特開 2024-95569 イメージセンシング装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024095569

(43)【公開日】2024-07-10

(54)【発明の名称】イメージセンシング装置

(51)【国際特許分類】

   H04N 25/11 20230101AFI20240703BHJP

【ＦＩ】

H04N25/11

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023212734

(22)【出願日】2023-12-18

(31)【優先権主張番号】10-2022-0187171

(32)【優先日】2022-12-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(71)【出願人】

【識別番号】310024033

【氏名又は名称】エスケーハイニックス株式会社

【氏名又は名称原語表記】ＳＫ ｈｙｎｉｘ Ｉｎｃ．

【住所又は居所原語表記】２０９１， Ｇｙｅｏｎｇｃｈｕｎｇ－ｄａｅｒｏ，Ｂｕｂａｌ－ｅｕｂ，Ｉｃｈｅｏｎ－ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ－ｄｏ，Ｋｏｒｅａ

(74)【代理人】

【識別番号】110000796

【氏名又は名称】弁理士法人三枝国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】リ ホリョン

(57)【要約】

【課題】カラーフィルタの接触面積の増加を図る。
【解決手段】一実施形態によるイメージセンシング装置は、１つの第１カラーフィルタ（以下ｃｆと略記）を共有して第１カラーに対応するイメージ信号を生成する複数の第１イメージピクセル（以下ｉｐと略記）が隣接して位置した複数の第１ピクセルブロック（以下ｐｂと略記）と、１つの第２ｃｆを共有して第２カラーに対応するイメージ信号を生成する複数の第２ｉｐが隣接して位置した複数の第２ｐｂと、１つの第３ｃｆを共有して第３カラーに対応するイメージ信号を生成する複数の第３ｉｐが隣接して位置した複数の第３ｐｂと、第１ｃｆから第３ｃｆの間で第１ｐｂから第３ｐｂの境界領域に位置する上部グリッド構造１４０ａと、基板層１１０と第１ｃｆから第３ｃｆとの間に位置し、第１ｐｂから第３ｐｂのそれぞれで当該ｉｐの境界領域と少なくとも一部が垂直方向に重畳する下部グリッド構造１４０ｂとを含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１カラーを有する１つの第１カラーフィルタを共有して前記第１カラーに対応するイメージ信号を生成する複数の第１イメージピクセルが隣接して位置した複数の第１ピクセルブロック；
第２カラーを有する１つの第２カラーフィルタを共有して前記第２カラーに対応するイメージ信号を生成する複数の第２イメージピクセルが隣接して位置した複数の第２ピクセルブロック；
第３カラーを有する１つの第３カラーフィルタを共有して前記第３カラーに対応するイメージ信号を生成する複数の第３イメージピクセルが隣接して位置した複数の第３ピクセルブロック；
前記第１から第３カラーフィルタの間で前記第１から第３ピクセルブロックの境界領域に位置する上部グリッド構造；及び
基板層と前記第１から第３カラーフィルタの間に位置し、前記第１から第３ピクセルブロックのそれぞれで当該イメージピクセルの境界領域と少なくとも一部が垂直方向に重畳する下部グリッド構造を含むイメージセンシング装置。

【請求項2】

前記第１から第３ピクセルブロックのそれぞれは、
カラーフィルタを共有する複数のイメージピクセルがＮ×Ｎ（Ｎは２以上の自然数）形態で隣接して配列されることを特徴とする、請求項１に記載のイメージセンシング装置。

【請求項3】

前記上部グリッド構造は、
第１方向に延長される領域と前記第１方向と交差される第２方向に延長される領域が互いに交差される十字形状の構造物を含むことを特徴とする、請求項１に記載のイメージセンシング装置。

【請求項4】

前記上部グリッド構造は、
隣り合う十字形状の構造物が互いに物理的に分離するように位置することを特徴とする、請求項３に記載のイメージセンシング装置。

【請求項5】

前記下部グリッド構造は、
前記第１から第３ピクセルブロック内において、前記第１方向に延長される領域と前記第２方向に延長される領域が互いに交差される十字形状の構造物を含むことを特徴とする、請求項３に記載のイメージセンシング装置。

【請求項6】

前記上部グリッド構造と前記下部グリッド構造は、互いにオーバーラップしないように位置することを特徴とする、請求項５に記載のイメージセンシング装置。

【請求項7】

前記下部グリッド構造は、
前記第１方向に複数のピクセルブロックを横切るように延長して互いに一定間隔離隔されたラインタイプの複数の領域と前記第２方向に複数のピクセルブロックを横切るように延長して互いに一定間隔離隔されたラインタイプの複数の領域が互いに交差される形態に形成されることを特徴とする、請求項３に記載のイメージセンシング装置。

【請求項8】

前記下部グリッド構造により画成された領域には、前記第１から第３イメージピクセルがベイヤーパターンに配列されることを特徴とする、請求項７に記載のイメージセンシング装置。

【請求項9】

前記上部グリッド構造は、
第１方向に延長して互いに一定間隔離隔されたラインタイプの複数の領域と前記第１方向と交差される第２方向に延長して互いに一定間隔離隔されたラインタイプの複数の領域が互いに交差される形態に形成されることを特徴とする、請求項１に記載のイメージセンシング装置。

