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CN115461868A - 用于直接飞行时间传感器的spad像素电路及其方法 - Google Patents

用于直接飞行时间传感器的spad像素电路及其方法 Download PDF

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CN115461868A CN202180021474.2A CN202180021474A CN115461868A CN 115461868 A CN115461868 A CN 115461868A CN 202180021474 A CN202180021474 A CN 202180021474A CN 115461868 A CN115461868 A CN 115461868A
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康杨森
李爽
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Abstract

本发明总体上涉及感测器件。在具体实施例中，本发明提供了一种SPAD像素器件，该SPAD像素器件包括部分地围封n型材料的p型材料。p型材料与n型材料之间的结是三维的，并且包括水平区域和横向区域。SPAD像素器件还包括将SPAD像素器件与其它器件分离的隔离结构。也存在其它实施例。

Description

用于直接飞行时间传感器的SPAD像素电路及其方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年3月20日提交的标题为“SPAD PIXEL DESIGN FOR DIRECTTIME OF FLIGHT SENSOR”的第62/992,617号美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请为了所有目的而被共同拥有并以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及感测器件。
背景技术
集成微电子学的研发继续在传感器器件方面取得惊人的进展。存在光电二极管的许多示例。例如，光电二极管是p-n结或PIN结构。当足够能量的光子撞击二极管时，其产生电子空穴对。这种机制也被称为内光电效应。如果吸收发生在结的耗尽区中或者远离它的一个扩散长度中，则这些载流子被耗尽区的内置电场从结中扫除。因此，随着空穴朝向阳极移动(电子朝向阴极移动)，产生光电流。通过光电二极管的总电流是暗电流(在无光时生成的电流)与光电流的和，因此必须使暗电流最小化以使器件的灵敏度最大化。
光电二极管的另一示例被称为“雪崩光电二极管”。雪崩光电二极管是具有被优化用于以接近反向击穿电压的高反向偏压操作的结构的光电二极管。该雪崩光电二极管允许各个光生载流子被雪崩击穿倍增，从而导致光电二极管内的内部增益，这提高了器件的有效灵敏度。一种光电二极管-通常称为单光子雪崩二极管(Single-Photon AvalancheDiode，SPAD)器件-已经得到普及并被用于各种应用中，例如已经成为消费电子产品、汽车和其它应用的主流组件的LIDAR系统。
从以上可以看出，非常期望用于改进感测器件的技术。
发明内容
本发明总体上涉及感测器件。在具体实施例中，本发明提供了一种SPAD像素器件，该SPAD像素器件包括部分地围封n型材料的p型材料。p型材料与n型材料之间的结是三维的，并且包括水平区域和横向区域。SPAD像素器件还包括将SPAD像素器件与其它器件分离的隔离结构。也存在其它实施例。
根据实施例，本发明提供了一种背照式(backside-illuminated，BSI)单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diode，SPAD)传感器器件，该BSI SPAD传感器器件包括具有正侧和背侧的硅材料。器件还包括定位于硅材料内的第一深沟槽结构。器件还包括定位于硅材料内的第二深沟槽结构。器件还包括定位于背侧上并且在第一深沟槽结构与第二深沟槽结构之间的孔口。器件还包括具有第一顶部区域和第一底部区域的n型材料，第一底部区域与背侧接界。第一顶部区域可以包括第一侧壁和第二侧壁。n型材料由第一宽度表征。器件还包括直接耦合到n型材料并且定位于第一底部区域内的n型接触部。器件还包括具有第二顶部区域和第二底部区域的p型材料，第二底部区域围封第一顶部区域。p型材料由大于第一宽度的第二宽度表征。器件还包括构造在第一顶部区域与第二底部区域之间的界面处的结区。
器件可以包括与第一深沟槽结构交界的第一浅沟槽结构以及与第二深沟槽结构交界的第二浅沟槽结构。器件可以包括与第一浅沟槽结构交界的第一p型接触部和与第二浅沟槽结构交界的第二p型接触部。
器件可以包括构造在第一浅沟槽结构和正侧附近内的第一p型接触部。器件还可以包括构造在第二浅沟槽结构和正侧附近内的第二p型接触部。
