TW202114191A - 積體化光學感測器及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種積體化光學感測器至少包含一基板、一光模組層及多個微透鏡。基板具有多個感測畫素。光模組層位於基板上。此些微透鏡位於光模組層上。光模組層的厚度定義出此些微透鏡的焦距，此些微透鏡將來自一目標物的目標光線，通過光模組層作光學處理後聚焦於此些感測畫素中。光模組層至少包含一濾光結構層，來對目標光線作濾光處理。光模組層是由相容於互補式金屬氧化物半導體製程的材料所構成。上述積體化光學感測器的製造方法亦一併提供。

Description

積體化光學感測器及其製造方法
本發明是有關於一種積體化光學感測器及其製造方法，且特別是有關於一種能以半導體製程整合製造出的積體化光學感測器及其製造方法，其中濾光結構層是由相容於互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)製程的材料所構成，使得濾光結構層能被整合於CMOS製程中。
現今的移動電子裝置(例如手機、平板電腦、筆記本電腦等)通常配備有使用者生物識別系統，包括了例如指紋、臉型、虹膜等等不同技術，用以保護個人數據安全，其中例如應用於手機或智慧型手錶等攜帶型裝置，也兼具有行動支付的功能，對於使用者生物識別更是變成一種標準的功能，而手機等攜帶型裝置的發展更是朝向全螢幕(或超窄邊框)的趨勢，使得傳統電容式指紋按鍵(例如iphone 5到iphone 8的按鍵)無法再被繼續使用，進而演進出新的微小化光學成像裝置(非常類似傳統的相機模組，具有互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor(CMOS)Image Sensor(簡稱CIS))感測元件及光學鏡頭模組)。將微小化光學成像裝置設置於螢幕下方(可稱為屏下)，透過螢幕部分透光(特別是有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode，OLED)螢幕)，可以擷取按壓於屏幕上方的物體的圖像，特別是指紋圖像，可以稱為屏幕下指紋感測(Fingerprint On Display，FOD)。
已知的光學感測器係利用封裝製程來形成光學感測器的濾光層及透鏡，無法與包含有感測畫素的感測晶片整合於半導體製程而以一種積體化的方式製造出光學感測器。因此，整個光學感測器的製造過程複雜，精確度不高、且成本高昂。
因此，本發明的一個目的是提供一種積體化光學感測器及其製造方法，利用半導體製程之介電層及金屬層作為準直器，來提供所需之微透鏡的焦距、遮光孔隙(aperture)、微透鏡及濾光結構層，無須後段加工常用的高分子材料來製作透明層及阻光層。
為達上述目的，本發明提供一種積體化光學感測器，至少包含一基板、一光模組層及多個微透鏡。基板具有多個感測畫素。光模組層位於基板上。此些微透鏡位於光模組層上。光模組層的厚度定義出此些微透鏡的焦距，此些微透鏡將來自一目標物的目標光線，通過光模組層作光學處理後聚焦於此些感測畫素中。光模組層至少包含一濾光結構層，來對目標光線作濾光處理。光模組層是由相容於互補式金屬氧化物半導體製程的材料所構成，使得濾光結構層能被整合於該CMOS製程中。
本發明亦提供一種積體化光學感測器的製造方法，至少包含以下步驟：利用半導體製程的一製程，於一基板上形成多個感測畫素；於製程中，於基板及此些感測畫素上形成一光模組層；以及於製程中，於光模組層上形成多個微透鏡。
本發明亦提供一種積體化光學感測器，至少包含：一基 板，具有多個感測畫素；一光模組層，位於基板上；以及多個微透鏡，位於光模組層上，其中光模組層的厚度定義出此等微透鏡的焦距，此等微透鏡將來自一目標物的目標光線，通過光模組層作光學處理後聚焦於此等感測畫素中，光模組層至少包含一第一金屬阻光層以及位於第一金屬阻光層上方的一第一金屬層間介電層，目標光線通過第一金屬阻光層的多個第一光孔而進入此等感測畫素。
本發明更提供一種積體化光學感測器的製造方法，至少包含以下步驟：利用半導體製程，於一基板上形成多個感測畫素；於半導體製程中，於基板及此等感測畫素上形成一光模組層；以及於半導體製程中，於光模組層上形成多個微透鏡，其中光模組層的厚度定義出此等微透鏡的焦距，此等微透鏡將來自一目標物的目標光線，通過光模組層作光學處理後聚焦於此等感測畫素中，光模組層至少包含一第一金屬阻光層以及位於第一金屬阻光層上方的一第一金屬層間介電層，目標光線通過第一金屬阻光層的多個第一光孔而進入此等感測畫素。