【請求項10】

前記下部グリッド構造は、
前記第１方向に複数のピクセルブロックを横切るように延長して互いに一定間隔離隔されたラインタイプの複数の領域と前記第２方向に複数のピクセルブロックを横切るように延長して互いに一定間隔離隔されたラインタイプの複数の領域が互いに交差される形態に形成されることを特徴とする、請求項９に記載のイメージセンシング装置。

【請求項11】

前記下部グリッド構造は、
前記第１から第３ピクセルブロック内において、前記第１方向に延長される領域と前記第２方向に延長される領域が互いに交差される十字形状の構造物を含むことを特徴とする、請求項９に記載のイメージセンシング装置。

【請求項12】

前記上部グリッド構造は、
メタル層；
前記メタル層上に位置するエアー層；及び
前記メタル層と前記エアー層をカバーするキャッピング膜を含むことを特徴とする、請求項１に記載のイメージセンシング装置。

【請求項13】

前記キャッピング膜は、
前記第１から第３カラーフィルタの下まで延長されることを特徴とする、請求項１２に記載のイメージセンシング装置。

【請求項14】

前記基板層と前記キャッピング膜の間に位置する反射防止膜をさらに含み、
前記下部グリッド構造は、前記反射防止膜内に位置することを特徴とする、請求項１３に記載のイメージセンシング装置。

【請求項15】

光電変換要素及び前記光電変換要素を分離させるピクセル分離膜を含む基板層；
１つのカラーフィルタが複数の前記光電変換要素をカバーするように前記基板層上に位置する複数のカラーフィルタ；
前記ピクセル分離膜とオーバーラップして前記カラーフィルタの間に位置する上部グリッド構造；及び
前記ピクセル分離膜とオーバーラップして前記基板層と前記カラーフィルタの間に位置する下部グリッド構造を含む、イメージセンシング装置。

【請求項16】

前記複数のカラーフィルタのそれぞれは、
Ｎ×Ｎ（Ｎは２以上の自然数）形態で隣接して配列される複数のイメージピクセルの前記光電変換要素とオーバーラップして位置することを特徴とする、請求項１５に記載のイメージセンシング装置。

【請求項17】

前記上部グリッド構造は、
第１方向に延長される領域と前記第１方向と交差される第２方向に延長される領域が互いに交差される十字形状の構造物を含むことを特徴とする、請求項１５に記載のイメージセンシング装置。

【請求項18】

前記下部グリッド構造は、
前記カラーフィルタのそれぞれに対して、当該カラーフィルタの下で前記第１方向に延長される領域と前記第２方向に延長される領域が互いに交差される十字形状の構造物を含むことを特徴とする、請求項１７に記載のイメージセンシング装置。

【請求項19】

前記上部グリッド構造と前記下部グリッド構造は、互いにオーバーラップしないように位置することを特徴とする、請求項１８に記載のイメージセンシング装置。

【請求項20】

前記下部グリッド構造は、
前記第１方向に複数のカラーフィルタを横切るように延長して互いに一定間隔離隔されたラインタイプの複数の領域と前記第２方向に複数のカラーフィルタを横切るように延長して互いに一定間隔離隔されたラインタイプの複数の領域が互いに交差される形態に形成されることを特徴とする、請求項１７に記載のイメージセンシング装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イメージセンシング装置に関する。

【背景技術】

【0002】

イメージセンサ（ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ）は、光学映像を電気信号に変換させる素子である。近年、コンピューター産業と通信産業の発達に伴い、デジタルカメラ、カムコーダ、ＰＣＳ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）、ビデオゲーム機器、警備用カメラ、医療用マイクロカメラ、ロボットなど、多様な分野において集積度及び性能が向上したイメージセンサの需要が増大している。

【0003】

イメージセンサの解像度が高くなるにつれ、イメージセンサのピクセルサイズが除々に小さくなっており、ピクセルサイズが小さくなるのに伴って発生する多くの製造上の問題を解決するための方法が要求されている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の実施形態は、カラーフィルタのアイソレーション構造を改善してカラーフィルタの接触面積の増加を図る。

【0005】

本発明の技術的課題は、以上で言及した技術的課題に制限されず、言及されていないまた他の技術的課題は、下記の記載から当業者に明確に理解され得るはずである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一実施形態によるイメージセンシング装置は、第１カラーを有する１つの第１カラーフィルタを共有して前記第１カラーに対応するイメージ信号を生成する複数の第１イメージピクセルが隣接して位置した複数の第１ピクセルブロック、第２カラーを有する１つの第２カラーフィルタを共有して前記第２カラーに対応するイメージ信号を生成する複数の第２イメージピクセルが隣接して位置した複数の第２ピクセルブロック、第３カラーを有する１つの第３カラーフィルタを共有して前記第３カラーに対応するイメージ信号を生成する複数の第３イメージピクセルが隣接して位置した複数の第３ピクセルブロック、前記第１から第３カラーフィルタの間で前記第１から第３ピクセルブロックの境界領域に位置する上部グリッド構造、及び基板層と前記第１から第３カラーフィルタの間に位置して前記第１から第３ピクセルブロックのそれぞれで当該イメージピクセルの境界領域と少なくとも一部が垂直方向に重畳する下部グリッド構造を含むことができる。

