KR20160106337A - 컬러 필터를 포함하는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
컬러 필터를 구비하는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서의 제조 방법이 개시된다. 개시된 이미지 센서는, 입사광 중에서 특정 파장 대역의 빛을 투과시켜 광센싱층에 제공하는 다수의 컬러 필터 및 다수의 컬러 필터들 사이에 마련된 격리층을 포함할 수 있다. 컬러 필터의 상부는 실린더 형태로 형성되며, 하부는 반구 형태로 형성될 수 있다. 격리층은 컬러 필터들의 굴절률보다 낮은 굴절률을 지니며, 컬러 필터의 측면으로 빠져나가는 빛을 전반사할 수 있으며, 반구 형태로 형성된 컬러 필터의 하부는 빛을 굴절시켜 광센싱층의 중심부 방향으로 향하게 할 수 있다.
Description
개시된 실시예는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 이미지 센서의 주변부에서 크로스토크 및 광 손실을 방지할 수 있는 컬러 필터를 구비하는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서는 통상적으로 컬러 필터를 이용하여 다양한 색의 영상을 표시하거나 또는 입사광의 색을 감지하고 있다. 예를 들어, 현재 사용되는 컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서는 적색광만 투과시키는 적색 컬러 필터, 녹색광만 투과시키는 녹색 컬러 필터, 및 청색광만 투과시키는 청색 컬러 필터들의 어레이를 포함할 수 있다. 따라서, 적색 컬러 필터가 배치된 적색 화소는 적색광만을 표시하거나 감지할 수 있으며, 녹색 컬러 필터가 배치된 녹색 화소는 녹색광만을 표시하거나 감지할 수 있고, 청색 컬러 필터가 배치된 청색 화소는 청색광만을 표시하거나 감지할 수 있다. 이러한 구조에서, 적색, 녹색, 및 청색 화소에서의 광량을 각각 조절하여 특정한 색을 표현하거나, 적색, 녹색, 및 청색 화소에서의 광량을 감지하여 입사광의 색을 판별할 수 있다. 또한, RGB 컬러 필터 방식 외에도, 보색 관계에 있는 사이안, 옐로우, 그린, 마젠타의 컬러 필터가 4개의 화소에 각각 배치되는 CYGM 컬러 필터 방식이 채택되기도 한다.
한편, 통상적으로 촬상 장치는 하나의 대물렌즈와 컬러 이미지 센서를 포함할 수 있다. 대물렌즈는 외부로부터 입사하는 빛을 컬러 이미지 센서에 포커싱하는 역할을 하며, 컬러 이미지 센서는 대물렌즈에 의해 포커싱되는 빛을 감지하여 영상을 형성할 수 있다. 그런데, 대물렌즈의 광축 부근에 위치하는 컬러 이미지 센서의 중심부 화소들에는 빛이 거의 수직하게 입사하지만, 대물렌즈의 광축에서 멀어지는 컬러 이미지 센서의 가장자리 화소들에는 빛이 경사지게 입사하게 된다. 현재, 컬러 이미지 센서의 화소 위치에 따른 입사각 변화를 고려하여 정확한 영상을 형성하기 위한 다양한 기술들이 제안되고 있다.
이미지 센서의 주변부에서 크로스토크 및 광 손실을 방지할 수 있는 구조를 지닌 컬러 필터를 구비하는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서의 제조 방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 이미지 센서는 입사광을 감지하여 전기적 신호를 발생시키는 광센싱층; 상기 광센싱층 위에 2차원 배열된 것으로, 입사광 중에서 특정 파장 대역의 빛을 투과시켜 상기 광센싱층에 제공하는 다수의 컬러 필터들을 구비하는 컬러 필터층; 및 상기 다수의 컬러 필터들 사이에 마련된 것으로, 상기 다수의 컬러 필터들의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 격리층;을 포함하며, 상기 컬러 필터의 상부는 실린더 형태로 형성되며, 하부는 반구 형태로 형성된다.
상기 광센싱층은 다수의 광센싱 셀; 및 상기 다수의 광센싱 셀 사이에 마련된 고립층을 포함할 수 있다.
상기 다수의 컬러필터들은 제 1파장 대역의 빛을 투과시키는 제 1 컬러 필터; 제 2 파장 대역의 빛을 투과시키는 제 2 컬러 필터; 및 제 3 파장 대역의 빛을 투과시키는 제 3 컬러 필터를 포함할 수 있다.
상기 제 1 컬러 필터와 대향하도록 배치된 색분리 요소를 더 포함할 수 있다.
