TWI697111B - 影像感測器及具有該影像感測器的電子裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種影像感測器，可包括：一基板，其包括包含一光電轉換元件的一基板；一像素透鏡，其形成於該基板上方並包含複數聚光層，其之下部層較上部層具有更大面積；一彩色濾光層，其覆蓋該像素透鏡；以及一抗反射結構，其形成於該彩色濾光層上方。

Description

影像感測器及具有該影像感測器的電子裝置

本發明之示例性具體實施例係關於一種半導體裝置製造技術，尤其係關於一種影像感測器，其包括具備多層階梯形結構的一聚光元件，以及一種具有該影像感測器的電子裝置。

本發明主張的優先權為在2015年4月6日向韓國智慧財產局提出申請的申請案，其韓國申請案號為10-2015-0048436，在此併入其全部參考內容。

一種影像感測器指稱將光學影像轉換為電訊號的裝置。近來，由於電腦工業和通訊工業的發展，對具備改進性能的影像感測器的需求在各領域(例如數位相機、攝影機、個人通訊系統(PCS,Personal Communication System)、遊戲機、安防攝影機、醫療微型攝影機、和機器人)中均已增加。

各種具體實施例係針對一種具備改進性能的影像感測器，以及一種具有該影像感測器的電子裝置。

在具體實施例中，一種影像感測器可包括：一基板，其包含一光電轉換元件；一像素透鏡，其形成於該基板上方並包含複數聚光層，其之下部層較上部層具有更大面積；一彩色濾光層，其覆蓋該像素透鏡；以及一抗反 射結構，其形成於該彩色濾光層上方。該影像感測器可更包括一聚焦層，其提供於該光電轉換元件與該像素透鏡之間。且該影像感測器可更包括一抗反射層，其形成於該像素透鏡上方。

該聚焦層可較該像素透鏡具有更大折射率。該聚焦層可較該像素透鏡具有相同面積或更大面積。介於該像素透鏡與該光電轉換元件之間的焦距可與該聚焦層之厚度成反比。該像素透鏡可具有多層階梯形結構。由該上部層所露出的該下部層可較入射光之波長具有更小寬度。由該上部層所露出的該下部層可較其色彩係透過該彩色濾光層分離的入射光之波長具有更小寬度。該等複數聚光層可具有相同形狀且彼此平行安置。該上部層可較該下部層具有相同厚度或更小厚度。該上部層可較該下部層具有相同折射率或更小折射率。該彩色濾光層可覆蓋該像素透鏡之整個表面，並具有平坦頂端表面。該彩色濾光層可較該像素透鏡具有更小折射率。該抗反射結構可包括一抗反射層或一半球形透鏡。

在具體實施例中，一種電子裝置可包括：一光學系統；一影像感測器，其適用於從該光學系統接收光線並包含一像素陣列，其中複數單位像素係以矩陣形狀安置；以及一訊號處理單元，其適用於處理從該影像感測器輸出的一訊號。各該等單位像素皆可包括：一基板，其包含一光電轉換元件；一像素透鏡，其形成於該基板上方並包含複數聚光層，其中下部層較上部層具有更大面積；一彩色濾光層，其覆蓋該像素透鏡；以及一抗反射結構，其形成於該彩色濾光層上方。該電子裝置可更包括一聚焦層，其提供於該光電轉換元件與該像素透鏡之間。

該聚焦層可較該像素透鏡具有更大折射率。該彩色濾光層可較 該像素透鏡具有更小折射率。介於該像素透鏡與該光電轉換元件之間的焦距可與該聚焦層之厚度成反比。由該上部層所露出的該下部層可較入射光之波長具有更小寬度。

100:像素陣列

110:單位像素

120:相關重複取樣(CDS)

130:類比-數位轉換器(ADC)

