KR20220127721A - 반도체 디바이스 - Google Patents

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KR20220127721A
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비스에라 테크놀러지스 컴퍼니 리미티드
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Abstract

반도체 디바이스가 제공된다. 반도체 디바이스는 광전 변환 엘리먼트들을 갖는 기판을 포함한다. 반도체 디바이스는 또한, 기판 상에 배치되고 제1 구멍들을 갖는 제1 차광 층을 포함한다. 반도체 디바이스는 제1 차광 층 상에 배치된 광-조정 구조를 더 포함한다. 더욱이, 반도체 디바이스는, 광-조정 구조 상에 배치되고 제2 구멍들을 갖는 제2 차광 층을 포함한다. 반도체 디바이스는 또한, 제2 구멍들을 덮는 제1 집광 구조들을 포함한다. 반도체 디바이스는, 제1 집광 구조 상에 배치되고 제3 구멍들을 갖는 제3 차광 층을 더 포함한다. 게다가, 반도체 디바이스는 제3 구멍들을 덮는 제2 집광 구조들을 포함한다. 반도체 디바이스는 또한, 제2 차광 층과 제3 차광 층 사이에 배치된 제1 광-투과 층을 포함한다. 각각의 제1 집광 구조의 굴절률과 제1 광-투과 층의 굴절률은 상이하다.

Description

반도체 디바이스{SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 개시내용의 실시예들은 반도체 디바이스에 관한 것으로, 특히, 이들은 경사 광(inclined light)을 수용 및 수집하기 위한 반도체 디바이스에 관한 것이다.
반도체 디바이스들은 다양한 애플리케이션들에서 사용될 수 있다. 예컨대, 최근에는, 생체 측정 디바이스들, 이를테면, 지문 식별 디바이스들, 안면-인식 디바이스들, 홍채 스캐너들 등으로서 광전 변환 엘리먼트들을 갖는 반도체 디바이스들이 종종 사용되어 왔다. 생체 측정 디바이스들은 사람들의 고유 물리적 특성들(예컨대, 지문, 얼굴, 홍채 등)을 사용하여 이들의 신원을 검증할 수 있고, 이들은 일반적으로 휴대용 디바이스들(예컨대, 셀 폰들, 태블릿 컴퓨터들, 노트북들 등)에서 사용된다. 생체 측정 디바이스들의 이러한 애플리케이션은 사용자들에게 안전하고 편리한 사용자 경험을 제공한다.
그러나, 기존의 생체 측정 디바이스들은 모든 면에서 만족스러운 것이 아니었다. 예컨대, 셀 폰들 또는 태블릿들의 스크린 아래에서 지문 인식을 위해 사용되는 생체 측정 디바이스들은 경사 입사 광을 감지 및 수집해야만 하지만, 더 큰 입사각(예컨대, 50도 초과)을 갖는 경사 입사 광은 (코마) 수차들((comatic) aberrations)을 야기하여, 생체 측정 디바이스들의 광전 변환 엘리먼트들로부터의 더 낮은 품질의 이미지 신호를 초래할 수 있다.
본 개시내용의 일부 실시예들에서, 반도체 디바이스는 적어도 2개의 집광 구조들, 및 2개의 집광 구조들 사이의 하나의 광-투과 층을 포함하고, 하부 집광 구조의 굴절률과 광-투과 층의 굴절률은 상이하고, 그에 따라, (코마) 수차들이 효과적으로 감소되어, 반도체 디바이스의 광전 변환 엘리먼트들로부터의 이미지 신호의 품질이 개선될 수 있다.
본 개시내용의 일부 실시예들에서, 반도체 디바이스가 제공된다. 반도체 디바이스는 광전 변환 엘리먼트들을 갖는 기판을 포함한다. 반도체 디바이스는 또한, 기판 상에 배치되고 광전 변환 엘리먼트들에 대응하는 제1 구멍(aperture)들을 갖는 제1 차광 층을 포함한다. 반도체 디바이스는 제1 차광 층 상에 배치된 광-조정 구조(light-adjusting structure)를 더 포함한다. 더욱이, 반도체 디바이스는, 광-조정 구조 상에 배치되고 제1 구멍들에 대응하는 제2 구멍들을 갖는 제2 차광 층을 포함한다. 반도체 디바이스는 또한, 제2 차광 층 상에 배치되고 제2 구멍들을 덮는 제1 집광 구조들을 포함한다. 반도체 디바이스는, 제1 집광 구조 상에 배치되고 제2 구멍들에 대응하는 제3 구멍들을 갖는 제3 차광 층을 더 포함한다. 게다가, 반도체 디바이스는, 제3 차광 층 상에 배치되고 제3 구멍들을 덮는 제2 집광 구조들을 포함한다. 반도체 디바이스는 또한, 제2 차광 층과 제3 차광 층 사이에 배치된 제1 광-투과 층을 포함한다. 각각의 제1 집광 구조의 굴절률과 제1 광-투과 층의 굴절률은 상이하다.
