TWI239646B - Image sensor having integrated thin film infrared filter - Google Patents

Description

1239646 案號92128197_年月曰 修正_ 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明與一種影像感測器有關，特別是一種結合一薄膜紅 外線濾波器之影像感測器。 【先前技術】

影像感測器可以被利用來產生靜物攝影照片或電視影像之 電子積體電路。固態的影像感測器可以是電荷耦合元件 (CCD)型態或互補式金氧半導體（CMOS)型態。在每一種 型態之影像感測器中，一光聚集圖素（p 1 X e 1)是形成於 一底材中，並且排列在一二維陣列中。目前典型的影像感 測器包括數百萬的圖素以提供一高的影像之解析度。上述 影像感測器之最重要的部份是形成於上述圖素上之彩色濾 波器與微透鏡結構。就其名稱所暗示的，上述彩色濾波器 伴是隨著訊號的產生而提供一彩色影像。上述微透鏡則提 供了聚焦上述入射光線到上述圖素之上，並且因此增進了 每一個圖素的填充因子（fill factor)。 一典型之紅外線濾波器係利用於連接一影像感測器。

上述紅外線濾波器防止或限制了入射到上述影像感測器之 紅外線輻射。許多習知的矽基底圖素對於在紅外線區域之 光是有作用的。因此，如果紅外線輻射是入射在上述圖素 上，上述圖素將產生一個輸出訊號。這在大部份的影像感 測器之應用上是不理想的，因為這些影像感測器是被設計 於提供一對於人眼是可見光的基礎上的。

1239646 案號92128197_年月曰 修正____ 五、發明說明（2) 對於解決上述問題之一般的習知技術是在上述影像感 測器與/或影像感測器之透鏡之前提供一分離的紅外線濾 波器元件。上述紅外線濾波器除了可以採取一塗佈的玻璃 濾波器外，還可以來自於不同的形式。然而，這增加了整 個照相機裝置的價格。 【發明内容】

本發明揭露一種影像感測器，包括：一形成於一半導體 底材中之複數個圖素（pixels)，每一個上述圖素包括一 光感元件；一形成於上述複數個圖素（pixels)上之一多 堆疊層，上述多堆疊層係用來過濾紅外線區域的入射光； 以及，一形成於上述多堆疊層與光感元件上之複數個微透 鏡。 丨 i ! 本發明揭露亦一種影像感測器之圖素（P i xe 1)，包 i 括：一形成於一半導體底材中之光感元件；一形成於上述 | 光感元件上之一多堆疊層，上述多堆疊層係用來過渡紅外 | 線區域的入射光；以及，一形成於上述多堆疊層與該光感 元件上之微透鏡。

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I 【實施方式】 i 本發明係有關於具有一結合薄膜紅外線濾波器之一個影像 | 感測器。在接下來的描述中，提供了許多的具體的詳細說 | 明以提供對於本發明之實施例的一個完整的了解。然而， | 對於一個熟知習知技術的人而言，沒有一個或更多個具體 丨

第7頁 1239646 案號 92128197 年 _I 曰 修正__ 五、發明說明（3) 的詳細說明，或者是有其他方法、構成要素等，本發明都 可以被貫施。在其它例子中，熟知的結構或運作不加以顯 示或詳細描述以避免模糊了本發明不同實施例的觀點。 整個說明書中所提及到的η一個實施例（〇ne embodiment) ”或 π—實施例（an embodiment) ’’是意謂 著：關聯著一實施例中所描述的一個特殊的特徵、結構或 特性是包括在至少一個本發明之實施例中。因此，在整個 說明書不同地方中所出現的，，在一個實施例中（i n one embodiment) ” 或’’在〜實施例中（in an emb〇diment)' 之句子不必然疋指向相同的實施例。此外，上述之特殊的 特徵、結構或特性也可能以任何的方式而結合在一個或多 個貫施例中。 圖-像感測 感測器 中之光 之一， 成於每 焦入射 藉由旋 後，上 每一個 一顯示了 一習知技術之具有微透鏡形成於其上之影 為1 0 1之簡單化的載面圖。如圖一所示，上述影像 t招：複數個圖素，上述圖素具有形成於上述底材 檢測7G件1 〇 3。上述光檢測元件1 0 3可以是許多型態 Y歹丨J 士口 —古一 , 尤电二極體、光閘或其它固態光感元件。形 一個圖+ > p ^ 光在 I之上的是一微透鏡1 〇 5。上述微透鏡1 0 5聚 鳇冷i 14光檢測元件1 〇 3之上。傳統上，微透鏡是 、+、" θ试透鏡材料在一平面層之上所形成。然

