KR20220020587A - 이미지 센싱 장치 - Google Patents

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KR20220020587A
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오선호
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Abstract

본 기술의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 입사광을 광전변환하여 상기 입사광에 대응되는 전기 신호를 생성하는 광전변환영역들을 포함하는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 위에 위치하며 특정 컬러의 광을 통과시켜 상기 광전변환영역에 전달하는 컬러 필터들 및 상기 컬러 필터들 사이에 위치하며 인접한 컬러 필터들의 컬러에 근거하여 양측벽들이 비대칭 구조로 형성되는 그리드 구조물을 포함할 수 있다.

Description

이미지 센싱 장치{IMAGE SENSING DEVICE}
본 발명은 이미지 센싱 장치에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 비디오 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 집적도 및 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
본 발명의 실시예는 컬러 필터들의 컬러들 간의 감도 차이(sensitivity difference)를 보정할 수 있으며 보다 용이하게 HDR(High Dynamic Range)을 구현할 수 있는 이미지 센싱 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 입사광을 광전변환하여 상기 입사광에 대응되는 전기 신호를 생성하는 광전변환영역들을 포함하는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 위에 위치하며 특정 컬러의 광을 통과시켜 상기 광전변환영역에 전달하는 컬러 필터들 및 상기 컬러 필터들 사이에 위치하며 인접한 컬러 필터들의 컬러에 근거하여 양측벽들이 비대칭 구조로 형성되는 그리드 구조물을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 동일한 컬러의 광을 통과시키는 복수의 컬러 필터들이 인접하게 배치된 컬러 필터층 및 상기 컬러 필터들 사이에 위치하는 그리드 구조물을 포함하며, 상기 복수의 컬러 필터들은 제 1 면적을 갖는 적어도 하나의 제 1 컬러 필터 및 상기 제 1 면적보다 넓은 제 2 면적을 갖는 제 2 컬러 필터들을 포함하며, 상기 그리드 구조물은 적어도 일측벽이 상기 제 1 컬러 필터와 접하며 제 1 폭을 갖는 제 1 그리드 구조물 및 양측벽들이 모두 상기 제 2 컬러 필터들과 접하며 상기 제 1 폭보다 좁은 제 2 폭을 갖는 제 2 그리드 구조물을 포함하며, 상기 제 1 그리드 구조물은 양측벽들이 비대칭 구조로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 그리드 구조물을 이용하여 컬러 필터들의 컬러들 간의 감도 차이를 보정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 그리드 구조물을 이용하여 보다 용이하게 HDR(High Dynamic Range)을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도.
도 2a는 도 1에서 X1-X1’절취선을 따라 절단된 단면 구조를 예시적으로 보여주는 단면도.
도 2b는 도 1에서 Y1-Y1’절취선을 따라 절단된 단면 구조를 예시적으로 보여주는 단면도.
도 3a 내지 도 3e는 도 2A의 구조를 형성하는 과정들을 예시적으로 보여주는 공정 단면도들.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀 어레이의 평면적 구조를 예시적으로 보여주는 도면.
도 5a는 도 4에서 X2-X2’절취선을 따라 절단된 단면 구조를 예시적으로 보여주는 단면도.
도 5b는 도 4에서 X3-X3’절취선을 따라 절단된 단면 구조를 예시적으로 보여주는 단면도.
도 5c는 도 4에서 Y2-Y2’절취선을 따라 절단된 단면 구조를 예시적으로 보여주는 단면도.
도 6은 도 5c의 그리드 구조물이 에어 그리드 형태로 형성되는 경우를 예시적으로 보여주는 도면.
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 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센싱 장치는 픽셀 어레이(pixel array, 100), 상관 이중 샘플러(correlated 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.
