KR20170038524A - 색분할기 구조와 그 제조방법, 색분할기 구조를 포함하는 이미지센서 및 이미지센서를 포함하는 광학장치 - Google Patents
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Abstract
색분할기 구조와 그 제조방법, 색분할기 구조를 포함하는 이미지센서와 그 제조방법 및 이미지센서를 포함하는 광학장치에 관해 개시되어 있다. 개시된 색분할기 구조는 복수의 색분할 요소를 포함할 수 있고, 상기 복수의 색분할 요소 중 적어도 하나는 상호 부분적으로 오버랩된 적어도 두 개의 요소부를 포함할 수 있다. 상기 복수의 색분할 요소 중 적어도 하나는 상기 적어도 두 개의 요소부 사이에 배치된 식각정지층을 더 포함할 수 있다. 상기 색분할기 구조의 중앙부에서 가장자리로 갈수록 색분할 요소에서 상기 요소부들이 상호 시프트된 정도가 커질 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 색분할기 구조와 그 제조방법, 색분할기 구조를 포함하는 이미지센서와 그 제조방법 및 이미지센서를 포함하는 광학장치에 관한 것이다.
디스플레이 장치나 이미지센서는 통상적으로 컬러필터를 이용하여 다양한 색의 영상을 표시하거나 또는 입사광의 색을 감지하고 있다. 현재 사용되는 디스플레이 장치나 이미지센서는, 예컨대, 4개의 픽셀 중에서 2개의 픽셀에는 녹색 필터가 배치되고, 나머지 2개의 픽셀에는 청색 필터와 적색 필터가 배치되는 RGB(red-green-blue) 컬러필터 방식을 가장 많이 채택하고 있다.
그런데, 컬러필터는 해당 색의 빛을 제외한 나머지 빛을 흡수하기 때문에, 광 이용 효율을 저하시킬 수 있다. 예를 들어, RGB 컬러필터를 사용하는 경우, 입사광의 1/3 정도만 투과시키고 나머지 2/3 정도는 흡수하기 때문에, 광 이용 효율은 33% 정도로 낮을 수 있다. 따라서, 디스플레이 장치나 이미지센서의 경우, 대부분의 광 손실이 컬러필터에서 발생하게 된다.
광 이용 효율을 높일 수 있는 색분할기 구조를 제공한다.
우수한 성능을 갖는 색분할기 구조를 제공한다.
경사지게 입사하는 광에 대한 색분리 특성을 개선할 수 있는 색분할기 구조를 제공한다.
상기 색분할기 구조의 제조방법을 제공한다.
상기 색분할기 구조를 포함하는 이미지센서를 제공한다.
상기 이미지센서를 포함하는 광학장치를 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 입사광을 파장에 따라 복수의 출사광으로 분리하는 색분할 요소가 복수 개 배열된 어레이 구조를 포함하고,
상기 복수의 색분할 요소 중 적어도 하나는,
제1 요소부; 상기 제1 요소부와 상호 부분적으로 오버랩되도록 상기 제1 요소부에 대해 시프트되어 배치된 제2 요소부; 및 상기 제1 요소부와 제2 요소부 사이에 구비된 식각정지층;을 포함하는 색분할기 구조가 제공된다.
상기 제1 요소부는 상기 제2 요소부에 대향하는 제1면을 가질 수 있고, 상기 제2 요소부는 상기 제1 요소부에 대향하는 제2면을 가질 수 있으며, 상기 식각정지층은 상기 제1면에 대응하도록 구비될 수 있고, 상기 제2면의 일부는 상기 식각정지층에 의해 커버되지 않을 수 있다.
상기 제1 요소부는 상기 제2 요소부에 대향하는 제1면을 가질 수 있고, 상기 제2 요소부는 상기 제1 요소부에 대향하는 제2면을 가질 수 있으며, 상기 식각정지층은 상기 제2면에 대응하도록 구비될 수 있고, 상기 제1면의 일부는 상기 식각정지층에 의해 커버되지 않을 수 있다.
상기 식각정지층은 상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나에 대해 식각선택비가 1.5 이상인 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 산화물을 포함할 수 있고, 상기 식각정지층은 비산화물(non-oxide material)을 포함할 수 있다.
상기 식각정지층은 질화물을 포함할 수 있고, 상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 비질화물(non-nitride material)을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 Ti 산화물, Nb 산화물 및 Ta 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 식각정지층은 Si 질화물을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 Si 질화물을 포함할 수 있고, 상기 식각정지층은 Si 산화물을 포함할 수 있다.
상기 색분할기 구조는 투명 유전체층을 더 포함할 수 있고, 상기 복수의 색분할 요소는 상기 투명 유전체층 내에 매립될 수 있다.
상기 어레이 구조의 중앙부에 배치된 색분할 요소는 상호 시프트되지 않도록 광축 상에 정렬된 제1 및 제2 요소부를 포함할 수 있고, 상기 어레이 구조의 중앙부 이외의 영역에 배치된 색분할 요소들 각각은 상호 시프트되어 있는 제1 및 제2 요소부를 포함할 수 있다.
상기 어레이 구조의 중앙부에서 멀어질수록 상기 제1 요소부와 그에 대응하는 제2 요소부 사이의 시프트 간격이 증가할 수 있다.
상기 어레이 구조의 중앙부 이외의 영역에 배치된 색분할 요소들의 제1 요소부와 그에 대응하는 제2 요소부는 경사지게 입사하는 입사광의 진행 방향에 맞추어 정렬될 수 있다.
상기 복수의 색분할 요소 중 적어도 하나는 상기 제2 요소부와 부분적으로 오버랩된 제3 요소부; 및 상기 제2 요소부와 제3 요소부 사이에 구비된 제2 식각정지층;을 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 색분할기 구조; 및 상기 색분할기 구조를 통과한 광을 감지하기 위한 복수의 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이;를 구비하는 이미지센서가 제공된다.
다른 측면에 따르면, 전술한 이미지센서를 포함하는 광학장치가 제공된다.
다른 측면에 따르면, 입사광을 파장에 따라 복수의 출사광으로 분리하는 색분할 요소가 복수 개 배열된 어레이 구조를 포함하는 색분할기 구조의 제조방법에 있어서, 상기 복수의 색분할 요소 중 적어도 하나를 형성하는 단계는,
하부구조체 상에 제1 요소부와 식각정지층이 순차로 적층된 적층구조를 형성하는 단계; 상기 적층구조 주위의 상기 하부구조체 상에 유전체층을 형성하는 단계; 상기 적층구조 및 상기 유전체층 상에 색분할기용 물질층을 형성하는 단계; 및 상기 색분할기용 물질층을 상기 식각정지층의 일부가 노출될 때까지 패터닝하여 제2 요소부를 형성하되, 상기 제2 요소부는 상기 제1 요소부와 부분적으로 오버랩되도록 형성하는 단계;를 포함하는 색분할기 구조의 제조방법이 제공된다.
상기 색분할기용 물질층은 제2 물질층일 수 있고, 상기 적층구조를 형성하는 단계는 상기 하부구조체 상에 색분할기용 제1 물질층을 형성하는 단계; 상기 제1 물질층 상에 식각정지물질층을 형성하는 단계; 및 상기 식각정지물질층과 상기 제1 물질층을 순차로 패터닝하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 산화물을 포함할 수 있고, 상기 식각정지층은 질화물을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 Ti 산화물, Nb 산화물 및 Ta 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 식각정지층은 Si 질화물을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나가 Ti 산화물을 포함하는 경우, 상기 Ti 산화물에 대한 식각 가스로 염소(Cl)를 포함하는 가스를 사용할 수 있고, 상기 식각정지층이 Si 질화물을 포함하는 경우, 상기 Si 질화물에 대한 식각 가스로 불소(F)를 포함하는 가스를 사용할 수 있다.
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 질화물을 포함할 수 있고, 상기 식각정지층은 산화물을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 Si 질화물을 포함할 수 있고, 상기 식각정지층은 Si 산화물을 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 픽셀 어레이를 포함하는 기판구조체를 마련하는 단계; 및 상기 기판구조체 상에 전술한 방법을 이용해서 색분할기 구조를 형성하는 단계;를 포함하는 이미지센서의 제조방법이 제공된다.
다른 측면에 따르면, 입사광을 파장에 따라 복수의 출사광으로 분리하는 색분할 요소가 복수 개 배열된 어레이 구조를 포함하는 색분할기 구조의 제조방법에 있어서, 상기 복수의 색분할 요소 중 적어도 하나를 형성하는 단계는,
하부구조체 상에 제1 요소부를 형성하는 단계; 상기 제1 요소부 주위의 상기 하부구조체 상에 유전체층을 형성하는 단계; 상기 제1 요소부와 상기 유전체층 상에 식각정지물질층을 형성하는 단계; 상기 식각정지물질층 상에 색분할기용 물질층을 형성하는 단계; 상기 색분할기용 물질층을 상기 식각정지물질층이 노출될 때까지 패터닝하여 제2 요소부를 형성하되, 상기 제2 요소부는 상기 제1 요소부와 부분적으로 오버랩되도록 형성하는 단계; 및 상기 제2 요소부를 식각마스크로 이용해서 상기 식각정지물질층을 패터닝하는 단계;를 포함하는 색분할기 구조의 제조방법이 제공된다.
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 산화물을 포함할 수 있고, 상기 식각정지물질층은 질화물을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 Ti 산화물, Nb 산화물 및 Ta 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 식각정지층은 Si 질화물을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나가 Ti 산화물을 포함하는 경우, 상기 Ti 산화물에 대한 식각 가스로 염소(Cl)를 포함하는 가스를 사용할 수 있고, 상기 식각정지층이 Si 질화물을 포함하는 경우, 상기 Si 질화물에 대한 식각 가스로 불소(F)를 포함하는 가스를 사용할 수 있다.
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 질화물을 포함할 수 있고, 상기 식각정지층은 산화물을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 Si 질화물을 포함할 수 있고, 상기 식각정지층은 Si 산화물을 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 픽셀 어레이를 포함하는 기판구조체를 마련하는 단계; 및 상기 기판구조체 상에 전술한 방법을 이용해서 색분할기 구조를 형성하는 단계;를 포함하는 이미지센서의 제조방법이 제공된다.
광 이용 효율을 높일 수 있는 색분할기 구조를 구현할 수 있다. 우수한 성능을 갖는 색분할기 구조를 구현할 수 있다. 경사지게 입사하는 광에 대한 색분리 특성을 개선할 수 있는 색분할기 구조를 구현할 수 있다. 식각 손상 없이, 개선된 성능을 갖는 색분할기 구조를 제조하는 방법을 구현할 수 있다. 상기 색분할기 구조 및 그 제조방법을 이용해서, 우수한 성능을 갖는 이미지센서 및 이를 포함하는 광학장치를 구현할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 색분할기 구조를 포함하는 이미지센서 및 상기 이미지센서를 포함하는 광학장치를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 것으로, 빛이 이미지센서에 수직 입사하는 경우에 색분할 요소의 제1 요소부와 제2 요소부의 위치 관계를 보다 상세히 보여주는 예시적인 단면도이다.