利用上述的積體化光學感測器，可以在半導體製程中形成主動或被動元件的同時，形成感測畫素、光模組層及微透鏡，亦可同時形成焊墊及達成內連線的電連接結構，利用光模組層來精準控制微透鏡的成像焦距，達成提高製程精確度及降低製造成本的效果。此外，上述光學感測器除了適用於半導體感測器以外，亦適用於TFT感測器。
為讓本發明的上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
A1:面積
A2:分佈面積
AR1:干擾區域
D1,D2,D3,D4:傾斜方向
F:目標物
IM1至IM5:圖像
OA1,OA2:中心光軸
TL:目標光線
TL1:正向光
TL2:斜向光
TL3:斜向光
10:基板
11:感測畫素
15:TFT感測器
20:光模組層
21:下介電模組層
22:第一金屬阻光層
22A:第一光孔
23:第一金屬層間介電層
23':支撐基板
24:濾光結構層
24A:區域
25:第二金屬層間介電層
25':間隔層
26:第二金屬阻光層
26A:第二光孔
27:上介電模組層
31:抗反射層
40:微透鏡
50:連線層組
52:第一金屬層
53:下介電層
54:第二金屬層
56:第三金屬層
58:下內連線
60:收光模組
78:焊墊
100:光學感測器
〔圖1A〕至〔圖1C〕顯示依據本發明較佳實施例的積體化光學感 測器的數個例子的局部剖面示意圖。
〔圖2〕至〔圖6〕顯示〔圖1C〕的數個變化例的示意圖。
〔圖7〕至〔圖11〕顯示〔圖1C〕的數個變化例的示意圖。
〔圖12〕顯示指紋圖像的擷取及處理的示意圖。
〔圖13〕顯示〔圖11〕的斜向光的傾斜方向的配置的示意圖。
〔圖14〕顯示〔圖12〕的積體化光學感測器所擷取的指紋圖像的面積的比較圖。
〔圖15〕顯示〔圖11〕的斜向光的傾斜方向的另一種配置的示意圖。
〔圖16〕顯示〔圖15〕的積體化光學感測器所擷取的指紋圖像的面積的比較圖。
〔圖17〕至〔圖21〕顯示〔圖1C〕的數個變化例的示意圖。
〔圖22〕至〔圖26〕顯示〔圖18〕的數個變化例的示意圖。
圖1A至圖1C顯示依據本發明較佳實施例的積體化光學感測器100的局部剖面示意圖。如圖1A所示，積體化光學感測器100至少包含一基板10(於本例子中為半導體基板，譬如矽基板)、一光模組層20以及多個微透鏡40。基板10具有多個感測畫素11。光模組層20位於基板10上。此些微透鏡40位於光模組層20上。光模組層20的厚度定義出此些微透鏡40的焦距。此些微透鏡40將來自一目標物F的目標光線TL，通過光模組層20作光學處理(包含譬如準直化處理)後聚焦於此些感測畫素11中。光模組層20至少包含一濾光結構層24(可以利用CMOS製程中至少一金屬層或額外增加的至少一金屬層或非金屬層)，來對目標光線TL作濾光處理，其中光模組層20是由相容於互補 式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)製程的材料所構成，使得濾光結構層24能被整合於CMOS製程(譬如是前段製程)中。以上特徵即可達成本發明的有益效果，也就是在CMOS製程中可以完成積體化光學感測器。此外，光模組層20可以更包含一第一金屬阻光層22(可以是CMOS製程中標準的金屬層，或者是額外增加的金屬層或非金屬層)以及位於第一金屬阻光層22上方以及濾光結構層24下方的一第一金屬層間介電層23。目標光線TL依序通過濾光結構層24及第一金屬阻光層22的多個第一光孔22A而進入此些感測畫素11。值得注意的是，濾光結構濾光結構第一金屬層間介電層23位於第一金屬阻光層22與濾光結構層24之間，且目標光線TL通過濾光結構層24及此些第一光孔22A而進入此些感測畫素11。於本實施例中，基板10、等微透鏡40及光模組層20是由相容於CMOS製程的材料所構成。
如圖1B所示，本例子類似於圖1A，差異點在於光模組層20沒有第一金屬阻光層22，但是更包含一第二金屬阻光層26(可以是CMOS製程中標準的金屬層，或者是額外增加的金屬層或非金屬層)，以及位於第二金屬阻光層26下方以及濾光結構層24上方的一第二金屬層間介電層25，且目標光線TL依序通過第二金屬阻光層26的多個第二光孔26A及濾光結構層24而進入該等感測畫素11。於一例子中，濾光結構層24的濾光結構為濾光光柵。基於目標光線TL的光路，可以僅於濾光結構層24的區域24A中配置有濾光結構，區域24A大致對應於第二光孔26A，而其他區域仍配置有阻光結構。