상기 색분리 요소는 입사광 중에서 제 1 파장 대역의 빛을 상기 제 1 컬러 필터를 향해 진행시키고, 제 2 파장 대역의 빛을 상기 제 2 컬러 필터를 향해 진행시키며, 제 3 파장 대역의 빛을 상기 제 3 컬러 필터를 향해 진행시키도록 구성된 포함할 수 있다.
상기 컬러 필터층 위에 배치된 투명 유전체층을 더 포함하며, 상기 색분리 요소는 상기 투명 유전체층 내에 매립되어 고정되어 있을 수 있다.
상기 색분리 요소는 입사광 중에서 제 1 파장 대역의 빛을 상기 제 1 컬러 필터를 향해 진행시키며, 제 2 파장 대역 및 제 3 파장 대역이 혼합된 빛을 상기 제 2 및 제 3 컬러 필터를 향해 진행시키도록 구성된 색분리 요소를 더 포함할 수 있다.
상기 격리층은 PMMA(polymethylmetacrylate), 실리콘 아크릴레이트(Silicon acrylate), CAB(cellulose acetate butyrate), 실리콘 산화물(SiO2) 및 FSA(fluoro-silicon acrylate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법은, 입사광을 감지하여 전기적 신호를 발생시키는 광센싱층을 마련하는 단계; 상기 광센싱층 위에 격리층을 코팅하는 단계; 상기 격리층을 제 1 구간에서는 실린더 형태로 식각한 후, 제 2 구간에서는 반구 형태로 식각하는 단계; 및 상기 식각된 격리층을 입사광 중에서 특정 파장 대역의 빛을 투과시켜 상기 광센싱층에 제공하는 다수의 컬러 필터들로 채우는 단계;를 포함한다.
상기 격리층은 상기 다수의 컬러들의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재료로 형성될 수 있다.
상기 광센싱층 사이에 형성된 고립층을 더 포함할 수 있다.
상기 다수의 컬러필터들은 제 1파장 대역의 빛을 투과시키는 제 1 컬러 필터; 제 2 파장 대역의 빛을 투과시키는 제 2 컬러 필터; 및 제 3 파장 대역의 빛을 투과시키는 제 3 컬러 필터를 포함할 수 있다.
상기 격리층은 PMMA(polymethylmetacrylate), 실리콘 아크릴레이트(Silicon acrylate), CAB(cellulose acetate butyrate), 실리콘 산화물(SiO2) 및 FSA(fluoro-silicon acrylate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
개시된 실시예들에 따르면, 컬러 필터에 경사지게 입사하여 컬러 필터의 측면으로 빠져나가는 빛이 컬러 필터들 사이에 배치된 격리층에 의해 전반사되어 다시 원래의 컬러 필터로 되돌아올 수 있다. 또한, 빛이 경사진 각도로 입사하여, 격리층에 의해 전반사 되지 못하고 측면으로 빠져나가는 빛이 반구 형태로 형성된 반구 형태의 하부에 의해 원래의 컬러 필터로 굴절되어 되돌아 올 수 있다. 따라서, 빛의 손실을 방지하여 광 이용 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 컬러 필터의 측면으로 빠져나간 빛이 인접한 화소의 광센싱 소자로 입사하여 발생하는 크로스토크를 방지할 수 있으므로, 이미지 센서의 가장자리에서도 정확한 색상의 감지가 가능하게 된다.
도 1a 및 도 1b는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 3a는 도 2에 도시된 이미지 센서의 A-A'라인을 따른 제 1 화소행의 단면도이다.
도 3b는 도 2에 도시된 이미지 센서의 B-B' 라인을 따른 제 2 화소행의 단면도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 제 1 화소행 및 제 2 화소행의 구조를 각각 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 6a 내지 도 6d는 도 1a 및 도 1b에 도시된 이미지 센서를 제조하는 과정을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 3a는 도 2에 도시된 이미지 센서의 A-A'라인을 따른 제 1 화소행의 단면도이다.
도 3b는 도 2에 도시된 이미지 센서의 B-B' 라인을 따른 제 2 화소행의 단면도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 제 1 화소행 및 제 2 화소행의 구조를 각각 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 6a 내지 도 6d는 도 1a 및 도 1b에 도시된 이미지 센서를 제조하는 과정을 예시적으로 보이는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 컬러 필터를 포함하는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서의 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 실시예에 따른 이미지 센서(100)는, 입사광을 감지하여 전기적인 신호를 발생시키는 광센싱층(10), 광센싱층(10) 위에 배치되어 있으며 소망하는 파장 대역의 빛만을 투과시켜 광센싱층(10)에 제공하는 다수의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)들을 구비하는 컬러 필터층(20), 및 다수의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)들 사이에 각각 마련된 격리층(21)을 포함할 수 있다.
