KR20210047687A - 위상 검출 픽셀을 포함하는 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

이미지 센서가 개시된다. 이미지 센서는, 픽셀 어레이를 포함하고, 상기 픽셀 어레이는, 기판 내에 형성되는 복수의 이미지 센싱 픽셀들; 상기 기판 내에 형성되며, 나란히 배치되는 2개의 위상 검출 서브 픽셀을 포함하는 위상 검출 공유 픽셀; 상기 복수의 이미지 센싱 픽셀들과 상기 위상 검출 공유 픽셀 상에 배치되며, 복수의 컬러 필터 공간을 포함하는 컬러 필터 펜스; 상기 복수의 이미지 센싱 픽셀들과 상기 위상 검출 공유 픽셀 상에서 상기 복수의 컬러 필터 공간 내에 각각 배치되는 복수의 컬러 필터층; 상기 복수의 이미지 센싱 픽셀들 각각 상에 배치되며 제1 높이를 갖는 제1 마이크로렌즈; 및 상기 위상 검출 공유 픽셀 상에서 상기 2개의 위상 검출 서브 픽셀과 수직 오버랩되도록 배치되며, 상기 제1 높이보다 더 큰 제2 높이를 갖는 제2 마이크로렌즈를 포함한다.

Description

위상 검출 픽셀을 포함하는 이미지 센서{Image sensors including phase detection pixel}
본 발명의 기술적 사상은 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 위상 검출 픽셀을 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 화상을 촬영하여 전기적 신호로 변환시키는 장치이다. 이미지 센서는 입사되는 빛을 수광하여 전기 신호로 전환하며 복수의 포토다이오드 영역을 포함하는 이미지 센싱 픽셀을 포함한다. 이미지 센서는 화상 촬영을 빠른 시간에 정확하게 수행할 수 있도록 오토 포커싱 기능을 수행할 것이 요구된다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 오토 포커싱 기능을 빠르고 정확하게 수행하는 한편 이미지 센싱 픽셀의 감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, 픽셀 어레이를 포함하며, 상기 픽셀 어레이는, 기판 내에 형성되는 복수의 이미지 센싱 픽셀들; 상기 기판 내에 형성되며, 나란히 배치되는 2개의 위상 검출 서브 픽셀을 포함하는 위상 검출 공유 픽셀; 상기 복수의 이미지 센싱 픽셀들과 상기 위상 검출 공유 픽셀 상에 배치되며, 복수의 컬러 필터 공간을 포함하는 컬러 필터 펜스; 상기 복수의 이미지 센싱 픽셀들과 상기 위상 검출 공유 픽셀 상에서 상기 복수의 컬러 필터 공간 내에 각각 배치되는 복수의 컬러 필터층; 상기 복수의 이미지 센싱 픽셀들 각각 상에 배치되며 제1 높이를 갖는 제1 마이크로렌즈; 및 상기 위상 검출 공유 픽셀 상에서 상기 2개의 위상 검출 서브 픽셀과 수직 오버랩되도록 배치되며, 상기 제1 높이보다 더 큰 제2 높이를 갖는 제2 마이크로렌즈를 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는 픽셀 어레이를 포함하고, 상기 픽셀 어레이는, 각각 동일한 색상의 컬러 필터층에 대응되는 복수의 이미지 센싱 서브 픽셀들을 포함하는 복수의 이미지 센싱 공유 픽셀들; 각각의 이미지 사이의 위상 차를 산출하기 위한 위상 신호를 생성하는 2개의 위상 검출 서브 픽셀을 포함하는 복수의 위상 검출 공유 픽셀들; 및 상기 복수의 이미지 센싱 공유 픽셀들과 상기 복수의 위상 검출 공유 픽셀들 상에 배치되는 마이크로렌즈 구조를 포함하고, 상기 마이크로렌즈 구조는, 상기 복수의 이미지 센싱 서브 픽셀들 각각 상에 배치되며 제1 높이를 갖는 제1 마이크로렌즈와, 상기 2개의 위상 검출 서브 픽셀 상에 배치되며 상기 제1 높이보다 더 큰 제2 높이를 갖는 제2 마이크로렌즈를 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는 픽셀 어레이를 포함하고, 상기 픽셀 어레이는, 기판 내에 형성되는 복수의 이미지 센싱 픽셀들; 상기 기판 내에 형성되며, 각각의 이미지 사이의 위상 차를 산출하기 위한 위상 신호를 생성하며, 상기 기판의 상면에 평행한 제1 방향으로 나란히 배치되는 2개의 위상 검출 서브 픽셀들을 포함하는 위상 검출 공유 픽셀; 상기 기판을 관통하며, 상기 복수의 이미지 센싱 픽셀들 사이에, 상기 2개의 위상 검출 서브 픽셀들 사이에, 및 상기 위상 검출 공유 픽셀과 이에 인접한 이미지 센싱 픽셀 사이에 배치되는 픽셀 분리막 구조물; 상기 복수의 이미지 센싱 픽셀들과 상기 위상 검출 공유 픽셀 상에 배치되며, 복수의 컬러 필터 공간을 포함하는 컬러 필터 펜스; 상기 복수의 이미지 센싱 픽셀들과 상기 위상 검출 공유 픽셀 상에서 상기 복수의 컬러 필터 공간 내에 각각 배치되는 복수의 컬러 필터층; 상기 복수의 이미지 센싱 픽셀들 각각 상에 배치되며 제1 높이를 갖는 제1 마이크로렌즈; 및 상기 2개의 위상 검출 서브 픽셀들 상에 배치되며 상기 제1 높이보다 더 큰 제2 높이를 갖는 제2 마이크로렌즈를 포함하고, 상기 제2 마이크로렌즈의 상기 제1 방향에 따른 중심선이 상기 2개의 위상 검출 서브 픽셀들 사이에 배치되는 상기 픽셀 분리막 구조물의 일부분과 수직 오버랩된다.
본 발명의 기술적 사상에 따르면, 이미지 센싱 픽셀 상의 제1 마이크로렌즈와, 위상 검출 공유 픽셀 상의 제2 마이크로렌즈는 서로 다른 높이를 가질 수 있고, 이미지 센싱 픽셀과 위상 검출 공유 픽셀에서 각각 마이크로렌즈의 곡률을 최적화할 수 있다. 또한 위상 검출 공유 픽셀 상의 컬러 필터 펜스 부분은 이미지 센싱 픽셀 상의 컬러 필터 펜스 부분보다 더 큰 폭을 가지며, 이에 따라 위상 검출 공유 픽셀의 분리비 특성이 향상될 수 있다. 상기 이미지 센서는 오토 포커싱 기능을 빠르고 정확하게 수행하는 한편 이미지 센싱 픽셀의 감도가 향상될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 처리 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 레이아웃도이다.
도 4는 도 3의 A1-A1' 선을 따른 단면도이다.
도 5는 도 3의 CX1 부분을 도 4의 제1 레벨(LV1)에서 자른 수평 단면도이다.
도 6은 도 3의 CX1 부분의 평면도이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서의 복수의 픽셀의 등가 회로도이다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
도 9는 도 3의 CX1에 대응되는 부분의 수평 단면도이다.
도 10은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
도 11은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
도 12는 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 레이아웃도이다.
도 13은 도 12의 CX2 부분의 수평 단면도이다.
도 14는 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 레이아웃도이다.
도 15 내지 도 25는 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 26 내지 도 28은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 29 내지 도 32는 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 33 내지 도 36은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 37 내지 도 40은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 처리 장치(1000)를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 처리 장치(1000)는 오토 포커싱(auto-focusing, AF) 기능을 수행하는 디지털 촬상 장치일 수 있다. 이미지 처리 장치(1000)는 촬상부(1100), 이미지 센서(100), 및 프로세서(1200)를 포함할 수 있다. 이미지 처리 장치(1000)는 오토 포커싱 기능을 위하여 초점 검출 기능을 구비할 수 있다.
촬상부(1100)는 렌즈(1110), 렌즈 구동부(1120), 조리개(1130), 조리개 구동부(1140)를 포함할 수 있다.
렌즈 구동부(1120)는 프로세서(1200)와 초점 검출에 관한 정보를 통신할 수 있고, 프로세서(1200)에 의해 제공된 제어 신호에 따라 렌즈(1110)의 위치를 조절할 수 있다. 이에 따라 렌즈(1110)와 객체(2000) 사이의 거리가 조절될 수 있고, 렌즈(1110)의 위치에 따라 객체(2000)에 대한 초점이 맞거나 흐려질 수 있다. 예를 들어, 렌즈(1110)와 객체(2000) 사이의 거리가 상대적으로 가까운 경우, 렌즈(1110)는 객체(2000)에 대한 초점을 맞추기 위한 초점 위치(In-focus Position)에서 벗어나 있을 수 있고, 이미지 센서(100)에 촬상된 이미지들 사이에 위상 차가 발생할 수 있다. 이러한 경우에, 렌즈 구동부(1120)는 프로세서(1200)에서 제공된 제어 신호에 기초하여, 렌즈(1110)를 객체(2000)로부터의 거리가 증가하는 방향으로 이동시킬 수 있다.
