CN117810235A - 影像传感器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种影像传感器，包括：感测单元组；设置于感测单元组内的彩色滤光层；以及设置对应彩色滤光层的介电结构和超颖表面(metasurface)。超颖表面包括：多个周边纳米柱(peripheral nanopost)，从上视图来看，分别位于感测单元组的多个角；被周边纳米柱包绕的中心纳米柱(central nanopost)；以及横向地围绕周边纳米柱和中心纳米柱的填充材料。从上视图来看，中心纳米柱由感测单元组的中心点位移(offset)一距离。

Description

影像传感器
技术领域
本公开是关于一种影像传感器，特别是关于影像传感器的超颖表面(metasurface)。
背景技术
影像传感器，如互补式金属氧化物半导体影像传感器(complementary metaloxide semiconductor image sensor,CIS)，被广泛地运用在影像拍摄设备中，如数字静止影像相机、数字摄影相机、以及其他类似设备。影像传感器的光感测部可检测环境中的色彩变化，并可根据光感测部接收到的光量产生信号电荷。此外，可传输并放大在光感测部中所产生的信号电荷，从而获得影像信号。
传统上，可设计超颖表面以将入射光的颜色分开。可通过光的绕射或折射特性分开入射波长，而可依据超颖表面的折射率和形状调整被分开的波长的传输方向。可引导被分开的波长至对应的感测单元以便被接收。当影像传感器纳入超颖表面时，影像传感器的彩色滤光层可大多仅接收所想要的颜色(由于先前通过上方的超颖表面分开入射波长)。然而，由于感测单元的尺寸持续的缩小，针对超颖表面采用光的绕射和折射特性达到充足的波长分离变得越来越有挑战性。因此，需要通过影像传感器的设计和制造来解决这些相关问题。
发明内容
影像传感器，如互补式金属氧化物半导体影像传感器(complementary metaloxide semiconductor image sensor,CIS)，被广泛地运用在影像拍摄设备中，如数字静止影像相机、数字摄影相机、以及其他类似设备。影像传感器的光感测部可检测环境中的色彩变化，并可根据光感测部接收到的光量产生信号电荷。此外，可传输并放大在光感测部中所产生的信号电荷，从而获得影像信号。
传统上，可设计超颖表面以将入射光的颜色分开。可通过光的绕射或折射特性分开入射波长，而可依据超颖表面的折射率和形状调整被分开的波长的传输方向。可引导被分开的波长至对应的感测单元以便被接收。当影像传感器纳入超颖表面时，影像传感器的彩色滤光层可大多仅接收所想要的颜色(由于先前通过上方的超颖表面分开入射波长)。然而，由于感测单元的尺寸持续的缩小，针对超颖表面采用光的绕射和折射特性达到充足的波长分离变得越来越有挑战性。因此，需要通过影像传感器的设计和制造来解决这些相关问题。
附图说明
以下将配合所附附图详述本公开的实施例。值得注意的是，依据在业界的标准做法，各种特征并未按照比例绘制。事实上，可任意地放大或缩小各种组件的尺寸，以清楚地表现出本公开实施例的特征。
图1是根据本公开的一些实施例，影像传感器的透视图。
图2是根据本公开的一些实施例，影像传感器的上视图。
图3是根据本公开的一些实施例，影像传感器的剖面示意图。
图4是根据本公开的其他实施例，影像传感器的上视图。
其中附图标记说明如下：
10:影像传感器
20:影像传感器
100A:感测单元组
100A-C:中心点
100A-L:左感测单元
100A-R:右感测单元
100B:感测单元组
100B-C:中心点
100B-L:左感测单元
100B-R:右感测单元
100C:感测单元组
100C-C:中心点
100D:感测单元组
100D-C:中心点
102:基底
104:感测部
106:深沟槽隔离结构
108:抗反射层
112:彩色滤光层
112T:顶部
114:网格结构
116:遮光结构
130:介电结构
140:超颖表面
142:填充材料
144:纳米结构
144A:周边纳米柱
144B:中心纳米柱
A-A’:线段
Dx-A:水平偏移
Dx-B:水平偏移
Dx-C:水平偏移
Dx-D:水平偏移
Dy-A:垂直偏移
Dy-B:垂直偏移
Dy-C:垂直偏移
Dy-D:垂直偏移
S:尺寸
具体实施方式
以下公开提供了许多不同的实施例或范例，用于实施本发明的不同部件。组件和配置的具体范例描述如下，以简化本公开实施例。当然，这些仅仅是范例，并非用以限定本公开实施例。举例来说，叙述中提及第一部件形成于第二部件之上，可包括形成第一和第二部件直接接触的实施例，也可包括额外的部件形成于第一和第二部件之间，使得第一和第二部件不直接接触的实施例。
应理解的是，额外的操作步骤可实施于所述方法之前、之间或之后，且在所述方法的其他实施例中，部分的操作步骤可被取代或省略。
此外，与空间相关用词，例如“在…下方”、“下方”、“较低的”、“在…上方”、“上方”、“较高的”和类似用语可用于此，以便描述如图所示一组件或部件和其他组件或部件之间的关系。这些空间用语企图包括使用或操作中的装置的不同方位，以及附图所述的方位。当装置被转至其他方位(旋转90°或其他方位)，则在此所使用的空间相对描述可同样依旋转后的方位来解读。