픽셀 어레이(100)는 2차원 구조로 연속적으로 배열된(예를 들어, X 방향 및 X 방향과 교차되는 Y 방향으로 연속적으로 배열된) 복수의 유닛 픽셀(PX)들을 포함할 수 있다. 각 유닛 픽셀(PX)은 외부에서 입사된 광을 광전변환하여 입사광에 대응되는 전기 신호(픽셀 신호)를 생성한 후 이를 컬럼 라인들(column lines)을 통해 상관 이중 샘플러(200)로 출력할 수 있다. 각 유닛 픽셀(PX)은 레드(Red) 컬러, 그린(Green) 컬러 또는 블루(Blue) 컬러의 컬러 필터(R, G, B)를 포함할 수 있으며, 컬러 필터들(R, G, B)은 베이어(Bayer) 패턴 형태로 배열될 수 있다. 인접한 컬러 필터들 사이에는 컬러 필터들 간의 크로스 토크(crosstalk)를 방지하기 위한 그리드 구조물이 형성될 수 있다. 본 실시예에서의 그리드 구조물은 컬러 필터의 컬러에 따라 서로 다른 구조를 갖는 비대칭 구조로 형성될 수 있다. 이러한 그리드 구조물의 구조에 대해서는 보다 상세하게 후술된다.
상관 이중 샘플러(200)는 픽셀 어레이(100)의 유닛 픽셀(PX)들로부터 수신된 픽셀 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 픽셀 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 신호들을 저장한 후 이들을 감지 증폭하여 출력할 수 있다.
로우 드라이버(500)는 타이밍 제너레이터(600)의 신호에 따라 픽셀 어레이(100)를 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(500)는 유닛 픽셀(PX)들에 포함된 트랜지스터들의 동작을 제어하기 위한 구동 신호들을 픽셀 어레이(100)로 출력하여 로우 라인(row line) 단위로 유닛 픽셀(PX)들을 구동시킬 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 아날로그-디지털 컨버터(300)로부터 출력되는 신호를 제어하기 위한 램프 신호를 생성할 수 있다.
도 2a는 도 1에서 X1-X1’절취선을 따라 절단된 단면 구조를 예시적으로 보여주는 단면도이며, 도 2b는 도 1에서 Y1-Y1’절취선을 따라 절단된 단면 구조를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 반도체 기판(110)은 서로 반대편에 위치하는 제 1 면 및 제 2 면을 포함할 수 있다. 반도체 기판(110)은 단결정 상태(Single crystal state)일 수 있으며, 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 반도체 기판(110)의 내부에는 각 유닛 픽셀(PX)에 대응되게 광전변환영역들(112)이 형성될 수 있다. 광전변환영역들(112)은 입사광을 광전변환하여 입사광에 대응되는 전기 신호를 생성할 수 있다. 이러한 광전변환영역들(112)은 포토다이오드를 포함할 수 있다. 광전변환영역들(112) 사이에는 소자분리막(미도시)이 형성될 수 있다. 소자분리막은 DTI(Deep Trench Isolation)과 같은 트렌치 타입의 소자분리막을 포함할 수 있다.
반도체 기판(110)의 제 1 면 위에는 그리드 구조물(120a), 컬러 필터층(130) 및 렌즈층(140)이 순차적으로 형성될 수 있다.
그리드 구조물(120a)은 컬러 필터들(R, G, B) 사이에 형성되어 인접한 컬러 필터들 간의 크로스 토크(crosstalk)를 방지할 수 있다. 그리드 구조물(120a)은 제 1 금속층(122) 및 제 2 금속층(124)을 포함할 수 있다. 그리드 구조물(120a)은 인접한 컬러 필터들의 컬러에 따라 해당 컬러들과 접하는 측벽의 구조가 서로 상이하게 형성되는 비대칭 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 그리드 구조물(120a)에서, 빛에 대한 감도가 높은 그린 컬러의 컬러 필터(G)와 접하는 측벽은 곡률(curvature)을 가지는 라운딩 프로파일(Rounding profile)을 가질 수 있다. 그리드 구조물(120a)에서, 그린 컬러에 비해 상대적으로 빛에 대한 감도가 낮은 레드 컬러 및 블루 컬러의 컬러 필터들(R, B)과 접하는 측벽은 버티컬 프로파일(Vertical profile)을 가질 수 있다.
본 실시예에서 그리드 구조물(120a)을 비대칭 구조로 형성하는 이유는 다음과 같다.
