TWI630713B - 影像感測器結構 - Google Patents

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Abstract

一種影像感測器結構，包含基板、彩色濾光元件和紅外線濾光元件。基板具有第一感測區域及一第二感測區域，其中第一感測區域用以偵測可見光，且第二感測區域鄰接第一感測區域且用以偵測紅外光。彩色濾光元件垂直地位於第一感測區域上。紅外線濾光元件垂直地位於第二感測區域上且鄰接彩色濾光元件，此紅外線濾光元件定義出用以使入射光通過之一或多個開口。

Description

影像感測器結構
本發明是有關於一種影像感測器結構，且特別是有關於一種具紅外光偵測功能的影像感測器結構。
影像感測器已廣泛使用在各種影像應用和產品上，例如智慧型手機、數位相機、掃描器等。另外，具有紅外光偵測功能的影像感測器可偵測紅外光和可見光，以得到更多的資訊。具有紅外光偵測功能的影像感測器可應用在例如虹膜辨識、物件偵測和類似的安全應用上。
本發明的目的是在於提供一種具紅外光偵測功能的影像感測器結構，其具有高光通量以通過紅外光，以增強經由轉換所偵測到之紅外光而得到的紅外光訊號。
根據本發明之上述目的，提出一種影像感測器結構，此影像感測器結構包含基板、彩色濾光元件和第一紅外線濾光元件。基板具有第一感測區域及第二感測區域，其中第一感測區域用以偵測可見光，且第二感測區域鄰接第一感測區域且用以偵測紅外光。彩色濾光元件垂直地位於第一感測區域上。第一紅外線濾光元件垂直地位於第二感測區域 上且鄰接彩色濾光元件，此第一紅外線濾光元件定義出用以使入射光通過之一或多個開口。
依據本發明之一實施例，上述一或多個開口之每一者之一長度及一寬度實質等於或小於400奈米。
依據本發明之又一實施例，上述第一紅外線濾光元件具有網格形狀，此網格形狀定義出上述一或多個開口。
依據本發明之又一實施例，上述第一紅外線濾光元件係紅外線通過濾光元件。
依據本發明之又一實施例，上述影像感測器結構更包含第二紅外線濾光元件、第三紅外線濾光元件和平坦層。第二紅外線濾光元件位於第一感測區域上。第三紅外線濾光元件位於上述第二感測區域上且鄰接上述第二紅外線濾光元件。平坦層位於上述第二紅外線濾光元件及上述第三紅外線濾光元件上且位於上述彩色濾光元件及上述第一紅外線濾光元件下。
依據本發明之又一實施例，上述第二紅外線濾光元件係紅外線通過濾光元件。
依據本發明之又一實施例，上述第三紅外線濾光元件係白色濾光元件。
依據本發明之又一實施例，上述第三紅外線濾光元件係紅外線截止濾光元件。
依據本發明之又一實施例，上述影像感測器結構更包含間隔層和微透鏡層。間隔層位於上述彩色濾光元件 和上述第一紅外線濾光元件上且填充上述一或多個開口。微透鏡層位於間隔層上。
依據本發明之又一實施例，上述彩色濾光元件包含紅色光濾光部、藍色光濾光部及綠色光濾光部。
依據本發明之又一實施例，上述影像感測器結構更包含至少一彩色光二極體和紅外光二極體。此至少一彩色光二極體位於上述基板之第一感測區域中。紅外光二極體位於上述基板之第二感測區域中。
根據本發明之上述目的，另提出一種影像感測器結構，此影像感測器結構包含基板、第一紅外線濾光元件、第二紅外線濾光元件、平坦層、彩色濾光元件和第三紅外線濾光元件。基板具有第一感測區域及第二感測區域，其中第一感測區域用以偵測可見光，且第二感測區域鄰接第一感測區域且用以偵測紅外光。第一紅外線濾光元件設置於第一感測區域上。第二紅外線濾光元件設置於第二感測區域上且鄰接第一紅外線濾光元件，此第二紅外線濾光元件定義出用以使入射光通過之一或多個開口。平坦層位於第一紅外線濾光元件及第二紅外線濾光元件上且填充此一或多個開口。彩色濾光元件位於平坦層上且垂直地位於第一感測區域上。第三紅外線濾光元件位於平坦層上且垂直地位於第二感測區域上。
依據本發明之一實施例，上述一或多個開口之每一者之一長度及一寬度實質等於或小於400奈米。
依據本發明之又一實施例，上述第二紅外線濾光元件具有網格形狀，此網格形狀定義出上述一或多個開口。
依據本發明之又一實施例，上述第一紅外線濾光元件係紅外線截止濾光元件。
依據本發明之又一實施例，上述第二紅外線濾光元件係紅外線通過濾光元件。
依據本發明之又一實施例，上述第三紅外線濾光元件係紅外線通過濾光元件。
