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TWI567959B - 製造一單一光子崩潰二極體成像感測器的方法 - Google Patents

製造一單一光子崩潰二極體成像感測器的方法 Download PDF

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TWI567959B
TWI567959B TW104118012A TW104118012A TWI567959B TW I567959 B TWI567959 B TW I567959B TW 104118012 A TW104118012 A TW 104118012A TW 104118012 A TW104118012 A TW 104118012A TW I567959 B TWI567959 B TW I567959B
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doped
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forming
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TW201611254A (zh
Inventor
艾瑞克Ａ Ｇ 韋伯斯特
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豪威科技股份有限公司
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Description

製造一單一光子崩潰二極體成像感測器的方法 相關申請案交叉參考
本申請案與2014年1月15日提出申請之標題為「BACK SIDE ILLUMINATED SINGLE PHOTON AVALANCHE DIODE IMAGING SENSOR WITH HIGH SHORT WAVELENGTH DETECTION EFFICIENCY」且讓與本申請案之受讓人之同在申請中之申請案第14/156,053號相關。
本發明大體而言係關於光電二極體製造，且特定而言(但非排他地)係關於崩潰光電二極體影像感測器製造。
影像感測器已變得無所不在。其廣泛用於數位靜態相機、蜂巢式電話、安全攝影機以及醫學、汽車及其他應用中。用於製作影像感測器之技術已不斷快速地發展。舉例而言，對較高解析度及較低電力消耗之需求已促進了此等影像感測器之進一步小型化及整合。
可在一影像感測器中或在一光偵測器中使用之一種類型之光電偵測器為一單一光子崩潰二極體(SPAD)。一SPAD(亦稱為一蓋格(Geiger)模式崩潰光電二極體(GM-APD))係能夠偵測一低強度信號(諸如一單一光子)之一固態光電偵測器。SPAD成像感測器係由製造於一矽基板上之SPAD區域之一陣列構成之半導體光敏裝置。SPAD區域 在被一光子撞擊時產生一輸出電流脈衝。SPAD區域具有一p-n接面，該p-n接面經反向偏壓至高於擊穿電壓使得一單一光生載子可觸發一崩潰倍增程序，該崩潰倍增程序致使在光子偵測單元之輸出處之電流快速達到其最終值。此崩潰電流繼續直至使用一淬滅(quenching)元件來藉由減小偏壓電壓而使崩潰程序淬滅為止。藉由在一時間窗內計數此等輸出脈衝之數目來獲得由影像感測器接收之光子信號之強度。
在感測光子時所面臨之挑戰之一係藉助背側照明(BSI)SPAD達成高藍色偵測效率。舉例而言，在一BSI影像感測器中，後表面可包含具有需要雷射退火之缺陷之植入物。此等缺陷可致使一SPAD裝置無法維持所需電場。另外，具有此等缺陷之SPAD裝置可為嘈雜的且因此具有不良效能。
100‧‧‧單一光子崩潰二極體影像感測器/影像感測器
101‧‧‧第一經摻雜半導體層
103‧‧‧第二經摻雜半導體層
107‧‧‧經摻雜接觸區域
109‧‧‧保護環區域
111‧‧‧第二經摻雜接觸區域
121‧‧‧邏輯晶圓
131‧‧‧抗反射塗層
