KR20210126937A - 이미지 센싱 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센싱 장치는 각 유닛 픽셀에 대응되는 광전변환영역이 배치된 기판, 적어도 일부가 상기 광전변환영역과 오버랩 되도록 배치되고, 상기 광전변환영역으로 향하는 입사광을 상기 광전변환영역으로부터 멀어지는 방향으로 반사하는 제1 반사체 및 상기 기판의 상부에 배치되고, 상기 제1 반사체가 반사한 상기 입사광을 다시 상기 광전변환영역에 가까워지는 방향으로 반사하는 제2 반사체를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 이미지 센싱 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 반사체 구조물을 포함하는 이미지 센싱 장치에 관한 것이다.
이미지 센싱 장치(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 장치이다. 최근, 컴퓨터 산업과 통신 산업이 발달함에 따라, 디지털 카메라, 캠코더, PCS(personal communication system). 게임기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로봇산업 또는 적외선 센싱 장치 분야 등에서 이미지 센싱 장치의 수요가 증가하고 있다.
이미지 센싱 장치는 대표적으로 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센싱 장치와, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센싱 장치로 구분될 수 있다. CCD 이미지 센싱 장치는 CMOS 이미지 센싱 장치와 비교하여 잡음(noise)이 적고, 화질이 우수하다. 반면, CMOS 이미지 센싱 장치는 간단한 방식으로 구동되며, 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다.
또한, CMOS 이미지 센싱 장치는 기존 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 소형화가 용이하고 집적도가 높아지게 되어 전력 소모가 매우 낮다. 그 뿐만 아니라 CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있으므로 낮은 제조 단가를 갖는다.
본 발명의 기술적 사상은 적외선 파장 대역의 빛을 효과적으로 감지할 수 있는 이미지 센싱 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예는 제1 반사체 및 제2 반사체를 도입 함으로써 입사광의 광 경로를 증가시키고, 광전 변환 효율이 향상된 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 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 발명의 이미지 센싱 장치는 각 유닛 픽셀에 대응되는 광전변환영역이 배치된 기판, 적어도 일부가 상기 광전변환영역과 오버랩 되도록 배치되고, 상기 광전변환영역으로 향하는 입사광을 상기 광전변환영역으로부터 멀어지는 방향으로 반사하는 제1 반사체 및 상기 기판의 상부에 배치되고, 상기 제1 반사체가 반사한 상기 입사광을 다시 상기 광전변환영역에 가까워지는 방향으로 반사하는 제2 반사체를 포함할 수 있다.
또한, 일 실시 예에서, 상기 이미지 센싱 장치는 광전변환영역으로 입사광을 집광하는 마이크로 렌즈를 더 포함하고, 상기 제1 반사체는 상기 기판의 상부면에 대해 제1 각도를 갖는 제1 반사면을 포함하고, 상기 제2 반사체는 상기 마이크로 렌즈의 하부면에 대해 제2 각도를 갖는 제2 반사면을 포함할 수 있다.
또한, 일 실시 예에서, 상기 제1 각도는 25도에서 35도 사이의 값을 가질 수 있다.
또한, 일 실시 예에서, 상기 제2 각도는 42도에서 62도 사이의 값을 가질 수 있다.
또한, 일 실시 예에서, 상기 제2 반사체는 상기 제2 반사면과 소정 각도를 가지면서 상기 기판을 향해 연장되는 수직 반사면을 더 포함할 수 있다.
또한, 일 실시 예에서, 상기 제1 반사체는, 메탈층, 및 저굴절률층 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 일 실시 예에서, 상기 제2 반사체는, 메탈층, 및 저굴절률층 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 일 실시 예에서, 상기 제2 반사체는 서로 인접하는 상기 유닛 픽셀간의 경계에 배치되고, 상기 제1 반사체는 상기 제2 반사체들 사이에 배치될 수 있다.
또한, 일 실시 예에서, 상기 제1 반사체 또는 상기 제2 반사체는 각각 알루미늄, 은, 실리콘 옥사이드, 구리 및 주석 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 일 실시 예에서, 이미지 센싱 장치는 상기 광전변환영역을 상기 광전변환영역에 인접한 다른 광전변환영역으로부터 물리적으로 분리하는 분리영역을 더 포함할 수 있다.
또한, 일 실시 예에서, 상기 제2 반사체는 상기 제1 반사체가 반사한 입사광을 상기 분리영역 방향으로 재반사할 수 있다.
또한, 일 실시 예에서, 상기 분리영역은 내부층 및 상기 내부층을 둘러싸는 외부층을 포함하고, 상기 내부층은 메탈층 및 에어층 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 외부층은 절연막 층으로 구성될 수 있다.
또한, 일 실시 예에서, 상기 제1 반사체는 상기 광전변환영역을 향해 연장되는 제3 반사면을 더 포함하고, 상기 제3 반사면은 상기 제2 반사면에 의해 반사된 입사광을 상기 분리영역을 향해 재반사 할 수 있다.
또한, 일 실시 예에서, 이미지 센싱 장치는 상기 기판 하부에 위치하는 배선영역을 더 포함하고, 상기 배선영역은 상기 기판을 통과한 상기 입사광을 상기 광전변환영역으로 재반사하는 하부 반사층을 포함할 수 있다.
