專利名稱：影像傳感器結(jié)構(gòu)及其制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種影像傳感器結(jié)構(gòu)及制造該影像傳感器結(jié)構(gòu)的方法，特別涉及一 種能改善暗影效應(yīng)問題的影像傳感器結(jié)構(gòu)及制造該影像傳感器結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
對于數(shù)字成像裝置(例如數(shù)字相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z影機(jī))而言，如何提高影像畫質(zhì)是 設(shè)計(jì)上的一大重點(diǎn)。由傳統(tǒng)數(shù)字成像裝置的影像傳感器所產(chǎn)生的影像，其中央部分通常 較其周圍部分亮，這種現(xiàn)象被稱為暗影效應(yīng)(lens shadingeffect)或周邊暗角(vignetting)現(xiàn) 象，這是由于當(dāng)光穿透數(shù)字成像裝置的鏡頭后，入射至傳感器結(jié)構(gòu)的主入射角太大，使 得光感應(yīng)不一致所致。發(fā)現(xiàn)若最大的主入射角為20度，則影像周邊的亮度是影像中心的 亮度的78%或更少。因此在已知技術(shù)中，有各式各樣的方法來減輕暗影效應(yīng)對影像的影 響。圖1顯示已知的CMOS影像傳感器結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。CMOS影像傳感器結(jié) 構(gòu)10，其中感光二極管(photodiode) 12形成于基底(substrate) 14的表面中，三層的金屬 導(dǎo)體層16、18、及20由保護(hù)層(passivation layer) 22覆蓋，然后于各保護(hù)層22上覆蓋介 電層24并且平坦化，再于最上層的介電層24上形成大致上厚度均勻且平坦的底層(under layer) 26,及于底層26上形成彩色濾光片28，例如紅色濾光片30、綠色濾光片32、及藍(lán) 色濾光片34。再于彩色濾光片28上形成頂層27。在頂層(top layer) 27上形成微透鏡 36。這樣的結(jié)構(gòu)，焦距的長度足以供光線聚焦于基底14表面中的感光二極管12，因此暗 影效應(yīng)并不明顯。然而，隨著數(shù)字成像裝置輕薄短小的需求，必須使焦距長度縮短，因而主入射 角(chief-ray angle)的角度也隨之增大，于是產(chǎn)生暗影效應(yīng)。如圖2所示的已知CMOS影 像傳感器與鏡頭模塊結(jié)合的示意圖。感光二極管12位于基底14的表面15中，為了附圖 簡潔易讀，并未繪示出全部的感光二極管、各層介電層或保護(hù)層、以及內(nèi)連線。如圖所 示，當(dāng)焦距相對過短時，光線38自鏡頭模塊40入射，到達(dá)邊緣位置的光線經(jīng)由邊緣的微 透鏡42或43通過頂層27、彩色濾光片28、底層26及介電層46而聚焦至A或A'點(diǎn)， 到達(dá)中間位置的光線經(jīng)由中間的微透鏡44通過頂層27、彩色濾光片28、底層26及介電 層46而聚焦至中心的B點(diǎn)，可發(fā)現(xiàn)B點(diǎn)與A或A'點(diǎn)的位置并非在同一平面上，B點(diǎn)相 對下凹一些深度?；【€48大致描繪聚焦點(diǎn)連成的線。以一個面來看，聚焦點(diǎn)所形成的 面是凹面，與感光二極管12所在的基底14的水平表面15相差一個深度d，導(dǎo)致光感應(yīng)的 不一致，使得周圍的影像較暗。圖3顯示已知的改善上述暗影效應(yīng)的方法，利用微透鏡位置的往內(nèi)遷移 (microlens shift)及/或彩色濾光片位置的往外遷移(color filter shift)，使聚焦點(diǎn)所形成的