컬러 필터들(R, G, B)은 컬러에 따른 감도 차이가 있으며, 일반적으로 이미지 센싱 장치는 신호 처리 과정에서 그러한 컬러별 감도 차이를 보정하고 있다. 하지만, 블루 컬러와 그린 컬러의 감도 차이 또는 레드 컬러와 그린 컬러의 감도 차이가 크게 되면, 제조 공정상의 작은 오차에 의해서도 이미지 센싱 장치의 색 표현도가 크게 영향을 받을 수 있어, 신호 처리를 이용한 보정만으로는 보정의 한계가 있을 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 그린 컬러 필터(G)를 통과하여 기판(110)의 광전변환영역으로 유입되는 광량을 물리적으로 감소시킴으로써 블루 컬러와 그린 컬러 사이의 감도 차이 및 레드 컬러와 그린 컬러 사이의 감도 차이를 줄여준다. 이를 위해, 본 실시에에서는 그리드 구조물(120a)을 비대칭 구조로 형성한다.
예를 들어, 본 실시예에서는 그리드 구조물(120a)의 측벽들 중 레드 컬러 필터들(R) 및 블루 컬러 필터들(B)과 인접한 측벽들은 버티컬 프로파일을 갖도록 하는 반면에, 그린 컬러 필터들(G)과 인접한 측벽들은 라운딩 프로파일을 갖도록 할 수 있다. 즉, 라운딩 프로파일을 갖는 측벽에서는 버티컬 프로파일을 갖는 측벽에서보다 상대적으로 난반사(Scattered reflection)가 많이 발생하게 되므로, 본 실시예에서는 그린 컬러 필터들(G)로 입사되는 광들에 대해서만 의도적으로 난반사를 유도하여 그린 컬러 필터들(G)을 통해 광전변환영역(112)에 유입되는 광량을 감소시킬 수 있다.
또한, 그리드 구조물(120a)에서, 그린 컬러 필터들(G)과 인접한 측벽들(라운딩 프로파일을 갖는 측벽들)은 레드 컬러 필터들(R) 및 블루 컬러 필터들(B)과 인접한 측벽들(버티컬 프로파일을 갖는 측벽들)과 비교하여 반사율(reflection index)이 서로 다른 물질들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 버티컬 프로파일을 갖는 측벽들은 제 1 금속층(122)을 포함할 수 있으며, 라운딩 프로파일을 갖는 측벽들은 제 1 금속층(122) 보다 반사율이 낮은 제 2 금속층(124)을 포함할 수 있다. 제 1 금속층(122)은 제 2 금속층(124)의 바닥면과 접하도록 제 2 금속층(124)의 바닥면과 반도체 기판(110)의 제 1 면 사이의 영역까지 연장되게 형성될 수 있다. 제 1 금속층(122)은 티타늄(Ti)과 티타늄 질화물(TiN) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 배리어 메탈을 포함할 수 있으며, 제 2 금속층(124)은 텅스텐을 포함할 수 있다.
이러한 그리드 구조물(120a)은 그린 컬러 필터들(G)을 통해 입사되는 광들이 레드 컬러 필터들(R) 또는 블루 컬러 필터들(B)을 통해 입사되는 광들보다 그리드 구조물(120a)에 더 잘 흡수되도록 함으로써 그린 컬러 필터들(G)을 통해 광전변환영역(112)에 유입되는 광량을 더욱 감소시킬 수 있다.
컬러 필터층(130)은 입사광에서 특정 컬러의 가시광을 선택적으로 통과시켜 대응되는 광전변환영역(112)에 전달하는 컬러 필터들(R, G, B)을 포함할 수 있다. 예컨대, 컬러 필터층(130)은 가시광에서 적색광만을 통과시키는 복수의 레드 필터들(R), 가시광에서 녹색광만을 통과시키는 복수의 그린 필터들(G) 및 가시광에서 청색광만을 통과시키는 복수의 블루필터들(B)을 포함할 수 있다. 이러한 컬러 필터들(R, G, B)은 유닛 픽셀(PX) 별로 형성될 수 있으며, 베이어(Bayer) 패턴으로 규칙적으로 배열될 수 있다. 컬러 필터들(R, G, B)은 그리드 구조물(120a)에 의해 정의된 영역에 형성될 수 있다.