또한, 일 실시 예에서, 상기 하부 반사층은 은, 구리, 알루미늄 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 문서에서 개시되는 실시 예들에 따르면, 적외선을 감지하는 이미지 센싱 장치에서, 광전 변환 효율 및 감도를 개선할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예들에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이에서 A-A'절취선을 따라 절단된 유닛 픽셀의 일 예를 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 1의 픽셀 어레이에서 A-A' 절취선을 따라 절단된 유닛 픽셀의 일부를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 픽셀 어레이에서 A-A'의 절취선을 따라 절단된 유닛 픽셀의 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 1의 픽셀 어레이에서 A-A'의 절취선을 따라 절단된 유닛 픽셀의 또 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 1의 픽셀 어레이에서 A-A'의 절취선을 따라 절단된 제1 반사체가 광전변환영역으로 확장된 유닛 픽셀의 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도 7은 도 1의 픽셀 어레이에서 A-A'의 절취선을 따라 절단된 하부 반사층을 포함하는 유닛 픽셀의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
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도 4는 도 1의 픽셀 어레이에서 A-A'의 절취선을 따라 절단된 유닛 픽셀의 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 1의 픽셀 어레이에서 A-A'의 절취선을 따라 절단된 유닛 픽셀의 또 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 1의 픽셀 어레이에서 A-A'의 절취선을 따라 절단된 제1 반사체가 광전변환영역으로 확장된 유닛 픽셀의 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도 7은 도 1의 픽셀 어레이에서 A-A'의 절취선을 따라 절단된 하부 반사층을 포함하는 유닛 픽셀의 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.
또한, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 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 실시 예들에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센싱 장치(10)는 픽셀 어레이(pixel array, 100), 상관 이중 샘플러(Correlate Double Sampler; CDS, 200), 아날로그-디지털 컨버터(Analog-Digital Converter; ADC, 300), 버퍼(Buffer, 400), 로우 드라이버(row driver, 500), 타이밍 제너레이터(timing generator, 600), 제어 레지스터(control register, 700) 및 램프 신호 제너레이터(ramp signal generator, 800)를 포함할 수 있다. 여기서, 이미지 센싱 장치(10)의 각 구성은 예시적인 것에 불과하며, 필요에 따라 적어도 일부의 구성이 추가되거나 생략될 수 있다.
픽셀 어레이(100)는 2차원 구조로 연속적으로 배열된 복수의 유닛 픽셀(PX)들을 포함할 수 있다. 복수의 유닛 픽셀들은 각 유닛에 입사된 광을 대응되는 전기 신호로 변환하여 픽셀 신호를 생성할 수 있다. 생성된 픽셀 신호는 컬럼 라인들(column lines)을 통해 상관 이중 샘플러(200)로 출력할 수 있다.
각 유닛 픽셀(PX)은 기판 내에 형성된 광전변환영역(140)을 포함할 수 있다. 이때, 각 광전변환영역(140)은 복수의 서브 광전변환영역(140)들이 연속적으로 연결되면서 적층된 구조로 형성될 수 있다. 복수의 유닛 픽셀(PX)들은 각각 로우 라인들(row lines) 중 하나 및 컬럼 라인들(column lines) 중 하나와 연결될 수 있다.
상관 이중 샘플러(200)는 픽셀 어레이(100)의 유닛 픽셀(PX)들로부터 수신된 전기적 이미지 신호를 유지(hold) 및 샘플링할 수 있다. 예를 들어, 상관 이중 샘플러(200)는 타이밍 제너레이터(600)로부터 제공된 클럭 신호에 따라 기준 전압 레벨과 수신된 전기적 이미지 신호의 전압 레벨을 샘플링하여 그 차이에 해당하는 아날로그적 신호를 아날로그-디지털 컨버터(300)로 전송할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(300)는 램프 신호 제너레이터(800)로부터 출력된 램프 신호와 상관 이중 샘플러(200)로부터 출력되는 샘플링 신호를 서로 비교하여 비교 신호를 출력할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(300)는 타이밍 제너레이터(600)로부터 제공되는 클럭 신호에 따라 비교 신호의 레벨 전이(transition) 시간을 카운트하고, 카운트 값을 버퍼(400)로 출력할 수 있다.
버퍼(400)는 아날로그-디지털 컨버터(300)로부터 출력된 복수의 디지털 신호 각각을 저장한 후 이들 각각을 감지 증폭하여 출력할 수 있다. 따라서, 버퍼(400)는 메모리(미도시)와 감지증폭기(미도시)를 포함할 수 있다. 메모리는 카운트 값을 저장하기 위한 것이며, 카운트 값은 복수의 유닛 픽셀(PX)들로부터 출력된 신호에 연관된 카운트 값을 의미한다. 감지증폭기는 메모리로부터 출력되는 각각의 카운트 값을 감지하여 증폭할 수 있다.
로우 드라이버(500)는 타이밍 제너레이터(600)의 신호에 따라 픽셀 어레이(100)를 로우라인(row line) 단위로 구동할 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(500)는 복수의 로우라인(row line)들 중에서 어느 하나의 로우라인(row line)을 선택할 수 있는 선택 신호를 생성할 수 있다. 이러한 선택 신호는 후술되는 스위칭 정션의 온/오프 동작을 제어하기 위한 제어신호를 포함할 수 있다.
