KR20240045950A - 이미지 센서 - Google Patents

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KR20240045950A
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포-한 푸
웨이-코 왕
시 리앙 쿠
친-츄안 시에
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비스에라 테크놀러지스 컴퍼니 리미티드
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Abstract

이미지 센서는 센서 유닛의 그룹, 센서 유닛의 그룹 내에 배치된 컬러 필터층, 및 컬러 필터층에 대응하여 배치된 유전체 구조 및 메타 표면을 포함한다. 메타 표면은 평면도에서 센서 유닛의 그룹의 모서리에 각각 위치된 복수의 주변 나노포스트, 복수의 주변 나노포스트에 의해 둘러싸인 중심 나노포스트, 및 복수의 주변 나노포스트 및 중심 나노포스트를 횡방향으로 둘러싸는 충진재를 포함한다. 중심 나노포스트는 센서 유닛의 그룹의 중심점으로부터 평면도에서의 거리만큼 오프셋된다.

Description

이미지 센서 {Image sensor}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 이미지 센서의 메타 표면(metasurface)에 관한 것이다.
상보형 금속 산화물 반도체(CMOS: complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서(CIS라고도 알려짐)와 같은 이미지 센서는 디지털 스틸-이미지 카메라, 디지털 비디오 카메라 등과 같은 다양한 이미지-캡처 장치에 널리 사용된다. 이미지 센서의 광-감지 부분은 주변의 컬러 변화를 검출할 수 있으며, 신호 전하가 광 감지 부분에 수신되는 광의 양에 따라 생성될 수 있다. 또한, 광-감지 부분에서 생성된 신호 전하는 투과 및 증폭될 수 있으며, 이에 의해 이미지 신호가 획득된다.
통상적으로, 메타 표면은 입사광의 컬러를 분리하도록 설계될 수 있다. 입사 파장은 광의 회절 또는 굴절 특성에 의해 분리될 수 있으며, 분리된 파장의 투과 방향은 메타 표면의 굴절률 및 형상에 따라 조정될 수 있다. 분리된 파장은 수신을 위해 대응하는 센서 유닛으로 안내될 수 있다. 이미지 센서가 메타 표면을 통합하는 경우, 이미지 센서의 컬러 필터층은 대부분 원하는 컬러만을 수신할 수 있다(입사 파장이 위에 있는 메타 표면에 의해 이전에 분리되었기 때문). 그러나, 센서 유닛의 크기가 지속적으로 감소되었기 때문에, 메타 표면이 충분한 파장 분리를 달성하기 위해 광의 회절 또는 굴절 특성을 채용하는 것이 더욱 어려워지고 있다. 따라서, 이러한 문제와 관련 문제는 이미지 센서의 설계 및 제조를 통해 해결될 필요가 있다.
실시예에서, 이미지 센서는 센서 유닛의 그룹, 센서 유닛의 그룹 내에 배치된 컬러 필터층, 및 컬러 필터층에 대응하여 배치된 유전체 구조 및 메타 표면을 포함한다. 메타 표면은 평면도에서 센서 유닛의 그룹의 모서리에 각각 위치된 복수의 주변 나노포스트(nanoposts), 복수의 주변 나노포스트에 의해 둘러싸인 중심 나노포스트를 포함한다. 메타 표면은 복수의 주변 나노포스트 및 중심 나노포스트를 횡방향으로 둘러싸는 충진재를 포함한다. 중심 나노포스트는 센서 유닛의 그룹의 중심점으로부터 평면도에서의 거리만큼 오프셋된다.
본 개시는 첨부 도면과 함께 읽을 때 다음의 상세한 설명으로부터 보다 완전하게 이해될 수 있다. 산업계의 표준 관행에 따라 다양한 피처가 축척대로 도시되지 않는다는 점은 유의할 가치가 있다. 실제로, 논의의 명료성을 위해 다양한 피처의 치수가 임의로 증가 또는 감소될 수 있다.
도 1은 본 개시의 일부 실시예에 따른 이미지 센서의 사시도이다.
도 2는 본 개시의 일부 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 3은 본 개시의 일부 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 4는 본 개시의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
이하의 개시는 제공된 주제의 상이한 피처를 구현하기 위한 많은 상이한 실시예 또는 예를 제공한다. 구성 요소 및 배열의 특정 예는 본 개시를 단순화하기 위해 아래에서 설명된다. 물론 이는 단지 예일 뿐이며 제한하려고 의도된 것이 아니다. 예를 들어, 이하의 설명에서 제1 피처가 제2 피처 상에 형성되는 것은 제1 피처와 제2 피처가 직접 접촉하여 형성되는 실시예를 포함할 수 있으며, 또한 제1 피처와 제2 피처가 직접 접촉할 수 없도록 제1 피처와 제2 피처 사이에 추가적인 피처가 형성될 수 있는 실시예도 포함할 수 있다.
예시된 방법 전, 도중 또는 후에 추가 단계가 구현될 수 있으며, 일부 단계는 예시된 방법의 다른 실시예에서 대체되거나 생략될 수 있음을 이해해야 한다.
또한, 도면에 도시된 바와 같은 다른 요소 또는 피처에 대한 하나의 요소 또는 피처의 관계를 설명하기 위한 설명의 편의를 위해 "밑(beneath)", "아래(below)", "하부(lower)", "상에(on)", "위(above)", "상부(upper)" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어가 본원에서 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시된 배향에 추가하여 사용 또는 동작 중인 디바이스의 상이한 배향을 포함하도록 의도된다. 장치는 다르게 배향될 수 있고(90도 회전 또는 다른 배향) 본원에서 사용된 공간적으로 상대적인 설명어는 마찬가지로 그에 따라 해석될 수 있다.
본 개시에서, "약", "대략" 및 "실질적으로"라는 용어는 통상적으로 언급된 값의 ±20%, 보다 통상적으로 언급된 값의 ±10%, 보다 통상적으로 언급된 값의 ±5%, 보다 통상적으로 언급된 값의 ±3%, 보다 통상적으로 언급된 값의 ±2%, 보다 통상적으로 언급된 값의 ±1%, 심지어 보다 통상적으로 언급된 값의 ±0.5%를 의미한다. 본 개시의 언급된 값은 근사적인 값이다. 즉, 용어 "약", "대략" 및 "실질적으로"에 대한 구체적인 설명이 없는 경우, 언급된 값은 "약", "대략" 또는 "실질적으로"의 의미를 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, (기술적 및 과학적인 용어를 포함하여) 본원에서 사용되는 모든 용어는 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 것과 같은 용어는 종래 기술의 맥락에서 그 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며 본 개시의 실시예에서 명시적으로 정의되지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않음을 이해해야 한다.
