CN115881749A - 具有成形结区的单光子雪崩二极管装置 - Google Patents

具有成形结区的单光子雪崩二极管装置 Download PDF

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Abstract

具有成形结区的单光子雪崩二极管装置。本发明涉及电路。在特定实施例中，本发明提供一种SPAD电路，其包含结区，所述结区的特征是对应于多个填充结构的波形轮廓。所述波形轮廓与电场和击穿电压均匀性相关联。还存在其它实施例。

Description

具有成形结区的单光子雪崩二极管装置
技术领域
本发明涉及激光雷达测距领域，尤其涉及一种具有成形结区的单光子雪崩二极管装置。
背景技术
本发明大体上涉及电路。
集成微电子学的研究和开发在传感器装置方面持续取得惊人的进展。存在光电二极管的许多实例。举例来说，光电二极管是p-n结或PIN结构。在具有足够能量的光子撞击二极管时，二极管会产生电子-空穴对。此机制也被称作内光电效应。如果在结的耗尽区中或在离耗尽区有一个扩散长度之处发生吸收，则这些载流子会被耗尽区的内置电场从结中扫出。因此，随着空穴朝向阳极移动(电子朝向阴极移动)，就会产生光电流。通过光电二极管的总电流是暗电流(在没有光的情况下产生的电流)和光电流的总和，因此暗电流必须被最小化以使装置的灵敏度最大化。
光电二极管的另一实例被称为“雪崩光电二极管”。雪崩光电二极管是结构被优化以实现在接近反向击穿电压的高反向偏压下操作的光电二极管。这允许每一光生载流子因雪崩击穿而倍增，从而在光电二极管内产生内部增益，这提高了装置的有效灵敏度。一种类型的光电二极管—通常被称作单光子雪崩二极管(SPAD)装置—已经越来越流行且用于多种应用中，例如已成为消费类电子产品、汽车和其它应用的主流组件的激光雷达(LIDAR)系统。除其它特性之外，SPAD区电场和SPAD击穿电压的均匀性也是SPAD装置的重要方面，原因如下文所解释。遗憾的是，现有技术不充分。高度地需要用于改进传感装置的技术。
发明内容
本发明涉及电路。在特定实施例中，本发明提供一种SPAD电路，其包含结区，结区的特征是对应于多个填充结构的波形轮廓。波形轮廓与电场和击穿电压均匀性相关联。还存在其它实施例。
根据各种实施例，一般方面包含一种单光子雪崩二极管(SPAD)图像传感器，其包含第一侧壁和第二侧壁。SPAD图像传感器还包含配置在第一侧壁和第二侧壁之间的硅材料。硅材料可包含顶部区和底部区。SPAD图像传感器还包含定位在顶部区处的孔隙区。SPAD图像传感器还包含配置在底部区处的多个填充物，多个填充物根据第一图案而布置。SPAD图像传感器还包含配置在硅材料内的第一掺杂区。第一掺杂区可包含第一边界，第一边界的特征是对应于第一图案的第一波形状。SPAD图像传感器还包含配置在硅材料内的第二掺杂区，第二掺杂区可包含第二边界，第二边界的特征是对应于第一图案的第二波形状。SPAD图像传感器还包含配置在第一掺杂区和第二掺杂区之间的结区，结区的特征是对应于第一图案的第三波形状。
实施方案可包含以下特征中的一者或多者。SPAD图像传感器的第一侧壁可包含深沟槽隔离结构。SPAD图像传感器可包含覆盖孔隙区的透镜。多个填充物可包含浅沟槽隔离结构。多个填充物可包含氧化物材料。多个填充物的特征是与硅材料相比更低的掺杂剂穿透。SPAD图像传感器可包含覆盖孔隙区的透镜，透镜被配置成朝向结区引导光子。多个填充物可包含用于朝向结区引导光子的反射表面。第一侧壁可包含面向第二侧壁的表面。多个填充物可包含第一填充物和第二填充物，第一填充物的特征是约150-700nm的宽度，第一填充物和第二填充物共享约400-900nm的间距。宽度和间距被优化以实现结区处的电场优化和反射优化并将光子反射到结区。SPAD图像传感器可包含覆盖多个填充物的钉扎层。钉扎层可包含p+型材料。SPAD图像传感器可包含覆盖多个填充物的钝化层。
