CN102087141A - 结合红外线感测的环境光源传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合红外线感测的环境光源传感器及其制造方法。传感器包括基底、环境光感测结构、红外线感测结构以及介电层。环境光感测结构，位于上述基底上方，用以感测并过滤可见光。红外线感测结构，位于上述环境光感测结构下方的上述基底中，用以感测红外线。介电层，位于上述环境光感测结构与上述红外线感测结构之间。

Description

结合红外线感测的环境光源传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种传感器及其制造方法，且特别是涉及一种结合红外线感测的环境光源传感器及其制造方法。

背景技术

近几年来感测元件在多数的工业应用及自动化控制用途上一直扮演着重要的角色。常见的感测元件包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、磁传感器、照度传感器、距离传感器等等。而其中环境光源传感器因液晶面板与各式移动装置(如移动电话、个人数字助理(PDA)、全球定位系统(GPS)、笔记型电脑(Notebook)、小笔电(Netbook)等)的日益普及而开始被广泛使用于上述各式各样消费性产品上。环境光源传感器可以感应周遭光源，以自动调整荧幕亮度，达到省电效果。然而，这类装置仅能感测单一波段的光源，且量子效率(QE)有待提升。

发明内容

本发明提供一种结合红外线感测的环境光源传感器，其可以侦测不同波段的光源。

本发明提供一种结合红外线感测的环境光源传感器，其整合于同颗芯片上。

本发明提供一种结合红外线感测的环境光源传感器，在可见光波段具有相当高的量子效率，适于环境光源感测波段的要求。

本发明提供一种结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法，其工艺简单。

本发明提供一种结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法，可以节省布局的面积，且可以省去滤光片工艺的预算，降低材料与工艺成本。

本发明提出一种结合红外线感测的环境光源传感器，包括基底、环境光感测结构、红外线感测结构以及介电层。环境光感测结构，位于上述基底上方，用以感测并过滤可见光。红外线感测结构，位于上述环境光感测结构下方的上述基底中，用以感测红外线。介电层，位于上述环境光感测结构与上述红外线感测结构之间。

依照本发明实施例所述，上述结合红外线感测的环境光源传感器中，上述环境光感测层结构包括下电极、氢化非晶硅层以及透明上电极。下电极，位于上述介电层上。氢化非晶硅层，位于上述下电极上。透明上电极，覆盖于上述氢化非晶硅层上。

依照本发明实施例所述，上述结合红外线感测的环境光源传感器中，上述氢化非晶硅层为堆叠结构，包括第一导电型的氢化非晶硅层、本征氢化非晶硅层以及第二导电型的氢化非晶硅层。第一导电型的氢化非晶硅层，位于上述下电极上。本征氢化非晶硅层，位于上述第一导电型的氢化非晶硅层上。第二导电型的氢化非晶硅层，位于上述本征氢化非晶硅层上。上述第一导电型为N型；上述第二导电型为P型。

依照本发明实施例所述，上述结合红外线感测的环境光源传感器中，上述透明电极的材料包括透明导电氧化物，上述下电极的材料包括金属。

依照本发明实施例所述，上述结合红外线感测的环境光源传感器中，上述环境光感测层结构位于金属内连线的最顶层金属层之上，且上述下电极与上述金属内连线电性连接。

依照本发明实施例所述，上述结合红外线感测的环境光源传感器还包括保护环，位于上述下电极周围及其下方的上述介电层中。

依照本发明实施例所述，上述结合红外线感测的环境光源传感器还包括光遮蔽层，覆盖于上述环境光感测层结构的侧壁及其上表面的周围，且上述光遮蔽层与焊垫电性连接。

依照本发明实施例所述，上述结合红外线感测的环境光源传感器中，上述环境光感测层结构的高度高于上述焊垫的高度。

依照本发明实施例所述，上述结合红外线感测的环境光源传感器中，上述红外线感测结构包括位于上述基底中的阱区，上述阱区与上述基底接触且其导电型态与上述基底的导电型态不同，阱区与上述基底构成结二极管。

