KR20210100413A - 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는, 광전 변환 소자를 포함하는 기판, 및 상기 기판의 하부에 순차적으로 적층되고, 각각이 적어도 하나의 메탈 패턴을 포함하는 복수의 메탈층들을 포함하며, 상기 복수의 메탈층들에 포함된 메탈 패턴들은 상기 광전 변환 소자를 향해 오목한 형태로 배치될 수 있다.
Description
본 개시는 적외광에 대응하는 전기적 신호를 생성할 수 있는 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 적외광에 대한 감도를 높일 수 있는 이미지 센서를 제공하기 위함이다.
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, 광전 변환 소자를 포함하는 기판, 및 상기 기판의 하부에 순차적으로 적층되고, 각각이 적어도 하나의 메탈 패턴을 포함하는 복수의 메탈층들을 포함하며, 상기 복수의 메탈층들에 포함된 메탈 패턴들은 상기 광전 변환 소자를 향해 오목한 형태로 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 이미지 센서는, 광전 변환 소자를 포함하는 기판; 및 상기 기판의 하부에 순차적으로 적층되는 제1 내지 제n(n은 2이상의 정수) 메탈층을 포함하며, 상기 제1 내지 제n 메탈층 중 제k(k는 1이상 n이하의 정수) 메탈층에 포함된 메탈 패턴들 간의 간격은 제l(l은 k보다 큰 정수) 메탈층에 포함된 메탈 패턴들 간의 간격보다 클 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시 예들에 따르면, 광전 변환 소자를 투과한 적외광을 다시 광전 변환 소자로 반사시키는 구조를 통해 적외광에 대한 흡수율을 개선할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 단위 픽셀을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 단위 픽셀의 단면의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 단위 픽셀의 단면의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2의 단위 픽셀의 단면의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 2의 단위 픽셀의 단면의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 단위 픽셀을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 단위 픽셀의 단면의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 단위 픽셀의 단면의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2의 단위 픽셀의 단면의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 2의 단위 픽셀의 단면의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)는 CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor) 이미지 센서로서, 픽셀 어레이(pixel array, 110), 로우 디코더(row decoder, 120), 상관 이중 샘플러(Correlate Double Sampler; CDS, 130), 아날로그-디지털 컨버터(Analog-Digital Converter; ADC, 140), 출력 버퍼(output buffer, 150), 컬럼 디코더(column decoder, 160) 및 타이밍 컨트롤러(timing controller, 170) 를 포함할 수 있다. 여기서, 이미지 센서(100)의 각 구성은 예시적인 것에 불과하며, 필요에 따라 적어도 일부의 구성이 추가되거나 생략될 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 2차원으로 배열된 복수의 단위 픽셀들(Unit Pixels, 200)을 포함할 수 있다. 복수의 단위 픽셀들은 각각 또는 적어도 2이상의 단위 픽셀들이 적어도 하나의 소자를 공유하는 공유 픽셀(shared pixel) 단위로 광 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있다. 각 단위 픽셀 또는 공유 픽셀은 3T 픽셀, 4T 픽셀 또는 5T 픽셀에 해당할 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 픽셀 어레이(110)는 로우 디코더(120)로부터 로우 선택 신호, 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호 등을 포함하는 구동 신호를 수신할 수 있으며, 구동 신호에 의하여 픽셀 어레이(110)는 구동될 수 있다.
단위 픽셀(200)은 적외선(또는 근적외선) 파장 대역(예컨대, 800nm~1000nm)을 갖는 적외광을 수광하여 적외광의 세기에 대응하는 전기적 신호를 생성할 수 있다.
예를 들어, 단위 픽셀(200)에 의해 생성된 전기적 신호는 ToF(Time of Flight) 방식으로 대상물과의 거리를 감지할 수 있는 깊이 이미지를 생성하는데 이용될 수 있다. 즉, 조명 장치(미도시)는 이미지 센서(100)가 촬영하는 장면을 향해 미리 정해진 파장으로 변조된 변조광을 방사하고, 이미지 센서(100)는 장면 내의 물체들로부터 반사된 변조광(입사광)을 감지하여 각 픽셀마다 깊이 정보를 연산할 수 있다. 변조광과 입사광은 적외 파장 대역의 광일 수 있다. 변조광과 입사광 사이에는 이미지 센서(100)와 물체 간의 거리에 따른 시간 지연(time delay)이 존재하게 되는데, 이러한 시간 지연은 이미지 센서(100)가 생성하는 신호의 위상차(phase difference)로 나타나게 된다. 이미지 프로세서(미도시)는 이미지 센서(100)로부터 출력되는 신호에 나타난 위상차를 연산하여 각 픽셀마다의 깊이 정보를 포함하는 깊이 이미지를 생성할 수 있다.
여기서, 조명 장치(미도시)와 이미지 프로세서(미도시)는 이미지 센서(100)와 하나의 모듈을 구성할 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
다른 실시예에 따라, 단위 픽셀(200)에 의해 생성된 전기적 신호는 가시광을 감지할 수 없는 저조도 환경에서 적외광 이미지를 획득하는데 이용될 수 있다. 또 다른 실시예에 따라, 단위 픽셀(200)에 의해 생성된 전기적 신호는 가시광 이미지를 보정하는데 이용될 수 있다.
