KR100974618B1 - 광감도가 개선된 이미지 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화소간 분리막 표면에 광학 박막을 형성하여 빛의 간섭 현상을 이용하여 입사되는 빛을 누화 현상 없이 포토다이오드 영역으로 집중시킬 수 있도록 한 광감도가 개선된 이미지 센서에 관한 것으로, 화소 영역에 형성되어 광학 영상을 전기적 신호로 변환시키는 포토다이오드 영역;상기 화소 영역들 간의 분리 영역에 형성되는 화소 분리막;이웃하는 화소들과 분리되고 내부에 매질이 채워지는 광 통로;상기 화소 분리막의 표면에 형성되어 다중 반사에 의한 빛의 간섭 현상을 이용하여 입사되는 빛이 포토다이오드 영역에 집중되도록 하는 광학 박막;상기 광 통로 상부에 형성되고 영상에 따른 파장의 빛을 투과하는 칼라 필터층 및 빛을 집광하는 마이크로렌즈층을 포함한다.

이미지 센서, CCD, CIS, 광학 박막, 누화 현상, 다층 광학 박막

Description

광감도가 개선된 이미지 센서{Image Sensor with improved photo sensitivity}

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 구체적으로 화소간 분리막 표면에 광학 박막을 형성하여 빛의 간섭 현상을 이용하여 입사되는 빛을 누화 현상 없이 포토다이오드 영역으로 집중시킬 수 있도록 한 광감도가 개선된 이미지 센서에 관한 것이다.

일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 모듈로서 그 영상 신호를 저장 및 전송하여 디스플레이 장치에 표시하기 위하여 사용된다.

이미지 센서에는 실리콘 반도체를 기반으로 한 고체 촬상 소자(Charge Coupled Device; CCD)와 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor; CIS)로 크게 분류될 수 있다.

상기 CMOS 이미지 센서는 조사되는 빛을 감지하는 포토 다이오드부와 감지된 빛을 전기적인 신호로 처리하여 데이터화 하는 CMOS 로직 회로부로 구성되는데, 상기 포토 다이오드의 수광량이 많을수록 상기 이미지 센서의 광 감도(Photo Sensitivity) 특성이 양호해진다.

이와 같이 광 감도를 높이기 위해서는 이미지 센서의 전체 면적 중에서 포토 다이오드가 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하거나, 포토다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 상기 포토 다이오드로 집광시켜 주는 기술이 사용된다.

상기 집광 기술의 대표적인 예가 마이크로 렌즈를 형성하는 것인데, 이는 포토 다이오드 상부에 광투과율이 좋은 물질로 마이크로렌즈를 만들어 입사광의 경로를 굴절시켜 보다 많은 양의 빛을 포토 다이오드 영역으로 조사하는 방법이다.

도 1은 종래 기술의 이미지 센서의 구조를 나타낸 단면도이다.

종래 기술의 이미지 센서는, 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 포토다이오드 영역(12)을 포함하는 기판(11)과, 화소 분리 영역에 구성되어 이웃하는 화소들간의 광 통로를 분리하는 화소 분리막(14)과, 화소 분리막(14)에 의해 이웃하는 화소와 분리되고 내부에 특정 굴절율을 갖는 매질이 채워지는 광 통로(13)와, 광 통로(13) 및 화소 분리막(14)의 상부에 형성되는 평탄화층(15)과, 평탄화층(15)상에 형성되어 특정 파장의 빛이 투과되도록 하는 칼라 필터층(16)과, 상기 칼라 필터층(16)상에 형성되어 포토다이오드 영역(12)으로 빛을 집광하는 마이크로렌즈층(17)을 포함한다.

이와 같은 이미지 센서는 광학 영상(optical image)에 따른 특정 파장의 빛을 마이크로렌즈층(17)이 포토다이오 영역(12)으로 조사하고, 포토다이오드 영역(12)은 그에 해당하는 광전 변환에 의해 전기적인 신호를 출력한다.

이와 같은 이미지 센서의 특성은 이미지 센싱 과정에서의 광감도에 의해 결정되는데, 종래 기술의 이미지 센서의 경우에는 다음과 같이 광감도가 저하되는 문제가 있다.

