具有經(jīng)偏壓深溝槽隔離的增強型光子檢測裝置制造方法
【專利摘要】本申請案涉及具有經(jīng)偏壓深溝槽隔離的增強型光子檢測裝置。一種光子檢測裝置包含具有安置在半導(dǎo)體材料的第一區(qū)中的平面結(jié)的光電二極管。深溝槽隔離DTI結(jié)構(gòu)安置在所述半導(dǎo)體材料中。所述DTI結(jié)構(gòu)使所述DTI結(jié)構(gòu)的一側(cè)上的所述半導(dǎo)體材料的所述第一區(qū)與所述DTI結(jié)構(gòu)的另一側(cè)上的所述半導(dǎo)體材料的第二區(qū)隔離。所述DTI結(jié)構(gòu)包含襯在所述DTI結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)表面的電介質(zhì)層以及安置在所述DTI結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的所述電介質(zhì)層上的經(jīng)摻雜半導(dǎo)體材料。安置在所述DTI結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的所述經(jīng)摻雜半導(dǎo)體材料耦合到偏壓，以使所述半導(dǎo)體材料的所述第一區(qū)中的所述光電二極管與所述半導(dǎo)體材料的所述第二區(qū)隔離。
【專利說明】具有經(jīng)偏壓深溝槽隔離的增強型光子檢測裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大體上涉及光電二極管，且更具體地說，本發(fā)明是針對用于光子傳感器中 的光電二極管。
【背景技術(shù)】
[0002] 圖像捕獲裝置包含圖像傳感器和成像透鏡。所述成像透鏡將光聚焦到圖像傳感器 上以形成圖像，且圖像傳感器將光轉(zhuǎn)換成電信號。將電信號從圖像捕獲裝置輸出到主機電 子系統(tǒng)的其它組件。所述電子系統(tǒng)可為例如移動電話、計算機、數(shù)碼相機或醫(yī)療裝置。
[0003] 存在減小圖像傳感器的大小的持續(xù)需求，其導(dǎo)致具有相同分辨率的圖像傳感器的 較小像素單元?？捎糜趫D像傳感器中或光檢測器中的一種類型的光電檢測器為單光子雪崩 二極管（SPAD)。SPAD通常需要保護環(huán)或隔離來克服鄰近像素之間的過早邊緣擊穿和干擾 的問題。形成保護環(huán)或隔離的已知設(shè)計增加每一像素單元的面積且犧牲填充因子。此外， 因為圖像傳感器經(jīng)小型化，因此其中所含的像素單元遭受增加的暗電流速率。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本申請案提供一種光子檢測裝置，其包括：光電二極管，其具有安置在半導(dǎo)體材料 的第一區(qū)中的平面結(jié)；以及深溝槽隔離（DTI)結(jié)構(gòu)，其安置在所述半導(dǎo)體材料中，其中所述 DTI結(jié)構(gòu)將所述DTI結(jié)構(gòu)的一側(cè)上的所述半導(dǎo)體材料的所述第一區(qū)與所述DTI結(jié)構(gòu)的另一 側(cè)上的所述半導(dǎo)體材料的第二區(qū)隔離，其中所述DTI結(jié)構(gòu)包含：電介質(zhì)層，其襯在所述DTI 結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)表面；以及經(jīng)摻雜半導(dǎo)體材料，其安置在所述DTI結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的所述電介質(zhì)層上， 其中安置在所述DTI結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的所述經(jīng)摻雜半導(dǎo)體材料耦合到偏壓，以使所述半導(dǎo)體材料 的所述第一區(qū)中的所述光電二極管與所述半導(dǎo)體材料的所述第二區(qū)隔離。