如圖1C所示，本例子類似於圖1A與圖1B，差異點在於整合有第一金屬阻光層22與第二金屬阻光層26，而達成多角度阻擋 雜散光的效果。
半導體的積體電路製造工程大致可分為「前段製程」與「後段製程」。有關前段製程，是在矽晶圓上做出電阻、電容、二極體、電晶體等元件，以及將這些元件互相連接的內部佈線。後段製程包括：封裝製程及測試製程。半導體的前段製程包括：形成絕緣層、導體層、半導體層的「成膜」；以及在薄膜表面塗佈光阻感光性樹脂，並利用相片黃光微影技術長出圖案的「黃光微影」；並且以形成的光阻圖案做為遮罩，選擇性地去除底層材料膜，以便達成造型加工的「蝕刻」等。
以上的積體化光學感測器的製造方法，至少包含以下步驟。首先，利用半導體製程(譬如前段製程)，於一基板10上形成多個感測畫素11。然後，於半導體製程中，於基板10及此些感測畫素11上形成一光模組層20。接著，於半導體製程中，於光模組層20上形成多個微透鏡40。此些微透鏡40係利用二氧化矽材料或高分子材料，配合灰階光罩及蝕刻來形成。
藉由上述的結構及製造方法，即可達成積體化光學感測器100的圖像感測功能(可以感測包含指紋圖像、血管圖像、血氧濃度圖像等生物特徵)，達成提高製程精確度及降低製造成本的效果。
於上述的積體化光學感測器100中，第二金屬阻光層26位於濾光結構層24的上方，並具有多個第二光孔26A讓目標光線TL通過。第二金屬層間介電層25位於濾光結構層24與第二金屬阻光層26之間。值得注意的是，第一金屬阻光層22、濾光結構層24及/或第二金屬阻光層26的材料可以是金屬層、非金屬層或包含金屬與非金屬的複合層。
光模組層20可以更包含一下介電層模組21(可以包含例 如CMOS製程(特別是前段製程)中的部分或全部的層間介電層(Inter-Layer Dielectric，ILD)、金屬層間介電層(Inter-Metal Dielectric，IMD)及金屬層(metal layer))、一第二金屬阻光層26、一第二金屬層間介電層25以及一上介電模組層27。下介電模組層21位於此些感測畫素11上。第一金屬阻光層22位於下介電模組層21上，而濾光結構層24位於第一金屬阻光層22上方。第二金屬阻光層26位於濾光結構層24的上方，並具有多個第二光孔26A讓目標光線TL通過。第二金屬層間介電層25位於濾光結構層24與第二金屬阻光層26之間。此些微透鏡40位於上介電模組層27上，而上介電模組層27位於第二金屬阻光層26上。
於一例子中，上介電模組層27為一透光層，用於保護第二金屬阻光層26。於另一例子中，上介電模組層27為一高折射材料濾光層，具有高折射率，材料的折射率越高，使入射光發生折射的能力越强，有效讓目標光線TL進入到感測畫素11中。介電模組層本身可以為單一材料或多層材料之結合，例如包含了CMOS製程上方的平坦化介電層(例如氧化矽或氮化矽或兩者結合)及製作微透鏡的緩衝層。
因為是使用半導體的製程來完成光模組層20，所以第一金屬阻光層22、濾光結構層24與第一金屬層間介電層23是由半導體製程相容的材料所構成。此外，由於金屬層可以作為電連接的媒介，故可以利用某一金屬層形成一個或多個焊墊78，使得第一金屬阻光層22與濾光結構層24電連接至此些感測畫素11及積體化光學感測器100的一個或多個焊墊78。
因此，本發明的主要精神是利用半導體製程之介電層及金屬層作為準直器，來提供所需之微透鏡的焦距、遮光孔隙(aperture)、微透鏡及濾光結構層，無須後段加工常用的高分子材料來製作透明層及 阻光層，故可以達到感測晶片與準直器積體化的製程。
利用半導體製程之第一層金屬層(亦可為第二金屬層或其他金屬層)來形成遮光孔隙(aperture)，利用層間介電層(Inter-Layer Dielectric，ILD)或金屬層間介電層(Inter-Metal Dielectric，IMD)來形成微透鏡的焦距，再利用金屬層(可為任一金屬層)形成光柵設計或高折射係數材料層設計，或利用介電材料(例如繞射光學元件(Diffraction Optical Element，DOE)或其他光學設計來形成IR濾光結構層。至於微透鏡方面，可利用二氧化矽(SiO2)或高分子材料加上灰階光罩設計及蝕刻，或利用其他半導體相容材料來形成。