依照本发明实施例所述，上述结合红外线感测的环境光源传感器中，上述环境光感测层结构完全覆盖上述阱区。

依照本发明实施例所述，上述结合红外线感测的环境光源传感器还包括保护层，覆盖上述环境光感测层结构。

本发明还提出一种结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法，此方法包括在基底中形成红外线感测结构，用以感测红外线。接着，在基底上形成介电层，之后，在介电层上形成环境光感测结构，覆盖上述红外线感测结构。

依照本发明实施例所述，上述结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法中，上述环境光感测层结构形成方法包括在上述介电上形成下电极，接着，在上述下电极上形成氢化非晶硅层，之后，在上述氢化非晶硅层上形成透明上电极。

依照本发明实施例所述，上述结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法中，上述氢化非晶硅层为堆叠结构，堆叠结构的形成方法包括在上述下电极上形成第一导电型的氢化非晶硅层，接着，在上述第一导电型的氢化非晶硅层上形成本征氢化非晶硅层，之后，在上述本征氢化非晶硅层上形成第二导电型的氢化非晶硅层。

依照本发明实施例所述，上述结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法中，上述第一导电型为N型；上述第二导电型为P型。

依照本发明实施例所述，上述结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法中，上述透明电极的材料包括透明导电氧化物，上述下电极的材料包括金属。

依照本发明实施例所述，上述结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法还包括在上述介电层中形成金属内连线，连接上述下电极。

依照本发明实施例所述，上述结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法还包括在上述环境光感测层结构的侧壁及其上表面的周围形成光遮蔽层，上述光遮蔽层与焊垫连接。

依照本发明实施例所述，上述结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法中，形成上述红外线感测结构的方法包括在上述基底中形成阱区，此阱区与上述基底接触且其导电型态与上述基底的导电型态不同，阱区与上述基底构成结二极管。

依照本发明实施例所述，上述结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法还包括形成保护层，覆盖上述环境光感测层结构。

依照本发明实施例所述，上述结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法还包括在形成上述保护层之后进行切割基底步骤。

本发明的结合红外线感测的环境光源传感器，其可以侦测不同波段的光源。

本发明的结合红外线感测的环境光源传感器，其整合于同颗芯片上。

本发明的结合红外线感测的环境光源传感器，在可见光波段具有相当高的量子效率(QE)，适于环境光源感测波段的要求。

本发明的结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法，其工艺简单。

本发明的结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法，可以节省布局的面积，且可以省去滤光片工艺的预算，降低材料与工艺成本。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1A至1D是依照本发明实施例所绘示的一种结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法的剖面示意图。

图2是在摄氏25度对氢化非晶硅层的环境光源感测结构施加不同电压的光响应图。

图3则是氢化非晶硅层以及结晶硅层的吸收光谱。

附图标记说明

10：基底

12：阱区

14：红外线感测结构

16：介电层

18：金属内连线

20：保护环

22：最上层金属层

24：焊垫

26：环境光源感测结构

28：下电极

30：氢化非晶硅层(堆叠结构)

30a：第一导电型氢化非晶硅层

30b：本征氢化非晶硅层

30c：第二导电型氢化非晶硅层

32：透明上电极

34：光遮蔽层

36：保护层

38：焊垫开口

具体实施方式

图1A至1D是依照本发明实施例所绘示的一种结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法的剖面示意图。

请参照图1A，在基底10中形成红外线感测结构14。基底10的材料例如是具有掺杂的半导体，如具有P型掺质的硅基底10，或是N型掺杂的硅基底10，抑或是无掺杂(undoped)硅基底。红外线感测结构14例如是结二极管，形成结二极管的方法包括在基底10中形成阱区12，阱区12与基底10接触且其导电型态与基底10的导电型态不同。在实施例中，基底10为P型掺杂的硅基底10；阱区12为N型掺杂区。阱区12的形成方法例如是在基底10上形成掩模层，然后，进行离子注入工艺，将掺质注入于基底10之中，以形成阱区12，之后，再将掩模层移除。离子注入工艺注入的P型掺质例如是硼；N型掺质例如是磷或是砷。在实施例中，除了形成红外线感测结构14之外，还在基底10上形成金属氧化物半导体元件，例如N型通道场效晶体管(NMOS)、P型通道场效晶体管(PMOS)或互补式场效晶体管(CMOS)，为简略起见，未绘示出来。

