KR20220085543A - 이미지 센싱 장치 - Google Patents
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Abstract
본 기술의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 제 1 컬러 필터를 통해 입사된 광을 변환하여 픽셀 신호를 생성하는 적어도 하나의 제 1 유닛 픽셀, 상기 제 1 유닛 픽셀과 인접하게 위치하며, 제 2 컬러 필터를 통해 입사된 광을 변환하여 픽셀 신호를 생성하는 복수의 제 2 유닛 픽셀들, 상기 제 1 컬러 필터와 상기 제 2 컬러 필터 사이에 위치하여 상기 제 1 컬러 필터와 상기 제 2 컬러 필터 사이의 크로스 토크를 방지하며, 광흡수층을 포함하는 제 1 그리드, 및 상기 제 2 컬러 필터들 사이에 위치하여 상기 제 2 컬러 필터들 사이의 크로스 토크를 방지하며, 광반사층을 포함하는 제 2 그리드를 포함할 수 있다.
Description
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 한번의 노출만으로 저노출 픽셀 신호와 노말 픽셀 신호를 모두 얻을 수 있는 그리드 구조물의 갖는 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 제 1 컬러 필터를 통해 입사된 광을 변환하여 픽셀 신호를 생성하는 적어도 하나의 제 1 유닛 픽셀, 상기 제 1 유닛 픽셀과 인접하게 위치하며, 제 2 컬러 필터를 통해 입사된 광을 변환하여 픽셀 신호를 생성하는 복수의 제 2 유닛 픽셀들, 상기 제 1 컬러 필터와 상기 제 2 컬러 필터 사이에 위치하여 상기 제 1 컬러 필터와 상기 제 2 컬러 필터 사이의 크로스 토크를 방지하며, 광흡수층을 포함하는 제 1 그리드, 및 상기 제 2 컬러 필터들 사이에 위치하여 상기 제 2 컬러 필터들 사이의 크로스 토크를 방지하며, 광반사층을 포함하는 제 2 그리드를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 동일한 컬러를 가지며 서로 인접하게 배열되는 복수의 컬러 필터들 및 상기 컬러 필터들과 인접하게 위치하여 상기 컬러 필터들 간의 크로스 토크를 방지하는 그리드 구조물을 포함하며, 상기 그리드 구조물은 상기 복수의 컬러 필터들 중 적어도 하나의 제 1 컬러 필터와 인접하게 위치하며, 광흡수층을 포함하는 제 1 그리드 및 상기 제 1 컬러 필터와는 인접하지 않고 상기 복수의 컬러 필터들 중 상기 제 1 컬러 필터를 제외한 나머지 제 2 컬러 필터들과는 인접하게 위치하며, 광반사층을 포함하는 제 2 그리드를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 그리드 구조물의 구조를 개선하여 한번의 노출만으로 저노출 픽셀 신호와 노말 픽셀 신호를 모두 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도.
도 2는 도 1에서 픽셀 어레이의 일부에 대한 평면 구조를 예시적으로 보여주는 도면.
도 3은 도 2의 픽셀 어레이에서 A-A' 절취선을 따라 절단된 단면 구조의 일 실시예를 보여주는 도면.
도 4는 도 2의 픽셀 어레이에서 B-B´ 절취선을 따라 절단된 단면 구조의 일 실시예를 보여주는 도면.
도 5는 도 2의 픽셀 어레이에서 C-C´ 절취선을 따라 절단된 단면 구조의 일 실시예를 보여주는 도면.
도 6a 내지 도 9a는 도 3의 제 1 그리드를 형성하는 과정을 예시적으로 보여주는 공정 단면도들.
도 6b 내지 9b는 도 4의 제 2 그리드를 형성하는 과정을 예시적으로 보여주는 공정 단면도들.
도 10은 도 2의 픽셀 어레이에서 B-B´ 절취선을 따라 절단된 단면 구조의 다른 실시예를 보여주는 도면.
도 11은 도 2의 픽셀 어레이에서 C-C´ 절취선을 따라 절단된 단면 구조의 다른 실시예를 보여주는 도면.
도 2는 도 1에서 픽셀 어레이의 일부에 대한 평면 구조를 예시적으로 보여주는 도면.
도 3은 도 2의 픽셀 어레이에서 A-A' 절취선을 따라 절단된 단면 구조의 일 실시예를 보여주는 도면.
