KR20240029409A - 이미지 센싱 장치 - Google Patents
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Abstract
본 기술의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 입사광을 광전 변환하여 이미지 생성을 위한 이미지 픽셀 신호를 생성하는 액티브 픽셀들을 포함하는 유효 픽셀 영역, 및 상기 유효 픽셀 영역의 외곽에 위치하며 상기 입사광의 유입이 차단된 상태에서 암전류 보정을 위한 블랙 픽셀 신호를 생성하는 블랙 픽셀들을 포함하는 옵티컬 블랙 픽셀 영역을 포함하며, 상기 유효 픽셀 영역은 입사광을 집광시키는 집광 렌즈층을 포함하고, 상기 옵티컬 블랙 픽셀 영역은 상기 입사광을 분산시키는 분산 렌즈층을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 이미지 센싱 장치에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 비디오 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 집적도 및 성능이 향상된 이미지 센서의 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 실시예는 옵티컬 블랙 픽셀(OBP: Optical Black Pixel) 영역을 보다 효과적으로 차광할 수 있는 이미지 센싱 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 입사광을 광전 변환하여 이미지 생성을 위한 이미지 픽셀 신호를 생성하는 액티브 픽셀들을 포함하는 유효 픽셀 영역, 및 상기 유효 픽셀 영역의 외곽에 위치하며 상기 입사광의 유입이 차단된 상태에서 암전류 보정을 위한 블랙 픽셀 신호를 생성하는 블랙 픽셀들을 포함하는 옵티컬 블랙 픽셀 영역을 포함하며, 상기 유효 픽셀 영역은 입사광을 집광시키는 집광 렌즈층을 포함하고, 상기 옵티컬 블랙 픽셀 영역은 상기 입사광을 분산시키는 분산 렌즈층을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 입사광을 전기적 신호로 변환하여 이미지 픽셀 신호들을 생성하는 유효 픽셀 영역과 상기 입사광이 차단된 상태에서 블랙 픽셀 신호들을 생성하는 옵티컬 블랙 픽셀 영역을 포함하는 기판층, 상기 기판층의 제 1 면 위에 위치하는 컬러 필터층, 상기 옵티컬 블랙 픽셀 영역에서 상기 기판층과 상기 컬러 필터층 사이에 위치하는 광차단막, 및 상기 컬러 필터층 위에 위치하는 렌즈층을 포함하며, 상기 렌즈층은 상기 유효 픽셀 영역에서 상기 입사광을 집광시키는 집광 렌즈층 및 상기 옵티컬 블랙 픽셀 영역에서 상기 입사광을 분산시키는 분산 렌즈층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 옵티컬 블랙 픽셀 영역에 형성되는 마이크로렌즈 물질층의 구조를 개선하여 옵티컬 블랙 픽셀 영역에 입사되는 광을 보다 효과적으로 차단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도.
도 2는 도 1에서 픽셀 어레이의 대략적인 평면 구조를 예시적으로 보여주는 도면.
도 3은 도 2에서 A-A'를 따라 절단된 단면의 일 실시예를 보여주는 도면.
도 4a는 평면볼록렌즈에서 빛이 집광되는 모습을 예시적으로 보여주는 도면.
도 4b는 평면오목렌즈에서 빛이 분산되는 모습을 예시적으로 보여주는 도면.
도 5는 도 2에서 A-A'를 따라 절단된 단면의 다른 실시예를 보여주는 도면.
도 6 내지 도 10은 도 3의 구조를 형성하는 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면들.
도 2는 도 1에서 픽셀 어레이의 대략적인 평면 구조를 예시적으로 보여주는 도면.
도 3은 도 2에서 A-A'를 따라 절단된 단면의 일 실시예를 보여주는 도면.
도 4a는 평면볼록렌즈에서 빛이 집광되는 모습을 예시적으로 보여주는 도면.
도 4b는 평면오목렌즈에서 빛이 분산되는 모습을 예시적으로 보여주는 도면.
도 5는 도 2에서 A-A'를 따라 절단된 단면의 다른 실시예를 보여주는 도면.
