(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電性の基板により支持されたイメージセンサーの画素アレイであって、
青色光を検出する第１画素と、第２画素とを備え、
前記第２画素は、
前記基板中に第２導電性の第２領域を備える光検出器と、
前記第２領域より垂直に上に、且つ前記基板の基板表面の下に位置する第１導電性の第１領域と、
前記第１領域に当接する、第１トランジスタの第１ドレインと、
前記第１及び第２領域より垂直に上に位置する、前記第１トランジスタの第１ゲートと、
赤色カラーフィルター、緑色カラーフィルター又は黄色カラーフィルターである第１カラーフィルターと、
光を前記第１カラーフィルターから前記第１ゲート及び前記第１領域を介して前記第２領域へ透過させる第１光導波路とを備え、
前記第１画素は前記基板中に第２導電性の領域を備える光検出器を含み、
前記第１画素の光検出器のすべての第２導電性の領域の前記基板表面側の前記基板表面から離れている境界は、前記第２画素の前記第２領域の前記基板表面側の、前記第１領域の下にある境界より、前記基板の表面に近い、画素アレイ。
【請求項２】
第１導電性の基板により支持されたイメージセンサーの画素アレイであって、
青色光を検出する第１画素と、第２画素とを備え、
前記第２画素は、
前記基板中に第２導電性の第２領域を備える光検出器と、
前記第２領域より垂直に上に、且つ前記基板の上界面の下に位置する第１導電性の第１領域と、
前記第１領域に当接する、第１トランジスタの第１ドレインと、
前記第１及び第２領域より垂直に上に位置する、前記第１トランジスタの第１ゲートと、
赤色カラーフィルター、緑色カラーフィルター又は黄色カラーフィルターである第１カラーフィルターと、
光を前記第１カラーフィルターから前記第１ゲート及び前記第１領域を介して前記第２領域へ透過させる第１光導波路とを備え、
前記第１画素が、
青色カラーフィルター又はマゼンタ色カラーフィルターである第２カラーフィルターと、
光をトランジスタのゲートをほとんど通らず、前記第２カラーフィルターから前記基板へ透過させる第２光導波路を備える、画素アレイ。
【請求項３】
前記第１トランジスタが選択スイッチ、リセットスイッチ又は出力トランジスタである、請求項１または２の画素アレイ。
【請求項４】
前記第１トランジスタが伝送ゲートである、請求項１または２の画素アレイ。
【請求項５】
前記第１光導波路がその側壁での全内部反射を使用して、光の横方向出射を防止している、請求項１または２の画素アレイ。
【請求項６】
前記第１ゲートの厚みが２００オングストローム〜１０００オングストロームである、請求項１または２の画素アレイ。
【請求項７】
前記第１ゲートの厚みが３００オングストローム〜７００オングストロームである、請求項１または２の画素アレイ。
【請求項８】
前記第１ゲートの厚みが５００±５０オングストロームである、請求項１または２の画素アレイ。
【請求項９】
前記第１ゲートが、前記イメージセンサーのＡＤＣにおけるトランジスタのゲートよりも薄い、請求項１または２の画素アレイ。
【請求項１０】
前記第１領域の深さは、前記第１カラーフィルターが赤色カラーフィルターの場合は、前記基板内で０．８ｕｍ以下であり、前記第１カラーフィルターが緑色カラーフィルター又は黄色カラーフィルターである場合は、前記基板内で０．５ｕｍ以下である、請求項１または２の画素アレイ
【請求項１１】
前記第１画素が、
青色カラーフィルター又はマゼンタ色カラーフィルターである第２カラーフィルターと、
光をトランジスタのゲートをほとんど通らず、前記第２カラーフィルターから前記基板へ透過させる第２光導波路を備える、請求項１の画素アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願との関係
本願は、２０１０年１０月１８日に出願した米国特許出願番号１２／９０６３５１、２００９年１０月２１日に出願した米国仮特許出願番号６１／２５３８４９、及び２００９年１０月２５日に出願した米国仮特許出願番号６１／２５４７４５を優先権主張する。
【０００２】
ここに開示の本主題は、一般に固体イメージセンサーの構造及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
デジタルカメラやデジタルビデオのような撮影機器は、静止又はビデオ画像に処理するために光を取り込む電子イメージセンサーを有する。電子イメージセンサーは、一般にフォトダイオードのような光を取り込む構成要素を数百万含んでいる。
【０００４】
固体イメージセンサーには、電荷結合素子（ＣＣＤ）型と、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）型とがある。どちらのタイプのイメージセンサーであれ、光センサーが基板に形成され、二次元的に配列されている。イメージセンサーは、高解像度画像を提供するための一般に数百万もの画素を有している。
【０００５】
図１は従来の固体イメージセンサー１の断面図であり、米国特許番号７１１９３１９から再現したＣＭＯＳ型センサーの隣り合う複数の画素を示している。各画素は、光電変換ユニット２を有している。各光変換ユニット２は、電荷を浮遊拡散ユニット（図示せず）に伝送する伝送電極３と隣接している。この構造は、絶縁層５に挿入された配線４を有している。平坦な表面がリソグラフィーによる従来のカラーフィルターの形成に欠かせないため、前記センサーは一般に、カラーフィルター８の下に平坦化層６を設けて、配線４による最上面の凸凹を補正している。第２の平坦化層１０をカラーフィルター８の上に設け、マイクロレンズ９の形成のための平坦な表面を提供している。平坦化層６、１０とカラーフィルター８との厚みの合計は、約２．０ｕｍである。
