TWI734294B - 影像感測器 - Google Patents
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Abstract
一種影像感測器，包括半導體基底、多個微透鏡、多個
彩色濾光片、內連線結構以及反射層。半導體基底具有彼此相對的第一面與第二面，半導體基底包括排列成陣列的多個感測畫素，多個感測畫素的每一者分別包括多個感光元件。多個微透鏡位於半導體基底的第一面上。多個彩色濾光片位於半導體基底與多個微透鏡之間。內連線結構位於半導體基底的第二面上，且電性耦接至多個感光元件。反射層位於內連線結構與多個感光元件之間，且反射層被配置為將穿透多個感光元件的全部或部分光線反射回多個感光元件。內連線結構包括交替堆疊的多個線路層，且反射層與多個線路層中最靠近半導體基底的一者位於同一層級。
Description
本發明是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種影像感測器。
與電荷耦合元件(charge coupled device，CCD)相比，互補式金屬氧化物半導體影像感測器(complementary metal-oxide-semiconductor image sensor，CMOS image sensor，CIS)因具有低操作電壓、低功率消耗、高操作效率以及可進行隨機存取等優點，且同時具有可整合於目前的半導體技術以大量製造的優勢，因此應用範圍非常廣泛。
CIS的畫素感光元件主要是由PN二極體組成，而感光後所產生的影像信號強弱則是依照感光區的面積大小和入射光的光線強度而定。就目前市場廣泛應用的背側照明式(back-side illuminated，BSI)CIS而言，其電晶體、電容以及金屬線路層都建構在畫素感光元件的底層，因此BSI-CIS的畫素感光區的尺寸幾乎等於畫素的尺寸，使得感光靈敏度可大幅地提升。
本發明提供一種影像感測器，可有效地提升感光靈敏度。
本發明的影像感測器包括半導體基底、多個微透鏡、多個彩色濾光片、內連線結構以及反射層。半導體基底具有彼此相對的第一面與第二面，半導體基底包括排列成陣列的多個感測畫素，多個感測畫素的每一者分別包括多個感光元件。多個微透鏡位於半導體基底的第一面上。多個彩色濾光片位於半導體基底與多個微透鏡之間。內連線結構位於半導體基底的第二面上，且電性耦接至多個感光元件。反射層位於內連線結構與多個感光元件之間，且反射層被配置為將穿透多個感光元件的全部或部分光線反射回多個感光元件。內連線結構包括交替堆疊的多個線路層，且反射層與多個線路層中最靠近半導體基底的一者位於同一層級。
基於上述，本發明的實施例的影像感測器可藉由反射層使穿透感光元件的全部或部分光線再次照射至感光元件。如此一來，入射至感測器的光可更有效率地被收集，進而可提升影像感測器的光靈敏度。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100、200:影像感測器
110:半導體基底
110a:第一面
110b:第二面
112:感光元件
114:隔離結構
120:微透鏡
130:彩色濾光片
140:內連線結構
142:層間介電層
144:線路層
150、250:反射層
252:反射區塊
B:藍光濾光片
G:綠光濾光片
L:光線
P:感測畫素
R:紅光濾光片
圖1是依照本發明的第一實施例的一種影像感測器的剖面示意圖。
圖2是依照本發明的第二實施例的一種影像感測器的剖面示意圖。
圖1是依照本發明的第一實施例的一種影像感測器的剖面示意圖。本實施例的影像感測器100可用於進行影像拍攝的各種高畫素電子裝置(例如照相機、行動電話、電腦等)中，且可達到全彩影像(full-color image)感測。舉例來說，本實施例的影像感測器100可用於1200萬畫素或是6400萬畫素的電子裝置中，其中當運用在6400萬畫素的行動電話的相機時，每一畫素的尺寸可例如為1.4*1.4μm2或是0.7*0.7μm2，然本發明不以此為限。
