TWI682528B - 濾光結構及影像感測器 - Google Patents

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Abstract

根據本發明一些實施例，提供一種濾光結構。濾光結構包含設置於基底上的第一濾光層，其在第一波段具有大於50%的穿透率，且第一濾光層為干涉型濾光膜。濾光結構也包含設置於基底上的第二濾光層，其在第二波段具有大於50%的穿透率，且第二濾光層為吸收型濾光膜。第一波段與第二波段部分重疊於第三波段，且第三波段位於紅外線區。此外，本發明一些實施例亦提供用來作為時差測距影像感測器的影像感測器。

Description

濾光結構及影像感測器
本發明係有關於濾光結構，特別有關於將此濾光結構應用於時差測距(time-of-flight；ToF)影像感測器。
目前，時差測距(ToF)技術已經廣泛地在現代工業中使用，可藉由互補式金屬氧化半導體(complementary metal oxide semiconductor；CMOS)畫素陣列與可調整之光源的結合來提供三維(three-dimensional；3D)影像。三維時差測距(3D ToF)攝影機已經在許多不同的應用中使用，例如已製成的商品之輪廓檢查、電腦輔助設計(computer aided design；CAD)的驗證、地理測量以及物體成像等。
三維時差測距(3D ToF)攝影機的運作係使用可調整的光源來照射景物，觀測被景物反射的光線，測量在照射與反射之間的相位偏移，並且將此相位偏移轉換成距離來達成三維時差測距。通常照射景物的可調整光源是來自於在約850nm的近紅外光範圍操作的固態雷射或發光二極體，此照射景物的光線為人眼不可見，而影像感測器則設計成對與此可調整光源具有相同光譜的光線具有反應，使得影像感測器可以接收可調整光源照射景物後被反射的光線，並將反射光線的光子能量轉 變成電流，藉此得到景物的距離(深度)訊息。
一般而言，在影像感測器的前面會設置濾光片，藉此讓影像感測器所取得的距離(深度)訊息具有較佳的信號對雜訊比(signal-to-noise ratio；SNR)。然而，傳統的濾光片通常是由多層膜干涉技術製造而成，當大的傾斜角度之入射光線落在傳統濾光片上時，總是會有藍偏移(blue-shifting)現象發生在傳統濾光片上，藍偏移使得傳統濾光片的光譜朝向較低波長的波段偏移。因此，採用傳統濾光片的影像感測器需要額外設置具有0°或小的主光線角度(chief ray angle；CRA)之遠心透鏡(telecentric lens)，來克服大的傾斜角度之入射光線在傳統濾光片上造成的藍偏移。
根據本發明一些實施例，提供一種濾光結構。濾光結構包含設置於基底上的第一濾光層，其在第一波段具有大於50%的穿透率，其中第一濾光層為干涉型濾光膜。濾光結構也包含設置於基底上的第二濾光層，其在第二波段具有大於50%的穿透率，其中第二濾光層為吸收型濾光膜。其中第一波段與第二波段部分重疊於第三波段，且第三波段位於紅外線區。
根據本發明一些實施例，提供一種影像感測器。影像感測器包含具有光電二極體的基底。影像感測器也包含設置於基底上的第一濾光層，其在第一波段具有大於50%的穿透率，其中第一濾光層為干涉型濾光膜。影像感測器也包含設置於基底上的第二濾光層，其在第二波段具有大於50%的穿透 率，其中第二濾光層為吸收型濾光膜。影像感測器更包含設置於基底上的聚光元件，其中第一波段與第二波段部分重疊於第三波段，且第三波段位於紅外線區，且影像感測器用於時差測距影像感測器。
100‧‧‧影像感測器
110‧‧‧基底
120‧‧‧光電二極體
140‧‧‧濾光結構
141‧‧‧第一濾光層
142‧‧‧第二濾光層
150‧‧‧微透鏡層
160‧‧‧透鏡模組
170‧‧‧間隔層
180‧‧‧玻璃層
190‧‧‧菲涅耳帶片
本揭露的各種樣態最好的理解方式為閱讀以下說明書的詳說明並配合所附圖式。應該注意的是，本揭露的各種不同特徵部件並未依據工業標準作業的尺寸而繪製。事實上，為使說明書能清楚敘述，各種不同特徵部件的尺寸可以任意放大或縮小。
