KR20220105231A - 이미지 센서 - Google Patents

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KR20220105231A
KR20220105231A KR1020210007370A KR20210007370A KR20220105231A KR 20220105231 A KR20220105231 A KR 20220105231A KR 1020210007370 A KR1020210007370 A KR 1020210007370A KR 20210007370 A KR20210007370 A KR 20210007370A KR 20220105231 A KR20220105231 A KR 20220105231A
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정영우
김수언
김진영
신혜지
이응규
조정래
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삼성전자주식회사
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Abstract

이미지 센서를 제공한다. 이 이미지 센서는 복수의 광전 변환 소자들을 포함하는 기판; 상기 기판 상에서, 차례로 적층된 복수의 층들을 포함하는 절연 구조물; 상기 절연 구조물 상의 그리드 패턴 구조물; 상기 절연 구조물 상의 색 필터들; 및 상기 색 필터들 상의 마이크로 렌즈들을 포함한다. 상기 그리드 패턴 구조물은 제1 패턴 부분 및 상기 제1 패턴 부분과 이격되는 제2 패턴 부분들을 포함하고, 상기 색 필터들은 제1 색(color)의 제1 색 필터(color filter), 상기 제1 색과 다른 제2 색의 제2 색 필터, 및 상기 제1 및 2 색들과 다른 제3 색의 제3 색 필터를 포함하고, 상기 제1 패턴 부분은 상기 제1 내지 제3 색 필터들 중 서로 다른 색의 필터들 사이에 배치되고, 상기 제2 패턴 부분들 중 어느 하나의 제2 패턴 부분의 전체 측면은 어느 하나의 색 필터에 의해 둘러싸인다.

Description

이미지 센서{IMAGE SENSOR}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것이다.
화상을 촬영하여 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서는 디지털 카메라, 휴대 전화용 카메라 및 휴대용 캠코더 등과 같은 일반 소비자용 전자기기뿐만 아니라, 자동차, 보안장치 및 로봇 등에 장착되는 카메라에도 사용되고 있다. 이러한 이미지 센서는 소형화 및 높은 해상도가 요구되고 있기 때문에, 이를 충족시키기 위한 다양한 연구들이 수행되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 해상도를 높일 수 있는 이미지 센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 이미지 센서를 제공한다. 이 이미지 센서는 제1 기판; 상기 제1 기판 상의 제1 회로 소자 및 제1 배선 구조물, 상기 제1 기판 상에서 상기 제1 회로 소자 및 제1 배선 구조물을 덮는 제1 절연 층을 포함하는 제1 칩 구조물; 및 상기 제1 칩 구조물 상의 제2 칩 구조물을 포함한다. 상기 제2 칩 구조물은, 상기 제1 칩 구조물과 마주보는 제1 면 및 상기 제1 면과 대향하는 제2 면을 갖는 제2 기판; 상기 제2 기판의 상기 제1 면과 상기 제1 칩 구조물 사이에 배치되는 제2 회로 소자 및 제2 배선 구조물; 상기 제2 기판의 상기 제1 면과 상기 제1 칩 구조물 사이에서, 상기 제2 회로 소자 및 상기 제2 배선 구조물을 덮는 제2 절연 층; 상기 제2 기판 내의 광전 변환 소자들; 상기 제2 기판의 상기 제2 면 상의 절연 구조물; 상기 절연 구조물 상의 그리드 패턴 구조물; 상기 절연 구조물 및 상기 그리드 패턴 구조물 상의 색 필터들; 및 상기 색 필터들 상의 마이크로 렌즈들을 포함한다. 상기 그리드 패턴 구조물은 격자 무늬의 제1 패턴 부분 및 상기 제1 패턴 부분과 이격된 제2 패턴 부분들을 포함한다. 상기 색 필터들 각각의 상부면은 상기 그리드 패턴 구조물의 상부면 보다 높은 레벨에 배치된다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 이미지 센서를 제공한다. 이 이미지 센서는 복수의 광전 변환 소자들을 포함하는 기판; 상기 기판 상에서, 차례로 적층된 복수의 층들을 포함하는 절연 구조물; 상기 절연 구조물 상의 그리드 패턴 구조물; 상기 절연 구조물 상의 색 필터들; 및 상기 색 필터들 상의 마이크로 렌즈들을 포함한다. 상기 그리드 패턴 구조물은 제1 패턴 부분 및 상기 제1 패턴 부분과 이격되는 제2 패턴 부분들을 포함하고, 상기 색 필터들은 제1 색(color)의 제1 색 필터(color filter), 상기 제1 색과 다른 제2 색의 제2 색 필터, 및 상기 제1 및 2 색들과 다른 제3 색의 제3 색 필터를 포함하고, 상기 제1 패턴 부분은 상기 제1 내지 제3 색 필터들 중 서로 다른 색의 필터들 사이에 배치되고, 상기 제2 패턴 부분들 중 어느 하나의 제2 패턴 부분의 전체 측면은 어느 하나의 색 필터에 의해 둘러싸인다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시 예에 따른 이미지 센서를 제공한다. 이 이미지 센서는 서로 인접하는 복수의 제1 픽셀 영역들, 서로 인접하는 복수의 제2 픽셀 영역들 및 서로 인접하는 복수의 제3 픽셀 영역들을 포함하는 기판; 상기 기판 상의 절연 구조물; 상기 절연 구조물 상의 그리드 패턴 구조물; 상기 절연 구조물 상의 색 필터들; 및 상기 색 필터들 상의 마이크로 렌즈들을 포함한다. 상기 그리드 패턴 구조물은 제1 패턴 부분 및 상기 제1 패턴 부분과 이격되는 제2 패턴 부분들을 포함하고, 상기 색 필터들은 제1 색(color)의 제1 색 필터(color filter), 상기 제1 색과 다른 제2 색의 제2 색 필터, 및 상기 제1 및 2 색들과 다른 제3 색의 제3 색 필터를 포함하고, 상기 제1 패턴 부분은 상기 제1 내지 제3 색 필터들 중 서로 다른 색의 필터들 사이에 배치되고, 하나의 상기 제1 색 필터는 상기 복수의 제1 픽셀 영역들과 중첩하고, 하나의 상기 제2 색 필터는 상기 복수의 제2 픽셀 영역들과 중첩하고, 하나의 상기 제3 색 필터는 상기 복수의 제3 픽셀 영역들과 중첩하고, 상기 제2 패턴 부분들 중 어느 하나의 제2 패턴 부분은 어느 하나의 색 필터에 의해 덮인다.
본 발명의 기술적 사상의 실시 예들에 따르면, 어느 하나의 색 필터를 복수개의 픽셀 영역들의 복수개의 광전 변환 소자들과 중첩하게 배치함으로써, 이미지 센서에서 동일 컬러의 감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 실시 예들에 따르면, 그리드 패턴 구조물은 서로 다른 색의 색 필터들 사이에 배치되는 제1 패턴 부분 및 동일한 색의 색 필터에 의해 전체 측면 및 상부면이 덮이는 제2 패턴 부분을 포함할 수 있다. 이와 같은 그리드 패턴 구조물 및 색 필터를 제공함으로써, 이미지 센서의 동일 컬러의 감도를 향상시키면서, 옵티컬 크로스 토크(optical cross-talk) 현상을 개선할 수 있다. 따라서, 이미지 센서의 해상도를 높일 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 센서를 나타낸 개략적인 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 개략적인 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 일부분을 확대한 부분 확대 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 개략적인 단면도들이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 다양한 변형 예들을 나타낸 개략적인 부분 확대 단면도들이다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 다양한 변형 예들을 나타낸 개략적인 부분 확대 평면도들이다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 다른 변형 예를 나타낸 개략적인 도면이다.
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 다른 변형 예를 나타낸 개략적인 도면이다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법을 개략적으로 나타낸 단면도들이다.
이하에서, '상', '상부', '상면', '하', '하부', '하면', '측면','상단', '하단' 등의 용어는 도면부호로 표기되어 별도로 지칭되는 경우를 제외하고, 도면을 기준으로 지칭하는 것으로 이해될 수 있다.