도 2b는 다른 실시예에 따른 것으로, 빛이 이미지센서에 비스듬하게 입사하는 경우에 색분할 요소의 제1 요소부와 제2 요소부의 위치 관계를 보다 상세히 보여주는 예시적인 단면도이다.
도 2c는 다른 실시예에 따른 것으로, 빛이 이미지센서에 비스듬하게 입사하는 경우에 색분할 요소의 제1 요소부와 제2 요소부의 위치 관계를 보다 상세히 보여주는 예시적인 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 색분할기 구조 및 이를 포함하는 이미지센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 색분할기 구조 및 이를 포함하는 이미지센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 비교예에 따른 것으로, 식각정지층 없이 형성된 색분할 요소의 문제점을 보여주는 SEM(scanning electron microscope) 단면 사진이다.
도 6a 내지 도 6g는 일 실시예에 따른 색분할기 구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7a 내지 도 7h는 다른 실시예에 따른 색분할기 구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 다른 실시예에 따른 색분할기 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 색분할기 구조 및 이를 포함하는 이미지센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 색분할기 구조 및 이를 포함하는 이미지센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 11은 도 1의 이미지센서의 픽셀들과 색분할 요소들의 위치 관계를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 12은 도 11에 도시된 이미지센서의 제1행에 배치된 제1 및 제2 픽셀의 구조를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 13은 도 11에 도시된 이미지센서의 제2행에 배치된 하나의 제3 픽셀의 구조를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 14는 이미지센서 내에서 복수의 색분할 요소들의 위치에 따른 제1 요소부와 제2 요소부의 시프트 형태를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 것으로, 빛이 이미지센서에 수직 입사하는 경우에 색분할 요소의 제1 요소부와 제2 요소부의 위치 관계를 보다 상세히 보여주는 예시적인 단면도이다.
도 2b는 다른 실시예에 따른 것으로, 빛이 이미지센서에 비스듬하게 입사하는 경우에 색분할 요소의 제1 요소부와 제2 요소부의 위치 관계를 보다 상세히 보여주는 예시적인 단면도이다.
도 2c는 다른 실시예에 따른 것으로, 빛이 이미지센서에 비스듬하게 입사하는 경우에 색분할 요소의 제1 요소부와 제2 요소부의 위치 관계를 보다 상세히 보여주는 예시적인 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 색분할기 구조 및 이를 포함하는 이미지센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 색분할기 구조 및 이를 포함하는 이미지센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 비교예에 따른 것으로, 식각정지층 없이 형성된 색분할 요소의 문제점을 보여주는 SEM(scanning electron microscope) 단면 사진이다.
도 6a 내지 도 6g는 일 실시예에 따른 색분할기 구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7a 내지 도 7h는 다른 실시예에 따른 색분할기 구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 다른 실시예에 따른 색분할기 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 색분할기 구조 및 이를 포함하는 이미지센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 색분할기 구조 및 이를 포함하는 이미지센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 11은 도 1의 이미지센서의 픽셀들과 색분할 요소들의 위치 관계를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 12은 도 11에 도시된 이미지센서의 제1행에 배치된 제1 및 제2 픽셀의 구조를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 13은 도 11에 도시된 이미지센서의 제2행에 배치된 하나의 제3 픽셀의 구조를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 14는 이미지센서 내에서 복수의 색분할 요소들의 위치에 따른 제1 요소부와 제2 요소부의 시프트 형태를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 실시예들에 따른 색분할기 구조와 그 제조방법, 색분할기 구조를 포함하는 이미지센서와 그 제조방법 및 이미지센서를 포함하는 광학장치에 대해 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 색분할기 구조(CS10)를 포함하는 이미지센서(IM10) 및 상기 이미지센서(IM10)를 포함하는 광학장치(1000)를 개략적으로 보여주는 단면도이다. 여기서, 광학장치(1000)는 촬상장치(image pickup apparatus)일 수 있다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 광학장치(1000)는 렌즈구조체(LS10) 및 상기 렌즈구조체(LS10)를 통과한 빛을 전기적인 영상 신호로 전환하기 위한 이미지센서(IM10)를 포함할 수 있다. 렌즈구조체(LS10)는 적어도 하나의 렌즈 요소를 포함할 수 있다. 렌즈구조체(LS10)는 복수의 렌즈 요소를 포함하는 렌즈조립체(lens assembly)일 수 있다. 렌즈구조체(LS10)는 일종의 '대물 렌즈(objective lens)'라고 할 수 있다. 편의상, 렌즈구조체(LS10)를 단순하게 도시하였지만, 그 구성은 매우 다양할 수 있다. 이미지센서(IM10)는 빛을 감지하는 복수의 픽셀(Px)을 구비하는 픽셀 어레이(PA10) 및 복수의 색분할 요소(CE10)를 구비하는 색분할기 구조(CS10)를 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(Px)은 이차원적으로 배열될 수 있고, 복수의 색분할 요소(CE10)도 이차원적으로 배열될 수 있다. 편의상, 도 1에서는 다섯 개의 색분할 요소(CE10)만 도시하였지만, 실제는 더 많은 색분할 요소(CE10)가 구비될 수 있다. 복수의 색분할 요소(CE10)는 '색분할 요소 어레이'를 구성한다고 할 수 있다. 다시 말해, 색분할기 구조(CS10)는 '색분할 요소 어레이'를 포함한다고 할 수 있다. 색분할기 구조(CS10)는 픽셀 어레이(PA10)의 일면 상에 구비된 투명 유전체층(DL10)을 더 포함할 수 있고, 복수의 색분할 요소(CE10)는 투명 유전체층(DL10) 내에 매립될 수 있다.
복수의 색분할 요소(CE10)는 픽셀 어레이(PA10)의 광 입사면 측에 배치되어 서로 다른 파장의 빛이 서로 다른 픽셀(Px)에 입사하도록 입사광을 파장에 따라 분리하는 역할을 할 수 있다. 다시 말해, 각각의 색분할 요소(CE10)는 그에 입사되는 광(입사광)을 파장에 따라 복수의 출사광으로 분리하는 역할을 할 수 있고, 상기 복수의 출사광이 복수의 픽셀(Px)에 조사될 수 있다. 색분할 요소(CE10)는 파장에 따라 빛의 회절 또는 굴절 특성이 달라지는 현상을 이용해서 입사광의 파장에 따라 빛의 진행 경로를 바꿔줌으로써 색을 분리할 수 있다. 색분할 요소(CE10)들을 이용하면 각각의 픽셀(Px)에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포를 그 픽셀(Px)에 맞게 최적화시켜 광 이용 효율을 증가시킬 수 있다. 색분할 요소(CE10)들의 색분리 특성에 따라 이미지센서(IM10)의 픽셀(Px)들과 색분할 요소(CE10)들의 위치 관계가 매우 다양하게 설계될 수 있다.
각각의 색분할 요소(CE10)는 그의 입사면과 출사면 사이에 배치된 복수의 요소부, 예컨대, 제1 요소부(E10) 및 제2 요소부(E20)를 포함할 수 있고, 이 경우, 제1 요소부(E10)와 제2 요소부(E20) 사이에 구비된 식각정지층(etch stop layer)(ES10)을 더 포함할 수 있다. 제1 요소부(E10)는 상기 출사면 측에 배치될 수 있고, 제2 요소부(E20)는 상기 입사면 측에 배치될 수 있다. 다시 말해, 제1 요소부(E10)와 제2 요소부(E20)는 상기 출사면에서 그에 대응하는 입사면을 향하는 방향으로 순차로 배치될 수 있다. 제1 요소부(E10)와 제2 요소부(E20)의 상대적인 위치 관계 및 식각정지층(ES10)의 역할에 대해서는 추후에 보다 상세히 설명한다.
렌즈구조체(LS10)는 피사체의 상을 이미지센서(IM10)에 포커싱(focusing)하는 역할을 할 수 있다. 피사체의 어느 한 점에서 출발한 빛은 렌즈구조체(LS10)를 통해 이미지센서(IM10) 상의 한 점으로 모일 수 있다. 예를 들어, 광축(optical axis)(OX) 상의 어느 한 점(C)에서 출발한 빛은 렌즈구조체(LS10)를 통과한 후, 광축(OX) 상에 있는 이미지센서(IM10)의 중심에 모일 수 있다. 또한, 광축(OX)에서 벗어난 어느 한 점(A, B, D, E)에서 출발한 빛은 렌즈구조체(LS10)에 의해 광축(OX)을 가로질러 이미지센서(IM10)의 중심을 제외한 나머지 영역의 한 점에 모일 수 있다. 예를 들어, 광축(OX)보다 위쪽에 있는 한 점(A)에서 출발한 빛은 광축(OX)을 가로질러 이미지센서(IM10)의 아래쪽 가장자리에 모일 수 있고, 광축(OX)보다 아래쪽에 있는 한 점(E)에서 출발한 빛은 광축(OX)을 가로질러 이미지센서(IM10)의 위쪽 가장자리에 모일 수 있다. 또한, 광축(OX)과 점(A) 사이에 위치한 점(B)에서 출발한 빛은 이미지센서(IM10)의 중심과 아래쪽 가장자리 사이에 모일 수 있고, 광축(OX)과 점(E) 사이에 위치한 점(D)에서 출발한 빛은 이미지센서(IM10)의 중심과 위쪽 가장자리 사이에 모일 수 있다.
따라서, 서로 다른 점들(A, B, C, D, E)에서 각각 출발한 빛은 상기 점들(A, B, C, D, E)과 광축(OX) 사이의 거리에 따라 서로 다른 각도로 이미지센서(IM10)에 입사할 수 있다. 이미지센서(IM10)에 입사하는 빛의 입사각은 주광선 각도(chief ray angle)(CRA)로 정의될 수 있다. 주광선(chief ray)은 피사체의 한 점으로부터 렌즈구조체(LS10)의 중심(또는, 중심과 인접한 부분)을 지나 이미지센서(IM10)에 입사하는 광선을 의미할 수 있고, 주광선 각도는 주광선이 광축(OX)과 이루는 각도를 의미할 수 있다. 광축(OX)에 있는 점(C)에서 출발한 빛은 주광선 각도가 0°이고, 이미지센서(IM10)에 수직하게 입사한다. 출발점이 광축(OX)에서 멀어질수록 주광선 각도는 증가할 수 있다.
이미지센서(IM10)의 관점에서 보면, 이미지센서(IM10)의 중심부에 입사하는 빛의 주광선 각도는 0°이고, 이미지센서(IM10)의 가장자리로 갈수록 입사광의 주광선 각도가 커질 수 있다. 예컨대, 점(A)와 점(E)에서 출발하여 이미지센서(IM10)의 양쪽 가장자리에 입사하는 빛의 주광선 각도가 가장 클 수 있고, 점(C)에서 출발하여 이미지센서(IM10)의 중심부에 입사하는 빛의 주광선 각도는 0°일 수 있다. 또한, 점(B)에서 출발하여 이미지센서(IM10)의 중심과 아래쪽 가장자리 사이에 입사하는 빛의 주광선 각도는 점(A)와 점(E)에서 출발한 빛의 주광선 각도보다 작고, 0°보다 클 수 있다. 이와 유사하게, 점(D)에서 출발하여 이미지센서(IM10)의 중심과 위쪽 가장자리 사이에 입사하는 빛의 주광선 각도는 점(A)와 점(E)에서 출발한 빛의 주광선 각도보다 작고, 0°보다 클 수 있다. 도 1에 도시된 광 경로는 예시적인 것이고, 렌즈구조체(LS10)의 구성에 따라, 광 경로는 다양하게 변화될 수 있다.
