CN108962923B - 滤光结构及影像感测器 - Google Patents

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Abstract

根据本发明一些实施例，提供一种滤光结构及影像感测器。滤光结构包含设置于基底上的第一滤光层，其在第一波段具有大于50％的穿透率，且第一滤光层为干涉型滤光膜。滤光结构也包含设置于基底上的第二滤光层，其在第二波段具有大于50％的穿透率，且第二滤光层为吸收型滤光膜。第一波段与第二波段部分重叠于第三波段，且第三波段位于红外线区。此外，本发明一些实施例亦提供用来作为时差测距影像感测器的影像感测器。

Description

滤光结构及影像感测器
技术领域
本发明涉及滤光结构，特别有关于将此滤光结构应用于时差测距(time-of-flight；ToF)影像感测器。
背景技术
目前，时差测距(ToF)技术已经广泛地在现代工业中使用，可通过互补式金属氧化半导体(complementary metal oxide semiconductor；CMOS)像素阵列与可调整的光源的结合来提供三维(three-dimensional；3D)影像。三维时差测距(3D ToF)摄影机已经在许多不同的应用中使用，例如已制成的商品的轮廓检查、电脑辅助设计(computer aideddesign；CAD)的验证、地理测量以及物体成像等。
三维时差测距(3D ToF)摄影机的运行是使用可调整的光源来照射景物，观测被景物反射的光线，测量在照射与反射之间的相位偏移，并且将此相位偏移转换成距离来实现三维时差测距。通常照射景物的可调整光源是来自于在约850nm的近红外光范围操作的固态激光或发光二极管，此照射景物的光线为人眼不可见，而影像感测器则设计成对与此可调整光源具有相同光谱的光线具有反应，使得影像感测器可以接收可调整光源照射景物后被反射的光线，并将反射光线的光子能量转变成电流，藉此得到景物的距离(深度)信息。
一般而言，在影像感测器的前面会设置滤光片，藉此让影像感测器所取得的距离(深度)信息具有优选的信号对噪声比(signal-to-noise ratio；SNR)。然而，传统的滤光片通常是由多层膜干涉技术制造而成，当大的倾斜角度的入射光线落在传统滤光片上时，总是会有蓝偏移(blue-shifting)现象发生在传统滤光片上，蓝偏移使得传统滤光片的光谱朝向较低波长的波段偏移。因此，采用传统滤光片的影像感测器需要额外设置具有0°或小的主光线角度(chief ray angle；CRA)的远心透镜(telecentric lens)，来克服大的倾斜角度的入射光线在传统滤光片上造成的蓝偏移。
发明内容
根据本发明一些实施例，提供一种滤光结构。滤光结构包含设置于基底上的第一滤光层，其在第一波段具有大于50％的穿透率，其中第一滤光层为干涉型滤光膜。滤光结构也包含设置于基底上的第二滤光层，其在第二波段具有大于50％的穿透率，其中第二滤光层为吸收型滤光膜。其中第一波段与第二波段部分重叠于第三波段，且第三波段位于红外线区。
根据本发明一些实施例，提供一种影像感测器。影像感测器包含具有光电二极管的基底。影像感测器也包含设置于基底上的第一滤光层，其在第一波段具有大于50％的穿透率，其中第一滤光层为干涉型滤光膜。影像感测器也包含设置于基底上的第二滤光层，其在第二波段具有大于50％的穿透率，其中第二滤光层为吸收型滤光膜。影像感测器还包含设置于基底上的聚光元件，其中第一波段与第二波段部分重叠于第三波段，且第三波段位于红外线区，且影像感测器用于时差测距影像感测器。
附图说明
本公开的各种样态最好的理解方式为阅读以下说明书的详说明并配合说明书附图。应该注意的是，本公开的各种不同特征部件并未依据工业标准作业的尺寸而绘制。事实上，为使说明书能清楚叙述，各种不同特征部件的尺寸可以任意放大或缩小。
图1A及图1B是依据本发明一些实施例，影像感测器的剖面图；
图2是依据一些实施例，说明滤光结构的第一滤光层和第二滤光层的光学特性的穿透率对波长的附图；