接着，请参照图1B，在基底10上形成介电层16。介电层16的材料例如是氧化硅、硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)、无掺杂硅玻璃(USG)、氟掺杂硅玻璃(FSG)、旋涂式玻璃(SOG)或是介电常数低于4的低介电常数材料。介电层16的形成方法可以是化学气相沉积法或是旋涂法。之后，在介电层16中形成金属内连线18。为简略起见，仅绘示出最上层金属层22。在实施例中，在形成金属内连线18的最上层金属层22时，同时形成焊垫24。在又一实施例中在形成金属内连线18的同时，在介电层16中形成保护环20。

其后，请参照图1C，在介电层16上形成环境光源感测结构26。在实施例中环境光源感测结构26包括下电极28、氢化非晶硅层30以及透明上电极32。环境光源感测结构26的面积较大，可完全覆盖红外线感测结构14。

在实施例中形成环境光源感测结构26的步骤说明如下：先在介电层16上形成下电极28，使下电极28与金属内连线18的介层窗插塞电性连接。下电极28的材料包括金属，例如是氮化钛(TiN)、钨(W)、铬(Cr)或铝(Al)，形成的方法例如是以物理气相沉积法(PVD)或是化学气相沉积法(CVD)沉积下电极材料层之后，再以光刻、蚀刻工艺进行图案化。在实施例中，在形成下电极28时，可同时在下电极28周围形成保护环20的最顶层29。当下电极28为金属时，其厚度非常薄，例如是50埃至500埃，以使得红外线可以穿透。

之后，在下电极28上形成氢化非晶硅层30。在实施例中，氢化非晶硅层30为堆叠结构。堆叠结构的形成方法包括：在下电极28上形成第一导电型的氢化非晶硅层30a，接着，在第一导电型的氢化非晶硅层30a上形成本征氢化非晶硅层30b，之后，在本征氢化非晶硅层30b上形成第二导电型的氢化非晶硅层30c。堆叠结构的沉积方法可以采用等离子体增强型化学气相沉积法，以B₂H₆/H₂和PH₃/H₂作为反应掺杂气体，在沉积的过程中改变掺杂的型态或浓度，以形成的。在实施例中，堆叠结构具有PIN结构，即，第二导电型的氢化非晶硅层30c为P型，厚度例如是50埃至500埃，P型掺质的浓度例如是1×10¹⁷至1×10²¹原子/立方厘米(atoms/cm³)，P型掺质例如是硼；本征氢化非晶硅层30b的厚度例如是500埃至5000埃；第一导电型的氢化非晶硅层30a为N型，厚度例如是50埃至500埃，N型掺质的浓度例如是1×10¹⁷至1×10²¹原子/立方厘米，N型掺质例如是磷或是砷。

其后，在氢化非晶硅层30上形成透明上电极32。透明上电极32的材料包括透明导电氧化物，例如是铟锡氧化物，沉积的方法例如是溅镀法。透明电极的厚度例如是500至5000埃。

上述氢化非晶硅层30(堆叠结构)以及透明上电极32的形成方法例如是沉积堆叠结构材料层以及透明上电极材料层之后，再进行光刻与蚀刻工艺，以图案化之。

之后，请参照图1D，在环境光源感测结构26的侧壁及其上表面的周围形成光遮蔽层34。光遮蔽层34与焊垫24连接，使得来自环境光源感测结构26侧壁的漏电流得以被引导至焊垫24。光遮蔽层34的材料包括金属，如铝(Al)、氮化钛(TiN)、钨(W)或黑彩色滤光片(black color filter)。其后，在基底10上形成保护层36，覆盖环境光源感测结构26。保护层36的材料例如是聚亚酰胺(polyimide)。之后，在保护层36之中形成焊垫开口38，裸露出焊垫24。

