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TWI548071B - 顏色最佳化影像感測器 - Google Patents

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TWI548071B
TWI548071B TW099135978A TW99135978A TWI548071B TW I548071 B TWI548071 B TW I548071B TW 099135978 A TW099135978 A TW 099135978A TW 99135978 A TW99135978 A TW 99135978A TW I548071 B TWI548071 B TW I548071B
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邰祐南
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邰祐南
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Description

顏色最佳化影像感測器
所揭示之標的物大體上係關於用於構成固態影像感測器之結構以及方法。
本申請案主張於2010年10月18日申請之美國專利申請案第12/906,351號、於2009年10月21日申請之美國臨時專利申請案第61/253,849號，以及於2009年10月25日申請之美國臨時專利申請案第61/254,745號的優先權。
攝影設備(諸如，數位相機以及數位攝錄影機)可包含電子影像感測器，該等電子影像感測器擷取光以供處理成靜止影像或視訊影像。電子影像感測器通常包含上百萬個光擷取元件，諸如，光電二極體。
固態影像感測器可為電荷耦合裝置(CCD)類型或互補金屬氧化物半導體(CMOS)類型中之任一者。在任一類型之影像感測器中，光感測器形成於一基底中且配置成二維陣列。影像感測器通常包含上百萬個像素以提供高解析度影像。
圖1展示先前技術固態影像感測器1之剖面圖，該剖面圖展示CMOS型感測器中之多個鄰近像素，其係揭露於美國專利第7,119,319號。每一像素具有一光電轉換單元2。每一轉換單元2鄰近於傳送電極3而定位，傳送電極3將電荷傳送至浮動擴散單元(未圖示)。該結構包括埋置於絕緣層5中之多條電線4。該感測器通常包括一位於彩色濾光片8下方之平坦化層6，用以抵消歸因於該等電線4之頂部表面不平整，因為平坦表面對通過微影術來形成習知的彩色濾光片而言相當重要。一第二平坦化層10設置於該彩色濾光片8上方，用以提供一平坦表面來形成微透鏡9。平坦化層6與10加上彩色濾光片8之總厚度大約為2.0 μm。
若干光導7整合至感測器中以將光引導至若干轉換單元2上。該等光導7係由折射率高於絕緣層5的諸如氮化矽之材料形成。每一光導7具有比鄰寬於近於轉換單元2之區域的入口。感測器1亦可具有一彩色濾光片8以及一微透鏡9。
根據第一方面，本發明係關於一種影像感測器，該影像感測器藉由一屬一第一導電類型之基底支撐，該影像感測器包括一經組態以偵測一藍光之第一像素以及一第二像素，該第二像素包括：(a)一光偵測器，該光偵測器包括一在該基底中之屬一第二導電類型之第二區，(b)一屬該第一導電類型之第一區，該第一區位於該第二區之正上方且位於該基底之一頂部界面下，(c)一第一電晶體之一第一汲極，該第一汲極毗鄰該第一區，(d)該第一電晶體之一第一閘極，該第一閘極位於該第一區以及該第二區之正上方，(e)一第一彩色濾光片，該第一彩色濾光片為一紅色濾光片或一綠色濾光片，或一黃色濾光片，以及(f)一第一光導，該第一光導經組態以使一光從該第一彩色濾光片經由該第一閘極以及該第一區透射至該第二區。更特定而言，該第一光導使用在其側壁處之全內反射來防止該光橫向地外泄。亦更特定而言，該第一像素包括：(a)一第二彩色濾光片，該第二彩色濾光片為一藍色濾光片或一洋紅色濾光片，以及(b)一第二光導，其經組態以使一光從該第二彩色濾光片大體上透射至該基底而不通過一電晶體之一閘極。
在第一方面中，該第一電晶體可為一選擇開關或一重設開關，或一輸出電晶體。或者，該第一電晶體可為一傳送閘。
在第一方面中，係期望該第一閘極具有一在200埃與1000埃之間的厚度。係更是期望該第一閘極具有一在300埃與700埃之間的厚度。係更加期望該第一閘極具有一在500 +/- 50埃內之厚度。
在第一方面中，係期望該第一閘極薄於該影像感測器中之一類比至數位轉換器(ADC)中之一電晶體的一閘極。
在第一方面中，在該第一彩色濾光片為一紅色濾光片之情況下，該第一區在該基底中不深於0.8 μm，且在該第一彩色濾光片為一綠色濾光片或一黃色濾光片之情況下，該第一區在該基底中不深於0.5 μm，是可取的。在該第一彩色濾光片為一紅色濾光片之情況下，該第一區在該基底中不深於0.5 μm，且在該第一彩色濾光片為一綠色濾光片或一黃色濾光片之情況下，該第一區在該基底中不深於0.35 μm，更是可取的。