일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조의 굴절률은 제1 광-투과 층의 굴절률보다 더 높다.
일부 실시예들에서, 제1 집광 구조들은 볼록한 마이크로-렌즈들이다.
일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조의 굴절률은 1.5 내지 2.5이다.
일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조의 굴절률은 제1 광-투과 층의 굴절률보다 더 낮다.
일부 실시예들에서, 제1 집광 구조들은 오목한 마이크로-렌즈들이다.
일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조의 굴절률은 1.0 내지 1.5이다.
일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조의 중심 축은 각각의 제2 집광 구조의 중심 축으로부터 분리된다.
일부 실시예들에서, 각각의 광전 변환 엘리먼트는 하나의 제1 집광 구조 및 하나의 제2 집광 구조에 대응한다.
일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조는 하나의 제2 구멍을 덮는다.
일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조의 중심 축은 대응하는 제2 집광 구조의 중심 축과 오버랩된다.
일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조는 제2 구멍들 중 적어도 2개를 덮는다.
일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조는 하나의 제3 구멍에 대응한다.
일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조의 직경은 각각의 제2 집광 구조의 직경보다 더 크다.
일부 실시예들에서, 반도체 디바이스는 광-조정 구조와 제2 차광 층 사이에 배치된 제2 광-투과 층을 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조의 굴절률과 각각의 제2 집광 구조의 굴절률은 상이하다.
일부 실시예들에서, 제1 광-투과 층은 제2 차광 층, 제1 집광 구조들, 제3 차광 층, 및 제2 집광 구조들과 직접적으로 접촉한다.
일부 실시예들에서, 광-조정 구조는 적외선 차단 필터이다.
일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조 및 각각의 제2 집광 구조는 구면(spherical), 비구면(aspherical), 또는 자유형(freeform) 표면들을 갖는다.
일부 실시예들에서, 광전 변환 엘리먼트들은 입사 광들을 감지하기 위해 사용되고, 각각의 입사 광은 1도 내지 80도의 범위의 입사각을 갖는다.
본 개시내용은 첨부 도면들과 함께 읽을 때 다음의 상세한 설명으로부터 더 완전히 이해될 수 있다. 업계의 표준 관행에 따라, 다양한 특징부들이 실척대로 도시된 것이 아님을 유의하는 것이 유용하다. 실제로, 다양한 특징부들의 치수들은 논의의 명확성을 위해 임의로 증가 또는 감소될 수 있다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 반도체 디바이스를 예시하는 부분 단면도이다.
도 2는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 반도체 디바이스를 예시하는 부분 단면도이다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른 반도체 디바이스를 예시하는 부분 단면도이다.
도 4는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 반도체 디바이스를 예시하는 부분 단면도이다.
다음의 개시내용은 제공되는 내용의 상이한 특징들을 구현하기 위한 다수의 상이한 실시예들 또는 예들을 제공한다. 컴포넌트들 및 배열들의 특정 예들이 본 개시내용을 간략화하기 위해 아래에서 설명된다. 이들은, 당연히, 단지 예들일 뿐이고, 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 예컨대, 다음의 설명에서 제1 특징부가 제2 특징부 상에 형성되는 것은, 제1 특징부와 제2 특징부가 직접적으로 접촉하게 형성되는 실시예들을 포함할 수 있고, 또한, 제1 특징부와 제2 특징부가 직접적으로 접촉하지 않을 수 있도록 제1 특징부와 제2 특징부 사이에 부가적인 특징부들이 형성될 수 있는 실시예들을 포함할 수 있다.
부가적인 단계들이 예시된 방법들 전에, 동안에, 또는 후에 구현될 수 있고, 일부 단계들이 예시된 방법들의 다른 실시예들에서 대체 또는 생략될 수 있음이 이해되어야 한다.
