KR100659503B1 - 광감도를 개선한 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

이미지 센서의 수광부를 확장하여 크로스토그(crosstalk) 현상 또는 차광 현상을 감소시키고 광을 효과적으로 집중시킴으로써 광감도를 높일 수 있는 이미지 센서가 개시된다. 광축상에 렌즈, 복수의 마이크로 렌즈들이 소정의 패턴으로 형성되는 마이크로 렌즈 어레이, 소정의 패턴으로 형성되는 컬러필터 어레이, 소정의 패턴으로 형성되는 메탈 어레이 및 복수의 수광소자들이 소정의 패턴으로 형성되는 수광소자 어레이 순으로 배열되는 이미지 센서에 있어서, 마이크로 렌즈 어레이는 중심에 위치한 마이크로 렌즈로부터 멀어질수록 입사각에 반비례하여 간격이 좁아지고, 수광소자 어레이는 중심에 위치한 수광소자로부터 멀어질수록 입사각에 비례하여 간격이 넓어지는 것을 특징으로 한다.

Description

광감도를 개선한 이미지 센서{IMAGE SENSOR STRUCTURE TO IMPROVE PHOTO SENSITIVITY}
도1은 일반적인 CMOS 이미지센서의 단면도로서 집광에 필요한 픽셀 어레이를 개략적으로 도시한 도면이다.
도2는 도1에 도시된 픽셀 어레이를 통하여 광이 수광소자로 집중되는 모습을 도시한 도면이다.
도3a는 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 단면도를 도시한 도면이다.
도3b는 도3a에 도시된 CMOS 이미지 센서에 외부광이 수광소자에 집중되는 과정을 도시한 도면이다.
도4는 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 단면도를 도시한 도면이다.
도5는 본 발명의 제1 실시예에 의한 CMOS 이미지 센서의 수광소자에 광이 집중되는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도6은 본 발명의 제1 실시예에 의한 CMOS 이미지 센서의 내부로 광이 전송되는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도7a는 본 발명의 제1 실시예에 의한 CMOS 이미지 센서의 수광소자들의 배열상태를 도시한 도면이다.
도7b는 본 발명의 제1 실시예에 의한 CMOS 이미지 센서의 마이크로 렌즈의 배열상태를 도시한 도면이다.
도8a는 본 발명의 제2 실시예에 의한 CMOS 이미지 센서의 수광소자들의 배열상태를 도시한 도면이다.
도8b는 본 발명의 제2 실시예에 의한 CMOS 이미지 센서의 마이크로 렌즈의 배열상태를 도시한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
102 : 반도체 기판 104 : 수광소자
106 : 금속 배선층 108 : 색 필터층
110, 206, 508 : 마이크로 렌즈 202, 504: 포토다이오드
204, 506 : 금속 배선 208, 510 : 대물 렌즈
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이미지 센서의 수광부를 확장하여 크로스토그(crosstalk) 현상 또는 차광 현상을 감소시키고, 광을 효과적으로 집중시킴으로서 광감도를 높일 수 있는 이미지 센서에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서란 피사체 정보를 전기적인 신호로 변환하는 장치로 주로 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지센서를 제작하여 사용하고 있다.
이러한 이미지센서로 최근 많이 사용되고 있는 것으로는 CCD(Charge Coupled device) 이미지 센서와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서가 있다.
CCD 이미지 센서는 각 픽셀 속에 국소 조명세기에 비례하여 신호 전하를 누적한다. 조명에 노출이 완료되었을 때 CCD 이미지 센서는 각 픽셀의 전하패킷을 순차적으로 전압으로 변환하고, 이를 버퍼링하여 칩의 외부로 보내는 공통의 출력구조로 전송한다.
CMOS 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 픽셀 수만큼 MOS 트렌지스터를 만들고, 상기 MOS 트렌지스터를 이용하여 차례로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다. CMOS 이미지 센서는 소비전압이 적고, 단일 전원으로 구동이 가능하다. 또한 CCD 이미지센서에 비해 구동 편리하고, 제조 공정이 단순하기 때문에 최근 휴대폰 등 개인 휴대기기에 매우 유용하게 사용되고 있다.
