堆疊芯片spad圖像傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]此申請(qǐng)案涉及圖像傳感器，更明確地說(shuō)涉及單光子雪崩二極管圖像傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像傳感器已變得普遍存在。其廣泛地用于數(shù)碼靜態(tài)相機(jī)、蜂窩式電話、安全攝像機(jī)以及醫(yī)療、汽車及其它應(yīng)用中。用于制造圖像傳感器的技術(shù)一直持續(xù)快速地發(fā)展。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)較高分辨率及較低電力消耗的需求已促進(jìn)了這些圖像傳感器的進(jìn)一步小型化及集成。
[0003]可在圖像傳感器中或在光檢測(cè)器中使用的一種類型的光電檢測(cè)器是單光子雪崩二極管(SPAD)。SPAD(還稱為蓋革(Geiger)模式雪崩光電二極管(G-APD))是能夠檢測(cè)低強(qiáng)度信號(hào)(例如，與單個(gè)光子一樣低)的固態(tài)光電檢測(cè)器。SPAD成像傳感器是由制作于娃襯底上的SPAD區(qū)域的陣列組成的半導(dǎo)體光敏裝置。所述SPAD區(qū)域在由光子撞擊時(shí)產(chǎn)生輸出脈沖。所述SPAD區(qū)域具有高于崩潰電壓而反向偏置的p-n結(jié)，使得單個(gè)光生載流子可觸發(fā)致使光子檢測(cè)單元的輸出處的電流迅速地達(dá)到其最終值的雪崩倍增過(guò)程。此雪崩電流繼續(xù)直到使用淬火元件通過(guò)減小偏置電壓來(lái)淬火雪崩過(guò)程為止。由圖像傳感器接收的光子信號(hào)的強(qiáng)度是通過(guò)計(jì)數(shù)這些輸出脈沖在一時(shí)間窗內(nèi)的數(shù)目而獲得。因此，成像傳感器的讀出電路中可包含一或多個(gè)計(jì)數(shù)器。
[0004]然而，常規(guī)SPAD成像傳感器具有有限填充因子，這是因?yàn)橛?jì)數(shù)器占據(jù)了半導(dǎo)體襯底上的寶貴空間。此外，在傳統(tǒng)CMOS工藝中形成SPAD導(dǎo)致在SPAD性能與晶體管性能之間不得不做出不期望折衷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本申請(qǐng)案揭示一種成像傳感器系統(tǒng)，其包括:第一晶片的第一半導(dǎo)體層；單光子雪崩二極管(SPAD)成像陣列，其形成于所述第一半導(dǎo)體層中，其中所述SPAD成像陣列包含N數(shù)目個(gè)像素，每一像素包含形成于所述第一半導(dǎo)體層的前側(cè)中的SPAD區(qū)域，且其中每一SPAD區(qū)域經(jīng)配置以接收來(lái)自所述第一半導(dǎo)體層的背側(cè)的光子；第一互連層，其安置于所述第一半導(dǎo)體層的所述前側(cè)上；第二晶片的第二半導(dǎo)體層；第二互連層，其安置于所述第二半導(dǎo)體層上，其中所述第一晶片在所述第一互連層與所述第二互連層之間的接合界面處接合到所述第二晶片；及多個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器，其形成于所述第二半導(dǎo)體層中且借助于所述第一互連層及所述第二互連層電耦合到所述SPAD成像陣列，其中所述多個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器包含至少N數(shù)目個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器，其中所述N數(shù)目個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器中的每一者經(jīng)配置以對(duì)由相應(yīng)SPAD區(qū)域產(chǎn)生的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。
