KR101385250B1 - Ｃｍｏｓ 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서는, p-n 접합 포토 다이오드와, 상기 p-n 접합 다오드 상부에 위치하는 금속 패턴층과, 상기 금속 패턴층의 상방에 형성된 마이크로 렌즈를 구비하되, 상기 금속 패턴층은 복수의 화소 영역들로 구분되며, 상기 복수개의 화소 영역들중 하나의 화소 영역에 대응되는 상기 금속 패턴층은 Red 서브 화소 영역, 두개의 Green 서브 화소 영역, 및 Blue 서브 화소 영역을 구비한다.

Description

ＣＭＯＳ 이미지 센서{CMOS image sensor}
본 발명은 포토 다이오드 상부에 금속 패턴을 형성하여 감도를 향상시킨 CMOS 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 광을 감지하여 광학 영상(Optical Image)을 전기적인 신호로 변환하는 광전 변환 소자로서 영상 이미지의 저장 및 전송, 디스플레이 장치에서의 광학 영상을 재현하는 데 사용된다.
실리콘 반도체를 기반으로 한 이미지 센서에는 크게 CCD 이미지 센서와 CMOS 이미지 센서가 있는 데 CMOS 이미지 센서는 CCD 이미지 센서에 비해 기존 반도체 공정을 사용하여 생산단가를 낮출 수 있고, 제조 공정이 쉽고 또한 소비전력이 낮으며, 주변회로를 동일한 칩에 통합하기 쉽다는 이점이 있다. 따라서, CMOS 이미지 센서는 휴대폰과 개인용 휴대 단말기용 카메라와 같은 소형 휴대용 단말기 등에 적합하다.
일반적으로 CMOS 이미지 센서는 반도체 기판 상에 행렬로 배열되는 복수개의 단위 화소들을 구비하며, 각각의 단위 화소는 p-n 접합 포토 다이오드 및 트랜지스 터들로 구성된다. 상기 포토 다이오드는 외부로부터 광을 감지하여 광 전하를 생성한다. 상기 트랜지스터들은 생성된 광 전하의 전하량에 따른 전기적인 신호를 출력한다.
상기와 같이 CMOS 이미지센서는 광 신호를 검출하여 생성하는 포토다이오드를 포함하고, 또한 광 신호를 제어 또는 처리할 수 있는 제어소자를 사용하여 이미지를 구현한다.
통상 CMOS 이미지 센서는 하나의 칩 상에 포토 다이오드와 복수의 트랜지스터가 집적된다.
도 1은 통상의 CMOS 이미지 센서의 구조를 보여주는 단면도이다. 도 2는 CMOS 이미지 센서의 신호 왜곡을 설명하기 위한 SEM 사진이다. 도 1을 참조하면, 이미지 센서(1)는 포토 다이오드(2), 주변 회로용 금속배선(4), 폴리머 컬러 필터(6) 및 마이크로 렌즈(8)를 구비하여 이루어진다. 상기 구성요소들 사이의 공간은 절연층으로 형성된다. 상기 포토 다이오드(2)는 p형 실리콘 기판(2a)에 n형 불순물이 도핑된 n형영역(2b)을 구비할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 이미지 센서(1)는 마이크로 렌즈(8)를 통과한 광이 금속배선(4) 등에 반사되어 인접한 화소의 포토 다이오드(2)로 입사되며, 따라서 신호가 왜곡되는 optical crosstalk가 발생될 수 있다.
또한, 컬러 필터(6)가 마이크로 렌즈(8) 바로 아래에 있어서 마이크로 렌즈(8)로부터 포토다이오드(2)까지의 거리가 5~10㎛ 이상인 경우, 포토 다이오드(2) 크기가 대략 3 ㎛에서 1㎛ 혹은 그 이하로 줄어들 경우 감도가 떨어지는 문제가 있 다. 또한, 광이 컬러 필터(6) 및 절연층을 통과하면서 상당량이 흡수되기 때문에 실제로 포토다이오드(2)에 도달하는 광의 양이 적기 때문에 이미지 센서의 감도가 불량해질 수 있다.
따라서, 상기 렌즈(8)와 포토 다이오드(2) 사이의 거리를 줄여주거나 컬러 필터(6)를 대체할 수 있는 기술이 필요하다.
본 발명은 별도의 칼라 필터 없이 특정 파장의 광을 필터링하고, 감지할 수 있는 광의 량을 증가시키는 금속 패턴이 상부에 형성된 포토 다이오드를 구비하는 CMOS 이미지 센서를 제공한다.
