特表 2023-502183 単一光子アバランシェダイオード装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-01-20

(54)【発明の名称】単一光子アバランシェダイオード装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/107 20060101AFI20230113BHJP

【ＦＩ】

H01L31/10 B

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022554744

(86)(22)【出願日】2021-01-22

(85)【翻訳文提出日】2022-09-09

(86)【国際出願番号】 US2021014647

(87)【国際公開番号】W WO2021154603

(87)【国際公開日】2021-08-05

(31)【優先権主張番号】16/775,101

(32)【優先日】2020-01-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522300097

【氏名又は名称】アダップス・フォトニクス・インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】Ａｄａｐｓ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(74)【代理人】

【識別番号】100189555

【弁理士】

【氏名又は名称】徳山 英浩

(72)【発明者】

【氏名】ルゥ，チン－ヤン

(72)【発明者】

【氏名】カン，ヤンセン

(72)【発明者】

【氏名】リィ，シュアン

(72)【発明者】

【氏名】ザン，カイ

【テーマコード（参考）】

5F849

【Ｆターム（参考）】

5F849AA07

5F849AB03

5F849AB17

5F849BB07

5F849BB20

5F849EA04

5F849EA07

5F849HA09

5F849HA12

5F849KA01

5F849KA04

5F849XB38

(57)【要約】

本発明は、単一光子アバランシェダイオード装置を提供する。該装置は、上面を有するロジック基板を備える。前記装置は、ロジック基板の上面に結合されたセンサ基板を備える。一例において、センサ基板は、配列構造を形成するように空間的に配置された複数のピクセル要素を有する。一例において、ピクセル要素のそれぞれは、パッシベーション材料、エピタキシャル成長シリコン材料、エピタキシャル成長材料の第１の部分に設けられたｐ型注入材料、エピタキシャル成長材料の第２の部分に設けられたｎ型注入材料、および、ｐ型注入材料とｎ型注入材料とから構成された結合領域を有する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

単一光子アバランシェダイオード装置であって、
上面を有するロジック基板と、
前記ロジック基板の前記上面に結合されたセンサ基板であって、配列構造を形成するように空間的に配置された複数のピクセル要素を有するセンサ基板と、を備え、
前記ピクセル要素のそれぞれは、
パッシベーション材料と、
ｐ型シリコンエピタキシャル成長材料と、
前記エピタキシャル成長材料の第１の部分に設けられたｐ型注入材料と、
前記エピタキシャル成長材料の第２の部分に設けられたｎ型注入材料と、
前記ｐ型注入材料と前記ｎ型注入材料とから構成された結合領域と、
前記ピクセル要素に隣接するディープトレンチ領域であって、充填材料と、周囲の電荷材料と、周囲の絶縁材料とを有するトレンチ領域と、
前記ｐ型注入材料に結合された前記センサ基板の第１の面上の第１の接触領域と、
前記ｎ型注入材料に結合された前記センサ基板の第２の面上の第２の接触領域とを備え、
前記電荷材料は、該電荷材料の近傍部に複数の正孔を生じさせるように負の電荷で構成されている、装置。

【請求項2】

前記ピクセル要素のそれぞれは、前記パッシベーション材料を覆う反射防止材料を備えている、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記ピクセル要素のそれぞれは、１ミクロンから約１００ミクロンまでの範囲のサイズを有する、請求項１に記載の装置。

【請求項4】

前記パッシベーション材料は、酸化物材料、high-k誘電材料、窒化物材料、又はポリイミド材料を含む、請求項１に記載の装置。

【請求項5】

前記ｐ型注入材料は、濃度が１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であるホウ素材料を含む、請求項１に記載の装置。

【請求項6】

前記ｎ型注入材料は、濃度が１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であるリン化合物またはヒ素化後物を含む、請求項１に記載の装置。

【請求項7】

Ｎを１以上、Ｍを１以上とした場合、前記配列構造はＮ行×Ｍ列である、請求項１に記載の装置。

【請求項8】

前記充填材料は、金属材料、半導体材料、又は絶縁材料を含む、請求項１に記載の装置。

【請求項9】

前記ｐ型注入材料と前記ｎ型注入材料とは、前記ピクセル要素の前記ロジック基板の近傍部に設けられている、請求項１に記載の装置。

【請求項10】

前記ロジック基板は、複数のＣＭＯＳセルを備える、請求項１に記載の装置。

【請求項11】

前記ピクセル要素のそれぞれは、複数のナノ構造であって、該ナノ構造に接触する光子を捕捉しやすくするように開口領域を覆うように構成され、シリコン材料からなる複数のナノ構造を備える、請求項１に記載の装置。

