KR20210059290A - 이미지 센싱 장치 - Google Patents
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Abstract
본 기술의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는, 제 1 면 및 상기 제 1 면과 대향되는 제 2 면을 가지며 상기 제 1 면으로 입사되는 입사광을 광전변환하여 광전하를 생성하는 광전변환영역을 포함하는 반도체 기판 및 상기 반도체 기판의 상기 제 1 면 상부에 위치하는 렌즈층을 포함하며, 상기 반도체 기판은 상기 제 1 면이 일정 깊이로 식각되어 형성된 기판 렌즈를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 이미지 센싱 장치에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 장치이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라, 디지털 카메라, 캠코더, PCS(personal communication system), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 또는 로봇 등의 다양한 분야에서 이미지 센서의 수요가 증가하고 있다.
이미지 센서를 이용해 3차원 영상을 얻기 위해서는, 색상(color)에 관한 정보뿐만 아니라 대상 물체(target object)와 이미지 센서 사이의 거리(또는 깊이)에 관한 정보가 필요하다.
대상 물체와 이미지 센서 사이의 상기 거리에 관한 정보를 얻는 방법은 크게 패시브(passive) 방식과 액티브(active) 방식으로 나눌 수 있다.
패시브 방식은 대상 물체로 빛을 조사하지 않고, 대상 물체의 영상 정보만을 이용하여 대상 물체와 이미지 센서 사이의 거리를 계산하는 방식이다. 이러한, 패시브 방식은 스테레오 카메라(stereo camera)에 적용될 수 있다.
액티브 방식으로는 삼각 측량(triangulation) 방식과 TOF(time-of-flight) 방식 등이 있다. 삼각 측량(triangulation) 방식은 이미지 센서로부터 일정 거리에 있는 광원, 예컨대 레이져(laser)에 의해 조사되고 대상 물체로부터 반사된 빛을 감지하고, 감지 결과를 이용하여 대상 물체와 이미지 센서 간의 거리를 계산하는 방식이다. TOF 방식은 대상 물체로 빛을 조사한 후 빛이 대상 물체로부터 반사되어 돌아올 때까지의 시간을 측정하여 대상 물체와 이미지 센서 사이의 거리를 계산하는 방식이다.
본 발명의 실시예는 광의 이용 효율을 높일 수 있는 이미지 센싱 장치를 제공하고자 한다.
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 기술의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 제 1 면 및 상기 제 1 면과 대향되는 제 2 면을 가지며 상기 제 1 면으로 입사되는 입사광을 광전변환하여 광전하를 생성하는 광전변환영역을 포함하는 반도체 기판 및 상기 반도체 기판의 상기 제 1 면 상부에 위치하는 렌즈층을 포함하며, 상기 반도체 기판은 상기 제 1 면이 일정 깊이로 식각되어 형성된 기판 렌즈를 포함할 수 있다.
본 기술의 다른 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 반도체 기판 내에 위치하며 광을 광전변환하는 광전변환영역, 상기 반도체 기판 내에서 상기 광전변환영역의 상부에 위치하며, 입사광을 상기 광전변환영역에 집광시키는 기판 렌즈 및 상기 반도체 기판의 상부에 위치하며, 입사광을 상기 기판 렌즈로 집광시키는 렌즈층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 입사된 광이 광전변환영역에 잘 집광되도록 하여 광의 이용 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이에서 어느 한 유닛 픽셀 영역에 형성된 기판 렌즈의 모습을 예시적으로 보여주는 도면.
도 3은 도 2에서 A-A'절취선 따라 절단된 단면의 모습을 예시적으로 보여주는 도면.
도 4는 도 1의 픽셀 어레이에서 어느 한 유닛 픽셀 영역에 형성된 기판 렌즈의 다른 모습을 예시적으로 보여주는 도면.
도 5는 도 3의 기판 렌즈에 의해 광이 광전변환영역으로 집광되는 모습을 예시적으로 나타내는 도면.
도 6a는 도 5에서 제 1 트렌치 렌즈 내에서의 광의 진행 모습들을 예시적으로 나타낸 도면.
도 6b는 도 5에서 제 2 트렌치 렌즈들 및 제 2 트렌치 렌즈들 사이의 기판 내에서의 광의 진행 모습을 예시적으로 나타낸 도면.
도 7은 도 2에서 A-A'의 절취선을 따라 절단된 단면의 다른 모습들을 예시적으로 보여주는 단면도.
도 8은 도 2에서 A-A'의 절취선을 따라 절단된 단면의 다른 모습들을 예시적으로 보여주는 단면도.
도 9는 도 1의 픽셀 어레이에서 어느 한 유닛 픽셀 영역에 형성된 기판 렌즈의 다른 모습을 예시적으로 보여주는 도면.
도 10은 도 9에서 B-B'의 절취선을 따라 절단된 단면의 모습을 예시적으로 보여주는 단면도.