在本公开实施例中，“约”、“大约”、“大抵”之用语通常表示在一给定值或范围的±20％之内、或±10％之内、或±5％之内、或±3％之内、或±2％之内、或±1％之内、或甚至±0.5％之内。在此给定的数量为大约的数量。也就是说，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”之含义。
除非另外定义，在此使用的全部用语(包括技术及科学用语)具有与本领域技术人员所通常理解的相同涵义。应能理解的是，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中有特别定义。
以下所公开之不同实施例可能重复使用相同的参考符号及/或标记。这些重复系为了简化与清晰的目的，并非用以主导所讨论的各种实施例及/或结构之间的关系。
为了回应持续缩小的像素尺寸，每个像素的光量接收及像素之间的光量接收均匀度已经成为关键的考虑因素。在影像传感器的较小像素中提升光量接收的一个方法为并入一组感测单元(如相位差自动对焦(phase difference auto focus,PDAF)像素)。根据本公开的一些实施例，当光被这组内的每个感测单元均匀地接收时，影像传感器可显示统一颜色的影像。然而，若每个感测单元所接收的光不均匀时，则影像传感器会遭受色差(colorvariation)。感测单元组可检测和追踪整体组件的影像对焦，而感测单元组也允许通过所接收的信号判定颜色。举例来说，当光以倾斜角度入射时，其组内的其中一个感测单元可接收比另一个感测单元更大的光量，而基于感测单元之间的信号读取，可准确地判定入射光的方向。
在大自然中，光为各种波长的组合。传统的影像传感器可通过微透镜汇聚入射光。之后，将汇聚的光传输穿过下方的彩色滤光层。彩色滤光层可允许所想要的颜色传输，而可吸收不想要的颜色。尽管传统的影像传感器可确保所想要的颜色被对应的感测单元所接收，被吸收的其他颜色仍可代表一部分的光能量损失。当每组感测单元仅取得全部光能量的特定量时，影像传感器的量子效率(quantum efficiency,QE)可能会很难改善。每当量子效率不足时，装置则无法运用在低亮度的环境中(如夜视(night vision)设备)或移动车辆内的相机(如实时(real time)影像)。
本公开将超颖表面纳入感测单元组以取代传统的微透镜，并作为可见光的颜色路由(color router)。超颖表面包括纳米结构(如纳米柱或柱体)，其形成特定的相位分配，以针对不同的波长提供所需的相位分配。超颖表面引导不同的入射波长至所属的目标位置，也称为颜色路由。通过使用算法优化纳米结构的尺寸和节距(pitch)，不同的入射波长可分别被指向其对应的感测单元。相较于传统的方案，可减少光能量损失，从而提升量子效率。
当超颖表面被整合于一般的影像传感器时，超颖表面需要被设计成符合感测单元组的尺寸。举例来说，超颖表面可包括位于感测单元组的多个角的多个周边纳米柱(peripheral nanopost)、以及在感测单元组内被多个周边纳米柱包围的中心纳米柱(central nanopost)。当像素尺寸接近可见波长时，纳米结构尺寸的可用范围受到限制。由于要涵盖所有可见波长的2π相位是很困难的，使用传统方案的设计方法来实现颜色路由可能具有挑战性。除了调整纳米结构的尺寸之外，当中心纳米柱的位置偏移(shift)远离网网格线(grid line)或网格点(grid point)时(其定义感测单元)，可进一步操控相位分布。换言之，可通过优化中心纳米柱的放置来获得额外的自由度(degree of freedom,DOF)。相邻纳米柱之间的干扰允许创造每个颜色(或不同波长)所需的相位分布。结果是，一般影像传感器与具有创新配置的超颖表面之间的整合可达到更高的效率，以套用于更广泛的能源应用。
图1是根据本公开的一些实施例，影像传感器10的透视图。图2是根据本公开的一些实施例，影像传感器10的上视图。图3是根据本公开的一些实施例，影像传感器10的剖面示意图。应注意的是，图3为图2的线段A-A’所获得的剖面示意图。在一些实施例中，影像传感器实际上可能包含数百万个感测单元。为了简化起见，图1至图3仅显示了实际影像传感器的一部分。图1和图2中所示的影像传感器10，从上视图来看，包括排列成2×2数组的四组感测单元100A、100B、100C、和100D。根据本公开的一些实施例，感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D可构成像素。2×2数组的像素可周期性地排列成多个循环横越真实的影像传感器。
从影像传感器10的上视图来看(图2中示出)，感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D可各包括四个感测单元排列成2×2，如四象限光电二极管(quad photodiode,QPD)。在其他实施例中，感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D可各包括两个感测单元排列成1×2，如二象限光电二极管(dual photodiode,DPD)。举例来说，感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D可各对应m×n个光电转换部件，其中m与n可为相同或不同的正整数，但本公开实施例并不以此为限。为了例示性目的，图3所示的感测单元组100A和感测单元组100B皆包括一个左感测单元和一个右感测单元。特别是，感测单元组100A包括左感测单元100A-L和右感测单元100A-R，而感测单元组100B包括左感测单元100B-L和右感测单元100B-R。