이미지 센서(100)는 입사되는 광을 이미지 신호로 변환할 수 있다. 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(PXA), 제어부(210), 및 신호 처리부(220)를 포함할 수 있다. 렌즈(1110) 및 조리개(1130)를 통과한 광학 신호가 픽셀 어레이(PXA)의 수광면에 도달하여 객체(2000)의 상을 결상할 수 있다. 픽셀 어레이(PXA)는 도 2에 설명될 것과 같이 복수의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있고, 복수의 픽셀들(PX)은 복수의 이미지 센싱 픽셀들(IPX)과 복수의 위상 검출 픽셀들(PPX)을 포함할 수 있다.
프로세서(1200)는 신호 처리부(220)로부터 픽셀 정보를 수신하여 위상차 연산을 수행할 수 있고, 위상차 연산은 복수의 픽셀들의 열 신호의 상관 연산을 실시하여 구할 수 있다. 프로세서(1200)는 위상차 연산 결과로 초점의 위치, 초점의 방향 또는 객체(2000)와 이미지 센서(100) 사이의 거리 등을 구할 수 있다. 프로세서(1200)는 위상차 연산 결과를 기초로 하여, 렌즈(1110)의 위치를 이동시키기 위해 렌즈 구동부(1120)로 제어 신호를 출력할 수 있다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서(100)를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(PXA), 제어부(210), 신호 처리부(220), 로우 드라이버(230) 및 신호 독출부(240)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(PXA)는 픽셀 단위로 형성될 수 있고, 복수의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(PX)은 각각 대응되는 광전 변환 영역, 예를 들어 포토다이오드를 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(PX)은 광을 흡수하여 전하를 생성하고, 생성된 전하에 따른 전기적 신호(출력 전압)는 신호 독출부(240)로 제공될 수 있다.
픽셀 어레이(PXA)는 복수의 이미지 센싱 픽셀들(IPX) 및 복수의 위상 검출 픽셀들(PPX)을 포함할 수 있다. 복수의 이미지 센싱 픽셀들(IPX)은 객체(2000)(도 1 참조)에 대응하는 이미지 신호들을 생성할 수 있다. 복수의 위상 검출 픽셀들(PPX)은 영상들 사이의 위상 차를 산출하기 위해 이용되는 위상 신호들을 생성할 수 있다.
이미지 센서(100)에 포함되는 복수의 위상 검출 픽셀들(PPX)은 객체에 대한 초점을 맞추기 위해 이용될 수 있다. 위상 신호들은 이미지 센서(100)에 맺힌 이미지들의 위치들에 관한 정보를 포함할 수 있다. 따라서, 위상 신호들은 이미지들 사이의 위상 차들을 산출하기 위해 이용될 수 있다. 산출된 위상 차들에 기초하여, 렌즈(1110)(도 1 참조)의 초점 위치가 산출될 수 있다. 예를 들어, 위상 차를 0으로 만드는 렌즈(1110)의 위치가 초점 위치일 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 복수의 위상 검출 픽셀들(PPX)은 객체에 대한 초점 맞춤뿐만 아니라, 객체(2000)와 이미지 센서(100) 사이의 거리의 측정에도 이용될 수 있다. 객체(2000)와 이미지 센서(100) 사이의 거리를 측정하기 위해, 이미지 센서(100)에 맺힌 이미지들 사이의 위상 차들, 렌즈(1110)와 이미지 센서(100) 사이의 거리, 렌즈(1110)의 크기, 렌즈(1110)의 초점 위치 등과 같은 추가의 정보들이 참조될 수 있다.
제어부(210)는 픽셀 어레이(PXA)가 광을 흡수하여 전하를 축적하게 하거나 축적된 전하를 임시로 저장하게 하고, 저장된 전하에 따른 전기적 신호를 픽셀 어레이(PXA)의 외부로 출력하게 하도록, 로우 드라이버(230)를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(210)는 픽셀 어레이(PXA)가 제공하는 출력 전압을 측정하도록, 신호 독출부(240)를 제어할 수 있다.
로우 드라이버(230)는 픽셀 어레이(PXA)를 제어하기 위한 신호들(RSs, TXs, SELSs)을 생성하고, 픽셀 어레이(PXA)에 포함된 복수의 픽셀들(PX)에 제공할 수 있다. 로우 드라이버(230)는 AF 기능을 수행할지 여부에 기초하여, 복수의 위상 검출 픽셀들(PPX)에 대한 리셋 제어 신호들(RSs), 전송 제어 신호들(TXs), 선택 신호들(SELSs)의 활성화 및 비활성화 타이밍을 결정할 수 있다.
신호 독출부(240)는 상관 이중 샘플러(CDS)(242), 아날로그-디지털 컨버터(ADC)(244) 및 버퍼(246)를 포함할 수 있다. 상관 이중 샘플러(242)는 픽셀 어레이(PXA)에서 제공한 출력 전압을 샘플링 및 홀드할 수 있다. 상관 이중 샘플러(242)는 특정한 잡음 레벨과 생성된 출력 전압에 따른 레벨을 이중으로 샘플링하여, 그 차이에 해당하는 레벨을 출력할 수 있다. 또한, 상관 이중 샘플러(242)는 램프 신호 생성기(248)가 생성한 램프 신호를 입력 받아 서로 비교하여 비교 결과를 출력할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(244)는 상관 이중 샘플러(242)로부터 수신하는 레벨에 대응하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 버퍼(246)는 디지털 신호를 래치(latch)할 수 있고, 래치된 신호는 순차적으로 신호 처리부(220) 또는 이미지 센서(100)의 외부로 출력될 수 있다.
신호 처리부(220)는 수신되는 복수의 픽셀들(PX)의 데이터에 대하여 신호 처리를 수행할 수 있다. 신호 처리부(220)는 노이즈 저감 처리, 게인 조정, 파형 정형화 처리, 보간처리, 화이트밸런스 처리, 감마 처리, 에지 강조 처리, 등을 수행할 수 있다. 또한, 신호 처리부(220)는 위상차 AF 시에 복수의 픽셀들(PX) 정보를 프로세서(1200)로 출력하여, 위상차 연산을 수행하도록 할 수 있다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서(100)를 나타내는 레이아웃도이다. 도 4는 도 3의 A1-A1 선을 따른 단면도이다. 도 5는 도 3의 CX1 부분을 도 4의 제1 레벨(LV1)에서 자른 수평 단면도이고, 도 6은 도 3의 CX1 부분의 평면도이다.
도 3을 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(PXA)를 포함하고, 픽셀 어레이(PXA)는 복수의 이미지 센싱 픽셀들(IPX)과 복수의 위상 검출 공유 픽셀들(PPX)을 포함할 수 있다.
복수의 이미지 센싱 픽셀들(IPX)은 기판(110)의 제1 면(110F1)에 평행한 제1 방향(X 방향)과 제2 방향(Y 방향)으로 배열될 수 있다. 여기에서 제1 방향은 픽셀 어레이(PXA)의 컬럼 방향이고, 제2 방향은 픽셀 어레이(PXA)의 로우 방향일 수 있다. 복수의 위상 검출 공유 픽셀들(PPX)은 제1 방향(X 방향)으로 인접하게 배치되는 제1 및 제2 위상 검출 서브 픽셀들(PPXa, PPXb)을 포함할 수 있다. 복수의 위상 검출 공유 픽셀들(PPX)은 복수의 이미지 센싱 픽셀들(IPX) 사이에서 소정의 간격으로 이격되어 배치될 수 있고, 예를 들어, 전체 픽셀(PX)의 수에 대하여 1/16, 1/32, 또는 1/64의 밀도로 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 것과 같이 픽셀 어레이(PXA)가 제1 방향(X 방향)으로 16개와 제2 방향(Y 방향)으로 16개의 픽셀(PX)을 구비하도록 구성될 때, 복수의 위상 검출 공유 픽셀들(PPX)은 8개의 픽셀(PX)을 차지할 수 있고 1/32의 밀도로 배치될 수 있다.
도 4에 예시적으로 도시된 것과 같이, 복수의 이미지 센싱 픽셀(IPX)과 복수의 위상 검출 공유 픽셀(PPX)은 기판(110) 내에서 픽셀 분리막 구조물(150)에 의해 서로 이격되어 배치될 수 있고, 복수의 이미지 센싱 픽셀(IPX)과 복수의 위상 검출 공유 픽셀(PPX) 각각 내에 광전 변환 영역(120)이 배치될 수 있다.
기판(110)은 제1 면(110F1)과 제2 면(110F2)을 포함할 수 있다. 여기에서는 상부에 마이크로렌즈 구조(180)가 배치되는 기판(110)의 표면을 제2 면(110F2)으로, 제2 면(110F2)에 반대되는 면을 제1 면(110F1)으로 지칭하였다. 예시적인 실시예들에 있어서, 반도체 기판(110)은 P 형 반도체 기판을 포함할 수 있다. 예를 들면, 반도체 기판(110)은 P형 실리콘 기판으로 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 반도체 기판(110)은 P 형 벌크 기판과 그 위에 성장된 P 형 또는 N 형 에피층을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 반도체 기판(110)은 N 형 벌크 기판과, 그 위에 성장된 P 형 또는 N 형 에피층을 포함할 수 있다. 또는, 반도체 기판(110)은 유기(organic) 플라스틱 기판으로 이루어질 수 있다. 광전 변환 영역(120)은 기판(110) 내부에 형성된 포토 다이오드 영역(도시 생략)과 웰 영역(도시 생략)을 포함할 수 있다.
