专利名称：以纳米线为基础的被动式像素图像传感器的制作方法
技术领域：
实施例是关于纳米线装置，更特定言之是关于纳米线结构的图像传感器。
背景技术：
用互补金氧半导体(CMOS)所实施的图像传感器是已知且广泛用于曾经为CXD图像装置所支配的许多应用中。由于市场上对高解析度图像装置的需求的增加，已持续地努力通过采用CMOS制程的新进步所允许的较小几何形制程而将CMOS图像装置的像素大小按比例缩小。典型CMOS主动式像素传感器(APQ包括三晶体管(3-T)像素或四晶体管(4-T) 像素。归因于作为读出电路元件而非探测元件的晶体管的面积，像素的探测面积通常小于物理像素尺寸。光电探测器面积与像素面积的百分比比率是称作光学填充系数。未使用微透镜的小像素APS的典型充填因数为大约30%。虽然CMOS APS具有许多超过C⑶的优点， 但是其性能极大地受限于低充填因数。但是，被动式像素具有拥有较高充填因数的优点，因为其包括较少非探测组件。目前大多数CMOS图像装置使用微透镜，微透镜需要额外制程以通过将光束聚焦在光电探测器上而提高充填因数。然而，随着像素大小缩小超过2微米X2微米，通过使用微透镜而取得充填因数的提高变得非常小。因此，像素大小的缩小导致光学填充系数的减小及低量子效率(QE)。除充填因数问题以外，光在向下到达光电探测器的表面前须穿透多个厚介电层。 在层之间的各界面上，由于折射率变化光被反射。此外，光能在厚层传输期间被损耗。光传输损耗与层的数量及层的厚度成比例。多个介电层是归因于CMOS制造要求而形成。通常， 现代CMOS制程图像传感器制造采用5至6个金属层。由于各介电层加上金属层的厚度大约为1. 0微米，故此导致5微米至6微米厚的介电层的沉积。在光电探测器上方不存在金属层之处充填介电层以使各堆叠层平坦化。因此，归因于传输损耗的光能损耗变得明显。此外，存在归因于厚介电层的另一严重问题。当像素间距小至2.0微米或更小时，光电探测器宽度可为1微米或更小。随后，堆叠高度与光电探测器上方的金属层的开口窗的大小的纵横比高于6。在此情况中，当光以除垂直于成像平面之外的角度入射时，光束很容易被金属覆层阻挡。若采用微透镜，纵横比变得更高且导致更严重的光阴影效应。随着像素大小变得更小，光阴影变得更严重。因此，像素信号严重减弱，导致不可接受的信噪比(SNI )。困扰图像传感器的另一问题是串扰。串扰是在传输系统的像素或通道中所传输的信号在另一像素或通道中产生不需要的效应的现象。对于光学传感器，存在至少两种类型的串扰(1)光串扰，O)电串扰。当各像素未光隔离时发生光串扰。由于当光以一成角度方向入射时或当光被金属层或介电层界面反射时，光屏蔽金属层仅阻挡从垂直方向入射的光，因此像素中的散射光可以容易地穿过透明介电层进入相邻像素。此效应称作导光效应。 当像素大小接近光的波长时亦发生光串扰。绕射导致到达邻近光电二极管而非所要光电二极管的光的数量急剧增加。当光子所产生的电子穿过硅基板进入邻近像素时发生电串扰。
因此，存在通过引入新型像素架构而克服此等问题的强烈需要。新架构较佳须保持CMOS相容性以方便制造。近来，一种纳米级技术已出现且开创了以CMOS技术中不可行的方式设计新颖结构及组合材料的新可能性。因此，通过采用纳米级技术，特定言之纳米线，有利于产生小像素以及良好的光学填充系数、低光串扰及高QE。
发明内容
