KR100488371B1 - 촬상 장치 - Google Patents

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Abstract

각각이 광전 변환 유닛을 갖는 화소가 2차원적으로 배열되는 복수의 화소 영역이 하나의 반도체 칩 상에 소정의 스페이스를 통해 서로 인접하게 배열되며, 복수의 마이크로렌즈가 복수의 화소 영역과, 복수의 화소 영역간의 소정의 스페이스 상에 형성되는, 촬상 장치가 제공된다.

Description

촬상 장치{IMAGE PICKUP APPARATUS}
본 발명은 피사체상(object image)을 촬상하기 위한 촬상 장치에 관한 것이다.
도 1은, 광전 변환 유닛을 갖는 화소(101)가 2차원적으로 배열되어 있는 종래의 고체 촬상 소자의 구성의 일례를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 화소(101)는 포토다이오드와 같은 광전 변환 유닛을 갖는다. 피사체상을 촬상하기 위한 화소 영역(100)은 이러한 화소를 2차원적으로 배열함으로써 형성된다.
화소로부터의 신호는 수직 신호 라인(103)으로 출력된다. 홀딩(holding) 캐패시터(104)는 수직 신호 라인(103)으로 출력되는 신호를 일시적으로 유지한다. 전송 MOS 트랜지스터(105)는 수직 신호 라인(103)에 출력된 신호를 홀딩 캐패시터(104)로 전달한다. 전송 MOS 트랜지스터(106)는 홀딩 캐패시터(104)로부터의 신호를 수평 신호 라인(107)으로 전달한다.
수직 스캐닝 회로(108)는 수평 방향으로 한 번에 한 라인씩 화소를 연속하여 스캐닝함으로써 각 라인에 대해 화소로부터의 신호를 수직 신호 라인으로 판독 출력하는 제어를 행한다. 수평 스캐닝 회로(109)는 전송 MOS 트랜지스터(106)를 제어함으로써 홀딩 캐패시터(104)로부터의 신호를 수평 신호 라인(107)으로 연속적으로 판독 출력한다. 리셋 MOS 트랜지스터(110)는 수평 신호 라인을 리셋한다. 정전류원(107)은 화소에 포함된 트랜지스터와 함께 소스 폴로워(source follower)를 형성한다.
종래의 고체 촬상 소자의 칼라 필터의 구성에 대해 이하 기술하기로 한다. 도 2는 이 구성에 대한 일례로서, 적색(red) 광을 투과하는 제1 칼라 필터(201)와, 녹색(green) 광을 투과하는 제2 칼라 필터(202)와, 청색(blue) 광을 투과하는 제3 칼라 필터(203)를 포함한다. 2차원적으로 배열된 각 화소에 대응하여, 제1 칼럼에서 시작하는 홀수 번째의 칼럼에는 제1 및 제2 칼라 필터가 교대로 배열되며, 제2 및 제3 칼라 필터는 제2 칼럼에서 시작하는 짝수 번째의 칼럼에 교대로 배열된다. 제2 칼라 필터는 수평 방향으로 홀수 및 짝수 번째의 칼럼에서 서로 인접하지 않도록 배열된다.
일반적으로, 도 3에 도시한 바와 같이, 고체 촬상 소자의 감도를 증가시키기 위해 각 화소에 대응하는 마이크로렌즈가 사용된다. 도 3은 마이크로렌즈가 형성되는 고체 촬상 소자의 단위 화소의 단면 구조를 나타낸 도면이다. 단위 화소(300)(도 1의 하나의 화소(101)에 대응함)는, 광전 변환 유닛(301), 절연층(302), 배선층(303, 304), 광 차폐층(305), 패시베이션층(306), 평탄층(307, 309), 칼라 필터층(308), 및 마이크로렌즈(310)를 포함한다. 각 마이크로렌즈는 직경 a 및 두께 b를 갖는다. 이 마이크로렌즈는 입사광의 초점 효율성을 향상시켜 높은 감도를 구현한다.
마이크로렌즈를 제조하는 일반적인 방법에 대해 도 4를 참조하여 이하 설명하기로 한다. 칼라 필터층(408)의 상부층은 표면을 평탄화하기 위해 투명 수지(409)로 코팅된다. 그 후 이 표면은 유기 수지로 이루어진 마이크로렌즈 물질(410)로 코팅된다. 마이크로렌즈 물질은 마스크에 의한 노출에 의해 패터닝된다. 각 패턴은 크기 a'를 갖는다. 마이크로렌즈 물질은 두께 b'를 갖는다. 도 4에 도시한 바와 같이, 마이크로렌즈를 격리하기 위한 스페이스(411)가 현상에 의해 형성된다. 이 구조는 가열 처리에 의해 유체화되고 고체화되어서 원하는 마이크로렌즈를 형성할 수 있게 된다.
전술한 바와 같이, 종래의 고체 촬상 소자에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 칼라 필터가 화소(101)에 배열된다.
그러나, 이 방법에 따르면, 640(수평)화소 ×480(수직)화소 및 10㎛의 화소 피치를 갖는 고체 촬상 소자에서, 표준 필드각을 제공하기 위한 각 렌즈의 초점 길이는 8mm이며, 이는 고체 촬상 소자의 코너를 가로지르는 너비와 동일한 것이다.
따라서, 디지털 카메라와 같은 촬상 장치가 이러한 고체 촬상 소자를 이용하여 제조될 경우, 장치의 두께 감소에는 한계가 있다.
단일 칩 상에 포토다이오드를 갖는 각 화소와 마이크로렌즈가 형성되며 피사체로부터의 광이 각 마이크로렌즈를 통해 포토다이오드 상에 포커싱되며 각 화소로부터의 출력 신호가 이미지 처리 유닛에 의해 처리되어 이미지를 형성하게 되는 종래의 고체 촬상 소자가 이용가능하다.