【０００６】
複数の光導波路７は前記センサーと一体化され、光を光変換ユニット２上に導いている。光導波路７は、絶縁層５よりも高い屈折率を有する窒化ケイ素のような材料で形成されている。各光導波路７には、光変換ユニット２に隣接する区域よりも広い入り口が設けられている。センサー１は、カラーフィルター８及びマイクロレンズ９も有している。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の様態によるとは、第１導電性の基板により支持されたイメージセンサーであって、青色光を検出する第１画素と、第２画素とを備え、前記第２画素は、（ａ）第２導電性の第２領域を前記基板に有する光検出器と、（ｂ）前記第２領域より垂直に上にであって、前記基板の上界面の下に位置する第１導電性の第１領域と、（ｃ）前記第１領域に当接する、第１トランジスタの第１ドレインと、（ｄ）前記第１及び第２領域より垂直に上に位置する、第１トランジスタの第１ゲートと、（ｅ）赤色カラーフィルター、緑色カラーフィルター又は黄色カラーフィルターである第１カラーフィルターと、（ｆ）前記第１ゲート及び前記第１領域を通って、光を前記第１カラーフィルタから前記第２領域へ透過させる第１光導波路と、を備えている。特に、前記第１光導波路は、その側壁での全内部反射を使用して、光の側方向出射を防止している。また特に、前記第１画素は、（ａ）青色カラーフィルター又はマゼンタ色カラーフィルターである第２カラーフィルターと、（ｂ）トランジスタのゲートをほとんど通らずに、光を前記第２カラーフィルターから前記基板へ透過させる第２光導波路と、を備える。
【０００８】
前記第１の様態において、前記第１トランジスタは、選択スイッチ、リセットスイッチ又は出力トランジスタである。又は、前記第１トランジスタは伝送ゲートである。
【０００９】
前記第１の様態において、前記第１ゲートの厚みは２００オングストローム〜１０００オングストロームであることが望ましい。より望ましくは、前記第１ゲートの厚みは、３００オングストローム〜７００オングストロームである。更に望ましくは、前記第１ゲートの厚みは、５００±５０オングストロームである。
【００１０】
前記第１の様態において、前記第１ゲートは、前記イメージセンサーのＡＤＣにおけるトランジスタのゲートよりも薄いことが望ましい。
【００１１】
前記第１の様態において、前記第１領域の深さは、前記第１カラーフィルターが赤色カラーフィルターである場合は、基板内で０．８ｕｍ以下であり、前記第１カラーフィルターが緑色カラーフィルター又は黄色カラーフィルターである場合は、基板内で０．５ｕｍ以下であることが望ましい。さらに、前記第１領域の深さは、前記第１カラーフィルターが赤色カラーフィルターである場合、基板内で０．５ｕｍ以下であり、前記第１カラーフィルターが緑色カラーフィルター又は黄色カラーフィルターである場合、基板内で０．３５ｕｍ以下であることが望ましい。
【００１２】
前記第１の様態において、前記第１光導波路は前記第１ゲート上にあることが望ましい。
【００１３】
前記第１の様態において、第１導電性はｐ型であり、第２導電性はｎ型であってもよい。
【００１４】
本発明の第２の様態によるとは、第１導電性の基板によって支持されたイメージセンサーの画素アレイを形成する方法に関するものであって、（Ａ）前記基板に第２導電性の第２領域を形成する工程と、（Ｂ）前記基板中且つ前記第２領域より垂直に上に第１導電性の第１領域を形成する工程と、（Ｃ）前記基板にトランジスタの第１領域に当接するドレインを形成する工程と、（Ｄ）前記第１領域より垂直に上に、且つ前記ドレインと隣接している、前記トランジスタのゲートを前記基板上に形成する工程と、（Ｅ）赤色カラーフィルター、緑色カラーフィルター又は黄色カラーフィルターであるカラーフィルターを形成する工程と、（Ｆ）前記ゲート及び前記第１領域を通って、光を前記カラーフィルターから前記第２領域へ透過させるように構成されている光導波路を形成する工程と、を備える。
【００１５】
前記第２の様態において、前記方法は前記ゲートを薄化する工程を備えることが望ましい。さらに、前記薄化する工程の後は、前記ゲートの厚みが２００オングストローム〜１０００オングストロームになっていることが望ましい。さらに、前記薄化する工程の後は、前記ゲートの厚みが３００オングストローム〜７００オングストロームになっていることが望ましい。さらに、前記薄化する工程の後は、前記ゲートの厚みが５００±５０オングストローム以内になっていることがより望ましい。また、前記ゲート上の絶縁膜を貫通する前記絶縁膜中の開口を通してエッチング剤を導入してエッチングすることにより前記ゲートを薄化し、次に前記光導波路を前記開口内に形成することが望ましい。さらに、前記ゲート上の絶縁膜を貫通する前記絶縁膜中の開口を通してエッチング剤を導入してエッチングすることにより前記ゲートを薄化し、次に前記光導波路を開口内に形成することがより望ましい。より望ましくは、前記方法が、前記薄化する工程の後であって、前記光導波路を形成する工程の前に、前記開口に反射防止スタックを形成する工程を備えていることが望ましい。前記開口はプラズマエッチングを行い、次にウェットエッチングを行うことにより開口することが望ましい。
【００１６】
前記第２の様態において、前記ゲートはウェットエッチングにより薄化すことが望ましい。
【００１７】
前記第２の様態において、前記光導波路は前記ゲート上にあることが望ましい。
【００１８】
