專利名稱：垂直的濾色片傳感器組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括垂直堆疊的傳感器的光敏傳感器組。在每一組中，半導(dǎo)體材料對垂直入射的電磁輻射進行濾色(或者，其它材料也對該輻射進行過濾)，并且每一個傳感器同時檢測不同的波帶。本發(fā)明也涉及這種傳感器組的陣列，其中每一個傳感器組定位于不同的像素位置。
背景技術(shù)：
在本文中，“濾光片”和“濾色片”這樣的表述可在廣義上互換使用，以表示一種對入射到其上的電磁輻射中的至少一個波帶進行選擇性地透射或反射的元件。例如，一種類型的濾光片是分色鏡，它既透射第一波帶中的輻射，又反射第二波帶中的輻射。濾光片的示例包括使短波通過的濾光片、使長波通過的濾光片以及帶通濾光片。
本文中使用術(shù)語“輻射”來表示電磁輻射。
在本文中，(傳感器組的)“頂部傳感器”這樣的表述是指入射到該傳感器組的輻射在到達該組任何其它傳感器之前先到達的那個傳感器。傳感器組的傳感器是“垂直堆疊的”這種表述是指，這些傳感器之一是該組的頂部傳感器并且該組具有至少一個穿過所有傳感器而延伸的軸(有時被稱為“垂直軸”)。如下所述，用來實施本發(fā)明的垂直濾色片(VCF)傳感器組最好包括垂直堆疊的傳感器，這些傳感器被配置成使得該組的頂部傳感器具有一個可定義法線軸的頂部表面(例如，該頂部表面至少基本上是平的)，并且當(dāng)沿該組的垂直軸傳播的輻射入射到該組時，該輻射以相對于該法線軸約小于30度的入射角入射到頂部傳感器上(例如，該輻射正入射到該組)。
在本文中，具有垂直軸的結(jié)構(gòu)中所包括的兩個單元是“橫向”(或“水平”)分離的這種表述是指，有一個與垂直軸相平行的軸，它在兩個單元之間延伸但不會與任一個單元相交。
在本文中(包括權(quán)利要求書)，一產(chǎn)品“包括”一單元是指該產(chǎn)品是或包括該單元。
在本領(lǐng)域中，MOS有源像素傳感器是公知的。在本領(lǐng)域中，多波帶有源像素傳感器陣列也是公知的。一種類型的多波帶有源像素傳感器陣列使用了紅光、綠光和藍光傳感器，這些傳感器按某一圖案水平地置于半導(dǎo)體表面或其附近。使用彩色覆蓋式濾光片以便產(chǎn)生在紅光、綠光和藍光傳感器之間的顏色選擇性。這樣的傳感器缺點在于，每一個分辨單元占據(jù)了相對較大的面積，因為這些傳感器一起平鋪在一個平面中。另外，從這種傳感器陣列中重建彩色圖像需要很大的計算強度，并且常常導(dǎo)致帶有偽像、缺陷或分辨率較差的圖像。
另一種類型的多波帶像素傳感器陣列使用了多個傳感器組，每一組包括多個垂直定向排列的傳感器。Carr的美國專利4,238,760公布了一種早期的用于檢測可見光和紅外輻射的多波長垂直傳感器組的一個示例，其中表面n型外延區(qū)中的第一二極管響應(yīng)于可見光，第二二極管(包括在下面n型基片中埋入的p區(qū))響應(yīng)于紅外輻射。Carr表示，通過使用一種“與雙極IC處理工藝中常見的膜下擴散式集電極接觸擴散相似并用于減小參數(shù)RCS”的深擴散工藝，來實現(xiàn)對埋入式二極管的接觸。Carr也公布了一個實施例，其中V型接觸槽(由包括透過n型外延區(qū)進行蝕刻這一步驟的工藝來產(chǎn)生該V型接觸槽)提供了到埋入式p型區(qū)的接觸。所公布的器件具有4平方密耳的大小。Carr的專利中所公布的器件具有若干缺點，最值得注意的是它的面積較大，致使它不適用于現(xiàn)代成像系統(tǒng)中圖像傳感器的密度要求。形成到埋入式紅外檢測二極管的接觸所使用的技術(shù)并不適用于現(xiàn)代成像技術(shù)或并不適于延伸到3色傳感器。
Merrill的美國專利5,965,875公布了一種三色可見光傳感器組，其中用三重阱CMOS工藝來構(gòu)造一種結(jié)構(gòu)，其中藍、綠和紅光敏PN結(jié)相對于半導(dǎo)體基片的表面(在其上制造成像器)而置于不同的深度。這種三色傳感器組允許制造密集的成像陣列，因為這三種顏色是在像平面上大致相同的區(qū)域中被檢測的。然而，其結(jié)構(gòu)具有若干缺點。首先，該傳感器組使用了對綠光敏感的反極性中心PN結(jié)來檢測并讀出綠色信道，這要求改進電路或電壓范圍，有可能除了通常的NMOS晶體管以外還要包括PMOS晶體管。這種要求不利地增大了傳感器面積，并且使包括這些傳感器組的檢測器中的支援電路復(fù)雜化。所增加的電路復(fù)雜性使得很難制造出具有靈活的彩色讀出能力的圖像傳感器陣列(如本文所揭示的)，并且不可能實現(xiàn)許多現(xiàn)代電子成像應(yīng)用所要求的很小的傳感器尺寸。
Cao等人的美國專利6,111,300公布了一種彩色有源像素傳感器，它使用PIN光電二極管來試圖收集藍光，還使用半導(dǎo)體基片內(nèi)的兩個附加的半導(dǎo)體結(jié)二極管(與PIN光電二極管在垂直方向上分隔開)來檢測綠光和紅光。這種傳感器的缺點是困難且不標(biāo)準(zhǔn)的制造技術(shù)；使用了不允許(陣列中)傳感器密度很高的結(jié)構(gòu)；無法選擇不同的顏色進行讀出；以及無法用單片半導(dǎo)體基片進行三種或更多種顏色的檢測。
Findlater等人(在2001年IEEE關(guān)于電荷耦合器件和先進圖像傳感器的研討會上K.M.Findlater、D.Renshaw、J.E.D.Hurwitz、R.K.Henderson、T.E.R.Bailey、S.G.Smith、M.D.Purcell和J.M.Raynor發(fā)表了論文“A CMOS Image SensorEmploying a Double Junction Photodiode”，IEEE電子器件協(xié)會(2001))公布了一種有源像素傳感器，它將雙結(jié)光電二極管與有機濾光片覆蓋結(jié)合使用。每一個雙結(jié)光電二極管包括頂部和底部p型層并在兩者之間有n型層。該n型層形成第一光電二極管的陰極，底部p型層形成了第二光電二極管的陽極，第一光電二極管耦合到第一讀出電路，而第二光電二極管耦合到第二讀出電路。青色和黃色濾光片的嵌合體覆蓋傳感器陣列，使得在該陣列的每一行中，偶數(shù)號的傳感器接收第一波帶(藍和綠)的輻射而奇數(shù)號的傳感器接收第二波帶(紅和綠)的輻射。這種傳感器陣列的性能受限于雙結(jié)光電二極管較差的顏色響應(yīng)，并且還受限于n型阱形成這兩個光電二極管的陰極這一事實，從而使傳感器設(shè)計極易受顏色信道之間非線性串?dāng)_的影響。另外，作者引述了限制該設(shè)計性能和潛在益處的非均勻性和加工/制造局限性。
在2001年6月18日提交的申請?zhí)枮?9/884,863的美國專利以及上述申請?zhí)枮?0/103,304的美國專利中，描述了若干種類型的垂直濾色片(“VCF”)傳感器組及其制造方法。VCF傳感器組包括至少兩個光敏傳感器，它們彼此垂直地堆疊(在相鄰的傳感器之間使用或不使用非傳感器材料)。VCF傳感器組的每一個傳感器都具有不同的光譜響應(yīng)。典型地，每一個傳感器具有在不同波長處達到峰值的光譜響應(yīng)。在一些實施例中，VCF傳感器組(或者其一個或多個傳感器)包括并不充當(dāng)傳感器的濾光片。
在成像面的相同區(qū)域中，VCF傳感器組同時檢測至少兩個波帶的光子。相反，時序光子檢測法并不在同一時刻對所有波帶進行光子檢測。(當(dāng)垂直地觀察該成像器時)由成像器中所包括的VCF傳感器組所執(zhí)行的檢測發(fā)生在該成像器的一個區(qū)域中，并且根據(jù)到達傳感器組內(nèi)的深度，按波長將這些光子分離開。
典型地，盡管傳感器組在檢測時通常會具有一些“串?dāng)_”，即多個傳感器會檢測同一波長的光子，但是每一個傳感器還是用于檢測不同波帶中的光子(例如，一個傳感器會比其它傳感器檢測到更多的“藍色”波帶的光子，第二個傳感器會比其它傳感器檢測到更多的“綠色”波帶的光子，第三個傳感器會比其它傳感器檢測到更多的“紅色”波帶的光子)。
VCF傳感器組可用于多種成像任務(wù)。在較佳的實施例中，它們被用于數(shù)碼相機(DSC)。然而，它們也可以被用于許多其它系統(tǒng)中，比如線性成像器、攝像機以及機器視覺裝備。
VCF傳感器組使用至少一種半導(dǎo)體材料的屬性來檢測入射光子，并且也在該組不同的深度選擇性地檢測不同波長的入射光子。不同波長的檢測是可行的，因為傳感器組的傳感器層是垂直堆疊的并且在半導(dǎo)體材料中光吸收深度隨波長變化。制造VCF傳感器組的成本已減小了很多，因為VCF傳感器組不需要外部的濾色片(常規(guī)情況下在彩色圖像傳感器中都要用到外部的濾色片)并且不需要與傳感器自身不同的濾色片(傳感器自身由可提供濾光功能的半導(dǎo)體材料制成)。然而，在本發(fā)明的一些實施例中，VCF傳感器組確實包括(或與其一起使用)與傳感器自身不同的濾色片。與具有非半導(dǎo)體基濾光片的常規(guī)彩色傳感器相比，VCF彩色傳感器組的光譜響應(yīng)特征通常更穩(wěn)定并且更不易受諸如溫度或其它環(huán)境因素等外部因素的影響(這些外部因素可能存在于制造期間或之后)。
VCF傳感器組最好形成于基片(最好是半導(dǎo)體基片)上，并且包括多個垂直堆疊的傳感器(例如，傳感器層)，通過摻雜和/或加偏壓將這些傳感器配置成收集第一種極性的光生載流子(最好是負電子)。這些傳感器包括一個或多個基準(zhǔn)層(或多個傳感器對被其間隔開)，基準(zhǔn)層被配置成收集極性相反的光生載流子(最好是正空穴)并將其傳導(dǎo)走。這些傳感器基于其在傳感器組中不同的深度，還基于包括摻雜程度和加偏壓的條件等其它參數(shù)，從而具有不同的光譜靈敏度。在操作過程中，這些傳感器都單獨連接到偏壓和有源像素傳感器讀出電路。在申請?zhí)枮?9/884,863的美國專利以及申請?zhí)枮?0/103,304的在先申請的美國專利中，更為全面地討論了VCF傳感器組及其制造方法。
如申請?zhí)枮?0/103,304的美國專利中所描述的那樣，通過在VCF傳感器組的陣列上放置一種濾色片圖案，便可以對該陣列進行改進。通過使用僅由單種濾光片材料制成且定位于傳感器組的子集之上的濾光片，便可以操作每個傳感器組有三個傳感器的陣列(通過從該陣列的傳感器組內(nèi)選出的不同子集中讀出信號)來檢測四個、五個或六個不同波帶的輻射。這可以使色彩精度得以提高。任何多種不同類型的濾光片都可以使用，這包括一些常規(guī)彩色圖像傳感器中的有機染料濾光片以及通過半導(dǎo)體集成電路制造工藝與傳感器組集成在一起的一層或多層的濾光片(例如，吸收短波長的一層多晶硅，由氧化物和氮化物層交替堆疊而成的干涉濾光片，或通過干涉效應(yīng)使光譜響應(yīng)定形的另一種干涉濾光片)。

發(fā)明內(nèi)容
在一類實施例中，本發(fā)明是形成于半導(dǎo)體基片上的垂直的濾色片傳感器組，并且該傳感器組包括定位于該傳感器組中兩個傳感器之間的至少一個濾光片，由此穿過該濾光片而傳播的輻射或從該濾光片反射的輻射將傳播到這些傳感器中的至少一個傳感器內(nèi)。在較佳的實施例中，本發(fā)明是一種形成于半導(dǎo)體基片上且包括濾光片的垂直的濾色片傳感器組，并且該濾光片包括至少一個已通過半導(dǎo)體集成電路制造工藝與傳感器集成在一起的層。該濾光片可以是透射型或反射型。在一些實施例中，該濾光片對第一波帶選擇性地反射，對第二波帶選擇性地透射。在一些實施例中，濾光片是干涉濾光片。在一些實施例中，濾光片是這樣產(chǎn)生的除去半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的至少一個單元中的材料以限定一處空隙；用一種液體至少部分地填充該空隙；以及處理該液體(例如，通過加熱或UV處理)以形成濾光片。
本發(fā)明的其它實施例是垂直濾色片傳感器組的陣列以及制造垂直濾色片傳感器組及其陣列的方法。在一類實施例中，本發(fā)明的方法包括提供半導(dǎo)體基片的步驟以及在該基片上形成一種包括至少兩個垂直堆疊的傳感器和至少一個濾光片的結(jié)構(gòu)的步驟，其中所有的傳感器都被配置成收集第一種極性的光生載流子，每一個傳感器都包括至少一個第一種傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體層，并且所述濾光片是與傳感器層壓在一起的層，其位置可使穿過該濾光片傳播的輻射或從該濾光片反射的輻射將傳播到這些傳感器中的至少一個傳感器內(nèi)。
在另一類實施例中，本發(fā)明的方法包括如下步驟在第一半導(dǎo)體晶片上形成包括第一頂層(它可以但并不需要由耐火材料組成)的結(jié)構(gòu)；在第二半導(dǎo)體晶片上形成包括第二頂層(它可以但并不需要由耐火材料組成)的另一種結(jié)構(gòu)；使第一頂層和第二頂層接合以形成一種接合結(jié)構(gòu)；以及對該接合結(jié)構(gòu)執(zhí)行至少一種其它的操作以產(chǎn)生一種垂直濾色片傳感器組。
在另一類實施例中，本發(fā)明是形成于半導(dǎo)體基片上的傳感器組的陣列。該陣列包括至少一個傳感器組，它包括至少一個第一類型的濾光片；以及至少另一個傳感器組，它不包括第一類型的濾光片。
本發(fā)明的另一個方面是一種圖像檢測器，它包括至少一個由VCF傳感器組構(gòu)成的陣列；以及用于將傳感器中所產(chǎn)生的光生載流子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕碾娐贰?br>

圖1是對波長450納米、550納米和650納米而言結(jié)晶硅中的電磁輻射強度(相對于其入射強度I0)與在該硅中的深度(單位是微米)之間的函數(shù)關(guān)系圖。
圖2是用來實施本發(fā)明的VCF傳感器組的垂直摻雜分布圖。
圖2A是具有圖2所示分布的VCF傳感器組(在垂直平面中的)橫截面圖，其中示出了耦合到該傳感器組的偏壓和讀出電路的示意性電路圖。
圖3是對波長450納米(曲線A)、550納米(曲線B)和650納米(曲線C)而言結(jié)晶硅中的電磁輻射吸收率(相對于其入射強度I0)與在該硅中的深度(單位是微米)之間的函數(shù)關(guān)系圖，其上標(biāo)明了圖2所示傳感器組各覆蓋層的位置。
圖4是其分布與圖2所示相似的傳感器組的三個光電二極管的光譜響應(yīng)圖。
圖5是本發(fā)明的VCF傳感器組的實施例(在垂直平面中的)簡化后的橫截面圖。
圖6是一張表格，它(在中間一欄)以電子伏特為單位列出了銦含量不同的InxGa1-xN半導(dǎo)體中的帶隙能量，并(在右邊一欄)列出了與各個帶隙能量相對應(yīng)的光波長。
圖7是在本發(fā)明的VCF傳感器組的實施例中可以包括的雪崩傳感器的橫截面圖。
圖8是本發(fā)明的VCF傳感器組陣列的部分橫截面圖，該陣列中的每一個傳感器組包括兩個非傳感器濾光片和三個傳感器。
圖8A是本發(fā)明的VCF傳感器組陣列的部分簡化頂視圖，其中包括濾光片的每一個組都用“X”來標(biāo)記。
圖8B是本發(fā)明的VCF傳感器組的另一種陣列的部分簡化頂視圖，其中包括濾光片的每一個組都用“X”來標(biāo)記。
圖9是本發(fā)明的VCF傳感器組陣列的部分橫截面圖，其中在該陣列的每一個傳感器組上形成一個微透鏡。
圖10是本發(fā)明的VCF傳感器組陣列的部分簡化頂視圖，其中相鄰的傳感器組共享載流子收集單元。
圖10A是陣列中兩個VCF傳感器組(在垂直平面中)的橫截面圖，其中兩個傳感器組共享一個公用的傳感器單元。
圖10B是陣列中四個VCF傳感器組的頂視圖，其中這四個傳感器組共享載流子收集區(qū)域，該載流子收集區(qū)域用于收集通過紅光和藍光光子吸收而產(chǎn)生的光生載流子。
圖11是常規(guī)傳感器陣列(在垂直平面中)的部分橫截面圖。
圖12是VCF傳感器組的陣列(在垂直平面中)的部分橫截面圖，在該陣列中相鄰的傳感器組之間有溝槽隔離結(jié)構(gòu)。
