KR20240048352A - 이미지 센서 - Google Patents

이미지 센서 Download PDF

Info

Publication number
KR20240048352A
KR20240048352A KR1020220128035A KR20220128035A KR20240048352A KR 20240048352 A KR20240048352 A KR 20240048352A KR 1020220128035 A KR1020220128035 A KR 1020220128035A KR 20220128035 A KR20220128035 A KR 20220128035A KR 20240048352 A KR20240048352 A KR 20240048352A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
image sensor
pixel regions
disposed
spaces
pixel
Prior art date
Application number
KR1020220128035A
Other languages
English (en)
Inventor
김상훈
김종욱
정희근
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 KR1020220128035A priority Critical patent/KR20240048352A/ko
Priority to US18/207,786 priority patent/US20240120357A1/en
Priority to CN202311280462.9A priority patent/CN117855234A/zh
Priority to JP2023173741A priority patent/JP2024055835A/ja
Publication of KR20240048352A publication Critical patent/KR20240048352A/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
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • 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
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H01L27/14605—Structural or functional details relating to the position of the pixel elements, e.g. smaller pixel elements in the center of the imager compared to pixel elements at the periphery
    • 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
    • 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
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1463—Pixel isolation structures
    • 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
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14645—Colour imagers
    • 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)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Optical Filters (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예는, 이미지 정보를 생성하도록 구성된 복수의 제1 픽셀 영역들과, 위상 정보를 검출하도록 구성된 복수의 제2 픽셀 영역들을 갖는 기판; 상기 기판 상에 배치되며, 상기 복수의 제1 픽셀 영역들과 상기 복수의 제2 픽셀 영역들 각각에 대응되는 복수의 공간들을 구분하는 그리드 패턴; 상기 복수의 공간들 중 상기 복수의 제2 픽셀 영역들에 대응되는 제2 공간들을 제외한 제1 공간들에 각각 배치된 복수의 컬러 필터들; 상기 제2 공간들에 각각 배치되며, 상기 제2 공간들을 각각 구획하는 복수의 편광 패턴들; 및 상기 복수의 컬러 필터들 상에 각각 배치된 복수의 제1 마이크로 렌즈들과, 상기 복수의 제1 마이크로 렌즈들과 동일한 레벨에서 상기 복수의 제2 픽셀 영역들을 덮도록 배치된 복수의 제2 마이크로 렌즈들과, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈로부터 상기 제2 공간들에 연장된 충전부를 갖는 마이크로 렌즈층을 포함하는 이미지 센서를 포함한다.