이러한 컬러 필터들(R, G, B)은 레드 안료, 그린 안료 또는 블루 안료를 포함하는 고분자 유기물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터들(R, G, B)은 레지스트 물질을 포함할 수 있다.
렌즈층(140)은 오버 코팅층(142) 및 마이크로 렌즈들(144)을 포함할 수 있다. 오버 코팅층(142) 및 마이크로 렌즈들(144)은 동일한 물질로 형성될 수 있다.
오버 코팅층(142)은 그리드 구조물(120a) 및 컬러 필터층(130) 위에 형성될 수 있다. 오버 코팅층(142)은 그리드 구조물(120a) 및 컬러 필터층(130)에 의해 발생될 수 있는 단차를 보상하기 위한 평탄화층의 역할을 수행할 수 있다.
마이크로 렌즈들(144)은 오버 코팅층(142) 위에 형성될 수 있다. 마이크로 렌즈들(144) 각각은 반구 형태로 형성될 수 있으며, 유닛 픽셀 마다 형성될 수 있다. 마이크로 렌즈들(144)은 입사광을 집광하여 대응되는 유닛 픽셀의 컬러 필터(R, G, B)로 전달할 수 있다.
도 3a 내지 도 3e는 도 2a 및 도 2b의 구조들을 형성하는 과정들을 예시적으로 보여주는 공정 단면도들이다. 도 2a의 구조를 형성하는 과정들과 도 2b의 구조를 형성하는 과정들이 동일하여, 본 실시예서는 설명의 편의를 위해, 이들 과정들을 같은 도면에 함께 표시하였다.
먼저 도 3a를 참조하면, 광전변환영역들(112)을 포함하는 기판(110)의 제 1 면 위에서, 레드 컬러 필터들(R)과 블루 컬러 필터들(B)이 형성될 영역에 파티션 패턴(126)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 베이어 패턴에 근거하여, 컬러 필터들(R, G, B) 중에서 레드 컬러 필터들(R)과 블루 컬러 필터들(B)이 형성되는 영역에만 파티션 패턴(126)이 형성되도록 할 수 있다. 이때, 파티션 패턴(126)은 질화막을 포함할 수 있다.
다음에 파티션 패턴(126) 및 기판(110) 위에 제 1 금속층(122')이 형성될 수 있다. 제 1 금속층(122')은 티타늄(Ti)과 티타늄 질화물(TiN) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 배리어 메탈을 포함할 수 있다.
다음에 도 3b를 참조하면, 제 1 금속층(122') 위에 제 2 금속층(124')이 형성될 수 있다. 제 2 금속층(124')은 제 1 금속층(122') 보다 반사율이 낮은 물질층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 2 금속층(124')은 텅스텐을 포함할 수 있다.
다음에 도 3c를 참조하면, 기판(110) 및 파티션 패턴(126)이 노출될 때까지 제 2 금속층(124') 및 제 1 금속층(122')에 대해 이방성 식각이 수행될 수 있다. 이에 따라, 파티션 패턴(126)의 측벽들에는, 안쪽 측벽은 버티컬 프로파일을 가지며 바깥 측벽은 라운딩 프로파일을 갖는 그리드 구조물(120a)이 형성될 수 있다.
이어서, 노출된 파티션 패턴(126)이 선택적으로 제거될 수 있다. 예를 들어, 식각선택비를 이용한 식각 공정을 통해 파티션 패턴(126)만 선택적으로 제거될 수 있다.
다음에 도 3d를 참조하면, 그리드 구조물(120a)에 의해 정의된 영역들에 컬러 필터들(R, G, B)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 먼저 그리드 구조물(120a)에 의해 정의된 영역들에 레드 컬러의 레지스트막이 형성된 후, 베이어 패턴에 근거하여, 레드 컬러 필터(R)에 해당하는 위치에만 레드 컬러 레지스트막이 남도록 레드 컬러 레지스트막에 대해 노광 및 현상 공정이 수행될 수 있다. 이어서, 레드 컬러 필터들(R) 사이가 매립되도록 그린 컬러 레지스트막을 형성된 후, 베이어 패턴에 근거하여, 그린 컬러 필터(G)에 해당하는 위치에만 그린 컬러 레지스트막이 남도록 그린 컬러 레지스트막에 대해 노광 및 현상 공정이 수행될 수 있다.
