KR20240043590A - 이미지 센서 - Google Patents

이미지 센서 Download PDF

Info

Publication number
KR20240043590A
KR20240043590A KR1020220122869A KR20220122869A KR20240043590A KR 20240043590 A KR20240043590 A KR 20240043590A KR 1020220122869 A KR1020220122869 A KR 1020220122869A KR 20220122869 A KR20220122869 A KR 20220122869A KR 20240043590 A KR20240043590 A KR 20240043590A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nanoposts
layer
stop layer
light
nanopost
Prior art date
Application number
KR1020220122869A
Other languages
English (en)
Inventor
김동찬
박찬호
박홍규
권병호
변경래
전민환
정휘영
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020220122869A priority Critical patent/KR20240043590A/ko
Priority to US18/241,478 priority patent/US20240105745A1/en
Priority to CN202311238056.6A priority patent/CN117790520A/zh
Publication of KR20240043590A publication Critical patent/KR20240043590A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14621—Colour filter arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627—Microlenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14683—Processes or apparatus peculiar to the manufacture or treatment of these devices or parts thereof
    • H01L27/14685—Process for coatings or optical elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Color Television Image Signal Generators (AREA)

Abstract

본 개시의 기술적 사상은 센서 기판; 상기 센서 기판 상에 배치되는 스페이서층; 및 상기 스페이서층 상에 배치되며, 빛의 파장에 따라 빛을 분리하도록 구성된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 색분리 렌즈 어레이는, 복수의 제1 나노포스트 및 상기 복수의 제1 나노포스트를 감싸는 제1 주변물질층을 포함하는 제1 렌즈층; 상기 제1 주변물질층 상에 배치되며, 상기 복수의 제1 나노포스트의 상면을 제외한 상기 제1 주변물질층의 전면에 형성되는 CMP 정지층; 상기 CMP 정지층의 상면 및 상기 복수의 제1 나노포스트의 상면 상에 배치되는 식각 정지층; 및 상기 식각 정지층 상에 배치되며, 복수의 제2 나노포스트 및 상기 복수의 제2 나노포스트를 감싸는 제2 주변물질층을 포함하는 제2 렌즈층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 제공한다.

