KR20240104688A - 이미지 센싱 장치 - Google Patents

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이호령
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Abstract

본 기술의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 제 1 컬러를 갖는 하나의 제 1 컬러 필터를 공유하여 상기 제 1 컬러에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 복수의 제 1 이미지 픽셀들이 인접하게 위치한 복수의 제 1 픽셀 블록들, 제 2 컬러를 갖는 하나의 제 2 컬러 필터를 공유하여 상기 제 2 컬러에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 복수의 제 2 이미지 픽셀들이 인접하게 위치한 복수의 제 2 픽셀 블록들, 제 3 컬러를 갖는 하나의 제 3 컬러 필터를 공유하여 상기 제 3 컬러에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 복수의 제 3 이미지 픽셀들이 인접하게 위치한 복수의 제 3 픽셀 블록들, 상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터들 사이에서 상기 제 1 내지 제 3 픽셀 블록들의 경계 영역에 위치하는 상부 그리드 구조, 및 기판층과 상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터들 사이에 위치하며 상기 제 1 내지 제 3 픽셀 블록들 각각에서 해당 이미지 픽셀들의 경계 영역과 적어도 일부가 수직방향으로 중첩하는 하부 그리드 구조를 포함할 수 있다.

Description

이미지 센싱 장치{IMAGE SENSING DEVICE}
본 발명은 이미지 센싱 장치에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 비디오 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 집적도 및 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
이미지 센서의 해상도가 높아지면서 이미지 센서의 픽셀 사이즈가 점차 작아지고 있으며, 픽셀 사이즈가 작아짐에 따라 발생되는 여러 제조상의 문제들을 해결하기 위한 방법들이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 컬러 필터 아이솔레이션 구조를 개선하여 컬러 필터들의 접촉 면적을 증가시키고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 제 1 컬러를 갖는 하나의 제 1 컬러 필터를 공유하여 상기 제 1 컬러에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 복수의 제 1 이미지 픽셀들이 인접하게 위치한 복수의 제 1 픽셀 블록들, 제 2 컬러를 갖는 하나의 제 2 컬러 필터를 공유하여 상기 제 2 컬러에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 복수의 제 2 이미지 픽셀들이 인접하게 위치한 복수의 제 2 픽셀 블록들, 제 3 컬러를 갖는 하나의 제 3 컬러 필터를 공유하여 상기 제 3 컬러에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 복수의 제 3 이미지 픽셀들이 인접하게 위치한 복수의 제 3 픽셀 블록들, 상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터들 사이에서 상기 제 1 내지 제 3 픽셀 블록들의 경계 영역에 위치하는 상부 그리드 구조, 및 기판층과 상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터들 사이에 위치하며 상기 제 1 내지 제 3 픽셀 블록들 각각에서 해당 이미지 픽셀들의 경계 영역과 적어도 일부가 수직방향으로 중첩하는 하부 그리드 구조를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 광전변환요소들 및 상기 광전변환요소들을 분리시키는 픽셀 분리막을 포함하는 기판층, 하나의 컬러 필터가 복수의 상기 광전변환요소들을 커버하도록 상기 기판층 위에 위치하는 복수의 컬러 필터들, 상기 픽셀 분리막과 오버랩되게 상기 컬러 필터들 사이에 위치하는 상부 그리드 구조, 및 상기 픽셀 분리막과 오버랩되게 상기 기판층과 상기 컬러 필터들 사이에 위치하는 하부 그리드 구조를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 컬러 필터들의 접촉 면적을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이의 평면 구조를 부분적으로 예시적으로 보여주는 도면.
도 3은 도 2에서 A-A′절취선을 따라 절단된 단면의 모습을 예시적으로 보여주는 단면도.
도 4는 도 2에서 B-B′절취선을 따라 절단된 단면의 모습을 예시적으로 보여주는 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이의 평면 구조를 예시적으로 보여주는 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이의 평면 구조를 예시적으로 보여주는 도면.
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 픽셀 어레이(pixel array, 100), 로우 드라이버(row driver, 200), 상관 이중 샘플러(correlated double sampler, CDS, 300), 아날로그-디지털 컨버터(analog digital converter, ADC, 400), 출력 버퍼(output buffer, 500), 컬럼 드라이버(column driver, 600) 및 타이밍 컨트롤러(timing controller, 700)를 포함할 수 있다. 여기서, 이미지 센싱 장치의 각 구성은 예시적인 것에 불과하며, 필요에 따라 적어도 일부의 구성이 추가되거나 생략될 수 있다.