<規材料被蝕刻以形成圓柱形的或集中於上述 圖 夕 I ' 之其它形狀區域。接者’上述微透鏡材料

第8頁 92128197 年 月 1239646 修正 曰 五、發明說明（4) ;mu:en〇w)而形成-凸狀的半球形微透鏡。 考數字/件ι〇3與微透鏡105之間的區域以來 ’有許多的中間層典型地應該包括上述 的結構僅僅是-影料w的—個的;y圖一 露…之申請案中是凹二。ί:;=在 波層109可以形成在上述微透鏡105之上。 / " 圖一，...員示了衫像感測器2 0 1之一上視圖。上述影像$ 測器2 0 1包括一业φ】i士❿m α 一 i也配置於二維陣列中的複數個圖素 (fixeis) M3。顯示於圖二的例子中，上述影像感測器 顯:了一個二乘二的圖素2 〇 3陣列，而一個真實的影像感 測器201應該具有更多的圖素，或許配置於一千列與/或一 千仃之上。再者’圖二顯示了上述圖素是有秩序的行與列 配置’上述圖素可能是以任何型態的秩序排列來配置。例 如·交替的列之上述圖素彼此之間可能在棋盤的形式中具 有些微的橫向偏移。 上述圖素2 0 3典型地包括一光感元件，例如一光電二極 體f 一光問。然而，可以理解的是，上述光感元件之其它 型態’目前已知的或未來發展的，可能被使用。再者，上 述圖素20 3也包括放大與/或讀出電路。為了清楚，上述電 ，沒有顯示於圖二。在一個實施例中，上述圖素2 〇 3可能 疋主動圖素’這是一般地習知技術所知的。上述每一個圖 1239646 案號 92128197 年月日 修正 五、發明說明（5) 素2 0 3之上形成了一個微透鏡2 0 5。 此外，與每一個圖素2 0 3相連的是一彩色濾波器2 0 7。

上述彩色濾波器2 0 7可以置於上述微透鏡2 0 5與光感元件之 間，或二者擇一地形成在上述微透鏡2 0 5之上。上述彩色 濾波器2 0 7典型地是一個著色或染色材料，其將允許一窄 頻的光通過，例如：紅、藍或綠。在其它實施例中，上述 之彩色渡波器可以是青綠色、黃色與洋紅色。上述這一些 顏色只是上述彩色濾波器2 0 7的例子，並且本發明意圖包 含一具有任何顏色之彩色渡波器2 0 7。盡管著色或染色的 彩色材料之使用是最普遍的彩色濾波器之形式，其它反射

I 型態的彩色濾波器也可以使用，例如一多層的堆疊反射材 i 料。上述彩色滤波器20 7之形成是習知技術已知的，在此 不敘述以避免對於本發明之描述有任何不必要的模糊。例 丨 如，美國第6，2 9 7，0 7 1號專利、美國第6，3 6 2，5 1 3號專利與 | 美國第6，2 7 1，9 0 0號專利顯示了習知的彩色濾波器之當前 I 的狀態。沒有顯示於圖二之上視圖中的是上述紅外線濾波 器係合併到上述影像感測器2 0 1中。

圖三是一個沿著圖二之A - A線之一截面圖，圖三顯示了 1 本發明之紅外線濾波器301。可以看見，一半導體底材301 具有複數個光感元件3 0 3 (與圖二之圖素2 0 3相連）形成於 其中。顯示於圖三之光感元件30 3是一光電二極體，而其 它的替代品與對等品也可以利用。上述光電二極體與其它 丨 的相關電路之形成細節是習知技術已知的，在此不重複以

