TWI840126B - 光學裝置 - Google Patents

光學裝置 Download PDF

Info

Publication number
TWI840126B
TWI840126B TW112105460A TW112105460A TWI840126B TW I840126 B TWI840126 B TW I840126B TW 112105460 A TW112105460 A TW 112105460A TW 112105460 A TW112105460 A TW 112105460A TW I840126 B TWI840126 B TW I840126B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
layer
color filter
units
metasurface
optical device
Prior art date
Application number
TW112105460A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202425365A (zh
Inventor
王俊元
王柏翔
吳翰林
蔡鴻仁
Original Assignee
采鈺科技股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 采鈺科技股份有限公司 filed Critical 采鈺科技股份有限公司
Application granted granted Critical
Publication of TWI840126B publication Critical patent/TWI840126B/zh
Publication of TW202425365A publication Critical patent/TW202425365A/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/11—Anti-reflection coatings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14621—Colour filter arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627—Microlenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14629—Reflectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14645—Colour imagers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Optical Filters (AREA)
  • Surface Treatment Of Optical Elements (AREA)

Abstract

本揭示內容提供一種光學裝置。光學裝置包含光電轉換層、抗反射層、下伏層、底部超穎表面以及頂部超穎表面。光電轉換層包含複數個光電二極體。抗反射層設置於光電轉換層上。下伏層設置於抗反射層上方。底部超穎表面設置於下伏層上，且包含複數個底部超穎單元以及位於底部超穎單元之間的填充物，其中填充物從下伏層連續地延伸，且填充物的材料相同於下伏層的材料。頂部超穎表面設置於底部超穎表面上方，且包含數個頂部超穎單元以及複數個空氣凹槽，其中空氣凹槽分別設置於兩個相鄰的頂部超穎單元之間。

Description

光學裝置
本揭示內容是關於一種光學裝置，且特別是關於一種具有多層超穎表面的光學裝置。
隨著半導體裝置的技術發展，對於更小尺寸的互補式金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor；CMOS)影像感測器(也可稱為CIS)的需求也越來越高。在CIS中，光學裝置中元件的排列和尺寸會影響光的焦距，而光的焦距會進一步影響元件的厚度。另外，不同波長的光也適用於不同類型的光學裝置。因此，需要一種厚度更小的光學裝置來縮短光的焦距。
本揭示內容提供一種光學裝置。光學裝置包含光電轉換層、抗反射層、下伏層、底部超穎表面以及頂部超穎表面。光電轉換層包含複數個光電二極體。抗反射層設置於光電轉換層上。下伏層設置於抗反射層上方。底部超穎表面設置於下伏層上，且包含複數個底部超穎單元以及位於底部超穎單元之間的填充物，其中填充物從下伏層連續地延伸，且填充物的材料相同於下伏層的材料。頂部超穎表面設置於底部超穎表面上方，且包含數個頂部超穎單元以及複數個空氣凹槽，其中空氣凹槽分別設置於兩個相鄰的頂部超穎單元之間。
在一些實施方式中，下伏層從底部超穎單元的底表面至抗反射層的頂表面的高度是基於以下方程式來計算： 其中h為下伏層從底部超穎單元的底表面至抗反射層的頂表面的高度，ht為下伏層的理論高度，p為像素尺寸，其中像素尺寸是由兩個相鄰的深溝槽隔離之間的距離所定義，n為下伏層的折射率，λ 0為通過頂部超穎表面和底部超穎表面的光的設計波長帶的中心波長。
在一些實施方式中，光學裝置更包含設置於抗反射層和下伏層之間的彩色濾光層。彩色濾光層包含複數個彩色濾光片，每個彩色濾光片對應於一個或兩個光電二極體，且下伏層的高度為從底部超穎單元的底表面至彩色濾光層的頂表面。
在一些實施方式中，彩色濾光層包含第一彩色濾光片、第二彩色濾光片以及第三彩色濾光片。多個底部超穎單元設置於第一彩色濾光片和第二彩色濾光片上方，而沒有設置於第三彩色濾光片上方。
在一些實施方式中，頂部超穎表面的有效折射率在1.3至1.6的範圍內，底部超穎單元的折射率在1.4至2.6的範圍內，下伏層的折射率在1.2至1.8的範圍內，且底部超穎單元的折射率大於下伏層的折射率。
在一些實施方式中，光學裝置中的頂部超穎表面更包含覆蓋層，覆蓋層共形且連續地襯於頂部超穎單元以及空氣凹槽上，其中空氣凹槽保留在頂部超穎表面中。
在一些實施方式中，頂部超穎單元的折射率在1.4至2.6的範圍內，覆蓋層的折射率在1.4至1.6的範圍內，且頂部超穎單元的折射率不同於覆蓋層的折射率。
在一些實施方式中，頂部超穎表面相對於底部超穎表面具有總體偏移。
在一些實施方式中，頂部超穎表面的頂部超穎單元具有內部偏移，內部偏移包含負向偏移和正向偏移。
在一些實施方式中，光學裝置更包含設置於頂部超穎表面和底部超穎表面之間的中部超穎表面，其中中部超穎表面包含複數個中部超穎單元，多個中部超穎單元排列成第一層和第二層，第一層連接頂部超穎單元，第二層連接底部超穎表面，且第一層和第二層被下伏層隔開。
在一些實施方式中，光學裝置更包含彩色濾光層和內部間隔層，其中彩色濾光層設置於光電轉換層和下伏層之間，內部間隔層連續地設置於底部超穎單元和頂部超穎單元之間。
