具有离散电子排斥元件阵列的光电检测器阵列的制作方法

专利名称：具有离散电子排斥元件阵列的光电检测器阵列的制作方法
具有离散电子排斥元件阵列的光电检测器阵列
背景技术：
图像传感器是普遍的。图像传感器可用于各种各样的应用中，例如数码照相机、蜂 窝电话、数码相机电话、安全相机、光学鼠标以及各种其它医学、汽车、军事或其它应用。电串扰是许多图像传感器遇到的一个挑战。电串扰可在(举例来说)对应于一个 光敏区域的区域中所产生的电子扩散、横向漂移或以其它方式迁移或移动到相邻光敏区域 并由所述相邻光敏区域收集时发生。所述电子最终可由所述相邻光敏区域收集。此类电串扰往往是不期望的，因为其往往可使图像模糊、引入瑕疵或以其它方式 降低图像质量。另外，随着图像传感器及其像素的大小继续减小，此串扰往往可成为更大的 问题。图像传感器及具有减少的电串扰的其它光电检测器阵列带来了一些优点。

发明内容
本发明一个实施例提供一种设备，其中所述设备包括表面，其用以接收光；多个 光敏区域，其安置在衬底内；材料，其耦合在所述表面与所述多个光敏区域之间，所述材料 用以接收所述光，所述光中的至少一些光使所述材料中的电子自由；及多个离散电子排斥 元件，所述离散电子排斥元件耦合在所述表面与所述材料之间，所述离散电子排斥元件中 的每一者对应于所述多个光敏区域中的不同光敏区域，且所述离散电子排斥元件中的每一 者用以朝向对应光敏区域推斥所述材料中的电子。本发明另一实施例提供背侧照明式图像传感器。所述背侧照明式图像传感器包 括光敏区域阵列，其安置在衬底的前侧部分内；背侧表面，其用以接收光；材料，其耦合在 所述背侧表面与所述光敏区域阵列之间，所述材料用以接收所述光，所述光中的至少一些 光用以使所述材料中的电子自由；及材料的阵列，所述材料的所述阵列耦合在所述背侧表 面与所述材料之间，所述阵列中的每一材料对应于所述光敏区域中的一者，所述阵列中的 每一材料包含选自比所述材料掺杂程度重的掺杂半导体材料及能够在所述材料中产生空 穴积累区域的金属。本发明另一实施例提供一种方法，其中所述方法包括在光电检测器阵列的表面 处接收光；朝向多个光敏区域传输所述光；借助所述光使材料中的电子自由；在所述材料 中产生多个中断的电场，所述中断的电场中的每一者对应于所述光敏区域中的一者；借助 所述电场朝向所述光敏区域驱动所述材料中的所述电子；及在所述光敏区域处接收所述电子。本发明另一实施例提供一种方法，其中所述方法包括提供衬底，所述衬底具有安 置在其中的光敏区域阵列及位于所述光敏区域阵列上方的半导体材料；及在所述半导体材 料上方形成材料的阵列，所述阵列中的每一材料对应于不同的光敏区域，且所述阵列中的 每一材料能够在所述半导体材料中产生电场。本发明另一实施例提供一种系统，其中所述系统包括半导体光源，其用以朝向对 象传输光；及光电检测器阵列，其位于由所述对象所反射的至少一些光的光学路径中。所述光电检测器阵列包含表面，其用以接收所述所反射的光；光敏区域阵列，其安置在衬底 内；材料，其耦合在所述表面与所述光敏区域阵列之间，所述材料用以接收所述所反射的 光，所述所反射的光中的至少一些光用以使所述材料中的电子自由；及分开的元件的阵列， 所述分开的元件的阵列耦合在所述表面与所述材料之间，所述分开的元件中的每一者对应 于不同的光敏区域，且所述分开的元件中的每一者能够在所述材料中产生电场。


通过参照以下说明及用于图解说明本发明实施例的附图，可更好地了解本发明。 附图中图1是根据本发明实施例具有离散电子排斥元件的光电检测器阵列的截面侧视 图。图2是根据本发明实施例的使用光电检测器阵列的方法的方框流程图，所述方法 包括在材料中产生中断的电场。图3是根据本发明一个或一个以上实施例具有离散电子排斥元件的背侧照明式 (BSI)光电检测器阵列的截面侧视图。图4A显示根据本发明一个或一个以上实施例具有离散电子排斥元件的光电检测 器阵列的一部分的简化截面侧视图，所述离散电子排斥元件具有第一实例类型的材料。图4B显示根据本发明一个或一个以上实施例具有离散电子排斥元件且在离散电 子排斥元件之间的区域中具有经中间掺杂半导体材料的光电检测器阵列的一部分的简化 截面侧视图，所述离散电子排斥元件各自包括图4A的第一实例类型的材料。图5A显示根据本发明一个或一个以上实施例具有离散电子排斥元件的光电检测 器阵列的一部分的简化截面侧视图，所述离散电子排斥元件具有第二实例类型的材料。图5B显示根据本发明一个或一个以上实施例具有离散电子排斥元件的光电检测 器阵列的一部分的简化截面侧视图，所述离散电子排斥元件具有第三实例类型的材料。图6是根据本发明一个或一个以上实施例具有基于入射光的非正交角度而移位 的组件的背侧照明式(BSI)光电检测器阵列的截面侧视图。图7是根据本发明一个或一个以上实施例显示离散电子排斥元件的移位的光电 检测器阵列的俯视平面图。图8是根据本发明实施例制作或制造光电检测器阵列的方法的方框流程图，所述 方法包括形成能够在材料中产生电场的材料的阵列。图9是图解说明根据本发明一个或一个以上实施例的光电检测器阵列的两个像 素的实例性像素电路的电路图。图10是图解说明根据本发明一个或一个以上实施例的图像传感器单元的方框 图。图11是图解说明并入根据本发明一个或一个以上实施例的图像传感器的照明及 图像捕获系统的方框图。