【0007】

本発明の一実施形態によるイメージセンシング装置は、光電変換要素及び前記光電変換要素を分離させるピクセル分離膜を含む基板層、１つのカラーフィルタが複数の前記光電変換要素をカバーするように前記基板層上に位置する複数のカラーフィルタ、前記ピクセル分離膜とオーバーラップして前記カラーフィルタの間に位置する上部グリッド構造、及び前記ピクセル分離膜とオーバーラップして前記基板層と前記カラーフィルタの間に位置する下部グリッド構造を含むことができる。

【発明の効果】

【0008】

本発明の実施形態によるイメージセンシング装置は、カラーフィルタの接触面積を増加させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施形態によるイメージセンシング装置の構成を概略的に図示したブロック図である。

【図2】本発明の一実施形態によるピクセルアレイの平面構造を部分的に例示的に示す図面である。

【図3】図２におけるＡ－Ａ’切取線に沿って切断した断面の姿を例示的に示す断面図である。

【図4】図２におけるＢ－Ｂ’切取線に沿って切断した断面の姿を例示的に示す断面図である。

【図5】本発明の一実施形態によるピクセルアレイの平面構造を例示的に示す図面である。

【図6】本発明の一実施形態によるピクセルアレイの平面構造を例示的に示す図面である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の一部の実施形態を例示的な図面を介して詳細に説明する。各図面の構成要素に参照符号を付加するに当たって、同一の構成要素に対してはたとえ他の図面上に表示されても、できる限り同一の符号を有するようにしていることに留意しなければならない。また、本発明の実施形態を説明するにおいて、関連した公知の構成又は機能に対する具体的な説明が本発明の実施形態に対する理解を妨害すると判断される場合にはその詳細な説明は省略する。

【0011】

図１は、本発明の一実施形態によるイメージセンシング装置の構成を概略的に図示したブロック図である。

【0012】

図１を参照すると、イメージセンシング装置は、ピクセルアレイ（ｐｉｘｅｌ ａｒｒａｙ）１００、ロードライバー（ｒｏｗ ｄｒｉｖｅｒ）２００、相関二重サンプラ（ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｄｏｕｂｌｅ ｓａｍｐｌｅｒ、ＣＤＳ）３００、アナログ－デジタルコンバータ（ａｎａｌｏｇ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ、ＡＤＣ）４００、出力バッファ（ｏｕｔｐｕｔ ｂｕｆｆｅｒ）５００、カラムドライバー（ｃｏｌｕｍｎ ｄｒｉｖｅｒ）６００及びタイミングコントローラ（ｔｉｍｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）７００を含むことができる。ここで、イメージセンシング装置の各構成は例示的なものに過ぎず、必要に応じて少なくとも一部の構成が追加されたり省略されたりすることができる。

【0013】

ピクセルアレイ１００は、複数のロー（ｒｏｗｓ）及び複数のカラム（ｃｏｌｕｍｎｓ）に配列された複数のイメージピクセルを含むことができる。複数のイメージピクセルは、外部から入射された光を光電変換して入射光に対応する電気信号（ピクセル信号）を生成することができる。ピクセルアレイ１００は、同一のカラーのカラーフィルタを有する複数のイメージピクセルが隣接して配列された複数のピクセルブロックを含むことができる。例えば、各ピクセルブロックは、同一のカラーのカラーフィルタを有してＮ×Ｎ（Ｎは２以上の自然数）形態で隣接して配列された複数のイメージピクセルを含むことができる。ピクセルブロックは、ベイヤーパターン（Ｂａｙｅｒ ｐａｔｔｅｒｎ）に配列されることができる。ピクセルアレイ１００は、基板上で隣接したピクセル間のクロストークを防止するために二重分離構造（ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒｓ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）のグリッド構造物を含むことができる。

【0014】

ロードライバー２００は、タイミングコントローラ７００のような制御回路から提供される制御信号に基づいてイメージピクセルを動作させることができる。ロードライバー２００は、ピクセルアレイ１００の少なくとも１つのローラインに連結された少なくとも１つのイメージピクセルを選択することができる。ロードライバー２００は、複数のローラインのうち少なくとも１つのローラインを選択するためのロー選択信号を生成することができる。選択されたローラインのイメージピクセルで生成されたピクセル信号は、相関二重サンプラ３００に出力され得る。

【0015】

相関二重サンプラ３００は、相関二重サンプリング（ＣＤＳ：ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｄｏｕｂｌｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ）方式を用いてイメージピクセルの望まないオフセット（ｏｆｆｓｅｔ）の値を除去することができる。相関二重サンプラ３００は、基準信号とピクセル信号を相関二重サンプリング（ＣＤＳ）信号としてアナログ－デジタルコンバータ４００に出力することができる。

