具有全分辨率顶层和较低分辨率下层的垂直滤色片传感器组阵列的制作方法

专利名称：具有全分辨率顶层和较低分辨率下层的垂直滤色片传感器组阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及光敏传感器组的阵列，各个传感器组包括垂直层叠的传感器 (通常是垂直层叠的红光、绿光和蓝光传感器)，并且阵列中的各个传感器组 定位于不同的像素位置处。在各个传感器组中，半导体材料对垂直入射的电磁 辐射进行颜色滤色(任选地，其它材料也对该辐射进行滤色)，并且各个传感 器同时检测不同波带。
背景技术：
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"垂直层叠的"这种表述是指，这些传感器之一是该组的顶部传感器 并且该组具有一个穿过所有传感器而延伸的轴(有时称之为"垂直轴")。垂 直滤色片(VCF)传感器组通常包括垂直层叠的传感器，这些传感器构成使得该 组的顶部传感器具有一个可定义垂直轴的顶部表面(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 对于该垂直轴小于约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)。通常，VCF传感器组由三个垂直层叠的传感器组成蓝光传感器， 绿光传感器，和红光传感器。VCF传感器组的阵列定义了成像面。通常，阵列中的各个VCF传感器组都具有顶部传感器，该顶部传感器具有用于定义垂直轴的顶部表面，该阵列的 传感器组的顶部表面彼此平行，并且该阵列的成像面具有与各组的垂直轴相平 行的垂直轴("阵列的垂直轴")。在本文中，具有垂直轴的结构中所包括的两个元件是"横向"(或"水平") 分离的，这种表述是指存在着一个与垂直轴相平行的轴且该轴延伸于两个元件 之间但不相交于任一个元件。在本文中(包括权利要求书)，术语"包括"元 件的表述是指该术语是或包括该元件。VCF传感器组的各个传感器的"尺寸"是传感器的载流子收集元件(投影 到与该组垂直轴相垂直的平面上)的面积。在本文中，VCF传感器组的"最小 尺寸的"传感器这一表述是指该组中的传感器的载流子收集元件(投影到与该 组垂直轴相垂直的平面上)面积小于或等于该组中其它传感器的载流子收集元 件(投影到相同平面上)面积的传感器。在本文中，VCF传感器组的阵列内"像素传感器位置"这一表述是指VCF 传感器组之一的位置。相关VCF传感器组的位置是鉴于该传感器组的配置以恰 当的方式确定的。例如，当VCF传感器组的传感器具有不同的尺寸并且该组中 各个传感器的载流子收集元件都具有光学中心时，该组的位置可以是该组各传 感器的光学中心在与该组垂直轴相垂直的平面上投影出的位置的面积-加权平 均。或者，阵列中的VCF传感器组的位置可以是该组中"最小尺寸的"传感器 的各光学中心在与该组垂直轴相垂直的平面上投影位置的面积-加权平均(或如 果该组只有一个最小尺寸的传感器的话，则是该组中最小尺寸的传感器在上述 平面上投影的位置)。因此，在包括绿色层(由4N个绿光传感器构成，其中 N是数字)、蓝色层(由N个蓝光传感器构成)和红色层(由N个红光传感器 构成)的VCF传感器组的阵列中，在所有绿光传感器都具有相同尺寸的情况下， 各个蓝光传感器和红光传感器的尺寸都是各个绿光传感器尺寸的四倍，并且各
个蓝光传感器和红光传感器都由四个VCF传感器组共用，该阵列将具有4N个 像素传感器位置。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。 一类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形水平地设置于半导体表面或其附近。使 用彩色覆盖式滤色片，以便形成在红光、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，每一个分辨单元都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。在2004年4月27日公布的美国专利6,727,521和2005年3月8日公布的 美国专利6,864,557中，描述了若干种类型的VCF传感器组及其制造方法。VCF 传感器组包括至少两个光敏传感器，它们彼此垂直地层叠(在相邻的传感器之 间使用或不使用非传感器材料)。VCF传感器组的各个传感器都具有不同的光 谱响应。典型地，各个传感器具有在不同波长处达到峰值的光谱响应。在一些 实施例中，VCF传感器组(或者其一个或多个传感器)包括并不具有传感器功 能的滤色片。VCF传感器组同时检测在成像面的相同区域中的至少两个波带的光子。相 反，时序光子检测法不能在同一时刻对所有波带进行光子检测。(当垂直地观 察该成像器时)，由成像器中包括的VCF传感器组所执行的检测发生在该成像 器的一个区域中，并且光子以进入传感器组的深度为函数的波长来分离。典型地，尽管传感器组在检测时通常会具有一些"串扰"，即多个传感器 检测到同一波长的光子，但是各个传感器还是用于检测不同波带中的光子(例 如， 一个传感器会比其它传感器检测到更多的"蓝色"波带的光子，第二个传 感器会比其它传感器检测到更多的"绿色"波带的光子，第三个传感器会比其 它传感器检测到更多的"红色"波带的光子)。VCF传感器组可用于多种成像任务。在较佳的实施例中，它们用于数码相 机。然而，它们也可以用于许多其它系统中，比如线性成像器、摄像机以及机 器视觉装备。VCF传感器组使用至少一种半导体材料的属性来检测入射光子，并且也选
择性地检测在该组不同深度上的不同波长的入射光子。不同波长的检测是可行 的，因为传感器组的传感器层是垂直层叠的并且在半导体材料中的光吸收深度 随波长变化。制造VCF传感器组的成本已明显减小，因为VCF传感器组不需 要外部滤色片(在彩色图像传感器中一般都要用到外部滤色片)并且也不需要 与传感器自身不同的滤色片(传感器自身由可提供滤色功能的半导体材料制成)。然而，在本发明的一些实施例中，VCF传感器组确实包括(或与其一起使用)与传感器自身不同的滤色片。与具有非半导体基滤色片的常规彩色传感器相比，VCF彩色传感器组的光谱响应特征通常更稳定并且更不易受诸如温度 或其它环境因素等外部因素的影响(这些外部因素可能存在于制造期间或之 后)。VCF传感器组最好形成于基片(最好是半导体基片)上，并且包括多个垂 直层叠的传感器，这些传感器是通过掺杂和/或偏置来收集第一种极性的光生载 流子(最好是负电子)所构成的。这些传感器包括一层或多层基准层(或多个 传感器对由一层或多层基准层间隔开)，这些基准层构成收集和传导极性相反 的光生载流子(最好是正空穴)。基于在传感器组中不同的深度，还基于包括 掺杂程度和偏置条件等其它参数，这些传感器具有不同的光谱灵敏度。在操作 过程中，这些传感器都单独连接着偏置和有源像素传感器读出电路。在上述美 国专利6,727,521和6，864,557中，更为全面地讨论了 VCF传感器组及其制造方 法。VCF传感器组的阵列(如上述美国专利申请10/738,484和10/355,723中所 描述的)具有优于单层传感器阵列(例如，具有Bayer图形的常规阵列以及实 现常规颜色-滤色-镶嵌技术的阵列)的重要优点，其中包括如下优点在各个 像素传感器位置处测量亮度；以及以一种不引起颜色混叠伪像的方式来测量颜 色。在各个像素传感器位置处测量颜色以实现良好的彩度分辨率这一附加优点 不是那么重要，并且通过VCF传感器组阵列中的一层(例如，绿色、红色或蓝 色层)实现(或者"具有")全分辨率读取以及阵列中的至少一层其它层实现 较低分辨率读取(例如，如上述美国专利申请10/738,484和10/355,723所描述 的那样)，便可以牺牲上述附加的优点。例如，VCF传感器组阵列的绿色层可以实现成具有全分辨率，蓝色层中的