광센싱층(10)은 다수의 광센싱 셀(10R, 10G, 10B)들로 분할될 수 있다. 예를 들어, 다수의 광센싱 셀(10R, 10G, 10B)들은 적색 광센싱 셀(10R), 녹색 광센싱 셀(10G) 및 청색 광센싱 셀(10B)을 포함할 수 있다. 도 1a 및 도 1b에는 적색 광센싱 셀(10R), 녹색 광센싱 셀(10G) 및 청색 광센싱 셀(10B)이 각각 하나씩만 도시되어 있지만, 이는 예시적인 것으로 각각 다수의 적색 광센싱 셀(10R), 녹색 광센싱 셀(10G) 및 청색 광센싱 셀(10B)들이 2차원 어레이의 형태로 배열될 수 있다. 다수의 광센싱 셀(10R, 10G, 10B)들은 입사광의 세기를 전기적인 신호로 변환하는 역할을 각각 독립적으로 수행할 수 있다. 예를 들어, 적색 광센싱 셀(10R)에서 발생하는 전기적인 신호는, 인접한 다른 광센싱 셀(10G, 10B)들에 입사하는 빛의 세기에는 관계 없이, 자신에게 입사하는 빛의 세기에만 의존할 수 있다. 광센싱층(10)은 예를 들어, CCD(charge-coupled device), 포토다이오드(photodiode) 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor)로 이루어질 수 있다.
또한, 다수의 광센싱 셀(10R, 10G, 10B) 사이에는 고립층(11)이 마련될 수 있다. 고립층(11)은 각각의 광센싱 셀(10R, 10G, 10B)에서 발생된 전자가 인접한 다른 광센싱 셀(10R, 10G, 10B)로 넘어가는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.
다수의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)들은 그에 대응하는 다수의 광센싱 셀(10R, 10G, 10B)들 위에 각각 배치될 수 있다. 예를 들어, 다수의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)들은 입사광 중에서 적색 파장 대역의 빛을 투과시키는 적색 컬러 필터(20R), 녹색 파장 대역의 빛을 투과시키는 녹색 컬러 필터(20G), 및 청색 파장 대역의 빛을 투과시키는 청색 컬러 필터(20B)를 포함할 수 있다. 도 1a 및 도 1b에는 적색 컬러 필터(20R), 녹색 컬러 필터(20G) 및 청색 컬러 필터(20B)가 각각 하나씩만 도시되어 있지만, 실제로는 매우 많은 수의 적색 컬러 필터(20R), 녹색 컬러 필터(20G) 및 청색 컬러 필터(20B)들이 2차원 어레이의 형태로 광센싱층(10) 위에 배열될 수 있다.
또한, 다수의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)들의 상부는 실린더 형태로 형성될 수 있으며, 하부는 반구 형태로 형성될 수 있다. 다수의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)들의 하부는 반드시 반구 형태일 필요는 없으며, 아래로 볼록한 형태를 가질 수 있다.
도 1a 및 도 1b에는 적색 컬러 필터(20R), 녹색 컬러 필터(20G) 및 청색 컬러 필터(20B)의 순서로 배열된 것으로 도시되어 있으나, 이는 단순히 하나의 예일 뿐이며 반드시 이러한 순서로 한정되는 것은 아니다. 더욱이, 본 실시예에 따른 컬러 필터층(20)의 적색 컬러 필터(20R), 녹색 컬러 필터(20G) 및 청색 컬러 필터(20B)는 단순히 하나의 예일 뿐이며, 컬러 필터층(20)이 다른 색의 컬러 필터들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 컬러 필터층(20)은 사이안, 옐로우, 그린, 마젠타의 컬러 필터를 포함할 수도 있다. 또는, 필요에 따라 적외선 대역이나 자외선 대역을 포함하는 다른 파장 대역에 대해 투과 특성을 갖는 필터들을 사용할 수도 있다. 이하의 설명에서, 컬러 필터층(20)의 각각의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)들의 색과 배치 순서는 예시적인 것일 뿐이라는 점을 유의한다.
격리층(21)은 다수의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)들 사이에 각각 마련되어, 각각의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)를 그에 인접한 다른 컬러 필터(20R, 20G, 20B)들과 광학적으로 격리하는 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 상기 격리층(21)은 다수의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)들의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 격리층(21)은 PMMA(polymethylmetacrylate), 실리콘 아크릴레이트(Silicon acrylate), CAB(cellulose acetate butyrate), 실리콘 산화물(SiO2), FSA(fluoro-silicon acrylate) 등과 같은 재료로 이루어질 수 있다. 격리층(21)은 굴절률 조건만 만족한다면 어떠한 재료도 사용할 수 있으며, 특히 일반적인 반도체 공정에서 이용하는 물리적 기상 증착법(PVD)이나 화학적 기상 증착법(CVD)으로 형성될 수 있는 재료를 사용할 수 있다.