【0016】

アナログ－デジタルコンバータ４００は、相関二重サンプラ３００から受信されるＣＤＳ信号をデジタル信号に変換することができる。アナログ－デジタルコンバータ４００は、タイミングコントローラ７００から提供されるランプ信号に基づいて比較信号のレベル転移（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）時間をカウントし、カウント値を出力バッファ５００に出力することができる。

【0017】

出力バッファ５００は、アナログ－デジタルコンバータ４００から提供されるそれぞれのカラム単位のデータをタイミングコントローラ７００の制御に応じて一時格納することができる。

【0018】

カラムドライバー６００は、タイミングコントローラ７００の制御に応じて出力バッファ５００のカラムを選択し、選択された出力バッファ５００のカラムに一時格納されたデータを順次出力することができる。

【0019】

タイミングコントローラ７００は、ロードライバー２００、アナログ－デジタルコンバータ４００、出力バッファ５００及びカラムドライバー６００の動作を制御するための信号を生成することができる。タイミングコントローラ７００は、イメージセンシング装置の各構成の動作に要求されるクロック信号、タイミングコントロールのための制御信号、及びローまたはカラムを選択するためのアドレス信号をロードライバー２００、カラムドライバー６００、アナログ－デジタルコンバータ４００及び出力バッファ５００に提供することができる。

【0020】

図２は、本発明の一実施形態によるピクセルアレイの平面構造を部分的に例示的に示す図面である。

【0021】

図２を参照すると、ピクセルアレイ１００は、ロー方向及びカラム方向に連続的に配列された複数のイメージピクセルを含むことができる。

【0022】

複数のイメージピクセルは、それぞれ撮影客体に対応するイメージ信号（ピクセル信号）を独立して生成する単位ピクセルであってよい。複数のイメージピクセルは、レッド（ｒｅｄ）カラーの光に対応するイメージ信号を生成するレッドピクセルＰＸ＿Ｒ、グリーン（ｇｒｅｅｎ）カラーの光に対応するイメージ信号を生成するグリーンピクセルＰＸ＿Ｇｒ、ＰＸ＿Ｇｂ及びブルー（ｂｌｕｅ）カラーの光に対応するイメージ信号を生成するブルーピクセルＰＸ＿Ｂを含むことができる。レッドピクセルＰＸ＿Ｒ、グリーンピクセルＰＸ＿Ｇｒ、ＰＸ＿Ｇｂ及びブルーピクセルＰＸ＿Ｂは、レッドカラーフィルタＲ、グリーンカラーフィルタＧｒ、Ｇｂ及びブルーカラーフィルタＢを含むことができる。

【0023】

複数のイメージピクセルは、同一のカラーの光に対応するイメージ信号を生成するイメージピクセルがＮ×Ｎ（Ｎは２以上の自然数）形態で隣接して位置するように配列されることができる。例えば、ピクセルアレイ１００は、４個のレッドピクセルＰＸ＿Ｒが２×２形態で隣接して位置するレッドピクセルブロック、４個のグリーンピクセル（ＰＸ＿Ｇｒ）が２×２形態で隣接して位置するグリーンピクセルブロック、４個のグリーンピクセル（ＰＸ＿Ｇｂ）が２×２形態で隣接して位置するグリーンピクセルブロック及び４個のブルーピクセルＰＸ＿Ｂが２×２形態で隣接して位置するブルーピクセルブロックを含むことができる。このようなレッドピクセルブロック、グリーンピクセルブロック及びブルーピクセルブロックは、ベイヤーパターン（ｂａｙｅｒ ｐａｔｔｅｒｎ）に配列されることができる。

【0024】

カラーフィルタＲ、Ｇ、Ｂは、対応するピクセルブロックごとに１つずつ形成されることができる。例えば、カラーフィルタＲ、Ｇｒ、Ｇｂ、Ｂは、各イメージピクセルＰＸ＿Ｒ、ＰＸ＿Ｇｒ、ＰＸ＿Ｇｂ、ＰＸ＿Ｂ別に小さいサイズに形成されるものではなく、ピクセルブロック別に当該ピクセルブロックに含まれる複数のイメージピクセルが１つの大きいカラーフィルタを共有するように形成されることができる。

【0025】

ピクセルアレイ１００は、基板層上で隣接したイメージピクセルのカラーフィルタの間に位置する二重分離構造（ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有するグリッド構造物１４０を含むことができる。このようなグリッド構造物１４０は、上部グリッド構造１４０ａ及び下部グリッド構造１４０ｂを含むことができる。

【0026】

上部グリッド構造１４０ａは、互いに異なるカラーのカラーフィルタＲ、Ｇｒ、Ｇｂ、Ｂの間に位置することができる。例えば、上部グリッド構造１４０ａは、カラーフィルタ層のようなレイヤーで上下又は左右に隣接したピクセルブロックの間の領域（境界領域）に位置することができる。

【0027】

上部グリッド構造１４０ａは、平面上でみるとき、２×２形態に隣接して位置する４個のピクセルブロックの境界領域からＸ方向（又はロー方向）に延長される領域と、Ｙ方向（又はカラム方向）に延長される領域とが交差する十字形状（ｃｒｏｓｓ ｓｈａｐｅ）の構造物を含むことができる。例えば、各ピクセルブロックが形成される領域は、４個の十字形状の構造物により囲まれてよい。

