CN101068022A - 影像感测器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种影像感测器及其制造方法，特别涉及一种影像感测器，其包括多个像素，其中至少一像素包括：一半导体基底，具有一感光区；以及一第一电极及一第二电极，嵌入于该半导体基底内，其中该第一及第二电极形成以一阵列排列的多个狭缝，所述狭缝用以使具有一特定波长的光通过该感光区。本发明所提供的影像感测器及其制造方法，可降低影像感测器的成本及尺寸。
Description
技术领域
本发明是有关于一种影像感测器及其制造方法，且特别有关于一种具有嵌入式滤光器的影像感测器及其制造方法。
背景技术
一般而言，影像感测器具有以阵列形式排列的像素，例如光敏二极管(photosensitive diodes)、光二极管(photodiodes)、重置开关晶体管(reset transistor)、源极随耦晶体管(sourcefollower transistor)、铰接感光二极管(pinned layer photodiodes)及传导晶体管(transfer transistor)，借以记录光的强度及亮度。像素是通过电荷的累积以侦测光，越多的光将使得电荷累积越高，电荷接着被一电路利用，因此色彩及亮度可适用于适合的应用，例如数字相机。目前普遍的像素阵列包括电荷耦合元件(CCD)、互补式金属氧化物半导体(CMOS)影像感测器(CIS)、主动像素感测器以及被动像素感测器。
另一种形式的像素为金属-半导体-金属(MSM)光侦测器，其利用形成于半导体材料上的两个肖特基接触(Schottkycontact)，例如为金属电极，取代光二极管中的p-n结。并且于两电极之间施加电压，以于半导体材料中产生电场，而被吸收于半导体材料中的光会产生电载流子，电载流子则由电场聚集，所述电载流子提供可被量测与记录的光电流(photocurrent)。因为MSM光侦测器具有高速及低寄生电容的特性，故目前已普遍的应用于光电信系统中。然而，由于导体表面及表面的金属接触的反射，因此MSM光侦测器具有低反应性(responsivity)的问题。
影像感测器为了捕捉色彩，其利用一彩色滤光片，该彩色滤光片包含多种不同的彩色滤光片(例如红、绿及蓝)，并且其设置于适当的位置以使入射光经过滤光片，可通过将彩色滤光片以马赛克式(mosaic)阵列排列于单一感测器上，或者通过棱镜分割入射光至多个感测器。不论何种方法，用于影像感测器中的彩色滤光片的成本占了影像感测器的总成本相当大一部分，并且彩色滤光片还使得元件的尺寸增加。因此目前急需一种改善彩色滤光片的设计及制造方法，以降低影像感测器的成本及尺寸。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可降低影像感测器的成本及尺寸的影像感测器及其制造方法。有鉴于此，本发明提供一种影像感测器，其包括多个像素，其中至少一像素包括：一半导体基底，具有一感光区；以及一第一电极及一第二电极，嵌入于该半导体基底内，其中该第一电极及第二电极形成以一阵列排列的多个狭缝，所述狭缝用以使具有一特定波长的光通过该感光区。
本发明所述的影像感测器，其中该具有特定波长的光包括红光、绿光及蓝光。
本发明所述的影像感测器，其中所述狭缝的厚度约介于100nm至600nm，或所述狭缝的间隔约介于20nm至100nm，或所述狭缝的间距约介于180nm至500nm。
本发明所述的影像感测器，更包括一第二像素，于该第二像素中的狭缝的厚度、间隔及间距至少有一不相同。
本发明所述的影像感测器，其中该第一电极及第二电极包括铜、银或金。
本发明所述的影像感测器，更包括一电压，实施于该第一电极及第二电极之间，以在该感光区内形成电场以感测光线。
本发明另提供一种影像感测器，包括：一半导体基底；多个像素，形成于该半导体基底上；以及多个狭缝，分别嵌入于每个像素中，其中所述狭缝用以使具有一特定波长的光通过所述像素。
本发明另提供一种影像感测器的制造方法：提供一半导体基底；形成多个像素于该半导体基底上；形成多个狭缝嵌入于每个像素中，其中所述狭缝用以使具有一波长的光通过所述像素。
本发明所述的影像感测器的制造方法，其中所述狭缝的厚度约介于100nm至600nm，间隔约介于20nm至100nm，以及间距约介于180nm至500nm。
本发明所述的影像感测器的制造方法，其中所述狭缝是由一第一电极及一第二电极所形成。
本发明所提供的影像感测器及其制造方法，可降低影像感测器的成本及尺寸。
附图说明
图1是绘示本发明实施例的影像感测器的俯视图；
图2是绘示本发明实施例的影像感测器的俯视图；
图3是绘示本发明实施例的影像感测器的剖面图；
图4是绘示本发明实施例的影像感测器的俯视图；
图5是绘示本发明实施例的影像感测器的剖面图。
具体实施方式
