KR20230034719A - 이미지 센싱 장치 - Google Patents

이미지 센싱 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20230034719A
KR20230034719A KR1020210117810A KR20210117810A KR20230034719A KR 20230034719 A KR20230034719 A KR 20230034719A KR 1020210117810 A KR1020210117810 A KR 1020210117810A KR 20210117810 A KR20210117810 A KR 20210117810A KR 20230034719 A KR20230034719 A KR 20230034719A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pixel
reflective structure
incident
semiconductor region
micro lens
Prior art date
Application number
KR1020210117810A
Other languages
English (en)
Inventor
이은광
Original Assignee
에스케이하이닉스 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에스케이하이닉스 주식회사 filed Critical 에스케이하이닉스 주식회사
Priority to KR1020210117810A priority Critical patent/KR20230034719A/ko
Priority to US17/899,267 priority patent/US20230075346A1/en
Priority to CN202211044827.3A priority patent/CN115763502A/zh
Publication of KR20230034719A publication Critical patent/KR20230034719A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14621—Colour filter arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627—Microlenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14629—Reflectors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센싱 장치는, 이미지 센싱 장치는, 장면으로부터 입사되는 광을 집광하는 렌즈 모듈; 및 각각이 상기 렌즈 모듈로부터 전달되는 입사광을 감지하는 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 포함하며, 상기 픽셀 어레이는 상기 렌즈 모듈의 광축으로부터 소정 거리 이격된 에지 영역을 포함하고, 상기 에지 영역에 포함된 픽셀은, 상기 입사광의 세기에 대응하는 광전하를 생성하는 광전 변환 소자를 포함하는 반도체 영역; 상기 반도체 영역의 상부에 배치되는 마이크로 렌즈; 및 상기 마이크로 렌즈의 적어도 일부를 덮도록 배치되는 반사 구조를 포함할 수 있다.

Description

이미지 센싱 장치{Image Sensing device}
본 발명은 입사광의 세기에 대응하는 전기적 신호를 생성하는 픽셀을 포함하는 이미지 센싱 장치에 관한 것이다.
이미지 센싱 장치는 빛에 반응하는 광 감지 반도체 물질의 성질을 이용하여 광학 이미지를 캡쳐(capture)하는 장치이다. 자동차, 의료, 컴퓨터 및 통신 등 산업의 발전에 따라 스마트폰, 디지털 카메라, 게임기기, 사물 인터넷(Internet of Things), 로봇, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등과 같은 다양한 분야에서 고성능(high-performance) 이미지 센싱 장치에 대한 수요가 증대되고 있다.
이미지 센싱 장치는 크게 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 장치에 비해 더 나은 이미지 품질을 제공하나, 더 큰 크기로 구현되고 더 많은 전력을 소비하는 경향이 있다. 반면에, CMOS 이미지 센싱 장치는 CCD 이미지 센싱 장치에 비해 더 작은 크기로 구현될 수 있고, 더 적은 전력을 소비한다. 또한, CMOS 이미지 센싱 장치는 CMOS 제조 기술을 이용하여 제조되므로, 광 감지 소자 및 신호 처리 회로를 단일 칩에 통합할 수 있으며, 이를 통해 저렴한 비용으로 소형의 이미지 센싱 장치를 생산할 수 있다. 이러한 이유로, CMOS 이미지 센싱 장치는 모바일 장치를 포함한 많은 애플리케이션을 위해 개발되고 있다.
본 발명의 기술적 사상은 개선된 수광 효율을 갖는 이미지 센싱 장치를 제공할 수 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 문서에 개시되는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센싱 장치는, 장면으로부터 입사되는 광을 집광하는 렌즈 모듈; 및 각각이 상기 렌즈 모듈로부터 전달되는 입사광을 감지하는 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 포함하며, 상기 픽셀 어레이는 상기 렌즈 모듈의 광축으로부터 소정 거리 이격된 에지 영역을 포함하고, 상기 에지 영역에 포함된 픽셀은, 상기 입사광의 세기에 대응하는 광전하를 생성하는 광전 변환 소자를 포함하는 반도체 영역; 상기 반도체 영역의 상부에 배치되는 마이크로 렌즈; 및 상기 마이크로 렌즈의 적어도 일부를 덮도록 배치되는 반사 구조를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는, 입사광의 세기에 대응하는 광전하를 생성하는 광전 변환 소자를 포함하는 반도체 영역; 상기 반도체 영역의 상부에 배치되는 마이크로 렌즈; 및상기 마이크로 렌즈의 적어도 일부를 덮도록 배치되는 반사 구조를 포함할 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시 예들에 따르면, 픽셀의 수광 효율을 개선할 수 있을 뿐 아니라, 픽셀 간 크로스토크를 저감할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3a는 도 2에 도시된 픽셀 어레이로 입사되는 광의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3b는 도 2에 도시된 픽셀 어레이로 입사되는 광의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 픽셀의 위치에 따라 달라지는 픽셀의 대략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 반사 구조가 수광 효율을 높이는 원리에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 4에 도시된 반사 구조가 광학적 크로스토크를 감소시키는 원리에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 제1 산출각을 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 제1 에지 영역에 배치된 픽셀들의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 반사 구조의 길이를 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 반사 구조의 회전각을 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예가 설명될 것이다. 그러나, 본 개시는 특정한 실시 예에 한정되지 않고, 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 개시의 실시 예는 본 개시를 통해 직간접적으로 인식될 수 있는 다양한 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치를 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센싱 장치(100)는 픽셀 어레이(pixel array, 110), 로우 드라이버(row driver, 120), 상관 이중 샘플러(Correlate Double Sampler; CDS, 130), 아날로그-디지털 컨버터(Analog-Digital Converter; ADC, 140), 출력 버퍼(output buffer, 150), 컬럼 드라이버(column driver, 160) 및 타이밍 컨트롤러(timing controller, 170)를 포함할 수 있다. 여기서, 이미지 센싱 장치(100)의 각 구성은 예시적인 것에 불과하며, 필요에 따라 적어도 일부의 구성이 추가되거나 생략될 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 복수의 로우들(rows) 및 복수의 컬럼들(columns)로 배열된 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 픽셀들은 로우들 및 컬럼들을 포함하는 2차원 픽셀 어레이로 배열될 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 단위 이미지 픽셀들은 3차원 픽셀 어레이로 배열될 수 있다. 복수의 픽셀들은 픽셀 단위로 또는 픽셀 그룹 단위로 광 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있으며, 픽셀 그룹 내 픽셀들은 적어도 특정 내부 회로를 공유할 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 로우 드라이버(120)로부터 로우 선택 신호, 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호 등을 포함하는 구동 신호를 수신할 수 있으며, 구동 신호에 의하여 픽셀 어레이(110)의 해당 픽셀은 로우 선택 신호, 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호에 대응하는 동작을 수행하도록 활성화될 수 있다.
