CN116666481A - Spad图像传感器件及制备方法 - Google Patents

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CN116666481A CN202310160892.0A CN202310160892A CN116666481A CN 116666481 A CN116666481 A CN 116666481A CN 202310160892 A CN202310160892 A CN 202310160892A CN 116666481 A CN116666481 A CN 116666481A
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Abstract

本公开提供了一种SPAD图像传感器件及制备方法，该SPAD图像传感器件包括：第一光子反射层、衬底、P型硅外延层、N埋层掺杂区、深N阱掺杂区、N型重掺杂区、P型重掺杂区、浅沟槽隔离区、第二光子反射层、深沟槽隔离区、光子吸收层、阴极、阳极、微透镜和衍射微结构。本公开通过P型重掺杂区和深N阱掺杂区形成PN结，SPAD形成于P型硅外延层中，利用深沟槽隔离区进行像素与像素之间的隔离，可有效降低像素之间的电子串扰。同时通过微透镜与倒金字塔型的表面衍射微结构将光子汇聚至感光区域，采用锗或者锗化硅材料作为光子吸收层，提高了SPAD图像传感器件对近红外波段光子的吸收效率，通过第一光子反射层和第二光子反射层，进一步提高光子吸收率。

Description

SPAD图像传感器件及制备方法
技术领域
本公开涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种SPAD图像传感器件及制备方法。
背景技术
三维成像技术在自动驾驶、安全监控以及游戏娱乐等领域应用广泛，目前应用较多的三维成像技术是直接飞行时间测量技术(D-TOF)，D-TOF通过计算光源发出光信号到接收到反射信号之间的时间差来完成测距。单光子雪崩二极管(Single Photon AvalancheDiode，SPAD)具有单光子探测能力，是微弱信号探测系统的核心器件。基于SPAD的D-TOF传感器具有成本低、高灵敏度、高时间分辨率等优点。随着半导体工艺的飞速发展，SPAD器件及像素阵列逐渐成为近年的研究热点。
由于激光光源可能会对人眼造成伤害，而若采用位于可见光波段的激光，激光雷达的功率将受到极大限制，因此在SPAD的应用中，多采用近红外波段，近红外波段不仅可提高激光功率，还可降低太阳背景光的干扰。然而现有技术中，常采用纯硅基材料，对近红外波段激光响应较差，导致传感器近红外激光的探测效率较低；且利用P埋层与中间区域的N埋层构成PN结，因此在N埋层的两侧也会产生耗尽区，限制了像素器件尺寸的不断缩小；同时浅沟槽隔离无法有效阻挡像素之间的电子串扰，一个像素中产生的载流子有可能通过衬底转移到相邻的像素，从而造成相邻像素间的干扰，使得传感器噪声升高。因此，需要提出一种新型的像素结构，以提升SPAD图像传感器近红外波段的探测效率，减少像素之间的电子干扰。
发明内容
鉴于上述问题，本公开提供了一种SPAD图像传感器件及制备方法，以解决现有技术中传感噪声大、像素尺寸无法缩小、近红外激光探测效率低的问题。
本公开的第一方面提供了一种SPAD图像传感器件，包括：
第一光子反射层；
衬底，设置于所述第一光子反射层上；
P型硅外延层，设置于所述衬底上，所述P型硅外延层和所述衬底中形成一N埋层掺杂区，位于所述P型硅外延层内的N埋层掺杂区上的两侧及中间均形成一深N阱掺杂区，位于所述两侧的所述深N阱掺杂区内的顶部均形成有一N型重掺杂区，位于所述中间的所述深N阱掺杂区的顶部形成有一P型重掺杂区，所述两侧和所述中间的形成的所述深N阱掺杂区之间均形成有一浅沟槽隔离区；
两对第二光子反射层，每对所述第二光子反射层相对设置形成深沟槽隔离区，两对所述第二光子反射层贯穿设置于所述衬底和所述P型硅外延层两侧中；
光子吸收层，设置于所述P型硅外延层上；
两个阴极，分别设置于一所述N型重掺杂区上；
