TWI804362B - 影像感測器 - Google Patents

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Abstract

一種影像感測器包括感測單元、設置於感測單元內的感測部、以及對應感測部的隔離結構。從上視圖來看，隔離結構包括圍繞感測單元的第一深溝槽隔離（deep trench isolation, DTI）結構、以及被第一深溝槽隔離結構橫向地包封的第二深溝槽隔離結構。第二深溝槽隔離結構位在靠近藉由第一深溝槽隔離結構所定義的感測單元的角落。第二深溝槽隔離結構相對於感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的（asymmetrical）。

Description

影像感測器
本揭露實施例是關於一種影像感測器，特別是關於影像感測器的隔離結構。
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感測單元、設置於感測單元內的感測部、以及對應感測部的隔離結構。從上視圖來看，隔離結構包括圍繞感測單元的第一深溝槽隔離（deep trench isolation, DTI）結構、以及被第一深溝槽隔離結構橫向地包封的第二深溝槽隔離結構。第二深溝槽隔離結構位在靠近藉由第一深溝槽隔離結構所定義的感測單元的角落。第二深溝槽隔離結構相對於感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的（asymmetrical）。
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）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。
在理想的情況下，從上視圖來看，在感測單元組上的單一微透鏡允許入射光線匯聚在感測單元組的一個中心點以形成光點。感測單元組經常被排列成陣列，且藉由深溝槽隔離（deep trench isolation, DTI）結構橫向地圍繞每個感測單元。換言之，深溝槽隔離結構可為網格結構，其劃分感測單元的陣列。當陣列被排列成例如2×2時，光點所匯聚的中心點可能位在深溝槽隔離結構相交的位置。透過深溝槽隔離結構，光點可進一步被發散朝向埋入於基底中的感測部，以便被接收。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，由光點所發散的光線可能會傳輸超出感測單元組並進入不同顏色的相鄰單元，其可導致不想要的串擾（cross talk）。
應理解的是，由於感測元件尺寸的持續縮小，即便微透鏡結構有精確地對齊（其基於現有的精密技術仍為一大挑戰），由光點所發散的光線依然可能傳輸超出感測單元組。這是因為光線的傳播路徑太短（由於感測單元的尺寸），且在到達感測單元組的邊界之前，光線可能無法完全地被基底的材料吸收。針對較大的感測單元，這樣的問題可能顧慮較小。然而，由於業界嚮往較小的感測單元，影像感測器的串擾顯著地表現出來。
當光線無法適當地且均勻地被所指定的感測單元接收時，可能會破壞顯示性能。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，其可導致漏光至鄰近單元，則感測單元之間所轉換的訊號可能會顯著地不同。結果是，第一畫素與第二畫素之間可能會有很嚴重的色差，造成通道不平衡（channel imbalance）並影響所顯示影像的品質。
根據本揭露的一些實施例，除了現有的深溝槽隔離結構，可在每個感測單元內設置創新的附加深溝槽隔離結構來解決上述問題。在感測單元內加入本揭露的附加深溝槽隔離結構可阻擋可能傳播超出感測單元組的潛在光線，其可迫使光線反射回感測單元組的中心。因此，藉由進一步侷限光線於預期的感測單元組內，可消除串擾，且可減少通道不平衡的效應。再者，由於改善串擾和通道不平衡，也可提升量子效率（quantum efficiency, QE）。
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能包含數百萬個感測器單元。為了簡化起見，第1A圖僅顯示了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的每一個的上視圖（繪示於第1B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，可在每組感測單元100A和100B上設置一個微透鏡122，而光點130可匯聚在每組感測單元100A和100B的中心。在傳統的設計中，可設置深溝槽隔離結構106圍繞每個左感測單元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。有鑑於此，深溝槽隔離結構106也可被視為邊界深溝槽隔離結構，其定義每個左感測單元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的尺寸。