타이밍 제너레이터(600)는 로우 드라이버(500), 상관 이중 샘플링(200), 아날로그-디지털 컨버터(300) 및 램프 신호 제너레이터(800)의 동작을 제어하기 위한 타이밍 신호를 생성할 수 있다.
제어 레지스터(700)는 램프 신호 제너레이터(800), 타이밍 제너레이터(600) 및 버퍼(400)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호들을 생성할 수 있다.
램프 신호 제너레이터(800)는 제어 레지스터(700)의 제어 신호와 타이밍 제너레이터(600)의 타이밍 신호에 근거하여 버퍼(400)로부터 출력되는 이미지 신호를 제어하기 위한 램프 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 설명의 편의를 위해 전체 픽셀 어레이 중 일부에 대해 설명하나, 픽셀 어레이의 나머지 부분에 대해서도 동일한 설명이 적용될 수 있다.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이에서 A-A'절취선을 따라 절단된 유닛 픽셀의 일 예를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 이미지 센싱 장치(10)의 픽셀 어레이(100)의 각 유닛 픽셀(PX)의 단면(100-1)이 도시된다.
각각의 유닛 픽셀(PX)은 마이크로 렌즈(110), 광학필터(120), 기판(130), 광전변환영역(140), 제1 반사체(150) 및 제2 반사체(160)를 포함할 수 있다.
유닛 픽셀(PX)은 이미지 센싱 장치(100)에 포함되는 복수의 광전변환영역(140)에 대하여, 하나의 광전변환영역(140)이 대응되는 픽셀 단위를 의미할 수 있다.
마이크로 렌즈(110)는 유닛 픽셀(PX)에 대한 입사광이 진입하는 층으로, 광학필터(120) 상단에 배치될 수 있다. 입사광의 광경로는 마이크로 렌즈(110)의 굴절률, 곡률, 배치 형태 등에 따라 변경될 수 있다. 마이크로 렌즈(110)는 입사광을 집속함으로써 유닛 픽셀(PX)간 크로스 토크를 방지하고 수광 효율을 증대시킬 수 있다.
광학필터(120)는 마이크로 렌즈(110)와 기판(130)사이에 배치될 수 있다. 광학필터(120)는 유닛 픽셀(PX)의 위치에 따라 복수의 광전변환영역(140)에 대응 되도록 미리 설정된 규칙의 패턴으로 배치될 수 있다.
광학필터(120)의 두께는 첨가되는 색소의 양 및 요구되는 투과 특성에 따라 달라질 수 있다. 광학필터(120)는 마이크로 렌즈(110)을 통해 입사되는 광으로부터 적외선(특히, 근적외선)을 필터링하여 투과시킬 수 있다. 광학필터(120)가 투과시키는 파장의 대역은 850nm 내지 940nm의 적외선 대역일 수 있다. 광학필터(120)는 유닛 픽셀(PX) 별로 형성될 수 있다.
기판(130)은 반도체 기판일 수 있다. 기판(130)은 단결정 상태일 수 있으며, 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 기판(130)은 P형 불순물을 포함할 수 있다.
광전변환영역(140)은 기판(130)의 내부에 단위 픽셀(PX)별로 형성될 수 있다. 광전변환영역(140)은 무기 포토다이오드를 포함할 수 있다. 광전변환영역(140)은 입사광을 흡수하여, 입사한 광량에 대응하는 전하를 축적하는 역할을 할 수 있다. 광전변환영역(140)은 포토다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
광전변환영역(140)은 기판(130) 내에 수직 방향으로 적층된 불순물 영역을 포함할 수 있다.
예를 들어, 광전변환영역(140)이 포토다이오드(Photo Diode)인 경우, 광전변환영역(140)은 N형 불순물 영역과 P형 불순물 영역이 수직방향으로 적층된 구조를 포함할 수 있다. 광전변환영역(140)의 N형 불순물 영역과 P형 불순물 영역은 순차적인 이온주입공정을 통해 형성될 수 있다.
일 실시 예에서, 센싱 대상이 되는 광의 파장에 따라 기판(130)내에서 광전변환영역(140)의 배치 위치가 변경될 수 있다.
적외선(특히, 근적외선)은 기판(130)에 대한 침투 깊이가 깊기 때문에 적외선을 센싱 하기 위한 소자는 다른 파장의 광(청색광 혹은 녹색광 등)을 센싱 하는 소자에 비해 광전변환영역(140)이 기판(130)의 깊은 위치에 배치될 수 있다. 이때 깊은 위치란 Y축을 기준으로 마이크로 렌즈(110)로부터 먼 위치를 의미할 수 있다.
적외선의 침투 깊이에 대응할 수 있는 위치에 광전변환영역(140)을 배치하기 위해서는 기판(130) 두께가 증가되어야 하는 바, 생산 단가가 상승 및 모듈 크기가 증가하는 등의 기술적 문제가 발생할 수 있다.
또한, 적외선의 침투 깊이에 대응할 수 있는 위치에 광전변환영역(140)이 배치되지 못하는 경우, 광전변환영역(140)에 흡수되지 못하고 기판(130)을 통과하는 광량이 증가하여 광전 변환 효율이 저하된다.