게다가, "밑", "아래", "하부", "상", "위", "상부" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어들은, 도면들에 예시되는 바와 같은, 하나의 엘리먼트 또는 특징부와 다른 엘리먼트들 또는 특징부의 관계를 설명하기 위한 설명의 편의를 위해 본원에서 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어들은, 도면들에 도시된 배향 이외에, 사용 또는 동작 중인 디바이스의 상이한 배향들을 포함하도록 의도된다. 장치는 달리(90도 회전되거나 또는 다른 배향들로) 배향될 수 있고, 본원에서 사용되는 공간적으로 상대적인 설명자들은 그에 따라 유사하게 해석될 수 있다.
달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용되는 모든 용어들(기술적 및 과학적 용어들을 포함함)은 개시내용에 속해 있는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 예컨대, 일반적으로 사용되는 사전들에서 정의되는 용어들과 같은 용어들은 관련 기술의 정황에서의 이들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하고, 본 개시내용의 실시예들에서 명백히 정의되지 않는 한, 이상적이거나 또는 과도하게 공식적인 의미로 해석되지 않을 것임이 이해되어야 한다.
본 개시내용은 실시예들에서 참조 번호들 및/또는 후속 문자들을 반복할 수 있다. 이러한 반복은 단순성 및 명확성의 목적을 위한 것이고, 그 자체로, 논의되는 다양한 실시예들 및/또는 구성들 사이의 관계를 지시하는 것은 아니다.
본 개시내용의 실시예들에서의 반도체 디바이스는 지문 식별 디바이스와 같은 생체 측정 디바이스로서 사용될 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다. 본 개시내용의 실시예들에 나타낸 반도체 디바이스는 또한, 요건들에 따라, 경사 입사 광을 감지 및 수집하는 다른 적합한 디바이스들에 적용될 수 있다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 반도체 디바이스(100)를 예시하는 부분 단면도이다. 간결함을 위해 도 1에서 반도체 디바이스(100)의 일부 컴포넌트들이 생략될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
도 1을 참조하면, 일부 실시예들에서, 반도체 디바이스(100)는 기판(10)을 포함한다. 예컨대, 기판(10)의 재료는 원소 반도체(예컨대, 실리콘, 게르마늄), 화합물 반도체(예컨대, 탄탈럼 탄화물(TaC), 갈륨 비화물(GaAs), 인듐 비화물(InAs), 또는 인듐 인화물(InP)), 합금 반도체(예컨대, 실리콘 게르마늄(SiGe), 실리콘 게르마늄 탄화물(SiGeC), 갈륨 비소 인화물(GaAsP), 또는 갈륨 인듐 인화물(GaInP)), 임의의 다른 적용 가능한 반도체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 기판(10)은 절연체-상-반도체(semiconductor-on-insulator, SOI) 기판이다. 예컨대, 기판(10)은 절연체-상-실리콘 기판 또는 절연체-상-게르마늄 기판일 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 기판(10)은 반도체 웨이퍼(예컨대, 실리콘 웨이퍼 또는 임의의 다른 적용 가능한 반도체 웨이퍼)이다. 일부 실시예들에서, 기판(10)은 다양한 전도성 특징부들(예컨대, 전도성 라인들 또는 비아들)을 포함한다. 예컨대, 전도성 특징부들은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐(W), 이들의 합금, 임의의 다른 적용 가능한 전도성 재료, 또는 이들의 조합으로 제조될 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 기판(10)은 복수의 광전 변환 엘리먼트들(photoelectric conversion elements)(11)을 갖는다. 예컨대, 광전 변환 엘리먼트들(11)은 이온 주입 프로세스(ion implantation process) 및/또는 확산 프로세스(diffusion process)와 같은 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 더욱이, 광전 변환 엘리먼트들(11)은 트랜지스터들, 포토다이오드들, PIN 다이오드들, 및/또는 발광 다이오드들을 형성하도록 구성될 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 광전 변환 엘리먼트들(11)은 어레이 구조를 형성한다.
