TWI415253B - 光學感測器及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於光學感測器及其製造方法，特別係有關於具有不同厚度之感光層的光學感測器及其製造方法。
光學感測器隨著製程的改善具有體積小及低製造成本之特點。因此，光學感測器被廣泛應用於各種商業設備，諸如數位照相機、可攜型攝像機、印表機、掃描器以及手機。光學感測器被用於獲取光學能量，並將光學能量轉化為相關的電訊號，以及進而將電訊號轉化為易於儲存、發送和操作的數位資料。
然而，目前發現光學感測器對於不同波長的光線有不同的吸收長度與量子效率，導致感測結果失真有誤差，且效能無法提升。
本案係有關於一種光學感測器及其製造方法。光學感測器根據畫素主要吸收感測之光線的波長，調變感光層的厚度，以提高光學感測器的感測效率或達到預期的感測效果。
根據本案之一方面，提供一種光學感測器。光學感測器包括第一感光層、第一帶電載子收集元件、第二感光層與第二帶電載子收集元件。第一感光層具有第一入光表面。第一光線係往第一入光表面射入第一感光層。第一帶電載子收集元件位於第一感光層之相對於第一入光表面的表面上。第一帶電載子收集元件係用以收集第一感光層將第一光線轉換成的帶電載子。第二感光層係鄰近第一感光層。第二感光層具有第二入光表面。第二光線係往第二入光表面射入第二感光層。第二帶電載子收集元件係位於第二感光層之相對於第二入光表面的表面上。第二帶電載子收集元件係用以收集第二感光層將第二光線轉換成的帶電載子。第一光線的波長與第二光線的波長係不同。第一感光層的厚度與第二感光層的厚度係不同。
根據本案之另一方面，提供一種光學感測器的製造方法。方法包括以下步驟。於基板中形成鄰近的第一帶電載子收集元件與第二帶電載子收集元件。使基板對應於第一帶電載子收集元件的第一部分的厚度不同於對應於第二帶電載子收集元件的第二部分的厚度。基板的第一部分係形成第一感光層。基板的第二部分係形成第二感光層。在光學感測器中，第一光線係射入第一感光層。第一帶電載子收集元件係用以收集第一感光層將第一光線轉換成的帶電載子。第二光線係射入第二感光層。第二帶電載子收集元件係用以收集第二感光層將第二光線轉換成的帶電載子。第一光線的波長係與第二光線的波長不同。
第1圖繪示一實施例中光學感測器的上視圖。請參照第1圖，光學感測器包括畫素202、畫素204、畫素206、畫素207、畫素307、畫素302、畫素304與畫素306，係具有貝爾式排列(Bayer pattern)。舉例來說，畫素202與畫素206係紅畫素，畫素204、畫素207、畫素307與畫素304係綠畫素，畫素302、與畫素306係藍畫素。
第2A圖與第2B圖繪示一實施例中光學感測器的剖面圖。舉例來說，第2A圖係沿著第1圖中AB線所繪製。第2B圖係沿著第1圖中CD線所繪製。請參照第2A圖與第2B圖，紅畫素202、綠畫素204、紅畫素206、藍畫素302、綠畫素304與藍畫素306各包括鄰接的感光層208與帶電載子收集元件210。在光學感測器的操作過程中，入射光係往感光層208的入光表面220射入感光層208。入射至感光層208的光能係轉換成帶電載子。帶電載子遷移至帶電載子收集元件210，然後經由外部電路讀取。於實施例中，係根據入射光線的波長或主要波長調變紅畫素202、綠畫素204、紅畫素206、藍畫素302、綠畫素304與藍畫素306的感光層208的厚度，藉此提高光學感測器對於不同光線的感測效能。舉例來說，藍畫素302與藍畫素306的感光層208的厚度T1小於紅畫素202與紅畫素206的感光層208的厚度T2。厚度T1也小於綠畫素204與綠畫素304的厚度T3。由於藍畫素302與藍畫素306的感光層208的厚度T1較小，因此當波長短的藍光射入至感光層208中後，帶電載子初始產生的位置能夠非常靠近帶電載子收集元件210，使得大部分的帶電載子能有效率地遷移至帶電載子收集元件210而被收集，提高光學感測器的效能。由於紅畫素202與紅畫素206的感光層208的厚度T2及綠畫素204與綠畫素304的厚度T3較大，因
此當波長比藍光長的紅光或綠光射入至感光層208中後，厚度T2、T3較大的感光層208對於紅光、綠光能提供足夠的吸收長度，因此能有效率地吸收紅光、綠光並轉換成帶電載子。
於實施例中，厚度T1、厚度T2與厚度T3為1um~4um。相等的厚度T2與厚度T3大於厚度T10.05um~3um或0.3um~3um。實際使用上，T1、T2、T3之大小關係也可因所需之主要波長強度與顏色比例來調整，舉例來說，T1>T2>T3。
於其他實施例中，不同畫素區域的感光層厚度亦可視光學感測器所需的量子效率作適當的調變。
請參照第2A圖與第2B圖，光學感測器也可包括保護層(passivation layer)226，配置於感光層208。絕緣層228配置於保護層226上。絕緣層228對應於藍畫素302與藍畫素306之感光層208的部分228A係厚於對應於紅畫素202、紅畫素206、綠畫素204與綠畫素304之感光層208的部分228B。此外，整個絕緣層228可具有實質上齊平的上表面231。
