CN100346480C

CN100346480C - 互补金属氧化物半导体图像感测元件及制造方法

Info

Publication number: CN100346480C
Application number: CNB031409636A
Authority: CN
Inventors: 杨健生
Original assignee: AU Optronics Corp
Current assignee: AU Optronics Corp
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2023-06-02
Also published as: CN1553513A

Abstract

本发明公开了一种互补金属氧化物半导体图像感测元件及制造方法。该感测元件至少包括非单晶硅基衬底、不透光层、多晶硅层、源极、漏极、栅极介电层、第一透明栅极电极及第二透明栅极电极。不透光层形成于非单晶硅基衬底上，多晶硅层形成于不透光层上，并具有一电荷产生区。源极及漏极形成于多晶硅层中，源极及漏极之间的多晶硅层形成一预定沟道区，源极位于预定沟道区及电荷产生区之间。栅极介电层形成于多晶硅层上，第一透明栅极电极及第二透明栅极电极形成于栅极介电层上，并分别位于电荷产生区及预定沟道区之上方。

Description

互补金属氧化物半导体图像感测元件及制造方法

技术领域

本发明涉及一种互补金属氧化物半导体(complementary metal oxidesemiconductor，CMOS)图像感测元件(image sensor)及制造方法，且特别涉及一种具有非单晶硅基衬底(non-single-crystal-silicon-base substrate)及透明栅极电极的互补金属氧化物半导体图像感测元件及制造方法。

背景技术

在科技发展日新月异的现今时代中，图像感测元件已被广泛地应用于电视、玩具、保安系统、扫描仪、移动电话、数码摄影机、数码相机及其它便携式电子产品中。目前的图像感测元件至少包括电荷耦合元件(chargecoupled device，CCD)及互补金属氧化物半导体图像感测元件，其中，互补金属氧化物半导体图像感测元件具有低成本及低耗电量的特性，并能够以半导体工艺来大量生产，而降低生产成本，大大地提升其在图像感测元件市场中的占有率。

请参照图1，其示出的是传统的互补金属氧化物半导体图像感测元件的剖面图。在图1中，互补金属氧化物半导体图像感测元件100至少包括硅衬底(silicon substrate)102、源极(source)104、漏极(drain)106、栅极介电层(gate dielectric layer)108、多晶硅栅极电极(polysilicon gate electrode)110及112、层间介电层(interlayer dielectric layer)114、钝化层(passivationlayer)116、金属电极(metal electrode)118、120及122。

硅衬底102具有一电荷产生区150(如图1的虚线范围所示)，而源极104及漏极106形成于硅衬底102中。源极104及漏极106之间的部分的硅衬底102将形成一预定沟道区140，且源极104位于电荷产生区150及预定沟道区140之间。其中，当硅衬底102为轻度掺杂P型(P-)时，源极104及漏极106为重度掺杂N型(N+)。栅极介电层108形成于硅衬底102之上，并覆盖源极104及漏极106。

多晶硅栅极电极110及112形成于栅极介电层108上，而多晶硅栅极电极110及112分别位于电荷产生区150及预定沟道区140的上方。层间介电层114形成于栅极介电层108之上，并覆盖多晶硅栅极电极110及112。其中，层间介电层114具有一开口132，开口132位于多晶硅栅极电极110及112之间。金属电极118藉由开口132与部分栅极介电层108接触，金属电极118覆盖部分层间介电层114。钝化层116形成于层间介电层114之上，并覆盖金属电极118。此外，钝化层116具有开口134及136，开口134及136分别位于源极104及漏极106之上方。金属电极120及122形成于钝化层116上，并分别藉由开口134及136与多晶硅栅极电极112两旁的部分的层间介电层114接触。

另外，多晶硅栅极电极110及电荷产生区150构成一光感测器(photodetector)，而多晶硅栅极电极112、源极104及漏极106构成一重设晶体管(reset transistor)，且金属电极120为电荷导出电极。