도 1을 참조하면, 일부 실시예들에서, 반도체 디바이스(100)는 기판(10) 상에 배치된 제1 차광 층(21)을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 차광 층(21)은 기판(10) 상에 적층되어 기판(10)과 직접적으로 접촉할 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 제1 차광 층(21)은 광전 변환 엘리먼트들(11)에 대응하는 제1 구멍들(21H)을 갖는다. 예컨대, 제1 차광 층(21)은 텅스텐(W), 구리(Cu), 은(Ag) 등과 같은 금속을 포함할 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다. 더욱이, 제1 차광 층(21)은 포토레지스트(예컨대, 블랙 포토레지스트 또는 투명하지 않은 다른 적용 가능한 포토레지스트), 잉크(예컨대, 블랙 잉크 또는 투명하지 않은 다른 적용 가능한 잉크), 몰딩 화합물(예컨대, 블랙 몰딩 컴파운드 또는 투명하지 않은 다른 적용 가능한 몰딩 화합물), 솔더 마스크(예컨대, 블랙 솔더 마스크 또는 투명하지 않은 다른 적용 가능한 솔더 마스크), (블랙) 에폭시 폴리머, 임의의 다른 적용 가능한 재료, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 차광 층(21)은 광 경화 재료, 열 경화 재료, 또는 이들의 조합을 포함한다.
전술한 재료는 증착 프로세스, 이를테면, 물리 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD), 원자 층 증착(ALD), 분자 빔 에피택시(MBE), 액상 에피택시(LPE) 등, 또는 이들의 조합에 의해 기판(10) 상에 증착될 수 있다. 이어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 재료를 패터닝하고, 제1 차광 층(21)(제1 구멍들(21H)을 가짐)을 형성하기 위해, 패터닝 프로세스가 수행될 수 있다. 더 상세하게는, 제1 구멍들(21H)을 형성하기 위해 패터닝 프로세스에서 재료의 일부 부분들이 제거될 수 있다. 패터닝 프로세스는 소프트 베이킹, 마스크 정렬, 노출, 노출-후 베이킹, 현상, 린싱, 건조, 임의의 다른 적용 가능한 프로세스, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다.
도 1을 참조하면, 일부 실시예들에서, 반도체 디바이스(100)는 제1 차광 층(21) 상에 배치된 광-조정 구조(30)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 광-조정 구조(30)는 다중-막 구조를 갖는 적외선(IR) 차단 필터이다. 예컨대, 광-조정 구조(30)는 특정 파장(예컨대, 약 700 nm 내지 약 1,100 nm)을 갖는 적외선 광을 차단하고, 특정 파장(예컨대, 약 400 nm 내지 약 700 nm)을 갖는 가시 광이 통과하게 허용할 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다. 광-조정 구조(30)는 증착 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 증착 프로세스의 예들은 위에서 설명되고, 여기서 반복되지 않을 것이지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다.
도 1을 참조하면, 일부 실시예들에서, 반도체 디바이스(100)는 광-조정 구조(30) 상에 배치된 제2 차광 층(23)을 포함한다. 유사하게, 일부 실시예들에서, 제2 차광 층(23)은 제1 구멍들(21H)에 대응하는 제2 구멍들(23H)을 갖는다. 예컨대, 제2 차광 층(23) 및 제1 차광 층(21)은 유사하거나 또는 동일한 재료를 포함할 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다. 더욱이, 전술한 재료는 증착 프로세스에 의해 광-조정 구조(30) 상에 증착될 수 있고, 이어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 재료를 패터닝하고, 제2 차광 층(23)(제2 구멍들(23H)을 가짐)을 형성하기 위해, 패터닝 프로세스가 수행될 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다.
도 1을 참조하면, 일부 실시예들에서, 반도체 디바이스(100)는 제2 차광 층(23) 상에 배치된 제1 집광 구조들(41)을 포함한다. 예컨대, 제1 집광 구조들(41)은 투명한 재료, 이를테면, 유리, 에폭시 수지, 실리콘 수지, 폴리우레탄, 임의의 다른 적용 가능한 재료, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다. 제1 집광 구조들(41)은 포토레지스트 리플로우 방법, 핫 엠보싱 방법, 임의의 다른 적용 가능한 방법, 또는 이들의 조합에 의해 형성될 수 있다. 더욱이, 제1 집광 구조들(41)을 형성하는 단계들은 스핀 코팅 프로세스, 리소그래피 프로세스, 에칭 프로세스, 임의의 다른 적용 가능한 프로세스, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다.
일부 실시예들에서, 제1 집광 구조들(41)은 제2 구멍들(23H)에 대응하는 볼록한 마이크로-렌즈들이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 제1 집광 구조들(41)은 제2 구멍들(23H)을 덮는다. 도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 제1 집광 구조(41)의 중심 축(C1)이 대응하는 제2 구멍(23H)의 중심으로부터 분리될 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다.
