TWI233984B - Image sensor having micro-lens array separated with ridge structures and method of making - Google Patents

Description

1233984 案號92128206_年月日 修正 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種影像感測器（i m a g e s e n s 〇 r)，尤 其是關於一種擁有以脊狀物（r i dge)分隔微型透鏡陣列 之影像感測器。 【先前技術】 影像感測器為可用於產生靜止影像或影片之積體電 路，固態之影像感測器可以是電荷耦合器件（charge coupled device ; CCD)以及互補式金氧半導體 (complimentary metal oxide semiconductor)其中一 種類型。而不論是那一種類型，在基板（s u b s t r a t e)必 有聚集光線之像素（p i x e 1)以二維陣列排列於上，現今 之影像感測器通常擁有數百萬個像素以提供高解析度之影 像。在像素上方之濾光片（color filter)與微型透鏡 (micro-lens)結構為影像感測器相當重要之部分，此濾 光片如其名稱所指，乃與訊號處理程序（s i gna i processing)結合以運作來提供一彩色影像。濾光片技術 之例示乃呈現在美國第6，2 9 7，0 7 1號專利與美國第 6，2 7 4，9 1 7號專利（以及其所參考之内容）中。此微型透 鏡乃用以將入射（i n c i d e n t)之光線聚焦，因而改善每一 像素之充實率（fill factor)。

1233984 案號 921282M 年 修正 曰 1233984 案號 921282M 年 修正 曰 五、發明說明（2) 傳統上’微 )一層微型透鏡 被蝕刻而形成以 他形狀之區域。 (r e f 1 〇 w)以形 術中有微型透鏡 如圖一所示，此 (light detec (substrate) _ 類中的一種，例 (photogate ; 者為一微型透鏡 測元件1 0 3之上 間之區域裡，參 包含濾光片層以 微型透鏡之 微型透鏡光蒐集 大。此外，更不 擾，總而言之， 可能罪近彼此。 雖然這或許 (b 1 ank)之結名 形成相對而言 方面之效率， 欲見到微型透 微型透鏡被期 為昂貴之程序 微型透鏡之體 鏡彼此間有所 望能在沒有接 型透鏡之構成乃藉由旋鍍（sPin coating 材料於一平面層上，此微型透鏡材料接著 每一像素為中心並位於其上之圓柱狀或其 然後，此微型透鏡材料被加熱與回焊 成半球面狀之微型透鏡。圖一呈現習知技 形成於上之影像感測器1 0 1之截面簡圖。 影像感測器包含數個擁有光感測元件 :ing element) 10 3構成於基板 l之像素。此光感測元件1 〇 3可以是許多種 如光電二極體（photodiode)、光電管 ^他固態光感測元件。構成在每一像素上 1 〇 5 ’此微型透鏡1 〇 5將入射光聚焦在光感 亚且，在光感測元件1 〇 3與微型透鏡丨〇 5 照碼為1 07，存在有數個中介之層，通常 及各式各樣之金屬導線。 ’為了要增加 積應盡可能的 接觸而產生干 觸之情形下盡 、 …一〜％仏队蒞4 形狀來克服，亦即藉由控 1233984 案號92128206_年月曰 修正_ 五、發明說明（3) 回焊之程序，但仍難以確保幾近完美之微型透鏡之形成。 【發明内容】 本發明之目的，即在提供一種影像感測器，其中之脊 狀（r i d g e)結構可將感測器中之微形透鏡微形透鏡分 隔，並僅保持相當微小之距離。

本發明之影像感測器，其組成元件包含：複數個構成 在一半導體基板上之像素，其中每一像素均包含一光感測 元件；一微形透鏡，位在每一光感測元件之上；以及一凸 起之脊狀結構圍繞每一微形透鏡。 【實施方式】

本發明係關於一種微型透鏡陣列，用於電荷耦合元件 或互補式金氧半導體類型之影像感測器中。在接著的敘述 中，將提供數個特定之細節以徹底了解本發明之實施例。 然而，熟知本發明相關領域技術之人應可理解，本發明可 在沒有一個或以上之特定細節，或者藉由其他之方法或元 件來實施。此外，習知之結構或運作方式並未被呈現或詳 加說明以避免模糊本發明數個實施例之焦點。 參照整個說明書中「一個實施例（one

