KR100923595B1 - Cmos 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로 렌즈를 통해 CMOS 이미지 센서에 입사되는 빛의 양을 조절함으로써 내부의 반도체 소자들을 보호할 수 있는 CMOS 이미지 센서에 관한 것이다.
이를 위해 외광의 세기에 따라 전자를 발생시키는 포토 다이오드, 포토 다이오드의 상부에 형성되는 절연층, 절연층의 내부에서 패턴을 형성하는 금속층, 절연층의 상부에 형성되는 평탄화층, 평탄화층의 내부에 형성되어 포토 다이오드에 입사되는 외광의 양을 조절하는 피에조 셔터, 절연층 및 평탄화층을 관통하여 포토 다이오드와 피에조 셔터를 전기적으로 연결하는 금속 라인 및 평탄화층의 상부에 형성되어 포토 다이오드로 외광을 집중시키는 마이크로 렌즈를 포함을 포함하는 CMOS 이미지 센서가 개시된다.
CIS, CMOS 이미지 센서, 피에조, 피에조 셔터, piezo

Description

CMOS 이미지 센서{CMOS IMAGE SENSOR}
본 발명은 CMOS 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로 렌즈를 통해 내부로 입사되는 외광의 양을 조절하여 내부 반도체 소자들을 보호할 수 있는 CMOS 이미지 센서에 관한 것이다.
CMOS 이미지 센서(CMOS Image Sensor)는 현재 모바일폰(Mobile phone), PC(Personal Computer)용 카메라 및 전자기기 등에서 광범위하게 사용되고 있는 디바이스이다. CMOS 이미지 센서는 기존에 이미지 센서로 사용되던 CCD(Charge Coupled Device)에 비해 구동 방식이 간편하고, 신호 처리 회로(Signal Processing Circuit)를 하나의 칩에 집적할 수 있어서 SOC(System On Chip)가 구현될 수 있도록 하여 모듈의 소형화를 가능하게 한다.
이러한 CMOS 이미지 센서는 그 내부로 마이크로 렌즈를 통해 외광이 들어오면 하부의 포토 다이오드에서 전기적 신호로 변환시키고, 다시 포토 다이오드 상부에 위치한 반도체 소자가 이를 저장하는 일련의 동작을 수행한다.
그런데 입사되는 외광의 세기가 상대적으로 큰 경우, 외광에 의해 반도체 소자가 손상을 받을 수 있다. 또한, 외광에 의한 반도체 소자의 손상을 막는 방법으로는 컬러 필터의 소재 개발이나 박막을 증착하는 방법 등이 제안되고 있다. 그러나 이러한 현재의 제안들은 포토 다이오드의 민감도를 떨어뜨리는 요인으로 작용하게 되기 때문에 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 마이크로 렌즈를 통해 내부로 조사되는 외광의 양을 조절함으로써 내부의 소자들을 보호할 수 있는 CMOS 이미지 센서를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서는 외광의 세기에 따라 전자를 발생시키는 포토 다이오드, 포토 다이오드의 상부에 형성되는 절연층, 절연층의 내부에서 패턴을 형성하는 금속층, 절연층의 상부에 형성되는 평탄화층, 평탄화층의 내부에 형성되어 포토 다이오드에 입사되는 외광의 양을 조절하는 피에조 셔터, 절연층 및 평탄화층을 관통하여 포토 다이오드와 피에조 셔터를 전기적으로 연결하는 금속 라인 및 평탄화층의 상부에 형성되어 포토 다이오드로 외광을 집중시키는 마이크로 렌즈를 포함할 수 있다.
여기서, 포토 다이오드는 외광의 세기에 비례하는 전자를 금속 라인을 통해 발생시킬 수 있다.
그리고 피에조 셔터는 내부에 개구부를 포함하고, 포토 다이오드로부터 인가된 전자에 따라 개구부의 크기가 조절될 수 있다.
또한, 피에조 셔터는 링 형태를 가질 수 있다.
또한, 절연층과 평탄화층의 사이에 컬러 필터가 더 형성될 수 있다.
상기와 같이 하여 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서는 평탄화층의 내부에 피에조 셔터를 구비하고, 피에조 셔터를 하부의 포토 다이오드와 전기적으로 연결시켜서 외광의 양에 따라 피에조 셔터의 개구부가 조절되도록 함으로써 내부로 조사되는 외광의 양을 조절하여 내부의 반도체 소자들을 강한 외광으로부터 보호할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서(100)의 구성을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서(100)를 도시한 단면도이다. 도 2는 도 1의 A-A' 단면도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서(100)에 사용되는 피에조 셔터(170)를 도시한 사시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서(100)는 포토 다이오드(120), 상기 포토 다이오드(120)의 상부에 형성된 절연 층(130), 상기 절연층(130)의 내부에 형성된 금속층(140), 상기 절연층(130)의 상부에 형성된 평탄화층(160), 상기 평탄화층(160)의 내부에 형성된 피에조 셔터(170), 상기 포토 다이오드(120)와 피에조 셔터(170)를 전기적으로 연결하는 금속 라인(180), 상기 평탄화층(160)의 상부에 형성된 마이크로 렌즈(190)를 포함할 수 있다.
