KR20230073007A - 이미지 센서, 이의 제조방법 및 이미지 센서를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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Abstract

개시된 이미지 센서는 복수의 광 감지셀을 포함하는 센서 기판; 상기 센서 기판 상부에 배치된 투명한 스페이서층; 및 상기 스페이서층 상부에 배치된 색분리 렌즈 어레이;를 포함한다. 상기 색분리 렌즈 어레이는, 서브 파장 형상 치수를 가지는 제1 나노포스트와 상기 제1 나노포스트 주변에 형성된 제1 주변물질층을 포함하는 제1 렌즈층과, 상기 제1렌즈층 상의, 상기 제1 나노포스트 상면을 제외한 전면에 형성되는 제1 CMP 정지층을 포함한다.

Description

이미지 센서, 이의 제조방법 및 이미지 센서를 포함하는 전자 장치{Image sensor, method of manufacturing the same, and electronic device including the image sensor}
개시된 실시예들은 이미지 센서, 이의 제조방법 및 이미지 센서를 포함하는 전자 장치에 대한 것이다.
이미지 센서는 통상적으로 컬러 필터를 이용하여 입사광의 색을 감지한다. 그런데, 컬러 필터는 해당 색의 빛을 제외한 나머지 색의 빛을 흡수하기 때문에 광 이용 효율이 저하될 수 있다. 예를 들어, RGB 컬러 필터를 사용하는 경우, 입사광의 1/3만을 투과시키고 나머지 2/3는 흡수하여 버리게 되므로 광 이용 효율이 약 33% 정도에 불과하다. 이미지 센서의 대부분의 광 손실이 컬러 필터에서 발생하게 된다. 이에 따라, 컬러 필터를 사용하지 않고 이미지 센서의 각 화소로 컬러를 분리하기 위해, 나노구조물을 활용하여 컬러를 분리하는 방안이 시도되고 있다. 이러한 구조에서, 색분리에 적합한 수치가 공정을 통해 잘 구현되는 것이 필요하다.
입사광을 파장 별로 분리하여 집광할 수 있는 색분리 렌즈 어레이를 활용하는 이미지 센서 및 이의 제조방법이 제공된다.
실시예에 따르면, 복수의 광 감지셀을 포함하는 센서 기판; 상기 센서 기판 상부에 배치된 투명한 스페이서층; 및 상기 스페이서층 상부에 배치된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 색분리 렌즈 어레이는, 서브 파장 형상 치수를 가지는 제1나노포스트와 상기 제1나노포스트 주변에 형성된 제1주변물질층을 포함하는 제1 렌즈층을 포함하며, 상기 제1렌즈층 상의, 상기 제1 나노포스트 상면을 제외한 전면에 형성되는 제1 CMP 정지층;을 포함하는, 이미지 센서가 제공된다.
상기 색분리 렌즈 어레이는 상기 제1 렌즈층 상에 배치되고, 서브 파장 형상 치수를 가지는 제2 나노포스트와 상기 제2 나노포스트 주변에 형성된 제2 주변물질층(E2)을 포함하는 제2 렌즈층; 및 싱기 제2렌즈층 상의, 상기 제2 나노포스트 상면을 제외한 전면에 형성되는 제2 CMP 정지층;을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 나노포스트와 상기 제2 나노포스트는 서로 연결된 형태일 수 있다.
상기 제1 나노포스트의 중심축과 상기 제2나노포스트의 중심축의 이격 거리는 0이상일 수 있다.
상기 이격 거리는 상기 이미지 센서의 중심에서 멀어질수록 커질 수 있다.
상기 제1 CMP 정지층 또는 제2 CMP 정지층은 Al2O3, SiN, 또는 HfO2일 수 있다.
상기 제1 CMP 정지층 또는 제2 CMP 정지층의 두께는 5nm 이상 50nm 이하일 수 있다.
상기 색분리 렌즈 어레이는 상기 스페이서층과 상기 제1 렌즈층 사이에 배치된 식각 정지층을 더 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 색분리 렌즈 어레이 상에 배치된 보호층을 더 포함할 수 있다.
상기 보호층은 반사 방지층일 수 있다.
상기 색분리 렌즈 어레이는 입사광 중 제1 파장의 광과 제2 파장의 광을 분리하여 상기 복수의 광 감지셀 중 제1 화소와 제2 화소에 각각 집광되게 할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 스페이서층과 상기 센서 기판 사이에 배치된 컬러 필터 어레이;를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 광학상을 전기적 신호로 변환하는 전술한 이미지 센서; 및 상기 이미지 센서의 동작을 제어하고, 상기 이미지센서에서 생성한 신호를 저장 및 출력하는 프로세서;를 포함하는, 전자 장치가 제공된다.
실시예에 따르면, 복수의 광 감지셀을 구비하는 센서 기판 상부에 스페이서층을 형성하는 단계; 상기 스페이서층 상에 제1 유전체층을 형성하는 단계; 상기 제1 유전체층 상에 제1 CMP 정지층을 형성하는 단계; 상기 제1 유전체층과 상기 제1 CMP 정지층을 함께 패터닝하여 음각 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 유전체층과 다른 굴절률을 가지는 유전체 물질로 상기 제1 음각 패턴 내부를 채우고 상기 제1 CMP 정지층 상부로 연장되는 제1 나노패턴층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 나노패턴층의 영역 중 상기 제1 CMP 정지층 상부에 형성된 부분을 제거하여 제1 렌즈층을 형성하는 단계;를 포함하는, 이미지 센서 제조방법이 제공된다.
상기 제조방법은 상기 스페이서층 상에 상기 제1 유전체층을 형성하기 전에, 식각 정지층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 제조방법은 상기 제1렌즈층 상에 보호층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 제조방법은 상기 제1렌즈층 상에 제2렌즈층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 렌즈층을 형성하는 단계는 상기 제1 렌즈층 상에 제2 유전체층을 형성하는 단계; 상기 제2 유전체층 상에 제2 CMP 정지층을 형성하는 단계; 상기 제2 유전체층과 제2 CMP 정지층을 함께 패터닝하여 제2 음각 패턴을 형성하는 단계; 상기 제2 유전체층과 다른 굴절률을 가지는 유전체 물질로, 상기 제2 음각 패턴 내부를 채우고 상기 제2 CMP 정지층 상부로 연장되는 제2 나노패턴층을 형성하는 단계; 및 상기 제2 나노패턴층의 영역 중 상기 제2 CMP 정지층 상부에 형성된 부분을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제2 음각 패턴을 형성하는 단계는 상기 제2 음각 패턴의 중심축은 상기 제1 음각 패턴의 중심축과의 이격 거리가 0이상일 수 있다.
상기 제조방법은 상기 제2 렌즈층 상에 보호층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 CMP 정지층 또는 제2 CMP 정지층은 Al2O3, SiN, 또는 HfO2일 수 있다.
상기 제1 CMP 정지층 또는 제2 CMP 정지층의 두께는 5nm 이상 50nm 이하일 수 있다.
상술한 이미지 센서는 입사광을 흡수하거나 차단하지 않으면서 파장 별로 분리하여 집광하는 색분리 렌즈 어레이를 포함하며, 또한, 상기 색분리 렌즈 어레이는 제조 공정에서 발생할 수 있는 두께 산포를 줄일 수 있는 구조를 가지고 있어 색 분리 효율이 향상될 수 있다.
상술한 제조방법에 따르면, 원하는 굴절률 분포를 구현하기 위한 저굴절률 물질/고굴절률 물질의 패턴의 형상 치수가 잘 구현되는 색분리 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서가 제공된다.
도 1은 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 실시예에 따른 이미지 센서에 구비되는 색분리 렌즈 어레이의 개략적인 구조와 동작을 보이는 개념도이다.
도 3은 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이가 나타내는 컬러 배열을 보이는 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이를 각각 다른 단면에서 보이는 단면도이다.
도 5a는 실시예에 따른 이미지 센서에 구비되는 색분리 렌즈 어레이의 화소 대응 영역의 배열을 보인 평면도이고, 도 5b는 실시예에 따른 이미지 센서에 구비되는 필터 어레이의 필터 배열을 보이는 평면도이고, 도 5c는 실시예에 따른 이미지 센서에 구비되는 센서 기판의 화소 배치를 보이는 평면도이다.
도 6a는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광 및 청색광의 위상 분포를 도 4a의 단면에서 보이고, 도 6b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들 중심에서의 위상을 보이고, 도 6c는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 청색광의 화소 대응 영역들 중심에서의 위상을 보이는 도면이다.
도 6d는 제1 녹색광 집광 영역으로 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 6e는 제1 녹색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보이는 도면이다.
도 6f는 청색광 집광 영역으로 입사한 청색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 6g는 청색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보이는 도면이다.
도 7a는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 적색광 및 녹색광의 위상 분포를 도 4b의 단면에서 보이고, 도 7b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 적색광의 화소 대응 영역들 중심에서의 위상을 보이고, 도 7c는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들 중심에서의 위상을 보이는 도면이다.
도 7d는 적색광 집광 영역으로 입사한 적색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 7e는 적색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보이는 도면이다.
도 7f는 제2 녹색광 집광 영역으로 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 7g는 제2 녹색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보이는 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이를 보이는 것으로, 각각, 색분리 렌즈 어레이를 다른 위치에서 본 형태를 도시하고 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이를 모이는 단면도이다.
도 10a 내지 도 10e는 실시예에 따른 이미지 센서 제조방법을 설명하는 도면들이다.
도 11a 내지 도 11c는 비교예에 따른 이미지 센서 제조방법을 설명하는 도면들이다.
도 12a 내지 도 12e는 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조방법을 설명하는 도면들이다.
도 13a 내지 도 13d는 비교예에 따른 이미지 센서 제조방법을 설명하는 도면들이다.
도 14a 내지 도 14d는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조방법을 설명하는 도면들이다.
도 15는 실시예들에 따른 이미지센서를 포함하는 전자 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 16은 도 15의 전자 장치에 구비된 카메라 모듈을 개략적으로 도시한 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(1000)는 화소 어레이(1100), 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)를 포함할 수 있다. 이미지 센서는 CCD(charge coupled device) 이미지 센서 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서일 수 있다.
화소 어레이(1100)는 복수의 로우와 컬럼을 따라 2차원 배열된 화소들을 포함한다. 로우 디코더(1020)는 타이밍 컨트롤러(1010)로부터 출력된 로우 어드레스 신호에 응답하여 화소 어레이(1100)의 로우들 하나를 선택한다. 출력 회로(1030)는 선택된 로우를 따라 배열된 복수의 화소로부터 컬럼 단위로 광감지 신호를 출력한다. 이를 위하여, 출력 회로(1030)는 컬럼 디코더와 아날로그-디지털 변환기(ADC; analog to digital converter)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 출력 회로(1030)는 컬럼 디코더와 화소 어레이(1100) 사이에서 컬럼 별로 각각 배치된 복수의 ADC, 또는, 컬럼 디코더의 출력단에 배치된 하나의 ADC를 포함할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)는 하나의 칩 또는 각각 별개의 칩으로 구현될 수 있다. 출력 회로(1030)를 통해 출력된 영상 신호를 처리하기 위한 프로세서가 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)와 함께 하나의 칩으로 구현될 수도 있다.
화소 어레이(1100)는 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 복수의 화소를 포함할 수 있다. 화소의 배열은 다양한 방식으로 구현될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 실시예에 따른 이미지 센서에 구비되는 색분리 렌즈 어레이의 개략적인 구조와 동작을 보이는 개념도이다.
도 2a를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(CSLA, Color Separating Lens Array) 는 입사광(Li)의 위상을 입사 위치에 따라 다르게 변화시키는 복수의 나노포스트(NP)를 포함할 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 다양한 방식으로 구획될 수 있다. 예를 들어, 입사광(Li)에 포함된 제1 파장 광(Lλ1)이 집광되는 제1 화소(PX1)에 대응하는 제1 화소 대응 영역(R1), 및 입사광(Li)에 포함된 제2 파장 광(Lλ2)이 집광되는 제2 화소(PX2)에 대응하는 제2 화소 대응 영역(R2)으로 구획될 수 있다. 제1 및 제2 화소 대응 영역(R1, R2)은 각각 하나 이상의 나노포스트(NP)를 포함할 수 있고, 각각 제1 및 제2 화소(PX1, PX2)와 마주하게 배치될 수 있다. 다른 예로, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 제1 파장 광(Lλ1)을 제1 화소(PX1)에 집광하는 제1 파장 집광 영역(L1), 제2 파장 광(Lλ2)을 제2 화소(PX2)에 집광하는 제2 파장 집광 영역(L2)으로 구획될 수 있다. 제1 파장 집광 영역(L1)과 제2 파장 집광 영역(L2)은 일부 영역이 중첩될 수 있다.
색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 입사광(Li)에 포함된 제1 및 제2 파장 광(Lλ1, Lλ2)에 각각 다른 위상 분포(Phase Profile)를 형성하여, 제1 파장 광(Lλ1)을 제1 화소(PX1)에 집광하고, 제2 파장 광(Lλ2)을 제2 화소(PX2)로 집광할 수 있다.