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본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서는, p-n 접합 포토 다이오드와, 상기 p-n 접합 다이오드 상부에 위치하는 금속 패턴층과, 상기 금속 패턴층의 상방에 형성된 마이크로 렌즈를 구비하되, 상기 금속 패턴층은 복수의 화소 영역들로 구분되며, 상기 복수개의 화소 영역들중 하나의 화소 영역에 대응되는 상기 금속 패턴층은 Red 서브 화소 영역, 두개의 Green 서브 화소 영역, 및 Blue 서브 화소 영역을 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 금속 패턴층은 스트립 패턴, 서로 독립적인 섬(island) 모양 패턴 또는 금속 입자층(particle layer)일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 금속 패턴층은 컨택 홀(contact hole) 패턴을 포함하는 금속 박막층일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 포토 다이오드의 상부 표면에 유전막이 더 구비될 수 있다. 상기 유전막은 SiO2, SiON, HfO2, Si3N4로 이루어진 그룹 중 선택된 적어도 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
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본 발명에 따르면, 상기 각 서브화소영역의 금속 패턴층은 나노 도트들일 수 있다.
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본 발명에 따르면, 상기 Red 서브 화소 영역, 상기 Green 서브 화소 영역, 및 상기 Blue 서브 화소 영역 순으로 순차적으로 상기 나노도트의 크기가 작아질 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 Red 서브 화소 영역, 두개의 Green 서브 화소 영역, 및 Blue 서브 화소 영역 순으로 순차적으로 상기 나노 도트들 사이의 간격이 커질 수 있다.
삭제
본 발명에 따르면, 상기 나노도트는 삼각형, 사각형, 오각형, 원형 및 별 모양으로 이루어진 그룹 준 선택된 어느 하나의 형상을 가질 수 있다. .
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 포토다이오드 및 CMOS 이미지 센서를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 p-n 접합 다이오드를 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 포토다이오드(12) 상부에 유전막(15)과 금속 패턴층(13)이 순차적으로 형성되어 있다. 상기 포토 다이오드(12)는 p형 실리콘 기판(2a)에 n형 불순물이 도핑된 n형영역(12b)을 구비할 수 있다.
상기 유전막(15)은 상기 금속 패턴층(13)에 의해 한정된 광이 상기 포토다이오드(12)에 전달될 수 있도록 얇아야 한다. 그 두께는 3nm 내지 100nm가 바람직하다.
상기 유전막(15)은 상기 금속 패턴층(13)의 씨드층(seed layer) 역할을 한다. 상기 유전막(15)은 SiO2, SiON, HfO2, Si3N4 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 금속 패턴층(13)은 광의 전자기파가 금속 표면의 전자와 공진에 의해 표면 플라즈몬(Surface Plasmon)을 형성하게 한다. 상기 플라즈몬은 광이 상기 금속 패턴(13) 근처에 머무르는 시간을 증가시키는 역할을 한다.
따라서, 상기 플라즈몬 현상에 따라 상기 포토다이오드(12)로 입사되는 광은 상기 금속 패턴층(13)에 의해 상기 포토다이오드(12)가 감지할 수 있는 시간을 증가시켜 감도를 향상시킨다.
상기 금속 패턴층(13)은 스트립(strip) 패턴, 서로 독립적인 섬(island) 모양 패턴 또는 금속 입자층(particle layer)일 수 있다. 또한 상기 금속 패턴층(13)은 금속 박막에 콘택홀들이 형성된 컨택 홀(contact hole) 패턴 일수 있다.
상기 금속 패턴층(13)은 상기 포토다이오드(12)가 감지하는 광에 따라 재질, 패턴 모양 또는 패턴 크기를 다르게 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 금속 패턴층(13)의 재질, 모양 및 크기에 따라 상기 포토다이오드(12)가 감지하는 광이 다르게 되어 상기 금속 패턴층(13)이 종래의 칼라 필터 역할을 한다.
상기 금속 패턴층(13)의 재질은 금, 은, 구리, 알루미늄 또는 텅스텐 중 하나일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 p-n 접합 다이오드를 구비한 CMOS 이미지 센서의 단면도이다. 도 3에서의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 이미지 센서(11)는 포토 다이오드(12), 주변 회로용 금속배선(14), 및 마이크로 렌즈(18)를 구비하여 이루어진다. 물론 상기 구성요소들 이외의 공간은 절연층으로 구성된다.
상기 이미지 센서(11)는 구조적으로 종래의 칼라 필터가 필요치 않아 상기 렌즈(18)와 상기 포토 다이오드(12) 까지의 거리가 짧아 센서(11)의 크기를 보다 작게 할 수 있다. 또한 입사 광의 제어가 종래보다 용이하여 입사 광이 상기 금속배선(14)에서 반사되어 나타나는 크로스토크(crosstalk) 문제가 방지될 수 있다. 즉, 입사 광을 보다 정확히 상기 포토다이오드(12)에 집중할 수 있도록 할 수 있다.
상기 포토 다이오드(12)는 도 3에 도시된 실시예 형태로 이루어진다. 즉, 포토 다이오드(12)는 p형 영역(12a)과 n형영역(12b)를 구비하며, 포토 다이오드(12) 상에는 유전막(15) 및 금속 패턴(13)이 순차적으로 형성된다.