图3是依据一些实施例，说明滤光结构的第一滤光层和第二滤光层的光学特性的穿透率对波长的附图；
图4是依据一些实施例，说明滤光结构的第一滤光层和第二滤光层的光学特性的穿透率对波长的附图；
图5A及图5B是依据本发明一些实施例，影像感测器的剖面图；
图6A及图6B是依据本发明一些实施例，影像感测器的剖面图；
图7是依据本发明一些实施例，影像感测器的剖面图。
附图标记说明：
100～影像感测器；
110～基底；
120～光电二极管；
140～滤光结构；
141～第一滤光层；
142～第二滤光层；
150～微透镜层；
160～透镜模块；
170～间隔层；
180～玻璃层；
190～菲涅耳带片。
具体实施方式
以下针对本公开一些实施例的滤光结构及影像感测器作详细说明。应了解的是，以下的叙述提供许多不同的实施例或例子，用以实施本公开一些实施例的不同样态。以下所述特定的元件及排列方式仅为简单清楚描述本公开一些实施例。当然，这些仅用以举例而非本公开的限定。此外，在不同实施例中可能使用重复的标号或标示。这些重复仅为了简单清楚地叙述本公开一些实施例，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关连性。再者，当述及一第一材料层位于一第二材料层上或之上时，包括第一材料层与第二材料层直接接触的情形。或者，亦可能间隔有一或更多其它材料层的情形，在此情形中，第一材料层与第二材料层之间可能不直接接触。
此外，实施例中可能使用相对性的用语，例如“较低”或“底部”及“较高”或“顶部”，以描述附图的一个元件对于另一元件的相对关系。能理解的是，如果将附图的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“较低”侧的元件将会成为在“较高”侧的元件。
在此，“约”、“大约”、“大抵”的用语通常表示在一给定值或范围的20％之内，优选是10％之内，且优选是5％之内，或3％之内，或2％之内，或1％之内，或0。5％之内。在此给定的数量为大约的数量，亦即在没有特定说明“约”、“大约”、“大抵”的情况下，仍可隐含“约”、“大约”、“大抵”的含义。
能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种元件、组成成分、区域、层、及/或部分，这些元件、组成成分、区域、层、及/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的元件、组成成分、区域、层、及/或部分。因此，以下讨论的一第一元件、组成成分、区域、层、及/或部分可在不偏离本公开一些实施例的启示的情况下被称为一第二元件、组成成分、区域、层、及/或部分。
除非另外定义，在此使用的全部用语(包括技术及科学用语)具有与此篇公开所属的一般技艺者所通常理解的相同涵义。能理解的是，这些用语，例如在通常使用的字典中定义的用语，应被解读成具有与相关技术及本公开的背景或上下文一致的意思，而不应以一理想化或过度正式的方式解读，除非在本公开实施例有特别定义。
本公开一些实施例可配合附图1并理解，本公开实施例的附图亦被视为本公开实施例说明的一部分。需了解的是，本公开实施例的附图并未以实际装置及元件的比例示出。在附图中可能夸大实施例的形状与厚度以便清楚表现出本公开实施例的特征。此外，附图中的结构及装置是以示意的方式示出，以便清楚表现出本公开实施例的特征。
在本公开一些实施例中，相对性的用语例如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“之下”、“之上”、“顶部”、“底部”等等应被理解为该段以及相关附图中所示出的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运行。而关于接合、连接的用语例如“连接”、“互连”等，除非特别定义，否则可指两个结构是直接接触，或者亦可指两个结构并非直接接触，其中有其它结构设于此两个结构之间。且此关于接合、连接的用语亦可包括两个结构都可移动，或者两个结构都固定的情况。
