CN106169487B - 影像感测装置、cis结构及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种影像感测装置、CIS结构及其形成方法，CIS结构包括一透光结构、围绕透光结构的一反射结构、以及设置于透光结构一侧的一微透镜。反射结构包括围绕透光结构的一第一反射层、围绕第一反射层的一第二反射层、以及围绕第二反射层的一第三反射层。第一、第二、第三反射层分别具有折射率N1、N2、N3，其中N1>N2>N3。本发明通过具有不同折射率的多层反射结构，当光线穿过微透镜进入影像感测装置时，其可被反射且引导至光电二极管，因此可达到高光敏性。
Description
技术领域
本发明涉及一种CIS结构(CMOS Image Sensor)。更具体地来说，本发明关于一种影像感测装置、具有反射结构的CIS结构及其形成方法。
背景技术
随着光电产品诸如数字相机或具有影像拍摄功能的手机逐渐普及化，影像感测装置的需求也与日俱增。影像感测装置用于接收一光学信号并且将前述光学信号转换成电子信号。在生成及处理电子信号之后，便可产生一数字影像。一般来说，影像感测装置可分为两种主要类型：一者为电荷耦合器件(charge－coupled device,CCD)，而另一者为互补式金氧半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)装置。
影像感测装置通常包括一像素阵列。每一阵列包括一光电二极管(photodiode)，用以提供对应照射于光传感器的光强度的一信号。在传统的技术中，与彩色滤光片阵列(透光结构)连结的微透镜阵列对应地设置于影像感测装置的像素阵列上方。彩色滤光片阵列容许像素聚集具有特定波长的光线。
然而，即便使用了微透镜阵列，大量的入射光线仍未能有效地导入光电二极管，故影像感测装置的光敏性(photosensitivity)会因而降低。
发明内容
本发明提供一种影像感测装置、CIS结构及其形成方法，以解决入射光线不能有效导入二极管使得影像感测装置的光敏性降低的技术问题。
为了解决前述问题点，本发明一实施例提供一种CIS结构，包括一透光结构、围绕前述透光结构的一反射结构、以及设置于前述透光结构的一侧的一微透镜。反射结构包括围绕透光结构的一第一反射层、围绕第一反射层的一第二反射层、以及围绕第二反射层的一第三反射层。第一、第二、第三反射层分别具有折射率N1、N2、N3，其中N1>N2>N3。
本发明一实施例还提供一种影像感测装置，包括一第一CIS结构和邻近第一CIS结构的一第二CIS结构，其中第一CIS结构包括一第一透光结构、围绕第一透光结构的一反射结构、以及设置于第一透光结构上的一第一微透镜。反射结构包括围绕第一透光结构的一第一反射层、围绕第一反射层的一第二反射层、以及围绕第二反射层的一第三反射层。第一、第二、第三反射层分别具有折射率N1、N2、N3，其中N1>N2>N3。第二CIS结构包括直接连接至前述反射结构的一第二透光结构和设置于第二透光结构上的一第二微透镜。
本发明一实施例还提供一种CIS结构的形成方法，包括形成一第一折射率层；形成一第二折射率层于第一折射率层的上；形成一第三折射率层于第二折射率层之上；蚀刻第三折射率层以形成一容纳空间；形成一透光结构于容纳空间内；以及设置一微透镜在透光结构上，其中第三、第二、第一折射率层围绕透光结构并分别具有折射率N1、N2、N3，且N1>N2>N3。
基于上述技术方案可知，本发明的技术效果在于：通过具有不同折射率的多层反射结构，当光线穿过微透镜进入影像感测装置时，其可被反射且引导至光电二极管，因此可达到高光敏性。
附图说明
图1A为表示本发明一实施例的CIS结构示意图。
图1B为表示图1A所示的CIS结构的仰视图。
图2为表示光线如何穿过微透镜进入CIS结构并抵达光电二极管的示意图。
图3A为表示本发明另一实施例的CIS结构示意图。
图3B为表示本发明另一实施例的CIS结构示意图。
图4A为表示本发明另一实施例的CIS结构示意图。
图4B为表示本发明另一实施例的CIS结构示意图。
图5A～5I为表示本发明一实施例中在基板上形成CIS结构的各步骤剖视图。
图6A～6G为表示本发明另一实施例中在基板上形成CIS结构的各步骤剖视图。
图7A～7E为表示本发明另一实施例中在基板上形成CIS结构的各步骤剖视图。
图8A～8G为表示本发明另一实施例中在基板上形成CIS结构的各步骤剖视图。
图9为表示本发明一实施例的影像感测装置局部示意图。
图10A、10B为表示本发明一实施例中CIS结构设置于选定的光电二极管上的示意图。