在第一方面中，係期望將該第一光導於該第一閘極上。
在第一方面中，該第一導電類型可為p型，且該第二導電類型可為n型。
根據第二方面，本發明係關於一種用於形成一影像感測器之一像素陣列之方法，該像素陣列藉由一屬一第一導電類型之基底支撐，該方法包括：(A)在該基底中形成一屬一第二導電類型之第二區，(B)在該基底中且該第二區之正上方形成一屬該第一導電性之第一區，(C)在該基底中形成一電晶體之一汲極，該汲極毗鄰該第一區，(D)在該基底上方形成該電晶體之一閘極，該閘極位於該第一區之正上方且鄰近於該汲極，(E)形成一彩色濾光片，該彩色濾光片為一紅色濾光片或一綠色濾光片，或一黃色濾光片，以及(F)形成一光導，該光導經組態以使一光從該彩色濾光片經由該閘極以及該第一區透射至該第二區。
在第二方面中，係期望該方法包括薄化該閘極。進一步，在該薄化之後，該閘極具有一在200埃與1000埃之間的厚度。更進一步，在該薄化之後，該閘極具有一在300埃與700埃之間的厚度。甚至係更進一步期望在該薄化之後，該閘極有一在500 +/- 50埃內之厚度。亦係進一步期望，該閘極藉由一蝕刻而薄化，其中，一蝕刻劑經由該閘極之上的一在一絕緣薄膜中且貫穿該絕緣薄膜之開口引入，該光導隨後形成於該開口中。甚至係進一步期望，該閘極藉由一蝕刻而薄化，其中，一蝕刻劑經由該閘極之上的一貫穿一絕緣薄膜之開口引入，該光導隨後形成於該開口中。仍係甚至進一步期望，該方法更包括在該薄化之後且在形成該光導之前在該開口中形成一抗反射堆疊。係期望該開口係用首先一電漿蝕刻接著以一濕式蝕刻來打開。
在第二方面中，係期望該閘極係使用一濕式蝕刻而薄化。
在第二方面中，係期望該光導在該閘極上。
在第二方面中，係期望該第一導電類型為p型且該第二導電類型為n型。
一種影像感測器像素陣列，該影像感測器像素陣列包括一光電轉換單元，該影像感測器像素陣列係藉由一屬一第一導電類型之基底支撐。該光電轉換單元可為一光電二極體，該光電二極體包括一屬一第二導電類型之第二區，該第二區安置於該基底中且位於一電晶體之一閘極電極之正下方。一第一區安置於該第二區上方，該第一區屬該第一導電性且位於該基底之一頂部表面下。該第一區支撐該電晶體之一溝道。一彩色濾光片透射一光，該光穿透該閘極電極以及該第一區以產生由該第二區收集之若干載子。該彩色濾光片可為一紅色濾光片或一綠色濾光片，或一黃色濾光片。該光可經由一光導透射至該閘極電極。該光導可在該閘極電極之頂部。該閘極電極可為一傳送閘、一重設開關、一選擇開關或一輸出電晶體之部分。該閘極電極可薄於一電晶體之一閘極，該電晶體在該像素陣列外部之一周邊電路中。可經由一濕式蝕刻來使該閘極電極變得更薄。一用於薄化該閘極電極之蝕刻劑可經由該基底上之一絕緣薄膜中的一開口而引入。該光導可在該薄化之後形成於該開口中。一抗反射堆疊可在形成該光導之前形成於該開口之一底部處。
圖7說明一影像感測器10，該影像感測器10包括像素14之陣列12，該陣列12藉由控制信號22之一群組連接至列解碼器20且藉由從像素14所輸出之輸出信號18連接至光讀取器電路16。光讀取器電路對來自像素14之輸出信號18取樣，且可對輸出信號18之若干樣本執行減法與放大。像素陣列12包括一彩色濾光片陣列，該彩色濾光片陣列包括以二維排列之多個彩色濾光片，每一像素14有一個彩色濾光片。
圖4A說明一彩色濾光片陣列之實例，該彩色濾光片陣列可安置於像素陣列12之上且作為像素陣列12之部分。圖4A展示一拜耳原色濾光片圖案(Bayer primary color filter pattern)，該圖案包括彩色濾光片之2×2陣列之重複二維陣列，該等彩色濾光片各自屬綠色(G)、紅色(R)以及藍色(B)中之一者。一對綠色濾光片沿著2×2陣列之一對角線安置。一紅色濾光片以及一藍色濾光片所組成之一對沿著另一對角線安置。一紅色濾光片具有針對在空氣中小於600 nm之光之波長的可忽略透射率。一綠色濾光片具有針對在空氣中小於500 nm或大於600 nm之光之波長的可忽略透射率。一藍色濾光片具有針對在空氣中大於500 nm之光之波長的可忽略透射率。一洋紅色濾光片具有針對在空氣中在500 nm與600 nm之間之光之波長的可忽略透射力(admittance)。一黃色濾光片具有針對在空氣中小於500 nm之光之波長的可忽略透射力。若透射率小於10%，則該透射率為可忽略的。在不同彩色濾光片中之每一者中，峰值透射率應超過50%。
圖5展示像素陣列12之像素14之一實施例的示意圖。像素14包括一光偵測器100。舉例而言，該光偵測器100可為光電二極體。該光偵測器100可經由傳送閘117連接至一重設開關112。該光偵測器100亦可經由一輸出(亦即，源極隨耦器)電晶體116耦接至一選擇開關114。電晶體112、114、116、117可為場效電晶體(FET)。