도 4에 도시되지 않았지만, 기판(110)의 제1 면(110F1) 상에는 활성 영역(도시 생략) 및 플로팅 확산 영역(floating diffusion region)(FD)(도 7 참조)을 정의하는 소자 분리막(도시 생략)이 더 형성될 수 있다.
기판(110)의 제1 면(110F1) 상에는 전면 구조물(front side structure)(130)이 배치될 수 있다. 전면 구조물(130)은 게이트 전극(132), 배선층(134) 및 절연층(136)을 포함할 수 있다.
게이트 전극(132)은 기판(110)의 제1 면(110F1) 상에 배치되며 복수의 트랜지스터들을 구성할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 트랜지스터들은 광전 변환 영역(120)에서 생성된 전하를 플로팅 확산 영역(FD)에 전송하도록 구성되는 전송 트랜지스터(TX), 플로팅 확산 영역(FD)에 저장되어 있는 전하를 주기적으로 리셋시키도록 구성되는 리셋 트랜지스터(RX), 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며 상기 플로팅 확산 영역에 충전된 전하에 따른 신호를 버퍼링하도록 구성되는 드라이브 트랜지스터(DX), 및 복수의 이미지 센싱 픽셀(IPX)을 선택하기 위한 스위칭 및 어드레싱 역할을 하는 선택 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다. 그러나, 상기 복수의 트랜지스터들이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4에는 게이트 전극(132)이 기판(110)의 제1 면(110F1) 상에 평판 형태로 형성된 것이 예시적으로 도시되었으나, 일부의 게이트 전극(132)은 기판(110)의 제1 면(110F1)으로부터 기판(110) 내부로 연장되는 리세스 게이트 타입으로 형성될 수도 있다.
배선층(134)은 게이트 전극(132) 또는 상기 활성 영역과 전기적으로 연결될 수 있다. 배선층(134)은 텅스텐, 알루미늄, 구리, 텅스텐 실리사이드, 티타늄 실리사이드, 텅스텐 질화물, 티타늄 질화물, 도핑된 폴리실리콘 등을 포함할 수 있다. 절연층(136)은 기판(110)의 제1 면(110F1) 상에서 배선층(134)을 커버할 수 있고, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 등의 절연 물질을 포함할 수 있다.
선택적으로, 전면 구조물(130) 상에는 지지 기판(140)이 배치될 수 있다. 지지 기판(140)과 전면 구조물(130) 사이에는 접착 부재(도시 생략)가 더 배치될 수 있다.
픽셀 분리막 구조물(150)은 기판(110)을 관통하도록 배치되며, 하나의 이미지 센싱 픽셀(IPX)을 이에 인접한 이미지 센싱 픽셀(IPX)과 물리적으로 및 전기적으로 분리시킬 수 있다. 평면도에서, 픽셀 분리막 구조물(150)은 메시 형상 또는 그리드 형상으로 배치될 수 있다. 도 4에 도시된 것과 같이, 픽셀 분리막 구조물(150)은 기판(110)의 제1 면(110F1)으로부터 제2 면(110F2)까지 연장될 수 있고, 기판(110)의 제1 면(110F1)과 동일한 레벨에서의 폭이 기판(110)의 제2 면(110F2)과 동일한 레벨에서의 폭보다 더 클 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
픽셀 분리막 구조물(150)은 도전층(152)과 절연 라이너(154)를 포함할 수 있고, 도전층(152)과 기판(110) 사이에 절연 라이너(154)가 개재될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 도전층(152)은 폴리실리콘, 금속 등의 도전 물질을 포함할 수 있다. 절연 라이너(154)는 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물, 탄탈륨 산화물 등과 같은 금속 산화물을 포함할 수 있고, 이러한 경우에, 절연 라이너(154)는 음의 고정 전하층(negative fixed charge layer)으로 작용할 수 있다. 다른 실시예들에서, 절연 라이너(154)는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 등의 절연 물질을 포함할 수 있다.
기판(110)의 제2 면(110F2) 상에는 컬러 필터 펜스(160)가 배치될 수 있다. 도 5에 예시적으로 도시되는 바와 같이, 컬러 필터 펜스(160)는 평면적으로 그리드 형상 또는 메쉬 형상을 가질 수 있고, 컬러 필터 펜스(160)은 픽셀 분리막 구조물(150)과 수직 오버랩되도록 배치될 수 있다. 컬러 필터 펜스(160)는 내부에 컬러 필터층(170)이 배치되는 복수의 컬러 필터 공간(160S)을 정의할 수 있다.
복수의 컬러 필터 공간(160S)은 복수의 이미지 센싱 픽셀(IPX)과 오버랩되는 위치에 배치되는 제1 컬러 필터 공간(160S1)과, 복수의 위상 검출 공유 픽셀(PPX)과 오버랩되는 위치에 배치되는 제2 컬러 필터 공간(160S2)을 포함할 수 있다. 제1 컬러 필터 공간(160S1) 내에 복수의 이미지 센싱 픽셀(IPX)에 대응되는 컬러 필터층(170)이 배치될 수 있고, 제2 컬러 필터 공간(160S2) 내에 복수의 위상 검출 공유 픽셀(PPX)에 대응되는 컬러 필터층(170)이 배치될 수 있다. 제2 컬러 필터 공간(160S2)은 제1 및 제2 위상 검출 서브 픽셀(PPXa, PPXb) 모두와 수직 오버랩되도록 배치될 수 있고, 제2 컬러 필터 공간(160S2)은 제1 컬러 필터 공간(160S1)보다 넓은 평면 면적을 가질 수 있다.
컬러 필터 펜스(160)는 배리어 금속 패턴(162)과, 배리어 금속 패턴(162) 상에 배치되는 저굴절율 물질층 패턴(164)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 저굴절율 물질층 패턴(164)은 약 1.0보다 크고 약 1.4보다 작거나 같은 제1 굴절율을 가질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 저굴절율 물질층 패턴(164)은 PMMA(polymethylmetacrylate), 실리콘 아크릴레이트(silicon acrylate), CAB(cellulose acetatebutyrate), 실리카(silica), 및 FSA(fluoro-silicon acrylate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 저굴절율 물질층 패턴(164)은 실리카(SiOx) 입자들이 분산된 폴리머 물질을 포함할 수 있다.
저굴절율 물질층 패턴(164)이 상대적으로 낮은 제1 굴절율을 가짐에 따라, 컬러 필터 펜스(160)를 향해 입사되는 광이 전반사되어 복수의 이미지 센싱 픽셀(IPX) 중심부 방향으로 향하게 지향될(directed) 수 있다. 컬러 필터 펜스(160)는 하나의 이미지 센싱 픽셀(IPX) 상에 배치되는 컬러 필터층(170) 내부로 경사각을 가지며 입사하는 광이 인접한 이미지 센싱 픽셀(IPX) 상에 배치되는 컬러 필터층(170)으로 진입하는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 복수의 이미지 센싱 픽셀들(IPX) 사이의 간섭 현상이 방지될 수 있다.
컬러 필터 펜스(160)는 제1 펜스부(160I)와 제2 펜스부(160P)를 포함할 수 있다. 제1 펜스부(160I)는 복수의 이미지 센싱 픽셀들(IPX) 사이의 경계(예를 들어, 복수의 이미지 센싱 픽셀들(IPX) 사이의 픽셀 분리막 구조물(150) 부분)와 수직 오버랩되고 제2 펜스부(160P)는 복수의 위상 검출 공유 픽셀들(PPX) 중 하나와 제1 방향(X 방향)으로 이에 인접한 이미지 센싱 픽셀(IPX) 사이의 경계와 수직 오버랩될 수 있다. 예를 들어, 제1 컬러 필터 공간(160S1)은 제1 펜스부(160I)에 의해 한정될 수 있고(또는 평면도에서 제1 컬러 필터 공간(160S1)은 제1 펜스부(160I)에 의해 둘러싸일 수 있고), 제2 컬러 필터 공간(160S2)은 제1 펜스부(160I) 및 제2 펜스부(160P)에 의해 한정될 수 있다(또는 평면도에서 제2 컬러 필터 공간(160S2)은 제1 펜스부(160I)와 제2 펜스부(160P)에 의해 둘러싸일 수 있다).
제1 펜스부(160I)는 제1 방향(X 방향)을 따라 제1 폭(w11)을 가지며, 제2 펜스부(160P)는 제1 방향(X 방향)을 따라 제1 폭(w11)보다 큰 제2 폭(w12)을 가질 수 있다. 제2 펜스부(160P)의 제2 폭(w12)은 제1 폭(w11)의 1.5배 내지 10배일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 펜스부(160P)가 상대적으로 큰 폭으로 형성됨에 따라 복수의 위상 검출 공유 픽셀(PPX)의 위상차의 분리비 특성이 향상될 수 있다.