Description

이미지 센서{Image sensor}
본 개시는 이미지 센서 및 이의 제조방법에 대한 것이다.
이미지(또는 화상)를 촬영하여 전기적 신호로 변환하는 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 센서의 신호 대 잡음비(singal-to-noise ratio)를 향상하기 위해, 이미지 센서의 마이크로렌즈 어레이를 대체하는 색분리 렌즈 어레이가 개발되었다. 색분리 렌즈 어레이는 굴절률의 공간적 대비를 이용하여 적색, 녹색 및 청색의 빛을 공간적으로 분리한 후 집광하여 픽셀에 전달할 수 있다.
본 개시가 해결하고자 하는 과제는 입사광을 파장 별로 분리하여 집광할 수 있는 색분리 렌즈 어레이를 활용하는 이미지 센서를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 개시의 기술적 사상은 센서 기판; 상기 센서 기판 상에 배치되는 스페이서층; 및 상기 스페이서층 상에 배치되며, 빛의 파장에 따라 빛을 분리하도록 구성된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 색분리 렌즈 어레이는, 복수의 제1 나노포스트 및 상기 복수의 제1 나노포스트를 감싸는 제1 주변물질층을 포함하는 제1 렌즈층; 상기 제1 주변물질층 상에 배치되며, 상기 복수의 제1 나노포스트의 상면을 제외한 상기 제1 주변물질층의 전면에 형성되는 CMP 정지층; 상기 CMP 정지층의 상면 및 상기 복수의 제1 나노포스트의 상면 상에 배치되는 식각 정지층; 및 상기 식각 정지층 상에 배치되며, 복수의 제2 나노포스트 및 상기 복수의 제2 나노포스트를 감싸는 제2 주변물질층을 포함하는 제2 렌즈층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 제공한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 개시의 또 다른 기술적 사상은 복수의 광 감지셀을 포함하는 센서 기판; 상기 센서 기판 상에 배치되는 스페이서층; 상기 스페이서층 상에 배치되는 제1 식각 정지층; 및 상기 제1 식각 정지층 상에 배치되며, 빛의 파장에 따라 빛을 분리하도록 구성된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 색분리 렌즈 어레이는, 복수의 제1 나노포스트 및 상기 복수의 제1 나노포스트를 감싸는 제1 주변물질층을 포함하는 제1 렌즈층; 상기 제1 주변물질층 상에 배치되며, 상기 복수의 제1 나노포스트 각각의 상면을 제외한 상기 제1 주변물질층의 전면에 형성되는 CMP 정지층; 상기 CMP 정지층의 상면 및 상기 복수의 제1 나노포스트의 상면 상에 배치되는 제2 식각 정지층; 및 상기 제2 식각 정지층 상에 배치되며, 복수의 제2 나노포스트 및 상기 복수의 제2 나노포스트를 감싸는 제2 주변물질층을 포함하는 제2 렌즈층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 제공한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 개시의 또 다른 기술적 사상은 제1 파장 광을 감지하는 제1 화소와 제2 파장 광을 감지하기 위한 제2 화소를 포함하는 센서 기판; 상기 센서 기판 상에 배치되는 투명한 스페이서층; 상기 스페이서층 상에 배치되는 제1 식각 정지층; 및 상기 제1 식각 정지층 상에 배치되며, 빛의 파장에 따라 빛을 분리하도록 구성된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 색분리 렌즈 어레이는, 복수의 제1 나노포스트 및 상기 복수의 제1 나노포스트를 감싸는 제1 주변물질층을 포함하는 제1 렌즈층; 상기 제1 주변물질층 상에 배치되며, 상기 복수의 제1 나노포스트 각각의 상면을 제외한 상기 제1 주변물질층의 전면에 형성되는 제1 CMP 정지층; 상기 CMP 정지층의 상면 및 상기 복수의 제1 나노포스트의 상면 상에 배치되는 제2 식각 정지층; 상기 제2 식각 정지층 상에 배치되며, 복수의 제2 나노포스트 및 상기 복수의 제2 나노포스트를 감싸는 제2 주변물질층을 포함하는 제2 렌즈층; 및 상기 제2 렌즈층 상에 배치되며, 상기 복수의 제1 나노포스트 각각의 상면을 제외한 상기 제1 주변물질층의 전면에 형성되는 제2 CMP 정지층; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서를 제공한다.
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 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 구비되는 색분리 렌즈 어레이의 개략적인 구조와 동작을 보이는 개념도들이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이가 나타내는 컬러 배열을 보이는 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 이미지 센서의 화소 어레이를 각각 다른 단면에서 보이는 단면도들이다.
도 5a는 화소 어레이에 구비되는 색분리 렌즈 어레이의 화소 대응 영역의 배열을 보인 평면도이고, 도 5b는 화소 어레이에 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 보인다. 도 6d는 제1 녹색광 집광 영역으로 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 6e는 제1 녹색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보인다. 도 6f는 청색광 집광 영역으로 입사한 청색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 6g는 청색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보인다.
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 보인다. 도 7d는 적색광 집광 영역으로 입사한 적색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 7e는 적색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보인다. 도 7f는 제2 녹색광 집광 영역으로 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 7g는 제2 녹색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보인다.
도 8a 및 도 8b는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이를 나타내는 단면도들이다.
도 9a 및 도 9b는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이를 나타내는 단면도들이다.
도 10a 내지 도 10d는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이를 나타내는 단면도들이다.
도 11a 내지 도 11i는 본 개시의 일 실시예에 따른 도 9a 및 도 9b의 이미지 센서 제조방법을 설명하는 단면도들이다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 13은 도 12의 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.
도 1은 본 개시의 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 중 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 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 구비되는 색분리 렌즈 어레이의 개략적인 구조와 동작을 보이는 개념도들이다.
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, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 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 약 400nm, 약 300nm, 또는 약 200nm 보다 작은 치수를 가질 수 있다. 한편 나노포스트(NP)의 높이는 약 500nm 내지 약 1500nm일 수 있고, 단면의 지름보다 높이가 클 수 있다. 도시하지는 않았지만, 나노포스트(NP)는 수직 방향(Z 방향)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 산화규소(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( 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)가 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. 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 제조 과정에서의 공정 산포를 줄일 수 있는 제조 방법에 따라 제조되므로, 색분리 효율을 최대화할 수 있다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이가 나타내는 컬러 배열을 보이는 평면도이다.
