TWI579598B - 影像感測裝置、ｃｉｓ結構及其形成方法 - Google Patents

影像感測裝置、ｃｉｓ結構及其形成方法 Download PDF

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Description

影像感測裝置、CIS結構及其形成方法
本發明是關於一種CIS結構(CMOS Image Sensor)。更具體地來說，本發明關於一種具有反射結構的CIS結構。
隨著光電產品諸如數位相機或具有影像拍攝功能的手機逐漸普及化，影像感測裝置的需求也與日俱增。影像感測裝置係用於接收一光學信號並且將前述光學信號轉換成電子信號。在生成及處理電子信號之後，便可產生一數位影像。一般來說，影像感測裝置可分為二種主要類型：一者為電荷耦合裝置(charge-coupled device,CCD)，而另一者為互補式金氧半導體(complementary metaloxide semiconductor,CMOS)裝置。
影像感測裝置通常包括一畫素陣列。每一陣列包括一光電二極管(photodiode)，用以提供對應照射於光感測器之光強度的一信號。在傳統的技術中，與彩色濾光片陣列(透光結構)連結的微透鏡陣列係對應地設置於影像感測裝置的畫素陣列上方。彩色濾光片陣列容許畫素聚集具有特定波長的光線。
然而，即便使用了微透鏡陣列，大量的入射光線 仍未能有效地導入光電二極管，故影像感測裝置的光敏性(photosensitivity)會因而降低。
為了解決前述問題點，本發明一實施例提供一種CIS結構，包括一透光結構、圍繞前述透光結構之一反射結構、以及設置於前述透光結構之一側的一微透鏡。反射結構包括圍繞透光結構之一第一反射層、圍繞第一反射層之一第二反射層、以及圍繞第二反射層之一第三反射層。第一、第二、第三反射層分別具有折射率N1、N2、N3，其中N1>N2>N3。
本發明一實施例更提供一種影像感測裝置，包括一第一CIS結構和鄰近第一CIS結構之一第二CIS結構，其中第一CIS結構包括一第一透光結構、圍繞第一透光結構之一反射結構、以及設置於第一透光結構上之一第一微透鏡。反射結構包括圍繞第一透光結構之一第一反射層、圍繞第一反射層之一第二反射層、以及圍繞第二反射層之一第三反射層。第一、第二、第三反射層分別具有折射率N1、N2、N3，其中N1>N2>N3。第二CIS結構包括直接連接至前述反射結構的一第二透光結構和設置於第二透光結構上之一第二微透鏡。
本發明一實施例更提供一種CIS結構之形成方法，包括形成一第一折射率層；形成一第二折射率層，且第一折射率層設置於第二折射率層之內；形成一第三折射率層，且第二折射率層設置於第三折射率層之內；蝕刻第三折射率層以形成一容納空間；形成一透光結構於容納空間中；以及設置一微透鏡在透光結構上，其中第三、第二、第一折射率層圍繞透 光結構並分別具有折射率N1、N2、N3，且N1>N2>N3。
100、100’、100”‧‧‧微透鏡
100A‧‧‧第一微透鏡
100B‧‧‧第二微透鏡
200、200’、200”‧‧‧透光結構
200A‧‧‧第一透光結構
200B‧‧‧第二透光結構
300、300’、300”、300A、300A’‧‧‧反射結構
301‧‧‧第一層交界面
302‧‧‧第二層交界面
303‧‧‧第三層交界面
304‧‧‧上部分
305‧‧‧下部分
310、310’、310”、310A、310A’‧‧‧第一反射層
320、320’、320”、320A、320A’‧‧‧第二反射層
330、330’、330”、330A、330A’‧‧‧第三反射層
331”‧‧‧第四反射層
340、340A‧‧‧第一保護層
350、350A‧‧‧第二保護層
600‧‧‧低折射率層(第一折射率層)
610‧‧‧第一凹槽
700‧‧‧中折射率層(第二折射率層)
710‧‧‧第二凹槽
720‧‧‧第二溝槽
800‧‧‧高折射率層(第三折射率層)
820‧‧‧第一溝槽
A‧‧‧有效區域
B‧‧‧基板
C1‧‧‧第二CIS結構
C2‧‧‧習知CIS結構
D、D1、D2‧‧‧寬度
L‧‧‧光線
M‧‧‧主透鏡
R‧‧‧容納空間
S、S’‧‧‧光電二極管
第1A圖係表示本發明一實施例之CIS結構示意圖。
第1B圖係表示第1A圖所示之CIS結構的仰視圖。
第2圖係表示光線如何穿過微透鏡進入CIS結構並抵達光電二極管之示意圖。
第3A圖係表示本發明另一實施例之CIS結構示意圖。
第3B圖係表示本發明另一實施例之CIS結構示意圖。
第4A圖係表示本發明另一實施例之CIS結構示意圖。
第4B圖係表示本發明另一實施例之CIS結構示意圖。
