CN107566764A - 前照式红外图像传感器的光电门及其制造方法 - Google Patents

前照式红外图像传感器的光电门及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种图像传感器，包括：基板；以及多个红外像素，形成在基板的前侧且配置为检测入射在基板前侧上的红外光。每一个红外像素包括：光电二极管；无植入物的区域，位于光电二极管上方；以及光电门，形成在基板上方和光电二极管之上。图像传感器还包括：多个彩色像素，分散在红外像素之间，每一个彩色像素包括钉扎光电二极管且配置为检测可见光。每一个红外像素的光电二极管可包括：深电荷累积区域，在一个或多个相邻彩色像素的钉扎光电二极管下面。还说明了制造方法，所述方法包括：在基板上方形成任何阻挡植入元件(例如，多晶硅光电门)之前，形成深电荷累积区域和关联元件。

Description

前照式红外图像传感器的光电门及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种检测红外光的图像传感器，特别是涉及一种前照式(FSI)图像传感器，其包括检测红外光的像素而不是检测可见光的像素的光电门。
背景技术
电子图像传感器通常并入各种主机装置，其包括：例如，手机、计算机、数字相机、PDA’s等。除传统的使用者控制的静物和视频摄影机应用以外，出现越来越多的图像传感器应用。例如，整体机器视觉应用在汽车、制造、医疗、安全和国防工业上迅速地扩大。在这种应用中，机器至少部分地根据自其图像传感器接收的信息执行特定操作任务(例如，防止碰撞)。为了使机器适当地执行其任务，图像传感器应该产生高质量图像。
在上述应用中使用的图像传感器持续变得更复杂以满足所需的要求。例如，图像传感器阵列的分辨率(其像素数量)不断地增加。此外，图像传感器现在包括用于检测可见光的彩色像素和用于检测红外光的红外像素。这些彩色像素和红外像素具有不同的结构和性能要求，导致难以制造产生高质量彩色图像和红外图像的图像传感器。
例如，图像传感器是使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术来制造，其中，在半导体晶片上制造多个图像传感器芯片。这种制造工艺包含将掺杂剂植入或扩散至半导体基板区域以形成集成像素电路。不幸的是，因为更多的植入物，会使得像素性能不良的风险增加，因为植入设备将金属污染物(例如，钛(Ti)、钨(W)等)沉积在基板中。
过多的暗电流对于红外像素是特别有问题的，因为红外像素用于在黑暗处采集图像。暗电流是即使当无光子实际进入像素时流经该像素的光敏区域的电流的数量。因为在电荷累积期间太多的暗电流将导致过度曝光的红外像素，期望在传感器阵列，特别是红外像素中出现的暗电流的数量最小化。由离子植入设备所造成的金属污染是暗电流的主要原因。
与图像传感器关联的另一个问题是电荷饱和。当在图像采集期间在像素的光检测器内累积的电荷数量达到该光检测器的最大容量时，出现电荷饱和。这个最大容量称为“满阱容量(full well capacity)”。光检测器的早期饱和是不期望的，因为与不过早地饱和的光检测器相比较，其灵敏度降低(例如，其表示较早地全亮像素)。暗电流也贡献于早期饱和。因此，在于黑暗环境下使用的红外传感器中，低满阱容量和饱和可能成为问题，尤其是当太多的亮像素导致最终图像时。
与较短波长的(可见)光相比较，因为在硅基板深处检测到红外光，与红外像素设计相关的另一难题产生。因此，自硅基板深处传输累积的红外电荷以读出电路对于红外像素来说可能是很难的。
因此，需要一种图像传感器，其减少暗电流且改善红外像素中的红外灵敏度。还需要一种图像传感器，其改善红外信号的传输以读出电路。还需要一种图像传感器，其需要较少的离子植入物。
发明内容
本发明通过提供一种前照式图像传感器克服了与现有技术相关的问题，该前照式图像传感器包括检测红外光的红外像素，每一个红外像素包括在光敏区域之上形成的光电门。该红外像素还可以包括：深红外检测区域，其延伸至一个或多个相邻彩色像素。本发明的红外像素设计减少暗电流，改善像素灵敏度，并且增加红外像素的满阱容量。
根据本发明的一种图像传感器包括：基板；多个第一像素，形成在该基板中；以及多个第二像素，形成在该基板中。该多个第一像素和该多个第二像素布置为定义具有多行和多列的传感器阵列，其中该多个第二像素分散于该多个第一像素之间。此外，该多个第一像素的每一个像素包括第一类型光检测器，其配置为检测可见光谱中的光，且该多个第二像素的每一个像素包括第二类型光检测器，其包括光电门且配置为检测红外光。该图像传感器可以是一种前照式(FSI)图像传感器，其中，该多个第一像素和该多个第二像素形成在该基板的前侧，以及其中该多个第一像素和该多个第二像素检测入射在该基板的该前侧上的光。
本发明说明关于第二类型光检测器和第一类型光检测器的各种实施例。在一个实施例中，第二类型光检测器包括：光电二极管，其形成在光电门下面的基板中。在另一实施例中，光电门可以由多晶硅形成和/或可以配置为减少可见光谱的至少一部分中的光。在又一实施例中，每一个光电门可以连接至电压源。此外，当第一类型光检测器可以包括钉扎光电二极管(pinned photodiode)时，第二类型光检测器在光电二极管与光电门之间没有任何植入物。因此，光电门包括对在光电二极管上方的基板的区域进行偏压且减少可见光谱的至少一部分中的光的装置。
在又一实施例中，第二类型光检测器可以进一步包括：深电荷累积区域，其可以延伸至多个第一像素的至少一个相邻像素，且可以形成在至少一个相邻像素的第一类型光检测器(钉扎光电二极管)下方。阻挡区也可以形成在位于多个第一像素的至少一个相邻像素中深电荷累积区域的部分的上方。
