KR20210027780A - 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는, 픽셀 어레이의 로우 방향 또는 컬럼 방향을 따라 연장되는 에어 그리드, 및 상기 로우 방향을 따라 연장되는 에어 그리드와 상기 컬럼 방향을 따라 연장되는 에어 그리드의 교차점에 배치된 홀을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 서로 인접하게 배치되는 컬러 필터들을 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 캡쳐(capture)하는 장치이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 스마트폰, 디지털 카메라, 게임기기, 사물 인터넷(Internet of Things), 로봇, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
이미지 센서는 크게 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서와, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서로 구분될 수 있다. CCD 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서에 비해 잡음(noise)이 적고, 화질이 우수하다. 하지만, CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다. 또한, CMOS 이미지 센서는 신호 처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 용이하고 전력 소모가 매우 낮으며, CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가가 낮다. 최근에는 모바일 기기에 보다 적합한 특성으로 인하여 CMOS 이미지 센싱 장치가 많이 이용되고 있다.
본 발명의 기술적 사상은 에어 그리드를 포함하는 이미지 센서에서 에어의 압력 상승시 에어 그리드 구조의 안정성이 높은 이미지 센서를 제공할 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 문서에 개시되는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는, 픽셀 어레이의 로우 방향 또는 컬럼 방향을 따라 연장되는 에어 그리드, 및 상기 로우 방향을 따라 연장되는 에어 그리드와 상기 컬럼 방향을 따라 연장되는 에어 그리드의 교차점에 배치된 홀을 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 픽셀 어레이에 포함된 단위 픽셀의 서로 대향하는 변에 배치된 에어 그리드들 사이에는 컬러 필터가 배치될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 홀은 상기 에어 그리드로부터 에어층이 생략된 구조를 가질 수 있다.
실시예에 따라, 상기 홀은 2x2 매트릭스 형태로 배치된 픽셀들의 중심에 배치될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 홀은 원형의 형태를 가질 수 있다.
실시예에 따라, 상기 에어 그리드는 에어로 채워진 에어층 및 상기 에어층을 둘러싸는 제1 캡핑막을 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 캡핑막의 굴절률은 상기 에어의 굴절률보다 높고 상기 에어 그리드에 접하는 컬러 필터의 굴절률보다 낮을 수 있다.
실시예에 따라, 상기 에어 그리드는 상기 제1 캡핑막을 둘러싸고 상기 제1 캡핑막보다 두께가 더 두꺼운 제2 캡핑막을 더 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 에어 그리드는 상기 에어층의 하부에 금속으로 구성된 메탈층을 더 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 홀의 하부에는 상기 홀을 둘러싸는 에어 그리드의 제1 캡핑막 및 제2 캡핑막과 각각 일체로 형성되는 제1 캡핑막 및 제2 캡핑막이 적층될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 홀의 하부의 제1 캡핑막과 기판 사이에 금속으로 구성된 메탈층이 배치될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 금속은 텅스텐일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서는, 2x2의 매트릭스 형태로 배열된 단위 픽셀들의 중심에 배치되는 홀, 및 상기 홀로부터 상기 단위 픽셀들 각각의 일 변을 따라 연장되는 에어 그리드를 포함할 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시 예들에 따르면, 에어 그리드의 취약 포인트에 가해지는 압력을 분산시킴으로써 취약 포인트에서의 터짐을 효과적으로 방지할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 일부를 나타낸 도면이다.
도 3a는 도 2의 제1 절단선에 따른 단면의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3b는 도 2의 제2 절단선에 따른 단면의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4a는 도 2의 제1 절단선에 따른 단면의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4b는 도 2의 제2 절단선에 따른 단면의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 도 5g 각각은 본 발명의 일 실시예에 따른 그리드 구조를 형성하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 일부를 나타낸 도면이다.
도 3a는 도 2의 제1 절단선에 따른 단면의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3b는 도 2의 제2 절단선에 따른 단면의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4a는 도 2의 제1 절단선에 따른 단면의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4b는 도 2의 제2 절단선에 따른 단면의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 도 5g 각각은 본 발명의 일 실시예에 따른 그리드 구조를 형성하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(pixel array, 110), 로우 디코더(row decoder, 120), 상관 이중 샘플러(Correlate Double Sampler; CDS, 130), 아날로그-디지털 컨버터(Analog-Digital Converter; ADC, 140), 출력 버퍼(output buffer, 150), 컬럼 디코더(column decoder, 160) 및 타이밍 컨트롤러(timing controller, 170) 를 포함할 수 있다. 여기서, 이미지 센서(100)의 각 구성은 예시적인 것에 불과하며, 필요에 따라 적어도 일부의 구성이 추가되거나 생략될 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 2차원으로 배열된 복수의 단위 픽셀들(UP; Unit Pixels)을 포함할 수 있다. 복수의 단위 픽셀들은 각각 또는 적어도 2이상의 단위들이 적어도 하나의 소자를 공유하는 공유 픽셀(shared pixel) 단위로 광 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 로우 디코더(120)로부터 로우 선택 신호, 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호 등을 포함하는 구동 신호를 수신할 수 있으며, 구동 신호에 의하여 픽셀 어레이(110)는 구동될 수 있다.