도 11은 도 9에서 B-B'의 절취선을 따라 절단된 단면의 다른 모습을 예시적으로 보여주는 단면도.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유닛 픽셀의 단면 구조를 예시적으로 보여주는 단면도.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이에서 어느 한 유닛 픽셀 영역에 형성된 기판 렌즈의 모습을 예시적으로 보여주는 도면.
도 3은 도 2에서 A-A'절취선 따라 절단된 단면의 모습을 예시적으로 보여주는 도면.
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도 5는 도 3의 기판 렌즈에 의해 광이 광전변환영역으로 집광되는 모습을 예시적으로 나타내는 도면.
도 6a는 도 5에서 제 1 트렌치 렌즈 내에서의 광의 진행 모습들을 예시적으로 나타낸 도면.
도 6b는 도 5에서 제 2 트렌치 렌즈들 및 제 2 트렌치 렌즈들 사이의 기판 내에서의 광의 진행 모습을 예시적으로 나타낸 도면.
도 7은 도 2에서 A-A'의 절취선을 따라 절단된 단면의 다른 모습들을 예시적으로 보여주는 단면도.
도 8은 도 2에서 A-A'의 절취선을 따라 절단된 단면의 다른 모습들을 예시적으로 보여주는 단면도.
도 9는 도 1의 픽셀 어레이에서 어느 한 유닛 픽셀 영역에 형성된 기판 렌즈의 다른 모습을 예시적으로 보여주는 도면.
도 10은 도 9에서 B-B'의 절취선을 따라 절단된 단면의 모습을 예시적으로 보여주는 단면도.
도 11은 도 9에서 B-B'의 절취선을 따라 절단된 단면의 다른 모습을 예시적으로 보여주는 단면도.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유닛 픽셀의 단면 구조를 예시적으로 보여주는 단면도.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센싱 장치는 TOF(time of flight) 원리를 이용하여 거리를 측정할 수 있다. 이러한 이미지 센싱 장치는 광원(100), 렌즈 모듈(200), 픽셀 어레이(300) 및 제어회로(400)를 포함할 수 있다.
광원(100)은 제어회로(400)로부터의 클락 신호(MLS)에 응답하여 대상 물체(1)에 광을 조사한다. 광원(100)은 적외선 또는 가시광을 발광하는 레이저 다이오드(LD; Laser Diode)나 발광 다이오드(LED; Light Emitting Diode), 근적외선 레이저(NIR; Near Infrared Laser), 포인트 광원, 백색 램프 및 모노크로메이터(monochromator)가 조합된 단색(monochromatic) 조명원, 또는 다른 레이저 광원의 조합일 수 있다. 예를 들어, 광원(100)은 800㎚ 내지 1000㎚의 파장을 가지는 적외선을 발광할 수 있다. 도 1에서는 설명의 편의를 위해 하나의 광원(100)만을 도시하였으나, 복수의 광원들이 렌즈 모듈(200)의 주변에 배열될 수도 있다.
렌즈 모듈(200)은 대상 물체(1)로부터 반사된 광을 수집하여 픽셀 어레이(300)의 픽셀들(PX)에 집중 시킨다. 렌즈 모듈(200)은 유리 또는 플라스틱 표면의 집중 렌즈 또는 다른 원통형 광학 원소를 포함할 수 있다. 렌즈 모듈(200)은 볼록한 구조를 가지는 집중 렌즈를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(300)는 2차원 구조로 연속적으로 배열된{예를 들어, 컬럼(column) 방향 및 로우(row) 방향으로 연속적으로 배열된} 복수의 유닛 픽셀들(PX)을 포함한다. 유닛 픽셀들(PX)은 반도체 기판에 형성될 수 있으며, 각 유닛 픽셀(PX)은 렌즈 모듈(200)을 통해 수신된 광을 그에 대응하는 전기 신호로 변환하여 픽셀 신호를 출력할 수 있다. 이때, 픽셀 신호는 대상 물체(1)에 대한 색상을 나타내는 신호가 아닌 대상 물체(1)와의 거리를 나타내는 신호일 수 있다. 픽셀 어레이(300)는 반도체 기판이 일정 깊이 식각되어 형성된 기판 렌즈를 포함할 수 있다. 유닛 픽셀(PX)은 입사된 광에 의해 반도체 기판 내에서 생성된 전자들을 전계의 포텐셜 차이를 이용하여 검출하는 CAPD(Current-Assisted Photonic Demodulator) 타입의 픽셀일 수 있다.
제어 회로(400)는 광원(100)을 제어하여 대상 물체(1)에 광을 조사하고, 픽셀 어레이(300)의 유닛 픽셀들(PX)을 구동시켜 대상 물체(1)로부터 반사된 광에 대응되는 픽셀 신호들을 처리하여 대상 물체(1)의 표면에 대한 거리를 측정한다.
이러한 제어 회로(400)는 로우 디코더(410), 광원 드라이버(420), 타이밍 컨트롤러(430), 포토게이트 컨트롤러(440) 및 로직 회로(450)를 포함할 수 있다.