픽셀 어레이(100)는 복수의 로우들(rows) 및 복수의 컬럼들(columns)로 배열된 복수의 이미지 픽셀들을 포함할 수 있다. 복수의 이미지 픽셀들은 외부에서 입사된 광을 광전변환하여 입사광에 대응되는 전기 신호(픽셀 신호)를 생성할 수 있다. 픽셀 어레이(100)는 동일한 컬러의 컬러 필터를 갖는 복수의 이미지 픽셀들이 인접하게 배열된 복수의 픽셀 블록들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각 픽셀 블록들은 동일한 컬러의 컬러 필터들을 가지며 N×N(N은 2이상의 자연수) 형태로 인접하게 배열된 복수의 이미지 픽셀들을 포함할 수 있다. 픽셀 블록들은 베이어 패턴(Bayer pattern)으로 배열될 수 있다. 픽셀 어레이(100)는 기판 위에서 인접한 픽셀들 간의 크로스토크를 방지하기 위해 이중 분리 구조(double layers isolation structure)의 그리드 구조물을 포함할 수 있다.
로우 드라이버(200)는 타이밍 컨트롤러(700)와 같은 제어 회로로부터 제공되는 제어 신호들에 근거하여 이미지 픽셀들을 동작시킬 수 있다. 로우 드라이버(200)는 픽셀 어레이(100)의 적어도 하나의 로우 라인에 연결된 적어도 하나의 이미지 픽셀들을 선택할 수 있다. 로우 드라이버(200)는 복수의 로우 라인들 중 적어도 하나의 로우 라인을 선택하기 위한 로우 선택 신호를 생성할 수 있다. 선택된 로우 라인의 이미지 픽셀들에서 생성된 픽셀 신호들은 상관 이중 샘플러(300)에 출력될 수 있다.
상관 이중 샘플러(300)는 상관 이중 샘플링(CDS: correlated double sampling) 방식을 사용하여 이미지 픽셀들의 원치 않는 오프셋(offset) 값들을 제거할 수 있다. 상관 이중 샘플러(300)는 기준 신호와 픽셀 신호를 상관 이중 샘플링(CDS) 신호로서 아날로그-디지털 컨버터(400)에 출력할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(400)는 상관 이중 샘플러(300)로부터 수신되는 CDS 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(400)는 타이밍 컨트롤러(700)로부터 제공되는 램프 신호에 근거하여 비교 신호의 레벨 전이(transition) 시간을 카운트하고, 카운트 값을 출력 버퍼(500)에 출력할 수 있다.
출력 버퍼(500)는 아날로그-디지털 컨버터(300)로부터 제공되는 각각의 컬럼 단위의 데이터를 타이밍 컨트롤러(700)의 제어에 따라 일시 저장할 수 있다.
컬럼 드라이버(600)는 타이밍 컨트롤러(700)의 제어에 따라 출력 버퍼(500)의 컬럼을 선택하고, 선택된 출력 버퍼(500)의 컬럼에 일시 저장된 데이터를 순차적으로 출력할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(700)는 로우 드라이버(200), 아날로그-디지털 컨버터(400), 출력 버퍼(500) 및 컬럼 드라이버(600)의 동작들을 제어하기 위한 신호들을 생성할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(700)는 이미지 센싱 장치의 각 구성의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤을 위한 제어 신호, 및 로우 또는 컬럼을 선택하기 위한 어드레스 신호들을 로우 드라이버(200), 컬럼 드라이버(600), 아날로그-디지털 컨버터(400) 및 출력 버퍼(500)에 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이의 평면 구조를 부분적으로 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 픽셀 어레이(100)는 로우 방향 및 컬럼 방향으로 연속적으로 배열된 복수의 이미지 픽셀들을 포함할 수 있다.
복수의 이미지 픽셀들은 각각 촬영 객체에 대응되는 이미지 신호(픽셀 신호)를 독립적으로 생성하는 단위 픽셀일 수 있다. 복수의 이미지 픽셀들은 레드(red) 컬러의 광에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 레드 픽셀(PX_R), 그린(green) 컬러의 광에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 그린 픽셀(PX_Gr, PX_Gb) 및 블루(blue) 컬러의 광에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 블루 픽셀(PX_B)을 포함할 수 있다. 레드 픽셀(PX_R), 그린 픽셀(PX_Gr, PX_Gb) 및 블루 픽셀(PX_B)은 레드 컬러 필터(R), 그린 컬러 필터(Gr, Gb) 및 블루 컬러 필터(B)를 포함할 수 있다.
복수의 이미지 픽셀들은 동일한 컬러의 광에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 이미지 픽셀들이 N×N(N은 2이상의 자연수) 형태로 인접하게 위치하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 픽셀 어레이(100)는 4개의 레드 픽셀(PX_R)들이 2×2 형태로 인접하게 위치하는 레드 픽셀 블록들, 4개의 그린 픽셀(PX_Gr)들이 2×2 형태로 인접하게 위치하는 그린 픽셀 블록들, 4개의 그린 픽셀(PX_Gb)들이 2×2 형태로 인접하게 위치하는 그린 픽셀 블록들 및 4개의 블루 픽셀(PX_B)들이 2×2 형태로 인접하게 위치하는 블루 픽셀 블록들을 포함할 수 있다. 이러한 레드 픽셀 블록들, 그린 픽셀 블록들 및 블루 픽셀 블록들은 베이어 패턴(bayer pattern)으로 배열될 수 있다.
