KR20210056754A - 이미지 센서 - Google Patents

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조성욱
김한준
조민수
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에스케이하이닉스 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는, 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 복수의 마이크로 렌즈들이 배열된 제1 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 픽셀 영역, 및 상기 픽셀 영역을 둘러싸고, 상기 제1 마이크로 렌즈 어레이가 상기 제1 방향을 기준으로 소정의 각도로 회전된 형상을 갖는 제2 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 쉴드 영역을 포함할 수 있다.

Description

이미지 센서 {Image Sensor}
본 발명은 마이크로 렌즈 어레이를 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 산란광에 의한 노이즈 발생을 최소화할 수 있는 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, 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 복수의 마이크로 렌즈들이 배열된 제1 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 픽셀 영역, 및 상기 픽셀 영역을 둘러싸고, 상기 제1 마이크로 렌즈 어레이가 상기 제1 방향을 기준으로 소정의 각도로 회전된 형상을 갖는 제2 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 쉴드 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서는, 각 픽셀에 대응하여 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 복수의 마이크로 렌즈들이 배열된 마이크로 렌즈들을 포함하는 제1 마이크로 렌즈 어레이; 및 상기 제1 마이크로 렌즈 어레이를 둘러싸고, 상기 제1 마이크로 렌즈 어레이가 상기 제1 방향을 기준으로 소정의 각도로 회전된 형상을 갖는 제2 마이크로 렌즈 어레이를 포함할 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시 예들에 따르면, 마이크로 렌즈의 후방 산란광에 의해 발생할 수 있는 플레어 현상을 최소화하여 노이즈 발생을 감소시킬 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 이미지 센서를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서의 개략적인 블록 배치도이다.
도 3a는 도 2에 도시된 이미지 센서에 포함된 제1 마이크로 렌즈 어레이의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3b는 도 2에 도시된 이미지 센서에 포함된 제1 마이크로 렌즈 어레이의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 4a는 도 2에 도시된 이미지 센서에 포함된 제2 마이크로 렌즈 어레이의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4b는 도 2에 도시된 이미지 센서에 포함된 제2 마이크로 렌즈 어레이의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 제1 마이크로 렌즈 어레이를 회전시켜 제2 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 예시에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는 이미지 센서 내 위치 별로 가변되는 제2 마이크로 렌즈 어레이의 회전각을 나타내는 도면이다.
도 6b는 이미지 센서 내 위치 별로 일정한 제2 마이크로 렌즈 어레이의 회전각을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 2에 도시된 이미지 센서를 I-I' 선에 따라 절단한 단면의 일 예이다.
도 8a 내지 8d 각각은 도 7의 이미지 센서의 유효 픽셀 영역, 더미 픽셀 영역, 픽셀 쉴드 영역, 및 로직 쉴드 영역을 각각 확대한 도면들이다.
도 9는 도 2에 도시된 이미지 센서를 I-I' 선에 따라 절단한 단면의 다른 예이다.
도 10은 도 2에 도시된 이미지 센서를 I-I' 선에 따라 절단한 단면의 또 다른 예이다.
도 11은 도 2에 도시된 이미지 센서를 I-I' 선에 따라 절단한 단면의 또 다른 예이다.
도 12는 도 2에 도시된 이미지 센서를 I-I' 선에 따라 절단한 단면의 또 다른 예이다.
도 13은 도 2에 도시된 이미지 센서를 I-I' 선에 따라 절단한 단면의 또 다른 예이다.
도 14는 카메라 시스템 내에서 입사광의 후방 산란(backscattering)을 설명하기 위한 카메라 시스템의 개략도이다.
도 15는 종래 기술에 의한 이미지 센서를 포함하는 카메라 시스템에서 캡쳐된 이미지 사진이다.
도 16a는 종래 기술에 의한 이미지 센서를 포함하는 카메라 시스템에서 측정된 후방 산란 광들의 각도에 따른 원 거리 광 강도(far-field intensity) 그래프이다.
도 16b는 본 발명의 실시예들에 의한 이미지 센서들 중 하나를 포함하는 카메라 시스템에서 측정된 후방 산란 광들의 각도에 따른 원 거리 광 강도 그래프이다.
도 16c는 도 16a와 도 16b에서 도 15의 플레어 현상을 일으키는 특정한 각도의 후방 산란 광의 원 거리 광 강도들을 확대하여 비교한 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 의한 이미지 센서들 중 하나를 포함하는 카메라 시스템에서 캡쳐된 이미지 사진이다.
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 의한 이미지 센서를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(pixel array, 110), 상관 이중 샘플러(correlated double sampler, CDS, 820), 아날로그-디지털 컨버터(analog-digital converter, ADC, 130), 버퍼(Buffer, 140), 로우 드라이버(row driver, 150), 타이밍 제네레이터(timing generator, 160), 제어 레지스터(control register, 170), 및 램프 신호 제네레이터(ramp signal generator, 180)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 매트릭스 구조로 배열된 복수의 픽셀 블록들(115)을 포함할 수 있다. 픽셀 블록들(115)은 각각 광학적 이미지 정보를 전기적 이미지 신호로 변환하여 컬럼 라인들(column lines)을 통하여 상관 이중 샘플러(120)로 전송할 수 있다. 픽셀 블록들(115)은 로우 라인들(row lines) 중 하나 및 컬럼 라인들(column lines) 중 하나와 각각 연결될 수 있다.
상관 이중 샘플러(120)는 픽셀 어레이(110) 내의 픽셀 블록(115)들로부터 수신된 전기적 이미지 신호를 샘플링할 수 있다. 예를 들어, 상관 이중 샘플러(120)는 타이밍 제네레이터(160)로부터 제공된 클럭 신호에 따라 기준 전압 레벨과 수신된 전기적 이미지 신호의 전압 레벨을 샘플링하여 그 차이에 해당하는 아날로그 신호를 아날로그-디지털 컨버터(130)로 전송할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(130)는 수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 버퍼(140)로 전송할 수 있다.
버퍼(140)는 수신된 디지털 신호를 래치(latch)하고 및 순차적으로 외부의 이미지 신호 프로세서(image signal processor)로 출력할 수 있다. 버퍼(140)는 디지털 신호를 래치하기 위한 메모리 및 디지털 신호를 증폭하기 위한 감지 증폭기를 포함할 수 있다.
로우 드라이버(150)는 타이밍 제네레이터(160)로부터 제공되는 신호에 따라 픽셀 어레이(110)의 픽셀 블록(115)들을 구동할 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(150)는 로우 라인들 중 어느 하나를 선택하기 위한 선택 신호들 및/또는 구동하기 위한 구동 신호들을 생성할 수 있다.
타이밍 제네레이터(160)는 상관 이중 샘플러(820), 아날로그-디지털 컨버터(130), 로우 드라이버(150), 및 램프 신호 제네레이터(180)를 제어하기 위한 타이밍 신호를 생성할 수 있다.