도 5는 종래의 CCD 촬상 소자의 포토다이오드 및 마이크로렌즈의 주변 부분을 나타내는 부분 도면이다. 도 6은 실리콘 등으로 이루어진 기판(21)과, 기판(21) 상에 형성된 포토다이오드(22)와, 포토다이오드(22)가 형성되는 기판(21) 상에 형성된 산화물층(29)과, 포토다이오드(22)에 의해 변환된 전하를 전송하기 위한 클럭 신호가 전송되는, 폴리실리콘으로 이루어진 3층 배선(23)과, 광에 대하여 배선(23) 아래에 형성되는 전하 전송 수직 CCD 레지스터 VCCD를 주로 차폐하는 텅스텐 등으로 이루어진 광 차폐층(24)과, 오픈 에어(open air)(O2, H2O) 및 불순 이온(K+, Na+)에 대하여 포토다이오드(22) 등을 보호하기 위한, SiO2 등으로 이루어진 제1 패시베이션층(25) 및 SiON 기반의 재료 등으로 이루어진 제2 패시베이션층(30)과, 유기 재료로 이루어지며 제2 패시베이션층(30) 상의 오목/돌출 부분을 감소시키도록 작용하는 평탄층(26)과, 평탄층(26) 상에 형성되어 피사체로부터 포토다이오드(22) 상으로 광을 집속시키는 기능을 하는 마이크로렌즈(27)를 도시한다.
도 5에 도시된 고체 촬상 소자에서, 이온 주입법 등에 의해 기판(21) 상에 포토다이오드(22)가 형성되며, 중간에 유전층을 끼고 3층 배선(23)이 형성된다. 광 차폐층(24)도 또한 중간에 유전층을 끼고 형성된다. 이 경우, 광 차폐층(24)은 배선(23)을 덮도록 형성되어서 광이 수직 CCD 레지스터 VCCD에 부딪치는 것을 방지한다.
이어서, 오픈 에어 및 습기로부터 포토다이오드(22)를 보호하기 위해 광 차폐층(24) 상에 제1 패시베이션층(25)이 형성된다. 그 후 제1 패시베이션층(25) 상에 제2 패시베이션층(30)이 형성된다. 광 차폐층(24)의 형태에 따라 제2 패시베이션층(30) 상에 약 7000Å의 레벨 차를 갖는 오목/돌출 부분이 형성되기 때문에, 이 오목/돌출 부분을 줄이도록 평탄층(26)이 형성된다. 보다 구체적으로 설명하면, 제2 패시베이션층(30)의 상부 표면은 유기 물질로 코팅되며, 유기 물질은 열(heat)로 리플로우(reflow)함으로써 평탄화되어서 제2 패시베이션층(30)의 돌출 부분에 대해 약 1㎛의 두께를 갖는 평탄층(26)이 형성된다.
이러한 식으로 형성된 평탄층(26)의 상부 표면과 포토다이오드(22)의 상부 표면 사이의 거리는 약 4 내지 6㎛이다. 그 후 마이크로렌즈(27)가 평탄층(26) 상에 형성되어서 도 5에 도시된 것과 마찬가지의 고체 촬상 소자를 제조하게 된다.
도 6은 MOS 촬상 소자의 포토다이오드 및 마이크로렌즈의 주변 부분을 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 플로팅 확산 영역(32)은 포토다이오드(22)에 의해 변환된 전하의 전달 목적지이며, 전달 게이트(31)는 포토다이오드(22)에 의해 변환된 전하의 전달을 제어하며, 인접한 촬상 소자로부터의 격리를 위해 선택적 산화물층(33)이 형성된다.
도 5와 동일한 참조 부호는 도 6에 있는 부분과 동일한 부분을 나타낸다. 이 소자에서, 단일층 배선(23)이 형성되며, 광 차폐층(24)은 알루미늄으로 형성된다. 고체 촬상 소자는 도 5에 도시된 소자와 동일한 처리에 의해 제조된다.
그러나, 종래의 CCD 촬상 소자에 따르면, 광 차폐층의 상부 표면으로부터 산화물층의 상부 표면까지의 거리는 약 7000Å이다. 따라서, 광이 마이크로렌즈 상에 비스듬하게 입사될 경우, 몇몇 경우에 있어서 광은 포토다이오드 대신에 광 차폐층 상에 포커싱된다. 광이 마이크로렌즈에 의해 포토다이오드 상에 포커싱되지 않을 경우, 포토다이오드의 광감도가 열화되거나 광 셰이딩(shading)이 발생할 수도 있다.
종래의 MOS 촬상 소자의 화소 크기는 CCD 촬상 소자의 화소 크기보다 커서, 포토다이오드의 일측의 넓이가 증가될 수 있다. 따라서, 광이 마이크로렌즈 상에 비스듬하게 입사하더라도, 광이 다이오드 상에 포커싱된다. 그러나, 최근에는 CMOS 센서의 화소 크기가 감소될 것이 요구되므로, 종래보다 사이즈가 작은 포토다이오드가 제조되고 있다. 보다 구체적으로는, 포토다이오드의 각 측의 길이는 약 3㎛에서 1.5㎛로 감소되었다. 포토다이오드의 크기가 감소됨에 따라, CCD 촬상 소자에서와 같이, 광이 마이크로렌즈에 의해 광 차폐층 상에 포커싱된다. 이로 인해 포토다이오드의 광감도가 저하되고 광 셰이딩이 발생할 수도 있다.
본 발명의 제1 목적은 두께를 감소시킬 수 있는 촬상 장치를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따르면, 단일 반도체 칩 상에 소정의 스페이스를 두고 서로 인접하여 배열되는 복수의 화소 영역 ―각 화소 영역은 2차원적으로 배열된 화소를 가지며, 각 화소는 광전 변환 유닛을 가짐 ―과, 광을 이미지로 형성하기 위한 복수의 마이크로렌즈를 포함하는 촬상 장치가 제공되며, 여기서 복수의 마이크로렌즈는 복수의 화소 영역 상에 형성되며 또한 복수의 화소 영역 간의 소정의 스페이스 상에도 형성된다.
