TW201431054A - 包括清透像素及硬遮罩之彩色濾光器 - Google Patents

包括清透像素及硬遮罩之彩色濾光器 Download PDF

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Abstract

一種設備之實施例包括形成在一基板上之一彩色濾光器配置，該基板具有形成於其中之一像素陣列。該彩色濾光器配置包括：一清透濾光器，其具有一第一清透硬遮罩層及形成在該第一清透硬遮罩層上之一第二清透硬遮罩層；一第一彩色濾光器，其具有該第一清透硬遮罩層及形成在該第一清透硬遮罩層上之該第二硬遮罩層；一第二彩色濾光器，其具有形成於其上之該第一清透硬遮罩層；及一第三彩色濾光器，其沒有形成在其上之清透硬遮罩層。揭示及主張其他實施例。

Description

包括清透像素及硬遮罩之彩色濾光器
所描述之實施例大體上係關於影像感測器，且具體而言(但非排他地)係關於使用硬遮罩在影像感測器中進行彩色濾光器圖案化。
隨著像素大小按比例縮小，彩色濾光器之設計規則應跟隨趨勢且允許彩色濾光器同樣按比例縮小，但歸因於彩色濾光器之特定處理特徵，該按比例縮放係具挑戰性且費力的。引入新材料係用於改良彩色濾光器按比例縮放之一般做法，但可能會犧牲光透射、製程可控性、良率、交付及整體光學效能。
100‧‧‧彩色濾光器配置
102‧‧‧基板
103‧‧‧表面
104‧‧‧平坦化層
105‧‧‧清透濾光器
106‧‧‧清透濾光器
107‧‧‧彩色濾光器材料
108‧‧‧第一顏色的濾光器
109‧‧‧彩色濾光器材料
110‧‧‧第二顏色的濾光器
111‧‧‧彩色濾光器材料
112‧‧‧第三顏色的濾光器
114‧‧‧第一硬遮罩層
116‧‧‧第二硬遮罩層
200‧‧‧前照式(FSI)像素
202‧‧‧基板
204‧‧‧光敏或光電二極體(「PD」)區
206‧‧‧金屬堆疊
250‧‧‧背照式(BSI)像素
302‧‧‧平坦表面
304‧‧‧清透層
306‧‧‧開口
308‧‧‧彩色濾光器材料
310‧‧‧第一硬遮罩層
312‧‧‧開口
314‧‧‧第二彩色濾光器材料
316‧‧‧第二硬遮罩層
318‧‧‧開口
320‧‧‧第三彩色濾光器材料
322‧‧‧經平坦化清透層
M1‧‧‧金屬層
M2‧‧‧金屬層
本發明之非限制性及非詳盡性實施例參考以下圖式來描述，其中相同參考數字遍及各視圖係指相同部分，除非另有指定。
圖1A為彩色濾光器配置之實施例之剖開平面圖。
圖1B為圖1A中所示的彩色濾光器配置之實施例之實質上沿著剖面線B-B'截取的橫截面圖。
圖2A為圖1A中所示的彩色濾光器配置的另一平面圖。
圖2B為圖2A中所示的彩色濾光器配置之實施例之實質上沿著剖面線B-B'截取的橫截面圖，該彩色濾光器配置與前照式像素之實施例一起使用。
圖2C為圖2A中所示的彩色濾光器配置之實施例之實質上沿著剖面線B-B'截取的橫截面圖，該彩色濾光器配置與背照式像素之實施例一起使用。
圖3A至圖3J為說明用於製造諸如圖1A至圖1B及/或圖2A至圖2C中所示的彩色濾光器配置之彩色濾光器配置的製程之實施例之平面圖(左側)及對應橫截面圖(右側)。
描述使用硬遮罩進行彩色濾光器圖案化之設備、系統及方法之實施例。描述眾多特定細節以提供對本發明實施例之透徹理解，但熟習相關技術者將認識到，本發明可在沒有該等特定細節中之一或多者的情況下實踐或用其他方法、組件、材料等來實踐。在一些情況下，眾所周知的結構、材料或操作未進行詳細展示或描述，但仍包括在本發明之範疇內。
