KR101348254B1 - 적외선 투과필터 및 이를 포함하는 씨모스 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 서로 다른 두 개의 금속이 일정 간격을 두고 적층된 구조의 적외선 투과필터 및 이를 포함하는 CMOS 이미지센서에 관한 것이다.
본 발명에 따른 적외선 투과 필터 및 이를 포함하는 CMOS 이미지센서에 의하면 제1 금속 디스크에 대해 제2 금속 디스크의 개수를 늘려감으로써 가시광 차단 및 적외선 투과 특성을 향상시키고 CMOS 이미지센서의 광효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 투과 필터 및 이를 포함하는 CMOS 이미지센서에 의하면 제1 금속 디스크에 대해 제2 금속 디스크의 개수를 늘려감으로써 가시광 차단 및 적외선 투과 특성을 향상시키고 CMOS 이미지센서의 광효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 적외선 투과필터 및 이를 포함하는 CMOS 이미지센서에 관한 것으로, 한 종류 또는 한 종류 이상의 금속이 일정 간격을 두고 적층된 구조의 적외선 투과필터 및 이를 포함하는 CMOS 이미지센서에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체장치로서, 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소(pixel)수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지부 상부에 칼라 필터가 배열되어 있으며, 칼라필터어레이(Color Filter Array; CFA)는 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다.
한편, 이미지센서는 인간의 눈으로는 보이지 않는 적외선 영역의 빛에 대해서도 반응하는 특성이 있다. 따라서 필요에 따라 가시광 영역의 빛은 차단하고 적외선 영역의 빛만을 투과시킬 필요가 있으며 이러한 경우 적외선 투과 필터가 사용된다.
본 발명이 해결하려는 기술적과제는, 디스크 모양의 한 종류 또는 한 종류 이상의 금속이 일정간격을 두고 여러 층으로 배열된 캐스케이드 구조의 적외선 투과 필터를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하려는 다른 기술적과제는, 디스크 모양의 한 종류 또는 한 종류 이상의 금속이 일정간격을 두고 여러 층으로 배열된 캐스케이드 구조의 적외선 투과 필터를 포함하는 CMOS 이미지센서를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 적외선 투과 필터는, 광감지 소자가 포함된 반도체 기판; 상기 반도체 기판 위에 형성된 절연막 내부의 제1 금속의 디스크; 및 상기 제1 금속의 디스크 상부에 일정간격을 두고 적층되어 형성된 적어도 하나의 제2 금속의 디스크를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 적외선 투과 필터는, 광감지 소자가 포함된 반도체 기판; 상기 반도체 기판 위에 형성된 절연막 내부에 일정간격을 두고 적어도 두 개 이상 적층되어 형성된 금속의 디스크를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 적외선 투과 필터를 포함하는 CMOS 이미지센서는 반도체 기판에 형성되며, 입사되는 광을 수광하기 위한 적어도 하나의 포토다이오드를 포함하는 광감지층; 상기 광감지층의 상부에 형성된 반사방지막; 상기 반사방지막의 상부에 형성되며, 상기 포토다이오드에 대응되는 위치에 형성된 적어도 하나의 칼라필터 및 적외선 투과 필터를 포함하는 필터층; 상기 필터층의 상부에 형성되며, 상기 적어도 하나의 칼라필터 및 적외선 투과 필터에 각각 대응되는 위치에 형성된 오버코팅층; 및 상기 오버코팅층의 상부에 형성된 마이크로렌즈층;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적외선 투과 필터 및 이를 포함하는 CMOS 이미지센서에 의하면 제1 금속의 디스크에 대해 제2 금속의 디스크의 개수를 늘려감으로써 가시광 차단 및 적외선 투과 특성을 향상시키고 CMOS 이미지센서의 광효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 적외선 투과필터의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 제1 실시 예에 따른 적외선 투과필터의 제1금속과 제2금속의 디스크의 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 적외선 투과필터의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 제1금속과 제2금속의 디스크가 적층된 적외선 투과필터의 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 적외선 투과필터의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 제3 실시 예에 따른 제2금속의 디스크가 적층된 적외선 투과필터의 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 적외선 투과필터의 입사각의 변화에 따른 투과특성의 변화를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 적외선 투과필터를 포함하는 CMOS 이미지센서의 단위픽셀의 구조를 종래기술과 비교하여 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 적외선 투과필터를 포함하는 CMOS 이미지센서의 단면을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 제1 실시 예에 따른 적외선 투과필터의 제1금속과 제2금속의 디스크의 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 적외선 투과필터의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 제1금속과 제2금속의 디스크가 적층된 적외선 투과필터의 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 적외선 투과필터의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 제3 실시 예에 따른 제2금속의 디스크가 적층된 적외선 투과필터의 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 적외선 투과필터의 입사각의 변화에 따른 투과특성의 변화를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 적외선 투과필터를 포함하는 CMOS 이미지센서의 단위픽셀의 구조를 종래기술과 비교하여 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 적외선 투과필터를 포함하는 CMOS 이미지센서의 단면을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 적외선 투과필터의 구성을 나타내는 도면으로, 제1 금속의 디스크(100) 및 제2 금속의 디스크(200)가 각각 하나씩 적층된 구조를 갖는다.
