KR100727266B1 - 컬러 필터를 구비한 이미지 소자 - Google Patents

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Abstract

컬러 필터 상부에 별도의 평탄화막의 요구 없이 광 인텐서티 균일도를 유지할 수 있으면서, 컬러 필터간의 간격으로 인해 유발되는 노이즈를 방지할 수 있는 이미지 소자를 개시한다. 개시된 본 발명의 이미지 소자는 다수의 단위 픽셀을 구비한 반도체 기판, 상기 반도체 기판상에 배열된 컬러 필터 어레이를 포함하고, 상기 컬러 필터 어레이는 파브리 페롯 간섭계의 원리를 이용한 적층된 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층을 포함하고, 상기 제 1 층과 제 3 층은 동일한 물질이며, 상기 제 2 층은 상기 단위 픽셀 별로 상이한 두께를 갖는다.
컬러 필터, 파장, 파브리 페롯

Description

컬러 필터를 구비한 이미지 소자{Image device having color filter}
도 1 은 종래의 이미지 소자의 컬러 필터 어레이를 나타낸 평면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 컬러 필터의 특정 파장에 대한 광 인텐서티를 보여주는 그래프이다.
도 4는 일반적인 파브리 페롯 간섭계를 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 4의 파브리 페롯 간섭계의 특정 파장에 대한 광 인텐서티를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 이미지 소자의 컬러 필터 어레이의 평면도이다.
도 7은 도 6의 Ⅵ-Ⅵ'선을 따라 절단하여 나타낸 평면도이다.
도 8은 도 7의 컬러 필터의 특정 파장에 대한 광 인텐서티를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 컬러 필터를 구비한 이미지 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 밴드-패스 필터링 특성이 개선된 컬러 필터를 구비한 이미지 소자에 관한 것이 다.
일반적으로, 이미지 소자는 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 이러한 이미지 소자로는 대표적으로 CCD(charge coupled device) 및 CMOS 이미지 소자가 있다. 상기 CCD 및 CMOS 이미지 소자는 다수의 픽셀 어레이를 포함하며, 각 픽셀마다 모두 빛을 촬상하여 전하로 변환시키는 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드에서 생성된 광전하를 운송하는 소자들로 구성된다.
또한, 상기 이미지 소자는 컬러 영상을 촬상할 수 있도록 컬러 필터가 구비된다. 이 컬러 필터는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue) 필터로 구성되며 각각의 필터들은 상기 단위 픽셀과 대응되도록 형성되어, 밴드 패스 필터(band pass filter)의 역할을 한다.
종래의 컬러 필터(CF1∼CF4)는 도 1에 도시된 바와 같이, 픽셀 어레이와 대응되도록 배열된다. 컬러 필터(CF1∼CF4)는 컬러별 투과율이 다른 포토레지스트 패턴들로 구성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판 결과물 상에 레드색을 필터링할 수 있는 포토레지스트막(이하, 레드 포토레지스트막)을 도포한 다음, 상기 레드 포토레지스트막을 소정 부분 노광 및 현상하여, 레드 필터 영역에 잔류시키어 레드 필터를 형성한다.
다음, 레드 필터가 형성된 반도체 기판 결과물 상부에 그린 색을 필터링할 수 있는 포토레지스트막(이하, 그린 포토레지스트막)을 도포한 다음, 상기 그린 포토레지스트막을 소정 부분 노광 및 현상하여 그린 필터 영역에 잔류시키어 그린 필터를 형성한다.
마지막으로, 레드 및 그린 필터가 형성된 반도체 기판 결과물 상부에 블루색을 필터링할 수 있는 포토레지스트막(이하, 블루 포토레지스트막)을 도포한 다음, 상기 블루 포토레지스트막을 소정 부분 노광 및 현상하여 블루 필터 예정 영역에 잔류시키므로써, 블루 필터를 형성한다.