两个阳极，分别设置于所述光子吸收层两端上；
微透镜，设置于所述光子吸收层上。
根据本公开的实施例，所述光子吸收层内与所述微透镜的接触面上与所述光子吸收层之间还设置有衍射微结构，所述衍射微结构为倒金字塔型表面微结构。
根据本公开的实施例，所述浅沟槽隔离区与所述P型重掺杂区之间的距离为0.05-2μm。
根据本公开的实施例，所述深沟槽隔离区的宽度为0.1～5μm，所述深沟槽隔离区的深度为5-70μm；
所述浅沟槽隔离区的宽度与深度均为0.1-1μm。
根据本公开的实施例，所述P型硅外延层的厚度为1-7μm。
本公开的第二方面提供了一种SPAD图像传感器件的制备方法，应用于制备上述第一方面所述的SPAD图像传感器件，所述方法包括：
在衬底中制备形成N埋层掺杂区，并在衬底上生长形成P型硅外延层；
在所述P型硅外延层和所述衬底的内部制备形成深沟槽隔离区、第二光子反射层，并在所述P型硅外延层的内部制备形成浅沟槽隔离区；
在所述P型硅外延层内部制备形成深N阱掺杂区、N型重掺杂区和P型重掺杂区；
在所述P型硅外延层上生长形成光子吸收层；
在所述N型重掺杂区上制备阴极连接端，并在所述光子吸收层上制备阳极连接端；
在器件上表面制备形成衍射微结构；
在衬底下方制备形成第一光子反射层；
在衍射微结构上形成微透镜。
根据本公开的实施例，所述N埋层掺杂区、深N阱掺杂区、N型重掺杂区以及P型重掺杂区的掺杂离子注入的浓度范围均为101414-1021em-3。
根据本公开的实施例，所述P型重掺杂区的掺杂离子包括硼。
根据本公开的实施例，所述N型重掺杂区和所述深N阱掺杂区的掺杂离子均包括磷。
根据本公开的实施例，所述光子吸收层的材料为：锗和/或锗化硅材料。
本公开通过P型重掺杂区和深N阱掺杂区形成PN结，SPAD形成于P型硅外延层中，SPAD尺寸可等比例缩小，同时利用深沟槽隔离区进行像素与像素之间的隔离，可有效降低像素之间的电子串扰；微透镜与倒金字塔型的表面衍射微结构将光子汇聚至感光区域，采用锗或者锗化硅材料作为光子吸收层，提高了SPAD图像传感器件对近红外波段光子的吸收效率，通过第一光子反射层和第二光子反射层，进一步提高了光子吸收率。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的一种SPAD图像传感器件的剖面结构示意图；
图2示意性示出了现有技术下的一种基于纯硅基工艺平台的单光子雪崩二极管像素器件结构示意图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的一种SPAD图像传感器件的制备方法的流程示意图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的一种SPAD图像传感器件的制备方法制备的SPAD图像传感器件在步骤S1的剖面结构示意图；
图5示意性示出了根据本公开实施例的一种SPAD图像传感器件的制备方法制备的SPAD图像传感器件在步骤S2的剖面结构示意图；
图6示意性示出了根据本公开实施例的一种SPAD图像传感器件的制备方法制备的SPAD图像传感器件在步骤S3的剖面结构示意图；
图7示意性示出了根据本公开实施例的一种SPAD图像传感器件的制备方法制备的SPAD图像传感器件在步骤S4的剖面结构示意图；
图8示意性示出了根据本公开实施例的一种SPAD图像传感器件的制备方法制备的SPAD图像传感器件在步骤S5的剖面结构示意图；
图9示意性示出了根据本公开实施例的一种SPAD图像传感器件的制备方法制备的SPAD图像传感器件在步骤S6的剖面结构示意图；
图10示意性示出了根据本公开实施例的一种SPAD图像传感器件的制备方法制备的SPAD图像传感器件在步骤S7的剖面结构示意图；以及
图11示意性示出了根据本公开实施例的一种SPAD图像传感器件的制备方法制备的SPAD图像传感器件在步骤S8的剖面结构示意图。
附图标记说明：
