KR20160024345A - 이미지 센서 및 이를 구비하는 전자장치 - Google Patents
이미지 센서 및 이를 구비하는 전자장치 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20160024345A KR20160024345A KR1020150048436A KR20150048436A KR20160024345A KR 20160024345 A KR20160024345 A KR 20160024345A KR 1020150048436 A KR1020150048436 A KR 1020150048436A KR 20150048436 A KR20150048436 A KR 20150048436A KR 20160024345 A KR20160024345 A KR 20160024345A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- layer
- pixel lens
- pixel
- lens
- color filter
- Prior art date
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 31
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 22
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 13
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 8
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 188
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 6
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 4
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
- H01L27/14627—Microlenses
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/1462—Coatings
- H01L27/14621—Colour filter arrangements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/1463—Pixel isolation structures
Abstract
이미지 센서 및 이를 구비한 전자장치를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 광전변환소자를 포함한 기판; 상기 기판상에 형성되고 상부층보다 하부층의 면적이 더 큰 복수의 집광층들을 포함하는 픽셀렌즈; 상기 픽셀렌즈를 덮는 컬러필터층; 및 상기 컬러필터층 상에 형성된 반사방지 구조물을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 장치 제조 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로 다층의 계단 형상을 갖는 집광부재를 포함하는 이미지 센서 및 이를 구비한 전자장치에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
본 발명의 실시예는 성능이 향상된 이미지 센서 및 이를 구비한 전자장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 광전변환소자를 포함한 기판; 상기 기판상에 형성되고 상부층보다 하부층의 면적이 더 큰 복수의 집광층들을 포함하는 픽셀렌즈; 상기 픽셀렌즈를 덮는 컬러필터층; 및 상기 컬러필터층 상에 형성된 반사방지 구조물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 광전변환소자와 상기 픽셀렌즈 사이에 삽입된 포커싱층을 더 포함할 수 있다.
상기 포커싱층은 상기 픽셀렌즈보다 큰 굴절률을 가질 수 있다. 상기 포커싱층은 상기 픽셀렌즈보다 큰 면적을 가질 수 있다. 상기 픽셀렌즈와 상기 광전변환소자 사이의 초점거리는 상기 포커싱층의 두께에 반비례할 수 있다. 상기 픽셀렌즈는 다층의 계단 형상을 가질 수 있다. 상기 픽셀렌즈에서, 상기 상부층에 의해 노출된 상기 하부층의 선폭은 입사광의 파장보다 작을 수 있다. 상기 픽셀렌즈에서, 상기 상부층에 의해 노출된 상기 하부층의 선폭은 상기 컬러필터층을 통과하여 색분리된 입사광의 파장보다 작을 수 있다. 상기 픽셀렌즈에서, 상기 복수의 집광층들 각각은 서로 동일한 형상을 가질 수 있고, 서로 평행하게 배치될 수 있다. 상기 픽셀렌즈에서, 상기 상부층의 두께는 상기 하부층의 두께와 동일하거나, 또는 더 얇을 수 있다. 상기 픽셀렌즈에서, 상기 상부층의 굴절률은 상기 하부층의 굴절률과 동일하거나, 또는 더 작을 수 있다. 상기 픽셀렌즈 상에 형성된 반사방지층을 더 포함할 수 있다. 상기 컬러필터층은 상기 픽셀렌즈 전면을 덮고 평탄한 표면을 가질 수 있다. 상기 컬러필터층은 상기 픽셀렌즈보다 작은 굴절률을 가질 수 있다. 상기 반사방지 구조물은, 상기 컬러필터층 상에 형성되고 서로 다른 굴절률을 갖는 둘 이상의 물질층이 1회 이상 교번 적층된 반사방지층을 포함할 수 있다. 상기 반사방지 구조물은, 상기 컬러필터층 상에 형성된 반구형 렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전자장치는 광학시스템; 상기 광학 시스템으로부터 광을 수신하고 복수의 단위픽셀들이 매트릭스 구조로 배열된 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서; 및 상기 이미지 센서로부터 출력된 신호에 대해 신호 처리 동작을 수행하는 신호 처리부를 포함하고, 상기 복수의 단위픽셀들 각각은, 광전변환소자를 포함한 기판; 상기 기판상에 형성되고 상부층보다 하부층의 면적이 더 큰 복수의 집광층들을 포함하는 픽셀렌즈; 상기 픽셀렌즈를 덮는 컬러필터층; 및 상기 컬러필터층 상에 형성된 반사방지 구조물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 광전변환소자와 상기 픽셀렌즈 사이에 삽입된 포커싱층을 더 포함할 수 있다.