우선, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 예시적인 예에 대하여 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 분해 사시도이고, 도 1에서 'A'로 표시된 부분 확대 영역은 분해 사시도로 나타낸 이미지 센서의 일부를 확대한 평면 모양을 나타낼 수 있다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 제1 칩 구조물(3) 및 상기 제1 칩 구조물(3) 상의 제2 칩 구조물(103)을 포함할 수 있다. 상기 제1 칩 구조물(3)은 로직 칩일 수 있고, 상기 제2 칩 구조물(103)은 복수의 픽셀 영역들(G1~G4, R1~R4, B1~B4)을 포함하는 이미지 센서 칩일 수 있다. 다른 예에서, 상기 제1 칩 구조물(3)은 로직 칩 및 메모리 칩을 포함하는 적층 칩 구조물일 수 있다.
상기 이미지 센서(1)의 상기 제2 칩 구조물(103)은 제1 영역(CA), 제2 영역(EA) 및 제3 영역(PA)을 포함할 수 있다.
상기 제3 영역(PA)은 상기 제1 영역(CA) 및 상기 제2 영역(EA)을 포함하는 중심 영역의 적어도 어느 한 측에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 영역(PA)은 상기 제1 영역(CA) 및 상기 제2 영역(EA)을 포함하는 중심 영역의 양 측에 배치되거나, 또는 상기 중심 영역을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 상기 제2 영역(EA)은 상기 제1 영역(CA)의 적어도 어느 한 측에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 영역(EA)은 상기 제1 영역(CA)의 어느 한 측에 배치되거나, 상기 제1 영역(CA)의 양 측에 배치되거나, 또는 상기 제1 영역(CA)을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
상기 제1 영역(CA)은 액티브 픽셀 센서 어레이(Active Pixel Sensor Array) 영역을 포함할 수 있고, 상기 제2 영역(EA)은 옵티컬 블랙 영역(OB) 및 칩들간 연결 영역(CB)을 포함할 수 있고, 상기 제3 영역(PA)은 입/출력 패드들이 배치되는 패드 영역을 포함할 수 있다. 상기 제3 영역(PA)은 패드 영역으로 지칭될 수 있다.
상기 제1 영역(CA)은 빛이 입사되는 액티브 픽셀 센서 어레이 영역일 수 있고, 상기 제2 영역(EA)의 상기 옵티컬 블랙 영역(OB)은 빛이 입사되지 않는 영역일 수 있고, 상기 제2 영역(EA)의 상기 칩들간 연결 영역(CB)은 상기 제1 칩 구조물(3)의 배선 구조물과 상기 제2 칩 구조물(103)의 배선 구조물을 전기적으로 연결하는 영역일 수 있다. 실시예들에서, 상기 옵티컬 블랙 영역(OB) 및 상기 칩들간 연결 영역(CB)은 다양한 형태로 배치될 수 있다.
상기 제2 칩 구조물(103)은 복수의 색 필터들(160)을 포함할 수 있다. 상기 색 필터들(160)은 제1 색(color)의 제1 색 필터들(160a), 상기 제1 색과 다른 제2 색의 제2 색 필터들(160b), 및 상기 제1 및 제2 색들과 다른 제3 색의 제3 색 필터들(160c)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 색은 녹색(green color)일 수 있고, 상기 제2 색은 적색(red color)일 수 있고, 상기 제3 색은 청색(blue color)일 수 있다.
상기 제1 영역(CA), 예를 들어, 액티브 픽셀 센서 어레이 영역은 복수의 픽셀 영역들(G1~G4, R1~R4, B1~B4)을 포함할 수 있다. 상기 복수의 픽셀 영역들(G1~G4, R1~R4, B1~B4)은 도 1의 'A'로 표시된 평면 모양에서, 도면부호 G1~G4, R1~R4, B1~B4로 나타낼 수 있다. 서로 인접하는 G1 픽셀 영역, G2 픽셀 영역, G3 픽셀 영역, G4 픽셀 영역을 포함하는 하나의 제1 픽셀 그룹(G1~G4)은 하나의 상기 제1 색 필터(160a)와 중첩할 수 있고, 서로 인접하는 R1 픽셀 영역, R2 픽셀 영역, R3 픽셀 영역, R4 픽셀 영역을 포함하는 하나의 제2 픽셀 그룹(R1~R4)은 하나의 상기 제2 색 필터(160b)와 중첩할 수 있고, 서로 인접하는 B1 픽셀 영역, B2 픽셀 영역, B3 픽셀 영역 및 B4 픽셀 영역을 포함하는 하나의 제3 픽셀 그룹(B1~B4)은 하나의 상기 제3 색 필터(160c)와 중첩할 수 있다.
도 1의 'A'로 나타낸 것과 같은 평면으로 보았을 때, 상기 제2 칩 구조물(103)은 각각의 상기 픽셀 영역들(G1~G4, R1~R4, B1~B4) 사이에 배치되는 그리드 패턴 구조물(150)을 더 포함할 수 있다. 상기 그리드 패턴 구조물(150)은 제1 패턴 부분(150a) 및 제2 패턴 부분들(150b)을 포함할 수 있다. 상기 제2 패턴 부분들(150b)은 상기 제1 패턴 부분(150a)과 이격될 수 있다.
평면으로 보았을 때, 상기 제1 패턴 부분(150a)은 서로 평행한 제1 가로 직선 부분들(150a_1) 및 서로 평행한 제1 세로 직선 부분들(150a_2)을 포함할 수 있다. 상기 제1 세로 직선 부분들(150a_2)은 상기 제1 가로 직선 부분들(150a_1)과 수직 교차할 수 있다. 상기 제1 패턴 부분(150a)은 상기 제1 가로 직선 부분들(150a_1)과 상기 제1 세로 직선 부분들(150a_2)이 수직 교차하는 격자 모양일 수 있다.
상기 제1 패턴 부분(150a)은 상기 제1 내지 제3 색 필터들(160a, 160b, 160c) 중에서 서로 다른 색의 색 필터들 사이에 배치될 수 있다. 따라서, 상기 제1 가로 직선 부분들(150a_1) 및 상기 제1 세로 직선 부분들(150a_2)의 각각은 상기 제1 내지 제3 색 필터들(160a, 160b, 160c) 중에서 서로 다른 색의 색 필터들 사이에 배치될 수 있다.
평면으로 보았을 때, 상기 제2 패턴 부분들(150b)의 각각은 상기 색 필터들(160) 중 어느 하나의 색 필터와 중첩할 수 있고, 상기 제1 패턴 부분(150a)의 상기 제1 가로 직선 부분들(150a_1) 및 상기 제1 세로 직선 부분들(150a_2)과 이격될 수 있다.
평면으로 보았을 때, 상기 제2 패턴 부분들(150b)의 각각은 상기 제1 내지 제3 색 필터들(160a, 160b, 160c) 중에서 서로 한 색의 색 필터와 중첩할 수 있다. 평면으로 보았을 때, 상기 제2 패턴 부분들(150b) 중 어느 하나의 제2 패턴 부분은 어느 하나의 색 필터, 예를 들어 하나의 상기 제1 색 필터(160a)에 의해 덮이는 상기 복수의 픽셀 영역들(G1 ~ G4) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 패턴 부분들(150b) 중 어느 하나의 제2 패턴 부분은 4개의 상기 복수의 픽셀 영역들(G1 ~ G4)과 인접할 수 있다.
다음으로, 도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 3을 참조하여, 도 1을 참조하여 설명한 이미지 센서(1)의 예시적인 예를 설명하기로 한다. 도 2a는 도 1의 I-I'선을 따라 취해진 영역을 나타낸 단면도이고, 도 2b는 도 1의 II-II'선을 따라 취해진 영역을 나타낸 단면도이고, 도 2c는 도 1의 III-III'선을 따라 취해진 영역을 나타낸 단면도이다. 도 3은 도 2a의 'B1' 및 'B2'로 표시된 영역들 및 도 2c의 'B3'로 표시된 영역을 각각 확대한 부분 확대도이다.