其后续的工艺包括切割基底、封装等，在此不再赘述。切割与封装之后，即可形成结合红外线感测的环境光源传感器，其将红外线传感器与环境光源传感器整合于同颗芯片上，用以感测双波段的光源。

请参照图1D，本发明实施例的结合红外线感测的环境光源传感器包括基底10、红外线感测结构14、环境光源感测结构26以及介电层16。红外线感测结构14，位于环境光源感测结构26下方的基底10中，用以感测红外线。环境光源感测结构26，位于基底10上方，用以感测并过滤可见光。介电层16，位于环境光源感测结构26与红外线感测结构14之间。

更具体地说，红外线感测结构14例如是结二极管，其是由基底10以及基底10中的阱区12所构成，用以感测红外线。环境光源感测结构26包括下电极28、氢化非晶硅层30与透明上电极32。下电极28，位于介电层16上。氢化非晶硅层30，位于下电极28上。透明上电极32，覆盖于氢化非晶硅层30上。在实施例中，氢化非晶硅层30为堆叠结构。堆叠结构包括：位于下电极28上的第一导电型的氢化非晶硅层30a、位于第一导电型的氢化非晶硅层30a上的本征氢化非晶硅层30b以及位于本征氢化非晶硅层30b上的第二导电型的氢化非晶硅层30c，其中第一导电型为N型；第二导电型为P型。在实施例中，下电极28与介电层16中的金属内连线18电性连接。环境光源感测结构26的侧壁及其透明上电极32的上表面被光遮蔽层34所覆盖，光遮蔽层34与焊垫24连接，以使得来自环境光源感测结构26侧壁的漏电流得以被引导至焊垫24。

当光线通过环境光源感测结构时，可见光波段的光线可以被环境光源感测结构侦测并过滤，当光线继续行进，通过介电层，到达红外线感测结构时，红外线波段的光线则可以被红外线感测结构侦测，因此，本发明具有感测双波段光源的功效。

在以上的实施例中，将环境光源感测结构26设置在金属内连线18的最上层金属层22之上，然而，在实际应用时，并不以此为限，若工艺条件许可，亦可以设置在金属内连线18的任意两层金属层之间。

图2是在摄氏25度对氢化非晶硅层的环境光源感测结构施加不同电压的光响应(Photoresponse)图。由图2的结果显示，在施加不同的电压下，在波长550纳米左右可以产生最大的电流。

图3则是氢化非晶硅层以及结晶硅层的吸收光谱。线300是氢化非晶硅层的吸收曲线。图3显示氢化非晶硅层可吸收可见光波段的光线。线302则是结晶硅层的吸收曲线，显示氢化非晶硅层可吸收红外线波段的光线。

综上所述，本发明整合环境光源传感器与红外线传感器功能于同颗芯片。传感器中的环境光源感测结构26不仅可以感测环境光源如可见光，还可作为下方红外线传感器的可见光的滤光片，因此，不需额外再形成红外线传感器的滤光片，故，其工艺简单，可以节省布局的面积，且可以省去滤光片工艺的预算，因此，其材料与工艺成本低。再者，本发明提供一种结合红外线感测的环境光源传感器，其使用氢化非晶硅作为环境光源感测结构，其在可见光波段具有相当高的量子效率(QE)，非常适于环境光源感测波段的要求。此外，本发明实施例的结合红外线感测的环境光源传感器可以与半导体工艺整合。

虽然本发明已以实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定为准。

Claims (22)