예를 들어, 도 2b를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 통과한 직후의 위치, 즉, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)의 하부 표면 위치에서, 제1 파장 광(Lλ1)이 제1 위상 분포(PP1)를 갖고 제2 파장 광(Lλ2)이 제2 위상 분포(PP2)를 갖도록 하여, 제1 및 제2 파장 광(Lλ1, Lλ2)이 각각 대응하는 제1 및 제2 화소(PX1, PX2)에 집광되도록 할 수 있다. 구체적으로, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 통과한 제1 파장 광(Lλ1)은 제1 화소 대응 영역(R1)의 중심에서 가장 크고, 제1 화소 대응 영역(R1)의 중심에서 멀어지는 방향, 즉 제2 화소 대응 영역(R2) 방향으로 감소하는 위상 분포를 가질 수 있다. 이러한 위상 분포는 볼록 렌즈, 예를 들면, 제1 파장 집광 영역(L1)에 배치된 중심부가 볼록한 마이크로 렌즈를 통과하여 한 지점으로 수렴하는 광의 위상 분포와 유사하며, 제1 파장 광(Lλ1)은 제1 화소(PX1)에 집광될 수 있다. 또한, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 통과한 제2 파장 광(Lλ2)은 제2 화소 대응 영역(R2)의 중심에서 가장 크고, 제2 화소 대응 영역(R2)의 중심에서 멀어지는 방향, 즉 제1 화소 대응 영역(R1) 방향으로 감소하는 위상 분포를 가져, 제2 파장 광(Lλ2)은 제2 화소(PX2)로 집광될 수 있다.
물질의 굴절률은 반응하는 빛의 파장에 따라 다르게 나타나기 때문에, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)가 제1 및 제2 파장 광(Lλ1, Lλ2)에 대해 서로 다른 위상 분포를 제공할 수 있다. 다시 말하면, 동일한 물질이라도 물질과 반응하는 빛의 파장에 따라 굴절률이 다르고 물질을 통과했을 때 빛이 겪는 위상 지연도 파장마다 다르기 때문에 파장별로 다른 위상 분포가 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 화소 대응 영역(R1)의 제1 파장 광(Lλ1)에 대한 굴절률과 제1 화소 대응 영역(R1)의 제2 파장 광(Lλ2)에 대한 굴절률이 서로 다를 수 있고, 제1 화소 대응 영역(R1)을 통과한 제1 파장 광(Lλ1)이 겪는 위상 지연과 제1 화소 대응 영역(R1)을 통과한 제2 파장 광(Lλ2)이 겪는 위상 지연이 다를 수 있으므로, 이러한 빛의 특성을 고려하여 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 설계하면, 제1 및 제2 파장 광(Lλ1, Lλ2)에 대해 서로 다른 위상 분포를 제공하도록 할 수 있다.
색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 제1 및 제2 파장 광(Lλ1, Lλ2)이 각각 제1 및 제2 위상 분포(PP1, PP2)를 가지도록 특정한 규칙으로 배열된 나노포스트(NP)를 포함할 수 있다. 여기서, 규칙(rule)은 나노포스트(NP)의 형상, 크기(폭, 높이), 간격, 배열 형태 등의 파라미터에 적용되는 것으로, 이들 파라미터는 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 통해 구현하고자 하는 위상 분포(Phase Profile)에 따라 정해질 수 있다.
나노포스트(NP)가 제1 화소 대응 영역(R1)에 배치되는 규칙과 제2 화소 대응 영역(R2)에 배치되는 규칙은 서로 다를 수 있다. 다시 말하면, 제1 화소 대응 영역(R1)에 구비된 나노포스트(NP)의 크기, 형상, 간격 및/또는 배열이 제2 화소 대응 영역(R2)에 구비된 나노포스트(NP)의 크기, 형상, 간격 및/또는 배열과 다를 수 있다.
나노포스트(NP)는 서브 파장의 형상 치수를 가질 수 있다. 여기서 서브 파장은 분기 대상인 광의 파장 대역보다 작은 파장을 의미한다. 나노포스트(NP)는, 예를 들어, 제1 파장, 제2 파장 중 짧은 파장보다 작은 치수를 가질 수 있다. 나노포스트(NP)는 서브 파장의 단면 지름을 가지는 원기둥 형상일 수 있다. 다만, 나노포스트(NP)의 형상은 이에 한정되지 않는다. 입사광(Li)이 가시광인 경우, 나노포스트(NP)의 단면의 지름은 예를 들어 400 nm, 300 nm, 또는 200 nm 보다 작은 치수를 가질 수 있다. 한편 나노포스트(NP)의 높이는 500 nm 내지 1500 nm일 수 있고, 단면의 지름보다 높이가 클 수 있다. 도시하지는 않았지만, 나노포스트(NP)는 높이 방향(Z방향)으로 적층된 2개 이상의 포스트가 결합된 것일 수 있다.
나노포스트(NP)는 주변 물질보다 높은 굴절률을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 나노포스트(NP)는 c-Si, p-Si, a-Si 및 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체(GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, SiN 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 주변 물질과 굴절률 차이를 가지는 나노포스트(NP)는 나노포스트(NP)를 지나가는 광의 위상을 변화시킬 수 있다. 이는 나노포스트(NP)의 서브 파장의 형상 치수에 의해 일어나는 위상 지연(phase delay)에 의한 것이며, 위상이 지연되는 정도는 나노포스트(NP)의 세부적인 형상 치수, 배열 형태 등에 의해 정해진다. 나노포스트(NP) 주변 물질은 나노포스트(NP)보다 낮은 굴절률을 갖는 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 주변 물질은 SiO2 또는 공기(air)를 포함할 수 있다. 다만, 이는 예시적이며, 나노포스트(NP)가 주변 물질보다 낮은 굴절률을 갖도록 나노포스트(NP)와 주변 물질의 재질이 설정될 수도 있다.
색분리 렌즈 어레이(CSLA)의 영역 구분, 나노포스트(NP)들의 형상과 배열은 입사광을 파장에 따라 분리하여 복수의 화소(PX1, PX2)로 집광되게 하는 위상 분포를 형성하도록 설정될 수 있다. 이러한 파장 분리는 가시광 대역에서의 컬러 분리를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 파장 대역은 가시광 내지 적외선의 범위, 또는 이와 다른 다양한 범위로 확장될 수도 있다. 제1 파장(λ1)과 제2 파장(
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2)은 적외선 내지 가시광선 파장 대역일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 복수의 나노포스트(NP)의 어레이의 배열 규칙에 따라 다양한 파장 대역을 포함할 수 있다. 또한, 두 개의 파장이 분기되어 집광되는 것을 예시하였으나 입사광이 파장에 따라 세 방향 이상으로 분기되어 집광될 수도 있다.
또한 색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 나노포스트(NP)이 단층으로 배열된 경우를 예로 설명하였으나, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 나노포스트(NP)가 복수층으로 배열된, 적층 구조를 가질 수도 있다.
한편, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)에 의한 파장 분리는 전술한 바와 같이, 나노포스트(NP)와 주변 물질의 형상, 재질에 의한 굴절률 분포에 의한 것으로, 공정 오차에 의해, 원하는 굴절률 분포를 형성하기 위한 파라미터들이 잘 구현되지 않는 경우, 효율이 낮아질 수 있다. 실시예에 따른 이미지 센서는 제조 과정에서의 공정 산포를 줄일 수 있는 제조 방법에 따라 제조되므로, 색분리 효율을 최대화할 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이가 나타내는 컬러 배열을 보이는 평면도이다.
도시된 화소 배열은 이미지 센서(1000)에서 일반적으로 채택되고 있는 베이어 패턴(Bayer Pattern)의 배열이다. 도시된 바와 같이, 하나의 단위 패턴은 네 개의 사분 영역(Quadrant region)을 포함하며, 제1 내지 제4 사분면이 각각 청색 화소(B), 녹색 화소(G), 적색 화소(R), 녹색 화소(G)가 될 수 있다. 이러한 단위 패턴이 제1 방향(X방향) 및 제2 방향(Y방향)을 따라 이차원적으로 반복 배열된다. 다시 말해, 2Х2 어레이 형태의 단위 패턴 내에서 한 쪽 대각선 방향으로 2개의 녹색 화소(G)가 배치되고, 다른 쪽 대각선 방향으로 각각 1개의 청색 화소(B)와 1개의 적색 화소(R)가 배치된다. 전체적인 화소 배열을 보면, 복수의 녹색 화소(G)와 복수의 청색 화소(B)가 제1 방향을 따라 번갈아 배열되는 제1 행과 복수의 적색 화소(R)와 복수의 녹색 화소(G)가 제1 방향을 따라 번갈아 배열되는 제2 행이 제2 방향을 따라 반복적으로 배열된다.
이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)는 이러한 컬러 배열에 상응하도록, 즉, 특정 화소에 대응하는 색의 빛을 집광하는 색분리 렌즈 어레이를 구비할 수 있다. 즉, 도 2a 및 도 2b에서 설명한 색분리 렌즈 어레이(CSLA)에서 분리하는 파장들은 적색 파장, 녹색 파장, 청색 파장이 되도록 영역 구분 및 나노포스트(NP)의 형상, 배열이 설정될 수 있다.
도 3의 컬러 배열은 예시적인 것이며, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 마젠타(Magenta) 화소(M), 사이안(Cyan) 화소(C), 옐로우(Yellow) 화소(Y), 및 녹색 화소(G)가 하나의 단위 패턴을 구성하는 CYGM 방식의 배열이나, 녹색 화소(G), 적색 화소(R), 청색 화소(B), 및 백색 화소(W)가 하나의 단위 패턴을 구성하는 RGBW 방식의 배열이 사용될 수도 있다. 또한, 단위 패턴이 3×2 어레이 형태로 구현될 수도 있고, 그 밖에도 화소 어레이(1100)의 화소들은 이미지센서(1000)의 색 특성에 따라 다양한 방식으로 배열될 수 있다. 아래에서는 이미지센서(1000)의 화소 어레이(1100)가 베이어 패턴을 갖는 것을 예로 설명하지만, 동작 원리는 베이어 패턴이 아닌 다른 형태의 화소 배열에도 적용될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 이미지 센서의 화소 어레이(1100)를 각각 다른 단면에서 보이는 단면도이다. 도 5a는 화소 어레이(1100)에 구비되는 색분리 렌즈 어레이(130)의 화소 대응 영역의 배열을 보인 평면도이고, 도 5b는 화소 어레이(1100)에 구비되는 센서 기판(110)의 화소 배치를 보이는 평면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)는 광을 센싱하는 복수의 화소(111, 112, 113, 114)를 포함하는 센서 기판(110), 센서 기판(110)상에 배치된 색분리 렌즈 어레이(130)를 포함한다.
센서 기판(110)과 색분리 렌즈 어레이(130) 사이에는 투명한 스페이서층(120)이 배치될 수 있다. 스페이서층(120)은 색분리 렌즈 어레이(130)를 지지하며, 센서 기판(110)과 색분리 렌즈 어레이(130) 간의 거리 요건을 충족시키는 두께를 가질 수 있다.
센서 기판(110)과 스페이서층(120) 사이에는 컬러 필터 어레이(170)가 배치될 수 있다. 컬러 필터 어레이(170)는 적색 필터(RF), 녹색 필터(GF), 청색 필터(BF)를 포함할 수 있고, 도 3에 예시한 바와 같은 컬러 배열에 상응하는 형태로 배열될 수 있다. 실시예에서 색분리 렌즈 어레이(130)가 컬러 분리를 수행하며, 추가 구비된 컬러 필터 어레이(170)는 색분리 렌즈 어레이(130)에 의한 컬러 분리시 나타날 수 있는 일부 오차를 보완하여 색순도를 높이는 역할을 할 수 있다. 컬러 필터 어레이(170)는 생략될 수도 있다.
색분리 렌즈 어레이(130)는 복수의 나노포스트가 복수층으로 배열된 형태를 갖는다. 색분리 렌즈 어레이(130)는 제2 렌즈층(LE2)과 제2 렌즈층(LE2)을 포함한다. 제1 렌즈층(LE1)은 복수의 제1 나노포스트(NP1)와 이들 주변에 배치된 제1 주변물질층(E1)을 포함하고, 제2 렌즈층(LE2)은 복수의 제2 나노포스트(NP2)와 이들 주변에 배치된 제2 주변물질층(E2)을 포함한다. 제1 주변물질층(E1)은 제1 나노포스트(NP1)의 측면을 둘러싸는 형태로 배치될 수 있고, 제2 주변물질층(E2)은 제2 나노포스트(NP2)의 측면을 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다. 제1 나노포스트(NP1)는 제1 주변물질층(E1)보다 굴절률이 높은 물질로 이루어질 수 있고, 제2 나노포스트(NP2)는 제2 주변물질층(E2)보다 굴절률이 높은 물질로 이루어질 수 있다. 다만, 이는 예시적이며 굴절률 관계는 이와 반대가 될 수도 있다.
제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2), 제1 주변물질층(E1), 제2 주변물질층(E2) 중 고굴절률의 물질은 c-Si, p-Si, a-Si III-V 화합물 반도체(GaAs, GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, SiN 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 저굴절률의 물질은 SU-8, PMMA 등의 폴리머 물질, SiO2, 또는 SOG 또는 air를 포함할 수 있다.