依據本發明之又一實施例，上述影像感測器結構更包含間隔層和微透鏡層。間隔層位於上述彩色濾光元件和上述第三紅外線濾光元件上。微透鏡層位於間隔層上。
依據本發明之又一實施例，上述彩色濾光元件包含紅色光濾光部、藍色光濾光部和綠色光濾光部。
依據本發明之又一實施例，上述影像感測器結構更包含至少一彩色光二極體和紅外光二極體。此至少一彩色光二極體位於上述基板之第一感測區域中。紅外光二極體位於上述基板之第二感測區域中。
100、300‧‧‧影像感測器結構
100B、300B‧‧‧藍色像素區
100C、300C‧‧‧彩色像素區
100G、300G‧‧‧綠色像素區
100IR、300IR‧‧‧紅外線像素區
100R、300R‧‧‧紅色像素區
110、310‧‧‧基板
110A、310A‧‧‧可見光感測區域
110B、310B‧‧‧紅外光感測區域
121、122、141、321、322、341‧‧‧紅外線濾光元件
130、330‧‧‧平坦層
141A、321A‧‧‧開口
142、342‧‧‧彩色濾光元件
142B、342B‧‧‧藍色光濾光部
142G、342G‧‧‧綠色光濾光部
142R、342R‧‧‧紅色光濾光部
150、350‧‧‧間隔層
160、360‧‧‧微透鏡層
FW141‧‧‧框架寬度
L141、L141A‧‧‧長度
W141、W141A‧‧‧寬度
為了更完整了解實施例及其優點，現參照結合所附圖式所做之下列描述，其中：〔圖1〕係繪示依據本發明一些實施例之影像感測器結構的剖面視圖； 〔圖2〕示例性地繪示依據本發明一些實施例之〔圖1〕之紅外線濾光元件的上視圖；以及〔圖3〕係繪示依據本發明一些實施例之影像感測器結構的剖面視圖。
以下仔細討論本發明的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論、揭示之實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。
可被理解的是，雖然在本文可使用「第一」、「第二」和「第三」等用語來描述各種元件、零件、區、層和/或區域，但此些用語不應限制此些元件、零件、區、層和/或區域。此些用語僅用以區別一元件、零件、區、層和/或區域與另一元件、零件、區、層和/或區域。
請參照圖1，其繪示依據本發明實施例之影像感測器結構100的剖面視圖。影像感測器結構100可為背側照光式(back-side illuminated；BSI)或前側照光式(front-side illuminated；FSI)互補式金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor；CMOS)影像感測器、電荷耦合元件(charge coupled device；CCD)影像感測器或其他相似影像感測器的結構。影像感測器結構100包含排列為一矩陣的多個感測像素。每一個感測像素具有用以偵測可見光的彩色像素區100C和用 以偵測紅外光的紅外線像素區100IR。為方便說明，圖1僅繪示出一個彩色像素區100C和一個紅外線像素區100IR(即一個感測像素)，但本發明並不以此為限。彩色像素區100C包含用以偵測在紅色光波帶中之入射光的紅色像素區100R、用以偵測在藍色光波帶中之入射光的藍色像素區100B和用以偵測在綠色光波帶中之入射光的綠色像素區100G。
如圖1所示，影像感測器結構100包含基板110、紅外線濾光元件121、122、141、平坦層130、彩色濾光元件142、間隔層150和微透鏡層160。基板110可以是半導體晶圓、絕緣層上矽(silicon-on-insulator；SOI)基板或玻璃基板，但不限於此。如圖1所示，基板110在每一個感測像素中具有可見光感測區域110A和紅外光感測區域110B。在基板110中，三個彩色光二極體(圖未繪示)可分別配置在紅色像素區100R、藍色像素區100B和綠色像素區100G中，以分別偵測紅色光、藍色光和綠色光，且紅外線光二極體(圖未繪示)可配置在紅外線像素區100IR中以偵測紅外光。
紅外線濾光元件121設置在基板110的紅外光感測區域110B上，其允許紅外光通過。在一些實施例中，紅外線濾光元件121為紅外線通過濾光元件，其可阻擋波長範圍為小於850奈米的入射光。紅外線濾光元件121可為紅外線通過濾光元件，其被形成為允許紅外光通過。紅外線濾光元件121可包含光敏感性材料，且其可藉由利用微影圖案 化製程或其他合適的製程形成。在其他實施例中，紅外線濾光元件121可為白色濾光元件，其被形成以允許紅外光和可見光通過，以提升其光通量。