141‧‧‧選用彩色濾光器層/彩色濾光器層
143‧‧‧綠色濾光器
145‧‧‧藍色濾光器
147‧‧‧紅色濾光器
151‧‧‧微透鏡層
201‧‧‧第一經摻雜半導體層
203‧‧‧第二經摻雜半導體層
207‧‧‧經摻雜接觸區域
209‧‧‧保護環區域
211‧‧‧第二經摻雜接觸區域
221‧‧‧邏輯晶圓
231‧‧‧抗反射塗層
241‧‧‧彩色濾光器層
251‧‧‧微透鏡層
271‧‧‧基板
400‧‧‧單一光子崩潰二極體影像感測器系統/影像感 測器系統
405‧‧‧單一光子崩潰二極體成像陣列/成像陣列
410‧‧‧讀出電路/高速讀出電路
415‧‧‧功能邏輯
420‧‧‧控制電路
500‧‧‧分解圖
501‧‧‧影像感測器晶圓/堆疊式晶圓
505‧‧‧成像陣列
507‧‧‧成像陣列
509‧‧‧成像陣列
511‧‧‧成像陣列
513‧‧‧成像陣列
521‧‧‧邏輯晶圓/堆疊式晶圓
600‧‧‧電路圖
603‧‧‧光電二極體
605‧‧‧淬滅元件
APD1至APDN‧‧‧崩潰光電二極體
C1至Cx‧‧‧行
P1至Pn‧‧‧像素
PIXEL1至PIXELN‧‧‧像素電路/像素
Q1至QN‧‧‧淬滅元件
R1至Ry‧‧‧列
VBIAS‧‧‧偏壓電壓
參考以下各圖闡述本發明之非限制性及非詳盡實施例，其中貫穿各個視圖相似元件符號指代相似部件，除非另有規定。
圖1係根據本發明之教示之一單一光子崩潰二極體(下文稱「SPAD」)成像感測器之一項實例之一剖面圖。
圖2A至圖2F展示根據本發明之教示之用於形成一SPAD像素之一程序。
圖3係根據本發明之教示之用於形成一SPAD像素之一程序之一流程圖。
圖4係圖解說明根據本發明之教示之一SPAD影像感測器系統之一項實例之一方塊圖。
圖5係根據本發明之教示之一實例性SPAD成像感測器系統之具有積體電路晶粒之堆疊式半導體晶圓之一項實例之一分解圖。
圖6係圖解說明根據本發明之教示之包含淬滅元件之一堆疊式晶片SPAD成像感測器系統之一項實例之一電路圖。
本文中闡述用於製造一崩潰二極體成像感測器之一方法之實例。在以下說明中，陳述眾多特定細節以提供對該實例之一透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識到，本文中所闡述之技術可在不具有該等特定細節中之一或多者之情況下實踐或者藉助其他方法、組件、材料等來實踐。在其他例項中，未詳細展示或闡述眾所周知之結構、材料或操作以避免使某些態樣模糊。
在本說明書通篇中對「一項實例」或「一實施例」之提及意指結合實例闡述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實施例中。因此，在本說明書通篇之各處中出現之片語「在一項實例中」或「在一實施例中」未必全部指代同一實例。此外，在一或多個實例中，可以任何適合方式來組合特定特徵、結構或特性。
在本說明書通篇中，使用數個技術術語。此等術語應理解為其在所屬領域中之普通含義，除非本文中另外具體定義或其使用之內容脈絡將另外清晰地暗示。
圖1係根據本發明之教示之一單一光子崩潰二極體(下文稱「SPAD」)影像感測器100(下文稱「影像感測器100」)之一項實例之一剖面圖。在一項實例中，藉由在一基板(未展示)上形成以一第一摻雜濃度生長之一第一經摻雜半導體層101來形成影像感測器100。在一項實例中，第一經摻雜半導體層101包含具有諸如硼或諸如此類之摻雜劑原子之經p摻雜矽。
在第一經摻雜半導體層101上形成一第二經摻雜半導體層103。第二經摻雜半導體層103係以一第二摻雜濃度生長且具有與第一經摻雜半導體層101相反之一多數電荷載子類型。在一項實例中，第二經摻雜半導體層103包含具有諸如砷、磷或諸如此類之摻雜劑原子之經n摻雜矽。
