KR20240082874A - 이미지 센싱 장치 - Google Patents
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Abstract
본 기술의 일 실시 예에 따른 이미지 센싱 장치는 입사광을 전기적 신호로 변환하는 광전변환소자들을 포함하는 픽셀 영역 및 상기 픽셀 영역을 둘러싸도록 상기 픽셀 영역 외곽에 위치하며 상기 광전변환소자들을 포함하지 않는 더미 영역을 포함하는 반도체 기판, 상기 픽셀 영역에서 상기 반도체 기판 위에 위치하며 상기 입사광을 대응되는 광전변환소자들에 집광시키는 제 1 마이크로렌즈들, 상기 더미 영역에서 상기 반도체 기판 위에 위치하며 상기 제 1 마이크로렌즈들과 분리된 제 2 마이크로렌즈들, 및 상기 제 2 마이크로렌즈들과 얼라인되게 상기 더미 영역의 상기 반도체 기판 내에 위치하는 적어도 하나의 얼라인 패턴을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 이미지 센싱 장치에 관한 것이다.
이미지 센싱 장치는 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 캡쳐(capture)하는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로봇 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
이미지 센싱 장치는 크게 CCD(Charge Coupled Device)를 이용한 이미지 센싱 장치와, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)를 이용한 이미지 센싱 장치로 구분될 수 있다. 최근에는 아날로그 및 디지털 제어회로를 하나의 집적회로(IC) 위에 직접 구현할 수 있는 장점으로 인하여 CMOS를 이용한 이미지 센싱 장치가 많이 이용되고 있다.
본 발명의 실시 예는 딥트렌치 아이솔레이션(DTI: Deep Trench Isolation) 구조를 이용하여 오버레이 분석을 쉽게 할 수 있는 이미지 센싱 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센싱 장치는 입사광을 전기적 신호로 변환하는 광전변환소자들을 포함하는 픽셀 영역 및 상기 픽셀 영역을 둘러싸도록 상기 픽셀 영역 외곽에 위치하며 상기 광전변환소자들을 포함하지 않는 더미 영역을 포함하는 반도체 기판, 상기 픽셀 영역에서 상기 반도체 기판 위에 위치하며 상기 입사광을 대응되는 광전변환소자들에 집광시키는 제 1 마이크로렌즈들, 상기 더미 영역에서 상기 반도체 기판 위에 위치하며 상기 제 1 마이크로렌즈들과 분리된 제 2 마이크로렌즈들, 및 상기 제 2 마이크로렌즈들과 얼라인되게 상기 더미 영역의 상기 반도체 기판 내에 위치하는 적어도 하나의 얼라인 패턴을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 이미지 센싱 장치는 입사광을 전기적 신호로 변환하는 광전변환소자들 및 입사광을 상기 광전변환소자들에 집광시키는 제 1 마이크로렌즈들을 포함하는 제 1 영역 및 상기 제 1 영역의 외곽에 위치하며 상기 제 1 마이크로렌즈들과 다른 사이즈를 갖는 제 2 마이크로렌즈들을 포함하는 제 2 영역을 포함하며, 상기 제 2 영역은 상기 제 2 마이크로렌즈들 중 일부와 얼라인되게 반도체 기판 내에 위치하는 적어도 하나의 얼라인 패턴을 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시 예는 DTI(Deep Trench Isolation) 구조를 이용하여 오버레이 분석을 쉽게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도.
도 2는 도 1에서 수광 영역의 대략적인 평면 구조를 예시적으로 보여주는 도면.
도 3은 도 1의 수광 영역에서 1개의 마이크로렌즈가 4개의 유닛 픽셀들을 커버하도록 형성되는 모습을 예시적으로 보여주는 도면.
도 4는 도 2의 수광 영역에서 점선으로 표시된 에지(edge) 영역의 일부를 확대한 모습을 예시적으로 보여주는 도면.
도 5는 도 4에서 X1-X1′절취선을 따라 절단된 모습을 예시적으로 보여주는 단면도.
도 6은 도 4에서 X2-X2′절취선을 따라 절단된 모습을 예시적으로 보여주는 단면도.
도 7은 도 4에서 X1-X1′절취선을 따라 절단된 모습을 예시적으로 보여주는 단면도.
도 2는 도 1에서 수광 영역의 대략적인 평면 구조를 예시적으로 보여주는 도면.
도 3은 도 1의 수광 영역에서 1개의 마이크로렌즈가 4개의 유닛 픽셀들을 커버하도록 형성되는 모습을 예시적으로 보여주는 도면.