請參照圖1，影像感測器100包括半導體基底110、多個微透鏡120、多個彩色濾光片130、內連線結構140以及反射層150。半導體基底110具有彼此相對的第一面110a與第二面110b。半導體基底110包括排列成陣列的多個感測畫素P，多個感測畫素P的每一者分別包括多個感光元件112。多個微透鏡120位於半導體基底110的第一面110a上。多個彩色濾光片130位於半導體基底110與多個微透鏡120之間。內連線結構140位於半導體基底110的第二面110b上，且電性耦接至多個感光元件112。反射層150位於內連線結構140與多個感光元件112之間，且反射層150
被配置為將穿透多個感光元件112的全部或部分光線L反射回多個感光元件112。
具體來說，本實施例的影像感測器100為背側照明式互補式金屬氧化物半導體影像感測器(back-side illuminated complementary metal-oxide-semiconductor image sensor，BSI-CIS)，半導體基底110的第一面110a可稱為背面，而半導體基底110的第二面110b可稱為正面(或是主動面)。光線(或輻射)L入射至半導體基底110的背面(即，第一面110a)，並經由背面(即，第一面110a)進入感光元件112，以進行影像感測功能。然而，部分的光線L可能會穿透感光元件112而無法有效地被感測。因此，本實施例的影像感測器100可藉由反射層150使穿透感光元件112的全部或部分光線L再次照射至感光元件112。如此一來，入射至影像感測器100的光線L可更有效率地被收集，進而可提升影像感測器110的感測靈敏度。
在本實施例中，半導體基底110可由下列製成：合適的元素半導體，例如晶體矽、金剛石或鍺；合適的化合物半導體，例如砷化鎵、碳化矽、砷化銦或磷化銦；或者合適的合金半導體，例如碳化矽鍺、磷化鎵砷或磷化鎵銦。半導體基底110可為p型基底或n型基底。舉例來說，當半導體基底110是p型基底時，半導體基底110可以摻雜有p型摻雜劑(例如硼)，當半導體基底110是n型基底時，半導體基底110可以摻雜有n型摻雜劑(例如磷或砷)。
半導體基底110可包括多個隔離結構114，以在半導體基底110中定義多個主動區。隔離結構114由半導體基底110的第一面110a朝向半導體基底110的第二面100b延伸。多個感光元件112分別形成在半導體基底110中所定義的多個主動區中。舉例來說，隔離結構114可包括深溝渠隔離(deep trench isolation，DTI)結構，以將多個感光元件112彼此隔離，使相鄰感光元件112之間的光訊號干擾可顯著降低。然而，在其他實施例中，隔離結構114也可包括淺溝渠隔離(shallow trench isolation，STI)結構、植入隔離(implant isolation)結構或其他隔離結構。感光元件112可包括光二極體(photo-diode)。光二極體可以包括至少一個p型摻雜區、至少一個n型摻雜區以及形成在p型摻雜區和n型摻雜區之間的p-n接面。感光元件112的形成方法例如是離子植入法。具體而言，當半導體基底110是p型基底時，可以將n型摻雜劑(例如磷或砷)摻雜到主動區中以形成n型井，並且在半導體基底110中所形成的p-n接面能夠執行影像感測功能。類似地，當半導體基底110是n型基底時，可將p型摻雜劑(例如硼)摻雜到主動區中以形成p型井。當在感光元件112的p-n接面施加逆向偏壓(reversed bias)時，p-n接面對入射光線敏感。此時，感光元件112處於浮置高阻抗(floating high impedence)的狀態。在經過光照射一段時間之後，感光元件112可產生電流，而造成的壓差即為影像訊號。也就是說，感光元件112所接收或檢測到的光線可被轉換成光電流(photo-current)，進而可產生影像訊號輸出。
此外，影像感測器100還可包括位於半導體基底110的主動面(即，第二面110b)上的一或多個畫素電晶體(圖中未示出)。舉例來說，畫素電晶體可包括轉移電晶體(transfer transistor)，用以將感光元件112中產生的電荷轉移出感光元件112，以用以讀出。另外，畫素電晶體還可包括其他電晶體，例如源極跟隨器電晶體(source-follower transistor)、列選擇電晶體(row select transistor)或重置電晶體(reset transistor)等。為了清楚說明之目的，圖1中並未繪示出這些半導體元件。
