TWI438917B - 結合紅外線感測之環境光源感測器及其製造方法 - Google Patents

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Description

結合紅外線感測之環境光源感測器及其製造方法
本發明是有關於一種感測器及其製造方法，且特別是有關於一種結合紅外線感測之環境光源感測器及其製造方法。
近幾年來感測元件在多數的工業應用及自動化控制用途上一直是扮演著重要的角色。常見的感測元件包括溫度感測器、濕度感測器、壓力感測器、磁感測器、照度感測器、距離感測器等等。而其中環境光源感測器因液晶面板與各式行動裝置(如行動電話、個人數位助理(PDA)、全球定位系統(GPS)、筆記型電腦(Notebook)、小筆電(Netbook)等)的日益普及而開始被廣泛使用於上述各式各樣消費性產品上。環境光源感測器可以感應周遭光源，以自動調整螢幕亮度，達到省電效果。然而，這類裝置僅能感測單一波段的光源，且量子效率(QE)有待提升。
本發明提供一種結合紅外線感測之環境光源感測器，其可以偵測不同波段之光源。
本發明提供一種結合紅外線感測之環境光源感測器，其係整合於同顆晶片上。
本發明提供一種結合紅外線感測之環境光源感測器，在可見光波段具有相當高的量子效率，適於環境光源感測波段之要求。
本發明提供一種結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法，其製程簡單。
本發明提供一種結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法，可以節省佈局的面積，且可以省去濾光片製程之預算，降低材料與製程成本。
本發明提出一種結合紅外線感測之環境光源感測器，包括基底、環境光感測結構、紅外線感測結構以及介電層。環境光感測結構，位於上述基底上方，用以感測並過濾可見光。紅外線感測結構，位於上述環境光感測結構下方的上述基底中，用以感測紅外線。介電層，位於上述環境光感測結構與上述紅外線感測結構之間。
依照本發明實施例所述，上述結合紅外線感測之環境光源感測器中，上述環境光感測層結構包括下電極、氫化非晶矽層以及透明上電極。下電極，位於上述介電層上。氫化非晶矽層，位於上述下電極上。透明上電極，覆蓋於上述氫化非晶矽層上。
依照本發明實施例所述，上述結合紅外線感測之環境光源感測器中，上述氫化非晶矽層為堆疊結構，包括第一導電型之氫化非晶矽層、本徵氫化非晶矽層以及第二導電型之氫化非晶矽層。第一導電型之氫化非晶矽層，位於上述下電極上。本徵氫化非晶矽層，位於上述第一導電型之氫化非晶矽層上。第二導電型之氫化非晶矽層，位於上述本徵氫化非晶矽層上。上述第一導電型為N型；上述第二導電型為P型。
依照本發明實施例所述，上述結合紅外線感測之環境光源感測器中，上述透明電極之材質包括透明導電氧化物，上述下電極之材質包括金屬。
依照本發明實施例所述，上述結合紅外線感測之環境光源感測器中，上述環境光感測層結構位於金屬內連線的最頂層金屬層之上，且上述下電極與上述金屬內連線電性連接。
依照本發明實施例所述，上述結合紅外線感測之環境光源感測器更包括保護環，位於上述下電極周圍及其下方的上述介電層中。
依照本發明實施例所述，上述結合紅外線感測之環境光源感測器更包括光遮蔽層，覆蓋於上述環境光感測層結構之側壁及其上表面的周圍，且上述光遮蔽層與銲墊電性連接。
依照本發明實施例所述，上述結合紅外線感測之環境光源感測器中，上述環境光感測層結構的高度高於上述銲墊之高度。
依照本發明實施例所述，上述結合紅外線感測之環境光源感測器中，上述紅外線感測結構包括位於上述基底中的井區，上述井區與上述基底接觸且其導電型態與上述基底之導電型態不同，井區與上述基底構成接面二極體。
依照本發明實施例所述，上述結合紅外線感測之環境光源感測器中，上述環境光感測層結構完全覆蓋上述井區。
依照本發明實施例所述，上述結合紅外線感測之環境光源感測器更包括保護層，覆蓋上述環境光感測層結構。
本發明還提出一種結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法，此方法包括在基底中形成紅外線感測結構，用以感測紅外線。接著，在基底上形成介電層，之後，於介電層上形成環境光感測結構，覆蓋上述紅外線感測結構。
依照本發明實施例所述，上述結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法中，上述環境光感測層結構形成方法包括於上述介電上形成下電極，接著，於上述下電極上形成氫化非晶矽層，之後，於上述氫化非晶矽層上形成透明上電極。