图11A、11B为表示本发明另一实施例中CIS结构设置于选定的光电二极管上的示意图。
附图标记说明：
100、100’、100” 微透镜
100A 第一微透镜
100B 第二微透镜
200、200’、200” 透光结构
200A 第一透光结构
200B 第二透光结构
300、300’、300”、300A、300A’ 反射结构
301 第一层交界面
302 第二层交界面
303 第三层交界面
304 上部分
305 下部分
310、310’、310”、310A、310A’ 第一反射层
320、320’、320”、320A、320A’ 第二反射层
330、330’、330”、330A、330A’ 第三反射层
331” 第四反射层
340、340A 第一保护层
350、350A 第二保护层
600 低折射率层(第一折射率层)
610 第一凹槽
700 中折射率层(第二折射率层)
710 第二凹槽
720 第二沟槽
800 高折射率层(第三折射率层)
820 第一沟槽
A 有效区域
B 基板
C1 第二CIS结构
C2 现有CIS结构
D、D1、D2 宽度
L 光线
M 主透镜
R 容纳空间
S、S’ 光电二极管
具体实施方式
以下说明本发明实施例的CIS结构。然而，可轻易了解本发明实施例提供许多合适的发明概念而可实施于广泛的各种特定背景。所公开的特定实施例仅仅用于说明以特定方法使用本发明，并非用以局限本发明的范围。
请参阅图1A和图1B，本发明一实施例的CIS结构主要包括一微透镜100、一透光结构200以及一反射结构300。反射结构300围绕前述透光结构200，且微透镜100设置于透光结构200的顶侧(图1A)。
如图1A、1B所示，反射结构300共有五层，包括一第一反射层310、一第二反射层320、一第三反射层330、一第一保护层340以及一第二保护层350。在本实施例中，第一反射层310围绕前述透光结构200，第二反射层320围绕第一反射层310，第三反射层330围绕第二反射层320，第一保护层340围绕第三反射层330，且第二保护层350围绕第一保护层340，以形成一同心结构。当光线进入CIS结构，穿过微透镜100至透光结构200时，第一、第二、第三反射层310、320、330可用于反射及限制光线于透光结构200内，因此光电二极管接收的能量可提升。此外，第一、第二保护层340、350可用于避免外部光线经由反射结构300侵入透光结构200，因此光干扰(light cross-talk)可减少。
特别的是，第一、第二、第三反射层310、320、330分别具有折射率N1、N2、N3，且N1>N2>N3。在本实施例中，透光结构200的折射率大于第一反射层310的折射率N1。第一反射层310和第二保护层350可使用相同材料并在相同制造步骤中形成。同样的，第二反射层320和第一保护层340可使用相同材料并在相同制造步骤中形成。
如图2所示，前述CIS结构可被设置于具有光电二极管S的基板B上。当光线L穿过微透镜100进入CIS结构时，其可被反射结构300在透光结构200和第一反射层310之间的第一层交界面301、第一反射层310和第二反射层320之间的第二层交界面302、以及第二反射层320和第三反射层330之间的第三层交界面303所反射。应注意的是，具有多个层交界面的CIS结构相较于具有单一层交界面的CIS结构可将光线反射较多次，故透光结构200可捕捉较多能量。此外，由于透光结构200的折射率大于第一、第二、第三反射层310、320、330的折射率N1、N2、N3(N1>N2>N3)，故绝大多数的光线L可被反射至光电二极管S。因此，光线的损失将减少，并可达到高光敏性。
在本实施例中，透光结构200可包括一彩色滤光片(color filter)或一干净滤光片(clear filter)。第一、第二、第三反射层310、320、330和第一、第二保护层340、350可包含聚氧化乙烯(polyethylene oxide,PEOX)。折射率N1可介于1.44～1.50(例如1.46)，折射率N2可介于1.30～1.43(例如1.41)，而折射率N3可介于1.10～1.29(例如1.21)。
请参阅图3A，在另一实施例中，第三反射层330埋设于反射结构300的上部分304，且前述上部分304邻近微透镜100。第一反射层310和第二保护层350具有折射率N1，第二反射层320和第一保护层340具有折射率N2，第三反射层330具有折射率N3，且N1>N2>N3。请参阅图3B，在另一实施例中，第三反射层330埋设于反射结构300的下部分305，且前述下部分305邻近基板B。同样的，第一反射层310和第二保护层350具有折射率N1，第二反射层320和第一保护层340具有折射率N2，第三反射层330具有折射率N3，且N1>N2>N3。