傳送閘112之閘極可連接至一TF(n)線121。重設開關112之閘極可連接至一RST(n)線118。重設開關112之汲極節點可連接至一IN線120。選擇開關114之閘極可連接至一SEL線122。選擇開關114之源極節點可連接至一OUT線124。RST(n)線118、SEL(n)線122以及TF(n)線126可為像素陣列12中之一整列像素所共有。同樣地，IN線120以及OUT線124可為像素陣列12中之一整行像素所共有。RST(n)線118、SEL(n)線122以及TF(n)線121連接至列解碼器20且為控制線22之部分。OUT(m)線124連接至光讀取器1且為垂直信號線18之部分。
圖6說明一對像素，該對像素共用一重設開關112、一選擇開關114以及一輸出電晶體116。一光偵測器100a以及一傳送閘117a一起形成該對內之一第一像素。一光偵測器100b以及一傳送閘117b一起形成該對內之一第二像素。該第一像素與該第二像素可位於像素陣列12內之不同列中。該像素對包括兩個光偵測器100a、100b，該兩個光偵測器100a、100b分別經由傳送閘117a、117b連接至共用感測節點111。傳送閘117a、117b分別藉由連接至其各別閘極之水平信號TF(n+1) 121a以及TF(n) 121b控制。一共用重設開關112在一共用水平信號RST(n) 118之控制下將感測節點111連接至垂直IN線120，該共用水平信號RST(n) 118連接至重設開關112之閘極。重設開關112以及傳送閘117a在一起被接通且藉由將信號RST(n) 118以及信號TF(n+1) 121a兩者驅動至高位準而各自進入三極體區中時，可將光偵測器100a重設至藉由垂直IN信號120所傳輸之電壓。同樣地，重設開關112以及傳送閘117b在一起被接通且藉由將信號RST(n) 118以及信號TF(n) 121b兩者驅動至高位準而各自進入三極體區中時，可將光偵測器100b重設至藉由垂直IN信號120所傳輸之電壓。RST(n)線118、SEL(n)線122以及TF(n+1)線121a與TF(n)線121b連接至列解碼器20且為控制線22之部分。OUT(m)線124連接至光讀取器1且為垂直信號線18之部分。
參看圖6，一輸出電晶體116經由一選擇電晶體114連接至一垂直OUT線124，選擇電晶體114係藉由水平信號SEL(n) 122接通。該輸出電晶體116以及該選擇電晶體114係在兩對光偵測器100a、100b以及傳送閘117a、117b當中共用。一信號可藉由驅動水平信號TF(n+1) 121a以及SEL(n) 122而從光偵測器100a傳輸至垂直OUT線124。同樣地，一信號可藉由驅動水平信號TF(n) 121b以及SEL(n) 122而從光偵測器100b傳輸至垂直OUT線124。
圖2展示本發明之影像感測器之一實施例的兩個像素14之剖面圖，其中該等像素14各自具有一屬一顏色之彩色濾光片114a或一屬一不同顏色的彩色濾光片114b。在圖2中，展示兩個像素被支撐於一半導體基底106上。該半導體基底106可為屬第一導電類型(例如，p型)之輕摻雜半導體材料。舉例而言，基底106可具有以1E15/cm3至7E15/cm3之間的濃度摻雜硼之矽，諸如重摻雜p+基底上之習知的p磊晶層(p-epi layer)(未圖示)。
參看圖2，該兩個像素中之每一者係用於偵測屬不同顏色之光，分別由彩色濾光片114a、114b透射之光的顏色所判定。彩色濾光片114a具有針對屬在空氣中小於500 nm之波長之光的不可忽略透射率，而彩色濾光片114b具有針對屬在空氣中小於500 nm之波長之光的可忽略透射率。舉例而言，彩色濾光片114a可為藍色濾光片或洋紅色濾光片，而彩色濾光片114b可為紅色濾光片或綠色濾光片，或黃色濾光片。
基底106之上之第2層金屬電線(Metal-2 wire)108使像素陣列12中之若干裝置彼此連接及/或與列解碼器20及/或光讀取器1連接。第2層金屬電線108與基底106之間的第1層金屬電線(Metal-1 wire)107可連接在像素14中之若干裝置之間，例如，一電晶體之汲極擴散體至另一電晶體之多晶矽閘極之間，或裝置與第2層金屬電線之間。可使用更多佈線層。基底106上方之絕緣介電質110支撐第1層金屬電線107以及第2層金屬電線108。絕緣介電質110可包括氧化矽。保護薄膜410可覆蓋絕緣介電質110以將濕氣與諸如鈉離子以及鉀離子之鹼金屬離子排除在外。保護薄膜410可包括氮化矽。
參看圖2，閘極電極104a、104b以及104c各自安置於閘極介電質(未圖示)上，閘極介電質形成於基底106上。閘極介電質使閘極電極104a、104b以及104c與基底106絕緣。閘極電極104a、104b以及104c可包括多晶矽。閘極電極104a、104b各自為傳送閘(諸如，圖5中所展示之傳送閘117或圖6中所展示之傳送閘117a、117b)之部分。閘極電極104b經組態以被一光(諸如，綠光或紅光)穿透，該光屬在空氣中大於500 nm之波長，其藉由彩色濾光片114b透射且通過閘極電極104b上方之下光導316。閘極電極104c各自為非傳送閘(例如，圖5或圖6中所展示之重設電晶體112、源極隨耦器電晶體116以及選擇電晶體114中之任一者)之部分。