值得注意的是，在后文中“基板”一词可包括透明基板上已形成的元件与覆盖在基底上的各种膜层，其上方可以已形成任何所需的晶体管元件，不过此处为了简化附图，仅以平整的基板表示之。
参阅图1A，图1A是依据本发明一些实施例，影像感测器100的剖面图。如图1A所示，影像感测器100包含基底110及形成于内部的光电二极管120。基底110可为半导体基板，例如硅基板。此外，上述半导体基板亦可为元素半导体，包括锗(germanium)；化合物半导体，包括碳化硅(silicon carbide)、砷化镓(gallium arsenide)、磷化镓(galliumphosphide)、磷化铟(indium phosphide)、砷化铟(indium arsenide)及/或锑化铟(indiumantimonide)；合金半导体，包括硅锗合金(SiGe)、磷砷镓合金(GaAsP)、砷铝铟合金(AlInAs)、砷铝镓合金(AlGaAs)、砷铟镓合金(GaInAs)、磷铟镓合金(GaInP)及/或磷砷铟镓合金(GaInAsP)或上述材料的组合。此外，基底110也可以是绝缘层上覆半导体(semiconductor on insulator)，且不限于此。
光电二极管120可设置于例如红色(R)像素、绿色(G)像素、蓝色(B)像素及红外线(IR)像素内。影像感测器100也可为前照式影像(front side image,FSI)感测器或背照式影像(back side image,BSI)感测器。
影像感测器100可还包含配线层(未示出)，其形成在基底110的表面上，且可包含多层的金属层及介电层。在一些实施例，影像感测器100亦可以是整合在单一影像感测器中的互补式金属氧化半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)影像感测器(CIS)。
在一些实施例，影像感测器100包含设置于基底110上的滤光结构140。滤光结构140包含第一滤光层141及设置于第一滤光层141上的第二滤光层142。在一些实施例，第一滤光层141为干涉型滤光膜，且第二滤光层142为吸收型滤光膜。第一滤光层141可为多重膜的滤光层，且可通过沉积制程、蚀刻制程及黄光制程形成。第二滤光层142可为由有机膜所形成的颜料滤光层。第二滤光层142可设置成单一滤光层、二层或更多滤光层。例如，第二滤光层142可由红色滤光层及位于其下方的蓝色滤光层堆迭所形成。
上述沉积制程包含物理气相沉积(physical vapor deposition,PVD)、化学气相沉积(chemical vapor deposition CVD)、溅镀、电阻热蒸发(resistive thermalevaporation)、电子束蒸发(electron beam evaporation)及其他可施行的方法，且不限于此。上述微影制程包含光致抗蚀剂涂布、软烤、掩模对准、曝光图案、后曝烤(post-exposurebaking)、光致抗蚀剂显影、清洗(rinsing)及干燥(例如，硬烤)等制程步骤，且不限于此。黄光制程也可被其他适合的方法取代，例如无遮罩黄光刻(maskless photolithography)、电子束写入(electron-beam writing)或离子束写入(ion-beam writing)。上述蚀刻制程可包含干蚀刻、湿蚀刻或其他适合的方法，且不限于此。
参阅图2，图2是依据一些实施例，说明滤光结构140的第一滤光层141和第二滤光层142的光学特性的穿透率对波长的附图。如图2所示，第一滤光层141允许让短波长的光穿透，且第二滤光层142允许让长波长的光穿透。此外，第一滤光层141在第一波段B1具有大于50％的穿透率，且第二滤光层142在第二波段B2具有大于50％的穿透率。
如图2所示，第一波段B1介于第一波长λ1与高于第一波长λ1的第二波长λ2之间。在一些实施例，第二波长λ2介于870nm-950nm之间，例如为900nm。第一波长λ1介于约400nm-820nm之间，例如720nm。另外，第二波段B2高于约800nm。