此外，在圖1C的積體化光學感測器100中，此些第一光孔22A與此些微透鏡40的中心光軸OA1、OA2分別呈對準狀態，而第一光孔22A、此些微透鏡40與此些感測畫素11之間具有一對一的對應關係，使得此些微透鏡40將目標光線TL的正向光TL1分別透過此些第一光孔22A聚焦於此些感測畫素11。正向光TL1為大致垂直於中心光軸OA1、OA2的光線，正向光TL1與中心光軸OA1、OA2的角度介於正負45度與0度之間，較佳是介於正負30度與0度之間，介於正負15度與0度之間、介於正負10度與0度之間或介於正負5度與0度之間。
圖2至圖6顯示圖1C的數個變化例的示意圖。如圖2所示，本例子類似於圖1C，差異在於圖2的第一金屬阻光層22與濾光結構層24的位置互換，亦即，第一金屬阻光層22位於濾光結構層24上方。因此，在光模組層20中，下介電模組層21位於此些感測畫素11上。濾光結構層24位於下介電模組層21上，而第一金屬阻光層22位於濾光結構層24上方；第二金屬阻光層26位於濾光結構層24的上方， 並具有多個第二光孔26A讓目標光線TL通過；第二金屬層間介電層25位於第一金屬阻光層22與第二金屬阻光層26之間。上介電模組層27位於第二金屬阻光層26上。
如圖3至圖4所示，為防止光線在金屬層之間反射的雜散光所造成的雜訊，可在金屬層之間增加可降低金屬反射之材料(如碳膜層、氮化鈦(TiN)層或其他半導體相容材料)來吸收反射的雜散光，此抗反射層可為一層或多層的設計。因此光模組層20可以更包含一抗反射層31，設置於濾光結構層24及第一金屬阻光層22之一者或兩者上，用於吸收反射的雜散光。
如圖5所示，本發明的實施例提供一種背面照光(Back Side Illumination，BSI)製程，也可增加前述半導體製程而完成一積體化的準直器結構。於此情況下，光學感測器100更包含一連線層組50，基板10設置於連線層組50上。連線層組50電連接至感測畫素11。詳細而言，連線層組50至少包含一第三金屬層56、一第二金屬層54、一第一金屬層52、一下介電層53及多條下內連線58。第二金屬層54位於第三金屬層56上方。第一金屬層52位於第二金屬層54上方。下介電層53及下內連線58位於第一金屬層52、第二金屬層54、第三金屬層56與基板10之間。此些下內連線58電連接至第一金屬層52、第二金屬層54與第三金屬層56。此些下內連線58也可以電連接至此些感測畫素11。實際製造時，下介電模組層21、基板10及連線層組50先製作於一晶圓上，而光模組層20(不含下介電模組層21)及微透鏡40先製作於另一晶圓上，再通過兩晶圓的接合而形成圖5的結構。
如圖6所示，本發明的實施例提供一種前面照光(Front Side Illumination，FSI)製程，也可再增加前述半導體製程完成一積體化 的準直器結構。於此情況下，光模組層20更包含一連線層組50，其中連線層組50設置於基板10上。連線層組50可以稱為是透明介質層，也可以電連接至感測畫素11。連線層組50至少包含一第三金屬層56、一第二金屬層54、一第一金屬層52、一下介電層53及多條下內連線58。第三金屬層56設置於基板10上。第二金屬層54位於第三金屬層56上方。第一金屬層52位於第二金屬層54上方，第一金屬阻光層22位於第一金屬層52上方。下介電層53及下內連線58位於第一金屬層52、第二金屬層54、第三金屬層56與基板10之間。此些下內連線58電連接至第一金屬層52、第二金屬層54與第三金屬層56。此些下內連線58可以電連接至此些感測畫素11，其中第一金屬阻光層22隔著下介電模組層21位於第一金屬層52上方。實際製造時，下介電模組層21、連線層組50及基板10先製作於一晶圓上，而光模組層20(不含下介電模組層21)及微透鏡40先製作於另一晶圓上，再通過兩晶圓的接合而形成圖6的結構。
圖7至圖11顯示圖1C的數個變化例的示意圖。如圖7所示，為一種光軸不對準的狀態。亦即，此些第一光孔22A與此些微透鏡40的中心光軸OA1與OA2分別呈一對一的不對準狀態，而第一光孔22A、此些微透鏡40與此些感測畫素11之間具有一對一的對應關係，使得此些微透鏡40將目標光線TL的斜向光TL2分別透過此些第一光孔22A聚焦於此些感測畫素11。
