TWI840171B - 影像感測器 - Google Patents

影像感測器 Download PDF

Info

Publication number
TWI840171B
TWI840171B TW112110259A TW112110259A TWI840171B TW I840171 B TWI840171 B TW I840171B TW 112110259 A TW112110259 A TW 112110259A TW 112110259 A TW112110259 A TW 112110259A TW I840171 B TWI840171 B TW I840171B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
polarization
image sensor
sensing unit
sensing
polarization separation
Prior art date
Application number
TW112110259A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202416516A (zh
Inventor
王俊元
張育淇
王柏翔
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
Publication of TW202416516A publication Critical patent/TW202416516A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI840171B publication Critical patent/TWI840171B/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/80—Constructional details
    • H10K30/87—Light-trapping means
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/201—Filters in the form of arrays
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3025—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state
    • 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
    • H01L27/1463—Pixel isolation 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
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14645—Colour imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/40—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising a p-i-n structure, e.g. having a perovskite absorber between p-type and n-type charge transport layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic radiation-sensitive element covered by group H10K30/00
    • H10K39/601—Assemblies of multiple devices comprising at least one organic radiation-sensitive element
    • H10K39/621—Assemblies of multiple devices comprising at least one organic radiation-sensitive element comprising only organic radiation-sensitive elements
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic radiation-sensitive element covered by group H10K30/00
    • H10K39/30—Devices controlled by radiation
    • H10K39/32—Organic image sensors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Optical Filters (AREA)
  • Color Television Image Signal Generators (AREA)
  • Polarising Elements (AREA)

Abstract

一種影像感測器，包括感測單元組、以及設置於感測單元組內的彩色濾光層。影像感測器更包括介電結構和複數個偏振分離件（polarization splitter），設置對應彩色濾光層。從上視圖來看，偏振分離件的每一個具有第一超穎元件（meta element）於第一方向上延伸、以及第二超穎元件於第二方向上延伸。第二方向垂直於第一方向。

