TWI749636B

TWI749636B - 影像感測裝置

Info

Publication number: TWI749636B
Application number: TW109123713A
Authority: TW
Inventors: 吳建龍; 林文毅; 李惠民; 劉志宏; 謝孟潔
Original assignee: 力晶積成電子製造股份有限公司
Priority date: 2020-07-14
Filing date: 2020-07-14
Publication date: 2021-12-11
Also published as: TW202203440A

Abstract

一種影像感測裝置，包括影像感測器、微透鏡陣列以及彩色濾光層。影像感測器包括多個影像感測元件。微透鏡陣列包括多個微透鏡，這些微透鏡的位置分別對應這些影像感測元件的位置。彩色濾光層設置於影像感測器與微透鏡陣列之間。彩色濾光層包括多個開口。這些開口的位置分別對應於這些影像感測元件的位置。彩色濾光層更包括多個彩色濾光材料與多個材料層，各開口中設有一彩色濾光材料及一材料層，其中彩色濾光材料的折射率大於材料層的折射率。

Description

影像感測裝置

本發明是有關於一種光學裝置，且特別是有關於一種影像感測裝置。

隨著科技的進步及各種不同電子應用領域擴大，影像感測裝置的相關應用在近幾年有爆發性成長。在現有影像感測裝置的架構中，影像光束會依序穿過微透鏡層、彩色濾光層後傳遞至影像感測器。然而，在光束傳遞的過程中，入射角度較大的光束並不一定會傳遞至影像感測器上的影像感測元件而會傳遞至他處，此現象造成影像感測元件所感測到的光強度下降，而光強度與光敏度(light sensitivity)之間有正向關係，故導致現有影像感測裝置的光敏度不良。

本發明提供一種影像感測裝置，其具有良好的光敏度。

本發明的一實施例的影像感測裝置，包括影像感測器、微透鏡陣列以及彩色濾光層。影像感測器包括多個影像感測元件。這些影像感測元件以陣列方式排列。微透鏡陣列設置於影像感測器上，且微透鏡陣列包括多個以陣列方式排列的微透鏡，這些微透鏡的位置分別對應這些影像感測元件的位置。彩色濾光層設置於影像感測器與微透鏡陣列之間。彩色濾光層包括多個開口。這些開口的位置分別對應於這些影像感測元件的位置。彩色濾光層更包括多個彩色濾光材料與多個材料層，各開口中設有一彩色濾光材料及一材料層，其中彩色濾光材料的折射率大於材料層的折射率。

在本發明的一實施例中，上述的影像感測裝置，其中材料層為透光材料層。

在本發明的一實施例中，上述的透光材料層的材料種類包括空氣或二氧化矽。

在本發明的一實施例中，上述的透光材料層的材料種類與微透鏡陣列的材料相同。

在本發明的一實施例中，在上述的開口中，彩色濾光材料包括第一子彩色濾光材料與第二子彩色濾光材料，且材料層位於第一子彩色濾光材料與第二子彩色濾光材料之間。

在本發明的一實施例中，上述的第一子彩色濾光材料與第二子彩色濾光材料被材料層隔開。

在本發明的一實施例中，上述的第一子彩色濾光材料與第二子彩色濾光材料相連。

在本發明的一實施例中，上述的材料層被彩色濾光材料完整地包圍。

在本發明的一實施例中，上述的影像感測裝置更包括多個反射牆。這些反射牆分別圍繞這些開口。

在本發明的一實施例中，上述的彩色濾光層包括基底層，基底層包括這些開口。彩色濾光材料的折射率大於基底層的折射率。

基於上述，在本發明實施例的影像感測裝置中，由於彩色濾光層的開口內設有彩色濾光材料與材料層，且材料層的折射率小於彩色濾光材料，因此傾斜影像光束中的部分滿足全內反射的入射角條件的影像光束可在彩色濾光材料內進行一至多次的全內反射，而使彩色濾光材料具有類似光束匯聚的效果，避免入射角較大的影像光束傳遞至非感測區及伴隨而來的光損失現象。因此，影像感測裝置具有良好的光敏度。

圖1為本發明一實施例的影像感測裝置的多個像素區的上視示意圖。圖2為圖1中剖面A-A’的剖面示意圖。圖3為圖2中彩色濾光層一單元的上視示意圖。圖4為一比較實施例的影像感測裝置的剖面示意圖。