로우 디코더(row decoder; 410)는 타이밍 컨트롤러(timing controller; 430)로부터 출력된 타이밍 신호에 응답하여 픽셀 어레이(300)의 유닛 픽셀들(PX)을 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 로우 디코더(410)는 복수의 로우라인들(row lines) 중에서 적어도 어느 하나의 로우라인(row line)을 선택할 수 있는 제어 신호를 생성할 수 있다. 이러한 제어 신호는 선택 트랜지스터를 제어하는 선택 신호 및 전송 게이트의 동작을 제어하기 위한 전송 신호를 포함할 수 있다.
광원 드라이버(light source driver; 420)는 타이밍 컨트롤러(430)의 제어에 따라 광원(100)을 구동시킬 수 있는 클락 신호(MLS)를 생성할 수 있다. 광원 드라이버(42)는 클락 신호(MLS) 또는 클락 신호(MLS)에 대한 정보를 포토 게이트 컨트롤러(28)로 공급할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(430)는 로우 디코더(410), 광원 드라이버(420), 포토게이트 컨트롤러(440) 및 로직 회로(450)의 동작을 제어하기 위한 타이밍 신호를 생성할 수 있다.
포토게이트 컨트롤러(photogate controller; 440)는 타이밍 컨트롤러(430)의 제어에 따라 포토 게이트 컨트롤 신호들을 생성하여 이들을 픽셀 어레이(300)로 공급할 수 있다. 도 1에서는 설명의 편의를 위하여 포토게이트 컨트롤러(28)에 대해서만 설명하나, 제어 회로(400)는 타이밍 컨트롤러(430)의 제어에 따라 복수의 포토다이오드 컨트롤 신호들을 생성하여 이들을 픽셀 어레이(40)로 공급하는 포토다이오드 컨트롤러를 포함할 수 있다.
로직 회로(logic circuit; 450)는 타이밍 컨트롤러(430)의 제어에 따라 픽셀 어레이(300)로부터의 픽셀 신호들을 처리하여 대상 물체(1)와의 거리를 계산할 수 있다. 로직 회로(450)는 픽셀 어레이(100)로부터 출력된 픽셀 신호들에 대해 상관 이중 샘플링(correlated double sampling)을 수행하기 위한 상관 이중 샘플러(CDS: correlated double sampler)를 포함할 수 있다. 또한, 로직 회로(450)는 상관 이중 샘플러로부터의 출력 신호들을 디지털 신호들로 변환하기 위한 아날로그-디지털 컨버터를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이에서 어느 한 유닛 픽셀 영역에 형성된 기판 렌즈의 모습을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 3은 도 2에서 A-A'의 절취선을 따라 절단된 단면의 모습을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 각 유닛 픽셀(PX)은 기판층(310) 및 배선층(320)을 포함할 수 있다.
기판층(310)은 기판(312) 내에 형성된 기판 렌즈(314a) 및 광전변환영역(316)을 포함할 수 있다.
기판(312)은 광이 입사되는 제 1 면 및 제 1 면과 대향되는 제 2 면을 갖는 반도체 기판을 포함할 수 있다. 반도체 기판은 단결정 상태일 수 있으며, 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(312)은 단결정의 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다.
기판(312)의 제 1 면에는 기판 렌즈(314a)가 형성될 수 있으며, 기판(312)의 제 2 면 상부에는 배선층(320)이 형성될 수 있다. 유닛 픽셀(PX)이 CAPD(Current-Assisted Photonic Demodulator) 타입의 픽셀인 경우, 기판(312)의 제 2 면에는 배선층(320)의 금속 배선들(324)과 연결되는 제어 영역(Control Region) 및 검출 영역(Detection Region)이 형성될 수 있다. 이때, 제어 영역은 금속 배선(324)을 통해 인가받은 전압에 근거하여 기판(312) 내에 다수 캐리어 전류를 발생시킬 수 있다. 검출 영역은 반도체 기판(312)에 입사된 광에 의해 생성된 전자들이 다수 캐리어 전류에 의해 이동할 때 그 전자들을 캡쳐할 수 있다. 제어 영역은 P형 불순물 영역을 포함할 수 있으며, 검출 영역은 N형 불순물 영역을 포함할 수 있다.
기판 렌즈(314a)는 입사되는 광을 기판(312)의 광전변환영역(316)으로 집광시킬 수 있다. 이때, 입사되는 광은 가시광선보다 파장이 긴 적외선(IR; Infrared Ray)일 수 있다. 기판 렌즈(314a)는 입사광이 광전변환영역(316)의 중앙부에 잘 집광되도록 할 수 있다. 또한, 기판 렌즈(314a)는 입사광의 내부 전반사를 유도하여 광의 진행 경로를 증가시킴으로써 장파장의 광이 광전변환영역(316) 내에 잘 집광되도록 할 수 있다.
이러한 기판 렌즈(314a)는 제 1 트렌치 렌즈(314a1) 및 복수의 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)을 포함할 수 있다.