본 발명은 제1 반사체(150)와 제2 반사체(160)를 도입함으로써 적외선의 광 경로를 증가시켜 이미지 센싱 장치(10)의 모듈 크기를 최소화 하면서도 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에서, 제1 반사체(150) 및 제2 반사체(160)에 의해 수직입사광(IL1, IL2)의 경로가 연장됨으로써 적외선의 깊은 침투 깊이에 대응할 수 있는 광 경로를 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 광전변환영역(140)에 대한 수직입사광(IL1, IL2)의 광 경로를 연장할 수 있도록 광전변환영역(140)과 제1 반사체(150)의 적어도 일부가 오버랩되도록 배치될 수 있다.
광전변환영역(140)에 적어도 일부가 오버랩 된다는 것은 광전변환영역(140)에 대해 수직으로 입사하는 광의 적어도 일부를 반사할 수 있는 위치에 배치되는 것을 의미할 수 있다. 제1 반사체(150)가 광전변환영역(140)의 적어도 일부에 오버랩 되도록 배치됨으로써 수직입사광(IL1, IL2)이 최단 경로로 광전변환영역(140)에 도달하는 것을 방지할 수 있다.
일 실시 예에서 제1 반사체(150)는 제2 반사체(160)들의 사이에 위치할 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 반사체(150)는 기판(130)의 일 평면과 제1 각도(θ1)를 이루는 복수의 제1 반사면(R1)들을 가질 수 있다. 제1 반사체(150)의 제1 반사면(R1)들은 광전변환영역(140)으로 입사하는 입사광들을 제2 반사체(160) 방향으로 반사하는 형태로 구성될 수 있다.
제1 반사체(150)의 제1 반사면(R1)은 기판(130)의 일면과 제1 각도(θ1)를 이루며, 제1 각도(θ1)는 제1 반사체(150)와 광전변환영역(140)간의 거리, 제1 반사체(150)의 크기 및 제1 반사체(150)와 제2 반사체(160)간의 위치 관계 등에 의해 결정될 수 있다.
제1 반사체(150)는 광전변환영역(140)에 대해 수직으로 입사하는 수직입사광(IL1, IL2)을 광전변환영역(140)으로부터 멀어지는 방향으로 반사할 수 있다.
이때, 광전변환영역(140)으로부터 멀어지는 방향이란, 광전변환영역(140)의 상부면을 기준으로 위로 진행하는 방향(Y축에 대해 위쪽으로 진행하는 방향)을 의미할 수 있다.
일 실시 예에서, 광전변환영역(140)으로부터 멀어지는 방향은 입사광이 제1 반사체(150)로부터 제2 반사체(160)를 향해 진행하는 방향을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 제2 반사체(160)는 기판(130)에 대하여 광학필터(120)와 동일한 높이(Y축에 대한 위치)에 위치할 수 있다.
예를 들어, 광학필터(120)가 마이크로 렌즈(110)와 기판(130) 사이에 위치 하는 경우, 제2 반사체(160)가 마이크로 렌즈(110)의 하부면과 기판(130)의 상부면 사이에 배치될 수 있다. 이때, 마이크로 렌즈(110)의 하부면과 기판(130)의 상부면은 광학필터(120)와 접하는 면을 의미할 수 있다.
일 실시 예에서, 제2 반사체(160)는 인접한 유닛 픽셀(PX)들에 의해 그 일부가 공유되도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 반사체(160)들은 인접한 유닛 픽셀(PX)들을 구분하는 경계 상에 배치될 수 있다.
제2 반사체(160)는 입사광을 반사시킬 뿐만 아니라 인접한 유닛 픽셀(PX)들을 구분하는 경계 상에 위치함으로써 유닛 픽셀(PX)들 간의 광학적 크로스토크(cross-talk)를 방지할 수 있다.
제2 반사체(160)는 복수의 반사면들을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 제2 반사체(160)는 제1 반사체(150)로부터 반사된 광을 효율적으로 반사하기 위해 수직 반사면(VR2) 및 제2 반사면(R2)을 포함하는 복수의 반사면들을 포함하는 형태로 구성될 수 있다.
제2 반사면(R2)는 제2 반사체(160)의 반사면 중 마이크로 렌즈(110)의 하부면과 제2 각도(θ2)를 이루는 반사면을 의미할 수 있다.
이때, 제1 반사체(150)의 제1 반사면(R1)과 제2 반사체의 제2 반사면(R2)은 소정의 각도를 이룰 수 있다. 소정의 각도는 구체적으로 7도 내지 37도 사이 값일 수 있다.
일 실시 예에서, 수직 반사면(VR2)은 기판(130)의 일면에 대해 수직이고, 입사광을 반사하는 평면을 의미할 수 있다.
다른 실시 예에서, 수직 반사면(VR2)은 기판(130)의 일면에 대해 수직이 아니라, 마이크로 렌즈(110)의 하부면과 소정의 각도를 이루도록 형성될 수 있다. 여기서, 마이크로 렌즈(110)의 하부면과 수직 반사면(VR2)이 이루는 각도는 제2 각도(θ2)에 비해 클 수 있다. 즉, 수직 반사면(VR2)은 제2 반사면(R2)과 소정의 각도를 가지면서 기판(130)을 향해 연장되는 반사면일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서 제2 반사체(160)는 제1 반사체(150)에 의해 반사된 수직입사광(IL1, IL2)을 광전변환영역(140)을 향해 반사하는 반사체일 수 있다.
