KR20160029643A - 이미지 센서, 그 제조방법 및 이를 구비한 전자장치 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서, 그 제조방법 및 이를 구비한 전자장치를 제공한다. 실시예에 따른 이미지 센서는 광전변환소자; 및 상기 광전변환소자 상부에 형성되고 상부층이 하부층보다 작은 면적을 가지며, 컬러필터물질을 포함하는 복수의 집광층들로 구성된 픽셀렌즈를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 장치 제조 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로 다층의 계단 형상을 갖는 집광부재를 포함하는 이미지 센서, 그 제조방법 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, 그 제조방법 및 이를 구비한 전자장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 광전변환소자; 및 상기 광전변환소자 상부에 형성되고 상부층이 하부층보다 작은 면적을 가지며, 컬러필터물질을 포함하는 복수의 집광층들로 구성된 픽셀렌즈를 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 이미지 센서는 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. 또한, 실시예에 따른 이미지 센서는 상기 광전변환소자와 상기 픽셀렌즈 사이 또는 상기 광전변환소자와 상기 포커싱층 사이에 게재된 반사방지층을 더 포함할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 이미지 센서는 상기 픽셀렌즈를 덮고 평탄한 상부면을 갖는 평탄화층; 및 상기 평탄화층 상에 형성된 반구형 렌즈을 더 포함할 수 있다.
상기 픽셀렌즈는 다층의 계단 형상을 가질 수 있다. 상기 픽셀렌즈는 상기 복수의 집광층들이 하나의 컬러필터물질로 구성된 일체형 구조물일 수 있다. 상기 픽셀렌즈에서 최하층 집광층의 두께는 색분리된 입사광의 파장길이에 비례할 수 있다. 상기 픽셀렌즈에서 상부층에 의해 노출된 하부층의 선폭은 입사광의 파장보다 작을 수 있다. 상기 픽셀렌즈에서 상기 복수의 집광층들 각각은 서로 동일한 형상을 갖고, 서로 평행하게 배치될 수 있다. 상기 픽셀렌즈에서 상부층의 두께는 하부층의 두께와 동일하거나, 또는 더 얇을 수 있다. 상기 픽셀렌즈에서 상기 복수의 집광층들은 서로 동일한 굴절률을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 제조방법은 광전변환소자가 형성된 기판상에 컬러필터물질을 포함하는 전사층을 형성하는 단계; 형성하고자 하는 픽셀렌즈의 형상이 음각된 스탬프를 준비하는 단계; 상기 스탬프를 상기 전사층을 향해 가압하여 상기 스탬프에 음각된 형상을 상기 전사층으로 각인시키는 단계; 각인된 상기 전사층을 경화시키는 단계; 및 상기 스탬프를 제거하여 상부층이 하부층보다 작은 면적을 갖는 복수의 집광층들로 구성된 픽셀렌즈를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전자장치는 광학시스템; 상기 광학 시스템으로부터 광을 수신하고, 수신된 광에 응답하여 소정의 신호를 출력하는 이미지 센서; 및 상기 이미지 센서로부터 출력된 신호에 대해 신호 처리 동작을 수행하는 신호 처리부를 포함하고, 상기 이미지 센서는, 광전변환소자; 및 상기 광전변환소자 상부에 형성되고 상부층이 하부층보다 작은 면적을 가지며, 컬러필터물질을 포함하는 복수의 집광층들로 구성된 픽셀렌즈를 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 전자장치에서 상기 이미지 센서는 상기 광전변환소자와 상기 픽셀렌즈 사이에 삽입된 포커싱층을 더 포함할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 전자장치에서 상기 이미지 센서 상기 광전변환소자와 상기 픽셀렌즈 사이 또는 상기 광전변환소자와 상기 포커싱층 사이에 게재된 반사방지층을 더 포함할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 전자장치에서 상기 이미지 센서는 상기 픽셀렌즈를 덮고 평탄한 상부면을 갖는 평탄화층; 및 상기 평탄화층 상에 형성된 반구형 렌즈을 더 포함할 수 있다.
상기 픽셀렌즈는 다층의 계단 형상을 가질 수 있다. 상기 픽셀렌즈는 상기 복수의 집광층들이 하나의 컬러필터물질로 구성된 일체형 구조물일 수 있다.