圖13a-13f是本發(fā)明的VCF傳感器組的實施例在各個制造步驟中所形成的結(jié)構(gòu)(在垂直平面中)的橫截面圖。
圖14A-14L是本發(fā)明的VCF傳感器組的另一個實施例在各個制造步驟中所形成的結(jié)構(gòu)(在垂直平面中)的橫截面圖。
圖15A-15H是本發(fā)明的VCF傳感器組的另一個實施例在各個制造步驟中所形成的結(jié)構(gòu)(在垂直平面中)的橫截面圖。
圖16A-16H是本發(fā)明的VCF傳感器組的另一個實施例的各個制造步驟中所形成的結(jié)構(gòu)(在垂直平面中)的橫截面圖。
圖17是在制造VCF傳感器組的實施例期間所形成的結(jié)構(gòu)(在垂直平面中)的橫截面圖，其中包括通過注入工藝而形成的插頭。每一條輪廓線(用于表示p型和n型材料之間的邊界)顯示用不同類型摻雜程度形成插頭的結(jié)果，其中最小的n型區(qū)域具有第一(“1x”)n型摻雜程度，最大的n型區(qū)域具有該摻雜程度的兩倍(“2x”)，而大小居中的n型區(qū)域具有中等的(“1.4x”)n型摻雜程度。
圖18是在制造本發(fā)明的VCF傳感器組的較佳實施例期間所形成的一種結(jié)構(gòu)(在垂直平面中)的橫截面圖，其中包括插頭的底部(它形成于多級注入工藝的前期)。
圖18A是在制造本發(fā)明的VCF傳感器組的較佳實施例期間從圖18所示結(jié)構(gòu)中形成的一種結(jié)構(gòu)(在垂直平面中)的橫截面圖，其中包括插頭的頂部(它形成于多級注入工藝的下一級期間)，該插頭的底部在圖18和18A中都有示出。
圖19示出了對五種所示掩模材料而言在硼、磷、砷和銻的典型注入過程中所要求的掩模厚度。
圖20是本發(fā)明的VCF傳感器組的實施例(在垂直平面中)的簡化橫截面圖，其中在兩個傳感器之間包括了掩蓋阻擋層(205)。
圖21是摻雜濃度與圖20所示傳感器組中的深度之間的函數(shù)關(guān)系圖。
圖22是圖20所示傳感器組的變體(在垂直平面中)的簡化橫截面圖，其中包括常規(guī)的掩蓋阻擋層注入而非本發(fā)明的掩蓋阻擋層205。
圖23是摻雜濃度與圖22所示傳感器組中的深度之間的函數(shù)關(guān)系圖。
圖24是本發(fā)明的VCF傳感器組的另一個實施例(在垂直平面中)的簡化橫截面圖，其中包括了在兩個傳感器之間的掩蓋阻擋層(205)以及另外的掩蓋阻擋層注入(207和208)。
圖25A-25D是在制造本發(fā)明的VCF傳感器組的實施例期間自對準(zhǔn)補充注入工藝的各個步驟中所形成的結(jié)構(gòu)(在垂直平面中)的橫截面圖。
具體實施例方式
本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將會意識到，下文關(guān)于本發(fā)明的描述只是說明性的，并且在任何方面都不是限制性的。對于從本發(fā)明中獲益的技術(shù)人員而言，將很容易想到本發(fā)明的其它實施例。
本文中要描述的大部分制造過程都假設(shè)傳感器由結(jié)晶硅制成，但是該方法(或?qū)τ诒绢I(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的關(guān)于該方法的修改)通常也可以應(yīng)用于由其它半導(dǎo)體材料制成的傳感器。VCF傳感器組的每一個傳感器都通過直接或間接地將光子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮涌昭▽頇z測光子。這發(fā)生在半導(dǎo)電材料中。VCF傳感器組通常實現(xiàn)為，使得該組中每一個傳感器的輸出表示入射輻射的不同波帶。到達VCF傳感器組中每一個傳感器的輻射因形成傳感器組的材料具有濾光作用而具有不同的波長強度譜。因此，在VCF傳感器組中所有的傳感器可以是完全相同的，并且各傳感器仍然可以產(chǎn)生表示不同波帶的輸出。然而，在一些實施例中，VCF傳感器組中的傳感器并非全都相同(例如，它們并非都由相同的材料或材料組合而構(gòu)成)，并且針對預(yù)定的應(yīng)用來確定各傳感器的結(jié)構(gòu)和組分以便使傳感器組的性能達到最佳或有所改善。例如，對給定范圍的波長靈敏度相對較高(即在該范圍中吸光率相對較高)而對其它波長靈敏度較低的傳感器，可以與具有不同光譜靈敏度的其它材料所制成的傳感器垂直地堆疊在一起，從而形成VCF傳感器組。
數(shù)碼相機(DSC)的彩色輸出因人類視覺系統(tǒng)的三色本質(zhì)而要求最少檢測三個光譜帶。因此，本發(fā)明的VCF傳感器組的許多實施例都具有三個垂直堆疊的傳感器(每一個都包括半導(dǎo)體材料)，以便檢測三個不同的光譜帶。具有兩個而非三個垂直堆疊的傳感器的VCF傳感器組可用于其它場合，比如用于對可見光和紅外輻射同時進行檢測，這在美國專利4,581,625和美國專利4,677,289中有所描述。因為檢測不止三個光譜區(qū)域可能是有利的，所以本發(fā)明的VCF傳感器組的一些實施例具有不止三個垂直堆疊的傳感器。通過使用來自附加光譜區(qū)域的額外信息，便有可能更精確地表示某一物體的顏色。因為可以獲得更多的光譜數(shù)據(jù)，所以顏色表示的精確度有望提高。
在本發(fā)明的VCF傳感器組的一類實施例中，每一個傳感器包括兩層半導(dǎo)體材料(比如，有的傳感器包括圖2中的層X01以及層X09與X01相鄰的那部分)或三層半導(dǎo)體材料(比如，有的傳感器包括層X02以及層X09、X10分別與X02相鄰的那部分)，在傳感器中每兩個相鄰的層之間都有一個結(jié)(例如，“p-n”結(jié)或異質(zhì)結(jié))，并且傳感器的這些層中的一層是具有接觸部分(它可接入偏壓和讀出電路)的載流子收集單元。在典型的操作過程中，各傳感器的多個層都加上偏壓，使得光生載流子穿過至少一個耗盡區(qū)遷移到該接觸部分，從而在該接觸部分處可獲得光電荷信號。在VCF傳感器組的典型實施例中，該組包括這樣的材料(例如，在圖2所示的層X09中既不屬于耗盡區(qū)X04也不屬于耗盡區(qū)X05的半導(dǎo)體材料)，在這種材料中光子可以被吸收并且這種吸收很可能產(chǎn)生可由讀出電路檢測到的電荷，但是在這種材料中光生載流子可以朝著至少兩個不同的載流子收集單元中的任一個遷移(可能性極大)。通常，但不是必然地，VCF傳感器組中所有的層都由半導(dǎo)體材料組成。
圖1是對于波長450納米、550納米和650納米而言在結(jié)晶硅中電磁輻射強度(相對于其入射強度I0)與在該硅中的深度之間的函數(shù)關(guān)系圖。圖3是對于波長450納米(曲線A)、550納米(曲線B)和650納米(曲線C)而言在結(jié)晶硅中的電磁輻射吸收率(相對于其入射強度I0)與在該硅中的深度之間的函數(shù)關(guān)系圖，其上標(biāo)明了圖2所示在其上覆蓋了傳感器組的各層的位置。圖1和3的圖是從相同的數(shù)據(jù)中得出的。圖3的每一條曲線畫出了多個差值，其中第“n”個差值是圖1所示相應(yīng)曲線的第“(n+1)”個和第“n”個數(shù)據(jù)值之差。在除硅以外的許多半導(dǎo)體中，(具有給定波長的)輻射的強度與深度的函數(shù)關(guān)系與圖1所示很相似。圖1示出了(對于各個波長而言)輻射的相對強度(比例I/I0，其中I是在硅中深度“x”處的強度，I0是入射強度)隨深度的增大而減小，因為光子被硅吸收了。圖1和3示出了與波長更長的光子相比，在表面附近有相對更多的藍光(450納米)光子被吸收，還示出了在硅中任何深度，綠光(550納米)光子都要比藍光光子要多，并且紅光(650納米)光子比綠光光子要多(假定紅光、綠光和藍光光子的入射強度相等)。
圖1(和圖3)的三條曲線中的每一條曲線都表明隨深度的增大強度呈指數(shù)衰減，并且每一條曲線都基于在經(jīng)典型的摻雜和處理后的結(jié)晶硅中對光測得的行為。每一條曲線的精確形狀將取決于摻雜和處理的參數(shù)，但是在假定摻雜和/或處理參數(shù)組不相同的各曲線之間將會只有很小的差異。眾所周知，半導(dǎo)體對不同波長的光子的吸收取決于該半導(dǎo)體材料的帶隙能量以及帶邊狀態(tài)的細節(jié)。同樣眾所周知的是，典型的半導(dǎo)體(例如硅)對不同的波長具有不同的吸光率。
從圖1和3中可明顯看出，在體積較大的硅中給定的深度處，充當(dāng)VCF傳感器組中的一個傳感器且具有給定厚度的某一體積的硅，對藍光的吸光率大于綠光，并且對綠光的吸光率大于紅光。然而，如果在較大的體積中傳感器硅足夠地深，則大部分藍光和綠光都將被該傳感器硅上面的材料吸收。即使具有基本上平的波長-強度譜的光入射到較大體積的表面上，只要到達傳感器的綠光和藍光的強度比到達傳感器的紅光的強度小很多，傳感器實際上也會吸收比綠光或藍光要多的紅光。
本發(fā)明的VCF傳感器組的典型實施例通過在半導(dǎo)體材料的體積中不同范圍的深度處捕獲光子，來實現(xiàn)色彩的分離。圖2是VCF傳感器組的垂直摻雜分布圖，它包括頂層X01(由n型半導(dǎo)體構(gòu)成)、在頂層下面的第二(p型)層X09、在第二層下面的第三(n型)層X02、在第三層下面的第四(p型)層X10、在第四層下面的第五(n型)層X03以及在第五層下面的p型半導(dǎo)體基片X11。
圖2A是這種VCF傳感器組(在垂直平面中)的橫截面圖。如圖2A所示，偏壓和讀出電路耦合到層X01、X02、X03、X04和X05以及基片X11。
藍光、綠光和紅光光電二極管傳感器由圖2A所示的n型和p型區(qū)之間的結(jié)構(gòu)成，并且置于該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的表面以下不同的深度處。紅光、綠光和藍光光電荷信號均取自三個隔離的光電二極管的n型陰極(X01、X02和X03)。
圖2A的讀出電路是非存儲類型的，與上述美國專利申請09/884,863中所描述的很相似。每一個傳感器的讀出電路包括復(fù)位晶體管(54b用于藍光傳感器，54g用于綠光傳感器，54r用于紅光傳感器)，它們由RESET信號線驅(qū)動并且耦合在光電二極管陰極與復(fù)位電勢(在圖2A中以VREF來標(biāo)識)之間；源極跟隨放大晶體管(晶體管56b、56g和56r之一)，在操作過程中其柵極耦合到光電二極管陰極而其漏極維持在電勢VREF；以及行選晶體管(晶體管58b、58g和58r之一)，它們由ROW-SELECT信號線驅(qū)動并且耦合在相關(guān)的源極跟隨放大晶體管的源極和行線之間。后綴“r”、“g”和“b”用來表示與各晶體管相關(guān)的波帶(紅、綠或藍)。如本領(lǐng)域所知的那樣，RESET信號是激活的以便使該像素復(fù)位，接下來在曝光期間是非激活的，再之后行選線被激活以便讀出檢測到的信號。
在操作過程中，p型區(qū)X09、X10和X11中的每一個都保持地面電勢。n型層X01、X02和X03中的每一個都是具有接觸部分的載流子收集單元，該接觸部分可連接到(并且可以耦合到)偏壓和讀出電路。在傳感器組的每一次讀出之前，偏壓電路使各個n型層復(fù)位到復(fù)位電勢(在地面電勢之上)。當(dāng)暴露于要被檢測的輻射中時，相鄰p型和n型層配對經(jīng)反向偏壓便可充當(dāng)光電二極管其陰極是層X01且陽極是層X09的第一光電二極管；其陰極是層X02且陽極是層X09和X10的第二光電二極管；以及其陰極是層X03且陽極是層X10和X11的第三光電二極管。如圖2所示，n型層X01、X02和X03中的每一個都耦合到偏壓和讀出電路，因而充當(dāng)了光電二極管的接線端。
在典型的操作過程中，當(dāng)圖2的光電二極管反向偏壓時，形成了包括該硅的大部分的耗盡區(qū)，在該耗盡區(qū)中光子被吸收。在圖2中，第一光電二極管的耗盡區(qū)(主要用來檢測藍光)被標(biāo)記為“X04”，第二光電二極管的耗盡區(qū)(主要用來檢測綠光)被標(biāo)記為“X05”和“X06”，第三光電二極管的耗盡區(qū)(主要用來檢測紅光)被標(biāo)記為“X07”和“X08”。耗盡區(qū)中的電場使通過吸收光子而形成的電子空穴對分開。這便將電荷留在了每一個光電二極管的陰極，并且耦合到每一個陰極的讀出電路將該電荷轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。每一個光電二極管的陰極處的電荷正比于該光電二極管所吸收的光子的數(shù)目。該比例是量子效率QE。
圖3示出了與圖1所示相同的曲線(它們表示硅對藍光、綠光和紅光光子的吸收)，并且也包括用于表示圖2所示結(jié)構(gòu)的載流子收集單元(X01、X02和X03)和耗盡區(qū)的范圍的線條。因此，圖3中標(biāo)記為“X01+X04”的區(qū)域表示圖2中耗盡區(qū)X04的下表面以上的區(qū)域，圖3中標(biāo)記為“X05+X02+X06”的區(qū)域表示圖2中介于耗盡區(qū)X05的上表面和耗盡區(qū)X06的下表面之間的區(qū)域，圖3中標(biāo)記為“X07+X03+X08”的區(qū)域表示圖2中介于耗盡區(qū)X07的上表面和耗盡區(qū)X08的下表面之間的區(qū)域。因此，圖3示出了三個不同的“傳感器”區(qū)域，在這些區(qū)域中圖2所示的三個光電二極管吸收光子，這種吸收所產(chǎn)生的電荷停留在這些區(qū)域中(并不遷移到產(chǎn)生電荷的傳感器區(qū)域之外)并且可以被讀出電路測得。然而，應(yīng)該認識到，三個傳感器區(qū)域之間所產(chǎn)生的電子空穴對(例如，在耗盡區(qū)X04的下表面和耗盡區(qū)X05的上表面之間的層X09中所產(chǎn)生的電子空穴對)仍然可以(以很高的效率)擴散到傳感器區(qū)域中，并且在光電二極管上產(chǎn)生可以由讀出電路測得的電荷。
按波長對光子進行的選擇性吸收決定了三個光電二極管的光子響應(yīng)。如果聯(lián)系圖3中450納米、550納米和650納米的光子曲線來考慮傳感器區(qū)域的位置(“X01+X04”，“X05+X02+X06”，“X07+X03+X08”)，則會看到傳感器區(qū)域的深度和范圍決定了光譜響應(yīng)。在“X01+X04”區(qū)域中，與入射的綠光和紅光相比，有多出許多的藍色入射光被吸收，只有少量的綠光和紅光被吸收。在“X01+X04”區(qū)域中，被吸收的綠色入射光比藍色入射光要少許多，并且被吸收的綠色入射光比紅色入射光要多出許多。在“X05+X02+X06”區(qū)域中，被吸收的綠色入射光比藍色入射光要多(因為入射到區(qū)域“X01+X04”的藍光大部分都被該區(qū)域吸收了，而沒有到達區(qū)域“X05+X02+X06”)，并且被吸收的綠色入射光比紅色入射光要多(即使入射到區(qū)域“X01+X04”的紅光只有很少量被該區(qū)域吸收，大部分紅光會到達區(qū)域“X05+X02+X06”)。
入射波長的全部范圍(不僅是450納米、550納米和650納米這三個波長)決定了圖2所示的三個光電二極管的光譜響應(yīng)，這與圖4所示的很相似。圖4中的曲線C1是與圖2所示的頂部(“藍光”)光電二極管相似的頂部(“藍光”)光電二極管的光譜響應(yīng)，圖4中的曲線C2是與圖2所示的中間(“綠光”)光電二極管相似的中間(“綠光”)光電二極管的光譜響應(yīng)，而圖4中的曲線C3是與圖2所示的底部(“紅光”)光電二極管相似的底部(“紅光”)光電二極管的光譜響應(yīng)。
在一類重要的實施例(包括圖2所示的VCF傳感器組)中，本發(fā)明的VCF傳感器組實現(xiàn)了三個光電二極管。這種VCF傳感器組可很好地適用于DSC或數(shù)字?jǐn)z像機。然而，在其它實施例中，本發(fā)明的VCF傳感器組實現(xiàn)了兩個(或不止三個)光電二極管，它們位于至少主要由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的一體積之內(nèi)不同的深度。