以下将揭露多个不同的实施例以实施各种实施例的不同特征，以下说明特定实施例中的元件及排列方法以简化说明，其仅用以作为示例而非用以限定本发明。并且相同或类似的元件在不同的实施例中将以相同或类似的标号标示，并且当叙述一第一元件形成于一第二元件上，包含该第一元件直接接触形成于该第二元件上，或者该第一元件与该第二元件之间还有额外的元件。
请参照图1，影像感测器50具有以阵列方式排列的像素100，另有电路及输入/输出邻近于像素100，以提供像素操作环境以及对外的连接。
请参照图2，在此实施例中像素100是金属-半导体-金属(MSM)光侦测器的形式。像素100包括半导体基底110，如硅基底，或者半导体基底110可包括元素半导体，如硅、锗或钻石。在其他实施例中，半导体基底110亦可包括化合物半导体，例如碳化硅、砷化镓、砷化铟及铟化磷。半导体基底110还可包括如硅覆盖绝缘层(SOI)及/或外延层等半导体的排列。
接着对半导体基底110实施高度非等向性蚀刻或垂直侧壁蚀刻，以形成嵌入式的电极120及130。举例而言，首先于半导体基底110的表面形成光致抗蚀剂层，接着图案化光致抗蚀剂层使光致抗蚀剂层形成特定的图案，之后以图案化的光致抗蚀剂层为掩膜利用等离子蚀刻等干蚀刻法蚀刻半导体基底110，以于半导体基底110上获得该图案。上述步骤可重复实施以产生不同的图案，借以形成电极120及130。
电极120及130是以具导电性的金属形成，例如铜、银或金，并且电极120及130嵌入于半导体基底110中以排列成矩形阵列的狭缝，如图2所示。举例而言，在图案化及蚀刻制程后，实施金属沉积制程以形成电极120及130，较佳者于金属沉积制程之后，更实施金属研磨制程。由于此种嵌入式MSM光侦测器原本就是平坦的，故其制程简单且易与各种的影像感测器整合。
请参照图3，于电极120及130之间施加一电压，借此可于半导体基底110的感光区170(或光吸收区)中产生电场。像素100被设计为可接受入射至半导体基底110表面的光180，然而并非所有的光180皆可通过感光区170，由电极120及130所形成的狭缝阵列是作为滤光器，只允许具有特定波长的光180通过感光区170。可通过调整由电极120及130形成的狭缝的厚度140、间隔160及间距150+160以决定该具有特定波长的光。举例而言，通过调整狭缝的参数：厚度140约介于100nm至600nm、间隔160约介于20nm至100nm、间距150+160约介于180nm至500nm，即可过滤光线而使红光、绿光及蓝光通过感光区170。
被半导体基底110吸收的光180产生电载流子，电载流子则由在电极120及130之间的电场聚集。由于具有电场，所以在本发明实施例中的感光区170不需要在p-n结附近掺杂及/或形成空乏(depletion)区，以保存光生电子-空穴对，也因此于主动区及其邻近晶体管之间将不会产生寄生(parasitic)电容效应。电载流子提供可被量测及记录的光电流，光电流的数量是关于被像素100所吸收的光信号的强度及亮度，越强的光会产生越高的光电流。光电流可依照感测器的用途被传送或应用于其他电路系统中。在其他实施例中，光180不限定于可见光束，亦可为红外线(IR)、紫外光(UV)或其他辐射线。
请参照图4，在另一实施例中，像素100大致如图2所示，除了狭缝阵列以圆形阵列取代图2的矩形阵列。嵌入于半导体基底110中的电极120a及130b形成由同心圆构成的狭缝阵列。此实施例的剖面图大致与图3相同，用以过滤使红光、绿光及蓝光通过的狭缝参数如厚度、间隔及间距亦如前所述。虽然在此的狭缝阵列是以四个同心圆所构成，然而圆形的数量可依据像素100的尺寸或其他设计需求而改变。
请参照图5，在其他实施例中，像素100是由光敏二极管或光二极管以记录光的强度及亮度。像素100形成于如P型硅的半导体基底210上，并且通过如化学气相沉积法(CVD)成长如外延硅的外延层220于半导体基底210上，而外延层220的掺杂浓度小于重掺杂的半导体基底210。像素100亦包含感光区230，例如于P型外延层220中形成N型掺杂区。上述的掺杂可利用如离子注入或扩散等不同的步骤注入掺杂物。半导体基底210包括侧向隔离元件(图中未绘示)以分隔基底上不同的元件。
像素100更包括以阵列方式排列的狭缝240，狭缝240是于感光区230中的嵌入式MSM型排列，狭缝240的阵列可包括如图2的矩形或如图4的圆形的排列方式。阵列排列的狭缝240是作为滤光器，只允许具有特定波长的光通过感光区230。狭缝240可作为多种滤光器，例如红光、绿光及蓝光，且可通过调整狭缝240的厚度、间隔及间距以决定该具特定波长的光。狭缝240的形成方法及参数如图2及图3的狭缝，在此不赘述。然而，由于在此实施例中狭缝240仅作为滤光器，因此不需通过两个电极形成。在此实施例中，光生电载流子保存于邻近于如为P型硅外延层220及N型感光区230所形成的p-n结附近的空乏区。
