TW202416520A - 影像感測器 - Google Patents

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Abstract

一種影像感測器，包括：感測單元組；設置於感測單元組內的彩色濾光層；以及設置對應彩色濾光層的介電結構和超穎表面（metasurface）。超穎表面包括：複數個周邊奈米柱（peripheral nanopost），從上視圖來看，分別位於感測單元組的多個角；被周邊奈米柱包繞的中心奈米柱（central nanopost）；以及橫向地圍繞周邊奈米柱和中心奈米柱的填充材料。從上視圖來看，中心奈米柱由感測單元組的中心點位移（offset）一距離。

Description

影像感測器
本揭露實施例是關於一種影像感測器，特別是關於影像感測器的超穎表面（metasurface）。
影像感測器，如互補式金屬氧化物半導體影像感測器（complementary metal oxide semiconductor image sensor, CIS），被廣泛地運用在影像拍攝設備中，如數位靜止影像相機、數位攝影相機、以及其他類似設備。影像感測器的光感測部可偵測環境中的色彩變化，並可根據光感測部接收到的光量產生訊號電荷。此外，可傳輸並放大在光感測部中所產生的訊號電荷，從而獲得影像訊號。
傳統上，可設計超穎表面以將入射光的顏色分開。可透過光的繞射或折射特性分開入射波長，而可依據超穎表面的折射率和形狀調整被分開的波長的傳輸方向。可引導被分開的波長至對應的感測單元以便被接收。當影像感測器納入超穎表面時，影像感測器的彩色濾光層可大多僅接收所欲的顏色（由於先前藉由上方的超穎表面分開入射波長）。然而，由於感測單元的尺寸持續的縮小，針對超穎表面採用光的繞射和折射特性達到充足的波長分離變得越來越有挑戰性。因此，需要透過影像感測器的設計和製造來解決這些相關問題。
在一實施例中，一種影像感測器，包括：感測單元組；彩色濾光層，設置於感測單元組內；以及介電結構和超穎表面（metasurface），設置對應彩色濾光層。超穎表面包括：複數個周邊奈米柱（peripheral nanopost），從上視圖來看，分別位於感測單元組的多個角；中心奈米柱（central nanopost），被周邊奈米柱包繞；以及填充材料，橫向地圍繞周邊奈米柱和中心奈米柱。從上視圖來看，中心奈米柱由感測單元組的中心點位移（offset）一距離。
以下揭露提供了許多不同的實施例或範例，用於實施本發明的不同部件。組件和配置的具體範例描述如下，以簡化本揭露實施例。當然，這些僅僅是範例，並非用以限定本揭露實施例。舉例來說，敘述中提及第一部件形成於第二部件之上，可包括形成第一和第二部件直接接觸的實施例，也可包括額外的部件形成於第一和第二部件之間，使得第一和第二部件不直接接觸的實施例。
應理解的是，額外的操作步驟可實施於所述方法之前、之間或之後，且在所述方法的其他實施例中，部分的操作步驟可被取代或省略。
此外，與空間相關用詞，例如「在…下方」、「下方」、「較低的」、「在…上方」、「上方」、「較高的」和類似用語可用於此，以便描述如圖所示一元件或部件和其他元件或部件之間的關係。這些空間用語企圖包括使用或操作中的裝置的不同方位，以及圖式所述的方位。當裝置被轉至其他方位（旋轉90°或其他方位），則在此所使用的空間相對描述可同樣依旋轉後的方位來解讀。
在本揭露實施例中，「約」、「大約」、「大抵」之用語通常表示在一給定值或範圍的±20%之內、或±10%之內、或±5%之內、或±3%之內、或±2%之內、或±1%之內、或甚至±0.5%之內。在此給定的數量為大約的數量。亦即，在沒有特定說明「約」、「大約」、「大抵」的情況下，仍可隱含「約」、「大約」、「大抵」之含義。
除非另外定義，在此使用的全部用語（包括技術及科學用語）具有與所屬技術領域中具有通常知識者所通常理解的相同涵義。應能理解的是，這些用語，例如在通常使用的字典中定義的用語，應被解讀成具有與相關技術及本揭露的背景或上下文一致的意思，而不應以一理想化或過度正式的方式解讀，除非在本揭露實施例中有特別定義。
以下所揭露之不同實施例可能重複使用相同的參考符號及∕或標記。這些重複係為了簡化與清晰的目的，並非用以主導所討論的各種實施例及∕或結構之間的關係。
為了回應持續縮小的畫素尺寸，每個畫素的光量接收及畫素之間的光量接收均勻度已經成為關鍵的顧慮。在影像感測器的較小畫素中提升光量接收的一個方法為併入一組感測單元（如相位差自動對焦（phase difference auto focus, PDAF）畫素）。根據本揭露的一些實施例，當光被這組內的每個感測單元均勻地接收時，影像感測器可顯示統一顏色的影像。然而，若每個感測單元所接收的光不均勻時，則影像感測器會遭受色差（color variation）。感測單元組可偵測和追蹤整體元件的影像對焦，而感測單元組也允許藉由所接收的訊號判定顏色。舉例來說，當光以傾斜角度入射時，其組內的其中一個感測單元可接收比另一個感測單元更大的光量，而基於感測單元之間的訊號讀取，可準確地判定入射光的方向。
在大自然中，光為各種波長的組合。傳統的影像感測器可透過微透鏡匯聚入射光。之後，將匯聚的光傳輸穿過下方的彩色濾光層。彩色濾光層可允許所欲的顏色傳輸，而可吸收不想要的顏色。儘管傳統的影像感測器可確保所欲的顏色被對應的感測單元所接收，被吸收的其他顏色仍可代表一部分的光能量損失。當每組感測單元僅取得全部光能量的特定量時，影像感測器的量子效率（quantum efficiency, QE）可能會很難改善。每當量子效率不足時，裝置則無法運用在低亮度的環境中（如夜視（night vision）設備）或移動車輛內的相機（如即時（real time）影像）。
