KR20240054578A - 복수개의 곡률을 가지는 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서 및 이의 제조 방법을 제공한다. 이 이미지 센서는 제 1 면과 이에 반대되는 제 2 면을 가지는 제1 기판; 상기 제1 기판에 배치되는 복수개의 화소들, 상기 화소들은 서로 인접하는 것들끼리 화소 그룹을 구성하고, 상기 화소 그룹은 각각 2열과 2행의 화소들을 포함하고; 상기 제1 기판에 배치되는 화소 분리 구조체, 상기 화소 분리 구조체는 화소 그룹들을 분리하는 분리하는 화소 그룹 분리부와 상기 화소들을 분리하는 화소 분리부를 포함하고; 및 상기 제1 면 상에 배치되며 상기 화소 그룹들과 각각 중첩되는 마이크로 렌즈들을 포함하되, 상기 마이크로 렌즈들은 각각 제1 곡률을 가지는 중심부와 제2 곡률을 가지는 가장자리부를 포함하고, 상기 제1 곡률은 상기 제2 곡률보다 작다.
Description
본 발명은 이미지 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 복수개의 곡률을 가지는 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상(Optical image)을 전기신호로 변환하는 반도체 소자이다. 상기 이미지 센서는 CCD(Charge coupled device) 형 및 CMOS(Complementary metal oxide semiconductor) 형으로 분류될 수 있다. 상기 CMOS 형 이미지 센서는 CIS(CMOS image sensor)라고 약칭된다. 상기 CIS는 2차원적으로 배열된 복수개의 화소들을 구비한다. 상기 화소들의 각각은 포토 다이오드(photodiode, PD)를 포함한다. 상기 포토다이오드는 입사되는 광을 전기 신호로 변환해주는 역할을 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 선명한 화질을 구현할 수 있는 이미지 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 이미지 센서의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는, 제 1 면과 이에 반대되는 제 2 면을 가지는 제1 기판; 상기 제1 기판에 배치되는 복수개의 화소들, 상기 화소들은 서로 인접하는 것들끼리 화소 그룹을 구성하고, 상기 화소 그룹은 각각 2열과 2행의 화소들을 포함하고; 상기 제1 기판에 배치되는 화소 분리 구조체, 상기 화소 분리 구조체는 화소 그룹들을 분리하는 분리하는 화소 그룹 분리부와 상기 화소들을 분리하는 화소 분리부를 포함하고; 및 상기 제1 면 상에 배치되며 상기 화소 그룹들과 각각 중첩되는 마이크로 렌즈들을 포함하되, 상기 마이크로 렌즈들은 각각 제1 곡률을 가지는 중심부와 제2 곡률을 가지는 가장자리부를 포함하고, 상기 제1 곡률은 상기 제2 곡률보다 작다.
본 발명의 일 양태에 따른 이미지 센서는 제 1 면과 이에 반대되는 제 2 면을 가지는 제1 기판; 상기 제1 기판에 배치되는 복수개의 화소들, 상기 화소들은 서로 인접하는 것들끼리 화소 그룹을 구성하고, 상기 화소 그룹은 각각 m열과 n행의 화소들을 포함하고, 상기 m 및 상기 n 중 적어도 하나는 2 이상의 자연수이고; 상기 제1 기판에 배치되는 화소 분리 구조체, 상기 화소 분리 구조체는 화소 그룹들을 분리하는 분리하는 화소 그룹 분리부와 상기 화소들을 분리하는 화소 분리부를 포함하고; 및 상기 제1 면 상에 배치되며 상기 화소 그룹들과 각각 중첩되는 마이크로 렌즈들을 포함하되, 상기 마이크로 렌즈들은 각각 제1 곡률 반경을 가지는 중심부와 제2 곡률 반경을 가지는 가장자리부를 포함하고, 상기 제1 곡률 반경은 상기 제2 곡률 반경보다 크다.
본 발명의 다른 양태에 따른 이미지 센서는 제 1 면과 이에 반대되는 제 2 면을 가지는 제1 기판; 상기 제1 기판에 배치되는 복수개의 화소들, 상기 화소들은 서로 인접하는 것들끼리 화소 그룹을 구성하고, 상기 화소 그룹은 각각 2열과 2행의 화소들을 포함하고; 상기 화소들에서 각각 상기 제1 기판 내에 배치되는 광전 변환부; 상기 화소들에서 각각 상기 제2 면 상에 배치되는 전송 게이트; 상기 제1 기판에 배치되는 화소 분리 구조체, 상기 화소 분리 구조체는 폴리실리콘 패턴과 이의 측면을 둘러싸는 절연 패턴을 포함하고, 상기 화소 분리 구조체는 화소 그룹들을 분리하는 분리하는 화소 그룹 분리부와 상기 화소들을 분리하는 화소 분리부를 포함하고; 상기 제1 면 상에 배치되며 상기 화소 그룹들과 각각 중첩되는 칼라 필터들; 및 상기 칼라 필터들 상에 각각 배치되는 마이크로 렌즈들을 포함하되, 상기 마이크로 렌즈들은 각각 제1 곡률을 가지는 중심부와 제2 곡률을 가지는 가장자리부를 포함하고, 상기 중심부는 제1 초점거리를 가지고, 상기 가장자리부는 상기 제1 초점거리보다 작은 제2 초점 거리를 가지고, 상기 가장자리부의 제2 초점은 상기 제1 면으로부터 상기 제2 면으로 -500nm~+500nm인 지점에 위치한다.
상기 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 제 1 면과 이에 반대되는 제 2 면을 가지는 제1 기판을 제공하는 단계;
상기 제1 기판에 화소 분리 구조체를 형성하여 복수개의 화소들과 화소 그룹들을 분리시키는 단계, 상기 화소 그룹들은 각각 서로 인접하는 m열과 n행의 화소들을 포함하고, 상기 m 및 상기 n 중 적어도 하나는 2 이상의 자연수이고; 상기 제1 면 상에 예비 렌즈층을 형성하는 단계; 상기 예비 렌즈층 상에 제1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및 전면 에치백 공정을 진행하여 상기 제1 포토레지스트 패턴의 형상을 상기 예비 렌즈층에 전사시켜 마이크로 렌즈들을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 마이크로 렌즈들은 각각 제1 곡률을 가지는 중심부와 상기 제1 곡률보다 작은 제2 곡률을 가지는 가장자리부를 가지도록 형성된다.
본 발명의 일 양태에 따른 이미지 센서의 제조 방법은 제 1 면과 이에 반대되는 제 2 면을 가지는 제1 기판을 제공하는 단계; 상기 제1 기판에 화소 분리 구조체를 형성하여 복수개의 화소들과 화소 그룹들을 분리시키는 단계, 상기 화소 그룹들은 각각 서로 인접하는 m열과 n행의 화소들을 포함하고, 상기 m 및 상기 n 중 적어도 하나는 2 이상의 자연수이고; 상기 제1 면 상에 예비 렌즈층을 형성하는 단계; 상기 예비 렌즈층 상에 제1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 포토레지스트 패턴을 리플로우하여 제1 리플로우된 패턴을 형성하는 단계; 전면 에치백 공정을 진행하여 상기 제1 리플로우된 패턴의 형상을 상기 예비 렌즈층에 전사시켜 예비 마이크로 렌즈들을 형성하는 단계; 상기 예비 마이크로 렌즈들 각각의 중심부를 덮되 가장자리부를 노출시키는 제2 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 제2 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 가장자리부를 식각하는 단계; 및 상기 제2 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이미지 센서에 포함되는 마이크로 렌즈는 복수개의 곡률을 가짐으로써 광감도를 개선하는 동시에 AF-C(Autofocus Contrast)를 상향시킬 수 있다. 이로써 선명한 화질의 자동초점 이미지 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 회로도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 평면도들이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3a 및 도 3b를 A-A’선으로 자른 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 빛의 분포도이다.
도 6a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 6b는 도 6a의 ‘P1’ 부분을 확대한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 9는 도 8을 A-A’선으로 자른 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따라 도 4a의 단면을 가지는 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 실시예들에 따라 도 4a의 단면을 가지는 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타내는 단면도들이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 실시예들에 따라 도 4a의 단면을 가지는 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타내는 단면도들이다.
도 13a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 13b는 도 13a를 B-B’선으로 자른 단면도이다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 회로도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 평면도들이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3a 및 도 3b를 A-A’선으로 자른 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 빛의 분포도이다.
