固态图像感测器的制作方法

1.本公开实施例涉及一种图像感测器，尤其涉及一种包含调变结构的固态图像感测器，调变结构嵌入光电转换单元中。


背景技术：

2.固态图像感测器(例如，电荷耦合元件(charge-coupled device,ccd)图像感测器、互补式金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor,cmos)图像感测器等)已经广泛使用于各种图像拍摄设备，例如：数字静止图像相机、数字摄影机和类似的设备。固态图像感测器中的光感测部分可形成在多个像素中的每个像素处，并且可以根据在光感测部分中所接收的光量产生信号电荷。此外，可以传送和放大在光感测部分中产生的信号电荷，进而获得图像信号。
3.当固态图像感测器用于感测具有更长的波长(例如，波长为650nm或更长)的光时，光电转换单元(例如，光电二极管)的空乏区(depletion region)必须非常深。此外，(具有较长波长的)入射光在对应的光电转换单元中直线上下移动。因而，入射光被感应的光路(optical path)不够长，光电转换单元不能将入射光完全转换成电子，使得来自固态图像感测器的光电转换单元的图像信号的品质可能不令人满意。因此，固态图像感测器的设计和制造仍面临各种挑战。


技术实现要素：

4.在本公开的一些实施例中，固态图像感测器包含调变结构的固态图像感测器，调变结构嵌入光电转换单元中，其可在不增加光电转换元件的厚度的情况下，改变入射光的光路(变得更长)，从而改善来自固态图像感测器的光电转换单元的图像信号的品质。
5.根据本公开的一些实施例，提供一种固态图像感测器。固态图像感测器包含多个光电转换单元及多个调变结构，调变结构嵌入光电转换单元中。固态图像感测器也包含多个隔离结构及一保护层，隔离结构设置于光电转换单元之间，保护层设置于光电转换单元之上。在固态图像感测器的俯视图中，光电转换单元与调变结构形成多个马赛克图案，且一个调变结构的面积与对应的马赛克图案的面积的比介于0.1与0.9。
6.在一些实施例中，调变结构的折射率与光电转换单元的折射率不同，且在固态图像感测器的俯视图中，调变结构形成阵列。
7.在一些实施例中，调变结构设置于光电转换单元的顶部或底部。
8.在一些实施例中，调变结构的厚度等于m
×
λ/2n，m为正整数，λ为待被感应的光的波长，且n为调变结构的折射率。
9.在一些实施例中，在固态图像感测器的俯视图中，调变结构呈周期性排列。
10.在一些实施例中，在固态图像感测器的俯视图中，调变结构的形状包括三角形、矩形、正方形或梯形。
11.在一些实施例中，在固态图像感测器的俯视图中，调变结构具有至少两种不同的
形状。
12.在一些实施例中，在固态图像感测器的俯视图中，调变结构形成非周期性结构。
13.在一些实施例中，在固态图像感测器的俯视图中，调变结构在相邻的两个马赛克图案中具有不同的形状。
14.在一些实施例中，在固态图像感测器的俯视图中，马赛克图案形成棋盘状图案。
15.在一些实施例中，在固态图像感测器的俯视图中，调变结构形成多个交叉图案。
16.在一些实施例中，在固态图像感测器的俯视图中，调变结构具有至少两种不同的尺寸。
17.在一些实施例中，在固态图像感测器的俯视图中，调变结构沿着相同的方向延伸。
18.在一些实施例中，在固态图像感测器的俯视图中，调变结构沿着两个垂直的方向延伸。
19.在一些实施例中，在固态图像感测器的俯视图中，一个调变结构的面积与对应的马赛克图案的面积的比为0.5。
20.在一些实施例中，在固态图像感测器的俯视图中，一个调变结构的面积与对应的马赛克图案的面积的比为可变的。
21.在一些实施例中，固态图像感测器还包含金属网格，金属网格设置于保护层的底部中并对应于隔离结构。
22.在一些实施例中，固态图像感测器还包含多个聚光结构，聚光结构设置于保护层的上方。每个聚光结构对应于一个光电转换单元。
23.在一些实施例中，固态图像感测器还包含反射层，反射层设置于光电转换单元之下。
24.在一些实施例中，调变结构设置于光电转换单元的不同深度。