본 개시는 이하의 실시예에서 참조 번호 및/또는 문자를 반복할 수 있다. 이러한 반복은 단순함과 명료함을 위한 것이며 그 자체로 논의된 다양한 실시예 및/또는 구성 사이의 관계를 지시하지는 않는다.
지속적으로 감소하는 픽셀 크기에 대응하여, 각각의 픽셀의 광 수신 및 픽셀 간의 광 수신 균일도가 중요한 관심사가 되었다. 이미지 센서 중 더 작은 픽셀의 광 수신을 향상시키는 하나의 방법은 (위상차 자동 초점(PDAF: Phase Difference Auto Focus) 픽셀과 같은) 센서 유닛의 그룹을 통합하는 것이다. 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 그룹 내의 각각의 센서 유닛에 의해 광이 균등하게 수신될 때, 이미지 센서는 통일된 컬러의 이미지를 표시할 수 있다. 그러나, 각각의 센서 유닛에 의해 수신된 광이 균일하지 않으면, 이미지 센서는 컬러 변화를 경험할 것이다. 센서 유닛의 그룹이 전체 디바이스의 이미지 초점을 검출하고 추적할 수 있지만, 수신된 신호에 의해 컬러의 결정을 또한 허용한다. 예를 들어, 기울어진 각도로 광이 입사되는 경우, 그룹 내의 센서 유닛 중 하나가 다른 센서 유닛보다 더 많은 광을 수신할 수 있으므로, 센서 유닛 사이의 신호 판독에 기초하여 진입 광 방향이 정확하게 결정될 수 있다.
본질적으로, 광은 다양한 파장의 조합이다. 통상의 이미지 센서는 마이크로-렌즈를 통해 입사광을 수렴시킬 수 있다. 그 후, 수렴된 광은 아래에 있는 컬러 필터층을 통해 투과된다. 컬러 필터층은 원하는 컬러를 투과시키고 원하지 않는 컬러는 흡수할 수 있다. 통상의 이미지 센서가 원하는 컬러가 대응하는 센서 유닛에 의해 수신되는 것을 보장할 수 있지만, 흡수되는 다른 컬러는 여전히 광학 에너지 손실의 일부를 나타낼 수 있다. 각각의 센서 유닛의 그룹이 전체 광학 에너지 중 일정량만 획득하면, 이미지 센서의 양자 효율(QE: quantum efficiency)이 개선되기 어려울 수 있다. 양자 효율이 부적절할 때마다, (야간 투시 장치와 같은) 저조도 환경이나 (실시간 비디오와 같은) 이동하는 차량 내 카메라에 디바이스가 적용되지 않을 수 있다.
본 개시는 통상의 마이크로-렌즈를 대체하고 가시광에 대한 컬러 라우터(color router) 역할을 하기 위해 센서 유닛 그룹에 메타 표면을 통합한다. 메타 표면은 상이한 파장에 필요한 위상 분포를 제공하는 특정 위상 분포를 형성하는 (나노포스트(nanopost) 또는 기둥과 같은) 나노 구조로 구성된다. 메타 표면은 상이한 입사 파장을 그 자체의 타깃 위치로 안내하며, 이는 또한 컬러 라우팅으로 알려져 있다. 알고리즘을 사용하여 나노 구조의 치수와 피치를 최적화함으로써, 상이한 입사 파장은 그 대응하는 센서 유닛으로 각각 지향될 수 있다. 통상의 방식과 비교하여, 광 에너지 손실이 감소될 수 있으며, 이에 의해 양자 효율이 향상될 수 있다.
메타 표면이 통상적인 이미지 센서에 통합될 때, 메타 표면은 센서 유닛 그룹의 치수에 따르도록 설계될 필요가 있다. 예를 들어, 메타 표면은 센서 유닛 그룹의 모서리에 위치된 복수의 주변 나노포스트 및 복수의 주변 나노포스트에 의해 둘러싸인 센서 유닛 그룹 내의 중심 나노포스트를 포함할 수 있다. 픽셀 크기가 가시 파장에 근접하면, 나노 구조의 치수에 사용 가능한 범위가 제한된다. 모든 가시 파장에 대해 2π 위상을 커버하기 어렵기 때문에, 통상의 방식의 설계 방법을 사용하여 컬러-라우팅을 구현하는 것은 어려울 수 있다. 나노 구조의 치수를 조정하는 것에 추가하여, 중심 나노포스트의 위치가 그리드 라인 또는 그리드 지점(센서 유닛을 정의함)으로부터 멀리 시프트될 때 위상 분포가 추가로 조작될 수 있다. 즉, 중심 나노포스트 배치의 최적화에 의해 추가의 자유도가 획득될 수 있다. 인접한 나노포스트 사이의 간섭은 각각의 컬러(또는 상이한 파장)에 필요한 위상 분포가 생성될 수 있게 한다. 결과적으로, 통상의 이미지 센서와 혁신적인 구성을 갖는 메타 표면 간의 통합은 더 높은 효율을 달성하여 더 넓은 에너지 어플리케이션에 적용될 더 높은 효율을 달성할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일부 실시예에 따른 이미지 센서(10)의 사시도이다. 도 2는 본 개시의 일부 실시예에 따른 이미지 센서(10)의 평면도이다. 도 3은 본 개시의 일부 실시예에 따른 이미지 센서(10)의 단면도이다. 도 3은 도 2의 라인 A-A'로부터 획득된 단면도라는 점에 유의해야 한다. 일부 실시예에서, 이미지 센서는 실제로 수백만 개의 센서 유닛을 포함할 수 있다. 간결함을 위해, 도 1 내지 도 3은 실제 이미지 센서의 일부만 표시한다. 도 1 및 도 2에 도시된 이미지 센서(10)는 평면도에서 2×2 어레이로 배열된 센서 유닛의 4개 그룹(100A, 100B, 100C 및 100D)을 포함한다. 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)은 픽셀을 구성할 수 있다. 픽셀의 2×2 어레이는 실제 이미지 센서에 걸쳐 사이클로 주기적으로 배열될 수 있다.