도 1과 함께, 도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 3를 참조하면, 상기 이미지 센서(1)의 상기 제1 칩 구조물(3)은 제1 기판(6), 상기 제1 기판(6) 상에서 활성 영역(9a)을 한정하는 소자분리 막(9s), 상기 제1 기판(6) 상의 제1 회로 소자(12) 및 제1 배선 구조물(15), 및 상기 제1 기판(6) 상에서 상기 제1 회로 소자(12) 및 상기 제1 배선 구조물(15)을 덮는 제1 절연 층(18)을 포함할 수 있다. 상기 제1 기판(6)은 반도체 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 기판(6)은 반도체 물질로 형성된 기판, 예를 들어 단결정 실리콘 기판일 수 있다. 상기 회로 소자(12)는 게이트(12a) 및 소스/드레인(12b)을 포함하는 트랜지스터 등과 같은 소자를 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서(1)의 상기 제2 칩 구조물(103)에서, 상기 픽셀 영역들(G1~G4, R1~R4, B1~B4)은 광전 변환 소자들(PD)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각각의 상기 픽셀 영역들(G1~G4, R1~R4, B1~B4)은 하나의 광전 변환 소자(PD)를 포함할 수 있다. 상기 광전 변환 소자들(PD)은 입사관에 대응하는 전하를 생성 및 축적할 수 있다. 예를 들어, 상기 광전 변환 소자들(PD)은 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode; PPD) 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 제2 칩 구조물(103)은 서로 대향하는 제1 면(106s1) 및 제2 면(106s2)을 갖는 제2 기판(106), 상기 제2 기판(106)의 상기 제1 면(106s1)에 배치되며 활성 영역을 한정하는 소자분리 막(118s), 상기 제2 기판(106)의 상기 제1 면(106s1)과 상기 제1 칩 구조물(3) 사이에 배치되는 제2 회로 소자(124) 및 제2 배선 구조물(127), 상기 제2 기판(106)의 상기 제1 면(106s1)과 상기 제1 칩 구조물(3) 사이에서, 상기 제2 회로 소자(124) 및 상기 제2 배선 구조물(127)을 덮는 제2 절연 층(130)을 포함할 수 있다. 상기 제2 기판(106)의 상기 제1 면(106s1)은 상기 제1 칩 구조물(3)과 마주볼 수 있다.
상기 제1 광전 변환 소자들(PD)은 상기 제2 기판(106) 내부에 형성될 수 있으며, 서로 이격될 수 있다. 상기 제2 기판(106)은 반도체 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 기판(106)은 반도체 물질로 형성된 기판, 예를 들어 단결정 실리콘 기판일 수 있다.
상기 제2 칩 구조물(103)은 분리 구조물(115)을 더 포함할 수 있다. 상기 분리 구조물(115)은 각각의 상기 광전 변환 소자들(PD)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 상기 분리 구조물(115)은 상기 제2 기판(106)을 관통하는 관통 개구부(112) 내에 배치될 수 있다. 상기 분리 구조물(115)은 상기 제2 기판(106)을 관통할 수 있다. 상기 관통 개구부(112)는 상기 소자분리 막(118)과 연결될 수 있다. 따라서, 상기 분리 구조물(115)은 상기 소자분리 막(118)과 연결될 수 있다. 상기 소자분리 막(118)은 실리콘 산화물 등과 같은 절연성 물질로 형성될 수 있다. 상기 분리 구조물(115)은 분리 패턴(115b) 및 상기 분리 패턴(115b)의 측면을 덮는 분리 절연 층(115a)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 분리 절연 층(115a)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있고, 상기 분리 패턴(115b)은 폴리 실리콘을 포함할 수 있다.
일 예예서, 상기 분리 구조물(115)은 격자 모양으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 분리 구조물(115)은 도 1의 'A'로 표시된 평면 모양에서 점선으로 표시된 부분에 배치됨과 아울러, 상기 그리드 패턴 구조물(150) 하부에 배치될 수 있다.
상기 제2 회로 소자(124)는 트랜지스퍼 게이트(TG) 및 능동 소자들(121)을 포함할 수 있다. 상기 능동 소자들(121)은 게이트(121a) 및 소스/드레인(121b)을 포함하는 트랜지스터일 수 있다. 상기 트랜지스터 게이트(TG)는 인접한 광전 변환 소자(PD)에서 인접한 부유 확산 영역으로 전하를 전송할 수 있고, 상기 능동 소자들(121)은 소스 팔로워 트랜스터, 리셋 트랜지스터 및 선택 트랜지스터 중 적어도 하나일 수 있다. 상기 트랜스퍼 게이트(TG)는 상기 제2 기판(106)의 상기 제1 면(106s1)으로부터 상기 제2 기판(106) 내부로 연장되는 부분을 포함하는 수직 트랜지스퍼 게이트일 수 있다.
상기 제2 배선 구조물(127)은 서로 다른 높이 레벨에 위치하는 다층의 배선들 및 상기 다층의 배선들을 전기적으로 연결하고 상기 다층의 배선들을 상기 제2 회로 소자(124)와 전기적으로 연결하는 비아들을 포함할 수 있다.
상기 제1 절연 층(18)과 상기 제2 절연 층(130)은 접촉하며 본딩될 수 있다. 각각의 상기 제1 및 제2 절연 층들(18, 130)은 서로 다른 종류의 절연성 층들을 포함하는 다층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 절연 층(130)은 실리콘 산화물 층, 저유전체 층 및 실리콘 질화물 층 중 적어도 두 종류 이상을 포함하는 다층으로 형성될 수 있다.
상기 제2 칩 구조물(103)은 상기 제2 기판(106)의 상기 제2 면(106s2) 상에 배치되는 절연 구조물(140)을 더 포함할 수 있다. 상기 절연 구조물(140)은 상기 분리 구조물(115)을 덮을 수 있다.
상기 절연 구조물(140)은 도 3에서와 같이, 차례로 적층된 복수의 층들을 포함할 수 있다. 상기 절연 구조물(140)은 굴절률을 조절하여 입사된 빛이 높은 투과율로 상기 광전 변환 소자들(PD)로 진행할 수 있도록 하는 제공할 수 있는 반사 방지 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 절연 구조물(140)은 알루미늄 산화물 층, 하프늄 산화물 층, 실리콘 산질화물 층, 실리콘 산화물 층 및 실리콘 질화물 층 중 적어도 두 개 이상의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 절연 구조물(140)은 차례로 적층된 제1 층(140a), 제2 층(140b), 제3 층(140c) 및 제4 층(140c)을 포함할 수 있다. 상기 제1 층(140a)은 알루미늄 산화물 층이고, 각각의 상기 제2 및 제4 층들(140b, 140d)은 하프늄 산화물 층이고, 상기 제3 층(140c)은 실리콘 산화물 층일 수 있다.
일 예에서, 상기 제1 층(140a)의 두께는 상기 제4 층(140d)의 두께와 실질적으로 동일할 수 있다.
일 예에서, 상기 제2 층(140b)의 두께는 각각의 상기 제1 층(140a) 및 제4 층(140d)의 두께 보다 클 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 층(140b)의 두께는 상기 제1 층(140a)의 두께의 약 5배 내지 약 7배의 범위 일 수 있다.
일 예에서, 상기 제3 층(140c)의 두께는 상기 제2 층(140b)의 두께 보다 클 수 있다. 상기 제3 층(140c)의 두께는 상기 제1 층(140a)의 두께의 약 6배 내지 약 8배의 범위 일 수 있다.
도 1에서 설명한 것과 같이, 상기 제2 칩 구조물(103)은 상기 제1 패턴 부분(150a) 및 상기 제1 패턴 부분(150a)과 이격된 상기 제2 패턴 부분들(150b)을 포함하는 상기 그리드 패턴 구조물(150)을 포함할 수 있다. 상기 그리드 패턴 구조물(150)은 상기 절연 구조물(140) 상에 배치될 수 있다.
각각의 상기 제1 패턴 부분(150a) 및 상기 제2 패턴 부분들(150b)은 제1 물질 패턴(145) 및 상기 제1 물질 패턴(145) 상의 제2 물질 패턴(147)을 포함할 수 있다. 상기 제1 물질 패턴(145)은 상기 절연 구조물(140)과 접촉할 수 있다. 상기 제2 물질 패턴(147)의 두께는 상기 제1 물질 패턴(145)의 두께 보다 클 수 있다.
상기 제1 물질 패턴(145)은 제1 물질을 포함할 수 있고, 상기 제2 물질 패턴(147)은 상기 제1 물질과 다른 제2 물질을 포함할 수 있다.