本揭露將超穎表面納入感測單元組以取代傳統的微透鏡，並作為可見光的顏色路由（color router）。超穎表面包括奈米結構（如奈米柱或柱體），其形成特定的相位分配，以針對不同的波長提供所需的相位分配。超穎表面引導不同的入射波長至所屬的目標位置，也稱為顏色路由。透過使用演算法優化奈米結構的尺寸和節距（pitch），不同的入射波長可分別被指向其對應的感測單元。相較於傳統的方案，可減少光能量損失，從而提升量子效率。
當超穎表面被整合於一般的影像感測器時，超穎表面需要被設計成符合感測單元組的尺寸。舉例來說，超穎表面可包括位於感測單元組的多個角的複數個周邊奈米柱（peripheral nanopost）、以及在感測單元組內被複數個周邊奈米柱包圍的中心奈米柱（central nanopost）。當畫素尺寸接近可見波長時，奈米結構尺寸的可用範圍受到限制。由於要涵蓋所有可見波長的2π相位是很困難的，使用傳統方案的設計方法來實現顏色路由可能具有挑戰性。除了調整奈米結構的尺寸之外，當中心奈米柱的位置偏移（shift）遠離網格線（grid line）或網格點（grid point）時（其定義感測單元），可進一步操控相位分佈。換言之，可藉由優化中心奈米柱的放置來獲得額外的自由度（degree of freedom, DOF）。相鄰奈米柱之間的干擾允許創造每個顏色（或不同波長）所需的相位分佈。結果是，一般影像感測器與具有創新配置的超穎表面之間的整合可達到更高的效率，以套用於更廣泛的能源應用。
第1圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器10的透視圖。第2圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器10的上視圖。第3圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器10的剖面示意圖。應注意的是，第3圖為第2圖的線段A-A’所獲得的剖面示意圖。在一些實施例中，影像感測器實際上可能包含數百萬個感測單元。為了簡化起見，第1～3圖僅顯示了實際影像感測器的一部分。第1和2圖中所示的影像感測器10，從上視圖來看，包括排列成2×2陣列的四組感測單元100A、100B、100C、和100D。根據本揭露的一些實施例，感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D可構成畫素。2×2陣列的畫素可週期性地排列成多個循環橫越真實的影像感測器。
從影像感測器10的上視圖來看（繪示於第2圖中），感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D可各包括四個感測單元排列成2×2，如四象限光電二極體（quad photodiode, QPD）。在其他實施例中，感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D可各包括兩個感測單元排列成1×2，如二象限光電二極體（dual photodiode, DPD）。舉例來說，感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D可各對應m×n個光電轉換部件，其中m與n可為相同或不同的正整數，但本揭露實施例並不以此為限。為了例示性目的，第3圖所示的感測單元組100A和感測單元組100B皆包括一個左感測單元和一個右感測單元。特別是，感測單元組100A包括左感測單元100A-L和右感測單元100A-R，而感測單元組100B包括左感測單元100B-L和右感測單元100B-R。
應注意的是，如第1～3圖所示，可依序設置介電結構130和超穎表面140對應感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D的每一個之內的彩色濾光層112。根據本揭露的一些實施例，超穎表面140可包括填充材料142和奈米結構144。再者，奈米結構144可包括複數個周邊奈米柱144A和中心奈米柱144B。超穎表面140的特徵將於下詳述。如第3圖所示，可設置深溝槽隔離（deep trench isolation, DTI）結構106圍繞每個左感測單元100A-L、右感測單元100A-R、左感測單元100B-L、以及右感測單元100B-R。換言之，深溝槽隔離結構106可作為定義左感測單元100A-L、右感測單元100A-R、左感測單元100B-L、以及右感測單元100B-R的每一個的尺寸的邊界。
參照第1和3圖，感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D可各包括複數個感測部104和彩色濾光層112。複數個感測部104和深溝槽隔離結構106可埋入於基底102內。在一些實施例中，基底102可為影像感測器10的所有感測單元所共享的單一結構。此外，可在基底102上設置抗反射層108。