為了簡化起見，深溝槽隔離結構106此後將被稱為第一深溝槽隔離結構106。儘管第一深溝槽隔離結構106可單獨阻擋並反射向外的光線，隨著感測單元尺寸縮小，僅有第一深溝槽隔離結構106逐漸變得不足。第二深溝槽隔離結構108的存在可增加光反射的機率，其進而減少光線傳播超出感測單元組100A和感測單元組100B的機率。再者，發明人發現，從上視圖來看，第二深溝槽隔離結構108相對於每個左感測單元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內的水平中線或垂直中線應為非對稱的（asymmetrical）。非對稱的特徵將參照第1B圖詳細描述。
參照第1A圖，感測單元組100A和感測單元組100B的每一個包括複數個感測部104、彩色濾光層112、以及微透鏡122。複數個感測部104可埋入於基底102內。再者，第一深溝槽隔離結構106和第二深溝槽隔離結構108亦埋入於基底102內。根據本揭露的一些實施例，第一深溝槽隔離結構106橫向地隔開每個感測部104，而第二深溝槽隔離結構108則設置於每個感測部104之上。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。再者，可在基底102上設置抗反射層110。
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。
在一些實施例中，基底102可包括各種以如離子佈植（ion implantation）及∕或擴散製程（diffusion process）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（以第一深溝槽隔離結構106所定義）形成電晶體、光電二極體（photodiode）、或其他類似元件。
如上所述，基底102可包括第一深溝槽隔離結構106和第二深溝槽隔離結構108（其可統稱為隔離結構）。在一些實施例中，第一深溝槽隔離結構106可定義主動區，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，第一深溝槽隔離結構106可助於發散光點130。在一些實施例中，第一深溝槽隔離結構106和第二深溝槽隔離結構108皆可反射和折射聚焦於其上的入射光線。在其他實施例中，可套用額外的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）為其他隔離結構的範例。
參照第1A圖，從上視圖來看，第一深溝槽隔離結構106圍繞左感測單元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，而第二深溝槽隔離結構108可被第一深溝槽隔離結構106包封。根據本揭露的一些實施例，第二深溝槽隔離結構108可位在靠近藉由第一深溝槽隔離結構106所定義的左感測單元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的一角落。第一深溝槽隔離結構106具有第一深度D1延伸進入基底102中，而第二深溝槽隔離結構108具有第二深度D2延伸進入基底102中。在一些實施例中，第一深度D1大於第二深度D2。在本揭露的特定實施例中，第二深度D2可大約小於1μm。
如先前所提及，加入本揭露的第二深溝槽隔離結構108可提升量子效率，且可消除串擾和通道不平衡。在一些實施例中，量子效率為光電轉換效率，其為入射光可多有效地被轉換成電子訊號的量測。串擾為不同顏色的光干擾所欲顏色的光的訊號讀取。通道不平衡為所接收到最強的光強度對所接收到最弱的光強度的比例，其為感測單元組內的光接收均勻度的量測。換言之，較低的量子效率、以及較高的串擾和通道不平衡為不想要的特性，它們可能會影響影像感測器的性能。第二深溝槽隔離結構108可有效地解決上述問題，得到更高的量子效率、以及較小的串擾和通道不平衡。
在以矽形成基底的實施例中，在矽材料的介質內傳播的光線可能擁有在介質內相對長的波長和相對弱的吸收度的特性。如此一來，發散的光線較可能傳輸進入不同顏色的相鄰感測單元中（特別是具有較小尺寸的感測單元），導致嚴重的串擾。若將第二深溝槽隔離結構108設計為相對於左感測單元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內的水平中線或垂直中線具有對稱的（symmetrical）特徵，則僅可侷限一半的光能量，而另一半的光能量可能會流失而仍造成顯著的串擾效應。根據本揭露的一些實施例，第二深溝槽隔離結構108的非對稱特徵需要第一深溝槽隔離結構106和第二深溝槽隔離結構108兩者以創造部分侷限空間，其可圍繞感測單元組100A和感測單元組100B的每一個的中心旋轉。應注意的是，部分侷限空間也可對應光點130的位置。
