KR102539389B1 - 솔리드-스테이트 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

솔리드-스테이트 이미지 센서가 제공된다. 솔리드-스테이트 이미지 센서는 광전 변환 요소를 갖는 반도체 기판을 포함한다. 광전 변환 요소는 N×N 픽셀 어레이를 형성하고, 여기서 N은 3 이상의 양의 정수이다. 솔리드-스테이트 이미지 센서는 또한 광전 변환 요소 위에 배치된 변조층을 포함한다. 솔리드-스테이트 이미지 센서는 변조층 상에 배치되고, N×N 픽셀 어레이에 대응하는 광-조정 구조체를 추가로 포함한다. N×N 픽셀 어레이는 적어도 하나의 제1 픽셀을 갖는 제1 픽셀 영역을 포함한다. N×N 픽셀 어레이는 또한 제1 방향 및 제1 방향과 다른 제2 방향으로 제1 픽셀 영역에 인접하고 제2 픽셀을 갖는 제2 픽셀 영역을 포함한다. 제1 픽셀의 개구율 및 제2 픽셀의 개구율은 상이하다.

Description

솔리드-스테이트 이미지 센서 {SOLID-STATE IMAGE SENSOR}
본 개시의 실시예는 이미지 센서에 관한 것이고, 특히 플로팅 픽셀 설계를 갖는 솔리드-스테이트 이미지 센서에 관한 것이다.
솔리드-스테이트 이미지 센서(예를 들어, 상보형 금속-산화물 반도체(CMOS: complementary metal-oxide semiconductor) 이미지 센서)는 디지털 스틸-이미지 카메라(digital still-image cameras), 디지털 비디오 카메라 등과 같은 다양한 이미지-캡처 장치에서 널리 사용되고 있다. 솔리드-스테이트 이미지 센서의 광-감지부(예를 들어, 광전 변환 요소)에서 수신된 광량에 따라 신호 전하(signal electric charges)가 생성될 수 있다. 또한, 광-감지부에서 생성된 신호 전하가 전송 및 증폭될 수 있으며, 이에 의해 이미지 신호가 획득된다.
작은 픽셀(예를 들어, 0.7 ㎛ 미만의 픽셀 크기)을 향한 이미지 센서의 개발로 인해, 작은 픽셀의 더 작은 수광 면적으로 인해 더 낮은 감도가 발생할 수 있다. 기존의 솔리드-스테이트 이미지 센서에서는, 다중-픽셀에 대응하는 하나의 마이크로-렌즈가 광량을 증가시키는 데 사용될 수 있으며, 이에 의해 양자 효율(QE: quantum efficiency) 및/또는 감도를 증가시킬 수 있다. 그러나, 이러한 구조는 각각의 픽셀의 불균일을 유발하고 채널 분리(channel separation)를 증가시키기 쉬울 수 있다.
또한, 입사광은 종종 기존의 솔리드-스테이트 이미지 센서의 기판에서 격리 구조(예를 들어, 얕은 트렌치 격리(STI: shallow trench isolation) 또는 깊은 트렌치 격리(DTI: deep trench isolation))로 집중되며, 이는 광 산란을 유발하고 이미지 품질을 저하시킬 수 있다. 따라서, 솔리드-스테이트 이미지 센서의 설계에는 여전히 극복해야 할 다양한 과제가 있다.
본 개시의 일부 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서에서, 상이한 픽셀 영역의 개구율(aperture ratio)은 상이할 수 있으며, 이는 광 할당을 최적화할 수 있으며(예를 들어, 입사광이 격리 구조로 집중되는 것을 방지하거나, 광전 변환 요소에 의해 불균일한 광도가 수신되는 것을 방지), 이에 의해 솔리드-스테이트 이미지 센서의 광전 변환 요소로부터의 이미지 신호의 품질을 향상시킨다.
본 개시의 일부 실시예에 따르면, 솔리드-스테이트 이미지 센서가 제공된다. 솔리드-스테이트 이미지 센서는 광전 변환 요소를 갖는 반도체 기판을 포함한다. 광전 변환 요소는 N×N 픽셀 어레이를 형성하고, 여기서 N은 3 이상의 양의 정수이다. 솔리드-스테이트 이미지 센서는 또한 광전 변환 요소 위에 배치된 변조층을 포함한다. 솔리드-스테이트 이미지 센서는 변조층 상에 배치되고, N×N 픽셀 어레이에 대응하는 광-조정 구조체를 추가로 포함한다. N×N 픽셀 어레이는 적어도 하나의 제1 픽셀을 갖는 제1 픽셀 영역을 포함한다. N×N 픽셀 어레이는 또한 제1 방향 및 제2 방향으로 제1 픽셀 영역에 인접하고 제2 픽셀을 갖는 제2 픽셀 영역을 포함한다. 제1 방향과 제2 방향은 상이하다. 제1 픽셀의 개구율 및 제2 픽셀 중 하나의 개구율은 상이하다.
일부 실시예에서, 광-조정 구조체는 수렴 마이크로-렌즈이다.
일부 실시예에서, 솔리드-스테이트 이미지 센서는 변조층을 제1 픽셀에 대응하는 제1 변조 세그먼트 및 제2 픽셀에 대응하는 제2 변조 세그먼트로 분할하기 위해 변조층에 배치된 격자 구조체를 추가로 포함한다. 격자 구조체의 재료는 1 내지 1.99 범위의 굴절률을 갖는 투명 유전체 재료를 포함하거나, 격자 구조체는 공기이다.
일부 실시예에서, 제1 변조 세그먼트의 바닥 면적은 제2 변조 세그먼트 중 하나의 바닥 면적보다 작다.
일부 실시예에서, 제2 변조 세그먼트 중 하나의 바닥 면적에 대한 제1 변조 세그먼트의 바닥 면적의 비율은 0.5 미만이고, 제1 변조 세그먼트는 녹색, 노란색 또는 투명한 재료로 충진된다.
일부 실시예에서, 입사광이 제1 변조 세그먼트의 제1 측면으로부터 나올 때, 제1 변조 세그먼트의 제1 측면에 대향하는 제2 측면 상의 제2 변조 세그먼트 중 하나의 개구율은 제1 변조 세그먼트의 제1 측면 상의 제2 변조 세그먼트 중 다른 것의 개구율보다 작다.
일부 실시예에서, N×N 픽셀 어레이는 제1 방향 및 제2 방향으로 제2 픽셀 영역에 인접하고 제3 픽셀을 갖는 제3 픽셀 영역을 추가로 포함하고, 제3 픽셀 중 하나의 개구율은 제1 픽셀의 개구율 및 제2 픽셀 중 하나의 개구율과 상이하다.
일부 실시예에서, 제1 변조 세그먼트와 제2 변조 세그먼트 중 하나 사이의 격자 구조체는 제1 격자 폭을 갖는다. 제2 변조 세그먼트 중 하나와 제3 변조 세그먼트 중 하나 사이의 격자 구조체는 제2 격자 폭을 갖는다. 제1 격자 폭은 제2 격자 폭보다 크다.
일부 실시예에서, 솔리드-스테이트 이미지 센서는 격자 구조체의 바닥 상에 배치된 금속 격자를 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 솔리드-스테이트 이미지 센서는 변조층을 제1 변조 세그먼트 및 제2 변조 세그먼트로 분할하기 위해 변조층에 배치된 금속 격자를 추가로 포함한다. 제1 변조 세그먼트는 제1 픽셀에 대응한다. 제2 변조 세그먼트는 제2 픽셀에 대응한다. 제1 변조 세그먼트와 제2 변조 세그먼트 중 하나 사이의 금속 격자는 제1 금속 폭을 갖는다. 변조층을 둘러싸는 금속 격자는 제2 금속 폭을 갖는다. 제1 금속 폭은 제2 금속 폭보다 크다.
일부 실시예에서, 제1 픽셀에 대응하는 광전 변환 요소 중 하나의 최상부 면적은 제2 픽셀 중 하나에 대응하는 광전 변환 요소 중 다른 것의 최상부 면적보다 작다.
일부 실시예에서, 광-조정 구조체는 발산 마이크로-렌즈이다.
일부 실시예에서, 제1 변조 세그먼트의 바닥 면적은 제2 변조 세그먼트의 바닥 면적보다 크다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 제1 픽셀에 대응하는 광전 변환 요소 중 하나의 최상부 면적은 제2 픽셀 중 하나에 대응하는 광전 변환 요소 중 다른 것의 최상부 면적보다 크다.
일부 실시예에서, 솔리드-스테이트 이미지 센서는 변조층에 배치된 격자 구조체 및 변조층 상에 배치된 컬러 필터층을 추가로 포함한다. 격자 구조체의 굴절률은 변조층의 굴절률보다 낮다.
일부 실시예에서, 솔리드-스테이트 이미지 센서는 제1 픽셀 영역과 제2 픽셀 영역 사이의 공간에 대응하는 격자 구조체에 배치된 에어 갭을 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 컬러 필터층의 두께에 대한 변조층의 두께의 비율은 0.25 내지 1이다.
일부 실시예에서, N×N 픽셀 어레이의 개구율은 광-조정 구조체의 방사 방향을 따라 변한다.
일부 실시예에서, N = 2n이고 n은 양의 정수인 경우, 제1 픽셀 영역은 4개의 광전 변환 요소에 대응하고, 4개의 광전 변환 요소는 P-N 접합을 형성한다.