隔離元件230隔離紅畫素202、綠畫素204、紅畫素206、藍畫素302、綠畫素304與藍畫素306的感光層208與帶電載子收集元件210。隔離元件230可包括隔離結構232與隔離結構233。隔離元件230可包括氧化物例如二氧化矽或氮氧化矽等等。隔離元件230並不限於如第2A與2B圖所示與絕緣層228距離一段距離。舉例來說，隔離元件230亦可延伸至至少與絕緣層228接觸。如此可提
高不同畫素之間的隔離效果。
第3A圖與第3B圖繪示一實施例中光學感測器的剖面圖。舉例來說，第3A圖係沿著第1圖中AB線所繪製。第3B圖係沿著第1圖中CD線所繪製。第3A圖與第3B圖所示之實施例與第2A圖與第2B圖所示之實施例的不同處在於，紅畫素402與紅畫素406的感光層408的厚度T4係大於綠畫素404與綠畫素504的厚度T5。厚度T4也大於藍畫素502與藍畫素506的感光層408的厚度T6。由於紅畫素402與紅畫素406的感光層408的厚度T4較大，因此當波長的紅光射入至感光層408中後，紅畫素402與紅畫素406的感光層408對於紅光能提供足夠的吸收長度，因此能有效率地吸收紅光並轉換成帶電載子。由於厚度T5與T6較小，因此當波長比紅光短的綠光與藍光射入至綠畫素404、綠畫素504、藍畫素502與藍畫素506的感光層408中後，帶電載子初始產生的位置能夠非常靠近帶電載子收集元件410，使得大部分的帶電載子能有效率地遷移至帶電載子收集元件410而被收集，提高光學感測器的效能。於實施例中，厚度T4、厚度T5與厚度T6為1um~4um。相等的厚度T5與厚度T6小於厚度T40.05um~3um或0.3um~3um。
第4A圖與第4B圖繪示一實施例中光學感測器的剖面圖。舉例來說，第4A圖係沿著第1圖中AB線所繪製。第4B圖係沿著第1圖中CD線所繪製。第4A圖與第4B圖所示之實施例與第2A圖與第2B圖所示之實施例的不同處在於，舉例來說，主要射入紅光之紅畫素602與紅畫素
606的感光層608的厚度T7係大於主要射入綠光之綠畫素604與綠畫素704的厚度T8。綠畫素604與綠畫素704的厚度T8係大於主要射入藍光之藍畫素702與藍畫素706的感光層608的厚度T9。因此光學感測器對於不同波長範圍的入射光能有效率地吸收紅光並轉換成帶電載子，並使帶電載子能有效率地遷移至帶電載子收集元件610而被收集，提高光學感測器的效能。於一實施例中，厚度T7、厚度T8與厚度T9為1um~4um。於一實施例中，厚度T7係大於厚度T8 0.05um~3um或0.3um~3um。厚度T8係大於厚度T9 0.05um~3um或0.3um~3um。
第5圖至第13圖繪示一實施例中光學感測器的製造方法。請參照第5圖，提供基板103。於實施例中，基板103包括半導體材料例如矽。舉例來說，基板103為絕緣層上矽晶(SOI)基材的部分，或是由塊矽材(bulk-silicon)經由化學機械研磨(CMP)方式研磨後再以化學氣相方式沉積所形成。於基板103中形成隔離結構132。隔離結構132包括例如淺溝槽隔離(STI)，隔離結構132亦可以摻雜相同於基板103之導電類型(例如P型)的雜質(例如硼(Boron))的方式形成。請參照第6圖，於基板103中形成隔離結構133。隔離結構133可以摻雜相同於基板103之導電類型(例如P型)的雜質(例如硼(Boron))的方式形成。隔離結構132與隔離結構133係形成隔離元件130。於一些實施例中，係省略隔離結構132。
請參照第7圖，於基板103中形成帶電載子收集元件110、帶電載子收集元件114與帶電載子收集元件118。帶電載子收集元件110、帶電載子收集元件114與帶電載子收集元件118可以摻雜相反於基板103(例如P型)之導電類型(例如N型)的雜質(例如砷(As)或磷(P))的方式形成。請參照第8圖，於帶電載子收集元件110、帶電載子收集元件114與帶電載子收集元件118上形成絕緣層119。絕緣層119可包括氧化物例如二氧化矽或氮氧化矽等等。絕緣層119可以物理或化學沉積法例如電漿化學法形成。
請參照第9圖，將基板103黏著至支撐板121後，上下反轉，並薄化基板103。薄化的方法包括物理或化學方法，舉例來說，利用蝕刻法例如乾蝕刻或濕蝕刻移除部分的基板103。於第9圖所示的實施例中，薄化後的基板103係留下隔離結構133上方的部分。然而本發明並不限於此。於其他實施例中，基板103係至少薄化至與隔離結構133之上表面齊平的高度。換句話說，薄化基板103的步驟亦可能移除部分的隔離結構133。薄化的基板103的厚度可為1um~5um。移除基板103位於隔離元件130之間的部分，以在不同畫素區域中留下厚度不同的感光層108、感光層112與感光層116，如第10圖所示。可以物理或化學蝕刻的方式例如化學研磨法移除部份的基板103。
請參照第11圖，於感光層108、感光層112與感光層116上形成保護層126。舉例來說，保護層126可以摻雜相同於感光層108、感光層112與感光層116之導電類型的雜質的方式形成。保護層126的厚度可約為500埃~2000埃。然後可進行退火(anneal)步驟，例如加熱至800~1000度或雷射退火。請參照第12圖，於保護層126上形成絕緣層128。絕緣層128包括氧化物例如二氧化矽或氮氧化矽等等。於一實施例中，可對絕緣層128進行平坦化處理以形成平坦的上表面131。
