KR102299714B1 - 컬러 필터 격리층을 구비하는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

컬러 필터 격리층을 구비하는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서의 제조 방법이 개시된다. 개시된 실시예에 따른 이미지 센서는, 입사광 중에서 특정 파장 대역의 빛을 투과시켜 광센싱층에 제공하는 다수의 컬러 필터 및 다수의 컬러 필터들 사이에 배치된 격리층을 포함할 수 있다. 격리층은 컬러 필터들의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재료로 이루어지기 때문에 컬러 필터의 측면으로 빠져나가는 빛을 전반사할 수 있다. 따라서, 컬러 필터에 경사지게 입사하여 컬러 필터의 측면으로 빠져나가는 빛이 다시 원래의 컬러 필터로 되돌아올 수 있다.

Description

컬러 필터 격리층을 구비하는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서의 제조 방법 {Image sensor including color filter isolation layer and method of fabricating the same}

개시된 실시예는 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이미지 센서의 주변부에서 크로스토크 및 광 손실을 방지할 수 있는 컬러 필터 격리층을 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 컬러 필터 격리층을 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 배치된 것으로, 상기 다수의 컬러 필터들의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재료로 이루어진 격리층;을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 격리층은 적어도 하나의 컬러 필터와 광센싱층 사이에 개재되거나 또는 적어도 하나의 컬러 필터의 광입사면 위를 덮도록 연장될 수 있다.

상기 격리층은 상기 컬러 필터들과 격리층 사이의 계면에서 전반사 임계각이 45도보다 크도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 상기 다수의 컬러 필터들은, 제 1 파장 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 필터;를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 격리층은, 상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터들 사이, 상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터들 중 적어도 하나의 광입사면, 및 상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터들 중 적어도 하나와 상기 광센싱층 사이로 연장될 수 있다.

상기 격리층은 상기 제 1 컬러 필터의 광입사면 및 상기 제 2 컬러 필터와 광센싱층 사이로 연장될 수 있으며, 상기 제 2 컬러 필터의 두께는 상기 제 1 컬러 필터의 두께보다 작을 수 있다.

상기 격리층은 상기 제 3 컬러 필터와 광센싱층 사이로 더 연장될 수 있으며, 상기 제 3 컬러 필터의 두께는 상기 제 1 컬러 필터의 두께보다 작고, 상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터의 광입사면과 상기 광센싱층 사이의 거리가 서로 동일할 수 있다.

상기 이미지 센서는, 상기 제 1 컬러 필터와 대향하도록 배치된 것으로, 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 색분리 요소를 더 포함할 수 있다.

상기 이미지 센서는 상기 컬러 필터층 위에 배치된 투명 유전체층을 더 포함하며, 상기 색분리 요소는 상기 투명 유전체층 내에 매립되어 고정될 수 있다.

상기 이미지 센서는, 상기 제 1 컬러 필터와 대향하도록 배치된 것으로, 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.

일 실시예에서, 상기 컬러 필터층은, 제 1 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 1 컬러 필터와 제 2 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 2 컬러 필터가 제 1 방향을 따라 번갈아 배열된 제 1 행; 및 제 1 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 1 컬러 필터와 제 3 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 3 컬러 필터가 제 1 방향을 따라 번갈아 배열된 제 2 행;을 포함할 수 있으며, 상기 제 1 행과 제 2 행은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다.

상기 이미지 센서는, 상기 제 1 행의 제 1 컬러 필터와 대향하도록 배치된 것으로, 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 진행시키도록 구성된 제 1 색분리 요소; 및 상기 제 2 행의 제 1 컬러 필터와 대향하도록 배치된 것으로, 입사광 중에서 제 1 파장 대역의 빛을 상기 제 1 컬러 필터를 향해 진행시키고 제 3 파장 대역의 빛을 상기 제 3 컬러 필터를 향해 진행시키도록 구성된 제 2 색분리 요소;를 더 포함할 수 있다.

상기 이미지 센서는 상기 컬러 필터층 위에 배치된 투명 유전체층을 더 포함할 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 색분리 요소는 상기 투명 유전체층 내에 매립되어 고정될 수 있다.

또한, 상기 이미지 센서는, 상기 제 1 행 및 제 2 행의 제 1 컬러 필터와 대향하도록 배치된 것으로, 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 또는 제 3 컬러 필터를 향해 진행시키도록 구성된 색분리 요소를 더 포함할 수 있다.

상기 제 1 행에서 상기 격리층은 상기 제 1 컬러 필터의 광입사면, 상기 제 1 컬러 필터와 상기 제 2 컬러 필터 사이, 및 상기 제 2 컬러 필터와 광센싱층 사이를 따라 연장될 수 있으며, 상기 제 2 행에서 상기 격리층은 상기 제 1 컬러 필터의 광입사면, 상기 제 1 컬러 필터와 상기 제 3 컬러 필터 사이, 및 상기 제 3 컬러 필터와 광센싱층 사이를 따라 연장될 수 있다.

상기 제 2 및 제 3 컬러 필터의 두께는 상기 제 1 컬러 필터의 두께보다 작으며, 상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터의 광입사면과 상기 광센싱층 사이의 거리가 서로 동일할 수 있다.