선택적으로, 기판(110)의 제2 면(110F2)과 컬러 필터 펜스(160) 사이에는 후면 절연층(166)이 배치될 수 있고, 컬러 필터 펜스(160) 상면과 측면 상에는 패시베이션층(168)이 콘포말하게 배치될 수 있다. 후면 절연층(166)은 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물, 탄탈륨 산화물 등과 같은 금속 산화물, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 저유전율 물질 등의 절연 물질을 포함할 수 있다. 패시베이션층(168)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 저유전율 물질 등의 절연 물질을 포함할 수 있다.
컬러 필터 펜스(160) 및 패시베이션층(168) 상에는 컬러 필터 공간(160S)을 채우는 컬러 필터층(170)이 배치될 수 있다. 컬러 필터층(170)은 컬러 필터층(170)에 포함되는 물질의 종류에 따라 녹색, 청색, 및 적색 광을 센싱할 수 있다. 여기에서는 편의상 녹색을 센싱하는 컬러 필터층(170)은 녹색 컬러 필터층(G), 청색을 센싱하는 컬러 필터층(170)은 청색 컬러 필터층(B), 적색을 센싱하는 컬러 필터층(170)은 적색 컬러 필터층(R)이라고 지칭하도록 한다.
컬러 필터 펜스(160) 및 컬러 필터층(170) 상에는 마이크로렌즈 구조(180)가 배치될 수 있다. 마이크로렌즈 구조(180) 상에는 캡핑층(190)이 배치될 수 있다.
마이크로렌즈 구조(180)는 제1 마이크로렌즈(182)와 제2 마이크로렌즈(184)를 포함할 수 있다. 제1 마이크로렌즈(182)는 복수의 이미지 센싱 픽셀(IPX) 상에 배치될 수 있고, 제2 마이크로렌즈(184)는 복수의 위상 검출 공유 픽셀(PPX) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 마이크로렌즈(184)는 제1 방향(X 방향)으로 나란히 배치된 제1 및 제2 위상 검출 서브 픽셀(PPXa, PPXb) 모두와 수직 오버랩되도록 배치될 수 있고, 이에 따라 제1 방향(X 방향)으로 제1 마이크로렌즈(182)의 폭의 약 2배인 폭을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제2 마이크로렌즈(184)의 제1 방향(X 방향)에 따른 중심선은 픽셀 분리막 구조물(150)과 수직 오버랩될 수 있다. 특히 제2 마이크로렌즈(184)의 곡률 중심이 제1 위상 검출 서브 픽셀(PPXa) 및 제2 위상 검출 서브 픽셀(PPXb) 사이에 배치되는 픽셀 분리막 구조물(150) 부분과 수직 오버랩될 수 있다. 이에 따라, 제2 마이크로렌즈(184)의 중심선을 기준으로 좌측에서 들어오는 빛은 제2 위상 검출 서브 픽셀(PPXb)로 수광되고, 우측에서 들어오는 빛은 제1 위상 검출 서브 픽셀(PPXa)로 수광될 수 있다. 따라서, 제1 위상 검출 서브 픽셀(PPXa) 및 제2 위상 검출 서브 픽셀(PPXb)로 수광되는 광량의 차이를 기초로, 객체(2000)(도 1 참조)가 초점 위치(in-focus position)에 위치하는지 여부가 결정될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제1 마이크로렌즈(182)는 제1 높이(h11)를 가질 수 있고, 제2 마이크로렌즈(184)는 제1 높이(h11)보다 더 큰 제2 높이(h12)를 가질 수 있다. 일부 예시들에서, 제2 높이(h12)는 제1 높이(h11)의 약 110 내지 300%일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 마이크로렌즈(184)의 제2 높이(h12)가 제1 마이크로렌즈(182)의 제1 높이(h11)보다 더 크므로, 위상 검출 공유 픽셀(PPX)은 우수한 AF 분리비 특성을 나타낼 수 있다.
예를 들어, 위상 검출 공유 픽셀(PPX)이 픽셀 어레이(PXA) 내부에 분산되어 배치되므로, 일반적으로 이미지 센싱 픽셀(IPX)을 위한 마이크로렌즈와 위상 검출 공유 픽셀(PPX)을 위한 마이크로렌즈가 동일한 포토레지스트 패터닝 공정 및 에치백 공정에 의해 형성되어 왔다. 그러나 동일한 포토레지스트 패터닝 공정 및 에치백 공정에 의하면 이미지 센싱 픽셀(IPX)을 위한 마이크로렌즈와 위상 검출 공유 픽셀(PPX)을 위한 마이크로렌즈가 동일한 높이로 형성된다. 만약 마이크로렌즈가 이미지 센싱 픽셀(IPX)의 수광을 위하여 최적 조건을 갖는 높이(또는 곡률)을 갖도록 형성하는 경우, 이러한 높이의 마이크로렌즈에 의해 위상 검출 공유 픽셀(PPX)의 AF 분리비 특성이 저하될 수 있다. 만약 마이크로렌즈가 위상 검출 공유 픽셀(PPX)의 AF 분리비 특성을 위하여 최적 조건을 갖는 높이(또는 곡률)을 갖도록 형성하는 경우, 이러한 높이의 마이크로렌즈에 의해 이미지 센싱 픽셀(IPX)의 SNR (signal-to-noise ratio) 특성이 저하되는 문제가 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 제2 마이크로렌즈(184)는 제1 마이크로렌즈(182)보다 더 큰 제2 높이(h12)를 갖도록 형성될 수 있고, 이에 의해 제1 마이크로렌즈(182)는 이미지 센싱 픽셀(IPX)의 SNR 특성을 위하여 최적화된 곡률(또는 높이)을 가지는 한편, 제2 마이크로렌즈(184)는 위상 검출 공유 픽셀(PPX)의 AF 분리비 특성을 위하여 최적화된 곡률(또는 높이)을 가질 수 있다.
또한 전술한 바와 같이, 제2 마이크로렌즈(184) 아래에 배치되는 컬러 필터 펜스(160)의 제2 펜스부(160P)는 제1 마이크로렌즈(182) 아래에 배치되는 컬러 필터 펜스(160)의 제1 펜스부(160I)보다 더 큰 제2 폭(w12)을 가질 수 있다. 제2 펜스부(160P)가 상대적으로 큰 폭으로 형성됨에 따라, 제2 마이크로렌즈(184)를 통해 제1 위상 검출 서브 픽셀(PPXa) 및 제2 위상 검출 서브 픽셀(PPXb)로 들어가는 광량의 차이가 더욱 커질 수 있고, 즉 AF 분리비 특성이 더욱 향상될 수 있다.
도 3 및 도 5에 예시적으로 도시된 것과 같이, 복수의 이미지 센싱 픽셀들(IPX)은 복수의 이미지 센싱 공유 픽셀들(SIPX)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 이미지 센싱 공유 픽셀들(SIPX)은 제1 방향으로 인접한 2개의 픽셀들과 제2 방향으로 인접한 2개의 픽셀들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3에서 하나의 이미지 센싱 공유 픽셀(SIPX)은 2 × 2 매트릭스 형상으로 배열된 제1 내지 제4 이미지 센싱 서브 픽셀들(IPX1~IPX4)을 포함할 수 있다. 그러나 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니며, 하나의 이미지 센싱 공유 픽셀(SIPX)은 3 × 3 매트릭스 형상으로 배열된 총 9개의 서브 픽셀들을 포함하거나, 4 × 4 매트릭스 형상으로 배열된 총 16개의 서브 픽셀들을 포함할 수도 있다.
하나의 이미지 센싱 공유 픽셀(SIPX) 내에 포함된 제1 내지 제4 이미지 센싱 서브 픽셀들(IPX1~IPX4) 상에는 동일한 색상을 센싱하는 컬러 필터층(170)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 3에서 점선으로 표시된 제1 내지 제4 이미지 센싱 서브 픽셀들(IPX1~IPX4) 상에 녹색 컬러 필터층(G)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 방향(X 방향)을 따라 배열되는 복수의 이미지 센싱 공유 픽셀(SIPX) 상에는 청색 컬러 필터층(B)과 녹색 컬러 필터층(G)이 교대로 배치될 수 있고, 제2 방향(Y 방향)을 따라 배열되는 복수의 이미지 센싱 공유 픽셀(SIPX) 상에는 적색 컬러 필터층(R)과 녹색 컬러 필터층(G)이 교대로 배치될 수 있다. 그러나 컬러 필터층(170)의 색상 배열이 전술한 바에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예들에서, 녹색 컬러 필터층(G) 중 적어도 일부분은 백색을 센싱하는 컬러 필터층(170)으로 대체될 수도 있다.
도 5에 도시된 하나의 공유 픽셀(SIPX_B)에서, 청색 컬러 필터층(B)은 컬러 필터 펜스(160)의 제1 펜스부(160I)에 의해 한정되는 제1 컬러 필터 공간(160S1) 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 하나의 공유 픽셀(SIPX_B)에서, 제1 내지 제4 이미지 센싱 서브 픽셀들(IPX1~IPX4) 상에 각각 청색 컬러 필터층(B)이 배치될 수 있고, 이에 인접한 하나의 공유 픽셀(SIPX_G)에서, 제1 내지 제4 이미지 센싱 서브 픽셀들(IPX1~IPX4) 상에 각각 녹색 컬러 필터층(G)이 배치될 수 있다.