도 6 내지 도 10은 도 3의 구조를 형성하는 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면들.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센싱 장치는 픽셀 어레이(pixel array, 100), 로우 드라이버(row driver, 200), 상관 이중 샘플러(correlated double sampler, CDS, 300), 아날로그-디지털 컨버터(analog digital converter, ADC, 400), 출력 버퍼(output buffer, 500), 컬럼 드라이버(column driver, 600) 및 타이밍 컨트롤러(timing controller, 700)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(100)는 로우(row) 방향 및 컬럼(column) 방향으로 연속적으로 배열된 복수의 유닛 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 복수의 유닛 픽셀(PX)들은 R(Red), G(Green), B(Blue) 색상의 컬러 필터들을 포함할 수 있으며, 컬러 필터들은 베이어(Bayer) 패턴으로 배열될 수 있다. 픽셀 어레이(100)는 입사광에 대응되는 이미지를 생성하기 위한 유효 픽셀 영역, 유효 픽셀 영역에 대한 블랙 레벨(black level) 또는 다크 레벨(dark level)의 보정을 위한 옵티컬 블랙 픽셀 영역, 및 유효 픽셀 영역과 옵티컬 블랙 픽셀 영역 사이에 위치하는 더미 픽셀 영역을 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(100)는 컬러 필터들 위에 형성되는 렌즈층을 포함할 수 있다. 렌즈층은 유효 픽셀 영역, 더미 픽셀 영역 및 옵티컬 블랙 픽셀 영역에서 각각 서로 다른 형태로 형성될 수 있다. 특히, 본 실시예에서는 옵티컬 블랙 픽셀 영역에 입사되는 광을 분산시키기 위한 형태로 렌즈층이 형성될 수 있다. 이러한 렌즈층의 구체적인 형태들에 대해서는 후술된다.
픽셀 어레이(100)는 로우 선택신호, 리셋 신호 및 전송 신호와 같은 구동 신호들을 로우 드라이버(200)로부터 제공받을 수 있다. 유닛 픽셀들(PX)은 구동 신호가 수신되면 활성화되어 로우 선택신호, 리셋 신호 및 전송 신호에 대응되는 동작을 수행할 수 있다.
로우 드라이버(200)는 타이밍 컨트롤러(700)와 같은 제어 회로로부터 제공되는 제어 신호들에 근거하여 유닛 픽셀들을 동작시킬 수 있다. 로우 드라이버(200)는 픽셀 어레이(100)의 적어도 하나의 로우 라인에 연결된 적어도 하나의 유닛 픽셀들을 선택할 수 있다. 로우 드라이버(200)는 복수의 로우 라인들 중 적어도 하나의 로우 라인을 선택하기 위한 로우 선택 신호를 생성할 수 있다. 로우 드라이버(200)는 선택된 로우 라인의 유닛 픽셀들에 대한 리셋 신호와 전송 신호를 순차적으로 인에이블시킬 수 있다. 선택된 로우 라인의 유닛 픽셀들에서 생성된 픽셀 신호들은 상관 이중 샘플러(300)에 출력될 수 있다.
상관 이중 샘플러(300)는 상관 이중 샘플링(CDS: correlated double sampling) 방식을 사용하여 유닛 픽셀들의 원치 않는 오프셋(offset) 값들을 제거할 수 있다. 예를 들어, 상관 이중 샘플러(300)는 입사광에 의해 생성된 광전하가 센싱 노드(플로팅 디퓨전 노드)에 축적되기 전후에 얻어진 유닛 픽셀들의 출력 전압들을 비교하여 유닛 픽셀들의 원치 않는 오프셋 값들을 제거할 수 있다. 이를 통해, 노이즈 성분이 없이 입사광에 의해서만 생성된 픽셀 신호를 얻을 수 있다. 상관 이중 샘플러(300)는 타이밍 컨트롤러(700)로부터 제공된 클럭 신호에 근거하여 기준 신호의 전압 레벨과 복수의 컬럼 라인들을 통해 픽셀 어레이(100)로부터 수신되는 픽셀 신호의 전압 레벨을 순차적으로 샘플링 및 홀딩할 수 있다. 상관 이중 샘플러(300)는 기준 신호와 픽셀 신호를 상관 이중 샘플링(CDS) 신호로서 아날로그-디지털 컨버터(400)에 출력할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(400)는 상관 이중 샘플러(300)로부터 수신되는CDS 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(400)는 램프-비교 타입 아날로그-디지털 컨버터를 포함할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(400)는 타이밍 컨트롤러(700)로부터 제공되는 램프 신호와 상관 이중 샘플러(200)로부터 제공되는 CDS 신호를 서로 비교하여 비교 신호를 생성할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(400)는 타이밍 컨트롤러(700)로부터 제공되는 램프 신호에 근거하여 비교 신호의 레벨 전이(transition) 시간을 카운트하고, 카운트 값을 출력 버퍼(500)에 출력할 수 있다.
출력 버퍼(500)는 아날로그-디지털 컨버터(300)로부터 제공되는 각각의 컬럼 단위의 데이터를 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 일시 저장할 수 있다. 출력 버퍼(500)는 이미지 센싱 장치와 연결된 다른 장치 사이의 전송(또는 처리) 속도 차이를 보상해주는 인터페이스로서 동작할 수 있다.
