薄膜半导体结构、图像传感器及手持装置的制作方法

本申请涉及半导体结构，尤其涉及一种薄膜半导体结构及相關图像传感器及手持装置。

背景技术：

图像传感器中的光电二极管需搭配节点电容，节点电容越大，图像传感器在读取光电二极管的感测结果时会越稳定。然而，节点电容会占用芯片的面积，节点电容的面积越大，会使得光电二极管无法最大化以增加有效感光面积，也就是降低了图像传感器的填充系数，若要为了提高图像传感器的有效感光面积而降低节点电容的尺寸，又会因为稳定度降低而增加读取时的噪声。

因此，需要进一步改良及创新以克服上述问题。

技术实现要素：

本申请的目的之一在于公开一种薄膜半导体结构及相關图像传感器及手持装置，来解决上述问题。

本申请的一实施例公开了一种薄膜半导体结构，包括：基板；电容，包括上板及下板，所述电容被配置在所述基板上；以及光电二极管，被配置在所述电容的上方且耦接至所述电容，使所述电容在所述基板和所述光电二极管之间。

本申请的一实施例公开了一种图像传感器，包括：上述的薄膜半导体结构；以及微透镜，设置在所述薄膜半导体结构上。

本申请的一实施例公开了一种手持装置，用以感测一特定对象的指纹，包括：显示屏组件；以及上述的图像传感器，用以获得所述特定对象的指纹信息。

本申请所公开的薄膜半导体结构及相关图像传感器及手持装置在不影响稳定度的情况下可提升有效感测面积。

附图说明

图1a为本申请薄膜半导体结构的第一实施例的剖视图。

图1b为图1a中的电容的实施例的剖视图。

图2a为本申请薄膜半导体结构的第二实施例的剖视图。

图2b为薄膜晶体管作为电容使用的一实施例的示意图。

图2c为薄膜晶体管作为电容使用的另一实施例的示意图。

图3为本申请薄膜半导体结构的第三实施例的剖视图。

图4为本申请图像传感器的实施例的剖视图。

图5为本申请手持装置的实施例的示意图。

图6为本申请手持装置的实施例的剖视图。

其中，附图标记说明如下：

100、200、300薄膜半导体结构

102基板

104、204薄膜晶体管

106、110、114钝化层

108电容

112光电二极管

107、109、111、207、209、211金属层

108_1金属上板

108_2绝缘体

108_3金属下板

400图像传感器

402微透镜

404滤光片

500手持装置

406显示屏组件

408显示面板

410保护盖板

具体实施方式

以下揭示内容提供了多种实施方式或例示，其能用以实现本揭示内容的不同特征。下文所述之组件与配置的具体例子系用以简化本揭示内容。当可想见，这些叙述仅为例示，其本意并非用于限制本揭示内容。举例来说，在下文的描述中，将一第一特征形成于一第二特征上或之上，可能包括某些实施例其中所述的第一与第二特征彼此直接接触；且也可能包括某些实施例其中还有额外的组件形成于上述第一与第二特征之间，而使得第一与第二特征可能没有直接接触。此外，本揭示内容可能会在多个实施例中重复使用组件符号和/或标号。此种重复使用乃是基于简洁与清楚的目的，且其本身不代表所讨论的不同实施例和/或组态之间的关系。

再者，在此处使用空间上相对的词汇，譬如「之下」、「下方」、「低于」、「之上」、「上方」及与其相似者，可能是为了方便说明图中所绘示的一组件或特征相对于另一或多个组件或特征之间的关系。这些空间上相对的词汇其本意除了图中所绘示的方位之外，还涵盖了装置在使用或操作中所处的多种不同方位。可能将所述设备放置于其他方位(如，旋转90度或处于其他方位)，而这些空间上相对的描述词汇就应该做相应的解释。

虽然用以界定本申请较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「约」通常系指实际数值在一特定数值或范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。或者是，「约」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，视本申请所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。当可理解，除了实验例之外，或除非另有明确的说明，此处所用的所有范围、数量、数值与百分比(例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数量比例及其他相似者)均经过「约」的修饰。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。在此处，将数值范围表示成由一端点至另一端点或介于二端点之间；除非另有说明，此处所述的数值范围皆包括端点。

本申请所公开的薄膜半导体结构利用薄膜晶体管(tft)工艺中可将主动式组件层层迭加制造的特性，将光电二极管的输出点所需要的电容放置在与光电二极管不同层中，以最大化光电二极管的有效感光面积，也就是提升了图像传感器的填充系数，又不会影响读取光电二极管的感测值时的稳定度。以下配合多个实施例及图式，详细说明本申请薄膜半导体结构及相关图像传感器及手持装置的技术内容。

首先请参阅图1a所示，图1a为本申请薄膜半导体结构的第一实施例的剖视图。应注意的是，图1a中的薄膜半导体结构100仅绘示了一个光电二极管112，也就是一个像素单元，但在应用时，薄膜半导体结构100可包括多个像素单元，所述多个像素单元可延x轴方向和/或y轴方向延伸以形成像素单元矩阵。薄膜半导体结构100可应用的场合不限，在图4的实施例中，薄膜半导体结构100是用来构成图像传感器400以进行图5及图6的手持装置500的光学式屏下指纹感测。