繼續參照第1A圖，第一深溝槽隔離結構106和第二深溝槽隔離結構108的排列允許光線L1和光線L2被引導進入部分侷限空間。圍繞感測單元組100A和感測單元組100B的中心旋轉的侷限特性增加光線L1和光線L2的傳播路徑，允許光線L1和光線L2更有效地被複數個感測部104所接收，因而改善量子效率和串擾。更具體而言，即便光線（如光線L2）傳輸進入相鄰的感測單元，這樣的傳輸仍發生在相同顏色的單元內。如第1A圖所示，光線L2可由左感測單元100A-L傳播至右感測單元100A-R、由右感測單元100A-R傳播至左感測單元100A-L、由左感測單元100B-L傳播至右感測單元100B-R、或由右感測單元100B-R傳播至左感測單元100B-L。再者，光線L2可彌補左感測單元100A-L與右感測單元100A-R之間、或左感測單元100B-L與右感測單元100B-R之間不均勻的光接收，得到改善的通道不平衡。
從光線L1和光線L2的觀點來看，傳播於基底102之內的光可被第一深溝槽隔離結構106和第二深溝槽隔離結構108困住（或被包夾於其間）。由於第一深溝槽隔離結構106和第二深溝槽隔離結構108兩者皆具有比基底102的材料更低的折射率（refractive index），可在高折射率材料與低折射率材料之間的界面（例如第一深溝槽隔離結構106與基底102之間的介面、或第二深溝槽隔離結構108與基底102之間的介面）反射光。新增第二深溝槽隔離結構108可進一步侷限光傳播。結果是，傳播介質可具有更高的有效折射率（effective index），以提升波導效應（waveguide effect），讓複數個感測部104能有更高的光接收。
在較高有效折射率的介質中（由於第二深溝槽隔離結構108的存在），光傳播僅可被反射，而非散射。藉由設計第二深溝槽隔離結構108的第二深度D2小於第一深溝槽隔離結構106的第一深度D1，在到達複數個感測部104之前，傳播於基底102之內的光也可傳播穿過較低有效折射率的介質（沒有第二深溝槽隔離結構108的存在）。在較低有效折射率的介質中，光傳播也可被散射。根據本揭露的一些實施例，光線L1可被反射朝向個別的感測部104，而光線L2可在相同的感測單元組中被散射朝向鄰近的感測部104。
舉例來說，光線L2可由左感測單元100A-L傳播至右感測單元100A-R、由右感測單元100A-R傳播至左感測單元100A-L、由左感測單元100B-L傳播至右感測單元100B-R、或由右感測單元100B-R傳播至左感測單元100B-L。由於傳播於感測單元組100A或感測單元組100B內的光線為相同顏色，在左感測單元100A-L與右感測單元100A-R之間、或左感測單元100B-L與右感測單元100B-R之間的光傳播可能不會遭受顯著的串擾。藉由讓複數個感測部104接收具有較長光路徑的光，其包括反射光線（光線L1）和散射光線（光線L2）兩者，可進一步提升量子效率。
在一些實施例中，形成第一深溝槽隔離結構106和第二深溝槽隔離結構108可包括例如在基底102上形成絕緣層。透過光微影圖案化和蝕刻，可形成溝槽延伸進入基底102中。光微影製程可包括光阻塗佈、軟烤（soft baking）、曝光、曝光後烘烤、顯影、其他類似技術、或其組合。蝕刻製程可包括乾蝕刻、濕蝕刻、其他類似方法、或其組合。藉由控制蝕刻參數，可產生不同深度的溝槽，其對應至後續形成的第一深溝槽隔離結構106和第二深溝槽隔離結構108。
接著，可沿著溝槽順應性地成長富含氮材料（如氧氮化矽（silicon oxynitride, SiON））的襯層。之後，藉由合適的沉積製程（如化學氣相沉積（chemical vapor deposition, CVD）、高密度電漿化學氣相沉積（high-density plasma chemical vapor deposition, HDP-CVD）、電漿輔助化學氣相沉積（plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD）、流動性化學氣相沉積（flowable chemical vapor deposition, FCVD）、次大氣壓化學氣相沉積（sub-atmospheric chemical vapor deposition, SACVD）、其他類似方法、或其組合）將絕緣材料（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。然後，可對溝槽中的絕緣材料進行退火製程，接著對基底102進行平坦化製程（如化學機械研磨（chemical mechanical polish, CMP））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。
根據本揭露的一些實施例，第二深溝槽隔離結構108的折射率大約介於1.3和2.5之間。第一深溝槽隔離結構106的折射率可大於、等於、或小於第二深溝槽隔離結構108的折射率。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。