로우 디코더(120)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 픽셀 어레이(110)를 구동할 수 있다. 구체적으로, 로우 디코더(120)는 픽셀 어레이(110)의 적어도 하나의 로우를 선택할 수 있다. 로우 디코더(120)는 복수의 로우들 중 적어도 하나의 로우를 선택하기 위하여 로우 선택 신호를 생성할 수 있다. 그리고, 로우 디코더(120)는 선택된 적어도 하나의 로우에 대응하는 픽셀들에 대해 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호를 순차적으로 인에이블시킬 수 있다. 이에 따라, 선택된 로우의 픽셀들 각각으로부터 생성되는 아날로그 형태의 기준 신호와 영상 신호가 순차적으로 상관 이중 샘플러(130)로 전달될 수 있다. 여기서, 기준 신호와 영상 신호는 픽셀 신호로 통칭될 수 있다.
상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)로부터 복수의 컬럼 라인들 각각에 제공되는 기준 신호와 영상 신호를 순차적으로 샘플링 및 홀딩(sampling and holding)할 수 있다. 즉, 상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 기준 신호와 영상 신호의 레벨을 샘플링하고 홀딩할 수 있다.
상관 이중 샘플러(130)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 컬럼들 각각의 기준 신호와 영상 신호를 상관 이중 샘플링 신호로서 ADC(140)로 전달할 수 있다.
ADC(140)는 상관 이중 샘플러(130)로부터 출력되는 각각의 컬럼들에 대한 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. ADC(140)는 각각의 컬럼에 대한 상관 이중 샘플링 신호 및 타이밍 컨트롤러(170)로부터 제공되는 램프 신호(ramp signal)를 기반으로 카운팅 동작과 연산 동작을 수행함에 따라 각각의 컬럼에 해당하는 노이즈(예컨대, 각 픽셀 고유의 리셋 노이즈)가 제거된 디지털 형태의 영상 데이터를 생성할 수 있다.
ADC(140)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 복수의 컬럼 카운터들을 포함하고, 컬럼 카운터들을 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환시켜 영상 데이터를 생성할 수 있다. 다른 실시예에 따라, ADC(140)는 하나의 글로벌 카운터를 포함하고, 글로벌 카운터에서 제공되는 글로벌 코드를 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환시킬 수 있다.
출력 버퍼(150)는 ADC(140)에서 제공되는 각각의 컬럼 단위의 영상 데이터를 캡쳐하여 출력할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 ADC(140)에서 출력되는 영상 데이터를 일시 저장할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 이미지 센서(100)와 연결된 다른 장치 사이의 전송(또는 처리) 속도 차이를 보상해주는 인터페이스로서 동작할 수 있다.
컬럼 디코더(160)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택하고, 선택된 출력 버퍼(150) 컬럼에 일시 저장된 영상 데이터가 순차적으로 출력될 수 있다. 구체적으로, 컬럼 디코더(160)는 타이밍 컨트롤러(170)로부터 어드레스 신호를 수신할 수 있으며, 컬럼 디코더(160)는 어드레스 신호를 기반으로 컬럼 선택 신호를 생성하여 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택함으로써, 선택된 출력 버퍼(150)의 컬럼으로부터 영상 데이터가 출력 신호(SO)로 출력되도록 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 로우 디코더(120), ADC(140), 출력 버퍼(150) 및 컬럼 디코더(160)를 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 이미지 센서(100)의 각 구성의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤을 위한 제어 신호, 및 로우 또는 컬럼을 선택하기 위한 어드레스 신호들을 로우 디코더(120), 컬럼 디코더(160), ADC(140) 및 출력 버퍼(150)에 제공할 수 있다. 실시예에 따라, 타이밍 컨트롤러(170)는 로직 제어회로(Logic control circuit), 위상 고정 루프(Phase Lock Loop, PLL) 회로, 타이밍 컨트롤 회로(timing control circuit) 및 통신 인터페이스 회로(communication interface circuit) 등을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 일부를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 픽셀 어레이(110)의 일부(200)는 3x3의 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 9개의 단위 픽셀들(P1~P9)을 포함할 수 있다. 비록 도 2에는 9개의 단위 픽셀들(P1~P9)만이 도시되어 있으나, 픽셀 어레이(110)에는 M(M은 임의의 양의 정수) 개의 로우와 N(N은 임의의 양의 정수) 개의 컬럼의 매트릭스 형태로 배열되는 단위 픽셀들이 포함될 수 있다.