Description

이미지 센서{IMAGE SENSOR}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 특히 위상 검출 픽셀을 구비한 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지를 촬영하여 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서는 디지털 카메라, 휴대전화용 카메라 및 휴대용 캠코더와 같은 일반 소비자용 전자기기뿐만 아니라, 자동차, 보안장치 및 로봇에 장착되는 카메라에도 사용된다. 이러한 이미지 센서는 픽셀 어레이를 구비하며, 픽셀 어레이에 포함된 각각의 픽셀은 광 감지 소자를 포함할 수 있다. 이미지 센서는 이미지 촬영을 빠른 시간에 정확하게 수행할 수 있도록 오토 포커싱(auto focusing) 기능을 수행할 것이 요구된다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제들 중 하나는, 난반사가 감소되고 감도가 개선된 위상 검출 픽셀들을 포함하는 이미지 센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예는, 이미지 정보를 생성하도록 구성된 복수의 제1 픽셀 영역들과, 위상 정보를 검출하도록 구성된 복수의 제2 픽셀 영역들을 갖는 기판; 상기 기판 상에 배치되며, 상기 복수의 제1 픽셀 영역들과 상기 복수의 제2 픽셀 영역들 각각에 대응되는 복수의 공간들을 구분하는 그리드 패턴; 상기 복수의 공간들 중 상기 복수의 제2 픽셀 영역들에 대응되는 제2 공간들을 제외한 제1 공간들에 각각 배치된 복수의 컬러 필터들; 상기 제2 공간들에 각각 배치되며, 상기 제2 공간들을 각각 구획하는 복수의 편광 패턴들; 및 상기 복수의 컬러 필터들 상에 각각 배치된 복수의 제1 마이크로 렌즈들과, 상기 복수의 제1 마이크로 렌즈들과 동일한 레벨에서 상기 복수의 제2 픽셀 영역들을 덮도록 배치된 복수의 제2 마이크로 렌즈들과, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈로부터 상기 제2 공간들에 연장된 충전부를 갖는 마이크로 렌즈층을 포함하는 이미지 센서를 포함한다.
본 발명의 일 실시예는, 이미지 정보를 생성하도록 구성된 복수의 제1 픽셀 영역들과, 위상 정보를 검출하도록 구성된 복수의 제2 픽셀 영역들과, 상기 복수의 제2 픽셀 영역들의 상면에 대응되는 영역에 배치된 요철부를 갖는 기판; 상기 요철부를 채우며 상기 상면을 덮는 절연막; 상기 절연막 상에 배치되며, 상기 복수의 제1 픽셀 영역들과 상기 복수의 제2 픽셀 영역들 각각에 대응되는 복수의 공간들을 구분하는 그리드 패턴; 상기 복수의 공간들에 각각 배치된 복수의 컬러 필터들; 및 상기 복수의 컬러 필터들 중 상기 복수의 제1 픽셀 영역들 상에 각각 배치된 복수의 제1 마이크로 렌즈들과, 상기 복수의 제1 마이크로 렌즈들과 동일한 레벨에서 상기 복수의 제2 픽셀 영역들을 덮도록 배치된 복수의 제2 마이크로 렌즈들을 갖는 마이크로 렌즈층을 포함하는 이미지 센서를 포함한다.
본 발명의 일 실시예는, 이미지 정보를 생성하도록 구성된 복수의 제1 픽셀 영역들과, 위상 정보를 검출하도록 구성된 복수의 제2 픽셀 영역들과, 상기 복수의 제2 픽셀 영역들의 상면에 대응되는 영역에 배치된 요철부를 갖는 기판; 상기 요철부를 채우며 상기 상면을 덮는 절연막; 상기 절연막 상에 배치되며, 상기 복수의 제1 픽셀 영역들과 상기 복수의 제2 픽셀 영역들 각각에 대응되는 복수의 공간들을 구분하는 그리드 패턴; 상기 복수의 공간들에 각각 배치된 복수의 컬러 필터들; 상기 절연막 상에 배치되며, 상기 복수의 공간들 중 상기 복수의 제2 픽셀 영역들 각각에 대응되는 공간들을 각각 구획하는 복수의 편광 패턴들; 및 상기 복수의 컬러 필터들 중 상기 복수의 제1 픽셀 영역들 상에 각각 배치된 복수의 제1 마이크로 렌즈들과, 상기 복수의 제1 마이크로 렌즈들과 동일한 레벨에서 상기 복수의 제2 픽셀 영역들을 덮도록 배치된 복수의 제2 마이크로 렌즈들을 갖는 마이크로 렌즈층을 포함하는 이미지 센서를 포함한다.
위상 검출 픽셀 상에 편광 패턴을 배치하여 표면의 난반사를 감소시키고, 위상 검출 픽셀의 기판 표면에 요철부를 형성하여 표면적을 증가시킴으로써 수광 능력을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1의 A 영역을 나타내는 확대도이다.
도 3은 도 1의 이미지 센서를 I-I'을 따라 절개하여 본 단면도이다.
도 4는 도 3의 B 영역을 나타내는 확대도이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 1의 이미지 센서의 변형예이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 평면도이다.
도 7은 도 6의 C 영역을 나타내는 확대도이다.
도 8은 도 6의 이미지 센서를 I-I'을 따라 절개하여 본 단면도이다.
도 9는 도 8의 D 영역을 나타내는 확대도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 평면도이다.
도 11은 도 10의 이미지 센서를 I-I'을 따라 절개하여 본 단면도이다.
도 12는 도 11의 E 영역을 나타내는 확대도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
도 14a 내지 도 14f는 도 13의 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 주요 공정별 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 다양한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 평면도이며, 도 2는 도 1의 A 영역을 나타내는 확대도이다. 도 3은 도 1의 이미지 센서를 I-I'을 따라 절개하여 본 단면도이며, 도 4는 도 3의 B 영역을 나타내는 확대도이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 제2 칩(100_2)과, 상기 제2 칩(100_2) 상에 배치된 제1 칩(100_2)을 포함하며, 상기 제1 칩(100_2)은 복수의 행 및 복수의 열에 따라 배치된 복수의 픽셀 영역들(PX1,PX2)을 포함하는 제1 기판(110)을 포함할 수 있다.
상기 복수의 픽셀 영역들(PX1,PX2)은 이미지 정보를 생성하도록 구성된 복수의 제1 픽셀 영역들(PX1)과 위상 정보를 검출하도록 구성된 제2 픽셀 영역들(PX2)을 포함할 수 있다. 상기 제1 픽셀 영역들(PX1)은 "이미지 센싱 픽셀들(image sensing pixels)"이라고도 하며, 상기 제2 픽셀 영역들(PX2)은 자동 초점 기능을 위한 픽셀들로서, "위상 검출 픽셀들(phase detection pixels)"이라고도 한다. 본 실시예는 상기 복수의 픽셀 영역들(PX1,PX2)이 6행 6열로 구성된 셀(C1)이 복수개로 이루어진 경우를 예로 들어 설명한다. 설명의 편의를 위해, 도 1에는 하나의 셀(C1) 만을 도시하였다. 또한, 상기 복수의 픽셀 영역들(PX1,PX2)은 각각 3행 3열로 이루어진 제1 내지 제4 픽셀 어레이(PA1, PA2, PA3, PA4)를 포함하는 경우를 예로 들어 설명한다.
본 실시예에서, 복수의 제2 픽셀 영역들(PX2)은 각각 서로 인접하게 배열된 복수 쌍(예, 2쌍)의 제2 픽셀 영역들(PX2)을 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 채용된 제2 픽셀 영역들(PX2)은, 제1 방향(예, D1)으로 인접하게 배열된 한 쌍의 제1 위상 검출 픽셀들(PDX1)과, 상기 한 쌍의 제1 위상 검출 픽셀들(PDX1)과 인접하게 배치되며 제1 방향(D1)으로 배열된 다른 한 쌍의 제2 위상 검출 픽셀 영역들(PDX2)을 포함할 수 있다. 일 실시예는 제1 위상 검출 픽셀들(PDX1)과 제2 위상 검출 픽셀 영역들(PDX2)이 서로 인접하여 배치된 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 제1 위상 검출 픽셀들(PDX1)과 제2 위상 검출 픽셀 영역들(PDX2)은 서로 이격되어 배치될 수 있다.
본 실시예에서, 제1 픽셀 영역들(PX1)을 위한 제1 마이크로 렌즈들(ML1)은 각각 하나의 픽셀에 하나의 마이크로 렌즈가 위치하도록 배열되는 반면에, 제2 픽셀 영역들(PX2)을 위한 제2 마이크로 렌즈들(ML2)은 각각 인접한 한 쌍의 픽셀들을 덮도록 배열될 수 있다. 이와 같이, 제2 마이크로 렌즈들(ML2)은 제2 방향으로는 제1 마이크로 렌즈(ML1)의 폭과 동일하지만, 제1 방향으로는 제1 마이크로 렌즈(ML1)의 2배의 폭을 가질 수 있다.
