CN101937921A - 图像传感装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种图像传感装置及其制造方法。图像传感装置包括：一半导体基底以及第一及第二光转换装置。第一及一第二光转换装置分别设置于半导体基底的一第一像素区及一第二像素区内，以分别接收一第一光源及不同于第一光源的一第二光源。对应于第一及第二光转换装置的半导体基底的表面分别具有一第一微结构及一第二微结构，以容许第一像素区对于第一光源的反射率低于第二像素区对于第一光源的反射率。本发明能改善像素之间的串音，提高光吸收效率和量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电装置，特别涉及一种图像传感装置的结构及其制造方法。
背景技术
随着光电产品诸如数字相机、数字图像记录器、具有图像拍摄功能的手机、以及监视器逐渐普及化，图像传感装置的需求也与日俱增。图像传感装置用于记录来自图像的光学信号并且将光学信号转换成电子信号。在记录及处理上述电子信号之后，便可产生一数字图像。而图像传感装置一般可分为二种主要类型：一种为电荷耦合装置(charge-coupled device，CCD)，而另一种为互补式金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)装置。
图1绘示出传统CMOS图像传感装置10。图像传感装置10通常包括形成于硅基底100上的一像素阵列。每一阵列包括一光转换装置101，例如光电二极管，其形成于硅基底100内所对应的像素区，用以提供对应照射于光转换装置101的光强度的一信号。此处，仅以四个像素区100a、100b、100c及100d表示之。当一图像聚焦于该阵列时，这些信号可用于显示一对应的图像。一微透镜阵列106对应设置于像素阵列上方，用以将光线聚焦于像素阵列上。一彩色滤光片(color filter，CF)阵列104对应设置于像素阵列与微透镜阵列106之间。每一彩色滤光片容许具有特定波长的光线通过各个光转换装置101。一中间层102设置于彩色滤光片阵列104与硅基底100之间，其包括互连线(未绘示)，以在装置与像素之间以及像素阵列与其周边电路(未绘示)之间形成电性连接。
然而，由于硅基底100的表面平滑，大量的入射光线(未绘示)自硅基底100反射而未能有效地被光转换装置101吸收。如此一来，入射至每一像素/光转换装置101的光强度因而降低。上述光强度的降低会增加像素之间的串音(cross-talk)，使图像传感装置的信号信噪比(signal to noise ratio，SNR)及光敏性(photosensitivity)因而降低。
因此，有必要寻求一种新的像素阵列设计，其能够增加像素的量子效率(quantum efficiency)以及降低像素的串音。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明一实施例提供一种图像传感装置，包括：一半导体基底，具有一第一像素区及一第二像素区；一第一光转换装置，设置于半导体基底的第一像素区内，以接收一第一光源；以及一第二光转换装置，设置于半导体基底的第二像素区内，以接收不同于第一光源的一第二光源。其中，对应于第一光转换装置及第二光转换装置的半导体基底的表面分别具有一第一微结构及一第二微结构，以容许第一像素区对于第一光源的反射率低于第二像素区对于第一光源的反射率。
本发明另一实施例提供一种图像传感装置的制造方法，包括：提供一半导体基底，其具有一第一像素区及一第二像素区；在半导体基底的第一像素区内形成一第一光转换装置，以接收一第一光源；在半导体基底的第二像素区内形成一第二光转换装置，以接收不同于第一光源的一第二光源，其中，对应于第一光转换装置及第二光转换装置的半导体基底的表面分别形成一第一微结构及一第二微结构，以容许第一像素区对于第一光源的反射率低于第二像素区对于该第一光源的反射率。
本发明能改善像素之间的串音，提高光吸收效率和量子效率。
附图说明
图1绘示出传统图像传感装置剖面图；