이러한 격리층(21)은, 각각의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)의 광입사면을 통해 경사지게 입사하여 각각의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)의 측면으로 빠져나가는 빛을 전반사함으로써, 각각의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)를 그에 인접한 다른 컬러 필터(20R, 20G, 20B)들과 광학적으로 격리시킬 수 있다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이, 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면 상의 한 점(P1)으로 경사지게 입사한 빛(L1)은 녹색 컬러 필터(20G)의 측면 상의 한 점(P2)에 도달할 수 있다. 녹색 컬러 필터(20G)의 측면은 녹색 컬러 필터(20G)보다 낮은 굴절률을 갖는 격리층(21)과의 계면이다. 따라서, 빛(L1)은 상기 점(P2)에서 전반사되어 녹색 컬러 필터(20G)의 내부로 다시 되돌아올 수 있다. 그런 후, 빛(L1)은 녹색 광센싱 셀(10G)에 입사하여 녹색 광센싱 셀(10G)의 신호 출력에 기여하게 될 것이다.
만약 격리층(21)이 존재하지 않는다면, 도 1a에서 점선 화살표로 표시된 바와 같이, 빛(L1)은 녹색 광센싱 셀(10G)에 인접한 청색 광센싱 셀(10B)에 입사하여 청색 광센싱 셀(10B)의 신호 출력에 기여하게 될 것이다. 결과적으로, 녹색 광센싱 셀(10G)에서는 빛의 손실이 발생하며 청색 광센싱 셀(10B)에는 잉여의 빛이 입사하여, 이미지 센서(100)에 의해 형성된 영상의 색상 정보가 부정확하게 될 수 있다.
다수의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)의 하부는 반구 형태로 형성될 수 있으며, 반구 형태의 하부는 경사지게 입사한 빛을 각각의 광센싱 셀(10R, 10G, 10B)의 중심 방향으로 굴절시킴으로써, 각각의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)를 그에 인접한 다른 컬러 필터(20R, 20G, 20B)들과 광학적으로 격리시킬 수 있다. 예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이, 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면 상의 한 점(P3)으로 경사지게 입사한 빛(L2)은 녹색 컬러 필터(20G)의 반구 형태의 하부 상의 한 점(P4)에 도달할 수 있다. 녹색 컬러 필터(20G)의 반구 형태의 하부는 녹색 컬러 필터(20G)보다 낮은 굴절률을 갖는 격리층(21)과의 계면이다. 따라서, 빛(L2)은 상기 점(P4)에서 굴절되어 녹색 컬러 필터(20G) 및 녹색 광센싱 셀(10G)의 중심 방향으로 다시 되돌아 올 수 있다. 이 빛(L2)은 녹색 광센싱 셀(10G)의 신호 출력에 기여하게 될 것이다.
만약 각각의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)의 하부가 반구 형태로 형성되어 있지 않다면, 특정 각도에서는 입사한 빛은 반구 형태의 하부에 의해 굴절되지 않고, 인접한 광센싱 셀(10R, 10G, 10B)에 도달할 수 있다. 도 1b에서 점선 화살표로 표시된 바와 같이, 빛(L2)은 녹색 광센싱 셀(10G)에 인접한 청색 광센싱 셀(10B)에 도달하여, 청색 광센싱 셀(10G)의 신호 출력에 기여하게 될 것이다. 따라서 빛(L2)은 청색 광센싱 셀(10B)의 신호 출력에 기여하게 될 것이다. 결과적으로, 녹색 광센싱 셀(10G)에서는 빛의 손실이 발생하며 청색 광센싱 셀(10B)에는 잉여의 빛이 입사하여, 이미지 센서(100)에 의해 형성된 영상의 색상 정보가 부정확하게 될 수 있다.