应注意的是，如图1至图3所示，可依序设置介电结构130和超颖表面140对应感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D的每一个之内的彩色滤光层112。根据本公开的一些实施例，超颖表面140可包括填充材料142和纳米结构144。再者，纳米结构144可包括多个周边纳米柱144A和中心纳米柱144B。超颖表面140的特征将于下详述。如图3所示，可设置深沟槽隔离(deep trench isolation,DTI)结构106围绕每个左感测单元100A-L、右感测单元100A-R、左感测单元100B-L、以及右感测单元100B-R。换言之，深沟槽隔离结构106可作为定义左感测单元100A-L、右感测单元100A-R、左感测单元100B-L、以及右感测单元100B-R的每一个的尺寸的边界。
参照图1和图3，感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D可各包括多个感测部104和彩色滤光层112。多个感测部104和深沟槽隔离结构106可埋入于基底102内。在一些实施例中，基底102可为影像传感器10的所有感测单元所共享的单一结构。此外，可在基底102上设置抗反射层108。
在一些实施例中，基底102可为例如晶圆或晶粒，但本公开实施例并不以此为限。在一些实施例中，基底102可为半导体基底，例如硅(silicon,Si)基底。此外，在一些实施例中，半导体基底亦可为：元素半导体(elemental semiconductor)，包括锗(germanium,Ge)；化合物半导体(compound semiconductor)，包含氮化镓(gallium nitride,GaN)、碳化硅(silicon carbide,SiC)、砷化镓(gallium arsenide,GaAs)、磷化镓(gallium phosphide,GaP)、磷化铟(indium phosphide,InP)、砷化铟(indium arsenide,InAs)、及/或锑化铟(indium antimonide,InSb)；合金半导体(alloy semiconductor)，包含硅锗(silicongermanium,SiGe)合金、磷砷镓(gallium arsenide phosphide,GaAsP)合金、砷铝铟(aluminum indium arsenide,AlInAs)合金、砷铝镓(aluminum gallium arsenide,AlGaAs)合金、砷镓铟(gallium indium arsenide,GaInAs)合金、磷镓铟(gallium indiumphosphide,GaInP)合金、及/或砷磷镓铟(gallium indium arsenide phosphide,GaInAsP)合金；或其组合。在一些实施例中，基底102可为光电转换(photoelectric conversion)基底，如硅基底或有机光电转换层。
在其他实施例中，基底102也可以是绝缘层上半导体(semiconductor oninsulator,SOI)基底。绝缘层上半导体基底可包含底板、设置于底板上之埋入式氧化物(buried oxide,BOX)层、以及设置于埋入式氧化物层上之半导体层。此外，基底102可为N型或P型导电类型。
在一些实施例中，基底102可包括各种以如离子布植(ion implantation)及/或扩散工艺(diffusion process)所形成之P型掺杂区及/或N型掺杂区(未示出)。在一些实施例中，可在主动区(以深沟槽隔离结构106所定义)形成晶体管、光电二极管、或其他类似组件。
在一些实施例中，深沟槽隔离结构106可定义主动区，并电性隔离基底102之内或之上的主动区部件，但本公开实施例并不以此为限。在其他实施例中，可采用额外的隔离结构作为替代方案。浅沟槽隔离(shallow trench isolation,STI)结构和局部硅氧化(localoxidation of silicon,LOCOS)结构为其他隔离结构的范例。在一些实施例中，形成深沟槽隔离结构106可包括例如在基底102上形成绝缘层。通过光微影图案化和蚀刻，可形成沟槽延伸进入基底102中。光微影工艺可包括光阻涂布、软烤(soft baking)、曝光、曝光后烘烤、显影、其他类似技术、或其组合。蚀刻工艺可包括干蚀刻、湿蚀刻、其他类似方法、或其组合。
接着，可沿着沟槽顺应性地成长富含氮材料(如氧氮化硅(silicon oxynitride,SiON))的衬层。之后，通过任何合适的沉积工艺(如化学气相沉积(chemical vapordeposition,CVD)、高密度电浆化学气相沉积(high-density plasma chemical vapordeposition,HDP-CVD)、电浆辅助化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapordeposition,PECVD)、流动性化学气相沉积(flowable chemical vapor deposition,FCVD)、次大气压化学气相沉积(sub-atmospheric chemical vapor deposition,SACVD)、其他类似方法、或其组合)将绝缘材料(如二氧化硅(silicon dioxide,SiO2)、氮化硅(silicon nitride,SiN)、或氧氮化硅)填入沟槽中。然后，可对沟槽中的绝缘材料进行退火工艺，接着对基底102进行平坦化工艺(如化学机械研磨(chemical mechanical polish,CMP))以移除多余的绝缘材料，使沟槽中的绝缘材料与基底102的顶面齐平。
