CN115799363A - 一种高光子探测效率的spad像素结构 - Google Patents
一种高光子探测效率的spad像素结构 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115799363A CN115799363A CN202211683086.3A CN202211683086A CN115799363A CN 115799363 A CN115799363 A CN 115799363A CN 202211683086 A CN202211683086 A CN 202211683086A CN 115799363 A CN115799363 A CN 115799363A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- spad
- epi
- pixel structure
- junction
- photon detection
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
本发明公开了一种高光子探测效率的SPAD像素结构，是通过离子注入方式，分别在硅的外延层epi中注入SPAD‑N与SPAD‑P两种杂质，形成SPAD的PN结，两种离子注入的版图和掩模中在水平方向相切，在SPAD‑P左侧预留外延层P‑EPI，SPAD两端电压主要消耗在它两形成的SPAD‑N和SPAD‑P上；P‑EPI的左侧是用来接受电流的PW和降低接触电阻的P+。本发明通过改变SPAD中PN结成型的方向，同时用外延层做缓冲使得耗尽区厚度显著增加，同时新结构SPAD耗尽层沿着电场方向有效宽度可以灵活设置，进一步增加了载流子雪崩区域，从而极大的提高了传感器的光子探测灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种高光子探测效率的SPAD像素结构。
背景技术
SPAD是一种工作在高反向偏压下的PN结二极管，由于能够捕获单个光子事件，它被广泛应用于单点光测距或线阵、面阵3D成像领域。在工作状态下，在其阴极N+和阳极P+两端加很高的反向偏压，整个二极管处在盖革模式，由于PN结的耗尽层电阻最高，绝大部分电场线都汇聚于此。当有光子入射并在硅中被吸收，其产生得电子被输运到耗尽区，由于其中电场强度极高，从而发生雪崩击穿，发生载流子倍增效应，PN结反向电阻瞬间降低，短时间内产生很高的反向电流。这个脉冲电流转换为电压信号，从而为传感器捕获。
如传统前照型(Front Side Illumination，简称：FSI)SPAD，在制造工艺中，通过离子注入机台，从硅表面到硅体内注入高能杂质离子，获得一个从上向下掺杂的PN结构，其结构如图1和图2所示；其中，N+、NW、DNW和SPAD-N都是N型掺杂，P+、SPAD P和e-epi为P型掺杂。N+和P+是高浓度重掺杂，主要是为了消除和金属接触的电阻。NW和DNW把高电压传到值SPAD N,P+把低电压传到至SPAD P。因此SPAD N和SPAD P形成的PN结有很高的压降，在单光子应用重，两端电压会加强至能够发生雪崩击穿。
这种设计方式产生的垂直分布的PN结，其电场方向也是从硅表面到硅体内。这导致SPAD的有效雪崩区域-耗尽层仅仅被局限在PN结之内，如图1中的方框所示，光电子只能在很薄的一层中发生雪崩效应。这导致FSI-SPAD像素能够发生雪崩击穿的空间范围非常受限，从而使其传感器光子探测效率很低，尤其在光波长940nm，SPAD光子探测效率普遍低于1.4％.这严重削弱了传感器的光电探测能力。
针对传统设计中，SPAD耗尽层太窄导致SPAD光电探测效率受限，本发明创造性的设计了一种新SPAD结构，通过改变SPAD中PN结成型的方向，同时用外延层做缓冲使得耗尽区厚度显著增加，同时新结构SPAD耗尽层沿着电场方向有效宽度可以灵活设置，进一步增加了载流子雪崩区域，从而极大的提高了传感器的光子探测灵敏度。
发明内容
传统FSI-SPAD在制造过程中，工艺上会把SPAD以外的区域用掩蔽膜和光刻胶覆盖起来，同时用离子注入机从硅表面，先后注入N型杂质和P型杂质，形成自上而下突变型PN结。SPAD中雪崩效应发生在耗尽区中，而耗尽层厚度thick由突变PN结两侧掺杂浓度控制。为了降低SPAD击穿电压，这要求两侧的浓度变化特别剧烈。由于受离子注入机能量限制，如标准逻辑工艺中，N型磷注入能量一般最高为2.6+MeV，这会限制离子的注入深度。同时由于受到晶格和电子的散射作用，在相同剂量注入下，杂质能量越高，杂质在硅内部浓度分布也会变缓，如图3所示；