具体来说，在本实施例中，薄膜半导体结构100是采用薄膜晶体管工艺制造。薄膜半导体结构100包括基板102、第一薄膜晶体管104、电容108、光电二极管112。其中基板102包括玻璃基板。在本实施例中，第一薄膜晶体管104形成在基板102上，第一薄膜晶体管104可以是非晶硅薄膜晶体管或多晶硅薄膜晶体管，第一薄膜晶体管104可包括栅极、源极以及漏极(未绘示于图中)，第一薄膜晶体管104构成光电二极管112的读取电路。在本實施例中，第一薄膜晶体管104为p型底栅型薄膜晶体管，但本申请不以此限。在某些实施例中，第一薄膜晶体管104亦可以为p型顶栅型薄膜晶体管、n型底栅型薄膜晶体管或n型顶栅型薄膜晶体管，其连接方式亦具有相对应的变化。

电容108包括上板及下板，其中所述上板的接点位在电容108的上方，即电容108朝向z轴方向的一面，所述下板的接点位在电容108的下方，即电容108朝向z轴方向的另一面。光电二极管112被配置在电容108的上方且并藉由金属层111耦接至电容108的上板的接点，使电容108在基板102和光电二极管112之间，电容108的下板的接点则透过金属层107耦接至参考电压，所述参考电压可以是任意的稳定直流电压，举例来说，当稳定直流电压的值为0时，所述参考电压即为地电压。在本实施例中，光电二极管112另通过金属层109耦接至第一薄膜晶体管104及电容108的上板，如此一来，第一薄膜晶体管104便可通过金属层109将光电二极管112的感测值读取出来，又可藉由电容108增加读取时的稳定性，降低读取时的噪声。

应特别注意的，电容108被配置在第一薄膜晶体管104和光电二极管112之间，也就是说，光电二极管112、电容108和第一薄膜晶体管104从上到下依序设置在基板102之上，并且各自占用的水平空间不互相重迭。具体来说，光电二极管112的底部平面沿着x轴方向和y轴方向延伸所产生的延伸平面高于电容108的顶部平面沿着x轴方向和y轴方向延伸所产生的延伸平面。在本实施例中，电容108位于光电二极管112的下方，且从俯视图来看，电容108至少部分重迭于光电二极管112。但在某些实施例中，电容108虽然位于光电二极管112的下方，但从俯视图来看，电容108完全不重迭于光电二极管112。

在本实施例中，光电二极管112和电容108之间可沈积第一钝化层110，第一钝化层110覆盖电容108；以及沈积第二钝化层114，第二钝化层114覆盖光电二极管112。此外，第一薄膜晶体管104和电容108之间可沈积第三钝化层106，第三钝化层106覆盖第一薄膜晶体管104，在某些实施例中，第三钝化层106延伸至第一薄膜晶体管104和基板102之间。第一钝化层110、第二钝化层114以及第三钝化层106为绝缘层，金属层107、109以及111则形成于第一钝化层110以及第三钝化层106中提供光电二极管112、电容108和第一薄膜晶体管104之间的电性连接。

电容108的实现方式可包含图1b的结构，图1b的电容108包括金属上板108_1、绝缘体108_2以及金属下板108_3堆叠形成金属-绝缘体-金属型电容。

图2a为本申请薄膜半导体结构的第二实施例的剖视图。和图1a类似的是，图2a中的薄膜半导体结构200仅绘示了一个光电二极管112，也就是一个像素单元，但在应用时，薄膜半导体结构200可包括多个像素单元，所述多个像素单元可延x轴方向和/或y轴方向延伸以形成像素单元矩阵。薄膜半导体结构200可应用的场合不限，在图4的实施例中，薄膜半导体结构200是用来构成图像传感器400以进行图5及图6的手持装置500的光学式屏下指纹感测。

和薄膜半导体结构100相同，在本实施例中，薄膜半导体结构200亦是采用薄膜晶体管工艺制造。薄膜半导体结构200包括基板102、第一薄膜晶体管104、第二薄膜晶体管204和光电二极管112。第一薄膜晶体管104和第二薄膜晶体管204可以是非晶硅薄膜晶体管或多晶硅薄膜晶体管。在图2a中，第一薄膜晶体管104和第二薄膜晶体管204为p型底栅型薄膜晶体管，但本申请不以此限。在某些实施例中，第一薄膜晶体管104及/或第二薄膜晶体管204亦可以为p型顶栅型薄膜晶体管、n型底栅型薄膜晶体管或n型顶栅型薄膜晶体管，其连接方式亦具有相对应的变化。薄膜半导体结构200和薄膜半导体结构100的差异在于薄膜半导体结构200通过对第二薄膜晶体管204进行设置来使第二薄膜晶体管204具有电容的功能，如此便可省去图1a中的电容108以降低整体薄膜半导体结构200的厚度。图2b为第二薄膜晶体管204作为电容使用的一实施例的示意图，图2b中，第二薄膜晶体管204为p型薄膜晶体管，且第二薄膜晶体管204的源极耦接至漏极作为电容的上板，并且通过金属层211耦接至光电二极管112，第二薄膜晶体管204的栅极则作为电容的下板，并通过金属层207耦接至参考电压，所述参考电压可以是任意的稳定直流电压，举例来说，当稳定直流电压的值为0时，所述参考电压即为地电压。如此一来，第一薄膜晶体管104便可通过金属层209将光电二极管112的感测值读取出来，又可藉由作为电容的第二薄膜晶体管204增加读取时的稳定性，降低读取时的噪声。