본 실시예에 따른 색분할기 구조(CS10)는 이미지센서(IM10)의 중심부는 물론 가장자리에서도 효율적인 색분리가 가능하도록 구성된 복수의 색분할 요소(CE10)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 각각의 색분할 요소(CE10)는 그의 출사면에서 입사면을 향하는 방향으로 순차로 배열된 복수의 요소부, 예컨대, 제1 요소부(E10)와 제2 요소부(E20)를 포함할 수 있다. 색분할 요소(CE10)의 제1 요소부(E10)와 제2 요소부(E20)는 이미지센서(IM10) 내에서 색분할 요소(CE10)의 위치에 따라 서로 다른 정도로 시프트(shift)될 수 있다. 예를 들어, 이미지센서(IM10)의 중심부에 배치된 색분할 요소(CE10)의 제1 요소부(E10)와 제2 요소부(E20)는 상호 시프트되지 않도록 광축(OX) 상에 정렬될 수 있다. 이미지센서(IM10)의 중심부 이외의 영역에 배치된 색분할 요소(CE10)들의 제1 요소부(E10)와 제2 요소부(E20)는 서로에 대해 시프트될 수 있다. 예를 들어, 이미지센서(IM10)의 중심부에서 멀어질수록 제1 요소부(E10)와 제2 요소부(E20) 사이의 시프트 간격이 증가할 수 있다. 이미지센서(IM10)의 최외곽 가장자리에 배치된 색분할 요소(CE10)의 제1 요소부(E10)와 제2 요소부(E20)는 서로에 대해 가장 크게 시프트될 수 있다. 제1 요소부(E10)와 제2 요소부(E20) 사이에는 식각정지층(ES10)이 배치될 수 있다. 식각정지층(ES10)은 제1 요소부(E10)에 대해서 시프트되어 있는 제2 요소부(E20)를 형성할 때, 제1 요소부(E10)가 손상되지 않도록 보호하는 역할을 할 수 있다. 또한, 식각정지층(ES10)에 의해 제1 요소부(E10)와 그에 대응하는 제2 요소부(E20) 사이의 간격 조절이 용이해질 수 있다. 또한, 식각정지층(ES10)은 각 색분할 요소(CE10)의 색분리 특성을 개선하는 역할을 할 수 있다.
만약, 복수의 색분할 요소 각각을 단일체 구조로 형성하고, 이들이 모두 동일한 방향성, 예컨대, 광축(OX)에 평행한 방향성을 갖는 경우, 색분할 요소에 수직하게 입사하는 빛에 대해서는 효율적으로 동작하지만, 입사각이 일정 각도 이상으로 커지게 되면 색분할 요소의 색분리 효율이 급격하게 떨어질 수 있다. 따라서, 이미지센서(IM10)의 전 영역에 걸쳐서 동일한 구조의 색분할 요소들을 배열하는 경우, 이미지센서(IM10)의 중심부에서 멀어질수록 영상의 품질이 저하될 수 있다. 그러나, 본 실시예에 따르면, 복수의 색분할 요소(CE10) 각각을 복수의 요소부(E10, E20)로 구성하되, 이미지센서(IM10)의 위치에 따라, 각각의 색분할 요소(CE10)에서 복수의 요소부(E10, E20)가 상호 시프트된 정도를 조절함으로써, 이미지센서(IM10)의 위치별로 최적의 색분리 특성을 확보할 수 있다.
도 2a는 빛(입사광)이 이미지센서(도 1의 IM10)에 수직 입사하는 경우에 색분할 요소(CE10)의 제1 요소부(E10)와 제2 요소부(E20)의 위치 관계를 보다 상세히 보여주는 예시적인 단면도이다. 도 2b와 도 2c는 빛(입사광)이 이미지센서(IM10)에 비스듬하게 입사하는 경우에 색분할 요소(CE10)의 제1 요소부(E10)와 제2 요소부(E20)의 위치 관계를 보다 상세히 보여주는 예시적인 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 복수의 픽셀(Px) 영역으로 구획되어 있는 광감지소자부(PS10) 상에 투명 유전체층(DL10)이 구비될 수 있고, 투명 유전체층(DL10) 내에 색분할 요소(CE10)가 구비될 수 있다. 여기서, 광감지소자부(PS10)는 도 1의 픽셀 어레이(PA10)에 대응될 수 있다. 입사광은 색분할 요소(CE10)에 의해 제1 파장 대역의 빛(C1)과 제2 파장 대역의 빛(C2)으로 분리될 수 있다. 색분할 요소(CE10)는 입사광 중에서 제1 파장 대역의 빛(C1)의 진행 방향은 바꾸지 않고, 제2 파장 대역의 빛(C2)의 진행 방향을 양측으로 비스듬하게 바꾸도록 설계될 수 있다. 제1 파장 대역의 빛(C1)은 색분할 요소(CE10)를 통과한 후 색분할 요소(CE10) 바로 아래에 있는 픽셀(Px) 영역의 광감지소자부(PS10)으로 입사할 수 있다. 제2 파장 대역의 빛(C2)은 색분할 요소(CE10)를 통과한 후, 색분할 요소(CE10) 양측에 위치하는 픽셀(Px) 영역의 광감지소자부(PS10)로 각각 입사할 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 입사광이 이미지센서(도 1의 IM10)에 수직 입사하는 경우, 색분할 요소(CE10)의 제1 요소부(E10)와 제2 요소부(E20)는 상호 시프트되지 않을 수 있다. 이 경우, 제1 요소부(E10)와 제2 요소부(E20)의 중심부는 대응 픽셀(Px) 영역의 중심선을 따라 정렬될 수 있다. 이러한 색분할 요소(CE10)는 이미지센서(도 1의 IM10)의 중앙부에 배치될 수 있다.
도 2b 및 도 2c를 참조하면, 입사광이 이미지센서(도 1의 IM10)에 경사지게 입사하는 경우, 색분할 요소(CE10)의 제1 요소부(E10)와 제2 요소부(E20)가 서로에 대해 시프트될 수 있다. 이러한 색분할 요소(CE10)들의 제1 요소부(E10)와 제2 요소부(E20)는 경사지게 입사하는 빛의 진행 방향에 맞추어 정렬되도록 시프트될 수 있다. 예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 입사광이 좌측으로부터 경사지게 입사하는 경우, 제2 요소부(E20)는 제1 요소부(E10)에 비해 상대적으로 좌측으로 더 시프트될 수 있다. 또한, 도 2c에 도시된 바와 같이, 입사광이 우측으로부터 경사지게 입사하는 경우, 제2 요소부(E20)는 제1 요소부(E10)에 비해 상대적으로 우측으로 더 시프트될 수 있다. 제1 요소부(E10)와 제2 요소부(E20)의 상대적인 시프트 거리(d)는 입사광의 각도(즉, 입사각)가 증가할수록, 즉, 주광선 각도(CRA)가 증가할수록 커질 수 있다. 제1 요소부(E10)의 중심과 제2 요소부(E20)의 중심을 연결한 직선의 각도는 상기 입사광의 각도(즉, 입사각)와 동일하거나 유사할 수 있다.
실시예에 따라, 색분할 요소(CE10)에서 식각정지층(ES10)의 형성 위치는 달라질 수 있다. 도 3 및 도 4는 서로 다른 실시예에 따른 색분할 요소(CE11, CE12)의 구조를 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 색분할기 구조 및 이를 포함하는 이미지센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 광감지소자부(PS11)가 마련될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 광감지소자부(PS11)는 복수의 픽셀 영역으로 구획되어 있을 수 있다. 광감지소자부(PS11)는 픽셀 어레이를 포함하는 기판구조체라고 할 수 있다. 광감지소자부(PS11) 상에 제1 유전체층(DL11)이 구비될 수 있다. 제1 유전체층(DL11) 상에 제1 요소부(E11)가 구비될 수 있다. 제1 요소부(E11) 상에 제1 요소부(E11)와 상호 부분적으로 오버랩되도록 제1 요소부(E11)에 대해 시프트되어 배치된 제2 요소부(E21)가 구비될 수 있다. 제1 요소부(E11)와 제2 요소부(E21) 사이에 식각정지층(ES11)이 구비될 수 있다. 제1 요소부(E11)와 식각정지층(ES11) 및 제2 요소부(E21)는 하나의 '색분할 요소(CE11)'를 구성할 수 있다.
제1 요소부(E11)는 제2 요소부(E21)에 대향하는 제1면(상면)을 가질 수 있고, 제2 요소부(E21)는 제1 요소부(E11)에 대향하는 제2면(하면)을 가질 수 있다. 식각정지층(ES11)은 상기 제1면과 제2면 사이에 배치될 수 있다. 식각정지층(ES11)은 상기 제1면, 즉, 제1 요소부(E11)의 상면에 대응하도록 구비될 수 있다. 상기 제2면의 일부, 즉, 제2 요소부(E21)의 하면의 일부는 식각정지층(ES11)에 의해 커버되지 않을 수 있다. 또한, 식각정지층(ES11)의 일부는 제2 요소부(E21)에 의해 커버되지 않을 수 있다.
제1 유전체층(DL11) 상에 제1 요소부(E11)를 매립하는 제2 유전체층(DL21)이 마련될 수 있다. 제2 유전체층(DL21)의 상면의 높이는 식각정지층(ES11)의 상면의 높이에 대응하거나 그와 유사할 수 있다. 제2 유전체층(DL21) 상에 제2 요소부(E21)를 매립하는 제3 유전체층(DL31)이 구비될 수 있다. 제3 유전체층(DL31)의 상면의 높이는 제2 요소부(E21)의 상면의 높이에 대응되거나 그와 유사할 수 있다. 제1 내지 제3 유전체층(DL11, DL21, DL31)을 합하여 하나의 '유전체층'으로 여길 수 있다. 제1 내지 제3 유전체층(DL11, DL21, DL31)은 투명 유전체층일 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 색분할기 구조 및 이를 포함하는 이미지센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 광감지소자부(PS12) 상에 제1 유전체층(DL12)이 구비될 수 있고, 제1 유전체층(DL12) 상에 제1 요소부(E12)가 구비될 수 있다. 제1 요소부(E12) 상에 제1 요소부(E12)와 상호 부분적으로 오버랩되도록 배치된 제2 요소부(E22)가 구비될 수 있다. 제1 요소부(E12)와 제2 요소부(E22) 사이에 식각정지층(ES12)이 구비될 수 있다. 제1 요소부(E12)와 식각정지층(ES12) 및 제2 요소부(E22)는 하나의 '색분할 요소(CE12)'를 구성할 수 있다.