이때, 광전변환영역(140)을 향해 반사한다는 것은 입사광이 광전변환영역(140)을 향해 진행하도록 반사하는 것을 의미할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 제2 반사체(160)의 제2 반사면(R2) 의해 반사된 입사광은 광전변환영역(140) 내부에서 광전효과에 의해 전하가 발생하는 지점 또는 마이크로 렌즈(110)에 의해 광전변환영역(140) 상에서 입사광이 집광되는 초점의 위치로 가이드 될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 제2 반사체(160)의 폭이 커질수록 제2 반사체(160)의 상부면에 의해 유닛 픽셀(PX)의 외부로 반사되는 입사광이 증가할 수 있다.
이때, 유닛 픽셀(PX)의 외부로 반사되는 입사광이란, 마이크로 렌즈(110)의 하부면과 평행한 제2 반사체(160)의 상부면에 의해 반사되어 마이크로 렌즈(110)를 통과하였으나 광학필터(120)로 입사되지 못하고 마이크로 렌즈(110) 측으로 다시 반사되는 입사광을 의미할 수 있다. 이때, 마이크로 렌즈(110)의 하부면은 광학필터(120)와 접하는 면을 의미할 수 있다.
제2 반사체(160)의 상부면에 의해 유닛 픽셀(PX)의 외부로 반사되는 입사광의 양이 증가하는 경우, 광전변환영역(140)에 대한 총 입사광량이 감소하여 수광 효율이 감소될 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 반사체(150)와 제2 반사체(160)에 의해 입사광의 광 경로가 효율적으로 증가되도록 하기 위해 실험적으로 제1 반사체(150)의 제1 각도(θ1)와 제2 반사체(160)의 제2 각도(θ2)가 먼저 결정될 수 있다.
제1 반사체(150)의 제1 각도(θ1)와 제2 반사체(160)의 제2 각도(θ2)가 결정된 경우, 제2 반사면(R2)의 길이가 증가될수록 제2 반사면(R2)의 면적이 증가하여 제1 반사체(150)로부터 반사된 광을 효과적으로 재반사할 수 있으나, 제2 반사면(R2)의 면적이 증가할수록 제2 반사체(160)의 상부면에 의해 유닛 픽셀(PX) 외부로 반사되는 입사광의 양이 증가할 수 있다.
따라서, 제2 반사체(160)의 제2 반사면(R2)의 길이를 감소시키는 것이 요구되는데, 제2 반사면(R2)의 길이를 지나치게 감소시키는 경우, 제2 반사면(R2)에 의한 반사 효과가 저감될 뿐만 아니라 제1 반사체(150)에 의해 반사된 입사광이 인접 픽셀로 전달되어 광학적 크로스토크를 발생시킬 수 있다.
이를 보완하기 위해 제2 반사체(160)가 제2 반사면(R2) 하부에 수직 반사면(VR2)을 포함함으로써, 제2 반사면(R2)에 의한 반사 효과를 보강하고, 제1 반사체(150)에 의해 반사된 광이 광학적 크로스토크를 발생시키는 것을 방지할 수 있다.
즉, 제2 반사체(160)는 수직 반사면(VR2)을 포함함으로써 제1 반사면(R1)과 제2 반사면(R2)간의 각도 관계를 유지하면서 제2 반사체(160)의 상부면 폭을 감소시킬 수 있다.
일 실시 예에서, 본 발명의 제2 반사체(160)의 형태는 제1 반사체(150)와의 위치 관계, 제1 반사면(R1)의 제1 각도(θ1)와 제2 반사면(R2)의 제2 각도(θ2)에 따라 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 제1 반사체(150) 및 제2 반사체(160)에 의해 반사된 수직입사광(IL1, IL2)은 제1 반사체(150) 및 제2 반사체(160)를 포함하지 않는 이미지 센싱 장치와 비교하여 추가적인 광 경로를 가질 수 있다.
도 2를 통해 수직입사광(IL1, IL2)의 광 경로가 예시적으로 도시된다.
본 발명의 일 실시 예에서, 제1 반사체(150) 및 제2 반사체(160)의 위치 및 폭이 고정되어있는 경우, 제1 각도(θ1)가 증가함에 따라 제2 각도(θ2)도 증가될 수 있다.