许多技术进步可以通过在半导体基板上所形成的图像传感器的被动式像素或被动式像素阵列中实施纳米线结构光电探测器而达成。此像素方法提供一种具有小像素大小、高光学填充系数、低光学串扰及高QE的图像传感器。根据本发明，像素包括一直立纳米线结构光电探测器及形成在半导体基板中的一开关晶体管。纳米线是一种从基板伸出且适合于从上方进行光子吸收的一非常窄及长的圆柱形半导体元件。根据本发明，纳米线结构光电探测器是用一轻度掺杂的η型或P型半导体所形成， 该轻度掺杂的η型或ρ型半导体是涂布有一绝缘层及一导体层，发挥一垂直光电门的作用。根据其它实施例，纳米线结构光电探测器形成的光电二极管有许多变化，包含一轴向ρ-η或p-i-n 二极管、一同轴p-n或p-i_n 二极管。在各情况中，一通路晶体管是形成在半导体基板中。根据另一实施例，一转移门极(TX)或一开关晶体管是形成在纳米线结构光电探测器的同一主体上。此外，光电探测器加上开关晶体管的总占用面积大小与像素大小相同。 因此，可将本实施例的一像素制作得非常小。根据其它实施例，纳米线结构光电探测器形成的光电二极管有许多变化，包含一轴向P-n或p-i-n 二极管、一同轴pn-或p-i-n 二极管。在各情况中，一转移门极(TX)是位于纳米线结构光电探测器的同一主体上。在另一态样中，装置是经组态以探测大小约为500纳米或更小的物体。在另一实施例中，装置是经组态以探测大小约为100纳米或更小的物体。在另一态样中，纳米线包括硅。在另一态样中，介于纳米线之间的间隔被充填Si02。在另一态样中，介于纳米线之间的间隔被充填空气或真空。在另一态样中，像素阵列是配置为便士的圆形图案。在另一态样中，像素阵列图案包括等边三角形。在另一态样中，主动式纳米线光电二极管包括一 p-i-n 结。在另一态样中，纳米线光电二极管包括一周边电路元件。在另一态样中，装置进一步包括一光学成像系统。在另一态样中，装置进一步包括一垂直光电门及具有折射率低于纳米线的折射率的介电材料，该介电材料是围绕纳米线沉积以在垂直光电门与纳米线之间形成电容。在另一态样中，垂直光电门是经组态以控制纳米线中的电位，形成垂直方向及水平方向的一电位梯度。在一态样中，各像素包括一浅沟渠隔离区域，该浅沟渠隔离区域是经组态以使像素彼此电隔离。在一态样中，各像素进一步包括一铟锡氧化物(ITO)层且其中偏压电压是透过ITO层施加至像素。在一态样中，像素包括基板中的一垂直PIN纳米线结构及一光电二极管。在一态样中，该垂直P-i-n纳米线结构包括一本征纳米线核心，该本征纳米线核心顶部的一 ρ+层及该本征纳米线核心下方的基板中的一 η-区。在一态样中，像素是经组态使得施加至像素的一负偏压使纳米线中的电荷空乏，并在纳米线中产生将电荷扫至基板的一电位梯度。在一态样中，纳米线是进一步涂布有一材料，该材料是经组态以沿着纳米线向下引导光并减少像素之间的光串扰。在一态样中，垂直p-i-n纳米线结构包括由一本征层所围绕的一 η-核心，该本征层是被一 P+层所围绕。在一态样中，像素是经组态使得基板是电接地，且施加至像素的一负偏压可使纳米线及基板中的电荷空乏。在一态样中，纳米线是用两个电场分量组态，一电场分量指向纳米线中心，且另一电场分量指向基板。在一态样中，纳米线中的电荷朝向纳米线的中心移动且随后朝向基板移动。在一态样中，各像素包括一垂直光电门及放置在纳米线光电二极管上的一开关。 在一态样中，像素阵列是组态为列及行且基板包括经组态以连接纳米线成行的一 η+层。在一态样中，基板中的η+层是组态为一信号线。在一态样中，像素是经组态使得当开关关闭时在开关下方形成一电位障，使得纳米线中由光子所产生的电荷可积累。在一态样中，纳米线是与基板电隔离但未与基板光隔离。在一态样中，当开关开启时，纳米线中的电荷流至基板。在一态样中，像素包括一垂直p-i-n纳米线结构及一纳米线开关。在一态样中，该垂直p-i-n纳米线结构包括一本征纳米线核心，该本征纳米线核心顶部的一 P+层及纳米线下方的基板中的一 η+区，该基板具有ρ掺杂。