도 1을 참조하면, 일부 실시예들에서, 반도체 디바이스(100)는 제2 차광부(23) 상에 배치된 제1 광-투과 층(51)을 포함한다. 특히, 제1 광-투과 층(51)은 제2 차광부(23) 및 제1 집광 구조들(41) 상에 적층되어 이들과 직접적으로 접촉할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조(41)의 굴절률은 제1 광-투과 층(51)의 굴절률보다 더 높다. 일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조(41)의 굴절률은 약 1.5 내지 약 2.5(예컨대, 1.7)이고, 제1 광-투과 층(51)의 굴절률은 약 1.4 내지 약 1.6(예컨대, 1.5)이다.
제1 광-투과 층(51)의 재료는 투명한 포토레지스트, 폴리이미드, 에폭시 수지, 임의의 다른 적용 가능한 재료, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 제1 광-투과 층(51)을 형성하도록, 제2 차광부(23) 및 제1 집광 구조들(41) 상에 전술한 재료를 코팅하기 위해, 스핀-온 코팅 프로세스가 수행될 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다.
도 1을 참조하면, 일부 실시예들에서, 반도체 디바이스(100)는 제1 광-투과 층(51) 및 제1 광 집광 구조(41) 상에 배치된 제3 차광 층(25)을 포함한다. 즉, 제1 광-투과 층(51)은 제2 차광 층(23)과 제3 차광 층(25) 사이에 배치된다.
유사하게, 일부 실시예들에서, 제3 차광 층(25)은 제2 구멍들(23H)에 대응하는 제3 구멍들(25H)을 갖는다. 예컨대, 제3 차광 층(25), 제1 차광 층(21), 및 제2 차광 층(23)은 유사하거나 또는 동일한 재료를 포함할 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다. 더욱이, 전술한 재료는 증착 프로세스에 의해 제1 광-투과 층(51) 상에 증착될 수 있고, 이어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 재료를 패터닝하고, 제3 차광 층(25)(제3 구멍들(25H)을 가짐)을 형성하기 위해, 패터닝 프로세스가 수행될 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다.
도 1을 참조하면, 일부 실시예들에서, 반도체 디바이스(100)는 제3 차광 층(25) 상에 배치된 제2 집광 구조들(43)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제2 집광 구조들(43)은 투명한 재료를 포함하지만, 제1 집광 구조들(41)과 상이하다. 즉, 각각의 제1 집광 구조(41)의 굴절률과 각각의 제2 집광 구조(43)의 굴절률은 상이하다. 예컨대, 각각의 제2 집광 구조(43)의 굴절률은 약 1.2 내지 약 1.5(예컨대, 1.4)일 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다. 제2 집광 구조(43)는 제1 집광 구조들(41)을 형성하는 방법 또는 프로세스와 유사한 방법 또는 프로세스에 의해 형성될 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다.
일부 실시예들에서, 제2 집광 구조들(43)은 제3 구멍들(25H)에 대응하는 볼록한 마이크로-렌즈들이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 제3 집광 구조들(43)은 제3 구멍들(25H)을 덮는다. 더욱이, 제3 구멍들(25H)은 제2 집광 구조들(43)로 충전될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 제2 집광 구조(43)의 중심 축(C3)이 대응하는 제3 구멍(25H)의 중심과 오버랩될 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 제1 광-투과 층(51)은 제2 차광 층(23), 제1 집광 구조들(41), 제3 차광 층(25), 및 제2 집광 구조들(43)과 직접적으로 접촉한다. 즉, 제2 차광 층(23), 제1 집광 구조들(41), 제1 광-투과 층(51), 제3 차광 층(25), 및 제2 집광 구조들(43)은 층상으로 적층될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조(41)의 중심 축(C1)이 각각의 제2 집광 구조(43)(또는 대응하는 제2 집광 구조(43))의 중심 축(C3)으로부터 분리된다. 일부 실시예들에서, 각각의 광전 변환 엘리먼트(11)는 하나의 제1 집광 구조(41) 및 하나의 제2 집광 구조(43)에 대응한다. 광전 변환 엘리먼트(11a)가 하나의 제1 집광 구조(41) 및 하나의 제2 집광 구조(43)에 대응할 수 있다는 점에 유의해야 하며, 이는 도 1의 단면도에 도시되지 않는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조(41) 및 각각의 제2 집광 구조(43)는 (반) 구면 표면들을 갖는다. 일부 다른 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조(41) 및 각각의 제2 집광 구조(43)는 비구면 또는 자유형 표면들을 갖는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 반도체 디바이스(100)는 광-조정 구조(30)와 제2 차광 층(23) 사이에 배치된 제2 광-투과 층(53)을 더 포함한다. 