TW201543656A - 影像感測裝置 - Google Patents

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Abstract

一種影像感測裝置，包括：一半導體基板，具有一感光元件；一被動層，設置於該半導體基板之上，具有一第一折射率；一彩色圖案，設置於該被動層之上，其中該彩色圖案對齊於該感光元件，且具有擇自於由紅、綠、藍、白所組成之一族群中之一顏色及一第二折射率；以及一電磁波導引元件，設置於至少該彩色圖案與該被動層其中之一之內，其中該電磁波導引元件具有一第三折射率，而該第三折射率係大於該第一折射率或該第二折射率，而該第三折射率與該第一折射率之間之一第一差值為至少0.2，以及該第三折射率與該第二折射率之間之一第二差值為至少0.2。

Description

影像感測裝置
本發明係關於影像感測裝置(image sensing devices)，且特別地關於具有相鄰像素間之減少的能量散射情形(reduced energy dispersal)之一種影像感測裝置。
影像感測裝置為當今如數位相機、行動電話以及玩具等眾多光電裝置內之必要構件之一。傳統影像感測裝置則包括電耦合裝置(charge coupled device,CCD)影像感測裝置與互補型金氧半導體(complementary metal oxide oxide,CMOS)影像感測裝置。
影像感測裝置通常包括了平面陣列化之複數個像素胞(pixel cells)，其中各像素胞包括了一光電管(photogate)、一光導體(photoconductor)或具有用於累積光電電荷用之摻雜區的一感光二極體(photodiode)。於此平面陣列化之像素胞上則疊設有由如紅(R)、綠(G)或藍(B)之不同色彩之染料所構成之週期性圖樣(periodic pattern)。上述之週期性圖樣即為習知之彩色濾光陣列(color filter array)。於彩色濾光陣列上則選擇性地疊設有複數個方形或圓形之微透鏡(microlens)以聚焦入射光於各像素胞內之電荷累積區處。藉由微透鏡的使用可顯著地改善了影像感測器之感測度。
然而，由於影像感測裝置內之像素胞的尺寸微縮 趨勢，穿透微透鏡並聚焦於此些像素胞之一的中心處的入射光能量(即電磁波)可能散射(disperse)或折射(refract)進入鄰近之一像素胞中，因而會造成影像感測裝置內之像素胞的故障及感測度(sensitivity)降低等不良情形。
有鑑於此，本發明提供了一種影像感測裝置，以解決可能發生於影像感測裝置內之鄰近像素胞之間之起因於入射光能量(即電磁波)散射(disperse)或折射(refract)進入鄰近之像素胞中所造成影像感測裝置內之像素胞的故障及感測度降低等問題。
依據一實施例，本發明提供了一種影像感測裝置，包括：一半導體基板，具有一感光元件；一被動層，設置於該半導體基板之上，具有一第一折射率；一彩色圖案，設置於該被動層之上，其中該彩色圖案對齊於該感光元件，且具有擇自於由紅、綠、藍、白所組成之一族群中之一顏色及一第二折射率；以及一電磁波導引元件，設置於至少該彩色圖案與該被動層其中之一之內，其中該電磁波導引元件具有一第三折射率，而該第三折射率係大於該第一折射率或該第二折射率，而該第三折射率與該第一折射率之間之一第一差值為至少0.2，以及該第三折射率與該第二折射率之間之一第二差值為至少0.2。
於一實施例中，上述影像感測裝置更包括一抗漏電層，設置於該彩色圖案與該被動層之間，具有一第四折射 率，而該第三折射率係大於該第六折射率，且該第三折射率與該第四折射率之間之一差值為至少0.2。
於另一實施例中，上述影像感測裝置更包括一抗反射層，設置於該彩色圖案與該被動層之間，具有一第五折射率，而該第三折射率係大於該第五折射率，且該第三折射率與該第五折射率之間之一差值為至少0.2。
於又一實施例中，上述影像感測裝置更包括一下方層，設置於該微透鏡與該彩色圖案之間。
於另一實施例中，上述影像感測裝置更包括一抗反射塗層，設置於該微透鏡上。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附的圖式，作詳細說明如下。
100‧‧‧影像感測裝置
102‧‧‧半導體基板
104‧‧‧感光元件
106‧‧‧被動層
108‧‧‧遮光金屬
110、112、114‧‧‧彩色圖案
116‧‧‧微透鏡