器件可以包括定位于正侧附近内的p+区。器件可以包括构造在背侧附近内的多个光俘获结构。器件可以包括构造在正侧附近内的多个光俘获结构。结区可以包括雪崩区。器件首先可以包括部分地围封第一深沟槽结构的第一p阱结构和部分地围封第二深沟槽结构的第二p阱结构。硅材料可以包括外延生长的硅材料。器件可包括覆盖孔口的钝化层。p型材料由渐变的掺杂分布表征。器件可以包括部分覆盖n型材料的第一底部区域的n阱区。
根据另一实施例，本发明提供了一种单光子雪崩二极管(single-photonavalanche diode，SPAD)传感器器件。器件包括具有正侧和背侧的硅材料。器件还包括定位于硅材料内并且与背侧接界的第一隔离结构。器件还包括定位于硅材料内并且与背侧接界的第二隔离结构。器件还包括具有第一顶部区域和第一底部区域的n型材料，第一底部区域与背侧接界。第一顶部区域可以包括第一侧壁和第二侧壁。n型材料由第一宽度表征。器件还包括直接耦合到n型材料并且定位于第一底部区域内的n型接触部。器件还包括具有第二顶部区域和第二底部区域的p型材料。第二底部区域围封第一顶部区域。p型材料由大于第一宽度的第二宽度表征。器件还包括构造在第一顶部区域与第二底部区域之间的界面处的结区。
实现方式可以包括一个或多个以下特征。器件可以包括定位于背侧上并且在第一隔离结构与第二隔离结构之间的孔口。器件可以包括覆盖孔口和第一隔离结构的钝化层。第一隔离结构可以包括第一深沟槽结构和第一p阱结构，第一p阱结构部分地围封第一深沟槽结构。第二隔离结构可以包括第二深沟槽结构和第二p阱结构，第二p阱结构部分地围封第二深沟槽结构。器件可以包括与第一p阱结构交界的第一浅沟槽结构和与第二p阱结构交界的第二浅沟槽结构。
根据又一实施例，本发明提供了一种前照式(frontside illuminated，FSI)单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diode，SPAD)传感器。器件还包括具有正侧和背侧的硅材料。器件还包括定位于硅材料内的第一隔离结构。器件还包括定位于硅材料内的第二隔离结构。器件还包括定位于正侧上并且构造在第一隔离结构与第二隔离结构之间的孔口。器件还包括具有第一顶部区域和第一底部区域的n型材料，第一顶部区域与背侧接界。第一底部区域可以包括第一侧壁和第二侧壁。n型材料由第一宽度表征。器件还包括直接耦合到n型材料并且定位于第一顶部区域内的n型接触部。器件还包括具有第二顶部区域和第二底部区域的p型材料。第二顶部区域围封第一底部区域。p型材料由大于第一宽度的第二宽度表征。器件还包括构造在第一顶部区域与第二底部区域之间的界面处的结区。
在各种实施例中，第一隔离结构可以包括p阱区。
本发明实现了优于传统技术的许多益处。例如，本技术提供了一种依赖于传统技术的易于使用的工艺。在一些实施例中，该方法利用集成方法提供了每晶片管芯中的更高器件产量。另外，方法提供了与传统工艺技术兼容的工艺和系统，而无需对传统设备和工艺进行实质性修改。优选地，本发明提供了用于各种用途的改进的CMOS集成电路器件和有关方法。根据实施例，可以实现这些益处中的一者或多者。在本说明书中将更多地并且在下面将更具体地描述这些和其它益处。
本发明在已知技术的背景下实现了这些和其它益处。然而，通过参考说明书的后面部分和附图，可以实现对本发明的本质和优点的进一步理解。
附图说明
以下附图仅是示例，其不应不适当地限制本文的权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多其他变更、修改和替代。还应当理解，本文所述的示例和实施例仅用于说明性目的，并且本领域技术人员将想到根据示例和实施例的各种修改或变化，并且这些修改或变化将包括在该工艺的精神和范围以及所附权利要求的范围内。
图1A和图1B是例示了根据本发明实施例的BSI SPAD像素器件100的简化图。
图1C是例示了示例性SPAD像素器件的操作的简化图。
图1D是例示了根据本发明实施例的P-SPAD区域104和N-SPAD区域105的示例性掺杂浓度的简化图。
图2A和图2B是例示了根据本发明实施例的具有n阱区的BSI SPAD像素器件200的简化图。
图3A和图3B是例示了根据本发明实施例的具有保护环结构的BSI SPAD像素器件300的简化图。
图4是例示了根据本发明实施例的具有钝化层的BSI SPAD像素器件400的简化图。
图5是例示了根据本发明实施例的具有光俘获结构的BSI SPAD像素器件500的简化图。
图6是例示了根据本发明实施例的具有光俘获结构的BSI SPAD像素器件600的简化图。
图7是例示了根据本发明实施例的具有背侧接触部的BSI SPAD像素器件700的简化图。
图8是例示了根据本发明实施例的具有背侧接触部和光俘获结构的BSI SPAD像素器件800的简化图。
图9是例示了根据本发明实施例的BSI SPAD像素器件900的浅SPAD区域的简化图。
图10是例示了根据本发明实施例的具有部分深沟槽结构的BSI SPAD像素器件1000的简化图。
图11是例示了根据本发明实施例的FSI SPAD像素器件1100的简化图。
图12是例示了根据本发明实施例的SPAD像素器件1200的简化图。
具体实施方式