在一些實施方式中，彩色濾光層包含複數個彩色濾光片且每個彩色濾光片對應於四個光電二極體，且下伏層從底部超穎單元的底表面至彩色濾光層的頂表面的高度是基於以下方程式來計算： 其中h為下伏層從底部超穎單元的底表面至彩色濾光層的頂表面的高度，ht為下伏層的理論高度，p為像素尺寸，其中像素尺寸是由兩個相鄰的深溝槽隔離之間的距離所定義，n為下伏層的折射率，λ 0為通過頂部超穎表面和底部超穎表面的光的設計波長帶的中心波長。
在一些實施方式中，彩色濾光層包含第一彩色濾光片、第二彩色濾光片以及第三彩色濾光片。多個底部超穎單元設置於第一彩色濾光片、第二彩色濾光片以及第三彩色濾光片上方。多個頂部超穎單元設置於第一彩色濾光片和第二彩色濾光片上方，而沒有設置於第三彩色濾光片上方。
在一些實施方式中，彩色濾光層包含第一彩色濾光片和第二彩色濾光片，位於第一彩色濾光片上方的光電二極體沿著第一方向延伸並沿著第二方向排列，位於第二彩色濾光片上方的光電二極體沿著第二方向延伸並沿著第一方向排列，其中該第二方向實質上垂直於該第一方向。
在一些實施方式中，每個底部超穎單元的對稱軸錯位於每個頂部超穎單元的對稱軸。
在一些實施方式中，底部超穎單元排列成一層，且多個底部超穎單元連接多個頂部超穎單元。
在一些實施方式中，底部超穎單元的折射率在1.4至2.6的範圍中，頂部超穎單元的折射率在1.4至2.6的範圍中，且底部超穎單元的折射率相同於頂部超穎單元的折射率。
在一些實施方式中，內部間隔層的折射率相同於底部超穎單元的折射率或是頂部超穎單元的折射率。
在一些實施方式中，內部間隔層的折射率不同於底部超穎單元的折射率以及頂部超穎單元的折射率。
在一些實施方式中，每個底部超穎單元的寬度在70 nm至500 nm的範圍內，每個頂部超穎單元的寬度在70 nm至500 nm的範圍內，每個底部超穎單元的高度在50 nm至500 nm的範圍內，每個頂部超穎單元的高度在50 nm至500 nm的範圍內，且內部間隔層的高度在0至500 nm的範圍內。
以下揭示提供許多不同實施方式或實施例，用於實現本揭示內容的不同特徵。以下敘述部件與佈置的特定實施方式，以簡化本揭示內容。這些當然僅為實施例，並且不是意欲作為限制。舉例而言，在隨後的敘述中，第一特徵在第二特徵上方或在第二特徵上的形成，可包括第一特徵及第二特徵形成為直接接觸的實施方式，亦可包括有另一特徵可形成在第一特徵及第二特徵之間，以使得第一特徵及第二特徵可不直接接觸的實施方式。此外，本揭示內容可能會在不同的實例中重複標號及/或文字。重複的目的是為了簡化及明確敘述，而非界定所討論之不同實施方式及/或配置間的關係。
將理解的是，儘管這裡可以使用「第一」、「第二」等術語來描述各種元件，但是這些元件不應受到這些術語的限制。這些術語僅用於將一個元件與另一個元件區分開來。例如，在不脫離實施方式的範疇的情況下，第一元件可以被稱為第二元件，並且類似地，第二元件可以被稱為第一元件。如本文所使用的，術語「及/或」包括一個或多個相關列出的項目的任何和所有組合。
除此之外，空間相對用語如「下面」、「下方」、「低於」、「上面」、「上方」及其他類似的用語，在此是為了方便描述圖中的一個元件或特徵和另一個元件或特徵的關係。空間相對用語除了涵蓋圖中所描繪的方位外，該用語更涵蓋裝置在使用或操作時的其他方位。該裝置可以其他方位定向(旋轉90度或在其他方位)，並且本文使用的空間相對描述同樣可以相應地解釋。
在CIS領域中，光學裝置中的元件之配置和尺寸會影響光的焦距，進而影響光學裝置的厚度和性能。本揭示內容提供了一種堆疊在CIS上具有混合介電環境的多層超穎複合表面(multilayer meta-surfaces)以縮短光的焦距。本揭示的光學裝置可以通過調整相位差來縮短光的焦距。相位差由具有不同折射率的不同材料來調和。光通過具有不同折射率的不同材料(混合介電環境)之後，光的能量傾向於聚焦在更小的距離上，以減小光的焦距。因此，可以減少本揭示內容的光學裝置的下伏層的厚度，而減小光學裝置的整體尺寸並提高光學裝置的性能。
第1圖為根據本揭示內容之一實施方式的光學裝置100之剖面示意圖。光學裝置100包含光電轉換層110、彩色濾光層120、下伏層130、底部超穎表面(bottom meta layer) BML、頂部超穎表面(top meta layer) TML以及抗反射層170。光電轉換層110包含複數個光電二極體(photodiode；PD) 112以及複數個深溝槽隔離(deep trench isolation；DTI) 114。DTI 114將每個光電二極體112分開。抗反射層170設置於光電轉換層110上。彩色濾光層120設置於抗反射層170上。下伏層130設置於彩色濾光層120上。底部超穎表面BML包含複數個底部超穎單元(meta unit)140以及位於複數個底部超穎單元140之間的填充物F1。填充物F1從下伏層130連續地延伸(沿著方向Z)，如第1圖所示。填充物F1的材料相同於下伏層130的材料。頂部超穎表面TML設置於底部超穎表面BML上方。頂部超穎表面TML包含複數個頂部超穎單元152以及複數個空氣凹槽154，其中複數個空氣凹槽154分別設置於兩個相鄰的頂部超穎單元152之間。
在一些實施方式中，頂部超穎表面TML的有效折射率(effective index)小於底部超穎單元140的折射率。在一些實施方式中，底部超穎單元140的折射率大於下伏層130的折射率。在一些實施方式中，頂部超穎單元152的折射率在1.4至1.7的範圍內，諸如1.45、1.5、1.55、1.6或1.65。在一些實施方式中，頂部超穎表面TML的有效折射率在1.3至1.6的範圍內，諸如1.35、1.4、1.45、1.5或1.55。應理解的是，這裡的「有效折射率」是由頂部超穎單元152的折射率以及空氣凹槽154的折射率計算而得的平均值。在一些實施方式中，底部超穎單元140的折射率在1.4至2.6的範圍內，諸如1.8、2、2.2或2.4。在一些實施方式中，下伏層130的折射率在1.2至1.8的範圍內，諸如1.3、1.4、1.5、1.6或1.7。
如第1圖所示，彩色濾光層120設置於抗反射層170和下伏層130之間。像素尺寸p由兩個相鄰的DTI 114之間的距離所決定。像素尺寸p可以理解為像素長度或像素寬度。下伏層130從底部超穎單元140的底表面140s至彩色濾光層120的頂表面120s的高度h是基於以下方程式來計算： 其中ht為下伏層130的理論高度，p為像素尺寸，n為下伏層130的折射率，λ 0為通過頂部超穎表面TML和底部超穎表面BML的光L的設計波長帶的中心波長。在一實施方式中，λ 0= 530 nm，n = 1.45，p = 0.8 µm，所以理論高度ht為1.66 µm。在本揭示內容的一些實施方式中，像素尺寸p為0.8 µm，且高度h在0.25 nm至0.6 nm的範圍內。
