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KR102556008B1 - 이미지 센서의 컬러 스플리터 - Google Patents

이미지 센서의 컬러 스플리터 Download PDF

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KR102556008B1
KR102556008B1 KR1020150140609A KR20150140609A KR102556008B1 KR 102556008 B1 KR102556008 B1 KR 102556008B1 KR 1020150140609 A KR1020150140609 A KR 1020150140609A KR 20150140609 A KR20150140609 A KR 20150140609A KR 102556008 B1 KR102556008 B1 KR 102556008B1
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light
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image sensor
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손진승
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삼성전자주식회사
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Abstract

컬러 스플리터를 포함하는 이미지 센서 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 이미지 센서는 광전변환층 상에서 복수의 픽셀영역에 형성된 복수의 컬러 필터와, 상기 광전변환층 상에서 상기 복수의 컬러 필터를 덮는 광투과층과, 상기 광투과층 상에서 그 상면 및 측면이 그 주위의 공기에 노출되며, 상기 공기와의 굴절률 차이로 입사광의 일부를 투과시키고 나머지를 인접한 픽셀 영역으로 굴절시키는 컬러 스플리터를 포함한다.
상기 컬러 스플리터는 스핀 코팅 공정으로 형성될 수 있다.

Description

이미지 센서의 컬러 스플리터{Color splitter of image sensor}
이미지 센서의 컬러 스플리터에 관한 것이다.
컬러 이미지 센서는 컬러 필터를 이용하여 입사광의 색을 검출한다. 컬러 이미지 센서는, 예를 들어, 4개의 화소로 이루어진 단위 화소 중에서 2개의 화소에는 녹색 필터가 배치되고, 나머지 2개의 화소에는 청색 필터와 적색 필터가 각각 배치되는 RGB 컬러 필터 방식을 가장 많이 채택하고 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.
컬러 필터는 해당 색의 빛을 제외한 나머지 색의 빛을 흡수하기 때문에 광 이용 효율을 감소시킨다. 예를 들어, RGB 컬러 필터를 사용하는 경우, 입사광의 1/3만을 투과시키고 나머지 2/3는 흡수하므로 광 이용 효율이 약 33% 정도로 낮다. 따라서, 컬러 이미지 센서에서, 대부분의 광 손실이 컬러 필터에서 발생하게 된다.
최근에는 컬러 이미지 센서의 광 이용 효율을 향상시키기 위하여, 컬러 스플리터를 이용하는 시도가 이루어지고 있다. 컬러 스플리터는 빛의 파장에 따른 빛의 회절 또는 굴절이 다른 특성을 이용하여 입사광의 색을 분리한다. 컬러 스플리터를 이용하여 분리된 색들은 각각의 대응되는 픽셀에 전달될 수 있다. 따라서, 컬러 스플리터를 사용하면 컬러 필터 만을 사용하는 경우보다 광 이용 효율을 향상시킬 수 있다.
측면과 상면이 공기에 노출된 컬러 스플리터를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
상기 이미지 센서의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 이미지 센서는:
광전변환층;
상기 광전변환층 상에서 복수의 픽셀영역에 형성된 복수의 컬러 필터;
상기 광전변환층 상에서 상기 복수의 컬러 필터를 덮는 광투과층; 및
상기 광투과층 상에서 그 상면 및 측면이 그 주위의 공기에 노출되며, 상기 공기와의 굴절률 차이로 입사광의 일부를 투과시키고 나머지를 인접한 픽셀 영역으로 굴절시키는 컬러 스플리터;를 포함한다.
상기 컬러 스플리터의 굴절률은 1.4 ~ 2.4일 수 있다.
상기 컬러 스플리터는 SiNx, TiO2, ZnS, ZnSe를 포함하는 고굴절률 물질 중 하나, 또는 상기 고굴절률 물질의 나노입자들이 분산된 광학 폴리머로 이루어질 수 있다.
일 국면에 따르면, 상기 복수의 컬러 필터는 하나의 적색 필터와, 두 개의 녹색 필터와 하나의 청색 필터가 2x2 어레이로 배치되며, 상기 두 개의 녹색 필터가 대각선 방향으로 배치된 컬러 필터 유니트가 어레이 형태로 배열되며,
상기 컬러 스플리터는 상기 각 녹색 필터 영역에 배치된 복수의 컬러 스플리터를 포함하며,
상기 컬러 스플리터는 상기 입사광 중 녹색광을 투과시키고, 나머지 광을 인접한 청색필터 영역 또는 적색필터 영역으로 보낸다.
다른 국면에 따르면, 상기 컬러스플리터는 상기 복수의 픽셀영역에서 소정의 컬러 픽셀영역에 배치된 복수의 컬러 스플리터를 포함하며,
상기 컬러 스플리터는 상기 광투과층 표면에 형성된 제1 요소; 및
상기 제1 요소 상의 제2요소;를 포함하며,
상기 제2요소는 상기 복수의 픽셀영역의 중앙으로부터 주변 픽셀영역으로 갈수록 상기 제1 요소로부터 안쪽으로 시프트되게 형성될 수 있다.