在一态样中，纳米线包括介于该开关与该本征纳米线核心之间的一 η-层。在一态样中，该η+层具有带孔的一实质环形形状，该孔是经组态以提供从本征纳米线至P掺杂基板之间的一电路径。在一态样中，该η+区具有一实质长方形形状。在一态样中，该垂直P-i-n纳米线结构包括由一本征层所围绕的一 η-核心， 该本征层是由一 P+层所围绕。在一态样中，该垂直p-i-n纳米线结构包括一本征纳米线核心、该本征纳米线核心顶部的一 P+层及纳米线下方的一 η+区，其中该η+区是位于基板上的绝缘层上的金属带上。在一态样中，该η+区与该金属带具有欧姆接触。在一态样中，基板包括硅、一 III-V半导体及II-VI半导体、或塑胶。在一态样中，像素不包括基板中的一光电二极管。在一态样中，该垂直P-i-n纳米线结构包括由一本征层所围绕的一 η-核心，该本征层是由一 P+层所围绕，该垂直PIN结构进一步包括纳米线下方的一 η+区，其中该η+区是位于基板上的一绝缘层上的一金属带上。在一态样中，基板包括硅、一 III-V半导体及II-VI半导体、或塑胶。另一实施例是关于一种成像方法，其包括获得包括一像素阵列的一纳米线传感器阵列，该等像素包括一主动式纳米线光电二极管及一基板；放置一物体与该纳米线传感器阵列接触；将该物体及传感器暴露至电磁辐射；及探测该物体的一影像。在一态样中，该纳米线传感器包括至少一光源。在本文所揭示的实施例中，核心较佳包括一纳米线波导。该纳米线元件较佳是组态为一光电二极管、一电荷储存电容或其等的组合。更佳言之，该核心包括一波导，该波导包括一半导体材料。装置可进一步包括该核心中围绕该波导的一钝化层。装置可进一步包括该核心中围绕该波导的一金属层。装置可进一步包括围绕该钝化层的一金属层。装置较佳不包括彩色滤光器或顶滤光器。纳米线光导管可为圆形、非圆形或圆锥形。若装置具有一核心及包覆，则较佳该核心具有一核心折射率(Il1)且该包覆具有一包覆折射率(Ii2)，其Φ Ii1 > n2 gJc Ii1 = n2o在一些实施例中，装置可进一步包括至少一对金属接点，该等金属接点的至少一者接触纳米线波导。纳米线较佳是经组态以透过核心及包覆按一所选择的波长分离入射至该纳米线波导的一电磁辐射光束的波长，而无需一彩色滤光器或顶滤光器。在一实施例中，该纳米线波导是经组态以转化透过该波导传输的电磁辐射的能量并产生电子空穴对。 在一实施例中，该波导包括一 p-i-n结，该p-i-n结经组态以探测在该波导中所产生的光电荷。在一些实施例中，装置可进一步包括纳米线波导上方的一透镜结构或一光学耦合器，其中该光学耦合器是可操作地耦合至纳米线。该光学耦合器较佳包括一弯曲表面以将电磁辐射透过通道传送至该纳米线内。在一些实施例中，装置可进一步包括围绕纳米线波导的一堆叠，该堆叠包括嵌入介电层中的金属层，其中该等介电层具有比包覆低的一折射率。该堆叠的一表面较佳包括一反射表面。一被动式或主动式纳米线波导具有截止波长，该截止波长是波导可传播的最低频率。核心的半导体波导的直径作为波导的截止波长的控制参数。在一些实施例中，纳米线的截面可为圆形以发挥圆形波导的功能，该圆形波导的特点为下列参数(1)核心半径(R。)； (2)核心折射率(Ii1)；及C3)包覆折射率(Ii2)。此等参数通常决定可透过波导传播的光的波长。一波导具有一截止波长X。t。具有波长长于该截止波长的入射电磁辐射部分不会受到核心的限制。因此，发挥截止波长为绿光的波导的作用的纳米线将不传播蓝光穿过核心， 且发挥截止波长为红色的波导的作用的纳米线将不透过核心传播蓝光及绿光。核心可通过吸收受限制光及产生电子空穴对而作为光电二极管。因此，核心中截止波长为绿光的主动式波导不会传播蓝光但亦吸收受限制之绿光并产生光电荷。