一个一般方面提供一种背侧照明式(BIS)单光子雪崩二极管(SPAD)传感器装置。装置包含具有前侧和背侧的硅材料。装置还包含定位在硅材料内的第一深沟槽结构。装置还包含定位在硅材料内的第二深沟槽结构。装置还包含配置在前侧处的多个填充物，多个填充物根据预定图案而布置。装置还包含具有第一顶部区和第一底部区的n型材料，第一底部区与背侧接界，第一顶部区可包含第一侧壁和第二侧壁，n型材料的特征是第一宽度。装置还包含具有第二顶部区和第二底部区的p型材料，第二底部区包围第一顶部区，p型材料的特征是第二宽度，第二宽度大于第一宽度。背侧还包含配置在第一顶部区和第二底部区之间的界面处的结区，结区的特征是对应于预定图案的波形状。
装置可包含直接耦合到n型材料且定位在第一底部区内的n型触点。
一个一般方面包含一种用于制造单光子雪崩二极管(SPAD)传感器的方法。方法包含提供硅晶片，硅晶片的特征是第一掺杂剂穿透水平。方法还包含根据预定图案形成多个空腔。方法还包含用填充材料填充多个空腔以形成多个填充物，填充材料的特征是第二掺杂剂穿透水平，第二掺杂剂穿透水平高于第一掺杂剂穿透水平。方法还包含在第一深度处用第一掺杂剂穿过多个填充物掺杂硅晶片以形成第一掺杂区。方法还包含在第二深度处用第二掺杂剂穿过多个填充物掺杂硅晶片以形成第二掺杂区。方法还包含在第一掺杂区和第二掺杂区之间形成结区，结区的特征是对应于预定图案的波形状。
在某些实施例中，多个填充物可包含浅沟槽隔离结构。
应了解，本发明的实施例与传统技术相比提供了许多优点。除其它事项之外，SPAD区的波形轮廓还允许均匀的电场和击穿电压。另外，操作较低击穿电压意味着SPAD传感器可实现高水平的效率和更好的性能。
本发明的实施例可结合现有系统和工艺来实施。举例来说，波形SPAD区可结合标准STI形成工艺来制造。可使根据本发明的实施例的SPAD装置和系统与现有系统(例如各种类型的激光雷达系统和技术)兼容。还存在其它益处。
本发明在已知技术的背景下实现了这些益处和其它益处。然而，可通过参考本说明书的后面部分和附图来实现对本发明的性质和优点的进一步理解。
附图说明
以下图仅仅是实例，其不应不适当地限制本文中的权利要求书的范围。本领域的普通技术人员应认识到许多其它变化、修改和替代方案。还应理解，本文中所描述的实例和实施例是仅出于说明性目的，且根据其进行的各种修改或改变将由本领域的技术人员想到并包含在本工艺的精神和范围以及所附权利要求书的范围内。
图1A是示出根据本发明的实施例的SPAD阵列100的简化侧视图。
图1B是示出根据本发明的实施例的SPAD阵列100的简化俯视图。
图2是示出根据本发明的实施例的对应于梯形填充图案的图案化SPAD区的简化图。
图3是示出根据本发明的实施例的对应于线性梯形填充图案的图案化SPAD区的简化图。
图4是示出根据本发明的实施例的对应于三角形填充图案的图案化SPAD区的简化图。
图5是示出根据本发明的实施例的成形SPAD区的电场和击穿电压的简化图。
图6是示出用于比较的常规SPAD区的电场和击穿电压的简化图。
具体实施方式
本发明涉及电路。在特定实施例中，本发明提供一种SPAD电路，其包含结区，结区的特征是对应于多个填充结构的波形轮廓。波形轮廓与电场和击穿电压均匀性相关联。还存在其它实施例。
呈现以下描述以使本领域的普通技术人员能够制造和使用本发明，并将其并入到特定应用的背景中。各种修改以及在不同应用中的多种用途对于本领域的技术人员来说将是容易显而易见的，且本文中所定义的一般原理可应用于广泛范围的实施例。因此，本发明并不意欲限于所呈现的实施例，而是应符合与本文中所公开的原理和新颖特征一致的最广泛范围。