이러한 이미지 센서들을 제조함에 있어서, 이미지 센서의 광감도를 개선시키고자 하는 많은 노력들이 있어왔다. 그 중 하나가 이미지 센서의 수광소자들에 광을 집중시키기 위한 집광 기술이다. 통상 이미지 센서는 수광소자와 수광소자로부터 광을 전기적 신호로 변환하기 위한 로직회로들로 구성되는데 수광소자의 크기를 확장하면 집광에는 유리하나 이미지 센서 자체의 크기의 증가를 가져오기 때문에 한계가 있다. 따라서 수광소자의 크기를 소형으로 유지하면서 광을 수광소자로 집중시킬 수 있는 집광 기술에 대한 연구가 많이 진행되는 추세이다.
이하에서는 이해의 편의성을 도모하기 위하여 이미지 센서 중 CMOS 이미지 센서를 기본으로 설명을 하도록 한다.
도1은 일반적인 CMOS 이미지센서의 단면도로서 집광에 필요한 픽셀 어레이를 개략적으로 도시한 도면이다.
도1을 참고하면, 반도체 기판(102)에 소정의 간격으로 설치되는 수광소자인 포토다이오드(photodiode; PD)들과 MOS 트랜지스터들에 의해 픽셀을 구성하는 소자층(104)과 각각의 픽셀을 분리시키는 절연막(105)이 형성된다. 반도체 기판의 상부에는 복수의 금속 배선(107)이 복수의 층으로 형성된 금속 배선층(106)이 형성된 후 그 상부에 컬러필터(CF) 어레이(108)가 형성된다. 컬러필터 어레이(108)의 상부에는 초점거리를 조절하기 위한 코팅층(109)이 형성된다. 코팅층(109)의 상부에는 각각의 포토다이오드(PD)와 대응되고, 외부 광을 포토다이오드(PD)에 집중시키기 위한 마이크로 렌즈(110)가 형성된다. 또한, 마이크로 렌즈(110)의 상부에는 CMOS 이미지센서 모듈에 의해 지지되고, 마이크로 렌즈(110)로 광을 집광시키기 위한 대물 렌즈(111)가 형성된다.
마이크로 렌즈(110)는 단위 픽셀(101)의 크기 등과 금속 배선층(106)의 높이나 위치등을 고려하여 적절한 굴절각을 갖도록 소정의 두께와 곡률 반경을 갖는 구조로 형성되고, 포토다이오드가 포함될 수 있는 크기로 형성된다.
대물 렌즈(111)는 CMOS 이미지 센서 모듈의 크기와 깊이 등을 고려하여 적절 한 굴절각을 갖도록 소정의 두께와 곡률 반경으로 형성된다.
도2는 도1에 도시된 픽셀 어레이를 통하여 외부 광이 포토다이오드로 집중되는 과정을 도시한 도면이다. 이해의 편의성을 위하여 도1과 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 인용하기로 한다.
도2를 참고하면, CMOS 이미지센서의 모듈의 전면에 형성되는 대물 렌즈(도면 미도시)로부터 모듈의 내부로 입사되는 입사광은 대물 렌즈(도면 미도시)의 두께와 곡률 반경등으로 인하여 소정의 굴절각을 갖고 마이크로 렌즈(110)로 입사된다. 마이크로 렌즈(110)를 통과하는 입사광은 마이크로 렌즈(110) 각부에서 소정의 굴절각을 갖고 각각의 포토다이오드(PD)로 입사하게 된다.
상기와 같은 구조를 갖는 CMOS 이미지 센서의 경우 픽셀 어레이의 중심부에 위치하는 포토다이오드(PD)에는 최대 광량이 입사될 수 있으나 픽셀 어레이의 양단부에 위치하는 포토다이오드(PD)에는 입사각의 차이로 인하여 입사광이 중심부에 위치하는 포토다이오드(PD)에 전달되는 광량보다 현저히 낮아지게 된다. 따라서 CMOS 이미지센서 모듈의 양단부에 근접하는 위치에 형성되는 포토다이오드(PD)는 입사되는 광을 식별하기 위한 충분한 광량을 얻지 못하게 되는 문제점이 발생하게 된다.
도3a는 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 단면도를 도시한 도면이다.
도3b는 도3a에 도시된 CMOS 이미지 센서에 입사광이 포토다이오드에 집중되는 과정을 도시한 도면이다.
도3a를 참고하면, 도2에 도시된 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 포토다 이오드를 소정의 간격으로 형성한 후 최대의 광량을 포토다이오드(PD)로 전송할 수 있는 대물 렌즈(도면 미도시)의 중앙부와 포토다이오드(PD)들의 중앙부를 연결한 선분(LNa, LNb, LNc)상에 마이크로렌즈(304, 304는 304a, 304b, 304c 전체를 지칭한다)의 정점이 위치하는 형상으로 형성한다. 도면의 간략화를 위하여 최대 광량의 전송이 가능한 대물 렌즈(306)의 중앙부의 입사광만을 표시하였다.
