TWI799117B - 影像感測器 - Google Patents

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Abstract

一種影像感測器，包括：複數個感測部；彩色濾光層，設置於感測部上；以及微透鏡，設置於彩色濾光層上。微透鏡包括正向曲率半徑（radius of curvature），且碟型結構（dish structure）係形成於微透鏡內，碟型結構包括負向曲率半徑。

Description

影像感測器
本揭露實施例是關於影像感測器及其形成方法，特別是關於影像感測器的微透鏡結構。
影像感測器，如互補式金屬氧化物半導體影像感測器（complementary metal oxide semiconductor image sensor, CIS），被廣泛地運用在影像拍攝設備中，如數位靜止影像相機、數位攝影相機、以及其他類似設備。影像感測器的光感測部可偵測環境中的色彩變化，並可根據光感測部接收到的光量產生訊號電荷。此外，可傳輸並放大在光感測部中所產生的訊號電荷，從而獲得影像訊號。
基於業界需求，畫素尺寸持續地縮小。為了維持高性能，可將一組畫素（如相位差自動對焦（phase difference auto focus, PDAF）畫素）與傳統的畫素陣列整合。這組畫素接收到的光可透過彩色濾光片匯聚，並收集在底部對應的感測部，而偵測到裝置的影像對焦。然而，具有縮小畫素尺寸的影像感測器可能因精準度的些許偏移，而顯著地影響元件的整體性能。因此，需要透過影像感測器的設計和製造來解決這些相關問題。
在一實施例中，一種影像感測器，包括：複數個感測部；彩色濾光層，設置於感測部上；以及微透鏡，設置於彩色濾光層上。微透鏡包括正向曲率半徑（radius of curvature），且碟型結構（dish structure）係形成於微透鏡內，碟型結構包括負向曲率半徑。
在另一實施例中，一種影像感測器，包括：第一組感測單元；第二組感測單元，其中第一組感測單元和第二組感測單元的每一個包括複數個感測部、彩色濾光層、和微透鏡，彩色濾光層設置於感測部上，微透鏡設置於彩色濾光層上。微透鏡包括正向曲率半徑。影像感測器也包括第一碟型結構，形成於第一組感測單元的微透鏡內，其中第一碟型結構包括負向曲率半徑，位在第一組感測單元的微透鏡的中心。影像感測器更包括第二碟型結構，形成於第二組感測單元的微透鏡內，其中第二碟型結構包括負向曲率半徑，且第二碟型結構由第二組感測單元的微透鏡的中心偏移（offset）。
以下揭露提供了許多不同的實施例或範例，用於實施本發明的不同部件。組件和配置的具體範例描述如下，以簡化本揭露實施例。當然，這些僅僅是範例，並非用以限定本揭露實施例。舉例來說，敘述中提及第一部件形成於第二部件之上，可包括形成第一和第二部件直接接觸的實施例，也可包括額外的部件形成於第一和第二部件之間，使得第一和第二部件不直接接觸的實施例。
應理解的是，額外的操作步驟可實施於所述方法之前、之間或之後，且在所述方法的其他實施例中，部分的操作步驟可被取代或省略。
此外，與空間相關用詞，例如「在… 下方」、「下方」、「較低的」、「在… 上方」、「上方」、「較高的」和類似用語可用於此，以便描述如圖所示一元件或部件和其他元件或部件之間的關係。這些空間用語企圖包括使用或操作中的裝置的不同方位，以及圖式所述的方位。當裝置被轉至其他方位（旋轉90°或其他方位），則在此所使用的空間相對描述可同樣依旋轉後的方位來解讀。
在本揭露實施例中，「約」、「大約」、「大抵」之用語通常表示在一給定值或範圍的±20%之內，或±10%之內，或±5%之內，或±3%之內，或±2%之內，或±1%之內，或甚至±0.5%之內。在此給定的數量為大約的數量。亦即，在沒有特定說明「約」、「大約」、「大抵」的情況下，仍可隱含「約」、「大約」、「大抵」之含義。
除非另外定義，在此使用的全部用語（包括技術及科學用語）具有與所屬技術領域中具有通常知識者所通常理解的相同涵義。應能理解的是，這些用語，例如在通常使用的字典中定義的用語，應被解讀成具有與相關技術及本揭露的背景或上下文一致的意思，而不應以一理想化或過度正式的方式解讀，除非在本揭露實施例中有特別定義。
以下所揭露之不同實施例可能重複使用相同的參考符號及∕或標記。這些重複係為了簡化與清晰的目的，並非用以主導所討論的各種實施例及∕或結構之間的關係。