第2圖為第1圖中的光學裝置100之另一剖面示意圖。第3圖為第1圖和第2圖中的光學裝置100的彩色濾光層120以及頂部超穎表面TML之上視圖。第4圖為第1圖和第2圖中的光學裝置100的彩色濾光層120以及底部超穎單元140之上視圖。詳細來說，第3圖是沿著第1圖中的光學裝置100的頂部超穎表面TML的線A-A’所截取之上視圖，其中為了清楚起見示出了彩色濾光層120。第4圖是沿著第1圖以及第2圖中的光學裝置100的底部超穎單元140的線B-B’以及線C-C’所截取之上視圖，其中為了清楚起見示出了彩色濾光層120。
如第1圖至第3圖所示，頂部超穎單元152包含頂部超穎單元152b、152c1、152c4。頂部超穎單元152b、152c1、152c4沿著方向X和方向Y排列，並沿著方向Z延伸。可以理解的是，頂部超穎單元152b中的符號「b」代表設置於彩色濾光片(諸如第3圖中所示的彩色濾光片121~124)的邊界上方的頂部超穎單元。頂部超穎單元152c1、152c4中的符號「c」代表設置於彩色濾光片(諸如第3圖中所示的彩色濾光片121~124)的中心上方的頂部超穎單元，而「152c」後面的數字對應彩色濾光片121~124符號中最後一位數字。舉例來說，如第3圖中所示，頂部超穎單元152c1對應於彩色濾光片121，頂部超穎單元152c4對應於彩色濾光片124。如第1圖、第2圖以及第4圖所示，底部超穎單元140包含底部超穎單元141、142、144，而底部超穎單元141、142、144的符號「14」後面的數字對應彩色濾光片121、122、124符號中最後一位數字。底部超穎單元141、142、144沿著方向X和方向Y排列，並沿著方向Z延伸。
請參考第1圖和第3圖。彩色濾光層120包含複數個彩色濾光片，諸如彩色濾光片121~124。每個彩色濾光片121~124被隔離格柵125分開。每個隔離格柵125包含金屬格柵126，且金屬格柵126的材料可包含吸收材料或是金屬，諸如W、TiN、Cu或Al。在一些實施方式中，彩色濾光片121~124彼此不相同。在一些實施方式中，彩色濾光片121相同於彩色濾光片124。在一些實施方式中，每個彩色濾光片121~124可為綠色、紅色、藍色、白色、黃色、青色(cyan)、洋紅色(magenta)或其他像素。在一些實施方式中，彩色濾光片121、124為綠色像素，彩色濾光片122為紅色像素，彩色濾光片123為藍色像素。
如第1圖和第2圖所示，每個彩色濾光片(彩色濾光片121~124)對應一個光電二極體112。如第1圖至第3圖所示，頂部超穎單元152c1對應彩色濾光片121的中心，頂部超穎單元152c4對應彩色濾光片124的中心，且頂部超穎單元152b對應彩色濾光片121~124之間的邊界。在一些實施方式中，一些頂部超穎單元(諸如頂部超穎單元152c1、152c4、152b)設置於彩色濾光片121、122、124上方，而沒有設置於彩色濾光片123上方，如第3圖所示。
如第1圖和第4圖所示，底部超穎單元141對應彩色濾光片121的中心，底部超穎單元142對應於彩色濾光片122的中心。如第2圖和第4圖所示，底部超穎單元144對應彩色濾光片124的中心。可調整頂部超穎單元152和底部超穎單元140的數量和尺寸以減少下伏層130的高度h。在一些實施方式中，一些底部超穎單元(諸如底部超穎單元141、142、144)設置於彩色濾光片121、122、124上方，而沒有設置於彩色濾光片123上方，如第4圖所示。
請再參考第1圖。在一些實施方式中，光學裝置100更包含設置於頂部超穎表面TML和底部超穎單元140之間的內部間隔層S。在一些實施方式中，內部間隔層S的折射率相同於底部超穎單元140的折射率。在一些實施方式中，根據光學裝置100製程，內部間隔層S的可不同於底部超穎單元140的折射率。在一些實施方式中，根據光學裝置100的製程，光學裝置100中沒有內部間隔層S。
第5圖為第1圖中的光學裝置100之一替代的實施方式的光學裝置100a之剖面示意圖。光學裝置100a的頂部超穎表面TML更包含覆蓋層510。覆蓋層510共形且連續地襯於頂部超穎單元152 (包含頂部超穎單元152c1、152c4、152b)以及空氣凹槽154上，其中複數個空氣凹槽154分別設置於兩個相鄰的頂部超穎單元152之間。詳細來說，頂部超穎單元152c1設置於兩個相鄰的頂部超穎單元152b之間。換句話說，空氣凹槽154保留在頂部超穎表面TML中。覆蓋層510配置以保護頂部超穎單元152。在一些實施方式中，覆蓋層510的折射率在1.4至1.6的範圍內，諸如1.45、1.5或1.55。在一些實施方式中，頂部超穎單元152的折射率不同於覆蓋層510的折射率。在一些實施方式中，頂部超穎單元152可由氧化物或氮化物製成。
相同或相似的特徵標示為相同或相似的元件符號，並且相同或相似的特徵之描述在以下附圖中不再重複。應理解的是，為了清楚起見，一些元件(例如，光L)未在以下附圖中繪示出。
第6圖為根據本揭示內容之一實施方式的光學裝置600之剖面示意圖。第6圖的光學裝置600與第5圖的光學裝置100a之間的差異在於，底部超穎單元140、頂部超穎單元152以及頂部超穎單元160的數量和配置。
第7圖為第6圖中的光學裝置600的彩色濾光層120以及頂部超穎單元160之上視圖。第8圖為第6圖中的光學裝置600的彩色濾光層120以及底部超穎單元140之上視圖。詳細來說，第7圖是沿著第6圖中的光學裝置600的頂部超穎單元160的線D-D’所截取之上視圖，第8圖是沿著第6圖中的光學裝置600的底部超穎單元140的線E-E’ 所截取之上視圖，其中為了清楚起見示出了彩色濾光層120。
如第6圖和第7圖所示，頂部超穎單元160包含頂部超穎單元161~164、160b。可以理解的是，頂部超穎單元161~164的符號「16」後面的數字對應彩色濾光片121~124符號中最後一位數字。頂部超穎單元161~164分別設置於彩色濾光片121~124上方。頂部超穎單元160b中的符號「b」代表設置於彩色濾光片121~124的邊界上方的頂部超穎單元。頂部超穎單元161~164、160b沿著方向X和方向Y排列，並沿著方向Z延伸。
如第6圖和第8圖所示，底部超穎單元140包含底部超穎單元141、142、144、140b。可以理解的是，底部超穎單元141、142、144的符號「14」後面的數字對應彩色濾光片121、122、124符號中最後一位數字。底部超穎單元141、142、144設置於彩色濾光片121、122、124上方。底部超穎單元140b中的符號「b」代表設置於彩色濾光片121~124的邊界上方的底部超穎單元。如第8圖所示，一些底部超穎單元(諸如底部超穎單元141、142、144)設置於彩色濾光片121、122、124上方，而沒有設置於彩色濾光片123上方。