具体实施例方式以下说明中阐述众多具体细节。然而，应了解，无需这些具体细节也可实践本发明6实施例。在其它实例中，为了不模糊对本说明的了解，尚未详细显示众所周知的电路、结构 及技术。图1是根据本发明实施例的光电检测器阵列100的截面侧视图。所述光电检测器 阵列包括光收集表面102，例如一个或一个以上透镜的表面。在操作期间，所述光收集表面 可接收光104。所述光电检测器阵列还可包括多个光敏区域106A、106B。在此图解中，为简化图解 说明，显示第一光敏区域106A及第二光敏区域106B，但应了解，可任选地包括更多(例如任 何适当数目及大小的光敏区域的阵列)。光敏区域106A及106B安置在衬底108内。如本文中使用，希望安置在衬底内的 光敏区域涵盖形成在所述衬底内的光敏区域、形成在所述衬底上方的光敏区域或部分地形 成在所述衬底内或部分地形成在所述衬底上方的光敏区域。通常，光敏区域安置在所述衬 底的半导体材料内。除半导体材料之外，所述衬底还可包括其它材料，例如有机材料、金属 及非半导体电介质，仅举几个实例。合适的光敏区域的代表性实例包括但不限于光电二极管、电荷耦合装置(CCD)、 量子装置光学检测器、光电门、光电晶体管及光电导体。据信，用于互补金属氧化物半导体 (CMOS)有源像素传感器(APQ中的光敏区域类型是尤为合适的。在一个实施例中，所述光 敏区域是光电二极管。合适的光电二极管的代表性实例包括但不限于P-N光电二极管、PIN 光电二极管及雪崩光电二极管。再次参照图1，光电检测器阵列还包括材料110。材料110耦合在表面102与光敏 区域106A及106B之间。在一个或一个以上实施例中，所述材料可包括半导体材料。在操 作期间，材料110可接收光收集表面102所接收的光。所述材料可朝向所述多个光敏区域 传输光。使用虚线来显示光的可能路径。光可完全地穿透光敏区域或仅部分地穿透光敏区 域，这取决于材料的透明度、材料的厚度及光的波长。在此图解中，已显示单个材料，但应了 解，材料110可包括两种或两种以上不同材料。所述光中的至少一些光可操作以使材料中的电子(例如光电子)自由。举例来说， 归因于光电效应，材料(例如半导体材料)中可产生电子或使电子自由。这些电子能够在 材料内扩散或以其它方式移动。为与感测或检测光结合地来检测电子，电子应移向光敏区 域。另外，为获得高图像保真度，在光敏区域106A下方的材料中产生的电子应优选地移向 光敏区域106A，且在光敏区域106B下方的材料中产生的电子应优选地移向光敏区域106B。 因此，在到达光敏区域之前，电子具有穿过材料移动的一段路径或距离。注意，根据本发明实施例，光电检测器阵列还包括多个离散电子排斥元件112A、 112B。在此图解中，为简化图解说明，显示第一离散电子排斥元件112A及第二离散电子排 斥元件112B，但应了解，可任选地包括更多(例如任何适当数目及大小的阵列)。所述离散 电子排斥元件耦合在表面102与材料110之间。在各种实施例中，离散电子排斥元件112A及112B可表示材料110的经修饰部分 或沉积于或以其它方式形成于材料110上方的材料。举例来说，在一个或一个以上实施例 中，所述离散电子排斥元件可各自包括位于较轻掺杂的(例如P-型)半导体材料110内的 离散的较重掺杂区域(例如经掺杂有P+的区域)。作为另一实例，在一个或一个以上实施 例中，所述离散电子排斥元件可各自包括形成于下伏材料110上方的离散薄金属层，其中所述金属层可操作以在材料110的邻近部分中形成孔积累区域(例如金属闪镀栅极)。如本文中使用，将如离散电子排斥元件中的术语“元件”充分广义地解释为涵盖材 料、层的区域或部分、衬底的区域或部分(例如位于较轻掺杂半导体材料内的较重掺杂区 域)、经图案化层的部分(例如经图案化薄金属膜或层的离散部分)以及光电检测器阵列或 图像传感器的其它结构及组成部分。这些离散电子排斥元件表示用于推斥、推动或促进电 子的移动的一个可能构件。所述离散电子排斥元件中的每一者相对于或以其它方式对应于不同的光敏区域 对准或定位。特定来说，第一离散电子排斥元件112A对应于第一光敏区域106A，且第二离 散电子排斥元件112B对应于第二光敏区域106B。所述电子排斥元件是离散的。如所显示，所述电子排斥元件可物理地相互分离且 /或可不直接相互接触或连接。如所显示，中间间隙或其它距离(dl)可使离散电子排斥元 件分开。所述间隙无需是空的，而是可由不同于所述离散元件的材料的材料占据。因此，所 述离散电子排斥元件可离散地、个别地、间歇地、间断地及/或周期性地形成在个别光敏区 域上方，而不是连续地(例如不间断层)形成在两个或两个以上光敏区域上方。所述离散 电子排斥元件中的每一者可仅覆盖在一个对应的光敏区域上，而不是多个光敏区域或整个 光敏区域阵列上。所述离散电子排斥元件中的每一者可操作以朝向其对应的光敏区域推斥或推动 材料中的电子。在操作期间，所述离散电子排斥元件中的每一者可在材料中产生对应的离 散电场114A、114B。特定来说，第一离散电子排斥元件112A能够产生第一离散电场114A。 同样，第二离散电子排斥元件112B能够产生第二离散电场114B。在此图解中，所述电场由若干短箭头表示，所述箭头具有开始于离散电子排斥元 件处的尾部且具有指向对应光敏区域的头部。这些箭头表示对电子施加的力的作用线。如 所显示，所述力作用线大致平行且直接指向对应的光敏区域。所述电场可操作以朝向其相应的光敏区域推斥或推动材料中的电子。特定来说， 第一离散电场114A能够朝向对应的光敏区域106A推斥中间材料中的电子。同样，第二离 散电场114B能够朝向对应的光敏区域106B推斥中间材料中的电子。在材料中逗留时间过长的电子往往被消除，例如通过与背侧表面缺陷重新组合来 消除。通过朝向光敏区域推动电子，电子不太有可能被消除，且更有可能朝向光敏区域移动 且被收集。因此，电子排斥元件的一个可能的优点是，其可有助于改善敏感度及收集效率。离散电子排斥元件的另一优点是，其可有助于减少电串扰。某些电子有远离其对 应的光敏区域横向扩散、漂移或以其它方式迁移或移动的趋势。在某些情况下，杂散电子可 被相邻光敏区域收集。这称为电串扰。产生在光敏区域边缘附近的电子往往比产生在光敏 区域中心附近的电子更有可能发生电串扰。在光敏区域之间产生的电子可迁移到所述光敏 区域中的任一者。另外，电串扰往往会随着像素大小的减小而增大。此电串扰通常是不期 望的，因为其往往可导致模糊或以其它方式对图像质量或保真度产生负面影响。应记得，电子排斥元件是离散的。其可物理地彼此分开一定距离(dl)。所述离散 电子排斥元件可产生对应的离散、中断或间断的电场114A、114B。所述电场在材料中直接处 于对应光敏区域下方(如所观察)的区域中比在材料中处于邻近光敏区域之间的区域中可 更强或具有更大量值。