도 4는 도 2의 픽셀 어레이에서 B-B´ 절취선을 따라 절단된 단면 구조의 일 실시예를 보여주는 도면.
도 5는 도 2의 픽셀 어레이에서 C-C´ 절취선을 따라 절단된 단면 구조의 일 실시예를 보여주는 도면.
도 6a 내지 도 9a는 도 3의 제 1 그리드를 형성하는 과정을 예시적으로 보여주는 공정 단면도들.
도 6b 내지 9b는 도 4의 제 2 그리드를 형성하는 과정을 예시적으로 보여주는 공정 단면도들.
도 10은 도 2의 픽셀 어레이에서 B-B´ 절취선을 따라 절단된 단면 구조의 다른 실시예를 보여주는 도면.
도 11은 도 2의 픽셀 어레이에서 C-C´ 절취선을 따라 절단된 단면 구조의 다른 실시예를 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 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센싱 장치는 픽셀 어레이(pixel array, 100), 로우 드라이버(row driver, 200), 상관 이중 샘플러(correlated double sampler, CDS, 300), 아날로그-디지털 컨버터(analog digital converter, ADC, 400), 출력 버퍼(output buffer, 500), 컬럼 드라이버(column driver, 600) 및 타이밍 컨트롤러(timing controller, 700)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(100)는 로우(row) 방향 및 컬럼(column) 방향으로 연속적으로 배열된 복수의 서브 픽셀 블록들(PB)을 포함할 수 있다. 각 서브 픽셀 블록들(PB)은 입사된 광을 변환하여 입사광에 대응되는 전기 신호(픽셀 신호)를 생성하는 복수의 유닛 픽셀들을 포함할 수 있다. 이때, 각 서브 픽셀 블록(PB)은 동일한 컬러의 컬러 필터들을 갖는 복수개의 유닛 픽셀들이 N×N(N은 2이상의 자연수) 형태로 인접하게 배열되는 구조를 포함할 수 있다. 이때, 컬러 필터들은 레드(red) 컬러 필터, 그린(green) 컬러 필터, 블루(blue) 컬러 필터를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(100)는 로우 선택신호, 리셋 신호 및 전송 신호와 같은 구동 신호들을 로우 드라이버(200)로부터 제공받을 수 있다. 유닛 픽셀들은 구동 신호가 수신되면 활성화되어 로우 선택신호, 리셋 신호 및 전송 신호에 대응되는 동작을 수행할 수 있다.
로우 드라이버(200)는 타이밍 컨트롤러(700)와 같은 제어 회로로부터 제공되는 제어 신호들에 근거하여 유닛 픽셀들을 동작시킬 수 있다. 로우 드라이버(200)는 픽셀 어레이(100)의 적어도 하나의 로우 라인에 연결된 적어도 하나의 유닛 픽셀들을 선택할 수 있다. 로우 드라이버(200)는 복수의 로우 라인들 중 적어도 하나의 로우 라인을 선택하기 위한 로우 선택 신호를 생성할 수 있다. 로우 드라이버(200)는 선택된 로우 라인의 유닛 픽셀들에 대한 리셋 신호와 전송 신호를 순차적으로 인에이블시킬 수 있다. 선택된 로우 라인의 유닛 픽셀들에서 생성된 픽셀 신호들은 상관 이중 샘플러(300)에 출력될 수 있다.
상관 이중 샘플러(300)는 상관 이중 샘플링(CDS: correlated double sampling) 방식을 사용하여 유닛 픽셀들의 원치 않는 오프셋(offset) 값들을 제거할 수 있다. 예를 들어, 상관 이중 샘플러(300)는 입사광에 의해 생성된 광전하가 센싱 노드(플로팅 디퓨전 노드)에 축적되기 전후에 얻어진 유닛 픽셀들의 출력 전압들을 비교하여 유닛 픽셀들의 원치 않는 오프셋 값들을 제거할 수 있다. 이를 통해, 노이즈 성분이 없이 입사광에 의해서만 생성된 픽셀 신호를 얻을 수 있다. 상관 이중 샘플러(300)는 타이밍 컨트롤러(700)로부터 제공된 클럭 신호에 근거하여 기준 신호의 전압 레벨과 복수의 컬럼 라인들을 통해 픽셀 어레이(100)로부터 수신되는 픽셀 신호의 전압 레벨을 순차적으로 샘플링 및 홀딩할 수 있다. 상관 이중 샘플러(300)는 기준 신호와 픽셀 신호를 상관 이중 샘플링(CDS) 신호로서 아날로그-디지털 컨버터(400)에 출력할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(400)는 상관 이중 샘플러(300)로부터 수신되는CDS 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(400)는 램프-비교 타입 아날로그-디지털 컨버터를 포함할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(400)는 타이밍 컨트롤러(700)로부터 제공되는 램프 신호와 상관 이중 샘플러(200)로부터 제공되는 CDS 신호를 서로 비교하여 비교 신호를 생성할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(400)는 타이밍 컨트롤러(700)로부터 제공되는 램프 신호에 근거하여 비교 신호의 레벨 전이(transition) 시간을 카운트하고, 카운트 값을 출력 버퍼(500)에 출력할 수 있다.