여기서, CF1 내지 CF4는 각 컬러 필터를 임의로 표시한 것으로, 1,2 3,4 등의 수는 픽셀의 순서, 예컨대, CF1은 첫 번째 픽셀상에 배치되는 컬러 필터이고, CF2는 두 번째 픽셀상에 배치되는 컬러 필터일 수 있다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절단한 단면도로서, 도 2에 의하면, 제 3 컬러 필터(CF3) 및 제 4 컬러 필터(CF4)가 소정 간격을 두고 이격 배치된다. 제 3 컬러 필터(CF3) 및 제 4 컬러 필터(CF4)간의 간격은 각각의 컬러 필터 형성시 포토리소그라피 공정을 이용하여 형성되고, 중첩등을 통해 색섞임을 방지하기 위하여 유지된다.
또한, 상기 제 3 컬러 필터(CF3) 및 제 4 컬러 필터(CF4)는 그 두께가 서로 다르다. 이는 알려진 바와 같이, 레드, 그린 및 블루 필터는 특정 파장의 빛만을 흡수하는 특성을 가지기 때문이다. 즉, 레드 필터는 약 660 내지 700nm의 장파장의 광을 흡수하고, 그린 필터는 510 내지 590nm의 중간 파장의 광을 흡수하며, 블루 필터는 그것 보다 작은 490 내지 510nm의 단 파장의 광을 흡수한다.
그러므로, 상기 각 필터들은 서로의 광 인텐서티를 유지시키기 위하여 그 두께를 달리하고 있다.
따라서, 반도체 기판 결과물은 컬러 필터의 높이 차에 의해 단차가 형성되 어, 후속의 공정, 예컨대, 마이크로 렌즈의 형성 공정등을 위해 별도의 평탄화막이 요구된다.
또한, 상기의 컬러 필터의 간격 부분으로 특정 색상으로 필터링되지 않은 빛이 진입되어 노이즈를 유발한다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 컬러 필터를 통과한 광 인텐서티 곡선은 각 필터(CF1∼CF4)별로 균일하기는 하나, 밴드-패스 필터링 대역폭이 넓고 완만하여 필터링 특성이 다소 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 컬러 필터 상부에 별도의 평탄화막의 요구 없이 광 인텐서티 균일도를 유지할 수 있으면서, 컬러 필터간의 간격으로 인해 유발되는 노이즈를 방지할 수 있는 이미지 소자를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 필터링 특성을 개선할 수 있는 이미지 소자를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 다수의 단위 픽셀을 구비한 반도체 기판, 상기 반도체 기판상에 배열된 컬러 필터 어레이를 포함하고, 상기 컬러 필터 어레이는 순차적으로 적층된 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층을 포함하고, 상기 제 1 층과 제 3 층은 동일한 물질이며, 상기 제 2 층은 상기 단위 픽셀 별로 상이한 두께를 갖는다.
상기 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층은 평탄화 특성을 갖는 것이 바람직하다. 상기 제 2 층은 상기 제 1 및 제 3 층보다 실질적으로 작은 굴절율을 갖는 투명막임이 바람직하다.
상기 제 1 층은 상기 단위 픽셀별로 서로 다른 표면 단차를 갖는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하도록 한다.
본 발명은 컬러 필터로서 정교한 밴드-패스 필터링 특성을 갖는 간섭계인 파브리-페롯(Fabry-Perot) 간섭계를 사용하는데 그 특징이 있다.
상기 파브리-페롯 간섭계는 도 4에 도시된 바와 같이, A층/B층/A층의 샌드위치 구조물로 구성된다. 이러한 파브리-페롯 간섭계의 원리는 필터링이 되는 파장(λ1)이 두 개의 A층 사이에 개재된 B층의 두께(t)에 의존한다는 것이다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 다수의 파장(λ1+λ2+λ3)이 소정의 입사각(θ)을 가지고 파브리-페롯 간섭계에 입사되면, 굴절율 nf를 갖는 B층을 통과하면서 상기의 다수의 파장중 특정 파장(λ1)만이 필터링된다. 또한, 파브리-페롯 간섭계를 통과한 광 인텐서티는 도 5에 도시된 바와 같이 특정 파장에 비해 매우 샤프한 곡선을 가지게 된다.
이러한 파브리 페롯 간섭계 원리를 이용한 컬러 필터에 대해 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다. 여기서, 도 7은 도 6의 Ⅵ-Ⅵ'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 반도체 기판(100)상에 컬러 필터(140)가 배열된 다. 반도체 기판(100)은 도면에는 도시되지 않았지만, 수개의 단위 픽셀을 포함하며, 상기 단위 픽셀마다 포토 다이오드가 형성된다.