컬럼 드라이버(600)는 타이밍 컨트롤러(700)의 제어에 따라 출력 버퍼(500)의 컬럼을 선택하고, 선택된 출력 버퍼(500)의 컬럼에 일시 저장된 데이터를 순차적으로 출력할 수 있다. 컬럼 드라이버(600)는 타이밍 컨트롤러(700)로부터 어드레스 신호가 수신되면, 그 어드레스 신호에 근거하여 컬럼 선택 신호를 생성하여 출력 버퍼(500)의 컬럼을 선택함으로써, 선택된 출력 버퍼(500)의 컬럼으로부터의 영상 데이터가 출력 신호로서 출력되도록 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(700)는 로우 드라이버(200), 아날로그-디지털 컨버터(400), 출력 버퍼(500) 및 컬럼 드라이버(600)의 동작들을 제어하기 위한 신호들을 생성할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(700)는 이미지 센싱 장치의 각 구성의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤을 위한 제어 신호, 및 로우 또는 컬럼을 선택하기 위한 어드레스 신호들을 로우 디코더(200), 컬럼 드라이버(600), 아날로그-디지털 컨버터(400) 및 출력 버퍼(500)에 제공할 수 있다. 실시예에 따라, 타이밍 컨트롤러(700)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.
이미지 센싱 장치는 픽셀 어레이(100)가 형성된 반도체층과 로우 드라이버(200), 상관 이중 샘플러(300), 아날로그-디지털 컨버터(400), 출력 버퍼(500), 컬럼 드라이버(600) 및 타이밍 컨트롤러(700)가 형성된 반도체층이 서로 적층된 3D 스택 구조를 포함할 수 있다. 또는 로우 드라이버(200), 상관 이중 샘플러(300), 아날로그-디지털 컨버터(400), 출력 버퍼(500), 컬럼 드라이버(600) 및 타이밍 컨트롤러(700)는 픽셀 어레이(100)와 같은 반도체층 내에서 픽셀 어레이(100)의 외곽에 위치할 수도 있다.
도 2는 도 1에서 픽셀 어레이의 대략적인 평면 구조를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 픽셀 어레이(100)는 유효 픽셀 영역(effective pixel area, 110), 더미 픽셀 영역(dummy pixel area, 120) 및 옵티컬 블랙 픽셀 영역(optical black pixel area, 130)을 포함할 수 있다.
유효 픽셀 영역(110)은 픽셀 어레이(100)의 중앙부에 사각형 형태로 위치할 수 있으며, 로우(row) 방향 및 컬럼(column) 방향으로 연속적으로 배열된 복수의 액티브 픽셀들을 포함할 수 있다. 복수의 액티브 픽셀들은 입사광을 그에 대응되는 전기적인 신호로 변환하여 이미지 생성을 위한 이미지 픽셀 신호들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 복수의 액티브 픽셀들은 레드(red) 스펙트럼 영역의 입사광에 대응하는 광전하를 생성하는 레드 픽셀, 그린(green) 스펙트럼 영역의 입사광에 대응하는 광전하를 생성하는 그린 픽셀, 및 블루(blue) 스펙트럼 영역의 입사광에 대응하는 광전하를 생성하는 블루 픽셀을 포함할 수 있다. 또한, 각각의 액티브 픽셀들은 광전 변환 요소, 전달 트랜지스터(transfer transistor), 리셋 트랜지스터(reset transistor), 소스 팔로워 트랜지스터(source follower transistor), 및 선택 트랜지스터(selection transistor)를 포함할 수 있다.
더미 픽셀 영역(120)은 유효 픽셀 영역(110)과 인접하게 유효 픽셀 영역(110)의 외곽에 위치할 수 있다. 더미 픽셀 영역(120)은 액티브 픽셀들과 동일한 구조를 갖는 복수의 더미 픽셀들을 포함할 수 있으며, 더미 픽셀들은 로우 방향 및 컬럼 방향으로 연속적으로 배열될 수 있다. 더미 픽셀 영역(120)은 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)에 형성되는 광차단막(162)에 의한 유효 픽셀 영역(110)과 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130) 간의 단차로 인해 발생되는 문제를 방지하기 위해, 유효 픽셀 영역(110)과 동일한 구조가 일정 영역만큼 연장되도록 유효 픽셀 영역(110)과 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130) 사이에 형성될 수 있다.
옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)은 더미 픽셀 영역(120)의 외곽에 위치할 수 있다. 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)은 유효 픽셀 영역(110)에 대한 블랙 레벨(black level) 또는 다크 레벨(dark level)의 보정을 위한 블랙 픽셀 신호들을 생성하는 복수의 유닛 픽셀(이하, 블랙 픽셀이라 함)들을 포함할 수 있다. 이미지 센싱 장치(100)는 광의 입사가 차단된 상태에서 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)의 블랙 픽셀들로부터 출력되는 블랙 픽셀 신호 즉 암전류(dark current)를 기준으로 하여, 유효 픽셀 영역(110)의 액티브 픽셀들에 대한 암전류를 보정할 수 있다. 이러한 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)은 블랙 픽셀들에 광이 유입되는 것을 차단하기 위한 광차단막(160)을 포함할 수 있다. 이때, 광차단막(160)은 컬러 필터들의 아래에 형성될 수 있으며, 텅스텐 또는 구리와 같은 금속을 포함할 수 있다.