当互补金属氧化物半导体图像感测元件100感测一光线时，首先，施加一电压于多晶硅栅极电极112上，使得重设晶体管可以平均源极104及漏极106的电荷。接着，多晶硅栅极电极110被施加一电压，使得电荷产生区150形成一耗尽层(depletion layer)。然后，光线将穿过钝化层116、多晶硅栅极电极110与栅极介电层108并抵达为耗尽层的电荷产生区150，使得电荷产生区150受到光线的激发而产生电荷。此时，产生电荷后的电荷产生区150、金属电极118及源极104将构成一电荷转移晶体管(chargetransfer transistor)。接着，施加一电压于金属电极118上，使得电荷转移晶体管将转移电荷产生区150所产生的电荷至源极104中，此时，源极104的电荷又多过漏极106的电荷。然后，于金属电极122被施加一固定电压(VDD)的情况下，金属电极120即可将源极104中多过漏极106的电荷导出。根据金属电极120所导出的电荷的多少，即可往前推知光线的强弱。当所感测的光线越强时，金属电极120所导出的电荷将会越多，反之亦然。待汇集所有感测而得的电荷之后，即可得到一相对的图像。

需要注意的是，由于硅衬底102的价格相当昂贵，将会增加制造成本。另外，由于多晶硅栅极电极110会吸收部分光线，导致感测结果将产生误差，图像将发生失真现象，影响图像品质甚巨。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种互补金属氧化物半导体图像感测元件及制造方法，其采用非单晶硅基衬底(non-single-crystal-silicon-basesubstrate)的设计，可以减少制造成本。另外，其配置透明栅极电极于光感测器中的设计，可以解决所感测的光线通过传统多晶硅栅极电极时被吸收的问题，降低感测结果的误差及图像的失真度，并提高图像品质。

根据本发明的目的，提出一种互补金属氧化物半导体图像感测元件，至少包括非单晶硅基衬底、不透光层、多晶硅层、源极、漏极、栅极介电层、第一透明栅极电极及第二透明栅极电极。不透光层形成于非单晶硅基衬底的顶面上，多晶硅层形成于不透光层上，并具有一电荷产生区。源极及漏极形成于多晶硅层中，源极及漏极之间的多晶硅层形成一预定沟道区，且源极位于预定沟道区及电荷产生区之间。栅极介电层形成于多晶硅层上。第一透明栅极电极及第二透明栅极电极形成于栅极介电层上，并分别位于电荷产生区及预定沟道区的上方。

根据本发明的再一目的，提出一种互补金属氧化物半导体图像感测元件，至少包括非单晶硅基衬底、不透光层、多晶硅层、源极、漏极、栅极介电层、第一透明栅极电极及第二透明栅极电极。不透光层形成于非单晶硅基衬底的侧面及底面上，多晶硅层形成于非单晶硅基衬底的顶面上，并具有一电荷产生区。源极及漏极形成于多晶硅层中，源极及漏极之间的多晶硅层形成一预定沟道区，且源极位于预定沟道区及电荷产生区之间。栅极介电层形成于多晶硅层上。第一透明栅极电极及第二透明栅极电极形成于栅极介电层上，并分别位于电荷产生区及预定沟道区的上方。

根据本发明的另一目的，提出一种互补金属氧化物半导体图像感测元件之制造方法。在此方法中，首先，提供一非单晶硅基衬底。接着，形成一不透光层于非单晶硅基衬底上。然后，形成一多晶硅层于不透光层上，多晶硅层具有一电荷产生区。接着，形成一源极及一漏极于多晶硅层中，源极及漏极之间的多晶硅层形成一预定沟道区，且源极位于预定沟道区及电荷产生区之间。然后，形成一栅极介电层于多晶硅层上。形成第一透明栅极电极及第二透明栅极电极于栅极介电层上，第一透明栅极电极及第二透明栅极电极分别位于该电荷产生区及该预定沟道区的上方。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：