이미지 센서(10)(도 2에 도시)의 평면도로부터, 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)은 각각 쿼드 포토다이오드(QPD: quad photodiode)와 같이 2×2로 배열된 4개의 센서 유닛을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)은 각각 듀얼 포토다이오드(DPD: dual photodiode)와 같이 1×2로 배열된 2개의 센서 유닛을 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)은 각각 m×n 광전 변환 요소에 대응할 수 있으며, 여기서 m 및 n은 동일하거나 상이할 수 있는 양의 정수이지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 예시를 위해, 도 3에 도시된 센서 유닛의 그룹(100A) 및 센서 유닛의 그룹(100B)은 모두 하나의 좌측 센서 유닛 및 하나의 우측 센서 유닛을 포함한다. 특히, 센서 유닛의 그룹(100A)은 좌측 센서 유닛(100A-L) 및 우측 센서 유닛(100A-R)을 포함하고, 센서 유닛의 그룹(100B)은 좌측 센서 유닛(100B-L) 및 우측 센서 유닛(100B-R)을 포함한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)의 각각 내에서 컬러 필터층(112)에 대응하여 유전체 구조(130) 및 메타 표면(140)이 순차적으로 배치될 수 있음에 유의한다. 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 메타 표면(140)은 충진재(142) 및 나노 구조(144)를 포함할 수 있다. 또한, 나노 구조(144)는 복수의 주변 나노포스트(144A) 및 중심 나노포스트(144B)를 포함할 수 있다. 메타 표면(140)의 피처에 대해 더 상세히 설명한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 좌측 센서 유닛(100A-L), 우측 센서 유닛(100A-R), 좌측 센서 유닛(100B-L) 및 우측 센서 유닛(100B-R) 각각을 둘러싸는 깊은 트렌치 격리(DTI: deep trench isolation) 구조(106)가 배치될 수 있다. 즉, 깊은 트렌치 격리 구조(106)는 좌측 센서 유닛(100A-L), 우측 센서 유닛(100A-R), 좌측 센서 유닛(100B-L) 및 우측 센서 유닛(100B-R) 각각의 크기를 정의하는 경계로서의 역할을 할 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)은 각각 복수의 감지 부분(104) 및 컬러 필터층(112)을 포함할 수 있다. 복수의 감지 부분(104) 및 깊은 트렌치 격리 구조(106)는 기판(102)에 매립될 수 있다. 일부 실시예에서, 기판(102)은 이미지 센서(10)의 모든 센서 유닛에 의해 공유되는 단일 구조일 수 있다. 또한, 반사 방지층(108)이 기판(102) 상에 배치될 수 있다.
일부 실시예에서, 기판(102)은 예를 들어, 웨이퍼 또는 칩일 수 있지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 일부 실시예에서, 기판(102)은 반도체 기판, 예를 들어, 실리콘 기판일 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 반도체 기판은 또한 게르마늄을 포함하는 원소 반도체, 질화갈륨(GaN), 탄화규소(SiC), 비화갈륨(GaAs), 인화갈륨(GaP), 인화인듐(InP), 비화인듐(InAs), 및/또는 안티몬화인듐(InSb)을 포함하는 화합물 반도체, 실리콘 게르마늄(SiGe) 합금, 갈륨 비소 인화물(GaAsP) 합금, 알루미늄 인듐 비소(AlInAs) 합금, 알루미늄 갈륨 비소(AlGaAs) 합금, 갈륨 인듐 비소(GaInAs) 합금, 갈륨 인듐 인화물(GaInP) 합금 및/또는 갈륨 인듐 비소 인화물(GaInAsP) 합금을 포함하는 합금 반도체 또는 이들의 조합일 수 있다. 일부 실시예에서, 기판(102)은 실리콘 기판 또는 유기 광전 변환층과 같은 광전 변환 기판일 수 있다.
다른 실시예에서, 기판(102)은 또한 절연체 상의 반도체(SOI: semiconductor on insulator) 기판일 수 있다. 절연체 상의 반도체 기판은 베이스 플레이트, 베이스 플레이트 상에 배치된 매립된 산화물층 및 매립된 산화물층 상에 배치된 반도체층을 포함할 수 있다. 또한, 기판(102)은 n-형 또는 p-형 도전형일 수 있다.
일부 실시예에서, 기판(102)은 예를 들어 이온 주입 및/또는 확산 프로세스에 의해 형성된 다양한 p-형 도핑 영역 및/또는 n-형 도핑 영역(미도시)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 트랜지스터, 포토다이오드 등은 깊은 트렌치 격리 구조(106)에 의해 정의된 활성 영역에 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 깊은 트렌치 격리 구조(106)는 활성 영역을 규정하고, 기판(102) 내부 또는 위에서 활성 영역 요소를 전기적으로 격리할 수 있지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 다른 실시예에서, 추가적인 격리 구조가 대안으로서 적용될 수 있다. 얕은 트렌치 격리(STI: shallow trench isolation) 구조 및 실리콘의 국부적 산화(LOCOS: local oxidation of silicon) 구조가 다른 격리 구조의 예이다. 일부 실시예에서, 깊은 트렌치 격리 구조(106)의 형성은 예를 들어, 기판(102) 상에 절연층을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 포토리소그래피 패터닝 및 에칭을 통해, 기판(102)으로 연장되는 트렌치가 형성될 수 있다. 포토리소그래피 프로세스는 레지스트 코팅, 소프트 베이킹, 노광, 노광 후 베이킹, 현상 등 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 에칭 프로세스는 건식 에칭, 습식 에칭 등 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
다음으로, (실리콘 산질화물(SiON)과 같은) 풍부한 질소-함유 재료의 라이너가 트렌치를 따라 순응적으로 성장될 수 있다. 그 후, (이산화규소(SiO2), 질화규소(SiN) 또는 질산규소와 같은) 절연 재료가 화학 기상 증착(CVD: chemical vapor deposition), 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착(HDP-CVD: high-density plasma chemical vapor deposition), 플라즈마-강화 화학 기상 증착(PECVD: plasma-enhanced chemical vapor deposition), 유동성 화학 기상 증착(FCVD: flowable chemical vapor deposition), 부기압 화학 기상 증착(SACVD: sub-atmospheric chemical vapor deposition) 등, 또는 이들의 조합과 같은 임의의 적절한 증착 프로세스에 의해 트렌치로 충진될 수 있다. 그 후, 트렌치 내의 절연 재료에 대해 어닐링 프로세스가 수행될 수 있고, 이어서 과잉 절연 재료를 제거하기 위해 기판(102) 상에서 화학적 기계적 연마(CMP: chemical mechanical polish)와 같은 평탄화 프로세스가 이어져, 트렌치의 절연 재료가 기판(102)의 상단 표면과 수평을 이룬다.