제1 요소부(E12)는 제2 요소부(E22)에 대향하는 제1면(상면)을 가질 수 있고, 제2 요소부(E22)는 제1 요소부(E12)에 대향하는 제2면(하면)을 가질 수 있다. 식각정지층(ES12)은 상기 제1면과 제2면 사이에 배치될 수 있다. 식각정지층(ES12)은 상기 제2면, 즉, 제2 요소부(E22)의 하면에 대응하도록 구비될 수 있다. 상기 제1면의 일부, 즉, 제1 요소부(E12)의 상면의 일부는 식각정지층(ES12)에 의해 커버되지 않을 수 있다. 또한, 식각정지층(ES12)의 일부는 제1 요소부(E12)에 의해 커버되지 않을 수 있다.
제1 유전체층(DL12) 상에 제1 요소부(E12)를 매립하는 제2 유전체층(DL22)이 마련될 수 있다. 제2 유전체층(DL22)의 상면의 높이는 제1 요소부(E12)의 상면의 높이에 대응하거나 그와 유사할 수 있다. 제2 유전체층(DL22) 상에 식각정지층(ES12)과 제2 요소부(E22)를 매립하는 제3 유전체층(DL32)이 구비될 수 있다. 제3 유전체층(DL32)의 상면의 높이는 제2 요소부(E22)의 상면의 높이에 대응되거나 그와 유사할 수 있다. 제1 내지 제3 유전체층(DL12, DL22, DL32)은 투명 유전체층일 수 있다.
도 3 및 도 4에서 식각정지층(ES11, ES12)은 제1 요소부(E11, E12) 및 제2 요소부(E21, E22) 중 적어도 하나에 대해 식각선택비가 약 1.5 이상 또는 약 3 이상인 물질로 형성될 수 있다. 도 3에서 식각정지층(ES11)은 제2 요소부(E21)에 대해 식각선택비가 약 1.5 이상 또는 약 3 이상인 물질로 형성될 수 있고, 도 4에서 식각정지층(ES12)은 제1 요소부(E12)에 대해 식각선택비가 약 1.5 이상 또는 약 3 이상인 물질로 형성될 수 있다. 도 3에서 제1 및 제2 요소부(E11, E21)는 동일한 물질로 형성될 수 있지만, 경우에 따라, 서로 다른 물질로 형성될 수도 있다. 이와 유사하게, 도 4에서 제1 및 제2 요소부(E12, E22)는 동일한 물질로 형성되거나 다른 물질로 형성될 수 있다.
한편, 색분할 요소(CE11, CE12)의 제1 요소부(E11, E12) 및 제2 요소부(E21, E22)는 비교적 굴절률이 높은 물질, 예컨대, 굴절률이 약 2 이상인 물질로 형성될 수 있다. 유전체층(DL11∼DL31, DL12∼DL32)은 비교적 굴절률이 낮은 물질, 예컨대, 굴절률이 2 미만 혹은 1.5 미만인 물질로 형성될 수 있다. 구체적인 예로, 제1 요소부(E11, E12) 및 제2 요소부(E21, E22)는 Ti 산화물(ex, TiO2), Nb 산화물(ex, Nb2O5), Ta 산화물(ex, Ta2O5)과 같은 산화물을 포함하거나, Si 질화물(ex, Si3N4, SiN3)과 같은 질화물을 포함할 수 있다. 또는, 제1 요소부(E11, E12) 및 제2 요소부(E21, E22)는 ZnS, ZnSe와 같은 화합물을 포함할 수 있다. 유전체층(DL11∼DL31, DL12∼DL32)은, 예컨대, SiO2나 실록산계 SOG(siloxane-based spin-on-glass) 물질 등으로 형성될 수 있다. 그러나, 여기서 제시한 구체적인 물질들은 예시적인 것이고, 그 밖에 다양한 다른 물질이 적용될 수 있다. 또한, 제1 요소부(E11, E12)와 제2 요소부(E21, E22)는 동일한 굴절률을 갖는 동일한 물질로 형성될 수 있지만, 경우에 따라, 서로 다른 굴절률을 갖는 다른 물질로 형성될 수도 있다.
제1 요소부(E11, E12) 및 제2 요소부(E21, E22)가 Ti 산화물(ex, TiO2), Nb 산화물(ex, Nb2O5), Ta 산화물(ex, Ta2O5)과 같은 산화물을 포함하는 경우, 식각정지층(ES11, ES12)은 비산화물(non-oxide material)을 포함할 수 있다. 예컨대, 식각정지층(ES11, ES12)은 Si 질화물(ex, Si3N4)을 포함할 수 있다. 다시 말해, 식각정지층(ES11, ES12)이 Si 질화물(ex, Si3N4)과 같은 질화물을 포함하는 경우, 제1 요소부(E11, E12) 및 제2 요소부(E21, E22)는 비질화물(non-nitride material)을 포함할 수 있다. 상기 비질화물은, 예컨대, Ti 산화물(ex, TiO2), Nb 산화물(ex, Nb2O5), Ta 산화물(ex, Ta2O5) 등일 수 있다. 상기 산화물(ex, TiO2, Nb2O5, Ta2O5)과 상기 질화물(ex, Si3N4) 사이의 식각선택비는 약 1.5 이상 또는 약 3 이상일 수 있다. 제1 요소부(E11, E12) 및 제2 요소부(E21, E22)가 Si 질화물(ex, Si3N4, SiN3)과 같은 질화물을 포함하는 경우, 식각정지층(ES11, ES12)은 비질화물(non-nitride material)을 포함할 수 있다. 예컨대, 식각정지층(ES11, ES12)은 Si 산화물(ex, SiO2)과 같은 산화물을 포함할 수 있다. 상기 질화물(ex, Si3N4, SiN3)과 상기 산화물(ex, SiO2) 사이의 식각선택비는 약 1.5 이상 또는 약 3 이상일 수 있다.
식각정지층(ES11, ES12)의 두께는 제1 요소부(E11, E12)와 제2 요소부(E21, E22)의 두께 및 식각선택비(etch selectivity) 그리고 오버에치(overetch) 정도에 따라 결정될 수 있다. 대략적으로, 식각정지층(ES11, ES12)의 두께는 약 50nm 이하에서 결정될 수 있다. 제1 요소부(E11, E12)와 제2 요소부(E21, E22) 각각의 두께는 수십 nm 내지 수백 nm 정도일 수 있다. 또한, 제1 요소부(E11, E12)와 제2 요소부(E21, E22) 각각의 폭은 수십 nm 내지 수백 nm 정도일 수 있고, 제1 요소부(E11, E12)와 제2 요소부(E21, E22)가 상호 시프트된 거리는 이들 각각의 폭보다 작은 범위에서 결정될 수 있다.
도 3 및 도 4에서와 같이, 색분할 요소(CE11, CE12)가 식각정지층(ES11, ES12)을 포함하는 경우, 제2 요소부(E21, E22) 형성시 제1 요소부(E11, E12)의 손상을 억제할 수 있고, 제1 요소부(E11, E12)와 제2 요소부(E21, E22) 사이의 간격을 용이하게 제어할 수 있으며, 개선된 색분리 특성을 용이하게 확보할 수 있다.
도 5는 비교예에 따른 것으로, 식각정지층 없이 형성된 색분할 요소의 문제점을 보여주는 SEM(scanning electron microscope) 단면 사진이다.
도 5를 참조하면, 식각정지층 없이 색분할 요소를 형성할 경우, 상단 요소부를 형성하기 위한 식각 공정에서 하단 요소부의 일부가 원치 않게 식각되어 손상된 것을 확인할 수 있다. 기판(웨이퍼) 전체에서 식각의 불균일성을 고려하여, 상단 요소부를 형성할 때 상단 요소부의 설계 두께보다 약 10∼30% 정도 오버에치(overetch)를 수행할 필요가 있고, 결과적으로, 하단 요소부가 쉽게 손상될 수 있다. 이러한 문제는 이미지센서(도 1의 IM10)의 중심부에서 바깥쪽으로 갈수록 심화될 수 있다. 즉, 이미지센서(도 1의 IM10)의 중심부에서 바깥쪽으로 갈수록 두 요소부가 시프트된 정도가 커질 수 있고, 시프트된 정도가 클수록 하단 요소부가 더 크게 손상될 수 있다. 그러나, 실시예에 따르면, 상호 시프트된 복수의 요소부(상하단 요소부) 사이에 소정의 식각정지층을 삽입함으로써, 도 5와 같은 문제를 방지하고 본래 설계된 형상을 갖는 색분할 요소를 용이하게 구현할 수 있다. 또한, 식각정지층은 복수의 요소부(상하단 요소부) 사이의 간격을 제어하는 역할을 할 수 있고, 색분할 요소의 색분리 특성을 개선하는 기능도 가질 수 있다.
도 6a 내지 도 6g는 일 실시예에 따른 색분할기 구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6a를 참조하면, 소정의 하부구조체(US1)를 마련할 수 있다. 하부구조체(US1)는 광감지소자부(100) 및 광감지소자부(100) 상에 형성된 제1 유전체층(110)을 포함할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 제1 유전체층(110) 상에 색분할기용 제1 물질층(120)을 형성할 수 있다. 다음, 색분할기용 제1 물질층(120) 상에 식각정지물질층(130)을 형성할 수 있다. 제1 물질층(120)의 구체적인 물질은 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 제1 요소부(E11, E12)의 물질과 동일하거나 유사할 수 있다. 식각정지물질층(130)의 구체적인 물질은 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 식각정지층(ES11, ES12)의 물질과 동일하거나 유사할 수 있다. 구체적인 예로, 제1 물질층(120)은 Ti 산화물(ex, TiO2), Nb 산화물(ex, Nb2O5), Ta 산화물(ex, Ta2O5)과 같은 산화물을 포함하거나, Si 질화물(ex, Si3N4, SiN3)과 같은 질화물을 포함할 수 있다. 또는, 제1 물질층(120)은 ZnS, ZnSe와 같은 화합물을 포함할 수 있다. 식각정지물질층(130)은 제1 물질층(120)에 대해 식각선택비가 약 1.5 이상 또는 약 3 이상인 물질로 형성될 수 있다. 제1 요소부(120)가 Ti 산화물(ex, TiO2), Nb 산화물(ex, Nb2O5), Ta 산화물(ex, Ta2O5)과 같은 산화물을 포함하는 경우, 식각정지물질층(130)은 비산화물(non-oxide material), 예컨대, Si 질화물(ex, Si3N4)을 포함할 수 있다. 제1 요소부(120)가 Si 질화물(ex, Si3N4, SiN3)과 같은 질화물을 포함하는 경우, 식각정지물질층(130)은 비질화물(non-nitride material), 예컨대, Si 산화물(ex, SiO2)을 포함할 수 있다. 제1 요소부(120)의 물질과 식각정지물질층(130)의 물질은 서로 뒤바뀔 수도 있다. 또한, 제1 물질층(120)과 식각정지물질층(130)의 구체적인 물질은 전술한 바에 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있다.