본 발명의 제2 목적은, 광전 변환 유닛의 광감도의 열화를 방지하고 광 셰이딩의 발생을 방지하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따르면,
광을 전하로 변환하기 위한 광전 변환 영역과, 광전 변환 영역을 보호하기 위한 패시베이션층과, 패시베이션층과 접촉하여 형성되어 입사광을 광전 변환 영역에 포커싱하는 마이크로렌즈를 포함하는 촬상 장치가 제공되며, 여기서 패시베이션층의 표면은 평탄화되며 마이크로렌즈는 평탄화된 표면 상에 형성된다.
본 발명의 전술한 목적, 특징 및 이점과 그 밖의 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면과 특허청구범위와 함께 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체 촬상 소자를 개략적으로 도시한 도면이다.
고체 촬상 소자(1)는 CMOS 처리 등에 의해 단일 반도체 칩 상에 형성되며 이하의 구성을 갖는다.
화소 영역(2a-2d)은 피사체상을 촬상하는 역할을 한다. 각 화소 영역에서 화소는 2차원적으로 배열된다. 각 화소 영역에 이미징 시스템(렌즈)이 제공되며 이는 동일한 피사체상을 촬상하도록 의도된 것이다(이하 기술될 도 5 참조). 주로 녹색(green) 광을 투과하는 분광 투과 특성을 각각 갖는 칼라 필터(이하 G 필터라 칭함)(3a, 3c)가 화소 영역(2a, 2c)의 앞에 형성된다. 주로 청색 광을 투과하는 분광 투과 특성을 갖는 칼라 필터(이하 B 필터라 칭함)(3b)가 화소 영역(2b) 앞에 형성된다. 주로 적색 광을 투과하는 분광 투과 특성을 갖는 칼라 필터(이하 R 필터라 칭함)(3d)가 화소 영역(2d) 앞에 형성된다.
각 화소 영역으로부터 서로 다른 칼라 신호가 출력된다. 이들 신호들을 조합함으로써 칼라 이미지가 형성된다.
칼라 필터가 형성되는 영역(3)이 화소 영역 뿐만 아니라 화소 영역의 주변 영역(화소 영역 사이의 영역을 포함)에 형성된다. 각 화소에 하나의 마이크로렌즈가 제공된다. 마이크로렌즈가 형성되는 영역(4)은, 화소 영역 사이의 영역과, 화소 영역 뿐만 아니라 화소 영역의 주변 영역에도 형성된다.
전술한 복수의 화소 영역(2a-2d)과 그 주변 영역들에 대해서는 이하 도 8을 참조하여 상세히 기술하기로 한다.
화소(10)(이하 상세히 기술됨)는 포토다이오드와 같은 광전 변환 유닛을 포함한다. 수직 신호 라인(11)을 통해 화소로부터 신호가 판독된다. 예를 들어 수직 스캐닝 회로(12)는 수평 방향으로의 라인에 기초하여 화소를 리셋 및 선택하고 수직 방향으로의 라인에 기초하여 연속적으로 스캐닝한다. 수직 스캐닝 회로(12)로부터 화소로 리셋 펄스, 선택 펄스 등을 전달하는 데에 제어 라인(13)이 사용된다. 부하 전류원(14)은 MOS 트랜지스터(이하 기술됨)와 함께 소스 폴로워를 형성하여 화소 내에 포함된 신호를 증폭하고 판독 출력한다. 홀딩 캐패시터(15)는 하나의 라인에 대해 화소로부터 신호를 저장한다. 전송 MOS 트랜지스터(16)는 화소로부터 홀딩 캐패시터로 신호를 전달하는 기능을 한다. 전송 MOS 트랜지스터(17)는 홀딩 캐패시터로부터 수평 신호 라인(18)으로 신호를 전달한다. 수평 스캐닝 회로(19)는, 홀딩 캐패시터로부터 수평 신호 라인(18)으로 신호를 연속적으로 전달하도록 전송 MOS 트랜지스터를 제어한다. 증폭기(20)는 수평 신호 라인으로부터의 신호를 증폭하여 출력한다. 리셋 MOS 트랜지스터(21)는 리셋 레벨을 제공하여 수평 신호 라인을 리셋한다.
이 실시예에 따르면, 인접한 화소 영역의 가장 바깥쪽의 화소 간의 거리는 각 화소 영역 내의 화소의 피치보다 크도록 설정된다.
도 9는 도 8의 화소를 보다 상세히 설명하기 위한 도면이다.
이 화소는, 포토다이오드와 같은 광전 변환 유닛(31)과, 게이트 전극을 통해 광전 변환 유닛(31)로부터의 신호를 수신하고 이를 증폭한 후 소스 전극으로부터 출력하는 소스 폴로워 입력 MOS 트랜지스터(32)와, MOS 트랜지스터의 게이트 전극에 리셋 레벨을 제공하기 위한 리셋 MOS 트랜지스터(33)와, 광전 변환 유닛(31)으로부터 MOS 트랜지스터의 게이트로 신호를 전달하기 위한 전송 MOS 트랜지스터(34)와, 소정의 전압을 MOS 트랜지스터의 드레인에 인가하여 리셋 MOS 트랜지스터(33)의 게이트의 신호 레벨에 대응하는 신호 레벨을 출력 신호 라인으로 출력하기 위한 선택 MOS 트랜지스터(35)를 포함한다.
도 8을 참조하여 기술된 고체 촬상 소자의 동작에 대해 이하 기술하기로 한다.
우선, 복수의 화소 영역 내의 화소(10)가 라인에 기초하여 리셋된다. 그 후, 화소(10)에 포함된 광전 변환 유닛(31)으로부터 홀딩 캐패시터(15)로 라인에 기초하여 신호가 전달되며, 홀딩 캐패시터(15)에 저장된 신호는 수평 스캐닝 회로(19)에 의해 수평 신호 라인(18)으로 연속적으로 판독 출력된다.