140:緩衝器

150:列驅動器

160:時序產生器

170:控制暫存器

180:斜坡訊號產生器

210:基板

220:光電轉換元件

230:聚焦層

240:像素透鏡

241:第一聚光層

242:第二聚光層

250:彩色濾光層

260:抗反射層

270:半球形透鏡

281:第一抗反射層

282:第二抗反射層

283:第三抗反射層

284:第四抗反射層

285:第五抗反射層

300:影像感測器

310:光學系統或光學透鏡

311:快門單元

312:訊號處理單元

313:驅動單元

T:聚焦層之厚度

W1、W2:寬度

t1:下部層之厚度

t2:上部層之厚度

D_out:經處理的影像訊號

〔圖1〕為根據本發明一具體實施例示意性例示一種影像感測器的方塊圖。

〔圖2A〕為根據本發明該具體實施例例示該影像感測器之單位像素的剖面圖。

〔圖2B〕為例示本發明另一具體實施例的剖面圖。

〔圖3A〕至〔圖3C〕為根據本發明一具體實施例例示一聚焦層和一像素透鏡的透視圖。

〔圖4A〕至〔圖4D〕為根據本發明一具體實施例在該聚焦層和該像素透鏡中的抗反射層之剖面圖。

〔圖5〕為根據本發明一具體實施例簡要性例示一種包括一影像感測器的電子裝置的圖式。

以下將參照所附圖式更詳細說明各種具體實施例。然而，本發明可以不同形式體現，且不應被理解為限於文中所闡述該等具體實施例。而是，提供這些具體實施例以使所揭示內容周密且完整，並向本領域具有通常知識者充分傳達本發明之範疇。在整個揭示內容中，同樣的元件符號在本發明整個該等各種圖式和具體實施例中指稱相似的部分。

所附圖式不必定成比例繪製，且在某些實例中，比例可經放大 以清楚例示該等具體實施例之特徵。當第一層指稱為「在」第二層「上(on)」或「在」基板「上(on)」時，不僅指稱該第一層直接形成於該第二層或該基板上的情況，而且指稱第三層存在於該第一層與該第二層或該基板之間的情況。

本發明該等具體實施例提供一種具備改進性能的影像感測器，以及一種具有該影像感測器的電子裝置。當在單位像素中的聚光效率改進時，該影像感測器之性能相應改進。一般來說，一種影像感測器可包括複數單位像素。各該等單位像素皆可包括一半球形微透鏡(ML,Micro lens)，其安裝於一光電轉換元件上方。透過該微透鏡，入射光可凝聚並傳輸到該光電轉換元件中。該單位像素之聚光效率可依該微透鏡之品質而定。該聚光效率可根據介於該微透鏡與該光電轉換元件之間的一焦距進行控制。

在習用微透鏡中，介於該微透鏡與該光電轉換元件之間的焦距可能會在變更該微透鏡之曲率的製程期間變更。因此，不容易控制該焦距。

該微透鏡可透過回流一透鏡形成材料(例如光阻劑(resist))之製程形成。在此種製程中，很難形成具備所需曲率的半球形。再者，由於該微透鏡係形成於一彩色濾光層上方，因此適用材料有限。此外，該回流製程可能需要高成本、可能僅形成為半球形，並在形成具備對稱和均勻形狀的微透鏡上可能有困難。這可能會增加串擾(crosstalk)。

本發明之下列具體實施例提供一種在單位像素中具備改進聚光效率的影像感測器，以及一種具有該影像感測器的電子裝置。對本結構而言，各該等單位像素皆可包括一像素透鏡，其具有形成於一光電轉換元件上方的複數聚光層。該等複數聚光層之下部層較該等複數聚光層之上部層具有更大面積或關鍵尺寸(CD,critical dimension)。因此，該像素透鏡可具有多層階梯形結構。 具有多層階梯形結構的該像素透鏡呈現出次波長光學或次波長效應，並能如同半球形微透鏡般凝聚入射光。該像素透鏡可將光線有效凝聚於有限面積內。因此，根據具體實施例的該像素透鏡在提升該影像感測器之整合上具優勢，並能輕易改變焦距。根據該次波長光學，光學效應可在小於入射光之一半波長的空間尺度中得到。