彩色濾光片130設置在半導體基底110的第一面110a上，且多個彩色濾光片130中的每一者分別對應於多個感光元件112中的每一者。彩色濾光片130允許傳輸具有特定波長範圍的光，同時阻擋波長超出特定範圍的光。舉例來說，多個彩色濾光片130可包括紅光濾光片R、綠光濾光片G及藍光濾光片B。紅光濾光片R允許紅色光線通過，使得紅色光線被位於紅光濾光片R下方的感光元件112接收。綠光濾光片G允許綠色光線通過，使得綠色光線被位於綠光濾光片G下方的感光元件112接收。藍光濾光片B允許藍色光線通過，使得藍色光線被位於藍光濾光片B下方的感光元件112接收。本實施例的影像感測器100適於感測光波長落在可見光範圍的光線。
多個微透鏡120設置在多個彩色濾光片130上，且多個微透鏡120中的每一者分別對應於多個彩色濾光片130中的每一者。多個微透鏡120可構成微透鏡陣列(micro-lens array)。多個
微透鏡120的中心點分別在垂直方向上與多個彩色濾光片130的中心點實質上對準。微透鏡120可用以將入射光線L聚焦至感光元件112。當光線L透過微透鏡120折射後，光線L可實質上垂直入射至反射層150，而反射層再將光線L反射回感光元件112以提升光收集效率。由於光線L是近乎垂直入射，因此光線L不會反射至鄰近的其他感光元件112，可減少雜訊的干擾。
如圖1所示，內連線結構140設置在半導體基底110的主動面(即，第二面110b)上，且電性耦接至感光元件112，使得從感光元件112產生的訊號可以被傳送到其他元件以進行處理。在本實施例中，內連線結構140包括層間介電(interlayer dielectric，ILD)層142以及形成於層間介電層142中交替堆疊的多個線路層144。ILD層142的材料包括氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、磷矽酸鹽玻璃(phosphosilicate glass，PSG)、硼磷矽酸鹽玻璃(borophosphosilicate glass，BPSG)、旋塗式玻璃(spin-on glass，SOG)、氟化矽玻璃(fluorinated silica glass，FSG)、碳摻雜氧化矽(例如SiCOH)、聚醯亞胺或其組合。線路層144的材料包括導電材料，例如金屬。線路層144的層數例如是四層或五層，但本發明不限於此。在其他實施例中，內連線結構140可包括更多層或更少層的線路層144。具體來說，多個線路層144中最靠近半導體基底110的一者可為金屬一(metal one)層，而堆疊在金屬一層上的線路層144可依序為金屬二(metal two)層、金屬三(metal three)層，依此類推。以五層線路層144為例，多個線路層144
中最靠近半導體基底110的一者可為金屬一(metal one)層，多個線路層144中最遠離半導體基底110的一者可為金屬五(metal five)層。應用本實施例者亦可將多個線路層144中最靠近半導體基底110的一者設置在金屬五層，將多個線路層144中最遠離半導體基底110的一者設置在金屬一層，並依此類推。在本實施例中，由於內連線結構140設置於入光面(即，第一面110a)的相對側(即，第二面110b)，也就是感光元件112的下方，因此內連線結構140不阻擋光線L照射於感光元件112上。
在本實施例中，反射層150可為片狀金屬層，反射層150在與半導體基底110平行的方向上連續地延伸，且多個感光元件112投影在反射層150上的正投影位在反射層150的範圍內。換言之，從俯視方向(由上往下)觀看下，多個感光元件112可與反射層150重疊，使穿透感光元件112的光線L可被反射層150反射而再次照射至感光元件112。在本實施例中，反射層150可例如與多個線路層144中最靠近半導體基底110的一者(即金屬一層)在同一製程中形成。換言之，反射層150可例如與多個線路層144中最靠近半導體基底110的一者(即金屬一層)位於同一層級，且反射層150與線路層144可包括相同材料(例如金屬)。需說明的是，此處為了清楚繪示反射層150，因此沒有繪示出與反射層150相同層級的線路層(即金屬一層)。
由於反射層150可在製作線路層144的同時一起形成，也就是可利用既有製程來製作反射層150，因此無須增加額外的製
程步驟，可具有高製程相容性及不額外增加成本等優點。此外，由於反射層150可為金屬層，光線L在反射層150的反射可為鏡面反射，且不易發生散射，因此垂直入射的光線L可垂直地反射回感光元件112，以避免光線L散射至鄰近的其他感光元件112，可減少雜訊的干擾。
