JP2009147326A - イメージセンシングデバイス及びそれを備えたｃｍｏｓイメージセンサー - Google Patents
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Abstract
【課題】イメージセンシングデバイス及びそれを備えたＣＭＯＳイメージセンサを提供する。
【解決手段】ｐ‐ｎ接合フォトダイオード、及びｐ‐ｎ接合フォトダイオードの上面に金属物質のパターン層を備えたイメージセンシングデバイスと、金属物質のパターン層の上方に形成されたマイクロレンズと、を備え、金属物質は、金、銀、銅、アルミニウム及びタングステンからなる群のうち選択された少なくともいずれか一つからなるＣＭＯＳイメージセンサーである。
【選択図】図３
【解決手段】ｐ‐ｎ接合フォトダイオード、及びｐ‐ｎ接合フォトダイオードの上面に金属物質のパターン層を備えたイメージセンシングデバイスと、金属物質のパターン層の上方に形成されたマイクロレンズと、を備え、金属物質は、金、銀、銅、アルミニウム及びタングステンからなる群のうち選択された少なくともいずれか一つからなるＣＭＯＳイメージセンサーである。
【選択図】図３
Description
本発明は、フォトダイオードの上部に金属パターンを形成して感度を向上させたＣＭＯＳイメージセンサーに関する。
イメージセンサーは、光を感知して光学映像を電気的な信号に変換する光電変換素子であって、映像イメージの保存及び伝送、ディスプレイ装置での光学映像を再現するのに使われる。
シリコン半導体を基板としたイメージセンサーには、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサー及びＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｉｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサーがあるが、ＣＭＯＳイメージセンサーは、ＣＣＤイメージセンサーに比べて既存の半導体工程を使用して生産コストを低減でき、製造工程が容易であり、かつ消費電力が低く、周辺回路を同じチップに統合しやすいという利点がある。したがって、ＣＭＯＳイメージセンサーは、携帯電話及び個人用携帯端末器用カメラのような小型携帯用端末器などに適している。
一般的に、ＣＭＯＳイメージセンサーは、半導体基板上に行列で配列される複数個の単位画素を備え、それぞれの単位画素は、ｐ‐ｎ接合フォトダイオード及びトランジスタから構成される。前記フォトダイオードは、外部から光を感知して光電荷を生成する。前記トランジスタは、生成された光電荷の電荷量による電気的な信号を出力する。
前記のように、ＣＭＯＳイメージセンサーは、光信号を検出して生成するフォトダイオードを備え、また、光信号を制御または処理できる制御素子を使用してイメージを具現する。
通常のＣＭＯＳイメージセンサーは、一つのチップ上にフォトダイオード及び複数のトランジスタが集積される。
図１は、通常のＣＭＯＳイメージセンサーの構造を示す断面図である。図２は、ＣＭＯＳイメージセンサーの信号歪曲を説明するためのＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真である。図１に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサー１は、フォトダイオード２、周辺回路用の金属配線４、ポリマーカラーフィルタ６及びマイクロレンズ８を備える。前記構成要素間の空間は、絶縁層で形成される。前記フォトダイオード２は、ｐ型シリコン基板２ａにｎ型不純物がドーピングされたｎ型領域２ｂを備える。
図２に示すように、前記ＣＭＯＳイメージセンサー１は、マイクロレンズ８を通過した光が金属配線４などに反射されて隣接した画素のフォトダイオード２に入射され、したがって、信号が歪曲される光学的クロストークが発生しうる。
また、カラーフィルタ６がマイクロレンズ８の直下に配置される。マイクロレンズ８からフォトダイオード２までの距離が５ないし１０μｍ以上である場合、フォトダイオード２のサイズが約３μｍから１μｍあるいはそれ以下に小さくなる場合、感度が低下するという問題がある。また、光がカラーフィルタ６及び絶縁層を通過しつつ相当量が吸収されて、実際にフォトダイオード２に達する光量が少なくなり、イメージセンサーの感度が不良となりうる。
したがって、前記マイクロレンズ８とフォトダイオード２との距離を狭くするか、またはカラーフィルタ６を代替できる技術が必要である。
本発明の目的は、上部に特定の波長の光により表面プラズモン共鳴を形成する金属パターンが形成されたイメージセンシングデバイスを提供するところにある。