紅外線濾光元件122設置在基板110的可見光感測區域110A上且鄰接紅外線濾光元件121，其允許可見光通過。在一些實施例中，紅外線濾光元件122為紅外線截止濾光元件，其可阻擋波長範圍為大於850奈米的入射光。紅外線濾光元件122可包含可蝕刻材料，且其可藉由利用例如塗佈製程和蝕刻製程來形成。
平坦層130設置在紅外線濾光元件121、122上，其提供平坦表面以使紅外線濾光元件141和彩色濾光元件142設置在其上。平坦層130可包含丙烯酸(acrylic)材料、環氧樹脂(epoxy)材料或其他合適的材料，且其可藉由利用例如塗佈製程或其他合適的製程來形成。
與紅外線濾光元件121相同，紅外線濾光元件141設置在紅外線像素區100IR中，以允許紅外光通過。紅外線濾光元件141垂直地位於紅外光感測區域110B上，且在一些實施例中，紅外線濾光元件141為紅外線通過濾光元件，其可阻擋波長範圍為小於850奈米的入射光。紅外線濾光元件141可包含光敏感性材料，且其可藉由利用微影圖案化製程或其他合適的製程來形成。
特別地，紅外線濾光元件141定義出在其中的開口141A。圖2示例性地繪示依據本發明一些實施例之圖1之紅外線濾光元件141的上視圖。如圖2所示，紅外線濾光 元件141具有網格形狀，其定義出排列為矩陣的多個開口141A。每一此些開口141A具有矩形上視形狀，且每一此些開口141A的長度L141A和寬度W141A可小於400奈米，以增加紅外線濾光元件141的繞射效率和光通量。然而，圖2所示之開口141A的矩形上視形狀並非意於限制本發明的範圍。舉例而言，每一此些開口141A可另為具有圓形上視形狀、橢圓形上視形狀或其他合適的上視形狀。在一些實施例中，每一此些開口141A的長度L141A和寬度W141A介於300奈米與400奈米之間。進一步地，在各種實施例中，此些開口141A可具有不同的長度L141A、寬度W141A和/或上視形狀。紅外線濾光元件141的長度L141、寬度W141和框架寬度FW141可依據各種設計需求來決定。在一些實施例中，紅外線濾光元件141的長度L141和寬度W141大約為2.8微米，且紅外線濾光元件141的框架寬度FW141大約為0.4微米。此些開口141A的數量可依據各種設計需求來決定，其不限於圖2所示的數量。
回到圖1，彩色濾光元件142設置在彩色像素區100C中且鄰接紅外線濾光元件141。彩色濾光元件142垂直地位於可見光感測區域110A上，且其具有紅色光濾光部142R、藍色光濾光部142B和綠色光濾光部142G，其分別允許紅色光、藍色光和綠色光通過。紅色光濾光部142R、藍色光濾光部142B和綠色光濾光部142G中的每一者可包含有所需顏色之染料或顏料有機聚合物，且其可藉由利用圖案化製程或其他習知合適的製程來形成。
間隔層150設置在紅外線濾光元件141和彩色濾光元件142上，以使微透鏡層160與紅外線濾光元件141和彩色濾光元件142保持分離，且其填充此些開口141A。間隔層150可包含玻璃材料、可流動(flowable)材料或其他光學透明材料，且其可藉由利用沉積製程或其他習知製程來形成。
微透鏡層160設置在間隔層150上。如圖1所示，在微透鏡層160的光接收側具有多個凸面形狀，其用以聚焦入射光至彩色光二極體(圖未繪示)和紅外線光二極體(圖未繪示)，以增加影像感測器結構100的感光度。微透鏡層160的每一此些凸面形狀對應至一個次像素區域(即紅色像素區域、藍色像素區域、綠色像素區域或紅外光像素區域)。微透鏡層160可包含任何具高穿透率的合適材料，例如丙烯酸或其他合適的材料。
請參照圖3，其繪示依據本發明一些實施例之影像感測器結構300的剖面視圖。與圖1之影像感測器結構100相似，影像感測器結構300可為背側照光式或前側照光式互補式金屬氧化物半導體影像感測器、電荷耦合元件影像感測器或其他相似影像感測器的結構。影像感測器結構300包含排列為一矩陣的多個感測像素。每一個感測像素具有用以偵測可見光的彩色像素區300C和用以偵測紅外光的紅外線像素區300IR。為方便說明，圖3僅繪示出一個彩色像素區300C和一個紅外線像素區300IR(即一個感測像素)，但本發明並不以此為限。彩色像素區300C包含用以偵測在紅 色光波帶中之入射光的紅色像素區300R、用以偵測在藍色光波帶中之入射光的藍色像素區300B和用以偵測在綠色光波帶中之入射光的綠色像素區300G。
