垂直滤色片传感器组及其制造所用的半导体集成电路制造方法技术

通过半导体集成电路制造工艺在基片（最好是半导体基片）上形成一种垂直滤色片传感器组，该传感器组包括至少两个垂直堆叠的光敏传感器。本发明专利技术的其它方面是这种垂直滤色片传感器组所构成的阵列以及制造这种垂直滤色片传感器组及其阵列所用的方法。在一些实施例中，传感器组是具有读出表面的固体材料块。在该材料块中形成至少两个垂直堆叠的传感器，并且在传感器之一和读出表面之间构造出接触槽（ｔｒｅｎｃｈ　　ｃｏｎｔａｃｔ）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及包括垂直堆叠的传感器的光敏传感器组。在每一组中，半导体材料对垂直入射的电磁辐射进行滤色(或者，其它材料也对该辐射进行过滤)，并且每一个传感器同时检测不同的波带。本专利技术也涉及这种传感器组的阵列，其中每一个传感器组定位于不同的像素位置。
技术介绍
在本文中，“滤光片”和“滤色片”这样的表述可在广义上互换使用，以表示一种对入射到其上的电磁辐射中的至少一个波带进行选择性地透射或反射的元件。例如，一种类型的滤光片是分色镜，它既透射第一波带中的辐射，又反射第二波带中的辐射。滤光片的示例包括使短波通过的滤光片、使长波通过的滤光片以及带通滤光片。本文中使用术语“辐射”来表示电磁辐射。在本文中，(传感器组的)“顶部传感器”这样的表述是指入射到该传感器组的辐射在到达该组任何其它传感器之前先到达的那个传感器。传感器组的传感器是“垂直堆叠的”这种表述是指，这些传感器之一是该组的顶部传感器并且该组具有至少一个穿过所有传感器而延伸的轴(有时被称为“垂直轴”)。如下所述，用来实施本专利技术的垂直滤色片(VCF)传感器组最好包括垂直堆叠的传感器，这些传感器被配置成使得该组的顶部传感器具有一个可定义法线轴的顶部表面(例如，该顶部表面至少基本上是平的)，并且当沿该组的垂直轴传播的辐射入射到该组时，该辐射以相对于该法线轴约小于30度的入射角入射到顶部传感器上(例如，该辐射正入射到该组)。在本文中，具有垂直轴的结构中所包括的两个单元是“横向”(或“水平”)分离的这种表述是指，有一个与垂直轴相平行的轴，它在两个单元之间延伸但不会与任一个单元相交。在本文中(包括权利要求书)，一产品“包括”一单元是指该产品是或包括该单元。在本领域中，MOS有源像素传感器是公知的。在本领域中，多波带有源像素传感器阵列也是公知的。一种类型的多波带有源像素传感器阵列使用了红光、绿光和蓝光传感器，这些传感器按某一图案水平地置于半导体表面或其附近。使用彩色覆盖式滤光片以便产生在红光、绿光和蓝光传感器之间的颜色选择性。这样的传感器缺点在于，每一个分辨单元占据了相对较大的面积，因为这些传感器一起平铺在一个平面中。另外，从这种传感器阵列中重建彩色图像需要很大的计算强度，并且常常导致带有伪像、缺陷或分辨率较差的图像。另一种类型的多波带像素传感器阵列使用了多个传感器组，每一组包括多个垂直定向排列的传感器。Carr的美国专利4,238,760公布了一种早期的用于检测可见光和红外辐射的多波长垂直传感器组的一个示例，其中表面n型外延区中的第一二极管响应于可见光，第二二极管(包括在下面n型基片中埋入的p区)响应于红外辐射。Carr表示，通过使用一种“与双极IC处理工艺中常见的膜下扩散式集电极接触扩散相似并用于减小参数RCS”的深扩散工艺，来实现对埋入式二极管的接触。Carr也公布了一个实施例，其中V型接触槽(由包括透过n型外延区进行蚀刻这一步骤的工艺来产生该V型接触槽)提供了到埋入式P型区的接触。所公布的器件具有4平方密耳的大小。Carr的专利中所公布的器件具有若干缺点，最值得注意的是它的面积较大，致使它不适用于现代成像系统中图像传感器的密度要求。形成到埋入式红外检测二极管的接触所使用的技术并不适用于现代成像技术或并不适于延伸到3色传感器。Merrill的美国专利5,965,875公布了一种三色可见光传感器组，其中用三重阱CMOS工艺来构造一种结构，其中蓝、绿和红光敏PN结相对于半导体基片的表面(在其上制造成像器)而置于不同的深度。这种三色传感器组允许制造密集的成像阵列，因为这三种颜色是在像平面上大致相同的区域中被检测的。