도 4는 도 2의 수광 영역에서 점선으로 표시된 에지(edge) 영역의 일부를 확대한 모습을 예시적으로 보여주는 도면.
도 5는 도 4에서 X1-X1′절취선을 따라 절단된 모습을 예시적으로 보여주는 단면도.
도 6은 도 4에서 X2-X2′절취선을 따라 절단된 모습을 예시적으로 보여주는 단면도.
도 7은 도 4에서 X1-X1′절취선을 따라 절단된 모습을 예시적으로 보여주는 단면도.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센싱 장치는 수광 영역(light receiving region, 10), 로우 드라이버(row driver, 20), 상관 이중 샘플러(correlated double sampler, CDS, 30), 아날로그-디지털 컨버터(analog digital converter, ADC, 40), 출력 버퍼(output buffer, 50), 컬럼 드라이버(column driver, 60) 및 타이밍 컨트롤러(timing controller, 70)를 포함할 수 있다.
수광 영역(10)은 로우(row) 방향 및 컬럼(column) 방향으로 연속적으로 배열된 복수의 유닛 픽셀들을 포함할 수 있다. 각 유닛 픽셀은 외부에서 입사된 광을 광전 변환하여 입사광에 대응되는 전기적 신호(픽셀 신호)를 생성할 수 있다. 픽셀 신호는 픽셀 트랜지스터들에 의해 리드아웃되어 이미지 생성을 위해 사용될 수 있다.
수광 영역(10)은 입사광을 집광시키기 위한 마이크로렌즈들을 포함할 수 있다. 마이크로렌즈들은 1개의 마이크로렌즈가 인접한 4개의 유닛 픽셀들을 커버하는 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 1개의 마이크로렌즈를 통해 입사된 광은 픽셀 분리 구조(소자 분리 구조)인 DTI(Deep Trench Isolation)에 의해 4개의 채널들로 갈라져 해당 픽셀들의 광전변환영역들에 입사될 수 있다. 또는 마이크로렌즈들은 각 유닛 픽셀 마다 하나씩 형성될 수 있다. 마이크로렌즈들 상부에는 마이크로렌즈들을 보호하고 마이크로렌즈들에 의해 발생될 수 있는 플레어(flare) 현상을 방지하기 위한 렌즈 캡핑막이 형성될 수 있다. 이러한 렌즈 캡핑막은 저온 산화막(Low Temperature Oxide)을 포함할 수 있다.
수광 영역(10)의 유닛 픽셀들은 로우 선택신호, 리셋 신호 및 전송 신호와 같은 구동 신호들을 로우 드라이버(20)로부터 제공받을 수 있다. 유닛 픽셀들은 구동 신호가 수신되면 활성화되어 로우 선택신호, 리셋 신호 및 전송 신호에 대응되는 동작을 수행할 수 있다.
로우 드라이버(20)는 타이밍 컨트롤러(70)와 같은 제어 회로로부터 제공되는 제어 신호들에 근거하여 유닛 픽셀들을 동작시킬 수 있다. 로우 드라이버(20)는 수광 영역(10)의 적어도 하나의 로우 라인에 연결된 적어도 하나의 유닛 픽셀들을 선택할 수 있다. 로우 드라이버(20)는 복수의 로우 라인들 중 적어도 하나의 로우 라인을 선택하기 위한 로우 선택 신호를 생성할 수 있다. 선택된 로우 라인의 유닛 픽셀들에서 생성된 픽셀 신호들은 상관 이중 샘플러(30)에 출력될 수 있다.
상관 이중 샘플러(30)는 상관 이중 샘플링(CDS: correlated double sampling) 방식을 사용하여 유닛 픽셀들의 원치 않는 오프셋(offset) 값들을 제거할 수 있다. 상관 이중 샘플러(30)는 타이밍 컨트롤러(70)로부터 제공된 클럭 신호에 근거하여 기준 신호의 전압 레벨과 복수의 컬럼 라인들을 통해 수광 영역(10)로부터 수신되는 픽셀 신호의 전압 레벨을 순차적으로 샘플링 및 홀딩할 수 있다. 상관 이중 샘플러(30)는 기준 신호와 픽셀 신호를 상관 이중 샘플링(CDS) 신호로서 아날로그-디지털 컨버터(40)에 출력할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(40)는 상관 이중 샘플러(30)로부터 수신되는CDS 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(40)는 타이밍 컨트롤러(70)로부터 제공되는 램프 신호와 상관 이중 샘플러(20)로부터 제공되는 CDS 신호를 서로 비교하여 비교 신호를 생성할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(40)는 타이밍 컨트롤러(70)로부터 제공되는 램프 신호에 근거하여 비교 신호의 레벨 전이(transition) 시간을 카운트하고, 카운트 값을 출력 버퍼(50)에 출력할 수 있다.
