DE102018122392A1 - SPAD-Bildsensor und Herstellungsverfahren - Google Patents

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Abstract

Es ist ein Einzelphoton-Lawinen-Dioden (SPAD) -Bildsensor offenbart. Der SPAD-Bildsensor umfasst: ein Substrat mit einer vorderen Fläche und einer hinteren Fläche; eine Grabenisolation in dem Substrat, wobei sich die Grabenisolation von der vorderen Fläche des Substrats zu der hinteren Fläche des Substrats hin erstreckt, wobei die Grabenisolation eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche entgegengesetzte zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche koplanar mit der vorderen Fläche des Substrats ist, wobei die zweite Oberfläche von der hinteren Fläche des Substrats um einen Abstand größer als null beabstandet ist; wobei das Substrat umfasst: eine erste Schicht, die mit Dotierstoffen eines ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei sich die erste Schicht von der hinteren Fläche des Substrats zu der Grabenisolation hin erstreckt und seitlich wenigstens einen Teil der Seitenwände der Grabenisolation umgibt.

Description

  • QUERVERWEISE AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung 62/566 138 , eingereicht am 29. September 2017, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
  • HINTERGRUND
  • Digitalkameras und optische Bildgebungsgeräte verwenden Bildsensoren. Bildsensoren wandeln optische Bilder in digitale Daten um, die als digitale Bilder wiedergegeben werden können. Ein Bildsensor umfasst typischerweise einen Array von Pixelsensoren, die Einheitsvorrichtungen für die Umwandlung eines optischen Bildes in elektrische Signale sind. Pixelsensoren werden häufig als ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCDs) oder komplementäre Metalloxid-Halbleiter- (CMOS) -Vorrichtungen implementiert.
  • Lawinen-Photodioden (APD) sind Festkörpervorrichtungen, die mit herkömmlichen CMOS-Vorrichtungen kompatibel sind. Ein Lawinen-Prozess kann ausgelöst werden, wenn ein in Sperrrichtung vorgespannter pn-Übergang zusätzliche Träger erhält, wie z. B. Träger, die durch einfallende Strahlung erzeugt werden. Um zum Beispiel Strahlung mit niedriger Intensität zu detektieren, wird der pn-Übergang über seine Durchbruchspannung vorgespannt, wodurch ermöglicht wird, dass ein einzelner durch Photonen erzeugter Träger einen Lawinenstrom auslöst, der erfasst werden kann. Ein Bildsensor, der in diesem Modus betrieben wird, ist als Einzelphoton-Lawinendioden- (SPAD) -Bildsensor oder als Geiger-Modus-Lawinen-Photodiode oder G-APD bekannt.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden am besten aus der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird. Man beachte, dass gemäß dem üblichen Vorgehen in der Branche verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zur Klarheit der Beschreibung beliebig vergrößert oder verkleinert werden.
    • 1 ist ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht eines SPAD-Bildsensors mit einem CMOS- (komplementären Metalloxid-Halbleiter) -Chip und einem Bildgebungschip, die miteinander gebondet sind, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 2 ist ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht eines SPAD-Bildsensors mit dem CMOS-Chip und einem Bildgebungschip, die miteinander gebondet sind, gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 3 ist ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht eines SPAD-Bildsensors mit dem CMOS-Chip und einem Bildgebungschip, die miteinander gebondet sind, gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
    • 4 ist ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht eines SPAD-Bildsensors mit einem Bildgebungschip gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
    • Die 5 bis 11 sind Diagramme, die fragmentarische Querschnittsansichten des SPAD-Bildsensors in verschiedenen Herstellungsstadien gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Offenbarung zeigen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Offenbarung sieht viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele vor, um verschiedene Merkmale der Erfindung zu implementieren. Spezielle Beispiele von Komponenten und Anordnungen sind unten beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich nur Beispiele und sollen nicht einschränkend wirken. Beispielsweise kann das Ausbilden eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, in denen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt ausgebildet sind, und kann auch Ausführungsformen umfassen, in denen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten Merkmal und dem zweiten Merkmal ausgebildet sein können, so dass das erste und das zweite Merkmal nicht in direktem Kontakt stehen müssen. Zusätzlich kann die vorliegende Offenbarung Bezugszeichen und/oder Buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient dem Zweck der Einfachheit und Klarheit und erzwingt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen.
  • Weiter können räumlich relative Begriffe, wie „unten“, „unter“, „unterer“, „über“, „oberer“ und ähnliche, hier der Einfachheit der Beschreibung halber verwendet werden, um die Beziehung eines Merkmals oder einer Vorrichtung mit einem oder mehreren anderen Merkmalen oder Vorrichtungen zu beschreiben, wie in den Figuren gezeigt ist. Die räumlich relativen Begriffe sollen verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung, die verwendet oder betrieben wird, zusätzlich zu der in den Figuren gezeigten Ausrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders orientiert sein (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Ausrichtung) und die räumlich relativen Begriffe, die hier verwendet werden, können ebenfalls demgemäß interpretiert werden.
  • Obwohl die numerischen Bereiche und Parameter, die den breiten Umfang der Erfindung angeben, Näherungen sind, sind die in den speziellen Beispielen genannten numerischen Werte so genau wie möglich angegeben. Jeder numerische Wert umfasst jedoch inhärent bestimmte Fehler, die notwendigerweise aus der Standardabweichung resultieren, die in den jeweiligen Testmessungen gefunden werden. Zudem bedeutet der Begriff „etwa“ wie hier verwendet innerhalb von 10%, 5%, 1% oder 0,5% eines gegebenen Werts oder Bereichs. Alternativ bedeutet der Begriff „etwa“ einen akzeptablen Standardfehler des Mittelwerts, in der Einschätzung eines Fachmanns. Abgesehen von den durchgeführten/funktionierenden Beispielen oder sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, sollten alle numerischen Bereiche, Mengen, Werte und Prozentangaben wie solche für die Materialmengen, Zeiten, Temperaturen, Betriebsbedingungen, Verhältnisse von Mengen und Ähnliches, die hier offenbart sind, als stets mit dem Begriff „etwa“ abgeschwächt sein. Somit sind die in der vorliegenden Offenbarung und den beigefügten Ansprüchen genannten numerischen Parameter Näherungen, außer es ist anderweitig angegeben, die beliebig variieren können. Zumindest sollte jeder numerische Parameter mindestens unter Berücksichtigung der Anzahl der angegebenen signifikanten Stellen und durch Anwendung üblicher Rundungstechniken betrachtet werden. Bereiche können von einem Endpunkt zu einem anderen Endpunkt oder zwischen zwei Endpunkten angegeben sein. Alle hierin offenbarten Bereiche sind inklusive der Endpunkte, außer es ist anders angegeben.
  • Ein SPAD- (Einzelphoton-Lawinendioden) -Bildsensor kann einfallende Strahlung mit sehr geringer Intensität (z. B. ein einzelnes Photon) detektieren. Der SPAD-Bildsensor umfasst eine Mehrzahl von SPAD-Zellen, die in einem Array angeordnet sind. Die SPAD-Zellen umfassen jeweils einen pn-Übergang, eine Quenchschaltung und eine Leseschaltung. Der pn-Übergang arbeitet mit einer Sperrspannung, die deutlich über seiner Durchbruchspannung liegt. Während des Betriebs bewegen sich lichterzeugte Ladungsträger in einen Verarmungsbereich (d. h. einen Multiplikationsbereich) des pn-Übergangs und lösen einen Lawineneffekt aus, so dass ein Signalstrom erfasst werden kann. Die Quenchschaltung wird verwendet, um den Lawineneffekt anzuhalten und die SPAD-Zelle zurückzusetzen. Die Leseschaltung empfängt und überträgt den Signalstrom.
