光学传感器及其形成方法与流程

本发明是有关于一种光学元件，特别是有关于一种光学传感器及其形成方法。

背景技术：

光学传感器中的光学元件可包括光准直器(lightcollimator)、分束器、聚焦镜以及线性感测器。其中，光准直器的功能在于准直光线，以减少因光发散所导致的能量损失。举例而言，光准直器可被应用于光学传感器中，以增加指纹识别装置的效能。

光准直器包括透光柱及包围透光柱的遮光层，以达到准直光线的效果。因设计需求，需要高高宽比(aspectratio)的透光柱时，可能因工艺能力限制而容易使透光柱倒塌变形，影响光准直器的准直效果，进一步影响光学传感器的良率。

虽然现有的光学传感器大致符合需求，但并非各方面皆令人满意，特别是提高光学传感器的光准直器透光柱的高宽比仍需进一步改善。

技术实现要素：

根据一实施例，本发明提供一种光学传感器，包括：像素，位于基板中；光准直层，位于基板之上，包括：透光层，毯覆性地位于基板之上，覆盖像素与像素之间的区域；遮光层，位于透光层上方；以及透光柱，穿过遮光层，对应设置于像素上。

根据另一实施例，本发明提供一种光学传感器的形成方法，包括：形成像素于基板中；形成光准直层于基板之上，其中光准直层的形成包括：毯覆性地形成透光层于基板之上，覆盖像素与像素之间的区域；形成透光柱于透光层之上，其中透光柱对应设置于像素上；形成遮光层于透光柱之间；以及平坦化透光柱与遮光层的上表面。

本发明实施例提供的光学传感器及其形成方法，藉由在透光柱阵列下方与像素之间毯覆性地(blanketly)设置透光层，可避免工艺能力限制，提高透光部分的总高宽比。

为让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举数个实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

以下将配合所附图式详述本发明实施例。应注意的是，依据在业界的标准做法，各种特征并未按照比例绘制且仅用以说明例示。事实上，可能任意地放大或缩小元件的尺寸，以清楚地表现出本发明实施例的特征。

图1至图4是根据一些实施例绘示出形成光学传感器不同阶段的剖面示意图。

图5是根据另一些实施例绘示出光学传感器的剖面图。

图6是根据又一些实施例绘示出光学传感器的剖面图。

图7是根据再一些实施例绘示出光学传感器的剖面图。

图8是根据其他一些实施例绘示出光学传感器的剖面图。

图9是根据其他一些实施例绘示出光学传感器的剖面图。

附图标号：

100、200、300、400、500、600～光学传感器；

102～基板；

104～像素；

106～透光层；

108、208、308、408～透光柱；

110～遮光层；

112、612～光准直层；

514～底遮光层；

608d～虚置透光柱；

hl、hp～高度；

θ1、θ2、θ3～夹角。

具体实施方式

以下公开许多不同的实施方法或是例子来实行本发明实施例的不同特征，以下描述具体的元件及其排列的实施例以阐述本发明实施例。当然这些实施例仅用以例示，且不该以此限定本发明实施例的范围。例如，在说明书中提到第一特征形成于第二特征之上，其包括第一特征与第二特征是直接接触的实施例，另外也包括于第一特征与第二特征之间另外有其他特征的实施例，亦即，第一特征与第二特征并非直接接触。此外，在不同实施例中可能使用重复的标号或标示，这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明实施例，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定的关系。

此外，其中可能用到与空间相对用词，例如“在…下方”、“下方”、“较低的”、“上方”、“较高的”及类似的用词，这些空间相对用词是为了便于描述图示中一个(些)元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系，这些空间相对用词包括使用中或操作中的装置的不同方位，以及图式中所描述的方位。当装置被转向不同方位时(旋转90度或其他方位)，则其中所使用的空间相对形容词也将依转向后的方位来解释。