출력 버퍼(50)는 아날로그-디지털 컨버터(30)로부터 제공되는 각각의 컬럼 단위의 데이터를 타이밍 컨트롤러(70)의 제어에 따라 일시 저장할 수 있다. 출력 버퍼(50)는 이미지 센싱 장치와 연결된 다른 장치 사이의 전송(또는 처리) 속도 차이를 보상해주는 인터페이스로서 동작할 수 있다.
컬럼 드라이버(60)는 타이밍 컨트롤러(70)의 제어에 따라 출력 버퍼(50)의 컬럼을 선택하고, 선택된 출력 버퍼(50)의 컬럼에 일시 저장된 데이터를 순차적으로 출력할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(70)는 로우 드라이버(20), 아날로그-디지털 컨버터(40), 출력 버퍼(50) 및 컬럼 드라이버(60)의 동작들을 제어하기 위한 신호들을 생성할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(70)는 이미지 센싱 장치의 각 구성의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤을 위한 제어 신호, 및 로우 또는 컬럼을 선택하기 위한 어드레스 신호들을 로우 디코더(20), 아날로그-디지털 컨버터(40), 출력 버퍼(50) 및 컬럼 드라이버(60)에 제공할 수 있다.
도 2는 도 1에서 수광 영역의 대략적인 평면 구조를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 수광 영역(10)은 픽셀 영역(110), 버퍼 영역(120) 및 더미 마이크로렌즈 영역(130)을 포함할 수 있다.
픽셀 영역(110)은 수광 영역(10)의 중앙부에 위치할 수 있으며, 로우 방향 및 컬럼 방향으로 연속적으로 배열된 복수의 유닛 픽셀들(PXs)을 포함할 수 있다. 복수의 유닛 픽셀들은 각각 입사된 광을 전기적 신호로 변환하는 광전변환소자들을 포함할 수 있다. 광전변환소자들은 포토다이오드(photo diode), 포토트랜지스터(photo transistor), 포토게이트(photogate), 또는 핀드 포토다이오드(pinned photo diode)를 포함할 수 있다.
인접한 유닛 픽셀들의 광전변환소자들은 소자 분리막에 의해 유닛 픽셀 단위로 분리될 수 있다. 소자 분리막은 반도체 기판이 식각된 트렌치들 내에 절연물이 매립된 트렌치 아이솔레이션 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 소자 분리막은 DTI(Deep Trench Isolation) 구조를 포함할 수 있다.
복수의 유닛 픽셀들(PXs)은 레드 컬러 필터(red color filter, R), 그린 컬러 필터(green color filter, G) 및 블루 컬러 필터(blue color filter. B) 중 어느 하나의 필터를 포함할 수 있다. 레드 컬러 필터(R)들, 그린 컬러 필터(G)들 및 블루 컬러 필터(B)들은 RGGB 베이어 패턴(Bayer pattern) 형태로 배열될 수 있다. 컬러 필터들(R, G, B) 사이에는 인접한 컬러 필터들 간의 크로스토크를 방지하기 위한 그리드 구조물이 형성될 수 있다. 그리드 구조물은 메탈(예를 들어, 텅스텐)을 포함할 수 있다.
픽셀 영역(110)에서 컬러 필터들(R, G, B) 위에는 입사광을 집광시키기 위한 마이크로렌즈들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 마이크로렌즈들은, 도 3과 같이, 1개의 마이크로렌즈(ML)가 인접한 4개의 유닛 픽셀들(PXs)을 커버하는 구조로 형성될 수 있다. 1개의 마이크로렌즈를 통해 입사된 광은 DTI에 의해 4개의 채널들로 갈라져 해당 유닛 픽셀들의 광전변환소자들에 입사될 수 있다. 또는 마이크로렌즈들은 각 유닛 픽셀(PX) 마다 하나씩 형성될 수도 있다.
마이크로렌즈들 상부에는 마이크로렌즈들을 보호하고 마이크로렌즈들에 의해 발생될 수 있는 플레어(flare) 현상을 방지하기 위한 렌즈 캡핑막이 형성될 수 있다. 렌즈 캡핑막은 픽셀 영역(110)을 전체적으로 커버하면서 더미 마이크로렌즈 영역(130)까지 연장되게 형성될 수 있다. 이러한 렌즈 캡핑막은 저온 산화막(Low Temperature Oxide)을 포함할 수 있다.