또한, 경우에 따라 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서(100)는 상기 포토 다이오드(120)의 외주연을 감싸는 소자 분리부(110), 상기 절연층(130)과 평탄화층(160)의 사이에 형성되는 컬러 필터(150)를 더 포함할 수 있다.
상기 소자 분리부(110)는 기판(도시되지 않음)의 상부에 형성될 수 있다. 또한, 상기 소자 분리부(110)는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서(100)의 최하부에 구비될 수 있다. 상기 소자 분리부(110)는 절연성이 있는 재질로서 형성된다. 따라서, 상기 소자 분리부(110)는 각 화소가 전기적으로 절연될 수 있도록 한다.
상기 포토 다이오드(120)는 상기 소자 분리부(110)의 가운데에 위치한다. 상기 포토 다이오드(120)는 마이크로 렌즈(190)를 통해 입사된 외광을 감지하여 전기적인 신호로 변환시킨다. 또한, 별도로 도시하지는 않았지만 상기 포토 다이오드(120)는 그 상부에 형성된 상기 금속층(140)과 전기적으로 연결된다. 따라서, 상기 포토 다이오드(120)에서 변환된 신호들은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서(100) 내부에 저장될 수 있다.
상기 포토 다이오드(120)는 금속 라인(180)을 통해 상기 피에조 셔터(170)에 전기적으로 연결되어 있다. 따라서, 상기 포토 다이오드(120)는 마이크로 렌즈(190)를 통해 상기 포토 다이오드(120)에 도달한 외광의 세기에 따라 발생한 전자가 상기 금속 라인(180)을 흐르도록 한다. 즉, 상기 포토 다이오드(120)는 상기 금속 라인(180)을 통해 상기 피에조 셔터(170)로 전자를 이동시켜 상기 피에조 셔터(170)의 형태를 변형시킴으로써, CMOS 이미지 센서(100) 내부로 입사되는 외광의 양을 조절할 수 있다.
상기 절연층(130)은 상기 포토 다이오드(120)의 상부에 형성된다. 상기 절연층(130)은 절연성이 있는 재질로 형성되고 내부에 다수의 비아홀(도시되지 않음)을 구비하여, 상기 포토 다이오드(120)가 원하는 위치에서만 비아홀을 통해 상기 금속층(140)과 전기적으로 연결될 수 있도록 한다. 또한, 상기 절연층(130)은 투명한 재질로 형성되어 마이크로 렌즈(190)로부터 입사된 외광이 상기 포토 다이오드(120)에 도달할 수 있는 경로를 제공한다. 따라서, 상기 절연층(130)은 USG(Undoped Silicate Glass)를 이용하여 형성될 수 있으나, 상기 재질로서 본 발명의 내용을 한정하는 것은 아니다.
상기 금속층(140)은 상기 절연층(130)의 내부에 형성된다. 상기 금속층(140)은 상기 절연층(130) 내에서 패턴을 형성하며, 상기 절연층(130)과 함께 트랜지스 터를 포함한 여러 반도체 소자를 형성할 수 있다. 또한, 상기 금속층(140)은 상기 포토 다이오드(120)와도 전기적으로 연결되어, 상기 포토 다이오드(120)에서 외광을 감지하여 발생하는 전기적 신호를 저장할 수 있다.
상기 컬러 필터(150)는 상기 절연층(130)의 상부에 형성될 수 있다. 상기 컬러 필터(150)는 상기 마이크로 렌즈(190)로부터 입사된 빛을 RGB 별로 분리시킨다. 즉, 상기 컬러 필터(150)를 통과한 외광은 상기 컬러 필터(150)를 따라 RGB 별로 분리되고, 상기 포토 다이오드(120)에 의해 감지된다.
상기 평탄화층(160)은 상기 컬러 필터(150)의 상부에 형성된다. 상기 평탄화층(160)은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서(100)의 전체적인 높이를 일정하게 유지하기 위해 형성된다. 상기 컬러 필터(150)는 RGB 별로 그 두께가 각각 다르다. 또한, 이렇듯 컬러 필터(150)의 두께가 다르게 형성된 상태에서 그 상부에 마이크로 렌즈(190)가 형성되면, 각 RGB 별로 도달하게 되는 외광의 이동 거리에서 차이가 생기게 된다. 그리고, 외광의 RGB 별 이동 거리에서 차이가 생기면, 외광의 각 파장별 세기가 달라지게 되므로 원하는 휘도의 영상을 얻을 수 없다. 따라서, 상기 컬러 필터(150)의 상부에 상기 평탄화층(160)이 형성되어 각 파장별 외광의 도달 거리를 균일하게 유지한다.