단위 픽셀들(P1~P9) 각각은 인접하는 단위 픽셀과의 광학적인 분리를 위한 구조물인 에어 그리드(air grid, 210)를 포함할 수 있다. 에어 그리드(210)는 내부에 에어를 포함할 수 있다.
먼저, 픽셀 어레이(110)의 로우 방향으로(또는 좌우로) 서로 인접하는 픽셀들(예컨대, P1과 P2, P2과 P3 등) 사이 또는 픽셀 어레이(110)의 컬럼 방향으로(또는 상하로) 서로 인접하는 픽셀들(예컨대, P1과 P4, P4와 P7 등) 사이에는 에어 그리드(210)가 배치될 수 있다. 또한, 픽셀 어레이(110)의 로우 방향 또는 컬럼 방향을 따라 에어 그리드(210)가 배열될 수 있다. 에어 그리드(210)는 에어 그리드(210)에 접하는 단위 픽셀의 일 변을 따라 길게 연장되는 형태를 가질 수 있다. 에어 그리드(210)는 에어 그리드(210)의 상하 또는 좌우에 인접한 픽셀들에 포함되는 구성으로 정의될 수도 있고, 상하 또는 좌우로 인접하는 픽셀들을 구분 짓는 구성으로 정의될 수도 있다.
2x2 매트릭스 형태로 배치된 단위 픽셀들(예컨대, P1, P2, P4, P5)의 중심에는 홀(220)이 배치될 수 있다. 달리 표현하면, 픽셀 어레이(110)의 로우 방향으로 연장되는 에어 그리드(210)와 컬럼 방향으로 연장되는 에어 그리드(210)의 교차점에 홀(220)이 배치될 수 있다. 또는, 에어 그리드(210)는 홀(220)로부터 상기 단위 픽셀들(예컨대, P1, P2, P4, P5) 각각의 일변을 따라 연장될 수 있다.
홀(220)은 에어 그리드(210)의 에어층(예컨대, 도 3a의 240)이 생략된 구조를 가질 수 있다. 홀(220)의 직경은 에어 그리드(210)의 특성을 최적화하는데 필요한 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 홀(220)의 직경은 에어 그리드(210)의 형상이 안정적으로 유지되는 조건 하에서 가능한 크게 설정될 수 있다.
홀(220)은 도 2에 도시된 바와 같이, 원형의 형태를 가질 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, 사각형 또는 팔각형 등의 임의의 다각형과 같이 다양한 형태를 가질 수 있다.
단위 픽셀의 서로 대향하는 변에 배치된 에어 그리드들(210) 사이에는 해당 단위 픽셀의 컬러 필터(예컨대, 레드, 그린, 블루, 옐로우 등)가 배치될 수 있다. 또한, 에어 그리드(210)는 임의의 단위 픽셀의 컬러 필터의 주변을 감싸도록 배치될 수 있다.
상기 컬러 필터의 상부에는 해당 픽셀의 내부로 입사광을 집광시키기 위한 마이크로 렌즈가 배치될 수 있고, 상기 컬러 필터의 하부에는 입사광의 세기를 전기적 신호로 변환하기 위한 포토 다이오드를 포함하는 기판(substrate)이 배치될 수 있다.
마이크로 렌즈를 통과한 입사광은 컬러 필터를 통과하게 되는데, 특정 픽셀의 컬러 필터를 통과한 입사광이 인접한 컬러 필터를 통해 다른 픽셀로 넘어가 픽셀 신호에 노이즈를 발생시키는 광학적 크로스토크(optical crosstalk)가 발생할 수 있다. 에어 그리드(210)는 이러한 입사광을 픽셀 내부로 반사시키거나 흡수함으로써 광학적 크로스토크를 방지할 수 있다.
도 2에는 제1 절단선(A-A')과 제2 절단선(B-B')이 표시되어 있는데, 도 3a 내지 도 4b에서는 제1 절단선(A-A')과 제2 절단선(B-B')에 따른 단면의 실시예들을 통해 에어 그리드(210)와 홀(220)의 구조에 대해 설명하고, 도 5a 내지 도 5g에서는 에어 그리드(210)와 홀(220)의 형성을 위한 공정에 대해 설명하기로 한다.
도 3a는 도 2의 제1 절단선에 따른 단면의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3a를 참조하면, 제1 절단선(A-A')에 따른 단면에는 2개의 에어 그리드(210a)가 픽셀(P5)의 폭만큼 이격되어 배치될 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이 2개의 에어 그리드(210a) 사이에는 픽셀(P5)의 컬러 필터가 배치될 수 있다. 컬러 필터의 상부면의 높이는 에어 그리드(210a)의 높이보다 높거나, 낮거나, 또는 서로 동일할 수 있다.
에어 그리드(210a)는 메탈층(metal layer, 230), 에어층(air layer, 240), 제1 캡핑막(first capping film, 250) 및 제2 캡핑막(second capping film, 260)을 포함할 수 있다. 여기서, 에어 그리드(210a)에 포함된 각 구성의 상대적인 폭, 높이 및 두께는 도 3a에 도시된 것에 한하지 않으며, 필요에 따라 달라질 수 있다.