이에 따라, 화소 영역(2d)의 하나의 라인의 신호(R 신호: 주로 적색 광을 투과하는 필터를 통과하는 광 신호에 의해 생성된 신호)가 증폭기(20)로부터 우선 판독 출력된다. 그 후 화소 영역(2c)의 하나의 라인의 신호(G 신호: 주로 녹색 광을 투과하는 필터를 통과하는 광 신호에 의해 생성되는 신호)가 판독 출력된다. 계속해서, 이러한 동작이 연속적으로 반복된다.
전술한 동작이 반복된 후, 화소 영역(2a)의 하나의 라인의 신호(G 신호: 주로 녹색 광을 투과하는 필터를 통과하는 광 신호에 의해 생성된 신호)가 우선 증폭기(20)로부터 판독 출력된다. 화소 영역(2b)의 하나의 라인의 신호(B 신호: 주로 청색 광을 투과하는 필터를 통과하는 광 신호에 의해 생성된 신호)가 다음에 판독 출력된다. 계속해서, 이러한 동작이 연속적으로 반복된다.
전술한 실시예에서, 촬상 소자는 하나의 수직 스캐닝 회로를 포함하도록 구성된다. 그러나, 본 발명은 이러한 구성으로 한정되는 것은 아니다. 대신에, 하나의 수직 스캐닝 회로가 화소 영역(2a, 2b) 에 대해 구성될 수도 있으며, 다른 하나의 수직 스캐닝 회로가 화소 영역(2c, 2d)에 대해 구성될 수도 있다. 이러한 구성에 따르면, 각 수직 스캐닝 회로는 독립적으로 스캐닝될 수 있다. 또한, 각 화소 영역(2c, 2d) 각각의 제1 라인의 신호가 판독 출력되고 이어서 각 화소 영역(2a, 2b)의 제1 라인의 신호가 판독 출력되는 방식으로 스캐닝을 행함으로써, 각 화소 영역의 동일한 라인(예를 들면, 화소 영역(2a-2d)의 제1 라인)의 광-전하의 축적 기간 사이의 차이가 감소될 수 있어서 품질이 더욱 높은 이미지가 얻어질 수 있다.
반면에, 소자(16-21)에 의해 각각 구축되는 두 판독 출력 부분은 예를 들어 화소 영역(2a, 2b)의 일측 및 화소 영역(2c, 2d)의 일측상에 각각 배열될 수도 있다. 이러한 구성으로 인해 각 화소 영역의 동일한 라인(예를 들면, 화소 영역(2a-2d)의 제1 라인)의 광-전하의 축적 기간 사이의 차이가 감소될 수 있어서 품질이 더욱 높은 이미지를 제공할 수 있게 된다.
도 10은 도 8의 10-10 라인을 따른 부분 도면이다.
이 부분은 광전 변환 유닛(41), 배선층(42), 절연층(43), 광 차폐층(44), 패시베이션층(45), 평탄층(46), G 필터(47), R 필터(48) 및 마이크로렌즈(49)를 포함한다.
도 10으로부터 명백하듯이, 화소 영역(2a) 및 화소 영역(2b) 사이의 주변 영역에 마이크로렌즈가 형성된다. 이들 마이크로렌즈는 이하의 이유에 따라 형성된다.
도 8에 도시된 화소 영역 간의 거리 b는 화소 피치 a보다 크다. 그러나, 거리 b가 과도하게 증가될 경우, 고체 촬상 소자의 칩 영역이 과도하게 증가된다. 따라서 거리 b는 많이 증가될 수는 없다.
이와 같이 주변 영역에 마이크로렌즈가 형성됨으로써 화소 영역(2b)에 대한 입사 각도를 갖는 광이 화소 영역(2a)에 스트라이킹(striking)되는 것이 방지된다. 즉, 주변 영역에 마이크로렌즈가 형성됨으로써, 전술한 입사각으로 주변 영역에 입사된 광은 주변 영역을 향하여 아래쪽으로 포커싱된다. 이로 인해 광이 화소 영역(2a)에 진입하는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 주변 영역에 칼라 필터 및 마이크로렌즈를 형성함으로써 칼라 필터와 칼라 필터간의 경계 부분의 형상의 불균일성이 화소 영역에 영향을 미치는 것을 방지하여 감도의 열화와 감도의 불규칙성을 방지할 수 있게 된다.
도 11은 전술한 고체 촬상 소자와, 고체 촬상 소자 상에 피사체로부터의 광을 이미지로 형성하기 위한 렌즈 간의 관계를 나타낸 도면이다.
렌즈(51a)는 화소 영역(2a) 내에 피사체상을 형성하는 데에 사용된다. 렌즈(51b)는 화소 영역(2b) 내에 피사체상을 형성하는 데에 사용된다. 렌즈(51c)는 화소 영역(2c) 내에 피사체상을 형성하는 데에 사용된다. 렌즈(51d)는 화소 영역(2d) 내에 피사체상을 형성하는 데에 사용된다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 피사체상은 복수의 피사체상으로 분할되어서 각 화소 영역 내에 픽업된다. 이러한 이유로 인해, 본 실시예에서의 각 화소 영역은 종래의 구성을 갖는 고체 촬상 소자의 화소 영역보다 작으며, 각 렌즈의 초점 거리가 감소될 수 있다. 이로 인해, 감소된 두께를 갖는 디지털 카메라 등의 촬상 장치를 형성하는 것이 가능하게 된다.
전술한 실시예는 예시화된 화소의 구조를 갖는다. 그러나, 다른 구성도 또한 사용될 수 있다. 예를 들면, MOS 트랜지스터 이외의 소자를 사용하는 구성도 사용될 수 있다.
또한, 전술한 CMOS 센서 대신에 CCD가 사용될 수도 있다.
