KR20210039550A - 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는, 물리적으로 서로 분리되어 적층되는 복수의 에어층들을 포함하는 적층형 에어 그리드, 및 상기 적층형 에어 그리드의 일측에 배치되는 컬러 필터를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 서로 인접하게 배치되는 컬러 필터들을 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 캡쳐(capture)하는 장치이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 스마트폰, 디지털 카메라, 게임기기, 사물 인터넷(Internet of Things), 로봇, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
이미지 센서는 크게 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서와, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서로 구분될 수 있다. CCD 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서에 비해 잡음(noise)이 적고, 화질이 우수하다. 하지만, CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다. 또한, CMOS 이미지 센서는 신호 처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 용이하고 전력 소모가 매우 낮으며, CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가가 낮다. 최근에는 모바일 기기에 보다 적합한 특성으로 인하여 CMOS 이미지 센싱 장치가 많이 이용되고 있다.
본 발명의 기술적 사상은 에어 그리드를 포함하는 이미지 센서에서 에어의 압력 상승시 에어 그리드 구조의 안정성이 높은 이미지 센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 문서에 개시되는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는, 물리적으로 서로 분리되어 적층되는 복수의 에어층들을 포함하는 적층형 에어 그리드, 및 상기 적층형 에어 그리드의 일측에 배치되는 컬러 필터를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서는, 매트릭스 형태로 배열되는 복수의 컬러 필터들, 및 상기 복수의 컬러 필터들 각각을 둘러싸도록 배치되고, 물리적으로 서로 분리된 복수의 에어층들을 포함하는 적층형 에어 그리드를 포함할 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시 예들에 따르면, 에어 그리드의 취약 포인트에 가해지는 압력을 분산시킴으로써 취약 포인트에서의 터짐을 효과적으로 방지할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 일부를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 제1 절단선 또는 제2 절단선에 따른 단면의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 제1 절단선 또는 제2 절단선에 따른 단면의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2의 제1 절단선 또는 제2 절단선에 따른 단면의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 2의 제1 절단선 또는 제2 절단선에 따른 단면의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7a 내지 도 7f 각각은 도 3에 도시된 적층형 에어 그리드를 형성하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 내지 도 8e 각각은 도 5에 도시된 적층형 에어 그리드를 형성하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 일부를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 제1 절단선 또는 제2 절단선에 따른 단면의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 제1 절단선 또는 제2 절단선에 따른 단면의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2의 제1 절단선 또는 제2 절단선에 따른 단면의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 2의 제1 절단선 또는 제2 절단선에 따른 단면의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7a 내지 도 7f 각각은 도 3에 도시된 적층형 에어 그리드를 형성하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 내지 도 8e 각각은 도 5에 도시된 적층형 에어 그리드를 형성하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(pixel array, 110), 로우 디코더(row decoder, 120), 상관 이중 샘플러(Correlate Double Sampler; CDS, 130), 아날로그-디지털 컨버터(Analog-Digital Converter; ADC, 140), 출력 버퍼(output buffer, 150), 컬럼 디코더(column decoder, 160) 및 타이밍 컨트롤러(timing controller, 170) 를 포함할 수 있다. 여기서, 이미지 센서(100)의 각 구성은 예시적인 것에 불과하며, 필요에 따라 적어도 일부의 구성이 추가되거나 생략될 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 2차원으로 배열된 복수의 단위 픽셀들(UP; Unit Pixels)을 포함할 수 있다. 복수의 단위 픽셀들은 적어도 2이상의 단위들이 적어도 하나의 소자를 공유하는 공유 픽셀(shared pixel) 단위로 또는 각각이 광 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 로우 디코더(120)로부터 로우 선택 신호, 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호 등을 포함하는 구동 신호를 수신할 수 있으며, 구동 신호에 의하여 픽셀 어레이(110)는 구동될 수 있다.
로우 디코더(120)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 픽셀 어레이(110)를 구동할 수 있다. 구체적으로, 로우 디코더(120)는 픽셀 어레이(110)의 적어도 하나의 로우를 선택할 수 있다. 로우 디코더(120)는 복수의 로우들 중 적어도 하나의 로우를 선택하기 위하여 로우 선택 신호를 생성할 수 있다. 그리고, 로우 디코더(120)는 선택된 적어도 하나의 로우에 대응하는 픽셀들에 대해 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호를 순차적으로 인에이블시킬 수 있다. 이에 따라, 선택된 로우의 픽셀들 각각으로부터 생성되는 아날로그 형태의 기준 신호와 영상 신호가 순차적으로 상관 이중 샘플러(130)로 전달될 수 있다. 여기서, 기준 신호와 영상 신호는 픽셀 신호로 통칭될 수 있다.
상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)로부터 복수의 컬럼 라인들 각각에 제공되는 기준 신호와 영상 신호를 순차적으로 샘플링 및 홀딩(sampling and holding)할 수 있다. 즉, 상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 기준 신호와 영상 신호의 레벨을 샘플링하고 홀딩할 수 있다.
상관 이중 샘플러(130)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 컬럼들 각각의 기준 신호와 영상 신호를 상관 이중 샘플링 신호로서 ADC(140)로 전달할 수 있다.
ADC(140)는 상관 이중 샘플러(130)로부터 출력되는 각각의 컬럼들에 대한 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. ADC(140)는 각각의 컬럼에 대한 상관 이중 샘플링 신호 및 타이밍 컨트롤러(170)로부터 제공되는 램프 신호(ramp signal)를 기반으로 카운팅 동작과 연산 동작을 수행함에 따라 각각의 컬럼에 해당하는 노이즈(예컨대, 각 픽셀 고유의 리셋 노이즈)가 제거된 디지털 형태의 영상 데이터를 생성할 수 있다.
ADC(140)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 복수의 컬럼 카운터들을 포함하고, 컬럼 카운터들을 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환시켜 영상 데이터를 생성할 수 있다. 다른 실시예에 따라, ADC(140)는 하나의 글로벌 카운터를 포함하고, 글로벌 카운터에서 제공되는 글로벌 코드를 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환시킬 수 있다.
출력 버퍼(150)는 ADC(140)에서 제공되는 각각의 컬럼 단위의 영상 데이터를 캡쳐하여 출력할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 ADC(140)에서 출력되는 영상 데이터를 일시 저장할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 이미지 센서(100)와 연결된 다른 장치 사이의 전송(또는 처리) 속도 차이를 보상해주는 인터페이스로서 동작할 수 있다.
컬럼 디코더(160)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택하고, 선택된 출력 버퍼(150) 컬럼에 일시 저장된 영상 데이터가 순차적으로 출력될 수 있다. 구체적으로, 컬럼 디코더(160)는 타이밍 컨트롤러(170)로부터 어드레스 신호를 수신할 수 있으며, 컬럼 디코더(160)는 어드레스 신호를 기반으로 컬럼 선택 신호를 생성하여 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택함으로써, 선택된 출력 버퍼(150)의 컬럼으로부터 영상 데이터가 출력 신호(SO)로 출력되도록 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 로우 디코더(120), ADC(140), 출력 버퍼(150) 및 컬럼 디코더(160)를 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 이미지 센서(100)의 각 구성의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤을 위한 제어 신호, 및 로우 또는 컬럼을 선택하기 위한 어드레스 신호들을 로우 디코더(120), 컬럼 디코더(160), ADC(140) 및 출력 버퍼(150)에 제공할 수 있다. 실시예에 따라, 타이밍 컨트롤러(170)는 로직 제어회로(Logic control circuit), 위상 고정 루프(Phase Lock Loop, PLL) 회로, 타이밍 컨트롤 회로(timing control circuit) 및 통신 인터페이스 회로(communication interface circuit) 등을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 일부를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 픽셀 어레이(110)의 일부(200)는 3x3의 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 9개의 단위 픽셀들(P1~P9)을 포함할 수 있다. 비록 도 2에는 9개의 단위 픽셀들(P1~P9)만이 도시되어 있으나, 픽셀 어레이(110)에는 M(M은 임의의 양의 정수) 개의 로우와 N(N은 임의의 양의 정수) 개의 컬럼의 매트릭스 형태로 배열되는 단위 픽셀들이 포함될 수 있다.