  • Ein heutiger planarer SPAD-Bildsensor ist so konfiguriert, dass er einen Schutzring zwischen einem Erfassungsknoten und einem gemeinsamen Knoten umfasst. Ohne den Schutzring zum Absenken des elektrischen Felds in der Umgebung zwischen dem Erfassungsknoten und dem gemeinsamen Knoten kann ein Randdurchbruch auftreten, bevor ein Durchbruch in einem lichtempfindlichen Abschnitt auftritt. Wenn der Randdurchbruch zuerst auftritt, ist es nicht möglich, die elektrische Feldstärke in dem lichtempfindlichen Abschnitt ausreichend zu erhöhen, da der Anstieg der Spannung nur bewirkt, dass Strom fließt. Insbesondere kann, wenn ein Randdurchbruch bei einer Spannung auftritt, die niedriger als die Durchbruchspannung im lichtempfindlichen Abschnitt ist, ein ausreichender Multiplikationsfaktor im lichtempfindlichen Abschnitt nicht erhalten werden, da die elektrische Feldstärke im lichtempfindlichen Abschnitt nicht ausreichend erhöht werden kann und eine ausreichend hohe Lichtempfindlichkeit nicht sichergestellt werden kann, wodurch es nicht möglich ist, dass die SPAD zufriedenstellend arbeitet. Wenn ein Randdurchbruch aufgetreten ist, wird außerdem ein übermäßiges Rauschen verursacht, was ebenfalls ein Problem aufwirft.
  • Der Schutzring verbraucht jedoch eine große Fläche und begrenzt daher den Füllfaktor, einen Parameter, der ein Verhältnis der Photodiodenfläche zu Gesamtpixelfläche kennzeichnet. Folglich ist es für bestehende SPAD-Bildsensoren schwierig, eine Pixelfläche zu verkleinern und die Leistung zu halten. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen SPAD-Bildsensor, der im Vergleich zu dem vorhandenen SPAD-Bildsensor eine kleinere Fläche verbraucht, ohne Leistungseinbußen hinnehmen zu müssen.
  • 1 ist ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht eines SPAD-Bildsensors 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt, der einen CMOS- (komplementären Metalloxid-Halbleiter) -Chip 103 und einen Bildgebungschip 101 umfasst, die miteinander gebondet sind. Der SPAD-Bildsensor 100 umfasst einen Array von Pixeln 101a bis 101b, wie in 1 zur Veranschaulichung gezeigt. In vielen Fällen kann der SPAD-Bildsensor 100 mehr als zwei Pixel umfassen. Der CMOS-Chip 103 weist eine Mehrzahl von aktiven Vorrichtungen 105 auf. In einigen Ausführungsformen umfasst der CMOS-Chip 103 eine Verbindungsstruktur 212, die über einem Substrat 206 angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen umfasst die Verbindungsstruktur 212 eine Mehrzahl von Metallschichten 201, die in einer Zwischenschicht-Dielektrikums- (ILD) -Schicht 203 angeordnet sind. Die aktiven Vorrichtungen 105 sind zumindest in dem Substrat 206 angeordnet. Der Bildgebungschip 101 umfasst eine Verbindungsstruktur 124, die zwischen der Verbindungsstruktur 212 des CMOS-Chips 103 und einem Substrat 109 des Bildgebungschips 101 angeordnet ist. Die Verbindungsstruktur 124 umfasst eine Mehrzahl von Metallschichten 111, die in einer ILD-Schicht 128 angeordnet sind.
  • Jedes der Pixel 101a und 101b umfasst eine SPAD-Zelle, die in dem Substrat 109 angeordnet ist. Das Substrat 109 umfasst eine vordere Fläche 100a, die der Verbindungsstruktur 124 zugewandt ist, und eine hintere Fläche 100b, die der Verbindungsstruktur 124 gegenüberliegt. Eine dielektrische Schicht 129 befindet sich zwischen dem Substrat 109 und der Verbindungsstruktur 124. Je zwei benachbarte SPAD-Zellen sind durch eine Grabenisolation 117 getrennt. In einigen Ausführungsformen kann die Grabenisolation 117 eine Hauptstruktur 108 umfassen, die sich von der vorderen Fläche 100a zu der hinteren Fläche 100b hin erstreckt. Die Hauptstruktur 108 kann ein längliches rechteckiges Profil haben. Eine erste Oberfläche der Hauptstruktur 108 ist koplanar mit der vorderen Fläche 100a und eine zweite Oberfläche 108b der Hauptstruktur 108 befindet sich in dem Substrat 109 und steht nicht in Kontakt mit der hinteren Fläche 100b oder überlappt diese. In vielen Fällen kann die Grabenisolation 117 optional einen inneren Abstandshalter 106 und einen äußeren Abstandshalter 104 umfassen.
  • Der innere Abstandshalter 106 kann ein längliches rechtwinklig dreieckiges Profil aufweisen, das sich von der vorderen Fläche 100a zu der hinteren Fläche 100b hin entlang einer Seitenwand 108a der Hauptstruktur 108 erstreckt. Das längliche rechtwinklig dreieckige Profil des inneren Abstandshalters 106 umfasst eine Hypotenuse, einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel, der länger als der erste Schenkel ist. Der erste Schenkel des inneren Abstandshalters 106 ist koplanar mit der vorderen Fläche 100a und der zweite Schenkel des inneren Abstandshalters 106 grenzt unmittelbar an die Seitenwand 108a der Grabenisolation 117 an. Der zweite Schenkel des inneren Abstandshalters 106 kann eine gleiche Länge wie die Seitenwand 108a der Grabenisolation 117 aufweisen. Auf diese Weise ist der innere Abstandshalter 106 in der Lage, die Seitenwand 108a der Grabenisolation 117 vollständig abzudecken und die Seitenwand 108a berührt das Substrat 109 nicht direkt.
  • Der äußere Abstandshalter 104 kann ein längliches dreieckiges Profil aufweisen, das sich von der vorderen Fläche 100a zu der hinteren Fläche 100b hin entlang einer Seitenwand 106a des inneren Abstandshalters 106 erstreckt. Das längliche dreieckige Profil des äußeren Abstandshalters 104 umfasst eine Hypotenuse, einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel, der länger als der erste Schenkel ist. Der erste Schenkel des äußeren Abstandshalters 104 ist koplanar mit der vorderen Fläche 100a und der zweite Schenkel des äußeren Abstandshalters 104 liegt unmittelbar an der Hypotenuse des inneren Abstandshalters 106 an. Eine Länge des zweiten Schenkels des äußeren Abstandshalters 104 kann kleiner als eine Länge der Hypotenuse des inneren Abstandshalters 106 sein. Auf diese Weise kann der äußere Abstandshalter 104 nur einen Teil der Hypotenuse des inneren Abstandshalters 106 bedecken und ein Teil der Hypotenuse des inneren Abstandshalters 106, der nicht durch den äußeren Abstandshalter 104 bedeckt ist, kann direkt in Kontakt mit dem Substrat 109 stehen.
  • Die Grabenisolation 117 kann aus einem Dielektrikum wie einem Oxid (beispielsweise Siliziumoxid), einem Nitrid (beispielsweise Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid), einem Low-k-Dielektrikum und/oder einem anderen geeigneten Dielektrikum ausgebildet sein.
  • Das Substrat 109 kann eine erste Schicht 114 umfassen, die mit Dotierstoffen eines ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, z. B. des p-Typs. Eine Dotierstoffkonzentration der ersten Schicht 114 des ersten Leitfähigkeitstyps kann auf einem Niveau von etwa 1 E16/cm3 liegen. Die erste Schicht 114 erstreckt sich von der hinteren Fläche 100b des Substrats 109 zu der Grabenisolation 117 und umgibt zumindest einen Teil der Grabenisolation 117, der benachbart zu der hinteren Fläche 100b ist. Das Substrat 109 kann ferner eine zweite Schicht 102 in jedem der Pixel 101a und 101b umfassen. Die zweite Schicht 102 kann mit Dotierstoffen eines zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert sein, z. B. des n-Typs, der dem Leitfähigkeitstyp der ersten Schicht 114 entgegengesetzt ist. Eine Dotierstoffkonzentration der zweiten Schicht 102 kann auf einem Niveau von etwa 1 E17/cm3 bis etwa 1 E19/cm3 liegen. Die zweite Schicht 102 befindet sich zwischen der ersten Schicht 114 und der vorderen Fläche 100a des Substrats 109. Insbesondere grenzt die zweite Schicht 102 unmittelbar an die vordere Fläche 100a des Substrats 109 und der Grabenisolation 117 an. In vielen Fällen ist die zweite Schicht 102 des Pixels 101a von der zweiten Schicht 102 des Pixels 101b durch die Grabenisolation 117 getrennt und die zweite Schicht 102 des Pixels 101a berührt die zweite Schicht 102 des Pixels 101b nicht. In einigen Ausführungsformen kann die zweite Schicht 102 weggelassen werden, d. h. durch die erste Schicht 114 ersetzt werden.
