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TWI491031B - 影像感測器及其製造方法 - Google Patents

影像感測器及其製造方法 Download PDF

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TWI491031B
TWI491031B TW099136066A TW99136066A TWI491031B TW I491031 B TWI491031 B TW I491031B TW 099136066 A TW099136066 A TW 099136066A TW 99136066 A TW99136066 A TW 99136066A TW I491031 B TWI491031 B TW I491031B
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Po Shuo Chen
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Visera Technologies Co Ltd
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Description

影像感測器及其製造方法
本發明係有關於一種影像感測器，特別是有關於一種具有一分離型彩色濾光片結構之影像感測器及其製造方法。
影像感測器為一種將光影像轉換為電訊號的半導體元件。影像感測器一般分為電荷耦合元件(CCD)與互補式金氧半(CMOS)影像感測器。上述影像感測器中，互補式金氧半(CMOS)影像感測器包括一用來偵測入射光與將其轉換為電訊號的光二極體以及用來傳輸與處理電訊號的邏輯電路。
請參閱第1A~1C圖，揭露一傳統包含微透鏡的互補式金氧半(CMOS)影像感測器的製造方法。
首先，請參閱第1C圖，提供一傳統互補式金氧半(CMOS)影像感測器。互補式金氧半(CMOS)影像感測器包括一光感測部13、一保護層21、一彩色濾光片陣列23與複數個微透鏡27。光感測部13包括一用來接收入射光、產生並累積電荷的光二極體11。保護層21形成於光感測部13的一結構上。
於傳統互補式金氧半(CMOS)影像感測器的製造方法中，如第1A圖所示，形成一具氮化矽主體的保護層21於一半導體基板10上。半導體基板10包括一光感測部13。光感測部13包括一光二極體11。之後，如第1B圖所示，形成一彩色濾光片陣列23(具有一連接型彩色濾光片結構)於保護層21上。此處，彩色濾光片陣列23包括一分別由包含紅色、綠色與藍色色素的光阻材料所構成的原色系統，即包括一紅色濾光片(R)、一綠色濾光片(G)與一藍色濾光片(B)。每一彩色濾光片的形成包括一系列根據光微影技術的塗佈、曝光與顯影製程。彩色濾光片陣列23亦可選擇性地由一包含青綠色濾光片、黃色濾光片與洋紅色濾光片的互補色系統所構成。
之後，如第1C圖所示，塗佈一光阻層於彩色濾光片陣列23上，並進行曝光與顯影，以形成複數個光阻圖案。續對光阻圖案進行熱回熔(thermal reflow)與硬化(curing)製程，以形成透鏡，即複數個微透鏡27。
根據傳統製造方法，微透鏡27彼此的間距大約介於0.2至0.5微米(由於連接型彩色濾光片結構所致)，其係為避免相對應的光阻圖案在進行硬化與回熔製程的過程中，於微透鏡27之間形成架橋。然而，微透鏡27之間的縫隙會使得至少部分射入微透鏡27之間的光漏失，且由於入射光進入鄰近畫素，致顏色訊號解析度下降至低於理想。
此外，由於微透鏡27係藉由塗佈、光微影與熱製程所形成，因此，微透鏡27的材料必須限定僅能為光敏感性材料。