도 6a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 6b는 도 6a의 ‘P1’ 부분을 확대한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 9는 도 8을 A-A’선으로 자른 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따라 도 4a의 단면을 가지는 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 실시예들에 따라 도 4a의 단면을 가지는 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타내는 단면도들이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 실시예들에 따라 도 4a의 단면을 가지는 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타내는 단면도들이다.
도 13a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 13b는 도 13a를 B-B’선으로 자른 단면도이다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 실시예들을 첨부 도면을 참조하면서 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서는 액티브 픽셀 센서 어레이(Active Pixel Sensor array; 1001), 행 디코더(row decoder; 1002), 행 드라이버(row driver; 1003), 열 디코더(column decoder; 1004), 타이밍 발생기(timing generator; 1005), 상관 이중 샘플러(CDS: Correlated Double Sampler; 1006), 아날로그 디지털 컨버터(ADC: Analog to Digital Converter; 1007) 및 입출력 버퍼(I/O buffer; 1008)를 포함할 수 있다.
액티브 픽셀 센서 어레이(1001)는 2차원적으로 배열된 복수의 단위 픽셀들을 포함하며, 광 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있다. 액티브 픽셀 센서 어레이(1001)는 행 드라이버(1003)로부터 픽셀 선택 신호, 리셋 신호 및 전하 전송 신호와 같은 복수의 구동 신호들에 의해 구동될 수 있다. 또한, 변환된 전기적 신호는 상관 이중 샘플러(1006)에 제공될 수 있다.
행 드라이버(1003)는, 행 디코더(1002)에서 디코딩된 결과에 따라 다수의 단위 픽셀들을 구동하기 위한 다수의 구동 신호들을 액티브 픽셀 센서 어레이(1001)로 제공할 수 있다. 단위 픽셀들이 행렬 형태로 배열된 경우에는 각 행별로 구동 신호들이 제공될 수 있다.
타이밍 발생기(1005)는 행 디코더(1002) 및 열 디코더(1004)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공할 수 있다.
상관 이중 샘플러(CDS; 1006)는 액티브 픽셀 센서 어레이(1001)에서 생성된 전기 신호를 수신하여 유지(hold) 및 샘플링할 수 있다. 상관 이중 샘플러(1006)는 특정한 잡음 레벨(noise level)과 전기적 신호에 의한 신호 레벨을 이중으로 샘플링하여, 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이에 해당하는 차이 레벨을 출력할 수 있다.
아날로그 디지털 컨버터(ADC; 1007)는 상관 이중 샘플러(1006)에서 출력된 차이 레벨에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다.
입출력 버퍼(1008)는 디지털 신호를 래치(latch)하고, 래치된 신호는 열 디코더(1004)에서의 디코딩 결과에 따라 순차적으로 영상 신호 처리부(도면 미도시)로 디지털 신호를 출력할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 센서 어레이(1001)는 복수의 단위 화소들(PX)을 포함하며, 단위 화소들(PX)은 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 각각의 단위 화소(PX)는 전송 트랜지스터(TX)를 포함할 수 있다. 각각의 단위 화소(PX)는 로직 트랜지스터(RX, SX, DX)를 더 포함할 수 있다. 로직 트랜지스터는 리셋 트랜지스터(RX), 선택 트랜지스터(SX), 또는 소스 팔로워 트랜지스터(DX)일 수 있다. 전송 트랜지스터(TX)는 전송 게이트(TG)를 포함할 수 있다. 각각의 단위 화소들(PX)은 광전 변환부(PD) 및 부유 확산 영역(FD)를 더 포함할 수 있다. 로직 트랜지스터들(RX, SX, DX)은 복수개의 단위 화소들(PX)끼리 서로 공유될 수 있다.
광전 변환부(PD)는 외부에서 입사된 빛의 양에 비례하여 광전하들을 생성 및 축적할 수 있다. 광전 변환부(PD)는 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 핀드 포토 다이오드 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 전송 트랜지스터(TX)는 광전 변환부(PD)에서 생성된 전하를 부유 확산 영역(FD)으로 전송할 수 있다. 부유 확산 영역(FD)은 광전 변환부(PD)에서 생성된 전하를 전송 받아 누적적으로 저장할 수 있다. 부유 확산 영역(FD)에 축적된 광전하들의 양에 따라 소스 팔로워 트랜지스터(DX)가 제어될 수 있다.
리셋 트랜지스터(RX)는 부유 확산 영역(FD)에 축적된 전하들을 주기적으로 리셋시킬 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)의 드레인 전극은 부유 확산 영역(FD)과 연결되며 소스 전극은 전원 전압(VDD)에 연결될 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)가 턴 온(turn-on)되면, 리셋 트랜지스터(RX)의 소스 전극과 연결된 전원 전압(VDD)이 부유 확산 영역(FD)으로 인가될 수 있다. 따라서, 리셋 트랜지스터(RX)가 턴 온되면, 부유 확산 영역(FD)에 축적된 전하들이 배출되어 부유 확산 영역(FD)이 리셋될 수 있다.
소스 팔로워 게이트 전극(SF)을 포함하는 소스 팔로워 트랜지스터(DX)는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 할 수 있다. 소스 팔로워 트랜지스터(DX)는 부유 확산 영역(FD)에서의 전위 변화를 증폭하고, 이를 출력 라인(Vout)으로 출력할 수 있다.
선택 게이트 전극(SEL)을 포함하는 선택 트랜지스터(SX)는 행 단위로 읽어낼 단위 화소들(PX)을 선택할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)가 턴 온될 때, 전원 전압(VDD)이 소스 팔로워 트랜지스터(DX)의 드레인 전극으로 인가될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 평면도들이다. 도 4a 및 도 4b는 도 3a 및 도 3b를 A-A'선으로 자른 단면도들이다.
도 3a, 3b, 4a 및 4b를 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서(500)는 제 1 기판(1)을 포함한다. 상기 제 1 기판(1)은 예를 들면 실리콘 단결정 웨이퍼, 실리콘 에피택시얼층 또는 SOI(silicon on insulator) 기판일 수 있다. 상기 제 1 기판(1)은 예를 들면 제 1 도전형의 불순물로 도핑될 수 있다. 예를 들면 상기 제 1 도전형은 P형일 수 있다. 상기 제 1 기판(1)은 서로 반대되는 전면(1a)과 후면(1b)을 포함한다. 본 명세서에 있어서, 전면(1a)은 제1면(1a)로, 후면(1b)은 제2 면(1b)로도 명명될 수 있다.
상기 제1 기판(1) 내에는 화소 분리 구조체(DTI)가 배치되어 복수개의 화소들(PX)을 서로 분리시킨다. 화소들(PX)은 제1 방향(X)과 제2 방향(Y)을 따라 2차원적으로 배치될 수 있다. 서로 인접하는 2열과 2행의 4개의 화소들(PX)은 하나의 화소 그룹(PG)을 구성할 수 있다. 이에 한정되지 않고 하나의 화소 그룹(PG)은 m열과 n행의 배열의 화소들(PX)을 가질 수 있다. 상기 m 및 상기 n 중 적어도 하나는 2 이상의 자연수이다.
화소 분리 구조체(DTI)는 화소 그룹 분리부(DTI_M)와 화소 분리부(DTI_P)를 포함할 수 있다. 상기 화소 그룹 분리부(DTI_M)은 인접하는 화소 그룹들(PG) 사이에 개재되며 화소 그룹들(PG)을 분리시킨다. 상기 화소 분리부(DTI_P)는 하나의 화소 그룹(PG) 안에서 화소들(PX)을 분리시킨다. 평면적 관점에서 상기 화소 분리부(DTI_P)는 화소 그룹 분리부(DTI_M)의 측면으로부터 화소 그룹(PG)의 중심(PG_C)을 향해 돌출될 수 있다. 도 3a 및 도 3b처럼 상기 화소 분리부(DTI_P)는 화소 그룹(PG)의 중심(PG_C)에 부재할 수 있다. 이로써 하나의 화소 그룹(PG) 안에서 상기 화소 분리부들(DTI_P)은 서로 이격될 수 있다.