图1示出的是传统互补金属氧化物半导体图像感测元件的剖面图；

图2示出的是依照本发明的优选实施例的互补金属氧化物半导体图像感测元件的剖面图；

图3A～3E示出的是依照本发明的优选实施例的互补金属氧化物半导体图像感测元件的制造方法的流程剖面图；以及

图4示出的是依照本发明的一实施例的互补金属氧化物半导体图像感测元件的剖面图。

附图中的附图标记说明如下：

100、200、400：互补金属氧化物半导体图像感测元件

102：硅衬底 104、204：源极

106、206：漏极 108、208：栅极介电层

110、112：多晶硅栅极电极 114、214：层间介电层

116、216：钝化层

118、120、122、218、220、222：金属电极

132、134、136、232、234、236：开口

140、240：预定沟道区 150、250：电荷产生区

202、402：非单晶硅基衬底 203、403：不透光层

205、405：多晶硅层 210、212：透明栅极电极

304、306：预定掺杂区

具体实施方式

本发明特别设计一互补金属氧化物半导体(complementary metal oxidesemiconductor，CMOS)图像感测元件(image sensor)及制造方法，其采用非单晶硅基衬底(non-single-crystal-silicon-base substrate)的设计，可以减少制造成本。另外，本发明配置透明栅极电极(transparent gate electrode)于光感测器(photo detector)中的设计，可以解决所感测的光线通过传统多晶硅栅极电极时被吸收的问题，降低感测结果的误差及图像的失真度，并提高图像品质。

请参照图2，其示出的是依照本发明的优选实施例之互补金属氧化物半导体图像感测元件的剖面图。在图2中，互补金属氧化物半导体图像感测元件200至少包括非单晶硅基衬底202、不透光层203、多晶硅层(polysiliconlayer)205、源极(source)204、漏极(drain)206、栅极介电层(gate dielectriclayer)208、透明栅极电极210及212、层间介电层(interlayer dielectric layer)214、钝化层(passivation layer)216、金属电极(metal electrode)218、220及222。

不透光层203形成于非单晶硅基衬底202的顶面上，而多晶硅层205形成于不透光层203上。其中，多晶硅层205具有一电荷产生区250(如图2的虚线范围所示)。源极204及漏极206形成于多晶硅层205中，而源极204及漏极206的顶面与多晶硅层205的顶面共平面。源极204及漏极206的厚度皆小于多晶硅层205的厚度，而源极204及漏极206之间的部分多晶硅层205将形成一预定沟道区240，且源极204位于电荷产生区250及预定沟道区240之间。例如，当多晶硅层205为轻度掺杂P型(P-)时，源极204及漏极206为重度掺杂N型(N+)。栅极介电层208形成于多晶硅层205上，并覆盖源极204及漏极206。

透明栅极电极210及212形成于栅极介电层208上，而透明栅极电极210及212分别位于电荷产生区250及预定沟道区240之上方。层间介电层214形成于栅极介电层208之上，并覆盖透明栅极电极210及212。其中，层间介电层214具有一开口232，开口232位于透明栅极电极210及212之间。金属电极218藉由开口232与部分栅极介电层208接触，且金属电极218覆盖部分层间介电层214。钝化层216形成于层间介电层214之上，并覆盖金属电极218。钝化层216具有开口234及236，开口234及236分别位于源极204及漏极206的上方。金属电极220及222形成于钝化层216上，并分别藉由开口234及236与透明栅极电极212两旁的部分层间介电层214接触。

另外，透明栅极电极210及电荷产生区250构成所谓的光感测器，而透明栅极电极212、源极204及漏极206构成所谓的重设晶体管(resettransistor)，且金属电极220是所谓的电荷导出电极。

需要注意的是，非单晶硅基衬底202的价格比传统硅衬底102的价格还便宜，故本发明可以降低制造成本。另外，光线通过透明栅极电极210时，光线将不会被透明栅极电极210吸收，避免感测结果产生误差，并防止图像发生失真现象，以提高图像品质。另外，配置不透光层203于非单晶硅基衬底202的顶面上的设计，可以防止其它光线通过非单晶硅基衬底202而进入电荷产生区250，避免感测结果受到影响。