일부 실시예에서, 픽셀 어레이는 모자이크 패턴을 형성하고, 모자이크 패턴은 RGB 배열, CMY 배열 또는 RYYB 배열을 포함한다.
본 개시는 첨부 도면과 함께 읽을 때 이하의 상세한 설명으로부터 더 완전히 이해될 수 있다. 업계의 표준 관행에 따라 다양한 피처가 스케일대로 도시되지 않는다는 점에 유의할 가치가 있다. 실제로, 논의의 명확성을 위해 다양한 피처의 치수가 임의로 증가 또는 감소될 수 있다.
도 1은 본 개시의 일부 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서를 나타내는 부분 평면도이다.
도 2a는 도 1의 A-A' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 2b는 도 1의 B-B' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 2c는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 1의 A-A' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 2d는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 1의 A-A' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 2e는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 1의 A-A' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 2f는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 1의 A-A' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 2g는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 1의 A-A' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 2h는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 1의 A-A' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 2i는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 1의 A-A' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 2j는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 1의 A-A' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 2k는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 1의 A-A' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 3은 본 개시의 일부 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서를 나타내는 부분 평면도이다.
도 4a는 도 3의 C-C' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 4b는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 3의 C-C' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 4c는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 3의 C-C' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 5는 본 개시의 일부 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서를 나타내는 부분 평면도이다.
도 6a는 도 5의 D-D' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 6b는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 5의 D-D' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 6c는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 5의 D-D' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지의 관심 영역 ROI이다.
도 8은 본 개시의 일부 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서를 나타내는 부분 평면도이다.
도 9는 도 8의 E-E' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 10은 본 개시의 일부 다른 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서를 나타내는 부분 단면도이다.
도 11은 본 개시의 일부 다른 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서를 나타내는 부분 단면도이다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서를 나타내는 부분 평면도이다.
도 13은 도 12의 F-F' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 14는 본 개시의 다른 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서를 나타내는 부분 평면도이다.
도 15는 도 14의 G-G' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 부분 단면도이다.
도 16은 본 개시의 일부 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 부분 평면도이다.
도 17은 본 개시의 일부 다른 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 부분 평면도이다.
도 18은 본 개시의 일부 다른 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 부분 평면도이다.
이하의 개시는 제공된 주제의 상이한 특징을 구현하기 위한 많은 상이한 실시예 또는 예를 제공한다. 본 개시를 단순화하기 위해 구성 요소 및 배열의 특정 예가 아래에 설명된다. 물론, 이는 단지 예일 뿐이며 제한하려는 의도는 없다.
달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용되는 (기술적이고 과학적인 용어를 포함하는) 모든 용어는 본 개시가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 통상적으로 사용되는 사전에 정의된 것과 같은 용어는 관련 기술의 맥락에서 그 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 개시의 실시예에서 명시적으로 정의되지 않는 한, 이상화되거나 지나치게 형식적인 의미로 해석되지 않을 것임을 이해해야 한다.
도 1은 본 개시의 일부 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)를 나타내 부분 평면도이다. 도 2a는 도 1의 A-A' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 부분 단면도이다. 도 2b는 도 1의 B-B' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 부분 단면도이다. 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 일부 구성 요소는 간결함을 위해 도 1, 도 2a 및 도 2b에서 생략될 수 있음에 유의해야 한다.
일부 실시예에서, 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)는 상보형 금속-산화물 반도체(CMOS: complementary metal-oxide semiconductor) 이미지 센서 또는 전하 결합 소자(CCD: charge coupled device) 이미지 센서일 수 있지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다.
도 1은 하나의 광-조정 구조체(31)에 대응하는 픽셀 C1, 픽셀 B2, 픽셀 C3, 픽셀 B4, 픽셀 A5, 픽셀 B6, 픽셀 C7, 픽셀 B8 및 픽셀 C9를 포함하는 하나의 픽셀 어레이 PA를 단지 나타낸다는 점에 유의해야 한다. 즉, 픽셀 어레이 PA는 하나의 광-조정 구조체(31)에 대응하는 3×3 픽셀 어레이일 수 있고, 픽셀 어레이 PA는 3×3 광전 변환 요소(13)에 대응할 수 있다(도 2a 및 도 2b에 나타내어짐).
도 1에 나타낸 바와 같이, 픽셀 어레이 PA는 픽셀 A5를 갖는 제1 픽셀 영역 및 X-방향 및 Y-방향으로 제1 픽셀 영역에 인접하고 픽셀 B2, 픽셀 B4, 픽셀 B6 및 픽셀 B8을 갖는 제2 픽셀 영역을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 픽셀 어레이 PA는 X-방향 및 Y-방향으로 제2 픽셀 영역에 인접하고 픽셀 C1, 픽셀 C3, 픽셀 C7 및 픽셀 C9를 갖는 제3 픽셀 영역을 추가로 포함할 수 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 픽셀 B2 및 픽셀 B8은 픽셀 A5의 상하측에 각각 배치되고, 픽셀 B4 및 픽셀 B6은 픽셀 A5의 좌우측에 각각 배치된다. 또한, 픽셀 C1(또는 픽셀 C3, 픽셀 C7 또는 픽셀 C9) 및 픽셀 A5는 대각선으로 배열된다.
도 1을 참조하면, 픽셀 B2, 픽셀 B4, 픽셀 B6, 픽셀 B8은 동일한 개구율을 가질 수 있고, 픽셀 C1, 픽셀 C3, 픽셀 C7, 픽셀 C9는 동일한 개구율을 가질 수 있다. 또한, 픽셀 A5의 개구율, 픽셀 B2(또는 픽셀 B4, 픽셀 B6 또는 픽셀 B8)의 개구율 및 픽셀 C1(또는 픽셀 C3, 픽셀 C7 또는 픽셀 C9)의 개구율은 상이할 수 있다. 도 1에 나타낸 실시예에서, 픽셀 A5의 개구율은 픽셀 B2(또는 픽셀 B4, 픽셀 B6 또는 픽셀 B8)의 개구율보다 작고, 픽셀 B2(또는 픽셀 B4, 픽셀 B6 또는 픽셀 B8)의 개구율은 픽셀 C1(또는 픽셀 C3, 픽셀 C7 또는 픽셀 C9)의 개구율보다 작다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)는 광전 변환 요소(13)를 갖는 반도체 기판(10)을 포함한다. 일부 실시예에서, 반도체 기판(10)은 웨이퍼 또는 칩일 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판(10)은 실리콘을 포함할 수 있다.
도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이, 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)는 반도체 기판(10)에 배치된 격리 구조체(11)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 격리 구조체(11)는 얕은 트렌치 격리(STI: shallow trench isolation) 또는 깊은 트렌치 격리(DTI: deep trench isolation)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 격리 구조체(11)는 트렌치를 형성하기 위해 에칭 프로세스를 사용하고 트렌치를 절연체 또는 유전체 재료로 충진하여 반도체 기판(10)에 형성될 수 있다.
도 2a 및 도 2b에 나타낸 실시예에서, 격리 구조체(11)는 동일한 깊이를 갖는 깊은 트렌치 격리(DTI)를 포함한다. 일부 다른 실시예에서, 격리 구조체(11)의 깊이는 가변적일 수 있다. 즉, 격리 구조체(11)의 깊이가 상이할 수 있다.
일부 실시예에서, 격리 구조체(11)는 광전 변환 요소(13)를 한정할 수 있다. 즉, 반도체 기판(10)의 광전 변환 요소(13)는 격리 구조체(11)에 의해 서로 격리될 수 있다. 일부 실시예에서, 광전 변환 요소(13)는 포토다이오드일 수 있다.
일부 실시예에서, 고유전율(하이-κ) 막 및/또는 버퍼층이 반도체 기판(10) 상에 형성되고 광전 변환 요소(13)를 덮을 수 있다. 예를 들어, 하이-κ 막의 재료는 하프늄 산화물(HfO2), 하프늄 탄탈륨 산화물(HfTaO), 하프늄 티타늄 산화물(HfTiO), 하프늄 지르코늄 산화물(HfZrO), 탄탈륨 오산화물(Ta2O5), 다른 적절한 하이-κ 유전체 재료 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 버퍼층의 재료는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 다른 적절한 절연 재료, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)는 광전 변환 요소(13) 위에 배치된 변조층(20)을 포함한다. 일부 실시예에서, 변조층(20)의 재료는 약 1.0 내지 약 2.0 범위의 굴절률을 갖는 유전체 재료를 포함할 수 있다.
본 개시의 실시예에서, 변조층(20)은 광전 변환 요소(13)에 의해 수신되는 광 강도를 조정하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 변조층(20)은 적색(R) 컬러 필터층, 녹색(G) 컬러 필터층 또는 청색(B) 컬러 필터층과 같은 컬러 필터층일 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 변조층(20)은 백색(W) 컬러 필터층, 시안(C) 컬러 필터층, 마젠타(M) 컬러 필터층, 노란색(Y) 컬러 필터층, 임의의 다른 적용 가능한 컬러 필터층, 또는 이들의 조합일 수 있다.