컨트롤 레지스터(170)는 버퍼(140), 타이밍 제네레이터(160), 및 램프 신호 제네레이터(180)를 제어하기 위한 신호들을 생성할 수 있다.
램프 신호 제네레이터(180)는 타이밍 제네레이터(160)의 컨트롤에 따라 아날로그-디지털 컨버터(130)가 아날로그-디지털 변환을 수행하는데 필요한 램프 신호를 생성할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서의 개략적인 블록 배치도이다.
도 2를 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀 영역(10) 및 쉴드 영역(50)을 포함할 수 있다.
픽셀 영역(10)은 유효 픽셀 영역(effective pixel area, 20) 및 더미 픽셀 영역(dummy pixel area, 30)을 포함할 수 있다. 유효 픽셀 영역(20)은 이미지 센서(100)의 중앙에 사각형 형태로 배치될 수 있다. 더미 픽셀 영역(30)은 유효 픽셀 영역(20)을 둘러싸는 사각 프레임 형태로 배치될 수 있다.
쉴드 영역(50)은 픽셀 쉴드 영역(pixel shield area, 50A) 및 로직 쉴드 영역(logic shield area, 50B)을 포함할 수 있다. 픽셀 쉴드 영역(50A)은 픽셀 영역(10)의 주변을 감싸는 사각 프레임 형태로 배치될 수 있다. 로직 쉴드 영역들(50B)은 픽셀 영역(10)과 이격되어 픽셀 영역(10) 및 픽셀 쉴드 영역(50A)을 둘러싸도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 로직 쉴드 영역(50B)은 픽셀 쉴드 영역(50A) 내/상에 배치될 수 있다. 로직 쉴드 영역(50B)은 픽셀 쉴드 영역(50A)의 변들 및/또는 코너들과 인접하는 바(bar) 또는 섬(island) 형태로 배치될 수 있다. 로직 쉴드 영역(50B)의 수평 또는 수직 길이들은 더미 픽셀 영역(30)의 수평 폭 또는 수직 폭보다 작거나 동일할 수 있다.
로직 쉴드 영역(50B)들은 필요에 따라 선택적으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 로직 쉴드 영역(50B)들은 픽셀 쉴드 영역(50A)의 네 변들 중 적어도 한 곳 이상, 및 네 코너들 중 적어도 두 곳 이상에 배치될 수 있다.
도 3a는 도 2에 도시된 이미지 센서에 포함된 제1 마이크로 렌즈 어레이의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3a를 참조하면, 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1)는 이미지 센서(100)에 포함되는 마이크로 렌즈 어레이를 의미하며, 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1)는 유효 픽셀 영역(20)에 포함될 수 있다. 실시예에 따라, 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1)는 더미 픽셀 영역(30) 중 적어도 일부에 포함될 수 있다.
제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1)는 X축 또는 Y축을 따라 일렬로 정렬된 마이크로 렌즈들(300)을 포함할 수 있다. 마이크로 렌즈들(300)은 실질적으로 동일한 제원(specification)(예를 들어, 형태, 폭, 두께, 곡률, 직경, 또는 체적 등)을 가질 수 있다. 여기서, X축 방향은 픽셀 어레이(110)의 로우(row) 방향을 의미하고, Y축 방향은 픽셀 어레이(110)의 컬럼(column) 방향을 의미할 수 있다.한편, X축에 평행한 절단선(A-A')을 따라 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1)를 절단한 단면이 도 3a의 우측에 도시되어 있다. 즉, 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1)에서 마이크로 렌즈들(300)은 제1 주기(P1)로 반복적으로 나란하게(side-by-side) 배열될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 렌즈들(300)의 수평 폭(예를 들어, 직경)은 제1 주기(P1)와 실질적으로 동일할 수 있다. 본 개시에서 주기는 실질적으로 동일한 마이크로 렌즈의 패턴이 반복되는 단위를 의미하며, 피치(pitch)로도 불릴 수 있다.
그리고, 마이크로 렌즈들(300) 하부의 영역은 입사광을 전기적 신호로 변환하는데 필요한 영역으로서, 도 7을 참조하여 후술하기로 한다.
제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1)를 향해 입사되는 입사광(incident light; IL)은 마이크로 렌즈들(300)에 의해 반사되는 반사광(reflected light; RL)과 마이크로 렌즈들(300)에 의해 반사되는 후방 산란광(backscattering light; BL)을 발생시킬 수 있다. 여기서, 반사광(RL)은 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1)의 평면의 법선을 기준으로 입사광이 입사되는 방향의 반대 방향으로 반사되는 광을 의미할 수 있다. 이에 반해, 후방 산란광(BL)은 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1)의 평면의 법선을 기준으로 입사광이 입사되는 방향으로 다시 반사되는 광을 의미할 수 있다.
도 3b는 도 2에 도시된 이미지 센서에 포함된 제1 마이크로 렌즈 어레이의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 3b를 참조하면, 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1')는 이미지 센서(100)에 포함되는 마이크로 렌즈 어레이를 의미하며, 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1')는 유효 픽셀 영역(20)에 포함될 수 있다. 실시예에 따라, 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1')는 더미 픽셀 영역(30) 중 적어도 일부에 포함될 수 있다.
제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1')는 X축 또는 Y축을 따라 일렬로 정렬된 마이크로 렌즈들(300')을 포함할 수 있다. 마이크로 렌즈(300')의 형상은 도 3a에 도시된 마이크로 렌즈(300)의 원형 형상과는 달리 각 모서리가 라운드(round) 처리된 사각형 형상에 해당할 수 있다.
제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1')는 마이크로 렌즈(300')의 형상을 제외하고는 도 3a에서 설명된 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1)의 기능 및 구조를 비롯한 특징은 실질적으로 동일한 바, 설명의 중복을 피하기 위해 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4a는 도 2에 도시된 이미지 센서에 포함된 제2 마이크로 렌즈 어레이의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4a를 참조하면, 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)는 이미지 센서(100)에 포함되는 마이크로 렌즈 어레이를 의미하며, 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)는 더미 픽셀 영역(30), 픽셀 쉴드 영역(50A) 및 로직 쉴드 영역(50B) 중 적어도 하나에 포함될 수 있다. 즉, 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)는 유효 픽셀 영역(20)을 중심으로 엣지(edge)에 해당하는 영역에 배치될 수 있다.
제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)는 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1)가 X축과 Y축이 이루는 평면(또는 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1))에 수직한 축(예컨대, Z축) 또는 임의의 마이크로 렌즈(300)의 중심을 중심으로 소정의 회전각(θ)만큼 회전된 마이크로 렌즈들(400)을 포함할 수 있다. 즉, 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)는 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1)가 소정의 회전각(θ)만큼 회전된 형상을 가질 수 있다.
