KR20210078632A - 이미지 센서 - Google Patents

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서재관
김보람
박노산
박정국
박진수
이승환
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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 제1 면 및 광이 입사되고 상기 제1 면과 반대에 위치한 제2 면을 가지며 분리 영역에 의해 분리되는 복수의 픽셀 영역을 포함하는 반도체 기판 - 상기 복수의 픽셀 영역은, 이미지 데이터를 생성하는 복수의 이미지 픽셀을 구비하는 제1 영역 및 오토 포커싱(auto focusing)을 수행하는 복수의 위상차 검출 픽셀을 구비하는 제2 영역을 포함함 - ; 상기 제2 면 상에, 상기 복수의 픽셀 영역에 각각 대응되도록 배치된 복수의 홈부를 갖는 제1 그리드 패턴(grid patten); 상기 복수의 홈부의 저면에, 상기 제1 및 제2 영역 중 어느 하나의 영역에 대응되도록 선택적으로 배치된 복수의 제1 마이크로 렌즈; 상기 복수의 홈부를 각각 채우도록 배치된 복수의 컬러 필터; 상기 제1 그리드 패턴 상에 중첩되어 배치된 제2 그리드 패턴; 및 상기 제2 그리드 패턴에 의해 구획되어, 상기 복수의 컬러 필터 상에 각각 배치된 복수의 제2 마이크로 렌즈;를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
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Description

이미지 센서{IMAGE SENSOR}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기신호로 변환하는 반도체 소자이다. 최근 들어 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대하고 있다. 이에 따라, 영상 촬영 장치 또는 영상 촬영 장치에 포함되는 이미지 센서의 성능에 대한 요구가 높아지고 있다.
최근, 이미지 센서의 빠른 초점 검출 속도를 위해, 이미지 센서의 일부 영역을 AF센서로 사용하여 오토 포커싱(auto focising)을 수행하는 하이브리드 AF방식이 많이 사용되고 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제들 중 하나는, 이미지 센서의 이미지 픽셀의 초점거리와 위상차 검출 픽셀의 초점거리를 상이하게 하여 오토 포커싱의 정확도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예는, 제1 면 및 광이 입사되고 상기 제1 면과 반대에 위치한 제2 면을 가지며 분리 영역에 의해 분리되는 복수의 픽셀 영역을 포함하는 반도체 기판 - 상기 복수의 픽셀 영역은, 이미지 데이터를 생성하는 복수의 이미지 픽셀을 구비하는 제1 영역 및 오토 포커싱(auto focusing)을 수행하는 복수의 위상차 검출 픽셀을 구비하는 제2 영역을 포함함 - ; 상기 제2 면 상에, 상기 복수의 픽셀 영역에 각각 대응되도록 배치된 복수의 홈부를 갖는 제1 그리드 패턴(grid patten); 상기 복수의 홈부의 저면에, 상기 제1 및 제2 영역 중 어느 하나의 영역에 대응되도록 선택적으로 배치된 복수의 제1 마이크로 렌즈; 상기 복수의 홈부를 각각 채우도록 배치된 복수의 컬러 필터; 상기 제1 그리드 패턴 상에 중첩되어 배치된 제2 그리드 패턴; 및 상기 제2 그리드 패턴에 의해 구획되어, 상기 복수의 컬러 필터 상에 각각 배치된 복수의 제2 마이크로 렌즈;를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는, 광전 변환부가 각각 형성된 복수의 픽셀 영역을 갖는 반도체층 - 복수의 픽셀 영역은 이미지 데이터를 생성하는 복수의 이미지 픽셀을 구비하는 제1 영역 및 오토 포커싱(auto focusing)을 수행하는 복수의 위상차 검출 픽셀을 구비하는 제2 영역을 포함함 - ; 상기 반도체층 상에 배치되며 상기 복수의 픽셀 영역에 각각 배치된 복수의 컬러 필터; 상기 반도체층과 상기 복수의 컬러 필터 사이에, 상기 복수의 픽셀 영역에 각각 대응되도록 배치된 복수의 제1 마이크로 렌즈; 및 상기 복수의 컬러 필터의 상부에, 상기 복수의 픽셀 영역에 각각 대응되도록 배치된 복수의 제2 마이크로 렌즈;를 포함하며, 상기 복수의 제1 마이크로 렌즈는 상기 제1 영역에 배치되며 제1 초점 거리(focal length)를 갖는 제1 그룹 및 상기 제2 영역에 배치되며 상기 제1 초점 거리와 상이한 제2 초점 거리를 갖는 제2 그룹을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는, 분리 영역에 의해 분리되며 된 복수의 픽셀 영역을 포함하며, 제1 면 및 광이 입사되고 상기 제1 면과 반대에 위치한 제2 면을 갖는 반도체 기판 - 상기 복수의 픽셀 영역은 이미지 데이터를 생성하는 이미지 검출 영역 및 오토 포커싱(auto focusing)을 수행하는 복수의 위상차 검출 영역을 포함함 -; 상기 반도체 기판의 제2 면 상에 상기 복수의 픽셀 영역에 각각 대응되도록 배치된 복수의 홈부를 갖는 그리드 패턴(grid pattern); 상기 복수의 홈부 내에 배치된 복수의 제1 마이크로 렌즈; 상기 복수의 홈부 내에 상기 제1 마이크로 렌즈를 각각 덮도록 배치되는 복수의 컬러 필터; 및 상기 복수의 컬러 필터 상에 각각 상기 복수의 픽셀 영역과 대응되도록 서로 이격하여 배치된 복수의 제2 마이크로 렌즈;를 포함하며, 상기 복수의 제1 마이크로 렌즈는 상기 이미지 검출 영역에 배치되며, 제1 초점 거리(focal length)를 갖는 제1 그룹 및 상기 제2 영역에 배치되며 상기 제1 초점 거리와 상이한 제2 초점 거리를 갖는 제2 그룹을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
이미지 센서의 이미지 픽셀의 초점거리와 위상차 검출 픽셀의 초점거리를 상이하게 하여 오토 포커싱의 정확도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략 평면도이다.
