TW201608712A - 影像感測裝置及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種影像感測裝置，包括：一主動層，具有複數個感光元件；一色彩圖案，設置於該些感光元件之一上，其中該色彩圖案具有擇自由紅色、綠色與藍色所組成族群中之一色彩；一微透鏡，設置於該色彩圖案上；以及一透光圖案，鄰近於該色彩圖案且位於該些感光元件之另一之上，其中該透光圖案包括一彩色濾光部與一微透鏡部，而該微透鏡與該色彩圖案之間之折射率差的絕對值係少於0.3，且該透光圖案之該微透鏡部與該彩色濾光部之折射率之間沒有差異。

Description

影像感測裝置及其製造方法
本發明係關於影像感測裝置，且特別是關於其內具有彩色濾光物材料與微透鏡材料之間的減少折射率差異情形之一種影像感測裝置及其製造方法。
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。習知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疊設有複數個微透鏡(microlens)。利用圓形或方形之微透鏡可聚焦入射光於各像素胞內之電荷累積區處。藉由收集來自廣大之光線收集區的光線 並將之透過影像感測裝置微透鏡而聚焦於一小的感光區處可顯著地改善了影像感測器之感測度。
然而，基於如紅、綠或藍之不同顏色的彩色濾光物材料以及形成於其上之微透鏡材料間的折射率(refractive index，n)差異情形，當入射光線抵達介於微透鏡與彩色濾光物之間的介面(interface)時會產生了不期望的折射情形。如此，便會降低穿透微透鏡與彩色濾光物的光線的能量，並因此減少了影像感測裝置內像素的感測度(sensitivity)。
有鑑於此，本發明提供了一種影像感測裝置及其製造方法，以消除或降低起因於影像感測裝置內彩色濾光物材料與微透鏡材料之間折射率差異情形而造成之入射光能量降低情形。
依據一實施例，本發明提供一種影像感測裝置，包括：一主動層，具有複數個感光元件；一色彩圖案，設置於該些感光元件之一上，其中該色彩圖案具有擇自由紅色、綠色與藍色所組成族群中之一色彩；一微透鏡，設置於該色彩圖案上；以及一透光圖案，鄰近於該色彩圖案且位於該些感光元件之另一之上，其中該透光圖案包括一彩色濾光部與一微透鏡部，而該微透鏡與該色彩圖案之間之折射率差的絕對值係少於0.3，且該透光圖案之該微透鏡部與該彩色濾光部之折射率之間沒有差異。
依據另一實施例，本發明提供一種影像感測裝置之製造方法，包括：提供一影像感測結構，包括具有複數個感 光元件之一主動層與一色彩圖案，其中該彩色圖案具有擇自由紅色、綠色與藍色所組成族群中之一色彩；形成一透光圖案，鄰近於該色彩圖案且位於該些感光元件之另一之上，其中該透光圖案包括一彩色濾光部與位於該彩色濾光部上之一微透鏡部；以及形成一微透鏡於該色彩圖案上，其中該微透鏡與該色彩圖案之折射率差的絕對值係少於0.3，而該透光圖案之該微透鏡部與該彩色濾光部之折射率之間則沒有差異。
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‧‧‧半導體基板
102‧‧‧主動層
104‧‧‧感光元件
106‧‧‧保護層
108‧‧‧遮光金屬
110‧‧‧色彩圖案
112‧‧‧色彩圖案
114‧‧‧透光層
114a‧‧‧上方部
114b‧‧‧下方部
116‧‧‧硬罩幕圖案
116’‧‧‧硬罩幕圖案
118‧‧‧熱製程
120‧‧‧蝕刻製程
122‧‧‧透光圖案
124‧‧‧微透鏡圖案
124’‧‧‧微透鏡圖案
126‧‧‧熱製程
128‧‧‧微透鏡圖案
128’‧‧‧微透鏡圖案
130‧‧‧熱製程
200‧‧‧單元圖案
300‧‧‧單元圖案
第1-8圖為一系列剖面示意圖，顯示了依據本發明之一實施例之一種影像感測裝置之製造方法；以及第9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種彩色濾光陣列。
第1-8圖為一系列剖面示意圖，顯示了依據本發明之一實施例之一種影像感測裝置之製造方法。