제2 각도(θ2)는 제1 반사체(150)의 제1 반사면(R1)에 의해 변경된 광 경로가 광전변환영역(140)을 향하도록 하는 각도로 결정될 수 있다. 즉, 제2 각도(θ2)는 제1 각도(θ1)에 의해 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 반사체(150)의 제1 각도(θ1)는 바람직하게 25도에서 35도 사이의 값을 가질 수 있다. 이때 제2 반사체(160)의 제2 각도(θ2)는 42도에서 62도 사이의 값을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 반사체(150) 또는 제2 반사체(160)는 각각 텅스텐, 알루미늄, 실리콘 옥사이드, 구리 및 주석 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 본 발명의 이미지 센싱 장치(10)의 관측 대상으로써 수광 효율이 증가되는 입사광은 적외선 중 특히 850nm~940nm의 파장을 가지는 광일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센싱 장치(10)는 제1 반사체(150) 및 제2 반사체(160)를 포함함으로써, 반사체를 포함하지 않는 이미지 센싱 장치(10)에 비해 수직입사광(IL1, IL2)의 광 경로가 대폭(예컨대, 50% 이상) 증가될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센싱 장치(10)의 관측 대상인 적외선 파장(850nm~940nm)은 두께가 상대적으로 얇은 기판(130)에서는 흡수율이 매우 낮기 때문에 반사체 도입을 통해 광 경로를 연장시키는 경우, 반사체를 포함하지 않는 이미지 센싱 장치에 비해 광전 변환 효율이 대폭 증가될 수 있다.
도 3은 도 1의 픽셀 어레이에서 A-A' 절취선을 따라 절단된 유닛 픽셀의 일부를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 3에서 도 2의 경우와 대응하는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있고, 중복되는 설명은 적절히 생략한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 반사체(150)는 메탈층(152), 저굴절률층(154) 및 캡핑막(166)의 일부를 포함할 수 있다. 또한, 제2 반사체(160)는 메탈층(162), 저굴절률층(164) 및 캡핑막(166)의 일부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 각 반사체의 메탈층(152 및 162)은 텅스텐, 알루미늄, 구리 및 주석 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면 저굴절률층(154 및 164)은 공기 등과 같이 기판(130)과 굴절률의 차이가 있는 물질로 구성될 수 있다. 저굴절률층(154 및 164)을 구성하는 내부 물질은 기판(130)에 비해 굴절률이 낮아 전반사를 통해 입사광의 광 경로 조절할 수 있다.
캡핑막(166)은 제1 반사체(150) 및 제2 반사체(160)의 최외곽에 형성되는 물질막으로, 각 반사체의 저굴절률층들(154 및 164) 및 메탈층들(152 및 162)을 둘러쌀 수 있다. 캡핑막(166)은 광학필터(120)의 하부까지 연장되게 형성될 수 있다. 이때, 광학필터(120)의 하부에 형성된 캡핑막은 미도시된 버퍼층의 산화막이 될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 캡핑막(166)은 실리콘 옥사이드로 구성될 수 있다.
본 발명의 제1 반사체(150) 및 제2 반사체(160)는 메탈층(152 및 162)으로만 구성되거나 저굴절률층(154 및 164)만으로 구성될 수도 있으며, 도 3의 실시예와 같이 메탈층(152 및 162) 및 저굴절률층(154 및 164)의 조합으로 구성될 수 있다.
도 4는 도 1의 픽셀 어레이에서 A-A'의 절취선을 따라 절단된 유닛 픽셀의 다른 실시 예를 나타낸 단면도이다. 도 4를 참조하면 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이미지 센싱 장치(10)는 분리영역(170)을 더 포함할 수 있다.
도 4에서 도 2의 경우와 대응하는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있고, 중복되는 설명은 적절히 생략한다.
분리영역(170)은 광전변환영역(140)을 상기 광전변환영역(140)을 포함하는 유닛 픽셀(PX)과 인접한 다른 유닛 픽셀로부터 물리적으로 분리할 수 있다. 광전변환영역(140)과 분리영역(170)사이에는 P형 불순물 영역이 형성될 수 있다.
각 분리영역(170)은 기판(130)의 일 면에 대해 수직으로(또는 수직에 가깝게) 형성될 수 있다. 분리영역(170)은 기판(130)이 식각된 트렌치 내에 절연물질이 매립된 트렌치형 분리영역을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 분리영역(170)은 기판(130)을 관통하는 DTI(Deep Trench Isolation) 구조를 포함할 수 있다.
분리영역(170)은 입사광을 반사할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시 예에서 분리영역(170)은 반사율이 높은 금속(메탈층)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 분리영역(170)은 알루미늄, 은, 구리 및 주석 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
분리영역(170)은 기판(130)과 굴절률의 차이가 있는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 분리영역(170)은 기판(130)보다 굴절률이 작은 실리콘 옥사이드(절연막층)을 포함할 수 있다. 분리영역(170)은 복수의 층들로 구성될 수 있다. 특히 분리영역(170)은 내부층(174)및 내부층(174)을 둘러싸는 외부층(172)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 내부층(174)은 메탈층 및 에어층 중 적어도 어느 하나를 포함하도록 구성될 수 있고, 외부층(172)은 실리콘 옥사이드로 구성되는 절연막층일 수 있다.
분리영역(170)에 의해 제1 반사체(150) 및 제2 반사체(160)에 의해 반사된 수직입사광(IL1, IL2)이 추가적인 광 경로를 갖도록 광전변환영역(140) 내부로 반사될 수 있다.
또한 분리영역(170)은 광전변환영역(140)을 유닛 픽셀(PX)과 인접한 다른 픽셀의 광전변환영역(140)으로부터 물리적으로 분리함으로써 광학적 크로스토크를 방지할 수 있다.
일 실시 예에서, 제2 반사체(160)는 제1 반사체(150)가 반사한 입사광을 분리영역(170)으로 재반사할 수 있다.