【請求項12】

前記ピクセル要素のそれぞれは、複数のナノ構造であって、該ナノ構造に接触する光子を捕捉しやすくするように前記上面との境界面の近傍部に設けられた複数のナノ構造を備える、請求項１に記載の装置。

【請求項13】

前記ピクセル要素のそれぞれは、底部領域から前記結合領域へ光子を反射させやすくするように前記開口領域とは反対側に設けられた反射材料を備える、請求項１に記載の装置。

【請求項14】

単一光子アバランシェダイオード装置であって、
上面を有するロジック基板と、
前記ロジック基板の前記上面に結合されたセンサ基板であって、配列構造を形成するように空間的に配置された複数のピクセル要素を有するセンサ基板と、を備え、
前記ピクセル要素のそれぞれは、
ｐ型シリコンエピタキシャル成長材料と、
前記エピタキシャル成長材料の第１の部分に設けられたｎ型注入材料と、
前記ｎ型注入材料を覆い、前記エピタキシャル成長材料の第２の部分に設けられたｐ型注入材料と、
前記ｐ型注入材料と前記ｎ型注入材料とから構成された結合領域と、
前記ピクセル要素に隣接するディープトレンチ領域であって、トレンチ開口部と、周囲の絶縁材料と、周囲の電荷材料と、充填材料とを有するトレンチ領域と、
前記ｎ型注入材料に結合された前記センサ基板の背面上の第１の接触領域と、
前記ｐ型注入材料に結合された前記センサ基板の前面上の第２の接触領域とを備え、
前記電荷材料は、該電荷材料の近傍部に複数の正孔を生じさせるように負の固定電荷で構成されている、装置。

【請求項15】

前記ピクセル要素のそれぞれは、前記パッシベーション層を覆う反射防止材料を備える、請求項１４に記載の装置。

【請求項16】

前記ピクセル要素のそれぞれは、１ミクロンから約１００ミクロンまでの範囲のサイズを有する、請求項１４に記載の装置。

【請求項17】

前記パッシベーション層は、酸化物材料、high-k誘電材料、窒化物材料、又はポリイミド材料を含む、請求項１４に記載の装置。

【請求項18】

前記ｐ型注入材料は、濃度が１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であるホウ素材料を含む、請求項１４に記載の装置。

【請求項19】

前記ｎ型注入材料は、濃度が１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であるリン化合物またはヒ素化後物を含む、請求項１４に記載の装置。

【請求項20】

Ｎを１以上、Ｍを１以上とした場合、前記配列構造はＮ行×Ｍ列である、請求項１４に記載の装置。

【請求項21】

前記充填材料は、金属材料、半導体材料、又は絶縁材料を含む、請求項１４に記載の装置。

【請求項22】

前記ｐ型注入材料と前記ｎ型注入材料とは、前記ピクセル要素の開口領域の近傍部に設けられている、請求項１４に記載の装置。

【請求項23】

前記半導体基板は、複数のＣＭＯＳセルを備える、請求項１４に記載の装置。

【請求項24】

前記ピクセル要素のそれぞれは、複数のナノ構造であって、該ナノ構造に接触する光子を捕捉しやすくするように開口領域を覆うように構成され、シリコン材料からなる複数のナノ構造を備える、請求項１４に記載の装置。

【請求項25】

前記ピクセル要素のそれぞれは、複数のナノ構造であって、該ナノ構造に接触する光子を捕捉しやすくするように前記上面との境界面の近傍部に設けられた複数のナノ構造を備える、請求項１４に記載の装置。

【請求項26】

前記ピクセル要素のそれぞれは、背面領域から前記結合領域へ光子を反射させやすくするように前記開口領域とは反対側に設けられた反射材料を備える、請求項１４に記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、概して感知装置に関する。より具体的に、本発明は、フォトダイオード技術、特に単一光子アバランシェダイオード技術を１つまたは複数の相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）装置と組み合わせて使用して光を検出する方法および装置を提供する。ほんの一例として、この装置は、センサ用途、飛行時間型用途、LiDAR（ライダー）用途などに使用され得る。ただし、本発明は、より広い適用範囲を有することが認識されるであろう。

【背景技術】

【0002】

総合的なマイクロエレクトロニクスの研究開発は、センサ装置の驚異的な進歩を生み出し続けている。フォトダイオードの例は多く存在する。例えば、フォトダイオードはｐｎ接合またはＰＩＮ構造である。十分なエネルギーの光子がダイオードに衝突すると、電子正孔対（自由電子と自由正孔のペア）が生成される。このメカニズムは、内部光電効果としても知られている。接合部の空乏領域、または空乏領域からの拡散距離内で吸収が発生した場合、空乏領域のビルトインポテンシャルによって接合部からキャリアが一掃される。すなわち、正孔は陽極に向かって移動し、電子は陰極に向かって移動し、光電流が生成される。フォトダイオードを流れる総電流は、暗電流 (光がない場合に生成される電流) と光電流の合計であるため、装置の感度を最大化するには、暗電流を最小限に抑える必要がある。（Wikipediaの「フォトダイオード」参照）