請參照圖1至圖3，由俯視觀之，在本實施例中，影像感測裝置100包括多個子像素區SP，其中在圖1中標示為R、G、B的區域分別為設有紅色、綠色及藍色濾光材料的子像素區SP。由於在本實施例中，這些子像素區SP的彩色濾光材料以一特定規則排列，故圖3僅示出彩色濾光層130的一單元U的上視示意圖，其他單元亦同於圖3的佈局。請參照圖2，影像感測裝置100主要包括影像感測器110、微透鏡陣列120、彩色濾光層130與多個介電層140，於以下的段落中會詳細地說明上述各元件。

影像感測器110為可將光訊號轉換成電訊號的電子元件，藉此將來自物體的影像光束IB轉換成影像資訊。於本實施例中，影像感測器110包括多個以陣列方式排列的影像感測元件IS，且影像感測元件IS的種類例如是互補式金氧半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）型影像感測元件、電荷耦合元件（Charge Couple Device, CCD）型影像感測元件或其他合適種類的影像感測元件，本發明並不以此為限。

微透鏡陣列120包括多個以陣列方式排列的微透鏡ML，其中微透鏡ML例如是可使光束匯聚的聚焦透鏡，但本發明不以此為限。各微透鏡ML的寬度W範圍例如是落在0.9微米至1.1微米的範圍內，本發明並不以此為限。微透鏡陣列120的材料例如是透光材料，且例如是類光阻材料或其他合適的材料，本發明並不以此為限。

彩色濾光層130包括基底層132、多個彩色濾光材料134與多個材料層136。基底層132具有多個開口O，其中開口O界定出子像素區SP的位置。各開口O設有彩色濾光材料134與材料層136，且彩色濾光材料134分別與基底層132及材料層136之間具有介面IF1、IF2。於本實施例中，彩色濾光材料134係指可被特定色光穿透且濾除其他色光的材料，彩色濾光材料134有分為可被紅光、綠光、藍光穿透的紅色、綠色、藍色濾光材料134R、134G、134B。此外，於本實施例中，彩色濾光材料134的材質的折射率大於材料層136材質或基底層132材質的折射率，舉例來說，基底層132材質例如是二氧化矽（SiO ₂）。材料層136例如是透光材料層，且其例如是空氣，但不以此為限。換言之，於本實施例中，材料層136(空氣)與微透鏡陣列120(類光阻材料)的材料彼此異質。於另一實施例中，材料層136例如亦可為二氧化矽，也就是說在這個實施例中材料層136與基底層132同質(homogeneous)。

這些介電層140主要的目的是用以隔離與保護上述不同的元件層。介電層140的材料例如是氮化矽（Si ₃N ₄）或二氧化矽，但不以此為限。這些介電層140的數量例如是3個，且分別稱為第一至第三介電層1401~1403。所屬技術領域中具有通常知識者可依據需求來調整介電層的數量與合適的材質，本發明並不以此為限。

於以下的段落中會詳細地說明上述各元件之間的配置關係。

請參照圖1至圖3，在本實施例中，微透鏡陣列120設置於影像感測器110上。彩色濾光層130設置於影像感測器110與微透鏡陣列120之間。第一介電層1401設置於微透鏡陣列120與彩色濾光層130之間。第二介電層1402設置於彩色濾光層130與第三介電層1403之間，第三介電層1403設置於第二介電層1402與影像感測器110之間。這些影像感測元件IS的位置分別對應這些微透鏡ML的位置，且這些開口O的位置分別對應於這些影像感測元件IS的位置。在每一個子像素區SP中，設有一微透鏡ML、影像感測元件IS、彩色濾光材料134與材料層136。如圖3所示，在各開口O中，材料層136被彩色濾光材料134完整地包圍。

為了突顯出本實施例的影像感測裝置100的光學效果，於以下的段落中會搭配圖4的比較實施例的影像感測裝置10以詳細地說明本實施例的影像感測裝置100的光學效果，其中比較實施例的影像感測裝置10亦包括如同圖1的影像感測器110、微透鏡陣列120、第一至第三介電層1401~1403，其主要差異在於：在影像感測裝置10中，彩色濾光層13亦包括基底層13’與多個彩色濾光材料13’’，基底層13’亦具有多個開口O，各開口O填滿一對應的彩色濾光材料13’’。

