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CN102576716B - 颜色最佳化图像传感器 - Google Patents

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CN102576716B
CN102576716B CN201080041888.3A CN201080041888A CN102576716B CN 102576716 B CN102576716 B CN 102576716B CN 201080041888 A CN201080041888 A CN 201080041888A CN 102576716 B CN102576716 B CN 102576716B
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Abstract

一种图像传感器的像素阵列(12)，所述像素阵列由第一导电类型的衬底(106)支撑，所述像素阵列包括：第一像素，所述第一像素被配置来检测蓝光；以及，第二像素，所述第二像素包括：光检测器，所述光检测器包括在所述衬底中的第二导电类型的第二区(102b)；所述第一导电类型的第一区(52y)，所述第一区在垂直方向位于所述第二区之上并且位于所述衬底的顶部界面之下；第一晶体管的第一漏极(57)，所述第一漏极毗邻所述第一区；所述第一晶体管(104b)的第一栅极，所述第一栅极在垂直方向位于所述第一和第二区之上；第一彩色滤光器(114b)，所述第一彩色滤光器为红色滤光器或绿色滤光器，或黄色滤光器；以及，第一光导(130，316)，所述第一光导被配置来使光从所述第一彩色滤光器经由所述第一栅极和所述第一区传送至所述第二区。

Description

颜色最佳化图像传感器
相关申请的交叉参考：本申请要求在2010年10月18日递交的美国专利申请第12/906,351号、在2009年10月21日递交的美国临时专利申请第61/253,849号，以及在2009年10月25日申请的美国临时专利申请第61/254,745号的优先权。
本发明的背景
1.技术领域
所公开的主题总地涉及用于制造固态图像传感器的结构以及方法。
2.背景信息
摄影设备(例如，数字相机以及数字摄录像机)可以包含电子图像传感器，所述电子图像传感器捕捉光以供处理成静止图像或视频图像。电子图像传感器通常包含数百万个光捕捉元件，例如，光电二极管。
固态图像传感器可为电荷耦合器件(CCD)类型或互补金属氧化物半导体(CMOS)类型中的任一者。在任一类型的图像传感器中，光传感器被形成在一衬底中并且被排列成二维阵列。图像传感器通常包含数百万个像素以提供高分辨率图像。
图1示出现有技术固态图像传感器1的剖面图，所述剖面图示出CMOS型传感器中的邻近像素，此图是从美国专利第7,119,319号复制的。每一像素具有一光电转换单元2。每一转换单元2邻近于传输电极3而定位，传输电极3将电荷传输至浮动扩散单元(未示出)。所述结构包括埋置在绝缘层5中的连线4。所述传感器通常包括位于彩色滤光器8之下的平坦化层6，以抵消因所述连线4导致的顶部表面不平整，因为平坦表面对通过光刻法来形成常规的彩色滤光器而言是必要的。第二平坦化层10被提供在所述彩色滤光器8之上，以提供用于形成微透镜9的平坦表面。平坦化层6和10加上彩色滤光器8的总厚度大约为2.0μm。
多个光导7被集成至传感器中以将光引导至多个转换单元2上。所述光导7是由折射率高于绝缘层5的例如氮化硅的材料形成。每一光导7具有宽于邻近于转换单元2的区域的入口。传感器1还可具有彩色滤光器8和微透镜9。
发明内容
根据第一方面，本发明涉及一种图像传感器，所述图像传感器由第一导电类型的衬底支撑，所述图像传感器包括被配置来检测蓝光的第一像素以及一第二像素，其中所述第二像素包括：(a)光检测器，所述光检测器包括在所述衬底中的第二导电类型的第二区，(b)所述第一导电类型的第一区，所述第一区在垂直方向位于所述第二区之上并且位于所述衬底的顶部界面之下，(c)第一晶体管的第一漏极，所述第一漏极毗邻所述第一区，(d)所述第一晶体管的第一栅极，所述第一栅极在垂直方向位于所述第一和第二区之上，(e)第一彩色滤光器，所述第一彩色滤光器为红色滤光器或绿色滤光器，或黄色滤光器，以及(f)第一光导，所述第一光导被配置来使光从所述第一彩色滤光器经由所述第一栅极以及所述第一区传送至所述第二区。更特定而言，所述第一光导使用在所述第一光导侧壁处的全内反射来防止所述光横向地外泄。另外，更特定而言，所述第一像素包括：(a)第二彩色滤光器，所述第二彩色滤光器为蓝色滤光器或洋红色滤光器，以及(b)第二光导，所述第二光导被配置来使光从所述第二彩色滤光器主要地传送至所述衬底而不通过晶体管的栅极。