도 6c를 참조하면, 식각정지물질층(130)과 제1 물질층(120)을 차례로 패터닝하여 제1 물질층(120)으로부터 제1 요소부(120a)를 형성할 수 있고, 식각정지물질층(130)으로부터 식각정지층(130a)을 형성할 수 있다. 식각정지물질층(130) 상에 소정의 식각마스크(미도시)를 형성한 후, 식각정지물질층(130)과 제1 물질층(120)에 대한 식각 공정을 진행하여, 식각정지층(130a) 및 제1 요소부(120a)를 형성할 수 있다. 제1 요소부(120a)의 상면 상에 식각정지층(130a)이 구비될 수 있다. 제1 요소부(120a)와 식각정지층(130a)은 하나의 적층구조(SS1)를 구성한다고 할 수 있다.
식각정지물질층(130)이 질화물을 포함하는 경우, 식각정지층(130a) 형성을 위한 패터닝 공정시, 식각 가스로 불소(F)를 포함하는 가스를 사용할 수 있다. 구체적이 예로, 식각정지물질층(130)이 Si 질화물(ex, Si3N4)을 포함하는 경우, 이를 식각하기 위한 식각 가스는 CF4 및 O2를 포함하거나, CF4와 CHF3 및 O2를 포함할 수 있다. 이러한 식각 가스는 식각정지물질층(130)에 대해서만 높은 식각선택성을 가질 수 있고, 제1 물질층(120)에 대해서는 거의 영향을 주지 않을 수 있다. 만약, 식각정지물질층(130)이 Si 산화물(ex, SiO2)을 포함하는 경우, 이를 식각하기 위한 식각 가스는, 예컨대, C4F6와 Ar 및 O2를 포함할 수 있다.
제1 물질층(120)이 산화물을 포함하는 경우, 제1 요소부(120a) 형성을 위한 패터닝 공정시, 식각 가스로 염소(Cl)를 포함하는 가스를 사용할 수 있다. 구체적인 예로, 제1 물질층(120)이 Ti 산화물(ex, TiO2)을 포함하는 경우, 이를 식각하기 위한 식각 가스는 BCl3 및 Ar을 포함하거나, BCl3 및 He를 포함할 수 있다. 또는, 상기 Ti 산화물(ex, TiO2)을 포함하는 제1 물질층(120)을 식각하기 위한 식각 가스는 BCl3, Ar 및 O2를 포함하거나 BCl3, He 및 O2를 포함할 수 있다. 또는, 상기 Ti 산화물(ex, TiO2)을 포함하는 제1 물질층(120)을 식각하기 위한 식각 가스는 BCl3 및 C2H4를 포함하거나, Cl2 및 Ar을 포함할 수 있다. 이러한 식각 가스는 제1 물질층(120)에 대해서만 높은 식각선택성을 가질 수 있고, 식각정지층(130a)에 대해서는 거의 영향을 주지 않을 수 있다.
한편, 제1 물질층(120)이 Nb 산화물(ex, Nb2O5)을 포함하는 경우, 이를 식각하기 위한 식각 가스는 CF4 및 O2를 포함하거나, CF4 및 H2를 포함할 수 있다. 제1 물질층(120)이 Ta 산화물(ex, Ta2O5)을 포함하는 경우, 이를 식각하기 위한 식각 가스는 CF4를 포함하거나, CF3Cl을 포함하거나, CHF3와 CF4 및 Ar을 포함할 수 있다. 만약, 제1 물질층(120)이 Si 질화물(ex, Si3N4, SiN3)을 포함하는 경우, 이를 식각하기 위한 식각 가스는 CF4 및 O2를 포함하거나, CF4와 CHF3 및 O2를 포함할 수 있다.
도 6d를 참조하면, 적층구조(SS1) 주위의 제1 유전체층(110) 상에 제2 유전체층(140)을 형성할 수 있다. 제2 유전체층(140)의 상면의 높이는 식각정지층(130a)의 상면의 높이와 동일하거나 유사할 수 있다. 제1 유전체층(110) 상에 적층구조(SS1)를 덮는 유전물질층을 형성한 후, 상기 유전물질층에 대한 평탄화 공정 및/또는 에치백(etchback) 공정을 진행함으로써, 제2 유전체층(140)을 형성할 수 있다.
도 6e를 참조하면, 식각정지층(130a) 및 제2 유전체층(140) 상에 색분할기용 제2 물질층(150)을 형성할 수 있다. 제2 물질층(150)의 구체적인 물질은 제1 물질층(120)과 동일할 수 있지만 동일하지 않을 수도 있다. 구체적인 예로, 제2 물질층(150)은 Ti 산화물(ex, TiO2), Nb 산화물(ex, Nb2O5), Ta 산화물(ex, Ta2O5)과 같은 산화물을 포함하거나, Si 질화물(ex, Si3N4, SiN3)과 같은 질화물을 포함하거나, ZnS 및 ZnSe와 같은 화합물을 포함할 수 있다.
도 6f를 참조하면, 제2 물질층(150) 상에 소정의 식각마스크(미도시)를 형성한 후, 상기 식각마스크에 의해 커버되지 않은 제2 물질층(150) 부분을 식각할 수 있다. 다시 말해, 제2 물질층(150)을 소정 형태로 패터닝할 수 있다. 이때, 식각정지층(130a)의 일부가 노출될 때까지 제2 물질층(150)을 패터닝할 수 있다. 그 결과, 제2 물질층(150)으로부터 패터닝된 제2 요소부(150a)를 형성할 수 있다. 제2 요소부(150a)는 제1 요소부(120a)와 부분적으로 오버랩되도록 형성할 수 있다.
제2 물질층(150)에 대한 식각 공정시 식각정지층(130a)에 의해 제1 요소부(120a)가 손상되지 않고 보호될 수 있다. 제2 물질층(150)이 산화물을 포함하는 경우, 제2 요소부(150a) 형성을 위한 패터닝 공정시, 식각 가스로 염소(Cl)를 포함하는 가스를 사용할 수 있다. 제2 물질층(150)이 Ti 산화물(ex, TiO2)을 포함하는 경우, 이를 식각하기 위한 식각 가스는 BCl3 및 Ar을 포함하거나, BCl3 및 He를 포함할 수 있다. 또는, 상기 식각 가스는 BCl3과 Ar 및 O2를 포함하거나, BCl3과 He 및 O2를 포함할 수 있다. 또는, 상기 식각 가스는 BCl3 및 C2H4를 포함하거나, Cl2 및 Ar을 포함할 수 있다.
한편, 제2 물질층(150)이 Nb 산화물(ex, Nb2O5)을 포함하는 경우, 이를 식각하기 위한 식각 가스는 CF4 및 O2를 포함하거나, CF4 및 H2를 포함할 수 있다. 제2 물질층(150)이 Ta 산화물(ex, Ta2O5)을 포함하는 경우, 이를 식각하기 위한 식각 가스는 CF4를 포함하거나, CF3Cl을 포함하거나, CHF3와 CF4 및 Ar을 포함할 수 있다. 만약, 제2 물질층(150)이 Si 질화물(ex, Si3N4, SiN3)을 포함하는 경우, 이를 식각하기 위한 식각 가스는 CF4 및 O2를 포함하거나, CF4와 CHF3 및 O2를 포함할 수 있다.
제2 물질층(150)을 식각하기 위한 식각 가스는 제2 물질층(150)에 대해서만 높은 식각선택성을 가질 수 있고, 식각정지층(130a)에 대해서는 거의 영향을 주지 않을 수 있다. 제2 물질층(150)을 식각하기 위한 식각 가스와 식각정지물질층(도 6b의 130)을 식각하기 위한 식각 가스가 유사한 계열의 가스를 포함하더라도, 동반되는 가스의 종류 및 그 밖에 식각 조건에 따라, 서로에 대한 식각선택비는 커질 수 있다. 따라서, 제2 물질층(150)을 식각하여 제2 요소부(150a)를 형성할 때, 제1 요소부(120a)는 손상되지 않고 보호될 수 있다. 또한, 식각정지층(130a)에 의해 기판(웨이퍼) 전 영역에서 제1 요소부(120a)와 제2 요소부(150a) 사이의 간격이 균일하거나 거의 균일하게 제어될 수 있다.
도 6g를 참조하면, 제2 요소부(150a) 주위의 제2 유전체층(140) 상에 제3 유전체층(160)을 형성할 수 있다. 제3 유전체층(160)의 상면의 높이는 제2 요소부(150a)의 상면의 높이와 동일하거나 유사할 수 있다. 제2 유전체층(140) 상에 제2 요소부(150a)를 덮는 유전물질층을 형성한 후, 상기 유전물질층에 대한 평탄화 공정 및/또는 에치백(etchback) 공정을 진행함으로써, 제3 유전체층(160)을 형성할 수 있다. 제1 요소부(120a), 제2 요소부(150a) 및 이들 사이에 구비된 식각정지층(130a)은 하나의 색분할 요소(CE1)를 구성할 수 있다. 색분할 요소(CE1)는 도 3의 색분할 요소(CE11)에 대응될 수 있다.
도 7a 내지 도 7h는 다른 실시예에 따른 색분할기 구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7a를 참조하면, 소정의 하부구조체(US2)를 마련할 수 있다. 하부구조체(US2)는 광감지소자부(200) 및 광감지소자부(200) 상에 형성된 제1 유전체층(210)을 포함할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 제1 유전체층(210) 상에 색분할기용 제1 물질층(220)을 형성할 수 있다. 색분할기용 제1 물질층(220)의 구체적인 물질은 도 6b의 제1 물질층(120)과 동일하거나 유사할 수 있다.
도 7c를 참조하면, 제1 물질층(220)을 패터닝하여 제1 요소부(220a)를 형성할 수 있다. 제1 요소부(220a)는 도 6c의 제1 요소부(120a)에 대응되거나 그와 유사할 수 있다. 제1 물질층(220)을 패터닝하는 공정에서 사용하는 식각 가스는 도 6b의 제1 물질층(120)을 패터닝하는 공정에서 사용하는 식각 가스와 동일하거나 유사할 수 있다.
도 7d를 참조하면, 제1 요소부(220a) 주위의 제1 유전체층(210) 상에 제2 유전체층(230)을 형성할 수 있다.
도 7e를 참조하면, 제1 요소부(220a)와 제2 유전체층(230) 상에 식각정지물질층(240)을 형성할 수 있고, 식각정지물질층(240) 상에 색분할기용 제2 물질층(250)을 형성할 수 있다. 식각정지물질층(240)의 구체적인 물질은 도 6b의 식각정지물질층(130)과 동일하거나 유사할 수 있고, 제2 물질층(250)의 구체적인 물질은 도 6e의 제2 물질층(150)과 동일하거나 유사할 수 있다.
도 7f를 참조하면, 제2 물질층(250)을 식각정지물질층(240)이 노출될 때까지 패터닝하여 제2 요소부(250a)를 형성할 수 있다. 제2 요소부(250a)는 제1 요소부(220a)와 부분적으로 오버랩되도록 형성할 수 있다. 제2 물질층(250)을 패터닝하는 공정에서 사용하는 식각 가스는 도 6e의 제2 물질층(150)을 패터닝하는 공정에서 사용하는 식각 가스와 동일하거나 유사할 수 있다.