请参照图3A～3E，其示出的是依照本发明的优选实施例的互补金属氧化物半导体图像感测元件的制造方法的流程剖面图。首先，在图3A中，提供一非单晶硅基衬底202。接着，形成一不透光层203于非单晶硅基衬底202的顶面上。然后，形成一多晶硅层205于不透光层203上，多晶硅层205具有一电荷产生区250。接着，定义多晶硅层205的顶面，以形成预定掺杂区304及306。然后，对预定掺杂区304及306进行掺杂，以对应地形成源极204及漏极206于多晶硅层205中，如图3B所示。例如，当多晶硅层205为轻度掺杂P型(P-)，而源极204及漏极206为重度掺杂N型(N+)。源极204及漏极206之间的部分多晶硅层205将形成一预定沟道区240，且源极204位于电荷产生区250及预定沟道区240之间。

在图3B中，形成一栅极介电层208于多晶硅层205上，栅极介电层208覆盖源极204及漏极206。接着，形成透明栅极电极210及212于栅极介电层208上，透明栅极电极210及212分别位于电荷产生区250及预定沟道区240的上方。

然后，形成一具有开口232的层间介电层214于栅极介电层208上，并覆盖透明栅极电极210及212，如图3C所示。在图3C中，开口232位于透明栅极电极210及212之间，且开口232暴露源极204及电荷产生区250之间区域上方的部分栅极介电层208。

接着，形成一金属电极218，金属电极218藉由开口232与部分栅极介电层208接触，并覆盖部分层间介电层214，如图3D所示。在图3D中，形成一具有开口234及236的钝化层216于层间介电层214之上，钝化层216覆盖金属电极218。其中，开口234及236分别位于源极204及漏极206之上方，并对应地暴露透明栅极电极212两旁的部分层间介电层214。然后，形成金属电极220及222于钝化层216上，金属电极220及222分别藉由开口234及236与透明栅极电极212两旁的部分层间介电层214接触，如图3E所示。

另外，本发明可以直接形成多晶硅层405于非单晶硅基衬底402的顶面上，并形成不透光层403于非单晶硅基衬底402的侧面及底面上，以防止光线由外界进入非单晶硅基衬底402，如图4所示。在图4中，互补金属氧化物半导体图像感测元件400与图2的互补金属氧化物半导体图像感测元件200的结构大致上相同，且其制造方法大致上如同图3A～图3E所示，在此不再赘述。

但是本领域技术人员可以理解，本发明的技术并不局限于此，例如，透明栅极电极210及212的材料为氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)，非单晶硅基衬底202及402可以是玻璃衬底、塑料衬底或绝缘性衬底。

本发明上述实施例所公开的互补金属氧化物半导体图像感测元件及制造方法，具有下列优点：

1.其采用非单晶硅基衬底的设计，可以减少制造成本。

2.其配置透明栅极电极于光感测器中的设计，可以解决所感测的光线通过传统多晶硅栅极电极时被吸收的问题，降低感测结果的误差及图像的失真度，并提高图像品质。

综上所述，虽然本发明已以一优选实施例公开如上，但是其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，应当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当以所附权利要求所确定的为准。