為了回應持續縮小的畫素尺寸，每個畫素的光量接收及畫素之間的光量接收均勻度已經成為關鍵的顧慮。在影像感測器的較小畫素中提升光量接收的一個方法為併入一組感測單元（如相位差自動對焦（phase difference auto focus, PDAF）畫素）。根據本揭露的一些實施例，當光被這組內的每個感測單元均勻地接收時，影像感測器可顯示統一顏色的影像。然而，若每個感測單元所接收的光不均勻時，則影像感測器會遭受色差（color variation）。感測單元組可偵測和追蹤整體元件的影像對焦，而感測單元組也允許藉由所接收的訊號判定顏色。傳統上，在整組感測單元上（如相位差自動對焦畫素組）僅設置單一微透鏡。換言之，在其組內的所有感測單元共享一個單一微透鏡，而其餘感測單元的頂部則各設有一個微透鏡。在感測單元組上的單一微透鏡能使得光匯聚在一起，以達到追蹤和偵測的目的。舉例來說，當光以傾斜角度入射時，其組內的其中一個感測單元可接收比另一個感測單元更大的光量，而基於感測單元之間的訊號讀取，可準確地判定入射光的方向。
在正常的情況下，在感測單元組上的單一微透鏡允許入射光匯聚在感測單元組的一個中心點以形成一個光點，其可朝向周圍的感測部分散以便被吸收。光點的尺寸取決於微透鏡的結構特性。舉例來說，具有較大曲率半徑（radius of curvature）的微透鏡可產生較大的光點，而具有較小曲率半徑的微透鏡可產生較小的光點。在製程變異的狀況發生時（如微透鏡結構無意間錯位），光點可由感測單元組的中心點位移。結果是，周圍的感測部可能接收到不均勻的光強度，其將被轉換成為不同的訊號，造成顏色判定不等。
舉例來說，當由數組感測單元各選擇一個感測單元並結合來形成第一畫素時，第一畫素可由每個所選的感測單元所讀取的訊號累績而顯示特定顏色。當由相同的數組感測單元各選擇另一個感測單元並結合來形成第二畫素時，第二畫素可由每個所選的感測單元讀取的訊號累績而顯示特定顏色。理想上，第一畫素和第二畫素應顯示相同的顏色。然而，若在每組的感測單元接收不同的光強度，則感測單元之間所轉換的訊號可能會顯著地不同。結果是，第一畫素和第二畫素之間可能會有很嚴重的色差，影響所顯示的影像。
也應注意的是，在較大光點和較小光點之間的製程變異對於顯示性能的衝擊可能不同。當光點較大時，位移的量相對於光點總量可能相對地小。相反地，當光點較小時，相同位移的量相對於光點總量則可能相對地大。換言之，可藉由減少製程變異的發生或（由具有較大曲率半徑的微透鏡）產生較大光點達到改善顏色判定的均勻度。然而，減少製程變異需要提升製造精準度，其需要較高的成本。另一方面，以具有較大曲率半徑的微透鏡維持較大的光點可能限縮影像感測元件的設計彈性。鑒於上述，本揭露實施例提供一種不需要增加製造成本或限縮設計彈性的替代方法。
根據本揭露的一些實施例，可在微透鏡內形成一種創新的碟型結構（dish structure）來解決上述問題。在微透鏡內加入本揭露實施例的碟型結構可將光點朝向周圍的感測部分散，從而增加製程變異的寬裕度，而不增加製造成本或限縮設計彈性。因此，即使在有製程變異的情形下，仍可適當地使用感測單元間的訊號讀取來顯示均勻顏色的影像。再者，本揭露實施例也包括在微透鏡內將碟型結構偏移來配合入射光線的不同入射角度。
第1A圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器10的剖面示意圖。在一些實施例中，影像感測器實際上可包括數百萬顆感測單元。為了簡潔的目的，第1A圖僅呈現實際影像感測器的一部分。第1A圖中所示的影像感測器10包括設置鄰近於彼此的兩組感測單元100A和100B。從感測單元組100A和100B的每一個的上示圖（繪示於第1C圖）來看，感測單元組100A和感測單元組100B可各包括四個感測單元排列成2×2，但本揭露實施例並不以此為限。舉例來說，感測單元組100A和感測單元組100B可對應m×n個光電轉換部件，其中m與n可為相同或不同的正整數，但本揭露實施例並不以此為限。為了例示性目的，感測單元組100A和感測單元組100B皆包括一個左感測單元和一個右感測單元。特別是，感測單元組100A包括左感測單元100A-L和右感測單元100A-R，而感測單元組100B包括左感測單元100B-L和右感測單元100B-R。
應注意的是，如第1A圖所示，每組感測單元組100A和100B具有一個微透鏡122，而碟型結構130形成於其內。碟型結構130的存在可打破傳統微透鏡122所擁有的連續曲率輪廓，其輪廓使得來自每個方向的入射光可匯聚成複數個光點140。根據本揭露的一些實施例，碟型結構130具有負向曲率半徑，而微透鏡122的其他部分具有正向曲率半徑。在一些實施例中，具有正向曲率半徑的表面可匯聚入射光線，而具有負向曲率半徑的表面可發散入射光線。在微透鏡122內加入碟型結構130可造成入射光聚焦於複數個光點140。左感測單元100A-L、右感測單元100A-R、左感測單元100B-L、以及右感測單元100B-R可各接收一個光點140。這樣的修改可藉由讓入射光均勻地分配於影像感測器10的每個感測部106上以增加製程變異的寬裕度。
應注意的是，相對於任何透鏡的表面形狀的符號（正號或負號）是關於在光軸（近軸區（paraxial region））附近微透鏡122或碟型結構130的區域，其透鏡具有本揭露實施例的微透鏡122或碟型結構130的非球形面（aspheric surface），除非另外表示。提供相對於曲率半徑的符號，使得正向曲率半徑表示表面形狀凸向物體端，而負向曲率半徑表示表面形狀凸向影像端。
