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TWI308801B - Imager method and apparatus employing photonic crystals - Google Patents

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TWI308801B
TWI308801B TW095120203A TW95120203A TWI308801B TW I308801 B TWI308801 B TW I308801B TW 095120203 A TW095120203 A TW 095120203A TW 95120203 A TW95120203 A TW 95120203A TW I308801 B TWI308801 B TW I308801B
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TW
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light
forming
photonic crystal
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TW095120203A
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Inventor
Chandra Mouli
Original Assignee
Micron Technology Inc
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Publication date
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Description

.1308801 ' 九、發明說明： * 【發明所屬之技術領域】 « 本發明大體係關於半導體裝置之領域，且更特定係關於 影像感應器裝置或顯示器中所使用之光子晶體。 - 【先前技術】 • 半導體工業目前使用不同類型的使用微透鏡之基於半導 體的影像感應器’绪如電荷輕合裝置（ccd)、CMOS主動气 像素感應器（APS)、光電二極體陣列、電荷注入裝置及混合 式焦平面陣列。該等影像感應器使用微透鏡將電磁輻射聚 焦於光轉換裝置上’例如光電二極體。而且，該等影像减 應器可使用濾光片來選擇特定波長之電磁輻射（例如，與一 特定顏色相關聯）以供光轉換裝置感應。 衫像感應器之微透鏡幫助增加光學效率並減少像素單 元之間之串擾。圖1A展示一CMOS影像感應器像素單元陣 列100的一部分。該陣列丨0〇包含像素單元丨〇，每—像素單 φ 元形成於一基板1上。每一像素單元10包含一光轉換裝置 12(例如’光電二極體）。所述陣列ι〇〇具有微透鏡2〇，其將 光收集並聚焦於該光轉換裝置12上。該陣列1〇〇亦可包含— 光屏蔽（例如，金屬層7)來阻止以一個光轉換裝置12為目標 - 的光到達其他像素單元1〇之光轉換裝置12。 該陣列100亦可包含彩色濾光片陣列30。該彩色濾光片陣 列包含彩色遽光片3la、31b、31c，每一濾光片安置於—各 別像素單元10之上。該等濾光片31a、31b、31c中之每一者 僅允許特定波長的光（對應於一特定顏色）通過而到達各別 U1705.doc .1308801 光轉換裝置。通常，該彩色濾光片陣列30排列為重複拜耳 模式（Bayer pattern) ’且包含兩個綠色濾光片31a、一個紅 • 色濾光片31b、及一個藍色濾光片31c，其排列如圖1B所示。 該彩色濾光月陣列30與該等像素單元1〇之間為一層間介 電（ILD)區域3。該ILD區域3通常包含多層層間介電質及導 體，其位於一絕緣平坦層之上，且導體形成該等像素單元 1〇之裝置之間的連接以及形成該等像素單元10至陣列1〇〇 φ 外圍之電路（未圖示）的連接。介電層5通常位於彩色濾光片 陣列30與微透鏡20之間。 典型彩色濾光片31a、31b、31c可使用若干習知材料及技 術製造。舉例言之，彩色濾光片31a、31b、31c可為染至各 別顏色的明膠或其他適當材料。而且，使用光微影方法已 併入包括與聚醢亞胺組合之熱溫定染料之聚醯亞胺濾光 片儘管使用光微影法製備之彩色濾光片可顯示優良的解 析度及色彩品質，但光微影是複雜的且會造成大量不合格 鲁的渡光片31a、31b、31c。