TW201029167A - Ultraviolet light filter layer in image sensors - Google Patents

Description

201029167 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大致上係關於在數位相機及其他類型影像祿取裝 置中使用的影像感測器’且更特定言之係關於在形成彩色 濾光器陣列之前，在該影像感測器上形成一層或多層紫外 光濾光層的影像感測器。 【先前技術】 _ 種典型的電子影像感測器包含在一感測器層中配置成 二維陣列的若干光敏圖像元素「像素"pixels”」^此一影像 感測器可經組態為藉由在該等像素上形成一彩色濾光器陣 ' 列（CFA)而產生一彩色影像。一常用的CFA圖案類型為揭 示於名為「"Color Imaging Array”」的美國專利第3 971 〇65 號中之Bayer圖案，該案以引用的方式併入本文中。 C FA圖案針對各像素提供色彩光響應性，該色彩光響應性 對可見光譜之三個指定部分之一者展現極佳的靈敏度。該 • 三個指定部分可為（例如）紅色、綠色及藍色，或青綠色、 洋紅色及黃色。-給定的CFA圖案之特徵通常為一最小重 複單元’該最小重複單元係以連續像素之子陣列之形式構 ^該子陣列乃作為圖案的基本建構區塊。將該最小重複 單元之多個複本並列而形成完整圖案。 將CFA沈積在—影像感測器上時’該影像感測器通常被 曝露於紫外（UV)光下。已知旧光會引發—直接下伏絕緣 層中的電荷、及絕緣層與感測器層間之界面的缺陷狀態。 $等、邑緣層中引發的此等介面狀態及電荷增加背面照 144618.doc 201029167 明成像器的暗電流位準且降低量子效率。可執行高溫退火 以減少或消除此等所引發的缺陷，但是CFA層之低溫需求 會限制可執行退火之溫度’因而降低退火製程之有利效 果。 【發明内容】 一影像感測器包含一層或多層紫外（uv)光濾光層，該或 該等紫外（UV)光濾光層形成在一層或多層絕緣層上。而後 在該一層或多層UV光濾光層上形成一彩色渡光器陣列 (CFA)層。該一層或多層1/乂光濾光層阻擋uv光照射到下伏 層上。該或該等UV光濾光層在透射可見光的同時反射或 吸收UV光。僅舉貫例而s，在根據本發明之若干例示性 實施例中，若將一背面照明影像感測器建於一SOI晶圓、 一 ONONO二向色堆疊物、或一有機或無機染色聚合物 上’則藉由沈積在該絕緣層上之一薄石夕層或一未蝕刻薄矽 層而开>成3亥一層或多層UV滤光層。該影像感測器可經組 態成一正面照明影像感測器或背面照明影像感測器。 本發明包含減少或消除由於曝露於uv光下而導致的絕 緣體充電及絕緣體-感測器介面狀態的產生。減少或消除 此等效可維持影像感測器之暗電流位準及量子效率。 【實施方式】 參考以下圖式能更好地理解本發明之實施例。諸圖之元 件不必相對於彼此成比例。 貫穿說明書及技術方案，除非内文另有明指，本文以下 術居取其明顯相關聯之意。「一 ’’a”、，，an"」及「該"the”」 144618.doc 201029167 之意包含複數個參考，「在…之中"in，，」之意包含「在…之 中"in”」「在…之上”on”」。術語「連接的，，c〇nnectedl，」意 為物項間之直接電連接或透過—個或多個被動或主動中間 .裝置的間接連接，術語「電路”circuit"」意為互相連接以 提供所要功能之主動或被動的—單一組件或多個組件。術 语「k號” signal"」意為至少一電流、電壓或資料信號。 • 另外，諸如「在…之上”〇n"」、術語「在…上方"over ”」、 ⑩:語「在之頂部"top，，」及術語「在…之底部"b〇u〇m"」的 才曰向性術語係參考所述圖之定向而使用。因為本發明實施 Z之組件可定位在許多不同的定向中，指向性術語僅用於 、曰不之目的I絕無限制t t。當結合一影像感》到器之諸層 或對應w像感測器使用時’指向性術語係欲作廣泛的解 f ’且因此不將其應理解為排除一層或多層介入層或其他 二入影像感測器特徵部或元件的存在。由此，如本文所述 v成在另層上或形成在另一層上方的一給定層可經由一 Φ 層或多層額外層而與後面層分離。 且取終’術語「晶圓"wafer"」及術語「基板峨”」 二解為在-半導體基板及其他半導體結構上形成一基於 j的材料’包含（但不限於）石夕、絕緣體上覆石夕⑽)技 :f石上覆石夕（SOS)技術、摻雜與未摻雜半導體、磊 參考諸圖式， 現參考圖1 , 擷取裝置的簡化 圖中各處的相同元件符號指示相同零件。 所繪為根據本發明之—實施例t之一影像 方塊圖。在圖lt，影像梅取裝置1〇〇係實 1446J8.doc 201029167 施為一數位相機。熟悉此項技術者將認知數位相機僅為可 利用包含本發明之影像感測器的影像擷取裝置之—實例。 諸如（例如）手機相機及數位視訊攝錄像機等其他類型的影 像擷取裝置可搭配本發明使用。 在數位相機100中，來自一主題場景之光1〇2入射至一成 像台104上。成像台104可包含習知元件，諸如一透鏡、一 中性密度濾光器、光圈及一快門。光1〇2由成像台1〇4聚焦 以在影像感測器106上形成一影像。影像感測器1〇6藉由將 該入射光轉換為電信號而擷取一個或多個影像。數位相機 1〇〇進一步包含處理器108、記憶體110、顯示器112及一個 或多個額外輸入/輸出（〗/ 〇)元件丨〗4。雖然在圖i之實施例 中將成像台104展示為個別元件，但是其可與影像感測器 106 —體化形成，且可能整合數位相機丨〇〇的—個或多個額 外元件而形成一精巧的相機模組。 處理108可實施為（例如）微處理器、中央處理單元 (cpu)、特殊應用積體電路（ASIC)、數位信號處理器（Dsp) 或其他處理裝置，或多個該種裝置之組合。成像台104及 影像感測器106的各個元件可由供應自處理器1〇8的時序信 號或其他信號予以控制。 記憶體110可組態成任意組合的任意類型之記憶體，諸 如（例如）隨機存取記憶體（RAM)、唯讀記憶體（ROM)、快 閃記憶體、磁碟式記憶體、可抽取式記憶體或其他類型的 儲存兀件。由影像感測器106擷取的一給定影像可由處理 器108而儲存在記憶體110中且呈現在顯示器112上。雖然 144618.doc 201029167 可使用其他類型的顯示器，但是顯示器112通常為—主動 矩陣彩色液晶顯示器（LCD) »額外1/〇元件114可包含（例如） 多種螢幕上控制項、按钮或其他使用者介面、網路介面或 記憶卡介面。 應明白如圖1所示之數位相機可包括此項技術者熟知的 -種類型的額外元件或替代元件。本文未明確展示或描述 的元件可選自此項技術熟知的元件。如上所述，可以許多 粵種影像擷取裝置實施本發明。又，本文中所述之實施例的 特定態樣可至少部分地以由一影像榻取裝置之一個或多個 處理元件執行之軟體形式而實施。熟悉此項技術者亦當明 白，此種軟體可以以本文提供之所給定教示的一直接方式 實施。 圖2係根據本發明之一實施例中之繪示於圖丨之一影像感 測益106的簡化方塊圖。影像感測器1〇6包含通常以行列排 列而形成一成像區域202的數個像素2〇〇。