注意到，其吸光率隨波長而變化的材料會根據(jù)進入該材料的深度而改變穿過該材料而傳播的輻射的光譜內(nèi)容。這種材料在VCF傳感器組中可以具有多種功能它們可以充當(dāng)濾光片，也可以充當(dāng)傳感器(或傳感器的單元)。例如，在圖2的實施例中，各個硅區(qū)域X01、X02、X03、X09、X10和X11既充當(dāng)濾光片，也充當(dāng)至少一個傳感器的單元。在其它實施例中，其它半導(dǎo)體(或至少兩種不同的半導(dǎo)電材料的層)相似地既充當(dāng)傳感器(或傳感器的單元)又充當(dāng)濾光片。
在一類實施例中，本發(fā)明的垂直濾色片(“VCF”)傳感器組包括垂直堆疊的傳感器，這些傳感器包括一個具有頂部表面的頂部傳感器，要被檢測的輻射入射到頂部表面上并在到達該組的其它任何傳感器之前先通過該頂部表面?zhèn)鞑サ皆擁敳總鞲衅鳌Ｔ擁敳勘砻娑x了法線軸(并且通常至少大體上是平的)。較佳地，這些傳感器被配置成當(dāng)沿該組的垂直軸(上文定義過)傳播的輻射入射到該組時，該輻射以相對于法線軸小于約30度的入射角入射到該頂部傳感器上。
接下來，參照圖5、6和7，將描述除硅以外的半導(dǎo)體材料(例如，InGaN或其它III-V族半導(dǎo)體材料，或除硅以外又不是III-V族材料的半導(dǎo)體材料)被用于形成VCF傳感器組的實施例。一種既不是硅又不是III-V族材料的半導(dǎo)體材料是碳化硅。圖5是一種VCF傳感器組(在垂直平面中)的簡化橫截面圖，它包括頂部傳感器10、底部傳感器14以及定位于傳感器10和14之間的中間傳感器12。傳感器10和12都由InxGa1-xN半導(dǎo)體材料組成，其中對于傳感器10，x＝0.475，而對于傳感器12，x＝0.825。傳感器14基本上由硅組成。通常，傳感器10和12都由多層InxGa1-xN半導(dǎo)體組成，它們決定了在操作過程中被加上偏壓以充當(dāng)光電二極管的至少一個結(jié)，而傳感器14由多層具有不同摻雜的硅組成(例如，一層n型硅以及在該n型層上面和下面分別相鄰的p型硅層部分)，它們在操作過程中被加上偏壓以充當(dāng)光電二極管。
使用主要由一種或多種III-V族半導(dǎo)體材料組成的晶體管并確定在操作過程中被加上偏壓以充當(dāng)光電二極管的結(jié)(任何類型的結(jié)，包括異質(zhì)結(jié)或肖特基阻擋層)等做法都落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
圖6是一張表格，它(在標(biāo)有“能隙”的中間一欄中)以電子伏特為單位列出了其中銦含量不同的InxGa1-xN半導(dǎo)體(下標(biāo)“x”的值不同)的帶隙能量。圖6也(在右邊一欄中)列出了與各個帶隙能量相對應(yīng)的光波長。因此，圖6指出，由In0.1Ga0.9N半導(dǎo)體制成的傳感器所能吸收的最大波長是388納米，圖5所示的傳感器10(由In0.475Ga0.525N半導(dǎo)體制成)所能吸收的最大波長約為500納米，圖5所示的傳感器12(由In0.825Ga0.175N半導(dǎo)體制成)所能吸收的最大波長約為612納米。
因此，傳感器10使入射到其上的所有(或基本上所有的)綠光和紅光都透射過去，并且最好具有足夠的厚度使其能夠吸收掉入射到圖5所示傳感器組上的所有(或基本上所有的)藍光。相似的是，傳感器12使入射到其上的所有(或基本上所有的)紅光都透射過去，并且最好具有足夠的厚度使其能夠吸收掉入射到圖5所示傳感器組上的所有(或基本上所有的)綠光。傳感器14最好具有足夠的厚度使其能夠吸收掉入射到其上的所有(或至少大部分的)紅光。
通常，當(dāng)使用InxGa1-xN半導(dǎo)體材料(或其它III-V族半導(dǎo)體材料)來形成VCF傳感器組時，針對VCF傳感器組的各個傳感器來選擇該材料的參數(shù)(比如，InxGa1-xN中的參數(shù)“x”)以實現(xiàn)期望的帶隙能量(例如，使一個傳感器對波長大于閾值的光透明，其中該閾值由帶隙能量決定)。
更常見的情況是，在本發(fā)明的一些較佳實施例中，除硅以外至少還有一種半導(dǎo)體材料被用于實現(xiàn)VCF傳感器組的至少一個傳感器，并且選擇該材料可使該組中不同的傳感器選擇性地對不同的波帶靈敏。在一些這樣的較佳實施例中，使用了至少兩種不同類型的半導(dǎo)體材料來實現(xiàn)VCF傳感器組中的各個傳感器，并且選擇材料以使該組中不同的傳感器選擇性地對不同的波帶靈敏。
本發(fā)明的VCF傳感器組的一些實施例包括至少一個“雪崩”光電二極管，這種光電二極管因“雪崩”增益過程而實現(xiàn)每吸收一個光子便可收集不止一個電子。在雪崩增益過程中，通過光子的吸收而產(chǎn)生的第一個電子空穴對產(chǎn)生了至少一個附加的電子空穴對，前提假設(shè)是該第一個電子空穴對中電子的能量超過了用于形成光電二極管傳感器的半導(dǎo)體材料的帶隙能量。半導(dǎo)體材料具有電子電離系數(shù)(an)和空穴電離系數(shù)(ap)，其中1/an是電子在材料中被加速后因碰撞電離而產(chǎn)生新的電子空穴對之前所行進的平均距離，1/ap是空穴在材料中被加速后因碰撞電離而產(chǎn)生新的電子空穴對之前所行進的平均距離。與形成光電二極管的半導(dǎo)體材料中電離系數(shù)比ap/an遠大于1或遠小于1的情況相比，當(dāng)在形成光電二極管的半導(dǎo)體材料中電離系數(shù)比ap/an幾乎等于1時，實現(xiàn)實用的雪崩光電二極管將變得非常困難。
在本發(fā)明的一些實施例中，VCF傳感器組的至少一個傳感器是雪崩傳感器，它包括光吸收區(qū)域以及和該光吸收區(qū)域分開的雪崩區(qū)域。例如，圖7是可以被包括在VCF傳感器組中的這樣一個雪崩傳感器的橫截面圖。圖7的傳感器包括基片20(由n+型硅制成)；基片20上的層21(由n-型硅制成)；層21上的層22(由摻雜濃度相對較低的n型InxGa1-xN半導(dǎo)體材料制成)；以及層22上的層23(由摻雜濃度相對較高的p型InxGa1-xN半導(dǎo)體材料制成)。金屬接點27形成于層23上，基片20通過由n+型硅構(gòu)成的垂直定向接觸區(qū)域而耦合到金屬接點25。在操作過程中，在金屬接點25和27之間加偏壓，讀出電路可以耦合到接點27。隔離是由層21、22和23周圍的電介質(zhì)材料27A(它可以由光刻膠構(gòu)成，例如聚甲基戊二酰亞胺保護層)以及層21、22、23和電介質(zhì)材料27A之間的(以及基片20和材料27A之間的)電介質(zhì)材料24(可以是氮化硅)來提供的。
在操作過程中，層22和23充當(dāng)光吸收區(qū)域，其中響應(yīng)于入射的光子而形成電子空穴對。用于形成層22和23的InxGa1-xN半導(dǎo)體材料具有遠大于(或遠小于)1的電離系數(shù)比(ap/an)，因此層22和23不被用于雪崩增益區(qū)域。
在操作過程中，層21和20充當(dāng)雪崩增益區(qū)域，其中響應(yīng)于光吸收區(qū)域中所形成的電子空穴對而形成了新的電子空穴對。與層22、23的電離系數(shù)比相比，用于形成層21和20的硅具有更接近1的電離系數(shù)比(ap/an)。
通常，本發(fā)明的VCF傳感器組的一些實施例包括至少一個作為雪崩光電二極管的傳感器，其中該雪崩光電二極管包括光吸收區(qū)域，在構(gòu)成該區(qū)域的半導(dǎo)體材料(例如，InGaN)中電子的電離系數(shù)與空穴的電離系數(shù)相差很大；以及與光吸收區(qū)域分開的雪崩區(qū)域，在構(gòu)成該區(qū)域的另一種半導(dǎo)體材料(例如，硅)中電子和空穴的電離系數(shù)幾乎相等?？梢灶A(yù)期，作為雪崩光電二極管而實現(xiàn)的傳感器的一種重要的用途是檢測低強度的輻射，比如，在到達雪崩光電二極管之前通過至少一個濾光片和/或至少一個其它的傳感器傳播期間其強度已顯著減小(例如通過吸收)的輻射。
在本發(fā)明的VCF傳感器組的其它實施例中，不充當(dāng)傳感器(或傳感器單元)的至少一個濾光片與充當(dāng)傳感器(或傳感器單元或者一個或多個傳感器)的至少一層半導(dǎo)體材料堆疊在一起。這種濾光片可以但并不需要具有與圖2所示實施例中的硅相同的光譜靈敏度。
濾光片一般在下述意義上從輻射中除去波長。對于每一個濾光片，都有第一和第二波長，使得如果該第一和第二波長分別以強度“I1”和“I2”入射到濾光片上并且第一和第二波長的透射強度(在通過濾光片透射之后)分別是“O1”和“O2”，則O1≤I1，O2≤I2，并且O1/02＜I1/I2。
本發(fā)明的VCF傳感器組的一些實施例中所包括的一種類型的濾光片是“轉(zhuǎn)換濾光片”(例如“轉(zhuǎn)換層”)，它可以改變?nèi)肷涞狡渖系碾姶泡椛涞牟ㄩL?！稗D(zhuǎn)換”濾光片吸收一種波長的光子，并發(fā)出至少一種波長更短或更長的光子。通常，包括轉(zhuǎn)換濾光片的材料是非線性光學(xué)材料。轉(zhuǎn)換濾光片可用于將頻率低于傳感器截止頻率的光子轉(zhuǎn)換為更高的頻率，這樣它們就可以被檢測到了?；蛘撸D(zhuǎn)換濾光片可用于將頻率在閾值頻率之上的光子轉(zhuǎn)換到更低的頻率，這樣它們就可以被檢測到了。后者的一個示例是X射線轉(zhuǎn)換層，用于將容易穿透大多數(shù)檢測材料的X射線轉(zhuǎn)換為易被檢測的可見光。在本發(fā)明的一些實施例中，厚度約為100微米的氧硫化釓層或厚度約為100微米到600微米的摻有鉈的碘化銫層都可以用作這種X射線轉(zhuǎn)換層。
有兩種相關(guān)的方式來檢測一組光譜帶中的光子，并且每一種方式都可以用于實現(xiàn)本發(fā)明。在本發(fā)明的VCF傳感器組的一些實施例中，至少一個濾光片除去至少一個波帶以外的光子，并且至少兩個垂直堆疊的傳感器檢測剩余的光子，其中每一個傳感器都是與每一個濾光片分離的元件。本發(fā)明的VCF傳感器組的其它實施例并不包括非傳感器濾光片(即不是傳感器的濾光片)，但確實包括對有限的波帶靈敏的傳感器。本發(fā)明的其它實施例可以通過包括第一傳感器和在第一傳感器下面的第二傳感器，來實現(xiàn)這些方法的組合，其中第一傳感器吸收了有限范圍的波長并使該范圍以外的光子透射到第二傳感器，并且該第二傳感器對所有的波長都靈敏。在本示例中，第一傳感器充當(dāng)?shù)诙鞲衅鞯臑V光片。
在本發(fā)明的一些實施例中，至少一個非傳感器濾光片定位于VCF傳感器組中的至少一對垂直堆疊的傳感器之間，或該組的頂部傳感器之上，或該組的底部傳感器之下。當(dāng)這種濾光片定位于VCF傳感器組中的一對垂直堆疊的傳感器之間時，該濾光片可以是多種不同類型中的任一種，這包括(但不限于下面這些)濾光片可以吸收一個波帶中的輻射并且透射其它波長而同時不對任何波長的輻射造成太多的反射；濾光片可以反射一個波帶中的輻射并且透射其它波長而同時不對任何波長的輻射造成太多的吸收；或濾光片可以對一個波帶中的輻射高度透射，對另一個波帶中的輻射高度吸收，并且對第三個波帶中的輻射造成高度反射。圖8的VCF傳感器組包括兩個后一種類型的非傳感器濾光片濾色片43和濾色片48。應(yīng)該理解，圖8所示的傳感器組只是本發(fā)明可預(yù)計的許多實施例中的一個示例。
圖8是本發(fā)明的VCF傳感器組陣列的一個實施例(在垂直平面中)的部分截面圖，它包括兩個非傳感器濾光片(層43和48)以及四個絕緣層(擴散阻擋層42、44、47和48)。每一個絕緣層可以由二氧化硅構(gòu)成。在圖8中，一個VCF傳感器組包括層51(由n型半導(dǎo)體制成)以及在層51上面和下面的p型半導(dǎo)體材料層50；在材料50下面的絕緣層49；在層49下面的濾色片48；在濾光片48下面的絕緣層47；層46(由n型半導(dǎo)體制成)以及在層46上面和下面的p型半導(dǎo)體材料層45；在材料45下面的絕緣層44；在層44下面的濾色片43；在濾光片43下面的絕緣層42；層41(由n型半導(dǎo)體制成)以及在層41上面和下面的p型半導(dǎo)體基片材料40。垂直定位的插頭將層41、46和51都連接到傳感器組的頂部表面，這樣各個層41、46和51都可以耦合到偏壓和讀出電路。遮光板54安裝在插頭上面以防止輻射(正入射到傳感器組頂部表面的輻射)到達插頭而減弱頻率選擇性。圖8的陣列也包括第二VCF傳感器組，它包括層63(由n型半導(dǎo)體制成)以及在層63上面和下面的p型半導(dǎo)體材料層50；在材料50下面的絕緣層49；在層49下面的濾色片48；在濾光片48下面的絕緣層47；層62(由n型半導(dǎo)體制成)以及在層62上面和下面的p型半導(dǎo)體材料層45；在材料45下面的絕緣層44；在層44下面的濾色片43；在濾光片43下面的絕緣層42；層61(由n型半導(dǎo)體制成)以及在層61上面和下面的p型半導(dǎo)體基片材料40。垂直定位的插頭將層61、62和63都連接到傳感器組的頂部表面，這樣各個層61、62和63都可以耦合到偏壓和讀出電路。遮光板53安裝在第二VCF傳感器組的插頭上面以防止輻射(正入射到傳感器組頂部表面的輻射)到達插頭。
在圖8所示實施例的變體中，n型層51和63的水平定向變體(它們?nèi)鄙俅怪倍ㄏ虻慕佑|部分)暴露于傳感器組的頂部表面(并且并不被半導(dǎo)體材料50覆蓋)。每一個這樣暴露的n型層可以直接連接到(例如，通過形成于其上的金屬接觸)偏壓和讀出電路。相似的是，在圖8所示實施例的變體中，n型層46和62直接置于層47下面(不再用p型半導(dǎo)體材料45將其與層47分離)，n型層41和61直接置于層42下面(不再用p型半導(dǎo)體材料40將其與層42分離)。
在操作過程中，使圖8中的每一層p型半導(dǎo)體層都保持地面電勢。通過可接入(或可耦合到)偏壓和讀出電路的插頭而將每一層n型層都耦合起來。在每一個傳感器組的每一次讀出之前，偏壓電路將每一層n型層復(fù)位到基準(zhǔn)電勢(在地面電勢之上)。在暴露于要檢測的輻射期間，第一傳感器組中相鄰的p型和n型層配對后反向偏壓便可充當(dāng)光電二極管第一光電二極管，其陰極是層51，其陽極是相鄰的材料層50(被稱為“藍光”傳感器，因為它響應(yīng)于入射到該傳感器組頂部的白光而吸收了比綠光或紅光光子要多的藍光光子)；第二光電二極管，其陰極是層46，其陽極是相鄰的材料層45(被稱為“綠光”傳感器，因為當(dāng)白光入射到該傳感器組頂部時它吸收了比藍光或紅光光子要多的綠光光子)；以及第三光電二極管，其陰極是層41，其陽極是相鄰的材料層40(被稱為“紅光”傳感器，因為當(dāng)白光入射到該傳感器組頂部時它吸收了比藍光或綠光光子要多的紅光光子)。在暴露于要檢測的輻射期間，第二傳感器組中相鄰的p型和n型層配對后反向偏壓便可充當(dāng)光電二極管第一光電二極管，其陰極是層63，其陽極是相鄰的材料層50(被稱為“藍光”傳感器，因為它響應(yīng)于入射到該第二傳感器組頂部的白光而吸收了比綠光或紅光光子要多的藍光光子)；第二光電二極管，其陰極是層62，其陽極是相鄰的材料層45(被稱為“綠光”傳感器，因為當(dāng)白光入射到該第二傳感器組頂部時它吸收了比藍光或紅光光子要多的綠光光子)；以及第三光電二極管，其陰極是層61，其陽極是相鄰的材料層40(被稱為“紅光”傳感器，因為當(dāng)白光入射到該第二傳感器組頂部時它吸收了比藍光或綠光光子要多的紅光光子)。
當(dāng)層40、41、45、46、50和51由結(jié)晶硅制成時(通常都是這樣)，層51和50最好分別比層46和45要薄并且層41和40分別比層51和50要薄，厚度的差值要足以確保入射到各綠光傳感器的綠光和紅光的強度比足夠得高，同時確保比綠光多得多的紅光入射到各紅光傳感器上并且比綠光多得多的藍光被各藍光傳感器吸收。通常，第一傳感器組中的層51和50(以及第二傳感器組中的層63和50)組合厚度是0.3微米或更少，并且第一傳感器組中的層45和46(以及第二傳感器組中的層45和62)組合厚度約為0.5微米。