这使制造掺杂浓度变化剧烈的突变型PN结比较困难，相应的SPAD击穿电压变得很难控制，因此这种方式在垂直方向形成的PN结一般只有一个。而单个PN结耗尽层厚度一般为0.5um左右，如图2中，如果SPAD为圆形且SPAD-N的半径为A，则耗尽层有效区域为
yolume＝π×A2×thick 公式1)
为了突破由于注入能量和精度限制导致FSI-SPAD耗尽区受限，本发明中PN结采用横向制作模式，如图4所示；
首先通过离子注入方式，分别在硅的外延层epi中注入SPAD-N与SPAD-P两种杂质，形成SPAD的PN结，两种离子注入的版图和掩模中在水平方向相切，这两者主要起调节SPAD击穿电压。在SPAD-P左侧预留外延层P-EPI，工作模式中，SPAD被全部耗尽，继续增大电压，耗尽区向P-EPI中迅速扩展。SPAD两端电压主要消耗在它两形成的SPAD-N和SPAD-P上，其中的电场最强，但同时也会在EPI中形成一个弱的电场，这个电场会把P-EPI中光电子输运到高场区域，从而增加耗尽区的宽度。P-EPI的左侧是用来接受电流的PW和降低接触电阻的P+。
耗尽区的厚度由注入离子N型硼杂质和P型磷杂质的最大注入能量来决定。一般在注入工艺中，磷和硼的注入深度为1.5um，相比传统工艺耗尽区区域比传统方式增加了3倍，从而有效增加PN结耗尽区在纵向的深度。
本发明中的PN结横向向右分布，这种制作方式的好处，使耗尽层的深度由传统的纵向掺杂浓度控制转换为横向掺杂能量控制，即控制离子注入能量，通过多次掺杂注入，在垂直方向形成均匀掺杂的SPAD-N和SPAD-P，两者间距及P-EPI的宽度可通过版图和光刻胶尺寸在精确控制，这在制造工艺上更容易精确控制。
本发明相对于现有技术包括有以下有益效果：
本发明通过改变SPAD中PN结成型的方向，同时用外延层做缓冲使得耗尽区厚度显著增加，同时新结构SPAD耗尽层沿着电场方向有效宽度可以灵活设置，进一步增加了载流子雪崩区域，从而极大的提高了传感器的光子探测灵敏度。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统SPAD像素结构截面图；
图2为传统SPAD像素结构顶视图；
图3为杂质注入浓度分布图；
图4转换成型方向的SPAD像素截面图；
图5为具体实施例1的横向SPAD截面图；
图6为具体实施例1的横向SPAD顶视图；
图7为具体实施例2的采用费马填充图形的横向SPAD结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
传统前照型(Front Side Illumination，简称：FSI)SPAD，在制造工艺中，通过离子注入机台，从硅表面到硅体内注入高能杂质离子，获得一个从上向下掺杂的PN结构，其结构如图1、图2所示；
其中，N+、NW、DNW和SPAD-N都是N型掺杂，P+、SPAD P和e-epi为P型掺杂。N+和P+是高浓度重掺杂，主要是为了消除和金属接触的电阻。NW和DNW把高电压传到值SPAD N,P+把低电压传到至SPAD P。因此SPAD N和SPAD P形成的PN结有很高的压降，在单光子应用重，两端电压会加强至能够发生雪崩击穿。
这种设计方式产生的垂直分布的PN结，其电场方向也是从硅表面到硅体内。这导致SPAD的有效雪崩区域-耗尽层仅仅被局限在PN结之内，如图1、图2中的方框所示，光电子只能在很薄的一层中发生雪崩效应。这导致FSI-SPAD像素能够发生雪崩击穿的空间范围非常受限，从而使其传感器光子探测效率很低，尤其在光波长940nm，SPAD光子探测效率普遍低于1.4％.这严重削弱了传感器的光电探测能力。
针对传统设计中，SPAD耗尽层太窄导致SPAD光电探测效率受限，本发明创造性的设计了一种新SPAD结构，通过改变SPAD中PN结成型的方向，同时用外延层做缓冲使得耗尽区厚度显著增加，同时新结构SPAD耗尽层沿着电场方向有效宽度可以灵活设置，进一步增加了载流子雪崩区域，从而极大的提高了传感器的光子探测灵敏度。
传统FSI-SPAD如图1、图2所示，在制造过程中，工艺上会把SPAD以外的区域用掩蔽膜和光刻胶覆盖起来，同时用离子注入机从硅表面，先后注入N型杂质和P型杂质，形成自上而下突变型PN结。SPAD中雪崩效应发生在耗尽区中，而耗尽层厚度thick由突变PN结两侧掺杂浓度控制。为了降低SPAD击穿电压，这要求两侧的浓度变化特别剧烈。由于受离子注入机能量限制，如标准逻辑工艺中，N型磷注入能量一般最高为2.6+MeV，这会限制离子的注入深度。同时由于受到晶格和电子的散射作用，在相同剂量注入下，杂质能量越高，杂质在硅内部浓度分布也会变缓，如图3所示