또 다른 국면에 따르면, 상기 복수의 컬러 필터는 하나의 적색 필터와, 두 개의 녹색 필터와 하나의 청색 필터가 2x2 어레이로 배치되며, 상기 두 개의 녹색 필터가 대각선 방향으로 배치된 컬러 필터 유니트가 어레이 형태로 배열되며,
상기 컬러 스플리터는 상기 녹색필터들을 연결하는 대각선 방향으로 배치된 메쉬 형상을 가질 수 있다.
상기 컬러 스플리터는:
상기 녹색필터들을 연결하는 상기 대각선 방향으로 배치된 메쉬 형상을 가진 제1 요소; 및
상기 제1 요소 상에서 상기 복수의 픽셀영역의 중앙으로부터 주변 픽셀영역으로 갈수록 상기 제1 요소로부터 안쪽으로 시프트되게 형성된 메쉬 형상의 제2 요소;를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조방법은: 광전변환층 상에 복수의 컬러 필터를 형성하는 단계;
상기 광전변환층 상으로 상기 복수의 컬러 필터를 덮는 광투과층을 형성하는 단계; 및
상기 광투과층 상에서 그 상면 및 그 측면이 주위의 공기에 노출되며, 상기 공기와의 굴절률 차이로 입사광의 일부를 투과시키고 나머지를 인접한 픽셀영역으로 굴절시키는 컬러 스플리터를 형성하는 단계;를 포함한다.
일 국면에 따르면, 상기 컬러 스플리터 형성단계는:
상기 광투과층 상으로 희생층을 형성하는 단계;
상기 희생층을 패터닝하여 상기 스플리터 형성영역에 대응되는 관통홀을 형성하는 단계;
상기 희생층 상으로 광학 폴리머 물질을 스핀코팅방법으로 상기 관통홀을 채우는 단계;
상기 희생층 상의 상기 광학 폴리머 물질을 제거하여 상기 관통홀을 채운 상기 광학 폴리머 물질을 노출시키는 단계; 및
상기 희생층을 제거하여 그 상면 및 그 측면이 공기에 노출된 상기 컬러 스플리터를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
다른 국면에 따르면, 상기 컬러 스플리터 형성단계는:
상기 광투과층 상으로 제1 희생층을 형성하는 단계;
상기 제1 희생층을 패터닝하여 상기 컬러 스플리터의 제1 요소 형성영역에 대응되는 제1 관통홀을 형성하는 단계;
상기 제1 희생층 상으로 제1 광학 폴리머 물질을 스핀코팅방법으로 상기 제1 관통홀을 채우는 단계;
상기 제1 희생층 상의 상기 제1 광학 폴리머 물질을 제거하여 상기 제1 광학 폴리머 물질로 이루어진 상기 제1 요소를 노출시키는 단계;
상기 제1 희생층 상으로 상기 제1물질을 덮는 제2 희생층을 형성하는 단계;
상기 제2 희생층을 패터닝하여 상기 스플리터의 제2요소 형성영역에 대응되는 제2 관통홀을 형성하는 단계;
상기 제1 희생층 상으로 제2 광학 폴리머 물질을 스핀코팅방법으로 상기 제2 관통홀을 채우는 단계;
상기 제2 희생층 상의 상기 제2 광학 폴리머 물질을 제거하여 상기 제2 광학 폴리머 물질로 이루어진 상기 제2 요소를 노출시키는 단계; 및
상기 제1 희생층 및 제2 희생층을 제거하여 상기 제1 요소 및 상기 제2 소의 그 상면 및 그 이 공기에 노출된 컬러 스플리터를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 컬러 스플리터가 형성된 픽셀 주변의 픽셀영역에서의 광 이용효율이 증가한다.
종래의 컬러 스플리터는 그 주위의 저굴절률 물질과의 굴절률 차이가 어느 정도 있어야 되는 데, 실시예에 따른 컬러 스플리터는 굴절률이 낮은 공기가 컬러 스플리터의 주위에 있으므로, 종래의 컬러 스플리터 보다 낮은 굴절률을 가진 물질로 형성될 수 있다.
또한, 종래의 컬러 스플리터와 동일한 물질로 형성되는 경우, 보다 그 크기가 작게 형성될 수 있다. 컬러 스플리터의 높이 감소로 이미지 센서의 소형화가 가능해진다.
실시예에 따르면, 컬러 스플리터를 스핀 코팅공정으로 제조하므로, 화학기상증착법(CVD)이나 물리기상증착법(PVD) 등과 같은 챔버 내의 증착 공정 대신에, 간단한 스핀 코팅공정으로 컬러 스플리터를 형성하므로, 매우 간단한 장비와 쉬운 공정으로 컬러 스플리터를 포함하는 이미지 센서를 제조할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 보여주는 평면도다.
도 2는 도 1의 II-II' 선단면도다.
도 3은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적 구조를 설명하는 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 컬러 스플리터의 위치에 따른 컬러 스플리터의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다.
도 5는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 보여주는 평면도며, 도 6은 도 5의 VI-VI' 선단면도다.
도 7은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 보여주는 평면도며, 도 8은 도 7의 Ⅷ-Ⅷ' 선단면도다.
도 9a 내지 도 9g는 도 4b의 이미지 센서를 제조하는 방법을 단계별로 설명하는 단면도다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 이미지 센서(100)의 픽셀 어레이(105)를 보여주는 평면도며, 도 2는 도 1의 II-II' 선단면도다.