일부 실시예에서, 변조층(20)은 도 2a에 나타낸 변조 세그먼트(20S4), 변조 세그먼트(20S5) 및 변조 세그먼트(20S6), 또는 도 2b에 나타낸 변조 세그먼트(20S1), 변조 세그먼트(20S2) 및 변조 세그먼트(20S3)와 같은 복수의 변조 세그먼트를 갖는다(또는 복수의 변조 세그먼트로 분할될 수 있음). 본 실시예에서, 각각의 변조 세그먼트는 하나의 광전 변환 요소(13)에 대응한다. 일부 다른 실시예에서, 각각의 변조 세그먼트는 적어도 2개의 광전 변환 요소(13)에 대응할 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)는 변조층(20) 상에 배치된 광-조정 구조체(31)를 포함하고, 광-조정 구조체(31)는 픽셀 어레이 PA에 대응할 수 있다. 즉, 광-조정 구조체(31)는 9개의 픽셀(즉, 픽셀 C1, 픽셀 B2, 픽셀 C3, 픽셀 B4, 픽셀 A5, 픽셀 B6, 픽셀 C7, 픽셀 B8 및 픽셀 C9)에 대응할 수 있다.
일부 실시예에서, 광-조정 구조체(31)는 입사광을 집광하기 위해 사용되는 수렴 마이크로-렌즈(converging micro-lens)일 수 있다. 일부 실시예에서, 광-조정 구조체(31)의 재료는 유리, 에폭시 수지, 실리콘 수지, 폴리우레탄, 임의의 다른 적용 가능한 재료, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광-조정 구조체(31)는 도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이 볼록한 마이크로-렌즈(convex micro-lens)일 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 일부 실시예에서, 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)는 변조층(20)에 배치된 격자 구조체(40)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 격자 구조체(40)의 재료는 약 1 내지 약 1.99의(예를 들어, 1.4 이하) 범위의 굴절률(refractive index)을 갖는 투명 유전체 재료를 포함할 수 있거나, 격자 구조체(40)는 공기일 수 있고, 격자 구조체(40)의 굴절률은 변조층(20)의 굴절률보다 낮다.
일부 실시예에서, 격자 구조체(40)는 변조층(20)을 변조 세그먼트로 분할할 수 있다. 예를 들어, 격자 구조체(40)는 도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이, 변조층(20)을 변조 세그먼트(20S5)(픽셀 A5에 대응), 변조 세그먼트(20S2), 변조 세그먼트(20S4), 변조 세그먼트(20S6)(각각 픽셀 B2, 픽셀 B4, 픽셀 B6에 대응) 및 변조 세그먼트(20S1), 변조 세그먼트(20S3)(각각 픽셀 C1, 픽셀 C3에 대응)로 분할할 수 있다.
본 실시예에서, 광-조정 구조체(31)는 수렴 마이크로-렌즈이고, 광-조정 구조체(31)는 픽셀 어레이 PA(9개(3×3) 픽셀을 가짐)에 대응한다. (수렴) 광-조정 구조체(31)로 인해 입사광은 픽셀 어레이 PA의 주변보다 중심에서 더 강할 것이다. 픽셀 균일성을 위해, 각각의 픽셀의 개구율이 수정되어 픽셀 균일성을 향상시킬 수 있다.
도 1, 도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이, 격자 구조체(40)는 픽셀 A5의 개구율이 픽셀 B2(또는 픽셀 B4, 픽셀 B6 또는 픽셀 B8)의 개구율보다 작고, 픽셀 B2(또는 픽셀 B4, 픽셀 B6 또는 픽셀 B8)의 개구율이 픽셀 C1(또는 픽셀 C3, 픽셀 C7 또는 픽셀 C9)의 개구율보다 작도록 각각의 픽셀의 개구율을 결정할 수 있다. 예를 들어, 변조 세그먼트(20S5)와 변조 세그먼트(20S4)(또는 변조 세그먼트(20S6)) 사이의 격자 구조체(40)는 격자 폭 LW1을 가질 수 있고(즉, 도 2a에 나타낸 격자 구조체(40S1)), 변조 세그먼트(20S2)와 변조 세그먼트(20S1)(또는 변조 세그먼트(20S3)) 사이의 격자 구조체(40)는 격자 폭 LW2를 가질 수 있고(즉, 도 2b에 나타낸 격자 구조체(40S2)), 격자 폭 LW1은 격자 폭 LW2보다 크다. 또한, 변조층(20)을 둘러싸는 격자 구조체(40)는 격자 폭 LW3을 가질 수 있고(즉, 도 2a 및 도 2b에 나타낸 격자 구조체(40S3)), 격자 폭 LW2는 격자 폭 LW3보다 크다.
도 2a 및 도 2b에 나타낸 실시예에서, 격자 폭 LW1이 격자 폭 LW2보다 크고 격자 폭 LW2가 격자 폭 LW3보다 크기 때문에, 변조 세그먼트(20S5)의 바닥 면적 DS5는 변조 세그먼트(20S6)(또는 20S2)의 바닥 면적 DS6(또는 DS2))보다 작고, 변조 세그먼트(20S2)(또는 20S6)의 바닥 면적 DS2(또는 DS6)는 변조 세그먼트(20S3)의 바닥 면적 DS3보다 작다. 따라서, 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 상이한 픽셀 영역에서의 개구율은 도 1에 나타낸 바와 같이 서로 상이할 수 있다.
솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 상이한 픽셀 영역에서의 개구율이 상이할 수 있기 때문에, 광 할당을 최적화할 수 있으며(예를 들어, 입사광이 격리 구조체(11)에 집중되는 것을 방지하거나, 광전 변환 요소(13)에 의해 수용되는 불균일한 광 강도를 방지함), 이에 의해 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 광전 변환 요소(13)로부터의 이미지 신호의 품질을 향상시킨다.
도 2c는 본 개시의 다른 실시예에 따라 도 1의 A-A' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 부분 단면도이다. 도 2c를 참조하면, 일부 실시예에서, 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)는 변조층(20)에 배치된 금속 격자(50)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 금속 격자(50)의 재료는 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 금속 질화물(예를 들어, 티타늄 질화물(TiN)), 임의의 다른 적용 가능한 재료 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 도 2c에 나타낸 바와 같이, 금속 격자(50)의 일부(즉, 금속 격자(50S3))는 격자 구조체(40)의 바닥 상에 배치될 수 있고, 금속 격자(50)는 변조층(20)을 변조 세그먼트로 분할할 수 있다. 예를 들어, 금속 격자(50)는 변조층(20)을 변조 세그먼트(20S5)(픽셀 A5에 대응), 변조 세그먼트(20S2)(픽셀 B2에 대응)(도 2c에 미도시), 변조 세그먼트(20S4), 변조 세그먼트(20S6)(각각 픽셀 B4, 픽셀 B6에 대응) 및 변조 세그먼트(20S1), 변조 세그먼트(20S3)(각각 픽셀 C1, 픽셀 C3에 대응)(도 2c에 미도시)로 분할할 수 있다.
유사하게, 본 실시예에서, 도 1 및 도 2c에 나타낸 바와 같이, 금속 격자(50)는 각각의 픽셀의 개구율을 결정할 수 있으므로, 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 다른 픽셀 영역에서의 개구율은 도 1에 나타낸 바와 같이, 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 변조 세그먼트(20S5)와 변조 세그먼트(20S4)(또는 변조 세그먼트(20S6)) 사이의 금속 격자(50)는 금속 폭 MW1을 가질 수 있고(즉, 도 2c에 나타낸 금속 격자(50S1)), 변조층(20)을 둘러싸는 금속 격자(50)는 금속 폭 MW3을 가질 수 있고(즉, 도 2c에 나타낸 금속 격자(50S3)), 금속 폭 MW1은 금속 폭 MW3보다 크다.
또한, 일부 실시예에서, 변조 세그먼트(20S2)와 변조 세그먼트(20S1)(또는 변조 세그먼트(20S3))(도 2c에 미도시) 사이의 금속 격자(50)는 금속 폭 MW1보다 작고 금속 폭 MW3보다 큰 다른 금속 폭을 가질 수 있다.
도 2d는 도 1의 A-A' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 부분 단면도이다. 도 2d에 나타낸 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)는 도 2b에 나타낸 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)와 유사하다. 도 2b에 나타낸 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)와의 차이점 중 하나는 도 2d에 나타낸 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)는 격자 구조체(40)의 바닥 상에 배치된 금속 격자(50)를 추가로 포함할 수 있다는 것이다.
유사하게, 본 실시예에서, 도 1 및 도 2d에 나타낸 바와 같이, 격자 구조체(40)(바닥 상에 금속 격자(50)를 포함)는 각각의 픽셀의 개구율을 결정할 수 있으므로, 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 다른 픽셀 영역에서의 개구율은 도 1에 나타낸 바와 같이 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 격자 폭 LW1이 격자 폭 LW3보다 크므로, 변조 세그먼트(20S5)의 바닥 면적 DS5는 변조 세그먼트(20S6)(또는 20S2)의 바닥 면적 DS6(또는 DS2)보다 작다.
도 2e는 본 개시의 다른 실시예에 따라 도 1의 A-A' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 부분 단면도이다. 도 2e를 참조하면, 일부 실시예에서, 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 광전 변환 요소(13)는 격리 구조체(11)의 시프트(shift)로 인해 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 격리 구조체(11)의 위치는 다른 광전 변환 요소(13)를 형성하기 위해 조정될 수 있다.
도 2e에 나타낸 바와 같이, 광전 변환 요소(13-4)는 픽셀 B4에 대응할 수 있고, 광전 변환 요소(13-5)는 픽셀 A5에 대응할 수 있고, 광전 변환 요소(13-6)는 픽셀 B6에 대응할 수 있다. 본 실시예에서, 도 1 및 도 2e에 나타낸 바와 같이, 격리 구조체(11)(즉, 격리 구조체(11)의 시프트)는 각각의 픽셀의 개구율을 결정할 수 있으므로, 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 다른 픽셀 영역에서의 개구율은 도 1에 나타낸 바와 같이 서로 다를 수 있다.
