專利名稱：互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種互補金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxidesemiconductor，CMOS)圖像感測元件(image sensor)及制造方法，且特別涉及一種具有非單晶硅基襯底(non-single-crystal-silicon-base substrate)及透明柵極電極的互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件及制造方法。
背景技術(shù)：
在科技發(fā)展日新月異的現(xiàn)今時代中，圖像感測元件已被廣泛地應(yīng)用于電視、玩具、保全系統(tǒng)、掃描儀、移動電話、數(shù)碼攝影機、數(shù)碼相機及其它便攜式電子產(chǎn)品中。目前的圖像感測元件至少包括電荷耦合元件(chargecoupled device，CCD)及互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件，其中，互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件具有低成本及低耗電量之特性，并能夠以半導(dǎo)體工藝來大量生產(chǎn)，而降低生產(chǎn)成本，大大地提升其在圖像感測元件市場中的占有率。
請參照圖1，其示出的是傳統(tǒng)的互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件的剖面圖。在圖1中，互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件100至少包括硅襯底(silicon substrate)102、源極(source)104、漏極(drain)106、柵極介電層(gate dielectric layer)108、多晶硅柵極電極(polysilicon gate electrode)110及112、層間介電層(interlayer dielectric layer)114、鈍化層(passivationlayer)116、金屬電極(metal electrode)118、120及122。
硅襯底102具有一電荷產(chǎn)生區(qū)150(如圖1的虛線范圍所示)，而源極104及漏極106形成于硅襯底102中。源極104及漏極106之間的部分的硅襯底102將形成一預(yù)定溝道區(qū)140，且源極104位于電荷產(chǎn)生區(qū)150及預(yù)定溝道區(qū)140之間。其中，當硅襯底102為輕度摻雜P型(P-)時，源極104及漏極106為重度摻雜N型(N+)。柵極介電層108形成于硅襯底102之上，并覆蓋源極104及漏極106。
多晶硅柵極電極110及112形成于柵極介電層108上，而多晶硅柵極電極110及112分別位于電荷產(chǎn)生區(qū)150及預(yù)定溝道區(qū)140的上方。層間介電層114形成于柵極介電層108之上，并覆蓋多晶硅柵極電極110及112。其中，層間介電層114具有一開口132，開口132位于多晶硅柵極電極110及112之間。金屬電極118藉由開口132與部分柵極介電層108接觸，金屬電極118覆蓋部分層間介電層114。鈍化層116形成于層間介電層114之上，并覆蓋金屬電極118。此外，鈍化層116具有開口134及136，開口134及136分別位于源極104及漏極106之上方。金屬電極120及122形成于鈍化層116上，并分別藉由開口134及136與多晶硅柵極電極112兩旁的部分的層間介電層114接觸。
另外，多晶硅柵極電極110及電荷產(chǎn)生區(qū)150構(gòu)成一光感測器(photodetector)，而多晶硅柵極電極112、源極104及漏極106構(gòu)成一重設(shè)晶體管(reset transistor)，且金屬電極120為電荷導(dǎo)出電極。
當互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件100感測一光線時，首先，施加一電壓于多晶硅柵極電極112上，使得重設(shè)晶體管可以平均源極104及漏極106的電荷。接著，多晶硅柵極電極110被施加一電壓，使得電荷產(chǎn)生區(qū)150形成一耗盡層(depletion layer)。然后，光線將穿過鈍化層116、多晶硅柵極電極110與柵極介電層108并抵達為耗盡層的電荷產(chǎn)生區(qū)150，使得電荷產(chǎn)生區(qū)150受到光線的激發(fā)而產(chǎn)生電荷。此時，產(chǎn)生電荷后的電荷產(chǎn)生區(qū)150、金屬電極118及源極104將構(gòu)成一電荷轉(zhuǎn)移晶體管(chargetransfer transistor)。接著，施加一電壓于金屬電極118上，使得電荷轉(zhuǎn)移晶體管將轉(zhuǎn)移電荷產(chǎn)生區(qū)150所產(chǎn)生的電荷至源極104中，此時，源極104的電荷又多過漏極106的電荷。然后，于金屬電極122被施加一固定電壓(VDD)的情況下，金屬電極120即可將源極104中多過漏極106的電荷導(dǎo)出。根據(jù)金屬電極120所導(dǎo)出的電荷的多少，即可往前推知光線的強弱。當所感測的光線越強時，金屬電極120所導(dǎo)出的電荷將會越多，反之亦然。待匯集所有感測而得的電荷之后，即可得到一相對的圖像。