[0005] 本申請案還提供一種光子感測系統(tǒng)，其包括：像素陣列，其具有多個像素單元，其 中所述多個像素單元中的每一者包含：光電二極管，其具有安置在半導(dǎo)體材料的第一區(qū)中 的平面結(jié)；以及深溝槽隔離（DTI)結(jié)構(gòu)，其安置在所述半導(dǎo)體材料中，其中所述DTI結(jié)構(gòu)使 所述DTI結(jié)構(gòu)的一側(cè)上的所述半導(dǎo)體材料的所述第一區(qū)與所述DTI結(jié)構(gòu)的另一側(cè)上的所述 半導(dǎo)體材料的第二區(qū)隔離，其中所述DTI結(jié)構(gòu)包含襯在所述DTI結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)表面的電介質(zhì) 層以及安置在所述DTI結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的所述電介質(zhì)層上的經(jīng)摻雜半導(dǎo)體材料，其中安置在所述 DTI結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的所述經(jīng)摻雜半導(dǎo)體材料耦合到偏壓，以使所述半導(dǎo)體材料的所述第一區(qū)中 的所述光電二極管與所述半導(dǎo)體材料的所述第二區(qū)隔離；控制電路，其耦合到所述像素陣 列以控制所述像素陣列的操作；以及讀出電路，其耦合到所述像素陣列，以從所述多個像素 單元讀出光子數(shù)據(jù)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006] 參考下圖來描述本發(fā)明的非限制且非詳盡實施例，其中除非另有指定，否則相同 參考標(biāo)號在各個視圖中始終指代相同部分。
[0007] 圖1是說明根據(jù)本發(fā)明教示的具有實例光子傳感器的光子感測系統(tǒng)的一個實例 的圖，所述實例光子傳感器包含具有經(jīng)偏壓深溝槽隔離的增強型光子檢測裝置。
[0008] 圖2是說明根據(jù)本發(fā)明教示的具有經(jīng)偏壓深溝槽隔離的增強型光子檢測裝置的 一個實例的橫截面圖。
[0009] 圖3說明根據(jù)本發(fā)明教示的包含具有經(jīng)偏壓深溝槽隔離的增強型光子檢測裝置 的光子傳感器302的一個實例的一部分的自上而下視圖。
[0010] 對應(yīng)參考字符在圖式的若干視圖中始終指示對應(yīng)組件。熟練的技術(shù)人員將了解， 圖中的元件是出于簡單性和清楚性而說明，且不一定按比例繪制。舉例來說，圖中的元件中 的一些的尺寸可相對于其它元件而放大，以幫助改進對本發(fā)明的各種實施例的理解。并且， 通常不描繪商業(yè)上可行實施例中有用或必要的常見但眾所周知的元件，以便促進本發(fā)明的 這些各種實施例的較清楚檢視。
【具體實施方式】
[0011] 在以下描述中，陳述大量具體細節(jié)以便提供對本發(fā)明的全面理解。然而，所屬領(lǐng)域 的技術(shù)人員將明白，無需使用特定細節(jié)來實踐本發(fā)明。在其它例子中，未詳細描述眾所周知 的材料或方法，以免模糊本發(fā)明。
[0012] 本說明書中對"一個實施例"、"一實施例"、"一個實例"或"一實例"的參考意味 著結(jié)合所述實施例或?qū)嵗枋龅奶囟ㄌ卣鳌⒔Y(jié)構(gòu)或特性包含于本發(fā)明的至少一個實施例 中。因此，短語"在一個實施例中"、"在一實施例中"、"一個實例"或" 一實例"在本說明書 中各個地方的出現(xiàn)不一定全部指代同一實施例或?qū)嵗?。此外，特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可在一 個或一個以上實施例或?qū)嵗幸匀魏魏线m組合和/或子組合來組合。特定特征、結(jié)構(gòu)或特 性可包含在提供所描述功能性的集成電路、電子電路、組合式邏輯電路或其它合適組件中。 另外，將了解，隨之提供的圖是出于向所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員進行闡釋的目的，且圖式不一定 按比例繪制。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明教示的實例描述根據(jù)本發(fā)明教示的包含具有經(jīng)偏壓深溝槽隔離的增 強型光子檢測裝置的光子傳感器。在一個實例中，經(jīng)偏壓深溝槽隔離結(jié)構(gòu)是電容型隔離結(jié) 構(gòu)。如將展示，在各種實例中，根據(jù)本發(fā)明教示的光子檢測裝置利用P增強型單光子雪崩二 極管（SPAD)結(jié)構(gòu)而無所需的保護環(huán)。另外，在各種實例中，根據(jù)本發(fā)明的教示，包含經(jīng)偏壓 深溝槽隔離（DTI)結(jié)構(gòu)，以在與已知隔離技術(shù)比較時使用少得多的面積來提供隔離，這允 許在光子傳感器中將像素更加靠近地放置在一起。在一個實例中，根據(jù)本發(fā)明的教示，用多 晶硅形成DTI，且可對DTI加偏壓以減少SPAD的光收集區(qū)域中的暗電流。此外，根據(jù)本發(fā)明 教示對經(jīng)偏壓DTI的利用允許SPAD與其淬熄電路分離，且允許SPAD和淬熄電路的阱在不 同電壓下加偏壓。