150‧‧‧電磁波導引元件
160‧‧‧抗漏電層
170‧‧‧抗反射層
180‧‧‧下方層
190‧‧‧抗反射塗層
S‧‧‧像素區
H‧‧‧高度
第1圖為一剖面示意圖，顯示依據本發明之一實施例之一影像感測裝置；第2圖為一上視示意圖，顯示了第1圖內之影像感測裝置；第3圖為一剖面示意圖，顯示依據本發明之另一實施例之一影像感測裝置；第4圖為一上視示意圖，顯示了第3圖內之影像感測裝置；第5圖為一剖面示意圖，顯示依據本發明之又一實施例之一影像感測裝置；第6圖為一上視示意圖，顯示了第5圖內之影像感測裝置； 第7圖為一剖面示意圖，顯示依據本發明之另一實施例之一影像感測裝置；第8圖為一上視示意圖，顯示了第7圖內之影像感測裝置；第9圖為一剖面示意圖，顯示依據本發明之又一實施例之一影像感測裝置；第10圖為一上視示意圖，顯示了第9圖內之影像感測裝置；第11圖為一剖面示意圖，顯示依據本發明之另一實施例之一影像感測裝置；第12圖為一上視示意圖，顯示了第11圖內之影像感測裝置；第13圖為一剖面示意圖，顯示依據本發明之又一實施例之一影像感測裝置；第14圖為一上視示意圖，顯示了第13圖內之影像感測裝置；第15圖為一剖面示意圖，顯示依據本發明之另一實施例之一影像感測裝置；第16圖為一上視示意圖，顯示了第15圖內之影像感測裝置；第17圖為一剖面示意圖，顯示依據本發明之又一實施例之一影像感測裝置；第18圖為一上視示意圖，顯示了第17圖內之影像感測裝置；第19圖為一剖面示意圖，顯示依據本發明之另一實施例之一影像感測裝置； 第20圖為一上視示意圖，顯示了第19圖內之影像感測裝置；第21圖為一剖面示意圖，顯示依據本發明之又一實施例之一影像感測裝置；第22圖為一上視示意圖，顯示了第21圖內之影像感測裝置；第23圖為一剖面示意圖，顯示依據本發明之另一實施例之一影像感測裝置；第24圖為一上視示意圖，顯示了第23圖內之影像感測裝置；第25圖為一剖面示意圖，顯示依據本發明之又一實施例之一影像感測裝置；第26圖為一上視示意圖，顯示了依據本發明之一實施例之適用於影像感測裝置之一彩色濾光陣列；以及第27圖為一上視示意圖，顯示了依據本發明之另一實施例之適用於影像感測裝置之一彩色濾光陣列。
第1圖為一剖面示意圖，顯示了依據本發明一實施例之一種影像感測裝置100。此影像感測裝置100包括具有形成於其內之數個感光元件104之一半導體基板102、位於半導體基板102上之具有形成於其內之數個遮光金屬(light-shielding metal)108之一被動層(passive layer)106、位於被動層106上之數個電磁波導引元件(electromagnetic-wave guiding elements)150、位於被動層上之數個彩色圖案(color pattern)110、112、114、以及位於此些彩色圖案110、112、114上之數個微透鏡(microlens)116。
如第1圖所示，半導體基板102例如為一矽基板， 而此些感光元件104可為分隔地形成於半導體基板102內之如感光二極體(photodiode)之感測元件。而被動層106可為包括用於形成位於此些感光元件104與外部電路(未顯示)之間之如內連結構(未顯示)之介電材料(未顯示)與導電元件(未顯示)之單一膜層或多重膜層，但於其內並未包括有感光元件。而形成於被動層106內之此些遮光金屬108則分別形成於半導體基板102上不會覆蓋此些感光元件104之一位置處，藉以定義出遮蔽像素區S內除了感光元件104以外之遮光區域。此外，位於被動層106上之此些電磁波導引元件150係形成於此些感光元件104之一上且大體位於其下方之此些感光元件104之一之一中央部(central portion)上之一位置。
再者，如第1圖所示，位於被動層106上之此些 彩色圖案110、112、與114亦形成於此些感光元件104之一之上，以完全地覆蓋位於被動層106上之此些電磁波導引元件150之一，並分別地對齊於此些電磁波導引元件150之一。位於彩色圖案110、112與114上之微透鏡116係形成於感光元件104之一之上。於一實施例中，此些彩色圖案110、112與114可包括擇自由紅色(red)、藍色(blue)、綠色(green)與白色(W)所組成之族群顏色之同顏色或不同顏色之感光型色阻，且其可藉由如旋轉塗佈與微影製程等製程所形成。