단위 픽셀들(P1~P9) 각각은 인접하는 단위 픽셀과의 광학적인 분리를 위한 구조물인 적층형 에어 그리드(stacked air grid, 210)를 포함할 수 있다. 적층형 적층형 에어 그리드(210)는 내부에 에어를 포함할 수 있다.
먼저, 픽셀 어레이(110)의 로우 방향으로(또는 좌우로) 서로 인접하는 픽셀들(예컨대, P1과 P2, P2과 P3 등) 사이 또는 픽셀 어레이(110)의 컬럼 방향으로(또는 상하로) 서로 인접하는 픽셀들(예컨대, P1과 P4, P4와 P7 등) 사이에는 적층형 에어 그리드(210)가 배치될 수 있다. 또한, 픽셀 어레이(110)의 로우 방향 또는 컬럼 방향을 따라 적층형 에어 그리드(210)가 배열될 수 있다. 적층형 에어 그리드(210)는 적층형 에어 그리드(210)에 접하는 단위 픽셀의 일 변을 따라 길게 연장되는 형태를 가질 수 있다. 적층형 에어 그리드(210)는 적층형 에어 그리드(210)의 상하 또는 좌우에 인접한 픽셀들에 포함되는 구성으로 정의될 수도 있고, 상하 또는 좌우로 인접하는 픽셀들을 구분 짓는 구성으로 정의될 수도 있다.
픽셀 어레이(110)의 로우 방향 및 컬럼 방향을 따라 각각 연장되는 적층형 에어 그리드(210)는 서로 일체로 연결되는 메쉬(mesh) 타입으로 형성될 수 있다. 따라서, 특정 단위 픽셀에 인접한 적층형 에어 그리드(210)는 임의의 다른 단위 픽셀에 인접한 적층형 에어 그리드(210)와 연결될 수 있다.
단위 픽셀의 서로 대향하는 변에 배치된 적층형 에어 그리드들(210) 사이에는 해당 단위 픽셀의 컬러 필터(예컨대, 레드, 그린, 블루, 옐로우 등)가 배치될 수 있다. 또한, 적층형 에어 그리드(210)는 임의의 단위 픽셀의 컬러 필터를 둘러싸도록 배치될 수 있다.
상기 컬러 필터의 상부에는 해당 픽셀의 내부로 입사광을 집광시키기 위한 마이크로 렌즈가 배치될 수 있고, 상기 컬러 필터의 하부에는 입사광의 세기를 전기적 신호로 변환하기 위한 포토 다이오드를 포함하는 기판(substrate)이 배치될 수 있다.
마이크로 렌즈를 통과한 입사광은 컬러 필터를 통과하게 되는데, 특정 픽셀의 컬러 필터를 통과한 입사광이 인접한 컬러 필터를 통해 다른 픽셀로 넘어가 픽셀 신호에 노이즈를 발생시키는 광학적 크로스토크(optical crosstalk)가 발생할 수 있다. 적층형 에어 그리드(210)는 이러한 입사광을 픽셀 내부로 반사시키거나 흡수함으로써 광학적 크로스토크를 방지할 수 있다.
도 2에는 제1 절단선(A-A')과 제2 절단선(B-B')이 표시되어 있는데, 제1 절단선(A-A')에 따른 단면과 제2 절단선(B-B')에 따른 단면은 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 도 3 내지 도 6에서는 제1 절단선(A-A') 또는 제2 절단선(B-B')에 따른 단면의 실시예들을 통해 적층형 에어 그리드(210)의 구조에 대해 설명하고, 도 7a 내지 도 8e에서는 적층형 에어 그리드(210)을 위한 공정에 대해 설명하기로 한다.
도 3은 도 2의 제1 절단선 또는 제2 절단선에 따른 단면의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 절단선(A-A') 또는 제2 절단선(B-B')에 따른 단면에는 2개의 적층형 에어 그리드(210-1)가 픽셀(P5)의 폭만큼 이격되어 배치될 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이 2개의 적층형 에어 그리드(210-1) 사이에는 픽셀(P5)의 컬러 필터가 배치될 수 있다. 컬러 필터의 상부면의 높이는 적층형 에어 그리드(210-1)의 높이보다 높거나, 낮거나, 또는 서로 동일할 수 있다.
제1 절단선(A-A') 또는 제2 절단선(B-B')에 따른 단면은 기판(270), 포토 다이오드(275), 적층형 에어 그리드(210-1), 컬러 필터(300), 오버 코팅층(310) 및 마이크로 렌즈(320)를 포함할 수 있다.
기판(270)은 서로 대향하는 상부면과 하부면을 포함할 수 있다. 기판(270)의 하부면과 상부면은 각각 전면(front-side)과 후면(back-side)으로 정의될 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 기판(270)은 예를 들어, P형 또는 N형 벌크(bulk) 기판, P형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층(epitaxial layer)이 성장된 기판, 또는 N형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층이 성장된 기판일 수 있다.
포토 다이오드(275)는 입사광의 세기에 대응하여 광전하(photocharge)를 생성 및 축적하는 광전 변환 소자의 예시로서, 기판(270) 내에 제5 픽셀(P5)에 대응하는 영역에 배치될 수 있다. 포토 다이오드(275)는 N형 이온을 주입하는 이온 주입(ion implantation) 공정을 통해 N형 도핑 영역으로 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 포토다이오드(275)는 복수의 도핑 영역들이 적층된 형태로 형성될 수 있다. 이 경우 하부 도핑 영역은 N+형 이온이 주입되어 형성될 수 있고, 상부 도핑 영역은 N-형 이온이 주입되어 형성될 수 있다. 포토 다이오드(275)는 수광 효율을 나타내는 필 팩터(fill-factor)를 높이기 위해, 가능한 넓은 면적에 걸쳐 형성될 수 있다. 일 실시예에 따라, 서로 인접하는 픽셀들의 포토 다이오드들 사이에는 전기적 분리 및 광학적 분리를 위해 수직으로 깊게 파인 형태를 가지는 소자 분리막(미도시)이 형성될 수 있다.
적층형 에어 그리드(210-1)는 메탈층(metal layer, 230), 에어층(air layer, 240a, 240b, 240c), 제1 캡핑막(first capping film, 250), 제2 캡핑막(second capping film, 260) 및 분리층(isolation layer, 262, 264)을 포함할 수 있다. 여기서, 적층형 에어 그리드(210-1)에 포함된 각 구성의 상대적인 폭, 높이 및 두께는 도 3에 도시된 것에 한하지 않으며, 필요에 따라 달라질 수 있다.
메탈층(230)은 기판의 상부에 배치될 수 있다. 메탈층(230)은 광 흡수율이 높은 금속 재질(예컨대, 텅스텐)로 구성될 수 있으며, 일 실시예에 따라 서로 다른 금속 재질이 적층되어 형성될 수도 있다.