可比邻近光敏区域之间的区域中的电子更强地朝向光敏区域推动或推斥直接处 于光敏区域下方(如所观察)的区域中的电子。因此，邻近光敏区域之间的区域中的可能 杂散电子可在这些区域中逗留或保持较长的时间周期，且可更有可能与背侧缺陷重新组合 或以与直接处于光敏区域上方的区域中的电子不同的方式被消除。有利地，消除这些可能 杂散电子往往可减少电串扰。如果过去及现在的朝向较小像素大小的趋势继续，则此电串 扰减少可更为有利。相反，如果替代地，连续的电子排斥材料层位于光敏区域上方(其中包括位于材 料中处于光敏区域之间的区域上方)，则此层所产生的电场往往将会朝向光敏区域推动光 敏区域之间的区域中的电子。因此，这些区域中的可能杂散电子将被推向光敏区域，且将更 有可能导致电串扰。在实施例中，离散电子排斥元件中的每一者可具有基于对应光敏区域的范围的范 围。在一个或一个以上实施例中，所述离散电子排斥元件中的每一者可具有与对应光敏区 域的范围大致相当的范围。如本文中所使用，大致相当的范围意指离散电子排斥元件的面 积或占用面积仅覆盖在一个对应的光敏区域上，且离散电子排斥元件的面积或占用面积为 对应光敏区域的至少1/10。通常，所述离散元件可具有为其对应光敏区域的面积或占用面 积的至少1/5(在某些情况下为至少1/2)的面积或占用面积。在各种实施例中，分开所述离 散元件的距离(dl)通常为分开邻近光敏区域的距离(d2)的至少1/10，通常为至少1/5(在 某些情况下为至少1/3，且在特定情况下为至少1/2)。在一个或一个以上实施例中，离散电 子排斥元件的边界或范围可与对应光敏区域的边界或范围大致共同延伸或相连，但这并不 是必需的。离散电子排斥元件的大小相对于像素的大小可经选定以实现对特定实施方案适 当的收集效率与电串扰之间的所需平衡。所述元件可相对较小，这此情况下其往往将提供 相对更多的电串扰减少，但也提供相对较小的收集效率改善。或者，所述元件可相对较大， 在此情况下其往往将提供相对较小的电串扰减少，但提供相对较多的收集效率改善。图2是根据本发明实施例使用光电检测器阵列的方法220的方框流程图。以实例 方式，所述方法可与图1中所示的光电检测器阵列100或类似的光电检测器阵列一起执行。所述方法包括在方框221处接收光电检测器阵列的表面的一部分处的光。在一个 或一个以上实施例中，可将所述光电检测器阵列用作图像传感器，且所述光可以是所成像 的对象或表面所反射的光，其可用于产生所述对象或表面的图像。然而，本发明范围并不限 于图像传感器。在方框222处，可朝向多个光敏区域(例如两个或两个以上或任何阵列)传输光。 在某些情况下，可至少部分地穿过一种或一种以上材料传输光。在方框223处，可借助光在 材料中产生、释放电子或以其它方式使电子自由。举例来说，归因于光电效应，可由所述光 使半导体材料或其它材料中的光电子自由。在方框2M处，可在材料中产生多个中断的电场(例如两个或两个以上电场或电 场阵列)。所述中断的电场中的每一者可对应于所述光敏区域中的一者或由所述光敏区域 中的一者产生。所述中断的电场可以是离散的、彼此分开的或间断的。所述电场在材料中 直接处于对应光敏区域下方(如所观察)的区域中比在材料中处于邻近光敏区域之间的区 域中可更强或具有更大量值。应了解，甚至在使电子自由之前也可产生电场。
在方框225处，可借助电场朝向光敏区域驱动或推动材料中的电子。可比材料中 处于邻近光敏区域之间的区域中的电子更强地朝向光敏区域推动或推斥直接处于光敏区 域下方(如所观察)的区域中的电子。可比材料中直接处于光敏区域下方(如所观察)的 区域中的电子更大比例地消除处于邻近光敏区域之间的区域中的电子。有利地，此可有助 于减少电串扰。在方框2 处，可在光敏区域处接收电子及任何剩余光。已知，光敏区域可产生表 示所检测电子及光的量的模拟信号。所述模拟信号可用于各种目的。在某些情况下，可将 光电检测器阵列用作图像传感器，且可使用模拟信号来产生图像。还预期其它使用。为更好地图解说明某些概念，将论述并入在光电检测器阵列的特定实例中的离散 电子排斥元件的实例。此特定光电检测器阵列是具有特定配置及特定组件(其中包括任选 组件)的背侧照明式(BSI)光电检测器阵列。然而，应了解，本发明范围并不限于此特定光 电检测器阵列。图3是根据本发明一个或一个以上实施例的BSI光电检测器阵列300的截面侧视图。现今的许多光电检测器阵列为前侧照明式(FSI)。这些FSI光电检测器阵列包括 位于衬底前侧处的光敏区域阵列，且在操作期间，所述光敏区域阵列从前侧接收光。然而， FSI光电检测器阵列具有某些缺点，例如有限的填充因数。BSI光电检测器阵列是FSI光电检测器阵列的替代方案。BSI光电检测器阵列包 括位于衬底前侧处或安置在衬底前侧内的光敏区域阵列。在操作期间，光敏区域阵列从衬 底的背侧接收光。再次参照图3，BSI光电检测器阵列包括前侧表面303及后侧表面302A、302B。在 操作期间，可在背侧表面处接收光304。在一个或一个以上实施例中，所述背侧表面可以是任选微透镜330A、330B阵列的 表面。