在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以便提供对本发明的更透彻的理解。然而，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可在未必限于这些特定细节的情况下实践本发明。在其它情况下，以框图形式而非在细节上展示了众所周知的结构和装置，以免混淆本发明。
读者应关注与本说明书同时递交的并与本说明书一起公开供公众查阅的所有文章和文档，且所有此类文章和文档的内容以引用的方式并入本文中。除非另有明确陈述，否则本说明书(包含任何随附权利要求书、摘要和附图)中所公开的所有特征可由提供相同、等效或类似目的的替代特征替换。因此，除非另有明确陈述，否则所公开的每一特征都只是等效或类似特征的通用系列的一个实例。
此外，如35U.S.C.第112节第6段中所指定，未明确地陈述“用于”执行指定功能“的构件”或“用于”执行特定功能“的步骤”的权利要求书中的任何要素不应被解释为“构件”或“步骤”条款。尤其是，本文中在权利要求书中使用“……的步骤”或“……的动作”并不意欲援引35U.S.C.第112节第6段的规定。
请注意，在使用时，标记左侧、右侧、前部、背部、顶部、底部、前向、反向、顺时针和逆时针已经是仅出于便利性目的而使用且并不意欲暗示任何特定的固定方向。实际上，它们用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。
图1A和1B是示出根据本发明的实施例的SPAD像素阵列100的简化图。这些图仅仅提供实例，其不应不适当地限制权利要求书的范围。在各种实施例中，SPAD像素阵列100包含大量SPAD像素(通常超过一千个像素)，但出于图示目的，两个SPAD像素装置(100A和100B)展示在图1A中(且四个展示在图1B中)。在各种实施例中，SPAD像素阵列100是根据背侧照明(BSI)技术制造的，但还可使用其它架构—例如前侧照明(FSI)。作为实例，SPAD像素阵列100制造在硅材料(例如硅材料104A和硅材料104B)内。举例来说，硅材料104A可通过外延生长工艺来形成。如所展示，外延材料的在约3um到约12um的范围内的厚度是使用高温生长技术等来生长的。在实例中，外延生长是使用化学气相沉积(CVD)工艺来进行的。在各种实施例中，SPAD像素阵列100可配置在包含用于互连许多SPAD像素装置的布线和电路的半导体衬底上。举例来说，p触点和n触点(图1A中未展示)耦合到互连件121。在各种实施例中，互连件121包括用于快速读出以产生深度映射数据的数据总线，和SPAD装置100A和100B在同一周期中被读取的输出。
作为实例，衬底可为互补金属氧化硅(CMOS)衬底、空白或未图案化衬底、图案化混合衬底等。在实例中，半导体衬底具有用于逻辑电路系统的多个CMOS单元，且还可包含多个存储器单元、接口单元和其它电路元件。如所展示，衬底具有接合区和逻辑电路，接合区和逻辑电路可被配置为输出、淬灭、再充电电路等。当然，可存在其它变化、修改和替代方案。
作为实例，在图1A中，硅材料的顶侧被称作“背侧”，且硅材料的底侧被称作“前侧”。术语“前部”和“背部”是指在制造工艺期间的半导体晶片的前侧和背侧，在制造工艺期间，对晶片的前侧执行各种工艺。BSI SPAD是指光(例如光子)进入SPAD装置的侧。孔隙区101和102分别位于SPAD装置100A和100B的背侧上。如下文所描述，微透镜或其它类型的光学结构(例如纳米结构、抗反射涂层、滤色器、带通滤波器等)可配置在孔隙区上。微透镜101A覆盖孔隙区101；微透镜102A覆盖孔隙区102。光学结构，例如微透镜101A和102A，帮助将入射光和信号光子导引到目标区，目标区是n型材料(106A和106B)和p型材料(105A和105B)之间的结。钝化层(未展示)可配置在孔隙区周围。在实例中，钝化层可包含氧化物材料、高K介电材料(例如Al2O3、HfO2、Ta2O5等)、氮化物材料(Si3N4、SiON等)或聚酰亚胺材料、其组合等。