【0003】

フォトダイオードのもう１つの例は、「アバランシェフォトダイオード」と呼ばれる。アバランシェフォトダイオードは、逆方向ブレークダウン電圧に迫る高逆バイアスで動作するように最適化された構造を備えたフォトダイオードである。これにより、光生成された各キャリアがアバランシェブレークダウン（アバランシェ降伏、雪崩降伏）によって増加し、この結果、フォトダイオード内に内部利得（内部ゲイン）が生じ、装置の実効応答性が向上する。

【0004】

これらの従来のフォトダイオードでは、大きな成功を収めているが、多くの制限が存在する。これらの装置は製造が困難である。これらの装置は、感度の高い用途では信号対雑音比（ＳＮ比）も低くなる。さらに、そのようなフォトダイオードは、複雑な集積回路装置と統合できないことが多い。消費電力も高いため、これらの装置の用途が制限される。従来のフォトダイオードのこれらおよび他の制限は、本明細書全体、特に以下でさらに説明される。

【0005】

以上から分かるように、感知装置（センサ装置）を改善するための技術が非常に望まれている。

【発明の概要】

【0006】

本発明によれば、概して感知装置（センサ装置）に関連する技術が提供される。より具体的に、本発明は、フォトダイオード技術、特に単一光子アバランシェダイオード技術を１つまたは複数の相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）装置と組み合わせて使用して光を感知する方法および装置を提供する。ほんの一例として、この装置は、センサ用途、飛行時間型用途、LiDAR（ライダー）用途などに使用され得る。ただし、本発明がより広い適用範囲を有することは認識されるであろう。

【0007】

一例において、本発明は、単一光子アバランシェダイオード装置を提供する。前記装置は、上面を有するロジック基板を備える。一例において、ロジック基板は、論理回路を有する半導体基板を含み、例えば、ＣＭＯＳ技術を使用して作成される。前記装置は、ロジック基板の上面に結合（接合）されたセンサ基板を備える。一例において、センサ基板は、配列構造を形成するように空間的に配置された複数のピクセル要素を備える。一例において、ピクセル要素のそれぞれは、パッシベーション材料、エピタキシャル成長シリコン材料、エピタキシャル成長材料の第１の部分に設けられたｐ型注入材料、エピタキシャル成長材料の第２の部分に設けられた注入ｎ型材料、及び、ｐ型注入材料とｎ型注入材料とから構成された結合領域（接合領域）を備える。ピクセル要素のそれぞれは、ピクセル要素に隣接するディープトレンチ領域を備える。一例において、トレンチ領域は、充填材料と、周囲の（包囲する）電荷材料と、周囲の（包囲する）絶縁材料とを有する。前記装置はまた、前記ｐ型注入材料に結合された第１の接触領域と、前記ｎ型注入材料に結合された第２の接触領域とを備える。

【0008】

一例において、単一光子アバランシェフォトダイオードは、動作中において、装置のブレークダウン電圧を超えるバイアスを装置にかけることによって正常に機能する。光生成された電子正孔対（電子正孔ペア）がアバランシェ領域 (電界がアバランシェ降伏閾値を超える領域) に到達すると、電子と正孔の両方がシリコン共有結合を切断して、プロセス中に別の電子正孔対を解放する可能性を有する。このプロセスの結果、電子正孔対が増加し、典型的には１０^５～１０^６を超える利得（ゲイン）がもたらされる。したがって、単一光子が検出され、光生成電子正孔対が生成されると、大きな信号パルスが発生する。この動作のさらなる詳細は、本明細書全体、より具体的には以下を通して理解され得る。

【0009】

本発明によれば、従来の技術よりも多くの利点が達成される。例えば、本発明の技術により、従来の技術に依存するプロセスを使いやすくなる。いくつかの実施形態において、本発明の方法は、統合的アプローチにより、ウエハあたりのダイの生産量が高い装置を提供する。さらに、本発明の方法は、従来の装置およびプロセスに実質的な変更を加えることなく、従来のプロセス技術と互換性のあるプロセスおよびシステムを提供する。好ましくは、本発明は、改良されたＣＭＯＳ集積回路装置および様々な用途のための関連方法を提供する。実施形態に応じて、これらの利点の１つ以上が達成され得る。これらおよび他の利点は、本明細書全体にわたって、特に以下で説明される。

【0010】

本発明の様々な追加の目的、特徴、および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面を参照して、より完全に理解され得る。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態に係る装置の簡略断面図である。

【図2】本発明の別の実施形態に係る装置の上面図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る装置のより詳細な断面図である。