然而，其结构具有若干缺点。首先，该传感器组使用了对绿光敏感的反极性中心PN结来检测并读出绿色信道，这要求改进电路或电压范围，有可能除了通常的NMOS晶体管以外还要包括PMOS晶体管。这种要求不利地增大了传感器面积，并且使包括这些传感器组的检测器中的支援电路复杂化。所增加的电路复杂性使得很难制造出具有灵活的彩色读出能力的图像传感器阵列(如本文所揭示的)，并且不可能实现许多现代电子成像应用所要求的很小的传感器尺寸。Cao等人的美国专利6,111,300公布了一种彩色有源像素传感器，它使用PIN光电二极管来试图收集蓝光，还使用半导体基片内的两个附加的半导体结二极管(与PIN光电二极管在垂直方向上分隔开)来检测绿光和红光。这种传感器的缺点是困难且不标准的制造技术；使用了不允许(阵列中)传感器密度很高的结构；无法选择不同的颜色进行读出；以及无法用单片半导体基片进行三种或更多种颜色的检测。Findlater等人(在2001年IEEE关于电荷耦合器件和先进图像传感器的研讨会上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发表了论文“A CMOS Image SensorEmploying a Double Junction Photodiode”，IEEE电子器件协会(2001))公布了一种有源像素传感器，它将双结光电二极管与有机滤光片覆盖结合使用。每一个双结光电二极管包括顶部和底部p型层并在两者之间有n型层。该n型层形成第一光电二极管的阴极，底部p型层形成了第二光电二极管的阳极，第一光电二极管耦合到第一读出电路，而第二光电二极管耦合到第二读出电路。青色和黄色滤光片的嵌合体覆盖传感器阵列，使得在该阵列的每一行中，偶数号的传感器接收第一波带(蓝和绿)的辐射而奇数号的传感器接收第二波带(红和绿)的辐射。这种传感器阵列的性能受限于双结光电二极管较差的颜色响应，并且还受限于n型阱形成这两个光电二极管的阴极这一事实，从而使传感器设计极易受颜色信道之间非线性串扰的影响。另外，作者引述了限制该设计性能和潜在益处的非均匀性和加工/制造局限性。在2001年6月18日提交的申请号为09/884,863的美国专利以及上述申请号为10/103,304的美国专利中，描述了若干种类型的垂直滤色片(“VCF”)传感器组及其制造方法。VCF传感器组包括至少两个光敏传感器，它们彼此垂直地堆叠(在相邻的传感器之间使用或不使用非传感器材料)。VCF传感器组的每一个传感器都具有不同的光谱响应。典型地，每一个传感器具有在不同波长处达到峰值的光谱响应。在一些实施例中，VCF传感器组(或者其一个或多个传感器)包括并不充当传感器的滤光片。在成像面的相同区域中，VCF传感器组同时检测至少两个波带的光子。相反，时序光子检测法并不在同一时刻对所有波带进行光子检测。(当垂直地观察该成像器时)由成像器中所包括的VCF传感器组所执行的检测发生在该成像器的一个区域中，并且根据到达传感器组内的深度，按波长将这些光子分离开。典型地，尽管传感器组在检测时通常会具有一些“串扰”，即多个传感器会检测同一波长的光子，但是每一个传感器还是用于检测不同波带中的光子(例如，一个传感器会比其它传感器检测到更多的“蓝色”波带的光子，第二个传感器会比其它传感器检测到更多的“绿色”波带的光子，第三个传感器会比其它传感器检测到更多的“红色”波带的光子)。VCF传感器组可用于多种成像任务。在较佳的实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传感器组，包括：具有读出表面的固体材料块，在所述固体材料块中形成至少两个垂直堆叠的传感器，其中每一个传感器具有不同的光谱响应，所述传感器包括多层半导体材料并且被配置成加偏压以充当光电二极管；以及在所述传感器之一和所述读出 表面之间的接触槽。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种传感器组，包括具有读出表面的固体材料块，在所述固体材料块中形成至少两个垂直堆叠的传感器，其中每一个传感器具有不同的光谱响应，所述传感器包括多层半导体材料并且被配置成加偏压以充当光电二极管；以及在所述传感器之一和所述读出表面之间的接触槽。