【0028】

下部グリッド構造１４０ｂは、カラーフィルタＲ、Ｇｒ、Ｇｂ、Ｂの下に位置することができ、各ピクセルブロック内で隣接したイメージピクセルの境界領域とオーバーラップして位置することができる。例えば、下部グリッド構造１４０ｂは、各ピクセルブロック内でイメージピクセルの境界領域とオーバーラップしてカラーフィルタＲ、Ｇｒ、Ｇｂ、Ｂと基板層の間で位置することができる。

【0029】

下部グリッド構造１４０ｂは、平面上でみるとき、Ｘ方向（又はロー方向）に延長される領域と、Ｙ方向（又はカラム方向）に延長される領域とが交差する十字形状の構造物を含むことができる。このとき、下部グリッド構造１４０ｂからＸ方向に延長される領域は当該カラーフィルタのＸ方向の中心線とオーバーラップされてよく、下部グリッド構造１４０ｂからＹ方向に延長される領域は当該カラーフィルタのＹ方向の中心線とオーバーラップされてよい。十字形状の上部グリッド構造１４０ａと十字形状の下部グリッド構造１４０ｂは、垂直方向に互いにオーバーラップしないように位置することができる。

【0030】

一般的に、隣接したカラーフィルタの間のクロストークを防止するためのグリッド構造物は、カラーフィルタ層内で隣接したイメージピクセルのカラーフィルタの間に位置するように形成される。ところが、そのような構造では、イメージセンシング装置のピクセル数が増加するほどグリッド構造物の間の間隔が狭くなり、当該領域（グリッド構造物により画成された領域）内にカラーフィルタを形成し難いのみならず、各イメージピクセルに対応するカラーフィルタの底面積が小さくなるので後続の熱処理工程によりカラーフィルタが浮き上がるという現象が発生することがある。

【0031】

本実施形態においては、同一のカラーに対応するイメージ信号を生成する複数のイメージピクセルをＮ×Ｎ（Ｎは２以上の自然数）形態のブロック単位で隣接して配列した後、各ブロック（ピクセルブロック）のイメージピクセルが１つのカラーフィルタを共有するようにする。そして、カラーフィルタ層内では、ピクセルブロックの境界領域でのみグリッド構造（上部グリッド構造）を形成する。そして、各ピクセルブロックのイメージピクセルＰＸ＿Ｒ、ＰＸ＿Ｇｒ、ＰＸ＿Ｇｂ、ＰＸ＿Ｂに対しては、カラーフィルタ層内にグリッド構造を形成せず、その代わりに当該イメージピクセルの境界領域とオーバーラップして当該カラーフィルタＲ、Ｇｒ、Ｇｂ、Ｂの下でグリッド構造（下部グリッド構造）を形成する。

【0032】

図２では、上部グリッド１４０ａと下部グリッド１４０ｂがいずれも十字形状で形成される場合が例示的に図示されているが、これに限定されない。

【0033】

マイクロレンズ１５４は、ピクセルブロック別に形成されて１つのマイクロレンズ１５４がピクセルブロックに含まれた複数個（図２では４個）のイメージピクセルをカバーするように形成されてよい。

【0034】

図３は、図２におけるＡ－Ａ’切取線に沿って切断した断面の姿を例示的に示す断面図であり、図４は、図２におけるＢ－Ｂ’切取線に沿って切断した断面の姿を例示的に示す断面図である。

【0035】

図３及び図４を参照すると、ピクセルアレイ１００は、基板層１１０、反射防止層１２０、カラーフィルタ層１３０、グリッド構造物１４０及びレンズ層１５０を含むことができる。

【0036】

基板層１１０は、基板１１２、光電変換要素１１４及びピクセル分離膜１１６を含むことができる。基板層１１０は、第１面及び第１面の反対側に位置する第２面を含むことができる。このとき、第１面は、外部から光が入射される面であって、第１面上にカラーフィルタ層１３０及びレンズ層１５０が形成されてよく、第２面において各イメージピクセル領域には当該イメージピクセルの光電変換要素１１４で生成された光電荷をリードアウトするためのピクセルトランジスタ（図示せず）が形成されてよい。

【0037】

基板１１２は、単結晶（Ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ）のシリコンを含む半導体基板を含むことができる。基板１１２は、Ｐ型不純物を含むことができる。

【0038】

光電変換要素１１４は、各イメージピクセルに対応するように半導体基板１１２の内部に形成されてよい。光電変換要素１１４は、カラーフィルタ層１３０によりフィルタリングされて入射した可視光を光電変換して光電荷を生成することができる。光電変換要素１１４は、Ｎ型不純物を含むことができる。

【0039】

ピクセル分離膜１１６は、基板１１２内で隣接したイメージピクセルの光電変換要素１１４の間に形成されてイメージピクセル別に光電変換要素１１４をアイソレーションさせることができる。ピクセル分離膜１１６は、ＢＤＴＩ（Ｂａｃｋ Ｄｅｅｐ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）又はＦＤＴＩ（Ｆｒｏｎｔ Ｄｅｅｐ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）のようなトレンチ構造を含むことができる。または、ピクセル分離膜１１６は、基板１１２に高濃度の不純物（例えば、Ｐ型不純物）が注入されたジャンクションアイソレーション構造を含むことができる。