상술한 과제의 해결 수단을 바탕으로 하는 본 기술은 다층의 계단 형상을 갖는 픽셀렌즈를 구비함으로써, 단위픽셀에서의 집광효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 픽셀렌즈가 컬러필터로 작용함에 따라 단위픽셀에서의 집광효율을 더욱더 향상시킴과 동시에 이미지 센서의 크기(또는 높이)를 감소시킬 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 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀을 도시한 도면.
도 3은 제1실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀에서 픽셀렌즈를 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀을 도시한 도면.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 도시한 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치를 간략히 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀을 도시한 도면.
도 3은 제1실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀에서 픽셀렌즈를 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀을 도시한 도면.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 도시한 단면도.
도 6은 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 제1층이 제2층 상에 있거나 또는 기판상에 있는 경우, 제1층이 제2층 상에 직접 형성되거나 또는 기판상에 직접 형성될 수 있음을 나타낼 뿐만 아니라, 하나 이상의 다른 층이 제1층과 제2층 사이 또는 제1층과 기판 사이에 존재하는 경우도 나타낼 수 있다.
후술하는 본 발명의 실시예는 성능이 향상된 이미지 센서, 그 제조방법 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 형성되어 있다. 마이크로 렌즈를 통해 입사광을 광전변환소자로 집광시키며, 마이크로 렌즈에 의해 단위픽셀에서의 집광효율이 결정된다.
그러나, 공지된 마이크로 렌즈는 렌즈 형성 물질 예컨대, 레지스트(resist)를 리플로우(reflow) 시키는 방법으로 형성하기 때문에 공정이 복잡하고 고비용이 소요되는 단점이 있다. 또한, 리플로우 방법으로는 반구 형상만 구현이 가능하며, 대칭적이고 균일한 형상의 마이크로 렌즈를 형성하기 어렵다. 이는, 크로스토크를 증가시키는 원인으로 작용하기도 한다. 또한, 입사광을 수광부로 집광시키는데 필요한 거리 즉, 초점 거리가 길어 이미지 센서의 높이(또는 두께)를 감소시키기 어렵다. 이로 인해, 이미지 센서를 포함하는 전자장치의 소형화 역시 어려워지는 단점이 있다.
따라서, 후술하는 실시예는 상술한 마이크로 렌즈의 단점을 극복하여 단위픽셀에서의 집광효율을 향상시킬 수 있는 방법을 제공한다. 이를 위해, 복수의 단위픽셀들 각각은 광전변환소자 상부에 형성되고 상부층보다 하부층의 면적 또는 선폭이 더 큰 복수의 집광층들로 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 가능하다. 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 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀을 도시한 단면도이고, 도 3은 제1실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀에서 픽셀렌즈를 도시한 사시도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 단위픽셀(110)들 각각에 대응하도록 형성된 광전변환소자(220)를 포함한 기판(210), 광전변환소자(220)와 중첩되도록 기판(210)상에 형성되고 상부층이 하부층보다 작은 면적(또는 선폭)을 가지며 컬러필터물질을 포함하는 복수의 집광층들(231, 232, 233)로 구성된 픽셀렌즈(230) 및 기판(210)과 픽셀렌즈(230) 사이에 게재된 반사방지층(240)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 복수의 집광층들(231, 232, 233)이 적층된 픽셀렌즈(230)로 제1집광층(231), 제2집광층(232) 및 제3집광층(233)이 순차적으로 적층된 형태를 예시하였다. 구체적으로, 제1집광층(231)이 최하층 집광층이고, 제3집광층(233)이 최상층 집광층이다. 복수의 집광층들(231, 232, 233) 각각의 면적은 최하층 집광층에서 최상층 집광층으로 갈수록 점차 감소할 수 있다.
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.
반사방지층(240)은 서로 다른 굴절률을 갖는 픽셀렌즈(230)와 기판(210) 사이에서의 난반사를 방지하기 위한 것으로, 서로 다른 굴절률을 갖는 둘 이상의 물질층이 1회 이상 교번 적층된 다중층을 포함할 수 있다.