【図4】本発明の別の実施形態に係る装置の簡略断面図である。

【図5】本発明の別の実施形態に係る装置の簡略断面図である。

【図6】本発明の別の実施形態に係る装置の簡略断面図である。

【図7】本発明の別の実施形態に係る装置の簡略断面図である。

【図8】本発明の別の実施形態に係る装置の簡略化された断面図である。

【図9】本発明の別の実施形態に係る装置の簡略断面図である。

【図10】本発明の別の実施形態に係る図９のセンサ装置の簡略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明によれば、概して感知装置（センサ装置）に関連する技術が提供される。 より具体的には、本発明は、フォトダイオード技術、特に単一光子アバランシェダイオード技術を１つまたは複数の相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）装置と組み合わせて使用して光を感知する方法および装置を提供する。 ほんの一例として、この装置は、センサアプリケーション、飛行時間アプリケーション、LiDAR アプリケーションなどに使用できます。 しかし、本発明がより広い適用範囲を有することが認識されるであろう。

【0013】

図１は、本発明の一実施形態に係る装置の簡略断面図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。図に示されるように、単一光子アバランシェダイオード装置１００が提供される。該装置は、上面を有する半導体基板１０１を備える。図示のように、半導体基板は、論理回路および関連するセルを有するウエハである。一例において、半導体基板はロジック基板と呼ぶことができる。一例において、該基板は、特に、相補型金属酸化シリコン（ＣＭＯＳ）基板、ブランクまたはパターン化されていない基板、パターン化されたハイブリッド基板であってもよい。一例において、半導体基板は、論理回路用の複数のＣＭＯＳセルを有し、また、複数のメモリセル、インターフェースセル、および他の回路要素を含んでもよい。図示のように、基板は、結合点（結合ポイント）１０３と論理回路１０５を有し、論理回路１０５は、特に、出力回路、消滅回路、再充電回路として構成されてもよい。もちろん、他のバリエーション、変更、および代替案も存在し得る。

【0014】

一例において、前記装置は、センサ基板と、結合点または結合面でセンサ基板の上面に結合された結合領域１０７とを有する。一例において、センサ基板という用語は、その上に１つまたは複数の感知素子（センサ）を有する半導体基板である。一例において、前記上面は平坦化されている。一例において、センサ基板は、配列構造（アレイ構造）を形成するように空間的に配置された複数のピクセル要素１０９を含む。一例において、Ｎを１以上、Ｍを１以上とした場合、配列構造はＮ行×Ｍ列である。一例において、Ｎは、１～１０、１～１０００、１～数百万、又は、１～数十億の範囲であり、Ｍは、１～１０、１～数百万、又は、１～数十億の範囲である。一例において、ピクセル要素のそれぞれは、１ミクロン～約１００ミクロンの範囲のサイズを有するが、他のバリエーションもあり得る。図では、２つのピクセル要素の側面図が示されている。

【0015】

一例において、ピクセル要素のそれぞれはパッシベーション材料を有する。一例において、パッシベーション材料（層として形成され得る）は、酸化物材料、high-k誘電材料、窒化物材料、若しくはポリイミド材料、又はそれらの組み合わせなどを含む。一例において、ピクセル要素のそれぞれは、エピタキシャル成長シリコン材料上に形成される。エピタキシャル成長シリコン材料は、シリコンベースの前駆体ガスを用いるエピタキシャル反応炉を使用して形成され得る。図示されるように、エピタキシャル材料の厚さは適切な厚さからなり、特に、高温成長技術を使用して成長される。一例において、エピタキシャル材料は、実質的に無欠陥の単結晶シリコン材料である。一例において、前記装置はパッシベーション材料１１１を有する。
図示されるように、ピクセル要素のそれぞれは、エピタキシャル成長材料の第１の部分に構成されるｐ型注入材料１１３と、エピタキシャル成長材料の第２の部分に構成されるｎ型注入材料１１５と、ｐ型注入材料１１３およびｎ型注入材料１１５から構成された結合領域（接合領域）とを有する。一例において、ｐ型注入材料は、濃度が１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であるホウ素材料を含む。一例において、ｎ型注入材料は、濃度が１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であるリン化合物またはヒ素化後物を含む。もちろん、他のバリエーション、変更、および代替案も存在し得る。図示のように、ｐ型注入材料およびｎ型注入材料は、ピクセル要素の半導体基板の近傍または結合領域の近傍に設けられている。