在此图解中，为简化图解说明，显示两个微透镜，但应了解，可任选地包括更多(例如 任何适当数目及大小的阵列)。所述微透镜通常具有小于IOum的直径。所述微透镜任选地 经对准以聚焦在朝向对应光敏区域的背侧表面处接收的光。所述微透镜有助于改善敏感度 及减少光学串扰。然而，所述微透镜是任选的，且不是必需的。光电检测器阵列还包括光敏区域306A、306B阵列。光敏区域阵列安置在衬底308 内。光电检测器阵列还包括材料310A、310B。材料(例如外延硅或另一半导体材料) 耦合在背侧表面与光敏区域阵列之间。所述材料用以接收朝向光敏区域阵列传输的光。所 述光中的至少一些光可使材料中的电子(e_)自由。注意，光电检测器阵列还包括多个离散电子排斥元件312A、312B。离散电子排斥元 件312A、312B分别耦合在微透镜330A、330B (提供背侧表面)与材料310A、310B之间。如上 文提及，所述离散电子排斥元件可以是离散材料、离散层部分或衬底的离散区域或部分，仅 举几个实例。所述离散电子排斥元件可以是物理地分开的元件，其由中间间隙或距离(dl) 彼此分开。离散电子排斥元件312A能够产生离散电场314A，离散电场314A能够朝向对应光 敏区域306A推动材料310A中的电子(e-)。同样，离散电子排斥元件312B能够产生离散电场314B，离散电场314B能够朝向对应光电区域306B推动材料310B中的电子(e_)。如上 文所论述，朝向光敏区域推动电子可有助于改善敏感度及收集效率。电场是离散的或中断的。所述电场在材料中直接处于对应光敏区域下方(如所观 察)的区域中比在材料中处于邻近光电检测器之间的区域中可具有更大量值。可比处于邻 近光敏区域之间的区域中的电子更强地朝向光电检测器推动或推斥直接处于光敏区域下 方的区域中的电子。因此，与直接处于光敏区域下方的区域中的电子相比，处于邻近光敏区 域之间的区域中的可能杂散电子可更有可能与背侧缺陷重新组合或以其它方式被消除。有 利地，此往往可减少电串扰。再次参照图3，光电检测器阵列还包括分别耦合在材料310A、310B与微透镜330A、 330B之间的任选常规滤色器332A、332B。滤色器332A可操作以过滤与滤色器332B不同的 色彩。这些滤色器是任选的且不是必需的。举例来说，在黑色及白色图像传感器的情况下 或其它情况下，可省去这些滤色器。光电检测器阵列还包括任选层334，例如耦合在滤色器332A、332B与材料310A、 310B之间的常规平面化层、常规抗反射层或此二者。此层是任选的。抗反射层不是必需的， 且在滤色器的后侧表面足够平坦或可使其足够平坦的情况下可省去平面化层。光电检测器阵列包括位于其前侧处的常规互连部分336。所述互连部分可包括 安置在介电材料内的一个或一个以上常规金属互连层(未显示)。常规的浅沟槽隔离 (STI) 338可任选地包括在邻近光敏区域之间。任选的常规钉扎层340A、340B (例如η-型光 敏区域情况下的经掺杂有P+的半导体区域)可安置在光敏区域中的每一者的前表面上。不同类型的材料均能够产生电场。下面论述少量代表性材料。图4Α显示根据本发明一个或一个以上实施例具有离散电子排斥元件412Α、412Β 的光电检测器阵列的一部分的简化截面侧视图，所述离散电子排斥元件各自包括能够在材 料410中产生电场的第一实例类型的材料442。此实施例的第一实例性材料442是较轻掺 杂的半导体材料410中的掺杂或重掺杂半导体材料。已知，可用可改变半导体的电性质的掺杂剂来掺杂所述半导体。掺杂剂可以是受 主或施主。受主元素通过接受来自半导体原子的电子并释放空穴在半导体中产生自由空穴。 硅的合适受主包括硼、铟、镓、铝及其组合。施主元素通过向半导体原子贡献电子而在半导体中产生自由电子。硅的合适施主 包括磷、砷、锑及其组合。“P-型半导体”、“P-型导电率的半导体”等等是指以受主掺杂的半导体，且其中空 穴的密集度大于自由电子的密集度。空穴是多数载流子且支配导电率。“η-型半导体”、“η-型导电率的半导体”等等是指以施主掺杂的半导体，且其中自 由电子的密集度大于空穴的密集度。电子是多数载流子且支配导电率。通常以轻微到中等掺杂剂浓度来掺杂ρ-型及η-型半导体。如本文中使用，P-型 及η-型半导体具有小于1 X IO16掺杂剂/cm3的掺杂剂浓度。“ρ+半导体”、“掺杂有ρ+的半导体”、“p+导电率半导体”等等是指以施主元素重 掺杂的重掺杂P-型半导体。“η+半导体”、“η+掺杂半导体”、“η+导电率半导体”等等是指 以受主元素重掺杂的重掺杂η-型半导体。如本文中所使用，掺杂有P+的半导体及η+掺杂半导体具有大于IX IO"5掺杂剂/cm3 (通常大于IX IO17掺杂剂/cm3)的掺杂剂浓度。在一个或一个以上实施例中，离散电子排斥元件412A、412B可各自包括处于较轻 掺杂半导体材料410中、内、上或与其邻近的离散掺杂或重掺杂半导体区域或材料442。举 例来说，所述离散电子排斥元件中的每一者可包括掺杂有P+的半导体区域或材料442，且 半导体材料410可包括ρ-型外延半导体材料、层或衬底部分。相反极性配置也可能是合适 的(例如空穴积累光电二极管)。离散电子排斥元件的掺杂或重掺杂半导体材料的厚度范围可为从约50纳米(nm) 到约400nm，但这并不是必需的。在某些情况下，所述厚度范围可为从约SOnm到约200nm。在本发明一个或一个以上实施例中，跨越离散电子排斥元件的掺杂半导体材料的 厚度可存在任选的掺杂浓度梯度或斜度。举例来说，所述离散电子排斥元件可各自在其背 侧表面或部分处具有较大掺杂剂浓度且在其前侧表面或部分处具有较小掺杂剂深度。