도 2는 도 1의 I-I'를 절개한 단면도이다.
도 3은 도 2의 C부분의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 6 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 설명하기 위한 주요 공정별 단면도이다.
도 14 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 설명하기 위한 주요 공정별 단면도이다.
도 20 내지 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 설명하기 위한 주요 공정별 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 다음과 같이 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 이미지 센서에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이며, 도 3은 도 2의 C부분의 확대도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 기판(101)에 구현된 픽셀 어레이 영역(pixel array region, PAR)과 주변 회로 영역(peripheral circuit region, PCR)을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이 영역(PAR)은 이미지 픽셀을 포함하는 제1 영역(NPA)과 위상차 검출 픽셀을 포함하는 제2 영역(AFPA)을 포함할 수 있다. 제1 영역(NPA)은 노말 픽셀 영역(normal pixel area)으로 정의될 수 있으며, 이미지 픽셀은 입사된 광의 이미지 데이터를 생성하는 픽셀을 의미한다. 제2 영역(AFPA)은 위상차 검출 영역(phase difference detection area)으로 정의될 수 있으며, 위상차 검출 픽셀은 입사된 광을 기초로 위상차 데이터를 획득하여 오토 포커싱(auto focusing)을 수행하는 픽셀을 의미한다.
주변 회로 영역(PCR)은 로직 영역(PCR1)과 패드 영역(PCR2)을 포함하며, 이미지 센서(100)를 이루는 기판(101)에서 픽셀 어레이 영역(PAR) 외의 영역을 의미한다. 패드 영역(PCR2)은 복수의 패드(102)를 포함하며, 픽셀 어레이 영역(PAR)은 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 복수의 단위 픽셀(P)을 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 로직 영역(PCR1)은 픽셀 어레이 영역(PAR)의 모서리를 따라 배치될 수 있다. 로직 영역(PCR1)은 픽셀 어레이 영역(PAR)의 4개의 모서리를 따라서 모두 위치하는 것으로 도시되었으나 이에 한정되지 않으며, 2개 또는 3개의 모서리를 따라 배치될 수 있다.
로직 영역(PCR1)은 복수의 트랜지스터들을 포함한 전자 소자들로 구현될 수 있다. 로직 영역(PCR1)은 픽셀 어레이 영역(PAR)의 각 단위 픽셀(P)에 일정한 신호를 제공하거나 출력 신호를 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 로직 영역(PCR1)은 타이밍 발생기(timing generator), 행 디코더(row decoder), 열 디코더(column decoder), 행 드라이버(row driver), 상관 이중 샘플러(correlated double sampler), 아날로그 디지탈 컨버터(analog to digital converter), 래치부(latch) 등을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 이미지 센서(100)는 반도체층(110), 배선층(120), 캐리어 기판(carrier substrate)(130), 배리어 금속층(140), 제1 그리드 패턴(SG) 및 제2 그리드 패턴(191), 컬러 필터(170) 및 제1 및 제2 마이크로 렌즈(160, 180)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(100)는 배리어 금속층(140)과 컬러 필터(170) 사이에 배치된 고정 전하층(150)을 더 포함할 수 있다.
반도체층(110)은 예를 들면, 실리콘(Si)을 포함할 수 있다. 이에 한정되지 않으나, 반도체층(110)은 게르마늄(Ge)과 같은 반도체 원소, 또는 SiC, GaAs, InAs 및 InP와 같은 화합물 반도체이거나 SOI(silicon on insulator) 구조 또는 BOX 층(buried oxide layer)을 포함할 수 있다.