유효 픽셀 영역(110), 더미 픽셀 영역(120) 및 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)에는 렌즈층이 형성될 수 있으며, 렌즈층에서 빛이 입사되는 면(광입사면)의 구조는 유효 픽셀 영역(110), 더미 픽셀 영역(120) 및 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)에서 각각 서로 다르게 형성될 수 있다. 이러한 렌즈층의 구체적인 형태들에 대해서는 후술된다.
도 2에서는 더미 픽셀 영역(120) 및 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)이 유효 픽셀 영역(110)을 프레임 형태로 둘러싸는 실시예가 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 더미 픽셀 영역(120) 및 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)은 유효 픽셀 영역(110)의 어느 일측에 가로 방향 또는 세로 방향으로 형성될 수도 있다. 또한, 더미 픽셀 영역(120) 및 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)의 크기는 공정 파라메타(parameter)에 따라 임의적으로 정해질 수 있다.
도 3은 도 2에서 A-A'를 따라 절단된 단면의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 이미지 센싱 장치(100)는 기판층(140), 배선층(150), 광차단막(160), 컬러 필터층(170), 오버 코팅층(180) 및 렌즈층(180)을 포함할 수 있다.
기판층(140)은 제 1 면 및 제 1 면과 대향되는 제 2 면을 포함하는 반도체 기판(142)을 포함할 수 있다. 반도체 기판(142)은 실리콘 벌크(bulk) 웨이퍼, 또는 에피택셜(Epitaxial) 웨이퍼로 형성될 수 있다. 에피택셜 웨이퍼는 벌크 기판에 에피텍셜 공정으로 성장시킨 결정성 물질층, 즉 에피텍셜층을 포함할 수 있다. 반도체 기판(142)은 벌크 웨이퍼 또는 에피택셜 웨이퍼에 한정되지 않고, 폴리시드(polished) 웨이퍼, 열처리된(Annealed) 웨이퍼, SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼 등 다양한 웨이퍼들을 이용하여 형성될 수 있다. 기판층(140)은 액티브 픽셀들, 더미 픽셀들 및 블랙 픽셀들에 대응되게 반도체 기판(142) 내부에 형성되는 광전 변환 요소들(144)을 포함할 수 있다. 또한, 기판층(140)은 반도체 기판(142) 내에서 광전 변환 요소들(144) 사이에 위치하는 소자 분리막들(146)을 포함할 수 있다.
광전 변환 요소(144)들은 포토다이오드(photo diode), 포토트랜지스터(photo transistor), 포토게이트(photogate), 또는 핀드 포토다이오드(pinned photo diode)를 포함할 수 있다. 광전 변환 요소(144)들은 반도체 기판(142)에 이온 주입 공정을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판(142)이 P형 에피택셜 웨이퍼를 기반으로 하는 경우, 광전 변환 요소(144)들에는 N형의 불순물들이 도핑될 수 있다. 소자 분리막(146)은 트렌치 내에 절연물이 매립된 구조 또는 반도체 기판(142)에 고농도의 절연용 불순물이 주입된 구조를 포함할 수 있다.
기판층(140)은 유효 픽셀 영역(110), 더미 픽셀 영역(120) 및 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)으로 구분될 수 있다. 유효 픽셀 영역(110)의 광전 변환 요소(144)들은 입사광을 전기적 신호로 변환하여 이미지 픽셀 신호들을 생성할 수 있으며, 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)의 광전 변환 요소(144)들은 광차단막(160)에 의해 입사광이 차단된 상태에서 기판층(140)의 내부적인 요인에 의한 블랙 픽셀 신호 즉 암전류를 생성할 수 있다.
배선층(150)은 기판층(140)의 제 2 상에 위치할 수 있다. 배선층(150)은 적층된 복수의 층간 절연막들(152) 및 층간 절연막들(152) 내에 적층된 복수의 금속 배선들(154)을 포함할 수 있다. 층간 절연막들(152)은 산화막과 질화막 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 금속 배선들(154)은 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 텅스텐(W) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 금속 배선들(154)은 콘택(미도시)을 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있으며 로직 소자들과 전기적으로 연결될 수 있다.
배선층(150) 아래에는 기판층(140)의 박막화에 의해 기판층(140)이 휘어지는 것을 방지하기 위한 지지기판(미도시)이 형성될 수 있다. 지지기판은 접착층에 의해 배선층(150)과 접착될 수 있다. 이러한 지지기판은 반도체 기판, 유리 기판 및 플라스틱 기판을 포함할 수 있다. 또는, 배선층(150) 아래에는 로우 드라이버(200), 상관 이중 샘플러(300), 아날로그-디지털 컨버터(400), 출력 버퍼(500), 컬럼 드라이버(600) 및 타이밍 컨트롤러(700) 등의 로직 회로들을 포함하는 하부 기판층(미도시)이 적층될 수 있다.