특히, 제2 광-투과 층(53)은 광-조정 구조(30) 상에 적층되어 광-조정 구조(30)와 직접적으로 접촉할 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다. 제2 광-투과 층(53)의 재료 및 형성 방법은 제1 광-투과 층(51)의 재료 및 형성 방법과 동일하거나 또는 유사할 수 있지만, 본 개시내용은 이에 제한되지 않는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 광전 변환 엘리먼트들(11)은 입사 광들(L)을 감지하기 위해 사용되고, 각각의 입사 광(L)은 약 1도 내지 약 80도의 범위의 입사각(θ)을 갖는다. 일부 실시예들에서, 각각의 입사 광(L)은 적어도 2개의 집광 구조들(예컨대, 하나의 제1 집광 구조(41) 및 하나의 제2 집광 구조(43)) 및 2개의 집광 구조들 사이의 하나의 광-투과 층(예컨대, 제1 광-투과 층(51))을 통과하고, 하부 집광 구조의 굴절률과 광-투과 층의 굴절률은 상이하다. 경사 입사 광이 더 큰 입사각(예컨대, 50도 초과)을 가질 때에도, (코마) 수차들이 효과적으로 감소되어, 반도체 디바이스(100)의 광전 변환 엘리먼트들(11)로부터의 더 높은 품질의 이미지 신호를 초래할 수 있다.
도 2는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 반도체 디바이스(102)를 예시하는 부분 단면도이다. 간결함을 위해 도 2에서 반도체 디바이스(102)의 일부 컴포넌트들이 생략될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
도 2를 참조하면, 반도체 디바이스(102)는 광전 변환 엘리먼트들(11)을 갖는 기판(10)을 포함한다. 반도체 디바이스(102)는 또한, 기판(10) 상에 배치되고 광전 변환 엘리먼트들(11)에 대응하는 제1 구멍들(21H)을 갖는 제1 차광 층(21)을 포함한다. 반도체 디바이스(102)는 제1 차광 층(21) 상에 배치된 광-조정 구조(30)를 더 포함한다. 더욱이, 반도체 디바이스(102)는, 광-조정 구조(30) 상에 배치되고 제1 구멍들(21H)에 대응하는 제2 구멍들(23H)을 갖는 제2 차광 층(23)을 포함한다. 반도체 디바이스(102)는 또한, 제2 차광 층(23) 상에 배치되고 제2 구멍들(23H)을 덮는 제1 집광 구조들(41')을 포함한다. 반도체 디바이스(102)는, 제1 집광 구조(41') 상에 배치되고 제2 구멍들(23H)에 대응하는 제3 구멍들(25H)을 갖는 제3 차광 층(25)을 더 포함한다. 게다가, 반도체 디바이스(102)는, 제3 차광 층(25) 상에 배치되고 제3 구멍들(25H)을 덮는 제2 집광 구조들(43)을 포함한다. 반도체 디바이스(102)는 또한, 제2 차광 층(23)과 제3 차광 층(25) 사이에 배치된 제1 광-투과 층(51)을 포함한다.
본 실시예에서, 각각의 제1 집광 구조(41')의 굴절률은 제1 광-투과 층(51)의 굴절률보다 더 높고, 제1 집광 구조(41')는 제2 구멍들(23H)에 대응하는 볼록한 마이크로-렌즈들이고, 제2 집광 구조들(43)은 제3 구멍들(25H)에 대응하는 볼록한 마이크로-렌즈들이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조(41')는 적어도 2개의 제2 구멍들(23H)을 덮고, 각각의 제2 집광 구조(43)는 하나의 제3 구멍(25H)을 덮는다. 더욱이, 도 2에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조(41')의 중심 축(C1')은 대응하는 제2 집광 구조(43)의 중심 축(C3)과 오버랩된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조(41')는 하나의 제3 구멍(25H)에 대응한다. 일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조(41')의 직경(D41)은 각각의 제2 집광 구조(43)(또는 대응하는 제2 집광 구조(43))의 직경(D43)보다 더 크다. 즉, 일부 실시예들에서, 2개 이상의 광전 변환 엘리먼트들(11)은 동일한 제1 집광 구조(41') 및 제2 집광 구조(43)를 공유한다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른 반도체 디바이스(104)를 예시하는 부분 단면도이다. 간결함을 위해 도 3에서 반도체 디바이스(104)의 일부 컴포넌트들이 생략될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조(42)의 굴절률은 제1 광-투과 층(51)의 굴절률보다 더 낮다. 이 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조(42)의 굴절률은 약 1.0 내지 약 1.5(예컨대, 1.3)이고, 제1 광-투과 층(51)의 굴절률은 약 1.4 내지 약 1.6(예컨대, 1.5)이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 제1 집광 구조들(42)은 제2 구멍들(23H)에 대응하는 오목한 마이크로-렌즈들이고, 제2 집광 구조들(43)은 제3 구멍들(25H)에 대응하는 볼록한 마이크로-렌즈들이다.