제 1 트렌치 렌즈(314a1)는 기판(312)의 제 1 면 중앙부에 위치하며, 제 1 면이 일정 깊이 식각된 트렌치에 기판(312)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 물질(예컨대, 산화막)이 갭필된 구조를 포함할 수 있다. 이때 갭필되는 물질은 기판(312)과 굴절률 차이가 많이 나는 물질일 수 있다. 예를 들어, 제 1 트렌치 렌즈(314a1)에서 갭필된 물질의 굴절률은 기판(312)의 굴절률과 ㅁ1 이상의 차이가 나는 물질을 포함할 수 있다.
제 1 트렌치 렌즈(314a1)는 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)에 비해 넓은 폭(또는 넓은 면적)을 갖도록 형성될 수 있다. 제 1 트렌치 렌즈(314a1)는 수평 단면이 사각형, 육각형, 팔각형 등 다각형의 형상을 가질 수 있다.
제 2 트렌치 렌즈들(314a2)은 기판(312)의 제 1 면에서 제 1 트렌치 렌즈(314a1)를 둘러싸는 형태로 형성되며, 기판(312)의 제 1 면이 일정 깊이 식각된 트렌치에 기판(312)의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는 물질(예를 들어, 산화막)이 갭필된 구조를 포함할 수 있다. 이때 갭필된 물질은, 제 1 트렌치 렌즈(314a1)에서와 같이, 기판(312)과 굴절률 차이가 많이 나는 물질이 갭필될 수 있다. 예를 들어, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)에서 갭필된 물질은 제 1 트렌치 렌즈(314a1)에서 갭필된 물질과 같은 물질일 수 있다.
제 2 트렌치 렌즈들(314a2) 각각은 평면상에서 보았을 때 제 1 트렌치 렌즈(314a1)를 둘러싸는 띠 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 띠의 형상은 제 1 트렌치 렌즈(314a1)의 형상에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 도 2에서와 같이, 제 1 트렌치 렌즈(314a1)의 수평 단면이 사각 형상으로 이루어지는 경우, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)은 사각띠 형상으로 형성될 수 있다. 그리고, 도 4에서와 같이, 제 1 트렌치 렌즈(314a1)의 수평 단면이 육각 형상으로 이루어진 경우, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)은 육각띠 형상으로 형성될 수 있다.
제 2 트렌치 렌즈들(314a2)은 폭이 좁게 형성됨으로써 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)에 입사된 광들의 내부 전반사를 유도할 수 있다. 예를 들어, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)에 입사된 광들이 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)의 양측 경계면에서 연속적으로 반사되면서 아래쪽으로 진행하도록 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)의 폭이 조절될 수 있다. 이처럼, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)은 입사광의 내부 전반사를 유도하여 입사광의 진행 경로를 증가시킴으로써 장파장의 광이 입사되는 경우에도 해당 광이 광전변환영역(316)에 잘 집광되도록 할 수 있다. 또한, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)은 그 폭 및 깊이가 조절됨으로써 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)을 투과한 광의 굴절각을 크게 하여 해당 광이 광전변환영역(316)에 잘 집광되도록 할 수 있다. 또한, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2) 사이의 거리(간격)가 조절됨으로써 제 2 트렌치 렌즈들(314a2) 사이의 기판 영역에 입사되는 광들의 내부 전반사도 함께 유도할 수도 있다.
이러한 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)은 서로 일정한 간격으로 이격되게 배치될 수 있다. 또는 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)은 제 1 트렌치(314a1)와의 거리에 따라 서로의 거리를 달리할 수 있다. 예를 들어, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2) 사이의 거리는 제 1 트렌치(314a1)와 멀어질수록 길어질 수 있다. 또는 반대로 제 2 트렌치 렌즈들(314a2) 사이의 거리는 제 1 트렌치(314a1)와 멀어질수록 짧아질 수 있다.
제 1 트렌치 렌즈(314a1)와 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)은 모두 동일한 깊이를 가질 수 있다. 또는 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)은 제 1 트렌치 렌즈(314a1)와 다른 깊이를 가질 수 있다. 또는 제 2 트렌치 렌즈들(314a2) 중 일부 트렌치 렌즈들은 제 1 트렌치 렌즈(314a1)와 동일한 깊이를 가지며, 나머지 트렌치 렌즈들은 제 1 트렌치 렌즈(314a1)와 다른 깊이를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2) 중 제 1 트렌치 렌즈(314a1)와 가장 인접한 트렌치 렌즈만 제 1 트렌치 렌즈(314a1)와 동일한 깊이를 가지며, 나머지 다른 트렌치 렌즈들은 제 1 트렌치 렌즈(314a1)와 다른 깊이를 가질 수 있다.
제 2 트렌치 렌즈들(314a2)는 제 1 트렌치 렌즈(314a1)와 떨어진 거리에 따라 서로 다른 깊이를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)의 깊이는 제 1 트렌치 렌즈(314a)와 멀어질수록 점차 깊어질 수 있다. 또는 반대로 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)의 깊이는 제 1 트렌치 렌즈(314a)와 멀어질수록 점차 얕아질 수 있다.