【0016】

図示のように、各ピクセル要素は、ピクセル要素に隣接するディープトレンチ領域１１７を有する。一例において、トレンチ領域は、充填材料、周囲の（包囲する）電荷材料、および周囲の（包囲する）絶縁材料１１９を備える。一例において、充填材料は、金属材料、半導体材料、または絶縁材料を含む。好ましい例において、充填材料は、クロストークを防止するための金属材料であるが、充填材料は、酸化物材料などの絶縁材料であってもよい。一例において、周囲の電荷材料は、high-k誘電材料である。一例において、周囲の絶縁材料は、特に、酸化物または窒化物材料を含む。

【0017】

一例において、トレンチ領域におけるディープトレンチアイソレーション構造に設けられた前記電荷材料は、負の電荷を有する。一例において、原子層堆積技術によって堆積された酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などのhigh-k誘電材料は、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３界面領域で負の固定電荷を形成する。一例において、負の固定電荷は、正のフラットバンド電圧シフトを生成し、これにより、ディープトレンチアイソレーション側壁の近傍における半導体材料は、空乏モードではなく蓄積モードになる。さらに、ディープトレンチアイソレーション側壁界面を空乏領域から空間的に除外することで、界面欠陥がアバランシェ領域に移行する可能性が大幅に低減する。したがって、ノイズやダークカウント率を大幅に低減することができる。

【0018】

一例において、装置はまた、ｐ型注入材料に結合された第１の接触領域１２１と、センサ基板の反対側においてｎ型注入材料に結合された第２の接触領域とを有する。一例において、これらの接触は、各ピクセル要素の陽極および陰極として構成される。

【0019】

一例において、前記装置は、図示されているように底部金属反射体を有する。一例において、金属反射体は、アルミニウム材料、金属／酸化物材料、または半導体材料で構成され得る。一例において、底部反射体は、光を反射して活性領域またはエピタキシャル材料の活性領域に戻すように構成されている。

【0020】

図２は、本発明の別の実施形態に係る装置の上面図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。一例において、前記装置は、ロジック基板からの所定の要素を置換するための集積回路要素を含み、これについては本明細書で説明される。図示のように、各ピクセル要素２００は、周囲の（包囲する）トレンチ領域と、エピタキシャル材料からなる内側活性領域とを有する。一例において、各ピクセル要素は、図示のように、ｎ型注入領域２０３内にｐ型注入領域２０１を有する。各ピクセル要素は正方形として構成されているが、円形、長方形、楕円形、または他のバリエーションなど、他の形状で構成されてもよい。一例として、図示のように、各ピクセル領域は、集積高電圧トランジスタ２０７に結合され、消光抵抗器２０５を有する。該トランジスタおよび抵抗器の各回路要素は、センサ基板およびピクセル要素と、モノリシック集積されている。

【0021】

図３は、本発明の一実施形態に係る装置のより詳細な断面図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。図示されるように、前記装置は、ディープトレンチアイソレーションから構成される周囲トレンチ領域３００を有する。ディープトレンチアイソレーションは、エッチングプロセスから構成されている。

【0022】

一例において、トレンチ領域は、充填材料と、周囲の（包囲する）電荷材料３０５、３０７と、周囲の（包囲する）絶縁材料３０１、３０３とを備える。一例において、周囲の絶縁材料は、特に、酸化物または窒化物材料を含む。

【0023】

一例において、ディープトレンチアイソレーション構造に設けられた電荷材料は、負の電荷を有する。一例において、原子層堆積技術によって堆積された酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などのhigh-k誘電材料は、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３界面領域で負の固定電荷を形成する。一例において、負の固定電荷は、正のフラットバンド電圧シフトを生成し、これにより、ディープトレンチアイソレーション側壁の近傍における半導体材料が空乏モードではなく蓄積モードになる。このような構成により、ダークカウント率が低下し、装置の性能が向上する。一例において、図示されるように、クロストーク、又は問題を引き起こす他の制限を防止するために、金属などの導電性材料がトレンチに充填される。一例では、また、実施形態に応じて、陽極と同じバイアス、又は、陽極に対してより負のバイアスで、導電性材料にバイアスがかけられてもよい。

【0024】

図示のように、前記装置は、高濃度ドープアバランシェ領域に結合された低濃度ドープエピタキシャルシリコン領域３１１を有する。図示のように、ｐ＋型材料３０９は、横方向の伝導および低い接触抵抗を提供する。エピタキシャル材料内に設けられたｎ型材料３１５も示されている。装置はまた、ｎ型材料を覆うｐ型材料３１３を有する。

【0025】

一例において、前記装置は、ｐ型材料に結合された接触領域３１７と、上層（上部）パッシベーション材料３１９とを更に有する。

【0026】

図４は、本発明の別の実施形態に係る装置の簡略断面図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。図示されるように、前記装置は、ディープトレンチアイソレーション（周囲のトレンチ領域ともいう）の下側に、シャロートレンチアイソレーション４０１、４０３を備えてもよい。一例において、シャロートレンチアイソレーションは、フィラーとして酸化物材料を含んでもよい。