상기 제 2 및 제 3 컬러 필터의 바닥면과 상기 광센싱층 사이의 거리는 상기 컬러 필터의 바닥면과 상기 광센싱층 사이의 거리보다 크며, 상기 제 2 및 제 3 컬러 필터의 광입사면과 상기 광센싱층 사이의 거리는 상기 제 1 컬러 필터의 광입사면과 상기 광센싱층 사이의 거리보다 클 수 있다.

상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터의 측면이 경사질 수 있다.

상기 제 1 컬러 필터의 바닥면과 측면 사이의 내각은 90도보다 작으며, 상기 제 2 컬러 필터의 바닥면과 측면 사이의 내각은 90도보다 클 수 있다.

상기 제 2 컬러 필터의 광입사면의 면적은 상기 제 1 컬러 필터의 광입사면의 면적보다 클 수 있다.

또한, 상기 제 1 컬러 필터의 바닥면과 측면 사이의 내각은 90도보다 크며, 상기 제 2 컬러 필터의 바닥면과 측면 사이의 내각은 90도보다 작을 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 제 1 행에서 상기 격리층은 상기 제 1 컬러 필터와 광센싱층 사이, 상기 제 1 컬러 필터와 상기 제 2 컬러 필터 사이, 및 상기 제 2 컬러 필터의 광입사면을 따라 연장될 수 있다.

또한, 상기 제 2 행에서 상기 격리층은 상기 제 1 컬러 필터와 광센싱층 사이, 상기 제 1 컬러 필터와 상기 제 3 컬러 필터 사이, 및 상기 제 3 컬러 필터의 광입사면을 따라 연장될 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 상술한 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치가 제공될 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 입사광을 감지하여 전기적 신호를 발생시키는 광센싱층을 마련하는 단계; 제 1 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 1 컬러 필터들을 상기 광센싱층 위에 일정한 간격으로 형성하는 단계; 상기 광센싱층의 상부 표면과 상기 다수의 제 1 컬러 필터들의 측면 및 광입사면을 덮도록 격리층을 형성하는 단계; 및 상기 상기 다수의 제 1 컬러 필터들 사이의 격리층 위에 제 2 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 2 컬러 필터들을 일정한 간격으로 형성하는 단계;를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 격리층은 상기 제 1 및 제 2 컬러 필터들의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재료로 이루어지며, 상기 격리층은 상기 제 1 컬러 필터층의 광입사면 및 상기 제 2 컬러 필터층과 상기 광센싱층 사이를 따라 연장될 수 있다.

상기 제 2 컬러 필터의 두께는 상기 제 1 컬러 필터의 두께보다 작으며, 상기 제 1 및 제 2 컬러 필터의 광입사면과 상기 광센싱층 사이의 거리가 서로 동일할 수 있다.

상기 제 2 컬러 필터의 바닥면과 상기 광센싱층 사이의 거리는 상기 제 1 컬러 필터의 바닥면과 상기 광센싱층 사이의 거리보다 크며, 상기 제 2 컬러 필터의 광입사면과 상기 광센싱층 사이의 거리는 상기 제 1 컬러 필터의 광입사면과 상기 광센싱층 사이의 거리보다 클 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. 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 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 4a는 도 3에 도시된 이미지 센서의 A-A' 라인을 따른 제 1 화소행의 단면도이다.
도 4b는 도 3에 도시된 이미지 센서의 B-B' 라인을 따른 제 2 화소행의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 3에 도시된 이미지 센서를 제조하는 과정을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 제 1 화소행 및 제 2 화소행의 구조를 각각 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 제 1 화소행 및 제 2 화소행의 구조를 각각 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 9는 도 8a 및 도 8b에 도시된 이미지 센서의 광센싱 셀들에서 각각 흡수되는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 10은 비교예에 따른 이미지 센서의 광센싱 셀들에서 각각 흡수되는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 컬러 필터 격리층을 구비하는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서의 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 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 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 1을 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 배치된 격리층(21)을 포함할 수 있다.

광센싱층(10)은 다수의 광센싱 셀(10R, 10G, 10B)들로 분할될 수 있다. 예를 들어, 상기 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 1에는 편의상 적색 광센싱 셀(10R), 녹색 광센싱 셀(10G) 및 청색 광센싱 셀(10B)이 각각 하나씩만 도시되어 있지만, 실제로는 매우 많은 수의 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) 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor)로 이루어질 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 1에는 편의상 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.

비록, 도 1에는 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 필터들의 색과 배치 순서는 설명의 편의를 위한 단순한 예일 뿐이라는 점을 유의한다.

격리층(21)은 다수의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)들 사이에 각각 배치되어, 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 사용하는 것이 유리할 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 1에 도시된 바와 같이, 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면 상의 한 점(P1)으로 경사지게 입사한 빛(L)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(L)은 상기 점(P2)에서 전반사되어 녹색 컬러 필터(20G)의 내부로 다시 되돌아올 수 있다. 그런 후, 빛(L)은 녹색 광센싱 셀(10G)에 입사하여 녹색 광센싱 셀(10G)의 신호 출력에 기여하게 될 것이다.