图1绘示一先前技术一小型CMOS像素的截面图。图2是一实施例的一像素的示意图。图3是一实施例的一像素阵列的示意图。图4绘示具有一纳米线及一垂直光电门的像素的一实施例的截面图(a)及俯视图 (b)。图5绘示具有一垂直p-i-n纳米线光电二极管及一大尺寸光电二极管的像素的一实施例的截面图。图6绘示具有一同轴p-i-n纳米线光电二极管的像素的一实施例的截面图。图7绘示具有一纳米线、一垂直光电门及一纳米线开关晶体管的像素的一实施例的截面图(a)及俯视图(b)。图8绘示具有一垂直p-i-n纳米线光电二极管及一纳米线开关晶体管的像素的一实施例的截面图(a)及俯视图(b)。图9绘示具有一垂直p-i-n纳米线光电二极管及一纳米线开关晶体管的像素的一实施例的截面图。图10绘示具有一同轴p-i-n纳米线光电二极管及一纳米线开关晶体管的像素的一实施例的截面图。图11绘示具有一金属带状线上的一垂直p-i-n纳米线光电二极管及一纳米线开关的像素的一实施例的截面图。图12绘示具有一金属带状线上的一同轴p-i-n纳米线光电二极管的一纳米线开关的一被动式像素的一实施例的截面图。图13绘示配置为便士圆形图案的一像素阵列的一实施例的俯视图。图14绘示具有一纳米线及一垂直光电门及同心介电层的像素的一实施例的截面图(a)及俯视图(b)。
具体实施例方式在下文详细描述中，参考形成本文的一部分的随附图式。在图式中，类似符号通常表示类似组件，除非上下文中另有规定。详细描述、图式及申请专利范围中所描述的阐释性实施例并不意味着限制。可在不脱离本文所提出主题的精神或范围的情况下使用其它实施例并进行其它变更。下表中总结图式中所绘示的元件的符号。
权利要求
1.一种装置，其包括一像素阵列，该等像素包括一纳米线光电二极管，该纳米线光电二极管包括一纳米线及一基板，其中该等像素是被动式像素。
2.如权利要求1的装置，其中该基板不包括一光电二极管。
3.如权利要求1的装置，其中该纳米线是经组态以透过该纳米线按一所选择的波长分离入射在该像素上的一电磁辐射光束的波长，其中该纳米线是经组态以作为用于传输波长高至该所选择的波长的一通道及用于探测透过该纳米线传输的波长中高至该所选择的波长的波长的一主动式元件。
4.如权利要求3的装置，其中该所选择的波长包括紫外光及更小波长的光。
5.如权利要求1的装置，其中该装置是经组态以探测大小约为500纳米或更小的物体。
6.如权利要求5的装置，其中该装置是经组态以探测大小约为100纳米或更小的物体。
7.如权利要求1的装置，其中该纳米线包括硅。
8.如权利要求1的装置，其中介于纳米线之间的间隔被充填Si02。
9.如权利要求1的装置，其中介于纳米线之间的间隔被充填空气。
10.如权利要求1的装置，其中该像素阵列是配置为一便士圆形图案。
11.如权利要求9的装置，其中该像素阵列图案包括一拜耳图案。
12.如权利要求1的装置，其中该纳米线光电二极管包括一轴向p-i-n结。
13.如权利要求1的装置，其中该纳米线光电二极管包括一同轴p-i-n结。
14.如权利要求1的装置，其中该纳米线光电二极管包括一周边电路元件。
15.如权利要求1的装置，其进一步包括一光学成像系统。
16.一种装置，其包括一被动式像素传感器，该被动式像素传感器包括一像素阵列，该等像素包括一纳米线光电二极管，该纳米线光电二极管包括一纳米线及一基板，其中该等像素是被动式像素。
17.如权利要求16的装置，其进一步包括一开关，该开关是经组态以在关闭时使该纳米线中由光子所产生的电荷可累积及在其开启时从该纳米线中排尽。