本发明总体上涉及感测器件。在具体实施例中，本发明提供了一种SPAD像素器件，该SPAD像素器件包括部分地围封n型材料的p型材料。p型材料与n型材料之间的结是三维的，并且包括水平区域和横向区域。SPAD像素器件还包括将SPAD像素器件与其它器件分离的隔离结构。也存在其它实施例。
提供以下描述以使本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，并将其并入在特定应用的背景中。各种修改以及在不同应用中的各种用途对于本领域技术人员将是显而易见的，并且本文定义的一般原理可以应用于广泛的实施例。因此，本发明不旨在限于所提出的实施例，而是要符合与本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。
在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说将显而易见的是，可以在不必限于这些具体细节的情况下实践本发明。在其它情况下，为了避免模糊本发明，公知的结构和器件以框图形式示出，而不是详细示出。
读者的注意力集中在与本说明书同时提交的所有论文和文献，并且这些论文和文献与本说明书一起公开以供公众查阅，所有这些论文和文献的内容以引用的方式并入本文。除非另外明确说明，否则本说明书(包括任意所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征可以由用于相同、等同或类似目的替代特征来替换。因此，除非另外明确说明，否则所公开的各个特征仅是一系列一般性等同或类似特征的一个示例。
此外，权利要求中没有明确地陈述“用于执行指定功能的装置”或“用于执行特定功能的步骤”的任何元素不应被解释为如35U.S.C.第112节第6段中指定的“装置”或“步骤”条款。特别地，在本文的权利要求中使用“……的步骤”或“……的动作”不旨在调用35U.S.C.112第6段的规定。
请注意，如果使用，则标记左、右、前、后、顶部、底部、正向、反向、顺时针和逆时针仅是为了方便的目的而使用，而不旨在暗示任何特定的固定方向。相反，它们用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。
图1A和图1B是例示了根据本发明实施例的BSI SPAD像素器件100的简化图。这些图仅提供了示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变更、替代和修改。更具体地，图1A是剖视图，图1B是鸟瞰图。在各种实施例中，BSI SPAD像素器件100制造于硅材料101内。例如，硅材料101可以通过外延生长工艺形成。如图所示，使用高温生长技术等生长范围从约3μm到约12μm的外延材料厚度。在一示例中，使用化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)工艺进行外延生长。在各种实施例中，SPAD像素器件100可以被配置在半导体衬底上，该半导体衬底包括用于互连许多SPAD像素器件的布线和电路。例如，p接触部(106A和106B)和n接触部(108)耦合到下面的电路(未示出)。作为示例，衬底可以是互补金属氧化物硅(complementary metal-oxide silicon，CMOS)衬底、空白或未图案化的衬底、图案化的混合衬底等。在一示例中，半导体衬底具有多个用于逻辑电路的CMOS单元，并且还可以包括多个存储单元、接口单元和其它电路元件。如图所示，衬底具有粘结区域和逻辑电路，其可以被配置为输出、猝熄、再充电电路等。当然，可以存在其他变更、修改和替代。
作为示例，在图1A中，硅材料的顶侧被称为“背侧”，而硅材料的底侧被称为“正侧”。术语“正”和“背”是指半导体晶片在制造工艺期间的正侧和背侧，在该制造工艺期间，在晶片的正侧上执行各种工艺。BSI SPAD是指光(例如光子)进入SPAD器件的一侧。孔口区域110位于SPAD器件100的背侧。如下所述，微透镜或其他类型的光学结构(例如纳米结构、抗反射涂层、滤色镜、带通滤波器等)可以配置在BSI SPAD像素器件100的孔口区域110上，并且这些光学结构帮助将入射光和信号光子引导至目标区域，该目标区域是n型材料105与p型材料104之间的结。钝化层(未示出)可以构造在孔口区域周围。在一个示例中，钝化层可以包括氧化物材料、高K电介质材料(例如Al2O3、HfO2、Ta2O5等)、氮化物材料(Si3N4、SiON等)、或聚酰亚胺材料、其组合等。
SPAD像素器件100由隔离结构围封，该隔离结构将器件100与相邻的SPAD像素器件分离。在各种实施例中，隔离结构包括深沟槽隔离(deep trench isolation DTI)结构。例如，DIT结构102A-D(图1B中示出)构成围封SPAD像素器件100的四个“壁”。在一实施例中，DTI结构包括填充材料、周围装料和周围绝缘材料。在一示例中，填充材料包括金属材料、半导体材料或绝缘材料。在优选的示例中，填充材料是钨。在一示例中，周围装料为Al2O3。取决于实现方式，也可以是其它材料。在一个示例中，周围绝缘材料包括氧化物或氮化物材料等。在一个示例中，周围绝缘材料是SiO2。