에어층(240a~240c)은 메탈층(230)의 상부에 배치되고, 각 에어층(240a~240c)의 형상은 제1 캡핑막(354)과 분리층(262, 264)에 의해 정의될 수 있다. 에어층(240a~240c) 각각은 굴절률이 상대적으로 작은(예컨대, 1) 에어로 채워진 영역일 수 있다. 다른 실시예에 따라, 에어층(240a~240c) 각각에 채워진 기체는 상이할 수 있다. 예를 들면, 아래로 갈수록 굴절률이 높거나 아래로 갈수록 굴절률이 낮은 기체가 에어층(240a~240c)에 채워질 수 있다.
에어층(240a)과 에어층(240b)은 분리층(262)에 의해 물리적으로 서로 분리될 수 있다. 또한, 에어층(240b)과 에어층(240c)은 분리층(262)에 의해 물리적으로 서로 분리될 수 있다.
각 에어층(240a~240c)의 높이는 서로 동일할 수 있다. 다른 실시예에 따라, 각 에어층(240a~240c)의 높이는 상이할 수 있다. 예를 들면, 아래로 갈수록 에어층(240a~240c)의 높이가 증가하거나, 아래로 갈수록 에어층(240a~240c)의 높이가 감소할 수 있다.
제1 캡핑막(250)은 에어층(240a~240c), 분리층(262, 264) 및 메탈층(230)을 전체적으로 둘러싸도록 형성될 수 있다. 즉, 제1 캡핑막(250)은 에어층(240a~240c), 분리층(262, 264) 및 메탈층(230) 각각의 측면과, 에어층(240c)의 상부면에 접하여 형성될 수 있다. 따라서, 에어층(240a~240c), 분리층(262, 264) 및 메탈층(230)은 각각 제1 캡핑막(250)에 의해 외부로부터 물리적으로 분리될 수 있다. 예를 들어, 제1 캡핑막(250)은 실리콘 산화막(SiO2)과 같은 저온산화(ULTO)막일 수 있다.
제2 캡핑막(260)은 제1 캡핑막(250)을 전체적으로 둘러싸도록 형성될 수 있다. 즉, 제2 캡핑막(260)의 일 측면은 제1 캡핑막(250)에 접하고, 타 측면은 적층형 에어 그리드(210-1)의 외부에 접할 수 있다. 따라서, 제1 캡핑막(250)은 제2 캡핑막(260)에 의해 외부로부터 물리적으로 분리될 수 있다. 예를 들어, 제2 캡핑막(260)은 실리콘 산화 질화막(SixOyNz, 여기서 x, y, z는 자연수), 실리콘 산화막(SixOy, 여기에서 x, y는 자연수), 실리콘 질화막(SixNy, 여기에서 x, y는 자연수) 중 적어도 하나를 포함하는 절연막일 수 있다.
제2 캡핑막(260)의 두께는 제1 캡핑막(250)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 이는 제1 캡핑막(250)은 이후 설명되는 플라즈마 공정에서 내부 물질이 효과적으로 외부로 배출될 수 있도록 가능한 얇게 형성되고, 제2 캡핑막(250)은 에어층(240a~240c)을 포함하는 에어 그리드(210-1)의 형태를 안정적으로 유지하는데 필요한 두께로 형성되기 때문이다.
다른 실시예에 따라, 제1 캡핑막(250)의 하부 및 에어층(240c)의 상부에 해당하는 영역에 에어 그리드(210-1)의 형상을 유지하기 위한 지지막이 형성될 수 있다. 이러한 지지막은 광흡수 특성을 갖지 않는 절연막일 수 있다.
일 실시예에 따라, 제1 캡핑막(250)과 제2 캡핑막(260)은 서로 동일한 재질로 구성되어 서로 동일한 굴절률을 가질 수 있다.
일 실시예에 따라, 제1 캡핑막(250)과 제2 캡핑막(260)의 굴절률은 에어층(240a~240c)의 굴절률보다 높고 컬러 필터(미도시)의 굴절률보다 낮을 수 있다.
적층형 에어 그리드(210-1)는 컬러 필터(예컨대, P5의 컬러 필터)에 입사되는 광이 다른 컬러 필터(예컨대, P4의 컬러 필터)로 이동하는 것을 방지하여 광학적 크로스토크를 최소화할 수 있다.
구체적으로, 에어로 채워진 에어층(240a~240c)의 굴절률(예컨대, 1)은 컬러 필터(미도시)의 굴절률(예컨대, 1.6~1.7)과 제1 및 제2 캡핑막(250, 260)의 굴절률(예컨대, 1.4)보다 낮으므로, 에어층(240a~240c)은 반사(reflection)를 유도하여 입사광을 단위 픽셀의 내부로 반사시킬 수 있다.
만일, 다양한 입사각에 따라 에어층(240a~240c)에 의한 반사가 발생하지 않고 일부 입사광이 에어층(240a~240c) 내부로 굴절되더라도, 메탈층(230)에 의한 광 흡수가 발생하여 광학적 크로스토크 현상을 방지할 수 있다.
컬러 필터의 일측에 배치된 적층형 에어 그리드(예컨대, 좌측의 210-1)를 구성하는 제1 캡핑막(250)과 제2 캡핑막(260)은 컬러 필터와 기판의 사이에서 연장되어, 컬러 필터의 하부에 배치될 수 있다. 또한, 컬러 필터의 하부에 배치된 제1 캡핑막(250)과 제2 캡핑막(260)은 컬러 필터의 타측에 배치된 적층형 에어 그리드(210-1)를 구성하는 제1 캡핑막(250) 및 제2 캡핑막(260)과 상호 연결될 수 있다. 즉, 컬러 필터에 접하는 적층형 에어 그리드(210-1)를 구성하는 제1 캡핑막(250) 및 제2 캡핑막(260)은 컬러 필터 하부에 배치되는 제1 캡핑막(250) 및 제2 캡핑막(260)과 일체로 형성될 수 있다.
따라서, 적층형 에어 그리드(210-1)의 형상을 유지하기 위한 제1 캡핑막(250) 및 제2 캡핑막(260)은 컬러 필터 하부에 제1 캡핑막(250) 및 제2 캡핑막(260)이 배치되지 않는 경우에 비해, 보다 넓은 면적에서 다른 구성(예컨대, 기판)과 접촉할 수 있어 적층형 그리드(210-1)의 형태 안정성이 향상될 수 있다. 또한, 적층형 에어 그리드(210-1)의 좌우 각각의 컬러 필터의 하부에 배치되는 제1 캡핑막(250) 및 제2 캡핑막(260)에 의해 발생되는 장력의 균형에 의해, 좁은 폭을 갖는 적층형 에어 그리드(210-1)가 좌 또는 우로 기울어지는 현상이 방지될 수 있다.
아울러, 컬러 필터 하부에 배치되는 제1 캡핑막(250) 및 제2 캡핑막(260)은 컬러 필터와 기판 간의 굴절률 차이를 보상하여 컬러 필터를 통과하는 광이 효과적으로 기판 내부로 입사될 수 있도록 하는 반사 방지층의 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 컬러 필터와 기판 사이에 별도의 반사 방지층을 구비하지 않더라도, 제1 캡핑막(250) 및 제2 캡핑막(260)이 반사 방지층의 기능을 수행함으로써, 단위 픽셀의 전체 두께가 감소될 수 있다.