在一些實施例中，基底102可為例如晶圓或晶粒，但本揭露實施例並不以此為限。在一些實施例中，基底102可為半導體基底，例如矽（silicon, Si）基底。此外，在一些實施例中，半導體基底亦可為：元素半導體（elemental semiconductor），包括鍺（germanium, Ge）；化合物半導體（compound semiconductor），包含氮化鎵（gallium nitride, GaN）、碳化矽（silicon carbide, SiC）、砷化鎵（gallium arsenide, GaAs）、磷化鎵（gallium phosphide, GaP）、磷化銦（indium phosphide, InP）、砷化銦（indium arsenide, InAs）、及∕或銻化銦（indium antimonide, InSb）；合金半導體（alloy semiconductor），包含矽鍺（silicon germanium, SiGe）合金、磷砷鎵（gallium arsenide phosphide, GaAsP）合金、砷鋁銦（aluminum indium arsenide, AlInAs）合金、砷鋁鎵（aluminum gallium arsenide, AlGaAs）合金、砷鎵銦（gallium indium arsenide, GaInAs）合金、磷鎵銦（gallium indium phosphide, GaInP）合金、及∕或砷磷鎵銦（gallium indium arsenide phosphide, GaInAsP）合金；或其組合。在一些實施例中，基底102可為光電轉換（photoelectric conversion）基底，如矽基底或有機光電轉換層。
在其他實施例中，基底102也可以是絕緣層上半導體（semiconductor on insulator, SOI）基底。絕緣層上半導體基底可包含底板、設置於底板上之埋入式氧化物（buried oxide, BOX）層、以及設置於埋入式氧化物層上之半導體層。此外，基底102可為N型或P型導電類型。
在一些實施例中，基底102可包括各種以如離子佈植（ion implantation）及∕或擴散製程（diffusion process）所形成之P型摻雜區及∕或N型摻雜區（未繪示）。在一些實施例中，可在主動區（以深溝槽隔離結構106所定義）形成電晶體、光電二極體、或其他類似元件。
在一些實施例中，深溝槽隔離結構106可定義主動區，並電性隔離基底102之內或之上的主動區部件，但本揭露實施例並不以此為限。在其他實施例中，可採用額外的隔離結構作為替代方案。淺溝槽隔離（shallow trench isolation, STI）結構和局部矽氧化（local oxidation of silicon, LOCOS）結構為其他隔離結構的範例。在一些實施例中，形成深溝槽隔離結構106可包括例如在基底102上形成絕緣層。透過光微影圖案化和蝕刻，可形成溝槽延伸進入基底102中。光微影製程可包括光阻塗佈、軟烤（soft baking）、曝光、曝光後烘烤、顯影、其他類似技術、或其組合。蝕刻製程可包括乾蝕刻、濕蝕刻、其他類似方法、或其組合。
接著，可沿著溝槽順應性地成長富含氮材料（如氧氮化矽（silicon oxynitride, SiON））的襯層。之後，藉由任何合適的沉積製程（如化學氣相沉積（chemical vapor deposition, CVD）、高密度電漿化學氣相沉積（high-density plasma chemical vapor deposition, HDP-CVD）、電漿輔助化學氣相沉積（plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD）、流動性化學氣相沉積（flowable chemical vapor deposition, FCVD）、次大氣壓化學氣相沉積（sub-atmospheric chemical vapor deposition, SACVD）、其他類似方法、或其組合）將絕緣材料（如二氧化矽（silicon dioxide, SiO 2）、氮化矽（silicon nitride, SiN）、或氧氮化矽）填入溝槽中。然後，可對溝槽中的絕緣材料進行退火製程，接著對基底102進行平坦化製程（如化學機械研磨（chemical mechanical polish, CMP））以移除多餘的絕緣材料，使溝槽中的絕緣材料與基底102的頂面齊平。
參照第3圖，在基底102中埋入複數個感測部104。在一些實施例中，複數個感測部104為光電二極體。配置每個感測部104用以感測光，並根據落在其上之光強度產生強度訊號。藉由強度訊號形成影像訊號。
參照第1和3圖，可在基底102上設置抗反射層108。在一些實施例中，配置抗反射層108以減少傳輸至複數個感測部104的光被反射。在一些實施例中，抗反射層108的設置是水平地對應於（或是平行相對於）感測部104的陣列。在一些實施例中，抗反射層108的材料可包括氧氮化矽（SiO xN y，其中x和y係在0至1的範圍）。可藉由上述任何合適的沉積製程形成抗反射層108。
如上所提及，感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D可各包括設置於抗反射層108上的彩色濾光層112。在一些實施例中，彩色濾光層112可包括多個單元，其可為紅色、綠色、藍色、青藍色、洋紅色、黃色、白色、透明（無色）、或紅外線（infrared）。彩色濾光層112的每個單元可對應至影像感測器10的個別感測部104，而每個單元的顏色取決於感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D的個別需求。舉例來說，感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D可分別為藍色、綠色、綠色、以及紅色，或更常被稱為畫素的拜爾圖案（Bayer pattern）。如另一個範例，感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D可分別為青藍色、洋紅色、黃色、以及綠色。