【0040】

反射防止層１２０は、基板層１１０の第１面上に位置することができ、入射光が光電変換要素１１４に円滑に到達することができるように光の反射を防止することができる。例えば、反射防止層１２０は、カラーフィルタ層１３０と基板層１１０の間の屈折率差を補償してカラーフィルタ１３０を通過する光が効果的に基板層１１０の内部に入射されるようにすることができる。反射防止層１２０は、基板層１１０に形成された所定の構造物による段差を除外するための平坦化層の役割を担うこともできる。

【0041】

反射防止層１２０は、第１反射防止膜１２２、第２反射防止膜１２４及び第３反射防止膜１２６を含むことができる。第１反射防止膜１２２内には下部グリッド構造１４０ｂが形成されてよい。第２反射防止膜１２４と第３反射防止膜１２６は、カラーフィルタＲ、Ｇ、Ｂと第１反射防止膜１２２の間に位置することができる。第２反射防止膜１２４と第３反射防止膜１２６は、上部グリッド構造１４０ａのキャッピング膜１４４、１４８が同一の膜であってよい。例えば、第２反射防止膜１２４と第３反射防止膜１２６は、キャッピング膜１４４、１４８がカラーフィルタＲ、Ｇ、Ｂと第１反射防止膜１２２の間の領域まで延長して形成されたものであってよい。すなわち、本実施形態においては、説明の便宜のために第２反射防止膜１２４と第３反射防止膜１２６の参照番号をキャッピング膜１４４、１４８と異なって表示したが、第２反射防止膜１２４とキャッピング膜１４４、そして第３反射防止膜１２６とキャッピング膜１４８は同じ工程を介して共に形成されてよい。

【0042】

反射防止膜１２２、１２４、１２６は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜、又は高誘電膜（例えば、ハフニウム酸化膜、アルミニウム酸化膜）のうち少なくともいずれか１つを含むことができる。

【0043】

カラーフィルタ層１３０は、反射防止層１２０上に位置することができる。カラーフィルタ層１３０は、レンズ層１５０を介して入射された光から可視光をフィルタリングして対応する光電変換要素１１４に伝達する複数のカラーフィルタＲ、Ｇ、Ｂを含むことができる。例えば、カラーフィルタ層１３０は、レッドカラーの可視光を通過させる複数のレッドカラーフィルタＲ、グリーンカラーの可視光を通過させる複数のグリーンカラーフィルタＧｒ、Ｇｂ、及びブルーカラーの可視光を通過させる複数のブルーカラーフィルタ１３０Ｂを含むことができる。

【0044】

カラーフィルタＲ、Ｇｒ、Ｇｂ、Ｂは、上部グリッド構造１４０ａにより画成された領域に形成されてよい。例えば、カラーフィルタＲ、Ｇｒ、Ｇｂ、Ｂは、各ピクセルブロックに対応するようにピクセルブロックごとに１つずつ形成されてよい。このように、カラーフィルタＲ、Ｇｒ、Ｇｂ、Ｂが各イメージピクセルＰＸ＿Ｒ、ＰＸ＿Ｇｒ、ＰＸ＿Ｇｂ、ＰＸ＿Ｂ別に小さいサイズに形成されずにピクセルブロック別に大きく形成されることにより、カラーフィルタＲ、Ｇｒ、Ｇｂ、Ｂと反射防止層１２０の接触面積が増加し得る。これを介して、例えば、カラーフィルタＲ、Ｇｒ、Ｇｂ、Ｂの浮き上がり現象がより効果的に防止され得る。

【0045】

グリッド構造物１４０は、反射防止層１２０上でカラーフィルタＲ、Ｇｒ、Ｇｂ、Ｂの間に位置する上部グリッド構造１４０ａ及び第１反射防止膜１２２内でカラーフィルタＲ、Ｇｒ、Ｇｂ、ＢとオーバーラップされながらイメージピクセルＰＸ＿Ｒ、ＰＸ＿Ｇｒ、ＰＸ＿Ｇｂ、ＰＸ＿Ｂの境界領域とオーバーラップされて位置する下部グリッド構造１４０ｂを含むことができる。上部グリッド構造１４０ａと下部グリッド構造１４０ｂは、ピクセル分離膜１１６とオーバーラップして形成されてよい。

【0046】

上部グリッド構造１４０ａは、隣接したピクセルブロックの間に位置することにより互いに異なるカラーを有するカラーフィルタＲ、Ｇｒ、Ｇｂ、Ｂ間のクロストークを防止することができる。上部グリッド構造１４０ａは、エアー層、メタル層又はエアー層とメタル層が積層されたハイブリッド構造を含むことができる。例えば、上部グリッド構造１４０ａは、メタル層１４２、第１キャッピング膜１４４、エアー層１４６及び第２キャッピング膜１４８を含むことができる。