在一項實例中，第一經摻雜半導體層101及第二經摻雜半導體層103兩者皆係藉由磊晶生長而形成。在磊晶生長期間，可同時沈積半導體及摻雜劑材料以形成低缺陷濃度半導體層。可使用化學汽相沈積(CVD)、原子層沈積(ALD)、分子束磊晶(MBE)或諸如此類來製造第一經摻雜半導體層101及第二經摻雜半導體層103。在一項實例中，程序材料可包含(1)用以形成塊體半導體層之基於矽之氣體，諸如四氯化矽，(2)用以形成p型置換原子之基於硼之氣體，諸如三氟化硼，及(3)用以形成n型置換原子之基於磷或砷之氣體，諸如磷化氫或砷化氫。然而，在替代實例中，可使用其他固態或液體前驅物。經由磊晶生長來形成SPAD會產生高性能SPAD裝置，此乃因形成倍增接面並不使用離子植入。離子植入技術可損壞倍增接面，此乃因個別離子可在諸如空位及間隙之衝擊時在目標晶體中產生點缺陷。
在製造第二經摻雜半導體層103之後，形成複數個崩潰光電二極體像素。該複數個崩潰光電二極體像素包含安置於第二經摻雜半導體層103中之一經摻雜接觸區域107。經摻雜接觸區域107具有與第二經摻雜半導體層103相同之一多數電荷載子類型(例如，n型)且具有大於第二經摻雜半導體層103之一摻雜濃度。在一項實例中，經摻雜接觸區域107係經由一離子植入程序而製造。
另外，在第二經摻雜半導體層103中形成一保護環區域109。保護環區域109具有與第二經摻雜半導體層103相反之一多數電荷載子類型(例如，p型)，且分離複數個崩潰光電二極體像素中之個別像素。另外，可在保護環區域109內形成一第二經摻雜接觸區域111，且第二經摻雜接觸區域111具有與保護環區域109相同之一多數電荷載子類型(例如，p型)。然而，第二經摻雜接觸區域111之摻雜濃度大於保護環區域109之摻雜濃度。
將一邏輯晶圓121連接至第二經摻雜半導體層103，使得第二經 摻雜半導體層103安置於邏輯晶圓121與第一經摻雜半導體層101之間。在一項實例中，邏輯晶圓121包含控制電路(例如，控制電路420)及讀出電路(例如，讀出電路410)或控制電路及讀出電路之部分。邏輯晶圓121亦可含有可連接至個別SPAD之導電互連件。
在一項實例中，在連接邏輯晶圓121之後，移除附接至第一經摻雜半導體層101之一基板(未繪示)。另外，將第一經摻雜半導體層101薄化至小於一原始厚度之一厚度。該厚度使得入射於在第一經摻雜半導體層101與第二經摻雜半導體層103之間的一界面處界定之一倍增接面上之光子轉換為一可量測電流。
在一項實例中，形成一光學堆疊。形成一光學堆疊可由以下操作組成：形成安置於第一經摻雜半導體層101上之一抗反射塗層131，及形成一微透鏡層151使得抗反射塗層131安置於第一經摻雜半導體層101與微透鏡層151之間。在一項實例中，微透鏡層151包含光阻劑。另外，可形成一選用彩色濾光器層141，使得彩色濾光器層141安置於抗反射塗層131與微透鏡層151之間。彩色濾光器層141可包含紅色濾光器147、綠色濾光器143及藍色濾光器145，此等濾光器可被配置成一拜耳(Bayer)圖案、X-Trans圖案、EXR圖案或諸如此類。然而，在一項實例中，可省略彩色濾光器層141，且微透鏡層151可形成於抗反射塗層131上。
圖2A至圖2F展示根據本發明之教示之製造一SPAD像素(諸如(舉例而言)上文在圖1中所闡述之像素)之一方法。該程序中之某些或全部程序發生之次序不應視為限制性。而是，受益於本發明之熟習此項技術者將理解，可以多種未圖解說明之次序或甚至並行地執行該程序中之某些程序。
圖2A圖解說明在一基板271上形成一第一經摻雜半導體層201。第一經摻雜半導體層201係以一第一摻雜濃度生長。在一項實例中， 第一經摻雜半導體層201係p型矽且包含諸如硼之摻雜劑原子。然而，在一不同實例中，第一經摻雜半導體層201可為n型且包含諸如砷或磷之摻雜劑原子。第一經摻雜半導體層201可磊晶生長於基板271上。為確保第一經摻雜半導體層201之高品質晶體生長，基板271由具有與第一經摻雜半導體層201類似之一晶格常數之一材料製成。舉例而言，若第一經摻雜半導體層201包含矽，則基板271可包含(舉例而言)矽、氧化矽或金屬氧化物(例如，藍寶石)。另外，可使用化學汽相沈積(CVD)、原子層沈積(ALD)、分子束磊晶(MBE)或諸如此類來製造第一經摻雜半導體層。在此等程序中之任一者期間，可同時沈積半導體及摻雜劑前驅物兩者以形成第一經摻雜半導體層201。