这使制造掺杂浓度变化剧烈的突变型PN结比较困难，相应的SPAD击穿电压变得很难控制，因此这种方式在垂直方向形成的PN结一般只有一个。而单个PN结耗尽层厚度一般为0.5um左右，如图1顶视图中，如果SPAD为圆形且SPAD-N的半径为A，则耗尽层有效区域为：
Volume＝π×A2×thick (公式1)
为了突破由于注入能量和精度限制导致FSI-SPAD耗尽区受限，本发明中PN结采用横向制作模式，如图4所示；
首先通过离子注入方式，分别在硅的外延层epi中注入SPAD-N与SPAD-P两种杂质，形成SPAD的PN结，两种离子注入的版图和掩模中在水平方向相切，这两者主要起调节SPAD击穿电压。在SPAD-P左侧预留外延层P-EPI，工作模式中，SPAD被全部耗尽，继续增大电压，耗尽区向P-EPI中迅速扩展。SPAD两端电压主要消耗在它两形成的SPAD-N和SPAD-P上，其中的电场最强，但同时也会在EPI中形成一个弱的电场，这个电场会把P-EPI中光电子输运到高场区域，从而增加耗尽区的宽度。P-EPI的左侧是用来接受电流的PW和降低接触电阻的P+。
耗尽区的厚度由注入离子N型硼杂质和P型磷杂质的最大注入能量来决定。一般在注入工艺中，磷和硼的注入深度为1.5um，相比传统工艺耗尽区区域比传统方式增加了3倍，从而有效增加PN结耗尽区在纵向的深度。
本发明中的PN结横向向右分布，这种制作方式的好处，使耗尽层的深度由传统的纵向掺杂浓度控制转换为横向掺杂能量控制，即控制离子注入能量，通过多次掺杂注入，在垂直方向形成均匀掺杂的SPAD-N和SPAD-P，两者间距及P-EPI的宽度可通过版图和光刻胶尺寸在精确控制，这在制造工艺上更容易精确控制。
具体实施例1：
如图5-6所示；在实际应用中，为了保准SPAD在各个方向的光响应的一致性，本例中SPAD采用圆形结构。其截面图和顶视图分别如图4和图5.在图5中以SPAD-N为中心，SPAD-P为环状围绕着SPAD-N，同时P-EPI也以环状围绕SPAD-P。PW以环状环绕P-EPI，由于P+只起降低电阻作用，而且它是高浓度掺杂，其分布必须在PW之内，其距离PW边界0.35um。由于N+只起降低电阻作用，由于它是高浓度掺杂，其分布必须在SPAD-N之内,其距离SPAD-N边界0.35um；
具体实施例2：
圆形区域外的面积全部丢失，而在小尺寸像素中，尤其像素尺寸小于8um的SPAD，为了增加SPAD耗尽去的填充面积，除中心SPAD-N和与其接触的SPAD-P界面为圆形，其它区域都采用费马填充形状，即SPAD边为正方形，而四个角为圆形。这样做的好处可以增加SPAD中EPI的区域，从而更使耗尽区更高效率的填充像素。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (3)
1.一种高光子探测效率的SPAD像素结构，其特征在于，该SPAD像素结构是通过离子注入方式，分别在硅的外延层epi中注入SPAD-N与SPAD-P两种杂质，形成SPAD的PN结，两种离子注入的版图和掩模中在水平方向相切，主要起调节SPAD击穿电压；
在SPAD-P左侧预留外延层P-EPI，工作模式中，SPAD被全部耗尽，继续增大电压，耗尽区向P-EPI中迅速扩展；
SPAD两端电压主要消耗在它两形成的SPAD-N和SPAD-P上，其中的电场最强，但同时也会在EPI中形成一个弱的电场，这个电场会把P-EPI中光电子输运到高场区域，从而增加耗尽区的宽度；P-EPI的左侧是用来接受电流的PW和降低接触电阻的P+。
2.根据权利要求1所述的一种高光子探测效率的SPAD像素结构，其特征在于，该SPAD像素结构的耗尽区的厚度由注入离子N型硼杂质和P型磷杂质的最大注入能量来决定；磷和硼的注入深度为1.5um。
3.根据权利要求1所述的一种高光子探测效率的SPAD像素结构，其特征在于，所述PN结横向向右分布，使耗尽层的深度由传统的纵向掺杂浓度控制转换为横向掺杂能量控制，即控制离子注入能量，通过多次掺杂注入，在垂直方向形成均匀掺杂的SPAD-N和SPAD-P，两者间距及P-EPI的宽度可通过版图和光刻胶尺寸在精确控制。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211683086.3A CN115799363A (zh) | 2022-12-27 | 2022-12-27 | 一种高光子探测效率的spad像素结构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211683086.3A CN115799363A (zh) | 2022-12-27 | 2022-12-27 | 一种高光子探测效率的spad像素结构 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115799363A true CN115799363A (zh) | 2023-03-14 |