在所述第一方面，所述第一晶体管可以为选择开关或重设开关，或输出晶体管。可替换地，所述第一晶体管可以为传输门。
在所述第一方面，期望的是所述第一栅极具有在200埃与1000埃之间的厚度。更期望的是所述第一栅极具有在300埃与700埃之间的厚度。更加期望的是所述第一栅极具有在500±50埃内的厚度。
在所述第一方面中，期望的是所述第一栅极薄于在所述图像传感器中的模拟至数字转换器(ADC)中的晶体管的栅极。
在所述第一方面中，期望的是在所述第一彩色滤光器为红色滤光器的情况下，所述第一区在所述衬底中不深于0.8μm，并且如果所述第一彩色滤光器为绿色滤光器或黄色滤光器，所述第一区在所述衬底中不深于0.5μm。更期望的是在所述第一彩色滤光器为红色滤光器的情况下，所述第一区在所述衬底中不深于0.5μm，并且如果所述第一彩色滤光器为绿色滤光器或黄色滤光器，所述第一区在所述衬底中不深于0.35μm。
在所述第一方面中，期望的是所述第一光导在所述第一栅极上。
在所述第一方面中，所述第一导电类型可以为p型，并且所述第二导电类型可以为n型。
根据第二方面，本发明涉及一种用于形成图像传感器的像素阵列的方法，所述像素阵列由第一导电类型的衬底支撑，所述方法包括：(A)在所述衬底中形成第二导电类型的第二区，(B)在所述衬底中并且在垂直方向上在所述第二区之上形成所述第一导电性的第一区，(C)在所述衬底中形成晶体管的漏极，所述漏极毗邻所述第一区，(D)在所述衬底之上形成所述晶体管的栅极，所述栅极在垂直方向上位于所述第一区之上并且邻近于所述漏极，(E)形成彩色滤光器，所述彩色滤光器为红色滤光器或绿色滤光器，或黄色滤光器，以及(F)形成光导，所述光导被配置来使光从所述彩色滤光器经由所述栅极和所述第一区传送至所述第二区。
在所述第二方面，期望的是所述方法包括薄化所述栅极。进一步，期望的是在所述薄化步骤之后，所述栅极具有在200埃与1000埃之间的厚度。更进一步，期望的是在所述薄化步骤之后，所述栅极具有在300埃与700埃之间的厚度。再更进一步，期望的是在所述薄化步骤之后，所述栅极有在500±50埃内的厚度。又进一步，期望的是所述栅极通过蚀刻而被薄化，其中蚀刻剂经由所述栅极上在绝缘膜中并且通过所述绝缘膜的开口被引入，光导随后形成在所述开口中。再进一步，期望的是所述栅极通过蚀刻而被薄化，其中蚀刻剂经由栅极上通过绝缘膜的开口被引入，光导随后形成在所述开口中。再又进一步，期望的是所述方法还包括在薄化步骤之后并且在形成光导之前在所述开口中形成抗反射堆叠。期望的是所述开口是首先用等离子蚀刻接着以湿式蚀刻来打开。
在所述第二方面，期望的是栅极是使用湿式蚀刻而薄化。
在所述第二方面，期望的是所述光导在所述栅极上。
在所述第二方面，期望的是所述第一导电类型为p型并且所述第二导电类型为n型。
附图说明
图1为一说明，其示出现有技术的两个图像传感器像素的剖面；
图2为一说明，其示出本发明的实施方案的两个图像传感器像素的剖面；
图3为一说明，其示出图2的所述像素内的光线迹线；
图4A为原色拜耳图案的说明；
图4B为绿色与洋红色滤光器图案的说明；
图5为一像素的示意图，所述像素具有光电二极管以及传输门；
图6为一对像素的可替代实施方案的示意图，所述对像素每个具有光电二极管以及传输门；
图7为一图像传感器的示意图；
图8为一说明，其示出本发明的可替代实施方案的两个图像传感器像素的剖面；
图9A至图9E为根据本发明的一方面的处理过程的说明，所述处理过程用来薄化光导之下的栅极。
参考符号列表：
106：轻掺杂衬底(可以为p磊晶)
316：下光导(可以包括氮化硅)
130：上光导(可以包括氮化硅)
110：绝缘体(例如，氧化硅)
111：绝缘体(可以是进一步包括硼和/或磷的氧化硅)
107：第一金属(最低金属布线层)
108：第二金属