請參照第1圖，首先提供大體製備之一影像感測結構(image sensing structure)，包括一半導體基板100、位於基板100上之具有數個感光元件(photo-sensing elements)104形成於其內之一主動層102、位於主動層102上之具有複數個遮光金屬(light-shielding metal)108形成於其內之一保護層 106，以及形成於保護層106上之數個色彩圖案110與112。此些感光元件104可為如感光二極體(photodiode)或互補型金氧半導體(CMOS)感測元件，且其可分隔地形成於主動層102內。而形成於保護層106內之此些遮光金屬108則分別形成於主動層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內除了感光元件104以外之遮光區域。形成於保護層106上之此些色彩圖案110與112係交錯且分隔地形成於其下方之感光元件104之一之上，而介於兩相鄰之色彩圖案110與112之間則留有空間(space)。因此，位於介於兩相鄰色彩圖案110與112之間的空間下的感光元件104並未為此些色彩圖案110與112所覆蓋。於一實施例中，此些色彩圖案110與112可包括染料型或顏料型之色阻，且可包括擇自由紅色(red)、藍色(blue)、與綠色(green)所組成之族群顏色之不同色彩，並可藉由如旋轉塗佈與微影製程而分別地形成。於一實施例中，色彩圖案110與112可具有如約1.7-1.9之折射率(refractive index，n)以作為紅色濾光物、如約1.5-1.7之折射率以作為藍色濾光物及如約1.5-1.7之折射率以作為綠色濾光物。下列之表1-3顯示了用於形成具有如紅色、藍色、綠色等色彩之色彩圖案110與112之材料範例。
表三：藍色(B)色彩圖案之材料
請參照第2圖，接著藉由如旋轉塗佈製程之一沉積製程於保護層106上坦覆地形成一透光層(transmissive layer)114，其覆蓋了此些色彩圖案110與112，以及位於相鄰之兩色彩圖案110與112之間的空間。此透光層114可包括高度透光材料，但於其內不具有特定顏色之染料或顏料，並具有如約1.75-1.95之折射率(n)。此透光層114可包括感光型阻劑，且可藉由如旋轉塗佈方式而形成。下述表四顯示了用於形成透光層114之材料的範例。
請繼續參照第2圖，接著形成數個硬罩幕圖案116，其分隔地形成於透光層114上，並分別覆蓋位於此些色彩圖案110與112之間的空間上之透光層114之一部。此些硬罩幕圖案116可包括感光材料，且可藉由一微影製程(未顯示)所形成，進而形成了位於透光層114上之數個硬罩幕圖案116。此些硬罩幕圖案116係具有長方形形狀。接著，施行一熱製程118，例如為一熱板熱回流製程(hot plate thermal reflow process)，以改變此些硬罩幕圖案116的形狀。
請參照第3圖，於熱製程118之後，便形成了數個具圓滑化形狀(round shape)之硬罩幕圖案116’，其分別覆蓋了位於色彩圖案110與112之間的空間上的透光層114之部分。於一實施例中，此些硬罩幕圖案116’之圓滑化形狀可為完全圓滑化或大體圓滑化，且其可為、關於或被採用以使得某物轉向、彎曲或環繞地圓滑化。如第3圖所示，此些硬罩幕圖案116’可為半圓形形狀，但並非以其為限。接著，採用此些硬罩幕圖案116’作為蝕刻罩幕，以針對透光層114施行如乾蝕刻之一蝕刻製程120。
請參照第4圖，於蝕刻製程120後，於保護層106 上形成了分隔之數個透光圖案(transmissive patterns)122。此些透光圖案122分別地形成於位於相鄰之色彩圖案110與112之間的感光元件104之一上，其包括具有長方形剖面以作為彩色濾光物(color filter)之一下方部114b，以及形成於下方部114b上之具有圓滑化形狀剖面以作為微透鏡(microlens)之用之一上方部114a。此些透光圖案122與其下方之感光元件104形成了影像感測裝置內之一透明像素(clear pixel)或一白色像素(white pixels)。此些透明像素或白色像素可具有與亮度有關之光譜特性(spectroscopic properties)且可偵測一物體之亮度訊息(1uminance information)。此外，由於透光圖案122之上方部140a與下方部140b係由相同材料所形成，進而使得透光圖案122之上方部140a與下方部140b之間並沒有折射率的差異。因此，於影像感測裝置之此些透明像素或白色像素內可消除基於介於彩色濾光物與微透鏡之間的折射率差異所造成的能量減少問題。