如圖8所示，部分產品應用可能需要控制大角度的光，則微透鏡需要作較大偏移，使得相鄰感測畫素11之間的電路會造成光線干擾，譬如在干擾區域AR1中，可能對斜向光TL2造成干擾。
為解決上述問題，圖9與圖10提供另一種感測結構，採 多對一的設計在各方向的微透鏡的偏移可以避免各像素間的電路會造成光線干擾，其中感測畫素11以一對多的方式對應至微透鏡40。亦即，此些感測畫素11的其中一個感測畫素11對應到此些微透鏡40的其中多個微透鏡40，而接收到對應的此些微透鏡40所聚焦的光線(於此是以斜向光TL2做為例子，但也可以用於圖1C的正向光TL1)。此些微透鏡40以一對一的方式對應到此些第一光孔22A，且此些第一光孔22A與此些微透鏡40的中心光軸OA1與OA2分別呈不對準狀態。
圖12顯示指紋圖像的擷取及處理的示意圖。圖13顯示圖11的斜向光的傾斜方向的配置的示意圖。圖14顯示圖12的積體化光學感測器所擷取的指紋圖像的面積的比較圖。如圖11至圖14所示，提供一種扇出(Fan-out)式準直器結構，利用斜向光準直器的設計，使得奇數行或列的感測畫素和偶數行或列的感測畫素11所收的斜向光方向相反，可增加指紋感測面積，亦即，相鄰感測畫素11的光軸偏移方向相反。於此情況下，積體化光學感測器100具有多個收光模組60。各收光模組60是由此些感測畫素11的其中一個，以及與感測畫素11相對應的此些微透鏡40及此些第一光孔22A所組成。相鄰的此些收光模組60接收的斜向光TL2與斜向光TL3相對於此些微透鏡40的中心光軸OA2具有不同的傾斜方向D1與D2。另一方面，此些收光模組60感測目標物F所獲得的圖像的面積A1大於此些感測畫素11的分佈面積A2。此外，同一列的此些收光模組60接收的斜向光TL2相對於此些微透鏡40的中心光軸OA2具有相同的傾斜方向D1/D2，而不同列的此些收光模組60接收的斜向光TL2與斜向光TL3相對於此些微透鏡40的中心光軸OA2具有不同的傾斜方向D1與D2。上述架構為單軸式扇出架構。值得注意的是，圖11與圖13的傾斜方向D1與D2的配置僅做 為舉例說明的目的。同一個光學感測器100中，可以同時設置有正向光與斜向光的收光模組60，譬如，中間的收光模組60接收正向光，而周邊或兩側的收光模組60接收不同方向的斜向光。
於圖12中，使用扇出式光學感測器感測到圖像IM1，經過圖像扇出的圖像信號處理方法後，產生圖像IM2，在經過內插式圖像信號處理方法，獲得圖像IM3。而使用非扇出式光學感測器感測到圖像IM4，經過圖像信號處理後得到圖像IM5。比對圖像IM3與IM5可以發現，增加了大約30%的感測面積。
圖15顯示圖11的斜向光的傾斜方向的另一種配置的示意圖。圖16顯示圖15的積體化光學感測器所擷取的指紋圖像的面積的比較圖。如圖11、圖15與圖16所示，提供一種雙軸式扇出架構，此些收光模組60的相鄰四個分別接收偏右、偏前、偏左及偏後的斜向光TL2，使得此些收光模組60感測目標物F所獲得的圖像為十字形。亦即，相鄰四個收光模組60接收的斜向光TL2與斜向光TL3相對於此些微透鏡40的中心光軸OA2具有不同的傾斜方向D1、D2、D3與D4。
圖17至圖21顯示圖1C的數個變化例的示意圖。如圖17所示，積體化光學感測器100更包含一雜散光吸收層32，位於光模組層20上以及此些微透鏡40之間，並吸收於光模組層20中反射的雜散光，以免造成雜訊。雜散光吸收層32譬如是碳膜層。如圖18所示，各微透鏡40為等離子體或電漿子(plasmonic)聚焦透鏡，譬如，利用具有兩個次波長狹縫的凹槽和特殊結構的設計，形成如傳統透鏡的聚光結構。在納米光學中，等離子體透鏡通常是指用於表面等離子體極化子(Surface Plasmon Polaritons,SPP)的透鏡，即使SPP重定向以向單個焦點會聚的設備。因為SPP可以具有非常小的波長，所以它們可以會 聚成非常小的和非常強烈的光點，遠小於自由空間波長和繞射極限。值得注意的是，第二金屬阻光層26可以用來阻擋斜向光。如圖19所示，濾光結構層24為等離子體濾波層，其中等離子體濾波層結構可以是至少一金屬層或至少一金屬層搭配至少一介電層的複合結構，利用等離子體濾光結構可以過濾紅外光或可見光，且位於第二金屬阻光層26的上方與微透鏡40的下方(位於微透鏡40與第一金屬阻光層22(第二金屬阻光層26)之間，用來對目標光線作濾光處理)。