도 7g를 참조하면, 제2 요소부(250a)를 식각마스크로 사용해서 식각정지물질층(240)을 식각하여 제2 요소부(250a) 아래에 식각정지층(240a)을 형성할 수 있다. 식각정지물질층(240)과 제1 요소부(220a) 사이의 식각선택비가 크기 때문에, 식각정지물질층(240)을 식각하여 제1 요소부(220a)이 일부가 노출되더라도 제1 요소부(220a)는 거의 손상되지 않을 수 있다. 또한, 식각정지물질층(240)과 제2 유전체층(평탄화층)(230) 사이의 식각선택비도 클 수 있기 때문에, 식각정지층(240a) 형성시 제2 유전체층(평탄화층)(230)도 거의 손상되지 않고 보호될 수 있다. 즉, 식각정지물질층(240)은 제1 요소부(220a)뿐 아니라 제2 유전체층(평탄화층)(230)도 보호하는 역할을 할 수 있다. 식각정지물질층(240)을 패터닝하기 위한 식각 가스는 도 6b의 식각정지물질층(130)을 패터닝하기 위한 식각 가스와 동일하거나 유사할 수 있다.
도 7h를 참조하면, 제2 요소부(250a) 주위의 제2 유전체층(230) 상에 제3 유전체층(260)을 형성할 수 있다. 제3 유전체층(260)의 상면의 높이는 제2 요소부(250a)의 상면의 높이와 동일하거나 유사할 수 있다. 제1 요소부(220a), 제2 요소부(250a) 및 이들 사이에 구비된 식각정지층(240a)은 하나의 색분할 요소(CE2)를 구성할 수 있다. 색분할 요소(CE2)는 도 4의 색분할 요소(CE12)에 대응될 수 있다.
이상의 실시예에서는 하나의 색분할 요소가 2개의 요소부를 포함하는 경우에 대해서도 주로 설명하였지만, 다른 실시예에 따르면, 하나의 색분할 요소는 3개 혹은 그 이상의 요소부를 포함할 수도 있다. 그 일례가 도 8a 및 도 8b에 도시되어 있다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 색분할 요소(CE15)는 제1 요소부(E15), 제2 요소부(E25) 및 제3 요소부(E35)를 포함할 수 있다. 색분할 요소(CE15)의 출사면에서 입사면 측으로, 제1 요소부(E15), 제2 요소부(E25) 및 제3 요소부(E35)가 순차로 배열될 수 있다. 제1 요소부(E15)와 제2 요소부(E25) 사이에 제1 식각정지층(ES15)이 구비될 수 있고, 제2 요소부(E25)와 제3 요소부(E35) 사이에 제2 식각정지층(ES25)이 구비될 수 있다. 제2 요소부(E25)는 제1 요소부(E15)와 상호 부분적으로 오버랩되도록 구비될 수 있고, 제3 요소부(E35)는 제2 요소부(E25)와 상호 부분적으로 오버랩되도록 구비될 수 있다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 입사광이 수직하게 입사하는 경우, 색분할 요소(CE15)의 제1 내지 제3 요소부(E15, E25, E35)의 중심부는 대응 픽셀 영역의 중심선을 따라 정렬될 수 있다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 입사광이 경사지게 입사하는 경우, 색분할 요소(CE15)의 제1 내지 제3 요소부(E15, E25, E35)는 서로에 대해 시프트될 수 있다. 제1 요소부(E15)의 중심과 제2 요소부(E25)의 중심 및 제3 요소부(E35)의 중심을 연결한 직선의 각도는 입사광의 각도와 동일하거나 유사할 수 있다. 또한, 제1 요소부(E15)와 제2 요소부(E25) 사이의 상대적인 시프트 거리(제1 시프트 거리)(d1)는 제2 요소부(E25)와 제3 요소부(E35) 사이의 상대적인 시프트 거리(제2 시프트 거리)(d2)와 같거나 서로 다를 수도 있다. 제1 시프트 거리(d1)와 제2 시프트 거리(d2)는 입사광의 각도 및 분리하고자 하는 빛의 파장 대역에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 또한, 제1 요소부(E15)와 제2 요소부(E25) 사이의 거리 및 제2 요소부(E25)와 제3 요소부(E35) 사이의 거리는 같거나 서로 다를 수도 있다. 즉, 제1 식각정지층(ES15)과 제2 식각정지층(ES25)의 두께는 같거나 서로 다를 수 있다.
부가적으로, 도 8b에서는 제1 및 제2 식각정지층(ES15, ES25)이 각각 제1 요소부(E15)의 상면 및 제2 요소부(E25)의 상면에 대응하도록 구비된 경우에 대해서 도시하였지만, 다른 실시예에 따르면, 제1 및 제2 식각정지층(ES15, ES25)은 각각 제2 요소부(E25)의 하면 및 제3 요소부(E35)의 하면에 대응하도록 구비될 수도 있다. 다시 말해, 도 8b의 색분할기 구조는 3개의 요소부(E15, E25, E35)를 가지면서 도 3 또는 도 4에 대응하는 구조 또는 그로부터 변형된 구조를 가질 수 있다.
또한, 도 8a 및 도 8b에서는 색분할 요소(CE15)가 3개의 요소부(E15, E25, E35)를 갖는 경우에 대해서 예시적으로 설명하였지만, 하나의 색분할 요소가 입사광의 진행 방향에 따라 순차적으로 배열된 4개 이상의 요소부를 포함하는 것도 가능하다. 도 8a 및 도 8b에서 미설명된 참조번호 PS15 및 DL15는 각각 광감지소자부 및 투명 유전체층을 나타낸다.
이상의 실시예에서는 인접한 두 개의 요소부 사이에 식각정지층을 구비시킨 경우에 대해서 도시하고 설명하였지만, 다른 실시예에 따르면, 인접한 두 개의 요소부를 식각선택비가 큰 서로 다른 물질로 형성할 수 있고, 이 경우, 식각정지층을 형성하지 않을 수 있다. 이에 대해서는 도 9 및 도 10을 참조하여 설명한다.
도 9는 다른 실시예에 따른 색분할기 구조 및 이를 포함하는 이미지센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9를 참조하면, 색분할 요소(CE17)는 제1 요소부(E17) 및 제2 요소부(E27)를 포함할 수 있다. 제1 요소부(E17)와 제2 요소부(E27)는 상호 서로 접촉될 수 있다. 제1 요소부(E17)와 제2 요소부(E27)는 서로 다른 물질로 형성될 수 있다. 제1 요소부(E17) 물질과 제2 요소부(E27) 물질 사이의 식각선택비는 약 1.5 이상일 수 있다. 예컨대, 상기 두 물질 사이의 식각선택비는 약 3 이상 또는 약 5 이상일 수 있다. 이 경우, 제2 요소부(E27)를 형성하기 위한 식각 공정시, 제1 요소부(E17)는 거의 손상되지 않을 수 있다.
구체적인 예로, 제1 요소부(E17)는 Ti 산화물(ex, TiO2), Nb 산화물(ex, Nb2O5), Ta 산화물(ex, Ta2O5)과 같은 산화물로 형성될 수 있고, 이 경우, 제2 요소부(E27)는 비산화물로 형성될 수 있다. 상기 비산화물은, 예컨대, Si 질화물(ex, Si3N4, SiN3)과 같은 질화물일 수 있다. 또는, 제1 요소부(E17)는 Si 질화물(ex, Si3N4, SiN3)과 같은 질화물로 형성될 수 있고, 이 경우, 제2 요소부(E27)는 비질화물로 형성될 수 있다. 상기 비질화물은 Ti 산화물(ex, TiO2), Nb 산화물(ex, Nb2O5), Ta 산화물(ex, Ta2O5)과 같은 산화물일 수 있다. 또는, 제1 요소부(E17)가 Ti 산화물(ex, TiO2), Nb 산화물(ex, Nb2O5), Ta 산화물(ex, Ta2O5)과 같은 산화물로 형성된 경우, 제2 요소부(E27)는 Si3N4, SiN3, ZnS, ZnSe 등으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 또는, 제1 요소부(E17)가 Si 질화물(ex, Si3N4, SiN3)과 같은 질화물로 형성된 경우, 제2 요소부(E27)는 TiO2, Nb2O5, Ta2O5, ZnS, ZnSe 등으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 또는, 제1 요소부(E17)가 Si 질화물(ex, Si3N4, SiN3)과 같은 질화물로 형성되고, 제2 요소부(E27)는 Si 산화물(ex, SiO2)과 같은 산화물로 형성되거나, 그 반대일 수 있다. 그러나, 여기서 제시한 구체적인 물질은 예시적인 것이고, 그 밖에 다양한 다른 물질이 사용될 수 있다.
도 9의 실시예와 같이, 식각정지층 없이 서로 다른 물질로 제1 및 제2 요소부(E17, E27)를 형성할 경우, 제조공정이 단순화될 수 있다. 도 9에서 참조번호 PS17, DL17, DL27, DL37은 각각 광감지소자부, 제1 유전체층, 제2 유전체층 및 제3 유전체층을 나타낸다.
도 10은 다른 실시예에 따른 색분할기 구조 및 이를 포함하는 이미지센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도 10을 참조하면, 색분할 요소(CE18)는 제1 요소부(E18), 제2 요소부(E28) 및 제3 요소부(E38)를 포함할 수 있다. 제1 요소부(E18)와 제2 요소부(E28)는 상호 서로 접촉될 수 있고, 제2 요소부(E28)와 제3 요소부(E38)도 상호 접촉될 수 있다. 제1 요소부(E18)와 제2 요소부(E28)는 서로 다른 물질로 형성될 수 있고, 제2 요소부(E28)와 제3 요소부(E38)는 서로 다른 물질로 형성될 수 있다. 제1 요소부(E18)와 제3 요소부(E38)는 동일한 물질로 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 요소부(E18)와 제3 요소부(E38)는 모두 제1 물질로 형성될 수 있고, 제2 요소부(E28)는 상기 제1 물질과 다른 제2 물질로 형성될 수 있다. 제1 요소부(E18) 및/또는 제3 요소부(E38)는 도 9에서 설명한 제1 요소부(E17)의 물질과 동일하거나 유사한 물질로 형성될 수 있다. 제2 요소부(E28)는 도 9에서 설명한 제2 요소부(E27)의 물질과 동일하거나 유사한 물질로 형성될 수 있다. 경우에 따라서는, 제1 내지 제3 요소부(E18, E28, E38)가 모두 다른 물질로 형성될 수도 있다.
제1 요소부(E18) 물질과 제2 요소부(E28) 물질 사이의 식각선택비는 약 1.5 이상일 수 있고, 제2 요소부(E28) 물질과 제3 요소부(E38) 물질 사이의 식각선택비도 약 1.5 이상일 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 요소부(E18, E28) 사이의 식각선택비는 약 3 이상 또는 약 5 이상일 수 있고, 이와 유사하게, 제2 및 제3 요소부(E28, E38) 사이의 식각선택비도 약 3 이상 또는 약 5 이상일 수 있다. 도 10에서 참조번호 PS18, DL18, DL28, DL38, DL48은 각각 광감지소자부, 제1 유전체층, 제2 유전체층, 제3 유전체층 및 제4 유전체층을 나타낸다.