圖1為根據本發明具體實施例示意性例示一種影像感測器的方塊圖。

如圖1所例示，根據本發明具體實施例的該影像感測器可包括一像素陣列100、一相關重複取樣(CDS,correlated double sampling)120、一類比-數位轉換器(ADC,analog-digital converter)130、一緩衝器140、一列驅動器150、一時序產生器160、一控制暫存器170、和一斜坡訊號產生器180。像素陣列100可包括複數單位像素110，其以一矩陣形狀安置。

時序產生器160可產生用於控制列驅動器150、CDS 120、ADC 130、和斜坡訊號產生器180的一個或多個控制訊號。控制暫存器170可產生用於控制斜坡訊號產生器180、時序產生器160、和緩衝器140的一個或多個控制訊號。

列驅動器150可基於列線驅動像素陣列100。舉例來說，列驅動器150可產生用於選取複數列線之任一列線的選取訊號。各單位像素110皆可感測入射光並透過行線將影像重置訊號和影像訊號輸出到CDS 120。CDS 120可對該影像重置訊號和該影像訊號進行取樣。

ADC 130可將從斜坡訊號產生器180輸出的斜坡訊號與從CDS 120輸出的取樣訊號相較，並輸出比較訊號。根據從時序產生器160提供的時脈 訊號，ADC 130可計數該比較訊號之位準轉變時間，並將該計數值輸出到緩衝器140。斜坡訊號產生器180可在時序產生器160之控制下操作。

緩衝器140可儲存從ADC 130輸出的複數數位訊號，然後感測並放大該等數位訊號。因此，緩衝器140可包括一記憶體(圖未示)和一感測放大器(圖未示)。該記憶體可用於儲存計數值。該等計數值與從複數單位像素110所輸出的訊號相關。該感測放大器可用於感測並放大從該記憶體輸出的該等計數值。

在上述之影像感測器中，各該等單位像素皆可包括一像素透鏡，其能改進聚光效率。在下文中，將參照所附圖式詳細說明包括一像素透鏡的單位像素。

圖2A為根據本發明該具體實施例例示影像感測器之單位像素的剖面圖，而圖2B為例示本發明另一具體實施例的剖面圖。圖3A至圖3C為根據本發明該具體實施例例示一聚焦層和一像素透鏡之範例的透視圖。

如圖2A、圖2B、和圖3A至圖3C所例示，各單位像素110皆可包括一基板210、一聚焦層230、一像素透鏡240、一彩色濾光層250、和一抗反射結構。基板210可包括一光電轉換元件220。聚焦層230可形成於基板210上方。像素透鏡240可形成於聚焦層230上方並包括複數聚光層。在該等複數聚光層中之下部層較上部層具有更大面積或關鍵尺寸(CD)。彩色濾光層250可形成於聚焦層230上方以覆蓋像素透鏡240。抗反射結構可形成於彩色濾光層250上方。

在本具體實施例中，像素透鏡240可包括一第一聚光層241，其形成於聚焦層230上方，以及一第二聚光層242，其形成於第一聚光層241上方， 並較第一聚光層241具有更小面積。第一聚光層241可形成該下部層，而第二聚光層242可形成該上部層。因此，該第一聚光層和該下部層可由同一元件符號241來表示，而該第二聚光層和該上部層可由同一元件符號242來表示。

基板210可包括一半導體基板。該半導體基板可具有單晶態，並包括一含矽材料。亦即，基板210可包括一單晶含矽材料。

光電轉換元件220可包括光電二極體。舉例來說，形成於基板210上方的光電轉換元件220可包括垂直堆疊的複數光電轉換層(圖未示)。各該等光電轉換層皆可用作包括一N型雜質區和一P型雜質區的光電二極體。

聚焦層230可用於調整透過像素透鏡240所凝聚的入射光到達光電轉換元件220的距離，亦即焦距。由於聚焦層230，因此該焦距無需一變化曲率即可進行調整，不同於該焦距係使用具備給定曲率的半球形微透鏡加以調整的習用裝置。再者，更短的焦距可設定於有限空間內。該焦距可與聚焦層230之厚度T成反比。舉例來說，該焦距可隨著聚焦層230之厚度T增加而縮短，並隨著聚焦層230之厚度T減少而延長。

