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公開番号2025016427
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-04
出願番号2024103980
出願日2024-06-27
発明の名称単一光子アバランシェダイオード及び高電圧デバイスの積層
出願人セミコンダクター・コンポーネンツ・インダストリーズ・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー
代理人園田・小林弁理士法人
主分類H10F 39/18 20250101AFI20250128BHJP()
要約【課題】別個のチップ又はパッケージ上に形成される単一光子アバランシェダイオード(SPAD)のアレイ及び高電圧スイッチの接続信頼性を確保しながら能動ピクセルクエンチングを達成し、パッケージサイズを最小限に抑える。
【解決手段】SPAD回路100において、第2のダイ104は、第3のダイ106に面する表側と、第1のダイ102に面する裏側と、を有する。第3のダイは、複数のSPADを含む。第2のダイは、第3のダイ内の複数のSPADのカソード端子154に結合された複数のスイッチを含む。第1のダイは、第2のダイ内の複数のスイッチに結合されたデジタル読み出し論理を含む。第2のダイ内の複数のスイッチは、高電圧を使用して電力供給されてもよく、アナログ高電圧スイッチと呼ばれることもある。第1のダイ内のデジタル読み出し論理は、第2のダイに電力供給するために使用されている高電圧よりも低い電圧を使用して電力供給される。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項１】
回路であって、
複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を有する第１のダイであって、前記複数のＳＰＡＤにおける各ＳＰＡＤがアノード端子及びカソード端子を有する、第１のダイと、
前記第１のダイ内の前記複数のＳＰＡＤの前記カソード端子に結合された複数のスイッチを有する第２のダイであって、前記第２のダイ上に前記第１のダイが積層されている、第２のダイと、
を備える、回路。
続きを表示（約 680 文字）【請求項２】
前記第１のダイは、
前記複数のＳＰＡＤが形成された第１の半導体基板層と、
前記第１の半導体基板層の表面上の交互の引き回し層及びビア層の第１の相互接続スタックと、
前記第１の半導体基板層の裏面から前記第１の半導体基板層の前記表面まで延在し、前記第１の相互接続スタック内に少なくとも部分的に延在する第１のシリコン貫通ビア（ＴＳＶ）と、
を更に含む、請求項１に記載の回路。
【請求項３】
前記第１のダイは、
前記第１の半導体基板層の前記裏面上のパッシベーション層と、
前記パッシベーション層上の導電パッドと、
を更に含む、請求項２に記載の回路。
【請求項４】
前記複数のＳＰＡＤは、前記第１の半導体基板層の前記裏面から入射光を受光するように構成されている、請求項２に記載の回路。
【請求項５】
前記第２のダイは、
前記複数のスイッチが形成された第２の半導体基板層と、
前記第２の半導体基板層の裏面上の交互の引き回し層及びビア層の第２の相互接続スタックと、
前記第２の半導体基板層の前記裏面から前記第２の半導体基板層の表面まで延在する第２のシリコン貫通ビア（ＴＳＶ）と、
前記第２の半導体基板層の前記表面上の交互の引き回し層及びビア層の第３の相互接続スタックであって、前記第２のＴＳＶが少なくとも部分的に前記第３の相互接続スタック内に延在する、第３の相互接続スタックと、
を更に含む、請求項２に記載の回路。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本出願は、概して、撮像システムに関し、より具体的には、単一光子アバランシェダイオード（single-photon avalanche diode、ＳＰＡＤ）を有する撮像システムに関する。
続きを表示（約 3,300 文字）【背景技術】
【０００２】
ＳＰＡＤは、高電圧を用いて破壊電圧を上回ってバイアスされたＰ－Ｎ接合ダイオードの一種である。この状態では、ＳＰＡＤは、単一衝突光子に対して感度を有することができる。ＳＰＡＤは、関連する高電圧スイッチ及びデジタル読み出し回路に結合することができる。高電圧スイッチは、プルアップトランジスタ及びプルダウントランジスタを含むことができる。デジタル読み出し回路は、比較器、レベルシフタ、及びパルス発生器を含むことができる。
【０００３】
従来、ＳＰＡＤのアレイ及び高電圧スイッチは、別個のチップ又はパッケージ上に形成される。そのような構成では、接続信頼性を確保しながら、能動ピクセルクエンチングを達成し、パッケージサイズを最小限に抑えることは困難であり得る。本明細書において説明される実施形態が生じるのは、この文脈内である。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
いくつかの実施形態による、例示的なＳＰＡＤベースの撮像センサの機能ブロック図である。
いくつかの実施形態による、図１に示すタイプの撮像システムを有する例示的な車両の図である。
いくつかの実施形態による、例示的なＳＰＡＤピクセルの概略図である。
いくつかの実施形態による、互いに対して垂直に積層されたセンサダイ、アナログ高電圧ダイ、及びデジタル読み出し論理ダイの側断面図である。
いくつかの実施形態による、例示的なｎ型高電圧トランジスタの側断面図である。
いくつかの実施形態による、例示的なｐ型高電圧トランジスタの側断面図である。
いくつかの実施形態による、デジタル読み出し論理ウェハ及びアナログ高電圧ウェハの表側処理を示す側断面図である。
いくつかの実施形態による、デジタル読み出し論理ウェハとアナログ高電圧ウェハとの間のウェハボンディングを示す側断面図である。