  • Jedes der Pixel 101a und 101b umfasst ferner einen Erfassungsknoten 110, der stark mit Dotierstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, z. B. des n-Typ, der gleich dem Leitfähigkeitstyp der zweiten Schicht 102 ist. Eine Dotierstoffkonzentration des Erfassungsknotens 110 kann stärker als die Dotierstoffkonzentration der zweiten Schicht 102 sein. In einigen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Dotierstoffkonzentration des Erfassungsknotens 110 zu der Dotierstoffkonzentration der zweiten Schicht 102 in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 1000 liegen. In einer Ausführungsform kann die Dotierstoffkonzentration des Erfassungsknotens 110 auf einem Niveau von etwa 1 E20/cm3 liegen. Der Erfassungsknoten 110 ist in dem Substrat 109 ausgebildet und grenzt unmittelbar an die vordere Fläche 100a des Substrats 109 an. Insbesondere ist der Erfassungsknoten 110 in der zweiten Schicht 102 ausgebildet und wird von der zweiten Schicht 102 umschlossen. Mit anderen Worten ist der Erfassungsknoten 110 von der ersten Schicht 114 durch die zweite Schicht 102 getrennt. Durch einen Kontaktstecker 122 kann der Erfassungsknoten 110 über die Verbindungsstruktur 124 und die ILD-Schicht 203 mit den aktiven Vorrichtungen 105 des CMOS-Chips 103 gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen können die aktiven Vorrichtungen 105 eine aktive Quenchschaltung umfassen, um den Lawineneffekt zu stoppen und die Vorspannung der SPAD-Zellen zurückzusetzen. Die aktiven Vorrichtungen 105 können auch eine Leseschaltung und andere Steuer- oder Logikschaltungen umfassen. Zum Beispiel können die aktiven Vorrichtungen 105 eine Transistorvorrichtung mit einer Gatestruktur 202 und Source/Drain-Bereichen 204 umfassen. Der Erfassungsknoten 110 kann über einen Kontaktstecker 208 mit einem Source/Drain-Bereich 204 des Transistors gekoppelt sein.
  • Jedes der Pixel 101a und 101b kann ferner eine dritte Schicht 112 umfassen, die mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, z. B. des p-Typs, der gleich dem Leitfähigkeitstyp der ersten Schicht 114 ist. Eine Dotierstoffkonzentration der dritten Schicht 112 kann stärker als die Dotierstoffkonzentration der ersten Schicht 114 sein. In einigen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Dotierstoffkonzentration der dritten Schicht 112 zu der Dotierstoffkonzentration der ersten Schicht 114 in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 100 liegen. In einer Ausführungsform kann die Dotierstoffkonzentration der dritten Schicht 112 bei einem Niveau von etwa 1 E17/cm3 liegen. Die dritte Schicht 112 ist in der ersten Schicht 114 ausgebildet und grenzt unmittelbar an die zweite Schicht 102 an. Insbesondere ist die dritte Schicht 112 in der ersten Schicht 114 ausgebildet und wird von der ersten Schicht 114 umschlossen. Insbesondere ist die dritte Schicht 112 von dem Erfassungsknoten 110 durch die zweite Schicht 102 getrennt.
  • Ein gemeinsamer Knoten 116 liegt benachbart zu der zweiten Oberfläche 108b jeder der Grabenisolationen 117. In vielen Fällen grenzt der gemeinsame Knoten 116 unmittelbar an die zweite Oberfläche 108b jeder der Grabenisolationen 117 an. Der gemeinsame Knoten 116 ist stark mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert, z. B. des p-Typs, der gleich dem Leitfähigkeitstyp der ersten Schicht 114 und der dritten Schicht 112 ist. Eine Dotierstoffkonzentration des gemeinsamen Knotens 116 kann stärker als die Dotierstoffkonzentration der ersten Schicht 114 und der dritten Schicht 112 sein. In einigen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Dotierstoffkonzentration des gemeinsamen Knotens 116 zu der Dotierstoffkonzentration der dritten Schicht 112 in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 1000 liegen. Bei einer Ausführungsform kann die Dotierstoffkonzentration des gemeinsamen Knotens 116 bei einem Niveau von etwa 1 E20/cm3 liegen. Der gemeinsame Knoten 116 ist in der ersten Schicht 114 ausgebildet und wird von der ersten Schicht 114 umschlossen. Insbesondere ist der gemeinsame Knoten 116 von der zweiten Schicht 102 um einen Abstand D1 in Bezug auf eine vertikale Richtung senkrecht zu einer Richtung der vorderen Fläche oder der hinteren Fläche des Substrats getrennt. In einigen Ausführungsformen kann der Abstand D1 in einem Bereich von etwa 0,5 µm bis etwa 1 µm liegen. Über einen Kontaktstecker 120 kann der gemeinsame Knoten 116 über die Verbindungsstruktur 124 und die ILD-Schicht 203 mit den aktiven Vorrichtungen 105 des CMOS-Chips 103 gekoppelt sein.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein erwünschter Durchbruchsbereich 119 in 1 um eine Grenzfläche der dritten Schicht 112 und der zweiten Schicht 102 herum gezeigt. Da ein Abstand zwischen der dritten Schicht 112 und der zweiten Schicht 102 kleiner als der vertikale Abstand D1 zwischen dem gemeinsamen Knoten 116 und der zweiten Schicht 102 ist, ist es weniger wahrscheinlich, dass ein Randdurchbruch anstatt des Durchbruchs in dem erwünschten Durchbruchbereich 119 auftritt. Mit anderen Worten kann der vertikale Abstand D1 zwischen dem gemeinsamen Knoten 116 und der zweiten Schicht 102 eine Funktion des Schutzrings der heutigen SPAD-Zellen ersetzen. Durch Anpassen der Position des gemeinsamen Knotens 116 von der vordere Fläche 100a des Substrats 109 tief in das Substrat 109 hinein kann der Schutzring, der ursprünglich an der vordere Fläche 100a und zwischen dem Erfassungsknoten 110 und dem gemeinsamen Knoten 116 liegt, eingespart werden. Somit kann der Füllfaktor der vorliegenden Offenbarung verbessert werden. Wenn der Durchbruch erfolgreich in dem Durchbruchbereich 119 stattfindet, fließen Löcher zu dem Erfassungsknoten 110 und werden durch den Erfassungsknoten 110 gesammelt und Elektronen werden durch den gemeinsamen Knoten 116 absorbiert. In einer Ausführungsform werden sowohl die gemeinsamen Knoten 116 als auch die Kontaktstecker 120 von benachbarten SPAD-Zellen geteilt.