如图2所示，第一波段B1与第二波段B2部分重叠于一第三波段B3。第三波段B3位于红外线区(波长约大于780nm的波段属于红外线区)。在一些实施例，第三波段B3介于约800nm-900nm的范围间，亦即，整个第三波段B3都位于红外线区。在一些实施例，影像感测器100使用于时差测距(ToF)影像感测器，其检测位于红外线区的光的波长。因此，影像感测器100在可见光及近红外线区不必具有高穿透率的波段。换句话说，第一滤光层141在包含了可见光及近红外线区的波长400nm-1100nm的范围间，不必最佳化(亦即，使该段波长具有高穿透率)全部的波长。在一些实施例，第一滤光层141设计成在波长800nm-900的范围间最佳化(亦即，使800nm-900nm的范围间具有高穿透率，其他波段则没有高穿透率)。在一些实施例，如图2所示，第一滤光层141在第四波段B4具有小于约60％的穿透率，且第四波段B4介于约400nm-700nm之间，此外，在400nm-700nm的波段之间，部分的第四波段B4的穿透率小于50％。由于第一滤光层141不必使在400nm-1100nm这范围内全部的波段最佳化，因此可减少第一滤光层141的厚度。在一些实施例，第一滤光层141的厚度小于约3μm。在另一些实施例，第一滤光层141的厚度小于约2μm。
如图2所示，第三波段B3为窄波段，且第三波段的波峰位于约850nm。在此实施例，滤光结构140由一个干涉型滤光膜(例如，第一滤光层141)及一个吸收型滤光膜(例如，第二滤光层142)组成。由于吸收型滤光膜几乎不受光线的入射角度影响，因此避免了多层膜的干涉型滤光片会发生的蓝偏移现象。因此，采用本发明实施例所述的滤光结构140可以在大角度的倾斜入射光线照射在影像感测器100时，减少了多层膜干涉滤光片会发生的蓝偏移现象。此外，使用本发明实施例所述的滤光结构140也减少了影像感测器100的厚度。
回到图1A，影像感测器100还包含微透镜层150及透镜模块160。如图1A所示，微透镜层150设置于滤光结构140的上方，且透镜模块160设置于微透镜层150的上方。微透镜层150用来作为聚光元件，可增加光电二极管120收集光的效率。微透镜层150可通过例如上述的沉积制程、黄光制程及蚀刻制程形成。透镜模块160可包含多个透镜，且不限于此。
参阅图1B，图1B是依据本发明一些实施例，影像感测器100的剖面图。图1B的实施例及图1A的的实施例其中一个差异为：图1B实施例的第一滤光层141设置于第二滤光层142上方。在此实施例，第二滤光层142与基底110直接接触，且第一滤光层141位于第二滤光层142与微透镜层150之间。
参阅图3，图3是依据一些实施例，说明滤光结构100的第一滤光层141和第二滤光层142的光学特性的穿透率对波长的附图。如图3所示，第一波段B1介于第一波长λ1与高于第一波长λ1的第二波长λ2之间。在一些实施例，第二波长λ2介于约960nm-1040nm之间，例如970nm。第一波长λ1介于约400nm-910nm之间，例如910nm。第二波段B2高于约800nm。在此实施例，第三波段B3介于约910nm-970nm之间，且第三波段B3的波峰位于约940nm。在此实施例，第一滤光层141设计成在波长约900nm-1000nm的范围间最佳化。由于第一滤光层141不必在波长400nm-1100nm的范围间全部最佳化，因此可减少第一滤光层141的厚度。
参阅图4，图4是依据一些实施例，说明滤光结构100的第一滤光层141和第二滤光层142的光学特性的穿透率对波长的附图。图4的实施例及图3的实施例的其中一个差异为：图4的第二波段B2高于约900nm。在此实施例，由于第三波段B3欲设计成介于910nm-970nm的范围间，因此吸收型滤光膜(例如为第二滤光层142)不必在波长800nm-900nm的范围间最佳化。如图4所示，第二滤光层142在第五波段B5具有小于50％的穿透率。在一些实施例，第五波段B5介于约800nm-900nm的范围间。由于第二滤光层142在波长800nm-900nm的范围间不需要最佳化，因此，减低了第二滤光层142的厚度。因此，使用上述的第二滤光层142可具有较小的滤光结构140，而使得影像感测器100的尺寸更小。