參照第1A圖，在基底102上設置抗反射層110。在一些實施例中，配置抗反射層110以減少傳輸至複數個感測部104的光被反射。在一些實施例中，抗反射層110的設置是水平地對應於（或是平行相對於）感測部104的陣列。在一些實施例中，抗反射層110的材料可包括氧氮化矽（SiO xN y，其中x和y係在0至1的範圍）。可藉由任何合適的沉積製程形成抗反射層110。
如上述，感測單元組100A和感測單元組100B可各包括設置於抗反射層110上的彩色濾光層112。在一些實施例中，彩色濾光層112的高度可大約介於0.3μm和2.0μm之間。在特定的實施例中，彩色濾光層112的高度可大約為0.9μm。在一些實施例中，彩色濾光層112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112的每個單元可對應至影像感測器10的個別感測部104，而每個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。基底102可吸收被過濾的光線並產生自由電子，其接著傳播朝向個別感測部104。個別感測部104（如光電二極體）可針對感測單元組100A和感測單元組100B各別將所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114將感測單元組100A和感測單元組100B彼此分隔開，網格結構114將於後詳述。根據本揭露的一些實施例，在抗反射層110上並在網格結構114所定義的空間中沉積彩色濾光層112。可藉由一系列的塗佈、曝光、和顯影製程形成彩色濾光層112。替代地，可藉由噴墨印刷（ink-jet printing）形成彩色濾光層112。
參照第1A圖，在彩色濾光層112的一或多個單元之間設置網格結構114。舉例來說，網格結構114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114可具有低於彩色濾光層112每個單元的折射率。根據本揭露的一些實施例，網格結構114的折射率大約介於1.00和1.99之間。當入射光進入彩色濾光層112時，網格結構114可在特定單元內隔離光線以達到光阱（light-trapping）作用。
網格結構114的材料可包括透明介電材料。首先，在抗反射層110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，在抗反射層110上移除一部分的隔離材料層，並在其中形成多個開口。如先前所提及，後續將以彩色濾光層112填入開口。
繼續參照第1A圖，在抗反射層110上介於感測單元組100A與感測單元組100B之間設置遮光結構116。在一些實施例中，遮光結構116埋入於網格結構114內。在一些實施例中，網格結構114的高度可大於或等於遮光結構116，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116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116是設置成由任意兩個相鄰感測單元所共享（例如右感測單元100A-R和左感測單元100B-L）。遮光結構116的配置可避免其中一個在彩色濾光層112所對應的單元下方的感測部104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116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116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。可藉由在抗反射層110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116，但本揭露實施例並不以此為限。
參照第1A圖，在彩色濾光層112和網格結構114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。
繼續參照第1A圖，可在複數個微透鏡122的表面上順應性地沉積頂膜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的折射率之間有著很大的差值。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112。這樣將造成影像感測器10流失光能量，減少複數個感測部104應接收到的光量。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，使得光能量流失可被最小化。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、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內的第二深溝槽隔離結構108的影像感測器10與僅具有第一深溝槽隔離結構106的傳統影像感測器。總結而論，影像感測器10的量子效率比傳統影像感測器的量子效率高6%，影像感測器10的串擾比傳統影像感測器的串擾低14%，而影像感測器10的通道不平衡也比傳統影像感測器的通道不平衡低14%。因此，本揭露的設計可提升影像感測器的性能。