유사하게, 도 3에 도시된 바 같이, 일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조(42)의 중심 축(C2)이 각각의 제2 집광 구조(43)(또는 대응하는 제2 집광 구조(43))의 중심 축(C3)으로부터 분리된다. 일부 실시예들에서, 각각의 광전 변환 엘리먼트(11)는 하나의 제1 집광 구조(42) 및 하나의 제2 집광 구조(43)에 대응한다. 광전 변환 엘리먼트(11a)가 하나의 제3 집광 구조(42) 및 하나의 제2 집광 구조(43)에 대응할 수 있다는 점에 유의해야 하며, 이는 도 3의 단면도에 도시되지 않는다.
도 4는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 반도체 디바이스(106)를 예시하는 부분 단면도이다. 간결함을 위해 도 4에서 반도체 디바이스(106)의 일부 컴포넌트들이 생략될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
이 실시예에서, 각각의 제1 집광 구조(42')의 굴절률은 제1 광-투과 층(51)의 굴절률보다 더 낮고, 제1 집광 구조(42')는 제2 구멍들(23H)에 대응하는 오목한 마이크로-렌즈들이고, 제2 집광 구조들(43)은 제3 구멍들(25H)에 대응하는 볼록한 마이크로-렌즈들이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조(42')는 적어도 2개의 제2 구멍들(23H)을 덮고, 각각의 제2 집광 구조(43)는 하나의 제3 구멍(25H)을 덮는다. 더욱이, 도 4에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조(42')의 중심 축(C2')은 대응하는 제2 집광 구조(43)의 중심 축(C3)과 오버랩된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조(42')는 하나의 제3 구멍(25H)에 대응한다. 일부 실시예들에서, 각각의 제1 집광 구조(42')의 직경(D42)은 각각의 제2 집광 구조(43)(또는 대응하는 제2 집광 구조(43))의 직경(D43)보다 더 크다. 즉, 일부 실시예들에서, 2개 이상의 광전 변환 엘리먼트들(11)은 동일한 제1 집광 구조(42') 및 제2 집광 구조(43)를 공유한다.
요약하면, 본 개시내용의 일부 실시예들에 따른 반도체 디바이스는 적어도 2개의 집광 구조들, 및 2개의 집광 구조들 사이의 하나의 광-투과 층을 포함하고, 하부 집광 구조의 굴절률과 광-투과 층의 굴절률은 상이하고, 그에 따라, (코마) 수차들이 효과적으로 감소되어, 반도체 디바이스의 광전 변환 엘리먼트들로부터의 이미지 신호의 품질이 개선될 수 있다.
전술된 바는 당업자가 본 개시내용의 양태들을 더 잘 이해할 수 있도록 여러 실시예들의 특징들을 약술한다. 당업자는, 본원에서 도입되는 실시예들의 동일한 이점들을 달성하고 그리고/또는 동일한 목적들을 수행하기 위한 다른 프로세스들 및 구조들을 설계 또는 수정하기 위한 기반으로서 당업자가 본 개시내용을 쉽게 사용할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 당업자는 또한, 그러한 등가의 구성들이 본 개시내용의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고, 이들이 본 개시내용의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 본원에 다양한 변화들, 치환들, 및 변경들을 할 수 있다는 것을 인식해야 한다. 따라서, 보호 범위는 청구 범위를 통해 결정되어야 한다. 부가하여, 본 개시내용의 일부 실시예들이 위에서 개시되어 있지만, 이들은 본 개시내용의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.