圖2B圖解說明在第一經摻雜半導體層201上形成具有一第二摻雜濃度之一第二經摻雜半導體層203。第一經摻雜半導體層201及第二經摻雜半導體層203兩者皆可藉由磊晶生長而形成且兩者皆可生長於基板271上。第二經摻雜半導體層203具有與第一經摻雜半導體層201相反之一多數電荷載子類型。在一項實例中，第一經摻雜半導體層201係p型矽，而第二經摻雜半導體層203係n型矽。類似於第一經摻雜半導體層201，可使用化學汽相沈積(CVD)、原子層沈積(ALD)、分子束磊晶(MBE)或諸如此類來製造第二經摻雜半導體層。在此等程序中之任一者期間，可同時沈積半導體及摻雜劑前驅物兩者以形成第二經摻雜半導體層203。
然而，在另一實例(未繪示)中，第二經摻雜半導體層203可生長於一預先存在之晶圓/半導體層上而非磊晶生長之第一經摻雜半導體層201上。如同第一經摻雜半導體層201，該預先存在之晶圓/半導體層將具有與第二經摻雜半導體層203相反之一多數電荷載子類型，且因此仍將與第二經摻雜半導體層203形成一p-n接面。
圖2C展示在第二經摻雜半導體層203中形成具有一第三摻雜濃 度之一經摻雜接觸區域207。第二經摻雜半導體層203安置於經摻雜接觸區域207與第一經摻雜半導體層201之間。經摻雜接觸區域207具有與第二經摻雜半導體層203相同之一多數電荷載子類型(例如，n型)，但具有大於第二經摻雜半導體層203之一摻雜濃度。在一項實例中，第一經摻雜半導體層201係p型，第二經摻雜半導體層203係n型，且經摻雜接觸區域207係n型。然而，在一不同實例中，可反轉此三個層/區域之多數電荷載子類型。舉例而言，在另一實例中，第一經摻雜半導體層201係n型，第二經摻雜半導體層203係p型，且經摻雜接觸區域207係p型。
另外，圖2C圖解說明在第二經摻雜半導體層203中形成一保護環區域209。保護環區域209具有與第二經摻雜半導體層203相反之一多數電荷載子類型，且保護環區域209延伸穿過第二經摻雜半導體層203。保護環區域209環繞經摻雜接觸區域207，但與經摻雜接觸區域207分離開一橫向距離。在保護環區域209內，形成一第二經摻雜接觸區域211。第二經摻雜接觸區域211具有與保護環區域209相同之一多數電荷載子類型；然而，第二經摻雜接觸區域211之摻雜濃度大於保護環區域209之一摻雜濃度。
圖2D展示將一邏輯晶圓221附接至第二經摻雜半導體層203。第二經摻雜半導體層203安置於第一經摻雜半導體層201與邏輯晶圓221之間。邏輯晶圓221中含有電互連件且該等電互連件可接合至個別SPAD。在一項實例中，邏輯晶圓221包含下文進一步詳細論述之控制電路及讀出電路。
圖2E圖解說明移除基板271並將第一經摻雜半導體層201薄化至小於一原始厚度之一厚度。該厚度使得入射於在第一經摻雜半導體層201與第二經摻雜半導體層203之間的一界面處界定之一倍增接面上之光子轉換為一可量測電荷。
圖2F展示光學堆疊之製造。可在第一經摻雜半導體層201上形成一抗反射塗層231。亦可接近於抗反射塗層231製造一微透鏡層251，使得抗反射塗層231安置於第一經摻雜半導體層201與微透鏡層251之間。在一項實例中，微透鏡層251可包含光阻劑。
在一項實例中，可形成一彩色濾光器層241使得彩色濾光器層241安置於抗反射塗層231與微透鏡層251之間。彩色濾光器層241可被配置成一拜耳圖案、X-Trans圖案、EXR圖案或諸如此類。
圖3係根據本發明之教示之用於形成一SPAD像素(諸如(舉例而言)上文在圖1至圖2中所闡述之像素)之一程序300之一流程圖。程序方塊中之某些或全部程序方塊在程序300中出現之次序不應被視為限制性。而是，受益於本發明之熟習此項技術者將理解，可以未圖解說明之多種次序或甚至並行地執行程序方塊中之某些程序方塊。
程序方塊301展示在一基板上生長一p型磊晶層(例如，第一經摻雜半導體層101)。在一項實例中，該基板可包含一半導體或半導體氧化物，諸如矽、氧化矽、SiGe、Ge或InGaAsP；然而，在一不同實例中，該基板可包含諸如藍寶石之一金屬氧化物。該p型磊晶層可包含諸如矽、鍺或諸如此類之一半導體。在生長程序期間，與半導體源材料同時地沈積摻雜劑原子。因此，摻雜劑被均質地包含於半導體層中且因此不需要將摻雜劑離子植入至p型磊晶層中之一後續步驟。在一項實例中，摻雜劑原子包含硼。可使用化學汽相沈積(CVD)、原子層沈積(ALD)、分子束磊晶(MBE)或諸如此類來製造p型磊晶層。
