CN104701329A - 半导体感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半导体感测装置。半导体感测装置包括多个像素以及一相位光栅结构(phase grating structure)。相位光栅结构设置于该些像素上，相位光栅结构具有多个周期性排列图案(periodically arranged patterns)。

Description

半导体感测装置

技术领域

本发明内容涉及一种半导体感测装置，且特别是涉及一种具有可调变外观颜色的半导体感测装置。

背景技术

由于生物识别资讯(biometric information)相较于传统采用使用者代号与密码的方式具有更高的可靠性，因此将指纹感测器应用于使用者认证上已经越来越普及，且指纹感测器也已经应用于各种可携式电子装置，例如是手机和平板电脑等。另一方面，对于可携式电子装置的外观设计要求也已提高。

因此，设计者们无不致力于开发一种指纹感测器，不仅可以适于安装于可携式电子装置中，尚可以使可携式电子装置保有令消费者喜爱的外观设计。

发明内容

本发明内容有关于一种半导体感测装置。实施例中，半导体感测装置中的相位光栅结构(phase grating structure)具有多个周期性排列图案并设置于像素上，据此，经由改变相位光栅结构的周期性排列图案的设计，而能够调变半导体感测装置的外观颜色。

根据本发明内容的一实施例，提出一种半导体感测装置。半导体感测装置包括多个像素以及一相位光栅结构(phase grating structure)。相位光栅结构具有多个周期性排列图案(periodically arranged patterns)并设置于像素上。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：

附图说明

图1为本发明内容的一实施例的半导体感测装置的示意图；

图2～图8为本发明内容的一些实施例的相位光栅结构的俯视示意图；

图9～图10为本发明内容的一些实施例的相位光栅结构的立体示意图；

图11A～图11B为本发明的一实施例的一种半导体感测装置的制造方法示意图。

符号说明

100：半导体感测装置

110：平坦层

120：钝化层

130：盖氧化层

140、153、157、1140、1140’：氮化物层

150：保护层

151、155、1130、1130’：氧化层

260、360、460、560、660、760、860、1060：相位光栅结构

261、361、461、561、661、761、861：第一区

263、363、463、563、663、763、863：第二区

761c、861c：凹洞

1061：膜层

1063：通道

1065：开口

1110、1110’：基板

D1～D7、S：尺寸

H1、H2：高度

P：像素

具体实施方式

在此发明内容的实施例中，提出一种半导体感测装置。实施例中，半导体感测装置中的相位光栅结构具有多个周期性排列图案并设置于像素上，据此，经由改变相位光栅结构的周期性排列图案的设计，而能够调变半导体感测装置的外观颜色。然而，实施例及对应附图仅用以作为范例说明，并不会限缩本发明欲保护的范围。并且，附图及发明说明中具有相同标号的元件为相同。此外，需注意的是，附图上的尺寸比例并非一定按照实际产品等比例绘制，因此并非作为限缩本发明保护范围之用。然而，实施例仅用以作为范例说明，并不会限缩本发明欲保护的范围。此外，实施例中的附图省略部分要的元件，以清楚显示本发明的技术特点。

请参照图1，其绘示本发明内容的一实施例的半导体感测装置100的示意图。半导体感测装置100包括多个像素P以及一相位光栅结构。相位光栅结构具有多个周期性排列图案并设置于像素P上。

实施例中，半导体感测装置100可以是指纹感测器或互补式金属氧化物半导体影像感测器(CMOS image sensor)，皆包括像素阵列及具有可调变的外观颜色。举例而言，半导体感测装置100可以是电容硅式(capacitance silicontype)指纹感测器或射频场式(RF field type)指纹感测器。

相位光栅结构的周期性排列图案使得半导体感测装置100具有特定的外观颜色。特别地，重复的周期性排列图案具有周期性，此重复性与周期性使得覆盖周期性排列图案的半导体感测装置100具有均匀一致的外观颜色。根据本发明内容的一些实施例，经由改变相位光栅结构的周期性排列图案的设计，可以调变半导体感测装置100的外观颜色。周期性排列图案的叙述及实施例会在本文后面段落搭配附图说明。

如图1所示，半导体感测装置100还可包括一平坦层110，平坦层110形成于像素P上。实施例中，平坦层110例如是旋涂式玻璃层。

半导体感测装置100还可包括一钝化层120、一盖氧化层(recap oxidelayer)130以及一氮化物层140。实施例中，钝化层120形成于平坦层110上，盖氧化层130形成于钝化层120上，氮化物层140形成于盖氧化层130上。钝化层120由氧化物制成，例如是氧化硅。氮化物层140例如是由氮化硅制成。对钝化层120进行化学机械研磨制作工艺之后，其上表面可能会形成微刮痕，盖氧化层130形成于微刮痕上可以提高平坦化的效果。实施例中，钝化层120的高度例如是约13千埃()，氮化物层140的高度例如是约7千埃。