如前面所提及，影像感測器10納入超穎表面140以分開入射光的顏色，使得僅具有所欲波長的被分開的光可分別被感測單元接收。然而，實際上，超穎表面140不能確保波長的完全分開。因此，被分開的光仍可包括微量不想要的波長。彩色濾光層112的存在可能仍然是需要的，來確保微量不想要的波長被吸收，以消除任何潛在雜訊。
在一些實施例中，彩色濾光層112的每個單元允許預定範圍的光波長通過。舉例來說，紅色濾光單元允許在620nm至750nm範圍的光波長（紅光）傳輸至對應的感測部104，綠色濾光單元允許在495nm至570nm範圍的光波長（綠光）傳輸至對應的感測部104，而藍色濾光單元允許在450nm至495nm範圍的光波長（藍光）傳輸至對應的感測部104。
在一些實施例中，彩色濾光層112的高度可介於0.3μm和2.0μm之間。在特定的實施例中，彩色濾光層112的高度可大約為0.9μm。根據本揭露的一些實施例，彩色濾光層112的每個單元的折射率可介於1.4和2.3之間。折射率係物質改變光速的特性，其為真空中的光速除以物質中的光速所獲得的數值。當光在兩個不同的材料之間以一個角度傳播時，折射率決定了光傳播（折射）的角度。
參照第3圖，彩色濾光層112可進一步包括頂部112T，由網格結構114凸出（其將於下詳述）。根據本揭露的一些實施例，彩色濾光層112的頂部112T為梯形，其上表面小於其下表面。應理解的是，可與上方的介電結構130和超穎表面140同時設計頂部112T的尺寸。在極端情況下，可將頂部112T的上表面擴大至與下表面具有相同的尺寸（其可呈現為矩形），或者可將頂部112T的上表面收縮成尖端（其可呈現為三角形）。取決於影像感測器10的應用和設計需求，可增加或減少頂部112T的上表面。
個別感測部104（如光電二極體）可針對感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D的每一個將所接收的光訊號轉換成電訊號。在一些實施例中，在同一組內的感測單元可具有相同顏色的單元。在一些實施例中，藉由網格結構114將感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D彼此分隔開，其將於後詳細解釋。根據本揭露的一些實施例，在抗反射層108上並在網格結構114所定義的空間中沉積彩色濾光層112。可藉由一系列的塗佈、曝光、和顯影製程形成彩色濾光層112。替代地，可藉由噴墨印刷（ink-jet printing）形成彩色濾光層112。
參照第1和3圖，在彩色濾光層112的一或多個單元之間設置網格結構114。舉例來說，網格結構114的中線（未繪示）可定義感測單元組100A和感測單元組100B的邊界（繪示於第3圖中）。網格結構114可具有低於彩色濾光層112每個單元的折射率。根據本揭露的一些實施例，網格結構114的折射率介於1.0和1.3之間。當入射光進入彩色濾光層112時，網格結構114可在特定單元內隔離光線以達到光阱（light-trapping）作用。
網格結構114的材料可包括透明介電材料。首先，在抗反射層108上塗佈隔離材料層。接著，在隔離材料層上塗佈硬遮罩層（未繪示）。在一些實施例中，硬遮罩層的材料可為光阻。對硬遮罩層進行光微影製程以圖案化。接著，藉由使用圖案化後的硬遮罩層對隔離材料層進行蝕刻製程。蝕刻製程可為乾蝕刻。在蝕刻製程之後，在抗反射層108上移除一部分的隔離材料層，並在其中形成多個開口。如先前所提及，後續將以彩色濾光層112填入開口。
參照第3圖，在抗反射層108上介於感測單元組100A與感測單元組100B之間設置遮光結構116。在一些實施例中，遮光結構116埋入於網格結構114內。在一些實施例中，網格結構114的高度可大於或等於遮光結構116，取決於影像感測器10的設計需求。在一些實施例中，遮光結構116跨越感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D的邊界。換言之，可將遮光結構116設置成由任意兩個相鄰感測單元所共享（例如右感測單元100A-R和左感測單元100B-L）。遮光結構116的配置可避免其中一個在彩色濾光層112所對應的單元下方的感測部104接收到來自不同顏色的相鄰單元的額外光線，其可影響所接收訊號的準確度。在本揭露的一些實施例中，遮光結構116的高度可大約介於0.005μm和2.000μm之間。在一些實施例中，遮光結構116的材料可包括不透明金屬（如鎢（tungsten, W）、鋁（aluminum, Al））、不透明金屬氮化物（如氮化鈦（titanium nitride, TiN））、不透明金屬氧化物（如氧化鈦（titanium oxide, TiO））、其他合適材料、或其組合，但本揭露實施例並不以此為限。可藉由在抗反射層108上沉積金屬層，然後使用光微影和蝕刻製程圖案化金屬層來形成遮光結構116，但本揭露實施例並不以此為限。