2.如权利要求1所述的传感器组，其特征在于，所述传感器之一具有载流子收集区域，该区域包括具有第一极性的半导体材料，并且所述接触点是用具有所述第一极性的半导体材料填充的沟槽。3.如权利要求1所述的传感器组，其特征在于，所述传感器之一具有载流子收集区域，该区域包括具有第一极性的半导体，并且所述接触点是用具有所述第一极性的半导体材料作衬里的沟槽。4.如权利要求1所述的传感器组，其特征在于，所述固体材料块具有要被检测的辐射可以穿过的上表面，并且所述读出表面就是所述上表面。5.如权利要求1所述的传感器组，其特征在于，所述固体材料块具有要被检测的辐射可以穿过的上表面以及下表面，并且所述读出表面就是所述下表面。6.一种用于制造垂直滤色片传感器组的方法，所述方法包括如下步骤(a)提供半导体基片；以及(b)在所述基片上形成一种包括至少两个垂直堆叠的传感器的结构，其中每一个传感器具有不同的光谱响应，所有的传感器都被配置成收集第一极性的光生载流子，并且每一个传感器包括至少一个第一导电类型的载流子收集半导体层，其中步骤(b)包括形成延伸到至少一个传感器的载流子收集层的接触槽的步骤。7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(b)还包括在所述结构中形成至少一个滤光片的步骤，其中所述滤光片是与所述传感器层压在某一位置的层，使得穿过所述滤光片而传播的辐射或从所述滤光片反射的辐射将传播到至少一个传感器中。8.一种传感器组，包括固体材料块，它具有要被检测的辐射可以穿过的上表面以及下表面并且其中形成了至少两个垂直堆叠的传感器，其中每一个传感器具有不同的光谱响应，所述传感器包括多层半导体材料，并且所述传感器被配置成加偏压以充当光电二极管；在所述传感器之一和所述下表面之间的接触点；以及至少一个在所述下表面上形成的晶体管。9.如权利要求8所述的传感器组，其特征在于，所述晶体管通过半导体集成电路制造工艺而形成于所述下表面上。10.如权利要求8所述的传感器组，还包括耦合到所述晶体管的偏压和读出电路。11.如权利要求8所述的传感器组，其特征在于，所述传感器之一具有载流子收集区域，该区域包括具有第一极性的半导体，并且所述接触点是用具有所述第一极性的半导体材料填充的沟槽。12.如权利要求8所述的传感器组，其特征在于，所述传感器之一具有载流子收集区域，该区域包括具有第一极性的半导体，并且所述接触点是用具有所述第一极性的半导体材料作衬里的沟槽。13.一种用于制造垂直滤色片传感器组的方法，所述方法包括如下步骤(a)提供固体材料块，它具有要被检测的辐射可以穿过的上表面以及下表面；以及(b)将至少一种半导体集成电路制造工艺应用于所述材料块以形成一种包括至少两个垂直堆叠的传感器的结构，其中所述结构包括至少两个垂直堆叠的传感器，每一个传感器具有不同的光谱响应，所述传感器包括多层半导体材料，所述传感器被配置成加偏压以充当光电二极管，并且所述结构包括介于所述传感器之一和所述下表面之间的接触点以及至少一个形成于所述下表面上的晶体管。14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述传感器之一具有载流子收集区域，该区域包括具有第一极性的半导体，并且步骤(b)包括如下步骤在所述传感器之一和所述下表面之间形成沟槽；以及用具有所述第一极性的半导体材料来填充所述沟槽。15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述传感器之一具有载流子收集区域，该区域包括具有第一极性的半导体，并且步骤(b)包括如下步骤在所述传感器之一和所述下表面之间形成沟槽；以及用具有所述第一极性的半导体材料来为所述沟槽作衬里。16.一种用于制造垂直滤色片传感器组的方法，所述方法包括如下步骤(a)在半导体基片上形成一种包括至少两个垂直堆叠的光敏传感器的结构，其中每一个传感器具有不同的光谱响应，并且其中步骤(a)包括如下步骤(b)在部分成型的所述结构上形成第一外延层；(c)执行注入操作以便在所述第一外延层中形成插头的第一部分；(d)在步骤(c)之后，在所述第一外延层上形成第二外延层；以及(e)执行注入操作以便在所述第二外延层中形成所述插头的第二部分。