92128206 年 月 修正 曰 1233984_^ 五、發明說明（4) embodiment)」、「一 實施例（an emb〇diment)」係表 不與此貫施例連結描述之特定外型、結構或特徵乃包含、在 至少一個本發明之實施例中。因此，在整個說明書中數個 出現「= 一個實施例中」或「於一實施例中」並不全部指 同一個實施例。再者，此特定外型、結構或特徵可以適二 之方式組合在一個或以上之實施例中。 ^田 圖二呈為根據本發明所構成之影像感測器2 〇丨之俯 圖’影像感測器2 0 1包含數個通成以二維陣列排列之數 : 2 0 3。雖然在圖二所呈現之範例中，影像感測器為三 乘三之像素20 3陣列，但可以理解的是實際之影像感^ 應擁有更多之像素，並可能排列成超過一千列與（^ )一千行。再者，雖圖二呈現之像素乃排列成規則之行 列，但像素仍可以任何之規則來排列。例如，替代之 ^其像素於側邊相互輕微偏置（〇ffset)以成棋盤狀之型 像素2 0 3通常包含一光感側元件，例如光電二極體 (Photodiode)或光電管（ph〇t〇gate)。然而，可以 解的是，其他型態之光感側元件，不論是現知或未來 U可在此被使用。再者，像素2 0 3將亦包含擴大及' 靖出電路，且為求清晰，此電路並未呈現在圖二 ,貝她例中，像素2 0 3可以是習知技術常見之活性 ’、&(^1¥61)1}^1)。每一像素20 3上均有一微型透鏡 1233984 案 號 92128206 年 修正 五、發明說明（5) 2〇5構成於上，再者分隔個別微型透鏡者為一脊狀結構 structure) 2 0 7。如其名稱所指，脊狀結構2〇7 二=起之區i或，形成一面分隔微型透鏡之牆 =盡的細節中，微型透鏡藉由脊狀結構2〇?來預防（在回 =程九中）溢流到鄰近微型透鏡之情況發生。脊狀結構 素。可此有各式各樣之形狀，但都得能用以分隔鄰近之像 為 圖二至圖七更詳細地呈現本發明之微型透鏡2 〇 5鱼脊 狀結構2 0 7之組合的形成與結構。一半導體基板3〇1擁有卖 個光感測元件30 3 (與圖二中之像素2〇3聯結）形成於其 中圖二成呈現之光感測元件3 〇 3為一光電二極體，雖然 亦可知用其他替代物或等效物。構成光電二極體或其他本 關電^之細節已為習知之技術，因此在本發明中不再贅切 以免模糊本發明之焦點，而習知技術之範例可在美國第5 9〇4, 493號專利以及美國第6, 32 〇, 617號專利中看到。 •形成在光感測元件3 0 3之上者為濾光片（^ 〇丨〇 r f 1 11er)，根據本發明的一個實施例，一平坦之濾光片層 4 0 1被放置在基板3 〇 1以及光感測元件3 〇 3之上。值得注咅 的是，雖然在此特定之實施例中，濾光片層4〇1直接形& 在基板3 0 1之上’但在其他實施例中，濾光片層4 〇丨乃形成 在或數個中介層之上，端視所採用之特定程序而定。例 士在某些範例中，一平坦之電介質層被形成在基板上，

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1233984 案號 92128206 年月日_____ 五、發明說明（6) 或在其他範例中’傳導金屬層與絕緣層被形成在基板之