달리 표현하면, 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1)에서 제1 방향(예컨대, 컬럼 방향) 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향(예컨대, 로우 방향)을 따라 복수의 마이크로 렌즈들(300)이 배열될 수 있고, 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)는 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1)가 상기 제1 방향을 기준으로 소정의 각도(θ)로 회전된 형상을 가질 수 있다.
마이크로 렌즈들(400)은 실질적으로 동일한 제원(예를 들어, 형태, 폭, 두께, 곡률, 직경, 또는 체적 등)을 가질 수 있다. 실시예에 따라, 마이크로 렌즈들(400)은 도 3a에 도시된 마이크로 렌즈들(300)과 실질적으로 동일한 제원을 가질 수 있다.
한편, X축에 평행한 절단선(B-B')을 따라 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)를 절단한 단면이 도 4a의 우측에 도시되어 있다. 절단선(B-B')과 도 3a의 절단선(A-A')은 서로 동일한 방향(예컨대, 제1 방향)을 의미할 수 있다. 여기서, 제1 방향은 X축 또는 Y축 방향을 의미할 수 있다. 즉, 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)에서 마이크로 렌즈들(400)은 제2 주기(P2)로 반복적으로 배열될 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 하나의 제2 주기(P2) 내에서 마이크로 렌즈들(400)의 높이, 폭, 면적 및 서로 인접하는 마이크로 렌즈들(400) 간의 거리는 상이할 수 있다.
또한, 제2 주기(P2)는 제1 주기(P1)보다 클 수 있다.
제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)를 향해 입사되는 입사광(IL)은 마이크로 렌즈들(400)에 의해 반사되는 반사광(RL)과 마이크로 렌즈들(400)에 의해 반사되는 후방 산란광(BL)을 발생시킬 수 있다.
제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)에 의해 발생하는 후방 산란광(BL)은 이미지 센서(100)를 포함하는 카메라 시스템(도 14의 CS) 내에서 노이즈를 발생시키는 플레어(flare) 현상의 원인이 될 수 있다.
이러한 후방 산란광(BL)에 의한 플레어 현상의 정도는 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2) 내에서 마이크로 렌즈들(400)이 반복되는 주기인 제2 주기(P2)와 밀접하게 관련되어 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 이미지 센서(100)는 유효 픽셀 영역(20)을 기준으로 엣지 부근에 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1)가 소정의 회전각(θ)만큼 회전된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)를 포함하며, 이러한 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)의 증가된 주기로 인해 후방 산란광(BL)에 의한 플레어 현상을 현저하게 감소시킬 수 있다. 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)의 증가된 주기로 인해 후방 산란광(BL)에 의한 플레어 현상이 감소되는 원리에 대해서는 도 14 이하를 참조하여 후술하기로 한다.
도 4b는 도 2에 도시된 이미지 센서에 포함된 제2 마이크로 렌즈 어레이의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2')는 이미지 센서(100)에 포함되는 마이크로 렌즈 어레이를 의미하며, 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2')는 더미 픽셀 영역(30), 픽셀 쉴드 영역(50A) 및 로직 쉴드 영역(50B) 중 적어도 하나에 포함될 수 있다. 즉, 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2')는 유효 픽셀 영역(20)을 중심으로 엣지에 해당하는 영역에 배치될 수 있다.
제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2')는 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1')가 X축과 Y축이 이루는 평면(또는 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1'))에 수직한 축(예컨대, Z축) 또는 임의의 마이크로 렌즈(300')의 중심을 중심으로 소정 회전각(θ)만큼 회전된 마이크로 렌즈들(400')을 포함할 수 있다. 즉, 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2')는 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1')가 소정 회전각(θ)만큼 회전된 형상을 가질 수 있다.
달리 표현하면, 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1')에서 제1 방향(예컨대, 컬럼 방향) 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향(예컨대, 로우 방향)을 따라 복수의 마이크로 렌즈들(300')이 배열될 수 있고, 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2')는 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1')가 상기 제1 방향을 기준으로 소정의 각도(θ)로 회전된 형상을 가질 수 있다.
마이크로 렌즈(400')의 형상은 도 4a에 도시된 마이크로 렌즈(400)의 원형 형상과는 달리 각 모서리가 라운드 처리된 사각형 형상에 해당할 수 있다.
마이크로 렌즈들(400')은 실질적으로 동일한 제원(예를 들어, 형태, 폭, 두께, 곡률, 직경, 또는 체적 등)을 가질 수 있다. 실시예에 따라, 마이크로 렌즈들(400')은 도 3b에 도시된 마이크로 렌즈들(300')과 실질적으로 동일한 제원을 가질 수 있다.
본 개시에서는 마이크로 렌즈가 원형 또는 사각 형상을 가지는 경우에 대해 설명되나, 마이크로 렌즈는 이에 한정되지 않고 임의의 형상을 가질 수 있다.
한편, X축에 평행한 절단선(B-B')을 따라 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2')를 절단한 단면이 도 4b의 우측에 도시되어 있다. 절단선(B-B')과 도 3b의 절단선(A-A')은 서로 동일한 방향(예컨대, 제1 방향)을 의미할 수 있다. 여기서, 제1 방향은 X축 또는 Y축 방향을 의미할 수 있다. 즉, 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2')에서 마이크로 렌즈들(400')은 제2 주기(P2)로 반복적으로 배열될 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 하나의 제2 주기(P2) 내에서 마이크로 렌즈들(400)의 높이, 폭, 면적 및 서로 인접하는 마이크로 렌즈들(400) 간의 거리는 상이할 수 있다.
또한, 제2 주기(P2)는 제1 주기(P1)보다 클 수 있다.
제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2')를 향해 입사되는 입사광(IL)은 마이크로 렌즈들(400')에 의해 반사되는 반사광(RL)과 마이크로 렌즈들(400')에 의해 반사되는 후방 산란광(BL)을 발생시킬 수 있다.
제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2')에 의해 발생하는 후방 산란광(BL)은 이미지 센서(100)를 포함하는 카메라 시스템(도 14의 CS) 내에서 노이즈를 발생시키는 플레어(flare) 현상의 원인이 될 수 있다.
이러한 후방 산란광(BL)에 의한 플레어 현상의 정도는 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2') 내에서 마이크로 렌즈들(400')이 반복되는 주기인 제2 주기(P2')와 밀접하게 관련되어 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 이미지 센서(100)는 유효 픽셀 영역(20)을 기준으로 엣지 부근에 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1')가 소정 회전각(θ)만큼 회전된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2')를 포함하며, 이러한 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2')의 증가된 주기로 인해 후방 산란광(BL)에 의한 플레어 현상을 현저하게 감소시킬 수 있다. 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2')의 증가된 주기로 인해 후방 산란광(BL)에 의한 플레어 현상이 감소되는 원리에 대해서는 도 14 이하를 참조하여 후술하기로 한다.