面與基底表面中的感光二極管位置盡量貼合，減少位置上的差異，意即，使深度d'值 (B'點(diǎn))盡量為零。但是，隨著焦距需要更短的要求，主入射角更大，微透鏡或彩色濾 光片遷移的距離有限，不足夠矯正聚焦位置的差異，而仍然會有暗影效應(yīng)存在。
因此，仍需要一種新穎的影像傳感器結(jié)構(gòu)，能夠輕薄短小，但不會有暗影效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種影像傳感器結(jié)構(gòu)，能夠避免或減輕暗影效應(yīng)，而有一 致的光感應(yīng)。依據(jù)本發(fā)明的影像傳感器結(jié)構(gòu)，包括基底；傳感元件陣列，其設(shè)置于基底表 面；介電層，其覆蓋傳感元件陣列，介電層包括上表面，上表面包括凹盤結(jié)構(gòu)；底層， 其填入于凹盤結(jié)構(gòu)，底層具有折射率，其折射率大于介電層的折射率；濾光片陣列，設(shè) 置于底層上，對應(yīng)傳感元件陣列；及微透鏡陣列，對應(yīng)設(shè)置于濾光片陣列上。在本發(fā)明的另一方面，依據(jù)本發(fā)明的制造影像傳感器結(jié)構(gòu)的方法，包括下列步 驟。首先，提供基底；在基底表面形成傳感元件陣列。接著，形成介電層覆蓋于傳感元 件陣列及基底上；將介電層的上表面形成凹盤結(jié)構(gòu)。然后，在凹盤結(jié)構(gòu)中填入底層，底 層具有折射率，其大于介電層的折射率；在底層上形成濾光片陣列；在濾光片陣列上形 成微透鏡(microlens)陣列。依據(jù)本發(fā)明的影像傳感器結(jié)構(gòu)，在濾光片陣列下方設(shè)置的底層填充于其下方的 介電層的凹盤形狀表面中，并且選擇底層材料，使得所形成的底層除了具有粘著與提供 平坦表面的功能之外，尚具有如同凸透鏡的角色一樣，可對傳感區(qū)中心與邊緣之間的焦 距差異予以補(bǔ)償。因此，在同一芯片中的光感應(yīng)會更均勻。


圖1顯示已知的CMOS影像傳感器結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。圖2顯示已知CMOS影像傳感器與鏡頭模塊結(jié)合的示意圖。圖3顯示已知的改善暗影效應(yīng)的方法。圖4顯示依據(jù)本發(fā)明的影像傳感器結(jié)構(gòu)的具體實(shí)施例的剖面示意圖。圖5顯示依據(jù)本發(fā)明的影像傳感器結(jié)構(gòu)與鏡頭模塊結(jié)合的示意圖。圖6顯示依據(jù)本發(fā)明的影像傳感器結(jié)構(gòu)的另一具體實(shí)施例的剖面示意圖。圖7至圖10說明依據(jù)本發(fā)明的制造影像傳感器結(jié)構(gòu)的方法的各階段的示意圖。附圖標(biāo)記說明10 CMOS影像傳感器結(jié)構(gòu) 12:感光二極管14 基底15 表面16、18、20:金屬導(dǎo)體層 22:保護(hù)層24:介電層26:底層27 頂層28 彩色濾光片30 紅色濾光片 32 綠色濾光片34 藍(lán)色濾光片 36 微透鏡38 光線40 鏡頭模塊42、43、44:微透鏡 46 介電層48 弧線50 影像傳感器結(jié)構(gòu)
52 基底54 傳感元件陣列55:水平表面56:介電層58:上表面60 底層62 濾光片陣列 64 微透鏡陣列64a、64b、64c 微透鏡 66 頂層70 影像傳感器結(jié)構(gòu) 72 濾光片74 微透鏡 80 遮蔽層82:切割道