로우 드라이버(120)는 타이밍 컨트롤러(170)에 의해 공급되는 명령들 및 제어 신호들에 기초하여 해당 로우에 포함된 픽셀들에 대해 특정 동작들을 수행하도록 픽셀 어레이(110)를 활성화할 수 있다. 일 실시예에서, 로우 드라이버(120)는 픽셀 어레이(110)의 적어도 하나의 로우에 배열된 적어도 하나의 픽셀을 선택할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 복수의 로우들 중 적어도 하나의 로우를 선택하기 위하여 로우 선택 신호를 생성할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 선택된 적어도 하나의 로우에 대응하는 픽셀들에 대해 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호를 순차적으로 인에이블시킬 수 있다. 이에 따라, 선택된 로우의 픽셀들 각각으로부터 생성되는 아날로그 형태의 기준 신호와 영상 신호가 순차적으로 상관 이중 샘플러(130)로 전달될 수 있다. 여기서, 기준 신호는 픽셀의 센싱 노드(예컨대, 플로팅 디퓨전 노드)가 리셋되었을 때 상관 이중 샘플러(130)로 제공되는 전기적 신호이고, 영상 신호는 픽셀에 의해 생성된 광전하가 센싱 노드에 축적되었을 때 상관 이중 샘플러(130)로 제공되는 전기적 신호일 수 있다. 픽셀 고유의 리셋 노이즈(reset noise)를 나타내는 기준 신호와, 입사광의 세기를 나타내는 영상 신호는 픽셀 신호로 통칭될 수 있다.
CMOS 이미지 센서는 두 샘플들 사이의 차이를 제거하기 위해 픽셀 신호를 두 번 샘플링 함으로써, 고정 패턴 노이즈와 같은 픽셀의 원치 않는 오프셋 값을 제거할 수 있도록 상관 이중 샘플링을 이용할 수 있다. 일 예로, 상관 이중 샘플링은 입사광에 의해 생성된 광전하가 센싱 노드에 축적되기 전후로 획득된 픽셀 출력 전압들을 비교함으로써, 원치 않는 오프셋 값을 제거하여 오직 입사광에 기초하는 픽셀 출력 전압이 측정될 수 있다. 일 실시예에서, 상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)로부터 복수의 컬럼 라인들 각각에 제공되는 기준 신호와 영상 신호를 순차적으로 샘플링 및 홀딩(sampling and holding)할 수 있다. 즉, 상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 기준 신호와 영상 신호의 레벨을 샘플링하고 홀딩할 수 있다.
상관 이중 샘플러(130)는 타이밍 컨트롤러(170)로부터의 제어 신호에 기초하여 컬럼들 각각의 기준 신호와 영상 신호를 상관 이중 샘플링 신호로서 ADC(140)로 전달할 수 있다.
ADC(140)는 상관 이중 샘플러(130)로부터 출력되는 각 컬럼에 대한 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 일 실시예에서, ADC(140)는 램프 비교 타입(ramp-compare type) ADC로 구현될 수 있다. 램프 비교 타입 ADC는 시간에 따라 상승 또는 하강하는 램프 신호와 아날로그 픽셀 신호를 비교하는 비교 회로, 및 램프 신호가 아날로그 픽셀 신호에 매칭(matching)될 때까지 카운팅 동작을 수행하는 카운터를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, ADC(140)는 컬럼들 각각을 위한 상관 이중 샘플러(130)에 의해 생성된 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다.
ADC(140)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 복수의 컬럼 카운터들을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110)의 각 컬럼은 각 컬럼 카운터에 연결되며, 영상 데이터는 컬럼 카운터들을 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환함에 의해 생성될 수 있다. 다른 실시예에 따라, ADC(140)는 하나의 글로벌 카운터를 포함하고, 글로벌 카운터에서 제공되는 글로벌 코드를 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
출력 버퍼(150)는 ADC(140)에서 제공되는 각각의 컬럼 단위의 영상 데이터를 일시적으로 홀딩하여 출력할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어 신호에 기초하여 ADC(140)로부터 출력되는 영상 데이터를 일시 저장할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 이미지 센싱 장치(100)와 연결된 다른 장치 사이의 전송(또는 처리) 속도 차이를 보상해주는 인터페이스로서 동작할 수 있다.
컬럼 드라이버(160)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어 신호에 기초하여 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택하고, 출력 버퍼(150)의 선택된 컬럼에 일시 저장된 영상 데이터가 순차적으로 출력되도록 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 컬럼 드라이버(160)는 타이밍 컨트롤러(170)로부터 어드레스 신호를 수신할 수 있으며, 컬럼 드라이버(160)는 어드레스 신호를 기반으로 컬럼 선택 신호를 생성하여 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택함으로써, 출력 버퍼(150)의 선택된 컬럼으로부터 영상 데이터가 외부로 출력되도록 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 로우 드라이버(120), 상관 이중 샘플러(130), ADC(140), 출력 버퍼(150) 및 컬럼 드라이버(160) 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 이미지 센싱 장치(100)의 각 구성의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤을 위한 제어 신호, 및 로우 또는 컬럼을 선택하기 위한 어드레스 신호들을 로우 드라이버(120), 상관 이중 샘플러(130), ADC(140), 출력 버퍼(150) 및 컬럼 드라이버(160) 중 적어도 하나에 제공할 수 있다. 일 실시예에 따라, 타이밍 컨트롤러(170)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 1에 도시된 픽셀 어레이를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 픽셀 어레이(110)는 복수 개의 로우들과 복수 개의 컬럼들을 포함하는 매트릭스로 배열된 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 픽셀 어레이(110) 상의 상대적인 위치에 따라 복수의 영역들로 구분될 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 중앙 영역(CT), 제1 수평 에지 영역(HL), 제2 수평 에지 영역(HR), 제1 수직 에지 영역(VU), 제2 수직 에지 영역(VD), 및 제1 내지 제4 사선 에지 영역(DLU, DRD, DLD, DRU)을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110)에 포함된 각 영역은 임의의 개수에 해당하는 픽셀들을 포함할 수 있다. 제1 수평 에지 영역(HL), 제2 수평 에지 영역(HR), 제1 수직 에지 영역(VU), 제2 수직 에지 영역(VD), 및 제1 내지 제4 사선 에지 영역(DLU, DRD, DLD, DRU)은 에지 영역으로 통칭될 수 있으며, 에지 영역은 광축(OA)으로부터 소정 거리 이격된 영역일 수 있다.
중앙 영역(CT)은 픽셀 어레이(110)의 중심에 위치할 수 있다. 중앙 영역(CT)은 장면(scene)으로부터 픽셀 어레이(110)로 광을 전달하는 렌즈 모듈(도 3a 및 도 3b의 50)의 광축(optical axis)이 지나는 영역일 수 있다.
제1 수평 에지 영역(HL)과 제2 수평 에지 영역(HR)은 중앙 영역(CT)을 지나는 수평선을 따라 중앙 영역(CT)의 양측으로 픽셀 어레이(110)의 에지에 위치할 수 있다. 본 개시에서 픽셀 어레이(110)의 에지는 픽셀 어레이(110)의 최외곽에 위치하는 픽셀을 중심으로 일정 거리 이내에 위치한 픽셀들을 포함하는 개념일 수 있다.
제1 수직 에지 영역(VU)과 제2 수직 에지 영역(VD)은 중앙 영역(CT)을 지나는 수직선을 따라 중앙 영역(CT)의 양측으로 픽셀 어레이(110)의 에지에 위치할 수 있다.
제1 사선 에지 영역(DLU)은 중앙 영역(CT)을 지나는 제1 사선 방향(수평선이 양의 각도로 회전된 방향)을 따라 중앙 영역(CT)의 좌상측으로 픽셀 어레이(110)의 에지에 위치할 수 있다.