於以下段落中會詳細地說明本實施例與比較實施例的光學效果。

請同時參照圖2與圖4，依據以不同入射角度入射於影像感測裝置100、10的影像光束，來自物體的影像光束IB可被分為正向影像光束NIB與傾斜影像光束OIB，其中正向影像光束NIB以幾乎垂直的方向入射於影像感測裝置100、10，傾斜影像光束OIB則是以一傾斜角入射於影像感測裝置100、10。大體上來說，影像光束IB被微透鏡ML聚焦後，被彩色濾光層130(13)內的彩色濾光材料134(13’’)濾光，過濾後的影像光束IB再依序穿透第二、第三介電層1402、1403最後傳遞至這些影像感測元件IS，以使影像感測元件IS感測到物體的影像。

請再參照圖4的影像感測裝置10，然而，在比較實施例中，雖然正向影像光束NIB可正常地傳遞至影像感測元件IS，但傾斜影像光束OIB穿透微透鏡ML、彩色濾光材料13’’、第二、第三介電層1402、1403後，傳遞至兩相鄰影像感測元件IS之間的非感測區，這樣的現象造成了光損失(Light loss)，導致影像感測裝置10的光敏度不佳。

相對而言，請再參照圖2的影像感測裝置100，對於部分滿足全內反射的入射角條件的傾斜影像光束OIB來說，當其穿透微透鏡ML以及彩色濾光材料134後，會在兩介面IF1、IF2之間進行一至多次全內反射後出射於彩色濾光材料134，而傳遞至影像感測元件IS。換言之，此兩介面IF1、IF2係具有全反射能力的介面。由此可知，材料層136的引入可以使得在開口O內創造出不同折射率的區域，以使彩色濾光材料134本身具有類似匯聚光束的效果，有效地限制了傾斜影像光束OIB的傳遞方向，避免了比較實施例中光損失的現象，故，本實施例的影像感測裝置100具有良好的光敏度。

此外，在本實施例中，由於正向影像光束NIB會穿透材料層136而傳遞至影像感測元件IS，且此材料層136為透光材料層，正向影像光束NIB並未被彩色濾光材料134過濾，因此，傳遞至影像感測元件IS的正向影像光束NIB的光強度較強，故本實施例的影像感測裝置100具有良好的光敏度。

在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的部分內容，省略了相同技術內容的說明，關於相同的元件名稱可以參考前述實施例的部分內容，下述實施例不再重複贅述。

圖5A與圖6A分別為本發明不同實施例的影像感測裝置的剖面示意圖。圖5B與圖6B分別為圖5A及圖6A中的彩色濾光層與反射牆的上視示意圖。

請參照圖5A與圖5B，圖5A與圖5B實施例中的影像感測裝置100a大致上類似於圖1、圖2，其與影像感測裝置100的主要差異在於：影像感測裝置100a更包括多個具有反射功能的反射牆RW，其材料例如是具有高反射率的金屬，但不以此為限。這些反射牆RW分別圍繞這些開口O。換言之，各反射牆RW圍繞對應的彩色濾光材料134與對應的材料層136。因此，在本實施例中，若有部分傾斜影像光束OIB的入射角無法滿足全內反射的條件，反射牆RW可進一步使此無法滿足全內反射的條件的部分傾斜影像光束OIB限制在開口O內。由此可知，反射牆RW的引入可以使得在開口O內侷限光束的能力提升，故，本實施例的影像感測裝置100a相較於圖1的影像感測裝置100具有更佳的光敏度。

請參照圖6A與圖6B，圖6A與圖6B實施例中的影像感測裝置100b大致上類似於圖1、圖2，其與影像感測裝置100的主要差異在於：影像感測裝置100b更包括黏著層AL，黏著層AL設置於微透鏡陣列120與彩色濾光層130b之間。彩色濾光層130b內的材料層136b的材料種類與微透鏡陣列120的材料相同，舉例來說，材料層136b的材料例如是類光阻材料，但不以此為限。在本實施例中，由於材料層136b與微透鏡陣列120的材料皆為類光阻材料，即兩者材料為同質，本實施例的影像感測裝置100b相較於圖1的影像感測裝置100具有更佳的光敏度。

