KR20160028196A - 위상차 검출 픽셀을 구비한 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 기술은 외부에서 유입되는 신호의 양이 감소하는 것을 방지할 수 있는 위상차 검출 픽셀을 구비한 이미지 센서를 제공하기 위한 것으로, 광전변환층; 및 상기 광전변환층 상부에 형성되어 상부층이 하부층보다 작은 선폭을 갖는 복수의 집광층들을 포함하는 픽셀렌즈를 포함하고, 상기 픽셀렌즈에서 각각의 상기 집광층은 일측 측벽이 서로 정렬된 형태를 가질 수 있다.

Description

위상차 검출 픽셀을 구비한 이미지 센서{IMAGE SENSOR HAVING THE PHASE DIFFERENCE DETECTION PIXEL}
본 발명은 반도체 장치 제조 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 위상차 검출 픽셀을 구비한 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서의 픽셀을 이용한 위상차 검출은 두 개의 픽셀이 한 쌍이 되어 특정 방향에 대해서만 입사광이 유입될 수 있도록 광전변환층 상단에 특정 물질층을 이용하여 각각 다른 영역을 차단하는 구조물을 갖는다. 이때, 초점이 맞지 않을 경우 위와 같이 제작된 한 쌍의 픽셀에 위상차가 발생하게 되며, 이를 이용하여 별도의 오토 포커싱(AF) 센서 모듈 없이도 초점을 자동으로 조정할 수 있는 카메라를 제작할 수 있다.
그러나, 종래기술에서의 위상차 검출 픽셀은 위상차 검출을 위해 광전변환층 상단의 일부 영역을 차단하는 구조물로 인해 외부에서 유입되는 신호의 양의 감소하는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 외부에서 유입되는 신호의 양이 감소하는 것을 방지할 수 있는 위상차 검출 픽셀을 구비한 이미지 센서를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 광전변환층; 및 상기 광전변환층 상부에 형성되어 상부층이 하부층보다 작은 선폭을 갖는 복수의 집광층들을 포함하는 픽셀렌즈를 포함하고, 상기 픽셀렌즈에서 각각의 상기 집광층은 일측 측벽이 서로 정렬된 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 픽셀렌즈의 상부 또는 하부에 형성된 필터층을 더 포함할 수 있다.
상기 픽셀렌즈에서 각각의 상기 집광층은 서로 동일한 평면형상을 가질 수 있다. 상기 픽셀렌즈에서 각각의 상기 집광층 평면형상은 사각형 이상의 다각형을 포함할 수 있다. 각각의 상기 집광층 중심에서 정렬된 측벽을 바라보는 방향(이하, 제1방향)에서 상기 픽셀렌즈는 상부층이 하부층보다 작은 선폭을 가질 수 있다. 상기 제1방향과 교차하는 제2방향으로 상기 픽셀렌즈는 상부층이 하부층보다 작은 선폭을 갖거나, 또는 동일한 선폭을 가질 수 있다. 상기 픽셀렌즈에서 최하층 집광층 선폭(또는 면적)은 상기 광전변환층의 선폭(또는 면적)과 동일하거나, 또는 더 클 수 있다.
본 발명의 실시예는 적어도 한 쌍의 위상차 검출 픽셀을 포함한 복수의 픽셀들이 2차원 배열된 픽셀 어레이를 구비한 이미지 센서에서, 상기 한 쌍의 위상차 검출 픽셀 각각은, 광전변환층; 및 상기 광전변환층 상에 형성되어 상부층이 하부층보다 작은 선폭을 갖는 복수의 집광층들로 구성되고 각각의 상기 집광층은 일측 측벽이 서로 정렬된 픽셀렌즈를 포함하고, 상기 한 쌍의 위상차 검출 픽셀은, 각각의 상기 집광층 중심에서 정렬된 측벽을 바라보는 방향이 정반대인 제1픽셀 및 제2픽셀을 포함할 수 있다. 또한, 상기 한 쌍의 위상차 검출 픽셀 각각은 상기 픽셀렌즈의 상부 또는 하부에 형성된 필터층을 더 포함할 수 있다. 상기 제1픽셀의 필터층과 상기 제2픽셀의 필터층은 서로 동일할 수 있다.
