KR100282427B1 - 고체 촬상 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각각의 화소간의 감도 차이를 없애고 저조도시의 감도를 높일 수 있도록한 고체 촬상 소자에 관한 것으로, 매트릭스 형태로 복수개 형성되어 빛에 관한 신호를 전기적인 신호로 변환하는 포토 다이오드 영역들; 포토 다이오드 영역상에 상응하여 구성되어 빛을 집광하는 마이크로 렌즈들을 포함하는 고체 촬상 소자에 있어서, 포토 다이오드 영역들을 포함하는 전체 수광 영역의 전면에 형성되는 평탄화층을 전체 수광 영역을 그 중앙 영역부터 복수개의 영역으로 나누어 각각의 영역상의 평탄화층의 굴절율을 서로 다르게한 것을 특징으로 한다.

Description

고체 촬상 소자
본 발명은 고체 촬상 소자에 관한 것으로, 특히 각각의 화소간의 감도 차이를 없애고 저조도시의 감도를 높일 수 있도록한 고체 촬상 소자에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 고체 촬상 소자에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술의 고체 촬상 소자의 평면 구성도이고, 도 2는 종래 기술의 고체 촬상 소자의 단위 화소와 그에 이웃하는 화소의 단면 구성도이다.
종래 기술의 고체 촬상 소자는 레이 아웃상에서 다음과 같은 구성을 갖는다.
소자의 중앙 영역을 제 1 영역(1)이라하고, 제 1 영역에 접하는 주위 영역을 제 2 영역(2)이라고 하고, 제 2 영역(2)과 소자 주변부의 옵티컬 블랙 영역(4)사이의 영역을 제 3 영역(3)이라 정의하면 각각의 영역은 다음의 기준에 따라 나눌수 있다.
렌즈(7)에 의한 빛의 굴절 각도를 팩터로하여 입사되는 빛이 화소에 정상적으로 입사되는 것을 기준 굴절각 0°라하면 제 1 영역(1)은 0° ~ 15°의 굴절각을 갖는다.
그리고 제 2 영역(2)은 15° ~ 30°의 굴절각을 갖고 제 3 영역(3)은 30° ~ 최대 굴절각을 갖는다.
평면 구성은 옵티컬 블랙 영역(4)내에 제 3 영역(3),제 2 영역(2),제 1 영역(1)이 구성되고, 옵티컬 블랙 영역(4)의 외측에 각각의 게이트들의 구동 및 신호 입출력을 위한 패드(5)들이 크게 구성된다.
이와 같은 종래 기술의 고체 촬상 소자의 단면 구성은 먼저, 매트릭스 형태로 복수개 형성되어 빛에 관한 신호를 전기적인 신호로 변환하는 포토 다이오드 영역(도면에 도시되지 않음) 및 포토 다이오드 영역에서 생성되어진 영상 전하를 일방향으로 전송하는 전하 전송 영역(도면에 도시되지 않음)들이 형성된 반도체 기판(6)상에 형성되는 게이트 절연막(7)과, 전하 전송 영역상측의 게이트 절연막(7)상에 반복적으로 각각 절연되어 형성되는 게이트들(8)과, 게이트들(8)의 사이 및 그 둘레에 형성되는 층간 절연막(9)과, 게이트들(8)을 감싸고 층간 절연막(9)상에 형성되는 차광막(10)과, 상기 차광막(10)이 형성된 전면에 형성되는 패시베이션층(11)과, 패시베이션층(11)이 형성된 전면에 형성되는 제 1 평탄화층(12)과, 제 1 평탄화층(12)상에 각각의 포토 다이오드 영역에 대응하여 형성되는 칼라 필터층(13)과, 칼라 필터층(13)을 포함하는 전면에 형성되는 제 2 평탄화층(14)과, 제 2 평탄화층(14)상에 각각의 포토 다이오드 영역에 대응하여 반구 형태로 형성되는 마이크로 렌즈(15)와 이와 같이 형성된 촬상 소자에 이격되어 전체 너비 크기로 형성되는 렌즈(16) 및 조리개(17)로 구성된다.
여기서, 제 1 평탄화층(12)과 제 2 평탄화층(14)의 굴절율은 마이크로 렌즈(15)의 굴절율과 유사하다.