출력 버퍼(500)는 아날로그-디지털 컨버터(300)로부터 제공되는 각각의 컬럼 단위의 데이터를 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 일시 저장할 수 있다. 출력 버퍼(500)는 이미지 센싱 장치와 연결된 다른 장치 사이의 전송(또는 처리) 속도 차이를 보상해주는 인터페이스로서 동작할 수 있다.
컬럼 드라이버(600)는 타이밍 컨트롤러(700)의 제어에 따라 출력 버퍼(500)의 컬럼을 선택하고, 선택된 출력 버퍼(500)의 컬럼에 일시 저장된 데이터를 순차적으로 출력할 수 있다. 컬럼 드라이버(600)는 타이밍 컨트롤러(700)로부터 어드레스 신호가 수신되면, 그 어드레스 신호에 근거하여 컬럼 선택 신호를 생성하여 출력 버퍼(500)의 컬럼을 선택함으로써, 선택된 출력 버퍼(500)의 컬럼으로부터의 영상 데이터가 출력 신호로서 출력되도록 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(700)는 로우 드라이버(200), 아날로그-디지털 컨버터(400), 출력 버퍼(500) 및 컬럼 드라이버(600)의 동작들을 제어하기 위한 신호들을 생성할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(700)는 이미지 센싱 장치의 각 구성의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤을 위한 제어 신호, 및 로우 또는 컬럼을 선택하기 위한 어드레스 신호들을 로우 디코더(200), 컬럼 드라이버(600), 아날로그-디지털 컨버터(400) 및 출력 버퍼(500)에 제공할 수 있다. 실시예에 따라, 타이밍 컨트롤러(700)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 1에서 픽셀 어레이의 평면 구조를 예시적으로 보여주는 도면이다.
픽셀 어레이(100)는 복수의 서브 픽셀 블록들(PB_R, PB_G, PB_B)을 포함할 수 있다. 각 서브 픽셀 블록(PB_R, PB_G, PB_B)은 입사된 광을 변환하여 입사광에 대응되는 전기 신호(픽셀 신호)를 생성하는 복수의 유닛 픽셀들을 포함할 수 있다. 각 서브 픽셀 블록(PB_R, PB_G, PB_B)은 동일한 컬러의 컬러 필터들을 갖는 복수개의 유닛 픽셀들이 N×N(N은 2이상의 자연수) 형태로 인접하게 배열되는 구조를 포함할 수 있다.
도 2에는, 예시적으로, 동일한 컬러의 컬러 필터를 갖는 4개의 유닛 픽셀들이 2×2 형태로 배열되는 쿼드(quad) 구조의 서브 픽셀 블록들(PB_R, PB_G, PB_B)이 도시되어 있다. 설명의 편의상 도 2에서는 4개의 서브 픽셀 블록들(PB_R, PB_G, PB_B)만이 도시되어 있으나, 도 2의 배열에 따른 서브 픽셀 블록들(PB_R, PB_G, PB_B)은 로우(row) 방향 및 컬럼(column) 방향으로 연속적으로 배열될 수 있다.