濾色片43是“紅光通過/青光反射”濾光片，它對紅光高度透射但反射入射于其上的大部分或幾乎全部的藍光和綠光。濾色片48是“黃光通過/藍光反射”濾光片，它對入射于其上的紅光和綠光高度透射，但反射入射于其上的大部分或幾乎全部的藍光。本發(fā)明的其它實施例使用非反射型的透射濾光片。
濾光片43的作用在于增大由各個紅光傳感器所吸收的紅光和綠光的比(以及紅光和藍光的比)，并且可以減小或消除若省去濾光片43則可能影響紅光傳感器的紅/綠區(qū)分問題。相似的是，濾光片48的作用在于增大由各個綠光傳感器所吸收的綠光和藍光的比，并且可以減小或消除若省去濾光片48則可能影響綠光傳感器的綠/藍區(qū)分問題。
濾光片48的作用還在于增大由各個藍光傳感器所吸收的藍光和綠光(以及紅光)的比，因為從濾光片48反射的藍光有另一次機會被藍光傳感器吸收。各個藍光傳感器的藍光吸收都得到提高，而同時不增大其對紅光和綠光的響應(yīng)，因為并沒有多少紅光和綠光從濾光片48反射回藍光傳感器。相似的是，濾光片43的作用還在于增大由各個綠光傳感器所吸收的綠光和紅光的比，因為從濾光片43反射的綠光有另一次機會被綠光傳感器吸收。各個綠光傳感器的綠光吸收都有所提高，而同時不增大其對紅光的響應(yīng)，因為并沒有多少紅光從濾光片43反射回綠光傳感器。非常少的藍光到達綠光傳感器，因為幾乎所有的藍光要么被藍光傳感器吸收了，要么被濾光片48朝著藍光傳感器反射回去了。
有種類多樣的材料都可以充當(dāng)VCF傳感器組中的濾光片(例如，圖8中的濾光片43或48，或反射一個波帶而對所有其它波長均透射的濾光片，或吸收一個波帶但并不反射的濾光片)。這些材料可以組合使用或具有各種厚度。這些配置部分程度上由它們的光學(xué)特性確定，但主要取決于加工集成因素。
材料以及材料之間的界面可以反射光子。當(dāng)鏡子的反射率按波長具有選擇性時，該鏡子(無論是材料還是材料之間的界面)可以充當(dāng)本發(fā)明的VCF傳感器組中的濾光片。例如，本發(fā)明的VCF傳感器組的一些實施例包括分色鏡，它透射第一波帶中的輻射而反射第二波帶中的輻射。
如上所述，由光吸收隨波長而變化的材料制成的堆疊層可以被用作本發(fā)明的VCF傳感器組的各個實施例中的濾光片。在包括不同摻雜半導(dǎo)體材料(例如硅)層的較佳實施例中，至少一層半導(dǎo)體層被同時用作濾光片和傳感器。在一層半導(dǎo)體材料被同時用作濾光片和光電二極管傳感器的陰極(或陽極)的VCF傳感器組中，可以通過控制加在光電二極管的陽極和陰極之間的偏壓，也可以通過確定摻雜原子的摻雜水平和位置以及傳感器單元的結(jié)構(gòu)間隔，來適當(dāng)控制該傳感器的光譜靈敏度。
被包括在本發(fā)明的一些實施例中的另一種類型的濾光片是薄金屬膜。薄金屬膜可以充當(dāng)部分反射器，由此可以過濾入射的光子。被反射的光子通過它們上面的各個層而返回，這給了它們第二次被吸收的機會。
本發(fā)明的一些實施例中所包括的其它類型的濾光片是干涉濾光片(例如，具有不同介電常數(shù)的電介質(zhì)材料的堆疊層)，它反射某些波長并使其它波長通過；以及有機、無機染料和色素。
在本發(fā)明的一些實施例中，濾光片以任一種圖案分布在陣列的VCF傳感器組中，例如，像申請?zhí)枮?0/103,304的專利中所描述的那樣。這些濾光片可以但并不需要全部都完全相同。較佳地，每一個濾光片與VCF傳感器組之一形成一體(例如，作為形成于半導(dǎo)體層上或半導(dǎo)體層之間的一個層)?；蛘?，濾光片和傳感器組可以單獨制造，然后將濾光片定位于該傳感器組陣列上并與VCF傳感器組接合(或附著于或固定到相對于VCF傳感器組的一個固定位置處)。濾光片可以按圖8A所示的“交替”方式或“棋盤”方式來設(shè)置，其中標(biāo)有“RGB”的每一個正方形表示VCF傳感器組，并且標(biāo)有“X”的每一個正方形表示包括一個濾光片的VCF傳感器組。如圖8A所示，每一個奇數(shù)號的行中的每一個奇數(shù)號傳感器組包括一個濾光片，每一個偶數(shù)號行中的每一個偶數(shù)號傳感器組包括一個濾光片，由此在具有濾光片的彩色傳感器組和不具有濾光片的彩色傳感器組之間獲得了最佳的空間頻率。
或者，濾光片可以按圖8B所示的圖案來設(shè)置，其中標(biāo)有“RGB”的每一個正方形表示VCF傳感器組，標(biāo)有“X”的每一個正方形表示包括一個濾光片的VCF傳感器組。當(dāng)濾光片按圖8B所示圖案來設(shè)置時，按一種同時允許滿測度彩色讀出和馬賽克仿真讀出的方式來分配濾光片，同時確保兩種類型的圖像讀出包含彩色傳感器組輸出和濾色片的每一種組合?；蛘?，可以按任何其它圖案在VCF傳感器組陣列的傳感器組中分配濾光片，其中的某些在申請?zhí)枮?0/103,304的專利中有所描述。
本發(fā)明的VCF傳感器組的一些實施例包括至少一個透鏡以替代至少一個濾光片或作為該至少一個濾光片的補充。例如，在VCF傳感器組陣列中，可以在每一個(或只是一些)VCF傳感器組上形成微透鏡。有時當(dāng)金屬化(或另一種結(jié)構(gòu))限制了VCF傳感器組的孔徑大小(在成像平面中入射輻射將傳播到至少一個傳感器上的面積)時，光刻膠可以沉積到該孔徑上，然后顯影，這樣光刻膠材料熔化成凹或凸型，從而形成了微透鏡。根據(jù)構(gòu)成透鏡的材料的特性和透鏡形狀，透鏡除了可以用作透鏡以外可以充當(dāng)濾光片。例如，圖9是圖8所示VCF傳感器組陣列的變體(在垂直平面中)的部分橫截面圖。圖9所示的陣列包括第一VCF傳感器組，該第一VCF傳感器組進一步包括n型半導(dǎo)體層51、46和41，它們都形成于p型半導(dǎo)體材料之中；垂直定向的接點，用于將各個層41、46和51連接到傳感器組的頂部表面；以及遮光板54，它安裝在接點上面以防止輻射(正入射到傳感器組的頂部表面上的輻射)到達接點。圖9所示陣列還包括第二VCF傳感器組，該第二VCF傳感器組進一步包括n型半導(dǎo)體層61、62和63，它們都形成于p型半導(dǎo)體材料之中；垂直定向的接點，用于將各個層61、62和63連接到傳感器組的頂部表面；以及遮光板53，它安裝在接點上面以防止輻射(正入射到傳感器組的頂部表面上的輻射)到達接點。遮光板53和54形成于層64中，而層64對要檢測的輻射透明。遮光板53和54圍繞著第一傳感器組的孔徑，并且遮光板53和另一個遮光板(未示出)圍繞著第二傳感器組的孔徑。凸微透鏡65形成于第一組的孔徑上面的層64之上，凸微透鏡66形成于第二組的孔徑上面的層64之上。
當(dāng)微透鏡按交替圖案(圖8A所示的圖案)分布在VCF傳感器組陣列的傳感器組中時，可以單獨選擇傳感器組中對輻射具有不同靈敏度的各個子集。這為作為一個整體的陣列提供了擴展的動態(tài)范圍。
在VCF傳感器組陣列中各個傳感器組的孔徑通常是正方形或八邊形，但也可以具有其它形狀(例如，矩形、圓形或不規(guī)則形狀)。在這種陣列的全部或一些傳感器組的孔徑上所形成的微透鏡通常是正方形的，但也可以具有其它形狀。
本發(fā)明的VCF傳感器組的一些實施例包括至少一個作為復(fù)合透鏡的微透鏡(例如，凹微透鏡和凸微透鏡的組合)。
眾所周知，形成微透鏡并以之作為CCD圖像傳感器陣列的頂層，其中陣列的每一個傳感器上有一個微透鏡。同時也知道，包括的微透鏡可作為CCD圖像傳感器陣列的中間層，例如，在陣列的每一個傳感器上有兩個垂直分離的微透鏡，并且在這對垂直分離的微透鏡之間有濾色片。在本發(fā)明的一些實施例中，微透鏡(例如，圖9的微透鏡65)相對于VCF傳感器組的傳感器而定位，以便將輻射折射到該組的頂部傳感器(例如，圖9中包括層51的那個傳感器)中，使至少一些輻射通過頂部傳感器傳到位于該頂部傳感器下面的各傳感器，前提假設(shè)是該輻射包括在其可以到達底部傳感器之前既不被該組吸收又不被該組的元件所反射的至少一個波長。
在本發(fā)明的典型實施例中，非常期望將半導(dǎo)體加工處理過程中(出于其它目的)已經(jīng)使用過的材料用于實現(xiàn)濾光片、透鏡和傳感器，因為它們可以在不修改工藝的情況下被添加到VCF傳感器組中。這種材料的示例是多晶硅、二氧化硅和氮化硅。多晶硅層可以用作濾光片，其吸收光譜取決于其結(jié)晶特性和導(dǎo)電性以及該層的厚度和相對于VCF傳感器組其它單元的深度。在某一表面(例如，硅表面)上生長的氧化硅層和二氮化硅層可以形成VCF傳感器組中的干涉濾光片。
在本文中，在用來實施本發(fā)明的VCF傳感器組中，“尺寸最小的”載流子收集單元這樣一種表述是指，其在與該組頂部傳感器的上表面所定義的法線軸相垂直的一平面上所投影的面積不大于該組其它載流子收集單元在該平面上所投影的面積的那個載流子收集單元。在本文中，(一組的)“最小收集面積”是指，該組中尺寸最小的載流子收集單元在與該組頂部傳感器的上表面所定義的法線軸相垂直的一平面上所投影的面積。在本發(fā)明的傳感器組的一類實施例中，如圖10、10A和10B的傳感器組中所示，與該組中的每一個尺寸最小的載流子收集單元相比，該組中某一個傳感器的載流子收集單元基本上具有更大的“尺寸”(在與該組頂部傳感器的上表面的法線軸相垂直的平面上投影的面積)。在這一類較佳實施例中，傳感器組的某一個載流子收集單元具有至少兩倍于該組最小收集面積的尺寸。該載流子收集單元通常由陣列中的至少一個其它傳感器組所共用，并且其尺寸通常至少基本上等于共用它的所有組的尺寸總和。
圖10的陣列包括多個傳感器組，其中六個示出在圖10中。每一個傳感器組包括一個綠光傳感器(其載流子收集區(qū)域不與任何其它傳感器組共用)、一個藍光傳感器(與一個其它的傳感器組共用)以及一個紅光傳感器(與一個其它的傳感器組共用)。每一個紅光傳感器和藍光傳感器的載流子收集區(qū)域都被兩個傳感器組共用。用于藍光和紅光光子的載流子收集區(qū)域大于用于綠光光子的收集區(qū)域。
在圖10或10B所示陣列的變體中，至少一個載流子收集區(qū)域(由兩個傳感器組共用)包括兩個或多個部分，這些部分最初形成時彼此橫向分離，然后將它們短路在一起形成單個有效的載流子收集區(qū)域。例如，每一個藍光傳感器可以包括兩個橫向分離的用于藍光光子的載流子收集區(qū)域，每個區(qū)域形成在綠光光子的不同載流子收集區(qū)域上，這兩個用于藍光光子的載流子收集區(qū)域橫向分離，以便在兩者之間的陣列上表面上提供形成至少一個晶體管的空間。每一個藍光傳感器的兩個橫向分離的載流子收集區(qū)域被短接在一起，形成單個有效的用于藍光光子的載流子收集區(qū)域，其總尺寸比陣列中每一個用于綠光光子的載流子收集區(qū)域都要大。
參照圖10，每一個紅光傳感器上所收集的電荷被轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號表示共用該紅光傳感器的兩個傳感器組上所入射的紅光強度的平均值的兩倍。每一個藍光傳感器上所收集的電荷被轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號表示共用該藍光傳感器的兩個傳感器組上所入射的藍光強度的平均值的兩倍。這樣，該陣列有關(guān)綠光的分辨率是有關(guān)紅光或藍光的分辨率的兩倍。這種類型的陣列增大了藍光和紅光信道中的信噪比，同時還維持了綠光(或像亮度這樣的)信道中的高空間分辨率。高亮度分辨率得以實現(xiàn)，因為每一個像素位置都具有有效的綠光傳感器，相比之下，使用Bayer圖案的常規(guī)圖像傳感器陣列僅在一半的像素位置處具有綠光傳感器。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該會認識到，通過綠光信道中更高的采樣率來保持高亮度分辨率會使采用這種陣列所產(chǎn)生的內(nèi)插圖像中存在的偽像有所減少。更大的藍光和紅光載流子收集區(qū)域會進一步減少偽像的存在。
在其它實施例中，VCF傳感器組陣列中藍光傳感器的載流子收集區(qū)域小于該陣列的紅光和綠光傳感器的載流子收集區(qū)域。
在VCF傳感器組陣列的一些實施例中，一個傳感器組包括至少一個與另一個傳感器組共用的傳感器(或傳感器的單元)。圖10A是這種陣列(在垂直平面中)的橫截面圖。在圖10A中，第一傳感器組包括第一傳感器，該第一傳感器自身又包括層102(由n型半導(dǎo)體制成)以及緊靠層102上面和下面的p型材料區(qū)域100；以及第二傳感器，該第二傳感器自身又包括層101(由n型半導(dǎo)體制成)以及緊靠層101上面和下面的p型材料區(qū)域100。圖10A也示出了第二傳感器組，它包括第三傳感器(該第三傳感器又包括n型半導(dǎo)體制成的層103以及緊靠層103上面和下面的p型材料區(qū)域100)和第二傳感器。由此，第二傳感器(它包括層101)由兩個傳感器組共用，并且分離的第一和第三傳感器定位于該陣列中同一垂直水平處。
圖10A陣列可以被配置成，第一傳感器的輸出表示第一像素的藍光成分，第三傳感器的輸出表示第二像素的藍光成分，第二傳感器的輸出同時表示第一像素和第二像素的綠光成分。圖10A所示陣列較佳地可操作于綠光分辨率好于藍光的模式(例如，通過單獨地使用第一、第二和第三傳感器的輸出)；以及藍光分辨率與綠光分辨率相同的模式(例如，通過對第一和第三傳感器的輸出求平均，并且將該平均值與第二傳感器的輸出一起使用)。圖10A所示陣列是只具有兩個深度處的傳感器的簡單實施例。在本發(fā)明的陣列的其它實施例中，傳感器組都具有垂直排列在三個或更多不同深度的傳感器。
在圖10B所示的VCF傳感器組陣列中，每一個傳感器組的紅光和藍光傳感器的載流子收集單元具有比該組的綠光傳感器的載流子收集單元要大的尺寸。圖10B的陣列包括多個傳感器組，圖10B中示出了其中的四個。每一個傳感器組包括一個綠光傳感器，其載流子收集區(qū)域(182、183、184或185)并不與任何其它傳感器組共用；一個藍光傳感器，其載流子收集區(qū)域(180)與三個其它的傳感器組共用；以及一個紅光傳感器，其載流子收集區(qū)域(181)與三個其它的傳感器組共用。用于藍光和紅光光子的載流子收集區(qū)域大于用于綠光光子的收集區(qū)域。每一個紅光傳感器上(因光子吸收)所收集的電荷被轉(zhuǎn)換為電信號(通常是電壓)，該電信號表示共用該紅光傳感器的四個傳感器組上所入射的紅光強度的平均值。每一個藍光傳感器上所收集的電荷被轉(zhuǎn)換為電信號(通常是電壓)，該電信號表示共用該藍光傳感器的四個傳感器組上所入射的藍光強度的平均值。通常，并不需要相對于綠光傳感器的電壓輸出來標(biāo)定圖10B所示陣列(及其變體)的紅光和藍光傳感器的電壓輸出，因為因傳感器中載流子收集區(qū)域的增大而導(dǎo)致各傳感器上所收集的電荷的增大正比于因這種載流子收集區(qū)域的增大而導(dǎo)致的傳感器電容的增大。
當(dāng)制造VCF傳感器組的陣列使得每一個傳感器組的輸出確定一個像素時，有必要使傳感器組彼此隔離以避免像素之間的串?dāng)_。如果一個傳感器組中所產(chǎn)生的電子和空穴可以漂移到另一個之中，則成像器的分辨率就會下降。在本發(fā)明的較佳實施例中，可通過制造其物理設(shè)計包含它們內(nèi)部所產(chǎn)生的電荷的傳感器組，便可實現(xiàn)這種隔離。
例如，參照圖10A，在圖10A的陣列中，用n-p基片結(jié)將下面的那個較大的“第二傳感器”(包括層101)與其垂直深度相同的近鄰(部分示出，但未標(biāo)記)隔離開，就像用n-p基片結(jié)將較小的“第一”和“第三”傳感器(分別包括層102和103)彼此隔離開那樣。