컬러 필터들(R, G, B)은 대응되는 픽셀 블록 마다 하나씩 형성될 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터들(R, Gr, Gb, B)은 각 이미지 픽셀(PX_R, PX_Gr, PX_Gb, PX_B)별로 작은 사이즈로 형성되는 것이 아니라, 픽셀 블록별로 해당 픽셀 블록에 포함되는 복수의 이미지 픽셀들이 하나의 큰 컬러 필터를 공유하도록 형성될 수 있다.
픽셀 어레이(100)는 기판층 위에서 인접한 이미지 픽셀들의 컬러 필터들 사이에 위치하는 이중 분리 구조(double layer isolation structure)를 갖는 그리드 구조물(140)을 포함할 수 있다. 이러한 그리드 구조물(140)은 상부 그리드 구조(140a) 및 하부 그리드 구조(140b)를 포함할 수 있다.
상부 그리드 구조(140a)는 서로 다른 컬러의 컬러 필터들(R, Gr, Gb, B) 사이에 위치할 수 있다. 예를 들어, 상부 그리드 구조(140a)는 컬러 필터층과 같은 레이어에서 상하 또는 좌우로 인접한 픽셀 블록들 사이의 영역(경계 영역)에 위치할 수 있다.
상부 그리드 구조(140a)는, 평면상에서 볼 때, 2×2 형태로 인접하게 위치하는 4개의 픽셀 블록들의 경계 영역에서 X 방향(또는 로우 방향)으로 연장되는 영역과 Y 방향(또는 컬럼 방향)으로 연장되는 영역이 교차하는 십자 형태(cross shape)의 구조물들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각 픽셀 블록이 형성되는 영역은 4개의 십자 형태의 구조물들에 의해 둘러 싸여질 수 있다.
하부 그리드 구조(140b)는 컬러 필터들(R, Gr, Gb, B)의 아래에 위치할 수 있으며, 각 픽셀 블록 내에서 인접한 이미지 픽셀들의 경계 영역과 오버랩되게 위치할 수 있다. 예를 들어, 하부 그리드 구조(140b)는 각 픽셀 블록 내에서 이미지 픽셀들의 경계 영역과 오버랩되게 컬러 필터들(R, Gr, Gb, B)과 기판층 사이에서 위치할 수 있다.
하부 그리드 구조(140b)는, 평면상에서 볼 때, X 방향(또는 로우 방향)으로 연장되는 영역과 Y 방향(또는 컬럼 방향)으로 연장되는 영역이 교차하는 십자 형태의 구조물들을 포함할 수 있다. 이때, 하부 그리드 구조(140b)에서 X 방향으로 연장되는 영역은 해당 컬러 필터의 X 방향의 중심선과 오버랩될 수 있으며, 하부 그리드 구조(140b)에서 Y 방향으로 연장되는 영역은 해당 컬러 필터의 Y 방향의 중심선과 오버랩될 수 있다. 십자 형태의 상부 그리드 구조(140a)와 십자 형태의 하부 그리드 구조(140b)는 수직 방향으로 서로 오버랩되지 않게 위치할 수 있다.
일반적으로 인접한 컬러 필터들 간의 크로스토크를 방지하기 위한 그리드 구조물은 컬러 필터층 내에서 인접한 이미지 픽셀들의 컬러 필터들 사이에 위치하게 형성된다. 그런데, 그러한 구조에서는 이미지 센싱 장치의 픽셀수가 증가할수록 그리드 구조물들 사이의 간격이 좁아져 해당 영역(그리드 구조물에 의해 정의된 영역) 내에 컬러 필터들을 형성하기 어려울 뿐만 아니라 각 이미지 픽셀에 대응되는 컬러 필터들의 바닥 면적이 작아져 후속의 열처리 공정에 의해 컬러 필터들이 들뜨는 현상이 발생될 수 있다.
본 실시예에서는 동일한 컬러에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 복수의 이미지 픽셀들을 N×N(N은 2이상의 자연수) 형태의 블록 단위로 인접하게 배열한 후 각 블록(픽셀 블록)의 이미지 픽셀들이 하나의 컬러 필터를 공유하도록 한다. 그리고, 컬러 필터층 내에서는 픽셀 블록들의 경계 영역에서만 그리드 구조(상부 그리드 구조)를 형성한다. 그리고, 각 픽셀 블록의 이미지 픽셀들(PX_R, PX_Gr, PX_Gb, PX_B)에 대해서는, 컬러 필터층 내에 그리드 구조를 형성하지 않고 대신에 해당 이미지 픽셀들의 경계 영역과 오버랩되게 해당 컬러 필터들(R, Gr, Gb, B) 아래에서 그리드 구조(하부 그리드 구조)를 형성한다.