參考第1和3圖，可在彩色濾光層112上設置介電結構130。在一些實施例中，介電結構130可覆蓋彩色濾光層112的頂部112T和網格結構114。根據本揭露的一些實施例，介電結構130可針對不同繞射的光提供必要的傳播路徑以到達其個別目標。介電結構130的折射率大約介於1.0和1.6之間。再者，介電結構130的折射率顯著地低於後續形成的奈米結構144的折射率。根據本揭露的一些實施例，介電結構130的厚度可介於0.1μm和0.5μm之間，例如0.2μm。應理解的是，在理想情況下，介電結構130應盡可能保持在很小的厚度。介電結構130的尺寸可決定被分開的所欲波長光的傳播路徑。因為更薄的介電結構130可需要較大的傳播角度，被分開的個別波長光可更準確地朝指定目標傳播。然而，當介電結構130的厚度設定得太小時，會使製作過程變得很困難。
在一些實施例中，介電結構130可為透明材料，包括例如氧化矽（silicon oxide, SiO）、氮化矽、碳化矽、碳氮化矽（silicon carbonitride, SiCN）、氧氮化矽、氧氮碳化矽（silicon oxynitrocarbide, SiO xN yC 1-x-y，其中x和y係在0至1的範圍）、四乙氧基矽烷（tetra ethyl ortho silicate, TEOS）、無摻雜矽酸玻璃、或摻雜氧化矽（如硼摻雜磷矽酸玻璃（boron-doped phosphosilicate glass, BPSG）、熔矽石玻璃（fused silica glass, FSG）、磷矽酸玻璃（phosphosilicate glass, PSG）、硼摻雜矽玻璃（boron doped silicon glass, BSG）、或其他類似材料）、低介電常數（low-k）介電材料、其他類似材料、或其組合，但本揭露實施例並不以此為限。介電結構130的形成可包括沉積製程，其可包括例如旋轉塗佈（spin-on coating）製程、化學氣相沉積、物理氣相沉積（physical vapor deposition, PVD）、原子層沉積（atomic layer deposition, ALD）、其他合適的方法、或其組合。之後，可進行平坦化製程（如化學機械研磨）以形成平坦化的頂面。
參考第1～3圖，可在介電結構130的平坦化頂面上設置超穎表面140。如先前所提及，超穎表面140可包括填充材料142和奈米結構144。在一些實施例中，填充材料142可橫向地圍繞奈米結構144。當超穎表面140被納入於影像感測器10時，在法線方向（normal direction）進入影像感測器10的入射光可在傳輸穿過下方的彩色濾光層112之前，基於其波長將入射光分離。這樣的配置允許彩色濾光層112的每個單元接收到所欲波長的最大光能量。換言之，可最小化光能量損失，且可提升量子效率。在一些實施例中，量子效率為光電轉換效率，其為入射光可多有效地被轉換成電子訊號的量測。
根據本揭露的一些實施例，填充材料142的折射率低於奈米結構144的折射率。填充材料142的折射率可介於1.0和1.6之間。奈米結構144的折射率可介於1.8和3.5之間。在一些實施例中，填充材料142可為空氣。值得注意的是，當奈米結構144被環境空氣（其折射率為1）所圍繞時，可實現折射率之間的最大差異以產生顯著更廣闊的相位分佈，使得入射光可更很容易地基於不同的波長被分開。當不同波長的入射光與一特定奈米結構144接觸時，較長的波長看待其奈米結構144可不同於較短的波長看待其奈米結構144，因而產生相位分佈。
如第1～3圖所示，從上視圖來看，奈米結構144的複數個周邊奈米柱144A可分別位於感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D的多個角。從上視圖來看，奈米結構144的中心奈米柱144B可分別位於感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D之內。從上視圖來看，感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、或感測單元組100D的尺寸S介於400nm和700nm之間。值得注意的是，從上視圖來看，在感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D的每一個中僅可存在一個中心奈米柱144B。個別的中心奈米柱144B可橫向地被複數個周邊奈米柱144A所包繞。奈米結構144的複數個周邊奈米柱144A和中心奈米柱144B可橫向地被填充材料142圍繞。為了更清楚地繪示奈米結構144的配置，第1圖中的填充材料142的介質係以虛線所示。
在一些實施例中，從上視圖來看，由於畫素的感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D被排列成2×2的陣列，且畫素陣列可週期性地排列成多個循環，複數個周邊奈米柱144A可由相鄰組的感測單元所共享。在傳統的方案中，複數個周邊奈米柱144A也可存在於感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D的側邊上，而非僅位於多個角。更具體來說，奈米結構144存在於網格線相交的所有網格點，其定義感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D的每個感測單元。然而，隨著感測單元的尺寸繼續縮小，奈米結構144的分佈也變得更密集（或更「擁擠」）。奈米結構144更密集的配置可直接限制每個奈米結構144的尺寸（如直徑）的可使用範圍。由於奈米結構144有限的尺寸調整，相位分佈的形成可能不足以分開入射光的波長。舉例來說，由於藍光較短的波長，奈米結構可能可以形成藍光所需的相位分佈。然而，針對較長波長的紅光或綠光形成所需的相位分佈的效率可能被嚴重地影響。