도 3을 참조하면, 복수의 감지 부분(104)은 기판(102)에 매립된다. 일부 실시예에서, 복수의 감지 부분(104)은 포토다이오드이다. 복수의 감지 부분(104)의 각각은 광을 감지하고 그 위에 떨어지는 광의 강도에 따라 강도 신호를 생성하도록 구성된다. 이미지 신호는 강도 신호에 의해 형성된다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 반사 방지층(108)이 기판(102) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 반사 방지층(108)은 복수의 감지 부분(104)으로 투과되는 광의 반사를 감소시키도록 구성된다. 일부 실시예에서, 반사 방지층(108)은 감지 부분(104)의 어레이에 대응하여(또는 그에 대해 평행하게) 수평으로 배치된다. 일부 실시예에서, 반사 방지층(108)의 재료는 실리콘 산질화물(SiOxNy, 여기서 x 및 y는 0 내지 1의 범위임)을 포함할 수 있다. 반사 방지층(108)은 위에서 언급한 임의의 적절한 증착 프로세스에 의해 형성될 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)은 각각 반사 방지층(108) 상에 배치된 컬러 필터층(112)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 컬러 필터층(112)은 적색, 녹색, 청색, 시안, 마젠타, 황색, 백색, 투명(무색) 또는 적외선일 수 있는 복수의 유닛을 포함할 수 있다. 컬러 필터층(112)의 각각의 유닛은 이미지 센서(10)의 하나의 각각의 감지 부분(104)에 대응할 수 있고, 유닛의 컬러는 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)의 각각의 요건에 따른다. 예를 들어, 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)은 각각 청색, 녹색, 녹색, 적색일 수 있으며, 보다 일반적으로는 픽셀의 베이어(Bayer) 패턴으로 알려져 있다. 다른 예로서, 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)은 각각 시안, 마젠타, 황색 및 녹색일 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 이미지 센서(10)는 입사광의 컬러를 분리하기 위해 메타 표면(140)을 통합하므로, 원하는 파장만을 갖는 분리된 광이 센서 유닛에 의해 각각 수신될 수 있다. 그러나, 실제로, 메타 표면(140)은 파장의 완전한 분리를 보장할 수 없다. 따라서, 분리된 광은 약간의 원하지 않는 파장을 여전히 포함할 수 있다. 컬러 필터층(112)의 존재는 임의의 잠재적 노이즈를 제거하기 위해 약간의 원하지 않는 파장이 흡수되는 것을 보장하기 위해 여전히 필요할 수 있다.
일부 실시예에서, 컬러 필터층(112)의 각각의 유닛은 광의 사전 결정된 범위의 파장이 통과하도록 허용한다. 예를 들어, 적색 컬러 필터 유닛은 620 nm 내지 750 nm 범위의 광(적색광)의 파장이 대응하는 감지 부분(104)으로 투과되도록 허용하고, 녹색 컬러 필터 유닛은 495 nm 내지 570 nm 범위의 광(녹색광)의 파장이 대응하는 감지 유닛(104)으로 투과되도록 허용하고, 청색 컬러 필터 유닛은 450 nm 내지 495 nm 범위의 광(청색광)의 파장이 대응하는 감지 부분(104)으로 투과되도록 허용한다.
일부 실시예에서, 컬러 필터층(112)의 높이는 0.3 ㎛ 내지 2.0 ㎛일 수 있다. 특정 실시예에서, 컬러 필터층(112)의 높이는 대략 0.9 ㎛일 수 있다. 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 컬러 필터층(112)의 각 유닛의 굴절률은 1.4 내지 2.3일 수 있다. 굴절률은 광의 속도를 변화시키는 물질의 특성이며, 진공에서의 광의 속도를 해당 물질에서의 광의 속도로 나누어 획득된 값이다. 광이 상이한 두 재료 사이에서 각도를 이루어 진행할 때, 그 굴절률이 광 투과 각도(굴절)를 결정한다.
도 3을 참조하면, 컬러 필터층(112)은 파티션 그리드 구조(114)(상세히 후술함)로부터 돌출된 상단 부분(112T)을 추가로 포함할 수 있다. 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 컬러 필터층(112)의 상단 부분(112T)은 그 상부 표면이 하부 표면보다 작은 사다리꼴 형상이다. 상단 부분(112T)의 치수는 위의 유전체 구조(130) 및 메타 표면(140)과 동시에 설계될 수 있음을 이해해야 한다. 극단적인 상황에서, 상단 부분(112T)의 상부 표면은 하부 표면과 동일한 치수(직사각형으로 보일 수 있음)를 갖도록 확장될 수 있거나, 상단 부분(112T)의 상부 표면은 뾰족한 단부(삼각형으로 보일 수 있음)로 줄어들 수 있다. 상단 부분(112T)의 상부 표면은 이미지 센서(10)에 대한 어플리케이션 및 설계 요건에 따라 증가되거나 감소될 수 있다.
포토다이오드와 같은 각각의 감지 부분(104)은 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D) 각각에 대해 수신된 광 신호를 전기 신호로 변환할 수 있다. 일부 실시예에서, 동일한 그룹 내의 센서 유닛은 동일한 컬러 유닛을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)은 파티션 그리드 구조(114)에 의해 서로 분리되며, 이에 대해 상세히 후술될 것이다. 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 컬러 필터층(112)은 반사 방지층(108) 상에 그리고 파티션 그리드 구조(114)에 의해 정의된 공간에 증착된다. 컬러 필터층(112)은 다른 단계에서 코팅, 노광 및 현상 프로세스에 의해 순차적으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 컬러 필터층(112)은 잉크-젯 인쇄에 의해 형성될 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 파티션 그리드 구조(114)는 컬러 필터층(112)의 하나 이상의 유닛 사이에 배치된다. 예를 들어, 파티션 그리드 구조(114)의 중심 라인(미도시)은 센서 유닛의 그룹(100A)과 센서 유닛의 그룹(100B)의 경계를 규정할 수 있다(도 3에 도시). 파티션 그리드 구조(114)는 컬러 필터층(112)의 각 유닛보다 더 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 파티션 그리드 구조(114)의 굴절률은 1.0 내지 1.3이다. 입사광이 컬러 필터층(112)으로 입사되면, 파티션 그리드 구조(114)는 특정 유닛 내의 광을 격리하여 광-포획 기능으로서의 역할을 할 수 있다.
파티션 그리드 구조(114)의 재료는 투명 유전체 재료를 포함할 수 있다. 우선, 반사 방지층(108) 상에 파티션 재료층이 코팅된다. 다음으로, 파티션 재료층 상에 하드 마스크층(미도시)이 코팅된다. 일부 실시예에서, 하드 마스크층의 재료는 포토레지스트일 수 있다. 패터닝을 위해 하드 마스크층에 포토리소그래피 프로세스가 수행된다. 다음으로, 패터닝된 하드 마스크층을 사용하여 파티션 재료층에 에칭 프로세스가 수행된다. 에칭 프로세스는 건식 에칭일 수 있다. 에칭 프로세스 후에, 파티션 재료층의 일부가 반사 방지층(108) 상에서 제거되고, 그 안에 복수의 개구가 형성된다. 이전에 언급된 바와 같이, 개구는 후속하여 컬러 필터층(112)으로 충진될 것이다.