제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)는 각각 Z 방향의 높이를 가지는 포스트 형상일 수 있고, 원기둥, 타원기둥, 다각기둥 형상일 수 있고, 기타, 대칭적이거나 비대칭적인 단면 형상을 갖는 포스트 형상일 수 있다. 제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)는 높이 방향에 수직인 폭이 일정하게, 즉, 높이 방향에 나란한 단면이 직사각형 형태로 도시되었으나 이는 예시적인 것이다. 도시된 것과 달리, 제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)의 높이 방향에 수직인 폭이 일정하지 않을 수 있고, 예를 들어, 높이 방향에 나란한 단면의 형상은 역사다리꼴 형상이 될 수도 있다.
제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)의 높이는 서브 파장 내지 파장의 수 배에 이를 수 있다. 예를 들어, 제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)의 높이는 색분리 렌즈 어레이(130)가 분기하는 파장 대역의 중심 파장의 반 이상이고 5배 이하, 또는, 4배 이하, 또는 3배, 이하일 수 있다. 제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)의 높이는 예를 들어, 500 nm 내지 1500 nm일 수 있다.
제1 렌즈층(LE1), 제2 렌즈층(LE2)의 두 층간에 서로 인접하게 배치되며 서로 대응하는 제1 나노포스트(NP1)와 제2 나노포스트(NP2)는 그 중심축이 서로 일치하지 않고 어긋나게 배치될 수 있다. 두 중심축 간의 거리 d는 0 이상일 수 있다. 예를 들어, 어떤 위치에서는 두 중심축이 일치할 수 있고, 다른 위치에서는 두 중심축이 서로 이격될 수 있다. 두 중심축 간의 이격거리는 화소 어레이(1100)의 중심부(C)에서 멀어질 수록 커질 수 있다. 두 중심축 간 이격된 방향은 중심(C)를 사이에 두고 양측에서 서로 반대일 수 있다. 중심보다 우측의 영역에서는 제2 나노포스트(NP2)가 이에 대응하는 위치의 제1 나노포스트(NP1)보다 중심(C) 방향으로, 즉 좌측으로 시프트(shift)될 수 있다. 중심(C)보다 좌측의 영역에서는 제2 나노포스트(NP2)가 이에 대응하는 위치의 제1 나노포스트(NP1)보다 중심(C) 방향으로, 즉 우측으로 시프트될 수 있다. 이와 같이 제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)가 배치되는 것은 색분리 렌즈 어레이(130)의 위치별로 입사하는 주광선(Chief Ray)의 각도가 다름을 고려한 것이다. 시프트 되는 양은 색분리 렌즈 어레이(130)의 중심(C)과의 거리에 비례할 수 있다. 다시 말하면, 색분리 렌즈 어레이(130)의 중심(C)에서 멀리 떨어질수록 두 층에서 인접하는 대응 관계의 제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)의 중심축간 이격 거리가 커질 수 있다.
제1 렌즈층(LE1)과 제2 렌즈층(LE2) 사이에는, 제1 나노포스트(NP1)의 상면을 제외한 전면에 제1 CMP 정지층(181)이 형성되어 있다. 즉, 제1 CMP 정지층(181)은 제1 나노포스트(NP1)의 상면에는 위치하지 않고, 제1 주변물질층(E1)의 상면에만 직접 접하게 위치하고 있다. 제1 CMP 정지층(181)과 제1 나노포스트(NP1)는 각각의 상면이 평탄하게 연결되어 있고, 서로 같은 평면을 이루는 형태를 가질 수 있다. 또한, 제2 렌즈층(LE2) 상에는, 제2 나노포스트(NP2)의 상면을 제외한 전면에 제2 CMP 정지층(182)이 형성되어 있다. 즉, 제2 CMP 정지층(182)은 제2 나노포스트(NP2)의 상면에는 위치하지 않고, 제2 주변물질층(E2)의 상면에만 직접 접하게 위치하고 있다. 제2 CMP 정지층(182)과 제2 나노포스트(NP2)는 각각의 상면이 평탄하게 연결되어 있고, 서로 같은 평면을 이루는 형태를 가질 수 있다.
제1 CMP 정지층(181), 제2 CMP 정지층(182)은 제1 렌즈층(LE1), 제2 렌즈층(LE2)을 제조하는 과정에서, 각 층의 높이 요건(H1, H2)이 원하는 형태로 잘 구현되도록 포함되는 구성이다. 예를 들어, 고굴절률의 물질과 저굴절률의 물질로 이루어진 패턴을 제조하기 위해, 저굴절률 물질층 내에 음각 패턴을 형성하고 음각 패턴 내부에 고굴절률 물질을 채운 후 평탄화하는 공정이 사용될 수 있는데, 이 때 사용되는 CMP(chemical mechanical polishing) 공정에서 산포가 발생할 수 있다. 또한, CMP로 제거하는 양이 많을수록 이에 비례하여 산포가 커지는 것으로 실험적으로 확인되고 있다. 이러한 산포를 줄일 수 있도록 실시예의 제조방법에서는 제1 렌즈층(LE1), 제2 렌즈층(LE2)을 제조하는 각 단계에서 제1 CMP 정지층(181), 제2 CMP 정지층(182)을 도입하고 있으며, 이에 대해서는 제조 방법의 설명에서 보다 상세히 설명할 것이다.
이와 같이, 제1 렌즈층(LE1)과 제2 렌즈층(LE2) 사이에 제1 CMP 정지층(181)이 구비될 때, 제1 나노포스트(NP1)의 상면에는 제1 CMP 정지층(181)이 없으므로 상, 하에서 서로 대응하는 위치의 제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)은 서로 직접 연결될 수 있다. 실시예의 제조방법과 다른 제조방법에서, 이들 사이는 예를 들어, 식각 정지층으로 분리될 수 있다. 이러한 구조와 비교할 때, 실시예의 색분리 렌즈 어레이(130)는 원하는 형태의 굴절률 분포를 보다 잘 구현할 수 있다.
제1 CMP 정지층(181), 제2 CMP 정지층(182)은 각각 제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)를 이루는 물질과 비교할 때, CMP 공정에서 잘 제거되지 않도록 CMP 선택비가 낮은 물질로 이루어질 수 있다.
제1 CMP 정지층(181), 제2 CMP 정지층(182)의 재질, 두께는 제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)의 재질, 두께, 제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)의 재질과의 CMP 선택비 차이 등을 고려하여 정해질 수 있다. 제1 CMP 정지층(181), 제2 CMP 정지층(182)은 예를 들어, Al2O3, SiN, 또는 HfO2일 수 있다. 제1 CMP 정지층(181), 제2 CMP 정지층(182)의 두께는 제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)를 형성하는 과정 중의 CMP(chemical mechanical polishing) 공정에서 공정 웨이퍼 내 CMP 산포를 고려하여 정해질 수 있다. 제1 CMP 정지층(181), 제2 CMP 정지층(182)의 두께는 예를 들어, 5nm 이상 50nm 이하일 수 있다. 이에 대해서는 제조방법에서 다시 설명하기로 한다.
센서 기판(110)은 광을 감지하여 전기적 신호로 변환하는 복수의 광 감지셀을 포함한다. 복수의 광 감지셀은 제1 녹색 화소(111), 청색 화소(112), 적색 화소(113) 및 제2 녹색 화소(114)를 포함할 수 있다. 도 4a, 도 4b, 및 도 5d에 도시된 바와 같이, 제1 녹색 화소(111) 및 청색 화소(112)가 제1 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배열되고, Y 방향의 위치가 다른 단면에서는 적색 화소(113) 및 제2 녹색 화소(114)가 번갈아 배열될 수 있다.
도 5b에 도시된 센서 기판(110)의 화소 배열은 도 3에 도시한 베이어 패턴의 컬러 배열에 상응하는 화소들의 배열이다. 이하에서, 이미지 센서의 화소 배열은 센서 기판의 화소 배열과 같은 의미로 혼용되어 사용될 수 있다. 센서 기판(110)의 화소 배열은 입사광을 베이어 패턴과 같은 단위 패턴으로 구분하여 센싱하기 위한 것이며, 예를 들어, 제1 및 제2 녹색 화소(111, 114)는 녹색광을 센싱하고, 청색 화소(112)는 청색광을 센싱하며, 적색 화소(113)는 적색광을 센싱할 수 있다. 도시되지는 않았으나, 셀 간 경계에는 셀 분리를 위한 분리막이 더 형성될 수도 있다.
도 4a, 도 4b, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)는 센서 기판(110)의 각 화소들(111, 112, 113, 114)에 대응하는 4개의 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134)으로 구획될 수 있다. 제1 녹색 화소 대응 영역(131)은 제1 녹색 화소(111)에 대응하며 제1 녹색 화소(111) 상부에 배치될 수 있고, 청색 화소 대응 영역(132)은 청색 화소(112)에 대응하며 청색 화소(111) 상부에 배치될 수 있고, 적색 화소 대응 영역(133)은 적색 화소(113)에 대응하며 적색 화소(111) 상부에 배치될 수 있고, 제2 녹색 화소 대응 영역(134)은 제2 녹색 화소(114)에 대응하며 제2 녹색 화소(114) 상부에 배치될 수 있다. 즉, 색분리 렌즈 어레이(130)의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)은 센서 기판(110)의 각 화소(111, 112, 113, 114)와 마주하게 배치될 수 있다. 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134)은 제1 녹색 화소 대응 영역 및 청색 화소 대응 영역(131, 132)이 번갈아 배열되는 제1 행과 적색 화소 대응 영역 및 제2 녹색 화소 대응 영역(133, 134)이 번갈아 배열되는 제2 행이 서로 교대로 반복되도록 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)을 따라 이차원 배열될 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(130)도 센서 기판(110)과 같이 2차원 배열된 복수의 단위 패턴을 포함하며, 각각의 단위 패턴은 2Х2의 형태로 배열된 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)을 포함한다.
한편, 색분리 렌즈 어레이(130)의 영역은 도 2a에서 설명한 것과 유사한 개념으로, 녹색광을 집광하는 녹색광 집광 영역, 청색광을 집광하는 청색광 집광 영역, 및 적색광을 집광하는 적색광 집광 영역을 포함하는 것으로 설명될 수도 있다.
색분리 렌즈 어레이(130)는 제1 및 제2 녹색 화소(111, 114)로 녹색광이 분기되어 집광되고, 청색 화소(112)로 청색광이 분기되어 집광되며, 적색 화소(113)로 적색광이 분기되어 집광되도록 크기, 형상, 간격 및/또는 배열이 정해진 제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)들을 포함할 수 있다.
도 5a의 평면도에서 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에 각각에 나노포스트들이 다양한 형상, 배치로 구비될 수 있다. 도 5a에서 나노포스트들의 형상 예시는 생략되었다. 도 4a, 도 4b의 단면도에서 도시한 나노포스트들의 형상, 배치도 예시적인 것이며 이에 한정되지 않는다. 도 4a, 도 4b에서는 각 영역에 하나의 제1 나노포스트(NP1), 하나의 제2 나노포스트(NP2)가 구비된 것으로 도시되었으나 이는 예시적인 것에 불과하다. 각 영역에 구비되는 제1 나노포스트(NP1)의 개수와 제2 나노포스트(NP2)의 개수는 서로 다를 수 있고, 어떤 위치에서는 제1 나노포스트(NP1)에 대응하는 제2 나노포스트(NP2)가 없을 수도 있다. 제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)들은 영역간 경계에 배치될 수도 있다.
화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 내의 나노포스트 배치에는 베이어 패턴의 화소 배열 특징이 반영될 수 있다. 베이어 패턴 화소 배열에서 청색 화소(112)와 적색 화소(113)는 모두 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소들이 녹색 화소(111, 114)로 동일한 반면, 제1 녹색 화소(111)는 제1 방향(X방향)으로 인접한 화소가 청색 화소(112)이고 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소가 적색 화소(113)로 서로 다르고, 제2 녹색 화소(114)는 제1 방향(X방향)으로 인접한 화소가 적색 화소(113)이고 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소가 청색 화소(114)로 서로 다르다. 그리고 제1 및 제2 녹색 화소(111, 114)는 네 대각 방향으로 인접하는 화소가 녹색 화소이고, 청색 화소(112)는 네 대각 방향으로 인접하는 화소가 적색 화소(113)로 서로 같고, 적색 화소(113)는 네 대각 방향으로 인접하는 화소가 청색 화소(112)로 서로 같다. 따라서, 청색 화소(112)와 적색 화소(113)에 대응하는 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)에서는 4방 대칭(4-fold symmetry)의 형태로 제1 나노포스트(NP1)들이 배열될 수 있고, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)에서는 2방 대칭(2-fold symmetry)의 형태로 제1 나노포스트(NP1)들이 배열될 수 있다. 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 제1 나노포스트(NP1)들은 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)의 폭이 서로 다른 비대칭 단면 형상을 가질 수 있고 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)의 제1 나노포스트(NP1)들은 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)의 폭이 같은 대칭적인 단면 형상을 가질 수도 있다. 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 제1 나노포스트(NP1) 배열은 서로에 대해 90도 회전된 형태일 수 있다.
제2 렌즈층(LE2)의 제2 나노포스트(NP2)들은 제1 나노포스트(NP1)와의 관계에서 전술한 시프트 요건을 고려하여 설정될 수 있다.