為了努力改善相位分佈，移除一些原本的周邊奈米柱144A，針對個別的中心奈米柱144B留下更多的空間，使其尺寸可被更自由地調整。針對尺寸超過800nm的畫素，移除一些原本的周邊奈米柱144A可能是足夠的。然而，當畫素尺寸持續縮小至低於600nm時，剩餘的周邊奈米柱144A可能無法再精準地操控入射光不同波長所期望的相位分佈，因而所形成的相位存庫（phase library）仍可能是不足的。因此，僅藉由調整奈米結構144的尺寸和鄰近奈米結構144之間的節距所創造的相位分佈無法配合持續縮小的畫素。如先前所提及，由於中心奈米柱144B未被相鄰組的感測單元所共享，發明人發現可將中心奈米柱144B由網格點位移（offset）。調整中心奈米柱144B的相對位置可能會扭曲原本的相位場，而創造更多干擾。透過適當的操控，可利用被扭曲的相位場的新干擾來達到所需的相位分佈。換言之，在優化入射光的不同波長的相位分佈的過程中，中心奈米柱144B的相對位置可作為額外的參數。
如第1～3圖所示，從上視圖來看，感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D可分別包括中心點100A-C、中心點100B-C、中心點100C-C、以及中心點100D-C。中心點100A-C、中心點100B-C、中心點100C-C、以及中心點100D-C可分別對應至感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D之內的網格點。在傳統的設計中，從上視圖來看，中心奈米柱144B的中心軸可與中心點100A-C、中心點100B-C、中心點100C-C、以及中心點100D-C對準。根據本揭露的一些實施例，從上視圖來看，中心奈米柱144B的中心軸可分別由中心點100A-C、中心點100B-C、中心點100C-C、以及中心點100D-C位移一距離。更具體來說，中心奈米柱144B可被視為單一結構，而從上視圖來看，其底面也可分別由中心點100A-C、中心點100B-C、中心點100C-C、以及中心點100D-C位移其相同距離。
如第1～3圖所示，位移距離可藉由感測單元組100A內的水平偏移Dx-A和垂直偏移Dy-A所定義、藉由感測單元組100B內的水平偏移Dx-B和垂直偏移Dy-B所定義、藉由感測單元組100C內的水平偏移Dx-C和垂直偏移Dy-C所定義、或藉由感測單元組100D內的水平偏移Dx-D和垂直偏移Dy-D所定義。換言之，中心奈米柱144B可位移跨越二維（two-dimensional, 2D）平面。根據本揭露的一些實施例，從上視圖來看，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可在感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、或感測單元組100D的尺寸S的1/5以內。應注意的是，中心奈米柱144B的位移配置也可週期性地排列成多個循環橫越真實的影像感測器。
如第2圖所示，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可分別等於垂直偏移Dy-A、垂直偏移Dy-B、垂直偏移Dy-C、以及垂直偏移Dy-D。換言之，中心奈米柱144B可在X軸方向上和在Y軸方向上相等地位移，但本揭露實施例並不以此為限。值得注意的是，感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D的中心奈米柱144B皆可位移朝向畫素的中心。這樣的配置在靠近畫素的中心創造更集中的相位場，但本揭露實施例並不以此為限。
由於具有不同尺寸和不同位置（相對於中心點100A-C、中心點100B-C、中心點100C-C、以及中心點100D-C）的中心奈米柱144B的配置，超穎表面140可更有效地分開入射光的波長。在一些實施例中，感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D可分別接收分開的第一波長的光、第二波長的光、第三波長的光、以及第四波長的光。第一波長、第二波長、第三波長、以及第四波長中至少三個彼此不同。每當兩個感測單元組被設計成接收相同顏色時（如拜爾圖案的設計），例如當感測單元組100B和感測單元組100C皆被設計成接收綠色時，則感測單元組100B和感測單元組100C的中心奈米柱144B可具有相同的尺寸和相同的相對位置（分別相對於中心點100B-C和中心點100C-C）。
如第3圖所示，由第2圖的線段A-A’所獲得的剖面示意圖中僅繪示兩個中心奈米柱144B，其中心奈米柱144B可分別對應至感測單元組100A和感測單元組100B。由於圍繞的周邊奈米柱144A不存在於第2圖的線段A-A’上，以虛線標示，僅為例示性目的。此外，中心點100A-C和中心點100B-C也以虛線標示，僅為例示性目的。超穎表面140的高度可介於0.7μm和1.5μm之間，例如1.2μm。根據本揭露的一些實施例，填充材料142和奈米結構144可具有相等的高度。在其他實施例中，取決於應用和設計需求，在填充材料142內的複數個周邊奈米柱144A的高度和中心奈米柱144B的高度可以有所變化。