109：触点(扩散触点或多晶触点)
104a：光导旁边的传输门的栅极电极(可以为多晶硅栅极)
104b：光导下方的传输门的栅极电极(可以为多晶硅栅极)
104c、104d：非传输门晶体管的栅极电极(可以为多晶硅栅极)
114a：蓝色滤光器或洋红色滤光器
114b：使光经由栅极电极104b或104d传送(transmit)至第二区102b的红色滤光器或绿色滤光器，或黄色滤光器
120：在栅极电极104b、104d之上的绝缘膜110中的开口
230：抗反射层(可以包括三层膜：夹有氮化物膜的两层氧化物膜)
231：栅极氧化物
233：氮化物衬垫
235：栅极间隔件
232：第三抗反射膜(可为氧化硅)
234：第二抗反射膜(可为氮化硅)
236：顶部抗反射膜(可为氧化硅)
52x：非传输门的晶体管(例如，重设开关或选择开关，或输出晶体管)之下的P阱
52y：第一区(传输门之下的中等掺杂p区)
52z：非传输门的晶体管(例如，重设开关或选择开关，或输出晶体管)之下的P阱，所述P阱之下有光电二极管
53：表面p+扩散层
55：沟槽隔离区
57：源极/漏极n+扩散体
64：阻挡区(可为中等掺杂p区)
102a：接收来自彩色滤光器114a的光的光电二极管的第二区(可以为中等掺杂n区)
102b：接收来自彩色滤光器114b的光的光电二极管的第二区(可以为中等掺杂n区)(102a连同其环绕p区一起形成光电二极管。102b也如此。)
103a：在第二区102a的底部处的水平剖面的中心
103b：在第二区102b的底部处的水平剖面的中心
168a：环绕第二区102a的耗尽区
168b：环绕第二区102b的耗尽区
具体实施方式
一种图像传感器像素阵列，所述图像传感器像素阵列包括光电转换单元，所述图像传感器像素阵列由第一导电类型的衬底支撑。所述光电转换单元可以为光电二极管，所述光电二极管包括第二导电类型的第二区，所述第二区被设置在所述衬底中并且在垂直方向位于晶体管的栅极电极之下。第一区被设置在所述第二区之上，所述第一区具有所述第一导电性并且位于所述衬底的顶部表面之下。所述第一区支撑所述晶体管的沟道。彩色滤光器传送光，所述光穿过栅极电极和第一区以产生由第二区收集的多个载流子。所述彩色滤光器可以为红色滤光器或绿色滤光器，或黄色滤光器。光可以经由光导传送至栅极电极。光导可以在栅极电极的顶部。栅极电极可以为传输门、重设开关、选择开关或输出晶体管的一部分。栅极电极可薄于晶体管的栅极，所述晶体管在像素阵列外部的外围电路中。可经由湿式蚀刻来使所述栅极电极变得更薄。用于薄化栅极电极的蚀刻剂可以经由衬底上的绝缘膜中的开口而被引入。光导可以在薄化之后形成在开口中。抗反射堆叠可以在形成光导之前形成在开口的底部处。
图7说明图像传感器10，所述图像传感器10包括像素14的阵列12，所述阵列12通过一组控制信号22被连接至行解码器20并且通过从像素14所输出的输出信号18被连接至光读取器电路1。光读取器电路对来自像素14的输出信号18采样，并且可以对输出信号18的多个样本执行减法与放大。像素阵列12包括彩色滤光器阵列，所述彩色滤光器阵列包括以二维排列的彩色滤光器，针对每一像素14具有一个彩色滤光器。
图4A说明彩色滤光器阵列的实施例，所述彩色滤光器阵列可以被设置在像素阵列12上并且作为像素阵列12的一部分。图4A示出拜耳原色滤光器图案(Bayerprimarycolorfilterpattern)，所述图案包括彩色滤光器的2×2阵列的重复二维阵列，所述彩色滤光器每个具有绿色(G)、红色(R)以及蓝色(B)中的一者。一对绿色滤光器沿着所述2×2阵列的一条对角线被设置。红色滤光器和蓝色滤光器所组成的一对沿着另一条对角线被设置。针对在空气中小于600nm的光波长，红色滤光器具有可忽略的透射率。针对在空气中小于500nm或大于600nm的光波长，绿色滤光器具有可忽略的透射率。针对在空气中大于500nm的光波长，蓝色滤光器具有可忽略的透射率。针对在空气中在500nm和600nm之间的光波长，洋红色滤光器具有可忽略的光导纳(admittance)。针对在空气中小于500nm的光波长，黄色滤光器具有可忽略的光导纳。如果透射率小于10％，则所述透射率为可忽略的。在不同彩色滤光器中的每个中，峰值透射率应超过50％。