이때, 그린 컬러 필터들(G)은 그리드 구조물(120a)의 측벽들 중에서 라운딩 프로파일을 갖는 측벽들에 의해 둘러 싸여지게 된다.
다음에, 레드 컬러 필터들(R)과 그린 컬러 필터들(G) 사이의 공간이 매립되도록 블루 컬러 레지스트막이 형성된 후, 베이어 패턴에 근거하여, 블루 컬러 필터에 해당하는 위치에만 블루 컬러 레지스트막이 남도록 블루 컬러 레지스트막에 대해 노광 및 현상 공정이 수행될 수 있다.
다음에 도 3e를 참조하면, 그리드 구조물(120a) 및 컬러 필터층(130) 위에 오버 코팅층(142)이 형성될 수 있다. 오버 코팅층(142)은 폴리스티렌계 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리실록산계 수지, 아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 또는 그들의 공중합계 수지 같은 고분자 물질을 포함할 수 있다.
다음에, 오버 코팅층(142) 위에 렌즈용 물질막을 형성한 후 이를 패터닝함으로써 마이크로 렌즈 패턴(미도시)이 형성될 수 있다. 이때, 마이크로 렌즈 패턴은 사각 형상의 아일랜드 형태로 형성될 수 있다. 렌즈용 물질막은 오버 코팅층(142)과 동일한 물질을 포함할 수 있다.
이어서, 마이크로 렌즈 패턴에 대해 리플로우공정을 수행함으로써 곡률을 갖는 반구 형태의 마이크로 렌즈들(144)이 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀 어레이의 평면적 구조를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 픽셀 어레이(100')는 2ㅧ2 구조로 인접하게 배열된 4개의 유닛 픽셀들이 동일한 컬러를 가지며, 그러한 컬러들이 베이어 패턴으로 배열되는 쿼드(quad) 구조를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 동일한 컬러를 가지면서 2ㅧ2 구조로 인접하게 배열되는 유닛 픽셀들은 서브 픽셀 블록(PB_R, PB_G, PB_B)이라 정의될 수 있다.
각 서브 픽셀 블록(PB_R, PB_G, PB_B)은 HDR(High Dynamic Range)을 구현하기 위한 저노출(short exposure) 픽셀(PXSR, PXSG, PXSB)을 포함할 수 있다. 이하의 설명에서는, 저노출 픽셀들(PXSR, PXSG, PXSB) 이외의 유닛 픽셀들을 노말 픽셀들(PXNR, PXNG, PXNB)이라 정의한다. 저노출 픽셀들(PXSR, PXSG, PXSB)은 동일한 노출(exposure) 시간 동안에 노말 픽셀들(PXNR, PXNG, PXNB) 보다 적은 양의 광이 광전변환영역에 입사되도록 형성된 픽셀을 의미할 수 있다. 따라서, 픽셀 어레이(100')는 한번의 노출만으로 서로 다른 광량들에 대한 픽셀 신호들(노말 픽셀 신호와 저노출 픽셀 신호)을 생성할 수 있다.
본 실시예에서는 저노출 픽셀들(PXSR, PXSG, PXSB)의 컬러 필터(sR, sG, sB)의 면적을 노말 픽셀들(PXNR, PXNG, PXNB)의 컬러 필터(R, G, B)의 면적보다 좁게 형성함으로써, 컬러 필터들(sR, sG, sB)을 투과하는 광량을 상대적으로 적게 할 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터(sR, sG, sB)의 바닥면 면적이 컬러 필터(R, G, B)의 바닥면 면적보다 좁게 형성될 수 있다.
이를 위해, 본 실시예의 픽셀 어레이(100')에서는, 그리드 구조물이 전체적으로 동일한 형태로 형성되지 않고 접하는 유닛 픽셀에 따라 부분적으로 다르게 형성될 수 있다. 예를 들어, 일측이 저노출 픽셀들(PXSR, PXSG, PXSB)의 컬러 필터(sR, sG, sB)와 접하는 그리드 구조물(120b)의 폭(width)은 양측이 모두 노말 픽셀들(PXNR, PXNG, PXNB)의 컬러 필터들(R, G, B)과 접하는 그리드 구조물(120c)의 폭보다 넓게 형성될 수 있다. 이러한 그리드 구조물(120b)은 컬러 필터(sR, sG, sB) 쪽으로 폭이 확장되는 형태로 형성됨으로써 컬러 필터(sR, sG, sB)의 면적이 축소되도록 할 수 있다.