[0014] 為了說明，圖1是大體上展示根據(jù)本發(fā)明教示的包含具有像素單元110的實例像 素陣列102的光子感測系統(tǒng)100的一個實例的圖，所述像素單元110包含具有經(jīng)偏壓深溝 槽隔離的增強型光子檢測裝置。在一個實例中，像素單元110中的光子檢測裝置為背側(cè)照 明的。在另一實例中，像素單元110中的光子檢測裝置為前側(cè)照明的。如所描繪的實例中所 示，像素陣列102為光子檢測器或像素單元110的二維（2D)陣列（例如，像素 P1、P2、…、 Pn)。如所說明，每一像素110布置成行（例如，行R1到Ry)和列（例如，列C1到Cx)以獲 取光子數(shù)據(jù)。在另一實例中，將了解，根據(jù)本發(fā)明的教示，像素陣列102可為包含一行光子 檢測器或像素單元110的一維（1D)陣列。
[0015] 在一個實例中，每一像素110將光子事件轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號脈沖。在各種實例中，如 圖所示，可經(jīng)由讀出列112,通過讀出電路104讀出來自每一像素110的光子數(shù)據(jù)。在各種 實例中，讀出電路104包含計數(shù)器電路105,其經(jīng)耦合以接收用以對光子事件進行計數(shù)的光 子數(shù)據(jù)，其在從每一像素110接收的數(shù)字信號脈沖中指示。在各種實例中，讀出電路104還 可包含時間/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC)電路107,其耦合到計數(shù)器電路105,以記錄與從每一像素 110接收到的光子數(shù)據(jù)中的光子事件相關(guān)聯(lián)的光子時序信息。在一個實例中，接著將在一 個實例中包含計數(shù)和時序信息的光子數(shù)據(jù)傳送到功能邏輯106。功能邏輯106可簡單地存 儲光子數(shù)據(jù)，或可甚至通過執(zhí)行后處理和/或分析來操縱光子數(shù)據(jù)。在一個實例中，讀出電 路104可在一時間沿讀出列線（所說明）讀出一行光子數(shù)據(jù)，或可使用多種其它技術(shù)（未 說明）（例如，串行讀出或所有像素同時的全并行讀出）來讀出光子數(shù)據(jù)。
[0016] 在一個實例中，控制電路108耦合到像素陣列102,以控制像素陣列102的操作特 性。舉例來說，控制電路108可產(chǎn)生用于控制光子數(shù)據(jù)獲取的快門信號。在一個實例中，快 門信號為用于同時啟用像素陣列102內(nèi)的所有像素以在單個獲取窗期間同時捕獲其相應(yīng) 光子數(shù)據(jù)的全局快門信號。
[0017] 圖2是說明根據(jù)本發(fā)明教示的具有經(jīng)偏壓深溝槽隔離結(jié)構(gòu)的增強型光子檢測裝 置210的一個實例的橫截面圖。在一個實例中，圖2的光子檢測裝置210可用于圖1的像 素陣列102的像素單元110中。如圖2的實例中所示，光子檢測裝置210包含光電二極管 214,其具有安置在半導(dǎo)體材料216的第一區(qū)216A中的平面結(jié)240。在所描繪的實例中，光 電二極管214為單光子雪崩二極管（SPAD)，其具有界定于P型半導(dǎo)體材料216中的光電二 極管214的P摻雜區(qū)242與N摻雜區(qū)244之間的平面結(jié)240處的擊穿結(jié)，如圖所示。在一 個實例中，根據(jù)本發(fā)明的教示，P摻雜區(qū)242可被視為P增強型摻雜區(qū)。
[0018] 如所說明的實例中所示，光子檢測裝置210還包含一個或一個以上深溝槽隔離 (DTI)結(jié)構(gòu)222A、222B和222C，其安置在半導(dǎo)體材料216中。如圖2中所示，每一 DTI結(jié)構(gòu) 222A、222B和222C襯有薄電介質(zhì)層。在一個實例中，薄電介質(zhì)層包含二氧化硅（Si02)，或 另一合適絕緣材料。明確地說，實例圖2展示DTI結(jié)構(gòu)222A包含襯在DTI結(jié)構(gòu)222A的內(nèi) 側(cè)表面的薄電介質(zhì)層224A，DTI結(jié)構(gòu)222B包含襯在DTI結(jié)構(gòu)222B的內(nèi)側(cè)表面的薄電介質(zhì) 層224B，且DTI結(jié)構(gòu)222C包含襯在DTI結(jié)構(gòu)222C的內(nèi)側(cè)表面的薄電介質(zhì)層224C。