本發明之一實施例，提供一種影像感測器，包括：一畫素感測器；一保護層，形成於該畫素感測器上；一彩色濾光片陣列，包括複數個彩色濾光片，形成於該保護層上，其中兩相鄰彩色濾光片之間具有一縫隙(即一分離型彩色濾光片結構)；以及一無縫微透鏡陣列，包括複數個微透鏡，形成於該彩色濾光片陣列上。
該保護層包括氮化矽。於該等彩色濾光片中之該彩色濾光片包括一第一縫隙，沿一列方向，一第二縫隙，沿一行方向，以及一第三縫隙，沿一對角方向。該第一縫隙與該第二縫隙大體相同。該第三縫隙大於該第一縫隙，該第三縫隙大於該第二縫隙。該彩色濾光片為多邊形或矩形。該微透鏡包括光阻或熱塑性樹脂。於該彩色濾光片上之該微透鏡具有一高度，由該第一縫隙、該第二縫隙與該第三縫隙決定。於該彩色濾光片上之該微透鏡具有一斜率，由該第一縫隙、該第二縫隙與該第三縫隙決定。
於本發明揭露的影像感測器中，該分離型彩色濾光片結構可增進入射光感測度及其聚光效率。由於可改善光感測度及降低或避免射入至鄰近畫素的光，因此，利用根據本發明製作的影像感測器，例如互補式金氧半(CMOS)影像感測器，可獲得更清晰影像。
本發明之一實施例，提供一種影像感測器之製造方法，包括：提供一畫素感測器；形成一保護層於該畫素感測器上；形成一彩色濾光片陣列於該保護層上，該彩色濾光片陣列包括複數個彩色濾光片，其中兩相鄰彩色濾光片之間具有一縫隙；塗佈一透明材料於該彩色濾光片陣列上；以及使該透明材料硬化，以形成一無縫微透鏡陣列，包括複數個微透鏡。
該保護層包括氮化矽。本發明藉由一光微影製程形成該彩色濾光片陣列。於該等彩色濾光片中之該彩色濾光片包括一第一縫隙，沿一列方向，一第二縫隙，沿一行方向，以及一第三縫隙，沿一對角方向。該第一縫隙與該第二縫隙大體相同。該第三縫隙大於該第一縫隙，該第三縫隙大於該第二縫隙。該透明材料包括光阻或熱塑性樹脂。本發明藉由一熱回熔(thermal reflow)與硬化(curing)製程使該透明材料硬化。於該彩色濾光片上之該微透鏡具有一高度，由該第一縫隙、該第二縫隙與該第三縫隙決定。於該彩色濾光片上之該微透鏡具有一曲度，由該第一縫隙、該第二縫隙與該第三縫隙決定。
於本發明揭露的製造方法中，僅藉由塗佈與一熱製程即可形成一無縫微透鏡陣列，毋須藉由額外光微影製程。因此，微透鏡材料的選擇並不限定為光敏感性材料，其他非光敏感性材料亦可適用，如此，可大幅提升製程寬度。此外，根據不同製程需求(例如形成不同微透鏡至二極體的距離)，可藉由調整縫隙大小輕易改變微透鏡態樣(即高度與曲度)。
本發明之一實施例，提供一種影像感測器，包括：一畫素感測器；一彩色濾光片陣列，包括複數個彩色濾光片，形成於該畫素感測器上，其中兩相鄰彩色濾光片之間具有一縫隙，於該等彩色濾光片中之該彩色濾光片包括一第一縫隙，沿一列方向，一第二縫隙，沿一行方向，以及一第三縫隙，沿一對角方向；以及一無縫微透鏡陣列，包括複數個微透鏡，形成於該彩色濾光片陣列上，其中於該彩色濾光片上之該微透鏡具有一高度與一斜率，由該第一縫隙、該第二縫隙與該第三縫隙決定。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，作詳細說明如下：
根據本發明之一實施例，揭露一影像感測器，如第2D與2B’圖所示。
請參閱第2D圖，一影像感測器包括一畫素感測器100、一保護層201、一包括複數個彩色濾光片的彩色濾光片陣列203與一包括複數個微透鏡的無縫(gapless)微透鏡陣列207。保護層201形成於畫素感測器100上。彩色濾光片陣列203形成於保護層201上。無縫微透鏡陣列207形成於彩色濾光片陣列203上。值得注意的是，於彩色濾光片陣列203中，兩相鄰彩色濾光片203’之間具有一縫隙(X1 、Y1 與D1 )(此即一分離型彩色濾光片結構)，如第2B’圖所示。