影像感測器i 〇6 Φ 進一步包含行解碼器204、列解碼器206、數位邏輯元件 208及類比或數位輸出電路21〇 ^在根據本發明之一實施例 中，將影像感測器106實施為一背面照明或正面照明互補 •金屬氧化物半導體（CM0S)影像感測器。由此，可將行解 .碼器204、列解碼器2〇6、數位邏輯元件2〇8、及類比或數 位輸出電路210實施為電連接至成像區域2〇2的標準cmos 電子電路。 與成像區域202之取樣與讀出相關聯的功能性及對應影 像資料的處理’可至少部分地以儲存於記憶體丨丨〇内並由 1446I8.doc 201029167 處理器108執行之軟體形式而實施（參看圖1)。該取樣與讀 出電路之部分可配置於該影像感測器106之外部，或與成 像區域202 —體化形成在例如具有光彳貞測器及該成像區域 之其他元件的一共同積體電路上。熟悉此項技術者將明白 其他周邊電路組態或架構可在根據本發明的其他實施例中 實施。 現參考圖3，所示為在根據本發明之一實施例中的一種 用於製造一影像感測器之流程圖。首先，如方塊3〇〇所 示’製造一包含感測器層及電路層之影像感測器。可使用 用於製造一影像感測器的任意已知技術來建構包含感測器 層及電路層的該影像感測器。該影像感測器可組態成一正 面照明影像感測器或背面照明影像感測器。 該感測器層包含通常以行列配置而形成一陣列的若干光 偵測器或其他光敏元件。該電路層包含形成在—層或多層 絕緣層的導電互連件。可包含於該電路層中的層類型之實 例有層間電介質（ILD)及金屬間電介質（IMD)層。 接著如方塊302所示，在該影像感測器之一表面上形成 一絕緣層。如為一背面照明影像感測器，該絕緣層係形成 在該感測器層之背面上。如為一正面照明影像感測器，該 絕緣層係形成在該電路層之正面上。 接著在該絕緣層（方塊3〇4)上形成一層或多層紫外（UV) 光渡光層。該一層或多層紫外（uv)光濾光層係阻擋光照射 到下伏層。該一層或多層紫外光濾光層在透射可見光的同 時反射或吸收該UV光。可用於實施該一層或多層uv光濾 144618.doc 201029167 光層的材料之-實例係-薄石夕層。在根據本發明之一個或 多個實施例中’該薄矽層可具有數十奈米的厚度。 圖4係描繪不同光波長之矽吸收係數的圖形。可以看 出，UV光在石夕中具有一高吸收係數。由此，一薄石夕層將 吸收在CFA沈積期間產生的大部分或所有uv*。在根據本 發明的其他實施例中，該一層或多層！；乂光濾光層可實施 為ONONO二向色堆疊（0表示氧、N表示氮）、染色有機或 參 無機聚合物層、uv吸收材料、或含於一第二材料之υνκ 收材料◊一第二材料之一實例係一玻璃。該uv,收材料 可包含（但不限於）染料、有機或無機顏料，及脫水顏料。 再次參考圖3，在該UV光濾光層（方塊3〇6)上形成一彩色 濾光器陣列（CFA)。該CFA可包含色彩任意組合的彩色濾 光元件之任意圖案。如先前所談論，一常用的CFA圖案類 型為揭示於名為「"C〇l〇r imaging Array"」的美國專利第 3,971，065號中之Bayer圖案，該案以引用的方式併入本文 ❿ 中。 且最終’如方塊308所示’在該CFA圖案上形成微透 鏡。該等微透鏡通常以對應於像素陣列的一陣列形式而形 成。該微透鏡陣列通常用於增加一影像感測器之集光效 率。 如先前所討論，在根據本發明之諸實施例中，可將一影 像感測器製成正面照明影像感測器或一背面照明影像感測 器。習知已知一感測器層之「正面"frontside”」為鄰近該 感測器之一電路層之側，而該感測器層之「背面"backside„」 144618.doc -9- 201029167 為該感測器與該正面相反之側。