KR20240028180A - 이미지 센서 - Google Patents

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KR20240028180A
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KR1020220106348A
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서재관
박노산
양원춘
유기범
유하람
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명의 기술적 사상은 픽셀; 픽셀 상에 배치되는 후면 반사 방지층; 상기 후면 반사 방지층 상에 배치되는 컬러 필터; 상기 컬러 필터 상에 배치되는 컬러 필터 커버층; 상기 컬러 필터 커버층 상에 배치되는 패시베이션 층; 상기 패시베이션 층 상에 배치되는 마이크로렌즈; 상기 마이크로렌즈 상에 배치되는 제1 캡핑 층; 및 상기 제1 캡핑 층 상에 배치되는 제2 캡핑 층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 제공한다.

Description

이미지 센서{Image Sensor}
본 개시는 이미지 센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로, CMOS 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지(또는 화상)를 촬영하여 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서, 예컨대 씨모스형(CMOS) 이미지 센서는 디지털 카메라, 휴대 전화용 카메라 및 휴대용 캠코더와 같은 일반 소비자용 전자 기기뿐만 아니라, 자동차, 보안장치 및 로봇에 장착되는 카메라에도 사용될 수 있다.
이미지 센서는 2차원적으로 배열된 복수의 픽셀들을 구비할 수 있다. 이미지 센서의 고성능화 및 고집적화를 통해, 복수의 픽셀들의 크기가 감소하고 있다.
본 개시가 해결하고자 하는 과제는 이미지 품질이 향상되고, 크기가 축소된 이미지 센서를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 기술적 사상은 픽셀; 픽셀 상에 배치되는 후면 반사 방지층; 상기 후면 반사 방지층 상에 배치되는 컬러 필터; 상기 컬러 필터 상에 배치되는 컬러 필터 커버층; 상기 컬러 필터 커버층 상에 배치되는 패시베이션 층; 상기 패시베이션 층 상에 배치되는 마이크로렌즈; 상기 마이크로렌즈 상에 배치되는 제1 캡핑 층; 및 상기 제1 캡핑 층 상에 배치되는 제2 캡핑 층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 제공한다.
상술한 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 또 다른 기술적 사상은 제1 픽셀; 상기 제1 픽셀과 수평 방향으로 이격되어 배치되는 제2 픽셀; 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀 사이에 배치되는 픽셀 분리 구조체; 상기 제1 픽셀, 상기 제2 픽셀, 및 상기 픽셀 분리 구조체 상에 배치된 후면 반사 방지층; 상기 후면 반사 방지층 상에 배치되며, 상기 제1 픽셀 상에 배치되는 제1 컬러 필터 및 상기 제2 픽셀 상에 배치되는 제2 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터; 상기 컬러 필터 상에 배치되는 컬러 필터 커버층; 상기 컬러 필터 커버층 상에 배치되는 패시베이션 층; 상기 패시베이션 층 상에 배치되는 마이크로렌즈; 상기 마이크로렌즈 상에 배치되는 제1 캡핑 층; 및 상기 제1 캡핑 층 상에 배치되는 제2 캡핑 층;을 포함하고, 상기 컬러 필터 커버층은 상기 컬러 필터 상에서 컨포멀하게 도포되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 제공한다.
상술한 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 또 다른 기술적 사상은 제1 픽셀; 상기 제1 픽셀과 수평 방향으로 이격되어 배치되는 제2 픽셀; 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀 사이에 배치되는 픽셀 분리 구조체; 상기 제1 픽셀, 상기 제2 픽셀, 및 상기 픽셀 분리 구조체 상에 배치된 제1 후면 반사 방지층; 상기 제1 후면 반사 방지층 상에 배치되며 상기 픽셀 분리 구조체와 정렬되는 펜스; 상기 제1 후면 반사 방지층 및 상기 펜스 상의 제2 후면 반사 방지층; 상기 제2 후면 반사 방지층 상에 배치되며, 상기 제1 픽셀 상에 배치되는 제1 컬러 필터 및 상기 제2 픽셀 상에 배치되는 제2 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터; 상기 컬러 필터 상에 배치되는 컬러 필터 커버층; 상기 컬러 필터 커버층 상에 배치되는 패시베이션 층; 상기 패시베이션 층 상에 배치되는 마이크로렌즈; 상기 마이크로렌즈 상에 배치되는 제1 캡핑 층; 및 상기 제1 캡핑 층 상에 배치되는 제2 캡핑 층;을 포함하고, 상기 컬러 필터 커버층은 상기 컬러 필터 상에서 컨포멀하게 도포되며, 상기 제2 캡핑 층은 상기 마이크로렌즈 상에서 컨포멀하게 도포되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 제공한다.
본 발명에 따른 이미지 센서는, 컬러 필터 상에 배치되는 컬러 필터 커버층을 포함하여, 패시베이션 층의 두께를 감소시켜 크기가 감소할 수 있다.
본 발명에 따른 이미지 센서는, 마이크로렌즈 상에 두 겹의 캡핑층을 포함하여, 외부 오염에 대해 마이크로렌즈를 보호할 수 있어, 이미지 품질이 향상되고, 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 블록도이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀들의 회로도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 평면 배치도이다.
도 4는 도 3의 A-A’선을 따라 자른 이미지 센서의 단면도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 도 4의 V 영역의 이미지 센서의 확대도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 7a 내지 도 7g는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8a 및 도 8b는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 10은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 이용한 카메라의 구성도이다.
도 11은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함한 이미징 시스템에 대한 블럭 구조도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)는 제1 기판(2) 및 제2 기판(7)을 포함하는 적층형 이미지 센서일 수 있다. 이미지 센서(100)는 씨모스형(CMOS) 이미지 센서일 수 있다. 도 2 내지 도 8b에서 설명하는 본 발명의 기술적 사상은 제1 기판(2)에 주로 적용될 수 있다.
이미지 센서(100)는 제1 기판(2) 및 제2 기판(7)을 포함할 수 있다. 이미지 센서(100)는 제2 기판(7) 상에 제1 기판(2)을 적층 및 접합하여 구성할 수 있다. 제1 기판(2)은 픽셀 회로를 포함하는 센서 기판일 수 있다. 제2 기판(7)은 픽셀 회로를 구동하기 위한 로직 회로가 형성되어 있고 제1 기판(2)을 지지하는 지지 기판일 수 있다. 제1 기판(2) 및 제2 기판(7)은 전기적으로 연결될 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 제1 기판(2)에 광전 변환 영역을 포함하는 단위 픽셀(PX, 또는 단위 화소)이 규칙적으로 2차원적으로 배열된 픽셀 어레이 영역(4)이 마련되어 있다. 픽셀 어레이 영역(4)에는 픽셀 구동선들(5)이 행방향으로 배선되고 수직 신호선들(6)이 열방향으로 배선되어 있다.
하나의 단위 픽셀(PX)은 1개의 픽셀 구동선(5)과 1개의 수직 신호선(6)에 접속되는 상태로 배치되어 있다. 각 단위 픽셀(PX)에는, 광전 변환부, 및 전하 축적부와, 트랜지스터들, 예컨대 MOS(metal oxide semiconductor) 트랜지스터, 및/또는 용량 소자 등으로 구성된 픽셀 회로가 마련될 수 있다.