保護層201可包括氮化矽。於彩色濾光片陣列203中，沿一列方向位於兩相鄰彩色濾光片203’之間的縫隙X1 與沿一行方向位於兩相鄰彩色濾光片203’之間的縫隙Y1 大體相同。於彩色濾光片陣列203中，沿一對角方向位於兩相鄰彩色濾光片203’之間的縫隙D1 可大於沿一列方向位於兩相鄰彩色濾光片203’之間的縫隙X1 或沿一行方向位於兩相鄰彩色濾光片203’之間的縫隙Y1 。彩色濾光片203’可選擇性地為多邊形或矩形，例如可根據多邊形彩色濾光片定義縫隙D1 。彩色濾光片陣列203可包括一原色系統，即包括一紅色濾光片(R)、一綠色濾光片(G)與一藍色濾光片(B)。彩色濾光片陣列203亦可包括一互補色系統，即包括一青綠色濾光片、一黃色濾光片與一洋紅色濾光片。上述微透鏡可包括光阻或熱塑性樹脂，其具有一高度與一曲度(斜率)，可由縫隙X1 、Y1 與D1 的大小決定。
於本發明揭露的影像感測器中，該分離型彩色濾光片結構可增進入射光感測度及其聚光效率。由於可改善光感測度及降低或避免射入至鄰近畫素的光，因此，利用根據本發明製作的影像感測器，例如互補式金氧半(CMOS)影像感測器，可獲得更清晰影像。
根據本發明之一實施例，揭露一互補式金氧半(CMOS)影像感測器的製造方法，如第2A~2D圖所示。
請參閱第2A圖，形成一具氮化矽主體(即可包括氮化矽)的保護層201於一畫素感測器100上。
之後，請參閱第2B圖，形成一包括複數個彩色濾光片的彩色濾光片陣列203於保護層201上。此處，彩色濾光片陣列203可包括一分別由包含紅色、綠色與藍色色素的光阻材料所構成的原色系統，即包括一紅色濾光片(R)、一綠色濾光片(G)與一藍色濾光片(B)。每一彩色濾光片的形成可包括實施至少三次的光微影製程，其包括每一不同光阻材料的塗佈、曝光與顯影。本發明亦可選擇性地藉由例如噴墨印刷(inject printing)的方法形成彩色濾光片陣列203。值得注意的是，於彩色濾光片陣列203中，兩相鄰彩色濾光片之間形成一縫隙，例如形成一分離型彩色濾光片結構，如第2B’圖所示。第2B’圖為第2B圖的上視圖。第2B’圖中，沿一列方向位於兩相鄰彩色濾光片203’之間的縫隙定義為X1 縫隙。沿一行方向位於兩相鄰彩色濾光片203’之間的縫隙定義為Y1 縫隙。沿一對角方向位於兩相鄰彩色濾光片203’之間的縫隙定義為D1 縫隙。X1 縫隙與Y1 縫隙可大體相同。D1 縫隙可大於X1 縫隙與Y1 縫隙。此外，彩色濾光片203’可選擇性地為多邊形或矩形，例如可根據多邊形彩色濾光片定義縫隙D1 。本實施例以原色濾光系統作為範例，然，彩色濾光片陣列203亦可選擇性地由一包含青綠色濾光片、黃色濾光片與洋紅色濾光片的互補色系統所構成。
接著，塗佈一透明材料205於彩色濾光片陣列203上，如第2C圖所示。之後，如第2D圖所示，藉由例如一熱回熔(thermal reflow)與硬化(curing)製程使透明材料205硬化，以形成具適當曲度的透鏡，結果形成一包括複數個微透鏡的微透鏡陣列207。由於此分離型彩色濾光片結構，因此，形成的微透鏡陣列207為一無縫微透鏡陣列。於微透鏡形成製程中，毋須進行光微影製程，因此，除例如光阻的光敏感性材料外，其他例如熱塑性樹脂的非光敏感性材料亦可適用。再者，為滿足熱回熔特性，任何熔點介於攝氏120~180度的熱回熔材料亦適合用來作為透明材料205。此外，微透鏡207具有一高度與一曲度(斜率)，可由X1 、Y1 與D1 縫隙的大小決定。
於本發明揭露的製造方法中，僅藉由塗佈與一熱製程即可形成一無縫微透鏡陣列，毋須藉由額外光微影製程。因此，微透鏡材料的選擇並不限定為光敏感性材料，其他非光敏感性材料亦可適用，如此，可大幅提升製程寬度。此外，根據不同製程需求(例如形成不同微透鏡至二極體的距離)，可藉由調整縫隙大小輕易改變微透鏡態樣(即高度與曲度)。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
 習知第1A~1C圖
10．．．半導體基板
11．．．光二極體
13．．．光感測部
21．．．保護層
23．．．彩色濾光片陣列
27．．．微透鏡
本發明第2A~2D圖與第2B’圖