如圖3所示，影像感測器結構300包含基板310、紅外線濾光元件321、322、341、平坦層330、彩色濾光元件342、間隔層350和微透鏡層360。如圖3所示，基板310在每一個感測像素中具有可見光感測區域310A和紅外光感測區域310B。在基板310中，三個彩色光二極體(圖未繪示)可分別配置在紅色像素區300R、藍色像素區300B和綠色像素區300G中，以分別偵測紅色光、藍色光和綠色光，且紅外線光二極體(圖未繪示)可配置在紅外線像素區300IR中以偵測紅外光。
影像感測器結構300之基板310、紅外線濾光元件322和彩色濾光元件342分別與影像感測器結構100之基板110、紅外線濾光元件122和彩色濾光元件142相似，故在此不重複詳細說明。
紅外線濾光元件321設置在基板310的紅外光感測區域310B上，其允許紅外光通過。在一些實施例中，紅外線濾光元件321為紅外線通過濾光元件，其可阻擋波長範圍為小於850奈米的入射光。紅外線濾光元件321可包含光敏感性材料，且其可藉由利用微影圖案化製程或其他合適的製程形成。紅外線濾光元件321定義出在其中的開口321A。紅外線濾光元件321的尺寸和形狀與開口321A可相似於影像感測器結構100之紅外線濾光元件141的尺寸和形 狀與開口141A，以增加紅外線濾光元件321的繞射效率和光通量。此外，紅外線濾光元件321的尺寸和框架寬度、每一此些開口321A的上視形狀和此些開口321A的數量亦可依據各種設計需求來決定。
平坦層330設置在紅外線濾光元件321、322上，其提供平坦表面以使紅外線濾光元件341和彩色濾光元件342設置在其上，且其填充此些開口321A。平坦層330可包含丙烯酸材料、環氧樹脂材料、可流動材料或其他合適的材料，且其可藉由利用例如塗佈製程或其他合適的製程形成。
與紅外線濾光元件321相同，紅外線濾光元件341設置在紅外線像素區300IR中，以允許紅外光通過。在一些實施例中，紅外線濾光元件341為紅外線通過濾光元件，其可阻擋波長範圍為小於850奈米的入射光。紅外線濾光元件341可包含光敏感性材料，且其可藉由利用微影圖案化製程或其他合適的製程形成。在紅外線濾光元件321為紅外線通過濾光元件的例子中，紅外線濾光元件341可另為白色濾光元件，其被形成以允許紅外光和可見光通過，以提升其光通量。
間隔層350設置在紅外線濾光元件341和彩色濾光元件342上，以使微透鏡層360與紅外線濾光元件341和彩色濾光元件342保持分離。間隔層350可包含玻璃材料或其他光學透明材料，且其可藉由利用沉積製程或其他習知製程來形成。
微透鏡層360設置在間隔層350上。如圖3所示，在微透鏡層360的光接收側具有多個凸面形狀，其用以聚焦入射光至彩色光二極體(圖未繪示)和紅外線光二極體(圖未繪示)，以增加影像感測器結構300的感光度。微透鏡層360的每一此些凸面形狀對應至一個次像素區域(即紅色像素區域、藍色像素區域、綠色像素區域或紅外光像素區域)。微透鏡層360可包含任何具高穿透率的合適材料，例如丙烯酸或其他合適的材料。在其他實施例中，微透鏡層360可另為直接設置在紅外線濾光元件341和彩色濾光元件342上。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (20)

  1. 一種影像感測器結構，包含：一基板，具有一第一感測區域及一第二感測區域，其中該第一感測區域用以偵測可見光，且該第二感測區域鄰接該第一感測區域且用以偵測紅外光；一彩色濾光元件，垂直地位於該第一感測區域上；以及一第一紅外線濾光元件，垂直地位於該第二感測區域上且鄰接該彩色濾光元件，該第一紅外線濾光元件包含光敏感性材料，且該第一紅外線濾光元件定義出用以使入射光通過之一或多個開口。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器結構，其中該一或多個開口之每一者之一長度及一寬度實質等於或小於400奈米。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器結構，其中該第一紅外線濾光元件具有一網格形狀，該網格形狀定義出該一或多個開口。