具有护圈区域反射结构的背照式图像传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及光检测器，且更具体来说，本发明针对包含单光子雪崩二极管成像传感器的成像系统。
【背景技术】
[0002]图像传感器已变得无所不在。图像传感器在数码静态相机、蜂窝式电话、监控摄像机、以及医疗、汽车及其它应用中广泛使用。用于制造图像传感器及(特定来说)互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)的技术继续大幅进步。举例来说，对高分辨率和低功率消耗的需求已促使这些图像传感器的进一步小型化及集成。
[0003]其中大小和图像质量特别重要的两个应用领域是医疗成像和汽车应用。对于这些应用，图像传感器芯片通常必须提供可见光谱中的高质量图像，并且具有光谱的红外部分及近红外部分中的改进的灵敏度。
【发明内容】
[0004]本发明的实施例的一个方面涉及一种光子检测器，其包括:单光子雪崩二极管(SPAD)，其接近第一半导体层的前侧而安置，其中所述SPAD包含在所述第一半导体层中界定在所述SPAD的η掺杂层与ρ掺杂层之间的界面处的倍增结，其中所述倍增结经反向偏置而高于击穿电压，使得被透过所述第一半导体层的背侧引导到所述SPAD中的光在所述倍增结中触发雪崩倍增过程；护圈，其在所述第一半导体层中的护圈区域中接近所述SPAD而安置，其中所述护圈围绕所述SPAD以在所述第一半导体中隔离所述SPAD ;以及护圈区域反射结构，其在所述护圈区域中接近所述护圈且接近所述第一半导体层的所述前侧而安置，使得绕过所述SPAD被透过所述第一半导体层的所述背侧引导到所述护圈区域中的光被所述护圈区域反射结构重新引导回到所述第一半导体层中且引导到所述SPAD中。
[0005]本发明的实施例的另一方面涉及一种成像传感器系统，其包括:像素阵列，其具有安置在第一半导体层中的多个像素单元，其中所述多个像素单元中的每一者包含:单光子雪崩二极管(SPAD)，其接近第一半导体层的前侧而安置，其中所述SPAD包含在所述第一半导体层中界定在所述SPAD的η掺杂层与ρ掺杂层之间的界面处的倍增结，其中所述倍增结经反向偏置而高于击穿电压，使得被透过所述第一半导体层的背侧引导到所述SPAD中的光在所述倍增结中触发雪崩倍增过程；护圈，其在所述第一半导体层中的护圈区域中接近所述SPAD而安置，其中所述护圈围绕所述SPAD以在所述第一半导体层中隔离所述SPAD ;以及护圈区域反射结构，其在所述护圈区域中接近所述护圈且接近所述第一半导体层的所述前侧而安置，使得绕过所述SPAD被透过所述第一半导体层的所述背侧引导到所述护圈区域中的光被所述护圈区域反射结构重新引导回到所述第一半导体层中且引导到所述SPAD中；控制电路，其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作；以及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素单元读出图像数据。
【附图说明】
[0006]参看以下图式描述本发明的非限制性且非详尽的实施例，图式中除非另有说明，否则在各个视图中相同参考数字均指代相同部件。
[0007]图1是根据本发明的教示的实例单光子雪崩二极管(SPAD)成像传感器系统的具有集成电路裸片的堆叠半导体装置晶片的一个实例的分解图。
[0008]图2是说明根据本发明的教示的堆叠芯片系统的一个实例的电路图，堆叠芯片系统包含光子检测器和计数器电路，所述光子检测器具有耦合到淬熄元件的SPAD。
[0009]图3是根据本发明的教示的在堆叠芯片系统的半导体装置晶片中实施的光子检测器的一个实例的横截面图，所述堆叠芯片系统包含由护圈围绕的SPAD以及包含在半导体的金属层中的实例护圈区域反射结构加上实例SPAD区域反射结构。
[0010]图4是根据本发明的教示的包含在堆叠芯片系统的半导体装置晶片的金属层中的护圈区域反射结构加上实例SPAD区域反射结构的一个实例的仰视图/俯视图。
[0011]图5是展示具有根据本发明的教示的具有实例SPAD成像传感器系统的集成电路系统的一个实例的框图。
[0012]贯穿图式的数个视图，对应参考符号指示对应组件。技术人员将理解，为了简明清晰而说明图中的元件，且所述元件不一定按比例绘制。举例来说，图中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件有所夸示，以帮助提改进本发明的各个实施例的理解。而且，未描绘对于在商业上可行的实施例中有用或必需的常见但好理解的元件以促进对本发明的这些各种实施例的较少阻碍的查看。
【具体实施方式】
[0013]在以下描述中，陈述许多特定细节以提供对本发明的彻底了解。然而，对于所属领域的普通技术人员将显而易见的是，不需要使用特定细节以实践本发明。在其它例子中，未详细描述众所周知的材料或方法以避免使本发明模糊不清。
[0014]贯穿本说明书对“一个实施例”、“一实施例”、“一个实例”或“一实例”的引用意味着结合所述实施例或实例而描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书的各处出现的短语“在一个实施例中”、“在一实施例中”、“一个实例”或“一实例”不一定全部指代相同的实施例或实例。此外，在一或多个实施例或实例中，特定特征、结构或特性可以任何适宜的组合及/或子组合进行组合。特定特征、结构或特性可包含在集成电路、电子电路、组合逻辑电路中，或提供所描述功能性的其它适宜组件中。另外，应了解，在此提供的图式是出于向所属领域的普通技术人员进行解释的目的，且所述图式不一定按比例绘制。
[0015]在典型的图像传感器中，入射红外或近红外光的显著部分可传播通过图像传感器的半导体材料(例如，硅)而不被吸收。为帮助增大被吸收的红外或近红外光的量，通常需要较厚的硅。然而，存在折衷选择，这是因为典型的图像传感器的半导体材料通常被薄化以便提高可见光性能，这使图像传感器的红外或近红外性能降级。具有包含单光子雪崩二极管(SPAD)的光子检测器的背照式所面临的额外挑战是:归因于围绕SPAD的护圈占据成像传感器的半导体层中的可用面积中的一些，SPAD成像系统的填充因数不是100%。护圈区域不如SPAD的高场p/n+结对光敏感且具有比SPAD的高场p/n+结更差的时序分辨率。
[0016]因此，如下文将描述，根据本发明的教示，根据本发明的教示的实例堆叠芯片成像传感器系统以具有护圈区域反射结构的背照式SPAD为特征，护圈区域反射结构在护圈区域和金属层中接近在半导体层的前侧围绕SPAD的护圈而安置，使得绕过SPAD被透过半导体层的背侧引导到护圈区域中的光被护圈区域反射结构重新引导回到半导体层中且引导到SPAD中由SPAD进行吸收。
[0017]为进行说明，图1是堆叠装置晶片100和100’的分解图，装置晶片100和100’结合在一起以形成根据本发明的教示的堆叠芯片集成电路成像传感器系统102的一个实例。装置晶片100和100’可包含硅、砷化镓或其它合适半导体材料。在所说明的实例中，装置晶片100包含半导体芯片111到119，而装置晶片100