如圖20所示，整合了等離子體聚焦透鏡與等離子體濾波層，達成濾光與聚光的效果。如圖21所示，基板10為玻璃基板，使得上述的設計概念可以應用於薄膜電晶體(Thin-Film Transistor,TFT)製程的光學影像感測器。於製造時，可以先於玻璃基板(或支撐基板23')上形成等離子體濾波層24與等離子體聚焦微透鏡40(位於間隔層25'上)，再利用組裝的方式黏貼於TFT感測器15(包含基板10及感測畫素11)，並與感測畫素11對齊，以提供聚光、準直及濾光的效果，當然也可以利用TFT製程而將等離子體聚焦微透鏡40與等離子體濾波層24整合於TFT感測器上，亦可達成本發明的效果。因此，本例的光學感測器包含TFT感測器15、支撐基板23'/介電層23、等離子體濾波層24、間隔層25'/介電層25以及等離子體聚焦微透鏡40。支撐基板23'/介電層23可以直接或間接(透過黏膠)位於TFT感測器15上，等離子體濾波層24位於支撐基板23'/介電層23上，間隔層25'/介電層25位於等離子體濾波層24上，而等離子體聚焦微透鏡40位於間隔層25'/介電層25上。目標光線可以通過等離子體聚焦微透鏡40、間隔層25'/介電層25、等離子體濾波層24及支撐基板23'/介電層23而進入TFT感測器15的基板10(玻璃基板)的感測畫素11中。
如圖22所示，本例類似於圖8，差異點在於微透鏡40 的結構為圖17的結構。於圖22中，更進一步繪製出光路以作更進一步的說明，積體化光學感測器100至少包含基板10、光模組層20以及此等微透鏡40。基板10為半導體基板，並具有多個感測畫素11。光模組層20位於基板10上。此等微透鏡40位於光模組層20上。光模組層20的厚度定義出此等微透鏡40的焦距。此等微透鏡40將目標光線TL通過光模組層20作光學處理後聚焦於此等感測畫素11中。光模組層20至少包含第一金屬阻光層22以及位於第一金屬阻光層22上方的第一金屬層間介電層23，目標光線TL通過第一金屬阻光層22的多個第一光孔22A而進入此等感測畫素11。如此亦可以達成利用半導體製程的金屬層來達成遮光的效果。
此外，光模組層20可以更包含一第二金屬阻光層26以及第二金屬層間介電層25。此等微透鏡40位於第二金屬層間介電層25上。目標光線TL的正向光TL1通過第二金屬阻光層26的多個第二光孔26A及此等第一光孔22A而進入此等感測畫素11，目標光線TL的斜向光TL2(又稱相鄰透鏡斜向光，通過相鄰的微透鏡)被第二金屬阻光層26而無法進入第一金屬層間介電層23及此等感測畫素11。
圖23類似於圖22，差異點在於其中光模組層20至少更包含一第三金屬阻光層28，位於第二金屬阻光層26上方以及相鄰的此等微透鏡40之間，第三金屬阻光層28阻擋目標光線TL的透鏡間隙斜向光TL3(進入相鄰微透鏡之間的間隙)進入第二金屬層間介電層25中以減少雜訊。
圖24類似於圖22，差異點在於光模組層20至少更包含一抗反射層31，設置於第二金屬阻光層26及第一金屬阻光層22的一者或兩者上，用於吸收反射的雜散光SL(在第一金屬層間介電層23/第 二金屬層間介電層25間行進)以減少雜訊。
圖25類似於圖22，差異點在於光模組層20至少更包含一雜散光吸收層32，位於第二金屬阻光層26上方以及相鄰的此等微透鏡40之間，並吸收於第二金屬層間介電層25中行進的雜散光SL。
圖26類似於圖22，差異點在於基板10為玻璃基板，上面形成有感測畫素11。值得注意的是，上述所有實施例皆可同步應用於TFT製程的影像感測器。
利用上述的積體化光學感測器，可以在半導體製程中形成主動或被動元件的同時，形成感測畫素、光模組層及微透鏡，亦可同時形成焊墊及達成內連線的電連接結構，利用光模組層來精準控制微透鏡的成像焦距，達成提高製程精確度及降低製造成本的效果。此外，上述光學感測器除了適用於半導體感測器以外，亦適用於TFT感測器。
在較佳實施例的詳細說明中所提出的具體實施例僅用以方便說明本發明的技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明的精神及申請專利範圍的情況下，所做的種種變化實施，皆屬於本發明的範圍。
F:目標物
OA1,OA2:中心光軸
TL:目標光線
TL1:正向光
10:基板
11:感測畫素
20:光模組層
21:下介電模組層
22:第一金屬阻光層
22A:第一光孔
23:第一金屬層間介電層