請參照第5圖，分隔地形成之複數個微透鏡圖案124於此些色彩圖案112之一之一部分上並接觸之。此些微透鏡圖案124可包括如熱回流型感光材料之感光材料，且可藉由一微影製程(未顯示)所形成，進而形成了數個微透鏡圖案124，其分別位於此些色彩圖案112之一之一部上。此些微透鏡圖案124係具有長方形形狀，且可具有大於或小於彩色圖案112之折射率(refractive index，n)之一折射率，且微透鏡圖案124與色彩圖案112之折射率之間的差異的絕對值係少於如0.3。接著，施行一熱製程126，如一熱板熱回流製程，以改變 此些微透鏡圖案124之形狀。
請參照第6圖，於熱製程126之後，便於此些色彩圖案112上分別地形成了數個具圓滑化形狀(round shape)之微透鏡圖案124’。於一實施例中，此些微透鏡圖案124’之圓滑化形狀可為完全圓滑化或大體圓滑化，且其可為、關於或被採用以使得某物轉向、彎曲或環繞地圓滑化。於另一實施例中，，此些微透鏡圖案124’可為半圓形形狀，但並非以其為限。此些微透鏡圖案124’可分別形成於透光圖案122之間且覆蓋了位於色彩圖案112下方之此些感光元件104之一。基於微透鏡圖案124’與下方之色彩圖案112之間的折射率差異可減低至低於0.3，因此便可減少位於微透鏡圖案124’與其下方之一色彩圖案112之間的一介面處的不期望之入射光折射情形(未顯示)的發生，且可降低或消除入射光的能量損失，因此可改善包括了微透鏡圖案124’與色彩圖案112之像素的感測度。
請參照第7圖，分隔地形成之複數個微透鏡圖案128於此些色彩圖案110之一之一部分上並接觸之。此些微透鏡圖案128可包括如熱回流型感光材料之感光材料，且可藉由一微影製程(未顯示)所形成，進而形成了數個微透鏡圖案128，其分別位於此些色彩圖案110之一之一部上。此些微透鏡圖案128係具有長方形形狀，且可具有大於或小於彩色圖案110之折射率(refractive index，n)之一折射率，且微透鏡圖案128與色彩圖案110之折射率之間的差異的絕對值係少於如0.3。接著，施行一熱製程130，如一熱板熱回流製程，以改變此些微透鏡圖案128之形狀。
請參照第8圖，於熱製程128之後，便於此些色彩圖案110上分別地形成了數個具圓滑化形狀(round shape)之微透鏡圖案128’。於一實施例中，此些微透鏡圖案128’之圓滑化形狀可為完全圓滑化或大體圓滑化，且其可為、關於或被採用以使得某物轉向、彎曲或環繞地圓滑化。於另一實施例中，，此些微透鏡圖案128’可為半圓形形狀，但並非以其為限。此些微透鏡圖案128’可分別形成於透光圖案122之間且覆蓋了位於色彩圖案110下方之此些感光元件104之一。基於微透鏡圖案128’與下方之色彩圖案110之間的折射率差異可減低至低於0.3，因此便可減少位於微透鏡圖案128’與其下方之一色彩圖案110之間的一介面處的不期望之入射光折射情形(未顯示)的發生，且可降低或消除入射光的能量損失，因此可改善包括了微透鏡圖案128’與色彩圖案110之像素的感測度。此些微透鏡圖案128’與微透鏡圖案124’的高度可為相同或相異，其可依照如第8圖所示影像感測裝置內像素的光學設計情形而決定。
第9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種彩色濾光陣列(color filter array，CFA)。
請參照第9圖，此彩色濾光陣列可包括依照X方向與Y方向而交替地安排與設置之複數個單元圖案200與300。於一實施例中，此些單元圖案200與300係顯示為2*2之彩色濾光陣列，且其內包括了具有不同設置型態之紅色、藍色、綠色及透明/白色之彩色濾光物。第8圖顯示了具有沿著第9圖內線段8-8之彩色濾光物設置情形之一影像感測裝置之 一剖面圖。然而，本發明之影像感測裝置可具有不同於第8-9圖所示之彩色濾光物之其他設置情形，而並非以第8-9圖所示情形而為限。