도3b를 참고하면, 단위 픽셀(302)들이 소정의 패턴으로 배열되는 픽셀 어레이로 입사되는 광은 픽셀 어레이의 중심으로부터 외각으로 갈수록 증가되는 사각을 가지고 입사하게 된다. 도3a의 경우와 같이 마이크로 렌즈들(304)은 마이크로 렌즈 어레이의 중심에 위치하는 마이크로 렌즈(304b)를 기준으로 마이크로 렌즈 어레이의 양단으로부터 마이크로 렌즈(304b) 방향으로 소정의 간격만큼 이동되고, 따라서 마이크로 렌즈 어레이의 양단에 형성되는 마이크로 렌즈들(304a, 304c)은 CMOS 이미지 센서 모듈(310)의 양단부로부터 소정의 거리(d0)만큼 이격되도록 형성된다. 소정의 거리(d0)는 마이크로 렌즈(304a, 304c)로 입사되는 광의 입사각과 마이크로 렌즈로부터 포토다이오드(PD) 사이의 거리(h)에 비례하여 형성된다. 상기 방법은 도1에 도시된 일반적인 CMOS 이미지 센서에 비해 어느 정도의 크로스토크 및 차광현상을 방지할 수 있으나, 픽셀의 크기가 작아지거나 금속 배선(306)층 또는 금속 배선 수가 증가하면 피사체의 상의 비율이 증가하기 때문에 발생하는 차광현상을 해결하지 못하는 문제점이 있다. 또한 입사광이 포토다이오드(PD)로 진행하는 도중 도3b의 A0와 B0로 도시된 것과 같이 금속 배선층에 근접함으로 인하여 포토다이오드(PD) 가 광을 감지하기 위하여 필요로 하는 광량을 얻지 못하게 되는 문제점도 있다. 도4에는 일본 특허출원 특개평 10-32762에 개시된 발명으로 상기 문제점들을 해결하기 위한 방법을 제시한다.
도4는 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서의 단면도를 도시한 도면이다.
도4를 참고하면, 마이크로 렌즈(304)들을 일정한 간격차로 형성하고, 대물 렌즈(도면 미도시)의 중심부와 마이크로 렌즈(404, 404는 404a, 404b, 404c 전체를 지칭한다)의 각각의 중심부를 잇는 선분(LNEa, LNEb, LNEc)의 연장선에 포토다이오드(PD)의 중심부가 위치하도록 형성한다. 상기 방법으로 CMOS 이미지센서를 구성하였을 경우에는 크로스토크 현상 또는 차광현상을 방지 할 수 있으나, 수광소자 어레이 또는 픽셀 어레이가 입사되는 광의 입사각과 마이크로 렌즈와 포토다이오드(PD)사이의 거리에 비례하여 중심부의 외측으로 이동하기 때문에 전체적인 CMOS 이미지센서의 모듈의 크기가 증가하는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 이미지 센서 모듈의 최외각의 위치하는 픽셀들에 포함된 수광소자들에 전송되는 광량의 감소를 방지하여 면적 증가의 부담을 줄이면서도 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지센서를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 광축 상에 대물렌즈, 복수의 마이크로 렌즈들이 소정의 패턴으로 형성되는 마이크로 렌즈 어레이, 소정의 패턴으로 형성되는 컬러필터 어레이, 소정의 패턴으로 형성되는 메탈 어레이 및 복수의 마이크로 렌즈들에 각각 대응하는 복수의 수광소자들이 소정의 패턴으로 형성되는 수광소자 어레이 순으로 배열된 이미지 센서에 있어서, 마이크로 렌즈 어레이는 중심으로부터 멀어질수록 광입사각에 비례하여 마이크로 렌즈들 사이의 간격이 좁아지고, 수광소자 어레이는 중심으로부터 멀어질수록 광입사각에 반비례하여 수광소자들 사이의 간격이 넓어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도5는 본 발명의 제1 실시예에 의한 CMOS 이미지센서의 개략적인 단면도로 외부 광이 수광소자에 집중되는 모습을 도시한 도면이다.