参照图3，在基底102中埋入多个感测部104。在一些实施例中，多个感测部104为光电二极管。配置每个感测部104用以感测光，并根据落在其上之光强度产生强度信号。通过强度信号形成影像信号。
参照图1和图3，可在基底102上设置抗反射层108。在一些实施例中，配置抗反射层108以减少传输至多个感测部104的光被反射。在一些实施例中，抗反射层108的设置是水平地对应于(或是平行相对于)感测部104的数组。在一些实施例中，抗反射层108的材料可包括氧氮化硅(SiOxNy，其中x和y系在0至1的范围)。可通过上述任何合适的沉积工艺形成抗反射层108。
如上所提及，感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D可各包括设置于抗反射层108上的彩色滤光层112。在一些实施例中，彩色滤光层112可包括多个单元，其可为红色、绿色、蓝色、青蓝色、洋红色、黄色、白色、透明(无色)、或红外线(infrared)。彩色滤光层112的每个单元可对应至影像传感器10的个别感测部104，而每个单元的颜色取决于感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D的个别需求。举例来说，感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D可分别为蓝色、绿色、绿色、以及红色，或更常被称为像素的拜尔图案(Bayerpattern)。如另一个范例，感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D可分别为青蓝色、洋红色、黄色、以及绿色。
如前面所提及，影像传感器10纳入超颖表面140以分开入射光的颜色，使得仅具有所欲波长的被分开的光可分别被感测单元接收。然而，实际上，超颖表面140不能确保波长的完全分开。因此，被分开的光仍可包括微量不想要的波长。彩色滤光层112的存在可能仍然是需要的，来确保微量不想要的波长被吸收，以消除任何潜在噪声。
在一些实施例中，彩色滤光层112的每个单元允许预定范围的光波长通过。举例来说，红色滤光单元允许在620nm至750nm范围的光波长(红光)传输至对应的感测部104，绿色滤光单元允许在495nm至570nm范围的光波长(绿光)传输至对应的感测部104，而蓝色滤光单元允许在450nm至495nm范围的光波长(蓝光)传输至对应的感测部104。
在一些实施例中，彩色滤光层112的高度可介于0.3μm和2.0μm之间。在特定的实施例中，彩色滤光层112的高度可大约为0.9μm。根据本公开的一些实施例，彩色滤光层112的每个单元的折射率可介于1.4和2.3之间。折射率系物质改变光速的特性，其为真空中的光速除以物质中的光速所获得的数值。当光在两个不同的材料之间以一个角度传播时，折射率决定了光传播(折射)的角度。
参照图3，彩色滤光层112可进一步包括顶部112T，由网格结构114凸出(其将于下详述)。根据本公开的一些实施例，彩色滤光层112的顶部112T为梯形，其上表面小于其下表面。应理解的是，可与上方的介电结构130和超颖表面140同时设计顶部112T的尺寸。在极端情况下，可将顶部112T的上表面扩大至与下表面具有相同的尺寸(其可呈现为矩形)，或者可将顶部112T的上表面收缩成尖端(其可呈现为三角形)。取决于影像传感器10的应用和设计需求，可增加或减少顶部112T的上表面。
个别感测部104(如光电二极管)可针对感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D的每一个将所接收的光信号转换成电信号。在一些实施例中，在同一组内的感测单元可具有相同颜色的单元。在一些实施例中，通过网格结构114将感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D彼此分隔开，其将于后详细解释。根据本公开的一些实施例，在抗反射层108上并在网格结构114所定义的空间中沉积彩色滤光层112。可通过一系列的涂布、曝光、和显影工艺形成彩色滤光层112。替代地，可通过喷墨印刷(ink-jet printing)形成彩色滤光层112。
参照图1和图3，在彩色滤光层112的一或多个单元之间设置网格结构114。举例来说，网格结构114的中线(未示出)可定义感测单元组100A和感测单元组100B的边界(图3中示出)。网格结构114可具有低于彩色滤光层112每个单元的折射率。根据本公开的一些实施例，网格结构114的折射率介于1.0和1.3之间。当入射光进入彩色滤光层112时，网格结构114可在特定单元内隔离光线以达到光阱(light-trapping)作用。
网格结构114的材料可包括透明介电材料。首先，在抗反射层108上涂布隔离材料层。接着，在隔离材料层上涂布硬屏蔽层(未示出)。在一些实施例中，硬屏蔽层的材料可为光阻。对硬屏蔽层进行光微影工艺以图案化。接着，通过使用图案化后的硬屏蔽层对隔离材料层进行蚀刻工艺。蚀刻工艺可为干蚀刻。在蚀刻工艺之后，在抗反射层108上移除一部分的隔离材料层，并在其中形成多个开口。如先前所提及，后续将以彩色滤光层112填入开口。