[0019] 另外，每一 DTI結(jié)構(gòu)222A、222B和222C填充有輕摻雜半導(dǎo)體材料。舉例來說，實 例圖2展示DTI結(jié)構(gòu)222A在電介質(zhì)層224A上填充有經(jīng)摻雜多晶硅226A，DTI結(jié)構(gòu)222B在 電介質(zhì)層224B上填充有經(jīng)摻雜多晶硅226B，且DTI結(jié)構(gòu)222C在電介質(zhì)層224C上填充有經(jīng) 摻雜多晶硅226C。
[0020] 圖2中所描繪的實例還展示每一 DTI結(jié)構(gòu)226A、226B和226C以偏壓232加偏壓。 明確地說，實例圖2展示DTI結(jié)構(gòu)222A通過金屬230A耦合到偏壓232, DTI結(jié)構(gòu)222B通過 金屬230B耦合到偏壓232,且DTI結(jié)構(gòu)222C通過金屬230C耦合到偏壓232。注意，在如所 描述每一 DTI結(jié)構(gòu)222A、222B和222C均填充有通過薄電介質(zhì)層與半導(dǎo)體材料分開的經(jīng)摻 雜半導(dǎo)體材料的情況下，提供電容型隔離結(jié)構(gòu)。
[0021] 在操作中，將了解，經(jīng)偏壓DTI結(jié)構(gòu)222A、222B和222C提供相應(yīng)經(jīng)偏壓DTI結(jié)構(gòu)的 相對側(cè)上的半導(dǎo)體材料216的區(qū)之間的隔離。為了說明，根據(jù)本發(fā)明的教示，經(jīng)偏壓DTI結(jié) 構(gòu)222B將位于圖2中的經(jīng)偏壓DTI結(jié)構(gòu)222B的左手側(cè)上的半導(dǎo)體材料216的第一區(qū)216A 與位于圖2中的經(jīng)偏壓DTI結(jié)構(gòu)222B的右手側(cè)上的半導(dǎo)體材料216的第二區(qū)216B隔離。 將了解，經(jīng)偏壓的DTI結(jié)構(gòu)222A、222B和222C與其它已知摻雜阱隔離解決方案相比需要少 得多的面積。因此，根據(jù)本發(fā)明的教示，在具有經(jīng)偏壓DTI結(jié)構(gòu)222A、222B和222C的半導(dǎo) 體材料216中，可將多個光電二極管214放置成彼此更靠近。在一個實例中，根據(jù)本發(fā)明的 教示，對經(jīng)偏壓DTI結(jié)構(gòu)222A、222B和222C加偏壓，以控制或減少光電二極管214的光收 集區(qū)域中的暗電流。在一個實例中，注意，根據(jù)本發(fā)明的教示，可進一步摻雜恰好與經(jīng)偏壓 DTI結(jié)構(gòu)相對的半導(dǎo)體材料，以進一步減少暗電流。
[0022] 如所描繪的實例中所示，光電二極管214適于用被引導(dǎo)穿過半導(dǎo)體材料216背側(cè) 228的光220來照明。在另一實例（未圖示）中，將了解，光電二極管214可適于用被引導(dǎo) 穿過半導(dǎo)體材料216前側(cè)的光220來照明。在圖2中所描繪的實例中，提供P增強型SPAD 光電二極管214,其具有相對較大的P摻雜區(qū)域，光220從背側(cè)228被引導(dǎo)穿過所述區(qū)域。P 增強型SPAD光電二極管214的擊穿結(jié)被界定于P摻雜區(qū)242與N摻雜區(qū)244之間的平面 PN結(jié)240處。在一個實例中，N摻雜硅區(qū)244中的摻雜密度朝N摻雜硅區(qū)244的邊緣逐漸減 小，這有助于減少在平面PN結(jié)240的邊緣處發(fā)生擊穿。在操作中，平面PN結(jié)240被反向偏 壓。在所說明的實例中，半導(dǎo)體材料216的第一區(qū)216A經(jīng)耦合以經(jīng)由P+加偏壓節(jié)點246A 在偏壓-Vopt234下加偏壓，且N摻雜區(qū)244經(jīng)耦合以在電壓Vdd238下加偏壓。因此，在所 說明的實例中，SPAD上的反向偏壓為Vdd+Vopt。因此，根據(jù)本發(fā)明的教示，用穿過半導(dǎo)體材 料216的背側(cè)228進入的光220產(chǎn)生的電子248可漂移經(jīng)過如圖所示的第一區(qū)216A的相 對較大的P摻雜區(qū)域到達反向加偏壓的平面PN結(jié)240,以觸發(fā)P增強型SPAD光電二極管 214中的擊穿。