請參照第13圖，於絕緣層128上形成濾光元件134、濾光元件136與濾光元件138。亦可於濾光元件134、濾光元件136與濾光元件138上形成微透鏡140。濾光元件134、濾光元件136與濾光元件138係用以過濾使期望波長或主要波長範圍的光線通過，然後穿過保護層126與絕緣層128，並射入感光層108、感光層112與感光層116。。於實施例中，光學感測器係背照式CMOS影像感測器或其他種類的感測器。
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，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，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。
202、204、206、207、302、304、306、307．．．畫素
108、112、116、208、408、608．．．感光層
110、114、118、210、410、610．．．帶電載子收集元件
220．．．感光層的入光表面
126、226．．．保護層
119、128、228．．．絕緣層
228A、228B．．．絕緣層的部分
130、230．．．隔離元件
131、231．．．絕緣層的上表面
132、133、232、233．．．隔離結構
103．．．基板
121．．．支撐板
134、136、138．．．濾光元件
140．．．微透鏡
402、406、602、606．．．紅畫素
404、504、604、704．．．綠畫素
502、506、702、706．．．藍畫素
T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9．．．厚度
第1圖繪示一實施例中光學感測器的上視圖。
第2A圖與第2B圖繪示一實施例中光學感測器的剖面圖。
第3A圖與第3B圖繪示一實施例中光學感測器的剖面圖。
第4A圖與第4B圖繪示一實施例中光學感測器的剖面圖。
第5圖至第13圖繪示一實施例中光學感測器的製造方法。
108、112、116．．．感光層
126．．．保護層
128．．．絕緣層
134、136、138．．．濾光元件
140．．．微透鏡
Claims (7)
- 一種光學感測器，包括：一第一感光層，具有一第一入光表面，其中一第一光線係往該第一入光表面射入該第一感光層；一第一帶電載子收集元件，位於該第一感光層之相對於該第一入光表面的一表面上，並用以收集該第一感光層將該第一光線轉換成的帶電載子；一第二感光層，鄰近該第一感光層，並具有一第二入光表面，其中一第二光線係往該第二入光表面射入該第二感光層；以及一第二帶電載子收集元件，位於該第二感光層之相對於該第二入光表面的一表面上，並用以收集該第二感光層將該第二光線轉換成的帶電載子，其中，該第一光線的波長與該第二光線的波長係不同，該第一感光層的厚度與該第二感光層的厚度係不同。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測器，其中，該第一光線的波長係大於該第二光線的波長，該第一感光層的厚度係大於該第二感光層的厚度。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測器，其中該第一感光層的厚度與該第二感光層的厚度為1um~4um。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測器，其中該第一感光層的厚度係大於該第二感光層的厚度0.05um~3um，該第一光線係綠光，該第二光線係藍光。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測器，其中該第一感光層的厚度係大於該第二感光層的厚度0.3um~3um，該第一光線係紅光，該第二光線係綠光或藍光。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測器，更包括一濾光元件，配置於該第一感光層的該第一入光表面與該第二感光層的該第二入光表面上，其中，該濾光元件用以將射入該光學感測器之光線對應於該第一感光層的部分選擇成只有該第一光線通過，並將射入該光學感測器之光線對應於該第二感光層的部分選擇成只有該第二光線通過。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測器，更包括一絕緣層，配置於該第一感光層的該第一入光表面與該第二感光層的該第二入光表面上，其中，該絕緣層對應於該第一感光層的部分的厚度係小於對應於該第二感光層的部分的厚度，且整個該絕緣層具有實質上齊平的上表面。
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