Claims

1.一种互补金属氧化物半导体图像感测元件，至少包括：

一非单晶硅基衬底；

一不透光层，形成于该非单晶硅基衬底的顶面上；

一多晶硅层，形成于该不透光层上，该多晶硅层具有一电荷产生区；

一源极及一漏极，形成于该多晶硅层中，该源极及该漏极之间的该多晶硅层形成一预定沟道区，且该源极位于该预定沟道区及该电荷产生区之间；

一栅极介电层，形成于该多晶硅层上；以及

一第一透明栅极电极及一第二透明栅极电极，形成于该栅极介电层上，并分别位于该电荷产生区及该预定沟道区的上方。

2.如权利要求1所述的图像感测元件，其中该互补金属氧化物半导体图像感测元件还包括：

一层间介电层，形成于该栅极介电层上，并覆盖该第一透明栅极电极及该第二透明栅极电极，该层间介电层具有一第一开口；

一第一金属电极，藉由该第一开口与该栅极介电层接触；

一钝化层，形成于该层间介电层上，并覆盖该第一金属电极，该钝化层具有一第二开口及一第三开口，该第二开口及该第三开口分别位于该源极及该漏极的上方；以及

一第二金属电极及一第三金属电极，形成于部分该钝化层上，并分别藉由该第二开口及该第三开口与该第二透明栅极电极两旁的部分该层间介电层接触。

3.如权利要求1所述的图像感测元件，其中该第一透明栅极电极的材料为氧化铟锡。

4.如权利要求1所述的图像感测元件，其中该第二透明栅极电极的材料为氧化铟锡。

5.一种互补金属氧化物半导体图像感测元件，至少包括：

一非单晶硅基衬底；

一不透光层，形成于该非单晶硅基衬底的侧面及底面上；

一多晶硅层，形成于该非单晶硅基衬底的顶面上，该多晶硅层具有一电荷产生区；

一电荷产生区，形成于该多晶硅层中，该电荷产生区及该预定沟道区之间存有该源极；

一栅极介电层，形成于该多晶硅层上；以及

6.如权利要求5所述的图像感测元件，其中该互补金属氧化物半导体图像感测元件还包括：

一第一金属电极，藉由该第一开口与该栅极介电层接触；

7.如权利要求5所述的图像感测元件，其中该第一透明栅极电极的材料为氧化铟锡。

8.如权利要求5所述的图像感测元件，其中该第二透明栅极电极的材料为氧化铟锡。

9.一种互补金属氧化物半导体图像感测元件的制造方法，包括：

提供一非单晶硅基衬底；

形成一不透光层于该非单晶硅基衬底的顶面上；

形成一多晶硅层于该不透光层上，该多晶硅层具有一电荷产生区；

形成一源极及一漏极于该多晶硅层中，该源极及该漏极之间的该多晶硅层形成一预定沟道区，且该源极位于该预定沟道区及该电荷产生区之间；

形成一栅极介电层于该多晶硅层上；以及

形成一第一透明栅极电极及一第二透明栅极电极于该栅极介电层上，该第一透明栅极电极及该第二透明栅极电极分别位于该电荷产生区及该预定沟道区的上方。

10.如权利要求9所述的方法，其中该方法于该形成一源极及一漏极于该多晶硅层中的步骤中还包括：

定义该多晶硅层的顶面，以形成两预定掺杂区；以及

将该两预定掺杂区进行掺杂，以对应地形成该源极及该漏极于该多晶硅层中。

11.如权利要求9所述的方法，其中该方法于该形成一第一透明栅极电极及一第二透明栅极电极于该栅极介电层上的步骤后还包括：

形成一具有一第一开口的层间介电层于该栅极介电层上，该层间介电层覆盖该第一透明栅极电极及该第二透明栅极电极，该第一开口位于该第一透明栅极电极及该第二透明栅极电极之间，并暴露部分该栅极介电层；

形成一第一金属电极，该第一金属电极藉由该第一开口与该栅极介电层接触；

形成一具有一第二开口及一第三开口的钝化层于该层间介电层上，该钝化层覆盖该第一金属电极，该第二开口及该第三开口分别位于该源极及该漏极的上方，并暴露部分该层间介电层；以及

形成一第二金属电极及一第三金属电极于该钝化层上，该第二金属电极及该第三金属电极分别藉由该第二开口及该第三开口与该第二透明栅极电极两旁的部分该层间介电层接触。

12.如权利要求9所述的方法，其中该第一透明栅极电极的材料为氧化铟锡。

13.如权利要求9所述的方法，其中该第二透明栅极电极的材料为氧化铟锡。