参阅图5A，图5A是依据本发明一些实施例，影像感测器100的剖面图。在一些实施例，影像感测器100还包含间隔层170。如图5A所示，间隔层170设置于微透镜层150之上，且位第一滤光层141及第二滤光层142之间。在一些实施例，间隔层170的折射率小于微透镜层150的折射率。间隔层170可包含磷硅酸盐玻璃(phosphosilicate glass,PSG)、硼磷硅玻璃(borophosphosilicate glass,BPSG)、低介电常数(low-k)介电材料或其他适合的介电材料。低介电常数介电材料包含氟化石英玻璃(fluorinated silica glass,FSG)、碳掺杂氧化硅(carbon doped silicon oxide)、无定形氟化碳(amorphous fluorinated carbon)、聚对二甲苯(parylene)、对苯并环丁烯(bis-benzocyclobutenes,BCB)、聚亚酰胺(polyimide)、上述组合或其它适合的材料，且不限于此。另外，间隔层170可由化学气相沉积制程形成。化学气相沉积制程的例子可包含低压化学气相沉积(low pressure chemicalvapor deposition,LPCVD)、低温化学气相沉积(low temperature chemical vapordeposition,LTCVD)、快速化学气相沉积(rapid thermal chemical vapor deposition,RTCVD)、等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)，原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)以及其他适合的方法，且不限于此。在此实施例，间隔层170具有平坦的上表面，且第二滤光层142设置在此平坦的上表面上，且位于微透镜层150的上方。因此，形成间隔层170提供了更多制程步骤及方法的弹性以形成影像感测器100。
参阅图5B，图5B是依据本发明一些实施例，影像感测器100的剖面图。图5B的实施例及图5A的实施例的其中一个差异为：图5B的第一滤光层141设置于第二滤光层142的上方。在此实施例，第一滤光层141位于间隔层170的平坦的上表面上，且位于微透镜层150的上方。
参阅图6A，图6A是依据本发明一些实施例，影像感测器100的剖面图。在一些实施例，影像感测器100还包含玻璃层180。玻璃层180设置于微透镜层150上方，且位于第一滤光层141与第二滤光层142之间。在此实施例，第二滤光层142与玻璃层180直接接触。影像感测器100可通过整合具有第一滤光层141的基底110及具有第二滤光层142的玻璃层180而形成。在此实施例，形成玻璃层180提供了更多制程步骤及方法的弹性以形成影像感测器100。
参阅图6B，图6B是依据本发明一些实施例，影像感测器100的剖面图。图6B的实施例及图6A的实施例的其中一个差异为：第一滤光层141设置于第二滤光层142的上方。在此实施例，第一滤光层141设置于玻璃层180及微透镜层150上方。此外，第一滤光层141与玻璃层180直接接触。影像感测器100可通过整合具有第二滤光层142的基底110及具有第一滤光层141的玻璃层180而形成。在此实施例，形成玻璃层180提供了更多制程步骤及方法的弹性以形成影像感测器100。