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的影像傳感器結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于CMOS影像傳感元件(CIS)或電荷耦合元件 (CCD)。圖4顯示依據(jù)本發(fā)明的影像傳感器結(jié)構(gòu)的具體實(shí)施例的剖面示意圖。如圖4所 示，影像傳感器結(jié)構(gòu)50包含有基底52、傳感元件陣列54、介電層56、底層60、濾光片 陣列62、及微透鏡陣列64?；?2可為例如半導(dǎo)體基底。傳感元件陣列54設(shè)置于基 底52表面，是陣列的傳感元件，可依元件性質(zhì)或設(shè)計(jì)設(shè)置于基底表面中或上，并無特別 限制。傳感元件可為例如光傳感元件，光傳感元件包括例如感光二極管。介電層56覆 蓋于傳感元件陣列54及基底52上。介電層56包括上表面58，上表面58往下凹，而形 成淺凹盤狀或凹盤狀，即，為凹盤結(jié)構(gòu)。介電層56中可進(jìn)一步設(shè)置有多層金屬內(nèi)連線， 可作為導(dǎo)電或遮光之用。底層材料填入于上表面58所形成的凹盤結(jié)構(gòu)中，形成底層60。底層60具有折 射率，此折射率可大于介電層56的折射率，優(yōu)選為稍大于介電層56的折射率，并可進(jìn)一 步小于微透鏡的折射率。例如折射率可在約1.5至1.6之間，但不限于此，可依整體光學(xué) 性質(zhì)而定。使用于本發(fā)明的底層材料，除了折射率的要求之外，優(yōu)選具有高光穿透度， 進(jìn)一步具有粘著層的功能以將濾光片與介電層56黏合在一起，及進(jìn)一步具有平坦化功能 以提供平坦化表面供濾光片設(shè)置。再者，為便利制造，優(yōu)選為適合填入工藝的材料?？?于已知的濾光片底層或頂層材料中挑選出，但不限于此?？膳e之例有，例如聚合物，其 為例如壓克力聚合物，但不限于此。濾光片陣列62設(shè)置于底層60上，位置對應(yīng)于傳感 元件陣列54。濾光片陣列62可由多個濾光片排列而成，濾光片可為例如彩色濾光片或非 彩色濾光片，依產(chǎn)品所需而定。微透鏡陣列64則對應(yīng)設(shè)置于濾光片陣列62上。上述介電層56的上表面58形成的凹盤結(jié)構(gòu)，其凹下的深度可依據(jù)光學(xué)性質(zhì)及所需而定，因?yàn)樾纬傻牡讓蛹淳哂蓄愃仆雇哥R的性質(zhì)，因此，可搭配例如影像傳感器結(jié)構(gòu) 的傳感區(qū)域的尺寸及光學(xué)設(shè)計(jì)、底層、微透鏡、及濾光片等的光學(xué)性質(zhì)，以決定凹盤結(jié) 構(gòu)恰當(dāng)?shù)纳疃取Ｒ詳?shù)字成像裝置整體而言，使光圈數(shù)值與凹盤深度互相配合，以使光線 均聚焦在傳感元件陣列的同一平面上，可減少各感應(yīng)單元光感應(yīng)的差異。再者，依據(jù)本發(fā)明的影像傳感器結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步包括遮蔽層，其具有遮光效 果，遮蔽層設(shè)置于介電層內(nèi)，并圍繞凹盤結(jié)構(gòu)。遮蔽層可包括金屬材料，例如Ti或 TiN,較介電層硬，因此在制造依據(jù)本發(fā)明的影像傳感器結(jié)構(gòu)時，可利用此遮蔽層與介電 層對CMP (chemical mechanic polishing，化學(xué)機(jī)械拋光)的選擇比不同，使得介電層在經(jīng) 過CMP后具有盤凹的表面。在傳感區(qū)周圍部分因?yàn)橛姓诒螌拥闹?，被磨除的深度較淺，在傳感區(qū)中心部分因?yàn)槭谴笃慕殡妼又行?，CMP的盤凹效應(yīng)(dishing effct)明顯， 容易被磨凹，所以被磨除的深度較深。遮蔽層可包括至少一環(huán)形結(jié)構(gòu)。當(dāng)遮蔽層包括多 層環(huán)形結(jié)構(gòu)時，其分布密度可由傳感區(qū)外圍往中心逐漸呈梯度狀(gradient)減少。或者， 遮蔽層可為多個不連續(xù)的區(qū)段狀，其分布密度也可由外往中心逐漸減少。