제1 금속의 디스크(100)는 절연막 내에 형성되며, 절연막은 예컨대, 실리콘 산화막(SiO2)이면 무방하다. 제2 금속의 디스크(200)는 상기 제1 금속의 디스크(100) 상부에 일정간격을 두고 배열된다.
도 2는 본 발명에 따른 적외선 투과필터의 제1금속과 제2금속의 디스크의 투과 특성을 나타내는 도면으로서, 제1 금속을 텅스텐(W) 디스크로, 제2 금속을 구리(Cu) 디스크로 선택한 실시 예이며, 각각의 투과율 특성을 본 발명자들이 면밀히 조사해 본 것이다. 본 실험에서는 특정 조건에서, 구리(Cu) 및 텅스텐(W) 각각의 단독 투과율이 70%, 60% 정도일 경우, 도 1의 실시 예과 같이 구리(Cu) 및 텅스텐(W)을 각각 하나만 겹치면 투과율은 대략 30% ~40% 정도로 나타났다.
가시광선 영역에서 투과율을 점검하여 보는 것은 커다란 의미가 있다. 본 발명에서 이루고자 하는 것은 적외선 투과필터이므로 가시광선의 영역에 있는 빛은 될 수 있는 한 스크린하는 것이 바람직하기 때문이다.
물론 이들 투과율 특성은 디스크의 재질, 두께, 디스크 간 거리, 디스크 사이에 채우고 있는 유전물질의 재질 등에 영향을 받을 수 있는 것이고, 도 2의 데이터는 발명자들이 실시한 여러 실험 결과 가운데 하나를 설명의 편의를 위해 제시한 것임을 알아야 한다. 이하의 설명도 이러한 것에 기초를 두고 있는 것이다.
또한, 상기 제1 금속의 디스크(100) 및 제2 금속의 디스크(200)가 각각 한 층씩 적층된 캐스케이드 구조에 있어서 그 투과율 특성은 각각의 특성의 곱으로 나타나며, 각각의 투과율 특성을 곱한 결과는 "구리*텅스텐"으로 도시되어 있다.
한편, 이 실험결과는 시뮬레이션 결과와도 거의 일치한다. 상기 제1 금속의 디스크(100) 및 제2 금속의 디스크(200)가 각각 한 층씩 적층된 캐스케이드 구조에 있어서의 시뮬레이션 결과는 "시뮬레이션"으로 표기되어 있으며, 도 2에서 보였듯이 각각의 특성을 곱한 결과와 거의 일치하고 있음을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 적외선 투과필터의 구성을 나타내는 도면으로, 제1 금속의 디스크(100)는 하나이지만 제2 금속의 디스크(200)는 여러 개이다. 이 역시 제1 금속의 디스크(100)는 절연막 내에 형성되며, 절연막은 예컨대, 실리콘 산화막(SiO2)이면 무방하다. 제2 금속의 디스크(200)는 상기 제1 금속의 디스크(100) 상부에 일정간격을 두고 여러 개가 적층되어 배열된다. 제1 실시 예 및 제2 실시 예에서, 제1 금속의 디스크는 텅스텐(W)으로 이루어지고, 상기 제2 금속의 디스크는 구리(Cu)로 이루어질 수 있다.
도 4는 발명자들이 본 발명에 따른 적외선 투과필터에서 제2 금속의 디스크의 개수를 하나씩 늘려가면서 조심스럽게 투과율의 변화를 실험해본 결과를 나타내는 도면이다.
적외선 투과 필터가 하나의 제1 금속의 디스크(100)와 하나의 제2 금속의 디스크(200)로 구성된 경우(Cu1W1) 도 4에 도시된 바와 같이 가시광 영역에서의 투과율이 30% 내지 40%로 크게 나타났지만, 제2 금속의 디스크(200)의 개수를 두 개, 세 개로 늘려 가면(Cu2W1, Cu3W1) 가시광 영역에서의 투과율이 10% 근처로 낮아지고 있으나, 적외선 영역(0.7um이상)에서는 투과율의 차이가 없다. 이에 따라 적절한 적외선 투과필터를 제작할 수 있음을 알게 되었다.