参照图3，在抗反射层108上介于感测单元组100A与感测单元组100B之间设置遮光结构116。在一些实施例中，遮光结构116埋入于网格结构114内。在一些实施例中，网格结构114的高度可大于或等于遮光结构116，取决于影像传感器10的设计需求。在一些实施例中，遮光结构116跨越感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D的边界。换言之，可将遮光结构116设置成由任意两个相邻感测单元所共享(例如右感测单元100A-R和左感测单元100B-L)。遮光结构116的配置可避免其中一个在彩色滤光层112所对应的单元下方的感测部104接收到来自不同颜色的相邻单元的额外光线，其可影响所接收信号的准确度。在本公开的一些实施例中，遮光结构116的高度可大约介于0.005μm和2.000μm之间。在一些实施例中，遮光结构116的材料可包括不透明金属(如钨(tungsten,W)、铝(aluminum,Al))、不透明金属氮化物(如氮化钛(titanium nitride,TiN))、不透明金属氧化物(如氧化钛(titanium oxide,TiO))、其他合适材料、或其组合，但本公开实施例并不以此为限。可通过在抗反射层108上沉积金属层，然后使用光微影和蚀刻工艺图案化金属层来形成遮光结构116，但本公开实施例并不以此为限。
参考图1和图3，可在彩色滤光层112上设置介电结构130。在一些实施例中，介电结构130可覆盖彩色滤光层112的顶部112T和网格结构114。根据本公开的一些实施例，介电结构130可针对不同绕射的光提供必要的传播路径以到达其个别目标。介电结构130的折射率大约介于1.0和1.6之间。再者，介电结构130的折射率显著地低于后续形成的纳米结构144的折射率。根据本公开的一些实施例，介电结构130的厚度可介于0.1μm和0.5μm之间，例如0.2μm。应理解的是，在理想情况下，介电结构130应尽可能保持在很小的厚度。介电结构130的尺寸可决定被分开的所想要的波长光的传播路径。因为更薄的介电结构130可需要较大的传播角度，被分开的个别波长光可更准确地朝指定目标传播。然而，当介电结构130的厚度设定得太小时，会使制作过程变得很困难。
在一些实施例中，介电结构130可为透明材料，包括例如氧化硅(silicon oxide,SiO)、氮化硅、碳化硅、碳氮化硅(silicon carbonitride,SiCN)、氧氮化硅、氧氮碳化硅(silicon oxynitrocarbide,SiOxNyC1-x-y，其中x和y系在0至1的范围)、四乙氧基硅烷(tetra ethyl ortho silicate,TEOS)、无掺杂硅酸玻璃、或掺杂氧化硅(如硼掺杂磷硅酸玻璃(boron-doped phosphosilicate glass,BPSG)、熔硅石玻璃(fused silica glass,FSG)、磷硅酸玻璃(phosphosilicate glass,PSG)、硼掺杂硅玻璃(boron doped siliconglass,BSG)、或其他类似材料)、低介电常数(low-k)介电材料、其他类似材料、或其组合，但本公开实施例并不以此为限。介电结构130的形成可包括沉积工艺，其可包括例如旋转涂布(spin-on coating)工艺、化学气相沉积、物理气相沉积(physical vapor deposition,PVD)、原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)、其他合适的方法、或其组合。之后，可进行平坦化工艺(如化学机械研磨)以形成平坦化的顶面。
参考图1至图3，可在介电结构130的平坦化顶面上设置超颖表面140。如先前所提及，超颖表面140可包括填充材料142和纳米结构144。在一些实施例中，填充材料142可横向地围绕纳米结构144。当超颖表面140被纳入于影像传感器10时，在法线方向(normaldirection)进入影像传感器10的入射光可在传输穿过下方的彩色滤光层112之前，基于其波长将入射光分离。这样的配置允许彩色滤光层112的每个单元接收到所想要波长的最大光能量。换言之，可最小化光能量损失，且可提升量子效率。在一些实施例中，量子效率为光电转换效率，其为入射光可多有效地被转换成电子信号的量测。
根据本公开的一些实施例，填充材料142的折射率低于纳米结构144的折射率。填充材料142的折射率可介于1.0和1.6之间。纳米结构144的折射率可介于1.8和3.5之间。在一些实施例中，填充材料142可为空气。值得注意的是，当纳米结构144被环境空气(其折射率为1)所围绕时，可实现折射率之间的最大差异以产生显著更广阔的相位分布，使得入射光可更很容易地基于不同的波长被分开。当不同波长的入射光与一特定纳米结构144接触时，较长的波长看待其纳米结构144可不同于较短的波长看待其纳米结构144，因而产生相位分布。