根据本发明的另一种图像传感器包括：基板；以及多个红外像素，形成在该基板的前侧且配置为检测入射在该基板的该前侧上的红外光。红外像素的每一个包括：光电二极管；无植入物的基板的区域，位于第一光电二极管上方；以及光电门，形成在光电二极管之上在基板上方。在特定实施例中，图像传感器还包括：多个彩色像素，其分散于红外像素之间，其中，每一个彩色像素包括钉扎光电二极管且配置为检测可见光。更特别地，每一个红外像素的光电二极管可以包括：深电荷累积区域，其在与至少一个相邻彩色像素关联的钉扎光电二极管下面。
一种制造图像传感器的方法，包括以下步骤：提供基板；在该基板中形成多个第一类型光检测器，其中，第一类型光检测器的每一个配置为检测可见光，且与多个第一像素之一关联；以及在该基板中形成多个第二类型光检测器，其中，第二类型光检测器的每一个配置为检测红外光，且与多个第二像素之一关联。在该方法中，形成多个第二类型光检测器的步骤还包括：形成与第二类型光检测器关联的多个光电门。具体方法还可以包括：将多个光电门的每一个电连接至电压源、由多晶硅形成光电门、和/或形成光电门以使其配置为减少可见光谱的至少一部分中的光。该图像传感器可以是一种前照式(FSI)图像传感器，其中，多个第一像素和多个第二像素以阵列形成在该基板的前侧，并且检测入射在该基板的该前侧上的光。
在具体方法中，形成多个第二类型光检测器的步骤包括：在形成多个光电门的步骤之前，在将形成光电门的位置下面，在基板中形成多个光电二极管。更具体地，形成多个第一类型光检测器的步骤包括：在该基板中形成多个钉扎光电二极管，而该多个第二类型光检测器在光电二极管与光电门之间没有植入物。
在另一具体方法中，形成多个第二类型光检测器的步骤包括：在形成多个光电门的步骤之前，在与多个光电门关联的位置下面，在基板中形成多个深电荷累积区域。更具体地，该方法包括：在形成第一类型光检测器之前形成多个深电荷累积区域，其中，每一个深电荷累积区域延伸至与多个第一像素的至少一个相邻像素关联的基板的区域中，且形成在基板中欲用于第一类型光检测器的位置下面。再具体地，该方法可以包括：在基板中位于多个深电荷累积区域上方的位置且在基板中欲用于第一类型光检测器的位置下面形成多个深阻挡区。因此，在于基板上方形成任何阻挡植入元件(例如，光电门、晶体管等)之前，执行形成多个深电荷累积区域以及形成多个深阻挡区的步骤。
附图说明
参考下面的图来描述本发明，其中，相似附图标记基本上表示相似元件：
图1是根据本发明包括图像传感器的相机模块的透视图；
图2更加详细地显示图1的图像传感器100的方块图；
图3A更加详细地显示图2的图像传感器阵列的一部分的示意图；
图3B仍然更加详细地显示图3A的示意图的一部分；
图4A至图4D显示可能在根据本发明的图像传感器阵列内的彩色像素和红外像素的示例性布置；
图5为根据本发明的实施例的彩色像素的示意图；
图6为根据本发明的实施例的红外像素的示意图；
图7为根据本发明的实施例的彩色像素的横截面示图；
图8为根据本发明的实施例的红外像素的横截面示图；
图9A至图9H说明根据本发明制造图像传感器的工艺的步骤；
图10为总结根据本发明制造图像传感器的方法的流程图；以及
图11为总结根据本发明用于执行图10的方法的第二步骤和第三步骤的具体方法的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种具有红外像素的前照式图像传感器，以克服与现有技术相关的问题，每一个红外像素包括光电门，其部分地通过减少基板植入物的数量来改善像素的性能。该红外像素还可以包括：深电荷累积区域，其位于相邻彩色像素下面且改善红外像素的灵敏度。在下文中，阐述了许多具体细节(例如，掺杂剂的特定类型、特定像素布局等)，以提供对本发明的全面理解。然而，熟悉本领域的技术人员将认识到，本发明可以脱离这些具体细节来实践。在其他示例中，已经省略了已知图像传感器设计和半导体制造实例(例如，金属化、光掩模、例行优化等)和部件的细节，以免不必要地模糊本发明。
图1是安装在印刷电路板(PCB)102的一部分上的图像传感器100的透视图，其显示相机主机装置(例如，汽车、制造机器、医疗器械、手机等)的PCB。图像传感器100经由多条导电线路104与主机装置的其他部件电连通。在该示例性实施例中，图像传感器100被描述为相机模块106的一部分，其进一步包括光学组合件108和壳体110。如图所示，壳体110安装至图像传感器100，且光学组合件108固定于其间。熟悉本领域的技术人员将认识到，PCB 102、线路104、光学组合件108、以及壳体110的具体设计和/或存在将取决于具体应用，并非与本发明特别相关。因此，PCB 102、线路104、光学组合件108、以及壳体110仅是代表性特征。
图2为更加详细地显示图像传感器100的方块图。图像传感器100包括：图像传感器阵列202、第一(RGB)行控制器204、第二(IR)行控制器206、采样电路208、图像处理器210、以及控制电路212。图像传感器阵列202是光敏像素阵列，并且包括：多个第一彩色像素，其检测可见光谱的区域(例如，红色、绿色和蓝色)中的入射光；以及多个第二红外像素，其检测红外光谱中的入射光。
RGB行控制器204经由第一控制总线214自控制电路212接收控制信号，并且根据那些控制信号，使行控制信号在第一行总线216上有效。进而，第一行总线216提供那些行控制信号至图像传感器阵列202的彩色像素。在第一行总线216上有效的行控制信号被操作以选择性地使特定行中的每一个彩色像素复位，以累积表示在电荷累积(积分)时间内在那个像素上的入射光的强度的电荷，并且使表示获取的电荷的电信号在列总线218的相关线上有效。进而，列总线218提供强度(图像)数据至采样电路208。