1.一种结合红外线感测的环境光源传感器，包括：

基底；

环境光感测结构，位于该基底上方，用以感测并过滤可见光；

红外线感测结构，位于该环境光感测结构下方的该基底中，用以感测红外线；以及

介电层，位于该环境光感测结构与该红外线感测结构之间。

2.如权利要求1所述的结合红外线感测的环境光源传感器，其中该环境光感测层结构包括：

下电极，位于该介电层上；

氢化非晶硅层，位于该下电极上；以及

透明上电极，覆盖于该氢化非晶硅层上。

3.如权利要求2所述的结合红外线感测的环境光源传感器，其中该氢化非晶硅层为堆叠结构，包括：

第一导电型的氢化非晶硅层，位于该下电极上；

本征氢化非晶硅层，位于该第一导电型的氢化非晶硅层上；以及

第二导电型的氢化非晶硅层，位于该本征氢化非晶硅层上。

4.如权利要求3所述的结合红外线感测的环境光源传感器，其中该第一导电型为N型；该第二导电型为P型。

5.如权利要求2所述的结合红外线感测的环境光源传感器，其中该透明电极的材料包括透明导电氧化物，该下电极的材料包括金属。

6.如权利要求2所述的结合红外线感测的环境光源传感器，其中该环境光感测层结构位于金属内连线的最顶层金属层之上，且该下电极与该金属内连线电性连接。

7.如权利要求2所述的结合红外线感测的环境光源传感器，还包括保护环，位于该下电极周围及其下方的该介电层中。

8.如权利要求1所述的结合红外线感测的环境光源传感器，还包括光遮蔽层，覆盖于该环境光感测层结构的侧壁及其上表面的周围，且该光遮蔽层与焊垫电性连接。

9.如权利要求8所述的结合红外线感测的环境光源传感器，其中该环境光感测层结构的高度高于该焊垫的高度。

10.如权利要求1所述的结合红外线感测的环境光源传感器，其中该红外线感测结构包括位于该基底中的阱区，该阱区与该基底接触且其导电型态与该基底的导电型态不同，该阱区与该基底构成结二极管。

11.如权利要求10所述的结合红外线感测的环境光源传感器，其中该环境光感测层结构完全覆盖该阱区。

12.如权利要求1所述的结合红外线感测的环境光源传感器，还包括保护层，覆盖该环境光感测层结构。

13.一种结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法，包括：

在基底中形成红外线感测结构，用以感测红外线；

在该基底上形成介电层；以及

在该介电层上形成环境光感测结构，覆盖该红外线感测结构。

14.如权利要求13所述的结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法，其中该环境光感测层结构形成方法包括：

在该介电上形成下电极；

在该下电极上形成氢化非晶硅层；以及

在该氢化非晶硅层上形成透明上电极。

15.如权利要求14所述的结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法，其中该氢化非晶硅层为堆叠结构，该堆叠结构的形成方法包括：

在该下电极上形成第一导电型的氢化非晶硅层；

在该第一导电型的氢化非晶硅层上形成本征氢化非晶硅层；以及

在该本征氢化非晶硅层上形成第二导电型的氢化非晶硅层。

16.如权利要求15所述的结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法，其中该第一导电型为N型；该第二导电型为P型。

17.如权利要求14所述的结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法，其中该透明电极的材料包括透明导电氧化物，该下电极的材料包括金属。

18.如权利要求14所述的结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法，还包括在该介电层中形成金属内连线，连接该下电极。

19.如权利要求13所述的结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法，还包括在该环境光感测层结构的侧壁及其上表面的周围形成光遮蔽层，该光遮蔽层与焊垫连接。

20.如权利要求13所述的结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法，其中形成该红外线感测结构的方法包括在该基底中形成阱区，该阱区与该基底接触且其导电型态与该基底的导电型态不同，该阱区与该基底构成结二极管。

21.如权利要求13所述的结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法，还包括形成保护层，覆盖该环境光感测层结构。

22.如权利要求21所述的结合红外线感测的环境光源传感器的制造方法，还包括在形成该保护层之后进行切割基底步骤。

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