參看圖2，下光導316以及上光導130為以級聯方式配置之光導，其用以透射來自彩色濾光片114a、114b之可見光。光導316、130可包括氮化矽，例如Si3N4。右邊之下光導316有一底部在閘極電極104b之上，以使光從彩色濾光片114b透射至閘極電極104b。在右邊之下光導316與閘極電極104b之間可夾有一抗反射堆疊，該抗反射堆疊用以減少經透射之光在下光導316與閘極104b之間的界面處的向後反射。舉例而言，該抗反射堆疊可包括三個介電薄膜(例如，氧化物-氮化物-氧化物)或更多。每一薄膜具有在50埃與2000埃之間的厚度，其經最佳化以減少藉由彩色濾光片104b透射過之光之一波長範圍的反射。左邊之下光導316橫向地緊接於閘極電極104a安置，以使光主要地透射至基底106而不通過閘極電極104a。
屬第一導電類型(諸如，p型)之第一區52y安置於閘極電極104b下方之閘極氧化物下，以形成包括閘極電極104b之電晶體的主體。閘極電極104b下方之第一區52y、閘極電極104b自身以及鄰近於閘極電極104b之汲極擴散體57一起形成傳送閘之若干部分。若彩色濾光片114b為紅色濾光片，則第一區52y可從基底106之頂部界面起在閘極電極104b下方延伸至小於0.8 μm之深度，更佳地小於0.45 μm，或者若彩色濾光片114b為綠色濾光片或黃色濾光片，則延伸至小於0.5 μm之深度，更佳地小於0.35 μm。第一區52y之深度可淺於習知的MOS電晶體(諸如，在影像感測器10器20之周邊中之I/O單元中或列解碼或在ADC 24中者)。第一區52y之較淺深度減小光在第一區52y內行進之垂直距離。第一區52y可為倒退型井(retrograde well)，其峰值摻雜濃度在0.1 μm至0.2 μm的深度之間，較佳地0.13 μm。第一區52y可包括銦，其峰值摻雜劑濃度在5E17/cm3至5E18/cm3之間，較佳地3E18/cm3。一類似的第一區52y可形成於閘極電極104a下方，以形成包括閘極電極104a之傳送閘之主體。
汲極擴散體57可為具有第二導電類型(諸如，n型)之重摻雜區。舉例而言，汲極擴散體57可包括砷，其峰值摻雜濃度為1E20/cm3或更高。汲極擴散體57可為感測節點，諸如圖5或圖6之感測節點111。
參看圖2，第二區102b安置於基底106中，閘極電極104b下方。第二區102b屬第二導電類型，例如n型。第二區102b之橫向部分安置於包括閘極電極104b之傳送閘的相對端處(相對於汲極擴散體57)。第二區102b之橫向部分連接至第二區102b之內埋部分，第二區102b之內埋部分內埋於第一區52y下，第一區52y位於閘極電極104b之正下方。舉例而言，第二區102b可藉由植入磷以分別地形成橫向部分以及內埋部分來形成，橫向部分以及內埋部分各自在兩個單獨遮蔽步驟中之一者或另一者之後形成。第二區102b之峰值摻雜濃度可在1E17/cm3至7E18/cm3之間。第二區102b之內埋部分之水平剖面的中心103b(展示為圖2中之虛線圓)可在垂直方向上位於閘極電極104b下方，且亦可在垂直方向上位於第一區52y下方，如圖2中所展示。一空乏區從在第一區52y具有具第一導電類型之峰值摻雜濃度處下方延伸至第二區102b之內埋部分的頂部中。
參看圖2，不同於第二區102b，連接至包括閘極電極104a之傳送閘的第二區102a具有水平剖面之中心103a(展示為圖2中之虛線菱形形狀)，該中心103a不位於閘極電極104a之正下方但在其旁邊。第二區102a屬第二導電類型(例如，n型)，且可藉由植入磷來形成，其峰值摻雜濃度以在1E16/cm3與7E18/cm3之間(更佳地在7e16/cm3與7e17/cm3之間)。當包括閘極電極104a之傳送閘極被接通時，在閘極電極104a下方形成一溝道以使第二區102a連接至汲極擴散體57，汲極擴散體57鄰近於閘極電極104a且位於相對於第二區102a之相對端處。鄰近於閘極電極104a之汲極擴散體57可為感測節點，諸如圖5或圖6之感測節點111。左邊之下光導316經定位以替代於經由閘極電極104a來使光從彩色濾光片114a透射至基底106。應注意，來自下光導之較小量的光可透射至閘極電極104a，但此應少於藉由下光導透射之光之10%，使得左邊之下光導316被稱為使光大體上不通過閘極電極104a而透射至基底。
第二區102a、102b可藉由在閘極電極104a、104b旁邊之擴散體53與基底之頂部界面隔離，擴散體53屬第一導電類型(例如，p型)以及具有在5E17至1E19之間的摻雜濃度。
已在上文描述本發明之最佳模式。