貫穿本說明書對「一項實施例」或「實施例」之參考意味：特定特徵、結構或特性包括在至少一項所描述實施例中。因此，在本說明書中片語「在一項實施例中」或「在實施例中」的出現未必全部係指同一實施例。此外，特定特徵、結構或特性可以任何適合方式而組合於一或多項實施例中。
圖1A至圖1B說明用於一群四個像素的彩色濾光器配置100之實施例；圖1A為省略圖1B中所示的硬遮罩層之剖開平面圖，而圖1B為實質上沿著剖面線B-B'截取之橫截面圖。可將彩色濾光器配置100實施於前照式(FSI)感測器中，如圖2B中所示，或實施於背照式(BSI)感測器中，如圖2C中所示。
彩色濾光器配置100包括四個濾光器：清透濾光器106(亦即，實質上無色及/或在至少包括該配置中之其他濾光器的波長範圍的波長範圍內光學透明的濾光器)、第一顏色的濾光器108、第二顏色的濾光 器110以及第三顏色的濾光器112。在所說明實施例中，第一顏色為綠色，第二顏色為藍色且第三顏色為紅色，使得彩色濾光器配置100形成紅色-綠色-藍色-清透(RGBC)濾光器模式。然而，在其他實施例中，可存在每一顏色的不同數目，且該等顏色可與本文所示不同地配置。在又其他實施例中，濾光器配置中所使用之顏色可為不同的，例如，青色、洋紅色及黃色(CMY)代替RGB，且可具有每一顏色的任何分佈及任何數目。
清透濾光器106及彩色濾光器108、110及112形成在選用之平坦化層104之表面103上。第一硬遮罩層114及第二硬遮罩層116形成在清透濾光器105及彩色濾光器材料107上，而僅第二硬遮罩層116形成在彩色濾光器材料109上。在所說明實施例中，無硬遮罩層形成在彩色濾光器材料111上，但在其他實施例中，額外清透層可形成在濾光器材料111及第二硬遮罩層116上(參見圖3J)。硬遮罩層114及116為清透的(亦即，實質上無色)，且在至少包括彩色濾光器的波長之波長範圍中光學透明。在所說明實施例中，硬遮罩層114及116中之一者或兩者可由與清透濾光器106相同的清透材料製成。在一項實施例中，硬遮罩層114及116為氧化物層，但在其他實施例中，可使用其他材料，只要其滿足光學效能及製造要求即可。藉由使用具有良好的光透射性質之氧化物或其他材料，「舊的」低成本、成熟的最佳彩色濾光器材料可將其應用擴展至任何大小的像素，唯一限制為圖案化解析度，其小於可見光之最短波長。
圖2A至圖2C說明其中彩色濾光器配置100可與前照式(FSI)像素(圖2B)或背照式(BSI)像素(圖2C)一起使用之實施例。該等圖說明了將彩色濾光器配置100應用至一群四個像素，但在具有大量像素之實際像素陣列中，可取決於陣列中像素之數目而可將所說明濾光器及像素配置複製多次。
圖2A說明彩色濾光器配置100，其包括四個濾光器：清透(亦即，實質上無色)濾光器106、第一顏色的濾光器108、第二顏色的濾光器110及第三顏色的濾光器112。在所說明實施例中，第一顏色為綠色，第二顏色為藍色且第三顏色為紅色，且清透濾光器及三個彩色濾光器經配置以形成紅色-綠色-藍色-清透(RGBC)濾光器模式。然而，在其他實施例中，可存在每一顏色的不同數目，且該等顏色可與所示不同地配置。在又其他實施例中，濾光器配置100中與清透濾光器106一起使用的顏色可為不同的，例如，青色、洋紅色及黃色(CMY)，且可具有每一顏色的任何配置及任何數目。