100‧‧‧畫素感測器
201‧‧‧保護層
203‧‧‧彩色濾光片陣列
203’‧‧‧彩色濾光片
205‧‧‧透明材料
207‧‧‧無縫微透鏡陣列(微透鏡)
X1 、Y1 、D1 ‧‧‧縫隙
第1A~1C圖為傳統互補式金氧半(CMOS)影像感測器製造方法之剖面示意圖。
第2A~2D圖為根據本發明之一實施例，一種影像感測器製造方法之剖面示意圖。
第2B’圖為第2B圖之上視圖。
201．．．保護層
203’．．．彩色濾光片
X1 、Y1 、D1 ．．．縫隙

Claims (11)

  1. 一種影像感測器，包括：一畫素感測器；一彩色濾光片陣列，包括複數個分離的彩色濾光片，形成於該畫素感測器上，其中兩相鄰彩色濾光片之間具有一縫隙；以及一無縫微透鏡陣列，由一透明材料所構成，包括複數個微透鏡，形成於該彩色濾光片陣列上，且該透明材料填入於該縫隙中。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中於該等彩色濾光片中之該彩色濾光片包括一第一縫隙，沿一列方向，一第二縫隙，沿一行方向，以及一第三縫隙，沿一對角方向。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之影像感測器，其中該第一縫隙與該第二縫隙大體相同，該第三縫隙大於該第一縫隙與該第二縫隙。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該彩色濾光片為多邊形或矩形。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之影像感測器，其中於該彩色濾光片上之該微透鏡具有一高度與一曲度，由該第一縫隙、該第二縫隙與該第三縫隙決定。
  6. 一種影像感測器之製造方法，包括：提供一畫素感測器；形成一彩色濾光片陣列於該畫素感測器上，該彩色濾光片陣列包括複數個分離的彩色濾光片，其中兩相鄰彩色 濾光片之間具有一縫隙；塗佈一透明材料於該彩色濾光片陣列上，並填入於該縫隙中；以及使該透明材料硬化，以形成一無縫微透鏡陣列，包括複數個微透鏡。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之影像感測器之製造方法，其中於該等彩色濾光片中之該彩色濾光片包括一第一縫隙，沿一列方向，一第二縫隙，沿一行方向，以及一第三縫隙，沿一對角方向。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之影像感測器之製造方法，其中該第一縫隙與該第二縫隙大體相同，該第三縫隙大於該第一縫隙與該第二縫隙。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之影像感測器之製造方法，其中藉由一熱回熔(thermal reflow)與硬化(curing)製程使該透明材料硬化。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之影像感測器之製造方法，其中於該彩色濾光片上之該微透鏡具有一高度與一曲度，由該第一縫隙、該第二縫隙與該第三縫隙決定。
  11. 一種影像感測器，包括：一畫素感測器；一彩色濾光片陣列，包括複數個分離的彩色濾光片，形成於該畫素感測器上，其中兩相鄰彩色濾光片之間具有一縫隙，於該等彩色濾光片中之該彩色濾光片包括一第一縫隙，沿一列方向，一第二縫隙，沿一行方向，以及一第三縫隙，沿一對角方向；以及 一無縫微透鏡陣列，由一透明材料所構成，包括複數個微透鏡，形成於該彩色濾光片陣列上，且該透明材料填入於該縫隙中，其中於該彩色濾光片上之該微透鏡具有一高度與一曲度，由該第一縫隙、該第二縫隙與該第三縫隙決定。
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