본 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 격리층(21) 및 반구 형태로 형성된 컬러 필터(20R, 20G, 20B)를 이용하여 위와 같은 광 손실 및 크로스토크 문제들을 방지할 수 있다. 따라서, 광 이용 효율이 향상될 수 있으며 정확한 색상의 감지가 가능하게 된다. 특히, 이미지 센서(100)를 포함하는 촬상 장치에서, 빛이 경사지게 입사하는 이미지 센서(100)의 가장자리 영역에서도 정확한 색상 정보를 얻을 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 이미지 센서(110)의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 2를 참조하면, 이미지 센서(110)는 제 1 대각선 방향으로 2개의 녹색 컬러 필터(20G)들이 배열되어 있으며 제 1 대각선 방향에 교차하는 제 2 대각선 방향으로는 하나의 청색 컬러 필터(20B)와 하나의 적색 컬러 필터(20R)가 각각 배열되어 있는 베이어 패턴(Bayer pattern)을 구비할 수 있다. 베이어 패턴을 구비하는 이미지 센서(110)는 다수의 청색 컬러 필터(20B)들과 다수의 녹색 컬러 필터(20G)들이 가로 방향으로 번갈아 배열된 제 1 화소행(110a)과 다수의 녹색 컬러 필터(20G)들과 다수의 적색 컬러 필터(20R)들이 가로 방향으로 번갈아 배열된 제 2 화소행(110b)을 포함할 수 있다. 도 2에는 단지 하나의 제 1 및 제 2 화소행(110a, 110b)만이 도시되어 있지만, 다수의 제 1 화소행(110a)들과 다수의 제 2 화소행(110b)들이 세로 방향으로 번갈아 배열될 수 있다. 그리고, 각각의 청색 컬러 필터(20B), 녹색 컬러 필터(20G), 및 적색 컬러 필터(20R)의 둘레에는 격리층(21)이 배치될 수 있다.
도 3a는 도 2에 도시된 이미지 센서(110)의 A-A' 라인을 따른 제 1 화소행(110a)의 단면도이다. 도 3a를 참조하면, 광센싱층(10) 위에 다수의 청색 컬러 필터(20B)들과 다수의 녹색 컬러 필터(20G)들이 번갈아 배열되어 있다. 각각의 청색 컬러 필터(20B)와 녹색 컬러 필터(20G)는 그에 대응하는 청색 광센싱 셀(10B)과 녹색 광센싱 셀(10G) 위에 배치될 수 있다.
도 3b는 도 2에 도시된 이미지 센서(110)의 B-B' 라인을 따른 제 2 화소행(110b)의 단면도이다. 도 3b를 참조하면, 광센싱층(10) 위에 다수의 녹색 컬러 필터(20G)들과 다수의 적색 컬러 필터(20R)들이 번갈아 배열되어 있다. 각각의 녹색 컬러 필터(20G)와 적색 컬러 필터(20R)는 그에 대응하는 녹색 광센싱 셀(10G)과 적색 광센싱 셀(10R) 위에 배치될 수 있다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(120)의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 4를 참조하면, 이미지 센서(120)는 입사광을 감지하여 전기적인 신호를 발생시키는 광센싱층(10), 광센싱층(10) 위에 배치되어 있으며 소망하는 파장 대역의 빛을 투과시켜 광센싱층(10)에 제공하는 다수의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)들을 구비하는 컬러 필터층(20), 다수의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)들 사이에 각각 배치된 격리층(21), 컬러 필터층(20) 위에 배치된 투명 유전체층(25), 및 입사광을 파장에 따라 분리하여 상이한 파장 대역의 빛이 상이한 경로로 진행하도록 하는 색분리 요소(30)를 포함할 수 있다. 여기서, 광센싱층(10), 컬러 필터층(20) 및 격리층(21)의 구조와 기능은 도 1a 및 도 1b에서 설명한 것과 동일할 수 있다.
색분리 요소(30)는 파장에 따라 달라지는 빛의 회절 또는 굴절 특성을 이용하여 입사광의 파장에 따라 빛의 진행 경로를 바꿈으로써 색을 분리할 수 있다. 예를 들어, 색분리 요소(30)는 투명한 대칭 또는 비대칭 구조의 막대 형태, 또는 경사면을 갖는 프리즘 형태 등과 같은 매우 다양한 형태가 공지되어 있으며, 출사광의 소망하는 스펙트럼 분포에 따라 다양한 설계가 가능하다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 색분리 요소(30)는 녹색 컬러 필터(20G)와 대향하여 배치될 수 있다. 이 경우, 색분리 요소(30)는 입사광 중에서 녹색 파장 대역의 빛(C2)을 바로 아래에 있는 녹색 컬러 필터(20G)로 진행시키며, 적색 파장 대역의 빛(C1)을 좌측에 있는 적색 컬러 필터(20R)를 향해 진행시키고, 청색 파장 대역의 빛(C3)을 우측에 있는 청색 컬러 필터(20B)를 향해 진행시키도록 구성될 수 있다. 또한, 색분리 요소(30)는 입사광 중에서 녹색 파장 대역의 빛(C2)을 바로 아래에 있는 녹색 컬러 필터(20G)로 진행시키고, 적색 파장 대역과 청색 파장 대역이 혼합된 빛(C1+C3)을 좌측과 우측에 있는 적색 및 청색 컬러 필터(20R, 20B)를 향해 진행시키도록 구성될 수도 있다.