隔离结构可以另外包括p阱区103A-D。在各种实施例中，p阱区由硼的p型扩散表征。取决于实现方式，其它类型的材料也可以用于p型扩散。例如，p阱区可以通过在外延生长基底而不是衬底上由多个能量进行注入来形成。取决于实现方式，隔离结构——其看起来像像素器件100的四个边界壁——可以用DTI结构和/或p阱区来实现。在图1A中，DTI102A和102B从硅材料101的顶面一直延伸到浅沟槽隔离(shallow trench isolation，STI)结构107A和107B、以及与DTI结构102A和102B的下部接界的p阱区103A和103B。在某些实施例中(参见下面的图10)，DTI结构仅延伸到硅材料的中间区域，并且p阱区在DTI结构和STI结构之间延伸。在一些实现方式中，隔离结构可仅包括p阱区且不包括DTI结构。在各种实施例中，p阱区103A和103B可通过注入工艺形成，该工艺可使用从几百keV到几MeV的多个能量。p阱区可以穿过整个外延层厚度以提供钝化和隔离。
浅沟槽隔离结构107A和107B构造在深沟槽隔离下方。在一示例中，浅沟槽隔离可以包括氧化物材料作为填充物。取决于实现方式，STI结构107A和107B的宽度和其它尺寸相对于n型材料105的位置来配置。例如，STI结构相对于DTI结构在宽度范围内(即，大约相同的宽度或更窄)。p型接触部106A和106B(或者有时称为“P+”接触部)构造在硅材料101的底面处。p型接触部106A和106B将耦合到电路(例如用于读取SPAD像素器件的输出信号的像素控制电路)的金属接触部(例如铜、钨等)。如图所示的n型接触部108耦合到n型材料105。例如，n型接触部108和p型接触部106A和106B可以使用各种类型的注入材料(例如导电的注入硅)来构造。
SPAD像素器件的性能大部分通过其——在定位于p型材料104与n型材料105之间的雪崩区120处——收集光生载流子的能力来测量。例如，雪崩区是指在由p型材料104与n型材料105之间的界面限定的结的一定接近度内的区域。大的结区域转化为大的雪崩区域，其用于收集光生载流子，这转化为良好的性能。然而，难以维持结的大小，因为趋势是减小SPAD像素器件的大小(例如降至10μm以下)。因此，应当理解，本发明的实施例提供了一种增大p型材料104与n型材料105之间的结的大小的设计。例如，如图所示的p型材料104(可以称为“P-SPAD”)包括倒p阱。例如，P-SPAD可以通过注入工艺(例如用一个或多个注入能量)形成。如在各种实施例中实现的，p型材料104的区域与非均匀掺杂浓度分布相关联。例如，掺杂浓度在p型材料104与n型材料105交界处的有源结区附近最大。
如图所示，n型材料105可包括n阱。例如，n型材料105可被称为“N-SPAD”。N-SPAD可以通过注入工艺形成，该工艺可以使用多个注入能级。n型材料105的一重要方面是其尺寸：如图所示，n型材料105比p型材料104窄。p型材料104与n型材料105之间的结包括水平界面和垂直界面，如图1A所示。更具体地，p型材料104的底面与n型材料105的顶面交界。并且因为p型材料104更宽且围封n型材料105，所以n型材料105的顶部侧壁也与p型材料104交界。与传统设计相比，结界面的侧壁部分产生横向电场，并增加用于收集光生载流子的总面积。取决于实现方式，N-SPAD和P-SPAD的尺寸可以变化，但是P-SPAD的宽度总是大于N-SPAD的宽度，并且P-SPAD包括部分地围封N-SPAD的区域。
应当注意，使用注入工艺制造的N-SPAD 105和P-SPAD 104都具有非均匀的掺杂浓度。例如，p型材料104通过第一注入工艺形成，并且p型材料104由围绕中心的径向浓度梯度表征。在各种实施例中，P-SPAD 104从正面注入到硅中至少200nm，这是为了确保雪崩区远离正面并降低不期望的暗计数率(dark count rate，DCR)。即，从正面处的缺陷生成的载流子将不行进到雪崩区。在各种实施例中，P-SPAD 104可以具有从雪崩区120朝向背面的浓度梯度。这产生了更宽的P-SPAD区域和更高的电场。这种构造缩短了从外延区101到雪崩区120的载流子行进时间，并且使抖动更小。例如，P-SPAD 104中的浓度梯度可通过注入后退火生成；浓度梯度也可以通过在注入中使用多个能量来生成。
在各种实施例中，还通过第二注入工艺形成n材料105，并且将某些n型掺杂剂注入到p型材料的一部分中。n型注入离p阱区103A和103B至少1μm，以避免从p阱区103A和103B到n型接触部108而不通过雪崩区的直接载流子路径。n型材料105的放置也是为了避免雪崩区120从期望的结区延伸到正面。
例如，注入的p型材料包含硼材料，其浓度密度为1E15原子/cm3至1E18原子/cm3。例如，注入的n型材料包括磷实体或砷实体，其浓度密度为1E17原子/cm3至1E19原子/cm3。当然，可以存在其他变更、修改和替代。如图所示，注入的p型材料和注入的n型材料构造在像素元件的半导体衬底附近或粘结区域附近。