화소 분리 구조체(DTI)는 제 1 기판(1)의 전면(1a)으로부터 후면(1b)을 향해 형성된 깊은 트렌치(22) 안에 위치한다. 화소 분리 구조체(DTI)는 매립 절연 패턴(12), 분리 절연 패턴(16) 및 분리 도전 패턴(14)을 포함할 수 있다. 상기 매립 절연 패턴(12)은 상기 분리 도전 패턴(14)과 제 1 층간절연막(IL11) 사이에 개재될 수 있다. 상기 분리 절연 패턴(16)은 상기 분리 도전 패턴(14)과 상기 제 1 기판(1) 사이 그리고 상기 매립 절연 패턴(12)과 상기 제 1 기판(1) 사이에 개재될 수 있다.
매립 절연 패턴(12), 분리 절연 패턴(16)은 상기 제 1 기판(1)과 다른 굴절률을 가지는 절연 물질로 형성될 수 있다. 매립 절연 패턴(12), 분리 절연 패턴(16)은 예를 들면 실리콘산화물을 포함할 수 있다. 분리 도전 패턴(14)은 상기 제 1 기판(1)과 이격될 수 있다. 분리 도전 패턴(14)은 불순물이 도핑된 폴리실리콘막이나 실리콘 게르마늄막을 포함할 수 있다. 상기 폴리실리콘이나 실리콘 게르마늄막에 도핑된 불순물은 예를 들면 붕소, 인, 비소 중 하나일 수 있다. 또는 분리 도전 패턴(14)은 금속막을 포함할 수 있다.
분리 도전 패턴(14)에는 도 14의 연결 콘택(81)에 의해 음의 바이어스 전압을 인가될 수 있다. 분리 도전 패턴(14)은 공통 바이어스 라인 역할을 할 수 있다. 이로써 화소 분리 구조체(DTI)과 접하는 제 1 기판(1)의 표면에 존재할 수 있는 정공들을 잡아주어 암전류 특성을 개선시킬 수 있다.
화소 분리 구조체(DTI)는 상기 제 1 기판(1)의 전면(1a)으로부터 후면(1b)을 향해 갈수록 좁은 폭을 가진다. 본 명세서에 있어서, 용어 '폭'은 특정 방향으로 용어 '두께'로도 대체될 수 있다.
상기 화소들(PX)에서 상기 제 1 기판(1) 내에는 광전변환부들(PD)이 각각 배치될 수 있다. 상기 광전 변환부들(PD)은 상기 제 1 도전형과 반대되는 제 2 도전형의 불순물로 도핑될 수 있다. 상기 제 2 도전형은 예를 들면 N형일 수 있다. 상기 광전 변환부(PD)에 도핑된 N형의 불순물은 주변의 제 1 기판(1)에 도핑된 P형의 불순물과 PN접합을 이루어 포토다이오드를 제공할 수 있다.
상기 제 1 기판(1) 내에는 상기 전면(1a)에 인접한 소자분리부들(STI)이 배치될 수 있다. 상기 소자분리부들(STI)은 화소 분리 구조체(DTI)에 의해 관통될 수 있다. 상기 소자분리부들(STI)은 각 단위 화소(PX)에서 상기 전면(1a)에 인접한 활성 영역들을 한정할 수 있다. 상기 활성 영역들은 도 2의 트랜지스터들(TX, RX, DX, SX)을 위해 제공될 수 있다.
도 3a를 참조하면, 각 단위 화소(PX)에서 상기 제 1 기판(1)의 상기 전면(1a) 상에는 전송 게이트(TG)가 배치될 수 있다. 하나의 화소 그룹(PG)에 속한 화소들(PX)에서 전송 게이트들(TG)은 하나의 화소 그룹(PG)의 중심(PG_C)에 인접하도록 배치될 수 있다. 상기 전송 게이트(TG)의 일부는 상기 제 1 기판(1) 속으로 연장될 수 있다. 상기 전송 게이트(TG)는 Vertical 타입일 수 있다. 또는 상기 전송 게이트(TG)는 상기 제 1 기판(1) 속으로 연장되지 않고 평탄한 형태인 Planar 타입일 수도 있다. 상기 전송 게이트(TG)와 상기 제 1 기판(1) 사이에는 게이트 절연막(Gox)이 개재될 수 있다. 하나의 화소 그룹(PG)의 중심(PG_C)에는 전면(1a)에 인접하여 상기 제 1 기판(1) 내에는 부유 확산 영역(FD)이 배치될 수 있다. 상기 부유 확산 영역(FD)에는 예를 들면 상기 제 2 도전형의 불순물이 도핑될 수 있다. 부유 확산 영역(FD)은 4개의 전송 게이트들(TG)에 인접할 수 있다. 하나의 화소 그룹(PG)을 구성하는 4개의 화소들(PX)은 하나의 부유 확산 영역(FD)을 서로 공유할 수 있다.
상기 이미지 센서(500)는 후면 수광 이미지 센서일 수 있다. 빛은 상기 제 1 기판(1)의 후면(1b)을 통해 상기 제 1 기판(1) 속으로 입사될 수 있다. 입사된 빛에 의해 상기 PN접합에서 전자-정공 쌍들이 생성될 수 있다. 이렇게 생성된 전자들은 상기 광전 변환부(PD)로 이동될 수 있다. 상기 전송 게이트(TG)에 전압을 인가하면 상기 전자들은 상기 부유 확산 영역(FD)으로 이동될 수 있다.
도시하지는 않았지만, 단위 화소들(PX)에서 상기 전면(1a) 상에 리셋 트랜지스터(RX) 선택 트랜지스터(SX) 및 소스 팔로워 트랜지스터(DX)가 배치될 수 있다.
상기 전면(1a)에는 제 1 층간절연막들(IL11)이 배치된다. 상기 제 1 층간절연막들(IL11)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막, 다공성 저유전막 중 선택되는 적어도 하나의 막의 다층막으로 형성될 수 있다. 상기 제 1 층간절연막들(IL11) 사이 또는 안에는 제 1 배선들(15)이 배치될 수 있다. 상기 부유 확산 영역(FD)은 제 1 콘택 플러그(17)에 의해 상기 제 1 배선들(15)에 연결될 수 있다. 상기 제 1 콘택 플러그(17)는 상기 제 1 층간절연막들(IL11) 중에 상기 전면(1a)에 가장 가까운(최상층의) 제 1 층간절연막(IL11)을 관통할 수 있다. 제 1 층간절연막들(IL11) 중 최하위의 것은 패시베이션막(PL1)으로 덮일 수 있다. 상기 패시베이션막(PL1)은 실리콘 산화물, SiCN, SiN 중 적어도 하나의 단일막 또는 다중막 구조를 포함할 수 있다.
제1 기판(1)의 후면(1a)은 고정 전하막(A1)과 반사 방지막(A2)으로 차례로 덮일 수 있다. 상기 고정전하막(A1)은 상기 후면(1a)과 접할 수 있다. 상기 고정 전하막(A1)은 음의 고정 전하를 가질 수 있다. 상기 고정 전하막(A1)은 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 이트륨 및 란타노이드를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 산화물(metal oxide) 또는 금속 불화물(metal fluoride)로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 고정 전하막(A1)은 하프늄 산화막 또는 알루미늄 산화막일 수 있다. 이때 상기 고정 전하막(A1)의 주변에는 정공의 축적(hole accumulation)이 발생할 수 있다. 이로써 암전류의 발생 및 화이트 스팟(white spot)을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
반사 방지막(A2)은 티타늄 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산화물 및 하프늄 산화물 중 적어도 하나의 단일막 또는 다중막 구조를 가질 수 있다.
반사 방지막(A2) 상에는 그리드 패턴(WG)이 배치될 수 있다. 상기 그리드 패턴(WG)은 차례로 적층된 차광 그리드(48a)와 저굴절 그리드(50a)를 포함한다. 그리드 패턴(WG)은 상기 화소 분리 구조체(DTI)와 중첩될 수 있다. 차광 그리드(48a)는 예를 들면 티타늄, 티타늄 질화물, 텅스텐 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 저굴절 그리드(50a)는 칼라 필터들(CF1, CF2, CF3)의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게는 저굴절 그리드(50a)는 1.3 이하의 굴절률을 가진다. 차광 그리드(48a)의 측벽들은 저굴절 그리드(50a)의 측벽들과 정렬된다.