在一 个或一个以上实施例中，背侧部分处的较大掺杂剂浓度范围可为从约IX IO17掺杂剂/cm3 到约IX IO21掺杂剂/cm3。在一个或一个以上实施例中，前侧部分处的较小掺杂剂浓度范围 可为从约IX IO14掺杂剂/cm3到约IX IO16掺杂剂/cm3。相对陡峭的浓度梯度往往效果良 好。然而，本发明范围不限于使用浓度梯度，更不用说使用任何特定的浓度梯度。在此实施例中，离散电子排斥元件的掺杂或重掺杂材料由未掺杂或较少掺杂的半 导体的一部分分开。在一个或一个以上实施例中，可在离散电子排斥元件之间使用较薄且 较轻掺杂的半导体材料(其仍比半导体材料体更高地掺杂)。图4B显示根据本发明一个或一个以上实施例具有离散电子排斥元件412A、412B 且在离散电子排斥元件之间的区域中具有中间掺杂的半导体材料443的光电检测器阵列 的一部分的简化截面侧视图，所述离散电子排斥元件各自包括图4A的第一实例类型的材 料442。中间掺杂的半导体材料443具有在第一实例类型的材料442的掺杂剂浓度与半导 体材料410的掺杂剂浓度之间的掺杂剂浓度。如所显示，中间掺杂的半导体材料443的厚 度也小于材料442的厚度，但不是零。可任选地使用两种不同的掺杂来形成这些区域。一 个可能的优点是，在离散电子排斥元件之间的中间掺杂级可有助于促进这些区域中的杂散 电子的重新组合或消除。在一个方面中，可使用相对正弦的掺杂剂浓度及厚度曲线。图5A显示根据本发明一个或一个以上实施例具有离散电子排斥元件512A、512B 的光电检测器阵列的一部分的简化截面侧视图，所述离散电子排斥元件各自包括能够在材 料510中产生电场的第二实例类型的材料M2。此实施例的材料包括金属M2。电子排斥元件中的每一者均包括离散薄金属层或 膜。所述薄金属层或膜形成于第二实例材料例如半导体材料)的表面上。所述层或 膜可足够透明且/或足够薄以允许足够量的光通过。离散元件512A、512B的金属542可操作以在材料的邻近部分中分别形成或产生空 穴积累区域M4A、544B。举例来说，所述金属可具有足够高以在邻近材料中形成空穴积累区 域的功函数。钼是可操作以在邻近硅材料中形成空穴积累区域的金属的一个具体实例。在 一个或一个以上实施例中，所述离散电子排斥元件中的每一者均可包括金属闪镀栅极。可 任选地给所述金属闪镀栅极或薄金属膜加负向偏压以进一步使邻近材料布满空穴。闪镀栅 极在光电检测器领域中是已知的，例如与CCD结合。形成于材料中的空穴积累区域各自具有比材料体要大的空穴密集度。此较大空穴密集度可在半导体材料中形成电场。图5B显示根据本发明一个或一个以上实施例具有离散电子排斥元件512A、512B 的光电检测器阵列的一部分的简化截面侧视图，所述离散电子排斥元件各自包括能够在材 料510中产生电场的第三实例类型的材料M3。所述电子排斥元件中的每一者均包括离散薄层或膜。所述层或膜可足够透明且/ 或足够薄以允许足够量的光通过。在此实施例中，第三实例类型的材料543包括透明传导涂层(TCO)及透明传导涂 层(TCC)中的一者或一者以上。合适的TCO的实例包括但不限于与锡的氧化物组合的铟的 氧化物(例如，氧化铟(III) (In2O3)加氧化锡(IV) (SnO2))、与铝的氧化物组合的锌的氧化 物(例如，氧化锌(aiO)加氧化铝(Al2O3))、与镓的氧化物组合的锌的氧化物(例如，氧化锌 (ZnO)加氧化镓(III) (Ga2O3))及锡的氧化物(例如，氧化锡(SnO2))，仅举几个实例。合适 的TCC的实例包括但不限于薄金膜、抗热传导塑料及碳纳米管，仅举几个实例。当给离散电子排斥元件加负电性偏压时，材料(例如半导体材料)中的空穴可被 吸引向离散电子排斥元件。这样可在材料中产生空穴积累区域M4A、544B。所述空穴积累 区域各自具有比材料体要大的空穴密集度。这样可在材料中形成电场。如所显示，任选离散薄半导体氧化物膜511A、511B可任选地安置在离散电子排斥 元件512A、512B中的每一者与材料510之间。在一个方面中，这些离散薄半导体氧化物膜 可各自包括硅的氧化物，例如二氧化硅(SiO2)。当给离散电子排斥元件加负向偏压时，离散 薄半导体氧化物膜可有助于改善装置可靠性且/或有助于减少安置在衬底的光检测部分 中的装置中的故障，但这是任选的且不是必需的。在另一实施例中，可省去离散薄半导体氧 化物膜。在光电检测器阵列中，阵列上的入射光的角度可不总是与表面垂直或正交。举例 来说，在某些实施方案中，阵列上入射光的角度可朝向阵列的中心大致正交，但所述角度可 能沿每一方向从阵列的中心朝向阵列的外围逐渐改变或倾斜。当入射光的角度正交于表面时，当微透镜与离散电子排斥元件在对应光敏区域上 方或下方直接地光学对准时可实现较好的性能。然而，当入射光的角度不与表面正交时，当 微透镜与离散电子排斥元件基于入射光的角度从此直接垂直对准任选地略微移位时可实 现较好的性能。图6是根据本发明一个或一个以上实施例具有基于入射光的非正交角度而移位 的组件的BSI光电检测器阵列600的截面侧视图。非正交光604以非正交或倾斜角度入 射于表面602A、602B上。注意，微透镜630A、630B、离散电子排斥元件612A、612B及滤色器 632A、632B已略微向左移位，从而其没有直接在对应光敏区域306A、306B下方对准或居中。 此移位有助于改善非正交光及从中产生的电子的收集，但这是任选的且不是必需的。图7是根据本发明一个或一个以上实施例显示离散电子排斥元件712的移位的光 电检测器阵列700的俯视平面图。在此图解中，较大的无阴影方块表示光敏区域706，且较 小的阴影方块表示离散电子排斥元件712。