SPAD像素装置100A和100B由隔离结构包围。SPAD像素装置100A由深隔离结构103A和103B以及浅隔离结构108A和108B包围。SPAD像素装置100B由隔离结构103C和103B包围。在各种实施例中，隔离结构包括深沟槽隔离(DTI)结构。在实施例中，DTI结构包括填充材料、周围电荷材料和周围绝缘材料。在实例中，填充材料包括金属材料、半导体材料，和/或绝缘材料。例如，DTI结构可以包括复合物材料。在优选实例中，填充材料是钨。在实例中，周围电荷材料是Al2O3。取决于实施方案，还可以是其它材料。在实例中，周围绝缘材料包含氧化物或氮化物材料等。在实例中，周围绝缘材料是SiO2。
隔离结构可另外包含p阱区(未展示)。在各种实施例中，p阱区的特征是硼的p型扩散。取决于实施方案，其它类型的材料也可用于p型扩散。举例来说，p阱区可通过在外延生长基底而非衬底之上用多种能量进行注入来形成。取决于实施方案，隔离结构可以是DTI结构和/或p阱区予以实施。在一些实施方案中，隔离结构可包含仅p阱区且不包含DTI结构。在各种实施例中，p阱区可通过注入工艺来形成，注入工艺可使用从几百keV到几MeV的多种能量。p阱区可穿过整个外延厚度以提供钝化和隔离。
浅沟槽隔离结构108A、108B和108C配置在深沟槽隔离下方。在实例中，浅沟槽隔离(STI)可包含氧化物材料作为填充剂。取决于实施方案，相对于n型区106A和106B的位置配置STI结构的宽度和其它尺寸。举例来说，STI结构在相对于DTI结构的宽度内(即，大约相同的宽度或更宽)。在各种实施例中，P型触点(或有时被称作“P+”触点)配置在硅材料104A和104B的底部表面处。n型触点(未展示)耦合到n型区106A和106B。举例来说，n型触点和p型触点和可使用各种类型的经注入材料(例如经注入导电硅)来配置。
如所展示，n型区106A和106B可包含n阱。举例来说，n型区106A可被称作“N-SPAD”。N-SPAD可通过注入工艺来形成，注入工艺可使用多种注入能量水平。n型材料106A的重要方面是其尺寸，且在某些实施例中，n型区106A窄于p型区105。p型材料105A和n型材料106A之间的结包含如图1A中所展示的水平界面和竖直界面两者。更特定地说，p型材料105A的底部表面与n型材料106A的顶部表面介接。且因为p型材料105A较宽并包围n型材料106A，所以n型材料106A的顶部侧壁也与p型材料105A介接。与常规设计相比，结界面的侧壁部分产生横向电场且增加用于收集光子产生载流子的总面积。
应注意，使用注入工艺制造的N-SPAD 106A和P-SPAD 105A都具有非均匀掺杂浓度。举例来说，p型材料104是通过第一注入工艺形成的，且p型材料105A的特征是中心周围的径向浓度梯度。在各种实施例中，P-SPAD 105A从前表面注入到硅中达至少200nm，这用于确保雪崩区远离前表面且降低不期望的暗计数率(DCR)。也就是说，从前表面处的缺陷产生的载流子将不会进到雪崩区。在各种实施例中，P-SPAD 105A可具有从雪崩区107A朝向背表面的浓度梯度。这产生了较宽的P-SPAD区和较高的电场。此配置缩短了从外延区到雪崩区107A的载流子行进时间且减少了抖动。举例来说，P-SPAD 105A中的浓度梯度可通过注入后退火来产生；浓度梯度还可通过在注入中使用多种能量来产生。