如图1至图3所示，从上视图来看，纳米结构144的多个周边纳米柱144A可分别位于感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D的多个角。从上视图来看，纳米结构144的中心纳米柱144B可分别位于感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D之内。从上视图来看，感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、或感测单元组100D的尺寸S介于400nm和700nm之间。值得注意的是，从上视图来看，在感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D的每一个中仅可存在一个中心纳米柱144B。个别的中心纳米柱144B可横向地被多个周边纳米柱144A所包绕。纳米结构144的多个周边纳米柱144A和中心纳米柱144B可横向地被填充材料142围绕。为了更清楚地示出纳米结构144的配置，图1中的填充材料142的介质系以虚线所示。
在一些实施例中，从上视图来看，由于像素的感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D被排列成2×2的数组，且像素数组可周期性地排列成多个循环，多个周边纳米柱144A可由相邻组的感测单元所共享。在传统的方案中，多个周边纳米柱144A也可存在于感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D的侧边上，而非仅位于多个角。更具体来说，纳米结构144存在于网网格线相交的所有网格点，其定义感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D的每个感测单元。然而，随着感测单元的尺寸继续缩小，纳米结构144的分布也变得更密集(或更“拥挤”)。纳米结构144更密集的配置可直接限制每个纳米结构144的尺寸(如直径)的可使用范围。由于纳米结构144有限的尺寸调整，相位分布的形成可能不足以分开入射光的波长。举例来说，由于蓝光较短的波长，纳米结构可能可以形成蓝光所需的相位分布。然而，针对较长波长的红光或绿光形成所需的相位分布的效率可能被严重地影响。
为了努力改善相位分布，移除一些原本的周边纳米柱144A，针对个别的中心纳米柱144B留下更多的空间，使其尺寸可被更自由地调整。针对尺寸超过800nm的像素，移除一些原本的周边纳米柱144A可能是足够的。然而，当像素尺寸持续缩小至低于600nm时，剩余的周边纳米柱144A可能无法再精准地操控入射光不同波长所期望的相位分布，因而所形成的相位存库(phase library)仍可能是不足的。因此，仅通过调整纳米结构144的尺寸和邻近纳米结构144之间的节距所创造的相位分布无法配合持续缩小的像素。如先前所提及，由于中心纳米柱144B未被相邻组的感测单元所共享，发明人发现可将中心纳米柱144B由网格点位移(offset)。调整中心纳米柱144B的相对位置可能会扭曲原本的相位场，而创造更多干扰。通过适当的操控，可利用被扭曲的相位场的新干扰来达到所需的相位分布。换言之，在优化入射光的不同波长的相位分布的过程中，中心纳米柱144B的相对位置可作为额外的参数。
如图1至图3所示，从上视图来看，感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D可分别包括中心点100A-C、中心点100B-C、中心点100C-C、以及中心点100D-C。中心点100A-C、中心点100B-C、中心点100C-C、以及中心点100D-C可分别对应至感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D之内的网格点。在传统的设计中，从上视图来看，中心纳米柱144B的中心轴可与中心点100A-C、中心点100B-C、中心点100C-C、以及中心点100D-C对准。根据本公开的一些实施例，从上视图来看，中心纳米柱144B的中心轴可分别由中心点100A-C、中心点100B-C、中心点100C-C、以及中心点100D-C位移一距离。更具体来说，中心纳米柱144B可被视为单一结构，而从上视图来看，其底面也可分别由中心点100A-C、中心点100B-C、中心点100C-C、以及中心点100D-C位移其相同距离。
如图1至图3所示，位移距离可通过感测单元组100A内的水平偏移Dx-A和垂直偏移Dy-A所定义、通过感测单元组100B内的水平偏移Dx-B和垂直偏移Dy-B所定义、通过感测单元组100C内的水平偏移Dx-C和垂直偏移Dy-C所定义、或通过感测单元组100D内的水平偏移Dx-D和垂直偏移Dy-D所定义。换言之，中心纳米柱144B可位移跨越二维(two-dimensional,2D)平面。根据本公开的一些实施例，从上视图来看，水平偏移Dx-A、垂直偏移Dy-A、水平偏移Dx-B、垂直偏移Dy-B、水平偏移Dx-C、垂直偏移Dy-C、水平偏移Dx-D、以及垂直偏移Dy-D可在感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、或感测单元组100D的尺寸S的1/5以内。应注意的是，中心纳米柱144B的位移配置也可周期性地排列成多个循环横越真实的影像传感器。