类似地，IR行控制器206经由第二控制总线220自控制电路212接收控制信号，并且根据那些控制信号，使行控制信号在第二行总线222上有效。进而，第二行总线222提供那些行控制信号至图像传感器阵列202的红外像素。在第二行总线222上有效的行控制信号被操作以选择性地使特定行中的每一个红外像素复位，以累积表示在电荷累积(积分)时间内入射的红外光的强度的电荷，并且使表示获取的电荷的电信号在列总线218的相关线上有效。有利的是，IR行控制器206允许图像传感器阵列202的红外像素与彩色像素分开地控制。
采样电路208根据经由控制总线224自控制电路212接收的行采样指令逐行地进行通过在图像传感器阵列202中的像素所累积的电荷的采样操作。当通过RGB行控制器204或IR行控制器206之一选择图像传感器阵列202中特定行的像素时，采样电路208经由列总线218获取表示一列像素的电状态的数字数据。每当采样电路208获取行样本时，其经由数据总线226输出与获取的行样本对应的数字数据至图像处理器210。
图像处理器210接收并根据已知图像处理技术和控制总线228上的控制信号处理通过采样电路208所获取的数字图像数据，以产生主机装置所期望的图像。此外，响应于这种控制信号，图像处理器210经由输出总线230提供输出图像至主机装置。
控制电路212提供图像传感器100的各种部件的整体协调和控制，包括在图像采集期间使用的任何控制程序。如图所示，控制电路212包括与主机装置的接口232，以使主机装置可以根据其需求(例如，选择彩色图像采集、选择红外图像采集等)控制图像传感器100。
图3A为更加详细地显示图像传感器阵列202的一部分的示意图。如图所示，图像传感器阵列202包括：多个第一彩色像素302，每一个配置为检测可见光谱的特定区域(例如，红色、绿色、或蓝色)中的光；以及多个第二红外像素304，每一个配置为检测红外光谱中的光。根据一些预定方案，红外像素304分散于图像传感器阵列202内的彩色像素302之间。在图3A中，为了清楚起见，像素302和304被显示为分离，但是熟悉本领域的技术人员将理解的是，像素302和304可以连续地形成在基板中。
每一个彩色像素302包括于其中形成的第一类型光检测器306，其在本实施例中包括钉扎光电二极管。该钉扎光电二极管定义用于关联的彩色像素302的光接收区域(用长划线显示)。相反，每一个红外像素304包括第二类型光检测器308，其与第一类型光检测器306在结构上不同。如下面解释地，第二类型光检测器308包括：光电二极管，形成在基板中(图8)；以及光电门310，形成在基板上方且在光电二极管之上。光电门310由导电材料如多晶硅构成。
包含在阵列202的行中的彩色像素302通过关联组的行控制线316来控制。在图3A中仅显示三组行控制线316(1-3)，分别用于前三行彩色像素302。然而，可以理解的是，图像传感器阵列202将包括用于包括彩色像素302的图像传感器阵列202中的每一行的一组行控制线316。同时，该组行控制线316(1-n)形成行总线216，其中n表示图像传感器阵列202中包含彩色像素302的行的数量。在本实施例中，每一组行控制线316包括三条控制线。通过RGB行控制器204在一组行控制线316上有效的控制信号使关联行中的彩色像素302执行其想要的图像拍摄功能。当被这种控制信号命令时，所选行的每一个彩色像素302在列总线218的各个列线318上输出表示其检测的强度的电信号。列总线218包括用于每一列像素的列线318。
包含在阵列202的行中的红外像素304经由关联组的行控制线322与彩色像素302分开地控制。图3A显示仅三组行控制线322(1-3)，其分别提供控制信号至阵列202中的前三行的红外像素304。然而，可以理解的是，将为包括红外像素304的阵列202中的每一行提供一组行控制线322。同时，该组行控制线322(1-m)形成行总线222，其中m表示阵列202中包含红外像素304的行的数量。根据该实施例，m可能与包含彩色像素302的行的数量n相同或不同。在本实施例中，每一组行控制线322包括四个控制线，如将在下面更加详细地描述。通过IR行控制器206在行控制线322上有效的控制信号使关联行中的红外像素304执行其想要的图像拍摄功能。当被这种控制信号命令时，所选行的每一个红外像素304在列总线218的各个列线318上输出表示其检测的强度的电信号。可选择性地，列总线218可以包括用于彩色像素302和红外像素304的专用列线318。
图3B更加详细地显示根据本发明的特定实施例的阵列202的区域。在图3B中，每一个红外像素304的第二类型光检测器308被显示为进一步包括：深电荷累积区域330(用短划线显示)，其在至少一个相邻彩色像素302的光检测器306(钉扎光电二极管)和红外像素304的光电门310下面。这里，深电荷累积区域330在三个相邻彩色像素302(1-3)下面，但是，在其他实施例中，可能在更少(例如，一个)或更多相邻彩色像素302下面。此外，在本实施例中，一些或全部彩色像素302可以包括：阻挡区，在其钉扎光电二极管下面以阻挡通过深电荷累积区域330产生的电荷载流子，这将在下面更加详细地描述。
熟悉本领域的技术人员可以理解的是，与在较浅深度处吸收的可见光谱相比较，红外波长的光(例如，那些750nm及以上)在硅中被吸收的相对地深。因此，深电荷累积区域330可以在相邻彩色像素302的光电二极管306下面以供检测更多红外光的目的，而不是妨碍可见光检测。因此，深电荷累积区域330通过增加对用于红外像素304的红外光敏感的基板的体积来改善该红外像素304的满阱容量。因为满阱容量增加，像素饱和的风险降低，像素灵敏度提高。
图4A至图4D显示可以在图像传感器阵列202内使用的彩色像素302和红外像素304的示例性布置。在图4A至图4D中的每一个仅显示部分阵列。因此，熟悉本领域的技术人员将意识到，所示像素布置在整个阵列中将重复很多次。