제2 기판(7)에는 제1 기판(2)에 마련된 각 단위 픽셀(PX)을 구동하기 위한 수직 구동 회로(8), 칼럼 신호 처리 회로(9), 수평 구동 회로(11), 및 시스템 제어 회로(13) 등의 로직 회로가 마련될 수 있다. 이미지 센서(100)는 수평 구동 회로(11)를 통하여 전압(Vout, 출력 전압)이 출력될 수 있다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀들의 회로도이다.
도 2를 참조하면, 이미지 센서(100)에서, 복수의 픽셀(PX)은 매트릭스 형태 또는 어레이 형태로 배열될 수 있다. 복수의 픽셀(PX) 각각은 전송 트랜지스터(TX)와 로직 트랜지스터들(RX, SX, DX)을 포함할 수 있다.
로직 트랜지스터들(RX, SX, DX)은 리셋 트랜지스터(RX), 선택 트랜지스터(SX), 및 드라이브 트랜지스터(DX)(또는 소스 팔로워 트랜지스터)를 포함할 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 게이트(RG)를 포함하고, 선택 트랜지스터(SX)는 선택 게이트(SG)를 포함하며, 전송 트랜지스터(TX)는 전송 게이트(TG)를 포함할 수 있다.
복수의 픽셀(PX) 각각은 광전 변환 소자(PD) 및 플로팅 확산 영역(FD)을 포함할 수 있다. 광전 변환 소자(PD)는 도 3 내지 도 8b에서 설명하는 광전 변환 영역에 대응될 수 있다. 광전 변환 소자(PD)는 외부에서 입사된 빛의 양에 비례하여 광전하들을 생성 및 축적할 수 있고, 포토 다이오드, 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트, 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 및 이들의 조합이 사용될 수 있다.
전송 트랜지스터(TX)는 전송 게이트(TG)에 전달되는 전송 제어 신호에 의해 동작할 수 있다. 전송 게이트(TG)는 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 전하를 플로팅 확산 영역(FD, Floating Diffusion)으로 전송할 수 있다. 플로팅 확산 영역(FD)은 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 전하를 전송받아 누적으로 저장할 수 있다. 광전 변환 소자(PD)에서 생성되는 전하는 전송 트랜지스터(TX)에 의해 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달되어 축적될 수 있다. 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 광전하들의 양에 따라 드라이브 트랜지스터(DX)가 제어될 수 있다.
리셋 트랜지스터(RX)는 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하들을 주기적으로 리셋시킬 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 게이트(RG)를 통해 전달되는 리셋 제어 신호에 의해 동작할 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)의 드레인 전극은 플로팅 확산 영역(FD)과 연결되며 소스 전극은 전원 전압(VDD)에 연결된다.
리셋 제어 신호에 의해 리셋 트랜지스터(RX)가 턴-온(turn-on)되면, 리셋 트랜지스터(RX)의 소스 전극과 연결된 전원 전압(VDD)이 상기 플로팅 확산 영역(FD)으로 전달된다. 리셋 트랜지스터(RX)가 턴-온될 때 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하들이 배출되어 플로팅 확산 영역(FD)이 리셋될 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)는 플로팅 확산 영역(FD)의 전압을 전원 전압(VDD)으로 리셋할 수 있다.
드라이브 트랜지스터(DX)는 복수의 픽셀(PX) 외부에 위치하는 전류원(도시 생략)과 연결되어 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier)로 기능한다. 드라이브 트랜지스터(DX)는 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하를 증폭시켜 선택 트랜지스터(SX)로 전달할 수 있다. 드라이브 트랜지스터(DX)는 플로팅 확산 영역(FD)에서의 전위 변화를 증폭하고 이를 출력 전압(Vout)으로 출력한다.
선택 트랜지스터(SX)는 행 단위로 복수의 픽셀(PX)을 선택할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)는 선택 게이트(SG)로 전달되는 선택 제어 신호에 의해 단위 픽셀이 선택될 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)가 턴-온될 때 전원 전압(VDD)이 선택 트랜지스터(SX)의 소스 전극으로 전달될 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)는 선택 제어 신호에 의해 동작할 수 있으며, 스위칭 및 어드레싱 동작을 수행할 수 있다. 선택 제어 신호가 선택 트랜지스터(SX)에 인가되면, 선택 트랜지스터(SX)는 단위 픽셀에 연결된 출력 전압(Vout)을 출력할 수 있다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 평면 배치도이다. 도 4는 도 3의 A-A’선을 따라 자른 이미지 센서의 단면도이다. 도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 도 4의 V 영역의 이미지 센서의 확대도이다. 도 3에서는 편의를 위해, 픽셀 분리 구조체(150) 상에 제1 내지 제4 픽셀(PX1, PX2, PX3, PX4)만 예시적으로 도시하였다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 이미지 센서(100)는 기판(110), 광전 변환 영역(120), 전송 게이트(TG), 전면 구조물(130), 지지 기판(140), 픽셀 분리 구조체(150), 제1 후면 반사 방지 층(162), 펜스(163), 제2 후면 반사 방지 층(164), 배리어 금속 층(166), 제3 후면 반사 방지 층(161), 컬러 필터 커버층(165), 패시베이션 층(167), 컬러 필터(170), 마이크로렌즈(180), 제1 캡핑 층(191) 및 제2 캡핑 층(192)을 포함할 수 있다. 도 3 내지 도 5의 기판(110)은 도 1의 제1 기판(2)에 대응될 수 있고, 도 3 내지 도 5의 지지 기판(140)은 도 1의 제2 기판(7)에 대응될 수 있다.
기판(110)은 제1 면(110F1)과 제2 면(110F2)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기판(110)은 Ⅳ족 반도체 물질, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질과 같은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 Ⅳ족 반도체 물질은 예를 들어 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 또는 실리콘(Si)-게르마늄(Ge)을 포함할 수 있다. 상기 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질은 예를 들어 갈륨비소(GaAs), 인듐인(InP), 갈륨인(GaP), 인듐비소(InAs), 인듐 안티몬(InSb), 또는 인듐갈륨비소(InGaAs)를 포함할 수 있다. 상기 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질은 예를 들어 텔루르화 아연(ZnTe), 또는 황화카드뮴(CdS)을 포함할 수 있다.
반도체 기판(110)은 P 형 반도체 기판을 포함할 수 있다. 예를 들면, 반도체 기판(110)은 P형 실리콘 기판으로 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 반도체 기판(110)은 P 형 벌크 기판과 그 위에 성장된 P 형 또는 N 형 에피층을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 반도체 기판(110)은 N 형 벌크 기판과, 그 위에 성장된 P 형 또는 N 형 에피층을 포함할 수 있다. 대안적으로, 기판(110)은 유기(organic) 플라스틱 기판으로 이루어질 수 있다.
광전 변환 영역(120)은 기판(110) 내에 배치될 수 있다. 광전 변환 영역에서 광 신호가 전기 신호로 변환될 수 있다. 광전 변환 영역(120)은 기판(110) 내부에 형성된 포토 다이오드 영역(도시 생략)과 웰 영역(도시 생략)을 포함할 수 있다. 광전 변환 영역(120)은 기판(110)과 반대인 도전형의 불순물들이 도핑된 불순물 영역들일 수 있다.