예를 들어, 픽셀 A5에 대응하는 광전 변환 요소(13-5)의 최상부 면적 T5는 픽셀 B4에 대응하는 광전 변환 요소(13-4)의 최상부 면적 T4 또는 픽셀 B6에 대응하는 광전 변환 요소(13-6)의 최상부 면적 T6보다 작을 수 있다. 일부 실시예에서, 픽셀 B4에 대응하는 광전 변환 요소(13-4)의 최상부 면적 T4(또는 픽셀 B6에 대응하는 광전 변환 요소(13-6)의 최상부 면적 T6)는 픽셀 C1(또는 픽셀 C3, 픽셀 C7 또는 픽셀 C9)(도 2e에 미도시)에 대응하는 광전 변환 요소의 최상부 면적보다 작을 수 있다.
도 2f 내지 도 2h는 본 개시의 일부 다른 실시예에 따른 도 1의 A-A' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 부분 단면도이다. 도 2f 내지 도 2h에 나타낸 실시예에서, 변조 세그먼트(20S4)(픽셀 B4에 대응)의 바닥 표면 DS4, 변조 세그먼트(20S5)(픽셀 A5에 대응)의 바닥 표면 DS5 및 변조 세그먼트(20S6)(픽셀 B6에 대응)의 바닥 표면 DS6은 동일할 수 있고, 격리 구조체(11)(즉, 격리 구조체(11)의 시프트)는 각각의 픽셀의 개구율을 결정할 수 있으므로, 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 다른 픽셀 영역에서의 개구율이 도 1에 나타낸 바와 같이 서로 다를 수 있다.
도 2f에 나타낸 바와 같이, 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 격자 구조체(40)는 변조층(20)을 변조 세그먼트로 분할할 수 있다. 도 2g에 나타낸 바와 같이, 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 금속 격자(50)의 일부는 격자 구조체(40)의 바닥 상에 배치될 수 있고, 금속 격자(50)의 다른 부분은 변조층(20)을 변조 세그먼트로 분할할 수 있다. 도 2h에 나타낸 바와 같이, 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 금속 격자(50)는 격자 구조체(40)의 바닥 상에 배치될 수 있고, 격자 구조체(40) 및 금속 격자(50) 모두는 변조층(20)을 변조 세그먼트로 분할할 수 있다.
도 2i는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 1의 A-A' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 부분 단면도이다. 도 2i에 나타낸 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)는 도 2a 및 도 2e에 나타낸 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)와 유사하다. 즉, 변조 세그먼트(20S5)와 변조 세그먼트(20S4)(또는 변조 세그먼트(20S6)) 사이의 격자 구조체(40)는 격자 폭 LW1을 가질 수 있고(즉, 도 2i에 나타낸 격자 구조체(40S1)), 픽셀 어레이 PA(변조 세그먼트(20S4) 및 변조 세그먼트(20S6))를 둘러싸는 격자 구조체(40)는 격자 폭 LW3을 가질 수 있고(즉, 도 2i에 나타낸 격자 구조체(40S3)), 격자 폭 LW1은 격자 폭 LW3보다 커서, 변조 세그먼트(20S5)(광전 변환 요소(13-5)에 대응)의 바닥 면적 DS5는 변조 세그먼트(20S6)(또는 20S4)(광전 변환 요소(13-6)(또는 13-4)에 대응)의 바닥 면적 DS6(또는 DS4)보다 작다. 또한, 격리 구조체(11)는 시프트할 수 있어, 픽셀 A5에 대응하는 광전 변환 요소(13-5)의 최상부 면적 T5는 픽셀 B4에 대응하는 광전 변환 요소(13-4)의 최상부 면적 T4 또는 픽셀 B6에 대응하는 광전 변환 요소(13-6)의 최상부 면적 T6보다 작을 수 있다.
따라서, 격리 구조체(11) 및 격자 구조체(40)가 각각의 픽셀의 개구율을 결정할 수 있으므로, 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 다른 픽셀 영역에서의 개구율은 도 1에 나타낸 바와 같이 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 픽셀 A5의 개구율은 픽셀 B4 또는 픽셀 B6의 개구율보다 작고, 광전 변환 요소(13-4), 광전 변환 요소(13-5) 및 광전 변환 요소(13-6)에 의해 수신되는 광 강도는 더욱 균일할 수 있다.
도 2j는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 1의 A-A' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 부분 단면도이다. 도 2j에 나타낸 바와 같이, 격리 구조체(11)는 도 2i에 나타낸 격리 구조체(11)와 같이 시프트될 수 있고, 변조 세그먼트(20S5)와 변조 세그먼트(20S4)(또는 변조 세그먼트(20S6)) 사이의 금속 격자(50)는 금속 폭 MW1을 가질 수 있고(즉, 도 2j에 나타낸 금속 격자(50S1)), 픽셀 어레이 PA(변조 세그먼트(20S4) 및 변조 세그먼트(20S6))를 둘러싸는 금속 격자(50)는 금속 폭 MW3을 가질 수 있고(즉, 도 2j에 나타낸 금속 격자(50S3)), 금속 폭 MW1은 금속 폭 MW3보다 크다. 본 실시예에서, 격리 구조체(11)(즉, 격리 구조체(11)의 시프트) 및 금속 격자(50)는 각각의 픽셀의 개구율을 결정할 수 있으므로, 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 다른 픽셀 영역에서의 개구율이 도 1에 나타낸 바와 같이 서로 다를 수 있다.
도 2k는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 1의 A-A' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 부분 단면도이다. 도 2k에 나타낸 바와 같이, 격리 구조체(11)는 도 2i에 나타낸 격리 구조체(11)와 같이 시프트될 수 있고, 격자 폭 LW1은 격자 폭 LW3보다 크다. 본 실시예에서, 격리 구조체(11)(즉, 격리 구조체(11)의 시프트) 및 격자 구조체(40)(바닥 상에 배치된 금속 격자(50)를 포함)는 각각의 픽셀의 개구율을 결정할 수 있으므로, 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 다른 픽셀 영역에서의 개구율이 도 1에 나타낸 바와 같이 서로 다를 수 있다.
도 3은 본 개시의 일부 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(102)를 나타내는 부분 평면도이다. 도 4a는 본 개시의 일 실시예에 따라 도 3의 C-C' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(102)의 부분 단면도이다. 도 4b는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 3의 C-C' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(102)의 부분 단면도이다. 도 4c는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 3의 C-C' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(102)의 부분 단면도이다. 솔리드-스테이트 이미지 센서(102)의 일부 구성 요소는 간결성을 위해 도 3, 도 4a 및 도 4b에서 생략될 수 있음에 유의해야 한다.
유사하게, 도 3은 하나의 광-조정 구조체(33)에 대응하는 픽셀 C1, 픽셀 B2, 픽셀 C3, 픽셀 B4, 픽셀 A5, 픽셀 B6, 픽셀 C7, 픽셀 B8 및 픽셀 C9를 포함하는 단지 하나의 픽셀 어레이 PA를 나타낸다. 즉, 픽셀 어레이 PA는 하나의 광-조정 구조체(33)에 대응하는 3×3 픽셀 어레이일 수 있고, 픽셀 어레이 PA는 (도 4a 내지 도 4c에 나타낸) 3×3 광전 변환 요소(13)에 대응할 수 있다.
도 4a를 참조하면, 솔리드-스테이트 이미지 센서(102)는 광전 변환 요소(13)를 갖는 반도체 기판(10)을 포함한다. 일부 실시예에서, 솔리드-스테이트 이미지 센서(102)는 반도체 기판(10)에 배치된 격리 구조체(11)를 포함할 수 있고, 광전 변환 요소(13)는 격리 구조체(11)에 의해 서로 격리될 수 있다. 솔리드-스테이트 이미지 센서(102)는 또한 광전 변환 요소(13) 위에 배치된 변조층(20)을 포함한다.
도 4a를 참조하면, 솔리드-스테이트 이미지 센서(102)는 변조층(20) 상에 배치되는 광-조정 구조체(33)를 포함하고, 광-조정 구조체(33)는 픽셀 어레이 PA에 대응할 수 있다. 즉, 광-조정 구조체(33)는 9개의 픽셀(즉, 픽셀 C1, 픽셀 B2, 픽셀 C3, 픽셀 B4, 픽셀 A5, 픽셀 B6, 픽셀 C7, 픽셀 B8 및 픽셀 C9)에 대응할 수 있다. 본 실시예에서, 광-조정 구조체(33)는 도 4a에 나타낸 바와 같이, 발산 마이크로-렌즈(diverging micro-lens)일 수 있고, 광-조정 구조체(33)는 픽셀 어레이 PA(9개(3×3) 픽셀을 가짐)에 대응할 수 있다. 입사광은 (발산) 광-조정 구조체(33)로 인해 픽셀 어레이 PA(9개(3×3) 픽셀을 가짐)의 중심보다 주변에서 더 강할 것이다. 픽셀 균일성을 위해, 각각의 픽셀의 개구율이 수정되어 픽셀 균일성을 향상시킬 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 픽셀 B2, 픽셀 B4, 픽셀 B6, 픽셀 B8은 동일한 개구율을 가질 수 있고, 픽셀 C1, 픽셀 C3, 픽셀 C7, 픽셀 C9는 동일한 개구율을 가질 수 있다. 도 3에 나타낸 실시예에서, 픽셀 A5의 개구율은 픽셀 B2(또는 픽셀 B4, 픽셀 B6 또는 픽셀 B8)의 개구율보다 크고, 픽셀 C1(또는 픽셀 C3, 픽셀 C7 또는 픽셀 C9)의 개구율은 픽셀 A5의 개구율과 같다. 예를 들어, 도 4a에 나타낸 바와 같이, 격자 폭 LW1은 격자 폭 LW3보다 크므로, 변조 세그먼트(20S5)의 바닥 면적 DS5는 변조 세그먼트(20S6)의 바닥 면적 DS6보다 크다. 또한, 일부 실시예에서, 변조 세그먼트(20S1)(픽셀 C1에 대응)(도 4a에 미도시)의 바닥 면적은 변조 세그먼트(20S5)의 바닥 면적 DS5와 동일할 수 있다.