于图2所示的CIS结构相较于图3A、3B所示的CIS结构在减低光干扰和提升能量方面具有较佳的效果。然而，图3A、3B所示的CIS结构可通过简化的工艺形成，且与现有的CIS结构相比仍具有较佳的效果。此外，第三反射层330的位置可根据光线L进入透光结构200的入射角而选择。
反射结构在水平方向可具有三层或多于三层的反射层，且具有较多反射层的反射结构比起具有较少反射层的反射结构会具有较佳的效能。请参阅图4A，在另一实施例中，CIS结构包括一微透镜100’、一透光结构200’、以及一反射结构300’。微透镜100’设置于透光结构200’的一侧，而反射结构300’围绕透光结构200’。反射结构300’具有三层反射层，包括围绕透光结构200’的一第一反射层310’、围绕第一反射层310’的一第二反射层320’、以及围绕第二反射层320’的一第三反射层330’。第一、第二、第三反射层310’、320’、330’分别具有折射率N1、N2、N3，且N1>N2>N3。如图4A所示，本实施例中的CIS结构可反射光线三次。请参阅图4B，在另一实施例中，CIS结构包括一微透镜100”、一透光结构200”、以及一反射结构300”。微透镜100”设置于透光结构200”的一侧，而反射结构300”围绕透光结构200”。反射结构300”具有四层反射层，包括围绕透光结构200”的一第一反射层310”、围绕第一反射层310”的一第二反射层320”、围绕第二反射层320”的一第三反射层330”、以及围绕第三反射层330”的一第四反射层331”。第一、第二、第三、第四反射层310”、320”、330”、331”分别具有折射率N1、N2、N3、N4，且N1>N2>N3>N4。如图4B所示，本实施例中的CIS结构可反射光线四次。因为图4B所示的CIS结构可反射光线的次数大于图4A所示的CIS结构，故其可产生较佳的效果。
如前述实施例所述，反射结构300具有至少三层，且距离透光结构200较近的层的折射率大于距离透光结构200较远的折射率。
请参阅图5A～5H，本发明一实施例提供一种CIS结构的形成方法，前述CIS结构形成于一基板B上。首先，一低折射率层600(第一折射率层，具有一折射率N3)形成于基板B上且位于光电二极管S之上(图5A)，接着，对应于光电二极管S的一第一凹槽610通过蚀刻前述低折射率层600而形成(图5B)。其后，一中折射率层700(第二折射率层，具有一折射率N2)形成于基板B和低折射率层600上(图5C)，且对应于前述第一凹槽610的一第二凹槽710通过蚀刻中折射率层700接着形成(图5D)。第一凹槽610的宽度D1大于第二凹槽710的宽度D2。
接着，一高折射率层800(第三折射率层，具有一折射率N1，且N1>N2>N3)形成于基板B和中折射率层700上(图5E)，且对应于前述第二凹槽710的一容纳空间R通过蚀刻前述高折射率层800而形成(图5F)。第二凹槽710的宽度D2大于容纳空间R的宽度D。接下来，一透光结构200形成于容纳空间R中(图5G)，且透光结构200、高、中、低折射率层800、700、600可被裁切(图5H)以形成一同心结构。最后，微透镜100设置于透光结构200上(图5I)。因此，在图5I中两条虚线之间的有效区域A内的高、中、低折射率层800、700、600可形成如图1A所示的第一、第二、第三反射层310、320、330。另外，图5I中的中、高折射率层700、800在虚线外的外侧部分可形成如图1A所示的第一、第二保护层340、350。在本实施例中，低、中、高折射率层600、700、800和透光结构200可通过涂布或沉积形成。
请参阅图6A～6G，本发明另一实施例提供一种CIS结构的形成方法，前述CIS结构形成于一基板B上。于前述实施例类似(图5A～5I)，一低折射率层600(第一折射率层，具有折射率N3)形成于基板B上且位于光电二极管S之上(图6A)，接着，对应于光电二极管S的一第一凹槽610通过蚀刻前述低折射率层600而形成(图6B)。其后，一中折射率层700(第二折射率层，具有一折射率N2)形成于基板B和低折射率层600上(图6C)，且一高折射率层(第三折射率层，具有一折射率N1，且N1>N2>N3)随后形成于中折射率层700上(图6D)。