24:濾光結構層
25:第二金屬層間介電層
27:上介電模組層
40:微透鏡
100:光學感測器

Claims (36)

  1. 一種積體化光學感測器，至少包含：
    一基板，具有多個感測畫素；
    一光模組層，位於該基板上；以及
    多個微透鏡，位於該光模組層上，其中該光模組層的厚度定義出該等微透鏡的焦距，該等微透鏡將來自一目標物的目標光線，通過該光模組層作光學處理後聚焦於該等感測畫素中，該光模組層至少包含一濾光結構層，來對該目標光線作濾光處理，其中該光模組層是由相容於互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)製程的材料所構成，使得該濾光結構層能被整合於該CMOS製程中。
  2. 如請求項1所述的積體化光學感測器，其中該光模組層更包含一第二金屬阻光層，以及位於該第二金屬阻光層下方以及該濾光結構層上方的一第二金屬層間介電層，且該目標光線依序通過該第二金屬阻光層的多個第二光孔及該濾光結構層而進入該等感測畫素，其中該基板、該等微透鏡及該光模組層是由相容於該CMOS製程的材料所構成。
  3. 如請求項1所述的積體化光學感測器，其中該光模組層更包含一第一金屬阻光層以及位於該第一金屬阻光層上方以及該濾光結構層下方的一第一金屬層間介電層，且該目標光線依序通過該濾光結構層及該第一金屬阻 光層的多個第一光孔而進入該等感測畫素，其中該基板、該等微透鏡及該光模組層是由相容於該CMOS製程的材料所構成。
  4. 如請求項3所述的積體化光學感測器，其中該光模組層更包含：
    一第二金屬阻光層，位於該濾光結構層的上方，並具有多個第二光孔讓該目標光線通過；以及
    一第二金屬層間介電層，位於該濾光結構層與該第二金屬阻光層之間。
  5. 如請求項3所述的積體化光學感測器，其中該光模組層更包含：
    一下介電模組層，位於該等感測畫素上，其中該第一金屬阻光層位於該下介電模組層上，該濾光結構層位於該第一金屬阻光層上方；
    一第二金屬阻光層，位於該濾光結構層的上方，並具有多個第二光孔讓該目標光線通過；
    一第二金屬層間介電層，位於該濾光結構層與該第二金屬阻光層之間；以及
    一上介電模組層，位於該第二金屬阻光層上，其中該等微透鏡位於該上介電模組層上。
  6. 如請求項5所述的積體化光學感測器，其中該上介電模組層為一高折射材料濾光層。
  7. 如請求項5所述的積體化光學感測器，其中該上介電模組層與該下介電模組層的每一個包含該CMOS 製程中的層間介電層、金屬層間介電層及金屬層的一部分或全部。
  8. 如請求項3所述的積體化光學感測器，其中該光模組層更包含：
    一下介電模組層，位於該等感測畫素上，其中該濾光結構層位於該下介電模組層上，該第一金屬阻光層位於該濾光結構層上方；
    一第二金屬阻光層，位於該濾光結構層的上方，並具有多個第二光孔讓該目標光線通過；
    一第二金屬層間介電層，位於該第一金屬阻光層與該第二金屬阻光層之間；以及
    一上介電模組層，位於該第二金屬阻光層上，其中該等微透鏡位於該上介電模組層上。
  9. 如請求項8所述的積體化光學感測器，其中該上介電模組層為一高折射材料濾光層。
  10. 如請求項8所述的積體化光學感測器，其中該上介電模組層與該下介電模組層的每一個包含該CMOS製程中的層間介電層、金屬層間介電層及金屬層的一部分或全部。
  11. 如請求項3所述的積體化光學感測器，其中該光模組層更包含一抗反射層，設置於該濾光結構層及該第一金屬阻光層之一者或兩者上，用於吸收反射的雜散光。
  12. 如請求項1所述的積體化光學感測器，更包含一連線層組，其中該基板設置於該連線層組上。
  13. 如請求項12所述的積體化光學感測器，其中該連線層組至少包含：
    一第三金屬層；
    一第二金屬層，位於該第三金屬層上方；
    一第一金屬層，位於該第二金屬層上方；以及
    一下介電層及多條下內連線，位於該第一金屬層、該第二金屬層、該第三金屬層與該基板之間，該等下內連線電連接至該第一金屬層、該第二金屬層與第三金屬層。
  14. 如請求項3所述的積體化光學感測器，其中該光模組層更包含一連線層組，其中該連線層組設置於該基板上。
  15. 如請求項14所述的積體化光學感測器，其中該連線層組至少包含：
