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TWI688088B - 影像感測裝置及影像感測系統 - Google Patents

影像感測裝置及影像感測系統 Download PDF

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TWI688088B
TWI688088B TW108126117A TW108126117A TWI688088B TW I688088 B TWI688088 B TW I688088B TW 108126117 A TW108126117 A TW 108126117A TW 108126117 A TW108126117 A TW 108126117A TW I688088 B TWI688088 B TW I688088B
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patterned conductive
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substrate
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張晏誠
李柏叡
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晶相光電股份有限公司
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Abstract

本揭露提供一種影像感測裝置，包含：基板、感光元件、第一介電層、導光結構以及圖案化導電層。所述感光元件設置於基板中，所述第一介電層設置於基板的第一側，所述導光結構設置於第一介電層中，所述圖案化導電層設置於感光元件與導光結構之間，且其中所述圖案化導電層包括次波長結構。本揭露亦提供一種包含上述影像感測裝置的影像感測系統。

Description

影像感測裝置及影像感測系統
本揭露係有關於一種影像感測裝置，以及包含上述影像感測裝置的影像感測系統，且特別係有關於包含互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)結構的影像感測裝置。
影像感測器(image sensor)是一種將光影像轉換為電訊號的半導體元件。影像感測器一般可分為電荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)與互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器。於上述影像感測器中，互補式金屬氧化物半導體影像感測器包含用以偵測入射光並將其轉換為電訊號的光電二極體(photodiode)，以及用以傳輸與處理電訊號的邏輯電路。
除了一般單純用於感測影像之用途外，已有愈來愈多的影像感測器應用於各類的檢測工作，例如，生物醫學方面的檢測。具體而言，可藉由待測物經外部光源照射後所激發的光線來檢測或判斷待測物的諸多特性。
雖然現存的影像感測器可大致滿足它們原先預定的用途，但其仍未在各個方面皆徹底地符合需求。例如，大多數影像感測器仍存在例如串擾(cross-talk)現象或訊號雜訊比(signal-to-noise ratio，SNR)偏低等問題。
因此，發展出能夠進一步提升影像感測裝置的效能的結構設計，仍為目前業界致力研究的課題之一。
根據本揭露一些實施例，提供一種影像感測裝置，包括：基板、感光元件、第一介電層、導光結構以及圖案化導電層。所述感光元件設置於基板中，所述第一介電層設置於基板的第一側，所述導光結構設置於第一介電層中，所述圖案化導電層設置於感光元件與導光結構之間，且其中所述圖案化導電層包括次波長結構。
根據本揭露一些實施例，提供一種影像感測系統，包括：影像感測裝置以及設置於影像感測裝置上的光源，且所述影像感測裝置，包括：基板、感光元件、第一介電層、導光結構以及圖案化導電層。所述感光元件設置於基板中，所述第一介電層設置於基板的第一側，所述導光結構設置於第一介電層中，所述圖案化導電層設置於感光元件與導光結構之間，且其中所述圖案化導電層包括次波長結構。
為讓本揭露之特徵、或優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
10、20:影像感測裝置
10A、20A:影像感測系統
102:基板
102a:第一側
102b:第二側
104:第一介電層
104A:頂表面
104B:底表面
106:第二介電層
200:感光元件
200A:頂表面
210:導光結構
220:內連線結構
220S:導電層
300:圖案化導電層
400:待測物
D1:第一距離
D2:第一距離
HL:簍空區域
LS:光源
SR:感測區域
T:厚度
W:寬度
第1圖顯示根據本揭露一些實施例中，影像感測裝置的剖面結構示意圖；第2圖顯示根據本揭露一些實施例中，影像感測裝置的剖面結構示意圖；第3圖顯示根據本揭露一些實施例中，影像感測系統的剖面結構示意圖；第4圖顯示根據本揭露一些實施例中，影像感測系統的剖面結構示意圖；第5A至5H圖顯示根據本揭露一些實施例中，影像感測裝置的圖案化導電層的上視示意圖。
