JP5759353B2

JP5759353B2 - 垂直に積層したセンサーを含む感光性センサー群

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Publication number: JP5759353B2
Application number: JP2011267859A
Authority: JP
Inventors: メリル、リチャード・ビー; マーティン、ラッセル・エイ
Original assignee: フォブオン・インク
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2024-05-27
Also published as: JP2012104838A

Description

本発明は垂直に積層したセンサーを含む感光性センサー群に関する。各々の群において、半導体材料は彩色的に入射電磁放射線をフィルターする。（光学的に、他の材料もその放射線をフィルターする。）各々のセンサーは同時に異なる波長バンドを検出する。本発明はまた、異なるピクセル位置で配置される各々のセンサー群を有するこのようなセンサー群の配列に関する。

「フィルター」および「カラーフィルター」という表現は、その上に入射する電磁放射線の少なくとも１つの波長バンドを反射し、または選択的に伝達する要素を示すために、ここでは（請求項を含む）広い意味において、交互に使われる。たとえば、ある種類のフィルターは、第一の波長バンドにおいて放射線を伝達し、第二の波長バンドにおいて放射線を反射する２色性ミラーである。フィルターの例は短波パスフィルター、長波パスフィルター、およびバンドパスフィルターを含む。

用語「放射線」は、ここでは電磁放射線を示すために使われる。

「最上部センサー」という表現は、ここでは、他のどんなセンサー群に達する前に、センサー群における入射の放射線が到達する群のセンサーを示す。センサー群のセンサーは「垂直（縦）に積層した」という表現は、そのセンサーの一つはその群の最上部センサーであるということ、およびその群がすべてのセンサーを通って伸びる少なくとも１つの軸（時には、「垂直軸」と呼ばれる）を持つということを示す。以下に述べるように、本発明を具体化する垂直カラーフィルター（“ＶＣＦ”）センサー群は好適に、その群の最上部センサーは、正常な軸（たとえば、少なくとも実質的に平面的である）を定義する最上部表面を持つように構成された垂直積層センサーを含む。その群の垂直軸に沿って伝播する放射線はその群に入射するとき、放射線は、標準（法線）軸（たとえば、放射線はこの群で正常に入射する）に関して約３０度未満の入射角で最上部センサー中に入射する。

「横方向に」（すなわち「水平方向に」）分離された垂直軸を持つ構造において含まれる２つの要素は、要素間に伸びるがどの要素とも交差しない垂直軸に平行な軸が存在するということを示す、という表現がここで使われる。

要素を「構成する」という表現は、その項目がその要素であり、またはその要素を含むということを示すためにここでは（請求項も含む）使われる。

ＭＯＳアクティブ(活性)ピクセルセンサーは技術的には周知である。多重波長バンド・アクティブピクセルセンサーアレイもまた技術的には周知である。ある種類の多重波長バンド・アクティブピクセルセンサーアレイは、半導体表面における、または半導体表面近くにおけるパターンにおいて水平に配置される赤色、緑色、および青色センサーを使う。このようなセンサーは、これらのセンサーが共に平面に張られた、解像要素あたり比較的大面積を占有するという利点を持つ。さらに、このようなセンサーアレイからカラーイメージの再構成はコンピューター上で強調できるが、不自然で、欠陥があって、粗悪な解像のイメージを生じる。

別の種類の多重波長バンド・アクティブ(活性)ピクセルセンサーアレイは、センサー群、垂直方向に配列したセンサーを含む各々を使う。可視および赤外の放射線を検出するために初期の多重波長バンド・アクティブ(活性)ピクセルセンサー群の使用は、カールのＵＳ特許4,238,760に開示されていて、そこでは、表面ｎ型エピタキシャルにおける第１のダイオードは可視光に敏感で、第２のダイオード（基礎のｎ型基板中の埋め込みｐ型領域を含む）は赤外線に敏感である。埋め込みダイオードへのコンタクトは、「バイポーラーＩＣプロセスにおける共通の薄膜下拡散コレクターコンタクト拡散に類似し、パラメーターＲcsを減少させるための」深い拡散プロセスを使って、作られるとカールは教示する。カールはまた、実施形態を開示する。Ｖ溝コンタクト（ｎ型エピタキシャル領域を通してエッチング工程を含むプロセスによって作られる）は埋め込みｐ型領域にコンタクトを提供する。この開示されたデバイスは４ミル角の大きさを持つ。

カールの特許に開示されたデバイスは幾つかの欠点を持ち、最も顕著なことはその大面積であり、現代のイメージングシステムのイメージセンサー密度には不適切であることである。埋め込み赤外線センシングダイオードに対してコンタクト形成に使われるこの技術は、最新のイメージング技術や３色センサーへの拡張には適切ではない。

メリル(Merrill)のＵＳ特許5,965,875は、３色、可視光、構造が３重ウエルＣＭＯＳプロセスを使って提供されるセンサー群を開示していて、ここでは、青色、緑色、および赤色感知ＰＮ接合が、イメージャー（撮像装置）が作られる半導体基板の表面に対して異なる深さで配置される。この３色センサー群は、３色がそのイメージ(画像)面において同一の面積以上に感知されるので、高密度のイメージングアレイの製造を可能にする。しかし、その構造は幾つかの欠点を持つ。第１に、このセンサー群は、反転極性の中心緑色感知ＰＮ接合を使い、修正回路や電圧範囲を必要とし、緑色チャネルをセンスし読み出すために通常のＮＭＯＳトランジスターに加えて、可能ならＰＭＯＳトランジスターを含む。この必要性は、センサー面積を増大させ、センサー群を含むディテクターにおいてサポート回路を複雑にする。この付加的な回路の複雑さは、フレキシブルなカラー読み出し能力を持つ（ここで開示される）イメージセンサーアレイを作ることを困難にし、たくさんの最新電子画像応用によって必要な小さなセンサーサイズを達成することを不可能にする。

カオ(Cao)らのＵＳ特許6,111,300は、緑色光および赤色光を検出するために半導体基板内に、青色光を集めようとするＰＩＮフォトダイオードおよび２つの付加的半導体接合ダイオード（ＰＩＮフォトダイオードから垂直方向に間隔をあけた）を使うカラー・アクティブ・ピクセルセンサーを開示する。このセンサーの欠点は、製造が困難であること、非標準製造技術であること、高密度のセンサー（１アレイにおける）を禁止する構造の使用、読み出しのための異なる色を選択する能力が何もないこと、およびモノリシック半導体基板を使って３つ以上の色の検出を行うことができないことである。

フィンドラター(Findlater)ら（ＩＥＥＥ電子デバイス科学（２００１）、電荷結合素子および高解像度イメージセンサーに関する２００１ＩＥＥＥワークショップにおける、フィンドラター、レンショー、レイナーによる「二重接合フォトダイオードを使うＣＭＯＳイメージセンサー」）は、有機フィルターのオーバーレイ（被覆）と関連した二重接合フォトダイオードを使うアクティブ・ピクセルセンサーを開示する。各々の二重接合フォトダイオードは、上部および底部ｐ型層を含み、それらの間にｎ型層を持つ。ｎ型層は第１のフォトダイオードのカソードを形成する。底部ｐ型層は第２のフォトダイオードのアノードを形成する。第１のフォトダイオードは第１の読み出し回路に結合する。また第２のフォトダイオードは第２の読み出し回路に結合する。シアンおよび黄色フィルターのモザイクは、センサーのアレイに重ねて、その結果、アレイの各々の列において、偶数のセンサーは、第１の波長バンド（青色および緑色）において放射線を受け、偶数のセンサーは、第２の波長バンド（赤色および緑色）において放射線を受ける。このようなセンサーアレイの性能は、二重接合フォトダイオードの貧弱な色応答によって、さらに、ｎウエルは（色チャネル間の非線形クロストークに非常に敏感なセンサー設計をする）両方のフォトダイオードのカソードを形成するという事実によって、制限される。さらに、著者は、非均一性や、その性能およびこのデザインの潜在的利点を制限するプロセス／製造の制約を取り上げる。

発明を解決するための手段

幾つかの種類の垂直カラーフィルター（“ＶＣＦ”）センサー群およびそれらを製造する方法はＵＳ特許出願09/884,863（出願2001年６月１８日）およびＵＳ特許出願10/103,304（出願2002年3月20日）に記載されている。ＶＣＦセンサー群は、（近接センサー間に非センサー材料の有り無しで）お互いに関して垂直に積層した少なくとも２つの光敏感性センサーを含む。ＶＣＦセンサー群の各々のセンサーは異なるスペクトル感度（応答）を持つ。通常、各々のセンサーは、異なる波長において頂点に達するスペクトル感度を持つ。幾つかの実施形態において、ＶＣＦセンサー群（または、それらの1つ以上のセンサー）は、センサーとしては機能しないフィルターを含む。

ＶＣＦセンサー群は、画像面の同じ面積において同時に少なくとも２つの波長バンドのフォトン（光子）を感知する。対照的に、時間シーケンシャル・フォトン・センシング方法は、すべての波長バンドに関して同時にフォトン・センシングを行わない。イメージャーに含まれるＶＣＦセンサー群によって行われるセンシングは、イメージャーのある領域において起こり（イメージャーが垂直方向に見る時）、光子はセンサー群への深さの関数として波長によって分離される。

通常、各々のセンサーは異なる波長バンドにおいて光子を検出する。（たとえば、あるセンサーは、各々の他のセンサーより「青色」波長バンドにおいてさらに多くの光子を検出する。第２のセンサーは、各々の他のセンサーより「緑色」波長バンドにおいてさらに多くの光子を検出する。さらに第３のセンサーは、各々の他のセンサーより「赤色」波長バンドにおいてさらに多くの光子を検出する。）ただし、センサー群は通常、多重センサーは同じ波長の光子を検出するという意味において、幾つかの「クロストーク」を持つ。

ＶＣＦセンサー群は種々の画像処理に使うことができる。好適な実施形態において、それらはデジタル・スチール・カメラ（ＤＳＣ）である。しかし、それらは、リニアイメージャー、ビデオカメラおよびマシーンビジョン装置のような、多くの他のシステムにおいて使うことができる。

ＶＣＦセンサー群は、入射光子を検出するために、およびその群の異なる深さで異なる波長の入射光子を選択的に検出するために、少なくとも１つの半導体材料の特性を使う。半導体材料における波長を持つ光学吸収深さの変化と組み合わせてセンサー群のセンサー層を垂直に積層することにより、異なる波長の検出が可能である。ＶＣＦセンサー群を製造するコストは、実質的に下がる。ＶＣＦセンサー群は、外部カラーフィルター（カラーイメージセンサーにおいて従来使われる）を必要としないし、そのセンサー自体（そのセンサー自体は、フィルター機能をそれ自体で提供する半導体材料から作られる）と異なるカラーフィルターを必要としない。しかし、本発明の一部の実施形態において、ＶＣＦセンサー群は、そのセンサー自体と異なるカラーフィルターを含む（または、カラーフィルターを用いて使われる）。ＶＣＦカラーセンサー群のスペクトル感度は通常、非半導体ベースフィルターを持つ従来のカラーセンサーであるよりも、（製造中または製造後に存在する）温度や他の環境因子のような外部要因に、もっとずっと安定であり、敏感ではない。

ＶＣＦセンサー群は、基板（好適には半導体基板）上に好適に形成され、第１の極性の光励起したキャリア（担体）（好適には、負の電子）を集めるために、ドーピングしたりおよび／またはバイアスをかけることによって作られた、複数の垂直スタックセンサー（たとえば、センサー層）を含む。このセンサーは、反対極性の光励起したキャリア（好適には、正孔）を集め運び出すために作られた、１つ以上の基準層を含む（または、１つ以上の基準層によって複数組のセンサーが分離される）。このセンサーは、センサー群の異なる深さに基づいた、またドーピングレベルおよびバイアス条件を含む他のパラメーターで異なるスペクトル感度を持つ。動作中に、このセンサーは、バイアスおよびアクティブ・ピクセル・読み出し回路に個々に接続される。ＶＣＦセンサー群およびそれらの製造方法は、上記に引用したＵＳ特許出願09/884,863およびＵＳ特許出願10/103,304にもっと完全に記載されている。

ＶＣＦセンサー群のアレイは、ＵＳ特許出願10/103,304に記載されたアレイ上にカラーフィルターのパターンを配置することによって修正することができる。単一のフィルター材料から作られ、センサー群の集合部分上に配置されたフィルターを使って、センサー群当たり３つのセンサーを持つアレイは、（アレイのセンサー群の異なる選択された集合部分から信号を読み出しすることによって）４つ、５つ、または６つの異なる波長バンドにおける放射線を検出するために動作可能である。これはカラー（色）精度を改良することができる。多くの種類のフィルターのいずれも、使うことができ、幾つかの従来カラーイメージセンサーにおけるように、有機着色フィルターを含み、および半導体集積回路製造プロセスによってセンサー群を用いて集積化される1つ以上の層を含むフィルターを含む（たとえば、短波長を吸収するためのポリシリコンの層、酸化物および窒化物層を交互に重ねたスタックである干渉フィルター、または干渉効果によってスペクトル感度を形成するための別の干渉フィルター）。

（本発明の簡単な説明）
実施形態のある段階において、本発明は、垂直カラーフィルター（ＶＣＦ）センサー群であり、半導体集積回路製造プロセスによって基板（好適には半導体基板）上に形成され、および少なくとも２つの垂直に積層した感光センサーを含む。本発明の他の観点はこのような垂直カラーフィルターセンサー群のアレイであり、このような垂直カラーフィルターセンサー群およびこれらのアレイを製造する方法である。

好適な実施形態において、ＶＣＦセンサー群は読み出し表面を持つ固体材料のブロックである。少なくとも２つの垂直積層センサーがこのブロック内に形成され、各々のセンサーは異なるスペクトル感度を持ち、またセンサーは、半導体材料の層を含み、フォトダイオードとして機能するためにバイアスされるように作られる。このセンサー群はまた、センサーの１つと読み出し表面との間のトレンチ（溝）コンタクトを含む。

他の好適な実施形態において、ＶＣＦセンサー群は、感知される放射線は伝播できる最上部表面および底面を持つ固体材料のブロックである。少なくとも２つの垂直積層センサーがこのブロック内に形成され、各々のセンサーは異なるスペクトル感度を持ち、このセンサーは半導体材料の層を含み、またこのセンサーはフォトダイオードとして機能するためにバイアスされるように作られる。このセンサー群はまた、センサーの１つと底面との間にコンタクトおよび底面に形成された少なくとも１つのトランジスターを含む。好適には、このトランジスターは、半導体集積回路製造プロセスによって底面に形成される。バイアスおよび読み出し回路はこのトランジスターに結合できる。

他の好適な実施形態において、本発明は、半導体基板上に垂直カラーフィルターセンサー群を製造する方法であり、第１のエピタキシャル層の形成を含み、第１のエピタキシャル層におけるプラグコンタクトの第１の部分を形成するためのイオン注入を行い、プラグコンタクトの第１の部分を形成後に、第１のエピタキシャル層上に第２のエピタキシャル層を形成し、さらに第２のエピタキシャル層においてプラグコンタクトの第２の部分を形成するためのイオン注入を行う。別の実施形態において、本発明はこのような方法によって形成されたプラグコンタクトを含むＶＣＦセンサー群である。好適には、各々のイオン注入した基板は、リンの拡散係数よりも顕著に低い拡散係数を持つ。たとえば、第１のエピタキシャル層および第２のエピタキシャル層は本質的にｐ型シリコンからなり、イオン注入物質はヒ素である。