いくつかの実施形態による、アナログ高電圧ウェハの裏側におけるハンドリングウェハの除去を示す側断面図である。
いくつかの実施形態による、アナログ高電圧ウェハのための追加の裏側処理を示す側断面図である。
いくつかの実施形態による、センサウェハの表側処理を示す側断面図である。
いくつかの実施形態による、センサウェハとアナログ高電圧ウェハの処理された裏側との間のウェハボンディングを示す側断面図である。
いくつかの実施形態による、センサウェハの裏側処理を示す側断面図である。
いくつかの実施形態による、図４～図７に示すタイプの回路を製造するための例示的なステップのフローチャートである。
いくつかの実施形態による、互いに対して垂直に積層されたセンサダイ、ｎ型トランジスタのないアナログ高電圧ダイ、及びデジタル読み出し論理ダイの側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
撮像システム又はデバイスは、ＳＰＡＤベースの撮像システム又はデバイス（本明細書では単にＳＰＡＤデバイスと称されることもある）を形成する単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含み得る。ＳＰＡＤベースのデバイスは、シリコン光電子増倍管（silicon photomultiplier、ＳｉＰＭ）と称されることもある。
【０００６】
いくつかの撮像システムは、衝突光子を、センサアレイ内のピクセルフォトダイオードで統合（収集）される電子又は正孔に変換することによって光を検知する画像センサを含む。統合サイクルの完了後、収集された電荷は、センサの出力端子に供給される電圧に変換される。相補型金属酸化物半導体（complementary metal-oxide semiconductor、ＣＭＯＳ）画像センサでは、電荷対電圧変換は、ピクセル自体で直接達成され、アナログピクセル電圧は、様々なピクセルアドレス指定及びスキャンスキームを通じて出力端子に転送される。アナログピクセル電圧はまた、後でオンチップでデジタル均等物に変換され、デジタルドメインにおいて様々な方式で処理され得る。
【０００７】
一方、ＳＰＡＤデバイスは、異なる光子検出機構を使用する。一例として本明細書に時々説明されるいくつかの例示的な構成では、ＳＰＡＤデバイスは、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）デバイス又は撮像システムを形成し得る。ＬＩＤＡＲデバイスは、標的物体又はシーンに向かって光を放射する光源を含み得る。ＬＩＤＡＲデバイス内の光感知ダイオード（ＳＰＡＤ）が、その破壊点を上回ってバイアスされ得、光源からの入射光子（例えば、標的物体／シーンから反射した光）が電子－正孔対を生成すると、これらのキャリアがアバランシェ破壊を開始し、追加のキャリアが生成される。アバランシェ増倍は自立プロセスであるため、電流信号を生成することができ、ＳＰＡＤと関連付けられた読み出し回路によって容易に検出することができる。ダイオードにわたる電圧バイアスをその破壊点未満に低下させることによって新しい光子を検出するために、アバランシェ破壊プロセスを停止（クエンチ）させる必要がある。ＬＩＤＡＲデバイスでは、ＳＰＡＤピクセルを使用して、同期された光源からシーンオブジェクト点への光子の飛行時間（ｔｉｍｅ－ｏｆ－ｆｌｉｇｈｔ、ＴｏＦ）を測定し、センサに戻し得、これは、（一例として）シーンの三次元画像を取得するために使用することができる。
【０００８】
図１は、撮像システム１０などの例示的な撮像システムの機能ブロック図である。図１の撮像システム１０は、車両安全システム（例えば、能動ブレーキシステム又は他の車両安全システム）、監視システム、医療撮像システム、一般的なマシンビジョンシステム、又は任意の他の所望のタイプのシステムであり得る。
【０００９】
撮像システム１０は、ＳＰＡＤデバイスを有するＬＩＤＡＲベースのデバイス（ＬＩＤＡＲモジュールと称されることもある）を含み得るか又は実装し得る。ＬＩＤＡＲモジュールは、ＳＰＡＤデバイスを使用して、シーンの画像をキャプチャし、シーン内の障害物（標的とも称される）までの距離を測定し得る。一例として、車両安全システムでは、ＬＩＤＡＲモジュールからの情報は、車両を取り囲む環境条件を判定するために、車両安全システムによって使用され得る。例として、車両安全システムは、駐車支援システム、自動又は半自動クルーズコントロールシステム、自動ブレーキシステム、衝突回避システム、レーンキーピングシステム（レーンドリフト回避システムと称されることもある）、歩行者検出システムなどのシステムを含み得る。少なくともいくつかの事例では、ＬＩＤＡＲモジュールは、半自動又は自動運転車の一部を形成し得る。
【００１０】
自動車８などの車両の例示的な例が図２に示されている。図２の例示的な例に示すように、自動車８は、１つ以上のＳＰＡＤベースの撮像システム１０を含み得る。撮像システムは、上で考察されるような車両安全システムであり得る。図２の例示的な例では、（例えば、車両前方周囲の画像をキャプチャするために）車両８の前部に装着された第１の撮像システム１０と、（例えば、車両の運転者の画像をキャプチャするために）車両８の内部に装着された第２の撮像システム１０と、が示されている。所望される場合、撮像システム１０は、車両８の後端部（すなわち、図２の第１の撮像システム１０が装着されている場所の反対側の車両の端部）に装着され得る。車両の後端部の撮像システムは、車両後方周囲の画像をキャプチャし得る。これらの例は、単に例示に過ぎない。１つ以上の撮像システム１０は、車両８の任意の所望の場所又はその中に装着され得る。
（【００１１】以降は省略されています）

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