25.本公开的有益效果在于，根据本公开实施例的固态图像感测器包含调变结构，调变结构嵌入光电转换单元中，其可在不增加光电转换元件的厚度的情况下，改变入射光的光路(变得更长)，从而改善来自固态图像感测器的光电转换单元的图像信号的品质。
附图说明
26.以下将配合所附附图详述本公开实施例。应注意的是，各种特征部件并未按照比例绘制且仅用以说明例示。事实上，元件的尺寸可能经放大或缩小，以清楚地表现出本公开实施例的技术特征。
27.图1是根据本公开一些实施例示出固态图像感测器的一部分的剖面图。
28.图2是根据本公开一些实施例示出在固态图像感测器的一部分的俯视图中，光电转换单元与调变结构的排列。
29.图3a、图3b与图3c是根据本公开一些其他的实施例示出固态图像感测器的一部分的剖面图。
30.图4a与图4b是根据本公开一些其他的实施例示出在固态图像感测器的一部分的俯视图中，光电转换单元与调变结构的排列。
31.图5是根据本公开一些实施例示出固态图像感测器的一部分的剖面图。
32.图6是根据本公开一些实施例示出在固态图像感测器的一部分的俯视图中，光电
转换单元与调变结构的排列。
33.图7是根据本公开一些其他的实施例示出在固态图像感测器的一部分的俯视图中，光电转换单元与调变结构的排列。
34.图8是根据本公开一些其他的实施例示出在固态图像感测器的一部分的俯视图中，光电转换单元与调变结构的排列。
35.图9是根据本公开一些其他的实施例示出在固态图像感测器的一部分的俯视图中，光电转换单元与调变结构的排列。
36.图10是根据本公开一些其他的实施例示出在固态图像感测器的一部分的俯视图中，光电转换单元与调变结构的排列。
37.图11是根据本公开一些其他的实施例示出在固态图像感测器的一部分的俯视图中，光电转换单元与调变结构的排列。
38.附图标记如下：
39.100,102,104,106,108,110:固态图像感测器
40.10:半导体基板
41.11:光电转换单元
42.13:隔离结构
43.15,15-1,15-2,15-3:调变结构
44.20:保护层
45.22:金属网格
46.22s:金属网格区段
47.30:聚光结构
48.40:反射层
49.c13:隔离结构的中心轴
50.c22:金属网格区段的中心轴
51.mp,mp1,mp2:马赛克图案
52.rl:反射光
53.w11:光电转换单元的宽度
54.w15:调变结构的宽度
55.t15:调变结构的厚度
56.tl:透射光
57.a-a’,b-b’,c-c’:线
58.x,y,z:坐标轴
具体实施方式
59.以下的公开内容提供许多不同的实施例或范例以实施本案的不同特征。以下的公开内容叙述各个构件及其排列方式的特定范例，以简化说明。当然，这些特定的范例并非用以限定。例如，若是本公开实施例叙述了一第一特征部件形成于一第二特征部件之上或上方，即表示其可能包含上述第一特征部件与上述第二特征部件是直接接触的实施例，亦可能包含了有附加特征部件形成于上述第一特征部件与上述第二特征部件之间，而使上述第
enhanced cvd,pecvd)、物理气相沉积(physical vapor deposition,pvd)或其他沉积技术。
70.在一些实施例中，调变结构15的折射率与光电转换单元11的折射率不同，使得调变结构15可改变进入对应的光电转换单元11的入射光的光路。
71.调变结构15可设置于光电转换单元11的任意深度，其可根据实际需求进行调整。在图1所示的实施例中，多个调变结构15设置于光电转换单元11的相同深度，但本公开实施例并非以此为限。在一些实施例中，调变结构15的厚度t15等于m
×
λ/2n，其中m为正整数，λ为待被感应的光的波长，n为调变结构15的折射率。
72.图2是根据本公开一些实施例示出在固态图像感测器100的一部分的俯视图中，光电转换单元11与调变结构15的排列(arrangement)。举例来说，图1可为沿着图2中的线a-a’所示出固态图像感测器100的一部分的剖面图，但本公开实施例并非以此为限。
73.参照图2，在固态图像感测器100的俯视图中，光电转换单元11与调变结构15形成多个马赛克图案mp，且马赛克图案mp在图2中以虚线框表示。举例来说，图2示出形成为一个4