버퍼 영역(120)은 픽셀 영역(110)의 외곽에 위치할 수 있다. 예를 들어, 버퍼 영역(120)은 픽셀 영역(110)과 더미 마이크로렌즈 영역(130)의 경계 영역으로서, 픽셀 영역(110)과 더미 마이크로렌즈 영역(130) 사이에 위치할 수 있다. 버퍼 영역(120)에서, 반도체 기판 상부에는 컬러 필터들 및 마이크로렌즈들은 형성되지 않고, 그리드 구조물 및 렌즈 캡핑막이 픽셀 영역(110)으로부터 연장되게 형성될 수 있다.
더미 마이크로렌즈 영역(130)은 픽셀 영역(110)의 마이크로렌즈들 위에 형성된 렌즈 캡핑막의 필 오프(peel off)를 방지하기 위한 영역으로, 픽셀 영역(120)을 둘러싸는 형태로 버퍼 영역(120) 외곽에 위치할 수 있다. 더미 마이크로렌즈 영역(130)은 3차원 구조의 더미 마이크로렌즈들을 포함할 수 있으며, 더미 마이크로렌즈들의 전부 또는 일부는 렌즈 캡핑막에 의해 커버될 수 있다. 예를 들어, 하나의 렌즈 캡핑막이 픽셀 영역(110)과 버퍼 영역(120)을 전체적으로 커버하면서 더미 마이크로렌즈 영역(130)의 에지 영역까지 연장되게 형성될 수 있다.
더미 마이크로렌즈 영역(130)에서, 버퍼 영역(120)과 인접한 영역(제 1 더미 마이크로렌즈 영역)에는 그리드 구조물이 버퍼 영역(120)의 그리드 구조물로부터 연장되게 형성될 수 있으며, 제 1 더미 마이크로렌즈 영역 외곽에 있는 영역(제 2 더미 마이크로렌즈 영역)에는 반도체 기판을 전체적으로 덮는 차광막이 형성될 수 있다. 더미 마이크로렌즈들 및 렌즈 캡핑막은 그리드 구조물 및 차광막 위에 위치할 수 있다.
더미 마이크로렌즈들은 렌즈 캡핑막의 필 오프를 방지하면서 차광막의 손상을 방지하기 위한 3차원 구조의 안티 필오프(anti-peel off) 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 더미 마이크로렌즈들은 픽셀 영역(110)의 마이크로렌즈들과 같은 볼록 렌즈 형태를 가지되 사이즈가 마이크로렌즈들보다 더 크게 형성됨으로써 렌즈 캡핑막과의 접촉면적을 증가시키면서 인접한 더미 마이크로렌즈들 사이의 공간에 렌즈 캡핑막이 보다 잘 끼워지도록 하여 렌즈 캡핑막이 쉽게 필오프되지 않도록 할 수 있다.
또한, 더미 마이크로렌즈 영역(130)은 복수개의 얼라인 패턴들(align patterns)을 포함할 수 있다. 얼라인 패턴들은 반도체 기판 내에서 서로 이격되게 임의의 위치에 선택적으로 형성될 수 있다. 얼라인 패턴들은 픽셀 영역(110)에 형성된 소자 분리막과 같은 트렌치 아이솔레이션 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 얼라인 패턴들은 픽셀 영역(110)의 소자 분리막과 같은 폭 및 깊이로 식각된 트렌치들 내에 절연물이 매립된 DTI 구조로 형성될 수 있다. 이러한 얼라인 패턴들은 픽셀 영역(110)의 소자 분리 구조물이 형성될 때 함께 형성될 수 있다.
도 4는 도 2의 수광 영역에서 점선으로 표시된 에지(edge) 영역의 일부를 확대한 모습을 예시적으로 보여주는 도면이다. 또한, 도 5는 도 4에서 X1-X1′절취선을 따라 절단된 모습을 예시적으로 보여주는 단면도이며, 도 6은 도 4에서 X2-X2′절취선을 따라 절단된 모습을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 수광 영역(10)은 기판층(210), 반사 방지막(220), 그리드 구조물(232, 234), 차광막(236), 컬러 필터층(240), 오버 코팅층(250), 렌즈층(262, 264) 및 렌즈 캡핑막(270)을 포함할 수 있다.