만약 격리층(21)이 존재하지 않는다면, 도 1에서 점선 화살표로 표시된 바와 같이, 빛(L)은 녹색 컬러 필터(20G)에 인접한 청색 컬러 필터(20B)로 입사하게 된다. 그런 후, 빛(L)은 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.

본 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 격리층(21)을 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 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 격리층(21)은 다수의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)들 사이에 배치되어 있으며, 또한 각각의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)와 광센싱층(10) 사이에 더 개재되거나 또는 각각의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)의 광입사면 위를 덮도록 더 연장될 수 있다. 예를 들어, 격리층(21)은 적색 컬러 필터(20R)와 광센싱층(10) 사이, 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면 위, 및 청색 컬러 필터(20B)와 광센싱층(10) 사이로 연장될 수 있다. 여기서, 상기 적색 컬러 필터(20R), 녹색 컬러 필터(20G) 및 청색 컬러 필터(20B)의 광입사면의 높이는 서로 동일할 수 있다. 즉, 적색 컬러 필터(20R), 녹색 컬러 필터(20G) 및 청색 컬러 필터(20B)의 광입사면과 광센싱층(10) 사이의 거리가 서로 동일할 수 있다.

도 2에 도시된 실시예에 따르면, 광센싱층(10) 위의 격리층(21)으로 인하여, 적색 컬러 필터(20R)와 청색 컬러 필터(20B)의 두께는 녹색 컬러 필터(20G)의 두께보다 광센싱층(10) 위의 격리층(21)의 두께만큼 더 작아질 수 있다. 따라서, 광센싱층(10) 위의 격리층(21)의 두께를 조절함으로써 적색 컬러 필터(20R)와 청색 컬러 필터(20B)의 두께를 용이하게 조절할 수 있다. 이러한 적색 컬러 필터(20R)와 청색 컬러 필터(20B)의 두께 조절을 통해, 이미지 센서(110)의 컬러 스펙트럼 특성을 제어할 수 있다. 즉, 복잡한 계산과 많은 시간을 필요로 하는 영상 신호 처리를 수행하지 않고도, 이미지 센서(110)에서 취득되는 영상의 색 특성을 조절할 수 있다.

도 2에는 격리층(21)이 적색 컬러 필터(20R)와 청색 컬러 필터(20B)의 바닥면과 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도 2에는 하나의 컬러 필터(20R, 20G, 20B)를 단위로 하여 컬러 필터(20R, 20G, 20B)의 바닥면과 광입사면에 격리층(21)이 번갈아 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 이미지 센서(110)의 원하는 컬러 스펙트럼 특성에 따라 격리층(21)이 배치되는 위치 및 격리층(21)의 두께가 달라질 수 있다.

한편, 적색 및 청색 컬러 필터(20R, 20B)의 바닥면은 굴절률이 상대적으로 낮은 격리층(21)과 접촉하고 있기 때문에, 적색 및 청색 컬러 필터(20R, 20B)의 측면에서 전반사된 빛이 적색 및 청색 컬러 필터(20R, 20B)의 바닥면에서 다시 전반사될 가능성도 있다. 이 경우, 적색 및 청색 컬러 필터(20R, 20B)의 바닥면에서 전반사되는 빛이 광센싱층(10)에 입사하지 않으므로 광 손실이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 적색 및 청색 컬러 필터(20R, 20B)와 격리층(21) 사이의 굴절률 차이를 조절하여 적색 및 청색 컬러 필터(20R, 20B)의 바닥면에서 전반사가 일어나지 않도록 할 수 있다.

예를 들어, 도 2를 참조하면, 적색 컬러 필터(20R)의 측면으로 입사하는 빛의 입사각이 α라고 할 때, 적색 컬러 필터(20R)의 측면에서 전반사되어 적색 컬러 필터(20R)의 바닥면으로 입사하는 빛의 입사각 α1은 90°-α이다. 그리고, 적색 컬러 필터(20R)와 격리층(21) 사이의 전반사 임계각을 α_c라고 할 때, 빛이 적색 컬러 필터(20R)의 측면에 전반사 임계각으로 입사할 경우, 적색 컬러 필터(20R)의 바닥면으로 입사하는 빛의 입사각 α1은 90°-α_c이다. 여기서, α1이 α_c보다 언제나 작을 경우에는 적색 컬러 필터(20R)의 바닥면에서 전반사가 일어나지 않는다. 즉, α1 = 90°-α_c < α_c이므로, 45°< α_c가 된다. 따라서, 전반사 임계각은 두 매질의 굴절률에만 의존하므로, 전반사 임계각이 45°보다 크도록 격리층(21)의 굴절률을 선택하면 적색 및 청색 컬러 필터(20R, 20B)의 바닥면에서 전반사가 일어나지 않을 수 있다.