參照第1A圖，感測單元組100A和感測單元組100B各包括複數個感測部106、彩色濾光層110、以及微透鏡122。複數個感測部106可埋入於基底102內。基底102更包括複數個深溝槽隔離（deep trench isolation, DTI）結構104埋入於其內，其中複數個深溝槽隔離結構104將每個感測部106分隔開，並定義每個感測單元的尺寸。此外，複數個深溝槽隔離結構104可助於將光點140分散至複數個感測部106上。在一些實施例中，基底102可為影像感測器10的所有感測單元所共享的單一結構。
在一些實施例中，基底102可為例如晶圓或晶粒，但本揭露實施例並不以此為限。在一些實施例中，基底102可為半導體基底，例如矽基底。此外，在一些實施例中，半導體基底亦可為：元素半導體（elemental semiconductor），包括鍺（germanium）；化合物半導體（compound semiconductor），包含氮化鎵（gallium nitride, GaN）、碳化矽（silicon carbide, SiC）、砷化鎵（gallium arsenide, GaAs）、磷化鎵（gallium phosphide, GaP）、磷化銦（indium phosphide, InP）、砷化銦（indium arsenide, InAs）及∕或銻化銦（indium antimonide, InSb）；合金半導體（alloy semiconductor），包含矽鍺（silicon germanium, SiGe）合金、磷砷鎵（gallium arsenide phosphide, GaAsP）合金、砷鋁銦（aluminum indium arsenide, AlInAs）合金、砷鋁鎵（aluminum gallium arsenide, AlGaAs）合金、砷鎵銦（gallium indium arsenide, GaInAs）合金、磷鎵銦（gallium indium phosphide, GaInP）合金、及∕或砷磷鎵銦（gallium indium arsenide phosphide, GaInAsP）合金、或其組合。在一些實施例中，基底102可為光電轉換（photoelectric conversion）基底，如矽基底或有機光電轉換層。
在其他實施例中，基底102也可以是絕緣層上半導體（semiconductor on insulator, SOI）基底。絕緣層上半導體基底可包含底板、設置於底板上之埋入式氧化物（buried oxide, BOX）層、以及設置於埋入式氧化物層上之半導體層。此外，基底102可為N型或P型導電類型。
如上述，基底102可包括複數個深溝槽隔離結構104以定義主動區，並電性隔離基底102之內或之上的主動區部件，但本揭露實施例並不以此為限。如前述，深溝槽隔離結構104可助於分散光點140。在一些實施例中，深溝槽隔離結構104可反射和折射聚焦於其上的入射光線。在一些實施例中，可套用其他隔離結構作為替代方案。淺溝槽隔離（shallow trench isolation, STI）結構和局部矽氧化（local oxidation of silicon, LOCOS）結構為其他隔離結構的範例。在一些實施例中，形成複數個深溝槽隔離結構104可包括例如在基底102上形成絕緣層，選擇性地蝕刻絕緣層和基底102以形成由基底102頂面延伸至基底102內的溝槽，其中溝槽位於相鄰感測部106之間。接著，形成複數個深溝槽隔離結構104可包括沿著溝槽成長富含氮（如氧氮化矽（silicon oxynitride, SiON））的襯層，再以沉積製程將絕緣材料（例如二氧化矽（silicon dioxide, SiO 2）、氮化矽（silicon nitride, SiN）、或氮氧化矽） 填入溝槽中。之後，對溝槽中的絕緣材料進行退火製程，並對基底102進行平坦化製程以移除多餘的絕緣材料，使溝槽中的絕緣材料與基底102的頂面齊平。
在一些實施例中，基底102可包括各種以如離子佈植及∕或擴散製程所形成之P型摻雜區及∕或N型摻雜區（未繪示）。在一些實施例中，可在主動區（以複數個深溝槽隔離結構104所定義）形成電晶體、光電二極體（photodiode）、或其他類似元件。