一实施例中，周期性排列图案可以形成于钝化层120、盖氧化层130及氮化物层140的至少其中之一之中。也就是说，周期性排列图案可以制作于钝化层120、盖氧化层130及/或氮化物层140的结构中。在制作工艺中，周期性排列图案可以和钝化层120、盖氧化层130及/或氮化物层140一起制作，或者是在钝化层120、盖氧化层130及/或氮化物层140形成之后再制作。

如图1所示，半导体感测装置100还可包括一保护层150。保护层150形成于像素P上。实施例中，保护层150形成于氮化物层140上以对半导体感测装置100提供更进一步的保护。实施例中，保护层150可以包括堆叠的至少一氧化层及至少一氮化物层。本实施例中，如图1所示，保护层150包括堆叠的二氧化层151、155及二氮化物层153、157。氧化层151、155例如是由氧化硅制成，氮化物层153、157例如是由氮化硅制成。实施例中，氧化层(151、155)的高度例如是大约10千埃，氮化物层(153、157)的高度例如是大约50千埃。然而，氧化层及氮化物层的高度及数量可以依照实际应用做适当选择，并不以前述高度及数量为限。

一实施例中，周期性排列图案可以形成于保护层150中。也就是说，根据本发明的实施例，周期性排列图案可以形成于上述的氧化层151、155及氮化物层153、157的至少其中之一之中。

于一些实施例中，相位光栅结构的周期性排列图案彼此对齐并具有一致的尺寸及形状。周期性排列图案可以是多边形图案、圆形图案、椭圆形图案、条状图案、空心形图案、格状图案或锯齿状图案。然而，周期性排列图案的形状可以依照实际应用做适当选择，并不以前述形状为限。

于一些实施例中，周期性排列图案还可包括至少两组不同的周期性图案。也就是说，这些不同组的周期性图案可能具有不同的尺寸和/或形状，尽管如此，各个组中的周期性图案仍然具有重复性、周期性并具有一致的尺寸及形状。这些具有不同组的周期性图案可以以多种方式组合以形成相位光栅结构，而不同的组合方式可产生不同的外观颜色。换言之，根据调整不同的多组周期性图案的结构组合方式，可以调变半导体感测装置100的外观颜色。此外，由于该些至少两组不同的周期性图案具有不同的结构，因此也具有不同的折射率。实务上，不同的周期性图案的组合方式可以依照实际应用做适当选择，只要其构成的相位光栅结构可使半导体感测装置100具有一特定均匀一致的外观颜色即可。

一实施例中，像素的尺寸S可以大约是60微米x60微米，而周期性排列图案的尺寸可以大约是1～2.5微米。因此，相较于像素的尺寸，周期性排列图案的小尺寸使得半导体感测装置100，例如是指纹感测器或CMOS影像感测器，其感测功能并不会受到相位光栅结构的影响。

一实施例中，周期性排列图案具有一高度，周期性排列图案的尺寸例如是图案的宽度、长度或直径，而周期性排列图案的高度相对于其尺寸的比例大约为1:1。举例来说，当周期性排列图案的尺寸例如是1～2.5微米，则周期性排列图案的高度可以是1～2.5微米。然而，周期性排列图案的高度和尺寸可以依照实际应用做适当选择，并不以前述高度和尺寸为限。于一些实施例中，相位光栅结构可具有一可调变的高度，可用以调变半导体感测装置100的外观颜色。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举相位光栅结构的一些实施例作详细说明如下。请参照图2～图8，其绘示依照本发明内容的一些实施例的相位光栅结构的俯视示意图。

如图2所示，相位光栅结构260具有由多个凸起物(protrusions)构成的一第一区261以及由多个凹陷(indentations)构成的一第二区263。于一些实施例中，周期性排列图案可以是指第一区261的凸起物或第二区263的凹陷。如图2所示，本实施例中，以第二区263的凹陷作为周期性排列图案为例，该些凹陷为多边形图案，该些多边形凹陷彼此对齐并具有一致的尺寸及形状，且凹陷的尺寸D1约为1～2.5微米。

再者，由于凹陷部分会填入一上覆层(overlying layer)，而上覆层与相位光栅结构是由不同材料所制成，因此第一区261的折射率和第二区263的折射率不同。举例而言，请参考图1，当相位光栅结构260制作于氧化层151中时，也就是说凸起物是由氧化层151制成，而相位光栅结构260的凹陷则填入上覆的氮化物层153。如此一来，第一区261由氧化层151形成，而第二区263由氮化物层153形成，则第一区261的凸起物和第二区263的凹陷具有不同的折射率。