他の実施形態において、本発明は、各々のセンサー群の間にトレンチまたは分離領域を持つ半導体基板上に形成したＶＣＦセンサー群のアレイである。

他の実施形態において、ＶＣＦセンサー群は、第１の極性を持つ半導体基板上に形成され、少なくとも２つの垂直積層センサーを含む。各々のセンサーは、第２の極性（第１の極性に反対の）を持つ半導体基板のキャリア収集層を含み、フォトダイオードとして機能するためにバイアスされる時、第２の極性の光励起キャリアを集めるために作られる。第１のセンサーは、第１の極性を持つ半導体材料の第１の基準体積（部分）を含み、第２のセンサーは、第１の極性を持つ半導体材料の第２の基準体積を含む。第１の基準体積および第２の基準体積は、第１のセンサーおよび第２のセンサーのキャリア収集層の間に存在し、このセンサーがフォトダイオードとして機能するためにバイアスされるとき、第１の極性の光励起キャリアを集め運び出すために形成される。このセンサー群はまた、第１の基準体積および第２の基準体積の間に、第１の極性を持つが、第１の基準体積および第２の基準体積のどちらかより多量にドープされた、半導体材料の分離層を含む。

本発明の別の観点は、ＶＣＦセンサー群の少なくとも１つのアレイと、センサー内で生成した光励起キャリアを電気信号へ変換するための回路とを含む画像検出器である。

当業者は、本発明の次の説明は説明のためだけであり、いずれの方法によっても制限されない、ということを認識するであろう。本発明の他の実施形態は、この開示の利益を持つ当業者にとって容易に示唆するものである。

ここで記載される製造プロセスのほとんどは、結晶シリコンから作られたセンサーを仮定する。しかし、この方法（または当業者にとって明確な改良）は通常、他の半導体材料または材料から作られたセンサーにも適用する。ＶＣＦセンサー群の各々のセンサーは、電子-正孔対に直接にまたは間接に光子のエネルギーを変換することによって、光子を感知する。これは半導体的材料において起こる。ＶＣＦセンサー群は通常、この群の各々のセンサーの出力が入射放射線の異なる波長バンドを示すように行われる。ＶＣＦセンサー群において各々のセンサーに達する放射線は、センサー群を形成する材料のフィルター動作のために、異なる波長強度スペクトルを持つ。この結果、ＶＣＦセンサー群のすべてのセンサーは同等であり、各々のセンサーは異なる波長バンドを示す出力を出すことができる。しかし、幾つかの実施形態において、ＶＣＦセンサー群のセンサーは必ずしもすべて同等である分けではなく（たとえば、それらは同一の材料または材料の同一の組合せから必ずしもすべて構成されるわけではない）、あらかじめ決められた応用のためにセンサー群の性能を最適化したり改良するように、各々の構造と構成は決定される。たとえば、波長の所定範囲（すなわち、このような範囲において比較的高い吸収率）まで比較的高い吸収率を持ち、他の波長では低い吸収率を持つセンサーは、ＶＣＦセンサー群を形成するために異なるスペクトル敏感性を持つ他の材料から作られるセンサーを有して垂直（縦方向）に積層することができる。

デジタル・スチル・カメラ（ＤＳＣ）のためのカラー出力は、人間の視覚システムの３色特性のために、３つのスペクトルバンドの最小値を感知する必要がある。

この結果、３つの異なるスペクトルバンドを感知するために、本発明のＶＣＦセンサー群（各々は半導体材料を含む）も多くの実施形態は３つの垂直積層センサーを持つ。３つの垂直積層センサーよりむしろ２つの垂直積層センサーを持つＶＣＦセンサー群は、たとえばＵＳ特許4,581,625およびＵＳ特許4,677,289に記載された可視光および赤外光放射線の同時検出のような、他の応用において有用である。３つのスペクトル領域よりセンシングに有用性があるので、本発明のＶＣＦセンサー群の幾つかの実施形態は３つ以上の垂直積層センサーを持つ。付加的なスペクトル領域からの余分な上方を使って、対象物のカラーのさらに正確な表現を出すことが可能である。さらに多くのスペクトルデータを利用できるので、カラー表現の正確さが潜在的に改善する。

本発明のＶＣＦセンサー群の実施形態において、各々のセンサーは、（図２における層Ｘ０１および層Ｘ０９の近接部分を含むセンサーが含む）２層の半導体材料、または（図２における層Ｘ０２および層Ｘ０９とＸ１０との近接部分を含むセンサーが含む）３層の半導体材料を含み、各々の２つの近接層のセンサー間の接合（たとえば、「ｐ−ｎ」接合またはヘテロ接合）が存在し、およびセンサーの層の１つはコンタクト部分（バイアスや回路読み出し容易になる）を持つキャリア収集要素である。通常の動作中に、各々のセンサーの層は光励起キャリアは、少なくとも1つの空乏領域を通ってコンタクト部分で利用できる光電荷信号を作るためにコンタクトへ移動する。ＶＣＦセンサー群の通常の実施形態において、この群は光子を吸収することができる材料（たとえば、空乏領域Ｘ０４にも空乏領域Ｘ０５にも属さない、図２における層Ｘ０９の半導体材料）を含み、このような吸収は読み出し回路によって検出される電荷を発生しやすく、そこにおいて、光励起キャリアは少なくとも２つの異なるキャリア収集要素のいずれかの方へ移動する（重要な可能性を持つ）ことが可能である。通常、ＶＣＦセンサー群のすべての層は半導体材料からなるが、必ずしもそうでなくても良い。

図１は、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、および６５０ｎｍに関して、シリコンの深度の関数として、結晶シリコンにおける電磁放射線の強度（その入射強度Ｉ₀に対して）のグラフである。図３は、波長４５０ｎｍ（カーブＡ）、５５０ｎｍ（カーブＢ）、および６５０ｎｍ（カーブＣ）に関して、その上にオーバーレイした（被せた）図２のセンサー群の層の位置を示すとともに、シリコンの深度の関数として、結晶シリコンにおける電磁放射線の吸収率（その入射強度Ｉ₀に対して）のグラフである。図１および３のグラフは、同じデータから得られている。図３の各々のカーブは、図１の対応するカーブの「（ｎ＋１）番目」のデータと「ｎ番目」のデータとの間の差である「ｎ番目」の差の値を用いて、その差の値をプロットする。シリコン以外の多くの半導体における深度の関数として放射線の強度（所定の波長を持つ）は、図１においてグラフ化されたものと同様の関数である。図１は、（各々の波長に関して）放射線の相対強度（比Ｉ／Ｉ₀、ここで、“Ｉ”はシリコンの深度“ｘ”における強度で、“Ｉ₀”は入射強度である）は、光子がシリコンによって吸収されるので、深度の増加と共に減少する、ということを示す。図１および３は、比較的多くの青色光（450nm）の光子は、長波長の光子であるというよりも、表面付近で吸収されるということ、また、シリコンのいずれの深度においても、青色光の光子よりももっと多くの緑色光（550nm）の光子が存在するということ、緑色光の光子よりももっと多くの赤色光（650nm）の光子が存在するということを示している（赤色光、緑色光、および青色光の光子に関して、入射強度は等しいと仮定している）。

図１（および図３）の３つのカーブの各々は、深度の増加と共に強度が指数関数的に落ちるということを示し、さらに通常のドーピングおよびプロセスにさらされる結晶シリコン内の光の測定された挙動に基づく。各々のカーブの正確な形は、ドーピングおよびプロセスのパラメーターに依存する。ドーピングおよび／またはプロセスのパラメーターの異なる組合せを仮定するカーブの間に、わずかな差だけが存在する。半導体による異なる波長の光子の吸収は、半導体のバンドギャップ・エネルギー、およびバンド端における状態の詳細に依存するということは、周知である。通常の半導体（たとえば、シリコン）は異なる波長に対して異なる吸収率を持つということもまた周知である。

図１および３から明らかなように、シリコンのもっと大きな体積における所定の深度において、ＶＣＦセンサー群におけるセンサーとして機能し、また所定の厚さを持つシリコンの体積は、緑色光より青色光に対して大きな吸収率を持ち、赤色光より緑色光に対して大きな吸収率を持つ。しかし、センサーシリコンが、より大きな体積において十分に深い場合、青色光および緑色光の殆どは、センサーシリコン上の材料によって吸収されてしまうだろう。たとえ実質的に平坦な波長強度スペクトルを持つ光がより大きな体積の表面において入射したとしても、このセンサーは、緑色光または青色光よりももっと多くの赤色光を実際に吸収することができる。また、センサーに達する緑色光および青色光の強度は、センサーに到達する赤色光の強度よりもかなり小さい。

本発明のＶＣＦセンサー群の通常の実施形態は、半導体材料の体積における深度の異なる範囲において光子を捕獲することによって色の分離を達成する。図２は、最上部層Ｘ０１（ｎ型半導体から作られる）、最上部層下の第２の（ｐ型）層Ｘ０９、第２の層下の第３の（ｎ型）層Ｘ０２、第３の層下の第４の（ｐ型）層Ｘ１０、第４の層下の第５の（ｎ型）層Ｘ０３、および第５の層下のｐ型半導体基板Ｘ１１を含む、ＶＣＦセンサー群の垂直ドーピングプロファイルである。

図２Ａは、このＶＣＦセンサー群の断面図（垂直面における）である。図２Ａに示されるように、バイアスおよび読み出し回路は、層Ｘ０１、Ｘ０２、Ｘ０３、Ｘ０４、およびＸ０５に，また基板Ｘ１１に結合する。

青色、緑色、および赤色フォトダイオードセンサーは、図２Ａのｎ型およびｐ型領域の間の接合によって形成され、半導体構造の表面下の異なる深度（深さ）に配置される。赤色、緑色、および青色光電荷信号は、３つの分離されたフォトダイオードのｎ型カソード（Ｘ０１、Ｘ０２、およびＸ０３）からすべて取り出される。

図２Ａの読み出し回路は非記憶型であり、ＵＳ特許09/884,863に記載されたものと同様である。各々のセンサー読み出し回路は、ＲＥＳＥＴ信号線から駆動され、フォトダイオードのカソードとリセット電位（図２ＡにおけるＶ_REFと表示される）との間に結合された、リセットトランジスター（青色光に関して５４ｂ、緑色光に関して５４ｇ、および赤色光に関して５４ｒ）を含み、ゲートがフォトダイオードカソードへ結合され、ドレインが動作中に電位Ｖ_SFDで保持されるソース・フォロワー増幅器トランジスター（トランジスター５６ｂ、５６ｇ、および５６ｒ）を含み、さらにROW-SELECT信号線から駆動され、関連のソース・フォロワー増幅器トランジスターのソースと列線との間に結合された列選択トランジスター（トランジスター５８ｂ、５８ｇ、および５８ｒ）を含む。添え字“ｒ”、“ｇ”および“ｂ”は各々のトランジスターと関連した波長バンド（赤、緑、または青）を示すために使われる。当業者に知られているように、RESET信号は画素をリセットするために働き、照射中は働かないが、その後で、列選択線は検出信号を読み出すために働く。

ｐ型領域Ｘ０９、Ｘ１０およびＸ１１の各々は、動作中はグランド電位に保持される。ｎ型領域Ｘ０１、Ｘ０２およびＸ０３の各々は、バイアス回路および読み出し回路につながる（および結合することができる）コンタクト部分を持つキャリア収集要素である。このセンサー群の各々の読み出し前に、バイアス回路はリセット電位（上述のグランド電位）に対して各々のｎ型領域層をリセットする。感知される放射線に露出中に、近接したｐ型およびｎ型層の反転バイアスされたペアー（電子-正孔対）はフォトダイオード（カソードが層Ｘ０１であり、アノードが層Ｘ０９である第１のフォトダイオード、カソードが層Ｘ０２であり、アノードが層Ｘ０９およびＸ１０である第２のフォトダイオード、カソードが層Ｘ０３であり、アノードが層Ｘ１０およびＸ１１１である第３のフォトダイオード）として機能する。図２に示すように、ｎ型層Ｘ０１、Ｘ０２およびＸ０３の各々は、バイアス回路および読み出し回路に結合し、この結果フォトダイオード・ターミナル（端末）として役に立つ。

通常の動作中に、図２のフォトダイオードはバイアス反転されるとき、空乏領域は、光子が吸収されるシリコンの大部分を取り囲むように形成される。図２において、第１のフォトダイオード（これは最初に青色光を感知する）に関して空乏領域は“Ｘ０４”と記され、第２のフォトダイオード（これは最初に緑色光を感知する）に関して空乏領域は“Ｘ０５”および“Ｘ０６”と記され、第３のフォトダイオード（これは最初に赤色光を感知する）に関して空乏領域は“Ｘ０７”および“Ｘ０８”と記される。空乏領域内の部分は、光子の吸収によって形成される電子-正孔対を分離する。これは電荷を各々のフォトダイオードのカソード上に残し、各々のカソードに結合した読み出し回路はこの電荷を電気信号に変換する。各々のフォトダイオードのカソードの電荷は、フォトダイオードによって吸収される光子の数に比例する。この比例は量子効率ＱＥである。

図３は、図１に示された同じカーブを示し（シリコンによる青色、緑色、または赤色の光子の吸収を示す）、またキャリア収集要素（Ｘ０１、Ｘ０２、およびＸ０３）の範囲および図２の構造の空乏領域を示す線を含む。この結果、図３における「Ｘ０１＋Ｘ０４」と記された領域は、空乏領域Ｘ０４の低いほうの表面上に図２の領域を表す。また、図３における「Ｘ０５＋Ｘ０２＋Ｘ０６」と記された領域は、空乏領域Ｘ０５の上面と空乏領域Ｘ０６の低面との間に図２の領域を表す。さらに、図３における「Ｘ０７＋Ｘ０３＋Ｘ０８」と記された領域は、空乏領域Ｘ０７の上面と空乏領域Ｘ０８の低面との間に図２の領域を表す。図３はこの結果３つの異なった「センサー」領域を示し、図２の３つのフォトダイオードは光子を吸収し、このような吸収から生じる電荷は残存し（また電荷が発生するセンサー領域の外側に移動しない）、読み出し回路によって測定できる。３つのセンサー領域（たとえば、空乏領域Ｘ０４の底面と空乏領域Ｘ０５の上面との間の層Ｘ０９で発生した電子-正孔対）の間に発生した電子-正孔対は、それでもセンサー領域へ拡散する（高効率で）ことが可能であり、読み出し回路によって測定できるフォトダイオード上に電荷を発生可能である。

波長によって光子の選択吸収は３つのフォトダイオードの光感度を決定する。４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、および６５０ｎｍ光に関して、図３のカーブと関係するセンサー領域（「Ｘ０１＋Ｘ０４」、「Ｘ０５＋Ｘ０２＋Ｘ０６」、および「Ｘ０７＋Ｘ０３＋Ｘ０８」）の位置を考慮する場合、センサー領域の深度および範囲はスペクトル感度を決定する。「Ｘ０１＋Ｘ０４」領域において、入射青色光は、入射緑色光および赤色光よりもかなり多く吸収されるが、緑色光および赤色光は少量吸収されるだけである。「Ｘ０１＋Ｘ０４」領域において、入射緑色光は、入射青色光よりかなり少なく吸収され、また入射緑色光は、入射赤色光よりかなり多く吸収される。「Ｘ０５＋Ｘ０２＋Ｘ０６」領域において、入射緑色光は、入射青色光より多く吸収され（領域「Ｘ０１＋Ｘ０４」における入射青色光の殆どは、その領域において吸収され、領域「Ｘ０５＋Ｘ０２＋Ｘ０６」に到達しないので）、また入射緑色光は、入射赤色光より多く吸収される（たとえ、領域「Ｘ０１＋Ｘ０４」における少量の入射赤色光だけがその領域で吸収され、その結果、殆どのこのような赤色光が領域「Ｘ０５＋Ｘ０２＋Ｘ０６」に到達したとしても）。