색분리 요소(30)를 사용함으로써, 각각의 컬러 필터(20G, 20R, 20B)를 투과하는 빛이 증가하므로 이미지 센서의 광 이용 효율이 향상될 수 있다. 더욱이, 색분리 요소(30), 격리층(21) 및 하부가 반구 형태로 형성된 컬러 필터(20R, 20G, 20B)를 함께 사용함으로써, 색분리 요소(30)에 의해 분리된 빛을 더욱 효율적으로 이용할 수 있다. 색분리 요소(30)에 의해 분리되어 각각의 컬러 필터(20G, 20R, 20B)에 입사하는 빛은 대체로 경사지게 진행한다. 격리층(21)은 컬러 필터(20G, 20R, 20B)의 내부에서 경사지게 진행하는 빛을 전반사시키고, 컬러 필터(20R, 20G, 20B)의 반구 형태로 형성된 하부는 경사지게 진행하는 빛을 굴절시켜 인접한 다른 광센싱 셀(10R, 10G, 10B)들에 입사하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 이미지 센서의 광 이용 효율 및 색 순도를 동시에 향상시킬 수 있다.
이러한 색분리 요소(30)는 투명 유전체층(25) 내에 매립되어 고정될 수 있다. 입사광을 충분히 회절 및 굴절시키기 위하여, 색분리 요소(30)는 주위의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 재료로 형성될 수 있다. 즉, 색분리 요소(30)의 굴절률은 투명 유전체층(25)의 굴절률보다 높을 수 있다. 예컨대, 투명 유전체층(25)은 SiO2나 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass)로 이루어질 수 있으며, 색분리 요소(30)는 TiO2, SiN3, ZnS, ZnSe, Si3N4 등과 같은 고굴절률 재료로 이루어질 수 있다. 색분리 요소(30)의 구체적인 형태와 재료는 소망하는 색분리 특성에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 제 1 화소행 및 제 2 화소행의 구조를 각각 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 5a에 도시된 제 1 화소행(130a)은 광센싱층(10), 광센싱층(10) 위에 번갈아 배열된 다수의 청색 컬러 필터(20B)와 녹색 컬러 필터(20G)들을 포함하는 제 1 컬러 필터층(20a), 청색 컬러 필터(20B)와 녹색 컬러 필터(20G) 사이에 마련된 격리층(21), 제 1 컬러 필터층(20a) 위에 배치된 투명 유전체층(25), 및 입사광을 파장에 따라 분리하여 상이한 파장 대역의 빛을 상이한 경로로 진행시키는 제 1 색분리 요소(31a)를 포함할 수 있다. 여기서, 광센싱층(10), 제 1 컬러 필터층(20a) 및 격리층(21)의 구조와 기능은 도 3a에서 설명한 것과 동일할 수 있다.
또한, 도 5b에 도시된 제 2 화소행(130b)은 광센싱층(10), 광센싱층(10) 위에 번갈아 배열된 다수의 적색 컬러 필터(20R)와 녹색 컬러 필터(20G)들을 포함하는 제 2 컬러 필터층(20b), 녹색 컬러 필터(20G)와 적색 컬러 필터(20R)의 사이에 마련된 격리층(21), 제 2 컬러 필터층(20b) 위에 배치된 투명 유전체층(25), 및 입사광을 파장에 따라 분리하여 상이한 파장 대역의 빛을 상이한 경로로 진행시키는 제 2 색분리 요소(31b)를 포함할 수 있다. 여기서, 광센싱층(10), 제 2 컬러 필터층(20b) 및 격리층(21)의 구조와 기능은 도 3b에서 설명한 것과 동일할 수 있다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 제 1 색분리 요소(31a) 및 제 2 색분리 요소(31b)는 투명 유전체층(25) 내에 매립되어 고정될 수 있다. 또한, 제 1 색분리 요소(31a)는 제 1 화소행(130a)의 녹색 컬러 필터(20G)와 대향하여 배치될 수 있으며, 제 2 색분리 요소(31b)는 제 2 화소행(130b)의 녹색 컬러 필터(20G)와 대향하여 배치될 수 있다. 이러한 구조에서, 제 1 색분리 요소(31a)는 입사광 중에서 녹색 파장 대역의 빛(C2)을 바로 아래에 있는 녹색 컬러 필터(20G)로 진행시키며, 청색 파장 대역의 빛(C3)을 좌우측에 있는 청색 컬러 필터(20B)를 향해 진행시키도록 구성될 수 있다. 이 경우, 녹색 파장 대역의 빛(C2)은 녹색 파장 대역의 빛(C2)의 비율이 많다는 것을 의미하고, 청색 파장 대역의 빛(C3)은 청색 파장 대역의 빛(C3)의 비율이 많다는 것을 의미한다. 녹색 파장 대역의 빛(C2)에는 적색 파장 대역의 빛(C1) 및 청색 파장 대역의 빛(C3)도 포함되어 있을 수 있으며, 청색 파장 대역의 빛(C3)에는 적색 파장 대역의 빛(C1) 및 녹색 파장 대역의 빛(C2)도 포함되어 있을 수 있다.