앞서 설명된 바와 같이, 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2')는 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1')가 전체적으로 소정의 회전각(θ)만큼 회전된 형상을 가지며, 이로 인해 제1 방향에 대해 제1 주기(P1)보다 큰 제2 주기(P2)를 갖게 된다. 만일, 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1')를 전체적으로 소정의 회전각(θ)만큼 회전시키지 않고, 각 마이크로 렌즈(300')의 중심을 중심으로 각 마이크로 렌즈(300')를 회전시킬 경우 제2 마이크로 렌즈 어레이는 제1 방향에 대해 제2 주기(P2)가 아닌 제1 주기(P1)를 가지게 되어 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2')와 같이 플레어 현상을 감소시킬 수 없게 된다.
도 5는 제1 마이크로 렌즈 어레이를 회전시켜 제2 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 예시에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1)를 0도의 회전각으로부터 90도의 회전각까지 순차적으로 회전시켜 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)를 구성하는 과정이 나타나 있다. 도 5 이하에서는 도 3a의 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1)와 도 4a의 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)를 기준으로 설명하나, 도 3b의 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1')와 도 4b의 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2')에도 마찬가지의 기술적 사상이 적용될 수 있다.
여기서, 20도의 회전각으로 회전된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)와 70도의 회전각으로 회전된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)를 비교해보면, 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)의 중심을 지나는 임의의 직선에 대해 두 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)들은 서로 대칭적임을 알 수 있다. 즉, 두 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)들은 임의의 방향으로 입사되는 입사광(또는 절단선)에 대해 서로 동일한 제2 주기(P2)를 가지게 된다.
따라서, 20도의 회전각으로 회전된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)와 70도의 회전각으로 회전된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)는 광학적으로 동일(주기가 동일함)하다고 볼 수 있다. 즉, 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)를 구성하는 회전각(θ)은 0~45 도의 범위를 가진다고 볼 수 있다.
도 6a는 이미지 센서 내 위치 별로 가변되는 제2 마이크로 렌즈 어레이의 회전각을 나타내는 도면이다.
도 6a를 참조하면, 유효 픽셀 영역(20)을 기준으로 좌측 상부에 배치된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-1), 상부에 배치된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-2), 우측 상부에 배치된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-3), 우측에 배치된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-4), 우측 하부에 배치된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-5), 하부에 배치된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-6), 좌측 하부에 배치된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-7), 및 좌측에 배치된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-8) 각각의 회전각은 서로 동일할 수도 있고, 적어도 2 이상의 제2 마이크로 렌즈 어레이들 각각의 회전각은 상이할 수도 있다.
도 6a에 도시된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-1~ML2-8)의 위치를 비롯하여 유효 픽셀 영역(20)의 외곽의 임의의 위치는 제1 위치라 정의될 수 있고, 상기 제1 위치에 인접한 다른 위치는 제2 위치라 정의될 수 있다.
임의의 제2 마이크로 렌즈 어레이(예컨대, ML2-1)가 인접한 다른 제2 마이크로 렌즈 어레이(예컨대, ML2-2)와는 다른 회전각을 갖는 경우, 임의의 제2 마이크로 렌즈 어레이(예컨대, ML2-1)로부터 인접한 다른 제2 마이크로 렌즈 어레이(예컨대, ML2-2)로 가까워질수록 제2 마이크로 렌즈 어레이의 회전각이 점진적으로 변화될 수 있다. 또는 임의의 제2 마이크로 렌즈 어레이(예컨대, ML2-1)와, 인접한 다른 제2 마이크로 렌즈 어레이(예컨대, ML2-2) 간의 경계에서 일정 공간의 공백이 존재할 수도 있다.
각 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-1~ML2-8)의 회전각은 렌즈 모듈을 통과한 주광선(chief ray, M-1~M-8) 중 플레어 현상을 발생시키는 성분의 입사 각도, 이미지 센서(100)를 포함하는 카메라 시스템의 형상, 제2 마이크로 렌즈 어레이의 위치 등을 고려하여 플레어 현상을 최소화할 수 있도록 실험적으로 결정될 수 있다.
도 6a에 도시된 8개로 구분된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-1~ML2-8)는 예시적인 것일 뿐이며, 이미지 센서(100) 내에 포함된 제2 마이크로 렌즈 어레이들은 임의의 개수에 해당하는 부분들(sections)로 구분될 수 있다.
도 6b는 이미지 센서 내 위치 별로 일정한 제2 마이크로 렌즈 어레이의 회전각을 나타내는 도면이다.
도 6b를 참조하면, 유효 픽셀 영역(20)을 기준으로 좌측 상부에 배치된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-1'), 상부에 배치된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-2'), 우측 상부에 배치된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-3'), 우측에 배치된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-4'), 우측 하부에 배치된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-5'), 하부에 배치된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-6'), 좌측 하부에 배치된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-7'), 및 좌측에 배치된 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-8') 각각의 회전각은 도 6a와는 달리 서로 동일할 수 있다.
제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2-1'~ML2-8')의 회전각은 렌즈 모듈을 통과한 주광선(chief ray, M-1~M-8) 중 플레어 현상을 발생시키는 성분의 입사 각도, 이미지 센서(100)를 포함하는 카메라 시스템의 형상, 제2 마이크로 렌즈 어레이의 위치 등을 고려하여 플레어 현상을 최소화할 수 있도록 실험적으로 결정될 수 있다.
도 7은 도 2에 도시된 이미지 센서를 I-I' 선에 따라 절단한 단면의 일 예이다. 도 8a 내지 8d 각각은 도 7의 이미지 센서의 유효 픽셀 영역, 더미 픽셀 영역, 픽셀 쉴드 영역, 및 로직 쉴드 영역을 각각 확대한 도면들이다.
먼저 도 7 및 8a를 참조하면, 이미지 센서(100A)는 유효 픽셀 영역(20) 및 더미 픽셀 영역(30)을 갖는 픽셀 영역(10), 및 픽셀 쉴드 영역(50A) 및 로직 쉴드 영역들(50B)을 갖는 쉴드 영역(50)을 포함할 수 있다.
도 8a에 나타난 바와 같이, 이미지 센서(100A)의 유효 픽셀 영역(20)은 기판(5) 내에 형성된 유효 포토다이오드들(21), 기판(5)의 상면 상에 형성된 유효 그리드 패턴들(22), 유효 컬러 필터들(25), 유효 오버 코팅 층(26), 및 유효 마이크로 렌즈들(27)을 포함할 수 있다.
도 7 및 8b를 참조하면, 이미지 센서(100A)의 더미 픽셀 영역(30)은 기판(5) 내에 형성된 더미 포토다이오드들(31), 기판(5)의 상면 상에 형성된 더미 그리드 패턴들(32), 더미 컬러 필터들(35), 더미 오버 코팅 층(36), 및 더미 마이크로 렌즈들(37)을 포함할 수 있다.