第5A~5I圖係表示本發明一實施例中在基板上形成CIS結構之各步驟剖視圖。
第6A~6G圖係表示本發明另一實施例中在基板上形成CIS結構之各步驟剖視圖。
第7A~7E圖係表示本發明另一實施例中在基板上形成CIS結構之各步驟剖視圖。
第8A~8G圖係表示本發明另一實施例中在基板上形成CIS結構之各步驟剖視圖。
第9圖係表示本發明一實施例之影像感測裝置局部示意圖。
第10A、10B圖係表示本發明一實施例中CIS結構設置於選定的光電二極管上之示意圖。
第11A、11B圖係表示本發明另一實施例中CIS結構設置於 選定的光電二極管上之示意圖。
以下說明本發明實施例之CIS結構。然而，可輕易了解本發明實施例提供許多合適的發明概念而可實施於廣泛的各種特定背景。所揭示的特定實施例僅僅用於說明以特定方法使用本發明，並非用以侷限本發明的範圍。
請參閱第1A圖和第1B圖，本發明一實施例之CIS結構主要包括一微透鏡100、一透光結構200、以及一反射結構300。反射結構300圍繞前述透光結構200，且微透鏡100設置於透光結構200的頂側(第1A圖)。
如第1A、1B圖所示，反射結構300共有五層，包括一第一反射層310、一第二反射層320、一第三反射層330、一第一保護層340、以及一第二保護層350。在本實施例中，第一反射層310圍繞前述透光結構200，第二反射層320圍繞第一反射層310，第三反射層330圍繞第二反射層320，第一保護層340圍繞第三反射層330，且第二保護層350圍繞第一保護層340，以形成一同心結構。當光線進入CIS結構，穿過微透鏡100至透光結構200時，第一、第二、第三反射層310、320、330可用於反射及限制光線於透光結構200內，因此光電二極管接收之能量可提升。此外，第一、第二保護層340、350可用於避免外部光線經由反射結構300侵入透光結構200，因此光干擾(light cross-talk)可減少。
特別的是，第一、第二、第三反射層310、320、330分別具有折射率N1、N2、N3，且N1>N2>N3。在本實施例 中，透光結構200的折射率大於第一反射層310的折射率N1。第一反射層310和第二保護層350可使用相同材料並在相同製造步驟中形成。同樣的，第二反射層320和第一保護層340可使用相同材料並在相同製造步驟中形成。
如第2圖所示，前述CIS結構可被設置於具有光電二極管S的基板B上。當光線L穿過微透鏡100進入CIS結構時，其可被反射結構300在透光結構200和第一反射層310之間的第一層交界面301、第一反射層310和第二反射層320之間的第二層交界面302、以及第二反射層320和第三反射層330之間的第三層交界面303所反射。應注意的是，具有多個層交界面的CIS結構相較於具有單一層交界面的CIS結構可將光線反射較多次，故透光結構200可捕捉較多能量。此外，由於透光結構200的折射率大於第一、第二、第三反射層310、320、330之折射率N1、N2、N3(N1>N2>N3)，故絕大多數的光線L可被反射至光電二極管S。因此，光線的損失將減少，並可達到高光敏性。
在本實施例中，透光結構200可包括一彩色濾光片(color filter)或一乾淨濾光片(clear filter)。第一、第二、第三反射層310、320、330和第一、第二保護層340、350可包含聚氧化乙烯(polyethylene oxide,PEOX)。折射率N1可介於1.44~1.50(例如1.46)，折射率N2可介於1.30~1.43(例如1.41)，而折射率N3可介於1.10~1.29(例如1.21)。
請參閱第3A圖，在另一實施例中，第三反射層330係埋設於反射結構300的上部分304，且前述上部分304鄰近微透鏡100。第一反射層310和第二保護層350具有折射率N1，第 二反射層320和第一保護層340具有折射率N2，第三反射層330具有折射率N3，且N1>N2>N3。請參閱第3B圖，在另一實施例中，第三反射層330係埋設於反射結構300的下部分305，且前述下部分305鄰近基板B。同樣的，第一反射層310和第二保護層350具有折射率N1，第二反射層320和第一保護層340具有折射率N2，第三反射層330具有折射率N3，且N1>N2>N3。
於第2圖所示的CIS結構相較於第3A、3B圖所示的CIS結構在減低光干擾和提升能量方面具有較佳的效果。然而，第3A、3B圖所示之CIS結構可藉由簡化的製程形成，且與習知的CIS結構相比仍具有較佳的效果。此外，第三反射層330的位置可根據光線L進入透光結構200的入射角而選擇。