전송 게이트(TG)는 기판(110) 내에 배치될 수 있다. 전송 게이트(TG)는 기판(110)의 제1 면(110F1)으로부터 기판(110)의 내부로 연장될 수 있다. 전송 게이트(TG)는 전송 트랜지스터(TX, 도 2 참조)의 일부일 수 있다. 기판(110)의 제1 면(110F1) 상에는 예를 들어, 광전 변환 영역(120)에서 생성된 전하를 플로팅 확산 영역(FD)에 전송하도록 구성되는 전송 트랜지스터(TX), 플로팅 확산 영역(FD)에 저장되어 있는 전하를 주기적으로 리셋시키도록 구성되는 리셋 트랜지스터(RX), 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며 상기 플로팅 확산 영역에 충전된 전하에 따른 신호를 버퍼링하도록 구성되는 드라이브 트랜지스터(DX), 및 복수의 픽셀(PX)을 선택하기 위한 스위칭 및 어드레싱 역할을 하는 선택 트랜지스터(SX)가 형성될 수 있다.
도 4에 도시되지 않았으나, 기판(110)의 제1 면(110F1) 상에는 활성 영역(도시 생략) 및 플로팅 확산 영역(floating diffusion region)(FD)을 정의하는 소자 분리막(도시 생략)이 더 형성될 수 있다.
광전 변환 영역(120), 전송 게이트(TG), 복수의 트랜지스터, 및 플로팅 확산 영역은 픽셀(PX)을 형성할 수 있다. 이후 도 4를 참조하여 픽셀(PX)의 구성 요소들이 보다 상세히 설명된다.
복수의 픽셀(PX)은 2차원적으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 제2 픽셀(PX2) 및 제3 픽셀(PX3)은 제1 픽셀(PX1)로부터 제1 수평 방향(X 방향)으로 이격되고, 제4 픽셀(PX4)은 제3 픽셀(PX3)로부터 제2 수평 방향(Y 방향)으로 이격될 수 있다. 제4 픽셀(PX4)은 제2 픽셀(PX2)로부터 대각 방향(D 방향)으로 이격될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 수평 방향(X 방향)은 제2 수평 방향(Y 방향)에 수직할 수 있다. 일부 실시예에서, 대각 방향(D 방향)은 제1 수평 방향(X 방향) 및 제2 수평 방향(Y 방향)에 대하여 비스듬할 수 있다. 일부 실시예에서, 대각 방향(D 방향)은 제1 수평 방향(X 방향) 및 제2 수평 방향(Y 방향)과 45도를 이룰 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 대각 방향(D 방향)은 제1 수평 방향(X 방향) 및 제2 수평 방향(Y 방향)과 다른 각도를 이룰 수 있다.
픽셀 분리 구조체(150)는 기판(110)을 관통하며, 하나의 픽셀(PX)을 인접한 픽셀(PX)로부터, 예를 들어 제3 픽셀(PX3)을 제2 픽셀(PX2)로부터, 및 제3 픽셀(PX3)을 제4 픽셀(PX4)로부터 물리적으로 및 전기적으로 분리시킬 수 있다. 평면도에서, 픽셀 분리 구조체(150)는 메시 형상 또는 그리드 형상으로 배치될 수 있다. 즉, 픽셀 분리 구조체(150)는 복수의 픽셀(PX) 사이에 연장될 수 있다. 예를 들어, 픽셀 분리 구조체(150)는 제1 픽셀(PX1)과 제2 픽셀(PX2) 사이, 제1 픽셀(PX1)과 제3 픽셀(PX3) 사이, 제2 픽셀(PX2)과 제4 픽셀(PX4) 사이, 및 제3 픽셀(PX3)과 제4 픽셀(PX4) 사이에 연장될 수 있다. 도 4에 도시된 것과 같이, 픽셀 분리 구조체(150)는 기판(110)의 제1 면(110F1)으로부터 제2 면(110F2)까지 연장될 수 있다.
픽셀 분리 구조체(150)는 도전층(152)과 절연 라이너(154)를 포함할 수 있다. 도전층(152)과 절연 라이너(154) 각각은 기판(110)의 제1 면(110F1)부터 제2 면(110F2)까지 기판(110)을 관통할 수 있다. 절연 라이너(154)는 기판(110)과 도전층(152) 사이에 배치되어 도전층(152)을 기판(110)으로부터 전기적으로 분리할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 도전층(152)은 폴리실리콘 또는 금속 등의 도전 물질을 포함할 수 있다. 절연 라이너(154)는 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물, 탄탈륨 산화물 등과 같은 금속 산화물을 포함할 수 있고, 이러한 경우에, 절연 라이너(154)는 음의 고정 전하층(negative fixed charge layer)으로 작용할 수 있다. 다른 실시예들에서, 절연 라이너(154)는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 등의 절연 물질을 포함할 수 있다.
기판(110)의 제1 면(110F1) 상에는 전면 구조물(front side structure, 130)이 배치될 수 있다. 전면 구조물(130)은 배선층(134) 및 절연층(136)을 포함할 수 있다. 절연층(136)은 기판(110)의 제1 면(110F1) 상에서 배선층(134)을 전기적으로 분리할 수 있다.
배선층(134)은 기판(110)의 제1 면(110F1) 상의 트랜지스터와 전기적으로 연결될 수 있다. 배선층(134)은 텅스텐, 알루미늄, 구리, 텅스텐 실리사이드, 티타늄 실리사이드, 텅스텐 질화물, 티타늄 질화물, 도핑된 폴리실리콘 등을 포함할 수 있다. 절연층(136)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 저유전(low-k) 물질 등의 절연 물질을 포함할 수 있다. 상기 저유전 물질은 예를 들어, FOX(Flowable Oxide), TOSZ(Torene SilaZene), USG(Undoped Silica Glass), BSG(Borosilica Glass), PSG(PhosphoSilica Glass), BPSG(BoroPhosphoSilica Glass), PETEOS(Plasma Enhanced Tetra Ethyl Ortho Silicate), FSG(Fluoride Silicate Glass), CDO(Carbon Doped silicon Oxide), Xerogel, Aerogel, Amorphous Fluorinated Carbon, OSG(Organo Silicate Glass), Parylene, BCB(bis-benzocyclobutenes), SiLK, polyimide, porous polymeric material 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
선택적으로, 전면 구조물(130) 상에는 지지 기판(140)이 배치될 수 있다. 지지 기판(140)과 전면 구조물(130) 사이에는 접착 부재(도시 생략)가 더 배치될 수 있다.
제1 후면 반사 방지 층(162)은 기판(110)의 제2 면(110F2) 상에 배치될 수 있다. 즉, 제1 후면 반사 방지 층(162)은 모든 픽셀(PX) 및 픽셀 분리 구조체(150) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 후면 반사 방지 층(162)은 하프늄 산화물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 후면 반사 방지 층(162)은 질화실리콘(SiN), 산화알루미늄(Al2O3), 산화지르코늄(ZrO2), 산화탄탈(Ta2O5), 산화티탄(TiO2), 산화란탄(La2O3), 산화프라세오디뮴(Pr2O3), 산화세륨(CeO2), 산화네오디뮴(Nd2O3), 산화프로메튬(Pm2O3), 산화사마륨(Sm2O3), 산화유로퓸(Eu2O3), 산화가돌리늄(Gd2O3), 산화테르븀(Tb2O3), 산화디스프로슘(Dy2O3), 산화홀뮴(Ho2O3), 산화툴륨(Tm2O3), 산화이테르븀(Yb2O3), 산화루테튬(Lu2O3), 또는 산화이트륨(Y2O3)을 포함할 수 있다.