[0006]本申請(qǐng)案進(jìn)一步揭示一種集成電路系統(tǒng)，其包括:第一晶片，其具有多個(gè)第一裸片，每一第一裸片包含:單光子雪崩光電二極管(SPAD)成像陣列，其形成于第一半導(dǎo)體層中，其中所述SPAD成像陣列包含N數(shù)目個(gè)像素，每一像素包含形成于所述第一半導(dǎo)體層的前側(cè)中的SPAD區(qū)域，且其中每一 SPAD區(qū)域經(jīng)配置以接收來(lái)自所述第一半導(dǎo)體層的背側(cè)的光子；及第一互連層，其安置于所述第一半導(dǎo)體層的所述前側(cè)上；及第二晶片，其具有多個(gè)第二裸片，每一第二裸片包含:第二互連層，其安置于第二半導(dǎo)體層上，其中所述第一晶片在所述第一互連層與所述第二互連層之間的接合界面處接合到所述第二晶片；及多個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器，其形成于所述第二半導(dǎo)體層中且借助于所述第一互連層及所述第二互連層電耦合到所述SPAD成像陣列，其中所述多個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器包含至少N數(shù)目個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器，其中所述N數(shù)目個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器中的每一者經(jīng)配置以對(duì)由相應(yīng)SPAD區(qū)域產(chǎn)生的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。
【附圖說(shuō)明】
[0007]參考以下各圖描述本發(fā)明的非限制性及非窮盡性實(shí)施例，其中除非另有說(shuō)明，否則貫穿各個(gè)視圖，相似元件符號(hào)是指相似部件。
[0008]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有集成電路裸片的堆疊半導(dǎo)體晶片的分解圖。
[0009]圖2A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖解說(shuō)明在頂部芯片中具有實(shí)例無(wú)源淬火電路的堆疊芯片單光子雪崩二極管(SPAD)圖像傳感器的電路圖。
[0010]圖2B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖解說(shuō)明在底部芯片中具有實(shí)例無(wú)源淬火電路的堆疊芯片SPAD圖像傳感器的電路圖。
[0011]圖2C是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖解說(shuō)明在底部芯片中具有有源淬火電路的堆疊芯片SPAD圖像傳感器的電路圖。
[0012]圖3A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有堆疊裝置晶片的集成電路系統(tǒng)的橫截面圖。
[0013]圖3B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有三個(gè)堆疊裝置晶片的集成電路系統(tǒng)的橫截面圖。
[0014]圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的展示具有微透鏡的SPAD成像陣列的進(jìn)一步細(xì)節(jié)的集成電路系統(tǒng)的橫截面圖。
[0015]圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的展示具有濾色器層及微透鏡的SPAD成像陣列的進(jìn)一步細(xì)節(jié)的集成電路系統(tǒng)的橫截面圖。
[0016]圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖解說(shuō)明SPAD成像傳感器的實(shí)施例的功能框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本文中描述堆疊芯片SPAD圖像傳感器的實(shí)施例。在以下說(shuō)明中，陳述眾多特定細(xì)節(jié)以提供對(duì)實(shí)施例的透徹理解。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可在不具有所述特定細(xì)節(jié)中的一或多者的情況下或者借助其它方法、組件、材料等來(lái)實(shí)踐本文中所描述的技術(shù)。在其它例子中，未詳細(xì)展示或描述眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作以避免使某些方面模糊。
[0018]本說(shuō)明書(shū)通篇中所提及的“一個(gè)實(shí)施例”或“一實(shí)施例”意味著結(jié)合所述實(shí)施例一起所描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，在本說(shuō)明書(shū)通篇中的各個(gè)地方中出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在一實(shí)施例中”未必全部是指相同實(shí)施例。此外，特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以任何適合方式組合于一或多個(gè)實(shí)施例中。參考正描述的圖的定向使用例如“頂部”、“底部”、“上方”、“下方”等方向性術(shù)語(yǔ)。