도5를 참고하면, 본 발명에 의한 CMOS 이미지센서 모듈은 반도체 기판(502), 수광소자들(PD), 메탈(metal, 512)들, 컬러 필터들(CF), 마이크로 렌즈들(508, 508은 508a, 508b, 508c 모두를 지칭한다) 및 대물 렌즈(도면 미도시)를 포함한다.
반도체 기판(502)에는 소정의 간격으로 설치되는 수광소자(504)들이 형성된다. 일실시예로 수광소자는 포토다이오드(PD)를 사용한다. 포토다이오드들(PD)의 상부에는 각각의 포토다이오드들(PD)과 대응되고, 외부 광을 포토다이오드들(PD)에 집중시키기 위한 마이크로 렌즈들(508)이 형성된다. 또한 마이크로 렌즈들(508)의 상부에는 각각의 마이크로 렌즈(508)로 외부 광을 집중시키기 위한 대물 렌즈(도면 미도시)가 형성된다. 따라서, 외부 광은 대물 렌즈의 두께와 곡률 반경 등으로 인하여 소정의 굴절각으로 CMOS 이미지센서 모듈의 내부로 전송된다. 전송된 외부 광은 마이크로 렌즈들(508)을 통하여 다시 소정의 굴절각으로 포토다이오드들(PD)에 집중된다.
마이크로 렌즈 어레이는 중심부에 위치하는 마이크로 렌즈(508b)로부터 마이크로 렌즈 어레이의 양단 방향으로 이동할수록 인접하는 마이크로 렌즈들 간의 거리가 소정의 비율로 축소된 형태로 형성된다. 따라서 CMOS 이미지센서 모듈의 양단에 위치하는 마이크로 렌즈들(508a, 508c)은 CMOS 이미지센서 모듈의 양단에서 소정의 거리(D0)만큼 이격된 형태로 형성된다.
수광소자 어레이는 마이크로 렌즈들(508)의 이동 방향과 반대 방향으로 수광 소자들을 소정의 거리 비율로 이동시킨 형태로 형성된다. 즉, 중심부에 위치하는 포토다이오드(504b)를 기준으로 수광소자 어레이의 양단부 방향으로 이웃하는 포토다이오드들 간의 거리가 소정의 비율로 확장된 형태로 형성된다.
즉, 마이크로 렌즈 어레이는 마이크로 렌즈로 입사되는 입사광은 마이크로 렌즈 어레이의 양단으로 갈수록 소정의 증가하는 입사각으로 입사되는데 마이크로 렌즈 어레이는 중심에 위치한 마이크로 렌즈로부터 멀어질수록 광입사각에 비례하여 간격이 좁아진다. 또한, 수광소자 어레이는 중심에 위치한 수광소자로부터 멀어질수록 광입사각에 반비례하여 간격이 넓어지도록 형성된다. 따라서, CMOS 이미지센서 모듈(510)은 양단부에 위치하는 포토다이오드(504a, 504c)들이 확장된 거리만 큼 CMOS 이미지센서 모듈의 크기가 확장된 형태로 형성된다. 상기 CMOS 이미지센서의 모듈의 크기가 광감도의 향상을 위해 수광소자 어레이의 크기를 확장시키기 때문에 이미지 센서의 모듈의 크기가 확장된다. 수광소자 어레이의 크기가 확장되는 거리는 마이크로 렌즈와 포토다이오드 사이의 거리(h) 및 마이크로 렌즈(508a, 508c)로 입사되는 광의 입사각에 비례하나, 마이크로 렌즈들 또한 중심에 위치하는 마이크로 렌즈(508b) 방향으로 이동하여 형성되기 때문에 전체적으로 이미지 센서 모듈 자체의 크기의 증가는 적다. 따라서 이미지 센서 모듈 자체의 크기의 확장에 대한 부담은 적어진다.
다시 도3b를 참고하면, 종래 기술에 의한 CMOS 이미지 센서는 마이크로 렌즈를 통과하는 외부 광들은 마이크로 렌즈가 유발하는 소정의 굴절각으로 인하여 광의 진행방향과 금속 배선(306)층과의 거리(A0, B0)가 충분히 확보되지 않아 광량이 감소하게 되는데 도5를 참고하면 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서는 광의 진행방향과 금속 배선(512)들과의 거리(A1, B1)가 충분히 확보되기 때문에 포토다이오드들이 활성화되기에 충분한 광량이 전달될 수 있다.