도 3은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(120)의 화소 구조를 개략적으로 도시하는 평면도이다. 도 3을 참조하면, 이미지 센서(120)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(120)는 다수의 청색 컬러 필터(20B)들과 다수의 녹색 컬러 필터(20G)들이 가로 방향으로 번갈아 배열된 제 1 화소행(120a)과 다수의 녹색 컬러 필터(20G)들과 다수의 적색 컬러 필터(20R)들이 가로 방향으로 번갈아 배열된 제 2 화소행(120b)을 포함할 수 있다. 도 3에는 편의상 단지 하나의 제 1 및 제 2 화소행(120a, 120b)만이 도시되어 있지만, 다수의 제 1 화소행(120a)들과 다수의 제 2 화소행(120b)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.

또한, 도 4a는 도 3에 도시된 이미지 센서(120)의 A-A' 라인을 따른 제 1 화소행(120a)의 단면도이다. 도 4a를 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. 격리층(21)은 청색 컬러 필터(20B)와 광센싱층(10) 사이, 청색 컬러 필터(20B)와 녹색 컬러 필터(20G)의 사이 및 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면 위로 연장될 수 있다. 즉, 격리층(21)은 청색 컬러 필터(20B)의 바닥면과 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면을 따라 구불구불하게 연장될 수 있다. 따라서, 청색 컬러 필터(20B)의 바닥면과 광센싱층(10) 사이의 거리는 녹색 컬러 필터(20G)의 바닥면과 광센싱층(10) 사이의 거리보다 크다. 한편, 청색 컬러 필터(20B)와 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면의 높이는 서로 동일할 수 있다. 즉, 청색 컬러 필터(20B)와 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면과 광센싱층(10) 사이의 거리가 서로 동일할 수 있다. 따라서, 청색 컬러 필터(20B)의 두께는 녹색 컬러 필터(20G)의 두께보다 광센싱층(10) 위의 격리층(21)의 두께만큼 더 작아질 수 있다.

또한, 도 4b는 도 3에 도시된 이미지 센서(120)의 B-B' 라인을 따른 제 2 화소행(120b)의 단면도이다. 도 4b를 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. 격리층(21)은 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면 위, 녹색 컬러 필터(20G)와 적색 컬러 필터(20R)의 사이 및 적색 컬러 필터(20R)와 광센싱층(10) 사이를 따라 구불구불하게 연장될 수 있다. 따라서, 적색 컬러 필터(20R)의 바닥면과 광센싱층(10) 사이의 거리는 녹색 컬러 필터(20G)의 바닥면과 광센싱층(10) 사이의 거리보다 크다. 적색 컬러 필터(20R)와 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면과 광센싱층(10) 사이의 거리는 서로 동일할 수 있다. 따라서, 적색 컬러 필터(20R)의 두께는 녹색 컬러 필터(20G)의 두께보다 광센싱층(10) 위의 격리층(21)의 두께만큼 더 작아질 수 있다.

도 4a 및 도 4b에서, 청색 컬러 필터(20B)와 적색 컬러 필터(20R)의 두께는 이미지 센서(120)에 요구되는 색상 특성에 따라 서로 동일할 수도 있지만 서로 달라질 수도 있다. 이러한 청색 컬러 필터(20B)와 적색 컬러 필터(20R)의 두께는 광센싱층(10) 위의 격리층(21)의 두께에 따라 조절될 수 있다. 예를 들어, 청색 컬러 필터(20B)의 두께를 적색 컬러 필터(20R)의 두께보다 크도록 형성할 경우, 청색 컬러 필터(20B)와 광센싱층(10) 사이의 격리층(21)의 두께를 적색 컬러 필터(20R)와 광센싱층(10) 사이의 격리층(21)의 두께 작게 형성할 수 있다.

도 5a 내지 도 5c는 도 3에 도시된 이미지 센서(120)를 제조하는 과정을 예시적으로 보이는 단면도로서, 특히 이미지 센서(120)의 제 1 화소행(120a)을 제조하는 과정을 예시적으로 도시하고 있다.

먼저, 도 5a를 참조하면, 입사광을 감지하여 전기적 신호를 발생시키는 다수의 독립적인 광센싱 셀(10B, 10G)들로 분할되어 있는 광센싱층(10)을 마련한다. 도 5a에는 다수의 청색 광센싱 셀(10B)과 다수의 녹색 광센싱 셀(10G)들이 편의상 구분되어 표시되어 있지만, 청색 광센싱 셀(10B)과 녹색 광센싱 셀(10G)들 사이에 실질적인 구조적 차이는 없다. 예컨대, 광센싱층(10)은 CCD(charge-coupled device) 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor)로 이루어질 수 있다.

그리고, 광센싱층(10) 위에 녹색 파장 대역의 빛만을 투과시키는 다수의 녹색 컬러 필터(20G)들을 형성할 수 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 다수의 녹색 컬러 필터(20G)들은 그에 대응하는 녹색 광센싱 셀(10G) 위에 각각 배치될 수 있으며 서로 일정한 간격으로 떨어져서 배열될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 제 1 화소행(120a)에서 녹색 컬러 필터(20G)들을 형성할 때 제 2 화소행(120b)에도 동시에 녹색 컬러 필터(20G)들을 형성할 수 있다. 여기서, 녹색 컬러 필터(20G)를 청색 컬러 필터(20B)보다 먼저 형성하는 것은 녹색 컬러 필터(20G)와 광센싱층(10) 사이에 격리층(21)이 개재되어 있지 않기 때문이다. 다른 실시예에서 녹색 컬러 필터(20G)와 광센싱층(10) 사이에 격리층(21)이 있고 청색 컬러 필터(20B)와 광센싱층(10) 사이에 격리층(21)이 존재하지 않는 경우에는, 청색 컬러 필터(20B)를 녹색 컬러 필터(20G)보다 먼저 형성할 수도 있다.