图1C是例示了示例性SPAD像素器件的操作的简化图。该图仅仅是一个示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变更、替代和修改。如图所示，光生载流子通过路径130(用短划线图案指示)行进到雪崩区120。由正面处的缺陷生成的载流子沿着路径131(由点划线图案指示)行进，并且它们不到达雪崩区120。应当理解，雪崩区120的横向区域可以显著地改善光子/载流子检测，而不拾取不期望的载流子。
图1D是例示了根据本发明实施例的P-SPAD区域104和N-SPAD区域105的示例性掺杂浓度的简化图。该图仅仅是一个示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变更、替代和修改。在各种实现方式中，P-SPAD 104使用产生径向浓度分布的注入工艺形成，如箭头150A-150E例示；即，(p型材料的)掺杂浓度在中心最大，掺杂浓度在区域151处低于在P-SPAD中心处的掺杂浓度，并且掺杂浓度在区域152处又低于151处的掺杂浓度。例如，径向浓度分布帮助雪崩区102捕获光生载流子。也存在其它益处。还应注意，N-SPAD 105可以是矩形立方体(如前所述)，因此与包括五个(一个顶部和四个侧面)结界面的P-SPAD 104共享界面，N-SPAD 105也可以构造为其他形状。例如，被P-SPAD104围封的N-SPAD 105的顶部区域可以是大致球形(或圆锥形)的形状，其不具有清晰的侧面，但是与P-SPAD 104共享大的结界面(并且因此大的雪崩区)。
图2A和图2B是例示了根据本发明实施例的具有n阱区的BSI SPAD像素器件200的简化图。这些图仅提供了示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变更、替代和修改。各种组件构造在硅材料201内，其可通过外延生长工艺形成。器件200的边界由隔离结构限定。例如，隔离结构可以包括DTI结构(202A和202B)和p阱结构(203A和203B)。器件200经由n接触部208和p接触部206A和206B耦合到半导体电路。雪崩区在p型材料204(“P-SPAD”)与n型材料205(“N-SPAD”)之间的结附近。结是三维结构，其包括水平界面区域和四个横向(侧壁)界面区域。结的三维性转化为能够有效地收集光生载流子的大雪崩区。
n阱结构209构造在n型材料205周围。例如，n阱结构209由1E16至1E18的掺杂浓度表征。应当理解，n阱结构209可通过减小横向电场来改进器件200的性能并降低不期望的DCR。
图3A和图3B是例示了根据本发明实施例的具有保护环结构的BSI SPAD像素器件300的简化图。这些图仅提供了示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变更、替代和修改。各种组件构造在硅材料301内，其可通过外延生长工艺形成。器件300的边界由隔离结构限定。例如，隔离结构可以包括DTI结构(202A和202B)和p阱结构(303A和303B)。隔离结构还可以包括STI结构307A和307B。器件300经由n接触部208和p接触部306A和306B耦合到半导体电路。雪崩区在p型材料304(“P-SPAD”)与n型材料305(“N-SPAD”)之间的结附近。结是三维结构，其包括水平界面区域和四个横向(侧壁)界面区域。结的三维性转化为能够有效地收集光生载流子的大雪崩区。n阱结构309构造在n型材料305周围。应当理解，n阱结构309可通过减小横向电场来改进器件300的性能并降低不期望的DCR。另外，保护环结构310(具有图3B所示的正方形形状)构造在n阱结构309周围，以减少n型接触部308与p型接触部306A和306B之间的不期望的路径。例如，保护环结构310在降低正面附近的不期望电场和降低DCR方面是有效的。
图4是例示了根据本发明实施例的具有钝化层的BSI SPAD像素器件400的简化图。该图仅仅是一示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变更、替代和修改。各种组件构造在硅材料401内，其可通过外延生长工艺形成。器件400的边界由隔离结构限定。例如，隔离结构可以包括DTI结构(402A和402B)和p阱结构(403A和403B)。隔离结构还可包括STI结构407A和407B。器件400经由n接触部408和p接触部406A和406B耦合到半导体电路。雪崩区在p型材料404(“P-SPAD”)与n型材料405(“N-SPAD”)之间的结附近。结是三维结构，其包括水平界面区域和四个横向(侧壁)界面区域。结的三维性转化为能够有效地收集光生载流子的大雪崩区。器件400还包括钝化层410。在一示例中，钝化层410包括氧化物材料、高K电介质材料(例如Al2O3、HfO2、Ta2O5等)、氮化物材料(Si3N4、SiON等)、或聚酰亚胺材料、其组合等。例如，钝化层410通过原子层沉积(atomiclayer deposition，ALD)工艺形成。