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偏振分離件(polarization splitter)。
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。
傳統上，可設計複數個偏振分離件以允許特定偏振的入射光波傳輸，而其他偏振的入射光波被偏振分離件反射遠離或吸收。當影像感測器納入複數個偏振分離件時，影像感測器僅可接收一部分的光能量(由於其他部分被偏振分離件阻擋)。這樣導致光能量損失，其影響影像感測器的性能。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，包括感測單元組、以及設置於感測單元組內的彩色濾光層。影像感測器更包括介電結構和複數個偏振分離件(polarization splitter)，設置對應彩色濾光層。從上視圖來看，偏振分離件的每一個具有第一超穎元件(meta element)於第一方向上延伸、以及第二超穎元件於第二方向上延伸。第二方向垂直於第一方向。
1:列
2:列
3:列
4:列
5:列
6:列
7:列
8:列
10:影像感測器
20A:影像感測器
20B:影像感測器
20C:影像感測器
30:影像感測器
40:影像感測器
50:影像感測器
60:影像感測器
70:影像感測器
80A:影像感測器
80B: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
100C：感測單元組
100D：感測單元組
100E：感測單元組
100F：感測單元組
101：電路部
102：基底
103：底電極
104：感測部
105A：電子輸送層
105B：電洞輸送層
106：深溝槽隔離結構
107：有機光導膜
108：抗反射層
109：頂電極
110：彩色濾光層
111：鈍化層
112：網格結構
114：遮光結構
120：微透鏡材料層
122：微透鏡
130:介電結構
140:偏振分離件
A-A’:線段
a:欄
b:欄
c:欄
d:欄
e:欄
f:欄
g:欄
h:欄
L1:光波
L2:光波
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2A~2C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，影像感測器的上視圖。
第4A和4B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5A~5G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6圖是根據本揭露的其他實施例，影像感測器的上視圖。
第7圖是根據本揭露的其他實施例，影像感測器的剖面示意圖。
第8A和8B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。
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。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。一般來說，在整組感測單元之上(如相位差自動對焦(phase difference auto focus,PDAF)畫素)設有一單一微透鏡。換言之，在感測單元組內的所有感測單元共享一單一微透鏡，而其他感測單元組各具有一個微透鏡設置於頂部上。在感測單元組之上的單一微透鏡可使光匯聚在一起以便追蹤和偵測。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。
本揭露將複數個偏振分離件(polarization splitter)納入感測單元組中，使影像感測器具有辨識不同偏振的入射光波的能力。在大自然中，光可擁有等量的水平電場和垂直電場。透過偏振，具有特定電場的所欲方向(例如水平或垂直)的光波可被抽出以供處理或分析。傳統的偏振分離件(或偏振片(polarizer))可允許指定偏振的光波傳輸，且可將不想要的偏振的光波反射遠離或吸收。舉例來說，當位於遠處的入射光波具有大於布魯斯特角(Brewster’s angle)的反射角度時，光波僅可具有水平偏振。透過所需的偏振片，光波的反射可能完全看不見。儘管傳統的偏振分離件可過濾所欲的偏振光波，被阻擋的其他偏振光波仍代表一部分的光能量損失。舉例來說，傳統的偏振分離件可轉換光能量成被消散的熱。若埋入於感測單元組內的感測部無法擷取到足夠的光能量，影像感測器的量子效率(quantum efficiency,QE)可能會受到嚴重的影養。每當量子效率不足時，裝置可能很難運用在低亮度的環境中(如夜視(night vision)設備)或移動車輛內的相機(如即時(real time)影像)。
發明人發現藉由將每個偏振分離件配置成具有創新的超穎特徵，可傳輸每種偏振的入射光波以便被接收。再者，超穎特徵可控制不同偏振光波的傳輸方向，使得不同偏振的光波可被導向感測單元組內的不同感測部。超穎特徵企圖改變波前(wavefront)的相位(或將波前折彎)對應至不同的位置，而後續建構出新的波前對應至新的傳播方向，相對於原本的入射光波(光波的傳播方向被定義為垂直於所對應的波前)。這些新的光波被設 計成傳播朝所欲的目標。舉例來說，超穎特徵可提供不同的相位延遲(或不同的相位速度)，其將光波分離成對應至個別光波偏振的不同的傳播方向。在沿著偏振分離件的不同相位速度的情況下，可產生傾斜或折彎的波前，讓光波能夠在非法線方向上傳播至輸入點、或自我聚焦。這樣的特性，透過適當的操控，可允許例如水平偏振光波和垂直偏振光波分別傳播朝向水平偏振(從上視圖來看，X軸方向)的感測部和垂直偏振(從上視圖來看，Y軸方向)的感測部。結果是，可最小化光能量損失，而優化量子效率。由於足夠的量子效率，可透過後處理復原所顯示的影像成具有更高的解析度的原本亮度，而也可更全面地執行偏振資料分析。
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包括兩組感測單元100A和100B彼此相鄰設置。從感測單元100A和100B其中一者的上視圖來看(繪示於第1B圖中)，感測單元100A和100B可各包括四個感測單元排列成2×2、或兩個感測單元排列成1×2，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，可設置一個微透鏡122對應感測單元組100A和感測單元組100B的每一個。可在複數個微透鏡122上依序設置介電結構130和複數個偏振分離件140。複數個偏振分離件140的超穎特徵將參考第1B圖詳述。可設置深溝槽隔離(deep trench isolation,DTI)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。換言之，深溝槽隔離結構106可作為定義左感測單元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的每一個的尺寸的邊界。
參照第1A圖，感測單元組100A和感測單元組100B可各包括複數個感測部104、彩色濾光層110、以及微透鏡122。複數個感測部104和深溝槽隔離結構106可埋入於基底102內。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。此外，可在基底102上設置抗反射層108。
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(silicon,Si)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,Ge)；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(將參考第7圖詳述)。
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(以深溝槽隔離結構106所定義)形成電晶體、光電二極體、或其他類似元件。
在一些實施例中，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。在其他實施例中，可採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)結構為其他隔 離結構的範例。在一些實施例中，形成深溝槽隔離結構106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。
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，藉由任何合適的沉積製程(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,SiO2)、氮化矽(silicon nitride,SiN)、或氧氮化矽)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。