일 실시예에 따라, 픽셀 어레이에 포함된 단위 픽셀들은 모두 적외광을 감지하는 단위 픽셀들(200)로 구성될 수 있다. 다른 실시예에 따라, 픽셀 어레이는 적외광을 감지하는 단위 픽셀들(200)과, 단위 픽셀들(200)과는 다른 종류의 단위 픽셀들(예컨대, 가시광을 감지하는 단위 픽셀들)을 함께 포함할 수 있다.
로우 디코더(120)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 픽셀 어레이(110)를 구동할 수 있다. 구체적으로, 로우 디코더(120)는 픽셀 어레이(110)의 적어도 하나의 로우를 선택할 수 있다. 로우 디코더(120)는 복수의 로우들 중 적어도 하나의 로우를 선택하기 위하여 로우 선택 신호를 생성할 수 있다. 그리고, 로우 디코더(120)는 선택된 적어도 하나의 로우에 대응하는 픽셀들에 대해 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호를 순차적으로 인에이블시킬 수 있다. 이에 따라, 선택된 로우의 픽셀들 각각으로부터 생성되는 아날로그 형태의 기준 신호와 영상 신호가 순차적으로 상관 이중 샘플러(130)로 전달될 수 있다. 여기서, 기준 신호와 영상 신호는 픽셀 신호로 통칭될 수 있다.
상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)로부터 복수의 컬럼 라인들 각각에 제공되는 기준 신호와 영상 신호를 순차적으로 샘플링 및 홀딩(sampling and holding)할 수 있다. 즉, 상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 기준 신호와 영상 신호의 레벨을 샘플링하고 홀딩할 수 있다.
상관 이중 샘플러(130)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 컬럼들 각각의 기준 신호와 영상 신호를 상관 이중 샘플링 신호로서 ADC(140)로 전달할 수 있다.
ADC(140)는 상관 이중 샘플러(130)로부터 출력되는 각각의 컬럼들에 대한 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. ADC(140)는 각각의 컬럼에 대한 상관 이중 샘플링 신호 및 타이밍 컨트롤러(170)로부터 제공되는 램프 신호(ramp signal)를 기반으로 카운팅 동작과 연산 동작을 수행함에 따라 각각의 컬럼에 해당하는 노이즈(예컨대, 각 픽셀 고유의 리셋 노이즈)가 제거된 디지털 형태의 영상 데이터를 생성할 수 있다.
ADC(140)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 복수의 컬럼 카운터들을 포함하고, 컬럼 카운터들을 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환시켜 영상 데이터를 생성할 수 있다. 다른 실시예에 따라, ADC(140)는 하나의 글로벌 카운터를 포함하고, 글로벌 카운터에서 제공되는 글로벌 코드를 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환시킬 수 있다.
출력 버퍼(150)는 ADC(140)에서 제공되는 각각의 컬럼 단위의 영상 데이터를 캡쳐하여 출력할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 ADC(140)에서 출력되는 영상 데이터를 일시 저장할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 이미지 센서(100)와 연결된 다른 장치 사이의 전송(또는 처리) 속도 차이를 보상해주는 인터페이스로서 동작할 수 있다.
컬럼 디코더(160)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택하고, 선택된 출력 버퍼(150) 컬럼에 일시 저장된 영상 데이터가 순차적으로 출력될 수 있다. 구체적으로, 컬럼 디코더(160)는 타이밍 컨트롤러(170)로부터 어드레스 신호를 수신할 수 있으며, 컬럼 디코더(160)는 어드레스 신호를 기반으로 컬럼 선택 신호를 생성하여 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택함으로써, 선택된 출력 버퍼(150)의 컬럼으로부터 영상 데이터가 출력 신호(SO)로 출력되도록 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 로우 디코더(120), ADC(140), 출력 버퍼(150) 및 컬럼 디코더(160)를 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 이미지 센서(100)의 각 구성의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤을 위한 제어 신호, 및 로우 또는 컬럼을 선택하기 위한 어드레스 신호들을 로우 디코더(120), 컬럼 디코더(160), ADC(140) 및 출력 버퍼(150)에 제공할 수 있다. 실시예에 따라, 타이밍 컨트롤러(170)는 로직 제어회로(Logic control circuit), 위상 고정 루프(Phase Lock Loop, PLL) 회로, 타이밍 컨트롤 회로(timing control circuit) 및 통신 인터페이스 회로(communication interface circuit) 등을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 단위 픽셀을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 단위 픽셀(200)은 도 1의 픽셀 어레이(110)에 포함된 단위 픽셀을 의미할 수 있다. 단위 픽셀(200)은 적외광을 수광하여 적외광에 대응하는 전기 신호를 생성하는 픽셀의 예시로서, 본 개시에서는 하나의 단위 픽셀(200)에 대해 설명되나, 도시되지 않은 다른 단위 픽셀에도 마찬가지의 구조 및 기능이 적용될 수 있다.