펜스(163)는 제1 후면 반사 방지 층(162) 상에 배치될 수 있다. 펜스(163)는 평면도 상에서 픽셀 분리 구조체(150)와 수직 방향(Z 방향)으로 중첩될 수 있다. 즉, 펜스(163)는 평면도 상에서 픽셀(PX) 사이를 따라 연장될 수 있다. 예를 들어, 평면도 상에서, 펜스(163)는 제1 픽셀(PX1)과 제2 픽셀(PX2) 사이, 제1 픽셀(PX1)과 제3 픽셀(PX3) 사이, 제2 픽셀(PX2)과 제4 픽셀(PX4) 사이, 및 제3 픽셀(PX3)과 제4 픽셀(PX4) 사이에 연장될 수 있다.
일부 실시예에서, 펜스(163)는 저굴절률 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 저굴절율 물질은 약 1.0보다 크고 약 1.4보다 작거나 같은 굴절률을 가질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 저굴절률 물질은 PMMA(polymethylmetacrylate), 실리콘 아크릴레이트(silicon acrylate), CAB(cellulose acetatebutyrate), 실리카(silica), 또는 FSA(fluoro-silicon acrylate)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 저굴절율 물질은 실리카(SiOx) 입자들이 분산된 폴리머 물질을 포함할 수 있다.
펜스(163)가 상대적으로 낮은 굴절율을 가지는 저굴절률 물질을 포함하는 경우, 펜스(163)를 향해 입사되는 광이 전반사되어 픽셀(PX)의 중심부 방향으로 지향될(directed) 수 있다. 펜스(163)는 하나의 픽셀(PX) 상에 배치되는 컬러 필터(170) 내부로 비스듬하게 입사하는 광이 인접한 픽셀(PX) 상에 배치되는 컬러 필터(170)로 진입하는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 복수의 픽셀들(PX) 사이의 크로스토크가 방지될 수 있다.
제2 후면 반사 방지 층(164)은 제1 후면 반사 방지 층(162) 및 펜스(163) 상에 배치될 수 있다. 즉, 제2 후면 반사 방지 층(164)은 제1 후면 반사 방지 층(162) 및 펜스(163)를 덮을 수 있다. 구체적으로, 제2 후면 반사 방지 층(164)은 제1 후면 반사 방지 층(162)의 상면, 펜스(163)의 측면, 및 펜스(163)의 상면 상에 배치될 수 있다.
제2 후면 반사 방지 층(164)은 일부 실시예에서 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 후면 반사 방지 층(164)은 질화실리콘(SiN), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화지르코늄(ZrO2), 산화탄탈(Ta2O5), 산화티탄(TiO2), 산화란탄(La2O3), 산화프라세오디뮴(Pr2O3), 산화세륨(CeO2), 산화네오디뮴(Nd2O3), 산화프로메튬(Pm2O3), 산화사마륨(Sm2O3), 산화유로퓸(Eu2O3), 산화가돌리늄(Gd2O3), 산화테르븀(Tb2O3), 산화디스프로슘(Dy2O3), 산화홀뮴(Ho2O3), 산화툴륨(Tm2O3), 산화이테르븀(Yb2O3), 산화루테튬(Lu2O3), 또는 산화이트륨(Y2O3)을 포함할 수 있다.
배리어 금속 층(166)은 펜스(163)의 하면 상에 배치될 수 있다. 즉, 배리어 금속 층(166)은 펜스(163)와 제1 후면 반사 방지 층(162) 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서 배리어 금속 층(166)은 티타늄 질화물과 같은 배리어 금속을 포함할 수 있다.
제3 후면 반사 방지 층(161)은 제1 후면 반사 방지 층(162)과 픽셀들(PX) 사이 및 제1 후면 반사 방지 층(162)과 픽셀 분리 구조체(150) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 제3 후면 반사 방지 층(161)은 제1 후면 반사 방지 층(162)과 기판(110) 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서 제3 후면 반사 방지 층(161)은 예를 들어 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제3 후면 반사 방지 층(161)은 질화실리콘(SiN), 산화하프늄(HfO2), 산화지르코늄(ZrO2), 산화탄탈(Ta2O5), 산화티탄(TiO2), 산화란탄(La2O3), 산화프라세오디뮴(Pr2O3), 산화세륨(CeO2), 산화네오디뮴(Nd2O3), 산화프로메튬(Pm2O3), 산화사마륨(Sm2O3), 산화유로퓸(Eu2O3), 산화가돌리늄(Gd2O3), 산화테르븀(Tb2O3), 산화디스프로슘(Dy2O3), 산화홀뮴(Ho2O3), 산화툴륨(Tm2O3), 산화이테르븀(Yb2O3), 산화루테튬(Lu2O3), 또는 산화이트륨(Y2O3)을 포함할 수 있다.
컬러 필터 커버층(165)은 복수의 컬러 필터(170) 각각의 상면 및 측면의 일부를 덮으며 배치될 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터 커버층(165)은 복수의 컬러 필터(170) 각각의 상면 및 측면의 일부를 컨포말하게 덮으며 배치될 수 있다. 컬러 필터 커버층(165)은 복수의 컬러 필터를 보호할 수 있다. 일부 실시예에서, 컬러 필터 커버층(165)은 실리콘 산화물 및/또는 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 컬러 필터 커버층(165)은 질화실리콘(SiN), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화지르코늄(ZrO2), 산화탄탈(Ta2O5), 산화티탄(TiO2), 산화란탄(La2O3), 산화프라세오디뮴(Pr2O3), 산화세륨(CeO2), 산화네오디뮴(Nd2O3), 산화프로메튬(Pm2O3), 산화사마륨(Sm2O3), 산화유로퓸(Eu2O3), 산화가돌리늄(Gd2O3), 산화테르븀(Tb2O3), 산화디스프로슘(Dy2O3), 산화홀뮴(Ho2O3), 산화툴륨(Tm2O3), 산화이테르븀(Yb2O3), 산화루테튬(Lu2O3), 또는 산화이트륨(Y2O3)을 포함할 수 있다. 컬러 필터 커버층(165)의 수직 방향(Z 방향) 두께인 제1 두께(T1)는 예를 들어 약 5nm 내지 약 35nm일 수 있다. 컬러 필터 커버층(165)은 복수의 컬러 필터(170) 각각의 수직 방향(Z 방향) 두께에 관계없이 동일한 제1 두께(T1)를 가질 수 있다. 또한, 컬러 필터 커버층(165)의 제1 수평 방향(X 방향) 폭인 제1 폭(W1)은 예를 들어 약 5nm 내지 약 35nm일 수 있다.