반도체층(110)은 제1 면(110a) 및 제1 면(110a)과 반대에 위치한 제2 면(110b)을 포함할 수 있다. 본 상세한 설명에서, 제1 면(110a) 및 제2 면(110b)은 각각 반도체층(110)의 하면 및 상면으로 불릴 수도 있다. 반도체층(110)의 제1 면(110a)에는 배선층(120)이 배치되며, 반도체층(110)의 제2 면(110b)을 통해서 빛이 입사될 수 있다.
반도체층(110)은 실리콘 기판 또는 실리콘 기판 상에 형성된 에피택셜층일 수 있다. 반도체층(110) 내에는 복수개의 광전 변환 소자로 이루어진 광전 변환부(115)가 형성될 수 있다. 일 실시예는 제1 영역(NPA)에 3개의 광전 변환 소자(PD1~PD3)로 이루어진 광전 변환부가 배치되며, 제2 영역(AFPA)에 2개의 광전 변환 소자(PD4, PD4)가 배치된 경우를 예로 들어 설명한다. 제1 영역(NPA)에 배치된 광전 변환 소자(PD1~PD3)는 제2 면(110b)으로부터 입사되는 빛에 응답하여 광전자를 생성할 수 있다. 또한, 제2 영역(AFPA)에 배치된 광전 변환 소자(PD4, PD5)는 제2 면(110b)으로부터 입사되는 빛을 서로 다른 위상으로 분리하고 각각 개별적으로 검출되는 이미지 신호의 세기가 일치하는 위상각을 검출함으로써 각 단위 픽셀(P)의 초점을 자동으로 검출할 수 있다. 각각의 광전 변환부(115)는 포토다이오드(photodiode), 포토트랜지스터(phototransistor), 포토게이트(photogate) 또는 핀드 포토다이오드(pinned photodiode)로 구현될 수 있다.
광전 변환부(115)는 반도체층(110)의 내부에 위치한 제1 불순물 영역들(112)과 반도체층(110)의 제1 면(110a)과 가깝게 위치하거나 인접(abut)하는 제2 불순물 영역들(114)을 포함할 수 있다. 인접하는 광전 변환부(115) 사이에는 픽셀 분리막(IS)이 형성될 수 있다. 각각의 광전 변환부(115)는 픽셀 분리막(IS)에 의해 분리될 수 있다. 픽셀 분리막(IS)은 상부에서 보았을 때, 평면적으로 그물망 형태로 형성될 수 있다. 본 실시예에 채용된 픽셀 분리막(IS)은 반도체층의 제1 면(110a) 및 제2 면(110b)을 관통하는 딥 트랜치(deep trench)에 산화물과 같은 절연 물질을 매립하여 형성될 수 있다. 픽셀 분리막(IS)은 반도체층(110)을 구성하는 물질보다 굴절율이 더 낮은 물질일 수 있다.
본 실시예에 채용된 픽셀 분리막(IS)은 관통하는 딥 트랜치 형태로 형성됨으로써 광학적 크로스토크(optical crosstalk)와 전기적 크로스토크(electrical crosstalk)를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 여기서, 광학적 크로스토크는 컬러 필터(170)를 통한 입사광이 인접한 광전 변환 소자로 전달되는 현상을 말하며, 전기적 크로스토크는 광전 변환 소자의 공핍 영역(depletion region)에서 생성되는 전자 홀 쌍(electron-hole pair)이 인접한 광 감지 소자로 전달되는 현상을 말한다.
배선층(120)은 반도체층(110)의 제1 면(110a) 상에 배치될 수 있다. 배선층(120)은 층간 절연층(121)과 금속 배선(125)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 층간 절연층(121)은 실리콘 산화물과 같은 산화막 또는 산화막과 질화막의 복합막을 포함할 수 있다. 금속 배선(125)은 반도체층(110)에 형성된 광전 변환부(115)의 동작에 필요한 전기 배선으로 제공될 수 있다. 금속 배선(125)은 다층으로 구분되어 게이트나 워드 라인 레벨의 배선과, 비트라인 레벨의 배선으로 구분될 수 있다.
반도체층(110)의 제2 면(110b) 상에는 배리어 금속층(140)이 배치될 수 있다. 배리어 금속층(140)은 Ti/TiN으로 이루어질 수 있다.
배리어 금속층(140)의 상부에는 고정 전하층(150)이 배치될 수 있다. 고정 전하층(150)은, 반도체층(110)의 제2 면(110b) 표면에 정공이 축적(hole accumulation)되어 암전류가 발생하거나 화이트 스팟(white spot)이 형성되는 것을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 고정 전하층(150)은 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 이트륨(Y) 및 란타노이드(La)로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 산화물(metal oxide) 또는 금속 불화물(metal fluoride)을 포함할 수 있다.
고정 전하층(150) 상에는 제1 그리드 패턴(grid patten)(SG)이 배치될 수 있다. 제1 그리드 패턴(SG)은 컬러 필터(170)에 입사되는 광 사이의 광학적 간섭을 최소화하기 위한 것으로, 상부에서 보았을 때, 컬러 필터(170)를 서로 격리하는 격벽구조를 가질 수 있다. 제1 그리드 패턴(SG)은 각각의 단위 컬러 필터(170)에 대응되도록 홈부(HL1)가 배치될 수 있으며, 각각의 홈부(HL1)에는 적색 필터(R), 녹색(G) 필터 및 청색 필터(B)가 각각 배치될 수 있다.