상기 포커싱층은 상기 픽셀렌즈보다 큰 굴절률을 가질 수 있고, 상기 컬러필터층은 상기 픽셀렌즈보다 작은 굴절률을 가질 수 있다. 상기 픽셀렌즈와 상기 광전변환소자 사이의 초점거리는 상기 포커싱층의 두께에 반비례할 수 있다. 상기 픽셀렌즈에서, 상기 상부층에 의해 노출된 상기 하부층의 선폭은 입사광의 파장보다 작을 수 있다. 상기 반사방지 구조물은 서로 다른 굴절률을 갖는 둘 이상의 물질층이 1회 이상 교번 적층된 반사방지층 또는 반구형 렌즈를 포함할 수 있다.
상술한 과제의 해결 수단을 바탕으로 하는 본 기술은 픽셀렌즈를 구비함으로써, 단위픽셀에서의 집광효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 컬러필터층이 픽셀렌즈를 덮는 형상을 가짐으로써, 단위픽셀에서의 집광효율을 더욱더 향상시킬 수 있다.
이처럼, 단위픽셀에서의 집광효율이 향상됨에 따라 광전변환소자에서의 양자효율도 향상시킬 수 있다. 결과적으로, 이미지 센서의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 블럭도.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀을 도시한 단면도.
도 2b는 도 2a의 변형예를 도시한 단면도.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 포커싱층 및 픽셀렌즈의 일례를 도시한 사시도.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 포커싱층 및 픽셀렌즈에서 반사방지층의 형성위치를 예시한 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치를 간략히 도시한 도면.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀을 도시한 단면도.
도 2b는 도 2a의 변형예를 도시한 단면도.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 포커싱층 및 픽셀렌즈의 일례를 도시한 사시도.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 포커싱층 및 픽셀렌즈에서 반사방지층의 형성위치를 예시한 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치를 간략히 도시한 도면.
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도면은 반드시 일정한 비율로 도시된 것이라 할 수 없으며, 몇몇 예시들에서, 실시예의 특징을 명확히 보여주기 위하여 도면에 도시된 구조물 중 적어도 일부의 비례는 과장될 수도 있다. 도면 또는 상세한 설명에 둘 이상의 층을 갖는 다층 구조물이 개시된 경우, 도시된 것과 같은 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 특정 실시예를 반영할 뿐이어서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 달라질 수도 있다. 또한, 다층 구조물의 도면 또는 상세한 설명은 특정 다층 구조물에 존재하는 모든 층들을 반영하지 않을 수도 있다(예를 들어, 도시된 두 개의 층 사이에 하나 이상의 추가 층이 존재할 수도 있다). 예컨대, 도면 또는 상세한 설명의 다층 구조물에서 제1 층이 제2 층 상에 있거나 또는 기판상에 있는 경우, 제1 층이 제2 층 상에 직접 형성되거나 또는 기판상에 직접 형성될 수 있음을 나타낼 뿐만 아니라, 하나 이상의 다른 층이 제1 층과 제2 층 사이 또는 제1 층과 기판 사이에 존재하는 경우도 나타낼 수 있다.
후술하는 본 발명의 실시예는 성능이 향상된 이미지 센서 및 이를 구비하는 전자장치를 제공한다. 여기서, 성능이 향상된 이미지 센서는 단위픽셀(Unit pixel)에서의 집광효율이 향상된 것을 의미할 수 있다. 일반적으로, 이미지 센서는 복수의 단위픽셀들을 구비하고, 복수의 단위픽셀들 각각에 대응하도록 반구형(semi-spherical type)의 마이크로 렌즈(Micro Lens, ML)가 광전변환소자(photoelectric conversion element) 상부에 설치되어 있다. 마이크로 렌즈를 통해 입사광을 광전변환소자로 집광시키며, 마이크로 렌즈에 의해 단위픽셀에서의 집광효율이 결정된다. 여기서, 집광효율은 마이크로 렌즈와 광전변환소자 사이의 초점거리에 따라 제어될 수 있다.
그러나, 공지된 마이크로 렌즈는 곡률을 변화시키는 방법으로 마이크로 렌즈와 광전변환소자 사이의 초점거리를 가변하기 때문에 초점거리 조절이 쉽지 않다. 이는, 마이크로 렌즈가 렌즈 형성 물질 예컨대, 레지스트(resist)를 리플로우(reflow) 시키는 방법으로 형성하기 때문에 공정이 복잡하고 원하는 곡률을 갖는 반구 형상을 구현하기 어렵다. 또한, 마이크로 렌즈가 컬러필터층 상에 형성되기 때문에 적용 가능 물질이 제한적인 것도 다른 이유이다. 아울러, 리플로우 방법은 고비용이 소요되고, 반구 형상만 구현이 가능하며, 대칭적이고 균일한 형상의 마이크로 렌즈를 형성하기 어렵다. 이는, 크로스토크를 증가시키는 원인으로 작용하기도 한다. 그리고, 마이크로 렌즈는 컬러필터층 상에 형성되기 때문에 적용물질이 제한적이다.