繼續參照第1A圖，可在基底102上設置抗反射層108。在一些實施例中，配置抗反射層108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108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108的材料可包括氧氮化矽(SiOxNy，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108。
如上所提及，感測單元組100A和感測單元組100B可各包括設置於抗反射層108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。在特定的實施例中，彩色濾光層110的高度可大約為0.7μm。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、青藍色、洋紅色、黃色、白色、透明(無色)、或紅外線(infrared)。彩色濾光層110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。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的每一個將所接收的光訊號轉換成電訊號。在一些實施例中，在同一組內的感測單元可具有相同顏色的單元。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，其將於後詳細解釋。根據本揭露的一些實施例，在抗反射層108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。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的折射率大約介於1.00和1.99之間。當入射光波進入彩色濾光層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，在抗反射層108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，硬遮罩層的材料可為光阻。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108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110填入開口。
繼續參照第1A圖，在抗反射層108上介於感測單元組100A與感測單元組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，可將遮光結構114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114的配置可避免其中一個在彩色濾光層110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114的高度可大約介於0.005μm和0.4μm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。可藉由在抗反射層108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。
參考第1A圖，可在彩色濾光層110和網格結構112上設置微透鏡材料層120。微透鏡材料層120的折射率大約介於1.2和2.2之間。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，可在微透鏡材料層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上設置介電結構130。在一些實施例中，介電結構130可覆蓋微透鏡材料層120和複數個微透鏡122。根據本揭露的一些實施例，介電結構130可針對不同偏振的光波提供必要的傳播路徑以到達其個別目標，例如光波L1和L2(將於下詳細解釋)。介電結構130的折射率大約介於1.0和1.8之間。介電結構130的折射率可低於微透鏡122(以及微透鏡材料層120)的折射率。再者，介電結構130的折射率顯著地低 於後續形成的偏振分離件140的折射率。應理解的是，為了更有效地將光波分離成不同的相位延遲，需要創造出偏振分離件140的折射率與周邊環境的折射率之間的最大差值，使得較大的相位差可產生。
在一些實施例中，介電結構130可為透明材料，包括例如氧化矽(silicon oxide,SiO)、氮化矽、碳化矽、碳氮化矽(silicon carbonitride,SiCN)、氧氮化矽、氧氮碳化矽(silicon oxynitrocarbide,SiOxNyC1-x-y，其中x和y係在0至1的範圍)、四乙氧基矽烷(tetra ethyl ortho silicate,TEOS)、無摻雜矽酸玻璃、或摻雜氧化矽(如硼摻雜磷矽酸玻璃(boron-doped phosphosilicate glass,BPSG)、熔矽石玻璃(fused silica glass,FSG)、磷矽酸玻璃(phosphosilicate glass,PSG)、硼摻雜矽玻璃(boron doped silicon glass,BSG)、或其他類似材料)、低介電常數(low-k)介電材料、有機透明材料、其他類似材料、或其組合，但本揭露實施例並不以此為限。介電結構130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)、其他合適的方法、或其組合。之後，可進行平坦化製程(如化學機械研磨)以形成平坦化的頂面。
參照第1A圖，複數個偏振分離件140可坐落在介電結構130的平坦化頂表面上。如先前所提及，傳統的偏振分離件(或偏振片)僅可允許特定偏振的入射光波傳輸，而可反射遠離或吸收其他偏振的入射光波。複數個偏振分離件140可納入超穎特徵，其 允許不同偏振的光波傳輸。換言之，可最小化光能量損失，且可提升量子效率。在一些實施例中，量子效率是光電傳輸效率，其量測入射光波可多有效率的被轉換成電訊號。
複數個偏振分離件140的折射率大約介於1.7和3.5之間。值得注意的是，複數個偏振分離件140可被環境空氣所圍繞，環境空氣的折射率為1。可實現折射率之間的最大差異以產生顯著大的相位差，使得光波可被分離成具有不同折彎波前的不同相位延遲。複數個偏振分離件140的高度大約介於0.1μm和1.5μm之間。偏振分離件140的材料可包括透明樹脂，如聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)樹脂、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)樹脂、聚酰亞胺(polyimide,PI)樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylates,PMMA)、聚苯乙烯樹脂(polystyrene)樹脂、聚醚碸(polyethersulfone,PES)樹脂、聚噻吩(polythiophene,PT)樹脂、酚醛清漆(phenol novolac,PN)、其他類似材料，或其組合。可藉由上述任何合適的沉積製程和圖案化製程形成複數個偏振分離件140。
在本揭露的特定實施例中，左感測單元100A-L和左感測單元100B-L可針對垂直偏振設計，而右感測單元100A-R和右感測單元100B-R可針對水平偏振設計。如第1A圖所示(也將參考第1B圖詳述)，複數個偏振分離件140於左感測單元100A-L和左感測單元100B-L正上方的部分主要被垂直偏振分離件支配，而複數個偏振分離件140於右感測單元100A-R和右感測單元100B-R正上方的部分主要被水平偏振分離件支配。值得注意的是，複數個偏振分離件140的每一個的超穎特徵可包括垂直偏振和水平偏振兩 者，而非僅具有一種偏振且完全排除另一種偏振。
繼續參照第1A圖，光波L1和光波L2分別具有垂直偏振和水平偏振。光波L1和光波L2可各由同一區域傳輸，其對應至包括垂直偏振和水平偏振兩者的感測單元(在感測單元組100A或感測單元組100B內)。由於光波L1和光波L2透過複數個偏振分離件140傳輸，光波L1和光波L2可獲得不同的相位延遲。由於不同的相位延遲，可產生傾斜和折彎的波前，使光波L1在非法線方向上傳播至進入點，而光波L2的傳播路徑可逐漸地偏移至另一個方向(相對於光波L1的非法線方向)。
如第1A圖所示，光波L1可傳播朝向左感測單元100A-L和左感測單元100B-L的感測部104，而光波L2可透過相對於光波L1路徑的鏡面路徑傳播朝向右感測單元100A-R和右感測單元100B-R的感測部104。實施複數個偏振分離件140的超穎特徵的結果是，垂直偏振的光波L1和水平偏振的光波L2皆可分別被垂直偏振的感測部104和水平偏振的感測部104適當地接收。因此，超穎特徵可導致更高的靈敏度，且傳輸率可達到大約70%至80%。在一些實施例中，傳輸率可為左感測單元100A-L所接收到的光能量對進入感測單元組100A的總入射能量(垂直偏振的入射光波)的比例、或右感測單元100A-R所接收到的光能量對進入感測單元組100A的總入射能量(水平偏振的入射光波)的比例。