도 2에서는 상부 그리드(140a)와 하부 그리드(140b)가 모두 십자 형태로 형성되는 경우가 예시적으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다.
마이크로렌즈(154)는 픽셀 블록별로 형성되어 하나의 마이크로렌즈(154)가 픽셀 블록에 포함된 복수개(도 2에서는 4개)의 이미지 픽셀들을 커버하도록 형성될 수 있다.
도 3은 도 2에서 A-A′절취선을 따라 절단된 단면의 모습을 예시적으로 보여주는 단면도이며, 도 4는 도 2에서 B-B′절취선을 따라 절단된 단면의 모습을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 픽셀 어레이(100)는 기판층(110), 반사 방지층(120), 컬러 필터층(130), 그리드 구조물(140) 및 렌즈층(150)을 포함할 수 있다.
기판층(110)은 기판(112), 광전변환요소들(114) 및 픽셀 분리막들(116)을 포함할 수 있다. 기판층(110)은 제 1 면 및 제 1 면의 반대편에 위치하는 제 2 면을 포함할 수 있다. 이때, 제 1 면은 외부에서 광이 입사되는 면으로 제 1 면 위에 컬러 필터층(130) 및 렌즈층(150)이 형성될 수 있으며, 제 2 면에서 각 이미지 픽셀 영역에는 해당 이미지 픽셀의 광전변환요소(114)에서 생성된 광전하들을 리드아웃하기 위한 픽셀 트랜지스터들(미도시)이 형성될 수 있다.
기판(112)은 단결정(Single crystal)의 실리콘을 포함하는 반도체 기판을 포함할 수 있다. 기판(112)은 P형 불순물을 포함할 수 있다.
광전변환요소들(114)는 각 이미지 픽셀에 대응되게 반도체 기판(112) 내부에 형성될 수 있다. 광전변환요소들(114)은 컬러 필터층(130)에 의해 필터링되어 입사된 가시광을 광전변환하여 광전하를 생성할 수 있다. 광전변환요소들(114)은 N형 불순물을 포함할 수 있다.
픽셀 분리막(116)은 기판(112) 내에서 인접한 이미지 픽셀들의 광전변환요소들(114) 사이에 형성되어 이미지 픽셀별로 광전변환요소들(114)을 아이솔레이션시킬 수 있다. 픽셀 분리막(116)은 BDTI(Back Deep Trench Isolation) 또는 FDTI(Front Deep Trench Isolation)와 같은 트렌치 구조를 포함할 수 있다. 또는 픽셀 분리막(116)은 기판(112)에 고농도의 불순물(예를 들어, P형 불순물)이 주입된 정션 아이솔레이션 구조를 포함할 수 있다.
반사 방지층(120)은 기판층(110)의 제 1 면 위에 위치할 수 있으며, 입사광이 광전변환요소(114)에 원활히 도달할 수 있도록 광의 반사를 방지할 수 있다. 예를 들어, 반사 방지층(120)은 컬러 필터층(130)과 기판층(110) 간의 굴절률 차이를 보상하여 컬러 필터(130)를 통과하는 광이 효과적으로 기판층(110) 내부로 입사되도록 할 수 있다. 반사 방지층(120)은 기판층(110)에 형성된 소정의 구조물들에 의한 단차를 제거하기 위한 평탄화층의 역할을 수행할 수도 있다.
반사 방지층(120)은 제 1 반사 방지막(122), 제 2 반사 방지막(124) 및 제 3 반사 방지막(126)을 포함할 수 있다. 제 1 반사 방지막(122) 내에는 하부 그리드 구조(140b)가 형성될 수 있다. 제 2 반사 방지막(124)과 제 3 반사 방지막(126)은 컬러 필터들(R, G, B)과 제 1 반사 방지막(122) 사이에 위치할 수 있다. 제 2 반사 방지막(124)과 제 3 반사 방지막(126)은 상부 그리드 구조(140a)의 캡핑막들(144, 148)과 동일한 막일 수 있다. 예를 들어, 제 2 반사 방지막(124)과 제 3 반사 방지막(126)은 캡핑막들(144, 148)이 컬러 필터들(R, G, B)과 제 1 반사 방지막(122) 사이의 영역까지 연장되게 형성된 것일 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위해 제 2 반사 방지막(124)과 제 3 반사 방지막(126)의 참조번호들을 캡핑막들(144, 148)과 다르게 표시하였으나, 제 2 반사 방지막(124)과 캡핑막(144) 그리고 제 3 반사 방지막(126)과 캡핑막(148)은 같은 공정을 통해 함께 형성될 수 있다.
