KR20120020448A - 단위 화소 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서의 단위 화소 어레이는 단위 화소들이 형성되는 반도체 기판, 반도체 기판의 전면 방향으로 적층되는 층간 절연층, 반도체 기판의 후면 방향으로 적층되고 단위 화소들에 대응하는 위치에 형성되는 컬러 필터들, 컬러 필터들 사이에 경사 형태로 형성되는 광 경로 변환체들 및 컬러 필터들의 전면 방향으로 적층되는 마이크로 렌즈들을 포함한다. 따라서, 이미지 센서의 단위 화소 어레이는 광학적 크로스토크를 효율적으로 억제할 수 있다.
Description
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단위 화소 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 외부에서 입사하는 광(이하, 입사광)을 전기 신호로 변환하는 반도체 소자이다. 최근, 이러한 이미지 센서로서 씨씨디(Charge Coupled Device; CCD) 이미지 센서와 씨모스(Complementary Metal Oxide Semiconductor; CMOS) 이미지 센서가 널리 사용되고 있다. 일반적으로, 이미지 센서에서 입사광은 마이크로 렌즈와 컬러 필터를 거쳐 목표 단위 화소에 도달하게 된다. 그러나, 종래의 이미지 센서에서는 입사광이 사광이거나 또는, 마이크로 렌즈들에 의하여 회절(diffraction)됨에 따라 입사광이 목표 단위 화소에 인접하는 주변 단위 화소들에 도달하는 광학적 크로스토크(optical crosstalk)가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 목적은 광학적 크로스토크를 효율적으로 억제할 수 있는 이미지 센서의 단위 화소 어레이를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 단위 화소 어레이를 구비하는 이미지 센서를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 상기 언급된 과제에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 화소 어레이는 복수의 단위 화소들이 형성되는 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 전면 방향으로 적층되는 층간 절연층, 상기 반도체 기판의 후면 방향으로 적층되고 상기 단위 화소들에 대응하는 위치에 형성되는 복수의 컬러 필터들, 상기 컬러 필터들 사이에 경사 형태(slope shape)로 형성되는 복수의 광 경로(light path) 변환체들 및 상기 컬러 필터들의 전면 방향으로 적층되는 복수의 마이크로 렌즈들을 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 광 경로 변환체들은 입사광을 굴절시키는 굴절체들일 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 굴절체들의 굴절률은 상기 컬러 필터들의 굴절률보다 작을 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 굴절체들은 삼각형(triangle) 또는 사다리꼴(trapezoid)의 단면을 가질 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 삼각형 또는 상기 사다리꼴의 경사각은 상기 굴절체들에 의하여 굴절된 상기 입사광이 목적 단위 화소들에 입사되는 범위 내에서 결정될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 광 경로 변환체들은 입사광을 반사시키는 반사체들일 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 반사체들은 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 티타늄나이트라이드(TiN), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 텅스텐(W) 중에서 적어도 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 반사체들은 삼각형(triangle) 또는 사다리꼴(trapezoid)의 단면을 가질 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 삼각형 또는 상기 사다리꼴의 경사각은 상기 반사체들에 의하여 반사된 상기 입사광이 목적 단위 화소들에 입사되는 범위 내에서 결정될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 컬러 필터들은 적어도 하나 이상의 레드 필터(red filter)들, 적어도 하나 이상의 그린 필터(green filter)들 및 적어도 하나 이상의 블루 필터(blue filter)들을 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 컬러 필터들은 적어도 하나 이상의 옐로우 필터(yellow filter)들, 적어도 하나 이상의 시안 필터(cyan filter)들 및 적어도 하나 이상의 마젠타 필터(magenta filter)들을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 광전 변환을 수행하여 이미지 신호를 생성하는 단위 화소 어레이 및 상기 이미지 신호를 처리하여 출력하는 로직 회로를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 단위 화소 어레이는 복수의 단위 화소들이 형성되는 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 전면 방향으로 적층되는 층간 절연층, 상기 반도체 기판의 후면 방향으로 적층되고 상기 단위 화소들에 대응하는 위치에 형성되는 복수의 컬러 필터들, 상기 컬러 필터들 사이에 경사 형태(slope shape)로 형성되는 복수의 광 경로(light path) 변환체들 및 상기 컬러 필터들의 전면 방향으로 적층되는 복수의 마이크로 렌즈들을 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 광 경로 변환체들은 입사광을 굴절시키는 굴절체들일 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 굴절체들의 굴절률은 상기 컬러 필터들의 굴절률보다 작을 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 굴절체들은 삼각형(triangle) 또는 사다리꼴(trapezoid)의 단면을 가질 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 삼각형 또는 상기 사다리꼴의 경사각은 상기 굴절체들에 의하여 굴절된 상기 입사광이 목적 단위 화소들에 입사되는 범위 내에서 결정될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 광 경로 변환체들은 입사광을 반사시키는 반사체들일 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 반사체들은 삼각형(triangle) 또는 사다리꼴(trapezoid)의 단면을 가질 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 삼각형 또는 상기 사다리꼴의 경사각은 상기 반사체들에 의하여 반사된 상기 입사광이 목적 단위 화소들에 입사되는 범위 내에서 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 화소 어레이는 컬러 필터들 사이에 광 경로 변환체들을 구비하여 입사광의 경로를 변환시킴으로써 광학적 크로스토크를 효율적으로 억제할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 상기 단위 화소 어레이를 포함함으로써 센싱 성능(예를 들어, 수광 효율 및 광 감도)이 향상되어 고품질의 이미지를 생성할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소 어레이를 나타내는 단면도이다.
도 2a 내지 도 2g는 도 1의 단위 화소 어레이를 제조하는 과정의 일례를 나타내는 단면도들이다.
도 3은 도 1의 단위 화소 어레이에서 광 경로 반사체들에 의하여 입사광이 굴절되는 일례를 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 1의 단위 화소 어레이를 구비하는 이미지 센서의 분광 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소 어레이를 나타내는 단면도이다.
도 6a 내지 도 6g는 도 5의 단위 화소 어레이를 제조하는 과정의 일례를 나타내는 단면도들이다.
도 7은 도 5의 단위 화소 어레이에서 광 경로 반사체들에 의하여 입사광이 반사되는 일례를 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 9는 도 8의 이미지 센서를 포함하는 전자 기기를 나타내는 블록도이다.
도 2a 내지 도 2g는 도 1의 단위 화소 어레이를 제조하는 과정의 일례를 나타내는 단면도들이다.
도 3은 도 1의 단위 화소 어레이에서 광 경로 반사체들에 의하여 입사광이 굴절되는 일례를 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 1의 단위 화소 어레이를 구비하는 이미지 센서의 분광 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소 어레이를 나타내는 단면도이다.
도 6a 내지 도 6g는 도 5의 단위 화소 어레이를 제조하는 과정의 일례를 나타내는 단면도들이다.