다음으로 도 5b를 참조하면, 광센싱층(10)의 상부 표면과 다수의 녹색 컬러 필터(20G)들의 측면 및 광입사면을 덮도록 격리층(21)을 형성할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 격리층(21)은 녹색 컬러 필터(20G)나 청색 컬러 필터(20B)들의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 격리층(21)의 형성은, 예를 들어, 물리적 기상 증착법(PVD)이나 화학적 기상 증착법(CVD)으로 이루어질 수 있다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 격리층(21)은 전체적으로 일정한 두께로 형성될 수 있다. 또는, 격리층(21)을 형성한 후에, 필요에 따라서 화학기계적연마(CMP) 방식이나 에칭 등을 통해 격리층(21)의 두께를 부분적으로 조절할 수도 있다. 예를 들어, 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면 위의 격리층(21)의 두께를 조절하거나, 청색 광센싱 셀(10B)과 적색 광센싱 셀(10R) 위의 격리층(21)의 두께를 각각 조절할 수도 있다.

그런 후, 도 5c에 도시된 바와 같이, 다수의 녹색 컬러 필터(20G)들 사이의 격리층(21) 위에 청색 파장 대역의 빛만을 투과시키는 다수의 청색 컬러 필터(20B)들을 형성할 수 있다. 다수의 청색 컬러 필터(20B)들은 그에 대응하는 청색 광센싱 셀(10B) 위에 각각 배치될 수 있으며 서로 일정한 간격으로 떨어져서 배열될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 제 1 화소행(120a)에서 청색 컬러 필터(20B)들을 형성한 후에 또는 그 전에, 제 2 화소행(120b)에서 적색 컬러 필터(20R)들을 형성할 수도 있다.

도 6a 및 도 6b는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 제 1 화소행(130a) 및 제 2 화소행(130b)의 구조를 각각 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 6a에 도시된 제 1 화소행(130a)은, 도 4a에 도시된 이미지 센서(120)의 제 1 화소행(120a)과 마찬가지로, 번갈아 배열된 다수의 청색 컬러 필터(20B)들과 다수의 녹색 컬러 필터(20G)들을 포함한다. 격리층(21)은 청색 컬러 필터(20B)와 광센싱층(10) 사이, 청색 컬러 필터(20B)와 녹색 컬러 필터(20G)의 사이 및 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면 위로 연장될 수 있다. 도 6b에 도시된 제 2 화소행(130b)은, 도 4b에 도시된 이미지 센서(120)의 제 2 화소행(120b)과 마찬가지로, 번갈아 배열된 녹색 컬러 필터(20G)들과 다수의 적색 컬러 필터(20R)들을 포함한다. 격리층(21)은 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면 위, 녹색 컬러 필터(20G)와 적색 컬러 필터(20R)의 사이 및 적색 컬러 필터(20R)와 광센싱층(10) 사이를 따라 연장될 수 있다.

도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 다수의 청색 컬러 필터(20B), 녹색 컬러 필터(20G) 및 다수의 적색 컬러 필터(20R)는 경사진 측면을 가질 수 있다. 예를 들어, 녹색 컬러 필터(20G)의 바닥면과 측면 사이의 제 1 내각(θ1)은 90도보다 작으며, 청색 컬러 필터(20B)와 적색 컬러 필터(20R)의 바닥면과 측면 사이의 제 2 내각(θ2)은 90도보다 클 수 있다. 따라서, 청색 컬러 필터(20B)와 적색 컬러 필터(20R)의 광입사면의 면적은 바닥면의 면적보다 크며, 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면의 면적은 바닥면의 면적보다 작을 수 있다. 또한, 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면의 면적은 청색 컬러 필터(20B)와 적색 컬러 필터(20R)의 광입사면의 면적보다 작을 수 있다.

그러나, 도 6a 및 도 6b에 도시된 예에만 반드시 한정되는 것은 아니다. 이미지 센서의 소망하는 컬러 스펙트럼 특성에 따라, 녹색 컬러 필터(20G)의 바닥면과 측면 사이의 제 1 내각(θ1) 및 청색 컬러 필터(20B)와 적색 컬러 필터(20R)의 바닥면과 측면 사이의 제 2 내각(θ2)을 적절히 조절할 수 있다. 예를 들어, 제 1 내각(θ1)은 90도보다 클 수도 있으며, 제 2 내각(θ2)은 90도보다 작을 수도 있다. 그럼으로써, 청색 컬러 필터(20B)와 적색 컬러 필터(20R)의 광입사면과 바닥면의 상대적인 크기 및 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면과 바닥면의 상대적인 크기를 조절할 수 있다. 이 경우, 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면의 면적이 청색 컬러 필터(20B)와 적색 컬러 필터(20R)의 광입사면의 면적보다 클 수도 있다.