如上所提及，感測單元組100A和感測單元組100B可各包括設置於基底102上的彩色濾光層110。在一些實施例中，彩色濾光層110的高度可大約介於0.3μm和2.0μm之間。在一特定實施例中，彩色濾光層110的高度可為大約0.9μm。在一些實施例中，彩色濾光層110可包括多個單元，其可為紅色、綠色、藍色、白色、或紅外線（infrared）。彩色濾光層110的每一個單元可對應至影像感測器10的個別感測部106，而其單元的顏色取決於感測單元組100A和感測單元組100B的個別需求。個別感測部106（如光電二極體）可針對感測單元組100A和感測單元組100B的每一個將接收的光訊號轉換成電子訊號。在一些實施例中，同一組內的感測單元可具有相同的顏色單元。在一些實施例中，藉由網格結構112將感測單元組100A和感測單元組100B彼此分隔開，其網格結構112將於後詳述。根據本揭露的一些實施例，在基底102上並在網格結構112所定義的空間中沉積彩色濾光層110。可藉由一系列不同步驟的塗佈、曝光、和顯影製程形成彩色濾光層110。替代地，可藉由噴墨印刷（ink-jet printing）形成彩色濾光層110。
參照第1A圖，在彩色濾光層110的一或多個單元之間設置網格結構112。舉例來說，網格結構112的中線（未繪示）可定義感測單元組100A和感測單元組100B的邊界。根據本揭露的一些實施例，網格結構112可具有低於彩色濾光層110每個單元的折射率（refractive index）。折射率係物質改變光速的特性，其為真空中的光速除以物質中的光速所獲得的數值。當光在兩個不同的材料之間以一個角度傳播時，折射率決定了光傳播（折射）的角度。根據本揭露的一些實施例，網格結構112的折射率係大約介於1.00和1.99之間。當入射光進入彩色濾光層110時，網格結構112可在特定單元內隔離光線以達到光阱（light-trapping）作用。
網格結構112的材料可包括透明介電材料。首先，在基底102上塗佈隔離材料層。接著，在隔離材料層上塗佈硬遮罩層（未繪示）。在一些實施例中，硬遮罩層的材料為光阻。對硬遮罩層進行光微影製程以圖案化。接著，藉由使用圖案化後的硬遮罩層對隔離材料層進行蝕刻製程。蝕刻製程可為乾蝕刻。在蝕刻製程之後，在基底102上移除一部分的隔離材料層，並在其中形成多個開口。如前述，後續將以彩色濾光層110填入開口。
繼續參考第1A圖，在基底102上介於感測單元組100A和感測單元組100B之間設置遮光結構114。在一些實施例中，遮光結構114埋入於網格結構112內。在一些實施例中，網格結構112的高度可大於或等於遮光結構114，取決於影像感測器10的設計需求。在一些實施例中，遮光結構114跨越感測單元組100A和感測單元組100B的邊界。換言之，遮光結構114是設置成由任意兩個相鄰感測單元所共享。遮光結構114的配置可避免其中一個在所對應的彩色濾光層110的單元下方的感測部106接收到來自不同顏色的相鄰單元的額外光線，其可影響所接收訊號的準確度。在本揭露的一些實施例中，遮光結構114的高度可大約介於0.005μm和2.000μm之間。在一些實施例中，遮光結構114的材料可包括不透明金屬（如鎢（tungsten, W）、鋁（aluminum, Al））、不透明金屬氮化物（如氮化鈦（titanium nitride, TiN））、不透明金屬氧化物（如氧化鈦（titanium oxide, TiO））、其他合適材料、或其組合，但本揭露實施例並不以此為限。可藉由在基底102上沉積金屬層，然後使用光微影和蝕刻製程圖案化金屬層來形成遮光結構114，但本揭露實施例並不以此為限。
繼續參照第1A圖，在彩色濾光層110和網格結構112上設置微透鏡材料層120。在一些實施例中，微透鏡材料層120的材料可為透明材料。舉例來說，其材料可包括玻璃、環氧樹脂（epoxy resin）、矽樹脂、聚氨酯（polyurethane）、任何其他合適的材料、或其組合，但本揭露實施例並不以此為限。根據本揭露的一些實施例，在微透鏡材料層120上設置複數個微透鏡122。在一些實施例中，可藉由圖案化微透鏡材料層120的頂部形成複數個微透鏡122，以對應至感測單元組100A和感測單元組100B的每一個。由於複數個微透鏡122係由微透鏡材料層120所形成，複數個微透鏡122和微透鏡材料層120享有相同的材料。如先前所提及，傳統的微透鏡的連續曲率輪廓將導致光點140大多聚焦在感測單元組100A或感測單元組100B的中心點。儘管深溝槽隔離結構104分散光點140朝向周圍的感測部106，當製程變異發生時，光點140可被不均勻地分散。因此，本揭露的影像感測器10係設計以具有形成於每個微透鏡122內的碟型結構130。第1A圖所示的最終結構可使入射光大多匯聚在每個感測部106上，因而顯示出具有均勻顏色的影像。