도 1을 참조하면, 픽셀 어레임(105)는 어레이 형태로 배열된 복수의 픽셀 유니트(PU)를 포함한다. 픽셀 유니트(PU)는 두 개의 녹색 픽셀(G)과 하나의 적색 픽셀(R)과 하나의 청색 픽셀(B)을 포함할 수 있다. 픽셀(R, G, B)은 픽셀영역(R, G, B)으로도 칭한다. 또한, 픽셀(R, G, B)은 필터영역(R, G, B)으로도 칭한다.
도 1의 픽셀 어레이(105)는 예시적으로 Bayer pattern을 보여준다. 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 컬러 픽셀(R, G, B)의 위치가 도 1의 배치와 다를 수도 있다. 또한, 픽셀 유니트(PU)는 사이안, 옐로우, 그린, 마젠타 픽셀로 이루어질 수도 있다.
실시예의 이미지 센서(100)는 각 녹색 픽셀(G)에 형성된 컬러 스플리터(140)를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 이미지 센서(100)는 광전변환층(110) 상에 배치된 복수의 컬러 필터(120)를 포함할 수 있다. 광전변환층(110) 상에 복수의 컬러 필터(120)를 덮는 광투과층(130)이 형성될 수 있다. 광투과층(130) 상에서 컬러 스플리터(140)가 배치되어 있다.
광전변환층(110)은 복수의 컬러 픽셀(R, G, B)에 대응되는 복수의 광전변환영역(111)을 포함한다. 광전변환층(110)은 제1형의 불순물로 도핑된 실리콘층일 수 있으며, 광전변환영역(111)은 제2형의 불순물로 도핑된 영역일 수 있다. 제1형의 불순물이 n형 불순물인 경우, 제2형의 불순물은 p형 불순물일 수 있다. 제1형의 불순물이 p형 불순물인 경우, 제2형의 불순물은 n형 불순물일 수 있다.
각 컬러 필터(120)는 해당 컬러 픽셀(R, G, B)의 컬러의 광은 투과시키고 다른 컬러의 광은 차단한다. 컬러 필터들(120)은 컬러 크로스토크를 방지하도록 서로 이격되게 형성될 수 있다. 도 2에는 녹색 컬러 필터(120G)와 청색 컬러 필터(120B) 만 도시하였다.
광투과층(130)은 컬러 스플리터(140)에서 분리된 광이 해당 픽셀까지 도달하도록 경로를 제공할 수 있다.
광투과층(130)은 SiO2나 SOG(spin-on glass)로 이루어질 수 있다. 컬러 스플리터(140)로부터 분리된 광이 해당 픽셀의 컬러 필터(120)로 향하도록 광투과층(130)이 설계될 수 있다.
컬러 스플리터(140)는 하부면이 광투과층(130)과 접촉되게 형성된다. 컬러 스플리터(140)는 제조공정중 베이킹 과정에서 광투과층(130)에 고정되게 형성될 수 있다. 컬러 스플리터(140)의 측면과 상면은 공기에 노출된다. 컬러 스플리터(140)는 공기 보다 높은 굴절률을 가진 물질로 이루어질 수 있다. 컬러 스플리터(140)는 굴절률이 1.4~2.4 인 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 컬러 스플리터(140)는 SiNx, TiO2, ZnS, ZnSe 등으로 형성될 수 있다.
컬러 스플리터(140)는 스핀 코팅이 가능한 물질을 이용하여 제조될 수 있다. 예컨대, 광학 폴리머로 이루어질 수 있다. 광학 폴리머는 polymethyl methacrylate (PMMA), 에폭시 수지, 2-Methoxy-1-methylethyl acetate, 페닐 메틸 실록산 폴리머 등으로 이루어질 수 있다. 또한, 컬러 스플리터(140)는 상기 광학 폴리머에 대략 1.5 이상의 굴절률을 가지는 고굴절률 물질의 나노입자들을 분산시킨 광학 폴리머일 수 있다. 상기 고굴절률 물질은 SiNx, TiO2, ZnS, ZnSe 을 포함할 수 있다.
이하에서는 이미지 센서(100)의 작용을 도면을 참조하여 설명한다.
이미지 센서(100)로 입사된 광은 컬러 스플리터(140)를 지나면서 녹색광과 나머지 컬러의 광, 예컨대 마젠타 광으로 분리된다. 마젠타 광은 적색광과 청색광을 포함한다. 적색 픽셀(G)로 입사된 광 중 녹색광은 방향을 바꾸지 않고 녹색 필터(120G)로 들어가며, 나머지 광은 컬러 스플리터(140)에서 경사지게 굴절되어서 인접한 영역, 즉, 청색 픽셀(B)의 청색 필터(120B)로 들어간다. 컬러 스플리터(140)의 위치에 따라 상기 나머지 광은 적색 픽셀(R)로 들어갈 수 있다.
따라서, 녹색 픽셀(G)에서는 종래의 이미지 센서(100)와 같이 입사광의 약 33% 정도만이 녹색 컬러 필터(120)를 통과하여 그 아래의 광전변환영역(111)으로 들어간다. 반면에, 적색 픽셀(R) 및 청색 픽셀(B)에서는 해당 픽셀로 입사된 광 이외에 인접한 녹색 픽셀(G)영역 위의 컬러 스플리터(140)로부터 굴절된 마젠타 광이 더 들어온다. 따라서, 적색 픽셀(R) 및 청색 픽셀(B)에서의 광 이용효율이 증가할 수 있다.