서브 픽셀 블록(PB_R)은 제 1 파장대역의 가시광을 투과시키는 레드 컬러 필터를 포함하는 4개의 레드 컬러 픽셀들이 2×2 형태로 배열된 구조를 포함할 수 있다. 서브 픽셀 블록(PB_G)은 제 1 파장대역보다 짧은 제 2 파장대역의 가시광을 투과시키는 그린 컬러 필터를 포함하는 4개의 그린 컬러 픽셀들이 2×2 형태로 배열된 구조를 포함할 수 있다. 서브 픽셀 블록(PB_B)은 제 2 파장대역보다 짧은 제 3 파장대역의 가시광을 투과시키는 블루 컬러 필터를 포함하는 4개의 블루 컬러 픽셀들이 2×2 형태로 배열된 구조를 포함할 수 있다. 이러한 레드, 그린, 블루 컬러의 서브 픽셀 블록들(PB_R, PB_G, PB_B)은 베이어 패턴으로 연속적으로 배열될 수 있다.
유닛 픽셀들(PXNR, PXNG, PXNB, PXSR, PXSG, PXSB)의 컬러 필터들 사이에는 인접한 컬러 필터들 간의 크로스 토크(cross-talk)를 방지하기 위한 그리드 구조물(120)이 형성될 수 있다.
서브 픽셀 블록들(PB_R, PB_G, PB_B) 각각은 HDR(High Dynamic Range)을 구현하기 위한 적어도 하나의 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 기판 내의 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.
이를 위해, 본 실시예에서의 그리드 구조물(120)은 저노출 픽셀(PXSR, PXSG, PXSB)의 컬러 필터와 노말 픽셀(PXNR, PXNG, PXNB)의 컬러 필터 사이에 위치하는 제 1 그리드(120M)와 노말 픽셀들(PXNR, PXNG, PXNB)의 컬러 필터들 사이에 위치하는 제 2 그리드(120A)를 포함할 수 있으며, 제 1 그리드(120M)와 제 2 그리드(120A)는 서로 다른 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 그리드 구조물(120)에서, 제 1 그리드(120M)는 저노출 픽셀들(PXSR, PXSG, PXSB)의 컬러 필터와 인접하게 위치하는 영역을 의미할 수 있으며, 제 2 그리드(120A)는 저노출 픽셀들(PXSR, PXSG, PXSB)의 컬러 필터와는 인접하지 않고 노말 픽셀들(PXNR, PXNG, PXNB)의 컬러 필터들과만 인접하게 위치하는 영역을 의미할 수 있다.
이러한 제 1 그리드(120M)는 광흡수층을 포함할 수 있다. 이때 광흡수층은 메탈층을 포함할 수 있다. 메탈층은 저노출 픽셀들(PXSR, PXSG, PXSB)의 컬러 필터들을 둘러싸는 고리 형태(annular shape)로 형성될 수 있다. 즉, 저노출 픽셀들(PXSR, PXSG, PXSB)의 컬러 필터들은 메탈층에 위해 둘러싸이게 형성될 수 있다.
제 2 그리드(120A)는 광반사층을 포함할 수 있다. 이때 광반사층은 에어층(air layer)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 2 그리드(120A)는 메탈층과 에어층이 적층된 하이브리드 구조를 포함할 수 있다.
따라서, 광을 잘 흡수하는 특성을 가진 메탈층에 의해 둘러싸인 저노출 픽셀들(PXSR, PXSG, PXSB)에서는, 입사되는 광 중 많은 양의 광이 광전변환영역에 유입되지 않고 제 1 그리드(120M)의 메탈층에 흡수될 수 있다. 반면에, 노말 픽셀들(PXNR, PXNG, PXNB)에 입사되는 광들은 에어층에 의해 반사되어 노말 픽셀들(PXNR, PXNG, PXNB)의 광전변환영역에 유입될 수 있다. 이로 인해, 동일한 노출 시간 동안에, 저노출 픽셀들(PXSR, PXSG, PXSB)의 광전변환영역들에 흡수되는 광량은 노말 픽셀들(PXNR, PXNG, PXNB)의 광전변환영역들에 흡수되는 광량보다 감소될 수 있다.
상술한 실시예에서는 제 1 그리드(120M)가 광흡수층으로서 메탈층을 포함하는 경우를 예시적으로 설명하였으나, 제 1 그리드(120M)는 메탈층 대신에 광을 잘 흡수할 수 있는 다른 물질층을 포함할 수 있다. 또한, 상술한 실시예에서는 제 2 그리드(120A)가 광반사층으로서 에어층을 포함하는 경우를 예시적으로 설명하였으나, 제 2 그리드(120A)는 에어층 대신에 광을 잘 반사할 수 있는 다른 물질층을 포함할 수 있다.