本発明の他の目的は、別途のカラーフィルタなしに特定の波長の光をフィルタリングし、感知できる光量を増加させる金属パターンが上部に形成されたフォトダイオードを備えるＣＭＯＳイメージセンサーを提供するところにある。
前記目的を達成するために、本発明によるイメージセンシングデバイスは、ｐ‐ｎ接合フォトダイオードと、前記ｐ‐ｎ接合フォトダイオードの上面に金属物質のパターン層と、を備えている。
前記金属物質のパターン層は、ストリップパターン、互いに独立的な島状パターンまたは金属粒子層でありうる。
また、前記金属物質のパターン層は、コンタクトホールパターンを含む金属薄膜層でありうる。
前記ｐ‐ｎ接合フォトダイオードの上面に誘電膜をさらに備え、前記金属パターン層は、前記誘電膜上に形成されている。
前記誘電膜は、ＳｉＯ２，ＳｉＯＮ，ＨｆＯ２，Ｓｉ３Ｎ４からなる群のうち選択された少なくともいずれか一つの物質からなる。また、前記誘電膜の厚さは、３ないし１００ｎｍでありうる。
本発明によれば、前記金属物質は、金、銀、銅、アルミニウム及びタングステンからなる群のうち選択された少なくともいずれか一つからなる。
本発明の他の実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサーは、前記イメージセンシングデバイスと、前記金属物質のパターン層の上方に形成されたマイクロレンズと、を備える。
本発明によれば、前記金属物質のパターン層は、複数の画素領域に区分され、前記画素領域に対応する前記金属パターン層は、赤色サブ画素領域、緑色サブ画素領域及び青色サブ画素領域を備える。
前記各サブ画素領域の金属パターンは、ナノドットでありうる。
本発明によれば、前記赤色サブ画素領域、緑色サブ画素領域及び青色サブ画素領域の順で順次に前記ナノドットのサイズが小さくなる。
本発明によれば、前記赤色サブ画素領域、緑色サブ画素領域及び青色サブ画素領域の順で順次に前記ナノドット間の間隔が狭くなる。
本発明によれば、前記ナノドットは、三角形、四角形、五角形、円形及び星形からなる群のうち選択されたいずれか一つの形状を有する。
以下、添付された図面を参照して、本発明の実施形態によるフォトダイオード及びＣＭＯＳイメージセンサーを詳細に説明する。
図３は、本発明の一実施形態によるイメージセンシングデバイス１０を示す断面図である。
図３に示すように、イメージセンシングデバイス１０は、ｐ‐ｎ接合フォトダイオード１２、ｐ‐ｎ接合フォトダイオード１２の上部に順次に形成された誘電膜１５及び金属パターン１３を備える。前記フォトダイオード１２は、ｐ型シリコン基板１２ａにｎ型不純物がドーピングされたｎ型領域１２ｂを備える。
前記誘電膜１５は、前記金属パターン１３により限定された光が前記フォトダイオード１２に伝達されるように薄くなければならない。その厚さは、３ｎｍないし１００ｎｍが望ましい。
前記誘電膜１５は、前記金属パターン１３のシード層の役割を行う。前記誘電膜１５は、ＳｉＯ２，ＳｉＯＮ，ＨｆＯ２，Ｓｉ３Ｎ４のうちいずれか一つで形成される。
前記金属パターン１３においては、光の電磁波が金属表面の電子と共振により表面プラズモンを形成する。前記プラズモンは、光が前記金属パターン１３の近辺にとどまる時間を延長させる役割を行う。
したがって、前記プラズモン現象によって前記フォトダイオード１２に入射される光は、前記金属パターン１３により前記フォトダイオード１２が感知できる時間を延長させて感度を向上させる。
前記金属パターン１３は、ストリップパターン、互いに独立的な島状パターンまたは金属粒子層でありうる。また、前記金属パターン１３は、金属薄膜にコンタクトホールが形成されたコンタクトホールパターンでありうる。
前記金属パターン１３は、前記フォトダイオード１２が感知する光によって材質、パターン形状またはパターンサイズを異なって形成することが望ましい。すなわち、前記金属パターン１３の材質、形状及びサイズによって前記フォトダイオード１２が感知する光が異なるので、前記金属パターン１３が従来のカラーフィルタの役割を行う。
前記金属パターン１３の材質は、金、銀、銅、アルミニウムまたはタングステンのうち一つでありうる。
図４は、本発明の一実施形態によるイメージセンシングデバイス１０を備えたＣＭＯＳイメージセンサー１１の断面図である。図３での構成要素と実質的に同じ構成要素には同じ参照番号を使用し、詳細な説明は省略する。
図４に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサー１１は、イメージセンシングデバイス１０、周辺回路用の金属配線１４及びマイクロレンズ１８を備える。もちろん、前記構成要素以外の空間は、絶縁層（図示せず）で構成される。