픽셀렌즈(230)는 입사광을 집광하는 집광부재로 작용할 수 있다. 집광효율을 향상시키기 위해 픽셀렌즈(230)는 상부층이 하부층보다 작은 면적 또는 선폭을 갖는 둘 이상의 집광층들이 적층된 다중층일 수 있다. 따라서, 픽셀렌즈(230)는 다층의 계단 형상을 가질 수 있다. 픽셀렌즈(230)가 다층의 계단 형상을 가짐에 따라 상부층에 의해 노출된 하부층의 선폭(W1, W2, W3, W4)은 입사광의 파장보다 작을 수 있다. 구체적으로, 제3집광층(233)에 의해 노출된 제2집광층(232)의 선폭(W1, W2) 및 제2집광층(232)에 의해 노출된 제1집광층(231)의 선폭(W3, W4)은 입사광의 파장보다 작을 수 있다. 이처럼, 다층의 계단 형상을 갖는 픽셀렌즈(230)에서 상부층에 의해 노출된 하부층의 선폭이 입사광의 파장보다 작기 때문에 서브-웨이브랭스 광학에 따라 다층의 계단 형상을 갖는 픽셀렌즈(230)도 반구형 렌즈(270)와 같은 집광이 가능하다. 픽셀렌즈(230)에서 상부층에 의해 노출된 하부층의 선폭(W1, W2, W3, W4)은 서로 동일하거나(W1=W2, W3=W4), 또는 서로 상이할 수 있다(W1≠W2, W3≠W4). 복수의 집광층들(231, 232, 233)은 서로 동일한 형상을 가질 수 있고, 복수의 집광층들(231, 232, 233) 각각은 서로 평행하게 배치될 수 있다. 복수의 집광층들(231, 232, 233)은 사각형 이상의 다각형 또는 원형일 수 있다(도 3 참조).
픽셀렌즈(230)의 집광효율을 더 향상시키기 위해 복수의 집광층들(231, 232, 233)에서 상부층의 두께는 하부층의 두께와 동일하거나, 또는 더 얇을 수 있다. 구체적으로, 제3집광층(233)의 두께(t3)는 제2집광층(232)의 두께(t2)와 동일하거나(t2=t3), 또는 더 얇을 수 있다(t2>t3). 그리고, 제2집광층(232)의 두께(t2)는 제1집광층(231)의 두께(t1)와 동일하거나(t2=t1), 또는 더 얇을 수 있다(t1>t2). 또한, 픽셀렌즈(230)의 집광효율을 더욱더 향상시키기 위해 복수의 집광층들(231, 232, 233)은 서로 동일한 굴절률을 가질 수 있다.
픽셀렌즈(230)는 입사광을 집광하는 집광부재로 작용함과 동시에 입사광을 색분리(color seperation)하는 컬러필터로도 작용할 수 있다. 이를 위해, 픽셀렌즈(230)를 구성하는 복수의 집광층들(231, 232, 233)은 컬러필터물질을 포함할 수 있다. 즉, 픽셀렌즈(230)를 구성하는 복수의 집광층들(231, 232, 233)은 모두 동일한 컬러필터물질을 포함할 수 있다. 따라서, 픽셀렌즈(230)를 구성하는 복수의 집광층들(231, 232, 233)은 하나의 컬러필터물질로 구성된 일체형(one body) 구조물일 수 있다.
입사광의 효과적인 색분리를 위하여 픽셀렌즈(230)에서 최하층 집광층인 제1집광층(231)은 단위픽셀(110) 전체를 덮는 형태 즉, 단위픽셀(110)에 대응하는 면적을 가질 수 있다.
컬러별 색수차에 따른 초점거리를 고려하여 픽셀렌즈(230)의 최하층 집광층의 두께(t1)는 색분리된 입사광의 파장길이에 비례할 수 있다. 즉, 색분리된 입사광의 파장길이가 증가할수록 제1집광층(231)의 두께(t1)도 증가할 수 있다. 예컨대, 픽셀렌즈(230)가 그린필터물질로 구성되었을 때, 제1집광층(231)의 두께(t1)를 기준으로 픽셀렌즈(230)가 블루필터물질로 구성되면 제1집광층(231)의 두께(t1)가 감소할 수 있고, 픽셀렌즈(230)가 레드필터물질로 구성되면 제1집광층(231)의 두께(t1)가 증가할 수 있다. 참고로, 초점거리는 픽셀렌즈(230)로부터 집광된 입사광이 광전변환소자(220)에 도달하는 거리를 의미한다.
상술한 제1실시예에 따른 이미지 센서는 다층의 계단 형상을 갖는 픽셀렌즈(230)를 구비함으로써, 단위픽셀(110)에서의 집광효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 픽셀렌즈(230)가 컬러필터로 작용함에 따라 단위픽셀(110)에서의 집광효율을 더욱더 향상시킴과 동시에 이미지 센서의 크기(또는 높이)를 감소시킬 수 있다.