【0027】

図５は、本発明の別の実施形態に係る装置の簡略断面図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。図示のように、前記装置は、基板の表面を覆うように構成されたマイクロレンズ５０１を備えてもよい。一例において、マイクロレンズは、入射光をエピタキシャル材料の活性領域に集束させるように構成される。一例において、マイクロレンズは、モノリシックに集積されてもよいし、或いは、パッシベーション層に機械的に取り付けられる光学材料で作られてもよい。もちろん、他のバリエーション、変更、および代替案も存在し得る。

【0028】

図６は、本発明の別の実施形態に係る装置の簡略断面図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。一例において、前記装置は、該装置の背面を覆う反射防止材料６０１を有する。一例において、反射防止層（反射防止材料）は、酸化物、窒化物、金属酸化物、若しくは他の適切な材料、またはそれらの組み合わせなど、任意の光学材料であってもよい。一例において、反射防止コーティング（反射防止材料）は、背面の表面での光の屈折を低減し、これにより、より多くの光が装置の活性領域に進入できるようになる。

【0029】

図７は、本発明の別の実施形態に係る装置の簡略断面図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。図示されるように、前記装置は、ナノ構造７０１を有する。すなわち、ピクセル要素のそれぞれは、ナノ構造に接触する光子の捕捉を容易にするために、前記上面との境界面の近傍部に設けられた複数のナノ構造を含む。一例において、ナノ構造はセンサ基板上に作られてもよい。一例において、ナノ構造は、以下のプロセスのうちの１つまたは複数を使用して作られる。

【0030】

一例において、光トラッピング（光の捕捉）は、吸収長を増大させる横方向の導波モードに入射光子を結合することによって機能する。一例において、図示されているように、ナノ構造は、周期的パターン（又は、他の例ではパターン化されない場合もある）を使用して形成される。周期的パターンは、シリコン含有材料のドライエッチング、又は、選択的ウェットエッチングを使用して作られる。一例において、シリコン含有材料のドライエッチングにより、長方形、円形、六角形、又はその他の形状の穴、又は開口部が形成される。一例において、シリコンの場合、ナノ構造の周期は、６５０ｎｍ～８５０ｎｍの範囲であってもよく、ナノホール又はナノ開口の直径は、４００ｎｍ～６００ｎｍの範囲であってもよいが、他のバリエーションも存在し得る。一例において、ＣＭＯＳのＳＴＩ（シャロートレンチアイソレーション）プロセスに適合させるために、ナノ構造の深さは、３００ｎｍ～４５０ｎｍの範囲であってもよいが、それ以外の範囲であってもよい。ドライエッチングの後、ナノホールは酸化され、酸化物充填材料が充填される。

【0031】

一例において、ナノ構造は、選択的ウェットエッチングプロセスによって作られてもよい。一例において、選択的ウェットエッチングは、図示のように穴または開口部の逆ピラミッドを作る。一例において、逆ピラミッドの周期は、特に、７００ｎｍ～９００ｎｍの範囲であってもよい。一例において、逆ピラミッドの深さは、結晶方向に起因するピラミッドの一定の角度のために、ピラミッドの周期に依存する。ウェットエッチングの後、ピラミッドも酸化され、酸化物充填材料が充填される。このナノ構造の構成のさらなる詳細は、本明細書全体を通して理解され得る。

【0032】

図８は、本発明の別の実施形態に係る装置の簡略化された断面図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。一例において、ピクセル要素のそれぞれは、ナノ構造に接触する光子の捕捉を容易にするために開口領域を覆うように構成された複数のナノ構造８０１を備える。一例において、ナノ構造はシリコン材料からなる。図示されるように、ナノ構造７０１は界面領域の近傍部に設けられ、ナノ構造８０１は開口領域の近傍部に設けられている。

【0033】

図９は、本発明の別の実施形態に係る装置の簡略断面図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。図示されているように、前記装置は、逆構造（反転構造）として構成されてもよい。一例において、ｐ型注入材料９０１およびｎ型注入材料９０３は、ピクセル要素の開口領域の近傍部に構成される。前記装置はまた、トレンチ領域によって囲まれたピクセル要素内に画定されたエピタキシャル材料９０５を備える。図示のように、各トレンチ領域は、充填材料９０７、誘電材料および電荷層（まとめて参照符号９０９）を有する。前記装置は、上層（上部）パッシベーション材料９１１を備え、該パッシベーション材料９１１は、二酸化シリコン、窒化シリコン、又はそれらの組み合わせであってもよい。上側接触領域９１３は、図示のようにｎ型材料に結合される。前記装置はまた、結合点（結合ポイント）９１５とｐ型材料とに結合された下側接触領域を有する。