【0047】

メタル層１４２は、光吸収率が高い金属材質（例えば、タングステン）を含むことができ、一実施形態により互いに異なる材質が積層して形成されてもよい。例えば、メタル層１４２は、タングステンの下に位置するバリアメタル層（図示せず）をさらに含むことができる。エアー層１４６は、メタル層１４２と重畳されるように第１キャッピング膜１４４上に形成されてよい。エアー層１４６は、エアー（ａｉｒ）で満たされた領域であってよい。

【0048】

第１キャッピング膜１４４は、窒化膜を含むことができ、メタル層１４２をカバーしながらカラーフィルタＲ、Ｇｒ、Ｇｂ、Ｂの下まで延長して形成されてよい。第１キャッピング膜１４４は、熱処理工程時にメタル層１４２が膨張することを防止することができる。第１キャッピング膜１４４において、カラーフィルタ層１３０の下に形成される領域は、第２反射防止膜１２４として用いられてよい。

【0049】

第２キャッピング膜１４８は、上部グリッド構造１４０ａの最外側に形成される物質膜であって、エアー層１４６が形成される領域を画成することができる。第２キャッピング膜１４８は、酸化膜を含むことができ、エアー層１４６及びメタル層１４２をカバーしながらカラーフィルタ層１３０の下まで延長して形成されてよい。酸化膜は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）のような低温酸化（ＵＬＴＯ：Ｕｌｔｒａ Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｏｘｉｄｅ）膜を含むことができる。第２キャッピング膜１４８において、カラーフィルタ層１３０の下に形成される領域は第３反射防止膜１２６として用いられてよい。

【0050】

図３には、上部グリッド構造１４０ａがメタル層１４２、第１キャッピング膜１４４、エアー層１４６及び第２キャッピング膜１４８を含む場合のみが例示的に図示されたが、本発明はこれに限定されない。

【0051】

下部グリッド構造１４０ｂは、第１反射防止膜１２２内で各ピクセルブロックごとに位置することができる。下部グリッド構造１４０ｂは、各ピクセルブロックにおいてイメージピクセルＰＸ＿Ｒ、ＰＸ＿Ｇｒ、ＰＸ＿Ｇｂ、ＰＸ＿Ｂの境界領域とオーバーラップして位置することにより、同じカラーフィルタを共有する隣接したイメージピクセル間のクロストークを防止することができる。下部グリッド構造１４０ｂは、入射光の透過を防止することができる絶縁物又はメタルを含むことができる。または、下部グリッド構造１４０ｂは、エアー層を含むこともできる。

【0052】

下部グリッド構造１４０ｂは、ピクセル分離膜１１６とオーバーラップして形成されてよい。各ピクセルブロックに形成される下部グリッド構造１４０ｂは、互いに物理的に分離して形成されてよい。

【0053】

本実施形態における上部グリッド構造１４０ａは、カラーフィルタＲ、Ｇｒ、Ｇｂ、Ｂのようなレイヤーでピクセルブロックの境界領域に形成されることにより互いに異なるカラーのカラーフィルタＲ、Ｇｒ、Ｇｂ、Ｂ間のクロストークを防止し、下部グリッド構造１４０ｂは、カラーフィルタＲ、Ｇｒ、Ｇｂ、Ｂの下で各ピクセルブロック別に当該イメージピクセルの境界領域に形成されることにより同一のカラーのカラーフィルタを通過した入射光に対してイメージピクセル間のクロストークを防止することができる。

【0054】

レンズ層１５０は、オーバーコーティング層１５２及びマイクロレンズ１５４を含むことができる。オーバーコーティング層１５２は、カラーフィルタ層１３０により発生し得る段差を補償するための平坦化層の役割を担うことができる。マイクロレンズ１５４は、オーバーコーティング層１５２上に位置することができる。マイクロレンズ１５４のそれぞれは、凸レンズ形態に形成されてよく、ピクセルブロックごとに形成されてよい。マイクロレンズ１５４は、入射光を対応する光電変換要素１１４に集光させることができる。オーバーコーティング層１５２とマイクロレンズ１５４は、同一の物質で形成されてよい。

【0055】

図３及び図４では、上部グリッド構造１４０ａと下部グリッド構造１４０ｂがピクセル分離膜１１６と全体的にオーバーラップして位置する姿が例示的に示されている。しかし、シェーディング偏差（Ｓｈａｄｉｎｇ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ）を改善するため、ピクセルアレイ１００内における位置に応じて上部グリッド構造１４０ａと下部グリッド構造１４０ｂはＣＲＡ（Ｃｈｉｅｆ ｒａｙ ａｎｇｌｅ）に対応して所定の間隔ほどシフト（ｓｈｉｆｔｅｄ）されてよい。

【0056】

図５は、本発明の一実施形態によるピクセルアレイの平面構造を例示的に示す図面である。

【0057】

図５を参照すると、ピクセルアレイ１００は、基板層上で隣接したイメージピクセルのカラーフィルタの間に位置する二重分離構造（ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有するグリッド構造物１４０’を含むことができる。このようなグリッド構造物１４０’は、上部グリッド構造１４０ａ及び下部グリッド構造１４０ｃを含むことができる。