特定地，使用光微影法形成包含 聚醯亞胺濾光片31a、31b、31c之彩色滤光片陣列3〇對於每 一顏色而言都需要-光罩、—光阻劑、—烘培步驛、一飯 刻步驟及-抗钱劑移除步驟。因此，為了形成排列為拜耳 模式之彩色濾光片陣列30,此方法必須重複三次。 因此’具有使用於影像感應器中之替代遽光片以提供更 多種類之工程及設計機會將是有利的。 【發明内容】 本發明之例示性實施例提供—影像感應器及形成一影像 111705.doc 1308801 感應器之方法。該影像感應器於一基板之表面包含一像素 單元陣列。每一像素單元具有一光轉換裝置。在該等像素 單元之至少一者上提供包含一光子晶體結構之至少一微機 電系統（MEMS)元件。該基於MEMS之光子晶體元件由一支 撐結構支撐並經組態以在施加電壓時選擇性准許電磁波長 到達光轉換裝置。因而，本發b月之基於MEMS之光子晶體
元件可取代或補充習知濾光片（例如，彩色遽光片陣列）。 【實施方式】 在以下之詳細描述中，參考附圖，其形成本文一部分且 說明了本發明可實踐之特定實施例。在圖式中，同樣的標 號描述若干視®中大體上相似的組件。充㈣細地描述此 等實施例以使得熟習此項技術者能夠實踐本發明，且應瞭 解可使用其他實施例’且可在不偏離本發日月之精神與範嘴 的情況下進行結構上、邏輯上及電學上的變化。 術.口日日®及基板"應理解為包含石夕、絕緣物上石夕（則） 或瓜寶石上邦QS)技術、摻雜或不摻雜半導體、由基底半 導體基座支撐之#晶層及其他半導體結構。此外，當在 下文描述中提到”晶圓”哎，，其 次基板時，可能使用了前述處理步 驟以於該基底半導體結構 ,„ * 再4基座内形成區域或接面。另 外，半導體不一定是；5夕基的 a 的而疋可基於矽-鍺、鍺或砷化 録0 術語”像素”或”像素單八 表不—含有將電磁輻射轉換為 電汛唬之忐轉換裝置的像元 中所友#„ 基、、且。通常，一影像感應 .中所有像素早元之製造將以相似方式並行進行。 111705.doc 1308801 術語”光子晶體”表示一具有週期交換之折射率之材料及/ 或結構袼栅（例如，柱之排列）。―"光子晶體元件"為包括一 光子晶體結構之元件。 本發明之實施例提供一具有一光子晶體結構之微機電系 統（MEMS)元件及一使用一基於MEMS之光子晶體元件之 影像感應器。該等元件之透射率及反射率特性受到電子控 制以在不同時間選擇不同電磁波長。該基於MEMS之光^ 晶體元件於—影像感應器内可用於多種目的，包括（例如）， 用作-額外額外的遽光片、用作習知爐光片（例如，彩色濾 光片陣列）之替代或用作習知濾光片之補充。 最近’光子晶體因其光子能帶隙而已被瞭解。光子晶體 與電磁波相互作用，類似於半導體晶體與帶電粒子或其波 形相互作用的形式’意即，光子晶體結構 構之光學上的類似物。光子晶體與半導體晶體之基二 為其週期性。在一半導體中，晶格内原子之週期晶體結構 疋其所觀測性能之主要原因之一。舉例言之，該結構之週 期性允許能量⑻位準及波向量動量（k)位準之量子化（能帶 ，曰E k關係)。類似於半導體内的能帶隙能量(其下的載 子旎I被禁止），光子晶體可為電磁波提供一光子能帶隙， 在二中特疋的波長被禁止。見Biswas ' R.等人之处㈣—
RevlewB ’卷61，第7冊第4549 4…頁（】州年），其全文 以引用方式併入本文中。 八 光子晶體的結構允料製電磁波傳播之獨特性能。不同 於半導體’光子晶體不受限於天然產生之材料且可易於合 111705.doc J308801 成。因此，光子晶體可以一寬廣範圍之結構製造以適應電 磁輻射之廣闊範圍的頻率及波長。電磁波滿足光速的以下 簡單關係：
c = nQ 其中c =在關心的媒體中之光速，n=頻率且囡=波長。無線電 波在1毫米（mm)之波長範圍内，然而遠紫外線在i奈米（nm) 範圍内。雖然在半導體中能帶結構工程設計非常複雜，但 在光子晶體内之光子能帶結構工程設計相對簡單。光子晶 體可被設計為具有一光子能帶結構，該光子能帶結構阻擋 特定波長之光同時允許其它波長通過。 光子晶體可由介電材料、導電材料及塗覆導電層之介電 材料形成。已知兩個光子晶體結構之間之小的位移可導致 該等兩個結構之透射率及反射率特性的變化。見w〇nj〇〇 Suh 等人之"Displacement-sensitive Photonic Crystal Structures Based on Guided Resonance in Photonic Crystal