第1A及1B圖係依據本發明一些實施例，影像感測器的剖面圖；第2圖係依據一些實施例，說明濾光結構的第一濾光層和第二濾光層的光學特性之穿透率對波長的圖式；第3圖係依據一些實施例，說明濾光結構的第一濾光層和第二濾光層的光學特性之穿透率對波長的圖式；第4圖係依據一些實施例，說明濾光結構的第一濾光層和第二濾光層的光學特性之穿透率對波長的圖式；第5A及5B圖係依據本發明一些實施例，影像感測器的剖面圖；第6A及6B圖係依據本發明一些實施例，影像感測器的剖面圖；第7圖係依據本發明一些實施例，影像感測器的剖面圖。
以下針對本揭露一些實施例之濾光結構及影像感測器作詳細說明。應了解的是，以下之敘述提供許多不同的實施例或例子，用以實施本揭露一些實施例之不同樣態。以下所述特定的元件及排列方式僅為簡單清楚描述本揭露一些實施例。當然，這些僅用以舉例而非本揭露之限定。此外，在不同實施例中可能使用重複的標號或標示。這些重複僅為了簡單清楚地敘述本揭露一些實施例，不代表所討論之不同實施例及/或結構之間具有任何關連性。再者，當述及一第一材料層位於一第二材料層上或之上時，包括第一材料層與第二材料層直接接觸之情形。或者，亦可能間隔有一或更多其它材料層之情形，在此情形中，第一材料層與第二材料層之間可能不直接接觸。
此外，實施例中可能使用相對性的用語，例如「較低」或「底部」及「較高」或「頂部」，以描述圖式的一個元件對於另一元件的相對關係。能理解的是，如果將圖式的裝置翻轉使其上下顛倒，則所敘述在「較低」側的元件將會成為在「較高」側的元件。
在此，「約」、「大約」、「大抵」之用語通常表示在一給定值或範圍的20%之內，較佳是10%之內，且更佳是5%之內，或3%之內，或2%之內，或1%之內，或0。5%之內。在此給定的數量為大約的數量，亦即在沒有特定說明「約」、「大約」、「大抵」的情況下，仍可隱含「約」、「大約」、「大抵」之含義。
能理解的是，雖然在此可使用用語「第一」、「第二」、「第三」等來敘述各種元件、組成成分、區域、層、及/或部分，這些元件、組成成分、區域、層、及/或部分不應被這些用語限定，且這些用語僅是用來區別不同的元件、組成成分、區域、層、及/或部分。因此，以下討論的一第一元件、組成成分、區域、層、及/或部分可在不偏離本揭露一些實施例之教示的情況下被稱為一第二元件、組成成分、區域、層、及/或部分。
除非另外定義，在此使用的全部用語(包括技術及科學用語)具有與此篇揭露所屬之一般技藝者所通常理解的相同涵義。能理解的是，這些用語，例如在通常使用的字典中定義的用語，應被解讀成具有與相關技術及本揭露的背景或上下文一致的意思，而不應以一理想化或過度正式的方式解讀，除非在本揭露實施例有特別定義。
本揭露一些實施例可配合圖式一併理解，本揭露實施例之圖式亦被視為本揭露實施例說明之一部分。需了解的是，本揭露實施例之圖式並未以實際裝置及元件之比例繪示。在圖式中可能誇大實施例的形狀與厚度以便清楚表現出本揭露實施例之特徵。此外，圖式中之結構及裝置係以示意之方式繪示，以便清楚表現出本揭露實施例之特徵。
在本揭露一些實施例中，相對性的用語例如「下」、「上」、「水平」、「垂直」、「之下」、「之上」、「頂部」、「底部」等等應被理解為該段以及相關圖式中所繪示的方位。此相對性的用語僅是為了方便說明之用，其並不代表其所敘述之裝 置需以特定方位來製造或運作。而關於接合、連接之用語例如「連接」、「互連」等，除非特別定義，否則可指兩個結構係直接接觸，或者亦可指兩個結構並非直接接觸，其中有其它結構設於此兩個結構之間。且此關於接合、連接之用語亦可包括兩個結構都可移動，或者兩個結構都固定之情況。
值得注意的是，在後文中「基板」一詞可包括透明基板上已形成的元件與覆蓋在基底上的各種膜層，其上方可以已形成任何所需的電晶體元件，不過此處為了簡化圖式，僅以平整的基板表示之。