도 4에 도시된 하나의 위상 검출 공유 픽셀(PPX)에서, 컬러 필터 펜스(160)의 제1 펜스부(160I)와 제2 펜스부(160P)에 의해 한정되는 제2 컬러 필터 공간(160S2) 내에 녹색 컬러 필터층(G)이 배치될 수 있다. 다른 실시예들에서, 복수의 위상 검출 공유 픽셀(PPX) 상에 백색을 센싱하는 컬러 필터층(170)이 배치될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 복수의 위상 검출 공유 픽셀(PPX) 중 일부 상에 녹색 컬러 필터층(G)이 배치되고, 다른 일부 상에 백색을 센싱하는 컬러 필터층(170)이 배치될 수도 있다.
위상 검출 공유 픽셀(PPX)은 인접한 2개의 이미지 센싱 공유 픽셀(SIPX)의 서브 픽셀의 위치에 배치될 수 있고, 이에 따라 위상 검출 공유 픽셀(PPX)에 인접하게 배치되는 주변 공유 픽셀(SIPX_P1, SIPX_P2)은 각각 제1 내지 제3 이미지 센싱 서브 픽셀(IPX1~IPX3)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 위상 검출 공유 픽셀(PPX)의 좌측에 배치된 주변 공유 픽셀(SIPX_P1)은 청색 컬러 필터층(B)에 대응되는 3개의 서브 픽셀로 구성되고, 위상 검출 공유 픽셀(PPX)의 우측에 배치된 주변 공유 픽셀(SIPX_P2)은 적색 컬러 필터층(R)에 대응되는 3개의 서브 픽셀로 구성될 수 있다. 그러나 위상 검출 공유 픽셀(PPX)의 배치가 이에 한정되는 것은 아니다.
예시적인 실시예들에서, 저조도 동작 모드에서 복수의 이미지 센싱 공유 픽셀(SIPX) 내의 복수의 광전 변환 영역(120)을 통해 광을 감지하여 픽셀 신호가 생성되도록 제어될 수 있다. 또한 고해상도 동작 모드에서 복수의 이미지 센싱 공유 픽셀(SIPX) 내의 이미지 센싱 서브 픽셀들(IPX1~IPX4) 각각에 대하여 픽셀 신호를 개별적으로 생성하도록 제어될 수 있다. 즉, 저조도 조건에서 4개의 이미지 센싱 서브 픽셀들(IPX1~IPX4) 모두를 하나의 단위로 하여 픽셀 신호가 생성되고, 고해상도 조건에서 이미지 센싱 서브 픽셀들(IPX1~IPX4) 각각을 하나의 단위로 하여 픽셀 신호가 생성될 수 있다. 이에 따라 이미지 센서(100)의 스케일 다운에 따라 단위 픽셀의 사이즈가 축소되어 서브 픽셀 하나의 수광 용량(또는 수광 면적)이 감소하더라도, 넓은 다이나믹 레인지가 확보될 수 있다.
또한 전술한 이미지 센서(100)에 따르면, 제2 마이크로렌즈(184)는 제1 마이크로렌즈(182)보다 더 큰 제2 높이(h12)를 갖도록 형성될 수 있고, 이에 의해 제1 마이크로렌즈(182)는 이미지 센싱 픽셀(IPX)의 SNR 특성을 위하여 최적화된 곡률(또는 높이)을 가지는 한편, 제2 마이크로렌즈(184)는 위상 검출 공유 픽셀(PPX)의 AF 분리비 특성을 위하여 최적화된 곡률(또는 높이)을 가질 수 있다. 또한 컬러 필터 펜스(160)의 제2 펜스부(160P)의 제2 폭(w12)이 제1 펜스부(160I)의 제1 폭(w11)보다 더 크게 형성됨에 따라, 위상 검출 공유 픽셀(PPX)의 AF 분리비 특성이 향상될 수 있다. 따라서, 이미지 센서(100)는 오토 포커싱 기능을 빠르고 정확하게 수행하는 한편 이미지 센싱 픽셀의 감도가 향상될 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서(100)의 복수의 픽셀(PX)의 등가 회로도이다.
도 7을 참조하면, 복수의 픽셀(PX)은 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 복수의 픽셀(PX) 각각은 전송 트랜지스터(TX)와 로직 트랜지스터들(RX, SX, DX)을 포함할 수 있다. 여기서, 로직 트랜지스터들은 리셋 트랜지스터(RX), 선택 트랜지스터(SX), 및 드라이브 트랜지스터(DX)(또는 소스 팔로워 트랜지스터)를 포함할 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 게이트(RG)를 포함하고, 선택 트랜지스터(SX)는 선택 게이트(SG)를 포함하며, 전송 트랜지스터(TX)는 전송 게이트(TG)를 포함할 수 있다.
복수의 픽셀(PX) 각각은 광전 변환 소자(PD) 및 플로팅 확산 영역(FD)을 더 포함할 수 있다. 광전 변환 소자(PD)는 도 3 내지 도 6에서 설명한 광전 변환 영역(120)에 대응될 수 있다. 광전 변환 소자(PD)는 외부에서 입사된 빛의 양에 비례하여 광전하들을 생성 및 축적할 수 있고, 포토 다이오드, 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트, 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 및 이들의 조합이 사용될 수 있다.
전송 게이트(TG)는 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 전하를 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송할 수 있다. 플로팅 확산 영역(FD)은 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 전하를 전송받아 누적으로 저장할 수 있다. 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 광전하들의 양에 따라 드라이브 트랜지스터(DX)가 제어될 수 있다.
리셋 트랜지스터(RX)는 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하들을 주기적으로 리셋시킬 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)의 드레인 전극은 플로팅 확산 영역(FD)와 연결되며 소스 전극은 전원 전압(VDD)에 연결된다. 리셋 트랜지스터(RX)가 턴-온(turn-on)되면, 리셋 트랜지스터(RX)의 소스 전극과 연결된 전원 전압(VDD)이 상기 플로팅 확산 영역(FD)로 전달된다. 리셋 트랜지스터(RX)가 턴-온될 때 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하들이 배출되어 플로팅 확산 영역(FD)이 리셋될 수 있다.
드라이브 트랜지스터(DX)는 복수의 픽셀(PX) 외부에 위치하는 전류원(도시 생략)과 연결되어 소스 팔로워 버퍼 증폭기로 기능하고, 플로팅 확산 영역(FD)에서의 전위 변화를 증폭하고 이를 출력 라인(VOUT)으로 출력한다.
선택 트랜지스터(SX)는 행 단위로 복수의 픽셀(PX)을 선택할 수 있고, 선택 트랜지스터(SX)가 턴-온될 때 전원 전압(VDD)이 드라이브 트랜지스터(DX)의 소스 전극으로 전달될 수 있다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서(100A)를 나타내는 단면도이고, 도 9는 도 3의 CX1에 대응되는 부분의 수평 단면도이다. 도 8 및 도 9에서, 도 1 내지 도 7에서와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 의미한다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 마이크로렌즈 구조(180A)는 제1 마이크로렌즈(182)와 제2 마이크로렌즈(184A)를 포함할 수 있고, 제2 마이크로렌즈(184A)는 하부 마이크로렌즈부(184AB)와 상부 마이크로렌즈부(184AT)를 포함할 수 있다. 하부 마이크로렌즈부(184AB)는 컬러 필터 펜스(160)와 컬러 필터층(170) 상에 배치되고, 상부 마이크로렌즈부(184AT)는 하부 마이크로렌즈부(184AB) 상에 배치될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 하부 마이크로렌즈부(184AB)와 상부 마이크로렌즈부(184AT)는 일체로 형성되고, 하나의 물질층으로 구성될 수 있다. 하부 마이크로렌즈부(184AB)와 상부 마이크로렌즈부(184AT)는 서로 다른 곡률 반경(또는 곡률 중심)을 갖는 반구형 구조물의 일부분들일 수 있다. 하부 마이크로렌즈부(184AB)와 상부 마이크로렌즈부(184AT) 사이의 경계선(184AC)은 제2 마이크로렌즈(184A)의 곡률이 급격하게 변화되는 지점들의 연결선에 대응될 수 있고, 경계선(184AC) 상부의 제2 마이크로렌즈(184A)의 일부분을 상부 마이크로렌즈부(184AT)로 지칭하고, 경계선(184AC) 하부의 제2 마이크로렌즈(184A)의 일부분을 하부 마이크로렌즈부(184BT)로 지칭할 수 있다. 도 9에 도시된 것과 같이, 상부 마이크로렌즈부(184AT)는 제1 방향(X 방향)으로 길게 연장되는 반구 형상을 가질 수 있다. 평면도에서, 경계선(184AC)은 제1 방향(X 방향)으로 길게 연장되는 타원 형상을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제2 마이크로렌즈(184A)는 제1 마이크로렌즈(182)의 제1 높이(h11)보다 더 큰 제2 높이(h12a)를 가질 수 있다. 따라서, 제1 마이크로렌즈(182)는 이미지 센싱 픽셀(IPX)의 SNR 특성을 위하여 최적화된 곡률(또는 높이)을 가지는 한편, 제2 마이크로렌즈(184A)는 위상 검출 공유 픽셀(PPX)의 AF 분리비 특성을 위하여 최적화된 곡률(또는 높이)을 가질 수 있다. 또한 제2 마이크로렌즈(184A)가 서로 다른 곡률을 갖는 하부 마이크로렌즈부(184AB)와 상부 마이크로렌즈부(184AT)를 구비하도록 형성됨에 따라 위상 검출 공유 픽셀(PPX)의 AF 분리비 특성을 위하여 최적화된 특성을 가질 수 있다.