제 1 트렌치 렌즈(314a1)와 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)은 서로 다른 폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 트렌치 렌즈(314a1)는 제 2 트렌치 렌즈들(314a2) 보다 훨씬 큰 폭을 가질 수 있다. 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)은 서로 동일한 폭을 가질 수 있다. 또는 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)은 서로 다른 폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)의 폭은 제 1 트렌치 렌즈(314a1)의 폭 보다 작은 값을 가지되, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)은 서로 동일한 폭을 가질 수 있다. 또는 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)의 폭은 제 1 트렌치 렌즈(314a1)의 폭 보다 작은 값을 가지되, 제 1 트렌치(314a1)와 멀어질수록 점점 증가될 수 있다. 또는 반대로 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)의 폭은 제 1 트렌치 렌즈(314a1)의 폭 보다 작은 값을 가지되, 제 1 트렌치 렌즈(314a1)와 멀어질수록 점점 감소될 수 있다. 제 1 트렌치 렌즈(314a1)의 면적은 유닛 픽셀(PX)의 면적의 40%를 넘지 않도록 형성될 수 있다.
광전변환영역(316)은 기판(312) 내에서 기판 렌즈(314a)의 하부에 위치하며, 기판 렌즈(314a)을 통해 입사된 광을 변환시켜 광전하를 생성할 수 있다. 광전변환영역(316)은 서로 다른 타입의 불순물 영역들이 수직 방향으로 적층된 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광전변환영역(316)은 N형 불순물 영역과 P형 불순물 영역이 수직 방향으로 적층된 포토다이오드(PD: Photo Diode)를 포함할 수 있다. 광전변환영역(316)은 기판 렌즈(314a)를 통해 입사된 광에 응답하여 전자와 정공 쌍을 발생시킬 수 있다.
배선층(320)은 기판(312)의 제 2 면 상부에 형성될 수 있다. 배선층(320)은 층간 절연막들(322) 및 층간 절연막들(322) 내에서 복수의 층들(layers)로 적층된 금속 배선들(324)을 포함할 수 있다. 층간 절연막들(322)은 산화막과 질화막 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 금속 배선들(324)은 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 텅스텐(W) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 금속 배선들(324)은 광전변환영역(316)에서 생성된 전기 신호(픽셀 신호) 및 그러한 픽셀 신호의 생성을 위해 필요한 신호들(전압)을 전송하는 배선들을 포함할 수 있다. 금속 배선들(324)은 기판(312)의 제 2 면에 형성된 제어 영역(Control Region) 및 검출 영역(Detection Region)과 연결될 수 있다.
기판 렌즈(314a)의 상부에는 대상체(1)에서 반사된 광을 기판 렌즈(314)로 집광시키기 위한 렌즈층(330)이 형성될 수 있다. 렌즈층(330)은 반사방지막(332) 및 마이크로 렌즈(334)를 포함할 수 있다.
도 5는 도 3의 기판 렌즈에 의해 광이 광전변환영역으로 집광되는 모습을 예시적으로 나타내는 도면이다. 도 6a는 도 5에서 제 1 트렌치 렌즈 내에서의 광의 진행 모습들을 예시적으로 나타낸 도면이며, 도 6b는 도 5에서 제 2 트렌치 렌즈들 및 제 2 트렌치 렌즈들 사이의 기판 내에서의 광의 진행 모습을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6a를 참조하면, 제 1 트렌치 렌즈(314a1)는 폭이 넓게 형성되며, 제 1 트렌치 렌즈(314a1)는 유닛 픽셀(PX)의 중앙부에 위치하기 때문에 제 1 트렌치 렌즈(314a1)에 입사되는 광들(L1)의 입사각은 작게 된다. 따라서, 제 1 트렌치 렌즈(314a1)에 입사되는 광들(L1)의 대부분은 제 1 트렌치 렌즈(314a1)의 측면에 위치하는 경계면과 만나지 않고 바로 제 1 트렌치 렌즈(314a1)의 바닥면을 통해 광전변환영역(316)으로 향할 수 있다. 또한, 제 1 트렌치 렌즈(314a1)에 입사되는 광들(L1)은 입사각이 작기 때문에 굴절각도 작게 된다.
따라서, 제 1 트렌치 렌즈(314a1)를 투과한 광들(L1)은 광전변환영역(316)을 벗어나지 않고 대부분 광전변환영역(316)에 집광될 수 있다.
더욱이, 렌즈층(330)에 의한 집광효과에 의해 유닛 픽셀(PX)에 입사되는 광들 중 많은 양의 광이 제 1 트렌치 렌즈(314a1)에 입사되기 때문에, 넓은 폭을 갖는 제 1 트렌치 렌즈(314a1)에 의한 집광 효과는 클 수 있다.