기판층(210)은 제 1 면 및 제 1 면과 마주보는 제 2 면을 포함하는 반도체 기판을 포함할 수 있다. 이때, 제 1 면은 광이 입사되는 면이 될 수 있다. 반도체 기판(210)은 단결정 상태(Single crystal state)일 수 있으며, 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판(210)은 단결정의 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 반도체 기판(210)은 이온주입공정을 통해 주입된 P형 불순물들을 포함할 수 있다.
반도체 기판(210)의 내부에는 광전변환소자들(212), 광전변환소자들(212) 사이를 소자분리시키기 위한 소자 분리막(214), 및 더미 마이크로렌즈 영역(130)에 위치하며 오버레이 측정을 위한 얼라인 패턴들(216)을 포함할 수 있다.
광전변환소자들(212)은 입사광을 전기적 신호로 변환시킬 수 있으며, 소자 분리막(214)에 의해 정의된 영역에 형성될 수 있다. 광전변환소자들(212)은 이온주입공정을 통해 반도체 기판(210)에 N형 불순물들이 주입됨으로써 형성될 수 있다. 광전변환소자들(212)은 포토다이오드(photo diode), 포토트랜지스터(photo transistor), 포토게이트(photogate), 또는 핀드 포토다이오드(pinned photo diode)를 포함할 수 있다.
소자 분리막(214)은 픽셀 영역(110) 내에서 광전변환소자들(212)이 형성되는 영역을 정의하며, 광전변환소자들(212)을 광학적 및 전기적으로 분리시킬 수 있다. 소자 분리막(214)은 반도체 기판(210)이 일정 깊이로 식각된 트렌치들 내에 절연물이 매립된 트렌치 아이솔레이션 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 소자 분리막(214)은 DTI(Deep Trench Isolation) 구조로 형성될 수 있다.
얼라인 패턴들(216)은 오버레이 측정을 위한 패턴으로서 더미 마이크로렌즈 영역(130)의 반도체 기판(210) 내에 형성될 수 있다. 얼라인 패턴들(216)은 소자 분리막(214)과 같은 트렌치 아이솔레이션 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 얼라인 패턴들(216)은 소자 분리막(214)의 트렌치들과 같은 폭 및 깊이로 식각된 트렌치들 내에 절연물이 매립된 DTI 구조로 형성될 수 있다. 이러한 얼라인 패턴들(216)은 소자 분리막(214)이 형성될 때 함께 형성될 수 있으나, 소자 분리막(214)과 물리적으로 분리될 수 있다. 얼라인 패턴(216)에서의 트렌치들 사이의 간격은 소자 분리막(214)에서의 트렌치들 사이의 간격보다 클 수 있다.
얼라인 패턴들(216)은 도 4에서와 같이 더미 마이크로렌즈 영역(130) 내에서 서로 이격되게 위치하는 복수개의 얼라인 패턴들을 포함할 수 있다. 도 4에서는 각 얼라인 패턴(216)이 X 방향 및 Y 방향을 따라 연장된 5개의 트렌치들이 서로 교차되게 연결된 격자 구조를 가지는 경우가 예시적으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않는다.
반사 방지막(220)은 반도체 기판(210)의 제 1 면에서의 입사광의 반사를 방지하기 위한 것으로, 반도체 기판(210)의 제 1 면 위에 위치할 수 있다. 반사 방지막(220)은 광을 투과시킴과 함께 절연성을 가질 수 있으며, 굴절율(n1)이 반도체 기판(210)의 굴절율(n2)보다도 작은(n1<n2) 투명 절연막을 포함할 수 있다. 이러한 반사 방지막(220)은 제 1 면에 형성될 수 있는 단차를 보상하기 위한 평탄화층의 역할을 수행할 수도 있다.
그리드 구조물(232, 234)은 반사 방지막(220) 위에 위치할 수 있다. 그리드 구조물(232, 234)은 광을 차단시키는 재료로서 예컨대, 텅스텐(W), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 등의 메탈 또는 에어(air)를 포함할 수 있다. 픽셀 영역(110)에서의 그리드 구조물(232)은 컬러 필터들(240)의 경계 영역에 형성되어 인접한 컬러 필터들 간의 크로스토크를 방지할 수 있다. 그리드 구조물(234)은 더미 마이크로렌즈 영역(130)에서 반사 방지막(220) 위에 위치할 수 있다. 예를 들어, 그리드 구조물(234)은 버퍼 영역(120)과 인접한 제 1 더미 마이크로렌즈 영역에서 버퍼 영역(120)의 그리드 구조물로부터 연장되게 형성될 수 있다. 또는 그리드 구조물(234)은 버퍼 영역(120)의 그리드 구조물과 물리적으로 분리되게 형성될 수 도 있다.