入射光の波長の全範囲（３波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、および６５０ｎｍだけではない）は図２の３つのフォトダイオードのスペクトル感度を決定するが、これは図４に示されるものに類似する。図４のカーブＣ１は、図２の最上部（「青色光」）フォトダイオードと同様の最上部（「青色光」）フォトダイオードのスペクトル感度であり、図４のカーブＣ２は、図２の中間（「緑色光」）フォトダイオードと同様の中間（「緑色光」）フォトダイオードのスペクトル感度であり、図４のカーブＣ３は、図２の底部（「赤色光」）フォトダイオードと同様の底部（「赤色光」）フォトダイオードのスペクトル感度である。

実施形態の重要な段階において、（図２のＶＣＦセンサー群を含む）、本発明のＶＣＦセンサー群は３つのフォトダイオードを使用する。このようなＶＣＦセンサー群は、ＤＳＣまたはデジタル・ビデオカメラの使用に充分適切である。しかし、他の実施形態において、本発明のＶＣＦセンサー群は、少なくとも主に半導体材料からなる体積内で、異なる深度で配置される２つの（または３つを超える）フォトダイオードを使用する。

既に述べたように、吸収率が波長とともに変化する材料は、それらを通して深度の関数としてその材料へ伝播する放射線のスペクトル量を変化させる。このような材料はＶＣＦセンサー群において多重機能を持つ。それらは、フィルターとして機能できる。またセンサー（センサーの要素）としても機能する。たとえば、図２において、シリコン領域Ｘ０１、Ｘ０２，Ｘ０３，Ｘ０９，Ｘ１０、およびＸ１１の各々は、フィルターとして、および少なくとも１つのセンサーの要素としても機能する。他の実施形態において、他の半導体（または、少なくとも２つの異なる半導体的材料）も同様にセンサー（または、センサーの要素）としてもフィルターとしても機能する。

実施形態のある段階において、本発明の垂直カラーフィルター（“ＶＣＦ”）センサー群は垂直に積層したセンサーを含み、このセンサーは最上面を持つ最上部センサーを含み、この群のいずれの他のセンサーにも到達する前に、感知される放射線は最上面に入射し、最上部センサー（最上面を通して）へ伝播する。最上面は標準軸を定義する（および、通常少なくとも実質的に平面である）。好適には、この群の垂直軸に沿って伝播する放射線はこの群に入射するとき、標準軸に関して約３０度未満の入射角を有して、この放射線が最上部センサーに入射するように、このセンサーは作られる。

次に図５、６、および７に関連して、我々は、シリコン以外の半導体材料（たとえば、ＩnＧaＮまたは他のIII−Ｖ族半導体材料、またはIII−Ｖ族材料ではないシリコン以外の半導体材料）はＶＣＦセンサー群を形成するために使われる実施形態を記載する。シリコンでもIII−Ｖ族材料でもないこのような半導体材料の１つは、シリコンカーバイドである。図５は、最上部センサー１０、底部センサー１４、およびセンサー１０および１４の間にある中間センサー１２を含む、ＶＣＦセンサー群の単純化される断面図（垂直面における）である。センサー１０および１２の各々はＩn_ｘＧa_1-xＮ半導体材料からなり、ここでセンサー10に関してｘ＝0.475で、センサー１２に関してｘ＝0.825である。センサー１４は本質的にシリコンからなる。通常、センサー１０および１２の各々は、フォトダイオードとして機能するために動作中にバイアスされた少なくとも１つの接合を決定するＩn_ｘＧa_1-xＮ半導体の多重層からなる。またセンサー１４は、フォトダイオードとして機能するために動作中にバイアスされる、異なるドーピングを持つシリコンの多重層（たとえば、ｎ型シリコン層、およびそのｎ型シリコン層の上部と下部のｐ型シリコン層の近接部分）からなる。

１つ以上のIII−Ｖ族半導体材料から本質的になるセンサーを使い、フォトダイオードとして機能するために動作中にバイアスされる、接合（ヘテロ接合およびショットキーバリアーを含むいずれかの種類の）を決定することは、本発明の範囲内にある。

図６は、インジウム量の異なるレベル（添え字“ｘ”の異なる値）を持つＩn_ｘＧa_1-xＮ半導体の電子ボルトにおける、バンドギャップエネルギー（中心列で「エネルギーギャップ」と記されている）をリストする表である。図６はまた、各々のバンドギャップエネルギーに対応する光学波長をリストする（右列において）。この結果、図６は示す。Ｉn_0.1Ｇa_0.9Ｎから作られたセンサーによって吸収することができる最大波長は３８８ｎｍで、図５のセンサー１０（Ｉn_0.475Ｇa_0.525Ｎ半導体から作られる）によって吸収することができる最大波長は約５００ｎｍで、図５のセンサー１２（Ｉn_0.825Ｇa_0.175Ｎ半導体から作られる）によって吸収することができる最大波長は約６１２ｎｍである。

この結果、センサー１０は、すべての（または実質的にすべての）緑色光および赤色光入射を伝達し、好適にはそれがすべての（または実質的にすべての）青色光入射を図５のセンサー群上で吸収するのに十分な厚さを持つ。同様に、センサー１２はすべての（または実質的にすべての）赤色光入射を伝達し、好適にはそれがすべての（または実質的にすべての）緑色光入射を図５のセンサー群上で吸収するのに十分な厚さを持つ。センサー１４は好適には、それがすべての（または、少なくとも重要な量の）赤色光入射を吸収するのに十分な厚さを持つ。

一般には、ＶＣＦセンサー群を形成するために、Ｉn_xＧa_1-xＮ半導体半導体材料（または他のIII−Ｖ族半導体材料）を使うとき、その材料のパラメーター（たとえば、Ｉn_xＧa_1-xＮにおけるパラメーター"ｘ"）は、（たとえば、閾値よりも大きな波長を持つ光に対してあるセンサーを透過的にするために）ＶＣＦセンサー群の各々のセンサーに関して所望のバンドギャップエネルギーを達成するために選ばれる。

さらに一般的に、本発明の幾つかの実施形態において、シリコン以外の少なくとも1つの半導体材料が、ＶＣＦセンサー群の少なくとも1つのセンサーを実施するために使われる。またこの材料は、この群の異なるセンサーを異なる波長バンドに選択的に敏感にするように選ばれる。幾つかのこのような好適な実施形態において、少なくとも２つの異なる種類の半導体材料は、ＶＣＦセンサー群のセンサーを実施するために使われ、この材料は、この群の異なるセンサーを異なる波長バンドに選択的に敏感にするように選ばれる。

本発明のＶＣＦセンサー群の幾つかの実施形態は少なくとも１つの「アバランシェ」フォトダイオードを含み、それは、「アバランシェ」ゲインプロセスの結果として、吸収された光子当たり１個以上の電子を集めるフォトダイオードである。アバランシェ・ゲイン・プロセスにおいて、第1の電子-正孔対は少なくとも１つの付加的電子-正孔対を発生し、第1の電子-正孔対の電子エネルギーは、フォトダイオードセンサーを形成する半導体材料のバンドギャップエネルギーを超えると仮定する。半導体材料は、電子に関してイオン化係数（ａ_n）および正孔に関してイオン化係数（ａ_p）を持つ。ここで１／ａ_nは、衝突イオン化によって電子-正孔対を発生する前に、電子がその材料において加速される平均距離である。１／ａ_ｐは、衝突イオン化によって電子-正孔対を発生する前に、正孔がその材料において加速される平均距離である。フォトダイオードが半導体材料｛これにおいては、イオン化係数の比、ａ_p／ａ_nは、フォトダイオードは半導体材料（これにおいては、イオン化係数の比、ａ_p／ａ_nは、１よりもかなり大きいか、または１よりもかなり小さい）から形成されるという場合におけるよりも１にほぼ等しい｝から形成されるとき、実際的なアバランシェフォトダイオードを実施することははるかに困難である。

本発明の幾つかの実施形態において、ＶＣＦセンサー群の少なくとも１つのセンサーは、光学的吸収領域および光学的吸収領域から分離されたアバランシェ領域を含むアバランシェ・センサーである。たとえば、図７は、ＶＣＦセンサー群に含まれ得るこのようなアバランシェ・センサーの断面図である。図７のセンサーは、基板２０（ｎ^＋シリコンから作られる）、基板２０上に層２１（ｎ⁻シリコンから作られる）、層２１上に層２２(相対的に低いドーパント濃度を持つｎ型Ｉn_xＧa_1-xＮ半導体材料から作られる)、および、層２２上に層２３(相対的に高いドーパント濃度を持つｐ型Ｉn_xＧa_1-xＮ半導体材料から作られる)を含む。金属コンタクト２７は層２３上に形成され、基盤２０は、ｎ^＋シリコンからなる垂直方向のコンタクト領域によって、金属コンタクト２５に結合される。動作中に、バイアス電圧は金属コンタクト２５および２７にわたり印加される。また、読み出し回路をコンタクト２７に結合することができる。層２１、２２、および２３および絶縁材料２４（シリコン・ナイトライドであることもできる）の間に（および基板２０および材料２４の間に）、層２１、２２、および２３、および絶縁材料２４の周りに、絶縁材料２７Ａ（これはフォトレジストから構成することができる、たとえば、ポリメチルグルタリミド・レジスト）によって、分離が提供される。

動作中に、層２２および２３は、電子-正孔対が入射光子に応えて形成される光学的吸収領域として機能する。層２２および２３を形成するＩn_xＧa_1-xＮ半導体材料は、１よりかなり大きい（または、かなり小さい）イオン化係数の比（ａ_p／ａ_n）を持つ。この結果、層２２と２３はアバランシェ・ゲイン領域として利用されない。

動作中に、層２１および２０は、光学吸収領域において形成される電子-正孔対に応じて電子-正孔対が形成されるアバランシェ・ゲイン・領域として機能する。層２２と２３を形成するシリコンは、層２２と２３に関してイオン化係数の比（ａ_p／ａ_n）であるよりも１に非常に近いイオン化係数の比を持つ。

一般に、本発明のＶＣＦセンサー群の幾つかの実施形態は、アバランシェ・フォトダイオードである少なくとも１つのセンサーを含む。ここでアバランシェ・フォトダイオードは、電子のイオン化係数がその正孔のイオン化係数よりも非常に異なる半導体材料（たとえば、ＩnＧaＮ）から作られた光学吸収領域を含み、また電子および正孔に関してほぼ等しいイオン化係数を持つ別の半導体材料（たとえば、シリコン）から作られる光学吸収領域から分離されるアバランシェ領域を含む。アバランシェ・フォトダイオードとして使われるセンサーの１つの重要な用途は、アバランシェ・フォトダイオードに到達する前に、少なくとも１つのフィルターおよび／または少なくとも１つの他のセンサーを通して伝播中に顕著に減少した（たとえば、吸収によって）その強度を持った放射線のような、低い強度の放射線を感知することである。

本発明のＶＣＦセンサー群の他の実施形態において、センサー（またはセンサー要素）として機能しない少なくとも１つのフィルターは、センサーとして（または、１つの要素として、または１つ以上のセンサーとして）機能する、少なくとも１つの層の半導体材料を用いて積層される。このようなフィルターは、図２の実施形態においてシリコンが持つのと同じスペクトル感度を持つことが可能であるが、必ずしも持つ必要はない。

フィルターは次の意味において放射線から波長を除く。各々のフィルターに関して、第１および第２の波長が存在する。第１および第２の波長がそれぞれ、強度“Ｉ１”および“Ｉ２”を有してフィルターに入射する場合、第１および第２の波長の伝達された強度（フィルターを通して伝達後）は、それぞれ、“Ｏ１”および“Ｏ２”であり、この時、Ｏ１≦Ｉ１、Ｏ２≧Ｉ２、およびＯ１／Ｏ２＜Ｉ１／Ｉ２である。

本発明のＶＣＦセンサー群の幾つかの実施形態に含まれるあるタイプのフィルターは、入射する電磁的放射線の波長を変化させる「変換フィルター」（たとえば、「変換層」）である。「変換」フィルターはある波長の光子を吸収し、少なくとも１つの短波長かまたは長波長で光子を放出する。通常、変換フィルターを含む材料は非線形光学材料である。あるセンサーのカットオフ（遮断）周波数以下の周波数を持つ光子を、より高い周波数へ変換するために変換フィルターを使うことができ、その結果、それらを検出できる。代替として、閾値周波数以上の周波数を持つ光子をより低い周波数へ変換するために変換フィルターを使うことができ、その結果、それらを検出できる。後者の例は、Ｘ線（Ｘ線は容易にたいていの検出材料を貫通する）を容易に検出される可視光へ変換するために使われるＸ線変換層である。約１００μｍの厚みを持つガドリニウム・オキシ・サルファイドの層か、または約１００μｍ〜６００μｍの範囲の厚みを持つタリウムでドープされたセシウム・ヨウ化物の層のどちらかが、本発明の幾つかの実施形態において、このようなＸ線変換層として使うことができる。

スペクトルバンドの群における光子を検出する２つの関連した方法が存在し、各々は本発明を実施するために使うことができる。本発明のＶＣＦセンサー群の幾つかの実施形態において、少なくとも１つのフィルターは光子を少なくとも１つの波長バンドの外側へ移動し、少なくとも２つの垂直積層センサーは残存する光子を検出し、ここで各々のセンサーは各々のフィルターと異なる要素である。本発明のＶＣＦセンサー群の他の実施形態は、非センサーフィルター（センサーでないフィルター）を含まないが、制限された波長バンドに敏感なセンサーを含む。たとえば第１のセンサーおよび第１のセンサーの下の第２のセンサーを含むことによって、本発明の他の実施形態はこれらのアプローチの組合せを実施する。ここで第１のセンサーは、制限された範囲の波長を吸収し、この範囲の外側の光子を第２のセンサーへ通し、また第２のセンサーはすべての波長に敏感である。この実施例において、第１のセンサーは、第２のセンサーのフィルターとして機能する。

本発明の幾つかの実施形態において、少なくとも１つの非センサーフィルターは、ＶＣＦセンサー群の垂直積層センサーの少なくとも１組の間に、またはこの群の最上部センサーの上に、またはこの群の底部センサーの下に配置される。このようなフィルターがＶＣＦセンサー群の垂直積層センサーの一組の間に配置されるとき、このフィルターは種々の異なるタイプのいずれかであることもでき、次を含む（がこれらに限定されない）。このフィルターはある波長バンドにおける放射線を吸収でき、どんな波長の重要な放射線も反射することなく他の波長を伝達することができる。このフィルターはある波長バンドにおける放射線を反射することができ、どんな波長の重要な放射線も吸収することなく他の波長を伝達することができる。または、このフィルターは、ある波長バンドにおける放射線に対して高い透過性があり、別の波長バンドにおける放射線に吸収性があり、第３の波長バンドにおける放射線に反射性がある。図８のＶＣＦセンサー群は、後者のタイプの２つの非センサーフィルターを含む。すなわち、カラーフィルター４３およびカラーフィルター４８。図８のセンサー群は、考えられる本発明の多くの実施形態の１つの例にすぎないということを理解するべきである。