또한, 컬러 필터(CF) 및 메탈(512)들의 배열 방법은 마이크로 렌즈 어레이와 동일한 방법으로 형성되는 것이 가능하다. 즉, 컬러 필터(CF) 어레이와 메탈 어레이는 입사광의 입사각에 비례하여 이미지 센서 모듈의 양단으로 갈수록 이웃하는 컬러 필터 또는 메탈의 간격이 점차적으로 좁아지는 형태로 형성할 수 있다.
도6은 본 발명의 제1 실시예에 의한 CMOS 이미지 센서의 내부로 광이 전송되 는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도면의 간략화를 위하여 대물 렌즈(620)로부터 전달되는 입사광은 최대의 광량을 갖는 대물 렌즈의 중앙부로부터의 입사광만을 도시한다. 또한 마이크로 렌즈 어레이(640)와 수광소자 어레이(660)는 각각의 어레이에 포함되는 다수의 어레이 중에서 어레이의 중심부에 위치하는 하나의 어레이만을 도시한다.
도6을 참고하면, 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서는 대물 렌즈(620)로부터 입사되는 광축상의 입사광(L1)은 마이크로 렌즈 어레이(650)의 중앙에 위치하는 마이크로 렌즈(a1)와 마이크로 렌즈(a1)와 대응되는 수광소자(b1)로 전송된다. 수광소자(b1)에는 광의 진행 방향에 광의 전송을 방해하는 장애물이 존재하지 않기 때문에 최대 광량의 전송이 가능하다. 마이크로 렌즈 어레이(640)의 양단에 위치하는 마이크로 렌즈(a2, a3)로 입사되는 입사광(L2, L3)은 광축으로부터 소정의 입사각(α)으로 전송된다. 또한 마이크로 렌즈들(a2, a3)로 전송된 광은 광축으로부터 소정의 입사각(β)으로 수광소자 어레이(660)의 수광소자들(b2, b3)로 전송된다.
마이크로 렌즈 어레이(640)는 중앙에 위치하는 마이크로 렌즈(a1)로부터 마이크로 렌즈 어레이의 양단에 위치하는 마이크로 렌즈(a2, a3)의 방향으로 소정의 비율로 감소하는 간격차가 형성된다. 즉, 중앙에 위치하는 마이크로 렌즈(a1)와 인접하는 마이크로 렌즈들은 소정의 간격차(d1)으로 형성되고, 마이크로 렌즈(a2, a3 ) 와 인접하는 마이크로 렌즈들은 소정의 간격차(d2)로 형성된다. 인접하는 마이크로 렌즈들의 간격은 마이크로 렌즈 어레이의 양단으로 갈수록 감소하는 구조로 형성한다. 즉, 마이크로 렌즈(a1)으로부터 마이크로 렌즈(a2, a3) 방향으로 갈수록 인접하는 마이크로 렌즈들의 거리는 d1이 최대값을 갖고 d2가 최소값을 갖도록 중심에서 양단으로 갈수록 간격차가 축소되는 구조로 형성된다.
수광소자 어레이(660)는 중앙에 위치하는 수광소자(b1)로부터 수광소자 어레이의 양단부에 위치하는 수광소자(b2, b3)의 방향으로 소정의 간격차를 두고 형성된다. 즉, 포토다이오드(b1)와 인접하는 포토다이오드는 소정의 간격차(Ld1)로 형성되고, 포토다이오드(b2, b3)와 인접하는 포토다이오드는 소정의 간격차(Ld2)로 형성된다. 인접하는 포토다이오드들의 간격은 수광소자 어레이의 양단부로 갈수록 증가하는 구조로 형성된다. 즉, 포토다이오드(b1)로부터 포토다이오드(b2, b3) 방향으로 갈수록 인접하는 포토다이오드들의 거리는 Ld2가 최대값을 갖고 Ld1이 최소값을 갖도록 중심에서 양단으로 갈수록 간격차가 확장되는 구조로 형성된다.
도7a는 본 발명의 제1 실시예에 의한 CMOS 이미지 센서의 마이크로 렌즈 어레이를 도시한 평면도이다.
도7b는 본 발명에 제1 실시에에 의한 CMOS 이미지 센서의 수광소자 어레이를 도시한 평면도이다.