與微透鏡122相反，碟型結構130具有相反的曲率輪廓。如先前所提及，微透鏡122一般具有正向曲率半徑用來匯聚光線，除了碟型結構130具有負向曲率半徑用來發散光線。非連續的曲率輪廓可改變光線的折射。如第1A圖所示，入射光L1和L2可被折射朝向感測單元組100A或感測單元組100B的中心點，類似於傳統的影像感測器。然而，當入射光L3被傳輸穿過碟型結構130時，入射光L3被折射遠離感測單元組100A或感測單元組100B的中心點。應注意的是，由於入射光L3不適當的入射角度，不具有碟型結構的傳統微透鏡可能會將入射光L3反射遠離微透鏡的表面，而非將入射光L3傳輸進入感測單元內。有發現，將微透鏡122的連續曲率輪廓打破可分散聚焦在感測單元組100A和感測單元組100B的中心的傳統光點。結合匯聚的入射光L1和L2與發散的入射光L3，可在左感測單元100A-L、右感測單元100A-R、左感測單元100B-L、以及右感測單元100B-R的複數個感測部106上產生複數個光點140，以便被接收。如將於後詳述，從上示圖來看（繪示於第1C圖），複數個光點140實際上為感測單元組100A和感測單元組100B的每一個中的環形，並經由在微透鏡122內加入碟型結構130而導致其環形為中空。
參照第1A圖，可在複數個微透鏡122的表面上和在碟型結構130內順應性地沉積頂膜124。在一些實施例中，頂膜124為連續結構，其覆蓋影像感測器10的整體表面。根據本揭露的一些實施例，頂膜124的材料的折射率低於微透鏡122（或微透鏡材料層120）的材料的折射率。頂膜124的材料的折射率高於空氣的折射率。在一些實施例中，空氣的折射率和微透鏡122的折射率之間具有很大的差值。折射率之間的大差值可能造成一些入射光線反射遠離微透鏡122的表面，而非折射進入彩色濾光層110。這樣將造成影像感測器10流失光能，減少複數個感測部106應接收到的光強度。加入頂膜124可作為環境空氣和微透鏡122之間大折射差值的緩衝，使得光能流失可被最小化。在一些實施例中，頂膜124可為透明材料，包括例如玻璃、環氧樹脂、矽樹脂、聚氨酯、其他合適的材料、或其組合，但本揭露實施例並不以此為限。頂膜124的形成可包括沉積製程，其可包括例如旋轉塗佈（spin-on coating）製程、化學氣相沉積（chemical vapor deposition, CVD）、物理氣相沉積（physical vapor deposition, PVD）、原子層沉積（atomic layer deposition, ALD）、其他合適方法、或其組合。
在一特定實施例中，比較具有在微透鏡內形成碟型結構的感測單元組與沒有在微透鏡內形成碟型結構的感測單元組。在左感測單元100A-L和右感測單元100A-R之間、或在左感測單元100B-L和右感測單元100B-R之間量測所接收的光強度的比例。量測是在數個微透鏡被刻意位移的條件下進行，其條件與製程變異發生時的情形類似。量測資料整理於表1中。 表1
微透鏡位移 傳統設計 新設計
紅 綠（紅） 綠（藍） 藍 紅 綠（紅） 綠（藍） 藍
0nm 1.07 0.98 1.02 0.94 1.05 0.98 1.01 0.94
10nm 1.11 1.02 1.07 1.01 1.08 1.02 1.05 1.01
20nm 1.16 1.07 1.12 1.08 1.10 1.06 1.09 1.09
30nm 1.21 1.12 1.17 1.15 1.13 1.11 1.13 1.17
40nm 1.26 1.17 1.23 1.23 1.16 1.15 1.17 1.26
50nm 1.31 1.22 1.28 1.32 1.19 1.19 1.20 1.35
在理想的情況下，左感測單元100A-L和右感測單元100A-R、或左感測單元100B-L和右感測單元100B-R應接收到相同的光強度。換言之，在左感測單元100A-L和右感測單元100A-R之間、或在左感測單元100B-L和右感測單元100B-R之間量測所接收的光強度的比例值應為1。然而，製程變異降低了感測單元所接收到的光之間的均勻度，造成比例值由1偏離。應理解的是，比例值預期應盡可能的接近1，顯著的大差異可能會損害顏色顯示。在表1中，呈現出傳統設計（沒有碟型結構的微透鏡）和新設計（具有碟型結構的微透鏡）的比較。在不同的波段下（或不同顏色單元）進行量測，其中「紅」為紅色單元，「藍」為藍色單元，「綠（紅）」為在橫向上鄰近紅色單元的綠色單元，而「綠（藍）」為在橫向上鄰近藍色單元的綠色單元。此外，也在微透鏡位移0nm（無位移）、10nm、20nm、30nm、40nm、以及50nm下進行量測。可以從表1看到，當微透鏡位移為0nm時（無位移），兩種設計之間並無顯著的變化。隨著位移發生，傳統設計的平均比例值變得顯著地大於新設計的平均比例值。因此，本揭露實施例的設計可使比例值更接近1，從而改善顏色判定的均勻度。
如第1A圖所示，根據一些實施例，一種影像感測器包括：複數組感測單元100A∕100B，其中每個感測單元組包括複數個感測部106、設置於感測部106上的彩色濾光層110、以及設置於彩色濾光層110上微透鏡122。微透鏡122包括正向曲率半徑，且碟型結構130係形成於微透鏡122內，碟型結構130包括負向曲率半徑。