[0023] 在圖2中所描繪的實例中，淬熄電路218安置在半導(dǎo)體材料216的第二區(qū)216B中， 第二區(qū)216B通過經(jīng)偏壓DTI結(jié)構(gòu)226B與半導(dǎo)體材料216的第一區(qū)216A隔離，如所論述。 淬熄電路218耦合到P增強型SPAD光電二極管214以限制P增強型SPAD光電二極管214 中的雪崩電流。然而，根據(jù)本發(fā)明的教示，通過以經(jīng)偏壓DTI結(jié)構(gòu)226B提供的隔離，使P增 強型SPAD光電二極管214的高場區(qū)與淬熄電路218隔離。
[0024] 將了解，圖2中所示的增強型光子檢測裝置210的另一特征是利用經(jīng)偏壓DTI結(jié) 構(gòu)226B來將P增強型SPAD光電二極管214與淬熄電路218隔離，是半導(dǎo)體材料216的P摻 雜區(qū)216A和216B可在不同電壓下加偏壓。為了說明，如圖2中所描繪的實例中所示，半導(dǎo) 體材料216的其中安置P增強型SPAD光電二極管214的第一區(qū)216A通過P+加偏壓節(jié)點 246A耦合到負電壓-Vopt234。半導(dǎo)體材料216的其中安置淬熄電路218的第二區(qū)216B通 過P+加偏壓節(jié)點246B耦合到接地GND，且P增強型SPAD光電二極管214的N摻雜區(qū)244 經(jīng)耦合以在電壓Vdd238下加偏壓，如圖所示。因此，根據(jù)本發(fā)明的教示，P增強型SPAD光 電二極管214上的反向偏壓為Vdd+Vopt，且P增強型SPAD光電二極管214的輸出信號與淬 熄電路218的操作電壓兼容。
[0025] 圖3說明展示根據(jù)本發(fā)明教示的包含具有經(jīng)偏壓深溝槽隔離的增強型光子檢測 裝置的實例光子傳感器302的一個實例的背側(cè)部分的自下而上視圖。如所描繪的實例中所 示，光子傳感器302包含安置在半導(dǎo)體材料316中的多個光電二極管314A、314B、314C和 314D。在一個實例中，圖3中所說明的所述多個光電二極管314A、314B、314C和314D中的 每一者大體上類似于上文在圖2中描述的P增強型SPAD光電二極管214。因此，光電二極 管314A包含界定于P摻雜半導(dǎo)體材料342A與N摻雜半導(dǎo)體材料344A之間的平面結(jié)，光電 二極管314B包含界定于P摻雜半導(dǎo)體材料342B與N摻雜半導(dǎo)體材料344B之間的平面結(jié)， 光電二極管314C包含界定于P摻雜半導(dǎo)體材料342C與N摻雜半導(dǎo)體材料344C之間的平 面結(jié)，且光電二極管314D包含界定于P摻雜半導(dǎo)體材料342D與N摻雜半導(dǎo)體材料344D之 間的平面結(jié)。
[0026] 如所描繪的實例中所示，光子傳感器302還包含經(jīng)偏壓DTI結(jié)構(gòu)322,其大體上類 似于圖2的經(jīng)偏壓DTI結(jié)構(gòu)222A、222B和222C。在圖3中所描繪的實例中，根據(jù)本發(fā)明的 教示，如圖所示，經(jīng)偏壓DTI結(jié)構(gòu)322布置在半導(dǎo)體材料316中且在半導(dǎo)體材料316中加偏 壓，以隔離每一 P增強型SPAD光電二極管314A、314B、314C和314D的高場區(qū)。明確地說，根 據(jù)本發(fā)明的教示，經(jīng)偏壓DTI結(jié)構(gòu)322布置在半導(dǎo)體材料316中，使得P增強型SPAD光電 二極管314A、314B、314C和314D中的每一者與P增強型SPAD光電二極管314A、314B、314C 和314D中的相鄰一者以及具有經(jīng)偏壓DTI結(jié)構(gòu)322的對應(yīng)支持電路元件分離。
[0027] 如圖3中所描繪的實例中所說明，根據(jù)本發(fā)明的教示，包含于光子傳感器302中的 另一特征為安置在半導(dǎo)體材料316中的加偏壓節(jié)點346在P增強型SPAD光電二極管314A、 314B、314C和314D中的每一者之間共享。因此，在圖3中所描繪的實例中，根據(jù)本發(fā)明的教 示，P增強型SPAD光電二極管314A、314B、314C和314D中的每一者安置在耦合到共享加偏 壓節(jié)點346的具有相同偏壓的半導(dǎo)體316中。
[0028] 因此，將了解，圖3的實例P增強型SPAD光電二極管314A、314B、314C和314D (以 及圖2的實例P增強型SPAD光電二極管214)不利用保護環(huán)或摻雜阱來進行隔離。因此， 可大大減小光子傳感器302中的像素單元大小。光子傳感器302的每一像素單元所需的減 小的面積改進了分辨率且降低了成本。還將了解，根據(jù)本發(fā)明的教示，歸因于淺溝槽隔離 (STI)與DTI之間的過程差異，本文所揭示的實例P增強型SPAD光電二極管的暗電流不會 因隨之描述的經(jīng)偏壓DTI結(jié)構(gòu)而增加。根據(jù)本發(fā)明的教示，減少的暗電流減少噪聲，且提供 對光子的較高敏感性。