在此，“约”、“大约”、“大抵”的用语通常表示在一给定值或范围的20％之内，较佳是10％之内，且更佳是5％之内，或3％之内，或2％之内，或1％之内，或0.5％之内。应注意的是，说明书中所提供的数量为大约的数量，亦即在没有特定说明“约”、“大约”、“大抵”的情况下，仍可隐含“约”、“大约”、“大抵”的含义。

虽然所述的一些实施例中的步骤以特定顺序进行，这些步骤亦可以其他合逻辑的顺序进行。在不同实施例中，可替换或省略一些所述的步骤，亦可于本发明实施例所述的步骤之前、之中、及/或之后进行一些其他操作。本发明实施例中的光学传感器可加入其他的特征。在不同实施例中，可替换或省略一些特征。

本发明实施例提供一种光学传感器，藉由在透光柱阵列下方与像素之间毯覆性地(blanketly)设置透光层，可避免工艺能力限制，提高透光部分的总高宽比，并可依工艺需求改变透光柱在剖面图的形状大小，使光线垂直入射透光层，可避免光线逸散，提升工艺良率。

图1至图4是根据一些实施例绘示出形成光学传感器100不同阶段的剖面示意图。如图1所示，提供一基板102。此基板102可为半导体基板，例如硅基板。此外，上述半导体基板亦可为元素半导体，包括锗(germanium)；化合物半导体，包括氮化镓(galliumnitride，gan)、碳化硅(siliconcarbide)、砷化镓(galliumarsenide)、磷化镓(galliumphosphide)、磷化铟(indiumphosphide)、砷化铟(indiumarsenide)及/或锑化铟(indiumantimonide)；合金半导体，包括硅锗合金(sige)、磷砷镓合金(gaasp)、砷铝铟合金(alinas)、砷铝镓合金(algaas)、砷铟镓合金(gainas)、磷铟镓合金(gainp)、及/或磷砷铟镓合金(gainasp)、或上述材料的组合。在一些实施例中，基板102也可以是绝缘层上覆半导体(semiconductoroninsulator，soi)基板，上述绝缘层覆半导体基板可包括底板、设置于底板上的埋藏氧化层、或设置于埋藏氧化层上的半导体层。此外，基板102可为n型或p型导电型。

在一些实施例中，基板102可包括各种隔离部件(未绘示)，用以定义主动区，并电隔离基板102之中/之上的主动区元件。在一些实施例中，隔离部件包括浅沟槽隔离(shallowtrenchisolation，sti)部件、局部硅氧化(localoxidationofsilicon，locos)部件、其他合适的隔离部件、或上述的组合。在一些实施例中，形成隔离部件可例如包括形成绝缘层于基板102之上，选择性刻蚀绝缘层及基板102以于基板102中形成沟槽，于沟槽中成长富含氮(例如氮氧化硅)的衬层，以沉积工艺于沟槽中填入绝缘材料(例如二氧化硅、氮化硅、或氮氧化硅)，对沟槽中绝缘材料进行退火工艺，并以例如化学机械研磨(chemicalmechanicalpolishing，cmp)工艺对基板102进行平坦化工艺，以去除多余的绝缘材料，使沟槽中的绝缘材料与基板102的顶表面等高。

在一些实施例中，基板102可包括各种以如离子注入及/或扩散工艺所形成的p型掺杂区及/或n型掺杂区(未绘示)。在一些实施例中，掺杂区可形成晶体管、光二极体等元件。然而，上述的元件仅为范例，本发明并不以此为限。

在一些实施例中，基板102可包括各种导电部件(例如:导线或导孔)(未绘示)。例如，上述导电特征可由铝(al)、铜(cu)、钨(w)、其他适当的导电材料、上述的合金、或上述的组合所形成。