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。如上所提及，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，如四象限光電二極體(quad photodiode,QPD)。在其他實施例中，感測單元組100A或感測單元組100B可各包括兩個感測單元排列成1×2，如二象限光電二極體(dual photodiode,DPD)。為了例示性目的，省略基底102、感測部104、深溝槽隔離結構106、抗反射層108、彩色濾光層110、網格結構112、遮光結構114、微透鏡材料層120、以及複數個微透鏡122。介電結構130和複數個偏振分離件140的特徵與第1A圖所示類似，其細節將不於此重複贅述。為了簡化起見，第1B圖僅顯示感測單元組100A(或感測單元組100B)的上視圖。如先前所提及，複數個偏振分離件140可坐落於介電結構130上橫越感測單元組100A(或感測單元組100B)。
參照第1B圖，複數個偏振分離件140的每一個可為具有第一超穎元件和第二超穎元件的單元，從上視圖來看，第一超穎元件在第一方向上延伸，而第二超穎元件在第二方向上延伸，第二方向垂直於第一方向。第一方向和第二方向此後將分別以Y軸方向和X軸方向表示。為清楚起見，複數個偏振分離件140可被標示為列1~列8(在Y軸方向)和欄a~欄h(在X軸方向)。應注意的是，每一列的偏振分離件140由欄a至欄h構成一結構組，結構組可由列1至列8重複性地排列成多個循環。換言之，每個結構組可在X軸方向上延伸，且在Y軸方向上重複性地排列成多個循環。應理解的是，結構組並非對應至單一感測單元，結構組應在感測單元組內橫越所有的感測單元。在其他實施例中，每個結構組也可在Y軸方向上延伸，且可在X軸方向上重複性地排列成多個循環，只要相應地調整感測單元組的配置。根據本揭露的一些實施例，每個結構組應由至少三個偏振分離件140所構成。
如第1B圖所示，每個結構組中的每個偏振分離件140可為十字形或矩形。應理解的是，無論呈現十字形或矩形，偏振分離件140都可被視為十字形。舉例來說，欄a中的偏振分離件140可呈現僅具有僅在Y軸方向上(第一方向)延伸的第一超穎元件。這僅僅是因為在X軸方向上(第二方向)延伸的第二超穎元件並未延伸超過第一超穎元件的臨界尺寸(critical dimension,CD)。類似地，欄h中的偏振分離件140可呈現僅具有僅在X軸方向上(第二方向)延伸的第二超穎元件。這也是因為在Y軸方向上(第一方向)延伸的第一超穎元件並未延伸超過第二超穎元件的臨界尺寸。因此，本實施例的複數個偏振分離件140都可被視為具有創新超穎特徵的十字形。
繼續參照圖1B，在欄a至欄d中的偏振分離件140的位置可對應至垂直偏振的感測單元(如左感測單元100A-L和左感測單元100B-L)，而在欄e至欄h中的偏振分離件140的位置可對應至水平偏振的感測單元(如右感測單元100A-R和右感測單元100B-R)。然而，在欄a至欄h中的偏振分離件140可以同時支援垂直偏振和水平偏振。從上視圖來看，複數個偏振分離件140的每一個的第一超穎元件或第二超穎元件的臨界尺寸大約介於50nm和300nm之間。從上視圖來看，複數個偏振分離件140的每一個的第一超穎元件或第二超穎元件的長度(或延伸尺寸)大約介於50nm和400nm之間。由於每個結構組內的偏振分離件140在X軸方向上具有不同的延伸尺寸，在每個結構組內的分離件節距(或X軸節距)可有所變化。在每個結構組內的複數個偏振分離件140之間的分離件節距大約介於200nm和600nm之間。類似地，由於每個結構組的偏 振分離件140在Y軸方向上具有不同的延伸尺寸，結構組的循環之間的組節距(或Y軸節距)也可在不同位置有所變化。結構組的循環之間的組節距大約介於200nm和600nm之間。在一些實施例中，分離件節距和組節距可相同或不同。可針對可見光範圍設計分離件節距和組節距。
第2A~2C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20A、20B、以及20C的剖面示意圖。如先前所提及，創造折射率之間較大的差值以產生顯著較大的相位差至關重要，使得光波可被分離成具有不同折彎波前的不同相位延遲。取決於應用或設計需求，複數個微透鏡122、介電結構130、以及複數個偏振分離件140的配置可有所變化。為了例示性目的，省略光波L1和光波L2。基底102、感測部104、深溝槽隔離結構106、抗反射層108、彩色濾光層110、網格結構112、遮光結構114、微透鏡材料層120、複數個微透鏡122、介電結構130、以及複數個偏振分離件140的特徵與第1A圖所示類似，其細節將不於此重複贅述。
參照第2A圖，繪示影像感測器20A的剖面示意圖。相較於第1A圖，影像感測器20A的複數個偏振分離件140可埋入於介電結構130內。與其被環境空氣所環繞，複數個偏振分離件140可被介電結構130環繞。介電結構130的折射率與偏振分離件140的折射率之間仍有很大的差值以產生足夠大的相位差。根據本揭露的一些實施例，具有超穎特徵的複數個偏振分離件140可允許不同偏振的光波傳輸，但不同偏振的光波可被分離且被導向不同的感測單元。換言之，可最小化光能量損失，且可提升量子效率。
參照第2B圖，繪示影像感測器20B的剖面示意圖。 相較於第2A圖，影像感測器20B的複數個偏振分離件140可包括三或更多個膜層的偏移配置。由於偏移配置，分離件節距(或X軸間距)及/或組節距(或Y軸間距)可維持與第1A圖中的分離件節距及/或組節距相同、或可以依據設計需求改變。介電結構130的折射率與偏振分離件140的折射率之間仍有很大的差值以產生足夠大的相位差。根據本揭露的一些實施例，具有超穎特徵的複數個偏振分離件140可允許不同偏振的光波傳輸，但不同偏振的光波可被分離且被導向不同的感測單元。換言之，可最小化光能量損失，且可提升量子效率。
參照第2C圖，繪示影像感測器20C的剖面示意圖。相較於第2A圖，影像感測器20C的微透鏡材料層120和複數個微透鏡122可設置於介電結構130的平坦化頂面上。取決於設計需求，改變複數個微透鏡122和介電結構130的配置可能影響感測性能。在其他實施例中，可省略微透鏡材料層120和複數個微透鏡122。介電結構130的折射率與偏振分離件140的折射率之間仍有很大的差值以產生足夠大的相位差。根據本揭露的一些實施例，具有超穎特徵的複數個偏振分離件140可允許不同偏振的光波傳輸，但不同偏振的光波可被分離且被導向不同的感測單元。換言之，可最小化光能量損失，且可提升量子效率。
第3圖是根據本揭露的其他實施例，影像感測器30的上視圖。當不同感測單元組內的彩色濾光層110被設計具有不同的顏色單元時，複數個偏振分離件140的配置也可有所變化。為了例示性目的，省略基底102、感測部104、深溝槽隔離結構106、抗反射層108、彩色濾光層110、網格結構112、遮光結構114、微透 鏡材料層120、以及複數個微透鏡122。介電結構130和複數個偏振分離件140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3圖，繪示感測單元組100C、感測單元組100D、感測單元組100E、以及感測單元組100F。根據本揭露的一些實施例，感測單元組100C、感測單元組100D、感測單元組100E、以及感測單元組100F可分別包括綠色單元、紅色單元、藍色單元、以及綠色單元。應注意的是，由於感測單元組100C和感測單元組100F為相同的顏色，複數個偏振分離件140的配置實質上一致。在其他實施例中，可微調一些關鍵元件(如複數個微透鏡122及/或介電結構130)的尺寸和特性以允許複數個偏振分離件140在不同顏色的感測單元組100C~100F之間仍具有相同的配置。舉例來說，由於光速可等於真空中的光速除以具有個別波長的顏色單元的折射率，調整相位差也可造成偏振光波的傳播路徑改變以符合不同的顏色單元。
第4A和4B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40的上視圖。除了Y軸方向(第一方向)和X軸方向(第二方向)之外，複數個偏振分離件140的每一個也可旋轉至對角方位，其偏振可透過適當的演算法分析。舉例來說，除了0°(Y軸)或90°(X軸)方位，複數個偏振分離件140可具有±45°方位。為了例示性目的，省略基底102、感測部104、深溝槽隔離結構106、抗反射層108、彩色濾光層110、網格結構112、遮光結構114、微透鏡材料層120、以及複數個微透鏡122。介電結構130和複數個偏振分離件140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4A圖，繪示影像感測器40的上視圖。相較於第1B圖，影像感測器40的複數個偏振分離件140的每一個可旋轉+45°。如上所述，Y軸方向(第一方向)和X軸方向(第二方向)可分別以0°方位和90°方位標示。儘管影像感測器40的複數個偏振分離件140旋轉至對角方位，第一超穎元件與第二超穎元件的延伸方向仍彼此垂直。結構組的特徵及其循環應維持不變。根據本揭露的一些實施例，具有超穎特徵的複數個偏振分離件140可允許所有偏振的光波傳輸，但不同偏振的光波可被分離且被導向不同的感測單元。換言之，可最小化光能量損失，且可提升量子效率。