依照本發明實施例所述，上述結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法中，上述氫化非晶矽層為堆疊結構，堆疊結構的形成方法包括於上述下電極上形成第一導電型之氫化非晶矽層，接著，於上述第一導電型之氫化非晶矽層上形成本徵氫化非晶矽層，之後，於上述本徵氫化非晶矽層上形成第二導電型之氫化非晶矽層。
依照本發明實施例所述，上述結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法中，上述第一導電型為N型；上述第二導電型為P型。
依照本發明實施例所述，上述結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法中，上述透明電極之材質包括透明導電氧化物，上述下電極之材質包括金屬。
依照本發明實施例所述，上述結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法更包括於上述介電層中形成金屬內連線，連接上述下電極。
依照本發明實施例所述，上述結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法更包括於上述環境光感測層結構之側壁及其上表面的周圍形成光遮蔽層，上述光遮蔽層與銲墊連接。
依照本發明實施例所述，上述結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法中，形成上述紅外線感測結構的方法包括於上述基底中形成井區，此井區與上述基底接觸且其導電型態與上述基底之導電型態不同，井區與上述基底構成接面二極體。
依照本發明實施例所述，上述結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法更包括形成保護層，覆蓋上述環境光感測層結構。
依照本發明實施例所述，上述結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法更包括在形成上述保護層之後進行切割基底步驟。
本發明之結合紅外線感測之環境光源感測器，其可以偵測不同波段之光源。
本發明之結合紅外線感測之環境光源感測器，其係整合於同顆晶片上。
本發明之結合紅外線感測之環境光源感測器，在可見光波段具有相當高的量子效率(QE)，適於環境光源感測波段之要求。
本發明之結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法，其製程簡單。
本發明之結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法，可以節省佈局的面積，且可以省去濾光片製程之預算，降低材料與製程成本。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A至1D是依照本發明實施例所繪示之一種結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法的剖面示意圖。
請參照圖1A，在基底10中形成紅外線感測結構14。基底10之材質例如是具有摻雜的半導體，如具有P型摻質的矽基底10，或是N型摻雜的矽基底10，抑或是無摻雜(undoped)矽基底。紅外線感測結構14例如是接面二極體，形成接面二極體的方法包括於基底10中形成一井區12，井區12與基底10接觸且其導電型態與基底10之導電型態不同。在一實施例中，基底10為P型摻雜的矽基底10；井區12為N型摻雜區。井區12的形成方法例如是在基底10上形成罩幕層，然後，進行離子植入製程，將摻質植入於基底10之中，以形成井區12，之後，再將罩幕層移除。離子植入製程植入的P型摻質例如是硼；N型摻質例如是磷或是砷。在一實施例中，除了形成紅外線感測結構14之外，還在基底10上形成金氧半導體元件，例如是N型通道場效電晶體(NMOS)、P型通道場效電晶體(PMOS)或是互補式場效電晶體(CMOS)，為簡略起見，未繪示出來。