如图1所示，在一些实施例中，基板102中可包括像素104。像素104可包括光感测器。光感测器可包括光二极体、电荷耦合元件(chargedcouplingdevice，ccd)感测器、互补式金属氧化物半导体(complimentarymetal-oxide-semiconductor，cmos)影像感测器、主动感测器、被动感测器、其他适合的感测器、或上述的组合。在一些实施例中，一个像素104可对应至至少一个光感测器，例如至少一个光二极体。此外，光感测器可连接至读出电路(readoutcircuit)(未绘示)。读出电路可包括传输晶体管(transfertransistor)、重置晶体管(resettransistor)、源极随耦晶体管(source-followertransistor)、选择晶体管(selecttransistor)、一或多种其他合适的晶体管、或上述的组合。像素104可藉由光感测器将接收到的光信号转换成电子信号，并通过读出电路读取上述电子信号。值得注意的是，在图1中仅绘示出部分像素104，实际上的数量并不以此为限。在一些实施例中，像素104以阵列方式排列在基板中。

接着，如图2所绘示，在基板102上毯覆性地(blanketly)形成透光层106。在一些实施例中，透光层106可包括透光材料，其对于波长300nm至1100nm光线的透光度大于60％。透光材料可包括光固化材料、热固化材料、或上述的组合。在一些实施例中，透光材料可包括例如聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methylmethacrylate，pmma)、全氟环丁基(perfluorocyclobutyl，pfcb)聚合物、聚亚酰胺、环氧树脂、其他适当的材料、或上述的组合。在一些实施例中，可以旋转涂布法(spincoating)、化学气相沉积法、铸模(casting)、辊涂法(rollercoating)、刮刀涂布(bladecoating)、线棒涂布(wirebarcoating)、浸渍涂布(dipcoating)、其他适当的方法、或上述的组合于基板102上沉积透光材料。

在一些实施例中，透光层106的高度hl介于30μm至500μm之间。透光层106的高度hl若太高，则上方入射的光线容易逸散至像素104之外的区域。透光层106的高度hl若太低，则不易使后续形成的整体透光部分具高高宽比(aspectratio)。

接着，如图3所绘示，在透光层106上形成透光柱108。在一些实施例中，可先于透光层106上毯覆性地形成透光材料(图未示)。在一些实施例中，用以形成透光柱108的材料可与前述形成透光层106的材料相同或相似，此处不重述。在另一些实施例中，透光柱108与透光层106的材料不同，视工艺需求而定。在图3中，由于透光柱108与透光层106使用相同的透光材料，两者之间可能没有明显的界面，其交界处以虚线表示。

接着，选择性地去除透光层106上的透光材料。在一些实施例中，透光材料若非光阻材料，可以光刻工艺及刻蚀工艺选择性去除透光材料以在像素104上方的透光层106上对应形成透光柱108。在一些实施例中，光刻工艺可包括光阻涂布(例如旋转涂布)、软烤(softbaking)、光掩模对准、曝光图案、曝光后烘烤(post-exposurebaking)、光阻显影、清洗及干燥(例如硬烤(hardbaking))、其他合适的技术、或上述的组合。刻蚀工艺可包括干刻蚀工艺(例如反应离子刻蚀(reactiveionetch，rie)、离子刻蚀、离子研磨(ionmilling))、湿刻蚀工艺、或上述的组合。在另一些实施例中，透光材料为光阻材料，可藉由固化工艺如光固化工艺固化透光材料并清洗未曝光的部分而直接形成透光柱108。可藉由通过图案化工艺中曝光的焦距而改变透光柱108在剖面图中的形状。例如，如图3所示，透光柱108在剖面图中为上窄下宽的梯形。在一些其他实施例中，透光柱108在剖面图中亦可为其他形状，例如上宽下窄的倒梯形、矩形、非线性(non-linear)侧壁的图案、其他合适的形状、或上述的组合。

在一些实施例中，透光柱108的高度hp介于30μm至500μm之间。透光柱108的高度hp若太高，则容易变形倒塌。透光柱108的高度hp若太低，则不足以使上方光线垂直入射于透光层106，而使光线逸散至像素104之外的区域。