도 3 이하에서는 제1 내지 제3 절단선(X1-X1', X2-X2', X3-X3') 중 적어도 하나를 따라 단위 픽셀(200)을 절단한 단면을 기초로 단위 픽셀(200)의 구조 및 기능에 대해 설명하기로 한다. 제1 절단선(X1-X1')은 단위 픽셀(200)의 중앙 영역을 가로 방향으로 절단하는 선이고, 제2 및 제3 절단선(X2-X2', X3-X3')은 각각 단위 픽셀(200)의 외곽 영역을 가로 방향으로 절단하는 선이다. 본 개시에서는 단위 픽셀(200)을 가로 방향으로 절단하는 절단선에 대응하는 구조 및 기능을 예로 들어 설명하나, 단위 픽셀(200)을 세로 방향으로 절단하는 절단선에 대응하는 구조 및 기능에 대해서도 단위 픽셀(200)을 가로 방향으로 절단하는 절단선에 상응하는 구조 및 기능이 적용될 수 있다.
도 3은 도 2의 단위 픽셀의 단면의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 단위 픽셀(200)의 단면(300)은 도 2의 제1 절단선(X1-X1')을 따라 단위 픽셀(200)을 절단한 단면일 수 있다.
단위 픽셀(200)의 단면(300)은 기판(301), 광전 변환 소자(302), 소자 분리막(303), 그리드 영역(304), 광학 필터(305), 마이크로 렌즈(306) 및 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md)을 포함할 수 있다.
기판(301)은 서로 대향하는 상부면과 하부면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(301)은 P형 또는 N형 벌크(bulk) 기판, P형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층(epitaxial layer)이 성장된 기판, 또는 N형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층이 성장된 기판일 수 있다.
광전 변환 소자(302)는 기판(301) 내에 단위 픽셀(200)에 대응하는 영역에 배치될 수 있다. 광전 변환 소자(302)는 입사광의 세기에 대응하는 광전하를 생성 및 축적할 수 있다. 광전 변환 소자(302)는 수광 효율을 나타내는 필 팩터(fill-factor)를 높이기 위해, 가능한 넓은 면적에 걸쳐 형성될 수 있다. 예를 들어, 광전 변환 소자(302)는 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 핀형(pinned) 포토 다이오드 또는 이들의 조합으로 구현될 수도 있다.
광전 변환 소자(302)가 포토 다이오드로 구현되는 경우, N형 이온을 주입하는 이온 주입(ion implantation) 공정을 통해 N형 도핑 영역으로 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 포토다이오드는 복수의 도핑 영역들이 적층된 형태로 형성될 수 있다. 이 경우 하부 도핑 영역은 P형 이온 및 N+형 이온이 주입되어 형성될 수 있고, 상부 도핑 영역은 N-형 이온이 주입되어 형성될 수 있다.
소자 분리막(303)은 광전 변환 소자(302)의 좌우에서 트렌치 공정(trench process)을 통해 수직으로 깊게 파인 DTI(deep trench isolation) 구조를 형성하고, 기판(303)과 굴절률이 다른(즉, 반사율이 높은) 절연 물질로 갭필(gap-fill)되어 형성될 수 있다. 예컨대, 소자 분리막(303)은 실리콘 산화막, 실리콘질화막 및 실리콘산화질화막 중 적어도 하나로 형성될 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 소자 분리막(303)은 단위 픽셀(200) 내부로 입사된 광이 인접하는 다른 픽셀로 투과하여 신호 대 잡음비를 저하시키는 광학적 크로스토크(optical crosstalk)를 방지할 수 있다.
그리드 영역(304)은 서로 인접하는 광학 필터들(305) 사이에 배치되어, 서로 인접하는 광학 필터들(270) 간의 광학적 크로스토크를 방지할 수 있다. 그리드 영역(304)은 광 흡수율이 높은 금속으로 구성될 수 있으며, 실시예에 따라 서로 다른 종류의 복수의 금속들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 그리드 영역(304)은 텅스텐(W)과 티타늄 나이트라이드(TiN)가 적층된 형태를 가질 수 있다.
광학 필터(305)는 기판(301)의 상부에 형성될 수 있고, 특정 파장의 광(예컨대, 적외선(infrared ray), 레드(Red), 그린(Green), 블루(Blue) 등)을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 단위 픽셀(200)에 포함된 광학 필터(305)는 적외광을 흡수할 수 있도록 적외선 필터일 수 있다. 실시예에 따라, 광학 필터(305)의 하부에는 반사 방지층(미도시)이 형성될 수 있다.
마이크로 렌즈(306)는 광학 필터(305)의 상부에 형성될 수 있고, 입사광에 대한 집광력(light gathering power)을 높여 수광 효율을 향상시킬 수 있다. 마이크로 렌즈(306)의 상부 또는 하부에는 외부로부터 입사되는 광의 난반사를 방지하여 플레어 특성을 억제할 수 있는 오버 코팅층(미도시)이 추가로 형성될 수 있다.
제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md) 각각은 단위 픽셀(200)의 동작에 필요한 제어 신호(예컨대, 로우 선택 신호, 픽셀 리셋 신호, 전송 신호 등)를 전달하거나, 단위 픽셀(200)에 의해 생성된 픽셀 신호(예컨대, 기준 신호, 영상 신호 등)를 외부로 출력하기 위한 메탈 배선들을 포함할 수 있다.