圖2B說明CMOS影像感測器中前照式(FSI)像素200之實施例沿著圖2A中之剖面B-B'截取的橫截面，其中FSI像素200使用諸如彩色濾光器配置100之彩色濾光器配置。FSI像素200的前側為基板202的其上或其中安置了光敏區204及其關聯像素電路的側，且在其上形成金屬堆疊206以用於重新分佈信號。金屬堆疊206包括金屬層M1及M2，該等金屬層經圖案化以產生光學通路，入射在FSI像素200上之光可經由該光學通路而到達光敏或光電二極體(「PD」)區204。為實施彩色影像感測器，前側包括彩色濾光器配置100，其中其清透濾光器及彩色濾光器(在此特定橫截面中說明彩色濾光器108及112)安置在微透鏡206下方，微透鏡206輔助將光聚焦至光敏區204上。
圖2C說明CMOS影像感測器中背照式(BSI)像素250之實施例沿著圖2A中之剖面B-B'截取的橫截面，其中BSI像素使用諸如彩色濾光器配置100之彩色濾光器配置。如同像素200，像素250之前側為基板202的其上或其中安置了光敏區204及其關聯像素電路之側，且在其上形成金屬堆疊206以用於重新分佈信號。像素250的背側為基板的與前側對置之側。為實施彩色影像感測器，背側包括彩色濾光器配置100，其中其清透濾光器及彩色濾光器(在此特定橫截面中說明彩色濾光器 108及112)安置在微透鏡206下方。微透鏡206輔助將光聚焦至光敏區204上。像素250的背側照明意味：金屬堆疊206中之金屬互連線未模糊經成像之物件與光敏區204之間的路徑，從而導致由光敏區引起之較大信號產生。
圖3A至圖3J說明用於製造諸如彩色濾光器配置100之彩色濾光器配置之實施例之製程的實施例。圖3A展示該製程之初始部分，該初始部分以基板102開始，基板102上沈積有平坦化層104，且平坦化層104使用諸如化學機械拋光(CMP)之製程而平坦化以形成平坦表面302，在平坦表面302上可形成彩色濾光器配置100。在其他實施例中，可省略平坦化層104，且濾光器配置的其餘部分直接形成在基板102上。又其他實施例可包括平坦化層104以及額外層。
圖3B說明該製程之下一部分。以圖3A中所示之累積開始，將清透層304沈積在平坦化層104的表面302上，且接著使用諸如化學機械拋光(CMP)之製程來平坦化。當經圖案化及蝕刻時，清透層304將形成濾光器配置中之清透濾光器。因此，清透層304由清透(亦即，實質上無色)材料製成，該材料至少在彩色濾光器的波長範圍內為光學透明的。
圖3C說明該製程之下一部分。以圖3B中所示之累積開始，在清透層304中形成其中可沈積濾光器材料之開口306。在一項實施例中，開口306可藉由光刻圖案化清透層304且藉由諸如各向異性蝕刻、深反應性離子蝕刻(DRIE)及其類似者之製程來進行蝕刻而形成。在其他實施例中，開口306可不同地形成，例如藉由雷射切除或雷射蝕刻。在所說明實施例中，開口306用以形成綠色濾光器，但在其他實施例中，開口306可用於不同之顏色。
圖3D說明該製程之下一部分。以圖3C中所示之累積開始，將第一彩色濾光器材料308沈積在開口306中以形成彩色濾光器配置100中 之彩色濾光器中之一者。在一項實施例中，可將第一彩色濾光器材料308直接沈積在開口306中，但在其他實施例中，可將第一彩色濾光器材料308沈積在開口306中且在清透層304之表面的全部或部分上，且藉由諸如化學機械拋光(CMP)之製程而自開口306周圍之區域中移除過量的第一濾光器材料。在所說明實施例中，第一濾光器材料308形成彩色濾光器配置100中之綠色濾光器，但在其他實施例中，彩色濾光器材料308可形成其他彩色濾光器中之一者。