參閱第1A圖，第1A圖係依據本發明一些實施例，影像感測器100的剖面圖。如第1A圖所示，影像感測器100包含基底110及形成於內部的光電二極體120。基底110可為半導體基板，例如矽基板。此外，上述半導體基板亦可為元素半導體，包括鍺(germanium)；化合物半導體，包括碳化矽(silicon carbide)、砷化鎵(gallium arsenide)、磷化鎵(gallium phosphide)、磷化銦(indium phosphide)、砷化銦(indium arsenide)及/或銻化銦(indium antimonide)；合金半導體，包括矽鍺合金(SiGe)、磷砷鎵合金(GaAsP)、砷鋁銦合金(AlInAs)、砷鋁鎵合金(AlGaAs)、砷銦鎵合金(GaInAs)、磷銦鎵合金(GaInP)及/或磷砷銦鎵合金(GaInAsP)或上述材料之組合。此外，基底110也可以是絕緣層上覆半導體(semiconductor on insulator)，且不限於此。
光電二極體120可設置於例如紅色(R)畫素、綠色(G)畫素、藍色(B)畫素及紅外線(IR)畫素內。影像感測器100 也可為前照式影像(front side image,FSI)感測器或背照式影像(back side image,BSI)感測器。
影像感測器100可更包含配線層(未繪示)，其形成在基底110的表面上，且可包含多層的金屬層及介電層。在一些實施例，影像感測器100亦可以是整合在單一影像感測器中的互補式金屬氧化半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)影像感測器(CIS)。
在一些實施例，影像感測器100包含設置於基底110上的濾光結構140。濾光結構140包含第一濾光層141及設置於第一濾光層141上的第二濾光層142。在一些實施例，第一濾光層141為干涉型濾光膜，且第二濾光層142為吸收型濾光膜。第一濾光層141可為多重膜的濾光層，且可藉由沉積製程、蝕刻製程及黃光製程形成。第二濾光層142可為由有機膜所形成的顏料濾光層。第二濾光層142可設置成單一濾光層、二層或更多濾光層。例如，第二濾光層142可由紅色濾光層及位於其下方的藍色濾光層堆疊所形成。
上述沉積製程包含物理氣相沉積(physical vapor deposition,PVD)、化學氣相沉積(chemical vapor deposition CVD)、濺鍍、電阻熱蒸發(resistive thermal evaporation)、電子束蒸發(electron beam evaporation)及其他可施行的方法，且不限於此。上述微影製程包含光阻塗佈、軟烤、光罩對準、曝光圖案、後曝烤(post-exposure baking)、光阻顯影、清洗(rinsing)及乾燥(例如，硬烤)等製程步驟，且不限於此。黃光製程也可被其他適合的方法取代，例如無遮罩黃光微影(maskless photolithography)、電子束寫入(electron-beam writing)或離子束寫入(ion-beam writing)。上述蝕刻製程可包含乾蝕刻、濕蝕刻或其他適合的方法，且不限於此。
參閱第2圖，第2圖係依據一些實施例，說明濾光結構140的第一濾光層141和第二濾光層142的光學特性之穿透率對波長的圖式。如第2圖所示，第一濾光層141允許讓短波長的光穿透，且第二濾光層142允許讓長波長的光穿透。此外，第一濾光層141在第一波段B1具有大於50%的穿透率，且第二濾光層142在第二波段B2具有大於50%的穿透率。
如第2圖所示，第一波段B1介於第一波長λ1與高於第一波長λ1的第二波長λ2之間。在一些實施例，第二波長λ2介於870nm-950nm之間，例如為900nm。第一波長λ1介於約400nm-820nm之間，例如720nm。另外，第二波段B2高於約800nm。
如第2圖所示，第一波段B1與第二波段B2部份重疊於一第三波段B3。第三波段B3位於紅外線區(波長約大於780nm的波段屬於紅外線區)。在一些實施例，第三波段B3介於約800nm-900nm的範圍間，亦即，整個第三波段B3都位於紅外線區。在一些實施例，影像感測器100使用於時差測距(ToF)影像感測器，其偵測位於紅外線區的光的波長。因此，影像感測器100在可見光及近紅外線區不必具有高穿透率的波段。換句話說，第一濾光層141在包含了可見光及近紅外線區的波長400nm-1100nm的範圍間，不必最佳化(亦即，使該段波長具有高穿透率)全部的波長。