程序方塊303圖解說明在p型磊晶層上生長一n型磊晶層(例如，第二經摻雜半導體層103)。該n型磊晶層可包含諸如矽、鍺或諸如此類之一半導體。在生長程序期間，與半導體源材料同時地沈積摻雜劑原子，且因此不需要將摻雜劑離子植入至n型磊晶層中之一後續步驟。在一項實例中，摻雜劑原子包含砷或磷。可使用化學汽相沈積(CVD)、 原子層沈積(ALD)、分子束磊晶(MBE)或諸如此類來製造n型磊晶層。根據本發明之教示，生長第一經摻雜半導體層及第二經摻雜半導體層以形成倍增接面(而非使用離子植入)導致形成具有最少結晶缺陷之一高品質倍增接面。
在程序方塊305中，展示前端遮蔽操作及植入步驟(用於經摻雜接觸區域及保護環區域)。前端遮蔽操作及植入步驟可包含在第二半導體層中形成一經摻雜接觸區域(例如，經摻雜接觸區域107)及形成一保護環區域(例如，保護環區域109)。經摻雜接觸區域具有與第二半導體層相同之多數電荷載子類型(例如，n型)，而保護環區域具有與第二半導體層相反之一多數電荷載子類型(例如，p型)。
在一項實例中，經摻雜接觸區域及保護環區域兩者皆使用離子植入步驟來形成。可植入諸如砷或磷之n型摻雜劑原子以形成經摻雜接觸區域。應注意，經n型摻雜接觸區域中之摻雜劑濃度將可能高於第二半導體層中之摻雜劑濃度。相反地，可使用諸如硼之p型摻雜劑原子來形成保護環區域。在一項實例中，該保護環區域可包含一第二經摻雜接觸區域(例如，第二經摻雜接觸區域111)，該第二經摻雜接觸區域具有與保護環區域相同之多數電荷載子類型(例如，p型)，但具有大於保護環區域之一摻雜劑濃度。
程序方塊307詳述將二極體晶圓(例如，基板271)翻轉並將第二經摻雜半導體層接合至一邏輯晶圓(例如，邏輯晶圓121)。邏輯晶圓中含有電互連件，且該等電互連件可接合至個別SPAD。在一項實例中，邏輯晶圓221包含控制電路(例如，控制電路420)及讀出電路(例如，讀出電路410)。
在程序方塊309中，將p型磊晶層(例如，第一經摻雜半導體層101)薄化。薄化包含自第一經摻雜半導體層移除材料使得其變為小於一原始厚度之一厚度。因此，入射於在第一經摻雜半導體層201與第 二經摻雜半導體層203之間的一界面處界定之一倍增接面上之光子轉換為一可量測電荷。
在一項實例中，雖然未繪示，但p型磊晶層之鈍化可發生且可藉由在p型磊晶層中/上進行高劑量植入或帶電氧化物生長來達成。此可有助於減小暗電流及後續影像雜訊。
程序方塊311教示處理光學堆疊，其可包含形成一抗反射塗層(例如，抗反射塗層131)、一彩色濾光器層(例如，彩色濾光器層141)及微透鏡(例如，微透鏡層151)。抗反射塗層可形成於一第一經摻雜半導體層(例如，第一經摻雜半導體層101)上。微透鏡可接近於抗反射塗層而製造，使得抗反射塗層安置於第一經摻雜半導體層與微透鏡之間。在一項實例中，彩色濾光器層亦可經形成使得該彩色濾光器層安置於抗反射塗層與微透鏡之間。
圖4係圖解說明根據本發明之教示之一SPAD影像感測器系統400(下文稱「影像感測器系統400」)之一項實例之一方塊圖。影像感測器系統400可為圖1中所圖解說明之積體電路系統之一項實例性實施方案。圖4中所展示之影像感測器系統400之所圖解說明實例包含一SPAD成像陣列405、高速讀出電路410、功能邏輯415及控制電路420。
如在所繪示實例中所展示，成像陣列405為成像感測器或崩潰光電二極體像素(例如，像素P1、P2、Pn)之一個二維(「2D」)陣列。在一項實例中，成像陣列405係上文在圖1至圖3中所繪示之影像感測器100之一實例。在一項實例中，根據本發明之教示，每一像素包含適於自背側進行照明且包含一薄p磊晶層之一SPAD區域，該薄p磊晶層形成於背側上在一較厚n磊晶層上方以界定每一SPAD區域之倍增接面。如在所繪示實例中所圖解說明，每一像素被配置至一列(例如，列R1至Ry)及一行(例如，行C1至Cx)中以獲取一人、地點 或物件之影像資料，然後可使用該影像資料再現該人、地點或物件之一2D影像。成像陣列405亦可在計時模式中使用以給出一場景之一「時間影像」，其可在飛行時間應用中用於範圍資訊或針對醫學應用用於螢光生命期。