도 3은 도 2의 픽셀 어레이에서 A-A´ 절취선을 따라 절단된 단면 구조의 일 실시예를 보여주는 도면이며, 도 4는 도 2의 픽셀 어레이에서 B-B´ 절취선을 따라 절단된 단면 구조의 일 실시예를 보여주는 도면이며, 도 5는 도 2의 픽셀 어레이에서 C-C´ 절취선을 따라 절단된 단면 구조의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 픽셀 어레이(100)는 기판층(110), 그리드 구조물(120M, 120A), 컬러 필터층(130) 및 렌즈층(140)을 포함할 수 있다.
기판층(110)은 기판(112), 광전변환영역들(114) 및 소자분리 구조물들(116)을 포함할 수 있다. 기판층(110)은 서로 반대편에 위치하는 제 1 면 및 제 2 면을 포함할 수 있다. 이때, 제 1 면은 외부에서 광이 입사되는 면을 나타낼 수 있다.
기판(112)은 단결정(Single crystal)의 실리콘을 포함하는 반도체 기판을 포함할 수 있다. 기판(112)은 P형 불순물을 포함할 수 있다.
광전변환영역들(114)는 각 유닛 픽셀에 대응되게 반도체 기판(112) 내부에 형성될 수 있다. 광전변환영역들(114)은 컬러 필터층(130)에 의해 필터링되어 입사된 가시광을 광전변환하여 광전하를 생성할 수 있다. 광전변환영역들(114)은 N형 불순물을 포함할 수 있다.
소자분리 구조물(116)은 인접한 유닛 픽셀들의 광전변환영역들(114) 사이에 형성되어 광전변환영역들(114)을 아이솔레이션시킬 수 있다. 소자분리 구조물(116)은 BDTI(Back Deep Trench Isolation) 또는 FDTI(Front Deep Trench Isolation)와 같은 트렌치 구조를 포함할 수 있다. 또는 소자분리 구조물(116)은 기판(112)에 고농도의 불순물(예를 들어, P형 불순물)이 주입된 정션 아이솔레이션 구조를 포함할 수 있다.
그리드 구조물(120)은 컬러 필터들(R, G, B) 사이에 위치하여 인접한 컬러 필터들(R, G, B) 간의 크로스 토크를 방지할 수 있다. 그리드 구조물(120)은 기판층(110)의 제 1 면 위에 형성될 수 있다. 그리드 구조물(120)은 소자분리 구조물(116)과 수직 방향으로 중첩되게 형성될 수 있다. 그리드 구조물(120)은 제 1 그리드(120M) 및 제 2 그리드(120A)를 포함할 수 있다.
제 1 그리드(120M)는 메탈층(122), 제 1 캡핑막(124) 및 제 2 캡핑막(128)을 포함할 수 있으며, 제 2 그리드(120A)는 메탈층(122), 제 1 캡핑막(124), 에어층(126) 및 제 2 캡핑막(128)을 포함할 수 있다.
메탈층(122)은 텅스텐을 포함할 수 있으며, 제 1 그리드(120M)와 제 2 그리드(120A) 모두에 포함될 수 있다. 메탈층(122)은 텅스텐 아래에 위치하는 베리어메탈층(미도시)을 포함할 수 있다.
에어층(126)은 제 2 그리드(120A)에서 메탈층(122)과 중첩되게 제 1 캡핑막(124) 위에 형성될 수 있다. 즉, 제 2 그리드(120A)는 메탈층(122)과 에어층(126)이 적층된 하이브리드 구조를 포함할 수 있다.
이처럼 본 실시예에서는 제 1 그리드(120M)에는 메탈층(122) 위에 에어층이 형성되지 않는 반면에, 제 2 그리드(120A)에는 메탈층(122) 위에 에어층(126)이 형성될 수 있다. 이러한 경우, 도 3에서와 같이, 입사광 중 제 1 그리드(120M)에 부딪히는 광은 메탈층(122)에 흡수될 수 있다. 반면에, 도 4에서와 같이, 입사광 중 제 2 그리드(120A)에 부딪히는 광은 에어층(126)에 의해 반사되어 광전변환영역(114)에 유입될 수 있다. 따라서, 동일한 노출 시간 동안에, 도 2에서와 같이 4면이 모두 제 1 그리드(120M)으로 둘러싸인 저노출 픽셀들(PXSR, PXSG, PXSB)의 광전변환영역들(112)에 유입되는 광량은 노말 픽셀들(PXNR, PXNG, PXNB)의 광전변환영역들(112)에 유입되는 광량보다 감소될 수 있다.