如第6圖所示，光學裝置600包含設置於底部超穎單元140上方的頂部超穎單元160，其中覆蓋層510共形且連續地襯於頂部超穎單元160 (包含頂部超穎單元161、162、160b)上。詳細來說，覆蓋層510覆蓋頂部超穎單元160的頂表面和側壁。內部間隔層S連續地設置於底部超穎單元141、142、140b以及頂部超穎單元161、162、160b之間，如第6圖所示。複數個空氣凹槽154分別設置於兩個相鄰的頂部超穎單元160之間。詳細來說，頂部超穎單元161設置於兩個相鄰的頂部超穎單元160b之間，頂部超穎單元162也設置於兩個相鄰的頂部超穎單元160b之間。請參考第6圖至第8圖，彩色濾光片121的對稱軸對齊於底部超穎單元141的對稱軸以及頂部超穎單元161的對稱軸。應理解的是，空氣凹槽154與頂部超穎單元160或覆蓋層510中的至少一者之組合可稱為「混合介電環境」。在第6圖的實施方式中，頂部超穎表面TML為內部間隔層S、頂部超穎單元160、覆蓋層510以及空氣凹槽154之組合。底部超穎表面BML為底部超穎單元140以及填充物F1之組合。
在一些實施方式中，頂部超穎單元160的折射率在1.4至2.6的範圍內，諸如1.8、2、2.2或2.4。在一些實施方式中，底部超穎單元140的折射率相同於頂部超穎單元160的折射率。在一些實施方式中，頂部超穎單元160及/或底部超穎單元140可由以下材料製成，例如Al 2O 3、SiO 2、TiO 2、Ta 2O 5、SiN、透明有機材料或其組合。在一些實施方式中，每個底部超穎單元140的寬度在70 nm至500 nm的範圍內，諸如100、200、300或400 nm。在一些實施方式中，每個頂部超穎單元160的寬度在70 nm至500 nm的範圍內，諸如100、200、300或400 nm。在一些實施方式中，每個底部超穎單元140的寬度可大於、等於、或小於每個頂部超穎單元160的寬度。在一些實施方式中，每個底部超穎單元140的高度在50 nm至500 nm的範圍內，諸如100、200、300或400 nm。在一些實施方式中，每個頂部超穎單元160的高度在50 nm至500 nm的範圍內，諸如100、200、300、或400 nm。在一些實施方式中，內部間隔層S的高度在0至500 nm的範圍內，諸如50、100、200、300或400 nm。在一些實施方式中，覆蓋層510 (請參考第5圖和第6圖)的厚度在20 nm至150 nm的範圍內，諸如50、80、100、120或140 nm。
請參考第6圖，頂部超穎表面TML以及底部超穎表面BML具有相位調整層的功能。頂部超穎表面TML具有光L的光接收面。光L通過頂部超穎表面TML (包含覆蓋層510、空氣凹槽154和頂部超穎單元160)以及底部超穎表面BML (包含底部超穎單元140和填充物F1)，從而逐漸調整相位差。詳細來說，由於空氣(即空氣凹槽154)、覆蓋層510、頂部超穎單元160、底部超穎單元140以及下伏層130的折射率不同，因此可以提供足夠之具有不同折射率的界面以調整相位差。換句話說，當超穎表面的數量越多，光L的焦距可能越短，得以減少本揭示的光學裝置的下伏層130的厚度(高度h)，高度h即底部超穎單元140的底表面140s至彩色濾光層120的頂表面120s (或是至抗反射層170的頂表面170s，如第21圖所示)。每個超穎表面(諸如頂部超穎表面TML、下方將討論的中部超穎表面(middle meta layer) MML、底部超穎表面BML)的梯度∆n可有效且更平滑地改變相位，並最終縮短光L的焦距。∆n由 所定義， 為有效折射率。舉例來說，混合介電環境是由空氣凹槽154和覆蓋層510組成，且混合介電環境的有效折射率介於1和頂部超穎單元(即第6圖中的的頂部超穎單元160或是第5圖中的頂部超穎單元152)的折射率之間。
請參考第6圖，在具有頂部超穎單元160的實施方式中，當計算下伏層130的高度h時，λ 0為光L通過頂部超穎表面TML和底部超穎表面BML的設計波長帶的中心波長。
第9圖為根據本揭示內容之一實施方式的光學裝置900之剖面示意圖。第9圖的光學裝置900與第6圖的光學裝置600之間的差異在於底部超穎單元140的配置。第10圖為第9圖中的光學裝置900的彩色濾光層120以及底部超穎單元140之上視圖。詳細來說，第10圖是沿著第9圖的光學裝置900的底部超穎單元140的線F-F’所截取之上視圖，其中為了清楚起見示出了彩色濾光層120。
更詳細來說，第9圖中的底部超穎單元142A取代了第6圖中的底部超穎單元142，底部超穎單元142A的尺寸大於底部超穎單元142的尺寸。第9圖中的底部超穎單元140bf取代了第6圖中的底部超穎單元140b。可以理解的是，底部超穎單元140bf中的「f」代表「偏移(offset)」的意思。如第9圖所示，彩色濾光片122的對稱軸對齊於底部超穎單元142A的對稱軸。如第9圖和第10圖所示，每個底部超穎單元140bf設置於彩色濾光片121、122、124之間的邊界上方並偏移一距離D。更詳細來說，基於底部超穎單元142A的中心，如果入射光為法線方向，則每個底部超穎單元140bf在方向X和方向Y上偏移相同的距離D，如第10圖所示。在第10圖的實施例可以稱為「內部偏移(inner shift)」，且內部偏移可包含「負向偏移」和「正向偏移」。可以理解的是，負向偏移相對於正向偏移。舉例來說，其中一個底部超穎單元140bf向左偏移，而另一個底部超穎單元140bf向右偏移。類似地，其中一個底部超穎單元140bf向上偏移，而另一個底部超穎單元140bf向下偏移。
第11圖為根據本揭示內容之一實施方式的光學裝置1100之剖面示意圖。第11圖的光學裝置1100與第6圖的光學裝置600之間的差異包含底部超穎單元140的數量。第12圖為第11圖中的光學裝置1100的彩色濾光層120以及頂部超穎單元160之上視圖。第13圖為第11圖中的光學裝置1100的彩色濾光層120以及底部超穎單元140之上視圖。詳細來說，第12圖是沿著第11圖中的光學裝置1100的頂部超穎單元160的線G-G’所截取之上視圖，第13圖是沿著第11圖中的光學裝置1100的底部超穎單元140的線H-H’之上視圖，其中為了清楚起見示出了彩色濾光層120。
可以理解的是，頂部超穎單元160以及底部超穎單元140的數量和尺寸可根據光學裝置的需要進行調整，以減少下伏層130的高度h。如第11圖所示，頂部超穎單元160的尺寸相同於底部超穎單元140的尺寸。
如第12圖所示，一些頂部超穎單元(諸如頂部超穎單元161、162、164、160b)設置於彩色濾光片121、122、124上方，而沒有設置於彩色濾光片123上方。如第13圖所示，底部超穎單元141~144分別設置於彩色濾光片121~124上方。
第14A圖為根據本揭示內容之一實施方式的光學裝置1400之剖面示意圖。光電轉換層110、彩色濾光層120、底部超穎表面BML以及頂部超穎表面TML全部都偏移。可以理解的是，當某一層相對於另一層移動時，可以稱為「總體偏移(global shift)」。因此，彩色濾光片121下方的光電二極體112的對稱軸、彩色濾光片121的對稱軸、底部超穎單元141的對稱軸以及頂部超穎單元161的對稱軸彼此錯位。類似地，底部超穎單元142的對稱軸錯位於頂部超穎單元162的對稱軸。在一些替代的實施方式中，底部超穎表面BML中的每個底部超穎單元140可具有額外的偏移。類似地，頂部超穎表面TML中的每個頂部超穎單元160也可具有額外的偏移，請參考下方第14B圖的敘述。