종래의 컬러 스플리터는 그 주위의 저굴절률 물질과의 굴절률 차이가 어느 정도 있어야 되는 데, 실시예에 따른 컬러 스플리터는 굴절률이 낮은 공기가 컬러 스플리터의 주위에 있으므로, 종래의 컬러 스플리터 보다 낮은 굴절률을 가진 물질로 형성될 수 있다.
또한, 종래의 컬러 스플리터와 동일한 물질로 형성되는 경우, 보다 그 크기가 작게 형성될 수 있다. 컬러 스플리터의 높이 감소로 이미지 센서의 소형화가 가능해진다.
도 1 및 도 2에 도시된 이미지 센서(100)의 픽셀 어레이(105)의 배치와 컬러 스플리터(140)의 배치는 단지 이해를 돕기 위한 예일 뿐이며, 본 실시예는 도 1 및 도 2에 도시된 예에 한정되지 않는다. 컬러 스플리터(140)의 설계에 따라 색 분리 특성이 다양하게 선택될 수 있으며, 컬러 스플리터(140)의 색분리 특성에 따라 픽셀 어레이(105)의 구조도 다양하게 선택될 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 이미지 센서(200)의 개략적 구조를 설명하는 도면이다. 도 1 및 도 2의 구성요소와 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 이미지 센서(200) 앞에는 대물렌즈(290)가 배치될 수 있다. 이미지 센서(200)는 픽셀 어레이(205)와 그 위의 광투과층(230)과 컬러 스플리터(240)를 포함한다. 픽셀 어레이(205)는 광전변환층과 컬러 필터들을 포함할 수 있다. 광투과층(230) 상에는 복수의 컬러 스플리터(240)가 배치된다. 복수의 컬러 스플리터(240)는 도 1에서 보인 것 처럼 녹색 픽셀영역(G)에 형성될 수 있다. 컬러 스플리터(240)는 2단 구조로 형성될 수 있다. 즉, 컬러 스플리터(240)는 광투과층(230) 상의 제1 요소(240a)와, 제1 요소(240a) 상의 제2 요소(240b)를 포함할 수 있다.
대물렌즈(290)는 피사체의 상을 이미지 센서(200)에 포커싱하는 역할을 한다. 피사체의 어느 한 점에서 출발한 빛은 대물렌즈(290)를 통해 이미지 센서(200) 상의 한 점으로 입사된다. 예를 들어, 대물렌즈(290)의 광축(OX) 상의 어느 한 점(A)에서 출발한 빛은 대물렌즈(290)를 통과한 후, 광축(OX) 상에 있는 이미지 센서(200)의 중심으로 입사된다. 또한, 광축(OX)에서 벗어난 어느 한 점(B, C, D)에서 출발한 빛은 대물렌즈(290)에 의해 광축(OX)을 가로질러 이미지 센서(200)의 주변부의 한 점으로 입사된다. 예를 들어, 광축(OX)보다 위쪽에 있는 한 점(B)에서 출발한 빛은 광축(OX)을 가로질러 이미지 센서(200)의 아래쪽 가장자리에 입사되며, 광축(OX)보다 아래쪽에 있는 한 점(C)에서 출발한 빛은 광축(OX)을 가로질러 이미지 센서(200)의 위쪽 가장자리에 입사된다. 또한, 광축(OX)과 점(B) 사이에 위치한 점(D)에서 출발한 빛은 이미지 센서(200)의 중심과 아래쪽 가장자리 사이로 입사된다.
따라서, 서로 다른 점들(A, B, C, D)에서 각각 출발한 빛은 점들(A, B, C, D)과 광축(OX) 사이의 거리에 따라 서로 다른 각도로 이미지 센서(200)에 입사된다. 광축(OX)에 있는 점(A)에서 출발한 빛의 광축(OX)에 대한 입사각은 0도며, 이미지 센서(200)에 수직하게 입사한다. 출발점이 광축(OX)에서 멀어질수록 광축(OX)에 대한 입사각은증가한다.
컬러 스플리터(240)는 일반적으로 방향성을 갖는 구조를 갖는다. 이러한 방향성으로 인해, 컬러 스플리터(240)에 수직으로 입사하는 빛에 대해서는 효율적으로 동작하지만, 입사각이 일정 각도 이상으로 커지게 되면 컬러 스플리터(240)의 색분리 효율이 급격하게 떨어지게 된다. 따라서, 이미지 센서(200)의 전체 영역에 동일한 구조의 컬러 스플리터(240)들을 배열하는 경우, 이미지 센서(200)의 중심부에서 멀어질수록 영상의 품질이 낮아질 수 있다.
실시예에 따른 픽셀 어레이(205)는 이미지 센서(200)의 가장자리에서도 효율적인 색분리가 가능하도록 다단구조의 컬러 스플리터(240)를 포함할 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 컬러 스플리터(240)의 위치에 따른 컬러 스플리터(240)의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도다. 이미지 센서(200)의 픽셀 어레이(205)는 도 1과 실질적으로 동일하며, 다만, 컬러 스플리터(240)의 구조만 다르다. 도 4a 내지 도 4c의 구조는 도 1의 II-II' 선단면도로 볼 수 있다. 도 2의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다. 도 4a 내지 도 4c에서는 편의상 광전변환영역을 도시하지 않았다.