제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md)은 기판(301)을 기준으로 아래 방향으로 순차적으로 적층될 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md)은 각각 M0 내지 M3 메탈층, M1~M4 메탈층을 의미할 수 있다. 또한, 4개의 메탈층인 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md)을 예로 들어 설명하나, 이하 설명되는 반사 구조는 임의의 개수의 메탈층(예컨대, 3개 또는 5개의 메탈층)에 걸쳐 형성될 수 있다. 아울러, 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md)은 연속된 메탈층이 아니고 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md) 중 적어도 2 이상의 인접한 메탈층들은 불연속적일 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제3 메탈층(Ma~Mc)은 M0~M2 메탈층이고, 제4 메탈층(Md)은 M4 메탈층일 수 있다.
제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md) 각각은 적어도 하나의 메탈 배선(예컨대, 310-1, 310-2) 및 적어도 하나의 메탈 배선의 절연을 위해 적어도 하나의 메탈 배선을 감싸는 절연층으로 구성될 수 있다. 이에 따라, 서로 인접하는 메탈층들(예컨대, Ma, Mb)에 포함된 메탈 배선들은 서로 전기적으로 분리될 수 있다.
단위 픽셀(200)의 양 끝에 제1 간격(d1)을 갖도록 제1 메탈층(Ma)의 메탈 패턴들(310-1, 310-2)이 배치될 수 있다. 도 3에는 메탈 패턴들(310-1, 310-2)이 각각 소자 분리막(303)의 하부에 배치되는 것으로 도시되었으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 메탈 패턴들(310-1, 310-2)을 비롯하여 이하에서 설명되는 메탈 패턴들은 수평 방향으로 인접하여 배치된 두 메탈 라인을 포함하나, 이는 예시적인 것이며 메탈 패턴들에 포함된 메탈 라인의 개수 및 형태는 변형될 수 있다. 본 개시에서 메탈 패턴은 일정 간격(예컨대, 1000nm) 이내로 인접하여 배치된 메탈 라인들의 집합을 의미할 수 있다. 만일 일정 간격 이내로 인접하는 메탈 라인이 없는 경우, 하나의 메탈 라인도 메탈 패턴을 구성할 수 있다.
제1 메탈층(Ma)의 메탈 패턴들(310-1, 310-2)의 안쪽에 제2 간격(d2)을 갖도록 제2 메탈층(Mb)의 메탈 패턴들(320-1, 320-2)이 배치될 수 있다. 여기서, 제1 메탈층(Ma)의 메탈 패턴들(310-1, 310-2)의 안쪽은 메탈 패턴들(310-1, 310-2) 각각에 수직한 가상의 직선들 사이의 영역을 의미할 수 있다. 이러한 '안쪽'의 개념은 이후의 설명에서도 동일하게 적용될 수 있다. 한편, 제2 간격(d2)은 제1 간격(d1)보다 작을 수 있다.
제2 메탈층(Mb)의 메탈 패턴들(320-1, 320-2)의 안쪽에 제3 간격(d3)을 갖도록 제3 메탈층(Mc)의 메탈 패턴들(330-1, 330-2)이 배치될 수 있다. 제3 간격(d3)은 제2 간격(d2)보다 작을 수 있다.
마지막으로, 제3 메탈층(Mc)의 메탈 패턴들(330-1, 330-2)의 안쪽에 제4 메탈층(Md)의 메탈 패턴(340-1)이 배치될 수 있다. 여기서, 제4 메탈층(Md)에는 하나의 메탈 패턴(340-1) 만이 메탈 패턴들(330-1, 330-2)의 안쪽에 배치되는 것으로 도시되었으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고 제4 메탈층(Md)의 복수의 메탈 패턴들이 배치될 수도 있다.
적외광은 가시광에 비해 파장이 큰 이유로 매우 작은 두께를 갖는 기판(301)에 배치된 광전 변환 소자(302)에 의해 흡수되어 광전하로 변환되는 비율(즉, 광전 변환 효율)이 상대적으로 매우 낮다. 적외광에 대한 광전 변환 효율을 높이기 위해 기판(301)의 두께를 늘리는 방법이 이용될 수 있으나, 기판(301)의 부피가 불필요하게 증가하게 되어 가시광을 흡수하는 픽셀들을 함께 포함하는 이미지 센서에서 이용되기에 부적절하다.
본 발명의 실시예에서는, BSI(Back Side Illumination) 방식의 이미지 센서(100)의 기판(301) 하부에 배치된 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md)에 포함된 메탈 패턴들이 광전 변환 소자(302)를 향해 광전 변환 소자(302)를 향해 오목한 형태를 가질 수 있다. 즉, 단위 픽셀(200)에 해당하는 영역 내에서 기판(301)으로부터 특정 메탈층의 메탈 패턴들은 기판(301)으로부터 더 가까운 메탈층의 메탈 패턴들의 안쪽(또는 사이)에서 더 작은 간격을 갖도록 배치될 수 있다. 반대로 설명하자면, 단위 픽셀(200)에 해당하는 영역 내에서 기판(301)으로부터 특정 메탈층의 메탈 패턴들은 기판(301)으로부터 더 먼 메탈층의 메탈 패턴들을 안쪽(또는 사이)에 포함하고 더 큰 간격을 갖도록 배치될 수 있다. 즉, 메탈 패턴들 간의 간격은 기판(301)으로부터 멀어질수록 좁아져 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md)에 포함된 메탈 패턴들이 광전 변환 소자(302)를 향해 전체적으로 오목한 형태를 가질 수 있다. 여기서, 오목한 형태는 도 3에서와 같이 아래로 뾰족한 뿔 형태일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, 특정 곡률을 갖는 오목 거울 형태일 수도 있다.