도 3을 참조하면, 이미지 센서(100)는 상술한 바와 같이, 제1 칩(100_1) 및 제2 칩(100_2)을 포함할 수 있다. 상기 제1 칩(100_1)은 복수의 픽셀 영역들(PX1,PX2)이 배열된 이미지 센서 칩일 수 있으며, 상기 제2 칩(100_2)은 로직 반도체 칩일 수 있다. 본 명세서에서는, 좁은 의미에서 제1 칩(100_1)만을 이미지 센서라고 칭할 수 있다.
본 실시예에서, 제2 칩(100_2)은 제2 기판(140)과 상기 제2 기판(140) 상에 배치된 제2 배선 구조물(130)을 포함한다. 예를 들어, 상기 제2 기판(140)은 Si 또는 Ge와 같은 IV족 반도체, SiGe 또는 SiC와 IV-IV족 화합물 반도체, 또는 GaAs, InAs, 또는 InP와 같은 III-V족 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 상기 제2 기판(140)은 활성 영역을 정의하는 소자 분리부(143)와, 상기 활성 영역 상에 형성된 제2 개별 소자들(146)을 포함하며, 상기 제2 개별 소자들(146)은 이미지 처리를 위한 로직 회로를 구성하며, 예를 들어 소스/드레인으로 제공되는 불순물 영역들(146a)과 게이트 구조(146b)를 갖는 트랜지스터 소자일 수 있다. 상기 제2 배선 구조물(130)은 제2 절연층(131)과 상기 제2 절연층(131) 내에 형성되어 상기 제2 개별 소자들(146)에 연결된 제2 다층 배선(135)을 포함할 수 있다. 제2 다층 배선(135)은 서로 다른 높이 레벨에 위치하는 복수의 배선층들과. 상기 복수의 배선층들 및/또는 제2 개별 소자들(146)을 전기적으로 연결하는 비아들을 포함할 수 있다.
제1 칩(100_1)은 서로 반대에 위치한 제1 면(110A) 및 제2 면(110B)을 갖는 제1 기판(110)과, 상기 제1 기판(110)의 제1 면(110A)에 배치된 제1 배선 구조물(120)을 포함할 수 있다. 상기 제1 기판(110)은 각각 픽셀(PX1,PX2)로 제공되는 픽셀 영역들을 정의하는 소자 분리 패턴(115)과, 각각의 픽셀 영역에 배치된 광전 변환 소자들(150a)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광전 변환 소자들(150a)은 상기 기판의 제2 면(110B)으로부터 입사된 광의 양에 비례하여 전하들을 생성 및 축적할 수 있다. 상기 제1 광전 변환 소자들(PD)은 상기 제1 기판(110) 내부에 형성될 수 있다. 예를 들어, 광전 변환 소자(PD)는 포토 다이오드(photo diode) 외에 포토 트랜지스터(phototransistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 및 이들의 조합으로 구현될 수 있다.
상기 제1 기판(110)은 광전 변환 소자(PD)와 함께, 제1 면(110A)에 배치되며 활성 영역을 정의하는 소자 분리 영역(113)과, 상기 활성 영역 상에 배치된 트랜스퍼 게이트(TG) 및 플로팅 디퓨전 영역(FD)과, 상기 활성 영역 상에 형성된 제1 개별 소자들(116)을 포함할 수 있다. 상기 트랜스퍼 게이트(TG)는 상기 제1 기판(110)의 상기 활성 영역의 표면, 즉 제1 면(110A)으로부터 상기 제1 기판(110) 내부로 연장되는 수직 트랜지스터 게이트 구조를 가질 수 있다. 플로팅 디퓨전 영역(FD)은 상기 트랜스퍼 게이트(TG)에 인접한 활성 영역 내에 형성될 수 있다. 제1 개별 소자들(116)은 소스/드레인으로 제공되는 불순물 영역들(116a)과 게이트 구조(116b)를 갖는 트랜지스터를 포함할 수 있다. 이러한 트랜지스터는 리셋 트랜지스터(reset transistor), 선택 트랜지스터(selection transistor), 및 소스 팔로워 트랜지스터(source follower transistor)를 포함할 수 있다. 상기 제1 배선 구조물(120)은 제1 절연층(121)과 상기 제1 절연층(121) 내에 형성되어 상기 제1 개별 소자들(116)에 연결된 제1 다층 배선(125)을 포함할 수 있다. 제1 다층 배선(125)은 서로 다른 높이 레벨에 위치하는 복수의 배선층들과. 상기 복수의 배선층들 및/또는 제1 개별 소자들(116)을 전기적으로 연결하는 비아들을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 상기 기판(110)의 제2 면(110B)에 순차적으로 배치된 절연막(151), 그리드 패턴(155), 편광 패턴(156), 컬러 필터들(CF1,CF2,CF3) 및 마이크로 렌즈층(160)을 포함할 수 있다. 상기 절연막(151)은 제1 기판(110)의 제2 면(110B)과 컬러 필터들(CF1,CF2,CF3) 사이에 제1 기판(110)의 제2 면(110B)을 덮도록 될 수 있다. 절연막(151)은 반사 방지막을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 절연막(151)은 평탄화막을 추가적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연막(151)은 알루미늄 산화물, 하프늄 산화물, 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나 또는 둘 이상의 층을 포함할 수 있다.
그리드 패턴(155)은 절연막(151) 상에 배치되어 픽셀 영역들(PX1, PX2)을 정의할 수 있다. 그리드 패턴(155)은 컬러 필터들(CF1,CF2,CF3)을 배치하기 위한 제1 공간들을 정의할 수 있다. 또한, 그리드 패턴(155)은 위상 검출을 위한 제2 픽셀 영역(PX2)에 대응되는 제2 공간을 제공할 수 있다. 본 실시예에서, 제2 공간은 앞서 설명한 바와 같이 인접한 2개의 픽셀 영역(PX2)에 해당될 수 있다. 그리드 패턴(155)은 소자 분리 패턴(115)과 수직적으로 중첩될 수 있다. 그리드 패턴(155)은 픽셀 영역들(PX1, PX2) 내의 광전 변환 소자(PD)와 수직적으로 중첩되지 않을 수 있다. 예를 들어, 그리드 패턴(155)은 텅스텐과 같은 금속을 포함할 수 있다. 또한, 그리드 패턴(155)은 TiO2와 같은 고굴절 물질, 저굴절 물질, TEOS(tetraethoxysilane)를 포함하거나 에어 갭(air gap)으로 이루어질 수도 있다.
도 2 및 3을 참조하면, 편광 패턴(156)은 위상 검출을 위한 제2 픽셀 영역(PX2)에 대응되는 제2 공간에만 배치될 수 있다. 편광 패턴(156)은 절연막(151) 상에 배치될 수 있으며, 그리드 패턴(155)에서 연장되어 형성될 수 있다. 편광 패턴(156)은 그리드 패턴(155)과 동일한 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 그리드 패턴(155)과 상이한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 편광 패턴(156)은 텅스텐과 같은 금속을 포함할 수 있다. 또한, 편광 패턴(156)은 TiO2와 같은 고굴절 물질, 저굴절 물질, TEOS(tetraethoxysilane)를 포함하거나, 에어 갭(air gap)으로 이루어질 수도 있다. 편광 패턴(156)은 그리드 패턴(155)과 실질적으로 동일한 레벨의 높이로 형성될 수 있으나, 실시예에 따라서, 편광 패턴(156)은 그리드 패턴(155)보다 낮은 레벨의 높이로 형성될 수 있다. 예를 들어, 편광 패턴(156)은 그리드 패턴(155)이 동일한 공정에서 동일한 물질로 형성되는 경우, 편광 패턴(156)은 그리드 패턴(155)과 실질적으로 동일한 레벨의 높이로 형성될 수 있다. 반면에, 편광 패턴(156)은 그리드 패턴(155)이 서로 다른 공정에서 형성되는 경우, 편광 패턴(156)은 그리드 패턴(155)과 서로 다른 레벨의 높이로 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 편광 패턴(156)은 제2 픽셀 영역(PX2)에서 발생하는 난반사를 감소시키기 위한 복수의 선형 패턴을 포함할 수 있다. 복수의 선형 패턴은 제2 공간을 덮도록 배치될 수 있다. 복수의 선형 패턴은 일 방향을 따라 등간격으로 서로 이격되어 배치될 수 있으며, 일 방향을 따라 서로 평행하게 배치될 수 있다. 편광 패턴(156)은 위상 검출 픽셀들(PDX1, PDX2) 마다 다른 방향성을 갖도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 위상 검출 픽셀들(PDX1)의 제1 편광 패턴(156a)은 제4 방향(D4)으로 배치될 수 있으며, 제2 위상 검출 픽셀들(PDX2)의 제2 편광 패턴(156b)은 제4 방향(D4)과 직교하는 제5 방향(D5)을 따라 배치될 수 있다. 복수의 선형 패턴은 폭과 이격거리가 서로 동일하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 복수의 선형 패턴은 각각 약 20nm ~ 약 300nm의 폭을 가질 수 있으며, 서로 약 20nm ~ 약 300nm의 이격거리를 갖도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 복수의 선형 패턴은 각각 약 20nm ~ 약 150nm의 폭을 가질 수 있으며, 서로 약 20nm ~ 약 150nm의 이격거리를 갖도록 배치될 수 있다. 또한, 복수의 선형 패턴의 폭은 그리드 패턴(155)의 폭의 1/2이 되도록 형성될 수 있다.