传感器簇的输出可以组合起来实现小于全分辨率的蓝色层，红色层中的传感器 簇的输出可以组合起来实现小于全分辨率的红色层。这样的阵列被称为"1-4-1" 阵列(或具有"1-4-1"组织的阵列)，其中，所有的传感器都具有基本相同的 尺寸，顶层是蓝色层，绿色层介于蓝色层和红色层之间，蓝色层中的各簇传感 器都包括四个传感器(即2X2传感器簇)，红色层中的各簇传感器包括四个传感器(2X2传感器簇)，这表明绿色层的分辨率比红色层和蓝色层的分辨率 都高4倍。在本文中，术语(VCF传感器组的)传感器的"输出"是指用于表示传感 器处入射光子强度的信号(例如，用于表示光生电荷的信号)。在本文中，一 层VCF传感器组阵列的各传感器输出"组合起来"这一表述是指这些传感器具 有分立的横向分离的载流子收集元件并且这些单元在读出期间电耦合着一起 (例如，通过阵列表面上沉积的导体和/或与该阵列相耦合的导体)。在本文中，VCF传感器组的阵列是"X-Y-Z"阵列(或具有"X-Y-Z"组织)， 这里假定各个传感器组包括顶部("Z")传感器(通常是蓝光传感器)、在顶部 传感器下面的中间("Y")传感器(通常是绿色传感器)以及在中间传感器下面的 第三("X")传感器(通常是红色传感器)(和该阵列由顶部传感器的顶层、中间 传感器的中间层以及第三传感器的第三层所构成)；并且还表明顶层分辨率与 中间层分辨率的比率是Z/Y，而中间层分辨率与第三层分辨率的比率是Y/X。 通常，X-Y-Z阵列是这样的阵列，它具有蓝光传感器的顶层("Z"或"蓝色"层)、 绿光传感器的中间层("Y"或"绿色"层)以及红光传感器的底层("X"或"红色" 层)。在另一种1_4-1阵列中，顶层是蓝色层，绿色层介于蓝色层和红色层之间， 绿色层中所有的传感器都具有基本上相同的尺寸，而蓝色层和红色层中的各个 传感器的尺寸基本上都等于各个绿色层传感器的尺寸的四倍。蓝色层和红色层 中的各个传感器由四个VCF传感器组共用，即其载流子收集元件由这四个传感 器组共用。VCF传感器的"l-4-l"阵列的优点在于其绿色通道响应离理论上理 想的亮度光谱灵敏度曲线不是非常远，因此它们能充分地捕获高频亮度信息， 同时还能实现其相对于4-4-4阵列(这种阵列具有尺寸相同的红光、绿光和蓝 光传感器，其尺寸都与1-4-1阵列中的绿光传感器的尺寸一样)的实施优点。 然而，在这种1-4-1阵列中，绿色的全分辨率读出竟然需要四个单独的连接绿 色层的接触部分(各自连接着红色层的接触部分)。各个连接着红色或绿色层 的接触部分占据该阵列中的许多空间。美国专利申请10/738,484揭示了一种VCF传感器组的阵列，其中各个组 包括蓝光传感器、绿光传感器和红光传感器。各组中的红光传感器和绿光传感 器比该组中的蓝光传感器要大，并且与至少一个其它的VCF传感器组共用。蓝 光传感器通常在半导体晶片的顶面附近，而红光传感器则在晶片中较深的位 置。各个红光传感器的尺寸是各个蓝光传感器的尺寸的大约四倍，并且四个相 邻的VCF传感器组共用单个红光传感器。各个绿光传感器的尺寸可以是各个红 光传感器尺寸的大约一半(或者可以与各个绿光传感器的尺寸相同，或者可以 是任何其它尺寸)。下列这种阵列实现方式是"l-2-4"阵列(或具有"l-2-4"组织 的阵列)各个红光传感器的尺寸是各个蓝光传感器尺寸的四倍，各个绿光传 感器的尺寸是各个红光传感器尺寸的大约一半，顶层是蓝色层，底层是红色层， 这意味着其绿色层的分辨率比其红色层的分辨率高2倍，而其蓝色层的分辨率 比红色层的分辨率高4倍发明内容在一类实施例中，本发明是VCF传感器组的阵列，各个VCF传感器组包 括至少两个垂直层叠的光敏传感器。较佳地，该阵列主要由包括形成于基板上 的各种结构的固体材料(例如，典型的晶体硅)制成，(例如，该阵列可以一 块包括采用半导体集成电路制造工艺形成于半导体基板上的各种结构的固体 材料来实现)，并且包括与传感器组相耦合的读出电路。各个VCF传感器组包 括顶部传感器以及在该顶部传感器下面的至少一个其它传感器。所有传感器组 的顶部传感器一起构成传感器的顶层。这些传感器组的其它传感器一起在顶层 下面构成至少一层"下层"。通常，各个传感器组包括三种传感器(包括顶部 传感器)，并且阵列包括三层的传感器。根据本发明，阵列构成只有顶层的传 感器才可以全分辨率读出(以产生各个像素传感器位置的顶部传感器输出值)， 并且各个其它的层只能以小于全分辨率进行读出(即，为了产生比像素传感器 位置总数要少的传感器输出值)。
在一些实施例中，阵列具有一顶面并且包括位于该顶面处(即，在该顶面 上)的读出电路，该阵列的顶层传感器包括"X"个顶部传感器(其中X是某 个数字)，该阵列的各下层的传感器层包括少于X个传感器，并且接触部分从 各下层中的各个传感器延伸到读出电路。在一些这类实施例中，该阵列主要由 包括半导体基板的固体材料构成，各下层的传感器层都位于基板和顶面之间， 并且接触部分(例如，插头或接触槽)从各下层中的各个传感器延伸到读出电 路。例如，具有两个下层(即，底层以及介于顶层和底层之间的中间层)的这种阵列的"l-l-4"实现方式可以包括4Y个位于顶层中的蓝光传感器、Y个位于 中间层中的绿光传感器、Y个位于底层中的红光传感器，以及总共2Y个介于 红光传感器和绿光传感器与读出电路之间的垂直接触部分。在一类实施例中，本发明的阵列是多个传感器组单元构成的NxM阵列， 其中各个单元包括"S"个VCF传感器组，并且S是一较小的整数(例如，S-4)。 各个单元中所有的传感器组的顶部传感器一起构成传感器顶层，并且各个单元中的其它传感器一起在该顶层下面构成至少一层传感器的下层。各个单元包括 S个位于顶层中的传感器以及少于S个位于各下层中的传感器。在此类较佳实 施例中，各个单元包括位于各下层中的至少一个共用的传感器。该阵列通常是 由一块包括形成于基板上的各种结构(例如，通过半导体集成电路工艺形成的 结构)的固体材料来实现。各个单元包括传感器选择开关(例如，形成于阵列 顶面上或顶面处的晶体管)，这些开关耦合在该单元的传感器和单个"检测" 节点之间。在读出期间控制传感器选择开关，使之实现在单元检测节点处顺序 读出单元的各个传感器(例如，通过在检测节点处输出一系列电压，各个电压 表示传感器中的不同传感器的输出)。例如，当S-4时，各个单元可以包括 六个传感器选择开关 一个开关耦合着第一下层中的共用传感器；另一个开关 耦合着位于第一下层下面的第二下层中的共用传感器；并且其它四个开关各自 分别耦合着不同的非共用的顶层传感器。在本示例中，在读出期间控制传感器 选择开关，以通过耦合着检测节点的电路来实现各组中的四个非共用传感器和 两个共用传感器的顺序读出。与具有相同数目的VCF传感器组的常规VCF传 感器组阵列相比，各个单元如此使用传感器选择开关的方法可以允许以非常简 单的表面层几何形状来实现阵列。 如果各下层都构成以全分辨率进行读出的话，则本发明阵列中的各下层可 以相对较低的分辨率进行读出就允许该阵列在形成于半导体基板上时使用较 少的连接下层的接触部分(例如，插头或接触槽)，并且可以产生比常规阵列 更好的信噪比。因为各个连接下层的插头、沟槽或其它接触部分都不适当地占 据了该阵列中的一定空间，并且通常都会增加阵列的成本和复杂性，所以期望 使这种接触部分的数目最小化。本发明的另一个方面是用于读出本发明任何实施例的阵列的方法，其中包 括如下步骤以全分辨率读出该阵列的顶层；以及以比全分辨率小的分辨率读 出各个其它的层。任选地，本发明的阵列包括(或耦合着)用于将该阵列的传 感器所产生的光生载流子转换成电信号的电路。