제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)의 배열 규칙은 화소 배열에 상응하는 파장 분리를 위한 일 예시이며, 예시된 설명이나 도시된 패턴에 한정되는 것은 아니다.
스페이서층(120)은 센서 기판(110)과 색분리 렌즈 어레이(130) 사이에 배치되어 센서 기판(110)과 색분리 렌즈 어레이(130) 사이의 간격을 일정하게 유지시키는 역할을 한다. 스페이서층(120)은 가시광에 대해 투명한 물질, 예를 들어, SiO2, 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass) 등 나노포스트(NP)보다 낮은 굴절률을 가지면서 가시광 대역에서 흡수율이 낮은 유전체 물질로 이루어질 수 있다. 스페이서층(120)의 두께(120h)는 ht - p ≤ h ≤ ht + p의 범위 내에서 선택될 수 있다. 여기서, ht는 색분리 렌즈 어레이(130)에 의한, 색분리 렌즈 어레이(130)가 분기하는 파장 대역의 중심 파장의 광의 초점 거리이고 p는 화소 피치이다. 실시예에서, 화소 피치는 수 μm 이하일 수 있고, 예를 들어, 2 μm 이하, 1.5 μm 이하, 1 μm 이하, 또는 0.7 μm 이하일 수 있다. 화소 피치는 대략, 0.5 μm 내지 1.5 μm 의 범위일 수 있다. 스페이서층(120)의 두께는 예를 들어, 녹색광의 중심 파장인 540 nm를 기준으로 설계될 수 있다.
센서 기판(110)과 색분리 렌즈 어레이(130)이 사이에는 컬러 필터 어레이(170)가 배치될 수 있고, 이 경우, 컬러 필터 어레이(170)의 두께를 고려하여, 스페이서층(120)의 두께는 색분리 렌즈 어레이(130)가 분리하는 파장 대역 중 중심 파장의 광의 색분리 렌즈 어레이(130)에 의한 초점거리보다 작게 설정될 수 있다. 예를 들어, 상기 두께는 색분리 렌즈 어레이(130)에 의한 녹색광의 초점거리보다 작게 설정될 수 있다.
스페이서층(120)은 또한, 색분리 렌즈 어레이(130)를 이루는 나노포스트(NP1)(NP2)를 지지할 수 있다. 스페이서층(120)은 제1 나노포스트(NP1)보다 작은 굴절률을 가지는 유전체를 포함할 수 있다. 제1 주변물질층(E1)이 제1 나노포스트(NP1)보다 높은 굴절률의 물질로 이루어지는 경우, 스페이서층(120)은 제1 주변물질층(E1)보다 낮은 굴절률의 물질로 이루어질 수 있다.
도 6a는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광 및 청색광의 위상 분포를 도 4a의 단면에서 보이고, 도 6b는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 보이고, 도 6c는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 청색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 보인다. 도 6a의 녹색광 및 청색광의 위상 분포는 도 2b에서 예시적으로 설명한 제1 및 제2 파장 광의 위상 분포와 유사하다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광은 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심에서 가장 크고, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 제1 녹색광 위상 분포(PPG1)를 가질 수 있다. 구체적으로, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 직후 위치, 다시 말해 색분리 렌즈 어레이(130)의 하부 표면 또는 스페이서층(120)의 상부 표면에서, 녹색광의 위상이, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심에서 가장 크고, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심에서 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져서, X방향 및 Y방향으로는 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)의 중심에서 최소가 되고, 대각선 방향으로는 제1 녹색 화소 대응 영역(131)과 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 접점에서 최소가 된다. 녹색광의 제1 녹색 화소 대응 영역(131) 중심에서 출사되는 광의 위상을 기준으로 하여 2π라고 정하면, 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133) 중심에서는 위상이 0.9π내지 1.1π, 제2 녹색 화소 대응 영역(134) 중심에서는 위상이 2π, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)과 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 접점에서는 위상이 1.1π 내지 1.5π인 광이 출사할 수 있다. 따라서, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심을 통과한 녹색광과 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)의 중심을 통과한 녹색광의 위상 차이는 0.9π 내지 1.1π일 수 있다.
한편, 제1 녹색광 위상 분포(PPG1)는 제1 녹색 화소 대응 영역(131) 중심을 통과한 광의 위상 지연량이 가장 크다는 것을 의미하는 것은 아니며, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)을 통과한 광의 위상을 2π 라고 정했을 때 다른 위치를 통과한 광의 위상 지연이 더 커서 2π 보다 큰 위상 값을 가진다면, 2nπ 만큼 제거하고 남은 값, 즉, 랩(Wrap)된 위상의 분포일 수 있다. 예를 들어, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)을 통과한 광의 위상을 2π 라고 했을 때, 청색 화소 대응 영역(132)의 중심을 통과한 광의 위상이 3π 라면, 청색 화소 대응 영역(132)에서의 위상은 3π에서 2π(n=1인 경우)를 제거하고, 남은 π 일 수 있다.
도 6a 및 도 6c를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 청색광은 청색 화소 대응 영역(132)의 중심에서 가장 크고, 청색 화소 대응 영역(132)의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 청색광 위상 분포(PPB)를 가질 수 있다. 구체적으로, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 직후의 위치에서 청색광의 위상이, 청색 화소 대응 영역(132)의 중심에서 가장 크고, 청색 화소 대응 영역(132)의 중심에서 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져서, X방향 및 Y방향으로는 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서 최소가 되고, 대각선 방향으로는 적색 화소 대응 영역(133)의 중심에서 최소가 된다. 청색광의 청색 화소 대응 영역(132) 중심에서의 위상을 2π라고 하면, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서의 위상은 예를 들어, 0.9π 내지 1.1π 일 수 있고, 적색 화소 대응 영역(133) 중심에서의 위상은 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서의 위상보다 작은 값 예를 들어, 0.5π 내지 0.9π일 수 있다.
도 6d는 제1 녹색광 집광 영역으로 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 6e는 제1 녹색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보인다.
제1 녹색 화소 대응 영역(131) 주변으로 입사한 녹색광은 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 도 6d에 도시한 것과 같이, 제1 녹색 화소(111)로 집광되며, 제1 녹색 화소(111)에는 제1 녹색 화소 대응 영역(131) 외에도 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)에서 오는 녹색광이 입사한다. 즉, 도 6a 및 도 6b에서 설명한 녹색광의 위상 분포는 제1 녹색 화소 대응 영역(131)과 한 변을 맞대고 인접한 2개의 청색 화소 대응 영역(132)과 2개의 적색 화소 대응 영역(133)의 중심을 연결한 제1 녹색광 집광 영역(GL)을 통과한 녹색광을 제1 녹색 화소(111)에 집광한다. 따라서, 도 6e에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 제1 녹색 화소(111)에 녹색광을 집광하는 제1 녹색광 집광 영역(GL1) 어레이로 동작할 수 있다. 제1 녹색광 집광 영역(GL1)은 대응하는 제1 녹색 화소(111)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.2배 내지 2배 클 수 있다.
도 6f는 청색광 집광 영역으로 입사한 청색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 6g는 청색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보인다.
청색광은 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 도 6f과 같이 청색 화소(112)로 집광되며, 청색 화소(112)에는 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에서 오는 청색광이 입사한다. 앞서 도 6a 및 도 6c에서 설명한 청색광의 위상 분포는 청색 화소 대응 영역(132)과 꼭지점을 맞대고 인접한 4개의 적색 화소 대응 영역(133)의 중심을 연결하여 만든 청색광 집광 영역(BL)를 통과한 청색광을 청색 화소(112)에 집광한다. 따라서, 도 6g에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 청색 화소에 청색광을 집광하는 청색광 집광 영역(BL) 어레이로 동작할 수 있다. 청색광 집광 영역(BL)은 대응하는 청색 화소(112)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.5 내지 4배 클 수 있다. 청색광 집광 영역(BL)은 일부 영역이 전술한 제1 녹색광 집광 영역(GL1) 및 후술하는 제2 녹색광 집광 영역(GL2) 및 적색광 집광 영역(RL)과 중첩될 수 있다.
도 7a는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 적색광 및 녹색광의 위상 분포를 도 4b의 단면에서 보이고, 도 7b는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 적색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 보이고, 도 7c는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 보인다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 적색광은 적색 화소 대응 영역(133)의 중심에서 가장 크고, 적색 화소 대응 영역(133)의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 적색광 위상 분포(PPR)를 가질 수 있다. 구체적으로, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 직후의 위치에서 적색광의 위상이, 적색 화소 대응 영역(133)의 중심에서 가장 크고, 적색 화소 대응 영역(133)의 중심에서 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져서, X방향 및 Y방향으로는 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서 최소가 되고, 대각선 방향으로는 청색 화소 대응 영역(132)의 중심에서 최소가 된다. 적색광의 적색 화소 대응 영역(133) 중심에서의 위상을 2π라고 하면, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서의 위상은 예를 들어, 0.9π 내지 1.1π 일 수 있고, 청색 화소 대응 영역(132) 중심에서의 위상은 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서의 위상보다 작은 값 예를 들어, 0.6π 내지 0.9π일 수 있다.
도 7a 및 도 7c를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광은 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 중심에서 가장 크고, 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 제2 녹색광 위상 분포(PPG2)를 가질 수 있다. 도 6a의 제1 녹색광 위상 분포(PPG1)와 도 8의 제2 녹색광 위상 분포(PPG2)를 비교하면, 제2 녹색광 위상 분포(PPG2)는 제1 녹색광 위상 분포(PPG1)를 X방향 및 Y방향으로 1 화소 피치만큼 평행 이동한 것과 같다. 즉, 제1 녹색광 위상 분포(PPG1)는 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심에서 위상이 가장 큰 반면, 제2 녹색광 위상 분포(PPG2)는 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심에서 X방향 및 Y방향으로 1 화소 피치만큼 떨어 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 중심에서 위상이 가장 크다. 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 보여주는 도 6b와 도 8c의 위상 분포는 동일할 수 있다. 다시 한번 제2 녹색 화소 대응 영역(134)을 기준으로 녹색광의 위상 분포를 설명하면, 녹색광의 제2 녹색 화소 대응 영역(134) 중심에서 출사되는 광의 위상을 기준으로 하여 2π라고 정하면, 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133) 중심에서는 위상이 0.9π 내지 1.1π, 제1 녹색 화소 대응 영역(131) 중심에서는 위상이 2π, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)과 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 접점에서는 위상이 1.1π 내지 1.5π인 광이 출사할 수 있다.
도 7d는 적색광 집광 영역으로 입사한 적색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 7e는 적색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보인다.
적색광은 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 도 7d와 같이 적색 화소(113)로 집광되며, 적색 화소(113)에는 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에서 오는 적색광이 입사한다. 앞서 도 7a 및 도 7b에서 설명한 적색광의 위상 분포는 적색 화소 대응 영역(133)과 꼭지점을 맞대고 인접한 4개의 청색 화소 대응 영역(132)의 중심을 연결하여 만든 적색광 집광 영역(RL)을 통과한 적색광을 적색 화소(113)에 집광한다. 따라서, 도 7e에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 적색 화소에 적색광을 집광하는 적색광 집광 영역(RL) 어레이로 동작할 수 있다. 적색광 집광 영역(RL)은 대응하는 적색 화소(113)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.5 내지 4배 클 수 있다. 적색광 집광 영역(RL)은 일부 영역이 제1 및 제2 녹색광 집광 영역(GL1, GL2) 및 청색광 집광 영역(BL)과 중첩될 수 있다.
도 7f 및 도 7g를 참조하면, 제2 녹색 화소 대응 영역(134) 주변으로 입사한 녹색광은 제1 녹색 화소 대응 영역(131) 주변으로 입사한 녹색광에 대해 설명한 것과 유사하게 진행하며, 도 7f에 도시한 것과 같이, 제2 녹색 화소(114)로 집광된다. 따라서, 도 7g에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 제2 녹색 화소(114)에 녹색광을 집광하는 제2 녹색광 집광 영역(GL2) 어레이로 동작할 수 있다. 제2 녹색광 집광 영역(GL2)은 대응하는 제2 녹색 화소(114)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.2배 내지 2배 클 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이를 보이는 것으로, 각각, 색분리 렌즈 어레이를 다른 위치에서 본 형태를 도시하고 있다.
도 8a 내지 도 8c에 도시한 바와 같이, 화소 어레이(1101)는 센서 기판(110), 스페이서층(120), 색분리 렌즈 어레이(130)를 포함하며, 센서 기판(110)과 스페이서층(120) 사이에는 컬러 필터 어레이(170)가 배치될 수 있다.
센서 기판(110) 내에 구획된 복수의 광 감지셀의 화소, 컬러 필터 어레이(170)에 구비된 컬러 필터 어레이(170)의 컬러는 전술한 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)의 영역과 대응 관계를 가지며, 이하에서는 따로 설명하지 않는다.
색분리 렌즈 어레이(130)는 제1 렌즈층(LE1)과 제2 렌즈층(LE2)을 포함한다. 제1 렌즈층(LE1)은 복수의 제1 나노포스트(NP1)과 이들 주변의 제1 주변물질층(E1)을 포함하고, 제2 렌즈층(LE2)은 복수의 제2 나노포스트(NP2)과 이들 주변의 제2 주변물질층(E2)을 포함한다.