前記第２の様態において、第１導電性はｐ型であり、第２導電性はｎ型であることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来技術における２つのイメージセンサー画素の断面を示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態における２つのイメージセンサー画素の断面を示す説明図である。
【図３】図２の画素内の光線跡を示す説明図である。
【図４Ａ】図４Ａは、原色バイヤーパターンの説明図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、緑色及びマゼンタ色のカラーフィルターパターンの説明図である。
【図５】フォトダイオード及び伝送ゲートを有する画素の概略図である。
【図６】フォトダイオード及び伝送ゲートをそれぞれ有する１対の画素の他の実施形態の概略図である。
【図７】イメージセンサーの概略図である。
【図８】本発明の他の実施形態における２つのイメージセンサー画素の断面を示す説明図である
【図９Ａ】図９Ａ〜図９Ｅは、本発明の一様態による、光導波路下に位置するゲートを薄化する工程の説明図である。
【図９Ｂ】図９Ａ〜図９Ｅは、本発明の一様態による、光導波路下に位置するゲートを薄化する工程の説明図である。
【図９Ｃ】図９Ａ〜図９Ｅは、本発明の一様態による、光導波路下に位置するゲートを薄化する工程の説明図である。
【図９Ｄ】図９Ａ〜図９Ｅは、本発明の一様態による、光導波路下に位置するゲートを薄化する工程の説明図である。
【図９Ｅ】図９Ａ〜図９Ｅは、本発明の一様態による、光導波路下に位置するゲートを薄化する工程の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
第１導電性の基板により支持された光電変換ユニットを有するイメージセンサーの画素アレイを説明する。光電変換ユニットは、基板内、且つトランジスタのゲート電極より垂直に下に設けられた第２導電性の第２領域を備えるフォトダイオードであってもよい。第１導電性の第１領域は、基板の上面の下、且つ前記第２領域上に位置する。前記第１領域は、トランジスタのチャネルを支持している。カラーフィルターは、ゲート電極及び前記第１領域に貫通する光を透過させて、キャリアを生成させて、そのキャリアは前記第２領域に集まる。前記カラーフィルターは、赤色カラーフィルター、緑色カラーフィルター又は黄色カラーフィルターであってもよい。光は、光導波路を介して前記ゲート電極へ透過させることができる。前記光導波路は、前記ゲート電極の頂上に位置していてもよい。前記ゲート電極は伝送ゲート、リセットスイッチ、選択スイッチ又は出力トランジスタの一部であってもよい。前記ゲート電極は、前記画素アレイ外部の周辺回路のトランジスタのゲートよりも薄くてもよい。前記ゲート電極は、ウェットエッチングにより薄化してもよい。前記ゲート電極を薄化するためのエッチング剤は、前記基板上の絶縁膜に形成された開口を介して導入してもよい。前記光導波路は、薄化の後、開口内に形成されてもよい。反射防止スタックは、前記光導波路を形成する前に、前記開口の底部に形成してもよい。
【００２１】
図７は、複数の画素１４のアレイ１２を備えるイメージセンサー１０を示す。複数の画素１４は、制御信号２２群によりローデコーダ２０に接続され、且つ前記複数の画素１４からの出力信号１８により光リーダー回路１に接続されている。前記光リーダー回路は、前記出力信号１８を前記複数の画素１４からサンプリングし、前記出力信号１８のサンプルを減算又は増幅してもよい。前記画素アレイ１２は、２次元的に配列された複数のカラーフィルターを備えるカラーフィルターアレイを有する。１つの画素当たり１つのカラーフィルターが備えられている。
【００２２】
図４Ａは、前記画素アレイ１２上にその一部として配置されるカラーフィルターアレイの一例を示す。図４Ａでは、２次元アレイを備えるバイヤー原色カラーフィルターパターンを示しており、前記２次元アレイにおいて、緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）、及び青色（Ｂ）のうち一つの色を各々有するカラーフィルターの２×２に配列されたアレイが反復している。緑色カラーフィルターの１対が、前記２×２に配列されたアレイの一つの対角線に沿って配置されている。赤色カラーフィルターと青色カラーフィルターとの対は、もう一つの対角線に沿って配置されている。赤色カラーフィルターは、６００ｎｍ未満の大気中の波長の光に対してごく僅かな程度の透過率である。緑色カラーフィルターは、５００ｎｍ未満又は６００ｎｍを超える大気中の波長の光に対してごく僅かな程度の透過率である。青色カラーフィルターは、５００ｎｍを超える大気中の波長の光に対してごく僅かな程度の透過率である。マゼンタ色カラーフィルターは、５００ｎｍ〜６００ｎｍの大気中の波長の光に対してごく僅かな程度の透過率である。黄色カラーフィルターは、５００ｎｍ未満の大気中の波長の光に対してごく僅かな程度の透過率である。１０％以下であれば、透過率は無視できる。各カラーフィルターにおいて、透過率のピークは５０％を超えている必要がある。
【００２３】
図５は、画素アレイ１２の画素１４の実施形態についての概略図である。画素１４は、光検出器１００を有する。例えば、前記光検出器１００はフォトダイオードであってもよい。前記光検出器１００は、伝送ゲート１１７を介してリセットスイッチ１１２に接続されていてもよい。前記光検出器１００は、出力（すなわち、ソースフォロワー）トランジスタ１１６を介して選択スイッチ１１４にも接続されていてもよい。トランジスタ１１２、１１４、１１６、１１７は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であってもよい。