图4A显示散布在红色敏感像素302(R)、绿色敏感像素302(G)以及蓝色敏感像素302(B)之间的红外像素304，其中像素302(R)、302(G)、以及302(B)配置为(例如，具有适当的滤色片，图中未示)分别检测可见光谱的红色、绿色和蓝色区域中的可见光。图4B显示在不同行的传感器阵列中布置的彩色像素302和红外像素304以及矩形形状的红外像素304。此外，图4B中的彩色像素302包括两种类型绿色像素，其中，第一种类型绿色像素302(Gr)是对可见光谱的红色端附近的绿色光敏感，第二类型绿色像素302(Gb)是对光谱的蓝色端附近的绿色光敏感。图4C显示红外像素304具有位于四个周围彩色像素302的相邻行与相邻列之间的中心的实施例。图4D显示红外像素304在像素阵列内形成对角线的布置的实施例。
的确，彩色像素302和红外像素304的许多不同布置和配置是可能的。此外，当本发明的说明书被制作为是关于包括彩色像素302和红外像素304的图像传感器阵列时，应该理解的是，本发明的许多实施例也可应用于仅包括红外像素304的图像传感器阵列。
图5是根据本发明示例性实施例的位于图像传感器阵列202的第i行和第j列的彩色像素302(i，j)的示意图。在该示例中，彩色像素302(i，j)是四晶体管(4T)像素，其包括：第一类型光检测器306、浮动扩散区域502、像素电压源端子(Vdd)504、重置(RST)晶体管506、传输(TX)晶体管508、源极跟随(SF)晶体管510、以及行选择(SEL)晶体管512。此外，用于第i行的一组行控制线316(i)被更加详细地显示为包括：行选择(SEL)线514(i)，连接至行选择晶体管512的栅极；重置(RST)线516(i)，连接至重置晶体管506的栅极；以及传输(TX)线518(i)，连接至传输晶体管508的栅极。
彩色像素302(i，j)的电路功能如下。光检测器306包括钉扎光电二极管520，且被操作以将入射光转换为电荷。浮动扩散区域502被操作以储存由光电二极管502产生的电荷。电压源端子504提供电压至重置晶体管506和源极跟随晶体管510。当RGB行控制器204经由重置线516(i)使重置信号(例如，数字高电压)在重置晶体管506的栅极端子上有效时，重置晶体管506被暂时地放置在导通状态，由此浮动扩散区域502连接至电压源端子504。因此，浮动扩散区域502的先前充电状态被复位至已知参考电荷状态。一旦重置线516(i)返回至低电压状态，重置晶体管506关闭(变为非导通)，浮动扩散区域502与电压源端子504电隔离。
传输晶体管508包括：第一端子，连接至光电二极管520；第二端子，连接至浮动扩散区域502；以及栅极，连接至传输线518(i)。当第一行控制器204经由传输线518(i)使传输信号(例如，数字高电压)在传输栅极508上有效时，传输晶体管508被放置在导通状态，由此光电二极管520连接至浮动扩散区域502。因此，通过光电二极管520所产生的电荷传输至浮动扩散区域502，其中这种电荷表示入射在光电二极管520上的光的强度。此后，当传输线518(i)返回至低压状态时，传输晶体管508关闭，以使浮动扩散区域502与光电二极管520电隔离。
源极跟随晶体管510包括：第一端子，连接至电压源端子504；第二端子522，连接至行选择晶体管512；以及栅极端子524，连接至浮动扩散区域502。熟悉本领域的技术人员将认识到，第二端子522的电状态是由栅极端子524的电荷状态来控制，因此由浮动扩散区域502的电荷状态来控制。因此，端子522可以用作像素302的输出端子，其被操作以输出表示在浮动扩散区域502中储存的电荷以及通过像素检测的光的强度的电信号。
行选择晶体管512包括：第一端子，连接至源极跟随晶体管510的端子522；第二端子，连接至与阵列202的第j列关联的列线318(j)；以及栅极端子，连接至行选择线514(i)。当第一行控制器204使行选择信号(例如，数字高电压)在行选择线514(i)上有效时，行选择晶体管512导通，这导致来自端子522的信号在列线318(j)上有效。列线318(j)提供来自像素302(i，j)的输出信号至采样电路208，其缓冲信号，将其转换为数字图像数据，并提供数字图像数据至图像处理器210(图2)以供进一步处理。否则，当行选择信号在行选择线514(i)上未有效时，行选择晶体管512处于开启状态，从而使像素302(i，j)的输出端子520与列线318(j)断开。
图6为根据本发明示例性实施例位于图像传感器阵列202的第x行和第y列的红外像素302(x，y)的示意图。在该示例中，红外像素304(x，y)是四晶体管(4T)像素，其包括：第二类型光检测器308、浮动扩散区域602、像素电压源端子(Vdd)604、重置(RST)晶体管606、传输(TX)晶体管608、源极跟随(SF)晶体管610、以及行选择(SEL)晶体管612。此外，来自用于控制第x行的红外像素304的IR行解码器206的一组行控制线322(x)被更加详细地显示为包括：行选择(SEL)线614(x)，连接至行选择晶体管612的栅极；重置(RST)线616(x)，连接至重置晶体管606的栅极；传输(TX)线618(x)，连接至传输晶体管608的栅极；以及光电门线620(x)，连接至光检测器308的光电门310。
除光电门310之外，第二类型光检测器308包括：光电二极管624，其具有位于光电门310下面的电荷累积区域(图8)，包括与图3B的深电荷累积区域330对应的深电荷累积区域。光电二极管624配置为将入射的红外光转换为表示在光电二极管624上入射的红外光的强度的电荷的数量。光电门310连接至光电门线620(x)，以具有通过IR行控制器206向其施加的电压的范围。如将在下面更加详细地描述，电压可以施加于光电门310以产生光电二极管624的钉扎(pinning)效应(不需要钉扎植入物)，以改善光电二极管624的满阱容量，且改善IR信号传输(降低滞后)至浮动扩散区域602。因为不需要钉扎植入物，也减少暗电流及像素饱和(过度曝光的像素)的出现。