為將透過像素透鏡240所凝聚的該入射光有效率地傳輸到光電轉換元件220，聚焦層230可較像素透鏡240具有相同面積或更大面積。聚焦層230可具有對應於各單位像素110的形狀。因此，介於相鄰單位像素110之間，聚焦層230可彼此接觸。舉例來說，聚焦層230可具有矩形形狀。

為將透過像素透鏡240所凝聚的該入射光更有效率地傳輸到光電轉換元件220，聚焦層230可較像素透鏡240具有更大折射率。至於聚焦層230，具有較像素透鏡240更大折射率的任何材料均可適用。

由於聚焦層230定位於彩色濾光層250之底部，因此在一般半 導體製程中所使用的各種材料均可適用。舉例來說，可適用作為聚焦層230的透明材料可包括無機材料(例如氧化矽、氮化矽、和氮化鈦)。聚焦層230可具有單層結構或多層結構，其中堆疊具有不同折射率的透明材料。當聚焦層230具有多層結構時，聚焦層230之折射率可依位置而變化。位於較低層級的層之折射率可較位於較高層級的層具有更高折射率。

像素透鏡240可用作聚光元件以凝聚入射光。為改進聚光效率，像素透鏡240可具有多層結構，其中堆疊兩層或多層聚光層241和242。上部層242可較下部層241具有更小面積或關鍵尺寸(CD)。因此，像素透鏡240可具有多層階梯形結構。當像素透鏡240具有多層階梯形結構時，在寬度上的不同，亦即，寬度W1和W2可小於入射光之波長。亦即，在該像素透鏡中，由該上部層所露出的該下部層較入射光之波長具有更小寬度。更具體而言，在寬度上的不同，亦即，介於上部層242與下部層241之間的寬度W1和W2可小於其色彩係透過彩色濾光層250來分離的該入射光之波長。透過此結構，具有多層階梯形結構的像素透鏡240能如同習用半球形透鏡般凝聚光線。此係基於該次波長光學。寬度W1和W2分別在兩端介於上部層242與下部層241之間形成階梯寬度，並可彼此相等(W1=W2)或彼此不同(W1≠W2)。

複數聚光層241和242可具有相同形狀，且彼此平行安置。具體而言，複數聚光層241和242可具有圓形形狀、包括四邊形的多邊形形狀、或其類似物。

為進一步改進聚光效率，上部層242之厚度t2可等同於下部層241之厚度t1(t1=t2)，或是小於下部層241之厚度t1(t1>t2)。再者，為進一步改進聚光效率，上部層242可較下部層241具有相同折射率或更小折射率。複數 聚光層241和242可包括一透明材料。當上部層242和下部層241具有相同折射率時，上部層242和下部層241可由相同材料形成。

由於複數聚光層241和242，亦即，像素透鏡240定位於彩色濾光層250之底部，因此在一般半導體製程中所使用的各種材料均可適用。舉例來說，可適用作為複數聚光層241和242的透明材料可包括無機材料(例如氧化矽、氮化矽、和氮化鈦)。聚光層241和242可具有單層結構或多層結構，其中堆疊具有不同折射率的透明材料。當提供該等複數聚光層時，該等聚光層之該等折射率可依位置而變化。位於較高層級的聚光層之折射率可小於位於較低層級的聚光層。亦即，該等聚光層之該等折射率可隨著該等聚光層相鄰於光電轉換元件220或聚焦層230而增加。

用於色彩分離的彩色濾光層250可形成於聚焦層230上方以覆蓋像素透鏡240，並具有平坦表面。由於彩色濾光層250與像素透鏡240接觸並覆蓋像素透鏡240，因此能改進介於彩色濾光層250與像素透鏡240之間的光傳輸。亦即，能改進聚光效率。彩色濾光層250可包括一紅色濾光片、一綠色濾光片、一藍色濾光片、一青色濾光片、一黃色濾光片、一洋紅色濾光片、一紅外線濾通器(infrared pass filter)、一紅外線濾止器(infrared cutoff filter)、一白色濾光片、或其組合。為進一步改進該聚光效率，彩色濾光層250可較像素透鏡240具有更小折射率。