상기 컬러 필터 어레이(140)는 도 6에 도시된 바와 같이, 다수의 단위 컬러 필터(CF1∼CF4...)들로 구성되며, 상기 단위 컬러 필터(CF1∼CF4...)들은 상기 단위 픽셀과 각각 대응되도록 형성된다. 이러한 컬러 필터 어레이(140)는 제 1 층(110), 제 2 층(120) 및 제 3 층(130)을 포함한다. 제 1 층(110) 및 제 3 층(130)은 동일 물질, 예컨대 층간 평탄화 특성을 갖는 평탄화막으로 이루어진다. 상기 제 2 층(120)은 실질적인 컬러 필터의 역할을 하며, 가시 광선에 대한 가상 굴절율(k)이 0.05 이하이고, 실제 굴절율(n)은 상기 제 1 및 제 3 층(110,130)보다는 작은 굴절율을 가짐이 바람직하다.
상기 제 1, 제 2 및 제 3 층(110,120,130)은 반도체 기판(100) 전면에 대해 연속적으로 형성됨에 따라, 컬러 필터(CF1∼CF4...) 사이에 간격이 발생되지 않는다.
또한, 각 픽셀마다 특정 색상을 필터링할 수 있도록 제 2 층(120)의 두께를 각 픽셀별로 다르게 설정한다. 즉, 상기 파브리 페롯 간섭계의 원리와 같이, 제 2 층(120)의 두께를 달리하면, 각 픽셀 별로 서로 다른 파장의 광이 필터링되기 때문이다. 이와 같은 제 2 층(120)의 두께는 제 1 층(110)의 표면 단차에 의해 조절된다. 즉, 제 2 층(120)의 표면이 평탄화되어 있고, 제 1 층(110)의 표면이 각 픽셀마다 서로 다른 높이를 갖는다면, 제 2 층(120) 역시 각 픽셀마다 서로 다른 두께를 갖게된다. 그러므로, 제 2 층(120)은 평탄화막임이 바람직하다.
이렇게 제작된 컬러 필터(140)의 광 인텐서티는 파브리 페롯 간섭계의 원리에 의해 도 8에 도시된 바와 같이 특정 파장에 대해 샤프한 곡선을 갖는다. 여기서 특정 파장(λ)은 2t1, 2t2일 수 있으며, 여기서 t1은 제 3 컬러 필터(CF3)의 두께를 나타내고 t2는 제 4 컬러 필터(CF4)의 두께를 나타낸다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.
이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 이미지 소자의 컬러 필터를 파브리 페롯 간섭계의 원리를 이용한 3층막으로 구성한다. 상기 3층막 구조의 컬러 필터는 샌드위치된 막의 두께를 조절하므로써 특정 파장의 광을 필터링한다. 이러한 3층막 구조의 컬러 필터는 반도체 기판 전면에 대해 연속적으로 형성되므로 간격이 발생되지 않아 노이즈를 감소시킬 수 있다.
또한, 3층막 구조물 자체가 평탄화 특성을 갖도록 하여, 별도의 평탄화막이 요구되지 않아도 된다.
아울러, 밴드-패스 필터링 효과가 탁월한 파브리 페롯 간섭계 원리를 채용하였으므로, 특정 파장에 대한 광 인텐서티 곡선이 매우 샤프하여 필터링 효율이 우수하다.

Claims (4)

  1. 다수의 단위 픽셀을 구비한 반도체 기판; 및
    상기 반도체 기판상에 배열된 컬러 필터 어레이를 포함하고,
    상기 컬러 필터 어레이는 순차적으로 적층된 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층을 포함하고, 상기 제 1 층과 제 3 층은 동일한 물질이며, 상기 제 2 층은 상기 단위 픽셀 별로 컬러 필터의 종류에 따라 두께가 상이한 것을 특징으로 하는 이미지 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 층 및 제 3 층의 상단은 평탄화 된 것을 특징으로 하는 이미지 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 층은 상기 제 1 및 제 3 층보다 작은 굴절율을 갖는 투명막인 것을 특징으로 하는 이미지 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층은 상기 제 2 층의 두께에 따라 상기 단위 픽셀별로 서로 다른 표면 단차를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 소자.
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