따라서, 후술하는 실시예는 상술한 마이크로 렌즈의 단점을 극복하여 단위픽셀에서의 집광효율이 향상된 이미지 센서 및 이를 구비한 전자장치를 제공한다. 이를 위해, 복수의 단위픽셀들 각각은 광전변환소자 상부에 형성되고 상부층보다 하부층의 면적 또는 선폭이 더 큰 복수의 집광층들으로 구성된 픽셀렌즈를 포함할 수 있다. 따라서, 픽셀렌즈는 다층의 계단 형상을 가질 수 있다. 다층의 계단 형상을 갖는 픽셀렌즈는 서브-웨이브랭스 광학(Sub-wavelength optics) 또는 서브-웨이브랭스 효과(Sub-wavelength effect)에 따라 반구형의 마이크로 렌즈와 같이 입사광의 집광이 가능하다. 아울러, 이미지 센서의 집적도 증가에 대응하여 제한된 면적내에서도 효과적인 집광이 가능하며, 초점거리 또한 쉽게 가변할 수 있다. 참고로, 서브-웨이브랭스 광학은 파장보다 작은 공간 스케일에서의 광학적 효과에 대한 연구로서, 광학적 효과를 얻을 수 있는 최소 공간 스케일은 파장의 절반(λ/2)에 해당하는 것으로 알려져 있으나, 서브-웨이브랭스 광학에 따르면 파장의 절반보다 더 작은 공간 스케일에서도 광학적 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 단위픽셀(110)들이 매트릭스 구조로 배열된 픽셀 어레이(pixel array, 100), 상관 이중 샘플링(correlated double sampling, CDS, 120), 아날로그-디지털 컨버터(analog digital converter, ADC, 130), 버퍼(Buffer, 140), 로우 드라이버(row driver, 150), 타이밍 제너레이터(timing generator, 160), 제어 레지스터(control register, 170) 및 램프 신호 제너레이터(ramp signal generator, 180)를 포함할 수 있다.
타이밍 제너레이터(160)는 로우 드라이버(150), 상관 이중 샘플링(120), 아날로그-디지털 컨버터(130) 및 램프 신호 제너레이터(180) 각각의 동작을 제어하기 위한 하나 이상의 제어 신호를 생성할 수 있다. 제어 레지스터(170)는 램프 신호 제너레이터(180), 타이밍 제너레이터(160) 및 버퍼(140) 각각의 동작을 제어하기 위한 하나 이상의 제어 신호를 생성할 수 있다.
로우 드라이버(150)는 픽셀 어레이(100)를 로우라인(row line) 단위로 구동할 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(150)는 복수의 로우라인(row line)들 중에서 어느 하나의 로우라인(row line)을 선택할 수 있는 선택 신호를 생성할 수 있다. 복수의 단위픽셀(110)들 각각은 입사광을 감지하여 이미지 리셋 신호와 이미지 신호를 컬럼라인(column line)을 통해 상관 이중 샘플링(120)으로 출력할 수 있다. 상관 이중 샘플링(120)은 수신된 이미지 리셋 신호와 이미지 신호 각각에 대하여 샘플링을 수행할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(130)는 램프 신호 제너레이터(180)로부터 출력된 램프 신호와 상관 이중 샘플링(120)으로부터 출력되는 샘플링 신호를 서로 비교하여 비교 신호를 출력할 수 있다. 타이밍 제너레이터(160)로부터 제공되는 클럭 신호에 따라 비교 신호의 레벨 전이(transition) 시간을 카운트하고, 카운트 값을 버퍼(140)로 출력할 수 있다. 램프 신호 제너레이터(180)는 타이밍 제너레이터(160)의 제어 하에 동작할 수 있다.
버퍼(140)는 아날로그-디지털 컨버터(130)로부터 출력된 복수의 디지털 신호 각각을 저장한 후 이들 각각을 감지 증폭하여 출력할 수 있다. 따라서, 버퍼(140)는 메모리(미도시)와 감지증폭기(미도시)를 포함할 수 있다. 메모리는 카운트 값을 저장하기 위한 것이며, 카운트 값은 복수의 단위픽셀(110)들로부터 출력된 신호에 연관된 카운트 값을 의미한다. 감지증폭기는 메모리로부터 출력되는 각각의 카운트 값을 감지하여 증폭할 수 있다.