第1B圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器10的剖面示意圖。具體而言，第1B圖繪示第1A圖的影像感測器10的微透鏡122和碟型結構130的放大示意圖。根據本揭露的一些實施例，碟型結構130位在微透鏡122的中心，而在微透鏡122內的碟型結構130的製造過程將於下詳述。如前述，微透鏡122一般具有正向曲率半徑，除了碟型結構130具有負向曲率半徑。在大小方面，微透鏡122的曲率半徑R0大於碟型結構130的曲率半徑R1。在一些實施例中，碟型結構130的第一深度D1（最大深度）大約介於微透鏡122的高度H的25%和50%之間。碟型結構130的第一寬度W1大約介於微透鏡122的底寬度W0的20%和60%之間。
第1C圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器10的上示圖。如前述，感測單元組100A或感測單元組100B可各包括四個感測單元排列成2×2。感測單元組100A或感測單元組100B包括圍繞其周邊的網格結構112。可在網格結構112下方設置深溝槽隔離結構104（未繪示），且可進一步設置深溝槽隔離結構104來分開和定義感測單元（被排列成2×2）。彩色濾光層110可填入網格結構112內的開口。在彩色濾光層110上設置微透鏡122，而在微透鏡122內形成碟型結構130，位在微透鏡122的中心。傳統的微透鏡122（沒有碟型結構130）將聚集入射光線以聚焦在感測單元組100A或感測單元組100B的中心點。如前述，碟型結構130的存在打破微透鏡122的連續曲率輪廓，將光點140分散成環形，讓中心變成空洞。環形光點140允許每個感測部106（未繪示）更有效地偵測光訊號並判定其個別顏色。即使在製程變異的情形下，由感測部106所判定的顏色仍可顯著地具有較少的干擾。
第2A～2D圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器10在各種中間製造階段的剖面示意圖。如第2A圖所示，首先在微透鏡材料層120上形成硬遮罩層150。在一些實施例中，硬遮罩層150包括任何含樹脂材料、或其組合。在一些實施例中，硬遮罩層150的厚度可小於微透鏡材料層120的厚度。透過光微影圖案化和蝕刻，硬遮罩層150可形成硬遮罩圖案152，如第2B圖所示。根據本揭露的一些實施例，硬遮罩圖案152為矩形，其各具有於其上的凹口154。進行回流製程以將硬遮罩圖案152轉變成圓蓋物，其各具有於其上的回流後的凹口154，如第2C圖所示。透過乾蝕刻製程，硬遮罩圖案152的形狀被完全地轉移至微透鏡材料層120的頂部，如第2D圖所示。在乾蝕刻製程之後，微透鏡材料層120的頂部可產生複數個微透鏡122，其各具有碟型結構130，而微透鏡材料層120的底部可作為微透鏡122的基座。
第3圖是根據本揭露的其他實施例，影像感測器陣列的上示圖。應理解的是，所示的影像感測器陣列為例示性的，而並非企圖限制。當光源對影像感測器陣列發出光線時，光源通常被放置在最中間的感測單元組的法線（normal）位置，其在陣列平面的法線方向接收入射光線。圍繞最中間的感測單元組的剩餘感測單元組僅可接收相對於陣列平面為傾斜方向的入射光線。傾斜入射光線可匯聚在由周圍感測單元組的中心點位移的位置。為了補償由中心點位移的光點，設置在周圍感測單元組上的微透鏡122可刻意地位移朝向最中間的感測單元組。由於周圍感測單元組的微透鏡122位移的量是極小的，其並未具體地繪示於第3圖中。然而，也可相應地位移周圍感測單元組的微透鏡122內的碟型結構130。
參照第3圖，在最中間的感測單元組內的碟型結構130維持在其對應的微透鏡122的中心。然而，在周圍感測單元組內的碟型結構130都由其對應的微透鏡122的中心位移朝向最中間的感測單元組。取決於碟型結構130相對於最中間的感測單元組的位置，碟型結構130可橫向地、縱向地、或橫向地和縱向地兩者（如對角地）位移朝向最中間的感測單元組。應注意的是，微透鏡122和碟型結構130位移的量可能不等，取決於微透鏡122和碟型結構130與最中間的感測單元組距離多遠。舉例來說，當碟型結構130及∕或微透鏡122較接近最中間的感測單元組時，碟型結構130及∕或微透鏡122可能刻意地位移較小的量，而當碟型結構130及∕或微透鏡122較遠離最中間的感測單元組時，碟型結構130及∕或微透鏡122可能刻意地位移較大的量。根據本揭露的一些實施例，碟型結構130可由其對應的微透鏡122的中心偏移間距D，由中心的間距D大約介於畫素尺寸的0%和35%之間。取決於影像感測器陣列和發出光線的排列，微透鏡122和碟型結構130可位移等量或不等量。
第4A圖是根據本揭露的其他實施例，另一個影像感測器20的剖面示意圖。影像感測器20繪示第3圖的周圍感測單元組可能呈現的樣子。相較於第1A圖所示的影像感測器10，在感測單元組100A和感測單元組100B的微透鏡122內形成的碟型結構130由其對應的微透鏡122的中心偏移。此外，也應注意的是，感測單元組100A和感測單元組100B的微透鏡122也些微地位移朝向右邊。影像感測器20的基底102、複數個深溝槽隔離結構104、複數個感測部106、彩色濾光層110、網格結構112、以及遮光結構114的特徵與影像感測器10類似，其細節將不於此重複贅述。