도 2a 내지 도 3을 참조하면, 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 수평 방향(X 방향) 및 제2 수평 방향(Y 방향)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 수평 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배열되는 제1 행과 복수의 적색 화소(R)와 복수의 녹색 화소(G)가 제1 수평 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배열되는 제2 행이 제2 수평 방향(Y 방향)을 따라 반복적으로 배열된다.
이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)는 이러한 컬러 배열에 상응하도록, 즉, 특정 화소에 대응하는 색의 빛을 집광하는 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 구비할 수 있다. 즉, 도 2a 및 도 2b에서 설명한 색분리 렌즈 어레이(CSLA)에서 분리하는 파장들은 적색 파장, 녹색 파장 및/또는 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(Cy), 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 이미지 센서(1000)의 색 특성에 따라 다양한 방식으로 배열될 수 있다. 아래에서는 이미지 센서(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 어레이를 각각 다른 단면에서 보이는 단면도들이다. 도 5a는 화소 어레이에 구비되는 색분리 렌즈 어레이의 화소 대응 영역의 배열을 보인 평면도이고, 도 5b는 화소 어레이에 구비되는 센서 기판의 화소 배치를 보이는 평면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)는 광을 센싱하는 제1 녹색, 청색, 적색 및 제2 녹색 화소(111, 112, 113, 114)를 포함하는 센서 기판(110), 센서 기판(110) 상에 배치된 색분리 렌즈 어레이(130)를 포함한다.
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 수평 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배열되고, 제2 수평 방향(Y 방향)의 위치가 다른 단면에서는 적색 화소(113) 및 제2 녹색 화소(114)가 번갈아 배열될 수 있다.
본 명세서에서, 센서 기판(110)의 주면에 평행한 방향을 수평 방향(X 방향 및/또는 Y 방향)이라 할 수 있고, 수평 방향(X 방향 및/또는 Y 방향)에 수직한 방향을 수직 방향(Z 방향)이라 할 수 있다.
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, 산화규소(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 h는 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, 약 2μm 이하, 약 1.5μm 이하, 약 1μm 이하, 또는 약 0.7μm 이하일 수 있다. 화소 피치는 대략, 약 0.5μm 내지 약 1.5μm 의 범위일 수 있다. 스페이서층(120)의 두께는 예를 들어, 녹색광의 중심 파장인 약 540nm를 기준으로 설계될 수 있다.
스페이서층(120)은 또한, 색분리 렌즈 어레이(130)를 이루는 나노포스트(NP)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.
색분리 렌즈 어레이(130)는 복수의 나노포스트(NP)가 복수 층으로 배열된 형태를 갖는다. 색분리 렌즈 어레이(130)는 제1 렌즈층(LE1)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.
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(112) 상부에 배치될 수 있고, 적색 화소 대응 영역(133)은 적색 화소(113)에 대응하며 적색 화소(113) 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) 각각은 센서 기판(110)의 제1 녹색, 청색, 적색 및 제2 녹색 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 수평 방향(X 방향)과 제2 수평 방향(Y 방향)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.
제1 나노포스트(NP1), 제2 나노포스트(NP2), 제1 주변물질층(E1) 및 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, 산화규소(SiO2), 또는 SOG 또는 공기(air)를 포함할 수 있다.
제1 나노포스트(NP1) 및 제2 나노포스트(NP2) 각각은 수직 방향(Z 방향)의 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) 및 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) 및 제2 나노포스트(NP2)는 각각의 높이 방향에 수직인 폭이 일정하지 않을 수 있고, 예를 들어, 제1 나노포스트(NP1) 및 제2 나노포스트(NP2) 각각의 높이 방향에 나란한 단면의 형상은 역사다리꼴 형상이 될 수도 있다.
또한, 수직 방향(Z 방향)으로 중첩된 제1 나노포스트(NP1)와 제2 나노포스트(NP2)는 서로 연결되지 않고 분리될 수 있다. 이는 제1 나노포스트(NP1)와 제2 나노포스트(NP2) 사이에 식각 정지층(180)이 배치되기 때문이다.
제1 나노포스트(NP1) 및 제2 나노포스트(NP2) 각각의 높이는 서브 파장 내지 파장의 수 배에 이를 수 있다. 예를 들어, 제1 나노포스트(NP1) 및 제2 나노포스트(NP2) 각각의 높이는 색분리 렌즈 어레이(130)가 분기하는 파장 대역의 중심 파장의 반 이상이고 약 5배 이하, 또는, 약 4배 이하, 또는 약 3배 이하일 수 있다. 제1 나노포스트(NP1) 및 제2 나노포스트(NP2) 각각의 높이는 예를 들어, 약 500nm 내지 약 1500nm일 수 있다.
제1 렌즈층(LE1) 및 제2 렌즈층(LE2)의 두 층간에 서로 인접하게 배치되며 서로 대응하는 제1 나노포스트(NP1)와 제2 나노포스트(NP2)는 각각의 그 중심축이 서로 일치하지 않고 어긋나게 배치될 수 있다. 제1 나노포스트(NP1)와 제2 나노포스트(NP2) 각각의 두 중심축 간의 수평 거리(d)는 0 이상일 수 있다. 예를 들어, 어떤 위치의 제1 나노포스트(NP1)와 제2 나노포스트(NP2) 각각의 두 중심축이 수직 방향(Z 방향)으로 정렬될 수 있고, 다른 위치에의 제1 나노포스트(NP1)와 제2 나노포스트(NP2) 각각의 두 중심축이 수직 방향(Z 방향)으로 정렬되지 않을 수 있다. 두 중심축 간의 수평 이격거리는 화소 어레이(1100)의 중심(C)에서 수평 방향(X 방향 및/또는 Y 방향)으로 이격될 수 록 커질 수 있다. 제1 나노포스트(NP1)와 제2 나노포스트(NP2) 각각의 두 중심축 간 이격된 방향은 중심(C)을 기준으로 서로 반대일 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(130)의 중심(C)보다 우측의 영역에서는 제2 나노포스트(NP2)가 이에 대응하는 위치의 제1 나노포스트(NP1)보다 중심(C) 방향으로, 즉 좌측으로 시프트(shift)될 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(130)의 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) 및 제2 나노포스트(NP2) 각각의 중심축 간 이격 거리가 커질 수 있다.
센서 기판(110)과 색분리 렌즈 어레이(130) 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. 예를 들어, 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. 또 다른 실시예에서, 컬러 필터 어레이(170)는 생략될 수도 있다. 예를 들어, 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.
제1 주변물질층(E1)과 스페이서층(120) 사이에는 제1 식각 정지층(181)이 배치될 수 있고, 제1 주변물질층(E1)과 제2 주변물질층(E2) 사이에는 제2 식각 정지층(182)이 배치될 수 있다. 좀 더 자세하게, 제1 CMP 정지층(191) 및 제1 나노포스트(NP1) 상에 제2 식각 정지층(182)이 배치될 수 있다. 제1 식각 정지층(181)은 제1 렌즈층(LE1) 형성 공정에 의해 스페이서층(120)이 손상되지 않도록 스페이서층(120)과 제1 주변물질층(E1) 사이에 배치될 수 있고, 제2 식각 정지층(182)은 제2 렌즈층(LE2) 형성 공정에 의해 제1 렌즈층(LE1)이 손상되지 않도록 제1 렌즈층(LE1) 및 제2 렌즈층(LE2) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 식각 정지층(181, 182)은 HfO2, SiO2 및/또는 AlO를 포함할 수 있으며, 색분리 렌즈 어레이(130)의 전면적에 걸쳐 형성될 수 있다. 제1 및 제2 식각 정지층(181, 182)은 색분리 렌즈 어레이(130)의 광학 특성을 저해하지 않으면서 하부층 보호 기능을 수행할 수 있는 두께를 가지며, 제1 및 제2 식각 정지층(181, 182) 각각의 두께는 예를 들어, 약 1nm 내지 약 30nm일 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 제1 나노포스트(NP1)의 최하면의 수직 레벨은 제1 식각 정지층(181)의 최상면의 수직 레벨보다 낮을 수 있고, 제2 나노포스트(NP2)의 최하면의 수직 레벨은 제2 식각 정지층(182)의 최상면의 수직 레벨보다 낮을 수 있다. 즉, 제1 나노포스트(NP1)는 제1 식각 정지층(181)의 적어도 일부를 침투하여 형성될 수 있고, 제2 나노포스트(NP2)는 제2 식각 정지층(182)의 적어도 일부를 침투하여 형성될 수 있다. 제1 식각 정지층(181)의 상면 및 제2 식각 정지층(182)의 상면은 요철부를 가질 수 있다.