도 4a에 나타낸 실시예에서, 격자 구조체(40)(바닥 상에 배치된 금속 격자(50)를 포함)는 각각의 픽셀의 개구율을 결정할 수 있으므로, 픽셀의 개구율은 도 3에 나타낸 바와 같을 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 금속 격자(50) 또는 금속 격자(50)가 없는 격자 구조체(40)가 또한 각각의 픽셀의 개구율을 결정할 수 있으며, 이는 여기에서 반복되지 않을 것이다.
도 4b를 참조하면, 본 실시예에서, 격자 구조체(40)(금속 격자(50)를 갖거나 갖지 않음)는 일정한 폭을 가지므로, 변조 세그먼트(20S4)(픽셀 B4에 대응)의 바닥 표면 DS4, 변조 세그먼트(20S5)(픽셀 A5에 대응)의 바닥 표면 DS5 및 변조 세그먼트(20S6)(픽셀 B6에 대응)의 바닥 표면 DS6은 동일할 수 있다. 또한, 솔리드-스테이트 이미지 센서(102)의 광전 변환 요소(13)는 격리 구조체(11)의 시프트로 인해 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 격리 구조체(11)의 위치는 상이한 광전 변환 요소(13)를 형성하도록 조정될 수 있다.
도 4b에 나타낸 바와 같이, 격리 구조체(11)가 시프트될 수 있으므로, 픽셀 A5에 대응하는 광전 변환 요소(13-5)의 최상부 면적 T5가 픽셀 B4에 대응하는 광전 변환 요소(13-4)의 최상부 면적 T4, 또는 픽셀 B6에 대응하는 광전 변환 요소(13-6)의 최상부 면적 T6보다 클 수 있다. 따라서, 광전 변환 요소(13-4), 광전 변환 요소(13-5) 및 광전 변환 요소(13-6)에 의해 수신되는 광 강도가 더욱 균일할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 픽셀 C1(도 4b에 미도시)에 대응하는 광전 변환 요소의 최상부 면적은 픽셀 A5에 대응하는 광전 변환 요소(13-5)의 최상부 면적 T5와 동일할 수 있다.
도 4b에 나타낸 실시예에서, 격리 구조체(11)(즉, 격리 구조체(11)의 시프트)가 각각의 픽셀의 개구율을 결정할 수 있으므로, 픽셀의 개구율은 도 3에 나타낸 바와 같을 수 있다.
도 4c를 참조하면, 격자 구조체(40)(바닥 상에 배치된 금속 격자(50)를 갖거나 갖지 않음)는 격자 폭 LW1 및 격자 폭 LW3을 가질 수 있고, 격자 폭 LW1은 격자 폭 LW3보다 크므로, 픽셀 A5에 대응하는 변조 세그먼트(20S5)의 바닥 면적 DS5는 픽셀 B6에 대응하는 변조 세그먼트(20S6)의 바닥 면적 DS6보다 크고; 격리 구조체(11)가 시프트될 수 있으므로, 픽셀 A5에 대응하는 광전 변환 요소(13-5)의 최상부 면적 T5가 픽셀 B4에 대응하는 광전 변환 요소(13-4)의 최상부 면적 T4 또는 픽셀 B6에 대응하는 광전 변환 요소(13-6)의 최상부 면적 T6보다 클 수 있다.
도 4c에 나타낸 실시예에서, 격리 구조체(11)(격리 구조체(11)의 시프트) 및 격자 구조체(40)(금속 격자(50)를 갖거나 갖지 않음)가 각각의 픽셀의 개구율을 결정할 수 있으므로, 픽셀의 개구율은 도 3에 나타낸 바와 같을 수 있다.
도 5는 본 개시의 일부 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(104)를 나타내는 부분 평면도이다. 도 5에 나타낸 실시예에서, 광원이 픽셀 어레이 PA의 우측 상에 배치될 수 있으므로, 입사광이 픽셀 어레이 PA의 우측으로부터 나올 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 광원이 픽셀 어레이 PA의 좌측 상에 배치될 수 있으므로, 입사광이 픽셀 어레이 PA의 좌측으로부터 나올 수 있다. 도 6a는 본 개시의 일 실시예에 따른 도 5의 D-D' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(104)의 부분 단면도이다. 도 6b는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 5의 D-D' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(104)의 부분 단면도이다. 도 6c는 본 개시의 다른 실시예에 따른 도 5의 D-D' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(104)의 부분 단면도이다. 솔리드-스테이트 이미지 센서(104)의 일부 구성 요소는 간결성을 위해 도 5, 도 6a, 도 6b 및 도 6c에서 생략될 수 있음에 유의해야 한다.
도 5에 나타낸 실시예에서, 입사광은 (수렴) 광-조정 구조체(31)로 인해 픽셀 어레이 PA(9개(3×3) 픽셀을 가짐)의 다른 픽셀(예를 들어, 픽셀 A5 및/또는 픽셀 B6)보다 최좌측 픽셀(예를 들어, 픽셀 B4)에서 더 강할 것이다. 픽셀 균일성을 위해, 각각의 픽셀의 개구율이 수정되어 픽셀 균일성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 도 6a에 나타낸 바와 같이, 입사광은 우측으로부터 나오고, 변조 세그먼트(20S5)와 변조 세그먼트(20S6) 사이의 격자 구조체(40)는 격자 폭 LW2를 가질 수 있고/있거나(즉, 도 6a에 나타낸 격자 구조체(40S2)), 변조 세그먼트(20S5)와 변조 세그먼트(20S6) 사이의 금속 격자(50)는 금속 폭 MW2를 가질 수 있고(즉, 도 6a에 나타낸 금속 격자(50S2)), 변조 세그먼트(20S5)와 변조 세그먼트(20S4) 사이의 격자 구조체(40)는 격자 폭 LW2'를 가질 수 있고/있거나(즉, 도 6a에 나타낸 격자 구조체(40S2')) 변조 세그먼트(20S5)와 변조 세그먼트(20S4) 사이의 금속 격자(50)는 금속 폭 MW2' 가질 수 있으며(즉, 도 6a에 나타낸 금속 격자(50S2'))를, 격자 폭 LW2'는 격자 폭 LW2보다 크고/크거나 금속 폭 MW2'는 금속 폭 MW2보다 크므로, 픽셀 B4에 대응하는 변조 세그먼트(20S4)의 바닥 면적 DS4는 픽셀 A5에 대응하는 변조 세그먼트(20S5)의 바닥 면적 DS5보다 작고, 픽셀 A5에 대응하는 변조 세그먼트(20S5)의 바닥 면적 DS5는 픽셀 B6에 대응하는 변조 세그먼트(20S6)의 바닥 면적 DS6보다 작다.
즉, 격자 구조체(40) 및/또는 금속 격자(50)는 각각의 픽셀의 개구율을 결정할 수 있으므로, 픽셀 B6(즉, 픽셀 A5의 우측 상의 픽셀)의 개구율은 픽셀 A5의 개구율보다 크고, 픽셀 A5의 개구율은 도 5에 나타낸 바와 같이 픽셀 B4(즉, 픽셀 A5의 좌측 상의 픽셀)의 개구율보다 크다.
도 6b를 참조하면, 본 실시예에서, 변조 세그먼트(20S4)(픽셀 B4에 대응)의 바닥 표면 DS4, 변조 세그먼트(20S5)(픽셀 A5에 대응)의 바닥 표면 DS5 및 변조 세그먼트(20S6)(픽셀 B6에 대응)의 바닥 표면 DS6은 동일할 수 있고, 격리 구조체(11)는 각각의 픽셀의 개구율을 결정하기 위해 시프트될 수 있다.
도 6b에 나타낸 바와 같이, 픽셀 B4에 대응하는 광전 변환 요소(13-4)의 최상부 면적 T4는 픽셀 A5에 대응하는 광전 변환 요소(13-5)의 최상부 면적 T5보다 작을 수 있으며, 픽셀 A5에 대응하는 광전 변환 요소(13-5)의 최상부 면적 T5는 픽셀 B6에 대응하는 광전 변환 요소(13-6)의 최상부 면적 T6보다 작을 수 있으므로, 픽셀의 개구율은 도 5에 나타낸 바와 같을 수 있다.