由成像陣列405之SPAD區域產生之輸出脈衝由讀出電路410讀出且傳送至功能邏輯415。讀出電路410經耦合以自複數個崩潰光電二極體像素讀出影像資料且可包含用於SPAD區域中之每一者之至少一個數位計數器。讀出電路410亦可包含放大電路及/或淬滅電路。功能邏輯415可耦合至讀出電路410，以儲存自複數個崩潰光電二極體像素讀出之影像資料。功能邏輯415可簡單地將影像資料儲存於記憶體中或甚至藉由應用後影像效應(例如，裁剪、旋轉、移除紅眼、調整亮度、調整對比度或以其他方式)來操縱影像資料。控制電路420耦合至成像陣列405及/或讀出電路410以控制複數個崩潰光電二極體之操作特性。舉例而言，控制電路420可在一時間窗內同時啟用包含於高速讀出電路410中之數位計數器中之每一者以便實施一全域快門操作。因此，本文中所論述之SPAD堆疊式晶片影像感測器之實例提供既高速又低光敏感之成像，且可在藉助習用感測器架構通常無法達成之多種應用中使用，諸如(舉例而言)但不限於：飛行時間感測器、螢光生命期感測器或任何其他SPAD應用。
在一項實例中，影像感測器系統400可包含於一數位相機、行動電話、膝上型電腦或諸如此類中。另外，影像感測器系統400可耦合至其他硬體元件，諸如一處理器、記憶體元件、輸出(USB埠、無線傳輸器、HDMI埠等)、照明/閃光、電輸入(鍵盤、觸控顯示器、軌道墊、滑鼠、麥克風等)及/或顯示器。其他件的硬體可將指令遞送至影像感測器系統400、自影像感測器系統400提取影像資料或操縱由影像感測器系統400供應之影像資料。
圖5係根據本發明之教示之具有一實例性SPAD成像感測器系統之積體電路晶粒之堆疊式半導體晶圓之一項實例之一分解圖500。在一項實例中，影像感測器晶圓501包含複數個成像陣列，該複數個成像陣列包含一成像陣列505。在一項實例中，成像陣列505可為成像陣列405之一實例。在所圖解說明實例中，影像感測器晶圓501包含其中/其上製造有成像陣列(例如，成像陣列505至513)之半導體晶粒，而邏輯晶圓521包含對應半導體晶粒(在圖5中視圖被遮擋)。在某些實例中，影像感測器晶圓501之每一成像陣列505至513可包含一SPAD像素陣列，而邏輯晶圓521之每一對應晶粒可包含CMOS電路，舉例而言，包含控制電路、讀出電路、功能邏輯及數位計數器。影像感測器晶圓501與邏輯晶圓521單獨地形成。因此，根據本發明之教示，可利用定製製造程序來使SPAD陣列中之SPAD區域在影像感測器晶圓501上之形成最佳化，同時可在於邏輯晶圓521上形成CMOS電路時保留傳統CMOS程序。
在另一實例中，應瞭解，亦可將一或多個額外半導體晶圓與圖5中所圖解說明之兩個堆疊式晶圓501及521堆疊在一起。舉例而言，應注意，根據本發明之教示，可將包含(舉例而言)動態隨機存取記憶體(DRAM)之一額外晶圓耦合至影像感測器晶圓501及邏輯晶圓521。
在一項實例中，在於影像感測器晶圓501中形成第一經摻雜半導體層(例如，第一經摻雜半導體層101)、第二經摻雜半導體層(例如，第二經摻雜半導體層103)、經摻雜接觸區域(例如，經摻雜接觸區域107)及保護環區域(例如，保護環區域109)之後，將影像感測器晶圓501附接至邏輯晶圓521。在另一或同一實例中，個別SPAD經由電互連件連接至邏輯晶圓521。該等電互連件可包含金屬或半導體材料。
在一項實例中，在將邏輯晶圓521附接至影像感測器晶圓501之後，自第一經摻雜半導體層(例如，第一經摻雜半導體層101)移除 一基板(例如，基板271)，且將第一經摻雜半導體層薄化(參見圖2D至圖2E)。