參照第1～3圖，從上視圖來看，奈米結構144的尺寸（如直徑）可介於120nm和250nm之間。根據本揭露的一些實施例，中心奈米柱144B的尺寸可等於或大於複數個周邊奈米柱144A的尺寸。從上視圖來看，儘管將奈米結構144繪示為圓形，但本揭露實施例並不以此為限。奈米結構144可具有任何合適的幾何形狀，只要可形成所需的相位分佈。填充材料142的材料可包括透明樹脂，如聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate, PET）樹脂、聚碳酸酯（polycarbonate, PC）樹脂、聚酰亞胺（polyimide, PI）樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylates, PMMA）、聚苯乙烯樹脂（polystyrene）樹脂、聚醚碸（polyethersulfone, PES）樹脂、聚噻吩（polythiophene, PT）樹脂、酚醛清漆（phenol novolac, PN）、其他類似材料，或其組合。奈米結構144的材料可包括透明導電材料，如氧化銦錫（indium tin oxide, ITO）、氧化錫（tin oxide, SnO）、銦摻雜氧化鋅（indium-doped zinc oxide, IZO）、氧化銦鎵鋅（indium gallium zinc oxide, IGZO）、氧化銦錫鋅（indium tin zinc oxide, ITZO）、氧化銻錫（antimony tin oxide, ATO）、鋁摻雜氧化鋅（aluminum-doped zinc oxide, AZO）、二氧化鈦（titanium dioxide, TiO 2）、其他類似材料、或其組合。可藉由上述任何合適的沉積製程和圖案化製程形成超穎表面140。
在本揭露的替代實施例中，奈米結構144的形成可藉由沉積填充材料142，接著在填充材料142內蝕刻多個孔。換言之，奈米結構144可為孔，其以環境空氣填充。在這樣的情況下，由於奈米結構144的折射率低於填充材料142的折射率，需要形成完全不同的相位存庫以針對入射光的波長提供所需的相位分佈。只要奈米結構144包括相同的材料，奈米結構144的尺寸、節距、以及相對位置皆可被操控以利優化。結果是，針對持續縮小的畫素，超穎表面140仍可有效地分開入射光的波長。
第4圖是根據本揭露的其他實施例，影像感測器20的上視圖。如先前所提及，當中心奈米柱144B由中心點100A-C、中心點100B-C、中心點100C-C、以及中心點100D-C位移時，可創造額外的自由度以針對不同波長的入射光形成更精準的相位分佈。所得的超穎表面140可更有效地分開影像感測器20的入射光的波長。為簡單起見，省略影像感測器20的對應透視圖和對應剖面示意圖。感測單元組100A、中心點100A-C、感測單元組100B、中心點100B-C、感測單元組100C、中心點100C-C、感測單元組100D、中心點100D-C、超穎表面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的特徵與第2圖所示類似，其細節將不於此重複贅述。
參照第4圖，在影像感測器20中繪示奈米結構144的不同配置。相較於第2圖，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可分別不同於垂直偏移Dy-A、垂直偏移Dy-B、垂直偏移Dy-C、以及垂直偏移Dy-D。再者，感測單元組100A、感測單元組100B、感測單元組100C、以及感測單元組100D的中心奈米柱144B皆可偏移遠離畫素的中心。這樣的配置在靠近畫素的中心創造較不集中的相位場。如先前所提及，僅藉由調整奈米結構144的尺寸和鄰近奈米結構144之間的節距所創造的相位分佈無法配合持續縮小的畫素。根據本揭露的一些實施例，也可位移中心奈米柱144B以優化入射光的波長的相位分佈。結果是，針對持續縮小的畫素，超穎表面140可更有效地分開入射光的波長。
藉由將超穎表面納入至標準的影像感測器中，不同波長的入射光可在被接收之前先分開。由於大多所欲的顏色可傳輸穿過個別的彩色濾光層，可最小化光能量損失，且可提升量子效率。此外，超穎表面包括奈米結構的創新配置，其中心奈米柱可由網格點位移。這樣做，中心奈米柱的尺寸、節距、以及相對位置皆可自由地被操控，以產生入射光的波長所需的相位分佈。結果是，針對持續縮小的畫素，超穎表面可更有效地分開入射光的波長。
以上概述數個實施例之特徵，以使本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以更加理解本揭露實施例的觀點。本發明所屬技術領域中具有通常知識者應該理解，可輕易地以本揭露實施例為基礎，設計或修改其他製程和結構，以達到與在此介紹的實施例相同之目的及∕或優勢。本發明所屬技術領域中具有通常知識者也應該理解到，此類等效的結構並無悖離本揭露實施例的精神與範圍，且可在不違背本揭露實施例之精神和範圍之下，做各式各樣的改變、取代和替換。因此，本揭露實施例之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，雖然本揭露已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露實施例的範圍。