如所显示，在一个或一个以上实施例中，处于阵 列中心750处或朝向中心750的离散电子排斥元件可在对应光敏区域上方或下方直接对 准，而朝向阵列的外围752的离散电子排斥元件则可偏移或移位，从而无法沿朝向阵列中 心的方向在对应光敏区域上方或下方直接对准。如所显示，随着光的角度变得不再正交，移位量可随着从阵列中心向外围的距离的增大而增大。移位量通常仅为像素大小的一部分， 且可取决于像素大小、光的角度、阵列的大小等等。微透镜(未显示)可相似地移位。此移 位可有助于改善敏感度且减少串扰，但是可选的且不是必需的。此图解还显示，在一个或一个以上实施例中，所述离散电子排斥元件中的每一者 均可具有正方形或其它矩形形状。或者，所述形状可以是圆形、椭圆形、三角形等等。图8是根据本发明实施例的制作或制造光电检测器阵列的方法860的方框流程 图。此方法可经执行以整个地制造图1、3、4、5、6中所显示的光电检测器阵列或其它光电检 测器阵列或图像传感器中的任一者。所述方法包括在方框861处提供衬底。所述衬底具有安置在其中的光敏区域阵列 及位于所述光敏区域阵列上方的半导体材料。在一个实施例中，所述衬底可看似图3去掉 了组件312A/B、332A/B、334或330A/B，但本发明并不限于此。如本文中所使用，希望本语 “提供”至少涵盖制造、从另一衬底获得、购买、进口及以其它方式得到衬底。然后，在方框862处，可在所述半导体材料上方形成材料的阵列，例如前述类型的 电子排斥材料的阵列。所述阵列中的每一材料可对应于所述阵列的不同光敏区域。每一材 料均可与每一其它材料分开。所述阵列中的每一材料均可能够在半导体材料中产生单独的 电场。在一个或一个以上实施例中，所述阵列中的每一材料均可包括掺杂有ρ+的半导 体材料。形成此材料的阵列的代表性方法可包括沉积并图案化掩模层，例如光致抗蚀剂层。 可将所述光致抗蚀剂在衬底的表面上方旋涂成层。可将所述光致抗蚀剂层暴露于已通过经 图案化掩模的经图案化光。接着可使用显影来移除暴露层的若干部分。所述经图案化光致 抗蚀剂可具有界定于其中的开口，所述开口位于其中所述材料的阵列将所处的位置处。可 通过穿透掩模层离子植入或扩散到半导体材料中来执行掺杂。以实例方式，可使用氟化硼 或乙硼烷来植入硼。硼离子的剂量范围可为从约IXio12到5X1015离子/cm2。可将所述掩 模层剥离或以其它方式移除。可对掺杂材料进行退火，例如借助激光。在一个或一个以上实施例中，所述阵列中的每一材料可包括金属的薄金属膜，例 如用于金属闪镀栅极或透明传导氧化物(TCO)、透明传导涂层(TCC)、TCO/氧化物堆叠或 TCC/氧化物堆叠的钼或其它金属。形成此材料的阵列的代表性方法可包括沉积并图案化如 上文刚刚论述的掩模层。所述经图案化掩模层可具有界定于其中的开口，所述开口位于其 中所述金属材料的阵列将所处的位置处。所述薄金属层可形成于此经图案化掩模层上方， 其中包括暴露的半导体衬底上所述金属材料的阵列将所处的位置处。在一个或一个以上实 施例中，可通过闪镀由约3埃到约20埃的钼或另一合适金属来形成金属闪镀栅极或薄金属 膜。以实例方式，可使用离子等离子体或电子束蒸发。可通过溅镀、电子束蒸发、激光束蒸 发、离子电镀等来形成TCO及TCC薄膜。可任选地给所述闪镀栅极或薄金属膜加负向偏压 以进一步使邻近半导体布满空穴。接着可将掩模层及覆盖在掩模层上的任何金属剥离或以 其它方式移除。图9是根据本发明一个或一个以上实施例图解说明光电检测器阵列的两个四晶 体管GT)像素的实例性像素电路964的电路图。像素电路是实施光电检测器阵列内的这 两个像素的一种可能方式。然而，本发明实施例并不限于4T像素架构。而是，3T设计、5T 设计及各种其它像素架构也是合适的。
在图9中，像素1 及1 布置为两行及一列。每一像素电路的所图解说明实施例 均包括光电二极管PD、转移晶体管Tl、复位晶体管T2、源极随耦(SF)晶体管T3及选择晶体 管T4。在操作期间，转移晶体管Tl可接收转移信号TX，转移信号TX可将积累在光电二极 管PD中的电荷转移到浮动扩散节点FD。在一个实施例中，浮动扩散节点FD可耦合到用于 临时存储图像电荷的存储电容器。复位晶体管T2耦合在电力轨VDD与浮动扩散节点FD之间以在复位信号RST的控 制下复位像素(例如将FD及PD放电或充电到预设电压)。浮动扩散节点FD经耦合以控 制SF晶体管T3的栅极。SF晶体管T3耦合在电力轨VDD与选择晶体管T4之间。SF晶体 管T3作为提供到浮动扩散FD的高阻抗连接的源极随耦器而操作。选择晶体管T4在选择 信号SEL的控制下选择性地将像素电路的输出耦合到读出列线。在一个实施例中，TX信号、RST信号及SEL信号由控制电路产生。在其中光电检测 器阵列与全局快门一起操作的实施例中，全局快门信号耦合到整个光电检测器阵列中的每 一转移晶体管Tl的栅极以从每一像素的光电二极管PD同时开始电荷转移。或者，可对成 组的转移晶体管Tl应用卷帘式快门信号。图10是根据本发明一个或一个以上实施例图解说明图像传感器单元1066的方框 图。所述图像传感器单元包括像素阵列1000、读出电路1068、控制电路1070及功能逻辑 1072。在替代实施例中，所述功能逻辑及控制电路中的一者或两者可任选地包括在图像传 感器单元外部。所述像素阵列是二维QD)像素(例如像素P1、P2.....Pn)阵列。在一个实施例中，每一像素均为有源像素传感器(APS)，例如互补金属氧化物半导体(CM0Q成像像素。如 所图解说明，每一像素均布置为行(例如行Rl到Ry)与列(例如列Cl到Cx)以获得人物、地 点或对象的图像数据，接着可使用所述图像数据来再现所述人物、地点或对象的2D图像。在每一像素均已获得其图像数据或图像电荷之后，由读出电路将所述图像数据读 出并转移到功能逻辑。