図８は、本発明のＶＣＦセンサー群のアレイの１つの実施形態の部分の断面図（垂直面における）であり、２つの非センサーフィルター（層４３および４８）および４つの分離層（格差障壁４２、４４、４７、および４８）を含む。各々の分離層は二酸化シリコンから構成することができる。図８において、１つのＶＣＦセンサー群は、層５１（ｎ型半導体から作られる）および層５１の上と下にｐ型半導体材料５０の層を含み、材料５０の下に絶縁層４９、層４９の下にカラーフィルター４８、フィルター４８の下に絶縁層４７、層４６（ｎ型半導体から作られる）および層４６の上と下にｐ型半導体材料４５の層、材料４５の下に絶縁層４４、層４４の下にカラーフィルター４３、フィルター４３の下に絶縁層４２、層４１（ｎ型半導体から作られる）および層４１の上と下にｐ型半導体基板材料４０を含む。垂直方向のプラグコンタクトは、層４１、４６、および５１の各々をセンサー群の最上面に接続する。この結果、層４１、４６、および５１の各々は、バイアスおよび読み出し回路に結合することができる。放射線（正常にセンサー群の最上面に入射する）をプラグコンタクトに到達する（これは、周波数選択性を減少させる）ことから防ぐために、光シールド５４がプラグコンタクト上に実装される。図８のアレイはまた、第２のＶＣＦセンサー群を含む。第２のＶＣＦセンサー群は、層６３（ｎ型半導体から作られる）および層６３の上と下にｐ型半導体材料５０の層、材料５０の下に絶縁層４９、層４９の下にカラーフィルター４８、フィルター４８の下に絶縁層４７、層６２（ｎ型半導体から作られる）および層６２の上と下にｐ型半導体材料４５の層を含み、材料４５の下に絶縁層４４、層４４の下にカラーフィルター４３、フィルター４３の下に絶縁層４２、層６１（ｎ型半導体から作られる）および層６１の上と下にｐ型半導体基板材料４０を含む。垂直方向のプラグコンタクトは、層６１、６２、および６３の各々をセンサー群の最上面に接続する。この結果、層６１、６２、および６３の各々は、バイアスおよび読み出し回路に結合することができる。放射線（正常にセンサー群の最上面に入射する）をプラグコンタクトに到達することから防ぐために、光シールド５４が第２のＶＣＦセンサー群のプラグコンタクト上に実装される。

図８の実施形態のバリエーションにおいて、ｎ型層５１および６３（これは垂直方向のコンタクト部分を欠く）における水平方向のバリエーションは、センサー群の最上面で露出されている（また半導体材料５０によってはカバーされていない）。このような露出した
各々のｎ型層を、バイアスおよび読み出し回路へ直接連結する（たとえば、その上に形成される金属によって）ことが可能である。同様に、図８の実施形態のバリエーションにおいて、ｎ型層４６および６２は層４７の下に直接に存在し（また、ｐ型半導体材料４５によって層４７から分離されない）、さらに、ｎ型層４１および６１は層４２の下に直接に存在する（また、ｐ型半導体材料４０によって層４２から分離されない）。

図８のｐ型半導体層の各々は、動作中にグランド電位に保持される。ｎ型半導体層の各々は、バイアスおよび読み出し回路につながっている（また、結合することができる）プラグコンタクトによって結合される。各々のセンサー群の各々の読み出し前に、ベース回路はｎ型層の各々を基準電位（上のグランド電位）にリセットする。感知される放射線に露出中に、第１のセンサー群の近接したｐ型およびｎ型層の反転バイアスされた組は、フォトダイオードとして機能する。カソードが層５１であり、アノードが材料５０（センサー群の最上部に白色光の入射に応答して緑色または赤色光子より多くの青色光子を吸収するので、「青色」センサーと呼ばれる）近接層である第１のフォトダイオード。カソードが層４６であり、アノードが材料４５（白色光がセンサー群の最上部に入射するとき、青色または赤色光子より多くの緑色光子を吸収するので、「緑色」センサーと呼ばれる）の近接層である第２のフォトダイオード。カソードが層４１であり、アノードが材料４０（白色光がセンサー群の最上部に入射するとき、青色または緑色光子より多くの赤色を吸収するので、「赤色」センサーと呼ばれる）の近接層である第３のフォトダイオード。感知される放射線に露出中に、第２のセンサー群の近接したｐ型およびｎ型層の反転バイアスされた組もまた、フォトダイオードとして機能する。カソードが層６３であり、アノードが材料５０（第２のセンサー群の最上部に白色光の入射に応答して緑色または赤色光子より多くの青色光子を吸収するので、「青色」センサーと呼ばれる）の近接層である第１のフォトダイオード。カソードが層６２であり、アノードが材料４５（白色光が第２のセンサー群の最上部に入射するとき、青色または赤色光子より多くの緑色光子を吸収するので、「緑色」センサーと呼ばれる）の近接層である第２のフォトダイオード。カソードが層６１であり、アノードが材料４０（白色光が第２のセンサー群の最上部に入射するとき、青色または緑色光子より多くの赤色を吸収するので、「赤色」センサーと呼ばれる）の近接層である第３のフォトダイオード。

層４０、４１、４５、４６、５０、および５１は、結晶シリコンから作られるとき（通常であるように）、層５１および５０はそれぞれ層４６および４５より好適には薄く、また層４１および４０はそれぞれ層５１および５０より薄い。これは、緑色光よりかなり多くの赤色光は各々の赤色センサーに入射すること、および、緑色光よりかなり多くの青色光は各々の青色センサーによって吸収されることを保証する一方で、各々の緑色センサーに入射する赤色光に対する緑色光の強度比は、十分に高いということを保証するのに十分な量による。通常、第１のセンサー群における層５１および５０（および第２のセンサー群における層６３および５０）の合わさった厚みは約0.3μｍ以下であり、または第１のセンサー群における層４５および４６（および第２のセンサー群における層４５および６２）の合わさった厚みは約５μｍである。

カラーフィルター４３は、赤色光に対して透過性が高いが、そこに入射する殆どまたはほぼすべての青および緑色光を反射する「赤色パス／シアン反射」フィルターである。カラーフィルター４８は、そこに入射する赤色光および緑色光に対して透過性が高いが、そこに入射する殆どまたはほぼすべての青色光を反射する「黄色／青色反射」フィルターである。本発明の他の実施形態は反射性ではない透過性フィルターを使う。

フィルター４３は、各々の赤色センサーによって吸収される、緑色光に対して赤色光の比を増加させる（および青色光に対して赤色光の比）ように機能し、またフィルター４３を削除した場合、赤色センサーに影響を与える可能性がある赤色／緑色の識別問題を減少させるか除去することができる。同様に、フィルター４８は、各々の緑色センサーによって吸収される、青色光に対して緑色光の比を増加させるように機能し、またフィルター４８を削除した場合、緑色センサーに影響を与える可能性がある緑色／青色の識別問題を減らすかなくすことができる。

フィルター４８から反射する青色光は青色センサーに吸収される別の機会を有するので、フィルター４８はまた、各々の青色センサーによって吸収される、緑（および赤）色光に対して青色光の比を増加させるように機能する。フィルター４８から赤色および緑色光の青色センサーへのわずかな反射が存在するだけであるから、青色光の各々の青色センサーの吸収は、赤色および緑色光に対する応答を増加させることなく改良される。同様に、フィルルター４３から反射する緑色光は緑色センサーに吸収される別の機会を有するから、フィルター４３はまた、各々の緑色センサーによって吸収される赤色光に対して緑色光の比を増加させるように機能する。フィルター４３から赤色光の緑色センサーへのわずかな反射が存在するだけであるから、各々の緑色センサーの緑色光の吸収は、赤色光への応答を増加させることなく改良される。ほぼすべての青色光は青色センサーにおいて吸収されるか、フィルター４８によって青色センサーの方へ反射されるので、青色光が緑色センサーに到達することはまずない。

ＶＣＦセンサー群におけるフィルターとして働く多くの種類の材料がある（たとえば、図８におけるフィルター４３または４８、波長バンドで反射性があり他のすべての波長に透過性があるフィルター、または波長バンドでは吸収性があるが反射性はないフィルター）。これらの材料は、組合せまたは種々の厚さで使うこともできる。この配置は、それらの光学的性質によって部分的に決定されるが、プロセスの集積事情によって最適化される。

材料および材料間の界面は光子を反射可能である。鏡の反射率は波長によって選択性であるとき、鏡（材料および材料間の界面）は本発明のＶＣＦセンサー群においてフィルターとして機能することができる。たとえば、本発明のＶＣＦセンサー群の幾つかの実施形態は２色性ミラーを含み、その両方は、第1の波長バンドの放射線を透過し、第2の波長バンドの放射線を反射する。

上述したように、光学吸収は波長とともに変化する材料の積層は、本発明のＶＣＦセンサー群の種々の実施形態においてフィルターとして使うことができる。色々ドープした半導体材料（たとえば、シリコン）の層を含む好適な実施形態において、少なくとも1つの半導体層はフィルターとしてもまたセンサーとしても使われる。半導体材料の層は、フィルターとしてもまたフォトダイオードセンサーのカソード（またはアノード）としても使われるＶＣＦセンサー群において、センサーのスペクトル感度は、フォトダイオードのアノードおよびカソードに渡って印加された、バイアス電圧を制御することによって多少コントロールすることができるし、ドーピングレベルおよびドーパント原子およびセンサー要素の構造間隔を決定することによってコントロールすることもできる。

本発明の幾つかの実施形態に含まれる別の種類のフィルターは薄い金属膜である。薄い金属膜は部分的な反射体として作用することができ、この結果入射光子をフィルターする。反射した光子はそれらの上のどんな層も通って戻り、吸収される第2の機会をそれらに与える。

本発明の幾つかの実施形態に含まれる他の種類のフィルターは、ある波長を反射し他の波長をパス（通過）する干渉フィルター（たとえば、異なる誘電率を持つ誘電材料の積層）、および有機および無機の染料および色素である。

本発明の幾つかの実施形態において、フィルターは、たとえば、出願10/103,304に記載される、種々のパターンのいずれのアレイのＶＣＦセンサー群の間にも分配される。このフィルターはすべて同一であることもできるが、必ずしも同一である必要もない。好適にも、各々フィルターはＶＣＦセンサー群の1つを用いて（たとえば、半導体層上に、または半導体層の間に形成される層として）一体的に形成される。代替的に、フィルターはセンサー群から別々に製造することができ、その後でセンサー群アレイの上に配置し、ＶＣＦセンサー群へ結合する（そうでなければ、付着したり、固定位置に保持したりする）ことができる。このフィルターは、図８Ａに示されるように、交互または「チェックボード」方式で提供することができ、ここに、“ＲＧＢ”と記された各々の四角はＶＣＦセンサー群を示し、“Ｘ”と記された各々の四角はフィルターの1つを含むＶＣＦセンサー群を示す。図８Ａに示すように、各々の奇数番号列における各々の奇数番号のセンサー群はフィルターの1つを含み、また、各々の偶数番号列における各々の偶数番号のセンサー群はフィルターの1つを含み、この結果、フィルターを持つカラーセンサー群とフィルターを持たないカラーセンサー群との間に最適の空間周波数を得る。

代替的に、フィルターは図８Ｂに示されるパターンを提供でき、そこにおいて“ＲＧＢ”と記された各々の四角はＶＣＦセンサー群を示し、“Ｘ”とマークされた各々の四角はフィルターの1つを含むＶＣＦセンサー群を示す。フィルターは図８Ｂパターンに提供されるとき、画像読み出しの両方のタイプがカラーセンサー群出力およびカラーフィルターのあらゆる組合せを含むということを保証する一方で、フィルターは、完全に測定されたカラー読み出しおよびモザイク・エミュレーション読み出しの両方を可能にする方式で分配される。代替的に、フィルターは多くの他のどんなパターンにおいてもＶＣＦセンサー群アレイのセンサー群の間に分配することができる。そのうちの幾つかは出願10/103,304に記載される。

本発明のＶＣＦセンサー群の幾つかの実施形態は、少なくとも１つのフィルターの代わりに、または少なくとも１つのフィルターに加えて少なくとも１つのレンズを含む。たとえば、ＶＣＦセンサー群アレイのＶＣＦセンサー群のすべてまたは幾つかの各々の上に、マイクロレンズを形成することができる。金属化（または別の構造）はＶＣＦセンサー群の開口のサイズ（入射放射線が少なくとも１つのセンサーへ伝播する画像面における領域）を制限するとき、フォトレジストを開口部の上に体積でき、また、その後で、露光して、その結果、フォトレジスト材料は凸または凹形状部に溶けてこれによってマイクロレンズを形成する。レンズおよびレンズ形状を含む材料の特性に依存して、レンズはレンズ自身と同様にフィルターとして機能する。たとえば、図９は、図８のＶＣＦセンサー群アレイのバリエーションの部分の断面図（垂直面における）である。図９のアレイは、ｐ型半導体材料に形成されたｎ型半導体層５１、４６、および４１を含む第1のＶＣＦセンサー群を含み、センサー群の最上面への層４１、４６、および５１の各々に接続する垂直方向のコンタクト、および（コンタクトに到達することからセンサー群の最上面に垂直に入射する）放射線を防止するコンタクト上に実装された光シールド５４を含む。図９のアレイはまた、ｐ型半導体材料に形成されたｎ型半導体層６１、６２、および６３を含む第2のＶＣＦセンサー群を含む。光シールド５３および５４は、感知される放射線に対して透明である層６４に形成される。光シールド５３および５４は、第1のセンサー群の開口部を囲み、また光シールド５３および別の光シールド（示されていない）は第2のセンサー群の開口部を囲む。凸状マイクロレンズ６５は第1の群の開口部上の層６４上に形成され、凸状マイクロレンズ６６は第２の群の開口部上の層６４上に形成される。

マイクロレンズは、交互パターン（たとえば、図８Ａに示されるもの）におけるＶＣＦセンサー群アレイのセンサー群の間に分配されるとき、放射線に異なる敏感さを持つセンサー群の小集団は独立して選択できる。これは、全体としてアレイの拡大したダイナミックレンジを提供する。

ＶＣＦセンサー群アレイの各々のセンサー群の開口部は、通常四角形または八角形であるが、代わりに別の形状（たとえば、長方形、円形、または不規則形状）を持つ。このようなアレイのすべてのまたは幾つかのセンサー群の開口の上に形成されたマイクロレンズは通常四角形であるが、他の形状を持つこともできる。

本発明のＶＣＦセンサー群の幾つかの実施形態は、複合レンズ（たとえば、凸状マイクロレンズおよび凹状マイクロレンズの組合せ）である、少なくとも１つのマイクロレンズを含む。

アレイの各々のセンサー上に１つのマイクロレンズとともに、ＣＣＤイメージセンサーアレイの最上部層としてマイクロレンズを形成することは周知である。たとえば、アレイの各々のセンサーの上に２つの垂直に分離したマイクロレンズ、および垂直に分離したマイクロレンズの各々のこのような組の間にカラーフィルターとともに、ＣＣＤイメージセンサーアレイの中間層としてマイクロレンズを含むこともまた周知である。本発明の実施形態において、この群の最上部センサーへ放射線を屈折させるために、（たとえば、図９において層５１を含むセンサー）、マイクロレンズ（たとえば、図９のマイクロレンズ）はＶＣＦセンサー群のセンサーに対して配置される。その結果、少なくとも幾つかの放射線は最上部センサーを通し最上部センサーの下に配置されたセンサーの各々に伝播し、この放射線は、それが底部センサーに達することができる前にこの群に吸収されもしないしこの群の要素によって反射されもしない、少なくとも１つの波長を含む。