[0029] 本發(fā)明的所說明實例的以上描述，包含發(fā)明摘要中所描述的內(nèi)容，無意為詳盡的 或限于所揭示的精確形式。雖然本文出于說明目的描述了本發(fā)明的特定實施例和實例，但 在不脫離本發(fā)明的較廣精神和范圍的情況下，各種等效修改是可能的。
[0030] 可根據(jù)以上詳細描述對本發(fā)明的實例進行這些修改。所附權(quán)利要求書中所使用的 術(shù)語不應(yīng)被解釋為將本發(fā)明限于說明書和權(quán)利要求書中所揭示的特定實施例。相反，范圍 將完全由所附權(quán)利要求書來確定，將根據(jù)所建立的權(quán)利要求詮釋教義來解釋所附權(quán)利要求 書。因此，本說明書和圖將被視為說明性的而不是限制性的。
【權(quán)利要求】
1. 一種光子檢測裝置，其包括： 光電二極管，其具有安置在半導(dǎo)體材料的第一區(qū)中的平面結(jié)；以及 深溝槽隔離DTI結(jié)構(gòu)，其安置在所述半導(dǎo)體材料中，其中所述DTI結(jié)構(gòu)將所述DTI結(jié)構(gòu) 的一側(cè)上的所述半導(dǎo)體材料的所述第一區(qū)與所述DTI結(jié)構(gòu)的另一側(cè)上的所述半導(dǎo)體材料 的第二區(qū)隔離，其中所述DTI結(jié)構(gòu)包含： 電介質(zhì)層，其襯在所述DTI結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)表面；以及 經(jīng)摻雜半導(dǎo)體材料，其安置在所述DTI結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的所述電介質(zhì)層上，其中安置在所述 DTI結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的所述經(jīng)摻雜半導(dǎo)體材料耦合到偏壓，以使所述半導(dǎo)體材料的所述第一區(qū)中 的所述光電二極管與所述半導(dǎo)體材料的所述第二區(qū)隔離。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子檢測裝置，其中所述半導(dǎo)體材料包含P摻雜硅，且所述平 面結(jié)包含安置為接近于所述半導(dǎo)體材料中的P摻雜硅區(qū)的N摻雜硅區(qū)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光子檢測裝置，其中所述平面結(jié)經(jīng)耦合以被反向偏壓，使得 電子從所述半導(dǎo)體材料中的所述P摻雜硅漂移到所述平面結(jié)中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光子檢測裝置，其中所述N摻雜硅區(qū)中的摻雜密度朝所述N 摻雜娃區(qū)的邊緣逐漸減小。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子檢測裝置，其中具有安置在所述半導(dǎo)體材料的所述第一 區(qū)中的所述平面結(jié)的所述光電二極管包含單光子雪崩二極管SPAD，其中安置在所述DTI結(jié) 構(gòu)中的所述經(jīng)摻雜半導(dǎo)體材料經(jīng)偏壓以減少所述SPAD的光收集區(qū)域中的暗電流。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光子檢測裝置，其進一步包括淬熄電路，其安置在所述半導(dǎo) 體材料的所述第二區(qū)中且耦合到所述SPAD以限制所述SPAD中的雪崩電流，其中安置在所 述DTI結(jié)構(gòu)中的所述經(jīng)摻雜半導(dǎo)體材料經(jīng)偏壓以使所述SPAD的高場區(qū)與所述淬熄電路隔 離。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光子檢測裝置，其中所述半導(dǎo)體材料的所述第一區(qū)耦合到第 一電壓以在所述第一電壓下對所述半導(dǎo)體材料的所述第一區(qū)加偏壓，其中所述半導(dǎo)體材料 的所述第二區(qū)耦合到第二電壓以在所述第二電壓下對所述半導(dǎo)體材料的所述第二區(qū)加偏 壓。