  • In einigen Ausführungsformen sind der Bildgebungschip 101 und der CMOS-Chip 103 durch einen Hybridbond miteinander gebondet, beispielsweise einen Metall-Metall-Bond und einen Dielektrikum-Dielektrikum-Bond. Der Metall-Metall-Bond (z. B. ein Diffusions-Bond) kann zwischen einer oberen Metallschicht 126 der Mehrzahl von Metallschichten 111 und einer oberen Metallschicht 210 der Mehrzahl von Metallschichten 201 liegen. Der Dielektrikum-Dielektrikum-Bond kann zwischen der ILD-Schicht 128 und der ILD-Schicht 203 liegen, so dass die ILD-Schicht 128 und die ILD-Schicht 203 in direktem Kontakt miteinander stehen. Die oberen Metallschichten 126 und 210 dienen als Paar von Bond-Pads und können Umverteilungsschichten (RDLs) umfassen. In einigen Ausführungsformen ist der Dielektrikum-Dielektrikum-Bond ein Oxid-Oxid-Bond.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Bildgebungschip 101 zudem eine Mehrzahl von aktiven Vorrichtungen in peripheren Bereichen des Substrats 109 um den Array von Pixeln 101a bis 101b herum aufweisen. Zum Beispiel können ein Teil oder die Gesamtheit der aktiven Quenchschaltung, der Leseschaltung und anderer oben erwähnter Steuer- oder Logikschaltungen in dem Substrat 109 des Bildgebungschips 101 anstelle des CMOS-Chips 103 angeordnet sein.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst der SPAD-Bildsensor 100 ferner eine High-k-Dielektrikumsschicht 214 und/oder eine Antireflexionsbeschichtungs- (ARC) -Schicht 216, die über der hinteren Fläche 100b des Substrats 109 angeordnet und so konfiguriert sind, dass sie die Übertragung der einfallenden Photonen 115 von der hinteren Fläche 100b zu den SPAD-Zellen 107 erleichtern. Der SPAD-Bildsensor 100 kann ferner eine Farbfilterschicht 217 über der ARC-Schicht 216 umfassen. In vielen Fällen umfasst die Farbfilterschicht 217 eine Mehrzahl von Farbfiltern, die so positioniert sind, dass die eintreffende Strahlung auf und durch sie geleitet wird. Die Farbfilter umfassen ein farbstoffbasiertes (oder pigmentbasiertes) Polymer oder Harz zum Filtern eines bestimmten Wellenlängenbandes der einfallenden Strahlung, das einem Farbspektrum (z. B. rot, grün und blau) entspricht. Eine Mikrolinsenschicht 218, die eine Mehrzahl von Mikrolinsen umfasst, ist über der Farbfilterschicht 217 ausgebildet. Die Mikrolinsen 218 leiten und fokussieren die einfallende Strahlung 115 zu den SPAD-Zellen hin. Die Mikrolinsen 218 können in verschiedenen Anordnungen positioniert sein und verschiedene Formen aufweisen, abhängig von einem Brechungsindex eines Materials, das für die Mikrolinse 218 verwendet wird, und dem Abstand von einer Sensoroberfläche. In vielen Fällen überlappt von einer Draufsicht gesehen eine Mitte jeder der Mikrolinsen 218 eine Mitte jeder der entsprechenden SPAD-Zellen.
  • 2 ist ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht eines SPAD-Bildsensors 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt, der den CMOS-Chip 103 und einen Bildgebungschip 301 umfasst, die miteinander gebondet sind. Der Bildgebungschip 301 gleicht dem Bildgebungschip 101, mit der Ausnahme, dass das Substrat 109 des Bildgebungschips 301 weiter einen ersten Sperrbereich 302 und/oder einen zweiten Sperrbereich 304 umfasst.
  • Der erste Sperrbereich 302 kann mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert sein, z. B. des p-Typs, der gleich dem Leitfähigkeitstyp des gemeinsamen Knotens 116 ist. In einigen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Dotierstoffkonzentration des gemeinsamen Knotens 116 zu einer Dotierstoffkonzentration des ersten Sperrbereichs 302 in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 100 liegen. Beispielsweise kann die Dotierstoffkonzentration des ersten Sperrbereichs 302 auf einem Niveau von etwa 1 E19/cm3 liegen. Der erste Sperrbereich 302 liegt in der ersten Schicht 114. Insbesondere grenzt der erste Sperrbereich 302 unmittelbar an den gemeinsamen Knoten 116 und einen Teil der Grabenisolationen 117 an und umschließt diese. In vielen Fällen erstreckt sich der erste Sperrbereich 302 nicht zu der hinteren Fläche 100b und der zweiten Schicht 102. Der erste Sperrbereich 302 kann als ein Schutzring zum Absenken des elektrischen Feldes verwendet werden, um einen vorzeitigen Randdurchbruch der SPAD-Zellen weiter zu verhindern.
  • Der zweite Sperrbereich 304 kann mit Dotierstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert sein, z. B. des n-Typs, der gleich dem Leitfähigkeitstyp der zweiten Schicht 102 ist. In einigen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Dotierstoffkonzentration der zweiten Schicht 102 zu einer Dotierstoffkonzentration des zweiten Sperrbereichs 304 in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 100 liegen. Zum Beispiel kann die Dotierstoffkonzentration des zweiten Sperrbereichs 304 auf einem Niveau von etwa 1 E16/cm3 bis etwa 1 E18/cm3 liegen. Der zweite Sperrbereich 304 befindet sich in der ersten Schicht 114. Insbesondere grenzt der zweite Sperrbereich 304 unmittelbar an einen Abschnitt der Grabenisolation 117 an und umschließt diesen. In vielen Fällen befindet sich der zweite Sperrbereich 304 zwischen dem ersten Sperrbereich 302 und der zweiten Schicht 102. In einigen Ausführungsformen grenzt der zweite Sperrbereich 304 unmittelbar an den ersten Sperrbereich 302 und die zweite Schicht 102 an. Wie der erste Sperrbereich 302 kann der zweite Sperrbereich 304 auch als Schutzring zum Absenken des elektrischen Feldes verwendet werden, um einen vorzeitigen Randdurchbruch der SPAD-Zellen weiter zu verhindern.
  • 3 ist ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht eines SPAD-Bildsensors 300 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt, der den CMOS-Chip 103 und einen Bildgebungschip 401 umfasst, die miteinander gebondet sind. Wie oben erwähnt, werden die gemeinsamen Knoten 116 und der Kontaktstecker 120 des Bildgebungschips 101 und des Bildgebungschips 301 von benachbarten SPAD-Zellen geteilt. Eine alternative Konfiguration ist in dem Bildgebungschip 401 gezeigt, bei der der gemeinsamen Knoten 116 des Bildgebungschips 101 und des Bildgebungschips 301 in zwei gemeinsame Knoten 116a und 116b geteilt ist und der Kontaktstecker 120 in zwei Kontaktstecker 120a und 120b geteilt ist. Die Kontaktstecker 120a und 120b sind mit dem gemeinsamen Knoten 116a bzw. dem gemeinsamen Knoten 116b verbunden. Insbesondere kann die Grabenisolation 117 ferner einen Isolator 306 zwischen dem gemeinsamen Knoten 116a und dem gemeinsamen Knoten 116b umfassen. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich der Isolator 306 von der zweiten Oberfläche 108b der Grabenisolationen 117 zu der hinteren Fläche 100b und teilt den ersten Sperrbereich 302. In einigen Ausführungsformen steht der Isolator 306 in Kontakt mit der hinteren Fläche 100b, um ein Übersprechen zwischen benachbarten Pixeln besser zu verhindern. Wie die anderen Abschnitte der Grabenisolation 117 kann der Isolator 306 aus einem Dielektrikum wie einem Oxid (beispielsweise Siliziumoxid), einem Nitrid (beispielsweise Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid), einem Low-k-Dielektrikum und/oder einem anderen geeigneten Dielektrikum ausgebildet sein. In vielen Fällen können der erste Sperrbereich 302 und/oder der zweite Sperrbereich 304 optional in dem SPAD-Bildsensor 300 weggelassen werden.
  • Wie oben erwähnt, kann der Bildgebungschip 101 ebenso eine Mehrzahl von aktiven Vorrichtungen in peripheren Bereichen des Substrats 109 um den Array von Pixeln 101a bis 101b herum aufweisen. Zum Beispiel können ein Teil oder die Gesamtheit der aktiven Quenchschaltung, der Leseschaltung und anderer oben erwähnter Steuer- oder Logikschaltungen in dem Substrat 109 des Bildgebungschips 101 anstelle des CMOS-Chips 103 angeordnet sein. In vielen Fällen sind die Gesamtheit der aktiven Quenchschaltung, der Leseschaltung und anderer Steuer- oder Logikschaltungen und die Pixel in demselben Substrat integriert und der CMOS-Chip 103 kann weggelassen werden. 4 ist ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht eines SPAD-Bildsensors 400 mit einem Bildgebungschip 501 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Der Bildgebungschip 501 ist derselbe wie der Bildgebungschip 101, außer dass der Bildgebungschip 501 durch eine Pufferschicht 502 mit einem Trägersubstrat 504 verbunden ist. Die Pufferschicht 502 kann ein Dielektrikum wie etwa Siliziumoxid umfassen. Alternativ kann die Pufferschicht 502 optional Siliziumnitrid umfassen.