그리드 패턴들(WG) 사이에 칼라필터들(CF1, CF2, CF3)이 배치될 수 있다. 칼라 필터들(CF1, CF2, CF3)은 각각 청색, 녹색, 적색 중 하나의 색을 가질 수 있다. 다른 예로, 상기 칼라 필터들(CF1, CF2, CF3)은 시안(cyan), 마젠타(magenta) 또는 황색(yellow) 등과 같은 다른 색을 가질 수도 있다. 상기 칼라 필터들(CF1, CF2, CF3)은 bayer 패턴 형태로 배열될 수 있다. 다른 예에 있어서, 상기 칼라 필터들(CF1, CF2, CF3)은 2x2 배열의 Tetra 패턴, 3x3 배열의 nona 패턴 또는 4x4 배열의 hexadeca 패턴 형태로 배열될 수 있다. 칼라필터들(CF1, CF2, CF3) 중 하나는 하나의 화소 그룹(PG)을 덮을 수 있다.
칼라필터들(CF1, CF2, CF3) 상에는 마이크로 렌즈들(ML)이 각각 배치될 수 있다. 하나의 화소 그룹(PG) 위에는 하나의 마이크로 렌즈(ML)가 위치한다. 마이크로 렌즈들(ML)은 평면적으로 도 3b처럼 둥근 모서리들을 가지는 사각형 형태를 가질 수 있다. 또는 마이크로 렌즈들(ML)은 평면적으로 도 8처럼 원형의 형태를 가질 수 있다.
마이크로 렌즈들(ML)은 각각 렌즈 중심부(ML_C)와 렌즈 가장자리부(ML_E)를 가질 수 있다. 마이크로 렌즈들(ML)의 가장자리부들(ML_E)은 서로 연결될 수 있다. 마이크로 렌즈(ML)의 렌즈 중심부(ML_C)는 화소 그룹(PG)의 중심(PG_C)과 중첩될 수 있다. 마이크로 렌즈(ML)의 상부면(ML_S)은 복수개의 곡률을 가질 수 있다.
도 4b를 참조하면, 마이크로 렌즈(ML)의 렌즈 중심부(ML_C)와 렌즈 가장자리부(ML_E)의 상부면에서 접선의 기울기는 위치에 따라 점진적으로 변할 수 있다. 마이크로 렌즈(ML)의 렌즈 중심부(ML_C)는 제1 곡률을 가지고, 마이크로 렌즈(ML)의 렌즈 가장자리부(ML_E)는 제2 곡률을 가진다. 상기 제1 곡률은 상기 제2 곡률보다 작다. 상기 제1 곡률은 바람직하게는 상기 제2 곡률의 2/3배 이하일 수 있다. 또는 상기 제2 곡률은 상기 제1 곡률의 1.5배 이상일 수 있다.
상기 마이크로 렌즈(ML)의 렌즈 중심부(ML_C)의 상부면은 제1 반지름(RR1)과 제1 중심(CC1)을 가지는 제1 가상의 원(CR1)의 둘레의 일부인 호(arc)에 대응될 수 있다. 상기 마이크로 렌즈(ML)의 렌즈 가장자리부(ML_E)의 상부면은 제2 반지름(RR2)과 제2 중심(CC2)을 가지는 제2 가상의 원(CR2)의 둘레의 일부인 호(arc)에 대응될 수 있다.
제1 반지름(RR1)은 상기 마이크로 렌즈(ML)의 렌즈 중심부(ML_C)의 '제1 곡률 반경(RR1)' 또는 '제1 초점 거리'로도 명명될 수 있다. 제2 반지름(RR2)은 상기 마이크로 렌즈(ML)의 렌즈 가장자리부(ML_E)의 '제2 곡률 반경(RR2)' 또는 '제2 초점 거리'로도 명명될 수 있다. 제2 곡률 반경(RR2)은 제1 곡률 반경(RR1)은 보다 작다. 바람직하게는 제1 곡률 반경(RR1)은 제2 곡률 반경(RR2)의 1.3배 이상, 더욱 바람직하게는 1.5배 이상이다. 제1 곡률 반경(RR1)은 제2 곡률 반경(RR2)의 100만 배 이하이다. 마이크로 렌즈(ML)의 상부면(ML_S)에서 상기 렌즈 중심부(ML_C)와 상기 렌즈 가장자리부(ML_E) 사이에는 렌즈 모서리(IF_M)가 위치한다. 렌즈 모서리(IF_M)는 마이크로 렌즈(ML)의 상부면(ML_S)의 곡률이 제1 곡률에서 제2 곡률로 불연속적으로 변경되는 지점으로 정의될 수 있다. 일 예에 따르면 렌즈 모서리(IF_M)는 마이크로 렌즈(ML)의 상부면(ML_S)의 곡률이 1.5배로 불연속적으로 커지는 지점일 수 있다.
제1 중심(CC1)은 상기 마이크로 렌즈(ML)의 렌즈 중심부(ML_C)의 '제1 초점 위치(CC1)'로도 명명될 수 있다. 제2 중심(CC2)은 상기 마이크로 렌즈(ML)의 렌즈 가장자리부(ML_E)의 '제2 초점 위치(CC2)'로도 명명될 수 있다. 제1 초점 위치(CC1)와 제2 초점 위치(CC2)는 화소 그룹(PG)의 중심(PG_C)에 위치할 수 있다.
상기 마이크로 렌즈(ML)의 렌즈 중심부(ML_C)의 제1 초점 위치(CC1)는 제1 기판(1)의 후면(1b)으로부터 제1 거리(DF1)를 가진다. 상기 마이크로 렌즈(ML)의 렌즈 가장자리부(ML_E)의 제2 초점 위치(CC2)는 제1 기판(1)의 후면(1b)으로부터 제2 거리(DF2)를 가진다. 제1 거리(DF1)는 제2 거리(DF2) 보다 크다. 제2 거리(DF2)는 바람직하게는 상기 후면(1b)으로부터 상기 전면(1a)으로 -500nm~+500nm이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 빛의 분포도이다. 즉, 도 5는 도 3a 내지 도 4b를 참조하여 설명한 이미지 센서의 하나의 화소 그룹(PG)에 빛을 조사할 때, 평면적 관점에서 후면(1b)에서의 빛의 분포를 나타낸다.
도 4b 및 도 5를 참조하면 상기 마이크로 렌즈(ML)의 렌즈 중심부(ML_C)를 통해 입사된 제1 광(L1)은 주로 화소 그룹(PG)의 화소들(PX) 내부로 조사되어 이미지 센싱에 기여되며 광감도를 개선시킬 수 있다. 반면에 상기 마이크로 렌즈(ML)의 렌즈 가장자리부(ML_E)를 통해 입사된 제2 광(L2)은 주로 화소 그룹(PG)의 중심부(PG_C)에 가깝게 조사될 수 있다. 제1 광(L1)은 디포커스(defocus)되며 분리 도전 패턴(14)에 조사되는 빛의 강도가 줄어들 수 있다. 반면 제2 광(L2)은 포커스(focus)되며 AF-C(Autofocus Contrast)가 상향될 수 있다.
폴리실리콘으로 이루어지는 분리 도전 패턴(14)은 빛을 흡수하는 성질이 강하기에 분리 도전 패턴(14)에 조사되는 빛의 양(강도)이 많아질수록 빛의 손실이 많이 발생하고 이는 광감도를 저하시킬 수 있다. 만약 마이크로 렌즈(ML)가 하나의 곡률만 갖도록 형성하여 초점 위치가 하나라면 분리 도전 패턴(14)에 조사되는 빛의 양이 많아 광감도가 저하되거나 또는 AF-C(Autofocus Contrast)가 하향될 수 있다.