×
4像素阵列的十六个马赛克图案mp，但本公开实施例并非以此为限。
74.类似地，在一些实施例中，在固态图像感测器100的俯视图中，调变结构15形成阵列。在图2所示的实施例中，调变结构15呈周期性排列(periodic arrangement)，但本公开实施例并非以此为限。在一些其他的实施例中，调变结构15呈非周期性排列(aperiodic arrangement)。
75.在一些实施例中，在固态图像感测器100的俯视图中，调变结构15的面积与对应的马赛克图案mp的面积的比介于约0.1与约0.9。举例来说，在图2的每个马赛克图案mp中，调变结构15的面积与马赛克图案mp的面积的比为约0.5，但本公开实施例并非以此为限。换言之，如图1所示，在固态图像感测器100的剖面图中，调变结构15的宽度w15与对应的光电转换单元11的宽度w11的比为约0.5。
76.如图2所示，在一些实施例中，在固态图像感测器100的俯视图中，每个调变结构15形成为矩形。换言之，在一些实施例中，在固态图像感测器100的俯视图中，调变结构沿着相同的方向(例如，图2中的y方向)延伸，但本公开实施例并非以此为限。在一些实施例中，在固态图像感测器100的俯视图中，调变结构15的形状包含三角形、矩形、正方形或梯形。
77.如图1所示，固态图像感测器100包含保护层20，保护层20设置于光电转换单元11(半导体基板10)之上。举例来说，保护层20可包含与隔离结构13相同或相似的材料，但本公开实施例并非以此为限。此外，保护层20可通过沉积工艺形成于光电转换单元11之上。沉积工艺的范例已经于前方进行描述，在此将不再重复。
78.如图1所示，在一些实施例中，固态图像感测器100包含金属网格22，金属网格22设置于保护层20的底部中。更详细而言，金属网格22对应于隔离结构13。举例来说，如图1所示，金属网格22具有(或可被区分为)多个金属网格区段22s，且金属网格区段22s的中心轴c22可与对应的隔离结构13的中心轴c13重叠，但本公开实施例并非以此为限。金属网格区段22s的中心轴c22可相对于对应的隔离结构13的中心轴c13具有偏移(shift)。
79.此外，金属网格22可包含金(au)、镍(ni)、铂(pt)、钯(pd)、铱(ir)、钛(ti)、铬(cr)、钨(w)、铝(al)、铜(cu)、类似物、其合金或其组合，但本公开实施例并非以此为限。
80.如图1所示，在一些实施例中，固态图像感测器100包含多个聚光结构30，聚光结构
30设置于保护层20的上方。聚光结构30可包含玻璃、环氧树脂、硅氧树脂、聚氨酯、其他适当的材料或其组合，但本公开实施例并非以此为限。举例来说，聚光结构30可通过光刻胶回流(photoresist reflow)法、热压(hot embossing)法、其他合适的方法或其组合所形成。此外，形成聚光结构30的步骤可包含旋转涂布工艺、光光刻(lithography)工艺、蚀刻工艺、任何其他合适的工艺或其组合，但本公开实施例并非以此为限。
81.如图1所示，在一些实施例中，每个聚光结构30对应于一个光电转换单元11，但本公开实施例并非以此为限。在一些其他的实施例中，每个聚光结构30对应于两个或更多个光电转换单元11。
82.聚光结构30可为微透镜(micro-lens)结构。举例来说，聚光结构30可包含半凸透镜或凸透镜，但本公开实施例并非以此为限。聚光结构30也可包含微角锥(micro-pyramid)结构(例如，圆锥、四角锥等)或微梯形(micro-trapezoidal)结构(例如，平顶圆锥、平顶四角锥等)。或者，聚光结构30可为折射率渐变(gradient-index)结构。
83.如图1所示，在一些实施例中，固态图像感测器100包含反射层40，反射层40设置于光电转换单元11之下。举例来说，反射层40可包含金属，例如金(au)、镍(ni)、铂(pt)、钯(pd)、铱(ir)、钛(ti)、铬(cr)、钨(w)、铝(al)、铜(cu)、类似物、其合金或其组合，但本公开实施例并非以此为限。类似地，反射层40可通过物理气相沉积(pvd)、化学气相沉积(cvd)、原子层沉积(atomic layer deposition,ald)、蒸镀(evaporation)、溅镀(sputtering)、类似的工艺或其组合所形成。