以下針對本揭露實施例的影像感測裝置及影像感測系統作詳細說明。應了解的是，以下之敘述提供許多不同的實施例或例子，用以實施本揭露一些實施例之不同態樣。以下所述特定的元件及排列方式僅為簡單清楚描述本揭露一些實施例。當然，這些僅用以舉例而非本揭露之限定。此外，在不同實施例中可能使用 類似及/或對應的標號標示類似及/或對應的元件，以清楚描述本揭露。然而，這些類似及/或對應的標號的使用僅為了簡單清楚地敘述本揭露一些實施例，不代表所討論之不同實施例及/或結構之間具有任何關連性。
應理解的是，圖式之元件或裝置可以發明所屬技術領域具有通常知識者所熟知的各種形式存在。此外實施例中可能使用相對性用語，例如「較低」或「底部」或「較高」或「頂部」，以描述圖式的一個元件對於另一元件的相對關係。可理解的是，如果將圖式的裝置翻轉使其上下顛倒，則所敘述在「較低」側的元件將會成為在「較高」側的元件。本揭露實施例可配合圖式一併理解，本揭露之圖式亦被視為揭露說明之一部分。應理解的是，本揭露之圖式並未按照比例繪製，事實上，可能任意的放大或縮小元件的尺寸以便清楚表現出本揭露的特徵。
此外，圖式之元件或裝置可以發明所屬技術領域具有通常知識者所熟知的各種形式存在。此外，應理解的是，雖然在此可使用用語「第一」、「第二」、「第三」等來敘述各種元件、組件、或部分，這些元件、組件或部分不應被這些用語限定。這些用語僅是用來區別不同的元件、組件、區域、層或部分。因此，以下討論的一第一元件、組件、區域、層或部分可在不偏離本揭露之教示的情況下被稱為一第二元件、組件、區域、層或部分。
於文中，「約」、「大約」、「實質上」、「大致上」之用語通常表示在一給定值或範圍的10%內，較佳是5%內，更 佳是3%之內，或2%之內，或1%之內，或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」、「實質上」、「大致上」的情況下，仍可隱含「約」、「大約」、「實質上」、「大致上」之含義。此外，用語「範圍為第一數值至第二數值」、「範圍介於第一數值至第二數值之間」表示所述範圍包含第一數值、第二數值以及它們之間的其它數值。
在本揭露一些實施例中，關於接合、連接之用語例如「連接」、「互連」等，除非特別定義，否則可指兩個結構係直接接觸，或者亦可指兩個結構並非直接接觸，其中有其它結構設於此兩個結構之間。且此關於接合、連接之用語亦可包括兩個結構都可移動，或者兩個結構都固定之情況。
應理解的是，當元件或層被稱為在另一元件或層“上”或與另一元件或層“連接”時，它可以直接在另一元件或層上或直接與另一元件或層連接，或者還可以存在插入的元件或層。相反地，當元件被稱為“直接”在另一元件或上或者“直接”與另一元件或層連接時，不存在插入的元件。
除非另外定義，在此使用的全部用語(包含技術及科學用語)具有與本揭露所屬技術領域的技術人員通常理解的相同涵義。能理解的是，這些用語例如在通常使用的字典中定義用語，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有特別定義。
根據本揭露一些實施例，提供之影像感測裝置包含具有次波長結構(subwavelength structure)的圖案化導電層，可根據需求改善特定波長或頻率的光的濾波效果，以及改善影像感測裝置的訊號雜訊比。
請參照第1圖，第1圖顯示根據本揭露一些實施例中，影像感測裝置10的剖面結構示意圖。應理解的是，根據一些實施例，可添加額外特徵於以下所述之影像感測裝置10。根據一些實施例中，以下所述的部分特徵可以被取代或刪除。
如第1圖所示，根據一些實施例，影像感測裝置10可為前照式(front side illumination，FSI)影像感測裝置。
如第1圖所示，影像感測裝置10可包含基板102，基板102具有第一側102a以及第二側102b，且第二側102b相對於第一側102a。此外，影像感測裝置10可包含感光元件200，感光元件200可設置於基板102中。在一些實施例中，感光元件200的頂表面200A可大致上與基板102的第一側102a齊平，亦即，感光元件200並未埋置於基板102中。然而，在另一些實施例中，感光元件200可埋置於基板102中。
根據一些實施例，所述基板102可由基本半導體材料形成。例如，在一些實施例中，基板102的材料可包含單晶型、多晶型或非晶型的矽(Si)或鍺(Ge)、或前述之組合。根據一些實施 例，所述基板102的材料可由化合物半導體形成。例如，在一些實施例中，基板102的材料可包含碳化矽(SiC)、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)、砷化銦(InAs)、或前述之組合。此外，根據一些實施例，所述基板102的材料可由合金半導體形成。例如，在一些實施例中，基板102的材料可包含矽化鍺(SiGe)、砷化鎵鋁(AlGaAs)、砷化鎵銦(GaInAs)、磷化鎵銦(GaInP)、磷化鎵砷(GaAsP)、或前述之組合。
根據一些實施例，感光元件200可包含光電二極體(photodiode)，但不限於此。在一些實施例中，感光元件200可接收經導光結構210反射的光線，並將其轉換為電訊號。詳細而言，根據一些實施例，所述光電二極體可包含金屬氧化物半導體(MOS)電晶體(未繪示)的源極與汲極，且源極與汲極可將電流傳輸至其它組件，如其它金屬氧化物半導體電晶體。