도 4a는 빛이 이미지 센서(200)에 수직 입사하는 경우에 컬러 스플리터(240)의 제1 요소(240a)와 제2 요소(240b)의 위치 관계를 보다 상세히 보이는 예시적인 단면도며, 도 4b와 도 4c는 빛이 이미지 센서(200)에 비스듬하게 입사하는 경우에 컬러 스플리터(240)의 제1 요소(240a)와 제2 요소(240b)의 위치 관계를 보다 상세히 보이는 예시적인 단면도다.
도 4a를 참조하면, 입사광이 이미지 센서(200)에 수직 입사하는 경우, 컬러 스플리터(240)의 제1 요소(240a)와 제2 요소(240b)는 시프트되어 있지 않다. 이 경우, 컬러 스플리터(240)의 제1 요소(240a)와 제2 요소(240b)는 중심부가 서로 일치하도록 해당 픽셀의 중심선을 따라 정렬될 수 있다.
도 4b 및 도 4c를 참조하면, 입사광이 이미지 센서(200)에 경사지게 입사하는 경우, 컬러 스플리터(240)의 제1 요소(240a)와 제2 요소(240b)가 서로에 대해 시프트될 수 있다. 이러한 컬러 스플리터들(240)의 제1 요소(240a)와 제2 요소(240b)는 경사지게 입사하는 빛의 진행 방향에 맞추어 정렬되도록 시프트될 수 있다.
예를 들어, 도 4b에 도시된 바와 같이, 입사광이 좌측으로부터 경사지게 입사하는 경우, 제2 요소(240b)는 제1 요소(240a)에 대해 상대적으로 좌측으로 더 시프트될 수 있다. 제1 요소(240a)와 제2 요소(240b)의 상대적인 시프트 거리(d1)는 입사광의 입사각이 증가할수록 커지게 된다.
또한, 도 4c에 도시된 바와 같이, 입사광이 우측으로부터 경사지게 입사하는 경우, 제2 요소(240b)는 제1 요소(240a)에 대해 상대적으로 우측으로 더 시프트될 수 있다. 제1 요소(240a)와 제2 요소(240b)의 상대적인 시프트 거리(d2)는 입사광의 입사각이 증가할수록 커지게 된다.
앞서 설명한 바와 같이, 입사광이 수직 입사하는 경우에는 컬러 스플리터(240)는 대응 화소의 중심선을 따라 정렬될 수 있다. 그러나, 입사광이 경사지게 입사하는 경우에는, 제1 요소 및 제2 요소(240a, 240b)가 전체적으로 빛이 입사해 오는 방향을 향해 이동하여 배치되며, 제1 요소 및 제2 요소(240a, 240b)는 서로에 대해 상대적으로 시프트될 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서는 이미지 센서로 입사되는 광의 입사각의 변화에 따른 색분리 효율의 변화가 크지 않아 이미지 센서의 전체 영역에서 고른 색 특성을 가진다.
도 5는 다른 실시예에 따른 이미지 센서(300)의 픽셀 어레이(305)를 보여주는 평면도며, 도 6은 도 5의 VI-VI' 선단면도다.
도 5를 참조하면, 이미지 센서(300)는 어레이 형태로 배열된 복수의 픽셀 유니트(PU)를 포함한다. 픽셀 유니트(PU)는 두 개의 녹색 픽셀(G)과 하나의 적색 픽셀(R)과 하나의 청색 픽셀(B)을 포함할 수 있다. 도 5의 배치는 예시적으로 Bayer pattern을 보여준다. 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 컬러 픽셀(R, G, B)의 위치가 도 5의 배치와 다를 수도 있다. 또한, 픽셀 유니트(PU)는 사이안, 옐로우, 그린, 마젠타 픽셀로 이루어질 수도 있다.
컬러 스플리터(340)는 녹색 픽셀(G)을 가로지르도록 형성될 수 있다. 컬러 스플리터(340)는 메쉬 형상을 가질 수 있다.
도 6을 참조하면, 광전변환층(310) 상에 복수의 컬러 필터(320)가 배치될 수 있다. 광전변환층(310)에는 미도시된 복수의 광전변환영역이 형성되어 있다. 광전변환층(310) 상에 복수의 컬러 필터(320)를 덮는 광투과층(330)이 형성될 수 있다. 광투과층(330) 상에서 메쉬 형상의 컬러 스플리터(340)가 배치되어 있다.
컬러 스플리터(340)는 하부면이 광투과층(330)과 접촉되게 형성된다. 컬러 스플리터(340)는 제조공정중 베이킹 과정에서 광투과층(330)에 고정되게 형성될 수 있다. 컬러 스플리터(340)의 측면과 상면은 공기에 노출된다. 컬러 스플리터(340)는 공기 보다 높은 굴절률을 가진 물질로 이루어질 수 있다. 컬러 스플리터(340)는 굴절률이 1.4~2.4 인 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 컬러 스플리터(340)는 SiNx, TiO2, ZnS, ZnSe 등으로 형성될 수 있다.
컬러 스플리터(340)는 스핀 코팅이 가능한 물질로 이루어질 수 있다.