제1 그리드 패턴(SG)은 굴절률이 1.3 이하인 저 굴절률 물질(low refractive index material)로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 그리드 패턴(SG)은 SiO2 또는 SiON과 같은 물질로 이루어질 수 있다. 실시예에 따라서는, 제1 그리드 패턴(SG)의 표면에는 절연층(F)이 더 배치될 수 있다. 실시예에 따라서는, 절연층(F)은 제1 그리드 패턴(SG)의 표면에서, 홈부(HL1)의 저면을 이루는 고정 전하층(150)의 상면으로 연장될 수 있다. 절연층(F)은 Al2O3와 같은 절연 물질을 포함할 수 있다.
제1 그리드 패턴(SG)의 홈부(HL1)의 저면에는 제1 마이크로 렌즈(160)가 배치될 수 있다. 다만, 실시예에 따라서는, 모든 홈부(HL1)에 제1 마이크로 렌즈(160)가 모두 배치되는 것이 아니라, 제1 마이크로 렌즈(160)는 제1 및 제2 영역(NPA, AFPA) 중 어느 한 영역에만 선택적으로 배치될 수 있다.
또한, 제1 및 제2 영역(NPA, AFPA)에 모두 배치될 수도 있으며, 이 경우에는, 제1 영역(NPA)과 제2 영역(AFPA)에 배치된 각각 제1 마이크로 렌즈(160a, 160b)는 서로 다른 초점 거리(focal length)를 갖도록 상이한 표면 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 영역(AFPA)에 배치된 제1 마이크로 렌즈(160b)는 제2 영역(AFPA)에 배치된 제2 마이크로 렌즈(160a)에 비해 두께가 두껍거나 곡률반경이 작을 수 있다.
도 3은 제1 및 제2 영역(NPA, AFPA)에 모두 제1 마이크로 렌즈(160)가 배치된 경우를 도시한 것으로, 제2 영역(AFPA)에 배치된 제1 마이크로 렌즈(160b)가 제1 영역(NPA)에 배치된 제1 마이크로 렌즈(160a)에 비해 더 두꺼우며 곡률 반경은 작게 형성된 것을 볼 수 있다. 이를 통해, 제1 영역(NPA)과 제2 영역(AFPA)에 배치된 각각 제1 마이크로 렌즈(160a, 160b)는 서로 다른 초점 거리(FL1, FL2)를 제공할 수 있다. 제1 영역(NPA)과 제2 영역(AFPA)에 배치된 컬러 필터(170a, 170b)는 제1 마이크로 렌즈(160a, 160b)를 덮도록 배치될 수 있다.
제1 마이크로 렌즈(160)는 제1 그리드 패턴(SG)의 홈부(HL1)에 내에 투광성 물질층을 배치하고 리플로우(reflow)하여 형성할 수 있다. 이를 통해, 제1 마이크로 렌즈(160)의 상면에 자연스럽게 볼록한 렌즈면이 형성될 수 있다. 홈부(HL1) 내에 배치된 투광성 물질층은 리플로우 공정에서 용융되어, 제1 그리드 패턴(SG)의 홈부(HL1)의 저면을 채우게 되므로, 제1 마이크로 렌즈(160)의 측면은 홈부(HL1)의 측벽과 빈틈없이 맞닿도록 형성될 수 있다.
이미지 데이터를 생성하는 제1 영역(NPA)과, 오토 포커싱을 수행하는 제2 영역(AFPA)은 각각의 하부에 배치된 광전 변환 소자의 차이로 인해, 서로 다른 초점 거리를 가지게 되므로, 제1 영역(NPA)과 제2 영역(AFPA)에 배치된 마이크로 렌즈의 초점 거리를 상이하게 구성할 필요성이 있다. 그러나, 제조공정 상, 컬러 필터(170)의 상부에 배치된 제2 마이크로 렌즈(180)는, 주변 회로 영역(PCR)에 로직 영역(PCR1)을 형성한 후에 형성된다. 제2 마이크로 렌즈(180)의 표면 가공을 위한 식각 공정을 진행할 경우에는, 로직 영역(PCR1)이 손상되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 제2 마이크로 렌즈(180)의 표면 가공을 통해 제1 영역(NPA)과 제2 영역(AFPA)의 초점 거리를 상이하게 하는 것은 현실적으로 어렵다. 일 실시예는, 컬러 필터(170)의 하부에 제1 마이크로 렌즈(160)를 형성하고, 로직 영역(PCR1)을 형성하기 전 단계에서 제1 마이크로 렌즈(160)의 표면을 가공할 수 있다. 따라서, 로직 영역(PCR1)의 손상을 방지하면서도, 제1 영역(NPA)과 제2 영역(AFPA)의 초점 거리(FL1, FL2)를 상이하게 할 수 있다.