84.如图1所示，当入射光(即，透射光tl)进入根据本公开实施例的固态图像感测器100的光电转换单元11时，嵌入光电转换单元11中的调变结构15可在不增加光电转换单元11的厚度的情况下改变入射光的光路(其包含透射光tl和反射光rl的路径)(变得更长)。
85.举例来说，当入射光具有较长的波长(例如，约920nm至约960nm)时，与传统的固态图像感测器(其不包含调变结构15)相比，本公开实施例的固态图像感测器100的光电转换效率(photoelectric conversion efficiency)(标准化(normalize)光电转换效率)可提高10％以上，且反射率(标准化反射率)可能会降低例如1％至15％。因此，可在不增加光电转换单元11的厚度的情况下改善来自固态图像感测器100的光电转换单元11的图像信号的品质。
86.图3a、图3b与图3c是根据本公开一些其他的实施例示出固态图像感测器100的一部分的剖面图。举例来说，图3a、图3b与图3c可为沿着图2中的线a-a’所示出固态图像感测器100的一部分的剖面图。也就是说，图3a、图3b与图3c可取代图1作为图2所示的固态图像感测器100的剖面图。
87.参照图3a，在一些实施例中，调变结构15设置于光电转换单元11的顶部。参照图3b，在一些实施例中，调变结构15设置于光电转换单元11的底部。在图3a与图3b所示的实施例中，在光电转换单元11的顶部或底部形成调变结构15可减少工艺步骤并进一步减少工艺时间。
88.参照图3c，在一些实施例中，调变结构15设置于光电转换单元11的不同深度。调变结构15的厚度与位置可根据实际需求调整。
89.图4a与图4b是根据本公开一些其他的实施例示出在固态图像感测器100的一部分的俯视图中，光电转换单元11与调变结构15的排列。举例来说，图1、图3a、图3b或图3c可为
沿着图4a中的线b-b’或图4b中的线c-c’所示出固态图像感测器100的一部分的剖面图，但本公开实施例并非以此为限。
90.参照图4a，在一些实施例中，在固态图像感测器100的俯视图中，每个调变结构15形成为三角形。换言之，调变结构15和对应的光电转换单元11之间的边界与马赛克图案mp的一条对角线重叠。参照图4b，在一些实施例中，在固态图像感测器100的俯视图中，每个调变结构15形成为梯形。
91.图5是根据本公开一些实施例示出固态图像感测器102的一部分的剖面图。图6是根据本公开一些实施例示出在固态图像感测器102的一部分的俯视图中，光电转换单元11与调变结构15的排列。举例来说，图5可为沿着图6中的线d-d’所示出固态图像感测器102的一部分的剖面图，但本公开实施例并非以此为限。
92.图5和图6所示的固态图像感测器102具有与图1和图2所示的固态图像感测器100类似的结构。与图1和图2所示的固态图像感测器100主要的不同之处在于，在固态图像感测器102的俯视图(例如，图6)中，在每个马赛克图案mp中，调变结构15的面积小于对应的光电转换单元11的面积。举例来说，在图6的每个马赛克图案mp中，调变结构15的面积与马赛克图案mp的面积的比为约0.33，但本公开实施例并非以此为限。换言之，如图5所示，在固态图像感测器102的剖面图中，调变结构15的宽度w15与对应的光电转换单元11的宽度w11的比为约0.33。
93.图7是根据本公开一些其他的实施例示出在固态图像感测器104的一部分的俯视图中，光电转换单元11与调变结构15的排列。在图7所示的固态图像感测器104的俯视图中，在每个马赛克图案mp中，调变结构15的面积大于对应的光电转换单元11的面积。举例来说，在图7的每个马赛克图案mp中，调变结构15的面积与马赛克图案mp的面积的比为约0.66，但本公开实施例并非以此为限。