在本實施例中，反射層150電性斷接於感光元件112。在一實施例中，反射層150可耦接至電源電壓(VDD)或接地電壓(GND)，使反射層150可作為信號屏蔽，以減少感光元件112與線路層144之間的信號干擾及擾動。然而，在其他實施例中，反射層150也可為電性浮置(floating)。
圖2是依照本發明的第二實施例的一種影像感測器的剖面示意圖。請參照圖2，本實施例的影像感測器200與圖1的影像感測器100相似，因此細節不再贅述。與圖1相比較，圖2中的影像感測器200的反射層250可包括分離的多個反射區塊252，且多個感光元件112的每一者投影在反射層250上的正投影分別位在多個反射區塊252的每一者的範圍內。換言之，從俯視方向(由上往下)觀看下，多個感光元件112的一者可與多個反射區塊252的一者重疊，使穿透感光元件112的光線L可被反射層150反射而再次照射至感光元件112。此外，反射層250還可包括多個連接線(未繪示)，連接於多個反射區塊252之間。
綜上所述，本發明的實施例的影像感測器可藉由反射層使穿透感光元件的全部或部分光線再次照射至感光元件。如此一
來，入射至影像感測器的光線可更有效率地被利用，進而可提升影像感測器的感測靈敏度。
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。
100:影像感測器
110:半導體基底
110a:第一面
110b:第二面
112:感光元件
114:隔離結構
120:微透鏡
130:彩色濾光片
140:內連線結構
142:層間介電層
144:線路層
150:反射層
B:藍光濾光片
G:綠光濾光片
L:光線
P:感測畫素
R:紅光濾光片
Claims (9)
- 一種影像感測器，包括：半導體基底，具有彼此相對的第一面與第二面，所述半導體基底包括排列成陣列的多個感測畫素，所述多個感測畫素的每一者分別包括多個感光元件；多個微透鏡，位於所述半導體基底的所述第一面上；多個彩色濾光片，位於所述半導體基底與所述多個微透鏡之間；內連線結構，位於所述半導體基底的所述第二面上，且電性耦接至所述多個感光元件；以及反射層，位於所述內連線結構與所述多個感光元件之間，且所述反射層被配置為將穿透所述多個感光元件的全部或部分光線反射回所述多個感光元件，其中所述內連線結構包括交替堆疊的多個線路層，且所述反射層與所述多個線路層中最靠近所述半導體基底的一者位於同一層級，其中所述反射層包括分離的多個反射區塊，且所述多個反射區塊的總長度小於所述多個感測畫素的總長度。
- 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中所述反射層電性斷接於所述多個感光元件。
- 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中所述反射層包括金屬層。
- 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中所述反射層耦接至電源電壓或接地電壓。
- 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中所述反射層在與所述半導體基底平行的方向上連續地延伸，且所述多個感光元件投影在所述反射層上的正投影位在所述反射層的範圍內。
- 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，所述多個感光元件的每一者投影在所述反射層上的正投影分別位在所述多個反射區塊的每一者的範圍內。
- 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中所述反射層與所述多個線路層包括相同材料。
- 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中所述半導體基底還包括多個隔離結構，且所述多個隔離結構將所述多個感光元件彼此隔離。
- 如申請專利範圍第1項所述的影像感測器，其中所述多個彩色濾光片包括紅光濾光片、綠光濾光片及藍光濾光片。
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