도 10은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서(100B)를 나타내는 단면도이다. 도 10은 도 3의 CX1에 대응되는 부분의 평면도이다. 도 10에서, 도 1 내지 도 9에서와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 의미한다.
마이크로렌즈 구조(180B)는 제1 마이크로렌즈(182)와 제2 마이크로렌즈(184B)를 포함하고, 제2 마이크로렌즈(184B)는 하부 마이크로렌즈부(184BB)와 상부 마이크로렌즈부(184BT)를 포함할 수 있다. 하부 마이크로렌즈부(184BB)와 상부 마이크로렌즈부(184BT)는 서로 다른 곡률 반경(또는 곡률 중심)을 갖는 반구형 구조물의 일부분들일 수 있다. 도 9에 도시된 것과 같이, 상부 마이크로렌즈부(184BT)는 제2 방향(Y 방향)으로의 폭과 제1 방향(X 방향)으로의 폭이 유사한 반구 형상을 가질 수 있다. 평면도에서, 경계선(184BC)은 제1 위상 검출 서브 픽셀(PPXa)과 오버랩되는 일부분과, 제2 위상 검출 서브 픽셀(PPXb)과 오버랩되는 일부분을 포함할 수 있다. 제2 마이크로렌즈(184B)는 위상 검출 공유 픽셀(PPX)의 AF 분리비 특성을 위하여 최적화된 곡률(또는 높이) 또는 형상을 가질 수 있다.
도 11은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서(100C)를 나타내는 단면도이다. 도 11은 도 3의 A1-A1' 부분에 대응하는 부분의 단면도이다. 도 11에서, 도 1 내지 도 10에서와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 의미한다.
도 11을 참조하면, 마이크로렌즈 구조(180C)는 제1 마이크로렌즈(182)와 제2 마이크로렌즈(184C)를 포함하고, 제2 마이크로렌즈(184C)는 하부 마이크로렌즈부(184CB)와 상부 마이크로렌즈부(184CT)를 포함할 수 있다. 하부 마이크로렌즈부(184CB)와 상부 마이크로렌즈부(184CT)는 서로 다른 물질을 포함할 수 있다.
예를 들어, 하부 마이크로렌즈부(184CB)는 광투과성 유기 물질을 포함할 수 있고, 상부 마이크로렌즈부(184CT)는 포토레지스트 물질을 포함할 수 있다. 하부 마이크로렌즈부(184CB)는 광투과성 유기 물질층을 에치백함에 의해 형성되고, 상부 마이크로렌즈부(184CT)는 포토레지스트 패턴을 리플로우(reflow)함에 의해 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 제1 마이크로렌즈(182)는 제1 높이(h11)를 가질 수 있고, 하부 마이크로렌즈부(184CB)는 제2 높이(h22a)를 가질 수 있고, 상부 마이크로렌즈부(184CT)는 제3 높이(h22b)를 가질 수 있다. 제2 높이(h22a)는 제1 높이(h11)와 실질적으로 동일하거나 유사할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 12는 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서(100D)를 나타내는 레이아웃도이고, 도 13은 도 12의 CX2 부분의 수평 단면도이다. 도 12 및 도 13에서, 도 1 내지 도 11에서와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 의미한다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 위상 검출 공유 픽셀(PPX)은 하나의 이미지 센싱 공유 픽셀(SIPX)의 서브 픽셀의 위치에 배치될 수 있고, 위상 검출 공유 픽셀(PPX)에 인접하게 배치되는 주변 공유 픽셀(SIPX_P)은 각각 제1 및 제2 이미지 센싱 서브 픽셀(IPX1, IPX2)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 13에 도시된 위상 검출 공유 픽셀(PPX) 아래에 배치된 공유 픽셀(SIPX_P)은 녹색 컬러 필터층(G)에 대응되는(또는 상부에 녹색 컬러 필터층(G)이 놓여지는) 2개의 서브 픽셀로 구성된다. 위상 검출 공유 픽셀(PPX)의 우측에 배치된 하나의 공유 픽셀(SIPX_R)은 적색 컬러 필터층(R)에 대응되는 4개의 서브 픽셀로 구성될 수 있다. 그러나 위상 검출 공유 픽셀(PPX)의 배치가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 14는 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서(100E)를 나타내는 레이아웃도이다.
도 14를 참조하면, 제1 위상 검출 공유 픽셀(PPXE1)은 제1 방향(X 방향)으로 나란히 배치되는 제1 위상 검출 서브 픽셀(PPXa1)과 제2 위상 검출 서브 픽셀(PPXb1)을 포함할 수 있고, 제2 위상 검출 공유 픽셀(PPXE2)은 제2 방향(Y 방향)으로 나란히 배치되는 제3 위상 검출 서브 픽셀(PPXa2)과 제4 위상 검출 서브 픽셀(PPXb2)을 포함할 수 있다.
일부 예시들에서, 제1 위상 검출 공유 픽셀(PPXE1)은 수평 방향(X 방향)으로의 초점의 위치를 산출하고, 제2 위상 검출 공유 픽셀(PPXE2)은 수직 방향(Y 방향)으로의 초점의 위치를 산출하도록 제어될 수 있다. 제1 위상 검출 공유 픽셀(PPXE1)과 제2 위상 검출 공유 픽셀(PPXE2)은 랜덤하게 분산되어 배치될 수 있고, 제1 위상 검출 공유 픽셀(PPXE1)과 제2 위상 검출 공유 픽셀(PPXE2)의 개수는 동일할 수 있다. 다른 실시예들에서, 제1 위상 검출 공유 픽셀(PPXE1)과 제2 위상 검출 공유 픽셀(PPXE2)의 개수와 배치가 달라질 수 있다.
도 15 내지 도 25는 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서(100)의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다. 도 15 내지 도 25에서는 도 3의 A1-A1' 단면에 대응하는 단면들을 공정 순서에 따라 도시하였다. 도 15 내지 도 25에서, 도 1 내지 도 14에서와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 의미한다.
도 15를 참조하면, 서로 반대되는 제1 면(110F1)과 제2 면(110F2)을 구비하는 기판(110)을 준비한다. 기판(110)의 제1 면(110F1) 상에 마스크 패턴(도시 생략)을 형성하고, 상기 마스크 패턴을 사용하여 기판(110)의 제1 면(110F1)으로부터 기판(110)의 일부분을 제거하여 트렌치(150T)를 형성할 수 있다.
이후, 트렌치(150T) 내에 절연 라이너(154)와 도전층(152)을 순차적으로 형성하고, 기판(110)의 제1 면(110F1) 상에 배치되는 절연 라이너(154)와 도전층(152) 부분을 평탄화 공정 등에 의해 제거하여, 트렌치(150T) 내에 픽셀 분리막 구조물(150)을 형성할 수 있다.
이후, 기판(110)의 제1 면(110F1)으로부터 이온 주입 공정에 의해 포토다이오드 영역(도시 생략)과 웰 영역(도시 생략)을 포함하는 광전 변환 영역(120)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 포토다이오드 영역은 N 형 불순물을 도핑하여 형성될 수 있고 상기 웰 영역은 P 형 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다.
도 16을 참조하면, 기판(110)의 제1 면(110F1) 상에 전면 구조물(130)을 형성할 수 있다. 우선, 기판(110)의 제1 면(110F1) 상에 게이트 전극(132)을 형성하고, 기판(110)의 제1 면(110F1) 상의 일부 영역에 이온 주입 공정을 수행하여 플로팅 확산 영역(도시 생략) 및 활성 영역(도시 생략)을 형성할 수 있다. 이후, 기판(110)의 제1 면(110F1) 상에 도전층(도시 생략)을 형성하고 상기 도전층을 패터닝하고, 상기 패터닝된 도전층을 덮도록 절연층(도시 생략)을 형성하는 단계들을 반복적으로 수행함에 의해, 기판(110) 상에 배선층(134)과 절연층(136)을 형성할 수 있다.
이후, 절연층(136) 상에 지지 기판(140)을 접착시킬 수 있다.
도 17을 참조하면, 기판(110)의 제2 면(110F2)이 위를 향하도록 기판(110)을 뒤집을 수 있다. 여기서, 트렌치(150T)의 바닥면은 제2 면(110F2)에 노출되지 않은 상태일 수 있다.
도 18을 참조하면, 도전층(152)이 노출될 때까지 CMP 공정 또는 에치백 공정 등의 평탄화 공정에 의해 기판(110)의 제2 면(110F2)으로부터 기판(110)의 일부분을 제거할 수 있다. 상기 제거 공정이 수행됨에 따라 기판(110)의 제2 면(110F2)의 레벨은 낮아질 수 있다. 이 때, 픽셀 분리막 구조물(150)에 의해 둘러싸이는 하나의 이미지 센싱 픽셀(IPX)은, 이에 인접한 이미지 센싱 픽셀(IPX)과 물리적으로 및 전기적으로 분리될 수 있다.