상술한 이미지 센서에서 복수의 단위픽셀들은 각각의 집광효율을 향상시킬 수 있는 픽셀렌즈를 포함할 수 있다. 이하, 픽셀렌즈를 포함한 단위픽셀에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀을 도시한 단면도이고, 도 2b는 본 발명의 실시예에 대한 변형예를 도시한 단면도이다. 그리고, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 포커싱층 및 픽셀렌즈의 일례를 도시한 사시도이다.
도 2a, 도 2b 및 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 복수의 단위픽셀(110)들 각각은 광전변환소자(220)를 포함한 기판(210), 기판(210)상에 형성된 포커싱층(230), 포커싱층(230) 상에 형성되고 상부층이 하부층보다 작은 면적 또는 선폭을 갖는 복수의 집광층들을 포함하는 픽셀렌즈(240), 포커싱층(230) 상에 형성되어 픽셀렌즈(240)를 덮는 컬러필터층(250) 및 컬러필터층(250) 상에 형성된 반사방지 구조물(260, 270)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서 픽셀렌즈(240)는 포커싱층(230) 상에 형성된 제1집광층(241) 및 제1집광층(241) 상에 형성되고 제1집광층(241)보다 작은 면적을 갖는 제2집광층(242)으로 구성된 픽셀렌즈(240)를 예시하였다. 여기서, 제1집광층(241)이 하부층이고, 제2집광층(242)이 상부층이다. 따라서, 제1집광층(241)과 하부층 및 제2집광층(242)과 상부층은 서로 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
기판(210)은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 반도체 기판은 단결정 상태(Single crystal state)일 수 있으며, 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 즉, 기판(210)은 단결정의 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다.
광전변환소자(220)는 포토다이오드(Photo Diode)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(210)에 형성된 광전변환소자(220)는 수직적으로 중첩되는 복수의 광전변환층(미도시)을 포함할 수 있으며, 복수의 광전변환층 각각은 N형 불순물영역과 P형 불순물영역을 포함하는 포토다이오드일 수 있다.
포커싱층(230)은 픽셀렌즈(240)를 통해 집광된 입사광이 광전변환소자(220)에 도달하는 거리 즉, 초점거리를 조절하는 역할을 수행한다. 포커싱층(230)을 구비함으로써, 반구형의 마이크로 렌즈와 같이 곡률을 가변하지 않고도 초점거리를 조절할 수 있으며, 제한된 공간내에서 보다 짧은 초점거리를 구현할 수 있다. 여기서, 초점거리는 포커싱층(230)의 두께(T)에 반비례할 수 있다. 예를 들어, 포커싱층(230)의 두께(T)가 증가할수록 초점거리는 짧아질 수 있고, 포커싱층(230)의 두께(T)가 얇아질수록 초점거리가 길어질 수 있다.
픽셀렌즈(240)를 통해 집광된 입사광을 효과적으로 광전변환소자(220)에 전달하기 위해 포커싱층(230)은 픽셀렌즈(240)보다 큰 면적을 가질 수 있다. 포커싱층(230)은 각각의 단위픽셀(110)에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 따라서, 인접한 단위픽셀(110) 사이에서 포커싱층(230)은 서로 접할 수 있다. 일례로, 포커싱층(230)은 사각형일 수 있다.
픽셀렌즈(240)를 통해 집광된 입사광을 보다 효과적으로 광전변환소자(220)에 전달하기 위해 포커싱층(230)은 픽셀렌즈(240)보다 큰 굴절률을 가질 수 있다. 포커싱층(230)으로는 픽셀렌즈(240)보다 큰 굴절률을 갖는 투광성 물질을 모두 적용할 수 있다. 여기서, 포커싱층(230)은 컬러필터층(250) 하부에 위치하기 때문에 통상적인 반도체 제조 공정에서 사용되는 다양한 물질을 적용할 수 있다. 예를 들어, 포커싱층(230)으로 적용 가능한 투광성 물질은 무기물질일 수 있으며, 무기물질로는 실리콘산화물, 실리콘질화물, 티타늄질화물등을 사용할 수 있다. 포커싱층(230)은 단일층이거나, 또는 서로 다른 굴절률을 갖는 투광성 물질들이 적층된 다중층일 수 있다. 포커싱층(230)이 다중층인 경우에 포커싱층(230)의 굴절률은 기울기를 가질 수 있으며, 광전변환소자(220)에 인접할수록 또는 픽셀렌즈(240)에서 멀어질수록 포커싱층(230)의 굴절률이 증가할 수 있다.