前記ＣＭＯＳイメージセンサー１１は、構造的に従来のカラーフィルタが不要であるので、前記マイクロレンズ１８と前記イメージセンシングデバイス１０との距離が狭く、ＣＭＯＳイメージセンサー１１のサイズをさらに小さくすることができる。また、イメージセンシングデバイス１０への入射光の制御が従来より容易であるので、入射光が前記金属配線１４で反射されて表れるクロストーク問題を防止できる。すなわち、入射光をさらに正確に前記フォトダイオード１２に集中させることができる。
前記イメージセンシングデバイス１０は、図３に示した実施形態で形成される。すなわち、イメージセンシングデバイス１０は、ｐ型領域１２ａとｎ型領域１２ｂとからなるｐ‐ｎ接合フォトダイオード１２を備え、フォトダイオード１２上には、誘電膜１５及び金属パターン１３が順次に形成される。
図５は、プラズモン現象を利用したイメージセンサーのセンシング過程を示す図面である。
図４及び図５に示すように、前記マイクロレンズ１８を通過した光は、前記金属配線１４領域を通過して前記イメージセンシングデバイス１０に達する。前記光は、前記金属パターン１３により表面プラズモン共鳴現象を起こし、これによってフィールドエンハンスメントが発生し、イメージセンサー１１の感度が向上する。図５において、点線で表示された円は、金属パターン１３による表面プラズモン共鳴現象が起こる領域を例示的に示したものである。
図６は、４個の領域に形成された金属パターンを示す平面図である。
図４及び図６に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサー１１の一つの画素に該当する領域の誘電膜１５は、４個の領域に分割されており、各領域には、相異なる金属パターン１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが形成されている。赤色サブ画素領域Ｒｅｄには、第１サイズで金を備えたナノドット１３ａが形成されており、緑色サブ画素領域Ｇｒｅｅｎ１，Ｇｒｅｅｎ２には、第２サイズで銀を備えたナノドット１３ｂ，１３ｄが形成されており、青色サブ画素領域Ｂｌｕｅには、第３サイズで金を備えたナノドット１３ｃが形成されている。相対的に波長の長い赤色光を通過させる赤色サブ画素領域Ｒｅｄのナノドット１３ａのサイズは、緑色サブ画素領域Ｇｒｅｅｎ１，Ｇｒｅｅｎ２のナノドット１３ｂ，１３ｄより大きく形成されるか、またはナノドット間の間隔がさらに狭く、青色サブ画素領域Ｂｌｕｅのナノドット１３ｃのサイズは、緑色サブ画素領域Ｇｒｅｅｎ１，Ｇｒｅｅｎ２のナノドット１３ｂ，１３ｄより小さく形成されるか、または同じサイズで形成されても、その間隔がさらに広く形成される。
また、前記各サブ画素領域の金属パターン１３は、感知しようとする光によって三角形、四角形、五角形、円形または星形でありうる。すなわち、前記各サブ画素領域の金属パターン１３は、感知しようとする光の種類によってパターンの形状、サイズ、材質を異ならせれば、光フィルタ効率が変わりうる。
本発明によるイメージセンサーは、光を多量吸収する従来のポリマー材質のカラーフィルタを使用せずにフォトダイオードに達する光量が増加して、光を感知する感度を向上させる。
前記では本発明の望ましい実施形態を参照して説明したが、該技術分野の熟練された当業者は、特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更させることを理解できるであろう。
本発明は、イメージセンサー関連の技術分野に適用可能である。
１０ イメージセンシングデバイス
１１ ＣＭＯＳイメージセンサー
１２ ｐ‐ｎ接合フォトダイオード
１２ａ ｐ型シリコン基板
１２ｂ ｎ型領域
１３ 金属パターン
１４ 周辺回路用の金属配線
１５ 誘電膜
１８ マイクロレンズ
１１ ＣＭＯＳイメージセンサー
１２ ｐ‐ｎ接合フォトダイオード
１２ａ ｐ型シリコン基板
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１４ 周辺回路用の金属配線
１５ 誘電膜
１８ マイクロレンズ
Claims (23)
- ｐ‐ｎ接合フォトダイオードと、
前記ｐ‐ｎ接合フォトダイオードの上面に金属物質のパターン層と、を備えたことを特徴とするイメージセンシングデバイス。 - 前記金属物質のパターン層は、ストリップパターン、互いに独立的な島状パターンまたは金属粒子層であ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デバイス。
- 前記金属物質のパターン層は、コンタクトホールパターンを含む金属薄膜層であ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デバイス。
- 前記ｐ‐ｎ接合フォトダイオードの上面に誘電膜をさらに備え、前記金属パターン層は、前記誘電膜上に形成された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デバイス。