도 1의 (가)에서와 같이, 마이크로 렌즈층(17)에 수직 입사하지 않고 특정한 입사각을 가지고 입사하는 빛은 화소 간의 분리를 위한 화소 분리막(14)에서 포토 다이오드 영역(12)으로 반사되어 진행되고 않고 굴절 과정을 통해 새어나가는 누화 현상이 발생한다.

종래 기술에서는 이러한 누화 현상을 줄이기 위해서 화소 간의 분리막을 광 통로를 채우고 있는 매질보다 굴절률이 낮은 매질로 만들어 반사 현상을 이용하여 포토 다이오드 방향으로 반사되게 한다.

하지만 이 방법의 경우 빛의 입사각이 임계각 이하 일 때에는 대부분의 재질로는 반사율이 1%이하 정도 만의 효과를 얻을 수 있어 누화 현상을 해결하기에는 어렵다.

이와 같은 누화 현상에 따른 소자 특성 저하는 이미지 센서를 적용하는 제품의 화소 수 증가에 따른 각 화소의 면적 축소 및 화소 간의 간격 축소로 인하여 더욱 심해진다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 이미지 센서의 문제를 해결하기 위한 것으로, 이미지 센서의 화소간 분리막 표면에 광학 박막을 형성하여 빛의 간섭 현상을 이용하여 입사되는 빛을 누화 현상 없이 포토다이오드 영역으로 집중시킬 수 있도록 한 광감도가 개선된 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 이미지 센서의 화소간 분리막 표면에 형성된 여러 층의 광학 박막을 이용하여 입사되는 빛을 누화 현상 없이 포토다이오드 영역으로 집중시킬 수 있도록 하여 제품의 화소 수 증가에 따른 각 화소의 면적 축소 및 화소 간의 간격 축소에 대응할 수 있도록 한 광감도가 개선된 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광감도가 개선된 이미지 센서는 화소 영역에 형성되어 광학 영상을 전기적 신호로 변환시키는 포토다이오드 영역;상기 화소 영역들 간의 분리 영역에 형성되는 화소 분리막;이웃하는 화소들과 분리되고 내부에 매질이 채워지는 광 통로;상기 화소 분리막의 표면에 형성되어 다중 반사에 의한 빛의 간섭 현상을 이용하여 입사되는 빛이 포토다이오드 영역에 집중되도록 하는 광학 박막;상기 광 통로 상부에 형성되고 영상에 따른 파장의 빛을 투과하는 칼라 필터층 및 빛을 집광하는 마이크로렌즈층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 광학 박막의 두께는, 다중 반사에 의하여 광학 박막 내부에서 투과해 나가는 빛은 소멸간섭하고, 반사되어 되돌아 나오는 빛은 보강 간섭이 일어나는 두께로 형성하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 광학 박막의 두께는 입사광의 1/4 파장에 해당되는 두께로 형성하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 광학 박막의 두께는 100 ~ 300nm인 것을 특징으로 한다.

그리고 광학 박막은 다층으로 형성되는 것을 특징으로 하고, 다층으로 형성되는 광학 박막은 각각 그 두께가 다르거나, 동일한 것을 특징으로 한다.

그리고 다층으로 형성되는 광학 박막은 각각 그 형성 물질이 다르거나, 동일한 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 광감도가 개선된 이미지 센서는 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 이미지 센서의 화소간 분리막 표면에 광학 박막을 형성하여 빛의 간섭 현상을 이용하여 입사되는 빛을 포토다이오드 영역으로 집중시킬 수 있도록 하여 누화 현상의 발생을 막는다.

둘째, 광학 박막을 이용한 누화 현상의 억제에 의해 광감도를 향상시켜, 제품의 화소 수 증가에 따른 각 화소의 면적 축소 및 화소 간의 간격 축소에 대응할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 광감도가 개선된 이미지 센서의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 광감도가 개선된 이미지 센서의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 광학 박막을 이용한 이미지 센서의 구조를 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 광학 박막을 이용한 이미지 센서의 반사율 특성을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 이미지 센서의 화소간 분리막 표면에 단층 또는 다층의 광학 박막을 형성하여 빛의 간섭 현상을 이용하여 입사되는 빛을 포토다이오드 영역으로 집중시킬 수 있도록 한 것이다.