接著，請參照圖1B，在基底10上形成介電層16。介電層16之材質例如是氧化矽、硼磷矽玻璃(BPSG)、磷矽玻璃(PSG)、無摻雜矽玻璃(USG)、氟摻雜矽玻璃(FSG)、旋塗式玻璃(SOG)或是介電常數低於4的低介電常數材料。介電層16的形成方法可以是化學氣相沈積法或是旋塗法。之後，於介電層16中形成金屬內連線18。為簡略起見，僅繪示出最上層金屬層22。在一實施例中，在形成金屬內連線18的最上層金屬層22時，同時形成銲墊24。在又一實施例中在形成金屬內連線18的同時，在介電層16中形成保護環20。
其後，請參照圖1C，於介電層16上形成環境光源感測結構26。在一實施例中環境光源感測結構26包括下電極28、氫化非晶矽層30以及透明上電極32。環境光源感測結構26的面積較大，可完全覆蓋紅外線感測結構14。
在一實施例中形成環境光源感測結構26的步驟說明如下：先於介電層16上形成下電極28，使下電極28與金屬內連線18的介層窗插塞電性連接。下電極28之材質包括金屬，例如是氮化鈦(TiN)、鎢(W)、鉻(Cr)或鋁(Al)，形成的方法例如是以物理氣相沈積法(PVD)或是化學氣相沈積法(CVD)沉積下電極材料層之後，再以微影、蝕刻製程進行圖案化。在一實施例中，在形成下電極28時，可同時在下電極28周圍形成保護環20的最頂層29。當下電極28為金屬時，其厚度非常薄，例如是50埃至500埃，以使得紅外線可以穿透。
之後，於下電極28上形成氫化非晶矽層30。在一實施例中，氫化非晶矽層30為堆疊結構。堆疊結構的形成方法包括：於下電極28上形成第一導電型之氫化非晶矽層30，接著，於第一導電型之氫化非晶矽層30a上形成本徵氫化非晶矽層30b，之後，於本徵氫化非晶矽層30b上形成第二導電型之氫化非晶矽層30c。堆疊結構的沉積方法可以採用電漿增強型化學氣相沈積法，以B2 H6 /H2 和PH3 /H2 做為反應摻雜氣體，在沈積的過程中改變摻雜的型態或濃度，以形成之。在一實施例中，堆疊結構具有PIN結構，即，第二導電型之氫化非晶矽層30為P型，厚度例如是50埃至500埃，P型摻質的濃度例如是1×1017 至1×1021 原子/立方公分(atoms/cm3 )，P型摻質例如是硼；本徵氫化非晶矽層30b的厚度例如是500埃至5000埃；第一導電型之氫化非晶矽層30為N型，厚度例如是50埃至500埃，N型摻質的濃度例如是1×1017 至1×1021 原子/立方公分，N型摻質例如是磷或是砷。
其後，於氫化非晶矽層30上形成透明上電極32。透明上電極32的材質包括透明導電氧化物，例如是銦錫氧化物，沉積的方法例如是濺鍍法。透明電極的厚度例如是500至5000埃。
上述氫化非晶矽層30(堆疊結構)以及透明上電極32的形成方法例如是沉積堆疊結構材料層以及透明上電極材料層之後，再進行微影與蝕刻製程，以圖案化之。
之後，請參照圖1D，於環境光源感測結構26的側壁及其上表面的周圍形成光遮蔽層34。光遮蔽層34與銲墊24連接，使得來自環境光源感測結構26側壁的漏電流得以被引導至銲墊24。光遮蔽層34之材質包括金屬，如鋁(Al)、氮化鈦(TiN)、鎢(W)或黑彩色濾光片(black color filter)。其後，於基底10上形成保護層36，覆蓋環境光源感測結構26。保護層36之材質例如是聚亞醯胺(polyimide)。之後，在保護層36之中形成銲墊開口38，裸露出銲墊24。
其後續的製程包括切割基底、封裝等，於此不再贅述。切割與封裝之後，即可形成結合紅外線感測之環境光源感測器，其將紅外線感測器與環境光源感測器整合於同顆晶片上，用以感測雙波段之光源。
請參照圖1D，本發明實施例之結合紅外線感測之環境光源感測器包括基底10、紅外線感測結構14、環境光源感測結構26以及介電層16。紅外線感測結構14，位於環境光源感測結構26下方的基底10中，用以感測紅外線。環境光源感測結構26，位於基底10上方，用以感測並過濾可見光。介電層16，位於環境光源感測結構26與紅外線感測結構14之間。
更具體地說，紅外線感測結構14例如是接面二極體，其是由基底10以及基底10中的井區12所構成，用以感測紅外線。環境光源感測結構26包括下電極28、氫化非晶矽層30與透明上電極32。下電極28，位於介電層16上。氫化非晶矽層30，位於下電極28上。透明上電極32，覆蓋於氫化非晶矽層30上。在一實施例中，氫化非晶矽層30為堆疊結構。堆疊結構包括：位於下電極28上的第一導電型之氫化非晶矽層30、位於第一導電型之氫化非晶矽層30a上的本徵氫化非晶矽層30b以及位於本徵氫化非晶矽層30b上的第二導電型之氫化非晶矽層30c，其中第一導電型為N型；第二導電型為P型。在一實施例中，下電極28與介電層16中的金屬內連線18電性連接。環境光源感測結構26的側壁及其透明上電極32的上表面被光遮蔽層34所覆蓋，光遮蔽層34與銲墊24連接，以使得來自環境光源感測結構26側壁的漏電流得以被引導至銲墊24。