더욱이, 메탈층(122)의 높이를 조절함으로써 저노출 픽셀들(PXSR, PXSG, PXSB)의 광전변환영역들(112)에 유입되는 광량을 조절할 수 있다.
제 1 캡핑막(124)은 질화막을 포함할 수 있으며, 메탈층(142)을 커버하면서 컬러 필터층(130)의 아래까지 연장되게 형성될 수 있다. 제 1 캡핑막(124)은 열처리 공정시 메탈층(122)이 팽창하는 것을 방지할 수 있다. 제 1 캡핑막(124)에서 컬러 필터층(130)의 아래에 형성되는 영역은 반사 방지층의 일부로서 사용될 수 있다.
제 2 캡핑막(128)은 그리드 구조물(120)의 최외곽에 형성되는 물질막으로서, 제 2 그리드(120A)에서는 에어층(126)이 형성되는 영역을 정의할 수 있으며, 제 1 그리드(120M)에서는 제 1 캡핑막(122)과 중첩되게 형성될 수 있다. 제 2 캡핑막(128)은 산화막을 포함할 수 있으며, 에어층(126)을 커버하면서 컬러 필터층(130)의 아래까지 연장되게 형성될 수 있다. 산화막은 실리콘 산화막(SiO2)과 같은 저온산화(ULTO)막을 포함할 수 있다. 제 2 캡핑막(128)에서 컬러 필터층(130)의 아래에 형성되는 영역은 반사 방지층의 일부로서 사용될 수 있다.
제 1 캡핑막(124)과 제 2 캡핑막(128)에서, 컬러 필터층(130)의 아래에 형성되는 영역은 컬러 필터(130)와 기판(112) 간의 굴절률 차이를 보상하여 컬러 필터(130)를 통과하는 광이 효과적으로 기판(112) 내부로 입사될 수 있도록 하는 반사 방지층의 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 컬러 필터(130)와 기판(112) 사이에 별도의 반사 방지층을 구비하지 않아도 된다.
컬러 필터층(130)은 렌즈층(140)을 통해 입사된 광에서 가시광을 필터링하여 대응되는 광전변환영역들(112)로 전달하는 컬러 필터들(R, G, B)을 포함할 수 있다. 예컨대, 컬러 필터층(130)은 제 1 파장대역의 레드 컬러의 가시광을 통과시키는 복수의 레드 컬러 필터들(R), 제 1 파장대역보다 짧은 제 2 파장대역의 그린 컬러의 가시광을 통과시키는 복수의 그린 컬러 필터들(G) 및 제 2 파장대역보다 짧은 제 3 파장대역의 블루 컬러의 가시광을 통과시키는 복수의 블루 컬러 필터들(B)을 포함할 수 있다. 컬러 필터층(130)은 기판층(110) 위에서 제 1 그리드(120M)와 제 2 그리드(120A)에 의해 정의된 영역에 형성될 수 있다.
렌즈층(140)은 오버 코팅층(142) 및 마이크로 렌즈들(144)을 포함할 수 있다. 오버 코팅층(142)은 컬러 필터층(130) 위에 형성될 수 있다. 오버 코팅층(142)은 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 컬러 필터(R, G, B)에 전달할 수 있다. 오버 코팅층(142)과 마이크로 렌즈들(144)은 동일한 물질로 형성될 수 있다.
도 6a 내지 도 9a는 도 3의 제 1 그리드를 형성하는 과정을 예시적으로 보여주는 공정 단면도들이며, 도 6b 내지 9b는 도 4의 제 2 그리드를 형성하는 과정을 예시적으로 보여주는 공정 단면도들이다.
먼저 도 6a 및 6b를 참조하면, 광전변환영역들 및 소자분리 구조물을 포함하는 기판층(110) 위에 메탈층(122)을 형성한다.