- 前記誘電膜は、ＳｉＯ２，ＳｉＯＮ，ＨｆＯ２，Ｓｉ３Ｎ４からなる群のうち選択された少なくともいずれか一つの物質からなることを特徴とする請求項４に記載のイメージセンシングデバイス。
- 前記誘電膜の厚さは、３ないし１００ｎｍであることを特徴とする請求項４に記載のイメージセンシングデバイス。
- 前記金属物質は、金、銀、銅、アルミニウム及びタングステンからなる群のうち選択された少なくともいずれか一つからな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デバイス。
- 前記金属物質のパターン層は、複数の領域を備え、前記金属物質のパターン層の各領域は、複数のサブ画素領域のうち一つを限定し、前記複数のサブ画素領域は、少なくとも赤色サブ画素領域、緑色サブ画素領域及び青色サブ画素領域を備えてい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デバイス。
- 前記金属パターンは、ナノドットであることを特徴とする請求項８に記載のイメージセンシングデバイス。
- 前記赤色サブ画素領域、緑色サブ画素領域及び青色サブ画素領域の順で順次に前記ナノドットのサイズが小さくな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デバイス。
- 前記赤色サブ画素領域、緑色サブ画素領域及び青色サブ画素領域の順で順次に前記ナノドット間の間隔が長くなることを特徴とする請求項９または１０に記載のイメージセンシングデバイス。
- ｐ‐ｎ接合フォトダイオードと、前記ｐ‐ｎ接合フォトダイオードの上面に金属物質のパターン層と、を備えたイメージセンシングデバイスと、
前記金属物質のパターン層の上方に形成されたマイクロレンズと、を備えたことを特徴とするＣＭＯＳイメージセンサー。 - 前記金属物質のパターン層は、ストリップパターン、互いに独立的な島状パターンまたは金属粒子層であることを特徴とする請求項１２に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
- 前記金属物質のパターン層は、コンタクトホールパターンを含む金属薄膜層であることを特徴とする請求項１２に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
- 前記イメージセンシングデバイスは、前記ｐ‐ｎ接合フォトダイオード上に形成された誘電膜をさらに備え、前記金属パターン層は、前記誘電膜上に形成されたことを特徴とする請求項１２に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
- 前記誘電膜は、ＳｉＯ２，ＳｉＯＮ，ＨｆＯ２，Ｓｉ３Ｎ４からなる群のうち選択された少なくともいずれか一つの物質からなることを特徴とする請求項１５に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
- 前記誘電膜の厚さは、３ないし１００ｎｍであることを特徴とする請求項１５に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
- 前記金属物質は、金、銀、銅、アルミニウム及びタングステンからなる群のうち選択された少なくともいずれか一つからなることを特徴とする請求項１２に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
- 前記金属物質のパターン層は、複数の画素領域に区分され、前記画素領域に対応する前記金属パターン層は、赤色サブ画素領域、緑色サブ画素領域及び青色サブ画素領域を備えたことを特徴とする請求項１２に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
- 前記各サブ画素領域の金属パターンは、ナノドットであることを特徴とする請求項１９に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
- 前記赤色サブ画素領域、緑色サブ画素領域及び青色サブ画素領域の順で順次に前記ナノドットのサイズが小さくなることを特徴とする請求項２０に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
- 前記赤色サブ画素領域、緑色サブ画素領域及び青色サブ画素領域の順で順次に前記ナノドット間の間隔が長くなることを特徴とする請求項２０または２１に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
- 前記ナノドットは、三角形、四角形、五角形、円形及び星形からなる群のうち選択されたいずれか一つの形状を有することを特徴とする請求項２０に記載のＣＭＯＳイメージセンサー。
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