제1 렌즈층(LE1)과 제2 렌즈층(LE2) 사이에는, 제1 나노포스트(NP1)의 상면을 제외한 전면에 제1 CMP 정지층(191)이 형성되어 있다. 즉, 제1 CMP 정지층(191)은 제1 나노포스트(NP1)의 상면에는 위치하지 않고, 제1 주변물질층(E1)의 상면에만 직접 접하게 위치하고 있다. 제1 CMP 정지층(191)과 제1 나노포스트(NP1)는 각각의 상면이 평탄하게 연결되어 있고, 서로 같은 평면을 이루는 형태를 가질 수 있다. 즉, 제1 CMP 정지층(191)의 상면과 제1 나노포스트(NP1)의 상면은 동일한 수직 레벨에 위치할 수 있다. 또한, 제2 렌즈층(LE2) 상에는, 제2 나노포스트(NP2)의 상면을 제외한 전면에 제2 CMP 정지층(192)이 형성되어 있다. 즉, 제2 CMP 정지층(192)은 제2 나노포스트(NP2)의 상면에는 위치하지 않고, 제2 주변물질층(E2)의 상면에만 직접 접하게 위치하고 있다. 제2 CMP 정지층(192)과 제2 나노포스트(NP2)는 각각의 상면이 평탄하게 연결되어 있고, 서로 같은 평면을 이루는 형태를 가질 수 있다. 즉, 제2 CMP 정지층(192)의 상면과 제2 나노포스트(NP2)의 상면은 동일한 수직 레벨에 위치할 수 있다.
제1 CMP 정지층(191) 및 제2 CMP 정지층(192)은 제1 렌즈층(LE1) 및 제2 렌즈층(LE2)을 제조하는 과정에서, 제1 렌즈층(LE1) 및 제2 렌즈층(LE2) 각각의 높이 요건이 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 공정 산포가 커질 수 있다. 상기 공정 산포를 줄일 수 있도록 제1 렌즈층(LE1) 및 제2 렌즈층(LE2)을 제조하는 각 단계에서 제1 식각 정지층(181), 제2 식각 정지층(182), 제1 CMP 정지층(191) 및 제2 CMP 정지층(192)을 도입하고 있으며, 이에 대해서는 제조 방법의 설명에서 보다 상세히 설명할 것이다.
제1 CMP 정지층(191) 및 제2 CMP 정지층(192)의 재질, 두께는 제1 나노포스트(NP1) 및 제2 나노포스트(NP2) 각각의 재질, 두께, 제1 나노포스트(NP1) 및 제2 나노포스트(NP2) 각각의 재질과의 CMP 선택비 차이 등을 고려하여 정해질 수 있다. 예를 들어, 제1 CMP 정지층(191), 제2 CMP 정지층(192)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(191), 제2 CMP 정지층(192)은 예를 들어, Al2O3, SiN, SiCN 및/또는 HfO2일 수 있다. 예를 들어, 제1 CMP 정지층(191) 및 제2 CMP 정지층(192) 각각의 두께의 범위는 약 1nm 내지 약 100nm일 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 기판(110)의 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 5a의 평면도에서 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에 각각에 나노포스트(NP)들이 다양한 형상, 배치로 구비될 수 있다. 도 5a에서 나노포스트(NP)들의 형상 예시는 생략되었다. 도 4a, 도 4b의 단면도에서 도시한 나노포스트들(NP)의 형상, 배치도는 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) 및 제2 나노포스트(NP2)들은 영역간 경계에 배치될 수도 있다.
화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 내의 나노포스트(NP) 배치에는 베이어 패턴의 화소 배열 특징이 반영될 수 있다. 베이어 패턴 화소 배열에서 청색 화소(112)와 적색 화소(113)는 모두 제1 수평 방향(X 방향)과 제2 수평 방향(Y 방향)으로 인접한 화소들이 녹색 화소로 동일한 반면, 제1 녹색 화소(111)는 제1 수평 방향(X 방향)으로 인접한 화소가 청색 화소(112)이고 제2 수평 방향(Y 방향)으로 인접한 화소가 적색 화소(113)로 서로 다르고, 제2 녹색 화소(114)는 제1 수평 방향(X 방향)으로 인접한 화소가 적색 화소(113)이고 제2 수평 방향(Y 방향)으로 인접한 화소가 청색 화소(112)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 수평 방향(X 방향)과 제2 수평 방향(Y 방향)의 폭이 서로 다른 비대칭 단면 형상을 가질 수 있고 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)의 제1 나노포스트(NP1)들은 제1 수평 방향(X 방향)과 제2 수평 방향(Y 방향)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) 및 제2 나노포스트(NP2)의 배열 규칙은 화소 배열에 상응하는 파장 분리를 위한 일 예시이며, 예시된 설명이나 도시된 패턴에 한정되는 것은 아니다.
일반적인 이미지 센서는 제1 렌즈층과 제2 렌즈층 사이에 식각 정지층 및 CMP 정지층이 배치되지 않아, 나노포스트의 수직 방향 높이의 산포가 상대적으로 컸었다.
반면에, 본 개시의 화소 어레이(1100)는 제1 주변물질층(E1) 및 제2 주변물질층(E2) 사이에 식각 정지층(180)을 배치하여, 제2 주변물질층(E2)의 식각 정도를 정밀하게 조절할 수 있다. 또한, 본 개시의 화소 어레이(1100)는 제1 주변물질층(E1) 및 제2 주변물질층(E2) 사이에 CMP 정지층(190)을 배치하여, 나노포스트(NP)의 상면의 높이를 용이하게 조절할 수 있다. 따라서, 본 개시의 화소 어레이(1100)는 복수의 나노포스트(NP) 각각의 수직 방향 높이의 산포를 상대적으로 줄일 수 있다.
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 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, 제1 수평 방향(X 방향) 및 제2 수평 방향(Y 방향)으로는 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 2π라고 정했을 때 다른 위치를 통과한 광의 위상 지연이 더 커서 2π보다 큰 위상 값을 가진다면, 2nπ만큼 제거하고 남은 값, 즉, 랩(wrap)된 위상의 분포일 수 있다. 예를 들어, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)을 통과한 광의 위상을 2π라고 했을 때, 청색 화소 대응 영역(132)의 중심을 통과한 광의 위상이 3π라면, 청색 화소 대응 영역(132)에서의 위상은 3π에서 2π(n=1인 경우)를 제거하고, 남은 π일 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.
도 6d 및 도 6e를 참조하면, 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.
도 6f 및 도 6g를 참조하면, 청색광은 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 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)을 통과한 청색광을 청색 화소(112)에 집광한다. 따라서, 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 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 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.
도 7d 및 도 7e를 참조하면, 적색광은 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 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, 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 7f는 제2 녹색광 집광 영역으로 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 7g는 제2 녹색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보인다.
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, 제2 녹색 화소(114)로 집광된다. 따라서, 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 및 도 8b는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이를 나타내는 단면도들로, 각각 색분리 렌즈 어레이를 다른 위치에서 본 형태를 도시한다. 도 8a 및 도 8b는 색분리 렌즈 어레이(130)의 다른 위치에서 제1 렌즈층(LE1), 제2 렌즈층(LE2)에 구비되는 제1 나노포스트(NP1) 및 제2 나노포스트(NP2)의 예시적인 형상을 보이고 있다. 도시의 편의를 위해, 화소 어레이(1100)는 두 개의 주변물질층을 포함하는 것을 예시적으로 도시하였다. 그러나, 화소 어레이(1100)는 세 개 이상의 주변물질층을 포함할 수 있음은 물론이다.