예를 들어, 기판층(110) 위에 전체적으로 메탈이 형성된 후 그리드 구조물 영역을 정의하는 마스크 패턴(미도시)을 식각 마스크로 하여 메탈이 식각됨으로써 메탈층(122)이 형성될 수 있다. 이때, 메탈은 텅스텐을 포함할 수 있다.
이어서, 기판층(110) 및 메탈층(122) 상부에 제 1 캡핑막(124)이 형성될 수 있다. 이때, 제 1 캡핑막(124)은 질화막을 포함할 수 있다.
다음에 도 7a 및 7b를 참조하면, 제 1 캡핑막(124) 위에서 제 2 그리드(120A)가 형성될 영역에 희생막 패턴(125)이 형성된다.
예를 들어, 제 1 캡핑막(124) 위에 전체적으로 희생막(미도시)이 형성된 후 희생막 위에 제 2 그리드(120A) 영역을 정의하는 마스크 패턴(미도시)이 형성될 수 있다. 이때, 희생막은 탄소가 함유된 SOC막을 포함할 수 있다. 이어서, 마스크 패턴을 식각 마스크로 희생막을 식각함으로써 제 2 그리드(120A) 영역에 희생막 패턴(125)이 형성될 수 있다.
다음에 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 제 1 캡핑막(124) 및 희생막 패턴(125) 위에 제 2 캡핑막(128)이 형성될 수 있다.
이때, 제 2 캡핑막(128)은 저온산화(ULTO: Ultra Low Temperature Oxide)막을 포함할 수 있다. 제 2 캡핑막(128)은 후속의 플라즈마 공정에서 사용되는 가스와 희생막 패턴(125)의 탄소가 결합되어 생성된 분자가 쉽게 외부로 빠져나갈 수 있는 두께로 형성될 수 있다.
다음에 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 도 8a 및 도 8b의 결과물에 대해 플라즈마 공정이 수행됨으로써 희생막 패턴(125)이 제거되고 그 위치에 에어층(126)이 형성될 수 있다. 이때, 플라즈마 공정은 O2, N2, H2, CO, CO2, CH4 등 산소, 질소, 수소 중 적어도 하나가 포함된 가스를 이용한 플라즈마 공정이 이용될 수 있다.
예를 들어, 도 9b의 결과물에 대해 O2 플라즈마 공정을 수행하면, 산소기(Oxygen Radical)(O*)가 제 2 캡핑막(128)을 통해 희생막 패턴(125)으로 유입되고, 유입된 산소기는 희생막 패턴(125)의 탄소와 결합하여 CO 또는 CO2 를 생성한다. 생성된 CO 또는 CO2 는 제 2 캡핑막(128)을 통해 밖으로 빠져나가게 된다.
이러한 과정을 통해 희생막 패턴(125)이 제거되고 해당 위치에 에어층(126)이 형성될 수 있다.
이후, 제 2 캡핑막(128) 위에서 제 1 그리드(120M)와 제 2 그리드(120A)에 의해 정의된 영역들이 매립되도록 컬러 필터층(130)이 형성되고, 컬러 필터층(130) 위에 렌즈층(140)이 형성될 수 있다.
도 10 및 도 11은 각각 도 2의 픽셀 어레이에서 B-B´ 및 C-C´ 절취선을 따라 절단된 단면 구조의 다른 실시예를 보여주는 도면들이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 제 2 그리드(120A´)는 제 1 캡핑막(124), 에어층(126´) 및 제 2 캡핑막(128)을 포함할 수 있다.
즉, 상술된 실시예에서는, 제 1 그리드(120M)에 형성되는 메탈층(122)이 제 2 그리드(120A)가 형성되는 영역까지 연장되게 형성되었다. 반면에, 본 실시예에서는 메탈층(122´)이 제 1 그리드(120M)에만 형성되고 제 2 그리드(120A´)에는 형성되지 않을 수 있다.