각각의 상기 집광층 중심에서 정렬된 측벽을 바라보는 방향(이하, 제1방향)에서 상기 픽셀렌즈는 상부층이 하부층보다 작은 선폭을 가질 수 있다. 상기 제1방향과 교차하는 제2방향으로 상기 픽셀렌즈는 상부층이 하부층보다 작은 선폭을 갖거나, 또는 동일한 선폭을 가질 수 있다. 상기 픽셀렌즈에서 최하층 집광층 선폭(또는 면적)은 상기 광전변환층의 선폭(또는 면적)과 동일하거나, 또는 더 클 수 있다. 상기 픽셀 어레이에서 상기 제1픽셀 및 상기 제2픽셀은 동일한 행 또는 동일한 열에서 서로 인접하게 배치되거나, 또는 상호 이격되어 배치될 수 있다. 상기 픽셀 어레이에서 상기 제1픽셀 및 상기 제2픽셀은 서로 다른 행 또는 서로 다른 열에서 서로 인접하게 배치되거나, 또는 상호 이격되어 배치될 수 있다.
상술한 과제의 해결 수단을 바탕으로 하는 본 기술은 위상차 검출을 위해 특정 방향의 입사광만을 광전변환층에 유입시키기 위해 픽셀렌즈를 사용함으로써, 차광마스크를 사용함에 따른 문제점들을 원천적으로 방지할 수 있다.
도 1은 위상차 검출 원리를 비교예에 따른 위상차 검출 픽셀을 참조하여 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 위상차 검출 픽셀을 도시한 평면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 위상차 검출 픽셀을 도 2에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 위상차 검출 픽셀에서 픽셀렌즈의 변형예를 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 위상차 검출 픽셀을 구비한 이미지 센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 위상차 검출을 위해 특정 방향의 입사광만이 광전변환층에 유입되도록 입사광을 일부 차단하는 구조물(이하, 차광마스크)에 기인한 특성 열화를 방지할 수 있는 위상차 검출 픽셀을 구비한 이미지 센서를 제공한다.
실시예에 따른 위상차 검출 픽셀을 설명하기에 앞서, 특정 방향의 입사광을 광전변환층에 유입시켜 위상 차이를 검출하는 기본원리에 대해 차광마스크를 구비한 위상차 검출 픽셀을 비교예로 하여 설명하기로 한다.
도 1은 위상차 검출 원리를 비교예에 따른 위상차 검출 픽셀을 참조하여 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하여 위상 차이를 검출하기 위한 위상차 검출 픽셀은 제1픽셀(10)과 제2픽셀(20)을 필요로한다. 제1픽셀(10) 및 제2픽셀(20) 각각은 광전변환층(11, 21), 차광마스크(12, 22) 및 마이크로렌즈(13, 23)를 포함한다. 차광마스크(12, 22)는 광전변환층(11, 21)의 일부 예컨대, 절반의 광전변환층(11, 21)에 입사광이 유입되는 것을 차단하는 역할을 수행할 수 있다.
촬영렌즈(imaging lens, 30)를 통과한 입사광은 마이크로렌즈(13, 23)을 통과해 광전변환층(11, 21)를 구비한 제1픽셀(10) 및 제2픽셀(20)로 유도된다. 제1픽셀(10) 및 제2픽셀(20)의 일부에는 촬영렌즈(30)로부터 동공(pupil, 31, 32)을 제한하는 오픈부(opening)가 구비되어 있다. 오픈부는 촬영렌즈(30)로부터 동공(31, 32)을 제한하는 차광마스크(12, 22)에 의해 정의된다. 차광마스크(12, 22)에 의해 촬영렌즈(30)의 각 동공(31, 32)에 해당하는 입사광이 제1픽셀(10) 및 제2픽셀(20)에 각각 수광되는 것을 동공 분할(pupil division)이라고 한다.