본 발명에 따른 광감도가 개선된 이미지 센서는 기판(21)에 형성되어 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 포토다이오드 영역(22)과, 화소 분리 영역에 구성되어 이웃하는 화소들간의 광 통로를 분리하는 화소 분리막(24)과, 화소 분리막(24)에 의해 이웃하는 화소와 분리되고 내부에 특정 굴절율을 갖는 매질이 채워지는 광 통로(23)와, 화소 분리막(24)의 표면에 형성되어 다중 반사에 의한 빛의 간섭 현상을 이용하여 입사되는 빛이 포토다이오드 영역(22)에 집중되도록 하는 광학 박막(Optical thin film)(25)과, 광 통로(23) 및 화소 분리막(24)의 상부에 형성되는 평탄화층(26)과, 평탄화층(26)상에 형성되어 특정 파장의 빛이 투과되도록 하는 칼라 필터층(27)과, 상기 칼라 필터층(27)상에 형성되어 포토다이오드 영역(22)으로 빛을 집광하는 마이크로렌즈층(28)을 포함한다.

이와 같은 이미지 센서는 광학 영상(optical image)에 따른 특정 파장의 빛을 마이크로렌즈층(28)이 빛을 집광하고, 광학 박막(Optical thin film)(25)이 누화 현상을 억제하여 포토다이오 영역(22)으로 조사되도록 하고, 포토다이오 영역(22)은 그에 해당하는 광전 변환에 의해 전기적인 신호를 출력한다.

이와 같이 본 발명에 따른 광감도가 개선된 이미지 센서는 광 통로와 화소 분리막 사이에 광학 박막을 형성하여 반사율이 향상된 것으로, 광학 박막은 새어 나오는 빛의 간섭 현상을 일으켜 누화 현상을 억제한다.

여기서, 광학 박막은 두께를 조절하여 투과해 나가는 빛은 소멸간섭하고, 반사되어 되돌아 나오는 빛은 보강 간섭하도록 하는데, 바람직하게는 광학 박막의 두께는 입사광의 1/4 파장에 해당된다.

본 발명의 실시예에서는 광학 박막의 두께는 100 ~ 300nm이다.

도 3은 광학 박막을 형성하여 광감도를 향상시킨 이미지 센서의 반사율 그래프이다.

도 3에서 보면, 광학 박막의 두께에 따른 반사율 변화의 폭은 0-12% 이다.

박막의 두께를 300nm 이하로 한정한 이유는 현재 생산 중인 CMOS 이미지 센서의 공정은 대부분 0.18um 공정이므로 최소 선폭을 고려한 것이다.

물론, 박막의 두께가 300nm 이하로 한정되는 것은 아니다.

0.18um 공정으로 CMOS 이미지 센서를 제작하는 경우 광학 박막의 두께를 180 ~ 190nm 만들게 된다면 반사율은 파장마다 차이가 있지만 4% 이상의 효과를 가져 온다.

그리고 0.1um 공정을 이용하여 CMOS 이미지 센서를 제작하는 경우에는 광학 박막의 두께를 130 ~ 140nm 사이로 제작하면, 10% 이상의 반사 효과를 얻을 수 있다.

이와 같은 광학 박막의 간섭 현상을 이용한 반사율 증대에 의한 광감도를 향상 시킨 이미지 센서는 여러 층의 광학 박막을 만들거나 또는 박막의 두께 변화 등을 통해서도 충분한 반사 효과를 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 박막을 이용한 이미지 센서의 구조 단면도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 광감도가 개선된 이미지 센서는 기판(41)에 형성되어 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 포토다이오드 영역(42)과, 화소 분리 영역에 구성되어 이웃하는 화소들 간의 광 통로를 분리하는 화소 분리막(44)과, 화소 분리막(44)에 의해 이웃하는 화소와 분리되고 내부에 특정 굴절율을 갖는 매질이 채워지는 광 통로(43)와, 화소 분리막(44)의 표면에 형성되어 다중 반사에 의한 빛의 간섭 현상을 이용하여 입사되는 빛이 포토다이오드 영역(42)에 집중되도록 하는 제 1,2 광학 박막(Optical thin film)(45a)(45b)과, 광 통로(43) 및 화소 분리막(44)의 상부에 형성되는 평탄화층(46)과, 평탄화층(46)상에 형성되어 특정 파장의 빛이 투과되도록 하는 칼라 필터층(47)과, 상기 칼라 필 터층(47)상에 형성되어 포토다이오드 영역(42)으로 빛을 집광하는 마이크로렌즈층(48)을 포함한다.