如第1圖所示，此些電磁波導引元件150係具有 長方形之柱樣(stud-like)剖面，且其可包括任何之透光材料。電磁波導引元件150的折射率(refractive index，n)係大於其鄰近之彩色圖案110、112與114的折射率，且其間具有至少0.2的差值。於一實施例中，電磁波導引元件150之折射率與彩色圖案110、112與114之折射率之間具有約0.2-1.3的差值。此外，電磁波導引元件150的頂面可低於彩色圖案110、112、114之高度H的一半。電磁波導引元件150可早於彩色圖案110、112與114形成之前，先形成於被動層106之上。
如此，基於於影像感測裝置100內電磁波導引元件150的形成，穿透微透鏡116之入射光(未顯示)可向下地聚焦至下方的彩色圖案110、112、114，並經過形成於彩色圖案110、112、114內之電磁波導引元件150的導引而接著地向下地傳輸至感光元件104處，進而於影像感測裝置100內像素胞的特徵尺寸S更為減低時使得經聚焦之光線不會散射或折射進入至其鄰近之另一像素胞內之彩色圖案及/或感光元件之內。因此，縱使影像感測裝置100之像素胞尺寸更為降低時，仍可確保影像感測裝置100之像素胞之功能與感測度。
第2圖為一上視示意圖，顯示了第1圖內之影像感測裝置100，而第1圖內之影像感測裝置100之剖面示意圖係顯示沿第2圖內之線段1-1之剖面情形。基於簡化目的，於第2圖內僅顯示與討論了影像感測裝置100之此些感光元件104、彩色圖案110、112、114、以及此些電磁波導引元件150。如第2圖所示，從上視觀之，電磁波導引元件150可具有一長方形之輪廓。此外，電磁波導引元件150可具有少於感光元件 104之表面區域之一表面區域，使得電磁波導引元件150的表面區域與其下方之感光元件104之一表面區域之間之一比率係少於25%。
然而，本發明之電磁波導引元件150的輪廓並非 以第1-2圖所示情形為限，而於影像感測裝置之其他實施例中之電磁波導引元件150則可具有其他之輪廓。
第3圖為一剖面示意圖，顯示了依據本發明另一 實施例之一種影像感測裝置。如第3圖所示之影像感測裝置內之構件相似於如第1圖所示之影像感測裝置內之構件，除了第3圖所示之電磁波導引元件150於側視示意圖上具有一半圓形樣(semicircle-like)之輪廓。
此外，第4圖為一上視示意圖，顯示了第3圖內 之影像感測裝置，而第3圖內之影像感測裝置100之剖面示意圖係顯示沿第4圖內線段3-3之剖面情形。基於簡化目的，於第4圖內僅顯示與討論了影像感測裝置100內之感光元件104、彩色圖案110、112、114以及電磁波導引元件150。如第4圖所示，從上視觀之，電磁波導引元件150具有一圓形之輪廓。此外，電磁波導引元件150可具有少於感光元件104之表面區域之一表面區域，使得電磁波導引元件150的表面區域與其下方之感光元件104之一表面區域之間之一比率係少於25%。
第5圖為一剖面示意圖，顯示了依據本發明又一 實施例之一種影像感測裝置。如第5圖所示之影像感測裝置內之構件係相似於如第1圖所示之影像感測裝置內之構件，除了 第5圖所示之電磁波導引元件150於側視示意圖上具有一多邊形之柱樣(polygonal stud-like)之輪廓。
此外，第6圖為一上視示意圖，顯示了第5圖內 之影像感測裝置，而第5圖內之影像感測裝置100之剖面示意圖係沿第6圖內線段5-5之剖面情形。基於簡化目的，於第6圖內僅顯示與討論了影像感測裝置100內之感光元件104、彩色圖案110、112與114，以及電磁波導引元件150。
如第6圖所示，從上視觀之，電磁波導引元件150 可具有一多邊形之輪廓(例如為八邊形)。此外，電磁波導引元件150可具有少於感光元件104之表面區域之一表面區域，使得電磁波導引元件150的表面區域與其下方之感光元件104之一表面區域之間之一比率係少於25%。
第7圖顯示了依據本發明另一實施例之一種影像 感測裝置。如第7圖所示之影像感測裝置內之構件相似於如第1圖所示之影像感測裝置內之構件，除了第7圖所示之電磁波導引元件150於剖面示意圖上具有一倒T樣(inverted T-like)之輪廓。
此外，第8圖為一上視示意圖，顯示了第8圖內 之影像感測裝置，而第7圖內之影像感測裝置100之剖面示意圖係沿第8圖內線段7-7之剖面情形。基於簡化目的，於第8圖內僅顯示與討論了影像感測裝置100內之感光元件104、彩色圖案110、112與114，以及電磁波導引元件150。