需要注意的是，由于硅襯底102的價格相當昂貴，將會增加制造成本。另外，由于多晶硅柵極電極110會吸收部分光線，導(dǎo)致感測結(jié)果將產(chǎn)生誤差，圖像將發(fā)生失真現(xiàn)象，影響圖像品質(zhì)甚巨。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的就是在提供一種互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件及制造方法，其采用非單晶硅基襯底(non-single-crystal-silicon-basesubstrate)的設(shè)計，可以減少制造成本。另外，其配置透明柵極電極于光感測器中的設(shè)計，可以解決所感測的光線通過傳統(tǒng)多晶硅柵極電極時被吸收的問題，降低感測結(jié)果的誤差及圖像的失真度，并提高圖像品質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的目的，提出一種互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件，至少包括非單晶硅基襯底、不透光層、多晶硅層、源極、漏極、柵極介電層、第一透明柵極電極及第二透明柵極電極。不透光層形成于非單晶硅基襯底的頂面上，多晶硅層形成于不透光層上，并具有一電荷產(chǎn)生區(qū)。源極及漏極形成于多晶硅層中，源極及漏極之間的多晶硅層形成一預(yù)定溝道區(qū)，且源極位于預(yù)定溝道區(qū)及電荷產(chǎn)生區(qū)之間。柵極介電層形成于多晶硅層上。第一透明柵極電極及第二透明柵極電極形成于柵極介電層上，并分別位于電荷產(chǎn)生區(qū)及預(yù)定溝道區(qū)的上方。
根據(jù)本發(fā)明的再一目的，提出一種互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件，至少包括非單晶硅基襯底、不透光層、多晶硅層、源極、漏極、柵極介電層、第一透明柵極電極及第二透明柵極電極。不透光層形成于非單晶硅基襯底的側(cè)面及底面上，多晶硅層形成于非單晶硅基襯底的頂面上，并具有一電荷產(chǎn)生區(qū)。源極及漏極形成于多晶硅層中，源極及漏極之間的多晶硅層形成一預(yù)定溝道區(qū)，且源極位于預(yù)定溝道區(qū)及電荷產(chǎn)生區(qū)之間。柵極介電層形成于多晶硅層上。第一透明柵極電極及第二透明柵極電極形成于柵極介電層上，并分別位于電荷產(chǎn)生區(qū)及預(yù)定溝道區(qū)的上方。
根據(jù)本發(fā)明的另一目的，提出一種互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件之制造方法。在此方法中，首先，提供一非單晶硅基襯底。接著，形成一不透光層于非單晶硅基襯底上。然后，形成一多晶硅層于不透光層上，多晶硅層具有一電荷產(chǎn)生區(qū)。接著，形成一源極及一漏極于多晶硅層中，源極及漏極之間的多晶硅層形成一預(yù)定溝道區(qū)，且源極位于預(yù)定溝道區(qū)及電荷產(chǎn)生區(qū)之間。然后，形成一柵極介電層于多晶硅層上。形成第一透明柵極電極及第二透明柵極電極于柵極介電層上，第一透明柵極電極及第二透明柵極電極分別位于該電荷產(chǎn)生區(qū)及該預(yù)定溝道區(qū)的上方。


為讓本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉一優(yōu)選實施例，并配合附圖，作詳細說明如下圖1示出的是傳統(tǒng)互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件的剖面圖；圖2示出的是依照本發(fā)明的優(yōu)選實施例的互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件的剖面圖；圖3A～3E示出的是依照本發(fā)明的優(yōu)選實施例的互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件的制造方法的流程剖面圖；以及圖4示出的是依照本發(fā)明的一實施例的互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件的剖面圖。
附圖中的附圖標記說明如下100、200、400互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件102硅襯底 104、204源極106、206漏極 108、208柵極介電層110、112多晶硅柵極電極114、214層間介電層116、216鈍化層118、120、122、218、220、222金屬電極132、134、136、232、234、236開口140、240預(yù)定溝道區(qū)150、250電荷產(chǎn)生區(qū)202、402非單晶硅基襯底203、403不透光層205、405多晶硅層 210、212透明柵極電極304、306預(yù)定摻雜區(qū)具體實施方式