Slabs"，Applied Physics Letters，卷 82，第 13冊，第 1999-2001 頁（2003年3月31曰）’其以引用方式併入本文。圖2為一展示 穿過單一光子晶體板之例示性透射譜之圖表。如圖2中所 示，導向共振之性能是靠近該基波波長之強反射性訊號。 已知該導向共振可為一寬頻現象。見Shanhui Fan等人之 "Analysis of Guided Resonances in Photonic Crystal Slabs", Physical Review B ^ 卷 65 ’ 第 235 112-1 至 235 112-8 頁（2002 年），其以引用方式併入本文。 圖3、圖6及圖7分別說明影像感應器陣列3〇〇a、300B、 111705.doc ,1308801 一〇〇c之-部分，每—影像感應器陣列包含根據本發明之例 不性實施例之-或多個基於職8之光子晶體元件330。可 设計該等it件330之光子能帶結構以達成如下文更詳細描 述之該等元件330之所期望性能（例如，&長選擇性之範 圍）。該等元件330由電路331控制。 為了說明性的目的，影像感應器陣列3〇〇a、3〇〇b、3〇〇c
為包含_8像素單元1 〇之C_影像感應器陣列。應易於 理解，本發明亦可配合CCD及其他影像感應器使用。 在圖3、®6及圖7之例示性實施例中，p車歹,^〇〇α、3〇〇β、 300C部分類似於圖以中所描述之陣列ι〇〇，因為每一陣列 300Α、300Β、300C包含具有光轉換裝置12之像素單元1〇。 然而，每一陣列300Α、300B、300C在該等像素單元1〇之至 少一部分上包含一或多個基於MEMS之光子晶體元件 330。該（等）元件330包含一光子晶體結構。可改變元件33〇 之該光子晶體結構以達成所要特性，例如，在將特定電壓 施加到元件330上時利用所要的光子能帶結構來防止特定 波長之光通過該（等）元件330並允許特定波長之光通過該 (等）元件330。 施加電壓至一或多個元件33〇引起靜電力横向地、及（視 需要）垂直地相對於至少一個其他元件3〇〇位移該等元件 330之一者。該等位移引起如上文所述之該等元件33 〇之透 射率及反射率特性之共同變化之原因。見w〇nj〇〇 Suh等人 之 Displacement-sensitive Photonic Crystal Structures Based on Guided Resonance in Photonic Crystal Slabs, 111705.doc -10* .1308801 ’’Applied Physics Letters，卷 82，第 13冊，第 1999-2001 頁 (2003年3月31日）。因此，可使用電路331操作該等元件33〇， 以基於電壓的施加而選擇傳輸特定波長。
區域33可具有圖3中所示之例示性結構。正矽酸四乙酯 (TEOS)層371位於基板1及形成於基板上的裝置之上，該等 裝置包含光轉換裝置12及（例如）像素單元之電晶體（未圖 示）。在該TEOS層371之上，存在硼磷矽玻璃（BpsG)層372， 接著分別是第一、第二及第三層間介電層373、374、375。 一純化層376位於該第三層間介電層375之上。視需要，亦 可包含一或多個濾光片377。亦存在導電結構（例如，金屬 線）’其开> 成像素單元10之裝置之間的連接且形成自像素單 元10裝置至由ILD層支撐之外部裝置（未圖示）的連接。 圖3描述包含第一及第一元件33〇之像素單元陣列3〇〇A， 每一元件330具有一光子晶體結構。該等元件33〇由支撐結 構7支撐。該支撐結構7使該等元件33〇能夠相對於基板1之 表面位S。可使用料的支推結構以支撐且控制該等元件 330。舉例而言’可以一與美國專利第M7〇,66〇號中所揭示 之使用於數位微鏡面裝置内之方式相類似 制元件训，該案《引时式併人本文。可選擇切; 以提供該等元件330之所要位移。舉例而言，可相對於基板 1橫向地、成角度地及/或垂直地位移該等㈣別。例示性 角位移在約〇度至約70度之間。 可控的，以選擇性 。因此，可取樣入 在圖3之實施例中，元件33〇經組態為 防止所有光到達一或多個光轉換裳置12 111705.doc -11 -