도 7은 도 5의 단위 화소 어레이에서 광 경로 반사체들에 의하여 입사광이 반사되는 일례를 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 9는 도 8의 이미지 센서를 포함하는 전자 기기를 나타내는 블록도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소 어레이를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서의 단위 화소 어레이(100)는 반도체 기판(110), 층간 절연층(120), 광 경로 변환체들(130), 컬러 필터들(140) 및 마이크로 렌즈들(150)을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 이미지 센서의 단위 화소 어레이(100)는 반도체 기판(110)의 후면(BACK)과 광 경로 변환체들(130) 및 컬러 필터들(140) 사이에 반사 방지층(160)을 더 포함할 수 있고, 반도체 기판(110)의 전면(FRONT)과 층간 절연층(120) 사이에 반사 방지층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
반도체 기판(110)에는 입사광을 수광하기 위한 단위 화소들이 형성될 수 있다. 다만, 도 1에서는 설명의 편의상 단위 화소들을 광 감지 소자인 포토다이오드(112)로만 표시하였다. 실시예에 따라, 광 감지 소자는 포토다이오드 외에 포토트랜지스터, 포토게이트, 핀드 포토다이오드 또는 이들의 조합일 수 있다. 반도체 기판(110)은 p형 에피택셜(epitaxial) 기판일 수 있고, 포토다이오드(112)는 n형 이온이 주입됨으로써 형성될 수 있다. 이미지 센서의 단위 화소 어레이(100)에는 단위 화소들이 매트릭스(matrix) 형태로 배치될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이미지 센서의 단위 화소 어레이(100)에서 입사광은 마이크로 렌즈들(150) 및 컬러 필터들(140)을 거쳐 반도체 기판(110)의 후면(BACK)으로 입사함으로써 단위 화소들에 수광될 수 있다. 따라서, 도 1의 단위 화소 어레이(100)를 포함하는 이미지 센서는 후면 수광 방식의 이미지 센서(Backside Illumination image Sensor; BIS)로 정의될 수 있다.
층간 절연층(120)은 반도체 기판(110)의 전면(FRONT) 방향으로 적층될 수 있다. 일반적으로, 단위 화소들은 각각 입사광을 전하로 변환하는 포토다이오드(112) 및 상기 전하에 상응하는 전기 신호를 생성하는 신호 생성 회로를 포함할 수 있는데, 층간 절연층(120)은 신호 생성 회로를 구성하는 트랜지스터들(미도시)의 게이트들 및 다층의 도전 라인들을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 층간 절연층(120)의 상부에는 소자들을 보호하기 위한 보호층(미도시)이 적층될 수도 있다. 예를 들어, 씨모스 이미지 센서의 경우에는 층간 절연층(120)에 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor)들의 게이트들, 리셋 트랜지스터(reset transistor)들의 게이트들, 소스 폴로워 트랜지스터(source follower transistor)들의 게이트들, 셀렉트 트랜지스터(select transistor)들의 게이트들 및 바이어스 트랜지스터(bias transistor)들의 게이트들이 형성될 수 있다. 또한, 다층의 도전 라인들은 컨택(contact)이나 플러그(plug)를 통해 상기 게이트들에 전기적으로 연결되거나 또는, 상호 간에 전기적으로 연결될 수 있다. 실시예에 따라, 반도체 기판(110) 내에서 목표 단위 화소(즉, 입사광이 통과하는 마이크로 렌즈(150) 및 컬러 필터(140)의 하부에 위치하는 단위 화소)를 통과한 입사광이 층간 절연층(120)에서 반사되어 인접하는 주변 단위 화소들에 수광되는 현상을 방지하기 위하여, 반도체 기판(110)의 전면(FRONT)과 층간 절연층(120) 사이에 반사 방지층(미도시)이 형성될 수 있다.
광 경로 변환체들(130)은 컬러 필터들(140) 사이에 경사 형태로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 광 경로 변환체들(130)은 사광 또는 마이크로 렌즈들(150)에 의하여 회절되는 입사광을 굴절시키는 굴절체들(130)일 수 있다. 이 때, 굴절체들(130)의 굴절률은 컬러 필터들(140)의 굴절률보다 작게 결정되기 때문에, 굴절체들(130)의 경계면에서 입사광의 굴절각은 입사광의 입사각보다 클 수 있다. 그 결과, 사광 또는 마이크로 렌즈들(150)에 의하여 회절되는 입사광이 굴절체들(130)에 의하여 굴절되어, 목적 단위 화소에 인접하는 주변 단위 화소들로 향하던 입사광의 경로는 목적 단위 화소로 향하도록 변환될 수 있다. 일 실시예에서, 굴절체들(130)은 삼각형(triangle) 또는 사다리꼴(trapezoid)의 단면을 가질 수 있다. 도 1에서는 사다리꼴의 단면을 갖는 굴절체들(130)이 도시되었다. 굴절체들(130)은 반도체 기판(110)의 후면 상에 굴절층(예를 들어, 플루오르화칼슘(CaF2), 플루오르화마그네슘(MaF2) 등)을 적층한 후, 마스크를 사용하여 적층된 굴절층을 식각(과식각, 경사식각 등)하는 방식으로 형성될 수 있다. 이 때, 적층된 굴절층을 식각하는 과정에서 식각액의 농도 및 프로세스 시간 등을 조절하여 굴절체들(130)의 경사 형태를 결정할 수 있다. 한편, 삼각형 또는 사다리꼴의 경사각(즉, 삼각형의 경우 밑변과 대각선 사이의 내각, 사다리꼴의 경우 밑변과 측변 사이의 내각)은 굴절체들(130)에 의하여 굴절된 입사광이 목적 단위 화소들에 입사되는 범위 내에서 다양하게 결정될 수 있다.
컬러 필터들(140)은 반도체 기판(110)의 후면 방향으로 적층되고, 반도체 기판(110) 내의 단위 화소들에 대응하는 위치에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 컬러 필터들(140)에는 베이어 패턴(bayer pattern) 기술이 적용될 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터들(140)은 적어도 하나 이상의 레드 필터들, 적어도 하나 이상의 그린 필터들 및 적어도 하나 이상의 블루 필터들을 포함하거나 또는, 적어도 하나 이상의 옐로우 필터들, 적어도 하나 이상의 마젠타 필터들 및 적어도 하나 이상의 시안 필터들을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 컬러 필터들(140)의 상부에는 오버 코팅 레이어(over-coating layer)라고 불리는 평탄층(미도시)이 형성될 수 있다. 한편, 마이크로 렌즈들(150)은 컬러 필터들(140)의 전면 방향으로 적층되어, 입사광이 단위 화소들의 포토다이오드(112)에 효율적으로 입사되도록 입사광을 가이드(guide)할 수 있다.
나아가, 이미지 센서의 단위 화소 어레이(100)는 반도체 기판(110)의 후면(BACK)과 광 경로 변환체들(130) 및 컬러 필터들(140) 사이에 반사 방지층(160)을 더 포함할 수 있다. 반사 방지층(160)은 반도체 기판(110)의 후면(BACK)과 광 경로 변환체들(130) 및 컬러 필터들(140) 사이에 위치하며, 마이크로 렌즈들(150) 및 컬러 필터들(140)을 거쳐 입사하는 입사광이 반도체 기판(110)의 후면(BACK)에서 반사되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 굴절체들(130)에 의하여 굴절된 입사광이 반도체 기판(110)의 후면(BACK)에서 반사되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 반사 방지층(160)은 마이크로 렌즈들(150) 및 컬러 필터들(140)을 거쳐 입사하는 입사광 및 굴절체들(130)에 의하여 굴절된 입사광을 효율적으로 투과시킴으로써, 이미지 센서의 센싱 성능(예를 들어, 수광 효율 및 광 감도)을 전반적으로 향상시킬 수 있다. 일 실시예에서, 반사 방지층(160)은 굴절률이 서로 다른 물질들이 교번하여 적층하는 방식으로 형성될 수 있다. 이 때, 굴절률이 서로 다른 물질들이 교번하여 많이 적층될수록 반사 방지층(160)의 투과율은 보다 향상될 수 있다.