图5是例示了根据本发明实施例的具有光俘获结构的BSI SPAD像素器件500的简化图。该图仅仅是一示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变更、替代和修改。各种组件构造在硅材料501内，其可通过外延生长工艺形成。器件500的边界由隔离结构限定。例如，隔离结构可以包括DTI结构(502A和502B)和p阱结构(503A和503B)。隔离结构还可包括STI结构507A和507B。器件500经由n接触部508和p接触部506A和506B耦合到半导体电路。雪崩区在p型材料504(“P-SPAD”)与n型材料505(“N-SPAD”)之间的结附近。结是三维结构，其包括水平界面区域和四个横向(侧壁)界面区域。结的三维性允许能够有效地收集光生载流子的大雪崩区。器件400还包括钝化层510。
器件500还在正侧和背侧两者处包括光俘获结构。应当理解，背侧光俘获结构也可以构造为其他形状。器件500还包括正侧纳米结构(例如512A-512C)，其被配置用于光俘获。在某些实施例中，器件500还包括被配置用于器件500的正侧的金属反射器。
图6是例示了根据本发明实施例的具有光俘获结构的BSI SPAD像素器件600的简化图。该图仅仅是一示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变更、替代和修改。各种组件构造在硅材料601内，其可通过外延生长工艺形成。器件600的边界由隔离结构限定。例如，隔离结构可以包括DTI结构(602A和602B)和p阱结构(603A和603B)。隔离结构还可包括STI结构607A和607B。器件600经由n接触部608和p接触部606A和606B耦合到半导体电路。雪崩区在p型材料604(“P-SPAD”)与n型材料605(“N-SPAD”)之间的结附近。结是三维结构，其包括水平界面区域和四个横向(侧壁)界面区域。结的三维性允许能够有效地收集光生载流子的大雪崩区。
器件600还在正侧和背侧两者处包括光俘获结构。例如，背侧光俘获结构611覆盖器件600的孔口，并且由锯(seesaw)形表征。背侧光俘获结构611也可以构造为其它形状。器件600还包括正侧纳米结构(例如612A-612C)，其被配置用于光俘获。器件600还包括钝化层610。
图7是例示了根据本发明实施例的具有背侧接触部的BSI SPAD像素器件700的简化图。该图仅仅是一示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变更、替代和修改。各种组件构造在硅材料701内，其可通过外延生长工艺形成。器件700的边界由隔离结构限定。例如，隔离结构可以包括DTI结构(702A和702B)。器件还包括STI结构707A和707B。器件700经由n接触部708和p接触部706A和706B耦合到半导体电路。雪崩区在p型材料704(“P-SPAD”)与n型材料705(“N-SPAD”)之间的结附近。结是三维结构，其包括水平界面区域和四个横向(侧壁)界面区域。结的三维性转化为能够有效地收集光生载流子的大雪崩区。器件700还包括钝化层710。
p型区712构造在器件700的背侧附近。应当注意，p接触部706A和706B构造在器件700的背侧上。在p接触部远离n接触部708和n型材料705定位的情况下，N-SPAD 705的宽度可以更大(例如与N-SPAD 805相比)，这可以转化为更大的结区域和更大的雪崩区。器件700还包括钝化层710。在一示例中，钝化层710包括氧化物材料、高K电介质材料(例如Al2O3、HfO2、Ta2O5等)、氮化物材料(Si3N4、SiON等)、或聚酰亚胺材料、其组合等。
图8是例示了根据本发明实施例的具有背侧接触部和光俘获结构的BSI SPAD像素器件800的简化图。该图仅仅是一示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变更、替代和修改。各种组件构造在硅材料801内，其可通过外延生长工艺形成。器件800的边界由隔离结构限定。例如，隔离结构可以包括DTI结构(802A和802B)。器件还包括STI结构707A和707B。器件800经由n接触部808和p接触部806A和806B耦合到半导体电路。雪崩区在p型材料804(“P-SPAD”)与n型材料805(“N-SPAD”)之间的结附近。结是三维结构，其包括水平界面区域和四个横向(侧壁)界面区域。结的三维性转化为能够有效地收集光生载流子的大雪崩区。
可以注入的p型区812构造在器件800的背侧附近。p接触部806A和806B构造在器件700的背侧上。在p接触部远离n接触部808和n型材料805定位的情况下，N-SPAD 805的宽度可以更大(例如与N-SPAD 805相比)，这可以转化为更大的结区域和更大的雪崩区。器件800还包括钝化层810。在一个示例中，钝化层810包括氧化物材料、高K电介质材料(例如Al2O3、HfO2、Ta2O5等)、氮化物材料(Si3N4、SiON等)、或聚酰亚胺材料、其组合等。器件800还在正侧和背侧两者处包括光俘获结构。例如，背侧光俘获结构811覆盖器件800的孔口，并且其由锯(seesaw)形表征。背侧光俘获结构811也可以构造为其它形状。器件800还包括正侧纳米结构(例如812A-812C)，其被配置用于光俘获。器件800还包括钝化层810。