  • Das Trägersubstrat 504 kann ein Siliziummaterial umfassen. Alternativ kann das Trägersubstrat 504 ein Glassubstrat oder andere geeignete Materialien umfassen. Das Trägersubstrat 504 kann mit der Pufferschicht 502 durch molekulare Kräfte, d. h. eine Technik, die als Direktbonden oder optisches Schmelzbonden bekannt ist, oder durch andere in der Technik bekannte Bonding-Techniken verbunden sein, wie Metalldiffusions- oder anodisches Bonden. Die Pufferschicht 502 stellt eine elektrische Isolation und einen Schutz für die verschiedenen Merkmale bereit, die auf der vorderen Fläche 100a des Substrats 109 ausgebildet sind. Das Trägersubstrat 504 bietet auch mechanische Festigkeit und Halt für die Verarbeitung des SPAD-Bildsensors 400. In einigen Ausführungsformen kann eine Mehrzahl von aktiven Vorrichtungen 506 und 508 in dem Bildgebungschip 501 integriert sein. Die aktiven Vorrichtungen können in dem Substrat 109 um den Array von Pixeln 101a bis 101b herum ausgebildet sein. Zum Beispiel können die aktiven Vorrichtungen 506 und 508 die aktive Quenchschaltung, die Leseschaltung und andere Steuer- oder Logikschaltungen umfassen.
  • Die 5 bis 11 sind Diagramme, die fragmentarische Querschnittsansichten des SPAD-Bildsensors 200 in verschiedenen Herstellungsstadien gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Offenbarung zeigen. Es versteht sich, dass die 5 bis 11 für ein besseres Verständnis der erfinderischen Konzepte der vorliegenden Offenbarung vereinfacht wurden und nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Unter Bezugnahme auf 5 wird das Substrat 109 bereitgestellt. Das Substrat 109 umfasst die erste Schicht 114. Die erste Schicht 114 kann mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert sein und weist eine Dotierstoffkonzentration von etwa 1 E16/cm3 auf. Die erste Schicht 114 erstreckt sich von der vorderen Fläche 100a zu der hinteren Fläche 100b des Substrats 109. Isolationsstrukturen 404 sind in der ersten Schicht 114 ausgebildet und haben jeweils eine rechteckige Form, ungefähr eine Trapezform oder eine andere geeignete Form. Jede der Isolationsstrukturen 404 weist eine untere Fläche 404a und Seitenwände 404b auf.
  • Unter Bezugnahme auf 6 wird eine Ionenimplantation auf der vorderen Fläche 100a des Substrats 109 mit Dotierstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps durchgeführt, beispielsweise den n-Dotierstoffen, die entgegengesetzt zu dem Leitfähigkeitstyp der ersten Schicht 114 sind, um die zweite Schicht 102 auszubilden. Die Dotierstoffkonzentration der zweiten Schicht 102 kann auf einem Niveau von etwa 1 E17/cm3 bis etwa 1 E19/cm3 liegen. Die zweite Schicht 102 befindet sich zwischen den Isolationsgräben 404. Insbesondere erstreckt sich die zweite Schicht 102 von der vorderen Fläche 100a des Substrats 109 zu der hinteren Fläche 100b des Substrats 109 hin und überschreitet nicht die untere Fläche 404a der Isolationsstrukturen 404. Mit anderen Worten grenzt die zweite Schicht 102 unmittelbar an mindestens einen Teil der Seitenwände 404b der Isolationsstrukturen 404 an.
  • Nachfolgend zu der zweiten Schicht 102 können die dritte Schicht 112 und der Erfassungsknoten 110 auch durch Ionenimplantation ausgebildet werden. Die dritte Schicht 112 kann mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert werden, z. B. des p-Typs, der gleich dem Leitfähigkeitstyp der ersten Schicht 114 ist. Die Dotierstoffkonzentration der dritten Schicht 112 kann höher als die Dotierstoffkonzentration der ersten Schicht 114 sein. In einigen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Dotierstoffkonzentration der dritten Schicht 112 zu der Dotierstoffkonzentration der ersten Schicht 114 in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 100 liegen. In einer Ausführungsform kann die Dotierstoffkonzentration der dritten Schicht 112 bei einem Niveau von etwa 1 E17/cm3 liegen. Die dritte Schicht 112 ist in der ersten Schicht 114 ausgebildet und grenzt unmittelbar an die zweite Schicht 102 an. Insbesondere ist die dritte Schicht 112 in der ersten Schicht 114 ausgebildet und wird von der ersten Schicht 114 umschlossen. Der Erfassungsknoten 110 kann stark mit Dotierstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert werden, z. B. des n-Typs, der gleich dem Leitfähigkeitstyp der zweiten Schicht 102 ist. Die Dotierstoffkonzentration des Erfassungsknotens 110 kann höher als die Dotierstoffkonzentration der zweiten Schicht 102 sein. In einigen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Dotierstoffkonzentration des Erfassungsknotens 110 zu der Dotierstoffkonzentration der zweiten Schicht 102 in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 1000 liegen. In einer Ausführungsform kann die Dotierstoffkonzentration des Erfassungsknotens 110 auf einem Niveau von etwa 1 E20/cm3 liegen. Der Erfassungsknoten 110 ist in dem Substrat 109 ausgebildet und grenzt unmittelbar an die vordere Fläche 100a des Substrats 109 an. Insbesondere ist der Erfassungsknoten 110 in der zweiten Schicht 102 ausgebildet und wird von der zweiten Schicht 102 umschlossen.
  • In einigen Ausführungsformen können der erste Sperrbereich 302 und der zweite Sperrbereich 304 durch Ionenimplantation ausgebildet werden. Der erste Sperrbereich 302 kann mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert werden, z. B. des p-Typs. In einigen Ausführungsformen kann die Dotierstoffkonzentration des ersten Sperrbereichs 302 auf einem Niveau von etwa 1 E19/cm3 liegen. Der erste Sperrbereich 302 liegt in der ersten Schicht 114. Insbesondere umschließt der erste Sperrbereich 302 zumindest einen Teil der Vertiefungsstruktur 107. Der zweite Sperrbereich 304 kann mit Dotierstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert werden, z. B. des n-Typs. In einigen Ausführungsformen kann die Dotierstoffkonzentration des zweiten Sperrbereichs 304 auf einem Niveau von etwa 1 E16/cm3 bis etwa 1 E18/cm3 liegen. Der zweite Sperrbereich 304 liegt in der ersten Schicht 114. Insbesondere liegt der zweite Sperrbereich 304 zwischen dem ersten Sperrbereich 302 und der zweiten Schicht 102 und der zweite Sperrbereich 304 umschließt zumindest einen Teil der Vertiefungsstruktur 107. Es sei angemerkt, dass der erste Sperrbereich 302 und der zweite Sperrbereich 304 optional in dem SPAD-Bildsensor 100 der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weggelassen werden können.
  • Unter Bezugnahme auf 7 kann ein Ätzprozess durchgeführt werden, um Vertiefungsstrukturen 107 auf der vorderen Fläche 100a zu erhalten. Insbesondere verlaufen die Vertiefungsstrukturen 107 jeweils durch die Bodenfläche 404a der Isolationsstrukturen 404 und durchqueren ferner den zweiten Sperrbereich 304 und erstrecken sich zu dem ersten Sperrbereich 302. In vielen Fällen kann ein Teil der Isolationsstrukturen 404 absichtlich verbleiben, ohne weggeätzt zu werden, und die verbleibenden Teile können als äußerer Abstandshalter 104 bezeichnet werden. Der äußere Abstandshalter 104 kann geeignet sein, den Erfassungsknoten 110 oder einen anderen Implantationsbereich in dem Substrat 109 während der nachfolgenden Prozesse zu schützen. In einigen Ausführungsformen umfasst der Ätzprozess einen Trockenätzprozess. Eine Ätzmaske (zum Beispiel eine Hartmaske, hier nicht gezeigt) kann vor dem Ätzprozess ausgebildet werden, um die Größe und den Ort der Vertiefungsstrukturen 107 zu definieren. Die Vertiefungsstrukturen 107 können so ausgebildet werden, dass sie jeweils eine rechteckige Form, ungefähr eine Trapezform oder eine andere geeignete Form aufweisen.