本發明之影像感測器之替代實施例可不在第二區102a以及102b之上使用光導130以及316，而是替代地可在每一第二區之上使用一習知之微透鏡以及一彩色濾光片來使光聚焦至第二區中。在此替代實施例中，第一微透鏡以及第一彩色濾光片一起使屬大於500 nm之波長之光透射至閘極電極104b，而第二微透鏡以及第二彩色濾光片一起使屬450 nm+/-50 nm之範圍內之波長的光透射至基底106之頂部界面之區域，該區域鄰近於閘極電極104a但不由閘極電極104a覆蓋。
圖3為射線追蹤圖，其用於圖2中所展示之影像感測器的剖面。射線a進入左邊之彩色濾光片114a以及光導130，在左邊之光導130之側壁上反射，穿透第二區102a，最終在基底中於空乏區168a內被吸收，隨之產生電子-電洞對。來自電子-電洞對之電子藉由空乏區168a中之電場掃掠朝向第二區102a，而來自該對之電洞被排斥離開並進入基底106中。因此，第二區102a中之所積聚之電荷變得更負。或者，光可在第二區102a中被吸收，隨之產生電子-電洞對，來自電子-電洞對之電子固持於第二區102a內，而電洞藉由空乏區168a中之電場向外排斥至基底106。當鄰接第二區102a且包括閘極電極104a之傳送閘被接通以形成傳導路徑(在此實例中，閘極電極104a下方，第二區102a與鄰近於閘極電極104a之汲極擴散體57之間，基底106之表面處之溝道中的反轉層)時，所積聚之負電荷之程度則藉由放大器電路感測，諸如圖5或圖6中所展示。
再次參看圖3，射線b進入右邊之彩色濾光片114b以及光導130，在右邊之光導130之側壁上反射，穿透抗反射堆疊230、閘極電極104b以及下方之閘極氧化物(未圖示)，穿透第一區52y，接著穿透第二區102b，且最終在基底中於空乏區168b內被吸收，隨之產生電子-電洞對。來自電子-電洞對之電子藉由空乏區168b中之電場掃掠朝向第二區102b，而來自該對之電洞被排斥離開並進入基底106中。因此，第二區102b中之所積聚之電荷變得更負。當鄰接第二區102b且包括閘極電極104b之傳送閘極被接通以形成傳導路徑(在此實例中，閘極電極104b下方，第二區102b與鄰近於閘極電極104b之n+擴散體57之間，矽表面處之溝道中的反轉層)時，所積聚之負電荷之程度則藉由放大器電路感測，諸如圖5或圖6中所展示。
彩色濾光片114b可透射紅光或綠光，或兩者。該彩色濾光片114b可為一綠色濾光片、一紅色濾光片，或一黃色濾光片。綠光以及紅光具有在500 nm與700 nm之間的波長，且能夠在被吸收之前穿透過矽與多晶矽大於1 μm。已通過彩色濾光片114b之光線b能夠穿透第一區52y以產生電子-電洞對，電子-電洞對之電子藉由第一區52y下方之第二區102b收集。
如圖3中所說明，光線b穿透出第二區102b之外，且在環繞第二區之空乏區內產生電子-電洞對。又，通過彩色濾光片114b之光線可在第二區102b自身中被吸收，從而產生電子-電洞對，電子-電洞對中之電子保持於第二區102b中，而來自該對之電洞藉由空乏區168b內之電場排斥出並至基底106。或者，通過彩色濾光片114b之光線可在第一區52y中被吸收，產生電子-電洞對，電子-電洞對中之電子擴散至空乏區168b中，且藉由空乏區168b中之電場掃掠至第二區102b中。
在一替代實施例中，為減少在閘極電極104b中所吸收之光之量，可使閘極電極104b至少在下光導316下之一部分之上薄於不同電晶體(例如，像素陣列12外部之電晶體，諸如ADC 24中之一者)的閘極電極。舉例而言，習知之多晶矽閘極可具有約2000埃+/- 10%之厚度。閘極電極104b可包括多晶矽。可使閘極電極104b之厚度在200埃與1000埃之間，較佳地在300埃與700埃之間，更佳地在500 +/- 50埃內。閘極電極104b可在已形成汲極擴散體57之後使用濕式蝕刻從上而下被蝕刻。絕緣薄膜110(諸如，氧化矽薄膜)可沈積於晶圓之上，隨後進行微影步驟以在晶圓之上形成光阻光罩以僅曝露絕緣薄膜110上在閘極待薄化處上方之區域(例如，僅像素陣列12中在下光導316將重疊處的傳送閘極之區域之上)，隨後進行濕式蝕刻以形成一開口以曝露閘極之頂部，接著最終進行濕式蝕刻以將閘極(例如，多晶矽閘極)向下蝕刻至所要的最終厚度。藉由CMP進行之氧化矽薄膜之平面化可在微影步驟之前。
作為濕式蝕刻之替代，可在絕緣薄膜110上施加電漿蝕刻以形成開口之部分，隨後進行濕式蝕刻以移除絕緣薄膜110之殘餘厚度，蝕刻該開口貫穿絕緣薄膜110且曝露閘極之上區域。或者，可單獨藉由電漿蝕刻(不涉及濕式蝕刻)來蝕刻貫穿絕緣薄膜110之整個厚度，以產生該開口。可在用於ADC 24及/或列解碼器20中之電晶體之輕摻雜汲極(LDD)植入之後執行閘極104b的薄化。
該開口亦可為如下之開口，即下光導316(例如藉由沈積氮化矽而)隨後形成於其中。一抗反射堆疊可於在開口中形成下光導316之前沈積至該開口之底部，抗反射堆疊諸如包括下層氧化物薄膜、中層氮化物薄膜以及上層氧化物薄膜之氧化物-氮化物-氧化物堆疊。