일 예에서, 상기 제1 물질 패턴(145)의 상기 제1 물질은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 물질 패턴(145)은 금속 또는 금속 질화물 중 적어도 하나를 포함하는 도전성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 물질 패턴(145)은 Ti, Ta, TiN, TaN 또는 W 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 예에서, 상기 제2 물질 패턴(147)의 상기 제2 물질은 절연성 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 물질 패턴(147)의 상기 제2 물질은 저굴절률(low refractive index, LRI) 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 물질 패턴(147)의 상기 제2 물질은 굴절률이 약 1.1 내지 약 1.8의 범위일 수 있다. 상기 제2 물질 패턴(147)은 Si, Al 또는 이들의 조합을 포함하는 산화물 또는 질화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 물질 패턴(147)은 다공성 구조의 실리콘 산화물 또는 망상 구조의 실리카 나노 입자를 포함할 수 있다.
도 1에서 설명한 것과 같이, 상기 제2 칩 구조물(103)은 상기 제1 내지 제3 색 필터들(160a, 160b, 160c)을 포함하는 상기 색 필터들(160)을 포함할 수 있다. 상기 색 필터들(160)은 상기 절연 구조물(140) 상에 배치될 수 있다. 상기 색 필터들(160)은 특정 파장의 빛을 통과시키 상기 광전 변환 소자들(PD)에 도달하게 할 수 있다. 예를 들어, 상기 색 필터들(160)은 수지에 금속 또는 금속 산화물을 포함하는 안료(pigment)를 혼합한 물질로 형성될 수 있다. 상기 색 필터들(160) 각각의 두께는 상기 그리드 패턴 구조물(150)의 두께 보다 클 수 있다. 상기 색 필터들(160)은 상기 절연 구조물(140) 상에서 상기 그리드 패턴 구조물(150)을 덮을 수 있다. 상기 색 필터들(160)은 상기 절연 구조물(140) 상에서 상기 그리드 패턴 구조물(150)의 측면 및 상부면을 덮을 수 있다. 상기 색 필터들(160) 각각의 상부면은 상기 그리드 패턴 구조물(150)의 상부면 보다 높은 레벨에 배치될 수 있다.
상기 그리드 패턴 구조물(150)에서, 상기 제1 패턴 부분(150a)은 상기 제1 내지 제3 색 필터들(160a, 160b, 160c) 중 서로 다른 색의 필터들 사이에 배치될 수 있다.
상기 제1 패턴 부분(150a)은 서로 대향하는 양 측면들을 포함하고, 상기 제1 패턴 부분(150a)의 상기 양 측면들은 서로 다른 색의 필터들과 접촉 또는 인접할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 패턴 부분(150a)의 어느 한 부분은 상기 제1 색 필터(160a)와 접촉하는 제1 측면 및 상기 제2 색 필터(160b)와 접촉하는 제2 측면을 포함할 수 있다. 예시적인 실시 예에서, 상기 제1 패턴 부분(150a)의 어느 한 부분의 상부면은 서도 다른 색 필터들, 예를 들어 상기 제1 색 필터(160a) 및 상기 제2 색 필터(160b)와 접촉할 수 있다.
각각의 상기 제2 패턴 부분들(150b)에서, 전체 측면은 동일한 색의 필터와 접촉 또는 인접할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 패턴 부분들(150b) 중 어느 하나의 제2 패턴 부분의 전체 측면은 하나의 색 필터, 예를 들어, 상기 제1 색 필터(160a)와 접촉할 수 있다. 예시적에서, 상기 제2 패턴 부분들(150b) 중 어느 하나의 제2 패턴 부분의 전체 측면 및 전체 상부면은 하나의 색 필터, 예를 들어, 상기 제1 색 필터(160a)와 접촉할 수 있다. 상기 색 필터들(160) 중 어느 하나의 색 필터는 상기 제2 패턴 부분들(150b) 중 어느 하나의 제2 패턴 부분의 전체 상부면 및 전체 측면을 덮을 수 있다.
상기 제2 칩 구조물(103)은 상기 색 필터들(160) 상의 마이크로 렌즈들(170)을 더 포함할 수 있다. 상기 마이크로 렌즈들(170)은 하나의 상기 제1 색 필터(160a) 상에 복수개가 배치되고, 하나의 상기 제2 색 필터(160b) 상에 복수개가 배치되고, 하나의 상기 제3 색 필터(160c) 상에 복수개가 배치될 수 있다. 각각의 상기 마이크로 렌즈들(170)은 각각의 상기 광전 변환 소자들(PD)과 중첩할 수 있다. 각각의 상기 마이크로 렌즈들(170)은 상기 제1 칩 구조물(3)로부터 멀어지는 방향으로 볼록한 모양일 수 있다. 상기 마이크로 렌즈들(170)은 입사하는 빛을 상기 광전 변환 소자들(PD) 내로 집광시킬 수 있다. 상기 마이크로 렌즈들(170)은 투명한 포토레지스트 물질 또는 투명한 열경화성 수지 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 마이크로 렌즈들(170)은 TMR 계열의 수직(Tokyo Ohka Kogo, Co. 제품) 또는 MFR 계열의 수지(Japan Synthetic Rubber Corporation 제품)로 형성될 수 있지만, 이들 물질에 한정되는 것은 아니다.
각각의 상기 마이크로 렌즈들(170)은 상기 제1 칩 구조물(3)로부터 멀어지는 방향, 즉 상기 제2 기판(106)으로부터 멀어지는 방향으로 볼록할 수 있다. 각각의 상기 마이크로 렌즈들(170)의 중심은 상기 제2 패턴 부분들(150b)과 중첩하지 않을 수 있다. 예를 들어, 하나의 상기 제1 색 필터(160a) 상에 서로 인접하는 제1 마이크로 렌즈(170a) 및 제2 마이크로 렌즈(170b)가 배치될 수 있고, 하나의 상기 제1 색 필터(160a)에 의해 상부면 및 전체 측면이 덮이는 상기 제2 패턴 부분(150b)은 상기 제1 마이크로 렌즈(170a)의 중심 및 상기 제2 마이크로 렌즈(170b)의 중심과 중첩하지 않을 수 있고, 상기 제1 마이크로 렌즈(170a)과 상기 제2 마이크로 렌즈(170b) 사이의 경계 영역과 중첩할 수 있다. 여기서, 각각의 상기 마이크로 렌즈들(170)의 중심은 각각의 상기 마이크로 렌즈들(170)에서 가장 볼록한 부분을 의미할 수 있다.
상술한 실시 예들에 따르면, 상기 색 필터들(160) 중 어느 하나의 색 필터, 예를 들어 상기 제1 색 필터(160a)를 복수개의 픽셀 영역들(G1~G4)의 복수개의 광전 변환 소자들(PD)과 중첩하게 배치함으로써, 이미지 센서(1)에서 동일 컬러, 예를 들어 상기 제1 색 필터(160a)의 상기 제1 색, 예를 들어 녹색(green color)의 감도를 향상시킬 수 있다. 이와 마찬가지로, 상기 제2 및 제3 색들의 감도도 상기 제1 색과 동일한 이유로 향상될 수 있다.
상술한 실시 예들에 따르면, 상기 그리드 패턴 구조물(150)에서, 서로 다른 색의 색 필터들 사이에 배치되는 제1 패턴 부분(150a)은 차지(charge)를 제거하기 위한 차지 경로(charge path) 역할을 하기 위하여 도전성 물질로 형성될 수 있는 상기 제1 물질 패턴(145)을 포함하도록 형성하고, 동일한 색의 색 필터에 의해 전체 측면 및 상부면이 덮이는 상기 제2 패턴 부분들(150b)은 동일한 색의 색 필터과 중첩하는 픽셀 영역들에서의 감도를 저하시킬 수 있는 도전성 물질을 포함하지 않도록 형성함으로써, 이미지 센서(1)의 동일 컬러의 감도를 더욱 향상시키면서, 옵티컬 크로스 토크(optical cross-talk) 현상을 개선할 수 있다.