參照第4A圖，當感測單元組100A和感測單元組100B位在遠離影像感測器陣列的中心時（例如朝向邊緣），僅可接收到特定傾斜角度的入射光L4。當傳輸入射光L4穿過正向曲率半徑的微透鏡122時，入射光L4匯聚於形成在右感測單元100A-R和右感測單元100B-R的感測部106上的光點140，以便被接收。另一方面，傳輸當入射光L4穿過負向曲率半徑的碟型結構130時，入射光L4發散遠離感測單元組100A和感測單元組100B的中心點，以形成在左感測單元100A-L和左感測單元100B-L的感測部106上的光點140，以便被接收。若碟型結構130維持在其對應的微透鏡122的中心，入射光L4可能無法適當地被左感測單元100A-L和左感測單元100B-L接收。事實上，維持碟型結構130在其對應的微透鏡122的中心可能會偏轉一些入射光L4遠離左感測單元100A-L和左感測單元100B-L的感測部106。因此，本揭露的設計也可配合傾斜入射光線，從而改善顏色判定的均勻度。
如第1A和4A圖所示，根據一些實施例，一種影像感測器，包括：第一組感測單元；第二組感測單元，其中第一組感測單元和第二組感測單元的每一個包括複數個感測部106、彩色濾光層110、和微透鏡122，彩色濾光層110設置於感測部106上，微透鏡122設置於彩色濾光層110上。微透鏡122包括正向曲率半徑。影像感測器也包括形成於第一組感測單元的微透鏡122內的第一碟型結構，其中第一碟型結構包括負向曲率半徑，位在第一組感測單元的微透鏡122的中心。影像感測器更包括形成於第二組感測單元的微透鏡122內的第二碟型結構，其中第二碟型結構包括負向曲率半徑，且第二碟型結構由第二組感測單元的微透鏡122的中心偏移。
第4B圖是根據本揭露的其他實施例，影像感測器20的剖面示意圖。具體而言，第4B圖繪示第4A圖的影像感測器20的微透鏡122和碟型結構130的放大示意圖。根據本揭露的一些實施例，碟型結構130由微透鏡122的中心偏移。如前述，微透鏡122一般具有正向曲率半徑，除了碟型結構130具有負向曲率半徑。在大小方面，微透鏡122的曲率半徑R0大於碟型結構130的曲率半徑R2。在一些實施例中，碟型結構130的第二深度D2（最大深度）大約介於微透鏡122的高度H的20%和40%之間。碟型結構130的第二寬度W2大約介於微透鏡122的底寬度W0的20%和60%之間。
繼續參照第4B圖，相較於第1B圖，位在微透鏡122中心的碟型結構130的曲率半徑R1與由微透鏡122中心偏移的碟型結構130的曲率半徑R2可能相同。在其他實施例中，曲率半徑R1與曲率半徑R2可能不同。此外，取決於設計需求，第一深度D1和第一寬度W1可能分別與第二深度D2和第二寬度W2相同。在其他情形下，第一深度D1和第一寬度W1可能分別與第二深度D2和第二寬度W2不同。第1B圖和第4B圖所示的碟型結構130的尺寸可被設計以允許來自所有方向的入射光線被適當地聚焦成在每個感測部106上的光點140，以便被接收，從而改善顏色判定的均勻度。
以上概述數個實施例之特徵，以使本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以更加理解本揭露實施例的觀點。本發明所屬技術領域中具有通常知識者應該理解，可輕易地以本揭露實施例為基礎，設計或修改其他製程和結構，以達到與在此介紹的實施例相同之目的及∕或優勢。本發明所屬技術領域中具有通常知識者也應該理解到，此類等效的結構並無悖離本揭露實施例的精神與範圍，且可在不違背本揭露實施例之精神和範圍之下，做各式各樣的改變、取代和替換。因此，本揭露實施例之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，雖然本揭露已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露實施例的範圍。
整份說明書對特徵、優點或類似語言的引用，並非意味可以利用本揭露實施例實現的所有特徵和優點應該或者可以在本揭露的任何單一實施例中實現。相對地，涉及特徵和優點的語言被理解為其意味著結合實施例描述的特定特徵、優點或特性包括在本揭露的至少一個實施例中。因而，在整份說明書中對特徵和優點以及類似語言的討論可以但不一定代表相同的實施例。
再者，在一或多個實施例中，可以任何合適的方式組合本揭露實施例的所描述的特徵、優點和特性。根據本文的描述，所屬技術領域中具有通常知識者將意識到，可在沒有特定實施例的一個或多個特定特徵或優點的情況下實現本揭露實施例。在其他情況下，在某些實施例中可辨識附加的特徵和優點，這些特徵和優點可能不存在於本揭露的所有實施例中。