패시베이션 층(167)은 제2 후면 반사 방지 층(164) 및 컬러 필터 커버층(165) 상에 배치될 수 있다. 패시베이션 층(167)은 제1 후면 반사 방지 층(162), 펜스(163), 제2 후면 반사 방지 층(164) 및 컬러 필터 커버층(165)을 보호할 수 있다. 패시베이션 층(167)은 일부 실시예에서 예를 들어 스티렌계 수지, 아크릴계 수지, 스티렌-아크릴 공중합계 수지, 또는 실록산계 수지 등의 수지계 재료를 포함할 수 있다. 패시베이션 층(167)의 수직 방향(Z 방향) 두께는 복수의 컬러 필터(170) 각각의 수직 방향(Z 방향) 두께에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 패시베이션 층(167)의 수직 방향(Z 방향) 두께는 제2 내지 제4 두께(T2, T3, T4)일 수 있다. 예를 들어, 제2 두께(T2)는 약 50nm 내지 약 200nm 일 수 있고, 제3 두께(T3)는 약 100nm 내지 250nm일 수 있고, 제4 두께(T4)는 약 50nm 이하일 수 있다. 패시베이션 층(167)의 하면은 단차부를 가질 수 있으며, 패시베이션 층(167)의 상면은 대략 평평한(flat) 형상을 가질 수 있다.
복수의 컬러 필터(170)는 패시베이션 층(167) 상에 배치될 수 있으며 펜스(163)에 의해 서로 분리될 수 있다. 평면도에서, 복수의 컬러 필터(170)는 픽셀(PX)에 대응하도록 배치될 수 있다. 복수의 컬러 필터(170)는 예를 들어 녹색 필터, 청색 필터, 및 적색 필터의 조합일 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 컬러 필터(170)는 예를 들어 시안(cyan), 마젠타(magenta), 또는 황색(yellow)의 조합일 수 있다.
복수의 컬러 필터(170)는 서로 상이한 필터를 포함하는 제1 컬러 필터(170-1), 제2 컬러 필터(170-2) 및 제3 컬러 필터(170-3)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 컬러 필터(170-1)는 녹색 필터, 제2 컬러 필터(170-2)는 청색 필터 및 제3 컬러 필터(170-3)는 적색 필터일 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이며, 제1 내지 제3 컬러 필터(170-1, 170-2, 170-3)의 필터 조합은 다양하게 변형될 수 있다. 복수의 컬러 필터(170) 각각의 하면은 동일한 수직 레벨에 위치할 수 있고, 복수의 컬러 필터(170) 각각의 상면은 서로 상이한 수직 레벨에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 적색 필터는 가장 두꺼울 수 있고, 녹색 필터는 청색 필터보다는 두껍지만, 적색 필터보다는 얇을 수 있다. 예를 들어, 청색 필터는 가장 얇을 수 있다. 그러나, 적색 필터, 녹색 필터, 청색 필터의 두께의 관계는 이에 한정되지 않으며, 다양하게 변형될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제3 컬러 필터(170-3)의 수직 방향(Z 방향) 두께가 가장 두껍고, 제2 컬러 필터(170-2)의 수직 방향(Z 방향) 두께가 가장 얇을 수 있다. 따라서, 제3 컬러 필터(170-3) 상에 배치되는 패시베이션 층(167)의 수직 방향(Z 방향) 두께는 제4 두께(T4)로, 패시베이션 층(167) 중에서 가장 얇은 수직 방향(Z 방향) 두께일 수 있다. 또한, 제2 컬러 필터(170-2) 상에 배치되는 패시베이션 층(167)의 수직 방향(Z 방향) 두께는 제3 두께(T3)로, 패시베이션 층(167) 중에서 가장 두꺼운 수직 방향(Z 방향) 두께일 수 있다.
마이크로렌즈(180)가 컬러 필터(170) 및 패시베이션 층(167) 상에 배치될 수 있다. 평면도에서, 마이크로렌즈(180)는 픽셀(PX)에 대응하도록 배치될 수 있다. 마이크로렌즈(180)는 투명할 수 있다. 예를 들어, 마이크로렌즈(180)는 가시광선 영역의 빛에 대해 90% 이상의 투과율을 가질 수 있다. 가시 광선 영역의 빛은 약 380nm 내지 약 770nm의 파장을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 마이크로렌즈(180)는 포토레지스트(photo resist)가 리플로우 되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 마이크로렌즈(180)는 굴절률이 약 1.7 이상인 고굴절률 물질을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 마이크로렌즈(180)는 예를 들어 스티렌계 수지, 아크릴계 수지, 스티렌-아크릴 공중합계 수지, 또는 실록산계 수지 등의 수지계 재료로 형성될 수 있다. 마이크로렌즈(180)는 입사광을 집광하고, 집광된 광은 컬러 필터(170)를 통해 광전 변환 영역(120)에 입사될 수 있다. 마이크로렌즈(180)는 수직 방향(Z 방향) 두께인 제5 두께(T5)를 가질 수 있다. 제5 두께(T5)의 범위는 약 200nm 내지 약 500nm일 수 있다.
마이크로렌즈(180) 상에 제1 캡핑 층(191)이 배치되고, 제1 캡핑 층(191) 상에 제2 캡핑 층(192)이 배치될 수 있다. 제2 캡핑 층(192)은 제1 캡핑 층(191) 상을 컨포멀하게 덮으며 형성될 수 있다. 제2 캡핑 층(192)이 제1 캡핑 층(191) 상에 컨포멀하게 도포되어, 복수의 마이크로렌즈(180)가 굴곡진 구조를 가져 생기는 골(trough) 구조를 용이하게 보호할 수 있다. 따라서, 제2 캡핑 층(192)은 이미지 센서(100)를 외부의 오염으로부터 용이하게 보호할 수 있다. 제2 캡핑 층(192)은 수직 방향(Z 방향) 두께인 제6 두께(T6)를 가질 수 있다. 제6 두께(T6)의 범위는 약 5nm 내지 약 35nm일 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 캡핑 층(191)은 다공성(porous) 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 캡핑 층(192)은 실리콘 산화물 및/또는 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 캡핑 층(192)은 질화실리콘(SiN), 산화하프늄(HfO2), 산화지르코늄(ZrO2), 산화탄탈(Ta2O5), 산화티탄(TiO2), 산화란탄(La2O3), 산화프라세오디뮴(Pr2O3), 산화세륨(CeO2), 산화네오디뮴(Nd2O3), 산화프로메튬(Pm2O3), 산화사마륨(Sm2O3), 산화유로퓸(Eu2O3), 산화가돌리늄(Gd2O3), 산화테르븀(Tb2O3), 산화디스프로슘(Dy2O3), 산화홀뮴(Ho2O3), 산화툴륨(Tm2O3), 산화이테르븀(Yb2O3), 산화루테튬(Lu2O3), 또는 산화이트륨(Y2O3)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 캡핑 층(192)의 밀도는 제1 캡핑 층(191)의 밀도보다 높을 수 있다. 즉, 제2 캡핑 층(192)은 제1 캡핑 층(191)보다 더욱 밀집한(dense) 물질을 포함할 수 있다.
일반적인 이미지 센서는 컬러 필터 커버층을 포함하지 않아, 상대적으로 두꺼운 패시베이션 층을 포함하였다. 따라서, 이미지 센서의 두께가 상대적으로 높아, 이미지 센서를 포함하는 반도체 패키지의 크기가 상대적으로 큰 단점이 있었다. 또한, 컬러 필터를 보호하는 구조가 상대적으로 미흡하여, 컬러 필터가 오염에 취약하다는 단점이 있었다.