圖3E說明該製程之下一部分。以圖3D中所示之累積開始，將第一硬遮罩層310沈積在清透層304及第一彩色濾光器材料308上，且接著使用諸如化學機械拋光(CMP)之製程來平坦化。第一硬遮罩層310為清透(亦即，實質上無色)的，且至少在彩色濾光器所過濾之波長範圍內為光學透明的。第一硬遮罩層310可為(但無需為)用於清透層304之相同材料。在一項實施例中，第一硬遮罩層306為氧化物層，但在其他實施例中，其他材料可用於第一硬遮罩層306，只要所選擇材料滿足光學效能及製造要求即可。
一旦第一硬遮罩層310已經平坦化，開口312便形成於第一硬遮罩層310及清透層304中，向下延伸至平坦化層104之表面302。在一項實施例中，開口312可藉由光刻圖案化遮罩層310及清透層304且藉由諸如各向異性蝕刻、深反應性離子蝕刻(DRIE)及其類似者之製程來進行蝕刻而形成。在其他實施例中，開口312可不同地形成，例如藉由雷射切除或雷射蝕刻。在所說明實施例中，開口312用以形成藍色濾光器，但在其他實施例中，開口312可用於不同的顏色。
圖3F說明該製程之下一部分。以圖3E中所示之累積開始，將第二彩色濾光器材料314沈積在開口312中以形成彩色濾光器配置100中之第二彩色濾光器。在一項實施例中，可將彩色濾光器材料314直接沈積在開口312中，但在其他實施例中，可將第二彩色濾光器材料314 沈積在開口312中且在第一硬遮罩310之表面的全部或部分上，且藉由諸如化學機械拋光(CMP)之製程而自開口312周圍之區域中移除過量的第二彩色濾光器材料。在所說明實施例中，第二濾光器材料314形成彩色濾光器配置100中之藍色濾光器，但在其他實施例中，第二彩色濾光器材料314可形成其他彩色濾光器中之一者。
圖3G說明該製程之下一部分。以圖3F中所示之累積開始，將第二硬遮罩層316沈積在總成上，且使用諸如化學機械拋光(CMP)之製程來平坦化。第二硬遮罩層316為清透(亦即，實質上無色)的，且至少在彩色濾光器所過濾的波長範圍內為光學透明的。第二硬遮罩層316可為(但無需為)用於清透層304之相同材料。在一項實施例中，第二硬遮罩層316為氧化物層，但在其他實施例中，可使用其他材料，只要所選擇材料滿足光學效能及製造要求即可。在一項實施例中，第二硬遮罩層316可由與第一硬遮罩層310相同之材料製成，但在其他實施例中，第一及第二硬遮罩層無需由相同材料製成。
圖3H說明該製程之下一部分。以圖3G中所示之累積開始，開口318經蝕刻穿過第一硬遮罩層310、第二硬遮罩層316及清透層304，向下延伸至平坦化層104之表面302。如同先前開口，開口318可使用光刻圖案化連同諸如各向異性蝕刻、深反應性離子蝕刻(DRIE)及其類似者之蝕刻製程而形成。在其他實施例中，可使用諸如雷射切除或蝕刻之其他製程來形成開口318。
圖3I說明該製程之最終部分。以圖3H中所示之累積開始，將第三彩色濾光器材料320沈積在開口318中以形成彩色濾光器配置100中之第三彩色濾光器。在一項實施例中，可將第三彩色濾光器材料320直接沈積在開口318中，但在其他實施例中，可將第三彩色濾光器材料320沈積在開口318中且在第二硬遮罩316之表面的全部或部分上，且藉由諸如化學機械拋光(CMP)之製程而自開口318周圍之區域中移 除過量的第三彩色濾光器材料。不管彩色濾光器材料320沈積的方式，第二硬遮罩316及第三彩色濾光器材料320可經平坦化以給予最終總成實質上扁平之表面，在其上可形成其他元件，例如微透鏡。在所說明實施例中，第三彩色濾光器材料320形成彩色濾光器配置100中之紅色濾光器，但在其他實施例中，彩色濾光器材料314可形成其他彩色濾光器中之一者。圖3I中所示之彩色濾光器配置基本上為圖1A至圖1B中所示之彩色濾光器配置100，但在圖3I中使用不同參考數字來展示其元件。