    一第三金屬層，設置於該基板上；
    一第二金屬層，位於該第三金屬層上方；
    一第一金屬層，位於該第二金屬層上方，其中該第一金屬阻光層位於該第一金屬層上方；以及
    一下介電層及多條下內連線，位於該第一金屬層、該第二金屬層、該第三金屬層與該基板之間，該等下內連線電連接至該第一金屬層、該第二金屬層與第三金屬層。
  16. 如請求項3所述的積體化光學感測器，其中該等第一光孔與該等微透鏡的中心光軸分別呈對準狀態，而該第一光孔、該等微透鏡與該等感測畫素之間具有一對一的對應關係，使得該等微透鏡將該目標光線的正向光分別透過該等第一光孔聚焦於該等感測畫素。
  17. 如請求項3所述的積體化光學感測器，其中該等第一光孔與該等微透鏡的中心光軸分別呈一對一的不對準狀態，而該第一光孔、該等微透鏡與該等感測畫素之間具有一對一的對應關係，使得該等微透鏡將該目標光線的斜向光分別透過該等第一光孔聚焦於該等感測畫素。
  18. 如請求項3所述的積體化光學感測器，其中該等感測畫素的其中一個感測畫素對應到該等微透鏡的其中多個微透鏡，而接收到對應的該等微透鏡所聚焦的光線。
  19. 如請求項18所述的積體化光學感測器，其中該等微透鏡以一對一的方式對應到該等第一光孔。
  20. 如請求項19所述的積體化光學感測器，其中該等第一光孔與該等微透鏡的中心光軸分別呈不對準狀態。
  21. 如請求項19所述的積體化光學感測器，具有多個收光模組，其中各該收光模組是由該等感測畫素的其中一個，以及與該感測畫素相對應的該等微透鏡及該等第一光孔所組成，其中相鄰的該等收光模組接收的斜向光與 斜向光相對於該等微透鏡的中心光軸具有不同的傾斜方向。
  22. 如請求項19所述的積體化光學感測器，具有多個收光模組，排列成多行與多列，各該收光模組是由該等感測畫素的其中一個，以及與該感測畫素相對應的該等微透鏡及該等第一光孔所組成，其中該等收光模組感測該目標物所獲得的圖像的面積大於該等感測畫素的分佈面積。
  23. 如請求項22所述的積體化光學感測器，其中同一列的該等收光模組接收的斜向光相對於該等微透鏡的中心光軸具有相同的傾斜方向，不同列的該等收光模組接收的斜向光與斜向光相對於該等微透鏡的中心光軸具有不同的傾斜方向。
  24. 如請求項22所述的積體化光學感測器，其中該等收光模組感測該目標物所獲得的圖像為十字形。
  25. 如請求項22所述的積體化光學感測器，其中該等收光模組的相鄰四個分別接收偏右、偏前、偏左及偏後的斜向光。
  26. 如請求項1所述的積體化光學感測器，更包含一雜散光吸收層，位於該光模組層上以及該等微透鏡之間，並吸收於該光模組層中反射的雜散光。
  27. 如請求項1所述的積體化光學感測器，其中各該微透鏡為等離子體聚焦透鏡。
  28. 如請求項1所述的積體化光學感測器，其中該濾光結構層為等離子體濾波層。
  29. 如請求項28所述的積體化光學感測器，其中各該微透鏡為等離子體聚焦透鏡。
  30. 如請求項1所述的積體化光學感測器，其中該基板為半導體基板。
  31. 如請求項1所述的積體化光學感測器，其中該基板為玻璃基板。
  32. 一種積體化光學感測器的製造方法，至少包含以下步驟：
    利用半導體製程，於一基板上形成多個感測畫素；
    於該半導體製程中，於該基板及該等感測畫素上形成一光模組層；以及
    於該半導體製程中，於該光模組層上形成多個微透鏡。
  33. 如請求項32所述的製造方法，其中該等微透鏡係利用二氧化矽材料或高分子材料，配合灰階光罩及蝕刻來形成。
  34. 如請求項32所述的製造方法，其中該光模組層的厚度定義出該等微透鏡的焦距，該等微透鏡將來自一目標物的目標光線，通過該光模組層作光學處理後聚焦於該等感測畫素中，該光模組層至少包含一濾光結構層，來對該目標光線作濾光處理。
  35. 如請求項34所述的製造方法，其中該光模組層更包含一第一金屬阻光層以及位於該第一金屬阻光層上 方以及該濾光結構層下方的一第一金屬層間介電層，且該目標光線依序通過該濾光結構層及該第一金屬阻光層的多個第一光孔而進入該等感測畫素。
  36. 如請求項35所述的製造方法，其中該第一金屬阻光層與該濾光結構層電連接至該等感測畫素及該積體化光學感測器的至少一焊墊。
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