TWI587359B - 半導體感測裝置 - Google Patents

Description

半導體感測裝置

本揭露內容是有關於一種半導體感測裝置，且特別是有關於一種具有可調變外觀顏色之半導體感測裝置。

由於生物識別資訊(biometric information)相較於傳統採用使用者代號與密碼的方式具有更高的可靠性，因此將指紋感測器應用於使用者認證上已經越來越普及，且指紋感測器也已經應用於各種可攜式電子裝置，例如是手機和平板電腦等。另一方面，對於可攜式電子裝置之外觀設計要求也已提高。

因此，設計者們無不致力於開發一種指紋感測器，不僅可以適於安裝於可攜式電子裝置中，尚可以使可攜式電子裝置保有令消費者喜愛的外觀設計。

本揭露內容係有關於一種半導體感測裝置。實施例中，半導體感測裝置中的相位光柵結構(phase grating structure)具有複數個週期性排列圖案並設置於畫素上，據此，經由改變相位光柵結構之週期性排列圖案的設計，而能夠調變半導體感測裝置 的外觀顏色。

根據本揭露內容之一實施例，係提出一種半導體感測裝置。半導體感測裝置包括複數個畫素以及一相位光柵結構(phase grating structure)。相位光柵結構具有複數個週期性排列圖案(periodically arranged patterns)並設置於畫素上。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

100‧‧‧半導體感測裝置

110‧‧‧平坦層

120‧‧‧鈍化層

130‧‧‧蓋氧化層

140、153、157、1140、1140’‧‧‧氮化物層

150‧‧‧保護層

151、155、1130、1130’‧‧‧氧化層

260、360、460、560、660、760、860、1060‧‧‧相位光柵結構

261、361、461、561、661、761、861‧‧‧第一區

263、363、463、563、663、763、863‧‧‧第二區

761c、861c‧‧‧凹洞

1061‧‧‧膜層

1063‧‧‧通道

1065‧‧‧開口

1110、1110’‧‧‧基板

D1~D7、S‧‧‧尺寸

H1、H2‧‧‧高度

P‧‧‧畫素

第1圖繪示本揭露內容之一實施例之半導體感測裝置之示意圖。

第2~8圖繪示依照本揭露內容之一些實施例之相位光柵結構之俯視示意圖。

第9~10圖繪示依照本揭露內容之一些實施例之相位光柵結構之立體示意圖。

第11A圖~第11B圖繪示依照本發明之一實施例之一種半導體感測裝置之製造方法示意圖。

在此揭露內容之實施例中，係提出一種半導體感測裝置。實施例中，半導體感測裝置中的相位光柵結構具有複數個週期性排列圖案並設置於畫素上，據此，經由改變相位光柵結構之週期性排列圖案的設計，而能夠調變半導體感測裝置的外觀顏 色。然而，實施例及對應圖式僅用以作為範例說明，並不會限縮本發明欲保護之範圍。並且，圖式及發明說明中具有相同標號的元件係為相同。此外，需注意的是，圖式上的尺寸比例並非一定按照實際產品等比例繪製，因此並非作為限縮本發明保護範圍之用。然而，實施例僅用以作為範例說明，並不會限縮本發明欲保護之範圍。此外，實施例中之圖式係省略部份要之元件，以清楚顯示本發明之技術特點。

請參照第1圖，其繪示本揭露內容之一實施例之半導體感測裝置100之示意圖。半導體感測裝置100包括複數個畫素P以及一相位光柵結構。相位光柵結構具有複數個週期性排列圖案並設置於畫素P上。

實施例中，半導體感測裝置100可以是指紋感測器或互補式金氧半影像感測器(CMOS image sensor)，皆包括畫素陣列及具有可調變的外觀顏色。舉例而言，半導體感測裝置100可以是電容矽式(capacitance silicon type)指紋感測器或射頻場式(RF field type)指紋感測器。