광차단막(160)은 기판층(140)의 제 1 면과 접하도록 기판층(140) 위에서 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)에 위치할 수 있다. 광차단막(160)은 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)의 광전 변환 요소(144)에 광이 입사되는 것을 차단할 수 있다. 광차단막(162)은 텅스텐 또는 구리와 같은 금속을 포함할 수 있다.
컬러 필터층(170)은 기판층(140) 및 광차단막(160) 위에 위치할 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터층(170)은 유효 픽셀 영역(110)과 더미 픽셀 영역(120)에서는 기판층(140)의 제 1 면 위에 위치할 수 있으며, 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)에서는 광차단막(160) 위에 위치할 수 있다. 컬러 필터층(170)은 가시광선을 필터링하여 적색광을 투과시키는 적색 컬러 필터(R)들, 가시광선을 필터링하여 녹색광을 투과시키는 녹색 컬러 필터(G)들 및 가시광선을 필터링하여 청색광을 투과시키는 청색 컬러 필터(B)들을 포함할 수 있다. 인접한 컬러 필터들 사이에는 입사광의 크로스토크를 방지하기 위한 그리드 구조물(미도시)이 형성될 수 있다. 그리드 구조물은 광차단막(160)이 형성될 때 함께 형성될 수 있다.
유효 픽셀 영역(110) 및 더미 픽셀 영역(120)에서, 컬러 필터들은 베이어(Bayer) 패턴으로 배열될 수 있으며 동일한 두께(높이)의 단일층으로 배열될 수 있다. 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)에서, 컬러 필터들은 2개의 필터층들이 적층된 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)에서, 하부 필터층은 적색 컬러 필터(R)와 녹색 컬러 필터(G)가 교번되게 배열되고, 상부 필터층은 청색 컬러 필터(B)가 하부 필터층을 커버하는 형태로 형성될 수 있다. 또는, 하부 필터층은 베이어 패턴으로 배열되고, 상부 필터층은 청색 컬러 필터(B)가 하부 필터층을 커버하는 형태로 형성될 수 있다.
오버 코팅층(180)은 유효 픽셀 영역(110) 및 더미 픽셀 영역(120)에서 컬러 필터층(180) 위에 위치할 수 있다. 오버 코팅층(180)은 입사광의 난반사를 방지하여 플레어 특성을 억제할 수 있다. 또한, 오버 코팅층(180)은 컬러 필터들 간의 단차를 보상함으로써, 유효 픽셀 영역(110) 및 더미 픽셀 영역(120)에서 집광 렌즈들(192a)이 일정한 높이를 가지도록 할 수 있다. 오버 코팅층(180)은 마이크로렌즈층(192)과 같은 광 투과성 물질로 형성될 수 있다.
렌즈층(190)은 오버 코팅층(180) 및 컬러 필터층(170) 위에 위치할 수 있다. 예를 들어, 렌즈층(190)은 유효 픽셀 영역(110)과 더미 픽셀 영역(120)에서는 오버 코팅층(140) 위에 위치할 수 있으며, 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)에서는 컬러 필터층(170) 위에 위치할 수 있다.
렌즈층(190)은 마이크로렌즈층(192) 및 반사 방지막(194)을 포함할 수 있다. 마이크로렌즈층(192)은 위치에 따라 광이 입사되는 면(광입사면)의 구조가 서로 다르게 형성될 수 있다. 예를 들어, 마이크로렌즈층(192)은 유효 픽셀 영역(110)에 형성되는 집광 렌즈층(192a), 더미 픽셀 영역(120)에 형성되는 평탄화 렌즈층(192b) 및 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)에 형성되는 분산 렌즈층(192c)을 포함할 수 있다.
집광 렌즈층(192a)은 광입사면이 볼록하고 광출사면이 평평한 평면볼록렌즈(planoconvex lens)들을 포함할 수 있다. 평탄화 렌즈층(192b)은 광입사면과 광출사면이 모두 평평한 형태의 렌즈를 포함할 수 있다. 분산 렌즈층(192c)은 광입사면이 오목하고 광출사면이 평평한 평면오목렌즈(planoconcave lens)들을 포함할 수 있다. 집광 렌즈층(192a)의 평면볼록렌즈는 액티브 픽셀마다 형성될 수 있으며, 분산 렌즈층(192c)의 평면오목렌즈는 적어도 하나의 블랙 픽셀에 대응되게 형성될 수 있다. 집광 렌즈층(192a)은 유효 픽셀 영역(110)에서부터 더미 픽셀 영역(120)의 일부 영역까지 연장되게 형성될 수 있다.
도 4a는 평면볼록렌즈에서 빛이 집광되는 모습을 예시적으로 보여주는 도면이며, 도 4b는 평면오목렌즈에서 빛이 분산되는 모습을 예시적으로 보여주는 도면이다.