일반적으로, 이미지 센서의 센싱 성능(예를 들어, 수광 효율 및 광 감도)을 향상시키기 위해서는 이미지 센서의 전체 면적에서 광을 수광하는 면적이 차지하는 비율 즉, 필 팩터(Fill Factor)를 크게 해야 하나, 이미지 센서에서 로직 회로가 차지하는 면적이 있기 때문에 제한된 면적 하에서 픽 팩터를 크게 하는 데에는 한계가 있다. 이에, 이미지 센서의 단위 화소 어레이(100)는 컬러 필터들(140) 사이에 광 경로 변환체들(130)을 구비함으로써, 사광 또는 마이크로 렌즈들(150)에 의하여 회절되는 입사광을 목적 단위 화소들에 각각 수광되게 할 수 있다. 그 결과, 입사광이 사광이거나 또는, 마이크로 렌즈들(150)에 의하여 회절됨에 따라 입사광이 목표 단위 화소에 인접하는 주변 단위 화소들에 도달하는 광학적 크로스토크는 효율적으로 억제될 수 있다. 나아가, 도 1의 단위 화소 어레이(100)를 포함하는 이미지 센서는 필 팩터를 크게 하지 않아도 센싱 성능(예를 들어, 수광 효율 및 광 감도)이 향상되어 고품질의 이미지를 생성할 수 있다. 다만, 도 1에 도시된 단위 화소 어레이(100)의 구조는 하나의 예시로서, 요구되는 조건에 따라 다양하게 설계 변경될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서의 단위 화소 어레이(100)는 전면 수광 방식의 이미지 센서에도 적용될 수 있을 것이다.
도 2a 내지 도 2g는 도 1의 단위 화소 어레이를 제조하는 과정의 일례를 나타내는 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, 반도체 기판(110) 내에 포토다이오드(112)를 포함하는 단위 화소들이 형성될 수 있다. 반도체 기판(110)은 p형 벌크(bulk) 실리콘 기판 상에 p형 에피택셜 층이 형성된 반도체 기판일 수 있는데, 이러한 p형 에피택셜 층 내에 포토다이오드(112)를 포함하는 단위 화소들이 형성될 수 있다. 단위 화소들은 입사광을 전하로 변환하고, 그에 상응하는 전기 신호를 생성할 수 있다. 이를 위하여, 단위 화소들은 포토다이오드(112) 및 복수의 트랜지스터들(미도시)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 씨모스 이미지 센서에서 단위 화소가 5-트랜지스터 구조를 갖는 경우, 단위 화소는 리셋 트랜지스터, 소스 폴로워 트랜지스터, 셀렉트 트랜지스터, 트랜스퍼 트랜지스터 및 바이어스 트랜지스터를 포함할 수 있다. 다만, 도 2a 내지 도 2f에서는 단위 화소를 설명함에 있어서 복수의 트랜지스터들(미도시)에 대한 설명은 생략하기로 한다.
구체적으로, 반도체 기판(110) 내에 포토다이오드(112)를 포함하는 단위 화소들이 매트릭스 형태로 배열되어 형성될 수 있다. 이 때, 포토다이오드들(112)은 이온 주입(ion implantation) 공정을 수행함으로써 p형 에피택셜 층 내에 n형 영역으로 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 포토다이오드들(112)은 복수의 도핑 영역들이 적층된 형태로 형성될 수 있다. 이러한 경우에, 상부 도핑 영역은 n+형 이온이 주입되어 형성될 수 있고, 하부 도핑 영역은 n-형 이온이 주입되어 형성될 수 있다. 한편, 단위 화소들 사이에는 소자 분리 영역들이 형성될 수 있고, 소자 분리 영역들은 STI(Shallow Trench Isolation) 또는 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 공정을 이용한 FOX(Field OXide)일 수 있다.
도 2b를 참조하면, 반도체 기판(110)의 전면(FRONT) 상에 층간 절연층(120)이 형성될 수 있다. 이 때, 층간 절연층(120)은 단위 화소를 구성하는 트랜지스터들의 게이트들 및 다층의 도전 라인들을 포함할 수 있다. 층간 절연층(120)은 갭 필(gap fill) 특성이 좋은 물질로 형성될 수 있는데 예를 들어, HDP(High Density Plasma), TOSZ(Tonen SilaZene), SOG(Spin On Glass), USG(Undoped Silica Glass) 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 층간 절연층(120)의 형성에 있어서 단위 화소를 구성하는 트랜지스터들의 게이트들은 반도체 기판(110)의 전면(FRONT) 상에 게이트 절연막 및 게이트용 도전막을 적층하고, 적층된 게이트 절연막 및 게이트용 도전막을 패터닝하는 방식으로 형성될 수 있다. 다층의 도전 라인들은 예를 들어, 구리, 알루미늄과 같은 금속 물질을 포함하는 도전 물질을 패터닝하는 방식으로 형성될 수 있다. 게이트 절연막은 SiO2, SiON, SiN, Al2O3, Si3N4, GexOyNz, GexSiyOz 또는 고유전율 물질일 수 있고, 고유전율 물질은 HfO2, ZrO2, Al2O3, Ta2O5, 하프늄 실리케이트, 지르코늄 실리케이트 또는 이들의 조합 등을 원자층 증착법으로 형성한 것일 수 있다. 또한, 게이트 절연막은 예시된 막질들 중에서 2종 이상의 선택된 물질을 복수 층으로 적층하여 구성될 수 있고, 게이트용 도전막은 폴리실리콘막이 증착되어 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 층간 절연층(120)의 상부에는 소자들을 보호하기 위한 보호층(미도시)이 형성될 수 있다.
도 2c를 참조하면, 반도체 기판(110)의 후면(BACK)에 대하여 그라인딩(grinding) 공정이 수행된 이후, 반도체 기판(110)의 후면(BACK) 상에 댕글링 본드와 같은 표면 결함을 페시베이션하기 위한 p형의 불순물 영역(미도시)이 형성될 수 있다. 일반적으로, 반도체 기판(110)의 후면(BACK)에 대한 그라인딩 공정은 기계적인 방식 및/또는 화학적인 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 기계적인 방식은 반도체 기판(110)의 후면(BACK)에 폴리싱 패드를 접촉시켜 마찰을 일으키는 방식으로 수행될 수 있고, 화학적인 방식은 슬러리(slurry)라는 화학 물질을 폴리싱 패드와 반도체 기판(110)의 후면(BACK) 사이에 투입하여 반응시키는 방식으로 수행될 수 있다. 이후, 반사 방지층(160)이 반도체 기판(110)의 상부에 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 반사 방지층(160)은 굴절률이 서로 다른 물질들이 교번하여 적층됨으로써 형성될 수 있고, 굴절률이 서로 다른 물질들이 교번하여 많이 적층될수록, 반사 방지층(160)의 투과율은 보다 향상될 수 있다. 다만, 실시예에 따라, p형의 불순물 영역(미도시) 및 반사 방지층(160)을 형성하는 공정은 생략될 수 있다.
도 2d 및 도 2e를 참조하면, 굴절체들(130)에 상응하는 광 경로 변환체들(130)은 굴절층(125)이 반도체 기판(110)의 후면(BACK) 상에 적층된 후, 적층된 굴절층(125)이 마스크를 사용하여 식각(과식각, 경사식각 등)됨으로써 형성될 수 있다. 이 때, 광 경로 변환체들(130)은 경사 형태를 갖도록 형성될 수 있는데, 광 경로 변환체들(130)의 경사 형태는 적층된 굴절층(125)을 식각하는 과정에서 식각액의 농도 및 프로세스 시간 등이 조절됨으로써 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 광 경로 변환체들(130)은 삼각형 또는 사다리꼴의 단면을 가질 수 있고, 삼각형 또는 사다리꼴의 경사각(즉, 삼각형의 경우 밑변과 대각선 사이의 내각, 사다리꼴의 경우 밑변과 측변 사이의 내각)은 광 경로 변환체들(130)에 의하여 굴절된 입사광이 목적 단위 화소들에 입사되는 범위 내에서 다양하게 결정될 수 있다. 도 2d 및 도 2e에서는 사다리꼴의 단면을 갖는 광 경로 변환체들(130)이 도시되었다. 광 경로 변환체들(130)의 굴절률은 컬러 필터들(140)의 굴절률보다 작게 결정되기 때문에, 광 경로 변환체들(130)의 경계면에서 입사광의 굴절각은 입사광의 입사각보다 클 수 있다. 그 결과, 사광 또는 마이크로 렌즈들(150)에 의하여 회절되는 입사광이 굴절체들(130)에 의하여 굴절되어, 목적 단위 화소에 인접하는 주변 단위 화소들로 향하던 입사광의 경로는 목적 단위 화소로 향하도록 변환될 수 있다.