도 8a에서, 상, 하에서 인접하게 대응하는 제1 나노포스트(NP1) 및 제2 나노포스트(NP2)는 서로 수직 방향(Z 방향)으로 중첩되어 배치될 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) 및 제2 나노포스트(NP2)는 서로 수직 방향(Z 방향)으로 중첩되지 않고 배치될 수 있다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 화소 어레이(1100)는 센서 기판(110), 스페이서층(120), 색분리 렌즈 어레이(130), 컬러 필터 어레이(170), 식각 정지층(180) 및 CMP 정지층(190)을 포함할 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)와 이들 주변의 제1 주변물질층(E1)을 포함하고, 제2 렌즈층(LE2)은 복수의 제2 나노포스트(NP2)와 이들 주변의 제2 주변물질층(E2)을 포함한다.
제1 렌즈층(LE1) 및 스페이서층(120)의 사이에는 제1 식각 정지층(181)이 배치될 수 있다. 또한, 제1 CMP 정지층(191) 및 제2 렌즈층(LE2) 사이에는 제2 식각 정지층(182)이 배치될 수 있다. 제1 식각 정지층(181)의 최상면은 제1 나노포스트(NP1)의 하면보다 높은 수직 레벨에 위치할 수 있다. 또한, 제2 식각 정지층(182)의 최상면은 제2 나노포스트(NP2)의 하면보다 높은 수직 레벨에 위치할 수 있다.
제1 나노포스트(NP1)의 하면, 제1 나노포스트(NP1)의 상면, 제2 나노포스트(NP2)의 하면 및 제2 나노포스트(NP2)의 상면 각각은 모두 평평한(flat) 형상을 가질 수 있다.
또한, 제2 식각 정지층(182)과 제1 주변물질층(E1)의 사이에, 제1 나노포스트(NP1)를 제외한 부분에는 제1 CMP 정지층(191)이 배치될 수 있고, 제2 주변물질층(E2) 상에, 제2 나노포스트(NP2)를 제외한 부분에는 제2 CMP 정지층(192)이 배치될 수 있다.
제2 식각 정지층(182)의 수직 방향(Z 방향) 두께인 제1 두께(T1)의 범위는 약 1nm 내지 약 30nm 일 수 있고, 제1 CMP 정지층(191)의 수직 방향(Z 방향) 두께인 제2 두께(T2)의 범위는 약 1nm 내지 약 100nm 일 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이를 나타내는 단면도들로, 각각 색분리 렌즈 어레이를 다른 위치에서 본 형태를 도시한다. 도 9a 및 도 9b는 색분리 렌즈 어레이(130a)의 다른 위치에서 제1 렌즈층(LE1), 제2 렌즈층(LE2)에 구비되는 제1 나노포스트(NP1a) 및 제2 나노포스트(NP2a)의 예시적인 형상을 보이고 있다. 도 8a 및 도 8b에서 서술한 내용과 중복되는 내용은 생략한다.
도 9a에서, 상, 하에서 인접하게 대응하는 제1 나노포스트(NP1a) 및 제2 나노포스트(NP2a)는 서로 수직 방향(Z 방향)으로 중첩되어 배치될 수 있다. 일부 위치의 제1 나노포스트(NP1a) 상부에는 이에 대응하는 제2 나노포스트(NP2a)가 없을 수도 있다.
도 9a를 참조하면, 화소 어레이(1101)는 센서 기판(110), 스페이서층(120), 색분리 렌즈 어레이(130a), 컬러 필터 어레이(170), 식각 정지층(180) 및 CMP 정지층(190)을 포함할 수 있다.
색분리 렌즈 어레이(130a)는 제1 렌즈층(LE1a)과 제2 렌즈층(LE2a)을 포함한다. 제1 렌즈층(LE1a)은 복수의 제1 나노포스트(NP1a)와 이들 주변의 제1 주변물질층(E1)을 포함하고, 제2 렌즈층(LE2a)은 복수의 제2 나노포스트(NP2a) 와 이들 주변의 제2 주변물질층(E2)을 포함한다.
제1 나노포스트(NP1a)의 상면은 수직 하 방향으로 오목한 구조를 가질 수 있다. 이는, 제1 나노포스트(NP1a)의 CMP 선택비(selectivity)가 제1 CMP 정지층(191)의 CMP 선택비보다 높기 때문이다. 또한, 제2 나노포스트(NP2a)의 상면은 수직 하 방향으로 오목한 구조를 가질 수 있다. 이는, 제2 나노포스트(NP2a)의 CMP 선택비가 제2 CMP 정지층(192)의 CMP 선택비보다 높기 때문이다. 제1 나노포스트(NP1a)의 상면이 수직 하 방향으로 오목한 구조를 가지는 바, 제1 나노포스트(NP1a)와 수직 방향(Z 방향)으로 중첩된 제2 식각 정지층(182)은 수직 하 방향으로 돌출된 구조를 가질 수 있다. 또한, 제1 나노포스트(NP1a)와 수직 방향(Z 방향)으로 중첩된 제2 나노포스트(NP2a)의 하면은 수직 하 방향으로 돌출된 구조를 가질 수 있다. 즉, 제2 나노포스트(NP2a)의 하면은 평평한(flat) 형상이 아닌, 라운드(round) 형상을 가질 수 있다.
제2 식각 정지층(182)의 수직 방향(Z 방향) 두께인 제1 두께(T1)의 범위는 약 1nm 내지 약 30nm 일 수 있고, 제1 CMP 정지층(191)의 수직 방향(Z 방향) 두께인 제2 두께(T2)의 범위는 약 1nm 내지 약 100nm 일 수 있다. 또한, 제2 식각 정지층(182)의 최하면에서 상기 제1 나노포스트(NP1a)의 최상면까지의 수직 방향(Z 방향)의 두께인 제3 두께(T3)의 범위는 약 50nm 이하일 수 있다.
도 9b에서, 상, 하에서 인접하게 대응하는 제1 나노포스트(NP1) 및 제2 나노포스트(NP2)는 서로 수직 방향(Z 방향)으로 중첩되지 않고 배치될 수 있다.
도 9b를 참조하면, 제2 나노포스트(NP2a)의 하면은 평평한(flat)한 형상을 가질 수 있다. 이는 제1 나노포스트(NP1a)와 제2 나노포스트(NP2a)가 수직 방향(Z 방향)으로 중첩되지 않기 때문이다. 즉, 제1 나노포스트(NP1a) 각각의 중심축이 제2 나노포스트(NP2a) 각각의 중심축과 수평 방향(X 방향 및/또는 Y 방향)으로 이격된 경우에는, 제2 나노포스트(NP2a)의 하면이 평평한 형상을 가질 수 있다.
도 10a 내지 도 10d는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이를 나타내는 단면도들로, 도 10a 및 도 10b는 각각 색분리 렌즈 어레이를 다른 위치에서 본 형태를 도시하며, 도 10c 및 도 10d는 각각 색분리 렌즈 어레이를 다른 위치에서 본 형태를 도시한다.
도 8a, 도 8b, 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 화소 어레이(1100a)는 도 8a 및 도 8b의 화소 어레이(1100)의 제2 렌즈층(LE2) 상에 배치되는 보호층(195)을 더 포함할 수 있다. 보호층(195)은 반사 정지층의 역할을 하는 물질로 이루어질 수도 있다. 반사 정지층은 입사광 중 색분리 렌즈 어레이(130)의 상부 표면에서 반사되는 광을 줄여 화소 어레이(1101a)의 광 이용 효율을 개선할 수 있다. 다시 말하면, 반사 정지층은 외부에서 화소 어레이(1100a)로 입사하는 광이 색분리 렌즈 어레이(130)의 상부 표면에서 반사되지 않고 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과하여 센서 기판(110)에서 감지될 수 있도록 돕는다.
반사 정지층은 하나 또는 복수의 층이 적층된 구조일 수 있으며, 예를 들면, 제2 렌즈층(LE2)을 이루는 물질과 다른 물질로 이루어진 1개 층일 수 있다. 반사 정지층은 굴절률이 다른 복수의 물질층으로 이루어질 수도 있다.
도 9a, 도 9b, 도 10c 및 도 10d를 참조하면, 화소 어레이(1101a)는 도 9a 및 도 9b의 화소 어레이(1101)의 제2 렌즈층(LE2a) 상에 배치되는 보호층(195)을 더 포함할 수 있다. 도 10c 및 도 10d의 보호층(195)은 도 10a 및 도 10b의 보호층(195)과 대략 유사할 수 있다.
도 11a 내지 도 11i는 본 개시의 일 실시예에 따른 도 9a 및 도 9b의 이미지 센서 제조방법을 설명하는 단면도들이다.
도 11a를 참조하면, 스페이서층(120), 스페이서층(120) 상에 배치되는 제1 식각 정지층(181), 제1 식각 정지층(181) 제1 유전체층(LM1), 및 제1 유전체층(LM1) 상의 제1 CMP 정지층(191)이 형성될 수 있다. 이러한 구조는 전술한 바와 같이, 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 형성될 수 있다.
제1 식각 정지층(181)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(191)은 후술할, 제1 나노포스트(도 9a의 NP1a) 제조에 사용되는 물질로 된 제1 나노패턴층(도 11c의 HM1)을 선택적으로 CMP 할 수 있는 물질, 다시 말하면, 제1 나노패턴층(도 11c의 HM1)을 CMP할 때, 잘 제거되지 않는 물질을 포함할 수 있다. 제1 CMP 정지층(191)은 제 제1 나노패턴층(도 11c의 HM1)보다 CMP 선택비가 낮은 물질로 이루어질 수 있다. 제1 CMP 정지층(191)은 Al2O3, SiN, 또는 HfO2일 수 있다. 제1 CMP 정지층(191)의 두께는 약 1nm 이상 약 100nm 이하일 수 있다. 제1 CMP 정지층(191)의 두께는 제1 나노패턴층(도 11c의 HM1)의 재질, 두께를 고려하여 설정될 수 있다. 구체적으로, 도 11c에 도시된 제1 나노패턴층(HM1)의 영역 중 도 11d의 제1 나노포스트(NP1a)가 될 부분의 두께, 제1 유전체층(LM1) 상면에 위치하여 CMP로 제거될 부분의 두께를 고려하여, 제 1 CMP 정지층(191)의 두께가 설정될 수 있다. 제 1 CMP 정지층(191)의 두께는 예를 들어, CMP로 제거될 제1 나노패턴층(도 11c의 HM1) 두께에 비례하여 커질 수 있고, 또한, 제조된 색분리 렌즈 어레이의 광학 성능에 저해가 되지 않을 정도의 두께로 정해질 수 있다.