분리층(262, 264)은 에어층들(240a~240c)을 물리적으로 서로 분리시킬 수 있다. 또한, 분리층(262, 264)은 좌우로 제1 캡핑막(250)과 접하고, 제1 캡핑막(250) 간의 거리를 유지시킬 수 있다. 이로써, 분리층(262, 264)은 에어층들(240a~240c)의 형상이 유지되는데 기여할 수 있다. 도 3에서는 분리층(262, 264)의 개수가 2개인 것으로 도시되었으나, 이는 일 실시예에 불과하며, 분리층의 개수는 임의의 개수일 수 있다.
분리층(262, 264)은 실리콘 산화 질화막(SixOyNz, 여기서 x, y, z는 자연수), 실리콘 산화막(SixOy, 여기에서 x, y는 자연수), 실리콘 질화막(SixNy, 여기에서 x, y는 자연수) 중 적어도 하나를 포함하는 막일 수 있다.
만일 도 3에 도시된 구조와 달리, 분리층(262, 264)이 존재하지 않아 분리층(262, 264)에 의해 에어층들(240a~240c)이 물리적으로 서로 분리되지 않고 하나의 에어층만이 존재한다고 가정하기로 한다.
이 경우, 제1 및 제2 캡핑막(250, 260)이 얇은 막 형태로 이루어져 있으므로, 제조 공정의 한계 및 사용 환경(예컨대, 고온 조건)에 따라 제1 및 제2 캡핑막(250, 260)의 특정 부위에서 압력에 의해 터짐(popping)이 발생할 수 있는 취약 포인트가 존재할 수 있다. 이때, 취약 포인트에 가해지는 압력은 에어층 내부 공기의 온도와 부피가 증가할수록 함께 증가하게 된다. 위와 같이, 픽셀 어레이(110) 전체의 에어층이 하나의 영역으로 연결되는 경우, 픽셀 어레이(110) 전체의 에어층의 부피에 해당하는 압력이 취약 포인트에 가해져 취약 포인트에서의 터짐이 쉽게 발생할 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 그리드 구조에서는 에어층이 분리층(262, 264)에 의해 복수 개의 영역으로 물리적으로 분리될 수 있다. 따라서, 픽셀 어레이(110) 전체의 에어층의 부피가 아닌, 각 에어층(240a~240c)의 부피에 해당하는 압력이 취약 포인트에 가해져, 취약 포인트에 가해지는 압력을 분산시킴으로써 취약 포인트에서의 터짐을 효과적으로 방지할 수 있다.
컬러 필터(300)는 기판 영역(270)의 상부에서 서로 인접하는 적층형 에어 그리드들(210-1) 사이에 형성될 수 있고, 특정 파장 대역의 광(예컨대, 레드(Red), 그린(Green), 블루(Blue), 마젠타(Magenta), 옐로우(Yellow), 사이언(Cyan) 등)을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 실시예에 따라, 컬러 필터(300)는 단위 픽셀(P5)이 깊이 픽셀(depth pixel)에 해당하는 경우 생략되거나 적외광 통과 필터로 대체될 수 있다.
오버 코팅층(310)는 컬러 필터(300)와 적층형 에어 그리드(210-1)의 상부에 배치되어, 외부로부터 입사되는 광의 난반사를 방지하여 플레어 특성을 억제할 수 있다. 또한, 오버 코팅층(310)는 컬러 필터(300)와 적층형 에어 그리드(210-1) 간의 단차를 보상함으로써 마이크로 렌즈(320)가 일정한 높이를 가질 수 있도록 할 수 있다.
마이크로 렌즈(320)는 오버 코팅층(310)의 상부에 형성될 수 있고, 입사광에 대한 집광력(light gathering power)을 높여 포토 다이오드(275)의 수광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 3에서는 메탈층(230), 에어층(240a~240c) 및 분리층(262, 264) 각각의 폭이 일정한 것으로 도시되었으나, 하부의 메탈층(230)으로부터 상부의 에어층(240c)으로 갈수록 일정한 기울기로 점진적으로 폭이 좁아질 수도 있다. 이 경우, 적층형 에어 그리드(210-1)는 이후 설명되는 도 4의 구조와 유사한 효과(수광 효율 향상, 터짐 가능성 감소 등)를 가질 수도 있다.
도 4는 도 2의 제1 절단선 또는 제2 절단선에 따른 단면의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 제1 절단선(A-A') 또는 제2 절단선(B-B')에 따른 단면에는 2개의 적층형 에어 그리드(210-2)가 픽셀(P5)의 폭만큼 이격되어 배치될 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이 2개의 적층형 에어 그리드(210-2) 사이에는 픽셀(P5)의 컬러 필터가 배치될 수 있다. 컬러 필터의 상부면의 높이는 적층형 에어 그리드(210-2)의 높이보다 높거나, 낮거나, 또는 서로 동일할 수 있다.
제1 절단선(A-A') 또는 제2 절단선(B-B')에 따른 단면은 기판(270), 포토 다이오드(275), 적층형 에어 그리드(210-2), 컬러 필터(300), 오버 코팅층(310) 및 마이크로 렌즈(320)를 포함할 수 있다. 기판(270), 포토 다이오드(275), 컬러 필터(300), 오버 코팅층(310) 및 마이크로 렌즈(320)는 도 3에서 설명된 기판(270), 포토 다이오드(275), 컬러 필터(300), 오버 코팅층(310) 및 마이크로 렌즈(320)와 실질적으로 동일한 구조, 기능 및 소재를 갖는 바, 설명의 중복을 피하기 위해 상세한 설명은 생략하기로 한다.
적층형 에어 그리드(210-2)는 메탈층(230), 에어층(240a, 240b, 240c), 제1 캡핑막(250), 제2 캡핑막(260) 및 분리층(262, 264)을 포함할 수 있다. 여기서, 적층형 에어 그리드(210-2)에 포함된 각 구성의 상대적인 폭, 높이 및 두께는 도 4에 도시된 것에 한하지 않으며, 필요에 따라 달라질 수 있다.
적층형 에어 그리드(210-2)의 각 구성의 기본적인 기능 및 재질은 도 3에서 설명된 적층형 에어 그리드(210-1)의 상응하는 구성과 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 적층형 에어 그리드(210-2)가 적층형 에어 그리드(210-1)와 구별되는 특징을 중심으로 적층형 에어 그리드(210-2)에 대해 설명하기로 한다.
적층형 에어 그리드(210-2)에 포함된 메탈층(230), 각 에어층(240a, 240b, 240c)의 폭은 상이할 수 있다. 즉 도 4에 도시된 바와 같이, 메탈층(230), 에어층(240a), 에어층(240b), 에어층(240c)으로 갈수록 폭이 감소할 수 있다. 따라서, 적층형 에어 그리드(210-2)는 상부로 갈수록 폭이 좁아지는 피라미드 형태를 가질 수 있다.
적층형 에어 그리드(210-2)의 폭이 상부로 갈수록 좁아짐에 따라, 적층형 에어 그리드(210-2)의 상부(예컨대, 에어층(240c)의 상부)에 의해 외부(예컨대, 마이크로 렌즈)로 반사되는 입사광의 광량이 감소되고, 적층형 에어 그리드(210-2) 방향으로 입사되는 입사광은 해당 단위 픽셀의 내부로 효과적으로 가이드될 수 있다. 이로 인해, 단위 픽셀의 수광 효율이 향상될 수 있어 QE(Quantum Efficiency)가 개선될 수 있다.
또한, 분리층(262, 264)의 폭은 각 분리층(262, 264)의 하부에 배치된 에어층(240a, 240b)의 폭과 동일할 수 있다. 이로 인해, 분리층(262, 264)의 측면뿐 아니라 상면 중 일부가 제1 캡핑막(250)과 접촉할 수 있게 되어, 분리층(262, 264)과 제1 캡핑막(250) 간의 접촉 면적 증가로 적층형 에어 그리드(210-2)의 형상이 보다 견고하게 유지될 수 있다.