接着，对应于前述第一凹槽610的一容纳空间R可通过蚀刻中、高折射率层700、800而形成，第一凹槽610的宽度D1大于容纳空间R的宽度D(图6E)。接下来，一透光结构200形成于容纳空间R中(图6F)，且微透镜100可在未裁切高、中、低折射率层800、700、600的情况下直接设置于透光结构200(图6G)上以在基板B上形成CIS结构。因此，在图6G中两条虚线之间的有效区域A内的高、中、低折射率层800、700、600可作为如图1A所示的第一、第二、第三反射层310、320、330。另外，图6G中的中、高折射率层700、800在虚线外的外侧部分可作为如图1A所示之第一、第二保护层340、350。在本实施例中，低、中、高折射率层600、700、800和透光结构200可通过涂布或沉积形成。
请参阅图7A～7E，本发明另一实施例提供一种CIS结构的形成方法，前述CIS结构形成于一基板B上。首先，一高折射率层800(第三折射率层，具有一折射率N1)形成于基板B上且位于光电二极管S之上(图7A)，且对应于光电二极管S的一容纳空间R通过蚀刻高折射率层800而形成(图7B)。前述高折射率层800包括感光材料。接下来，一中折射率层700(第二折射率层，具有一折射率N2)和一低折射率层600(第一折射率层，具有一折射率N3，且N1>N2>N3)通过一曝光工艺而形成(图7C)，且中折射率层700和低折射率层600的折射率可被曝光能量(exposure energy)所控制。
随后，一透光结构200形成于容纳空间R中(图7D)，且微透镜100设置于透光结构200上(图7E)。因此，在图7E中两条虚线之间的有效区域A内的高、中、低折射率层800、700、600可作为如图1A所示的第一、第二、第三反射层310、320、330。另外，图7E中的中、高折射率层700、800在虚线外的外侧部分可作为如图1A所示的第一、第二保护层340、350。在本实施例中，高折射率层800和透光结构200可通过涂布或沉积形成。
请参阅图8A～8G，本发明另一实施例提供一种CIS结构的形成方法，前述CIS结构形成于一基板B上。首先，一高折射率层800(第三折射率层，具有一折射率N1)形成于基板B上且位于光电二极管S之上(图8A)，且一容纳空间R和一第一沟槽820通过蚀刻前述高折射率层800而形成(图8B)。第一沟槽820围绕容纳空间R。其后，一中折射率层700(第二折射率层，具有一折射率N2)形成于第一沟槽820中(图8C)，且围绕前述容纳空间R的一第二沟槽720通过蚀刻中折射率层700而形成(图8D)。
接下来，一低折射率层600(第一折射率层，具有一折射率N3，且N1>N2>N3)形成于第二沟槽720中(图8E)。一透光结构200随后形成于容纳空间R中(图8F)，且微透镜100设置于透光结构200上(图8G)以形成CIS结构。因此，在图8G中两条虚线之间的有效区域A内的高、中、低折射率层800、700、600可作为如图1A所示的第一、第二、第三反射层310、320、330。另外，图8G中的中、高折射率层700、800在虚线外的外侧部分可作为如图1A所示的第一、第二保护层340、350。在本实施例中，低、中、高折射率层600、700、800和透光结构200可通过涂布或沉积形成。
图9为表示本发明一实施例的影像感测装置的局部示意图。多个图1A、1B所示的CIS结构在主透镜M和具有多个光电二极管S的基板B之间排列成矩阵。应注意的是，于一些实施例中，图3A、3B、4A、4B、6G、7E、8G所示的CIS结构也可应用于影像感测装置中。
前述CIS结构可设置于单一像素、捉捕特殊光线的一些像素、或是影像感测装置的整个像素阵列上。如图10A、10B所示，在本实施例中，具有一第一微透镜100A、一第一透光结构200A以及一反射结构300A的一第一CIS结构(与图2所示的CIS结构相同)设置于具有一选定的光电二极管S的一特定像素上，具有一第二微透镜100B和一第二透光结构200B的第二CIS结构C1设置于具有光电二极管S’的像素上，且一现有CIS结构C2设置于具有另一光电二极管(未图示)的像素上。反射结构300A包括第一、第二、第三反射层310A、320A、330A以及第一、第二保护层340A、350A。第一反射层310A和第二保护层350A具有折射率N1，第二反射层320A和第一保护层340A具有折射率N2，第三反射层330A具有折射率N3，且N1>N2>N3。因此，进入第一透光结构200A的光线可被多次反射至选定的光电二极管S，特定像素的敏感度可被改善。
如图10B所示，由于第二CIS结构C1的第二透光结构200B直接连接第一CIS结构的反光结构300A，进入第二透光结构200B的光线亦可在右侧被多次反射至光电二极管S’。相反的，进入第二透光结构200B的光线在其他侧仅会被反射一次(例如图10B所示的第二CIS结构C1的左侧)。此外，如图10A所示，由于现有CIS结构C2并未贴附第一CIS结构，对应于现有CIS结构C2的光电二极管被单层所围绕，进入现有CIS结构C2的光线仅会被反射一次。因此，光线反射至光电二极管的量可通过设置不同的CIS结构于不同的光电二极管上而调整。