图5示出像素阵列12的像素14的实施方案的示意图。像素14包括光检测器100。举例而言，光检测器100可以为光电二极管。光检测器100可以经由传输门117连接至重设开关112。光检测器100还可以经由输出(即，源极跟随器)晶体管116被耦合至选择开关114。晶体管112、114、116、117可以为场效晶体管(FET)。
传输门112的栅极可以连接至TF(n)线121。重设开关112的栅极可以连接至RST(n)线118。重设开关112的漏极节点可以连接至IN线120。选择开关114的栅极可以连接至SEL线122。选择开关114的源极节点可以连接至OUT线124。RST(n)线118、SEL(n)线122以及TF(n)线126可以为像素阵列12中的一整行像素所共有。同样，IN线120以及OUT线124可以为像素阵列12中的一整列像素所共有。RST(n)线118、SEL(n)线122以及TF(n)线121被连接至行解码器20并且是控制线22的部分。OUT(m)线124被连接至光读取器1并且是垂直信号线18的部分。
图6说明一对像素，所述对像素共享重设开关112、选择开关114以及输出晶体管116。光检测器100a和传输门117a一起形成所述对内的第一像素。光检测器100b和传输门117b一起形成所述对内的第二像素。第一和第二像素可位于像素阵列12内的不同行中。所述像素对包括两个光检测器100a、100b，所述两个光检测器100a、100b分别经由传输门117a、117b被连接至共享的感测节点111。传输门117a、117b分别通过连接至它们的各自栅极的水平信号TF(n+1)121a以及TF(n)121b来控制。共享的重设开关112在共享的水平信号RST(n)118的控制下将感测节点111连接至垂直IN线120，所述共享的水平信号RST(n)118被连接至重设开关112的栅极。当一起被导通并且通过将信号RST(n)118和信号TF(n+1)121a两者驱动至高电平而每个进入三极管区中时，重设开关112和传输门117a可以将光检测器100a重设至由垂直IN信号120所传输的电压。同样，当一起被导通并且通过将信号RST(n)118和信号TF(n)121b两者驱动至高电平而每个进入三极管区中时，重设开关112和传输门117b可以将光检测器100b重设至由垂直IN信号120所传输的电压。RST(n)线118、SEL(n)线122以及TF(n+1)线121a和TF(n)线121b被连接至行解码器20并且是控制线22的部分。OUT(m)线124被连接至光读取器1并且是垂直信号线18的部分。
参见图6，输出晶体管116经由选择晶体管114被连接至垂直OUT线124，选择晶体管114通过水平信号SEL(n)122导通。输出晶体管116和选择晶体管114在两对光检测器100a、100b和传输门117a、117b中共享。信号可以通过驱动水平信号TF(n+1)121a和SEL(n)122而从光检测器100a传输至垂直OUT线124。同样，信号可以通过驱动水平信号TF(n)121b和SEL(n)122而从光检测器100b传输至垂直OUT线124。
图2示出本发明的图像传感器的实施方案的两个像素14的剖面图，其中所述像素14每个具有一颜色的彩色滤光器114a或一不同颜色的彩色滤光器114b。在图2中，两个像素被示出为支撑在半导体衬底106上。半导体衬底106可以为第一导电类型(例如，p型)的轻掺杂半导体材料。例如，衬底106可具有以1E15/cm3至7E15/cm3之间的浓度掺杂硼的硅，如重掺杂p+衬底上的常规的p磊晶层(p-epilayer)(未示出)。
参见图2，所述两个像素中的每个用于检测不同颜色的光，分别由彩色滤光器114a、114b透射的光的颜色所确定。针对在空气中小于500nm的波长的光，彩色滤光器114a具有不可忽略的透射率，而针对在空气中小于500nm的波长的光，彩色滤光器114b具有可忽略的透射率。例如，彩色滤光器114a可以为蓝色滤光器或洋红色滤光器，而彩色滤光器114b可以为红色滤光器或绿色滤光器，或黄色滤光器。