메탈층(230)은 기판의 상부에 배치될 수 있다. 메탈층(230)은 광 흡수율이 높은 금속 재질(예컨대, 텅스텐)로 구성될 수 있으며, 일 실시예에 따라 서로 다른 재질이 적층되어 형성될 수도 있다.
에어층(240)은 메탈층(230)의 상부에 배치되고, 에어층(240)의 형상은 제1 캡핑막(354)에 의해 정의될 수 있다. 에어층(240)은 굴절률이 상대적으로 작은(예컨대, 1) 에어로 채워진 영역일 수 있다.
제1 캡핑막(250)은 에어층(240)과 메탈층(230)을 전체적으로 둘러싸도록 형성될 수 있다. 즉, 제1 캡핑막(250)은 에어층(240)과 메탈층(230) 각각의 측면과, 에어층(240)의 상부면에 접하여 형성될 수 있다. 따라서, 에어층(240)과 메탈층(230)은 각각 제1 캡핑막(250)에 의해 외부로부터 물리적으로 분리될 수 있다. 예를 들어, 제1 캡핑막(250)은 실리콘 산화막(SiO2)과 같은 저온산화(ULTO)막일 수 있다.
제2 캡핑막(260)은 제1 캡핑막(250)을 전체적으로 둘러싸도록 형성될 수 있다. 즉, 제2 캡핑막(260)의 일 측면은 제1 캡핑막(250)에 접하고, 타 측면은 에어 그리드(210a)의 외부에 접할 수 있다. 따라서, 제1 캡핑막(250)은 제2 캡핑막(260)에 의해 외부로부터 물리적으로 분리될 수 있다. 예를 들어, 제2 캡핑막(260)은 실리콘 산화 질화막(SixOyNz, 여기서 x, y, z는 자연수), 실리콘 산화막(SixOy, 여기에서 x, y는 자연수), 실리콘 질화막(SixNy, 여기에서 x, y는 자연수) 중 적어도 하나를 포함하는 절연막일 수 있다.
제2 캡핑막(260)의 두께는 제1 캡핑막(250)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 이는 제1 캡핑막(250)은 이후 설명되는 플라즈마 공정에서 내부 물질이 효과적으로 외부로 배출될 수 있도록 가능한 얇게 형성되고, 제2 캡핑막(250)은 에어층(240)을 포함하는 에어 그리드(210a)의 형태를 안정적으로 유지하는데 필요한 두께로 형성되기 때문이다.
다른 실시예에 따라, 제1 캡핑막(250)의 하부 및 에어층(240)의 상부에 해당하는 영역에 에어 그리드(210a)의 형상을 유지하기 위한 지지막이 형성될 수 있다. 이러한 지지막은 광흡수 특성을 갖지 않는 절연막일 수 있다.
일 실시예에 따라, 제1 캡핑막(250)과 제2 캡핑막(260)은 서로 동일한 재질로 구성되어 서로 동일한 굴절률을 가질 수 있다.
일 실시예에 따라, 제1 캡핑막(250)과 제2 캡핑막(260)의 굴절률은 에어층(240)의 굴절률보다 높고 컬러 필터의 굴절률보다 낮을 수 있다.
에어 그리드(210a)는 컬러 필터(미도시)에 입사되는 광이 다른 컬러 필터(미도시)로 이동하는 것을 방지하여 광학적 크로스토크를 최소화할 수 있다.
구체적으로, 에어로 채워진 에어층(240)의 굴절률(예컨대, 1)은 컬러 필터(미도시)의 굴절률(예컨대, 1.6~1.7)과 제1 및 제2 캡핑막(250, 260)의 굴절률(예컨대, 1.4)보다 낮으므로, 에어층(240)은 반사(reflection)를 유도하여 입사광을 단위 픽셀의 내부로 반사시킬 수 있다.
만일, 다양한 입사각에 따라 에어층(240)에 의한 반사가 발생하지 않고 일부 입사광이 에어층(240) 내부로 굴절되더라도, 메탈층(230)에 의한 광 흡수가 발생하여 광학적 크로스토크 현상을 방지할 수 있다.
도 3b는 도 2의 제2 절단선에 따른 단면의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3b를 참조하면, 제2 절단선(B-B')에 따른 단면에는 에어 그리드(210a)와 함께 홀(220a)이 도시되어 있다.
에어 그리드(210a)의 구조는 도 3a를 참조하여 설명된 바와 동일하나, 도 3b에서는 서로 인접하는 에어 그리드들(210a)의 에어층(240)의 중앙에 해당하는 영역에 홀(220a)이 배치될 수 있음이 도시되어 있다. 홀(220a)의 하부에는 홀(220a)을 둘러싸도록 배치된 에어 그리드들(210a)의 메탈층(230), 제1 캡핑막(250) 및 제2 캡핑막(260) 각각과 일체로 형성되는 메탈층(230), 제1 캡핑막(250) 및 제2 캡핑막(260)이 순차적으로 배치될 수 있다.