제1 렌즈층(LE1)과 제2 렌즈층(LE2) 사이의, 제1 나노포스트(NP1) 상면을 제외한 전면에는 제1 CMP 정지층(181)이 배치되며, 제2 렌즈층(LE2) 상의, 제2 나노포스트(NP2) 상면을 제외한 전면에는 제2 CMP 정지층(182)이 배치된다.
제2 렌즈층(LE2) 상에는 보호층(190)이 더 배치될 수 있다. 보호층(190)은 반사 방지층의 역할을 하는 물질로 이루어질 수도 있다. 반사 방지층은 입사광 중 색분리 렌즈 어레이(135)의 상부 표면에서 반사되는 광을 줄여 화소 어레이(1101)의 광 이용 효율을 개선할 수 있다. 다시 말하면, 반사 방지층은 외부에서 화소 어레이(1101)로 입사하는 광이 색분리 렌즈 어레이(135)의 상부 표면에서 반사되지 않고 색분리 렌즈 어레이(135)를 투과하여 센서 기판(110)에서 감지될 수 있도록 돕는다.
반사 방지층은 하나 또는 복수의 층이 적층된 구조일 수 있으며, 예를 들면, 제2 렌즈층(LE2)을 이루는 물질과 다른 물질로 이루어진 1개 층일 수 있다. 반사 방지층은 굴절률이 다른 복수의 물질층으로 이루어질 수도 있다.
스페이서층(120)과 제1 렌즈층(LE1) 사이에는 식각 정지층(180)이 더 구비될 수 있다. 식각 정지층(180)은 제조 과정에서 색분리 렌즈 어레이(135)의 하부 구조물인 스페이서층(120)을 보호하기 위해 구비될 수 있다. 식각 정지층(180)은 HfO2를 포함할 수 있고, 3nm 에서 30nm의 두께를 가질 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는 색분리 렌즈 어레이(135)의 다른 위치에서 제1 렌즈층(LE1), 제2 렌즈층(LE2)에 구비되는 제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)의 예시적인 형상을 보이고 있다.
도 8a에서, 상, 하에서 인접하게 대응하는 제1 나노포스트(NP1)과 제2 나노포스트(NP2)은 서로 연결된 형태를 가질 수 있다. 일부 위치의 제1 나노포스트(NP1) 상부에는 이에 대응하는 제2 나노포스트(NP2)가 없을 수도 있다.
도 8b에서, 상, 하에서 인접하게 대응하는 제1 나노포스트(NP1)과 제2 나노포스트(NP2)은 서로 연결된 형태를 가질 수 있고, 이들 중심축이 서로 이격된 거리는 위치에 따라 다를 수 있다.
도 8c에서, 상, 하에서 인접하게 대응하는 제1 나노포스트(NP1)과 제2 나노포스트(NP2)은 서로 연결되지 않고 분리된 형태를 가질 수도 있다. 이러한 형태는 색분리 렌즈 어레이(130)의 중심부에서 먼 영역에 구비될 수 있고, 또는, 예를 들어, 서로 대응하는 위치의 제1 나노포스트(NP1)과 제2 나노포스트(NP2)의 중심축간 거리가 제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)의 폭보다 큰 경우에 이러한 형태가 나타날 수 있다.
도시된 구조에서, 제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)는 높이에 나란한 단면의 형상이 역사다리꼴 형상으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이를 보이는 단면도이다.
본 실시예의 화소 어레이(1102)는 색분리 렌즈 어레이(138)가 단층 구조인 점에서 전술한 화소 어레이(1100)(1101)와 차이가 있다.
복수층 구조 뿐 아니라, 단층 구조로도 원하는 굴절률 분포를 형성하도록 제1 나노포스트(NP1)의 위치별 형상이 설정될 수 있다.
제1 렌즈층(LE1)은 복수의 제1 나노포스트(NP1)과 이들 주변의 제1 주변물질층(E1)을 포함한다. 제1 렌즈층(LE1) 상의, 제1 나노포스트(NP1)을 제외한 전면에 제1 CMP 정지층(181)이 형성되며, 이에 의해, 제조 공정중에 나타날 수 있는 제1 주변물질층(E1)의 두께 산포가 감소할 수 있다.
도 10a 내지 도 10e는 실시예에 따른 이미지 센서 제조방법을 설명하는 도면들이다.
도 10a를 참조하면, 스페이서층(120), 스페이서층(120) 상의 제1 유전체층(LM1), 제1 유전체층(LM1) 상의 제1 CMP 정지층(181)이 형성될 수 있다. 스페이서층(120)과 제1 유전체층(LM1) 사이에는 식각 정지층(180)이 형성될 수 있다.
이러한 구조는 전술한 바와 같은, 센서 기판(110) 상에 형성되거나, 또는 센서 기판(110) 상에 형성된 컬러 필터 어레이(170)상에 형성될 수도 있다.
스페이서층(120)은 예를 들면, SiO2 층일 수 있고, 다양한 물리 또는 화학적 형성 방법, 예를 들면, 열 산화(thermal oxidation) 방법으로 형성할 수 있다.
식각 정지층(180)은 제1 유전체층(LM1)을 선택적으로 식각할 수 있는 물질, 다시 말하면, 제1 유전체층(LM1)의 식각에 사용되는 물질로는 식각되지 않는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들면, HfO2로 이루어진 층일 수 있다. HfO2층은 물리 또는 화학적 형성 방법, 예컨대, PVD, CVD, PE-CVD, ALD 등으로 형성할 수 있다.
제1 유전체층(LM1)은 SiO2 층일 수 있고, 이 외에도, 저굴절률 물질인 SU-8, PMMA 등의 폴리머 물질, 또는 SOG를 포함할 수 있다.
제1 유전체층(LM1)은 저굴절률 물질로 예시되었으나, 이에 한정되지 않고 상기 물질들보다 고굴절률을 가지는, c-Si, p-Si, a-Si, III-V 화합물 반도체(GaAs, GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, SiN 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.
제1 CMP 정지층(181)은 후술할, 제1 나노포스트(NP1) 제조에 사용되는 물질로 된 제1 나노패턴층(HM1)을 선택적으로 CMP 할 수 있는 물질, 다시 말하면, 제1 나노패턴층(HM1)을 CMP할 때, 잘 제거되지 않는 물질을 포함할 수 있다. 제1 CMP 정지층(181)은 제1 나노패턴층(HM1)보다 CMP 선택비가 낮은 물질로 이루어질 수 있다. 제1 CMP 정지층(181)은 Al2O3, SiN, 또는 HfO2일 수 있다. 제1 CMP 정지층(181)의 두께는 5nm 이상 50nm 이하일 수 있다. 제1 CMP 정지층(181)의 두께는 제1 나노패턴층(HM1)의 재질, 두께를 고려하여 설정될 수 있다. 구체적으로, 도 10c에 도시된 제1 나노패턴층(HM1)의 영역 중 도 10d의 제1 나노포스트(NP1)가 될 부분의 두께, 제1 유전체층(LM1) 상면에 위치하여 CMP로 제거될 부분의 두께를 고려하여, 제 1 CMP 정지층(181)의 두께가 설정될 수 있다. 제 1 CMP 정지층(181)의 두께는 예를 들어, CMP로 제거될 제1 나노패턴층(HM1) 두께에 비례하여 커질 수 있고, 또한, 제조된 색분리 렌즈 어레이의 광학 성능에 저해가 되지 않을 정도의 두께로 정해질 수 있다. 제 1 CMP 정지층(181)의 두께는 웨이퍼 내의 CMP 산포를 고려하여 설정될 수 있다. 구체적으로, CMP 중 웨이퍼의 특정 위치에서 CMP 정지층(181)에 먼저 도달한 순간 CMP 진행이 가장 덜 된 다른 특정 위치에서의 잔여 제1 나노패턴층(HM1) 두께가 CMP 산포로 결정된다. 이 때, 잔여 제1 나노패턴층(HM1)의 CMP 정지층(181)에 대한 CMP 선택비에 의해 CMP 정지층(181)의 두께가 정해질 수 있다. 제 1 CMP 정지층(181)의 두께는 CMP로 제거하고자 하는 제1 나노패턴층(HM1) 두께의 대략 2% ~ 30%의 범위가 될 수 있다.
도 10b를 참조하면, 제1 유전체층(LM1)과 제1 CMP 정지층(181)을 함께 패터닝하여 제1 음각패턴(GP1)을 형성한다.
제1 음각패턴(GP1)의 형성에는 포토 리소그라피 공정이 사용된다. 도 8a의 제1 CMP 정지층(181) 위로 포토 레지스트를 형성하고 노광 공정을 통해 포토 레지스트를 패터닝한 다음, 노출된 패턴에 대응하는 위치의 제1 CMP 정지층(181)과 제1 유전체층(LM1)을 식각하여 제1 음각패턴(GP1)을 형성할 수 있다. 제1 CMP 정지층(181)과 제1 유전체층(LM1)의 식각에는 예를 들면, 플로린 기반의 반응성 이온 식각 공정이 사용될 수 있다. 식각 정지층(180)은 이러한 과정에서 스페이서층(120)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도 10c를 참조하면, 제1 음각패턴(GP1) 내부에 제1 유전체층(LM1)과 다른 굴절률을 가지는 물질을 도포하여 제1 나노패턴층(HM1)을 형성한다. 제1 나노패턴층(HM1)은 제1 음각패턴(GP1)을 채우고 제1 CMP 정지층(181)의 상면으로 연장되게 형성될 수 있다.
제1 나노패턴층(HM1)에 사용되는 물질은 제1 유전체층(LM1)과 다른 굴절률의 물질로서, 예를 들어, c-Si, p-Si, a-Si, III-V 화합물 반도체(GaAs, GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, 또는 SiN을 포함할 수 있다. 제1 유전체층(LM1)이 고굴절률의 물질로 이루어진 경우, 제1 나노패턴층(HM1)은 저굴절률 물질로서, SiO2 일 수 있고, 또는 SU-8, PMMA 등의 폴리머 물질, 또는 SOG일 수 있다. 제1 나노패턴층(HM1)의 형성에는 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition) 또는 그 외 다양한 증착법이 사용될 수 있다.
다음, 도 10d에 도시된 바와 같이, CMP(chemical mechanical polishing) 공정에 의해 제1 나노패턴층(HM1)의 상면이 평탄화되어, 원하는 형상의 제1 나노포스트(NP1)와 이를 둘러싸는 제1 유전체층(LM1)을 포함하는 제1 렌즈층(LE1)이 형성된다. 제1 유전체층(LM1) 상면에 형성된 제1 CMP 정지층(181)에 의해, 제1 나노패턴층(HM1)을 CMP 하는 공정에서 제1 유전체층(LM1)이 보호될 수 있고, 높이(H1)가 유지될 수 있다. 이 높이(H1)는 도 10a의 단계에서 설정된 높이로서, CMP 공정을 거친 후에도 그대로 유지될 수 있다.
다음, 도 10e와 같이, 제1 렌즈층(LE1) 위로 보호층(190)을 더 형성할 수 있다. 보호층(190)은 반사방지층의 역할을 하는 물질로 이루어질 수 있다.
이와 같은 제조 방법에 따라, 도 9에서 설명한 바와 같이 단층으로 제1 나노포스트(NP1)들이 배치된 색분리 렌즈 어레이(138)를 구비하는 이미지 센서가 제조될 수 있다. 설계 요건에 따라 설정되어 형성된 제1 유전체층(LM1) 높이 H1이 제1 렌즈층(LE1)의 제조 과정에서 잘 유지될 수 있으므로 원하는 굴절률 분포가 잘 구현될 수 있다.
도 11a 내지 도 11c는 비교예에 따른 색분리 렌즈 어레이의 렌즈층 제조방법을 보이는 도면들이다.
비교예의 제조방법에 따르면, 도 11a에서 사용되는 CMP 정지층을 사용하지 않고, 제1 유전체층(LM1)만을 사용하여 제1 음각패턴(GP1)을 형성하고, 도 11b와 같이 제1 음각패턴(GP1) 내부를 제1 유전체층(LM1)과 다른 굴절률의 물질로 채워 제1 나노패턴층(HM1)을 형성한 후, CMP 공정이 수행될 수 있다. 이 때, 제1 나노패턴층(HM1)의 영역 중 제1 음각 패턴(GP1) 외부로 노출된 부분만을 제거하는 것은 어렵고, 제1 유전체층(LM1)도 일정 부분이 함께 제거되므로, 이와 같이 제조된 제1 렌즈층(10)에서 제1 유전체층(LM1)의 높이 Hc1는 도 11a의 단계에서 증착한 제1 유전체층(LM1)의 높이, Hd1보다 작을 수 있다. 또한, 제1 나노패턴층(HM1)과 제1 유전체층(LM1)은 CMP 선택비가 다를 수 있고, 최종적인 높이 요건인 Hc1를 맞추는 데 어려움이 있을 수 있다.