抗反射結構可形成於彩色濾光層250上方，並包括一抗反射層260或一半球形透鏡270。抗反射層260可包括兩層或多層材料層，其具有不同折射率並交替堆疊一次或多次。半球形透鏡270不僅可防止入射光之反射，而且可凝聚入射於像素透鏡240上的光線。

隨著具有該上述結構的該影像感測器包括具有多層階梯形結構的像素透鏡240，能改進在單位像素110中的聚光效率。再者，隨著彩色濾光層250具有可覆蓋像素透鏡240的形狀，能進一步改進在單位像素110中的聚光效率。隨著在單位像素110中的聚光效率改進，在光電轉換元件220中的量子效率亦能改進。結果，能改進該影像感測器之性能。

在根據本發明一具體實施例的該影像感測器中，該聚焦層和該像素透鏡可具有其中堆疊複數材料層的結構。因此，抗反射層可輕易安裝於該等各層之間。該抗反射層可防止入射光從該表面反射，從而防止由於在光強度上的降低而在聚光效率上的降低。然而，在包括一半球形微透鏡的該影像感測器中，可限制該等抗反射層之形成位置。在下文中，將參照圖4A至圖4D詳細說明該等抗反射層。圖4A至圖4D所例示的第一至第五抗反射層，可分別指示具有不同折射率的兩層或多層材料層為交替堆疊一次或多次。

圖4A至圖4D為根據本發明一具體實施例例示該等抗反射層的剖面圖。

首先，如圖4A所例示，第一抗反射層281可形成於聚焦層230下方。具體而言，第一抗反射層281可形成於聚焦層230與包括該光電轉換元件的該基板之間。再者，第二抗反射層282可形成於聚焦層230與像素透鏡240之間。第一抗反射層281和第二抗反射層282可在聚焦層230形成之前和之後透過沉積製程形成。

如圖4B所例示，第三抗反射層283可形成於像素透鏡240上方。具體而言，第三抗反射層283可形成於像素透鏡240與該彩色濾光層之間。第三抗反射層283可在像素透鏡240形成之後透過沉積製程形成。該沉積製程可 以第三抗反射層283沿著該結構表面具有不變厚度的方式進行。

如圖4C所例示，第四抗反射層284可形成於第一聚光層241上方。第五抗反射層285可形成於第二聚光層242上方。第四抗反射層284和第五抗反射層285可隨著第一聚光層241和第二聚光層242分別形成而同時形成。當第一聚光層241和第二聚光層242彼此具有不同折射率時，第四抗反射層284可在介於第一聚光層241與第二聚光層242之間的該邊界表面防止表面反射。

如圖4D所例示，所有第一抗反射層281至第五抗反射層285均可形成。在根據本發明一具體實施例的該影像感測器中，聚焦層230和像素透鏡240可具有其中堆疊複數材料層的結構。因此，抗反射層可輕易安裝於該等各層之間。此種結構能進一步改進該聚光效率。

根據本發明一具體實施例的該影像感測器可在各種電子裝置或系統中使用。在下文中，將參照圖5說明根據適用於相機的本發明具體實施例的該影像感測器。

圖5為根據本發明具體實施例簡要例示一種包括一影像感測器的電子裝置的圖式。參照圖5，包括根據本發明具體實施例的該影像感測器的該電子裝置可包括能拍攝靜態影像或動態影像的一相機。該電子裝置可包括一光學系統或光學透鏡310、一快門單元311、用於控制/驅動影像感測器300及快門單元311的一驅動單元313、和一訊號處理單元312。

光學系統310可從物體到影像感測器300之像素陣列100(參照圖1)引導影像光線，亦即入射光。光學系統310可包括複數光學透鏡。快門單元311可為影像感測器300控制光照射期間和遮光期間。驅動單元313可控制影像感測器300之傳輸操作和快門單元311之快門操作。訊號處理單元312可 以各種方式處理從影像感測器300輸出的訊號。該等經處理的影像訊號D_out可儲存於儲存媒體(例如記憶體，或是輸出到監視器或其類似物)中。