도 19를 참조하면, 기판(110)의 제2 면(110F2) 상에 후면 절연층(166)을 형성할 수 있다.
이후, 후면 절연층(166) 상에 배리어 금속층(도시 생략)과 저굴절율 물질층(도시 생략)을 순차적으로 형성하고, 상기 배리어 금속층과 상기 저굴절율 물질층을 패터닝하여 배리어 금속 패턴(162)과 저굴절율 물질층 패턴(164)을 형성할 수 있다. 배리어 금속 패턴(162)과 저굴절율 물질층 패턴(164)은 컬러 필터 펜스(160)로 지칭될 수 있고, 평면도에서 그리드 형상을 가지며 픽셀 분리막 구조물(150)과 수직 오버랩될 수 있다.
상기 패터닝 공정에서, 컬러 필터 펜스(160)는 상대적으로 작은 폭의 제1 펜스부(160I)와 상대적으로 큰 폭의 제2 펜스부(160P)를 포함하도록 패터닝될 수 있다. 여기에서, 컬러 필터 펜스(160)에 의해 컬러 필터 공간(160S)이 정의될 수 있고, 제1 컬러 필터 공간(160S1)은 이미지 센싱 픽셀(IPX)과 오버랩되고 제2 컬러 필터 공간(160S2)은 위상 검출 공유 픽셀(PPX)과 오버랩될 수 있다.
이후, 컬러 필터 공간(160S)의 내벽 상에 콘포말하게 패시베이션층(168)을 형성할 수 있다.
도 20을 참조하면, 컬러 필터 공간(160S) 내에 컬러 필터층(170)이 형성될 수 있다.
도 21을 참조하면, 컬러 필터층(170) 상에 마이크로렌즈 물질층(180L)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 마이크로렌즈 물질층(180L)은 광투과성 유기 물질을 사용하여 스핀 코팅(spin coating) 또는 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD) 공정 등에 의해 형성될 수 있다.
도 22를 참조하면, 복수의 이미지 센싱 픽셀(IPX)과 오버랩되는 위치에서 마이크로렌즈 물질층(180L) 상에 복수의 제1 마스크 패턴(322P1)을 형성할 수 있다. 제1 마스크 패턴(322P1)은 포토레지스트 패턴을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 마스크 패턴(322P1)을 형성하기 위하여, 포토레지스트 물질을 스핀 코팅하고, 이후 노광 공정, 베이킹 공정, 및 현상 공정을 순차적으로 수행할 수 있다.
도 23을 참조하면, 위상 검출 공유 픽셀(PPX)과 오버랩되는 위치에서 마이크로렌즈 물질층(180L) 상에 복수의 제2 마스크 패턴(324P1)을 형성할 수 있다. 제2 마스크 패턴(324P1)은 포토레지스트 패턴을 포함할 수 있다. 제2 마스크 패턴(324P1)은 제1 마스크 패턴(322P1)보다 더 큰 높이와 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 또한 제2 마스크 패턴(324P1)은 제1 및 제2 위상 검출 서브 픽셀(PPXa, PPXb) 모두와 수직 오버랩되는 위치에 배치될 수 있다.
도 24를 참조하면, 리플로우(reflow) 공정을 수행하여 복수의 제1 마스크 패턴(322P1) 및 복수의 제2 마스크 패턴(324P1)을 복수의 제1 리플로우 패턴(322R1)과 복수의 제2 리플로우 패턴(324R1)으로 변환시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 리플로우 공정에서 공급된 열에 의해 복수의 제1 마스크 패턴(322P1) 및 복수의 제2 마스크 패턴(324P1)이 반구형으로 변형되고, 이에 따라 복수의 제1 리플로우 패턴(322R1)과 복수의 제2 리플로우 패턴(324R1)이 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 리플로우 공정은 약 100 내지 200℃의 온도에서 수초 내지 수십분 동안 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 25를 참조하면, 복수의 제1 리플로우 패턴(322R1)과 복수의 제2 리플로우 패턴(324R1)을 식각 마스크로 사용하여 마이크로렌즈 물질층(180L)을 식각함에 의해 복수의 제1 리플로우 패턴(322R1)과 복수의 제2 리플로우 패턴(324R1)의 형상이 제1 마이크로렌즈(182)와 제2 마이크로렌즈(184)로 전사될(transfer) 수 있다. 이 때, 제1 마이크로렌즈(182)의 에지부와 제2 마이크로렌즈(184)의 에지부는 서로 연결될 수 있다.
이후, 제1 마이크로렌즈(182)와 제2 마이크로렌즈(184)를 포함하는 마이크로렌즈 구조(180) 상에 캡핑층(190)을 형성할 수 있다.
전술한 예시적인 실시예들에 따르면, 복수의 제1 마스크 패턴(322P1)을 먼저 형성한 후에, 복수의 제2 마스크 패턴(324P1)을 상대적으로 더 큰 높이로 형성할 수 있다. 이후 복수의 제1 마스크 패턴(322P1) 및 복수의 제2 마스크 패턴(324P1)을 리플로우하고, 식각 공정을 수행하여 마이크로렌즈 구조(180)를 형성할 수 있다. 전술한 방법에 의해 제조된 이미지 센서(100)는 오토 포커싱 기능을 빠르고 정확하게 수행하는 한편 이미지 센싱 픽셀의 감도가 향상될 수 있다.
도 26 내지 도 28은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서(100)의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
우선 도 15 내지 도 21을 참조로 설명한 공정들을 수행한다.
도 26을 참조하면, 위상 검출 공유 픽셀(PPX)과 오버랩되는 위치에서 마이크로렌즈 물질층(180L) 상에 복수의 제2 마스크 패턴(324P2)을 먼저 형성할 수 있다.
도 27을 참조하면, 복수의 이미지 센싱 픽셀(IPX)과 오버랩되는 위치에서 마이크로렌즈 물질층(180L) 상에 복수의 제1 마스크 패턴(322P2)을 형성할 수 있다. 제1 마스크 패턴(322P2)은 제2 마스크 패턴(324P2)보다 더 작은 높이와 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
도 28을 참조하면, 리플로우 공정을 수행하여 복수의 제1 마스크 패턴(322P2) 및 복수의 제2 마스크 패턴(324P2)을 복수의 제1 리플로우 패턴(322R2)과 복수의 제2 리플로우 패턴(324R2)으로 변환시킬 수 있다.
이후, 도 25를 참조로 설명한 공정을 수행하여 이미지 센서(100)를 완성할 수 있다.
도 29 내지 도 32는 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서(100)의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
우선 도 15 내지 도 21을 참조로 설명한 공정들을 수행한다.
도 29를 참조하면, 복수의 이미지 센싱 픽셀(IPX)과 오버랩되는 위치에서 마이크로렌즈 물질층(180L) 상에 복수의 제1 마스크 패턴(322P3)을 형성할 수 있다.
도 30을 참조하면, 제1 리플로우 공정을 수행하여 복수의 제1 마스크 패턴(322P3)을 복수의 제1 리플로우 패턴(322R3)으로 변환시킬 수 있다.
도 31을 참조하면, 위상 검출 공유 픽셀(PPX)과 오버랩되는 위치에서 마이크로렌즈 물질층(180L) 상에 복수의 제2 마스크 패턴(324P3)을 형성할 수 있다.
도 32를 참조하면, 제2 리플로우 공정을 수행하여 복수의 제2 마스크 패턴(324P3)을 복수의 제2 리플로우 패턴(324R3)으로 변환시킬 수 있다. 한편, 복수의 제1 리플로우 패턴(322R3)은 제1 리플로우 공정에서 이미 반구형상으로 변형되었으므로, 제2 리플로우 공정에서 복수의 제1 리플로우 패턴(322R3)의 형상이 크게 변하지 않을 수 있다.
이후, 도 25를 참조로 설명한 공정을 수행하여 이미지 센서(100)를 완성할 수 있다.
도 33 내지 도 36은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서(100A)의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
우선 도 15 내지 도 21을 참조로 설명한 공정들을 수행한다.
도 33을 참조하면, 복수의 이미지 센싱 픽셀(IPX)과 오버랩되는 위치에서 마이크로렌즈 물질층(180L) 상에 복수의 제1 마스크 패턴(332P1)을 형성하고, 위상 검출 공유 픽셀(PPX)과 오버랩되는 위치에서 마이크로렌즈 물질층(180L) 상에 복수의 제2 마스크 패턴(334P1)을 형성할 수 있다. 복수의 제1 마스크 패턴(332P1) 및 복수의 제2 마스크 패턴(334P1)은 동일한 포토레지스트 패터닝 공정에서 형성되므로, 동일한 높이를 갖도록 형성될 수 있다.
