KR100410692B1 - 이미지센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 렌즈를 포토다이오드의 상부에 일부만 오버랩되도록 하거나 오버랩되지 않도록 함으로써, 마이크로 렌즈의 구성물질로 사용되는 수지 등이 경화됨에 따라 빛 투과율이 저하되는 것을 방지하여 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지센서를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 기판 상에 형성된 포토다이오드; 및 상기 포토다이오드 상부에 형성되되, 상기 포토다이오드와 오버랩되는 개구부 상의 중앙부가 오픈되도록 오목 또는 볼록의 구면 형상으로 형성된 마이크로 렌즈를 포함하여 이루어지는 이미지센서를 제공한다.
Description
본 발명은 반도체소자에 관한 것으로 특히, 집광능력을 향상시킬 수 있는 마이크로 렌즈(Microlens)를 구비한 이미지센서에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(Photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광기술이다.예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로 부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위해서는 이미지센서의 전체 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다.그러나, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서, 광감도를 높여주기 위하여 포토다이오드 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 포토다이오드로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 기술이 바로 마이크로 렌즈 형성 기술이다.
도 1은 종래기술에 따른 마이크로 렌즈 형상 및 위치를 나타내는 이미지센서의 평면 및 단면도이며, 도 2는 도 1의 단위 화소(Pixel)를 나타내는 평면 및 단면도이다.
도 1을 참조하면, 포토다이오드를 포함하는 기판(1) 상부에 단위 화소(Pixel)를 이루는 Blue, Red, Green 등의 CFA(Color Filter Array, 2)가 배치되어 있으며, 그 상부에 층간 절연을 위한 OCM(Over-Coating Material, 3)이 형성되어 있고, CFA(2)와 오버랩되는 영역의 상부에 마이크로 볼록렌즈(Concave microlens, 4)가 형성되어 있다.
상기한 구성을 갖는 종래기술에 따른 이미지센서는 포토다이오드(도시하지 않음) 이외의 영역으로 입사하는 빛을 굴절시켜서 포토다이오드(도시하지 않음)로 모이도록 하고 있다.
한편, 각 단위 화소의 평면 및 단면도를 도시한 도 2를 참조하면, 실리콘기판(22) 상의 소정 영역에 포토다이오드(23)가 배치되어 있으며, 그 상부에 절연막(24)이 형성되어 있고, 절연막(24) 상의 포토다이오드(23)와 오버랩되지 않는 영역에 게이트전극(25)과, 게이트전극(25)으로 빛이 입사되는 것을 차단하기 위한 광차단막(26)이 게이트전극(25) 상부에 오버랩되도록 배치되어 있으며, 게이트전극(25)과 광차단막(26) 사이에 층간절연막(27)이 형성되어 있다. 층간절연막(27)상의 포토다이오드(23)와 오버랩되는 영역에 포토리소그라피(Photolithography) 공정에서 사용하는 포토레지스트와 유사한 수지(Resin) 등으로 이루어진 마이크로 볼록렌즈(28)가 배치되어 있다.
즉, 입사되는 빛 에너지를 증가시키기 위해 유효 광감지영역(A)을 마이크로 렌즈에 의한 집광영역(B)으로 확대한 형태를 취하도록 하고 있다.
이와 같이 종래에는 마이크로 렌즈를 볼록렌즈 모양으로 형성하는 것으로 하고 있으며, 특히 포토다이오드 상부에 오버랩되도록 마이크로 렌즈를 형성하는데 주안점을 두고 있다. 그러나, 이러한 수지 자체가 일정한 열에 의해 경화(Hardening)되면, 빛 에너지의 투과율(Transmittance)이 크게 저하되어 광감도가 감소되는 문제점이 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 포토다이오드와 오버랩되는 마이크로 렌즈의 중앙 부분의 수지를 제거함으로써, 수지의 경화에 의한 빛 투과율 저하를 방지할 수 있는 이미지센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 마이크로 렌즈 형상 및 위치를 나타내는 이미지센서의 평면 및 단면도,
도 2는 도 1의 단위 화소를 나타내는 평면 및 단면도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 렌즈 형상 및 위치를 나타내는 이미지센서의 평면 및 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
30 : 기판
31 : 포토다이오드
32 : 절연막
33 : 로직부
34 : 광차단막
35 : 층간절연막
36 : 마이크로 렌즈
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 형성된 포토다이오드; 및 상기 포토다이오드 상부에 형성되되, 상기 포토다이오드와 오버랩되는 개구부 상의 중앙부가 오픈되도록 오목 또는 볼록의 구면 형상으로 형성된 마이크로 렌즈를 포함하여 이루어지는 이미지센서를 제공한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 렌즈 형상 및 위치를 나타내는 이미지센서의 평면 및 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 이미지센서는, 포토다이오드(31) 및 로직부(33)를 구성하는 회로가 형성된 기판(30)과, 로직부(33)의 상부에 형성되어 로직부(33)로 입사되는 빛을 차단하는 광차단막(34)과, 광차단막(34) 상부에 배치되되, 포토다이오드(31)와 오버랩되는 개구부 상의 중앙부가 오픈되도록 형성된 마이크로 렌즈(36)를 구비하여 구성된다.