픽셀렌즈(240)는 입사광을 집광하는 집광부재로 작용할 수 있다. 집광효율을 향상시키기 위해 픽셀렌즈(240)는 상부층(242)이 하부층(241)보다 작은 면적 또는 선폭을 갖는 둘 이상의 집광층들(241, 242)이 적층된 다중층일 수 있다. 따라서, 픽셀렌즈(240)는 다층의 계단 형상을 가질 수 있다. 픽셀렌즈(240)가 다층의 계단 형상을 가짐에 따라 상부층(242)에 의해 노출된 하부층(241)의 선폭(W1, W2) 또는 어느 하나의 일측 측벽을 기준으로 상부층(242)과 하부층(241) 사이의 선폭(W1, W2)은 입사광의 파장보다 작을 수 있다. 보다 구체적으로, 상부층(242)과 하부층(241) 사이의 선폭(W1, W2)은 컬러필터층(250)을 통과하여 색분리된 입사광의 파장보다 작을 수 있다. 이를 통해, 다층의 계단 형상을 갖는 픽셀렌즈(240)도 반구형 렌즈와 같은 집광이 가능하다. 이는, 서브-웨이브랭스 광학에 따른 것이다. 상부층(242)과 하부층(241) 사이의 선폭(W1, W2)은 기준이 되는 측벽에 따라 서로 동일하거나(W1=W2), 또는 서로 상이할 수 있다(W1≠W2).
복수의 집광층들(241, 242)은 서로 동일한 형상을 가질 수 있고, 복수의 집광층들(241, 242) 각각은 서로 평행하게 배치될 수 있다. 구체적으로, 복수의 집광층들(241, 242)은 사각형 이상의 다각형 또는 원형일 수 있다.
집광효율을 더 향상시키기 위해 상부층(242)의 두께(t2)는 하부층(241)의 두께(t1)와 동일하거나(t1=t2), 또는 더 얇을 수 있다(t1>t2). 아울러, 집광효율을 더욱더 향상시키기 위해 상부층(242)의 굴절률은 하부층(241)의 굴절률과 동일하거나, 또는 더 작을 수 있다. 복수의 집광층들(241, 242)은 투광성 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 상부층(242)과 하부층(241)의 굴절률이 동일한 경우에 이들은 서로 동일한 물질일 수 있다. 복수의 집광층들(241, 242) 즉, 픽셀렌즈(240)는 컬러필터층(250) 하부에 위치하기 때문에 통상적인 반도체 제조 공정에서 사용되는 다양한 물질을 적용할 수 있다. 예를 들어, 복수의 집광층들(241, 242)로 적용 가능한 투광성 물질은 무기물질일 수 있으며, 무기물질로는 실리콘산화물, 실리콘질화물, 티타늄질화물등을 사용할 수 있다. 그리고, 복수의 집광층들(241, 242) 각각은 단일층이거나, 또는 서로 다른 굴절률을 갖는 투광성 물질들이 적층된 다중층일 수 있다. 집광층이 다중층인 경우에 집광층의 굴절률은 기울기를 가질 수 있으며, 광전변환소자(220) 또는 포커싱층(230)에 인접할수록 집광층의 굴절률이 증가할 수 있다.
컬러필터층(250)은 색분리(color seperation)를 위한 것으로, 포커싱층(230) 상에 형성되어 픽셀렌즈(240)의 전면을 덮고, 평탄한 표면을 가질 수 있다. 여기서, 컬러필터층(250)이 픽셀렌즈(240)에 접하여 픽셀렌즈(240)를 덮는 형태를 갖기 때문에 컬러필터층(250)과 픽셀렌즈(240) 사이의 광투과율을 향상시킬 수 있다. 즉, 집광효율을 향상시킬 수 있다. 컬러필터층(250)은 레드필터, 그린필터, 블루필터, 사이언필터, 옐로우필터, 마젠타필터, 적외선패스필터, 적외선차단필터 및 화이트필터를 포함하는 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 집광효율을 더욱더 향상시키기 위해 컬러필터층(250)은 픽셀렌즈(240)보다 작은 굴절률을 가질 수 있다.
반사방지 구조물(260, 270)은 컬러필터층(250) 상에 형성되어 서로 다른 굴절률을 갖는 둘 이상의 물질층이 1회 이상 교번 적층된 반사방지층(260) 또는 반구형 렌즈(270)를 포함할 수 있다. 반구형 렌즈(270)는 입사광의 반사방지 기능과 더불어서 픽셀렌즈(240)로 입사광을 집광시키는 기능도 수행할 수 있다.