图2绘示出根据本发明实施例的具有微结构的图像传感装置剖面图；及
图3A至图3C绘示出根据本发明不同实施例的像素区内微结构设计平面图。
上述附图中的附图标记说明如下。
公知技术：
10～图像传感装置；100～硅基底；100a、100b、100c、100d～像素区；101～光转换装置；102～中间层；104～彩色滤光片阵列；106～微透镜阵列。
实施例：
20～图像传感装置；200～硅基底；200a、200b、200c、200d～像素区；201～光转换装置；202～中间层；203a、203b、203c、203d～微结构；204～彩色滤光片阵列；206～微透镜阵列；303～岛状物；s～岛状物间距；w～岛状物宽度
具体实施方式
以下说明本发明实施例的制作与使用。然而，本发明所提供的实施例仅用于说明以特定方法制作及使用本发明，并非用以局限本发明的范围。
请参照图2，其绘示出根据本发明实施例的具有微结构的图像传感装置。图像传感装置20包括：一半导体基底200，其具有像素区，用以在其上形成像素阵列。为了简化附图及说明，此处仅以四个像素区200a、200b、200c及200d表示之。在本实施例中，半导体基底200可为一硅块材(bulk)基底或其他半导体基底，包括：硅、锗、碳或其组合。再者，每一像素可包含一光转换装置201，例如光电二极管，其设置于半导体基底200内所对应的像素区200a、200b、200c或200d，用以接收具有特定波长的光源并产生对应照射于其上的光强度的一电子信号。
一中间层202设置于半导体基底200上。中间层202可为一单层或多层结构。在本实施例中，中间层202可为一多层结构。举例而言，其包括一层间介电(interlayer dielectric，ILD)层/金属层间介电(intermetal dielectric，IMD)层以及位于其上的钝化保护(passivation)层或平坦(planarization)层，其中ILD/IMD层中包括互连线(未绘示)，以在装置与像素之间以及像素阵列与其周边电路(未绘示)之间形成电性连接。为了简化附图，仅以一平坦的中间层202表示之。再者，中间层202可包括氧化硅、氮化硅或其组合。
一彩色滤光片阵列204，设置于中间层202上。一微透镜阵列206设置于中间层202上方的彩色滤光片阵列204上。微透镜阵列206包括多个微透镜对应配置于像素阵列中的像素。须注意的是虽然图2中的中间层202设置于半导体基底200与彩色滤光片阵列204之间，然而在其他实施例中，如背侧受光型的图像传感装置，中间层202亦可设置于半导体基底200的下方。
在本实施例中，位于各个像素区200a、200b、200c及200d内的光转换装置201用于接收不同波长的光源。特别的是对应于各个像素区200a、200b、200c及200d内的光转换装置201的半导体基底200表面分别具有微结构203a、203b、203c及203d。这些微结构203a、203b、203c及203d可分别包括由半导体基底200所构成的多个岛状物303。这些微岛状物303可有效降低入射光的反射，借以增加半导体基底200对于光的吸收。因此，入射至每一像素/光转换装置201的光强度得以维持或增加。
再者，在本实施例中，微结构203a、203b、203c及203d可容许各个像素区200a、200b、200c及200d对于相同光源的反射率彼此不同。特别的是，例如，像素区200a内的光转换装置201用于接收一第一光源(例如，蓝光)，而其他各个像素区200b、200c及200d内的光转换装置201分别用于接收不同于第一光源的一第二光源、一第三光源及一第四光源。微结构203a容许像素区200a对于第一光源的反射率低于像素区200b、200c及200d对于第一光源的反射率。同样地，微结构203b容许像素区200b对于第二光源的反射率低于像素区200a、200c及200d对于第二光源的反射率，其他则以此类推。另外，微结构203a可容许像素区200a对于第一光源的反射率接近或相同于像素区200a对于第二、第三或第四光源的反射率。同样地，微结构203b可容许像素区200b对于第二光源的反射率接近或相同于像素区200b对于第一、第三或第四光源的反射率，其他则以此类推。