더욱이, 그리드 구조물(120b)은 컬러 필터들(sR, sG, sB)과 접하는 측벽과 컬러 필터들(R, G, B)과 접하는 측벽이 서로 상이한 구조로 형성되는 비대칭 구조를 포함할 수 있다. 반면에 양측이 모두 노말 픽셀들(PXNR, PXNG, PXNB)의 컬러 필터들(R, G, B)과 접하는 그리드 구조물(120c)은 양측벽들이 동일한 구조로 형성되는 대칭 구조를 포함할 수 있다.
도 4의 실시예에서는, 모든 서브 픽셀 블록들(PB_R, PB_G, PB_B)이 저노출 픽셀(PXSR, PXSG, PXSB)을 하나씩 포함하는 경우가 예시적으로 도시되었으나, 저노출 픽셀(PXSR, PXSG, PXSB)은 각 컬러 별로 일부의 서브 픽셀 블록들(PB_R, PB_G, PB_B)에만 선택적으로 형성될 수 있다. 또한, 도 4의 실시예에서는, 저노출 픽셀(PXSR, PXSG, PXSB)이 각 서브 픽셀 블록(PB_R, PB_G, PB_B)에서 동일한 위치에 형성되는 경우가 예시적으로 도시되어 있으나, 서브 픽셀 블록(PB_R, PB_G, PB_B) 내에서의 저노출 픽셀(PXSR, PXSG, PXSB)의 위치는 임의로 변경될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 각각 도 4에서 X2-X2', X3-X3', Y2-Y2' 절취선을 따라 절단된 단면 구조들을 예시적으로 보여주는 단면도들이다.
컬러 필터층(130')은 입사광에서 특정 컬러의 가시광을 선택적으로 통과시켜 대응되는 광전변환영역(112)에 전달하는 컬러 필터들(R, G, B, sR, sG, sB)을 포함할 수 있다. 컬러 필터들(R, G, B)은 노말 픽셀 들(PXNR, PXNG, PXNB)에 대응되며, 컬러 필터들(sR, sG, sB)은 저노출 픽셀들(PXSR, PXSG, PXSB)에 대응된다.
그리드 구조물들(120b, 120c)은 인접한 컬러 필터들(R, G, B, sR, sG, sB) 사이에 위치할 수 있다. 이때, 도 5a 및 도 5b에서와 같이 일측이 컬러 필터(sR, sG, sB)와 접하는 그리드 구조물(120b)의 폭(W1)은 도 5c에서와 같이 양측이 모두 컬러 필터들(R, G, B)과 접하는 그리드 구조물(120c)의 폭(W2) 보다 넓게 형성될 수 있다.
이처럼 그리드 구조물(120b)의 폭(W1)이 그리드 구조물(120c)의 폭(W2) 보다 넓게 형성됨으로써, 그리드 구조물(120b)에 의해 둘러 싸여진 컬러 필터들(sR, sG, sB)의 바닥면 면적은 그리드 구조물(120c)에 의해 둘러 싸여진 컬러 필터들(R, G, B)의 바닥면 면적보다 좁아질 수 있다. 따라서, 컬러 필터들(sR, sG, sB)을 투과하여 광량은 컬러 필터들(R, G, B)을 투과하는 광량보다 감소될 수 있다.
또한, 그리드 구조물(120b)은 컬러 필터(sR, sG, sB)와 접하는 측벽이 라운드 프로파일을 갖는 반면에 컬러 필터(R, G, B)와 접하는 측벽은 버티컬 프로파일을 갖는 비대칭 구조로 형성될 수 있다. 이러한 그리드 구조물(120b)은 컬러 필터(sR, sG, sB)를 통해 입사되는 광들을 난반사 시킴으로써 저노출 픽셀(PXSR, PXSG, PXSB)의 광전변환영역(112)에 유입되는 광량을 감소시킬 수 있다.