濾光片層4 0 1乃由三個被加以圖樣與蝕刻之個別濾光 片層所組成。在一實施例中，濾光片層包含紅色、綠色以 及藍色，而在另一實施例中，濾、光片層401包含黃色、青 色以及品紅色。濾光片層乃以有色或染色之材質構成，並 僅允許狹小頻寬之光通過，例如紅光、藍光或綠光。在另 一實施例中，濾光片可能是青色、黃色以及品紅色，但這 些都只是濾光片層4 0 1的顏色範例，並且本發明包含擁有 任何顏色組合之濾光片層4 0 1。 再者，雖然有色或染色材質之使用為濾光片最常見之 形式，但亦可採用其他反射型態之濾光片，例如多層堆疊 反射材質（multilayer stack reflective material) ° 濾光片4 0 1之形成已為習知之技術並且將不在此贅述以避 免本發明說明不必要的焦點模糊。例如，美國第 6，2 9 7，0 7 1號專利、美國第6，3 6 2，5 1 3號專利以及美國第6， 271，90 0號專利均呈現濾光片現今之技術水準。 ί

通常，濾光片層401係由如丙稀酸（arcylic)之材質 1 所構成。例如，適合之材質為有色或染色之聚曱基丙烯酸 I 丁月旨（polymethylmethacrylate; PMMA)或氮苯聚合物 ：

(polyglycidylmethylacrylate； PGMA)。其他可被加上 I

第11頁 1233984 案號92128206 年月日 修正 一—----- " — — - 五、發明說明（7) 顏色或染色之光阻蝕刻劑（pho t 〇r e s i s t)類型材質亦可 被採用。 接著參照圖三，一上平面層4 0 3被形成，此上平面層 4 0 3乃以一絕緣物質構成，例如以毯覆式化學氣相沉積 (blanket chemical vapor deposition)程序形成之氧 化物。 接著轉向圖四’光阻餘刻劑層被放置在上平面層4 〇 3 之上，亚被加上留下光阻蝕刻脊（photoresist ridge) ^05之圖樣。此光阻”脊4Q5被放置之位置使以光阻姓刻 脊形成之圖樣可用以分陪下古 东 d i β i山 1'下方之郇接像素，因此，光阻蝕 =舍|〇5之角色為個別微型透鏡之籬[ )，或在其他實施例中 1 皮成/成—A四邊门形（就如圖二所示 訂定微型透鏡之形狀，，=ί —圓®形，用以更明確的 但亦可能採用其他形狀。 4 〇=之俯視圖，其形成一圓圈 刻脊4 0 5形成數個圓圈用以包住 圖五呈現光阻钱刻脊 狀。如圖五所示，光阻餘 隨後形成之微型透鏡。 在一實施例中，光阻蝕 — （ 〇· 5微米之間，總使亦可能/含4 0 5之見度大約介於0. 3至|

蝕刻脊4 0 5高度之範圍相去二更細的結構。再者，光阻 I

§ ，但在一實施例中為一微米 I

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1233984 案號 9212820fi 五、發明說明（8) 之等級。 此外，合適之光阻蝕刻劑材料之例子為東京Ohka K o g y ο的0 F P R - 8 0 0正光阻蝕刻劑。此光阻蝕刻劑可藉由旋 鍍（spin on)之技巧鍍在平面層40 3之上。可以理解的 是’其他之光阻钱刻劑亦可被採用，例如i — 1 i n 6光阻餘刻 劑。此光阻蝕刻劑層接著使用傳統之照相平板印刷術 (photo 1 i thography)以及顯影技術而加上圖樣，例如使 用i - 1 i n e光學走進機（stepper)。 再者，如圖六，在一實施例中等向乾式蝕刻（在 '與y 方向同時姓刻）程序被使用在上平面層4 〇 3以及光阻蝕刻 脊4 0 5上。由於此等向蝕刻技術，光阻蝕刻脊4〇 3以及上平 面層4 0 3之未覆盍部分將被刻去。並且，這些位在光阻姓 刻脊4 0 5下的上平面層4 0 3部分被蝕刻而形成三角形脊 0 1。在貝施例中，此等向姓刻程序被控制以使三角形 =6 0 1之同度位在〇 . 2微米之等級。再者，在一實施例中， 等向蝕刻在X與y軸上之實際蝕刻率相同，並且值得注奄的 是三角形脊601之形狀乃因等向蝕刻而成。假若使用異向 生蝕刻技術，脊狀物601將與光阻蝕刻脊4〇5之形狀相同。 接著，如圖七，一微型透鏡材料被形成在上平面層4〇3鱼 =角形脊6〇1上。此微型透鏡材料可以是任何光可透射材 貝亚適合藉由一連串之程序而形成_半球面狀。例如，某 ▲常見之微型透鏡材質可以是丙烯酸物質，如聚甲基丙烯