如第8圖所示，從上視觀之，電磁波導引元件150 可具有十字形(cross)之輪廓。此外，電磁波導引元件150可具 有少於感光元件104之表面區域之一表面區域，使得電磁波導引元件150的表面區域與其下方之感光元件104之一表面區域之間之一比率係少於25%。
再者，電磁波導引元件150的輪廓與位置並非以 如第1-8圖所示情形加以限制，而於影像感測裝置之其他範例中，電磁波導引元件150可具有其他之輪廓與位置。
第9、11、13與15圖為一系列剖面示意圖，顯示 了影像感測裝置100之其他範例。於第9、11、13、15圖內所示之影像感測裝置內之構件係分別相似於第1、3、5、7圖內所示之影像感測裝置內之構件，除了第9、11、13、15圖內之電磁波導引元件150係更向下地延伸進入了被動層106之內，且分別接觸了下方的一感光元件104。第10、12、14與16圖為一系列上視示意圖，分別顯示了第9、11、13、15圖內影像感測裝置100。第9、11、13、15圖內之影像感測裝置100之剖面示意圖則分別顯示了沿第10圖內線段9-9、沿第12圖內影像感測裝置100之線段11-11、沿第14圖內線段13-13、及沿第16圖內線段15-15之剖面情形。
再者，電磁波導引元件150的輪廓與位置並非以 如第1-8、9-16圖所示情形加以限制，而於影像感測裝置之其他範例中，電磁波導引元件150可具有其他之輪廓與位置。
第17、19、21與23圖為一系列剖面示意圖，顯 示了影像感測裝置100之其他範例。於第17、19、21與23圖內所示影像感測裝置之構件相似於第9、11、13、15圖內所示影像感測裝置之構件，除了第17、19、21與23圖內之電磁波 導引元件150僅形成於被動層106內，且分別接觸下方之一感光元件104，但並沒有向上延伸進入彩色圖案110、112與114之內。第18、20、22與24圖為一系列上視示意圖，分別顯示了第17、19、21、23圖內影像感測裝置100。第17、19、21、23圖內之影像感測裝置100之剖面示意圖則分別顯示了沿第18圖內線段17-17、沿第20圖內線段19-19、沿第22圖內線段21-21、及沿第24圖之線段23-23之剖面情形。
此外，影像感測裝置的輪廓非以第1-8、9-16、17-24 圖所示情形為限，影像感測裝置100之內可更形成有其他構件，以改善其功能及/或感測度。
第25圖顯示了依據另一實施例之影像感測裝置 100，其具有不同於第1-8、9-16、17-24圖所示之影像感測裝置100之其他構件。本實施例中之影像感測裝置100中之構件大體相似於第1圖內之構件，除了於第25圖之影像感測裝置內更包括了可選擇性地形成之一抗漏電層(anti current leakage layer)160、一抗反射層(anti-reflection layer)170、一下方層(under layer)180與一抗反射塗層(anti-reflection coating)190。 於一實施例中，此抗漏電層160、抗反射層170、下方層180與抗反射塗層190可形成為單一膜層或包括數個相堆疊膜層之一膜層堆疊物。於如第3-8、9-16、17-24圖所示之影像感測裝置100中亦可形成有此抗漏電層160、抗反射層170、下方層180與抗反射塗層190，但於此基於簡化目的並不再繪示。一旦於第9-24圖之影像感測裝置100之彩色圖案110、112、114與被動層160之間形成有抗漏電層160及/或抗反射層170時， 電磁波導引元件150亦可形成於抗漏電層160及/或抗反射層170之一部內。相似地，於包括電磁波導引元件150之影像感測裝置100內形成有抗漏電層160及或抗反射層170時，電磁波導引元件150之折射率可大於此選擇性之抗漏電層160及/或抗反射層170之折射率，且其間具有至少0.2之一差值。
如第25圖所示，抗漏電層160及/或抗反射層170 可選擇性地形成於彩色圖案110、112與114及被動層160之間，下方層180可選擇性地形成於微透鏡116與彩色圖案110、112與114之間，而抗反射塗層190可選擇性地形成於微透鏡116的頂面上。
第26圖為一上視示意圖，顯示了適用於如第1-25 圖所示之影像感測裝置之一彩色濾光陣列之一實施例。如第26圖所示，此彩色濾光陣列可包括沿著X方向交錯地安排與設置之數個單元圖案200與300。於一實施例中，此些單元圖案200與300係顯示為2X2之彩色濾光陣列物，且其內包括紅、藍、綠等彩色濾光物之不同設置情形。