동공 분할된 제1픽셀(10) 및 제2픽셀(20)의 출력을 비교해보면, 형상은 같으나, 위치에 따른 출력 즉, 위상이 서로 다르다, 이는 촬영렌즈(30)의 동공(31, 32)으로부터의 입사광 결상 위치가 다르기 때문이다. 제1픽셀(10)과 제2픽셀(20)의 출력 차이 즉, 위상차를 이용하여 오토포커싱, 초점거리 측정, 3차원 이미지 구현이 가능하다.
여기서, 차광마스크(12, 22)를 구비한 위상차 검출 픽셀은 광전변환층(11, 21)에 유입되는 입사광을 일부 차단하기 때문에 외부로부터 유입되는 신호의 양이 감소하는 단점이 있다. 아울러, 복수의 픽셀들이 2차원 배열된 픽셀 어레이의 외각에 위치하거나, 또는 저조도 환경에서는 정상적인 기능을 수행하지 못하는 단점이 있다. 이를 개선하기 위해 위상차 검출 픽셀에 인접한 픽셀의 신호를 이용하는 경우에는 전체적인 초점값 산출 시간이 늦어지는 또 다른 단점이 발생하게 된다. 또한, 차광마스크를 형성하기 위한 별도의 공정을 필요로하기 때문에 생산성이 저하되는 단점도 있다.
따라서, 후술하는 실시예에서는 차광마스크를 사용하지 않고도, 특정 방향의 입사광만을 광전변환층에 유입시킬 수 있는 위상차 검출 픽셀을 제공한다. 이를 위해, 실시예에 따른 위상차 검출 픽셀은 차광마스크 대신하여 상부층이 하부층보다 작은 선폭을 갖는 복수의 집광층들로 구성되고 각각의 집광층은 일측 측벽이 서로 정렬된 형태를 갖는 픽셀렌즈를 사용한다. 이하, 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 위상차 검출 픽셀을 도시한 평면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 위상차 검출 픽셀을 도 2에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도이다. 그리고, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 위상차 검출 픽셀에서 픽셀렌즈의 변형예를 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 픽셀들이 2차원 배열된 픽셀 어레이를 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 픽셀들은 컬러 이미지를 구현하기 위한 복수의 컬러 검출 픽셀 및 오토포커싱, 초점거리 측정, 3차원 이미지 구현을 위한 복수의 위상차 검출 픽셀을 포함할 수 있다.
복수의 위상차 검출 픽셀은 서로 다른 방향의 입사광을 수광하는 두 개의 픽셀이 한 쌍이 되어 단위픽셀로 작용할 수 있다. 구체적으로, 위상차 검출을 위한 단위픽셀은 제1픽셀과 제2픽셀을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이에서 제1픽셀과 제2픽셀은 동일한 행 또는 열에서 서로 인접하게 배치되거나, 또는 상호 이격되어 배치될 수 있다. 또한, 픽셀 어레이에서 제1픽셀과 제2픽셀은 서로 다른 행 또는 열에서 서로 인접하게 배치되거나, 또는 상호 이격되어 배치될 수 있다.
실시예에 따른 복수의 위상차 검출 픽셀 각각은 광전변환층(202), 광전변환층(202) 상부에 형성되어 상부층이 하부층보다 작은 선폭을 갖는 복수의 집광층들(205, 206, 207)을 포함하는 픽셀렌즈(208, 209)를 포함할 수 있다.
광전변환층(202)은 기판(201)에 형성된 것일 수 있다. 기판(201)에 형성된 광전변환층(202)은 수직적으로 중첩되는 복수의 광전변환부들을 포함할 수 있다. 광전변환부 각각은 N형 불순물영역과 P형 불순물영역을 포함하는 포토다이오드(Photo Diode)일 수 있다. 기판(201)은 반도체 기판일 수 있으며, 단결정 상태(Single crystal state)의 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다.