1308801 射於該陣列300A之一或多個特定區域上之光。或者，該元 件經組態為可控的，以在可見光波長與紅外光波長之間選 % 擇。 該等元件330由控制電路331控制。控制電路331導致施加 —或多個電壓至該等元件330之每一者。該等元件33〇可經 控制以防止所有或一部份入射光透射至下層的光轉換裝置 12。詳言之，該等元件可經控制以允許特定波長之光於特 鲁 疋時間入射至光轉換裝置丨2上。舉例而言，元件3 3 〇可經控 制以於一時間允許可見光到達該等光電二極體12並於另一 時間防止所有光到達該等光電二極體12。或者，元件33〇 可經控制以允許紅外及可見波長光於不同時間入射至該等 光轉換裝置12上。在所說明的實施例中，每一元件3 3 〇形成 於基層305上。§亥基層305可為（例如）si〇2、BPSG或其他 介電層，諸如磷矽酸鹽玻璃（PSG)及硼石夕玻璃（bsg)。 圖4A-4F描述形成圖3之陣列3〇〇A之步驟。除在邏輯上需 鲁 I先前動作之結果的動作外，本文所描述之任何動作不要 f特定次序。因此，雖然、下文該等動作被描述為以一通用 人序執行，但該次序僅為例示性的且可變更。 >看圖4A，提供一基層305以支撐元件33〇。該基層3〇5 可為提供濾、光片330之光子晶體結構可形成於其上的近似 平坦表面之任何適當材料。舉例而言，該基層3〇5可為一介 電層（例如，一 Si〇2層或ΒΡ_)且可具有在近似5〇 a至近 似200 A範圍内的厚度。 圖4B中所示，一適合形成光子晶體之材料層3 6工形成於
111705.doc -12- 1308801 ^ 基層305之上。該等材料之實例包含氧化鋁（ai2〇3);氧化鈕 (丁4〇3)，氧化鍅（Zr〇2);氧化铪（Hf〇2);铪基矽酸鹽及諸如 • 10錫氧化物及鋅錫氧化物之導電氧化物。應注意，某些材 料可得到一吸收一部分光子之光子晶體。若吸收過多，則 量子效率會受到不利影響。較佳地，層361為八1203層，因 為其呈現較少吸收且在其障壁性能方面類似於Si02。可按 需要或期望而選擇層361之厚度。較佳地，形成厚度在近似 φ 100 A至近似5000 A範圍内的層361。 透過使用一遮罩層級，圖案化且蝕刻光子晶體材料層361 以建立如圖4C中所描述之光子晶體結構柱362。參看圖 4C，該等柱362之間之間距x與層361之厚度d(或該等柱362 之高度）之比率x/d可經改變以達成光子晶體之所要特性，且 因此達成濾光片330之所要特性。要說明的是，該比率x/d 在近似1至近似10之範圍内。若在現有的遮罩界定的微影技 術中圖案化該等柱362以達成所要比率x/d是一挑戰，則亦 • 可使用間隔物界定之微影術形成該等柱，使得該等柱由處 理步驟而非遮罩層界定。 可形成具有任何所要水平截面形狀的柱362。圖5八_5(：描 述例示性柱362之形狀。圖5A為具有柱362之元件33〇之俯視 平面圖，該等柱362具有一圓形水平截面形狀（意即，該等 柱3 62為圓柱體）。圖5B及圖5C分別描述包含具有矩形及五 邊形水平截面形狀的柱之元件330。 而且’該等柱3 62可以各種方向排列。如圖5 A中所示，柱 362在Y方向上排列於行3中且在χ方向上排列在列a中，使 111705.doc •13· 1308801 得每一連續列A中之柱362在Y方向上形成一行b。或者，如 圖5D中所示，該等柱362可在X方向上沿線a排列為列，同 時沿線A的每一列偏移於相鄰列a，使得來自相隔—列八的 兩列的柱362在Y方向上分別形成行B及B，。 下文所描述之每一厚度d、間距X、比率x/d、柱3 62之水 平截面形狀、該等柱362之方向以及該等柱362及層363或 364之材料為變數’其可經選取以達成所要光子晶體結構， 且因此提供元件3 3 0之所要性能。 根據本發明之一例示性實施例，如圖4D中所述，將一可 選的低介電常數層363沉積於該等柱362之間且使用CMp步 驟加以平坦化。層3 6 3可由具有一低介電常數之任何適當材 料（例如，SOG或Si〇2)形成。在一例示性實施例中，層363 由介電常數低於該等柱362之介電常數的材料形成。層363 可由任何適當技術形成。 根據一替代例示性實施例，如圖4E中所示，該等柱362 被用一可選導電薄膜364塗覆或鍍敷。在一個實施例中，該 導電薄膜364為-銅薄膜。該薄膜364可由任何適當技術(例 如，電鍍）形成。 在圖4D及圖犯所示之任一實施例中，藉由任何適當技術 將金屬層365沉積於該等柱362之上（如圖4F中所示）。該金 屬層365經圖案化以建立一第一基於MEMs之光子晶體元 件330。特定言之，按需要圖案化且蝕刻該 分。該兀件330包含該等柱362、可選的層363或364、及金 111705.doc -14- J308801 屬層365。