도 7, 8c 및 8d를 참조하면, 이미지 센서(100A)의 픽셀 쉴드 영역(50A)은 기판(5) 내에 형성된 주변 포토다이오드들(51), 기판(5)의 상면 상에 형성된 쉴드 층(52), 주변 컬러 필터들(55), 주변 오버 코팅 층(56), 및 주변 마이크로 렌즈들(57)을 포함할 수 있고, 및 로직 쉴드 영역(50B)은 기판(5)의 상면 상에 형성된 쉴드 층(52), 주변 컬러 필터들(55), 주변 오버 코팅 층(56), 및 주변 마이크로 렌즈들(57)을 포함할 수 있다. 로직 쉴드 영역(50B)은 주변 컬러 필터들(55)을 덮는 오버 컬러 필터(58)를 더 포함할 수 있다. 부가적으로, 로직 쉴드 영역(50B)은 픽셀 쉴드 영역(50A) 내의 주변 포토다이오드들(55)을 포함하지 않을 수 있다. 즉, 주변 포토다이오드들(55)은 픽셀 쉴드 영역(50A) 내에만 형성될 수 있고, 로직 쉴드 영역(50B) 내에는 형성되지 않을 수 있다.
기판(5)은 단결정 실리콘 층 또는 에피택셜 성장된 실리콘 층을 포함할 수 있다. 기판(5)의 하면 상에는 다양한 트랜지스터들(미도시) 및 금속 배선들(미도시)을 포함하는 절연층(70)이 형성될 수 있다. 절연층(70)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 같은 절연물을 포함할 수 있다.
유효 포토다이오드들(21), 더미 포토다이오드들(31), 및 주변 포토다이오드들(51)은 인(P, phosphorous) 또는 비소(As, arsenic) 같은 N-형 이온 도핑 영역들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 유효 포토다이오드들(21), 더미 포토다이오드들(31), 및 주변 포토다이오드들(51)은 붕소(B, boron) 같은 P-형 이온 도핑 영역들을 더 포함할 수 있다.
유효 그리드 패턴들(22) 및 더미 그리드 패턴들(32)은 각각, 상면도에서 격자형 메시(mesh) 모양을 가질 수 있다. 유효 그리드 패턴들(22) 및 더미 그리드 패턴들(32)은 각각 하부 유효 그리드 패턴들(23, 33) 및 상부 유효 그리드 패턴들(24, 34)을 포함할 수 있다.
쉴드 층(52)은 평판(flat board shape or plate shape) 모양을 가질 수 있다. 쉴드 층(52)은 하부 쉴드 층(53) 및 상부 쉴드 층(54)을 포함할 수 있다. 하부 유효 그리드 패턴들(23), 하부 더미 그리드 패턴들(33), 및 하부 쉴드 층(53)은 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 또는 실리콘 질화물 같은 절연성 물질을 포함할 수 있다. 상부 유효 그리드 패턴들(24), 상부 더미 그리드 패턴들(34), 및 상부 쉴드 층(54)은 텅스텐(W) 같은 금속을 포함할 수 있다.
유효 컬러 필터들(25)은 유효 그리드 패턴들(22) 사이의 공간들 내에 채워질 수 있다. 더미 컬러 필터들(35)은 더미 그리드 패턴들(32) 사이의 공간들 내에 채워질 수 있다. 주변 컬러 필터들(55) 및 오버 컬러 필터(58)는 쉴드 층(52) 상에 형성될 수 있다. 주변 컬러 필터들(55)은 쉴드 층(52) 상에 형성되므로, 유효 컬러 필터들(25) 및 더미 컬러 필터들(35)보다 높은 레벨에 위치할 수 있다. 유효 컬러 필터들(25), 더미 컬러 필터들(35), 및 주변 컬러 필터들(55)은 각각, 레드 컬러 필터들, 그린 컬러 필터들, 및 블루 컬러 필터들을 포함할 수 있다. 로직 쉴드 영역(50B) 내에서, 주변 컬러 필터들(55)은 레드 컬러 필터 및 그린 컬러 필터를 포함할 수 있고, 및 오버 컬러 필터(58)는 블루 컬러 필터를 포함할 수 있다. 동일한 컬러를 갖는 유효 컬러 필터들(25), 더미 컬러 필터들(35), 및 주변 컬러 필터들(55)은 실질적으로 동일하거나 유사한 수직 두께들을 가질 수 있다. 다른 컬러를 갖는 유효 컬러 필터들(25), 더미 컬러 필터들(35), 및 주변 컬러 필터들(55)은 서로 다른 수직 두께들을 가질 수 있다. 오버 컬러 필터(58)는 주변 컬러 필터들(55)보다 두꺼운 수직 두께를 가질 수 있다. 따라서, 오버 컬러 필터(58)는 로직 쉴드 영역(50B) 내에서, 주변 컬러 필터들(55)을 덮을 수 있다.
유효 오버 코팅 층(26), 더미 오버 코팅 층(36), 및 주변 오버 코팅 층(56)은 각각 유효 컬러 필터들(25), 더미 컬러 필터들(35), 주변 컬러 필터들(55), 및 오버 컬러 필터(58) 상에 전면적으로 형성될 수 있다. 유효 오버 코팅 층(26), 더미 오버 코팅 층(36), 및 주변 오버 코팅 층(56)은 각각, 평탄한 상면들을 가질 수 있다. 로직 쉴드 영역(50B) 내의 오버 컬러 필터(58)가 주변 컬러 필터들(55)보다 두꺼우므로, 로직 쉴드 영역(50B) 내의 주변 오버 코팅 층(56)은 픽셀 쉴드 영역(50A) 내의 주변 오버 코팅 층(56)보다 높은 레벨에 형성될 수 있다. 유효 오버 코팅 층(26), 더미 오버 코팅 층(36), 및 주변 오버 코팅 층(56)은 고분자 물질을 포함할 수 있다.
유효 마이크로 렌즈들(27), 더미 마이크로 렌즈들(37), 및 주변 마이크로 렌즈들(57)은 각각, 유효 오버 코팅 층(26), 더미 오버 코팅 층(36), 및 주변 오버 코팅 층(56) 상에 형성될 수 있다. 유효 마이크로 렌즈들(27), 더미 마이크로 렌즈들(37), 및 주변 마이크로 렌즈들(57)은 유효 오버 코팅 층(26), 더미 오버 코팅 층(36), 및 주변 오버 코팅 층(56)과 동일한 물질을 포함할 수 있다.
도 8a를 참조하면, 유효 픽셀 영역(20) 내에서, 유효 마이크로 렌즈들(27)은 제1 주기(P1)로 반복적으로 나란하게(side-by-side) 배열될 수 있다. 예를 들어, 유효 마이크로 렌즈(27)의 수평 폭(예를 들어, 직경)은 제1 주기(P1)와 실질적으로 동일할 수 있다. 달리 말하면, 유효 픽셀 영역(20) 내에서 유효 마이크로 렌즈들(27)은 제1 주기(P1)로 반복적으로 나란하게 배열될 수 있다.