圖7與圖8分別為本發明不同實施例的彩色濾光層的一單元的上視示意圖。

請參照圖7，在圖7的彩色濾光層130c的上視佈局中，彩色濾光材料134c包括彼此相連的第一、第二子彩色濾光材料1341、1342。由俯視觀之，此二子彩色濾光材料1341、1342構成一類H形的形狀。材料層136則位於第一、第二子彩色濾光材料1341、1342之間。

請參照圖8，在圖8的彩色濾光層130d的上視佈局中，彩色濾光材料134d包括第一、第二子彩色濾光材料1341、1342，且第一、第二子彩色濾光材料1341、1342被材料層136隔開。由俯視觀之，此二子彩色濾光材料1341、1342構成一兩長條形形狀。

於其他未示出的實施例中，所屬技術領域中具有通常知識者可以依據不同設計需求，設計不同上視圖案的彩色濾光材料，本發明並不以此為限。

圖9A至圖9E為製造圖2實施例的影像感測裝置的製造流程圖，其中圖2實施例的材料層136的材料與基底層132相同，且為二氧化矽。

請參照圖9A，提供一影像感測器110，此影像感測器110上形成有多個影像感測元件IS，並在影像感測器110的表面上依序形成介電層1403、1402、彩色濾光層130的基底層132以及介電層1401。

請參照圖9B，在介電層1401上形成光阻PR，並在光阻PR上設置光罩(未示出)以局部覆蓋光阻PR並暴露出另一部分光阻PR。接著，對設有光罩的光阻PR曝光以及顯影後，以定義出開口O的範圍並定義出彩色濾光材料134的範圍R。

請參照圖9C，對介電層1401、基底層132進行蝕刻，以暴露出介電層1402，以定義出開口O，並移除光阻PR。而位於開口O內較小的部分基底層132則留作為材料層136。

請參照圖9D，沉積彩色濾光層130的彩色濾光材料134。沉積完成後，接著進行化學機械研磨(Chemical Mechanical Planarization, CMP)製程，以將彩色濾光材料134的上表面平坦化，以在開口O內形成彩色濾光層130的彩色濾光材料134。

請參照圖9E，形成微透鏡陣列120於介電層1401與彩色濾光層130上，至此，圖2實施例的影像感測裝置100大致上已製作完成。

應注意的是，若材料層136為空氣時，則可在沉積彩色濾光材料134後，應用蝕刻位於開口O內較小的基底層132，以空氣做為材料層136的材質。

圖10A至圖10F為製造圖6實施例的影像感測裝置的製造流程圖。

承圖9A的步驟，請參照圖10A，在介電層1401上形成光阻PR，並在光阻PR上設置光罩(未示出)以局部覆蓋光阻PR並暴露出另一部分光阻PR。接著，對設有光罩的光阻PR曝光以及顯影後，以定義出開口O的範圍。

請參照圖10B，對介電層1401、基底層132進行蝕刻，以暴露出介電層1402，以定義出開口O，並移除光阻PR。

請參照圖10C，沉積彩色濾光層130b的彩色濾光材料134。沉積完成後，接著進行化學機械研磨製程，以將彩色濾光材料134的上表面平坦化，以在開口O內形成彩色濾光層130。

請參照圖10D，形成一黏著層AL於介電層1401以及彩色濾光材料134上。

請參照圖10E，在黏著層AL上形成光阻PR，並在光阻PR上設置光罩(未示出)以局部覆蓋光阻PR並暴露出另一部分光阻PR。接著，對設有光罩的光阻PR曝光以及顯影後，以定義出材料層136b的範圍R’。並且，再以蝕刻製程再對對應於範圍R’的部分彩色濾光材料134進行蝕刻，並去除光阻PR。

請參照圖10F，形成材料層130b於彩色濾光材料134內以及形成微透鏡陣列120於介電層1401與彩色濾光層130b上，至此，圖6實施例的影像感測裝置100b大致上已製作完成。

其他實施例的影像感測裝置可基於上述製程再搭配不同的半導體製程形成不同的元件或者是形成有不同圖案的彩色濾光材料，本發明並不以此為限。

綜上所述，在本發明實施例的影像感測裝置中，由於彩色濾光層的開口內設有彩色濾光材料與材料層，且材料層的折射率小於彩色濾光材料，因此部分可滿足全內反射的入射角條件的傾斜影像光束可在彩色濾光材料內進行一至多次的全內反射，而使彩色濾光材料具有類似光束匯聚的效果，此設計可避免傾斜影像光束傳遞至非感測區及伴隨而來的光損失現象。因此，影像感測裝置具有良好的光敏度。