제2 사선 에지 영역(DRD)은 중앙 영역(CT)을 지나는 제1 사선 방향을 따라 중앙 영역(CT)의 우하측으로 픽셀 어레이(110)의 에지에 위치할 수 있다.
제3 사선 에지 영역(DLD)은 중앙 영역(CT)을 지나는 제2 사선 방향(수평선이 음의 각도로 회전된 방향)을 따라 중앙 영역(CT)의 좌하측으로 픽셀 어레이(110)의 에지에 위치할 수 있다.
제4 사선 에지 영역(DRU)은 중앙 영역(CT)을 지나는 제2 사선 방향을 따라 중앙 영역(CT)의 우상측으로 픽셀 어레이(110)의 에지에 위치할 수 있다.
도 3a는 도 2에 도시된 픽셀 어레이로 입사되는 광의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3a를 참조하면, 도 1에 도시된 이미지 센싱 장치(100)는 렌즈 모듈(50)을 더 포함할 수 있다. 렌즈 모듈(50)은 이미지 센싱 장치(100)의 전방에서 픽셀 어레이(110)와 장면 사이에 배치되어 장면으로부터 입사되는 광을 집광하여 픽셀 어레이(110)로 전달할 수 있다. 렌즈 모듈(50)은 광축을 중심으로 정렬된 적어도 하나의 렌즈를 포함할 수 있다. 여기서, 광축(OA)은 픽셀 어레이(110)의 중앙 영역(CT)을 통과할 수 있다.
렌즈 모듈(50)을 통과한 주광선(chief ray)은 광축을 중심으로 픽셀 어레이(110)의 각 영역으로 퍼지는 형태로 조사될 수 있다. 도 2에서, 제1 수평 에지 영역(HL)에 대한 주광선은 중앙 영역(CT)으로부터 좌측 방향으로, 제2 수평 에지 영역(HR)에 대한 주광선은 중앙 영역(CT)으로부터 우측 방향으로, 제1 수직 에지 영역(VU)에 대한 주광선은 중앙 영역(CT)으로부터 상측 방향으로, 및 제2 수직 에지 영역(VD)에 대한 주광선은 중앙 영역(CT)으로부터 하측 방향으로 각각 조사된다. 한편, 제1 사선 에지 영역(DLU)에 대한 주광선은 중앙 영역(CT)으로부터 좌상측 방향으로, 제2 사선 에지 영역(DRD)에 대한 주광선은 중앙 영역(CT)으로부터 우하측 방향으로, 제3 사선 에지 영역(DLD)에 대한 주광선은 중앙 영역(CT)으로부터 좌하측 방향으로, 및 제4 사선 에지 영역(DRU)에 대한 주광선은 중앙 영역(CT)으로부터 우상측 방향으로 각각 조사된다.
도 3a에는 픽셀 어레이(110)를 제1 절단선(A-A')을 따라 절단한 단면이 개략적으로 도시되어 있다. 따라서, 픽셀 어레이(110)의 중앙에는 중앙 영역(CT)이 위치하고, 중앙 영역(CT)의 좌측에는 제1 수평 에지 영역(HL)이 위치하고, 중앙 영역(CT)의 우측에는 제2 수평 에지 영역(HR)이 위치할 수 있다.
중앙 영역(CT)으로 입사되는 주광선은 픽셀 어레이(110)의 상면에 대해 수직으로 입사될 수 있다. 즉, 중앙 영역(CT)으로 입사되는 주광선의 입사각은 0도(또는 0에 근사한 각도)일 수 있다.
그러나, 제1 수평 에지 영역(HL)과 제2 수평 에지 영역(HR)으로 입사되는 주광선은 픽셀 어레이(110)의 상면에 대해 비스듬하게 입사될 수 있다. 즉, 제1 수평 에지 영역(HL)과 제2 수평 에지 영역(HR)으로 입사되는 주광선의 입사각은 일정 각도(0보다 크고 90보다 작은 각도)에 해당할 수 있다. 일정 각도는 픽셀 어레이(110)의 크기, 렌즈 모듈(50)의 곡률, 및 렌즈 모듈(50)과 픽셀 어레이(110) 간의 거리 등에 따라 달라질 수 있다.
중앙 영역(CT)과 제1 수평 에지 영역(HL) 사이의 영역으로 입사되는 주광선은 도 3a의 좌측 점선과 같이, 픽셀 어레이(110)의 상면에 대해 비스듬하게 입사될 수 있으나, 중앙 영역(CT)과 제1 수평 에지 영역(HL) 사이의 영역으로 입사되는 주광선의 입사각은 제1 수평 에지 영역(HL)으로 입사되는 주광선의 입사각보다 작을 수 있다.
중앙 영역(CT)과 제2 수평 에지 영역(HR) 사이의 영역으로 입사되는 주광선은 도 3a의 우측 점선과 같이, 픽셀 어레이(110)의 상면에 대해 비스듬하게 입사될 수 있으나, 중앙 영역(CT)과 제2 수평 에지 영역(HR) 사이의 영역으로 입사되는 주광선의 입사각은 제2 수평 에지 영역(HR)으로 입사되는 주광선의 입사각보다 작을 수 있다.
도 3a에서는 픽셀 어레이(110)를 제1 절단선(A-A')을 따라 절단한 단면을 예로 들어 설명하였으나, 픽셀 어레이(110)를 제2 절단선(B-B')을 따라 절단한 단면에 대해서도 제1 수평 에지 영역(HL)이 제1 수직 에지 영역(VU)으로 대체되고, 제2 수평 에지 영역(HR)이 제2 수직 에지 영역(VD)으로 대체된다는 점을 제외하고는 실질적으로 동일한 설명이 적용될 수 있으므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 3b는 도 2에 도시된 픽셀 어레이로 입사되는 광의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 3b를 참조하면, 픽셀 어레이(110)를 제3 절단선(C-C')을 따라 절단한 단면이 개략적으로 도시되어 있다. 따라서, 픽셀 어레이(110)의 중앙에는 중앙 영역(CT)이 위치하고, 중앙 영역(CT)의 좌측에는 제1 사선 에지 영역(DLU)이 위치하고, 중앙 영역(CT)의 우측에는 제2 사선 에지 영역(DRD)이 위치할 수 있다.
중앙 영역(CT)으로 입사되는 주광선은 픽셀 어레이(110)의 상면에 대해 수직으로 입사될 수 있다. 즉, 중앙 영역(CT)으로 입사되는 주광선의 입사각은 0도(또는 0에 근사한 각도)일 수 있다.
그러나, 제1 사선 에지 영역(DLU)과 제2 사선 에지 영역(DRD)으로 입사되는 주광선은 픽셀 어레이(110)의 상면에 대해 비스듬하게 입사될 수 있다. 즉, 제1 사선 에지 영역(DLU)과 제2 사선 에지 영역(DRD)으로 입사되는 주광선의 입사각은 일정 각도(0보다 크고 90보다 작은 각도)에 해당할 수 있다. 일정 각도는 픽셀 어레이(110)의 크기, 렌즈 모듈(50)의 곡률 및 렌즈 모듈(50)과 픽셀 어레이(110) 간의 거리 등에 따라 달라질 수 있다.