相位光柵結構的週期性排列圖案使得半導體感測裝置100具有特定的外觀顏色。特別地，重複的週期性排列圖案具有週期性，此重複性與週期性使得覆蓋週期性排列圖案的半導體感測裝置100具有均勻一致的外觀顏色。根據本揭露內容的一些實施例，經由改變相位光柵結構的週期性排列圖案之設計，可以調變半導體感測裝置100的外觀顏色。週期性排列圖案之敘述及實施例會在本文後面段落搭配圖式說明。

如第1圖所示，半導體感測裝置100更可包括一平 坦層110，平坦層110形成於畫素P上。實施例中，平坦層110例如是旋塗式玻璃層。

半導體感測裝置100更可包括一鈍化層120、一蓋氧化層(recap oxide layer)130以及一氮化物層140。實施例中，鈍化層120形成於平坦層110上，蓋氧化層130形成於鈍化層120上，氮化物層140形成於蓋氧化層130上。鈍化層120由氧化物製成，例如是氧化矽。氮化物層140例如是由氮化矽製成。對鈍化層120進行化學機械研磨製程之後，其上表面可能會形成微刮痕，蓋氧化層130形成於微刮痕上可以提高平坦化的效果。實施例中，鈍化層120的高度例如是約13千埃(KÅ)，氮化物層140的高度例如是約7千埃。

一實施例中，週期性排列圖案可以形成於鈍化層120、蓋氧化層130及氮化物層140之至少其中之一之中。也就是說，週期性排列圖案可以製作於鈍化層120、蓋氧化層130及/或氮化物層140的結構中。在製程中，週期性排列圖案可以和鈍化層120、蓋氧化層130及/或氮化物層140一起製作，或者是在鈍化層120、蓋氧化層130及/或氮化物層140形成之後再製作。

如第1圖所示，半導體感測裝置100更可包括一保護層150。保護層150形成於畫素P上。實施例中，保護層150形成於氮化物層140上以對半導體感測裝置100提供更進一步的保護。實施例中，保護層150可以包括堆疊的至少一氧化層及至少一氮化物層。本實施例中，如第1圖所示，保護層150包括堆疊的二氧化層151、155及二氮化物層153、157。氧化層151、155例如是由氧化矽製成，氮化物層153、157例如是由氮化矽製 成。實施例中，氧化層(151、155)的高度例如是大約10千埃，氮化物層(153、157)的高度例如是大約50千埃。然而，氧化層及氮化物層的高度及數量可以依照實際應用做適當選擇，並不以前述高度及數量為限。

一實施例中，週期性排列圖案可以形成於保護層150中。也就是說，根據本發明之實施例，週期性排列圖案可以形成於上述的氧化層151、155及氮化物層153、157之至少其中之一之中。

於一些實施例中，相位光柵結構的週期性排列圖案彼此對齊並具有一致的尺寸及形狀。週期性排列圖案可以是多邊形圖案、圓形圖案、橢圓形圖案、條狀圖案、空心形圖案、格狀圖案或鋸齒狀圖案。然而，週期性排列圖案的形狀可以依照實際應用做適當選擇，並不以前述形狀為限。

於一些實施例中，週期性排列圖案更可包括至少兩組不同的週期性圖案。也就是說，這些不同組的週期性圖案可能具有不同的尺寸和/或形狀，儘管如此，各個組中的週期性圖案仍然具有重複性、週期性並具有一致的尺寸及形狀。這些具有不同組的週期性圖案可以以多種方式組合以形成相位光柵結構，而不同的組合方式可產生不同的外觀顏色。換言之，根據調整不同的多組週期性圖案的結構組合方式，可以調變半導體感測裝置100的外觀顏色。此外，由於該些至少兩組不同的週期性圖案具有不同的結構，因此也具有不同的折射率。實務上，不同的週期性圖案的組合方式可以依照實際應用做適當選擇，只要其構成的相位光柵結構可使半導體感測裝置100具有一特定均勻一致的外觀顏 色即可。