第1B圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器10的上視圖。應注意的是，第1A圖為第1B圖的線段A-A’所獲得的剖面示意圖。如前述，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。在第1B圖中，提供四組感測單元，其亦排列成2×2。換言之，總共有16個感測單元排列成4×4。為了例示性目的，省略抗反射層110、彩色濾光層112、網格結構114、遮光結構116、以及頂膜124。在一些實施例中，藉由網狀的第一深溝槽隔離結構106將基底102劃分成16個感測單元。第二深溝槽隔離結構108被第一深溝槽隔離結構106包封。再者，微透鏡122的位置也以虛線標示。如先前所提及，每個微透鏡122對應至個別的感測單元組。
參照第1B圖，影像感測器10的每組感測單元可為相同的顏色。中心點140被標示作為參考。在一些實施例中，中心點140位在「相同顏色」單元組的中心。根據本揭露的一些實施例，在每組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108相對於中心點140為對稱的。在本揭露的特定實施例中，第二深溝槽隔離結構108為矩形，其具有小於180nm的寬度和小於感測單元的長度。第二深溝槽隔離結構108的形狀並不以此為限。根據本揭露的一些實施例，從上視圖來看，第二深溝槽隔離結構108的面積小於任何感測單元的面積的35%，只要可能傳輸超出感測單元組的散射光線可被適當地阻擋。
第2、3、4、5、6、和7圖是根據本揭露的一些實施例，具有各種設計的影像感測器10的上視圖。如先前所提及，從上視圖來看，第二深溝槽隔離結構108可位在靠近感測單元內的一角落。在接下來的範例中，第二深溝槽隔離結構108也可由其角落延伸朝向感測單元的至少一個鄰近角落或對角角落。第二深溝槽隔離結構108的形狀可能有所不同，只要其面積維持在任何感測單元的面積的35%以下。為了例示性目的，省略抗反射層110、彩色濾光層112、網格結構114、遮光結構116、以及頂膜124。基底102、第一深溝槽隔離結構106、第二深溝槽隔離結構108、以及微透鏡122的特徵與第1B圖所示類似，其細節將不於此重複贅述。
參照第2圖，第二深溝槽隔離結構108為L形。微透鏡122分別對應感測單元組。根據一些實施例，影像感測器10的每組感測單元可為相同的顏色。中心點140位在「相同顏色」單元組的中心。根據本揭露的一些實施例，在每組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
參照第3圖，第二深溝槽隔離結構108為弧形。微透鏡122分別對應感測單元組。根據一些實施例，影像感測器10的每組感測單元可為相同的顏色。中心點140位在「相同顏色」單元組的中心。根據本揭露的一些實施例，在每組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
參照第4圖，第二深溝槽隔離結構108為方形。微透鏡122分別對應感測單元組。根據一些實施例，影像感測器10的每組感測單元可為相同的顏色。中心點140位在「相同顏色」單元組的中心。根據本揭露的一些實施例，在每組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
參照第5圖，從上視圖來看，第二深溝槽隔離結構108為菱形的連續性環結構橫越每組感測單元的一整個。微透鏡122分別對應感測單元組。根據一些實施例，影像感測器10的每組感測單元可為相同的顏色。中心點140位在「相同顏色」單元組的中心。根據本揭露的一些實施例，在每組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
參照第6圖，從上視圖來看，第二深溝槽隔離結構108為方形的連續性環結構橫越每組感測單元的一整個。微透鏡122分別對應感測單元組。根據一些實施例，影像感測器10的每組感測單元可為相同的顏色。中心點140位在「相同顏色」單元組的中心。根據本揭露的一些實施例，在每組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
參照第7圖，從上視圖來看，第二深溝槽隔離結構108為圓形的連續性環結構橫越每組感測單元的一整個。微透鏡122分別對應感測單元組。根據一些實施例，影像感測器10的每組感測單元可為相同的顏色。中心點140位在「相同顏色」單元組的中心。根據本揭露的一些實施例，在每組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