在本发明阵列的较佳实现方式中，各个VCF传感器组包括顶部传感器(通常是蓝光传感器)、位于顶部传感器下面的中间传感器(通常是绿光传感器) 以及位于中间传感器下面的第三传感器(通常是红光传感器)；该阵列包括顶 部传感器构成的顶层、中间传感器构成的中间层以及第三传感器构成的第三 层，并且该阵列是以"l-l-4"阵列进行读出的，其顶层(通常由蓝光传感器构成) 所具有的分辨率比中间层(通常由绿光传感器构成)和第三层(通常由红光传 感器构成)高4倍。较佳地，如果中间层和第三层都构成以全分辨率读出的话， 则该阵列可在半导体基板上以较少的连接中间层和第三层的接触部分(例如， 插头或接触槽)来实现。本发明的另一个方面是用于读出这种阵列的方法，其 中包括如下步骤以全分辨率读出顶层；以及以小于全分辨率的分辨率读出中 间层和第三层。本发明阵列的较佳实施例包括位于各下层中的至少一个共用的传感器。或 者，各下层包括比顶层更少的传感器(例如，各个VCF传感器组包括由蓝光传 感器构成的顶层，至少一个传感器组包括在其蓝光传感器下面的红光传感器而 不包括绿光传感器，至少一个传感器组包括在其蓝光传感器下面的绿光传感器 而不包括红光传感器)。在本发明阵列的共用传感器实施例中，至少一个VCF 传感器组包括其载流子收集元件与至少一个其它VCF传感器组共用的传感器 (该传感器位于较低层中)。在共用传感器的这类实施例中，本发明的阵列是 以"l-l-4"阵列方式进行读出的，在各下层中的各个传感器尺寸(即，各个绿光
传感器和红光传感器)都等于(或基本等于)各个顶部传感器尺寸的四倍。在各个顶部传感器都是蓝光传感器的这类较佳实现方式中，蓝色层(顶层)的全 分辨率读出以及绿色层和红色层的较低分辨率读出都能够对入射的蓝光和入射的绿光产生具有相同空间频率的亮度信息，尽管蓝光通道的光谱响应不如绿 光通道的光谱响应理想(即，偏离理论上的理想亮度光谱灵敏度曲线更远)， 因为各种这样的实现方式的全分辨率蓝色层不仅响应于蓝光还响应于绿光和 红光。本发明的这些实现方式可以充分获取高分辨率亮度信息，而其顶层(蓝 色层)的全分辨率读出以及其它层(绿色层和红色层)的较低分辨率读出还具 有许多优点(例如，紧凑、噪声改进以及必须设置到绿色层和红色层中的传感 器的接触部分数目的减小)，这些优点是"l-4-l"阵列的中间层(绿色层)的全 分辨率读出和"l-4-l"阵列的蓝色层和红色层的较低分辨率读出所无法实现的。


图1是晶体硅中的电磁辐射强度(相对于其入射强度Io)与硅中的深度(单位是微米)之间对应于波长450 nm、 550 nm和650 nm的函数关系图。 图2是表示可用于实现本发明的VCF传感器组的垂直掺杂分布图。 图3是具有图2所示分布的VCF传感器组(在垂直平面中的)横截面图，其中示出了耦合着该传感器组的偏置和读出电路的示意性电路图。图4是晶体硅中的电磁辐射吸收率(相对于其入射强度Io)与在该硅中的深度(单位是微米)之间对应于波长450纳米(曲线A) 、 550纳米(曲线B)和650纳米(曲线C)的函数关系图，其上标明了图2所示传感器组各覆盖层的位置。图5是VCF传感器组以及图3所示偏置和读出电路的图，其中光电二极 管传感器以半导体二极管符号来示意表示。图6是能够根据本发明实现的成像阵列的图。图6A是在图6所示的各个方框122-1、 122-2、 122-3禾卩122-4之内的结构 的实施例示意图。图7是本发明具有偏置和耦合着传感器组的读出电路的VCF传感器组阵 列(其中相邻传感器组的较低层共用载流子收集元件)的实施例的部分简化顶
视图。图7所示结构包括由四个VCF传感器组所构成的单元，这样的VCF传 感器组各自都包括所示四个蓝光传感器(Bl, B2, B3, B4)中不同的一个蓝光传感班 器o图8是与图7相似的传感器组和读出电路的实现方式的部分侧面横截面图。图9是本发明的VCF传感器组阵列的实施例的方框图，其中包括M行和 N列的VCF传感器组单元。各个VCF传感器组单元都可以是具有图7所示结 构的四个VCF传感器组所构成的单元。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，下文关于本发明的描述只是说明性 的，并且在任何方面都不是限制性的。对于从本发明中获益的技术人员而言， 将很容易想到本发明的其它实施例。VCF传感器组的各个传感器都通过直接或间接地将光子的能量转换成电 子空穴对来检测光子。这种转换发生在半导体材料中。VCF传感器组通常是以 该组中的各个传感器的输出来表示不同波带中的入射光子的强度来实现的。由 于形成传感器组的材料具有滤色作用，所以入射VCF传感器组中的各个传感器 的辐射具有不同的波长强度谱。因此，在VCF传感器组中的所有传感器可以是 完全相同的，并且各j争感器仍然可以产生表示不同波带的输出。然而，在一些 实施例中，VCF传感器组中的传感器并非全都相同(例如，它们并非都由相同 的材料或材料组合而构成)，并且针对预定的应用来确定各传感器的结构和组 分以便使传感器组的性能达到最佳或有所改善。例如，对给定范围的波长灵敏 度相对较高(即，在该范围中吸光率相对较高)而对其它波长灵敏度较低的传 感器，可以与具有不同光谱灵敏度的其它材料所制成的传感器垂直地层叠在一 起，从而形成VCF传感器组。数码相机(DSC)的彩色输出因人类视觉系统的三基色特征而要求最少检测 三个光谱带。因此，本发明的VCF传感器组的许多实施例都具有三个垂直层叠 的传感器(各自包括半导体材料)，以便检测三个不同的光谱带。具有两个而 非三个垂直层叠的传感器的VCF传感器组可用于其它场合，比如用于对可见光
和红外辐射同时进行检测。由于有利于检测多于三个光谱区域，所以本发明的 VCF传感器组的一些实施例具有多于三个垂直层叠的传感器。利用来自其它光 谱区域的额外信息，便有可能更精确地表示某一物体的颜色。随着获取更多的 有效光谱数据，则有望提高颜色呈现的精确度。在本发明的VCF传感器组的一类实施例中，各个传感器组中的各个传感器包括两层半导体材料(比如，有的传感器包括图2所示的层X01以及层X09 与X01相邻的那部分)或三层半导体材料(比如，有的传感器包括图2所示的 层X02以及层X09、 X10分别与X02相邻的那部分)，在传感器中的两个相邻 层各自之间都有一个结(例如，"p-n"结或异质结)，并且传感器的这些层中 的一层是具有接触部分(可连接着偏置和读出电路)的载流子收集元件。在典 型的操作过程中，各传感器的多个层都加上偏置，使得光生载流子穿过至少一 个耗尽区迁移到该接触部分，从而在该接触部分处可获得光生电荷信号。在 VCF传感器组的典型实施例中，该组包括这样的材料(例如，在图2所示的层 X09中既不属于耗尽区X04也不属于耗尽区X05的半导体材料)，在这种材料 中光子可以被吸收并且这种吸收很可能产生可由读出电路检测到的电荷，但是 在这种材料中光生载流子可以朝着至少两个不同的载流子收集元件中的任一 个迁移(具有极大的概率)。通常，但不是必然地，VCF传感器组中所有的层 都由半导体材料组成。图l是晶体硅中电磁辐射强度(相对于其入射强度Io)与在该硅中的深度 之间对应于波长450纳米、550纳米和650纳米的函数关系图。图4是晶体硅 中的电磁辐射吸收率(相对于其入射强度I。)与在该硅中的深度之间对应于波 长450纳米(曲线A) 、 550纳米(曲线B)和650纳米(曲线C)的函数关 系图，其上标明了图2所示覆盖在传感器组上的各层的位置。图1和4的图是 从相同的数据中得出的。图4的每一条曲线画出了多个差值，其中第"n"个 差值是图1所示相应曲线的第"(n+l)"个和第"n"个数据值之差。在除硅以 外的许多半导体中，(具有给定波长的)辐射的强度与深度的函数类似于图1 所示的函数。图l示出了 (各个波长的)辐射相对强度(比例Mo，其中I是在 硅中深度"x"处的强度，Io是入射强度)随深度的增加而减小，因为光子被硅 吸收了。图l和4示出了与波长更长的光子相比，在表面附近有相对更多的蓝