컬러 필터들(CF1,CF2,CF3)은 그리드 패턴(155)에 의해 정의되는 제1 공간들에 각각 배치되어 이미지 센싱을 위한 제1 픽셀 영역들(PX1)을 제공할 수 있다. 컬러 필터들(CF1, CF2, CF3)은 청색(B) 컬러 필터(CF1), 녹색(G) 컬러 필터(CF2), 및 적색(R) 컬러 필터(CF3)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 컬러 필터(CF1,CF2,CF3)는 각각 하나의 픽셀 영역(PX)에 배치된 하나의 광전 변환 소자(PD)와 수직적으로 중첩할 수 있다. 컬러 필터(CF1,CF2,CF3)는 각각 서로 다른 특정 파장의 광을 투과시켜 그 아래에 위치한 광전 변환 소자(PD)에서 특정 파장의 광으로부터 전하를 생성할 수 있다. 컬러 필터들(CF1,CF2,CF3)은 도 1에 도시된 바와 같이, 6행 6열의 노나(Nona)형 패턴으로 배열될 수 있다. 노나형 패턴은 사람의 눈이 가장 민감하게 반응하는 녹색 필터들(CF2)이 전체 컬러 필터들의 반이 되도록 배열될 수 있다.
마이크로 렌즈층(160)은 제2 픽셀 영역(PX2) 상에 위치한 제2 공간을 채우는 충전부(GP)와, 컬러 필터들(CF1,CF2,CF3)과 충전부(GP) 상에 각각 배치된 마이크로 렌즈들(ML1,ML2)을 포함한다. 상기 마이크로 렌즈들(ML) 위로 볼록한 형태(예, 반구형상)를 가지며 소정의 곡률 반경을 가질 수 있다. 마이크로 렌즈들(ML)은 이미지 센서로 입사하는 빛의 경로를 변경시켜 빛을 집광시킬 수 있다.
제1 및 제2 픽셀 영역들(PX1,PX2)에 각각 대응되도록 배치될 수 있다. 상기 마이크로 렌즈들(ML)은 컬러 필터들(CF1,CF2,CF3) 상에 각각 배치된 복수의 제1 마이크로 렌즈들(ML1)과, 상기 복수의 제1 마이크로 렌즈들(ML1)과 동일한 레벨에서 상기 제2 픽셀 영역들(PX2)을 덮도록 배치된 제2 마이크로 렌즈(ML)를 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 실시예에서, 제1 마이크로 렌즈들(ML1)은 각각 하나의 제1 픽셀 영역(PX1)에 하나의 마이크로 렌즈가 위치하도록 배열되며, 제2 마이크로 렌즈들(ML2)은 각각 인접한 한 쌍의 제2 픽셀 영역들(PX2)을 덮도록 배열될 수 있다.
본 실시예에 채용된 충전부(GP)는 복수의 마이크로 렌즈들(ML)과 일체화된 구조를 갖는다. 상기 충전부(GP)와 마이크로 렌즈들(ML)은 동일한 공정으로 형성될 수 있다(도 4d 및 도 4e 참조). 상기 충전부(GP)는 제2 마이크로 렌즈(ML2)의 하면에 위치할 수 있다. 충전부(GP)는 상기 제2 마이크로 렌즈(ML2)와의 계면 없이 연속적으로 형성될 수 있다. 충전부(GP)는 제1 및 제2 마이크로 렌즈들(ML1,ML2)과 동일한 광투과성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 마이크로 렌즈층(160)은 전체 가시 광선 대역의 광에 대해 90% 이상의 광투과도를 갖는 투명 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 마이크로 렌즈층(160)은 투명 수지를 포함할 수 있다.
제2 픽셀 영역(PX2)은 컬러 필터(CF1,CF2,CF3)를 대신하여 제2 마이크로 렌즈(ML2)를 위한 투명 물질을 적용하여 충전부(GP)를 갖는다. 이러한 충전부(GP)는 마이크로 렌즈들(ML1,ML2)과 동일한 투명 물질로 마이크로 렌즈들(ML1,ML2)과 동일한 공정으로 형성되므로, 제2 마이크로 렌즈(ML2)와 충전부(GP)는 계면 없이 연속적으로 형성된 일체화된 구조를 가질 수 있다.
이와 같이, 위상 검출을 위한 제2 픽셀 영역(PX2)에서 컬러 필터를 도입하지 않고 마이크로 렌즈(ML)와 일체화된 투명한 충전부(GP)를 제공함으로써 컬러 필터에 의한 광 손실을 방지할 수 있다. 또한, 충전부(GP)는 마이크로 렌즈(ML)와 물리적/광학적인 계면을 갖지 않으므로 계면에서 발생되는 반사와 같은 광 손실을 방지하여 위상 검출 픽셀의 수광 능력을 크게 향상시킬 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 채용된 위상 검출 픽셀(PDX1,PDX2)은 한 쌍의 위상 검출 픽셀(PX2a,PX2b)에 의해 공유하도록 구성된 하나의 제2 마이크로 렌즈(ML2)를 포함할 수 있다. 위상 검출 픽셀(PX2a,PX2b)에 의해 공유된 제2 마이크로 렌즈(ML2)는 렌즈 형상 및/또는 굴절률을 이용하여 광전 변환 소자(PDa,PDb)로 입사되는 광을 제어할 수 있다. 제2 마이크로 렌즈(ML2)에 의해, 위상 검출 픽셀(PX2a,PX2b)은 서로 다른 위상 신호를 출력하고, 서로 다른 위상 신호에 의해 초점을 조절할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 도 1의 이미지 센서의 변형예이다.
도 5a은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(100A)를 나타내는 평면도이다. 도 5a를 참조하면, 본 실시예는 상기 복수의 픽셀 영역들(PX1,PX2)이 8행 8열로 구성된 셀(C11)이 복수개 포함된 경우를 예로 들어 설명한다. 설명의 편의를 위해, 도 5a에는 하나의 셀(C11) 만을 도시하였다. 또한, 상기 복수의 픽셀 영역들(PX1,PX2)은 각각 4행 4열로 이루어진 제1 내지 제4 픽셀 어레이(PA11, PA12, PA13, PA14)를 포함하는 경우를 예로 들어 설명한다. 또한, 본 실시예에 따른 이미지 센서(100A)는 제1 내지 제4 위상 검출 픽셀 영역들(PDX11, PDX12, PDX13, PDX14)을 구비할 수 있다. 이러한 점들을 제외하면, 본 실시예는 도 1 내지 도 4에 도시된 이미지 센서(100)와 유사한 것으로 이해할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 이미지 센서(100A)의 각 구성요소들은 특별히 반대되는 설명이 없는 한, 도 1 내지 도 4에서 설명된 이미지 센서(100)의 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 설명을 참조하여 이해될 수 있다.
제1 내지 제4 위상 검출 픽셀 영역들(PDX11, PDX12, PDX13, PDX14)은 서로 다른 방향성을 갖는 편광 패턴(156)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 위상 검출 픽셀 영역들(PDX11, PDX12, PDX13, PDX14)의 편광 패턴들은 각각 이웃하는 위상 검출 픽셀 영역들의 편광 패턴과 45도의 사잇각을 갖는 방향으로 배치될 수 있다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(100B)를 나타내는 평면도이다. 도 5b를 참조하면, 본 실시예는 상기 복수의 픽셀 영역들(PX1,PX2)이 3행 3열로 구성된 한 쌍의 셀(C21,C22)이 복수개 포함된 경우를 예로 들어 설명한다. 설명의 편의를 위해, 도 5b에는 한 쌍의 셀(C21,C22) 만을 도시하였다. 이러한 점들을 제외하면, 본 실시예는 도 1 내지 도 4에 도시된 이미지 센서(100)와 유사한 것으로 이해할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 이미지 센서(100A)의 각 구성요소들은 특별히 반대되는 설명이 없는 한, 도 1 내지 도 4에서 설명된 이미지 센서(100)의 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 설명을 참조하여 이해될 수 있다.