圖5係根據本發明之一實 施例中依照圖3所示之方法而製造之一正面影像感測器的 橫截面圖。影像感測器_包含形成於感測器層5Q4及電路 層506中的像素502。 在感測器層504中形成有光债測器5〇8。在根據本發明之 一實施例巾，用-石夕材料形成感測器層5〇4。在感測器層 5〇4上方形成電路層506。一正面照明影像感測器係以使來 自一主題場景之光5 10入射在感測器層5〇4之一正面上之方 式製造。 在根據本發明之一實施例中，電路層5〇6包含形成在一 介電材料中的諸如閘極及連接器之導電互連件514、516。 透過導電互連件514、516之一些而將電路層5〇6電連接至 感測器層504。電路層506中之互連件5 14、516通常與多種 金屬化專級相關聯。 在電路層506上形成絕緣層518。在根據本發明之一實施 例中’可用二氧化矽或二氧化矽材料形成絕緣層518。在 絕緣層5 1 8上形成一層或多層UV光濾光層520。在根據本 發明之諸實施例中’ UV濾光層520吸收或反射UV光並透射 可見光》UV濾光層520係用任意已知的濾光材料實施。僅 舉實例而言，在根據本發明之若干例示性實施例中，若— 背面照明影像感測器建於一 SOI晶圓、一 ΟΝΟΝΟ二向色堆 疊、或一有機或無機染色聚合物上，則用沈積在該絕緣層 上之一薄石夕層或一未蚀刻薄碎層形成UV遽光層5 2 0。 在UV濾光層520上形成CFA。CFA 522包含若干彩色瀘光 144618.doc •10· 201029167 器元件524、526、528。如先前所談論般，彩色渡光器元 件524、526、528針對各像素提供色彩光響應性，該色彩 光響應性對可見光譜之兩個或兩個以上的指定部分之一者 展現極佳的靈敏度。該等指定部分可為（例如）紅、綠色及 藍色’或青綠色、洋紅色及黃色。及最終，在CFA 522上 形成微透鏡530。 ‘ 現參考圖6，所示為根據本發明之一實施例中之依照圖3 ❹ 所示之方法而製造之一背面照明影像感測器的橫截面圖。 影像感測器600包含在感測器層5〇4及電路層5〇6中形成的 像素602。感測器層504、電路層506、光貞測器5〇8、導電 互連件514、516、絕緣層518、uv濾光層52〇、CFA 522及 微透鏡530被實施為如同結合圖5所示及所述之各者。 電路層506係佈置在感測器層5〇4與處理或支撐晶圓6〇4 之間。此容許光510照射到感測器層504之背面6〇6,而在 其處由光偵測器508予以偵測。一背面照明影像感測器之 φ 一優點係電路層5〇6之導電互連件及其他特徵部不會影響 光偵測器508對光5 10之偵測。 以上已參考本發明之特定實施例描述本發明。但是，應 認知一般技術者可在不脫離本發明之範圍的情況下作出變 動及修改。舉例而言，一影像感測器可包含比圖5及圖6所 示之層或組件更多、更少或不同之層或組件。另外，具一 共用架構之一影像感測器可在根據本發明之其他實施例中 使用。一共用架構之一實例係揭示於美國專利第6，1〇7,655 號中。且最終’本發明可搭配使用諸如（例如）電荷耦合裝 14461S.doc -11 - 201029167 置（CCD)影像感測器的不同類型影像感測器。 儘g本文已描述本發明之明確實施例，然應注意本申請 案不限於此等實施例。特定言之，參考一實施例所描述的 任意特徵部亦可在其他實施例中視情況使用。且不同實施 例之特徵部可視情況互換。 