红外像素304的其余元件功能类似于上面描述的彩色像素302的对应元件，因此，将不描述在显著的细节中。例如，浮动扩散区域602被操作以储存通过光电二极管624产生的电荷。电压源端子604提供电压(Vdd)至重置晶体管506和源极跟随晶体管510。回应于自IR行控制器206经由重置线616(x)接收的重置信号，重置晶体管606导通且将浮动扩散区域602重置至已知参考电荷状态。一旦重置信号自重置线616(x)移除，重置晶体管606关闭，浮动扩散区域602与电压源端子604电隔离。当IR行控制器206使传输信号在传输线618(x)上有效时，传输晶体管608导通，通过光电二极管624产生的电荷传输至浮动扩散区域602。此后，当传输信号自传输线618(x)移除时，传输晶体管608关闭，以使浮动扩散区域602与光检测器308电隔离。源极跟随晶体管610在输出端子628上输出电信号，其中该电信号取决于浮动扩散区域602的电荷且表示在浮动扩散区域602储存的电荷。该输出信号被提供至列线318(y)，响应于IR行控制器206经由行选择线614(x)使选择晶体管612运作。列线318(y)提供来自像素304(x，y)的输出信号至采样电路208，其缓冲信号，且将其转换为数字图像数据。
图7是根据本发明的实施例的沿图3B的剖面线A-A所截取的彩色像素302的剖面图。如图所示，像素302形成在p型硅基板702上，且包括：第一类型光检测器306，用于检测如上所述的可见光谱中的光。在本实施例中，光检测器306是由在(n-)型电荷累积区域706上方形成的p+型钉扎区域704所定义的钉扎光电二极管520。区域704和706都形成在基板702上，其具有(p-)型结构。或者，基板702可以为在基板702上生长的(p-)型外延层。电荷累积区域706形成在对可见光敏感的硅基板702的深处。
彩色像素302进一步包括：浮动扩散区域502，其具有n型(例如，n+)结构，其形成在p型阱708中。当传输信号(TX)在传输晶体管508上有效时，自电荷累积区域706中的光产生的电荷传输至浮动扩散区域502。传输晶体管508包括作为其栅极叠层的一部分的多晶硅层712，且使用本领域已知的方法形成。类似地，重置晶体管506、源极跟随晶体管510、选择晶体管512、以及列线318使用本领域已知的方法形成在基板702上，但是在图7中仅显示为示意形式以简单描述。
与附近红外像素304关联的深电荷累积区域714也形成在钉扎光电二极管520下面的硅基板702深处。深电荷累积区域714对应于图3B所显示的深电荷累积区域330且形成附近红外像素304的光电二极管624的一部分。深电荷累积区域714形成在红外光被吸收的深度处(例如，3.0-6.0微米)，且在本实施例中具有n型结构。此外，深p型阻挡区716形成在深电荷累积区域714上方(例如，3.0微米的深度附近)。阻挡区716防止在响应于红外光的深电荷累积区域714中产生的电荷载流子朝向彩色像素302的钉扎光电二极管520迁移。因为具有深电荷累积区域330的红外像素304是可选择性的，区域714和716也是可选择性的。
彩色像素302的水平极限通常由左侧和右侧隔离区域718来定义，其通过浅沟槽隔离(STI)或离子植入而形成。在该示例中，左侧隔离区域718形成在与相邻彩色像素302共享的p型阱708中。类似地，右侧隔离区域718形成在与浮动扩散区域502相同的p型阱708中，其中，这种p型阱708延伸至相邻彩色像素302或红外像素304。
这里讨论的p型和n型区域是使用已知掺杂技术(如离子植入或扩散)而形成。例如，n型区域706、714和502可以通过使用n型掺杂剂，如砷(As)、磷(P)等，以适当浓度和深度植入基板702而形成。类似地，p型区域704、708和716可以通过使用p型掺杂剂，如硼(B)、BF2分子等，以适当浓度和深度植入基板702而形成。作为另一示例，基板702可以为在硅基板上生长的p型外延层，上面讨论的区域可以形成在p型外延层702中。
图8是沿图3B的剖面线A-A所截取的红外像素304的剖面图。红外像素304形成在p型硅基板702上且具有第二类型光检测器308，其包括光电门310和第一光电二极管624。光电二极管624通过第一n型电荷累积区域802和深电荷累积区域714形成，其中第一n型电荷累积区域802和深电荷累积区域714都形成在p型基板702中。此外，红外像素304的浮动扩散区域602(其与浮动扩散区域502一样具有n型掺杂(例如，n+))形成在p型阱804中。重置晶体管606、传输晶体管608、源极跟随晶体管610、选择晶体管612和列线318也使用本领域已知的方法形成在基板702上。
红外像素304的水平极限(horizontal limit)也由左侧和右侧隔离区域718来定义。如图所示，p型阱804在右侧隔离区域718下面延伸且进入相邻彩色像素302。此外，来自相邻彩色像素302的p型阱708与像素304共享，并且围绕左侧隔离区域718。
深电荷累积区域714自电荷累积区域802的底部延伸至左侧隔离区域718下面的相邻彩色像素302(在右侧隔离区域718下面显示的深电荷累积区域714与不同红外像素304关联)。因为深电荷累积区域714与电荷累积区域802接触，深电荷累积区域714中的电荷载流子(在本示例中为电子)迁移至电荷累积区域802。来自区域714的电荷载流子与在电荷累积区域802中产生的电荷载流子(电子)结合，然后结合的电荷载流子经由启动传输晶体管608自电荷累积区域802传输至浮动扩散区域602。因此，红外像素304使用深电荷累积区域714获得用于红外光电荷产生和累积目的的附近彩色像素302，从而增加红外像素304的满阱容量。图8还说明性地显示了相邻彩色像素302的阻挡区716不是延伸至红外像素304，而是终结在隔离区域718附近。