컬러 필터(170)는 제1 그리드 패턴(SG)의 홈부(HL1) 내에 각각 배치될 수 있다. 컬러 필터(170)는 제1 그리드 패턴(SG)에 의해 각각 분리되어 광학적 간섭이 최소화될 수 있다. 제1 그리드 패턴(SG)의 홈부(HL1)의 저면에 제1 마이크로 렌즈(160)가 배치된 경우에는, 컬러 필터(170)는 제1 마이크로 렌즈(160)를 덮도록 배치될 수 있다. 컬러 필터(170)는 각각의 단위 픽셀 별로 적색 필터(R), 녹색 필터(G) 또는 청색 필터(B)를 갖는 베이어 패턴(bayer pattern)일 수 있다. 적색 필터(R)는 가시영역의 파장들 중에서 적색 영역의 파장들을 통과시킬 수 있다. 녹색 필터(G)는 가시영역의 파장들 중에서 녹색 영역의 파장들을 통과시킬 수 있다. 청색 필터(B)는 가시영역의 파장들 중에서 청색 영역의 파장들을 통과시킬 수 있다. 제1 영역(NPA)에는 적색 필터(R), 녹색 필터(G) 및 청색 필터(B)가 인접하여 배치될 수 있으며, 제2 영역(AFPA)에는 적색 필터(R), 녹색 필터(G) 및 청색 필터(B) 중 어느 하나의 필터(A)가 배치될 수 있다.
다른 실시예에서, 컬러 필터(170)는 시안(cyan) 필터, 마젠타(magenta) 필터 또는 엘로우(yellow) 필터일수 있다. 시안 필터는 가시영역의 파장들 중에서 450~550㎚ 영역의 파장들을 통과시킬 수 있다. 마젠타 필터는 가시영역의 파장들 중에서 400~480㎚ 영역의 파장들을 통과시킬 수 있다. 옐로우 필터는 가시영역의 파장들 중에서 500~600㎚ 영역의 파장들을 통과시킬 수 있다.
선택적으로, 배리어 금속층(140) 및 컬러 필터(170) 사이에는 단차 부위를 제거하고 평활한 면을 제공하기 위한 버퍼층이 배치될 수 있다.
컬러 필터(170)의 상부에는 홈부(HL2)를 갖는 제2 그리드 패턴(191)이 배치될 수 있다. 제2 그리드 패턴(191)은 제1 그리드 패턴(SG)과 중첩되는 영역에, 제1 그리드 패턴(SG)의 두께(W1) 보다 작은 두께(W1)를 갖도록 배치될 수 있다. 제2 그리드 패턴(191)의 홈부(HL2) 내에 제2 마이크로 렌즈(180)가 배치될 수 있다. 제2 그리드 패턴(191)은 제2 마이크로 렌즈(180)를 서로 격리하는 격벽구조를 가질 수 있다. 제2 그리드 패턴(191)은 투광성 물질로 이루어질 수 있다. 실시예에 따라서, 제2 그리드 패턴(191)은 굴절률이 1.7 이상인 고 굴절률 물질(high refractive index material)로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제2 그리드 패턴(191)은 폴리머(polymer) 또는 금속 산화물(metal oxide)로 이루어질 수 있다. 제2 그리드 패턴(191)의 측벽은 2000Å~3000Å의 높이(H)를 가질 수 있다. 제2 그리드 패턴(191)의 높이(H)가 2000Å 미만인 경우에는, 단위 픽셀 간의 광학적 크로스토스를 방지하는 격벽으로서의 효과가 실질적으로 상실될 수 있다. 또한, 제2 그리드 패턴(191)의 높이(H)가 3000Å을 초과하게 되면, 측벽에서 난반사가 발생하여 단위 픽셀에서 획득되는 이미지 데이터 및 위상차 데이터의 정확도가 감소될 수 있다.
제2 마이크로 렌즈(180)는 컬러 필터(170)의 상부에 배치되며, 제2 그리드 패턴(191)의 각각의 홈부(HL2)를 채우며 상부로 볼록하게 형성될 수 있다. 제2 마이크로 렌즈(180)는 제2 그리드 패턴(191)의 홈부(HL2)에 내에 투광성 물질층을 배치하고 리플로우(reflow)하여 형성할 수 있다. 이를 통해, 제1 마이크로 렌즈(180)의 측면(S)은 제2 그리드 패턴(191)과 맞닿게 형성되며, 상면(TP)에는 자연스럽게 볼록한 렌즈면이 형성될 수 있다. 홈부(HL2) 내에 배치된 투광성 물질층은 리플로우 공정에서 용융되어, 제2 그리드 패턴(191)의 홈부(HL2)의 저면을 채우게 되므로, 제2 마이크로 렌즈(180)의 측면은 홈부(HL2)의 측벽와 빈틈없이 맞닿도록 형성될 수 있다.