도 8b를 참조하면, 더미 픽셀 영역(30) 내에서, 더미 마이크로 렌즈들(37)은 제1 주기(P1)로 반복적으로 나란하게 배열될 수 있다. 예를 들어, 유효 픽셀 영역(20)과 가까운 더미 픽셀 영역(30)의 내부 더미 픽셀 영역(30A) 내에서, 더미 마이크로 렌즈들(37)은 유효 마이크로 렌즈들(27)과 동일하게 제1 주기(P1) 로 배열될 수 있다. 부가적으로, 쉴드 영역(50)과 가까운 더미 픽셀 영역(30)의 외부 더미 픽셀 영역(30B) 내에서, 더미 마이크로 렌즈들(37)은 제1 주기(P1)와 다른 제2 주기(P2)로 반복적으로 배열될 수 있다. 달리 말하면, 더미 픽셀 영역(30) 내에서 더미 마이크로 렌즈들(37)은 제2 주기(P2)로 반복적으로 배열될 수 있다. 예시적으로, 제2 주기(P2)는 제1 주기(P1)의 세 배 이상인 것으로 도시되었다. 구체적으로 예를 들어, 제1 주기(P1)가 1㎛일 경우, 제2 주기(P2)는 3㎛ 이상일 수 있다. 본 개시에서 내부 더미 픽셀 영역(30A)이 유효 픽셀 영역(20)과 가깝고, 외부 더미 픽셀 영역(30B)이 쉴드 영역(50)과 가까운 것은 상대적인 개념이며, 내부 더미 픽셀 영역(30A)과 외부 더미 픽셀 영역(30B)의 경계는 임의로 결정될 수 있다.
도 8c 및 8d를 참조하면, 픽셀 쉴드 영역(50A) 및 로직 쉴드 영역(50B) 내에서, 주변 마이크로 렌즈들(57)은 제2 주기(P2) 로 반복적으로 배열될 수 있다.
종합해보면, 픽셀 영역(10)의 유효 픽셀 영역(20) 및 내부 더미 픽셀 영역(30A) 내에서, 유효 마이크로 렌즈들(27) 및 더미 마이크로 렌즈들(37)은 제1 주기(P1)로 반복적으로 배열될 수 있다. 즉, 유효 픽셀 영역(20) 및 내부 더미 픽셀 영역(30A)에 포함된 유효 마이크로 렌즈들(27) 및 더미 마이크로 렌즈들(37)은 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1)에 해당할 수 있다.
픽셀 영역(10)의 외부 더미 픽셀 영역(30A), 쉴드 영역(50)의 픽셀 쉴드 영역(50A) 및 로직 쉴드 영역(50B) 내에서, 더미 마이크로 렌즈들(37) 및 주변 마이크로 렌즈들(57)은 제2 주기(P2)로 반복적으로 배열될 수 있다. 즉, 외부 더미 픽셀 영역(30A), 픽셀 쉴드 영역(50A) 및 로직 쉴드 영역(50B)에 포함된 더미 마이크로 렌즈들(37) 및 주변 마이크로 렌즈들(57)은 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)에 해당할 수 있다.
유효 마이크로 렌즈들(27), 더미 마이크로 렌즈들(37), 및 주변 마이크로 렌즈들(57) 은 실질적으로 동일한 제원(specification)(예를 들어, 형태, 폭, 두께, 곡률, 직경, 또는 체적 등)을 가질 수 있다.
일 실시예에 따라, 동일한 주광선(M-1~M-8) 상에 위치하는 더미 마이크로 렌즈들(37) 및 주변 마이크로 렌즈들(57)이라도 플레어 현상을 최소화할 수 있도록 회전각이 상이할 수 있다.
도 9는 도 2에 도시된 이미지 센서를 I-I' 선에 따라 절단한 단면의 다른 예이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 이미지 센서(100B)의 유효 포토다이오드들(21)을 가진 유효 픽셀 영역(20) 및 더미 포토다이오드들(31)을 가진 더미 픽셀 영역(30)을 포함하는 픽셀 영역(10), 및 픽셀 쉴드 영역(50A)과 로직 쉴드 영역(50B)을 포함하는 쉴드 영역(50)을 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 이미지 센서(100A)와 비교하여, 쉴드 영역(50) 내에서 도 7에 도시된 주변 포토다이오드들(55)이 형성되지 않고 생략될 수 있다. 부가적으로, 본 발명의 다른 실시예에서, 이미지 센서(100B)의 더미 픽셀 영역(30) 내에서, 더미 포토다이오드들(31)은 부분적으로 형성 또는 생략될 수 있다. 상세하게는, 도 8b와 비교하여, 유효 픽셀 영역(20)과 가까운 내부 더미 픽셀 영역(30A) 내에는 더미 포토다이오드들(31)이 형성될 수 있고, 및 쉴드 영역(50)과 가까운 외부 더미 픽셀 영역(30B) 내에는 더미 포토다이오드들(31)이 생략될 수 있다.
도 10은 도 2에 도시된 이미지 센서를 I-I' 선에 따라 절단한 단면의 또 다른 예이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이미지 센서(100C)는 유효 컬러 필터들(25)을 가진 유효 픽셀 영역(20) 및 더미 컬러 필터들(35)을 가진 더미 픽셀 영역(30)을 포함하는 픽셀 영역(10), 및 주변 컬러 필터들(55)을 포함하는 픽셀 쉴드 영역(50A) 및 오버 컬러 필터(58)를 포함하는 로직 쉴드 영역(50B)을 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 이미지 센서(100A)와 비교하여, 로직 쉴드 영역(50B) 내에 도 7에 도시된 주변 컬러 필터들(55)이 형성되지 않고 생략될 수 있다. 즉, 로직 쉴드 영역(50B) 내에 오버 컬러 필터(58)만이 형성될 수 있다.
도 11은 도 2에 도시된 이미지 센서를 I-I' 선에 따라 절단한 단면의 또 다른 예이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이미지 센서(100D)는 유효 컬러 필터들(25)을 가진 유효 픽셀 영역(20) 및 더미 컬러 필터들(35)을 가진 더미 픽셀 영역(30)을 포함하는 픽셀 영역(10), 및 주변 컬러 필터들(55)을 포함하는 픽셀 쉴드 영역(50A) 및 로직 쉴드 영역(50B)을 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 이미지 센서(100A)와 비교하여, 픽셀 쉴드 영역(50A) 및 로직 쉴드 영역(50B) 내에 도 7에 도시된 주변 컬러 필터들(55)이 형성되지 않고 생략될 수 있다. 로직 쉴드 영역(50B) 내에는 오버 컬러 필터(58)가 형성될 수 있다. 즉, 쉴드 영역(50) 내에서 쉴드 층(52) 상에 주변 오버 코팅 층(56)이 직접적으로 형성될 수 있고, 로직 쉴드 영역(50B) 내에서 쉴드 층(52) 상에 오버 컬러 필터(58)가 형성되고, 오버 컬러 필터(58) 상에 주변 오버 코팅 층(56)이 형성될 수 있다.