도7a를 참고하면, 본 발명에 의한 마이크로 렌즈 어레이는 마이크로 렌즈 어레이의 중심의 마이크로 렌즈(711)가 도7b에 도시된 중심부의 수광소자(712)를 포함하도록 중심부의 수광소자의 상부에 형성된다. 중심부의 마이크로 렌즈(711)로부터 마이크로 렌즈 어레이의 최외각의 마이크로 렌즈들로 이동할수록 각각의 수광소자에 대응되는 마이크로 렌즈들은 점차적으로 감소하는 간격차를 갖도록 형성된다. 즉, d1이 최대값을 갖고 d2가 최소값을 갖도록 하나의 마이크로 렌즈 어레이의 중심에서 양단으로 갈수록 간격차가 축소되는 구조로 형성된다.
일반적으로 수광소자와 마이크로 렌즈는 픽셀 어레이의 수만큼 형성되나 이해의 편의를 도모하기 위하여 11ㅧ11 픽셀어레이를 가정하여 도시하였다. 일예로 VGA급 이미지 센서의 경우에는 640ㅧ640 개만큼 수광소자와 마이크로 렌즈가 형성된다.
도7b를 참고하면, 본 발명에 의한 수광소자 어레이는 수광소자 어레이의 중심의 수광소자(712)가 단위픽셀(760)들의 중앙에 위치하도록 형성되고, 중심부의 단위픽셀에서 최외각의 단위픽셀들로 이동할수록 각각의 단위픽셀에 형성되는 수광소자들이 점차적으로 증가하는 간격차를 갖도록 형성된다. 즉, Ld2가 최대값을 갖고 Ld1이 최소값을 갖도록 하나의 수광소자 어레이의 중심에서 양단으로 갈수록 간격차가 확장되는 구조로 형성된다.
도8a는 본 발명의 제2 실시예에 의한 CMOS 이미지 센서의 마이크로 렌즈의 배열상태를 도시한 도면이다.
도8a를 참고하면, 본 발명에 의한 마이크로 렌즈 어레이는 중심으로부터의 거리 차에 의해 복수의 블록으로 형성되고, 인접하는 블록들의 간격은 중심으로부터 멀어질수록 광입사각에 비례하여 간격이 감소하도록 형성하는 것이 가능하다. 즉, 중심에 위치하는 마이크로 렌즈가 포함되는 블록(BL1) 내에 포함되는 마이크로 렌즈들은 인접하는 마이크로 렌즈들과 소정의 거리(r1)로 형성되고, 블록(BL2) 내부에 포함되는 마이크로 렌즈들은 인접하는 마이크로 렌즈와 소정의 거리(r2)로 형성된다. 블록(BL1)과 인접하는 블록(BL2)는 블록(BL1)과 소정의 거리(R1)의 간격으로 형성된다. 또한, 각각의 블록들간의 거리는 각각의 블록의 내부에서의 최외각 블록이 그 이전의 블록과의 거리(, n은 자연수)보다 감소된 값을 갖도록 형성된다. 즉, 최외각 블록(BLn)과 인접하는 블록(BLn-1)의 거리이 최소값을 갖고 블록(BL1)와 인접하는 블록(BL2)의 거리(R1)이 최대값을 갖도록 갖도록 중심부에서 어레이의 양단으로 갈수록 점차적으로 축소되는 거리차로 형성된다.
따라서, 블록간의 간격차를 형성함으로써 상기 각각의 마이크로 렌즈들 사이의 간격을 중심에 위치하는 마이크로 렌즈 방향으로 소정의 비율로 거리를 이동시킨 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도8b는 본 발명의 제2 실시예에 의한 CMOS 이미지 센서의 수광소자들의 배열상태를 도시한 도면이다.
도8b를 참고하면, 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서는 각각의 포토다이오드 들과 대응되는 각각의 픽셀은 중심으로부터의 거리 차에 의해 복수의 블록으로 형성되고, 인접하는 블록들은 중심으로부터 멀어질수록 광입사각에 반비례하여 간격이 증가하도록 형성하는 것이 가능하다. 즉, 중심에 위치하는 포토다이오드가 포함되는 블록(BL1) 내에 포함되는 포토다이오드들은 인접하는 포토다이오드들과 소정의 거리(p0)로 형성된다. 블록(BLn) 내부에 포함되는 포토다이오드들은 소정의 거리(pn)로 형성된다. 또한, 블록(BL1)과 인접하는 블록(BL2)은 블록(BL1)과 소정의 거리(P1)의 간격으로 형성된다. 또한, 각각의 블록들간의 거리는 각각의 블록의 내부에서의 최외각 블록이 그 이전의 블록과의 간격(, n은 자연수)보다 확장된 값을 갖도록 형성된다. 즉, 최외각 블록(BLn)과 인접하는 블록(BLn-1)의 거리이 최대값을 갖고 블록(BL1)와 인접하는 블록(BL2)의 거리(P1)이 최소값을 갖도록 중심부에서 어레이의 양단으로 갈수록 점차적으로 확장되는 거리차로 형성된다.