圖9A至圖9E說明一程序，該程序用於在閘極104b(或104d)之上形成一開口120，薄化閘極104b(或104d)，在閘極104b(或104d)上形成一抗反射堆疊，且在該開口120中形成下光導316。圖9A展示閘極氧化物231上之閘極104b，閘極氧化物231在基底106上。閘極104b有間隙壁235於兩側。閘極104b與間隙壁235以及不在閘極104b或間隙壁235下之閘極氧化物231之若干部分被氮化物襯墊233之薄膜覆蓋。絕緣薄膜111覆蓋晶圓至與閘極104b之頂部類似之高度。絕緣薄膜111可為摻雜有硼以及磷之氧化矽，諸如BPSG。絕緣薄膜110進一步於絕緣薄膜111以及閘極104b頂上之氮化物襯墊233的部分之上方覆蓋晶圓。在此時，金屬佈線層可能已或可能未形成於絕緣薄膜110中。絕緣薄膜110可包括氧化矽。
圖9B展示被形成貫穿絕緣薄膜110之開口120且曝露閘極104b上方之氮化物襯墊233的一部分。開口120可單獨藉由電漿蝕刻形成，或可藉由電漿蝕刻繼之以濕式蝕刻形成。在圖9C中，移除氮化物襯墊233之部分，且從上而下蝕刻閘極104b以得到具有所要厚度之較薄閘極。
圖9D展示包括三個薄膜232、234、236之抗反射堆疊形成於開口120之底部處，經薄化閘極104b上。頂層抗反射薄膜236可包括氧化矽。第二層抗反射薄膜234可包括氮化矽。第三層抗反射薄膜232可包括氧化矽。該抗反射堆疊減少從光導316透射至基底106之光之向後反射。圖9E展示光導316在該抗反射堆疊之後形成於開口120中。
圖4B說明一彩色濾光片陣列之另一實例，該彩色濾光片陣列可安置於像素陣列12之上且作為像素陣列12之部分。圖4B展示一綠色-洋紅色濾光片圖案，該圖案包括彩色濾光片之2×2陣列之重複二維陣列，該等彩色濾光片各自具有綠色(G)以及洋紅色(Mg)中之一者。一對綠色濾光片沿著2×2陣列之一對角線安置。一對洋紅色濾光片沿著另一對角線安置。在併有綠色-洋紅色濾光片陣列之像素陣列中，綠色像素(具有綠色濾光片作為彩色濾光片114b)可以圖2中之右邊之像素的方式形成。洋紅色像素(具有洋紅色濾光片作為彩色濾光片114a)可以與圖2中之左邊之像素的方式類似的方式形成，除了具有在第二區102a下方之額外光偵測器以及用以傳送來自此額外光偵測器之電荷的額外傳送閘之外。
圖8展示從圖2中所展示之實施例修改之替代實施例。藉由使第二區102b在電晶體之P井(Pwell)52z下延伸，該電晶體具有在第二區102b以及P井52z上方之閘極104d，來針對紅色像素或綠色像素或黃色像素修改圖2之第二區102b的底部部分。該電晶體並非傳送電晶體117，且可為重設開關112以及選擇開關114以及輸出電晶體116中之一者。像素之下光導316重疊電晶體之閘極104d，以使光穿過閘極104d以及P井52z透射至第二區102b。
若彩色濾光片114b為紅色濾光片，則P井52z可從基底106之頂部界面起在閘極電極104d下方延伸至小於0.8 μm之深度，更佳地小於0.45 μm，或者若彩色濾光片114b為綠色濾光片或黃色濾光片，則延伸至小於0.5 μm之深度，更佳地小於0.35 μm。P井52z之深度可淺於習知的MOS電晶體(諸如，在影像感測器10之周邊中之I/O單元中或列解碼器20或在ADC 24中者)。P井52z之較淺深度減小光在P井52z內行進之垂直距離。P井52z可為倒退型井，其峰值摻雜濃度在0.1 μm至0.2 μm的深度之間的，較佳地在0.13 μm。P井52z可包括銦，其峰值摻雜劑濃度在5E17/cm3至5E18/cm3之間，較佳地在3E18/cm3。
如上文所描述，較佳地使閘極104d更薄。進一步，閘極104d滿足上文關於較薄閘極所描述之厚度限制中之一者是可取的。進一步，根據上文所描述之用於閘極薄化之方法中的一者來薄化閘極104d亦是可取的。
儘管已在附圖中描述並展示某些例示性實施例，但應理解，此等實施例僅說明而非限制廣義之本發明，且本發明不限於所展示並描述之特定構造以及配置，此係因為一般熟習此項技術者可想出各種其他修改。
1．．．固態影像感測器
2．．．光電轉換單元
3．．．傳送電極
4．．．電線
5．．．絕緣層
6．．．平坦化層
7．．．光導
8．．．彩色濾光片
9．．．微透鏡
10．．．影像感測器
12．．．像素陣列
14．．．像素
16．．．光讀取器
18．．．輸出信號/垂直信號線
20．．．列解碼器
22．．．控制信號/控制線
24．．．類比至數位轉換器(ADC)
52x．．．非傳送閘之電晶體(例如，一重設開關或一選擇開關，或一輸出電晶體)下之P井
52y．．．第一區(傳送閘下之中等摻雜p區)
52z．．．在下方具有光電二極體之非傳送閘之電晶體(例如，一重設開關或一選擇開關，或一輸出電晶體)下之P井
53．．．表面p+擴散層
55．．．溝槽隔離區
57．．．源極/汲極n+擴散體
64．．．障壁區(可為中等摻雜p區)
102a．．．接收來自彩色濾光片114a之光之光電二極體的第二區(可為中等摻雜n區)