根據本發明具體實施例，一種影像感測器可包括一像素透鏡，以改進在該單位像素中的聚光效率。再者，隨著該彩色濾光層具有可覆蓋該像素透鏡的形狀，能進一步改進在該單位像素中的聚光效率。

根據具體實施例，改進在該單位像素中的聚光效率並改進在該光電轉換元件中的量子效率。結果，能改進該影像感測器之性能。

雖然已為例示性目的說明各種具體實施例，但熟習此項技術者應顯而易見可做到各種變化例和修飾例，而不脫離如在下列申請專利範圍中所界定出的本發明之精神與範疇。

110:單位像素

210:基板

220:光電轉換元件

230:聚焦層

240:像素透鏡

241:第一聚光層

242:第二聚光層

250:彩色濾光層

260:抗反射層

W1、W2:寬度

T:聚焦層之厚度

t1:下部層之厚度

t2:上部層之厚度

Claims (18)

1. 一種影像感測器，包含：一基板，其包含一光電轉換元件；一像素透鏡，其形成於該基板上方並包含複數聚光層，其之一下部層較一上部層具有一更大面積；一彩色濾光層，其覆蓋該像素透鏡；以及一抗反射結構，其形成於該彩色濾光層上方；其中該等聚光層的每一者具有一平坦表面，以及由該上部層所露出的該下部層較入射光之波長具有一更小寬度，且該上部層較該下部層具有一更小折射率，該上部層及該下部層由相同材料形成。
2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，更包含：一聚焦層，其提供於該光電轉換元件與該像素透鏡之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述之影像感測器，其中該聚焦層較該像素透鏡具有一更大折射率。
4. 如申請專利範圍第2項所述之影像感測器，其中該聚焦層較該像素透鏡具有相同面積或一更大面積。
5. 如申請專利範圍第2項所述之影像感測器，其中介於該像素透鏡與該光電轉換元件之間的一焦距與該聚焦層之厚度成反比。
6. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該像素透鏡具有一多層階梯形結構。
7. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中由該上部層所露出的該下部層較其色彩係透過該彩色濾光層分離的入射光之波長具有一更小寬度。
8. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該等複數聚光層具有相同形狀且彼此平行安置。
9. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該上部層較該下部層具有相同厚度或一更小厚度。
10. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該上部層較該下部層具有相同折射率或一更小折射率。
11. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，更包含：一抗反射層，其形成於該像素透鏡上方。
12. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該彩色濾光層覆蓋該像素透鏡之整個表面，並具有一平坦頂端表面。
13. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該彩色濾光層較該像素透鏡具有一更小折射率。
14. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測器，其中該抗反射結構包含一抗反射層或一半球形透鏡。
15. 一種電子裝置，包含：一光學系統；一影像感測器，其適用於從該光學系統接收光線並包含一像素陣列，其中複數單位像素係以一矩陣形狀安置；以及一訊號處理單元，其適用於處理從該影像感測器輸出的一訊號，其中各該等單位像素皆包含：一基板，其包含一光電轉換元件； 一像素透鏡，其形成於該基板上方並包含複數聚光層，其之一下部層較一上部層具有一更大面積；一彩色濾光層，其覆蓋該像素透鏡；以及一抗反射結構，其形成於該彩色濾光層上方；其中該等聚光層的每一者具有一平坦表面，以及由該上部層所露出的該下部層較入射光之波長具有一更小寬度，且該上部層較該下部層具有一更小折射率，該上部層及該下部層由相同材料形成。
16. 如申請專利範圍第15項所述之電子裝置，更包含：一聚焦層，其提供於該光電轉換元件與該像素透鏡之間。
17. 如申請專利範圍第16項所述之電子裝置，其中該聚焦層較該像素透鏡具有一更大折射率，且其中該彩色濾光層較該像素透鏡具有一更小折射率。
18. 如申請專利範圍第16項所述之電子裝置，其中介於該像素透鏡與該光電轉換元件之間的一焦距與該聚焦層之厚度成反比。

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