衬底106上的金属-2连线(Metal-2wire)108使像素阵列12中的多个器件彼此连接和/或与行解码器20和/或光读取器1连接。金属-2连线108与衬底106之间的金属-1连线(Metal-1wire)107可以在像素14中的多个器件之间连接，例如，在一个晶体管的漏极扩散体至另一晶体管的多晶硅栅极之间，或者在器件与金属-2连线之间。可以使用更多布线层。衬底106之上的绝缘电介质110支撑金属-1连线107以及金属-2连线108。绝缘电介质110可以包括氧化硅。保护膜410可以覆盖绝缘电介质110，以将湿气以及例如钠离子和钾离子的碱金属离子排除在外。保护膜410可以包括氮化硅。
参见图2，栅极电极104a、104b以及104c每个被设置在栅极电介质(现在示出)上，栅极电介质形成在衬底106上。栅极电介质使栅极电极104a、104b以及104c与衬底106绝缘。栅极电极104a、104b以及104c可以包括多晶硅。栅极电极104a、104b每个为传输门(例如，图5中所示出的传输门117或图6中所示出的传输门117a、117b)的部分。栅极电极104b被配置为被在空气中的波长大于500nm的光(例如，绿光或红光)穿过，所述光由彩色滤光器114b传送并且通过在栅极电极104b之上的下光导316。栅极电极104c每个为非传输门(例如，图5或图6中所示出的重设晶体管112、源极跟随器晶体管116以及选择晶体管114中的任一者)的部分。
参见图2，下光导316以及上光导130为以级联方式配置的光导，其用以传送来自彩色滤光器114a、114b的可见光。光导316、130可以包括氮化硅，例如Si3N4。右边的下光导316具有在栅极电极104b上的一底部，以使光从彩色滤光器114b传送至栅极电极104b。在右边的下光导316和栅极电极104b之间可以夹有抗反射堆叠，以减少被传送的光在下光导316和栅极104b之间的界面处的向后反射。例如，所述抗反射堆叠可以包括三层介电膜(例如，氧化物-氮化物-氧化物)或更多。每层膜具有在50埃与2000埃之间的厚度，所述厚度被最佳化来减少针对通过彩色滤光器104b传送的光的波长范围的反射。左边的下光导316被设置为横向地紧接于栅极电极104a，以使光主要地传送至衬底106而不通过栅极电极104a。
第一导电类型(例如，p型)的第一区52y被设置在栅极电极104b下面的栅极氧化物之下，以形成包括栅极电极104b的晶体管的主体。栅极电极104b下面的第一区52y、栅极电极104b本身以及邻近于栅极电极104b的漏极扩散体57一起形成传输门的多个部分。如果彩色滤光器114b为红色滤光器，则第一区52y可从衬底106的顶部界面起在栅极电极104b之下延伸至小于0.8μm的深度，更优选地，小于0.45μm的深度，或者，如果彩色滤光器114b为绿色滤光器或黄色滤光器，则延伸至小于0.5μm的深度，更优选地，小于0.35μm的深度。第一区52y的深度可浅于常规的MOS晶体管(例如，在图像传感器10的外围中的I/O单元中或行解码器20中或在ADC24中的MOS晶体管)。第一区52y的较浅深度减小光在第一区52y内行进的垂直距离。第一区52y可为倒退型阱(retrogradewell)，其峰值掺杂浓度在0.1μm至0.2μm的深度之间，优选地0.13μm。第一区52y可包括铟，其峰值掺杂剂浓度在5E17/cm3至5E18/cm3之间，优选地3E18/cm3。类似的第一区52y可以形成在栅极电极104a下面，以形成包括栅极电极104a的传输门的主体。
漏极扩散体57可为第二导电类型(例如，n型)的重掺杂区。例如，漏极扩散体57可以包括砷，其峰值掺杂浓度为1E20/cm3或更高。漏极扩散体57可以为感测节点，例如图5或图6的感测节点111。
参见图2，第二区102b被设置在衬底106中，栅极电极104b下面。第二区102b具有第二导电类型，例如n型。第二区102b的横向部分被设置在包括栅极电极104b的传输门的相对端处(相对于漏极扩散体57)。第二区102b的横向部分连接至第二区102b的埋入部分，第二区102b的埋入部分被埋入在第一区52y之下，第一区52y在垂直方向上位于栅极电极104b之下。例如，第二区102b可通过注入磷以分别地形成横向部分和埋入部分而被形成，横向部分和埋入部分每个在两个单独的掩蔽步骤中的一个或另一个之后形成。第二区102b的峰值掺杂浓度可以在1E17/cm3至7E18/cm3之间。如图2中所示出的，第二区102b的埋入部分的水平剖面的中心103b(示出为图2中的虚线圆)可以在垂直方向上位于栅极电极104b之下，并且也可在垂直方向上位于第一区52y之下。耗尽区从在所述第一区52y具有第一导电类型的峰值掺杂浓度处之下延伸至第二区102b的埋入部分的顶部中。