각 메탈 패턴은 광 반사율과 전기 전도도가 높은 금속(예컨대, 은, 알루미늄, 구리 등)으로 구현될 수 있다. 즉, 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md)에 포함된 메탈 패턴들은 광 반사율이 높은 물질로 구성되어 광전 변환 소자(302)를 향해 오목한 형태를 가지는바, 광전 변환 소자(302)로 입사되었으나 광전 변환 소자(302)에 의해 흡수되지 않고 투과한 적외광을 다시 광전 변환 소자(302) 방향으로 반사시킬 수 있다. 반사된 적외광은 직접 또는 다른 구조물(예컨대, 다른 메탈 패턴 또는 소자 분리막)에 의해 반사되어 광전 변환 소자(302)의 내부로 재입사될 수 있다. 이러한 재입사된 적외광의 광 경로가 증가되어 광전 변환 소자(302)가 파장이 상대적으로 긴 적외광을 보다 효과적으로 흡수할 수 있게 된다.
제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md)에 포함된 메탈 패턴들은 단위 픽셀(200)의 설계에 있어 필수적으로 들어가야만 하는 구조이기도 하지만, 그 배치와 배열이 비교적 자유로워 단위 픽셀(200)의 성능을 저해하지 않는 범위 내에서 적절한 배치와 배열을 통해 적외광에 대한 반사를 효율적으로 수행할 수 있는 형태로 설계가 가능하다. 또한, 별도로 추가적인 반사 구조의 도입 없이 단위 픽셀(200)에 필수적으로 포함되는 구성의 배치와 배열의 변경을 통해 적외광에 대한 픽셀 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 설명되는 각 메탈 패턴에 포함된 서로 인접하는 메탈 라인들 간의 간격은 반사하고자 하는 광 파장 대역에 따라 설계가 가능한데, 단위 픽셀(200)과 같이 적외선(또는 근적외선) 파장 대역의 광을 반사시키는 구조에는 서로 인접하는 메탈 라인들은 약 800nm~1000nm의 간격을 가지는게 효율적이다. 만일 단위 픽셀(200)과 달리 다른 파장 대역의 광을 반사시키는 구조에서는 서로 인접하는 메탈 라인들의 간격이 달라질 수 있다. 예를 들어, 가시광선 파장 대역의 광을 반사시키는 구조에서는 서로 인접하는 메탈 라인들의 간격은 약 400 ~ 750 nm의 범위 내에서 해당 컬러에 따라 선택될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md)에 포함된 메탈 패턴들은 단위 픽셀(200)의 중심을 지나는 센터 라인(CL)을 중심으로 대칭적으로 정렬되어 배치될 수 있으나, 다른 실시예에 따라 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md) 각각에 포함된 메탈 패턴들의 중심이 센터 라인(CL)을 기준으로 일측(좌측 또는 우측)에 위치하도록 배치될 수 있다. 이는 단위 픽셀(200)로 입사되는 주광선(chief-ray)이 특정한 입사각도를 갖는 픽셀 어레이(110)의 에지 영역에서 메탈 패턴들에 의한 광 반사 효율을 높이기 위함이다. 예를 들어, 도 3에서 주광선이 센터 라인(CL)의 우측으로부터 일정 입사각도를 갖는 경우, 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md) 각각에 포함된 메탈 패턴들의 중심은 센터 라인(CL)을 기준으로 좌측에 위치하도록 배치될 수 있다.
본 개시에서는 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md)을 예로 들어 설명되나, 광전 변환 소자(302)를 향해 오목한 형태를 형성하기 위한 메탈층의 특징을 일반화하면 다음과 같다. 기판(301)의 하부에는 제1 내지 제n(n은 2이상의 정수) 메탈층이 순차적으로 적층되고, 제1 내지 제n 메탈층 중 제k(k는 1 내지 n-1 중 어느 하나의 정수) 메탈층에 포함된 메탈 패턴들 간의 간격은 제l(l은 k보다 큰 정수) 메탈층에 포함된 메탈 패턴들 간의 간격보다 클 수 있다. 또한, 제l 메탈층에 포함된 메탈 패턴들은 제k 메탈층에 포함된 메탈 패턴들의 안쪽에 배치될 수 있다.
도 4는 도 2의 단위 픽셀의 단면의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 단위 픽셀(200)의 중앙 영역이 도 3의 단면(300)을 갖는 경우, 도 4에 도시된 단면(400)은 도 2의 제2 절단선(X2-X2') 또는 제3 절단선(X3-X3')을 따라 단위 픽셀(200)을 절단한 단면일 수 있다.
단위 픽셀(200)의 단면(400)은 기판(301), 광전 변환 소자(302), 소자 분리막(303), 그리드 영역(304), 광학 필터(305), 마이크로 렌즈(306) 및 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md)을 제외하고는 도 3에서 설명된 구성들과 실질적으로 동일한 바 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
단위 픽셀(200)의 양 끝에 제4 간격(d4)을 갖도록 제1 메탈층(Ma)의 메탈 패턴들(410-1, 410-2)이 배치될 수 있다. 제4 간격(d4)은 도 3의 제1 간격(d1)보다 작을 수 있다. 즉, 제1 메탈층(Ma)에 포함된 메탈 패턴들 간의 간격은 단위 픽셀(200)의 중앙으로부터 외곽으로 갈수록 좁아질 수 있다.