102b．．．接收來自彩色濾光片114b之光之光電二極體的第二區(可為中等摻雜n區)(102a連同其環繞p區一起形成一光電二極體。102b亦如此。)
103a．．．在第二區102a之底部處的水平橫截面之中心
103b．．．在第二區102b之底部處的水平橫截面之中心
104a．．．光導旁邊之傳送閘之閘極電極(可為多晶矽閘極)
104b．．．光導下方之傳送閘之閘極電極(可為多晶矽閘極)
104c、104d．．．非傳送閘之電晶體之閘極電極(可為多晶矽閘極)
106．．．輕摻雜基底(可為p磊晶)
107．．．第一層金屬(最低金屬佈線層)
108．．．第二層金屬
109．．．觸點(擴散觸點或聚觸點)
100．．．光偵測器
100a．．．光偵測器
100b．．．光偵測器
110．．．絕緣體(例如，氧化矽)
111．．．絕緣體(可為更包括硼及/或磷之氧化矽)
111．．．感測節點
112．．．重設開關/重設電晶體
114．．．選擇開關/選擇電晶體
114a．．．藍色濾光片或洋紅色濾光片
114b．．．使光經由閘極電極104b或104d透射至第二區102b之紅色濾光片或綠色濾光片，或黃色濾光片
116．．．輸出電晶體/源極隨耦器電晶體
117．．．傳送閘/傳送電晶體
117a．．．傳送閘
117b．．．傳送閘
118．．．RST(n)線/共用水平信號RST(n)
120．．．IN線/垂直IN信號
120．．．閘極電極104b、104d上方之絕緣薄膜110中之開口
121．．．TF(n)線
121a．．．水平信號TF(n+1)
121b．．．水平信號TF(n)
122．．．SEL線/SEL(n)線/水平信號SEL(n)
124．．．OUT線/OUT(m)線
126．．．TF(n)線
130．．．上光導(可包括氮化矽)
168a．．．環繞第二區102a之空乏區
168b．．．環繞第二區102b之空乏區
230．．．抗反射層(可包括三個薄膜：夾有一氮化物薄膜之兩個氧化物薄膜)
231．．．閘極氧化物
232．．．第三抗反射薄膜(可為氧化矽)
233．．．氮化物襯墊
234．．．第二抗反射薄膜(可為氮化矽)
235．．．閘極間隙壁
236．．．頂部抗反射薄膜(可為氧化矽)
316．．．下光導(可包括氮化矽)
410．．．保護薄膜
圖1為一說明，其展示先前技術之兩個影像感測器像素之橫截面；
圖2為一說明，其展示本發明之一實施例的兩個影像感測器像素之橫截面；
圖3為一說明，其展示圖2之該等像素內之射線跡線；
圖4A為一原色拜耳圖案之說明；
圖4B為一綠色與洋紅色濾光片圖案之說明；
圖5為一像素之示意圖，該像素具有一光電二極體以及一傳送閘；
圖6為一對像素之替代實施例之示意圖，該對像素各自具有一光電二極體以及一傳送閘；
圖7為一影像感測器之示意圖；
圖8為一說明，其展示本發明之一替代實施例的兩個影像感測器像素之橫截面；
圖9A至圖9E為根據本發明之一態樣之程序的說明，該程序用來薄化一光導下之閘極。
12．．．像素陣列
52x．．．非傳送閘之電晶體(例如，一重設開關或一選擇開關，或一輸出電晶體)下之P井
52y．．．第一區(傳送閘極下之中等摻雜p區)
52z．．．其下方有一光電二極體之非傳送閘之電晶體(例如，一重設開關或一選擇開關，或一輸出電晶體)下之P井
53．．．表面p+擴散層
55．．．溝槽隔離區
57．．．源極/汲極n+擴散體
64．．．障壁區(可為中等摻雜p區)
102a．．．接收來自彩色濾光片114a之光之光電二極體的第二區(可為中等摻雜n區)
102b．．．接收來自彩色濾光片114b之光之光電二極體的第二區(可為中等摻雜n區)(102a連同其環繞p區一起形成一光電二極體。102b亦如此。)
103a．．．在第二區102a之底部處的一水平橫截面之中心
103b．．．在第二區102b之底部處的一水平橫截面之中心
104a．．．光導旁邊之傳送閘之閘極電極(可為多晶矽閘極)
104b．．．光導下方之傳送閘之閘極電極(可為多晶矽閘極)
104c．．．非傳送閘之電晶體之閘極電極(可為多晶矽閘極)
106．．．輕摻雜基底(可為p磊晶)
107．．．第一層金屬(最低金屬佈線層)
108．．．第二層金屬
109．．．觸點(擴散觸點或聚觸點)
110．．．絕緣體(例如，氧化矽)
114a．．．藍色濾光片或洋紅色濾光片
114b．．．使光經由閘極電極104b或104d透射至第二區102b之紅色濾光片或綠色濾光片，或黃色濾光片
130．．．上光導(可包括氮化矽)
168a．．．環繞第二區102a之空乏區
168b．．．環繞第二區102b之空乏區
230．．．抗反射層(可包括三個薄膜：夾有一氮化物薄膜之兩個氧化物薄膜)
316．．．下光導(可包括氮化矽)
410．．．保護薄膜

Claims (26)