상기 피에조 셔터(170)는 상기 평탄화층(160)의 내부에 링의 형상을 갖도록 형성된다. 상기 피에조 셔터(170)는 상기 금속 라인(180)을 통해 상기 포토 다이오드(120)와 전기적으로 연결된다. 상기 피에조 셔터(170)는 상기 포토 다이오드(120)로부터 인가받은 전기적 신호에 따라서 그 내부 압력을 변형시키는 특성을 갖는다.
또한, 상기 피에조 셔터(170)의 내부에는 개구부(171)가 형성된다. 상기 개구부(171)는 그 내부를 통해서 외광이 입사될 수 있도록 구비되는 영역이다. 따라서, 상기 개구부(171)는 그 상부의 마이크로 렌즈(190)의 형상에 따라 원형의 홀로서 구비된다.
상기 개구부(171)의 직경(d)은 상기 포토 다이오드(120)로부터 인가받은 전자의 양에 따라 그 크기가 조절된다. 즉, 상기 마이크로 렌즈(190)로부터 상기 피에조 셔터(170)의 개구부(171)를 통해 상기 포토 다이오드(120)에 입사되는 외광이 상대적으로 센 경우, 이에 비례하여 상기 포토 다이오드(120)로부터 발생되는 전자의 양이 많아지고, 이에 반비례하여 상기 개구부(171)의 직경(d)이 줄어들어서 개구부(171)를 통과하는 외광의 양을 줄인다. 이와 반대로, 상기 포토 다이오드(120)에 입사되는 외광이 상대적으로 약한 경우, 이에 비례하여 상기 포토 다이오드(120)로부터 발생되는 전자의 양이 줄어들고, 이에 반비례하여 상기 개구부(171)의 직경(d)이 원래의 상태로 복귀되어 상기 개구부(171)를 통과하는 외광의 양을 평상시대로 유지한다.
따라서, 결과적으로 외광의 세기에 따라 개구부(171)의 직경(d)이 조절되어 통과하는 외광의 양이 조절되므로 그 하부에 위치한 상기 절연층(130)과 금속 층(140)으로 형성된 반도체 소자가 외광에 의해 손상을 받는 것을 방지할 수 있게 된다.
상기 금속 라인(180)은 상기 절연층(130), 컬러 필터(150) 및 평탄화층(160)을 관통하도록 형성된다. 상기 금속 라인(180)은 상기 포토 다이오드(120)와 상기 피에조 셔터(170)를 전기적으로 연결한다. 따라서, 상기 금속 라인(180)은 상기 포토 다이오드(120)로부터 발생한 전자가 상기 피에조 셔터(170)로 도달하기 위한 전기적 경로를 제공한다.
상기 마이크로 렌즈(190)는 상기 평탄화층(160)의 상부에 형성된다. 상기 마이크로 렌즈(190)는 전체적으로 그 평면 형상이 원형을 이루도록 형성됨이 일반적이다. 그리고, 상기 마이크로 렌즈(190)는 외광을 상기 포토 레지스트(120)에 집중시키는 역할을 한다.
상기와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서(100)는 평탄화층(160)의 내부에 개구부(171)를 갖는 피에조 셔터(170)를 구비하고, 피에조 셔터(170)를 포토 다이오드(120)와 전기적으로 연결시킨다. 따라서, 상대적으로 외광이 센 경우, 포토 다이오드(120)에서 발생한 다수의 전자들이 피에조 셔터(170)에 도달하여 개구부(171)의 직경(d)을 줄이게 된다. 결과적으로, 개구부(171)를 통과하는 외광의 양이 줄어들게 되어 그 하부의 절연층(130)과 금속층(140)으로 형성된 반도체 소자들을 외광으로 부터 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 구성을 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 A-A' 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서에 사용되는 피에조 셔터를 도시한 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100; 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지 센서
110; 소자 분리부 120; 포토 다이오드
130; 절연층 140; 금속층
150; 컬러 필터 160; 평탄화층
170; 피에조 셔터 171; 개구부
180; 금속 라인 190; 마이크로 렌즈

Claims (5)

  1. 외광의 세기에 따라 전자를 발생시키는 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드의 상부에 형성되는 절연층;
    상기 절연층의 내부에서 패턴을 형성하는 금속층;
    상기 절연층의 상부에 형성되는 평탄화층;
    상기 평탄화층의 내부에 형성되어 상기 포토 다이오드에 입사되는 외광의 양을 조절하는 피에조 셔터;
    상기 절연층 및 평탄화층을 관통하여 상기 포토 다이오드와 상기 피에조 셔터를 전기적으로 연결하고, 상기 포토 다이오드에서 발생한 전자를 상기 피에조 셔터에 전달하는 금속 라인; 및
    상기 평탄화층의 상부에 형성되어 상기 포토 다이오드로 외광을 집중시키는 마이크로 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 피에조 셔터는 내부에 개구부를 포함하고, 상기 포토 다이오드로부터 인가된 전자에 따라 상기 개구부의 크기가 조절되는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미 지 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 피에조 셔터는 링 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 절연층과 상기 평탄화층의 사이에 컬러 필터가 더 형성된 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
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