第8A～8F圖是根據本揭露的其他實施例，具有各種設計的影像感測器20的上視圖。相較於第1B圖所示的影像感測器10，第二深溝槽隔離結構108可能不會存在於每組感測單元中。為了例示性目的，省略抗反射層110、彩色濾光層112、網格結構114、遮光結構116、以及頂膜124。基底102、第一深溝槽隔離結構106、第二深溝槽隔離結構108、以及微透鏡122的特徵與第1B圖所示類似，其細節將不於此重複贅述。
參照第8A圖，在四個排列成2×2的感測單元組中，第二深溝槽隔離結構108僅存在於四組感測單元的其中兩組內。舉例來說，每當綠色的感測單元組傾向比其他顏色的感測單元組強加顯著更大的串擾朝向相鄰的感測單元組時，第二深溝槽隔離結構108可能僅需要設置於綠色的感測單元組中。中心點140位在「相同顏色」單元組的中心。根據本揭露的一些實施例，在每組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108（若存在的話）相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
參照第8B圖，在四個排列成2×2的感測單元組中，第二深溝槽隔離結構108僅存在於四組感測單元的其中一組內。舉例來說，每當紅色的感測單元組傾向比其他顏色的感測單元組強加顯著更大的串擾朝向相鄰的感測單元組時，第二深溝槽隔離結構108可能僅需要設置於紅色的感測單元組中。中心點140位在「相同顏色」單元組的中心。根據本揭露的一些實施例，在每組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108（若存在的話）相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
參照第8C圖，在四個排列成2×2的感測單元組中，第二深溝槽隔離結構108僅存在於四組感測單元的其中一組內。舉例來說，每當藍色的感測單元組傾向比其他顏色的感測單元組強加顯著更大的串擾朝向相鄰的感測單元組時，第二深溝槽隔離結構108可能僅需要設置於藍色的感測單元組中。中心點140位在「相同顏色」單元組的中心。根據本揭露的一些實施例，在每組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108（若存在的話）相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
參照第8D圖，在四個排列成2×2的感測單元組中，第二深溝槽隔離結構108存在於四組感測單元的其中三組內。舉例來說，每當綠色和紅色的感測單元組傾向比其他顏色的感測單元組強加顯著更大的串擾朝向相鄰的感測單元組時，第二深溝槽隔離結構108可能需要設置於綠色和紅色的感測單元組中。中心點140位在「相同顏色」單元組的中心。根據本揭露的一些實施例，在每組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108（若存在的話）相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
參照第8E圖，在四個排列成2×2的感測單元組中，第二深溝槽隔離結構108存在於四組感測單元的其中三組內。舉例來說，每當綠色和藍色的感測單元組傾向比其他顏色的感測單元組強加顯著更大的串擾朝向相鄰的感測單元組時，第二深溝槽隔離結構108可能需要設置於綠色和藍色的感測單元組中。中心點140位在「相同顏色」單元組的中心。根據本揭露的一些實施例，在每組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108（若存在的話）相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
參照第8F圖，在四個排列成2×2的感測單元組中，第二深溝槽隔離結構108僅存在於四組感測單元的其中兩組內。舉例來說，每當紅色和藍色的感測單元組傾向比其他顏色的感測單元組強加顯著更大的串擾朝向相鄰的感測單元組時，第二深溝槽隔離結構108可能僅需要設置於紅色和藍色的感測單元組中。中心點140位在「相同顏色」單元組的中心。根據本揭露的一些實施例，在每組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108（若存在的話）相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
第9、10、11、12、13、14、15、和16圖是根據本揭露的其他實施例，具有各種設計的影像感測器30的上視圖。相較於第1B圖所示的影像感測器10，儘管每組感測單元也可包括四個感測單元排列成2×2，提供了16組感測單元並排列成4×4。換言之，總共有64個感測單元排列成8×8。在16組感測單元的4×4陣列中，具有相同顏色的每四組感測單元排列在一起成2×2。不同於影像感測器10（其每個中心點140位在每組感測單元的中心），影像感測器30的中心點140位在每四組感測單元的中心（排列成2×2陣列）。