  1. 一種影像感測器之像素陣列，該像素陣列藉由一屬一第一導電類型之基底支撐，該像素陣列包括：一第一像素，其經組態以偵測一藍光；以及，一第二像素，該第二像素包括：一光偵測器，該光偵測器包括一在該基底中之屬一第二導電類型之第二區；一屬該第一導電類型之第一區，該第一區位於該第二區之正上方且位於該基底之一頂部界面下；一第一電晶體之一第一汲極，該第一汲極毗鄰該第一區；該第一電晶體之一第一閘極，該第一閘極位於該第一區以及該第二區之正上方；一第一彩色濾光片，該第一彩色濾光片為一紅色濾光片或一綠色濾光片，或一黃色濾光片；以及，一第一光導，該第一光導經組態以使一光從該第一彩色濾光片經由該第一閘極以及該第一區透射至該第二區。
  2. 如申請專利範圍第1項之像素陣列，其中該第一電晶體為一選擇開關或一重設開關，或一輸出電晶體。
  3. 如申請專利範圍第1項之像素陣列，其中該第一電晶體為一傳送閘。
  4. 如申請專利範圍第1項之像素陣列，其中該第一光導使用在其側壁處之全內反射來防止該光橫向地泄出。
  5. 如申請專利範圍第1或4項之像素陣列，其中該第一閘極具有一在200埃與1000埃之間的厚度。
  6. 如申請專利範圍第1或4項之像素陣列，其中該第一閘極具有一在300埃與700埃之間的厚度。
  7. 如申請專利範圍第1或4項之像素陣列，其中該第一閘極具有一在500 +/- 50埃內之厚度。
  8. 如申請專利範圍第1或4項之像素陣列，其中該第一閘極薄於該影像感測器中之一ADC中之一電晶體的一閘極。
  9. 如申請專利範圍第1或4項之像素陣列，該第一像素包括：一第二彩色濾光片，該第二彩色濾光片為一藍色濾光片或一洋紅色濾光片；以及，一第二光導，其經組態以使一光從該第二彩色濾光片主要地透射至該基底而不通過一電晶體之一閘極。
  10. 如申請專利範圍第1或4項之像素陣列，其中在該第一彩色濾光片為一紅色濾光片之情況下，該第一區在該基底中不深於0.8μm，且在該第一彩色濾光片為一綠色濾光片或一黃色濾光片之情況下，該第一區在該基底中不深於0.5μm。
  11. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之像素陣列，其中該第一光導位於該第一閘極之上。
  12. 如申請專利範圍第11項之像素陣列，其中該第一光導和該第一閘極夾著一抗反射堆疊。
  13. 如申請專利範圍第12項之像素陣列，其中該抗反射堆疊包括三個介電薄膜，每一介電薄膜具有在50埃與2000埃之間的一厚度，該厚度被最佳化以減少藉由該第一彩色濾光片透射過之光之波長範圍的反射。
  14. 如申請專利範圍第1項之像素陣列，其中該基底被一絕緣膜覆蓋，且該第一光導被嵌入該絕緣膜中。
  15. 如申請專利範圍第1項之像素陣列，其中在該第一彩色濾光片為一紅色濾光片之情況下，該第一區在該基底中不深於0.5μm，且在該第一彩色濾光片為一綠色濾光片或一黃色濾光片之情況下，該第一區在該基底中不深於0.35μm。
  16. 如申請專利範圍第1項之像素陣列，其中該第一導電類型為p型，且該第二導電類型為n型。
  17. 一種用於形成一影像感測器之一像素陣列之方法，該像素陣列藉由一屬一第一導電類型之基底支撐，該方法包括：在該基底中形成一屬一第二導電類型之第二區；在該基底中且該第二區之正上方形成一屬該第一導電性之第一區；在該基底中形成一電晶體之一汲極，該汲極毗鄰該第一區；在該基底上方形成該電晶體之一閘極，該閘極位於該第一區之正上方且鄰近於該汲極；形成一彩色濾光片，該彩色濾光片為一紅色濾光片 或一綠色濾光片，或一黃色濾光片；以及，形成一光導，該光導經組態以使一光從該彩色濾光片經由該閘極以及該第一區透射至該第二區。
  18. 如申請專利範圍第17項之方法，其更包括：薄化該閘極。
  19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中在該薄化之後，該閘極具有一在200埃與1000埃之間的厚度。
  20. 如申請專利範圍第18項之方法，其中在該薄化之後，該閘極具有一在300埃與700埃之間的厚度。
  21. 如申請專利範圍第18項之方法，其中在該薄化之後，該閘極具有一在500 +/- 50埃內之厚度。
  22. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該閘極藉由一蝕刻而薄化，其中一蝕刻劑經由該閘極之上的一貫穿一絕緣薄膜之開口引入，該光導隨後形成於該開口中。
  23. 如申請專利範圍第22項之方法，其更包括：在該薄化之後且在形成該光導之前在該開口中形成一抗反射堆疊。
  24. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該薄化係經由一濕式蝕刻執行。
  25. 如申請專利範圍第22項之方法，其中該開口係用首先一電漿蝕刻接著繼之以一濕式蝕刻來打開。
  26. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該第一導電類型為p型，且該第二導電類型為n型。
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