【００２４】
前記伝送ゲート１１２のゲートは、ＴＦ（ｎ）線１２１に接続されていてもよい。前記リセットスイッチ１１２のゲートは、ＲＳＴ（ｎ）線１１８に接続されてもよい。前記リセットスイッチ１１２のドレインノードは、ＩＮ線１２０に接続されていてもよい。前記選択スイッチ１１４のゲートは、ＳＥＬ線１２２に接続されていてもよい。前記選択スイッチ１１４のソースノードは、ＯＵＴ線１２４に接続されていてもよい。前記ＲＳＴ（ｎ）線１１８、前記ＳＥＬ（ｎ）線１２２、及び前記ＴＦ（ｎ）線１２６は、前記画素アレイ１２の複数の画素のロー全体に共通であってもよい。同様に、前記ＩＮ線１２０及び前記ＯＵＴ線１２４は、前記画素アレイ１２の複数の画素のカラム全体に共通であってもよい。前記ＲＳＴ（ｎ）線１１８、前記ＳＥＬ（ｎ）線１２２、及び前記ＴＦ（ｎ）線１２１は、前記ローデコーダ２０に接続されており、前記複数の制御線２２の一部をなしている。ＯＵＴ（ｍ）線１２４は、前記光リーダー１に接続されており、前記複数の垂直信号線１８の一部をなしている。
【００２５】
図６は、リセットスイッチ１１２、選択スイッチ１１４、及び出力トランジスタ１１６を共有する一対の画素を示す。光検出器１００ａ及び伝送ゲート１１７ａは併せて、前記一対の中の第１画素を形成している。光検出器１００ｂ及び伝送ゲート１１７ｂは併せて、前記一対の中の第２画素を形成している。前記第１及び第２画素は、画素アレイ１２において異なるローに位置していてもよい。前記一対の画素は、それぞれ伝送ゲート１１７ａ、１１７ｂを介して、共有した検出ノード１１１に接続された２つの光検出器１００ａ、１００ｂを有していてもよい。前記伝送ゲート１１７ａ、１１７ｂは、それぞれそのゲートに接続された水平信号ＴＦ（ｎ＋１）１２１ａ、ＴＦ（ｎ）１２１ｂによって制御されている。共有のリセットスイッチ１１２が、そのゲートに接続されている共有の水平信号ＲＳＴ（ｎ）１１８の制御の下、前記検出ノード１１１を垂直ＩＮ線１２０に接続している。前記信号ＲＳＴ（ｎ）１１８及び前記信号ＴＦ（ｎ＋１）１２１ａの両方をＨＩＧＨにすることによって、前記リセットスイッチ１１２及び前記伝送ゲート１１７はともにオン状態となり、各々はトリオード（ｔｒｉｏｄｅ）領域に入る。従って、前記光検出器１００ａを前記垂直ＩＮ信号１２０により伝送された電圧にリセットすることできる。同様に、前記信号ＲＳＴ（ｎ）１１８及び前記信号ＴＦ（ｎ）１２１ｂをＨＩＧＨにすることによって前記リセットスイッチ１１２及び前記伝送ゲート１１７ｂは共にオン状態となり、各々はトリオード領域に入る。従って、前記光検出器１００ｂを前記垂直ＩＮ信号１２０により伝送された電圧にリセットすることができる。前記ＲＳＴ（ｎ）線１１８、前記ＳＥＬ（ｎ）線１２２、前記ＴＦ（ｎ＋１）線１２１ａ及び前記ＴＦ（ｎ）線１２１ｂは、前記ローデコーダ２０に接続されており、前記複数の制御線２２の一部をなしている。前記ＯＵＴ（ｍ）線１２４は、前記光リーダー１に接続されており、前記複数の垂直信号線１８の一部をなしている。
【００２６】
図６において、出力トランジスタ１１６は、水平信号ＳＥＬ（ｎ）１２２によりＯＮ状態となっている選択トランジスタ１１４を介して、垂直ＯＵＴ線１２４に接続されている。前記出力トランジスタ１１６及び前記選択トランジスタ１１４は、２対の光検出器１００ａ、１００ｂ、及び伝送ゲート１１７ａ、１１７ｂの間で共有されている。水平信号ＴＦ（ｎ＋１）１２１ａとＳＥＬ（ｎ）１２２とを駆動することにより、信号を光検出器１００ａから垂直ＯＵＴ線１２４へ送信することができる。同様に、水平信号ＴＦ（ｎ）１２１ｂとＳＥＬ（ｎ）１２２とを駆動することにより、信号を光検出器１００ｂから垂直ＯＵＴ線１２４へ送信することができる。
【００２７】
図２は、本発明のイメージセンサーの一実施形態の２つの画素の断面を示す。各画素１４は、一色のカラーフィルター１１４ａ又は異なる色のカラーフィルター１１４ｂを有している。図２では、半導体基板１０６上に支持された２つの画素を示している。半導体基板１０６は、第１導電性、例えばｐ型の低濃度ドープされた半導体材料であってもよい。例えば、基板１０６は、高濃度ドープされたｐ＋基板（図示せず）の上に位置している従来のｐエピ層のような、ボロンを１Ｅ１５／ｃｍ３〜７Ｅ１５／ｃｍ３の濃度にドープしたシリコンであってもよい。
【００２８】
図２において、前記２つの画素のそれぞれは、カラーフィルター１１４ａ、１１４ｂを透過する光の色で定めるような異なる色の光を検出するためのものである。前記カラーフィルター１１４ａは、５００ｎｍ未満の大気中の波長を有する光に対して無視できない程度の透過率を有し、それに対してカラーフィルター１１４ｂは、５００ｎｍ未満の大気中の波長を有する光に対して無視できる程度の透過率を有している。例えば、前記カラーフィルター１１４ａは、青色カラーフィルター又はマゼンタ色カラーフィルターであってもよく、それに対して前記カラーフィルター１１４ｂは、赤色カラーフィルター、緑色カラーフィルター又は黄色カラーフィルターであってもよい。
【００２９】