在各种实施例中，n材料106A还通过注入工艺来形成，且某些n型掺杂剂注入到p型材料的部分中。n型注入横向地距p阱区有至少1μm(即，d1>1μm)以避免从p阱区到n型触点的直接载流子路径而不穿过雪崩区。n型材料的放置也是为了避免雪崩区107A从所要结区域延伸到前表面。
举例来说，经注入的p型材料包括具有1E15个原子/cm3到1E18个原子/cm3的浓度密度的硼材料。举例来说，经注入的n型材料包括具有1E17个原子/cm3到1E19个原子/cm3的浓度密度的磷实体或砷实体。当然，可存在其它变化、修改和替代方案。如所展示，经注入的p型材料和经注入的n型材料配置在像素元件的半导体衬底附近或接合区附近。
SPAD像素装置的性能在很大程度上是通过其定位在p型区(即，105A和105B)和n型区(即，106A和106B)之间的雪崩区107A和107B处—收集光子产生载流子的能力来测量的。举例来说，术语“雪崩区”是指在由p型区(105A和105B)和n型区(106A和106B)之间的界面限定的结的某一近程内的区。在某些实施方案中，如所展示的p型区105A和105B(可被称作“P-SPAD”)包含后退p阱。举例来说，P-SPAD可通过注入工艺(例如用一种或多种注入能量)来形成。如各种实施例中所实施的p型区105A和105B与非均匀掺杂浓度分布相关联。举例来说，掺杂浓度在p型区与n型区介接的有源结区附近是最大的。
电场均匀性是SPAD装置的重要性能度量。除电场强度之外，跨雪崩区(即，图1A中的107A和107B)的均匀性也是重要的。遗憾的是，常规SPAD装置的雪崩区通常具有朝向边缘较强的不均匀电场。这种类型的不均匀电场极大地降低了SPAD装置的性能和可靠性。
击穿电压是SPAD装置的另一重要特性。击穿电压(Vbd)的量值和均匀性两者。随着SPAD装置在便携式装置中变得越来越受欢迎，趋势是朝向较低的功耗和较高的像素密度发展。对于大多数应用，低Vbd意味着较低功耗，其它因素相同的情况下，促进高像素密度、小装置面积和较少热产生的设计。常规SPAD装置通常跨其雪崩区具有不良的Vbd均匀性，如下文所解释和图6中所示出。
根据本发明的实施例的雪崩区(或p型区和n型区之间的结区)为波形，以与常规SPAD装置相比改进了电场和击穿电压均匀性且减小了击穿电压。应注意，雪崩区的波形轮廓对应于下方的填充物。尽管SPAD阵列的侧视图(图1A中所展示)展示了波状图案，但三维空间中的雪崩区包括多个“波纹”。
雪崩区107A和107B的波图案对应于填充物109A-109B和109C-109D，如由虚线所示出。从俯视图来看，如图1B中所示出，填充物被配置为二维阵列，且雪崩区的波图案(或波纹)对应于填充物。举例来说，波图案的“波峰”对应于填充物，且波图案的“波谷”对应于填充物之间的空间。在各种实施方案中，填充物109A-109B与n型区106A相比更窄，且相对尺寸经选择以产生如所展示的所要波形107C。
在各种实施例中，填充物109A-109B和109C-109D(包含定位在其间的未标记的填充物)包括氧化物材料。在各种实施例中，这些填充物是通过蚀刻和沉积工艺形成的浅沟槽隔离(STI)结构。举例来说，p型区105A和n型区106A是通过注入工艺形成的，其中一种或多种掺杂材料穿透硅材料104A。在注入工艺期间，掺杂材料比硅材料104A更深入地穿透填充材料109A-D(例如氧化物材料)，且因此，雪崩区107A(还有p型区105A和n型区106A)被形成有如所展示的波图案。因为掺杂材料是穿过填充材料注入的，所以填充材料可能会损坏。为了减少损坏且更好地使硅界面钝化，我们可移除中心STI的顶部上的注入损坏氧化物；稍后，热氧化和氧化物沉积工艺填充蚀刻开口。正电荷可引入到热氧化物中，这可帮助使氧化物-硅界面钝化。