應注意的是，影像感測器10和影像感測器20的每個中心點140位在每組感測單元內（如在每個微透鏡122之下）。然而，當排列更多組感測單元時，每個中心點140可能位在每組感測單元之外（如未在任何微透鏡122之下）。應理解的是，中心點140的位置取決於感測單元組的排列和數量，而與微透鏡122的配置無關。為了例示性目的，省略抗反射層110、彩色濾光層112、網格結構114、遮光結構116、以及頂膜124。基底102、第一深溝槽隔離結構106、第二深溝槽隔離結構108、以及微透鏡122的特徵與第1B圖所示類似，其細節將不於此重複贅述。
參照第9圖，以第1B圖的影像感測器10為基礎設計影像感測器30。影像感測器30可被視為第1B圖所示的影像感測器10的擴張，從2×2陣列的四組感測單元至4×4陣列的16組感測單元。每個中心點140位在具有相同顏色並排列成2×2陣列的每四組感測單元的中心。影像感測器30維持本揭露全文所概述的相同原則，其中在全部四組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108仍相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
參照第10圖，以第9圖的影像感測器30為基礎設計影像感測器30。相較於第9圖的影像感測器30，最靠近中心點140的第二深溝槽隔離結構108向外位移至感測單元內離中心點140最遠的角落。應注意的是，所有的第二深溝槽隔離結構108皆設置靠近感測單元內與中心點140相同遠離的角落。在修改之後，在全部四組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108仍相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
參照第11圖，以第10圖的影像感測器30為基礎設計影像感測器30。相較於第10圖的影像感測器30，移除未直接相鄰中心點140的所有感測單元內的第二深溝槽隔離結構108。在修改之後，在全部四組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108仍相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
參照第12圖，也以第10圖的影像感測器30為基礎設計影像感測器30。相較於第10圖的影像感測器30，移除未直接相鄰中心點140的一些感測單元內的第二深溝槽隔離結構108。在修改之後，在全部四組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108仍相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
參照第13圖，以第11圖的影像感測器30為基礎設計影像感測器30。相較於第11圖的影像感測器30，增加第二深溝槽隔離結構108於未直接相鄰中心點140的一些感測單元內。在修改之後，在全部四組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108仍相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
參照第14圖，以第2圖的影像感測器10為基礎設計影像感測器30。影像感測器30可被視為第2圖所示的影像感測器10的擴張，從2×2陣列的四組感測單元至4×4陣列的16組感測單元。每個中心點140位在具有相同顏色並排列成2×2陣列的每四組感測單元的中心。影像感測器30維持本揭露全文所概述的相同原則，其中在全部四組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108仍相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
參照第15圖，以第14圖的影像感測器30為基礎設計影像感測器30。相較於第14圖的影像感測器30，移除最靠近中心點140的第二深溝槽隔離結構108。在修改之後，在全部四組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108仍相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
參照第16圖，以第14圖的影像感測器30為基礎設計影像感測器30。相較於第14圖的影像感測器30，最靠近中心點140的第二深溝槽隔離結構108向外位移至感測單元內離中心點140最遠的角落。在修改之後，在全部四組感測單元內的第二深溝槽隔離結構108仍相對於中心點140為對稱的。然而，第二深溝槽隔離結構108相對於每個感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的。