유효 픽셀 영역(110)에서는, 도 4a에서와 같이, 집광 렌즈층(192a)의 평면볼록렌즈들이 입사광을 대응되는 액티브 픽셀의 광전 변환 요소에 집광시킴으로써 액티브 픽셀들에 대한 광전 효율이 향상될 수 있다. 반면에, 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)에서는, 도 4b에서와 같이, 분산 렌즈층(192c)의 평면오목렌즈들이 입사광을 분산시켜 광이 집중되는 것을 방지할 수 있다. 즉 본 실시예에서, 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)에 입사되는 광들은 1차적으로 평면오목렌즈들에 의해 분산되고, 평면오목렌즈들에 의해 분산된 광들은 2차적으로 광차단막(160)에 의해 흡수될 수 있다. 이에 따라, 본 실시예의 이미지 센싱 장치는 입사광이 블랙 픽셀들의 광전 변환 요소에 유입되는 것을 보다 효과적으로 차단할 수 있다.
분산 렌즈층(192c)에 의해 입사광이 분산되는 정도는 평면오목렌즈의 곡률(curvature)과 굴절률(Refractive index) 등을 조절함으로써 조정될 수 있다. 예를 들어, 도 4b에서와 같이, 평면오목렌즈 물질의 굴절률을 n2, 평면오목렌즈의 광입사면 위에 있는 물질의 굴절률을 n1, 평면오목렌즈의 광출사면 아래에 있는 물질의 굴절률을 n3라 할 때, 굴절률 n2 가 굴절률 n1 보다는 크게 하면서, 굴절률 n2가 굴절률 n3 보다는 크거나 작게 조절함으로써 평면오목렌즈들에서 광이 분산되는 정도를 조절할 수 있다.
반사 방지막(194)은 마이크로렌즈층(192) 위에 위치하여 마이크로렌즈층(192)을 보호하면서, 입사광이 마이크로렌즈층(192)에 의해 반사되는 것을 방지할 수 있다. 반사 방지막(194)은 마이크로렌즈층(192) 보다 굴절률이 작은 광투과성 물질로 형성될 수 있다.
기판층(140)과 컬러 필터층(170) 사이 및 광차단막(160)과 컬러 필터층(170) 사이에는 평탄화막(미도시)이 더 형성될 수 있다.
도 5는 도 2에서 A-A'를 따라 절단된 단면의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
상술한 도 3의 실시예에서는 블랙 픽셀마다 하나의 평면오목렌즈가 형성되는 경우를 보여주고 있으나, 도 5에서와 같이, 분산 렌즈층(192d)의 각 평면오목렌즈는 복수개의 블랙 픽셀들을 커버할 수 있도록 크게 형성될 수 있다. 예를 들어, 하나의 평면오목렌즈가 인접한 2개의 블랙 픽셀들 또는 인접한 4개의 블랙 픽셀들을 커버하도록 형성될 수 있다.
도 6 내지 도 10은 도 3의 구조를 형성하는 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 6을 참조하면, 반도체 기판(142)에 불순물을 주입하여 웰 영역(미도시) 및 광전 변환 요소들(144)을 형성하고, 광전 변환 요소들(144)을 유닛 픽셀 별로 분리시키기 위한 소자 분리막들(146)이 형성될 수 있다.
소자 분리막들(146)이 형성될 때, 반도체 기판(142)의 제 2 면에는 활성 영역을 정의하는 소자 분리이 정의되고, 활성 영역에 픽셀 트랜지스터들(전달 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 소스 팔로워 트랜지스터, 선택 트랜지스터)이 형성될 수 있다.
이어서, 기판층(140)의 제 2 면 상에 층간 절연막들(152) 및 금속 배선들(154)을 포함하는 배선층(150)이 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 기판층(140)의 제 1 면 위에 광차단막(160) 및 컬러 필터층(170)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)에 광차단막(160)이 형성된 후, 광차단막(160)을 커버하면서 유효 픽셀 영역(110)과 더미 픽셀 영역(120)의 기판층(140)을 커버하도록 컬러 필터층(170)이 형성될 수 있다.
컬러 필터층(170)의 컬러 필터들(R, G, B)은 유효 픽셀 영역(110) 및 더미 픽셀 영역(120)에서는 베이어(Bayer) 패턴으로 배열된 단일층 구조로 형성될 수 있으며, 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)에서는 2개의 필터층들로 적층된 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)에서, 하부 필터층은 적색 컬러 필터(R)와 녹색 컬러 필터(G)가 교번되게 배열되고, 상부 필터층은 청색 컬러 필터(B)가 하부 필터층을 커버하는 형태로 형성될 수 있다. 또는, 하부 필터층은 베이어 패턴으로 배열되고, 상부 필터층은 청색 컬러 필터(B)가 하부 필터층을 커버하는 형태로 형성될 수 있다.
이어서, 유효 픽셀 영역(110)과 더미 픽셀 영역(120)의 컬러 필터층(170) 위에 오버 코팅층(180)이 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 유효 픽셀 영역(110), 더미 픽셀 영역(120) 및 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)을 커버하도록 오버 코팅층(180)과 컬러 필터층(170) 위에 마이크로렌즈 물질층(191)이 형성될 수 있다.