상술한 구조를 갖는 이미지 센서는 다층의 계단 형상을 갖는 픽셀렌즈(240)를 구비함으로써, 단위픽셀(110)에서의 집광효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 컬러필터층(250)이 픽셀렌즈(240)를 덮는 형상을 가짐으로써, 단위픽셀(110)에서의 집광효율을 더욱더 향상시킬 수 있다. 이처럼, 단위픽셀(110)에서의 집광효율이 향상됨에 따라 광전변환소자(220)에서의 양자효율도 향상시킬 수 있다. 결과적으로, 이미지 센서의 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 실시예에 따른 이미지 센서에서 포커싱층 및 픽셀렌즈는 복수의 물질층이 적층된 구조를 갖기 때문에 각 층 사이에 반사방지층을 용이하게 삽입할 수 있다. 반사방지층은 입사광이 표면에서 반사되는 것을 방지하여 광량 저하에 따른 집광효율 감소를 방지할 수 있으나, 반구형의 마이크로 렌즈를 구비한 이미지 센서에서는 형성위치가 제한적이다. 이하, 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 4a 내지 도 4d에서 예시된 제1반사방지층 내지 제5반사방지층은 서로 다른 굴절률을 갖는 둘 이상의 물질층이 1회 이상 교번 적층된 다중층을 의미할 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 포커싱층 및 픽셀렌즈에서 반사방지층의 형성위치를 예시한 단면도이다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 포커싱층(230) 하부에 제1반사방지층(281)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1반사방지층(281)은 광전변환소자를 포함한 기판과 포커싱층(230) 사이에 형성된 것일 수 있다. 그리고, 포커싱층(230)과 픽셀렌즈(240) 사이에 제2반사방지층(282)이 형성될 수 있다. 제1반사방지층(281) 및 제2반사방지층(282)은 각각 포커싱층(230) 형성 전후에 증착공정을 진행하여 형성할 수 있다.
다음으로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 픽셀렌즈(240) 상에 제3반사방지층(283)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 제3반사방지층(283)은 픽셀렌즈(240)와 컬러필터층 사이에 형성된 것일 수 있다. 제3반사방지층(283)은 픽셀렌즈(240)를 형성한 이후에 구조물 표면을 따라 일정한 두께를 갖도록 증착공정을 진행하여 형성할 수 있다.
다음으로, 도 4c에 도시된 바와 같이, 제1집광층(241) 상에 제4반사방지층(284)이 형성될 수 있고, 제2집광층(242) 상에 제5반사방지층(285)이 형성될 수 있다. 제4반사방지층(284) 및 제5반사방지층(285)은 각각 제1집광층(241) 및 제2집광층(242) 형성공정시 함께 형성된 것일 수 있다. 제1집광층(241)과 제2집광층(242)의 굴절률이 서로 상이한 경우, 제4반사방지층(284)은 제1집광층(241)과 제2집광층(242) 경계면에서 발생하는 표면 반사를 방지할 수 있다.
다음으로, 도 4d에 도시된 바와 같이, 제1반사방지층(281) 내지 제5반사방지층(285)이 모두 형성될 수도 있다.
이처럼, 실시예에 따른 이미지 센서에서 포커싱층(230) 및 픽셀렌즈(240)는 복수의 물질층이 적층된 구조를 갖기 때문에 각 층 사이에 반사방지층을 용이하게 삽입할 수 있다. 이를 통해, 집광효율을 더욱더 향상시킬 수 있다.
상술한 실시예에 따른 이미지 센서는 다양한 전자장치 또는 시스템에 이용될 수 있다. 이하에서는, 도 5를 참조하여 카메라에 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 적용한 경우를 예시하여 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치를 간략히 도시한 도면이다.
도 5를 참조하여, 실시예에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치는 정지영상 또는 동영상을 촬영할 수 있는 카메라일 수 있다. 전자장치는 광학 시스템(310, 또는, 광학 렌즈), 셔터 유닛(311), 이미지 센서(300) 및 셔터 유닛(311)을 제어/구동하는 구동부(313) 및 신호 처리부(312)를 포함할 수 있다.
광학 시스템(310)은 피사체로부터의 이미지 광(입사광)을 이미지 센서(300)의 픽셀 어레이(도 1의 도면부호 '100' 참조)로 안내한다. 광학 시스템(310)은 복수의 광학 렌즈로 구성될 수 있다. 셔터 유닛(311)은 이미지 센서(300)에 대한 광 조사 기간 및 차폐 기간을 제어한다. 구동부(313)는 이미지 센서(300)의 전송 동작과 셔터 유닛(311)의 셔터 동작을 제어한다. 신호 처리부(312)는 이미지 센서(300)로부터 출력된 신호에 관해 다양한 종류의 신호 처리를 수행한다. 신호 처리 후의 이미지 신호(Dout)는 메모리 등의 저장 매체에 저장되거나, 모니터 등에 출력된다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내의 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
210 : 기판
220 : 광전변환소자
230 : 포커싱층 240 : 픽셀렌즈
250 : 컬러필터층 260, 270 : 반사방지 구조물
230 : 포커싱층 240 : 픽셀렌즈
250 : 컬러필터층 260, 270 : 반사방지 구조물
Claims (22)
- 광전변환소자를 포함한 기판;
상기 기판상에 형성되고 상부층보다 하부층의 면적이 더 큰 복수의 집광층들을 포함하는 픽셀렌즈;
상기 픽셀렌즈를 덮는 컬러필터층; 및
상기 컬러필터층 상에 형성된 반사방지 구조물
을 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 광전변환소자와 상기 픽셀렌즈 사이에 삽입된 포커싱층을 더 포함하는 이미지 센서.