此外，在一些實施例中，感光元件200可包含傳輸閘極(transfer gate)、重置閘極(reset gate)、源極隨耦器閘極(source-follow gate)、選擇閘極(row-select gate)、或前述之組合。再者，感光元件200可進一步與外部裝置耦接，將數位訊號傳輸至外部裝置，例如，訊號處理器。
請參照第1圖，影像感測裝置10可包含第一介電層104，第一介電層104可設置於基板102的第一側102a。在一些實施例中，第一介電層104可覆蓋感光元件200的頂表面200A。此外，在一些實施例中，影像感測裝置10的感測區域SR 可位於第一介電層104的頂部，例如頂表面104A。在一些實施例中，根據實際應用需求，第一介電層104的頂表面104A可具有擋光效果。
在一些實施例中，第一介電層104的材料可包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、高介電常數(high-k)介電材料、其它合適的介電材料、或前述之組合。在一些實施例中，所述高介電常數介電材料可包含金屬氧化物、金屬氮化物、金屬矽化物、金屬鋁酸鹽、鋯矽酸鹽、鋯鋁酸鹽、或前述之組合。
在一些實施例中，可藉由物理氣相沉積製程(physical vapor deposition，PVD)、化學氣相沉積製程(chemical vapor deposition，CVD)、塗佈製程、其它合適的方法、或前述之組合形成第一介電層104。所述物理氣相沉積製程例如可包含濺鍍製程、蒸鍍製程、或脈衝雷射沉積等。所述化學氣相沉積製程例如可包含低壓化學氣相沉積製程(LPCVD)、低溫化學氣相沉積製程(LTCVD)、快速升溫化學氣相沉積製程(RTCVD)、電漿輔助化學氣相沉積製程(PECVD)、或原子層沉積製程(ALD)等。
此外，如第1圖所示，影像感測裝置10可包含導光結構210，導光結構210可設置於第一介電層104中。導光結構210可從第一介電層104的頂表面104A朝基板102的方向延伸，但並未貫穿第一介電層104。在一些實施例中，導光結構210可具有柱狀結構，但本揭露不以此為限。
詳細而言，導光結構210可將感測區域SR產生的光線導引至感光元件200，達到聚光效果。再者，於此實施例中，導光結構210亦可降低光線受到位於第一介電層104中的其它元件的干擾(例如，內連線結構220)，藉此減少光損耗。
再者，導光結構210可包含高折射率的材料。進一步而言，導光結構210的折射率可大於第一介電層104的折射率。在一些實施例中，導光結構210可包含折射率大於1.5的材料。在一些實施例中，導光結構210可包含折射率範圍介於1.5至2.0之間的材料，折射率例如可為1.6、1.7、1.8或1.9。
更具體而言，在一些實施例中，導光結構210可包含基質及分散於基質中的高折射率粒子。在一些實施例中，所述基質可包含有機材料、無機材料、或前述之組合。在一些實施例中，所述有機材料可包含聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)、聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、聚苯乙烯(polystyrene，PS)、聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)、其它合適的材料、或前述之組合。在一些實施例中，所述無機材料可包含光學玻璃、光學陶瓷、或前述之組合。在一些實施例中，所述高折射率粒子可包含二氧化鈦、鈮摻雜的氧化鈦(TNO)、氧化鋅(ZnO)、二氧化鋯(ZrO2)、或前述之組合。
此外，根據一些實施例，導光結構210亦可包含具有濾波效果的材料，以篩選特定波長的光。
在一些實施例中，可藉由前述物理氣相沉積製程(physical vapor deposition，PVD)、化學氣相沉積製程(chemical vapor deposition，CVD)、塗佈製程、其它合適的方法或前述之組合形成導光結構210。
此外，在一些實施例中，可使用圖案化製程形成導光結構210。在一些實施例中，所述圖案化製程可包含光微影製程及蝕刻製程。光微影製程可包含光阻塗佈(例如旋轉塗佈)、軟烘烤、硬烘烤、遮罩對齊、曝光、曝光後烘烤、光阻顯影、清洗及乾燥等，但不限於此。蝕刻製程可包含乾蝕刻製程或濕蝕刻製程，但不限於此。
請繼續參照第1圖，影像感測裝置10可包含圖案化導電層300。如第1圖所示，圖案化導電層300可設置於感光元件200與導光結構210之間，且圖案化導電層300包含次波長結構(subwavelength structure)。換言之，在一些實施例中，圖案化導電層300包含光柵結構。根據一些實施例，所述圖案化導電層300為次波長結構。
在一些實施例中，圖案化導電層300可設置於導光結構210與基板102的第一側102a(亦可視為第一介電層104的底表面104B)之間。如第1圖所示，在一些實施例中，於基板102的法線方向(例如，圖中所示的Z方向)上，圖案化導電層300可與導光結構210重疊。
再者，在一些實施例中，圖案化導電層300可包含複數個簍空區域HL。在一些實施例中，第一介電層104可填充於簍空區域HL中。在另一些實施例中，圖案化導電層300的簍空區域HL可能並未填入材料，亦即，簍空區域HL可包含空氣。
根據一些實施例，圖案化導電層300的簍空區域HL可具有低折射率的材料，例如，折射率低於導光結構210的材料。具體而言，在一些實施例中，簍空區域HL可具有折射率小於1.5的材料。