이와 같이 구성된 고체 촬상 소자는 마이크로 렌즈(15)를 통해서 포토 다이오드에 집광된 빛이 전하로 변환된다.
포토 다이오드 영역에서 변환 생성된 전하는 트랜스퍼 게이트에 인가되는 전하 트랜스퍼 신호에 의해 전하 전송 영역으로 이동되고 이 전하는 계속 이동되어 플로우팅 디퓨전 영역에서 센싱이된다.
센싱된 신호는 영상 신호 처리 단계를 거쳐 외부 디스플레이 수단에 의해 표시된다.
도 2의 입사광은 조리개가 많이 열리는 저조도시의 입사광을 나타내는 것으로 초점거리가 짧아지는 것을 알 수 있다. 이는 제 2,3 영역(2)(3)에서의 입사광을 나타낸 것이다.
이와 같은 종래 기술의 고체 촬상 소자는 다음과 같은 문제가 있다.
상대적으로 어두운 곳을 촬상하는 경우 조리개가 많이 열리는데, 이와 같은 저조도시에는 기준 굴절각 0°라할 때 15°이상의 굴절각을 갖는 주변영역에서는 비교적 입사 각도가 큰 사광이 들어와 포토다이오드까지의 초점거리가 정상 조도시보다 짧아지게된다.
이때, 포토 다이오드 영역에 들어가는 빛의 양이 적어져 15°이하의 굴절각을 갖는 중앙 영역보다 감도 차이가 난다.
이와 같은 화소간의 감도 차이는 전체적이 해상도에 영향을 미치게되어 소자의 특성을 악화시킨다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 고체 촬상 소자의 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로, 각각의 화소간의 감도 차이를 없애고 저조도시의 감도를 높일 수 있도록한 고체 촬상 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래 기술의 고체 촬상 소자의 평면 구성도
도 2는 종래 기술의 고체 촬상 소자의 단위 화소와 그에 이웃하는 화소의 단면 구성도
도 3은 본 발명에 따른 고체 촬상 소자의 평면 구성도
도 4는 본 발명에 따른 고체 촬상 소자의 단위 화소와 그에 이웃하는 화소의 단면 구성도
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 촬상 소자의 단위 화소와 그에 이웃하는 화소의 단면 구성도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
31. 제 1 영역 32. 제 2 영역
33. 제 3 영역 34. 옵티컬 블랙 영역
35. 패드
각각의 화소간의 감도 차이를 없애고 저조도시의 감도를 높일 수 있도록한 본 발명에 따른 고체 촬상 소자는 매트릭스 형태로 복수개 형성되어 빛에 관한 신호를 전기적인 신호로 변환하는 포토 다이오드 영역들; 포토 다이오드 영역상에 상응하여 구성되어 빛을 집광하는 마이크로 렌즈들을 포함하는 고체 촬상 소자에 있어서, 포토 다이오드 영역들을 포함하는 전체 수광 영역의 전면에 형성되는 평탄화층을 전체 수광 영역을 그 중앙 영역부터 복수개의 영역으로 나누어 각각의 영역상의 평탄화층의 굴절율을 서로 다르게한 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 고체 촬상 소자에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 고체 촬상 소자의 평면 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 고체 촬상 소자의 단위 화소와 그에 이웃하는 화소의 단면 구성도이다.
렌즈(46)에 의한 빛의 굴절 각도를 팩터로하여 입사되는 빛이 화소에 정상적으로 입사되는 것을 기준 굴절각 0°라 할 때 굴절각이 0° ~ 15°가되는 제 1 영역(31)과, 소자의 전체 수광 영역에서 중앙 부분이되는 제 1 영역(31)을 제외하고 그에 접하여 15° ~ 30°의 굴절각을 갖는 제 2 영역(32)과, 제 2 영역(32)과 소자 주변부의 옵티컬 블랙 영역(34)사이의 구성되어 굴절각이 30° ~ 최대 굴절각을 갖는 제 3 영역(33)과, 옵티컬 블랙 영역(34)의 외측에 구성되어 각각의 게이트들의 구동 및 신호 입출력을 위한 패드(35)들이 크게 구성된다.