도 5는 플라즈몬에 따른 이미지 센서의 센싱 과정을 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 렌즈(18)를 통과한 광은 상기 금속 배선(14) 영역을 통과하여 상기 포토다이오드(12)에 도달한다. 상기 광은 상기 금속패턴층(13)에 의해 표면 플라즈몬 공명 현상을 일으키며, 이에 따라 field enhancement가 생기며, 이미지 센서(11)의 감도가 증가될 수 있다. 도 5에서 점선으로 표시된 원은 금속패턴층(13)에 따른 표면 플라즈몬 공명현상이 일어나는 영역을 예시적으로 도시한 것이다.
도 6은 4개의 영역에 형성된 금속 패턴층을 보여주는 평면도이다.
도 6을 참조하면, 이미지 센서(11)의 하나의 화소에 해당하는 영역의 유전막(15)은 4개의영역으로 분할되어 있으며, 각 영역에는 서로 다른 금속 패턴(13a, 13b, 13c, 13d)이 형성되어 있다.
레드 서브 화소 영역(Red)에는 제1 크기의 골드 나노 도트(13a)가 형성되어 있으며, 그린 서브 화소 영역(Green1, Green2)에는 실버 나노 도트(13b, 13d)가 형성되어 있으며, 블루 서브 화소 영역(Blue)에는 제2 크기의 골드 나노 도트(13c)가 형성되어 있다.
상대적으로 파장이 긴 적색광을 통과시키는 레드 서브 화소 영역(Red)의 나노 도트(13a)의 크기는 그린 서브 화소 영역(Green1, Green2)의 나노 도트(13b, 13d) 보다 크게 형성되거나 나노 도트 사이의 간격이 더 좁을 수 있으며, 블루 서브 화소 영역(Blue)의 나노 도트(13c)는 그린 서브 화소 영역(Green1, Green2)의 나노 도트(13b, 13d)보다 작게 형성되거나, 또는 같은 크기로 형성되더라도 그 간격이 더 넓게 형성될 수 있다.
또한, 상기 각 서브 화소 영역의 금속 패턴(13a, 13b, 13c, 13d)은 감지하려는 광에 따라 삼각형, 사각형, 오각형, 원형 또는 별 모양일 수 있다. 즉, 상기 각 서브 화소 영역의 금속 패턴(13a, 13b, 13c, 13d)은 감지하려는 광의 종류에 따라 패턴의 모양, 크기 재질을 달리하면 광 필터 효율이 달라질 수 있다.
본 발명에 따른 이미지 센서는 광을 다량 흡수하는 종래의 폴리머 재질의 칼라 필터를 사용하지 않아 포토다이오드에 도달하는 광량이 증가되어서, 광을 감지하는 감도를 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 CMOS 이미지 센서의 단면도이다.
도 2는 도 1의 전자현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 p-n 접합 포토 다이오드를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 p-n 접합 포토 다이오드를 구비한 CMOS 이미지 센서의 단면도이다.
도 5는 플라즈몬에 따른 이미지 센서의 센싱 과정을 보여주는 도면이다.
도 6는 각 서브화소영역에 형성된 금속 패턴을 보여주는 평면도이다.

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  8. p-n 접합 포토 다이오드;
    상기 p-n 접합 다이오드 상부에 위치하는 금속 패턴층; 및
    상기 금속 패턴층의 상방에 형성된 마이크로 렌즈를 구비하되,
    상기 금속 패턴층은 복수의 화소 영역들로 구분되며, 상기 복수개의 화소 영역들중 하나의 화소 영역에 대응되는 상기 금속 패턴층은 Red 서브 화소 영역, 두개의 Green 서브 화소 영역, 및 Blue 서브 화소 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 금속 패턴층은 스트립 패턴, 서로 독립적인 섬(island) 모양 패턴 또는 금속 입자층(particle layer)인 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  10. 제8항에 있어서, 상기 금속 패턴층은 컨택 홀(contact hole) 패턴을 포함하는 금속 박막층인 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  11. 제8항에 있어서, 상기 포토 다이오드의 상부 표면에 유전막이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  12. 제11항에 있어서, 상기 유전막은 SiO2, SiON, HfO2, Si3N4로 이루어진 그룹 중 선택된 적어도 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
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  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제8항에 있어서, 상기 각 서브 화소 영역의 금속 패턴층은 나노 도트인것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  17. 제16항에 있어서, 상기 Red 서브 화소 영역, 두개의 Green 서브 화소 영역, 및 Blue 서브 화소영역 순으로 순차적으로 상기 나노 도트의 크기가 작아지는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  18. 제16항에 있어서, 상기 Red 서브 화소 영역, 두개의 Green 서브 화소 영역, 및 Blue 서브 화소 영역 순으로 순차적으로 상기 나노 도트들 사이의 간격이 커지는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
  19. 제16항에 있어서, 상기 나노 도트는 삼각형, 사각형, 오각형, 원형 및 별 모양으로 이루어진 그룹중 선택된 어느 하나의 형상을 가진 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
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