다음으로, 도 4 및 도 5를 각각 참조하여, 도 1에서 설명한 상기 옵티컬 블랙 영역(OB)을 포함하는 이미지 센서(1)의 단면 구조, 및 상기 칩들간 연결 영역(CB)을 포함하는 이미지 센서(1)의 단면 구조, 및 상기 패드 영역(PA)을 포함하는 이미지 센서(1)의 단면 구조를 설명하기로 한다. 도 4는 도 1의 IV-IV'선을 따라 취해진 영역을 나타낸 단면도이고, 도 5은 도 1의 V-V'선을 따라 취해진 영역, 및 VI-VI'선을 따라 취해진 영역을 나타낸 단면도이다. 도 1의 IV-IV'선을 따라 취해진 영역을 나타낸 도 4의 단면 구조는 도 1에서 설명한 상기 옵티컬 블랙 영역(OB)을 포함하는 이미지 센서(1)의 단면 구조일 수 있고, 도 1의 V-V'선을 따라 취해진 영역을 나타낸 도 5의 단면 구조는 도 1에서 설명한 상기 칩들간 연결 영역(CB)을 포함하는 이미지 센서(1)의 단면 구조일 수 있고, 도 1의 VI-VI'선을 따라 취해진 영역을 나타낸 도 5의 단면 구조는 도 1에서 설명한 상기 패드 영역(PA)을 포함하는 이미지 센서(1)의 단면 구조일 수 있다. 이하에서, 각각의 도 4 및 도 5을 참조하여 이미지 센서(1)의 단면 구조들을 설명함에 있어서, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 내용으로부터 쉽게 이해될 수 있는 구성요소들에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 1 내지 도 3과 함께, 도 4를 참조하면, 상기 제2 칩 구조물(103)의 상기 옵티컬 블랙 영역(OB)에서, 앞에서 설명한 상기 광전 변환 소자들(PD)과 동일하게 형성되는 광전 변환 소자(PD')가 형성되는 영역은 제1 레퍼런스 영역으로 정의할 수 있고, 상기 광전 변환 소자(PD)가 형성되지 않은 영역(NPD)은 제2 레퍼런스 영역으로 정의할 수 있다.
이하에서, 도 4의 단면 구조에서, 도면부호 PD'로 표시된 영역은 상기 제1 레퍼런스 영역으로 정의하고, 도면부호 NPD로 표시된 영역은 제2 레퍼런스 영역으로 정의하기로 한다.
상기 제1 레퍼런스 영역(PD') 및 상기 제2 레퍼런스 영역(NPD)은 상기 기판(106) 내에 배치될 수 있고, 상기 분리 구조물(115)에 의해 분리될 수 있다. 즉, 상기 분리 구조물(115)은 상기 제1 레퍼런스 영역(PD') 및 상기 제2 레퍼런스 영역(NPD)의 측면들을 각각 둘러쌀 수 있다.
상기 제2 레퍼런스 영역(NPD)은 상기 광전 변환 소자들(PD)를 포함하지 않는 비교 영역 또는 상기 광전 변환 소자들(PD)의 포토다이오드를 포함하지 않는 비교 영역일 수 있다.
상기 이미지 센서(1)의 상기 제2 영역(EA)의 상기 옵티컬 블랙 영역(OB) 내에서 상기 제2 칩 구조물(103)은 상기 제2 기판(106)의 상기 제2 면(106s2) 상에 배치되는 앞에서 설명한 것과 같은 상기 절연 구조물(140)을 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서(1)의 상기 제2 영역(EA)의 상기 옵티컬 블랙 영역(OB) 내에서 상기 제2 칩 구조물(103)은 상기 절연 구조물(140) 상에서 차례로 적층되는 차광 도전 층(210, 215), 차광 컬러 필터 층(230), 및 상부 캐핑 층(240)을 더 포함할 수 있다.
상기 차광 도전 층(210, 215) 및 상기 차광 컬러 필터 층(230)은 빛을 차단하는 차광 패턴을 구성할 수 있다. 이들 차광 패턴은 상기 제1 레퍼런스 영역(PD') 및 상기 제2 레퍼런스 영역(NPD) 내에 빛이 들어오는 것을 차단할 수 있다. 상기 차광 도전 층(210, 215)은 차례로 적층된 금속 질화물 층(e.g., TiN 또는 WN 등) 및 금속 층(e.g., Ti, W, Cu, Al, Cu 또는 Ag 등)을 포함할 수 있다. 상기 차광 컬러 필터 층(240)은 청색(blue) 컬러 필터를 포함할 수 있다. 상기 상부 캐핑 층(240)은 상기 마이크로 렌즈들(170)과 동일한 물질을 포함할 수 있다.
상기 옵티컬 블랙 영역(OB)은 암전류에 의한 노이즈 신호를 제거하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 차광 도전 층(210, 215) 및 상기 차광 컬러 필터 층(230)에 의해 빛이 차단된 상태에서, 포토 다이오드를 포함하는 상기 제1 레퍼런스 영역(PD')은 포토 다이오드에 의한 노이즈 제거를 위한 기준 픽셀로 이용될 수 있다. 또한, 상기 차광 도전 층(210, 215) 및 상기 차광 컬러 필터 층(230)에 의해 빛이 차단된 상태에서, 포토 다이오드를 포함하지 않는 상기 제2 레퍼런스 영역(NPD)은 포토 다이오드가 아닌, 다른 구성요소들에 의한 노이즈 제거를 위한 공정 노이즈를 체크하기 위한 영역일 수 있다.
도 1 내지 도 4와 함께, 도 5를 참조하면, 상기 이미지 센서(1)는 상기 제2 영역(EA)의 상기 칩들간 연결 영역(CB) 내에서 상기 제2 칩 구조물(103)의 적어도 일부를 관통하며 상기 제1 칩 구조물(3) 내로 연장되는 제1 비아 홀(310a) 및 상기 제3 영역(PA) 내에서 상기 제2 칩 구조물(103)의 적어도 일부를 관통하며 상기 제1 칩 구조물(3) 내로 연장되는 제2 비아 홀(310b)을 포함할 수 있다.
상기 제1 비아 홀(310a)은 상기 절연 구조물(140), 상기 제2 기판(106)을 차례로 관통하며 아래로 연장되어 상기 소자분리 막(118) 및 상기 제2 절연 층(130)을 차례로 관통할 수 있고, 상기 제1 절연 층(18) 내로 연장될 수 있다. 상기 제2 비아 홀(310b)은 상기 절연 구조물(140), 상기 제2 기판(106)을 차례로 관통하며 아래로 연장되어 상기 소자분리 막(118) 및 상기 제2 절연 층(130)을 차례로 관통할 수 있고, 상기 제1 절연 층(18) 내로 연장될 수 있다.
상기 제1 비아 홀(310a)은 상기 제1 배선 구조물(15)의 제1 패드(15p1) 및 상기 제2 배선 구조물(127)의 패드 부분(127p)을 노출시킬 수 있고, 상기 제2 비아 홀(310b)은 상기 제1 배선 구조물(15)의 제2 패드(15p2)를 노출하고, 상기 제2 배선 구조물(127)과 이격될 수 있다.
상기 이미지 센서(1)는 상기 제1 비아 홀(310a) 내의 연결 도전 층(326) 및 상기 제2 비아 홀(310b) 내의 입/출력 도전 층(328V)을 포함할 수 있다. 상기 연결 도전 층(326)은 상기 제1 및 제2 배선 구조물들(15, 127)을 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 연결 도전 층(326) 및 상기 입/출력 도전 층(328V)은 제1 도전 층(322) 및 제2 도전 층(324)을 포함할 수 있다. 상기 제1 도전 층(322)은 배리어 층(e.g., TiN 등)일 수 있고, 상기 제2 도전 층(324)은 금속(e.g., W, Cu 또는 A1 등)일 수 있다.
상기 이미지 센서(1)는 상기 연결 도전 층(326) 및 상기 입출력 도전 층(328V) 상에서 상기 제1 및 제2 비아 홀들(310a, 310b을 각각 채우며 오목한 상부면을 갖는 갭필 절연 층(340a, 340b) 및 상기 갭필 절연 층(340a, 340b)을 덮으며 상기 절연 구조물(140)의 상부면 보다 높은 레벨에 위치하는 상부면을 갖는 버퍼 절연 층(345a, 345b)을 더 포함할 수 있다. 상기 버퍼 절연 층(345a, 345b)은 경화된 포토레지스트 물질을 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서(1)는 상기 제2 영역(EA)의 상기 칩들간 연결 영역(CB) 상에서 상기 버퍼 절연 층(345a)을 덮는 차광 컬러 필터 층(350)을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 영역(EA)의 상기 칩들간 연결 영역(CB) 상의 상기 차광 컬러 필터 층(350)은 상기 제2 영역(EA)의 상기 옵티컬 블랙 영역(OB) 상의 상기 차광 컬러 필터 층(230)으로부터 연장된 모양일 수 있다. 상기 차광 컬러 필터 층들(230, 350)은 서로 동일한 물질, 예를 들어 청색 컬러 필터일 수 있다.