도 2f를 참조하면, 컬러 필터들(140)은 반도체 기판(110)의 후면 상에 적층되고, 단위 화소들에 대응하는 위치에 형성될 수 있다. 컬러 필터들(140)은 감광성 물질(예를 들어, 염색된 포토레지스트)을 도포하고, 마스크를 이용한 포토 및 노광 공정을 수행함으로써 감광성 물질을 패터닝하는 방식으로 형성될 수 있다. 이 때, 컬러 필터들(140) 사이에 광 경로 변환체들(130)이 위치하기 때문에 컬러 필터들(140)의 경계는 경사 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 2f에서는 광 경로 변환체들(130)이 밑변이 윗변보다 긴 사다리꼴의 단면을 가지므로, 컬러 필터들(140)은 밑변이 윗변보다 짧은 역 사다리꼴의 단면을 가지는 것으로 도시되었다. 한편, 컬러 필터들에는 베이어 패턴(bayer pattern) 기술이 적용될 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터들(140)은 적어도 하나 이상의 레드 필터들, 적어도 하나 이상의 그린 필터들 및 적어도 하나 이상의 블루 필터들을 포함하거나, 또는 적어도 하나 이상의 옐로우 필터들, 적어도 하나 이상의 마젠타 필터들 및 적어도 하나 이상의 시안 필터들을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 컬러 필터들(140) 상에는 오버 코팅 레이어라고 불리는 평탄층(미도시)이 형성될 수 있다.
도 2g를 참조하면, 마이크로 렌즈들(150)은 컬러 필터들(140)의 상에 적층되어, 입사광이 단위 화소들의 포토다이오드(112)에 효율적으로 입사되도록 입사광을 가이드할 수 있다. 마이크로 렌즈들(150)은 광 투과성 포토레지스트를 이용하여 패턴들을 형성하고, 형성된 패턴들을 리플로우(reflow)시키는 방식으로 형성될 수 있다. 이상, 도 2a 내지 도 2g를 참조하여 도 1의 단위 화소 어레이(100)를 제조하는 과정을 설명하였으나, 이것은 하나의 예시로서 도 1의 단위 화소 어레이(100)를 제조하는 과정이 이에 한정되는 것은 아니다. 상술한 바와 같이, 도 1의 단위 화소 어레이(100)는 컬러 필터들(140) 사이에 광 경로 변환체들(130)을 구비함으로써, 사광 또는 마이크로 렌즈들(150)에 의하여 회절되는 입사광을 목적 단위 화소들에 각각 수광되게 할 수 있다. 그 결과, 입사광이 사광이거나 또는, 마이크로 렌즈들(150)에 의하여 회절됨에 따라 입사광이 목표 단위 화소에 인접하는 주변 단위 화소들에 도달하는 광학적 크로스토크는 효율적으로 억제될 수 있다. 나아가, 도 1의 단위 화소 어레이(100)를 포함하는 이미지 센서는 필 팩터를 크게 하지 않아도 센싱 성능(예를 들어, 수광 효율 및 광 감도)이 향상되어 고품질의 이미지를 생성할 수 있다.
도 3은 도 1의 단위 화소 어레이에서 광 경로 반사체들에 의하여 입사광이 굴절되는 일례를 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 광 경로 변환체들(130)이 컬러 필터들(140) 사이에 경사 형태로 형성되고, 사광 또는 마이크로 렌즈들(150)에 의하여 회절되는 입사광이 컬러 필터들(140)을 거쳐 광 경로 변환체들(130)로 입사될 수 있다. 이 때, 광 경로 변환체들(130)의 굴절률은 컬러 필터들(140)의 굴절률보다 작기 때문에 광 경로 변환체들(130)의 경계면에서 입사광의 굴절각(θ2)이 입사광의 입사각(θ1)보다 클 수 있다.
광 경로 변환체들(130)의 굴절률과 컬러 필터들(140)의 굴절률은 스넬의 법칙(Snell's Law)에 기초하여 결정될 수 있다. 즉, 컬러 필터들(140)의 굴절률을 n1이라고 하고, 광 경로 변환체들(130)의 굴절률을 n2라고 하면, n1sin(θ1) = n2sin(θ2)가 성립할 수 있다. 그 결과, 사광 또는 마이크로 렌즈들(150)에 의하여 회절되는 입사광이 컬러 필터들(140)을 거쳐 광 경로 변환체들(130)에 의하여 굴절됨으로써, 목적 단위 화소에 인접하는 주변 단위 화소들로 향하던 입사광의 경로가 목적 단위 화소로 향하도록 변환될 수 있다. 일 실시예에서, 광 경로 변환체들(130)은 삼각형 또는 사다리꼴의 단면을 갖도록 결정될 수 있고, 삼각형 또는 사다리꼴의 경사각(즉, 삼각형의 경우 밑변과 대각선 사이의 내각, 사다리꼴의 경우 밑변과 측변 사이의 내각)은 광 경로 변환체들(130)에 의하여 굴절된 입사광이 목적 단위 화소들에 입사되는 범위 내에서 다양하게 결정될 수 있다. 도 3에서는 광 경로 변환체들(130)의 단면이 사다리꼴로 도시되어 있지만, 광 경로 변환체들(130)의 단면은 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, 광 경로 변환체들(130)의 단면은 경사 형태를 가진 다각형일 수 있다.
도 4는 도 1의 단위 화소 어레이를 구비하는 이미지 센서의 분광 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 종래의 이미지 센서의 분광 특성은 점선으로 표시되어 있고, 도 1의 단위 화소 어레이(100)를 구비하는 이미지 센서의 분광 특성은 실선으로 표시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 도 1의 단위 화소 어레이(100)를 구비하는 이미지 센서의 분광 특성은 종래의 이미지 센서의 분광 특성보다 개선된 것일 수 있다.