또한, 제 2 색분리 요소(31b)는 입사광 중에서 녹색 파장 대역의 빛(C2)을 바로 아래에 있는 녹색 컬러 필터(20G)로 진행시키며, 적색 파장 대역의 빛(C1)을 좌우측에 있는 적색 컬러 필터(20R)를 향해 진행시키도록 구성될 수 있다. 이 경우, 녹색 파장 대역의 빛(C2)은 녹색 파장 대역의 빛(C2)의 비율이 많다는 것을 의미하고, 적색 파장 대역의 빛(C1)은 적색 파장 대역의 빛(C1)의 비율이 많다는 것을 의미한다. 녹색 파장 대역의 빛(C2)에는 적색 파장 대역의 빛(C1) 및 청색 파장 대역의 빛(C3)도 포함되어 있을 수 있으며, 적색 파장 대역의 빛(C1)에는 녹색 파장 대역의 빛(C2) 및 청색 파장 대역의 빛(C3)도 포함되어 있을 수 있다.
대신에, 제 1 색분리 요소(31a)와 제 2 색분리 요소(31b)가 동일한 기능을 갖도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 제 1 및 제 2 색분리 요소(31a, 31b)는 입사광 중에서 녹색 파장 대역의 빛(C2)을 바로 아래에 있는 녹색 컬러 필터(20G)로 진행시키고, 적색 파장 대역과 청색 파장 대역이 혼합된 빛(C1+C3)을 좌측과 우측에 배치된 청색 컬러 필터(20B) 또는 적색 컬러 필터(20R)를 향해 진행시키도록 구성될 수도 있다.
도 6a 내지 도 6d는 도 1a 및 도 1b에 도시된 이미지 센서(100)를 제조하는 과정을 예시적으로 보이는 단면도이다.
먼저, 도 6a를 참조하면, 입사광을 감지하여 전기적 신호를 발생시키는 다수의 독립적인 광센싱 셀(10R, 10G, 10B)들로 분할되어 있는 광센싱층(10)을 마련한다. 다수의 광센싱 셀(10R, 10G, 10B) 사이에는 고립층(11)이 마련될 수 있다. 또한, 광센싱층(10)은 CCD(charge-coupled device) 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor)로 이루어질 수 있다.
다음으로 도 6b를 참조하면, 광센싱층(10) 위에 격리층(21)을 형성할 수 있다. 격리층(21)은 다수의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)들의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 격리층(21)은 PMMA(polymethylmetacrylate), 실리콘 아크릴레이트(Silicon acrylate), CAB(cellulose acetate butyrate), 실리콘 산화물(SiO2), FSA(fluoro-silicon acrylate) 등과 같은 재료로 이루어질 수 있다. 격리층(21)은 굴절률 조건만 만족한다면 어떠한 재료도 사용할 수 있으며, 특히 일반적인 반도체 공정에서 이용하는 물리적 기상 증착법(PVD)이나 화학적 기상 증착법(CVD)으로 형성될 수 있는 재료를 사용하는 것이 유리할 수 있다.
다음, 도 6c를 참조하면, 격리층(21)을 형성한 후에, 화학기계적연마(CMP) 방식이나 에칭 등을 통해 격리층을 식각할 수 있다. 각각의 식각 영역의 내부는 다수의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)를 형성하기 위한 것일 수 있다. 또한, 각각의 식각 영역은 대응하는 각각의 광센싱 셀(10R, 10G, 10B)의 범위를 넘지 않도록 형성될 수 있다.
먼저, 격리층(21)을 제 1 구간까지는 실린더 형태로 식각한다. 제 1 구간에서의 식각이 종료된 후, 제 2 구간에서는 반구 형태로 식각을 진행한다. 제 2 구간은 반드시 반구 형태로 형성되는 것은 아니며, 아래로 볼록한 다른 형태로 형성될 수도 있다.