중앙 영역(CT)과 제1 사선 에지 영역(DLU) 사이의 영역으로 입사되는 주광선은 도 3b의 좌측 점선과 같이, 픽셀 어레이(110)의 상면에 대해 비스듬하게 입사될 수 있으나, 중앙 영역(CT)과 제1 사선 에지 영역(DLU) 사이의 영역으로 입사되는 주광선의 입사각은 제1 사선 에지 영역(DLU)으로 입사되는 주광선의 입사각보다 작을 수 있다.
중앙 영역(CT)과 제2 사선 에지 영역(DRD) 사이의 영역으로 입사되는 주광선은 도 3b의 우측 점선과 같이, 픽셀 어레이(110)의 상면에 대해 비스듬하게 입사될 수 있으나, 중앙 영역(CT)과 제2 사선 에지 영역(DRD) 사이의 영역으로 입사되는 주광선의 입사각은 제2 사선 에지 영역(DRD)으로 입사되는 주광선의 입사각보다 작을 수 있다.
도 3b에서는 픽셀 어레이(110)를 제3 절단선(C-C')을 따라 절단한 단면을 예로 들어 설명하였으나, 픽셀 어레이(110)를 제4 절단선(D-D')을 따라 절단한 단면에 대해서도 제1 사선 에지 영역(DLU)이 제3 사선 에지 영역(DLD)으로 대체되고, 제2 사선 에지 영역(DRD)이 제4 사선 에지 영역(DRU)으로 대체된다는 점을 제외하고는 실질적으로 동일한 설명이 적용될 수 있으므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 픽셀의 위치에 따라 달라지는 픽셀의 대략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 중앙 영역(CT)에 위치한 픽셀, 제1 에지 영역(ED1)에 위치한 픽셀 및 제2 에지 영역(ED2)에 위치한 픽셀 각각의 구조가 비교되어 있다.
제1 에지 영역(ED1)과 제2 에지 영역(ED2)은, 제1 수평 에지 영역(HL)과 제2 수평 에지 영역(HR), 제1 수직 에지 영역(VU)과 제2 수직 에지 영역(VD), 제1 사선 에지 영역(DLU)과 제2 사선 에지 영역(DRD), 또는 제3 사선 에지 영역(DLD)과 제4 사선 에지 영역(DRU) 중 어느 하나에 해당할 수 있다.
중앙 영역(CT)에 위치한 픽셀, 제1 에지 영역(ED1)에 위치한 픽셀 및 제2 에지 영역(ED2)에 위치한 픽셀 각각은 마이크로 렌즈(200), 광학 필터(300) 및 반도체 영역(400)이 순차적으로 적층된 형태를 가질 수 있다.
마이크로 렌즈(200)는 광학 필터(300)의 상부에 배치될 수 있고, 입사광에 대한 집광력(light gathering power)을 높여 해당 픽셀의 수광 효율을 향상시킬 수 있다.
광학 필터(300)는 반도체 영역(400)의 상부에 배치될 수 있고, 미리 정해진 특정 파장 대역의 광(예컨대, 레드(Red), 그린(Green), 블루(Blue), 마젠타(Magenta), 옐로우(Yellow), 사이언(Cyan) 등)을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
반도체 영역(400)은 픽셀 어레이(110)가 배치되는 반도체 기판 중 해당 픽셀에 대응하는 일부 영역을 의미할 수 있다. 반도체 기판은 P형 또는 N형 벌크(bulk) 기판, P형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층(epitaxial layer)이 성장된 기판, 또는 N형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층이 성장된 기판일 수 있다.
반도체 영역(400)은 해당 픽셀에 대응하는 광전 변환 소자를 포함할 수 있다. 광전 변환 소자는 입사광의 세기에 대응하는 광전하를 생성 및 축적할 수 있다. 광전 변환 소자는 수광 효율을 나타내는 필 팩터(fill-factor)를 높이기 위해, 가능한 넓은 면적에 걸쳐 형성될 수 있다. 예를 들어, 광전 변환 소자는 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 핀형(pinned) 포토 다이오드 또는 이들의 조합으로 구현될 수도 있다.
광전 변환 소자가 포토 다이오드로 구현되는 경우, 반도체 영역(400) 내에 N형 이온을 주입하는 이온 주입(ion implantation) 공정을 통해 N형 도핑 영역으로 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 포토다이오드는 복수의 도핑 영역들이 적층된 형태로 형성될 수 있다. 이 경우 하부 도핑 영역은 P형 이온 및 N+형 이온이 주입되어 형성될 수 있고, 상부 도핑 영역은 N-형 이온이 주입되어 형성될 수 있다.
광전 변환 소자가 생성 및 축적한 광전하는 해당 픽셀에 포함된 리드아웃 회로(예컨대, 4T(four transistor) 픽셀의 경우, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 소스 팔로워 트랜지스터 및 선택 트랜지스터)를 통해 픽셀 신호로 변환될 수 있다.
도 4에는 중앙 영역(CT)에 위치한 픽셀, 제1 에지 영역(ED1)에 위치한 픽셀 및 제2 에지 영역(ED2)에 위치한 픽셀이 각각 하나씩 도시되어 있으나, 각 픽셀은 인접하는 픽셀들과 연속적으로 배치될 수 있다.
비록 도시 되지는 않았으나, 서로 인접하는 광학 필터들(300) 사이에는 서로 인접하는 광학 필터들(300) 간의 광학적 크로스토크를 방지하기 위한 그리드 구조가 배치될 수 있다. 예를 들어, 그리드 구조는 텅스텐 그리드, 에어 그리드일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
또한, 서로 인접하는 반도체 영역들(400) 사이에는 서로 인접하는 반도체 영역들(400) 간의 광학적 크로스토크를 방지하기 위한 분리 구조가 배치될 수 있다. 예를 들어, 분리 구조는 DTI(deep trench isolation) 공정으로 형성된 트렌치 내부에 적어도 절연 물질이 채워진 구조일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
픽셀 어레이(110)의 중앙 영역(CT)에서는 주광선(CR)의 입사각이 0(또는 0에 근사한 값)에 해당하므로, 주광선(CR)이 픽셀에 대해 수직으로 입사될 수 있다. 그러나, 픽셀 어레이(110)의 에지 영역(ED1 또는 ED2)에서는 주광선(CR)의 입사각이 소정의 값을 가지므로, 주광선(CR)이 픽셀에 대해 비스듬히 입사될 수 있다. 주광선(CR)이 비스듬히 입사됨에 따라, 해당 픽셀의 수광 효율이 저하될 뿐 아니라, 서로 인접하는 픽셀들 간의 광학적 크로스토크가 증가할 수 있다.
따라서, 광학 필터(300)와 마이크로 렌즈(200)는 반도체 영역(400)에 대해 주광선(CR)이 입사되는 방향을 향해 쉬프트(shift)될 수 있다. 이때, 마이크로 렌즈(200)가 반도체 영역(400)에 대해 쉬프트되는 정도는 광학 필터(300)가 반도체 영역(400)에 대해 쉬프트되는 정도보다 클 수 있다.
한편, 주광선(CR)의 입사각은 픽셀 어레이(110)의 중앙 영역(CT)으로부터 에지 영역(ED1 또는 ED2)으로 갈수록 점진적으로 증가할 수 있다. 따라서, 점진적으로 증가하는 주광선(CR)의 입사각에 대응하여, 마이크로 렌즈(200)가 반도체 영역(400)에 대해 쉬프트되는 정도와, 광학 필터(300)가 반도체 영역(400)에 대해 쉬프트되는 정도는, 중앙 영역(CT)으로부터 에지 영역(ED1 또는 ED2)으로 갈수록 점진적으로 증가할 수 있다.