第27圖為一上視示意圖，顯示了適用於如第1-25 圖所示之影像感測裝置之彩色濾光陣列之另一實施例。如第26圖所示，此彩色濾光物可包括沿著X方向交錯地安排與設置之數個單元圖案200與300。於一實施例中，此些單位圖案200與300係顯示為2X2之彩色濾光陣列物，且其內包括紅、藍、綠及透明/白(clear/white)等不同之設置情形。
然而，本發明之影像感測裝置亦可包括不同於第 26-27圖所示之彩色濾光物之排列情形，而非以第26-27圖所 示情形而加以限制本發明。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧影像感測裝置
102‧‧‧半導體基板
104‧‧‧感光元件
106‧‧‧被動層
108‧‧‧遮光金屬
110、112、114‧‧‧彩色圖案
116‧‧‧微透鏡
150‧‧‧電磁波導引元件
S‧‧‧像素區
H‧‧‧高度

Claims (10)

  1. 一種影像感測裝置，包括：一半導體基板，具有一感光元件；一被動層，設置於該半導體基板之上，具有一第一折射率；一彩色圖案，設置於該被動層之上，其中該彩色圖案對齊於該感光元件，且具有擇自於由紅、綠、藍、白所組成之一族群中之一顏色及一第二折射率；以及一電磁波導引元件，設置於至少該彩色圖案與該被動層其中之一之內，其中該電磁波導引元件具有一第三折射率，而該第三折射率係大於該第一折射率或該第二折射率，而該第三折射率與該第一折射率之間之一第一差值為至少0.2，以及該第三折射率與該第二折射率之間之一第二差值為至少0.2。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該第三折射率與該第一折射率之間之該第一差值為約0.2-1.3，而該第三折射率與該第二折射率之間之該第二差值為約0.2-1.3。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中從剖面觀之，該電磁波導引元件具有柱樣、半圓形樣、或倒T樣之一輪廓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中從上視觀之，該電磁波導引元件具有圓形、多邊形或十字形之一輪廓。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該電磁波 導引元件係位於至少該彩色圖案與該被動層之一之中央部之上，而該電磁波導引元件具有一第一表面區域，而位於該電磁波導引元件之下之該感光元件具有一第二表面區域，而該第一表面區域與該第二表面區域之間具有少於25%之一比率。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，更包括：一微透鏡，設置於該彩色圖案上；以及一抗反射塗層，設置於該微透鏡上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，更包括一下方層，設置於該微透鏡與該彩色圖案之間，具有一第四折射率，該電磁波導引元件係設置於該下方層之一部內，而該第三折射率係大於該第四折射率，且該第三折射率與該第四折射率之間之一第三差值為至少0.2。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，更包括一抗反射層，設置於該彩色圖案與該被動層之間，具有一第五折射率，該電磁波導引元件係設置於該抗反射層之一部內，而該第三折射率係大於該第五折射率，且該第三折射率與該第五折射率之間之一第四差值為至少0.2。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，更包括一抗漏電層，設置於該彩色圖案與該被動層之間，具有一第六折射率，該電磁波導引元件係設置於該抗漏電層之一部內，而該第三折射率係大於該第六折射率，且該第三折射率與該第六折射率之間之一第四差值為至少0.2。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該電磁波 導引元件係設置於該彩色圖案之內且更延伸進入該被動層內，或該電磁波導引元件係設置於該被動層之內且更延伸進入該彩色圖案內。
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