本發(fā)明特別設(shè)計一互補金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxidesemiconductor，CMOS)圖像感測元件(image sensor)及制造方法，其采用非單晶硅基襯底(non-single-crystal-silicon-base substrate)的設(shè)計，可以減少制造成本。另外，本發(fā)明配置透明柵極電極(transparent gate electrode)于光感測器(photo detector)中的設(shè)計，可以解決所感測的光線通過傳統(tǒng)多晶硅柵極電極時被吸收的問題，降低感測結(jié)果的誤差及圖像的失真度，并提高圖像品質(zhì)。
請參照圖2，其示出的是依照本發(fā)明的優(yōu)選實施例之互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件的剖面圖。在圖2中，互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件200至少包括非單晶硅基襯底202、不透光層203、多晶硅層(polysiliconlayer)205、源極(source)204、漏極(drain)206、柵極介電層(gate dielectriclayer)208、透明柵極電極210及212、層間介電層(interlayer dielectric layer)214、鈍化層(passivation layer)216、金屬電極(metal electrode)218、220及222。
不透光層203形成于非單晶硅基襯底202的頂面上，而多晶硅層205形成于不透光層203上。其中，多晶硅層205具有一電荷產(chǎn)生區(qū)250(如圖2的虛線范圍所示)。源極204及漏極206形成于多晶硅層205中，而源極204及漏極206的頂面與多晶硅層205的頂面共平面。源極204及漏極206的厚度皆小于多晶硅層205的厚度，而源極204及漏極206之間的部分多晶硅層205將形成一預(yù)定溝道區(qū)240，且源極204位于電荷產(chǎn)生區(qū)250及預(yù)定溝道區(qū)240之間。例如，當多晶硅層205為輕度摻雜P型(P-)時，源極204及漏極206為重度摻雜N型(N+)。柵極介電層208形成于多晶硅層205上，并覆蓋源極204及漏極206。
透明柵極電極210及212形成于柵極介電層208上，而透明柵極電極210及212分別位于電荷產(chǎn)生區(qū)250及預(yù)定溝道區(qū)240之上方。層間介電層214形成于柵極介電層208之上，并覆蓋透明柵極電極210及212。其中，層間介電層214具有一開口232，開口232位于透明柵極電極210及212之間。金屬電極218藉由開口232與部分柵極介電層208接觸，且金屬電極218覆蓋部分層間介電層214。鈍化層216形成于層間介電層214之上，并覆蓋金屬電極218。鈍化層216具有開口234及236，開口234及236分別位于源極204及漏極206的上方。金屬電極220及222形成于鈍化層216上，并分別藉由開口234及236與透明柵極電極212兩旁的部分層間介電層214接觸。
另外，透明柵極電極210及電荷產(chǎn)生區(qū)250構(gòu)成所謂的光感測器，而透明柵極電極212、源極204及漏極206構(gòu)成所謂的重設(shè)晶體管(resettransistor)，且金屬電極220是所謂的電荷導(dǎo)出電極。
需要注意的是，非單晶硅基襯底202的價格比傳統(tǒng)硅襯底102的價格還便宜，故本發(fā)明可以降低制造成本。另外，光線通過透明柵極電極210時，光線將不會被透明柵極電極210吸收，避免感測結(jié)果產(chǎn)生誤差，并防止圖像發(fā)生失真現(xiàn)象，以提高圖像品質(zhì)。另外，配置不透光層203于非單晶硅基襯底202的頂面上的設(shè)計，可以防止其它光線通過非單晶硅基襯底202而進入電荷產(chǎn)生區(qū)250，避免感測結(jié)果受到影響。
請參照圖3A～3E，其示出的是依照本發(fā)明的優(yōu)選實施例的互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件的制造方法的流程剖面圖。首先，在圖3A中，提供一非單晶硅基襯底202。接著，形成一不透光層203于非單晶硅基襯底202的頂面上。然后，形成一多晶硅層205于不透光層203上，多晶硅層205具有一電荷產(chǎn)生區(qū)250。接著，定義多晶硅層205的頂面，以形成預(yù)定摻雜區(qū)304及306。然后，對預(yù)定摻雜區(qū)304及306進行摻雜，以對應(yīng)地形成源極204及漏極206于多晶硅層205中，如圖3B所示。例如，當多晶硅層205為輕度摻雜P型(P-)，而源極204及漏極206為重度摻雜N型(N+)。源極204及漏極206之間的部分多晶硅層205將形成一預(yù)定溝道區(qū)240，且源極204位于電荷產(chǎn)生區(qū)250及預(yù)定溝道區(qū)240之間。