본 실시예에서, 마이크로렌즈 및 칼라 필터가 형성되는 영역은 서로 동일하다. 그러나, 반드시 동일할 필요는 없다.
칼라 필터는 전술한 온 칩 필터로 제한되는 것이 아니며 반도체 칩으로부터 분리되어 배열될 수도 있다. 칼라 필터의 구성은 전술한 것으로 제한되는 것은 아니다. 예를 들면 보색(complementary) 칼라 필터가 사용될 수도 있다.
전술한 화소 영역은 광 블랙 화소를 갖지 않는다. 그러나, 각 화소 영역은 광 블랙 화소를 포함할 수도 있다.
본 실시예는 4개의 화소 영역을 갖는 예시화된 구조를 갖는다. 그러나, 고체 촬상 소자는 3개의 화소 영역, 즉 G 필터용 화소 영역, B 필터용 화소 영역, 및 R 필터용 화소 영역을 가질 수도 있다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고체 촬상 소자의 포토다이오드와 같은 광전 변환 유닛과 마이크로렌즈의 주변부를 도시한 도면이다. 도 12에 도시된 구조는, 실리콘 등으로 이루어진 기판(21)과, 기판(21) 상에 형성된 포토다이오드(22)와, 포토다이오드(22)에 의해 변환된 전하의 전달 목적지의 역할을 하는 플로팅 확산 영역(32)과, 포토다이오드(22)에 의해 변환된 전하를 제어하기 위한 전달 게이트(31)와, 인접한 MOS 촬상 소자로부터의 격리를 위한 선택적 산화물층(33)과, 기판(21)상에 형성되는 산화물층(29)과, 폴리실리콘 또는 알루미늄으로 이루어지며 포토다이오드(22) 등에 의해 변환된 전하를 전송하는 역할을 하는 배선(23)과, 알루미늄 등으로 이루어지며 광으로부터 트랜지스터를 차폐하고 플로팅 확산 영역(32)을 차폐하는 광 차폐층(24)과, 선택적 산화물층(33)과, SiO2 등의 무기 물질(무기 화합물)로 이루어지며 주로 바깥 공기, 습기 및 불순물 이온(K+, Na+ 및 H2O와 같은 불순물질)로부터 포토다이오드(22) 들을 보호하는 기능을 하는 제1 패시베이션층(25)과, SiN 또는 SiON 등의 무기 물질(무기 화합물)로 이루어지며 패시베이션층으로서 기능하는 제2 패시베이션층(30)과, 제2 패시베이션층(30) 상에 형성되어 피사체로부터 포토다이오드(22) 상으로 광을 포커싱하는 마이크로렌즈(27)를 포함한다.
도 12에 도시된 고체 촬상 소자는, 플로팅 확산 영역(32), 선택적 산화물층(33) 및 MOS 트랜지스터를 광이 스트라이킹하는 것을 방지하기 위한 광 차폐층(24)을 구비한다. 따라서, 제1 패시베이션층(25)이 광 차폐층(24) 상에 형성될 경우, 약 7000Å의 레벨 차를 갖는 오목/돌출 부분이 광 차폐층(24) 상에 형성된다.
편평한 표면 상에 마이크로렌즈(27)를 배치하기 위해, 편평한 상부 표면을 갖는 제2 패시베이션층(30)이 형성된다. 보다 구체적으로는, 제1 패시베이션층(24)의 상부 표면은 SiON 기반 물질로 코팅되며, CMP(Chemical Mechanical Polish)에 의해 그 표면이 평탄화되며, 이에 따라 제1 패시베이션층(25)의 돌출 부분으로부터 약 2000Å의 두께와, 제1 패시베이션층(25)의 오목 부분으로부터 약 9000Å의 두께를 갖는 제2 패시베이션(30)이 형성된다.
이러한 방식으로 형성된 제2 패시베이션층(30)의 상부 표면에서 포토다이오드(22)의 상부 표면까지의 거리는 약 2.5 내지 3.5㎛이다. 그 후 마이크로렌즈(27)가 제2 패시베이션층(30) 상에 형성되어 도 1에 도시한 것과 같은 고체 촬상 장치가 제조된다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 제2 패시베이션층(30)은 SiO 기반 물질로 이루어지기 때문에, 이 층은 CMP에 의해 평탄화되어 임의의 평탄층을 형성하지 않으면서 비스듬하게 입사된 광을 포토다이오드(22) 상에 포커싱하게 된다.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 고체 촬상 소자의 포토다이오드 및 마이크로렌즈의 주변부를 도시한 도면이다. 도 13을 참조하면, 제3 패시베이션층(28)은 SiO 기반 물질 등의 무기 물질(무기 화합물)로 이루어진다. 도 12와 동일한 참조 부호는 도 13과 동일한 부분을 나타낸다.
도 13에 도시된 고체 촬상 소자에 따르면, 도 12에 도시된 소자와 마찬가지로, 우선 제1 패시베이션층(25)이 형성되고 그 후 예를 들어 약 2000Å의 두께를 갖는 제2 패시베이션층(30)이 제1 패시베이션층(25) 상에 형성된다. 제3 패시베이션층(28)은 제2 패시베이션층(30) 상에 형성된다. 보다 구체적으로는, 제2 패시베이션층(30)의 상부 표면은 SiON 기반의 물질로 코팅되며, 그 후 이 표면은 CMP에 의해 평탄화되어, 제2 패시베이션층(30)의 돌출 부분으로부터 약 2000Å의 두께와, 제2 패시베이션층(30)의 오목 부분으로부터 약 9000Å의 두께를 갖는 제3 패시베이션층(28)을 형성하게 된다.