反射結構在水平方向可具有三層或多於三層之反射層，且具有較多反射層的反射結構比起具有較少反射層的反射結構會具有較佳的效能。請參閱第4A圖，在另一實施例中，CIS結構包括一微透鏡100’、一透光結構200’、以及一反射結構300’。微透鏡100’設置於透光結構200’之一側，而反射結構300’圍繞透光結構200’。反射結構300’具有三層反射層，包括圍繞透光結構200’之一第一反射層310’、圍繞第一反射層310’之一第二反射層320’、以及圍繞第二反射層320’之一第三反射層330’。第一、第二、第三反射層310’、320’、330’分別具有折射率N1、N2、N3，且N1>N2>N3。如第4A圖所示，本實施例中之CIS結構可反射光線三次。請參閱第4B圖，在另一實施例中，CIS結構包括一微透鏡100”、一透光結構200”、以及一反射結構300”。微透鏡100”設置於透光結構200”之一側，而 反射結構300”圍繞透光結構200”。反射結構300”具有四層反射層，包括圍繞透光結構200”之一第一反射層310”、圍繞第一反射層310”之一第二反射層320”、圍繞第二反射層320”之一第三反射層330”、以及圍繞第三反射層330”之一第四反射層331”。第一、第二、第三、第四反射層310”、320”、330”、331”分別具有折射率N1、N2、N3、N4，且N1>N2>N3>N4。如第4B圖所示，本實施例中之CIS結構可反射光線四次。因為第4B圖所示的CIS結構可反射光線之次數大於第4A圖所示的CIS結構，故其可產生較佳的效果。
如前述實施例所述，反射結構300具有至少三層，且距離透光結構200較近的層之折射率大於距離透光結構200較遠之折射率。
請參閱第5A~5H圖，本發明一實施例提供一種CIS結構之形成方法，前述CIS結構係形成於一基板B上。首先，一低折射率層600(第一折射率層，具有一折射率N3)形成於基板B上且位於光電二極管S之上(第5A圖)，接著，對應於光電二極管S之一第一凹槽610藉由蝕刻前述低折射率層600而形成(第5B圖)。其後，一中折射率層700(第二折射率層，具有一折射率N2)形成於基板B和低折射率層600上(第5C圖)，且對應於前述第一凹槽610之一第二凹槽710藉由蝕刻中折射率層700接著形成(第5D圖)。第一凹槽610之寬度D1大於第二凹槽710之寬度D2。
接著，一高折射率層800(第三折射率層，具有一折射率N1，且N1>N2>N3)形成於基板B和中折射率層700上(第5E 圖)，且對應於前述第二凹槽710之一容納空間R藉由蝕刻前述高折射率層800而形成(第5F圖)。第二凹槽710之寬度D2大於容納空間R之寬度D。接下來，一透光結構200形成於容納空間R中(第5G圖)，且透光結構200、高、中、低折射率層800、700、600可被裁切(第5H圖)以形成一同心結構。最後，微透鏡100設置於透光結構200上(第5I圖)。因此，在第5I圖中兩條虛線之間的有效區域A內之高、中、低折射率層800、700、600可形成如第1A圖所示之第一、第二、第三反射層310、320、330。另外，第5I圖中的中、高折射率層700、800在虛線外的外側部分可形成如第1A圖所示之第一、第二保護層340、350。在本實施例中，低、中、高折射率層600、700、800和透光結構200可藉由塗布或沉積形成。
請參閱第6A~6G圖，本發明另一實施例提供一種CIS結構之形成方法，前述CIS結構係形成於一基板B上。於前述實施例類似(第5A~5I圖)，一低折射率層600(第一折射率層，具有折射率N3)形成於基板B上且位於光電二極管S之上(第6A圖)，接著，對應於光電二極管S之一第一凹槽610藉由蝕刻前述低折射率層600而形成(第6B圖)。其後，一中折射率層700(第二折射率層，具有一折射率N2)形成於基板B和低折射率層600上(第6C圖)，且一高折射率層(第三折射率層，具有一折射率N1，且N1>N2>N3)隨後形成於中折射率層700上(第6D圖)。
接著，對應於前述第一凹槽610之一容納空間R可藉由蝕刻中、高折射率層700、800而形成，第一凹槽610之寬度D1大於容納空間R之寬度D(第6E圖)。接下來，一透光結構 200形成於容納空間R中(第6F圖)，且微透鏡100可在未裁切高、中、低折射率層800、700、600的情況下直接設置於透光結構200(第6G圖)上以在基板B上形成CIS結構。因此，在第6G圖中兩條虛線之間的有效區域A內之高、中、低折射率層800、700、600可作為如第1A圖所示之第一、第二、第三反射層310、320、330。另外，第6G圖中的中、高折射率層700、800在虛線外的外側部分可作為如第1A圖所示之第一、第二保護層340、350。在本實施例中，低、中、高折射率層600、700、800和透光結構200可藉由塗布或沉積形成。