더욱이, CMP 후의 두께 산포는 증착 후 CMP 공정 전의 두께 산포보다 크게 나타나는 것으로 실험적으로 확인된다. 실험에서는 470㎚의 두께로 SiO2를 증착한 후, CMP를 통해 420㎚의 두께를 구현하는 공정에서 나타날 수 있는 산포를 확인하기 위해, 색분리 렌즈 어레이의 영역을 중심으로부터 반경 방향을 따라 7개의 영역으로 구획한 각 위치에서의 다수의 샘플 데이터를 측정하였다. 증착 후 CMP 전 470㎚의 두께에 대한 다수 샘플의 산포는 6.9%로 나타난 반면, CMP를 거친 후의 420㎚ 두께에 대한 다수 샘플의 산포는 9.4%로 증가하였다. 이러한 산포 증가는 오차를 수반할 수 있는 두 번의 공정 단계에 의한 것으로 분석될 수 있다.
다시 말하면, 비교예의 제조방법은 제1 나노패턴층(HM1)과 제1 유전체층(LM1)의 CMP 선택비가 유사한 경우라도, CMP 공정을 거쳐 최종 높이가 도출되는 점에서, 제조된 높이(Hc1)가 높은 산포를 가지게 된다. 이와 달리, 실시예의 제조방법은 증착 단계에서 정해진 제1 유전체층(LM1)의 높이(H1)가 최종 구조에서도 유지되므로, 비교예의 제조 방법을 사용한 경우보다 낮은 공정 산포를 가지게 된다.
도 12a 내지 도 12e는 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조방법을 설명하는 도면들이다.
본 실시예의 제조 방법은 도 10d와 같이 제조된 제1 렌즈층(LE1) 상에 추가 공정을 수행하여 제2 렌즈층(LE2)을 더 형성하는 방법이다.
도 12a와 같이, 제1 렌즈층(LE1) 상에 제2 유전체층(LM2)을 형성하고, 제2 유전체층(LM2) 상에 제2 CMP 정지층(182)을 형성한다. 제2 유전체층(LM2)의 높이 H2는 원하는 굴절률 분포 요건에 따라 정해진다.
제2 CMP 정지층(182)은 후술할, 제2 나노포스트(NP2) 제조에 사용되는 제2 나노패턴층(HM2)을 선택적으로 CMP 할 수 있는 물질, 다시 말하면, 제2 나노패턴층(HM2)을 CMP할 때, 잘 제거되지 않는 물질을 포함할 수 있다. 제2 CMP 정지층(182)은 제2물질(HM1)보다 CMP 선택비가 낮은 물질로 이루어질 수 있다. 제2 CMP 정지층(182)은 Al2O3, SiN, 또는 HfO2일 수 있다. 제2 CMP 정지층(182)의 두께는 5nm 이상 50nm 이하일 수 있다. 제2 CMP 정지층(182)의 두께는 제2 나노패턴층(HM2)의 재질, 두께를 고려하여 설정될 수 있다. 구체적으로, 도 12c에 도시된 제2 나노패턴층(HM2)의 영역 중 도 12d의 제2 나노포스트(NP2)가 될 부분의 두께, 제2 유전체층(LM2) 상면에 위치하여 CMP로 제거될 부분의 두께를 고려하여, 제 2 CMP 정지층(182)의 두께가 설정될 수 있다. 제 2 CMP 정지층(182)의 두께는 전술한 바와 같이, 웨이퍼 내의 CMP 산포를 고려하여 정해질 수 있다. 제 2 CMP 정지층(182)의 두께는 CMP로 제거하고자 하는 제2 나노패턴층(HM2) 두께의 대략 2% ~ 30%의 범위가 될 수 있다. 제2 CMP 정지층(182)은 제1 CMP 정지층(181)과 같은 물질일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 12b를 참조하면, 제2 유전체층(LM2)과 제2 CMP 정지층(182)을 함께 패터닝하여 제2 음각패턴(GP2)을 형성한다. 제2 음각패턴(GP2)은 제1 렌즈층(LE1) 제조시 형성했던 제1 음각패턴(GP1)과 오버랩되는 위치, 즉, 제1 나노포스트(NP1)와 오버랩되는 위치에 형성될 수 있다. 제2 음각패턴(GP2)에 의해 제1 렌즈층(LE1)의 제1 나노포스트(NP1) 상면의 적어도 일부가 노출될 수 있다. 제2 음각패턴(GP2)은 제1 나노포스트(NP1)와 중심축이 일치해야 하는 것은 아니며, 0이상으로 시프트(shift) 될 수 있다. 시프트된 정도는 위치에 따라 다를 수 있다. 제2 음각패턴(GP2)의 형성에는 포토 리소그라피 공정이 사용된다. 도 12a의 제2 CMP 정지층(182) 위로 포토 레지스트를 형성하고 노광 공정을 통해 포토 레지스트를 패터닝한 다음, 노출된 패턴에 대응하는 위치의 제2 CMP 정지층(182)과 제2 유전체층(LM2)을 식각하여 제2 음각패턴(GP2)을 형성할 수 있다. 제2 CMP 정지층(182)과 제2 유전체층(LM2)의 식각에는 예를 들면, 플로린 기반의 반응성 이온 식각 공정이 사용될 수 있다.
도 12c를 참조하면, 제2 음각패턴(GP2) 내부에 제1 유전체층(LM1)과 다른 굴절률을 가지는 물질을 도포하여 제2 나노패턴층(HM2)을 형성한다. 제2 나노패턴층(HM2)은 제2 음각패턴(GP2)을 채우고 제2 CMP 정지층(182)의 상면으로 연장되게 형성될 수 있다. 제2 음각패턴(GP2)에 의해 제1 나노포스트(NP1) 상면이 노출되게 되므로, 제1 나노포스트(NP1)와 제2 나노패턴층(HM2)은 서로 직접 연결된다.
제2 나노패턴층(HM2)을 이루는 물질은 제2 유전체층(LM2)과 다른 굴절률의 물질로서, 예를 들어, c-Si, p-Si, a-Si, III-V 화합물 반도체(GaAs, GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, 또는 SiN을 포함할 수 있다. 제2 유전체층(LM2)이 고굴절률의 물질로 이루어진 경우, 제2 나노패턴층(HM2)은 저굴절률의 물질로서, SiO2 일 수 있고, 또는 SU-8, PMMA 등의 폴리머 물질, 또는 SOG일 수 있다. 제2 나노패턴층(HM2)의 형성에는 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition) 또는 그 외 다양한 증착법이 사용될 수 있다. 제2 나노패턴층(HM2)은 제2 나노패턴층(HM2)과 같은 물질로 이루어질 수 있고, 또는 같거나 유사한 굴절률의 물질로 이루어질 수 있으며, 다만, 이에 한정되지는 않는다.
다음, 도 12d에 도시된 바와 같이, CMP(chemical mechanical polishing) 공정에 의해 제2 나노패턴층(HM2)의 상면이 평탄화되어, 원하는 형상의 제2 나노포스트(NP2)와 이를 둘러싸는 제2 유전체층(LM2)을 포함하는 제2 렌즈층(LE2)이 형성된다. 제2 유전체층(LM2) 상면에 형성된 제2 CMP 정지층(182)에 의해, 제2 나노패턴층(HM2)을 CMP 하는 공정에서 제2 유전체층(LM2)이 보호될 수 있고, 높이(H2)가 유지될 수 있다. 이 높이(H2)는 도 12a의 단계에서 설정된 높이로서, CMP 공정을 거친 후에도 그대로 유지될 수 있다.
다음, 도 12e와 같이, 제1 렌즈층(LE1) 위로 보호층(190)을 더 형성할 수 있다. 보호층(190)은 반사방지층의 역할을 하는 물질로 이루어질 수 있다.
이와 같은 제조방법에 따라 도 8b에서 예시한 것과 유사한 2층 구조를 가지는 색분리 렌즈 어레이(135)를 구비하는 이미지 센서가 제조될 수 있다. 제1 렌즈층(LE1), 제2 렌즈층(LE2)에서 서로 대응하는 위치의 제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2)는 다른 층이 중간에 게재되지 않고 직접 연결된 형태이며, 또한, 제1 렌즈층(LE1), 제2 렌즈층(LE2) 각각의 높이 요건 H1, H2가 잘 구현되고 있어, 원하는 굴절률 분포가 잘 구현될 수 있다.
도 13a 내지 도 13d는 비교예에 따른 이미지 센서 제조방법을 설명하는 도면들이다.
본 비교예의 제조방법은 도 11c와 같이 제조된 제1 렌즈층(LE1)에 대해 추가적인 공정으로 제2 렌즈층(LE2)을 형성하는 과정에 대한 것이다.
도 13a를 참조하면, 제1 렌즈층(LE1) 상에 식각 정지층(188)을 형성하고, 식각 정지층(188) 상에 제2 유전체층(LM2)을 형성한다. 식각 정지층(188)은 제2 렌즈층(LE2)을 제조하는 과정에서 제1 렌즈층(LE1)이 손상되는 것을 보호하기 위한 것이다. 제2 유전체층(LM2)의 증착 높이 Hd2는 CMP 공정 후에 나타나는 최종 높이 Hc2를 고려해서 설정되는 높이이다.
다음, 도 13b와 같이, 제2 유전체층(LM2)을 패터닝하여 제2 음각패턴(GP2)을 형성한다.
제1 렌즈층(LE1)의 상면 전면에 형성된 식각 정지층(188)에 의해, 제1 나노포스트(NP1)는 제2 음각패턴(GP2)에 노출되지 않는다.
다음, 도 13c와 같이, 제2 음각패턴(GP2) 내부 및 제2 유전체층(LM2)의 상면에 제2 유전체층(LM2)과 다른 물질로 된 제2 나노패턴층(HM2)을 형성하고, 제2 나노패턴층(HM2)의 일부를 CMP 하여, 도 13d와 같이 제1 렌즈층(10), 제2 렌즈층(20)을 포함하는 구조가 제조된다. 이 때, 제2 렌즈층(20)의 높이 Hc2는 제2 유전체층(LM2)을 증착한 높이 Hd2와 다르며, 또한, CMP 공정이 추가된 결과 보다 넓어진 산포를 가지게 된다. 또한, 서로 대응하는 위치의 제1 나노포스트(NP1)와 제2 나노포스트(NP2)는 서로 연결되지 않고, 식각 정지층(188)이 중간에 게재된 형태가 된다. 이러한 형태는 원하는 굴절률 분포 형성을 저해하고 색분리 효율을 낮추는 요인이 될 수 있다.
도 14a 내지 도 14d는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조방법을 설명하는 도면들이다.
본 실시예의 제조방법은 제1 렌즈층(LE1)의 제1 나노포스트(NP1), 제2 렌즈층(LE2)의 제2 나노포스트(NP2)가 연결되지 않은 구조를 제조하는 점에서 도 12a 내지 도 12d에서 설명한 것과 차이가 있다.
도 12a와 같이, 제1 렌즈층(LE1) 상에 제2 유전체층(LM2), 제2 CMP 정지층(182)을 형성한 후, 제2 유전체층(LM2), 제2 CMP 정지층(182)을 함께 패터닝하여, 도 14a와 같이 제2 음각패턴(GP2)을 형성한다. 제2 음각패턴(GP2)은 제1 나노포스트(NP1)와 오버랩되지 않는 위치에 형성될 수 있다. 제2 음각패턴(GP2)을 형성을 위해 포토 리소그라피 공정 및 식각 공정이 수행되는데, 식각 공정시, 제2 CMP 정지층(182)이 식각 정지층의 역할을 할 수 있다. 즉, 제2 음각패턴(GP2)을 형성하는 식각 공정에서 제1 렌즈층(LE1)이 손상되는 것이 방지될 수 있다.
다음, 도 14b 내지 14d와 같이, 제2 음각패턴(GP2) 내부 및 제2 CMP 정지층(182) 위로 제2 유전체층(LM2)과 다른 굴절률의 물질로 된 제2 나노패턴층(HM2)을 형성한 후, 제2 나노패턴층(HM2)을 CMP 하여 제2 렌즈층(LE2)을 형성하고, 제2 렌즈층(LE2) 상에 반사방지층의 역할을 하는 보호층(190)을 형성할 수 있다.
이와 같은 제조방법에 따라 도 8c에서 예시한 것과 유사한 2층 구조를 가지는 색분리 렌즈 어레이(135)를 구비하는 이미지 센서가 제조될 수 있다.
상술한 바와 같이, 나노포스트들이 단층 또는 이층으로 배열된 구조의 색분리 렌즈 어레이를 제조하는 과정을 예시적으로 설명하였고, 이러한 제조 방법은 3층 이상의 복수층으로 나노포스트들이 배열된 구조의 색분리 렌즈 어레이 제조 방법에도 적용될 수 있다. 나노포스트들이 이층으로 배열된 구조에서, 상, 하의 나노포스트들은 서로 연결되는 형태, 연결되지 않는 형태를 나누어 설명하였으나, 하나의 색분리 렌즈 어레이에 두 가지 형태가 모두 포함될 수도 있다.