10、100、100a、100b:影像感測裝置 110:影像感測器 120:微透鏡陣列 13、130、130b、130c、130d:彩色濾光層 132:基底層 13’’、134、134c、134d:彩色濾光材料 134R:紅色濾光材料 134G:綠色濾光材料 134B:藍色濾光材料 1341、1342:第一、第二子彩色濾光材料 136、136b:材料層 140:介電層 1401~1403:第一至第三介電層 A-A’:剖面 AL:黏著層 IS:影像感測元件 IF1、IF2:介面 NIB:正向影像光束 ML:微透鏡 O:開口 OIB:傾斜影像光束 R、R’:範圍 RW:反射牆 SP:子像素區 U:單元 W:寬度

圖1為本發明一實施例的影像感測裝置的多個像素區的上視示意圖。圖2為圖1中剖面A-A’的剖面示意圖。圖3為圖2中彩色濾光層一單元的上視示意圖。圖4為一比較實施例的影像感測裝置的剖面示意圖。圖5A與圖6A分別為本發明不同實施例的影像感測裝置的剖面示意圖。圖5B與圖6B分別為圖5A及圖6A中的彩色濾光層與反射牆的上視示意圖。圖7與圖8分別為本發明不同實施例的彩色濾光層的一單元的上視示意圖。圖9A至圖9E為製造圖2實施例的影像感測裝置的製造流程圖。圖10A至圖10F為製造圖6實施例的影像感測裝置的製造流程圖。

100:影像感測裝置

110:影像感測器

120:微透鏡陣列

130:彩色濾光層

132:基底層

134:彩色濾光材料

134R:紅色濾光材料

134G:綠色濾光材料

134B:藍色濾光材料

136:材料層

140:介電層

1401~1403:第一至第三介電層

A-A’:剖面

IS:影像感測元件

IF1、IF2:介面

NIB:正向影像光束

ML:微透鏡

O:開口

OIB:傾斜影像光束

SP:子像素區

W:寬度

Claims

一種影像感測裝置，包括：影像感測器，包括多個影像感測元件，所述多個影像感測元件以陣列方式排列；微透鏡陣列，設置於所述影像感測器上，且所述微透鏡陣列包括多個以陣列方式排列的微透鏡，所述多個微透鏡的位置分別對應所述多個影像感測元件的位置；以及彩色濾光層，設置於所述影像感測器與所述微透鏡陣列之間，其中所述彩色濾光層包括多個開口，所述多個開口的位置分別對應於所述多個影像感測元件的位置，其中，所述彩色濾光層更包括多個彩色濾光材料與多個材料層，各所述開口中設有一所述彩色濾光材料及一所述材料層，其中所述彩色濾光材料的折射率大於所述材料層的折射率。
如請求項1所述的影像感測裝置，其中所述材料層為透光材料層。
如請求項2所述的影像感測裝置，其中所述透光材料層的材料種類包括空氣、二氧化矽或類光阻材料。
如請求項2所述的影像感測裝置，其中所述透光材料層的材料種類與所述微透鏡陣列的材料相同。
如請求項1所述的影像感測裝置，其中，在所述開口中，所述彩色濾光材料包括第一子彩色濾光材料與第二子彩色濾光材料，且所述材料層位於所述第一子彩色濾光材料與所述第二子彩色濾光材料之間。
如請求項5所述的影像感測裝置，其中所述第一子彩色濾光材料與所述第二子彩色濾光材料被所述材料層隔開。
如請求項5所述的影像感測裝置，其中所述第一子彩色濾光材料與所述第二子彩色濾光材料相連。
如請求項1所述的影像感測裝置，其中所述材料層被所述彩色濾光材料完整地包圍。
如請求項1所述的影像感測裝置，更包括多個反射牆，所述多個反射牆分別圍繞所述多個開口。
如請求項1所述的影像感測裝置，其中所述彩色濾光層包括基底層，所述基底層包括所述多個開口，其中所述彩色濾光材料的折射率大於所述基底層的折射率。