参见图2，不同于第二区102b，被连接至包括栅极电极104a的传输门的第二区102a具有水平剖面的中心103a(示出为图2中的虚线菱形形状)，所述中心103a在垂直方向上不位于栅极电极104a之下而是在其旁边。第二区102a具有第二导电类型(例如，n型)，并且可以通过注入磷至峰值掺杂浓度在1E16/cm3与7E18/cm3之间(更优选地在7e16/cm3与7e17/cm3之间)来形成。当包括栅极电极104a的传输门导通时，在栅极电极104a下面形成沟道以使第二区102a连接至漏极扩散体57，漏极扩散体57邻近于栅极电极104a并且位于相对于第二区102a的相对端处。邻近于栅极电极104a的漏极扩散体57可以为感测节点，例如图5或图6的感测节点111。左边的下光导316被定位来将光从彩色滤光器114a传送至衬底106，而不是经由栅极电极104a。应注意，来自下光导的较小量的光可以被传送至栅极电极104a，但这应包括少于通过下光导传送的光的10％，从而左边的下光导316被称为是主要地将光传送至衬底而不是通过栅极电极104a。
第二区102a、102b可以通过在栅极电极104a、104b旁边的扩散体53与衬底的顶部界面隔离，扩散体53具有第一导电类型(例如，p型)并且具有在5E17至1E19之间的掺杂浓度。
已在上文描述了本发明的最佳实施方式。
本发明的图像传感器的可替代实施方案可以不在第二区102a以及102b上面使用光导130和316，而是替代地可以在每一第二区上面使用常规的微透镜和彩色滤光器来使光聚焦至所述第二区中。在此可替代实施方案中，第一微透镜和第一彩色滤光器一起使具有大于500nm波长的光传送至栅极电极104b，而第二微透镜和第二彩色滤光器一起使具有450nm±50nm范围内的波长的光传送至衬底106的顶部界面的区域，所述区域邻近于栅极电极104a但不被栅极电极104a覆盖。
图3为光线追踪图，其用于图2中所示出的图像传感器的剖面。光线a进入左边的彩色滤光器114a和光导130，在左边的光导130的侧壁上反射，穿过第二区102a，最终在衬底中在耗尽区168a内被吸收，于是产生电子-空穴对。来自电子-空穴对的电子被耗尽区168a中的电场朝向第二区102a推动，而来自所述对的空穴被排斥离开并且进入衬底106中。因此，第二区102a中的所积聚的电荷变得更负了。或者，光可在第二区102a中被吸收，于是产生电子-空穴对，来自电子-空穴对的电子被保持在第二区102a内，而空穴被耗尽区168a中的电场向外排斥至衬底106。当邻接第二区102a并且包括栅极电极104a的传输门被导通以形成传导路径(在此实施例中，栅极电极104a下面，第二区102a和邻近于栅极电极104a的漏极扩散体57之间，衬底106的表面处的沟道中的反转层)时，所积聚的负电荷的程度则通过放大器电路来感测，如图5或图6中所示出的。
再次参见图3，光线b进入右边的彩色滤光器114b和光导130，在右边的光导130的侧壁上反射，穿过抗反射堆叠230、栅极电极104b以及下方的栅极氧化物(未图示)，穿过第一区52y，接着穿过第二区102b，并且最终在衬底中在耗尽区168b内被吸收，于是产生电子-空穴对。来自电子-空穴对的电子被耗尽区168b中的电场朝向第二区102b推动，而来自所述对的空穴被排斥离开至衬底106中。因此，第二区102b中的所积聚的电荷变得更负了。当邻接第二区102b并且包括栅极电极104b的传输门被导通以形成传导路径(在此实施例中，栅极电极104b下面，第二区102b与邻近于栅极电极104b的n+扩散体57之间，硅表面处的沟道中的反转层)时，所积聚的负电荷的程度则通过放大器电路来感测，如图5或图6中的示意图中所示出的。
彩色滤光器114b可以传送红光或绿光，或两者。所述彩色滤光器114b可以为绿色滤光器、红色滤光器，或黄色滤光器。绿光和红光具有在500nm与700nm之间的波长，并且能够在被吸收之前穿入通过硅与多晶硅大于1μm。已通过彩色滤光器114b的光线b能够穿过第一区52y以产生电子-空穴对，所述电子-空穴对的电子被第一区52y下面的第二区102b收集。