所述读出电路可包括放大电路、模拟-到-数字转换电路，或其它电 路。所述功能逻辑可仅存储图像数据或甚至通过应用图像后效应(例如修剪、旋转、去红 眼、调节亮度、调节对比度等等)来处理图像数据。如所显示，在一个实施例中，读出电路可 沿读出列线一次读出一行图像数据。或者，所述读出电路可使用各种其它技术来读出图像 数据，例如串行读出或所有像素同时的完全并行读出。控制电路耦合到像素阵列以控制像素阵列的操作特性。举例来说，控制电路可产 生用于控制图像采集的快门信号。图11是根据本发明一个或一个以上实施例图解说明并入图像传感器单元1166的 照明及图像捕获系统1174的方框图。在各种实施例中，所述系统可表示数码相机、数码相 机电话、web相机、安全相机、光学鼠标、光学显微镜或可并入其内，仅举几个实例。所述系统包括光源1176，例如多色发光二极管(LED)或其它半导体光源。所述光 源可通过外壳1180的盖1178将光传输到所成像的对象1182。可将所述对象所反射的至少一些光透过所述盖返回到系统到达图像传感器单元 1166。所述图像传感器单元可感测光且可输出表示光或图像的模拟图像数据。数字处理单元1184可接收模拟图像数据。数字处理单元可包括用以将模拟图像 数据转换为对应的数字图像数据的模拟-到-数字(ADC)电路。15
随后可由软件/固件逻辑1186来存储、传输或以其它方式处理数字图像数据。所 述软件/固件逻辑可位于外壳内或如所显示在外壳外部。在以上说明书且在权利要求书中，可使用术语“耦合”及“连接”以及其派生词。并 不希望这些术语互为同义词。而是，“连接”意指两个或两个以上元件相互直接物理接触或 电接触。“耦合”可意指两个或两个以上元件直接物理接触或电接触。然而，“耦合”可替代 地意指两个或两个以上元件不直接相互接触，而是相互协同运作或交互作用，例如通过一 个或一个以上中间组件或结构。举例来说，离散电子排斥元件可耦合在表面与具有一个或 一个以上中间材料(例如滤色器)之间。在以上说明中，出于解释的目的，已列举了许多具体细节以提供对本发明的实施 例的透彻了解。然而，所属领域的技术人员将明了，可在没有这些具体细节中的某些细节的 情况下实践其它实施例。提供所描述的特定实施例并非旨在限定本发明，而是图解说明本 发明。本发明的范围并非由上文提供的具体实例而是仅由上文权利要求书确定。在其它实 例中，已经以方框图形式或不带细节地显示了众所周知的电路、结构、装置及操作，从而避 免模糊对说明书的了解。举例来说，此说明书通篇中对“一个实施例”、“实施例”或“一个或一个以上实施 例”的提及意指在本发明的实践中可包括特定特征。类似地，在说明书中，有时将各种特征 在单个实施例中、图式或其说明中组合在一起，以实现简化本发明及辅助对本发明各方面 的了解的目的。然而，所揭示的此方法不被视为反映以下意图本发明需要比每一权利要求 中所明确列举的特征更多的特征。而是，如上文权利要求书所反映，本发明各方面可在于比 单个所揭示实施例的所有特征更少的特征。因此，具体实施方式
前面的权利要求书由此明 确地并入到此具体实施方式
中，其中每一权利要求均独立地作为本发明的单独实施例。
权利要求
1.一种设备，其包含表面，其用以接收光；多个光敏区域，其安置在衬底内；材料，其耦合在所述表面与所述多个光敏区域之间，所述材料用以接收所述光，所述光 中的至少一些光使所述材料中的电子自由；及多个离散电子排斥元件，所述离散电子排斥元件耦合在所述表面与所述材料之间，所 述离散电子排斥元件中的每一者对应于所述多个光敏区域中的不同光敏区域，且所述离散 电子排斥元件中的每一者用以朝向对应光敏区域推斥所述材料中的电子。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述离散电子排斥元件通过二者之间的距离彼此 分开。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述离散电子排斥元件中的每一者能够在所述材 料中产生电场。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述材料包含半导体材料，且其中所述离散电子 排斥元件中的每一者包含比所述半导体材料掺杂程度重的掺杂半导体材料。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述离散电子排斥元件的所述掺杂半导体材料包 含掺杂有P+的半导体材料。
6.根据权利要求4所述的设备，其中所述掺杂半导体材料的厚度具有掺杂剂浓度上的 梯度。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述离散电子排斥元件中的每一者能够在所述材 料的邻近部分中产生空穴积累区域。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述离散电子排斥元件中的每一者包含金属层， 其中所述金属层足够薄以允许光通过，且其中所述金属层包含能够在所述材料的邻近部分 中产生空穴积累区域的金属。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述离散电子排斥元件中的每一者包含金属闪镀 栅极。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述离散电子排斥元件中的每一者包含透明传 导氧化物及透明传导涂层中的一者。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述离散电子排斥元件中的每一者具有基于所 述对应光敏区域的范围的范围。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述离散电子排斥元件中的每一者仅覆盖在一 个光敏区域上。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述离散电子排斥元件中的每一者具有与所述 对应光敏区域的范围大致相当的范围。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述离散电子排斥元件中的每一者具有为对应 光敏区域的占用面积的至少一半的占用面积，且其中分开所述离散电子排斥元件的距离为 分开邻近光敏区域的距离的至少1/3。