이어서, 마이크로렌즈 물질층(191) 위에 제 1 내지 제 3 마스크 패턴들(193a ~ 193c)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 마이크로렌즈 물질층(191) 위에 포토레지스트막을 형성한 후 노광 및 현상 공정을 통해 제 1 내지 제 3 마스크 패턴들(193a ~ 193c)을 형성할 수 있다.
이때, 제 1 마스크 패턴(193a)은 집광 렌즈층(192a)의 평면볼록렌즈를 형성하기 위한 마스크 패턴으로서, 액티브 픽셀들 및 일부 더미 픽셀들의 중심부와 중첩되게 위치하는 복수의 아일랜드 패턴들을 포함할 수 있다. 제 2 마스크 패턴(193b)은 더미 픽셀 영역(120)에 형성되는 평탄화 렌즈층(192b)을 형성하기 위한 마스크 패턴으로서, 더미 픽셀 영역(120)의 일부 영역을 커버하는 프레임 형태로 형성될 수 있다. 제 3 마스크 패턴(193c)은 분산 렌즈층(192c)의 평면오목렌즈를 형성하기 위한 마스크 패턴으로서, 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)에서 소자 분리막(146)과 중첩되게 위치하는 그리드 형태로 형성될 수 있다. 제 3 마스크 패턴(193c)은 제 1 마스크 패턴(193a) 보다 좁은 폭을 가지도록 형성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 제 1 내지 제 3 마스크 패턴들(193a ~ 193c)에 대해 리플로우(reflow) 공정이 진행되어 제 1 내지 제 3 리플로우 패턴들(195a ~ 195c)이 형성될 수 있다.
리플로우 공정은, 예를 들어, 스텝퍼(stepper)를 이용한 블랭크(blank) 노광을 이용하여 수행될 수 있다. 스텝퍼를 통해 소정 파장의 광을 마스크 패턴들(193a ~ 193c)에 조사하면, 마스크 패턴들(193a ~ 193c)에 존재하는 PAC(Photo Active Compound) 성분이 분해되고, 이후 열공정을 진행하면 리플로우가 원활하게 진행될 수 있다.
도 10을 참조하면, 제 1 내지 제 3 리플로우 패턴들(195a ~ 195c)을 마스크로 하여 에치백(etch back) 공정이 수행됨으로써 집광 렌즈층(192a), 평탄화 렌즈층(192b) 및 분산 렌즈층(192c)을 포함하는 마이크로렌즈층(192)이 형성될 수 있다. 에치백 공정은 제 1 내지 제 3 리플로우 패턴들(195a ~ 195c)이 모두 제거될 때까지 진행될 수 있다.
또는, 마이크로렌즈 물질층(191)이 포토레지스트 물질로 이루어지는 경우, 제 1 내지 제 3 리플로우 패턴들(195a ~ 195c)을 마스크로 하여 마이크로렌즈 물질층(191)에 대해서도 리플로우(thermal reflow) 공정을 진행함으로써 마이크로렌즈층(192)이 형성될 수 있다.
또는, 유효 픽셀 영역(100) 및 더미 픽셀 영역(120)에 대해서는 제 1 및 제 2 리플로우 패턴들(195a, 195b)을 마스크로 하여 리플로우 공정을 진행하고, 옵티컬 블랙 픽셀 영역(130)에 대해서는 제 3 리플로우 패턴(195c)을 마스크로 하여 플라즈마 에칭을 진행함으로써 마이크로렌즈층(192)이 형성될 수 있다.