如图2所示，水平偏移Dx-A、水平偏移Dx-B、水平偏移Dx-C、以及水平偏移Dx-D可分别等于垂直偏移Dy-A、垂直偏移Dy-B、垂直偏移Dy-C、以及垂直偏移Dy-D。换言之，中心纳米柱144B可在X轴方向上和在Y轴方向上相等地位移，但本公开实施例并不以此为限。值得注意的是，感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D的中心纳米柱144B皆可位移朝向像素的中心。这样的配置在靠近像素的中心创造更集中的相位场，但本公开实施例并不以此为限。
由于具有不同尺寸和不同位置(相对于中心点100A-C、中心点100B-C、中心点100C-C、以及中心点100D-C)的中心纳米柱144B的配置，超颖表面140可更有效地分开入射光的波长。在一些实施例中，感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D可分别接收分开的第一波长的光、第二波长的光、第三波长的光、以及第四波长的光。第一波长、第二波长、第三波长、以及第四波长中至少三个彼此不同。每当两个感测单元组被设计成接收相同颜色时(如拜尔图案的设计)，例如当感测单元组100B和感测单元组100C皆被设计成接收绿色时，则感测单元组100B和感测单元组100C的中心纳米柱144B可具有相同的尺寸和相同的相对位置(分别相对于中心点100B-C和中心点100C-C)。
如图3所示，由图2的线段A-A’所获得的剖面示意图中仅示出两个中心纳米柱144B，其中心纳米柱144B可分别对应至感测单元组100A和感测单元组100B。由于围绕的周边纳米柱144A不存在于图2的线段A-A’上，以虚线标示，仅为例示性目的。此外，中心点100A-C和中心点100B-C也以虚线标示，仅为例示性目的。超颖表面140的高度可介于0.7μm和1.5μm之间，例如1.2μm。根据本公开的一些实施例，填充材料142和纳米结构144可具有相等的高度。在其他实施例中，取决于应用和设计需求，在填充材料142内的多个周边纳米柱144A的高度和中心纳米柱144B的高度可以有所变化。
参照图1至图3，从上视图来看，纳米结构144的尺寸(如直径)可介于120nm和250nm之间。根据本公开的一些实施例，中心纳米柱144B的尺寸可等于或大于多个周边纳米柱144A的尺寸。从上视图来看，尽管将纳米结构144示出为圆形，但本公开实施例并不以此为限。纳米结构144可具有任何合适的几何形状，只要可形成所需的相位分布。填充材料142的材料可包括透明树脂，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)树脂、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)树脂、聚酰亚胺(polyimide,PI)树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylates,PMMA)、聚苯乙烯树脂(polystyrene)树脂、聚醚砜(polyethersulfone,PES)树脂、聚噻吩(polythiophene,PT)树脂、酚醛清漆(phenolnovolac,PN)、其他类似材料，或其组合。纳米结构144的材料可包括透明导电材料，如氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)、氧化锡(tin oxide,SnO)、铟掺杂氧化锌(indium-dopedzinc oxide,IZO)、氧化铟镓锌(indium gallium zinc oxide,IGZO)、氧化铟锡锌(indiumtin zinc oxide,ITZO)、氧化锑锡(antimony tin oxide,ATO)、铝掺杂氧化锌(aluminum-doped zinc oxide,AZO)、二氧化钛(titanium dioxide,TiO2)、其他类似材料、或其组合。可通过上述任何合适的沉积工艺和图案化工艺形成超颖表面140。
在本公开的替代实施例中，纳米结构144的形成可通过沉积填充材料142，接着在填充材料142内蚀刻多个孔。换言之，纳米结构144可为孔，其以环境空气填充。在这样的情况下，由于纳米结构144的折射率低于填充材料142的折射率，需要形成完全不同的相位存库以针对入射光的波长提供所需的相位分布。只要纳米结构144包括相同的材料，纳米结构144的尺寸、节距、以及相对位置皆可被操控以利优化。结果是，针对持续缩小的像素，超颖表面140仍可有效地分开入射光的波长。
图4是根据本公开的其他实施例，影像传感器20的上视图。如先前所提及，当中心纳米柱144B由中心点100A-C、中心点100B-C、中心点100C-C、以及中心点100D-C位移时，可创造额外的自由度以针对不同波长的入射光形成更精准的相位分布。所得的超颖表面140可更有效地分开影像传感器20的入射光的波长。为简单起见，省略影像传感器20的对应透视图和对应剖面示意图。感测单元组100A、中心点100A-C、感测单元组100B、中心点100B-C、感测单元组100C、中心点100C-C、感测单元组100D、中心点100D-C、超颖表面140、水平偏移Dx-A、水平偏移Dx-B、水平偏移Dx-C、水平偏移Dx-D、垂直偏移Dy-A、垂直偏移Dy-B、垂直偏移Dy-C、垂直偏移Dy-D、以及尺寸S的特征与图2所示类似，其细节将不于此重复赘述。