再者，依據(jù)本 發(fā)明的影像傳感器結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步包括頂層66，其設(shè)置于濾光片上 而包覆濾光片，頂層可包括與底層相同的材料，并可使濾光片陣列上方形成平坦表面。圖5顯示依據(jù)本發(fā)明的影像傳感器結(jié)構(gòu)與鏡頭模塊結(jié)合的示意圖。如圖所示， 光線38自鏡頭模塊40入射，到達(dá)邊緣位置的光線經(jīng)由邊緣的微透鏡64a或64b通過頂層 66、濾光片62、底層60、及介電層56而聚焦至C或C'點(diǎn)，到達(dá)中間位置的光線經(jīng)由中 間的微透鏡64c通過頂層66、濾光片62、底層60、及介電層56而聚焦至E點(diǎn)，可發(fā)現(xiàn)E 點(diǎn)與C或C'點(diǎn)即沿著傳感元件陣列54所在的基底52的水平表面55。因此，對于感光 二極管而言，在同樣的光量照射下，不同的位置可獲得相同的光電轉(zhuǎn)換效率，因此在影 像周圍與中心顯現(xiàn)的影像亮度均勻。在本發(fā)明中，除了可將介電層形成凹盤結(jié)構(gòu)以填入底層材料以改變光學(xué)折射路 徑之外，可再搭配已知的調(diào)整焦距的方法。例如圖6顯示的依據(jù)本發(fā)明的影像傳感器結(jié) 構(gòu)70，亦可進(jìn)一步將部分濾光片72往外遷移設(shè)置，或?qū)⒉糠治⑼哥R74往內(nèi)遷移設(shè)置， 亦即，使濾光片位于邊緣的排列節(jié)距與位于中心的節(jié)距不相同，或使微透鏡位于邊緣的 排列節(jié)距與位于中心的節(jié)距不相同?；蛘?，使微透鏡陣列邊緣的微透鏡形狀與中心的微 透鏡形狀不相同。如此，可進(jìn)一步調(diào)整焦距，而補(bǔ)強(qiáng)焦距所在平面與傳感元件平面的貼
I=I ο依據(jù)本發(fā)明的影像傳感器結(jié)構(gòu)可由下述方法制得。如圖7所示，首先提供基底 52，然后于基底表面形成傳感元件陣列54，S卩，可于基底52表面中或上形成傳感元件。 然后，形成介電層56覆蓋傳感元件陣列54及基底52。例如利用化學(xué)氣相沉積工藝形成 此介電層56。或者，可于介電層56中進(jìn)一步形成多個金屬層，例如利用金屬內(nèi)連線工藝 來達(dá)成?？蛇M(jìn)一步沉積由氮化硅或氧化硅等材料所構(gòu)成的保護(hù)層(passivation layer)覆蓋 于金屬層。然后，將介電層56的上表面58形成凹盤結(jié)構(gòu)，此可利用CMP工藝研磨介電層 56而達(dá)成。例如，在介電層是氧化物材料時，則使用研磨氧化物的CMP工藝?？梢浪?需調(diào)整CMP處方與條件，例如增加研磨時間，可增加下凹程度。另可在介電層56內(nèi)的 圍繞預(yù)定凹盤結(jié)構(gòu)之處進(jìn)一步形成遮蔽層80結(jié)構(gòu)，在研磨時補(bǔ)強(qiáng)周圍強(qiáng)度之用，減緩研 磨速率。圖8顯示平面圖，舉例說明遮蔽層80圍繞傳感元件陣列54的情形，最外圍是切 割道82，供影像傳感器結(jié)構(gòu)制作完成后切割為單獨(dú)的芯片之用?；蚩蛇M(jìn)一步于進(jìn)行CMP 工藝之前，先在介電層56上的圍繞凹盤結(jié)構(gòu)之處形成研磨停止(polishing stop)層，此可 防止遮蔽層80上方的介電層被磨除而露出遮蔽層80。若遮蔽層80是金屬材料而露出， 易對元件造成污染。再者，介電層的上表面形成凹盤結(jié)構(gòu)，可利用CMP工藝以及蝕刻工藝混合搭配 而完成。詳言之，在進(jìn)行CMP工藝研磨介電層56，使介電層56的上表面58形成盤凹 之后，可進(jìn)行蝕刻工藝對介電層56已盤凹的表面進(jìn)行蝕刻，由于蝕刻速率與蝕刻時間較 容易控制，所以可便利而準(zhǔn)確地控制上表面所形成的凹盤結(jié)構(gòu)的深度。