도 12는 도 2에 도시된 이미지 센서를 I-I' 선에 따라 절단한 단면의 또 다른 예이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이미지 센서(100E)는 유효 픽셀 영역(20) 및 더미 픽셀 영역(30)을 포함하는 픽셀 영역(10), 및 쉴드 층(52) 상에 직접적으로 형성된 오버 코팅 층(56)을 가진 픽셀 쉴드 영역(50A) 및 로직 쉴드 영역(50)을 포함하는 쉴드 영역(50)을 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 이미지 센서(100A)와 비교하여, 픽셀 쉴드 영역(50A) 및 로직 쉴드 영역(50B) 내에서 주변 컬러 필터들(55) 및 오버 컬러 필터(58)가 형성되지 않고 생략될 수 있다.
도 13은 도 2에 도시된 이미지 센서를 I-I' 선에 따라 절단한 단면의 또 다른 예이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 이미지 센서(100F)는 유효 포토다이오드들(21)을 가진 유효 픽셀 영역(20) 및 더미 포토다이오드들(31)을 가진 더미 픽셀 영역(30)을 포함하는 픽셀 영역(10), 및 주변 마이크로 렌즈들(57)을 포함하는 픽셀 쉴드 영역(50A) 및 로직 쉴드 영역(50B)을 포함하는 쉴드 영역(50)을 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 이미지 센서(100A)와 비교하여, 더미 픽셀 영역(30) 내에서, 더미 마이크로 렌즈들(37)은 내부 더미 픽셀 영역(30A)과 외부 더미 픽셀 영역(30B)의 구분 없이 전체적으로 제1 주기(P1)로 반복적으로 배열될 수 있다.
도 14는 카메라 시스템 내에서 입사광의 후방 산란(backscattering)을 설명하기 위한 카메라 시스템의 개략도이다.
도 14를 참조하면, 카메라 시스템(CS)은 하우징(H), 하우징(H) 내의 렌즈 모듈(LM), 적외선 필터(IR), 및 이미지 센서(IS)를 포함할 수 있다. 적외선 필터(IR)는 적외선을 필터링(filtering)할 수 있고, 렌즈 모듈(LM)은 복수 개의 광학 렌즈들(OL)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원(L) 또는 피사체로부터 카메라 시스템(CS)의 렌즈 모듈(LM)로 입사한 광 중, 특히 이미지 센서(IS)의 제1 주변 영역(PA1)에 조사된 빛은 마이크로 렌즈들(ML)로부터 후방 산란되어 렌즈 모듈(LM)의 광학적 렌즈들로 반사된 후, 다시 반사되어 이미지 센서(IS)의 제2 주변 영역(PA2)으로 조사될 수 있다. 제1 주변 영역(PA1)과 제2 주변 영역(PA2)은 이미지 센서(IS) 상에서 대각으로 마주보는 코너들과 가깝게 위치할 수 있다.
도 15는 종래 기술에 의한 이미지 센서를 포함하는 카메라 시스템에서 캡쳐된 이미지 사진이다.
도 14 및 15를 참조하면, 제1 주변 영역(PA1)으로 입사한 광은 렌즈 모듈(LM)의 광학 렌즈들(OL)로 후방 산란되고, 다시 제2 주변 영역(PA2)으로 재입사될 수 있다. 따라서, 제2 주변 영역(PA2) 내에 플레어(F)(flare) 현상이 일어날 수 있다. 플레어(F) 현상은 특정 각도의 후방 산란 광이 가장 도미넌트한 성분인 것으로 측정되었다.
도 16a는 종래 기술에 의한 이미지 센서를 포함하는 카메라 시스템에서 측정된 후방 산란 광들의 각도에 따른 원 거리 광 강도(far-field intensity) 그래프이고, 도 16b는 본 발명의 실시예들에 의한 이미지 센서들(100A-100F) 중 하나를 포함하는 카메라 시스템(CS)에서 측정된 후방 산란 광들의 각도에 따른 원 거리 광 강도 그래프이고, 도 16c는 도 16a와 도 16b에서 도 15의 플레어 현상을 일으키는 특정한 각도의 후방 산란 광의 원 거리 광 강도들을 확대하여 비교한 그래프이다.
도 16a 내지 도 16c에 도시된 그래프들에서, X축들은 후방 산란된 광의 각도들이고, Y축들은 원 거리 광 강도(far-field intensity)의 제곱 값(E2)이다.
도 16a를 참조하면, 종래 기술에 의한 이미지 센서를 포함하는 카메라 시스템(CS)에서, 약 (-) 27°의 각도를 갖는 후방 산란 광, 약 (+) 2°의 각도를 갖는 후방 산란 광, 및 약 (+) 31.5°의 각도를 갖는 후방 산란 광이 발생하는 것이 보여진다. 특히, A 영역은 도 15의 플레어(F) 현상을 일으키는 후방 산란 광을 나타내며, A 영역의 각도는 플레어(F) 현상을 일으키는 주성분의 입사 각도에 해당한다.
도 16b를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 의한 이미지 센서들(100A-100F) 중 하나를 포함하는 카메라 시스템(CS)에서, 다양한 각도로 다수의 후방 산란 광들이 발생하는 것이 보여진다. 특히, B 영역을 참조하면, 도 15의 플레어(F) 현상을 일으키는 후방 산란 광의 원 거리 광 강도가 현저히 낮아진 것을 보여준다.
도 16c를 참조하면, 도 16a에 도시된 종래 기술에 의한 이미지 센서를 포함하는 카메라 시스템(CS)에서 측정된 A 영역의 후방 산란 광의 원 거리 광 강도에 비하여, 본 발명의 실시예들에 의한 이미지 센서들(100A-100F) 중 하나를 포함하는 카메라 시스템(CS)에서 측정된 B 영역의 후방 산란 광의 원 거리 광 강도가 현저히 낮아진 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 의한 이미지 센서들(100A-100F) 중 하나를 포함하는 카메라 시스템(CS)에서는 도 15에 나타난 플레어(F) 현상이 없거나 무시될 수 있을 정도로 매우 약화될 수 있다. 도 16b에서, B 영역의 후방 산란 광을 제외한 후방 산란 광들은 플레어(F) 현상에 기여하지 않으므로 무시될 수 있다.
이는 제2 마이크로 렌즈 어레이(ML2)의 제2 주기(P2)가 제1 마이크로 렌즈 어레이(ML1)의 제1 주기(P1)보다 커짐에 따라, 회절 차수(Diffraction Order)는 증가되고(2πm/a은 일정; m=회절 차수, a=주기), 회절 차수가 증가됨에 따라 후방 산란광(BL)의 세기(power)는 약해지기 때문이다.
