KR100766244B1

KR100766244B1 - 이미지 센서

Info

Publication number: KR100766244B1
Application number: KR1020050132575A
Authority: KR
Inventors: 탁병석
Original assignee: 동부일렉트로닉스 주식회사
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2007-10-10
Also published as: KR20070069916A

Abstract

본 발명에 따른 이미지 센서는, 반도체 기판에 순차적으로 적층된 적어도 하나 이상의 광감지 소자 및 층간 절연막; 상기 층간 절연막 상부에 순차적으로 적층된 광차폐막 및 소자 보호막; 상기 소자 보호막 상부에 순차적으로 적층된 컬러필터 및 평탄층; 상기 평탄층 상부에 형성되며, 중심은 오목렌즈 형상으로 형성되고, 상부 모서리부는 볼록 렌즈 형상으로 라운드 지게 형성된 마이크로 렌즈; 를 포함한다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 마이크로 렌즈의 중심 두께는 1000Å로 형성되며, 상기 마이크로 렌즈의 상부 모서리부는 입사각이 30도가 되도록 라운드 지게 형성된다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 외부로부터 빛을 입사 받고, 입사된 빛의 많은 양을 광감지 소자에 전달하여, 광감도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

이미지 센서{Image sensor}

도 1은 종래 이미지 센서를 개략적으로 나타낸 수직 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 이미지 센서를 개략적으로 나타낸 수직 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 마이크로 렌즈의 형상을 설명하기 위한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100... 필드 절연막 102... 광감지 소자

104, 108, 114... 층간 절연막 106... 광차폐막

110... 소자 보호막 112a, 112b, 112c... 컬러필터

116... 평탄층 218... 마이크로 렌즈

본 발명은 이미지 센서에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지 센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이다. 더욱이, 씨모스 (Complementary MOS; 이하 CMOS라 함) 이미지 센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.

이러한 다양한 이미지 센서를 제조함에 있어서, 이미지 센서의 감광도(photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있으며, 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지 센서는 빛을 감지하는 광감지부와, 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직 회로부로 구성되어 있다. 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지 센서 면적에서 광감지부의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 'Fill Factor'라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다. 그러나, 근본적으로 로직 회로부를 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지부 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부로 모아주는 집광기술이 많이 연구되고 있다.

현재의 기술은 광감지부 상부에 광투과율이 좋은 물질로 볼록형 마이크로렌즈를 만들어 입사광의 경로를 굴절시켜 광감지부에 보다 많은 양의 빛을 전달하는 방법이 사용되고 있다. 이 경우 마이크로렌즈의 광축과 수평한 빛이 마이크로렌즈에 의해서 굴절되어 광축상의 일정 위치에서 그 초점이 형성되어 진다.

도 1은 종래 이미지 센서를 개략적으로 나타낸 수직 단면도로서, 집광에 관련된 이미지 센서의 주요부분만이 도시되어 있다.

종래의 이미지 센서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 반도체 기판(미도시함) 상 부에 형성된 적어도 하나 이상의 광감지 소자(102)와, 필드 절연막(100)과, 필드 절연막(100)과 광감지 소자(102) 상부를 층간 절연하는 층간 절연막(104, 108)과, 광감지 소자이외의 영역으로 광이 입사되는 것을 방지하기 위해 층간 절연막(108) 내에 형성된 광차폐막(light shield layer)(106)을 포함한다.

또한, 상기 층간 절연막(108) 상부에 소자 보호막(110)이 형성되어 있으며, 소자 보호막(110) 상부에 적색(red), 녹색(green), 청색(blue)의 컬러필터(112a, 112b, 112c)가 어레이되어 있다. 이들 컬러필터 어레이(112a, 112b, 112c) 위에는 평탄층(116)이 형성되어 있으며 컬러필터(112a, 112b, 112c)의 대향 위치에 볼록렌즈 형상의 마이크로렌즈(118)가 각각 형성되어 있다. 미 설명된 도면 부호 114는 층간 절연막이다.

입사된 빛은 마이크로렌즈(118)를 통해 각각의 적색 컬러필터(112a), 녹색 컬러필터(112b), 청색 컬러필터(112c)를 통해 해당 적색 광, 녹색 광, 청색 광을 필터링한다. 필터링된 광은 소자 보호막(110) 및 층간 절연막(108, 104)을 통해서 각 컬러필터 하단에 위치한 광감지 소자(102)에 입사된다. 이때, 광차폐막(106)은 입사된 광이 다른 경로로 벗어나지 않도록 하는 역할을 한다.

상기와 같이 구성된 종래 기술의 마이크로렌즈(118)는 각 광감지 소자(102)의 구성 즉, 단위화소의 크기와 위치, 모양, 그리고 광감지 소자(102)의 두께, 그리고 광차폐막(106)의 높이, 위치, 크기 등에 의해 결정되는 최적의 크기와 두께 그리고 곡률 반경으로 형성되어야 한다.

한편, 종래의 이미지 센서에 있어서 볼록형 마이크로렌즈(118)를 형성하는 방법은, 평탄층(116)을 만들고 마이크로렌즈용 레지스트 패턴을 형성하고 열처리에 의해 레지스트를 플로우시킨 후에 베이킹을 실시하여 경화시키는 방법이 사용되고 있다. 이러한 반구형 볼록형 마이크로렌즈(118)의 경우 광축과 평행한 빛은 렌즈에서 굴절되어 렌즈의 대향 위치에 있는 특정 광감지 소자(102)에 도달되어 정상적으로 소자를 동작시키지만, 광축에 평행하지 않은 빛은 렌즈에서 굴절되어 빛이 도달되어서는 안되는 경로의 광감지 소자(102)에 도달하게 되어 소자가 오동작되는 경우가 발생하게 된다.