이때에도, 제 1 그리드(120M)에 형성되는 메탈층(122´)의 높이가 조절됨으로써 저노출 픽셀들(PXSR, PXSG, PXSB)의 광전변환영역들(112)에 유입되는 광량이 조절될 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: 기판층
120M: 제 1 그리드
120A: 제 2 그리드
130: 컬러 필터층
140: 렌즈층
200: 로우 드라이버
300: 상관 이중 샘플러
400: 아날로그-디지털 컨버터
500: 출력 버퍼
600: 컬럼 드라이버
700: 타이밍 컨트롤러
110: 기판층
120M: 제 1 그리드
120A: 제 2 그리드
130: 컬러 필터층
140: 렌즈층
200: 로우 드라이버
300: 상관 이중 샘플러
400: 아날로그-디지털 컨버터
500: 출력 버퍼
600: 컬럼 드라이버
700: 타이밍 컨트롤러
Claims (18)
- 제 1 컬러 필터를 통해 입사된 광을 변환하여 픽셀 신호를 생성하는 적어도 하나의 제 1 유닛 픽셀;
상기 제 1 유닛 픽셀과 인접하게 위치하며, 제 2 컬러 필터를 통해 입사된 광을 변환하여 픽셀 신호를 생성하는 복수의 제 2 유닛 픽셀들;
상기 제 1 컬러 필터와 상기 제 2 컬러 필터 사이에 위치하여 상기 제 1 컬러 필터와 상기 제 2 컬러 필터 사이의 크로스 토크를 방지하며, 광흡수층을 포함하는 제 1 그리드; 및
상기 제 2 컬러 필터들 사이에 위치하여 상기 제 2 컬러 필터들 사이의 크로스 토크를 방지하며, 광반사층을 포함하는 제 2 그리드를 포함하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 그리드는
상기 제 1 컬러 필터를 둘러싸는 고리 형태(annular shape)로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 제 2 그리드는
상기 제 1 컬러 필터와는 인접하지 않고 상기 제 2 컬러 필터와는 인접하게 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 광흡수층은
상기 제 2 그리드가 형성되는 영역까지 연장되게 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 4에 있어서, 상기 제 2 그리드는
상기 광흡수층;
상기 광흡수층을 커버하는 제 1 캡핑막;
상기 광흡수층과 중첩되도록 상기 제 1 캡핑막 위에 위치하는 상기 광반사층; 및
상기 광반사층을 커버하는 제 2 캡핑막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 제 2 그리드는
상기 광흡수층과 중첩되지 않는 제 1 캡핑막;
상기 제 1 캡핑막 위에 위치하는 상기 광반사층; 및
상기 광반사층을 커버하는 제 2 캡핑막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 광흡수층은
메탈층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 광반사층은
에어층(air layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 컬러 필터와 상기 제 2 컬러 필터는
동일한 컬러를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 9에 있어서, 상기 제 1 유닛 픽셀과 상기 제 2 유닛 픽셀들은
2×2 구조로 인접하게 배열되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 서로 인접하게 배열되는 복수의 컬러 필터들; 및
상기 컬러 필터들과 인접하게 상기 컬러 필터들 사이에 위치하는 그리드 구조물을 포함하며,
상기 그리드 구조물은
상기 복수의 컬러 필터들 중 적어도 하나의 제 1 컬러 필터와 인접하게 위치하며, 광흡수층을 포함하는 제 1 그리드; 및
상기 제 1 컬러 필터와는 인접하지 않고 상기 복수의 컬러 필터들 중 상기 제 1 컬러 필터를 제외한 나머지 제 2 컬러 필터들과는 인접하게 위치하며, 광반사층을 포함하는 제 2 그리드를 포함하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 11에 있어서, 상기 제 1 그리드는
상기 제 1 컬러 필터를 둘러싸는 고리 형태(annular shape)로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 11에 있어서, 상기 광흡수층은
상기 제 2 그리드가 형성되는 영역까지 연장되게 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 13에 있어서, 상기 제 2 그리드는
상기 광흡수층;
상기 광흡수층을 커버하는 제 1 캡핑막;
상기 광흡수층과 중첩되도록 상기 제 1 캡핑막 위에 위치하는 상기 광반사층; 및
상기 광반사층을 커버하는 제 2 캡핑막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 11에 있어서, 상기 제 2 그리드는
상기 광흡수층과 중첩되지 않는 제 1 캡핑막;
상기 제 1 캡핑막 위에 위치하는 상기 광반사층; 및
상기 광반사층을 커버하는 제 2 캡핑막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 11에 있어서, 상기 광흡수층은
메탈층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 11에 있어서, 상기 광반사층은
에어층(air layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 11에 있어서, 상기 복수의 컬러 필터들은
2×2 구조로 인접하게 배열되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200175696A KR20220085543A (ko) | 2020-12-15 | 2020-12-15 | 이미지 센싱 장치 |
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