실시예에 따라서는, 제2 마이크로 렌즈(180)의 상면(TP)에는 제2 마이크로 렌즈(180)를 덮는 보호층(192)이 더 배치될 수 있다. 보호층(192)은 제2 그리드 패턴(191)과 접하도록 배치될 수 있으며, 제2 그리드 패턴(191)이 투광성 물질로 이루어진 경우에는, 제2 그리드 패턴(191)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
도 4는 일 실시예에 의한 이미지 센서(100A)이다. 일 실시예는, 앞서 설명한 실시예와 동일한 구성은 동일한 도면부호로 도시하였다. 앞서 설명한 실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략하며, 차이점을 중심으로 설명한다.
일 실시예는, 앞서 설명한 실시예에 비해, 제2 그리드 패턴(193)이 보호층(194)의 상부로 돌출된 경우이다. 이 경우, 인접한 단위 픽셀(P)간의 광학적 크로스토크가 더욱 감소되는 효과가 있다.
도 5는 일 실시예에 의한 이미지 센서(100B)이다. 일 실시예는, 앞서 설명한 실시예와 동일한 구성은 동일한 도면부호로 도시하였다. 앞서 설명한 실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략하며, 차이점을 중심으로 설명한다.
일 실시예는, 앞 설명한 실시예에 비해, 제2 마이크로 렌즈(180')가 측면 없이 상면(TP) 만 형성되며, 제2 그리드 패턴(195)은 제2 마이크로 렌즈(180')의 상면(TP)을 일부 영역을 덮도록 배치될 수 있다. 일 실시예는, 제1 영역(NPA)에만 제1 마이크로 렌즈(160d)가 선택적으로 배치된 예이다.
다음으로, 도 6 내지 도 13을 참조하여, 앞서 설명한 도 2의 이미지 센서(100)의 제조 공정에 대해 설명한다. 도 6 내지 도 13은 도 2에 도시된 이미지 센서(100)의 제조공정의 일 예를 설명하기 위한 주요 공정별 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 캐리어 기판(130) 상에 배선층(120) 및 반도체층(110)이 형성된 구조물을 마련하고, 반도체층(110)의 제2 면(110b) 상에 배리어 금속층(140) 및 고정 전하층(150)을 순차적으로 형성할 수 있다. 캐리어 기판(130), 배선층(120) 및 반도체층(110)은 앞서 설명한 일 실시예에서 설명하였으므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다. 배리어 금속층(140)은 반도체층(110) 상에 Ti/TiN을 증착하여 형성할 수 있다. 고정 전하층(150)은 배리어 금속층(140) 상에 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 이트륨(Y) 및 란타노이드(La)로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 산화물(metal oxide) 또는 금속 불화물(metal fluoride)을 증착하여 형성할 수 있다.
다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 고정 전하층(150) 상에 반도체층(110)의 각각의 광전 변환 소자(PD1~PD5)에 대응되는 홈부(HL1)를 갖는 제1 그리드 패턴(SG)을 형성할 수 있다. 제1 그리드 패턴(SG)은 각각의 광전 변환부(115)를 구분하는 매트릭스 형태로 제공될 수 있다. 제1 그리드 패턴(SG)은 굴절률이 1.3 이하인 저 굴절률 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 그리드 패턴(SG)은 SiO2, SiON 과 같은 물질로 이루어질 수 있다. 실시예에 따라서는, 제1 그리드 패턴(SG) 상에 에 Al2O3와 같은 절연 물질을 포함하는 절연층(F)을 형성할 수 있다. 절연층(F)은 제1 그리드 패턴(SG)의 표면에서 연장되어, 홈부(HL1)의 저면을 이루는 고정 전하층(150)의 상면으로 연장되도록 형성되어, 홈부(HL1)의 측면 및 저면을 덮도록 배치될 수 있다.
다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 홈부(HL1)의 저면에 제1 마이크로 렌즈(160)를 형성할 수 있다. 제1 마이크로 렌즈(160)는 홈부(HL1)에 투광성 물질층을 형성하고 리플로우함으로써 표면 장력에 의해 상면에 자연스럽게 렌즈면이 형성되도록 할 수 있다. 실시예에 따라서는, 리플로우 후에 추가 식각 공정을 수행하여 제1 마이크로 렌즈(160)의 표면 형상을 조절할 수도 있다. 이를 통해, 제1 마이크로 렌즈(160)의 각각의 광학 특성을 조절하는 것도 가능하다. 이러한 식각 공정은, 제1 마이크로 렌즈(160)가 배치된 영역에 따라 선택적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(NPA)에 배치된 제1 마이크로 렌즈(160)의 표면 형상과, 제2 영역(AFPA)에 배치된 제1 마이크로 렌즈(160)의 표면 형상을 상이하게 할 수 있다. 이를 통해, 제1 영역(NPA)과 제2 영역(AFPA)에 배치된 제1 마이크로 렌즈(160)의 초점거리를 서로 상이하게 할 수 있다.