이미지 센서(300)로 입사된 광은 컬러 스플리터(340)를 지나면서 녹색광과 나머지 컬러의 광, 예컨대 마젠타 광으로 분리된다. 마젠타 광은 적색광과 청색광을 포함한다. 녹색 픽셀영역(G)으로 입사된 광 중 녹색광은 방향을 바꾸지 않고 녹색 필터(302G)로 들어가며, 나머지 마젠타 광은 컬러 스플리터(340)에서 경사지게 굴절되어서 인접한 영역, 즉, 적색 픽셀영역(R) 및 청색 픽셀영역(B)으로 들어간다.
실시예에 따른 이미지 센서(300)에서는 적색 픽셀영역(R) 및 청색 픽셀영역(B)에 입사되는 광이 증가하며, 따라서, 광 이용효율이 증가할 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서(300)의 컬러 스플리터(340)는 상술한 실시예 보다 넓은 면적의 광투과층(330)에 고정되므로, 구조적으로 더 안정될 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 이미지 센서(400)의 픽셀 어레이(405)를 보여주는 평면도며, 도 8은 도 7의 Ⅷ-Ⅷ' 선단면도다. 도 5 및 도 6의 구성요소와 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, 이미지 센서(400)는 어레이 형태로 배열된 복수의 픽셀 유니트(PU)를 포함한다. 픽셀 유니트(PU)는 두 개의 녹색 픽셀(G)과 하나의 적색 픽셀(R)과 하나의 청색 픽셀(B)을 포함할 수 있다. 도 7의 배치는 예시적으로 Bayer pattern을 보여준다. 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 컬러 픽셀(R, G, B)의 위치가 도 7의 배치와 다를 수도 있다. 또한, 픽셀 유니트(PU)는 사이안, 옐로우, 그린, 마젠타 픽셀로 이루어질 수도 있다.
도 8을 참조하면, 컬러 스플리터(440)는 광투과층(430)의 상면에 접촉하는 제1 요소(440a)와, 제1 요소(440a) 상에 배치된 제2 요소(440b)를 포함할 수 있다. 제2 요소(440b)는 제1 요소(440a)와 접촉한다. 제2 요소(440b)는 이미제 센서의 중앙 위치(영역 A)에서는 제1 요소(440a)와 수직으로 중복되는 구조를 가진다. 제1 요소(440a) 및 제2 요소(440b)를 포함하는 컬러 스플리터(440)는 저면이 광투과층(430)에 접촉하며, 측면 및 상면이 공기에 노출된다.
다시 도 7을 참조하면, 컬러 스플리터(440)의 제1 요소(440a)는 적색 픽셀(G)을 가로지르도록 형성될 수 있다. 컬러 스플리터(440)의 제1 요소(440a)는 메쉬 형상을 가질 수 있다.
영역 A는 이미지 센서(400)의 중앙영역이다. 영역 A를 가로지르는 영역의 컬러 스플리터(440)는 도 4a와 같이 제1 요소(440a)와 제2 요소(440b)가 중복되는 구조일 수 있다.
한편, 영역 A로부터 이격된 위치의 컬러 스플리터(440)는 제2 요소(440b)가 제1 요소(440a)로부터 시프트되게 형성된다. 영역 A로부터 이격된 거리가 클수록 제2 요소(440b)가 제1 요소(440a)로부터 중앙영역으로 시프트되는 이격거리가 커질 수 있다.
컬러 스플리터(440)의 제1 요소(440a)의 하부면이 광투과층(430)과 접촉되게 형성된다. 컬러 스플리터(440)는 제조공정 중 베이킹 과정에서 광투과층(430)에 고정되게 형성될 수 있다. 컬러 스플리터(440)의 제1 요소(440a)의 측면과 제2 요소(440b)의 측면 및 상면은 공기에 노출되어 있다. 제1 요소(440a)의 상면은 제2 요소(440b)에 의해 덮히거나, 또는 일부 공기에 노출되게 배치될 수 있다.
컬러 스플리터(440)는 하부면이 광투과층(430)과 접촉되게 형성된다. 컬러 스플리터(440)는 제조공정중 베이킹 과정에서 광투과층(430)에 고정되게 형성될 수 있다. 컬러 스플리터(440)의 측면과 상면은 공기에 노출된다. 컬러 스플리터(440)는 공기 보다 높은 굴절률을 가진 물질로 이루어질 수 있다. 컬러 스플리터(440)는 굴절률이 1.4~2.4인 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 컬러 스플리터(440)는 SiNx, TiO2, ZnS, ZnSe 등으로 형성될 수 있다.
컬러 스플리터(440)는 스핀 코팅이 가능한 물질로 이루어질 수 있다.
이미지 센서(400)의 작용은 상술한 실시예로부터 잘 알 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
도 9a 내지 도 9g는 도 4b의 이미지 센서(200)를 제조하는 방법을 단계별로 설명하는 단면도다. 도 4b의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 9a를 참조하면, 먼저, 복수의 픽셀영역에 대응되게 형성된 복수의 광전변환영역(211)을 포함하는 광전변환층(210)을 형성한다. 광전변환층(210)은 제1형의 불순물이 도핑된 실리콘층일 수 있으며, 픽셀영역에 제2형의 불순물을 도핑하여 복수의 광전변환영역(211)을 형성할 수 있다.
광전변환층(210) 상에 복수의 컬러 필터(220)를 형성한다. 컬러 필터(220)는 광전변환영역(211) 상에 공전변환영역(211)과 대응되게 형성된다.