圖3J說明該製程之選用之額外部分。以圖3I中所示之累積開始，將經平坦化清透層322沈積在濾光器320及第二硬遮罩層316上。經平坦化清透層322為清透(亦即，實質上無色)的，且至少在彩色濾光器組所過濾之波長範圍內為光學透明的。在一項實施例中，額外清透層322可由與清透層304、第一硬遮罩層310或第二硬遮罩層316相同之材料製成，但在其他實施例中其可為完全不同之材料。其中，經平坦化清透層322幫助保護下伏彩色濾光器配置。圖2B至圖2C說明使用圖3I之彩色濾光器配置的前照式及背照式影像感測器。當圖3J中所示之配置與圖2B至圖2C之影像感測器一起使用(代替圖3I中之配置)時，微透鏡206可形成在額外清透層322上代替形成在濾光器320及第二硬遮罩層316上。
本發明之所說明實施例之以上描述(包括摘要中所描述之內容)並不希望為詳盡的或將本發明限於所揭示之精確形式。描述本發明之特定實施例及實例係用於說明性目的，但各種等效修改在本發明之範疇內係可能的，如熟習相關技術者將認識到。可鑒於以上詳細描述而對本發明進行此等修改。
所附申請專利範圍中所使用之術語不應解釋為將本發明限於說明書及申請專利範圍中所揭示之特定實施例。相反，本發明之範疇將 完全藉由所附申請專利範圍來判定，申請專利範圍將根據技術方案解釋的所確立教示來解釋。
102‧‧‧基板
103‧‧‧表面
104‧‧‧平坦化層
105‧‧‧清透濾光器
106‧‧‧清透濾光器
107‧‧‧彩色濾光器材料
108‧‧‧第一顏色的濾光器
109‧‧‧彩色濾光器材料
110‧‧‧第二顏色的濾光器
111‧‧‧彩色濾光器材料
112‧‧‧第三顏色的濾光器
114‧‧‧第一硬遮罩層
116‧‧‧第二硬遮罩層

Claims (28)

  1. 一種設備，其包含：一彩色濾光器配置，其形成在其中形成有一像素陣列之一基板上，該彩色濾光器配置包括：一清透濾光器，其具有一第一清透硬遮罩層及形成在該第一清透硬遮罩層上之一第二清透硬遮罩層；一第一彩色濾光器，其具有該第一清透硬遮罩層及形成在該第一清透硬遮罩層上之該第二硬遮罩層；一第二彩色濾光器，其具有形成在其上之該第一清透硬遮罩層，及一第三彩色濾光器，其沒有形成在其上之清透硬遮罩層。
  2. 如請求項1之設備，其中該第一彩色濾光器為綠色，該第二彩色濾光器為藍色，且該第三彩色濾光器為紅色。
  3. 如請求項1之設備，其中該第一彩色濾光器為青色，該第二彩色濾光器為洋紅色，且該第三彩色濾光器為黃色。
  4. 如請求項1之設備，其中該清透濾光器與該第一清透硬遮罩層及該第二清透硬遮罩層中之至少一者由相同材料製成。
  5. 如請求項1之設備，其中該第一清透硬遮罩層及該第二清透硬遮罩層由相同材料製成。
  6. 如請求項1之設備，其中該彩色濾光器配置經平坦化。
  7. 如請求項6之設備，其中該第三彩色濾光器及該第二清透硬遮罩層形成一平面。
  8. 如請求項1之設備，其進一步包含夾在該基板與該彩色濾光器配置之間的一平坦化層。
  9. 如請求項1之設備，其進一步包含形成在該第二清透硬遮罩上及 該第三彩色濾光器上之一經平坦化清透層。