然而，应当理解，所有组件的导电类型可以被交换，图2c为第二薄膜晶体管204作为电容使用的另一实施例的示意图，图2c中，第二薄膜晶体管204为n型薄膜晶体管，且第二薄膜晶体管204的源极耦接至漏极作为电容的下板，并且通过金属层207耦接至参考电压，所述参考电压可以是任意的稳定直流电压，举例来说，当稳定直流电压的值为0时，所述参考电压即为地电压，第二薄膜晶体管204的栅极则作为电容的上板，并通过金属层211耦接至光电二极管112。

图3为本申请薄膜半导体结构的第三实施例的剖视图，薄膜半导体结构300实质上结合了图1a和图2a的薄膜半导体结构。在图3中仅绘示了一个光电二极管112，也就是一个像素单元，但在应用时，薄膜半导体结构300可包括多个像素单元，所述多个像素单元可延x轴方向和/或y轴方向延伸以形成像素单元矩阵。薄膜半导体结构300可应用的场合不限，在图4的实施例中，薄膜半导体结构300是用来构成图像传感器400以进行图5及图6的手持装置500的光学式屏下指纹感测。

薄膜半导体结构300同时采用了图1a中薄膜半导体结构100的电容108以及图2a中的薄膜半导体结构200中作为电容的第二薄膜晶体管204，并使其并联以提升电容值，进一步地改善第一薄膜晶体管104读取光电二极管112的感测值的稳定度。和图2a相似，在图3中，第一薄膜晶体管104和第二薄膜晶体管204为p型底栅型薄膜晶体管，但本申请不以此限。在某些实施例中，第一薄膜晶体管104及/或第二薄膜晶体管204亦可以为p型顶栅型薄膜晶体管、n型底栅型薄膜晶体管或n型顶栅型薄膜晶体管，其连接方式亦具有相对应的变化。参考图3可知电容108的下板和电容204的下板(即第二薄膜晶体管204的栅极)通过金属层207共同耦接至参考电压，所述参考电压可以是任意的稳定直流电压，举例来说，当稳定直流电压的值为0时，所述参考电压即为地电压，电容108的上板和电容204的上板则通过金属层111、109、211共同耦接至光电二极管112和第一薄膜晶体管104，形成电容108和作为电容的第二薄膜晶体管204并联的结构。

图4为本申请图像传感器的实施例的剖视图，图像传感器400包括薄膜半导体结构100、200或300、滤光片404以及微透镜402。图像传感器400中的薄膜半导体结构100/200/300可包括多个像素单元，滤光片404设置在薄膜半导体结构100/200/300以及微透镜402之间，滤光片404可设计让具有特定波长的特定光波通过。

图5为本申请手持装置的实施例的示意图。手持装置500包括显示屏组件406以及图像传感器400。手持装置500可用来进行光学式屏下指纹感测以感测特定对象的指纹。其中，手持装置500可为例如智能型手机、个人数字助理、手持式计算机系统或平板计算机等任何手持式电子装置。

图6为图5的手持装置的一实施例的剖视图。依据图6，显示屏组件406包括显示面板408以及保护盖板410，保护盖板410设置在显示面板408的上方，图像传感器400设置在显示面板408的下方，在本实施例中，显示面板408可以是一种有机电激发光显示面板(oled)，但不以此为限。

作为其他替代实施例，图像传感器400也可以集成到显示面板408的内部，从而实现屏内光学指纹系统；其中，薄膜晶体管104或204可以具体为显示面板408内部的薄膜晶体管，或者也可以为图像传感器400本身的薄膜晶体管。

相较于使用硅基板的非薄膜半导体工艺，使用玻璃基板的薄膜半导体工艺可将组件层层迭加制造，上述实施例将光电二极管的输出点所需要的电容放置在与光电二极管不同层中，避免为了设置电容而影响光电二极管的有效感光面积，当光电二极管应用在图像传感器时，可提升图像传感器的填充系数，又不会影响读取光电二极管的感测值时的稳定度。

上文的叙述简要地提出了本申请某些实施例之特征，而使得本申请所属技术领域具有通常知识者能够更全面地理解本揭示内容的多种态样。本申请所属技术领域具有通常知识者当可明了，其可轻易地利用本揭示内容作为基础，来设计或更动其他工艺与结构，以实现与此处所述之实施方式相同的目的和/或达到相同的优点。本申请所属技术领域具有通常知识者应当明白，这些均等的实施方式仍属于本揭示内容之精神与范围，且其可进行各种变更、替代与更动，而不会悖离本揭示内容之精神与范围。