在一些實施例，第一濾光層141設計成 在波長800nm-900的範圍間最佳化(亦即，使800nm-900nm的範圍間具有高穿透率，其他波段則沒有高穿透率)。在一些實施例，如第2圖所示，第一濾光層141在第四波段B4具有小於約60%的穿透率，且第四波段B4介於約400nm-700nm之間，此外，在400nm-700nm的波段之間，部分的第四波段B4的穿透率小於50%。由於第一濾光層141不必使在400nm-1100nm這範圍內全部的波段最佳化，因此可減少第一濾光層141的厚度。在一些實施例，第一濾光層141的厚度小於約3μm。在另一些實施例，第一濾光層141的厚度小於約2μm。
如第2圖所示，第三波段B3為窄波段，且第三波段的波峰位於約850nm。在此實施例，濾光結構140由一個干涉型濾光膜(例如，第一濾光層141)及一個吸收型濾光膜(例如，第二濾光層142)組成。由於吸收型濾光膜幾乎不受光線的入射角度影響，因此避免了多層膜之干涉型濾光片會發生的藍偏移現象。因此，採用本發明實施例所述的濾光結構140可以在大角度的傾斜入射光線照射在影像感測器100時，減少了多層膜干涉濾光片會發生的藍偏移現象。此外，使用本發明實施例所述的濾光結構140也減少了影像感測器100的厚度。
回到第1A圖，影像感測器100更包含微透鏡層150及透鏡模組160。如第1A圖所示，微透鏡層150設置於濾光結構140的上方，且透鏡模組160設置於微透鏡層150的上方。微透鏡層150用來作為聚光元件，可增加光電二極體120收集光的效率。微透鏡層150可藉由例如上述的沉積製程、黃光製程及蝕刻製程形成。透鏡模組160可包含多個透鏡，且不限於此。
參閱第1B圖，第1B圖係依據本發明一些實施例，影像感測器100的剖面圖。第1B圖的實施例及第1A圖的的實施例其中一個差異為：第1B圖實施例的第一濾光層141設置於第二濾光層142上方。在此實施例，第二濾光層142與基底110直接接觸，且第一濾光層141位於第二濾光層142與微透鏡層150之間。
參閱第3圖，第3圖係依據一些實施例，說明濾光結構100的第一濾光層141和第二濾光層142的光學特性之穿透率對波長的圖式。如第3圖所示，第一波段B1介於第一波長λ1與高於第一波長λ1的第二波長λ2之間。在一些實施例，第二波長λ2介於約960nm-1040nm之間，例如970nm。第一波長λ1介於約400nm-910nm之間，例如910nm。第二波段B2高於約800nm。在此實施例，第三波段B3介於約910nm-970nm之間，且第三波段B3的波峰位於約940nm。在此實施例，第一濾光層141設計成在波長約900nm-1000nm的範圍間最佳化。由於第一濾光層141不必在波長400nm-1100nm的範圍間全部最佳化，因此可減少第一濾光層141的厚度。
參閱第4圖，第4圖係依據一些實施例，說明濾光結構100的第一濾光層141和第二濾光層142的光學特性之穿透率對波長的圖式。第4圖的實施例及第3圖的實施例之其中一個差異為：第4圖的第二波段B2高於約900nm。在此實施例，由於第三波段B3欲設計成介於910nm-970nm的範圍間，因此吸收型濾光膜(例如為第二濾光層142)不必在波長800nm-900nm的範圍間最佳化。如第4圖所示，第二濾光層142在第五波段B5 具有小於50%的穿透率。在一些實施例，第五波段B5介於約800nrm-900nm的範圍間。由於第二濾光層142在波長800nm-900nm的範圍間不需要最佳化，因此，減低了第二濾光層142的厚度。因此，使用上述的第二濾光層142可具有較小的濾光結構140，而使得影像感測器100的尺寸更小。