제2 반사체(160)에 의해 광전변환영역(140) 또는 분리영역(170)을 향해 반사된 입사광은 분리영역(170)에 의해 광전변환영역(140) 내부에서 다수 회 반사됨으로써 광경로가 증가될 수 있다.
도 5는 도 1의 픽셀 어레이에서 A-A'의 절취선을 따라 절단된 유닛 픽셀의 또 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도 5의 실시 예에서, 제1 반사체(150)는 제2 반사체(160)들 사이에 위치하고, 광전변환영역(140)과 오버랩 되도록 배치될 수 있다. 이때 제1 반사체(150)가 광학필터(120)와 광전변환영역(140) 사이의 기판(130) 내부에 위치할 수 있으며, 제1 반사체(150)가 광전변환영역(140)에 가깝게 배치될수록 수직입사광(IL1, IL2)의 광경로가 더욱 증가되어 광전변환영역(140)의 광전 변환 효율이 개선될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 제1 반사체(150)가 마이크로 렌즈(110)의 광축 상에 Y축을 따라 이동 가능 하고, 제1 반사체(150)가 광전변환영역(140)에 오버랩 되도록 위치를 결정할 수 있다. 상기 실시 예에서, 제2 반사체(160)의 위치 및 제2 각도(θ2)가 고정되어 있다면, 제1 반사체(150)가 Y축 방향을 따라 배치되는 위치에 의해 제1 각도(θ1)가 결정될 수 있다.
상기 실시 예에서, 제1 반사체(150)가 광전변환영역(140)에 가깝게 배치될수록 수직입사광(IL1, IL2)은 입사한 광 경로에 가까운 반사경로를 가질 수 있고, 이에 비례하여 제1 반사체(150)에 의한 광 경로 증가량이 커질 수 있다.
도 6은 도 1의 픽셀 어레이에서 A-A'의 절취선을 따라 절단된 제1 반사체(150-1)가 광전변환영역(140)으로 확장된 유닛 픽셀(PX)의 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도 6의 실시 예에서, 제1 반사체(150-1)의 일부가 광전변환영역(140) 내부로 연장되도록 형성될 수 있다. 이때 제1 반사체(150-1)는 광전변환영역(140)을 향해 연장되는 제3 반사면(R3)를 가질 수 있다.
제1 반사체(150-1)의 일부가 광전변환영역(140) 내부로 연장되도록 형성됨으로써, 제1 반사체(150-1)의 제3 반사면(R3)에 의해 제2 반사체(160) 혹은 분리영역(170)으로부터 반사된 수직입사광(IL1, IL2)의 광 경로가 추가적으로 연장될 수 있다.
즉, 제3 반사면(R3)은 제2 반사면(R2) 또는 분리영역(170)에 의해 반사된 입사광을 분리영역(170)을 향해 재반사할 수 있다.
도 6의 실시 예에서, 제1 반사체(150-1)는 광전변환영역(140) 일부에 STI(Shallow Trench Isolation) 공법을 통해 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 반사체(150-1)는 텅스텐, 알루미늄, 실리콘 옥사이드, 구리 및 주석 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
도 7은 도 1의 픽셀 어레이에서 A-A'의 절취선을 따라 절단된 하부 반사층(180)을 포함하는 유닛 픽셀(PX)의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 7의 실시 예에서, 이미지 센싱 장치(10)는 배선영역(190)에 하부 반사층(180)을 더 포함할 수 있다. 배선영역(190)은 광전변환영역(140)의 하부에 배치될 수 있다.
배선영역(190)은 이미지 센싱 장치(10)의 복수의 유닛 픽셀(PX)들로부터 출력되는 신호 또는 이미지 센싱 장치(10)에 포함되는 트랜지스터들에 대한 입력신호 등을 송수신하는 배선이 형성된 영역으로, 설명의 편의상 도면에서 구체적인 배선구조는 생략된다.
하부반사층(180)은 기판(130)을 통과한 입사광을 광전변환영역(140)으로 재반사할 수 있다. 이를 통해 입사광의 광 경로가 추가적으로 증가되어 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서 하부 반사층(180)은 금속 물질을 포함할 수 있다. 이때 금속 물질은 알루미늄, 은 및 구리 중 적어도 어느 하나를 포함하는 물질일 수 있다.
적외선 이상의 범위를 갖는 파장은, 실리콘에 대한 침투 깊이(투과 심도)가 5 마이크론을 넘을 수 있다. 따라서, 광전변환영역(140)이 실리콘으로 형성되고, 3 마이크론 미만의 두께를 가지는 경우, 광전변환영역(140)은 입사광을 효과적으로 변환할 수 없다. 즉, 입사하는 적외선 광이 충분한 침투 깊이를 확보하지 못하는 경우, 양자 에너지가 전류로 변환되지 않을 수도 있다.