參照第4B圖，繪示影像感測器40的上視圖。相較於第1B圖，影像感測器40的複數個偏振分離件140的每一個可旋轉-45°。根據本揭露的一些實施例，從上視圖來看，複數個偏振分離件140的每一個的旋轉幅度(無論正方向或負方向)大約介於0°和90°之間。儘管影像感測器40的複數個偏振分離件140旋轉至對角方位，第一超穎元件與第二超穎元件的延伸方向仍彼此垂直。根據本揭露的一些實施例，具有超穎特徵的複數個偏振分離件140可允許不同偏振的光波傳輸，但不同偏振的光波可被分離且被導向不同的感測單元。換言之，可最小化光能量損失，且可提升量子效率。
第5A~5G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50的上視圖。複數個偏振分離件140的每一個的方位，例如Y軸方向(0°方位)、X軸方向(90°方位)、以及對角方向(±45°方位)，可被整合成多重感測單元組之間的各種組合。可設計排列方式以實現特定功能或透過適當的演算法分析偏振的入射角度。為了例示性目的，省略基底102、感測部104、深溝槽隔離 結構106、抗反射層108、彩色濾光層110、網格結構112、遮光結構114、微透鏡材料層120、以及複數個微透鏡122。介電結構130和複數個偏振分離件140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5A圖，繪示影像感測器50的上視圖。相較於第1B圖相比，複數個偏振分離件140被重複排列於四個感測單元組之中。針對每個感測單元組(以實線定義)，左感測單元和右感測單元(以虛線分隔)中的複數個偏振分離件140的配置可同時支援Y軸方向(0°方位)偏振和X軸方向(90°方位)偏振。第一超穎元件與第二超穎元件的延伸方向彼此垂直。根據本揭露的一些實施例，具有超穎特徵的複數個偏振分離件140可允許不同偏振的光波傳輸，但不同偏振的光波可被分離且被導向不同的感測單元。換言之，可最小化光能量損失，且可提升量子效率。
參照第5B圖，繪示影像感測器50的上視圖。相較於第5A圖，針對右上感測單元組和右下感測單元組，複數個偏振分離件140在左感測單元中的配置與在右感測單元中的配置互換。結果是，X軸方向(90°方位)偏振的光波可被分離且被導向四個感測單元組的中心，其可改善串擾(cross talk)。在一些實施例中，串擾為光波的不同偏振干擾所欲偏振的訊號讀取、或不同偏振的光波混合導致偏振比例降低。第一超穎元件與第二超穎元件的延伸方向彼此垂直。根據本揭露的一些實施例，具有超穎特徵的複數個偏振分離件140可允許不同偏振的光波傳輸，但不同偏振的光波可被分離且被導向不同的感測單元。換言之，可最小化光能量損失，且可提升量子效率。
參照第5C圖，繪示影像感測器50的上視圖。相較於第5A圖，針對右上感測單元組，複數個偏振分離件140在左感測單元中的配置與在右感測單元中的配置(以虛線分隔)可同時支援-45°方位偏振和+45°方位偏振。再者，針對左下感測單元組，複數個偏振分離件140在左感測單元中的配置與在右感測單元中的配置可同時支援+45°方位偏振和-45°方位偏振。第一超穎元件與第二超穎元件的延伸方向彼此垂直。根據本揭露的一些實施例，具有超穎特徵的複數個偏振分離件140可允許不同偏振的光波傳輸，但不同偏振的光波可被分離且被導向不同的感測單元。換言之，可最小化光能量損失，且可提升量子效率。
參照第5D圖，繪示影像感測器50的上視圖。相較於第5A圖，針對右上感測單元組，複數個偏振分離件140在左感測單元中的配置與在右感測單元中的配置(以虛線分隔)可同時支援-45°方位偏振和+45°方位偏振。再者，針對右下感測單元組，複數個偏振分離件140在左感測單元中的配置與在右感測單元中的配置(以虛線分隔)可同時支援+45°方位偏振和-45°方位偏振。第一超穎元件與第二超穎元件的延伸方向彼此垂直。根據本揭露的一些實施例，具有超穎特徵的複數個偏振分離件140可允許不同偏振的光波傳輸，但不同偏振的光波可被分離且被導向不同的感測單元。換言之，可最小化光能量損失，且可提升量子效率。
參照第5E圖，繪示影像感測器50的上視圖。相較於第5A圖，針對左下感測單元組，複數個偏振分離件140在左感測單元中的配置與在右感測單元中的配置(以虛線分隔)可同時支援-45°方位偏振和+45°方位偏振。再者，針對右下感測單元組，複數 個偏振分離件140在左感測單元中的配置與在右感測單元中的配置(以虛線分隔)可同時支援+45°方位偏振和-45°方位偏振。第一超穎元件與第二超穎元件的延伸方向彼此垂直。根據本揭露的一些實施例，具有超穎特徵的複數個偏振分離件140可允許不同偏振的光波傳輸，但不同偏振的光波可被分離且被導向不同的感測單元。換言之，可最小化光能量損失，且可提升量子效率。
參照第5F圖，繪示影像感測器50的上視圖。相較於第5A圖，針對右上感測單元組，複數個偏振分離件140在左感測單元中的配置與在右感測單元中的配置(以虛線分隔)互換。針對左下感測單元組，複數個偏振分離件140在左感測單元中的配置與在右感測單元中的配置(以虛線分隔)可同時支援-45°方位偏振和+45°方位偏振。再者，針對右下感測單元組，複數個偏振分離件140在左感測單元中的配置與在右感測單元中的配置(以虛線分隔)可同時支援+45°方位偏振和-45°方位偏振。第一超穎元件與第二超穎元件的延伸方向彼此垂直。根據本揭露的一些實施例，具有超穎特徵的複數個偏振分離件140可允許不同偏振的光波傳輸，但不同偏振的光波可被分離且被導向不同的感測單元。換言之，可最小化光能量損失，且可提升量子效率。
參照第5G圖，繪示影像感測器50的上視圖。相較於第5F圖，針對左下感測單元組和右下感測單元組，複數個偏振分離件140在左感測單元中的配置與在右感測單元中的配置(以虛線分隔)互換。第一超穎元件與第二超穎元件的延伸方向彼此垂直。根據本揭露的一些實施例，具有超穎特徵的複數個偏振分離件140可允許不同偏振的光波傳輸，但不同偏振的光波可被分離且被導向不 同的感測單元。換言之，可最小化光能量損失，且可提升量子效率。
第6圖是根據本揭露的其他實施例，影像感測器60的上視圖。從上視圖來看，除了為矩形之外，感測單元組也可為六邊形。為了例示性目的，省略基底102、感測部104、深溝槽隔離結構106、抗反射層108、彩色濾光層110、網格結構112、遮光結構114、微透鏡材料層120、以及複數個微透鏡122。介電結構130和複數個偏振分離件140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6圖，繪示影像感測器60的上視圖。相較於第1B圖，在六邊形的感測單元組中的旋轉偏振分離件140可更有效地減少光能量損失。然而，在每個感測單元組內的複數個偏振分離件140的排列可能會不完整(例如，由於六角形的性質，可能需要移除一些靠近邊緣的偏振分離件140)。儘管光分佈可能會受到影響，針對較大尺寸的感測單元，性能可能不會受到顯著地影響。針對中間三個感測單元組，複數個偏振分離件140在左感測單元中的配置與在右感測單元中的配置(以虛線分隔)可同時支援Y軸方向(0°方位)偏振和X軸方向(90°方位)偏振。針對左上感測單元組和左下感測單元組，複數個偏振分離件140在左感測單元中的配置與在右感測單元中的配置(以虛線分隔)可同時支援-60°方位偏振和+30°方位偏振。此外，針對於右上感測單元組和右下感測單元組，複數個偏振分離件140在左感測單元中的配置與在右感測單元中的配置(以虛線分隔)可同時支援-30°方位偏振和+60°方位偏振。應理解的是，每個感測單元所接收到的偏振光波是由複數個偏振分離件140的方位所決定的，而非由六邊形感測單元組的結構方位。然 而，每個感測單元組的六邊形結構支持兩個方位的偏振。
第7圖是根據本揭露的其他實施例，影像感測器70的剖面示意圖。在本實施例中，影像感測器70可為納入複數個偏振分離件140的有機光電二極體(organic photodiode,OPD)。有機光電二極體可對近紅外光(near infrared,NIR)具有高靈敏度，其一般傾向具有相對低的量子效率。藉由加入偏振分離件140的創新超穎特徵，應清楚地觀察到量子效率的改善。基底102、深溝槽隔離結構106、彩色濾光層110、網格結構112、遮光結構114、微透鏡材料層120、複數個微透鏡122、介電結構130、複數個偏振分離件140、光波L1、以及光波L2的特徵與第1A圖所示類似，其細節將不於此重複贅述。
參照第7圖，可在彩色濾光層110之下設置有機光導膜(organic photoconductive film,OPF)107。有機光導膜107的功能是將光子(photon)轉換成電子。在一些實施例中，有機光導膜107可被深溝槽隔離結構106劃分。深溝槽隔離結構106的材料和形成方法可與第1A圖所示類似，其細節將不於此重複贅述。以避免重複。有機光導膜107的厚度可大約介於0.05μm和0.70μm之間。有機光導膜107的材料可包括小分子(如芴二噻吩(fluorene dithiophene,FDT)、銅酞青(copper phthalocyanine,CuPc)、鉛酞青(lead phthalocyanine,PbPc)、氯鋁酞青(chloroaluminum phthalocyanine,AlClPc))、富勒烯(fullerene，如C70或C60)、其他類似材料，或其組合。可藉由上述任何合適的沉積製程形成有機光導膜107。