半導体プロセスに（他の目的で）使われる材料は、本発明の通常の実施形態において、フィルター、レンズ、およびセンサーを装備するのに非常に望ましい。何故なら、プロセスを修正することなくＶＣＦセンサー群にそれらを付加することができるからである。このような材料の例はポリシリコン、二酸化シリコン、および窒化シリコンである。ポリシリコンの層はフィルターとして使うことができる。このフィルターの吸収スペクトルは、その結晶特性や電導性や層の厚さやＶＣＦセンサー群の他の要素に対する深度に依存する。表面（たとえば、シリコン表面）に形成した二酸化シリコンおよび窒化シリコンの層は、ＶＣＦセンサー群に干渉フィルターを形成することができる。

本発明を具体化するＶＣＦセンサー群の「最小サイズの」キャリア収集要素という表現は、この群の各々のキャリア収集要素を示すために使われる。この群の最上部センサーの最上面によって定義される標準軸に垂直な面上で、この投影は、このような面上にこの群の各々の他のキャリア収集要素の投影された領域よりも大きくない領域を持つ。この（この群の）「最小収集領域」という表現は、この群の最上部センサーの最上面によって定義される標準軸に垂直な面上に、この群の最小サイズのキャリア収集要素の投影された領域を示すために使われる。

本発明のセンサー群に実施形態において、図１０、１０Ａおよび１０Ｂのセンサー群におけるように、この群の１つのセンサーのキャリア収集要素は、この群の各々の最小サイズのキャリア収集要素を持つよりも、実質的により大きな「サイズ」（この群の最上部センサーの最上面の標準軸に垂直な面に投影された領域）を持つ。この種類における好適な実施形態において、センサー群の１つのキャリア収集要素は、少なくともこの群の最小収集領域の２倍のサイズを持つ。このキャリア収集要素は通常、アレイの少なくとも１つの他のセンサー群によって、共有され、そのサイズは通常、それを共有するすべての群のサイズの合計に少なくとも実質的に等しい。

図１０のアレイは、複数のセンサー群を含み、そのうちの６つが図１０に示される。各々のセンサー群は、１つの緑色センサー（そのキャリア収集領域は、他のいずれのセンサー群とも共有されない）を含み、１つの青色センサー（1つの他のセンサー群と共有される）、および1つの赤色センサー（1つの他のセンサー群と共有される）を含む。各々の赤色センサーおよび各々の青色センサーのキャリア収集領域は、緑色の光子の収集領域よりも大きい。

図１０または１０Ｂのアレイのバリエイションにおいて、少なくとも1つのキャリア収集領域は、各々の他と横方向に分離するように最初に形成され、その後で単一の有効キャリア収集領域を形成するために一緒に共有された、２つ以上の部分を含む。たとえば、各々の青色センサーは、青色光子に関して２つの横方向に分離したキャリア収集領域を含むことができ、緑色光子に関して異なるキャリア収集領域の上に各々が形成され、青色光子に関して２つのキャリア収集領域が横方向に分離して、その間のアレイの最上面上に少なくとも１つのトランジスターを形成するためにスペースを提供する。各々の青色センサーのこの２つの横方向に分離したキャリア収集領域は、青色光子に関して単一のキャリア収集領域（この領域は、緑色光子に関してアレイのキャリア収集領域の各々より大きい全体サイズを持つ）を形成するために共に短絡される。

図10に再び関連して、各々の赤色センサー上に集められた電荷は、赤色センサーを共有する２つのセンサー群に入射する赤色光強度の平均の２倍を示す電気信号に変換される。各々の青色センサー上に集められた電荷は、青色センサーを共有する２つのセンサー群に入射する青色光強度の平均の２倍を示す電気信号に変換される。この結果、緑色光に関してアレイの解像度は、赤または青色光に関してのその解像度の2倍である。このタイプのアレイは、緑色（または、ルミネッセンスのような）チャネルにおいて高い空間解像度を維持しながら、青色および赤色チャネルにおけるノイズ比に対して信号を増加させる。画素位置の半分だけに緑色センサーを持つバイヤー(Bayer)パターンを使った従来の画像センサーアレイと対比して、この高いルミネッセンス解像度が達成される。何故なら、あらゆる画素位置はアクティブ緑色センサーを持つからである。当業者は、緑色チャネルにおいて高いサンプリング速度を通じて高ルミネッセンス解像度を維持することは、このようなアレイを用いて発生した補間された画像において、人工的なエイリアシングの存在を減少させる。より大きな青色および赤色キャリア収集領域はさらに、人工的なエイリアシングの存在を減少させる。

他の実施形態において、ＶＣＦセンサー群のアレイの青色センサーのキャリア収集領域は、アレイの赤色および緑色センサーのキャリア収集領域より小さい。

ＶＣＦセンサー群のアレイの幾つかの実施形態において、1つのセンサー群は、別のセンサー群を用いて共有される少なくとも１つのセンサー（または、センサーの要素）を含む。図１０Ａはこのようなアレイの断面図（垂直面における）である。図１０Ａにおいて、第1のセンサー群は、層１０２（ｎ型半導体から作られる）および層１０２の上と下に直接にｐ型材料の領域１００を順に含む第1のセンサーを含み、また、層１０１（ｎ型半導体から作られる）および層１０１の上と下に直接にｐ型材料の領域１００を順に含む第２のセンサーを含む。図１０Ａはまた、第３のセンサー（それは、ｎ型半導体から作られる層１０３および層１０３の上と下に直接にｐ型材料の領域１００を順に含む）および第2のセンサーを含む第２のセンサー群を示す。この結果、第２のセンサー（これは層１０１を含む）は２つのセンサー群によって共有され、分離した第1および第2のセンサーの各々は、アレイ内で同じ垂直レベルに配置される。

図１０Ａのアレイは、第１のセンサーの出力は第１の画素の青色成分を示し、第３のセンサーの出力は第２の画素の青色成分を示し、第２のセンサーの出力は第１の画素および第2の画素の両方の緑色成分を示す。図１０Ａのアレイは、それは青色光より緑色光に関してもっと良好な解像度を持つ別の方式（たとえば、第1、第２、および第３のセンサーを別々に使うことによって）で、また、青色光および緑色光に関してもっと良好な解像度を持つ別の方式（たとえば、第1および第３のセンサーの出力を平均化し、第２のセンサーの出力を用いてこの平均化された値を使うことによって）で、好適に動作可能である。図１０Ａのアレイは、２つだけの深度にあるセンサーを持つ簡単な実施形態である。本発明のアレイの他の実施形態のセンサー群は、３つ以上の深度にある垂直に配列したセンサーを持つ。

図１０ＢのＶＣＦセンサー群アレイにおいて、各々センサー群の赤色および青色センサーのキャリア収集要素は、この群の緑色センサーのキャリア収集要素よりも大きなサイズを持つ。図１０Ｂのアレイは、複数のセンサー群、図１０Ｂに示される４つを含む。各々のセンサー群は、キャリア収集領域（１８２、１８３、１８４、または１８５）は他のどんなセンサー群とも共有されない１つの緑色センサーを含み、キャリア収集領域（１８０）は３つの他のセンサー群の各々と共有される１つの青色センサーを含み、キャリア収集領域（１８１）は３つの他のセンサー群の各々と共有される１つの赤色センサーを含む。青色および赤色光子のキャリア収集領域は、緑色光子のキャリア収集領域より大きい。各々の赤色センサー上に集められた電荷（光子の吸収のために）は、赤色センサーを共有する４つのセンサー群に入射する赤色光強度の平均を示す電気信号（通常は電圧）に変換される。各々の青色センサー上に集められた電荷は、青色センサーを共有する４つのセンサー群に入射する青色光強度の平均を示す電気信号（通常は電圧）に変換される。通常、図１０Ｂアレイ（および、このようなアレイ上のバリエーション）の赤色および青色センサーの電圧出力は、緑色センサーの電圧出力に対してスケールされる必要はない。センサーのキャリア収集領域の増大による各々のセンサー上に集められた電荷の増大は、このようなキャリア収集領域の増大によるセンサーの容量の増大に比例する。

各々のセンサー群の出力は画素を決定するように、ＶＣＦセンサー群のアレイを製造するときに、画素間のクロストークを避けるために、お互いからセンサー群を分離する必要がある。１つのセンサー群で発生した電子と正孔が別の方へドリフトすることができるなら、イメージャーの解像度が減少する。本発明の好適な実施形態において、このような分離は、物理的なデザインがそれらの内部で発生した電荷を含むセンサー群を作ることによって、達成される。

まさに、「第1の」および「第3の」センサーが、n-p基板接合によってお互いから分離されるように、たとえば、図１０Ａに再び関連して、図１０Ａのアレイにおいて、下方にある大きな「第２のセンサー」（層１０１を含む）は、n-p基板接合によって同じ垂直のレベルにある、その隣接部（部分的に示されているが、標識はない）と分離される。

幾つかの従来センサーアレイは、出力が異なる画素を決定するセンサー間のこのような分離を行わない。たとえば、従来センサーアレイの１つのタイプは、図１１や、バーテック(Bartek)の「センサーおよびアクチュエーターＡ、41-42(1994),pp.123-128」において記載されているように、すべての画素に関して共通するエピタキシャル・シリコン（エピ）の層（３１）に作られたフォトダイオードセンサー（たとえば、フォトダイオード３０）を含む。この形態において、１つのセンサー内で発生した電荷は、隣のセンサーまたはかなり離れた所へドリフトできる。図１１の構造はセンサー間に分離領域（たとえば、ｐ型半導体領域）がないので、共通のエピ層（層３１）は１つの画素の下から別の画素の下へキャリアを伝導することができるパス（通路）を提供する。

種々の方法を用いて、ＶＣＦセンサー群中のセンサーをお互いから分離するために使うことが可能であり、または、本発明を具体化するＶＣＦセンサー群中のお互いからセンサー群（画素）を分離するために使うことが可能である。プロセスの集積化は、使用されるこの方法を決定する際に重要な因子である。使用できる１つの方法は接合分離であり、これはシリコン・バイアス印加プロセスでトランジスターを分離するために普通に使われる。この接合は、リークを防止するためにそこにかかる十分な電圧に耐えることができなければならない。適切な接合分離を提供するために、基板中またはエピ層に十分なドーピング量が存在しても良い。または、お互いから分離されるために隣接領域間にドーピング量を増加することが、接合分離を行うために必要とされても良い。このドーピング量の増加は、ＭＯＳプロセスにおいて隣接するトランジスターを分離するために用いられる「フィールドイオン注入」技術を使って生産することが可能である。

本発明のＶＣＦセンサー群およびＶＣＦセンサー群のアレイの他の実施形態は、半導体領域間に絶縁材料を配置する絶縁分離を用いる。これは、センサー群の下に酸化物層を持つ半導体材料のブロックに各々のセンサー群を作ることによって行うことができる。このような構造を作る種々の方法がある。たとえば、サファイア上にシリコンを成長させたり、シリコンウエハの上部層を通して酸素の層をイオン注入したり、酸化物層を形成するためにシリコンと酸素を反応させたり、またウエハからプロセスされたシリコンの層を取り除きそれを絶縁基板に移動させたりすることである。

絶縁分離はＶＣＦセンサー群のアレイ中でお互いから半導体センサー群を分離するために使うことができる。センサー群は、お互いから横方向に配置され、半導体材料体積中に形成されるときに、絶縁層の最上部でこの群を形成し、半導体材料体積中にトレンチをエッチングし、またトレンチ中に絶縁体を成長させるか積層するかすることによって、このような分離を行うことができる。さらに一般的に、少なくとも１つの絶縁体およびドープされバイアスされた（動作中に）半導体材料で満たされたおよび／または裏打ち（被覆）されたトレンチは、フィールド分離を提供するために、（たとえば、リークを防止するためにお互いから分離される近接構造間のバルクの半導体材料よりもっと多くドープされた半導体材料で裏打ちされ、その後酸化物または他の絶縁材料で満たされたトレンチ）本発明の幾つかの実施形態においてお互いから本発明のＶＣＦセンサー群を分離するために使われる。このようなトレンチの使用（従来のＣＭＯＳ構造を分離するために）は、ＣＭＯＳ技術において、「トレンチ分離」と呼ばれる。トレンチ分離は、本発明の通常の実施形態においてお互いからＶＣＦセンサー群を分離するために適用することができる。何故なら、たとえば、シリコンバイアスされたＶＣＦセンサー群の通常のアレイに作られたトレンチのような、トレンチは、数ミクロンメーターの深さで、ＶＣＦセンサー群を分離するのに十分深くエッチングすることが可能であるからである。

絶縁分離（トレンチ分離によって行われる）と接合分離の組合せの例は、図１２に示される。図１２において、第1のＶＣＦセンサー群は、ｐ型半導体材料１５０（これはシリコンであることも可能である）中に形成された、垂直方向に分離したｎ型半導体層１５１、１５２、および１５３（たとえば、シリコン）を含む。コンタクト１５４はバイアス回路にｐ型材料を結合するために提供される。

垂直方向のプラグコンタクトは、層１５１および１５２の各々をセンサー群の最上面に接続する。この結果、各々の層はバイアスおよび読み出し回路に結合することができる。プラグコンタクトは、上述の引用したＵＳ出願09/884,863に記載されたように形成することができる。第２のＶＣＦセンサー群は、ｐ型半導体材料１５０中に形成される垂直に分離したｎ型半導体層１６１および１６２を含む。第1のセンサー群のセンサーはn-p基板接合によってお互いから分離される。第１および第２のセンサー群の間の横の分離は、トレンチ分離によって、それらの間に形成された、すなわち絶縁材料１５８（たとえば、これは二酸化シリコンまたは窒化シリコンであり得る）で裏打ちされたトレンチ１５７によって、達成される。トレンチ１５５（酸化物１５６で裏打ちされた）は、第１のセンサー群を第１のセンサー群に隣接する第３のセンサー群（図１２には示されていない）から分離する。各々のＶＣＦセンサー群の底部センサーの下の絶縁層１４８（これは、二酸化シリコンまたは窒化シリコンであり得る）はまた、お互いからセンサー群を分離するために機能する。

ＶＣＦセンサー群の間のトレンチ分離用の本発明に従って使われるトレンチは、低アスペクト比を持つ浅いトレンチ（たとえば、幾つかのＣＭＯＳ集積回路に従来から使われるタイプの１／４ミクロンの深さを持つトレンチ）であることもできる。しかし、通常、ＶＣＦセンサー群の間のトレンチ分離のための本発明に従って使われるトレンチは、高アスペクト比を持つ深いトレンチ（たとえば、幾つかのＤＲＡＭ集積回路に従来から使われるタイプのトレンチ）である。

図２０〜２５に関して、我々は次に、本発明のＶＣＦセンサー群の好適な実施形態に使われる埋め込み層分離を提供するための改良技術を述べる。本発明のＶＣＦセンサー群のこのような実施形態の各々の動作中に、２つの「キャリア収集」センサー領域（反対の半導体タイプの）の各々の間に、第１のタイプ（ｐ型またはｎ型のどちらか）の半導体材料の「非収集」体積（部分）が存在する。キャリア（電子または正孔）はセンサー群の非収集体積で光励起することができる。キャリア収集領域で光励起したか、または、他の所で光励起した後でキャリア収集領域へ移動したキャリアは、読み出し回路によって集めることができる。幾つかの場合には、センサー群の非収集体積で光励起したキャリアは、隣接センサー群のキャリア収集センサー領域へ移動することができる。通常、光励起したキャリアは少なくとも２つのキャリア収集センサー領域（あるセンサー群または異なるセンサー群における）のいずれかへ非収集体積から移動することが可能である。バリア（障壁）（たとえば、以下に記載される図２０のバリア２０５）は、望ましくない方向におけるこのような移動を防ぐために本発明によって形成することが可能である。