接着，如图4所绘示，在透光层106上方的透光柱108之间形成遮光层110。在一些实施例中，遮光层110可包括遮光材料，其对于波长350nm至1100nm光线的吸收度大于90％。上述遮光材料可包括光固化材料、热固化材料、或上述的组合。在一些实施例中，遮光材料包括非透明的光阻、油墨、模制化合物(moldingcompound)、防焊材料(soldermask)、其他适当的材料、或上述的组合。在一些实施例中，可将遮光材料设置于透光层106上方的透光柱108之间，并进行固化工艺如光固化工艺、热固化工艺或上述的组合以固化遮光材料并形成遮光层110。在一些实施例中，使用单一遮光材料形成遮光层110，如此一来，可简化工艺，降低量产时间及成本。

接着，以例如化学机械研磨工艺对透光柱108及遮光层110进行平坦化工艺，以去除多余的遮光材料，使透光柱108及遮光层110的顶表面等高。如此，便形成包括透光层106、透光柱108、及遮光层110的光准直层112。

如图4所示，藉由分别形成透光层106及透光柱108，可提高光准直层112中透光部分的高宽比(aspectratio)，避免于单次工艺中因透光柱108太高而使其变形倒塌。例如，在一些实施例中，透光柱108的高度hp及透光层106的高度hl的总和与透光柱108的平均宽度的比值介于1:1至50:1之间。

在一些实施例中，可调整透光柱108在剖面图的形状与高度，使入射光由上方垂直入射透光层106。如此一来，可避免入射的光线逸散至像素104之外的区域。

在一些实施例中，透光柱108直径与透光层106的高度比值介于1至50之间。透光柱108直径与透光层106的高度比值若太大，则容易因透光柱108太高而使其变形倒塌。透光柱108直径与透光层106的高度比值若太小，则由上方入射的光线容易逸散至像素104之外的区域。

此外，在一些实施例中，如图4所示，透光柱108在剖面图中为大小相同之上窄下宽的梯形，其底面积大于顶面积。如此一来，可使遮光层110较易形成于透光柱108之间，避免于透光柱108与遮光层110之间形成空隙，影响准直效果。

在一些实施例中，透光柱108的侧壁与其底表面的夹角θ1为30°至89°之间。夹角θ1若太大，则可能因不易填入遮光层110而降低准直效果。夹角θ1若太小，则可能因透光的面积太小而减少其下方像素104吸收的光量。

在一些实施例中，光准直层112上方可包括其他光学元件例如彩色滤光片、玻璃、微透镜等(未绘示)。入射的光线通过光准直层112上方的光学元件经过透光柱108及透光层106照射像素104。在一些实施例中，透光柱108位于像素104的正上方。如此一来，可增加照射像素104的光量。

如上所述，藉由分别形成光学传感器的光准直层的透光部分，可提高透光部分的总高宽比，避免透光柱太高而变形倒塌，并藉由调整各层透光柱在剖面图的形状及大小，可使上方入射光垂直入射透光层，避免光线逸散至像素之外的区域。又例如使各层透光柱的底面积大于其顶面积，可使遮光层较易形成于透光柱之间，避免于透光柱与遮光层之间形成空隙，进而改善准直效果，提升良率。

图5是根据另一些实施例绘示出光学传感器200的剖面图。其中与前述实施例相同或相似的工艺或元件将沿用相同的元件符号，其详细内容将不再赘述。与前述实施例的差别在于，如图5所示，透光柱208为上宽下窄的倒梯形。藉由分别形成透光柱208及透光层106，可避免于单次工艺中因透光柱208太高而使其变形倒塌。在一些实施例中，可藉由通过图案化工艺中曝光的焦距而改变透光柱208在剖面图中的形状与高度，使入射光由上方垂直入射透光层106。如此一来，可避免入射的光线容易逸散至像素104之外的区域。透光柱208为上宽下窄的倒梯形，可增加工艺良率。

在一些实施例中，透光柱208的侧壁与其底表面的夹角θ2为90°至150°之间。夹角θ2若太大，则可能因透光的面积太小而减少其下方像素104吸收的光量。夹角θ1若太小，则可能不易填入遮光层110而降低准直效果。