在圖3B中，形成一柵極介電層208于多晶硅層205上，柵極介電層208覆蓋源極204及漏極206。接著，形成透明柵極電極210及212于柵極介電層208上，透明柵極電極210及212分別位于電荷產(chǎn)生區(qū)250及預(yù)定溝道區(qū)240的上方。
然后，形成一具有開口232的層間介電層214于柵極介電層208上，并覆蓋透明柵極電極210及212，如圖3C所示。在圖3C中，開口232位于透明柵極電極210及212之間，且開口232暴露源極204及電荷產(chǎn)生區(qū)250之間區(qū)域上方的部分柵極介電層208。
接著，形成一金屬電極218，金屬電極218藉由開口232與部分柵極介電層208接觸，并覆蓋部分層間介電層214，如圖3D所示。在圖3D中，形成一具有開口234及236的鈍化層216于層間介電層214之上，鈍化層216覆蓋金屬電極218。其中，開口234及236分別位于源極204及漏極206之上方，并對應(yīng)地暴露透明柵極電極212兩旁的部分層間介電層214。然后，形成金屬電極220及222于鈍化層216上，金屬電極220及222分別藉由開口234及236與透明柵極電極212兩旁的部分層間介電層214接觸，如圖3E所示。
另外，本發(fā)明可以直接形成多晶硅層405于非單晶硅基襯底402的頂面上，并形成不透光層403于非單晶硅基襯底402的側(cè)面及底面上，以防止光線由外界進入非單晶硅基襯底402，如圖4所示。在圖4中，互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件400與圖2的互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件200的結(jié)構(gòu)大致上相同，且其制造方法大致上如同圖3A～圖3E所示，在此不再贅述。
但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明的技術(shù)并不局限于此，例如，透明柵極電極210及212的材料為氧化銦錫(indium tin oxide，ITO)，非單晶硅基襯底202及402可以是玻璃襯底、塑料襯底或絕緣性襯底。
本發(fā)明上述實施例所公開的互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件及制造方法，具有下列優(yōu)點1.其采用非單晶硅基襯底的設(shè)計，可以減少制造成本。
2.其配置透明柵極電極于光感測器中的設(shè)計，可以解決所感測的光線通過傳統(tǒng)多晶硅柵極電極時被吸收的問題，降低感測結(jié)果的誤差及圖像的失真度，并提高圖像品質(zhì)。
綜上所述，雖然本發(fā)明已以一優(yōu)選實施例公開如上，但是其并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，應(yīng)當可作各種更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當以所附權(quán)利要求所確定的為準。
權(quán)利要求
1.一種互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件，至少包括一非單晶硅基襯底；一不透光層，形成于該非單晶硅基襯底的頂面上；一多晶硅層，形成于該不透光層上，該多晶硅層具有一電荷產(chǎn)生區(qū)；一源極及一漏極，形成于該多晶硅層中，該源極及該漏極之間的該多晶硅層形成一預(yù)定溝道區(qū)，且該源極位于該預(yù)定溝道區(qū)及該電荷產(chǎn)生區(qū)之間；一柵極介電層，形成于該多晶硅層上；以及一第一透明柵極電極及一第二透明柵極電極，形成于該柵極介電層上，并分別位于該電荷產(chǎn)生區(qū)及該預(yù)定溝道區(qū)之上方。
2.如權(quán)利要求1所述的圖像感測元件，其中該互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件還包括一層間介電層，形成于該柵極介電層上，并覆蓋該第一透明柵極電極及該第二透明柵極電極，該層間介電層具有一第一開口；一第一金屬電極，藉由該第一開口與該柵極介電層接觸；一鈍化層，形成于該層間介電層上，并覆蓋該第一金屬電極，該鈍化層具有一第二開口及一第三開口，該第二開口及該第三開口分別位于該源極及該漏極的上方；以及一第二金屬電極及一第三金屬電極，形成于部分該鈍化層上，并分別藉由該第二開口及該第三開口與該第二透明柵極電極兩旁的部分該層間介電層接觸。
3.如權(quán)利要求1所述的圖像感測元件，其中該第一透明柵極電極的材料為氧化銦錫。
4.如權(quán)利要求1所述的圖像感測元件，其中該第二透明柵極電極的材料為氧化銦錫。