17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括在所述第一外延层中注入一种其扩散率比磷的扩散率明显低许多的物质的步骤。18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一外延层主要由p型硅构成，并且步骤(c)包括在所述第一外延层中注入砷的步骤。19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述第二外延层主要由p型硅构成，并且步骤(e)包括在所述第二外延层中注入砷的步骤。20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述传感器中的至少一个包括主要由n型半导体材料构成的载流子收集层，所述部分成型的结构包括所述载流子收集层，并且步骤(c)包括执行所述注入操作以使所述插头的第一部分到达所述载流子收集层的步骤。21.如权利要求16所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括在所述结构中形成至少一个滤光片的步骤，使得所述滤光片与所述传感器层压在某一位置，从而穿过所述滤光片而传播的辐射或从所述滤光片反射的辐射将传播到至少一个传感器中。22.一种传感器组，包括至少两个在半导体基片上形成的垂直堆叠的光敏传感器；在所述传感器之一上的第一外延层；在所述第一外延层上的第二外延层；以及插头，其底部穿过所述第一外延层延伸到所述传感器之一而其顶部从所述底部起延伸到穿过所述第二外延层。23.如权利要求22所述的传感器组，其特征在于，所述第一外延层和第二外延层都主要由p型硅构成，所述插头的底部是第一外延层中扩散有砷的区域，并且所述插头的顶部是第二外延层中扩散有砷的区域。24.一种在具有第一极性的半导体基片上形成的传感器组，所述传感器组包括至少两个垂直堆叠的传感器，其中每一个传感器具有不同的光谱响应，可以加偏压以充当光电二极管，包括由具有第二极性的半导体材料构成的载流子收集层，并且被配置成在加偏压充当光电二极管时可收集第二极性的光生载流子，其中所述第二极性与所述第一极性相反，所述传感器中至少第一个传感器包括具有第一极性的第一参考体的半导体材料，所述传感器中至少第二个传感器包括具有第一极性的第二参考体的半导体材料，所述第一参考体和第二参考体定位于所述第一个传感器和所述第二个传感器各自的载流子收集层之间，并且所述第一参考体和所述第二参考体被配置成在所述传感器加偏压充当光电二极管时可收集第一极性的光生载流子并将它们传导走；以及半导体材料的隔离层，所述隔离层具有第一极性但与第一参考体和第二参考体相比掺杂得要更重些，并且所述隔离层位于所述第一参考体和所述第二参考体之间。25.如权利要求24所述的传感器组，其特征在于，所述第一参考体和所述第二参考体都是p型半导体块的一部分，并且所述隔离层是所述p型半导体块中经离子注入工艺掺杂过的第三部分。26.如权利要求24所述的传感器组，其特征在于，所述第一个传感器还包括具有第一极性且相对于所述第一个传感器的载流子收集层横向放置的第三参考体的半导体材料，并且其中所述传感器组也包括附加的具有第一极性但比第三参考体掺杂得要重的隔离体半导体材料，其中所述第三参考体介于所述附加的隔离体和所述第一个传感器的载流子收集层之间。27.如权利要求24所述的传感器组，也包括至少一个滤光片，它相对于所述传感器定位使得穿过所述滤光片而传播的辐射或从所述滤光片反射的辐射将传播到至少一个传感器中。28.一种在具有第一极性的半导体基片上形成的传感器组的阵列，所述传感器组中的每一个都包括至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：RB梅里尔，RA马丁，
申请(专利权)人：佛文恩股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]