더 나아가, 발명자들은 제2 금속의 디스크만으로도 특정한 조건에서는 적외선 영역의 빛을 통과시키는 적외선 필터를 제작할 수도 있음을 알아내었다. 이러한 본 발명의 제3 실시 예의 구조는 도5에, 실험 결과는 도 6에 도시되어 있다. 실험결과에서 보듯이 제2 금속의 디스크(200)를 구리(Cu)로 선택한 후, 구리(Cu) 디스크를 한 층("Cu x 1")에서 다섯 층("Cu x 5")으로 점차 늘여가면서 측정한 것이다. 여기에서 보듯이 가시광선 영역과 적외선 영역에서의 투과율이 함께 낮아지지만, 가시광선 영역의 투과율이 보다 더 낮아짐을 알 수 있다.
위의 세 실시 예에서, 상기 제1 금속의 디스크(100) 및 제2 금속의 디스크(200)는, 10~100nm의 반경과 10~100nm의 두께를 갖고, 상기 제1 금속의 디스크(100)와 제2 금속의 디스크(200) 사이의 거리도 10~100nm인 것이 바람직하고, 도 3의 실시 예에서는 제2 금속의 디스크 사이의 거리도 10~100nm인 것이 바람직하다.
발명자들이 모의실험한 결과에 따르면, 상기 제1 금속의 디스크(100) 및 제2 금속의 디스크(200)의 반경과 두께, 제1 금속의 디스크(100)와 제2 금속의 디스크(200) 사이의 거리 및 상기 제2 금속의 디스크 사이의 거리는 50nm인 것이 제일 바람직하고, 30~70nm 사이에서는 특성이 어느 정도 유지되고, 10~100nm 사이에서는 비록 미흡하지만 투과 특성이 나타났다. 상기 이러한 수치들은 디스크의 재질 및 두께, 절연막의 재질 및 두께에 따라 변경될 수 있음은 당연하다
한편, 적외선의 입사각도에 따라 본 발명의 적외선 투과필터의 특성변화도 연구되었다. 도 7은 본 발명의 제2 실시 예에서, 적외선 투과필터의 입사각의 변화에 따른 투과특성의 변화를 나타내는 도면이다.
실험의 조건은 각 디스크의 직경 100nm, 두께가 50nm, 각 디스크 사이의 간격을 50nm으로 고정된 경우이다.
도 7을 참고하면 본 발명에 따른 적외선 투과필터의 경우 적외선의 입사각이 20도까지 변하더라도, 입사각의 변화에 따른 투과 특성의 변화가 적음을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 적외선 투과필터는 3차원 입체 영상을 구현하는 CMOS 이미지센서에 유용하게 사용될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 적외선 투과필터를 포함하는 CMOS 이미지센서의 단위픽셀의 구조를 종래기술과 비교하여 나타내는 도면이다.
도 8의 오른편에 도시된 본 발명에 따른 적외선 투과필터를 포함하는 CMOS 이미지센서의 단위픽셀은 도 8의 왼편에 도시된 기존의 RGGB 형태로 이루어진 단위픽셀에서 하나의 그린픽셀(G)이 적외선 픽셀(IR)로 대체된 구조를 갖는다.
도 9는 본 발명에 따른 적외선 투과필터를 포함하는 CMOS 이미지센서의 단면을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9를 참고하면 본 발명에 따른 적외선 투과필터를 포함하는 CMOS 이미지센서는 금속배선층(610), 광감지층(620), 반사방지막(630), 필터층(640), 오버코팅층(650) 및 마이크로렌즈층(660)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
상기 광감지층(620)은 반도체 기판에 형성되며, 입사되는 광을 수광하기 위해 포토다이오드와 같은 광감지 소자를 하나 이상 포함한다.
상기 반사방지막(630)은 상기 광감지층(620)의 상부에 형성된다.
상기 필터층(640)은 상기 반사방지막(630)의 상부에 형성되며, 상기 포토다이오드에 대응되는 위치에 형성된 적어도 하나의 칼라필터(C/F) 및 적외선 투과 필터(IR/F)를 포함한다.
상기 오버코팅층(650)은 상기 필터층(640)의 상부에 형성되며, 상기적어도 하나의 칼라필터(C/F) 및 적외선 투과 필터(IR/F)에 각각 대응되는 위치에 형성된다.
상기 마이크로렌즈층(660)은 상기 오버코팅층(650)의 상부에 형성된다.