第14B圖為第14A圖中的光學裝置1400之一變化的實施方式的彩色濾光層120以及頂部超穎單元160之上視圖。第14A圖和第14B圖的中線Mb1、Mb2、Mb3分別代表第14A圖的頂部超穎單元160b1、160b2、160b3的中線。第14A圖和第14B圖的中線M1、M2分別代表第14A圖的頂部超穎單元161、162的中線。如第14B圖所示，每個頂部超穎單元161、162、164、160b偏移不同量的距離。詳細來說，頂部超穎單元160b1具有偏移距離d1，頂部超穎單元161具有偏移距離d2，頂部超穎單元160b2沒有偏移，頂部超穎單元162具有偏移距離d3，且頂部超穎單元160b3具有偏移距離d4。偏移距離d1~d4可以彼此相同或不同。由於第14B圖中的頂部超穎單元160之偏移在頂部超穎表面TML中，因此，在第14B圖的實施方式中可以稱為「內部偏移」。更詳細來說，頂部超穎單元160b1可以稱為「負向偏移」，且每個頂部超穎單元161、162、160b3可以稱為「正向偏移」。
第15圖為根據本揭示內容之一實施方式的光學裝置1500之剖面示意圖。第16圖為第15圖中的光學裝置1500的彩色濾光層120之上視圖。第15圖的光學裝置1500與第6圖的光學裝置600之間的差異在於光電二極體112的數量。詳細來說，每個彩色濾光片121~124對應四個光電二極體112 (quad photodiode；QPD)，如第16圖所示。像素尺寸p (包含像素長度或像素寬度)也是由兩個相鄰的DTI 114之間的距離所決定。在光學裝置1500的實施方式中，下伏層130從底部超穎單元140的底表面140s至彩色濾光層120的頂表面120s的高度h是基於以下方程式來計算： 其中ht為下伏層130的理論高度，p為像素尺寸，n為下伏層130的折射率，λ 0為通過頂部超穎表面TML以及底部超穎表面BML的光L的設計波長帶的中心波長。
請再參考第6圖、第9圖、第11圖、第14A圖以及第15圖。光學裝置600、900、1100、1400、1500中的底部超穎單元140沿著方向X和方向Y排列成一層，且底部超穎單元140連接頂部超穎單元160。
第17A圖和第17B圖為根據本揭示內容之一些實施方式的光學裝置1700A、1700B之剖面示意圖。光電轉換層110更包含複數個內部深溝槽隔離(deep trench isolation；DTI) 113以將兩個光電二極體112 (dual photodiode；DPD)分開。第17A圖的光學裝置1700A與第6圖的光學裝置600之間的差異在於內部DTI 113以及光電二極體112的數量。第17A圖的光學裝置1700A與第17B圖的光學裝置1700B之間的差異在於內部DTI 113。如第17A圖所示，內部DTI 113和DTI 114將每個光電二極體112分開。值得注意的是，每個內部DTI 113設置於兩個相鄰的DTI 114之間，因此，DTI 114也可稱為「外部DTI 114」。如第17B圖所示，沒有內部DTI 113設置於外部DTI 114之間，兩個光電二極體112設置於兩個相鄰的外部DTI 114之中。
第17C圖為第17A圖和第17B圖中的光學裝置1700A、1700B的彩色濾光層120之上視圖，其中示出了光電二極體112。詳細來說，每個彩色濾光片121~124對應兩個光電二極體112 (DPD)，其中像素尺寸p (包含像素長度或像素寬度)是由兩個相鄰的外部DTI 114之間的距離所決定。
第18A圖和第18B圖為根據本揭示內容之一些實施方式的光學裝置1800A、1800B之剖面示意圖。詳細來說，第17A圖的光學裝置1700A與第18A圖的光學裝置1800A之間的差異在於，彩色濾光片121下方的光電二極體112之配置。類似地，第17B圖光學裝置1700B與第18B圖的光學裝置1800B之間的差異在於，彩色濾光片121下方的光電二極體112之配置。
第18C圖為第18A圖和第18B圖中的光學裝置1800A、1800B的彩色濾光層120之上視圖，其中示出了光電二極體112。第17C圖與第18C圖之間的差異在於彩色濾光片121下方的光電二極體112之配置。詳細來說，如第17C圖所示，彩色濾光片121、122、123、124上方所有的光電二極體112皆沿著方向Y延伸並沿著方向X排列。如第18C圖所示，彩色濾光片121上方的光電二極體112沿著方向X延伸並沿著方向Y排列，而彩色濾光片122、123、124上方的光電二極體112沿著方向Y延伸並沿著方向X排列。在第18C圖中，可以理解的是，彩色濾光片121~124中的每一者也對應兩個光電二極體112 (DPD)，其中像素尺寸p (包含像素長度或像素寬度) 是由兩個相鄰的外部DTI 114之間的距離所決定。
第17A圖至第17C圖以及第18A圖至第18C圖的實施方式中，下伏層130從底部超穎單元140的底表面140s至彩色濾光層120的頂表面120s的高度h是基於以下方程式來計算： 其中ht為下伏層130的理論高度，p為像素尺寸，n為下伏層130的折射率，λ 0通過頂部超穎表面TML以及底部超穎表面BML的光L的設計波長帶的中心波長。
第19圖為根據本揭示內容之一些實施方式的光學裝置1900之剖面示意圖。第19圖的光學裝置1900與第6圖的光學裝置600之間的差異包含超穎表面的數量(包含頂部超穎表面TML、中部超穎表面MML以及底部超穎表面BML)。中部超穎表面MML設置於頂部超穎表面TML和底部超穎表面BML之間。中部超穎表面MML包含複數個中部超穎單元180，且中部超穎單元180的材料相同於頂部超穎單元160及/或底部超穎單元140的材料。詳細來說，空氣凹槽154設置於中部超穎單元180上方。底部超穎單元140、中部超穎單元180以及頂部超穎單元160的圖樣(配置)可以相同也可以不同。
第20圖為根據本揭示內容之一些實施方式的光學裝置2000之剖面示意圖。光學裝置2000包含頂部超穎表面TML、中部超穎表面MML以及底部超穎表面BML。中部超穎表面MML包含中部超穎單元180並排列成第一層L1和第二層L2。光學裝置2000中的中部超穎單元180沿著方向X排列。在此實施方式中，底部超穎表面BML可稱為第三層L3。如第20圖所示，第一層L1 (中部超穎單元180)連接頂部超穎單元160，第二層L2 (中部超穎單元180)連接第三層L3 (即底部超穎表面BML)，第一層L1與第二層L2被下伏層130a隔開。在第20圖的實施方式中，下伏層130a設置於第一層L1和第二層L2之間。下伏層130a的材料相同於下伏層130的材料。中部超穎單元180的材料相同於頂部超穎單元160及/或底部超穎單元140的材料。底部超穎單元140、中部超穎單元180以及頂部超穎單元160的圖樣(配置)可以相同也可以不同。