더욱이, 그리드 구조물(120b)에서, 라운딩 프로파일을 갖는 측벽과 버티컬 프로파일을 갖는 측벽은 반사율(reflection index)이 서로 다른 물질들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 버티컬 프로파일을 갖는 측벽들은 제 1 금속층(122)을 포함할 수 있으며, 라운딩 프로파일을 갖는 측벽들은 제 1 금속층(122) 보다 반사율이 낮은 제 2 금속층(124)을 포함할 수 있다. 이러한 그리드 구조물(120b)은 컬러 필터(sR, sG, sB)를 통해 입사되는 광들이 컬러 필터(R, G, B)를 통해 입사되는 광들보다 그리드 구조물(120b)에 더 잘 흡수되도록 함으로써 저노출 픽셀(PXSR, PXSG, PXSB)의 광전변환영역(112)에 유입되는 광량을 더욱 감소시킬 수 있다.
그리드 구조물(120c)은 양측벽이 모두 컬러 필터들(R, G, B)과 접하므로 양측벽이 모두 버티컬 프로파일을 갖는 대칭 구조로 형성될 수 있다. 그리드 구조물(120c)의 양측벽은 제 1 금속층(122)을 포함할 수 있다.
제 1 금속층(122)은 제 2 금속층(124)의 바닥면과 접하도록 제 2 금속층(124)의 바닥면과 반도체 기판(110)의 제 1 면 사이의 영역까지 연장되게 형성될 수 있다. 제 1 금속층(122)은 티타늄(Ti)과 티타늄 질화물(TiN) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 배리어 메탈을 포함할 수 있으며, 제 2 금속층(124)은 텅스텐을 포함할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c와 같은 구조는, 상술한 도 3a의 공정에서, 파티션 패턴이 형성되는 위치 및 파티션 패턴들 사이의 간격을 변경함으로써 형성될 수 있다.
예를 들어, 기판(110)의 제 1 면 위에서, 저노출 픽셀들(PXSR, PXSG, PXSB)이 형성될 영역들에는 파티션 패턴들이 형성되지 않고 노말 픽셀들(PXNR, PXNG, PXNB)이 형성될 영역들에만 파티션 패턴들이 형성될 수 있다. 이때, X 방향 및 Y 방향으로 인접한 파티션 패턴들 사이의 간격이 좁게 형성되면, 상술한 도 3c의 식각 공정시, 파티션 패턴이 형성되지 않은 영역에서는 비대칭 구조의 그리드 구조물(120b)이 형성되는 반면에, 인접한 파티션 패턴들 사이의 좁은 공간에 매립된 제 1 금속층(122') 및 제 2 금속층(124')은 대부분 식각되지 않고 남아 있게 됨으로써 양측벽이 모두 버티컬 프로파일을 갖는 그리드 구조물(120c) 형태로 형성될 수 있다. 도 5c에서는 편의상 수직 단면이 완전한 직사각 형태로 도시되었으나, 식각 공정시 그리드 구조물(120c)의 상부 영역이 일부 식각될 수도 있다.
상술한 도 5c에서는 노말 픽셀들(PXNR, PXNG, PXNB)의 컬러 필터들(R, G, B) 사이에 형성되는 그리드 구조물(120c)이 금속층들(122, 124)로 이루어진 경우를 설명하였으나, 에어를 포함하는 그리드 구조물 형태로 형성될 수도 있다.
예를 들어, 상술한 도 3a의 공정에서, X 방향 및 Y 방향으로 인접한 파티션 패턴들 사이의 간격이 보다 좁게 형성되면, 도 3b의 공정에서 제 2 금속층(124')이 형성될 때, 제 2 금속층(124')은 파티션 패턴들 사이의 공간을 완전히 매립시키지 못하고, 도 6과 같이, 해당 공간의 상부 영역만을 매립하는 형태로 형성될 수 있다. 이러한 방법을 통해, 노말 픽셀들(PXNR, PXNG, PXNB)의 컬러 필터들(R, G, B) 사이에는 에어층(126)을 포함하는 그리드 구조물(120c')이 형성될 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.