10:影像感測器 20:影像感測器 100A:感測單元組 100A-L:左感測單元 100A-R:右感測單元 100B:感測單元組 100B-L:左感測單元 100B-R:右感測單元 102:基底 104:深溝槽隔離結構 106:感測部 110:彩色濾光層 112:網格結構 114:遮光結構 120:微透鏡材料層 122:微透鏡 124:頂膜 130:碟型結構 140:光點 150:硬遮罩層 152:硬遮罩圖案 154:凹口 D:間距 D1:第一深度 D2:第二深度 H:高度 L1:入射光 L2:入射光 L3:入射光 L4:入射光 R0:曲率半徑 R1:曲率半徑 R2:曲率半徑 W0:底寬度 W1:第一寬度 W2:第二寬度
以下將配合所附圖式詳述本揭露實施例之各面向。應注意的是，依據在業界的標準做法，各種特徵並未按照比例繪製。事實上，可任意地放大或縮小各種元件的尺寸，以清楚地表現出本揭露實施例的特徵。 第1A和1B圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器的剖面示意圖。 第1C圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器的上示圖。 第2A～2D圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器在各種中間製造階段的剖面示意圖。 第3圖是根據本揭露的其他實施例，影像感測器陣列的上示圖。 第4A和4B圖是根據本揭露的其他實施例，另一個影像感測器的剖面示意圖。
10:影像感測器
100A:感測單元組
100A-L:左感測單元
100A-R:右感測單元
100B:感測單元組
100B-L:左感測單元
100B-R:右感測單元
102:基底
104:深溝槽隔離結構
106:感測部
110:彩色濾光層
112:網格結構
114:遮光結構
120:微透鏡材料層
122:微透鏡
124:頂膜
130:碟型結構
140:光點
L1:入射光
L2:入射光
L3:入射光

Claims (10)

  1. 一種影像感測器，包括：複數個感測部；一彩色濾光層，設置於該些感測部上；以及一微透鏡，設置於該彩色濾光層上，其中該微透鏡包括一正向曲率半徑(radius of curvature)，且一碟型結構(dish structure)係形成於該微透鏡內，該碟型結構包括一負向曲率半徑，其中該碟型結構與該微透鏡為一對一設置。
  2. 如請求項1之影像感測器，更包括：一基底，其中該些感測部埋入於該基底內；複數個深溝槽隔離(deep trench isolation,DTI)結構，將該些感測部分隔開；一網格結構，於該彩色濾光層內；以及一遮光結構，埋入於該網格結構內。
  3. 如請求項1之影像感測器，更包括一頂膜，順應性地設置於該微透鏡上和該碟型結構內，其中該頂膜的折射率低於該微透鏡的折射率，且該頂膜的折射率高於空氣的折射率。
  4. 如請求項1之影像感測器，其中該碟型結構係設置在該微透鏡的中心。
  5. 如請求項1之影像感測器，其中該碟型結構包括：一第一深度，其中該第一深度小於該微透鏡的高度；以及一第一寬度，其中該第一寬度小於該微透鏡的底寬度。
  6. 一種影像感測器，包括：一第一組感測單元； 一第二組感測單元；其中該第一組感測單元和該第二組感測單元的每一個包括複數個感測部、一彩色濾光層、和一微透鏡，該彩色濾光層設置於該些感測部上，該微透鏡設置於該彩色濾光層上；其中該微透鏡包括一正向曲率半徑；其中一第一碟型結構係形成於該第一組感測單元的該微透鏡內，其中該第一碟型結構包括一負向曲率半徑，位在該第一組感測單元的該微透鏡的中心，其中該第一碟型結構與該第一組感測單元的該微透鏡為一對一設置；以及其中一第二碟型結構係形成於該第二組感測單元的該微透鏡內，其中該第二碟型結構包括該負向曲率半徑，且該第二碟型結構由該第二組感測單元的該微透鏡的中心偏移(offset)，其中該第二碟型結構與該第二組感測單元的該微透鏡為一對一設置。
  7. 如請求項6之影像感測器，其中該微透鏡的曲率半徑不同於該第一碟型結構的曲率半徑，且該微透鏡的曲率半徑不同於該第二碟型結構的曲率半徑。
  8. 如請求項7之影像感測器，其中該第一碟型結構和該第二碟型結構具有相同的曲率半徑或具有不同的曲率半徑。
  9. 如請求項6之影像感測器，其中從上示圖來看，該第二碟型結構橫向地、縱向地、或對角地由該第二組感測單元的該微透鏡的中心偏移。
  10. 如請求項6之影像感測器，更包括一頂膜，順應性地設置於該微透鏡上和該第一碟型結構或該第二碟型結構內，其中該頂膜的折射率低於該微透鏡的折射率，且該頂膜的折射率高於 空氣的折射率。
TW111103802A 2021-10-01 2022-01-28 影像感測器 TWI799117B (zh)

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