도 5에서와 같이, 픽셀 영역(110)의 에지 영역에 위치하는 그리드 구조물(232)은 쉐이딩 편차(Shading variations)를 개선하기 위해 각 유닛 픽셀의 CRA(Chief ray angle)에 대응되도록 소정의 간격만큼씩 픽셀 영역(110)의 외곽 방향으로 쉬프트(shifted) 될 수 있다. 예를 들어, 그리드 구조물(232)은 소자 분리막(214)과 얼라인 되지 않고 CRA에 대응되게 소정의 간격만큼씩 외곽 방향으로 쉬프트 될 수 있다. 반면에, 더미 마이크로렌즈 영역(130)에 위치하는 그리드 구조물(234)은 쉬프트되지 않고 얼라인 패턴(216)과 얼라인되게 위치할 수 있다.
차광막(236)은 더미 마이크로렌즈 영역(130)에서 제 1 더미 마이크로렌즈 영역의 외곽에 해당하는 제 2 더미 마이크로렌즈 영역의 반사 방지막(220) 위에 위치할 수 있다. 차광막(236)은 제 2 더미 마이크로렌즈 영역을 전체적으로 커버함으로써 입사광이 제 2 더미 마이크로렌즈 영역의 반도체 기판(210) 내로 입사되지 못하도록 할 수 있다.
컬러 필터층(240)은 반사 방지막(220) 위에서 그리드 구조물(232)에 의해 정의된 영역에 형성될 수 있다. 컬러 필터층(240)은 특정 색상의 가시광을 선택적으로 통과시키는 컬러 필터들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터층(240)은 베이어 패턴 형태로 배열된 레드 필터들(R), 그린 필터들(G) 및 블루 필터들(B)을 포함할 수 있다. 이러한 컬러 필터들은 픽셀 영역(110)에서 각 유닛 픽셀에 대응되게 형성될 수 있으며, 버퍼 영역(120) 및 더미 마이크로렌즈 영역(130)에는 형성되지 않을 수 있다.
오버 코팅층(250)은 컬러 필터층(240)에 의한 단차를 보상하기 위해 컬러 필터층(240) 위에 형성될 수 있다. 오버 코팅층(250)은 버퍼 영역(120) 및 더미 마이크로렌즈 영역(130)에서는 반사 방지막(220), 그리드 구조물(234) 및 차광막(236)을 커버하도록 형성될 수 있다. 오버 코팅층(250)은 렌즈층(262)과 같은 물질을 포함할 수 있다.
렌즈층(262, 264)은 오버 코팅층(250) 위에 형성될 수 있다. 렌즈층(262, 264)은 픽셀 영역(110)에 위치하는 마이크로렌즈들(262) 및 더미 마이크로렌즈 영역(130)에 위치하는 더미 마이크로렌즈들(264)을 포함할 수 있다. 버퍼 영역(120)에는 렌즈층(260, 264)이 형성되지 않을 수 있다.
마이크로렌즈들(262)은 입사광을 집광시켜 대응되는 유닛 픽셀들의 광전변환소자들(212)에 입사되도록 할 수 있다. 마이크로렌즈들(262)은, 상술한 도 3에서와 같이, 1개의 마이크로렌즈(262)가 인접한 4개의 유닛 픽셀들을 커버하는 구조로 형성될 수 있다. 더미 마이크로렌즈들(264)은 렌즈 캡핑막(270)의 필 오프를 방지하면서 차광막의 손상을 방지하기 위한 3차원 구조의 안티 필오프(anti-peel off) 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 더미 마이크로렌즈들(264)은 픽셀 영역(110)의 마이크로렌즈들(262)과 같은 볼록 렌즈의 형태를 가지되, 사이즈가 마이크로렌즈들보다 더 크게 형성됨으로써 렌즈 캡핑막(270)과의 접촉면적을 증가시키면서 인접한 더미 마이크로렌즈들(264) 사이의 공간에 렌즈 캡핑막(270)이 보다 잘 끼워지는 형태로 형성될 수 있다.
마이크로렌즈들(262)은 쉐이딩 편차를 개선하기 위해 각 유닛 픽셀의 CRA에 대응되도록 소정의 간격만큼씩 픽셀 영역(110)의 외곽 방향으로 쉬프트(shifted) 될 수 있다. 예를 들어, 마이크로렌즈들(262)은 소자 분리막(214) 및 그리드 구조물(232)과 얼라인 되지 않고 CRA에 대응되게 소정의 간격만큼씩 외곽 방향으로 쉬프트 될 수 있다. 반면에, 더미 마이크로렌즈들(264)은 쉬프트되지 않고 그리드 구조물(234) 및 얼라인 패턴(216)과 얼라인되게 위치할 수 있다.