다른 실시예에 따라, 홀(220a)의 하부에는 홀(220a)을 둘러싸도록 배치된 에어 그리드들(210a)의 제1 캡핑막(250) 및 제2 캡핑막(260) 각각과 일체로 형성되는 제1 캡핑막(250) 및 제2 캡핑막(260)이 순차적으로 배치될 수 있다. 즉, 홀(220a)의 하부에 메탈층(230)도 함께 생략될 수도 있다. 이 경우, 식각 공정이 보다 단순화될 수 있다.
즉, 홀(220a)은 에어 그리드(210a)에서 에어층(240)이 생략되고 메탈층(230)에 접하여 제1 캡핑막(250)과 제2 캡핑막(260)이 순차적으로 적층됨에 따라 형성될 수 있다.
만일 도 3b에 도시된 구조와 달리, 홀(220a)에 해당하는 영역에 에어 그리드(210a)와 동일한 구조가 배치되어 픽셀 어레이(110) 전체의 에어층(240)이 하나의 영역으로 연결되는 메쉬 타입(mesh type)으로 형성된다고 가정하기로 한다.
이 경우, 제1 및 제2 캡핑막(250, 260)이 얇은 막 형태로 이루어져 있으므로, 제조 공정의 한계 및 사용 환경(예컨대, 고온 조건)에 따라 제1 및 제2 캡핑막(250, 260)의 특정 부위에서 압력에 의해 터짐(popping)이 발생할 수 있는 취약 포인트가 존재할 수 있다. 이때, 취약 포인트에 가해지는 압력은 에어층(240) 내부 공기의 온도와 부피가 증가할수록 함께 증가하게 된다. 위와 같이, 픽셀 어레이(110) 전체의 에어층(240)이 하나의 영역으로 연결되는 메쉬 타입의 경우, 픽셀 어레이(110) 전체의 에어층(240)의 부피에 해당하는 압력이 취약 포인트에 가해져 취약 포인트에서의 터짐이 쉽게 발생할 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 그리드 구조에서는 로우 방향을 따라 연장되는 에어 그리드(210a)와 컬럼 방향을 따라 연장되는 에어 그리드(210a)의 교차점마다 홀(220a)이 배치되어 홀(220a)을 중심으로 상하좌우에 배치된 에어 그리드들(210a) 각각의 에어층들(240)을 물리적으로 거의 분리시키므로, 픽셀 어레이(110) 전체의 에어층(240)의 부피가 아닌, 단위 픽셀의 일 변을 따라 연장되는 에어 그리드(210a) 하나의 에어층(240)의 부피에 해당하는 압력이 취약 포인트에 가해져, 취약 포인트에 가해지는 압력을 분산시킴으로써 취약 포인트에서의 터짐을 효과적으로 방지할 수 있다. 여기서, 홀(220a)이 상하좌우에 배치된 에어 그리드들(210a) 각각의 에어층들(240)을 물리적으로 거의 분리시킨다는 의미는, 홀(220a)이 배치됨으로써 상하좌우에 배치된 에어 그리드들(210a) 각각의 에어층들(240) 간의 연결 통로의 면적이 축소되어 각 에어층(240) 간에 실질적으로 압력이 서로 전달되지 않음을 의미한다.
도 4a는 도 2의 제1 절단선에 따른 단면의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4a를 참조하면, 제1 절단선(A-A')에 따른 단면에는 2개의 에어 그리드(210b)가 픽셀(P5)의 폭만큼 이격되어 배치될 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이 2개의 에어 그리드(210b) 사이에는 픽셀(P5)의 컬러 필터가 배치될 수 있다. 컬러 필터의 상부면의 높이는 에어 그리드(210b)의 높이보다 높거나, 낮거나, 또는 서로 동일할 수 있다.
에어 그리드(210b)는 에어층(240), 제1 캡핑막(250) 및 제2 캡핑막(260)을 포함할 수 있다. 여기서, 에어 그리드(210b)에 포함된 각 구성의 상대적인 폭, 높이 및 두께는 도 4a에 도시된 것에 한하지 않으며, 필요에 따라 달라질 수 있다.
에어 그리드(210b)는 도 3a에 도시된 에어 그리드(210a)와 달리 메탈층(230)이 생략된 구조이며, 에어층(240), 제1 캡핑막(250) 및 제2 캡핑막(260) 각각의 구조 및 재질은 도 3a에서 설명된 바와 실질적으로 동일한 바 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
다른 실시예에 따라, 제1 캡핑막(250)의 하부 및 에어층(240)의 상부에 해당하는 영역에 에어 그리드(210b)의 형상을 유지하기 위한 지지막이 형성될 수 있다. 이러한 지지막은 광흡수 특성을 갖지 않는 절연막일 수 있다.