図２０に示されるように、センサー群は、上部キャリア収集センサー領域、（ｎ型半導体材料を含むフォトダイオード・カソード２００を含む）低部キャリア収集センサー領域（ｎ型半導体材料を含むフォトダイオード・カソード２０２を含む）、センサー領域２００および２０２の間の非収集フォトダイオード・アノード層２０１および２０３（接地されたｐ型半導体材料を含む）、およびセンサー領域２０２の下の非収集フォトダイオード・アノード層２０４（接地されたｐ型半導体材料を含む）を含むことができる。

センサー群の垂直に分離したセンサーの各々の組の間に分離を提供するために、第１のタイプのさらに重くドープした半導体材料のブランケット・バリア層は、各々の非収集部分の上部および低部の間に（および、この結果センサー間に）、積層される。ここで、我々は、どんな特定の方法（たとえば、分離構造の物理的な結合、またはイオン注入プロセス）もブランケット・バリア層を形成するために使われるということを暗示しないという広い意味で、用語「積層」を使う。たとえば、図２０に示すように、センサー群は、ｐ型材料の層２０１および２０３の間に（およびこの結果、カソード２００および２０２を含むキャリア収集センサー領域の間に）、ブランケット・バリア層２０５（ｐ型半導体材料を含む）を含む。上部のキャリア収集センサー領域（カソード２００を含む）は、「青色」センサーであることもできるし、下部のキャリア収集センサー領域（カソード２０２を含む）は、「緑色」センサーであることもできるし、およびこの群はまた層２０４の下に「赤色」センサー（示されていない）、および層２０４と赤色センサーの間にｐ型材料の第２のブランケット・バリア層を含むこともできる。

図２１は、図２０のセンサー群の深さの関数としてドーパント濃度を示すグラフであり、そこにはカソード層２００および２０２およびバリア２０５の位置を示す。図２０のセンサー群の動作中に、バリア２０５の存在は、光励起した電子をカソード層２００および２０２の最近接層へ導く勾配を持つ電子ポテンシャルを生じ、その結果、光励起した電子は好ましくない方向へは（たとえば、カソード層２００に近い点からカソード２０２まで、または近接のセンサー群のカソードまで）ドリフトしない。その位置のために、バリア２０５はまた、以下に記載された図２２のセンサー群の容量の下の図２０のセンサーの容量を減らす。

垂直に積層したキャリア収集センサー領域の間に（図２０におけるように）本発明に従ったブランケット・バリア層の位置は、図２２に示されるように、上で引用したＵＳ出願09/884,863に記載された、各々のキャリア収集センサー領域と同じ垂直レベルに（またはわずかに下に）おいて、ブランケットバリアの位置と対比する。出願09/884,863は以下を教示する。各々のブランケットバリア（たとえば、図２２に示されるｐ型半導体材料の層２０６および２０７の各々）は、（ＶＣＦセンサーのアレイが形成されることになっている）全体のウエハにイオン注入され、キャリア収集センサー領域（たとえば、図２２に示されるｎ型半導体材料のカソード２００および２０２を含む領域）は、それから、アレイの異なるセンサー群用のセンサーを作るために各々のブランケットバリアの選択された領域上にイオン注入することによって形成される。先行技術（出願09/884,863に開示された）および本発明によって作られた各々のブランケットバリアは、同じセンサー群のキャリア収集センサー領域（最近接のキャリア収集センサー領域）へ垂直方向に、また別のセンサー群の非収集部分へ水平方向に、それから他のセンサー群のキャリア収集センサー領域へ垂直方向に、非収集部分に発生するキャリアがリークすることを防ぐことを目的としている。「非収集部分」の例は、カソード２００および２０２の間の中ほどに図２２のアノード層２０１（ｐ型半導体材料を含む）の部分、バリア２０５へ非常に近いがカソード２００から比較的に遠い図２０のアノード層２０１の部分、およびバリア２０５へ非常に近いがカソード２０２から比較的に遠い図２０のアノード層２０３の部分である。

図２３は、図２２のセンサー群の深度の関数としてドーパント濃度のグラフであり、これは、カソード層２００と２０２、およびバリア２０６と２０７の位置を示す。図２２センサー群の動作中に、バリア２０６と２０７の存在は、層２０１において光励起した電子を望ましくない方向（たとえば、カソード層２００に近い点から、カソード２０２へ、または近接センサー群のカソードへ全体的に）にドリフトさせる勾配を持つ電位を生じる。それらの位置によって、バリア２０６および２０７はまた、上述の図２０のセンサーの容量の上の図２２のセンサーの容量を増加させる。ブランケットキャリアを配置し形成する本発明の技術は、幾つかの利点を持つ。それは、フォトダイオード容量を減少させ（この結果、各々のフォトダイオードの出力電圧を増加させ、露出中に各々のフォトダイオードをリセットするために必要な時間を減少させる）、センサー群の誤ったキャリア収集領域へまたは近接センサー群へ光励起したキャリアのリークを（先行技術によって達成可能なレベルを超えて）減少させる。動作中に、垂直に分離したキャリア収集領域（あるセンサー群において）の間に本発明によって作られた電位勾配は、先行技術を使って作られた電位勾配よりも、この群の誤ったキャリア収集領域へ（または近接センサー群へ）の光励起キャリアのリークをより良好に防止する高電位バリアを提供する。

図２０に関して議論したタイプのブランケットバリア層に加えて、本発明の幾つかの実施形態は、キャリア収集センサー領域の間に形成された付加的なｐ型バリア領域を含む。たとえば、図２４に示されるように、付加的なバリア領域２０７（ｐ型半導体材料を含む）は、近接センサー群の同じ深度に（たとえば、カソード200の左および右に対するカソード）ある、カソード２００およびカソード群（示されていない）の間のｐ型半導体材料内に形成することができる。図２４はまた、近接センサー群内の同じ深度にあるカソード２００およびカソード群（示されていない）の間のｐ型半導体材料内に形成される（たとえば、カソード200の左および右に対するカソード）、付加的なバリア領域２０８（ｐ型半導体材料を含む）を示す。横に配置した付加的なバリア領域２０７および２０８は、近接センサー群のキャリア収集センサー領域の間の電位勾配を変化させる。第1のカソード（たとえば、カソード２００）に近い位置で発生した光励起キャリア（示された実施形態においては電子）は、第1のカソードより遠くに離れて配置したカソードへ（たとえば、図２４には示されていないが、カソード２００の右側に配置した別のセンサー群のカソードへ）ドリフトする。

付加的なバリア２０７（および２０８）は好適には、図２５Ａ〜２５Ｄに関連して記載されたプロセスのような、自己整合的補助的イオン注入プロセスを使って形成される。代替的に、それらは、別々にマスクすることができる。図２５Ａに示されるように、ＳiＯ₂膜２０９は、層２０１上に形成される。Ｓi_３Ｎ_４マスクがＳiＯ2膜上に積層され、このマスクはカソード２００が形成されることになっている領域からエッチングされ、さらに、その後、イオン注入方法により膜２０９の露出した部分の下のｎ型カソード２００を作る。図２５Ｃに示すように、この後Ｓi_３Ｎ_４マスクは取り除いて、別のイオン注入はｐ型バリア２０７を作るために行われる。最終的に、図２５Ｄに示すように、全体構造の露出したＳiＯ_２表面の上にさらにＳiＯ_２を成長させ、露出したＳiＯ_２表面の部分の間の段差を最小化する。

ＶＣＦセンサー群の製造中に、他の半導体材料の最上面に半導体材料または絶縁材料を積層するために種々の方法を使うことができる。１つの方法として、あるウエハから別のウエハへ材料を物理的に移動させ、その材料を最終ウエハに結合することである。これは基板上にセンサー材料のアイランド（島）を残す。これらは絶縁性保護膜によって絶縁することができ、これはさらに別の絶縁性分離である。バルクウエハのリークおよび歩留まり特性と同程度に良好なリークおよび歩留まり特性を有して結合したウエハを作製することができ、特にこの作製プロセスは結合ウエハ内に熱的にＳi／ＳiＯ_２界面を作る。

図１４Ａ〜１４Ｌに関して、我々は、上述の製造技術の幾つかが好適な方法で図８のＶＣＦセンサー群の１つを製造するためにどのように使われるかを次に説明する。好適な製造方法により、カラーフィルター４３および４８をＶＣＦセンサー群のアレイ内に安価に含むことができる。図１４Ａ〜１４Ｌ（およびそれらのバリエーション）に関して記載された製造技術は、幾つかの種類の半導体集積回路（たとえば、トランジスターを含む回路）を製造することと同様に、本発明のＶＣＦセンサー群の他の実施形態およびそれらのアレイを製造するために使うことができる。

図１４Ａは、プロセス・シーケンスの第１の工程を行った結果を示す。これは、ｐ型基板４０にｎ型層４１をイオン注入し、その後熱酸化膜成長プロセスによって基板４０上にＳiＯ_２層を成長する工程である。代替的に、層４２（および層４４、４７、および４９）は、別の絶縁材料、たとえばシリコン窒化膜（ＳiＮ）から作ることができる。

図１４Ｂは、プロセス・シーケンスの次の工程を行った結果を示す。これは、層４２上に「赤色透過／シアン反射」フィルター４３を堆積する工程である。フィルター４３は、代替として層ＳiＮおよびＳiＯ_２から作られる干渉フィルターであることも可能である。代替的に、フィルター４３は、異なる屈折率（ＳiＮおよびＳiＯ_２の層以外の）を持つ材料、好適には、従来のＣＶＤ装置を使って行うことができる積層プロセスによる材料の層を含む干渉フィルターであることも可能である。フィルター４３は代替的に、緑色および青色放射線を吸収するが余り反射しない「赤色透過／シアン反射」フィルターである。

図１４Ｃはこのプロセスシーケンスの次の工程を示す。これは、第２のウエハを図１４Ｂのウエハと接触させる工程である。特に、第２のウエハは基板４５（ｐ型シリコンの）およびＳiＯ_２層４４（基板４５上に成長した）を含む。この後、図１４Ｄに示すように、第２のウエハの層４４は第１のウエハのフィルター４３に結合し、フィルター４３はＳiＯ_２層４２および４４の間にサンドイッチされる。さらに一般に、２枚のウエハ（本発明のＶＣＦセンサー群の幾つかの層はその上に形成される）の結合は、本発明の製造中に使うことができる。種々の周知の結合技術のいずれも、本発明の通常の実施形態を製造するために使うことができる。たとえば、量子エレクトロニクスの選択トピックスに関するＩＥＥＥジャーナル第８巻、２００２年１月／２月第１号におけるパスクアリエロ(Pasquariello)らの「プラズマ・アシストによるＩnＰ・Ｓiの低温ウエハ結合」に記載されている。

図１４Eは、プロセス・シーケンスの次の工程を行った結果を示す。これは、厚さの減少が必要な場合は、ｐ型基板４５の厚さを所望の厚さまで減少させる工程である。これは、基板４５の露出表面を約０．５μｍの厚さまでポリッシュ（研磨）したり、切断したり、または他の幾つかの手段によって、行われる。

図１４Ｆおよび１４Ｇは、プロセス・シーケンスの次の工程を行った結果を示す。これは、ｎ型層４６を基板４５にイオン注入し、その後、熱酸化成長プロセスにより基板４５の露出した（最上の）表面上にＳiＯ_２層４７を成長し（図１４Ｆに示される）、さらにその後、図１４Ｇに示されるように、フィルター層４８（これは、ＳiＮ材料から構成することができるが、必須ではない）をＳiＯ_２層４７上に積層する工程である。図１４Ｈは、プロセス・シーケンスの次の工程を示す。これは、第３のウエハを図１４Ｇの結合し処理されたウエハと接触させる工程である。この後、図１４Ｉに示すように、第３のウエハの層４９は層４８の露出した（最上の）表面に結合（好適には熱的結合工程によって）し、層４８はＳiＯ_２層４７および４９の間にサンドイッチされる。

（図１４に示されるように）層４７、４８、および４９は共に、「黄色光透過／青色光反射」フィルターとして機能する干渉フィルターを含む。代替的に、（図１４Hに示されるタイプの）第３のウエハを結合する前に、３つ以上の交互層ＳiＮおよびＳiＯ_２を含む干渉フィルターは、図１４Gの構造の上にＳiＮおよびＳiＯ_２の付加層を積層することによって形成することができる。他の代替の実施形態において、（図１４Hに示されるタイプだが、図１４HのＳiＯ_２層４９の代わりにできればＳiＯ_２以外の材料層を持つ）第３のウエハがそのスタックの最上面に結合される前に、異なる屈折率を持つ材料層の積層（スタック）（ＳiＮおよびＳiＯ_２の層から構成されないスタック）を含む干渉フィルターを図１４Eの構造の上に形成することができる。フィルター４７、４８および４９は代替的に、青色光を吸収するが青色光を余り反射しない「黄色光透過／青色光吸収」フィルターである。第３のウエハは、図１４Hに示されるように、（ｐ型シリコンの）基板５０および（基板５０上に成長した）ＳiＯ_２層４９を含む。パスクエリエロ(Pasquariello)らによる上で引用された論文において記載された少なくとも幾つかの結合技術を含む、図１４Iに関して記載される結合工程を達成するために、種々の既知の結合技術のいずれも使うことができる。

図１４Ｊは一連の本プロセスの次の工程（厚みを減らす必要がある場合は、所望の厚みまでｐ型基板５０の厚みを減らす工程）を行った結果を示す。これは、基板５０の露出した裏面を約５０μｍまで研磨することによって、または切断（cleaving）によって、または他の手段によって行われる。

図１４Kは一連の本プロセスの次の工程（基板５０にｎ型層５１をイオン注入により形成する工程）を行った結果を示す。この後、図１４Ｌに示されるように、最終のＣＭＯＳプロセスが実行される。これらの最終工程は、保護膜形成、コンタクト形成（またはコンタクト形成プロセスの完成）および適切な位置に光シールド５４の実装を含むこともできる。

図１４Ｌに示される最終構造を使用するために、この構造の露出した（最上）表面へ層４１、４６、および５１の各々から伸びるコンタクトを形成する必要がある。このコンタクトは、ここで記載されるいずれの方法においても好適に形成される。出願09/884,863に記載されているように、図１５−１５Ｈを参照して、我々はこのようなコンタクトを形成するためのある好適な技術を次に述べる。

図１５Ａ−１５Ｈを参照して記載される技術は、高性能アナログバイポーラー（またはＤＲＡＭ）プロセスに標準的に使われるタイプのトレンチエッチャーを好適に用いて、低リーク電流のトレンチコンタクトを形成する。

図１５Ａは一連のプロセスの第1の工程（絶縁層４９まで図１４Ｌの構造のシリコン層５０および５１を通してトレンチをエッチングする工程）を行った結果を示す。

次に、図１５Ｂに示されるように、適切なエッチングプロセス（たとえば、層４７、４８、および４９がＳiＮまたはＳiＯ_２から成るとき酸化膜エッチングプロセス）はシリコン層４５までトレンチを伸ばす。次に、図１５Ｃに示されるように、シリコンエッチングプロセスは絶縁層４４までトレンチを伸ばす。次に、図１５Ｄに示されるように、適切なエッチングプロセス（たとえば、層４４、４３、および４２がＳiＮまたはＳiＯ_２から成るとき酸化膜エッチングプロセス）はシリコン層４０までトレンチを伸ばす。