基板１０６上の金属−２配線１０８は、画素アレイ１２におけるデバイスを互いに、及び／又は前記ローデコーダ２０及び／又は前記光リーダー１に接続している。金属−２配線１０８と基板１０６との間の金属−１配線１０７は、前記画素１４中の複数のデバイス間、例えば、一トランジスタのドレイン拡散領域と他のトランジスタのポリシリコンゲートとの間、又は一デバイスと一金属−２配線との間を接続していてもよい。さらに多くの配線層を使用してもよい。前記基板１０６上の絶縁用誘電体１１０は、金属−１配線１０７及び金属−２配線１０８を支持している。前記絶縁用誘電体１１０は、シリコン酸化物を含んでいてもよい。湿気とナトリウム及びカリウムイオンのなどなアルカリ金属イオンとの浸入を防ぐための保護膜４１０が前記絶縁用誘電体１１０を覆つてもよい。前記保護膜４１０は窒化ケイ素を含んでいてもよい。
【００３０】
図２において、ゲート電極１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃは、それぞれ、前記基板１０６上に形成されたゲート誘電体（図示せず）上に配置されている。前記ゲート誘電体は、前記ゲート電極１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃを前記基板１０６から絶縁している。前記ゲート電極１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃは、ポリシリコンを含んでいてもよい。前記ゲート電極１０４ａ、１０４ｂは、それぞれ、図５に示す伝送ゲート１１７又は図６に示す伝送ゲート１１７ａ、１１７ｂのなどな伝送ゲートの一部である。ゲート電極１０４ｂは、緑色光又は赤色光のなどな、５００ｎｍを超える大気中の波長を有し、カラーフィルター１１４ｂを透過し、且つゲート電極１０４ｂの上方にある下部光導波路３１６を通過する光が貫通するように構成されている。ゲート電極１０４ｃのそれぞれは、非伝送ゲートの一部をしており、前記非伝送ゲートは、例えば、図５又は図６に示すリセットトランジスタ１１２、ソースフォロワトランジスタ１１６、及び選択トランジスタ１１４のいずれか一つである。
【００３１】
図２において、下部光導波路３１６及び上部光導波路１３０は、縦列に配置された光導波路であつて、カラーフィルター１１４ａ、１１４ｂからの可視光を透過させる。前記光導波路３１６、１３０は、窒化ケイ素、例えばＳｉ３Ｎ４を含んでいてもよい。右側の前記下部光導波路３１６は、その底部がゲート電極１０４ｂ上にあつて、光を前記カラーフィルター１１４ｂから前記ゲート電極１０４ｂへ透過させる。右側の前記下部光導波路３１６と前記ゲート１０４ｂとの界面における透過光の逆反射を低減するために、前記下部光導波路３１６と前記ゲート電極１０４ｂとの間に反射防止スタックが挿入されてもよい。例えば、前記反射防止スタックは３つの絶縁体膜（例えば、酸化物−窒化物−酸化物）またはそれ以上の絶縁体膜を有していてもよい。各膜の厚みは、５０オングストローム〜２０００オングストロームであり、前記カラーフィルター１０４ｂを透過する光の波長の範囲の反射を低減するよう最適化されている。前記左側の下部光導波路３１６はゲート電極１０４ａの側方横に配置されており、光を前記ゲート電極１０４ａに通すこと殆どなく、基板１０６へ透過させる。
【００３２】
第１導電性、例えばｐ型の第１領域５２ｙは、前記ゲート電極１０４ｂ下のゲート酸化物の下に配置されて、前記ゲート電極１０４ｂを備えるトランジスタのバルクを形成している。前記ゲート電極１０４ｂ下の第１領域５２ｙ、前記ゲート電極１０４ｂ自体、及び前記ゲート電極１０４ｂに隣接するドレイン拡散領域５７が一緒に伝送ゲートの一部をしている。前記第１領域５２ｙは、前記ゲート電極１０４ｂ下の基板１０６の上界面から、一深さまで伸びていてもよい。この深さは、前記カラーフィルター１１４ｂが赤色カラーフィルターの場合、０．８μｍ未満、好ましくは、０．４５μｍ未満、前記カラーフィルター１１４ｂが緑色カラーフィルター又は黄色カラーフィルターの場合、０．５μｍ未満、好ましくは、０．３５μｍ未満である。前記第１領域５２ｙの深さは、イメージセンサー１０の周辺のＩ／Ｏセル又はローデコーダ２０又はＡＤＣ２４に見られるような従来のＭＯＳトランジスタよりも浅くてもよい。前記第１領域５２ｙが浅いことで、光が前記第１領域５２ｙ内に伝播する垂直距離を減少している。前記第１領域５２ｙは、ドープ濃度のピークが０．１ｕｍ〜０．２ｕｍ、好ましくは０．１３ｕｍの深さにある逆行ウェルであってもよい。前記第１領域５２ｙは、インジウムを不純物濃度のピークが５Ｅ１７／ｃｍ３〜５Ｅ１８／ｃｍ３、好ましくは３Ｅ１８／ｃｍ３含んでいてもよい。同様の第１領域５２ｙをゲート電極１０４ａの下に形成して、前記ゲート電極１０４ａを備える伝送ゲートのバルクを形成してもよい。
【００３３】
前記ドレイン拡散領域５７は、第２導電性、例えばｎ型の高濃度ドープされた領域であってもよい。例えば、前記ドレイン拡散領域５７は、ヒ素をドープ濃度のピークが１Ｅ２０／ｃｍ３以上含んでいてもよい。前記ドレイン拡散領域５７は、図５又は図６における検出ノード１１１のような検出ノードであってもよい。
【００３４】
図２において、第２領域１０２ｂは、前記ゲート電極１０４ｂ下の基板１０６内に位置している。前記第２領域１０２ｂは、第２導電性、例えばｎ型である。前記第２領域１０２ｂの側方部は、前記ゲート電極１０４ｂを備える伝送ゲートの（ドレイン拡散領域５７対しての）反対側端に位置している。前記第２領域１０２ｂの側方部は、前記第２領域１０２ｂの埋め込み部分と接続している。前記埋め込み部分は、前記ゲート電極１０４ｂより垂直に下にある第１領域５２ｙ下に埋め込まれている。例えば、前記第２領域１０２ｂはリンを注入して、前記側方部と前記埋め込み部分とを別々に形成してもよく、それぞれは、そのマスク工程の後又は他のマスク工程の後に形成される。前記第２領域１０２ｂのドープ濃度のピークは、１Ｅ１７／ｃｍ３〜７Ｅ１８／ｃｍ３でってもよい。前記第２領域１０２ｂの埋め込み部分の水平断面の中心１０３ｂ（図２中、点線の丸で示す）は、前記ゲート電極１０４ｂより垂直に下にであってもよく、また、図２に示すように、前記第１領域５２ｙより垂直に下にであってもよい。空乏領域は、前記第１領域５２ｙの第１導電性のドープ濃度のピーク点である位置の下から前記第２領域１０２ｂの埋め込み部分の最上部まで伸びている。