컬러 필터들(140)은 적어도 하나 이상의 레드 필터들, 적어도 하나 이상의 그린 필터들 및 적어도 하나 이상의 블루 필터들을 포함할 수 있다. 이 때, 블루 필터, 그린 필터 및 레드 필터는 파장에 따라 서로 다른 광 투과도를 갖는다. 예를 들어, 블루 필터는 짧은 파장 영역에서 광 투과도가 높고, 그린 필터는 중간 파장 영역에서 광 투과도가 높으며, 레드 필터는 긴 파장 영역에서 광 투과도가 높다. 따라서, 블루 필터를 통과한 입사광은 짧은 파장을 가진 청색광일 수 있고, 그린 필터를 통과한 입사광은 중간 파장을 가진 녹색광일 수 있으며, 레드 필터를 통과한 입사광은 긴 파장을 가진 적색광일 수 있다. 한편, 이미지 센서에 베이어 패턴 기술이 적용되는 경우, 레드 필터, 그린 필터 및 블루 필터는 서로 인접한 단위 화소들의 상부에 형성된다. 따라서, 입사광이 사광이거나 또는, 마이크로 렌즈에 의하여 회절됨에 따라, 입사광이 목표 단위 화소에 인접하는 주변 단위 화소들에 도달하는 광학적 크로스토크가 발생하면, 이미지 센서의 분광 특성은 저하되게 된다. 이에, 종래의 이미지 센서에서는 서로 인접한 단위 화소들 간에 광학적 크로스토크가 발생하여 분광 특성이 상대적으로 좋지 못하다. 반면에, 도 1의 단위 화소 어레이(100)를 구비하는 이미지 센서는 서로 인접한 단위 화소들 간에 광학적 크로스토크를 억제할 수 있어 분광 특성이 상대적으로 좋다. 그 결과, 도 1의 단위 화소 어레이(100)를 구비하는 이미지 센서는 필 팩터를 크게 하지 않아도 센싱 성능(예를 들어, 수광 효율 및 광 감도)이 향상되어 고품질의 이미지를 생성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소 어레이를 나타내는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 이미지 센서의 단위 화소 어레이(300)는 반도체 기판(310), 층간 절연층(320), 광 경로 변환체들(330), 컬러 필터들(340) 및 마이크로 렌즈들(350)을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 이미지 센서의 단위 화소 어레이(300)는 반도체 기판(310)의 후면(BACK)과 광 경로 변환체들(330) 및 컬러 필터들(340) 사이에 반사 방지층(360)을 더 포함할 수 있고, 반도체 기판(310)의 전면(FRONT)과 층간 절연층(320) 사이에 반사 방지층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
반도체 기판(310)에는 입사광을 수광하기 위한 단위 화소들이 형성될 수 있다. 다만, 도 5에서는 설명의 편의상 단위 화소들을 광 감지 소자인 포토다이오드(312)로만 표시하였다. 실시예에 따라, 광 감지 소자는 포토다이오드 외에 포토트랜지스터, 포토게이트, 핀드 포토다이오드 또는 이들의 조합일 수 있다. 반도체 기판(310)은 p형 에피택셜 기판일 수 있고, 포토다이오드(312)는 n형 이온이 주입됨으로써 형성될 수 있다. 이미지 센서의 단위 화소 어레이(300)에는 단위 화소들이 매트릭스 형태로 배치될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이미지 센서의 단위 화소 어레이(300)에서 입사광은 마이크로 렌즈들(350) 및 컬러 필터들(340)을 거쳐 반도체 기판(310)의 후면(BACK)으로 입사함으로써 단위 화소들에 수광될 수 있다. 따라서, 도 5의 단위 화소 어레이(300)를 포함하는 이미지 센서는 후면 수광 방식의 이미지 센서로 정의될 수 있다.
층간 절연층(320)은 반도체 기판(310)의 전면(FRONT) 방향으로 적층될 수 있다. 일반적으로, 단위 화소들은 각각 입사광을 전하로 변환하는 포토다이오드(312) 및 상기 전하에 상응하는 전기 신호를 생성하는 신호 생성 회로를 포함할 수 있는데, 층간 절연층(320)은 신호 생성 회로를 구성하는 트랜지스터들(미도시)의 게이트들 및 다층의 도전 라인들을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 층간 절연층(320)의 상부에는 소자들을 보호하기 위한 보호층(미도시)이 적층될 수도 있다. 예를 들어, 씨모스 이미지 센서의 경우에는 층간 절연층(320)에 트랜스퍼 트랜지스터들의 게이트들, 리셋 트랜지스터들의 게이트들, 소스 폴로워 트랜지스터들의 게이트들, 셀렉트 트랜지스터들의 게이트들 및 바이어스 트랜지스터들의 게이트들이 형성될 수 있다. 또한, 다층의 도전 라인들은 컨택이나 플러그를 통해 상기 게이트들에 전기적으로 연결되거나 또는, 상호 간에 전기적으로 연결될 수 있다. 실시예에 따라, 반도체 기판(310) 내에서 목표 단위 화소(즉, 입사광이 통과하는 마이크로 렌즈(350) 및 컬러 필터(340)의 하부에 위치하는 단위 화소)를 통과한 입사광이 층간 절연층(320)에서 반사되어 인접하는 주변 단위 화소들에 수광되는 현상을 방지하기 위하여, 반도체 기판(310)의 전면(FRONT)과 층간 절연층(320) 사이에 반사 방지층(미도시)이 형성될 수 있다.
광 경로 변환체들(330)은 컬러 필터들(340) 사이에 경사 형태로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 광 경로 변환체들(330)은 사광 또는 마이크로 렌즈들(350)에 의하여 회절되는 입사광을 반사시키는 반사체들(330)일 수 있다. 이 때, 반사체들(330)의 경계면에서 입사광의 입사각과 입사광의 반사각은 실질적으로 동일할 수 있다. 그 결과, 사광 또는 마이크로 렌즈들(350)에 의하여 회절되는 입사광이 반사체들(330)에서 반사되어, 목적 단위 화소에 인접하는 주변 단위 화소들로 향하던 입사광의 경로는 목적 단위 화소로 향하도록 변환될 수 있다. 실시예에 따라, 반사체들(330)의 경계면에서 입사광의 입사각과 입사광의 반사각은 서로 상이하게 결정될 수도 있다. 일 실시예에서, 반사체들(330)은 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 티타늄나이트라이드(TiN), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 텅스텐(W) 중에서 적어도 하나 이상의 물질로 형성될 수 있고, 삼각형 또는 사다리꼴의 단면을 가질 수 있다. 도 5에서는 삼각형의 단면을 갖는 반사체들(330)이 도시되었다. 반사체들(330)은 반도체 기판(310)의 후면 상에 상기 물질막(예를 들어, 실리콘막 또는 금속막)을 증착한 후, 마스크를 사용하여 증착된 상기 물질막을 패터닝하는 방식으로 형성될 수 있다. 한편, 삼각형 또는 사다리꼴의 경사각(즉, 삼각형의 경우 밑변과 대각선 사이의 내각, 사다리꼴의 경우 밑변과 측변 사이의 내각)은 반사체들(330)에 의하여 반사된 입사광이 목적 단위 화소들에 입사되는 범위 내에서 다양하게 결정될 수 있다.
컬러 필터들(340)은 반도체 기판(310)의 후면 방향으로 적층되고, 반도체 기판(310) 내의 단위 화소들에 대응하는 위치에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 컬러 필터들(340)에는 베이어 패턴 기술이 적용될 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터들(340)은 적어도 하나 이상의 레드 필터들, 적어도 하나 이상의 그린 필터들 및 적어도 하나 이상의 블루 필터들을 포함하거나 또는, 적어도 하나 이상의 옐로우 필터들, 적어도 하나 이상의 마젠타 필터들 및 적어도 하나 이상의 시안 필터들을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 컬러 필터들(340)의 상부에는 오버 코팅 레이어라고 불리는 평탄층(미도시)이 형성될 수 있다. 한편, 마이크로 렌즈들(350)은 컬러 필터들(340)의 전면 방향으로 적층되어, 입사광이 단위 화소들의 포토다이오드(312)에 효율적으로 입사되도록 입사광을 가이드할 수 있다.
나아가, 이미지 센서의 단위 화소 어레이(300)는 반도체 기판(310)의 후면(BACK)과 광 경로 변환체들(330) 및 컬러 필터들(340) 사이에 반사 방지층(360)을 더 포함할 수 있다. 반사 방지층(360)은 반도체 기판(310)의 후면(BACK)과 광 경로 변환체들(330) 및 컬러 필터들(340) 사이에 위치하며, 마이크로 렌즈들(350) 및 컬러 필터들(340)을 거쳐 입사하는 입사광이 반도체 기판(310)의 후면(BACK)에서 반사되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 반사체들(330)에 의하여 반사된 입사광이 반도체 기판(310)의 후면(BACK)에서 반사되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 반사 방지층(360)은 마이크로 렌즈들(350) 및 컬러 필터들(340)을 거쳐 입사하는 입사광 및 반사체들(330)에 의하여 반사된 입사광을 효율적으로 투과시킴으로써, 이미지 센서의 센싱 성능(예를 들어, 수광 효율 및 광 감도)을 전반적으로 향상시킬 수 있다. 일 실시예에서, 반사 방지층(360)은 굴절률이 서로 다른 물질들이 교번하여 적층하는 방식으로 형성될 수 있다. 이 때, 굴절률이 서로 다른 물질들이 교번하여 많이 적층될수록 반사 방지층(360)의 투과율은 보다 향상될 수 있다.