如图3中所说明，光线b穿透至第二区102b之外，并且在环绕第二区的耗尽区内产生电子-空穴对。另外，通过彩色滤光器114b的光线可在第二区102b自身中被吸收，产生电子-空穴对，所述电子-空穴对中的电子保持在第二区102b中，而来自所述对的空穴被耗尽区168b内的电场排斥出至衬底106。或者，通过彩色滤光器114b的光线可在第一区52y中被吸收，产生电子-空穴对，所述电子-空穴对中的电子扩散至耗尽区168b中，并且通过耗尽区168b中的电场被推动至第二区102b中。
在可替代实施方案中，为减少在栅极电极104b中所吸收的光的量，可以使栅极电极104b至少在下光导316之下的一部分之上薄于不同晶体管(例如，像素阵列12之外的晶体管，如ADC24中的晶体管)的栅极电极。例如，常规的多晶硅栅极可以具有约2000埃±10％的厚度。栅极电极104b可以包括多晶硅。可以使栅极电极104b的厚度在200埃与1000埃之间，优选地在300埃和700埃之间，更优选地在500±50埃内。栅极电极104b可以在已形成漏极扩散体57之后使用湿式蚀刻从上而下地被蚀刻。绝缘膜110(例如，氧化硅膜)可以沉积在晶片上，随后进行光刻步骤以在晶片上形成光致抗蚀剂掩模，以仅曝露绝缘膜110上在栅极待薄化处上方的区域(例如，仅在像素阵列12中在下光导316将与之重叠处的传输门的区域上)，随后进行湿式蚀刻以形成开口来曝露栅极的顶部，接着最终地进行湿式蚀刻以将栅极(例如，多晶硅栅极)向下蚀刻至所要求的最终厚度。通过CMP进行的氧化硅膜的平面化可以在光刻步骤之前。
作为湿式蚀刻的替代，可以在绝缘膜110上应用等离子蚀刻以形成开口的部分，随后进行湿式蚀刻以移除绝缘膜110的残余厚度，蚀刻所述开口贯穿绝缘膜110并且曝露出栅极的上区域。或者，可单独通过等离子蚀刻(不涉及湿式蚀刻)来蚀刻贯穿绝缘膜110的整个厚度，以产生所述开口。可以在用于ADC24和/或行解码器20中的晶体管的轻掺杂漏极(LDD)注入之后执行栅极104b的薄化。
所述开口也可以为这样的开口，即下光导316(例如通过沉积氮化硅而)随后形成在其中。在所述开口中形成下光导316之前，抗反射堆叠可以被沉积至所述开口的底部，所述抗反射堆叠例如是包括下氧化物膜、中间氮化物膜以及上氧化物膜的氧化物-氮化物-氧化物堆叠。
图9A至图9E说明一处理过程，所述处理过程用于在栅极104b(或104d)的上面形成开口120，薄化栅极104b(或104d)，在栅极104b(或104d)上形成抗反射堆叠，以及在开口120中形成下光导316。图9A示出栅极氧化物231上的栅极104b，栅极氧化物231在衬底106上。栅极104b有间隔件235在两侧。栅极104b和间隔件235以及不在栅极104b或间隔件235之下的栅极氧化物231的多个部分被氮化物衬垫233膜覆盖。绝缘膜111覆盖晶片至与栅极104b的顶部类似的高度。绝缘膜111可以为掺杂有硼和磷的氧化硅，例如BPSG。绝缘膜110进一步在绝缘膜111以及栅极104b顶上的氮化物衬垫233的部分的之上覆盖晶片。在此时，金属布线层可能已形成在绝缘膜110中，或可能未形成在绝缘膜110中。绝缘膜110可以包括氧化硅。
图9B示出被形成为贯穿绝缘膜110的开口120，开口120曝露出栅极104b之上的氮化物衬垫233的一部分。开口120可以仅通过等离子蚀刻而形成，或者可以通过等离子蚀刻之后进行湿式蚀刻而形成。在图9C中，移除氮化物衬垫233的所述部分，并且从上而下蚀刻栅极104b以得到具有所要求厚度的较薄栅极。
图9D示出包括三层膜232、234、236的抗反射堆叠形成在开口120的底部处被薄化的栅极104b上。顶层抗反射膜236可以包括氧化硅。第二层抗反射膜234可以包括氮化硅。第三层抗反射膜232可以包括氧化硅。抗反射堆叠减少从光导316传送至衬底106的光的向后反射。图9E示出光导316在抗反射堆叠之后形成在开口120中。
图4B示出彩色滤光器阵列的另一个实施例，所述彩色滤光器阵列可以被设置在像素阵列12上并且作为像素阵列12的部分。图4B示出绿色-洋红色滤光器图案，所述图案包括彩色滤光器的2×2阵列的重复二维阵列，所述彩色滤光器每个具有绿色(G)以及洋红色(Mg)中的一个。一对绿色滤光器沿着2×2阵列的一条对角线被设置。一对洋红色滤光器沿着另一条对角线被设置。在包括有绿色-洋红色滤光器阵列的像素阵列中，绿色像素(具有绿色滤光器作为彩色滤光器114b)可以以图2中右边像素的方式来形成。除了具有在第二区102a下面的附加光检测器和用以传输来自此附加光检测器的电荷的附加传输门之外，洋红色像素(具有洋红色滤光器作为彩色滤光器114a)可以以与图2中左边像素的方式类似的方式来形成。