이와 같은 본 발명에 따른 고체 촬상 소자의 단면 구성은 먼저, 매트릭스 형태로 복수개 형성되어 빛에 관한 신호를 전기적인 신호로 변환하는 포토 다이오드 영역(도면에 도시되지 않음) 및 포토 다이오드 영역에서 생성되어진 영상 전하를 일방향으로 전송하는 전하 전송 영역(도면에 도시되지 않음)들이 형성된 반도체 기판(36)상에 형성되는 게이트 절연막(37)과, 전하 전송 영역상측의 게이트 절연막(37)상에 반복적으로 각각 절연되어 형성되는 게이트들(38)과, 게이트들(38)의 사이 및 그 둘레에 형성되는 층간 절연막(39)과, 게이트들(38)을 감싸고 층간 절연막(39)상에 형성되는 차광막(40)과, 상기 차광막(40)이 형성된 전면에 형성되는 패시베이션층(41)과, 부분적으로 서로 다른 굴절율을 갖고 패시베이션층(41)이 형성된 전면에 형성되는 제 1 평탄화층(42)과, 제 1 평탄화층(42)상에 각각의 포토 다이오드 영역에 대응하여 형성되는 칼라 필터층(43)과, 부분적으로 서로 다른 굴절율을 갖고 칼라 필터층(43)을 포함하는 전면에 형성되는 제 2 평탄화층(44)과, 제 2 평탄화층(44)상에 각각의 포토 다이오드 영역에 대응하여 반구 형태로 형성되는 마이크로 렌즈(45)와 이와 같이 형성된 촬상 소자에 이격되어 전체 너비 크기로 형성되는 렌즈(46) 및 조리개(47)로 구성된다.
이때, 저조도시에 제 2,3 영역(32)(33)의 굴절율을 제 1 영역(31)보다 크게 만들어 제 2,3 영역(32)(33)에서 포토다이오드까지의 초점거리를 제 1 영역(31)에서의 초점거리와 동일하게 만들기 위해 제 1,2 평탄화층(42)(44)의 굴절율을 다르게 한다.
이때, 제 1 영역(31)과 제 2,3 영역(32)(33)사이의 초점거리 마진은 존재한다.
즉, 제 1 평탄화층(42)을 형성한후에 포토리소그래피 공정으로 제 2,3 영역(32)(33)상의 제 1 평탄화층(42)만을 노출시킨후 이온 주입공정을 실시하여 굴절율을 변화시킨다.
그리고 제 2 평탄화층(44)을 형성한후에 포토리소그래피 공정으로 제 2,3 영역(32)(33)상의 제 2 평탄화층(44)만을 노출시킨후 이온 주입 공정을 실시하여 굴절율을 변화시킨다.
이때, 각각의 제 1,2,3 영역에 따른 굴절율의 크기는 다음과 같은 조건을 만족하도록 한다.
제 1 영역 굴절율 〈 제 2 영역 굴절율 〈 제 3 영역 굴절율,
제 1 영역 굴절율+0.3 〈 제 2 영역 굴절율 〈 제 1 영역 굴절율+1,
제 2 영역 굴절율+0.3 〈 제 3 영역 굴절율 〈 제 1 영역 굴절율+1이 되도록한다.
이와 같이 제 1,2 평탄층(42)(44)의 굴절율을 다르게 하기 위하여 이온 주입공정을 실시하는 것 이외에 굴절율이 다른 물질층으로 영역을 나누어 평탄층을 형성하는 것도 가능하다.
이와 같은 본 발명에 따른 다른 실시예의 고체 촬상 소자에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 촬상 소자의 단위 화소와 그에 이웃하는 화소의 단면 구성도이다.
본 발명에 따른 다른 실시예는 제 1 영역(31)과 제 2,3 영역(32)(33)을 구분하여 평탄화층의 굴절율을 다르게 하는 것이 아니라 마이크로 렌즈(45)의 곡률을 다르게 한 것이다.
이때, 마이크로 렌즈(45)의 곡률 크기는 제 1 영역의 마이크로 렌즈 곡률 〈 제 2 영역의 마이크로 렌즈의 곡률 〈 제 3 영역의 마이크로 렌즈의 곡률의 순으로 한다.