参阅图7，图7是依据本发明一些实施例，影像感测器100的剖面图。在一些实施例，影像感测器100的微透镜层150被如图7所示的菲涅耳带片(Fresnel zone plate,FZP)190所取代。如图7所示，影像感测器100包含位于滤光结构140上方的菲涅耳带片190。菲涅耳带片190可作为聚光元件，以将光线聚焦。菲涅耳带片190的操作原理是利用光的绕射。当光击中菲涅耳带片190，光将绕射，且此绕射的光会在焦点处形成建设性干涉，使得影像产生。如图7所示，菲涅耳带片190由多重的环191形成，每一个环具有不同的半径。从上视图看，菲涅耳带片190是由一组具有不同半径且对称的环191所组成。和微透镜层150相比，菲涅耳带片190具有较低的厚度。因此，使用菲涅耳带片190来取代微透镜层150，可更进一步减低影像感测器100的尺寸。
在一些实施例，如第1A、1B、5A、5B、6A及6B图所示的微透镜层150可使用如图7所示的菲涅耳带片190来取代，通过使用具有较小厚度的菲涅耳带片190，可进一步减低影像感测器100的尺寸。
依据本发明的一些实施例，提供一种滤光结构，此滤光结构由一个允许让短波长穿透的干涉型滤光膜及一个允许让长波长穿透的吸收型滤光膜所构成。由于吸收型滤光膜几乎不受光线的入射角度影响，可避免了多层膜干涉型滤光片会发生的蓝偏移现象。因此，使用本发明实施例的滤光结构可减少蓝偏移现象。此外，由于本发明实施例所述的影像感测器(例如时差测距影像感测器(ToF))是仅用来检测位于红外线区的波长的光，因此可不必最佳化位于可见光区及近红外光区的波长的穿透率。因此，使用本发明实施例所述的干涉型滤光层的厚度，可减少滤光结构的厚度，藉此形成尺寸更小的影像感测器。
以上叙述许多实施例的特征，使所属技术领域中技术人员能够清楚理解本公开的概念。所属技术领域中技术人员能够理解，其可利用本发明公开内容作为基础，以设计或变动其他制程及结构而完成相同于上述实施例的目的及/或达到相同于上述实施例的优点。所属技术领域中技术人员亦能够理解，不脱离本公开的构思和范围的等效构造可在不脱离本公开的构思和范围内作各种的变动、替代与润饰。

Claims (10)

1.一种滤光结构，包括：
一第一滤光层，设置于一基底上，在一第一波段具有大于50％的穿透率，其中该第一滤光层为一干涉型滤光膜；以及
一第二滤光层，设置于该基底上，在一第二波段具有大于50％的穿透率，其中该第二滤光层为一吸收型滤光膜；
其中该第一波段与该第二波段部分重叠于一第三波段，且该第三波段位于一红外线区。
2.如权利要求1所述的滤光结构，其中该第三波段介于800nm-900nm之间，该第一波段介于一第一波长及高于该第一波长的一第二波长之间，该第二波长介于870nm-950nm之间，且该第二波段高于800nm。
3.如权利要求1所述的滤光结构，其中该第三波段介于910nm-970nm之间，该第一波段介于一第一波长及高于该第一波长的一第二波长之间，且该第二波长介于960nm-1040nm之间。
4.如权利要求1所述的滤光结构，其中该第二波段高于800nm或高于900nm。
5.如权利要求1所述的滤光结构，其中该第一滤光层设置于该第二滤光层上方或该第二滤光层设置于该第一滤光层上方。
6.如权利要求1所述的滤光结构，其中该第一滤光层在一第四波段具有小于60％的穿透率，且该第四波段介于400nm-700nm之间。
7.一种影像感测器，包括：
一基底，具有一光电二极管；
一第一滤光层，设置于该基底上，在一第一波段具有大于50％的穿透率，其中该第一滤光层为一干涉型滤光膜；
一第二滤光层，设置于该基底上，在一第二波段具有大于50％的穿透率，其中该第二滤光层为一吸收型滤光膜；以及
一聚光元件，设置于该基底上，
其中该第一波段与该第二波段部分重叠于一第三波段，且该第三波段位于一红外线区，且该影像感测器用于一时差测距影像感测器。
8.如权利要求7所述的影像感测器，还包括：
一间隔层，设置于该聚光元件上，其中该间隔层的折射率小于该聚光元件的折射率。
9.如权利要求7所述的影像感测器，还包括：
一玻璃层，设置于该聚光元件上，且位于该第一滤光层与该第二滤光层之间，其中该第一滤光层与该第二滤光层的其中一者与该玻璃层直接接触。
10.如权利要求7所述的影像感测器，其中该聚光元件由一微透镜层或一菲涅耳带片所形成。
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