본 발명의 실시예들에 의한 이미지 센서들(100A-100F)의 마이크로 렌즈들(27, 37, 57)의 제원, 및 주기 등에 따라 도 15의 플레어(F) 현상은 이미지 센서들(100A-100F)의 다양한 위치에서 발생할 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서는 마이크로 렌즈들(27, 37, 57)의 수평 폭이 약 1.12 μm 정도일 때, 더미 마이크로 렌즈들(37) 및/또는 주변 마이크로 렌즈들(57)의 주기가 유효 마이크로 렌즈들(27)의 주기의 약 3배인 경우, 플레어 현상이 현저하게 감소되었다. 따라서, 마이크로 렌즈들(27, 37, 57)의 제원, 및 주기 등이 달라질 경우, 플레어 현상을 최소화하기 위해 더미 마이크로 렌즈들(37) 및/또는 주변 마이크로 렌즈들(57)의 주기도 다양한 배수를 갖도록 설정될 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 의한 이미지 센서들(100A-100F) 중 하나를 포함하는 카메라 시스템(CS)에서 캡쳐된 이미지 사진이다.
도 17을 참조하면, 도 15에 보여진 제2 주변 영역(PA2) 내의 플레어(F) 현상이 사라진 것을 확인할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (17)

  1. 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 복수의 마이크로 렌즈들이 배열된 제1 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 픽셀 영역; 및
    상기 픽셀 영역을 둘러싸고, 상기 제1 마이크로 렌즈 어레이가 상기 제1 방향을 기준으로 소정의 각도로 회전된 형상을 갖는 제2 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 쉴드 영역을 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 마이크로 렌즈 어레이는 제1 방향에 대해 제1 주기를 갖고,
    상기 제2 마이크로 렌즈 어레이는 상기 제1 방향에 대해 상기 제1 주기와 다른 제2 주기를 갖는 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 주기는 상기 제1 주기보다 큰 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 마이크로 렌즈 어레이와 상기 제2 마이크로 렌즈 어레이가 이루는 회전각은 0~45 도인 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 쉴드 영역의 제1 위치에 배치된 제2 마이크로 렌즈 어레이의 제1 회전각은 상기 쉴드 영역의 제2 위치에 배치된 제2 마이크로 렌즈 어레이의 제2 회전각은 서로 다른 이미지 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 위치에서 상기 제2 위치로 갈수록 상기 제2 마이크로 렌즈 어레이의 회전각은 상기 제1 회전각에서 상기 제2 회전각으로 점진적으로 변화되는 이미지 센서.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 회전각은 상기 제1 위치로 입사되는 주광선 중 플레어 현상을 발생시키는 성분의 입사 각도를 고려하여 결정되는 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 영역은,
    중앙의 유효 픽셀 영역 및
    상기 유효 픽셀 영역을 둘러싸는 더미 픽셀 영역을 포함하고,
    상기 유효 픽셀 영역은,
    기판 내에 형성된 유효 포토다이오드들;
    상기 기판의 상면 상에 배치된 유효 그리드 패턴들;
    상기 유효 그리드 패턴들 사이의 공간들 내에 배치된 유효 컬러 필터들;
    상기 유효 컬러 필터들 상의 유효 오버 코팅 층; 및
    상기 유효 오버 코팅 층 상의 유효 마이크로 렌즈들을 포함하고,
    상기 더미 픽셀 영역은,
    상기 기판 내에 형성된 더미 포토다이오드들;
    상기 기판의 상기 상면 상에 배치된 상기 더미 그리드 패턴들;
    상기 더미 그리드 패턴들 사이의 공간들 내에 배치된 더미 컬러 필터들;
    상기 더미 컬러 필터들 상의 더미 오버 코팅 층; 및
    상기 더미 오버 코팅 층 상의 더미 마이크로 렌즈들을 포함하고,
    상기 제1 마이크로 렌즈 어레이는 상기 유효 마이크로 렌즈들 및 상기 더미 마이크로 렌즈들을 포함하는 이미지 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 쉴드 영역은 제1 쉴드 영역 및 상기 제1 쉴드 영역을 둘러싸는 제2 쉴드 영역을 포함하고,
    상기 제1 쉴드 영역 및 상기 제2 쉴드 영역은 각각,
    상기 기판의 상면 상에 배치된 쉴드 층;
    상기 쉴드 층 상의 주변 오버 코팅 층; 및
    상기 주변 오버 코팅 층 상의 주변 마이크로 렌즈들을 포함하고,
    상기 제2 마이크로 렌즈 어레이는 상기 주변 마이크로 렌즈들을 포함하는 이미지 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 쉴드 영역은 상기 쉴드 층에 형성된 주변 컬러 필터들을 더 포함하고, 및
    상기 제2 쉴드 영역은 상기 쉴드 층 상에 형성된 오버 컬러 필터를 더 포함하고,
    상기 오버 컬러 필터는 상기 주변 컬러 필터들보다 두꺼운 수직 두께를 갖는 이미지 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 오버 컬러 필터는 블루 컬러 필터인 이미지 센서.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 쉴드 영역은 상기 쉴드 층 상에 형성된 주변 컬러 필터들을 더 포함하고,
    상기 오버 컬러 필터는 상기 주변 컬러 필터들 사이에 형성되는 이미지 센서.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 쉴드 층은 평판 모양을 갖고, 하부 쉴드 층과 상부 쉴드 층을 포함하고, 및
    상기 하부 쉴드 층은 절연물을 포함하고, 및 상기 상부 쉴드 층은 금속을 포함하는 이미지 센서.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 마이크로 렌즈 어레이에 포함된 마이크로 렌즈와 상기 제2 마이크로 렌즈 어레이에 포함된 마이크로 렌즈는 서로 동일한 제원을 갖는 이미지 센서.
  15. 각 픽셀에 대응하여 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 따라 복수의 마이크로 렌즈들이 배열된 마이크로 렌즈들을 포함하는 제1 마이크로 렌즈 어레이; 및
    상기 제1 마이크로 렌즈 어레이를 둘러싸고, 상기 제1 마이크로 렌즈 어레이가 상기 제1 방향을 기준으로 소정의 각도로 회전된 형상을 갖는 제2 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 마이크로 렌즈 어레이는 유효 픽셀 영역에 배치되고,
    상기 유효 픽셀 영역은,
    기판 상에 배치된 제1 픽셀 그리드 패턴들;
    상기 제1 픽셀 그리드 패턴들 사이의 공간에 형성된 제1 픽셀 컬러 필터들; 및
    상기 제1 픽셀 컬러 필터들과 상기 제1 마이크로 렌즈 어레이의 사이에 배치되는 제1 픽셀 오버 코팅 층을 포함하는 이미지 센서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2 마이크로 렌즈 어레이는 쉴드 영역에 배치되고,
    상기 쉴드 영역은,
    상기 기판 상에 배치된 쉴드 층; 및
    상기 쉴드 층과 상기 제2 마이크로 렌즈 어레이의 사이에 배치된 주변 오버 코팅 층을 포함하는 이미지 센서.
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