도 6c를 참조하면, 본 실시예에서, 격자 구조체(40)(금속 격자(50)를 갖거나 갖지 않음)가 조정될 수 있으므로, 픽셀 B4에 대응하는 변조 세그먼트(20S4)의 바닥 면적 DS4가 픽셀 A5에 대응하는 변조 세그먼트(20S5)의 바닥 면적 DS5보다 작으며, 픽셀 A5에 대응하는 변조 세그먼트(20S5)의 바닥 면적 DS5는 픽셀 B6에 대응하는 변조 세그먼트(20S6)의 바닥 면적 DS6보다 작다. 또한, 격리 구조체(11)가 시프트될 수 있으므로, 픽셀 A4에 대응하는 광전 변환 요소(13-4)의 최상부 면적 T4가 픽셀 A5에 대응하는 광전 변환 요소(13-5)의 최상부 면적 T5보다 작고, 픽셀 A5에 대응하는 광전 변환 요소(13-5)의 최상부 면적 T5는 픽셀 B6에 대응하는 광전 변환 요소(13-6)의 최상부 면적 T6보다 작다.
본 실시예에서, 격리 구조체(11) 및 격자 구조체(40)(금속 격자(50)를 갖거나 갖지 않음)가 각각의 픽셀의 개구율을 결정할 수 있으므로, 픽셀의 개구율은 도 5에 나타낸 바와 같을 수 있다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지의 관심 영역(region of interest) ROI이다. 도 7을 참조하면, 관심 영역 ROI는 9개의 픽셀 어레이 PA로 형성될 수 있고, 각각의 픽셀 어레이 PA는 상술한 실시예에서 나타낸 바와 같이 9개(3×3) 픽셀(또는 그 이상)을 가질 수 있다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 픽셀 어레이 PA는 불규칙한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 광 스폿 LS의 위치에 따라 각각의 픽셀 어레이 PA의 형상이 수정될 수 있다.
픽셀 어레이 PA가 위상 검출 자동 포커스(PDAF: phase detection auto focus)에 사용되는 경우, 픽셀 비닝(binning)이 픽셀 어레이 PA에서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 낮은 광도 하에서, 3개의 인접한 픽셀이 비닝일 수 있다. PDAF 기능은 우측 픽셀의 신호 세기에 대해 좌측 픽셀의 신호 세기를 비교하거나, 바닥 픽셀의 신호 세기에 대해 최상부 픽셀의 신호 세기를 비교함으로써 수행될 수 있다. 최상부/바닥 조건에 있어서, 최상부는 픽셀 C1, 픽셀 B2 및 픽셀 C3에 대한 비닝을 사용할 수 있고, 바닥은 픽셀 C7, 픽셀 B8 및 픽셀 C9에 대한 비닝을 사용할 수 있다. 좌측/우측 조건에 있어서, 좌측은 픽셀 C1, 픽셀 B4 및 픽셀 C7에 대한 비닝을 사용할 수 있고, 우측은 픽셀 C3, 픽셀 B6 및 픽셀 C9에 대한 비닝을 사용할 수 있다. 일부 실시예에서, 중간 광도 하에서, PDAF 기능은 픽셀 B8의 신호 세기에 대해 픽셀 B2의 신호 세기를 비교하거나(최상부/바닥), 픽셀 B6의 신호 세기에 대해 픽셀 B4의 신호 세기를 비교함으로써(좌측/우측) 수행될 수 있다.
도 8은 본 개시의 일부 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(108)를 나타내는 부분 평면도이다. 도 9는 도 8의 E-E' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(108)의 부분 단면도이다. 솔리드-스테이트 이미지 센서(108)의 일부 구성 요소는 간결성을 위해 도 8 및 도 9에서 생략될 수 있음에 유의해야 한다.
일부 실시예에서, 픽셀 어레이 PA는 PDAF 기능에 대한 포커싱 시간을 감소시키기 위해 반-차폐되도록 설계될 수 있다. 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 변조 세그먼트(20S5)(픽셀 A5에 대응)와 변조 세그먼트(20S6)(픽셀 B6에 대응) 또는 변조 세그먼트(20S4)(픽셀 B4에 대응) 사이의 격자 구조체(40)(바닥 상에 배치된 금속 격자(50)를 포함)(예를 들어, 격자 구조체(40S1 및 40S1'))는 수정될 수 있으므로, 변조 세그먼트(20S5)의 바닥 면적 DS5가 변조 세그먼트(20S6)(또는 20S4)의 바닥 면적 DS6(또는 DS4)보다 작다. 예를 들어, 변조 세그먼트(20S6)(또는 20S4)의 바닥 면적 DS6(또는 DS4)에 대한 변조 세그먼트(20S5)의 바닥 면적 DS5의 비율은 0.5보다 작을 수 있다. 본 실시예에서, 변조 세그먼트(20S5)는 녹색 재료로 충진될 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 변조 세그먼트(20S5)는 낮은 광 환경에서의 감도 향상을 위해 노란색 또는 투명 재료로 충진될 수 있다.
도 10은 본 개시의 일부 다른 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(110)를 나타내는 부분 단면도이다. 솔리드-스테이트 이미지 센서(110)의 일부 구성 요소는 간결성을 위해 도 10에서 생략될 수 있음에 유의해야 한다.
상술한 실시예에서, 광-조정 구조체는 구형(spherical) 마이크로-렌즈(예를 들어, 도 2a 내지 도 2k, 도 6a 내지 도 6c, 도 9에 나타낸 광-조정 구조체(31)) 또는 오목형 마이크로-렌즈(예를 들어, 도 4a 내지 도 4c에 나타낸 광-조정 구조체(33))일 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 광-조정 구조체는 비대칭 구형 마이크로-렌즈이거나 마이크로-렌즈가 아닐 수 있다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 솔리드-스테이트 이미지 센서(110)의 광-조정 구조체(35)는 다층 구조체일 수 있다. 일부 실시예에서, 광-조정 구조체(35)는 변조층(20) 상에 배치된 서브-층(35-3), 서브-층(35-3) 상에 배치된 서브-층(35-2) 및 서브-층(35-2) 상에 배치된 서브-층(35-1)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 서브-층(35-3)의 굴절률은 서브-층(35-2)의 굴절률보다 클 수 있고, 서브-층(35-2)의 굴절률은 서브-층(35-1)의 굴절률보다 클 수 있다. 광-조정 구조체(35)의 서브-층의 수는 실제 필요에 따라 조정될 수 있다.
도 11은 본 개시의 일부 다른 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(112)를 나타내는 부분 단면도이다. 솔리드-스테이트 이미지 센서(112)의 일부 구성 요소는 간결성을 위해 도 11에서 생략될 수 있음에 유의해야 한다.
도 11을 참조하면, 솔리드-스테이트 이미지 센서(112)는 저굴절률 하이브리드 스킴을 가질 수 있다. 즉, 솔리드-스테이트 이미지 센서(112)는 광을 필터링하기 위해 변조층(20) 상에 배치된 컬러 필터층(70)을 포함할 수 있으며, 격자 구조체(40)의 굴절률은 광을 분리하기 위해 변조층(20)의 굴절률보다 낮을 수 있다. 따라서, 적층된 변조층(20) 및 컬러 필터층(70)은 변조 세그먼트(20S5)(및 변조 세그먼트(20S4) 및 변조 세그먼트(20S6))의 채널 분리를 향상시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 솔리드-스테이트 이미지 센서(112)는 격자 구조체(40)에 배치된 에어 갭(40G)을 추가로 포함할 수 있다. 특히, 에어 갭(40G)은 제1 픽셀 영역과 제2 픽셀 영역(예를 들어, 도 11에 나타낸 격자 구조체(40S1)) 사이의 공간 및 제2 픽셀 영역과 제3 픽셀 영역 사이의 공간에 대응하는 격자 구조체(40)에 배치될 수 있다.
일부 실시예에서, 변조층(20)의 두께 HA 및 컬러 필터층(70)의 두께 HB는 상이할 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터층(70)의 두께 HB에 대한 변조층(20)의 두께 HA의 비율은 약 0.25 내지 약 1일 수 있다.
본 개시의 실시예에서, 픽셀 어레이 PA는 N×N 광전 변환 요소를 포함할 수 있으며, N은 3 이상의 양의 정수이다(예를 들어, N = 2n + 1 및 n은 양의 정수). 도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(114)를 나타내는 부분 평면도이다. 도 13은 도 12의 F-F' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(114)의 부분 단면도이다. 솔리드-스테이트 이미지 센서(114)의 일부 구성 요소는 간결성을 위해 도 12 및 도 13에서 생략될 수 있음에 유의해야 한다.