繼續參照第7圖，可在有機光導膜107之下和之上 分別形成電子輸送層(electron transport layer,ETL)105A和電洞輸送層(HTL)105B。在一些實施例中，電子輸送層105A可垂直地位於基底102與有機光導膜107之間，而電洞輸送層105B可垂直地位於彩色濾光層110與有機光導膜107之間。電子輸送層105A和電洞輸送層105B可分別被視為陽極(anode)連接和陰極(cathode)連接的緩衝層。電子輸送層105A或電洞輸送層105B的厚度可大約介於10nm和100nm之間。電子輸送層105A和電洞輸送層105B的材料可包括聚合物(如聚雙(噻吩基)噻吩-噻唑噻吩(polybis(thienyl)thienodia-thiazole thiophene,PDDTT)、聚〔2,3-雙(4-(2-乙基己氧基)苯基)-5,7-二(噻吩-2-基)噻吩並〔3,4-b〕吡嗪〕(poly[2,3-bis(4-(2-ethylhexyloxy)phenyl)-5,7-di(thiophen-2-yl)thieno[3,4-b]pyrazine],PDTTP)、聚{2,2’-〔(2,5-雙(2-己基癸醇)-3,6-二氧-2,3,5,6-四氫吡咯-〔3,4-c〕吡咯-1,4-二基)二噻吩〕-5,5’-二基-代-噻吩-2,5-二基}(poly{2,2’-[(2,5-bis(2-hexyldecyl)-3,6-dioxo-2,3,5,6-tetrahydro pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-diyl)dithiophene]-5,5’-diyl-alt-thiophen-2,5-diyl},PDPP3T)、噻吩基-二酮吡咯並吡咯-噻吩-噻吩(thienyl-diketo pyrrolopyrrole-thieno-thiophene,PDPPTTT)、聚{4,8-雙〔5-(2-乙基己基)噻吩-2-基〕苯-〔1,2-b：4,5-b’〕-二噻吩-2,6-二基-代-3-氟基-2-〔(2-乙基己氧基)羰基〕-噻吩〔3,4-b〕噻吩-4,6-二基}(poly{4,8-bis[5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl]benzo[1,2-b：4,5-b’]-dithiophene-2,6-diyl-alt-3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]-thieno[3,4-b]thiophene- 4,6-diyl},PTB7-Th))、任何合適的有機材料、其他類似材料，或其組合。可藉由上述任何合適的沉積製程形成電子輸送層105A和電洞輸送層105B。
參照第7圖，可分別在電子輸送層105A之下和電洞輸送層105B之上設置底電極103和頂電極109。底電極103和頂電極109可分別作為陰極接觸件和陽極接觸件。底電極103的厚度可取決於基底102的設計。頂電極109的厚度可大約介於50nm和300nm之間。底電極103的材料可以包括非晶矽、多晶矽、多晶矽鍺、金屬氮化物(如氮化鈦、氮化鉭(tantalum nitride,TaN)、氮化鎢(tungsten nitride,WN)、氮化鈦鋁(titanium aluminum nitride,TiAlN)、或其他類似材料)、金屬矽化物(如矽化鎳(nickel silicide,NiSi)、矽化鈷(cobalt silicide,CoSi)、氮化鉭矽(tantalum silicon nitride,TaSiN)、或其他類似材料)、金屬碳化物(如碳化鉭(tantalum carbide,TaC)、碳氮化鉭(tantalum carbonitride,TaCN)、或其他類似材料)、金屬氧化物、或金屬。金屬可包括鈷(cobalt,Co)、釕(ruthenium,Ru)、鋁、鎢(tungsten,W)、銅(copper,Cu)、鈦(titanium,Ti)、鉭(tantalum,Ta)、銀(silver,Ag)、金(gold,Au)、鉑(platinum,Pt)、鎳(nickel,Ni)、其他類似材料、其組合、或其多膜層。頂電極109的材料可包括透明導電材料，如氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)、氧化錫(tin oxide,SnO)、銦摻雜氧化鋅(indium-doped zinc oxide,IZO)、氧化銦鎵鋅(indium gallium zinc oxide,IGZO)、氧化銦錫鋅(indium tin zinc oxide,ITZO)、氧化銻錫(antimony tin oxide,ATO)、鋁摻雜氧化鋅(aluminum- doped zinc oxide,AZO)、二氧化鈦(titanium dioxide,TiO2)、其他類似材料、或其組合。可藉由物理氣相沉積、原子層沉積、電鍍(plating)、濺射(sputtering)、其他類似方法、或其組合形成底電極103和頂電極109。
繼續參照第7圖，可將複數個電路部101電性連接至底電極103。在一些實施例中，複數個電路部101和底電極103皆埋入於基底102內。複數個電路部101的功能是用來連接至電路系統和形成電荷儲存區。複數個電路部101可包括上述任何合適的絕緣和導電材料。舉例來說，複數個電路部101可為絕緣層和導電層交錯排列的層壓結構(laminated structure)。
參照第7圖，可在頂電極109上設置鈍化層111。鈍化層111可提供有機光導膜107與上方的彩色濾光層110之間的隔離。鈍化層111的厚度可大約介於50nm和1000nm之間。鈍化層111的材料和形成方法可與可與介電結構130的材料和形成方法類似，其細節將不於此重複贅述。
第8A和8B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80A和80B的上視圖。複數個偏振分離件140的每一個可呈現矩形或橢圓形。為了例示性目的，省略基底102、感測部104、深溝槽隔離結構106、抗反射層108、彩色濾光層110、網格結構112、遮光結構114、微透鏡材料層120、以及複數個微透鏡122。介電結構130和複數個偏振分離件140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，繪示影像感測器80A的上視圖。相較於第1B圖，影像感測器80A的複數個偏振分離件140可都呈現矩形。 如先前所提及，每一列的偏振分離件140由欄a至欄h構成一結構組，結構組可由列1至列8重複性地排列成多個循環。儘管第8A圖中所示的複數個偏振分離件140並非十字形，複數個偏振分離件140的每一個仍可包括第一超穎元件和第二超穎元件，其分別在Y軸方向上和X軸方向上延伸。當第一超穎元件和第二超穎元件分別在Y軸方向上和X軸方向上皆具有最小延伸時，可顯示正方形的偏振分離件140(例如在欄d和欄h的偏振分離件140)。根據本揭露的一些實施例，具有超穎特徵的複數個偏振分離件140可允許不同偏振的光波傳輸，但不同偏振的光波可被分離且被導向不同的感測單元。換言之，可最小化光能量損失，且可提升量子效率。
參照第8B圖，繪示影像感測器80B的上視圖。相較於第8A圖，影像感測器80B的複數個偏振分離件140可都呈現橢圓形。即使沒有十字形的配置，複數個偏振分離件140的每一個仍可包括第一超穎元件和第二超穎元件，其分別在Y軸方向上和X軸方向上延伸。當第一超穎元件和第二超穎元件分別在Y軸方向上和X軸方向上皆具有最小延伸時，可顯示圓形的偏振分離件140(例如在欄d和欄h的偏振分離件140)。根據本揭露的一些實施例，具有超穎特徵的複數個偏振分離件140可允許不同偏振的光波傳輸，但不同偏振的光波可被分離且被導向不同的感測單元。換言之，可最小化光能量損失，且可提升量子效率。
藉由將具有創新超穎特徵的複數個偏振分離件納入於標準影像感測器中，可傳輸不同偏振的入射光波，以便接收。創新的超穎特徵可控制不同偏振光波的傳輸方向，使得不同偏振的光波可被導向感測單元組內不同的感測單元。由於偏振分離件不會 反射遠離或吸收不想要的偏振的入射光波，可最小化光能量損失，且可提升量子效率。
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 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:深溝槽隔離結構 108:抗反射層 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 130:介電結構 140:偏振分離件 A-A’:線段 L1:光波 L2:光波