一實施例中，畫素之尺寸S可以大約是60微米x60微米，而週期性排列圖案之尺寸可以大約是1~2.5微米。因此，相較於畫素的尺寸，週期性排列圖案的小尺寸使得半導體感測裝置100，例如是指紋感測器或CMOS影像感測器，其感測功能並不會受到相位光柵結構的影響。

一實施例中，週期性排列圖案具有一高度，週期性排列圖案的尺寸例如是圖案的寬度、長度或直徑，而週期性排列圖案的高度相對於其尺寸之比例大約為1：1。舉例來說，當週期性排列圖案的尺寸例如是1~2.5微米，則週期性排列圖案的高度可以是1~2.5微米。然而，週期性排列圖案的高度和尺寸可以依照實際應用做適當選擇，並不以前述高度和尺寸為限。於一些實施例中，相位光柵結構可具有一可調變的高度，可用以調變半導體感測裝置100之外觀顏色。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉相位光柵結構的一些實施例作詳細說明如下。請參照第2~8圖，其繪示依照本揭露內容之一些實施例之相位光柵結構之俯視示意圖。

如第2圖所示，相位光柵結構260具有由複數個凸起物(protrusions)構成的一第一區261以及由複數個凹陷(indentations)構成的一第二區263。於一些實施例中，週期性排列圖案可以是指第一區261的凸起物或第二區263的凹陷。如第2圖所示，本實施例中，係以第二區263的凹陷作為週期性排列圖案為例，該些凹陷係為多邊形圖案，該些多邊形凹陷彼此對齊 並具有一致的尺寸及形狀，且凹陷的尺寸D1約為1~2.5微米。

再者，由於凹陷部分會填入一上覆層(overlying layer)，而上覆層與相位光柵結構是由不同材料所製成，因此第一區261的折射率和第二區263的折射率不同。舉例而言，請參考第1圖，當相位光柵結構260製作於氧化層151中時，也就是說凸起物是由氧化層151製成，而相位光柵結構260的凹陷則填入上覆的氮化物層153。如此一來，第一區261由氧化層151形成，而第二區263由氮化物層153形成，則第一區261的凸起物和第二區263的凹陷具有不同的折射率。

另一實施例中，如第2圖所示的第一區261的突起物以及第二區263的凹陷之結構配置亦可以彼此互換(未繪示)。如此一來，本實施例中，第一區的突起物便成為週期性排列圖案，且該些突起物係多邊形圖案、彼此對齊並具有一致的尺寸及形狀。

如第3圖所示，相位光柵結構360具有由複數個凸起物構成的一第一區361以及由複數個凹陷構成的一第二區363。本實施例之相位光柵結構360與前述實施例之相位光柵結構260的不同之處在於，相位光柵結構360的週期性排列圖案係為四方形圖案，而相位光柵結構260的週期性排列圖案係為六角形圖案。本實施例中，週期性排列圖案的尺寸D2例如是四方形凹陷的寬度。其餘與前述實施例相似之處不再贅述。

如第4圖所示，相位光柵結構460具有由複數個凸起物構成的一第一區461以及由複數個凹陷構成的一第二區463。本實施例與前述實施例的不同之處在於，相位光柵結構460 的週期性排列圖案係為條狀圖案，週期性排列圖案的尺寸D3例如是條狀凹陷的寬度。其餘與前述實施例相似之處不再贅述。

如第5圖所示，相位光柵結構560具有由複數個凸起物構成的一第一區561以及由複數個凹陷構成的一第二區563。本實施例與前述實施例的不同之處在於，相位光柵結構560的週期性排列圖案係為鋸齒狀圖案，週期性排列圖案的尺寸D4例如是指鋸齒凹陷的長度。其餘與前述實施例相似之處不再贅述。

如第6圖所示，相位光柵結構660具有由複數個凸起物構成的一第一區661以及由複數個凹陷構成的一第二區663。本實施例與前述實施例的不同之處在於，相位光柵結構660的週期性排列圖案係為第一區661的凸起物，該些凸起物係為圓形圖案，週期性排列圖案的尺寸D5例如是圓形凸起物的直徑。其餘與前述實施例相似之處不再贅述。