도 11은 도 1의 이미지센서(IM10)의 픽셀들과 색분할 요소(CE10)들의 위치 관계를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 11을 참조하면, 이미지센서는 복수의 행과 복수의 열을 갖는 2차원 매트릭스의 형태로 배열된 다수의 광검출용 픽셀(Px1, Px2, Px3)을 구비하는 픽셀 어레이(PA10)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1행(R1)에는 제1 픽셀(Px1)과 제2 픽셀(Px2)이 교대로 배열될 수 있고, 제1행(R1)에 인접한 제2행(R2)에는 제3 픽셀(Px3)들만 배열될 수 있다. 이러한 제1행(R1)과 제2행(R2)은 세로 방향을 따라 교대로 배열될 수 있다. 그리고, 복수의 색분할 요소(CE10)는 제1행(R1)에 있는 제1 픽셀(Px1)들과 각각 대향하여 배치될 수 있다.
도 12은 도 11에 도시된 이미지센서(IM10)의 제1행(R1)에 배치된 제1 및 제2 픽셀(Px1, Px2)의 구조를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 12를 참조하면, 제1행(R1)은 광감지층(PL10), 광감지층(PL10)의 광입사면에 배치된 컬러필터층(CL10), 컬러필터층(CL10) 위에 전체적으로 배치된 투명 유전체층(DL10), 제1 픽셀(Px1)의 투명 유전체층(DL10) 내에 구비된 색분할 요소(CE10) 및 입사광을 색분할 요소(CE10)에 집광하도록 투명 유전체층(DL10) 상에 배치된 마이크로렌즈(ML10a)를 포함할 수 있다. 광감지층(PL10)은 입사광을 그 세기에 따라 전기적 신호로 변환하는 역할을 할 수 있다. 컬러필터층(CL10)은 제1 픽셀(Px1)에 배치되어 제1 파장 대역의 빛만을 투과시키는 제1 컬러필터(CF1)와 제2 픽셀(Px2)에 배치되어 제2 파장 대역의 빛만을 투과시키는 제2 컬러필터(CF2)를 포함할 수 있다. 마이크로렌즈(ML10a)는 제1 픽셀(Px1) 및 그 양측의 제2 픽셀(Px2)을 덮는 것으로 도시하였지만, 각각의 픽셀(Px1, Px2) 영역에 대응하도록 분리되어 구비될 수도 있다. 또한, 편의상, 마이크로렌즈(ML10a)를 단순화하여 도시하였지만, 소정의 렌즈 형태를 가질 수 있다.
이러한 구조에서, 마이크로렌즈(ML10a)에 의해 집광된 빛은 색분할 요소(CE10)를 지나면서 색분할 요소(CE10)에 의해 제1 파장 대역의 빛(C1)과 제2 파장 대역의 빛(C2)으로 분리될 수 있다. 색분할 요소(CE10)는, 예를 들어, 입사광 중에서 제1 파장 대역의 빛(C1)의 진행 방향을 바꾸지 않고, 제2 파장 대역의 빛(C2)의 진행 방향을 양측으로 비스듬하게 바꾸도록 설계될 수 있다. 그러면, 제1 파장 대역의 빛(C1)은 색분할 요소(CE10)를 통과한 후 색분할 요소(CE10)의 바로 아래에 있는 제1 픽셀(Px1)의 광감지층(PL10)에 입사할 수 있다. 제2 파장 대역의 빛(C2)은 색분할 요소(CE10)를 통과한 후, 제1 픽셀(Px1)의 양측에 있는 제2 픽셀(Px2)의 광감지층(PL10)에 각각 입사할 수 있다.
도 13은 도 11에 도시된 이미지센서(IM10)의 제2행(R2)에 배치된 하나의 제3 픽셀(Px3)의 구조를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 13을 참조하면, 제3 픽셀(Px3)은 광감지층(PL10), 광감지층(PL10)의 광입사면에 배치된 컬러필터층(CF11), 컬러필터층(CF11) 위에 전체적으로 배치된 투명 유전체층(DL10) 및 입사광을 광감지층(PL10)에 집광하도록 투명 유전체층(DL10) 위에 배치된 마이크로렌즈(ML10b)를 포함할 수 있다. 이러한 구조에서, 입사광은 마이크로렌즈(ML10b)에 의해 투명 유전체층(DL10)과 컬러필터층(CL10)을 지나 광감지층(PL10)에 포커싱될 수 있다. 컬러필터층(CL10)은 입사광 중에서 제3 파장 대역의 빛만을 투과시키는 제3 컬러필터(CF3)를 포함할 수 있다. 따라서, 제3 픽셀(Px3)에서는 제3 파장 대역의 빛만을 검출할 수 있다.
도 11 내지 도 13에 도시된 예에서, 제3 픽셀(Px3)의 제3 컬러필터(CF3)에서는 종래의 픽셀 구조에서와 마찬가지로 입사광의 약 33% 정도만이 투과되어 광감지층(PL10)에 도달할 수 있다. 반면, 제1 픽셀(Px2)의 제1 컬러필터(CF1)와 제2 픽셀(Px2)의 제2 컬러필터(CF2)에서는 각각의 컬러필터(CF1, CF2)에 대응하는 색의 비율이 높기 때문에 종래의 픽셀 구조에 비하여 빛의 투과율이 증가하게 된다. 따라서, 제1 픽셀(Px1)과 제2 픽셀(Px2)에서의 광 이용 효율이 증가할 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 대역은 청색이고, 제2 파장 대역은 적색이며, 제3 파장 대역은 녹색일 수 있다. 즉, 제1 픽셀(Px1)은 청색 픽셀, 제2 픽셀(Px2)은 적색 픽셀, 제3 픽셀(Px3)은 녹색 픽셀일 수 있다.
도 11 내지 도 13에 도시된 이미지센서(IM10)의 픽셀 어레이(PA10)의 구조와 색분할 요소(CE10)의 특성은 단지 이해를 돕기 위한 예일 뿐이며, 본 실시예는 도 11 내지 도 13에 도시된 예에 한정되지 않는다. 색분할 요소(CE10)의 설계에 따라 색분리 특성이 다양하게 선택될 수 있고, 색분할 요소(CE10)의 색분리 특성에 따라 픽셀 어레이(PA10)의 구조도 다양하게 선택될 수 있다. 또한, 설계에 따라서는 마이크로렌즈(ML10a, ML10b) 및 컬러필터(CF1, CF2, CF3)의 일부 또는 전체가 생략될 수도 있다.
도 14는 이미지센서(IM10) 내에서 복수의 색분할 요소들의 위치에 따른 제1 요소부(E10a, E10b, E10c, E10d, E10e, E10f, E10g, E10h, E10i)와 제2 요소부(E20a, E20b, E20c, E20d, E20e, E20f, E20g, E20h, E20i)의 시프트 형태를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 14를 참조하면, 이미지센서(IM10)의 중심부에서는 색분할 요소의 제1 요소부(E10a)와 제2 요소부(E20a)가 서로 일치하여 배치될 수 있다. 따라서, 제2 요소부(E20a)만 나타나고, 제1 요소부(E10a)는 제2 요소부(E20a)에 가려서 보이지 않을 수 있다. 또한, 이미지센서(IM10)의 주변부에 위치한 색분할 요소들의 제1 요소부(E10b, E10c, E10d, E10e, E10f, E10g, E10h, E10i)와 제2 요소부(E20b, E20c, E20d, E20e, E20f, E20g, E20h, E20i)는 X 방향과 Y 방향을 따라 서로에 대해 시프트될 수 있다. Z축은 광축(도 1의 OX)과 같은 방향이므로, 제1 요소부(E10b, E10c, E10d, E10e, E10f, E10g, E10h, E10i)와 제2 요소부(E20b, E20c, E20d, E20e, E20f, E20g, E20h, E20i)들은 광축(OX)에 수직한 방향으로 시프트된다고 할 수 있다.
예를 들어, 이미지센서(IM10)의 도면상 상부 중앙 영역에 위치한 제2 요소부(E20b)는 제1 요소부(E10b)에 대해 -Y 방향으로 시프트될 수 있고, 도면상 하부 중앙 영역에 위치한 제2 요소부(E20c)는 제1 요소부(E10c)에 대해 +Y 방향으로 시프트될 수 있다. 이미지센서(IM10)의 도면상 좌측 중앙 영역에 위치한 제2 요소부(E20d)는 제1 요소부(E10d)에 대해 +X 방향으로 시프트될 수 있고, 도면상 우측 중앙 영역에 위치한 제2 요소부(E20e)는 제1 요소부(E10e)에 대해 -X 방향으로 시프트될 수 있다. 이미지센서(IM10)의 도면상 좌측 상부 영역에 위치한 제2 요소부(E20f)는 제1 요소부(E10f)에 대해 +X 방향과 -Y 방향으로 시프트될 수 있고, 도면상 우측 상부 영역에 위치한 제2 요소부(E20g)는 제1 요소부(E10g)에 대해 -X 방향과 -Y 방향으로 시프트될 수 있고, 도면상 좌측 하부 영역에 위치한 제2 요소부(E20h)는 제1 요소부(E10h)에 대해 +X 방향과 +Y 방향으로 시프트될 수 있고, 도면상 우측 하부 영역에 위치한 제2 요소부(E20i)는 제1 요소부(E10i)에 대해 -X 방향과 +Y 방향으로 시프트될 수 있다. 이와 같이, 이미지센서(IM10)의 주변부에 배치된 색분할 요소들의 제2 요소부(E20b, E20c, E20d, E20e, E20f, E20g, E20h, E20i)는 그에 대응하는 제1 요소부(E10b, E10c, E10d, E10e, E10f, E10g, E10h, E10i) 보다 이미지센서(IM10)의 중심 영역을 향해 시프트될 수 있다. 또한, 상기 중심 영역을 기준으로 제1 요소부(E10b, E10c, E10d, E10e, E10f, E10g, E10h, E10i)와 제2 요소부(E20b, E20c, E20d, E20e, E20f, E20g, E20h, E20i)들이 대칭적으로 시프트될 수 있다. 예를 들어, 색분할 요소들의 제1 요소부(E10b, E10c, E10d, E10e, E10f, E10g, E10h, E10i)와 제2 요소부(E20b, E20c, E20d, E20e, E20f, E20g, E20h, E20i)는 렌즈구조체(도 1의 LS10)를 통과한 주광선이 진행하는 방향에 맞추어 정렬되도록 시프트될 수 있다.