94.图8是根据本公开一些其他的实施例示出在固态图像感测器106的一部分的俯视图中，光电转换单元11与调变结构15的排列。在一些实施例中，调变结构15具有至少两种不同的尺寸。举例来说，如图8所示，调变结构15-1与调变结构15-2具有不同的尺寸。更详细而言，在图8所示的固态图像感测器106的俯视图中，在第一列与第三列的每个马赛克图案mp中，调变结构15-1的面积小于对应的光电转换单元11的面积，而在第二列与第四列的每个马赛克图案mp中，调变结构15-2的面积大于对应的光电转换单元11的面积，但本公开实施例并非以此为限。
95.图9是根据本公开一些其他的实施例示出在固态图像感测器108的一部分的俯视图中，光电转换单元11与调变结构15的排列。如图9所示，在固态图像感测器108的俯视图中，马赛克图案mp形成棋盘状图案(checkerboard-like pattern)。更详细而言，可有两个调变结构15嵌入每个马赛克图案mp中，且在固态图像感测器108的俯视图中，两个调变结构15可形成为正方形并以对角排列，但本公开实施例并非以此为限。
96.图10是根据本公开一些其他的实施例示出在固态图像感测器110的一部分的俯视图中，光电转换单元11与调变结构15的排列。如图10所示，在固态图像感测器110的俯视图中，调变结构15(或马赛克图案mp)形成多个交叉图案。更详细而言，可有两个调变结构15嵌入每个马赛克图案mp中，且在固态图像感测器110的俯视图中，位于相同的马赛克图案mp中的两个调变结构15可形成为端点彼此面对的直角三角形，但本公开实施例并非以此为限。
97.图11是根据本公开一些其他的实施例示出在固态图像感测器112的一部分的俯视图中，光电转换单元11与调变结构15的排列。在一些实施例中，在固态图像感测器112的俯视图中，调变结构15具有至少两种不同的形状。此外，在一些实施例中，在固态图像感测器112的俯视图中，调变结构15形成非周期性结构(non-periodic structure)。举例来说，如图11所示的图像感测器112的俯视图，调变结构15-1、15-3可形成为矩形，而调变结构15-2可形成为直角三角形，但本公开实施例并非以此为限。
98.此外，在一些实施例中，在固态图像感测器112的俯视图中，调变结构15在相邻的两个马赛克图案mp中具有不同的形状。换言之，在一些实施例中，在固态图像感测器112的俯视图中，调变结构15具有至少两种不同的形状并形成非周期性结构，其可有效减少花瓣光斑(petal flare)。举例来说，如图11所示的图像感测器112的俯视图，调变结构15-1(其形成为矩形)可设置于马赛克图案mp1中，而调变结构15-2(其形成为三角形)可于设置在相邻的马赛克图案mp2中，但本公开实施例并非以此为限。
99.再者，在一些实施例中，在固态图像感测器112的俯视图中，调变结构15沿着两个垂直的方向延伸。举例来说，如图11所示的图像感测器112的俯视图，每个调变结构15-1沿着y方向延伸，而每个调变结构15-3沿着x方向延伸，但本公开实施例并非以此为限。
100.根据本公开的一些实施例，固态图像感测器包含多个光电转换单元及多个调变结构，调变结构嵌入光电转换单元中。固态图像感测器也包含多个隔离结构及一保护层，隔离结构设置于光电转换单元之间，保护层设置于光电转换单元之上。在固态图像感测器的俯视图中，光电转换单元与调变结构形成多个马赛克图案，且一个调变结构的面积与对应的马赛克图案的面积的比介于0.1与0.9。
101.综上所述，根据本公开实施例的固态图像感测器包含调变结构，调变结构嵌入光电转换单元中，其可在不增加光电转换元件的厚度的情况下，改变入射光的光路(变得更长)，从而改善来自固态图像感测器的光电转换单元的图像信号的品质。
102.以上概述数个实施例的部件，以便在本公开所属技术领域中技术人员可以更理解本公开实施例的观点。在本公开所属技术领域中技术人员应该理解，他们能以本公开实施例为基础，设计或修改其他工艺和结构以达到与在此介绍的实施例相同的目的及/或优势。在本公开所属技术领域中技术人员也应该理解到，此类等效的结构并无悖离本公开的精神与范围，且他们能在不违背本公开的精神和范围之下，做各式各样的改变、取代和替换。因此，本公开的保护范围当视随附的权利要求所界定者为准。另外，虽然本公开已以数个较佳实施例公开如上，然而其并非用以限定本公开。