請參閱第7A~7E圖，本發明另一實施例提供一種CIS結構之形成方法，前述CIS結構係形成於一基板B上。首先，一高折射率層800(第三折射率層，具有一折射率N1)形成於基板B上且位於光電二極管S之上(第7A圖)，且對應於光電二極管S之一容納空間R藉由蝕刻高折射率層800而形成(第7B圖)。前述高折射率層800包括感光材料。接下來，一中折射率層700(第二折射率層，具有一折射率N2)和一低折射率層600(第一折射率層，具有一折射率N3，且N1>N2>N3)藉由一曝光製程而形成(第7C圖)，且中折射率層700和低折射率層600之折射率可被曝光能量(exposure energy)所控制。
隨後，一透光結構200形成於容納空間R中(第7D圖)，且微透鏡100設置於透光結構200上(第7E圖)。因此，在第7E圖中兩條虛線之間的有效區域A內之高、中、低折射率層800、700、600可作為如第1A圖所示之第一、第二、第三反射層310、320、330。另外，第7E圖中的中、高折射率層700、800 在虛線外的外側部分可作為如第1A圖所示之第一、第二保護層340、350。在本實施例中，高折射率層800和透光結構200可藉由塗布或沉積形成。
請參閱第8A~8G圖，本發明另一實施例提供一種CIS結構之形成方法，前述CIS結構係形成於一基板B上。首先，一高折射率層800(第三折射率層，具有一折射率N1)形成於基板B上且位於光電二極管S之上(第8A圖)，且一容納空間R和一第一溝槽820藉由蝕刻前述高折射率層800而形成(第8B圖)。第一溝槽820圍繞容納空間R。其後，一中折射率層700(第二折射率層，具有一折射率N2)形成於第一溝槽820中(第8C圖)，且圍繞前述容納空間R之一第二溝槽720藉由蝕刻中折射率層700而形成(第8D圖)。
接下來，一低折射率層600(第一折射率層，具有一折射率N3，且N1>N2>N3)形成於第二溝槽720中(第8E圖)。一透光結構200隨後形成於容納空間R中(第8F圖)，且微透鏡100設置於透光結構200上(第8G圖)以形成CIS結構。因此，在第8G圖中兩條虛線之間的有效區域A內之高、中、低折射率層800、700、600可作為如第1A圖所示之第一、第二、第三反射層310、320、330。另外，第8G圖中的中、高折射率層700、800在虛線外的外側部分可作為如第1A圖所示之第一、第二保護層340、350。在本實施例中，低、中、高折射率層600、700、800和透光結構200可藉由塗布或沉積形成。
第9圖係表示本發明一實施例之影像感測裝置之局部示意圖。複數個第1A、1B圖所示的CIS結構在主透鏡M和 具有複數個光電二極管S的基板B之間排列成矩陣。應注意的是，於一些實施例中，第3A、3B、4A、4B、6G、7E、8G圖所示的CIS結構亦可應用於影像感測裝置中。
前述CIS結構可設置於單一畫素、捉捕特殊光線的一些畫素、或是影像感測裝置的整個畫素陣列上。如第10A、10B圖所示，在本實施例中，具有一第一微透鏡100A、一第一透光結構200A以及一反射結構300A之一第一CIS結構(與第2圖所示的CIS結構相同)設置於具有一選定的光電二極管S之一特定畫素上，具有一第二微透鏡100B和一第二透光結構200B之第二CIS結構C1設置於具有光電二極管S’之畫素上，且一習知CIS結構C2設置於具有另一光電二極管(未圖示)之畫素上。反射結構300A包括第一、第二、第三反射層310A、320A、330A以及第一、第二保護層340A、350A。第一反射層310A和第二保護層350A具有折射率N1，第二反射層320A和第一保護層340A具有折射率N2，第三反射層330A具有折射率N3，且N1>N2>N3。因此，進入第一透光結構200A之光線可被多次反射至選定的光電二極管S，特定畫素的敏感度可被改善。
如第10B圖所示，由於第二CIS結構C1之第二透光結構200B係直接連接第一CIS結構之反光結構300A，進入第二透光結構200B之光線亦可在右側被多次反射至光電二極管S’。相反的，進入第二透光結構200B之光線在其他側僅會被反射一次(例如第10B圖所示之第二CIS結構C1的左側)。此外，如第10A圖所示，由於習知CIS結構C2並未貼附第一CIS結構，對應於習知CIS結構C2的光電二極管係被單層所圍繞，進入習知 CIS結構C2的光線僅會被反射一次。因此，光線反射至光電二極管的量可藉由設置不同的CIS結構於不同的光電二極管上而調整。