电荷累积区域802在约0.05微米的深度处开始，且可以向下延伸至3.0至6.0微米范围的深度，在图8显示的实施例中，能够使电荷累积区域802与深电荷累积区域714结合。在其他实施例中，如省略深电荷累积区域714的一个实施例，电荷累积区域802可以在约0.05微米的深度处开始且延伸至约0.15微米的深度，以具有约0.10微米的厚度。在再一实施例中，电荷累积区域802可以形成在约0.05至0.15微米深度(约0.10微米的厚度)，且深电荷累积区域714可以在像素304内向上突出以在0.15微米附近的深度结合电荷累积区域802。实际上，各种实施例是可能的。
与钉扎光电二极管520不同，光检测器308不包括在电荷累积区域802上方的钉扎植入物。而是，光检测器308包括光电门310，其形成在电荷累积区域802和深电荷累积区域714上方的基板702的表面上方。根据本发明，光电门310由导电材料构成，且形成为减少(例如，阻挡、吸收、光谱移位等)至少部分可见光谱中的光的厚度。例如，由多晶硅以90-300nm的范围的厚度形成的光电门310在至少部分可见光谱(例如，至少朝向蓝色端的部分)上提供所需的光减少效应，然而仍然非常好地通过红外波长。在特定实施例中，使用由多晶硅以约100nm的厚度形成的光电门310。因此，光电门310通过减少基板中可见波长的光产生的电荷来改善红外像素304的灵敏度。
光电门310覆盖进入及离开页面的电荷累积区域802的全部或大部分区域。绝缘层806隔离在电荷累积区域802上方的基板702的区域808与施加于光电门310的电压(PG)，但是仍然允许光电门310偏压区域808。在图8显示的实施例中，区域808自基板202的表面向下至电荷累积区域802约0.05微米深。绝缘层806可以由氧化物，如SiO2，或一些其他电介质绝缘材料形成。用于在半导体晶片上沉积硅和多晶硅的技术是众所周知的，因此，这里将不对其进行更加详细的讨论。然而，可能期望在形成光电门310时形成传输晶体管608的栅极叠层的多晶硅层818。
光电门310经由关联的光电门线620(图6)连接至IR行控制器206(图2)的电压源。IR行控制器206可以施加电压电位的范围至光电门310以改善红外像素304的效率和灵敏度。例如，将负电压施加于光电门310使光电门310偏压区域808，以使区域808用作光电二极管624的钉扎区域。更具体地，当吸收入射的红外光时，产生正和负电荷载流子，负偏压区域808吸引且累积正电荷载流子(空穴)，累积区域802累积负电荷载流子(电子)。进而，这种效应增加了电荷累积区域802存储电子的能力，因此，增加其满阱容量。因为红外像素304具有增加的满阱容量，又由于光电门310和深电荷累积区域714，红外像素304饱和且造成过度曝光(白色)像素的风险降低。
施加于光电门310的电压电位(PG)对于在基板702的区域808中产生所需的钉扎效应是重要的。发明人已经发现，施加在负1.0V至负1.4V的范围内的电压，包括，以负1.0V的电位导致区域808中所需的钉扎效应在一些实施例中特别有用。然而，已经发现负0.5V的电位太弱以致于不能产生所需的钉扎效应，因为电荷累积区域802和714形成在硅基板702深处以检测红外信号。此外，发明人已经发现负2.0V的电位太强且将导致问题。
以上述方式偏压区域808具有光电二极管624的钉扎植入物(例如，p+型植入物)的效果，但是不需要这种植入物形成在区域802上方的基板702中。因此，与具有这种钉扎植入物的红外像素相比较，对于红外像素304而言，通过离子植入设备导致的金属污染减少。减少该金属污染减小了在光电二极管624中所产生的不必要的暗电流的数量，这改善了检测红外信号的准确度且降低了饱和光电二极管624的风险。
如上所述，施加于光电门310的电压可以非常灵活地控制在宽范围内(例如，-1.4V至正Vdd等)。除提供上述优势以外，这种能力也能够使不同电压施加于光电门310，以改善向浮动扩散区域602的电荷传输，因此大大地降低或消除光电二极管624中的信号滞后(在传输之后保留在电荷累积区域802和714中的电荷)。IR行控制器206也可以经由传输线618控制传输晶体管608上的电压，以进一步偏压基板702和/或改善向浮动扩散区域602的电荷传输。
图9A至图9H显示沿图3B的剖面线A-A所截取的剖面图，其说明了根据本发明的制造图像传感器阵列202的工艺。在图9A显示的第一步骤中，提供p型基板702。基板702可以是硅晶片的一部分，其中将例如使用55nm或45nm工艺技术制造许多阵列202。此后，如图9B所示，多个p型深阻挡区716经由已知掺杂工艺，如离子植入，形成在基板702中。此外，多个p型阱708和804也使用已知植入技术，如离子植入，形成在硅基板702中。
在图9C显示的第三步骤中，多个隔离区域718例如通过浅沟槽隔离工艺形成在基板702中。在图9C中显示了垂直的虚线，以描述与图3B显示的相邻彩色像素302(1-3)和红外像素304关联的基板702的区域。图9D显示深电荷累积区域714和电荷累积区域802(仅显示一个区域802)的形成。这些n型区域可以使用已知离子植入技术在适于检测红外光的深度处形成。在图8和图9分别显示了电荷累积区域802和714，因此，其可以形成在不同的植入工艺中和/或具有不同的掺杂特性。然而，同时应该清楚地是，电荷累积区域802和714形成一个大的n型区域。
图9E分别显示在用于彩色像素302和红外像素304的基板702上形成的传输晶体管508和608。此外，图9E显示了用于每一个红外像素304的在基板702上方和电荷累积区域802上方形成的光电门310(仅显示一个光电门310)。图9E说明在形成光电门310和传输晶体管508和608之前形成像素302和304的选择区域的重要性。尤其是，光电门310由多晶硅形成，传输晶体管508和608包括在其各自的栅极叠层中的多晶硅层712和818。由于这些多晶硅元件阻挡掺杂离子在植入过程中射入基板702，因此阻挡区716、深电荷累积区域714和电荷累积区域802形成在光电门310、传输晶体管508和608、以及任何其他不显示但包含多晶硅的元件之前，并遍及这种植入区域。