次に、図１５Ｅに示されるように、シリコンの時間エッチングプロセスはｎ型シリコンカソード層４１（赤色センサーのカソード）へトレンチを伸ばす。

次に、図１５Ｆに示されるように、トレンチは、好適にはトレンチのすべての露出面にＳiＯ_２保護膜層３０１を成長することによって、絶縁層で被われる。次に、図１５Ｇに示されるように、トレンチの底だけから絶縁膜を除去し、カソード層４１のｎ型シリコン材料を露出するために、異方性エッチングがカソード層４１行われる。

最終的に、図１５Ｈに示されるように、トレンチはｎ型ポリシリコン材料で満たされ、層４１へのトレンチコンタクトを完成する。トレンチコンタクトの最上部は、バイアスおよび読み出し回路へ（たとえば、図２Ａのソースフォロワ増幅トランジスターのゲートへ）直接に連結することができる。

本発明のＶＣＦセンサー群が形成される固体材料の１区画において、トレンチを形成し、埋め込みセンサーのカソードおよびアノードへコンタクトを形成するために半導体材料でトレンチを満たすことができる。たとえば、トレンチの周りに半導体材料をドープすることが可能で、それから保護膜層をトレンチのドープ層上に成長でき、その後でトレンチの底を開けることが可能で、その後開口したトレンチはｎ型半導体（たとえば、ｎ＋ポリシリコン）で満たすことができ、この結果それは埋め込みｎ型カソードへのｎ型コンタクトとして機能する。代替的に、このようなトレンチは絶縁性材料で被われるか、および／または満たされ、ＶＣＦセンサー群をお互いから分離する。トレンチコンタクト（または絶縁性構造）は、出願番号09/884,863に記載されているように、拡散により形成されるプラグコンタクトよりもはるかに狭く形成することが可能である。0.5μｍの断面積および２〜３μｍの深さを持つトレンチは、通常のＶＣＦセンサー群の深いセンサーへのトレンチコンタクトを形成する既存技術を使って、容易に形成できる。このような断面積は、既存技術を使って安価に形成できる拡散プラグコンタクト（同じ深さを持つ）の最小断面積よりはるかに小さい。トレンチコンタクト（またはトレンチ分離構造）の使用は、入射光がＶＣＦセンサー群のセンサーによって検出することができる画像面の領域を増加することが可能であるという意味において、水平的に分離したＶＣＦセンサー群のアレイのフィルファクターを改良できる（および放射光シールドによってブロックされているか、または入射光を検出可能な電子または正孔へ変換しない構造によって占有されている画像面の面積を減少させることができる）。

好適な実施形態において、既存技術を使って安価に形成できるよりも拡散プラグコンタクト（同じ深さを持つ）の最小断面積よりもはるかに小さな断面積を持つ拡散プラグコンタクトを形成する多段イオン注入プロセスによって、少なくとも１つのプラグコンタクトがＶＣＦセンサー群に形成される。図１７に示されるように、（「緑色」センサーのｎ型カソードの下の約２μｍで完成したセンサー群の最上面の下の約2.6μｍの深さの所にある）「赤色」センサーのｎ型カソードへのｎ型プラグコンタクトは、このコンタクトの底部を形成するために、（完成したセンサー群の最上面から約1.3μｍの深さの所にある）ｐ型シリコンの露出面へ（1200KeVのエネルギーで）リンをイオン注入する先行技術によって形成することができる。その後露出面の上に付加構造（ｐ型シリコンエピ層を含む）を形成し、その後でコンタクトの最上部を形成するためにｐ型シリコンの新しい露出面へ（500KeVのエネルギーで）リンをイオン注入する。しかし図１７にも示されるように、これは望ましくないほどに大きな直径をもつコンタクト（使用されるｎ型ドーピング量やプロセスの熱処理サイクルの数に依存する2.2μｍ以上ほどの直径）を生じる。さらに、厚い（たとえば３μｍ）フォトレジスト層をセンサー群の上に置く必要があるために（センサー群の望まない領域へ高エネルギー（たとえば1200KeV）のリンのイオン注入が到達しないようにするために）、形成可能なセンサー群の形状のサイズを最小にしなければならなくなる。

図１７のコンタクトを作るために使われる技術と対比して、我々は（図１８および１８Ａを参照して）次に本発明に従って行われる多段イオン注入プロセスの実施形態を述べる。図１８および１８Ａの本発明の多段イオン注入プロセスは、ターゲット（たとえば、図１８の赤色センサーのカソード３１０、ｎ型シリコンからなる）が、（たとえば、ｐ型基板にエネルギー６０ＫｅＶでヒ素をイオン注入することによって）形成され、センサー群において約２μｍの深さのところにあるターッゲットまで伸びる約0.5μｍの直径を持つコンタクト作ることができる。このプロセスは４つの工程を含む。

第１の工程は、コンタクトが伸びるターゲット上に第１のエピタキシャル層（エピ層）を形成することである。（たとえば、図１７に示されるように、ｐ型シリコンの層３１１はフォトダイオードのカソード３１０上に形成される）。

その後で、プラグの底の部分（たとえば、図１８のプラグ部分３１２および３１３）は、第１のエピ層（３１１）中にイオン注入によって形成される。そうするために、層３１１は約１μｍの厚みを持ち、その結果プラグの底部は層３１１を通してほんの短い距離（１μｍ）だけ伸びる必要がある通常の場合において、薄い窒化膜マスク３１４が層３１１上に形成され、それから小さなマスク開口部３１８（約０．５μｍの直径を持つ）がマスク３１４に作られ、その後で、ヒ素が開口部３１８を通してイオン注入される。このようなマスクやこのような第１のエピ層の厚みを用いて、プラグの底部の第１の部分３１２（層３１０から層３１０の上約0.7μｍまで伸びる）は、層３１１へエネルギー１２００ＫeＶでヒ素をイオン注入することによって形成することができる。その後、プラグの底部の第２の部分３１３（部分３１２から層３１１の最上面まで約0.3μｍ伸びる）は、層３１１へエネルギー５００ＫeＶでヒ素をイオン注入することによって部分３１２上に形成することができる。

本発明に従ってリンよりも低い拡散係数を持つ元素（たとえば、ヒ素）をイオン注入する利点は、図１９の調査結果から明らかなように、かなり薄いマスクを使用できることである。図１９は、５つの示されたマスク材料の各々に関して、ホウ素、リン、ヒ素、およびアンチモンの通常のイオン注入時に必要なマスクの厚みのグラフである。たとえば、図１９は約0.07μｍの厚みを持つＳi3Ｎ4のマスクはヒ素のイオン注入（１００ＫeＶで）時に使うことができ、一方0.15μｍの厚みを持つＳi3Ｎ4のマスクは同じエネルギーでリンのイオン注入時に使われる。

第３の工程はマスク３１４を第1のエピ層３１１から除去し、その後、第1のエピ層３１１上の第２のエピ層（図１８Aのエピ層で、ｐ型シリコンからなる）を形成する工程である。

プラグの最上部分（たとえば、図１８Ａのプラグ部分３１６および３１７）は、その後第２のエピ層（３１５）におけるイオン注入によって形成される。そうするために、層３１５は約１μｍの厚みを持ち、その結果プラグの最上部分は層３１５を通して短い距離（１μｍ）だけ拡張する必要がある通常の場合において、薄い窒化膜マスク３１９を層３１５上に形成することができ、小さなマスク開口部３２０（約0.5μｍの直径を持つ）がマスク３１９に作られ、その後ヒ素が開口部３２０を通してイオン注入される。このようなマスクおよびこのようなエピ層の厚みを有して、プラグの底部の第１の部分３１６（層３１１上に約0.7μｍまで層３１１から拡張する）は、層３１５へ１２００ＫeVのエネルギーでヒ素をイオン注入することによって形成でき、その後、プラグの底部の第１の部分３１７（層３１５の最上面まで部分３１６から約0.3μｍ拡張する）は、層３１５へ５００ＫeVのエネルギーでヒ素をイオン注入することによって部分３１６上に形成できる。

さらに一般に、本発明の実施形態のリンの拡散係数より低い拡散係数を持つ元素（好適には、従来使われるリン（“P”）よりむしろヒ素（“Ａs”））を使い、拡散したプラグ形成に必要なイオン注入工程を行う。このような元素（低い拡散係数を持つ）はリンより水平方向の拡散は小さい。この結果、より狭いプラグを形成することができ、センサー群はフィルファクターを改良することができる。ヒ素はリンよりはるかに低い拡散係数（縦（垂直）方向にも横方向にも）を持つけれど、本発明の多段イオン注入プロセス（その通常の例は図１８、１８Ａ、および１９を参照して記載されている）においては、拡散プラグを形成するために（リンよりむしろ）ヒ素をイオン注入することが実際的である。これは、拡散プラグの形成の従来方法におけるように（たとえば、センサー群の最上部から、コンタクトが拡張している埋め込みターゲットまでどこでも）長い距離を通してではなく、ヒ素は多段イオン注入プロセスにおいて各々のエピ層を通して垂直方向に比較的短い距離を拡散するからである。

（図１８、１８Ａ、および１９を参照して）上述した多段イオン注入プロセスに関するバリエーションとして、ヒ素以外の低い拡散係数の元素および／またはターゲット上に３つ以上のエピ層を用いる。コンタクトの拡散部分は各々のエピ層中に形成される。

ウエハ上にＶＣＦセンサー群を作製するとき、（各々のＶＣＦセンサー群の１つ以上のセンサーを結合に用いるための）少なくとも１つのトランジスターをウエハの「底」面（感知される光が入射する群の「最上」面と反対の面）に形成できる。ウエハの底面上にこのようなトランジスタの形成（その群の最上面よりむしろ）は、水平方向に分離したＶＣＦセンサー群のアレイのフィルファクターを改良する。本発明のＶＣＦセンサー群およびＶＣＦセンサー群のアレイの多くの異なる実施形態において、ウエハの底面上にもトランジスターを形成することができる。

ウエハの底面上にトランジスタを有するウエハにＶＣＦセンサー群を形成する方法の例は、図１６Ａ−１６Ｈを参照して記載される。図１６Ａ−１６Ｈは要素４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９、５０、および５１（図１６Ａに示される）を含む構造は前もって形成されるということを仮定する。この構造は図１４Ｋに示されるものと同一であり、「主要」構造と呼ばれる。主要構造の記述およびそれを作製する方法は繰り返さない。

図１６Ａに示されるように、ｐ型半導体基板材料９１および基板９１上の絶縁層９０を含む「処理」ウエハは、この後、処理ウエハの絶縁層９０に面する主要構造の層５０を有する主要構造と合わせられる。

この後、図１６Ｂに示されるように、処理ウエハの層９０は層５０の露出した（最上）面に結合し（好適には熱的結合工程によって）、層９０はｐ型半導体層５０およびｐ型半導体基板９１の間でサンドイッチされる。

基板４０の露出した底面は、この後研磨され、（図１６Ｃに示されるように）その厚みが減少する。この結果底部からアクセス可能な（赤色センサーカソード層４１、緑色センサーカソード層４６、および青色センサーカソード層５１を含む）センサーを作成できる。この結果生じた構造はこの後反転でき、この結果研磨された要素４０の露出した「底」面は図１６Ｃの最上面となる。図１６Ｄに示されるように、トレンチコンタクト（９６）がこの後、要素４０の露出した「底」面（図１６Ｄの最上部にある）から青色センサーカソード層５１まで伸びるように形成される。これは図１５Ａ−１５Ｈを参照して記載される方法で行うことができる。支援回路９２がこの後、好適には半導体集積回路の作製プロセスによって、要素４０の露出した「底」面上に形成される。支援回路９２は、（図１６Ｄの最上部において）トレンチコンタクト９６の底に連結した少なくとも１つのトランジスタを含む。別のトレンチコンタクト（示されていない）が要素４０の露出した底面から緑色センサーカソード層４６まで形成され、また第３のトレンチコンタクト（示されていない）が要素４０の露出した底面から赤色センサーカソード層４１まで形成される。支援回路９２の少なくとも１つのトランジスターが、トレンチコンタクトを経由して、層４１、４６、および５１へ連結する。

図１６Ｅに示されるように、ｐ型半導体基板材料９４および基板９４上の絶縁層９３を含む第２の「処理」ウエハが、絶縁層９３に面した要素９２のｐ型半導体基板の露出した（底）面を用いて図１６Ｄの構造と合わされる。

この後、図１６Ｆに示されるように、第２の処理ウエハの層９３は要素９２の露出した面に結合し（好適には低温接合工程によって）、層９３は要素９２のｐ型半導体基板およびｐ型半導体基板９４の間に挟まれる。

この後基板９１は除去され（たとえば、研磨される）、また図１６Ｆの構造は反転される（この結果、基板９４の露出した底面はフェイスダウンされ、層９０の露出した最上面は図１６Ｇに示されるようにフェイスアップされる）。

支援回路９２はそれから、バイアスおよび読み出し回路に連結される。たとえば、図１６Ｈに示されるように、支援回路９２は、シェルケース構造９５によってバイアスおよび読み出し回路に連結され、この装置は支援回路９２および回路９６の各々のトランジスタの間で接続する。工業的に使用される方法（たとえば、シェルケース社によって開発された方法）をシェルケース構造９５を作るために使うことができる。バイアスおよび読み出し回路９６は図２Ａを参照して記載された種類のものである。

分離を作る別の方法（たとえば、隣接するＶＣＦセンサー群の間の）は、分離構造として遮断ＭＯＳトランジスターを使うことである。分離されるセンサー群の最上層を囲むゲートを持つ厚い酸化膜トランジスタ（ゲートは閾値の充分下の電圧で保持された）または別の種類のＭＯＳトランジスタを用いて行うことができる。それゆえ、隣接するＶＣＦセンサー群をお互いから分離するために、図２０−２４を参照して上述した種類の分離方法と組み合わせて適用することもできる。

前の段落で述べた分離方法の例は、環状（ring）分離であり、これは、そのゲートが分離されるセンサー群の最上層を囲む厚いかまたは薄い酸化膜ＭＯＳトランジスタを形成することによって実現できる。動作中に、そのゲートはトランジスタを遮断するようにバイアスされる。

幾つかの利用可能な方法のどれもＶＣＦセンサー群を作るために使うことができる。また各々のケースの最良の方法はセンサー群用の材料や条件に依存する。

シリコンの構造は、上で参照したＵＳ特許09/884863に例として記載されているように、エピ成長およびイオン注入を使って構成することができる。イオン注入はシリコン表面の下に接合構造を形成する方法を提供する。高エネルギー（＞４００ＫeＶ）イオン注入を使って、深い構造が可能である。ＶＣＦセンサー群は通常、高エネルギーイオン注入を使っても作ることができるものよりも厚いシリコン構造を必要とするので、イオン注入と組み合わせたエピ成長は通常、フォトン（光子）をシリコン中の深い電子／正孔対へ変換することによって、（本発明に従って）光子を捕獲するために必要な深い構造を作るために用いられる。