다음, 도 6d를 참조하면, 상기 식각 영역의 내부에 다수의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)들을 형성할 수 있다. 각각의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)들은 컬러 필터층(20)의 아래에 위치한 각각의 광센싱 셀(10R, 10G, 10B)에 대응하도록 형성될 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 컬러 필터 격리층 및 하부가 반구 형태인 컬러 필터를 구비하는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서의 제조 방법에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 … 광센싱층 10R, 10G, 10B … 광센싱 셀
11 … 고립층 20, 20a, 20b … 컬러 필터층
20R, 20G, 20B … 컬러 필터 21 … 격리층
100, 110, 120, 130 … 이미지 센서 110a … 제 1 화소행
110b … 제 2 화소행 C1 … 적색 파장 대역의 빛
C2 … 녹색 파장 대역의 빛 C3 … 청색 파장 대역의 빛
30 … 색분리 요소 31a … 제 1 색분리 요소
31b … 제 2 색분리 요소 L1, L2 … 빛
11 … 고립층 20, 20a, 20b … 컬러 필터층
20R, 20G, 20B … 컬러 필터 21 … 격리층
100, 110, 120, 130 … 이미지 센서 110a … 제 1 화소행
110b … 제 2 화소행 C1 … 적색 파장 대역의 빛
C2 … 녹색 파장 대역의 빛 C3 … 청색 파장 대역의 빛
30 … 색분리 요소 31a … 제 1 색분리 요소
31b … 제 2 색분리 요소 L1, L2 … 빛
Claims (13)
- 입사광을 감지하여 전기적 신호를 발생시키는 광센싱층;
상기 광센싱층 위에 2차원 배열된 것으로, 입사광 중에서 특정 파장 대역의 빛을 투과시켜 상기 광센싱층에 제공하는 다수의 컬러 필터들을 구비하는 컬러 필터층; 및
상기 다수의 컬러 필터들 사이에 마련된 것으로, 상기 다수의 컬러 필터들의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 격리층;을 포함하며,
상기 컬러 필터의 상부는 실린더 형태로 형성되며, 하부는 반구 형태로 형성된 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 광센싱층은 다수의 광센싱 셀; 및
상기 다수의 광센싱 셀 사이에 마련된 고립층을 포함하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 다수의 컬러필터들은 제 1파장 대역의 빛을 투과시키는 제 1 컬러 필터;
제 2 파장 대역의 빛을 투과시키는 제 2 컬러 필터; 및
제 3 파장 대역의 빛을 투과시키는 제 3 컬러 필터를 포함하는 이미지 센서. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 컬러 필터와 대향하도록 배치된 색분리 요소를 더 포함하는 이미지 센서. - 제 4 항에 있어서,
상기 색분리 요소는 입사광 중에서 제 1 파장 대역의 빛을 상기 제 1 컬러 필터를 향해 진행시키고, 제 2 파장 대역의 빛을 상기 제 2 컬러 필터를 향해 진행시키며, 제 3 파장 대역의 빛을 상기 제 3 컬러 필터를 향해 진행시키도록 구성된 포함하는 이미지 센서. - 제 4 항에 있어서,
상기 컬러 필터층 위에 배치된 투명 유전체층을 더 포함하며, 상기 색분리 요소는 상기 투명 유전체층 내에 매립되어 고정되어 있는 이미지 센서. - 제 4 항에 있어서,
상기 색분리 요소는 입사광 중에서 제 1 파장 대역의 빛을 상기 제 1 컬러 필터를 향해 진행시키며, 제 2 파장 대역 및 제 3 파장 대역이 혼합된 빛을 상기 제 2 및 제 3 컬러 필터를 향해 진행시키도록 구성된 색분리 요소를 더 포함하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 격리층은 PMMA(polymethylmetacrylate), 실리콘 아크릴레이트(Silicon acrylate), CAB(cellulose acetate butyrate), 실리콘 산화물(SiO2) 및 FSA(fluoro-silicon acrylate) 중 적어도 하나를 포함하는 이미지 센서. - 입사광을 감지하여 전기적 신호를 발생시키는 광센싱층을 마련하는 단계;
상기 광센싱층 위에 격리층을 코팅하는 단계;
상기 격리층을 제 1 구간에서는 실린더 형태로 식각한 후, 제 2 구간에서는 반구 형태로 식각하는 단계; 및
상기 식각된 격리층을 입사광 중에서 특정 파장 대역의 빛을 투과시켜 상기 광센싱층에 제공하는 다수의 컬러 필터들로 채우는 단계;를 포함하는 이미지 센서의 제조방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 격리층은 상기 다수의 컬러들의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재료로 형성된 이미지 센서의 제조방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 광센싱층 사이에 형성된 고립층을 더 포함하는 이미지 센서의 제조방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 다수의 컬러필터들은 제 1파장 대역의 빛을 투과시키는 제 1 컬러 필터;
제 2 파장 대역의 빛을 투과시키는 제 2 컬러 필터; 및
제 3 파장 대역의 빛을 투과시키는 제 3 컬러 필터를 포함하는 이미지 센서의 제조방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 격리층은 PMMA(polymethylmetacrylate), 실리콘 아크릴레이트(Silicon acrylate), CAB(cellulose acetate butyrate), 실리콘 산화물(SiO2) 및 FSA(fluoro-silicon acrylate) 중 적어도 하나를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
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