도 3을 참조하면, 차광 구조(116)가 센서 유닛의 그룹(100A)과 센서 유닛의 그룹(100B) 사이의 반사 방지층(108) 상에 배치된다. 일부 실시예에서, 차광 구조(116)는 파티션 그리드 구조(114) 내에 매립된다. 일부 실시예에서, 파티션 그리드 구조(114)는 이미지 센서(10)에 대한 설계 요건에 따라 차광 구조(116)보다 높거나 동등할 수 있다. 일부 실시예에서, 차광 구조(116)는 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)의 그룹의 경계에 걸쳐 있다. 즉, 차광 구조(116)는 인접한 2개의 센서 유닛(예를 들어, 우측 센서 유닛(100A-R) 및 좌측 센서 유닛(100B-L))에 의해 공유되는 방식으로 배치될 수 있다. 차광 구조(116)의 배열은 컬러 필터층(112)의 대응하는 유닛 아래의 감지 부분(104) 중 하나가 다른 컬러의 인접 유닛으로부터 추가적인 광을 수신하는 것을 방지할 수 있으며, 이는 수신된 신호의 정확도에 영향을 미칠 수 있다. 본 개시의 일부 실시예에서, 차광 구조(116)의 높이는 대략 0.005 ㎛ 내지 2.000 ㎛일 수 있다. 일부 실시예에서, 차광 구조(116)의 재료는 (텅스텐(W), 알루미늄(Al)과 같은) 불투명 금속, (질화티타늄(TiN)과 같은) 불투명 금속 질화물, (산화티타늄과 같은) 불투명 금속 산화물, 다른 적절한 재료 또는 그 조합을 포함할 수 있지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 차광 구조(116)는 반사 방지층(108) 상에 금속층을 증착한 후 포토리소그래피 및 에칭 프로세스를 사용하여 금속층을 패터닝하여 형성될 수 있지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 유전체 구조(130)는 컬러 필터층(112) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 유전체 구조(130)는 컬러 필터층(112)의 상단 부분(112T) 및 파티션 그리드 구조(114)를 덮을 수 있다. 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 유전체 구조(130)는 상이한 회절의 광이 그 각각의 타깃에 도달하는 데 필요한 진행 경로를 제공할 수 있다. 유전체 구조(130)의 굴절률은 대략 1.0 내지 1.6이다. 또한, 유전체 구조(130)의 굴절률은 후속하여 형성되는 나노 구조(144)의 굴절률보다 훨씬 더 낮다. 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 유전체 구조(130)의 두께는 0.1 ㎛ 내지 0.5 ㎛, 예를 들어, 0.2 ㎛일 수 있다. 이상적으로, 유전체 구조(130)의 두께는 가능한 작게 유지되어야 한다는 것을 이해해야 한다. 유전체 구조(130)의 치수는 원하는 파장의 분리된 광의 진행 경로를 결정할 수 있다. 더 얇은 유전체 구조(130)가 더 큰 전파 각도를 요구할 수 있기 때문에, 각각의 파장의 분리된 광은 지정된 타깃을 향해 더 정확하게 진행할 수 있다. 그러나, 유전체 구조(130)의 두께가 너무 작게 설정되면, 제조가 너무 어려울 것이다.
일부 실시예에서, 유전체 구조(130)는 예를 들어, 산화규소(SiO), 질화규소, 탄화규소, 실리콘 카보나이트라이드(SiCN), 실리콘 옥시나이트라이드, 실리콘 옥시나이트로카바이드(SiOxNyC1-x-y, 여기서 x 및 y는 0 내지 1의 범위), 테트라 에틸 오르토 실리케이트(TEOS: tetra ethyl ortho silicate), 도핑되지 않은 실리케이트 유리 또는 (붕소-도핑된 포스포실리케이트 유리(BPSG: boron-doped phosphosilicate glass), 용융된 실리카 유리(FSG: fused silica glass), 포스포실리케이트 유리(PSG: phosphosilicate glass), 붕소 도핑된 실리콘 유리(BSG: boron doped silicon glass) 등과 같은) 도핑된 산화규소, 낮은-k 유전 재료 등 또는 이들의 조합을 포함하는 투명 재료일 수 있지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 유전체 구조(130)의 형성은 증착 공정을 포함할 수 있으며, 이는 예를 들어, 스핀-온(spin-on) 코팅 프로세스, 화학적 기상 증착, 물리적 기상 증착(PVD: physical vapor deposition), 원자층 증착(ALD: atomic layer deposition), 다른 적절한 방법 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 그 후, 화학적 기계적 연마와 같은 평탄화 프로세스가 수행되어 평탄화된 상단 표면을 형성할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 메타 표면(140)은 유전체 구조(130)의 평탄화된 상단 표면 상에 배치될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 메타 표면(140)은 충진재(142) 및 나노 구조(144)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 충진재(142)는 나노 구조(144)를 횡방향으로 둘러쌀 수 있다. 메타 표면(140)이 이미지 센서(10)에 통합될 때, 이미지 센서(10)에 법선 방향으로 입사되는 입사광은 입사광이 아래에 놓인 컬러 필터층(112)을 통해 투과되기 전의 파장에 기초하여 분할될 수 있다. 이러한 구성은 컬러 필터층(112)의 각 유닛이 원하는 파장의 최대 광 에너지를 수신하도록 허용한다. 즉, 광 에너지 손실이 최소화될 수 있으며, 양자 효율이 향상될 수 있다. 일부 실시예에서, 양자 효율은 광전 변환 효율이며, 이는 입사광이 얼마나 효율적으로 전기 신호로 변환될 수 있는지에 대한 척도이다.
본 개시의 일부 실시예에 따르면, 충진재(142)의 굴절률은 나노 구조(144)의 굴절률보다 낮다. 충진재(142)의 굴절률은 1.0 내지 1.6일 수 있다. 나노 구조(144)의 굴절률은 1.8 내지 3.5일 수 있다. 일부 실시예에서, 충진재(142)는 공기일 수 있다. 나노 구조(144)가 주변 공기(1의 굴절률을 가짐)에 의해 둘러싸일 때, 굴절률 사이의 가장 큰 차이가 실현되어 훨씬 더 넓은 위상 분포를 생성할 수 있으므로 입사광이 상이한 파장에 기초하여 더 쉽게 분리될 수 있음에 유의할 가치가 있다. 다른 파장의 입사광이 특정 나노 구조(144)와 접촉하게 되면, 더 긴 파장은 더 짧은 파장과는 다르게 나노 구조(144)를 볼 수 있어, 위상 분포가 생성된다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 나노 구조(144)의 복수의 주변 나노포스트(144A)는 평면도에서 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)의 모서리에 각각 위치될 수 있다. 나노 구조(144)의 중심 나노포스트(144B)는 평면도에서 각각 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D) 내에 위치될 수 있다. 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 또는 센서 유닛의 그룹(100D)의 평면도에서의 치수 S는 400 nm 내지 700 nm이다. 평면도에서 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D) 각각에 단지 하나의 중심 나노포스트(144B)만이 존재할 수 있다는 점에 유의할 가치가 있다. 각각의 중심 나노포스트(144B)는 복수의 주변 나노포스트(144A)에 의해 횡방향으로 둘러싸일 수 있다. 나노 구조(144)의 복수의 주변 나노포스트(144A) 및 중심 나노포스트(144B)는 충진재(142)에 의해 횡방향으로 둘러싸일 수 있다. 나노 구조(144)의 구성을 보다 명확하게 예시하기 위해, 도 1에서 충진재(142)의 매질이 점선으로 예시된다.