光(450纳米)光子被吸收，还示出了在硅中任何深度，绿光(550纳米)光 子都要比蓝光光子要多，并且红光(650纳米)光子比绿光光子要多(假定红 光、绿光和蓝光光子的入射强度相等)。图1 (和图4)的三条曲线中的每一条曲线都表明随深度的增大强度呈指 数衰减，并且每一条曲线都基于对经历过典型掺杂和处理后的晶体硅中的光测 量行为。每一条曲线的精确形状将取决于掺杂和处理的参数，但是在假定掺杂 和/或处理参数组不相同的各曲线之间将会只有很小的差异。众所周知，半导体 对不同波长的光子的吸收取决于该半导体材料的带隙能量以及能带边缘的状 态细节。同样，众所周知的是，典型的半导体(例如，硅)对不同的波长具有 不同的吸光率。从图1和4中可明显看出， 一块在较大硅的给定深处具有VCF传感器组 中的一个传感器的功能且具有给定厚度的硅，对蓝光的吸光率大于绿光，并且 对绿光的吸光率大于红光。然而，如果在较大的传感器硅足够地深，则大部分 蓝光和绿光都将被该传感器硅上面的材料吸收。即使具有基本上平的波长-强度 谱的光入射到较大的表面上，只要到达传感器的绿光和蓝光的强度比到达传感 器的红光的强度小很多，传感器实际上也会吸收比绿光或蓝光要多的红光。本发明的VCF传感器组的典型实施例通过在一块半导体材料中不同深度 范围内捕获光子，来实现色彩的分离。图2是VCF传感器组的垂直掺杂分布图， 它包括顶层XOl (由n型半导体制成)、在顶层下面的第二 (p型)层X09、 在第二层下面的第三(n型)层X02、在第三层下面的第四(p型)层XIO、在 第四层下面的第五(n型)层X03以及在第五层下面的p型半导体基片Xll。图3是这种VCF传感器组(在垂直平面中)的简化横截面图。如图3所 示，偏置和读出电路耦合着层XOl、 X02、 X03、 X04和X05以及基片Xll。蓝光、绿光和红光光电二极管传感器由图3所示的n型和p型区之间的结 构成，并且设置在该半导体结构表面以下的不同深度处。红光、绿光和蓝光光 电荷信号均取自三个隔离的光电二极管的n型阴极(XOl、 X02和X03)。图3 简化的一个方面是它并未示出如下情形n型层X01是如何与通过它延伸到下 层X02和X03的n型接触部分电绝缘的(像通常那样)；p型层X09是如何与 通过它延伸到下层XlO和Xll的p型接触部分电绝缘的(像通常那样)；n型
层X02是如何与通过它延伸到下层X03的n型接触部分电绝缘的(像通常那 样)；或者p型层X10是如何与通过它延伸到下层X11的p型接触部分电绝缘 的(像通常那样)。通过使用上述美国专利6,727,521中所描述的技术(例如， 用于实现美国专利6,727,521中图3所示结构的技术)。图3的读出电路是非存储类型的，类似于上述美国专利6,727,521中所描 述的。各个传感器的读出电路包括复位晶体管(54b用于蓝光传感器，54g 用于绿光传感器，54r用于红光传感器)，它们由RESET信号线驱动并且耦合 在光电二极管阴极与复位电势(在图3中以VREF来标识)之间；源极跟随放大 晶体管(晶体管56b、 56g和56r之一)，在操作过程中其栅极耦合着光电二极 管阴极而其漏极维持在电势VREF;以及行选晶体管(晶体管58b、 58g和58r 之一)，它们由ROW-SELECT信号线驱动并且耦合在对应的源极跟随放大晶 体管的源极和行线之间。后缀"r" 、 "g"和"b"用来表示与各晶体管相关的 波带(红、绿或蓝)。如本领域所知的那样，为了复位象素，可激励RESET 信号，并随后在曝光期间不激励，之后再激励行选线以便读出所检测到的信号。在操作过程中，p型区X09、 X10和Xll各自保持接地电势。n型层XOl、 X02和X03各自都是具有接触部分的载流子收集元件，该接触部分可连接着(并 且可以耦合着)偏置和读出电路。在传感器组的每一次读出之前，偏置电路使 各个n型层复位到复位电势(处于接地电势上)。在暴露于所要检测的辐射中 的过程中，反向偏置的各对相邻p型和n型层具有光电二极管的功能第一光 电二极管的阴极是层X01而阳极是层X09;第二光电二极管的阴极是层X02 而阳极是层X09和X10;以及第三光电二极管的阴极是层X03而阳极是层X10 和Xll。如图3所示，n型层XOl、 X02和X03各自都耦合着偏置和读出电路， 因而作为光电二极管的端点。在典型的操作过程中，当图2所示的光电二极管反向偏置时，就形成了包 括该硅的大部分的耗尽区，在该耗尽区中光子被吸收。在图2中，第一光电二 极管的耗尽区(主要用来检测蓝光)被标记为"X04"，第二光电二极管的耗 尽区(主要用来检测绿光)被标记为"X05"和"X06"，以及第三光电二极管 的耗尽区(主要用来检测红光)被标记为"X07"和"X08"。耗尽区中的电场 使通过吸收光子而形成的电子空穴对分开。这便将电荷积累在各个光电二极管
的阴极上，并且与各个阴极相耦合的读出电路将该电荷转换成电信号。各个光 电二极管的阴极上的电荷正比于该光电二极管所吸收的光子数目。该比例是量 子效率QE。图4包括用于表示图2所示结构的载流子收集元件(XOl、 X02和X03) 和耗尽区的范围的线条。于是，图4中标记为"X01+X04"的区域表示图2中 耗尽区X04下表面以上的区域，图4中标记为"X05+X02+X06"的区域表示图 2中介于耗尽区X05上表面和耗尽区X06下表面之间的区域，图4中标记为 "X07+X03+X08"的区域表示图2中介于耗尽区X07上表面和耗尽区X08下 表面之间的区域。因此，图4示出了三个不同的"传感器"区域，图2所示的 三个光电二极管在这些区域中吸收光子，这类吸收所产生的电荷保留在这些区 域中(并不迁移到产生电荷的传感器区域之外)并且可以由读出电路测得。然 而，应该认识到，三个传感器区域之间所产生的电子空穴对(例如，在耗尽区 X04下表面和耗尽区X05上表面之间的层X09中所产生的电子空穴对)仍然可 以(以很高的效率)扩散到传感器区域中，并且在光电二极管上产生可以由读 出电路测得的电荷。按波长对光子进行的选择性吸收决定了三个光电二极管的光子响应。如果 联系图4中450纳米、550纳米和650纳米的光子曲线来考虑传感器区域的位 置("X01+X04" ， "X05+X02+X06" ， "X07+X03+X08")，贝U会看至^专 感器区域的深度和范围决定了光谱响应。在"X01+X04"区域中，与入射的绿 光和红光相比，有多得多的入射蓝光被吸收，只有少量的绿光和红光被吸收。 在"X01+X04"区域中，被吸收的入射绿光比入射蓝光要少许多，并且被吸收 的入射绿光比入射红光要多得多。在"X05+X02+X06"区域中，被吸收的入射 绿光比入射蓝光要多(因为入射到区域"X01+X04"的蓝光大部分都被该区域 吸收了，而没有到达区域"X05+X02+X06")，并且被吸收的入射绿光比入射 红光要多(即使入射到区域"X01+X04"的红光只有很少量被该区域吸收，大 部分红光会到达区域"X05+X02+X06")。入射波长的全部范围(不只是450纳米、550纳米和650纳米这三个波长) 决定了图2所示的三个光电二极管的光谱响应。在一类重要的实施例中，本发明的阵列中的各个VCF传感器组实现了三 个光电二极管。这种VCF传感器组可很好地适用于DSC或数字摄像机。然而，在其它实施例中，本发明的阵列中的各个VCF传感器组实现了两个(或不止三个)光电二极管，它们位于至少主要由半导体材料构成的一体积之内不同的深度。图3所示传感器组中的蓝、绿和红光电二极管传感器都是由n型和p型区 域之间的结构所形成的，并且设置于该半导体结构表面以下不同的深度处。红、 绿和蓝光电流信号都取自三个隔离的光电二极管的n型阴极。这在图5中示意 性地示出，图5描绘了与图3所示相同的VCF传感器组。在图5中，这些光电 二极管以半导体二极管符号来示意表示。根据本文的揭示，本领域的技术人员将认识到有许多方式可用于在半导体 结构中实现VCF传感器组(和实施本发明的VCF传感器阵列)。