도 11b를 참조하면, 제1 유전체층(LM1)과 제1 CMP 정지층(191)을 함께 패터닝하여 제1 음각패턴(GP1)이 형성된다. 제1 음각패턴(GP1)이 형성되는 과정에서, 제1 식각 정지층(181)의 적어도 일부가 같이 식각될 수 있다.
제1 음각패턴(GP1)의 형성에는 포토 리소그라피 공정이 사용될 수 있다. 도 11a의 제1 CMP 정지층(191) 위로 포토 레지스트를 형성하고 노광 공정을 통해 포토 레지스트를 패터닝한 다음, 노출된 패턴에 대응하는 위치의 제1 CMP 정지층(191)과 제1 유전체층(LM1)을 식각하여 제1 음각패턴(GP1)이 형성될 수 있다. 제1 CMP 정지층(191)과 제1 유전체층(LM1)의 식각에는 예를 들면, 플로린 기반의 반응성 이온 식각 공정이 사용될 수 있다. 제1 식각 정지층(181)은 이러한 과정에서 스페이서층(120)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도 11c를 참조하면, 제1 음각패턴(도 11b의 GP1) 내부에 제1 유전체층(LM1)과 다른 굴절률을 가지는 물질을 도포하여 제1 나노패턴층(HM1)이 형성된다. 제1 나노패턴층(HM1)은 제1 음각패턴(도 11b의 GP1)을 채우고 제1 CMP 정지층(191)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, 및/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 11d에 도시된 바와 같이, CMP(chemical mechanical polishing) 공정에 의해 제1 나노패턴층(도 11c의 HM1)의 상면이 연마되어, 원하는 형상의 제1 나노포스트(NP1a)와 이를 둘러싸는 제1 유전체층(LM1)을 포함하는 제1 렌즈층(LE1a)이 형성된다. 제1 유전체층(LM1) 상면에 형성된 제1 CMP 정지층(191)에 의해, 제1 나노패턴층(HM1)을 CMP 하는 공정에서 제1 유전체층(LM1)이 보호될 수 있고, 제1 높이(H1)가 유지될 수 있다. 제1 높이(H1)는 도 11a의 단계에서 설정된 높이로서, CMP 공정을 거친 후에도 그대로 유지될 수 있다.
또한, 제1 나노패턴층(도 11c의 HM1) 및 제1 CMP 정지층(191) 각각의 CMP 선택비 차이로 인해, 제1 나노포스트(NP1a)의 상면은 수직 하 방향으로 오목한 구조를 가질 수 있다. 즉, 제1 나노포스트(NP1a)의 상면은 라운드(round) 형상을 가질 수 있다.
도 11e를 참조하면, 제1 CMP 정지층(191) 및 제1 나노포스트(NP1a) 상에 제2 식각 정지층(182)이 형성될 수 있다. 제2 식각 정지층(182)은 제1 식각 정지층(181)과 대략 유사할 수 있다. 제1 나노포스트(NP1a)의 상면이 수직 하 방향으로 오목한 형상을 갖는 바, 제1 나노포스트(NP1a) 상에 배치되는 제2 식각 정지층(182) 또한 수직 하 방향으로 오목한 형상을 가질 수 있다.
도 11f를 참조하면, 제2 식각 정지층(182) 상에 제2 유전체층(LM2)이 배치되고, 제2 유전체층(LM2) 상에 제2 CMP 정지층(192)이 배치될 수 있다. 제2 유전체층(LM2)은 제1 유전체층(LM1)과 대략 유사할 수 있고, 제2 CMP 정지층(192)은 제1 CMP 정지층(191)과 대략 유사할 수 있다. 제2 식각 정지층(182)이 수직 하 방향으로 오목한 형상을 가져, 제2 유전체층(LM2)의 하면 또한 수직 하 방향으로 볼록한 형상을 가질 수 있다.
도 11g를 참조하면, 제2 유전체층(LM2)과 제2 CMP 정지층(192)을 함께 패터닝하여 제2 음각패턴(GP2)이 형성된다. 제2 음각패턴(GP2)이 형성되는 과정에서, 제2 식각 정지층(182)의 적어도 일부가 같이 식각될 수 있다. 제2 음각패턴(GP2)의 형성 방법은 도 11b의 제1 음각패턴(GP1)의 형성 방법과 대략 유사할 수 있다.
도 11h를 참조하면, 제2 음각패턴(GP2) 내부에 제2 유전체층(LM2)과 다른 굴절률을 가지는 물질을 도포하여 제2 나노패턴층(HM2)이 형성된다. 제2 나노패턴층(HM2)은 제2 음각패턴(도 11g의 GP2)을 채우고 제2 CMP 정지층(192)의 상면으로 연장되게 형성될 수 있다. 제2 나노패턴층(HM2)은 도 11c의 제1 나노패턴층(HM1)과 대략 유사할 수 있다.
도 11i를 참조하면, CMP(chemical mechanical polishing) 공정에 의해 제2 나노패턴층(도 11h의 HM2)의 상면이 평탄화되어, 제2 나노포스트(NP2a)와 이를 둘러싸는 제2 유전체층(LM2)을 포함하는 제2 렌즈층(LE2a)이 형성된다. 제2 유전체층(LM2) 상면에 형성된 제2 CMP 정지층(192)에 의해, 제2 나노패턴층(도 11h의 HM2)을 CMP 하는 공정에서 제2 유전체층(LM2)이 보호될 수 있고, 제2 높이(H2)가 유지될 수 있다. 제2 높이(H1)는 도 11f의 단계에서 설정된 높이로서, CMP 공정을 거친 후에도 그대로 유지될 수 있다.
또한, 제2 나노패턴층(도 11h의 HM2) 및 제2 CMP 정지층(192) 각각의 CMP 선택비 차이로 인해, 제2 나노포스트(NP2a)의 상면은 수직 하 방향으로 오목한 구조를 가질 수 있다. 즉, 제2 나노포스트(NP2a)의 상면은 라운드 형상을 가질 수 있다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 13은 도 12의 전자 장치에 구비된 카메라 모듈을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 12를 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 이미지 센서(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 13을 참조하면, 카메라 모듈(ED80)은 렌즈 어셈블리(1110), 플래쉬(1120), 이미지 센서(1000, 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.
이미지 센서(1000)는 도 1에서 설명한 이미지 센서일 수 있으며, 이에는 전술한 실시예들의 화소 어레이(1100, 1100a, 1101, 1101a) 중 어느 하나가 포함될 수 있다. 이미지 센서(1000)는 도 11a 내지 도 11i에서 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. 이미지 센서(1000)는, RGB 센서, BW(Black and White) 센서, IR 센서, 또는 UV 센서와 같이 속성이 다른 이미지 센서들 중 선택된 하나 또는 복수의 센서들을 포함할 수 있다. 이미지 센서(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(ED01)의 움직임에 반응하여, 렌즈 어셈블리(1110)에 포함된 하나 또는 복수개의 렌즈 또는 이미지 센서(1000)를 특정한 방향으로 움직이거나 이미지 센서(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 이미지 센서(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 이미지 센서(1000)를 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(이미지 센서(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 이미지 센서(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 이미지 센서가 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, 이미지 센서(1000)는 스마트 냉장고, 보안 카메라, 로봇, 의료용 카메라 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트 냉장고는 이미지 센서를 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, 이미지 센서(1000)는 차량에 적용될 수 있다. 차량은 다양한 위치에 배치된 복수의 차량용 카메라를 포함할 수 있으며. 각각의 차량용 카메라는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 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 이미지 센서 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.
130, 130a: 색분리 렌즈 어레이, 180: 식각 정지층, 181: 제1 식각 정지층, 182: 제2 식각 정지층, 190: CMP 정지층, 191: 제1 CMP 정지층, 192: 제2 CMP 정지층, 1100, 1100a, 1101, 1101a: 화소 어레이, NP: 나노포스트, NP1, NP1a: 제1 나노포스트, NP2, NP2a: 제2 나노포스트