제1 및 제2 위상 검출 픽셀 영역들(PDX21, PDX22)은 서로 다른 셀에 각각 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 위상 검출 픽셀 영역들(PDX21)은 제1 셀(C21)에 배치되고, 제2 위상 검출 픽셀 영역들(PDX21)은 제2 셀(C22)에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 위상 검출 픽셀 영역들(PDX21, PDX22)은 제1 및 제2 셀(C21, C22)에 서로 대응되는 위치에 배치될 수 있다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(100C)를 나타내는 평면도이다. 도 5c를 참조하면, 본 실시예는 상기 복수의 픽셀 영역들(PX1,PX2)이 8행 8열로 구성된 셀(C31)이 복수개 포함된 경우를 예로 들어 설명한다. 설명의 편의를 위해, 도 5c에는 하나의 셀(C31) 만을 도시하였다. 또한, 상기 복수의 픽셀 영역들(PX1,PX2)은 각각 4행 4열로 이루어진 제1 내지 제4 픽셀 어레이(PA31, PA32, PA33, PA34)를 포함하는 경우를 예로 들어 설명한다. 또한, 본 실시예에 따른 이미지 센서(100C)는 제1 및 제2 위상 검출 픽셀 영역들(PDX31, PDX32)을 구비할 수 있다. 제1 및 제2 위상 검출 픽셀 영역들(PDX31, PDX32)은 각각 정사각형으로 배열된 4개의 제2 픽셀 영역들(PX2)을 덮도록 배치된 제2 마이크로 렌즈(ML2)를 포함할 수 있다.
이러한 점들을 제외하면, 본 실시예는 도 1 내지 도 4에 도시된 이미지 센서(100)와 유사한 것으로 이해할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 이미지 센서(100C)의 각 구성요소들은 특별히 반대되는 설명이 없는 한, 도 1 내지 도 4에서 설명된 이미지 센서(100)의 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 설명을 참조하여 이해될 수 있다.
제1 및 제2 위상 검출 픽셀 영역들(PDX31, PDX32)에 각각 포함된 제4 픽셀 영역들(PX2)은 서로 다른 방향성을 갖는 편광 패턴(156)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 위상 검출 픽셀 영역들(PDX31, PDX32)에 포함된 4개의 편광 패턴들은 각각 이웃하는 위상 검출 픽셀 영역들의 편광 패턴과 45도의 사잇각을 갖는 방향으로 배치될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 평면도이고, 도 7은 도 6의 C 영역을 나타내는 확대도이다. 도 8은 도 6의 이미지 센서를 I-I'을 따라 절개하여 본 단면도이고, 도 9는 도 8의 D 영역을 나타내는 확대도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예의 이미지 센서(1000)는 위상 검출을 위한 제2 픽셀 영역(PX2)에 요철부(157)가 형성될 수 있다. 또한, 상기 복수의 픽셀 영역들(PX1,PX2)은 각각 4행 4열로 이루어진 제1 내지 제4 픽셀 어레이(PA41, PA42, PA43, PA44)를 포함하는 경우를 예로 들어 설명한다. 또한, 본 실시예에 따른 이미지 센서(100A)는 제1 및 제2 위상 검출 픽셀 영역들(PDX41, PDX42)을 구비할 수 있다. 또한, 본 실시예의 이미지 센서(1000)는 도 1 내지 도 4에 도시된 이미지 센서(100)와 비교할 때, 편광 패턴이 배치되지 않은 차이점이 있다. 이러한 점을 제외하면, 본 실시예는 도 1 내지 도 4에 도시된 이미지 센서(100)와 유사한 것으로 이해할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 이미지 센서(1000)의 각 구성요소들은 특별히 반대되는 설명이 없는 한, 도 1 내지 도 4에서 설명된 이미지 센서(100)의 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 설명을 참조하여 이해될 수 있다.
도 6 내지 도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 이미지 센서(1000)는 상기 기판(110)의 제2 면(110B)에 형성된 요철부(157), 요철부(157)를 채우는 절연막(151), 그리드 패턴(155), 컬러 필터들(CF1,CF2,CF3) 및 마이크로 렌즈층(160)을 포함할 수 있다.
요철부(157)는 제1 기판(110)의 제2 면(110B)에 소정의 간격으로 배치된 복수의 오목부를 포함할 수 있다. 요철부(157)의 폭(W4)과 깊이(DP1)는 다양하게 변형될 수 있다. 요철부(157)는 제1 기판(110)의 제2 면(110B)에, 100nm 이하의 깊이, 예를 들어, 약 500Å ~ 약 700Å의 깊이(DP1)로 형성될 수 있다. 본 실시예는 요철부(157)가 서로 이격된 복수의 오목부로 이루어진 경우를 예로 들어 설명하나, 이에 한정하는 것은 아니며, 요철부(157)는 격자 형상 및 사각 뿔 형상과 같이 제1 기판(110)의 제2 면(110B)의 표면적을 증가시킬 수 있는 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 요철부(157)는 제1 기판(110)의 제2 면(110B)의 표면적을 증가시켜, 위상 검출 픽셀(PDX41,PDX42)의 광전 변환 소자들(PDa,PDb)에서 수광되는 광의 광량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 이미지 센서(1000)의 감도가 향상될 수 있다.
도 7 및 도 9를 참조하면, 본 실시예의 위상 검출 픽셀(PDX41,PDX42)은 각각 한 쌍의 위상 검출 픽셀(PX2a,PX2b)을 포함할 수 있다. 한 쌍의 위상 검출 픽셀(PX2a,PX2b)은 하나의 제2 마이크로 렌즈(ML2)를 공유할 수 있다.
컬러 필터들(CF1,CF2,CF3)은 그리드 패턴(155)에 의해 정의되는 공간들에 각각 배치되어 제1 픽셀 영역들(PX1)과 제2 픽셀 영역들(PX1, PX2)을 제공할 수 있다. 컬러 필터들(CF1, CF2, CF3)은 청색(B) 컬러 필터(CF1), 녹색(G) 컬러 필터(CF2), 및 적색(R) 컬러 필터(CF3)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 컬러 필터(CF1,CF2,CF3)는 각각 하나의 픽셀 영역(PX)에 배치된 하나의 광전 변환 소자(PD)와 수직적으로 중첩할 수 있다. 제2 픽셀 영역들(PX1, PX2)에는 녹색(G) 컬러 필터(CF2)가 배치될 수 있다.
도 9를 참조하면, 제1 기판(110)의 상면(110B)에는 절연막(111, 151)이 배치될 수 있다. 절연막(111, 151)은, 요철부(157)를 채우는 제1 절연막(111)과, 제1 기판(110)의 상면(110B)을 전체적으로 덮는 제2 절연막(151)을 포함할 수 있다. 제1 절연막(111) 및 제2 절연막(151)은 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 절연막(111) 및 제2 절연막(151)은 알루미늄 산화물, 하프늄 산화물, 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 평면도이고, 도 11은 도 10의 이미지 센서를 I-I'을 따라 절개하여 본 단면도이다. 도 12는 도 11의 E 영역을 나타내는 확대도이다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 이미지 센서(1000)는 상기 기판(110)의 제2 면(110B)에 형성된 요철부(157), 요철부(157) 상의 절연막(151), 평탄화층(170), 그리드 패턴(155), 컬러 필터들(CF1,CF2,CF3) 및 마이크로 렌즈층(160)을 포함할 수 있다.
본 실시예의 이미지 센서(1000A)는 앞서 설명한 도 6 내지 도 9에 도시된 이미지 센서(1000)와 비교할 때, 요철부(157)가 사각 뿔 형상으로 형성되고, 절연막(151)의 상부에 평탄화층(170)이 더 배치된 차이점이 있다. 이러한 점들을 제외하면, 본 실시예는 도 6 내지 도 9에 도시된 이미지 센서(1000)와 유사한 것으로 이해할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 이미지 센서(1000A)의 각 구성요소들은 특별히 반대되는 설명이 없는 한, 도 6 내지 도 9에서 설명된 이미지 센서(1000)의 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 설명을 참조하여 이해될 수 있다.