如图5所示的实施例中，藉由分别形成光学传感器的光准直层的透光部分，可提高透光部分的总高宽比，避免透光柱太高而变形倒塌，并藉由调整各层透光柱在剖面图的形状及大小，可使上方入射光垂直入射透光层，避免光线逸散至像素之外的区域，进而改善准直效果，提升良率。

图6是根据另一些实施例绘示出光学传感器300的剖面图。其中与前述实施例相同或相似的工艺或元件将沿用相同的元件符号，其详细内容将不再赘述。与前述实施例的差别在于，如图6所示，透光柱308具有非线性(non-linear)侧壁。举例而言，透光柱308为在剖面图中为双凹形(doubleconcave)。藉由分别形成透光柱308及透光层106，可避免于单次工艺中因透光柱308太高而使其变形倒塌。在一些实施例中，可藉由通过图案化工艺中曝光的焦距而改变透光柱308在剖面图中的形状与高度，使入射光由上方垂直入射透光层106。如此一来，可避免入射的光线容易逸散至像素104之外的区域。透光柱308具有非线性侧壁，可增加调变入射光线的自由度。

值得注意的是，图6中透光柱308在剖面图中形状仅为一范例，本发明并不以此为限。例如，透光柱308的非线性侧壁可为抛物面(hyperbolicsurface)、曲面(curvaturesurface)、半球状面(half-sphere-likesurface)、缩颈面(neckingsurface)、切口面(notchingsurface)、刻面(facetsurface)、其他非线性面、或上述的组合，视工艺及设计需求而定。

如图6所示的实施例中，藉由分别形成光学传感器的光准直层的透光部分，可提高透光部分的总高宽比，避免透光柱太高而变形倒塌，并藉由调整各层透光柱在剖面图的形状及大小，可使入射光垂直入射透光层，避免光线逸散至像素之外的区域。又例如使透光柱具有非线性侧壁，可增加调变入射光线的自由度，进而改善准直效果，提升良率。

图7是根据另一些实施例绘示出光学传感器400的剖面图。其中与前述实施例相同或相似的工艺或元件将沿用相同的元件符号，其详细内容将不再赘述。与前述实施例的差别在于，如图7所示，透光柱408在剖面图中为矩形。在一些实施例中，可藉由通过图案化工艺中曝光的焦距而改变透光柱408在剖面图中的形状与高度，使入射光由上方垂直入射透光层106。如此一来，可避免入射的光线容易逸散至像素104之外的区域。

在一些实施例中，透光柱408的侧壁与其底表面的夹角θ3为90°。亦即，透光柱408的侧壁与其底表面垂直。并且，透光柱408的底面积等于其顶面积。如此一来，可增加下方像素104吸收的光量。

如图7所示的实施例中，藉由分别形成光学传感器的光准直层的透光部分，可提高透光部分的总高宽比，避免透光柱太高而变形倒塌，并藉由调整各层透光柱在剖面图的形状及大小，可使入射光垂直入射透光层，避免光线逸散至像素之外的区域。又例如使各层透光柱的顶面积等于其底顶面积，并形成垂直侧壁，可增加下方像素吸收的光量，进而改善准直效果，提升良率。

图8是根据其他一些实施例绘示出光学传感器500的剖面图。其中与前述实施例相同或相似的工艺或元件将沿用相同的元件符号，其详细内容将不再赘述。与前述实施例的差别在于，如图8所示，光学传感器500更包括底遮光层514。底遮光层514位于像素104之间的基板102上方，且底遮光层514位于透光层106之下。在一些实施例中，底遮光层514与后续形成的遮光层110的材料不同。在一些实施例中，底遮光层514可包括光固化材料，其对于波长325nm至1100nm光线的吸收度大于90％。在一些实施例中，光固化材料包括非透明的光敏树脂、碳黑、黑色模树脂、金属、其他不透光适当的材料、或上述的组合。在一些实施例中，可在将光固化材料设置于基板102上方，并进行固化工艺如光固化工艺以固化光固化材料并于像素104之间的基板102上方形成底遮光层514。在一些实施例中，底遮光层514位于后续形成的遮光层110之下。