一些常規(guī)的傳感器陣列并不在其輸出會確定不同像素的那些傳感器之間實現(xiàn)這種隔離。例如，一種類型的常規(guī)傳感器陣列(圖11有示出，在Bartek中的“Sensors and Actuators”A，41-42(1994)，pp.123-128中有所描述)包括在外延硅(epi)層(31)中產(chǎn)生的光電二極管傳感器(例如，光電二極管30)，而這層外延硅為所有像素所共用。在這種配置中，一個傳感器中所產(chǎn)生的電荷可以漂移到相鄰的傳感器中或有可能漂得更遠。因為圖11中的結(jié)構(gòu)缺少傳感器之間的隔離區(qū)域(例如，p型半導(dǎo)體區(qū)域)，所以共用的外延層(層31)提供了一條通道，該通道可以將載流子從一個像素下面?zhèn)鲗?dǎo)至另一個像素下面。
各種方法都可以用于將VCF傳感器組中的傳感器彼此隔離，或者將實施本發(fā)明的VCF傳感器組陣列中的傳感器組(像素)彼此隔離。工藝整合是確定所用方法的一個重要因素。一種可用的方法是結(jié)隔離，在硅基工藝中該方法普遍用于隔離晶體管。該結(jié)必須能夠耐受足夠大的加在其兩端的電壓以防止泄漏。在基片或外延層中可以有足夠的摻雜以提供充分的結(jié)隔離，或者可能要求在要彼此隔離的相鄰區(qū)域之間增大摻雜從而實現(xiàn)結(jié)隔離。通過使用MOS工藝中用來隔離相鄰的晶體管的“場注入”技術(shù)，便可以產(chǎn)生這種增大的摻雜。
本發(fā)明的VCF傳感器組和VCF傳感器組陣列的其它實施例使用電介質(zhì)隔離，該方法在半導(dǎo)電區(qū)域之間放置絕緣材料。通過在一塊半導(dǎo)電材料中制造各個傳感器組并使該傳感器組下面帶有氧化物層，便可實現(xiàn)該隔離方法。有很多種方法可產(chǎn)生這種結(jié)構(gòu)，比如在藍寶石上生長硅，通過硅晶片上表面注入一層氧并使氧與硅發(fā)生反應(yīng)而形成氧化物層，并且從晶片中除去處理后的硅層并將其轉(zhuǎn)移到絕緣基片上。
電介質(zhì)隔離可用于使VCF傳感器組陣列中的半導(dǎo)體傳感器組彼此隔離。當(dāng)傳感器組彼此橫向位移并形成于團狀半導(dǎo)體材料中時，這種隔離可以按下述方法來實現(xiàn)在絕緣層的頂部形成多個組，在該團狀半導(dǎo)體材料中蝕刻出溝槽，在該溝槽中生長或沉積絕緣體。通常，在本發(fā)明的一些實施例中，填充有絕緣體和半導(dǎo)體材料(對該半導(dǎo)體材料摻雜并在操作過程中加偏壓以提供場隔離)中的至少一種的溝槽和/或用絕緣體和半導(dǎo)體材料中的至少一種來加襯的溝槽(例如，一種用半導(dǎo)體材料加襯的溝槽，其摻雜濃度比要被隔離的相鄰結(jié)構(gòu)之間的塊狀半導(dǎo)體材料要高以使泄漏鈍化，然后用氧化物或其它絕緣材料來填充)，被用于使本發(fā)明的VCF傳感器組彼此隔離。在CMOS技術(shù)中，這種溝槽的使用(以隔離常規(guī)的CMOS結(jié)構(gòu))被命名為“溝槽隔離”。在本發(fā)明的典型實施例中，溝槽隔離可以用于使VCF傳感器組彼此隔離，因為可以將溝槽蝕刻得足夠深以使幾微米深的VCF傳感器組(比如，典型的硅基VCF傳感器組陣列中所產(chǎn)生的那些傳感器組)彼此分離。
圖12示出了電介質(zhì)隔離(通過溝槽隔離來實現(xiàn))和結(jié)隔離的組合示例。在圖12中，第一VCF傳感器組包括垂直方向上相互分離的n型半導(dǎo)體層151、152和153(例如，硅)，它們都形成于p型半導(dǎo)體材料150(它可以是硅)中。提供了接點154以便將p型材料150耦合到偏壓電路上。垂直定向的插頭將各個層151和152連接到傳感器組的上表面，這樣每一層都可以耦合到偏壓和讀出電路。該插頭可以按上述美國專利申請09/884,863中所描述的那樣來形成。第二VCF傳感器組包括垂直分離的n型半導(dǎo)體層161和162，它們也形成于p型半導(dǎo)體材料150中。用n-p基片結(jié)將第一傳感器組中的每一個傳感器都與第二傳感器組隔離開，就像用n-p基片結(jié)將第一傳感器組中的傳感器彼此隔離開那樣。第一和第二傳感器組之間的橫向隔離是通過溝槽隔離來實現(xiàn)的，即通過溝槽157來實現(xiàn)隔離，溝槽157是用形成于兩者之間的絕緣材料158(它可以是二氧化硅或氮化硅)加襯的。溝槽155(用氧化物156來加襯)使第一傳感器組與第三傳感器組(圖12中未示出，它與第一傳感器組相鄰)相互隔離。每一個VCF傳感器組底部傳感器下面的絕緣層148(它可以是二氧化硅或氮化硅)也用于使傳感器組彼此隔離。
根據(jù)本發(fā)明在VCF傳感器組之間進行溝槽隔離所用的溝槽可以是長寬比較低的淺溝槽(例如，一些CMOS集成電路中常用類型的四分之一微米深的溝槽)。然而，通常，根據(jù)本發(fā)明在VCF傳感器組之間進行溝槽隔離所使用的溝槽將是長寬比較高的更深的溝槽(例如，一些DRAM集成電路中常用類型的溝槽)。
參照圖20-25，我們接下來描述本發(fā)明的VCF傳感器組的較佳實施例中所使用的一種用于提供埋入式層隔離的改進技術(shù)。在本發(fā)明的VCF傳感器組的每一個這種實施例的操作過程中，在每兩個“載流子收集”傳感器區(qū)域(相反的半導(dǎo)體類型)之間總有一個第一類型(p型或n型)的“非收集”團狀半導(dǎo)體材料。在傳感器組的非收集體積中可以產(chǎn)生光生載流子(電子或空穴)。載流子收集區(qū)域中的光生載流子或在別處產(chǎn)生之后再遷移到載流子收集區(qū)域中的載流子都可以由讀出電路來收集。在一些情況下，傳感器組的非收集體積中產(chǎn)生的光生載流子可以遷移到相鄰的傳感器組中的載流子收集傳感器區(qū)域中。通常，光生載流子可以從非收集體積中遷移到至少兩個載流子收集傳感器區(qū)域中的任一個之中(在一個傳感器組中或在不同的傳感器組中)，盡管根據(jù)本發(fā)明可以形成阻擋層(例如，下文要描述的圖20中的阻擋層205)以阻止在不期望的方向上有這種遷移。
如圖20所示，傳感器組可以包括上載流子收集傳感器區(qū)域(包括由n型半導(dǎo)體材料構(gòu)成的光電二極管陰極200)；下載流子收集傳感器區(qū)域(包括由n型半導(dǎo)體材料構(gòu)成的光電二極管陰極202)；位于傳感器區(qū)域200和202之間的非收集光電二極管陽極層201和203(包括接地的p型半導(dǎo)體材料)；以及在傳感器區(qū)域202下面的非收集光電二極管陽極層204(包括接地的p型半導(dǎo)體材料)。
為了在傳感器組中每一對垂直分離的傳感器之間提供隔離，在每一個非收集體積的上和下部分之間(從而在傳感器之間)層壓了一種由第一類型的摻雜濃度更高的半導(dǎo)體材料制成的掩蓋阻擋層。此處，使用了廣義的術(shù)語“層壓”，這并不意味著使用任何特定的方法(例如，分離結(jié)構(gòu)的物理接合，或注入工藝)來形成掩蓋阻擋層。例如，如圖20所示，傳感器組包括介于層201和203之間(從而介于包括陰極200和202的載流子收集傳感器區(qū)域之間)且由p型材料構(gòu)成的掩蓋阻擋層205。上載流子收集傳感器區(qū)域(包括陰極200)可以是“藍光”傳感器，下載流子收集傳感器區(qū)域(包括陰極202)可以是“綠光”傳感器，并且該組也可以包括位于層204下面的“紅光”傳感器(未示出)以及在層204和紅光傳感器之間且由p型材料構(gòu)成的第二掩蓋阻擋層。
圖21是摻雜濃度與在圖20所示傳感器組中的深度之間的函數(shù)關(guān)系圖，該圖示出了陰極層200和202以及阻擋層205之間的位置。在圖20所示的傳感器組的操作過程中，阻擋層205的存在可產(chǎn)生一種梯度電勢，這種電勢將光生電子引導(dǎo)至陰極層200和202中最接近的一個，這樣它們就不會在不期望的方向上漂移(例如，從接近陰極層200的一點老遠地漂移到陰極202或相鄰的傳感器組的陰極)。由于其位置，阻擋層205也使圖20所示傳感器的電容減小到下文圖22所示傳感器組中傳感器的電容以下。
與根據(jù)本發(fā)明在垂直堆疊的載流子收集傳感器區(qū)域之間放置掩蓋阻擋層(如圖20所示)的做法相比，圖22示出了將掩蓋阻擋層放置在與每一個載流子收集傳感器區(qū)域相同的垂直水平(或稍微再往下一點)，這在上述美國專利申請09/884,863中有所描述。該專利申請09/884,863表示，在整個晶片(其中要形成VCF傳感器組陣列)上注入每一個掩蓋阻擋層(例如，圖22所示的p型半導(dǎo)體材料構(gòu)成的層206和207)，然后通過在選定區(qū)域上注入每一個掩蓋阻擋層以產(chǎn)生用于該陣列中不同傳感器組的傳感器，從而形成載流子收集傳感器區(qū)域(例如，圖22所示的包括陰極200和202的n型半導(dǎo)體材料所構(gòu)成的那些區(qū)域)?，F(xiàn)有技術(shù)(專利申請09/884,863)和本發(fā)明所產(chǎn)生的每一個掩蓋阻擋層都旨在防止非收集體積中所產(chǎn)生的載流子垂直地泄漏到同一傳感器組的載流子收集傳感器區(qū)域中(而非最近的載流子收集傳感器區(qū)域)，也防止這些載流子水平地泄漏到另一個傳感器組的非收集體積中并接著垂直地泄漏到該傳感器組的載流子收集傳感器區(qū)域?！胺鞘占w積”的示例是圖22中介于陰極200和202中間的陽極層201的部分(包括p型半導(dǎo)體材料)；圖20中離阻擋層205非常近但離陰極200相對遠一些的陽極層201的部分；以及圖20中離阻擋層205非常近但離陰極202相對遠一些的陽極層203的部分。
圖23是摻雜濃度與在圖22所示傳感器組中的深度之間的函數(shù)關(guān)系圖，該圖示出了陰極層200和202以及阻擋層206和207的位置。在圖22所示傳感器組的操作過程中，阻擋層206和207的存在產(chǎn)生了具有梯度的電勢，該電勢允許層201中的光生電子在不期望的方向上漂移(例如，從接近陰極層200的一點老遠地漂移到陰極202或相鄰傳感器組的陰極)。由于它們的位置，阻擋層206和207也使圖22所示傳感器的電容增大到高于上述圖20所示傳感器的電容。
本發(fā)明用于定位和形成掩蓋阻擋層的技術(shù)具有若干優(yōu)點，這包括它減小了光電二極管的電容(從而增大了每一個光電二極管的輸出電壓并減小了在曝光之間使各個光電二極管復(fù)位所需的時間)，還減少了(超越了現(xiàn)有技術(shù)所能達到的水平)光生載流子泄漏到傳感器組中錯誤的載流子收集區(qū)域或泄漏到相鄰傳感器組中的幾率。在操作過程中，與使用現(xiàn)有技術(shù)所產(chǎn)生的電勢梯度相比，根據(jù)本發(fā)明在(一個傳感器組中)垂直分離的載流子收集區(qū)域之間產(chǎn)生的電勢梯度提供了更高的電勢阻擋層，它可以更好地防止光生載流子泄漏到該組中錯誤的載流子收集區(qū)域中(或泄漏到相鄰的傳感器組中)。
除了參照圖20討論過的那種類型的掩蓋阻擋層，本發(fā)明的一些實施例包括在相鄰的傳感器組中相同深度的載流子收集傳感器區(qū)域之間所形成的附加的p型阻擋層區(qū)域(即，每一個這種載流子收集傳感器區(qū)域呈“橫向”)。例如，如圖24所示，在相鄰的傳感器組中陰極200和相同深度的陰極(未示出，例如陰極200左邊與右邊的陰極)之間的p型半導(dǎo)體材料中，可以形成附加的阻擋層區(qū)域207(包括p型半導(dǎo)體材料)。圖24也示出了附加的阻擋層區(qū)域208(包括p型半導(dǎo)體材料)，它形成于相鄰的傳感器組中陰極202和深度相同的陰極(未示出，例如，陰極202的左邊和右邊的陰極)之間的p型半導(dǎo)體材料204中。橫向放置的附加阻擋層區(qū)域207和208改變了相鄰傳感器組中載流子收集傳感器區(qū)域之間的電勢梯度，從而減小了靠近第一陰極(例如，陰極200)的某一位置處所產(chǎn)生的光生載流子(所示實施例中的電子)漂移到離該第一陰極很遠的陰極(例如，漂移到位于陰極200右邊的另一個傳感器組的陰極，圖24中未示出)的風(fēng)險。
附加的阻擋層207(和208)最好通過使用自對準(zhǔn)互補注入工藝來形成，比如參照圖25A-25D所描述的工藝?；蛘?，可以單獨地給它們用掩模。如圖25A所示，在層201上產(chǎn)生二氧化硅屏209，Si3N4掩模沉積在該二氧化硅屏上，從要形成陰極200的區(qū)域中蝕刻出該掩模，然后離子注入步驟在屏209的暴露部分的下面產(chǎn)生n型陰極200。然后，如圖25B所示，在屏209的暴露部分上生長一層二氧化硅阻擋層。然后，如圖25C所示，將Si3N4掩模剝離掉，之后執(zhí)行另一個離子注入步驟以產(chǎn)生p型阻擋層207。最后，如圖25D所示，在整個結(jié)構(gòu)所暴露的二氧化硅表面上生長附加的二氧化硅，以使暴露的二氧化硅表面的不同部分之間的臺階高度最小化。
在制造VCF傳感器組期間，各種方法都可以用于在其它半導(dǎo)體材料或絕緣材料的頂部沉積半導(dǎo)體材料。一種方法是材料從一個晶片到另一個晶片的物理轉(zhuǎn)移以及該材料對最終晶片的接合。這在基片上留下了島狀的傳感器材料?？梢杂免g化的電介質(zhì)來使這些材料絕緣，這是電介質(zhì)隔離的另一種版本?？梢灾圃斐銎湫孤┖彤a(chǎn)量特征均與塊狀晶片一樣好的接合晶片，尤其是制造工藝會在接合晶片中產(chǎn)生熱的Si/SiO2界面。
參照圖14A-14L，下面會解釋如何以較佳的方式使用上述若干個制造技術(shù)來制造圖8所示VCF傳感器組之一。較佳的制造方法允許以并不昂貴的方式將濾色片43和48包括到VCF傳感器組陣列中。參照圖14A-14L要描述的制造技術(shù)(及其變體)可以用于制造本發(fā)明的VCF傳感器組及其陣列的其它實施例，還可以用于制造某些類型的半導(dǎo)體集成電路(例如，包括晶體管的電路)。
圖14A示出了執(zhí)行該處理順序中前幾個步驟的結(jié)果，這前幾個步驟是在p型基片40中注入n型層41；然后，通過熱氧化物生長操作在基片40上生長二氧化硅層42?；蛘撸瑢?2(以及層44、47和49)可以由另一種電介質(zhì)材料制成，例如氮化硅(SiN)。
圖14B是執(zhí)行該處理順序中接下來一步的結(jié)果，該步驟是在層42上沉積“紅光通過/青光反射”濾光片43。濾光片43可以是層SiN和SiO2交替構(gòu)成的干涉濾光片?；蛘撸瑸V光片43可以是折射率不同的材料層(而非SiN和SiO2層)所構(gòu)成的干涉濾光片，較佳地，針對該材料有可以用常規(guī)CVD裝備來執(zhí)行的沉積配方。濾光片43可以是吸收但并不顯著反射綠光和藍光輻射的“紅光通過/青光吸收”濾光片。
圖14C示出了處理順序中接下來的步驟，該步驟是使第二晶片與圖14B所示的晶片接觸。具體來講，第二晶片包括基片45(p型硅構(gòu)成)和二氧化硅層(生長在基片45上)。然后，如圖14D所示，將第二晶片的層44接合到(最好通過熱接合步驟)第一晶片的濾光片43，以使濾光片43夾在二氧化硅層42和44之間。更具體地講，在本發(fā)明的制造過程中會用到兩個晶片(在每一個晶片上都形成有本發(fā)明的VCF傳感器組的一些層)的接合。多種已知的接合技術(shù)都可以用于制造本發(fā)明的典型實施例，比如，Pasquariello等人在“Plasma-Assisted InP-to-Si Low Temperature Wafer Bonding”(量子電子學(xué)選定主題的IEEE期刊，卷8，第1號，2002年1月/2月)一文中對那些技術(shù)進行了描述。
圖14E示出了執(zhí)行處理順序中接下來的步驟的結(jié)果，該步驟是如果需要減小厚度，則將p型晶片45的厚度減小到期望的厚度。通過將晶片45的暴露表面拋光到約0.5微米的厚度，或通過劈開，或通過一些其它的手段，便可以實現(xiàn)上述的減小厚度。
圖14F和14G示出了執(zhí)行處理順序中接下來幾步的結(jié)果，這幾步是在晶片45中注入n型層46；然后通過熱氧化物生長操作在晶片45暴露的(上)表面上生長二氧化硅層47(如圖14F所示)；然后如圖14G所示，在二氧化硅層47上沉積濾光片層48(它可以但不需要包括SiN材料)。圖14H示出了處理順序中接下來的步驟，該步驟是使第三晶片與圖14G所示經(jīng)接合和處理后的晶片相接觸。然后，如圖14I所示，將第三晶片的層49接合到層48暴露的(上)表面(最好通過熱接合步驟)，以使層48夾在二氧化硅層47和49之間。