또한, 마이크로 렌즈(200)의 굴절률은 광학 필터(300)의 굴절률보다 낮고, 광학 필터(300)의 굴절률은 반도체 영역(400)의 굴절률보다 낮을 수 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(110)에서 에지 영역(ED1 또는 ED2)에 포함되는 픽셀들은 반사 구조(500)를 더 포함할 수 있다.
반사 구조(500)는 마이크로 렌즈(200)의 적어도 일부에 오버랩되도록(또는 마이크로 렌즈(200)의 적어도 일부를 덮도록) 배치될 수 있다. 또한, 반사 구조(500)는 마이크로 렌즈(200)의 상부에 배치될 수 있다. 일 실시예에 따라, 마이크로 렌즈(200)의 상부에는 마이크로 렌즈(200)로 입사되는 광의 반사를 저감하기 위한 반사 방지층(anti-reflection layer)가 배치될 수 있는데, 반사 구조(500)는 반사 방지층의 상부, 또는 반사 방지층과 마이크로 렌즈(200)의 사이에 배치될 수 있다.
반사 구조(500)는 마이크로 렌즈(200)의 중심을 기준으로 광축(OA)으로부터 먼 방향으로 치우치도록 배치될 수 있다.
반사 구조(500)는 해당 픽셀로 입사되었으나 픽셀 외부를 향해 반사되는 광을 픽셀 내부로 재입사시켜 수광 효율을 증가시키고, 해당 픽셀로 입사되나 인접 픽셀로 이동할 수 있는 광을 차단하여 광학적 크로스토크를 감소시키는 기능을 수행할 수 있다. 반사 구조(500)가 수광 효율을 증가시키는 기능에 대해서는 도 5를 참조하여 후술하고, 반사 구조(500)가 광학적 크로스토크를 감소시키는 기능에 대해서는 도 6과 도 7을 참조하여 후술하기로 한다.
반사 구조(500)는 수광 효율을 증가시키고 광학적 크로스토크를 감소시키기 위한 목적으로 배치되는 바, 반사 구조(500)는 마이크로 렌즈(200)의 중심을 기준으로, 주광선(CR)이 입사되는 방향에 위치한 광축(OA)의 반대 측에 배치될 수 있다.
반사 구조(500)가 배치되는 위치 및 반사 구조(500)의 길이는, 반사 구조(500)가 포함된 픽셀의 위치, 마이크로 렌즈(200)의 곡률 반경 등에 따라 정해질 수 있으며, 이에 대해서는 도 9와 도 10을 참조하여 후술하기로 한다.
반사 구조(500)는 광에 대한 반사율이 높은 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반사 구조(500)는 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
반사 구조(500)는 미리 정의된 영역(예컨대, 마스크가 배치되지 않은 영역)에 대한 코팅 공정을 통해 형성될 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
도 5는 도 4에 도시된 반사 구조가 수광 효율을 높이는 원리에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1 에지 영역(ED1)에 포함된 픽셀이 도시되어 있으며, 주광선(CR)에 해당하는 제1 입사광(L1)이 픽셀로 입사된다고 가정한다. 도 5에서는 제1 에지 영역(ED1)에 포함된 픽셀을 중심으로 설명하나, 다른 픽셀(예컨대, 제2 에지 영역(ED2)에 포함된 픽셀)에 대해서도 실질적으로 동일한 설명이 적용될 수 있다.
굴절률이 가장 낮은 에어를 통해 입사되는 제1 입사광(L1)은 에어와 마이크로 렌즈(200)의 경계에서 대부분 마이크로 렌즈(200)로 이동하고, 마이크로 렌즈(200)를 통과한 광은 광학 필터(300)와 반도체 영역(400)의 경계에서 대부분 반도체 영역(400)으로 이동할 수 있다.
한편, 설명의 편의상 아래의 설명에서 마이크로 렌즈(200)와 광학 필터(300) 간의 경계에서 굴절 및 반사는 발생하지 않는다고 가정하기로 한다.
마이크로 렌즈(200)를 통과한 광은 광학 필터(300)와 반도체 영역(400)의 경계에서 대부분(예컨대, L1의 약 95%) 반도체 영역(400)으로 이동하는 제1 통과광(L1')이 되나, 일부(예컨대, L1의 약 5%)의 광은 제1 반사광(L1r)으로서 광학 필터(300)와 반도체 영역(400)의 경계(또는 반도체 영역(400)의 상부면)에서 다시 광학 필터(300) 및 마이크로 렌즈(200)를 향해 반사될 수 있다.
반사 구조(500)는 제1 반사광(L1r)을 반도체 영역(400)을 향해 제2 입사광(L2)으로 재반사할 수 있다. 제2 입사광(L2)은 마이크로 렌즈(200)와 광학 필터(300)를 거쳐 광학 필터(300)와 반도체 영역(400)의 경계로 입사될 수 있다.
제2 입사광(L2)은 광학 필터(300)와 반도체 영역(400)의 경계에서 대부분(예컨대, L2의 약 95%, 즉 L1의 4.75%) 반도체 영역(400)으로 이동하는 제2 통과광(L2')이 되나, 일부(예컨대, L2의 약 5%, 즉 L1의 약 0.25%)의 광은 제2 반사광(L2r)으로서 광학 필터(300)와 반도체 영역(400)의 경계에서 다시 광학 필터(300) 및 마이크로 렌즈(200)를 향해 픽셀 외부로 반사될 수 있다.
위의 예시에서, 만일 반사 구조(500)가 픽셀에 포함되지 않을 경우, 제1 입사광(L1)에 대한 반도체 영역(400)으로 이동하는 광(L1')의 비율은 약 95%가 될 수 있다.
반면에, 반사 구조(500)가 픽셀에 포함될 경우, 제1 입사광(L1)에 대한 반도체 영역(400)으로 이동하는 광(L1'+L2')의 비율은 약 99.75%가 될 수 있다.
따라서, 반사 구조(500)가 픽셀에 포함될 경우, 반도체 영역(400)으로 이동하는 광이 상대적으로 증가함에 따라 해당 픽셀의 수광 효율이 증가될 수 있다.
도 6은 도 4에 도시된 반사 구조가 광학적 크로스토크를 감소시키는 원리에 대해 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 제1 산출각을 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 제1 에지 영역(ED1)에 포함된 서로 인접하는 제1 내지 제3 픽셀이 도시되어 있으며, 주광선(CR)에 해당하는 제3 입사광(L3)이 제2 픽셀로 입사된다고 가정한다. 도 6에서는 제2 픽셀을 중심으로 설명하나, 다른 픽셀(예컨대, 제1 또는 제3 픽셀, 제2 에지 영역(ED2)에 포함된 픽셀)에 대해서도 실질적으로 동일한 설명이 적용될 수 있다.
제1 픽셀은 마이크로 렌즈(200a), 광학 필터(300a) 및 반도체 영역(400a)를 포함할 수 있고, 제2 픽셀은 마이크로 렌즈(200b), 광학 필터(300b) 및 반도체 영역(400b)를 포함할 수 있고, 제3 픽셀은 마이크로 렌즈(200c), 광학 필터(300c) 및 반도체 영역(400c)를 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 픽셀은 서로 실질적으로 동일한 구조를 가진다고 가정하기로 한다.