在一些实施例中，底遮光层514位于像素104之间的基板102上方，可避免光线进入非像素104区域的基板之中，而产生光信号的杂讯。

如图8所示的实施例中，藉由分别形成光学传感器的光准直层的透光部分，可提高透光部分的总高宽比，避免透光柱太高而变形倒塌，并藉由调整各层透光柱在剖面图的形状及大小，可使入射光垂直入射透光层，避免光线逸散至像素之外的区域。又藉由在像素之间的基板上形成底遮光层，可减少光信号的杂讯，进而改善准直效果，提升良率。

图9是根据其他一些实施例绘示出光学传感器600的剖面图。其中与前述实施例相同或相似的工艺或元件将沿用相同的元件符号，其详细内容将不再赘述。与前述实施例的差别在于，如图9所示，光准直层612中更包括虚置透光柱608d，穿过遮光层110，位于光准直层612中周边区域的基板102上方。在一些实施例中，如图9所示，虚置透光柱608d下方并未对应至任何像素104。

在一些实施例中，可在形成透光柱108时，同时于基板102周边区域上方分别形成虚置透光柱608d，且与透光柱108的材料相同。如此一来，可节省工艺时间与成本。

在一些实施例中，像素104可为阵列排列。因此，透光柱108亦可为阵列排列。在阵列边缘的透光柱108可能因透光材料分子间的内聚力或后续工艺作用而变形倒塌。藉由在透光柱108阵列边缘设置虚置透光柱608d作为应力缓冲，提供物理性支撑，可强化透光柱108阵列结构，避免阵列边缘透光柱108变形倒塌，可保持透光柱108的均匀度，进而提升良率。

值得注意的是，图9中虚置透光柱与透光柱的形状、大小仅为一范例，本发明并不以此为限。在本发明实施例中，虚置透光柱亦可为任意数目、排列方式、形状、大小、及比例关系，视工艺及设计需求而定。

如图9所示的实施例中，藉由分别形成光学传感器的光准直层的透光部分，可提高透光部分的总高宽比，并藉由在透光柱周围设置虚置透光柱，可进一步增强透光柱阵列结构，避免透光柱太高而变形倒塌，且藉由调整各层透光柱在剖面图的形状及大小，可使入射光垂直入射透光层，避免光线逸散至像素之外的区域，进而改善准直效果，提升良率。

综上所述，本发明实施例提供一种光学传感器，藉由分别形成光学传感器的光准直层的透光部分，可提高透光部分的总高宽比，并藉由自由调变各层透光柱的形状、大小、及比例关系，可避免遮光层与透光柱之间形成空隙，并使入射光垂直入射透光层，避免光线逸散至像素之外的区域。此外，在像素之间的基板上形成底遮光层，可减少光信号的杂讯。而在透光柱周围设置虚置透光柱，可进一步增强透光柱阵列结构，避免透光柱太高而变形倒塌，进而改善准直效果，提升良率。

值得注意的是，虽然此处所示的本发明实施例应用于指纹识别传感器，此技术亦可用于其他具有不同解析度的传感器，例如生物传感器(biosensor)，此外，感应的光线可为可见光或不可见光(例如红外光或紫外光)。而不仅限于感应指纹图案的传感器。

应注意的是，虽然以上描述了本发明一些实施例的优点与功效，但并非各个实施例都需要达到所有的优点与功效。

上述内容概述许多实施例的特征，因此任何本领域技术人员，可更加理解本发明实施例的各面向。任何本领域技术人员，可能无困难地以本发明实施例为基础，设计或修改其他工艺及结构，以达到与本发明实施例相同的目的及/或得到相同的优点。任何本领域技术人员也应了解，在不脱离本发明实施例的精神和范围内做不同改变、代替及修改，如此等效的创造并没有超出本发明实施例的精神及范围。