本発明の幾つかの実施形態において深い構造を作るために用いられる他の方法は、シリコンの結合である。この方法は、分子レベルで、半導体または絶縁材料の層を他のものに結合することである。たとえば、シリコンウエハ中に構造を作り、それからその最上部にシリコンの薄い層を結合することが可能である。異種の半導体を結合することも可能である。たとえば、適切な材料を用いて、III−V族半導体をシリコンに結合することが可能である。２つの材料の膨張係数の相違のために、シリコンの部分上のIII−V族材料のアイランド（島）は大きくはできない。しかし、本発明のＶＣＦセンサー群の典型的な実施形態を形成するには十分大きなIII−V族材料（たとえば、図７を参照して上で議論したＩn_ｘＧa_１−ｘＮ材料）のアイランドをシリコンに結合することが可能である。そうすることの重要な利点は、シリコン（たとえば、シリコンは緑色光に対して顕著な吸収係数を持ち、赤色光に対してよりも緑色光に対して大きな吸収係数を持つが、III−V族材料はすべてのまたは実質的にすべての緑色および赤色入射光を伝送する）よりも異なる波長バンドにおいて光を吸収するために選択することが可能である。この結果、センサー群を作製することが可能であり、III−V族材料を下地とするシリコンから形成される各々のセンサーよりもIII−V族材料から形成される各々のセンサーは異なる波長バンドにおいて光を吸収する。

垂直構造へフィルター（たとえば、ＶＣＦカラーフィルター）を付加するために、半導体材料部分にトレンチ（または他の空洞）を形成し、その後液体または他の流動体（たとえば、スラリー）であるフィルター材料でその空間を満たすことが可能である。これを達成する1つの方法は、半導体材料部分に空洞を形成するために横方向のシリコンの過成長を使い、それから（横方向のシリコンの過成長工程中に存在する）酸化膜をエッチング除去することである。フッ酸のようなエッチング液をこのエッチング工程に使用できる。空洞がシリコン下に形成されたとき、この空洞を液体光学フィルター材料で（または、液体以外の流動体である光学フィルター材料で）満たすことができる。このフィルター材料は、ＶＣＦセンサー群構造を形成するために（たとえば、熱処理またはＵＶ処理によって）、凝固される。代替的に、酸素をイオン注入しウエハとイオン注入した酸素の反応からSiO2（二酸化シリコン膜）を形成する反応段階によって、酸化膜領域を形成できる。

前の段落で記載したプロセスは次に図１３a〜１３fを参照してさらに詳細に記載される。図１３aはｐ型半導体１７１（これはシリコンであることも可能）の表面に形成されたSiO2領域１７０、およびSiO2領域１７０の下にｐ−ｎ接合を形成するイオン注入したｎ型半導体領域１７２を示す。イオン注入した領域１７２はＶＣＦセンサー群のセンサーの１つになる。図１３ｂはまた、領域１７２の右端から上方へ伸びる（ｎ型半導体材料の）第1のプラグイオン注入を示す。

図１３ｂは、図１３ａの半導体１７１（これはシリコンであることも可能）として同じ種類の追加のｐ型半導体材料１７１を用いて、横方向のエピ成長がSiO2領域１７０を被った後の同じ断面を示す。横方向のエピ成長は絶縁分離した単結晶シリコンを作るために半導体工業において使われてきた。図１３ｃに示されるように、その後（ｎ型半導体材料の）近接表面イオン注入がSiO2領域１７０の上に形成され、（ｎ型半導体材料の）第２のプラグイオン注入が、第１のプラグイオン注入から半導体１７１の最上面まで上方へ伸びるように形成される。この２つのプラグイオン注入は共に、バイアスおよび読み出し回路へ層１７２を連結するためのプラグコンタクトを形成する。

図１３ｄに示されるように、次の工程は下地のＳiＯ₂領域１７０を露出するトレンチを形成するために材料１７１を十分エッチング除去することである。その後、領域１７０から酸化膜（このＳiＯ₂）を除去するために行われ、図１３ｅに示されるように最上層１７３の下に空洞を残す。最後に、（図１３ｆに示されるように）空洞は液体フィルター材料１７４で満たされ、材料１７４は凝固される。代替的に、フィルター材料１７４は液体以外の流動体でも良い。

図１３ａ−１３ｆを参照して記載される方法に関するバリエーションは、フィルター領域（フィルター材料１７４で満たされた所）の下に２つ以上垂直に分離したセンサーを有して、ＶＣＦセンサー群を形成するために使うことが可能である。

本発明のＶＣＦセンサー群の幾つかの実施形態において、結晶シリコン以外の半導体材料がウエハまたは他の基板上に積層される。このような半導体材料の２つの例は、アモルファスシリコンとポリシリコンである。

アモルファスシリコンは、種々の化学気相成長およびスパッター技術によって積層することが可能である。アモルファスシリコンは、ソースガスとしてＳiＨを使ってプラズマアシスト化学気相成長によって高品質で積層することもできる。積層したアモルファスシリコンのドーピングは、ホスフィン、アルシンおよびジボランのような他の水素化物を少量付加することによって達成できる。アモルファスシリコンは、センサーとして（アモルファスシリコン内にピンダイオードを作ることによって）、またはフィルターとして、またはセンサーおよびフィルターとして、ＶＣＦセンサー群に使うことができる。アモルファスシリコンは、フォトイメージング・アレイで使うこともできる。アモルファスシリコンを積層する低温（４００℃未満）は有利である。何故なら、ドーパントの拡散をわずかに増加するだけであり、幾つかのフィルターと適合するからである。

同様の方法において、半導体材料がウエハまたは他の基板上に、ポリシリコンを形成することが可能である。通常、アモルファスシリコンが積層され、その後再結晶されポリシリコンを形成する。ポリシリコンはイオン注入によって、または堆積層からドープされ、ｐｎ接合を作る。トランジスターは、アモルファスシリコンかポリシリコンのどちらかに形成することも可能で、ＶＣＦセンサー群のセンサーをアドレスするのに使うこともできる。

種々のフィルターおよびフィルターの組合せは、本発明のＶＣＦセンサー群中に含むことも可能で、光子分離、色精度、およびセンサー解像度を改善する。たとえば、ＶＣＦセンサーのアレイは、イメージセンサーの作製で通常使われる種類の有機カラーフィルターと組み合わせることも可能である。青色および赤色照明に敏感なセンサー群の色応答を調節するチェッカーボードパターンでアレイのセンサー群の一部にフィルターを形成すること（またはその一部に含むこと）が可能である。このようなフィルターパターンを用いて、各々のＶＣＦセンサー群の半導体カラーフィルター特性と連動してフィルターが機能するという事実のおかげで、各々のフィルターの特性は非常に単純化でき、製造の変化に鈍感にできる。この得られた利点は潜在的にはもっとカラーフィルター応答を高めることである。代替的に、有機、絶縁性の、またはポリシリコンフィルターは、アレイのＶＣＦセンサー群の一部に配置すること（または一部に含むこと）が可能であり、特定の色に応答するあらゆる他のセンサー群はまたその色応答を形成するために役立つカラーフィルターを持ち、その結果６つの異なる色応答を持つアレイを作る。後者の技術は、イメージセンサー面の最上部に有機フィルター（または他の種類のフィルター）を配置し、ＶＣＦセンサー群にフィルターを含むプロセスと関連する製造経費を最小化する一方で、多種の色応答を可能にする。

本発明および本発明の応用を実施する最善の方法はここに記載されてきたが、ここに記載された実施形態および応用に関するたくさんのバリエーションは、ここで記載されクレームされた本発明の範囲から逸脱することなく可能であるということは当業者にとっては明白である。本発明の一部の形態は図示され記載されてきたが、本発明は、記載され図示された特定の実施形態または記載された特定の方法には限定されることはないということも理解される。さらに、請求項の言い回しの中で積極的に述べない限り、方法を記載する請求項は工程の特定の順番を何も示唆することはない。

図１は、波長450nm、550nm、および650nmに関して、シリコンの深度（ミクロン単位）の関数として、結晶性シリコンにおける電磁波放射線の強度（入射強度Ｉ_０に対する）のグラフである。図２は、本発明を具体化するＶＣＦセンサー群に関して垂直ドーピングプロファイルを示す図である。図２Ａは、プロファイルが図２に示されるＶＣＦセンサー群の断面図（垂直面における）であり、センサー群に結合したバイアスおよび読み出し回路の模式的な回路図を含む。図３は、波長450nm（カーブＡ）、550nm（カーブＢ）、および650nm（カーブＣ）に関して、シリコンの深度（ミクロン単位）の関数として、結晶シリコンにおける電磁波放射線の吸収率（入射強度Ｉ_０に対する）のグラフであり、その上にオーバーレイ（被覆）した図２のセンサー群の層の位置も示している。図４は、プロファイルが図２に示されたものに類似するセンサー群の３つのフォトダイオードのスペクトル感度のグラフである。図５は、本発明のＶＣＦセンサー群の実施形態の単純化した断面図（垂直面における）である。図６は、異なるレベルのインジウム量を持つIn_ｘGa_1-xＮ半導体の電子ボルトのバンドギャップ・エネルギー、および各々のバンドギャップ・エネルギーに対応する光学的波長（右側の列において）をリストした表である。図７は、本発明のＶＣＦセンサー群の実施形態に含まれ得るアバランシェ・センサーの断面図である。図８は、本発明のＶＣＦセンサー群のアレイの部分の断面図であり、アレイの各々のセンサー群は２つの非センサーフィルターおよび３つのセンサーを含む。図８Ａは、本発明のＶＣＦセンサー群のアレイの部分の単純化した上面図で、そこにおいて、フィルターを含む各々の群は“Ｘ”印でマークされている。図８Ｂは、本発明のＶＣＦセンサー群の別のアレイの部分の単純化した上面図で、そこにおいて、フィルターを含む各々の群は“Ｘ”印でマークされている。図９は、本発明のＶＣＦセンサー群のアレイの部分の断面図であり、そこにおいて、マイクロレンズがアレイの各々のセンサー群上に形成される。図１０は、本発明のＶＣＦセンサー群のアレイの部分の単純化した上面図で、そこにおいて、近接したセンサー群はキャリア収集要素を共有する。図１０Ａは、アレイの２つのＶＣＦセンサー群の断面図（垂直面における）であり、そこにおいて、２つのセンサー群は共通のセンサー要素を共有する。図１０Ｂは、アレイの４つのＶＣＦセンサー群の上面図で、そこにおいて、４つのセンサー群は、赤色光子および青色光子の吸収によって光励起したキャリアを収集するために、キャリア収集領域を共有する。図１１は、従来のセンサーアレイの部分の断面図（垂直面における）である。図１２は、ＶＣＦセンサー群のアレイの部分の断面図（垂直面における）であり、アレイの近接したセンサー群の間にトレンチ分離構造を持つ。図１３ａ〜１３ｆは、本発明のＶＣＦセンサー群の実施形態の種々の製造工程において形成された構造の断面図（垂直面における）である。図１４Ａ〜１４Ｃは、本発明のＶＣＦセンサー群の別の実施形態の種々の製造工程において形成された構造の断面図（垂直面における）である。図１４Ｄ〜１４Ｆは、本発明のＶＣＦセンサー群の別の実施形態の種々の製造工程において形成された構造の断面図（垂直面における）である。図１４Ｇ〜１４Ｉは、本発明のＶＣＦセンサー群の別の実施形態の種々の製造工程において形成された構造の断面図（垂直面における）である。図１４Ｊ〜１４Ｌは、本発明のＶＣＦセンサー群の別の実施形態の種々の製造工程において形成された構造の断面図（垂直面における）である。図１５Ａ〜１５Ｄは、本発明のＶＣＦセンサー群の別の実施形態の種々の製造工程において形成された構造の断面図（垂直面における）である。図１５Ｅ〜１５Ｈは、本発明のＶＣＦセンサー群の別の実施形態の種々の製造工程において形成された構造の断面図（垂直面における）である。図１６Ａ〜１６Ｃは、本発明のＶＣＦセンサー群の別の実施形態の種々の製造工程において形成された構造の断面図（垂直面における）である。図１６Ｄ〜１６Ｆは、本発明のＶＣＦセンサー群の別の実施形態の種々の製造工程において形成された構造の断面図（垂直面における）である。１６Ｇ〜１６Ｈは、本発明のＶＣＦセンサー群の別の実施形態の種々の製造工程において形成された構造の断面図（垂直面における）である。図１７は、ＶＣＦセンサー群の実施形態の製造中に形成された構造の断面図（垂直面における）であり、イオン注入プロセスによって形成されたプラグコンタクトを含む。各々の等高線（ｐ型およびｎ型材料の間の境界を表す）は、異なる型のドーピングレベルでプラグコンタクトを形成した結果を示し、第１の（“１x”）ｎ型ドーピングレベルを持つ最小のｎ型領域、この２倍の（“２x”）ドーピングレベルを持つ最大のｎ型領域、および中間の（“１．４x”）ドーピングレベルを持つ中間サイズｎ型領域を有している。図１８は、本発明のＶＣＦセンサー群の好適な実施形態の製造中に形成された構造の断面図（垂直面における）であり、（多段階イオン注入プロセスの初期工程中に形成された）プラグコンタクトの底部部分を含む。図１８Ａは、本発明のＶＣＦセンサー群の好適な実施形態の製造中の図１８の構造から形成された構造の断面図（垂直面における）であり、底部部分が図１８および１８Ａの両方に示される（多段回イオン注入プロセスの後続工程中に形成された）プラグコンタクトの上部部分を含む。図１９は、５つの示されたマスク材料の各々に関して、ホウ素、リン、ヒ素、およびアンチモンのイオン注入中に必要なマスクの厚さのグラフである。図２０は、２つのセンサーの間のブランケット障壁層を含む本発明のＶＣＦセンサー群の実施形態の単純化した断面図（垂直面における）である。図２１は、図２０のセンサー群における深度の関数としてドーパント濃度のグラフである。図２２は、図２０のセンサー群に関するバリエーションの単純化した断面図（垂直面における）であり、本発明のブランケット障壁層２０５よりむしろ従来のブランケット障壁イオン注入を含む。図２３は、図２２のセンサー群における深度の関数としてドーパント濃度のグラフである。図２４は、本発明のＶＣＦセンサー群の別の実施形態の単純化した断面図（垂直面における）であり、２つのセンサー間にブランケット障壁層（２０５）および付加的ブランケット障壁イオン注入（２０７および２０８）を含む。図２５Ａ〜２５Ｄは、本発明のＶＣＦセンサー群の実施形態の製造中にセルフアライン（自己整合）相補的イオン注入プロセスの種々の工程で形成された構造の断面図（垂直面における）である。

Claims

半導体基板上に形成された、少なくとも２つの垂直積層感光性センサー、
前記センサーの１つのｎ型カソード上に形成されたｐ型の第１のエピタキシャル層、
前記第１のエピタキシャル層の上のｐ型の第２のエピタキシャル層、並びに
前記第１のエピタキシャル層を通って前記センサーの１つの前記ｎ型カソードまで伸びる底部部分、および、該底部部分から前記第２のエピタキシャル層を通って当該第２のエピタキシャル層の最上面まで伸びる上部部分を有する拡散プラグコンタクト、を含み、
前記拡散プラグコンタクトは、Ｓｉ３Ｎ４のマスクを用いてイオン注入することによって作製され、
前記センサーの他の１つであって前記センサーの１つに近接するセンサーのｎ型カソードは前記第２のエピタキシャル層の上に形成されることを特徴とする、センサー群。
前記第１のエピタキシャル層および前記第２のエピタキシャル層の各々は本質的にｐ型シリコンからなり、前記プラグコンタクトの底部部分は第１のエピタキシャル層に砒素を拡散させた領域であり、前記プラグコンタクトの上部部分は第２のエピタキシャル層に砒素を拡散させた領域であることを特徴とする、請求項１に記載のセンサー群。