【0034】

一例において、前記装置は、図示されているように底部金属反射体を有する。一例において、金属反射体は、アルミニウム材料、金属／酸化物材料、または半導体材料からなる。一例において、底部反射体は、光を反射して活性領域またはエピタキシャル材料の活性領域に戻すように構成されている。
一例において、前記装置は、論理回路で構成された半導体基板であるロジック基板９１９を有する。一例において、該基板は、特に、相補型金属酸化シリコン（ＣＭＯＳ）基板、ブランクまたはパターン化されていない基板、パターン化されたハイブリッド基板であってもよい。一例において、半導体基板は、論理回路用の複数のＣＭＯＳセルを有し、また、複数のメモリセル、インターフェースセル、および他の回路要素を含んでもよい。図示のように、前記基板は、結合領域９１７と論理回路９２１を有し、論理回路９２１は、特に、出力回路、消滅回路、再充電回路として構成されてもよい。もちろん、他のバリエーション、変更、および代替案も存在し得る。

【0035】

図１０は、本発明の別の実施形態に係る図９のセンサ装置の簡略断面図である。この図は単なる一例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。図示されているように、前記装置は、逆構造（反転構造）として構成されてもよい。一例において、ｐ型注入材料１００９およびｎ型注入材料１００７は、ピクセル要素の開口領域の近傍部に構成される。前記装置はまた、トレンチ領域によって囲まれたピクセル要素内に画定されたエピタキシャル材料１００３を有する。図示のように、各トレンチ領域は、充填材料１０１０、誘電材料、電荷層１０１５、１０１７、および誘電材料の薄層１０１１、１０１３を有する。前記装置は、上層（上部）パッシベーション材料１００５を有し、該パッシベーション材料１００５は、二酸化シリコン、窒化シリコン、又はそれらの組み合わせであってもよい。上側接触領域１０１９は、図示のようにｎ型材料に結合される。前記装置は、図示のようにｐ＋型領域１００１を有する。前記装置はまた、結合点（結合ポイント）に結合された下側接触領域を有する。

【0036】

一例において、ディープトレンチアイソレーション構造に設けられた電荷材料は、負の電荷を有する。一例において、原子層堆積技術によって堆積された酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などのhigh-k誘電材料は、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３界面領域で負の固定電荷を形成する。一例において、負の固定電荷は、正のフラットバンド電圧シフトを生成し、これにより、ディープトレンチアイソレーション側壁の近傍における半導体材料が空乏モードではなく蓄積モードになる。さらに、ディープトレンチアイソレーション側壁界面を空乏領域から空間的に除外することで、界面欠陥がアバランシェ領域に移行する可能性が大幅に低減する。したがって、ノイズやダークカウント率を大幅に低減することができる。

【0037】

以上の図は単なる例であり、特許請求の範囲を不当に限定するものではない。本発明の開示に照らして、当業者は、多くの他のバリエーション、変更、および代替を認識するであろう。例えば、上述した様々なステップは、本発明の範囲内で企図されるように、追加、削除、変更、再配置、繰り返し、および/または、重複され得る。また、本明細書に記載された実施例および実施形態は例示のみを目的としており、それに照らして様々な修正または変更が当業者に提案され、このプロセスの精神および範囲および添付の特許請求の範囲内に含まれるべきであることも理解される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【手続補正書】

【提出日】2022-09-09

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

単一光子アバランシェダイオード装置であって、
上面を有するロジック基板と、
前記ロジック基板の前記上面に結合されたセンサ基板であって、配列構造を形成するように空間的に配置された複数のピクセル要素を有するセンサ基板と、を備え、
前記ピクセル要素のそれぞれは、
開口部を有するパッシベーション材料と、
ｐ型シリコンエピタキシャル成長材料と、
前記エピタキシャル成長材料の第１の部分に設けられたｐ型注入材料と、
前記エピタキシャル成長材料の第２の部分に設けられたｎ型注入材料と、
前記ｐ型注入材料と前記ｎ型注入材料とから構成された結合領域と、
前記ピクセル要素に隣接するディープトレンチ領域であって、充填材料と、周囲の電荷材料と、周囲の絶縁材料とを有するトレンチ領域と、
前記ｐ型注入材料に結合された前記センサ基板の第１の面上の第１の接触領域であって、前記開口部を通して少なくとも部分的に露出された第１の接触領域と、
前記ｎ型注入材料と前記ロジック基板とに結合された前記センサ基板の第２の面上の第２の接触領域とを備え、
前記電荷材料は、該電荷材料の近傍部に複数の正孔を生じさせるように負の電荷で構成されている、装置。