또한, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 적색 컬러 필터(20R), 녹색 컬러 필터(20G) 및 청색 컬러 필터(20B)의 광입사면의 높이들이 서로 다를 수도 있다. 예를 들어, 적색 컬러 필터(20R)와 청색 컬러 필터(20B)의 광입사면의 높이는 서로 동일하고 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면의 높이보다 높을 수 있다. 즉, 적색 컬러 필터(20R)와 청색 컬러 필터(20B)의 광입사면과 광센싱층(10) 사이의 거리는 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면과 광센싱층(10) 사이의 거리보다 클 수 있다. 이를 위해, 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면 위에 형성된 격리층(21)의 상부 표면과 동일한 높이로 적색 컬러 필터(20R)와 청색 컬러 필터(20B)의 광입사면을 형성할 수 있다. 또한, 적색 컬러 필터(20R)와 청색 컬러 필터(20B)의 바닥면과 광센싱층(10) 사이의 거리는 녹색 컬러 필터(20G)의 바닥면과 광센싱층(10) 사이의 거리보다 클 수 있다.

이러한 구조에서, 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면과 적색 컬러 필터(20R) 또는 청색 컬러 필터(20B)의 광입사면 사이의 단차(hoff), 및 적색 컬러 필터(20R) 또는 청색 컬러 필터(20B)와 광센싱층(10) 사이의 격리층(21)의 두께(t)를 조절함으로써, 적색 컬러 필터(20R)와 청색 컬러 필터(20B)의 두께를 조절할 수 있다. 따라서, 상술한 제 1 및 제 2 내각(θ1, θ2)뿐만 아니라, 단차(hoff) 및 두께(t)를 적절히 선택함으로써 이미지 센서의 컬러 스펙트럼 특성을 조절할 수 있다.

도 7은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(140)의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 7을 참조하면, 이미지 센서(140)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 2에서 설명한 것과 동일할 수 있다.

색분리 요소(30)는 파장에 따라 달라지는 빛의 회절 또는 굴절 특성을 이용하여 입사광의 파장에 따라 빛의 진형 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 7에 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)와 격리층(21)을 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 전반사시켜 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 8a 및 도 8b는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 제 1 화소행(150a) 및 제 2 화소행(150b)의 구조를 각각 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 8a에 도시된 제 1 화소행(150a)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 광센싱층(10) 사이, 녹색 컬러 필터(20G)와 청색 컬러 필터(20B)의 사이 및 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면을 따라 연장된 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 4a에서 설명한 것과 동일할 수 있다.

또한, 도 8b에 도시된 제 2 화소행(150b)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), 적색 컬러 필터(20R)와 광센싱층(10) 사이, 녹색 컬러 필터(20G)와 적색 컬러 필터(20R)의 사이 및 녹색 컬러 필터(20G)의 광입사면을 따라 연장된 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 4b에서 설명한 것과 동일할 수 있다.

도 8a 및 도 8b에 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(150a)의 녹색 컬러 필터(20G)와 대향하여 배치될 수 있으며, 제 2 색분리 요소(31b)는 제 2 화소행(150b)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. 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.

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. 또한, 도 8a 및 도 8b에 도시된 투명 유전체층(25)과 제 1 및 제 2 색분리 요소(31a, 31b)는 도 6a 및 도 6b에 도시된 이미지 센서(130a, 130b)에도 적용될 수 있다.

도 9는 도 8a 및 도 8b에 도시된 이미지 센서(150a, 150b)의 광센싱 셀(10R, 10G, 10B)들에서 각각 흡수되는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 9에서 'B filter', 'G filter' 및 'R filter'는 각각 제 1 및 제 2 색분리 요소(31a, 31b)를 사용하지 않았을 때 청색, 녹색, 적색 광센싱 셀(10B, 10G, 10R)에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포를 나타낸다. 또한, 도 9에서 'R' 및 'B'는 제 1 및 제 2 색분리 요소(31a, 31b)를 사용할 경우에 적색 및 청색 광센싱 셀(10R, 10B)에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포를 나타내고, 'Gb' 및 'Gr'는 제 1 및 제 2 색분리 요소(31a, 31b)를 사용할 경우에 제 1 화소행(150a)의 녹색 광센싱 셀(10G) 및 제 2 화소행(150b)의 녹색 광센싱 셀(10G)에 입사하는 빛의 스펙트럼 분포를 나타낸다. 도 9의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 제 1 및 제 2 색분리 요소(31a, 31b)를 사용함으로써 컬러 필터(20G, 20R, 20B)만을 사용하는 경우에 비해 광 이용 효율이 향상될 수 있다.