다음으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 그리드 패턴(SG)의 홈부(HL1) 내에 각각 컬러 필터(170)를 형성할 수 있다. 제1 영역(NPA)에는 적색 필터(R), 녹색 필터(G) 및 청색 필터(B)가 인접하여 형성될 수 있으며, 제2 영역(AFPA)에는 적색 필터(R), 녹색 필터(G) 및 청색 필터(B) 중 어느 하나의 필터(A)가 형성될 수 있다.
다음으로, 도 10을 참조하면, 컬러 필터(170) 상에 포토레지스트(PR1)를 도포하여 마스킹하고, 포토레지스트(PR1)를 전체적으로 덮도록 절연층(190a)을 형성할 수 있다. 이때 포토레지스트(PR1)는 제1 그리드 패턴(SG)의 홈부(HL1)를 덮을 수 있는 크기로 형성하여, 후속 공정에서 형성되는 제2 그리드 패턴(191)이 제1 그리드 패턴(SG)과 중첩되는 영역 내에만 선택적으로 형성되게 할 수 있다. 절연층(190a)은 굴절률이 1.7 이상인 폴리머(polymer) 또는 금속 산화물(metal oxide)로 이루어질 수 있다. 이어, 절연층(190a)의 상면을 전면 식각을 수행하면, 도 11에 도시된 바와 같이, 홈부(HL2)를 갖는 제2 그리드 패턴(191)을 형성할 수 있다. 식각 공정은, 제2 그리드 패턴(191)의 측벽이 2000Å~3000Å의 높이(H)를 갖도록 조절될 수 있다.
다음으로, 도 12에 도시된 바와 같이, 제2 그리드 패턴(191)의 홈부(HL2) 내에 투광성 물질층(LM)을 형성하고 리플로우하여, 도 13에 도시된 바와 같이, 상면에 렌즈면이 형성된 제2 마이크로 렌즈(180)를 형성할 수 있다. 실시예에 따라서는, 제2 마이크로 렌즈(180)의 상면에는 제2 마이크로 렌즈(180)를 보호하기 위한 보호층이 더 형성될 수 있다.
다음으로, 도 14 내지 도 19을 참조하여, 앞서 설명한 도 2의 이미지 센서(100)의 일 실시예의 제조 공정에 대해 설명한다. 도 14 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 설명하기 위한 주요 공정별 단면도이다. 도 14의 공정은 앞서 설명한 실시예의 도 6 이후에 수행되는 공정이므로, 도 6에 대한 설명은 생략한다.
도 14에 도시된 바와 같이, 고정 전하층(150) 상에 각각의 광전 변환 소자(PD1~PD5)에 대응되도록 배치된 제1 마이크로 렌즈(IL)를 형성할 수 있다. 제1 마이크로 렌즈(IL)는 고정 전하층(150) 상에 투광성 물질층을 형성하고 리플로우 하여 형성할 수 있다. 일 실시예의 제1 마이크로 렌즈(160)는 앞서 설명한 실시예와 달리, 그리드 패턴 없이 고정 전하층(150) 상에 직접 형성될 수 있다.
다음으로, 도 15에 도시된 바와 같이, 제1 마이크로 렌즈(IL)를 덮도록 컬러 필터(170)를 형성할 수 있다. 컬러 필터(170)는 각각의 단위 픽셀 마다 구분되도록 형성될 수 있다.
다음으로, 도 16에 도시된 바와 같이, 컬러 필터(170) 상에 평탄화층(PL)을 형성하고, 평탄화층(PL) 상에 포토레지스트(PR2)를 도포하여 마스킹할 수 있다. 이후 식각 공정을 수행하면, 도 17에 도시된 바와 같이, 각각의 컬러 필터(170)를 단위 픽셀 단위로 서로 분할하는 홈부(HL3)를 형성할 수 있다. 각각의 컬러 필터(170) 상에는 잔여 평탄화층(PLa)이 남아 있을 수 있다. 잔여 평탄화층(PLa)은 후속 공정에서 식각 공정을 수행할 때에, 컬러 필터(170)가 식각되는 것을 방지하는 보호층으로 사용될 수 있다.
다음으로, 도 18에 도시된 바와 같이, 컬러 필터(170)를 전체적으로 덮으며, 홈부(HL3)를 채우도록 투광성 물질층(ML)을 형성할 수 있다. 투광성 물질층(ML)은 굴절률이 1.3 이하인 저 굴절률 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 투광성 물질층(ML)은 SiO2, SiON 과 같은 물질로 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 19에 도시된 바와 같이, 컬러 필터(170)가 노출되는 높이까지 투광성 물질층(ML)(도 18 참조)을 식각하면, 컬러 필터(170)를 서로 격리하는 격벽 구조인 제1 그리드 패턴(SG)이 형성될 수 있다. 도 19 이후의 제조 공정은, 앞서 설명한 실시예의 도 10 내지 도 13과 동일하므로, 구체적인 설명은 생략한다.