感光区230的穿透深度250可依据由阵列狭缝240所过滤出的光的特定波长，每种光(例如红光、绿光及蓝)的波长在通过感光区230时具有不同的有效吸收深度。举例而言，蓝光的有效吸收深度相较于红光的有效吸收深度较浅。因此，每个颜色的像素可具有不同的穿透深度250，以在像素100中对特定波长的光具有高敏感性。
另有额外的电路可用以控制像素100以及被感应的光。本实施例所说明的红光、绿光及蓝光的波长仅作为示例，并且作为像素100的光二极管亦是举例说明，其可为其他形式的像素，如重置开关晶体管、源极随耦晶体管、铰接感光二极管及传导晶体管。
综上所述，本发明提供影像感测器及其制造方法，在一实施例中，一种影像感测器包括多个像素，至少有一像素包括具有感光区的半导体基底，以及第一电极及第二电极嵌入于半导体基底中。第一电极及第二电极形成以阵列排列的狭缝，所述以阵列排列的狭缝用以允许具特定波长的光，例如红光、绿光及蓝光，通过感光区。在一些实施例中，狭缝的厚度约介于100nm至600nm，间隔约介于20nm至100nm，与其他狭缝的间距约介于180nm至500nm。狭缝的阵列可为矩形或圆形，第一电极及第二电极包括具导电性的金属，例如为铜、银或金，而在第一电极及第二电极之间实施电压以在感光区中产生电场，借此感测辐射线。
在其他实施例中，一种影像感测器包括半导体基底，多个像素形成于半导体基底上，多个狭缝嵌入于每个像素中，所述狭缝包括金属，用以允许具特定波长的光，例如红光、绿光及蓝光，通过每个像素。像素可包括光二极管、重置开关晶体管、源极随耦晶体管、铰接感光二极管及传导晶体管。
在其他实施例中，一种影像感测器包括半导体基底，其具有感光区以及第一像素、第二像素与第三像素形成于半导体基底上，第一狭缝阵列、第二狭缝阵列及第三狭缝阵列分别嵌入且排列于第一像素、第二像素与第三像素。第一狭缝阵列用以允许红光通过第一像素的感光区，第二狭缝阵列用以允许绿光通过第二像素的感光区，而第三狭缝阵列用以允许蓝光通过第三像素的感光区。
在其他实施例中，一种影像感测器的制造方法包括提供半导体基底，形成多个像素于半导体基底上，形成多个狭缝嵌入于每个像素中，所述狭缝用以允许具特定波长的光，例如红光、绿光及蓝光，通过每个像素区。所述狭缝是由第一电极及第二电极形成，并且第一电极及第二电极之间更实施电压以产生电场，借此感测该具特定波长的光。
以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。
附图中符号的简单说明如下：
50：影像感测器
100：像素
110：半导体基底
120、130、120a、130a：电极
140：狭缝的厚度
150：狭缝的宽度
160：狭缝的间隔
170：感光区
180：光
210：半导体基底
220：外延层
230：感光区
240：狭缝
Claims (10)
1.一种影像感测器，其特征在于，其包括多个像素，其中至少一像素包括：
一半导体基底，具有一感光区；以及
一第一电极及一第二电极，嵌入于该半导体基底内，其中该第一电极及第二电极形成以一阵列排列的多个狭缝，所述狭缝用以使具有一特定波长的光通过该感光区。
2.根据权利要求1所述的影像感测器，其特征在于，该具有特定波长的光包括红光、绿光及蓝光。
3.根据权利要求1所述的影像感测器，其特征在于，所述狭缝的厚度介于100nm至600nm，或所述狭缝的间隔介于20nm至100nm，或所述狭缝的间距介于180nm至500nm。
4.根据权利要求1所述的影像感测器，其特征在于，更包括一第二像素，于该第二像素中的狭缝的厚度、间隔及间距至少有一不相同。
5.根据权利要求1所述的影像感测器，其特征在于，该第一电极及第二电极包括铜、银或金。
6.根据权利要求1所述的影像感测器，其特征在于，更包括一电压，实施于该第一电极及第二电极之间，以在该感光区内形成电场以感测光线。
7.一种影像感测器的制造方法，其特征在于，该影像感测器的制造方法包括：
提供一半导体基底；
形成多个像素于该半导体基底上；
形成多个狭缝嵌入于每个像素中，其中所述狭缝用以使具有一波长的光通过所述像素。
8.根据权利要求7所述的影像感测器的制造方法，其特征在于，所述狭缝的厚度介于100nm至600nm，间隔介于20nm至100nm，以及间距介于180nm至500nm。
9.根据权利要求7所述的影像感测器的制造方法，其特征在于，所述狭缝是由一第一电极及一第二电极所形成。
10.一种影像感测器，其特征在于，该影像感测器包括：
一半导体基底；
多个像素，形成于该半导体基底上；以及
多个狭缝，分别嵌入于每个像素中，其中所述狭缝用以使具有一特定波长的光通过所述像素。
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