아울러, 에어층(240b, 240c) 각각의 부피가 감소되어, 취약 포인트에 가해지는 압력이 감소됨으로써 취약 포인트에서의 터짐이 발생할 가능성을 줄일 수 있다.
메탈층(230), 에어층(240a), 에어층(240b), 에어층(240c) 간의 폭의 차이는 수광 효율의 증가 및 에어층(240a~240c)의 형상의 유지에 필요한 폭을 고려하여 실험적으로 결정될 수 있다.
도 5는 도 2의 제1 절단선 또는 제2 절단선에 따른 단면의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1 절단선(A-A') 또는 제2 절단선(B-B')에 따른 단면에는 2개의 적층형 에어 그리드(210-3)가 픽셀(P5)의 폭만큼 이격되어 배치될 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이 2개의 적층형 에어 그리드(210-3) 사이에는 픽셀(P5)의 컬러 필터가 배치될 수 있다. 컬러 필터의 상부면의 높이는 적층형 에어 그리드(210-3)의 높이보다 높거나, 낮거나, 또는 서로 동일할 수 있다.
제1 절단선(A-A') 또는 제2 절단선(B-B')에 따른 단면은 기판(270), 포토 다이오드(275), 적층형 에어 그리드(210-3), 컬러 필터(300), 오버 코팅층(310) 및 마이크로 렌즈(320)를 포함할 수 있다. 기판(270), 포토 다이오드(275), 컬러 필터(300), 오버 코팅층(310) 및 마이크로 렌즈(320)는 도 3에서 설명된 기판(270), 포토 다이오드(275), 컬러 필터(300), 오버 코팅층(310) 및 마이크로 렌즈(320)와 실질적으로 동일한 구조, 기능 및 소재를 갖는 바, 설명의 중복을 피하기 위해 상세한 설명은 생략하기로 한다.
적층형 에어 그리드(210-3)는 에어층(240a, 240b, 240c, 240d), 제1 캡핑막(250), 제2 캡핑막(260) 및 분리층(262, 264, 266)을 포함할 수 있다. 여기서, 적층형 에어 그리드(210-3)에 포함된 각 구성의 상대적인 폭, 높이 및 두께는 도 5에 도시된 것에 한하지 않으며, 필요에 따라 달라질 수 있다.
적층형 에어 그리드(210-3)는 도 3에 도시된 적층형 에어 그리드(210-1)와 달리 메탈층(230)이 생략된 구조이며, 에어층(240a, 240b, 240c), 제1 캡핑막(250), 제2 캡핑막(260) 및 분리층(262, 264) 각각의 구조 및 재질은 도 3에서 설명된 바와 실질적으로 동일한 바 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
적층형 에어 그리드(210-1)로부터 메탈층(230)이 생략됨에 따라, 메탈층(230)에 대응하는 영역에는 에어층(240d)을 에어층(240a)과 물리적으로 분리시키기 위한 분리층(266) 및 에어층(240d)이 배치될 수 있다. 따라서, 적층형 에어 그리드(210-3)는 4개의 에어층(240a, 240b, 240c, 240d)이 적층된 구조를 가질 수 있다.
에어층(240a~240d) 각각은 굴절률이 상대적으로 작은(예컨대, 1) 에어로 채워진 영역일 수 있다. 다른 실시예에 따라, 에어층(240a~240d) 각각에 채워진 기체는 상이할 수 있다. 예를 들면, 아래로 갈수록 굴절률이 높거나 아래로 갈수록 굴절률이 낮은 기체가 에어층(240a~240d)에 채워질 수 있다.
각 에어층(240a~240d)의 높이는 서로 동일할 수 있다. 다른 실시예에 따라, 각 에어층(240a~240d)의 높이는 상이할 수 있다. 예를 들면, 아래로 갈수록 에어층(240a~240d)의 높이가 증가하거나, 아래로 갈수록 에어층(240a~240d)의 높이가 감소할 수 있다.
도 5에서는 에어층(240a~240d) 및 분리층(262, 264)의 폭이 일정한 것으로 도시되었으나, 하부의 에어층(240d)으로부터 상부의 에어층(240c)으로 갈수록 일정한 기울기로 점진적으로 폭이 좁아질 수도 있다.
도 6은 도 2의 제1 절단선 또는 제2 절단선에 따른 단면의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 제1 절단선(A-A') 또는 제2 절단선(B-B')에 따른 단면에는 2개의 적층형 에어 그리드(210-4)가 픽셀(P5)의 폭만큼 이격되어 배치될 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이 2개의 적층형 에어 그리드(210-4) 사이에는 픽셀(P5)의 컬러 필터가 배치될 수 있다. 컬러 필터의 상부면의 높이는 적층형 에어 그리드(210-4)의 높이보다 높거나, 낮거나, 또는 서로 동일할 수 있다.
제1 절단선(A-A') 또는 제2 절단선(B-B')에 따른 단면은 기판(270), 포토 다이오드(275), 적층형 에어 그리드(210-4), 컬러 필터(300), 오버 코팅층(310) 및 마이크로 렌즈(320)를 포함할 수 있다. 기판(270), 포토 다이오드(275), 컬러 필터(300), 오버 코팅층(310) 및 마이크로 렌즈(320)는 도 3에서 설명된 기판(270), 포토 다이오드(275), 컬러 필터(300), 오버 코팅층(310) 및 마이크로 렌즈(320)와 실질적으로 동일한 구조, 기능 및 소재를 갖는 바, 설명의 중복을 피하기 위해 상세한 설명은 생략하기로 한다.
적층형 에어 그리드(210-4)는 에어층(240a, 240b, 240c, 240d), 제1 캡핑막(250), 제2 캡핑막(260) 및 분리층(262, 264, 266)을 포함할 수 있다. 여기서, 적층형 에어 그리드(210-4)에 포함된 각 구성의 상대적인 폭, 높이 및 두께는 도 5에 도시된 것에 한하지 않으며, 필요에 따라 달라질 수 있다.
적층형 에어 그리드(210-4)는 도 4에 도시된 적층형 에어 그리드(210-2)와 달리 메탈층(230)이 생략된 구조이며, 에어층(240a, 240b, 240c, 240d), 제1 캡핑막(250), 제2 캡핑막(260) 및 분리층(262, 264, 266) 각각의 구조 및 재질은 도 3 내지 도 5에서 설명된 바와 실질적으로 동일한 바 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
적층형 에어 그리드(210-2)로부터 메탈층(230)이 생략됨에 따라, 메탈층(230)에 대응하는 영역에는 에어층(240d)을 에어층(240a)과 물리적으로 분리시키기 위한 분리층(266) 및 에어층(240d)이 배치될 수 있다. 따라서, 적층형 에어 그리드(210-3)는 4개의 에어층(240a, 240b, 240c, 240d)이 적층된 구조를 가질 수 있다.
에어층(240a~240d) 각각은 굴절률이 상대적으로 작은(예컨대, 1) 에어로 채워진 영역일 수 있다. 다른 실시예에 따라, 에어층(240a~240d) 각각에 채워진 기체는 상이할 수 있다. 예를 들면, 아래로 갈수록 굴절률이 높거나 아래로 갈수록 굴절률이 낮은 기체가 에어층(240a~240d)에 채워질 수 있다.