도 12에 나타낸 실시예에서, 픽셀 어레이 PA'는 5×5 광전 변환 요소(13)에 대응하는 5×5 픽셀 어레이이다. 또한, 각각의 픽셀의 개구율은 도 12에 나타내지 않는다. 예를 들어, 광-조정 구조체(31)는 입사광을 집광하기 위해 사용되는 수렴 마이크로-렌즈일 수 있으며, 각각의 픽셀의 개구율은 광-조정 구조체(31)의 방사 방향을 따라 변할 수 있다. 특히, 각각의 픽셀의 개구율은 광-조정 구조체(31)의 방사 방향을 따라 점점 더 커질 수 있다. 도 12에 나타낸 실시예에서, 픽셀 B8, 픽셀 B12, 픽셀 B14, 픽셀 B18은 동일한 개구율을 가질 수 있고, 픽셀 C3, 픽셀 C7, 픽셀 C9, 픽셀 C11, 픽셀 C15, 픽셀 C17, 픽셀 C19, 픽셀 C23은 동일한 개구율을 가질 수 있으며, 픽셀 D2, 픽셀 D4, 픽셀 D6, 픽셀 D10, 픽셀 D16, 픽셀 D20, 픽셀 D22, 픽셀 D24는 동일한 개구율을 가질 수 있고, 픽셀 E1, 픽셀 E5, 픽셀 E21, 픽셀 E25는 동일한 개구율을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 도 13에 나타낸 바와 같이, 변조 세그먼트(20S13)와 변조 세그먼트(20S12)(또는 변조 세그먼트(20S14)) 사이의 격자 구조체(40)는 격자 폭 LW2(즉, 도 13에 나타낸 격자 구조체(40S2))를 가질 수 있으며, 변조 세그먼트(20S12)와 변조 세그먼트(20S11) 사이의(또는 변조 세그먼트(20S14)와 변조 세그먼트(20S15) 사이의) 격자 구조체(40)는 격자 폭 LW3(즉, 도 13에 나타낸 격자 구조(40S3))을 가질 수 있고, 변조층(20)을 둘러싸는 격자 구조체(40)는 격자 폭 LW4(즉, 도 13에 나타낸 격자 구조체(40S4))를 가질 수 있다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 격자 폭 LW2는 격자 폭 LW3보다 크고, 격자 폭 LW3은 격자 폭 LW4보다 크다.
따라서, 도 12 및 도 13에 나타낸 실시예에서, 픽셀 A13에 대응하는 변조 세그먼트(20S13)의 바닥 면적 DS13은 픽셀 B14에 대응하는 변조 세그먼트(20S14)의 바닥 면적 DS14보다 작으며, 픽셀 B14에 대응하는 변조 세그먼트(20S14)의 바닥 면적 DS14는 픽셀 C15에 대응하는 변조 세그먼트(20S15)의 바닥 면적 DS15보다 작다.
본 실시예에서, 도 12 및 도 13에 나타낸 바와 같이, 격자 구조체(40)(및/또는 금속 격자(50))는 각각의 픽셀의 개구율을 결정할 수 있으므로, 픽셀 A13의 개구율은 픽셀 B8(또는 픽셀 B12, 픽셀 B14, 또는 픽셀 B18)의 개구율보다 작고, 픽셀 B8(또는 픽셀 B12, 픽셀 B14 또는 픽셀 B18)의 개구율은 픽셀 C3(또는 픽셀 C7, 픽셀 C9, 픽셀 C11, 픽셀 C15, 픽셀 C17, 픽셀 C19, 또는 픽셀 C23)의 개구율보다 작고, 픽셀 C3(또는 픽셀 C7, 픽셀 C9, 픽셀 C11, 픽셀 C15, 픽셀 C17, 픽셀 C19 또는 픽셀 C23)의 개구율은 픽셀 D2(또는 픽셀 D4, 픽셀 D6, 픽셀 D10, 픽셀 D16, 픽셀 D20, 픽셀 D22 또는 픽셀 D24)의 개구율보다 작고, 픽셀 D2(또는 픽셀 D4, 픽셀 D6, 픽셀 D10, 픽셀 D16, 픽셀 D20, 픽셀 D22 또는 픽셀 D24)의 개구율은 픽셀 E1(또는 픽셀 E5, 픽셀 E21 또는 픽셀 E25)보다 작다.
또한, 일부 실시예에서, 변조층(20)을 둘러싸는 격자 구조체(40)는 외부 높이 HO(즉, 도 13에 나타낸 격자 구조체(40S4))를 가질 수 있고, 변조 세그먼트(20S11, 20S12, 12S13, 23S14, 20S15 등 사이의 격자 구조체(40)(즉, 도 13에 나타낸 격자 구조체(40S2), 격자 구조체(40S3))는 내부 높이 HI를 가질 수 있고, 내부 높이 HI는 도 13에 나타낸 바와 같이 외부 높이 HO보다 낮다.
본 개시의 일부 다른 실시예에서, 픽셀 어레이 PA는 N×N 광전 변환 요소를 포함할 수 있으며, 여기서 N = 2n이고 n은 양의 정수이다. 도 14는 본 개시의 다른 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(116)를 나타내는 부분 평면도이다. 도 15는 도 14의 G-G' 라인을 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(116)의 부분 단면도이다. 솔리드-스테이트 이미지 센서(116)의 일부 구성 요소는 간결성을 위해 도 14 및 도 15에서 생략될 수 있음에 유의해야 한다.
도 14에 나타낸 실시예에서, 픽셀 어레이 PA"는 4×4 광전 변환 요소(13)에 대응하는 4×4 픽셀 어레이이다. 또한, 각각의 픽셀의 개구율은 도 14에 나타내지 않는다. 예를 들어, 광-조정 구조체(31)는 입사광을 집광하기 위해 사용되는 수렴 마이크로-렌즈일 수 있으며, 각각의 픽셀의 개구율은 광-조정 구조체(31)의 방사 방향을 따라 수정될 수 있다. 특히, 각각의 픽셀의 개구율은 광 조정 구조체(31)의 방사 방향을 따라 점점 더 커질 수 있다. 도 14에 나타낸 실시예에서, 픽셀 B2, 픽셀 B3, 픽셀 B5, 픽셀 B8, 픽셀 B9, 픽셀 B12, 픽셀 B14, 픽셀 B15는 동일한 개구율을 가질 수 있고, 픽셀 C1, 픽셀 C4, 픽셀 C13, 픽셀 C16은 동일한 개구율을 가질 수 있다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 일부 실시예에서, 변조 세그먼트(20S6)는 픽셀 A6, 픽셀 A7, 픽셀 A10 및 픽셀 A11에 대응할 수 있다. 즉, 제1 픽셀 영역은 4개(2×2) 광전 변환 요소(13)에 대응할 수 있다. 또한, 4개의 광전 변환 요소(13)는 P-N 접합 AJ를 형성할 수 있다.
도 14 및 도 15에 나타낸 실시예에서, 격자 폭 LW1은 격자 폭 LW3보다 크다. 본 실시예에서, 도 14 및 도 15에 나타낸 바와 같이, 격자 구조체(40)(및/또는 금속 격자(50))는 각각의 픽셀의 개구율을 결정할 수 있으므로, 픽셀 A6(또는 픽셀 A7, 픽셀 A10 또는 픽셀 A11)의 개구율은 픽셀 B5(또는 픽셀 B2, 픽셀 B3, 픽셀 B8, 픽셀 B9, 픽셀 B12, 픽셀 B14 또는 픽셀 B15)의 개구율보다 작고, 픽셀 B5(또는 픽셀 B2, 픽셀 B3, 픽셀 B8, 픽셀 B9, 픽셀 B12, 픽셀 B14 또는 픽셀 B15)의 개구율은 픽셀 C1(또는 픽셀 C4, 픽셀 C13 또는 픽셀 C16)의 개구율보다 작다.
도 16은 본 개시의 일부 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 픽셀 어레이를 나타내는 부분 평면도이다. 도 17은 본 개시의 일부 다른 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 픽셀 어레이를 나타내는 부분 평면도이다. 도 18은 본 개시의 일부 다른 실시예에 따른 솔리드-스테이트 이미지 센서(100)의 픽셀 어레이를 나타내는 부분 평면도이다.
일부 실시예에서, 도 1에 나타낸 픽셀 어레이 PA는 도 16, 도 17 또는 도 18에 나타낸 픽셀 어레이 중 하나일 수 있음에 유의해야 한다. 일부 다른 실시예에서, 도 3에 나타낸 픽셀 어레이 PA, 도 5에 나타낸 픽셀 어레이 PA, 도 7에 나타낸 픽셀 어레이 PA, 도 8에 나타낸 픽셀 어레이 PA, 도 12에 나타낸 픽셀 어레이 PA', 또는 도 14에 나타낸 픽셀 어레이 PA"는 또한 도 16, 도 17 또는 도 18에 나타낸 픽셀 어레이 중 하나일 수 있다.
도 16, 도 17 및 도 18을 참조하면, 픽셀 어레이는 모자이크 패턴을 형성할 수 있다. 도 16에 나타낸 바와 같이, 모자이크 패턴은 적색 픽셀 어레이 PA(R), 녹색 픽셀 어레이 PA(G) 및 청색 픽셀 어레이 PA(B)를 포함할 수 있으며, 이는 RGB 배열로 지칭될 수 있다. 도 17에 나타낸 바와 같이, 모자이크 패턴은 시안 픽셀 어레이 PA(C), 마젠타 픽셀 어레이 PA(M) 및 노란색 픽셀 어레이 PA(Y)를 포함할 수 있으며, 이는 CMY 배열로 지칭될 수 있다. 도 18에 나타낸 바와 같이, 모자이크 패턴은 적색 픽셀 어레이 PA(R), 노란색 픽셀 어레이 PA(Y) 및 청색 픽셀 어레이 PA(B)를 포함할 수 있으며, 이는 RYYB 배열로 지칭될 수 있다. 그러나, 본 개시는 위에서 언급된 배열 및 컬러에 한정되지 않는다.