도 15는 실시예들에 따른 이미지센서를 포함하는 전자 장치를 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 16은 도 15의 전자 장치에 구비된 카메라 모듈을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 15는 이미지센서(1000)를 포함하는 전자 장치(ED01)의 일 예를 도시한다. 도 15를 참조하면, 네트워크 환경(ED00)에서 전자 장치(ED01)는 제1 네트워크(ED98)(근거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 다른 전자 장치(ED02)와 통신하거나, 또는 제2 네트워크(ED99)(원거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 또 다른 전자 장치(ED04) 및/또는 서버(ED08)와 통신할 수 있다. 전자 장치(ED01)는 서버(ED08)를 통하여 전자 장치(ED04)와 통신할 수 있다. 전자 장치(ED01)는 프로세서(ED20), 메모리(ED30), 입력 장치(ED50), 음향 출력 장치(ED55), 표시 장치(ED60), 오디오 모듈(ED70), 센서 모듈(ED76), 인터페이스(ED77), 햅틱 모듈(ED79), 카메라 모듈(ED80), 전력 관리 모듈(ED88), 배터리(ED89), 통신 모듈(ED90), 가입자 식별 모듈(ED96), 및/또는 안테나 모듈(ED97)을 포함할 수 있다. 전자 장치(ED01)에는, 이 구성요소들 중 일부(표시 장치(ED60) 등)가 생략되거나, 다른 구성요소가 추가될 수 있다. 이 구성요소들 중 일부는 하나의 통합된 회로로 구현될 수 있다. 예를 들면, 센서 모듈(ED76)(지문 센서, 홍채 센서, 조도 센서 등)은 표시 장치(ED60)(디스플레이 등)에 임베디드되어 구현될 수 있다.
프로세서(ED20)는, 소프트웨어(프로그램(ED40) 등)를 실행하여 프로세서(ED20)에 연결된 전자 장치(ED01) 중 하나 또는 복수개의 다른 구성요소들(하드웨어, 소프트웨어 구성요소 등)을 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 데이터 처리 또는 연산의 일부로, 프로세서(ED20)는 다른 구성요소(센서 모듈(ED76), 통신 모듈(ED90) 등)로부터 수신된 명령 및/또는 데이터를 휘발성 메모리(ED32)에 로드하고, 휘발성 메모리(ED32)에 저장된 명령 및/또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리(ED34)에 저장할 수 있다. 프로세서(ED20)는 메인 프로세서(ED21)(중앙 처리 장치, 어플리케이션 프로세서 등) 및 이와 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서(ED23)(그래픽 처리 장치, 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)를 포함할 수 있다. 보조 프로세서(ED23)는 메인 프로세서(ED21)보다 전력을 작게 사용하고, 특화된 기능을 수행할 수 있다.
보조 프로세서(ED23)는, 메인 프로세서(ED21)가 인액티브 상태(슬립 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(ED21)를 대신하여, 또는 메인 프로세서(ED21)가 액티브 상태(어플리케이션 실행 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(ED21)와 함께, 전자 장치(ED01)의 구성요소들 중 일부 구성요소(표시 장치(ED60), 센서 모듈(ED76), 통신 모듈(ED90) 등)와 관련된 기능 및/또는 상태를 제어할 수 있다. 보조 프로세서(ED23)(이미지 시그널 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)는 기능적으로 관련 있는 다른 구성 요소(카메라 모듈(ED80), 통신 모듈(ED90) 등)의 일부로서 구현될 수도 있다.
메모리(ED30)는, 전자 장치(ED01)의 구성요소(프로세서(ED20), 센서모듈(ED76) 등)가 필요로 하는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 데이터는, 예를 들어, 소프트웨어(프로그램(ED40) 등) 및, 이와 관련된 명령에 대한 입력 데이터 및/또는 출력 데이터를 포함할 수 있다. 메모리(ED30)는, 휘발성 메모리(ED32) 및/또는 비휘발성 메모리(ED34)를 포함할 수 있다.
프로그램(ED40)은 메모리(ED30)에 소프트웨어로 저장될 수 있으며, 운영 체제(ED42), 미들 웨어(ED44) 및/또는 어플리케이션(ED46)을 포함할 수 있다.
입력 장치(ED50)는, 전자 장치(ED01)의 구성요소(프로세서(ED20) 등)에 사용될 명령 및/또는 데이터를 전자 장치(ED01)의 외부(사용자 등)로부터 수신할 수 있다. 입력 장치(ED50)는, 마이크, 마우스, 키보드, 및/또는 디지털 펜(스타일러스 펜 등)을 포함할 수 있다.
음향 출력 장치(ED55)는 음향 신호를 전자 장치(ED01)의 외부로 출력할 수 있다. 음향 출력 장치(ED55)는, 스피커 및/또는 리시버를 포함할 수 있다. 스피커는 멀티미디어 재생 또는 녹음 재생과 같이 일반적인 용도로 사용될 수 있고, 리시버는 착신 전화를 수신하기 위해 사용될 수 있다. 리시버는 스피커의 일부로 결합되어 있거나 또는 독립된 별도의 장치로 구현될 수 있다.
표시 장치(ED60)는 전자 장치(ED01)의 외부로 정보를 시각적으로 제공할 수 있다. 표시 장치(ED60)는, 디스플레이, 홀로그램 장치, 또는 프로젝터 및 해당 장치를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 표시 장치(ED60)는 터치를 감지하도록 설정된 터치 회로(Touch Circuitry), 및/또는 터치에 의해 발생되는 힘의 세기를 측정하도록 설정된 센서 회로(압력 센서 등)를 포함할 수 있다.
오디오 모듈(ED70)은 소리를 전기 신호로 변환시키거나, 반대로 전기 신호를 소리로 변환시킬 수 있다. 오디오 모듈(ED70)은, 입력 장치(ED50)를 통해 소리를 획득하거나, 음향 출력 장치(ED55), 및/또는 전자 장치(ED01)와 직접 또는 무선으로 연결된 다른 전자 장치(전자 장치(ED02) 등)의 스피커 및/또는 헤드폰을 통해 소리를 출력할 수 있다.
센서 모듈(ED76)은 전자 장치(ED01)의 작동 상태(전력, 온도 등), 또는 외부의 환경 상태(사용자 상태 등)를 감지하고, 감지된 상태에 대응하는 전기 신호 및/또는 데이터 값을 생성할 수 있다. 센서 모듈(ED76)은, 제스처 센서, 자이로 센서, 기압 센서, 마그네틱 센서, 가속도 센서, 그립 센서, 근접 센서, 컬러 센서, IR(Infrared) 센서, 생체 센서, 온도 센서, 습도 센서, 및/또는 조도 센서를 포함할 수 있다.
인터페이스(ED77)는 전자 장치(ED01)가 다른 전자 장치(전자 장치(ED02) 등)와 직접 또는 무선으로 연결되기 위해 사용될 수 있는 하나 또는 복수의 지정된 프로토콜들을 지원할 수 있다. 인터페이스(ED77)는, HDMI(High Definition Multimedia Interface), USB(Universal Serial Bus) 인터페이스, SD카드 인터페이스, 및/또는 오디오 인터페이스를 포함할 수 있다.
연결 단자(ED78)는, 전자 장치(ED01)가 다른 전자 장치(전자 장치(ED02) 등)와 물리적으로 연결될 수 있는 커넥터를 포함할 수 있다. 연결 단자(ED78)는, HDMI 커넥터, USB 커넥터, SD 카드 커넥터, 및/또는 오디오 커넥터(헤드폰 커넥터 등)를 포함할 수 있다.
햅틱 모듈(ED79)은 전기적 신호를 사용자가 촉각 또는 운동 감각을 통해서 인지할 수 있는 기계적인 자극(진동, 움직임 등) 또는 전기적인 자극으로 변환할 수 있다. 햅틱 모듈(ED79)은, 모터, 압전 소자, 및/또는 전기 자극 장치를 포함할 수 있다.
카메라 모듈(ED80)은 정지 영상 및 동영상을 촬영할 수 있다. 카메라 모듈(ED80)은 하나 또는 복수의 렌즈들을 포함하는 렌즈 어셈블리, 도 1의 이미지센서(1000), 이미지 시그널 프로세서들, 및/또는 플래시들을 포함할 수 있다. 카메라 모듈(ED80)에 포함된 렌즈 어셈블리는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있다.
전력 관리 모듈(ED88)은 전자 장치(ED01)에 공급되는 전력을 관리할 수 있다. 전력 관리 모듈(ED88)은, PMIC(Power Management Integrated Circuit)의 일부로서 구현될 수 있다.
배터리(ED89)는 전자 장치(ED01)의 구성 요소에 전력을 공급할 수 있다. 배터리(ED89)는, 재충전 불가능한 1차 전지, 재충전 가능한 2차 전지 및/또는 연료 전지를 포함할 수 있다.
통신 모듈(ED90)은 전자 장치(ED01)와 다른 전자 장치(전자 장치(ED02), 전자 장치(ED04), 서버(ED08) 등)간의 직접(유선) 통신 채널 및/또는 무선 통신 채널의 수립, 및 수립된 통신 채널을 통한 통신 수행을 지원할 수 있다. 통신 모듈(ED90)은 프로세서(ED20)(어플리케이션 프로세서 등)와 독립적으로 운영되고, 직접 통신 및/또는 무선 통신을 지원하는 하나 또는 복수의 커뮤니케이션 프로세서들을 포함할 수 있다. 통신 모듈(ED90)은 무선 통신 모듈(ED92)(셀룰러 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, GNSS(Global Navigation Satellite System 등) 통신 모듈) 및/또는 유선 통신 모듈(ED94)(LAN(Local Area Network) 통신 모듈, 전력선 통신 모듈 등)을 포함할 수 있다. 이들 통신 모듈 중 해당하는 통신 모듈은 제1 네트워크(ED98)(블루투스, WiFi Direct 또는 IrDA(Infrared Data Association) 같은 근거리 통신 네트워크) 또는 제2 네트워크(ED99)(셀룰러 네트워크, 인터넷, 또는 컴퓨터 네트워크(LAN, WAN 등)와 같은 원거리 통신 네트워크)를 통하여 다른 전자 장치와 통신할 수 있다. 이런 여러 종류의 통신 모듈들은 하나의 구성 요소(단일 칩 등)로 통합되거나, 또는 서로 별도의 복수의 구성 요소들(복수 칩들)로 구현될 수 있다. 무선 통신 모듈(ED92)은 가입자 식별 모듈(ED96)에 저장된 가입자 정보(국제 모바일 가입자 식별자(IMSI) 등)를 이용하여 제1 네트워크(ED98) 및/또는 제2 네트워크(ED99)와 같은 통신 네트워크 내에서 전자 장치(ED01)를 확인 및 인증할 수 있다.
안테나 모듈(ED97)은 신호 및/또는 전력을 외부(다른 전자 장치 등)로 송신하거나 외부로부터 수신할 수 있다. 안테나는 기판(PCB 등) 위에 형성된 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함할 수 있다. 안테나 모듈(ED97)은 하나 또는 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 복수의 안테나가 포함된 경우, 통신 모듈(ED90)에 의해 복수의 안테나들 중에서 제1 네트워크(ED98) 및/또는 제2 네트워크(ED99)와 같은 통신 네트워크에서 사용되는 통신 방식에 적합한 안테나가 선택될 수 있다. 선택된 안테나를 통하여 통신 모듈(ED90)과 다른 전자 장치 간에 신호 및/또는 전력이 송신되거나 수신될 수 있다. 안테나 외에 다른 부품(RFIC 등)이 안테나 모듈(ED97)의 일부로 포함될 수 있다.
구성요소들 중 일부는 주변 기기들간 통신 방식(버스, GPIO(General Purpose Input and Output), SPI(Serial Peripheral Interface), MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 등)을 통해 서로 연결되고 신호(명령, 데이터 등)를 상호 교환할 수 있다.
명령 또는 데이터는 제2 네트워크(ED99)에 연결된 서버(ED08)를 통해서 전자 장치(ED01)와 외부의 전자 장치(ED04)간에 송신 또는 수신될 수 있다. 다른 전자 장치들(ED02, ED04)은 전자 장치(ED01)와 동일한 또는 다른 종류의 장치일 수 있다. 전자 장치(ED01)에서 실행되는 동작들의 전부 또는 일부는 다른 전자 장치들(ED02, ED04, ED08) 중 하나 또는 복수의 장치들에서 실행될 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(ED01)가 어떤 기능이나 서비스를 수행해야 할 때, 기능 또는 서비스를 자체적으로 실행시키는 대신에 하나 또는 복수의 다른 전자 장치들에게 그 기능 또는 그 서비스의 일부 또는 전체를 수행하라고 요청할 수 있다. 요청을 수신한 하나 또는 복수의 다른 전자 장치들은 요청과 관련된 추가 기능 또는 서비스를 실행하고, 그 실행의 결과를 전자 장치(ED01)로 전달할 수 있다. 이를 위하여, 클라우드 컴퓨팅, 분산 컴퓨팅, 및/또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 기술이 이용될 수 있다.
도 16을 참조하면, 카메라 모듈(ED80)은 렌즈 어셈블리(1110), 플래쉬(1120), 이미지센서(1000)(도 1의 이미지센서(1000) 등), 이미지 스태빌라이저(1140), 메모리(1150)(버퍼 메모리 등), 및/또는 이미지 시그널 프로세서(1160)를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리(1110)는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있다. 카메라 모듈(ED80)은 복수의 렌즈 어셈블리(1110)들을 포함할 수도 있으며, 이런 경우, 카메라 모듈(ED80)은, 듀얼 카메라, 360도 카메라, 또는 구형 카메라(Spherical Camera)가 될 수 있다. 복수의 렌즈 어셈블리(1110)들 중 일부는 동일한 렌즈 속성(화각, 초점 거리, 자동 초점, F 넘버(F Number), 광학 줌 등)을 갖거나, 또는 다른 렌즈 속성들을 가질 수 있다. 렌즈 어셈블리(1110)는, 광각 렌즈 또는 망원 렌즈를 포함할 수 있다.