图3A至图3C绘示出根据本发明不同实施例的像素区内微结构设计。请参照图3A，微结构的多个岛状物303形成于像素尺寸为1.4微米的像素区内，且排列成3×3阵列。需注意的是岛状物303的数量取决于设计需求，而并未限定于图3A所示的范例。在一实施例中，每一岛状物303的上视轮廓为矩形，如图3A所示。再者，微结构203a的每一岛状物303的宽度w不同于其他微结构203b、203c及203d的每一岛状物303的宽度。表1列出具有两种不同岛状物宽度的微结构的半导体基底表面以及不具有微结构的半导体基底表面进行对于红光、绿光及蓝光的反射率测量，结果如下：
表1
如表1所示，相较于不具有微结构的半导体基底表面，具有微结构的半导体基底表面可有效降低反射率。再者，接收特定光源的像素区内微结构的最佳岛状物宽度w可取决于相关的反射率。举例而言，由于微结构的岛状物宽度为0.2微米对于蓝光的反射率相同于对于绿光的反射率，且低于对于红光的反射率，因此具有岛状物宽度为0.2微米的微结构优选形成于接收青绿(cyan)光(红光的补色光)的像素区内。另外，由于微结构的岛状物宽度为0.25微米对于红光的反射率接近于对于绿光的反射率，且低于对于蓝光的反射率，因此具有岛状物宽度为0.25微米的微结构优选形成于接收黄光(蓝光的补色光)的像素区内。
在另一实施例中，每一岛状物303的上视轮廓为矩形，如图3A所示。再者，微结构203a的岛状物间距s不同于其他微结构203b、203c及203d的岛状物间距。表2列出具有两种不同岛状物间距的微结构的半导体基底表面进行对于红光、绿光及蓝光的反射率测量，结果如下：
表2
如表2所示，接收特定光源的像素区内微结构的最佳岛状物间距s可取决于相关的反射率。举例而言，微结构的岛状物间距为0.35微米对于蓝光的反射率低于对于红光及绿光的反射率。因此，具有岛状物间距为0.35微米的微结构优选形成于接收蓝光的像素区内，以获得优于形成于接收红光或绿光的像素区内的光吸收效率。另外，具有岛状物间距为0.38微米的微结构优选形成于接收红光的像素区内。
在一实施例中，形成于接收不同光源的像素区内的微结构的岛状物可具有不同的俯视轮廓。举例而言，岛状物可为圆形(如图3B所示)或是方形及六边形等。同样地，接收特定光源的像素区内微结构的最佳岛状物的上视轮廓可取决于相关的反射率。在另一实施例中，形成于接收不同光源的像素区内的微结构的岛状物303可具有彼此不同的岛状物排列。图3C绘示出一岛状物排列范例，其中为结构中至少两列的岛状物303具有不同的岛状物排列。同样地，接收特定光源的像素区内微结构的最佳岛状物的排列可取决于相关的反射率。
请参照图2，图像传感装置20可由下列步骤制造而成。首先，提供一半导体基底200，其具有像素区200a、200b、200c及200d。在本实施例中，半导体基底200可为一硅块材(bulk)基底或其他半导体基底，包括：硅、锗、碳或其组合。进行下一步骤，通过习之装转换装置的制造技术，在半导体基底200的各个像素区200a、200b、200c及200d内形成一光转换装置201，以吸收各个光源(未绘示)。在本实施例中，特别的是在光转换装置201的制造期间，通过对半导体基底200的表面依序进行光刻工艺及蚀刻工艺，以在对应于各个光转换装置201的半导体基底200的表面上分别形成微结构203a、203b、203c及203d，其容许各个像素区200a、200b、200c及200d对于相同的光源具有彼此不同的反射率。如之前所述，特别是微结构203a、203b、203c及203d的其中一个容许像素区200a、200b、200c或200d对于一特定光源的反射率低于其他像素区对于相同光源的反射率。另外，微结构203a、203b、203c及203d的其中一个容许像素区200a、200b、200c或200d对于一特定光源的反射率接近或相同于同一像素区对于另一特定光源的反射率。