본 개시의 이미지 센서(100)는 컬러 필터(170) 상에 도포되는 컬러 필터 커버층(165)을 포함하여, 컬러 필터(170)를 오염으로부터 보호하여 상대적으로 높은 신뢰성을 가질 수 있다. 또한, 컬러 필터 커버층(165)이 배치되어, 패시베이션 층(167)의 수직 방향(Z 방향) 두께를 상대적으로 감소시켜, 이미지 센서(100)를 포함하는 반도체 패키지의 크기를 상대적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 본 개시의 이미지 센서(100)는 두 겹의 캡핑 층을 포함하여, 외부의 오염으로부터 마이크로렌즈(180)를 효과적으로 보호할 수 있다. 특히, 제2 캡핑 층(192)은 마이크로렌즈(180) 및 제1 캡핑 층(191) 상에 컨포멀하게 도포되어, 마이크로렌즈(180)의 골(trough) 부분까지 보호할 수 있다. 따라서, 이미지 센서(100)의 크로스토크가 감소하여, 이미지 품질이 향상될 수 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다. 이하에서는 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한 이미지 센서(100)와 도 6에 도시된 이미지 센서(100b) 사이의 차이점이 설명된다.
도 6을 참조하면, 이미지 센서(100a)는 픽셀 분리 구조체(150, 도 4 참조) 대신 픽셀 분리 구조체(150a)를 포함할 수 있다. 픽셀 분리 구조체(150a)는 기판(110)을 완전히 관통하지 않을 수 있다. 구체적으로, 픽셀 분리 구조체(150a)는 기판(110)의 제2 면(110F2)부터 기판(110) 내로 연장되나 기판(110)의 제1 면(110F1)까지 도달하지 않을 수 있다.
또한, 이미지 센서(100b)는 전송 게이트(TG, 도 4 참조) 대신 전송 게이트(TGa)를 포함할 수 있다. 전송 게이트(TGa)는 기판(110)의 제1 면(110F1) 상에 형성되며 기판(110) 내로 리세스되지 않을 수 있다.
도 7a 내지 도 7g는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 도 7a 내지 도 7g는 도 3의 A-A’선을 따라 자른 단면도에 대응하는 단면도들을 나타낸다.
도 7a를 참조하면, 서로 반대되는 제1 면(110F1)과 제2 면(110F2)을 가지는 기판(110)을 준비한다. 기판(110)의 제1 면(110F1) 상에 마스크 패턴(도시 생략)을 형성하고, 상기 마스크 패턴을 사용하여 기판(110)의 제1 면(110F1)으로부터 기판(110)의 일부분을 제거하여 트렌치(150T)를 형성할 수 있다.
이후, 트렌치(150T) 내에 절연 라이너(154)와 도전층(152)을 순차적으로 형성하고, 기판(110)의 제1 면(110F1) 상에 배치되는 절연 라이너(154)와 도전층(152) 부분을 평탄화 공정 등에 의해 제거함으로써 트렌치(150T) 내에 픽셀 분리 구조체(150)를 형성할 수 있다.
이후, 기판(110)의 제1 면(110F1)으로부터 이온 주입 공정에 의해 포토다이오드 영역(도시 생략)과 웰 영역(도시 생략)을 포함하는 광전 변환 영역(120)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 포토다이오드 영역은 N 형 불순물을 도핑하여 형성될 수 있고 상기 웰 영역은 P 형 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다.
도 7b를 참조하면, 기판(110)의 제1 면(110F1)으로부터 기판(110)의 내부로 연장되는 전송 게이트(TG)를 형성하고, 기판(110)의 제1 면(110F1) 상의 일부 영역에 이온 주입 공정을 수행하여 플로팅 확산 영역(도시 생략) 및 활성 영역(도시 생략)을 형성할 수 있다. 이로써 제1 내지 제3 픽셀(PX1, PX2, PX3)이 형성될 수 있다.
다음으로, 기판(110)의 제1 면(110F1) 상에 전면 구조물(130)이 형성될 수 있다. 기판(110)의 제1 면(110F1) 상에 도전층(도시 생략)을 형성하고 상기 도전층을 패터닝하고, 상기 패터닝된 도전층을 덮도록 절연층(도시 생략)을 형성하는 단계들을 반복적으로 수행함에 의해, 기판(110) 상에 배선층(134)과 절연층(136)을 형성할 수 있다. 이후, 절연층(136) 상에 지지 기판(140)을 접착시킬 수 있다.
도 7c를 참조하면, 기판(110)의 제2 면(110F2)이 위를 향하도록 기판(110)을 뒤집을 수 있다. 다음으로, 도전층(152)이 노출될 때까지 CMP 공정 또는 에치백 공정 등의 평탄화 공정에 의해 기판(110)의 제2 면(110F2)으로부터 기판(110)의 일부분을 제거할 수 있다. 상기 제거 공정이 수행됨에 따라 기판(110)의 제2 면(110F2)의 수직 레벨은 낮아질 수 있다. 이 때, 픽셀 분리 구조체(150)에 의해 둘러싸이는 하나의 픽셀(PX)은, 이에 인접한 픽셀(PX)과 물리적으로 및 전기적으로 분리될 수 있다.
도 7d를 참조하면, 기판(110)의 제2 면(110F2) 상에 제3 후면 반사 방지 층(161), 제1 후면 반사 방지 층(162), 배리어 금속 층(166), 펜스(163), 제2 후면 반사 방지 층(164) 및 복수의 컬러 필터(170)가 차례로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 후면 반사 방지 층(161)은 알루미늄 산화물로 형성될 수 있고, 제1 후면 반사 방지 층(162)은 하프늄 산화물로 형성될 수 있고, 제2 후면 반사 방지 층(164)은 실리콘 산화물로 형성될 수 있고, 배리어 금속 층(166)은 티타늄 질화물로 형성될 수 있고, 펜스(163)는 저굴절률 물질로 형성될 수 있다. 제2 후면 반사 방지 층(164)은 이베퍼레이션과 같이 직진성이 높은 증착 방법에 의해 형성될 수 있다.
도 7e를 참조하면, 복수의 컬러 필터(170) 상에 컬러 필터 커버층(165) 및 예비 패시베이션 층(167p)을 형성할 수 있다. 컬러 필터 커버층(165)은 복수의 컬러 필터(170) 상에 컨포멀하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터 커버층(165)은 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터 커버층(165)은 실리콘 산화물 및/또는 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다. 컬러 필터 커버층(165)은 원자층 증착법(atomic layer deposition; ALD) 방식으로 컬러 필터(170) 상에 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 컬러 필터 커버층(165)은 화학 증기 증착(chemical vapor deposition; CVD) 및/또는 분자 증기 증착(molecular vapor deposition; MVD) 방식으로 컬러 필터(170) 상에 형성될 수 있다.
컬러 필터 커버층(165) 및 제2 후면 반사 방지 층(164) 상에 예비 패시베이션 층(167p)이 형성될 수 있다. 예비 패시베이션 층(167p)은 스티렌계 수지, 아크릴계 수지, 스티렌-아크릴 공중합계 수지, 또는 실록산계 수지 등의 수지계 재료로 형성될 수 있다.