图9是例示了根据本发明实施例的BSI SPAD像素器件900的浅SPAD区域的简化图。该图仅仅是一示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变更、替代和修改。各种组件构造在硅材料901内，其可通过外延生长工艺形成。器件900的边界由隔离结构限定。例如，隔离结构可以包括DTI结构(902A和902B)和p阱结构(903A和903B)。器件900经由n接触部908和p接触部907A和907B耦合到半导体电路。雪崩区在p型材料904(“P-SPAD”)与n型材料905(“N-SPAD”)之间的结附近。如图9中可以看到的，P-SPAD 904和N-SPAD 905由低分布(例如与P-SPAD 904和N-SPAD 905相比)表征。结是三维结构，其包括水平界面区域和四个横向(侧壁)界面区域。结的三维性转化为能够有效地收集光生载流子的大雪崩区。器件900还包括钝化层910。在一示例中，钝化层910包括氧化物材料、高K电介质材料(例如Al2O3、HfO2、Ta2O5等)、氮化物材料(Si3N4、SiON等)、或聚酰亚胺材料、其组合等。例如，钝化层910通过原子层沉积(ALD)工艺形成。器件900还包括钝化层910。
图10是例示了根据本发明实施例的具有部分深沟槽结构的BSI SPAD像素器件1000的简化图。该图仅仅是一示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变更、替代和修改。各种组件构造在硅材料1001内，其可通过外延生长工艺形成。器件1000的边界由隔离结构限定。例如，隔离结构可以包括DTI结构(1002A和1002B)和p阱结构(1003A和1003B)。例如，DTI结构1002A和1002B从器件1000的背侧形成，并且它们不会一直向下到达正侧：它们与相应的p阱结构1003A和1004B交界。器件1000经由n接触部1008和p接触部1007A和1007B耦合到半导体电路。雪崩区接近p型材料1004(“P-SPAD”)与n型材料1005(“N-SPAD”)之间的结。结是三维结构，其包括水平界面区域和四个横向(侧壁)界面区域。结的三维性允许能够有效地收集光生载流子的大雪崩区。
器件1000还在正侧和背侧两者处包括光俘获结构。例如，背侧光俘获结构覆盖器件1000的孔口，并包括如图所示的纳米结构1011A-C。在各种实施例中，纳米结构1011A-C将光子保持在像素器件内部，并且增加这些光子将收集的机会。应当理解，背侧光俘获结构也可以构造为其他形状。器件1000还包括正侧纳米结构(例如1012A-1012C)，其被配置用于光俘获。器件1000还包括钝化层1010。
图11是例示了根据本发明实施例的FSI SPAD像素器件1100的简化图。该图仅仅是一示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变更、替代和修改。如上所述，术语“正面大小”是指在制造工艺期间的半导体晶片的正侧或顶侧，并且正侧在图11中的器件1100的底部。器件1100的FSI构造意味着孔口(光子进入器件1100的位置)在正侧(图11中器件1100的底部)。在各种实施例中，器件1100的边界由隔离结构限定。例如，隔离结构包括如图所示的DTI结构(1103A和1103B)。例如，隔离结构还可以包括如图所示的STI结构(1102A和1102B)。例如，DTI结构1102A和1102B从器件1100的正侧形成，并且它们不一直穿过外延层。器件1100经由n接触部1108和p接触部1106A和1170B耦合到半导体电路。雪崩区接近p型材料1109(“P-SPAD”)与n型材料1007(“N-SPAD”)之间的结。结是三维结构，其包括水平界面区域和四个横向(侧壁)界面区域。结的三维性允许能够有效地收集光生载流子的大雪崩区。
图12是例示了根据本发明实施例的SPAD像素器件1200的简化图。该图仅仅是一示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变更、替代和修改。除了其它结构之外，器件1200还包括硅材料1201。例如，硅材料1201可以通过外延生长工艺形成。器件1200通过隔离结构1202A和1202B与其它SPAD像素器件(此处未示出)分开。取决于实现方式，隔离结构可以包括DTI、STI、p阱和/或其它结构。孔口区域1210构造在表面处并且在隔离结构之间。例如，各种光学结构或隔离层可以构造在孔口区域1210处。如图所示的n型材料区(或“N-SPAD”)1204与p型材料区(或“P-SPAD”)1205并排构造。例如，N-SPAD 1204和P-SPAD 1205可以通过注入或其它工艺形成。雪崩区1210形成在N-SPAD 1204与P-SPAD 1205之间的结附近。如图所示，p型接触部1208构造在P-SPAD 1205附近的位置。如图12所示，N-SPAD 1204的特征在于底部区域围封P-SPAD 1205的一部分的体积——N-SPAD 1204的底部区域大于N-SPAD 1205的顶部区域。如上所述，与现有SPAD设计相比，雪崩区的三维性允许改善载流子捕获。应当理解，代替部分地围封N-SPAD的P-SPAD——如图1至图11例示——器件1200具有部分地围封P-SPAD的N-SPAD。器件1200的变型可以包括其其他结构和布置，例如不同的隔离和接触构造、以及光学结构(钝化层、光学元件、反射器等)。