第10頁 1239646 案號92128197_年月日 修正_______ 五、發明說明（6) 避免對於本發明之描述有任何不必要的模糊。然而，習知 技術的例子可以參看美國第5，9 0 4，4 9 3號專利與美國第 6，3 2 0，6 1 7號專利。

根據一實施例，在上述圖素2 0 3形成於上述底材之後， 一光可穿透的（至少在可見光譜的一部份）基底材料3 0 5 形成於上述底材301之上。上述基底材料30 5可以利用覆蓋 沉積製程來形成，並且可以是不同形式所形成之二氧化 矽，例如熱氧化層、化學氣相沉積（CVD )氧化層或者是 利用一玻璃上之旋轉（spin on glass)方式來形成。上 述基底材料3 0 5也可以被認為是一中間介電層。

接著，一多堆疊層3 0 7沉積在上述基底材料3 0 5之上以 提供作為一紅外線濾波器。在一實施例中，上述多堆疊層 3 0 7被用來自然地反射6 6 0到8 0 0奈米（n m )區域與其上之波 長。上述多堆疊層3 0 7包括一複數對氧化鈦/二氧化矽薄 膜。在一實施例中，上述多堆疊層3 0 7包括六到八對氧化 鈦/二氧化矽薄膜，而更多或更少對也是可能的，這要視 紅外線輻射所需要的反射之範圍而定。利用一個更大數目 的對數，就會達成一個較高的反射，雖然這樣會增加價 格。 再者，上述薄膜之厚度是對應到一個依照反射（意即被拒 絕的）中心波長而定之大的範圍。一般而言，每一個薄膜 之厚度應該是中心波長的四分之一的級數。因此，對於被

第11頁 1239646 案號 92128197 年月日 修正 五、發明說明（7) 拒絕的中心波長7 0 0奈米（n m )，上述氧化鈦與二氧化矽薄 膜之厚度大約是1 75奈米（nm)或0. 1 75微米（um)。此外， 值得注意的是其它的材料也可以用來形成形成上述的薄膜 對，並且本發明也沒有限定在氧化鈦/二氧化矽薄膜。在 另一個實施例中，上述的薄膜對可以包括一個第一與第二 薄膜之間的中間層，以增加熱穩定性並且防止其互相擴 散。例如，上述中間層可以是碳。

接著，回到第三圖，一覆蓋層3 0 9沉積於上述多堆疊層3 0 7 之上。上述覆蓋層3 0 9的厚度在一個微米（um)的級數。 值得注意的是上述覆蓋層3 0 9是光學的。上述覆蓋層3 0 9對 於接下來的步驟中對於保護上述多堆疊層3 0 7之表面是有 用的。

接下來，彩色濾波器3 1 1形成於上述覆蓋層3 0 9之上。上述 彩色濾波器3 1 1係利用傳統的製程所形成。在顯示於圖三 的實施例中，上述彩色濾波器3 1 1是紅、綠與藍色，但是 也可以是青綠、黃與洋紅色。最後，微透鏡3 1 3形成於上 述彩色濾波器3 1 1之上。類似地，微透鏡3 1 3也可以利用傳 統的製程來形成，並且可以是如圖三所示之凸形或其它的 形狀。 本發明之幾個特徵是值得注意的。首先，一個多堆疊層 丨 j 3 0 7之形成是用來作為一紅外線濾波器。多堆疊層3 0 7之特 徵是它們可以自然地反射並且因此使入射紅外線輻射轉向

第12頁 1239646 案號92128197_年月曰 修正_ 五、發明說明（8)