層47、48和49(如圖14I所示)共同包含一干涉濾光片，它可充當(dāng)“黃光通過/藍光反射”濾光片?；蛘?，先在圖14G所示結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生附加的SiN層和二氧化硅層的堆疊，再將第三晶片(圖14H所示類型的晶片)接合到該堆疊的頂部，從而形成了三層以上SiN和二氧化硅交替構(gòu)成的干涉濾光片。在其它可選的實施例中，可以在圖14E所示結(jié)構(gòu)上形成由折射率不同的材料層的堆疊(該堆疊不包括SiN和二氧化硅層)構(gòu)成的干涉濾光片，再將第三晶片(圖14H所示類型的晶片，但有可能用非二氧化硅材料層替代圖14H中的二氧化硅層49)接合到該堆疊的頂部。濾光片47、48和49可以是“黃光通過/藍光吸收”濾光片，它吸收但并不顯著反射藍光輻射。如圖14H所示，第三晶片包括基片50(由p型硅構(gòu)成)和二氧化硅層49(生長在基片50上)。多種已知的接合技術(shù)都可以用于實現(xiàn)參照圖14I所描述的接合步驟，這包括上述Pasquariello等人的論文中所描述的方法中的一些。
圖14J示出了執(zhí)行處理順序中下一步的結(jié)果，該步驟是如果需要減小厚度，則將p型基片50的厚度減小到期望的厚度。通過將基片50的暴露表面拋光到約0.3微米的厚度，或通過劈開，或通過一些其它的手段，便可以實現(xiàn)上述的減小厚度。
圖14K示出了執(zhí)行處理順序中下一步的結(jié)果，該步驟是在基片50中注入n型層51。然后，如圖14L所示，執(zhí)行最后的CMOS處理步驟。這些最后的步驟包括鈍化、接點的形成(形成接點的過程的完成)以及在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b遮光板54。
為使用圖14L所示的最后的結(jié)構(gòu)，需要制造從各層41、46和51延伸到該結(jié)構(gòu)暴露的(上)表面的接點。較佳地，以本文所描述的方式或美國專利申請09/884,863中所描述的方式來形成接點。參照圖15-15H，下面描述一種用于制造這種接點的較佳技術(shù)。
參照圖15A-15H所描述的技術(shù)最好通過使用高性能模擬雙極(或DRAM)工藝中常用類型的溝槽蝕刻裝置，來形成低泄漏溝槽式接點。
圖15A示出了執(zhí)行處理順序中第一步的結(jié)果，該步驟是蝕刻出一個穿透圖14L所示結(jié)構(gòu)的硅層50和51并到達電介質(zhì)層49的溝槽。
接下來，如圖15B所示，用合適的蝕刻工藝(例如，當(dāng)層47、48和49由SiN或二氧化硅構(gòu)成時，可以用氧化物蝕刻工藝)將該溝槽延伸到硅層45。接下來，如圖15C所示，硅蝕刻工藝將該溝槽延伸到電介質(zhì)層44。接下來，如圖15D所示，用合適的蝕刻工藝(例如，當(dāng)層44、43和42由SiN或二氧化硅構(gòu)成時，可以用氧化物蝕刻工藝)將該溝槽延伸到硅層40。
接下來，如圖15E所示，定時硅蝕刻工藝將該溝槽延伸到n型硅陰極層41(紅光傳感器的陰極)。
接下來，如圖15F所示，最好是在該溝槽所有暴露的表面上生長二氧化硅鈍化層301，從而用絕緣體為該溝槽加了襯里。接下來，如圖15G所示，執(zhí)行各向異性蝕刻并深入到陰極層41，從而只從該溝槽底部除去絕緣體并且將陰極層41的n型硅材料暴露出來。
最終，如圖15H所示，用n型多晶硅材料302來填充該溝槽，從而完成了延伸到層41的接觸槽。該接觸槽的頂部可以直接耦合到偏壓和讀出電路(例如，耦合到圖2A所示源極跟隨放大晶體管56r的柵極)。
在形成本發(fā)明的VCF傳感器組的塊狀固體材料中，可以產(chǎn)生溝槽并用半導(dǎo)體材料來填充，以形成對埋入式傳感器陰極和陽極的接觸。例如，可以對溝槽周圍的半導(dǎo)體材料進行摻雜，然后在摻雜的半導(dǎo)體材料上所生長的鈍化層用作該溝槽的襯里，然后可以打開該溝槽的底部(例如，通過各向異性蝕刻)，然后用n型半導(dǎo)體(例如，n+多晶硅)來填充打開的溝槽，這樣它便可以充當(dāng)埋入式n型陰極的n型接點。或者，可以用絕緣材料為溝槽加襯里和/或用絕緣材料來填充該溝槽，以便使VCF傳感器組彼此隔離開。與美國專利申請09/884,863中所描述的通過擴散而形成的插頭相比，可以使接觸槽(或隔離結(jié)構(gòu))制作得更窄。通過使用現(xiàn)有技術(shù)可以很容易產(chǎn)生橫截面為0.5微米、深度為幾微米的溝槽，從而在典型的VCF傳感器組中形成延伸到很深的傳感器的接觸槽。這種橫截面比擴散的插頭(具有相同的深度)的最小橫截面要小很多，該插頭可以用現(xiàn)有技術(shù)廉價生產(chǎn)。接觸槽(或溝槽隔離結(jié)構(gòu))的使用可以提高水平方向上分離的VCF傳感器組所構(gòu)成的陣列的填充因子，因為它們可以增大成像平面中入射輻射可以被VCF傳感器組的傳感器檢測到的面積(并且可以減小成像平面中被遮光板阻擋的面積或由并不將入射輻射轉(zhuǎn)換為可檢測的電子或空穴的結(jié)構(gòu)所占據(jù)的面積)。
在較佳的實施例中，通過多級注入工藝在VCF傳感器組中形成至少一個插頭，該工藝所生產(chǎn)的擴散式插頭的橫截面遠小于用現(xiàn)有技術(shù)可很便宜地生產(chǎn)出的擴散式插頭(具有相同的深度)的最小橫截面。如圖17所示，到“紅光”傳感器的n型陰極的n型插頭(在“綠光”傳感器的n型陰極下面約2微米的深度，在制成的傳感器組頂面下面約2.6微米的深度)可以通過現(xiàn)有技術(shù)來形成將磷(其能量為1200KeV)注入p型硅的暴露表面(從制成的傳感器組的上表面起約1.3微米深)以形成該接點的底部；然后在該暴露的表面上形成附加的結(jié)構(gòu)(包括p型硅外延層)；然后將磷(其能量為500KeV)注入p型硅新暴露的表面(從制成的傳感器組的上表面起約0.6微米深)以形成該接點的頂部。然而，如圖17所示，這導(dǎo)致接點具有過大的直徑(2.2微米或更大的直徑，這取決于工藝中所用的n型摻雜水平和熱循環(huán)的次數(shù))。此外，在接點的制造過程中在傳感器組上放置厚的(例如3微米)光刻膠層的需求(以防止像1200KeV這樣的高能磷注入到達傳感器組中不期望的區(qū)域)，使可形成的傳感器組特征中的尺寸達到最小。
與生產(chǎn)圖17所示接點所用的技術(shù)相比，下文將描述(參照圖18和18A)根據(jù)本發(fā)明而執(zhí)行的一種多級注入工藝的實施例。圖18和18A所示的本發(fā)明的多級注入工藝是在已經(jīng)(例如，通過將能量為60KeV的砷注入到p型基片中)形成目標(biāo)(例如，圖18所示的紅光傳感器陰極310，它由n型硅構(gòu)成)之后才執(zhí)行的，并且可以產(chǎn)生其直徑約為0.5微米且延伸到傳感器組中約2微米深的目標(biāo)的接頭。該工藝包括四個步驟。
第一步是在接點延伸到的那個目標(biāo)上形成第一外延層(例如，如圖18所示，在光電二極管陰極310上形成p型硅層311)。
通過在第一外延層(311)中進行離子注入，形成了插頭的底部(例如，圖18中的插頭部分312和313)。為此，在層311上形成薄的氮化物掩模314，然后在掩模314中產(chǎn)生小的掩模孔318(其直徑約為0.5微米)，然后穿過小孔318注入砷，在層311約為1微米厚的通常情況下，插頭的底部需要透過層311只延伸一個很短的距離(1微米)。使用這樣的掩模和這樣的第一外延層厚度時，通過將能量為1200KeV的砷注入到層311中便可以形成插頭底部的第一部分312(從層310延伸到層310以上約0.7微米)，然后通過將能量為500KeV的砷注入到層311中便可以在第一部分312上形成插頭底部的第二部分313(從部分312向?qū)?11頂面延伸約0.3微米)。
根據(jù)本發(fā)明，注入其擴散率比磷低的物質(zhì)(例如，砷)的優(yōu)點在于，這樣會允許使用薄許多的掩模，這從圖19中可以清楚地看到。圖19示出了對五種指出掩模材料注入硼、磷、砷和銻時所必需的掩模厚度。例如，圖19指出，在砷注入(以100KeV注入)期間可以使用厚度約為0.07微米的Si3N4掩模，而在以相同能量注入磷時，會需要厚度大于0.15微米的Si3N4掩模。
第三步是從第一外延層311中除去掩模314，然后在第一外延層311上形成第二外延層(圖18A中的外延層315，它由p型硅構(gòu)成)。
通過在第二外延層(315)中進行離子注入，形成了插頭的頂部(例如，圖18A中的插頭部分316和317)。為此，在層315上形成薄的氮化物掩模319，然后在掩模319中產(chǎn)生小的掩模孔320(其直徑約為0.5微米)，然后穿過小孔320注入砷，在層315約為1微米厚的通常情況下，插頭的頂部只需要透過層315延伸一個很短的距離(1微米)。使用這樣的掩模和這樣的第二外延層厚度時，通過將能量為1200KeV的砷注入到層315中便可以形成插頭底部的第一部分316(從層311延伸到層311上面約0.7微米)，然后通過將能量為500KeV的砷注入到層315中便可以在第一部分316上形成插頭底部的第二部分317(從部分316到層315頂延伸約0.3微米)。
更具體地講，本發(fā)明的一類實施例使用其擴散率比磷低的物質(zhì)(較佳地，使用砷(As)，而非通常使用的磷(P))來執(zhí)行擴散式插頭形成所必需的注入步驟。這種物質(zhì)(具有低擴散率)和磷比水平方向擴散地更少，由此允許形成更窄的插頭，這樣便可以制造出填充因子有所提高的傳感器組。盡管砷比磷具有低很多的擴散率(垂直和水平擴散率)，但是本發(fā)明的多級注入工藝(參照圖18、18A和19已經(jīng)描述了該工藝的典型示例)使注入砷(而非磷)來形成擴散式插頭變得可行。這是因為在多級注入工藝中，砷只需要垂直地穿過各外延層擴散相對很短的距離；并不像擴散式插頭形成的常規(guī)方法中那樣穿過很長的距離(例如，從傳感器組的頂部老遠地擴散到接頭延伸至的埋入式目標(biāo))。
上述多級注入工藝(參照圖18、18A和19)的變體使用了除砷以外的低擴散率物質(zhì)和/或不止三個在目標(biāo)之上的外延層。在每一個外延層中形成了該接頭的不同部分。
當(dāng)在晶片上制造VCF傳感器組(或VCF傳感器組陣列)時，可以在該晶片的“底”面(與要檢測的輻射入射的該組的“頂”面相反)上形成至少一個晶體管(用于耦合各VCF傳感器組的至少一個傳感器)。在晶片的底面(而非該組的頂面)上形成這種晶體管可提高水平方向上分離的VCF傳感器組的陣列的填充因子。在本發(fā)明的VCF傳感器組和VCF傳感器組陣列的許多不同的實施例中，可以在晶片的底面上形成晶體管。
下文將參照圖16A-16H來描述在晶片上形成VCF傳感器組并且該晶片的底面上還形成晶體管的方法的示例。圖16A-16H假定包括單元40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50和51的結(jié)構(gòu)(如圖16A所示)已預(yù)先形成。該結(jié)構(gòu)與圖14K所示的完全相同，并且將被稱為“主”結(jié)構(gòu)。關(guān)于主結(jié)構(gòu)的描述和制造它的方法將不再重復(fù)。
如圖16A所示，“手柄”晶片(由p型半導(dǎo)體基片材料91和基片91上的絕緣層90構(gòu)成)對準(zhǔn)主結(jié)構(gòu)，主結(jié)構(gòu)的頂層50正對著手柄晶片的絕緣層90。
然后，如圖16B所示，將手柄晶片的層90接合到層50的暴露(上)表面(最好通過熱接合步驟)，以使層90變?yōu)閵A在p型半導(dǎo)體層50和p型半導(dǎo)體基片91之間。
對基片40暴露的底面拋光以減小其厚度(如圖16C所示)，從而使傳感器(包括紅光傳感器陰極層41、綠光傳感器陰極層46和綠光傳感器陰極層51)可以從底部連接到。然后，如圖16C所示，將所得的結(jié)構(gòu)倒置，這樣拋光后的單元40暴露的“底”面便成了圖16C的頂面。
如圖16D所示，形成了接觸槽(96)，它從單元40暴露的“底”面(圖16D的頂部)延伸到藍光傳感器陰極層51。這可以通過參照圖15A-15H所描述的方式來實現(xiàn)。然后，較佳地，通過半導(dǎo)體集成電路制造工藝在單元40暴露的底面上形成了支援電路92。支援電路92包括至少一個耦合到接觸槽96底部的晶體管(在圖16D的頂部)。形成了另一個接觸槽(未示出)，它從單元40暴露的底面延伸到綠色傳感器陰極層46。形成了第三個接觸槽(未示出)，它從單元40暴露的底面延伸到紅光傳感器陰極層41。支援電路92的至少一個晶體管通過接觸槽耦合到各層41、46和51。
如圖16E所示，第二個“手柄”晶片(它包括p型半導(dǎo)體基片材料94和在基片94之上的絕緣層93)對準(zhǔn)圖16D所示的結(jié)構(gòu)，單元92的p型半導(dǎo)體基片的暴露的(底)面正對著絕緣層93。
然后，如圖16F所示，將第二手柄晶片的層93接合到單元92暴露的表面(最好通過低溫接合步驟)，以使層93變?yōu)閵A在單元92的p型半導(dǎo)體基片和p型半導(dǎo)體基片94之間。
然后，除去基片91(例如，磨掉)，并且可以將圖16F所示的結(jié)構(gòu)倒置(這樣如圖16G所示，基片94暴露的底面面朝下，而層90暴露的頂面面朝上)。
然后，支援電路92可以耦合到偏壓和讀出電路。例如，如圖16H所示，支援電路92可以通過彈殼結(jié)構(gòu)95耦合到偏壓和讀出電路96，該彈殼結(jié)構(gòu)95實現(xiàn)了支援電路92的每一個晶體管與電路96之間的接觸?？梢允褂蒙逃玫姆椒?例如，Shellcase有限公司所開發(fā)的方法)來產(chǎn)生彈殼結(jié)構(gòu)95。偏壓和讀出電路96可以是參照圖2A所描述的那種類型。
產(chǎn)生隔離(例如，在相鄰的VCF傳感器組之間)的另一種方法是使用切斷的MOS晶體管作為隔離結(jié)構(gòu)。這是用厚的氧化物晶體管實現(xiàn)的，該晶體管的柵極圍繞著要被隔離的傳感器組的頂層(其中使該柵極保持在遠低于閾值的電壓)，或者也可以用另一種類型的MOS晶體管來實現(xiàn)隔離。切斷的MOS晶體管可用于隔離表面附近的半導(dǎo)電區(qū)域，但是對基片中很深的路徑?jīng)]有太大的影響。因此，它最好與參照圖20-24所描述的那種類型的隔離方法結(jié)合使用，以使相鄰的VCF傳感器組彼此隔離開。
上一段中提到的隔離方法的示例是環(huán)形隔離，通過形成厚的或薄的氧化物MOS晶體管(其柵極圍繞著要被隔離的傳感器組的頂層)，便可以實現(xiàn)該環(huán)形隔離。在操作過程中，給柵極加偏壓以切斷該晶體管。
現(xiàn)有的大量方法都可以用于制造VCF傳感器組，而各種情況下最佳的方法取決于用于該傳感器組的材料和要求。
硅中的結(jié)構(gòu)可以用外延生長和注入來構(gòu)建，例如，像上述美國專利申請09/884,863中所描述的那樣。離子注入提供了一種在硅表面以下構(gòu)建結(jié)結(jié)構(gòu)的方法。通過使用高能(大于400KeV)注入，很深的結(jié)構(gòu)也是可能的。因為與用高能注入所能產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)相比，VCF傳感器組通常要求更厚的硅結(jié)構(gòu)，所以通常將外延生長與注入結(jié)合起來使用以產(chǎn)生(根據(jù)本發(fā)明)俘獲光子所需的很深的結(jié)構(gòu)，從而在硅中深處將光子轉(zhuǎn)換為電子/空穴對。