  10. 一種用於形成一彩色濾光器配置之製程，該製程包含：將一清透層沈積在一基板之一表面上，該基板具有形成於其中之一像素陣列；將該清透層圖案化及蝕刻以形成一第一開口；將一第一彩色濾光器材料沈積在該第一開口中；將一第一清透硬遮罩層沈積在該清透層及該第一彩色濾光器材料上；將該第一清透硬遮罩層及該清透層圖案化及蝕刻以形成一第二開口；將一第二彩色濾光器材料沈積在該第二開口中；將一第二清透硬遮罩層沈積在該第一清透硬遮罩層及該第二彩色濾光器材料上；將該第二清透硬遮罩層、該第一清透硬遮罩層及該清透層圖案化及蝕刻以形成一第三開口；及將一第三彩色濾光器材料沈積在該第三開口中。
  11. 如請求項10之製程，其中沈積該等彩色濾光器材料中之每一者包含：將每一彩色濾光器材料沈積在其各別開口中及該開口周圍的區域中；及平坦化每一彩色濾光器材料以移除沈積在該開口周圍的該區域中之該彩色濾光器材料的部分。
  12. 如請求項10之製程，其進一步包含平坦化該第二清透硬遮罩及該第三彩色濾光器層。
  13. 如請求項10之製程，其中該第一彩色濾光器層為綠色，該第二彩色濾光器層為藍色，且該第三彩色濾光器層為紅色。
  14. 如請求項10之製程，其中該清透濾光器與該第一清透硬遮罩層及該第二清透硬遮罩層中之至少一者由相同材料製成。
  15. 如請求項10之製程，其中該第一清透硬遮罩層及該第二清透硬遮罩層由相同材料製成。
  16. 如請求項10之製程，其進一步包含在沈積該清透層之前將一平坦化層沈積在該基板上，使得該彩色濾光器配置形成在該平坦化層上。
  17. 如請求項10之製程，其進一步包含將一經平坦化清透層沈積在該第二清透硬遮罩上及該第三彩色濾光器上。
  18. 一種設備，其包含：一基板，其具有一前側及一背側；一影像感測器，其包括形成在該基板的該前側中或上之一像素陣列；一彩色濾光器配置，其形成在該像素陣列之對應數目個像素上，該彩色濾光器配置包括一組濾光器，該組濾光器包含：一清透濾光器，其具有一第一清透硬遮罩層及形成在該第一清透硬遮罩層上之一第二清透硬遮罩層；一第一彩色濾光器，其具有該第一清透硬遮罩層及形成在該第一清透硬遮罩層上之該第二硬遮罩層；一第二彩色濾光器，其具有形成在其上之該第一清透硬遮罩層，及一第三彩色濾光器，其沒有形成在其上之清透硬遮罩層。
  19. 如請求項18之設備，其中該第一彩色濾光器為綠色，該第二彩色濾光器為藍色，且該第三彩色濾光器為紅色。
  20. 如請求項18之設備，其中該第一彩色濾光器為青色，該第二彩色濾光器為洋紅色，且該第三彩色濾光器為黃色。
  21. 如請求項18之設備，其中該清透濾光器與該第一清透硬遮罩層及該第二清透硬遮罩層中之至少一者由相同材料製成。
  22. 如請求項18之設備，其中該第一清透硬遮罩層及該第二清透硬遮罩層由相同材料製成。
  23. 如請求項18之設備，其進一步包含夾在該基板與該彩色濾光器配置之間的一平坦化層。
  24. 如請求項18之設備，其中該彩色濾光器配置形成在該基板的該前側上。
  25. 如請求項24之設備，其進一步包含光學耦接至該彩色濾光器配置之一或多個微透鏡。
  26. 如請求項18之設備，其中該彩色濾光器配置形成在該基板的該背側上。
  27. 如請求項26之設備，其進一步包含光學耦接至該彩色濾光器配置之一或多個微透鏡。
  28. 如請求項18之設備，其進一步包含形成在該第二清透硬遮罩上及該第三彩色濾光器上之一經平坦化清透層。
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