이처럼, 단위픽셀(110)에서의 집광효율이 향상됨에 따라 광전변환소자(220)에서의 양자효율도 향상시킬 수 있다. 결과적으로, 이미지 센서의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 이미지 센서의 단위픽셀을 도시한 단면도이다. 여기서는, 제1실시예와 동일한 구성에 대하여 동일한 도면부호를 사용하며, 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 단위픽셀(110)들 각각에 대응하도록 형성된 광전변환소자(220)를 포함한 기판(210), 기판(210)상에 형성된 포커싱층(250), 기판(210)과 포커싱층(250) 사이에 게재된 반사방지층(240), 광전변환소자(220)와 중첩되도록 포커싱층(250) 상에 형성되고 상부층이 하부층보다 작은 면적(또는 선폭)을 가지며 컬러필터물질을 포함하는 복수의 집광층들(231, 232, 233)로 구성된 픽셀렌즈(230), 픽셀렌즈(230)를 덮고 평탄환 상부면을 갖는 평탄화층(260) 및 평탄화층(260) 상에 형성된 반구형 렌즈(270)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 복수의 집광층들(231, 232, 233)이 적층된 픽셀렌즈(230)로 제1집광층(231), 제2집광층(232) 및 제3집광층(233)이 순차적으로 적층된 형태를 예시하였다. 구체적으로, 제1집광층(231)이 최하층 집광층이고, 제3집광층(233)이 최상층 집광층이다. 복수의 집광층들(231, 232, 233) 각각의 면적은 최하층 집광층에서 최상층 집광층으로 갈수록 점차 감소할 수 있다. 참고로, 제2실시예에서 기판(210), 광전변환소자(220), 반사방지층(240) 및 픽셀렌즈(230)는 상술한 제1실시예와 동일하기 때문에 상세한 설명을 생략하기로 한다.
포커싱층(250)은 픽셀렌즈(230)를 통해 집광된 입사광이 광전변환소자(220)에 도달하는 거리 즉, 초점거리를 조절하는 역할을 수행한다. 포커싱층(250)을 구비함으로써, 일반적인 마이크로 렌즈보다 짧은 초점거리를 구현할 수 있다. 여기서, 초점거리는 픽셀렌즈(230)의 두께(T2)에 따른 포커싱층(250)의 두께(T1)를 조절하는 방법으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 픽셀렌즈(230)의 두께(T2)보다 포커싱층(250)의 두께(T1)가 더 얇아지면 초점거리가 짧아질 수 있고(T1<T2), 포커싱층(250)의 두께(T1)가 더 두꺼워지면 초점거리가 길어질 수 있다(T1>T2).
픽셀렌즈(230)를 통해 집광된 입사광을 효과적으로 광전변환소자(220)에 전달하기 위해 포커싱층(250)은 픽셀렌즈(230)보다 큰 면적을 가질 수 있다. 포커싱층(250)은 각각의 단위픽셀(110)에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 따라서, 포커싱층(250)은 픽셀렌즈(230)의 최하층 집광층 즉, 제1집광층(231)과 동일한 면적을 가질 수 있고, 인접한 단위픽셀(110) 사이에서 포커싱층(250)은 서로 접할 수 있다. 일례로, 포커싱층(250)은 사각형일 수 있다.
픽셀렌즈(230)를 통해 집광된 입사광을 보다 효과적으로 광전변환소자(220)에 전달하기 위해 포커싱층(250)은 픽셀렌즈(230)보다 큰 굴절률을 가질 수 있다. 포커싱층(250)으로는 픽셀렌즈(230)보다 큰 굴절률을 갖는 투광성 물질을 모두 적용할 수 있다. 포커싱층(250)은 단일층이거나, 또는 서로 다른 굴절률을 갖는 투광성 물질들이 적층된 다중층일 수 있다. 포커싱층(250)이 다중층인 경우에 포커싱층(250)의 굴절률은 기울기를 가질 수 있으며, 광전변환소자(220)에 인접할수록 또는 픽셀렌즈(230)에서 멀어질수록 포커싱층(250)의 굴절률이 증가할 수 있다.
반구형 렌즈(270)는 입사광에 대한 반사방지 기능과 더불어서 픽셀렌즈(230)로 입사광을 집광시키는 기능을 수행할 수 있다. 평탄화층(260)은 다층이 계단 형상을 갖는 픽셀렌즈(230) 상에 반구형 렌즈(270)를 형성하기 위한 것으로, 픽셀렌즈(230)의 손상을 방지하기 위해 저온공정을 통해 형성된 것일 수 있다. 일례로, 평탄화층(260)은 저온산화막(ULTO)을 포함할 수 있다.