마이크로렌즈층(192)이 형성된 후, 마이크로렌즈층(192) 위에 반사 방지막(194)이 형성될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 픽셀 어레이
110: 유효 픽셀 영역
120: 더미 픽셀 영역
130: 옵티컬 블랙 픽셀 영역
140: 기판층
150: 배선층
160: 광차단막
170: 컬러 필터층
180: 오버 코팅층
190: 렌즈층
200: 로우 드라이버
300: 상관 이중 샘플러
400: 아날로그-디지털 컨버터
500: 출력 버퍼
600: 컬럼 드라이버
700: 타이밍 컨트롤러
110: 유효 픽셀 영역
120: 더미 픽셀 영역
130: 옵티컬 블랙 픽셀 영역
140: 기판층
150: 배선층
160: 광차단막
170: 컬러 필터층
180: 오버 코팅층
190: 렌즈층
200: 로우 드라이버
300: 상관 이중 샘플러
400: 아날로그-디지털 컨버터
500: 출력 버퍼
600: 컬럼 드라이버
700: 타이밍 컨트롤러
Claims (16)
- 입사광을 광전 변환하여 이미지 생성을 위한 이미지 픽셀 신호를 생성하는 액티브 픽셀들을 포함하는 유효 픽셀 영역; 및
상기 유효 픽셀 영역의 외곽에 위치하며, 상기 입사광의 유입이 차단된 상태에서 암전류 보정을 위한 블랙 픽셀 신호를 생성하는 블랙 픽셀들을 포함하는 옵티컬 블랙 픽셀 영역을 포함하며,
상기 유효 픽셀 영역은 입사광을 집광시키는 집광 렌즈층을 포함하고,
상기 옵티컬 블랙 픽셀 영역은 상기 입사광을 분산시키는 분산 렌즈층을 포함하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 분산 렌즈층은
광입사면이 오목하고 광출사면이 평평한 복수의 평면오목렌즈(planoconcave lens)들을 포함하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 2에 있어서, 상기 복수의 평면오목렌즈들은
적어도 하나의 상기 블랙 픽셀에 대응되게 위치하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 2에 있어서,
상기 평면오목렌즈 위에 위치하며 상기 평면오목렌즈보다 굴절률이 작은 반사 방지막을 더 포함하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 집광 렌즈층은
광입사면이 볼록하고 광출사면이 평평한 복수의 평면볼록렌즈(planoconvex lens)들을 포함하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 5에 있어서, 상기 복수의 평면볼록렌즈들은 각각
상기 액티브 픽셀 별로 위치하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 유효 픽셀 영역과 상기 옵티컬 블랙 픽셀 영역 사이에 위치하며, 광입사면과 광출사면이 모두 평평한 평탄화 렌즈층을 포함하는 더미 픽셀 영역을 더 포함하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 7에 있어서, 상기 집광 렌즈층은
상기 더미 픽셀 영역의 일부 영역까지 연장되는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 유효 픽셀 영역은 컬러 필터들이 베이어 패턴으로 배열된 단일층의 제 1 컬러 필터층을 포함하며,
상기 옵티컬 픽셀 영역은 컬러 필터들이 적층된 제 2 컬러 필터층을 포함하는 이미지 센싱 장치. - 입사광을 전기적 신호로 변환하여 이미지 픽셀 신호들을 생성하는 유효 픽셀 영역 및 상기 입사광이 차단된 상태에서 블랙 픽셀 신호들을 생성하는 옵티컬 블랙 픽셀 영역을 포함하는 기판층;
상기 기판층의 제 1 면 위에 위치하는 컬러 필터층;
상기 옵티컬 블랙 픽셀 영역에서 상기 기판층과 상기 컬러 필터층 사이에 위치하는 광차단막; 및
상기 컬러 필터층 위에 위치하는 렌즈층을 포함하며,
상기 렌즈층은
상기 유효 픽셀 영역에서 상기 입사광을 집광시키는 집광 렌즈층 및 상기 옵티컬 블랙 픽셀 영역에서 상기 입사광을 분산시키는 분산 렌즈층을 포함하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 10에 있어서,
상기 기판층에서 상기 제 1 면에 대향되는 제 2 면 상에 위치하며, 층간 절연막 및 상기 층간 절연막 내에 위치하는 금속 배선들을 포함하는 배선층을 더 포함하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 10에 있어서, 상기 분산 렌즈층은
광입사면이 오목하고 광출사면이 평평한 복수의 평면오목렌즈(planoconcave lens)들을 포함하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 12에 있어서,
상기 평면오목렌즈 위에 위치하며 상기 평면오목렌즈보다 굴절률이 작은 반사 방지막을 더 포함하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 10에 있어서, 상기 집광 렌즈층은
광입사면이 볼록하고 광출사면이 평평한 복수의 평면볼록렌즈(planoconvex lens)들을 포함하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 10에 있어서, 상기 컬러 필터층은
상기 유효 픽셀 영역에 위치하며, 컬러 필터들이 베이어 패턴으로 배열된 단일층의 제 1 컬러 필터층; 및
상기 옵티컬 픽셀 영역에 위치하며, 컬러 필터들이 적층된 제 2 컬러 필터층을 포함하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 10에 있어서, 상기 렌즈층은
상기 집광 렌즈층과 상기 분산 렌즈층 사이에 위치하며 광입사면과 광출사면이 모두 평평한 평탄화 렌즈층을 더 포함하는 이미지 센싱 장치.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220107811A KR20240029409A (ko) | 2022-08-26 | 2022-08-26 | 이미지 센싱 장치 |
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| CN202310262317.1A CN117637776A (zh) | 2022-08-26 | 2023-03-14 | 图像感测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220107811A KR20240029409A (ko) | 2022-08-26 | 2022-08-26 | 이미지 센싱 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240029409A true KR20240029409A (ko) | 2024-03-05 |
Family
ID=89997819
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220107811A KR20240029409A (ko) | 2022-08-26 | 2022-08-26 | 이미지 센싱 장치 |
Country Status (3)
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2022
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-
2023
- 2023-03-14 CN CN202310262317.1A patent/CN117637776A/zh active Pending
Also Published As
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|---|---|
| US20240072086A1 (en) | 2024-02-29 |
| CN117637776A (zh) | 2024-03-01 |
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