【請求項2】

前記ピクセル要素のそれぞれは、前記パッシベーション材料を覆う反射防止材料を備え、
前記ピクセル要素のそれぞれは、１ミクロンから約１００ミクロンまでの範囲のサイズを有し、
Ｎを１以上、Ｍを１以上とした場合、前記配列構造はＮ行×Ｍ列である、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記パッシベーション材料は、酸化物材料、high-k誘電材料、窒化物材料、又はポリイミド材料を含み、
前記ピクセル要素のそれぞれは、複数のナノ構造であって、該ナノ構造に接触する光子を捕捉しやすくするように開口領域を覆うように構成され、シリコン材料からなる複数のナノ構造を備え、
前記ピクセル要素のそれぞれは、複数のナノ構造であって、該ナノ構造に接触する光子を捕捉しやすくするように前記上面との境界面の近傍部に設けられた複数のナノ構造を備え、
前記ピクセル要素のそれぞれは、底部領域から前記結合領域へ光子を反射させやすくするように前記開口領域とは反対側に設けられた反射材料を備える、請求項１に記載の装置。

【請求項4】

前記ｐ型注入材料は、濃度が１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であるホウ素材料を含み、
前記ｎ型注入材料は、濃度が１×１０ ^１７ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ 以上１×１０ ^１９ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ 以下であるリン化合物またはヒ素化後物を含み、
前記ｐ型注入材料と前記ｎ型注入材料とは、前記ピクセル要素の前記ロジック基板の近傍部に設けられている、請求項１に記載の装置。

【請求項5】

前記充填材料は、金属材料、半導体材料、又は絶縁材料を含み、
前記ロジック基板は、複数のＣＭＯＳセルを備える、請求項１に記載の装置。

【請求項6】

単一光子アバランシェダイオード装置であって、
上面を有するロジック基板と、
背面と前面とを有し、前記ロジック基板の前記上面に結合されたセンサ基板であって、配列構造を形成するように空間的に配置された複数のピクセル要素を有するセンサ基板と、を備え、
前記ピクセル要素のそれぞれは、
前記背面を覆い、開口部を有するパッシベーション層と、
ｐ型シリコンエピタキシャル成長材料と、
前記エピタキシャル成長材料の第１の部分に設けられたｎ型注入材料と、
前記ｎ型注入材料を覆い、前記エピタキシャル成長材料の第２の部分に設けられたｐ型注入材料と、
前記ｐ型注入材料と前記ｎ型注入材料とから構成された結合領域と、
前記ピクセル要素に隣接するディープトレンチ領域であって、トレンチ開口部と、周囲の絶縁材料と、周囲の電荷材料と、充填材料とを有するトレンチ領域と、
前記開口部を通して前記ｎ型注入材料に結合された前記センサ基板の前記背面上の第１の接触領域であって、少なくとも部分的に露出され、前記エピタキシャル成長材料の外側に位置づけられた第１の接触領域と、
前記ｐ型注入材料に結合された前記センサ基板の前記前面上の第２の接触領域とを備え、
前記電荷材料は、該電荷材料の近傍部に複数の正孔を生じさせるように負の固定電荷で構成されている、装置。

【請求項7】

前記ピクセル要素のそれぞれは、前記パッシベーション層を覆う反射防止材料を備え、
前記ピクセル要素のそれぞれは、１ミクロンから約１００ミクロンまでの範囲のサイズを有し、
Ｎを１以上、Ｍを１以上とした場合、前記配列構造はＮ行×Ｍ列である、請求項６に記載の装置。

【請求項8】

前記パッシベーション層は、酸化物材料、high-k誘電材料、窒化物材料、又はポリイミド材料を含み、
前記ピクセル要素のそれぞれは、複数のナノ構造であって、該ナノ構造に接触する光子を捕捉しやすくするように開口領域を覆うように構成され、シリコン材料からなる複数のナノ構造を備え、
前記ピクセル要素のそれぞれは、複数のナノ構造であって、該ナノ構造に接触する光子を捕捉しやすくするように前記上面との境界面の近傍部に設けられた複数のナノ構造を備え、
前記ピクセル要素のそれぞれは、背面領域から前記結合領域へ光子を反射させやすくするように前記開口領域とは反対側に設けられた反射材料を備える、請求項６に記載の装置。

【請求項9】

前記ｐ型注入材料は、濃度が１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であるホウ素材料を含み、
前記ｎ型注入材料は、濃度が１×１０ ^１７ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ 以上１×１０ ^１９ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ 以下であるリン化合物またはヒ素化後物を含み、
前記ｐ型注入材料と前記ｎ型注入材料とは、前記ピクセル要素の開口領域の近傍部に設けられている、請求項６に記載の装置。

【請求項10】

前記充填材料は、金属材料、半導体材料、又は絶縁材料を含み、
前記センサ基板は、複数のＣＭＯＳセルを備える、請求項６に記載の装置。

【国際調査報告】