第21圖剖面示意圖為根據本揭示內容之一些實施方式的光學裝置2100之剖面示意圖。第21圖的光學裝置2100與第20圖的光學裝置2000相似，但超穎單元的圖樣(配置)不相同。詳細來說，第20圖與第21圖的底部超穎單元140的圖樣不同，第20圖與第21圖的中部超穎單元180的圖樣不同，第20圖與第21圖的頂部超穎單元160的圖樣不同。此外，如第21圖所示，光學裝置2100沒有彩色濾光層120。在第21圖的實施方式中，下伏層130從第三層L3 (底部超穎單元140)的底表面140s至抗反射層170的頂表面170s的高度h是基於上方所述的方程式來計算，其中像素尺寸p是由兩個相鄰的DTI 114之間的距離所決定。可以理解的是，儘管第21圖所示的光學裝置2100為一個光電二極體112對應一個彩色濾光片(彩色濾光片121、122)，但是在其他實施方式中，也可應用於四個光電二極體112 (QPD) (即，四個光電二極體112對應一個彩色濾光片，如第15圖和第16圖所示)。可以調整第20圖中的光學裝置2000與第21圖中的光學裝置2100的每一層(即，第一層L1、第二層L2以及第三層L3)之數量和尺寸，以實現減少下伏層130的高度h。
第22A圖至第22G圖為製造第6圖中的光學裝置600於各個階段中的剖面示意圖。可以理解的是，對於此製程的額外實施方式，可以在第22A圖至第22G圖所示的製程之前、期間、或之後提供額外的操作，並且可以替換或消除下面描述的一些操作。也可以置換操作/製程的順序。
如第22A圖所示，提供一種堆疊裝置，此堆疊裝置具有光電轉換層110、抗反射層170、彩色濾光層120以及下伏層130的材料層。如第22A圖和第22B圖所示，將具有複數個開口的圖案化的光阻遮罩PR1形成於下伏層130上。如第22B圖和第22C圖所示，利用圖案化的光阻遮罩PR1執行蝕刻製程，以形成具有多個開口的圖案的下伏層130。如第22C圖和第22D圖所示，將底部超穎單元140的材料層填充於下伏層130的開口，之後執行化學機械平坦化製程。
如第22D圖和第22E圖所示，將具有複數個開口的圖案化的光阻遮罩PR2形成於下伏層130上。如第22E圖和第22F圖所示，利用圖案化的光阻遮罩PR2執行蝕刻製程，以形成具有多個開口的頂部超穎單元160，其中底部超穎單元140嵌埋於下伏層130的頂部，且內部間隔層S保留在底部超穎單元140上。在保留內部間隔層S的實施方式中，暴露出內部間隔層S的部分頂表面。在其他實施方式中，從第22E至第22F圖的蝕刻製程中，內部間隔層S沒有保留在底部超穎單元140上，從而暴露出下伏層130的部分頂表面。如第22F圖和第22G圖所示，覆蓋層510形成於頂部超穎單元160頂表面和側壁上以及內部間隔層S之暴露的頂表面上。
本揭示內容提供了一種堆疊在CIS上具有混合介電環境的多層超穎表面以縮短光的焦距。在光傳遞通過具有不同折射率的不同材料(混合介電環境)之後，光的能量傾向於聚焦在更小的距離上，以減小光的焦距。因此，可以減少本揭示內容的光學裝置的下伏層的厚度，而減小光學裝置的整體尺寸並提高光學裝置的性能。
上文概述多個實施方式的特徵，使得熟習此項技術者可更好地理解本揭示內容的態樣。熟習此項技術者應瞭解，可輕易使用本揭示內容作為設計或修改其他製程及結構的基礎，以便執行本文所介紹的實施方式的相同目的及/或實現相同優點。熟習此項技術者亦應認識到，此類等效構造並未脫離本揭示內容的精神及範疇，且可在不脫離本揭示內容的精神及範疇的情況下產生本文的各種變化、取代及更改。
100, 100a, 600, 900, 1100, 1400, 1500, 1700A, 1700B, 1800A, 1800B, 1900, 2000, 2100:光學裝置 110:光電轉換層 112:光電二極體 113:內部深溝槽隔離(內部DTI) 114:深溝槽隔離(DTI) 120:彩色濾光層 120s:頂表面 121, 122, 123, 124:彩色濾光片 125:隔離格柵 126:金屬格柵 130:下伏層 140, 140bf, 141, 142, 142A, 143, 144, 140b:底部超穎單元 140s:底表面 152, 152c1, 152c4, 152b:頂部超穎單元 154:空氣凹槽 160, 161, 162, 163, 164, 160b, 160b1, 160b2, 160b3:頂部超穎單元 170:抗反射層 170s:頂表面 180:中部超穎單元 510:覆蓋層 A-A’, B-B’, C-C’, D-D’, E-E’, F-F’, G-G’, H-H’:線 D:距離 F1:填充物 L:光 L1:第一層 L2:第二層 L3:第三層 M1, M2, Mb1, Mb2, Mb3:中線 PR1, PR2:圖案化的光阻遮罩 S:內部間隔層 TML:頂部超穎表面 MML:中部超穎表面 BML:底部超穎表面 d1, d2, d3, d4:偏移距離 p:像素尺寸 h:高度 X, Y, Z:方向
當結合附圖閱讀時，根據以下詳細描述可以最好地理解本揭示內容的各個態樣。應了解的是，根據行業中的標準實踐，各種特徵未按比例繪製。實際上，為了清楚起見，可以任意增加或減小各種特徵的尺寸。 第1圖為根據本揭示內容之一實施方式的光學裝置之剖面示意圖。 第2圖為第1圖中的光學裝置之另一剖面示意圖。 第3圖為第1圖和第2圖中的光學裝置的彩色濾光層以及頂部超穎表面之上視圖。 第4圖為第1圖和第2圖中的光學裝置的彩色濾光層以及底部超穎單元之上視圖。 第5圖為第1圖中的光學裝置之一替代的實施方式的光學裝置之剖面示意圖。 第6圖為根據本揭示內容之一實施方式的光學裝置之剖面示意圖。 第7圖為第6圖中的光學裝置的彩色濾光層以及頂部超穎單元之上視圖。 第8圖為第6圖中的光學裝置的彩色濾光層以及底部超穎單元之上視圖。 第9圖為根據本揭示內容之一實施方式的光學裝置之剖面示意圖。 第10圖為第9圖中的光學裝置的彩色濾光層以及底部超穎單元之上視圖。 第11圖為根據本揭示內容之一實施方式的光學裝置之剖面示意圖。 第12圖為第11圖中的光學裝置的彩色濾光層以及頂部超穎單元之上視圖。 第13圖為第11圖中的光學裝置的彩色濾光層以及底部超穎單元之上視圖。 第14A圖為根據本揭示內容之一實施方式的光學裝置之剖面示意圖。 第14B圖為第14A圖中的光學裝置之一變化的實施方式的彩色濾光層以及頂部超穎單元之上視圖。 第15圖為根據本揭示內容之一實施方式的光學裝置之剖面示意圖。 第16圖為第15圖中的光學裝置的彩色濾光層之上視圖。 第17A圖和第17B圖為根據本揭示內容之一些實施方式的光學裝置之剖面示意圖。 第17C圖為第17A圖和第17B圖中的光學裝置的彩色濾光層之上視圖。 第18A圖和第18B圖為根據本揭示內容之一些實施方式的光學裝置之剖面示意圖。 第18C圖為第18A圖和第18B圖中的光學裝置的彩色濾光層之上視圖。 第19圖至第21圖為根據本揭示內容之一些實施方式的光學裝置之剖面示意圖。 第22A圖至第22G圖為製造第6圖中的光學裝置於各個階段中的剖面示意圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