다음으로, 도 20 내지 도 22를 참조하여, 앞서 설명한 도 5의 이미지 센서(100B)의 제조 공정에 대해 설명한다. 도 20 내지 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조공정을 설명하기 위한 주요 공정별 단면도이다. 도 20 이전의 제조 공정은, 앞서 설명한 실시예의 도 14 내지 도 19와 동일하므로, 구체적인 설명은 생략한다.
먼저, 도 20에 도시된 바와 같이, 컬러 필터(170) 상에 평탄화층(PL)을 형성하고, 평탄화층(PL) 상에 마이크로 렌즈 형상의 마스크 패턴(OL)을 형성한 후, 식각 공정을 수행할 수 있다. 마이크로 렌즈 형상의 마스크 패턴(OL)은 후속 공정에서, 평탄화층(PL)에 마이크로 렌즈를 전사하기 위한 것이다. 평탄화층(PL)은 SiO2와 같은 투광성 물질로 형성될 수 있으며, 2000Å 내지 3000Å의 두께(T)로 형성할 수 있다.
식각 공정이 수행되면, 도 21에 도시된 바와 같이, 마스크 패턴(OL)의 마이크로 렌즈 형상이 평탄화층(PL)에 전사되어, 제2 마이크로 렌즈(180')가 형성될 수 있다.
다음으로, 도 22에 도시된 바와 같이, 제2 마이크로 렌즈(180')를 덮도록 물질층(SL)을 형성한 후, 포토레지스트(PR3)를 도포하여 마스킹하고, 식각 공정을 수행하여, 도 5의 이미지 센서(100B)를 제조할 수 있다. 물질층(SL)은 굴절률이 1.7 이상인 폴리머(polymer) 또는 금속 산화물(metal oxide)로 이루어질 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100, 100A, 100B: 이미지 센서
110: 반도체층
115: 광전 변환부
120: 배선층
121: 층간 절연층
125: 금속 배선
130: 캐리어 기판
140: 배리어 금속층
150: 고정 전하층
160: 제1 마이크로 렌즈
170: 컬러 필터
180: 제2 마이크로 렌즈
NPA: 제1 영역
AFPA: 제2 영역

Claims (10)

  1. 제1 면 및 광이 입사되고 상기 제1 면과 반대에 위치한 제2 면을 가지며 분리 영역에 의해 분리되는 복수의 픽셀 영역을 포함하는 반도체 기판 - 상기 복수의 픽셀 영역은, 이미지 데이터를 생성하는 복수의 이미지 픽셀을 구비하는 제1 영역 및 오토 포커싱(auto focusing)을 수행하는 복수의 위상차 검출 픽셀을 구비하는 제2 영역을 포함함 - ;
    상기 제2 면 상에, 상기 복수의 픽셀 영역에 각각 대응되도록 배치된 복수의 홈부를 갖는 제1 그리드 패턴(grid patten);
    상기 복수의 홈부의 저면에, 상기 제1 및 제2 영역 중 어느 하나의 영역에 대응되도록 선택적으로 배치된 복수의 제1 마이크로 렌즈;
    상기 복수의 홈부를 각각 채우도록 배치된 복수의 컬러 필터;
    상기 제1 그리드 패턴 상에 중첩되어 배치된 제2 그리드 패턴; 및
    상기 제2 그리드 패턴에 의해 구획되어, 상기 복수의 컬러 필터 상에 각각 배치된 복수의 제2 마이크로 렌즈;를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 그리드 패턴의 굴절률(n1)은 상기 제2 그리드 패턴의 굴절률(n2) 보다 낮은 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 그리드 패턴의 굴절률(n1)은 n1 ≤ 1.3의 범위인 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 그리드 패턴의 굴절률(n2)은 n2 ≥ 1.7의 범위인 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제2 마이크로 렌즈를 덮으며 상기 제2 그리드 패턴과 접하는 커버층이 더 배치된 이미지 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 그리드 패턴의 단부는 상기 커버층 상에 돌출된 이미지 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 그리드 패턴은 상기 커버층과 동일한 물질로 이루어진 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 그리드 패턴과 상기 반도체 기판 사이에 배치되어 상기 홈부의 저면을 이루며, SiO2, SiON, Al2O3, HfO2, Ta2O5 및 ZrO2로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 고정 전하층을 더 포함하는 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 홈부의 측면을 이루는 상기 제1 그리드 패턴의 측면 및 상기 홈부의 저면에 노출된 상기 고정 전하층의 표면에는 Al2O3를 포함하는 절연층이 더 배치된 이미지 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 마이크로 렌즈는 각각 상기 제1 그리드 패턴의 측면과 접하는 영역을 가지며,
    상기 복수의 제2 마이크로 렌즈는 각각 상기 제2 그리드 패턴의 측면과 접하는 영역을 갖는 이미지 센서.
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