第13頁 1233984 案號 92128206 年月 1 修正 五、發明說明（9) 酉曼 丁月旨(polymethylmethacrylate; PMMA)或氮笨其 (polyglycidylmethylacrylate; PGMA)。然而 來合物 解的是確實用在形成微型透鏡之材料有許多種，、、：可以理 疋現存或未來之材質。 、：且可能 在一實施例中，微形透鏡材料可以在應用時 至於其可利用旋鍍（spin on)之技術被使用，且、、、液態以 一大體上平坦之層有其優勢，不過，其他全面式 構/ 亦可適用。在一實施例中，微型透鏡材質之厚度=積法

四微米之等級，然而亦可根據各式各樣的設計參數來二至 更薄或更厚之微型透鏡材質之層。 木採用 再看圖七，微形透鏡層將須被加上圖樣。因此， 光阻蝕刻類之材質作為微形透鏡之材料將較為有效率。 是，微形透鏡材料可以藉由照相平板印刷術裝置旦 程序之使用而直接被加上圄槎 . — ”、、貝^ 板印刷術乃被一簡化型態之步逸奘 、、祁^ 逆衣置（stepper apparatus)執行。

由於微：J鏡材料為-光阻蝕刻劑，所以微形透鏡 料將使用：；罩（reticie_k)與步進裝置來曝光r 光罩經，：，使間隙（gap) #位7G3暴露在照相平板 刷術之輻射下（在正光阻钱刻劑之情形下此， 影時間隙部位7〇3將被移除1下微形透鏡材料區塊m

第14頁 1233984 案號 92128206 年 月 _曰 _ψ,τ 五、發明說明（10) 通常在光感測元件上且介於 參照圖八，當微形透鏡 透鏡材料為一光阻蝕刻劑） 分將被加熱至回焊之溫度。 表面張力最小之形狀，亦即 示，個別之微形透鏡於回焊 中 。 三角形脊60 1間。 材料被顯影（在此情形下微形 ，微形透鏡材料7 〇 1之剩餘部 此將使微形透鏡材料7 〇丨成 如圖八所示之球面。如 1 處裡後均被限制在三自 ^ 一 η %脊之

使用文中敘述之結構與方法，將因三角形脊6 少鄰接微形透鏡結構間之串擾數量。再者，因為此^而減 脊601’在微形透鏡形成之過程中將有更大之程序〜、角形 此外，分離脊之使用減小了微形透鏡間之間隙，’、裕。 Μ开^透鏡放置之精準性，並且提供了其他優勢。而纟冒力口 中被闡 範圍與 之專利 特定之 新排 級合且 不同之 執行， 執行。 、、綜觀前文，將可理解本發明之特定實施例在其 述以達成說明之目的，然而亦可在不背離本發明之 工ί :作成各式各樣之修改。因此，本發明除隨附 =靶圍外將不受此限制。因此，雖然這些步騾在 ；J下被壬現’在某些實施例中這些步驟亦可被重 歹^，、且某些步驟可能被刪除、移動、增加、細分、 方^ i修改。這些步驟中的每一步均可以各式各樣 '凡成’而且雖然這些步驟被呈現以連續之方式 但仍可反而以平行之方式執行，或者在不同的時間

第15頁 1233984 案號 92128206_年月日_«：_ 圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 圖一為習知技術影像感測器一部分之截面圖示。 圖二為影像感測器之俯示圖，呈現以二為陣列排列之 像素且有微型透鏡形成於上。 圖三至圖四以及圖六至圖八為一半導體基板之截面圖 示，說明一種構成本發明之裝置之方法。 圖五為一電路三角脊之俯示圖，形成在影像感應器之 像素上。 【主要元件符號說明】 本發明之代表圖為圖七 301 半導體基板 40 1 濾光片層 4 0 3 上平面層 701 微形透鏡材料區塊 7 0 3 間隙部位