虽然以上是对具体实施例的完整描述，但是可以使用各种修改、替代构造和等同物。因此，上述描述和说明不应被认为是对本发明范围的限制，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (20)

1.一种背照式(BSI)单光子雪崩二极管(SPAD)传感器器件，包括：
硅材料，其具有正侧和背侧；
第一深沟槽结构，其定位于所述硅材料内；
第二深沟槽结构，其定位于所述硅材料内；
孔口，其定位于所述背侧上并且在所述第一深沟槽结构与所述第二深沟槽结构之间；
n型材料，其具有第一顶部区域和第一底部区域，所述第一底部区域与所述背侧接界，所述第一顶部区域包括第一侧壁和第二侧壁，所述n型材料由第一宽度表征；
n型接触部，其直接耦合到所述n型材料并且定位于所述第一底部区域内；
p型材料，其具有第二顶部区域和第二底部区域，所述第二底部区域围封所述第一顶部区域，所述p型材料由第二宽度表征，所述第二宽度大于所述第一宽度；以及
结区，其构造在所述第一顶部区域与所述第二底部区域之间的界面处。
2.根据权利要求1所述的器件，还包括与所述第一深沟槽结构交界的第一浅沟槽结构以及与所述第二深沟槽结构交界的第二浅沟槽结构。
3.根据权利要求2所述的器件，还包括与所述第一浅沟槽结构交界的第一p型接触部和与所述第二浅沟槽结构交界的第二p型接触部。
4.根据权利要求2所述的器件，还包括：
第一p型接触部，其构造在所述第一浅沟槽结构和所述正侧附近内；以及
第二p型接触部，其构造在所述第二浅沟槽结构和所述正侧附近内。
5.根据权利要求1所述的器件，还包括定位于所述正侧附近内的P+区。
6.根据权利要求1所述的器件，还包括构造在所述背侧附近内的多个光俘获结构。
7.根据权利要求1所述的器件，还包括构造在所述正侧附近内的多个光俘获结构。
8.根据权利要求1所述的器件，其中，所述结区包括雪崩区。
9.根据权利要求1所述的器件，首先包括部分地围封所述第一深沟槽结构的第一P阱结构和部分地围封所述第二深沟槽结构的第二P阱结构。
10.根据权利要求1所述的器件，其中，所述硅材料包括外延生长的硅材料。
11.根据权利要求1所述的器件，还包括覆盖所述孔口的钝化层。
12.根据权利要求1所述的器件，其中，所述p型材料由渐变的掺杂分布表征。
13.根据权利要求1所述的器件，还包括部分地覆盖所述n型材料的所述第一底部区域的N阱区。
14.一种单光子雪崩二极管(SPAD)传感器器件，包括：
硅材料，其具有正侧和背侧；
第一隔离结构，其定位于所述硅材料内并且与所述背侧接界；
第二隔离结构，其定位于所述硅材料内并且与所述背侧接界；
n型材料，其具有第一顶部区域和第一底部区域，所述第一底部区域与所述背侧接界，所述第一顶部区域包括第一侧壁和第二侧壁，所述n型材料由第一宽度表征；
n型接触部，其直接耦合到所述n型材料并且定位于所述第一底部区域内；
p型材料，其具有第二顶部区域和第二底部区域，所述第二底部区域围封所述第一顶部区域，所述p型材料由第二宽度表征，所述第二宽度大于所述第一宽度；以及
结区，其构造在所述第一顶部区域与所述第二底部区域之间的界面处。
15.根据权利要求14所述的器件，还包括定位于所述背侧上并且在所述第一隔离结构与所述第二隔离结构之间的孔口。
16.根据权利要求15所述的器件，还包括覆盖所述孔口和所述第一隔离结构的钝化层。
17.根据权利要求14所述的器件，其中，
所述第一隔离结构包括第一深沟槽结构和第一p阱结构，所述第一p阱结构部分地围封所述第一深沟槽结构；并且
所述第二隔离结构包括第二深沟槽结构和第二p阱结构，所述第二p阱结构部分地围封所述第二深沟槽结构。
18.根据权利要求17所述的器件，还包括与所述第一p阱结构交界的第一浅沟槽结构和与所述第二p阱结构交界的第二浅沟槽结构。
19.一种前照式(FSI)单光子雪崩二极管(SPAD)传感器器件，包括：
硅材料，其具有正侧和背侧；
第一隔离结构，其定位于所述硅材料内；
第二隔离结构，其定位于所述硅材料内；
孔口，其定位于所述正侧上并且构造在所述第一隔离结构与所述第二隔离结构之间；
n型材料，其具有第一顶部区域和第一底部区域，所述第一顶部区域与所述背侧接界，所述第一底部区域包括第一侧壁和第二侧壁，所述n型材料由第一宽度表征；
n型接触部，其直接耦合到所述n型材料并且定位于所述第一顶部区域内；
p型材料，其具有第二顶部区域和第二底部区域，所述第二顶部区域围封所述第一底部区域，所述p型材料由第二宽度表征，所述第二宽度大于所述第一宽度；以及
结区，其构造在所述第一顶部区域与所述第二底部区域之间的界面处。
20.根据权利要求19所述的器件，其中，所述第一隔离结构包括p阱区。
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