이와 같이 구성된 고체 촬상 소자는 마이크로 렌즈(45)를 통해서 포토 다이오드에 집광된 빛이 전하로 변환된다.
포토 다이오드 영역에서 변환 생성된 전하는 트랜스퍼 게이트에 인가되는 전하 트랜스퍼 신호에 의해 전하 전송 영역으로 이동되고 이 전하는 계속 이동되어 플로우팅 디퓨전 영역에서 센싱이된다.
센싱된 신호는 영상 신호 처리 단계를 거쳐 외부 디스플레이 수단에 의해 표시된다.
이때의 입사광은 조리개가 많이 열리는 저조도시의 입사광을 나타내는 것으로 각각 제 1,2,3 영역의 초점거리가 같은 것을 알 수 있다. 이는 제 2,3 영역(32)(33)에서의 입사광을 나타낸 것이다.
이와 같은 본 발명에 따른 고체 촬상 소자는 다음과 같은 효과가 있다.
상대적으로 어두운 곳을 촬상하는 경우 조리개가 많이 열리는데, 이와 같은 저조도시에 본 발명은 서로 다른 굴절율을 갖는 영역별로 평탄화층의 굴절율 또는 마이크로 렌즈의 곡률을 다르게 하여 주변영역에서 비교적 입사 각도가 큰 사광이 들어와도 포토다이오드까지의 초점거리가 중앙 영역과 동일하다.
그러므로 저조도시의 촬상 동작시에도 각 화소간의 감도가 차이를 갖지않아 전체적으로 해상도를 좋게하여 소자의 특성을 향상시킨다.

Claims (7)

  1. 매트릭스 형태로 복수개 형성되어 빛에 관한 신호를 전기적인 신호로 변환하는 포토 다이오드 영역들; 포토 다이오드 영역상에 상응하여 구성되어 빛을 집광하는 마이크로 렌즈들을 포함하는 고체 촬상 소자에 있어서,
    포토 다이오드 영역들을 포함하는 전체 수광 영역의 전면에 형성되는 평탄화층을 전체 수광 영역을 그 중앙 영역부터 복수개의 영역으로 나누어 각각의 영역상의 평탄화층의 굴절율을 서로 다르게한 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 입사되는 빛이 화소에 정상적으로 입사되는 것을 기준 굴절각 0°라 할 때 굴절각이 0° ~ 15°가되는 중앙부의 제 1 영역; 그에 접하여 15° ~ 30°의 굴절각을 갖는 제 2 영역; 제 2 영역과 소자 주변부의 옵티컬 블랙 영역사이의 구성되어 굴절각이 30° ~ 최대 굴절각을 갖는 제 3 영역으로 나누어 제 2,3 영역상의 평탄화층의 굴절율을 제 1 영역보다 크게 만들어 제 2,3 영역에서 포토 다이오드 영역까지의 초점거리를 제 1 영역에서의 초점거리와 동일하게한 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  3. 제 2 항에 있어서, 평탄화층에 선택적으로 불순물을 주입하여 제 2,3 영역상의 굴절율을 변화시킨 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  4. 제 2 항에 있어서, 제 2,3 영역상의 평탄화층을 서로 굴절율이 다른 물질을 증착하여 형성한 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  5. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서, 제 2,3 영역상의 마이크로 렌즈의 곡률을 제 1 영역상의 마이크로 렌즈와 다른 크기를 갖도록한 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  6. 제 2 항에 있어서, 각각의 제 1,2,3 영역에 따른 굴절율의 크기는;
    제 1 영역 굴절율 〈 제 2 영역 굴절율 〈 제 3 영역 굴절율 또는 제 1 영역 굴절율+0.3 〈 제 2 영역 굴절율 〈 제 1 영역 굴절율+1 또는 제 2 영역 굴절율+0.3 〈 제 3 영역 굴절율 〈 제 1 영역 굴절율+1인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 마이크로 렌즈의 곡률 크기는 제 1 영역의 마이크로 렌즈 곡률 〈 제 2 영역의 마이크로 렌즈의 곡률 〈 제 3 영역의 마이크로 렌즈의 곡률의 순서인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
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