플래쉬(1120)는 피사체로부터 방출 또는 반사되는 빛을 강화하기 위하여 사용되는 빛을 방출할 수 있다. 플래쉬(1120)는 하나 또는 복수의 발광 다이오드들(RGB(Red-Green-Blue) LED, White LED, Infrared LED, Ultraviolet LED 등), 및/또는 Xenon Lamp를 포함할 수 있다.
이미지센서(1000)는 도 1에서 설명한 이미지센서일 수 있으며, 이에는 전술한 실시예들의 화소 어레이(1100)(1101)(1102)중 어느 하나가 포함될 수 있다. 이미지 센서는 도 10a 내지 도 10e, 또는 도 12a 내지 도 12e, 또는 도 14a 내지 도 14d에서 설명한 제조방법에 따라 제조될 수 있다. 이미지 센서(1000)는 피사체로부터 방출 또는 반사되어 렌즈 어셈블리(1110)를 통해 전달된 빛을 전기적인 신호로 변환함으로써, 피사체에 대응하는 이미지를 획득할 수 있다. 이미지센서(1000)는, RGB 센서, BW(Black and White) 센서, IR 센서, 또는 UV 센서와 같이 속성이 다른 이미지센서들 중 선택된 하나 또는 복수의 센서들을 포함할 수 있다. 이미지센서(1000)에 포함된 각각의 센서들은, CCD(Charged Coupled Device) 센서 및/또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서로 구현될 수 있다.
이미지 스태빌라이저(1140)는 카메라 모듈(ED80) 또는 이를 포함하는 전자 장치(1101)의 움직임에 반응하여, 렌즈 어셈블리(1110)에 포함된 하나 또는 복수개의 렌즈 또는 이미지센서(1000)를 특정한 방향으로 움직이거나 이미지센서(1000)의 동작 특성을 제어(리드 아웃(Read-Out) 타이밍의 조정 등)하여 움직임에 의한 부정적인 영향이 보상되도록 할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(1140)는 카메라 모듈(ED80)의 내부 또는 외부에 배치된 자이로 센서(미도시) 또는 가속도 센서(미도시)를 이용하여 카메라 모듈(ED80) 또는 전자 장치(ED01)의 움직임을 감지할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(1140)는, 광학식으로 구현될 수도 있다.
메모리(1150)는 이미지센서(1000)를 통하여 획득된 이미지의 일부 또는 전체 데이터가 다음 이미지 처리 작업을 위하여 저장할 수 있다. 예를 들어, 복수의 이미지들이 고속으로 획득되는 경우, 획득된 원본 데이터(Bayer-Patterned 데이터, 고해상도 데이터 등)는 메모리(1150)에 저장하고, 저해상도 이미지만을 디스플레이 해준 후, 선택된(사용자 선택 등) 이미지의 원본 데이터가 이미지 시그널 프로세서(1160)로 전달되도록 하는데 사용될 수 있다. 메모리(1150)는 전자 장치(ED01)의 메모리(ED30)로 통합되어 있거나, 또는 독립적으로 운영되는 별도의 메모리로 구성될 수 있다.
이미지 시그널 프로세서(1160)는 이미지센서(1000)을 통하여 획득된 이미지 또는 메모리(1150)에 저장된 이미지 데이터에 대하여 이미지 처리들을 수행할 수 있다. 이미지 처리들은, 깊이 지도(Depth Map) 생성, 3차원 모델링, 파노라마 생성, 특징점 추출, 이미지 합성, 및/또는 이미지 보상(노이즈 감소, 해상도 조정, 밝기 조정, 블러링(Blurring), 샤프닝(Sharpening), 소프트닝(Softening) 등)을 포함할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1160)는 카메라 모듈(ED80)에 포함된 구성 요소들(이미지센서(1000) 등)에 대한 제어(노출 시간 제어, 또는 리드 아웃 타이밍 제어 등)를 수행할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1160)에 의해 처리된 이미지는 추가 처리를 위하여 메모리(1150)에 다시 저장 되거나 카메라 모듈(ED80)의 외부 구성 요소(메모리(ED30), 표시 장치(ED60), 전자 장치(ED02), 전자 장치(ED04), 서버(ED08) 등)로 제공될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1160)는 프로세서(ED20)에 통합되거나, 프로세서(ED20)와 독립적으로 운영되는 별도의 프로세서로 구성될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1160)가 프로세서(ED20)와 별도의 프로세서로 구성된 경우, 이미지 시그널 프로세서(1160)에 의해 처리된 이미지는 프로세서(ED20)에 의하여 추가의 이미지 처리를 거친 후 표시 장치(ED60)를 통해 표시될 수 있다.
전자 장치(ED01)는 각각 다른 속성 또는 기능을 가진 복수의 카메라 모듈(ED80)들을 포함할 수 있다. 이런 경우, 복수의 카메라 모듈(ED80)들 중 하나는 광각 카메라이고, 다른 하나는 망원 카메라일 수 있다. 유사하게, 복수의 카메라 모듈(ED80)들 중 하나는 전면 카메라이고, 다른 하나는 후면 카메라일 수 있다.
실시예들에 따른 이미지센서(1000)는 모바일폰 또는 스마트폰, 태블릿 또는 스마트 태블릿, 디지털 카메라 또는 캠코더, 노트북 컴퓨터, 텔레비전 또는 스마트 텔레비전 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트폰 또는 스마트 태블릿은 고해상 이미지센서가 각각 탑재된 복수의 고해상 카메라를 포함할 수 있다. 고해상 카메라들을 이용하여 영상 내 피사체들의 깊이 정보를 추출하거나, 영상의 아웃포커싱을 조절하거나, 영상 내 피사체들을 자동으로 식별할 수 있다.
또한, 이미지센서(1000)는 스마트 냉장고, 보안 카메라, 로봇, 의료용 카메라 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트 냉장고는 이미지센서를 이용하여 냉장고 내에 있는 음식을 자동으로 인식하고, 특정 음식의 존재 여부, 입고 또는 출고된 음식의 종류 등을 스마트폰을 통해 사용자에게 알려줄 수 있다. 보안 카메라는 초고해상도 영상을 제공할 수 있으며 높은 감도를 이용하여 어두운 환경에서도 영상 내의 사물 또는 사람을 인식 가능하게 할 수 있다. 로봇(은 사람이 직접 접근할 수 없는 재해 또는 산업 현장에서 투입되어 고해상도 영상을 제공할 수 있다. 의료용 카메라는 진단 또는 수술을 위한 고해상도 영상을 제공할 수 있으며 시야를 동적으로 조절할 수 있다.
또한, 이미지센서(1000)는 차량에 적용될 수 있다. 차량은 다양한 위치에 배치된 복수의 차량용 카메라를 포함할 수 있으며. 각각의 차량용 카메라는 실시예에 따른 이미지센서를 포함할 수 있다. 차량은 복수의 차량용 카메라를 이용하여 차량내부 또는 주변에 대한 다양한 정보를 운전자에게 제공할 수 있으며, 영상 내의 사물 또는 사람을 자동으로 인식하여 자율 주행에 필요한 정보를 제공할 수 있다.
상술한 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지센서 및 이를 포함하는 전자 장치가 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
상술한 이미지 센서, 이의 제조방법 및 이미지 센서를 포함하는 전자 장치가 비록 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1000: 이미지 센서
1100, 1101, 1102: 화소 어레이
110; 센서 기판
120; 스페이서층
130, 135, 138; 색분리 렌즈 어레이
170 ; 컬러필터 어레이
180: 식각 정지층
181: 제1 CMP 정지층
182: 제2 CMP 정지층
NP1, NP2: 제1, 제2 나노포스트
E1, E2: 제1, 제2 주변물질층
LE1, LE2: 제1, 제2 렌즈층
LM1, LM2: 제1, 제2 유전체층
HM1, HM2: 제1, 제2 나노패턴층

Claims (22)

  1. 복수의 광 감지셀을 포함하는 센서 기판;
    상기 센서 기판 상부에 배치된 투명한 스페이서층; 및
    상기 스페이서층 상부에 배치된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며,
    상기 색분리 렌즈 어레이는,
    서브 파장 형상 치수를 가지는 제1 나노포스트와 상기 제1나노포스트 주변에 형성된 제1 주변물질층을 포함하는 제1 렌즈층;과,
    상기 제1렌즈층 상의, 상기 제1 나노포스트 상면을 제외한 전면에 형성되는 제1 CMP 정지층;을 포함하는,
    이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 색분리 렌즈 어레이는
    상기 제1 렌즈층 상에 배치되고, 서브 파장 형상 치수를 가지는 제2 나노포스트와 상기 제2 나노포스트 주변에 형성된 제2 주변물질층(E2)을 포함하는 제2 렌즈층; 및
    싱기 제2렌즈층 상의, 상기 제2 나노포스트 상면을 제외한 전면에 형성되는 제2 CMP 정지층;을 더 포함하는,
    이미지센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 나노포스트와 상기 제2 나노포스트는 서로 연결된 형태인,
    이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 나노포스트의 중심축과 상기 제2나노포스트의 중심축의 이격 거리는 0이상인,
    이미지 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이격 거리는 이미지 센서의 중심에서 멀어질수록 커지는,
    이미지 센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 CMP 정지층 또는 제2 CMP 정지층은 Al2O3, SiN, 또는 HfO2인,
    이미지 센서.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 CMP 정지층 또는 제2 CMP 정지층의 두께는 5nm 이상 50nm 이하인,
    이미지 센서.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서층과 상기 제1 렌즈층 사이에 배치된 식각 정지층을 더 포함하는,
    이미지 센서.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 색분리 렌즈 어레이 상에 배치된 보호층을 더 포함하는,
    이미지 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 보호층은 반사 방지층인,
    이미지 센서.
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 색분리 렌즈 어레이는 입사광 중 제1 파장의 광과 제2 파장의 광을 분리하여 상기 복수의 광 감지셀 중 제1 화소와 제2 화소에 각각 집광되게 하는,
    이미지 센서.
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서층과 상기 센서 기판 사이에 배치된 컬러 필터 어레이;를 더 포함하는,
    이미지 센서.
  13. 광학상을 전기적 신호로 변환하는 제1항의 이미지 센서; 및
    상기 이미지 센서의 동작을 제어하고, 상기 이미지센서에서 생성한 신호를 저장 및 출력하는 프로세서;를 포함하는, 전자 장치.
  14. 복수의 광 감지셀을 구비하는 센서 기판 상부에 스페이서층을 형성하는 단계;
    상기 스페이서층 상에 제1 유전체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 유전체층 상에 제1 CMP 정지층을 형성하는 단계;
    상기 제1 유전체층과 상기 제1 CMP 정지층을 함께 패터닝하여 음각 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제1 유전체층과 다른 굴절률을 가지는 유전체 물질로 상기 제1 음각 패턴 내부를 채우고 상기 제1 CMP 정지층 상부로 연장되는 제1 나노패턴층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 나노패턴층의 영역 중 상기 제1 CMP 정지층 상부에 형성된 부분을 제거하여 제1 렌즈층을 형성하는 단계;를 포함하는,
    이미지 센서 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 스페이서층 상에 상기 제1 유전체층을 형성하기 전에, 식각 정지층을 형성하는 단계;를 더 포함하는,
    이미지 센서 제조방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1렌즈층 상에 보호층을 형성하는 단계;를 더 포함하는,
    이미지 센서 제조방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제1렌즈층 상에 제2렌즈층을 형성하는 단계;를 더 포함하는,
    이미지 센서 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제2 렌즈층을 형성하는 단계는
    상기 제2 렌즈층 상에 제2 유전체층을 형성하는 단계;
    상기 제2 유전체층 상에 제2 CMP 정지층을 형성하는 단계;
    상기 제2 유전체층과 제2 CMP 정지층을 함께 패터닝하여 제2 음각 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제2 유전체층과 다른 굴절률을 가지는 유전체 물질로, 상기 제2 음각 패턴 내부를 채우고 상기 제2 CMP 정지층 상부로 연장되는 제2 나노패턴층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 나노패턴층의 영역 중 상기 제2 CMP 정지층 상부에 형성된 부분을 제거하는 단계;를 포함하는,
    이미지 센서 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제2 음각 패턴을 형성하는 단계는
    상기 제2 음각 패턴의 중심축은 상기 제1 음각 패턴의 중심축과의 이격 거리가 0이상인,
    이미지 센서 제조방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제2 렌즈층 상에 보호층을 형성하는 단계;를 더 포함하는,
    이미지 센서 제조방법.
  21. 제14항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 CMP 정지층 또는 제2 CMP 정지층은 Al2O3, SiN, 또는 HfO2인,
    이미지 센서 제조방법.
  22. 제14항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 CMP 정지층 또는 제2 CMP 정지층의 두께는 5nm 이상 50nm 이하인,
    이미지 센서 제조 방법.
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