【００３５】
図２においては、前記第２領域１０２ｂとは異なり、第２領域１０２ａは、ゲート電極１０４ａを備える伝送ゲートに接続されており、前記ゲート電極１０４ａより垂直に下にではなく、その横に、水平断面の中心１０３ａ（図２中、点線のひし形で示す）がある。前記第２領域１０２ａは、第２導電性、例えば、ｎ型であって、ドープ濃度のピークが１Ｅ１６／ｃｍ３〜７Ｅ１８／ｃｍ３、より好ましくは７ｅ１６／ｃｍ３〜７ｅ１７／ｃｍ３までリンを注入することにより形成されてもよい。前記ゲート電極１０４ａを備える伝送ゲートがＯＮ状態になると、チャネルが前記ゲート電極１０４ａ下に形成されて、前記ゲート電極１０４ａに隣接し、且つ前記第２領域１０２ａと反対側に位置するドレイン拡散領域５７に前記第２領域１０２ａを接続する。前記ゲート電極１０４ａと隣接する前記ドレイン拡散領域５７は、図５又は図６の検出ノード１１１のような検出ノードである。左側の下部光導波路３１６は、光をカラーフィルター１１４ａから基板１０６へ、前記ゲート電極１０４ａを介さず、透過させるように位置づけられている。なお、下部光導波路から少量の光が前記ゲート電極１０４ａへ透過するが、これは下部光導波路を透過した光の１０％未満であり、従って、左側の下部光導波路３１６は光を前記ゲート電極１１４ａを通すことほとんどなく、基板に透過しているといえる。
【００３６】
前記第２領域１０２ａ、１０２ｂは、前記ゲート電極１０４ａ、１０４ｂの横にの拡散領域５３によって、基板の上部界面から絶縁されてもよい。前記拡散領域５３は、第１導電性、例えばｐ型であり、且つドープ濃度が５Ｅ１７〜１Ｅ１９である。
【００３７】
本発明の最良の形態を上述してきた。
【００３８】
本発明のイメージセンサーの他の実施形態では、第２領域１０２ａ、１０２ｂ上の光導波路１３０、３１６を使用せず、各第２領域上に従来のマイクロレンズ及びカラーフィルターを使用して、各第２領域に集光してもよい。この他の実施形態では、第１マイクロレンズ及び第１カラーフィルターが共に５００ｎｍを超える波長を有する光をゲート電極１０４ｂへと透過させ、第２マイクロレンズ及び第２カラーフィルターが共に、４５０ｎｍ±５０ｎｍの範囲の波長の光をゲート電極１０４ａと隣接するがゲート電極１０４ａによって被覆されていない基板１０６の上界面の区域へ透過させている。
【００３９】
図３は、図２で示したイメージセンサーの断面の光線追跡図である。光線ａは、カラーフィルター１１４ａ及び左側の光導波路１３０に入射し、左側の光導波路１３０の側壁で反射し、第２領域１０２ａに突き通し、そして最後に空乏領域１６８ａ内の基板に吸収され、それにより電子正孔対が生成される。電子正孔対からの電子は、空乏領域１６８ａ内の電界により第２領域１０２ａへと掃引され、一方、電子正孔対からの正孔は基板１０６へと反発する。従って、第２領域１０２ａに蓄積された電荷がさらに陰電荷となる。あるいは、光は第２領域１０２ａに吸収されてもよく、それにより電子正孔対が生成され、その電子が第２領域１０２ａに保持され、一方、その正孔は空乏領域１６８ａ内の電界により基板１０６へ反発する。第２領域１０２ａに隣接し、且つゲート電極１０４ａを備える伝送ゲートがＯＮ状態になり、第２領域１０２ａとゲート電極１０４ａに隣接するドレイン拡散領域５７との間において、導電路（本例では、反転層がゲート電極１０４ａ下の基板１０６の表面のチャネル）  がなると、蓄積された陰電荷は、図５又は図６に示すような増幅回路により検出される。
【００４０】
再び図３に言及すると、光線ｂはカラーフィルター１１４ｂ及び右側の光導波路１３０に入射し、右側の光導波路１３０の側壁に反射し、反射防止スタック２３０、ゲート電極１０４ｂ、及びその下のゲート酸化物（図示せず）に貫通し、第１領域５２ｙに貫通し、次に第２領域１０２ｂに貫通し、最後に空乏領域１６８ｂ内の基板に吸収され、それにより電子正孔対が生成される。電子正孔対からの電子は、前記空乏領域１６８ｂ内の電界により前記第２領域１０２ｂへ掃引され、一方、前記電子正孔対からの正孔は、前記基板１０６へ反発する。従って、前記第２領域１０２ｂに蓄積された電荷がさらに陰電荷となる。前記第２領域１０２ｂと隣接し、且つ前記ゲート電極１０４ｂを備える伝送ゲートがＯＮ状態となり、前記第２領域１０２ｂと前記ゲート電極１０４ｂに隣接するｎ＋拡散５７との間において、導電路（本例では反転層がゲート電極１０４ｂ下のシリコン表面のチャネル）  がなると、蓄積された陰電荷が図５又は図６に示すような増幅回路により検出される。
【００４１】
カラーフィルター１１４ｂは、赤色光又は緑色光、またはその両方を透過させてもよい。カラーフィルター１１４ｂは、緑色カラーフィルター、赤色カラーフィルター又は黄色カラーフィルターであってもよい。緑色光及び赤色光は、波長が５００ｎｍ〜７００ｎｍであり、吸収される前にシリコン及びポリシリコンに１ｕｍを超えて貫通することができる。カラーフィルター１１４ｂを通過した光線ｂは、第１領域５２ｙに貫通して電子正孔対を生成することができ、その電子が第１領域５２ｙ下の第２領域１０２ｂに収集される。
【００４２】