상술한 제2실시예에 따른 이미지 센서는 다층의 계단 형상을 갖는 픽셀렌즈(230)를 구비함으로써, 단위픽셀(110)에서의 집광효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 픽셀렌즈(230)가 컬러필터로 작용함에 따라 단위픽셀(110)에서의 집광효율을 더욱더 향상시킴과 동시에 이미지 센서의 크기(또는 높이)를 감소시킬 수 있다. 또한, 포커싱층(250) 및 반구령 렌즈를 구비함으로써, 단위픽셀(110)에서의 집광효율을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있다.
이처럼, 단위픽셀(110)에서의 집광효율이 향상됨에 따라 광전변환소자(220)에서의 양자효율도 향상시킬 수 있다. 결과적으로, 이미지 센서의 성능을 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조방법을 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 여기서, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에서 픽셀렌즈는 컬러필터물질을 포함하고, 픽셀렌즈를 구성하는 복수의 집광층들이 하나의 컬러필터물질로 구성된 일체형 구조물일 수 있다. 따라서, 후술하는 제조방법에서는 임프린팅 공정(imprinting process)을 통해 픽셀렌즈를 형성하는 방법을 예시하였다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 도시한 단면도이다. 여기서는, 도 2에 도시된 이미지 센서의 제조방법을 예시하여 설명하기로 한다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 기판(10)에 광전변환소자(11)를 형성한다. 기판(10)은 단결정의 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있고, 광전변환소자(11)는 포토다이오드를 포함할 수 있다. 광전변환소자(11)는 수직적으로 중첩되는 복수의 광전변환층(미도시)을 포함할 수 있으며, 복수의 광전변환층 각각은 N형 불순물영역과 P형 불순물영역을 포함할 수 있다. N형 불순물영역과 P형 불순물영역은 이온주입공정을 통해 형성할 수 있다.
다음으로, 기판(10)상에 반사방지층(12)을 형성한다. 반사방지층(12)은 서로 다른 굴절률을 갖는 둘 이상의 물질층을 1회 이상 교번 적층하여 형성할 수 있다.
다음으로, 반사방지층(12) 상에 전사층(13)을 형성한다. 전사층(13)은 컬러필터물질을 포함할 수 있다. 전사층(13)으로 사용되는 컬러필터물질은 열가소성 폴리머 소재 예컨대, PMMA(Polymethly Methacrylate)를 베이스로 하거나, 또는 자외선에 의하여 중합반응을 일으키는 소재 예컨대, 레진(resin)을 베이스로 할 수 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 형성하고자 하는 픽셀렌즈(14)의 형상이 음각된 스탬프(stamp, 20)를 준비한다. 스탬프(20)는 몰드(mold)라고도 일컫으며, 실리콘 또는 실리콘산화물과 같은 반도체 소재, 니켈(Ni)과 같은 금속소재, 쿼츠(quartz), 파이랙스(pyrex), 소다라임 글라스(soda lime glass), 알루미나(alumina) 또는 사파이어(samphire)와 같은 광투과 소재 및 플라스틱 소재로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 사용하여 형성할 수 있다.
다음으로, 전사층(13)이 형성된 기판(10)상에 스탬프(20)를 정렬시킨다.
도 5c에 도시된 바와 같이, 스탬프(20)를 전사층(13)을 향해 가압하여 스탬프(20)에 음각된 패턴을 전사층(13A)에 각인시킨다. 이때, 전사층(13A)이 열가소성 폴리머 소재를 베이스로 하는 경우에는 열처리를 통해서 각인된 전사층(13A)을 경화시킬 수 있다. 반면에, 전사층(13A)이 자외선에 의하여 중합반응을 일으키는 소재를 베이스로 하는 경우에는 자외선을 조사하여 각인된 전사층(13A)을 경화시킬 수 있다.
도 5d에 도시된 바와 같이, 각인된 전사층(13A)이 경화된 이후에 스탬프(20)를 제거하고, 전사층(13A) 표면에 잔류하는 잔류물을 제거하기 위한 후처리를 진행한다. 후처리로는 전면식각공정, 산소 플라즈마 처리 또는 세정공정 중 어느 하나 이상을 진행할 수 있다.