일부 실시예에서, 픽셀의 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)이 평면도에서 2×2의 어레이로 배열되고, 픽셀의 어레이는 사이클로 주기적으로 배열되므로, 복수의 주변 나노포스트(144A)는 인접한 센서 유닛의 그룹에 의해 공유될 수 있다. 통상의 방식에서, 복수의 주변 나노포스트(144A)는 또한 단지 모서리에 있는 것 대신, 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)의 측면 상에 존재할 수 있다. 보다 구체적으로, 나노 구조(144)는 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)의 모든 센서 유닛을 규정 그리드 라인에 의해 교차되는 모든 그리드 지점에 존재한다. 그러나, 센서 유닛의 크기가 계속해서 감소함에 따라 나노 구조(144)의 분포도 더 조밀해졌다(또는 더 "밀집됨"). 나노 구조(144)의 더 조밀한 구성은 모든 나노 구조(144)의 (직경과 같은) 치수에 대한 사용 가능한 범위를 직접적으로 제한할 수 있다. 나노 구조(144)의 제한된 치수 조정으로, 위상 분포의 형성은 입사광의 파장을 분리하기에 충분하지 않을 수 있다. 예를 들어, 나노 구조는 더 짧은 파장으로 인해 청색광에 필요한 위상 분포를 형성할 수 있다. 그러나, 더 긴 파장의 적색광 또는 녹색광에 대해 필요한 위상 분포를 형성하기 위한 효율은 심각하게 손상될 수 있다.
위상 분포를 개선하기 위한 노력에서, 원래 주변 나노포스트(144A) 중 일부가 제거되어, 각각의 중심 나노포스트(144B)가 그 치수를 보다 자유롭게 조정할 수 있는 더 많은 공간을 남겨둔다. 원래 주변 나노포스트(144A) 중 일부를 제거하는 것은 800 nm 초과의 치수를 가진 픽셀에 적합할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 픽셀 크기가 600 nm 미만으로 계속 줄어들면, 나머지 주변 나노포스트(144A)는 입사광의 상이한 파장으로부터 예상되는 위상 분포를 더 이상 정밀하게 조작할 수 없으므로, 형성된 위상 라이브러리는 여전히 불충분할 수 있다. 따라서, 나노 구조(144)의 치수와 인접한 나노 구조(144) 사이의 피치를 단순히 조정함으로써 생성된 위상 분포는 지속적으로 줄어드는 픽셀을 수용할 수 없다. 이전에 언급된 바와 같이, 본 발명자는 중심 나노포스트(144B)가 인접한 센서 유닛의 그룹에 의해 공유되지 않기 때문에 중심 나노포스트(144B)가 그리드 지점으로부터 오프셋될 수 있음을 발견했다. 중심 나노포스트(144B)의 상대 위치를 조정하면 원래의 위상 필드를 비틀어 더 많은 간섭을 생성할 수 있다. 적절한 조작을 통해, 비틀어진 위상 필드의 새로운 간섭을 이용하여 필요한 위상 분포를 달성할 수 있다. 즉, 중심 나노포스트(144B)의 상대적인 위치는 입사광의 상이한 파장에 대한 위상 분포를 최적화하는 과정에서 추가적인 파라미터로서 기능할 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)은 평면도에서 중심점(100A-C), 중심점(100B-C), 중심점(100C-C) 및 중심점(100D-C)을 각각 포함할 수 있다. 중심점(100A-C), 중심점(100B-C), 중심점(100C-C) 및 중심점(100D-C)은 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D) 내의 그리드 지점에 각각 대응할 수 있다. 통상의 설계에서, 중심 나노포스트(144B)의 중심 축은 평면도에서 중심점(100A-C), 중심점(100B-C), 중심점(100C-C) 및 중심점(100D-C)과 정렬될 수 있다. 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 중심 나노포스트(144B)의 중심 축은 평면도에서 중심점(100A-C), 중심점(100B-C), 중심점(100C-C) 및 중심점(100C-C)으로부터 각각 거리를 두고 오프셋될 수 있다. 보다 구체적으로, 중심 나노포스트(144B)는 단일 구조로서 간주될 수 있으며, 그 바닥 표면도 평면도에서 중심점(100A-C), 중심점(100B-C), 중심점(100C-C) 및 중심점(100D-C)로부터 동일한 거리만큼 각각 오프셋될 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 오프셋 거리는 센서 유닛의 그룹(100A) 내의 수평 시프트(Dx-A) 및 수직 시프트(Dy-A)에 의해, 센서 유닛의 그룹(100B) 내의 수평 시프트(Dx-B) 및 수직 시프트(Dy-B)에 의해, 센서 유닛의 그룹(100C) 내의 수평 시프트(Dx-C) 및 수직 시프트(Dy-C)에 의해, 센서 유닛의 그룹(100D) 내의 수평 시프트(Dx-D) 및 수직 시프트(Dy-D)에 의해 규정될 수 있다. 즉, 중심 나노포스트(144B)는 2차원(2D) 평면에 걸쳐 오프셋될 수 있다. 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 수평 시프트(Dx-A), 수직 시프트(Dy-A), 수평 시프트(Dx-B), 수직 시프트(Dy-B), 수평 시프트(Dx-C), 수직 시프트(Dy-C), 수평 시프트(Dx-D) 및 수직 시프트(Dy-D)는 평면도에서 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 또는 센서 유닛의 그룹(100D)의 치수 S의 1/5 이내일 수 있다. 중심 나노포스트(144B)의 오프셋 구성은 또한 실제 이미지 센서에 걸쳐 사이클로 주기적으로 배열될 수 있음에 유의해야 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 수평 시프트(Dx-A), 수평 시프트(Dx-B), 수평 시프트(Dx-C) 및 수평 시프트(Dx-D)는 수직 시프트(Dy-A), 수직 시프트(Dy-B), 수직 시프트(Dy-C) 및 수직 시프트(Dy-D)와 각각 동등하다. 즉, 중심 나노포스트(144B)는 x-축 방향과 y-축 방향으로 동등하게 오프셋될 수 있지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)의 중심 나노포스트(144B)는 모두 픽셀의 중심을 향하여 시프트될 수 있다는 점에 유의할 가치가 있다. 이러한 구성은 픽셀 중심 부근에 더 집중된 위상 필드를 생성하지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다.