然而，為簡單起見，在圖3及（下文所描述）圖㈣ ' 及圖7中元件330被展示為一單—结構。 , 可改變該等變數（層361之厚度d、該等柱362之間之間距 X、比率x/d、該等柱362之水平截面形狀、該等柱362之方 向以及柱362及層363之材料）之任一以達成用於第一、第二 及第三元件33〇之每-者的所要光子晶體結構，且因此達成 元件330之所要性能。在圖3中所說明之實施例中，第一、 φ 第一及第二兀件330各具有不同光子晶體結構。 為了完成陣列300A’可執行額外的處理步驟。舉例而言， 可形成電路33丨與該等元件33〇之間之連接。另外，可執行 額外的習知處理步驟以形成習知微透鏡2 〇。 視忒等元件3 3 0之光子晶體結構而定，選取該等元件3 3 〇 之對準及位移參數以使得能约於該等所要電磁波長之間進 行選擇。該等元件330可相對於基板！垂直地、纟角度地或 橫向地位移。舉例而言，選擇所施加之電壓以建立所要的 » 靜電力來位移該等元件33〇以達成該等元件330之所要透射 率及反射率特性。用於控制該等元件33()之例示性電屢可在 約5伏特至約20伏特之間。 圖6描述根據本發明之具有 泰於MEMS之光子晶體元 件330之像素陣列3_之另一例示性實施例。元件33〇之光 子晶體結構可經設計以使該元件咖具有所要性能，例如， 對特定波長之電磁輻射之選擇性。可形成如上文結合圖 4A-5D所描述之陣列3〇〇B，不同之處在於將一個光子晶體 元件330形成於複數個像素之上。施加電麼至元件3辦曰引 ϊ Ϊ I705.doc
-15- J308801 起該元件330之位移。該位移引起該等兩個結構之透射率及 反射率特性的共同變化。因此，可操作該等元件33〇以基於 該等電壓之施加而於不同時間選擇特定波長。
在所說明之實施例中，該元件330經組態為可控的，以選 擇性防止所有光到達一或多個光轉換裝置12。因此，可取 樣入射於陣列300B之一或多個特定區域上之光。或者，哼 元件經組態為可控的以於可見光波長與紅外光波長之間： 擇。為此，選擇該等變數（層361之厚度d、該等柱362之間 之間距X、比率x/d、該等柱362之水平截面形狀、該等柱犯 之方向以及柱302及層3«之材料）以達成用於第一及第二 元件330之每一者之所要光子晶體結構，且因此達成元件 330之所要性能。另外，視元件咖之光子晶體結構而定， 選取該等元件330之對準及位移參數以使得可在所要電磁 波長之間進行選擇。舉例而言，可選擇所施加之電壓以建 立所要靜電力來位移該等元件33〇,以達成元件33〇之所要 透射率及反射率特性。 當元件3 3 〇經組態為可控的以於可見光波長與紅外光波 長之間選擇時，該等光轉換裝置12較佳對—寬廣範圍之波 長敏感。此實施例使陣列3〇〇B能夠於白天期間取樣可見光 並於晚間取樣紅外光波&。因&，此實施你〗尤其適用於自 動化應用及安全應用。 在另一實施例中，圖7描述根據本發明之具有基於mems 之光子晶體元件330之像素陣列3〇〇c之另一例示性實施 例在圖7貫施例中，其描述一包含第一、第二及第三元件 111705.doc -16- -1308801 330之像素單元陣列3〇〇c’每一元件具有一光子晶體結構。 於不同高度Μ、h2、h3提供該等元件33()。該等元件33〇可 經控制以允許特定波長之光於—特定時間入射於光轉換裝 置12上。可按需要且視將由每一元件33〇選擇的光之波長而 定於°亥等光轉換裝置12之上的多個高度處形成該等元件 330。舉例而言，元件33〇可經控制以允許紅、綠及藍色波 長之光於不同時間入射於該等光轉換裝置以上。在該方式 中，相應於紅、綠及藍色波長之訊號可由相同像素單元 於不同時間取樣。因此，不必使㈣於取樣紅、綠及藍色 波長之單獨像素單元。此可增加成像器陣列3〇〇c之解析 度。在圖7之實施例中，元件33()經組態以充#—彩色遽光 片陣列（因此取代圖1之陣列3〇)。 在兀•件33 0工作以允許每一像素單元1〇取樣紅、綠及藍色 波長的情況下，光轉換裝置12較佳在一寬廣波長範圍上是 有效的。 圖8之方塊圖說明一單一晶片CM〇s影像感應器8〇〇。該影 像感應器800包含根據本發明之一實施例之像素單元陣列 300A。陣列300A之像素單元排列在預定數目的行與列中。 或者，影像感應器800可包含根據本發明之一實施例之其他 像素單元陣列，諸如陣列300B或300C之任一者。 陣列300A中之該等像素單元列被依次讀出。因此，陣列 300A之一列中之像素單元均由一列選擇線於相同時間選定 以供讀出，且一所選擇之列中之每一像素單元向其所在行 之讀出線提供表示所接收光的訊號。