광전변환층(210) 상으로 컬러 필터들(220)을 덮는 광투과층(230)을 형성한다. 광투과층(230)은 비교적 굴절률이 낮은 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 광투과층(230)은 실리콘 옥사이드 등으로 이루어질 수 있다.
광투과층(230) 상으로 제1 희생층(250)을 형성한다. 제1 희생층(250)은 포토레지스트 또는 레진으로 형성할 수 있다.
이어서, 제1 희생층(250)을 패터닝하여 컬러 스플리터(240)의 제1 요소(240a)에 대응되는 제1 홀(H1)을 형성한다. 제1 홀(H1)은 제1 희생층(250)을 관통하도록 형성된다.
도 9b를 참조하면, 광투과층(230) 상으로 컬러 스플리터(240)를 형성하는 물질을 도포하여 제1 홀(H1)을 채운다. 예컨대, 제1 광학 폴리머(242)에 유기용매, 예컨대 에탄올을 혼합하여 만든 용액을 스핀코팅하여 제1 홀(H1)을 덮는다. 제1 광학 폴리머(242)는 1.4~3.2 굴절률을 가진 물질일 수 있다. 제1 광학 폴리머(242)는 광학 폴리머 에 SiNx, TiO2, ZnS, ZnSe 등과 같은 고굴절률 나노입자들을 분산시킨 광학 폴리머일 수 있다. 베이킹 공정으로 제1 광학 폴리머(242)를 경화시킨다. 광학 폴리머는 polymethyl methacrylate (PMMA), 에폭시 수지, 2-Methoxy-1-methylethyl acetate, 페닐 메틸 실록산 폴리머 등으로 이루어질 수 있다.
도 9c를 참조하면, 제1 광학 폴리머(242)를 에치백하거나 또는 폴리싱, 예컨대 화학적 기계적 폴리싱(chemical mechanical polishing)하여 제1 희생층(250)을 노출시킨다. 이때, 제1 홀(H1)은 제1 광학 폴리머(242)로 채워진 상태를 유지한다.
도 9d를 참조하면, 제1 희생층(250) 상으로 제1 광학 폴리머(242)를 덮는 제2 희생층(252)을 형성한다. 제2 희생층(252)은 제1 희생층(250)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 이어서, 컬러 스플리터(240)의 제2 요소(240b)가 형성되는 영역이 노출되도록 제2 희생층(252)을 패터닝한다. 제2 희생층(252)에는 제2 홀(H2)이 형성된다. 제2 홀(H2)은 제1 홀(H1)의 바로 위에 형성되거나 또는 제1 홀(H1)로부터 일측으로 시프트되게 형성될 수 있다. 제2 홀(H2)은 제1 홀(H1)과 연통되게 형성된다. 이 시프트되는 거리는 해당 픽셀의 위치에 따라 다를 수 있으며, 도 4b 및 도 4c와 관계된 설명으로부터 잘 알 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
도 9e를 참조하면, 제2 희생층(252) 상으로 제2 광학 폴리머(244)를 스핀코팅 공정으로 덮는다. 제2 광학 폴리머에는 유기용매가 포함될 수 있다. 제2 광학 폴리머(244)는 제1 광학 폴리머(242)와 동일한 물질로 형성될 수 있다. 제2 광학 폴리머(244)는 제2 홀(H2)을 채운다. 베이킹 공정으로 제2 광학 폴리머(244)를 경화시킨다.
도 9f를 참조하면, 에치백 공정 또는 CMP 공정으로 제2 광학 폴리머(244)를 제거하여 제2 희생층(252)을 노출시킨다. 이때 제2 홀(H2)은 제2 광학 폴리머(244)로 채워진 상태가 유지된다.
도 9g를 참조하면, 희생층들(250, 252)을 습식 또는 건식공정으로 제거한다. 결과로서 이미지 센서가 완성된다.
도 2의 이미지 센서(100)는 도 9c 단계에서 희생층을 제거하여 제조할 수 있다. 도 6의 이미지 센서(300)은 제1 홀(H1)의 형상이 도 5의 컬러 스플리터(340)의 형상과 같이 하고, 도 9c 단계에서 희생층을 제거하여 제조할 수 있다.
도 8의 이미지 센서(400)의 제조방법은 제1홀(H1) 및 제2 홀(H2)의 형상을 도 7의 컬러 스플리터(440)와 같이하고, 다른 공정은 상술한 방법으로 잘 알 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
상기한 바와 같은 실시예에 따른 컬러 스플리터의 제조 방법에 따르면, 화학기상증착법(CVD)이나 물리기상증착법(PVD) 등과 같은 챔버 내의 증착 공정 대신에, 간단한 스핀 코팅공정으로 컬러 스플리터(240)를 형성하므로, 매우 간단한 장비와 쉬운 공정으로 컬러 스플리터(240)를 포함하는 이미지 센서(200)를 제조할 수 있다.