렌즈 캡핑막(270)은 마이크로렌즈들(262)을 보호하고 마이크로렌즈들(262)에 의해 발생될 수 있는 플레어(flare) 현상을 방지할 수 있다. 렌즈 캡핑막(270)은 렌즈층(262, 264) 및 오버 코팅층(250) 위에 형성될 수 있다. 예를 들어, 렌즈 캡핑막(270)은 픽셀 영역(110) 및 더미 마이크로렌즈 영역(130)에서는 렌즈층(262, 264) 위에 형성되고, 렌즈층(262, 264)이 형성되지 않은 버퍼 영역(120)에서는 오버 코팅층(250) 위에 형성될 수 있다. 렌즈 캡핑막(270)은 픽셀 영역(110)에서부터 더미 마이크로렌즈 영역(130)까지 연장되는 하나의 막으로 형성될 수 있다.
렌즈 캡핑막(270)은 더미 마이크로렌즈 영역(130)을 전체적으로 커버하거나 더미 마이크로렌즈 영역(130)의 일부 영역을 커버하도록 형성될 수 있다. 더미 마이크로렌즈들(264)은 픽셀 신호를 생성하기 위한 렌즈들이 아니라 렌즈 캡핑막(270)의 필 오프(peel off)를 방지하기 위해 형성되는 렌즈들이므로, 렌즈 캡핑막(270)이 더미 마이크로렌즈들(264)을 모두 커버할 필요는 없다. 따라서, 더미 마이크로렌즈 영역(130)의 에지 영역에 있는 더미 마이크로렌즈들(264)은 렌즈 캡핑막(270)에 의해 커버되지 않을 수도 있다.
상술한 도 5의 실시 예에서, 그리드 구조물(232)은 인접한 마이크로렌즈들(262) 간의 경계 영역에 대응되게 위치하고, 그리드 구조물(234)은 인접한 더미 마이크로렌즈들(264) 간의 경계 영역과 얼라인되게 형성되는 경우가 예시적으로 도시 되었다. 그러나, 도 7에서와 같이, 픽셀 영역(110)의 그리드 구조물(236)은 마이크로렌즈들(262) 간의 경계 영역뿐만 아니라 마이크로렌즈(262)의 중심부에 대응되게 위치할 수 있으며, 더미 마이크로렌즈 영역(130)의 그리드 구조물(238)은 더미 마이크로렌즈들(264) 간의 경계 영역뿐만 아니라 더미 마이크로렌즈들(264)의 중심부와 얼라인되게 위치할 수도 있다.
또한, 상술한 도 5 및 도 6의 실시 예에서는, 반도체 기판(210)의 제 1 면 위에 형성되는 구성들만 도시되었으나, 제 2 면 위에는 광전변환소자들(212)들에 의해 생성된 광전하들을 리드아웃하여 픽셀 신호를 출력하기 위한 소자들(예컨대, 픽셀 트랜지스터들)이 형성될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 픽셀 영역
120: 버퍼 영역
130: 더미 마이크로렌즈 영역
210: 반도체 기판
214: 소자 분리막
216: 얼라인 패턴
262: 마이크로렌즈
264: 더미 마이크로렌즈
270: 렌즈 캡핑막
120: 버퍼 영역
130: 더미 마이크로렌즈 영역
210: 반도체 기판
214: 소자 분리막
216: 얼라인 패턴
262: 마이크로렌즈
264: 더미 마이크로렌즈
270: 렌즈 캡핑막
Claims (20)
- 입사광을 전기적 신호로 변환하는 광전변환소자들을 포함하는 픽셀 영역, 및 상기 픽셀 영역을 둘러싸도록 상기 픽셀 영역 외곽에 위치하며 상기 광전변환소자들을 포함하지 않는 더미 영역을 포함하는 반도체 기판;
상기 픽셀 영역에서 상기 반도체 기판 위에 위치하며, 상기 입사광을 대응되는 광전변환소자들에 집광시키는 제 1 마이크로렌즈들;
상기 더미 영역에서 상기 반도체 기판 위에 위치하며 상기 제 1 마이크로렌즈들과 분리된 제 2 마이크로렌즈들; 및
상기 제 2 마이크로렌즈들과 얼라인되게 상기 더미 영역의 상기 반도체 기판 내에 위치하는 적어도 하나의 얼라인 패턴을 포함하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 제 1 마이크로렌즈들을 모두 커버하면서 상기 제 2 마이크로렌즈들의 적어도 일부를 커버하도록 연장되는 렌즈 캡핑막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 적어도 하나의 얼라인 패턴은
상기 반도체 기판이 식각된 트렌치 내에 절연물이 매립된 트렌치 아이솔레이션 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 3에 있어서, 상기 적어도 하나의 얼라인 패턴은
제 1 방향 및 상기 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 연장된 복수의 트렌치들이 서로 교차된 격자 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 픽셀 영역은
상기 반도체 기판이 식각된 트렌치들 내에 절연물이 매립된 트렌치 아이솔레이션 구조를 가지며 상기 광전변환소자들을 유닛 픽셀 단위로 분리시키는 소자 분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 5에 있어서, 상기 적어도 하나의 얼라인 패턴은