이러한 방식으로 형성된 제3 패시베이션층(28)의 상부 표면에서 포토다이오드(22)의 상부 표면까지의 거리는 약 2.7 내지 3.7㎛이다. 그 후 마이크로렌즈(27)가 제3 패시베이션층(28) 상에 형성되어서 도 13에 도시한 것과 동일한 고체 촬상 소자가 형성된다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, CMP에 의해 제3 패시베이션층(28)을 형성함으로써, 일측의 길이가 약 1.5㎛인 포토다이오드(22)를 갖는 고체 촬상 소자 상에 비스듬하게 입사된 광이 포토다이오드(22) 상에 포커싱된다.
실제로, 제1 및 제2 실시예에서 사용되는 SiON 또는 SiO 기반 물질은 Si3N4, SiO2, 플라즈마 SiON, 플라즈마 SiN, 플라즈마 SiO 등을 포함한다.
도 14는 제4 실시예에 따른 고체 촬상 소자를 개략적으로 도시한 도면으로서, 제2 및 제3 실시예에 따라 고체 촬상 소자에 특히 효과적인 구성을 갖는다. 도 14에 도시된 고체 촬상 소자는 단일 반도체 칩 상에 형성된다. 도 14를 참조하면, 본 실시예는, 광전 변환 유닛을 갖는 화소(905)와, 촬상 영역(901-904), 즉 R, G1, G2, 및 B 촬상 영역을 포함하며, 여기서 화소(905)는 2차원적으로 배열되며 이 화소 상에 이미지가 형성된다. 4개의 촬상 영역(901-904)은 2차원적으로 배열된다. 도 11은 렌즈와 고체 촬상 소자 간의 위치 관계를 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 수직 시프트 레지스터(906a-906d)는 각 촬상 영역(901-904)에 배열된 각 화소(905)에 제어 신호가 공급되는 타이밍을 제어하여서 각 화소(905)로부터의 전하에 기초한 증폭 신호를 판독 출력한다. 수평 신호 라인(909)은 제어 신호를 각 화소(905)에 공급하는 기능을 한다. 수직 신호 라인(912)은 각 화소(905)로부터 판독된 증폭 신호를 전송하는 기능을 한다. 수평 시프트 레지스터(911a-911d)는 각 촬상 영역(901-904)의 수직 신호 라인(912)으로 판독된 증폭 신호를 외부 처리 회로로 연속적으로 전달하는 것을 제어한다.
예를 들어 R 필터를 갖는 R 촬상 영역(901)과 B 필터를 갖는 B 촬상 영역(904)이 대각선으로 배열되며, G1 필터를 갖는 G1 촬상 영역(902)과 G2 필터를 갖는 G2 촬상 영역(903)이 대각선으로 배열되도록, R, G1, B 및 G2 촬상 영역(901-904)이 광학적으로 설계됨에 유의한다.
도 15는 각 화소(905)의 구성을 도시한 등가 회로도이다. 도 12 및 도 13은 각 화소(905)의 부분도이다. 도 15를 참조하면, 포토다이오드(광전 변환 유닛)(921)는 입사 광을 광전 변환한다. 전달 스위치(922)는 전기 신호를 플로팅 확산 영역으로 전달한다. 리셋 스위치(924)는 플로팅 확산 영역 내의 전하를 리셋한다. MOS 트랜지스터(923)는 증폭된 신호를 획득하는 데에 사용된다. 선택 스위치(925)는 MOS 트랜지스터로부터의 증폭 신호를 선택적으로 판독 출력하는 데에 사용된다.
전술한 전달 스위치, 리셋 스위치, MOS 트랜지스터 및 선택 스위치는 수직 시프트 레지스터(906)로부터 공급된 신호에 의해 제어된다.
도 14 및 15에 도시된 구성의 동작에 대해 이하 설명하기로 한다. 우선, 피사체상이 촬상 렌즈에 의해 4개의 이미지로 분할되어서 각 촬상 영역(901-904) 상에 포커싱된다. 각 촬상 영역(901-904) 내의 대응하는 위치에 배열된 각 포토다이오드(921) 상에 광이 입사되면, 전하가 생성된다. 각 전달 스위치(922)가 턴 온되면, 각 포토다이오드(921) 내의 전하가 각 플로팅 확산 영역으로 전달된다. 이 동작에 따라, 각 MOS 트랜지스터(923)의 게이트가 전하에 의해 턴 온된다.
증폭 신호의 판독이 선택되는 선택 스위치(925)의 게이트가 각 수평 신호 라인(909)을 통해 수직 시프트 레지스터(906a-906d)로부터의 제어 신호에 의해 턴 온되면, MOS 트랜지스터(923)에 의해 획득된 증폭 신호가 각 수직 신호 라인(912)으로 판독 출력된다. 증폭 신호가 판독 출력된 각 화소(905)에서, 리셋 스위치(924)가 턴 온되어 플로팅 확산 영역 및 포토다이오드(921)의 전위를 리셋함에 유의한다.
각 수직 신호 라인(912)으로 판독 출력된 증폭 신호는 계속해서, 예를 들어 R 촬상 영역(901) 내의 화소(905), G1 촬상 영역(902) 내의 화소, B 촬상 영역(904) 내의 화소, G2 촬상 영역(903) 내의 화소의 순서로, 각 수평 시프트 레지스터(911)의 제어하에서 처리 회로(도시하지 않음)에 전달된다.
도 14에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 고체 촬상 소자는, 각 촬상 영역(901-904)에 대해 수직 시프트 레지스터(906a-906d) 및 수평 시프트 레지스터(911a-911d)를 구비한다. 이 구성에서, 제어 신호는 대응하는 위치에서 수직 시프트 레지스터(906a-906d)로부터 화소(905)에 동시에 제공되며, 각 화소(905)로부터 판독 출력된 증폭 신호는 수평 시프트 레지스터(911a-911d)를 통해 처리 회로로 전달된다. 이 실시예에서, 촬상 영역(901-904)에 각각 형성된 칼라 필터는 마이크로렌즈 위에 위치되며(마이크로렌즈보다는 광입사측에 더 가깝게 위치됨), 마이크로렌즈가 형성되는 반도체 칩으로부터 분리되어 배열된다.