또한, 에치백 공정시 넓은 면적의 희생층이 나타나는 시점에서 에치백 공정을 정지하므로, 에치백 공정의 정지 시점을 정확히 알 수 있다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 사상의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 이미지 센서 110: 광전변환층
111: 광전변환영역 120: 컬러 필터
130: 광투과층 140: 컬러 스플리터

Claims (16)

  1. 광전변환층;
    상기 광전변환층 상에서 복수의 픽셀영역에 형성된 복수의 컬러 필터;
    상기 광전변환층 상에서 상기 복수의 컬러 필터를 덮는 광투과층; 및
    상기 광투과층 상에서 그 상면 및 측면이 그 주위의 공기에 노출되며, 상기 공기와의 굴절률 차이로 입사광의 일부를 투과시키고 나머지를 인접한 픽셀 영역으로 굴절시키는 컬러 스플리터;를 포함하고,
    상기 복수의 컬러 필터는 하나의 적색 필터와, 두 개의 녹색 필터와 하나의 청색 필터가 2x2 어레이로 배치되며, 상기 두 개의 녹색 필터가 대각선 방향으로 배치된 컬러 필터 유니트가 어레이 형태로 배열되며,
    상기 컬러 스플리터는 상기 각 녹색 필터 영역에 배치된 복수의 컬러 스플리터를 포함하며,
    상기 컬러 스플리터는 상기 입사광 중 녹색광을 투과시키고, 나머지 광을 인접한 청색 필터 영역 또는 적색 필터 영역으로 보내는 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 컬러 스플리터의 굴절률은 1.4 ~ 2.4인 이미지 센서.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 컬러 스플리터는 SiNx, TiO2, ZnS, ZnSe를 포함하는 고굴절률 물질 중 하나, 또는 상기 고굴절률 물질의 나노입자들이 분산된 광학 폴리머로 이루어진 이미지 센서.
  4. 삭제
  5. 광전변환층;
    상기 광전변환층 상에서 복수의 픽셀영역에 형성된 복수의 컬러 필터;
    상기 광전변환층 상에서 상기 복수의 컬러 필터를 덮는 광투과층; 및
    상기 광투과층 상에서 그 상면 및 측면이 그 주위의 공기에 노출되며, 상기 공기와의 굴절률 차이로 입사광의 일부를 투과시키고 나머지를 인접한 픽셀 영역으로 굴절시키는 컬러 스플리터;를 포함하고,
    상기 컬러스플리터는 상기 복수의 픽셀영역에서 소정의 컬러 픽셀영역에 배치된 복수의 컬러 스플리터를 포함하며,
    상기 컬러 스플리터는 상기 광투과층 표면에 형성된 제1 요소; 및
    상기 제1 요소 상의 제2 요소;를 포함하며,
    상기 제2 요소는 상기 복수의 픽셀영역의 중앙으로부터 주변 픽셀영역으로 갈수록 상기 제1 요소로부터 안쪽으로 시프트되게 형성된 이미지 센서.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 광전변환층 상에 복수의 컬러 필터를 형성하는 단계;
    상기 광전변환층 상으로 상기 복수의 컬러 필터를 덮는 광투과층을 형성하는 단계; 및
    상기 광투과층 상에서 그 상면 및 그 측면이 주위의 공기에 노출되며, 상기 공기와의 굴절률 차이로 입사광의 일부를 투과시키고 나머지를 인접한 픽셀영역으로 굴절시키는 컬러 스플리터를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 컬러 스플리터를 형성하는 단계는:
    상기 광투과층 상으로 희생층을 형성하는 단계;
    상기 희생층을 패터닝하여 상기 컬러 스플리터의 형성영역에 대응되는 관통홀을 형성하는 단계;
    상기 희생층 상으로 광학 폴리머 물질을 스핀코팅방법으로 상기 관통홀을 채우는 단계;
    상기 희생층 상의 상기 광학 폴리머 물질을 제거하여 상기 관통홀을 채운 상기 광학 폴리머 물질을 노출시키는 단계; 및
    상기 희생층을 제거하여 그 상면 및 그 측면이 공기에 노출된 상기 컬러 스플리터를 형성하는 단계;를 포함하는 이미지 센서 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 컬러 스플리터는 1.4~2.4의 굴절률을 가진 이미지 센서 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 컬러 스플리터는 SiNx, TiO2, ZnS, ZnSe를 포함하는 고굴절률 물질 중 하나가 분산된 광학 폴리머로 이루어진 이미지 센서 제조방법.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 복수의 컬러 필터는 하나의 적색 필터와, 두 개의 녹색 필터와 하나의 청색 필터가 2x2 어레이로 배치되며, 상기 두 개의 녹색 필터가 대각선 방향으로 배치된 컬러 필터 유니트가 어레이 형태로 배열되며,
    상기 컬러 스플리터는 상기 각 녹색 필터 영역에 배치된 복수의 컬러 스플리터를 포함하며,
    상기 각 컬러 스플리터는 상기 입사광 중 녹색광을 투과시키고, 나머지 광을 인접한 청색필터 영역과 또는 적색 필터 영역으로 보내는 이미지 센서 제조방법.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 복수의 컬러 필터는 하나의 적색 필터와, 두 개의 녹색 필터와 하나의 청색 필터가 2x2 어레이로 배치되며, 상기 두 개의 녹색 필터가 대각선 방향으로 배치된 컬러 필터 유니트가 어레이 형태로 배열되며,
    상기 컬러 스플리터는 상기 녹색필터들을 연결하는 대각선 방향으로 배치된 메쉬 형상을 가지는 이미지 센서 제조방법.
  14. 삭제
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