18.如权利要求16的装置，其进一步包括至少一光源。
19.如权利要求16的装置，其中该像素阵列包括诸列及诸行且各像素具有一输出连接至一行信总线的。
20.如权利要求19的装置，其中该信号总线是连接至一放大器的输入。
21.如权利要求16的装置，其中该开关包括一转移门极，该像素阵列包括诸列及诸行， 且一列中的各转移门极是连接至通过一垂直驱动器而驱动的一单个总线线。
22.如权利要求20的装置，其中该像素阵列是经组态以按列读出。
23.如权利要求16的装置，其中该纳米线是经组态以透过该纳米线按一所选择的波长分离入射在该像素上的一电磁辐射光束的波长，其中该纳米线是经组态以作为用于传输高至该所选择的波长的波长的一通道及用于探测透过该纳米线传输的波长中高至该所选择的波长的波长的一光敏元件。
24.如权利要求23的装置，其中该等像素进一步包括该基板中的一光电二极管。
25.如权利要求M的装置，其中该基板中的该光电二极管是经组态以吸收波长长于该所选择波长的光子。
26.如权利要求25的装置，其进一步包括一垂直光电门及具有折射率低于该纳米线的一折射率的的介电材料，该介电材料是围绕该纳米线沉积以在该垂直光电门与该纳米线之间形成一电容。
27.如权利要求沈的装置，其中该垂直光电门是经组态以控制该纳米线中的电位，形成垂直方向及水平方向的一电位梯度。
28.如权利要求16的装置，其中各像素包括一浅沟渠隔离区域，该浅沟渠隔离区域是经组态以使该等像素彼此电隔离。
29.如权利要求16的装置，其中各像素进一步包括一铟锡氧化物ITO层且其中一偏压电压是透过该ITO层而施加至该等像素。
30.如权利要求14的装置，其中该像素包含以垂直p-i-n纳米线结构和基板中的一光电二极管。
31.如权利要求19的装置，其中该垂直p-i-n纳米线结构包括一本征纳米线核心，该本征纳米线核心顶部的一 P+层及该本征纳米线核心下方的该基板中的一 η-区。
32.如权利要求31的装置，其中该等像素是经组态使得施加至该像素的一负偏压使该纳米线中的电荷空乏并在该纳米线中产生将电荷扫至该基板的一电位梯度。
33.如权利要求31的装置，其中该纳米线是进一步涂布有一材料，该材料是经组态以沿着该纳米线向下引导光并减少像素之间的光串扰。
34.如权利要求30的装置，其中该垂直p-i-n纳米线结构包括被一本征层围绕的一 η-核心，该本征层被一 P+层围绕。
35.如权利要求34的装置，其中该像素是经组态使得基板是电接地，且施加至像素的一负偏压可使纳米线及基板中的电荷空乏。
36.如权利要求35的装置，其中该纳米线是用两个电场分量组态，一电场分量指向纳米线中心，且另一电场分量指向基板。
37.如权利要求36的装置，其中该纳米线中的电荷朝向纳米线的中心移动且随后朝向基板移动。
38.如权利要求16的装置，其中各像素包括一垂直光电门及放置在该纳米线光电二极管上的一开关。
39.如权利要求38的装置，其中该像素阵列是组态为诸列及诸行且该基板包括经组态以连接纳米线成行的一 η+层。
40.如权利要求39的装置，其中该基板中的该η+层是组态为一信号总线线。
41.如权利要求38的装置，其中该等像素是经组态使得当该开关关闭时在该开关下方形成一电位障，使得该纳米线中由光子所产生的电荷可积累。
42.如权利要求41的装置，其中该纳米线是与该基板电隔离但未与该基板光隔离。
43.如权利要求38的装置，其中当该开关开启时，该纳米线中的电荷流至该基板内。
44.如权利要求16的装置，其中该等像素包括一垂直p-i-n纳米线结构及一纳米线开关。