반사 방지막들(122, 124, 126)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막, 또는 고유전막(예를 들어, 하프늄 산화막, 알루미늄 산화막)들 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
컬러 필터층(130)은 반사 방지층(120) 위에 위치할 수 있다. 컬러 필터층(130)은 렌즈층(150)을 통해 입사된 광에서 가시광을 필터링하여 대응되는 광전변환요소들(114)에 전달하는 복수의 컬러 필터들(R, G, B)을 포함할 수 있다. 예컨대, 컬러 필터층(130)은 레드 컬러의 가시광을 통과시키는 복수의 레드 컬러 필터들(R), 그린 컬러의 가시광을 통과시키는 복수의 그린 컬러 필터들(Gr, Gb) 및 블루 컬러의 가시광을 통과시키는 복수의 블루 컬러 필터들(130B)을 포함할 수 있다.
컬러 필터들(R, Gr, Gb, B)은 상부 그리드 구조(140a)에 의해 정의된 영역에 형성될 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터들(R, Gr, Gb, B)은 각 픽셀 블록에 대응되게 픽셀 블록마다 하나씩 형성될 수 있다. 이처럼, 컬러 필터들(R, Gr, Gb, B)이 각 이미지 픽셀(PX_R, PX_Gr, PX_Gb, PX_B)별로 작은 사이즈로 형성되지 않고 픽셀 블록별로 크게 형성됨으로써, 컬러 필터들(R, Gr, Gb, B)과 반사 방지층(120)의 접촉 면적이 증가될 수 있다. 이를 통해, 예를 들어, 컬러 필터들(R, Gr, Gb, B)의 들뜸 현상이 보다 효과적으로 방지될 수 있다.
그리드 구조물(140)은 반사 방지층(120) 위에서 컬러 필터들(R, Gr, Gb, B) 사이에 위치하는 상부 그리드 구조(140a) 및 제 1 반사 방지막(122) 내에서 컬러 필터들(R, Gr, Gb, B)과 오버랩되면서 이미지 픽셀들(PX_R, PX_Gr, PX_Gb, PX_B)의 경계 영역과 오버랩되게 위치하는 하부 그리드 구조(140b)를 포함할 수 있다. 상부 그리드 구조(140a)와 하부 그리드 구조(140b)는 픽셀 분리막(116)과 오버랩되게 형성될 수 있다.
상부 그리드 구조(140a)는 인접한 픽셀 블록들 사이에 위치함으로써 서로 다른 컬러를 갖는 컬러 필터들(R, Gr, Gb, B) 간의 크로스토크를 방지할 수 있다. 상부 그리드 구조(140a)는 에어층, 메탈층 또는 에어층과 메탈층이 적층된 하이브리드 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상부 그리드 구조(140a)는 메탈층(142), 제 1 캡핑막(144), 에어층(146) 및 제 2 캡핑막(148)을 포함할 수 있다.
메탈층(142)은 광 흡수율이 높은 금속 재질(예컨대, 텅스텐)을 포함할 수 있으며, 일 실시예에 따라 서로 다른 재질이 적층되어 형성될 수도 있다. 예를 들어, 메탈층(142)은 텅스텐 아래에 위치하는 베리어메탈층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 에어층(146)은 메탈층(142)과 중첩되게 제 1 캡핑막(144) 위에 형성될 수 있다. 에어층(146)은 에어(air)로 채워진 영역일 수 있다.
제 1 캡핑막(144)은 질화막을 포함할 수 있으며, 메탈층(142)을 커버하면서 컬러 필터들(R, Gr, Gb, B)의 아래까지 연장되게 형성될 수 있다. 제 1 캡핑막(144)은 열처리 공정시 메탈층들(142)이 팽창하는 것을 방지할 수 있다. 제 1 캡핑막(144)에서 컬러 필터층(130)의 아래에 형성되는 영역은 제 2 반사 방지막(124)으로 사용될 수 있다.
제 2 캡핑막(148)은 상부 그리드 구조(140a)의 최외곽에 형성되는 물질막으로서, 에어층(146)이 형성되는 영역을 정의할 수 있다. 제 2 캡핑막(148)은 산화막을 포함할 수 있으며, 에어층(146) 및 메탈층(142)을 커버하면서 컬러 필터층(130)의 아래까지 연장되게 형성될 수 있다. 산화막은 실리콘 산화막(SiO2)과 같은 저온산화(ULTO: Ultra Low Temperature Oxide)막을 포함할 수 있다. 제 2 캡핑막(148)에서 컬러 필터층(130)의 아래에 형성되는 영역은 제 3 반사 방지막(126)으로 사용될 수 있다.