例如，通过 使用半导体基板作为底层并在该基板中形成五个导电类型交替变化的同心阱， 便可以形成p型和n型区域交替排列的六层结构。图3和5都示出了偏置和读出电路的非存储版本，其中红、绿和蓝光电二 极管分别耦合着晶体管电路。各个电路都具有复位晶体管(54b，54g,or54r)， 由RESET信号线对其进行驱动，且该晶体管耦合在光电二极管阴极和复位电 势VREF之间；源跟随放大器晶体管((56b，56g,or56r)，与光电二极管的阴极 相耦合；以及行-选择晶体管(58b，58g, or58r)，由ROW-SELECT信号线对其进 行驱动，且该晶体管耦合在源极跟随放大器晶体管的源极和列输出线之间。如 本领域所已知的那样，激励RESET信号以便于使像素复位，然后在曝光期间 不激励，并在这之后激励行选择线以便于读出像素数据。在备选实施例中，使用上述美国专利6,864,557所描述的偏置和读出电路 的"存储"版本，以替代如图3所示的偏置和读出电路的"非存储"版本。图6是传感器组单元122-1、 122-2、 122-3和122-4所构成的阵列图形，各 个单元包括"S"个VCF传感器组，其中S是较小的整数。为了实现本发明一实 施例的阵列，各个单元122-1、 122-2、 122-3和122-4都具有图6A所示的结构， 并且包括四个VCF传感器组。在本实施例中，各个单元的四个VCF传感器组 包括四个蓝光传感器(图6A所示的光电二极管传感器100、 101、 102和103)、 由四个VCF传感器组共用的一个绿光传感器(图6A所示的光电二极管传感器 104)以及由四个VCF传感器组共用的一个红光传感器组(图6A所示的光电
二极管传感器105)，该单元的VCF传感器组的蓝光传感器100、 101、 102和 103 —起构成传感器顶层，绿光传感器104在蓝光传感器下面，而红光传感器 105在绿光传感器104下面。在图6A所示的一种实现方式中，传感器100、 101、 102、 103、 104和105分别具有与图7-8所示传感器Bl、 B2、 B3、 B4、 G和R 相同的结构，并且晶体管10、 12、 14、 16、 18、 20、 22、 24和26以与图7所 示标号相同的晶体管同样的方式来实现(并执行相同的功能)。图6所示的阵 列可以是更大的VCF传感器组阵列的一部分(例如，由多于两行且多于两列的 传感器组单元构成的阵列)。如图6所示，对该阵列中第"n"行传感器组单元的VCF传感器组提供了单 独的复位线"RESET(n)"(即对第(n+l)行提供复位线"RESET(n+l)")。或者，可 以对该阵列中所有的VCF传感器组提供共用的RESET线。图6所示的阵列包括两行和两列的VCF传感器组单元第一行包括VCF 传感器组单元122-1和122-2;第二行包括VCF传感器组单元122-3和122-4; 第一列包括VCF传感器组单元122-1和122-3;而第二列包括VCF传感器组单 元122-2和122-4。第一 ROW-SELECT线("row—select(n)")连接着VCF传感 器组单元122-1和122-2的行-选择输入(ROW-SELECT)。第二 ROW-SELECT 线("row_select(n+l)")连接着VCF传感器组单元122-3和122-4的行-选择输 入(ROW-SELECT)。正如本领域所已知的那样，第一和第二 ROW-SELECT 线可由行解码器(未示出)进行驱动。第一 COLUMN OUT线("column output(n)")连接着VCF传感器组单元 122-1和122-3。第二组COLUMN OUT线("column output(n+l)")连接着VCF传 感器组单元122-2和122-4的输出。 一般来说，第一和第二 COLUMN OUT线 将耦合着列读出电路(未示出)。RESET线reset(n)连接着VCF传感器组单元 122-1和122-2的复位输入。RESET线reset(n+l)连接着VCF传感器组单元122-3 和122-4的复位输入。全局VPIX线连接着所有VCF传感器组单元122-1至lj 122-4 中将要保持电势VPIX的那些节点(例如，对应于图6A所示节点的各个节点， 为晶体管22和24所共用且保持电势"VPIX")。传感器选择信号bl(n)提供给各个单元122-1和122-2的蓝光传感器100的 传感器选择晶体管的栅极(例如，图6A所示晶体管14的栅极)。传感器选择 信号b2(n)提供给各个单元122-1和122-2的蓝光传感器101的传感器选择晶体 管的栅极(例如，图6A所示晶体管16的栅极)。传感器选择信号b3(n)提供 给各个单元122-1和122-2的蓝光传感器102的传感器选择晶体管的栅极(例 如，图6A所示晶体管18的栅极)。传感器选择信号b4(n)提供给各个单元122-1 和122-2的蓝光传感器103的传感器选择晶体管的栅极(例如，图6A所示晶 体管20的栅极)。传感器选择信号"red(n)"提供给各个单元122-1和122-2的红 光传感器105的传感器选择晶体管的栅极(例如，图6A所示晶体管112的栅 极)。传感器选择信号"green(n)"提供给各个单元122-1和122-2的绿光传感器 104的传感器选择晶体管的栅极(例如，图6A所示晶体管10的栅极)。传感器选择信号bl(n+l)提供给各个单元122-3和122-4的蓝光传感器100 的传感器选择晶体管的栅极。传感器选择信号b2(n+l)提供给各个单元122-3和 122-4的蓝光传感器101的传感器选择晶体管的栅极。传感器选择信号b3(n+l) 提供给各个单元122-3和122-4的蓝光传感器102的传感器选择晶体管的栅极。 传感器选择信号b4(n+l)提供给各个单元122-3和122-4的蓝光传感器103的传 感器选择晶体管的栅极。传感器选择信号"red(n+l)"提供给各个单元122-3和 122-4的红光传感器105的传感器选择晶体管的栅极。传感器选择信号 "green(n+l)"提供给各个单元122-3和122-4的绿光传感器104的传感器选择晶 体管的栅极。图9是本发明的VCF传感器组阵列的一实施例的方框图，其中包括M行 和N列的VCF传感器组单元。VCF传感器组的各个单元Sij (其中1《i《M且 1《j《N)都可以具有如图7所示的结构。图9所示的阵列包括N列线(C0L1-C0LN)。 当各个VCF传感器组的单元具有图7所示的结构时，各个VCF传感 器组单元的输出都将耦合着列线路之一。读出电路11耦合着各个列线路，并 且构成在该阵列的各次读出期间响应于列线路上所接收到的信号而产生图像 数据并将该图像数据提供给视频总线。在图9所示阵列的这类实现方式中，VCF传感器组的各个单元Sij都由图 7所示的四个VCF传感器组构成。图7所示的各个VCF传感器组包括 一个 蓝光传感器(传感器B1、 B2、 B3和B4之一)，其载流子收集区域不与任何其 它传感器组共用； 一个绿光传感器"G"(与三个其它的传感器组共用)；以及