이와 같은 이미지 센서는 광학 영상(optical image)에 따른 특정 파장의 빛을 마이크로렌즈층(28)이 빛을 집광하고 제 1,2 광학 박막(Optical thin film)(45a)(45b)이 누화 현상을 억제하여 포토다이오 영역(42)으로 조사되도록 하고, 포토다이오 영역(42)은 그에 해당하는 광전 변환에 의해 전기적인 신호를 출력한다.

마찬가지로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광감도가 개선된 이미지 센서는 광 통로와 화소 분리막 사이에 광학 박막을 다층으로 형성하여 반사율이 향상된 것으로, 다층의 광학 박막은 새어 나오는 빛의 간섭 현상을 일으켜 누화 현상을 억제한다.

여기서, 광학 박막은 두께를 조절하여 투과해 나가는 빛은 소멸간섭하고, 반사되어 되돌아 나오는 빛은 보강 간섭하도록 하는데, 바람직하게는 광학 박막의 두께는 입사광의 1/4 파장에 해당된다.

마찬가지로, 광학 박막의 두께는 100 ~ 300nm이다.

여기서, 제1,2 광학 박막(45a)(45b)은 서로 두께를 다르게 형성하거나, 동일하게 형성할 수 있다.

그리고 제1,2 광학 박막(45a)(45b)은 동일 물질로 형성하거나, 다른 물질로 형성할 수 있다.

물론, 제1,2 광학 박막(45a)(45b) 두 개의 층으로 한정되는 것이 아니고, 여 러 개의 층으로 형상할 수 있음은 당연하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 광감도가 향상된 이미지 센서는 화소간 분리막 표면에 광학 박막을 형성하여 빛의 간섭 현상을 이용하여 입사되는 빛을 누화 현상 없이 포토다이오드 영역으로 집중시킬 수 있도록 한다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

도 1은 종래 기술의 이미지 센서의 구조를 나타낸 단면도

도 2는 본 발명에 따른 광학 박막을 이용한 이미지 센서의 구조를 나타낸 단면도

도 3은 본 발명에 따른 광학 박막을 이용한 이미지 센서의 반사율 특성을 나타낸 그래프

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 박막을 이용한 이미지 센서의 구조 단면도

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

21. 기판 22. 포토다이오드 영역

23. 광 통로 24. 화소 분리막

25. 광학 박막 26. 평탄화층

27. 칼라 필터층 28. 마이크로렌즈층

Claims (7)

1. 화소 영역에 형성되어 광학 영상을 전기적 신호로 변환시키는 포토다이오드 영역;

   상기 화소 영역들 간의 분리 영역에 형성되는 화소 분리막;

   이웃하는 화소들과 분리되고 내부에 매질이 채워지는 광 통로;

   상기 화소 분리막의 표면에 형성되어 다중 반사에 의한 빛의 간섭 현상을 이용하여 입사되는 빛이 포토다이오드 영역에 집중되도록 하는 다층으로 이루어진 광학 박막;

   상기 광 통로 상부에 형성되고 영상에 따른 파장의 빛을 투과하는 칼라 필터층 및 빛을 집광하는 마이크로렌즈층을 포함하고,

   상기 광학 박막의 두께는 광학 박막 내부에서 투과해 나가는 빛은 소멸간섭하고, 반사되어 되돌아 나오는 빛은 보강 간섭이 일어나는 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 광감도가 개선된 이미지 센서.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 광학 박막의 두께는 입사광의 1/4 파장에 해당되는 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 광감도가 개선된 이미지 센서.
4. 제 1 항에 있어서, 광학 박막의 두께는 100 ~ 300nm인 것을 특징으로 하는 광감도가 개선된 이미지 센서.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 다층으로 형성되는 광학 박막은 각각 그 두께가 다른 것을 특징으로 하는 광감도가 개선된 이미지 센서.
7. 제 1 항에 있어서, 다층으로 형성되는 광학 박막은 각각 그 형성 물질이 다른 것을 특징으로 하는 광감도가 개선된 이미지 센서.

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