在某些实施方案中，在蚀刻工艺之后但在沉积工艺之前执行掺杂材料的注入，且掺杂材料在穿过经蚀刻开口时穿透得更深(与穿透未经蚀刻硅材料的掺杂材料相比)。在此类实施方案中，掺杂材料在情况下穿透得更深—与穿过经沉积材料的掺杂相比—从而形成具有较大峰到峰值的波图案。
填充物109A-109B和109C-109D被配置为光捕获结构。在各种实施例中，SPAD阵列100被配置成捕获红外光，红外光往往会穿过雪崩区(主要是注入有掺杂剂的硅材料)而不会被检测和吸收。光捕获结构(即，填充物109A-109B和109C-109D)将红外光反射回到雪崩区且防止红外光逸出到邻近的SPAD像素。
图2是示出根据本发明的实施例的对应于梯形填充图案的图案化SPAD区的简化图。此图仅仅是实例，其不应不适当地限制权利要求书的范围。本领域的普通技术人员应认识到许多变化、替代方案和修改。SPAD区230定位在第一掺杂区210和第二掺杂区220之间。在某些实施例中，第一区210包括p型区且第二区220包括n型区，且区210和区220可包含不同掺杂材料或不同浓度的相同掺杂材料。在一些实施例中，第一区210包括n型区且第二区210包括p型区。第一区210、SPAD区230和第二区220的特征是如所展示的波形轮廓。波形轮廓对应于如所展示的填充物201a-201h。举例来说，填充物201a-201h被产生为STI。在制造STI时，首先根据预定图案来蚀刻开口，且接着填充开口。如图2中所展示的填充物201a-201h在大小、形状和分布上大体上相同，但应理解，还可使用其它形状和布置。举例来说，电场往往会集中在SPAD区的边缘周围，且为了进行补偿，填充物在边缘周围较小且其大小朝向中心增加，且其它布置也是可能的。
在各种实施方案中，预定图案经特定地设计以产生用于SPAD区230的预期波形轮廓。举例来说，每一填充物的宽度(即，在填充物201a上方的标记“w”)为约150到700nm，且周期(即，在填充物201a上方的标记“p”)为约400到900nm。取决于工艺、几何形状和距SPAD区230的距离，填充物的高度(即，在填充物201a处的标记“h”)可被配置为约200-450nm。在某一实施例中，填充物高度可超过600nm(前提是填充物不太接近SPAD区230)。如图2中所展示，填充物被配置为梯形形状，且取决于实施方案，角度θ为约73到83度。举例来说，梯形形状针对性能和制造工艺两者而优化。与笔直(即，90度角度)侧壁相比，填充物的倾斜侧壁允许SPAD区的波形轮廓的逐渐过渡。另外，与笔直侧壁角度相比，如所展示的侧壁角度允许更便利的蚀刻和填充工艺。
如所展示，填充物对应于波形轮廓的波峰，而填充物之间的空间对应于波形轮廓的波谷。波形轮廓与填充图案共享相同的“周期”。举例来说，SPAD区的波形图案的特性针对红外波长(即，约780nm到1mm，且在一些实施例中在900nm到950nm之间)而优化。
如所展示，波形轮廓不限于SPAD区230。区210和区220的特征还是其自身的波形轮廓，所述波形轮廓对应于填充物201a-201h，但应注意，区210和区220并不共享相同的波形轮廓。这是因为区210和区220具有不同的掺杂剂(或掺杂浓度)。尽管区210和区220的波形轮廓都归因于填充物201a-201h，但不同的掺杂剂和/或掺杂工艺产生不同的波形轮廓。
波形轮廓的“波峰”过渡到“波谷”之间的过渡取决于填充物的几何形状和图案。如所展示的侧壁角度θ允许波形轮廓的波峰和波谷之间的逐渐过渡。取决于实施方案，基于填充物的高度和宽度而特定地选择侧壁角度θ以帮助产生所要波形轮廓。