一个红光传感器"R"(与三个其它的传感器组共用)。用于绿光和红光光子的 载流子收集区域的尺寸基本上等于用于蓝光光子的各个收集区域的尺寸的四倍。如图7所示，用于蓝光光子的载流子收集区域(Bl、 B2、 B3和B4)彼此 横向分离。较佳地，这些载流子收集区域之间的分离足以在阵列顶面上提供形 成晶体管的空间。在图7所示的结构中，红光传感器R(和该阵列的各个其它的红光传感器) 上所收集的电荷转换成一电信号，该电信号表示共用该红光传感器的四个VCF 传感器组上入射的红光强度平均值的四倍。绿光传感器G (和该阵列的各个其 它的绿光传感器)上所收集的电荷转换成一电信号，该电信号表示共用该绿光 传感器的四个传感器组上入射的绿光强度平均值的四倍。因此，该阵列与蓝光 有关的分辨率约为与红光或绿光有关的分辨率的四倍。在本发明阵列的这一实 施例中，VCF传感器组中共用红光传感器和绿光传感器(而不共用蓝光传感器) 增大了绿光和红光通道中的信噪比，同时在蓝光通道中保持高的空间分辨率。图7所示传感器组的读出电路包括源极跟随放大器晶体管24，其栅极在读 出期间(通过传感器选择晶体管10、 12、 14、 16、 18和20之一)耦合着传感 器G、 R、 Bl、 B2、 B3和B4中被选中的一个传感器的光电二极管阴极，其漏 极在工作期间保持在电势Vsfd上。读出电路还包括行-选择晶体管26，其栅极 由ROW一SELECT信号线进行驱动，且其沟道耦合在晶体管24的源极和输出线 ("OUT")之间。复位晶体管22的栅极由RESET信号进行驱动。晶体管22的漏 极在工作期间保持在基准电势VPIX上，而其源极耦合着晶体管24的栅极。如 本领域已知的那样，激励RESET信号和传感器选择信号(g、 r、 bl、 b2、 b3和 b4)，以通过将晶体管24的栅极上拉到基准电势VPIX而使像素复位，随后在 曝光期间不激励这些信号。下面的顺序可以用于在曝光之后读出该阵列。首先， 通过驱动RESET信号至高和驱动所有的传感器选择信号(g、 r、 bl、 b2、 b3和 b4)至低，便使检测节点复位。然后，驱动RESET信号至低，从而使晶体管22 截止。接着，为了读取G传感器，驱动晶体管10的栅极(即，g)至高，(同 时驱动其它传感器选择信号r、bl、b2、b3和b4至低)并且也驱动ROW_SELECT 信号至高，这就使得晶体管26的栅极将传感器数值驱动到列输出线路OUT上。 在可以读出同一行中的另一个传感器之前，必须通过驱动所有的传感器选择信
号g、 r、 bl、 b2、 b3和b4至低并且驱动RESET信号至高，以便于再次复位检 测节点。在检测节点被复位之后，驱动RESET信号至低并且驱动晶体管12的 栅极即r至高，以读出R传感器，同时驱动晶体管26的栅极即ROW—SELECT 至高。在检测节点被复位之后，驱动RESET至低并且驱动晶体管14的栅极即 bl至高，以读出Bl传感器，同时驱动晶体管26的栅极即ROW—SELECT至高。 为了读出B2，驱动第一传感器选择信号g、 r、 bl、 b2、 b3和b4至低，而驱动 RESET信号至高。在检测节点被复位之后，驱动RESET至低且驱动晶体管16 的栅极即b2至高，以读出B2传感器，同时驱动晶体管26的栅极即 ROW—SELECT至高。为了读出B3，首先，驱动传感器选择信号g、 r、 bl、 b2、 b3和b4至低，而驱动RESET信号至高。在检测节点被复位之后，驱动RESET 信号至低且驱动晶体管18的栅极即b3至高，以读出B3传感器，同时驱动晶 体管26的栅极即ROW—SELECT至高。为了读出B4，首先，驱动传感器选择 信号g、 r、 bl、 b2、 b3和b4至低且驱动RESET信号至高。在检测节点被复位 之后，驱动RESET信号为很低且驱动晶体管20的栅极即b4至高，以读出B4 传感器，同时驱动晶体管26的栅极ROW一SELECT至高。在本发明阵列的各种实施例中，VCF传感器组排列在由"S"个传感器组构 成的多个单元中(其中S是较小的数，并且当阵列实现成l-l-4阵列时S-4)， 并且各个单元包括单个"检测"节点(例如，图7所示晶体管24的栅极)以 及耦合在该单元的传感器和检测节点之间的传感器选择开关，与具有相同数目 的VCF传感器组的常规VCF传感器组阵列相比，各个单元的传感器通过传感 器选择开关(例如，图7所示晶体管12、 14、 16、 18和20)在该单元的检测 节点处进行的顺序采样能使该阵列的表面层几何形状更为简单(并且通常也更 易于对耗尽光电二极管的修正)。在图7中，示意性地示出了在传感器与晶体管10、 12、 14、 16、 18、 20 和24的栅极之间的导电接触部分。实践中，图7所示的阵列一般是以一块结 构已形成于基板上(例如，通过半导体集成电路制造工艺)的固体材料来实现， 并且在该阵列的顶面上或顶面处实现各个晶体管10、 12、 14、 16、 18、 20、 24 和26。从表面延伸到红光传感器R的垂直定向的接触部分将形成于位置CR处， 并且从表面延伸到绿光传感器G的另一个垂直定向的接触部分将形成于图7所示的位置Ce处。下面将参照图8描述在图7所示这种固态实现方式中传感器 Bl和B2以及晶体管14、 16和24之间的连接示例。图8是与图7所示阵列相似的阵列的固态实现方式的侧面横截面图，它形 成于基板37上。基板37由p型半导体材料构成。图8所示结构包括由图7 所示传感器B1以及与图7所示传感器G和R的形状稍微不同的版本共同构成 的VCF传感器组的各元件；图7所示传感器B2以及与图7所示传感器G和R 的形状稍微不同的版本共同构成的VCF传感器组的各元件；以及晶体管14、 16和图7所示晶体管24的各元件。在图8中，n型半导体区域32是蓝光传感器Bl的载流子收集阴极，n型 半导体区域33是传感器B2的载流子收集阴极，n型半导体区域35是绿光传感 器G (其形状与图7所示传感器G稍微不同，不同之处在于，其接触部分35A 的位置与蓝光传感器Bl和B2有关但与图7的位置Ccj不同)的载流子收集阴 极，并且n型半导体区域36是红光传感器R (其形状与图7所示传感器R稍 微不同，不同之处在于，其接触部分36A的位置与蓝光传感器Bl和B2有关 但与图7的位置Ck不同)的载流子收集阴极。与阴极32、 33、 35和36相邻 的非收集光电二极管阳极由接地的p型半导体层34和接地的p型半导体注入 31构成。垂直定向的接触部分35A是区域35的一部分，它从区域35的主要部分延 伸到芯片的表面。垂直定向的接触部分36A是区域36的一部分，它从区域36 的主要部分延伸到芯片的表面。遮光物28由针对待测辐射具有低透射率的材 料构成，它们形成于区域35和36的边缘部分上(以及区域35和36以及与图 8所示VCF传感器组横向分开的其它VCF传感器组的对应阴极区域之间的边 界区域上)。金属接触部分(未示出)通常形成于接触部分35A和36A的上端， 以便将接触部分35A和36A耦合到偏置和读出电路(即，耦合到图7所示晶体 管10和12)。遮光物28 (以及形成于接触部分35A和36A上端之上的金属接 触部分)用于防止辐射(该辐射通常入射到该阵列的顶面)到达接触部分35A 和36A，因为接触部分35A或36A中的光生电荷将减小该阵列的频率选择性。在图8中，各个p型注入31 (由比p型材料34掺杂更重的p型半导体材 料构成)用作键合层，通过使各个蓝光传感器的各个p-n结恰当地定位到蓝光