따라서, 마이크로 렌즈 어레이와 수광소자 어레이 각각에 블록(BLn)이 형성되도록 하고, 각각의 블록들에 간격차를 형성함으로써 상기 각각의 마이크로 렌즈들 및 수광소자들 사이의 간격을 중심에 위치하는 마이크로 렌즈 및 수광소자에 대하여 상호 반대방향으로 소정의 거리 비율로 이동시킨 것과 유사한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 포토다이오드에 입사되는 광의 입사각에 따른 광의 전송량의 변화를 줄일 수 있어 광감도를 향상시키는 것이 가능하다.
상기 포토다이오드 사이의 거리를 확장하는 방법과 유사한 효과를 얻기 위하 여 CMOS 이미지센서의 형성되는 픽셀에 대하여 각각의 픽셀 자체의 크기를 확장하는 방법과 각각의 픽셀들 사이의 거리를 확장하는 방법을 사용하는 것도 가능하다. 각각의 픽셀의 크기를 확장하는 방법은 중앙에 위치하는 픽셀의 크기는 일정하게 유지하고, 중앙으로부터 픽셀 어레이의 양단으로 이동할수록 픽셀의 크기를 점차적으로 확장시키는 방법이다. 상기한 바와 같이 수광소자 어레이에 포함된 각각의 수광소자들의 중앙에 위치하는 수광소자를 기준으로 양단부로 확장되는 간격만큼의 양단부로 소정의 공간이 확보되는데, 이러한 공간상의 여분을 이용하여 픽셀의 크기의 확장이 가능하다. 단위 픽셀의 크기의 확장은 포토다이오드의 크기를 확장시킬 수 있음과 동시에 각각의 포토다이오드 사이의 거리를 감소시킬 수 있어 광감도의 향상에 유리하고, 각각의 픽셀의 크기의 확장은 도5에 A1과 B1으로 도시된 내부에 형성되는 금속 배선들과 픽셀 내부로 입사되는 광들과의 거리를 더욱 이격시킬 수 있고, 단위 픽셀에 입사되는 총 광량의 증가시켜 광감도의 향상을 도모할 수 있다.
각각의 픽셀간의 거리를 확장하는 방법은 상기 포토다이오드의 거리를 소정의 비율로 이동시키는 것과 동일한 효과를 발생시킬 수 있다. 상기 픽셀 자체의 크기를 확장하는 방법과 픽셀 간의 거리를 확장하는 방법을 동시에 사용할 수 있음은 당업자에게 자명한 사항이다.
또한, 상기한 픽셀의 크기 및 인접하는 픽셀간의 거리 및 상기한 인접하는 블록간의 거리의 확장은 수광소자가 포함되는 수광부의 크기를 확장하는 방법을 통 해서도 동일한 효과를 달성할 수 있다.
상기 구조들은 상기 광축에 수직인 평면상의 수직 또는 수평방향 중 적어도 하나 이상의 방향으로 상호 인접한 집광을 위한 소자들과 각각의 소자들로 형성되는 블록들 및 블록들 사이의 간격 및 픽셀들의 크기를 선택적으로 확장 또는 축소하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 구조들은 CMOS 이미지센서에만 적용되는 것이 아니라 능동 픽셀 센서(active pixel sensor), 수동 픽셀 센서(passive pixel sensor), CCD 등의 수광부를 갖는 모든 종류의 센서에 적용이 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 이미지센서의 수광부와 마이크로 렌즈를 서로 반대방향으로 이동시킴으로써 누화현상 및 광량이 감소되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 수광부와 마이크로 렌즈를 중심에 위치하는 단위 픽셀을 기준으로 서로 반대방향으로 이동시킴으로써 수광부만을 확장하는 방법에 비하여 면적 부담을 감소시킬 수 있다.
또한, 수광부의 거리의 확장과 수광부의 크기의 확장을 동시에 선택 할 수 있어 차광에 의하여 광량이 감소하는 것을 방지함으로써 광감도의 개선이 보다 효율적으로 이루어진다.