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光子檢測裝置，其中所述光電二極管的所述平面結(jié)耦合到第 三電壓，其中所述光電二極管的所述平面結(jié)中的反向偏壓響應(yīng)耦合到所述第一區(qū)的所述第 一電壓和耦合到所述光電二極管的所述平面結(jié)的所述第三電壓。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光子檢測裝置，其進一步包括第二光電二極管，其包含安置 在所述半導(dǎo)體材料的所述第二區(qū)中的第二SPAD，其中安置在所述DTI結(jié)構(gòu)中的所述經(jīng)摻雜 半導(dǎo)體材料經(jīng)偏壓以使所述SPAD的高場區(qū)與所述第二SPAD的高場區(qū)隔離。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光子檢測裝置，其中所述半導(dǎo)體材料的所述第一和第二區(qū) 耦合到第一電壓，以在所述第一電壓下對所述半導(dǎo)體材料的所述第一和第二區(qū)加偏壓。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的光子檢測裝置，其中所述半導(dǎo)體材料包含耦合到所述半導(dǎo) 體材料的所述第一和第二區(qū)的共享加偏壓節(jié)點，其中所述共享加偏壓節(jié)點耦合到所述第一 電壓，以在所述第一電壓下對所述半導(dǎo)體材料的所述第一和第二區(qū)加偏壓。
12. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光子檢測裝置，其中所述SPAD適于從所述半導(dǎo)體材料的背 側(cè)照明。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子檢測裝置，其中襯在所述DTI結(jié)構(gòu)的所述內(nèi)側(cè)表面的所 述電介質(zhì)層包含二氧化硅。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子檢測裝置，其中安置在所述DTI結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的所述電介質(zhì) 層上的所述經(jīng)摻雜半導(dǎo)體材料包含經(jīng)輕摻雜多晶硅。
15. -種光子感測系統(tǒng)，其包括： 像素陣列，其具有多個像素單元，其中所述多個像素單元中的每一者包含： 光電二極管，其具有安置在半導(dǎo)體材料的第一區(qū)中的平面結(jié)；以及 深溝槽隔離DTI結(jié)構(gòu)，其安置在所述半導(dǎo)體材料中，其中所述DTI結(jié)構(gòu)使所述DTI結(jié)構(gòu) 的一側(cè)上的所述半導(dǎo)體材料的所述第一區(qū)與所述DTI結(jié)構(gòu)的另一側(cè)上的所述半導(dǎo)體材料 的第二區(qū)隔離，其中所述DTI結(jié)構(gòu)包含襯在所述DTI結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)表面的電介質(zhì)層以及安置 在所述DTI結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的所述電介質(zhì)層上的經(jīng)摻雜半導(dǎo)體材料，其中安置在所述DTI結(jié)構(gòu)內(nèi) 側(cè)的所述經(jīng)摻雜半導(dǎo)體材料耦合到偏壓，以使所述半導(dǎo)體材料的所述第一區(qū)中的所述光電 二極管與所述半導(dǎo)體材料的所述第二區(qū)隔離； 控制電路，其耦合到所述像素陣列以控制所述像素陣列的操作；以及 讀出電路，其耦合到所述像素陣列，以從所述多個像素單元讀出光子數(shù)據(jù)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的光子感測系統(tǒng)，其進一步包括功能邏輯，其耦合到所述讀 出電路以存儲從所述多個像素單元讀出的所述光子數(shù)據(jù)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的光子感測系統(tǒng)，其中所述讀出電路包含： 計數(shù)器電路，其經(jīng)耦合以接收所述光子數(shù)據(jù)以對從所述多個像素單元中的每一者接收 到的所述光子數(shù)據(jù)中的光子事件進行計數(shù)；以及 時間/數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路，其耦合到所述計數(shù)器電路以記錄與所述光子數(shù)據(jù)中的所述光 子事件相關(guān)聯(lián)的光子時序信息。