根据各种实施例，填充物201a-201h还提供光捕获功能，如上文所解释。举例来说，填充物201a-201h的顶部表面是反射的，且所述顶部表面被配置成朝向SPAD区230引导光子。
图3是示出根据本发明的实施例的对应于线性梯形填充图案的图案化SPAD区的简化图。此图仅仅是实例，其不应不适当地限制权利要求书的范围。本领域的普通技术人员应认识到许多变化、替代方案和修改。SPAD区330配置在区310和区320之间。举例来说，区310是p型区且区320是n型区。在某些实施例中，区320是p型区且区310是n型区。如上文所描述，n型区和p型区可通过注入不同的掺杂材料和/或注入不同掺杂浓度的掺杂材料来形成。SPAD区330的波形轮廓对应于如所展示的填充物301a-301h。填充物301a-301h的特征是梯形形状。钉扎层303覆盖填充物301a-h。举例来说，钉扎层303可被配置为减小不期望的DC电阻(DCR)的钝化层。在各种实施方案中，钉扎层303包括P+型材料。在用填充物301a-301h填充经蚀刻开口之前，可在自对准注入工艺中形成钉扎层303。钉扎层303的顶部表面还可在稍后且单独的步骤处注入。
图4是示出根据本发明的实施例的对应于三角形填充图案的图案化SPAD区的简化图。此图仅仅是实例，其不应不适当地限制权利要求书的范围。本领域的普通技术人员应认识到许多变化、替代方案和修改。SPAD区430配置在区410和区420之间。举例来说，区410是p型区且区420是n型区。在某些实施例中，区420是p型区且区410是n型区。如上文所描述，n型区和p型区可通过注入不同的掺杂材料和/或注入不同掺杂浓度的掺杂材料来形成。SPAD区430的波形轮廓对应于如所展示的填充物401a-401h。从图4中的侧视图来看，填充物401a-401h的特征是大体上三角形形状，但在三维形式中，填充物401a-401h为大体上角锥形。在一些实施方案中，填充物401a-401h的三角形形状和几何形状允许用于SPAD区430的连续和波形轮廓。举例来说，侧壁角度θ可为约45-65度。与此对比，具有笔直侧壁的填充物使掺杂剂较难以到达波形轮廓的“波峰”区，从而改为产生阶梯形轮廓。在一些实施方案中，波形轮廓可优选于阶梯形轮廓，这是因为波形轮廓促进较低的击穿电压以及较一致的电场和击穿电压。取决于实施方案，填充物401a-401h的形状、大小和均匀性可变化以优化性能。举例来说，定位在外围区上的填充物401a和401h与配置在中间区中的填充物401d和401e相比可不同地成形(例如较浅)。
图5是示出根据本发明的实施例的成形SPAD区的电场和击穿电压的简化图。此图仅仅是实例，其不应不适当地限制权利要求书的范围。本领域的普通技术人员应认识到许多变化、替代方案和修改。如所展示的电场曲线540是大体上均匀的(或平坦的)，且电场强度的轻微变化大致上对应于SPAD区530的波形轮廓。在541和542区域(对应边缘区域)，可以看到，电场曲线是陡的。由于波形的“波纹”(SPAD区域边缘附近的区域551和552除外)，所示的击穿电压曲线550也基本上是均匀的。“波纹”处的微小变化是理想的，并且它们对应于SPAD区域530的波形轮廓的波峰和波谷。举例来说，电场强度和击穿电压量值是相关的：波形轮廓提供诱发雪崩的强电场，由此与常规SPAD装置相比降低了击穿电压。应了解，电场曲线540和击穿电压曲线550提供如在可靠性、一致性、功率效率和其它度量方面所测量的高水平的性能。