제1 내지 제3 픽셀 각각에서, 마이크로 렌즈와 광학 필터는 각각 반도체 영역을 기준으로 광축(OA)을 향해 일정 거리만큼 쉬프트되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 픽셀에서, 제1 픽셀의 반도체 영역(400a)과 제2 픽셀의 반도체 영역(400b) 간의 제1 경계(BD1; first boundary)로부터, 제2 픽셀의 마이크로 렌즈(200b)는 제1 쉬프트 거리(dMLS)만큼 쉬프트되어 배치되고, 제2 픽셀의 광학 필터(300b)는 제2 쉬프트 거리(dCFA)만큼 쉬프트되어 배치될 수 있다.
제3 입사광(L3)은 마이크로 렌즈(200b) 상의 제1 지점(P1)으로 주광선 입사각(θCRA)으로 입사될 수 있다. 여기서, 제1 지점(P1)은 마이크로 렌즈(200a)와 마이크로 렌즈(200b) 간의 경계에 인접하는 임의의 위치를 의미할 수 있다.
제3 입사광(L3)은 제1 지점(P1)을 통과하면서 에어와 마이크로 렌즈(200b)의 굴절률 차이로 인해 주광선 굴절각(θrefrc)으로 굴절되어 제3 굴절광(L3')으로 광학 필터(300b)를 향해 입사될 수 있다.
마이크로 렌즈(200b)의 제1 지점(P1)을 기준으로 볼 때, 제3 입사광(L3)은 주광선 입사각(θCRA)과 제1 산출각(θ')의 합인 렌즈 입사각(θinc)으로 입사될 수 있다. 제1 픽셀의 마이크로 렌즈(200a)과 제2 픽셀의 마이크로 렌즈(200b) 간의 제2 경계(BD2; second boundary)로부터, 제3 입사광(L3)까지의 각도는 주광선 입사각(θCRA)에 해당하고, 제2 경계(BD2)로부터 제1 지점(P1)의 법선까지의 각도는 제1 산출각(θ')에 해당할 수 있다. 한편, 제2 경계(BD2)로부터 제3 굴절광(L3')까지의 각도는 제2 산출각(θ'')으로 정의될 수 있다.
마이크로 렌즈(200b)는 소정의 곡률 반경으로 볼록한 형태를 갖는 커브 영역(도 7의 210b), 및 커브 영역의 하부에 배치되어 광학 필터(300b)와 접하는 오버 코팅 영역(도 7의 220b)을 포함할 수 있다. 커브 영역의 높이는 제1 높이(hCV)로, 오버 코팅 영역의 높이는 제2 높이(hOC)로 각각 정의될 수 있다. 또한, 광학 필터(300b)의 높이는 제3 높이(hCFA)로 정의될 수 있다.
제3 입사광(L3)은 제1 지점(P1)을 통과하면서 굴절되어 제3 굴절광(L3')으로 진행하며, 반도체 영역(200b 또는 200c)의 제2 지점(P2)으로 입사될 수 있다.
제1 경계(BD1)로부터 제2 지점(P2)까지의 거리는 입사 거리(ID)로 정의될 수 있는데, 입사 거리(ID)는 다음의 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
한편, 주광선 굴절각(θrefrc)은 다음의 수학식 2에 의해 주광선 입사각(θCRA)과 제1 산출각(θ')을 이용해 표현될 수 있다. 여기서, n1은 에어의 굴절률을, n2는 마이크로 렌즈(200b)의 굴절률을 의미할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
제2 산출각(θ'')은 수학식 2를 이용해 다음의 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
즉, 제2 산출각(θ'')은 주광선 입사각(θCRA)과 제1 산출각(θ')에 의해 결정되는 각도일 수 있다. 또한, 제1 산출각(θ')은 제1 지점(P1)의 위치에 의해 정해지는 각도일 수 있다.
도 7을 참조하면, 마이크로 렌즈(200b)와 제1 지점(P1)이 도시되어 있고, 마이크로 렌즈(200b)의 커브 영역은 특정 곡률 반경(RoC)을 갖는 원의 호를 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 산출각(θ')은 제1 지점(P1)에서의 법선과, 원의 중심 및 호의 중심을 지나는 직선이 이루는 각과 동일할 수 있다.
제1 지점(P1)에서의 법선과, 원의 중심 및 호의 중심을 지나는 직선이 이루는 각을 이용해 제1 산출각(θ')을 계산하면 다음의 수학식 4와 같이 계산될 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00004
여기서, h1은 마이크로 렌즈(200b)의 최상단 높이로부터 제1 지점(P1)까지의 높이를 의미할 수 있다.
h1이 0일 때, 제1 산출각(θ')은 최소값인 0에 해당할 수 있고, h1이 제1 높이(hCV)일 때, 제1 산출각(θ')은 최대값인
Figure pat00005
에 해당할 수 있다.
다시, 도 6을 참조하면, 제3 입사광(L3)은 입사 거리(ID)에 따라 광학적 크로스토크를 일으키는 광이 될 수 있다. 즉, 반도체 영역의 상부면에서, 제1 경계(BD1)로부터의 거리가 픽셀 폭(Wpx)을 초과하고, 픽셀 폭(Wpx)과 제2 쉬프트 거리(dCFA)의 합의 미만인 영역은 크로스토크 영역(CA)으로 정의될 수 있다.
제2 픽셀의 마이크로 렌즈(200b)로 입사된 제3 입사광(L3)이 굴절되어 크로스토크 영역(CA)으로 입사될 경우, 제3 굴절광(L3')은 제3 픽셀의 반도체 영역(400c)으로 유입되어 광학적 크로스토크를 유발할 수 있다.
입사 거리(ID)를 갖는 제3 입사광(L3)이 광학적 크로스토크를 유발하는 광이 되기 위한 조건은 다음의 수학식 5에 의해 정의될 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00006
즉, 수학식 5를 만족하는 입사 거리(ID)를 갖는 제3 입사광(L3)은 제2 픽셀의 제1 지점(P1)으로 입사되어 제3 픽셀의 제2 지점(P2)으로 입사됨으로써, 광학적 크로스토크를 유발할 수 있다.
그러나, 반사 구조(500)가 픽셀에 포함되어 제1 지점(P1)에 배치될 경우, 광학적 크로스토크를 유발할 수 있는 제3 입사광(L3)이 제2 픽셀의 내부로 입사되지 않고 해당 픽셀의 외부로 반사될 수 있으므로, 픽셀 간 광학적 크로스토크가 저감될 수 있다.
즉, 반사 구조(500)는 해당 픽셀(예컨대, 제2 픽셀)에 대한 주광선(L3)이 마이크로 렌즈(200b)로 입사될 경우 주광선(L3)이 굴절된 광(L3')이 픽셀에 인접하는 다른 픽셀(예컨대, 제3 픽셀)로 전달될 수 있는 지점에 배치될 수 있다.