도 7f를 참조하면, 예비 패시베이션 층(167p, 도 8e 참조)의 상면을 식각하여, 패시베이션 층(167)이 형성될 수 있다. 예비 패시베이션 층(167p, 도 8e 참조)은 CMP 공정 또는 에치백 공정 등의 평탄화 공정에 의해 예비 패시베이션 층(167p, 도 8e 참조)의 상면의 일부분이 제거될 수 있다.
산화물로 형성된 컬러 필터 커버층(165)은 예비 패시베이션 층(167p, 도 8e 참조)을 식각할 때 식각 정지 층으로서 기능할 수 있다. 따라서 추가적인 식각 정지 층을 형성할 필요가 없으므로 제조 공정이 단순화되고 제조 비용 및 제조 시간이 절약될 수 있다.
도 7g를 참조하면, 컬러 필터(170) 및 패시베이션 층(167) 상에 마이크로렌즈 물질 층(도시 생략)이 형성되고, 상기 마이크로렌즈 물질 층 상에 마스크 패턴(도시 생략)이 형성될 수 있다.
다음으로, 리플로우 공정을 수행하여 상기 마스크 패턴을 반구형으로 변형시킬 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 리플로우 공정은 약 100℃ 내지 200℃의 온도에서 수초 내지 수십분 동안 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다음으로, 상기 마스크 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 마이크로렌즈 물질 층을 식각함으로써 마이크로렌즈(180)가 형성될 수 있다.
이후, 마이크로렌즈(180) 상에 제1 캡핑 층(191) 및 제2 캡핑 층(192)이 형성될 수 있다. 이로써 도 4에 도시된 이미지 센서(100)가 완성될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8a를 참조하면, 기판(110)의 제1 면(110F1)으로부터 이온 주입 공정에 의해 포토다이오드 영역(도시 생략)과 웰 영역(도시 생략)을 포함하는 광전 변환 영역(120)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 포토다이오드 영역은 N 형 불순물을 도핑하여 형성될 수 있고 상기 웰 영역은 P 형 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다.
기판(110)의 제1 면(110F1) 상에 전송 게이트(TGa)를 형성하고, 기판(110)의 제1 면(110F1) 상의 일부 영역에 이온 주입 공정을 수행하여 플로팅 확산 영역(도시 생략) 및 활성 영역(도시 생략)을 형성할 수 있다. 이로써 픽셀들(PX1, PX2)이 형성될 수 있다.
다음으로, 기판(110)의 제1 면(110F1) 상에 전면 구조물(130)이 형성될 수 있다. 기판(110)의 제1 면(110F1) 상에 도전층(도시 생략)을 형성하고 상기 도전층을 패터닝하고, 상기 패터닝된 도전층을 덮도록 절연층(도시 생략)을 형성하는 단계들을 반복적으로 수행함에 의해, 기판(110) 상에 배선층(134)과 절연층(136)을 형성할 수 있다. 이후, 절연층(136) 상에 지지 기판(140)을 접착시킬 수 있다.
도 8b를 참조하면, 기판(110)의 제2 면(110F2)이 위를 향하도록 기판(110)을 뒤집을 수 있다. 기판(110)의 제2 면(110F2) 상에 마스크 패턴(도시 생략)을 형성하고, 상기 마스크 패턴을 사용하여 기판(110)의 제2 면(110F2)으로부터 기판(110)의 일부분을 제거하여 트렌치(150Ta)를 형성할 수 있다.
이후, 트렌치(150Ta) 내에 절연 라이너(154)와 도전층(152)을 순차적으로 형성하고, 기판(110)의 제2 면(110F2) 상에 배치되는 절연 라이너(154)와 도전층(152) 부분을 평탄화 공정 등에 의해 제거하여, 트렌치(150Ta) 내에 픽셀 분리 구조체(150a)를 형성할 수 있다.
다음으로, 도 7d 내지 도 7g를 참조하여 설명한 단계들에 따라 제3 후면 반사 방지 층(161), 제1 후면 반사 방지 층(162), 배리어 금속 층(166), 펜스(163), 제2 후면 반사 방지 층(164), 패시베이션 층(167), 컬러 필터(170), 컬러 필터 커버층(165), 마이크로렌즈(180), 제1 캡핑 층(191), 및 제2 캡핑 층(192)이 형성될 수 있다. 이로써 도 6에 도시된 이미지 센서(100a)가 완성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 9를 참조하면, 이미지 센서(210)는 픽셀 어레이(211), 컨트롤러(213), 로우 드라이버(212) 및 픽셀 신호 처리부(214)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(210)는 앞서 설명한 이미지 센서(100, 100a)중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(211)는 2차원적으로 배열된 복수의 단위 픽셀들을 포함할 수 있고, 각 단위 픽셀은 광전 변환 소자를 포함할 수 있다. 광전 변환 소자는 빛을 흡수하여 전하를 생성하고, 생성된 전하에 따른 전기적 신호(출력 전압)는 수직 신호 라인을 통해서 픽셀 신호 처리부(214)로 제공될 수 있다. 픽셀 어레이(211)가 포함하는 단위 픽셀들은 로우(row) 단위로 한번에 하나씩 출력 전압을 제공할 수 있다.
이에 따라 픽셀 어레이(211)의 하나의 로우에 속하는 단위 픽셀들은 로우 드라이버(212)가 출력하는 선택 신호에 의해 동시에 활성화될 수 있다. 선택된 로우에 속하는 단위 픽셀들은 흡수한 빛에 따른 출력 전압을 대응하는 컬럼의 출력 라인에 제공할 수 있다.
컨트롤러(213)는 픽셀 어레이(211)가 빛을 흡수하여 전하를 축적하게 하거나, 축적된 전하를 임시로 저장하게 하고, 저장된 전하에 따른 전기적 신호를 픽셀 어레이(211)의 외부로 출력하게 하도록, 로우 드라이버(212)를 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러(213)는 픽셀 어레이(211)가 제공하는 출력 전압을 측정하도록, 픽셀 신호 처리부(214)를 제어할 수 있다.
픽셀 신호 처리부(214)는 상관 이중 샘플러(CDS, 216), 아날로그-디지털 컨버터(ADC, 218) 및 버퍼(220)를 포함할 수 있다. 상관 이중 샘플러(216)는 픽셀 어레이(211)에서 제공한 출력 전압을 샘플링 및 홀드할 수 있다. 상관 이중 샘플러(216)는 특정한 잡음 레벨과 생성된 출력 전압에 따른 레벨을 이중으로 샘플링하여, 그 차이에 해당하는 레벨을 출력할 수 있다. 또한, 상관 이중 샘플러(216)는 램프 신호 생성기(222)가 생성한 램프 신호를 입력받아 서로 비교하여 비교 결과를 출력할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(218)는 상관 이중 샘플러(216)로부터 수신하는 레벨에 대응하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 버퍼(220)는 디지털 신호를 래치(latch)할 수 있고, 래치된 신호는 순차적으로 이미지 센서(210)의 외부로 출력되어 이미지 프로세서(도시 생략)로 전달될 수 있다.
도 10은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 이용한 카메라의 구성도이다.
도 10을 참조하면, 카메라(230)는 이미지 센서(210)와, 이미지 센서(210)의 수광 센서부에 입사광을 유도하는 광학계(231)와, 셔터 장치(232)와 이미지 센서(210)를 구동하는 구동 회로(234)와, 이미지 센서(210)의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로(236)를 갖는다.