상기 이미지 센서(1)는 상기 제3 영역(PA)에서, 입/출력 패드(55)를 더 포함할 수 있다. 상기 입출력 패드(55)는 상기 입출력 도전 층(328V)으로부터 연장된 부분(328C) 상에 배치될 수 있다. 상기 입출력 패드(55)의 적어도 일부는 상기 제2 기판(106) 내에 매립될 수 있다. 예를 들어, 상기 입출력 패드(55)는 상기 제2 기판(106)의 제2 면(106s2) 보다 높은 레벨에 위치하는 상부면 및 상기 제2 도체 기판(106)의 상기 제2 면(106s2) 보다 낮은 레벨에 위치하는 하부면을 가질 수 있다. 상기 절연 구조물(140)은 상기 제2 기판(106)의 제2 면(106s2) 상에서 배치될 수 있고, 상기 입출력 도전 층(328V)의 상기 연장된 부분(328C)은 상기 절연 구조물(140) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 영역(EA)의 상기 옵티컬 블랙 영역(OB) 상의 상기 상부 캐핑 층(240)은 상기 제2 영역(EA)의 상기 칩들간 연결 영역(CB) 및 상기 제3 영역(PA) 상으로 연장될 수 있다. 상기 상부 캐핑 층(240)은 상기 제2 영역(EA)의 상기 칩들간 연결 영역(CB)을 덮고, 상기 제3 영역(PA) 상에서 상기 입출력 패드(55)를 노출시키면서 상기 제3 영역(PA)의 나머지 부분을 덮을 수 있다.
상기 이미지 센서(1)는 상기 제3 영역(PA) 내에서 상기 제2 기판(106)을 관통하는 분리 패턴(140p)을 더 포함할 수 있다. 일 예에서, 상기 분리 패턴(140p)은 상기 절연 구조물(140)의 적어도 일부로부터 연장될 수 있다.
다시, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 실시예에서, 각각의 상기 제2 패턴 부분들(150b)은 가로 라인 부분과 세로 라인 부분이 수직 교차하는 십자가 모양일 수 있다. 각각의 상기 제2 패턴 부분들(150b)에서, 상기 가로 라인 부분 또는 상기 세로 라인 부분은 상기 제1 패턴 부분(150a)의 폭 및 두께와 실질적으로 동일한 폭 및 두께를 가질 수 있다. 그렇지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 제2 패턴 부분들(150b) 중 적어도 하나의 제2 패턴 부분에서, 상기 가로 라인 부분 또는 상기 세로 라인 부분은 상기 제1 패턴 부분(150a)의 폭 또는 두께와 다른 폭 또는 두께를 갖도록 변형될 수 있다. 이하에서, 도 6 내지 도 8을 각각 참조하여, 어느 하나의 상기 제2 패턴 부분(150b)의 변형 예를 설명하기로 한다. 각각의 도 6 내지 도 8은 도 3의 'B1','B2'및 'B3'로 표시된 부분 확대 영역들의 변형 예들을 나타낼 수 있다. 이하에서, 각각의 도 6 내지 도 8을 참조하여, 도 3의 구성요소들 중에서 상기 제2 패턴 부분(150b)의 변형 예를 중심으로 설명하기로 한다. 이하에서, 설명하는 상기 제2 패턴 부분(150b)의 폭은 상기 제2 패턴 부분(150b)의 상기 가로 라인 부분의 폭 또는 상기 세로 가로 라인 부분의 폭으로 이해될 수 있다.
변형 예에서, 도 6을 참조하면, 상기 그리드 패턴 구조물(150)에서, 상기 제1 패턴 부분(150a)은 제1 두께(T1)를 가질 수 있고, 제2 패턴 부분(250b)은 상기 제1 두께(T1) 보다 작은 제2 두께(T2)를 가질 수 있다.
상기 제2 두께(T2)는 상기 제1 두께(T1)의 절반 크기와 같거나, 또는 상기 제1 두께(T1)의 절반 크기 보다 클 수 있다. 다른 예에서, 상기 제2 두께(T2)는 상기 제1 두께(T1)의 절반 크기 보다 작을 수 있다.
변형 예에서, 도 7을 참조하면, 상기 그리드 패턴 구조물(150)에서, 상기 제1 패턴 부분(150a)은 제1 폭(W1)를 가질 수 있고, 제2 패턴 부분(350b)은 상기 제1 폭(W1) 보다 작은 제2 폭(W2)을 가질 수 있다.
변형 예에서, 도 8을 참조하면, 상기 그리드 패턴 구조물(150)에서, 상기 제1 패턴 부분(150a)은 제1 폭(W1) 및 제1 두께(T1)을 가질 수 있고, 제2 패턴 부분(450b)은 상기 제1 폭(W1) 보다 작은 제2 폭(W2) 및 상기 제1 두께(T1) 보다 작은 제2 두께(T2)를 가질 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 각각의 상기 제2 패턴 부분들(150b)은 가로 라인 부분과 세로 라인 부분이 수직 교차하는 십자가 모양일 수 있지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 각각의 상기 제2 패턴 부분들(150b)은 다양한 평면 모양으로 변형될 수 있다. 이하에서, 도 9a 내지 도 9d를 각각 참조하여, 어느 하나의 제2 패턴 부분(150b)의 평면 모양의 변형 예를 설명하기로 한다. 도 9a 내지 도 9d는 어느 하나의 제2 패턴 부분 및 상기 어느 하나의 제2 패턴 부분과 인접하는 픽셀 영역들, 예를 들어 상기 제1 픽셀 영역들(G1~G4), 및 상기 어느 하나의 제2 패턴 부분 주위를 둘러싸는 상기 제1 패턴 부분(150a)의 부분을 나타낼 수 있다. 도 9a 내지 도 9d에서, 도면부호 115로 표시된 점선은 앞에서 설명한 분리 구조물(115)의 일부를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상기 분리 구조물(115)은 상기 제1 패턴 부분(150a) 하부에 배치되는 부분을 포함할 수 있다.
변형 예에서, 도 9a를 참조하면, 상기 그리드 패턴 구조물(150)에서, 제2 패턴 부분(550b)은 어느 한 방향으로 연장되는 바 모양 또는 라인 모양일 수 있다.
변형 예에서, 도 9b를 참조하면, 상기 그리드 패턴 구조물(150)에서, 제2 패턴 부분(650b)은 상기 제1 패턴 부분(150a)의 가로 수직 부분들과 평행한 모서리들 및 세로 수직 부분들과 평행한 모서리들을 갖는 사각형 모양일 수 있다.
변형 예에서, 도 9c를 참조하면, 상기 그리드 패턴 구조물(150)에서, 제2 패턴 부분(750b)은 상기 제1 패턴 부분(150a)의 가로 수직 부분들과 경사진 모서리들 및 세로 수직 부분들과 경사진 모서리들을 갖는 마름모 모양일 수 있다.
변형 예에서, 도 9d를 참조하면, 상기 그리드 패턴 구조물(150)에서, 제2 패턴 부분(750b)은 원 모양 또는 타원 모양일 수 있다.
다음으로, 도 10a 및 도 10b를 각각 참조하여, 앞에서 설명한 상기 그리드 패턴 구조물(150) 및 상기 색 필터들(160)의 변형 예들을 설명하기로 한다.
변형 예에서, 도 10a를 참조하면, 색 필터들(1160)은 상기 제1 색(color)의 제1 색 필터들(1160a), 상기 제2 색의 제2 색 필터들(1160b), 및 상기 제3 색의 제3 색 필터들(1160c)을 포함할 수 있다. 하나의 상기 제1 색 필터(1160a)는 G1 ~ G9로 나타낼 수 있는 9개의 픽셀 영역들과 중첩할 수 있고, 하나의 상기 제2 색 필터(1160b)는 R1 ~ R9로 나타낼 수 있는 9개의 픽셀 영역들과 중첩할 수 있고, 하나의 상기 제3 색 필터(1160c)는 B1 ~ B9로 나타낼 수 있는 9개의 픽셀 영역들과 중첩할 수 있다.