【0058】

本実施形態におけるグリッド構造物１４０’は、前述したグリッド構造物１４０と比較して上部グリッド構造１４０ａは互いに同一であるが、下部グリッド構造１４０ｃが下部グリッド構造１４０ｂと差がある。

【0059】

前述した図２において、下部グリッド構造１４０ｂは、各ピクセルブロックごとに形成された十字形状の構造物が互いに物理的に分離されるように形成された。

【0060】

本実施形態における下部グリッド構造１４０ｃは、各ピクセルブロックごとに形成された十字形状の構造物がＸ方向及びＹ方向にさらに延長されることにより、隣り合うピクセルブロックにある十字形状の構造物が互いに連結される形態で形成されてよい。例えば、下部グリッド構造１４０ｃは、Ｘ方向に複数のピクセルブロックを横切るように長く延長して互いに一定間隔離隔されたラインタイプの複数の領域とＹ方向に複数のピクセルブロックを横切るように長く延長して互いに一定間隔離隔されたラインタイプの複数の領域が互いに交差される形態で形成されてよい。

【0061】

このとき、下部グリッド構造１４０ｃにより画成された各領域に位置するイメージピクセルは互いに異なるカラーに対応するイメージ信号を生成するピクセルとなってよく、当該イメージピクセルはベイヤーパターンに配列されてよい。

【0062】

本実施形態において、下部グリッド１４０ｃがＸ及びＹ方向にさらに延長して形成されること以外の他の構成は、前述した図２の実施形態と同一に形成されてよく、したがって、他の構成に対する説明は省略する。

【0063】

図６は、本発明の一実施形態によるピクセルアレイの平面構造を例示的に示す図面である。

【0064】

図６を参照すると、ピクセルアレイ１００は、基板層上で隣接したイメージピクセルのカラーフィルタの間に位置する二重分離構造（ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有するグリッド構造物１４０’’を含むことができる。このようなグリッド構造物１４０’’は、上部グリッド構造１４０ｄ及び下部グリッド構造１４０ｃを含むことができる。

【0065】

本実施形態におけるグリッド構造物１４０’’は、前述した図２のグリッド構造物１４０と比較して上部グリッド構造１４０ｄ及び下部グリッド構造１４０ｃがいずれも上部グリッド構造１４０ａ及び下部グリッド構造１４０ｂと差がある。また、グリッド構造物１４０’’は、前述した図５のグリッド構造物１４０’と比較して下部グリッド構造１４０ｃは互いに同一であるが、上部グリッド構造１４０ｄが上部グリッド構造１４０ａと差がある。

【0066】

前述した図２及び図５において、上部グリッド構造１４０ａは、２×２形態で隣接して位置する４個のピクセルブロックの境界領域からＸ方向に延長される領域とＹ方向に延長される領域が交差する十字形状の構造物に形成され、その十字形状の構造物が互いに物理的に分離されるように形成された。

【0067】

本実施形態における上部グリッド構造１４０ｄは、下部グリッド構造１４０ｃのように十字形状の構造物がＸ方向及びＹ方向にさらに延長して互いに連結される形態で形成されてよい。

【0068】

本実施形態において、上部グリッド構造１４０ｄと下部グリッド構造１４０ｃ以外の他の構成は、前述した図２の当該構成と同一なのでこれに対する説明は省略する。

【0069】

前述した図６の実施形態において、下部グリッド構造は、図２の実施形態のように、十字形状の構造物に形成されてもよいことは自明である。

【0070】

また、前述した実施形態においては、ピクセルブロックが２×２形態で位置する４個のイメージピクセルを含む場合を例示的に説明したが、ピクセルブロックは、３×３、４×４…などの形態に位置する複数のイメージピクセルを含むことができる。そのような場合にも、カラーフィルタはピクセルブロックごとに１つずつ形成されることにより、当該ピクセルブロックに含まれる複数のイメージピクセルは１つのカラーフィルタを共有することができる。また、上部グリッド構造は、カラーフィルタのようなレイヤーでピクセルブロックの境界領域に位置することができ、下部グリッド構造は、カラーフィルタの下で各ピクセルブロック内のイメージピクセルの境界領域に位置することができる。

【0071】

以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明したことに過ぎないものであって、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で多様な修正及び変形が可能なはずである。

【0072】

したがって、本発明に開示された実施形態は、本発明の技術思想を限定するためではなく説明するためのものであり、このような実施形態によって本発明の技術思想の範囲が限定されるものではなく、本発明の保護範囲は下記の特許請求の範囲により解釈されなければならず、それと同等な範囲内にある全ての技術思想は、本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されなければならない。

【符号の説明】

【0073】

１００ ピクセルアレイ
１１０ 基板層
１２０ 反射防止層
１３０ カラーフィルタ層
１４０、１４０’、１４０’’ グリッド構造物
１５０ レンズ層
２００ ロードライバー
３００ 相関二重サンプラ
４００ アナログ－デジタルコンバータ
５００ 出力バッファ
６００ カラムドライバー
７００ タイミングコントローラ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】