그러나 본 발명에서는 마이크로 렌즈들(ML)이 위와 같이 복수개의 곡률의 특수한 구조를 가지므로, 분리 도전 패턴(14)에 조사되는 빛의 양을 줄여 광감도를 개선하는 동시에 AF-C(Autofocus Contrast)를 상향시킬 수 있다. 이로써 선명한 화질의 자동초점 이미지 센서를 제공할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다. 도 6b는 도 6a의 'P1' 부분을 확대한 도면이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서(501)에서는 마이크로 렌즈(ML)가 렌즈 중심부(ML_C)와 렌즈 가장자리부(ML_E) 사이에 위치하는 렌즈 연결부(ML_M)를 더 포함한다. 상기 렌즈 연결부(ML_M)은 제3 곡률을 가진다. 렌즈 연결부(ML_M)의 제3 곡률은 렌즈 중심부(ML_C)의 제1 곡률보다 크고 렌즈 가장자리부(ML_E)의 제2 곡률보다 작을 수 있다. 렌즈 연결부(ML_M)의 상부면은 제3 반지름(RR3)과 제3 중심(CC1)을 가지는 제3 가상의 원(CR3)의 둘레의 일부인 호(arc)에 대응될 수 있다. 제3 반지름(RR3)은 상기 마이크로 렌즈(ML)의 렌즈 연결부(ML_M)의 '제3 곡률 반경(RR3)' 또는 '제3 초점 거리'로도 명명될 수 있다. 마이크로 렌즈(ML)의 렌즈 연결부(ML_M)의 제3 곡률 반경(RR3)은 마이크로 렌즈(ML)가 렌즈 중심부(ML_C)의 제1 곡률 반경(RR1)은 보다 작으나 렌즈 가장자리부(ML_E)의 제2 곡률 반경(RR2) 보다 크다. 마이크로 렌즈(ML)의 상부면(ML_S)에서 렌즈 연결부(ML_M)와 렌즈 가장자리부(ML_E) 사이에는 제1 렌즈 모서리(IF_M1)가 위치하고, 렌즈 연결부(ML_M)와 렌즈 중심부(ML_C) 사이에는 제2 렌즈 모서리(IF_M2)가 위치한다. 제3 중심(CC3)은 상기 마이크로 렌즈(ML)의 렌즈 연결부(ML_M)의 '제3 초점 위치(CC3)'로도 명명될 수 있다. 제3 초점 위치(CC3)는 화소 그룹(PG)의 중심(PG_C)에 위치할 수 있다. 제3 초점 위치(CC3)는 제1 초점 위치(CC1)과 제2 초점 위치(CC2) 사이에 위치할 수 있다. 제1 렌즈 모서리(IF_M1)와 제2 렌즈 모서리(IF_M2)는 마이크로 렌즈(ML)의 상부면(ML_S)의 곡률이 제1 내지 제3 곡률들로 불연속적으로 변경되는 지점들로 정의될 수 있다. 그 외의 구조는 도 3a 내지 도 4b를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
본 명세서에서 마이크로 렌즈(ML)가 2~3개의 곡률을 가지는 것으로 설명되었으나 이에 한정되지 않으며, 마이크로 렌즈(ML)의 곡률은 4개 이상일 수도 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서(501)에서는 마이크로 렌즈(ML)를 덮는 보호막(PT)를 더 포함한다. 보호막(PT)은 예를 들면 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산화 질화물, 실리콘 탄화물, 실리콘 탄화산화물, 실리콘 탄화질화물, 실리콘 탄화산화질화물, 알루미늄 산화물, 아연 산화물, 및/또는 하프늄 산화물 중 적어도 하나의 단일막 또는 다중막 구조를 가질 수 있다. 보호막(PT)은 마이크로 렌즈(ML)의 렌즈 중심부(ML_C) 상의 중심 보호부(PT_C)와 가장자리 보호부(PT_E)를 가질 수 있다. 중심 보호부(PT_C)의 곡률은 가장자리 보호부(PT_E)의 곡률보다 작을 수 있다. 중심 보호부(PT_C)와 가장자리 보호부(PT_E) 사이에 보호막 모서리(IF_P)가 위치할 수 있다. 중심 보호부(PT_C)의 제1 두께(T1)는 가장자리 보호부(PT_E)의 제2 두께(T2)보다 작을 수 있다. 제2 두께(T2)는 화소 그룹(PG)의 가장자리로 갈수록 감소할 수 있다. 그 외의 구조는 도 3a 내지 도 4b를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 평면도이다. 도 9는 도 8을 A-A'선으로 자른 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서(503)에서는 화소 분리부(DTI_P)들이 화소 그룹(PG)의 중심(PG_C)에서 서로 연결될 수 있다. 즉, 화소 그룹(PG)의 중심(PG_C)에 화소 분리부(DTI_P)가 배치될 수 있다. 화소 그룹(PG)의 중심(PG_C)에 화소 분리부(DTI_P)의 분리 도전 패턴(14)이 존재할 수 있다. 마이크로 렌즈들(ML)은 평면적으로 원형의 형태를 가질 수 있다. 그 외의 구조는 도 3a 내지 도 4b를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따라 도 4a의 단면을 가지는 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 10을 참조하면, 제1 기판(1) 내에 광전 변환부(PD)와 화소 분리 구조체(DTI)를 형성한다. 제1 기판(1)의 전면(1a)에 전송 게이트(TG), 소자 분리부(STI), 제1 배선들(15), 제1 층간절연막(IL11) 및 패시베이션막(PL1)을 형성한다. 그리고 제1 기판(1)의 후면(1b)에 대하여 백 그라인딩 공정을 진행하여 화소 분리 구조체(DTI)의 분리 도전 패턴(14)을 노출시킨다. 제1 기판(1)의 후면(1b) 상에 고정 전하막(A1)과 반사 방지막(A2)을 차례로 적층한다. 반사 방지막(A2) 상에 그리드 패턴(WG)을 형성한다. 그리드 패턴(WG) 사이에서 반사 방지막(A2) 상에 칼라필터들(CF1, CF2)을 형성한다. 칼라필터들(CF1, CF2) 상에 예비 렌즈층(MLL)을 형성한다. 예비 렌즈층(MLL)은 투명한 포토레지스트 물질이나 투명한 열경화성 수지로 형성될 수 있다. 예비 렌즈층(MLL) 상에 제1 마스크 패턴(MK1)을 형성한다. 제1 마스크 패턴(MK1)은 포토리소그라피 공정으로 형성되는 포토레지스트 패턴일 수 있다. 제1 마스크 패턴(MK1)의 상부 모서리는 둥글게 형성될 수 있다. 제1 마스크 패턴(MK1)의 폭은 아래로 갈수록 넓어질 수 있다.
다시 도 4a를 참조하면, 제1 마스크 패턴(MK1)이 형성된 상태에서 전면 에치백 공정을 진행하여 예비 렌즈층(MLL)을 식각한다. 이로써 제1 마스크 패턴(MK1)의 프로파일이 예비 렌즈층(MLL)에 전사되면서 도 4a에 개시된 마이크로 렌즈들(ML)이 형성될 수 있다. 즉, 제1 마스크 패턴(MK1)의 평탄한 상부는 전사되어 마이크로 렌즈들(ML)의 제1 곡률의 중심부(ML_C)가 형성되고, 제1 마스크 패턴(MK1)의 경사진 측벽은 전사되어 마이크로 렌즈들(ML)의 제2 곡률의 가장자리부(ML_E)가 형성된다. 상기 전면 에치백 공정 동안 제1 마스크 패턴(MK1)은 모두 식각되어 제거될 수 있다. 이로써 도 4a의 이미지 센서를 제조할 수 있다.
도 4a의 이미지 센서는 다른 방법으로도 제조될 수 있다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 실시예들에 따라 도 4a의 단면을 가지는 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타내는 단면도들이다.
도 11a를 참조하면, 본 예에 따른 제조 방법에서는 도 4a의 상태에서 리플로우 공정을 진행하여 제1 마스크 패턴(MK1)을 둥글게 만든다. 즉, 리플로우된 마스크 패턴(MK1)을 제조한다.
도 11b를 참조하면, 리플로우된 마스크 패턴(MK1)이 형성된 상태에서 전면 에치백 공정을 진행하여 예비 렌즈층(MLL)을 식각한다. 이로써 리플로우된 마스크 패턴(MK1)의 프로파일이 예비 렌즈층(MLL)에 전사되면서 도 4b를 참조하여 설명한 제1 곡률을 가지는 예비 마이크로 렌즈들(PML)을 형성한다.
도 11c를 참조하면, 상기 예비 마이크로 렌즈들(PML) 각각의 중심부(PML_C)를 덮되 가장자리부(PML_E)를 노출시키는 제2 마스크 패턴(MK2)을 형성한다. 제2 마스크 패턴(MK2)은 포토리소그라피 공정으로 형성되는 포토레지스트 패턴일 수 있다.
도 11c 및 11d를 참조하면, 제2 마스크 패턴(MK2) 옆에 노출된 예비 마이크로 렌즈들(PML)의 가장자리부(PML_E)를 식각하여 제2 곡률의 가장자리부(ML_E)를 형성한다. 제2 마스크 패턴(MK2)을 제거한다. 이로써 도 4b의 마이크로 렌즈들(ML)을 형성할 수 있다.
도 4a의 이미지 센서는 또 다른 방법으로도 제조될 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 실시예들에 따라 도 4a의 단면을 가지는 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타내는 단면도들이다.