전술한 바와 같이, 제2 내지 제4 실시예에 따르면, 마이크로렌즈가 평탄화된 패시베이션층에 접촉하여 형성되기 때문에, 각 마이크로렌즈와 대응하는 포토다이오드 간의 거리가 감소될 수 있다. 이로 인해, 포토다이오드의 광감도의 열화와, 광 셰이딩의 발생을 방지할 수 있게 된다.
도 16은 제1 내지 제 4 실시예에 따른 고체 촬상 소자중 하나를 이용하는 제5 실시예와 같은 촬상 장치의 구성을 도시한 블럭도이다. 도 16을 참조하면, 배리어(1001)는 렌즈를 보호하고 메인 스위치로서 기능한다. 렌즈(1002)(제1 및 제4 실시예에 따른 도 11에서의 렌즈(51a-51d)에 대응함)는 고체 촬상 소자(1004) 상에 피사체의 광 이미지를 형성하는 기능을 한다. 아이리스(iris)(1003)는 렌즈를 통과하는 광의 양을 변화시킨다. 고체 촬상 소자(1004)는 렌즈(1002)에 의해 형성된 피사체상을 수신하여 이미지 신호를 출력한다. 촬상 신호 처리 회로(1005)는 고체 촬상 소자(1004)로부터 출력된 이미지 신호에 대한 각종 유형의 보정 및 클램핑 등의 처리를 행한다. A/D 변환기(1006)는 고체 촬상 소자(1004)로부터 출력된 이미지 신호의 아날로그/디지털 변환을 행한다. 신호 처리 유닛(1007)은 A/D 변환기(1006)로부터 출력된 이미지 데이터에 대해 각종 유형의 보정을 행하고 데이터를 압축한다. 타이밍 발생기(1008)는, 고체 촬상 소자(1004), 촬상 신호 처리 회로(1005), A/D 변환기(1006), 및 신호 처리 유닛(1007)에 여러 타이밍 신호를 출력한다. 시스템 제어 및 동작 유닛(1009)은 여러 계산 및 전반적인 스틸/비디오 카메라를 제어한다. 메모리 유닛(1010)은 이미지 데이터를 일시적으로 저장한다. 기록 매체 제어 I/F 유닛(1011)은 기록 매체 상에 데이터를 기록하거나 이로부터 데이터를 판독하는 데에 사용된다. 탈착가능한 기록 매체(1012)는 데이터가 기록/판독되는 반도체 메모리 등이다. 외부 인터페이스(I/F) 유닛(1013)은 외부 컴퓨터 등과 통신하는 기능을 한다.
도 16의 장치의 동작에 대해 이하 기술하기로 한다. 배리어(1001)가 개방되면, 주 전원이 턴 온되고 그 후 제어 시스템의 전원이 턴 온된다. A/D 변환기(1006) 등의 촬상 회로의 전원도 또한 턴 온된다. 노출량을 제어하기 위해, 시스템 제어 및 동작 유닛(1009)은 아이리스(1003)를 개방하며, 고체 촬상 소자(1004)로부터 출력된 신호가 촬상 신호 처리 회로(1005)를 통해 A/D 변환기(1006)로 출력된다. A/D 변환기(1006)는 신호를 A/D 변환하여 신호 처리 유닛(1007)에 출력한다. 신호 처리 유닛(1007)은 시스템 제어 및 동작 유닛(1009)을 이용하여 데이터에 근거하여 노출량을 계산한다.
이 광도 측정의 결과에 근거하여 휘도가 결정되며, 시스템 제어 및 동작 유닛(1009)은 이 결과에 따라 아이리스를 제어한다. 시스템 제어 및 동작 유닛(1009)은, 고체 촬상 소자(1004)로부터 출력된 신호로부터 고주파 성분을 추출함으로써 피사체까지의 거리를 계산한다. 그 후, 렌즈가 구동되며 렌즈의 초점이 맞는지 여부를 체크한다. 렌즈의 초점이 벗어난 것으로 판단될 경우 렌즈가 다시 구동되며 거리 측정이 다시 수행된다.
초점이 맞는 것을 확인한 후에는 노출이 개시된다. 노출이 완료된 후에는, 고체 촬상 소자(1004)로부터 출력된 이미지 신호가 촬상 신호 처리 회로(1005)에서 보정 등이 행해지고 A/D 변환기(1006)에 의해 A/D 변환된다. 시스템 제어 및 동작 유닛(1009)은 신호 처리 유닛(1007)을 통해 메모리 유닛(1010) 내에 상기한 바에 따라 처리된 데이터를 저장한다. 그 후, 시스템 제어 및 동작 유닛(1009)의 제어하에서 기록 매체 제어 I/F 유닛(1011)을 통해 반도체 메모리 등의 탈착가능한 기록 매체(1012) 상에, 메모리 유닛(1010) 내에 저장된 데이터가 기록된다. 이 데이터는 외부 I/F 유닛(1013)을 통해 컴퓨터 등에 직접 입력되어서 이미지 처리될 수도 있다.
본 발명의 정신 및 범주를 벗어나지 않으면서 본 발명의 여러 많은 실시예들이 구성될 수 있다. 본 발명은, 첨부된 클레임에 정의된 것을 제외하고는 본 명세서에 기술된 특정 실시예에 한정되는 것이 아니다.
본 발명은 두께를 감소시킬 수 있는 촬상 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 광전 변환 유닛의 광감도의 열화를 방지하고 광 셰이딩의 발생을 방지해준다.
도 1은 종래의 고체 촬상 소자의 상세한 부분을 나타낸 도면.
도 2는 종래의 칼라 필터의 구성을 도시한 도면.
도 3은 종래의 고체 촬상 소자를 도시한 부분도.
도 4는 종래의 고체 촬상 소자를 도시한 부분도.
도 5는 종래의 CCD 촬상 소자의 포토다이오드 및 마이크로렌즈의 주변 부분을 도시한 부분도.