另一实施例中，如图2所示的第一区261的突起物以及第二区263的凹陷的结构配置也可以彼此互换(未绘示)。如此一来，本实施例中，第一区的突起物便成为周期性排列图案，且该些突起物是多边形图案、彼此对齐并具有一致的尺寸及形状。

如图3所示，相位光栅结构360具有由多个凸起物构成的一第一区361以及由多个凹陷构成的一第二区363。本实施例的相位光栅结构360与前述实施例的相位光栅结构260的不同之处在于，相位光栅结构360的周期性排列图案为四方形图案，而相位光栅结构260的周期性排列图案为六角形图案。本实施例中，周期性排列图案的尺寸D2例如是四方形凹陷的宽度。其余与前述实施例相似之处不再赘述。

如图4所示，相位光栅结构460具有由多个凸起物构成的一第一区461以及由多个凹陷构成的一第二区463。本实施例与前述实施例的不同之处在于，相位光栅结构460的周期性排列图案为条状图案，周期性排列图案的尺寸D3例如是条状凹陷的宽度。其余与前述实施例相似之处不再赘述。

如图5所示，相位光栅结构560具有由多个凸起物构成的一第一区561以及由多个凹陷构成的一第二区563。本实施例与前述实施例的不同之处在于，相位光栅结构560的周期性排列图案为锯齿状图案，周期性排列图案的尺寸D4例如是指锯齿凹陷的长度。其余与前述实施例相似之处不再赘述。

如图6所示，相位光栅结构660具有由多个凸起物构成的一第一区661以及由多个凹陷构成的一第二区663。本实施例与前述实施例的不同之处在于，相位光栅结构660的周期性排列图案为第一区661的凸起物，该些凸起物为圆形图案，周期性排列图案的尺寸D5例如是圆形凸起物的直径。其余与前述实施例相似之处不再赘述。

如图7所示，相位光栅结构760具有由多个凸起物构成的一第一区761以及由多个凹陷构成的一第二区763。本实施例与前述实施例的不同之处在于，相位光栅结构760的周期性排列图案为第一区761的凸起物，该些凸起物为空心形图案，且周期性排列图案的尺寸D6例如是空心形凸起物的直径。第一区761的各个空心形凸起物中间的凹洞761c的深度以及第二区763的凹陷的深度可以是相同或不同。本实施例的其余与前述实施例相似之处不再赘述。

如图8所示，相位光栅结构860具有由多个凸起物构成的一第一区861以及由多个凹陷构成的一第二区863。本实施例与前述实施例的不同之处在于，相位光栅结构860的周期性排列图案为各个具有多个凹洞861c的空心形凸起物，且周期性排列图案的尺寸D7例如是空心形凸起物的宽度。第一区861的空心形凸起物的凹洞861c的深度以及第二区863的凹陷的深度可以是相同或不同。本实施例的其余与前述实施例相似之处不再赘述。

图9～图10绘示依照本发明内容的一些实施例的相位光栅结构的立体示意图。于一些实施例中，相位光栅结构的周期性排列图案具有不规则的高度。举例而言，如图9所示，周期性排列图案例如可以是多个棱镜，彼此对齐并具有一致的尺寸及形状，且高度H1不同于高度H2。然而，棱镜仅作为具有不规则的高度的一个实施例，周期性排列图案的结构可以依照实际应用做适当变化，并不以前述结构为限。

于一些实施例中，相位光栅结构可以是有多个孔洞或多个通道的一膜层，该些孔洞或该些通道为相位光栅结构的周期性排列图案。举例而言，如图10所示，相位光栅结构1060是一膜层1061，具有多个通道1063位于膜层1061之中以及多个格状的开口1065位于膜层1061的上表面。通道1063周期性地彼此对齐并具有一致的尺寸及形状。开口1065周期性地彼此对齐并具有一致的尺寸及形状。于其他实施例中，相位光栅结构可以是有多个孔洞或多个通道的一膜层，同时也并具有不规则的高度。

如图10所示的结构仅为根据本发明内容的一实施例的具有多个孔洞或多个通道的相位光栅结构。事实上，只要孔洞或通道是周期性地排列在三维的相位光栅结构中，相位光栅结构的细部结构便可以有多种更动与变形。举例而言，具有周期性排列图案的仿生结构(biomimetic architecture)也可以是本发明内容的相位光栅结构的一种变形实施方式，例如是蝴蝶的翅膀结构，其复杂结构包括由脊状物的网状结构及交叉的肋条构成的多个周期性排列的圆柱型渠道。