图6是示出用于比较的常规SPAD区的电场和击穿电压的简化图。SPAD区630，作为掺杂区610和620之间的结。如图6中所展示，区610、620和630是大体上平坦的，且在区601处不存在填充物。与图5中的区域541和542相比，641和642区域的特征在于更平缓的过渡。结果，区域651和652处的击穿电压Vbd更接近中心区域653中的Vbd。当边缘Vbd更接近中心Vbd时，整体Vbd更有可能受到边缘的影响。对于SPAD像素，低Vbd区域占主导地位，并且期望使边缘Vbd比中心高得多。在图5中，由于区域541和542处的电场下降得更快，因此与中心区域553相比，区域551和552处的相应Vbd基本上更高，其中Vbd对总体SPAD Vbd水平的影响较小。
图6中的SPAD区630被展示为大体上平坦的和均匀的。但在实际实施方案中，常规SPAD区往往会跨晶片具有轻微角度差异，这通常与离子注入步骤期间的光刻胶阴影效应级联。因此，跨晶片的注入轮廓可能会变化，且一致性会受到影响。此变化通常引起跨晶片的击穿电压变化，其中一个区相比于另一区具有较高的击穿电压。如图6中所展示，击穿曲线650展示左侧上的击穿电压高于右侧上的击穿电压。此角度变化主要影响在有源区的边缘附近的掺杂轮廓。将STI添加到中心有源区会允许中心区在雪崩过程中占主导。因此，掺杂轮廓不受角度变化影响。
尽管上文是对特定实施例的完整描述，但可使用各种修改、替代构造和等效物。因此，以上描述和图示不应被视为限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (13)

1.一种单光子雪崩二极管(SPAD)图像传感器，其包括：
第一侧壁和第二侧壁；
硅材料，其配置在所述第一侧壁和所述第二侧壁之间，所述硅材料包括顶部区和底部区；
孔隙区，其定位在所述顶部区处；
多个填充物，其配置在所述底部区处，所述多个填充物根据第一图案而布置；
第一掺杂区，其配置在所述硅材料内，所述第一掺杂区包括第一边界，所述第一边界的特征是对应于所述第一图案的第一波形状；
第二掺杂区，其配置在所述硅材料内，所述第二掺杂区包括第二边界，所述第二边界的特征是对应于所述第一图案的第二波形状；以及
结区，其配置在所述第一掺杂区和所述第二掺杂区之间，所述结区的特征是对应于所述第一图案的第三波形状。
2.根据权利要求1所述的SPAD图像传感器，其中所述第一侧壁包括深沟槽隔离结构。
3.根据权利要求1所述的SPAD图像传感器，其进一步包括覆盖所述孔隙区的透镜。
4.根据权利要求1所述的SPAD图像传感器，其中所述多个填充物包括浅沟槽隔离结构。
5.根据权利要求1所述的SPAD图像传感器，其中所述多个填充物包括氧化物材料。
6.根据权利要求1所述的SPAD图像传感器，其中所述多个填充物的特征是与所述硅材料相比更低的掺杂剂穿透。
7.根据权利要求1所述的SPAD图像传感器，其进一步包括覆盖所述孔隙区的透镜，所述透镜被配置成朝向所述结区引导光子。
8.根据权利要求1所述的SPAD图像传感器，其中所述第一侧壁包括钨材料。
9.根据权利要求1所述的SPAD图像传感器，其中所述多个填充物包括第一填充物和第二填充物，所述第一填充物的特征是约150-700nm的宽度，所述第一填充物和所述第二填充物共享约400-900nm的间距。
10.根据权利要求9所述的SPAD图像传感器，其中所述宽度和所述间距被优化以实现所述结区处的电场优化和用于将光子反射到所述结区的反射优化。
11.根据权利要求1所述的SPAD图像传感器，其进一步包括覆盖所述多个填充物的钉扎层。
12.根据权利要求11所述的SPAD图像传感器，其中所述钉扎层包括p+型材料。
13.根据权利要求1所述的SPAD图像传感器，其进一步包括覆盖所述多个填充物的钝化层。
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