도 1에서 설명한 상기 그리드 패턴 구조물(150)과 마찬가지로, 그리드 패턴 구조물(1150)은 상기 제1 내지 제3 색 필터들(1160a, 1160b, 1160c) 중에서 서로 다른 색의 색 필터들 사이에 배치될 수 있는 제1 패턴 부분(1150a) 및 상기 제1 내지 제3 색 필터들(1160a, 1160b, 1160c) 중에서 서로 한 색의 색 필터와 중첩할 수 있는 제2 패턴 부분들(1150b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 패턴 부분(1150a)은 서로 평행한 상기 제1 가로 직선 부분들(1150a_1) 및 상기 제1 가로 직선 부분들(1150a_1)과 수직 교차하고 서로 평행한 제1 세로 직선 부분들(1150a_2)을 포함하고, 상기 제2 패턴 부분들(1150b)의 각각은 상기 제1 패턴 부분(1150a)과 이격될 수 있다.
서로 인접하는 한 쌍의 상기 제1 가로 직선 부분들(1150a_1) 사이, 및 서로 인접하는 한 쌍의 상기 제2 세로 직선 부분들(1150a_2) 사이에서, 상기 제2 패턴 부분(1150b)은 복수개, 예를 들어 4개가 배치될 수 있다.
서로 인접하는 한 쌍의 상기 제1 가로 직선 부분들(1150a_1) 사이, 및 서로 인접하는 한 쌍의 상기 제2 세로 직선 부분들(1150a_2) 사이에서, 상기 제2 패턴 부분들(1150b)은 서로 이격될 수 있다.
서로 인접하는 한 쌍의 상기 제1 가로 직선 부분들(1150a_1) 사이, 및 서로 인접하는 한 쌍의 상기 제2 세로 직선 부분들(1150a_2) 사이에서, 상기 제2 패턴 부분들(1150b)의 각각은 4개의 픽셀 영역들 사이에 배치될 수 있다.
서로 인접하는 한 쌍의 상기 제1 가로 직선 부분들(1150a_1) 사이, 및 서로 인접하는 한 쌍의 상기 제2 세로 직선 부분들(1150a_2) 사이에서, 상기 제2 패턴 부분들(1150b)의 각각의 평면 모양은 도 10a와 같은 십자가 모양 이외에, 도 9a 내지 도 9d를 참조하여 설명한, 바 또는 라인 모양, 사각형 모양, 마름모 모양, 원 또는 타원형 모양일 수 있다.
변형 예에서, 도 10b를 참조하면, 색 필터들(2160)은 상기 제1 색(color)의 제1 색 필터들(2160a), 상기 제2 색의 제2 색 필터들(2160b), 및 상기 제3 색의 제3 색 필터들(2160c)을 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제3 색 필터들(2160a, 2160b, 260c) 중 어느 하나의 색 필터, 예를 들어 상기 제1 색 필터(2160a)는 G1 ~ G16로 나타낼 수 있는 16개의 픽셀 영역들과 중첩할 수 있다. 도 10a에서 설명한 상기 그리드 패턴 구조물(1150)과 마찬가지로, 그리드 패턴 구조물(2150)은 상기 제1 내지 제3 색 필터들(2160a, 2160b, 2160c) 중에서 서로 다른 색의 색 필터들 사이에 배치될 수 있는 제1 패턴 부분(2150a) 및 상기 제1 내지 제3 색 필터들(2160a, 2160b, 2160c) 중에서 서로 한 색의 색 필터와 중첩할 수 있는 제2 패턴 부분들(2150b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 패턴 부분(2150a)은 서로 평행한 상기 제1 가로 직선 부분들(2150a_1) 및 상기 제1 가로 직선 부분들(2150a_1)과 수직 교차하고 서로 평행한 제1 세로 직선 부분들(2150a_2)을 포함할 수 있다. 상기 제2 패턴 부분들(2150b)의 각각은 상기 제1 패턴 부분(2150a)과 이격될 수 있다.
서로 인접하는 한 쌍의 상기 제1 가로 직선 부분들(2150a_1) 사이 및 서로 인접하는 한 쌍의 상기 제2 세로 직선 부분들(2150a_2) 사이에서, 상기 제2 패턴 부분(2150b)은 복수개, 예를 들어 9개가 배치될 수 있다.
서로 평행하고 인접하는 한 쌍의 상기 제1 가로 직선 부분들(2150a_1) 사이 및 서로 평행하고 인접하는 한 쌍의 상기 제2 세로 직선 부분들(2150a_2) 사이에서, 상기 제2 패턴 부분들(2150b)은 서로 이격될 수 있고, 상기 제2 패턴 부분들(2150b)의 각각은 4개의 픽셀 영역들 사이에 배치될 수 있다.
상술한 실시예들에서, 도 1에서 어느 하나의 색 필터, 예를 들어 제1 색 필터(160a)은 G1 ~ G4로 나타낼 수 있는 4개의 픽셀 영역과 중첩하고, 도 10a에서 어느 하나의 색 필터, 예를 들어 제1 색 필터(1160a)은 G1 ~ G9로 나타낼 수 있는 9개의 픽셀 영역과 중첩하고, 도 10b에서 어느 하나의 색 필터, 예를 들어 제1 색 필터(2160a)은 G1 ~ G16로 나타낼 수 있는 16개의 픽셀 영역과 중첩하는 것으로 설명하고 있지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 기술적 사상은 어느 하나의 색 필터가 16개 이상의 픽셀 영역과 중첩하는 것을 포함할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법의 예시적인 예를 설명하기로 한다. 도 11, 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 형성 방법을 설명하기 위하여, 도 1의 I-I'선을 따라 취해진 영역을 개략적으로 나타낸 단면도들이다.
도 11을 참조하면, 제1 칩 구조물(3)을 형성할 수 있다. 상기 제1 칩 구조물(3)을 형성하는 것은 제1 기판(6)을 준비하고, 상기 제1 기판(6) 상에서 활성 영역(9a)을 한정하는 소자분리 막(9s)을 형성하고, 상기 제1 기판(6) 상에 제1 회로 소자(12)를 형성하고, 상기 제1 기판(6) 상에서 상기 제1 회로 소자(12)와 전기적으로 연결되는 제1 배선 구조물(15), 및 상기 제1 회로 소자(12) 및 상기 제1 배선 구조물(15)을 덮는 제1 절연 층(18)을 형성하는 것을ㅇ 포함할 수 있다.
도 12를 참조하면, 제2 칩(103a)을 형성할 수 있다. 상기 제2 칩(103a)을 형성하는 것은 서로 대향하는 제1 면(106s1) 및 제2 면(106s2)을 갖는 제2 기판(106)을 준비하고, 상기 제2 기판(106) 내에 분리 구조물(115) 및 광전 변환 소자들(PD)을 형성하고, 상기 제2 기판(106)의 상기 제1 면(106s1) 상에 활성 영역을 한정하는 소자분리 막(118s)을 형성하고, 상기 제2 기판(106)의 상기 제1 면(106s1) 상에 제2 회로 소자(124)를 형성하고, 상기 제2 기판(106)의 상기 제1 면(106s1) 상에 제2 배선 구조물(127), 및 상기 제2 회로 소자(124) 및 상기 제2 배선 구조물(127)을 덮는 제2 절연 층(130)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 분리 구조물(115), 상기 광전 변환 소자들(PD) 및 상기 소자분리 막(118s)을 형성하는 순서는 다양하게 변형될 수 있다.
도 13을 참조하면, 두 개의 웨이퍼를 접합시키는 웨이퍼 본딩 공정을 진행하여, 상기 제1 칩 구조물(3)과 상기 제2 칩(도 14의 103a)을 접합시킬 수 있다. 상기 제1 칩 구조물(3)의 상기 제1 절연 층(18)과 상기 제2 칩(103a)의 상기 제2 절연 층(130)은 접합될 수 있다. 상기 제2 칩(도 14의 103a)의 상기 제2 기판(106)의 두께를 감소시키는 그라인딩 공정을 진행하여, 상기 제2 기판(106) 내의 상기 분리 구조물(115)을 노출시킬 수 있다. 따라서, 상기 제1 칩 구조물(3) 상에 두께가 감소된 제2 칩(103b)이 형성될 수 있다.