100:光學裝置
110:光電轉換層
112:光電二極體
114:深溝槽隔離
120:彩色濾光層
120s:頂表面
121,122:彩色濾光片
125:隔離格柵
126:金屬格柵
130:下伏層
140,141,142,144:底部超穎單元
140s:底表面
152,152c1,152c4,152b:頂部超穎單元
154:空氣凹槽
170:抗反射層
A-A',B-B':線
F1:填充物
L:光
S:內部間隔層
TML:頂部超穎表面
BML:底部超穎表面
p:像素尺寸
h:高度
X,Z:方向

Claims (16)

  1. 一種光學裝置，包含：一光電轉換層，包含複數個光電二極體；一抗反射層，設置於該光電轉換層上；一下伏層，設置於該抗反射層上方；一底部超穎表面，設置於該下伏層上，其中該底部超穎表面包含複數個底部超穎單元以及位於該些底部超穎單元之間的一填充物，其中該填充物從該下伏層連續地延伸，且該填充物的一材料相同於該下伏層的一材料；以及一頂部超穎表面，設置於該底部超穎表面上方，其中該頂部超穎表面包含複數個頂部超穎單元以及複數個空氣凹槽，其中該些空氣凹槽分別設置於兩個相鄰的該些頂部超穎單元之間。
  2. 如請求項1所述之光學裝置，其中該下伏層從該些底部超穎單元的複數個底表面至該抗反射層的一頂表面的一高度是基於以下方程式來計算：h
    Figure 112105460-A0305-02-0034-3
    ht-p
    Figure 112105460-A0305-02-0034-1
     其中h為該下伏層從該些底部超穎單元的該些底表面至該抗反射層的該頂表面的該高度，ht為該下伏層的一理論高度， p為一像素尺寸，其中該像素尺寸是由兩個相鄰的深溝槽隔離之間的一距離所定義，n為該下伏層的一折射率，λ0為通過該頂部超穎表面和該底部超穎表面的光的一設計波長帶的一中心波長。
  3. 如請求項2所述之光學裝置，更包含設置於該抗反射層和該下伏層之間的一彩色濾光層，其中該彩色濾光層包含複數個彩色濾光片，該些彩色濾光片中的每一者對應於一個或兩個該光電二極體，且該下伏層的該高度為從該些底部超穎單元的該些底表面至該彩色濾光層的一頂表面。
  4. 如請求項3所述之光學裝置，其中該彩色濾光層包含一第一彩色濾光片、一第二彩色濾光片以及一第三彩色濾光片，其中該些底部超穎單元設置於該第一彩色濾光片和該第二彩色濾光片上方，而沒有設置於該第三彩色濾光片上方。
  5. 如請求項1所述之光學裝置，其中該頂部超穎表面的一有效折射率在1.3至1.6的一範圍內，該些底部超穎單元的一折射率在1.4至2.6的一範圍內，該下伏層的一折射率在1.2至1.8的一範圍內，且該些底部超穎 單元的該折射率大於該下伏層的該折射率。
  6. 如請求項1所述之光學裝置，更包含一覆蓋層，其中該覆蓋層共形且連續地襯於該些頂部超穎單元以及該些空氣凹槽上，該些空氣凹槽保留在該頂部超穎表面中。
  7. 如請求項6所述之光學裝置，其中該些頂部超穎單元的一折射率在1.4至2.6的一範圍內，該覆蓋層的一折射率在1.4至1.6的一範圍內，且該些頂部超穎單元的該折射率不同於該覆蓋層的該折射率。
  8. 如請求項1所述之光學裝置，其中該頂部超穎表面相對於該底部超穎表面具有一總體偏移，其中該頂部超穎表面的該些頂部超穎單元具有一內部偏移，該內部偏移包含一負向偏移和一正向偏移。
  9. 如請求項1所述之光學裝置，更包含設置於該頂部超穎表面和該底部超穎表面之間的一中部超穎表面，其中該中部超穎表面包含複數個中部超穎單元，該些中部超穎單元排列成一第一層和一第二層，該第一層連接該些頂部超穎單元，該第二層連接該底部超穎表面，且該第一層和該第二層被該下伏層隔開。
  10. 如請求項1所述之光學裝置，更包含一彩色濾光層和一內部間隔層，其中該彩色濾光層設置於該光電轉換層和該下伏層之間，該內部間隔層連續地設置於該些底部超穎單元和該些頂部超穎單元之間，其中該彩色濾光層包含複數個彩色濾光片，且該些彩色濾光片中的每一者對應於四個該光電二極體，且該下伏層從該些底部超穎單元的複數個底表面至該彩色濾光層的一頂表面的一高度是基於以下方程式來計算：h
    Figure 112105460-A0305-02-0037-4
    ht-2p
    Figure 112105460-A0305-02-0037-2
     其中h為該下伏層從該些底部超穎單元的該些底表面至該彩色濾光層的該頂表面的該高度，ht為該下伏層的一理論高度，p為一像素尺寸，其中該像素尺寸是由兩個相鄰的深溝槽隔離之間的一距離所定義，n為該下伏層的一折射率，λ0為通過該頂部超穎表面和該底部超穎表面的光的一設計波長帶的一中心波長。
  11. 如請求項1所述之光學裝置，更包含一彩色濾光層和一內部間隔層，其中該彩色濾光層設置於該光電轉換層和該下伏層之間，該內部間隔層連續地設置於該些 底部超穎單元和該些頂部超穎單元之間，其中該彩色濾光層包含一第一彩色濾光片、一第二彩色濾光片以及一第三彩色濾光片，其中該些底部超穎單元設置於該第一彩色濾光片、該第二彩色濾光片以及該第三彩色濾光片上方，其中該些頂部超穎單元設置於該第一彩色濾光片和該第二彩色濾光片上方，而沒有設置於該第三彩色濾光片上方。
  12. 如請求項1所述之光學裝置，更包含一彩色濾光層和一內部間隔層，其中該彩色濾光層設置於該光電轉換層和該下伏層之間，該內部間隔層連續地設置於該些底部超穎單元和該些頂部超穎單元之間，其中該彩色濾光層包含一第一彩色濾光片和一第二彩色濾光片，位於該第一彩色濾光片上方的該些光電二極體沿著一第一方向延伸並沿著一第二方向排列，位於該第二彩色濾光片上方的該些光電二極體沿著該第二方向延伸並沿著該第一方向排列，其中該第二方向實質上垂直於該第一方向。
  13. 如請求項1所述之光學裝置，更包含一彩色濾光層和一內部間隔層，其中該彩色濾光層設置於該光電轉換層和該下伏層之間，該內部間隔層連續地設置於該些底部超穎單元和該些頂部超穎單元之間， 其中該些底部超穎單元中的每一者的一對稱軸錯位於該些頂部超穎單元中的每一者的一對稱軸。
  14. 如請求項1所述之光學裝置，更包含一彩色濾光層和一內部間隔層，其中該彩色濾光層設置於該光電轉換層和該下伏層之間，該內部間隔層連續地設置於該些底部超穎單元和該些頂部超穎單元之間，其中該些底部超穎單元排列成一層，且該些底部超穎單元連接該些頂部超穎單元。
  15. 如請求項1所述之光學裝置，更包含一彩色濾光層和一內部間隔層，其中該彩色濾光層設置於該光電轉換層和該下伏層之間，該內部間隔層連續地設置於該些底部超穎單元和該些頂部超穎單元之間，其中該些底部超穎單元的一折射率在1.4至2.6的一範圍中，該些頂部超穎單元的一折射率在1.4至2.6的一範圍中，且該些底部超穎單元的該折射率相同於該些頂部超穎單元的該折射率，其中該內部間隔層的一折射率相同或不同於該些底部超穎單元的該折射率以及該些頂部超穎單元的該折射率。