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Claims (1)

1233984 安， i^__92128206_ 六、申請專利範圍 1 · 一種影像感 修立 年月曰 測器（image sensor)，其組成元件已含 ―複數個構成在一半導體基板上之像素（puel) 其 中每一該像素包含一光感測元件（light sensitive element); 一微形透鏡（micro—lens)位在每一該光感測元件之 上’以及 一凸起之脊狀（ridge)結構圍繞每/該微形透鏡。 2.如專利申請範圍第1項之影像感測器·，其中所述之凸起 之脊狀結構為圓環形。 3 · f專利申請範圍第1項之影像感測器，其中所述之凸起 之脊狀結構之截面為三角形（ triangular cross-section 專利申请範圍第丨項之影像感測器，其中所述之微形 Τ 承甲基丙烯酸丁脂（polyme1:hylmethacrylate; 聚合…； 5 ·如專利申請範圍第 之 口口 之脊狀姓椹的上你* 、 像感測為，其中所述之凸起 心’狀結構的鬲度為0 · 2微米。 6·如專利申請範圍第丨項之影 Λ ~ ☆ ’其中所述之凸起

第17頁 1233984 92128206 六、申請專利範圍 年月曰 修正

之脊狀結構乃以與該微形透鏡下方相同之材料所構成 7·如專利申請範圍第1項之影像感測器，其組成元件更包 含一濾光片層（color filter layer)介在該微形透鏡匕以 及該光感測元件間。 兄 8 · —種影像感測器（i m a g e s e n s 〇 r)之像素（p i x e j)， 其組成元件包含： 一光感測元件（light sensitive element)構成在 一半導體基板上；

一微形透鏡（m i c r 〇 - 1 e n s)位在該光感測元件上；上 —凸起之脊狀（ridge)結構圍繞該微形透鏡。 &如專利申請範圍第8項之像素，其中所述之凸起之脊狀 結構為圓環形。 ·如專利申請範圍第8項之像素，其中所述之凸起之脊狀 °構之截面為三角形（triangular cross-section)。 1 1 ·如專利申請範圍第8項之像素，其中所述之微形透鏡乃 來曱基丙稀酸丁脂（p〇lymethylniethacrylate; PMMA) 或氣笨聚合物（polyglycidylmethylacrylate; PGMA)所 構成。

第頁 1233984 案號 92128206 年 月 修正 曰 六、申請專利範圍 1 2 .如專利申請範圍第8項之像素，其中所述之凸起之脊狀 結構的高度為0 . 2微米。 1 3 .如專利申請範圍第8項之像素，其中所述之凸起之脊狀 結構乃以與該微形透鏡下方相同之材料所構成。

1 4.如專利申請範圍第8項之像素，其組成元件更包含一濾 光片層（color filter layer)介在該微形透鏡以及該光 感測元件間。 1 5. —種構成一影像感測器之一像素的方法，其步驟包 含： 構成一光感測元件（light sensitive element)在 一半導體基板上； 構成一上平面層（top planarizing layer)在該光 感測元件上； 構成一凸起之脊狀（ridge)結構在該上平面層上， 其中該凸起之脊狀結構圍繞該光感測元件；以及

構成一微形透鏡（in i c r 〇 - 1 e n s)在該凸起之脊狀結構 内側以及該光感測元件上方。 1 6 ·如專利申請範圍第1 5項之方法，其中所述之凸起之脊 狀結構係構成在該上平面層中。

第19頁 1233984 案號92128206_年月曰 修正_ 六、申請專利範圍 1 7 .如專利申請範圍第1 5項之方法，其中所述之凸起之脊 狀結構之截面為三角形 (triangular cross-sect i on) 〇 1 8 .如專利申請範圍第1 5項之方法，其中所述之凸起之脊 狀結構為一封閉型態（c 1 osed shape)。 1 9 .如專利申請範圍第1 5項之方法，其步驟更包含構成一 濾光片層（color filter layer)介在該微形透鏡與該光

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