Claims (10)

  1. 一種影像感測器，包括：一組感測單元；一彩色濾光層，設置於該組感測單元內；以及一介電結構和複數個偏振分離件(polarization splitter)，設置對應該彩色濾光層，其中從上視圖來看，該些偏振分離件的每一個具有一第一超穎元件(meta element)於一第一方向上延伸、以及一第二超穎元件於一第二方向上延伸，該第二方向垂直於該第一方向。
  2. 如請求項1之影像感測器，其中該些偏振分離件的至少三個構成一結構組，其中該結構組週期性地排列成多個循環，其中該些循環之間的一群組節距介於150nm和600nm之間。
  3. 如請求項1之影像感測器，其中該些偏振分離件的至少三個構成一結構組，其中在該結構組內的該些偏振分離件之間的一分離件節距介於150nm和600nm之間。
  4. 如請求項1之影像感測器，其中從上視圖來看，該些偏振分離件的每一個具有十字形、矩形、或橢圓形，其中該些偏振分離件包括偏移配置的多個膜層。
  5. 如請求項1之影像感測器，其中從上視圖來看，該些偏振分離件的每一個的該第一超穎元件或該第二超穎元件的關鍵尺寸(critical dimension,CD)介於50nm和300nm之間，且該些偏振分離件的每一個的該第一超穎元件或該第二超穎元件的長度介於50nm和400nm之間。
  6. 如請求項1之影像感測器，其中從上視圖來看，該 些偏振分離件的每一個的旋轉幅度介於0°和90°之間，其中該些偏振分離件的每一個的高度介於0.1μm和1.5μm之間。
  7. 如請求項1之影像感測器，其中該些偏振分離件的折射率介於1.7和3.5之間，其中該介電結構的折射率介於1和1.8之間，其中該些偏振分離件設置於該介電結構的頂面上或設置於該介電結構內。
  8. 如請求項1之影像感測器，其中從上視圖來看，該組感測單元為矩形或六角形。
  9. 如請求項1之影像感測器，更包括：複數個感測部，埋入於一基底內；一深溝槽隔離(deep trench isolation,DTI)結構，將該些感測部的每一個分隔開；一網格結構，橫向地圍繞該組感測單元的該彩色濾光層；一遮光結構，埋入於該網格結構內；以及一微透鏡，設置於該介電結構之上或之下。
  10. 如請求項1之影像感測器，其中該影像感測器為一有機光電二極體(organic photodiode,OPD)，其中該有機光電二極體更包括：一有機光導膜(organic photoconductive film,OPF)，設置於該彩色濾光層之下；一電子輸送層(electron transport layer,ETL)，垂直地設置於一基底與該有機光導膜之間；以及一電洞輸送層(hole transport layer,HTL)，垂直地設置於該彩色濾光層與該有機光導膜之間。
TW112110259A 2022-10-12 2023-03-20 影像感測器 TWI840171B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/964,240 2022-10-12
US17/964,240 US20240125995A1 (en) 2022-10-12 2022-10-12 Image sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202416516A TW202416516A (zh) 2024-04-16
TWI840171B true TWI840171B (zh) 2024-04-21