除了現有的深溝槽隔離結構（其構成每個感測單元的邊界並定義其面積），可在每個感測單元內設置創新的附加深溝槽隔離結構，以阻擋可能傳播超出感測單元組的潛在光線。被附加深溝槽隔離結構阻擋的光線被迫反射回感測單元組的中心。因此，藉由進一步侷限光線於預期的感測單元組內，可消除串擾，且可減少通道不平衡的效應。再者，由於改善串擾和通道不平衡，也可提升量子效率。
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，在一或複數個實施例中，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複數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 30: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:感測部 106:（第一）深溝槽隔離結構 108:（第二）深溝槽隔離結構 110:抗反射層 112:彩色濾光層 114:網格結構 116:遮光結構 120:微透鏡材料層 122:微透鏡 124:頂膜 130:光點 140:中心點 A-A’:線段 D1:第一深度 D2:第二深度 L1:光線 L2:光線
以下將配合所附圖式詳述本揭露實施例之各面向。值得注意的是，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1B圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器的上視圖。 第2、3、4、5、6、和7圖是根據本揭露的一些實施例，具有各種設計的影像感測器的上視圖。 第8A～8F圖是根據本揭露的其他實施例，具有各種設計的影像感測器的上視圖。 第9、10、11、12、13、14、15、和16圖是根據本揭露的其他實施例，具有各種設計的影像感測器的上視圖。
10:影像感測器
102:基底
106:(第一)深溝槽隔離結構
108:(第二)深溝槽隔離結構
122:微透鏡
140:中心點
A-A’:線段

Claims (10)

  1. 一種影像感測器，包括：一感測單元；一感測部，設置於該感測單元內；以及一隔離結構，對應該感測部，包括：一第一深溝槽隔離(deep trench isolation,DTI)結構，從上視圖來看，圍繞該感測單元；以及一第二深溝槽隔離結構，被該第一深溝槽隔離結構橫向地包封，其中該第二深溝槽隔離結構位在靠近藉由該第一深溝槽隔離結構所定義的該感測單元的一角落，該第二深溝槽隔離結構相對於該感測單元內的水平中線或垂直中線為非對稱的(asymmetrical)，其中該第一深溝槽隔離結構和該第二深溝槽隔離結構彼此獨立設置。
  2. 如請求項1之影像感測器，其中該第一深溝槽隔離結構定義該感測單元的面積，其中從上視圖來看，該第二深溝槽隔離結構的面積小於該感測單元的面積的35%，且從上視圖來看，該第二深溝槽隔離結構的寬度的關鍵尺寸小於180nm。
  3. 如請求項1之影像感測器，其中兩個或更多個該感測單元構成一組感測單元，其中從上視圖來看，該組感測單元具有一中心點，而該組感測單元的兩個或更多個該第二深溝槽隔離結構相對於該中心點為對稱的。
  4. 如請求項1之影像感測器，其中兩個或更多個該感測單元構成一組感測單元，更包括：一微透鏡，對應設置於該組感測單元上；以及 一頂膜，順應性地設置於該微透鏡上，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。
  5. 如請求項1之影像感測器，其中兩個或更多個該感測單元構成一組感測單元，更包括：一彩色濾光層，設置於兩個或更多個該感測部上；一網格結構，橫向地圍繞該組感測單元的該彩色濾光層；以及一遮光結構，埋入於該網格結構內。
  6. 如請求項1之影像感測器，其中兩個或更多個該感測單元構成一組感測單元，其中從上視圖來看，該第二深溝槽隔離結構為一連續性環形橫越該組感測單元，其中該連續性環形為圓形、方形、或菱形。
  7. 如請求項1之影像感測器，其中從上視圖來看，該第二深溝槽隔離結構為矩形、方形、弧形、或L形，其中該第二深溝槽隔離結構的折射率係介於1.3和2.5之間。
  8. 如請求項1之影像感測器，其中該第二深溝槽隔離結構由該角落延伸朝向該感測單元的至少一個鄰近角落或一對角角落。
  9. 如請求項1之影像感測器，其中該感測部和該隔離結構埋入於一基底內。
  10. 如請求項9之影像感測器，其中該第一深溝槽隔離結構具有一第一深度延伸進入該基底中，而該第二深溝槽隔離結構具有一第二深度延伸進入該基底中，其中該第一深度大於該第二深度，且該第二深度小於1μm。
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