如圖9所示，形成凹盤結(jié)構(gòu)后，在凹盤結(jié)構(gòu)中填入底層材料形成底層60。例 如，使用以單甲基醚丙二醇乙酸酯(PGMEA，propyleneglycol methyletheracetate)及乙氧 基丙酸乙酯(ethyl 3-ethoxypropionate, EEP)作為溶劑的聚合物材料，利用旋轉(zhuǎn)涂布法形
成于凹盤結(jié)構(gòu)中，干燥后形成底層60，具有約95%的光穿透度。底層填入于凹盤結(jié)構(gòu)中 并不局限于要填滿或不填滿，可以實(shí)際需要而定。附圖中的底層60填滿凹盤結(jié)構(gòu)，并溢 出而覆蓋介電層56的原始表面。然后，如圖10所示，在底層60上形成濾光片陣列62?？蛇M(jìn)一步于濾光片陣列62上形成頂層66，其材料可與底層60相同，也可利用涂布的方法形成。然后，在濾光 片陣列62上形成微透鏡陣列64，使各濾光片分別對應(yīng)于微透鏡，并且對應(yīng)于傳感單元。由于，在本發(fā)明的方法中，相較于已知方法，特征是進(jìn)行CMP研磨以形成凹盤 結(jié)構(gòu)，及于凹盤結(jié)構(gòu)中填入底層材料，形成底層，底層同時具有調(diào)整焦距、平坦化、及 粘著濾光片的功能，一舉數(shù)得。底層材料可于已知用于濾光片的底層及頂層的材料中挑 選(但不限于此)，再者，已知于介電層形成時，亦需要經(jīng)過平坦化，而于本發(fā)明中，恰 可利用其CMP平坦化的工藝得到所欲的凹盤結(jié)構(gòu)，因此在工藝上并不會增加繁瑣的步驟 或多花費(fèi)的材料，相當(dāng)便利。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的等同變化與修 飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種影像傳感器結(jié)構(gòu)，包括 基底；傳感元件陣列，其設(shè)置于該基底表面；介電層，其覆蓋該傳感元件陣列，該介電層包括上表面，該上表面包括凹盤結(jié)構(gòu)； 底層，其填入于該凹盤結(jié)構(gòu)，該底層具有折射率，該折射率大于該介電層的折射率；濾光片陣列，設(shè)置于該底層上，對應(yīng)該傳感元件陣列；及 微透鏡陣列，對應(yīng)設(shè)置于該濾光片陣列上。
2.如權(quán)利要求1所述的影像傳感器結(jié)構(gòu)，其中該傳感元件陣列為光傳感單元陣列。
3.如權(quán)利要求1所述的影像傳感器結(jié)構(gòu)，其中該底層的折射率為1.5至1.6。
4.如權(quán)利要求1所述的影像傳感器結(jié)構(gòu)，其中該底層的折射率小于該等微透鏡的折射率。
5.如權(quán)利要求1所述的影像傳感器結(jié)構(gòu)，其中該底層為粘著層，并且其頂部平坦。
6.如權(quán)利要求1所述的影像傳感器結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括遮蔽層，其設(shè)置于該介電層內(nèi)， 并圍繞該凹盤結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求6所述的影像傳感器結(jié)構(gòu)，其中該遮蔽層包括金屬材料。
8.如權(quán)利要求6所述的影像傳感器結(jié)構(gòu)，其中該遮蔽層包括至少一環(huán)形結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求8所述的影像傳感器結(jié)構(gòu)，其中該遮蔽層包括多層環(huán)形結(jié)構(gòu)，及該遮蔽 層的分布密度由外往中心逐漸減少。