參閱第5A圖，第5A圖係依據本發明一些實施例，影像感測器100的剖面圖。在一些實施例，影像感測器100更包含間隔層170。如第5A圖所示，間隔層170設置於微透鏡層150之上，且位第一濾光層141及第二濾光層142之間。在一些實施例，間隔層170的折射率小於微透鏡層150的折射率。間隔層170可包含磷矽酸鹽玻璃(phosphosilicate glass,PSG)、硼磷矽玻璃(borophosphosilicate glass,BPSG)、低介電常數(low-k)介電材料或其他適合的介電材料。低介電常數介電材料包含氟化石英玻璃(fluorinated silica glass,FSG)、碳摻雜氧化矽(carbon doped silicon oxide)、無定形氟化碳(amorphous fluorinated carbon)、聚對二甲苯(parylene)、對苯並環丁烯(bis-benzocyclobutenes,BCB)、聚亞醯胺(polyimide)、上述組合或其它適合的材料，且不限於此。另外，間隔層170可由化學氣相沉積製程形成。化學氣相沉積製程的例子可包含低壓化學氣相沉積(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)、低溫化學氣相沉積(low temperature chemical vapor deposition,LTCVD)、快速化學氣相沉積(rapid thermal chemical vapor deposition,RTCVD)、電漿增強化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)，原子層沉積(atomic layer deposition,ALD)以及其他適合的方法，且不限於此。在此實施例，間隔層170具有平坦的上表面，且第二濾光層142設置在此平坦的上表面上，且位於微透鏡層150的上方。藉此，形成間隔層170提供了更多製程步驟及方法的彈性以形成影像感測器100。
參閱第5B圖，第5B圖係依據本發明一些實施例，影像感測器100的剖面圖。第5B圖的實施例及第5A圖的實施例的其中一個差異為：第5B圖的第一濾光層141設置於第二濾光層142的上方。在此實施例，第一濾光層141位於間隔層170之平坦的上表面上，且位於微透鏡層150的上方。
參閱第6A圖，第6A圖係依據本發明一些實施例，影像感測器100的剖面圖。在一些實施例，影像感測器100更包含玻璃層180。玻璃層180設置於微透鏡層150上方，且位於第一濾光層141與第二濾光層142之間。在此實施例，第二濾光層142與玻璃層180直接接觸。影像感測器100可藉由整合具有第一濾光層141的基底110及具有第二濾光層142的玻璃層180而形成。在此實施例，形成玻璃層180提供了更多製程步驟及方法的彈性以形成影像感測器100。
參閱第6B圖，第6B圖係依據本發明一些實施例，影像感測器100的剖面圖。第6B圖的實施例及第6A圖的實施例的其中一個差異為：第一濾光層141設置於第二濾光層142的上方。在此實施例，第一濾光層141設置於玻璃層180及微透鏡層150上方。此外，第一濾光層141與玻璃層180直接接觸。影像感測器100可藉由整合具有第二濾光層142的基底110及具有第 一濾光層141的玻璃層180而形成。在此實施例，形成玻璃層180提供了更多製程步驟及方法的彈性以形成影像感測器100。
參閱第7圖，第7圖係依據本發明一些實施例，影像感測器100的剖面圖。在一些實施例，影像感測器100的微透鏡層150被如第7圖所示的菲涅耳帶片(Fresnel zone plate,FZP)190所取代。如第7圖所示，影像感測器100包含位於濾光結構140上方的菲涅耳帶片190。菲涅耳帶片190可作為聚光元件，以將光線聚焦。菲涅耳帶片190的操作原理是利用光的繞射。當光擊中菲涅耳帶片190，光將繞射，且此繞射的光會在焦點處形成建設性干涉，使得影像產生。如第7圖所示，菲涅耳帶片190由多重的環191形成，每一個環具有不同的半徑。從上視圖看，菲涅耳帶片190是由一組具有不同半徑且對稱的環191所組成。和微透鏡層150相比，菲涅耳帶片190具有較低的厚度。因此，使用菲涅耳帶片190來取代微透鏡層150，可更進一步減低影像感測器100的尺寸。
在一些實施例，如第1A、1B、5A、5B、6A及6B圖所示的微透鏡層150可使用如第7圖所示的菲涅耳帶片190來取代，藉由使用具有較小厚度的菲涅耳帶片190，可進一步減低影像感測器100的尺寸。