图8示出从图2中所示出的实施方案修改的可替代实施方案。通过使第二区102b在晶体管的P阱(Pwell)52z之下延伸，所述晶体管具有在第二区102b和P阱52z之上的栅极104d，来针对红色像素或绿色像素或黄色像素修改图2的第二区102b的底部部分。所述晶体管不是传输晶体管117，并且可以为重设开关112和选择开关114和输出晶体管116中的一个。像素的下光导316与晶体管的栅极104d重叠，以使光通过栅极104d和P阱52z传送至第二区102b。
如果彩色滤光器114b为红色滤光器，则P阱52z可以从衬底106的顶部界面起在栅极电极104d下面延伸至小于0.8μm的深度，更优选地小于0.45μm，或者如果彩色滤光器114b为绿色滤光器或黄色滤光器，则延伸至小于0.5μm的深度，更优选地小于0.35μm。P阱52z的深度可以浅于常规的MOS晶体管(例如，在图像传感器10的外围中的I/O单元中或在行解码器20或在ADC24中的MOS晶体管)。P阱52z的较浅深度减小光在P阱52z内行进的垂直距离。P阱52z可以为倒退型阱，其峰值掺杂浓度在0.1μm至0.2μm的深度之间，优选地在0.13μm。P阱52z可以包括铟，其峰值掺杂剂浓度在5E17/cm3至5E18/cm3之间，优选地在3E18/cm3。
如上面所描述，优选地使栅极104d更薄。进一步，栅极104d满足上面关于更薄栅极所描述的厚度限制中的一者是令人期望的。再进一步，根据上面所描述的用于栅极薄化的方法中的一者来薄化栅极104d也是令人期望的。
尽管已在附图中描述并且示出某些示例性实施方案，但应当可以理解，这些实施方案针对广义的本发明仅仅是说明性的而非限制性的，并且本发明不限于所示出并且描述的特定构造和配置，因为本领域普通技术人员可想出各种其他的修改。

Claims (10)

1.一种图像传感器的像素阵列，所述像素阵列由第一导电类型的衬底支撑，所述像素阵列包括：
第一像素，所述第一像素被配置来检测蓝光；以及，
第二像素，所述第二像素包括：
光检测器，所述光检测器包括在所述衬底中的第二导电类型的第二区；
所述第一导电类型的第一区，所述第一区在垂直方向位于所述第二区之上并且位于所述衬底的顶部界面之下；
第一晶体管的第一漏极，所述第一漏极毗邻所述第一区；
所述第一晶体管的第一栅极，所述第一栅极在垂直方向位于所述第一和第二区之上；
第一彩色滤光器，所述第一彩色滤光器为红色滤光器或绿色滤光器，或黄色滤光器；以及，
第一光导，所述第一光导被配置来使光从所述第一彩色滤光器经由所述第一栅极和所述第一区传送至所述第二区。
2.根据权利要求1所述的像素阵列，其中所述第一晶体管为选择开关或重设开关，或输出晶体管。
3.根据权利要求1所述的像素阵列，其中所述第一晶体管为传输门。
4.根据权利要求1所述的像素阵列，其中所述第一光导使用在所述第一光导侧壁处的全内反射来防止所述光横向地泄出。
5.根据权利要求1或4所述的像素阵列，其中所述第一栅极具有在200埃与1000埃之间的厚度。
6.根据权利要求1或4所述的像素阵列，其中所述第一栅极具有在300埃与700埃之间的厚度。
7.根据权利要求1或4所述的像素阵列，其中所述第一栅极具有在500±50埃之内的厚度。
8.根据权利要求1或4所述的像素阵列，其中所述第一栅极薄于在所述图像传感器中的ADC中的晶体管的栅极。
9.根据权利要求1或4所述的像素阵列，所述第一像素包括：
第二彩色滤光器，所述第二彩色滤光器为蓝色滤光器或洋红色滤光器；以及，
第二光导，所述第二光导被配置来使光从所述第二彩色滤光器主要地传送至所述衬底而不通过晶体管的栅极。
10.根据权利要求1或4所述的像素阵列，其中在所述第一彩色滤光器为红色滤光器的情况下，所述第一区在所述衬底中不深于0.8μm，并且如果所述第一彩色滤光器为绿色滤光器或黄色滤光器，所述第一区在所述衬底中不深于0.5μm。
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