在一些實施例中，圖案化導電層300(非簍空區域)可由高導電率的材料形成，例如，金屬材料。在一些實施例中，圖案化導電層300的材料可包含銅(Cu)、鋁(Al)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鎢(W)、鉬(Mo)、鎳(Ni)、銅合金、鋁合金、金合金、銀合金、鈦合金、鎢合金、鉬合金、鎳合金、或前述之組合。
在一些實施例中，可藉由前述物理氣相沉積製程(physical vapor deposition，PVD)、化學氣相沉積製程(chemical vapor deposition，CVD)、塗佈製程、其它合適的方法或前述之組合形成圖案化導電層300。
此外，在一些實施例中，可使用圖案化製程形成圖案化導電層300。在一些實施例中，所述圖案化製程可包含光微影製程及蝕刻製程。光微影製程可包含光阻塗佈(例如旋轉塗佈)、軟烘烤、硬烘烤、遮罩對齊、曝光、曝光後烘烤、光阻顯影、清洗及 乾燥等，但不限於此。蝕刻製程可包含乾蝕刻製程或濕蝕刻製程，但不限於此。
此外，如第1圖所示，圖案化導電層300並未與導光結構210接觸。在一些實施例中，圖案化導電層300與導光結構210之間可間隔第一距離D1。在一些實施例中，第一距離D1的範圍可介於0.05微米(μm)至0.5微米之間，例如，0.1微米、0.2微米、0.3微米、或0.4微米。再者，在一些實施例中，圖案化導電層300的下表面與基板102的第一側102a(第一介電層104的底表面104B)之間可間隔第二距離D2。在一些實施例中，第二距離D2的範圍可介於0.05微米至0.5微米之間，例如，0.1微米、0.2微米、0.3微米、或0.4微米。
應注意的是，若圖案化導電層300與導光結構210之間的第一距離D1過小(例如，小於0.05微米)，則可能會有無法提供局部電漿共振頻率之條件發生；反之，若圖案化導電層300與導光結構210之間的第一距離D1過大(例如，大於0.5微米)，亦可能會有無法提供局部電漿共振頻率之條件發生或可能產生電磁波過度發散的問題。
另一方面，若圖案化導電層300與基板102之間的第二距離D2過小(例如，小於0.05微米)，則可能無法提供局部電漿共振頻率之條件發生；反之，若圖案化導電層300與基板102之間的第二距離D2過大(例如，大於0.5微米)，亦可能無法提供局部電漿共振頻率之條件發生或可能產生電磁波過度發散的問題。
此外，圖案化導電層300可具有厚度T。在一些實施例中，圖案化導電層300的厚度T的範圍可介於0.05微米至1微米之間，例如，0.1微米、0.2微米、0.3微米、0.4微米、0.5微米、0.6微米、0.7微米、0.8微米、或0.9微米。應注意的是，若圖案化導電層300的厚度T過小或過大，則可能會降低圖案化導電層300的濾光效果。然而，應理解的是，隨著圖案化導電層300所選用的材料不同，厚度T的範圍亦可隨之適當地調整。
特別地，根據本揭露實施例，圖案化導電層300可藉由表面電漿共振機制，加強光線在特定頻率的共振效果，亦即，可針對具有特定波長或頻率的光，增強其濾波效果，並且可改善訊不同波段之間的訊號雜訊比。
再者，於不同的實施例中，可根據需求，適當地調整圖案化導電層300的簍空區域HL的形狀、尺度(dimension)例如寬度W、排列或週期性(光柵週期性)等，加強圖案化導電層300的表面電漿共振效應。關於圖案化導電層300的具體態樣，將於後文詳細說明。
此外，在一些實施例中，影像感測裝置10可進一步包含內連線結構220。如第1圖所示，在一些實施例中，內連線結構220可設置於第一介電層104中。再者，於此實施例中，圖案化導電層300可設置於內連線結構220與基板102之間。
在一些實施例中，內連線結構220可設置於導光結構210之間。在一些實施例中，內連線結構220於基板102上的 投影(未繪示)與導光結構210於基板102上的投影(未繪示)不重疊。在一些實施例中，於基板102的法線方向(例如，圖中所示的Z方向)上，內連線結構220可與圖案化導電層300重疊。
如第1圖所示，在一些實施例中，內連線結構220可包含複數層導電層220S，提供影像感測裝置10內部元件的電性連接。應理解的是，雖然圖式中繪示示例性的三層導電層220S，但本揭露並不以此為限，在不同的實施例中，可根據需求，配置具有合適數量及結構的導電層220S，以形成內連線結構220。
在一些實施例中，內連線結構220可包含金屬導電材料、透明導電材料或前述之組合。金屬導電材料可包含銅(Cu)、鋁(Al)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、鎢(W)、鉬(Mo)、鎳(Ni)、銅合金、鋁合金、金合金、銀合金、鈦合金、鎢合金、鉬合金、鎳合金、或前述之組合。所述透明導電材料可包含透明導電氧化物(transparent conductive oxide，TCO)。舉例而言，透明導電氧化物可包含銦錫氧化物(indium tin oxide，ITO)、氧化錫(tin oxide，SnO)、氧化鋅(zinc oxide，ZnO)、氧化銦鋅(indium zinc oxide，IZO)、氧化銦鎵鋅(indium gallium zinc oxide，IGZO)、氧化銦錫鋅(indium tin oxide，ITZO)、氧化銻錫(antimony tin oxide，ATO)、氧化銻鋅(antimony zinc oxide，AZO)、或前述之組合。