또한 반구형 볼록형 마이크로렌즈(118)의 경우 광의 초점이 형성되는 위치는 일정하나 하부 막질의 종류 및 두께에 따라서 광감지 소자(102)에 도달하는 빛의 양 차이를 발생하게 되어 집광효율이 떨어지고 이로 인해 이미지센서 소자의 동작을 원활하게 하는데 방해가 되며 불량 이미지를 보여주게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 외부로부터 빛을 입사 받고, 입사된 빛의 많은 양을 광감지 소자에 전달하여, 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이미지 센서는, 반도체 기판에 순차적으로 적층된 적어도 하나 이상의 광감지 소자 및 층간 절연막; 상기 층간 절연막 상부에 순차적으로 적층된 광차폐막 및 소자 보호막; 상기 소자 보호막 상부에 순차적으로 적층된 컬러필터 및 평탄층; 상기 평탄층 상부에 형성되며, 중심은 오목렌즈 형상으로 형성되고, 상부 모서리부는 볼록 렌즈 형상으로 라운드 지게 형 성된 마이크로 렌즈; 를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 이미지 센서를 개략적으로 나타낸 수직 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 마이크로 렌즈의 형상을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에 따른 이미지 센서는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 반도체 기판(미도시함) 상부에 형성된 적어도 하나 이상의 광감지 소자(102)와, 필드 절연막(100)과, 필드 절연막(100)과 광감지 소자(102) 상부를 층간 절연하는 층간 절연막(104, 108)과, 광감지 소자이외의 영역으로 광이 입사되는 것을 방지하기 위해 층간 절연막(108) 내에 형성된 광차폐막(light shield layer)(106)을 포함한다.

또한, 상기 층간 절연막(108) 상부에 소자 보호막(110)이 형성되어 있으며, 소자 보호막(110) 상부에 적색(red), 녹색(green), 청색(blue)의 컬러필터(112a, 112b, 112c)가 어레이되어 있다. 이들 컬러필터 어레이(112a, 112b, 112c) 위에는 평탄층(116)이 형성되어 있으며 컬러필터(112a, 112b, 112c)의 대향 위치에 마이크로렌즈(218)가 각각 형성되어 있다. 미 설명된 도면 부호 114는 층간 절연막이다.

여기서, 상기 광감지 소자(102)는 포토게이트 또는 포토다이오드 등으로 형 성될 수 있다. 상기 광차폐막(106)은 금속층으로 형성될 수 있다. 상기 컬러필터(112a, 112b, 112c)의 재료로는 특정 파장의 빛만을 흡수할 수 있는 색깔로 염색된 포토레지스트가 주로 이용되고 있으며, 상기 마이크로렌즈(218)의 재료로는 폴리머 계열의 수지(resin)가 이용될 수 있다.

그리고 층간 절연막(104, 108, 114) 및 소자 보호막(110)은 투명 물질로서, 통상 실리콘 산화막이 이용되고 있으며, 평탄층(116)은 컬러필터의 거칠기를 보상하기 위하여 포토레지스트가 이용될 수 있다.

입사된 빛은 마이크로렌즈(218)를 통해 각각의 적색 컬러필터(112a), 녹색 컬러필터(112b), 청색 컬러필터(112c)를 통해 해당 적색 광, 녹색 광, 청색 광을 필터링한다. 필터링된 광은 소자 보호막(110) 및 층간 절연막(108, 104)을 통해서 각 컬러필터 하단에 위치한 광감지 소자(102)에 입사된다. 이때, 광차폐막(106)은 입사된 광이 다른 경로로 벗어나지 않도록 하는 역할을 한다.

본 발명에 따른 이미지 센서에 적용되는 상기 마이크로 렌즈(218)는 중심은 오목렌즈 형상으로 형성되고, 상부 모서리부는 볼록 렌즈 형상으로 라운드 지게 형성된다. 이에 따라, 상기 마이크로 렌즈(218)의 중심부로 입사되는 빛이 광감지 소자(102)에 입사될 수 있게 된다. 또한 상기 마이크로 렌즈(218)의 모서리부로 입사되는 빛은 굴절되어 상기 광감지 소자(102)에 입사될 수 있게 된다. 즉, 라운드 지게 형성된 상기 마이크로 렌즈(218) 모서리부의 경사각을 이용하여 많은 양의 빛이 상기 광감지 소자(102)에 입사될 수 있게 된다. 이에 따라 본 발명에 따른 이미지 센서에서는 보다 많은 입사광이 상기 광감지 소자(102)에 전달될 수 있게 되는 것 이며, 이는 이미지 센서의 센서티비티(sensitivity)를 높이게 되는 것이다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 마이크로 렌즈의 중심 두께는 1000Å로 형성될 수 있으며, 상기 마이크로 렌즈(218)의 상부 모서리부는 입사각이 30도가 되도록 라운드 지게 형성되도록 할 수 있다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 이미지 센서에 의하면, 외부로부터 빛을 입사 받고, 입사된 빛의 많은 양을 광감지 소자에 전달하여, 광감도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims

반도체 기판에 순차적으로 적층된 적어도 하나 이상의 광감지 소자 및 층간 절연막;

상기 층간 절연막 상부에 순차적으로 적층된 광차폐막 및 소자 보호막;

상기 소자 보호막 상부에 순차적으로 적층된 컬러필터 및 평탄층;

상기 평탄층 상부에 형성되며, 중심은 오목렌즈 형상으로 형성되고, 상부 모서리부는 볼록 렌즈 형상으로 라운드 지게 형성된 마이크로 렌즈;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
제 1항에 있어서,

상기 마이크로 렌즈의 중심 두께는 1000Å인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
삭제