도 10 내지 및 도 12를 참조하면, 본 실시예의 이미지 센서(1000A)의 요철부(157)는 사각 뿔 형상으로 형성될 수 있다. 제1 기판(110)의 상면(110B)을 습식 식각하면, 식각률이 높은 (111)방향의 결정면을 따라 식각이 이루어져 사각 뿔 형상의 요철부(157)가 형성될 수 있다. 요철부(157) 상에는 균일한 두께로 절연막(151)이 배치될 수 있다. 절연막(151) 상에는, 절연막(151)의 표면을 평탄화하기 위한 평탄화층(170)이 배치될 수 있다. 평탄화층(170)의 깊이(DP2)는 위상 검출 픽셀(PX2a,PX2b)의 폭의 1/2이하일 수 있다. 예를 들어, 위상 검출 픽셀(PX2a,PX2b)의 폭이 약 0.6㎛인 경우, 평탄화층(170)의 깊이(DP2)는 약 2500Å일 수 있다. 평탄화층(170)은 알루미늄 산화물, 하프늄 산화물, 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 단면도이다. 본 실시예의 이미지 센서(10000)는, 앞서 설명한 도 1 내지 도 4의 이미지 센서(100)에 포함된 편광 패턴(156)과, 도 6 내지 도 9의 이미지 센서(1000)에 포함된 요철부(157)를 모두 구비할 수 있다. 따라서, 제2 픽셀 영역(PX2)에서 발생하는 난반사가 감소하면서도, 이미지 센서(10000)의 감도가 향상될 수 있다.
도 14a 내지 도 14f는 도 13의 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 주요 공정별 단면도들이다. 본 실시예에 따른 제조방법은 도 13에 도시된 이미지 센서(10000)의 제조방법으로 이해될 수 있다
우선, 도 14a를 참조하면, 제1 기판(110)의 상면(110B)을 식각하여 요철부를 형성한 후, 요철부에 채우는 제1 절연막(111)을 형성한다.
다음으로, 도 14b를 참조하면, 제1 칩(100_1)을 위한 제1 웨이퍼와 제2 칩(100_2)을 위한 제2 웨이퍼를 본딩한 후에, 제1 기판(110)의 제2 면(110B) 상에 절연막(151), 그리드 패턴(155) 및 편광 패턴(156)을 형성한다.
이러한 본딩하는 공정 웨이퍼 레벨 공정으로 구현될 수 있다. 본 실시예에서, 제1 및 제2 기판들(110,140)은 웨이퍼로 이해될 수 있다. 제1 기판(110)은 제1 도전형의 불순물로 도핑되며, 제2 도전형의 불순물을 제1 기판(110) 내에 주입하여 광전 변환 소자들(PD)을 형성할 수 있다. 제1 기판(110)의 제1 면(110A)에 소자 분리 영역(113)을 형성하고, 상기 소자 분리 영역(113)에 소정의 깊이로 소자 분리 패턴(115)을 형성하여 픽셀 영역들(PX1,PX2)을 정의할 수 있다. 예를 들어, 소자 분리 패턴(115)은 폴리 실리콘을 포함할 수 있다. 이미지 신호 생성을 위해서 제1 기판(110)의 제1 면(110B)에 플로팅 디퓨젼 영역(FD), 트랜스퍼 게이트(TG) 및 다양한 트랜지스터들을 형성할 수 있다. 상기 제1 기판(110)의 제1 면(110B)에 제1 배선 구조물(120)을 형성하여, 제1 칩(100_1)을 위한 제1 웨이퍼를 제조할 수 있다. 제조된 제1 웨이퍼를, 로직 회로를 위한 제2 칩(100_1)을 위한 제2 웨이퍼 상에 본딩할 수 있다.
제1 기판(110)의 제1 면(110A)을 그라인딩하여 제1 기판(110)이 박형화될 수 있다. 박형화된 제1 기판(110)의 제1 면(110A) 상에 소자 분리 패턴(115)이 노출될 수 있다. 절연막(151)은 반사 방지막 및/또는 평탄화막을 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연막(151)은 알루미늄 산화물, 하프늄 산화물, 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나 또는 둘 이상의 층을 포함할 수 있다.
그리드 패턴(155)은 절연막(151) 상에 배치되어 제1 및 제2 픽셀 영역들(PX1, PX2)을 정의할 수 있다. 그리드 패턴(155)은 컬러 필터들(CF1,CF2,CF3)을 배치하기 위한 제1 공간들(S1)을 정의할 수 있다. 또한, 그리드 패턴(155)은 위상 검출을 위한 제2 픽셀 영역(PX2)에 대응되는 제2 공간(S2)을 제공할 수 있다. 본 실시예에서, 제2 공간(S2)은 인접한 2개의 픽셀 영역(PX2)을 커버하도록 제공될 수 있다. 예를 들어, 그리드 패턴(155)은 텅스텐과 같은 금속을 포함할 수 있다. 또한, 편광 패턴(156)은 TiO2와 같은 고굴절 물질, 저굴절 물질, TEOS(tetraethoxysilane)를 포함하거나, 에어 갭(air gap)으로 이루어질 수도 있다.
편광 패턴(156)은 제2 픽셀 영역들(PX2)에만 배치될 수 있다. 편광 패턴(156)은 그리드 패턴(155)과 동시에 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니며, 편광 패턴(156) 및 그리드 패턴(155) 중 어느 하나가 먼저 형성될 수도 있다. 예를 들어, 편광 패턴(156)은 텅스텐과 같은 금속을 포함할 수 있다. 또한, 편광 패턴(156)은 TiO2와 같은 고굴절 물질, 저굴절 물질, TEOS(tetraethoxysilane)를 포함하거나, 에어 갭(air gap)으로 이루어질 수도 있다.
다음으로, 도 14c를 참조하면, 제1 및 제2 공간들(S1,S2)이 충전되도록 제1 컬러필터를 위한 컬러 필터층(CFL)을 형성하고, 이어 도 14d에 도시된 바와 같이 컬러 필터층(CFL)을 패터닝하여 해당 픽셀 영역(PX1)의 제1 공간(S1)에 제1 컬러 필터(CF1)를 형성할 수 있다.
컬러 필터층(CFL)은 제1 및 제2 공간들(S1,S2)에 충전되도록 스핀 코팅과 같은 코팅 공정에 의해 형성될 수 있다. 컬러 필터층(CFL)은 제1 컬러 필터를 위한 물질로서 제1 파장의 광(예, 청색 광)을 투과시키는 필터 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 필터 물질은 컬러 필터 기능을 갖는 염료나 안료를 갖는 수지층일 수 있다. 도 14d에 도시된 컬러 필터층(CFL)의 패터닝 공정은 노광 및 현상에 의해 수행될 수 있다. 이러한 패터닝은 제1 기판(110)의 다른 제1 픽셀 영역들(PX1)의 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)에 위치한 컬러 필터층(CFL) 부분을 제거할 수 있다.
다음으로, 도 14e를 참조하면, 도 4b 및 도 4c에 도시된 공정들과 유사하게, 다른 물질을 이용하여 컬러 필터층을 코팅하고, 선택적으로 제거하는 공정을 통해서 제2 및 제3 컬러 필터들(CF2,CF3)을 형성할 수 있다. 본 공정들을 통해서, 제1 픽셀 영역(PX1)에는 제2 및 제3 컬러 필터(CF2, CF3)가 제공될 수 있으며, 제2 픽셀 영역들(PX2)에는 제2 컬러 필터(CF2)가 제공될 수 있다.
이어, 도 14f를 참조하면, 제1 내지 제3 컬러 필터들(CF1,CF2,CF3) 상에 렌즈 물질층(160L)을 형성하고, 이어 렌즈 물질층(160L) 상에 원하는 렌즈 형상을 갖는 희생 패턴들(PM)을 형성한다. 예를 들어, 렌즈 물질층(160L)은 광투과성을 우수한 투명 수지일 수 있다. 렌즈 물질층(160L)은 실질적으로 평탄한 상면을 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 렌즈 물질층(160L)은 스핀 코팅 공정에 의해 형성될 수 있다.
희생 패턴들(PM)은 렌즈 물질층(160L) 상에 배치되며, 각각의 픽셀 영역(PX1,PX2)에서 원하는 렌즈 형상을 갖도록 가공될 수 있다. 본 실시예에서, 제2 픽셀 영역들(PX2) 상에는, 즉 제2 공간(S2)에 해당되는 영역에는 2개의 제2 픽셀 영역들(PX2)에 걸쳐 긴 렌즈 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 희생 패턴들(PM)의 형성 공정은 희생 물질층을 형성한 후에 패터닝하여 희생 패턴들(PM)을 형성하고, 렌즈 형상을 갖도록 리플로우(reflow)시키는 방식으로 형성될 수 있다. 이어, 희생 패턴들(PM)과 함께 렌즈 물질층(160L)의 식각 공정을 수행함으로써 희생 패턴들(PM)의 형상을 렌즈 물질층(160L)에 전사시킬 수 있다. 이러한 식각 공정은 희생 패턴들(PM)의 제거될 때까지 수행될 수 있으며, 점선으로 표시된 마이크로 렌즈층(160)을 형성될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100, 100A, 100B, 100C, 100D, 1000A, 10000: 이미지 센서
100_1: 제1 칩 100_2: 제2 칩
110: 제1 기판 113,143: 소자 분리부
PD: 광전 변환 소자 115: 소자 분리 패턴
115A: 제1 소자 분리 패턴 115B: 제2 소자 분리 패턴
116: 제1 개별 소자 116a: 불순물 영역
116b: 게이트 구조물 TG: 트랜스퍼 게이트
FD: 플로팅 디퓨젼 120: 제1 배선 구조물
121: 제1 절연층 125: 제1 다층 배선
130: 제2 배선 구조물 121: 제2 절연층
125: 제2 다층 배선 140: 제2 기판
143: 소자 분리부 146: 제2 개별 소자
146a: 불순물 영역 146b: 게이트 구조물
151: 절연막 155: 그리드 패턴
159: 광 차폐막 160: 마이크로 렌즈층
ML: 마이크로 렌즈 GP: 충전부
CF1,CF2,CF3: 제1, 제2 및 제3 컬러 필터