  • Unter Bezugnahme auf 8 kann eine Schutzschicht 702 auf der vorderen Fläche 100a des Substrats abgeschieden werden, um den freiliegenden Teil der zweiten Schicht 102 und des Erfassungsknotens 110 an der Oberfläche 100a abzudecken. In einigen Ausführungsformen kann die Schutzschicht 702 aus einem Dielektrikum wie etwa einem Oxid (beispielsweise Siliziumoxid), einem Nitrid (beispielsweise Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid), einem Low-k-Dielektrikum und/oder einem anderen geeigneten Dielektrikum bestehen. In einigen Ausführungsformen kann die Schutzschicht 702 eine Hartmaske sein, die aus einem Material ausgebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silsesquioxan-Spin-On-Glass- (SOG) -Materialien und amorphen Kohlenstoffmaterialien besteht. In einigen Ausführungsformen kann ein innerer Abstandshalter 106 optional ausgebildet werden, um Seitenwände der Vertiefungsstrukturen 107 abzudecken. Insbesondere bedeckt der innere Abstandshalter 106 zumindest den Teil des Substrats 109, der durch die Vertiefungsstrukturen 107 freigelegt ist. Der innere Abstandshalter 106 geeignet sein, den Erfassungsknoten 110 oder einen anderen Implantationsbereich in dem Substrat 109 während der nachfolgenden Prozesse weiter zu schützen. Auf diese Weise ist der einzige freiliegende Bereich des Substrats 109 der Boden der Vertiefungsstrukturen 107.
  • Eine Ionenimplantation kann dann auf dem Boden der Vertiefungsstrukturen 107 durchgeführt werden, um den gemeinsamen Knoten 116 herzustellen. Der gemeinsame Knoten 116 kann stark mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert werden, z. B. des p-Typs, der gleich dem Leitfähigkeitstyp der ersten Schicht 114 und der dritten Schicht 112 ist. Eine Dotierstoffkonzentration des gemeinsamen Knotens 116 kann höher als die Dotierstoffkonzentration der ersten Schicht 114 und der dritten Schicht 112 sein.
  • Unter Bezugnahme auf 9 werden die Vertiefungsstrukturen 107 mit einem Dielektrikum 108 gefüllt, etwa einem Oxid (beispielsweise Siliziumoxid), einem Nitrid (beispielsweise Siliziumnitrid oder Siliziumoxynitrid), einem Low-k-Dielektrikum und/oder einem anderen geeigneten Dielektrikum. Dann kann ein chemisch-mechanisches Polieren (CMP) durchgeführt werden, um die Schutzschicht 702 und einen Teil des inneren Abstandshalters 106 und des Dielektrikums 108 zu entfernen, um den Erfassungsknoten 110 freizulegen.
  • Wie in 10 gezeigt, werden Kontaktstecker 120 und 122 für den stark dotierten gemeinsamen Knoten 116 und den Erfassungsknoten 110 ausgebildet. In einigen Ausführungsformen können die Kontaktstecker 120 und 122 ausgebildet werden, indem eine dielektrische Schicht 129 über der vorderen Fläche 100a des Substrats 109 ausgebildet wird. Die dielektrische Schicht 129 wird anschließend geätzt, um Durchgangslöcher und/oder Metallgräben auszubilden. Die Durchgangslöcher und/oder Metallgräben werden dann mit einem leitfähigen Material gefüllt, um die Kontaktstecker 122 auszubilden. In einigen Ausführungsformen können die Kontaktstecker 120 und 122 zum Beispiel aus Wolfram, Kupfer oder Aluminium-Kupfer bestehen. Die Verbindungsstruktur 124 wird über dem Substrat 109 ausgebildet, wodurch der Bildgebungschip 101 ausgebildet ist. In einigen Ausführungsformen kann die Verbindungsstruktur 124 ausgebildet werden, indem die ILD-Schicht 128, die eine oder mehrere Schichten aus ILD-Material umfasst, über der dielektrischen Schicht 129 ausgebildet wird. Die ILD-Schicht 128 wird anschließend geätzt, um Durchgangslöcher und/oder Metallgräben auszubilden. Die Durchgangslöcher und/oder Metallgräben werden dann mit einem leitfähigen Material gefüllt, um die Mehrzahl von Metallschichten 111 auszubilden. In einigen Ausführungsformen kann die ILD-Schicht 128 durch eine physikalische Gasphasenabscheidungstechnik (z. B. PVD, CVD usw.) abgeschieden werden. Die Mehrzahl von Metallschichten 111 kann unter Verwendung eines Abscheidungsprozesses und/oder eines Plattierungsprozesses (z. B. Elektroplattieren, stromloses Plattieren usw.) ausgebildet werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Mehrzahl von Metallschichten 111 beispielsweise aus Wolfram, Kupfer oder Aluminium-Kupfer bestehen. In einigen Ausführungsformen weist eine obere Metallschicht 126 der Mehrzahl von Metallschichten 111 eine obere Fläche auf, die mit einer oberen Fläche der ILD-Schicht 128 ausgerichtet ist.
  • Wie in 11 gezeigt, wird der Bildgebungschip 101 mit dem CMOS-Chip 103 gebondet. Der CMOS-Chip 103 umfasst das Substrat 206. Die aktiven Vorrichtungen 105 sind in dem Substrat 206 ausgebildet. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 206 eine beliebige Art von Halbleiterkörper (z. B. Silizium/CMOS-Bulk, SiGe, SOI usw.), wie z. B. einen Halbleiterwafer oder einen oder mehrere Dies auf einem Wafer, sowie jede andere Art von Halbleiter- und/oder Epitaxieschichten umfassen, die darauf ausgebildet und/oder anderweitig damit verbunden sind. In einigen Ausführungsformen können die aktiven Vorrichtungen 105 Transistoren umfassen, die durch Abscheiden der Gatestruktur 202 über dem Substrat 206 und Ausbilden der Source/Drain-Bereiche 204 durch Implantation oder epitaktisches Wachstum ausgebildet werden. Die Verbindungsstruktur 212 ist über dem Substrat 206 ausgebildet, wodurch der CMOS-Chip 103 ausgebildet ist. In einigen Ausführungsformen kann die Verbindungsstruktur 212 ausgebildet werden, indem die ILD-Schicht 203, die eine oder mehrere Schichten aus ILD-Material umfasst, über dem Substrat 206 ausgebildet wird. Die ILD-Schicht 203 wird anschließend geätzt, um Durchgangslöcher und/oder Metallgräben auszubilden. Die Durchgangslöcher und/oder Metallgräben werden dann mit einem leitfähigen Material gefüllt, um die Mehrzahl von Metallschichten 201 auszubilden. In einigen Ausführungsformen kann die ILD-Schicht 203 durch eine physikalische Gasphasenabscheidungstechnik (z. B. PVD, CVD usw.) abgeschieden werden. Die Metallschichten 201 können unter Verwendung eines Abscheidungsprozesses und/oder eines Plattierungsprozesses (z. B. Elektroplattieren, elektroloses Plattieren usw.) ausgebildet werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Mehrzahl von Metallschichten 201 beispielsweise aus Wolfram, Kupfer oder Aluminium-Kupfer bestehen. In einigen Ausführungsformen weist die obere Metallschicht 210 der Mehrzahl von Metallschichten 201 eine obere Fläche auf, die mit einer oberen Fläche der ILD-Schicht 203 ausgerichtet ist.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Bondprozess einen Hybridbond ausbilden, der einen Metall-Metall-Bond und einen Dielektrikum-Dielektrikum-Bond umfasst. Die obere Metallschicht 210 und die obere Metallschicht 126 können direkt miteinander gebondet werden. Die ILD-Schicht 128 und die ILD-Schicht 203 können aneinanderstoßen, um einen Dielektrikum-Dielektrikum-Bond des Hybridbonds zu definieren. In einigen Ausführungsformen ist der Dielektrikum-Dielektrikum-Bond ein Oxid-Oxid-Bond. In einigen weiteren Ausführungsformen kann der Bondprozess eine Zwischen-Bondoxidschicht (nicht gezeigt) verwenden, die zwischen der ILD-Schicht 128 und der ILD-Schicht 203 angeordnet ist.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 2 wird die High-k-Dielektrikumsschicht 214 über der hinteren Fläche 100b des Substrats 109 ausgebildet. Eine ARC-Schicht 216 kann über der High-k-Dielektrikumsschicht 214 ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen können die High-k-Dielektrikumsschicht 214 und die ARC-Schicht 216 unter Verwendung einer physikalischen Gasphasenabscheidungstechnik abgeschieden werden. In einigen Ausführungsformen kann eine Dicke des gebondeten Bildgebungschips 101 verringert werden, bevor die High-k-Dielektrikumsschicht 214 über der hinteren Fläche 100b des Substrats 109 ausgebildet wird. In einigen Ausführungsformen kann das Substrat 109 durch Ätzen der hinteren Fläche 100b des Substrats 109 verdünnt werden. In weiteren Ausführungsformen kann das Substrat 109 durch mechanisches Schleifen der hinteren Fläche 100b des Substrats 109 verdünnt werden. In einigen Ausführungsformen kann das Substrat 109 verdünnt werden, aber das Dielektrikum 108 muss nicht freigelegt werden.
  • Die Farbfilter 217 können über der hinteren Fläche 100b des Substrats 109 ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen können die Farbfilter 217 ausgebildet werden, indem eine Farbfilterschicht ausgebildet wird und die Farbfilterschicht strukturiert wird. Die Farbfilterschicht ist aus einem Material ausgebildet, das die Übertragung von Strahlung (z. B. Licht) mit einem bestimmten Wellenlängenbereich ermöglicht, während Licht von Wellenlängen außerhalb des bestimmten Bereichs blockiert wird. Ferner wird in einigen Ausführungsformen die Farbfilterschicht nach der Ausbildung planarisiert. Die Mikrolinsen 218 können auch über den Farbfiltern 217 ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen können die Mikrolinsen 218 ausgebildet werden, indem ein Mikrolinsenmaterial über der Mehrzahl von Farbfiltern (z. B. durch ein Rotationsbeschichtungsverfahren oder einen Abscheidungsprozess) abgeschieden wird. Eine Mikrolinsenschablone (nicht gezeigt) mit einer gekrümmten oberen Fläche wird über dem Mikrolinsenmaterial strukturiert. In einigen Ausführungsformen kann die Mikrolinsenschablone ein Photoresistmaterial umfassen, das unter Verwendung einer verteilten Belichtungs-Lichtdosis belichtet wird (z. B. wird bei einem Negativresist mehr Licht am Boden der Krümmung belichtet und weniger Licht wird an einer Oberseite der Krümmung belichtet), entwickelt und gebacken wird, um eine abgerundete Form auszubilden. Die Mikrolinsen 218 werden dann durch selektives Ätzen des Mikrolinsenmaterials gemäß der Mikrolinsenschablone ausgebildet.
  • Einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sehen einen Einzelphoton-Lawinendioden- (SPAD) -Bildsensor vor. Der SPAD-Bildsensor umfasst: ein Substrat mit einer vorderen Fläche und einer hinteren Fläche; eine Grabenisolation in dem Substrat, wobei sich die Grabenisolation von der vorderen Fläche des Substrats zur hinteren Fläche des Substrats hin erstreckt, wobei die Grabenisolation eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche koplanar mit der vorderen Fläche des Substrats ist, wobei die zweite Oberfläche von der hinteren Fläche des Substrats um einen Abstand größer als null beabstandet ist; wobei das Substrat umfasst: eine erste Schicht, die mit Dotierstoffen eines ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei sich die erste Schicht von der hinteren Fläche des Substrats zu der Grabenisolation hin erstreckt und seitlich wenigstens einen Teil der Seitenwände der Grabenisolation umgibt; einen Erfassungsknoten, der stark mit Dotierstoffen eines zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, wobei der Erfassungsknoten in dem Substrat liegt und an die vordere Fläche des Substrats angrenzt; und einen gemeinsamen Knoten, der stark mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei der gemeinsame Knoten zwischen der zweiten Oberfläche der Grabenisolation und der hinteren Fläche des Substrats liegt.
  • Einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sehen einen Einzelphoton-Lawinendioden- (SPAD) -Bildsensor vor. Der SPAD-Bildsensor umfasst: ein Substrat mit einer vorderen Fläche und einer hinteren Fläche, wobei das Substrat umfasst: eine erste Schicht, die mit Dotierstoffen eines ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei die erste Schicht an die hintere Fläche des Substrats angrenzt; eine zweite Schicht, die mit Dotierstoffen eines zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, wobei die zweite Schicht an die vordere Fläche des Substrats angrenzt; eine dritte Schicht, die mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei die dritte Schicht in der ersten Schicht liegt und an die zweite Schicht angrenzt; einen Erfassungsknoten, der mit Dotierstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei der Erfassungsknoten in der zweiten Schicht liegt; und einen gemeinsamen Knoten, der mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei der gemeinsame Knoten in der ersten Schicht liegt und von der zweiten Schicht um einen Abstand größer als null in Bezug auf eine erste Richtung senkrecht zu einer zweiten Richtung der vorderen Fläche des Substrats beabstandet ist, und wobei die dritte Schicht zwischen dem Erfassungsknoten und dem gemeinsamen Knoten in Bezug auf die erste Richtung liegt.
  • Einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sehen einen Einzelphoton-Lawinendioden- (SPAD) -Bildsensor vor. Der SPAD-Bildsensor umfasst: einen Array von Pixeln, die in einem Substrat angeordnet sind, wobei das Substrat eine vordere Fläche und eine hintere Fläche aufweist und jedes der Pixel umfasst: eine erste Schicht, die mit Dotierstoffen eines ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei die erste Schicht in dem Substrats liegt und an die hintere Fläche des Substrats angrenzt; eine zweite Schicht, die mit Dotierstoffen eines zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, wobei sich die zweite Schicht in dem Substrats und zwischen der vorderen Fläche des Substrats und der ersten Schicht befindet; eine dritte Schicht, die mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei die dritte Schicht in der ersten Schicht liegt und an die zweite Schicht angrenzt; einen Erfassungsknoten, der mit Dotierstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei der Erfassungsknoten in der zweiten Schicht liegt; und einen gemeinsamen Knoten, der mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei der gemeinsame Knoten in der ersten Schicht liegt und von der zweiten Schicht um einen Abstand in Bezug auf eine erste Richtung senkrecht zu einer zweiten Richtung der vorderen Fläche des Substrats beabstandet ist, und wobei die dritte Schicht sich zwischen dem Erfassungsknoten und dem gemeinsamen Knoten in der ersten Richtung befindet; und einen Isolator zwischen benachbarten gemeinsamen Knoten, die zu benachbarten Pixeln des Arrays von Pixeln gehören.
  • Das Vorangehende beschreibt Merkmale von mehreren Ausführungsformen, so dass ein Fachmann die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen kann. Der Fachmann sollte anerkennen, dass er die vorliegende Offenbarung leicht als Basis verwenden kann, um weitere Verfahren und Strukturen zu entwerfen oder zu modifizieren, um die gleichen Ziele zu erreichen und/oder die gleichen Vorteile der hier eingeführten Ausführungsformen zu realisieren. Der Fachmann sollte auch erkennen, dass solche äquivalenten Konstruktionen nicht von dem Geist und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abweichen und dass er verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Modifikationen hier vornehmen kann, ohne von dem Geist und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 62566138 [0001]

Claims (20)

  1. Einzelphotonen-Lawinendioden- (SPAD) -Bildsensor, umfassend: ein Substrat mit einer vorderen Fläche und einer hinteren Fläche; eine Grabenisolation in dem Substrat, wobei sich die Grabenisolation von der vorderen Fläche des Substrats zur hinteren Fläche des Substrats hin erstreckt, wobei die Grabenisolation eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche entgegengesetzte zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche koplanar mit der vorderen Fläche des Substrats ist, wobei die zweite Oberfläche von der hinteren Fläche des Substrats um einen Abstand größer als null beabstandet ist; wobei das Substrat umfasst: eine erste Schicht, die mit Dotierstoffen eines ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei sich die erste Schicht von der hinteren Fläche des Substrats zu der Grabenisolation hin erstreckt und seitlich wenigstens einen Teil der Seitenwände der Grabenisolation umgibt; einen Erfassungsknoten, der stark mit Dotierstoffen eines zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, wobei der Erfassungsknoten in dem Substrat liegt und an die vordere Fläche des Substrats angrenzt; und einen gemeinsamen Knoten, der stark mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei der gemeinsame Knoten zwischen der zweiten Oberfläche der Grabenisolation und der hinteren Fläche des Substrats liegt.
  2. SPAD-Bildsensor nach Anspruch 1, wobei das Substrat ferner umfasst: eine zweite Schicht, die mit Dotierstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei sich die zweite Schicht zwischen der vorderen Fläche des Substrats und der ersten Schicht befindet; und eine dritte Schicht, die mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei die dritte Schicht in der ersten Schicht liegt und an die zweite Schicht angrenzt.
  3. SPAD-Bildsensor nach Anspruch 2, wobei ein Abstand zwischen dem gemeinsamen Knoten und der zweiten Schicht in einem Bereich von etwa 0,5 µm bis etwa 1 µm liegt.
  4. SPAD-Bildsensor nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein Verhältnis einer Dotierstoffkonzentration des Erfassungsknotens zu einer Dotierstoffkonzentration der zweiten Schicht in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 1000 liegt.
  5. SPAD-Bildsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei ein Verhältnis einer Dotierstoffkonzentration der dritten Schicht zu einer Dotierstoffkonzentration der ersten Schicht in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 100 liegt.
  6. SPAD-Bildsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei ein Verhältnis einer Dotierstoffkonzentration des gemeinsamen Knotens zu einer Dotierstoffkonzentration der dritten Schicht in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 1000 liegt.
  7. SPAD-Bildsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat ferner einen ersten Sperrbereich in der ersten Schicht umfasst, wobei der erste Sperrbereich an den gemeinsamen Knoten angrenzt und diesen umschließt.
  8. SPAD-Bildsensor nach Anspruch 7, wobei ein Verhältnis einer Dotierstoffkonzentration des gemeinsamen Knotens zu einer Dotierstoffkonzentration des ersten Sperrbereichs in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 100 liegt.
  9. SPAD-Bildsensor nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Substrat ferner einen zweiten Sperrbereich in der ersten Schicht umfasst, wobei der erste Sperrbereich an einen Teil der Grabenisolation angrenzt und diesen umschließt.
  10. SPAD-Bildsensor nach Anspruch 9, wobei ein Verhältnis einer Dotierstoffkonzentration der zweiten Schicht zu einer Dotierstoffkonzentration des zweiten Sperrbereichs in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 100 liegt.
  11. Einzelphotonen-Lawinendioden- (SPAD) -Bildsensor, umfassend: ein Substrat mit einer vorderen Fläche und einer hinteren Fläche, wobei das Substrat umfasst: eine erste Schicht, die mit Dotierstoffen eines ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei die erste Schicht an die hintere Fläche des Substrats angrenzt; eine zweite Schicht, die mit Dotierstoffen eines zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, wobei die zweite Schicht an die vordere Fläche des Substrats angrenzt; eine dritte Schicht, die mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei die dritte Schicht in der ersten Schicht liegt und an die zweite Schicht angrenzt; einen Erfassungsknoten, der mit Dotierstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei der Erfassungsknoten in der zweiten Schicht liegt; und einen gemeinsamen Knoten, der mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei der gemeinsame Knoten in der ersten Schicht liegt und von der zweiten Schicht um einen Abstand größer als null bezüglich einer ersten Richtung senkrecht zu einer zweiten Richtung der vorderen Fläche des Substrats beabstandet ist, und wobei die dritte Schicht in Bezug auf die erste Richtung zwischen dem Erfassungsknoten und dem gemeinsamen Knoten liegt.
  12. SPAD-Bildsensor nach Anspruch 11, der ferner eine Grabenisolation umfasst, die sich von der vorderen Fläche des Substrats zu der hinteren Fläche des Substrats hin erstreckt, wobei die Grabenisolation eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche entgegengesetzte zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche koplanar mit der vorderen Fläche des Substrats ist, wobei die zweite Oberfläche von der hinteren Fläche des Substrats um einen Abstand größer als null beabstandet ist.
  13. SPAD-Bildsensor nach Anspruch 12, wobei die Grabenisolation eine Hauptstruktur und einen inneren Abstandshalter umfasst, wobei die Hauptstruktur ein rechteckiges Profil aufweist und wobei der innere Abstandshalter ein rechtwinkliges dreieckiges Profil mit einer Hypotenuse, einem ersten Schenkel und einem zweiten Schenkel aufweist, der länger als der erste Schenkel ist; wobei: der erste Schenkel des inneren Abstandshalters koplanar mit der vorderen Fläche des Substrats ist und der zweite Schenkel des inneren Abstandshalters an eine Seitenwand der Hauptstruktur angrenzt.
  14. SPAD-Bildsensor nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Grabenisolation ferner einen äußeren Abstandshalter umfasst, der ein rechtwinkliges dreieckiges Profil mit einer Hypotenuse, einem ersten Schenkel und einem zweiten Schenkel aufweist, der länger als der erste Schenkel ist; wobei: der erste Schenkel des äußeren Abstandshalters koplanar mit der vorderen Fläche des Substrats ist und der zweite Schenkel des äußeren Abstandshalters an die Hypotenuse des inneren Abstandshalters angrenzt, und wobei eine Länge des zweiten Schenkels des äußeren Abstandshalters kürzer als eine Länge der Hypotenuse des inneren Abstandshalters ist.
  15. SPAD-Bildsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 14, der ferner eine erste Zwischenschicht-Dielektrikums- (ILD) -Schicht auf der vorderen Fläche des Substrats umfasst, wobei die erste ILD-Schicht eine Mehrzahl von Metallschichten umfasst.
  16. SPAD-Bildsensor nach Anspruch 15, der ferner einen Chip umfasst, wobei der Chip eine Mehrzahl von aktiven Vorrichtungen und eine zweite ILD-Schicht umfasst, die mit der ersten ILD-Schicht gebondet ist.
  17. SPAD-Bildsensor nach einem der Ansprüche 11 bis 16, der ferner eine Linse an der hinteren Fläche des Substrats umfasst.
  18. Einzelphotonen-Lawinendioden- (SPAD) -Bildsensor, umfassend: einen Array von Pixeln, die in einem Substrat angeordnet sind, wobei das Substrat eine vordere Fläche und eine hintere Fläche aufweist und wobei jedes Pixel umfasst: eine erste Schicht, die mit Dotierstoffen eines ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei die erste Schicht in dem Substrat liegt und an die hintere Fläche des Substrats angrenzt; eine zweite Schicht, die mit Dotierstoffen eines zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, wobei sich die zweite Schicht in dem Substrat und zwischen der vorderen Fläche des Substrats und der ersten Schicht befindet; eine dritte Schicht, die mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei die dritte Schicht in der ersten Schicht liegt und an die zweite Schicht angrenzt; einen Erfassungsknoten, der mit Dotierstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei der Erfassungsknoten in der zweiten Schicht liegt; und einen gemeinsamen Knoten, der mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert ist, wobei der gemeinsame Knoten in der ersten Schicht liegt und von der zweiten Schicht um einen Abstand in Bezug auf eine erste Richtung senkrecht zu einer zweiten Richtung der vorderen Fläche des Substrats beabstandet ist und wobei die dritte Schicht zwischen dem Erfassungsknoten und dem gemeinsamen Knoten in der ersten Richtung liegt; und einen Isolator zwischen benachbarten gemeinsamen Knoten, die zu benachbarten Pixeln des Arrays von Pixeln gehören.
  19. SPAD-Bildsensor nach Anspruch 18, wobei der Abstand zwischen dem gemeinsamen Knoten und der ersten Schicht in Bezug auf die erste Richtung in einem Bereich von etwa 0,5 µm bis etwa 1 µm liegt.
  20. SPAD-Bildsensor nach Anspruch 18 oder 19, wobei der erste Leitfähigkeitstyp der n-Typ ist und der zweite Leitfähigkeitstyp der p-Typ ist.
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