15.根据权利要求1所述的设备，其中所述离散电子排斥元件中的每一者在所述对应 光敏区域上方光学地对准，且其中所述离散电子排斥元件中的至少一者基于入射光的角度 不正交于所述表面而偏移，从而无法在所述对应光敏区域上方直接对准。
16.根据权利要求1所述的设备，其中所述光敏区域安置在所述衬底的前侧部分内，且 其中用以接收所述光的所述表面包含背侧表面，其中所述表面包含各自经光学对准以朝向 对应光敏区域聚焦所述光的多个微透镜的表面，且进一步包含多个滤色器，其耦合在所述多个光学微透镜与所述材料之间。
17.一种背侧照明式图像传感器，其包含光敏区域阵列，其安置在衬底的前侧部分内；背侧表面，其用以接收光；材料，其耦合在所述背侧表面与所述光敏区域阵列之间，所述材料用以接收所述光，所 述光中的至少一些光用以使所述材料中的电子自由；及材料的阵列，所述材料的所述阵列耦合在所述背侧表面与所述材料之间，所述阵列中 的每一材料对应于所述光敏区域中的一者，所述阵列中的每一材料包含选自比所述材料掺 杂程度重的掺杂半导体材料及能够在所述材料中产生空穴积累区域的金属。
18.一种方法，其包含在光电检测器阵列的表面处接收光；朝向多个光敏区域传输所述光；借助所述光使材料中的电子自由；在所述材料中产生多个中断的电场，所述中断的电场中的每一者对应于所述光敏区域 中的一者；借助所述电场朝向所述光敏区域驱动所述材料中的所述电子；及在所述光敏区域处接收所述电子。
19.根据权利要求18所述的方法，其中产生所述中断的电场包含在所述材料中产生分 开的空穴积累区域。
20.根据权利要求18所述的方法，其中产生所述中断的电场包含借助对应的多个分开 的元件产生所述中断的电场。
21.根据权利要求18所述的方法，其中产生所述中断的电场包含产生，在所述材料中 直接处于对应光敏区域上方的区域中比在所述材料中处于邻近光敏区域之间的区域中具 有更大量值的电场。
22.根据权利要求18所述的方法，其进一步包含以比所述材料中直接处于光敏区域上 方的区域中更大的比例重新组合所述材料中处于邻近光敏区域之间的区域中的电子。
23.一种方法，其包含提供衬底，所述衬底具有安置在其中的光敏区域阵列及位于所述光敏区域阵列上方的 半导体材料；及在所述半导体材料上方形成材料的阵列，所述阵列中的每一材料对应于不同的光敏区 域，且所述阵列中的每一材料能够在所述半导体材料中产生电场。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述形成所述材料的所述阵列包含在第一光敏 区域上方形成所述阵列的第一材料，及在第二光敏区域上方形成所述阵列的第二材料，其 中所述第一材料与所述第二材料物理地分开。
25.根据权利要求23所述的方法，其中所述形成所述材料的所述阵列包含形成选自下 列材料的材料阵列比所述半导体材料掺杂程度重的掺杂半导体材料，及足够薄以允许光通过且能够在所述半导体材料的邻近部分中产生空穴积累区域的金属。
26.—种系统，其包含半导体光源，其用以朝向对象传输光；及光电检测器阵列，其位于由所述对象所反射的至少一些光的光学路径中，所述光电检 测器阵列包含表面，其用以接收所述所反射的光；光敏区域阵列，其安置在衬底内；材料，其耦合在所述表面与所述光敏区域阵列之间，所述材料用以接收所述所反射的 光，所述所反射的光中的至少一些光用以使所述材料中的电子自由；及分开的元件的阵列，所述分开的元件的阵列耦合在所述表面与所述材料之间，所述分 开的元件中的每一者对应于不同的光敏区域，且所述分开的元件中的每一者能够在所述材 料中产生电场。
27.根据权利要求沈所述的系统，其中所述分开的元件中的每一者包含选自比所述材 料掺杂程度重的掺杂半导体材料及足够薄以允许光通过且能够在所述材料的邻近部分中 产生空穴积累区域的金属。
28.根据权利要求沈所述的系统，其中所述光敏区域阵列安置在所述衬底的前侧部分 内，其中用以接收所述所反射光的所述表面包含背侧表面，且其中所述分开的元件中的每 一者仅覆盖在一个光敏区域上。
全文摘要
本发明涉及具有离散电子排斥元件阵列的光电检测器阵列。本发明揭示光电检测器阵列、图像传感器及其它设备。在一个方面中，设备可包括用以接收光的表面、安置在衬底内的多个光敏区域及耦合在所述表面与所述多个光敏区域之间的材料。所述材料可接收所述光。所述光中的至少一些光可使所述材料中的电子自由。所述设备还可包括多个离散电子排斥元件。所述离散电子排斥元件可耦合在所述表面与所述材料之间。所述离散电子排斥元件中的每一者可对应于不同的光敏区域。所述离散电子排斥元件中的每一者可朝向对应光敏区域推斥所述材料中的电子。还揭示其它设备，以及使用方法、制造方法及并入有此类设备的系统。
文档编号H01L27/144GK102054847SQ20091021586
公开日2011年5月11日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年11月4日
发明者野崎秀俊 申请人:全视科技有限公司