각 에어층(240a~240d)의 높이는 서로 동일할 수 있다. 다른 실시예에 따라, 각 에어층(240a~240d)의 높이는 상이할 수 있다. 예를 들면, 아래로 갈수록 에어층(240a~240d)의 높이가 증가하거나, 아래로 갈수록 에어층(240a~240d)의 높이가 감소할 수 있다.
도 7a 내지 도 7f 각각은 도 3에 도시된 적층형 에어 그리드를 형성하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7f를 참조하면, 이하에서는 도 3에 도시된 메탈층(230)을 포함하는 적층형 에어 그리드(210-1)를 형성하는 공정에 대해 설명된다. 도 4에 도시된 적층형 에어 그리드(210-2)를 형성하는 공정은 적층형 에어 그리드(210-2)의 피라미드 형태와 유사한 형태를 형성하기 위한 공정을 제외하고는 실질적으로 동일한 바, 구체적인 설명은 생략하기로 한다. 적층형 에어 그리드(210-2)의 피라미드 형태와 유사한 형태를 형성하기 위한 공정에 대해서는 후술하기로 한다.
또한, 도 7a 내지 도 7f 각각에 도시된 단면은 도 2의 제1 절단선(A-A') 또는 제2 절단선(B-B')에 따른 단면에 대응되는 단면이다.
도 7a의 S110 단계에서, 내부에 포토 다이오드(275)가 형성된 기판(270)의 상부에 메탈층(230)이 증착(deposition) 공정을 통해 형성될 수 있다. 메탈층(230)의 높이는 적층형 에어 그리드(210-1)의 메탈층(230)의 높이에 해당할 수 있다. 예를 들어, 기판(270)은 P형 또는 N형 벌크(bulk) 기판, P형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층(epitaxial layer)이 성장된 기판, 또는 N형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층이 성장된 기판일 수 있다.
메탈층(230)의 형성이 완료되면 메탈층(230)의 상부에 적층형 에어 그리드(210-1)를 정의하는 제1 마스크 패턴(미도시)이 배치되고, 제1 마스크 패턴(미도시)을 식각 마스크로 하여 메탈층(230)이 식각(etching)됨으로써 적층형 에어 그리드(210-1)에 대응하는 메탈층(230)이 형성될 수 있다. 여기서, 메탈층(230)의 식각 깊이는 적층형 에어 그리드(210-1)에 포함된 메탈층(230)의 높이에 의해 미리 결정될 수 있다. 제1 마스크 패턴(미도시)을 비롯하여 이하에서 설명되는 마스크 패턴들은 포토레지스트(photoresist) 패턴을 포함할 수 있다.
메탈층(230)에 대한 식각 공정이 완료되면, 제1 마스크 패턴(미도시)이 제거될 수 있다.
도 7b의 S120 단계에서, 메탈층(230)과 기판(270)의 상부에 전체적으로 희생막(290a), 분리층(262), 희생막(290b), 분리층(264), 희생막(290c)이 증착 공정을 통해 순차적으로 형성될 수 있다. 희생막(290a~290c) 각각은 탄소가 함유된 스핀 온 카본(SOC: Spin On Carbon)막을 포함할 수 있다.
이후, 희생막(290c)의 상부에 적층형 에어 그리드(210-1)를 정의하는 제2 마스크 패턴(280)이 배치될 수 있다.
제2 마스크 패턴(280)은 희생막(290c)을 향해 수직 방향으로 연장되어 희생막(290c)의 단면과 직각을 이룰 수 있다. 다른 실시예에 따라, 제2 마스크 패턴(280)은 도 7b와 달리 희생막(290c)을 향해 수직 방향이 아닌 수직 방향에 대해 일정 기울기를 가지고 연장될 수 있다. 이 경우, 제2 마스크 패턴(280)은 사다리꼴 형태의 단면을 가질 수 있다. 이러한 형상의 제2 마스크 패턴(280)은 마스크 포토레지스트 프로필을 제어함에 의해 형성될 수 있다.
도 7c의 S130 단계에서, 제2 마스크 패턴(280)을 식각 마스크로 하여 희생막(290a~290c), 분리층(262, 264) 및 메탈층(230)이 식각됨으로써, 적층형 에어 그리드(210-1)를 제외한 영역(예컨대, 단위 픽셀 영역)에 배치된 희생막(290a~290c), 분리층(262, 264) 및 메탈층(230)은 제거될 수 있다. 이후, 제2 마스크 패턴(280)은 제거될 수 있다. S130 단계가 완료되면, 적층형 에어 그리드(210-1)에 포함되는 에어층(240a~240c)의 형상에 대응하는 희생막(290a~290c)의 형성이 완료될 수 있다.
만일 제2 마스크 패턴(280)이 도 7b와 달리 희생막(290c)을 향해 수직 방향에 대해 일정 기울기를 가지고 연장되는 경우, 식각 공정이 수행된 희생막(290a~290c), 분리층(262, 264) 및 메탈층(230)은 제2 마스크 패턴(280)의 일정 기울기에 대응되는 기울기에 따라 상부로 갈수록 점진적으로 폭이 좁아질 수 있다.
도 4에 도시된 피라미드 형태의 적층형 에어 그리드(210-2)의 형성을 위한 공정에 대해 설명하면, S130 단계의 식각 공정이 복수 회 수행될 수 있다. 구체적으로, 에어층(240c)을 정의하는 제2 마스크 패턴이 희생막(290c) 상부에 배치되고, 에어층(240c)을 정의하는 제2 마스크 패턴을 식각 마스크로 하여 희생막(290c) 만을 식각할 수 있는 식각 에너지로 식각 공정이 수행될 수 있다. 이후, 에어층(240c)을 정의하는 제2 마스크 패턴이 제거되고, 에어층(240b)을 정의하는 제2 마스크 패턴이 희생막(290c) 상부에 배치되고, 에어층(240b)을 정의하는 제2 마스크 패턴을 식각 마스크로 하여 분리층(264)과 희생막(290b) 만을 식각할 수 있는 식각 에너지로 식각 공정이 수행될 수 있다. 이후, 에어층(240b)을 정의하는 제2 마스크 패턴이 제거되고, 에어층(240a)을 정의하는 제2 마스크 패턴이 희생막(290c) 상부에 배치되고, 에어층(240a)을 정의하는 제2 마스크 패턴을 식각 마스크로 하여 분리층(262)과 희생막(290a) 만을 식각할 수 있는 식각 에너지로 식각 공정이 수행될 수 있다. 이후, 에어층(240a)을 정의하는 제2 마스크 패턴이 제거되고, 메탈층(230)을 정의하는 제2 마스크 패턴이 희생막(290c) 상부에 배치되고, 메탈층(230)을 정의하는 제2 마스크 패턴을 식각 마스크로 하여 메탈층(230) 만을 식각할 수 있는 식각 에너지로 식각 공정이 수행될 수 있다. 이후, 제2 마스크 패턴이 제거되면, 적층형 에어 그리드(210-2)에 포함되는 에어층(240a~240c)의 형상에 대응하는 희생막(290a~290c)의 형성이 완료될 수 있다.
도 7d의 S140 단계에서, 기판(270), 희생막(290a~290c), 분리층(262, 264) 및 메탈층(230)의 표면에 제1 캡핑막(250)이 증착 공정을 통해 형성될 수 있다. 제1 캡핑막(250)은 산화막을 포함하며, 예컨대 저온산화(ULTO)막을 포함할 수 있다. 제1 캡핑막(250)은 후속의 플라즈마 공정에서 사용되는 가스와 희생막(290a~290c)의 탄소가 결합되어 생성된 분자가 쉽게 외부로 빠져나갈 수 있는 두께로 형성된다. 예컨대, 제1 캡핑막(250)은 300Å이하의 두께로 형성될 수 있다.