도 8은 제1 에지 영역에 배치된 픽셀들의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 제1 에지 영역(ED1)에 배치된 픽셀 배열(800)은 4x4 매트릭스로 배열된 쿼드 베이어 패턴(quad bayer pattern)에 해당하는 픽셀들을 포함할 수 있다. 즉, 2x2 매트릭스의 그린 픽셀 그룹들, 2x2 매트릭스의 블루 픽셀 그룹, 및 2x2 매트릭스의 레드 픽셀 그룹이 베이어 패턴을 형성할 수 있다. 도 8에서는 제1 에지 영역(ED1)에 배치된 픽셀 배열(800)을 예로 들어 설명하나, 제2 에지 영역(ED1)에 배치된 픽셀들에도 실질적으로 동일한 설명이 적용될 수 있다.
도 6의 설명에 따르면, 제1 에지 영역(ED1)으로 주광선(CR)이 우측으로 입사될 경우, 특정 컬럼에 속한 픽셀들에 포함된 마이크로 렌즈를 통과한 주광선은 특정 컬럼의 우측에 인접한 컬럼에 속한 픽셀들에 포함된 반도체 영역으로 입사될 수 있어 광학적 크로스토크가 발생할 수 있다.
동일한 컬러에 해당하는 픽셀들 간의 광학적 크로스토크는 혼색 가능성이 없으나, 서로 다른 컬러에 대응하는 픽셀들 간의 광학적 크로스토크는 혼색 가능성이 있어, 컬러 정보에 심각한 노이즈를 발생시킬 수 있다.
따라서, 서로 다른 컬러에 해당하는 픽셀들 간의 경계를 기준으로 광축으로부터 상대적으로 먼 위치에 배치되는 픽셀에는 반사 구조(500)가 반드시 포함될 필요가 있다.
일 실시예에 따라, 반사 구조(500)는 제1 에지 영역(ED1)에 포함된 모든 픽셀에 배치되지 않을 수 있다. 예를 들어, 반사 구조(500)는 서로 다른 컬러에 해당하는 픽셀들 간의 경계를 기준으로 광축으로부터 상대적으로 먼 위치에 배치되는 픽셀들의 집합인 제1 픽셀 그룹(810)과 제2 픽셀 그룹(820)에만 배치될 수 있다. 이에 반해, 반사 구조(500)는 서로 다른 컬러에 해당하는 픽셀들 간의 경계를 기준으로 광축으로부터 상대적으로 가까운 위치에 배치되는 픽셀들에는 배치되지 않을 수 있다.
즉, 도 8과 같은 쿼드 베이어 패턴으로 배열되는 픽셀 어레이에서, 주광선(CR)의 진행 방향을 따라 반사 구조(500)를 포함하는 픽셀과 반사 구조(500)를 포함하지 않는 픽셀이 교번적으로 배치될 수 있다.
도 9는 반사 구조의 길이를 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 도 6에서 설명된 제1 내지 제3 픽셀이 도시되어 있다. 도 9에서는 제2 픽셀의 마이크로 렌즈(200b) 상에 배치될 수 있는 반사 구조(미도시)의 길이를 계산하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
마이크로 렌즈(200b)의 상부면 상에 제3 지점(P3)과 제4 지점(P4)이 미리 결정될 수 있고, 제3 지점(P3)과 제4 지점(P4)의 사이에 반사 구조가 배치될 수 있다. 도 9의 예시와 같이 제3 지점(P3)은 마이크로 렌즈(200a)와 마이크로 렌즈(200b) 간의 경계(도 6의 BD2)와 오버랩되는 지점일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
제3 지점(P3)과 제4 지점(P4) 사이의 영역 내에 위치한 임의의 지점은 앞서 설명된 수학식 5를 만족할 수 있다. 즉, 제3 지점(P3)과 제4 지점(P4) 사이의 영역은 수학식 5를 만족하는 바, 제3 지점(P3)과 제4 지점(P4) 사이의 영역으로 입사되는 주광선(CR)은 제2 픽셀의 마이크로 렌즈(200b)와 광학 필터(300b)를 거쳐 제3 픽셀의 반도체 영역(400c)로 입사될 수 있다. 따라서, 이러한 광학적 크로스토크를 방지하기 위해, 제3 지점(P3)과 제4 지점(P4) 사이의 영역과 오버랩되도록 반사 구조가 배치될 수 있다.
다른 실시예에 따라, 수학식 5를 만족시키는 모든 영역에 반사 구조가 배치되지는 않을 수 있다. 예를 들어, 수학식 5를 만족시키는 영역이 과도하게 넓은 면적을 차지할 경우, 반사 구조를 수학식 5를 만족시키는 영역 전부에 배치하는 것은 해당 픽셀의 수광 효율을 불필요하게 저하시킬 수 있기 때문이다. 또는, 수학식 5를 만족시키는 모든 영역에 반사 구조가 배치될 경우, 픽셀 어레이(110) 전체적으로 수광량이 균일하지 못할 수 있다. 따라서, 반사 구조는 수광 효율, 광학적 크로스토크, 및 광 균일성을 고려하여 실험적으로 최적화되는 영역에 배치될 수 있다.
반사 구조의 길이(l)는 다음의 수학식 6에 의해 계산될 수 있다. 반사 구조의 길이(l)는 반사 구조와 오버랩되는 마이크로 렌즈(200b)의 호의 길이를 의미할 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00007
즉, 반사 구조의 길이(l)는 곡률 반경(RoC)과 호 각(θarc)의 곱으로 계산될 수 있다. 호 각(θarc)은 제3 지점(P3)으로부터 제4 지점(P4)까지의 호에 해당하는 각도를 의미할 수 있다.
제1 산출각(θ')은 제4 지점(P4)에 대한 제1 산출각을 의미하고, 최대 제1 산출각(θ'MAX)은 도 7에서 설명된 제1 산출각(θ')의 최대값을 의미할 수 있다.
반사 구조의 길이(l)는 픽셀 어레이(110)의 중심(또는 광축)으로부터의 거리가 증가할수록(또는 픽셀 어레이(110)의 최외곽에 가까워질수록) 점진적으로 증가할 수 있다.
도 10은 반사 구조의 회전각을 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 제1 수평 에지 영역(HL)에 포함된 픽셀의 마이크로 렌즈(1010)와, 제1 사선 에지 영역(DLU)에 포함된 픽셀의 마이크로 렌즈(1020)가 도시되어 있다. 마이크로 렌즈(1010)를 포함하는 픽셀과 마이크로 렌즈(1020)를 포함하는 픽셀은 서로 동일한 컬럼에 속할 수 있다.
도 10에서는 제1 사선 에지 영역(DLU)에 포함된 픽셀을 예로 들어 설명하나, 이에 상응하는 설명이 제2 내지 제4 사선 에지 영역(DRD, DLD, DRU)에 포함된 픽셀에 대해서도 적용될 수 있다.
마이크로 렌즈(1010)와 마이크로 렌즈(1020) 각각의 상부에는 반사 구조(1015)와 반사 구조(1025)가 배치될 수 있다. 도 10에서는 설명의 편의상 반사 구조(1015)와 반사 구조(1025)가 각각 마이크로 렌즈(1010)와 마이크로 렌즈(1020)의 절반을 덮도록 배치된다고 가정하기로 한다.
반사 구조(1015)와 반사 구조(1025) 각각은 활꼴(segment of a circle) 형태를 가지며, 반사 구조(1015)와 반사 구조(1025) 각각의 현은 주광선과 수직할 수 있다. 이는 반사 구조(1015)와 반사 구조(1025) 각각의 현이 주광선과 수직하여야, 반사 구조의 기능(수광 효율 증가 및 광학적 크로스토크 방지)이 극대화될 수 있기 때문이다. 주광선의 방향은 광축(OA)으로부터 마이크로 렌즈(1010, 1020)의 중심을 향하는 방향일 수 있다.