【圖式簡單說明】 圖1係根據本發明之一實施例中的一種影像擷取裝置之 簡化方塊圖； 圖2係根據本發明之一實施例中之繪示於圖1之一影像感 ❹ 測器1 06的簡化方塊圖； 圖3係根據本發明之一實施例中的一種用於製造一影像 感測器之流程圖； 圖4係描繪不同光波長之矽吸收係數的圖形； 圖5係根據本發明之一實施例中依照圖3所示之方法而製 造之—正面影像感測器的橫戴面圖；及 圖6係根據本發明之一實施例中之依照圖3所示之方法而 製造之一背面影像感測器的橫截面圖。 參 【主要元件符號說明】 100 影像擷取裝置 102 光 104 成像台 106 影像感測器 108 處理器 110 記憶體 144618.doc • 12- 201029167 112 顯示器 114 其他輸入/輸出（I/O) 200 像素 202 成像區域 204 行解碼器 206 列解碼器 208 數位邏輯 210 輸出通道

500 影像感測器 502 像素 504 感測器層 506 電路層 508 光偵測器 510 光 512 感測器層正面 514 導電互連件 516 導電互連件 518 絕緣層 520 濾光層 522 彩色濾光器陣列（CFA) 524 彩色濾光元件 526 彩色濾光元件 528 彩色濾光元件 530 微透鏡 144618.doc -13- 201029167 600 602 604 606 影像感測器 像素 支撐晶圓 感測器背面 144618.doc

Claims (1)

1. 201029167 七、申請專利範園： 1. 一種影像感測器，其包括： 乂 一紫外光濾光層，其係佈置在一彩色濾光器陣列 與絕緣層之間，其中該至少一紫外光濾光層係在透射 可見光的同時阻擋UV光。 2. 如吻求項1之影像感測器，其中該紫外光濾光層包括一 矽層。 3. 如吻求項1之影像感測器，其中該紫外光濾光層包括一 uv吸收材料。 4. 如凊求項3之影像感測器，其中該uv吸收材料係包含於 另一材料中。 5. 如清求項3之影像感測器其中該卩乂吸收材料包括脫水 顏料與染料之一者。 6. 如請求項5之影像感測器，其中該染料包括有機顏料與 無機顏料之—者。 φ 7· 一種背面照明影像感測器，其包括： 一感測器層，該感測器層佈置在一絕緣層與電連接至 該感測器層之一電路層之間，其中該感測器層之一正面 係鄰近於該電路層，且該感測器層之一背面係鄰近於該 絕緣層； r 一層或多層紫外光濾光層，其係覆蓋在該絕緣層上 方其中s亥至少一紫外光遽光層係在透射可見光的同時 阻擋UV光；及 一衫色濾光器陣列’其係形成在該一層或多層紫外光 144618.doc 201029167 滤光層上方。 8. 如請求項7之背面照明影像感測器，其中該紫外光濾光 層包括一珍層。 9. 如請求項7之背面照明影像感測器，其中該紫外光濾光 層包括—UV吸收材料。 10·如响求項9之背面照明影像感測器，其中該UVK收材料 係包含於另一材料中。 U.如請求項9之背面照明影像感測器，其中該UV吸收材料 包括脫水顏料與染料之一者。 12.如請求項“之背面照明影像感測器，其中該染料包括有 機顏料與無機顏料之一者。 13·種用於製造一影像感測器的方法，該影像感測器具備 包含複數個像素之一成像區域；該方法包括： 、 在該成像區域上方形成一層絕緣層； 在該絕緣層上方形成一層或多層紫外光濾光層，其中 該至少一層紫外光濾光層在透射可見光的同時阻擋uv 光；及 ^ 在該一層或多層紫外光濾光層上方形成一彩色濾光器 陣列。 u ° 14·如請求項13之方法，其中在該絕緣層上方形成一層或多 層紫外光濾光層之步驟包括在該絕緣層上方形成一矽層。 15.如請求項13之方法，其中在該絕緣層上方形成一層或多 層紫外光濾光層之步驟包括在該絕緣層上方形成—口乂吸 收材料。 144618.doc