도 7e의 S150 단계에서, 제1 캡핑막(250)이 형성된 후, 플라즈마 공정이 수행됨으로써 희생막(290a~290c)이 제거되고 희생막(290a~290c)에 대응되는 위치에 에어층(240a~240c)이 형성될 수 있다. 이때, 플라즈마 공정은 O2, N2, H2, CO, CO2, CH4 등 산소, 질소, 수소 중 적어도 하나가 포함된 가스를 이용한 플라즈마 공정일 수 있다. 여기서, O2 플라즈마 공정을 예로 들어 보다 상세히 설명하면, 산소기(Oxygen Radical)(O*)가 제1 캡핑막(250)을 통해 희생막(290a~290c)으로 유입되고, 유입된 산소기는 희생막(290a~290c)의 탄소와 결합하여 CO 또는 CO2 를 생성한다. 생성된 CO 또는 CO2 는 제1 캡핑막(250)을 통해 밖으로 빠져나가게 된다. 이러한 과정을 통해, 희생막(290a~290c)이 제거되고 제거된 위치에 에어층(240a~240c)이 형성될 수 있다.
실시예에 따라, 희생막(290c)이 제거되더라도 제1 캡핑막(250)이 붕괴되는 것을 방지하기 위해, 희생막(290c) 상에 산화막과 같은 지지막(미도시)을 형성한 상태에서, 플라즈마 공정이 수행될 수 있다.
도 7f의 S160 단계에서, 플라즈마 공정이 완료된 후 제1 캡핑막(250)의 상부에 제2 캡핑막(260)이 증착 공정을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 캡핑막(260)은 실리콘 산화 질화막(SixOyNz, 여기서 x, y, z는 자연수), 실리콘 산화막(SixOy, 여기에서 x, y는 자연수), 실리콘 질화막(SixNy, 여기에서 x, y는 자연수) 중 적어도 하나를 포함하는 절연막일 수 있다. 제2 캡핑막(260)의 두께는 제1 캡핑막(250)의 두께보다 두꺼울 수 있으며, 제2 캡핑막(260)은 적층형 에어 그리드(210-1)의 형태를 안정적으로 유지하는데 필요한 두께로 형성될 수 있다.
도 8a 내지 도 8f 각각은 도 5에 도시된 적층형 에어 그리드를 형성하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 내지 도 8e를 참조하면, 이하에서는 도 5에 도시된 메탈층(230)이 생략된 적층형 에어 그리드(210-3)를 형성하는 공정에 대해 설명된다. 도 6에 도시된 적층형 에어 그리드(210-4)를 형성하는 공정은 적층형 에어 그리드(210-3)의 피라미드 형태와 유사한 형태를 형성하기 위한 공정을 제외하고는 실질적으로 동일한 바, 구체적인 설명은 생략하기로 한다. 적층형 에어 그리드(210-4)의 피라미드 형태와 유사한 형태를 형성하기 위한 공정에 대해서는 후술하기로 한다.
또한, 도 8a 내지 도 8e 각각에 도시된 단면은 도 2의 제1 절단선(A-A') 또는 제2 절단선(B-B')에 따른 단면에 대응되는 단면이다.
도 8a의 S210 단계에서, 기판(270)의 상부에 전체적으로 희생막(290d), 분리층(266), 희생막(290a), 분리층(262), 희생막(290b), 분리층(264), 희생막(290c)이 증착 공정을 통해 순차적으로 형성될 수 있다. 희생막(290a~290d) 각각은 탄소가 함유된 스핀 온 카본(SOC)막을 포함할 수 있다.
이후, 희생막(290c)의 상부에 적층형 에어 그리드(210-3)를 정의하는 제2 마스크 패턴(280)이 배치될 수 있다.
제2 마스크 패턴(280)은 희생막(290c)을 향해 수직 방향으로 연장되어 희생막(290c)의 단면과 직각을 이룰 수 있다. 다른 실시예에 따라, 제2 마스크 패턴(280)은 도 8a와 달리 희생막(290c)을 향해 수직 방향이 아닌 수직 방향에 대해 일정 기울기를 가지고 연장될 수 있다. 이 경우, 제2 마스크 패턴(280)은 사다리꼴 형태의 단면을 가질 수 있다. 이러한 형상의 제2 마스크 패턴(280)은 마스크 포토레지스트 프로필을 제어함에 의해 형성될 수 있다.
도 8b의 S220 단계에서, 제2 마스크 패턴(280)을 식각 마스크로 하여 희생막(290a~290d) 및 분리층(262, 264, 266)이 식각됨으로써, 적층형 에어 그리드(210-3)를 제외한 영역(예컨대, 단위 픽셀 영역)에 배치된 희생막(290a~290d) 및 분리층(262, 264)은 제거될 수 있다. 이후, 제2 마스크 패턴(280)은 제거될 수 있다. S220 단계가 완료되면, 적층형 에어 그리드(210-3)에 포함되는 에어층(240a~240d)의 형상에 대응하는 희생막(290)의 형성이 완료될 수 있다.
만일 제2 마스크 패턴(280)이 도 8a와 달리 희생막(290c)을 향해 수직 방향에 대해 일정 기울기를 가지고 연장되는 경우, 식각 공정이 수행된 희생막(290a~290d) 및 분리층(262, 264, 266)은 제2 마스크 패턴(280)의 일정 기울기에 대응되는 기울기에 따라 상부로 갈수록 점진적으로 폭이 좁아질 수 있다.
도 6에 도시된 피라미드 형태의 적층형 에어 그리드(210-4)의 형성을 위한 공정에 대해 설명하면, S220 단계의 식각 공정이 복수 회 수행될 수 있다. 구체적으로, 에어층(240c)을 정의하는 제2 마스크 패턴이 희생막(290c) 상부에 배치되고, 에어층(240c)을 정의하는 제2 마스크 패턴을 식각 마스크로 하여 희생막(290c) 만을 식각할 수 있는 식각 에너지로 식각 공정이 수행될 수 있다. 이후, 에어층(240c)을 정의하는 제2 마스크 패턴이 제거되고, 에어층(240b)을 정의하는 제2 마스크 패턴이 희생막(290c) 상부에 배치되고, 에어층(240b)을 정의하는 제2 마스크 패턴을 식각 마스크로 하여 분리층(264)과 희생막(290b) 만을 식각할 수 있는 식각 에너지로 식각 공정이 수행될 수 있다. 이후, 에어층(240b)을 정의하는 제2 마스크 패턴이 제거되고, 에어층(240a)을 정의하는 제2 마스크 패턴이 희생막(290c) 상부에 배치되고, 에어층(240a)을 정의하는 제2 마스크 패턴을 식각 마스크로 하여 분리층(262)과 희생막(290a) 만을 식각할 수 있는 식각 에너지로 식각 공정이 수행될 수 있다. 이후, 에어층(240a)을 정의하는 제2 마스크 패턴이 제거되고, 에어층(240d)을 정의하는 제2 마스크 패턴이 희생막(290c) 상부에 배치되고, 에어층(240d)을 정의하는 제2 마스크 패턴을 식각 마스크로 하여 분리층(266)과 희생막(290d) 만을 식각할 수 있는 식각 에너지로 식각 공정이 수행될 수 있다. 이후, 제2 마스크 패턴이 제거되면, 적층형 에어 그리드(210-4)에 포함되는 에어층(240a~240d)의 형상에 대응하는 희생막(290a~290d)의 형성이 완료될 수 있다.