상술한 바와 같이, 이미지 센서의 단위 화소 어레이(300)는 컬러 필터들(340) 사이에 광 경로 변환체들(330)을 구비함으로써 사광 또는 마이크로 렌즈들(350)에 의하여 회절되는 입사광을 목적 단위 화소들에 각각 수광되게 할 수 있다. 그 결과, 입사광이 사광이거나 또는, 마이크로 렌즈들(350)에 의하여 회절됨에 따라 입사광이 목표 단위 화소에 인접하는 주변 단위 화소들에 도달하는 광학적 크로스토크는 효율적으로 억제될 수 있다. 나아가, 도 5의 단위 화소 어레이(300)를 포함하는 이미지 센서는 필 팩터를 크게 하지 않아도 센싱 성능(예를 들어, 수광 효율 및 광 감도)이 향상되어 고품질의 이미지를 생성할 수 있다. 다만, 도 5에 도시된 단위 화소 어레이(300)의 구조는 하나의 예시로서, 요구되는 조건에 따라 다양하게 설계 변경될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서의 단위 화소 어레이(300)는 전면 수광 방식의 이미지 센서에도 적용될 수 있을 것이다.
도 6a 내지 도 6g는 도 5의 단위 화소 어레이를 제조하는 과정의 일례를 나타내는 단면도들이다.
도 6a를 참조하면, 반도체 기판(310) 내에 포토다이오드(312)를 포함하는 단위 화소들이 형성될 수 있다. 반도체 기판(310)은 p형 벌크 실리콘 기판 상에 p형 에피택셜 층이 형성된 반도체 기판일 수 있는데, 이러한 p형 에피택셜 층 내에 포토다이오드(312)를 포함하는 단위 화소들이 형성될 수 있다. 단위 화소들은 입사광을 전하로 변환하고, 그에 상응하는 전기 신호를 생성할 수 있다. 구체적으로, 반도체 기판(310) 내에 포토다이오드(312)를 포함하는 단위 화소들이 매트릭스 형태로 배열되어 형성될 수 있다. 이 때, 포토다이오드들(312)은 이온 주입 공정을 수행함으로써 p형 에피택셜 층 내에 n형 영역으로 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 포토다이오드들(312)은 복수의 도핑 영역들이 적층된 형태로 형성될 수 있다. 이러한 경우에, 상부 도핑 영역은 n+형 이온이 주입되어 형성될 수 있고, 하부 도핑 영역은 n-형 이온이 주입되어 형성될 수 있다. 한편, 단위 화소들 사이에는 소자 분리 영역들이 형성될 수 있고, 소자 분리 영역들은 STI 또는 LOCOS 공정을 이용한 FOX일 수 있다.
도 6b를 참조하면, 반도체 기판(310)의 전면(FRONT) 상에 층간 절연층(320)이 형성될 수 있다. 이 때, 층간 절연층(320)은 단위 화소를 구성하는 트랜지스터들의 게이트들 및 다층의 도전 라인들을 포함할 수 있다. 층간 절연층(320)은 갭 필 특성이 좋은 물질로 형성될 수 있는데 예를 들어, HDP, TOSZ, SOG, USG 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 층간 절연층(320)의 형성에 있어서 단위 화소를 구성하는 트랜지스터들의 게이트들은 반도체 기판(310)의 전면(FRONT) 상에 게이트 절연막 및 게이트용 도전막을 적층하고, 적층된 게이트 절연막 및 게이트용 도전막을 패터닝하는 방식으로 형성될 수 있다. 다층의 도전 라인들은 예를 들어, 구리, 알루미늄과 같은 금속 물질을 포함하는 도전 물질을 패터닝하는 방식으로 형성될 수 있다. 게이트 절연막은 SiO2, SiON, SiN, Al2O3, Si3N4, GexOyNz, GexSiyOz 또는 고유전율 물질일 수 있고, 고유전율 물질은 HfO2, ZrO2, Al2O3, Ta2O5, 하프늄 실리케이트, 지르코늄 실리케이트 또는 이들의 조합 등을 원자층 증착법으로 형성한 것일 수 있다. 또한, 게이트 절연막은 예시된 막질들 중에서 2종 이상의 선택된 물질을 복수 층으로 적층하여 구성될 수 있고, 게이트용 도전막은 폴리실리콘막이 증착되어 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 층간 절연층(320)의 상부에는 소자들을 보호하기 위한 보호층(미도시)이 형성될 수 있다.
도 6c를 참조하면, 반도체 기판(310)의 후면(BACK)에 대하여 그라인딩 공정이 수행된 이후, 반도체 기판(310)의 후면(BACK) 상에 댕글링 본드와 같은 표면 결함을 페시베이션하기 위한 p형의 불순물 영역(미도시)이 형성될 수 있다. 일반적으로, 반도체 기판(310)의 후면(BACK)에 대한 그라인딩 공정은 기계적인 방식 및/또는 화학적인 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 기계적인 방식은 반도체 기판(310)의 후면(BACK)에 폴리싱 패드를 접촉시켜 마찰을 일으키는 방식으로 수행될 수 있고, 화학적인 방식은 슬러리라는 화학 물질을 폴리싱 패드와 반도체 기판(310)의 후면(BACK) 사이에 투입하여 반응시키는 방식으로 수행될 수 있다. 이후, 반사 방지층(360)이 반도체 기판(310)의 상부에 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 반사 방지층(360)은 굴절률이 서로 다른 물질들이 교번하여 적층됨으로써 형성될 수 있고, 굴절률이 서로 다른 물질들이 교번하여 많이 적층될수록, 반사 방지층(360)의 투과율은 보다 향상될 수 있다. 다만, 실시예에 따라, p형의 불순물 영역(미도시) 및 반사 방지층(360)을 형성하는 공정은 생략될 수 있다.
도 6d 및 도 6e를 참조하면, 반사체들(330)에 상응하는 광 경로 변환체들(330)은 물질막(예를 들어, 실리콘막 또는 금속막; 325)이 반도체 기판(310)의 후면(BACK) 상에 증착된 후, 증착된 물질막(325)이 마스크를 사용하여 패터닝됨으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 물질막(325)은 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 티타늄나이트라이드(TiN), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 텅스텐(W) 중에서 적어도 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다. 이 때, 광 경로 변환체들(330)은 경사 형태를 갖도록 형성될 수 있는데, 광 경로 변환체들(330)의 경사 형태는 증착된 물질막(325)을 패터닝하는 과정에서 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 광 경로 변환체들(330)은 삼각형 또는 사다리꼴의 단면을 가질 수 있고, 삼각형 또는 사다리꼴의 경사각(즉, 삼각형의 경우 밑변과 대각선 사이의 내각, 사다리꼴의 경우 밑변과 측변 사이의 내각)은 광 경로 변환체들(330)에 의하여 반사된 입사광이 목적 단위 화소들에 입사되는 범위 내에서 다양하게 결정될 수 있다. 그 결과, 사광 또는 마이크로 렌즈들(350)에 의하여 회절되는 입사광이 반사체들(330)에 의하여 반사되어, 목적 단위 화소에 인접하는 주변 단위 화소들로 향하던 입사광의 경로가 목적 단위 화소로 향하도록 변환될 수 있다. 도 6d 및 도 6e에서는 삼각형의 단면을 갖는 광 경로 변환체들(330)이 도시되었다.