또한, 도 10은 비교예에 따른 이미지 센서의 광센싱 셀(10R, 10G, 10B)들에서 각각 흡수되는 빛의 스펙트럼 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다. 비교예에 따른 이미지 센서는 도 8a 및 도 8b에 도시된 이미지 센서(150a, 150b)와 거의 동일한 구조를 갖지만, 격리층(21)을 포함하지 않는다. 즉, 비교예에 따른 이미지 센서는 컬러 필터(20G, 20R, 20B)들과 제 1 및 제 2 색분리 요소(31a, 31b)를 포함하지만, 컬러 필터(20G, 20R, 20B)들 사이에 격리층(21)은 배치되어 있지 않다. 도 10의 그래프를 살펴보면, 비교예에 따른 이미지 센서는 컬러 필터(20G, 20R, 20B)만을 사용하는 경우에 비해 높은 광 이용 효율을 갖지만, 격리층(21)을 더 포함하는 본 실시예에 비해서는 광 이용 효율이 낮다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예에서와 같이 격리층(21)과 제 1 및 제 2 색분리 요소(31a, 31b)를 함께 사용함으로써 광 이용 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 컬러 필터 격리층을 구비하는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서의 제조 방법에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

10.....광센싱층 10R, 10G, 10B.....광센싱 셀
20.....컬러 필터층 20R, 20G, 20B.....컬러 필터
21.....격리층
100, 110, 120, 130, 140.....이미지 센서

Claims (26)