10.如權(quán)利要求6所述的影像傳感器結(jié)構(gòu)，其中該遮蔽層包括多個區(qū)段。
11.如權(quán)利要求10所述的影像傳感器結(jié)構(gòu)，其中該遮蔽層的分布密度由外往中心逐漸 減少。
12.如權(quán)利要求1所述的影像傳感器結(jié)構(gòu)，其中該等微透鏡位于邊緣的形狀與位于中 心的形狀不相同。
13.如權(quán)利要求1所述的影像傳感器結(jié)構(gòu)，其中該等微透鏡位于邊緣的節(jié)距與位于中 心的節(jié)距不相同。
14.如權(quán)利要求1所述的影像傳感器結(jié)構(gòu)，其中該等濾光片位于邊緣的節(jié)距與位于中 心的節(jié)距不相同。
15.如權(quán)利要求1所述的影像傳感器結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括頂層，其設(shè)置于該等濾光片上 而包覆該等濾光片，并包括與該底層相同的材料。
16.—種制造影像傳感器結(jié)構(gòu)的方法，包括 提供基底；在該基底表面形成傳感元件陣列；形成介電層覆蓋于該傳感元件陣列及該基底上；將該介電層的上表面形成凹盤結(jié)構(gòu)；在該凹盤結(jié)構(gòu)中填入底層，該底層具有折射率，該折射率大于該介電層的折射率； 在該底層上形成濾光片陣列；以及 在該濾光片陣列上形成微透鏡陣列。
17.如權(quán)利要求16所述的制造影像傳感器結(jié)構(gòu)的方法，進(jìn)一步在該介電層內(nèi)圍繞該凹盤結(jié)構(gòu)之處形成遮蔽層結(jié)構(gòu)。
18.如權(quán)利要求16所述的制造影像傳感器結(jié)構(gòu)的方法，其中將該介電層的上表面形成 該凹盤結(jié)構(gòu)是進(jìn)行CMP工藝研磨該介電層而達(dá)成。
19.如權(quán)利要求18所述的制造影像傳感器結(jié)構(gòu)的方法，在進(jìn)行該CMP工藝之前，進(jìn) 一步包括在該介電層上圍繞該凹盤結(jié)構(gòu)之處形成研磨停止層。
20.如權(quán)利要求16所述的制造影像傳感器結(jié)構(gòu)的方法，其中將該介電層的上表面形成 該凹盤結(jié)構(gòu)，包括下列步驟進(jìn)行CMP工藝研磨該介電層，使該介電層的上表面形成盤凹形狀；及 對該介電層進(jìn)行蝕刻工藝以控制該盤凹形狀的深度，以形成該凹盤結(jié)構(gòu)。
21.如權(quán)利要求16所述的制造影像傳感器結(jié)構(gòu)的方法，進(jìn)一步在該等濾光片上形成頂 層以包覆該等濾光片，其中該頂層包括與該底層相同的材料。
22.如權(quán)利要求16所述的制造影像傳感器結(jié)構(gòu)的方法，其中該傳感元件陣列為光傳感 單元陣列，及該光傳感單元陣列與該濾光片陣列互相對應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明揭示影像傳感器結(jié)構(gòu)及其制法以避免或減輕暗影效應(yīng)。該影像傳感器結(jié)構(gòu)包括基底；傳感元件陣列，其設(shè)置于基底表面；介電層，其覆蓋傳感元件陣列，介電層包括上表面，上表面包括凹盤結(jié)構(gòu)；底層，其填入于凹盤結(jié)構(gòu)，底層具有折射率，其折射率大于介電層的折射率；濾光片陣列，設(shè)置于底層上，對應(yīng)傳感元件陣列；及微透鏡陣列，對應(yīng)設(shè)置于濾光片陣列上。可另設(shè)置頂層覆蓋濾光片陣列，再設(shè)置微透鏡陣列。
文檔編號H04N5/335GK102024829SQ20091017474
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月17日
發(fā)明者余政宏 申請人:聯(lián)華電子股份有限公司