圖6係圖解說明根據本發明之教示之包含淬滅元件605之一堆疊式晶片SPAD成像感測器系統之一項實例之一電路圖600。應注意，圖6中所圖解說明之像素電路(例如，PIXEL1、PIXEL2、…PIXELN)係用於實施具有一成像陣列之每一像素之一SPAD像素電路架構之一項可能實例。在圖6中所繪示之實例中，將像素PIXEL1至PIXELN圖解說明為配置為一單個列。然而，在其他實例中，應瞭解，一成像陣列之像素可配置成一單個行或配置成若干行與列之一個二維陣列。
如圖6中所展示，每一實例性像素包含耦合至安置於一堆疊式晶片系統之一頂部晶片中之一各別淬滅元件(例如，淬滅元件Q1至QN)之一SPAD(例如，SPAD1至SPADN)。在所圖解說明實例中，應注意，根據本發明之教示，每一SPAD包含形成於背側上在一較厚n磊晶層上方以設計倍增接面之薄p磊晶層。在各種實例中，亦應注意，根據本發明之教示，耦合至每一各別SPAD1至SPADN之實例性淬滅元件Q1至QN可包含於頂部晶片(例如，影像感測器晶圓501)或底部晶片(例如，邏輯晶圓521)中。亦應瞭解，根據本發明之教示，可使用被動或主動淬滅元件來實施實例性淬滅元件Q1至QN。淬滅元件605可耦合至複數個崩潰光電二極體像素中之個別像素(包含光電二極體603)以藉由降低一偏壓電壓來使崩潰淬滅。
在操作中，經由高於每一SPAD1至SPADN之擊穿電壓之一偏壓電壓VBIAS來反向偏壓每一SPAD1至SPADN。回應於在倍增接面處產生之一單一光生載子，觸發在每一SPAD1至SPADN之輸出處導致一崩潰電流之一崩潰倍增程序。此崩潰電流回應於跨越淬滅元件(例如，Q1至QN)形成之一電壓降而自淬滅，該電壓降致使跨越SPAD之偏壓電壓下降。在崩潰電流之淬滅之後，跨越SPAD之電壓恢復至高於偏 壓電壓且然後SPAD準備好再次被觸發。在一項實例中，每一SPAD1至SPADN之所得輸出脈衝可由一各別數位計數器1至N接收，該各別數位計數器回應於該所得輸出脈衝而使其計數遞增。在另一實例中，根據本發明之教示，可藉由定時電路來接收每一SPAD1至SPADN之所得輸出脈衝。
包含發明摘要中所闡述內容之本發明之所圖解說明實例之以上說明並非意欲為窮盡性或將本發明限制於所揭示之精確形式。儘管出於說明性目的而在本文中闡述本發明之特定實例及實例，但如熟習相關技術者將認識到，可在本發明之範疇內做出各種修改。
可根據以上詳細說明對本發明做出此等修改。以下申請專利範圍中所使用之術語不應理解為將本發明限制於說明書中所揭示之特定實例。而是，本發明之範疇將完全由以下申請專利範圍來判定，申請專利範圍將根據申請專利範圍解釋之既定原則加以理解。

Claims (23)

  1. 一種製造一崩潰光電二極體像素之方法，該方法包括：在具有一第一摻雜濃度之一第一經摻雜半導體層上生長一第二經摻雜半導體層，其中該第二經摻雜半導體層係以一第二摻雜濃度生長，且其中該第二經摻雜半導體層具有與該第一經摻雜半導體層相反之一多數電荷載子類型；在該第二經摻雜半導體層中形成具有一第三摻雜濃度之一經摻雜接觸區域，其中該第二經摻雜半導體層安置於該經摻雜接觸區域與該第一經摻雜半導體層之間，且其中該經摻雜接觸區域具有與該第二經摻雜半導體層相同之一多數電荷載子類型，且其中該第三摻雜濃度大於該第二摻雜濃度；及在該第二經摻雜半導體層中形成一保護環區域，其中該保護環區域具有與該第二經摻雜半導體層相反之一多數電荷載子類型，且其中該保護環區域延伸穿過該第二經摻雜半導體層並環繞該經摻雜接觸區域。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包括將一邏輯晶圓附接至該第二經摻雜半導體層，其中該第二經摻雜半導體層安置於該第一經摻雜半導體層與該邏輯晶圓之間。
  3. 如請求項1之方法，其進一步包括將該第一經摻雜半導體層薄化至小於一原始厚度之一厚度，其中該厚度使得入射於在該第一經摻雜半導體層與該第二經摻雜半導體層之間的一界面處界定之一倍增接面上之光子轉換為一可量測電流。
  4. 如請求項1之方法，其進一步包括：形成安置於該第一經摻雜半導體層上之一抗反射塗層；及形成一微透鏡層，其中該抗反射塗層安置於該第一經摻雜半 導體層與該微透鏡層之間。
  5. 如請求項4之方法，其進一步包括形成一彩色濾光器層，其中該彩色濾光器層安置於該抗反射塗層與該微透鏡層之間。