1-第一光子反射层；2-衬底；3-P型硅外延层；4-N埋层掺杂区；5-第二光子反射层；6-深沟槽隔离区；7-浅沟槽隔离区；8-深N阱掺杂区；9-N型重掺杂区；10-P型重掺杂区；11一光子吸收层；12-阴极；13-阳极；14-衍射微结构；15-微透镜。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
图1示意性示出了根据本公开实施例的一种SPAD图像传感器件的结构示意图。
如图1所示，该SPAD图像传感器件，包括：第一光子反射层1、设置于该第一光子反射层上1的衬底2、设置于该衬底2上的P型硅外延层3、两对第二光子反射层5、光子吸收层11、两个阴极12、两个阳极13以及微透镜15。其中，该P型硅外延层3和该衬底2中形成一N埋层掺杂区4，位于该P型硅外延层3内的N埋层掺杂区4上的两侧及中间均形成一深N阱掺杂区8，位于该两侧的该深N阱掺杂区8内的顶部均形成有一N型重掺杂区9，位于该中间的该深N阱掺杂区8的顶部形成有一P型重掺杂区10，该两侧和该中间的形成的该深N阱掺杂区8之间均形成有一浅沟槽隔离区7。每对该第二光子反射层5相对设置形成深沟槽隔离区6，两对该第二光子反射层5贯穿设置于该衬底2和该P型硅外延层3两侧中，光子吸收层11设置于该P型硅外延层3上，两个阴极12分别设置于一该N型重掺杂区9上，两个阳极13分别设置于该光子吸收层11两端上，微透镜15设置于该光子吸收层11上。
图2示意性示出了现有技术下的一种基于纯硅基工艺平台的单光子雪崩二极管像素器件结构示意图。
如图2所示，单光子雪崩二极管像素器件结构包括：P衬底、P+区、N埋层、深N阱、N+区、P埋层、阳极、阴极和浅沟槽隔离区，图2中利用P+区与中间区域的N埋层构成PN结，利用浅沟槽STI对像素与像素之间进行隔离。由于N埋层位于中间区域，因此在N埋层的两侧也会产生耗尽区，限制了像素器件尺寸的不断缩小；同时浅沟槽隔离无法有效阻挡像素之间的电子串扰，一个像素中产生的载流子有可能通过衬底转移到相邻的像素，从而造成相邻像素间的干扰，使得传感器噪声升高。
与图2所示的现有技术相比，图1中本公开通过P型重掺杂区和深N阱掺杂区形成PN结，SPAD形成于P型硅外延层中，SPAD尺寸可等比例缩小，同时利用深沟槽隔离区进行像素与像素之间的隔离，可有效降低像素之间的电子串扰，降低传感器噪声。
根据本公开的实施例，该光子吸收层11内与该微透镜15的接触面上与该光子吸收层11之间还设置有衍射微结构14，该衍射微结构14为倒金字塔型表面微结构。
根据本公开的实施例，该浅沟槽隔离区7与该P型重掺杂区10之间的距离为0.05-2μm。
根据本公开的实施例，该深沟槽隔离区6的宽度为0.1-5μm，该深沟槽隔离区6的深度为5-70μm，该浅沟槽隔离区7的宽度与深度均为0.1-1μm。
根据本公开的实施例，该P型硅外延层3的厚度为1-7μm。
本公开通过微透镜将光进行汇聚，通过倒金字塔型的表面衍射微结构将本应该汇聚到一点的光再衍射发散，使其近似平行的发射到PN结感光区域，以增加光和感光区的接触面积，同时采用锗或者锗化硅材料作为光子吸收层，提高了SPAD图像传感器件对近红外波段光子的吸收效率，通过第一光子反射层和第二光子反射层，进一步提高了光子吸收率。
图3示意性示出了根据本公开实施例的一种SPAD图像传感器件的制备方法的流程示意图，该制备方法应用于制备如图1所示的SPAD图像传感器件，该制备方法包括步骤S1-S8。
步骤S1，在衬底2中制备形成N埋层掺杂区4，并在衬底2上生长形成P型硅外延层3；
步骤S2，在该P型硅外延层3和衬底2的内部制备形成深沟槽隔离区6、第二光子反射层5，并在P型硅外延层3内部制备形成浅沟槽隔离区7；
步骤S3，在该P型硅外延层3内部制备形成深N阱掺杂区8、N型重掺杂区9和P型重掺杂区10；
步骤S4，在该P型硅外延层3上生长形成光子吸收层11；
步骤S5，在该N型重掺杂区9上制备阴极连接端12，并在该光子吸收层11上制备阳极连接端13；
步骤S6，在器件上表面制备形成衍射微结构14；
步骤S7，在衬底2下方制备形成第一光子反射层1；
步骤S8，在衍射微结构14上形成微透镜15。
根据本公开的实施例，该N埋层掺杂区4、深N阱掺杂区8、N型重掺杂区9和P型重掺杂区10的掺杂离子注入浓度范围均为1014-1021cm-3。