도 34를 참조하면, 위상 검출 공유 픽셀(PPX)과 오버랩되는 위치에서 복수의 제2 마스크 패턴(334P1) 상에 복수의 제3 마스크 패턴(334P2)을 형성할 수 있다. 복수의 제3 마스크 패턴(334P2)의 폭과 높이는 후속 공정에서 형성하고자 하는 제2 마이크로렌즈(184A)의 곡률 및 형상을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 도 34에 도시된 것과 같이 복수의 제3 마스크 패턴(334P2)이 복수의 제2 마스크 패턴(334P1)보다 작은 폭으로 형성되는 경우, 제2 마이크로렌즈(184A)는 그 하측과 상측의 곡률(또는 곡률 반경)이 다르게 형성될 수 있다. 이와는 달리, 복수의 제3 마스크 패턴(334P2)이 복수의 제2 마스크 패턴(334P1)과 실질적으로 동일한 폭으로 형성되는 경우, 도 4에 도시된 것과 같이 제2 마이크로렌즈(184)는 그 전체 표면이 실질적으로 동일한 곡률 중심을 갖는 반구형을 갖도록 형성될 수도 있다.
도 35를 참조하면, 리플로우 공정을 수행하여 복수의 제1 마스크 패턴(332P1) 및 복수의 제2 마스크 패턴(334P1)을 복수의 제1 리플로우 패턴(332R1)과 복수의 제2 리플로우 패턴(334R1)으로 변환시킬 수 있다.
도 36을 참조하면, 복수의 제1 리플로우 패턴(332R1)과 복수의 제2 리플로우 패턴(334R1)을 식각 마스크로 사용하여 마이크로렌즈 물질층(180L)을 식각함에 의해 복수의 제1 리플로우 패턴(332R1)과 복수의 제2 리플로우 패턴(334R1)의 형상이 제1 마이크로렌즈(182)와 제2 마이크로렌즈(184A)로 전사될 수 있다.
도 37 내지 도 40은 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서(100B)의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
우선 도 15 내지 도 21을 참조로 설명한 공정들을 수행한다.
도 37을 참조하면, 복수의 이미지 센싱 픽셀(IPX)과 오버랩되는 위치에서 마이크로렌즈 물질층(180L) 상에 복수의 제1 마스크 패턴(342P1)을 형성하고, 위상 검출 공유 픽셀(PPX)과 오버랩되는 위치에서 마이크로렌즈 물질층(180L) 상에 복수의 제2 마스크 패턴(344P1)을 형성할 수 있다. 복수의 제1 마스크 패턴(342P1) 및복수의 제2 마스크 패턴(344P1)은 동일한 포토레지스트 패터닝 공정에서 형성되므로, 동일한 높이를 갖도록 형성될 수 있다.
도 38을 참조하면, 리플로우 공정을 수행하여 복수의 제1 마스크 패턴(342P1) 및 복수의 제2 마스크 패턴(344P1)을 복수의 제1 리플로우 패턴(342R1)과 복수의 제2 리플로우 패턴(344R1)으로 변환시킬 수 있다.
도 39를 참조하면, 복수의 제1 리플로우 패턴(342R1)과 복수의 제2 리플로우 패턴(344R1)을 식각 마스크로 사용하여 마이크로렌즈 물질층(180L)을 식각함에 의해 복수의 제1 리플로우 패턴(342R1)과 복수의 제2 리플로우 패턴(344R1)의 형상이 제1 마이크로렌즈(182)와 하부 마이크로렌즈부(184CB)로 전사될 수 있다.
하부 마이크로렌즈부(184CB)는 제1 마이크로렌즈(182)의 높이(h11)와 실질적으로 동일하거나 유사한 제2 높이(h22a)를 갖도록 형성될 수 있다.
이후, 하부 마이크로렌즈부(184CB) 상에 복수의 제3 마스크 패턴(344P2)를 형성할 수 있다.
도 40을 참조하면, 리플로우 공정을 수행하여 복수의 제3 마스크 패턴(344P2)을 복수의 상부 마이크로렌즈부(184CT)로 변환시킬 수 있다. 상기 리플로우 공정에 의해 하부 마이크로렌즈부(184CB)는 제3 높이(h22b)를 갖는 반구 형상으로 형성될 수 있다.
이후, 제1 마이크로렌즈(182)와 제2 마이크로렌즈(184C)를 포함하는 마이크로렌즈 구조(180) 상에 캡핑층(190)을 형성할 수 있다.
전술한 예시적인 실시예들에 따르면, 제1 마이크로렌즈(182)와 제2 마이크로렌즈(184, 184A, 184B, 184C)가 서로 다른 높이를 갖도록 형성될 수 있다. 따라서, 제1 마이크로렌즈(182)는 이미지 센싱 픽셀(IPX)의 SNR 특성을 위하여 최적화된 곡률(또는 높이)을 가지는 한편, 제2 마이크로렌즈(184, 184A, 184B, 184C)는 위상 검출 공유 픽셀(PPX)의 AF 분리비 특성을 위하여 최적화된 곡률(또는 높이)을 가질 수 있다. 전술한 방법에 의해 제조된 이미지 센서(100~100E)는 오토 포커싱 기능을 빠르고 정확하게 수행하는 한편 이미지 센싱 픽셀의 감도가 향상될 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 이미지 센서 120: 광전 변환 영역
IPX: 이미지 센싱 픽셀 PPX: 위상 검출 공유 픽셀
160: 컬러 필터 펜스 180: 마이크로렌즈 구조

Claims (10)

  1. 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서로서,
    상기 픽셀 어레이는,
    기판 내에 형성되는 복수의 이미지 센싱 픽셀들;
    상기 기판 내에 형성되며, 나란히 배치되는 2개의 위상 검출 서브 픽셀을 포함하는 위상 검출 공유 픽셀;
    상기 복수의 이미지 센싱 픽셀들과 상기 위상 검출 공유 픽셀 상에 배치되며, 복수의 컬러 필터 공간을 포함하는 컬러 필터 펜스;
    상기 복수의 이미지 센싱 픽셀들과 상기 위상 검출 공유 픽셀 상에서 상기 복수의 컬러 필터 공간 내에 각각 배치되는 복수의 컬러 필터층;
    상기 복수의 이미지 센싱 픽셀들 각각 상에 배치되며 제1 높이를 갖는 제1 마이크로렌즈; 및
    상기 위상 검출 공유 픽셀 상에서 상기 2개의 위상 검출 서브 픽셀과 수직 오버랩되도록 배치되며, 상기 제1 높이보다 더 큰 제2 높이를 갖는 제2 마이크로렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컬러 필터 펜스는,
    배리어 금속 패턴과,
    상기 배리어 금속 패턴 상에 배치되며, 제1 굴절율을 갖는 저굴절율 물질층 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 굴절율은 1.0보다 크고 1.4보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 위상 검출 서브 픽셀은 상기 기판의 상면에 평행한 제1 방향으로 서로 인접하게 배치되고,
    상기 컬러 필터 펜스는 제1 펜스부와 제2 펜스부를 포함하고,
    상기 제1 펜스부는 상기 복수의 이미지 센싱 픽셀들 사이의 경계와 수직 오버랩되고,
    상기 제2 펜스부는 상기 복수의 위상 검출 공유 픽셀 중 하나와 상기 제1 방향으로 이에 인접한 이미지 센싱 픽셀 사이의 경계와 수직 오버랩되며,
    상기 제1 펜스부는 상기 제1 방향에 따라 제1 폭을 가지고, 상기 제2 펜스부는 상기 제1 방향을 따라 상기 제1 폭보다 더 큰 제2 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 컬러 필터 공간은
    상기 복수의 이미지 센싱 픽셀들 상에 배치되고, 상기 제1 펜스부에 의해 한정되는 제1 컬러 필터 공간과,
    상기 위상 검출 공유 픽셀 상에 배치되고, 상기 제1 펜스부와 상기 제2 펜스부에 의해 한정되는 제2 컬러 필터 공간을 포함하고,
    상기 제2 컬러 필터 공간은 상기 2개의 위상 검출 서브 픽셀과 수직 오버랩되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 컬러 필터 공간은 상기 제1 컬러 필터 공간의 면적보다 더 큰 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    복수의 이미지 센싱 픽셀들은 복수의 이미지 센싱 공유 픽셀들을 포함하고,
    상기 복수의 이미지 센싱 공유 픽셀들 각각은 복수의 이미지 센싱 서브 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 이미지 센싱 서브 픽셀들 상에 동일한 색상의 컬러 필터층이 배치되며,
    상기 복수의 이미지 센싱 서브 픽셀들은 2 × 2 매트릭스 형상으로 배열되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기판을 관통하며, 상기 복수의 이미지 센싱 픽셀들 사이에 배치되는 픽셀 분리막 구조물을 더 포함하고,
    상기 픽셀 분리막 구조물의 일부분은 상기 위상 검출 공유 픽셀들의 상기 2개의 위상 검출 서브 픽셀 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 마이크로렌즈는,
    상기 컬러 필터층 상에 배치되는 하부 마이크로렌즈부와,
    상기 하부 마이크로렌즈부 상에 배치되는 상부 마이크로렌즈부를 포함하고,
    상기 하부 마이크로렌즈부의 곡률과 상기 상부 마이크로렌즈부의 곡률은 다른 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 마이크로렌즈는,
    상기 컬러 필터층 상에 배치되는 하부 마이크로렌즈부와,
    상기 하부 마이크로렌즈부 상에 배치되는 상부 마이크로렌즈부를 포함하고,
    상기 하부 마이크로렌즈부의 물질과 상기 상부 마이크로렌즈부의 물질은 다른 것을 특징으로 하는 이미지 센서.

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