在一些實施例中，可藉由前述物理氣相沉積製程(physical vapor deposition，PVD)、化學氣相沉積製程(chemical vapor deposition，CVD)、塗佈製程、其它合適的方法或前述之組合形成內連線結構220。
在一些實施例中，可使用圖案化製程形成內連線結構220。在一些實施例中，所述圖案化製程可包含光微影製程及蝕刻製程。光微影製程可包含光阻塗佈(例如旋轉塗佈)、軟烘烤、硬烘烤、遮罩對齊、曝光、曝光後烘烤、光阻顯影、清洗及乾燥等，但不限於此。蝕刻製程可包含乾蝕刻製程或濕蝕刻製程，但不限於此。
接著，請參照第2圖，第2圖顯示根據本揭露另一些實施例中，影像感測裝置20的剖面結構示意圖。應理解的是，後文中與前文相同或相似的組件或元件將以相同或相似之標號表示，其材料、製造方法與功能皆與前文所述相同或相似，故此部分於後文中將不再贅述。
如第2圖所示，根據一些實施例，影像感測裝置20可為背照式(back side illumination，BSI)影像感測裝置。
如第2圖所示，影像感測裝置20可包含基板102，基板102具有第一側102a以及第二側102b，且第二側102b相對於第一側102a。此外，影像感測裝置20可包含感光元件200，感光元件200可設置於基板102中。在一些實施例中，感光元件200的頂表面200A可大致上與基板102的第一側102a齊平，亦即，感光元件200並未埋置於基板102中。然而，在另一些實施例中，感光元件200可埋置於基板102中。
根據一些實施例，感光元件200可包含光電二極體(photodiode)，但不限於此。在一些實施例中，感光元件200可接收經導光結構210反射的光線，並將其轉換為電訊號。詳細而言，根據一些實施例，所述光電二極體可包含金屬氧化物半導體(MOS)電晶體(未繪示)的源極與汲極，且源極與汲極可將電流傳輸至其它組件，如其它金屬氧化物半導體電晶體。
此外，在一些實施例中，感光元件200可包含傳輸閘極(transfer gate)、重置閘極(reset gate)、源極隨耦器閘極(source-follow gate)、選擇閘極(row-select gate)、或前述之組合。再者，感光元件200可進一步與外部裝置耦接，將數位訊號傳輸至外部裝置，例如，訊號處理器。
如第2圖所示，影像感測裝置20可包含第一介電層104，第一介電層104可設置於基板102的第一側102a。在一些實施例中，第一介電層104可覆蓋感光元件200的頂表面200A。此外，在一些實施例中，影像感測裝置20的感測區域SR可位於第一介電層104的頂部，例如頂表面104A。
此外，如第2圖所示，影像感測裝置20可包含第二介電層106，第二介電層106可設置於基板102的第二側102b。亦即，於此實施例中，基板102可設置於第一介電層104與第二介電層106之間。
在一些實施例中，第二介電層106的材料可包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、高介電常數(high-k)介電材料、其它合 適的介電材料、或前述之組合。在一些實施例中，所述高介電常數介電材料可包含金屬氧化物、金屬氮化物、金屬矽化物、金屬鋁酸鹽、鋯矽酸鹽、鋯鋁酸鹽、或前述之組合。再者，第一介電層104與第二介電層106的材料可相同或不同。
在一些實施例中，可藉由前述物理氣相沉積製程(physical vapor deposition，PVD)、化學氣相沉積製程(chemical vapor deposition，CVD)、塗佈製程、其它合適的方法、或前述之組合形成第二介電層106。
再者，影像感測裝置20可包含導光結構210，導光結構210可設置於第一介電層104中。導光結構210可從第一介電層104的頂表面104A朝基板102的方向延伸，但並未貫穿第一介電層104。在一些實施例中，導光結構210可具有柱狀結構，但本揭露不以此為限。
詳細而言，導光結構210可將感測區域SR產生的光線導引至感光元件200，達到聚光效果，並減少光損耗。
再者，導光結構210可包含高折射率的材料。進一步而言，導光結構210的折射率可大於第一介電層104的折射率。在一些實施例中，導光結構210可包含折射率大於1.5的材料。在一些實施例中，導光結構210可包含折射率範圍介於1.5至2.0之間的材料，折射率例如可為1.6、1.7、1.8或1.9。
此外，根據一些實施例，導光結構210亦可包含具有濾波效果的材料，以篩選特定波長的光。
再者，影像感測裝置20可包含圖案化導電層300。如第2圖所示，圖案化導電層300可設置於感光元件200與導光結構210之間，且圖案化導電層300包含次波長結構(subwavelength structure)。換言之，在一些實施例中，圖案化導電層300包含光柵結構。根據一些實施例，所述圖案化導電層300為次波長結構。此外，於此實施例中，圖案化導電層300可設置於第一介電層104與第二介電層106之間。
在一些實施例中，圖案化導電層300可設置於導光結構210與基板102的第一側102a(亦可視為第一介電層104的底表面104B)之間。如第2圖所示，在一些實施例中，於基板102的法線方向(例如，圖中所示的Z方向)上，圖案化導電層300可與導光結構210重疊。