103.整份说明书对特征、优点或类似语言的引用，并非意味可以利用本公开实现的所有特征和优点应该或者可以在本公开的任何单个实施例中实现。相对地，涉及特征和优点的语言被理解为其意味着结合实施例描述的特定特征、优点或特性包括在本公开的至少一个实施例中。因而，在整份说明书中对特征和优点以及类似语言的讨论可以但不一定代表相同的实施例。
104.再者，在一个或多个实施例中，可以任何合适的方式组合本公开的所描述的特征、优点和特性。根据本文的描述，相关领域的技术人员将意识到，可在没有特定实施例的一个或多个特定特征或优点的情况下实现本公开。在其他情况下，在某些实施例中可辨识附加的特征和优点，这些特征和优点可能不存在于本公开的所有实施例中。

技术特征：
1.一种固态图像感测器，包括：多个光电转换单元；多个调变结构，嵌入多个所述光电转换单元中；多个隔离结构，设置于多个所述光电转换单元之间；以及一保护层，设置于多个所述光电转换单元之上；其中在该固态图像感测器的一俯视图中，多个所述光电转换单元与多个所述调变结构形成多个马赛克图案，且多个所述调变结构中的一个的面积与多个所述马赛克图案中对应的一个的面积的比介于0.1与0.9。2.如权利要求1所述的固态图像感测器，其中多个所述调变结构的折射率与多个所述光电转换单元的折射率不同，且在该固态图像感测器的该俯视图中，多个所述调变结构形成一阵列。3.如权利要求1所述的固态图像感测器，其中多个所述调变结构设置于多个所述光电转换单元的顶部或底部，或者多个所述调变结构设置于多个所述光电转换单元的不同深度。4.如权利要求1所述的固态图像感测器，其中多个所述调变结构的厚度等于m
×
λ/2n，m为正整数，λ为待被感应的光的波长，且n为多个所述调变结构的折射率。5.如权利要求1所述的固态图像感测器，其中在该固态图像感测器的该俯视图中，多个所述调变结构呈一周期性排列或者多个所述调变结构形成一非周期性结构。6.如权利要求1所述的固态图像感测器，其中在该固态图像感测器的该俯视图中，多个所述调变结构的形状包括三角形、矩形、正方形或梯形，多个所述调变结构具有至少两种不同的形状，或者多个所述调变结构在相邻的两个马赛克图案中具有不同的形状。7.如权利要求1所述的固态图像感测器，其中在该固态图像感测器的该俯视图中，多个所述马赛克图案形成一棋盘状图案，或者多个所述调变结构形成多个交叉图案。8.如权利要求1所述的固态图像感测器，其中在该固态图像感测器的该俯视图中，多个所述调变结构具有至少两种不同的尺寸。9.如权利要求1所述的固态图像感测器，其中在该固态图像感测器的该俯视图中，多个所述调变结构沿着相同的方向延伸，或者多个所述调变结构沿着两个垂直的方向延伸。10.如权利要求1所述的固态图像感测器，其中在该固态图像感测器的该俯视图中，多个所述调变结构中的一个的面积与多个所述马赛克图案中对应的一个的面积的比为0.5，或者多个所述调变结构中的一个的面积与多个所述马赛克图案中对应的一个的面积的比为可变的。11.如权利要求1所述的固态图像感测器，还包括：一金属网格，设置于该保护层的底部中并对应于多个所述隔离结构；多个聚光结构，设置于该保护层的上方，其中每该聚光结构对应于多个所述光电转换单元中的一个；及一反射层，设置于多个所述光电转换单元之下。

技术总结
一种固态图像感测器，包含多个光电转换单元及多个调变结构，调变结构嵌入光电转换单元中。固态图像感测器也包含多个隔离结构及一保护层，隔离结构设置于光电转换单元之间，保护层设置于光电转换单元之上。在固态图像感测器的俯视图中，光电转换单元与调变结构形成多个马赛克图案，且一个调变结构的面积与对应的马赛克图案的面积的比介于0.1与0.9。赛克图案的面积的比介于0.1与0.9。赛克图案的面积的比介于0.1与0.9。


技术研发人员：曾品嘉 张育淇
受保护的技术使用者：采钰科技股份有限公司
技术研发日：2022.07.15
技术公布日：2023/9/7