图11A～图11B绘示依照本发明的一实施例的一种半导体感测装置的制造方法示意图。如图11A所示，提供一基板1110，形成一氧化层1130于基板1110上，以及形成一氮化物层1140于氧化层1130上。基板1110可选择性地包括多个像素、一平坦层及一钝化层(未绘示)。

如图11B所示，相位光栅结构制作于基板1110’、氧化层1130’及氮化物层1140’中。值得注意的是，如图11B中所示的相位光栅结构仅用于示意，并非代表其实际的结构。表1列出采用如图2～图8所示的相位光栅结构260～860的设计以制作图11B中的相位光栅结构后，如图11B所示的半导体感测装置呈现的外观颜色结果。

表1

相位光栅结构	外观颜色
		相位光栅结构260(图2)	深红
相位光栅结构360(图3)	带蓝色的深红

相位光栅结构460(图4)	蓝色
		相位光栅结构560(图5)	灰色
相位光栅结构660(图6)	带绿色的橘色
		相位光栅结构760(图7)	橘色
相位光栅结构860(图8)	绿色

如表1所示，经由改变相位光栅结构的周期性排列图案的设计，可以改变半导体感测装置的外观颜色。再者，根据表1所示的结果，类似的设计会产生类似的外观颜色。举例来说，相位光栅结构260和相位光栅结构360的周期性排列图案具有类似的结构配置，两者之间主要的差异在于图案的形状；因此，两者呈现的外观颜色分别是红色与带蓝色的深红色，彼此是类似的。因此，根据本发明内容的实施例，可明显看出，可以经由系统化地改变相位光栅结构的周期性排列图案的设计，以调变半导体感测装置的外观颜色。

更进一步来说，根据本发明内容的实施例，用以调变半导体感测装置的外观颜色的相位光栅结构可以于一个步骤中制作完成，且具有高精准度，并不需要进行多次制作工艺步骤(例如是多次沉积步骤)以形成多层膜，才能够达到呈现特定外观颜色的效果。因此，半导体感测装置的制作工艺步骤可以简化，整体制作工艺的精准度也可提升。

综上所述，虽然已结合以上较佳实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (18)

1.一种半导体感测装置，包括：

多个像素；以及

相位光栅结构(phase grating structure)，设置于该些像素上，该相位光栅结构具有多个周期性排列图案(periodically arranged patterns)。

2.如权利要求1所述的半导体感测装置，其中该些周期性排列图案的尺寸是1～2.5微米(μm)。

3.如权利要求1所述的半导体感测装置，其中该相位光栅结构具有由多个凸起物(protrusions)构成的一第一区以及由多个凹陷(indentations)构成的一第二区，该些周期性排列图案是该些凸起物或该些凹陷。

4.如权利要求3所述的半导体感测装置，其中该第一区的折射率与该第二区的折射率不同。

5.如权利要求1所述的半导体感测装置，其中该些周期性排列图案具有不规则的高度。

6.如权利要求1所述的半导体感测装置，其中该些周期性排列图案还包括至少两组不同的周期性图案。

7.如权利要求1所述的半导体感测装置，其中该些周期性排列图案具有一高度，该高度相对于该些周期性排列图案的尺寸的比例约为1:1。

8.如权利要求1所述的半导体感测装置，其中该些周期性排列图案是多边形图案、圆形图案、椭圆形图案、条状图案、空心形图案、格状图案或锯齿状图案。

9.如权利要求1所述的半导体感测装置，其中该些周期性排列图案是彼此对齐并具有一致的尺寸及形状。

10.如权利要求1所述的半导体感测装置，还包括一平坦层，形成于该些像素上。

11.如权利要求10所述的半导体感测装置，还包括：

钝化层，形成于该平坦层上；

盖氧化层，形成于该钝化层上；以及

氮化物层，形成于该盖氧化层上。

12.如权利要求11所述的半导体感测装置，其中该些周期性排列图案形成于该钝化层、该盖氧化层、及该氮化物层的至少其中之一中。

13.如权利要求1所述的半导体感测装置，还包括一保护层，形成于该些像素上。

14.如权利要求13所述的半导体感测装置，其中该些周期性排列图案形成于至少该保护层中。

15.如权利要求13所述的半导体感测装置，其中该保护层包括堆叠的至少一氧化层及至少一氮化物层。

16.如权利要求1所述的半导体感测装置，其中该些像素具有约60微米x60微米的一尺寸。

17.如权利要求1所述的半导体感测装置，其中该相位光栅结构为具有多个孔洞或多个通道的一膜层，该些孔洞或该些通道为该些周期性排列图案。

18.如权利要求1所述的半导体感测装置，其中该相位光栅结构的高度可调变，以调变该半导体感测装置的外观颜色。