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器結構，其中該第一紅外線濾光元件係一紅外線通過濾光元件。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器結構，更包含：一第二紅外線濾光元件，位於該第一感測區域上；一第三紅外線濾光元件，位於該第二感測區域上且鄰接該第二紅外線濾光元件；以及一平坦層，位於該第二紅外線濾光元件及該第三紅外線濾光元件上且位於該彩色濾光元件及該第一紅外線濾光元件下。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之影像感測器結構，其中該第二紅外線濾光元件係一紅外線截止濾光元件。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之影像感測器結構，其中該第三紅外線濾光元件係一白色濾光元件。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之影像感測器結構，其中該第三紅外線濾光元件係一紅外線通過濾光元件。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器結構，更包含：一間隔層，位於該彩色濾光元件和該第一紅外線濾光元件上，該間隔層填充該一或多個開口；以及一微透鏡層，位於該間隔層上。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器結構，其中該彩色濾光元件包含一紅色光濾光部、一藍色光濾光部及一綠色光濾光部。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器結構，更包含：至少一彩色光二極體，位於該基板之該第一感測區域中；以及一紅外光二極體，位於該基板之該第二感測區域中。
  12. 一種影像感測器結構，包含：一基板，具有一第一感測區域及一第二感測區域，其中該第一感測區域用以偵測可見光，且該第二感測區域鄰接該第一感測區域且用以偵測紅外光；一第一紅外線濾光元件，設置於該第一感測區域上；一第二紅外線濾光元件，設置於該第二感測區域上且鄰接該第一紅外線濾光元件，該第二紅外線濾光元件定義出用以使入射光通過之一或多個開口；一平坦層，位於該第一紅外線濾光元件及該第二紅外線濾光元件上且填充該一或多個開口；一彩色濾光元件，位於該平坦層上且垂直地位於該第一感測區域上；以及一第三紅外線濾光元件，位於該平坦層上且垂直地位於該第二感測區域上。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之影像感測器結構，其中該一或多個開口之每一者之一長度及一寬度實質等於或小於400奈米。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之影像感測器結構，其中該第二紅外線濾光元件具有一網格形狀，該網格形狀定義出該一或多個開口。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之影像感測器結構，其中該第一紅外線濾光元件係一紅外線截止濾光元件。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之影像感測器結構，其中該第二紅外線濾光元件係一紅外線通過濾光元件。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之影像感測器結構，其中該第三紅外線濾光元件係一紅外線通過濾光元件。
  18. 如申請專利範圍第12項所述之影像感測器結構，更包含：一間隔層，位於該彩色濾光元件和該第三紅外線濾光元件上；以及一微透鏡層，位於該間隔層上。
  19. 如申請專利範圍第12項所述之影像感測器結構，其中該彩色濾光元件包含一紅色光濾光部、一藍色光濾光部及一綠色光濾光部。
  20. 如申請專利範圍第12項所述之影像感測器結構，更包含：至少一彩色光二極體，位於該基板之該第一感測區域中；以及一紅外光二極體，位於該基板之該第二感測區域中。
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