當光線通過環境光源感測結構時，可見光波段的光線可以被環境光源感測結構偵測並過濾，當光線繼續行進，通過介電層，到達紅外線感測結構時，紅外線波段的光線則可以被紅外線感測結構偵測，因此，本發明具有感測雙波段光源之功效。
在以上的實施例中，將環境光源感測結構26設置在金屬內連線18的最上層金屬層22之上，然而，在實際應用時，並不以此為限，若製程條件許可，亦可以設置在金屬內連線18的任意兩層金屬層之間。
圖2是在攝氏25度對氫化非晶矽層之環境光源感測結構施加不同電壓的光響應(Photoresponse)圖。由圖2的結果顯示，在施加不同的電壓下，在波長550奈米左右可以產生最大的電流。
圖3則是氫化非晶矽層以及結晶矽層的吸收光譜。線300是氫化非晶矽層的吸收曲線。圖3顯示氫化非晶矽層可吸收可見光波段的光線。線302則是結晶矽層的吸收曲線，顯示氫化非晶矽層可吸收紅外線波段的光線。
綜上所述，本發明整合環境光源感測器與紅外線感測器功能於同顆晶片。感測器中的環境光源感測結構26不僅可以感測環境光源如可見光，還可做為下方紅外線感測器的可見光的濾光片，因此，不需額外再形成紅外線感測器的濾光片，故，其製程簡單，可以節省佈局的面積，且可以省去濾光片製程之預算，因此，其材料與製程成本低。再者，本發明提供一種結合紅外線感測之環境光源感測器，其使用氫化非晶矽做為環境光源感測結構，其在可見光波段具有相當高的量子效率(QE)，非常適於環境光源感測波段之要求。此外，本發明實施例之結合紅外線感測之環境光源感測器可以與半導體製程整合。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧基底
12‧‧‧井區
14‧‧‧紅外線感測結構
16‧‧‧介電層
18‧‧‧金屬內連線
20‧‧‧保護環
22‧‧‧最上層金屬層
24‧‧‧銲墊
26‧‧‧環境光源感測結構
28‧‧‧下電極
29‧‧‧最頂層
30‧‧‧氫化非晶矽層(堆疊結構)
30a‧‧‧第一導電型氫化非晶矽層
30b‧‧‧本徵氫化非晶矽層
30c‧‧‧第二導電型氫化非晶矽層
32‧‧‧透明上電極
34‧‧‧光遮蔽層
36‧‧‧保護層
38‧‧‧銲墊開口
圖1A至1D是依照本發明實施例所繪示之一種結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法的剖面示意圖。
圖2是在攝氏25度對氫化非晶矽層之環境光源感測結構施加不同電壓的光響應圖。
圖3則是氫化非晶矽層以及結晶矽層的吸收光譜。
10‧‧‧基底
12‧‧‧井區
14‧‧‧紅外線感測結構
16‧‧‧介電層
18‧‧‧金屬內連線
20‧‧‧保護環
22‧‧‧最上層金屬層
24‧‧‧銲墊
26‧‧‧環境光源感測結構
28‧‧‧下電極
29‧‧‧最頂層
30‧‧‧氫化非晶矽層(堆疊結構)
30a‧‧‧第一導電型氫化非晶矽層
30b‧‧‧本徵氫化非晶矽層
30c‧‧‧第二導電型氫化非晶矽層
32‧‧‧透明上電極
34‧‧‧光遮蔽層
36‧‧‧保護層
38‧‧‧銲墊開口

Claims (22)

  1. 一種結合紅外線感測之環境光源感測器，包括：一基底；一環境光感測結構，位於該基底上方，用以感測並過濾可見光；一紅外線感測結構，位於該環境光感測結構下方的該基底中，用以感測紅外線；一介電層，位於該環境光感測結構與該紅外線感測結構之間；以及一金屬內連線形成在該介電層中，其中該環境光源感測元件並未透過該金屬內連線與該紅外線感測元件電性連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器，其中該環境光感測層結構包括：一下電極，位於該介電層上；一氫化非晶矽層，位於該下電極上；以及一透明上電極，覆蓋於該氫化非晶矽層上。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器，其中該氫化非晶矽層為一堆疊結構，包括：一第一導電型之氫化非晶矽層，位於該下電極上；一本徵氫化非晶矽層，位於該第一導電型之氫化非晶矽層上；以及一第二導電型之氫化非晶矽層，位於該本徵氫化非晶 矽層上。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器，其中該第一導電型為N型；該第二導電型為P型。