한편, 상기 광감지층(620)의 하부에는 전기적 연결을 위한 메탈라인이 포함된 금속 배선층이 형성된다.
상기 적외선 투과 필터(IR/F)는 실리콘 산화막(SiO2) 내에 형성된 제1 금속의 디스크 및 상기 제1 금속의 디스크 상부에 일정간격을 두고 적층되어 형성된 적어도 하나의 제2 금속의 디스크를 포함하여 구성된다.
살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 적외선 투과필터 및 이를 포함하는 CMOS 이미지센서에 의하면 제2 금속 디스크의 개수를 늘려가면서 가시광 영역에서의 투과율을 조절하여 가시광 영역의 빛을 차단하고 적외선 영역의 빛을 투과시킴으로써 적외선 투과율을 개선시키고 CMOS 이미지센서 전체의 광효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
Claims (13)
- 광감지 소자가 포함된 반도체 기판;
상기 반도체 기판 위에 형성된 절연막 내부의 제1 금속의 디스크; 및
상기 제1 금속의 디스크 상부에 일정간격을 두고 적층되어 형성된 적어도 하나의 제2 금속의 디스크를 포함하되,
상기 제1 금속은 텅스텐(W)으로 구성되고, 상기 제2 금속은 구리(Cu)로 구성된 것을 특징으로 하는 적외선 투과 필터.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 제1 금속의 디스크 및 제2 금속의 디스크는,
10nm 내지 100nm의 반경과 10nm 내지 100nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 투과 필터.
- 제 1항에 있어서,
상기 제1 금속의 디스크와 상기 제2 금속의 디스크 사이의 거리는 10nm 내지 100nm 인 것을 특징으로 하는 적외선 투과 필터.
- 제 1항에 있어서, 상기 제2 금속의 디스크가 복수 개인 경우
상기 제2 금속의 디스크 사이의 거리는 10nm 내지 100nm 인 것을 특징으로 하는 적외선 투과 필터.
- 삭제
- 반도체 기판에 형성되며, 입사되는 광을 수광하기 위한 적어도 하나의 포토다이오드를 포함하는 광감지층;
상기 광감지층의 상부에 형성된 반사방지막;
상기 반사방지막의 상부에 형성되며, 상기 포토다이오드에 대응되는 위치에 형성된 적어도 하나의 칼라필터 및 적외선 투과 필터를 포함하는 필터층;
상기 필터층의 상부에 형성되며, 상기 적어도 하나의 칼라필터 및 적외선 투과 필터에 각각 대응되는 위치에 형성된 오버코팅층; 및
상기 오버코팅층의 상부에 형성된 마이크로렌즈층;을 구비하되,
상기 적외선 투과 필터는
실리콘 산화막 내에 형성된 제1 금속의 디스크; 및
상기 제1 금속의 디스크 상부에 일정 간격을 두고 적층되어 형성된 적어도 하나의 제2 금속의 디스크를 포함하고,
상기 제1 금속은 텅스텐(W)으로 구성되고, 상기 제2 금속은 구리(Cu)로 구성된 것을 특징으로 하는 적외선 투과 필터를 포함하는 CMOS 이미지 센서.
- 제 7항에 있어서,
상기 광감지층의 하부에 전기적 연결을 위한 메탈라인이 형성된 금속 배선층을 구비하는 것을 특징으로 하는 적외선 투과 필터를 포함하는 CMOS 이미지 센서.
- 삭제
- 삭제
- 제 7항에 있어서, 상기 제1 금속의 디스크 및 제2 금속의 디스크는,
10nm 내지 100nm의 반경과 10nm 내지 100nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 투과 필터를 포함하는 CMOS 이미지 센서.
- 제 7항에 있어서,
상기 제1 금속의 디스크와 상기 제2 금속의 디스크 사이의 거리는 10nm 내지 100nm 인 것을 특징으로 하는 적외선 투과 필터를 포함하는 CMOS 이미지 센서.
- 제 7항에 있어서, 상기 제2 금속의 디스크가 복수 개인 경우
상기 제2 금속의 디스크 사이의 거리는 10nm 내지 100nm인 것을 특징으로 하는 적외선 투과 필터를 포함하는 CMOS 이미지 센서.
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| KR1020120069080A KR101348254B1 (ko) | 2012-06-27 | 2012-06-27 | 적외선 투과필터 및 이를 포함하는 씨모스 이미지 센서 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120069080A KR101348254B1 (ko) | 2012-06-27 | 2012-06-27 | 적외선 투과필터 및 이를 포함하는 씨모스 이미지 센서 |
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