中，所述金属填料从所述前表面延伸至所述前侧沟槽中的第一深度，并且其中，所述低折射率填料从所述前侧沟槽中的所述第一深度延伸至所述前侧沟槽中的第二深度。
4.根据权利要求3所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件还包括：
布线层，所述布线层与所述衬底的所述前表面相邻；和
反射器，所述反射器位于所述布线层中，其中，所述反射器与所述单光子雪崩二极管重叠。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件还包括位于所述衬底中的光散射结构，其中，所述光散射结构被包括在所述单光子雪崩二极管之上的环形图案中。
6.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件还包括：
微透镜；和
滤色器元件，所述滤色器元件插置在所述微透镜与所述衬底之间。
7.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述衬底具有前表面和背表面，其中，所述金属填料形成在所述深沟槽隔离结构的前侧沟槽部分中，并且其中，所述低折射率填料形成在所述深沟槽隔离结构的背侧沟槽部分中。
8.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述深沟槽隔离结构包括插置在所述金属填料与所述衬底之间的缓冲层，并且其中，所述缓冲层和所述低折射率填料由相同材料形成。
9.一种半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括：
衬底；
单光子雪崩二极管，所述单光子雪崩二极管形成在所述衬底中；和
深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构位于所述衬底中并围绕所述单光子雪崩二极管延伸，其中，所述深沟槽隔离结构包括沟槽和位于所述沟槽中的滤色材料。
10.一种半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括：
衬底；
单光子雪崩二极管，所述单光子雪崩二极管形成在所述衬底中；
微透镜；
滤色器元件，所述滤色器元件插置在所述微透镜与所述衬底之间，其中，所述滤色器元件由滤色材料形成；和
深沟槽隔离结构，所述深沟槽隔离结构位于所述衬底中并围绕所述单光子雪崩二极管延伸，其中，所述深沟槽隔离结构包括沟槽，并且其中，所述滤色材料的一部分形成在所述沟槽中。
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