Claims (10)

  1. 센서 기판;
    상기 센서 기판 상에 배치되는 스페이서층; 및
    상기 스페이서층 상에 배치되며, 빛의 파장에 따라 빛을 분리하도록 구성된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며,
    상기 색분리 렌즈 어레이는,
    복수의 제1 나노포스트 및 상기 복수의 제1 나노포스트를 감싸는 제1 주변물질층을 포함하는 제1 렌즈층;
    상기 제1 주변물질층 상에 배치되며, 상기 복수의 제1 나노포스트의 상면을 제외한 상기 제1 주변물질층의 전면에 형성되는 CMP 정지층;
    상기 CMP 정지층의 상면 및 상기 복수의 제1 나노포스트의 상면 상에 배치되는 식각 정지층; 및
    상기 식각 정지층 상에 배치되며, 복수의 제2 나노포스트 및 상기 복수의 제2 나노포스트를 감싸는 제2 주변물질층을 포함하는 제2 렌즈층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 식각 정지층의 상면은 요철부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 제2 나노포스트 각각의 하면은, 상기 식각 정지층의 최상면보다 낮은 수직 레벨에 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노포스트 각각의 상면과 상기 CMP 정지층의 상면은 동일한 수직 레벨에 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 복수의 광 감지셀을 포함하는 센서 기판;
    상기 센서 기판 상에 배치되는 스페이서층;
    상기 스페이서층 상에 배치되는 제1 식각 정지층; 및
    상기 제1 식각 정지층 상에 배치되며, 빛의 파장에 따라 빛을 분리하도록 구성된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며,
    상기 색분리 렌즈 어레이는,
    복수의 제1 나노포스트 및 상기 복수의 제1 나노포스트를 감싸는 제1 주변물질층을 포함하는 제1 렌즈층;
    상기 제1 주변물질층 상에 배치되며, 상기 복수의 제1 나노포스트 각각의 상면을 제외한 상기 제1 주변물질층의 전면에 형성되는 CMP 정지층;
    상기 CMP 정지층의 상면 및 상기 복수의 제1 나노포스트의 상면 상에 배치되는 제2 식각 정지층; 및
    상기 제2 식각 정지층 상에 배치되며, 복수의 제2 나노포스트 및 상기 복수의 제2 나노포스트를 감싸는 제2 주변물질층을 포함하는 제2 렌즈층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노포스트 중 적어도 일부의 하면은 평평한 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노포스트의 상면은 수직 하 방향으로 오목한 형상을 가지고,
    상기 제1 나노포스트와 수직 방향으로 중첩되는 상기 제2 나노포스트의 하면은 수직 하 방향으로 돌출된 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노포스트 각각과 수직 방향으로 중첩되지 않는 상기 제2 나노포스트의 하면은 평평한 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 제1 파장 광을 감지하는 제1 화소와 제2 파장 광을 감지하기 위한 제2 화소를 포함하는 센서 기판;
    상기 센서 기판 상에 배치되는 투명한 스페이서층;
    상기 스페이서층 상에 배치되는 제1 식각 정지층; 및
    상기 제1 식각 정지층 상에 배치되며, 빛의 파장에 따라 빛을 분리하도록 구성된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며,
    상기 색분리 렌즈 어레이는,
    복수의 제1 나노포스트 및 상기 복수의 제1 나노포스트를 감싸는 제1 주변물질층을 포함하는 제1 렌즈층;
    상기 제1 주변물질층 상에 배치되며, 상기 복수의 제1 나노포스트 각각의 상면을 제외한 상기 제1 주변물질층의 전면에 형성되는 제1 CMP 정지층;
    상기 CMP 정지층의 상면 및 상기 복수의 제1 나노포스트의 상면 상에 배치되는 제2 식각 정지층;
    상기 제2 식각 정지층 상에 배치되며, 복수의 제2 나노포스트 및 상기 복수의 제2 나노포스트를 감싸는 제2 주변물질층을 포함하는 제2 렌즈층; 및
    상기 제2 렌즈층 상에 배치되며, 상기 복수의 제1 나노포스트 각각의 상면을 제외한 상기 제1 주변물질층의 전면에 형성되는 제2 CMP 정지층; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 식각 정지층의 수직 방향 두께인 제1 두께의 범위는 1nm 내지 30nm이고,
    상기 제1 CMP 정지층의 수직 방향 두께인 제2 두께의 범위는 1nm 내지 100nm인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
KR1020220122869A 2022-09-27 2022-09-27 이미지 센서 KR20240043590A (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220122869A KR20240043590A (ko) 2022-09-27 2022-09-27 이미지 센서
US18/241,478 US20240105745A1 (en) 2022-09-27 2023-09-01 Image sensor
CN202311238056.6A CN117790520A (zh) 2022-09-27 2023-09-22 图像传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220122869A KR20240043590A (ko) 2022-09-27 2022-09-27 이미지 센서