45.如权利要求44的装置，其中该垂直p-i-n纳米线结构包括一本征纳米线核心，该本征纳米线核心顶部的一 P+层及该纳米线下方的该基板中的一 η+区，该基板具有ρ-掺杂。
46.如权利要求45的装置，其中该纳米线包括介于该开关与该本征纳米线核心之间的一 η-层。
47.如权利要求45的装置，其中该η+层具有带一孔的一实质环形形状，该孔是经组态以提供从该本征纳米线至该P-掺杂基板之间的一电路径。
48.如权利要求44的装置，其中该垂直p-i-n纳米线结构包括由一本征层所围绕的一 η-核心，该本征层是由一 P+层所围绕。
49.如权利要求44的装置，其中该垂直p-i-n纳米线结构包括一本征纳米线核心，该本征纳米线核心顶部的一 P+层及该纳米线下方的一 η+区，其中该η+区是位于该基板上的一绝缘层上的一金属带上。
50.如权利要求49的装置，其中该η+区与该金属带具有一欧姆接触。
51.如权利要求49的装置，其中该基板包括硅、一III-V半导体及II-VI半导体、或塑胶。
52.如权利要求49的装置，其中该等像素不包括该基板中的一光电二极管。
53.如权利要求44的装置，其中该垂直p-i-n纳米线结构包括由一本征层所围绕的一 η-核心，该本征层是由一 P+层所围绕，该垂直p-i-n结构进一步包括该纳米线下方的一 η+ 区，其中该η+区是位于该基板上的一绝缘层上的一金属带上。
54.如权利要求53的装置，其中该基板包括硅、一III-V半导体及II-VI半导体、或塑胶。
55.一种成像方法，其包括获得包括一像素阵列的一纳米线传感器阵列，该等像素包括一纳米线光电二极管及一基板；放置一物体与该纳米线传感器阵列接触； 将该物体及传感器暴露至电磁辐射；及探测该物体的一影像， 其中该等像素是被动式像素。
56.如权利要求55的方法，其中该纳米线传感器包括至少一光源。
57.如权利要求55的方法，其中该纳米线传感器是经组态以探测大小约为500纳米或更小的物体。
58.如权利要求55的方法，其中光是经准直。
59.如权利要求55的方法，其中该等像素是配置为一便士圆形图案。
60.如权利要求55的方法，其中该像素阵列包括诸列及诸行且该阵列是按列读取。
61.如权利要求55的方法，其中该等像素中所产生的电荷是在该像素阵列外部放大。
62.一种装置，其包括一像素阵列，该等像素包括一纳米线光电二极管，该纳米线光电二极管包括一纳米线及一基板，其中该纳米线是被两个或两个以上同心介电层围绕，其中该等像素是被动式像素。
63.如权利要求62的装置，其中该纳米线缺乏一同心金属层。
64.如权利要求62的装置，其中该两个或两个以上同心介电层的连续同心介电层具有随半径增加而降低的一折射率。
65.如权利要求62的装置，其中具有一较大半径的同心介电层与具有一较小半径的同心介电层相比具有一较低折射率。
66.如权利要求62的装置，其中邻近同心介电层具有交替的较高及较低的折射率。
全文摘要
一种成像装置，其包含适用于大小小于500纳米的小型物体成像的复数个光敏元件。每个光敏元件形成一被动式像素，该被动式像素包括至少一纳米线结构光电探测器及一开关晶体管。该纳米线结构光电探测器是经组态以接收光子及储存光子所产生的电荷并表现为一波导。该开关晶体管是形成在基板中或纳米线的相同主体上，且是经组态以使得该纳米线中由光子所产生的电荷可在其关闭时积累且在其开启时从该纳米线中排尽。像素阵列是经组态通过配置为便士的圆形图案而允许高解析度成像。
文档编号H01J40/14GK102576643SQ201080043180
公开日2012年7月11日 申请日期2010年10月5日 优先权日2009年10月7日
发明者俞荣俊, 穆尼布·沃贝尔 申请人:立那工业股份有限公司