[发明专利]垂直的滤色片传感器组

说明书

技术领域

本发明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。本发明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。

背景技术

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，用来实施本发明的垂直滤色片(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R_CS”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。