传感器的阴极(阴极32或33或蓝光传感器B3或B4的阴极)和阳极(由p型 半导体材料34和31构成)之间从而使表面状态钝化。具体来讲，注入31确 保了各个蓝光传感器的各个p-n结都离该阵列的顶面较远。蓝光传感器Bl的阴极32还用作晶体管14的源极。蓝光传感器B2的阴极 33还用作晶体管16的源极。N型半导体区域27 (包括区域27的重掺杂n型子 区域27A)用作晶体管14的漏极和晶体管16的漏极。多晶硅栅极结构29 (包括n型区域29A、重掺杂n型区域29C和p型区域 29B)是晶体管14的栅极，多晶硅栅极结构30 (包括n型区域30A、重掺杂n 型区域30C和p型区域30B)是晶体管14的栅极，多晶硅栅极结构30 (包括 n型区域30A、重掺杂n型区域30C和p型区域30B)是晶体管16的栅极，电 绝缘的栅极侧壁间隔物29D形成于栅极29的一侧，并且电绝缘的栅极侧壁间 隔物30D形成于栅极30的一侧。为了制造图8的结构，通过离子注入在图示 的位置形成了 n型区域32、 27和33以及位于栅极29和30的位置处的n型多 晶硅结构。然后，通过附加的离子注入，在图示的位置形成了重掺杂n+区域 29C、 27A和30C。然后，通过附加的离子注入，在图示的位置形成了 p型注 入31、 29B和30B。图8所示的"检测节点"接触部分耦合到n+区域27A，还耦合到复位晶体 管22的漏极(图7所示，而图8未示出)。图8中标记为"bl"和"b2"的接触部 分分别耦合到晶体管14和16的栅极。在图8的VCF传感器组的操作过程中，区域31和34保持在接地电势上。 在传感器组的各次曝光和读出之前，偏置电路(包括晶体管IO、 12、 14、 16、 18和22，其中部分已在图7中示出了但在图8中未示出)将各个n型阴极区 域32、 33、 35和36 (以及蓝光传感器B3和B4的n型阴极区域，它们位于图 8所示平面以外)复位到复位电势(大于接地电势的基准电压VPIX)。在暴露 于待测辐射期间，反向偏置的多对相邻的p型和n型区域(32和34、 32和31、 33和34、 33和31、 35和34、 36和34)具有光电二极管的功能第一光电二 极管(实现蓝光传感器B1)，其阴极是层32且其阳极包括区域34和31的部 分；第二光电二极管(实现蓝光传感器B2)，其阴极是层33且其阳极包括区 域34和31的部分；第三和第四光电二极管(实现蓝光传感器B3和B4);第
五光电二极管(实现绿光传感器G)，其阴极是层35且其阳极是区域34的一部分；以及第六光电二极管(实现红光传感器R)，其阴极是层36且其阳极是 区域34的一部分。在读取期间，六个光电二极管的阴极按顺序地耦合着检测 节点。提供给图7所示阵列(像图8所示那样实现)的各元件的典型电压(大于 接地电势)数值如下RESET = 4.0伏特(在复位步骤中)，其它情况下RESET =0伏特；VPIX:3.0伏特；VSFD二3.0伏特；ROW—SELECT = 4.0伏特(在 读取期间)，在其它情况下ROW-SELECT = 0伏特；提供给各个传感器选择 晶体管10、 12、 14、 16、 18和20的栅极的电压是3.0伏特(以便将相关的光 电二极管传感器阴极耦合着晶体管24的栅极)，在其它情况下该电压是0伏 特。图9所示阵列的模拟是以"l-l-4"阵列(其中四个VCF传感器组的各个单元Sij都具有图7所示的结构)的实现方式进行的。此外，图9所示阵列的模拟是以"l-4-l"阵列(其中VCF传感器组的各个单元Sij都是由四个VCF传感器组构成的单元，其中包括四个分开的蓝光传感器、由所有四个VCF传感器组 共用的单个绿光传感器以及在绿光传感器下面的四个分开的红光传感器)的实现方式进行的。这种1-4-1和1-1-4阵列模拟所产生的模拟图像(在用分开的亮 度/色度图像数据处理流水线进行模拟处理之后)实际上是难以区分的，1-4-1 阵列所产生的图像的最暗区域与1-1-4阵列所产生的图像的最暗区域相比只具 有稍微不同的噪声特征。实现本发明的各个1-1-4阵列(例如，图9所示的阵列，其中各个VCF传 感器单元像图7或8所示那样实现)最好实现成各四个传感器组仅有两个垂直 接触部分(例如，插头接触部分)连接着其下层传感器(例如，红光传感器和 绿光传感器)，相比之下，为实现1-4-1阵列，各四个传感器组最少需要5个 垂直接触部分(一个接触部分连接着红色层，而四个接触部分连接着绿色层)。 垂直接触部分所需个数的减小是本发明阵列的重要优点，这使本发明阵列的固 态实现方式的布局得到极大地简化(例如，在该实现方式中，该阵列是一块包 括形成于半导体基板上的各种结构的固体材料)。各个单元包括传感器选择开 关(例如，形成于阵列顶面上的晶体管)，并且可以使布局比具有相同数目的 VCF传感器组的常规阵列所能实现的布局更加紧凑(具有更高的填充因子)和 更加对称。在包括多个VCF传感器组单元(各单元包括"S"个传感器组，其中S是一 个较小的数，并且当该阵列实现成1-1-4阵列时8 = 4)的本发明阵列的各实施 例中，其中各个单元具有单个"检测"节点以及耦合在该单元的传感器和该传 感器节点之间的传感器选择开关，噪声是由各个传感器选择开关的光电二极管 一侧的电容所产生，因为信号电荷不完全与该检测节点共用并且电容添加了不 可抵消的kTC噪声。然而，通过在各个VCF传感器组单元的至少一个下层处 共用多个传感器(例如，通过用共用的绿光传感器和共用的红光传感器来实现 各个单元，而不使用"S"个单独的绿光传感器和"S"个单独的红光传感器)，还 通过在各个共用的传感器和对应传感器选择开关之间仅使用一个垂直接触部 分，便很容易实现顶层非共用的传感器从而具有零或接近为零的电容(例如， 在顶层实现键合的、耗尽的光电二极管从而具有接近为零的电容)，由此使上 述难以抵消的kTC噪声减小到可接受的水平。与常规的VCF传感器组阵列相 比，预计本发明所实现的阵列可以在亮度和色度两方面提供更佳的信噪比。还预计到，通过实现本发明的VCF传感器组的阵列，可以改善色彩浓淡 (color-shading)(随入射角而发生色移)，因为与各个VCF传感器组的单元 内的其它位置相比，在各个这样的单元的角落处(即，各个这样的传感器组单 元共用传感器的地方)更容易以光学方式遮住垂直的接触部分。当本发明的阵 列中每四个VCF传感器组需要五个垂直接触部分并且四个传感器组单元只有 四个角落时，至少一个垂直接触部分必须定位在该单元的边上(而非角落)， 而在边上似乎更难遮住。在后一种情况下，当位于边上的垂直接触部分延伸到 下层(例如，延伸连接着绿光传感器或红光传感器)时，在位于边上的垂直接 触部分附近进入该阵列且在相当浅的深度处(例如，在蓝色层和绿色层之间) 被吸收的那些光子很可能被垂直接触部分收集，与离位于边上的垂直接触部分 较远的地方被吸收的那些光子相比，这改变了颜色的灵敏度。尽管上文已描述了用于实现本发明及其应用的最佳方式，但是对于本领域 的技术人员而言，很清楚，在不背离权利要求书所描述的本发明范围的情况下 可以对本文所描述的各种实施例和应用作出许多改变。应该理解，尽管已示出
并描述了本发明的某些形式，但是本发明并不限于本文所描述和所示出的特定 实施例或特定方法。此外，除非清晰地描述过，否则描述方法的权利要求并不 必然指任何特定顺序的步骤。
权利要求
1.一种垂直滤色片传感器组的阵列，其中，各传感器组包括三个垂直层叠且含有顶部传感器的光敏传感器，所有传感器组的顶部传感器一起构成传感器的顶层，而这些传感器组中的其它传感器一起构成传感器的两层下层，其中，该阵列被配置成使得只有所述顶层才能在全分辨率的情况下进行读出，而各下层都只能在小于全分辨率的情况下进行读出。
2. 如权利要求l所述的阵列，其特征在于，所述阵列具有顶面并且包括位于 所述顶面的读出电路，所述顶层包括X个顶部传感器，其中X是个数，各下层包 括少于X个传感器，并且接触部分从各下层中的各传感器延伸到所述读出电路。
3. 如权利要求2所述的阵列，其特征在于，所述阵列主要由固体材料构成， 所述固体材料包括形成于基板上的结构，所述结构实现所述传感器组和所述读出电 路，各下层都在所述基板和所述顶面之间实现，并且各所述接触部分至少基本上垂 直地从各下层中的各传感器延伸到所述读出电路。
4. 如权利要求3所述的阵列，其特征在于，所述下层包括底层以及位于所述 顶层和所述底层之间的中层，所述底层包括Y个传感器，所述中层包括Z个传感 器，并且Y和Z至少大致等于X/4。
5. 如权利要求l所述的阵列，还包括耦合到所述传感器组中的各传感器的读 出电路。
6. 如权利要求l所述的阵列，其特征在于，至少一个下层中的至少一个传感 器是共用传感器，并且各所述共用传感器都被至少两个传感器组所共用。
7. 如权利要求6所述的阵列，其特征在于，至少一个顶部传感器具有第一尺 寸，并且各所述共用传感器都具有大致比所述第一尺寸要大的尺寸。
8. 如权利要求l所述的阵列，还包括耦合到各传感器组的各传感器的读出电 路，其中所述阵列主要由固体材料构成，所述固体材料包括形成于基板上的结构， 所述结构实现所述传感器组和所述读出电路。