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器，其中該透明上電極之材質包括透明導電氧化物，該下電極之材質包括金屬。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器，其中該環境光感測層結構位於該金屬內連線的一最頂層金屬層之上，且該下電極與該金屬內連線電性連接。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器，更包括一保護環，位於該下電極周圍及其下方的該介電層中。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器，更包括一光遮蔽層覆蓋於該環境光感測層結構之側壁及其上表面的周圍，且該光遮蔽層與一銲墊電性連接。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器，其中該環境光感測層結構的高度高於該銲墊之高度。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器，其中該紅外線感測結構包括位於該基底中的一井區，該井區與該基底接觸且其導電型態與該基底 之導電型態不同，該井區與該基底構成一接面二極體。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器，其中該環境光感測層結構完全覆蓋該井區。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器，更包括一保護層，覆蓋該環境光感測層結構。
  13. 一種結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法，包括：在一基底中形成一紅外線感測結構，用以感測紅外線；在該基底上形成一介電層；在該介電層中形成一金屬內連線；以及於該介電層上形成一環境光感測結構，覆蓋該紅外線感測結構，其中該環境光源感測元件未透過該金屬內連線與該紅外線感測元件電性連接。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法，其中該環境光感測層結構形成方法包括：於該介電層上形成一下電極；於該下電極上形成一氫化非晶矽層；以及於該氫化非晶矽層上形成一透明上電極。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法，其中該氫化非晶矽層為一 堆疊結構，該堆疊結構的形成方法包括：於該下電極上形成一第一導電型之氫化非晶矽層；於該第一導電型之氫化非晶矽層上形成一本徵氫化非晶矽層；以及於該本徵氫化非晶矽層上形成一第二導電型之氫化非晶矽層。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法，其中該第一導電型為N型；該第二導電型為P型。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法，其中該透明上電極之材質包括透明導電氧化物，該下電極之材質包括金屬。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法，更包括於該介電層中形成一金屬內連線，連接該下電極。
  19. 如申請專利範圍第13項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法，更包括於該環境光感測層結構之側壁及其上表面的周圍形成一光遮蔽層，該光遮蔽層與一銲墊連接。
  20. 如申請專利範圍第13項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法，其中形成該紅外線感測結構的方法包括於該基底中形成一井區，該井區與該基底接觸且其導電型態與該基底之導電型態不同，該井區與該基底構成一接面二極體。
  21. 如申請專利範圍第13項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法，更包括形成一保護層，覆蓋該環境光感測層結構。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之結合紅外線感測之環境光源感測器的製造方法，更包括在形成該保護層之後進行切割基底步驟。
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