第11A、11B圖係表示本發明另一實施例之影像感測裝置。反射結構300A’僅具有三層，包括具有折射率N1之一第一反射層310A’、具有折射率N2之一第二反射層320A’、以及具有折射率N3之一第三反射層330A’，且N1>N2>N3。雖然第10A、10B圖所示之反射結構300A相較於第11A、11B圖所示之反射結構300A’多了兩層，但兩種架構皆可達到對特定畫素敏感度的改善。
綜上所述，本發明提供一種影像感測裝置及其CIS結構。藉由具有不同折射率的多層反射結構，當光線穿過微透鏡進入影像感測裝置時，其可被反射且引導至光電二極管，因此可達到高光敏性。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許之更動與潤飾。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。
100‧‧‧微透鏡
200‧‧‧透光結構
300‧‧‧反射結構
310‧‧‧第一反射層
320‧‧‧第二反射層
330‧‧‧第三反射層
340‧‧‧第一保護層
350‧‧‧第二保護層

Claims (9)

  1. 一種CIS結構，包括：一透光結構；一反射結構，圍繞該透光結構，包括：一第一反射層，圍繞該透光結構且具有折射率N1；一第二反射層，圍繞該第一反射層且具有折射率N2；一第三反射層，圍繞該第二反射層且具有折射率N3，其中N1>N2>N3；以及一第一保護層，圍繞該第三反射層，其中該第一保護層和該第二反射層由相同材料形成；以及一微透鏡，設置於該透光結構之一側。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之CIS結構，其中該透光結構之折射率大於該第一反射層之折射率N1，該第一反射層之折射率N1介於1.44~1.50，該第二反射層之折射率N2介於1.30~1.43，且該第三反射層之折射率N3介於1.10~1.29。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之CIS結構，其中該反射結構更包括一第二保護層，圍繞該第三反射層和該第一保護層，其中該第二保護層和該第一反射層由相同材料形成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之CIS結構，其中該第三反射層埋設於該反射結構之一上部分，其中該上部分鄰近該微透鏡。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之CIS結構，其中該第三反射層埋設於該反射結構之一下部分，其中該下部分鄰近一基板。
  6. 一種影像感測裝置，包括： 一第一CIS結構，包括：一第一透光結構；一反射結構，圍繞該第一透光結構，包括：一第一反射層，圍繞該第一透光結構且具有折射率N1；一第二反射層，圍繞該第一反射層且具有折射率N2；一第三反射層，圍繞該第二反射層且具有折射率N3，其中N1>N2>N3；以及一第一保護層，圍繞該第三反射層，其中該第一保護層和該第二反射層由相同材料形成；以及一第一微透鏡，設置於該第一透光結構上；以及一第二CIS結構，鄰近該第一CIS結構，且該第二CIS結構包括：一第二透光結構，直接連接該結構；以及一第二微透鏡，設置於該第二透光結構上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之影像感測裝置，其中該反射結構更包括一第二保護層，該第二保護層圍繞該第一保護層，，且該第二保護層和該第一反射層具有相同之折射率N1，該第二透光結構貼附於該第二保護層。
  8. 一種CIS結構之形成方法，包括：形成一第一折射率層；形成一第二折射率層於該第一折射率層上；形成一第三折射率層於該第二折射率層上；蝕刻該第三折射率層以形成一容納空間；形成一透光結構於該容納空間內；以及 設置一微透鏡於該透光結構上，其中該第三折射率層、該第二折射率層以及該第一折射率層圍繞該透光結構並分別具有折射率N1、N2、N3，且N1>N2>N3。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之形成方法，其中該形成方法更包括：蝕刻該第一折射率層以形成一第一凹槽，其中該第二折射率層之部分形成於該第一凹槽中；蝕刻該第二折射率層以形成一第二凹槽，其中該第三折射率層之部分形成於該第二凹槽中；以及裁切該透光結構、該第一折射率層、該第二折射率層、以及該第三折射率層。
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