図３で示したように、光線ｂは、貫通して第２領域１０２ｂを超え、第２領域周りの空乏領域内で電子正孔対を生成する。また、カラーフィルター１１４ｂを通過する光線は、第２領域１０２自体に吸収されてもよく、それにより電子正孔対が生成される。電子正孔対の電子は第２領域１０２ｂで保持され、一方、正孔は空乏領域１６８ｂ内の電界により基板へと反発する。あるいは、前記カラーフィルター１１４ｂを通過する光線は、前記第１領域５２ｙに吸収されてもよく、電子正孔対を生成し、その電子が前記空乏領域１６８ｂに拡散し、前記空乏領域１６８の電界により前記第２領域１０２ｂへ掃引される。
【００４３】
他の実施形態において、前記ゲート電極１０４ｂに吸収される光の量を低減するために、前記ゲート電極１０４ｂを、その少なくとも前記下部光導波路３１６下の部分で、異なるトランジスタ、例えば（ＡＤＣ２４のトランジスタのなどの）画素アレイ１２外部のトランジスタよりも薄くしてもよい。例えば、従来のポリシリコンゲートの厚みは、約２０００オングストローム±１０％であってもよい。前記ゲート電極１０４ｂはポリシリコンを含んでいてもよい。その厚みを２００オングストローム〜１０００オングストローム、好ましくは３００オングストローム〜７００オングストローム、より好ましくは５００±５０オングストローム以内としてもよい。前記ドレイン拡散領域５７を形成した後、前記ゲート電極１０４ｂをウェットエッチングにより上から下方へエッチングしてよい。シリコン酸化膜等の絶縁膜１１０をウエハ上に堆積し、次にリソグラフィーでフォトレジストのマスクをウエハ上に形成し、ゲートの薄化するところの上（例えば、下部光導波路３１６が重なる、画素アレイ１２における伝送ゲートの部分上だけ）に位置する絶縁膜１１０上の部分を露出しる、次にウェットエッチングで開口を形成して、ゲートの上面を露出させ、最後に所望の厚みになるようにウェットエッチングでゲート（例えば、ポリシリコンゲート）をエッチングしてもよい。リソグラフィー工程は、ＣＭＰによってシリコン酸化物膜を平坦化することによって進めてもよい。
【００４４】
上記ウェットエッチングの他には、絶縁膜１１０をプラズマエッチングし、開口の一部を形成し、次にウェットエッチングで絶縁膜１１０の残りの厚みを除去し、エッチングで絶縁膜を開口して、ゲートの上面域を露出させてもよい。また、絶縁膜１１０の全厚みを、ウェットエッチングを行わず、プラズマエッチングのみでエッチングして、開口を形成してもよい。ゲート１０４ｂの薄化は、ＡＤＣ２４及び／又はローデコーダ２０の複数のトランジスタのドレインへの低濃度ドープ（ＬＤＤ）注入の後に行ってもよい。
【００４５】
開口は、例えば、窒化ケイ素を続いて堆積して、その中に下部光導波路３１６を形成する開口であってもよい。酸化物−窒化物−酸化物のような、下部酸化膜、中間窒化膜、及び上部酸化膜を備える反射防止スタックを、開口に下部光導波路３１６を形成する前に、開口底部に堆積させてもよい。
【００４６】
図９Ａ〜９Ｅは、開口１２０を前記ゲート１０４ｂ（又は１０４ｄ）上に形成し、前記ゲート１０４ｂ（又は１０４ｄ）を薄化し、反射防止スタックを前記ゲート１０４ｂ（又は１０４ｄ）上に形成し、次に下部光導波路３１６を前記開口１２０内に形成する工程を示している。図９Ａは、基板１０６上のゲート酸化物２３１の上にあるゲート１０４ｂを示す。前記ゲート１０４ｂの側には、スペーサ２３５が設けられている。前記ゲート１０４ｂと、及び前記スペーサ２３５と、前記ゲート１０４ｂ又は前記スペーサ２３５の下に位置していないゲート酸化物２３１の部分とは、窒化物ライナー２３３の膜で被覆されている。絶縁膜１１１が前記ゲート１０４ｂの上面高さと同じくらいまで、前記ウエハを被覆している。絶縁膜１１１は、ＢＰＳＧのなどな、ボロン及びリンをドープしたシリコン酸化物でもよい。絶縁膜１１０は更に、ウエハ上で、絶縁膜１１１及びゲート１０４ｂ上に乗っている窒化物ライナー２３３を被覆している。この時点では、金属配線層は絶縁膜１１０内に形成されていても、形成されていなくてもよい。絶縁膜１１０は、シリコン酸化物を含んでいてもよい。
【００４７】
図９Ｂは、絶縁膜１１０を貫通し、ゲート１０４ｂ上の窒化物ライナー２３３の一部を露出させる開口１２０を示している。開口１２０はプラズマエッチングのみで形成してもよく、又はプラズマエッチングを行った後、ウェットエッチングを行うことで形成してもよい。図９Ｃでは、窒化物ライナー２３３の一部を除去し、ゲート１０４ｂを上からエッチングにより取り除き、所望の厚みのゲートを得ている。
【００４８】
図９Ｄは、３つの膜２３２、２３４、２３６を備える反射防止スタックが前記開口１２０の底部の前記薄化されたゲート１０４ｂの上に形成されていることを示している。最上部に位置する反射防止膜２３６はシリコン酸化物を含んでいてもよい。第２の反射防止膜２３４は窒化ケイ素を含んでいてもよい。第３の反射防止膜２３２はシリコン酸化物を含んでいてもよい。反射防止スタックで光導波路３１６から基板１０６へと透過する光の後方反射を低減している。図９Ｅは、光導波路３１６が反射防止スタックの後に開口１２０に形成されていることを示している。
【００４９】
図４Ｂは、画素アレイ１２上にその一部として配置されるカラーフィルターの他の一例を示す。図４Ｂでは、２次元アレイを備える緑色−マゼンタ色カラーフィルターパターンを示しており、その２次元アレイにおいて、緑色（Ｇ）及びマゼンタ（Ｍｇ）のうちの一つを各々有するカラーフィルターの２×２に配列されたアレイが反復している。緑色カラーフィルター対が２×２に配列されたアレイの一つの対角線に沿って配置されている。マゼンタ色カラーフィルター対は、もう一方の対角線に沿って配置されている。前記緑−マゼンタカラーフィルターアレイを組み入れた画素アレイにおいて、（緑色カラーフィルターをカラーフィルター１１４ｂとして有する）緑色画素を図２中右側の画素のように形成してもよい。（マゼンタ色カラーフィルターをカラーフィルター１１４ａとして有する）マゼンタ画素は、図２中左側の画素の方法と同様に形成してもよいが、更に第２領域１０２ａ下の追加の光検出器と、電荷を前記追加の光検出器から伝送するための追加の伝送ゲートとを設ける。