도 12a를 참조하면, 도 11a의 리플로우된 마스크 패턴(MK1)이 형성된 상태에서 전면 에치백 공정을 진행하여 예비 렌즈층(MLL)을 식각한다. 이로써 리플로우된 마스크 패턴(MK1)의 프로파일이 예비 렌즈층(MLL)에 전사되면서 도 4b를 참조하여 설명한 제2 곡률을 가지는 예비 마이크로 렌즈들(PML)을 형성한다. 예비 마이크로 렌즈들(PML)의 가장자리부(PML_E)을 덮되 예비 마이크로 렌즈들(PML)의 중심부(PML_C)을 노출시키는 제3 마스크 패턴(MK3)을 형성한다. 상기 제3 마스크 패턴(MK3)은 예를 들면 SOH(Spin on Hardmask)나 ACL(Amorphous Carbon Layer)일 수 있다. 예비 마이크로 렌즈들(PML)의 중심부(PML_C)는 상기 제3 마스크 패턴(MK3) 위로 돌출될 수 있다.
도 12b를 참조하면, 식각 공정을 진행하여 상기 제3 마스크 패턴(MK3) 위로 돌출된 예비 마이크로 렌즈들(PML)의 중심부(PML_C)를 일부 제거한다. 이로써 제1 곡률의 중심부(ML_C)를 형성한다. 상기 제3 마스크 패턴(MK3)을 제거한다. 이로써 도 4b의 마이크로 렌즈들(ML)을 형성할 수 있다.
도 13a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 평면도이다. 도 13b는 도 13a를 B-B'선으로 자른 단면도이다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서(504)에서 제1 기판(1) 내에는 화소 분리 구조체(DTI)가 배치되어 복수개의 화소들(PX)을 서로 분리시킨다. 화소들(PX)은 제1 방향(X)과 제2 방향(Y)을 따라 2차원적으로 배치될 수 있다. 화소들(PX)은 화소 그룹들(IG, AG)을 구성할 수 있다. 화소 그룹들(IG, AG)은 이미지 화소 그룹(IG)과 자동 초점 화소 그룹(AG)을 포함할 수 있다. 이미지 화소 그룹(IG)은 시계방향을 따라 배치되는 제1 내지 제4 이미지 화소 그룹(IG(1)~IG(4))을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 이미지 화소 그룹들(IG(1), IG(2))은 서로 인접하는 2열과 2행의 4개의 화소들(PX)로 구성될 수 있다. 제3 및 제3 이미지 화소 그룹들(IG(3), IG(3))은 서로 인접하는 3개의 화소들(PX)로 구성될 수 있다. 자동 초점 화소 그룹(AG)은 서로 인접하는 2개의 화소들(PX)로 구성될 수 있다. 제1 이미지 화소 그룹(IG(1))은 제1 컬러 필터(CF1)로 덮일 수 있다. 제3 이미지 화소 그룹(IG(3))은 제3 컬러 필터(CF3)로 덮일 수 있다. 제2 및 제3 이미지 화소 그룹들(IG(2), IG(4))과 자동 초점 화소 그룹(AG)은 제2 컬러 필터(CF1)로 덮일 수 있다. 제2 컬러 필터(CF1)은 예를 들면 녹색일 수 있다. 제1 컬러 필터(CF1)과 제3 컬러 필터(CF3)은 각각 적색 또는 청색일 수 있다.
이미지 화소 그룹(IG)에서 화소들(PX) 상에는 제1 마이크로 렌즈들(ML1)이 각각 대응되어 배치될 수 있다. 제1 마이크로 렌즈들(ML1)의 상부면은 제4 곡률을 가질 수 있다. 자동 초점 화소 그룹(AG) 상에는 제2 마이크로 렌즈(ML2)가 배치될 수 있다. 제2 마이크로 렌즈(ML2)는 도 4a를 참조하여 설명한 마이크로 렌즈(ML)와 유사할 수 있다. 제2 마이크로 렌즈(ML2)는 제1 곡률의 렌즈 중심부(ML_C)와 제2 곡률의 렌즈 가장자리부(ML_E)를 가질 수 있다. 제2 마이크로 렌즈(ML2)는 렌즈 모서리(IF_M)를 가질 수 있다. 제1 마이크로 렌즈들(ML1)은 렌즈 모서리가 없다. 제1 마이크로 렌즈들(ML1)의 상단은 제1 레벨(LV1)을 가지고, 제2 마이크로 렌즈(ML2)의 상단은 상기 제1 레벨(LV1) 보다 높은 제2 레벨(LV2)을 가진다. 그 외의 구성은 도 3a 내지 도 9를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 14를 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서(504)에서는 이미지 센서는 화소 어레이 영역(APS), 광학 블랙 영역(OB), 및 패드 영역(PR)을 갖는 기판(1), 기판(1)의 제1 면(1a) 상의 배선층(200), 배선층(200) 상에 베이스 기판(400)을 포함할 수 있다. 배선층(200)은 상부 배선층(221) 및 하부 배선층(223)을 포함할 수 있다. 화소 어레이 영역(APS)은 복수 개의 화소들(PX)을 포함할 수 있다. 화소 어레이 영역(APS)에 배치되는 화소들(PX)은 앞서 도 1 내지 도 13b를 참조하여 설명한 것과 실질적으로 동일할 수 있다.
광학 블랙 영역(OB)에서 기판(1) 상에 제1 연결 구조체(50), 연결 콘택(81), 및 벌크 컬러 필터(90)가 제공될 수 있다. 제1 연결 구조체(50)는 제1 차광 패턴(51), 절연 패턴(53), 및 제1 캐핑 패턴(55)을 포함할 수 있다.
제1 차광 패턴(51)이 기판(1)의 제2 면(1b) 상에 제공될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 차광 패턴(51)은 제2 면(1b) 상의 제2 절연막(136)을 덮되, 제3 트렌치(TR3) 및 제4 트렌치(TR4)의 내벽을 콘포말 하게 덮을 수 있다. 제1 차광 패턴(51)은 광전 변환층(150) 및 상부 배선층(221)을 관통하여 광전 변환층(150) 및 배선층(200)을 연결할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 차광 패턴(51)은 상부 배선층(221) 및 하부 배선층(223) 내의 배선들 및 광전 변환층(150) 내의 도 4a의 화소 분리 구조체(DTI)의 분리 도전 패턴(14)과 접촉할 수 있다. 이에 따라, 제1 연결 구조체(50)는 배선층(200) 내의 배선들과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 차광 패턴(51)은 금속 물질 예를 들어, 텅스텐을 포함할 수 있다. 제1 차광 패턴(51)은 광학 블랙 영역(OB) 내로 입사되는 빛을 차단할 수 있다.
연결 콘택(81)이 제3 트렌치(TR3)의 내부에 제공되어 제3 트렌치(TR3)의 나머지 부분을 채울 수 있다.
연결 콘택(81)는 금속 물질 예를 들어, 알루미늄을 포함할 수 있다. 연결 콘택(81)는 도 4a의 화소 분리 구조체(DTI)의 분리 도전 패턴(14)과 접촉할 수 있다. 연결 콘택(81)을 통해 상기 분리 도전 패턴(14)에 음의 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 이로써 화이트 스팟이나 암전류 문제를 방지/감소시킬 수 있다.
절연 패턴(53)이 제4 트렌치(TR4)의 나머지 부분을 채울 수 있다. 절연 패턴(53)은 광전 변환층(150) 및 배선층(200)을 전부 또는 일부 관통할 수 있다. 절연 패턴(53)의 상면 상에 제1 캐핑 패턴(55)이 제공될 수 있다. 제1 캐핑 패턴(55)이 절연 패턴(53) 상에 제공될 수 있다.
벌크 컬러 필터(90)가 연결 콘택(81), 제1 차광 패턴(51), 및 제1 캐핑 패턴(55) 상에 제공될 수 있다. 벌크 컬러 필터(90)는 연결 콘택(81), 제1 차광 패턴(51), 및 제1 캐핑 패턴(55)을 덮을 수 있다. 제1 보호막(71)이 벌크 컬러 필터(90) 상에 제공되어 벌크 컬러 필터(90)를 밀봉할 수 있다.