依據本發明的一些實施例，提供一種濾光結構，此濾光結構由一個允許讓短波長穿透的干涉型濾光膜及一個允許讓長波長穿透的吸收型濾光膜所構成。由於吸收型濾光膜幾乎不受光線的入射角度影響，可避免了多層膜干涉型濾光片會發生的藍偏移現象。因此，使用本發明實施例的濾光結構可 減少藍偏移現象。此外，由於本發明實施例所述的影像感測器(例如時差測距影像感測器(ToF))是僅用來偵測位於紅外線區的波長的光，因此可不必最佳化位於可見光區及近紅外光區的波長的穿透率。因此，使用本發明實施例所述的干涉型濾光層的厚度，可減少濾光結構的厚度，藉此形成尺寸更小的影像感測器。
以上敘述許多實施例的特徵，使所屬技術領域中具有通常知識者能夠清楚理解本揭示的概念。所屬技術領域中具有通常知識者能夠理解，其可利用本發明揭示內容作為基礎，以設計或更動其他製程及結構而完成相同於上述實施例的目的及/或達到相同於上述實施例的優點。所屬技術領域中具有通常知識者亦能夠理解，不脫離本揭示之精神和範圍的等效構造可在不脫離本揭示之精神和範圍內作各種之更動、替代與潤飾。
100‧‧‧影像感測器
110‧‧‧基底
120‧‧‧光電二極體
140‧‧‧濾光結構
141‧‧‧第一濾光層
142‧‧‧第二濾光層
150‧‧‧微透鏡層
160‧‧‧透鏡模組

Claims (9)

  1. 一種濾光結構，包括：一第一濾光層，設置於一基底上，在一第一波段具有大於50%的穿透率，其中該第一濾光層為一干涉型濾光膜；以及一第二濾光層，設置於該基底上，在一第二波段具有大於50%的穿透率，其中該第二濾光層為一吸收型濾光膜；其中該第一波段與該第二波段部分重疊於一第三波段，且該第三波段位於一紅外線區；其中該第一濾光層具有波長範圍為400nm-700nm的一第四波段，且該第四波段均具有小於60%的穿透率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之濾光結構，其中該第三波段介於800nm-900nm之間，該第一波段介於一第一波長及高於該第一波長的一第二波長之間，該第二波長介於870nm-950nm之間，且該第二波段高於800nm。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之濾光結構，其中該第三波段介於910nm-970nm之間，該第一波段介於一第一波長及高於該第一波長的一第二波長之間，且該第二波長介於960nm-1040nm之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之濾光結構，其中該第二波段高於800nm或高於900nm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之濾光結構，其中該第一濾光層設置於該第二濾光層上方或該第二濾光層設置於該第一濾光層上方。
  6. 一種影像感測器，包括： 一基底，具有一光電二極體；一第一濾光層，設置於該基底上，在一第一波段具有大於50%的穿透率，其中該第一濾光層為一干涉型濾光膜；一第二濾光層，設置於該基底上，在一第二波段具有大於50%的穿透率，其中該第二濾光層為一吸收型濾光膜；以及一聚光元件，設置於該基底上，其中該第一波段與該第二波段部分重疊於一第三波段，且該第三波段位於一紅外線區，且該影像感測器係用於一時差測距影像感測器。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之影像感測器，更包括：一間隔層，設置於該聚光元件上，其中該間隔層的折射率小於該聚光元件的折射率。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之影像感測器，更包括：一玻璃層，設置於該聚光元件上，且位於該第一濾光層與該第二濾光層之間，其中該第一濾光層與該第二濾光層的其中一者與該玻璃層直接接觸。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之影像感測器，其中該聚光元件由一微透鏡層或一菲涅耳帶片所形成。
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