(중심점(100A-C), 중심점(100B-C), 중심점(100C-C) 및 중심점(100D-C)에 대해) 상이한 치수 및 상이한 위치를 갖는 중심 나노포스트(144B)의 구성으로, 메타 표면(140)은 입사광의 파장을 보다 효율적으로 분리할 수 있다. 일부 실시예에서, 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)은 제1 파장, 제2 파장, 제3 파장 및 제4 파장의 분리된 광을 각각 수신할 수 있다. 제1 파장, 제2 파장, 제3 파장 및 제4 파장 중 적어도 3개는 서로 다르다. 센서 유닛의 2개의 그룹이 (베이어 패턴(Bayer pattern)의 설계와 같이) 동일한 컬러를 수신하도록 설계될 때마다, 예를 들어, 센서 유닛의 그룹(100B)과 센서 유닛의 그룹(100C)이 모두 녹색을 수신하도록 설계되면, 센서 유닛의 그룹(100B)과 센서 유닛의 그룹(100C)의 중심 나노포스트(144B)는 (각각 중심점(100B-C) 및 중심점(100C-C)에 대해) 동일한 치수 및 동일한 상대 위치를 가질 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 도 2의 라인 A-A'로부터 획득된 단면도에는 2개의 중심 나노포스트(144B)만이 도시되어 있으며, 여기서 중심 나노포스트(144B)는 센서 유닛의 그룹(100A) 및 센서 유닛의 그룹(100B)에 각각 대응할 수 있다. 둘러싸는 주변 나노포스트(144A)는 도 2의 라인 A-A'에 존재하지 않기 때문에, 이는 단지 예시의 목적으로 점선으로 표시된다. 또한, 중심점(100A-C) 및 중심점(100B-C)이 또한 단지 예시의 목적으로 점선으로 표시된다. 메타 표면(140)의 높이는 0.7 ㎛ 내지 1.5 ㎛, 예를 들어, 1.2 ㎛일 수 있다. 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 충진재(142)와 나노 구조(144)는 동일한 높이를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 충진재(142) 내의 복수의 주변 나노포스트(144A) 및 중심 나노포스트(144B)의 높이는 어플리케이션 및 설계 요건에 따라 변할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 평면도에서 나노 구조(144)의 (직경과 같은) 치수는 120 nm 내지 250 nm일 수 있다. 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 중심 나노포스트(144B)의 치수는 복수의 주변 나노포스트(144A)의 치수와 같거나 더 클 수 있다. 나노 구조(144)가 평면도에서 원형으로 예시되어 있으나, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 나노 구조(144)는 필요한 위상 분포가 형성될 수 있는 한 임의의 적절한 기하 형상을 가질 수 있다. 충진재(142)의 재료는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: polyethylene terephthalate) 수지, 폴리카보네이트(PC: polycarbonate) 수지, 폴리이미드(PI: polyimide) 수지, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA: polymethylmethacrylate), 폴리스티렌 수지, 폴리에테르술폰(PES: polyethersulfone) 수지, 폴리티오펜(PT: polythiophene) 수지, 페놀 노볼락(PN: phenol novolac) 등 또는 이들의 조합과 같은 투명 수지를 포함할 수 있다. 나노 구조(144)의 재료는 인듐 주석 산화물(ITO: indium tin oxide), 산화주석(SnO), 인듐 아연 산화물(IZO: indium zinc oxide), 인듐 갈륨 아연 산화물(IGZO: indium gallium zinc oxide), 인듐 주석 아연 산화물(ITZO: indium tin zinc oxide), 안티몬 주석 산화물(ATO: antimony tin oxide), 알루미늄-도핑된 산화아연(AZO: aluminum-doped zinc oxide), 이산화티타늄(TiO2) 등 또는 이들의 조합과 같은 투명한 도전성 재료를 포함할 수 있다. 메타 표면(140)은 위에서 언급한 임의의 적절한 증착 프로세스 및 패터닝 프로세스에 의해 형성될 수 있다.
본 개시의 대안적인 실시예에서, 나노 구조(144)는 충진재(142)를 증착한 후 충진재(142) 내에 복수의 홀(hole)을 에칭하여 형성될 수 있다. 즉, 나노 구조(144)는 주변 공기로 충진되는 홀일 수 있다. 이러한 상황에서, 나노 구조(144)의 굴절률이 충진재(142)의 굴절률보다 낮기 때문에, 입사광의 파장에 필요한 위상 분포를 제공하기 위해 전혀 다른 위상 라이브러리가 형성될 필요가 있다. 나노 구조(144)가 동일한 재료를 포함하는 한, 나노 구조(144)의 치수, 피치 및 상대 위치는 모두 최적화를 위해 조작될 수 있다. 그 결과, 메타 표면(140)은 지속적으로 줄어드는 픽셀에 대한 입사광의 파장을 여전히 효과적으로 분리할 수 있다.
도 4는 본 개시의 다른 실시예에 따른 이미지 센서(20)의 평면도이다. 위에 언급한 바와 같이, 중심 나노포스트(144B)가 중심점(100A-C), 중심점(100B-C), 중심점(100C-C) 및 중심점(100D-C)으로부터 오프셋되면, 여분의 자유도가 생성되어 상이한 파장의 입사광에 대해 더욱 정확한 위상 분포를 형성할 수 있다. 결과적인 메타 표면(140)은 이미지 센서(20)에 대한 입사광의 파장을 보다 효과적으로 분리할 수 있다. 단순화를 위해, 이미지 센서(20)의 대응하는 사시도 및 대응하는 단면도는 생략된다. 센서 유닛의 그룹(100A), 중심점(100A-C), 센서 유닛의 그룹(100B), 중심점(100B-C), 센서 유닛의 그룹(100C), 중심점(100C-C), 센서 유닛의 그룹(100D), 중심점(100D-C), 메타 표면(140), 수평 시프트(Dx-A), 수평 시프트(Dx-B), 수평 시프트(Dx-C), 수평 시프트(Dx-D), 수직 시프트(Dy-A), 수직 시프트(Dy-B), 수직 시프트(Dy-C), 수직 시프트(Dy-D) 및 치수 S의 특징은 도 2에 예시된 것과 유사하며, 반복을 피하기 위해 여기서는 상세 사항을 다시 설명하지 않는다.
도 4를 참조하면, 나노 구조(144)의 상이한 구성이 이미지 센서(20)에 예시되어 있다. 도 2와 비교하여, 수평 시프트(Dx-A), 수평 시프트(Dx-B), 수평 시프트(Dx-C) 및 수평 시프트(Dx-D)는 수직 시프트(Dy-A), 수직 시프트(Dy-B), 수직 시프트(Dy-C) 및 수직 시프트(Dy-D)와 각각 다를 수 있다. 또한, 센서 유닛의 그룹(100A), 센서 유닛의 그룹(100B), 센서 유닛의 그룹(100C) 및 센서 유닛의 그룹(100D)의 중심 나노포스트(144B)는 모두 픽셀의 중심으로부터 멀어지게 시프트될 수 있다. 이러한 구성은 픽셀의 중심 부근에 덜 집중된 위상 필드를 생성한다. 이전에 언급된 바와 같이, 나노 구조(144)의 치수 및 인접한 나노 구조(144) 사이의 피치를 단순히 조정함으로써 생성된 위상 분포는 더 이상 지속적으로 줄어드는 픽셀을 수용할 수 없다. 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 중심 나노포스트(144B)는 또한 입사광의 파장에 대한 위상 분포를 최적화하기 위해 오프셋될 수 있다. 결과적으로, 메타 표면(140)은 지속적으로 줄어드는 픽셀에 대한 입사광의 파장을 보다 효과적으로 분리할 수 있다.