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的光子感測系統(tǒng)，其中具有安置在所述半導(dǎo)體材料的所述第 一區(qū)中的所述平面結(jié)的所述光電二極管包含單光子雪崩二極管SPAD，其中安置在所述DTI 結(jié)構(gòu)中的所述經(jīng)摻雜半導(dǎo)體材料經(jīng)偏壓以減少所述SPAD的光收集區(qū)域中的暗電流。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的光子感測系統(tǒng)，其進一步包括淬熄電路，其安置在所述半 導(dǎo)體材料的所述第二區(qū)中且耦合到所述SPAD以限制所述SPAD中的雪崩電流，其中安置在 所述DTI結(jié)構(gòu)中的所述經(jīng)摻雜半導(dǎo)體材料經(jīng)偏壓以使所述SPAD的高場區(qū)與所述淬熄電路 隔離。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的光子感測系統(tǒng)，其中所述半導(dǎo)體材料的所述第一區(qū)耦合到 第一電壓以在所述第一電壓下對所述半導(dǎo)體材料的所述第一區(qū)加偏壓，其中所述半導(dǎo)體材 料的所述第二區(qū)耦合到第二電壓以在所述第二電壓下對所述半導(dǎo)體材料的所述第二區(qū)加 偏壓。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的光子感測系統(tǒng)，其中所述光電二極管的所述平面結(jié)耦合到 第三電壓，其中所述光電二極管的所述平面結(jié)中的反向偏壓響應(yīng)耦合到所述第一區(qū)的所述 第一電壓和耦合到所述光電二極管的所述平面結(jié)的所述第三電壓。
22. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的光子感測系統(tǒng)，其進一步包括第二光電二極管，其包含安 置在所述半導(dǎo)體材料的所述第二區(qū)中的第二SPAD，其中安置在所述DTI結(jié)構(gòu)中的所述經(jīng)摻 雜半導(dǎo)體材料經(jīng)偏壓以使所述SPAD的高場區(qū)與所述第二SPAD的高場區(qū)隔離。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的光子感測系統(tǒng)，其中所述半導(dǎo)體材料的所述第一和第二區(qū) 耦合到第一電壓，以在所述第一電壓下對所述半導(dǎo)體材料的所述第一和第二區(qū)加偏壓。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的光子感測系統(tǒng)，其中所述半導(dǎo)體材料包含耦合到所述半導(dǎo) 體材料的所述第一和第二區(qū)的共享加偏壓節(jié)點，其中所述共享加偏壓節(jié)點耦合到所述第一 電壓，以在所述第一電壓下對所述半導(dǎo)體材料的所述第一和第二區(qū)加偏壓。
25. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的光子感測系統(tǒng)，其中所述SPAD適于從所述半導(dǎo)體材料的背 側(cè)照明。
26. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的光子感測系統(tǒng)，其中襯在所述DTI結(jié)構(gòu)的所述內(nèi)側(cè)表面的 所述電介質(zhì)層包含二氧化硅。
27. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的光子感測系統(tǒng)，其中安置在所述DTI結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的所述電介 質(zhì)層上的所述經(jīng)摻雜半導(dǎo)體材料包含經(jīng)輕摻雜多晶硅。
【文檔編號】H01L27/146GK104103655SQ201310655864
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月1日
【發(fā)明者】張博微, 林志強 申請人:全視科技有限公司