图9F说明为每一个彩色像素302所形成的钉扎光电二极管306以及为每一个像素所形成的浮动扩散区域502和602。尤其是，在适于检测可见光的深度处为各个p型阱708中的彩色像素302形成n型电荷累积区域706。此外，分别在如图显示的p型阱708和804中为彩色像素302和红外像素304形成n型浮动扩散区域502和602。此外，p型钉扎区域704形成在用于每一个钉扎光电二极管502的每一个电荷累积区域706上方。应该注意地是，在形成图9E显示的多晶硅元件之前，若期望或必要时，图9F描述的工艺可以替换地进行，以便于离子植入。
图9G显示在基板702上形成的各种后端线(BEOL)层和元件。BEOL层和元件被代表性地显示为单一厚层902。然而，熟悉本领域的技术人员将理解的是，BEOL工艺包括形成各种层(例如，保护层、绝缘层、金属化层等)和元件(通孔等)，以例如通过形成一组行控制线316和322完成和互连集成电路。因为形成的BEOL层和元件902与本发明不是特别地相关，这里仅代表性地显示。最后，在图9H中，红色、绿色、和蓝色滤色片904(R，G，B)被应用于阵列的各个彩色像素302(1-3)上，透明过滤器或间隔体906被应用于红外像素304上。最后，微透镜908形成以将光聚焦在像素302和304的光敏区域。
现在将参考图10至图11描述本发明的方法。为了便于清楚说明，可能参考先前描述的实施例的特定元件来描述这些方法。然而，应该注意地是，在不脱离本发明的范围的情况下，其他元件，不论是这里明确地描述的或者鉴于本发明产生的，均可以使用那些引用的来替代。因此，应该理解的是，本发明的方法不限于执行任何特定功能的任何特定元件。此外，这里显示的方法的一些步骤不需要必须以显示的顺序出现。例如，在一些情况下，两个或多个方法步骤可以同时出现。这里揭露的方法的这些和其他变型将是显而易见的，特别是鉴于这里先前提供的本发明的描述，且被视为在本发明的全部范围内。
图10是总结根据本发明形成图像传感器的方法1000的流程图。在第一步骤1002中，提供基板702(例如，硅基板)。在第二步骤1004中，多个第一类型光检测器306形成在基板中以使每一个第一类型光检测器配置为检测可见光，且与多个第一像素之一关联。在第三步骤1006中，多个第二类型光检测器308形成在基板中以使每一个第二类型光检测器配置为检测红外光，且与多个第二像素之一关联。第三步骤1006还包括：形成多个光电门310，其中每一个光电门与第二类型光检测器之一关联。多个第一像素和多个第二像素设置为定义具有多行和多列的传感器阵列202，其中多个第二像素分散于多个第一像素之间。
图11是总结根据本发明用于执行方法1000的第二步骤1004(形成多个第一光检测器)和第三步骤1006(形成多个第二光检测器)的具体方法的流程图。在可选择性的第一步骤1102中，多个深阻挡区716(例如，通过离子植入)在将形成第一类型光检测器的位置下面的位置处形成基板中。在可选择性的第二步骤1104中，多个深电荷累积区域714形成基板中，在深阻挡区716下面(例如，通过离子植入)及将形成多个光电门310的基板中的位置下面。在第三步骤1106中，多个电荷累积区域802形成在基板中，在将为第二类型光检测器形成多个光电门310的位置下面。在第四步骤1108中，多个光电门310形成在基板上方和电荷累积区域802之上，以及在第五步骤1110中，其他阻挡植入元件(例如，传输晶体管508、608等)形成在基板上。可选择性地，步骤1108和1110可以同时执行。在第六步骤1112中，第一类型光检测器通过在基板中形成多个钉扎光电二极管520来形成。或者，在步骤1108之前和/或在步骤1110之前，可以执行第六步骤1112。图11说明在形成光电门310和任何其他阻挡植入元件之前形成特定掺杂区域(例如，区域802、714和716)的重要性，以使这些元件不阻挡掺杂离子的植入。
本发明的具体实施例的描述现在是完整的。在不脱离本发明的范围的情况下，许多描述的特征可以替换、更改或省略。例如，针对显示的设计，可以替换交替的颜色和/或红外像素设计。作为另一示例，与红外像素304关联的深电荷累积区域714可能仅位于一个相邻彩色像素下面或者可以全部消除。作为再一示例，用于红外像素的光电门结构可以实现为仅具有红外像素的传感器阵列。作为再一示例，在形成阻挡区716、p型阱708和804、以及隔离区域718之前，可以形成深电荷累积区域714。对于熟悉本领域的技术人员来说，与显示的具体实施例的这些和其他偏离是显而易见的，尤其是鉴于前述公开的内容。

Claims (25)

1.一种图像传感器，包括：
基板；
多个第一像素，形成在该基板中；
多个第二像素，形成在该基板中；以及其中
该多个第一像素和该多个第二像素布置为定义具有多行和多列的传感器阵列，在该传感器阵列中，该多个第二像素分散于该多个第一像素之间；
该多个第一像素中的每一个包括：第一类型光检测器，其配置为检测可见光谱中的光；以及
该多个第二像素中的每一个包括：第二类型光检测器，其包含光电门且配置为检测红外光。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，该第二类型光检测器进一步包括：光电二极管，其在该光电门下面形成在该基板中。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中：
该第一类型光检测器包括钉扎光电二极管；以及