100: 픽셀 어레이
110: 기판
120a ~ 120c, 120c': 그리드 구조물
130, 130': 컬러 필터층
140: 렌즈층
200: 상관 이중 샘플러
300: 아날로그-디지털 컨버터
400: 버퍼
500: 로우 드라이버
600: 타이밍 제너레이터
700: 제어 레지스터
800: 램프 신호 제너레이터

Claims (18)

  1. 입사광을 광전변환하여 상기 입사광에 대응되는 전기 신호를 생성하는 광전변환영역들을 포함하는 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 위에 위치하며 특정 컬러의 광을 통과시켜 상기 광전변환영역에 전달하는 컬러 필터들; 및
    상기 컬러 필터들 사이에 위치하며, 인접한 컬러 필터들의 컬러에 근거하여 양측벽들이 비대칭 구조로 형성되는 그리드 구조물을 포함하는 이미지 센싱 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 그리드 구조물은
    버티컬 프로파일을 갖는 제 1 측벽; 및
    상기 제 1 측벽과 대향되며 라운딩 프로파일을 갖는 제 2 측벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제 1 측벽은
    상기 컬러 필터들 중 상기 그린 컬러 필터 이외의 컬러 필터들과 인접한 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 제 2 측벽은
    상기 컬러 필터들 중 그린 컬러 필터와 인접한 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 측벽은 제 1 반사율을 갖는 제 1 금속층을 포함하며,
    상기 제 2 측벽은 상기 제 1 반사율보다 낮은 제 2 반사율을 갖는 제 2 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 제 1 금속층은
    티타늄(Ti), 티타늄 질화물(TiN) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 제 2 금속층은
    텅스텐을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 제 1 금속층은
    상기 제 2 금속층의 바닥면과 접하도록 상기 제 2 금속층의 바닥면과 상기 반도체 기판의 상부면 사이의 영역까지 연장되게 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  9. 동일한 컬러의 광을 통과시키는 복수의 컬러 필터들이 인접하게 배치된 컬러 필터층; 및
    상기 컬러 필터들 사이에 위치하는 그리드 구조물을 포함하며,
    상기 복수의 컬러 필터들은 제 1 면적을 갖는 적어도 하나의 제 1 컬러 필터 및 상기 제 1 면적보다 넓은 제 2 면적을 갖는 제 2 컬러 필터들을 포함하며,
    상기 그리드 구조물은
    적어도 일측벽이 상기 제 1 컬러 필터와 접하며 제 1 폭을 갖는 제 1 그리드 구조물; 및
    양측벽들이 모두 상기 제 2 컬러 필터들과 접하며 상기 제 1 폭보다 좁은 제 2 폭을 갖는 제 2 그리드 구조물을 포함하며,
    상기 제 1 그리드 구조물은 양측벽들이 비대칭 구조로 형성되는 이미지 센싱 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 제 1 그리드 구조물은
    버티컬 프로파일을 갖는 제 1 측벽; 및
    상기 제 1 측벽과 대향되며 라운딩 프로파일을 갖는 제 2 측벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제 1 측벽은 상기 제 2 컬러 필터와 접하며,
    상기 제 2 측벽은 상기 제 1 컬러 필터와 접하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제 1 측벽은 제 1 반사율을 갖는 제 1 금속층을 포함하며,
    상기 제 2 측벽은 상기 제 1 반사율보다 낮은 제 2 반사율을 갖는 제 2 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 제 1 금속층은
    티타늄(Ti), 티타늄 질화물(TiN) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 제 2 금속층은
    텅스텐을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  15. 청구항 12에 있어서, 상기 제 1 금속층은
    상기 제 2 금속층의 바닥면과 접하도록 상기 제 2 금속층 아래의 영역까지 연장되게 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  16. 청구항 9에 있어서, 상기 제 2 그리드 구조물은
    양측벽들이 모두 버티컬 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 제 2 그리드 구조물은
    상기 양측벽들에 형성되며 제 1 반사율을 갖는 제 1 금속층들; 및
    상기 제 1 금속층들 사이에 위치하며 상기 제 1 반사율보다 낮은 제 2 반사율을 갖는 제 2 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 제 2 그리드 구조물은
    상기 양측벽들 사이에서 상기 제 2 금속층 아래에 위치하는 에어층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
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