9. 一种传感器组单元的阵列，其中，所述阵列的各传感器组单元包括 S个垂直滤色片传感器组，其中S是个数，并且各传感器组包括三个垂直层叠且含有顶部传感器的光敏传感器，其中所有传感器组的顶部传感器一起构成传感器顶层，这些传感器组中的其 它传感器一起构成位于所述顶层下面的传感器的两层下层，并且各所述单元包括位 于所述顶层中的S个传感器和位于各下层中的少于S个的传感器。
10. 如权利要求9所述的阵列，其特征在于，各所述单元包括位于各下层中 的至少一个共用传感器，并且各所述共用传感器都被至少两个传感器组所共用。
11. 如权利要求9所述的阵列，其特征在于，所述阵列具有顶面并且各所述 单元包括位于所述顶面上的读出电路，所述阵列主要由固体材料构成，所述固体材 料包括形成于基板上的结构，所述结构实现各所述单元中的传感器组和读出电路， 并且接触部分至少基本上垂直地从各下层中的各传感器延伸到所述读出电路。
12. 如权利要求ll所述的阵列，其特征在于，各所述单元包括 检测节点；以及传感器选择开关，所述开关耦合在所述单元的传感器与所述检测节点之间， 其中所述传感器选择开关被配置成在读取期间受到控制以便在所述检测节点处实 现所述单元的各传感器的顺序读出。
13. 如权利要求12所述的阵列，其特征在于，各传感器选择开关都是晶体管。
14. 如权利要求12所述的阵列，其特征在于，S = 4，所述下层是底层以及位 于所述顶层和所述底层之间的中层，所述各单元包括位于各底层和中层中的一个传 感器以及六个传感器选择开关，各底层和中层中的各传感器均由该单元中所有的传 感器组共用， 一个传感器选择开关耦合到所述底层中的传感器，另一个传感器选择 幵关耦合到所述中层中的传感器，并且各其它的传感器选择开关耦合到所述顶层中 的不同传感器。
15. —种垂直滤色片传感器组的阵列，其中，各传感器组包括三个垂直层叠 且含有蓝光传感器、绿光传感器和红光传感器的光敏传感器，所有传感器组中的蓝 光传感器一起构成传感器顶层，所有传感器组中的绿光传感器一起构成传感器中 层，以及所有传感器组中的红光传感器一起构成传感器底层，其中该阵列被配置成 使得只有顶层才可以在全分辨率的情况下进行读出，而各其它层只能在小于全分辨 率的情况下进行读出。
16. 如权利要求15所述的阵列，还包括耦合到各传感器组的各传感器的读出 电路，其中所述阵列主要由固体材料构成，所述固体材料包括形成于基板上的结构，所述结构实现所述传感器组和所述读出电路。
17. 如权利要求15所述的阵列，其特征在于，所述阵列包括X个蓝光传感器、Y个绿光传感器和Z个红光传感器，其中X〉Y且X〉Z。
18. 如权利要求17所述的阵列，其特征在于，X至少大致等于4Y，和X至 少大致等于4Z。
19. 如权利要求17所述的阵列，其特征在于，所述阵列具有顶面并且所述阵 列还包括位于所述顶面上的读出电路；绿光传感器接触部分，各绿光传感器接触部分都在所述绿光传感器之一以及所述读出电路之间延伸；以及，红光传感器接触部分，各红光传感器接触部分都在所述红光传感器之一以及 所述读出电路之间延伸。
20. 如权利要求19所述的阵列，其特征在于，所述阵列主要由固体材料构成， 所述固体材料包括形成于基板上的结构，所述结构实现所述传感器组和所述读出电 路，各绿光传感器接触部分至少基本上垂直地从所述绿光传感器之一延伸到所述读 出电路，并且各红光传感器接触部分至少基本上垂直地从所述红光传感器之一延伸 到所述读出电路。
21. 如权利要求15所述的阵列，其特征在于，所述中层和所述底层中至少有 一层的传感器中的至少一个传感器是共用传感器，并且各所述共用传感器被至少两 个传感器组所共用。
22. 如权利要求21所述的阵列，其特征在于，所述顶部传感器中至少有一个 传感器具有第一尺寸，并且各所述共用传感器具有大致比所述第一尺寸要大的尺寸。
23. 如权利要求15所述的阵列，其特征在于，各传感器被配置成偏置后具有 光电二极管的功能，并且具有载流子收集元件，所述载流子收集元件被配置成当所 述传感器偏置后具有光电二极管的功能时就收集光生载流子，其中各蓝光传感器的 载流子收集元件是尺寸最小的载流子收集元件，并且各红光传感器和绿光传感器的 载流子收集元件都具有投影到垂直于垂直轴的平面上的面积，该面积大致大于所述 尺寸最小的载流子收集元件在所述平面上投影出的面积。
24. —种垂直滤色片传感器组的阵列，其中，各传感器组包括三个垂直层叠且含有蓝光传感器、绿光传感器和红光传感器的光敏传感器，该阵列包括X个蓝 光传感器、Y个绿光传感器以及Z个红光传感器，此处X、 Y和Z都是个数，X 至少大致等于4Y， X至少大致等于4Z，所有传感器组中的蓝光传感器一起构成传 感器顶层，所有传感器组中的绿光传感器一起构成传感器中层，以及所有传感器组 中的红光传感器一起构成传感器底层
25. 如权利要求24所述的阵列，还包括耦合到各传感器组中的各传感器的读 出电路，其中所述阵列主要由固体材料构成，所述固体材料包括形成于基板上的结 构，所述结构实现所述传感器组和所述读出电路。
26. 如权利要求24所述的阵列，其特征在于，所述阵列具有顶面并且所述阵 列还包括位于所述顶面上的读出电路；绿光传感器接触部分，各绿光传感器接触部分都在所述绿光传感器之一以及 所述读出电路之间延伸；以及，红光传感器接触部分，各红光传感器接触部分都在所述红光传感器之一以及 所述读出电路之间延伸。
27. 如权利要求26所述的阵列，其特征在于，所述阵列主要由固体材料构成， 所述固体材料包括形成于基板上的结构，所述结构实现所述传感器组和所述读出电 路，各绿光传感器接触部分至少基本上垂直地从所述绿光传感器之一延伸到所述读 出电路，并且各红光传感器接触部分至少基本上垂直地从所述红光传感器之一延伸 到所述读出电路。
28. 如权利要求24所述的阵列，其特征在于，各中层和底层中至少有一个传 感器是共用传感器，并且各所述共用传感器被至少两个传感器组所共用。
29. 如权利要求28所述的阵列，其特征在于，所述顶部传感器中至少有一个 传感器具有第一尺寸，并且各所述共用传感器具有大致比所述第一尺寸要大的尺寸。
30. 如权利要求24所述的阵列，其特征在于，各传感器被配置成偏置后具有 光电二极管的功能，并且具有载流子收集元件，所述载流子收集元件被配置成当所 述传感器偏置后具有光电二极管的功能时就收集光生载流子，其中各蓝光传感器的 载流子收集元件是尺寸最小的载流子收集元件，并且各红光传感器和绿光传感器的 载流子收集元件都具有投影到垂直于垂直轴的平面上的面积，该面积大致大于所述 尺寸最小的载流子收集元件在所述平面上投影出的面积。
全文摘要
一种垂直滤色片(VCF)传感器组的阵列以及用于读出任何实施例中的阵列的方法，这种阵列任选地包括或耦合着用于将传感器中产生的光生载流子转换成电信号的电路。该阵列具有顶层(包括传感器组中的顶部传感器)以及至少一个下层(包括上述传感器中的其它传感器)。只有顶层可以以全分辨率进行读出。各个下层只能以小于全分辨率的分辨率进行读出，以产生比像素传感器位置的总数要少的传感器输出值。通常，传感器组按单元排列，各个单元都包括S个传感器组(例如，S＝4)，该单元的顶层具有S个传感器，而各个下层具有少于S个传感器。通常，各个单元包括位于各个下层中的至少一个共用的传感器(被两个或更多的VCF传感器组所共用的传感器)，并且各个单元还包括位于该单元的传感器和传感器节点之间的传感器选择开关(例如，晶体管)。
文档编号H01L31/00GK101151735SQ200680005473
公开日2008年3月26日 申请日期2006年10月27日 优先权日2005年11月22日
发明者M·O·芭格拉, P·M·赫伯尔, R·B·梅瑞尔, R·F·里昂 申请人:佛文恩股份有限公司