- 제2항에 있어서,
상기 포커싱층은 상기 픽셀렌즈보다 큰 굴절률을 갖는 이미지 센서.
- 제2항에 있어서,
상기 포커싱층은 상기 픽셀렌즈보다 큰 면적을 갖는 이미지 센서.
- 제2항에 있어서,
상기 픽셀렌즈와 상기 광전변환소자 사이의 초점거리는 상기 포커싱층의 두께에 반비례하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 픽셀렌즈는 다층의 계단 형상을 갖는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 픽셀렌즈에서,
상기 상부층에 의해 노출된 상기 하부층의 선폭은 입사광의 파장보다 작은 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 픽셀렌즈에서,
상기 상부층에 의해 노출된 상기 하부층의 선폭은 상기 컬러필터층을 통과하여 색분리된 입사광의 파장보다 작은 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 픽셀렌즈에서,
상기 복수의 집광층들 각각은 서로 동일한 형상을 갖고, 서로 평행하게 배치되는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 픽셀렌즈에서,
상기 상부층의 두께는 상기 하부층의 두께와 동일하거나, 또는 더 얇은 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 픽셀렌즈에서,
상기 상부층의 굴절률은 상기 하부층의 굴절률과 동일하거나, 또는 더 작은 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 픽셀렌즈 상에 형성된 반사방지층을 더 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 컬러필터층은 상기 픽셀렌즈 전면을 덮고 평탄한 표면을 갖는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 컬러필터층은 상기 픽셀렌즈보다 작은 굴절률을 갖는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 반사방지 구조물은,
상기 컬러필터층 상에 형성되고 서로 다른 굴절률을 갖는 둘 이상의 물질층이 1회 이상 교번 적층된 반사방지층을 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 반사방지 구조물은,
상기 컬러필터층 상에 형성된 반구형 렌즈를 포함하는 이미지 센서.
- 광학시스템;
상기 광학 시스템으로부터 광을 수신하고 복수의 단위픽셀들이 매트릭스 구조로 배열된 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서; 및
상기 이미지 센서로부터 출력된 신호에 대해 신호 처리 동작을 수행하는 신호 처리부를 포함하고,
상기 복수의 단위픽셀들 각각은,
광전변환소자를 포함한 기판;
상기 기판상에 형성되고 상부층보다 하부층의 면적이 더 큰 복수의 집광층들을 포함하는 픽셀렌즈;
상기 픽셀렌즈를 덮는 컬러필터층; 및
상기 컬러필터층 상에 형성된 반사방지 구조물
을 포함하는 전자장치.
- 제17항에 있어서,
상기 광전변환소자와 상기 픽셀렌즈 사이에 삽입된 포커싱층을 더 포함하는 전자장치.
- 제18항에 있어서,
상기 포커싱층은 상기 픽셀렌즈보다 큰 굴절률을 갖고,
상기 컬러필터층은 상기 픽셀렌즈보다 작은 굴절률을 갖는 전자장치.
- 제18항에 있어서,
상기 픽셀렌즈와 상기 광전변환소자 사이의 초점거리는 상기 포커싱층의 두께에 반비례하는 전자장치.
- 제17항에 있어서,
상기 픽셀렌즈에서,
상기 상부층에 의해 노출된 상기 하부층의 선폭은 입사광의 파장보다 작은 전자장치.