根据上述实施例，由于每一像素区具有一微结构形成于半导体基底的表面，因此可有效降低反射率以改善光吸收效率。除此之外，由于高光吸收效率，故可缩短半导体内的光学路径而改善像素之间的串音。亦即，可增加图像传感装置的信号信噪比(SNR)及光敏性。再者，由于采用光刻及蚀刻工艺来形成微结构，故可轻易完成所要的微结构设计。亦即，在像素阵列中每一像素都可获得最佳的光吸收效率或量子效率。
虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但其并非用以限定本发明，任何所属技术领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围以所附的权利要求所界定的范围为准。
Claims (13)
1.一种图像传感装置，包括：
一半导体基底，具有一第一像素区及一第二像素区；
一第一光转换装置，设置于该半导体基底的该第一像素区内，以接收一第一光源；以及
一第二光转换装置，设置于该半导体基底的该第二像素区内，以接收不同于该第一光源的一第二光源；
其中对应于该第一光转换装置及该第二光转换装置的该半导体基底的表面分别具有一第一微结构及一第二微结构，以容许该第一像素区对于该第一光源的反射率低于该第二像素区对于该第一光源的反射率。
2.如权利要求1所述的图像传感装置，其中该第一微结构及该第二微结构容许该第二像素区对于该第二光源的反射率低于该第一像素区对于该第二光源的反射率。
3.如权利要求1所述的图像传感装置，其中该第一微结构容许该第一像素区对于该第二光源的反射率相同于该第一像素区对于该第一光源的反射率。
4.如权利要求1所述的图像传感装置，其中该第二微结构容许该第二像素区对于该第二光源的反射率相同于该第二像素区对于不同于该第一光源及该第二光源的一第三光源的反射率。
5.如权利要求1所述的图像传感装置，其中该第一微结构及该第二微结构分别包括由该半导体基底所构成的多个岛状物，每一所述岛状物的俯视轮廓为矩形，且该第一微结构的所述多个岛状物的宽度不同于该第二微结构的所述多个岛状物的宽度。
6.如权利要求1所述的图像传感装置，其中该第一微结构及该第二微结构分别包括由该半导体基底所构成的多个岛状物，且该第一微结构的所述多个岛状物的间距不同于该第二微结构的所述多个岛状物的间距。
7.一种图像传感装置的制造方法，包括：
提供一半导体基底，其具有一第一像素区及一第二像素区；
在该半导体基底的该第一像素区内形成一第一光转换装置，以接收一第一光源；以及
在该半导体基底的该第二像素区内形成一第二光转换装置，以接收不同于该第一光源的一第二光源；
其中对应于该第一光转换装置及该第二光转换装置的该半导体基底的表面分别形成一第一微结构及一第二微结构，以容许该第一像素区对于该第一光源的反射率低于该第二像素区对于该第一光源的反射率。
8.如权利要求7所述的图像传感装置的制造方法，其中该第一微结构及该第二微结构通过对该半导体基底的表面依序进行光刻工艺及蚀刻工艺所形成。
9.如权利要求7所述的图像传感装置的制造方法，其中该第一微结构及该第二微结构容许该第二像素区对于该第二光源的反射率低于该第一像素区对于该第二光源的反射率。
10.如权利要求7所述的图像传感装置的制造方法，其中该第一微结构容许该第一像素区对于该第二光源的反射率相同于该第一像素区对于该第一光源的反射率。
11.如权利要求7所述的图像传感装置的制造方法，其中该第二微结构容许该第二像素区对于该第二光源的反射率相同于该第二像素区对于不同于该第一光源及该第二光源的一第三光源的反射率。
12.如权利要求7所述的图像传感装置的制造方法，其中该第一微结构及该第二微结构分别包括由该半导体基底所构成的多个岛状物，每一所述岛状物的俯视轮廓为矩形，且该第一微结构的所述多个岛状物的宽度不同于该第二微结构的所述多个岛状物的宽度。
13.如权利要求7所述的图像传感装置的制造方法，其中该第一微结构及该第二微结构分别包括由该半导体基底所构成的多个岛状物，且该第一微结构的所述多个岛状物的间距不同于该第二微结构的所述多个岛状物的间距。
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