【００５０】
図８は、図２に示す実施例から変更した他の実施例を示す。トランジスタのＰウェル５２ｚ下に図２の第２領域１０２ｂを伸長することにより、そのトランジスタが前記第２領域１０２ｂ及び前記Ｐウェル５２ｚ上のゲート１０４ｄを有し、赤色画素、緑色画素又は黄色画素に対して前記第２領域１０２ｂの底部を変更されている。前記トランジスタは伝送トランジスタ１１７ではなく、リセットスイッチ１１２、選択スイッチ１１４及び出力トランジスタ１１６のいずれか一つであってもよい。画素の下部光導波路３１６は前記トランジスタのゲート１０４ｄと重なっており、光を前記ゲート１０４ｄ及び前記Ｐウェル５２ｚを介して前記第２領域１０２ｂへ透過させている。
【００５１】
前記Ｐウェル５２ｚは、カラーフィルター１１４ｂが赤色カラーフィルターの場合、前記ゲート電極１０４ｄ下の基板１０６の上界面から０．８μｍ未満の深さ、好ましくは、０．４５μｍ未満の深さまで伸びていてもよく、前記カラーフィルター１１４ｂが緑色カラーフィルター又は黄色カラーフィルターの場合、０．５μｍ未満の深さ、好ましくは０．３５μｍ未満の深さまで伸びていてもよい。前記Ｐウェル５２ｚの深さは、イメージセンサー１０周辺における、又はローデコーダ２０又はＡＤＣ２４におけるＩ／Ｏセルに見られるような従来のＭＯＳトランジスタよりも浅くてもよい。Ｐウェル５２ｚが浅いことで、Ｐウェル５２ｚを進む光の垂直距離を減少している。Ｐウェル５２ｚは、ドープ濃度のピークが０．１ｕｍ〜０．２ｕｍ、好ましくは０．１３ｕｍの深さである逆行ウェルであってもよい。Ｐウェル５２ｚは、インジウムを不純物濃度のピーク５Ｅ１７／ｃｍ３〜５Ｅ１８／ｃｍ３、好ましくは３Ｅ１８／ｃｍ３で含んでいてもよい。
【００５２】
前記ゲート１０４ｄは、上述のように薄化することが好ましい。前記ゲート１０４ｄは、薄化されたゲートに関する上述の厚み条件を満たしていることがさらに好ましい。また、前記ゲート１０４ｄがゲートの薄化に関する上述の方法のうちの一つによって薄化されることがより望ましい。
【００５３】
例示的実施形態を記述し、添付の図面に示してきたが、これらの実施例は単に例示的であって、広範囲の本発明に対して限定するものではなく、また、当業者においては様々な変更がなされるものであるから、本発明が上述及び例示の特定の構造及び配列に限定されるものではないことが理解される。
【符号の説明】
【００５４】
１０６  低濃度ドープされた基板（ｐ−エピであってもよい）
３１６  下部光導波路（窒化ケイ素を含んでいてもよい）
１３０  上部光導波路（窒化ケイ素を含んでいてもよい）
１１０  絶縁体（例えば、シリコン酸化物）
１１１  絶縁体（ボロン及び／又はリンをさらに含むシリコン酸化物であってもよい）
１０７  第１金属（最下部の金属配線層）
１０８  第２金属
１０９  コンタクト（拡散コンタクト又はポリコンタクト）
１０４ａ  光導波路の側の伝送ゲートのゲート電極（ポリシリコンゲートであってもよい）
１０４ｂ  光導波路の下の伝送ゲートのゲート電極（ポリシリコンゲートでよい）
１０４ｃ、１０４ｄ    伝送ゲートではないトランジスタのゲート電極（ポリシリコンゲートであってもよい）
１１４ａ  青色又はマゼンタのカラーフィルター
１１４ｂ  光をゲート電極１０４ｂ又は１０４ｄを介して第２領域１０２ｂへ透過させる赤色カラーフィルター、緑色カラーフィルター又は黄色カラーフィルター
１２０  ゲート電極１０４ｂ、１０４ｄ上の絶縁膜１１０の開口
２３０  反射防止層（１つの窒化膜を挟んだ２つの酸化物膜である３つの膜を含んでよい）
２３１  ゲート酸化物
２３３  窒化物ライナー
２３５  ゲートスペーサ
２３２  第３反射防止膜（シリコン酸化物であってもよい）
２３４  第２反射防止膜（窒化ケイ素であってもよい）
２３６  上部反射防止膜（シリコン酸化物であってもよい）
５２ｘ  非伝送ゲートのトランジスタ（例えば、リセットスイッチ、選択スイッチ又は出力ランジスタ）の下のＰウェル
５２ｙ  第１領域（伝送ゲートの下の中濃度ドープされたｐ領域）
５２ｚ  下にフォトダイオードを有する、非伝送ゲートのトランジスタ（例えば、リセットスイッチ又は選択スイッチ又は出力ランジスタ）の下のＰウェル
５３            表面ｐ＋拡散層
５５            溝絶縁領域
５７            ソース／ドレインｎ＋拡散領域
６４            バリア領域（中濃度ドープされたｐ領域であってもよい）
１０２ａ  カラーフィルター１１４ａからの光を受けるフォトダイオードの第２領域（中濃度ドープされたｎ領域であってもよい）
１０２ｂ  カラーフィルター１１４ｂからの光を受けるフォトダイオードの第２領域（中濃度ドープされたｎ領域であってもよい）
（１０２ａはその周辺のｐ領域と共にフォトダイオードを形成している；１０２ｂも同様）
１０３ａ  第２領域１０２ａの底部の水平断面の中心
１０３ｂ  第２領域１０２ｂの底部の水平断面の中心
１６８ａ  第２領域１０２ａを囲む空乏領域
１６８ｂ  第２領域１０２ｂを囲む空乏領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図７】
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