픽셀렌즈(208, 209)는 입사광을 광전변환층(202)으로 집광시키는 역할을 수행할 수 있다. 이를 위해, 픽셀렌즈(208, 209)는 상부층이 하부층보다 작은 선폭을 갖는 복수의 집광층들(205, 206, 207)이 적층된 적층구조물일 수 있다. 일례로, 픽셀렌즈(208, 209)는 제1집광층(205), 제1집광층(205) 상에서 제1집광층(205)보다 작은 선폭을 갖는 제2집광층(206) 및 제2집광층(206) 상에서 제3집광층(207)보다 제3집광층(207)이 적층된 형태를 가질 수 있다. 이때, 최하층인 제1집광층(205)의 선폭 또는 면적은 광전변환층(202)의 선폭 또는 면적과 동일하거나, 또는 더 클 수 있다. 이는, 각각의 픽셀에서 광전변환층(202)의 수광면적을 최대한 활용하기 위함이다. 제1집광층(205) 내지 제3집광층(207) 각각이 선폭 및 두께는 요구되는 집광특성에 따라 조절이 가능하다. 제1집광층(205) 내지 제3집광층(207)은 산화물, 질화물 및 산화질화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나일 수 있으며, 서로 동일한 물질이거나, 또는 서로 상이할 물질일 수 있다.
위상차 검출 픽셀에서의 픽셀렌즈(208, 209)는 특정 방향의 입사광만을 광전변환층(202)으로 유입시키기 위해 픽셀렌즈(208, 209)에서 각각의 집광층은 일측 측벽이 서로 정렬될 수 있다. 이때, 제1픽셀의 픽셀렌즈(208)에서 각각의 집광층 중심에서 정렬된 측벽을 바라보는 방향과 제2픽셀의 픽셀렌즈(209)에서 각각의 집광층 중심에서 정렬된 측벽을 바라보는 방향은 정반대일 수 있다.
픽셀렌즈(208, 209)에서 각각의 집광층은 서로 동일한 평면형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 각각의 집광층 평면형상은 사각형(도 4a 및 도 4c 참조) 및 사각형 이상의 다각형 예컨대, 육각형, 원형(도 4b 참조), 타원형(도 2 참조) 등일 수 있다. 각각의 집광층 중심에서 정렬된 측벽을 바라보는 방향(이하, 제1방향)으로 픽셀렌즈(208, 209)는 상부층이 하부층보다 작은 선폭을 가질 수 있다. 아울러, 제1방향과 교차하는 제2방향으로 픽셀렌즈(208, 209)는 상부층이 하부층보다 작은 선폭을 갖거나(도 2, 도 4a 및 도 4b 참조), 또는 동일한 선폭을 가질 수 있다(도 4c 참조).
실시예에 따른 복수의 위상차 검출 픽셀 각각은 픽셀렌즈(208, 209) 하부 또는 상부에 형성된 필터층(203, 204)을 더 포함할 수 있다. 참고로, 도 3에서는 픽셀렌즈(208, 209) 하부에 필터층(203, 204)이 형성된 경우를 도시하였다. 필터층(203, 204)은 특정 파장 대역의 입사광을 통과시키는 역할을 수행하는 밴드패스필터일 수 있다. 따라서, 필터층(203, 204)은 컬러필터, 적외선필터등으로 작용할 수 있다. 제1픽셀의 필터층(203)과 제2픽셀의 필터층(204)은 서로 동일한 것일 수 있다. 이는, 필터층(203, 204)에 기인한 신호 차이 발생을 방지하기 위함이다.