요약하면, 본 개시의 실시예에 따르면, 솔리드-스테이트 이미지 센서는 픽셀 어레이를 포함하고, 각각의 픽셀 어레이의 픽셀은 다른 개구율을 가질 수 있다. 이는 광 할당을 최적화할 수 있으며(예를 들어, 입사광이 격리 구조체로 집중되는 것을 방지하거나, 광전 변환 요소에 의해 수신되는 불균일한 광 강도를 방지), 이에 의해 솔리드-스테이트 이미지 센서의 광전 변환 요소로부터의 이미지 신호의 품질을 향상시킬 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 위한 다른 프로세스 및 구조를 설계 또는 수정하기 위한 기초로서 본 개시를 쉽게 사용할 수 있음을 이해해야 한다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 또한 이러한 균등한 구성이 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않으며, 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본원에서 다양한 변화, 대체 및 변경을 이룰 수 있음을 인식해야 한다. 따라서, 보호 범위는 청구항을 통해 결정되어야 한다. 또한, 본 개시의 일부 실시예가 위에 개시되었지만, 이는 본 개시의 범위를 한정하려고 의도된 것이 아니다.

Claims (16)

  1. 솔리드-스테이트 이미지 센서로서,
    N×N 픽셀 어레이를 형성하는 복수의 광전 변환 요소들을 갖고, N은 3 이상의 양의 정수인, 반도체 기판;
    상기 광전 변환 요소들 위에 배치된 변조층;
    상기 변조층 상에 배치되고, 상기 N×N 픽셀 어레이 별로 하나씩 대응되는 광-조정 구조체; 및
    상기 변조층에 배치되는 격자 구조체;를 포함하고,
    상기 N×N 픽셀 어레이는,
    적어도 하나의 제1 픽셀을 갖는 제1 픽셀 영역; 및
    제1 방향 및 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 상기 제1 픽셀 영역에 인접하고 제2 픽셀들을 갖는 제2 픽셀 영역;을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 제1 픽셀의 개구율 및 상기 제2 픽셀들 중 하나의 개구율(aperture ratio)은 상기 격자 구조체에 의해 상이하게 결정되는, 솔리드-스테이트 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광-조정 구조체는 수렴 마이크로-렌즈(converging micro-lens)이고,
    상기 격자 구조체는,
    상기 변조층을 상기 적어도 하나의 제1 픽셀에 대응하는 제1 변조 세그먼트 및 상기 제2 픽셀들에 대응하는 제2 변조 세그먼트들로 분할하고,
    상기 격자 구조체의 재료는 1 내지 1.99 범위의 굴절률을 갖는 투명 유전체 재료를 포함하거나, 상기 격자 구조체는 공기인, 솔리드-스테이트 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 변조 세그먼트의 바닥 면적은 상기 제2 변조 세그먼트들 중 하나의 바닥 면적보다 작고, 상기 제2 변조 세그먼트들 중 하나의 바닥 면적에 대한 상기 제1 변조 세그먼트의 바닥 면적의 비율은 0.5 미만이고, 상기 제1 변조 세그먼트는 녹색, 노란색 또는 투명한 재료로 충진되는, 솔리드-스테이트 이미지 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    입사광이 상기 제1 변조 세그먼트의 제1 측면으로부터 나올 때, 상기 제1 변조 세그먼트의 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면 상의 상기 제2 변조 세그먼트들 중 하나의 개구율은 상기 제1 변조 세그먼트의 상기 제1 측면 상의 상기 제2 변조 세그먼트들 중 다른 것의 개구율보다 작은, 솔리드-스테이트 이미지 센서.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 N×N 픽셀 어레이는, 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향으로 상기 제2 픽셀 영역에 인접하고 제3 픽셀들을 갖는 제3 픽셀 영역을 더 포함하고,
    상기 제3 픽셀들 중 하나의 개구율은 상기 적어도 하나의 제1 픽셀의 상기 개구율 및 상기 제2 픽셀들 중 하나의 상기 개구율과 상이하고,
    상기 제1 변조 세그먼트와 상기 제2 변조 세그먼트들 중 하나 사이의 상기 격자 구조체는 제1 격자 폭을 갖고,
    상기 제2 변조 세그먼트들 중 하나와 제3 변조 세그먼트들 중 하나 사이의 격자 구조체는 제2 격자 폭을 갖고,
    상기 제1 격자 폭은 상기 제2 격자 폭보다 큰, 솔리드-스테이트 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광-조정 구조체는 수렴 마이크로-렌즈이고,
    상기 솔리드-스테이트 이미지 센서는,
    상기 변조층을 상기 적어도 하나의 제1 픽셀에 대응하는 제1 변조 세그먼트 및 상기 제2 픽셀들에 대응하는 제2 변조 세그먼트들로 분할하기 위해 상기 변조층에 배치된 금속 격자를 더 포함하고,
    상기 제1 변조 세그먼트와 상기 제2 변조 세그먼트들 중 하나 사이의 상기 금속 격자는 제1 금속 폭을 갖고, 상기 변조층을 둘러싸는 상기 금속 격자는 제2 금속 폭을 갖고, 상기 제1 금속 폭은 상기 제2 금속 폭보다 큰, 솔리드-스테이트 이미지 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광-조정 구조체는 수렴 마이크로-렌즈 또는 발산 마이크로-렌즈(diverging micro-lens)이고,
    상기 광-조정 구조체가 상기 수렴 마이크로-렌즈인 경우, 상기 적어도 하나의 제1 픽셀에 대응하는 상기 광전 변환 요소들 중 하나의 최상부 면적은 상기 제2 픽셀들 중 하나에 대응하는 상기 광전 변환 요소들 중 다른 것의 최상부 면적보다 작고,
    상기 광-조정 구조체가 발산 마이크로-렌즈인 경우, 상기 적어도 하나의 제1 픽셀에 대응하는 상기 광전 변환 요소들 중 하나의 상기 최상부 면적은 상기 제2 픽셀들 중 하나에 대응하는 상기 광전 변환 요소들 중 다른 것의 상기 최상부 면적보다 큰, 솔리드-스테이트 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광-조정 구조체는 발산 마이크로-렌즈이고,
    상기 솔리드-스테이트 이미지 센서는,
    상기 변조층을 상기 적어도 하나의 제1 픽셀에 대응하는 제1 변조 세그먼트 및 상기 제2 픽셀들에 대응하는 제2 변조 세그먼트들로 분할하기 위해 상기 변조층에 배치된 격자 구조체를 더 포함하고,
    상기 격자 구조체의 재료는 1 내지 1.99 범위의 굴절률을 갖는 투명 유전체 재료를 포함하거나, 상기 격자 구조체는 공기인, 솔리드-스테이트 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 변조 세그먼트의 바닥 면적은 상기 제2 변조 세그먼트들 중 하나의 바닥 면적보다 크고,
    상기 솔리드-스테이트 이미지 센서는, 상기 격자 구조체의 바닥에 배치된 금속 격자를 더 포함하는, 솔리드-스테이트 이미지 센서.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 N×N 픽셀 어레이는, 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향으로 상기 제2 픽셀 영역에 인접하고 제3 픽셀들을 갖는 제3 픽셀 영역을 더 포함하고,
    상기 제3 픽셀들 중 하나의 개구율은 상기 적어도 하나의 제1 픽셀의 상기 개구율 및 상기 제2 픽셀들 중 하나의 상기 개구율과 상이하고,
    상기 적어도 하나의 제1 변조 세그먼트와 상기 제2 변조 세그먼트들 중 하나 사이의 상기 격자 구조체는 제1 격자 폭을 갖고,
    상기 변조층을 둘러싸는 상기 격자 구조체는 제2 격자 폭을 갖고,
    상기 제1 격자 폭은 상기 제2 격자 폭보다 큰, 솔리드-스테이트 이미지 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광-조정 구조체는 발산 마이크로-렌즈이고,
    상기 솔리드-스테이트 이미지 센서는,
    상기 변조층을 상기 적어도 하나의 제1 픽셀에 대응하는 제1 변조 세그먼트 및 상기 제2 픽셀들에 대응하는 제2 변조 세그먼트들로 분할하기 위해 상기 변조층에 배치된 금속 격자를 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 제1 변조 세그먼트와 상기 제2 변조 세그먼트들 중 하나 사이의 상기 금속 격자는 제1 금속 폭을 갖고, 상기 변조층을 둘러싸는 상기 금속 격자는 제2 금속 폭을 갖고, 상기 제1 금속 폭은 상기 제2 금속 폭보다 큰, 솔리드-스테이트 이미지 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 변조층 상에 배치된 컬러 필터층; 및
    상기 제1 픽셀 영역과 상기 제2 픽셀 영역 사이의 공간에 대응하는 상기 격자 구조체에 배치된 에어 갭;을 더 포함하고,
    상기 격자 구조체의 굴절률은 상기 변조층의 굴절률보다 낮은, 솔리드-스테이트 이미지 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 변조층 상에 배치된 컬러 필터층;을 더 포함하고,
    상기 격자 구조체의 굴절률은 상기 변조층의 굴절률보다 낮고, 상기 컬러 필터층의 두께에 대한 상기 변조층의 두께의 비율은 0.25 내지 1인, 솔리드-스테이트 이미지 센서.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 N×N 픽셀 어레이의 개구율들은 상기 광-조정 구조체의 방사 방향을 따라 변하는, 솔리드-스테이트 이미지 센서.
  15. 제1항에 있어서,
    N = 2n이고 n은 양의 정수인 경우, 상기 제1 픽셀 영역은 4개의 광전 변환 요소들에 대응하고, 상기 4개의 광전 변환 요소들은 P-N 접합을 형성하는, 솔리드-스테이트 이미지 센서.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 어레이들은 모자이크 패턴을 형성하고, 상기 모자이크 패턴은 RGB 배열, CMY 배열 또는 RYYB 배열을 포함하는, 솔리드-스테이트 이미지 센서.
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