1. 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 배치된 것으로, 상기 다수의 컬러 필터들의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재료로 이루어진 격리층;을 포함하며,
   상기 격리층은 적어도 하나의 컬러 필터와 광센싱층 사이에 개재되거나 또는 적어도 하나의 컬러 필터의 광입사면 위를 덮도록 연장되어 있고,
   상기 다수의 컬러 필터들은 제 1 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 1 컬러 필터 및 제 2 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 2 컬러 필터를 포함하며,
   상기 격리층은 상기 제 1 컬러 필터의 광입사면 및 상기 제 2 컬러 필터와 광센싱층 사이로 연장되어 있으며, 상기 제 2 컬러 필터의 두께는 상기 제 1 컬러 필터의 두께보다 작은 이미지 센서.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 격리층은 상기 컬러 필터들과 격리층 사이의 계면에서 전반사 임계각이 45도보다 크도록 구성되는 이미지 센서.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 다수의 컬러 필터들은 제 3 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 3 컬러 필터를 더 포함하는 이미지 센서.
4. 삭제
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 격리층은 상기 제 3 컬러 필터와 광센싱층 사이로 더 연장되어 있으며, 상기 제 3 컬러 필터의 두께는 상기 제 1 컬러 필터의 두께보다 작고, 상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터의 광입사면과 상기 광센싱층 사이의 거리가 서로 동일한 이미지 센서.
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 제 1 컬러 필터와 대향하도록 배치된 것으로, 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 색분리 요소를 더 포함하는 이미지 센서.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 컬러 필터층 위에 배치된 투명 유전체층을 더 포함하며, 상기 색분리 요소는 상기 투명 유전체층 내에 매립되어 고정되어 있는 이미지 센서.
8. 제 3 항에 있어서,
   상기 제 1 컬러 필터와 대향하도록 배치된 것으로, 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.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 다수의 컬러 필터들은 제 3 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 3 컬러 필터를 더 포함하고,
   상기 컬러 필터층은:
   상기 다수의 제 1 컬러 필터와 상기 다수의 제 2 컬러 필터가 제 1 방향을 따라 번갈아 배열된 제 1 행; 및
   상기 다수의 제 1 컬러 필터와 상기 다수의 제 3 컬러 필터가 제 1 방향을 따라 번갈아 배열된 제 2 행;을 포함하며,
   상기 제 1 행과 제 2 행은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 서로 번갈아 배열되어 있는 이미지 센서.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 행의 제 1 컬러 필터와 대향하도록 배치된 것으로, 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 진행시키도록 구성된 제 1 색분리 요소; 및
    상기 제 2 행의 제 1 컬러 필터와 대향하도록 배치된 것으로, 입사광 중에서 제 1 파장 대역의 빛을 상기 제 1 컬러 필터를 향해 진행시키고 제 3 파장 대역의 빛을 상기 제 3 컬러 필터를 향해 진행시키도록 구성된 제 2 색분리 요소;를 더 포함하는 이미지 센서.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 컬러 필터층 위에 배치된 투명 유전체층을 더 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 색분리 요소는 상기 투명 유전체층 내에 매립되어 고정되어 있는 이미지 센서.
12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 행 및 제 2 행의 제 1 컬러 필터와 대향하도록 배치된 것으로, 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 또는 제 3 컬러 필터를 향해 진행시키도록 구성된 색분리 요소를 더 포함하는 이미지 센서.
13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 행에서 상기 격리층은 상기 제 1 컬러 필터의 광입사면, 상기 제 1 컬러 필터와 상기 제 2 컬러 필터 사이, 및 상기 제 2 컬러 필터와 광센싱층 사이를 따라 연장되어 있으며,
    상기 제 2 행에서 상기 격리층은 상기 제 1 컬러 필터의 광입사면, 상기 제 1 컬러 필터와 상기 제 3 컬러 필터 사이, 및 상기 제 3 컬러 필터와 광센싱층 사이를 따라 연장되어 있는 이미지 센서.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 및 제 3 컬러 필터의 두께는 상기 제 1 컬러 필터의 두께보다 작으며, 상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터의 광입사면과 상기 광센싱층 사이의 거리가 서로 동일한 이미지 센서.
15. 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 배치된 것으로, 상기 다수의 컬러 필터들의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재료로 이루어진 격리층;을 포함하며,
    상기 격리층은 적어도 하나의 컬러 필터와 광센싱층 사이에 개재되거나 또는 적어도 하나의 컬러 필터의 광입사면 위를 덮도록 연장되어 있고,
    상기 다수의 컬러 필터들은 제 1 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 1 컬러 필터, 제 2 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 2 컬러 필터, 및 제 3 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 3 컬러 필터를 포함하고,
    상기 격리층은 상기 제 1 컬러 필터의 광입사면, 상기 제 1 컬러 필터와 상기 제 2 컬러 필터 사이, 상기 제 2 컬러 필터와 광센싱층 사이, 상기 제 1 컬러 필터와 상기 제 3 컬러 필터 사이, 및 상기 제 3 컬러 필터와 광센싱층 사이를 따라 연장되어 있고,
    상기 제 2 및 제 3 컬러 필터의 바닥면과 상기 광센싱층 사이의 거리는 상기 제 1 컬러 필터의 바닥면과 상기 광센싱층 사이의 거리보다 크며,
    상기 제 2 및 제 3 컬러 필터의 광입사면과 상기 광센싱층 사이의 거리는 상기 제 1 컬러 필터의 광입사면과 상기 광센싱층 사이의 거리보다 큰 이미지 센서.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 3 컬러 필터의 측면이 경사져 있는 이미지 센서.
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 컬러 필터의 바닥면과 측면 사이의 내각은 90도보다 작으며, 상기 제 2 컬러 필터의 바닥면과 측면 사이의 내각은 90도보다 큰 이미지 센서.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 2 컬러 필터의 광입사면의 면적은 상기 제 1 컬러 필터의 광입사면의 면적보다 큰 이미지 센서.
19. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 컬러 필터의 바닥면과 측면 사이의 내각은 90도보다 크며, 상기 제 2 컬러 필터의 바닥면과 측면 사이의 내각은 90도보다 작은 이미지 센서.
20. 삭제
21. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항 내지 제 19 항 중에서 어느 한 항에 따른 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치.
22. 입사광을 감지하여 전기적 신호를 발생시키는 광센싱층을 마련하는 단계;
    제 1 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 1 컬러 필터들을 상기 광센싱층 위에 일정한 간격으로 형성하는 단계;
    상기 광센싱층의 상부 표면과 상기 다수의 제 1 컬러 필터들의 측면 및 광입사면을 덮도록 격리층을 형성하는 단계; 및
    상기 상기 다수의 제 1 컬러 필터들 사이의 격리층 위에 제 2 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 2 컬러 필터들을 일정한 간격으로 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 격리층은 상기 제 1 및 제 2 컬러 필터들의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재료로 이루어지며, 상기 격리층은 상기 제 1 컬러 필터층의 광입사면 및 상기 제 2 컬러 필터층과 상기 광센싱층 사이를 따라 연장되어 있고,
    상기 제 2 컬러 필터의 두께는 상기 제 1 컬러 필터의 두께보다 작으며, 상기 제 1 및 제 2 컬러 필터의 광입사면과 상기 광센싱층 사이의 거리가 서로 동일한 이미지 센서의 제조 방법.
23. 삭제
24. 입사광을 감지하여 전기적 신호를 발생시키는 광센싱층을 마련하는 단계;
    제 1 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 1 컬러 필터들을 상기 광센싱층 위에 일정한 간격으로 형성하는 단계;
    상기 광센싱층의 상부 표면과 상기 다수의 제 1 컬러 필터들의 측면 및 광입사면을 덮도록 격리층을 형성하는 단계; 및
    상기 상기 다수의 제 1 컬러 필터들 사이의 격리층 위에 제 2 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 2 컬러 필터들을 일정한 간격으로 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 격리층은 상기 제 1 및 제 2 컬러 필터들의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재료로 이루어지며, 상기 격리층은 상기 제 1 컬러 필터층의 광입사면 및 상기 제 2 컬러 필터층과 상기 광센싱층 사이를 따라 연장되어 있고,
    상기 제 2 컬러 필터의 바닥면과 상기 광센싱층 사이의 거리는 상기 제 1 컬러 필터의 바닥면과 상기 광센싱층 사이의 거리보다 크며,
    상기 제 2 컬러 필터의 광입사면과 상기 광센싱층 사이의 거리는 상기 제 1 컬러 필터의 광입사면과 상기 광센싱층 사이의 거리보다 큰 이미지 센서의 제조 방법.
25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 컬러 필터의 측면이 경사져 있는 이미지 센서의 제조 방법.
26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 컬러 필터의 바닥면과 측면 사이의 내각은 90도보다 작으며, 상기 제 2 컬러 필터의 바닥면과 측면 사이의 내각은 90도보다 큰 이미지 센서의 제조 방법.

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