如第7圖所示，相位光柵結構760具有由複數個凸起物構成的一第一區761以及由複數個凹陷構成的一第二區763。本實施例與前述實施例的不同之處在於，相位光柵結構760的週期性排列圖案係為第一區761的凸起物，該些凸起物係為空心形圖案，且週期性排列圖案的尺寸D6例如是空心形凸起物的直徑。第一區761的各個空心形凸起物中間的凹洞761c之深度以及第二區763的凹陷之深度可以是相同或不同。本實施例之其餘與前述實施例相似之處不再贅述。

如第8圖所示，相位光柵結構860具有由複數個凸起物構成的一第一區861以及由複數個凹陷構成的一第二區 863。本實施例與前述實施例的不同之處在於，相位光柵結構860的週期性排列圖案係為各個具有複數個凹洞861c的空心形凸起物，且週期性排列圖案的尺寸D7例如是空心形凸起物的寬度。第一區861的空心形凸起物的凹洞861c之深度以及第二區863的凹陷之深度可以是相同或不同。本實施例之其餘與前述實施例相似之處不再贅述。

第9~10圖繪示依照本揭露內容之一些實施例之相位光柵結構之立體示意圖。於一些實施例中，相位光柵結構的週期性排列圖案具有不規則之高度。舉例而言，如第9圖所示，週期性排列圖案例如可以是複數個稜鏡，彼此對齊並具有一致的尺寸及形狀，且高度H1不同於高度H2。然而，稜鏡僅作為具有不規則之高度的一個實施例，週期性排列圖案的結構可以依照實際應用做適當變化，並不以前述結構為限。

於一些實施例中，相位光柵結構可以是有複數個孔洞或複數個通道的一膜層，該些孔洞或該些通道係為相位光柵結構的週期性排列圖案。舉例而言，如第10圖所示，相位光柵結構1060是一膜層1061，具有複數個通道1063位於膜層1061之中以及複數個格狀的開口1065位於膜層1061的上表面。通道1063週期性地彼此對齊並具有一致的尺寸及形狀。開口1065週期性地彼此對齊並具有一致的尺寸及形狀。於其他實施例中，相位光柵結構可以是有複數個孔洞或複數個通道的一膜層，同時亦並具有不規則之高度。

如第10圖所示的結構僅為根據本揭露內容之一實施例的具有複數個孔洞或複數個通道的相位光柵結構。事實上， 只要孔洞或通道是週期性地排列在三維的相位光柵結構中，相位光柵結構的細部結構便可以有多種更動與變形。舉例而言，具有週期性排列圖案的仿生結構(biomimetic architecture)也可以是本揭露內容之相位光柵結構的一種變形實施方式，例如是蝴蝶的翅膀結構，其複雜結構包括由脊狀物的網狀結構及交叉的肋條構成的多個週期性排列的圓柱型渠道。

第11A圖~第11B圖繪示依照本發明之一實施例之一種半導體感測裝置之製造方法示意圖。如第11A圖所示，提供一基板1110，形成一氧化層1130於基板1110上，以及形成一氮化物層1140於氧化層1130上。基板1110可選擇性地包括多個畫素、一平坦層及一鈍化層(未繪示)。

如第11B圖所示，相位光柵結構製作於基板1110’、氧化層1130’及氮化物層1140’中。值得注意的是，如第11B圖中所示的相位光柵結構僅用於示意，並非代表其實際的結構。表1列出採用如第2~8圖所示的相位光柵結構260~860之設計以製作第11B圖中的相位光柵結構後，如第11B圖所示的半導體感測裝置呈現的外觀顏色結果。

如表1所示，經由改變相位光柵結構的週期性排列圖案之設計，可以改變半導體感測裝置的外觀顏色。再者，根據表1所示的結果，類似的設計會產生類似的外觀顏色。舉例來說，相位光柵結構260和相位光柵結構360的週期性排列圖案具有類似的結構配置，兩者之間主要的差異在於圖案的形狀；因此，兩者呈現的外觀顏色分別是紅色與帶藍色的深紅色，彼此係類似的。因此，根據本揭露內容之實施例，可明顯看出，可以經由系統化地改變相位光柵結構的週期性排列圖案之設計，以調變半導體感測裝置的外觀顏色。