이미지 센서(210)는 앞서 설명한 이미지 센서(100, 100a)중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 광학 렌즈를 포함하는 광학계(231)는 피사체로부터의 이미지 광(image light), 즉, 입사광을 이미지 센서(210)의 촬상면상에 결상시킨다. 이에 의해, 이미지 센서(210) 내에 일정 기간 신호 전하가 축적된다.
이와 같은 광학계(231)는 복수의 광학 렌즈로 구성된 광학 렌즈계로 하여도 좋다. 셔터 장치(232)는 이미지 센서(210)에의 광조사 기간 및 차광 기간을 제어한다. 구동 회로(234)는 이미지 센서(210) 및 셔터 장치(232)에 구동 신호를 공급하고, 공급한 구동 신호 또는 타이밍 신호에 의해, 이미지 센서(210)의 신호 처리 회로(236)에의 신호 출력 동작의 제어, 및 셔터 장치(232)의 셔터 동작을 제어한다.
구동 회로(234)는, 구동 신호 또는 타이밍 신호의 공급에 의해, 이미지 센서(210)로부터 신호 처리 회로(236)에의 신호 전송 동작을 행한다. 신호 처리 회로(236)는 이미지 센서(210)로부터 전송된 신호에 대해, 각종의 신호 처리를 행한다. 신호 처리가 행하여진 영상(비디오) 신호는, 메모리 등의 기억 매체에 기억되거나 또는 모니터에 출력된다.
도 11은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함한 이미징 시스템에 대한 블럭 구조도이다.
도 11을 참조하면, 이미징 시스템(310)은 이미지 센서(210)의 출력 이미지를 처리하는 시스템이다. 이미지 센서(210)는 앞서 설명한 이미지 센서(100, 100a, 100b)중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이미징 시스템(300)은 컴퓨터 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 이미지 안전화 시스템 등 이미지 센서(210)를 장착한 모든 종류의 전기전자 시스템일 수 있다.
컴퓨터 시스템과 같은 프로세서 기반 이미징 시스템(310)은 버스(305)를 통해서 입출력 I/O소자(330)와 커뮤니케이션을 할 수 있는 마이크로프로세서 또는 중앙처리장치(CPU)와 같은 프로세서(320)를 포함할 수 있다. 버스(305)를 통해서 CD ROM 드라이브(350), 포트(360), 및 RAM(340)은 프로세서(320)와 서로 연결되어 데이터를 주고받아, 이미지 센서(210)의 데이터에 대한 출력 이미지를 재생할 수 있다.
포트(360)는 비디오카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 소자 등을 커플링하거나, 또 다른 시스템과 데이터를 통신할 수 있는 포트일 수 있다. 이미지 센서(210)는 CPU, 디지털 신호 처리 장치(DSP) 또는 마이크로프로세서 등의 프로세서들과 함께 같이 집적될 수 있고, 또한, 메모리와 함께 집적될 수도 있다. 물론 경우에 따라서는 프로세서와 별개의 칩으로 집적될 수 있다. 이미징 시스템(310)은 디지털 기기 중 카메라폰, 디지털 카메라 등의 시스템 블록다이어그램일 수 있다.
이상 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형, 치환 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해하여야 한다. 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 100a: 이미지 센서, 163: 펜스, 165: 컬러 필터 커버층, 167: 패시베이션 층, 170: 컬러 필터, 180: 마이크로렌즈, 191: 제1 캡핑층, 192: 제2 캡핑층

Claims (10)

  1. 픽셀;
    픽셀 상에 배치되는 후면 반사 방지층;
    상기 후면 반사 방지층 상에 배치되는 컬러 필터;
    상기 컬러 필터 상에 배치되는 컬러 필터 커버층;
    상기 컬러 필터 커버층 상에 배치되는 패시베이션 층;
    상기 패시베이션 층 상에 배치되는 마이크로렌즈;
    상기 마이크로렌즈 상에 배치되는 제1 캡핑 층; 및
    상기 제1 캡핑 층 상에 배치되는 제2 캡핑 층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 캡핑 층의 밀도는 상기 제1 캡핑 층의 밀도보다 더 큰 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 컬러 필터 커버층은 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈는 고굴절률 물질을 포함하고,
    상기 고굴절률 물질의 굴절률의 범위는 1.7 이상인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제1 픽셀;
    상기 제1 픽셀과 수평 방향으로 이격되어 배치되는 제2 픽셀;
    상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀 사이에 배치되는 픽셀 분리 구조체;
    상기 제1 픽셀, 상기 제2 픽셀, 및 상기 픽셀 분리 구조체 상에 배치된 후면 반사 방지층;
    상기 후면 반사 방지층 상에 배치되며, 상기 제1 픽셀 상에 배치되는 제1 컬러 필터 및 상기 제2 픽셀 상에 배치되는 제2 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터;
    상기 컬러 필터 상에 배치되는 컬러 필터 커버층;
    상기 컬러 필터 커버층 상에 배치되는 패시베이션 층;
    상기 패시베이션 층 상에 배치되는 마이크로렌즈;
    상기 마이크로렌즈 상에 배치되는 제1 캡핑 층; 및
    상기 제1 캡핑 층 상에 배치되는 제2 캡핑 층;을 포함하고,
    상기 컬러 필터 커버층은 상기 컬러 필터 상에서 컨포멀하게 도포되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 컬러 필터 및 상기 제2 컬러 필터 각각의 상면은 상이한 수직 레벨에 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 캡핑 층은 상기 마이크로렌즈 상에서 컨포멀하게 도포되고,
    상기 컬러 필터 커버층 및 상기 제2 캡핑 층은 동일한 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 제1 픽셀;
    상기 제1 픽셀과 수평 방향으로 이격되어 배치되는 제2 픽셀;
    상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀 사이에 배치되는 픽셀 분리 구조체;
    상기 제1 픽셀, 상기 제2 픽셀, 및 상기 픽셀 분리 구조체 상에 배치된 제1 후면 반사 방지층;
    상기 제1 후면 반사 방지층 상에 배치되며 상기 픽셀 분리 구조체와 정렬되는 펜스;
    상기 제1 후면 반사 방지층 및 상기 펜스 상의 제2 후면 반사 방지층;
    상기 제2 후면 반사 방지층 상에 배치되며, 상기 제1 픽셀 상에 배치되는 제1 컬러 필터 및 상기 제2 픽셀 상에 배치되는 제2 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터;
    상기 컬러 필터 상에 배치되는 컬러 필터 커버층;
    상기 컬러 필터 커버층 상에 배치되는 패시베이션 층;
    상기 패시베이션 층 상에 배치되는 마이크로렌즈;
    상기 마이크로렌즈 상에 배치되는 제1 캡핑 층; 및
    상기 제1 캡핑 층 상에 배치되는 제2 캡핑 층;을 포함하고,
    상기 컬러 필터 커버층은 상기 컬러 필터 상에서 컨포멀하게 도포되며,
    상기 제2 캡핑 층은 상기 마이크로렌즈 상에서 컨포멀하게 도포되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 패시베이션 층의 상면은 평평한(flat) 형상을 가지며,
    상기 패시베이션 층의 하면은 단차부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 패시베이션 층과 상기 마이크로렌즈는 상이한 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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