Claims (14)

  1. 광축 상에 배치된 대물렌즈;
    복수 개의 마이크로 렌즈들을 포함하고, 상기 대물렌즈의 중심으로부터 멀어질수록 광입사각에 비례하여 상기 마이크로 렌즈들 사이의 간격을 작아지도록 배치한 마이크로 렌즈 어레이;
    상기 마이크로 렌즈들에 각각 대응하는 수광소자들을 포함하고, 상기 대물렌즈의 중심으로부터 멀어질수록 상기 광입사각에 반비례하여 상기 수광소자들 사이의 간격이 넓어지도록 배치한 수광소자 어레이를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서, 마이크로 렌즈 어레이 및 수광소자 어레이는
    상기 광축에 수직인 평면상의 수직 또는 수평방향 중 적어도 하나 이상의 방향으로 상기 간격들이 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈 어레이는
    상기 중심으로부터의 소정의 범위 내에 위치하는 마이크로 렌즈들을 동일한 블록에 형성되도록 복수의 블록을 형성하고, 인접하는 블록들은 중심으로부터 멀어질수록 상기 광입사각에 비례하여 상기 블록들 사이의 간격이 감소하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 수광소자 어레이는
    상기 마이크로 렌즈 어레이의 최종단으로부터 소정의 범위만큼 확장된 형태로 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 수광소자 어레이는
    상기 중심으로부터의 소정의 범위 내에 위치하는 수광소자들을 동일한 블록에 포함되도록 복수의 블록을 형성하고, 이웃하는 블록들은 중심으로부터 멀어질수록 상기 광입사각에 반비례하여 상기 블록들 사이의 간격이 넓어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제1 항에 있어서,
    복수 개의 컬러필터들을 포함하고, 상기 마이크로 렌즈 어레이와 상기 수광소자 어레이 사이에 배치되는 컬러필터 어레이를 더 포함하고,
    상기 컬러필터 어레이는 중심부에 위치하는 컬러필터로부터 멀어질수록 상기 광입사각에 비례하여 상기 컬러필터들 사이의 간격이 좁아지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제1 항에 있어서,
    복수 개의 메탈들을 포함하고, 상기 마이크로 렌즈 어레이와 상기 수광소자 어레이 사이에 배치되는 메탈 어레이를 더 포함하고,
    상기 이미지 센서의 중심부에 위치하는 메탈로부터 멀어질수록 상기 광입사각에 비례하여 상기 메탈들 사이의 간격이 좁아지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 컬러필터 어레이와 상기 메탈 어레이는
    상기 광축과 수직인 평면상의 수직 또는 수평방향 중 적어도 하나 이상의 방향으로 상기 간격들이 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 각각의 수광소자들과 대응되는 각각의 픽셀은
    중심에 위치하는 픽셀은 소정의 크기로 형성하고, 중심부로부터 멀어질수록 소정의 비율로 픽셀의 크기가 증가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 각각의 픽셀은
    상기 각각의 픽셀의 내부에 형성되는 수광소자가 포함되는 수광부의 크기는 일정하게 유지하고, 인접하는 수광부 사이의 간격이 중심에 위치하는 픽셀을 기준으로 소정의 비율로 증가되어 픽셀의 크기가 증가되도록 형성하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  11. 제1 항에 있어서, 상기 각각의 수광소자들과 대응되는 각각의 픽셀은
    중심에 위치하는 수광소자와 대응되는 픽셀로부터 멀어질수록 소정의 비율로 픽셀의 크기와 간격이 증가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  12. 제1 항에 있어서, 상기 각각의 수광소자들과 대응되는 각각의 픽셀은
    중심으로부터의 거리 차에 의해 복수의 블록으로 구성하여 각각의 블록내의 픽셀들은 동일한 크기로 형성하고, 인접하는 블록들은 중심으로부터 멀어질수록 광입사각에 반비례하여 픽셀의 크기가 증가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  13. 제1 항에 있어서, 상기 각각의 수광소자들과 대응되는 각각의 픽셀은
    중심으로부터의 거리 차에 의해 복수의 블록으로 구성하여 각각의 블록내의 픽셀들은 동일한 크기로 형성하고, 인접하는 블록들은 중심으로부터 멀어질수록 광입사각에 반비례하여 블록 사이의 간격이 증가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  14. 제9 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각각의 픽셀의 크기와 인접하는 픽셀 및 블록간의 간격은 상기 광축과 수직인 평면상의 수직 또는 수평방향 중 적어도 하나 이상의 방향으로 상기 크기 및 간격들이 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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