在陣列3〇〇A中，每 111705.doc -17- 1308801 一行亦具有一選擇線，且回應於該等行選擇線，每一行之 §亥等像素單元被選擇性讀出。 一列驅動器882回應於列位址解碼器88丨而選 陣列中之列線。-行驅動器884回應於行位址解碼器 如而選擇性啟動該等行選擇線。藉由時序及控制電路如 操作該陣列300Α，該時序及控制電路883控制位址解碼器 咖、885以選擇用於像素訊號讀出之適當的列線及行線， 且電路33 1控制該等基於MEMS之光子晶體元件33〇。 行讀出線上之該等訊號通常包含用於每一像素單元之一 像素重設訊號（vrst)及一像素影像訊號（Vph〇t。）。回應於行驅 動器884,該兩個訊號被讀入一取樣及保持電路（s_86。 對於每-像素單元而言，—差分訊號d _ v—。）由差 分放大器(缓)887產生’且每一像素單元之差分訊號被放 大且由類比數位轉換器（ADC)888數位化。該類比/數位轉換 器888將數位化像素訊號供應至—影像處理器889,該影像 處理器889於提供界定一影像輪出之數位訊號之前執行適 當影像處理。 圖9說明一包含圖8之影像感應器8〇〇之基於處理器的系 統_。該基於處理器的系統9⑻是—具有數位電路之系统 的實例’該數位電路可包含影像感應器裝置。該系統可包 含(無限制性)一電腦系統、相機系 '统、掃描器、機器視覺、 車輛導航、視訊電話、監視系統、自動聚焦系統、星象跟 縱系統、運動伯測系統、影像穩定系統及其他利用成像之 系統。 111705.doc -18- 1308801 。亥基於處理器的系統9〇〇(例如，一相機系統）通常包括— I央處理單元（CPU)995(諸如，一微處理器），該中央處理 單X 995經由匯流排993與一輸入/輸出（1/〇)裝置991通信。 影，感應器_亦經由匯流排993與㈣995通信。該基於處 理器的系統900亦包含隨機存取記憶體（RAM)992 ,且可包 “由取式記憶體994(諸如，十夬閃記憶體)，&亦經由匯流排 993與CPU 995通信。影像感應器8〇〇可與一處理器（諸如 CPU、數位訊號處理器或微處理器）組合，可具有或不具有 在早-積體電路上或在與處理器不同之晶片上的記憶體儲 存裝置。 儘管結合CMOS影像感應器描述本發明，然而*mMems 之光子晶體元件330在光電子裝置内具有多種應用。此說明 書不意欲為限制性的。舉例而言，根據本發明之基於mems 之光子晶體元件330可用於一電荷耦合裝置影像感應器或 其他光電子裝置。 還應主思，上文之描述及圖式為例示性的，且說明達成 本發明之目標、特徵及優點之較佳實施例。其不意圖使本 矣明文限於該等所說明之實施例。屬於以下申請專利範圍 之精神及範疇内之本發明之任何修改應被認為是本發明之 一部分。 【圖式簡單說明】 圖1 A為一習知影像感應器陣列之一部分的截面圖； 圖1B為一習知彩色濾光片陣列之一部分的方塊圖； 圖2為說明穿過—例示性光子晶體之透射譜之圖表；
1 H705.doc -19- 1308801 、圖3為根據本發明之一例示性實施例包含基於之 光子s曰體元件之影像感應器陣列之一部分之立體圖； 圖4A至圖处根據本發明之另一例示性實施例說明圖^之 影像感應器陣列之製造的中間階段； 圖至5 D為根據本發明之例示性實施例之光子晶體結 構之俯視圖； 圖為根據本發明之另一例示性實施例包含基於MEms 之光子晶體元件之影像感應器陣列之一部分之截面圖； 圖7為根據本發明之另一例示性實施例包含基於mems 之光子曰曰體元件之影像感應器陣列之一部分之截面圖； 圖8為根據本發明之另一實施例之影像感應器的方塊 圖；及 圖9為包含圖8之影像感應器之處理器系統的方塊圖。 【主要元件符號說明】 1 基板 3 層間介電區域 5 介電層 7 支撐結構 10 像素單元 12 光轉換裝置 20 微透鏡 30 彩色濾光片陣列 3 1 a 彩色濾光片 31b 彩色濾光片 111705.doc •20- •1308801 31c 彩色滤光片 33 區域 100 CMOS影像感應器像素單元陣列 300A 影像感應器陣列 300B 影像感應器陣列 300C 影像感應器陣列 305 基層 330 基於MEMS之光子晶體元件 331 控制電路 361 材料層 362 柱 363 低介電常數層 364 導電薄膜 371 正矽酸四乙酯層 372 硼磷矽玻璃層 373 層間介電層 374 層間介電層 375 層間介電層 376 鈍化層 377 濾光片 800 影像感應器 881 列位址解碼器 882 列驅動器 883 控制電路 111705.doc -21 - -1308801 884 行驅動器 885 行位址解碼器 886 取樣及保持電路 887 差分放大器 888 類比數位轉換器 889 影像處理器 900 基於處理器的系統 991 輸入/輸出裝置