제1 메탈층(Ma)의 메탈 패턴들(410-1, 410-2)의 안쪽에 제5 간격(d5)을 갖도록 제2 메탈층(Mb)의 메탈 패턴들(420-1, 420-2)이 배치될 수 있다. 제5 간격(d5)은 제4 간격(d4)보다 작을 수 있다. 또한, 제5 간격(d5)은 도 3의 제2 간격(d2)보다 작을 수 있다. 즉, 제2 메탈층(Mb)에 포함된 메탈 패턴들 간의 간격은 단위 픽셀(200)의 중앙으로부터 외곽으로 갈수록 좁아질 수 있다.
마지막으로, 제2 메탈층(Mb)의 메탈 패턴들(420-1, 420-2)의 안쪽에 제3 메탈층(Mc)의 메탈 패턴(430-1)이 배치될 수 있다.
즉, 각 메탈층에 포함된 메탈 패턴들 간의 간격은 단위 픽셀(200)의 중앙으로부터 외곽으로 갈수록 좁아지고 최하단의 메탈 패턴이 위치한 메탈층이 상부로 이동할 수 있다. 이러한 구조로 인해, 제1 절단선(X1-X1')에 수직한 절단선에 따른 단면은 제1 절단선(X1-X1')에 따른 단면에 상응하는 구조를 갖고, 제2 또는 제3 절단선(X2-X2' or X3-X3')에 수직한 절단선에 따른 단면은 제2 또는 제3 절단선(X2-X2' or X3-X3')에 따른 단면에 상응하는 구조를 가질 수 있다. 따라서, 단위 픽셀(200)의 중심을 지나는 임의의 절단선을 따라 절단한 단면에서 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md)에 포함된 메탈 패턴들은 광전 변환 소자(302)를 향해 오목한 형태를 가질 수 있다.
실시예에 따라, 도 3에서 설명된 바와 같이 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md) 각각에 포함된 메탈 패턴들의 중심이 센터 라인(CL)을 기준으로 일측(좌측 또는 우측)에 위치하도록 배치되는 경우, 도 4에서도 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md) 각각에 포함된 메탈 패턴들의 중심이 센터 라인(CL)을 기준으로 동일 측(좌측 또는 우측)에 위치하도록 배치될 수 있다.
다른 실시예에 따라, 단위 픽셀(200)의 외곽 영역의 단면은 도 4와 달리 도 3의 단면(300)과 동일할 수도 있다.
도 5는 도 2의 단위 픽셀의 단면의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 단위 픽셀(200)의 단면(500)은 도 2의 제1 절단선(X1-X1')을 따라 단위 픽셀(200)을 절단한 단면일 수 있다.
단위 픽셀(200)의 단면(500)은 기판(301), 광전 변환 소자(302), 소자 분리막(303), 그리드 영역(304), 광학 필터(305), 마이크로 렌즈(306) 및 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md)을 제외하고는 도 3에서 설명된 구성들과 실질적으로 동일한 바 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
단위 픽셀(200)의 양 끝에 제1 메탈층(Ma)의 메탈 패턴들(510-1, 510-2)이 배치될 수 있다. 또한, 메탈 패턴들(510-1, 510-2) 사이에는 메탈 패턴 (510-1) 및 메탈 패턴(510-2) 각각과 제6 간격(d6)을 갖도록 메탈 패턴(510-3)이 배치될 수 있다. 메탈 패턴(510-3)은 메탈 패턴 (510-1) 및 메탈 패턴(510-2) 각각과 동일한 제6 간격(d6)을 갖는 것으로 도시되었으나, 실시예에 따라 상이한 간격을 가질 수도 있다.
메탈 패턴(510-3)은 다른 메탈 패턴과 마찬가지로 복수의 메탈 라인들로 구성될 수 있으나, 도 5와 같이 상대적으로 넓은 폭을 갖는 메탈 라인으로 구성될 수 있다. 이처럼 폭이 넓은 메탈 라인으로 구성된 메탈 패턴(510-3)은 광전 변환 소자(302)를 투과하는 입사광이 집중되는 단위 픽셀(200)의 중앙에 배치되어(즉, 센터 라인(CL)과 오버랩되어 배치되어) 효과적으로 입사광을 광전 변환 소자(302)로 반사시킬 수 있다. 메탈 패턴(510-3)은 중앙 반사 패턴으로 불릴 수 있다.
제1 메탈층(Ma)의 메탈 패턴들(510-1, 510-3)의 안쪽에 제7 간격(d7)을 갖도록 제2 메탈층(Mb)의 메탈 패턴들(520-1, 520-2)이 배치될 수 있다. 또한, 제1 메탈층(Ma)의 메탈 패턴들(510-2, 510-3)의 안쪽에 제7 간격(d7)을 갖도록 제2 메탈층(Mb)의 메탈 패턴들(520-3, 520-4)이 배치될 수 있다. 제7 간격(d7)은 제6 간격(d6)보다 작을 수 있다. 메탈 패턴들(520-1, 520-2)의 간격과 메탈 패턴들(520-3, 520-4)의 간격은 동일한 제7 간격(d7)을 갖는 것으로 도시되었으나, 실시예에 따라 상이한 간격을 가질 수도 있다.