기판(1)의 광학 블랙 영역(OB)에 광전 변환 영역(PD’) 및 더미 영역(PD’’)이 제공될 수 있다. 상기 광전 변환 영역(PD’)은 예를 들면 제1 도전형과 다른 제2 도전형의 불순물로 도핑될 수 있다. 제2 도전형은 예를 들어, n형일 수 있다. 화소 어레이 영역(APS)은 복수 개의 단위 화소 영역들(PX)을 포함할 수 있다. 상기 광전 변환 영역(PD’)은 광전 변환 영역(PD’)과 유사한 구조를 갖지만, 광전 변환 영역(PD’)과 같은 동작(즉, 빛을 받아 전기적 신호를 발생시키는 동작)을 수행하지 않을 수 있다. 더미 영역(PD’’)은 불순물로 도핑되지 않을 수 있다. 더미 영역(PD’’)에서 발생된 신호는 이후 공정 노이즈를 제거하는 정보로 사용될 수 있다.
패드 영역(PR)에서, 기판(1) 상에 제2 연결 구조체(60), 제2 도전 패드(83), 및 제2 보호막(73)이 제공될 수 있다. 제2 연결 구조체(60)는 제2 차광 패턴(61), 절연 패턴(63), 및 제2 캐핑 패턴(65)을 포함할 수 있다.
제2 차광 패턴(61)이 기판(1)의 제2 면(1b) 상에 제공될 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 차광 패턴(61)은 제2 면(1b) 상의 제2 절연막(136)을 덮되, 제5 트렌치(TR5) 및 제6 트렌치(TR6)의 내벽을 콘포말 하게 덮을 수 있다. 제2 차광 패턴(61)은 광전 변환층(150) 및 상부 배선층(221)을 관통하여 광전 변환층(150) 및 배선층(200)을 연결할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 차광 패턴(61)은 하부 배선층(223) 내의 배선들과 접촉할 수 있다. 이에 따라, 제2 연결 구조체(60)는 배선층(200) 내의 배선들과 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 차광 패턴(61)은 금속 물질 예를 들어, 텅스텐을 포함할 수 있다.
제2 도전 패드(83)가 제5 트렌치(TR5)의 내부에 제공되어 제5 트렌치(TR5)의 나머지 부분을 채울 수 있다. 제2 도전 패드(83)는 금속 물질 예를 들어, 알루미늄을 포함할 수 있다. 제2 도전 패드(83)는 이미지 센서 소자의 외부와의 전기적 연결 통로 역할을 할 수 있다. 절연 패턴(63)이 제6 트렌치(TR6)의 나머지 부분을 채울 수 있다. 절연 패턴(63)은 광전 변환층(150) 및 배선층(200)을 전부 또는 일부 관통할 수 있다. 제2 캐핑 패턴(65)이 절연 패턴(63) 상에 제공될 수 있다. 제2 보호막이 제2 차광 패턴(61)의 일부 및 제2 캐핑 패턴(65)를 덮을 수 있다.
제2 도전 패드(83)를 통해 인가된 전류는 제2 차광 패턴(61), 배선층(200) 내의 배선들, 제1 차광 패턴(51)을 통해 화소 분리 구조체(DTI)의 분리 도전 패턴(10)으로 흐를 수 있다. 광전 변환 영역들(PD, PD’) 및 더미 영역(PD’’)으로부터 발생한 전기적 신호는 배선층(200) 내의 배선들, 제2 차광 패턴(61), 및 제2 도전 패드(83)를 통해 외부로 전송될 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 15를 참조하면, 본 예에 따른 이미지 센서(505)에서는 제1 내지 제3 서브 칩들(CH1~CH3)이 차례로 본딩된 구조를 가질 수 있다. 상기 제 1 서브 칩(CH1)은 바람직하게는 이미지 센싱 기능을 할 수 있다.
상기 제 1 서브 칩(CH1)은 제1 기판(1)의 전면(1a) 상에 전송 게이트들(TG)과 이를 덮는 제1 층간절연막들(IL11)을 포함할 수 있다. 제1 기판(1)에는 제1 소자분리부(STI1)가 배치되어 활성 영역들을 정의한다. 상기 제 1 서브 칩(CH1)은 내부 연결 콘택들(17a)을 더 포함할 수 있다. 내부 연결 콘택들(17a) 중 적어도 하나는 패드 영역(PR)에서 화소 분리 구조체(DTI)의 매립 절연 패턴(12)을 관통하여 제1 배선들(15) 중 일부와 화소 분리 구조체(DTI)의 분리 도전 패턴(14)을 연결되며, 분리 도전 패턴(14)에 음의 바이어스 전압을 인가할 수 있다.
마이크로 렌즈들(ML)의 형태는 도 3a 내지 도 13b를 참조하여 설명한 바와 동일/유사할 수 있다. 렌즈 잔여층(MLR)은 마이크로 렌즈들(ML)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 상기 패드 영역(PR)에서 렌즈 잔여층(MLR)에는 후면 도전 패드(PAD)를 노출시키는 개구부(35)가 형성된다.
후면 도전 패드(PAD)는 제5 트렌치(TR5) 안에 배치된다. 후면 도전 패드(PAD)은 제2 도전 패턴(52c)과 제2 금속 패턴(54b)을 포함한다. 제2 도전 패턴(52c)은 제5 트렌치(TR5)의 측면과 바닥면을 콘포말하게 덮을 수 있다. 제2 도전 패턴(52c)은 티타늄막, 티타늄질화막, 텅스텐막 중 적어도 하나의 단일막 또는 다중막 구조를 가질 수 있다. 제2 금속 패턴(54b)은 예를 들면 알루미늄을 포함할 수 있다. 제2 금속 패턴(54b)은 제5 트렌치(TR5)를 채운다.
내부 연결 콘택들(17a) 중 적어도 다른 하나는 후면 도전 패드(PAD) 아래의 제2 화소 분리부(DTI2)의 매립 절연 패턴(12)을 관통하여 제1 배선들(15) 중 일부와 제2 화소 분리부(DTI2)의 분리 도전 패턴(14)을 연결할 수 있다. 최하층의 제1 층간절연막(IL11) 내에는 제1 도전 패드(CP1)가 배치될 수 있다. 제1 도전 패드(CP1)는 구리를 포함할 수 있다. 상기 패드 영역(PR)에서 제 2 광학 블랙 패턴(CFB) 상에는 렌즈 잔여층(MLR)이 배치될 수 있다.
제2 서브 칩(CH2)은 제2 기판(SB2), 이 위에 배치되는 선택 게이트들(SEL), 소스 팔로워 게이트들(SF) 및 리셋 게이트들(미도시) 그리고 이들을 덮는 제2 층간절연막들(IL2)을 포함할 수 있다. 제2 기판(SB2)에는 제2 소자분리부(STI2)가 배치되어 활성 영역들을 정의한다. 상기 제2 층간절연막들(IL2) 내에는 제2 콘택들(215) 및 제2 배선들(217)가 배치될 수 있다. 최상층의 제2 층간절연막(IL2) 내에는 제2 도전 패드(CP2)가 배치될 수 있다. 제2 도전 패드(CP2)는 구리를 포함할 수 있다. 제2 도전 패드(CP2)는 제1 도전 패드(CP1)와 접할 수 있다. 상기 소스 팔로워 게이트들(SF)은 제1 서브 칩(CH1)의 부유 확산 영역들(FD)과 각각 연결될 수 있다.
제3 서브 칩(CH3)은 제3 기판(SB3), 이 위에 배치되는 주변 트랜지스터들(PTR) 그리고 이들을 덮는 제3 층간절연막들(IL3)을 포함할 수 있다. 제3 기판(SB3)에는 제3 소자분리부(STI3)가 배치되어 활성 영역들을 정의한다. 상기 제3 층간절연막들(IL3) 내에는 제3 콘택들(317) 및 제3 배선들(315)가 배치될 수 있다. 최상층의 제3 층간절연막(IL3)은 제2 기판(SB2)과 접한다. 관통 전극(TSV)은 제2 층간절연막(IL2), 제2 소자분리부(STI2), 제2 기판(SB2) 및 제3 층간절연막(IL3)을 관통하여 제2 배선들(217) 중 하나와 제3 배선들(315) 중 하나를 연결시킬 수 있다. 관통 전극(TSV)의 측벽은 비아 절연막(TVL)로 둘러싸일 수 있다. 제3 서브 칩(CH3)은 제1 및/또는 제2 서브 칩(CH1, CH2)을 구동하거나 제1 및/또는 제2 서브 칩(CH1, CH2)에서 발생된 전기적 신호를 저장하기 위한 회로들을 포함할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 도 1 내지 도 15의 실시예들은 서로 조합될 수 있다.