再者，在一些實施例中，圖案化導電層300可包含複數個簍空區域HL。在一些實施例中，第一介電層104可填充於簍空區域HL中。在另一些實施例中，圖案化導電層300的簍空區域HL可能並未填入材料，亦即，簍空區域HL可包含空氣。
根據一些實施例，圖案化導電層300的簍空區域HL可具有低折射率的材料，例如，折射率低於導光結構210的材料。具體而言，在一些實施例中，簍空區域HL可具有折射率小於1.5的材料。
相似地，如第2圖所示，圖案化導電層300並未與導光結構210接觸。於此實施例中，圖案化導電層300與導光結構 210之間可間隔第一距離D1。在一些實施例中，第一距離D1的範圍可介於0.05微米至0.5微米之間，例如，0.1微米、0.2微米、0.3微米、或0.4微米。再者，於此實施例中，圖案化導電層300與基板102(第一介電層104的底表面104B)之間可間隔第二距離D2。在一些實施例中，第二距離D2的範圍可介於0.05微米至0.5微米之間，例如，0.1微米、0.2微米、0.3微米、或0.4微米。
應注意的是，若圖案化導電層300與導光結構210之間的第一距離D1過小(例如，小於0.05微米)，則可能無法提供局部電漿共振頻率之條件發生；反之，若圖案化導電層300與導光結構210之間的第一距離D1過大(例如，大於0.5微米)，亦可能無法提供局部電漿共振頻率之條件發生或可能產生電磁波過度發散的問題。
另一方面，若圖案化導電層300與基板102之間的第二距離D2過小(例如，小於0.05微米)，則可能無法提供局部電漿共振頻率之條件發生；反之，若圖案化導電層300與基板102之間的第二距離D2過大(例如，大於0.5微米)，亦可能無法提供局部電漿共振頻率之條件發生或可能產生電磁波過度發散的問題。
此外，圖案化導電層300可具有厚度T。於此實施例中，圖案化導電層300的厚度T的範圍可介於0.05微米至1微米之間，例如，0.1微米、0.2微米、0.3微米、0.4微米、0.5微米、0.6微米、0.7微米、0.8微米、或0.9微米。應注意的是，若圖案化導電層300的厚度T過小或過大，則可能會降低圖案化導電 層300的濾光效果。然而，應理解的是，隨著圖案化導電層300所選用的材料不同，厚度T的範圍亦可隨之適當地調整。
根據本揭露實施例，圖案化導電層300可藉由表面電漿共振機制，加強光線在特定頻率的共振效果，亦即，可針對具有特定波長或頻率的光，增強其濾波效果，並且可改善訊不同波段之間的訊號雜訊比。
再者，於不同的實施例中，可根據需求，適當地調整圖案化導電層300的簍空區域HL的形狀、尺度(dimension)例如寬度W、排列或週期性(光柵週期性)等，加強圖案化導電層300的表面電漿共振效應。關於圖案化導電層300的具體態樣，將於後文詳細說明。
此外，在一些實施例中，影像感測裝置20可進一步包含內連線結構220。如第2圖所示，於此實施例中，內連線結構220可設置於第二介電層106中，且位於感光元件200下方。再者，於此實施例中，圖案化導電層300可設置於內連線結構220與第一介電層104之間。
於此實施例中，內連線結構220於基板102上的投影(未繪示)與導光結構210於基板102上的投影(未繪示)不重疊。在一些實施例中，於基板102的法線方向(例如，圖中所示的Z方向)上，內連線結構220可與圖案化導電層300重疊。
如第2圖所示，在一些實施例中，內連線結構220可包含複數層導電層220S，提供影像感測裝置20內部元件的電性 連接。應理解的是，雖然圖式中繪示示例性的三層導電層220S，但本揭露並不以此為限，在不同的實施例中，可根據需求，配置具有合適數量及結構的導電層220S，以形成內連線結構220。
於此實施例中，由於內連線結構220設置於第二介電層106中且位於感光元件200下方，因此，可進一步降低光線受到內連線結構220干擾的風險，提升影像感測裝置20的靈敏度(sensitivity)。
此外，應理解的是，雖然圖式中並未繪示，根據一些實施例，可視實際需求，影像感測裝置10與影像感測裝置20可進一步包含設置於第一介電層104上的微透鏡(micro-lens)、彩色濾光片(color filter)及鈍化層等。
接著，請參照第3圖，第3圖顯示根據本揭露一些實施例中，影像感測系統10A的剖面結構示意圖。如第3圖所示，影像感測系統10A可包含前述影像感測裝置10以及光源LS，光源LS可設置於影像感測裝置10上。
在一些實施例中，光源LS可設置於第一介電層104上，並照射感測區域SR。再者，根據一些實施例，感測區域SR可容納待測物400。在一些實施例中，光源LS可提供激發光，激發光可使感測區域SR中的待測物400發出特定波長或頻率的光線，進而可藉由導光結構210將光線傳遞至感光元件200，藉此檢測或判定待測物400的各種性質。
詳細而言，在不同的實施例中，根據待測物400的標記物(tag)的特性，光源LS可提供具有合適波長或頻率範圍的激發光，例如，可激發標記物以產生螢光或冷光，但本揭露不以此為限。在一些實施例中，光源LS可包含經極化(polarized)的光、未經極化的光、或前述之組合。
在一些實施例中，待測物400可包含生物分子、化學分子、或前述之組合。舉例而言，在一些實施例中，待測物400可包含去氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)、核糖核酸(ribonucleic acid，RNA)、蛋白質、細胞、其它有機及無機小分子、或前述之組合，但本揭露不以此為限。