다시, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 두께가 감소된 상기 제2 기판(106)의 제2 면(106s2) 상에 절연 구조물(140)을 형성할 수 있다. 상기 절연 구조물(140) 상에 그리드 패턴 구조물(150), 색 필터들(160) 및 마이크로 렌즈들(170)을 차례로 형성할 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.
1: 이미지 센서
3: 제1 칩 구조물
6: 제1 기판
12: 제1 회로 소자
15: 제1 배선 구조물
18: 제1 절연 층
103: 제2 칩 구조물
106: 제2 기판
PD: 광전 변환 소자
140: 절연 구조물
150: 그리드 패턴 구조물
150a: 제1 패턴 부분
150b: 제2 패턴 부분들
160: 색 필터들
170: 마이크로 렌즈들

Claims (10)

  1. 제1 기판; 상기 제1 기판 상의 제1 회로 소자 및 제1 배선 구조물, 상기 제1 기판 상에서 상기 제1 회로 소자 및 제1 배선 구조물을 덮는 제1 절연 층을 포함하는 제1 칩 구조물; 및
    상기 제1 칩 구조물 상의 제2 칩 구조물을 포함하되,
    상기 제2 칩 구조물은,
    상기 제1 칩 구조물과 마주보는 제1 면 및 상기 제1 면과 대향하는 제2 면을 갖는 제2 기판;
    상기 제2 기판의 상기 제1 면과 상기 제1 칩 구조물 사이에 배치되는 제2 회로 소자 및 제2 배선 구조물;
    상기 제2 기판의 상기 제1 면과 상기 제1 칩 구조물 사이에서, 상기 제2 회로 소자 및 상기 제2 배선 구조물을 덮는 제2 절연 층;
    상기 제2 기판 내의 광전 변환 소자들;
    상기 제2 기판의 상기 제2 면 상의 절연 구조물;
    상기 절연 구조물 상의 그리드 패턴 구조물;
    상기 절연 구조물 및 상기 그리드 패턴 구조물 상의 색 필터들; 및
    상기 색 필터들 상의 마이크로 렌즈들을 포함하고,
    상기 그리드 패턴 구조물은 격자 무늬의 제1 패턴 부분 및 상기 제1 패턴 부분과 이격된 제2 패턴 부분들을 포함하고,
    상기 색 필터들 각각의 상부면은 상기 그리드 패턴 구조물의 상부면 보다 높은 레벨에 배치되는 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 색 필터들은 제1 색(color)의 제1 색 필터(color filter), 상기 제1 색과 다른 제2 색의 제2 색 필터, 및 상기 제1 및 2 색들과 다른 제3 색의 제3 색 필터를 포함하고,
    상기 제1 패턴 부분은 상기 제1 내지 제3 색 필터들 중 서로 다른 색의 필터들 사이에 배치되고,
    상기 제1 패턴 부분은 서로 대향하는 양 측면들을 포함하고,
    상기 제1 패턴 부분의 상기 양 측면들은 서로 다른 색의 색 필터들과 접촉 또는 인접하고,
    상기 제2 패턴 부분들 각각의 전체 측면은 상기 색 필터들 중 동일한 색의 색 필터에 의해 둘러싸이는 이미지 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 그리드 패턴 구조물은 제1 물질 패턴 및 상기 제1 물질 패턴 상의 제2 물질 패턴을 포함하고,
    상기 제2 물질 패턴은 상기 제1 물질 패턴의 물질과 다른 물질을 포함하고,
    상기 제1 물질 패턴은 도전성 물질을 포함하는 이미지 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 패턴 부분의 수직 두께는 상기 제2 패턴 부분들 각각의 수직 두께 보다 큰 이미지 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 패턴 부분의 폭은 상기 제2 패턴 부분들 각각의 폭 보다 큰 이미지 센서
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연 구조물은 차례로 적층된 제1 층, 제2 층, 제3 층 및 제4 층을 포함하되,
    상기 제1 층은 알루미늄 산화물 층이고, 각각의 상기 제2 및 제4 층들은 하프늄 산화물 층이고, 상기 제3 층은 실리콘 산화물 층이고,
    상기 제2 층의 두께는 각각의 상기 제1 층 및 제4 층의 두께 보다 크고,
    상기 제3 층의 두께는 상기 제2 층의 두께 보다 큰 이미지 센서.
  7. 복수의 광전 변환 소자들을 포함하는 기판;
    상기 기판 상의 절연 구조물;
    상기 절연 구조물 상의 그리드 패턴 구조물;
    상기 절연 구조물 상의 색 필터들; 및
    상기 색 필터들 상의 마이크로 렌즈들을 포함하되,
    상기 그리드 패턴 구조물은 제1 패턴 부분 및 상기 제1 패턴 부분과 이격되는 제2 패턴 부분들을 포함하고,
    상기 색 필터들은 제1 색(color)의 제1 색 필터(color filter), 상기 제1 색과 다른 제2 색의 제2 색 필터, 및 상기 제1 및 2 색들과 다른 제3 색의 제3 색 필터를 포함하고,
    상기 제1 패턴 부분은 상기 제1 내지 제3 색 필터들 중 서로 다른 색의 필터들 사이에 배치되고,
    상기 제2 패턴 부분들 중 어느 하나의 제2 패턴 부분의 전체 측면은 상기 제1 내지 제3 색 필터들 중 어느 하나의 색 필터에 의해 둘러싸이는 이미지 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 패턴 부분들 중 어느 하나의 상기 제2 패턴 부분의 전체 상부면은 상기 어느 하나의 색 필터에 의해 덮이고,
    상기 마이크로 렌즈들은 하나의 상기 제1 색 필터 상에 복수개가 배치되고, 하나의 상기 제2 색 필터 상에 복수개가 배치되고, 하나의 상기 제3 색 필터 상에 복수개가 배치되고,
    각각의 상기 마이크로 렌즈들은 기판으로부터 멀어지는 방향으로 볼록한 모양이고,
    각각의 상기 마이크로 렌즈들의 중심은 상기 제2 패턴 부분들과 중첩하지 않는 이미지 센서.
  9. 서로 인접하는 복수의 제1 픽셀 영역들, 서로 인접하는 복수의 제2 픽셀 영역들 및 서로 인접하는 복수의 제3 픽셀 영역들을 포함하는 기판;
    상기 기판 상의 절연 구조물;
    상기 절연 구조물 상의 그리드 패턴 구조물;
    상기 절연 구조물 상의 색 필터들; 및
    상기 색 필터들 상의 마이크로 렌즈들을 포함하되,
    상기 그리드 패턴 구조물은 제1 패턴 부분 및 상기 제1 패턴 부분과 이격되는 제2 패턴 부분들을 포함하고,
    상기 색 필터들은 제1 색(color)의 제1 색 필터(color filter), 상기 제1 색과 다른 제2 색의 제2 색 필터, 및 상기 제1 및 2 색들과 다른 제3 색의 제3 색 필터를 포함하고,
    상기 제1 패턴 부분은 상기 제1 내지 제3 색 필터들 중 서로 다른 색의 필터들 사이에 배치되고,
    하나의 상기 제1 색 필터는 상기 복수의 제1 픽셀 영역들과 중첩하고,
    하나의 상기 제2 색 필터는 상기 복수의 제2 픽셀 영역들과 중첩하고,
    하나의 상기 제3 색 필터는 상기 복수의 제3 픽셀 영역들과 중첩하고,
    상기 제2 패턴 부분들 중 어느 하나의 제2 패턴 부분은 상기 제1 내지 제3 색 필터들 중 어느 하나의 색 필터에 의해 덮이는 이미지 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 픽셀 영역들의 각각은 광전 변환 소자를 포함하고,
    상기 마이크로 렌즈들은 하나의 상기 제1 색 필터 상에 복수개가 배치되고, 하나의 상기 제2 색 필터 상에 복수개가 배치되고, 하나의 상기 제3 색 필터 상에 복수개가 배치되고,
    각각의 상기 마이크로 렌즈들의 중심은 상기 제2 패턴 부분들과 중첩하지 않는 이미지 센서.
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