Family

ID=90588986

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW112110259A TWI840171B (zh) 2022-10-12 2023-03-20 影像感測器

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20240125995A1 (zh)
JP (1) JP2024057568A (zh)
CN (1) CN117881205A (zh)
TW (1) TWI840171B (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201742250A (zh) * 2012-01-26 2017-12-01 半導體能源研究所股份有限公司 半導體裝置及其製造方法
TW201818535A (zh) * 2008-11-28 2018-05-16 日商半導體能源研究所股份有限公司 液晶顯示裝置
US20190391383A1 (en) * 2018-06-20 2019-12-26 Karl Storz Imaging, Inc. Medical Imaging Device With Split Image On Common Image Sensor
US20200124866A1 (en) * 2018-10-22 2020-04-23 California Institute Of Technology Color and multi-spectral image sensor based on 3d engineered material
TW202144603A (zh) * 2016-11-30 2021-12-01 美商菲爾薇解析公司 基於矽鍺的光學濾光片
US20210397014A1 (en) * 2019-02-04 2021-12-23 Max-Planck-Gesellschaft Zur Foerderung Der Wissenschaften E.V. Method of and Apparatus for Imaging Light Emitting Objects on an Image Sensor
US20220279137A1 (en) * 2021-03-01 2022-09-01 Qualcomm Incorporated Dual image sensor package

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201818535A (zh) * 2008-11-28 2018-05-16 日商半導體能源研究所股份有限公司 液晶顯示裝置
TW201929213A (zh) * 2008-11-28 2019-07-16 日商半導體能源研究所股份有限公司 液晶顯示裝置
TW201742250A (zh) * 2012-01-26 2017-12-01 半導體能源研究所股份有限公司 半導體裝置及其製造方法
TW201924069A (zh) * 2012-01-26 2019-06-16 日商半導體能源研究所股份有限公司 半導體裝置及其製造方法
TW202036919A (zh) * 2012-01-26 2020-10-01 日商半導體能源研究所股份有限公司 半導體裝置及其製造方法
TW202144603A (zh) * 2016-11-30 2021-12-01 美商菲爾薇解析公司 基於矽鍺的光學濾光片
US20190391383A1 (en) * 2018-06-20 2019-12-26 Karl Storz Imaging, Inc. Medical Imaging Device With Split Image On Common Image Sensor
US20200124866A1 (en) * 2018-10-22 2020-04-23 California Institute Of Technology Color and multi-spectral image sensor based on 3d engineered material
US20210397014A1 (en) * 2019-02-04 2021-12-23 Max-Planck-Gesellschaft Zur Foerderung Der Wissenschaften E.V. Method of and Apparatus for Imaging Light Emitting Objects on an Image Sensor
US20220279137A1 (en) * 2021-03-01 2022-09-01 Qualcomm Incorporated Dual image sensor package

Also Published As

Publication number Publication date
CN117881205A (zh) 2024-04-12
US20240125995A1 (en) 2024-04-18
TW202416516A (zh) 2024-04-16
JP2024057568A (ja) 2024-04-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI682553B (zh) 半導體影像感測裝置及影像感測器的製造方法
US8664578B2 (en) Image sensor with reduced crosstalk having an isolation region with a second trench in the electrically conductive material of a first trench
KR101550866B1 (ko) 광학적 크로스토크를 개선하기 위하여, 절연막의 트렌치 상부만을 갭필하여 에어 갭을 형성하는 이미지 센서의 제조방법
KR101432889B1 (ko) 수직적으로 집적된 후면 조명 이미지 센서들을 위한 장치
TWI756301B (zh) 光感測元件及其形成方法
KR100868629B1 (ko) 이미지 센서 및 그의 제조방법
US8618460B2 (en) Solid-state imaging device, manufacturing method thereof, and electronic apparatus
US9123608B2 (en) Backside illuminated CMOS image sensor
CN109786406B (zh) 用于图像传感器器件的光阻挡层
KR20080050434A (ko) 고상 이미저 및 광학 크로스토크 저감용 반사방지 필름을이용한 형성 방법
US9299740B2 (en) Image sensor with low step height between back-side metal and pixel array
US9812492B2 (en) Metal shield structure and methods for BSI image sensors
US9247116B2 (en) Image sensor device with light guiding structure
KR20190055746A (ko) 이미지 센서 디바이스를 위한 편광자
US8951826B2 (en) Method for increasing photodiode full well capacity
TWI840171B (zh) 影像感測器
TWI846493B (zh) 影像感測器及影像訊號處理器的簡化方法
US8652868B2 (en) Implanting method for forming photodiode
TWI844311B (zh) 影像感測器
KR102616543B1 (ko) 이미지 센서 디바이스용 차광층
TW202416520A (zh) 影像感測器
US20240021634A1 (en) Image sensor and method for reducing image signal processor
KR20220170132A (ko) 이미지 센서