在本發(fā)明的一些實施例中，用來產(chǎn)生深結(jié)構(gòu)的另一種方法是硅接合。這種方法在分子層面上將一種半導(dǎo)電或絕緣材料層接合到另一層。例如，有可能在一個硅晶片中創(chuàng)建結(jié)構(gòu)，然后在其頂部接合了很薄的一層硅。還有可能接合異類半導(dǎo)體。例如，當(dāng)進行適當(dāng)?shù)牟牧蠝?zhǔn)備時，可以將III-V族半導(dǎo)體接合到硅上。因為兩種材料的膨脹系數(shù)相異，所以在硅體積上的島狀I(lǐng)II-V族材料無法很大。然而，大到足夠可以形成本發(fā)明的VCF傳感器組的典型實施例的島狀I(lǐng)II-V族材料(例如，上文參照圖7所描述的InxGa1-xN材料)還是可以接合到硅上的。這樣做的一個重要優(yōu)點是，和硅相比，可選用III-V族材料吸收不同波帶中的輻射(例如，某些III-V族材料透射所有或基本上所有入射于其上的綠光和紅光輻射，盡管硅對綠光輻射具有相當(dāng)大的吸光率并且對綠光輻射的吸光率遠大于對紅光輻射的吸光率)。因此，與由III-V族材料下面的硅所構(gòu)成的各個傳感器相比，可以實現(xiàn)這樣的傳感器組，其中由III-V族材料構(gòu)成的每一個傳感器吸收不同波帶中的輻射。
為了將濾光片添加到垂直結(jié)構(gòu)(例如，VCF濾色片)中，有可能在團狀半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生溝槽(或其它空隙)，然后用液體或其它流體狀的(例如，漿)濾光片材料來填充該空隙。一種實現(xiàn)方法是使用橫向硅單晶生長以便在團狀半導(dǎo)體材料中形成空隙，然后將氧化物(橫向硅單晶生長步驟中存在的氧化物)蝕刻掉。諸如氫氟酸等液態(tài)蝕刻劑可以用于蝕刻步驟中。當(dāng)在硅下形成空隙時，可以用液態(tài)濾光材料(或流體狀但非液態(tài))來填充該空隙。該濾光材料將被固化(例如，通過熱處理或UV處理)以形成VCF傳感器組結(jié)構(gòu)?；蛘?，通過氧的離子注入，其后就是晶片和所注入的氧發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生二氧化硅的反應(yīng)階段，便可以形成氧化物區(qū)域。
下文參照圖13a-13f更為詳細地描述上一段中所描述的過程。圖13a示出了在p型半導(dǎo)體171(它可以是硅)的表面上形成的二氧化硅區(qū)域170以及所注入的用于在二氧化硅區(qū)域170下面產(chǎn)生p-n結(jié)的n型半導(dǎo)體區(qū)域172。所注入的區(qū)域172將成為VCF傳感器組中的多個傳感器之一。圖13B也示出了從區(qū)域172的右邊緣向上延伸的第一插頭注入(由n型半導(dǎo)體材料構(gòu)成)。
圖13b示出了另外用與圖13a所示半導(dǎo)體171類型相同的p型半導(dǎo)體材料171(它可以是硅)進行外延生長并已覆蓋二氧化硅區(qū)域170之后的相同橫截面。橫向外延生長已經(jīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)中以產(chǎn)生電介質(zhì)隔離的單晶硅。如圖13c所示，在二氧化硅區(qū)域170上形成近表面注入(由n型半導(dǎo)體材料構(gòu)成)，并且形成了從第一插頭注入向上延伸至半導(dǎo)體171的上表面的第二插頭注入(由n型半導(dǎo)體材料構(gòu)成)。這兩個插頭注入一起形成了用于將層172耦合到偏壓和讀出電路的插頭。
如圖13d所示，下一步是蝕刻掉足夠多的材料171以形成一條可使下面的二氧化硅區(qū)域170暴露的溝槽。然后，執(zhí)行二氧化硅蝕刻以便從區(qū)域170中除去氧化物(二氧化硅)，從而像圖13e所示那樣在上表面173下面留下了一個空隙。最終，用液態(tài)濾光材料174來填充該空隙(如圖13f所示)并且使材料174固化?；蛘?，濾光材料174是流體而非液體。
參照圖13a-13f所描述的方法的變體可以被用于形成在濾光片區(qū)域(填充有濾光材料174的區(qū)域)下面具有兩個或更多個垂直分離的傳感器的VCF傳感器組。
在本發(fā)明的VCF傳感器組的一些實施例中，將半導(dǎo)電材料而非結(jié)晶硅沉積在晶片或其它基片上。這種半導(dǎo)電材料的兩個示例是無定形硅和多晶硅。
可以通過多種化學(xué)汽相沉積和濺射技術(shù)來沉積無定形硅。當(dāng)使用SiH作為源氣體時，通過等離子體輔助化學(xué)汽相沉積，便可以沉積具有高品質(zhì)的無定形硅。通過添加少量的其它氫化物(比如磷化氫、胂和乙硼烷)，便可以實現(xiàn)對沉積的無定形硅的摻雜。在VCF傳感器組中(通過在無定形硅中產(chǎn)生pn結(jié))，便可將無定形硅用作傳感器、濾光片，或同時用作濾光片和傳感器。無定形硅已經(jīng)用于光成像陣列中了。沉積無定形硅時所處的低溫(小于400攝氏度)有一個優(yōu)點，因為它只稍微增大了雜質(zhì)的擴散并且可以與一些濾光片協(xié)調(diào)。
以相似的方式，多晶硅可以形成于半導(dǎo)體晶片或其它基片上。通常，先沉積無定形硅，然后再結(jié)晶成多晶硅。通過注入或從沉積層中可以對多晶硅進行摻雜以產(chǎn)生pn結(jié)。晶體管也可以在無定形硅中或多晶硅中形成，并且可以被用于VCF傳感器組的尋址傳感器。
各種濾光片和濾光片組合都可以被包括在本發(fā)明的VCF傳感器組中，以提供更佳的光子分離、色彩精度和傳感器分辨率。例如，VCF傳感器組的陣列可以與圖像傳感器制造過程中常用類型的有機濾色片結(jié)合起來。濾光片可以按棋盤樣的圖案形成于傳感器組陣列的子集上(或被包括在其中)，以便調(diào)節(jié)響應(yīng)于藍光和紅光照明的傳感器組的色彩響應(yīng)。使用這種濾光片的圖案時，各濾光片特性可以非常簡單并且對制造變化不敏感，這是由于該濾光片與各VCF傳感器組的半導(dǎo)體濾色片特性相關(guān)。所獲得的優(yōu)點是一種可能更令人期望的濾色片響應(yīng)。或者，有機、電介質(zhì)、多晶硅濾光片可以按交替排列的方式置于VCF傳感器組陣列的子集上(或被包括在其中)，這樣每一個響應(yīng)于特定顏色的另一傳感器組也具有一個用于使顏色響應(yīng)定形的濾色片，從而產(chǎn)生了一個具有六種不同顏色響應(yīng)的陣列。后一種技術(shù)允許很多種顏色響應(yīng)，同時使在圖像傳感器的表面頂部放置有機濾光片(或其它類型的濾光片)或?qū)V光片包括在VCF傳感器組中所需的制造開銷達到最小。
盡管本文已經(jīng)描述了實現(xiàn)本發(fā)明和本發(fā)明的應(yīng)用的最佳模式，但是對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員而言，很明顯在不背離本文所描述并要求的范圍的情況下有可能對本文所描述的實施例和應(yīng)用做出許多改變。應(yīng)該理解，盡管已經(jīng)示出并描述了本發(fā)明的某些形式，但是本發(fā)明并不限于所描述并示出的特定實施例或所描述的特定方法。此外，用于描述方法的權(quán)利要求書并不對諸步驟指定任何特定的順序，除非在權(quán)利要求語言中明確說明。
權(quán)利要求
1.一種在半導(dǎo)體基片上形成的傳感器組，包括至少兩個垂直堆疊的傳感器，每一個傳感器具有不同的光譜響應(yīng)并且被配置成收集第一極性的光生載流子；以及至少一個濾光片，所述濾光片置于所述傳感器中的兩個傳感器之間，由此穿過所述濾光片而傳播的輻射、或從所述濾光片反射的輻射將傳播到所述傳感器中的至少一個傳感器內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器組，其特征在于，所述濾光片具有一種結(jié)構(gòu)和一個相對于所述傳感器的位置，使得穿過所述濾光片而傳播的經(jīng)濾光后的輻射入射到所述傳感器中的至少一個傳感器上。
3.如權(quán)利要求1所述的傳感器組，其特征在于，所述濾光片具有一種結(jié)構(gòu)和一個相對于所述傳感器的位置，使得從所述濾光片反射的經(jīng)濾光后的輻射會入射到所述傳感器中的至少一個傳感器上。
4.如權(quán)利要求1所述的傳感器組，其特征在于，所述濾光片對第一波帶進行選擇性反射而對第二波帶進行選擇性透射，并且定位成將所述第一波帶中的輻射反射到所述傳感器之一、而將所述第二波帶中的輻射透射到所述傳感器中至少一個另外的傳感器。
5.如權(quán)利要求1所述的傳感器組，其特征在于，所述濾光片包括至少一個已通過半導(dǎo)體集成電路制造工藝與所述傳感器結(jié)合在一起的層。
6.如權(quán)利要求1所述的傳感器組，其特征在于，所述傳感器包括至少兩個載流子收集層，它們被配置成收集所述第一極性的光生載流子，以及附加的中間基準(zhǔn)層，它們被配置成收集極性相反的光生載流子并將它們傳導(dǎo)走。
7.如權(quán)利要求1所述的傳感器組，其特征在于，所述傳感器包括被配置成加偏壓以充當(dāng)光電二極管的多層半導(dǎo)體材料，并且所述濾光片是置于所述傳感器中的兩個傳感器之間的一層材料。
8.如權(quán)利要求7所述的傳感器組，其特征在于，所述濾光片是干涉濾光片。
9.如權(quán)利要求8所述的傳感器組，其特征在于，所述干涉濾光片包括至少兩種類型的材料層，每一種類型的材料具有不同的折射率。
10.如權(quán)利要求8所述的傳感器組，其特征在于，所述干涉濾光片包括SiO2層和SiN層。
11.如權(quán)利要求1所述的傳感器組，其特征在于，所述濾光片包括至少一個染料或色素層。
12.如權(quán)利要求1所述的傳感器組，其特征在于，所述濾光片包括至少一個主要由多晶硅構(gòu)成的層。
13.如權(quán)利要求1所述的傳感器組，其特征在于，所述傳感器包括被配置成加偏壓以充當(dāng)光電二極管的多層半導(dǎo)體材料。
14.如權(quán)利要求13所述的傳感器組，其特征在于，所述傳感器組由用于限定一空隙的材料構(gòu)成，并且所述濾光片包括已被填充到所述空隙中的材料。
15.如權(quán)利要求1所述的傳感器組，其特征在于，所述濾光片是轉(zhuǎn)換濾光片。
16.如權(quán)利要求1所述的傳感器組，其特征在于，所述傳感器中的每一個都包括半導(dǎo)體材料并且都被配置成加偏壓以充當(dāng)光電二極管，并且所述傳感器包括頂部的對藍光敏感的傳感器；底部的對紅光敏感的傳感器；以及在所述對藍光敏感的傳感器和對紅光敏感的傳感器之間的對綠光敏感的傳感器。
17.如權(quán)利要求1所述的傳感器組，還包括耦合到所述傳感器并被配置成將所述光生載流子轉(zhuǎn)換為至少一個電信號的電路。
18.一種在半導(dǎo)體基片上形成的傳感器組，所述傳感器組包括至少兩個垂直堆疊的傳感器，每一個傳感器具有不同的光譜響應(yīng)；以及至少一個濾光片，所述濾光片對第一波帶進行選擇性反射而對第二波帶進行選擇性透射，并且被定位成將所述第一波帶中的輻射反射到所述傳感器中的至少一個傳感器、而將所述第二波帶中的輻射透射到所述傳感器中至少一個另外的傳感器。
19.如權(quán)利要求18所述的傳感器組，其特征在于，所述傳感器包括被配置成加偏壓以充當(dāng)光電二極管的多層半導(dǎo)體材料。
20.如權(quán)利要求19所述的傳感器組，其特征在于，所述傳感器組由用于限定一空隙的材料構(gòu)成，并且所述濾光片包括已被填充到所述空隙中的材料。
21.如權(quán)利要求18所述的傳感器組，其特征在于，所述傳感器中的每一個都包括半導(dǎo)體材料并且都被配置成加偏壓以充當(dāng)光電二極管，并且所述傳感器包括頂部的對藍光敏感的傳感器；底部的對紅光敏感的傳感器；以及在所述對藍光敏感的傳感器和對紅光敏感的傳感器之間的對綠光敏感的傳感器。
22.如權(quán)利要求18所述的傳感器組，還包括耦合到所述傳感器并被配置成將所述光生載流子轉(zhuǎn)換為至少一個電信號的電路。
23.一種在半導(dǎo)體基片上形成的傳感器組，所述傳感器組包括至少兩個垂直堆疊的傳感器，每一個傳感器具有不同的光譜響應(yīng)；以及至少一個濾光片，所述濾光片對第一波帶進行選擇性透射并且被定位于所述傳感器中的兩個傳感器之間，以便將入射到所述傳感器之一上的第一波帶中的輻射透射到所述傳感器中的至少一個另外的傳感器。
24.如權(quán)利要求23所述的傳感器組，其特征在于，所述傳感器包括被配置成加偏壓以充當(dāng)光電二極管的多層半導(dǎo)體材料。
25.如權(quán)利要求24所述的傳感器組，其特征在于，所述傳感器組由用于限定一空隙的材料構(gòu)成，并且所述濾光片包括已被填充到所述空隙中的材料。
26.如權(quán)利要求23所述的傳感器組，其特征在于，所述傳感器中的每一個都包括半導(dǎo)體材料并且都被配置成加偏壓以充當(dāng)光電二極管，并且所述傳感器包括頂部的對藍光敏感的傳感器；底部的對紅光敏感的傳感器；以及在所述對藍光敏感的傳感器和對紅光敏感的傳感器之間的對綠光敏感的傳感器。
27.如權(quán)利要求23所述的傳感器組，還包括耦合到所述傳感器并被配置成將所述光生載流子轉(zhuǎn)換為至少一個電信號的電路。
28.一種在半導(dǎo)體基片上形成的傳感器組，所述傳感器組包括至少兩個垂直堆疊的傳感器，每一個傳感器具有不同的光譜響應(yīng)；以及至少一個濾光片，所述濾光片相對于所述傳感器定位以使得穿過所述濾光片而傳播的輻射或從所述濾光片反射的輻射將傳播到所述傳感器中的至少一個傳感器內(nèi)，其中所述濾光片包括至少一個已通過半導(dǎo)體集成電路制造工藝與所述傳感器結(jié)合到一起的層。
29.如權(quán)利要求28所述的傳感器組，其特征在于，所述濾光片是干涉濾光片。
30.如權(quán)利要求29所述的傳感器組，其特征在于，所述干涉濾光片包括至少兩種類型的材料層，每一種類型的材料具有不同的折射率。
31.如權(quán)利要求30所述的傳感器組，其特征在于，所述干涉濾光片包括SiO2層和SiN層。
32.如權(quán)利要求28所述的傳感器組，其特征在于，所述濾光片包括至少一個染料或色素層。
33.如權(quán)利要求28所述的傳感器組，其特征在于，所述濾光片包括至少一個基本由多晶硅構(gòu)成的層。
34.如權(quán)利要求28所述的傳感器組，其特征在于，所述傳感器包括被配置成加偏壓以充當(dāng)光電二極管的多層半導(dǎo)體材料。
35.如權(quán)利要求34所述的傳感器組，其特征在于，所述傳感器組由用于限定一空隙的材料構(gòu)成，并且所述濾光片包括已被填充到所述空隙中的材料。
36.如權(quán)利要求28所述的傳感器組，其特征在于，所述濾光片是轉(zhuǎn)換濾光片。
37.如權(quán)利要求28所述的傳感器組，其特征在于，所述傳感器中的每一個都包括半導(dǎo)體材料并且都被配置成加偏壓以充當(dāng)光電二極管，并且所述傳感器包括頂部的對藍光敏感的傳感器；底部的對紅光敏感的傳感器；以及在所述對藍光敏感的傳感器和對紅光敏感的傳感器之間的對綠光敏感的傳感器。
38.如權(quán)利要求28所述的傳感器組，還包括耦合到所述傳感器并被配置成將所述光生載流子轉(zhuǎn)換為至少一個電信號的電路。
39.一種在半導(dǎo)體基片上形成的傳感器組的陣列，所述傳感器組中的每一個都包括至少兩個垂直堆疊的傳感器，每一個傳感器具有不同的光譜響應(yīng)并被配置成收集第一極性的光生載流子；以及至少一個濾光片，被置于所述傳感器中的兩個傳感器之間，由此穿過所述濾光片而傳播的輻射、或從所述濾光片反射的輻射將傳播到所述傳感器中的至少一個傳感器內(nèi)。