본 명세서 전반에 걸쳐 특징들, 이점들, 또는 유사한 언어에 대한 지칭은 본 개시내용에 의해 실현될 수 있는 모든 특징들 및 이점들이 본 개시내용의 임의의 단일 실시예이어야 하거나 또는 임의의 단일 실시예에 있는 것을 암시하지 않는다. 오히려, 특징들 및 이점들을 지칭하는 언어는 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 이점, 또는 특성이 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예에 포함되는 것을 의미하도록 이해된다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸친 특징들 및 이점들 및 유사한 언어에 대한 논의들은 동일한 실시예를 지칭할 수 있지만, 반드시 그러한 것은 아니다.
게다가, 본 개시내용의 설명된 특징들, 이점들, 및 특성들은 하나 이상의 실시예들에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다. 당업자는, 본원의 설명을 고려하여, 본 개시내용이 특정 실시예의 특정 특징들 또는 이점들 중 하나 이상이 없이도 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 경우들에서, 본 개시내용의 모든 실시예들에 존재하지 않을 수 있는 부가적인 특징들 및 이점들이 특정 실시예들에서 인식될 수 있다.

Claims (10)

  1. 반도체 디바이스로서,
    광전 변환 엘리먼트들을 갖는 기판;
    상기 기판 상에 배치되고, 상기 광전 변환 엘리먼트들에 대응하는 제1 구멍(aperture)들을 갖는 제1 차광 층;
    상기 제1 차광 층 상에 배치된 광-조정 구조;
    상기 광-조정 구조 상에 배치되고, 상기 제1 구멍들에 대응하는 제2 구멍들을 갖는 제2 차광 층;
    상기 제2 차광 층 상에 배치되고, 상기 제2 구멍들을 덮는 제1 집광 구조들;
    상기 제1 집광 구조들 상에 배치되고, 상기 제2 구멍들에 대응하는 제3 구멍들을 갖는 제3 차광 층;
    상기 제3 차광 층 상에 배치되고, 상기 제3 구멍들을 덮는 제2 집광 구조들; 및
    상기 제2 차광 층과 상기 제3 차광 층 사이에 배치된 제1 광-투과 층;
    을 포함하며,
    상기 제1 집광 구조들 각각의 굴절률과 상기 제1 광-투과 층의 굴절률은 상이한,
    반도체 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 집광 구조들 각각의 굴절률은 상기 제1 광-투과 층의 굴절률보다 더 높고, 상기 제1 집광 구조들은 볼록한 마이크로-렌즈들이고, 상기 제1 집광 구조들 각각의 굴절률은 1.5 내지 2.5인,
    반도체 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 집광 구조들 각각의 굴절률은 상기 제1 광-투과 층의 굴절률보다 더 낮고, 상기 제1 집광 구조들은 오목한 마이크로-렌즈들이고, 상기 제1 집광 구조들 각각의 굴절률은 1.0 내지 1.5인,
    반도체 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 집광 구조들 각각의 중심 축은 상기 제2 집광 구조들 각각의 중심 축으로부터 분리되고, 상기 제1 집광 구조들 각각 및 상기 제2 집광 구조들 각각은 구면, 비구면, 또는 자유형 표면들을 갖는,
    반도체 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광전 변환 엘리먼트들 각각은 상기 제1 집광 구조들 중 하나 및 상기 제2 집광 구조들 중 하나에 대응하고, 상기 광전 변환 엘리먼트들은 입사 광들을 감지하기 위해 사용되고, 상기 입사 광들 각각은 1도 내지 80도의 범위의 입사각을 갖는,
    반도체 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 집광 구조들 각각은 상기 제2 구멍들 중 적어도 하나를 덮는,
    반도체 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 집광 구조들 각각의 중심 축은 상기 제2 집광 구조들 중 대응하는 하나의 중심 축과 오버랩(overlap)되고, 상기 제1 집광 구조들 각각 및 상기 제2 집광 구조들 각각은 구면, 비구면, 또는 자유형 표면들을 갖는,
    반도체 디바이스.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제1 집광 구조들 각각은 상기 제3 구멍들 중 하나에 대응하는,
    반도체 디바이스.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 집광 구조들 각각의 직경은 상기 제2 집광 구조들 각각의 직경보다 더 큰,
    반도체 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광-조정 구조와 상기 제2 차광 층 사이에 배치된 제2 광-투과 층을 더 포함하며,
    상기 제1 광-투과 층은 상기 제2 차광 층, 상기 제1 광 집광 구조들, 상기 제3 차광 층, 및 상기 제2 집광 구조들과 직접적으로 접촉하고, 상기 광-조정 구조는 적외선 차단 필터인,
    반도체 디바이스.
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