도 4b는 도 2의 제2 절단선에 따른 단면의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4b를 참조하면, 제2 절단선(B-B')에 따른 단면에는 에어 그리드(210b)와 함께 홀(220b)이 도시되어 있다.
에어 그리드(210b)의 구조는 도 4a를 참조하여 설명된 바와 동일하나, 도 4b에서는 서로 인접하는 에어 그리드들(210b)의 에어층(240)의 중앙에 해당하는 영역에 홀(220b)이 배치될 수 있음이 도시되어 있다. 홀(220b)의 하부에는 홀(220b)을 둘러싸도록 배치된 에어 그리드들(210b)의 제1 캡핑막(250) 및 제2 캡핑막(260) 각각과 일체로 형성되는 제1 캡핑막(250) 및 제2 캡핑막(260)이 순차적으로 배치될 수 있다.
즉, 홀(220b)은 에어 그리드(210b)에서 에어층(240)이 생략되고 기판(또는 기판 상부에 배치되는 반사 방지층)에 접하여 제1 캡핑막(250)과 제2 캡핑막(260)이 순차적으로 적층됨에 따라 형성될 수 있다.
만일 도 4b에 도시된 구조와 달리, 홀(220b)에 해당하는 영역에 에어 그리드(210b)와 동일한 구조가 배치되어 픽셀 어레이(110) 전체의 에어층(240)이 하나의 영역으로 연결되는 메쉬 타입으로 형성된다고 가정하기로 한다.
이 경우, 제1 및 제2 캡핑막(250, 260)이 얇은 막 형태로 이루어져 있으므로, 제조 공정의 한계 및 사용 환경(예컨대, 고온 조건)에 따라 제1 및 제2 캡핑막(250, 260)의 특정 부위에서 압력에 의해 터짐(popping)이 발생할 수 있는 취약 포인트가 존재할 수 있다. 이때, 취약 포인트에 가해지는 압력은 에어층(240) 내부 공기의 온도와 부피가 증가할수록 함께 증가하게 된다. 위와 같이, 픽셀 어레이(110) 전체의 에어층(240)이 하나의 영역으로 연결되는 메쉬 타입의 경우, 픽셀 어레이(110) 전체의 에어층(240)의 부피에 해당하는 압력이 취약 포인트에 가해져 취약 포인트에서의 터짐이 쉽게 발생할 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 그리드 구조에서는 로우 방향을 따라 연장되는 에어 그리드(210b)와 컬럼 방향을 따라 연장되는 에어 그리드(210b)의 교차점마다 홀(220b)이 배치되어 홀(220b)을 중심으로 상하좌우에 배치된 에어 그리드들(210b) 각각의 에어층들(240)을 물리적으로 거의 분리시키므로, 픽셀 어레이(110) 전체의 에어층(240)의 부피가 아닌, 단위 픽셀의 일 변을 따라 연장되는 에어 그리드(210b) 하나의 에어층(240)의 부피에 해당하는 압력이 취약 포인트에 가해져, 취약 포인트에 가해지는 압력을 분산시킴으로써 취약 포인트에서의 터짐을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 5a 내지 도 5g 각각은 본 발명의 일 실시예에 따른 그리드 구조를 형성하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5g를 참조하면, 이하에서는 도 3a와 도 3b에 도시된 메탈층(230)을 포함하는 에어 그리드(210a)와, 홀(220a)을 형성하는 공정에 대해 설명된다. 도 4a와 도 4b에 도시된 메탈층(230)을 포함하지 않는 에어 그리드(210b)와, 홀(220b)을 형성하는 공정은 에어 그리드(210a)의 메탈층(230)에 대한 공정을 제외하고는 실질적으로 동일한 바, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
또한, 도 5a 내지 도 5g 각각에 도시된 단면은 도 2의 제2 절단선(B-B')에 따른 단면에 대응되는 단면이다.
도 5a의 S10 단계에서, 기판(270)의 상부에 메탈층(230)이 증착(deposition) 공정을 통해 형성될 수 있다. 메탈층(230)의 높이는 에어 그리드(220a)의 메탈층(230)의 높이에 해당할 수 있다. 예를 들어, 기판(270)은 P형 또는 N형 벌크(bulk) 기판, P형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층(epitaxial layer)이 성장된 기판, 또는 N형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층이 성장된 기판일 수 있다.
메탈층(230)의 형성이 완료되면 메탈층(230)의 상부에 에어 그리드(220a)와 홀(220a)을 정의하는 제1 마스크 패턴(미도시)이 배치되고, 제1 마스크 패턴(미도시)을 식각 마스크로 하여 메탈층(230)이 식각(etching)됨으로써 에어 그리드(220a)와 홀(220a)에 대응하는 메탈층(230)이 형성될 수 있다. 여기서, 메탈층(230)의 식각 깊이는 에어 그리드(210a)에 포함된 메탈층(230)의 높이에 의해 미리 결정될 수 있다. 제1 마스크 패턴(미도시)을 비롯하여 이하에서 설명되는 마스크 패턴들은 포토레지스트(photoresist) 패턴을 포함할 수 있다.