도 3에는 상부 그리드 구조(140a)가 메탈층(142), 제 1 캡핑막(144), 에어층(146) 및 제 2 캡핑막(148)을 포함하는 경우만이 예시적으로 도시되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
하부 그리드 구조(140b)는 제 1 반사 방지막(122) 내에서 각 픽셀 블록마다 위치할 수 있다. 하부 그리드 구조(140b)는 각 픽셀 블록에서 이미지 픽셀들(PX_R, PX_Gr, PX_Gb, PX_B)의 경계 영역과 오버랩되게 위치함으로써 인접한 이미지 픽셀들 간의 크로스토크를 방지할 수 있다. 하부 그리드 구조(140b)는 입사광의 투과를 방지할 수 있는 절연물 또는 메탈을 포함할 수 있다. 또는 하부 그리드 구조(140b)는 에어층을 포함할 수도 있다.
하부 그리드 구조(140b)는 픽셀 분리막(116)과 오버랩되게 형성될 수 있다. 각 픽셀 블록에 형성되는 하부 그리드 구조(140b)는 서로 물리적으로 분리되게 형성될 수 있다.
본 실시예에서 상부 그리드 구조(140a)는 컬러 필터들(R, Gr, Gb, B)과 같은 레이어에서 픽셀 블록들의 경계 영역에 형성됨으로써 서로 다른 컬러의 컬러 필터들(R, Gr, Gb, B) 간의 크로스토크를 방지하고, 하부 그리드 구조(140b)는 컬러 필터들(R, Gr, Gb, B) 아래에서 각 픽셀 블록별로 해당 이미지 픽셀들의 경계 영역에 형성됨으로써 동일한 컬러의 컬러 필터를 통과한 입사광에 대해 이미지 픽셀들 간의 크로스토크를 방지할 수 있다.
렌즈층(150)은 오버 코팅층(152) 및 마이크로 렌즈들(154)을 포함할 수 있다. 오버 코팅층(152)은 컬러 필터층(130)에 의해 발생될 수 있는 단차를 보상하기 위한 평탄화층의 역할을 수행할 수 있다. 마이크로 렌즈들(154)은 오버 코팅층(152) 위에 위치할 수 있다. 마이크로 렌즈들(154) 각각은 볼록렌즈 형태로 형성될 수 있으며, 픽셀 블록 마다 형성될 수 있다. 마이크로 렌즈들(154)은 입사광을 대응되는 광전변환요소(114)에 집광시킬 수 있다. 오버 코팅층(152)과 마이크로 렌즈들(154)은 동일한 물질로 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4에서는 상부 그리드 구조(140a)와 하부 그리드 구조(140b)가 픽셀 분리막들(116)과 전체적으로 오버랩되게 위치하는 모습이 예시적으로 도시되었다. 그러나, 쉐이딩 편차(Shading variations)를 개선하기 위해, 픽셀 어레이(100) 내에서의 위치에 따라 상부 그리드 구조(140a)와 하부 그리드 구조(140b)는 CRA(Chief ray angle)에 대응되게 소정의 간격 만큼씩 쉬프트(shifted) 될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이의 평면 구조를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 픽셀 어레이(100)는 기판층 위에서 인접한 이미지 픽셀들의 컬러 필터들 사이에 위치하는 이중 분리 구조(double layer isolation structure)를 갖는 그리드 구조물(140′)을 포함할 수 있다. 이러한 그리드 구조물(140′)은 상부 그리드 구조(140a) 및 하부 그리드 구조(140c)를 포함할 수 있다.
본 실시예서의 그리드 구조물(140′)은 상술한 그리드 구조물(140)과 비교하여 상부 그리드 구조(140a)는 서로 동일하나 하부 그리드 구조(140c)가 하부 그리드 구조(140b)와 차이가 있다.
상술한 도 2에서, 하부 그리드 구조(140b)는 각 픽셀 블록 마다 형성된 십자 형태의 구조물들이 서로 물리적으로 분리되게 형성되었다.
본 실시예에서의 하부 그리드 구조(140c)는 각 픽셀 블록 마다 형성된 십자 형태의 구조물들이 X 방향 및 Y 방향으로 더 연장됨으로써 이웃하는 픽셀 블록들에 있는 십자 형태의 구조물들이 서로 연결되는 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 하부 그리드 구조(140c)는 X 방향으로 복수의 픽셀 블록들을 가로지르도록 길게 연장되며 서로 일정 간격 이격된 라인 타입의 복수의 영역들과 Y 방향으로 복수의 픽셀 블록들을 가로지르도록 길게 연장되며 서로 일정 간격 이격된 라인 타입의 복수의 영역들이 서로 교차되는 형태로 형성될 수 있다.