整份說明書對特徵、優點或類似語言的引用，並非意味可以利用本揭露實施例實現的所有特徵和優點應該或者可以在本揭露的任何單一實施例中實現。相對地，涉及特徵和優點的語言被理解為其意味著結合實施例描述的特定特徵、優點或特性包括在本揭露的至少一個實施例中。因而，在整份說明書中對特徵和優點以及類似語言的討論可以但不一定代表相同的實施例。
再者，在一或複數個實施例中，可以任何合適的方式組合本揭露實施例的所描述的特徵、優點和特性。根據本文的描述，所屬技術領域中具有通常知識者將意識到，可在沒有特定實施例的一個或複數個特定特徵或優點的情況下實現本揭露實施例。在其他情況下，在某些實施例中可辨識附加的特徵和優點，這些特徵和優點可能不存在於本揭露的所有實施例中。
10:影像感測器 20:影像感測器 100A:感測單元組 100A-C:中心點 100A-L:左感測單元 100A-R:右感測單元 100B:感測單元組 100B-C:中心點 100B-L:左感測單元 100B-R:右感測單元 100C:感測單元組 100C-C:中心點 100D:感測單元組 100D-C:中心點 102:基底 104:感測部 106:深溝槽隔離結構 108:抗反射層 112:彩色濾光層 112T:頂部 114:網格結構 116:遮光結構 130:介電結構 140:超穎表面 142:填充材料 144:奈米結構 144A:周邊奈米柱 144B:中心奈米柱 A-A’:線段 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
以下將配合所附圖式詳述本揭露實施例之各面向。值得注意的是，依據在業界的標準做法，各種特徵並未按照比例繪製。事實上，可任意地放大或縮小各種元件的尺寸，以清楚地表現出本揭露實施例的特徵。 第1圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器的透視圖。 第2圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器的上視圖。 第3圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器的剖面示意圖。 第4圖是根據本揭露的其他實施例，影像感測器的上視圖。
無
10:影像感測器
100A:感測單元組
100A-C:中心點
100B:感測單元組
100B-C:中心點
100C:感測單元組
100C-C:中心點
100D:感測單元組
100D-C:中心點
102:基底
106:深溝槽隔離結構
108:抗反射層
114:網格結構
130:介電結構
140:超穎表面
142:填充材料
144:奈米結構
144A:周邊奈米柱
144B:中心奈米柱

Claims (10)

  1. 一種影像感測器，包括： 一組感測單元； 一彩色濾光層，設置於該組感測單元內；以及 一介電結構和一超穎表面（metasurface），設置對應該彩色濾光層，該超穎表面包括： 複數個周邊奈米柱（peripheral nanopost），從上視圖來看，分別位於該組感測單元的多個角； 一中心奈米柱（central nanopost），被該些周邊奈米柱包繞，其中從上視圖來看，該中心奈米柱由該組感測單元的一中心點位移（offset）一距離；以及 一填充材料，橫向地圍繞該些周邊奈米柱和該中心奈米柱。
  2. 如請求項1之影像感測器，其中從上視圖來看，該組感測單元的尺寸介於400nm和700nm之間，且該中心奈米柱由該組感測單元的該中心點位移的該距離係藉由一水平偏移（shift）和一垂直偏移所定義，其中該水平偏移和該垂直偏移在該組感測單元的尺寸的1/5以內。
  3. 如請求項1之影像感測器，其中四個該組感測單元構成一畫素，其中從上視圖來看，在該畫素內的該四組感測單元排列成2×2的一陣列。
  4. 如請求項3之影像感測器，其中該陣列週期性地排列成多個循環橫越該影像感測器，其中該些周邊奈米柱被鄰近的該些組感測單元所共享。
  5. 如請求項3之影像感測器，其中在該畫素內的該四組感測單元分別接收一第一波長、一第二波長、一第三波長、以及一第四波長的光，其中該第一波長、該第二波長、以及該第三波長彼此不同，其中從上視圖來看，該些組感測單元的每一個接收該第一波長、該第二波長、以及該第三波長的光的該中心奈米柱具有不同的尺寸。
  6. 如請求項1之影像感測器，其中該彩色濾光層的折射率介於1.4和2.3之間，其中該介電結構的折射率介於1.0和1.6之間，其中該些周邊奈米柱和該中心奈米柱的折射率介於1.8和3.5之間，其中該填充材料的折射率介於1.0和1.6之間。
  7. 如請求項6之影像感測器，其中該填充材料為空氣。
  8. 如請求項1之影像感測器，更包括： 複數個感測部，埋入於一基底內；以及 一深溝槽隔離（deep trench isolation, DTI）結構，將該些感測部的每一個分隔開。
  9. 如請求項1之影像感測器，更包括： 一網格結構，橫向地圍繞該組感測單元的該彩色濾光層，其中該網格結構的折射率介於1.0和1.3之間；以及 一遮光結構，埋入於該網格結構內。
  10. 如請求項1之影像感測器，其中該中心奈米柱為一單一結構，且從上視圖來看，該中心奈米柱的底面由該組感測單元的該中心點位移該距離。
TW112110219A 2022-09-30 2023-03-20 影像感測器 TWI844311B (zh)

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