992 隨機存取記憶體 993 匯流排 994 抽取式記憶體 995 中央處理單元
-22- 111705.doc

Claims (1)

  1. ‘13088©私〇2〇3號專利申請案 » 中文申請專利範圍替換本(97年9月） ·: 十、申請專利範圍： 1 ·—種影像感應器，其包括： 像素單元陣列’其位於一基板之一表面，每—像素 單元包括一光轉換裝置；及 、 至少一微機電系統元件，其包括在至少一像素單元上 的—光子晶體結構，其用於選擇性准許具有一預定波長 之電磁輻射到達該至少一像素單元之該光轉換裝置，= 几件係被至少一施加電壓控制，以取代與該至 置一 像素 早兀之一表面相關的該光子晶體結構。 2·如請求項1之影像感應器，其進一步包括堆疊於該至少— 像素單元上之複數個元件。 3·如請求項2之影像感應器，其中該等元件經組態 ^ r 7 J田所 施加之電壓控制，以選擇性准許綠波長之光、紅波長之 光及藍波長之光於不同時間到達該光轉換裝置。 士明求項2之影像感應器，其中該等元件經組態為可由所 施加之電壓控制，以選擇性准許可見波長之光及紅外波 長之光於不同時間到達該光轉換裝置。 如μ求項1之影像感應器，其進一步包括堆疊於該等像素 單元之至少一者上之至少兩個元件。 月求項1之衫像感應器，其中該元件由一支撐結構支 撐，以回應於該施加之電壓而引起該元件相對於該基板 之一表面的位移。 月求項1之影像感應器，其中該元件包括複數個彼此間 隔之柱。 111705-970926.doc 1308801 如請求項7之影像感應器， 等柱之間的間隔内之材料 低於該等柱之一介電常數 •如晴求項8之影像感應器， 少一部分接觸之金屬層。 10·如請求項8之影像感應器， 等柱接觸之導電材料。 其，該元件進-步包括-在該 °亥材料具有一介電常數，其 〇 其進步包括-與該等柱之至 其中該元件進一步包括一與該
    如請求項8之影像感應器，其中該等柱包 12· ~種處理器系統，其包括： 氣化崔呂 一處理器；及
    一輛接至該處理益之光電子 一像素單元陣列，其位於一 元包括一光轉換裝置；及 裝置’該裝置包括： 基板之一表面，每一像素 至少一微機電系統元件，其包括在至少一像素單元上 的一光子晶體結構’其用於選擇性准許具有—預定波長 夂電磁輻射到達該至少一像素單元之該光轉換裝置，★亥 元件係被至少一施加電壓控制，以取代與該至少一像素 單元之一表面相關的該光子晶體結構。 13·如請求項12之處理器系統，其中該影像感應器為一CM〇s 影像感應器。 14.如請求項12之處理器系統，其中該裝置為一電荷輕合袭置 影像感應器。 15·如請求項I2之處理器系統，其中該至少一元件經組態為可 由所施加之電壓控制，以回應於一所施加之電壓而選擇 Ul705-970926.doc -2- 1308801 性准許預定電磁波長到達該光轉換裝置。 16· —種用於一光電子裝置之微機電系統元件，該元件包括： 一基板； 一支撐結構，其位於該基板上； 一絕緣層，其由該支撐結構支撐； 在該絕緣層上形成一光子晶體結構之複數個柱，該等 柱彼此間隔；及 一與該等柱之至少一部分接觸之金屬層，該支撐結構 P 經組態為可由所施加之電壓控制以相對於該基板之一表 面位移該光子晶體結構，以基於施加至該金屬層之電壓 而選擇性准許電磁波長到達該光轉換裝置。 17. 如請求項16之元件，其進一步包括一在該等柱之間之間隔 内之材料，其中該間隔内之該材料之一介電常數低於該 等柱之一介電常數。 18. 如請求項16之元件，其於該等柱上進一步包括一導電薄 膜。 ® 19.如請求項18之元件，其中該導電薄膜包括鋼。 20.如請求項16之元件，其中該等柱具有一在近似1〇〇人至近 似5 0〇〇人之範圍内之高度。 2 1 _如請求項1 6之元件，其中該等柱之間之間距與該等柱之一 咼度之一比率在近似1至近似10之範圍内。 22. 如請求項16之元件，其中該等柱各具有一圓形水平載面形 狀。 23. 如請求項16之元件，其中該等柱各具有一大體上五角形水 111705-970926.doc -1308801 . 平截面形狀。 24. 如請求項16之元件，其中該等柱各具有一大體上矩形水平 戴面形狀。 25. 如請求項16之元件，其中該等柱包括氧化銘。 26. 如請求項16之元件，其中該等柱包括氧化鈕。 27. 如請求項16之元件，其中該等柱包括氧化結。 28. 如請求項16之元件，其中該等柱包括氧化铪。 •士明求項16之元件’其中該等柱包括一铪基石夕酸鹽。 參30.如請求項16之元件，其中該等柱包括—導電氧化物。 種^成一影像感應器之方法，該方法包括以下動作： 於一基板之一表面形成一像素單元陣列，每一形成之 像素單元包括一光轉換裝置；及