  6. 如請求項1之方法，其中該第一經摻雜半導體層係p型，該第二經摻雜半導體層係n型，且該經摻雜接觸區域係n型。
  7. 如請求項1之方法，其中該第一經摻雜半導體層係n型，該第二經摻雜半導體層係p型，且該經摻雜接觸區域係p型。
  8. 如請求項1之方法，其中在該第二經摻雜半導體層中，該保護環區域與該經摻雜接觸區域分離開一橫向距離。
  9. 如請求項1之方法，其進一步包括在該保護環區域內形成一第二經摻雜接觸區域，其中該第二經摻雜接觸區域具有與該保護環區域相同之一多數電荷載子類型，且其中該第二經摻雜接觸區域之一摻雜濃度大於該保護環區域之一摻雜濃度。
  10. 如請求項1之方法，其中藉由磊晶生長而形成該第一經摻雜半導體層及該第二經摻雜半導體層，且其中在一基板上生長該第一經摻雜半導體層及該第二經摻雜半導體層。
  11. 一種影像感測器系統製造方法，該方法包括：在一基板上形成一第一經摻雜半導體層，其中該第一經摻雜半導體層係以一第一摻雜濃度生長；在該第一經摻雜半導體層上形成一第二經摻雜半導體層，其中該第二經摻雜半導體層係以一第二摻雜濃度生長，且其中該第二經摻雜半導體層具有與該第一經摻雜半導體層相反之一多數電荷載子類型；形成複數個崩潰光電二極體像素，其中該複數個崩潰光電二極體像素包含安置於該第二經摻雜半導體層中之一經摻雜接觸區域，且其中該經摻雜接觸區域具有與該第二經摻雜半導體層 相同之一多數電荷載子類型且具有大於該第二經摻雜半導體層之一摻雜濃度；形成安置於該第二經摻雜半導體層中之一保護環區域，其中該保護環區域具有與該第二經摻雜半導體層相反之一多數電荷載子類型，且其中該保護環區域分離該複數個崩潰光電二極體像素中之個別像素；及將一邏輯晶圓連接至該第二經摻雜半導體層，其中該第二經摻雜半導體層安置於該邏輯晶圓與該第一經摻雜半導體層之間。
  12. 如請求項11之方法，其進一步包括：形成安置於該第一經摻雜半導體層上之一抗反射塗層；及形成一微透鏡層，其中該抗反射塗層安置於該第一經摻雜半導體層與該微透鏡層之間。
  13. 如請求項12之方法，其進一步包括形成一彩色濾光器層，其中該彩色濾光器層安置於該抗反射塗層與該微透鏡層之間。
  14. 如請求項11之方法，其進一步包括形成控制電路及讀出電路，其中該控制電路經耦合以控制該複數個崩潰光電二極體像素之操作，且其中該讀出電路經耦合以自該複數個崩潰光電二極體像素讀出影像資料。
  15. 如請求項14之方法，其進一步包括形成功能邏輯，該功能邏輯耦合至該讀出電路以儲存自該複數個崩潰光電二極體像素讀出之影像資料。
  16. 如請求項14之方法，其中該邏輯晶圓包含該控制電路及該讀出電路。
  17. 如請求項11之方法，其中將該複數個崩潰光電二極體像素配置成包括若干列及若干行之一成像陣列。
  18. 如請求項11之方法，其進一步包括移除該基板並將該第一經摻 雜半導體層薄化至小於一原始厚度之一厚度，其中該厚度使得入射於在該第一經摻雜半導體層與該第二經摻雜半導體層之間的一界面處界定之一倍增接面上之光子轉換為一可量測電荷。
  19. 如請求項11之方法，其進一步包括形成一淬滅元件，該淬滅元件耦合至該複數個崩潰光電二極體像素中之該等個別像素，以藉由降低一偏壓電壓來使崩潰淬滅。
  20. 如請求項11之方法，其進一步包括在該保護環區域內形成一第二經摻雜接觸區域，其中該第二經摻雜接觸區域具有與該保護環區域相同之一多數電荷載子類型，且其中該第二經摻雜接觸區域之一摻雜濃度大於該保護環區域之一摻雜濃度。
  21. 如請求項11之方法，其中藉由磊晶生長而形成該第一經摻雜半導體層及該第二經摻雜半導體層。
  22. 如請求項11之方法，其中該基板包括矽、氧化矽、金屬氧化物、SiGe、Ge或InGaAsP中之一者。
  23. 如請求項11之方法，其中藉由在該第一半導體層中進行摻雜劑植入或藉由在該第一半導體層上生長一帶電氧化物層而使該第一半導體層鈍化。
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