상술한 실시예에 따른 위상차 검출 픽셀은 상부층이 하부층보다 작은 선폭을 갖는 복수의 집광층들(205, 206, 207)로 구성되고 각각의 집광층은 일측 측벽이 서로 정렬된 픽셀렌즈(208, 209)를 구비함으로써, 비교예의 차광마스크를 사용하지 않고도 특정 방향의 입사광만을 광전변환층(202)으로 유입시킬 수 있다. 따라서, 외부에서 유입되는 신호의 양이 감소하는 것을 방지함과 동시에 차광마스크를 사용함에 따른 문제점들을 원천적으로 방지할 수 있다.
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.
201 : 기판 202 : 광전변환층
203, 204 : 필터층 205, 206, 207 : 집광층
208, 209 : 픽셀렌즈

Claims (15)

  1. 광전변환층; 및
    상기 광전변환층 상부에 형성되어 상부층이 하부층보다 작은 선폭을 갖는 복수의 집광층들을 포함하는 픽셀렌즈를 포함하고,
    상기 픽셀렌즈에서 각각의 상기 집광층은 일측 측벽이 서로 정렬된 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀렌즈의 상부 또는 하부에 형성된 필터층을 더 포함하는 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀렌즈에서 각각의 상기 집광층은 서로 동일한 평면형상을 갖는 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 픽셀렌즈에서 각각의 상기 집광층 평면형상은 사각형 이상의 다각형을 포함하는 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 집광층 중심에서 정렬된 측벽을 바라보는 방향(이하, 제1방향)에서 상기 픽셀렌즈는 상부층이 하부층보다 작은 선폭을 갖는 이미지 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1방향과 교차하는 제2방향으로 상기 픽셀렌즈는 상부층이 하부층보다 작은 선폭을 갖거나, 또는 동일한 선폭을 갖는 이미지 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀렌즈에서 최하층 집광층 선폭(또는 면적)은 상기 광전변환층의 선폭(또는 면적)과 동일하거나, 또는 더 큰 이미지 센서.
  8. 적어도 한 쌍의 위상차 검출 픽셀을 포함한 복수의 픽셀들이 2차원 배열된 픽셀 어레이를 구비한 이미지 센서에서,
    상기 한 쌍의 위상차 검출 픽셀 각각은,
    광전변환층; 및
    상기 광전변환층 상에 형성되어 상부층이 하부층보다 작은 선폭을 갖는 복수의 집광층들로 구성되고 각각의 상기 집광층은 일측 측벽이 서로 정렬된 픽셀렌즈를 포함하고,
    상기 한 쌍의 위상차 검출 픽셀은,
    각각의 상기 집광층 중심에서 정렬된 측벽을 바라보는 방향이 정반대인 제1픽셀 및 제2픽셀을 포함하는 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 한 쌍의 위상차 검출 픽셀 각각은 상기 픽셀렌즈의 상부 또는 하부에 형성된 필터층을 더 포함하는 이미지 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1픽셀의 필터층과 상기 제2픽셀의 필터층은 서로 동일한 이미지 센서.
  11. 제8항에 있어서,
    각각의 상기 집광층 중심에서 정렬된 측벽을 바라보는 방향(이하, 제1방향)에서 상기 픽셀렌즈는 상부층이 하부층보다 작은 선폭을 갖는 이미지 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1방향과 교차하는 제2방향으로 상기 픽셀렌즈는 상부층이 하부층보다 작은 선폭을 갖거나, 또는 동일한 선폭을 갖는 이미지 센서.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 픽셀렌즈에서 최하층 집광층 선폭(또는 면적)은 상기 광전변환층의 선폭(또는 면적)과 동일하거나, 또는 더 큰 이미지 센서.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 픽셀 어레이에서 상기 제1픽셀 및 상기 제2픽셀은 동일한 행 또는 동일한 열에서 서로 인접하게 배치되거나, 또는 상호 이격되어 배치되는 이미지 센서.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 픽셀 어레이에서 상기 제1픽셀 및 상기 제2픽셀은 서로 다른 행 또는 서로 다른 열에서 서로 인접하게 배치되거나, 또는 상호 이격되어 배치되는 이미지 센서.
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