도 6f를 참조하면, 컬러 필터들(340)은 반도체 기판(310)의 후면 상에 적층되고, 단위 화소들에 대응하는 위치에 형성될 수 있다. 컬러 필터들(340)은 감광성 물질(예를 들어, 염색된 포토레지스트)을 도포하고, 마스크를 이용한 포토 및 노광 공정을 수행함으로써 감광성 물질을 패터닝하는 방식으로 형성될 수 있다. 이 때, 컬러 필터들(340) 사이에 광 경로 변환체들(330)이 위치하기 때문에 컬러 필터들(340)의 경계는 경사 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 6f에서는 광 경로 변환체들(330)이 삼각형의 단면을 가지므로, 컬러 필터들(340)은 밑변이 윗변보다 짧은 역 사다리꼴의 단면을 가지는 것으로 도시되었다. 한편, 컬러 필터들에는 베이어 패턴 기술이 적용될 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터들(340)은 적어도 하나 이상의 레드 필터들, 적어도 하나 이상의 그린 필터들 및 적어도 하나 이상의 블루 필터들을 포함하거나, 또는 적어도 하나 이상의 옐로우 필터들, 적어도 하나 이상의 마젠타 필터들 및 적어도 하나 이상의 시안 필터들을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 컬러 필터들(340) 상에는 오버 코팅 레이어라고 불리는 평탄층(미도시)이 형성될 수 있다.
도 6g를 참조하면, 마이크로 렌즈들(350)은 컬러 필터들(340)의 상에 적층되어, 입사광이 단위 화소들의 포토다이오드(312)에 효율적으로 입사되도록 입사광을 가이드할 수 있다. 마이크로 렌즈들(350)은 광 투과성 포토레지스트를 이용하여 패턴들을 형성하고, 형성된 패턴들을 리플로우시키는 방식으로 형성될 수 있다. 이상, 도 6a 내지 도 6g를 참조하여 도 5의 단위 화소 어레이(300)를 제조하는 과정을 설명하였으나, 이것은 하나의 예시로서 도 5의 단위 화소 어레이(300)를 제조하는 과정이 이에 한정되는 것은 아니다. 상술한 바와 같이, 도 5의 단위 화소 어레이(300)는 컬러 필터들(340) 사이에 광 경로 변환체들(330)을 구비함으로써, 사광 또는 마이크로 렌즈들(350)에 의하여 회절되는 입사광을 목적 단위 화소들에 각각 수광되게 할 수 있다. 그 결과, 입사광이 사광이거나 또는, 마이크로 렌즈들(350)에 의하여 회절됨에 따라 입사광이 목표 단위 화소에 인접하는 주변 단위 화소들에 도달하는 광학적 크로스토크는 효율적으로 억제될 수 있다. 나아가, 도 5의 단위 화소 어레이(300)를 포함하는 이미지 센서는 필 팩터를 크게 하지 않아도 센싱 성능(예를 들어, 수광 효율 및 광 감도)이 향상되어 고품질의 이미지를 생성할 수 있다.
도 7은 도 5의 단위 화소 어레이에서 광 경로 반사체들에 의하여 입사광이 반사되는 일례를 나타내는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 광 경로 변환체들(330)이 컬러 필터들(340) 사이에 경사 형태로 형성되고, 사광 또는 마이크로 렌즈들(350)에 의하여 회절되는 입사광이 컬러 필터들(340)을 거쳐 광 경로 변환체들(330)로 입사될 수 있다. 이 때, 광 경로 변환체들(330)은 광을 반사시킬 수 있는 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 티타늄나이트라이드(TiN), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 텅스텐(W) 중에서 적어도 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
반사체들(330)의 경계면에서 입사광의 입사각(θ1)과 입사광의 반사각(θ2)은 반사의 법칙에 따라 실질적으로 동일할 수 있다. 그러나, 반사체들(330)의 경계면에서 입사광의 입사각과 입사광의 반사각은 서로 상이하게 결정될 수도 있다. 그 결과, 사광 또는 마이크로 렌즈들(350)에 의하여 회절되는 입사광이 컬러 필터들(340)을 거쳐 광 경로 변환체들(330)에 의하여 반사됨으로써, 목적 단위 화소에 인접하는 주변 단위 화소들로 향하던 입사광의 경로가 목적 단위 화소로 향하도록 변환될 수 있다. 일 실시예에서, 광 경로 변환체들(330)은 삼각형 또는 사다리꼴의 단면을 갖도록 결정될 수 있고, 삼각형 또는 사다리꼴의 경사각(즉, 삼각형의 경우 밑변과 대각선 사이의 내각, 사다리꼴의 경우 밑변과 측변 사이의 내각)은 광 경로 변환체들(330)에 의하여 반사된 입사광이 목적 단위 화소들에 입사되는 범위 내에서 다양하게 결정될 수 있다. 도 7에서는 광 경로 변환체들(330)의 단면이 삼각형으로 도시되어 있지만, 광 경로 변환체들(330)의 단면은 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, 광 경로 변환체들(330)의 단면은 경사 형태를 가진 다각형일 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 8을 참조하면, 이미지 센서(700)는 단위 화소들이 매트릭스 형태로 배열되어 형성된 단위 화소 어레이(710) 및 단위 화소 어레이(710)를 동작시키기 위한 로직 회로(760)를 포함할 수 있다. 나아가, 로직 회로(760)는 로우 디코더(761), 로우 드라이버(762), 상관 이중 샘플러(763), 아날로그 투 디지털 컨버터(764), 래치 블록(765), 컬럼 디코더(766) 및 타이밍 생성기(767)를 포함할 수 있다.
단위 화소 어레이(710)는 입사광을 전기 신호로 변환하는 단위 화소들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 단위 화소 어레이(710)는 단위 화소들이 형성된 반도체 기판, 반도체 기판의 전면 방향으로 적층되는 층간 절연층, 반도체 기판의 후면 방향으로 적층되고 단위 화소들에 대응하는 위치에 형성되는 컬러 필터들, 컬러 필터들 사이에 경사 형태로 형성되는 굴절체들 및 컬러 필터들의 전면 방향으로 적층되는 마이크로 렌즈들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 단위 화소 어레이(710)는 단위 화소들이 형성된 반도체 기판, 반도체 기판의 전면 방향으로 적층되는 층간 절연층, 반도체 기판의 후면 방향으로 적층되고 단위 화소들에 대응하는 위치에 형성되는 컬러 필터들, 컬러 필터들 사이에 경사 형태로 형성되는 반사체들 및 컬러 필터들의 전면 방향으로 적층되는 마이크로 렌즈들을 포함할 수 있다. 이와 같이, 단위 화소 어레이(710)는 광 경로 변환체들로서 마이크로 렌즈들에 의하여 회절되는 입사광을 굴절시키는 굴절체들 또는 마이크로 렌즈들에 의하여 회절되는 입사광을 반사시키는 반사체들을 구비함으로써, 입사광이 마이크로 렌즈에 의한 회절로 인하여 주변 단위 화소에 도달하는 광학적 크로스토크를 효율적으로 억제할 수 있다. 그 결과, 이미지 센서(700)는 필 팩터를 크게 하지 않아도 센싱 성능(예를 들어, 수광 효율 및 광 감도)이 향상될 수 있다.