제1 반사체(150), 제2 반사체(160) 및 하부 반사층(180)을 도입함으로써 전류로 변환되지 않은 입사광의 광경로를 증가시키거나, 광전변환영역(140)에 대한 반사를 반복할 수 있으며, 이에 따라 전류로 변환되지 않는 양자 에너지 비율을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 제1 반사체(150) 및 제2 반사체(160)의 제1 반사면(R1) 및 제2 반사면(R2)의 형태는 픽셀 어레이에서 배치된 위치에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, 픽셀 어레이의 엣지부에 위치한 유닛 픽셀(PX)에 대한 입사광은 중심부에 위치한 유닛 픽셀(PX)에 대한 입사광에 비해 기울어진 각도로 입사할 수 있다.
따라서 픽셀 어레이의 엣지부에 위치한 제1 반사체(150) 및 제2 반사체(160)의 각 반사면들(R1, R2)은 수광 효율을 향상 시킬 수 있도록 대칭 형태가 아닌 비대칭 형태를 가질 수 있다.
일 실시 예에서, 픽셀 어레이의 좌측 엣지부에 위치한 유닛 픽셀(PX)의 제1 반사체(150)는 마이크로 렌즈(110)의 광축에 대하여 좌측으로 편향되도록 위치할 수 있다. 또한 좌측으로 편향된 제1 반사체(150)의 제1 반사면(R1)은 좌측보다 우측 제1 반사면(R1)의 길이가 더 긴 형상을 가질 수 있다. 제2 반사체(160)의 제2 반사면(R2) 또한, 비대칭적 형태의 제1 반사체(150)의 제1 반사면(R1)에 대응될 수 있도록 제1 반사면(R1)과 마주보는 제2 반사면(R2)의 길이가 제1 반사면(R1)의 길이에 비례하는 형상을 가질 수 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.
10 : 이미지 센싱 장치.
110 : 마이크로 렌즈
120 : 광학필터
130 : 기판
140 : 광전 변환 영역
150 : 제1 반사체
160 : 제2 반사체
110 : 마이크로 렌즈
120 : 광학필터
130 : 기판
140 : 광전 변환 영역
150 : 제1 반사체
160 : 제2 반사체
Claims (15)
- 각 유닛 픽셀에 대응되는 광전변환영역이 배치된 기판;
적어도 일부가 상기 광전변환영역과 오버랩 되도록 배치되고, 상기 광전변환영역으로 향하는 입사광을 상기 광전변환영역으로부터 멀어지는 방향으로 반사하는 제1 반사체; 및
상기 기판의 상부에 배치되고, 상기 제1 반사체가 반사한 상기 입사광을 다시 상기 광전변환영역에 가까워지는 방향으로 반사하는 제2 반사체를 포함하는 이미지 센싱 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 광전변환영역으로 입사광을 집광하는 마이크로 렌즈를 더 포함하고,
상기 제1 반사체는 상기 기판의 상부면에 대해 제1 각도를 갖는 제1 반사면을 포함하고,
상기 제2 반사체는 상기 마이크로 렌즈의 하부면에 대해 제2 각도를 갖는 제2 반사면을 포함하는 이미지 센싱 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 제1 각도는 25도에서 35도 사이의 값을 갖는 이미지 센싱 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 제2 각도는 42도에서 62도 사이의 값을 갖는 이미지 센싱 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 제2 반사체는 상기 제2 반사면과 소정 각도를 가지면서 상기 기판을 향해 연장되는 수직 반사면을 더 포함하는 이미지 센싱 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 제1 반사체는,
메탈층 및 저굴절률층 중 적어도 어느 하나를 포함하는 이미지 센싱 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 제2 반사체는,
메탈층 및 저굴절률층 중 적어도 어느 하나를 포함하는 이미지 센싱 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 제2 반사체는 서로 인접하는 상기 유닛 픽셀들 간의 경계에 배치되고,
상기 제1 반사체는 상기 제2 반사체들 사이에 배치되는 이미지 센싱 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 제1 반사체 또는 상기 제2 반사체는 각각 알루미늄, 은, 실리콘 옥사이드, 구리 및 주석 중 적어도 어느 하나를 포함하는 이미지 센싱 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 광전변환영역을 상기 광전변환영역에 인접한 다른 광전변환영역으로부터 물리적으로 분리하는 분리영역을 더 포함하는 이미지 센싱 장치 - 제10 항에 있어서,
상기 제2 반사체는 상기 제1 반사체가 반사한 입사광을 상기 분리영역 방향으로 재반사하는 이미지 센싱 장치. - 제10 항에 있어서,
상기 분리영역은 내부층 및 상기 내부층을 둘러싸는 외부층을 포함하고,
상기 내부층은 메탈층 및 에어층 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 외부층은 절연막층으로 구성되는 이미지 센싱 장치. - 제10 항에 있어서,
상기 제1 반사체는 상기 광전변환영역을 향해 연장되는 제3 반사면을 더 포함하고,
상기 제3 반사면은 상기 제2 반사면에 의해 반사된 입사광을 상기 분리영역을 향해 재반사하는 이미지 센싱 장치. - 제10 항에 있어서,
상기 기판 하부에 위치하는 배선영역을 더 포함하고,
상기 배선영역은 상기 기판을 통과한 상기 입사광을 상기 광전변환영역으로 재반사하는 하부 반사층을 포함하는 이미지 센싱 장치. - 제14 항에 있어서,
상기 하부 반사층은 은, 구리, 알루미늄 중 적어도 어느 하나를 포함하는 이미지 센싱 장치.
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