또한, 일반적으로 광은 패턴이 조밀하게 형성된 곳에서 반사가 잘 발생할 수 있다. 따라서, 트렌치 렌즈들(314a1, 314a2)을 모두 동일한 패턴으로 형성하지 않고, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)은 동일한 패턴으로 형성하되 제 1 트렌치 렌즈(314a1)의 폭은 크게 함으로써 상대적으로 제 1 트렌치 렌즈(314a1)에 입사되는 광이 트렌치 렌즈 내로 더 잘 유입되도록 할 수 있다.
도 5 및 도 6b를 참조하면, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)은 폭이 좁게 형성되며, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)은 제 1 트렌치 렌즈(314a1)의 바깥쪽에 위치하기 때문에, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)에 입사되는 광들(L2)의 입사각은 상대적으로 크게 된다. 따라서, 제 2 트렌치 렌즈들(314b)에 입사되는 광들(L2)의 대부분은 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)의 측면에 위치하는 경계면과 만나게 된다.
제 2 트렌치 렌즈들(314a2)에 입사되는 광들(L2) 중 일부는 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)의 양측 경계면에서 연속적으로 반사(내부 전반사)되면서 해당 제 2 트렌치 렌즈(314a2)의 바닥면으로 향할 수 있다. 이때, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)에서 바닥 경계면에 입사되는 광의 입사각이 커지게 되면 그 바닥 경계면에서의 굴절각도 커지기 때문에, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)을 투과한 광들(L2)이 광전변환영역(316)의 중앙부를 향하도록 할 수 있다.
따라서, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)의 폭, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)에 캡필되는 물질 및 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)의 깊이를 조절함으로써, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)을 투과한 광들(L2)의 대부분이 크게 굴절하면서 광전변환영역(316)의 중앙부를 향하도록 하는 집광 효과를 얻을 수 있다.
제 2 트렌치 렌즈들(314a2) 사이의 영역은 기판(312)과 동일한 물질이기 때문에, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)에서와 같이 바닥면에서의 굴절은 발생되지 않는다. 그러나, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2) 사이의 영역에 입사되는 광들(L3)도 그 양측에 있는 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)과의 경계면들에서의 반사는 발생할 수 있다. 즉, 광(L3)의 진행 경로는 증가될 수 있다.
따라서, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2) 사이의 영역들은 입사광(L3)을 광전변환영역(316)의 중앙부에 집중되도록 하는 효과 보다는 입사광(L3)의 광경로를 증가시켜 장파장의 광이 광전변환영역(316) 내에 잘 모아지도록 하는 효과를 유도할 수 있다. 물론, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2) 사이의 영역들도, 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)보다는 효과가 적지만, 내부 전반사를 통해 입사광들(L3)이 광전변환영역(316)의 중앙부에 집중되도록 하는 효과를 유도할 수 있다.
도 7 및 도 8은 도 2에서 A-A'의 절취선을 따라 절단된 단면의 다른 모습들을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 트렌치들(314a1, 314a2) 사이의 간격은 제 1 트렌치 렌즈(314a1)와 제 2 트렌치 렌즈들(314a1) 사이의 거리에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, 도 7에서와 같이, 트렌치들(314a1, 314a2) 사이의 간격은 제 1 트렌치 렌즈(314a1)에서 멀어질수록 점차 좁아질 수 있다. 또는 도 8에서와 같이, 트렌치들(314a1, 314a2) 사이의 간격은 제 1 트렌치 렌즈(314a1)에서 멀어질수록 점차 넓어질 수 있다.
도 7과 같은 구조에서, 제 1 트렌치 렌즈(314a1)와 가까운 영역에서는 제 2 트렌치 렌즈들(314a1) 사이의 영역 보다는 제 2 트렌치 렌즈들(314a1)에 의한 집광 효과가 주로 유도될 수 있다. 예를 들어, 제 2 트렌치 렌즈들(314a1) 사이의 간격이 넓게 형성되는 경우, 제 2 트렌치 렌즈들(314a1) 사이의 기판 영역에서는 간격이 좁게 형성되는 경우에 비해 상대적으로 광들(L3)의 반사가 적게 발생될 수 있다. 따라서, 제 1 트렌치 렌즈(314a1)와 가까운 영역에서는 제 2 트렌치 렌즈들(314a1)에 의한 집광 효과가 주로 유도될 수 있다.
반면에, 제 1 트렌치 렌즈(314a1)와 먼 영역에서는 제 2 트렌치 렌즈들(314a1)에 의한 집광 효과와 더불어 제 2 트렌치 렌즈들(314a1) 사이의 영역에서의 전반사로 인한 광경로 증가 효과를 함께 얻을 수 있다. 예를 들어, 제 2 트렌치 렌즈들(314a1) 사이의 간격이 좁게 형성되는 경우, 제 2 트렌치 렌즈들(314a1) 사이의 기판 영역에서는 간격이 넓게 형성되는 경우에 비해 상대적으로 광들(L3)의 반사가 많이 발생됨으로써 광의 광경로가 보다 많이 증가될 수 있다. 따라서, 제 1 트렌치 렌즈(314a1)와 먼 영역에서는 제 2 트렌치 렌즈들(314a1) 사이의 기판 영역에 의한 광경로 증가 효과를 더욱 많이 유도할 수 있다.