40.如權(quán)利要求39所述的陣列，其特征在于，所述濾光片具有一種結(jié)構(gòu)和一個相對于所述傳感器的位置，使得穿過所述濾光片而傳播的經(jīng)濾光后的輻射會入射到所述傳感器中的至少一個傳感器上。
41.如權(quán)利要求39所述的陣列，其特征在于，所述濾光片具有一種結(jié)構(gòu)和一個相對于所述傳感器的位置，使得從所述濾光片反射的經(jīng)濾光后的輻射會入射到所述傳感器中的至少一個傳感器上。
42.如權(quán)利要求39所述的陣列，其特征在于，所述濾光片對第一波帶進行選擇性反射而對第二波帶進行選擇性透射，并且被定位成將所述第一波帶中的輻射反射到所述傳感器之一、而將所述第二波帶中的輻射透射到所述傳感器中的至少一個另外的傳感器。
43.如權(quán)利要求39所述的陣列，其特征在于，所述濾光片包括至少一個已通過半導(dǎo)體集成電路制造工藝與所述傳感器結(jié)合在一起的層。
44.如權(quán)利要求39所述的陣列，其特征在于，所述傳感器包括至少兩個載流子收集層，它們被配置成收集所述第一極性的光生載流子，以及附加的中間基準(zhǔn)層，它們被配置成收集極性相反的光生載流子并將它們傳導(dǎo)走。
45.如權(quán)利要求39所述的陣列，其特征在于，所述傳感器包括被配置成加偏壓以充當(dāng)光電二極管的多層半導(dǎo)體材料，并且所述濾光片是置于所述傳感器中的兩個傳感器之間的一層材料。
46.如權(quán)利要求39所述的陣列，其特征在于，所述濾光片是干涉濾光片。
47.如權(quán)利要求39所述的陣列，其特征在于，所述濾光片包括至少一個染料或色素層。
48.如權(quán)利要求39所述的陣列，其特征在于，所述濾光片包括至少一個基本由多晶硅構(gòu)成的層。
49.如權(quán)利要求39所述的陣列，其特征在于，所述傳感器包括被配置成加偏壓以充當(dāng)光電二極管的多層半導(dǎo)體材料，所述傳感器組中的每一個都由用于限定一空隙的材料構(gòu)成，并且所述濾光片包括已被填充到所述空隙中的材料。
50.如權(quán)利要求39所述的陣列，其特征在于，所述濾光片是轉(zhuǎn)換濾光片。
51.如權(quán)利要求39所述的陣列，其特征在于，所述傳感器中的每一個都包括半導(dǎo)體材料并且都被配置成加偏壓以充當(dāng)光電二極管，并且每一個傳感器組中的傳感器都包括頂部的對藍光敏感的傳感器；底部的對紅光敏感的傳感器；以及在所述對藍光敏感的傳感器和對紅光敏感的傳感器之間的對綠光敏感的傳感器。
52.如權(quán)利要求39所述的陣列，還包括耦合到所述傳感器并被配置成將所述光生載流子轉(zhuǎn)換為至少一個電信號的電路。
53.一種在半導(dǎo)體基片上形成的傳感器組的陣列，所述傳感器組中的每一個傳感器組包括至少兩個垂直堆疊的傳感器，每一個傳感器具有不同的光譜響應(yīng)；以及至少一個濾光片，每一個濾光片對第一波帶進行選擇性反射而對第二波帶進行選擇性透射，并且被定位成將所述第一波帶中的輻射反射到所述傳感器之一、而將所述第二波帶中的輻射透射到所述傳感器中的至少一個另外的傳感器。
54.如權(quán)利要求53所述的陣列，其特征在于，所述傳感器包括被配置成加偏壓以充當(dāng)光電二極管的多層半導(dǎo)體材料。
55.如權(quán)利要求53所述的陣列，其特征在于，所述傳感器中的每一個都包括半導(dǎo)體材料并且都被配置成加偏壓以充當(dāng)光電二極管，并且每一個傳感器組中的傳感器都包括頂部的對藍光敏感的傳感器；底部的對紅光敏感的傳感器；以及在所述對藍光敏感的傳感器和對紅光敏感的傳感器之間的對綠光敏感的傳感器。
56.如權(quán)利要求53所述的陣列，還包括耦合到所述傳感器并被配置成將所述光生載流子轉(zhuǎn)換為至少一個電信號的電路。
57.一種在半導(dǎo)體基片上形成的傳感器組的陣列，所述傳感器組的每一個傳感器組都包括至少兩個垂直堆疊的傳感器，每一個傳感器具有不同的光譜響應(yīng)；以及至少一個濾光片，所述濾光片相對于所述傳感器定位以使得穿過所述濾光片而傳播的輻射或從所述濾光片反射的輻射將傳播到所述傳感器中的至少一個傳感器內(nèi)，其中所述濾光片包括至少一個已通過半導(dǎo)體集成電路制造工藝與所述傳感器結(jié)合到一起的層。
58.如權(quán)利要求57所述的陣列，其特征在于，所述濾光片是干涉濾光片。
59.如權(quán)利要求57所述的陣列，其特征在于，所述濾光片包括至少一個染料或色素層。
60.如權(quán)利要求57所述的陣列，其特征在于，所述濾光片包括至少一個基本由多晶硅構(gòu)成的層。
61.如權(quán)利要求57所述的陣列，其特征在于，所述傳感器包括被配置成加偏壓以充當(dāng)光電二極管的多層半導(dǎo)體材料，所述傳感器組中的每一個都由用于限定一空隙的材料構(gòu)成，并且所述濾光片包括已被填充到所述空隙中的材料。
62.如權(quán)利要求57所述的陣列，其特征在于，所述濾光片是轉(zhuǎn)換濾光片。
63.如權(quán)利要求57所述的陣列，其特征在于，所述傳感器中的每一個都包括半導(dǎo)體材料并且都被配置成加偏壓以充當(dāng)光電二極管，并且每一個傳感器組中的傳感器都包括頂部的對藍光敏感的傳感器；底部的對紅光敏感的傳感器；以及在所述對藍光敏感的傳感器和對紅光敏感的傳感器之間的對綠光敏感的傳感器。
64.如權(quán)利要求57所述的陣列，還包括耦合到所述傳感器并被配置成將所述光生載流子轉(zhuǎn)換為至少一個電信號的電路。
65.一種在半導(dǎo)體基片上形成的傳感器組，所述傳感器組包括至少第一傳感器、第二傳感器和第三傳感器，其中所述第一傳感器、第二傳感器和第三傳感器在垂直方向上堆疊并且每一個所述的傳感器都具有不同的光譜響應(yīng)；以及濾光片，所述濾光片對第一波帶進行選擇性反射而對第二波帶進行選擇性透射，其中所述濾光片被定位于所述第一傳感器和所述第二傳感器之間以便將所述第一波帶中的輻射反射到所述第一傳感器、并且將所述第二波帶中的輻射透射到所述第二傳感器。
66.如權(quán)利要求65所述的傳感器組，還包括第二濾光片，所述第二濾光片對第三波帶進行選擇性反射而對第四波帶進行選擇性透射，其中所述第二濾光片被定位于所述第二傳感器和第三傳感器之間以便將所述第三波帶中的輻射反射到所述第二傳感器、并且將所述第四波帶中的輻射透射到所述第三傳感器。
67.如權(quán)利要求66所述的傳感器組，其特征在于，所述第一波帶包括至少一個藍光波長，所述第三波帶包括至少一個綠光波長，并且所述第四波長包括至少一個紅光波長。
68.如權(quán)利要求66所述的傳感器組，其特征在于，所述第一濾光片和所述第二濾光片都是干涉濾光片。
69.如權(quán)利要求66所述的傳感器組，其特征在于，每一個所述的傳感器都包括半導(dǎo)體材料并且被配置成加偏壓以充當(dāng)光電二極管，并且所述第一濾光片和第二濾光片包括已通過半導(dǎo)體集成電路制造工藝與所述傳感器結(jié)合到一起的層。
70.如權(quán)利要求65所述的傳感器組，其特征在于，每一個所述的傳感器都包括半導(dǎo)體材料并且被配置成加偏壓以充當(dāng)光電二極管。
71.一種用于制造垂直濾色片傳感器組的方法，所述方法包括如下步驟(a)提供半導(dǎo)體基片；以及(b)在所述基片上形成一種包括至少兩個垂直堆疊的傳感器和至少一個濾光片的結(jié)構(gòu)，其中每一個傳感器都具有不同的光譜響應(yīng)，所有的傳感器都被配置成收集第一極性的光生載流子，并且每一個傳感器都包括至少一個第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層，并且其中所述濾光片包括至少一個在兩個傳感器之間的層。
72.如權(quán)利要求71所述的方法，其特征在于，步驟(b)包括如下步驟(c)形成所述結(jié)構(gòu)的第一部分；(d)從所述第一部分中除去材料，從而在所述第一部分的剩余部分中限定出一個空隙；(e)用流體至少部分地填充所述空隙；以及(f)處理所述流體，從而形成所述濾光片。
73.如權(quán)利要求72所述的方法，其特征在于，步驟(f)包括對所述流體施以熱處理以形成所述濾光片的步驟。
74.如權(quán)利要求72所述的方法，其特征在于，步驟(f)包括對所述流體施以UV處理以形成所述濾光片的步驟。
75.如權(quán)利要求72所述的方法，其特征在于，所述傳感器中的每一個都包括載流子收集層，并且步驟(b)包括對至少一個傳感器的載流子收集層形成接觸槽的步驟。
76.一種用于制造垂直濾色片傳感器組的方法，所述方法包括如下步驟(a)提供第一半導(dǎo)體晶片和第二半導(dǎo)體晶片；(b)在所述第一半導(dǎo)體晶片上形成包括第一頂層的結(jié)構(gòu)；(c)在所述第二半導(dǎo)體晶片上形成包括第二頂層的第二結(jié)構(gòu)；(d)將所述第一頂層和第二頂層接合到一起以產(chǎn)生一種接合結(jié)構(gòu)；以及(e)在所述接合結(jié)構(gòu)上執(zhí)行至少一種其它的操作以產(chǎn)生所述垂直濾色片傳感器組。
77.如權(quán)利要求76所述的方法，其特征在于，所述第一頂層是干涉濾光片的暴露層。
78.如權(quán)利要求76所述的方法，其特征在于，所述第一頂層和第二頂層都是二氧化硅。
79.如權(quán)利要求76所述的方法，其特征在于，步驟(d)中所產(chǎn)生的接合結(jié)構(gòu)包括干涉濾光片，并且所述干涉濾光片包括所述第一頂層和所述第二頂層。
80.如權(quán)利要求76所述的方法，其特征在于，所述垂直濾色片傳感器組包括至少兩個垂直堆疊的傳感器，每一個傳感器包括載流子收集層并且具有不同的光譜響應(yīng)，所有的傳感器都被配置成收集第一極性的光生載流子，并且步驟(b)、(c)和(e)中的至少一步包括對至少一個傳感器的載流子收集層形成接觸槽的步驟。
81.一種在半導(dǎo)體基片上形成的傳感器組的陣列，所述傳感器組的陣列包括第一傳感器組，所述第一傳感器組包括至少兩個垂直堆疊的傳感器，每一個傳感器具有不同的光譜響應(yīng)并被配置成收集第一極性的光生載流子，所述第一傳感器組還包括至少一個第一類型的濾光片，該濾光片被定位于所述第一傳感器組中的兩個傳感器之間，由此穿過所述濾光片而傳播的輻射或從所述濾光片反射的輻射將傳播到所述第一傳感器組中的至少一個傳感器內(nèi)；以及第二傳感器組，所述第二傳感器組包括至少兩個垂直堆疊的傳感器，每一個傳感器具有不同的光譜響應(yīng)并且被配置成收集第一極性的光生載流子，其中所述第二傳感器組不包括所述第一類型的濾光片。
82.如權(quán)利要求81所述的陣列，其特征在于，所述第二傳感器組包括至少一個第二類型的濾光片，所述第二類型的濾光片相對于所述第二傳感器組的傳感器而定位以使得穿過所述第二類型的濾光片而傳播的輻射或從所述第二類型的濾光片反射的輻射將傳播到所述第二傳感器組中的至少一個傳感器內(nèi)。
83.一種在半導(dǎo)體基片上形成的傳感器組的陣列，所述傳感器組的陣列包括第一傳感器組，所述第一傳感器組包括至少兩個具有不同光譜響應(yīng)的垂直堆疊的傳感器，還包括至少一個濾光片，所述濾光片對第一波帶進行選擇性透射并且被置于兩個傳感器之間以便將入射到所述傳感器之一上的第一波帶中的輻射透射到所述傳感器中的至少一個其它的傳感器；以及第二傳感器組，它包括至少兩個垂直堆疊的傳感器，每一個傳感器具有不同的光譜響應(yīng)，其中所述第二傳感器組不包括對所述第一波帶選擇性透射且被置于第二傳感器組中的兩個傳感器之間的濾光片。
84.一種在半導(dǎo)體基片上形成的傳感器組的陣列，所述傳感器組的陣列包括第一傳感器組，它包括至少兩個具有不同光譜響應(yīng)的垂直堆疊的傳感器，還包括至少一個第一類型的濾光片，該濾光片相對于所述第一傳感器組的傳感器而定位以使得穿過所述濾光片而傳播的輻射或從所述濾光片反射的輻射將傳播到所述傳感器中的至少一個傳感器內(nèi)，其中所述濾光片包括至少一個已通過半導(dǎo)體集成電路制造工藝與所述第一傳感器組的傳感器結(jié)合到一起的層；以及第二傳感器組，它包括至少兩個具有不同光譜響應(yīng)的垂直堆疊的傳感器，其中所述第二傳感器組不包括所述第一類型的濾光片。
85.如權(quán)利要求84所述的陣列，其特征在于，所述第二傳感器組包括至少一個第二類型的濾光片，該濾光片定位于所述第二傳感器組中的兩個傳感器之間。
86.一種在半導(dǎo)體基片上形成的傳感器組，所述傳感器組包括至少兩個垂直堆疊的傳感器，每一個傳感器具有不同的光譜響應(yīng)并且被配置成收集第一極性的光生載流子，其中所述傳感器包括頂部傳感器和底部傳感器；以及至少一個微透鏡，該微透鏡相對于所述傳感器定位以便將輻射折射到所述頂部傳感器中，這樣所述輻射的至少一部分將穿過所述頂部傳感器而傳播到所述底部傳感器，其中所述微透鏡包括已通過半導(dǎo)體集成電路制造工藝與所述傳感器結(jié)合到一起的材料。
87.如權(quán)利要求86所述的傳感器組，還包括至少一個濾光片，所述濾光片相對于所述傳感器定位以使得穿過所述濾光片而傳播的輻射或從所述濾光片反射的輻射將傳播到所述傳感器中的至少一個傳感器內(nèi)，其中所述濾光片包括至少一個已通過半導(dǎo)體集成電路制造工藝與所述傳感器結(jié)合到一起的層。
88.如權(quán)利要求86所述的傳感器組，其特征在于，所述微透鏡相對于所述傳感器定位以使得至少一些已穿過所述微透鏡并到達所述底部傳感器的輻射已經(jīng)傳播經(jīng)過了除底部傳感器以外的所有傳感器。
89.如權(quán)利要求86所述的傳感器組，其特征在于，所述微透鏡是復(fù)合透鏡。
90.一種在半導(dǎo)體基片上形成的傳感器組的陣列，所述傳感器組的陣列包括第一傳感器組，它包括至少兩個垂直堆疊的傳感器，每一個傳感器都被配置成收集第一極性的光生載流子；以及第二傳感器組，它包括至少兩個垂直堆疊的傳感器，每一個傳感器都被配置成收集所述第一極性的光生載流子，其中每一個所述的傳感器組包括頂部傳感器和底部傳感器，并且至少一個所述的傳感器組包括至少一個微透鏡，該微透鏡相對于所述傳感器組的傳感器而定位以便將輻射折射到所述頂部傳感器中，這樣至少所述輻射中的一些將穿過所述頂部傳感器而傳播到所述底部傳感器，其中所述微透鏡包括已通過半導(dǎo)體集成電路制造工藝與所述傳感器結(jié)合到一起的材料。
91.如權(quán)利要求90所述的陣列，其特征在于，所述第一傳感器組和所述第二傳感器組中的至少一個包括至少一個濾光片，所述濾光片相對于所述傳感器組的傳感器而定位以使得穿過所述濾光片而傳播的輻射或從所述濾光片反射的輻射將傳播到所述傳感器組中的至少一個傳感器內(nèi)，其中所述濾光片包括至少一個已通過半導(dǎo)體集成電路制造工藝與所述傳感器結(jié)合到一起的層。
92.如權(quán)利要求90所述的陣列，其特征在于，所述第一傳感器組包括所述至少一個微透鏡，但所述第二傳感器組不包括微透鏡。
全文摘要
一種垂直濾色片傳感器組形成于基片(最好是半導(dǎo)體基片)之上，并包括至少兩個垂直堆疊的光敏傳感器。在較佳的實施例中，傳感器組包括至少一個濾光片，它相對于傳感器定位，使得通過該濾光片傳播的輻射或從該濾光片反射的輻射將傳播到至少一個傳感器中。較佳地，該濾光片是一個或者包括一個已通過半導(dǎo)體集成電路制造工藝與傳感器結(jié)合在一起的層。在其它實施例中，傳感器組包括微透鏡。本發(fā)明的其它方面是垂直濾色片傳感器組的陣列，這些傳感器組中的某些或者全部包括至少一個濾光片或微透鏡；以及制造垂直濾色片傳感器組及其陣列的方法。
文檔編號H01L27/14GK1943041SQ200480042705
公開日2007年4月4日 申請日期2004年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月27日
發(fā)明者R·B·梅里爾, R·F·里昂, R·M·特納, R·S·漢尼博, R·A·馬丁 申請人:佛文恩股份有限公司