[0019]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的將接合在一起以形成集成電路系統(tǒng)102的堆疊裝置晶片100及100'的分解圖。裝置晶片100及100'可包含硅、砷化鎵或其它半導(dǎo)體材料。在所圖解說(shuō)明的實(shí)例中，裝置晶片100包含半導(dǎo)體裸片111到119，而裝置晶片100'包含對(duì)應(yīng)半導(dǎo)體裸片(圖1中所遮蔽的視圖)。如下文將較詳細(xì)論述，在一些實(shí)施例中，裝置晶片100的每一裸片111到119可包含單光子雪崩二極管(SPAD)的陣列，而裝置晶片100'的每一對(duì)應(yīng)裸片包含數(shù)字計(jì)數(shù)器及相關(guān)聯(lián)的讀出電子器件的陣列。數(shù)字計(jì)數(shù)器在底部裝置晶片100'上的放置允許頂部裝置晶片100上的SPAD陣列中的極高填充因子。此外，由于裝置晶片100與裝置晶片100'單獨(dú)地形成，因此可利用定制制作工藝來(lái)優(yōu)化SPAD陣列在裝置晶片100上的形成，而在于裝置晶片100'上形成CMOS電路時(shí)可保持傳統(tǒng)CMOS工藝。
[0020]圖2A是圖解說(shuō)明在頂部芯片中具有無(wú)源淬火電路的堆疊芯片單光子雪崩二極管(SPAD)圖像傳感器的電路圖。圖2A中所圖解說(shuō)明的像素電路(例如，PIXEL1, PIXEL2等)是用于實(shí)施具有成像陣列(例如成像陣列605)的每一像素的一種可能像素電路架構(gòu)，下文將較詳細(xì)論述此。在圖2A中，像素PIXEL1到PIXELnW置成單個(gè)行。然而，在其它實(shí)施例中，成像陣列的像素可布置成單個(gè)列或布置成列與行的二維陣列。像素的每一所圖解說(shuō)明實(shí)例包含安置于堆疊芯片系統(tǒng)的頂部芯片上的單光子雪崩二極管(SPAD)及無(wú)源淬火元件(例如，電阻器R1到Rn)。如所展示，存在N數(shù)目個(gè)SPAD、N數(shù)目個(gè)無(wú)源淬火元件及N數(shù)目個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器(例如，數(shù)字計(jì)數(shù)器I到N)。所述數(shù)字計(jì)數(shù)器安置于堆疊芯片系統(tǒng)的底部芯片上且經(jīng)電耦合以響應(yīng)于所接收光子而接收由相應(yīng)SPAD產(chǎn)生的輸出脈沖202。所述數(shù)字計(jì)數(shù)器可經(jīng)啟用以對(duì)輸出脈沖202在一時(shí)間窗期間的數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)且輸出表示所述計(jì)數(shù)的數(shù)字信號(hào)204。盡管圖2A圖解說(shuō)明像素電路與數(shù)字計(jì)數(shù)器之間的直接連接，但根據(jù)本發(fā)明教示可利用像素電路與數(shù)字計(jì)數(shù)器之間的任何連接，包含借助于AC耦合。此外，可實(shí)施任何已知SPAD偏置極性及/或定向。在一個(gè)實(shí)施例中，每一數(shù)字計(jì)數(shù)器包含用以放大所接收輸出脈沖202的放大器。在一個(gè)實(shí)施例中，每一數(shù)字計(jì)數(shù)器是20位數(shù)字計(jì)數(shù)器。
[0021]在操作中，SPAD經(jīng)由高于SPAD的崩潰電壓的偏置電壓VBIAS而反向偏置。響應(yīng)于單個(gè)光生載流子而觸發(fā)導(dǎo)致SPAD的輸出處的雪崩電流的雪崩倍增過(guò)程。此雪崩電流響應(yīng)于跨越淬火元件(例如，R1)產(chǎn)生的電壓降而自淬火，此致使跨越SPAD的偏置電壓降低。在雪崩電流的淬火之后，跨越SPAD的電壓恢復(fù)到高于偏置電壓且接著SPAD準(zhǔn)備好再次被觸發(fā)。SPAD的所得輸出脈沖202由數(shù)字計(jì)數(shù)器接收，所述數(shù)字計(jì)數(shù)器響應(yīng)于所述所得輸出脈沖而遞增其計(jì)數(shù)。
[0022]圖2B是圖解說(shuō)明在底部芯片中具有無(wú)源淬火電路的堆疊芯片SPAD圖像傳感器的電路圖。圖2B中所圖解說(shuō)明的像素電路(例