以偏離上述圖素。這對照於有吸收力的著色或染色基底濾 波器而言，其仍然可以產生在紅外線頻帶的干擾（no 1 s e )並且其可能不是可靠的。第二，在一實施例中，上述多 堆疊層3 0 7是形成於彩色遽波器之前。一般而言，當氧化 欽/二氧化石夕薄膜對沉積時需要相當南的熱’這會破壞上 述彩色濾波器3 1 1 (其典型地是由有機材料所形成）。然 而，較後面製程所製成之彩色濾波器3 1 1被證明可以耐 熱，則上述多堆疊層3 0 7可以形成於上述彩色渡波器3 1 1之 後（也就是其上面）。相同的情況對於上述微透鏡3 1 3也 是對的。第三，藉由結合一紅外線渡波器在一影像感測器 之上，上述影像感測器之元件數目與價格因此可以被降 低。 從以上可以瞭解，本發明以一些特定實施例闡明如上，然 在不脫離本發明之精神與範圍内所作之修改均可以被實 施。因此，除了下述之申請專利範圍之外本發明是不受限 定的。

13頁 1239646 案號 92128197_年月日__修正 圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 圖一所示為顯示習知技術之一影像感測器之一部份之截面 圖。 圖二所示為顯示配置於一二維陣列之圖素與具有微透鏡形成 於其上之一影像感測器之上視圖。 圖三所示為顯示根據本發明之一實施例之影像感測器之一半 導體底材之截面圖。 【主要元件符號說明】

影像感測器1 (H、2 0 1 光檢測元件1 0 3 微透鏡 1 0 5、2 0 5、3 1 3 區域1 0 7

圖素（pixels) 203 彩色濾波器2 0 7、3 1 1 半導體底材3 0 1 光感元件3 0 3 基底材料3 0 5 多堆疊層3 0 7 覆蓋層309

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Claims (1)

1239646 案號 92128197 年月日 修正 六、申請專利範圍 1. 一種影像感測器，包括： 一形成於一半導體底材中之複數個圖素（pixels)，每一個 該圖素包括一光感元件； 一形成於該複數個圖素（p i X e 1 s)上之一多堆疊層，該多堆 疊層係用來過濾紅外線區域的入射光；以及 一形成於該多堆疊層與該光感元件上之複數個微透鏡。 2. 如申請專利範圍第1項之影像感測器，更包括一形成於每 一個該圖素上之彩色濾波器，該彩色濾波器形成於該微透鏡 與該多堆疊層之間。 3. 如申請專利範圍第1項之影像感測器，更包括一形成於每 一個該圖素上之彩色濾波器，該彩色濾波器形成於該微透鏡 之上。 4. 如申請專利範圍第1項之影像感測器，其中該多堆疊層包 括一對氧化鈦/二氧化石夕薄膜。

5. 如申請專利範圍第4項之影像感測器，其中該多堆疊層包 括六到八對氧化鈦/二氧化矽薄膜。 6. 如申請專利範圍第4項之影像感測器，其中每一該薄膜之 厚度大約是2 0 0奈米（nm)。

第15頁 1239646 案號92128197_年月日 修正_____________ 六、申請專利範圍 7 · —種影像感測器之圖素（p i X e 1)，包括： 一形成於一半導體底材中之光感元件； 丨 一形成於該光感元件上之一多堆疊層，該多堆疊層係用來過| I 濾、紅外線區域的入射光；以及 一形成於該多堆疊層與該光感元件上之微透鏡。 器 波 色 彩 之 間 之 層 疊 堆 多 亥 今口 與 鏡 第透 圍微 範該 利於 專成 請形 申一 如括 8包 素 圖 之 器 rnj, 涓 感 像 影 之 項 更 器 波 色 彩 之 上 鏡 第透 圍微 範該 利於 專成 請形申一 如括 9包 素 圖 之 器 JUJ 湏 感 像 影 之 項 更 素^ 薄 圖 之匕 0 ^ J氧W '一 感/ 像鈇 影化 之氧 洞對 7 1 第 圍 範 利 專 請 申 如 括 包 層 疊 堆 多 該 中 其 項丨 ο ^ ;六 圍括 .包 範 層 ^ 4 專 隹 請i 多 申，該 L巾 1 其 P膜 (薄 素矽 圖化 之氧 器二 / 測 感 像 影 之 欽 化 氧 對 八 12.如申請專利範圍第10項之影像感測器之圖素（pixel) 其中每一該薄膜之厚度大約是1 75奈米（nm)。

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