메타 표면을 표준 이미지 센서에 통합함으로써, 다른 파장의 입사광이 수신되기 전에 분리될 수 있다. 각각의 컬러 필터층을 통해 원하는 컬러가 대부분 투과될 수 있으므로, 광 에너지 손실이 최소화될 수 있으며, 양자 효율이 향상될 수 있다. 또한, 메타 표면은 중심 나노포스트가 그리드 지점으로부터 오프셋될 수 있는 나노 구조의 혁신적인 구성을 포함한다. 그렇게 함으로써, 중심 나노포스트의 치수, 피치 및 상대 위치가 모두 자유롭게 조작되어 입사광의 파장에 필요한 위상 분포를 생성할 수 있다. 결과적으로, 메타 표면은 지속적으로 줄어드는 픽셀에 대해 입사광의 파장을 보다 효과적으로 분리할 수 있다.
상술한 내용은 본 기술 분야의 통상의 기술자가 본 개시의 양태를 더 잘 이해할 수 있도록 몇몇 실시예의 특징을 개략적으로 설명한다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 동일한 목적을 수행하고/수행하거나 본원에 소개된 실시예의 동일한 이점을 달성하기 위해 다른 프로세스 및 구조를 설계 또는 수정하기 위한 기초로서 본 개시를 쉽게 사용할 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 이러한 등가 구성이 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않으며, 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않고도 본원에서 다양한 변화, 치환 및 변경을 가할 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 보호 범위는 청구항을 통해 결정되어야 한다. 또한, 위에서 본 개시의 일부 실시예가 개시되었지만, 이는 본 개시의 범위를 한정하려고 의도된 것은 아니다.
특징, 이점 또는 유사한 언어에 대한 본 명세서 전반에 걸친 참조는 본 개시로 실현될 수 있는 모든 특징 및 이점이 본 개시의 임의의 단일 실시예에 있거나 있어야 한다는 것을 의미하지 않는다. 오히려, 특징 및 이점을 지칭하는 언어는 실시예와 관련하여 설명된 특정한 특징, 이점 또는 특징이 본 개시의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미하는 것으로 이해된다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 특징 및 이점에 대한 논의 및 유사한 언어는 반드시 동일한 실시예를 참조할 수 있는 것은 아니다.
또한, 본 개시의 설명된 특징, 이점 및 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다. 종래 기술의 통상의 기술자는 본원 설명에 비추어 본 개시가 특정 실시예의 특정한 특징 또는 이점 중 하나 이상 없이도 실시될 수 있음을 인식할 것이다. 다른 경우에, 본 개시의 모든 실시예에 존재하지 않을 수 있는 추가 특징 및 이점이 특정 실시예에서 인식될 수 있다.

Claims (10)

  1. 이미지 센서로서,
    센서 유닛들의 그룹;
    상기 센서 유닛들의 그룹 내에 배치된 컬러 필터층; 및
    상기 컬러 필터층에 대응하여 배치된 유전체 구조 및 메타 표면을 포함하고, 상기 메타 표면은,
    평면도에서 상기 센서 유닛들의 그룹의 모서리들에 각각 위치된 복수의 주변 나노포스트;
    상기 복수의 주변 나노포스트에 의해 둘러싸인 중심 나노포스트로서, 상기 중심 나노포스트는 상기 센서 유닛들의 그룹의 중심점으로부터 평면도에서의 거리만큼 오프셋되는, 중심 나노포스트; 및
    상기 복수의 주변 나노포스트 및 상기 중심 나노포스트를 횡방향으로 둘러싸는 충진재를 포함하는, 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    평면도에서의 상기 센서 유닛들의 그룹의 치수는 400 nm 내지 700 nm이고, 상기 센서 유닛들의 그룹의 상기 중심점으로부터 오프셋된 상기 중심 나노포스트의 거리는 평면도에서 수평 시프트 및 수직 시프트에 의해 정의되고, 상기 수평 시프트 및 상기 수직 시프트는 상기 센서 유닛들의 그룹의 상기 치수의 1/5 이내인, 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서 유닛들의 그룹 중 4개는 픽셀을 구성하고, 상기 픽셀 내의 센서 유닛들의 상기 4개의 그룹은 평면도에서 2×2 어레이로 배열되는, 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 어레이는 상기 이미지 센서에 걸쳐 사이클로 주기적으로 배열되고, 상기 복수의 주변 나노포스트는 센서 유닛들의 인접한 그룹들에 의해 공유되는, 이미지 센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 픽셀 내의 센서 유닛들의 상기 4개의 그룹은 각각 제1 파장, 제2 파장, 제3 파장 및 제4 파장의 광을 수신하고, 상기 제1 파장, 상기 제2 파장, 상기 제3 파장은 서로 다르고, 상기 제1 파장, 상기 제2 파장 및 상기 제3 파장의 광을 수신하는 상기 센서 유닛들의 그룹들 각각의 상기 중심 나노포스트는 평면도에서 상이한 치수를 갖는, 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 컬러 필터층의 굴절률은 1.4 내지 2.3이고, 상기 유전체 구조의 굴절률은 1.0 내지 1.6이며, 상기 복수의 주변 나노포스트 및 상기 중심 나노포스트의 굴절률들은 1.8 내지 3.5이고, 상기 충진재의 굴절률은 1.0 내지 1.6인, 이미지 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 충진재는 공기인, 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    기판 내에 매립된 복수의 감지 부분; 및
    상기 복수의 감지 부분의 각각을 분리하는 깊은 트렌치 격리(DTI: deep trench isolation) 구조를 더 포함하는, 이미지 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 센서 유닛들의 그룹의 상기 컬러 필터층을 횡방향으로 둘러싸는 파티션 그리드 구조로서, 상기 파티션 그리드 구조의 굴절률은 1.0 내지 1.3인, 파티션 그리드 구조; 및
    상기 파티션 그리드 구조 내에 매립된 차광 구조를 더 포함하는, 이미지 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 중심 나노포스트는 단일 구조이고, 상기 중심 나노포스트의 바닥 표면은 상기 센서 유닛들의 그룹의 중심점으로부터 평면도에서의 상기 거리만큼 오프셋되는, 이미지 센서.
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