- 제17항에 있어서,
상기 반사방지 구조물은 서로 다른 굴절률을 갖는 둘 이상의 물질층이 1회 이상 교번 적층된 반사방지층 또는 반구형 렌즈를 포함하는 전자장치.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW104119888A TWI697111B (zh) | 2014-08-22 | 2015-06-18 | 影像感測器及具有該影像感測器的電子裝置 |
| US14/743,959 US10115757B2 (en) | 2014-08-22 | 2015-06-18 | Image sensor and electronic device having the same |
| CN201510490671.5A CN105390512B (zh) | 2014-08-22 | 2015-08-11 | 图像传感器及具有该图像传感器的电子装置 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140109587 | 2014-08-22 | ||
| KR20140109587 | 2014-08-22 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20160024345A true KR20160024345A (ko) | 2016-03-04 |
| KR102394277B1 KR102394277B1 (ko) | 2022-05-06 |
Family
ID=55536000
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020150048436A KR102394277B1 (ko) | 2014-08-22 | 2015-04-06 | 이미지 센서 및 이를 구비하는 전자장치 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102394277B1 (ko) |
| TW (1) | TWI697111B (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101724086B1 (ko) * | 2016-07-08 | 2017-04-06 | 군산대학교 산학협력단 | 3차원 적층 이미지 센서 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070035847A1 (en) * | 2005-08-11 | 2007-02-15 | Micron Technology, Inc. | Method and apparatus providing graded-index microlenses |
| KR101001814B1 (ko) * | 2007-06-21 | 2010-12-17 | 가부시끼가이샤 도시바 | 어레이형 수광 소자 및 집광 방법 |
| KR20120121728A (ko) * | 2011-04-27 | 2012-11-06 | 에스케이하이닉스 주식회사 | 이미지 센서 및 그 제조방법 |
| WO2014122804A1 (ja) * | 2013-02-05 | 2014-08-14 | 富士フイルム株式会社 | 画像処理装置、撮像装置、画像処理方法及びプログラム |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101176545B1 (ko) * | 2006-07-26 | 2012-08-28 | 삼성전자주식회사 | 마이크로 렌즈의 형성방법과 마이크로 렌즈를 포함한이미지 센서 및 그의 제조방법 |
-
2015
- 2015-04-06 KR KR1020150048436A patent/KR102394277B1/ko active IP Right Grant
- 2015-06-18 TW TW104119888A patent/TWI697111B/zh active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070035847A1 (en) * | 2005-08-11 | 2007-02-15 | Micron Technology, Inc. | Method and apparatus providing graded-index microlenses |
| KR101001814B1 (ko) * | 2007-06-21 | 2010-12-17 | 가부시끼가이샤 도시바 | 어레이형 수광 소자 및 집광 방법 |
| KR20120121728A (ko) * | 2011-04-27 | 2012-11-06 | 에스케이하이닉스 주식회사 | 이미지 센서 및 그 제조방법 |
| WO2014122804A1 (ja) * | 2013-02-05 | 2014-08-14 | 富士フイルム株式会社 | 画像処理装置、撮像装置、画像処理方法及びプログラム |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101724086B1 (ko) * | 2016-07-08 | 2017-04-06 | 군산대학교 산학협력단 | 3차원 적층 이미지 센서 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201608711A (zh) | 2016-03-01 |
| TWI697111B (zh) | 2020-06-21 |
| KR102394277B1 (ko) | 2022-05-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102577844B1 (ko) | 이미지 센서 | |
| KR100874954B1 (ko) | 후면 수광 이미지 센서 | |
| KR102372745B1 (ko) | 이미지 센서 및 이를 구비하는 전자장치 | |
| JP6060851B2 (ja) | 固体撮像装置の製造方法 | |
| KR102431210B1 (ko) | 위상차 검출 픽셀을 구비한 이미지 센서 | |
| US10403664B2 (en) | Photoelectric conversion apparatus and imaging system | |
| CN105390512B (zh) | 图像传感器及具有该图像传感器的电子装置 | |
| CN102881699A (zh) | 固态成像器件、固态成像器件的制造方法以及电子装置 | |
| TWI579598B (zh) | 影像感測裝置、ｃｉｓ結構及其形成方法 | |
| KR20110112206A (ko) | 고체 이미지 센서 및 촬상 시스템 | |
| US9780132B2 (en) | Image sensor and electronic device including the same | |
| JP2007282054A (ja) | 固体撮像装置、カメラおよび信号処理方法 | |
| US20220181372A1 (en) | Image sensor including auto-focus pixels | |
| US9583522B2 (en) | Image sensor and electronic device including the same | |
| US8350349B2 (en) | Solid-state imaging device, method of manufacturing thereof, and electronic apparatus | |
| KR20170037053A (ko) | 이미지 센서 | |
| US9723188B2 (en) | Image sensor, method of manufacturing the image sensor, and electronic device including the image sensor | |
| US9159756B2 (en) | Solid-state imaging device and manufacturing method of the same | |
| KR102160237B1 (ko) | 마이크로 렌즈를 갖는 이미지 센서 | |
| KR102372736B1 (ko) | 위상차 검출 픽셀을 구비하는 이미지 센서 | |
| KR102394277B1 (ko) | 이미지 센서 및 이를 구비하는 전자장치 | |
| US20220293659A1 (en) | Image sensing device | |
| KR101305608B1 (ko) | 이미지 센서 | |
| KR102396031B1 (ko) | 이미지 센서 및 이를 구비하는 전자장치 | |
| KR102318758B1 (ko) | 이미지 센서 및 이를 구비하는 전자장치 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right |