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‧‧‧半導體基板
102‧‧‧主動層
104‧‧‧感光元件
106‧‧‧保護層
108‧‧‧遮光金屬
110‧‧‧色彩圖案
112‧‧‧色彩圖案
114a‧‧‧上方部
114b‧‧‧下方部
122‧‧‧透光圖案
124’‧‧‧微透鏡圖案
128’‧‧‧微透鏡圖案

Claims (10)

  1. 一種影像感測裝置，包括：一主動層，具有複數個感光元件；一色彩圖案，設置於該些感光元件之一上，其中該色彩圖案具有擇自由紅色、綠色與藍色所組成族群中之一色彩；一微透鏡，設置於該色彩圖案上；以及一透光圖案，鄰近於該色彩圖案且位於該些感光元件之另一之上，其中該透光圖案包括一彩色濾光部與一微透鏡部，而該微透鏡與該色彩圖案之間之折射率差的絕對值係少於0.3，且該透光圖案之該微透鏡部與該彩色濾光部之折射率之間沒有差異。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該色彩圖案為紅色的，且具有約為1.7-1.9之折射率，或該色彩圖案為藍色的，且具有約為1.5-1.7之折射率，或該色彩圖案為綠色的，且具有約為1.6-1.7之折射率。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該微透鏡具有一圓滑化形狀，以及該透光圖案之該微透鏡部具有一圓滑化形狀。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中透光圖案與其下方之該感光元件形成了一透明像素或一白色像素。
  5. 一種影像感測裝置之製造方法，包括：提供一影像感測結構，包括具有複數個感光元件之一主動層與一色彩圖案，其中該色彩圖案具有擇自由紅色、綠色與藍色所組成族群中之一色彩； 形成一透光圖案，鄰近於該色彩圖案且位於該些感光元件之另一之上，其中該透光圖案包括一彩色濾光部與位於該彩色濾光部上之一微透鏡部；以及形成一微透鏡於該色彩圖案上，其中該微透鏡與該色彩圖案之折射率差的絕對值係少於0.3，而該透光圖案之該微透鏡部與該彩色濾光部之折射率之間則沒有差異。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之影像感測裝置之製造方法，其中形成該透光圖案包括：形成一透光層於該主動層上；形成一硬罩幕圖案於該透光層之一部與該透光層下方之該些感光元件之一之上；以及採用該硬罩幕圖案作為一蝕刻罩幕，對該透光層施行一蝕刻製程而形成該透光圖案。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之影像感測裝置之製造方法，其中形成該微透鏡包括：形成一微透鏡圖案於該色彩圖案上；以及施行一熱製程並變形該微透鏡圖案成為位於該色彩圖案上之該微透鏡。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之影像感測裝置之製造方法，其中該色彩圖案為紅色的，且具有約為1.7-1.9之折射率，或該色彩圖案為藍色的，且具有約為1.5-1.7之折射率，或該色彩圖案為綠色的，且具有約為1.6-1.7之折射率，且其中該透光圖案具有約為1.75-1.95之折射率。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之影像感測裝置之製造方法，其 中該微透鏡具有一圓滑化形狀，且該透光圖案之該微透鏡部具有一圓滑化形狀。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之影像感測裝置之製造方法，其中透光圖案與其下方之該感光元件形成了一透明像素或一白色像素。
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