图11A、11B为表示本发明另一实施例的影像感测装置。反射结构300A’仅具有三层，包括具有折射率N1的一第一反射层310A’、具有折射率N2的一第二反射层320A’、以及具有折射率N3的一第三反射层330A’，且N1>N2>N3。虽然图10A、10B所示的反射结构300A相较于第11A、11B图所示的反射结构300A’多了两层，但两种架构皆可达到对特定像素敏感度的改善。
综上所述，本发明提供一种影像感测装置及其CIS结构。通过具有不同折射率的多层反射结构，当光线穿过微透镜进入影像感测装置时，其可被反射且引导至光电二极管，因此可达到高光敏性。
虽然本发明以前述的实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的变动与润饰。因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。
Claims (10)
1.一种CIS结构，其特征在于，包括：
一透光结构；
一反射结构，围绕该透光结构，包括：
一第一反射层，围绕该透光结构且具有折射率N1；
一第二反射层，围绕该第一反射层且具有折射率N2；
一第三反射层，围绕该第二反射层且具有折射率N3，其中N1>N2>N3；以及
一第二保护层，围绕该第三反射层，其中该第二保护层和该第一反射层由相同材料形成；以及
一微透镜，设置于该透光结构的一侧。
2.如权利要求1所述的CIS结构，其特征在于，该透光结构的折射率大于该第一反射层的折射率N1，该第一反射层的折射率N1介于1.44～1.50，该第二反射层的折射率N2介于1.30～1.43，且该第三反射层的折射率N3介于1.10～1.29。
3.如权利要求1所述的CIS结构，其特征在于，该反射结构还包括一第一保护层，围绕该第三反射层，其中该第一保护层和该第二反射层由相同材料形成。
4.如权利要求3所述的CIS结构，其特征在于，该第二保护层围绕该第一保护层。
5.如权利要求1所述的CIS结构，其特征在于，该第三反射层埋设于该反射结构的一上部分，其中该上部分邻近该微透镜。
6.如权利要求1所述的CIS结构，其特征在于，该第三反射层埋设于该反射结构的一下部分，其中该下部分邻近一基板。
7.一种影像感测装置，其特征在于，包括：
一第一CIS结构，包括：
一第一透光结构；
一反射结构，围绕该第一透光结构，包括：
一第一反射层，围绕该第一透光结构且具有折射率N1；
一第二反射层，围绕该第一反射层且具有折射率N2；
一第三反射层，围绕该第二反射层且具有折射率N3，其中N1>N2>N3；以及
一第二保护层，围绕该第三反射层，其中该第二保护层和该第一反射层由相同材料形成；以及
一第一微透镜，设置于该第一透光结构上；以及
一第二CIS结构，邻近该第一CIS结构，且该第二CIS结构包括：
一第二透光结构，直接连接该反射结构；以及
一第二微透镜，设置于该第二透光结构上。
8.如权利要求7所述的影像感测装置，其特征在于，该反射结构还包括一第一保护层和一第二保护层，该第一保护层围绕该第三反射层，且该第二保护层围绕该第一保护层，其中该第一保护层和该第二反射层具有相同的折射率N2，且该第二保护层和该第一反射层具有相同的折射率N1，该第二透光结构贴附于该第二保护层。
9.一种CIS结构的形成方法，其特征在于，包括：
形成一第一折射率层；
形成一高折射率层，其中该高折射率层包括感光材料；
蚀刻该高折射率层以形成一容纳空间；
通过一曝光工艺形成围绕该容纳空间的一中折射率层和一低折射率层，其中该低折射率层位于该中折射率层上；
形成一透光结构于该容纳空间内；以及
设置一微透镜于该透光结构上，其中该高折射率层、该中折射率层、以及该低折射率层分别具有折射率N1、N2、N3，且N1>N2>N3。
10.一种CIS结构的形成方法，其特征在于，包括：
在一基板上形成一高折射率层；
蚀刻该高折射率层以形成一容纳空间和围绕该容纳空间的一第一沟槽；
在该第一沟槽中形成一中折射率层；
蚀刻该中折射率层以形成围绕该容纳空间的一第二沟槽；
在该第二沟槽中形成一低折射率层；
形成一透光结构于该容纳空间内；以及
设置一微透镜于该透光结构上，其中该高折射率层、该中折射率层、以及该低折射率层分别具有折射率N1、N2、N3，且N1>N2>N3。
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