도 8의 구조에서는 상술한 도 7의 구조에서와 반대로, 제 1 트렌치 렌즈(314a1)와 가까운 영역에서는 제 2 트렌치 렌즈들(314a1)에 의한 집광 효과와 더불어 제 2 트렌치 렌즈들(314a1) 사이의 영역에서의 전반사로 인한 광경로 증가 효과를 함께 얻을 수 있다.
또한, 제 1 트렌치 렌즈(314a1)와 먼 영역에서는 제 2 트렌치 렌즈들(314a1) 사이의 영역 보다는 제 2 트렌치 렌즈들(314a1)에 의한 집광 효과가 주로 유도될 수 있다.
도 9는 도 1의 픽셀 어레이에서 어느 한 유닛 픽셀 영역에 형성된 기판 렌즈의 다른 모습을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 10은 도 9에서 B-B'의 절취선을 따라 절단된 단면의 모습을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 기판 렌즈(314b)는 복수의 제 1 트렌치 렌즈들(314b1) 및 복수의 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)을 포함할 수 있다.
제 1 트렌치 렌즈들(314b1)은 기판(312)의 제 1 면 중앙부에 서로 일정 간격 이격되면서 대칭되게 위치할 수 있다. 즉, 상술한 실시예들에서는 유닛 픽셀(PX)의 중앙부에 넓은 폭을 갖는 하나의 트렌치 렌즈(314a1)가 형성되었으나, 본 실시예에서는 유닛 픽셀(PX)의 중앙부에 넓은 폭을 갖는 복수의 제 1 트렌치 렌즈들(314b1)이 형성된다. 도 9에서는 2개의 제 1 트렌치 렌즈들(314b1)이 형성된 경우가 도시되었으나 이에 한정되지는 않는다.
제 1 트렌치 렌즈들(314b1) 사이의 간격을 조절함으로써 제 1 트렌치 렌즈들(314b1) 사이의 영역에 입사되는 광의 내부 전반사를 유도할 수 있다. 이러한 제 1 트렌치 렌즈들(314b1)을 통해, 집광 효과뿐만 아니라 내부 전반사에 의한 광경로 증가 효과를 함께 얻을 수 있다.
도 9에서는 트렌치 렌즈들(314b1, 314a2) 사이의 간격이 동일한 경우를 예시적으로 설명하였으나, 상술한 도 7 및 도 8에서와 같이, 트렌치 렌즈들(314b1, 314a2) 사이의 간격을 제 1 트렌치 렌즈(314b1)와 제 2 트렌치 렌즈들(314a2)의 거리에 따라 다르게 할 수도 있다.
트렌치 렌즈들(314b1, 314a2)에 갭필된 물질막들은 그 상부면이 기판(312)의 상부면 보다 돌출되게 형성되거나 기판(312)의 상부면 보다 낮게 형성될 수 있다.
도 11은 도 9에서 B-B'의 절취선을 따라 절단된 단면의 다른 모습들을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 11을 참조하면, 기판 렌즈(314c)는 복수의 제 1 트렌치 렌즈들(314b1) 및 복수의 제 2 트렌치 렌즈들(314c1)을 포함할 수 있다.
도 10의 구조와 비교하여, 제 2 트렌치 렌즈들(314c1)은 제 1 트렌치 렌즈(314b1)와의 거리에 따라 폭 및 깊이가 다르게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 2 트렌치 렌즈들(314c1)은 제 1 트렌치 렌즈(314b1)와 멀어질수록 그 폭과 깊이가 점차 감소될 수 있다. 또는 이와 반대로 제 1 트렌치 렌즈(314b1)와 멀어질수록 제 2 트렌치 렌즈들(314c1)의 폭과 깊이가 점차 증가되도록 할 수도 있다.
이러한 구조에서 트렌치 렌즈들(314c1, 314b1)의 폭 및 트렌치 렌즈들(314c1, 314b1)에 갭필되는 물질의 굴절률을 조절함으로써 기판 렌즈(314c)를 투과하는 광들의 집광 효과를 향상시킬 수 있다. 기판 렌즈(314c)의 상부에는 렌즈층(330)을 형성하지 않을 수도 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유닛 픽셀의 단면 구조를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 12를 참조하면, 기판 렌즈(314d)는 복수의 트렌치 렌즈들을 포함하되, 트렌치 렌즈들은 유닛 픽셀의 중앙부에서 에지 영역으로 진행할수록 폭 및 깊이가 점차 증가하는 형태로 형성될 수 있다. 이때, 트렌치 렌즈들 사이의 간격은 동일할 수 있다.
기판 렌즈(314d)는, 상술한 실시예들과 달리, 중앙부에 폭이 넓은 트렌치 렌즈가 형성되지 않을 수도 있다.