여기서, 마이크로 렌즈(36)는 포토다이오드(32)와 오버랩되는 영역 상의 에지로부터 외부로 소정의 폭을 갇거나, 포토다이오드(32)와 오버랩되는 영역 상의 에지로부터 내, 외부로 소정의 폭을 갇도록 형성되며, 포토다이오드(32)와 로직부(33) 사이에는 절연막(32)이 형성되어 있고, 로직부(33)와 광차단막(34)은 층간절연막(35)에 의해 격리되어 있다.
또한, 마이크로 렌즈(36)는 포토다이오드(31)의 상부에 유효 광감지영역(A)과 오버랩되는 영역(D)과 그 외곽영역(C)으로 구성되는 바, 'D' 영역으로 입사되는빛은 그 곡률 반경 안쪽으로 굴절되어 포토다이오드(31)로 모이도록 하며, 유효 광감지영역(A) 이외의 영역인 'C' 영역으로 입사되는 빛도 곡률 반경 바깥 영역에서 안쪽으로 굴절되어 포토다이오드(31)로 모이도록 한다.
여기서, 'C' 영역은 포토다이오드(31)의 에지(Edge)로부터 다른 패턴과 구분이 될 수 있는 최대의 크기가 되도록 하는 바, 0.5㎛ ∼ 1.0㎛의 크기로 하며, 'D' 영역은 유효 광감지영역 에지로부터 내부로의 영역으로 상기한 바와 같이 곡률 반경 안쪽으로 입사되는 빛이 볼록한 마이크로 렌즈(36) 안쪽면에 입사되어 유효 광감지영역(A) 밖으로 나가지 않을 정도의 크기로 형성하는 바, 'C'의 크기보다 큰 1.0㎛ ∼ 2.0㎛의 크기가 되도록 한다.
또한, 마이크로 렌즈(36)는 포토리소그라피 공정에서 사용하는 포토레지스트와 유사한 수지(Resin) 등으로 이루어진 것으로 상기한 실시예에서는 볼록한 형태의 마이크로 렌즈(36)를 일예로 하였으나, 오목한 형태의 것도 구현이 가능하다.
상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 포토다이오드와 오버랩되어 굴절되지 않는 직선광이 투과되는 상부 영역의 마이크로 렌즈를 제거함으로써, 마이크로 렌즈의 물질인 수지 등이 경화되어 투과율을 저하시키는 것을 방지하여 광감도를 증가시킬 수 있으며, 유효 광감지영역의 안팎으로 걸쳐서 형성된 마이크로 렌즈를 통해 포토다이오드 이외의 영역으로 입사되는 빛을 포토다이오드로 모이도록 함으로써, 집광 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 본 발명은, 단위 화소의 빛 에너지 흡수율을 높임으로써, 이미지센서의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 탁월한 효과가 있다.
Claims (6)
- 기판 상에 형성된 포토다이오드; 및상기 포토다이오드 상부에 형성되되, 상기 포토다이오드와 오버랩되는 개구부 상의 중앙부가 오픈되도록 오목 또는 볼록의 구면 형상으로 형성된 마이크로 렌즈를 포함하여 이루어지는 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 마이크로 렌즈는,상기 포토다이오드와 오버랩되는 영역 상의 에지로부터 외부로 소정의 폭을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 마이크로 렌즈는,상기 포토다이오드와 오버랩되는 영역 상의 에지로부터 내,외부로 각각 소정의 폭을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 3 항에 있어서,상기 마이크로 렌즈는,상기 포토다이오드와 오버랩되는 영역 상의 에지로부터 내부로 1.0㎛ 내지 2.0㎛의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 3 항에 있어서,상기 마이크로 렌즈는,상기 포토다이오드와 오버랩되는 영역 상의 에지로부터 외부로 0.5㎛ 내지 1.0㎛의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
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