마지막으로, 제2 메탈층(Mb)의 메탈 패턴들(520-1, 520-2)의 안쪽에 제3 메탈층(Mc)의 메탈 패턴(530-1)이 배치되고, 제2 메탈층(Mb)의 메탈 패턴들(520-3, 520-4)의 안쪽에 제3 메탈층(Mc)의 메탈 패턴(530-2)이 배치될 수 있다.
BSI 방식의 이미지 센서(100)의 기판(301) 하부에 배치된 제1 내지 제3 메탈층(Ma~Mc)에 포함된 메탈 패턴들이 센터 라인(CL)을 기준으로 좌우 양측에서 광전 변환 소자(302)를 향해 오목한 형태를 가질 수 있다. 즉, 단위 픽셀(200)의 좌측 또는 우측 영역 내에서 기판(301)으로부터 특정 메탈층의 메탈 패턴들은 기판(301)으로부터 더 가까운 메탈층의 메탈 패턴들의 안쪽(또는 사이)에서 더 작은 간격을 갖도록 배치될 수 있다. 반대로 설명하자면, 단위 픽셀(200)의 좌측 또는 우측 영역 내에서 기판(301)으로부터 특정 메탈층의 메탈 패턴들은 기판(301)으로부터 더 먼 메탈층의 메탈 패턴들을 안쪽(또는 사이)에 포함하고 더 큰 간격을 갖도록 배치될 수 있다. 즉, 메탈 패턴들 간의 간격은 기판(301)으로부터 멀어질수록 좁아져 제1 내지 제3 메탈층(Ma~Mc)에 포함된 메탈 패턴들이 광전 변환 소자(302)를 향해 전체적으로 오목한 형태를 가질 수 있다. 여기서, 오목한 형태는 도 5에서와 같이 아래로 뾰족한 뿔 형태일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, 특정 곡률을 갖는 오목 거울 형태일 수도 있다. 또한, 도 5에서는 오목한 형태를 제1 내지 제3 메탈층(Ma~Mc)에 포함된 메탈 패턴들이 형성하는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, 제1 내지 제2 메탈층(Ma~Mb) 또는 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md)과 같이 2개, 4개, 또는 그 이상의 메탈층들에 포함된 메탈 패턴들이 오목한 형태를 형성할 수 있다.
제1 내지 제3 메탈층(Ma~Mc)에 포함된 메탈 패턴들은 광 반사율이 높은 물질로 구성되어 광전 변환 소자(302)를 향해 오목한 형태를 가지는바, 광전 변환 소자(302)로 입사되었으나 광전 변환 소자(302)에 의해 흡수되지 않고 투과한 적외광을 다시 광전 변환 소자(302) 방향으로 반사시킬 수 있다. 반사된 적외광은 직접 또는 다른 구조물(예컨대, 다른 메탈 패턴 또는 소자 분리막)에 의해 반사되어 광전 변환 소자(302)의 내부로 재입사될 수 있다. 이러한 재입사된 적외광의 광 경로가 증가되어 광전 변환 소자(302)가 파장이 상대적으로 긴 적외광을 보다 효과적으로 흡수할 수 있게 된다.
본 개시에서는 도 2의 제1 절단선(X1-X1')을 따라 단위 픽셀(200)을 절단한 단면(500)에 대해서만 설명하였으나, 도 2의 제2 또는 제3 절단선(X2-X2' or X3-X3')에 따른 단면은 단면(500)과 실질적으로 동일할 수 있다. 다른 실시예에 따라, 도 4에서와 같이 단위 픽셀(200)의 외곽으로 갈수록 오목한 면적이 줄어들도록 메탈 패턴들이 배치될 수 있다.
도 6은 도 2의 단위 픽셀의 단면의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 단위 픽셀(200)의 단면(600)은 도 2의 제1 절단선(X1-X1')을 따라 단위 픽셀(200)을 절단한 단면일 수 있다.
단위 픽셀(200)의 단면(600)은 기판(301), 광전 변환 소자(302), 소자 분리막(303), 그리드 영역(304), 광학 필터(305), 마이크로 렌즈(306) 및 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 내지 제4 메탈층(Ma~Md)을 제외하고는 도 3에서 설명된 구성들과 실질적으로 동일한 바 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
제1 메탈층(Ma)의 메탈 패턴(610)은 광전 변환 소자(302)의 하부를 전체적으로 커버하도록 배치되는 복수의 메탈 라인들을 포함할 수 있다. 복수의 메탈 라인들에 포함된 서로 인접하는 메탈 라인들 간의 간격은 반사하고자 하는 광 파장 대역에 따라 설계가 가능한데, 단위 픽셀(200)과 같이 적외선(또는 근적외선) 파장 대역의 광을 반사시키는 구조에는 서로 인접하는 메탈 라인들은 약 800nm~1000nm의 간격을 가질 수 있다. 만일 단위 픽셀(200)과 달리 다른 파장 대역의 광을 반사시키는 구조에서는 서로 인접하는 메탈 라인들의 간격이 달라질 수 있다. 예를 들어, 가시광선 파장 대역의 광을 반사시키는 구조에서는 서로 인접하는 메탈 라인들의 간격은 약 400 ~ 750 nm의 범위 내에서 해당 컬러에 따라 선택될 수 있다.