Claims (20)

  1. 이미지 정보를 생성하도록 구성된 복수의 제1 픽셀 영역들과, 위상 정보를 검출하도록 구성된 복수의 제2 픽셀 영역들을 갖는 기판;
    상기 기판 상에 배치되며, 상기 복수의 제1 픽셀 영역들과 상기 복수의 제2 픽셀 영역들 각각에 대응되는 복수의 공간들을 구분하는 그리드 패턴;
    상기 복수의 공간들 중 상기 복수의 제2 픽셀 영역들에 대응되는 제2 공간들을 제외한 제1 공간들에 각각 배치된 복수의 컬러 필터들;
    상기 제2 공간들에 각각 배치되며, 상기 제2 공간들을 각각 구획하는 복수의 편광 패턴들; 및
    상기 복수의 컬러 필터들 상에 각각 배치된 복수의 제1 마이크로 렌즈들과, 상기 복수의 제1 마이크로 렌즈들과 동일한 레벨에서 상기 복수의 제2 픽셀 영역들을 덮도록 배치된 복수의 제2 마이크로 렌즈들과, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈로부터 상기 제2 공간들에 연장된 충전부를 갖는 마이크로 렌즈층을 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 편광 패턴들은 각각,
    복수의 선형 패턴들을 포함하며, 상기 복수의 선형 패턴들은 등간격으로 이격되어 배치된 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 선형 패턴들은,
    각각 제1 거리의 폭을 가지고, 서로 제1 거리로 이격되어 배치되며,
    상기 제1 거리는 20nm 내지 300nm인 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 그리드 패턴은,
    상기 제1 거리 보다 큰 제2 거리의 폭을 가지며,
    상기 제2 거리는 상기 제1 거리의 2배인 이미지 센서.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 제2 픽셀 영역들은, 각각 서로 인접하게 배열된 복수 쌍의 제2 픽셀 영역들을 포함하고,
    상기 복수의 제2 마이크로 렌즈들 각각은 한 쌍의 상기 제2 픽셀 영역들을 덮도록 배치되고,
    상기 한 쌍의 상기 제2 픽셀 영역들에 배치된 상기 복수의 편광 패턴들에 포함된 상기 복수의 선형 패턴들은 제1 방향으로 정렬된 이미지 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 한 쌍의 상기 제2 픽셀 영역들에 인접한 다른 한 쌍의 상기 제2 픽셀 영역들에 배치된 상기 복수의 선형 패턴들은 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 정렬된 이미지 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 방향은 상기 제2 방향과 90도의 사이각을 갖는 이미지 센서.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 방향은 상기 제2 방향과 45도의 사이각을 갖는 이미지 센서.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 제2 픽셀 영역들은, 각각 서로 인접하게 배열된 복수 쌍의 상기 제2 픽셀 영역들을 포함하고,
    상기 복수의 제2 마이크로 렌즈들 각각은 정사각형으로 배열된 4개의 상기 제2 픽셀 영역들을 덮도록 배치되고,
    상기 4개의 제2 픽셀 영역들에 배치된 상기 복수의 편광 패턴들에 포함된 상기 복수의 선형 패턴들은, 각각 제1 방향 내지 제4 방향으로 배열되며,
    상기 제1 방향 내지 제4 방향은 순차적으로 45도의 사이각을 갖는 이미지 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 편광 패턴들은 상기 그리드 패턴과 동일한 물질로 이루어진 이미지 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 편광 패턴들은 텅스텐, TiO2, Low-K 물질, TEOS(tetraethoxysilane) 및 에어 갭(air gap) 중 적어도 하나로 이루어진 이미지 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 편광 패턴들은 상기 그리드 패턴과 동일한 높이를 갖는 이미지 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 편광 패턴들은 상기 그리드 패턴 보다 낮은 높이를 갖는 이미지 센서.
  14. 이미지 정보를 생성하도록 구성된 복수의 제1 픽셀 영역들과, 위상 정보를 검출하도록 구성된 복수의 제2 픽셀 영역들과, 상기 복수의 제2 픽셀 영역들의 상면에 대응되는 영역에 배치된 요철부를 갖는 기판;
    상기 요철부를 채우며 상기 상면을 덮는 절연막;
    상기 절연막 상에 배치되며, 상기 복수의 제1 픽셀 영역들과 상기 복수의 제2 픽셀 영역들 각각에 대응되는 복수의 공간들을 구분하는 그리드 패턴;
    상기 복수의 공간들에 각각 배치된 복수의 컬러 필터들; 및
    상기 복수의 컬러 필터들 중 상기 복수의 제1 픽셀 영역들 상에 각각 배치된 복수의 제1 마이크로 렌즈들과, 상기 복수의 제1 마이크로 렌즈들과 동일한 레벨에서 상기 복수의 제2 픽셀 영역들을 덮도록 배치된 복수의 제2 마이크로 렌즈들을 갖는 마이크로 렌즈층을 포함하는 이미지 센서.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 컬러 필터들은 청색 컬러 필터, 녹색 컬러 필터 및 적색 컬러 필터를 포함하며,
    상기 복수의 제2 픽셀 영역들 상에는 상기 녹색 컬러 필터가 배치된 이미지 센서.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 요철부는 소정의 간격으로 이격 배치된 복수의 오목부를 포함하는 이미지 센서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 요철부는 상기 기판의 상기 상면에 500Å 내지 700Å의 깊이로 배치된 이미지 센서.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 절연막은 알루미늄 산화물, 하프늄 산화물, 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나를 포함하는 이미지 센서.
  19. 이미지 정보를 생성하도록 구성된 복수의 제1 픽셀 영역들과, 위상 정보를 검출하도록 구성된 복수의 제2 픽셀 영역들과, 상기 복수의 제2 픽셀 영역들의 상면에 대응되는 영역에 배치된 요철부를 갖는 기판;
    상기 요철부를 채우며 상기 상면을 덮는 절연막;
    상기 절연막 상에 배치되며, 상기 복수의 제1 픽셀 영역들과 상기 복수의 제2 픽셀 영역들 각각에 대응되는 복수의 공간들을 구분하는 그리드 패턴;
    상기 복수의 공간들에 각각 배치된 복수의 컬러 필터들;
    상기 절연막 상에 배치되며, 상기 복수의 공간들 중 상기 복수의 제2 픽셀 영역들 각각에 대응되는 공간들을 각각 구획하는 복수의 편광 패턴들; 및
    상기 복수의 컬러 필터들 중 상기 복수의 제1 픽셀 영역들 상에 각각 배치된 복수의 제1 마이크로 렌즈들과, 상기 복수의 제1 마이크로 렌즈들과 동일한 레벨에서 상기 복수의 제2 픽셀 영역들을 덮도록 배치된 복수의 제2 마이크로 렌즈들을 갖는 마이크로 렌즈층을 포함하는 이미지 센서.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 복수의 컬러 필터들은 청색 컬러 필터, 녹색 컬러 필터 및 적색 컬러 필터를 포함하며,
    상기 복수의 제2 픽셀 영역들 상에는 상기 녹색 컬러 필터가 배치되고,
    상기 복수의 편광 패턴들은 상기 녹색 컬러 필터를 구획하는 이미지 센서.