根据本公开的实施例，该P型重掺杂区10的掺杂离子包括硼。
根据本公开的实施例，该N型重掺杂区9和该深N阱掺杂区8的掺杂离子均包括磷。
根据本公开的实施例，该光子吸收层11的材料为：锗和/或锗化硅材料。
以下结合图4-11对一实施例中的SPAD图像传感器件的制备方法作具体说明。
参考图4，进行上述步骤S1：在衬底2中制备形成N埋层掺杂区4，并在衬底2上生长形成P型硅外延层3。衬底材料为P型硅，在经过湿法刻蚀对硅衬底表面进行清洁后，在衬底表面铺上光刻胶，之后掩模版曝光显影，在如图4中的N埋层掺杂区的所在区域进行较浓的N型硅掺杂离子注入，粒子种类为磷，注入深度为0.1-2μm，离子注入浓度范围为1014-1021cm-3，最后湿法刻蚀去除光刻胶，高温退火。得到的N埋层掺杂区的直径为5-30μm。随后在硅衬底上进行掺杂浓度较低的P型硅外延层生长，掺杂浓度为1011-1018cm-3，制备得到的P型硅外延层3的厚度为1-7μm。需要说明的是，由于受到温度影响，制备N埋层掺杂区4的离子注入过程中会有部分离子扩散至P型硅外延层3区域，因此，在P型硅外延层3中，也存在部分N埋层掺杂区4。
参考图5，进行上述步骤S2：在该P型硅外延层3和衬底2的内部制备形成深沟槽隔离区6、第二光子反射层5，并在P型硅外延层3内部制备形成浅沟槽隔离区7。首先，在上述步骤S1得到的器件上进行氮化硅或氧化硅化学气相沉积，之后铺上光刻胶，然后通过掩模版曝光，显影打开如图5中的深沟槽隔离区6的所在区域，干法刻蚀出深沟槽，并将该深沟槽打穿P型硅外延层3，直至硅衬底2之中，得到深度为5-70μm，宽度为0.1-5μm的深沟槽隔离区6。随后在深沟槽侧表面形成金属光子反射层，即第二光子反射层5，之后在深沟槽中填充氧化硅作为电学隔离物，然后通过化学机械平坦化使深沟槽表面平整。最后在如图5所示的浅沟槽隔离区7的所在区域进行离子刻蚀形成浅沟槽隔离，得到宽度和深度均为0.1-1μm的浅沟槽隔离区7，并在浅沟槽中填充氧化硅作为电学隔离物，最后通过化学机械平坦化研磨器件表面，将表面的氧化硅和氮化硅磨掉。
参考图6-7，进行上述步骤S3：在该P型外延层3内部制备形成深N阱掺杂区8、N型重掺杂区9和P型重掺杂区10。在上述步骤S2得到的器件上铺上光刻胶，之后通过掩模版曝光，显影打开在P型硅外延层3中如图6的深N阱掺杂区8的所在区域，进行N型硅掺杂离子注入，离子注入的粒子种类为磷，注入深度为0.5-7μm，离子注入浓度的范围为1014-1021cm-3，最后湿法刻蚀去除光刻胶。随后采用同样的方法，在如图7的P型重掺杂区10和N型重掺杂区9的所在区域，进行离子注入，其中，P型重掺杂区10的所在区域进行较浓的P型硅掺杂离子注入，离子注入的粒子种类为硼，注入深度为0.01-3μm，离子注入浓度范围为1014-1021cm-3；N型重掺杂区9的所在区域进行较浓的N型硅掺杂离子注入，离子注入的粒子种类为磷，注入深度为0.01-3μm，离子注入浓度范围为1014-1021cm-3，最后湿法刻蚀去除光刻胶。
参考图8，进行上述步骤S4：在该P型硅外延层3上生长形成光子吸收层11。P型硅外延层3为掺杂浓度较淡的P型硅材料，在经过湿法刻蚀对硅表面清洁后，在硅表面生长锗或者锗化硅外延层，之后通过掩模版曝光显影，并通过离子刻蚀去掉如图8所示光子吸收层11所在区域以外的其他区域的锗或者锗化硅，只保留图8所示的光子吸收层11的区域，光子吸收层11的厚度为0.01-3μm。
参考图9，进行上述步骤S5：在该N型重掺杂区9上制备阴极连接端12，并在该光子吸收层11上制备阳极连接端13。在上述步骤S4的工艺完成后，采用标准CMOS工艺中的电极连接以及后端金属连线工艺，完成阴极阳极的后端金属连线。
参考图10，进行上述步骤S6：在器件上表面制备形成衍射微结构14。在器件阳极13上方，通过离子刻蚀在器件表面制备形成衍射微结构14，衍射微结构14为倒金字塔型的表面微结构。
参考图11，进行上述步骤S7：在衬底2下方制备形成第一光子反射层1。通过化学机械研磨对步骤S6得到的器件进行减薄，使步骤S6得到的器件厚度达到20-200μm，并在衬底背面形成金属光子反射层，即第一光子反射层1。