도 6은 종래의 MOS 촬상 소자의 포토다이오드 및 마이크로렌즈의 주변 부분을 도시한 부분도.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체 촬상 소자를 개략적으로 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체 촬상 소자를 상세하게 나타낸 회로도.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체 촬상 소자에 포함된 화소를 상세하게 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체 촬상 소자의 부분도.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체 촬상 소자 및 렌즈를 도시한 도면.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고체 촬상 소자의 포토다이오드 및 마이크로렌즈의 주변 부분을 도시한 도면.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 고체 촬상 소자의 포토다이오드 및 마이크로렌즈의 주변 부분을 도시한 도면.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 고체 촬상 소자를 이용하는 촬상 장치를 나타낸 도면.
도 15는 도 14의 고체 촬상 소자의 하나의 화소의 등가 회로도.
도 16은 본 발명의 제5 실시예에 따른 촬상 장치의 구성을 도시한 블럭도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 고체 촬상 소자
2a-2d : 화소 영역
3a-3d : 칼라 필터
10 : 화소
11 : 수직 신호 라인
12 : 수직 스캐닝 회로
13 : 제어 라인
18 : 수평 신호 라인
19 : 수평 스캐닝 회로

Claims (14)

  1. 하나의 반도체 칩 상에 소정의 스페이스를 두고 서로 인접하여 배치되는 복수의 화소 영역 ―상기 화소 영역 각각은 2차원적으로 배열된 화소를 가지고, 각 화소는 광전 변환 유닛을 가짐 ―을 포함하며,
    복수의 마이크로렌즈가 상기 복수의 화소 영역상에 형성되는 것과 함께, 상기 화소가 형성되지 않은 상기 소정의 스페이스 영역상에도 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화소 영역내에 포함되는 화소를 선택하기 위한 스캐닝 회로를 더 포함하며,
    상기 스캐닝 회로는, 상기 화소 영역이 다른 화소 영역에 인접하지 않는 일측 상의 반도체 칩 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 화소 영역은 적어도 제1, 제2 및 제3 화소 영역을 포함하며,
    상기 제1 화소 영역은 피사체로부터 제1 칼라 성분을 수신하며,
    상기 제2 화소 영역은 상기 피사체로부터 제2 칼라 성분을 수신하며,
    상기 제3 화소 영역은 상기 피사체로부터 제3 칼라 성분을 수신하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 칼라 성분은 적색(red) 성분이며, 상기 제2 칼라 성분은 녹색(green) 성분이며, 상기 제3 칼라 성분은 청색(blue) 성분인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  5. 광을 이미지로 형성하기 위한 복수의 렌즈와,
    상기 복수의 렌즈에 의하여 광으로부터 형성된 이미지를 각각 수신하기 위한 복수의 화소 영역 - 상기 화소 영역 각각은 2차원적으로 배열된 화소를 가지고, 각 화소는 광전 변환부를 가짐 ―과,
    상기 복수의 화소 영역의 전면에 배치된 복수의 칼라 필터를 포함하고,
    상기 복수의 화소 영역은 인접한 화소 영역간에 소정의 스페이스가 제공되도록 하나의 반도체 칩 상에서 서로 인접하여 배치되며,
    복수의 마이크로렌즈가 상기 복수의 화소 영역상에 배치되는 것과 함께, 상기 화소가 형성되지 않은 상기 소정의 스페이스 영역상에도 배치되는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  6. 인접한 화소 영역간에 소정의 스페이스가 제공되도록 하나의 반도체 칩 상에서 서로 인접하여 배치되는 복수의 화소 영역 ―상기 화소 영역 각각은 2차원적으로 배열된 화소를 가지고, 각 화소는 광전 변환 유닛을 가짐 - 과,
    상기 복수의 화소 영역상에 배치되는 것과 함께, 상기 소정의 스페이스 상에도 배치되는 복수의 마이크로렌즈를 포함하고,
    상기 복수의 화소 영역은 적어도, 피사체로부터의 제1, 제2 및 제3 칼라 성분광을 각각 수신하기 위한 제1, 제2 및 제3 화소 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  7. 광을 이미지로 형성하기 위한 복수의 렌즈와,
    상기 복수의 렌즈에 의하여 광으로부터 형성된 이미지를 각각 수신하기 위한 복수의 화소 영역 - 상기 화소 영역 각각은 2차원적으로 배열된 화소를 가지고, 각 화소는 광전 변환부를 가짐 ―과,
    상기 복수의 화소 영역의 전면에 배치된 복수의 칼라 필터를 포함하고,
    상기 복수의 화소 영역은 인접한 화소 영역간에 소정의 스페이스가 제공되도록 하나의 반도체 칩 상에서 서로 인접하여 배치되며,
    복수의 마이크로렌즈가 상기 복수의 화소 영역상에 배치되는 것과 함께, 상기 소정의 스페이스 영역상에도 배치되며,
    상기 복수의 화소 영역은 적어도, 피사체로부터의 제1, 제2 및 제3 칼라 성분광을 각각 수신하기 위한 제1, 제2 및 제3 화소 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  8. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 화소 영역으로부터 각각 출력된 신호들을 합성함으로써 이미지를 형성하는 신호 처리 유닛과,
    상기 복수의 화소 영역과 상기 신호 처리 유닛을 구동시키기 위한 타이밍 발생기와,
    상기 신호 처리 유닛 및 상기 타이밍 발생기를 제어하기 위한 제어 및 동작 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
  9. 제5항 또는 제7항에 있어서,
    상기 복수의 화소 영역으로부터 각각 출력된 신호들을 합성함으로써 이미지를 형성하는 신호 처리 유닛과,
    상기 복수의 화소 영역과 상기 신호 처리 유닛을 구동시키기 위한 타이밍 발생기와,
    상기 신호 처리 유닛 및 상기 타이밍 발생기를 제어하기 위한 제어 및 동작 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
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