KR1020220128035A 2022-10-06 2022-10-06 이미지 센서 KR20240048352A (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220128035A KR20240048352A (ko) 2022-10-06 2022-10-06 이미지 센서
US18/207,786 US20240120357A1 (en) 2022-10-06 2023-06-09 Image sensor
CN202311280462.9A CN117855234A (zh) 2022-10-06 2023-09-28 图像传感器
JP2023173741A JP2024055835A (ja) 2022-10-06 2023-10-05 イメージセンサ

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220128035A KR20240048352A (ko) 2022-10-06 2022-10-06 이미지 센서

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240048352A true KR20240048352A (ko) 2024-04-15

Family

ID=90533380

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220128035A KR20240048352A (ko) 2022-10-06 2022-10-06 이미지 센서

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20240120357A1 (ko)
JP (1) JP2024055835A (ko)
KR (1) KR20240048352A (ko)
CN (1) CN117855234A (ko)

Also Published As

Publication number Publication date
JP2024055835A (ja) 2024-04-18
CN117855234A (zh) 2024-04-09
US20240120357A1 (en) 2024-04-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20220190022A1 (en) Image sensors
US9893111B2 (en) Full-PDAF (phase detection autofocus) CMOS image sensor structures
TWI548072B (zh) 像素陣列之介電阻障
KR100826407B1 (ko) 자외선 수광용 포토 다이오드 및 이를 포함하는 이미지센서
US20060113620A1 (en) Image sensor microlens structures and methods of forming the same
US20140339615A1 (en) Bsi cmos image sensor
KR102564457B1 (ko) 이미지 센서 및 그 제조방법
US20050045927A1 (en) Microlenses for imaging devices
US12021098B2 (en) Image sensor
US9305955B2 (en) Method for manufacturing solid-state imaging device, and solid-state imaging device
US20150325612A1 (en) Image sensing device
KR100829378B1 (ko) 이미지 센서 및 이의 제조 방법
KR102645517B1 (ko) 이미지 센서 및 이를 형성하는 방법
KR20100067982A (ko) 이미지 센서 및 그 제조 방법
CN113380837A (zh) 具有表面微柱体结构的固态影像传感器暨其制作方法
KR20200010747A (ko) 이미지 센싱 장치
KR20240048352A (ko) 이미지 센서
US9721983B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
TWI734294B (zh) 影像感測器
KR20070000131A (ko) Ｃｍｏｓ 이미지센서용 적층형 포토다이오드 및 그 제조방법
US20220165766A1 (en) Image sensor and manufacturing process thereof
KR100967477B1 (ko) 이미지 센서 및 그 제조 방법
US12027552B2 (en) Image sensor having high pixel integration
US20220109014A1 (en) Image sensor with trench structures
US20220109020A1 (en) Image sensor