该第二类型光检测器在该光电二极管与该光电门之间没有植入物。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，该第二类型光检测器的该光电二极管进一步包括深电荷累积区域。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中：
该深电荷累积区域延伸至该多个第一像素的至少一个相邻像素中；以及
该深电荷累积区域形成在与该至少一个相邻像素关联的该第一类型光检测器下面。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，进一步包括：阻挡区，形成在该深电荷累积区域的位于该至少一个相邻像素中的部分的上方。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，该光电门连接至电压源。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，该光电门是由多晶硅形成。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，该光电门配置为减少可见光谱的至少一部分中的光。
10.根据权利要求1所述的图像传感器，其中：
该多个第一像素和该多个第二像素形成在该基板的前侧上；以及
该多个第一像素和该多个第二像素检测入射在该基板的该前侧上的光。
11.一种制造图像传感器的方法，该方法包括：
提供基板；
在该基板中形成多个第一类型光检测器，所述第一类型光检测器的每一个配置为检测可见光谱中的光，且与多个第一像素之一关联；
在该基板中形成多个第二类型光检测器，所述第二类型光检测器的每一个配置为检测红外光，且与多个第二像素之一关联；以及其中
该多个第一像素和该多个第二像素布置为定义具有多行和多列的传感器阵列，在该传感器阵列中，该多个第二像素分散于该多个第一像素之间；以及
形成该多个第二类型光检测器的步骤包括：
形成多个光电门，该多个光电门的每一个与所述第二类型光检测器之一关联。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，形成该多个第二类型光检测器的步骤进一步包括：在形成该多个光电门的步骤之前，在将形成该多个光电门的位置下面在该基板中形成多个光电二极管，该多个光电二极管的每一个与所述第二类型光检测器之一关联。
13.根据权利要求12所述的方法，其中：
形成该多个第一类型光检测器的步骤包括：
在该基板中形成多个钉扎光电二极管，该多个钉扎光电二极管的每一个与所述第一类型光检测器之一关联；以及
该多个第二类型光检测器在该多个光电二极管与该多个光电门之间没有形成植入物。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，形成该多个第二类型光检测器的步骤进一步包括：在形成该多个光电门的步骤之前，在与该多个光电门关联的位置下面在该基板中形成多个深电荷累积区域。
15.根据权利要求14所述的方法，其中：
该多个深电荷累积区域的每一个延伸至该基板的与该多个第一像素的至少一个相邻像素关联的区域中；
形成该多个深电荷累积区域的步骤进一步包括：在形成所述第一类型光检测器之前，形成该多个深电荷累积区域；以及
形成该多个深电荷累积区域的步骤进一步包括：在该基板中欲用于所述第一类型光检测器的位置下面形成该多个深电荷累积区域。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：在形成该多个光电门的步骤之前，在该基板中于该多个深电荷累积区域上方的位置且在该基板中欲用于该第一类型光检测器的位置下面形成多个深阻挡区。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在于该基板上方形成多个阻挡植入元件之前，执行形成该多个深电荷累积区域和形成该多个深阻挡区的步骤。
18.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：将该多个光电门的每一个电连接至电压源。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，该多个光电门的每一个是由多晶硅形成。
20.根据权利要求11所述的方法，其中，该多个光电门的每一个配置为减少可见光谱的至少一部分中的光。
21.根据权利要求11所述的方法，其中：
该多个第一像素和该多个第二像素形成在该基板的前侧上；以及
该多个第一像素和该多个第二像素检测入射在该基板的该前侧上的光。
22.一种图像传感器，包括：
基板；以及
多个红外像素，形成在该基板的前侧且配置为检测入射在该基板的该前侧上的红外光；以及
其中，该多个红外像素的每一个包括：
光电二极管；
该基板的无植入物的区域，在该光电二极管之上；以及
光电门，形成在该光电二极管之上在该基板上方。
23.根据权利要求22所述的图像传感器，进一步包括：多个彩色像素，分散在该红外像素之间，所述彩色像素的每一个包括钉扎光电二极管，且配置为检测可见光谱中的光。
24.根据权利要求23所述的图像传感器，其中，该多个红外像素的每一个的该光电二极管包括：深电荷累积区域，其在与至少一个相邻彩色像素关联的该钉扎光电二极管下方。
25.一种图像传感器，包括：
基板；
多个第一像素，形成在该基板上且配置为检测可见光谱中的光；
多个第二像素，形成在该基板上且配置为检测红外光；以及其中
该多个第一像素和该多个第二像素布置为定义具有多行和多列的传感器阵列，在该传感器阵列中，该多个第二像素分散于该多个第一像素之间；以及
该多个第二像素的每一个包括：光检测器；以及对该基板的在该光检测器上方的区域进行偏压且减少可见光谱的至少一部分中的光的装置。
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