이때, 하부 그리드 구조(140c)에 의해 정의된 각 영역에 위치하는 이미지 픽셀들은 서로 다른 컬러에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 픽셀들이 될 수 있으며 해당 이미지 픽셀들은 베이어 패턴으로 배열될 수 있다.
본 실시예에서, 하부 그리드(140c)가 X 및 Y 방향으로 더 연장되게 형성되는 것 이외의 다른 구성들은 상술한 도 2의 실시예와 동일하게 형성될 수 있으며, 따라서 다른 구성들에 대한 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이의 평면 구조를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 픽셀 어레이(100)는 기판층 위에서 인접한 이미지 픽셀들의 컬러 필터들 사이에 위치하는 이중 분리 구조(double layer isolation structure)를 갖는 그리드 구조물(140″)을 포함할 수 있다. 이러한 그리드 구조물(140″)은 상부 그리드 구조(140d) 및 하부 그리드 구조(140c)를 포함할 수 있다.
본 실시예서의 그리드 구조물(140″)은 상술한 도 2의 그리드 구조물(140)과 비교하여 상부 그리드 구조(140d) 및 하부 그리드 구조(140c)가 모두 상부 그리드 구조(104a) 및 하부 그리드 구조(140b)와 차이가 있다. 또한, 그리드 구조물(140″)은 상술한 도 5의 그리드 구조물(140′)과 비교하여 하부 그리드 구조(140c)는 서로 동일하나 상부 그리드 구조(140d)가 상부 그리드 구조(140a)와 차이가 있다.
상술한 도 2 및 도 5에서, 상부 그리드 구조(140a)는 2×2 형태로 인접하게 위치하는 4개의 픽셀 블록들의 경계 영역에서 X 방향으로 연장되는 영역과 Y 방향으로 연장되는 영역이 교차하는 십자 형태의 구조물들로 형성되며, 그 십자 형태의 구조물들이 서로 물리적으로 분리되게 형성되었다.
본 실시예에서의 상부 그리드 구조(140d)도 하부 그리드 구조(140c)와 같이 십자 형태의 구조물들이 X 방향 및 Y 방향으로 더 연장되어 서로 연결되는 형태로 형성될 수 있다.
본 실시예에서 상부 그리드 구조(140d)와 하부 그리드 구조(140c) 이외의 다른 구성들은 상술한 도 2의 해당 구성과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
상술한 도 6의 실시예에서, 하부 그리드 구조는 도 2의 실시예에서와 같이 십자 형태의 구조물들로 형성될 수도 있음은 자명하다.
또한, 상술한 실시예들에서는 픽셀 블록들이 2×2 형태로 위치하는 4개의 이미지 픽셀들을 포함하는 경우를 예시적으로 설명하였으나, 픽셀 블록들은 3×3, 4×4 … 등의 형태로 위치하는 복수의 이미지 픽셀들을 포함할 수 있다. 그러한 경우에도 컬러 필터들은 픽셀 블록 마다 하나씩 형성됨으로써 해당 픽셀 블록에 포함되는 복수의 이미지 픽셀들은 하나의 컬러 필터를 공유할 수 있다. 또한, 상부 그리드 구조는 컬러 필터들과 같은 레이어에서 픽셀 블록들의 경계 영역에 위치할 수 있으며, 하부 그리드 구조는 컬러 필터들 아래에서 각 픽셀 블록 내의 이미지 픽셀들의 경계 영역에 위치할 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.
100: 픽셀 어레이 110: 기판층
120: 반사 방지층 130: 컬러 필터층
140, 140′, 140″: 그리드 구조물
150: 렌즈층 200: 로우 드라이버
300: 상관 이중 샘플러 400: 아날로그-디지털 컨버터
500: 출력 버퍼 600: 컬럼 드라이버
700: 타이밍 컨트롤러

Claims (20)

  1. 제 1 컬러를 갖는 하나의 제 1 컬러 필터를 공유하여 상기 제 1 컬러에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 복수의 제 1 이미지 픽셀들이 인접하게 위치한 복수의 제 1 픽셀 블록들;
    제 2 컬러를 갖는 하나의 제 2 컬러 필터를 공유하여 상기 제 2 컬러에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 복수의 제 2 이미지 픽셀들이 인접하게 위치한 복수의 제 2 픽셀 블록들;
    제 3 컬러를 갖는 하나의 제 3 컬러 필터를 공유하여 상기 제 3 컬러에 대응되는 이미지 신호를 생성하는 복수의 제 3 이미지 픽셀들이 인접하게 위치한 복수의 제 3 픽셀 블록들;
    상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터들 사이에서 상기 제 1 내지 제 3 픽셀 블록들의 경계 영역에 위치하는 상부 그리드 구조; 및
    기판층과 상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터들 사이에 위치하며, 상기 제 1 내지 제 3 픽셀 블록들 각각에서 해당 이미지 픽셀들의 경계 영역과 적어도 일부가 수직방향으로 중첩하는 하부 그리드 구조를 포함하는 이미지 센싱 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 내지 제 3 픽셀 블록들 각각은
    컬러 필터를 공유하는 복수의 이미지 픽셀들이 N×N(N은 2이상의 자연수) 형태로 인접하게 배열되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 상부 그리드 구조는
    제 1 방향으로 연장되는 영역과 상기 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 연장되는 영역이 서로 교차되는 십자 형태의 구조물들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 상부 그리드 구조는