도 8c의 S230 단계에서, 기판(270), 희생막(290a~290d) 및 분리층(262, 264, 266)의 표면에 제1 캡핑막(250)이 증착 공정을 통해 형성될 수 있다. 제1 캡핑막(250)은 산화막을 포함하며, 예컨대 저온산화(ULTO)막을 포함할 수 있다. 제1 캡핑막(250)은 후속의 플라즈마 공정에서 사용되는 가스와 희생막(290a~290d)의 탄소가 결합되어 생성된 분자가 쉽게 외부로 빠져나갈 수 있는 두께로 형성된다. 예컨대, 제1 캡핑막(250)은 300Å이하의 두께로 형성될 수 있다.
도 8d의 S240 단계에서, 제1 캡핑막(250)이 형성된 후, 플라즈마 공정이 수행됨으로써 희생막(290a~290d)이 제거되고 희생막(290a~290d)에 대응되는 위치에 에어층(240a~240d)이 형성될 수 있다. 이때, 플라즈마 공정은 O2, N2, H2, CO, CO2, CH4 등 산소, 질소, 수소 중 적어도 하나가 포함된 가스를 이용한 플라즈마 공정일 수 있다. 여기서, O2 플라즈마 공정을 예로 들어 보다 상세히 설명하면, 산소기(Oxygen Radical)(O*)가 제1 캡핑막(250)을 통해 희생막(290a~290d)으로 유입되고, 유입된 산소기는 희생막(290a~290d)의 탄소와 결합하여 CO 또는 CO2 를 생성한다. 생성된 CO 또는 CO2 는 제1 캡핑막(250)을 통해 밖으로 빠져나가게 된다. 이러한 과정을 통해, 희생막(290a~290d)이 제거되고 제거된 위치에 에어층(240a~240d)이 형성될 수 있다.
실시예에 따라, 희생막(290c)이 제거되더라도 제1 캡핑막(250)이 붕괴되는 것을 방지하기 위해, 희생막(290c) 상에 산화막과 같은 지지막(미도시)을 형성한 상태에서, 플라즈마 공정이 수행될 수 있다.
도 8e의 S250 단계에서, 플라즈마 공정이 완료된 후 제1 캡핑막(250)의 상부에 제2 캡핑막(260)이 증착 공정을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 캡핑막(260)은 실리콘 산화 질화막(SixOyNz, 여기서 x, y, z는 자연수), 실리콘 산화막(SixOy, 여기에서 x, y는 자연수), 실리콘 질화막(SixNy, 여기에서 x, y는 자연수) 중 적어도 하나를 포함하는 절연막일 수 있다. 제2 캡핑막(260)의 두께는 제1 캡핑막(250)의 두께보다 두꺼울 수 있으며, 제2 캡핑막(260)은 적층형 에어 그리드(210-3)의 형태를 안정적으로 유지하는데 필요한 두께로 형성될 수 있다.
본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", "A 또는 B 중 적어도 하나,""A, B 또는 C," "A, B 및 C 중 적어도 하나,"및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", 또는 "첫째" 또는 "둘째"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에, "기능적으로" 또는 "통신적으로"라는 용어와 함께 또는 이런 용어 없이, "커플드" 또는 "커넥티드"라고 언급된 경우, 그것은 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로(예: 유선으로), 무선으로, 또는 제 3 구성요소를 통하여 연결될 수 있다는 것을 의미한다.
다양한 실시예들에 따르면, 상기 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 상기 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 상기 통합 이전에 상기 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 상기 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.
Claims (20)
- 물리적으로 서로 분리되어 적층되는 복수의 에어층들을 포함하는 적층형 에어 그리드; 및
상기 적층형 에어 그리드의 일측에 배치되는 컬러 필터를 포함하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 적층형 에어 그리드는 상기 복수의 에어층들 중 서로 인접하는 에어층들 사이에 배치되는 분리층을 더 포함하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 적층형 에어 그리드는 픽셀 어레이의 로우 방향 및 컬럼 방향으로 연장되어 메쉬(mesh) 타입으로 형성되는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 적층형 에어 그리드는 상기 복수의 에어층들을 둘러싸는 제1 캡핑막을 더 포함하는 이미지 센서. - 제4항에 있어서,
상기 제1 캡핑막의 굴절률은 상기 복수의 에어층들 각각에 채워진 에어의 굴절률보다 높고 상기 적층형 에어 그리드에 접하는 컬러 필터의 굴절률보다 낮은 이미지 센서. - 제4항에 있어서,
상기 적층형 에어 그리드는 상기 제1 캡핑막을 둘러싸고 상기 제1 캡핑막보다 두께가 더 두꺼운 제2 캡핑막을 더 포함하는 이미지 센서. - 제6항에 있어서,
상기 적층형 에어 그리드에 접하는 컬러 필터의 하부에는 상기 제1 캡핑막 및 상기 제2 캡핑막과 각각 일체로 형성되는 제1 캡핑막 및 제2 캡핑막이 적층되는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 에어층들 중 특정 에어층의 폭은 상기 특정 에어층의 상부에 배치된 에어층의 폭보다 큰 이미지 센서. - 제8항에 있어서,
상기 특정 에어층의 상부에 배치된 분리층의 폭은 상기 특정 에어층의 폭과 동일한 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 적층형 에어 그리드는 상기 복수의 에어층들의 하부에 배치되는, 금속으로 구성된 메탈층을 더 포함하는 이미지 센서. - 제10항에 있어서,
상기 금속은 텅스텐인 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 에어층들 각각의 폭은 상부로 갈수록 점진적으로 좁아지는 이미지 센서. - 내부에 광전 변환 소자가 형성된 기판;
상기 기판의 상부에 배치되어 매트릭스 형태로 배열되는 복수의 컬러 필터들; 및
상기 복수의 컬러 필터들 각각을 둘러싸도록 배치되고, 물리적으로 서로 분리된 복수의 에어층들을 포함하는 적층형 에어 그리드를 포함하는 이미지 센서. - 제13항에 있어서,
상기 적층형 에어 그리드는 상기 복수의 에어층들 중 서로 인접하는 에어층들 사이에 배치되는 분리층을 더 포함하는 이미지 센서. - 제13항에 있어서,
상기 적층형 에어 그리드는 상기 복수의 에어층들을 둘러싸는 제1 캡핑막과, 상기 제1 캡핑막을 둘러싸고 상기 제1 캡핑막보다 두께가 더 두꺼운 제2 캡핑막을 더 포함하는 이미지 센서. - 제15항에 있어서,
상기 제1 캡핑막의 굴절률은 상기 복수의 에어층들 각각에 채워진 에어의 굴절률보다 높고 상기 적층형 에어 그리드에 접하는 컬러 필터의 굴절률보다 낮은 이미지 센서. - 제16항에 있어서,
상기 적층형 에어 그리드에 접하는 컬러 필터의 하부에는 상기 제1 캡핑막 및 상기 제2 캡핑막과 각각 일체로 형성되는 제1 캡핑막 및 제2 캡핑막이 적층되는 이미지 센서. - 제13항에 있어서,
상기 복수의 에어층들 중 특정 에어층의 폭은 상기 특정 에어층의 상부에 배치된 에어층의 폭보다 큰 이미지 센서. - 제18항에 있어서,
상기 특정 에어층의 상부에 배치된 분리층의 폭은 상기 특정 에어층의 폭과 동일한 이미지 센서. - 제13항에 있어서,
상기 적층형 에어 그리드는 상기 복수의 에어층들의 하부에 배치되는, 금속으로 구성된 메탈층을 더 포함하는 이미지 센서.
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