Family
ID=85427921
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211683086.3A Pending CN115799363A (zh) | 2022-12-27 | 2022-12-27 | 一种高光子探测效率的spad像素结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115799363A (zh) |
-
2022
- 2022-12-27 CN CN202211683086.3A patent/CN115799363A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10872995B2 (en) | Avalanche diode along with vertical PN junction and method for manufacturing the same field | |
| EP3206234B1 (en) | Semiconductor element with a single photon avalanche diode and method for manufacturing such semiconductor element | |
| US20090179293A1 (en) | Image sensor and method for manufacturing the same | |
| EP2919270B1 (en) | Cmos image sensor | |
| US10978606B2 (en) | Avalanche diode and method of manufacturing an avalanche diode | |
| US20200185560A1 (en) | Spad-type photodiode | |
| EP3748698A1 (en) | Semiconductor body, avalanche photodiode and method for fabricating a semiconductor body | |
| CN114093962A (zh) | 单光子雪崩二极管和光电探测器阵列 | |
| CN114975657B (zh) | Spad器件结构、spad探测器及spad器件结构制备方法 | |
| CN113380912A (zh) | 一种高性能单光子像素spad结构 | |
| CN108615738B (zh) | 半导体器件和制造半导体器件的方法 | |
| CN114242826B (zh) | 单光子雪崩二极管及其形成方法 | |
| US20070222012A1 (en) | Semiconductor Device | |
| CN102956739A (zh) | 微光电感单元及其背读式半导体光电倍增管及其组件 | |
| CN109285851B (zh) | 一种像素单元及其制备方法 | |
| CN115799363A (zh) | 一种高光子探测效率的spad像素结构 | |
| JP2012174783A (ja) | フォトダイオードおよびフォトダイオードアレイ | |
| CN110176467A (zh) | Cmos图像传感器及其制造方法 | |
| CN107994096B (zh) | 一种提高cmos图像传感器量子效率的光电二极管结构 | |
| WO2022133660A1 (zh) | 单光子雪崩二极管及光电传感装置 | |
| JP4191564B2 (ja) | アバランシ・フォトダイオード | |
| KR101707896B1 (ko) | 실리콘 광 증배 소자 | |
| KR101301897B1 (ko) | 마이크로채널 애벌란시 포토다이오드 | |
| US11967664B2 (en) | Photodiodes with serpentine shaped electrical junction | |
| CN219677264U (zh) | 沟槽电极单光子雪崩阵列、传感器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |