TWI533013B - 具延遲等化之經分割矽光電倍增器 - Google Patents
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Description
本發明大體係關於光電偵測器，且更具體而言，本發明係有關矽光電倍增器。
矽光電倍增器(SiPM)為一種類型之光電偵測器，其能夠偵測低達單個光子之低強度信號。SiPM裝置可在多種應用中使用，包括(例如)偵測電離輻射或矽化。SiPM為半導體光敏裝置，其由蓋格(Geiger)模式光子偵測單元陣列構成，該光子偵測單元諸如為製造於矽襯底上之突崩光電二極體(APD)。蓋格模式APD在被光子撞擊時產生相同振幅之脈衝。其具有p-n接面，該p-n接面經偏置高於擊穿電壓，使得每一電子-電洞對可觸發突崩倍增過程，該過程使光子偵測單元之輸出端處的電流快速地達到其最終值。此突崩電流持續，直至使用淬滅元件來使突崩過程淬滅。每一光子偵測單元為個別光子計數器，且所有光子偵測單元並聯連接。SiPM之輸出為由讀出電路處理的所有光子偵測單元之總和，且與輸入光子脈衝成比例。
存在許多因素可影響SiPM之時序解析度。隨著SiPM中之光子偵測單元陣列中的光敏裝置之實體大小增大，由SiPM中之光子偵測單元與讀出電路之間的不同距離引起之不同信號傳播延遲造成非吾人所樂見之偏斜，其使時序解析度降級。
100‧‧‧光子偵測單元
110‧‧‧光子偵測區
120‧‧‧淬滅元件
130‧‧‧光子偵測單元輸出端
140‧‧‧電源供應器
150‧‧‧光子偵測區塊
152‧‧‧金屬互連件
154‧‧‧微矽穿孔(TSV)
155‧‧‧光子偵測區塊輸出端
160‧‧‧區塊讀出電路
161‧‧‧接地元件
162‧‧‧第一放大器
163‧‧‧比較器
164‧‧‧邏輯區塊
165‧‧‧第二放大器
166‧‧‧臨限值位準TH
167‧‧‧數位輸出DOUT
168‧‧‧類比放大之輸出AOUT
200‧‧‧堆疊晶片SiPM
210‧‧‧第一晶圓
211‧‧‧光子偵測區塊
212‧‧‧光子偵測區塊
220‧‧‧第二晶圓
221‧‧‧光子偵測區塊
222‧‧‧光子偵測區塊
230‧‧‧互連晶圓
231‧‧‧導體
232‧‧‧導體
300‧‧‧堆疊晶片SiPM
311‧‧‧光子偵測單元
312‧‧‧光子偵測單元
313‧‧‧光子偵測單元
314‧‧‧光子偵測單元
315‧‧‧光子偵測區塊
316‧‧‧節點
320‧‧‧第一晶圓
325‧‧‧電連接
330‧‧‧互連晶圓
340‧‧‧區塊讀出電路
350‧‧‧第二晶圓
參看下列圖描述本發明之非限制性且非詳盡實施例，其中在各圖中相同參考數字指相同部分，除非另有指定。
圖1A為展示根據本發明之教示的一實例單光子偵測單元之示意圖。
圖1B為展示根據本發明之教示的一實例光子偵測區塊及區塊讀出電路之示意圖。
圖2為展示根據本發明之教示的具有延遲等化之一實例堆疊晶片SiPM之置放之三維影像。
圖3為展示根據本發明之教示的一實例堆疊晶片SiPM之一部分之一實例橫截面表示之示意圖。
對應的參考字元貫穿圖式之若干視圖指示對應的組件。熟習此項技術者將瞭解，圖中之元件係為了簡單及清楚而說明，且未必按比例繪製。舉例而言，圖中之一些元件之尺寸可能相對於其他元件而誇示，以幫助改良對本發明之各種實施例的理解。又，常不描繪在商業可行實施例中有用或有必要的常見但眾所周知之元件，以便促進本發明之此等各種實施例之較無阻礙之視圖。
在以下描述中，陳述許多具體細節以便提供對本發明之詳盡理解。然而一般熟習此項技術者將顯而易見，無需使用該具體細節來實踐本發明。在其他個例中，尚未詳細描述眾所周知之材料或方法，以避免混淆本發明。
貫穿本說明書對「一項實施例」、「一實施例」、「一項實例」或「一實例」之提及意謂結合該實施例或該實例描述之特定特徵、結構或特性包括在本發明之至少一項實施例中。因此，片語「在一項實施例中」、「在一實施例中」、「一項實例」或「一實例」貫穿本說明書在
各處之出現未必全部指同一實施例或實例。此外，特定特徵、結構或特性在一或多項實施例或實例中可按任何合適之組合及/或子組合而組合。特定特徵、結構或特性可包括在提供所描述功能性之積體電路、電子電路、組合邏輯電路或其他合適組件中。另外，應瞭解，與本發明一起提供之圖式係為了向一般熟習此項技術者進行解釋之目的，且附圖未必按比例繪製。
根據本發明之教示的實例描述具有延遲等化之經分割堆疊晶片SiPM。如將論述，根據本發明之教示，延遲等化係藉由具有堆疊晶片方案來達成，該方案具有在第一晶圓上之光子偵測單元陣列、在第二晶圓上之讀出電路及將第一晶圓與第二晶圓耦接在一起之互連晶圓。
舉例而言，在一項實例中，將光子偵測單元陣列分割為形成於第一晶圓上之複數個光子偵測區塊，其中該等偵測區塊中之每一者耦接至第二晶圓上之各別讀出電路。該複數個光子偵測區塊中之每一者包括複數個光子偵測單元，其中之每一者可包括蓋格模式突崩光電二極體(APD)或單光子突崩二極體(SPAD)。每一光子偵測區塊中的光子偵測單元之輸出並聯連接在一起。每一光子偵測區塊輸出表示每一光子偵測區塊內的光子偵測單元之輸出之總和。複數個區塊讀出電路包括在第二晶圓中且每一區讀出電路耦接至各別光子偵測區塊輸出端。光子偵測區塊中的每一光子偵測單元之輸出端與區塊讀出電路之輸入端之間的金屬互連件之長度實質上相等，其根據本發明之教示實質上等化了信號傳播延遲且減少了偏斜。在一項實例中，互連晶圓提供該複數個區塊讀出電路中之每一者與光子偵測區塊輸出之間的電連接。
為了說明，圖1A為展示根據本發明之教示的一實例單光子偵測單元100之示意圖。在一項實例中，光子偵測單元100包括光子偵測區110及淬滅元件120。光子偵測區110耦接在光子偵測單元輸出端130與
淬滅元件120之間。淬滅元件120耦接在光子偵測區110與電源供應器140之間。在一項實例中，光子偵測區110包括在SiPM裝置中，該SiPM裝置在曝露於光子脈衝時在光子偵測單元130之輸出端處產生突崩電流。淬滅元件120用以使光子偵測區之突崩過程淬滅。在一項實例中，淬滅元件120可包括電阻器，從而導致被動式淬滅電路。在其他實例中，淬滅元件120可包括電容器、電阻器及/或電晶體。
圖1B為展示根據本發明之教示的耦接至區塊讀出電路160之一實例光子偵測區塊150之示意圖。在說明之實例中，根據本發明之教示，光子偵測區塊150為已自背側照明(BSI)晶圓之光子偵測單元100之陣列分割的複數個光子偵測區塊中之一者。如實例中所示，光子偵測區塊150包括複數個光子偵測單元100。應注意，圖1B中之光子偵測單元100可為圖1A之光子偵測單元100的實例。因此應瞭解，下文提及的類似地命名及編號之元件如上文所述而耦接及起作用。在一項實例中，來自光子偵測區塊150之每一光子偵測單元100的偵測器單元輸出130(如例如在圖1A中所描述)經由金屬互連件152一起並聯耦接至微矽穿孔(TSV)154，該微矽穿孔耦接至光子偵測區塊150之輸出端155。在一項實例中，將各別光子偵測單元100耦接至光子偵測區塊150之輸出端155的金屬互連件152中之每一者具有實質上相等之金屬長度，使得光子偵測單元100中之每一者之輸出端與光子偵測區塊輸出端155之間的信號傳播延遲實質上相等。
在所描繪之實例中，將每一光子偵測區塊150說明為包括16個光子偵測單元100，以4×4陣列配置。在其他實例中，每一光子偵測區塊150可包括以正方形、矩形、多邊形形狀或類似形狀配置之2個或2個以上光子偵測單元100。舉例而言，在另一實例中，根據本發明之教示，將具有5×5或更小之尺寸的正方形形狀用於光子偵測區塊150。
繼續圖1B中說明之實例，區塊讀出電路160之輸入端經由光子偵
測區塊150之輸出端155耦接至光子偵測區塊150。應注意，在圖1B中描繪之實例中，區塊讀出電路160耦接至單一光子偵測區塊150。應瞭解，在其他實例中，根據本發明之教示，區塊讀出電路160可耦接至兩個或兩個以上光子偵測區塊150。
如先前在所描繪之實例中提到，來自光子區塊150中之每一光子偵測單元100的光子偵測器輸出端130與矽穿孔(TSV)154及光子偵測區塊輸出端155一起並聯耦接至區塊讀出電路160之輸入端。如在所描繪之實例中展示，區塊讀出電路160包括接地元件161、第一放大器162、比較器163、邏輯區塊164及第二放大器165。如在所描繪實例中展示，接地元件161耦接在光子偵測區塊輸出端155與接地之間。第一放大器162之輸入端亦耦接至光子偵測區塊輸出端155。第一放大器162之輸出端耦接至比較器163且與臨限值位準TH 166相比較以判定是否偵測到光子脈衝輸入。比較器163之輸出端耦接至邏輯區塊164。在一項實例中，邏輯區塊164回應於比較器163之輸出端的信號處理而產生光子偵測區塊150之數位輸出DOUT 167。在一項實例中，根據本發明之教示，邏輯區塊164包括類比/數位轉換器電路及時間/數位轉換器以回應於比較器163之輸出而判定偵測到光子脈衝輸入的時間。
如在所描繪之實例中展示，第二放大器165之輸入端耦接至第一放大器162之輸出端且提供光子偵測區塊150之類比放大之輸出AOUT 168。在各種實例中，第二放大器165之輸出AOUT 168可用於晶片上或晶片外類比處理。在一項實例中，接地元件161可為電阻器。在其他實例中，接地元件161可耦接至不同於接地之電壓。在再其他實例中，接地元件161為可選的且可省略。
圖2為展示根據本發明之教示的具有延遲等化之一實例堆疊晶片SiPM 200之置放之三維影像。如在所描繪之實例中展示，堆疊晶片SiPM 200包括第一晶圓210、第二晶圓220及堆疊在第一晶圓210與第
二晶圓220之間的互連晶圓230(如所展示)。在說明之實例中，第一晶圓210包括複數個光子偵測區塊211及212。在一項實例中，第一晶圓210為背側照明(BSI)晶圓。因此，複數個光子偵測區塊211及212中之每一者係經由第一晶圓210之背側而照明。第二晶圓220包括複數個區塊讀出電路221及222。應注意，為了簡單起見，在圖2之堆疊晶片SiPM 200中說明僅兩個光子偵測區塊211及212以及兩個區塊讀出電路221及222，且根據本發明之教示，其他實例可包括數百或數千個光子偵測區塊及區塊讀出電路。在說明之實例中，每一區塊讀出電路耦接至一個光子偵測區塊。在其他實例中，應瞭解，根據本發明之教示，每一區塊讀出電路可耦接至兩個或兩個以上光子偵測區塊。
如在圖2中說明之實例中所展示，光子偵測區塊211及212中之每一者之各別輸出端經由互連晶圓230分別經由導體231及232耦接至對應的區塊讀出電路221及222之各別輸入端。在一項實例中，導體231及232包括金屬。如實例中所示，導體231及232皆具有實質上相等之金屬長度。因此，根據本發明之教示，複數個光子偵測區塊211及212中之每一者之輸出端與複數個區塊讀出電路221及222中之每一者之輸入端之間的信號傳播延遲實質上相等。因此，根據本發明之教示，堆疊晶片SiPM 200中之傳播延遲等化係藉由以下方式達成：在第一晶圓210之光子偵測區塊與第二晶圓220之區塊讀出電路之間配置互連晶圓230中的金屬互連件，使得自光子偵測區塊211及212中之每一光子偵測單元至其各別區塊讀出電路221及222的導體231及232之長度實質上相等。
圖3為展示根據本發明之教示的一實例堆疊晶片SiPM 300之一部分之一實例橫截面表示之示意圖。在所描繪之實例中，圖3中說明的堆疊晶片SiPM 300之分割區包括製造於第一晶圓320上之光子偵測區塊315。在所描繪之實例中，為了簡單，將光子偵測區塊315說明為包
括僅四個光子偵測單元311、312、313及314。應瞭解，在其他實例中，包括在堆疊晶片SiPM 300中的光子偵測區塊315可包括以4×4正方形形狀配置的16個光子偵測單元之一陣列。在其他實例中，每一光子偵測區塊315可包括以正方形、矩形、多邊形形狀或類似形狀(諸如，具有5×5或更小之尺寸的正方形形狀)配置之兩個或兩個以上光子偵測單元。
圖3中所示之實例說明節點315，其表示第一晶圓320與互連晶圓330之間的互連點。如先前所提到，根據本發明之教示，互連晶圓330包括通孔及/或金屬互連件之配置，其可經堆疊以提供耦接在製造於第一晶圓320上之光子偵測區塊315與製造於第二晶圓350上之區塊讀出電路340之間的一或多個電連接325。在該實例中，光子偵測單元311之輸出端與節點316之間的金屬互連之長度等於L1。類似地，光子偵測單元312、313及314之輸出端與節點316之間的金屬互連之各別長度分別等於L2、L3及L4。應瞭解，根據本發明之教示，雖然光子偵測單元311、312、313及314之輸出端與節點316之間的金屬互連在圖3中未必按比例繪製，但長度L1、L2、L3及L4皆實質上彼此相等。因而，根據本發明之教示，經由互連晶圓330在第一晶圓320中之光子偵測單元311、312、313及314與第二晶圓350中之對應的區塊讀出電路340之間實質上不存在傳播延遲差異，此因此增加了SiPM 300之時序解析度。
另外，應瞭解，在說明之實例中，存在實質上類似於圖3中說明之實例分割區的堆疊晶片SiPM 300之額外分割區。因此，根據本發明之教示，其他實質上類似分割區中之每一者亦包括具有實質上等於L1、L2、L3及L4之長度的對應的金屬互連件，使得經由互連晶圓330在第一晶圓320中的其他實質上類似分割區之各別光子偵測單元與第二晶圓350中的對應的區塊讀出電路之間實質上不存在傳播延遲差
異。
本發明之所說明實例之以上描述，包括摘要中描述之內容，並不意欲為詳盡的，或不限於所揭示之精確形式。雖然本文為了說明性目的而描述本發明之具體實施例及實例，但在不脫離本發明之較寬泛精神及範疇之情況下，各種等效修改為可能的。
鑒於以上詳細描述可對本發明之實例做出此等修改。在以下申請專利範圍中使用之術語不應闡釋為將本發明限於在說明書及申請專利範圍中揭示之具體實施例。相反地，範疇將完全由以下申請專利範圍判定，以下申請專利範圍應根據已確立之申請專利範圍解釋之教義來闡釋。因此本說明書及附圖應被看作說明性的，而非限制性的。
300‧‧‧堆疊晶片SiPM
311‧‧‧光子偵測單元
312‧‧‧光子偵測單元
313‧‧‧光子偵測單元
314‧‧‧光子偵測單元
315‧‧‧光子偵測區塊
316‧‧‧節點
320‧‧‧第一晶圓
325‧‧‧電連接
330‧‧‧互連晶圓
340‧‧‧區塊讀出電路
350‧‧‧第二晶圓
Claims (22)
- 一種光子偵測裝置，其包含：一第一晶圓，其具有經分割為配置於該第一晶圓中之複數個光子偵測區塊的一光子偵測單元陣列；一第二晶圓，其具有配置於其上之複數個區塊讀出電路；及互連晶圓，其安置於該第一晶圓與該第二晶圓之間，其中該互連晶圓包括具有實質上相等長度之複數個導體，其中該複數個導體中之每一者耦接於該第一晶圓中的該複數個光子偵測區塊中之一對應者與該複數個區塊讀出電路中之一對應者之間，使得該複數個光子偵測區塊中之每一者與該複數個區塊讀出電路中之每一者之間的信號傳播延遲實質上相等。
- 如請求項1之光子偵測裝置，其中該互連晶圓中的該複數個導體中之每一者具有一實質上相等之金屬長度。
- 如請求項1之光子偵測裝置，其中該複數個光子偵測區塊中之每一者包括一矽穿孔(TSV)，該TSV耦接至該複數個光子偵測區塊中之每一者之一各別輸出端。
- 如請求項1之光子偵測裝置，其中該複數個光子偵測區塊中之每一者包括具有實質上相等長度之複數個金屬互連件，該複數個金屬互連件耦接於該等光子偵測單元中之每一者與該複數個光子偵測區塊中之每一者之一各別輸出端之間。
- 如請求項1之光子偵測裝置，其中該等光子偵測單元中之每一者包含耦接至一淬滅元件之一光子偵測區。
- 如請求項1之光子偵測裝置，其中該等光子偵測單元中之每一者包含耦接至一淬滅元件之一單光子突崩二極體(SPAD)。
- 如請求項1之光子偵測裝置，其中該第一晶圓為一背側照明(BSI) 晶圓，使得該複數個光子偵測區塊中之每一者係經由該第一晶圓之一背側照明。
- 如請求項1之光子偵測裝置，其中該複數個區塊讀出電路中之每一者包含：一第一放大器，其具有耦接至來自該第一晶圓的該複數個光子偵測區塊中之一各別者之一輸入端；及一比較器，其經耦接以比較該第一放大器之一輸出與一臨限值位準，以判定是否偵測到一光子脈衝輸入。
- 如請求項8之光子偵測裝置，其中該複數個區塊讀出電路中之每一者進一步包含耦接至該比較器之一輸出端以產生一數位輸出的一邏輯區塊。
- 如請求項9之光子偵測裝置，其中該邏輯區塊包含一類比/數位轉換器電路，該類比/數位轉換器電路耦接至一時間/數位轉換器以回應於比較器之該輸出而判定偵測到該光子脈衝輸入之一時間。
- 如請求項1之光子偵測裝置，其中該複數個區塊讀出電路中之每一者包含一第二放大器，該第二放大器耦接至該第一放大器之一輸出端以提供一類比放大之輸出。
- 一種堆疊矽光電倍增器，其包含：一光子偵測單元陣列，其經分割為安置於一第一晶圓上之複數個光子偵測區塊；複數個區塊讀出電路，其安置於最接近該第一晶圓而堆疊之一第二晶圓中；及複數個導體，其具有實質上相等長度，其中該複數個導體中之每一者耦接於該第一晶圓上的該複數個光子偵測區塊中之一各別者之一輸出端與安置於該第二晶圓中的該複數個區塊讀出 電路中之一各別者之一輸入端之間，使得該複數個光子偵測區塊中之每一者與該複數個區塊讀出電路中之每一者之間的信號傳播延遲實質上相等。
- 如請求項12之堆疊矽光電倍增器，其進一步包含堆疊於該第一晶圓與該第二晶圓之間的一互連晶圓，其中該複數個導體包括於該互連晶圓中。
- 如請求項12之堆疊矽光電倍增器，其中該複數個光子偵測區塊中之每一者包括一矽穿孔(TSV)，該TSV耦接至該複數個光子偵測區塊中之每一者之一各別輸出端。
- 如請求項12之堆疊矽光電倍增器，其中該複數個光子偵測區塊中之每一者包括具有實質上相等長度之複數個金屬互連件，該複數個金屬互連件耦接於該等光子偵測單元中之每一者與該第一晶圓上的該複數個光子偵測區塊中之該各別者之一輸出端之間。
- 如請求項12之堆疊矽光電倍增器，其中該光子偵測單元中之每一者包含耦接至一淬滅元件之一光子偵測區。
- 如請求項12之堆疊矽光電倍增器，其中該等光子偵測單元中之每一者包含耦接至一淬滅元件之一單光子突崩二極體(SPAD)。
- 如請求項12之堆疊矽光電倍增器，其中該第一晶圓為一背側照明(BSI)晶圓，使得該複數個光子偵測區塊中之每一者係經由該第一晶圓之一背側照明。
- 如請求項12之堆疊矽光電倍增器，其中該複數個區塊讀出電路中之每一者包含：一第一放大器，其具有耦接至來自該第一晶圓的該複數個光子偵測區塊中之一各別者之一輸入端；及一比較器，其經耦接以比較該第一放大器之一輸出與一臨限 值位準，以判定是否偵測到一光子脈衝輸入。
- 如請求項19之堆疊矽光電倍增器，其中該複數個區塊讀出電路中之每一者進一步包含耦接至該比較器之一輸出端以產生一數位輸出的一邏輯區塊。
- 如請求項20之堆疊矽光電倍增器，其中該邏輯區塊包含一類比/數位轉換器電路，該類比/數位轉換器電路耦接至一時間/數位轉換器以回應於比較器之該輸出而判定偵測到該光子脈衝輸入之一時間。
- 如請求項12之堆疊矽光電倍增器，其中該複數個區塊讀出電路中之每一者包含一第二放大器，該第二放大器耦接至該第一放大器之一輸出端以提供一類比放大之輸出。
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