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240043590A true KR20240043590A (ko) 2024-04-03

Family

ID=90359879

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220122869A KR20240043590A (ko) 2022-09-27 2022-09-27 이미지 센서

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20240105745A1 (ko)
KR (1) KR20240043590A (ko)
CN (1) CN117790520A (ko)

Also Published As

Publication number Publication date
CN117790520A (zh) 2024-03-29
US20240105745A1 (en) 2024-03-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20220141427A1 (en) Image sensor including color separating lens array and electronic device including the image sensor
US20230238409A1 (en) Image sensor and electronic device including the image sensor
EP4184583A1 (en) Image sensor, method of manufacturing image sensor, and electronic device including image sensor
US20230251403A1 (en) Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor
EP3993047A1 (en) Image sensor including color separating lens array and electronic device including the image sensor
KR102587961B1 (ko) 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치
JP2022074120A (ja) 色分離レンズアレイを備えるイメージセンサ及びそれを含む電子装置
KR20220058388A (ko) 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치
KR20220058386A (ko) 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치
KR20240043590A (ko) 이미지 센서
KR102668683B1 (ko) 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치
JP7425104B2 (ja) 色分離レンズアレイを備えるイメージセンサ及びそれを含む電子装置
US20240063241A1 (en) Image sensor including patterned antireflection layer and electronic apparatus including the same
US20240079430A1 (en) Image sensor and electronic apparatus including the same
EP4345902A1 (en) Image sensor and electronic apparatus including the same
US20230098924A1 (en) Image sensor and electronic apparatus including the image sensor
US20240063242A1 (en) Image sensor having nano-photonic lens array and electronic apparatus including the same
KR20220168131A (ko) 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치
KR20230085647A (ko) 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치
KR20220057410A (ko) 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치
KR20230080192A (ko) 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치
KR20240002081A (ko) 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치
KR20240015496A (ko) 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치
KR20240005532A (ko) 나노 광학 마이크로렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치
KR20220058385A (ko) 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지센서 및 이를 포함하는 전자 장치