5.一種互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件，至少包括一非單晶硅基襯底；一不透光層，形成于該非單晶硅基襯底的側(cè)面及底面上；一多晶硅層，形成于該非單晶硅基襯底的頂面上，該多晶硅層具有一電荷產(chǎn)生區(qū)；一源極及一漏極，形成于該多晶硅層中，該源極及該漏極之間的該多晶硅層形成一預(yù)定溝道區(qū)，且該源極位于該預(yù)定溝道區(qū)及該電荷產(chǎn)生區(qū)之間；一電荷產(chǎn)生區(qū)，形成于該多晶硅層中，該電荷產(chǎn)生區(qū)及該預(yù)定溝道區(qū)之間存有該源極；一柵極介電層，形成于該多晶硅層上；以及一第一透明柵極電極及一第二透明柵極電極，形成于該柵極介電層上，并分別位于該電荷產(chǎn)生區(qū)及該預(yù)定溝道區(qū)的上方。
6.如權(quán)利要求5所述的圖像感測元件，其中該互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件還包括一層間介電層，形成于該柵極介電層上，并覆蓋該第一透明柵極電極及該第二透明柵極電極，該層間介電層具有一第一開口；一第一金屬電極，藉由該第一開口與該柵極介電層接觸；一鈍化層，形成于該層間介電層上，并覆蓋該第一金屬電極，該鈍化層具有一第二開口及一第三開口，該第二開口及該第三開口分別位于該源極及該漏極的上方；以及一第二金屬電極及一第三金屬電極，形成于部分該鈍化層上，并分別藉由該第二開口及該第三開口與該第二透明柵極電極兩旁的部分該層間介電層接觸。
7.如權(quán)利要求5所述的圖像感測元件，其中該第一透明柵極電極的材料為氧化銦錫。
8.如權(quán)利要求5所述的圖像感測元件，其中該第二透明柵極電極的材料為氧化銦錫。
9.一種互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件的制造方法，包括提供一非單晶硅基襯底；形成一不透光層于該非單晶硅基襯底的頂面上；形成一多晶硅層于該不透光層上，該多晶硅層具有一電荷產(chǎn)生區(qū)；形成一源極及一漏極于該多晶硅層中，該源極及該漏極之間的該多晶硅層形成一預(yù)定溝道區(qū)，且該源極位于該預(yù)定溝道區(qū)及該電荷產(chǎn)生區(qū)之間；形成一柵極介電層于該多晶硅層上；以及形成一第一透明柵極電極及一第二透明柵極電極于該柵極介電層上，該第一透明柵極電極及該第二透明柵極電極分別位于該電荷產(chǎn)生區(qū)及該預(yù)定溝道區(qū)的上方。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該方法于該形成一源極及一漏極于該多晶硅層中的步驟中還包括定義該多晶硅層的頂面，以形成兩預(yù)定摻雜區(qū)；以及將該兩預(yù)定摻雜區(qū)進行摻雜，以對應(yīng)地形成該源極及該漏極于該多晶硅層中。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該方法于該形成一第一透明柵極電極及一第二透明柵極電極于該第一介電層上的步驟后還包括形成一具有一第一開口的層間介電層于該柵極介電層上，該層間介電層覆蓋該第一透明柵極電極及該第二透明柵極電極，該第一開口位于該第一透明柵極電極及該第二透明柵極電極之間，并暴露部分該柵極介電層；形成一第一金屬電極，該第一金屬電極藉由該第一開口與該柵極介電層接觸；形成一具有一第二開口及一第三開口的鈍化層于該層間介電層上，該鈍化層覆蓋該第一金屬電極，該第二開口及該第三開口分別位于該源極及該漏極的上方，并暴露部分該層間介電層；以及形成一第二金屬電極及一第三金屬電極于該鈍化層上，該第二金屬電極及該第三金屬電極分別藉由該第二開口及該第三開口與該第二透明柵極電極兩旁的部分該層間介電層接觸。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該第一透明柵極電極的材料為氧化銦錫。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該第二透明柵極電極的材料為氧化銦錫。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像感測元件及制造方法。該感測元件至少包括非單晶硅基襯底、不透光層、多晶硅層、源極、漏極、柵極介電層、第一透明柵極電極及第二透明柵極電極。不透光層形成于非單晶硅基襯底上，多晶硅層形成于不透光層上，并具有一電荷產(chǎn)生區(qū)。源極及漏極形成于多晶硅層中，源極及漏極之間的多晶硅層形成一預(yù)定溝道區(qū)，源極位于預(yù)定溝道區(qū)及電荷產(chǎn)生區(qū)之間。柵極介電層形成于多晶硅層上，第一透明柵極電極及第二透明柵極電極形成于柵極介電層上，并分別位于電荷產(chǎn)生區(qū)及預(yù)定溝道區(qū)之上方。
文檔編號H01L21/822GK1553513SQ0314096
公開日2004年12月8日 申請日期2003年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月2日
發(fā)明者楊健生 申請人:友達光電股份有限公司