도 6과 같이 제1 메탈층(Ma)의 메탈 패턴(610)이 광전 변환 소자(302)의 하부를 전체적으로 커버하도록 배치되는 복수의 메탈 라인들을 포함함으로써, 광전 변환 소자(302)를 투과한 입사광을 누설되는 광을 최소화하면서 광전 변환 소자(302) 방향으로 반사시킬 수 있다.
비록 도 6에는 제2 내지 제4 메탈층(Mb~Md)에는 메탈 패턴이 배치되지 않는 것처럼 도시되었으나, 단위 픽셀(200)의 동작에 필요한 메탈 패턴이 추가적으로 배치될 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 (16)
- 광전 변환 소자를 포함하는 기판; 및
상기 기판의 하부에 순차적으로 적층되고, 각각이 적어도 하나의 메탈 패턴을 포함하는 복수의 메탈층들을 포함하며,
상기 복수의 메탈층들에 포함된 메탈 패턴들은 상기 광전 변환 소자를 향해 오목한 형태로 배치되는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 메탈층들 중 제1 메탈층에 포함된 메탈 패턴들 간의 제1 간격은 상기 제1 메탈층의 하부에 배치된 제2 메탈층에 포함된 메탈 패턴들 간의 제2 간격보다 큰 이미지 센서. - 제2항에 있어서,
상기 제2 메탈층에 포함된 메탈 패턴들은 상기 제1 메탈층에 포함된 메탈 패턴들의 안쪽에 배치되는 이미지 센서. - 제2항에 있어서,
상기 제2 간격은 상기 제2 메탈층의 하부에 배치된 제3 메탈층에 포함된 메탈 패턴들 간의 제3 간격보다 큰 이미지 센서. - 제4항에 있어서,
상기 제3 메탈층에 포함된 메탈 패턴들은 상기 제2 메탈층에 포함된 메탈 패턴들의 안쪽에 배치되는 이미지 센서. - 제2항에 있어서,
상기 광전 변환 소자가 포함된 단위 픽셀의 중앙으로부터 외곽으로 갈수록, 상기 제1 메탈층에 포함된 메탈 패턴들 간의 간격이 커지는 이미지 센서. - 제2항에 있어서,
상기 광전 변환 소자가 포함된 단위 픽셀의 중앙으로부터 외곽으로 갈수록, 상기 제2 메탈층에 포함된 메탈 패턴들 간의 간격이 커지는 이미지 센서. - 제2항에 있어서,
상기 복수의 메탈층들 중 제1 메탈층은 상기 광전 변환 소자의 센터 라인과 오버랩되어 배치되는 중앙 반사 패턴을 더 포함하는 이미지 센서. - 제8항에 있어서,
상기 중앙 반사 패턴과, 상기 센터 라인의 좌측에 배치된 상기 제1 메탈층의 메탈 패턴 간의 제6 간격은, 상기 센터 라인의 좌측에 배치된 상기 제2 메탈층의 메탈 패턴들 간의 제7 간격보다 큰 이미지 센서. - 제9항에 있어서,
상기 센터 라인의 좌측에 배치된 상기 제2 메탈층의 메탈 패턴들은, 상기 중앙 반사 패턴과, 상기 센터 라인의 좌측에 배치된 상기 제1 메탈층의 메탈 패턴의 안쪽에 배치되는 이미지 센서. - 제8항에 있어서,
상기 중앙 반사 패턴과, 상기 센터 라인의 우측에 배치된 상기 제1 메탈층의 메탈 패턴 간의 제6 간격은, 상기 센터 라인의 우측에 배치된 상기 제2 메탈층의 메탈 패턴들 간의 제7 간격보다 큰 이미지 센서. - 제11항에 있어서,
상기 센터 라인의 우측에 배치된 상기 제2 메탈층의 메탈 패턴들은, 상기 중앙 반사 패턴과, 상기 센터 라인의 우측에 배치된 상기 제1 메탈층의 메탈 패턴의 안쪽에 배치되는 이미지 센서. - 제2항에 있어서,
상기 제1 메탈층에 포함된 메탈 패턴들 중 적어도 하나는 광학적 크로스토크를 방지하기 위한 소자 분리막의 하부에 배치되는 이미지 센서. - 광전 변환 소자를 포함하는 기판; 및
상기 기판의 하부에 순차적으로 적층되는 제1 내지 제n(n은 2이상의 정수) 메탈층을 포함하며,
상기 제1 내지 제n 메탈층 중 제k(k는 1이상 n이하의 정수) 메탈층에 포함된 메탈 패턴들 간의 간격은 제l(l은 k보다 큰 정수) 메탈층에 포함된 메탈 패턴들 간의 간격보다 큰 이미지 센서. - 제14항에 있어서,
제l 메탈층에 포함된 메탈 패턴들은 상기 제k 메탈층에 포함된 메탈 패턴들의 안쪽에 배치되는 이미지 센서. - 제14항에 있어서,
제1 내지 제n 메탈층에 포함된 메탈 패턴들은 상기 광전 변환 소자를 향해 오목한 형태로 배치되는 이미지 센서.
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