이러한 구조에서도 트렌치 렌즈들의 폭 및 트렌치 렌즈들에 갭필되는 물질의 굴절률을 조절함으로써 기판 렌즈(314d)를 투과하는 광들의 집광 효과를 향상시킬 수 있다. 기판 렌즈(314d)의 상부에는 렌즈층(330)을 형성하지 않을 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 광원
200: 렌즈 모듈
300: 픽셀 어레이
310: 기판층
314a ~ 314d: 기판 렌즈
320: 배선층
330: 렌즈층
400: 제어회로
410: 로우 디코더
420: 광원 드라이버
430: 타이밍 컨트롤러
440: 포토게이트 컨트롤러
450: 로직 회로
200: 렌즈 모듈
300: 픽셀 어레이
310: 기판층
314a ~ 314d: 기판 렌즈
320: 배선층
330: 렌즈층
400: 제어회로
410: 로우 디코더
420: 광원 드라이버
430: 타이밍 컨트롤러
440: 포토게이트 컨트롤러
450: 로직 회로
Claims (19)
- 제 1 면 및 상기 제 1 면과 대향되는 제 2 면을 가지며, 상기 제 1 면으로 입사되는 입사광을 광전변환하여 광전하를 생성하는 광전변환영역을 포함하는 반도체 기판; 및
상기 반도체 기판의 상기 제 1 면 상부에 위치하는 렌즈층을 포함하며,
상기 반도체 기판은
상기 제 1 면이 일정 깊이로 식각되어 형성된 기판 렌즈를 포함하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 기판 렌즈는
상기 반도체 기판의 상기 제 1 면이 일정 깊이로 식각된 트렌치에 상기 반도체 기판과 서로 다른 굴절률을 갖는 물질막이 갭필된 복수의 트렌치 렌즈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 2에 있어서, 상기 복수의 트렌치 렌즈들은
상기 제 1 면에서 중앙부에 위치하는 적어도 하나의 제 1 트렌치 렌즈; 및
상기 제 1 트렌치 렌즈를 둘러싸는 복수의 제 2 트렌치 렌즈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 3에 있어서,
상기 복수의 제 2 트렌치 렌즈들은 서로 동일한 폭 및 깊이를 가지며,
상기 적어도 하나의 제 1 트렌치 렌즈는 상기 제 2 트렌치 렌즈들 보다 폭이 넓은 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 3에 있어서, 상기 복수의 제 2 트렌치 렌즈들은
상기 제 1 트렌치 렌즈와의 거리에 따라 서로 다른 폭 또는 서로 다른 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 3에 있어서, 상기 복수의 제 2 트렌치 렌즈들은
상기 제 1 트렌치 렌즈와의 거리에 따라 서로 다른 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 3에 있어서, 상기 복수의 제 2 트렌치 렌즈들은
동일한 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 3에 있어서, 상기 적어도 하나의 제 1 트렌치 렌즈는
각각이 상기 제 2 트렌치 렌즈들보다 넓은 폭을 가지며 서로 대칭되면서 일정 거리 이격되게 배치되는 복수의 트렌치 렌즈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 3에 있어서, 상기 복수의 제 2 트렌치 렌즈들은
상기 제 1 트렌치 렌즈를 둘러싸는 띠 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 렌즈층은
입사광을 상기 기판 렌즈로 집광시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 반도체 기판의 상기 제 1 면 상부에 위치하며, 상기 광전변환영역에서 생성된 전기 신호를 전송하는 금속 배선들을 포함하는 배선층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 반도체 기판 내에 위치하며 광을 광전변환하는 광전변환영역;
상기 반도체 기판 내에서 상기 광전변환영역의 상부에 위치하며, 입사광을 상기 광전변환영역에 집광시키는 기판 렌즈; 및
상기 반도체 기판의 상부에 위치하며, 입사광을 상기 기판 렌즈로 집광시키는 렌즈층을 포함하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 12에 있어서, 상기 기판 렌즈는
상기 반도체 기판의 일부가 식각된 복수의 트렌치들; 및
상기 트렌치에 갭필된 물질막들을 포함하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 13에 있어서, 상기 물질막은
상기 반도 기판과 굴절률이 다른 절연막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 13에 있어서, 상기 복수의 트렌치들은
상기 제 1 면에서 중앙부에 위치하는 적어도 하나의 제 1 트렌치; 및
띠 형상으로 상기 제 1 트렌치를 둘러싸는 복수의 제 2 트렌치들을 포함하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 15에 있어서, 상기 제 2 트렌치들은
상기 제 1 트렌치 렌즈와의 거리에 따라 서로 다른 폭 또는 서로 다른 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 15에 있어서, 상기 제 2 트렌치들은
상기 제 1 트렌치 렌즈와의 거리에 따라 서로 다른 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 15에 있어서, 상기 제 2 트렌치들은
동일한 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 15에 있어서, 상기 적어도 하나의 제 1 트렌치는
각각이 상기 제 2 트렌치들보다 넓은 폭을 가지며 서로 대칭되면서 일정 거리 이격되게 배치되는 복수의 트렌치들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
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