    이웃하는 십자 형태의 구조물들이 서로 물리적으로 분리되게 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 하부 그리드 구조는
    상기 제 1 내지 제 3 픽셀 블록들 내에서, 상기 제 1 방향으로 연장되는 영역과 상기 제 2 방향으로 연장되는 영역이 서로 교차되는 십자 형태의 구조물들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 상부 그리드 구조와 상기 하부 그리드 구조는 서로 오버랩되지 않게 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  7. 청구항 3에 있어서, 상기 하부 그리드 구조는
    상기 제 1 방향으로 복수의 픽셀 블록들을 가로지도록 연장되며 서로 일정 간격 이격된 라인 타입의 복수의 영역들과 상기 제 2 방향으로 복수의 픽셀 블록들을 가로지르도록 연장되며 서로 일정 간격 이격된 라인 타입의 복수의 영역들이 서로 교차되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 하부 그리드 구조에 의해 정의된 영역들에는 상기 제 1 내지 제 3 이미지 픽셀들이 베이어 패턴으로 배열되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 상부 그리드 구조는
    제 1 방향으로 복수의 픽셀 블록들과 접하도록 연장되며 서로 일정 간격 이격된 라인 타입의 복수의 영역들과 상기 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 연장되며 서로 일정 간격 이격된 라인 타입의 복수의 영역들이 서로 교차되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 하부 그리드 구조는
    상기 제 1 방향으로 복수의 픽셀 블록들을 가로지도록 연장되며 서로 일정 간격 이격된 라인 타입의 복수의 영역들과 상기 제 2 방향으로 복수의 픽셀 블록들을 가로지르도록 연장되며 서로 일정 간격 이격된 라인 타입의 복수의 영역들이 서로 교차되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 하부 그리드 구조는
    상기 제 1 내지 제 3 픽셀 블록들 내에서, 상기 제 1 방향으로 연장되는 영역과 상기 제 2 방향으로 연장되는 영역이 서로 교차되는 십자 형태의 구조물들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 상부 그리드 구조는
    메탈층;
    상기 메탈층 위에 위치하는 에어층; 및
    상기 메탈층과 상기 에어층을 커버하는 캡핑막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 제 캡핑막은
    상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터들의 아래까지 연장되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 기판층과 상기 캡핑막 사이에 위치하는 반사 방지막을 더 포함하며,
    상기 하부 그리드 구조는 상기 반사 방지막 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  15. 광전변환요소들 및 상기 광전변환요소들을 분리시키는 픽셀 분리막을 포함하는 기판층;
    하나의 컬러 필터가 복수의 상기 광전변환요소들을 커버하도록 상기 기판층 위에 위치하는 복수의 컬러 필터들;
    상기 픽셀 분리막과 오버랩되게 상기 컬러 필터들 사이에 위치하는 상부 그리드 구조; 및
    상기 픽셀 분리막과 오버랩되게 상기 기판층과 상기 컬러 필터들 사이에 위치하는 하부 그리드 구조를 포함하는 이미지 센싱 장치.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 복수의 컬러 필터들 각각은
    N×N(N은 2이상의 자연수) 형태로 인접하게 배열되는 복수의 이미지 픽셀들의 상기 광전변환요소들과 오버랩되게 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  17. 청구항 15에 있어서, 상기 상부 그리드 구조는
    제 1 방향으로 연장되는 영역과 상기 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 연장되는 영역이 서로 교차되는 십자 형태의 구조물들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 하부 그리드 구조는
    상기 컬러 필터들 각각에 대해, 해당 컬러 필터의 아래에서 상기 제 1 방향으로 연장되는 영역과 상기 제 2 방향으로 연장되는 영역이 서로 교차되는 십자 형태의 구조물들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 상부 그리드 구조와 상기 하부 그리드 구조는 서로 오버랩되지 않게 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  20. 청구항 17에 있어서, 상기 하부 그리드 구조는
    상기 제 1 방향으로 복수의 컬러 필터들을 가로지도록 연장되며 서로 일정 간격 이격된 라인 타입의 복수의 영역들과 상기 제 2 방향으로 복수의 컬러 필터들을 가로지르도록 연장되며 서로 일정 간격 이격된 라인 타입의 복수의 영역들이 서로 교차되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
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