参考图1，进行上述步骤S8：在衍射微结构14上形成微透镜15。如图1所示，在步骤S7得到的器件的整个上表面覆盖微透镜15，以使入射至器件表面的光子经衍射微结构14汇聚到器件的感光区域。至此，SPAD图像传感器件的制备完成。
综上，本公开采用在掺杂浓度较淡的P型硅外延层中形成SPAD，利用深沟槽隔离区进行像素与像素之间的隔离，利用微透镜与倒金字塔型的表面衍射微结构将光子汇聚至感光区域，采用锗或者锗化硅材料作为光子吸收层等手段，使得SPAD尺寸可等比例缩小，有效降低了像素之间的电子串扰，有利于高密度的传感器像素阵列集成，提高了SPAD图像传感器件对近红外波段光子的吸收效率，且通过本公开提供的SPAD图像传感器件的制备方法，可实现SPAD图像传感器件的大规模量产。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种SPAD图像传感器件，其特征在于，包括：
第一光子反射层；
衬底，设置于所述第一光子反射层上；
P型硅外延层，设置于所述衬底上，所述P型硅外延层和所述衬底中形成一N埋层掺杂区，位于所述P型硅外延层内的N埋层掺杂区上的两侧及中间均形成一深N阱掺杂区，位于所述两侧的所述深N阱掺杂区内的顶部均形成有一N型重掺杂区，位于所述中间的所述深N阱掺杂区的顶部形成有一P型重掺杂区，所述两侧和所述中间的形成的所述深N阱掺杂区之间均形成有一浅沟槽隔离区；
两对第二光子反射层，每对所述第二光子反射层相对设置形成深沟槽隔离区，两对所述第二光子反射层贯穿设置于所述衬底和所述P型硅外延层两侧中；
光子吸收层，设置于所述P型硅外延层上；
两个阴极，分别设置于一所述N型重掺杂区上；
两个阳极，分别设置于所述光子吸收层两端上；
微透镜，设置于所述光子吸收层上。
2.根据权利要求1所述的SPAD图像传感器件，其特征在于，所述光子吸收层内与所述微透镜的接触面上设置有衍射微结构，所述衍射微结构为倒金字塔型表面微结构。
3.根据权利要求1所述的SPAD图像传感器件，其特征在于，所述浅沟槽隔离区与所述P型重掺杂区之间的距离为0.05-2μm。
4.根据权利要求1所述的SPAD图像传感器件，其特征在于，所述深沟槽隔离区的宽度为0.1～5μm，所述深沟槽隔离区的深度为5-70μm；
所述浅沟槽隔离区的宽度与深度均为0.1-1μm。
5.根据权利要求1所述的SPAD图像传感器件，其特征在于，所述P型硅外延层的厚度为1-7μm。
6.一种SPAD图像传感器件的制备方法，其特征在于，应用于制备权利要求1～5任意一项所述的SPAD图像传感器件，所述方法包括：
在衬底中制备形成N埋层掺杂区，并在衬底上生长形成P型硅外延层；
在所述P型硅外延层和所述衬底的内部制备形成深沟槽隔离区、第二光子反射层，并在所述P型硅外延层的内部制备形成浅沟槽隔离区；
在所述P型硅外延层内部制备形成深N阱掺杂区、N型重掺杂区和P型重掺杂区；
在所述P型硅外延层上生长形成光子吸收层；
在所述N型重掺杂区上制备阴极连接端，并在所述光子吸收层上制备阳极连接端；
在器件上表面制备形成衍射微结构；
在衬底下方制备形成第一光子反射层；
在衍射微结构上形成微透镜。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述N埋层掺杂区、深N阱掺杂区、N型重掺杂区以及P型重掺杂区的掺杂离子注入浓度范围均为1014-1021cm-3。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述P型重掺杂区的掺杂离子包括硼。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述N型重掺杂区和所述深N阱掺杂区的掺杂离子均包括磷。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述光子吸收层的材料为：锗和/或锗化硅材料。
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