    形成至少一微機電系統元件，其包括在至少一像素單 7L上的—光子晶體結構，其用於選擇性准許具有一預定 波長之電磁輻射到達該至少一像素單元之該光轉換裝 置，該元件係被至少一施加電壓控制，以取代與該至少 一像素單元之一表面相關的該光子晶體結構。 32. 33. 34. 如叫求項3 1之方法，其進一步包括於該至少一像素單元上 形成複數個元件之動作。 如明求項32之方法，其中形成該複數個元件之該動作包括 組態或等光子晶體元件為可由所施加之錢控制，以選 擇I·生准4綠波長之光、紅波長之光及藍波長之光於不同 時間到達該光轉換裝置。 如凊求項3 2之方法，其中形成該複數個元件之該動作包括 111705-970926.doc 1308801 « 組態該等光子晶體元件為可控的，以選擇性准許可見波 h長之光及紅外波長之光於不同時間到達該光轉換裝置。 請求仙之方法，其進-步包括於料像素單元之至少 者上形成至少兩個元件之動作。 36·如請求項35之方法，其中將—第―元件形成於 晶體元件上。 乐一九子 37=請求項31之方法’其進—步包括提供-支揮結構之動
    作’該切結剌以支撐該元件細應於該至少 之電壓而引起該元件相對於該基板之_表 σ 38·如請求項31之方法，盆中形点1 _ 移8 之万沄其中形成該兀件之該動 數個彼此間隔之柱。 匕栝形成複 39.如請求項38之方法，其中形成該元件之該動作進— 於該等柱之間之間_形成—材料，該 ^括 常數，其低於該等柱之一介電常數。 -有—介電 後如請求項38之方法，其中形成該元件之該 形成一與該等柱之至少—部分接觸之金屬層。步包括 仏如請求項38之方法，其中形成該元件之該動作進 形成一與該等柱接觸之導電材料。 ν包括 42. —種形成一用於一井雷工壯坦> /此他 土 ^ ， 先電子裝置之微機電系統元件之方 法，該方法包括以下動作： 之方 提供一基板； 於該基板上提供一支撐結構； 形成一由該支撐結構支撐之絕緣層； 於該絕緣層上形成—光子晶體材料之一 111705-970926.doc J308801 ^案化錢子晶體材料層以形成複數個形成—光子晶 H之柱’所形成之該等柱彼此間隔且每 高度及—水平戴面形狀；及 、$一 形成-與該等柱之至少一部分接觸之金屬層，該支撐 ，經組態為可控的以相對於該基板之—表面位移該： 子晶體結構’以基於施加至該金屬層之_電壓而選擇性 地准許電磁波長到達該光轉換裝置^ 43.如請求項42之方法，其進一步包括於該等柱之間之該間隔 内形成一材料之動作，其中該間隔内之該材料之介電常 數低於該等柱之介電常數。 44·如請求項42之方法，其進一步包括於該等柱上形成一導電 薄膜之動作。 45. 如請求項44之方法，其中形成之該導電薄膜包括銅。 46. 如請求項42之方法，其中形成之該等柱具有一在近似ι〇〇 A至近似5〇〇〇 A之範圍内之高度。 47. 如請求項42之方法，其中形成該等柱以使該等柱之間之間 距〃、D亥專柱之一南度之一比率在近似1至近似10之範圍 内。 48. 如請求項42之方法，其中形成之該等柱具有一圓形水平截 面形狀。 49. 如請求項42之方法，其中形成之該等柱具有一大體上五角 形水平截面形狀。 5〇·如請求項42之方法’其中形成之該等柱具有一大體上矩形 水平截面形狀。 111705-970926.doc -6- 1308801 5 1.如請求項42之方法，其中形成之該等柱包括氧化銘。 52. 如請求項42之方法，其中形成之該等柱包括氧化组。 53. 如請求項42之方法，其中形成之該等柱包括氧化錯。 54·如請求項42之方法，其中形成之該等柱包括氧化給。 55. 如請求項42之方法，其中形成之該等桎包括—铪基矽酸 鹽0 56. 如請求項42之方法，其中形成之該等杈 巴栝一導電氧化 物。 111705-970926.doc
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