메탈층(230)에 대한 식각 공정이 완료되면, 제1 마스크 패턴(280)이 제거될 수 있다.
도 5b의 S20 단계에서, 메탈층(230)과 기판(270)의 상부에 전체적으로 희생막(290)이 형성될 수 있다. 희생막(290)은 탄소가 함유된 스핀 온 카본(SOC: Spin On Carbon)막을 포함할 수 있다. 다만, 희생막(290)의 높이는 에어 그리드(210a)의 높이와 동일할 수 있다. 이를 위해, 희생막(290)의 높이를 에어 그리드(210a)의 높이와 일치시키기 위한 추가적인 공정이 수행될 수도 있다.
도 5c의 S30 단계에서, 희생막(290)의 상부에 에어 그리드(210a)를 정의하는 제2 마스크 패턴(280)이 배치될 수 있다.
도 5d의 S40 단계에서, 제2 마스크 패턴(280)을 식각 마스크로 하여 희생막(290)이 식각됨으로써, 에어 그리드(210a)를 제외한 영역(예컨대, 단위 픽셀 영역과 홀)에 배치된 희생막(290)은 제거될 수 있다. 여기서, 단위 픽셀(예컨대, P5)에 해당하는 영역에서의 식각 깊이는 홀(220a)에 해당하는 영역에서의 식각 깊이보다 깊을 수 있다. 이는 홀(220a)의 하부에 메탈층(230)을 에어 그리드(210a)와 동일하게 배치시키기 위함이다. 이를 위해, 단위 픽셀(예컨대, P5)에 해당하는 영역에서의 식각 에너지는 홀(220a)에 해당하는 영역에서의 식각 에너지보다 클 수 있다.
다른 실시예에 따라, 단위 픽셀(예컨대, P5)에 해당하는 영역에서의 식각 깊이는 홀(220a)에 해당하는 영역에서의 식각 깊이와 동일할 수 있다. 이 경우, 홀(220a)의 하부에 메탈층(230)이 배치되지 않을 수 있다.
이후, 제2 마스크 패턴(280)은 제거될 수 있다. S40 단계가 완료되면, 에어 그리드(210a)에 포함되는 에어층(240)의 형상에 대응하는 희생막(290)의 형성이 완료될 수 있다.
도 5e의 S50 단계에서, 기판(270), 희생막(290) 및 메탈층(230)의 상부에 제1 캡핑막(250)이 증착 공정을 통해 형성될 수 있다. 제1 캡핑막(250)은 산화막을 포함하며, 예컨대 저온산화(ULTO)막을 포함할 수 있다. 제1 캡핑막(250)은 후속의 플라즈마 공정에서 사용되는 가스와 희생막(290)의 탄소가 결합되어 생성된 분자가 쉽게 외부로 빠져나갈 수 있는 두께로 형성된다. 예컨대, 제1 캡핑막(250)은 300 Å이하의 두께로 형성될 수 있다.
도 5f의 S60 단계에서, 제1 캡핑막(250)이 형성된 후, 플라즈마 공정이 수행됨으로써 희생막(290)이 제거되고 희생막(290)에 대응되는 위치에 에어층(240)이 형성될 수 있다. 이때, 플라즈마 공정은 O2, N2, H2, CO, CO2, CH4 등 산소, 질소, 수소 중 적어도 하나가 포함된 가스를 이용한 플라즈마 공정일 수 있다. 여기서, O2 플라즈마 공정을 예로 들어 보다 상세히 설명하면, 산소기(Oxygen Radical)(O*)가 제1 캡핑막(250)을 통해 희생막(290)으로 유입되고, 유입된 산소기는 희생막(290)의 탄소와 결합하여 CO 또는 CO2 를 생성한다. 생성된 CO 또는 CO2 는 제1 캡핑막(250)을 통해 밖으로 빠져나가게 된다. 이러한 과정을 통해, 희생막(290)이 제거되고 제거된 위치에 에어층(240)이 형성될 수 있다.
실시예에 따라, 희생막(290)이 제거되더라도 제1 캡핑막(250)이 붕괴되는 것을 방지하기 위해, 희생막(290) 상에 산화막과 같은 지지막(미도시)을 형성한 상태에서, 플라즈마 공정이 수행될 수 있다.