参照图4，在影像传感器20中示出纳米结构144的不同配置。相较于图2，水平偏移Dx-A、水平偏移Dx-B、水平偏移Dx-C、以及水平偏移Dx-D可分别不同于垂直偏移Dy-A、垂直偏移Dy-B、垂直偏移Dy-C、以及垂直偏移Dy-D。再者，感测单元组100A、感测单元组100B、感测单元组100C、以及感测单元组100D的中心纳米柱144B皆可偏移远离像素的中心。这样的配置在靠近像素的中心创造较不集中的相位场。如先前所提及，仅通过调整纳米结构144的尺寸和邻近纳米结构144之间的节距所创造的相位分布无法配合持续缩小的像素。根据本公开的一些实施例，也可位移中心纳米柱144B以优化入射光的波长的相位分布。结果是，针对持续缩小的像素，超颖表面140可更有效地分开入射光的波长。
通过将超颖表面纳入至标准的影像传感器中，不同波长的入射光可在被接收之前先分开。由于大多所想要的颜色可传输穿过个别的彩色滤光层，可最小化光能量损失，且可提升量子效率。此外，超颖表面包括纳米结构的创新配置，其中心纳米柱可由网格点位移。这样做，中心纳米柱的尺寸、节距、以及相对位置皆可自由地被操控，以产生入射光的波长所需的相位分布。结果是，针对持续缩小的像素，超颖表面可更有效地分开入射光的波长。
以上概述数个实施例的特征，以使本领域技术人员可以更加理解本公开实施例的观点。本领域技术人员应该理解，可轻易地以本公开实施例为基础，设计或修改其他工艺和结构，以达到与在此介绍的实施例相同的目的及/或优势。本领域技术人员也应该理解到，此类等效的结构并无悖离本公开实施例的精神与范围，且可在不违背本公开实施例的精神和范围之下，做各式各样的改变、取代和替换。因此，本公开实施例的保护范围当视随附的申请专利范围所界定者为准。另外，虽然本公开已以数个较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本公开实施例的范围。
整份说明书对特征、优点或类似语言的引用，并非意味可以利用本公开实施例实现的所有特征和优点应该或者可以在本公开的任何单一实施例中实现。相对地，涉及特征和优点的语言被理解为其意味着结合实施例描述的特定特征、优点或特性包括在本公开的至少一个实施例中。因而，在整份说明书中对特征和优点以及类似语言的讨论可以但不一定代表相同的实施例。
再者，在一或多个实施例中，可以任何合适的方式组合本公开实施例的所描述的特征、优点和特性。根据本文的描述，本领域技术人员将意识到，可在没有特定实施例的一个或多个特定特征或优点的情况下实现本公开实施例。在其他情况下，在某些实施例中可辨识附加的特征和优点，这些特征和优点可能不存在于本公开的所有实施例中。

Claims (10)

1.一种影像传感器，其特征在于，包括：
一组感测单元；
一彩色滤光层，设置于该组感测单元内；以及
一介电结构和一超颖表面，设置对应该彩色滤光层，该超颖表面包括：
多个周边纳米柱，从上视图来看，分别位于该组感测单元的多个角；
一中心纳米柱，被该些周边纳米柱包绕，其中从上视图来看，该中心纳米柱由该组感测单元的一中心点位移一距离；以及
一填充材料，横向地围绕该些周边纳米柱和该中心纳米柱。
2.如权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，其中从上视图来看，该组感测单元的尺寸介于400nm和700nm之间，且该中心纳米柱由该组感测单元的该中心点位移的该距离是借由一水平偏移和一垂直偏移所定义，其中该水平偏移和该垂直偏移在该组感测单元的尺寸的1/5以内。
3.如权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，其中四个该组感测单元构成一像素，其中从上视图来看，在该像素内的该四组感测单元排列成2×2的一数组。
4.如权利要求3所述的影像传感器，其特征在于，其中该数组周期性地排列成多个循环横越该影像传感器，其中该些周边纳米柱被邻近的该些组感测单元所共享。
5.如权利要求3所述的影像传感器，其特征在于，其中在该像素内的该四组感测单元分别接收一第一波长、一第二波长、一第三波长、以及一第四波长的光，其中该第一波长、该第二波长、以及该第三波长彼此不同，其中从上视图来看，该些组感测单元的每一个接收该第一波长、该第二波长、以及该第三波长的光的该中心纳米柱具有不同的尺寸。
6.如权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，其中该彩色滤光层的折射率介于1.4和2.3之间，其中该介电结构的折射率介于1.0和1.6之间，其中该些周边纳米柱和该中心纳米柱的折射率介于1.8和3.5之间，其中该填充材料的折射率介于1.0和1.6之间。
7.如权利要求6所述的影像传感器，其特征在于，其中该填充材料为空气。
8.如权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，还包括：
多个感测部，埋入于一基底内；以及
一深沟槽隔离结构，将该些感测部的每一个分隔开。
9.如权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，还包括：
一网格结构，横向地围绕该组感测单元的该彩色滤光层，其中该网格结构的折射率介于1.0和1.3之间；以及
一遮光结构，埋入于该网格结构内。
10.如权利要求1所述的影像传感器，其特征在于，其中该中心纳米柱为一单一结构，且从上视图来看，该中心纳米柱的底面由该组感测单元的该中心点位移该距离。
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