상기 더미 영역에서 상기 소자 분리막의 트렌치들과 같은 폭 및 깊이로 식각된 트렌치들 내에 절연물이 매립된 트렌치 아이솔레이션 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 6에 있어서,
상기 적어도 하나의 얼라인 패턴의 트렌치들 사이의 간격은 상기 소자 분리막의 트렌치들 사이의 간격보다 큰 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 마이크로렌즈들 각각은
서로 인접한 복수의 유닛 픽셀들을 커버하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 8에 있어서, 상기 제 2 마이크로렌즈들은
상기 제 1 마이크로렌즈들과 다른 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 반도체 기판은
상기 픽셀 영역과 상기 더미 영역 사이에 위치하는 버퍼 영역을 더 포함하며,
상기 버퍼 영역에서 상기 반도체 기판 위에는 마이크로렌즈가 형성되지 않는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 더미 영역은
상기 픽셀 영역과 인접한 제 1 더미 영역 및 상기 제 1 더미 영역의 외곽에 위치하는 제 2 더미 영역을 포함하며,
상기 제 1 더미 영역은
상기 얼라인 패턴과 얼라인되게 상기 반도체 기판 위에 위치하는 그리드 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 11에 있어서, 상기 제 2 더미 영역은
상기 제 2 더미 영역의 반도체 기판으로 광이 입사되지 못하도록 차단하는 차단막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 픽셀 영역은
컬러 필터들 사이에 위치하여 인접한 컬러 필터들 간의 크로스토크를 방지하는 그리드 구조물을 포함하며,
상기 그리드 구조물은 상기 제 1 마이크로렌즈들의 경계 영역에 얼라인되는 제 1 그리드 구조물; 및
상기 제 1 그리드 구조물 사이에 위치하며 상기 제 1 마이크로렌즈들의 경계 영역에 얼라인되지 않는 제 2 그리드 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 입사광을 전기적 신호로 변환하는 광전변환소자들 및 입사광을 상기 광전변환소자들에 집광시키는 제 1 마이크로렌즈들을 포함하는 제 1 영역; 및
상기 제 1 영역의 외곽에 위치하며 상기 제 1 마이크로렌즈들과 다른 사이즈를 갖는 제 2 마이크로렌즈들을 포함하는 제 2 영역을 포함하며,
상기 제 2 영역은
상기 제 2 마이크로렌즈들 중 일부와 얼라인되게 반도체 기판 내에 위치하는 적어도 하나의 얼라인 패턴을 포함하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 14에 있어서,
상기 제 1 마이크로렌즈들을 모두 커버하면서 상기 제 2 마이크로렌즈들의 적어도 일부를 커버하도록 연장되는 렌즈 캡핑막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 14에 있어서, 상기 제 1 마이크로렌즈들 각각은
인접한 복수개의 광전변환소자들을 커버하는 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 14에 있어서, 상기 제 2 마이크로렌즈들은
상기 제 1 마이크로렌즈들로부터 일정 거리 이격되게 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 14에 있어서, 상기 제 2 마이크로렌즈들은
상기 제 1 마이크로렌즈들보다 큰 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 14에 있어서, 상기 적어도 하나의 얼라인 패턴은
상기 반도체 기판이 식각된 트렌치 내에 절연물이 매립된 트렌치 아이솔레이션 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치. - 청구항 19에 있어서, 상기 적어도 하나의 얼라인 패턴은
제 1 방향 및 상기 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 연장된 복수의 트렌치들이 서로 교차된 격자 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
Priority Applications (4)
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