更進一步來說，根據本揭露內容之實施例，用以調變半導體感測裝置之外觀顏色的相位光柵結構可以於一個步驟中製作完成，且具有高精準度，並不需要進行多次製程步驟(例如是多次沈積步驟)以形成多層膜，才能夠達到呈現特定外觀顏色的效果。因此，半導體感測裝置的製程步驟可以簡化，整體製程的精準度亦可提升。

綜上所述，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。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，當可作各種之更動與潤飾。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‧‧‧半導體感測裝置

110‧‧‧平坦層

120‧‧‧鈍化層

130‧‧‧蓋氧化層

140、153、157‧‧‧氮化物層

150‧‧‧保護層

151、155‧‧‧氧化層

P‧‧‧畫素

S‧‧‧尺寸

Claims (16)

1. 一種半導體感測裝置，其係電容矽式指紋感測器或射頻場式(RF field type)指紋感測器，並包括：複數個畫素，其中該些畫素係為該電容矽式指紋感測器或該射頻場式指紋感測器之訊號解析；一保護層，形成於該些畫素上；以及一相位光柵結構(phase grating structure)設置於該些畫素上，該相位光柵結構具有複數個週期性排列圖案(periodically arranged patterns)，其中該些週期性排列圖案形成於至少該保護層中。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體感測裝置，其中該些週期性排列圖案之尺寸係1~2.5微米(μm)。
3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體感測裝置，其中該相位光柵結構具有由複數個凸起物(protrusions)構成的一第一區以及由複數個凹陷(indentations)構成的一第二區，該些週期性排列圖案係該些凸起物或該些凹陷。
4. 如申請專利範圍第3項所述之半導體感測裝置，其中該第一區之折射率與該第二區之折射率係不同。
5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體感測裝置，其中該些週期性排列圖案具有不規則之高度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體感測裝置，其中該些週期性排列圖案更包括至少兩組不同的週期性圖案。
7. 如申請專利範圍第1項所述之半導體感測裝置，其中該些週期性排列圖案具有一高度，該高度相對於該些週期性排列圖案的尺寸之比例係約為1：1。
8. 如申請專利範圍第1項所述之半導體感測裝置，其中該些週期性排列圖案係多邊形圖案、圓形圖案、橢圓形圖案、條狀圖案、空心形圖案、格狀圖案或鋸齒狀圖案。
9. 如申請專利範圍第1項所述之半導體感測裝置，其中該些週期性排列圖案係彼此對齊並具有一致的尺寸及形狀。
10. 如申請專利範圍第1項所述之半導體感測裝置，更包括一平坦層形成於該些畫素上。
11. 如申請專利範圍第10項所述之半導體感測裝置，更包括：一鈍化層形成於該平坦層上；一蓋氧化層形成於該鈍化層上；以及一氮化物層形成於該蓋氧化層上。
12. 如申請專利範圍第11項所述之半導體感測裝置，其中該些週期性排列圖案形成於該鈍化層、該蓋氧化層、及該氮化物層之至少其中之一中。
13. 如申請專利範圍第1項所述之半導體感測裝置，其中該保護層包括堆疊的至少一氧化層及至少一氮化物層。
14. 如申請專利範圍第1項所述之半導體感測裝置，其中該些畫素具有約60微米x60微米之一尺寸。
15. 如申請專利範圍第1項所述之半導體感測裝置，其中該相位光柵結構係為具有複數個孔洞或複數個通道的一膜層，該些孔洞或該些通道係為該些週期性排列圖案。
16. 如申請專利範圍第1項所述之半導體感測裝置，其中該相位光柵結構之高度係可調變，以調變該半導體感測裝置之外觀顏色。