이상에서 설명한 다양한 실시예에 따른 색분할기 구조는, 예컨대, 이미지센서에 적용될 수 있다. 상기 이미지센서는, 예컨대, CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 이미지센서일 수 있다. 상기 이미지센서는 상기 색분할기 구조 및 상기 색분할기 구조를 통과한 광을 감지하기 위한 복수의 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이를 포함할 수 있다. 또한, 실시예들에 따른 이미지센서는 촬상장치와 같은 광학장치에 적용될 수 있다. 아울러, 다양한 실시예에 따른 색분할기 구조는 이미지센서 이외에 색분리 기능을 요구하는 다양한 광학적 소자에 적용될 수 있고, 촬상장치 이외에 디스플레이(display) 장치 등 다양한 다른 광학장치에 적용될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 4 및 도 8 내지 도 14를 참조하여 설명한 색분할 요소, 색분할기 구조, 이미지센서, 광학장치의 구성은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 각각의 색분할 요소에 포함된 복수의 요소부는 사각형의 단면이 아닌 사다리꼴 형태의 단면이다 그 밖에 다른 다양한 단면 형태를 가질 수 있고, 위에서 바라본 형태도 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 이와 유사하게, 식각정지층의 형태도 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 아울러서, 도 6a 내지 도 6g 및 도 7a 내지 도 7h를 참조하여 설명한 색분할기 구조의 제조방법 및 이를 적용한 이미지센서의 제조방법도 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
CS10 : 색분할기 구조 CE10∼CE12, CE15 : 색분할 요소
E10∼E12, E15 : 제1 요소부 E20∼E22, E25 : 제2 요소부
E35 : 제3 요소부 ES10∼ES12, ES25 : 식각정지층
DL10∼DL32 : 투명 유전체층 PA10 : 픽셀 어레이
Px, Px1∼Px3 : 픽셀 PS10∼PS12, PS15 : 광감지소자부
IM10 : 이미지센서 LS10 : 렌즈구조체
ML10a, ML10b : 마이크로렌즈 1000 : 광학장치
100 : 광감지소자부 110 : 제1 유전체층
120 : 색분할기용 제1 물질층 120a : 제1 요소부
130 : 식각정지물질층 130a : 식각정지층
140 : 제2 유전체층 150 : 색분할기용 제2 물질층
150a : 제2 요소부 160 : 제3 유전체층
200 : 광감지소자부 210 : 제1 유전체층
220 : 색분할기용 제1 물질층 220a : 제1 요소부
230 : 제2 유전체층 240 : 식각정지물질층
240a : 식각정지층 250 : 색분할기용 제2 물질층
250a : 제2 요소부 260 : 제3 유전체층
CS10 : 색분할기 구조 CE10∼CE12, CE15 : 색분할 요소
E10∼E12, E15 : 제1 요소부 E20∼E22, E25 : 제2 요소부
E35 : 제3 요소부 ES10∼ES12, ES25 : 식각정지층
DL10∼DL32 : 투명 유전체층 PA10 : 픽셀 어레이
Px, Px1∼Px3 : 픽셀 PS10∼PS12, PS15 : 광감지소자부
IM10 : 이미지센서 LS10 : 렌즈구조체
ML10a, ML10b : 마이크로렌즈 1000 : 광학장치
100 : 광감지소자부 110 : 제1 유전체층
120 : 색분할기용 제1 물질층 120a : 제1 요소부
130 : 식각정지물질층 130a : 식각정지층
140 : 제2 유전체층 150 : 색분할기용 제2 물질층
150a : 제2 요소부 160 : 제3 유전체층
200 : 광감지소자부 210 : 제1 유전체층
220 : 색분할기용 제1 물질층 220a : 제1 요소부
230 : 제2 유전체층 240 : 식각정지물질층
240a : 식각정지층 250 : 색분할기용 제2 물질층
250a : 제2 요소부 260 : 제3 유전체층
Claims (30)
- 입사광을 파장에 따라 복수의 출사광으로 분리하는 색분할 요소가 복수 개 배열된 어레이 구조를 포함하고,
상기 복수의 색분할 요소 중 적어도 하나는,
제1 요소부;
상기 제1 요소부와 상호 부분적으로 오버랩되도록 상기 제1 요소부에 대해 시프트되어 배치된 제2 요소부; 및
상기 제1 요소부와 제2 요소부 사이에 구비된 식각정지층;을 포함하는 색분할기 구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 요소부는 상기 제2 요소부에 대향하는 제1면을 갖고,
상기 제2 요소부는 상기 제1 요소부에 대향하는 제2면을 가지며,
상기 식각정지층은 상기 제1면에 대응하도록 구비되고, 상기 제2면의 일부는 상기 식각정지층에 의해 커버되지 않는 색분할기 구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 요소부는 상기 제2 요소부에 대향하는 제1면을 갖고,
상기 제2 요소부는 상기 제1 요소부에 대향하는 제2면을 가지며,
상기 식각정지층은 상기 제2면에 대응하도록 구비되고, 상기 제1면의 일부는 상기 식각정지층에 의해 커버되지 않는 색분할기 구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 식각정지층은 상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나에 대해 식각선택비가 1.5 이상인 물질을 포함하는 색분할기 구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 산화물을 포함하고,
상기 식각정지층은 비산화물(non-oxide material)을 포함하는 색분할기 구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 식각정지층은 질화물을 포함하고,
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 비질화물(non-nitride material)을 포함하는 색분할기 구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 Ti 산화물, Nb 산화물 및 Ta 산화물 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 식각정지층은 Si 질화물을 포함하는 색분할기 구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 Si 질화물을 포함하고,
상기 식각정지층은 Si 산화물을 포함하는 색분할기 구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 색분할기 구조는 투명 유전체층을 더 포함하고,
상기 복수의 색분할 요소는 상기 투명 유전체층 내에 매립되어 있는 색분할기 구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 어레이 구조의 중앙부에 배치된 색분할 요소는 상호 시프트되지 않도록 광축 상에 정렬된 제1 및 제2 요소부를 포함하고,
상기 어레이 구조의 중앙부 이외의 영역에 배치된 색분할 요소들 각각은 상호 시프트되어 있는 제1 및 제2 요소부를 포함하는 색분할기 구조. - 제 10 항에 있어서,
상기 어레이 구조의 중앙부에서 멀어질수록 상기 제1 요소부와 그에 대응하는 제2 요소부 사이의 시프트 간격이 증가하는 색분할기 구조. - 제 10 항에 있어서,
상기 어레이 구조의 중앙부 이외의 영역에 배치된 색분할 요소들의 제1 요소부와 그에 대응하는 제2 요소부는 경사지게 입사하는 입사광의 진행 방향에 맞추어 정렬된 색분할기 구조. - 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 색분할 요소 중 적어도 하나는,
상기 제2 요소부와 부분적으로 오버랩된 제3 요소부; 및
상기 제2 요소부와 제3 요소부 사이에 구비된 제2 식각정지층;을 더 포함하는 색분할기 구조. - 청구항 1 내지 13 중 어느 하나에 기재된 색분할기 구조; 및
상기 색분할기 구조를 통과한 광을 감지하기 위한 복수의 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이;를 구비하는 이미지센서. - 청구항 14에 기재된 이미지센서를 포함하는 광학장치.
- 입사광을 파장에 따라 복수의 출사광으로 분리하는 색분할 요소가 복수 개 배열된 어레이 구조를 포함하는 색분할기 구조의 제조방법에 있어서,
상기 복수의 색분할 요소 중 적어도 하나를 형성하는 단계는,
하부구조체 상에 제1 요소부와 식각정지층이 순차로 적층된 적층구조를 형성하는 단계;
상기 적층구조 주위의 상기 하부구조체 상에 유전체층을 형성하는 단계;
상기 적층구조 및 상기 유전체층 상에 색분할기용 물질층을 형성하는 단계;
상기 색분할기용 물질층을 상기 식각정지층의 일부가 노출될 때까지 패터닝하여 제2 요소부를 형성하되, 상기 제2 요소부는 상기 제1 요소부와 부분적으로 오버랩되도록 형성하는 단계;를 포함하는 색분할기 구조의 제조방법. - 제 16 항에 있어서, 상기 색분할기용 물질층은 제2 물질층이고,
상기 적층구조를 형성하는 단계는,
상기 하부구조체 상에 색분할기용 제1 물질층을 형성하는 단계;
상기 제1 물질층 상에 식각정지물질층을 형성하는 단계; 및
상기 식각정지물질층과 상기 제1 물질층을 순차로 패터닝하는 단계;를 포함하는 색분할기 구조의 제조방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 산화물을 포함하고,
상기 식각정지층은 질화물을 포함하는 색분할기 구조의 제조방법. - 제 18 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 Ti 산화물, Nb 산화물 및 Ta 산화물 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 식각정지층은 Si 질화물을 포함하는 색분할기 구조의 제조방법. - 제 19 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나가 Ti 산화물을 포함하는 경우, 상기 Ti 산화물에 대한 식각 가스로 염소(Cl)를 포함하는 가스를 사용하고,
상기 식각정지층이 Si 질화물을 포함하는 경우, 상기 Si 질화물에 대한 식각 가스로 불소(F)를 포함하는 가스를 사용하는 색분할기 구조의 제조방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 질화물을 포함하고,
상기 식각정지층은 산화물을 포함하는 색분할기 구조의 제조방법. - 제 21 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 Si 질화물을 포함하고,
상기 식각정지층은 Si 산화물을 포함하는 색분할기 구조의 제조방법. - 픽셀 어레이를 포함하는 기판구조체를 마련하는 단계; 및
상기 기판구조체 상에 청구항 16 내지 22 중 어느 하나에 기재된 방법을 이용해서 색분할기 구조를 형성하는 단계;를 포함하는 이미지센서의 제조방법. - 입사광을 파장에 따라 복수의 출사광으로 분리하는 색분할 요소가 복수 개 배열된 어레이 구조를 포함하는 색분할기 구조의 제조방법에 있어서,
상기 복수의 색분할 요소 중 적어도 하나를 형성하는 단계는,
하부구조체 상에 제1 요소부를 형성하는 단계;
상기 제1 요소부 주위의 상기 하부구조체 상에 유전체층을 형성하는 단계;
상기 제1 요소부와 상기 유전체층 상에 식각정지물질층을 형성하는 단계;
상기 식각정지물질층 상에 색분할기용 물질층을 형성하는 단계;
상기 색분할기용 물질층을 상기 식각정지물질층이 노출될 때까지 패터닝하여 제2 요소부를 형성하되, 상기 제2 요소부는 상기 제1 요소부와 부분적으로 오버랩되도록 형성하는 단계; 및
상기 제2 요소부를 식각마스크로 이용해서 상기 식각정지물질층을 패터닝하는 단계;를 포함하는 색분할기 구조의 제조방법. - 제 24 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 산화물을 포함하고,
상기 식각정지물질층은 질화물을 포함하는 색분할기 구조의 제조방법. - 제 25 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 Ti 산화물, Nb 산화물 및 Ta 산화물 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 식각정지층은 Si 질화물을 포함하는 색분할기 구조의 제조방법. - 제 26 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나가 Ti 산화물을 포함하는 경우, 상기 Ti 산화물에 대한 식각 가스로 염소(Cl)를 포함하는 가스를 사용하고,
상기 식각정지층이 Si 질화물을 포함하는 경우, 상기 Si 질화물에 대한 식각 가스로 불소(F)를 포함하는 가스를 사용하는 색분할기 구조의 제조방법. - 제 24 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 질화물을 포함하고,
상기 식각정지층은 산화물을 포함하는 색분할기 구조의 제조방법. - 제 28 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 요소부 중 적어도 하나는 Si 질화물을 포함하고,
상기 식각정지층은 Si 산화물을 포함하는 색분할기 구조의 제조방법. - 픽셀 어레이를 포함하는 기판구조체를 마련하는 단계; 및
상기 기판구조체 상에 청구항 24 내지 29 중 어느 하나에 기재된 방법을 이용해서 색분할기 구조를 형성하는 단계;를 포함하는 이미지센서의 제조방법.
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