따라서, 반사 구조(1015)의 현은 픽셀 어레이(110)의 수평선과 90도의 각도를 가질 수 있다. 또한, 반사 구조(1025)의 현은 픽셀 어레이(110)의 수평선과 소정의 회전각(θM)을 가질 수 있다.
회전각(θM)은 도 10에 나타난 바와 같이, 90도로부터, 마이크로 렌즈(1010)의 중심과 광축(OA)을 잇는 직선과, 마이크로 렌즈(1020)의 중심과 광축(OA)을 잇는 직선이 이루는 각도를 감산한 각도와 동일할 수 있으며, 이에 따라 회전각(θM)은 다음의 수학식 7에 의해 계산될 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00008
여기서, a는 마이크로 렌즈(1010)의 중심과 광축(OA) 간의 거리를 의미하고, b는 마이크로 렌즈(1020)의 중심과 광축(OA) 간의 거리를 의미할 수 있다.
즉, 임의의 픽셀에 배치되는 반사 구조의 현과, 픽셀 어레이(110)의 수평선이 이루는 각도는 픽셀의 위치에 따라 달라질 수 있다.

Claims (15)

  1. 장면으로부터 입사되는 광을 집광하는 렌즈 모듈; 및
    각각이 상기 렌즈 모듈로부터 전달되는 입사광을 감지하는 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 포함하며,
    상기 픽셀 어레이는 상기 렌즈 모듈의 광축으로부터 소정 거리 이격된 에지 영역을 포함하고,
    상기 에지 영역에 포함된 픽셀은,
    상기 입사광의 세기에 대응하는 광전하를 생성하는 광전 변환 소자를 포함하는 반도체 영역;
    상기 반도체 영역의 상부에 배치되는 마이크로 렌즈; 및
    상기 마이크로 렌즈의 적어도 일부를 덮도록 배치되는 반사 구조를 포함하는 이미지 센싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈는 상기 반도체 영역을 기준으로 상기 광축을 향해 쉬프트(shift)되어 배치되는 이미지 센싱 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사 구조는 상기 반도체 영역의 상부면에서 반사된 입사광을 상기 반도체 영역을 향해 재반사하는 이미지 센싱 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반사 구조는 상기 반사 구조의 상부면으로 입사되는 광을 상기 픽셀의 외부로 반사하는 이미지 센싱 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반사 구조는, 상기 픽셀에 대한 주광선이 상기 마이크로 렌즈로 입사될 경우 상기 주광선이 굴절된 광이 상기 픽셀에 인접하는 다른 픽셀로 전달되는 지점에 배치되는 이미지 센싱 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반사 구조와 오버랩되는 상기 마이크로 렌즈의 호의 길이는 상기 픽셀이 상기 픽셀 어레이의 최외곽에 가까워질수록 증가되는 이미지 센싱 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반사 구조는 상기 마이크로 렌즈의 중심을 기준으로 상기 광축으로부터 먼 방향으로 치우치도록 배치되는 이미지 센싱 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반사 구조는 활꼴 형태를 갖는 이미지 센싱 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 반사 구조의 현은 상기 광축과 상기 마이크로렌즈의 중심을 잇는 직선과 수직인 이미지 센싱 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 에지 영역은 서로 다른 컬러에 해당하는 픽셀들을 포함하고,
    서로 다른 컬러에 해당하는 상기 픽셀들 간의 경계를 기준으로 상기 광축으로부터 상대적으로 먼 위치에 배치되는 픽셀은 상기 반사 구조를 포함하고,
    상기 경계를 기준으로 상기 광축으로부터 상대적으로 가까운 위치에 배치되는 픽셀은 상기 반사 구조를 포함하지 않는 이미지 센싱 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 반사 구조를 포함하는 픽셀과, 상기 반사 구조를 포함하지 않는 픽셀은 상기 에지 영역으로 입사되는 주광선의 방향을 따라 교번적으로 배치되는 이미지 센싱 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀은, 상기 마이크로 렌즈와 상기 반도체 영역의 사이에 배치되는 광학 필터를 더 포함하는 이미지 센싱 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈의 굴절률은 상기 광학 필터의 굴절률보다 작고,
    상기 광학 필터의 굴절률은 상기 반도체 영역의 굴절률보다 작은 이미지 센싱 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 반사 구조는 은 또는 알루미늄 중 적어도 하나를 포함하는 이미지 센싱 장치.
  15. 입사광의 세기에 대응하는 광전하를 생성하는 광전 변환 소자를 포함하는 반도체 영역;
    상기 반도체 영역의 상부에 배치되는 마이크로 렌즈; 및
    상기 마이크로 렌즈의 적어도 일부를 덮도록 배치되는 반사 구조를 포함하는 이미지 센싱 장치.
KR1020210117810A 2021-09-03 2021-09-03 이미지 센싱 장치 KR20230034719A (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210117810A KR20230034719A (ko) 2021-09-03 2021-09-03 이미지 센싱 장치
US17/899,267 US20230075346A1 (en) 2021-09-03 2022-08-30 Image sensing device
CN202211044827.3A CN115763502A (zh) 2021-09-03 2022-08-30 图像感测装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210117810A KR20230034719A (ko) 2021-09-03 2021-09-03 이미지 센싱 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230034719A true KR20230034719A (ko) 2023-03-10

Family

ID=85349413

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210117810A KR20230034719A (ko) 2021-09-03 2021-09-03 이미지 센싱 장치

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20230075346A1 (ko)
KR (1) KR20230034719A (ko)
CN (1) CN115763502A (ko)

Also Published As

Publication number Publication date
US20230075346A1 (en) 2023-03-09
CN115763502A (zh) 2023-03-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7157690B2 (en) Imaging device with triangular photodetector array for use in imaging
KR102372745B1 (ko) 이미지 센서 및 이를 구비하는 전자장치
US10056426B2 (en) Apparatus and method for fabricating a light guiding grid
US11749698B2 (en) Image sensor
WO2020251904A1 (en) Cmos image sensors with per-pixel micro-lens arrays
CN105390512A (zh) 图像传感器及具有该图像传感器的电子装置
KR102541294B1 (ko) 라이닝 층을 가진 위상차 검출 픽셀을 포함하는 이미지 센서
US20210366969A1 (en) Image sensing device
US20230187461A1 (en) Image sensing device
US20210183929A1 (en) Image sensing device
US20210104565A1 (en) Image sensor
US20220293659A1 (en) Image sensing device
KR20230034719A (ko) 이미지 센싱 장치
US11676988B2 (en) Image sensor
US20220199669A1 (en) Image sensing device
KR102394277B1 (ko) 이미지 센서 및 이를 구비하는 전자장치
KR20210157029A (ko) 이미지 센싱 장치
KR20220072275A (ko) 이미지 센서
KR20220132128A (ko) 이미지 센싱 장치
US11594565B2 (en) Image sensor
US20220399392A1 (en) Image sensing device
US11849228B2 (en) Image sensing device
US20240021634A1 (en) Image sensor and method for reducing image signal processor
US20220336513A1 (en) Image sensor
US20220190006A1 (en) Image sensor