Claims (20)
- 제 1 면과 이에 반대되는 제 2 면을 가지는 제1 기판;
상기 제1 기판에 배치되는 복수개의 화소들, 상기 화소들은 서로 인접하는 것들끼리 화소 그룹을 구성하고, 상기 화소 그룹은 각각 2열과 2행의 화소들을 포함하고;
상기 제1 기판에 배치되는 화소 분리 구조체, 상기 화소 분리 구조체는 화소 그룹들을 분리하는 분리하는 화소 그룹 분리부와 상기 화소들을 분리하는 화소 분리부를 포함하고; 및
상기 제1 면 상에 배치되며 상기 화소 그룹들과 각각 중첩되는 마이크로 렌즈들을 포함하되,
상기 마이크로 렌즈들은 각각 제1 곡률을 가지는 중심부와 제2 곡률을 가지는 가장자리부를 포함하고,
상기 제1 곡률은 상기 제2 곡률보다 작은 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서,
상기 중심부와 상기 가장자리부 사이에는 모서리가 위치하는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서,
상기 중심부는 제1 곡률 반경을 가지고,
상기 가장자리부는 상기 제1 곡률 반경보다 작은 제2 곡률 반경을 가지는 이미지 센서.
- 제3 항에 있어서,
상기 제1 곡률 반경은 상기 제2 곡률 반경의 1.5배 이상인 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서,
상기 중심부는 제1 초점 거리를 가지고,
상기 가장자리부는 상기 제1 초점거리보다 작은 제2 초점 거리를 가지는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서,
상기 가장자리부의 제2 초점은 상기 제1 면으로부터 상기 제2 면으로 -500nm~+500nm인 지점에 위치하는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈들은 각각 상기 중심부와 상기 가장자리부 사이에 위치하며 제3 곡률을 가지는 연결부를 더 포함하고,
상기 제3 곡률은 상기 제1 곡률보다 크되 상기 제2 곡률보다 작은 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈들을 덮는 보호막을 더 포함하되,
상기 보호막은 상기 중심부 상에 위치하는 제1 부분과 상기 가장자리부 상에 위치하는 제2 부분을 포함하고,
상기 제1 부분의 곡률은 상기 제2 부분의 곡률보다 작은 이미지 센서.
- 제 1 면과 이에 반대되는 제 2 면을 가지는 제1 기판;
상기 제1 기판에 배치되는 복수개의 화소들, 상기 화소들은 서로 인접하는 것들끼리 화소 그룹을 구성하고, 상기 화소 그룹은 각각 m열과 n행의 화소들을 포함하고, 상기 m 및 상기 n 중 적어도 하나는 2 이상의 자연수이고;
상기 제1 기판에 배치되는 화소 분리 구조체, 상기 화소 분리 구조체는 화소 그룹들을 분리하는 분리하는 화소 그룹 분리부와 상기 화소들을 분리하는 화소 분리부를 포함하고; 및
상기 제1 면 상에 배치되며 상기 화소 그룹들과 각각 중첩되는 마이크로 렌즈들을 포함하되,
상기 마이크로 렌즈들은 각각 제1 곡률 반경을 가지는 중심부와 제2 곡률 반경을 가지는 가장자리부를 포함하고,
상기 제1 곡률 반경은 상기 제2 곡률 반경보다 큰 이미지 센서.
- 제9 항에 있어서,
상기 중심부와 상기 가장자리부 사이에는 모서리가 위치하는 이미지 센서.
- 제9 항에 있어서,
상기 제1 곡률 반경은 상기 제2 곡률 반경의 1.5배 이상인 이미지 센서.
- 제9 항에 있어서,
상기 중심부는 제1 초점거리를 가지고,
상기 가장자리부는 상기 제1 초점거리보다 작은 제2 초점 거리를 가지는 이미지 센서.
- 제9 항에 있어서,
상기 가장자리부의 제2 초점은 상기 제1 면으로부터 상기 제2 면으로 -500nm~+500nm인 지점에 위치하는 이미지 센서.
- 제9 항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈들은 각각 상기 중심부와 상기 가장자리부 사이에 위치하며 제3 곡률 반경을 가지는 연결부를 더 포함하고,
상기 제3 곡률 반경은 상기 제1 곡률 반경보다 작되 상기 제2 곡률 반경보다 큰 이미지 센서.
- 제9 항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈들을 덮는 보호막을 더 포함하되,
상기 보호막은 상기 중심부 상에 위치하는 제1 부분과 상기 가장자리부 상에 위치하는 제2 부분을 포함하고,
상기 제1 부분의 곡률은 상기 제2 부분의 곡률보다 작은 이미지 센서.
- 제 1 면과 이에 반대되는 제 2 면을 가지는 제1 기판;
상기 제1 기판에 배치되는 복수개의 화소들, 상기 화소들은 서로 인접하는 것들끼리 화소 그룹을 구성하고, 상기 화소 그룹은 각각 2열과 2행의 화소들을 포함하고;
상기 화소들에서 각각 상기 제1 기판 내에 배치되는 광전 변환부;
상기 화소들에서 각각 상기 제2 면 상에 배치되는 전송 게이트;
상기 제1 기판에 배치되는 화소 분리 구조체, 상기 화소 분리 구조체는 폴리실리콘 패턴과 이의 측면을 둘러싸는 절연 패턴을 포함하고, 상기 화소 분리 구조체는 화소 그룹들을 분리하는 분리하는 화소 그룹 분리부와 상기 화소들을 분리하는 화소 분리부를 포함하고;
상기 제1 면 상에 배치되며 상기 화소 그룹들과 각각 중첩되는 칼라 필터들; 및
상기 칼라 필터들 상에 각각 배치되는 마이크로 렌즈들을 포함하되,
상기 마이크로 렌즈들은 각각 제1 곡률을 가지는 중심부와 제2 곡률을 가지는 가장자리부를 포함하고,
상기 중심부는 제1 초점거리를 가지고,
상기 가장자리부는 상기 제1 초점거리보다 작은 제2 초점 거리를 가지고,
상기 가장자리부의 제2 초점은 상기 제1 면으로부터 상기 제2 면으로 -500nm~+500nm인 지점에 위치하는 이미지 센서.
- 제16 항에 있어서,
상기 중심부와 상기 가장자리부 사이에는 모서리가 위치하는 이미지 센서.
- 제16 항에 있어서,
상기 중심부는 제1 곡률 반경을 가지고,
상기 가장자리부는 제2 곡률 반경을 가지고,
상기 제1 곡률 반경은 상기 제2 곡률 반경의 1.5배 이상인 이미지 센서.
- 제16 항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈들은 각각 상기 중심부와 상기 가장자리부 사이에 위치하며 제3 초점 거리를 가지는 연결부를 더 포함하고,
상기 제3 초점 거리는 상기 제1 초점 거리보다 작되 상기 제2 초점 거리보다 큰 이미지 센서.
- 제16 항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈들을 덮는 보호막을 더 포함하되,
상기 보호막은 상기 중심부 상에 위치하는 제1 부분과 상기 가장자리부 상에 위치하는 제2 부분을 포함하고,
상기 제1 부분의 곡률은 상기 제2 부분의 곡률보다 작은 이미지 센서.
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
| KR1020220134736A KR20240054578A (ko) | 2022-10-19 | 2022-10-19 | 복수개의 곡률을 가지는 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서 및 이의 제조 방법 |
| JP2023149132A JP2024060576A (ja) | 2022-10-19 | 2023-09-14 | 複数の曲率を有するマイクロレンズを含むイメージセンサー及びその製造方法 |
| CN202311353278.2A CN117913111A (zh) | 2022-10-19 | 2023-10-18 | 包括具有多个曲率的微透镜的图像传感器及其制造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220134736A KR20240054578A (ko) | 2022-10-19 | 2022-10-19 | 복수개의 곡률을 가지는 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서 및 이의 제조 방법 |
Publications (1)
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| KR20240054578A true KR20240054578A (ko) | 2024-04-26 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220134736A KR20240054578A (ko) | 2022-10-19 | 2022-10-19 | 복수개의 곡률을 가지는 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서 및 이의 제조 방법 |
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- 2022-10-19 KR KR1020220134736A patent/KR20240054578A/ko unknown
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- 2023-09-14 JP JP2023149132A patent/JP2024060576A/ja active Pending
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