  16. 如請求項1所述之光學裝置，更包含一彩色濾光層和一內部間隔層，其中該彩色濾光層設置於該光電轉換層和該下伏層之間，該內部間隔層連續地設置於該些 底部超穎單元和該些頂部超穎單元之間，其中該些底部超穎單元中的每一者的一寬度在70nm至500nm的一範圍內，該些頂部超穎單元中的每一者的一寬度在70nm至500nm的一範圍內，該些底部超穎單元中的每一者的一高度在50nm至500nm的一範圍內，該些頂部超穎單元中的每一者的一高度在50nm至500nm的一範圍內，且該內部間隔層的一高度在0至500nm的一範圍內。
TW112105460A 2022-12-12 2023-02-15 光學裝置 TWI840126B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US18/064,296 2022-12-12
US18/064,296 US20240194711A1 (en) 2022-12-12 2022-12-12 Optical device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI840126B true TWI840126B (zh) 2024-04-21
TW202425365A TW202425365A (zh) 2024-06-16

Family

ID=91381296

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW112105460A TWI840126B (zh) 2022-12-12 2023-02-15 光學裝置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20240194711A1 (zh)
JP (1) JP2024084096A (zh)
KR (1) KR20240087498A (zh)
CN (1) CN118198085A (zh)
TW (1) TWI840126B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW202011594A (zh) * 2018-09-05 2020-03-16 美商菲絲博克科技有限公司 具有多個光電二極體的像素單元
WO2022104629A1 (zh) * 2020-11-19 2022-05-27 华为技术有限公司 一种图像传感器、分光滤色器件及图像传感器的制备方法
TW202221363A (zh) * 2020-11-19 2022-06-01 采鈺科技股份有限公司 光學結構
CN115411059A (zh) * 2021-05-10 2022-11-29 三星电子株式会社 用于成像传感器的像素
TW202247481A (zh) * 2021-03-16 2022-12-01 日商索尼半導體解決方案公司 攝像裝置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW202011594A (zh) * 2018-09-05 2020-03-16 美商菲絲博克科技有限公司 具有多個光電二極體的像素單元
WO2022104629A1 (zh) * 2020-11-19 2022-05-27 华为技术有限公司 一种图像传感器、分光滤色器件及图像传感器的制备方法
TW202221363A (zh) * 2020-11-19 2022-06-01 采鈺科技股份有限公司 光學結構
TW202247481A (zh) * 2021-03-16 2022-12-01 日商索尼半導體解決方案公司 攝像裝置
CN115411059A (zh) * 2021-05-10 2022-11-29 三星电子株式会社 用于成像传感器的像素

Also Published As

Publication number Publication date
JP2024084096A (ja) 2024-06-24
CN118198085A (zh) 2024-06-14
US20240194711A1 (en) 2024-06-13
KR20240087498A (ko) 2024-06-19
TW202425365A (zh) 2024-06-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6325620B2 (ja) 半導体装置およびその製造方法
US8134110B2 (en) Solid-state imaging device and solid-state imaging device manufacturing method
JP4880794B1 (ja) 固体撮像装置とその製造方法
CN103035659B (zh) 固态摄像装置、制造固态摄像装置的方法以及电子设备
KR102556008B1 (ko) 이미지 센서의 컬러 스플리터
US20090250594A1 (en) Solid-state image sensor and manufacturing method thereof
KR102626696B1 (ko) 고체 촬상 소자 및 그의 제조 방법
JP2008192771A (ja) 固体撮像素子およびその製造方法
JP2006344754A (ja) 固体撮像装置及びその製造方法
WO2020122032A1 (ja) 固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法
JP7096387B2 (ja) 固体撮像素子
JP2004047682A (ja) 固体撮像装置
JP5409087B2 (ja) 固体撮像素子
JP2013076859A (ja) カラーフィルタの製造方法、固体撮像素子の製造方法、及び固体撮像素子
US20050045805A1 (en) Solid-state image sensor and a manufacturing method thereof
TWI840126B (zh) 光學裝置
JP4304987B2 (ja) 固体撮像素子及びその製造方法
JP2010245202A (ja) 固体撮像装置およびその製造方法
JP2009124053A (ja) 光電変換装置及びその製造方法
CN116364736A (zh) Cis传感器及形成方法
WO2013046531A1 (ja) 固体撮像装置
WO2018193986A1 (ja) 固体撮像素子及びその製造方法
JP4175169B2 (ja) 固体撮像素子及びその製造方法
TWI846493B (zh) 影像感測器及影像訊號處理器的簡化方法
TWI844311B (zh) 影像感測器