이로써, 광전변환소자(11)와 중첩되도록 기판(10)상에 형성되고 상부층이 하부층보다 작은 면적(또는 선폭)을 가지며 컬러필터물질을 포함하는 복수의 집광층들(14A, 14B, 14C)로 구성된 픽셀렌즈(14)를 형성할 수 있다.
이후, 공지된 제조기술을 통해 이미지 센서를 완성할 수 있다.
상술한 실시예에 따른 이미지 센서는 다양한 전자장치 또는 시스템에 이용될 수 있다. 이하에서는, 도 6을 참조하여 카메라에 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 적용한 경우를 예시하여 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치를 간략히 도시한 도면이다.
도 6을 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 : 픽셀렌즈 240 : 반사방지층
250 : 포커싱층 260 : 평탄화층
270 : 반구형 렌즈
230 : 픽셀렌즈 240 : 반사방지층
250 : 포커싱층 260 : 평탄화층
270 : 반구형 렌즈
Claims (20)
- 광전변환소자; 및
상기 광전변환소자 상부에 형성되고 상부층이 하부층보다 작은 면적을 가지며, 컬러필터물질을 포함하는 복수의 집광층들로 구성된 픽셀렌즈
를 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.
- 제1항에 있어서,
상기 광전변환소자와 상기 픽셀렌즈 사이 또는 상기 광전변환소자와 상기 포커싱층 사이에 게재된 반사방지층을 더 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 픽셀렌즈를 덮고 평탄한 상부면을 갖는 평탄화층; 및
상기 평탄화층 상에 형성된 반구형 렌즈
을 더 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 픽셀렌즈는 다층의 계단 형상을 갖는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 픽셀렌즈는 상기 복수의 집광층들이 하나의 컬러필터물질로 구성된 일체형 구조물인 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 픽셀렌즈에서 최하층 집광층의 두께는 색분리된 입사광의 파장길이에 비례하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 픽셀렌즈에서 상부층에 의해 노출된 하부층의 선폭은 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 상부층의 두께는 하부층의 두께와 동일하거나, 또는 더 얇은 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 픽셀렌즈에서 상기 복수의 집광층들은 서로 동일한 굴절률을 갖는 이미지 센서.
- 광전변환소자가 형성된 기판상에 컬러필터물질을 포함하는 전사층을 형성하는 단계;
형성하고자 하는 픽셀렌즈의 형상이 음각된 스탬프를 준비하는 단계;
상기 스탬프를 상기 전사층을 향해 가압하여 상기 스탬프에 음각된 형상을 상기 전사층으로 각인시키는 단계;
각인된 상기 전사층을 경화시키는 단계; 및
상기 스탬프를 제거하여 상부층이 하부층보다 작은 면적을 갖는 복수의 집광층들로 구성된 픽셀렌즈를 형성하는 단계
를 포함하는 이미지 센서 제조방법.
- 광학시스템;
상기 광학 시스템으로부터 광을 수신하고, 수신된 광에 응답하여 소정의 신호를 출력하는 이미지 센서; 및
상기 이미지 센서로부터 출력된 신호에 대해 신호 처리 동작을 수행하는 신호 처리부를 포함하고,
상기 이미지 센서는,
광전변환소자; 및
상기 광전변환소자 상부에 형성되고 상부층이 하부층보다 작은 면적을 가지며, 컬러필터물질을 포함하는 복수의 집광층들로 구성된 픽셀렌즈
를 포함하는 전자장치.
- 제15항에 있어서,
상기 이미지 센서는 상기 광전변환소자와 상기 픽셀렌즈 사이에 삽입된 포커싱층을 더 포함하는 전자장치.
- 제15항에 있어서,
상기 이미지 센서는 상기 광전변환소자와 상기 픽셀렌즈 사이 또는 상기 광전변환소자와 상기 포커싱층 사이에 게재된 반사방지층을 더 포함하는 전자장치.
- 제15항에 있어서,
상기 픽셀렌즈를 덮고 평탄한 상부면을 갖는 평탄화층; 및
상기 평탄화층 상에 형성된 반구형 렌즈
을 더 포함하는 전자장치.
- 제13항에 있어서,
상기 픽셀렌즈는 다층의 계단 형상을 갖는 전자장치.
- 제13항에 있어서,
상기 픽셀렌즈는 상기 복수의 집광층들이 하나의 컬러필터물질로 구성된 일체형 구조물인 전자장치.
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2015
- 2015-06-09 KR KR1020150081003A patent/KR102327503B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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