타이밍 생성기(767)는 로우 디코더(761) 및 컬럼 디코더(766)에 타이밍 신호 및 제어 신호를 제공할 수 있다. 로우 드라이버(762)는 로우 디코더(761)에서 디코딩된 결과에 기초하여 단위 화소 구동 신호들을 단위 화소 어레이(710)에 제공할 수 있다. 실시예에 따라, 단위 화소 어레이(710)에서 단위 화소들이 매트릭스 형태로 배열된 경우에는, 단위 화소 구동 신호들이 각 행(row) 별로 제공될 수 있다. 상관 이중 샘플러(763)는 단위 화소 어레이(710)에서 형성되는 전기 신호를 수직 신호 라인을 통해 입력받아 유지(hold) 및 샘플링(sampling)을 할 수 있다. 즉, 상관 이중 샘플러(763)는 특정한 잡음 레벨(noise level)과 전기 신호에 의한 신호 레벨을 이중으로 샘플링함으로써, 특정한 잡음 레벨과 전기 신호에 의한 신호 레벨의 차이에 해당하는 레벨 차를 출력할 수 있다. 아날로그 투 디지털 컨버터(764)는 이러한 레벨 차에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 래치 블록(765)은 디지털 신호를 래치(latch)하여 출력할 수 있는데, 래치 블록(765)의 출력은 컬럼 디코더(766)에서 디코딩된 결과에 기초하여 영상 신호 처리 블록(미도시)에 순차적으로 출력될 수 있다. 다만, 상기 로직 회로(760)에 대한 설명은 하나의 예시로서, 로직 회로(760)는 요구되는 조건에 따라 다양하게 설계 변경될 수 있다.
도 9는 도 8의 이미지 센서를 포함하는 전자 기기를 나타내는 블록도이다.
도 9를 참조하면, 전자 기기(1000)는 프로세서(1010), 메모리 장치(1020), 저장 장치(1030), 입출력 장치(1040), 파워 서플라이(1050) 및 이미지 센서(700)를 포함할 수 있다. 한편, 도 9에는 도시되지 않았지만, 전자 기기(1000)는 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트(port)들을 더 포함할 수 있다.
프로세서(1010)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서(1010)는 마이크로프로세서(micro-processor), 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)일 수 있다. 프로세서(1010)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus)를 통하여 메모리 장치(1020), 저장 장치(1030) 및 입출력 장치(1040)에 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서(1010)는 주변 구성요소 상호연결(Peripheral Component Interconnect; PCI) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다. 메모리 장치(1020)는 전자 기기(1000)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(1020)는 동적 랜덤 액세스 메모리(Dynamic Random Access Memory; DRAM), 정적 랜덤 액세스 메모리(Static Random Access Memory; SRAM) 등과 같은 휘발성 메모리 장치 및 이피롬(Erasable Programmable Read-Only Memory; EPROM), 이이피롬(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory; EEPROM) 및 플래시 메모리 장치(flash memory device) 등과 같은 비휘발성 메모리 장치를 포함할 수 있다. 저장 장치(1030)는 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive), 하드 디스크 드라이브(harddisk drive) 및 씨디롬(CD-ROM) 등을 포함할 수 있다. 입출력 장치(1040)는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 파워 서플라이(1050)는 전자 기기(1000)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.
이미지 센서(700)는 상기 버스들 또는 다른 통신 링크를 통해서 프로세서(1010)와 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 상술한 바와 같이, 이미지 센서(700)의 단위 화소 어레이는 컬러 필터들 사이에 마이크로 렌즈들에 의하여 회절되는 입사광을 굴절시키는 굴절체들 또는 마이크로 렌즈들에 의하여 회절되는 입사광을 반사시키는 반사체들을 구비함으로써 마이크로 렌즈들에 의하여 회절되는 입사광을 목적 단위 화소들에 각각 수광되도록 할 수 있다. 이와 같이, 이미지 센서(700)의 단위 화소 어레이는 입사광이 마이크로 렌즈에 의한 회절로 인하여 주변 단위 화소에 도달하는 광학적 크로스토크를 효율적으로 억제할 수 있고, 이를 포함하는 이미지 센서는 필 팩터를 크게 하지 않아도 센싱 성능(예를 들어, 수광 효율 및 광 감도)이 향상되어 고품질의 이미지를 생성할 수 있다. 실시예에 따라, 이미지 센서(700)는 프로세서(1010)와 함께 하나의 칩에 집적될 수도 있고, 서로 다른 칩에 각각 집적될 수도 있다. 한편, 전자 기기(1000)는 컴퓨터, 디지털 카메라, 3차원 카메라, 휴대폰, PDA, 스캐너, 차량용 네비게이션, 비디오 폰, 감시 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감지 시스템, 이미지 안정화 시스템 등과 같이 이미지 센서를 이용하는 모든 시스템으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 기기에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 컴퓨터, 디지털 카메라, 3차원 카메라, 휴대폰, PDA, 스캐너, 차량용 네비게이션, 비디오 폰, 감시 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감지 시스템, 이미지 안정화 시스템 등에 적용되어 고품질의 이미지를 생성할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 단위 화소 어레이 110: 반도체 기판
112: 포토다이오드 120: 층간 절연층
130: 광 경로 변환체 140: 컬러 필터들
150: 마이크로 렌즈들 160: 반사 방지층
112: 포토다이오드 120: 층간 절연층
130: 광 경로 변환체 140: 컬러 필터들
150: 마이크로 렌즈들 160: 반사 방지층
Claims (10)
- 복수의 단위 화소들이 형성되는 반도체 기판;
상기 반도체 기판의 전면 방향으로 적층되는 층간 절연층;
상기 반도체 기판의 후면 방향으로 적층되고, 상기 단위 화소들에 대응하는 위치에 형성되는 복수의 컬러 필터들;
상기 컬러 필터들 사이에 경사 형태(slope shape)로 형성되는 복수의 광 경로(light path) 변환체들; 및
상기 컬러 필터들의 전면 방향으로 적층되는 복수의 마이크로 렌즈들을 포함하는 단위 화소 어레이. - 제 1 항에 있어서, 상기 광 경로 변환체들은 입사광을 굴절시키는 굴절체들인 것을 특징으로 하는 단위 화소 어레이.
- 제 2 항에 있어서, 상기 굴절체들의 굴절률은 상기 컬러 필터들의 굴절률보다 작은 것을 특징으로 하는 단위 화소 어레이.
- 제 3 항에 있어서, 상기 굴절체들은 삼각형(triangle) 또는 사다리꼴(trapezoid)의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 단위 화소 어레이.
- 제 4 항에 있어서, 상기 삼각형 또는 상기 사다리꼴의 경사각은 상기 굴절체들에 의하여 굴절된 상기 입사광이 목적 단위 화소들에 입사되는 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 단위 화소 어레이.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광 경로 변환체들은 입사광을 반사시키는 반사체들인 것을 특징으로 하는 단위 화소 어레이.
- 제 6 항에 있어서, 상기 반사체들은 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 티타늄나이트라이드(TiN), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 텅스텐(W) 중에서 적어도 하나 이상의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 단위 화소 어레이.
- 제 6 항에 있어서, 상기 반사체들은 삼각형(triangle) 또는 사다리꼴(trapezoid)의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 단위 화소 어레이.
- 제 8 항에 있어서, 상기 삼각형 또는 상기 사다리꼴의 경사각은 상기 반사체들에 의하여 반사된 상기 입사광이 목적 단위 화소들에 입사되는 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 단위 화소 어레이.
- 광전 변환을 수행하여 이미지 신호를 생성하는 단위 화소 어레이; 및
상기 이미지 신호를 처리하여 출력하는 로직 회로를 포함하고,
상기 단위 화소 어레이는
복수의 단위 화소들이 형성되는 반도체 기판;
상기 반도체 기판의 전면 방향으로 적층되는 층간 절연층;
상기 반도체 기판의 후면 방향으로 적층되고, 상기 단위 화소들에 대응하는 위치에 형성되는 복수의 컬러 필터들;
상기 컬러 필터들 사이에 경사 형태(slope shape)로 형성되는 복수의 광 경로(light path) 변환체들; 및
상기 컬러 필터들의 전면 방향으로 적층되는 복수의 마이크로 렌즈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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