도 5g의 S70 단계에서, 플라즈마 공정이 완료된 후 제1 캡핑막(250)의 상부에 제2 캡핑막(260)이 증착 공정을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 캡핑막(260)은 실리콘 산화 질화막(SixOyNz, 여기서 x, y, z는 자연수), 실리콘 산화막(SixOy, 여기에서 x, y는 자연수), 실리콘 질화막(SixNy, 여기에서 x, y는 자연수) 중 적어도 하나를 포함하는 절연막일 수 있다. 제2 캡핑막(260)의 두께는 제1 캡핑막(250)의 두께보다 두꺼울 수 있으며, 제2 캡핑막(260)은 에어 그리드(210a)의 형태를 안정적으로 유지하는데 필요한 두께로 형성될 수 있다.
또한, 도 5e 내지 도 5g에서는 실제적으로 기판(270)의 상부를 따라 제1 캡핑막(250)과 제2 캡핑막(260)이 적층되어 배치될 수 있으나, 도 3a와 도 4a에선 이러한 기판(270) 상부의 제1 캡핑막(354)과 제2 캡핑막(358)은 설명의 편의상 생략되었음에 유의하여야 한다.
본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", "A 또는 B 중 적어도 하나,""A, B 또는 C," "A, B 및 C 중 적어도 하나,"및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", 또는 "첫째" 또는 "둘째"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에, "기능적으로" 또는 "통신적으로"라는 용어와 함께 또는 이런 용어 없이, "커플드" 또는 "커넥티드"라고 언급된 경우, 그것은 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로(예: 유선으로), 무선으로, 또는 제 3 구성요소를 통하여 연결될 수 있다는 것을 의미한다.
다양한 실시예들에 따르면, 상기 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 상기 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 상기 통합 이전에 상기 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 상기 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.
Claims (20)
- 픽셀 어레이의 로우 방향 또는 컬럼 방향을 따라 연장되는 에어 그리드; 및
상기 로우 방향을 따라 연장되는 에어 그리드와 상기 컬럼 방향을 따라 연장되는 에어 그리드의 교차점에 배치된 홀을 포함하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 픽셀 어레이에 포함된 단위 픽셀의 서로 대향하는 변에 배치된 에어 그리드들 사이에는 컬러 필터가 배치되는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 홀은 상기 에어 그리드로부터 에어층이 생략된 구조를 갖는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 홀은 2x2 매트릭스 형태로 배치된 픽셀들의 중심에 배치되는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 홀은 원형의 형태를 가지는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 에어 그리드는 에어로 채워진 에어층 및 상기 에어층을 둘러싸는 제1 캡핑막을 포함하는 이미지 센서. - 제6항에 있어서,
상기 제1 캡핑막의 굴절률은 상기 에어의 굴절률보다 높고 상기 에어 그리드에 접하는 컬러 필터의 굴절률보다 낮은 이미지 센서. - 제6항에 있어서,
상기 에어 그리드는 상기 제1 캡핑막을 둘러싸고 상기 제1 캡핑막보다 두께가 더 두꺼운 제2 캡핑막을 더 포함하는 이미지 센서. - 제6항에 있어서,
상기 에어 그리드는 상기 에어층의 하부에 금속으로 구성된 메탈층을 더 포함하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 홀의 하부에는 상기 홀을 둘러싸는 에어 그리드의 제1 캡핑막 및 제2 캡핑막과 각각 일체로 형성되는 제1 캡핑막 및 제2 캡핑막이 적층되는 이미지 센서. - 제10항에 있어서,
상기 홀의 하부의 제1 캡핑막과 기판 사이에 금속으로 구성된 메탈층이 배치되는 이미지 센서. - 제10항에 있어서,
상기 금속은 텅스텐인 이미지 센서. - 2x2의 매트릭스 형태로 배열된 단위 픽셀들의 중심에 배치되는 홀; 및
상기 홀로부터 상기 단위 픽셀들 각각의 일 변을 따라 연장되는 에어 그리드를 포함하는 이미지 센서. - 제13항에 있어서,
상기 에어 그리드는 상기 홀을 둘러싸는 이미지 센서. - 제13항에 있어서,
상기 홀은 상기 에어 그리드로부터 에어층이 생략된 구조를 갖는 이미지 센서. - 제13항에 있어서,
상기 홀은 원형의 형태를 가지는 이미지 센서. - 제13항에 있어서,
상기 에어 그리드는 에어로 채워진 에어층 및 상기 에어층을 둘러싸는 제1 캡핑막을 포함하는 이미지 센서. - 제17항에 있어서,
상기 에어 그리드는 상기 에어층의 하부에 금속으로 구성된 메탈층을 더 포함하는 이미지 센서. - 제13항에 있어서,
상기 홀의 하부에는 상기 홀을 둘러싸는 에어 그리드의 제1 캡핑막 및 제2 캡핑막과 각각 일체로 형성되는 제1 캡핑막 및 제2 캡핑막이 적층되는 이미지 센서. - 제19항에 있어서,
상기 홀의 하부의 제1 캡핑막과 기판 사이에 금속으로 구성된 메탈층이 배치되는 이미지 센서.
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