根據一些實施例，待測物400可包含螢光標記物，光源LS可包含經極化的光，經極化的光源LS可進一步增加偵測螢光的靈敏度。
接著，請參照第4圖，第4圖顯示根據本揭露一些實施例中，影像感測系統20A的剖面結構示意圖。如第4圖所示，影像感測系統20A可包含前述影像感測裝置20以及光源LS，光源LS可設置於影像感測裝置20上。
在一些實施例中，光源LS可設置於第一介電層104上，並照射感測區域SR。再者，根據一些實施例，感測區域SR可容納待測物400。在一些實施例中，光源LS可提供激發光，激發光可使感測區域SR中的待測物400發出特定波長或頻率的光 線，進而可藉由導光結構210將光線傳遞至感光元件200，藉此檢測或判定待測物400的各種性質。
詳細而言，在不同的實施例中，根據待測物400的標記物(tag)的特性，光源LS可提供具有合適波長或頻率範圍的激發光，例如，可激發標記物以產生螢光或冷光，但本揭露不以此為限。在一些實施例中，光源LS可包含經極化(polarized)的光、未經極化的光、或前述之組合。
在一些實施例中，待測物400可包含生物分子、化學分子、或前述之組合。舉例而言，在一些實施例中，待測物400可包含去氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)、核糖核酸(ribonucleic acid，RNA)、蛋白質、細胞、其它有機及無機小分子、或前述之組合，但本揭露不以此為限。
接著，請參照第5A至5H圖，第5A至5H圖顯示根據本揭露一些實施例中，圖案化導電層300的上視示意圖。如第5A至5H圖所示，圖案化導電層300的鏤空區域HL可具有對稱形狀、非對稱形狀、不規則形狀、或前述之組合。
詳細而言，如第5A及5B圖所示，在一些實施例中，圖案化導電層300可具有圓形的鏤空區域HL。如第5C及5D圖所示，在一些實施例中，圖案化導電層300可具有長條狀或矩形的鏤空區域HL。應理解的是，雖然圖式中繪示的長條狀的鏤空區域HL沿著X方向或Y方向延伸，但本揭露不限於此，根據另一些 實施例，鏤空區域HL亦可沿其它合適的方向延伸，或可沿多個不同方向延伸。
再者，如第5E圖所示，在一些實施例中，圖案化導電層300可具有類似十字形的鏤空區域HL。如第5F圖所示，在一些實施例中，圖案化導電層300可具有環狀的鏤空區域HL。如第5G圖所示，在一些實施例中，圖案化導電層300可具有非對稱形狀的鏤空區域HL。如第5H圖所示，在一些實施例中，圖案化導電層300可包含兩種形狀以上的鏤空區域HL的組合。
此外，圖案化導電層300的鏤空區域HL可以規則或不規則的排列方式進行排列，且鏤空區域HL出現的頻率或週期性等亦可根據需求進行適當的調整。
承前述，根據不同的實施例，可適當地調整圖案化導電層300的簍空區域HL的形狀、尺度、排列或出現的週期性等，加強圖案化導電層300對特定波長或頻率的光的表面電漿共振效應，增加濾波效果。
具體而言，根據一些實施例，使用時域有限差分(finite-difference-time-domain，FDTD)軟體對圖案化導電層300(如第5E圖所示的實施例)進行光學模擬，模擬結果顯示相較於未經圖案化的導電層，本揭露實施例的圖案化導電層300可有效提升訊號雜訊比(log(靈敏度650nm/靈敏度530nm)的值)至少約1.2倍至約2倍。
此外，根據另一些實施例，使用時域有限差分軟體對具有圖案化導電層300(如第5C及5D圖所示的實施例)的影像感測裝置10以及不具有圖案化導電層300的影像感測裝置(與影像感測裝置10相同，差異僅在於不具有圖案化導電層300)進行光學模擬，模擬結果顯示相較於不具有圖案化導電層300的影像感測裝置，本揭露實施例中具有圖案化導電層300的影像感測裝置10具有較佳的消光比(extinction ratio)(垂直方向的光線穿透率與水平方向的光線穿透率的比值)。
根據一些實施例，影像感測裝置10的消光比可達約300以上、約500以上、或約1000以上。由此可知，本揭露實施例提供的影像感測裝置10針對經極化的光線亦具有良好的濾光效果。此外，針對具有特定極化方向的光線，圖案化導電層300可比整片無圖案化的導電層提供更高的擋光能力。
綜上所述，根據本揭露一些實施例，提供之影像感測裝置包含具有次波長結構(subwavelength structure)的圖案化導電層，可根據需求改善特定波長或頻率的光的濾波效果，以及改善影像感測裝置的訊號雜訊比。
雖然本揭露的實施例及其優點已揭露如上，但應該瞭解的是，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作更動、替代與潤飾。此外，本揭露之保護範圍並未侷限於說明書內所述特定實施例中的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，任何所屬技術領域中具有通常知識 者可從本揭露揭示內容中理解現行或未來所發展出的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，只要可以在此處所述實施例中實施大抵相同功能或獲得大抵相同結果皆可根據本揭露使用。因此，本揭露之保護範圍包括上述製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟。另外，每一申請專利範圍構成個別的實施例，且本揭露之保護範圍也包括各個申請專利範圍及實施例的組合。本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10:影像感測裝置
102:基板
102a:第一側
102b:第二側
104:第一介電層
104A:頂表面
104B:底表面
200:感光元件
200A:頂表面
210:導光結構
220:內連線結構
220S:導電層
300:圖案化導電層
D1:第一距離
D2:第一距離
HL:簍空區域
SR:感測區域
T:厚度
W:寬度

Claims (19)

  1. 一種影像感測裝置，包括：一基板；一感光元件，設置於該基板中；一第一介電層，設置於該基板的一第一側；一導光結構，設置於該第一介電層中；以及一圖案化導電層，設置於該感光元件與該導光結構之間，其中該圖案化導電層包括一次波長結構，其中該圖案化導電層的一下表面與該基板的該第一側之間間隔一第二距離，該第二距離的範圍介於0.05微米至0.5微米之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該圖案化導電層包括複數個簍空區域，且該第一介電層填充於該複數個簍空區域中。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該圖案化導電層包括複數個簍空區域，且該複數個簍空區域包括空氣。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該圖案化導電層與該導光結構之間間隔一第一距離，該第一距離的範圍介於0.05微米至0.5微米之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該圖案化導電層的材料包括銅、鋁、金、銀、鈦、鎢、鉬、鎳、銅合金、鋁合金、金合金、銀合金、鈦合金、鎢合金、鉬合金、鎳合金、或前述之組合。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該導光結構包括折射率大於1.5的材料。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之影像感測裝置，其中該導光結構包括折射率範圍介於1.5至2.0之間的材料。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中於該基板的法線方向上，該圖案化導電層與該導光結構重疊。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，更包括一內連線結構，設置於該第一介電層中。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之影像感測裝置，其中該圖案化導電層設置於該內連線結構與該基板之間。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，更包括一第二介電層與一內連線結構，該第二介電層設置於該基板的第二側，其中該第二側相對於該第一側，且該內連線結構設置於該第二介電層中。
  12. 一種影像感測系統，包括：一影像感測裝置，包括：一基板；一感光元件，設置於該基板中；一第一介電層，設置於該基板的一第一側；一導光結構，設置於該第一介電層中；以及一圖案化導電層，設置於該感光元件與該導光結構之間，其中該圖案化導電層包括一次波長結構，其中該圖案化導電層的一下 表面與該基板的該第一側之間間隔一第二距離，該第二距離的範圍介於0.05微米至0.5微米之間；以及一光源，設置於該影像感測裝置上。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之影像感測系統，其中該圖案化導電層包括複數個簍空區域，且該第一介電層填充於該複數個簍空區域中。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之影像感測系統，其中該圖案化導電層包括複數個簍空區域，且該複數個簍空區域包括空氣。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之影像感測系統，其中於該基板的法線方向上，該圖案化導電層與該導光結構重疊。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之影像感測系統，其中該光源包括一經極化的光、一未經極化的光、或前述之組合。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之影像感測系統，其中該影像感測裝置更包括一感測區域，位於該第一介電層的一頂表面。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之影像感測系統，其中該感測區域容納一待測物。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之影像感測系統，其中該待測物包括一生物分子、一化學分子或前述之組合。
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