KR101416552B1 - 표면 플라즈몬 필터와 폴리머 필터를 이용한 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
표면 플라즈몬 필터와 폴리머 필터를 이용한 이미지 센서가 개시된다. 이미지 센서는, 마이크로 렌즈; 하나 이상의 포토 다이오드가 형성되는 기판; 및 상기 마이크로 렌즈와 상기 기판 사이에 배치되고, 수직적으로 적층되도록 배치되는 복수의 메탈 레이어가 형성되는 층간 절연막을 포함하되, 소정의 채널로 지정된 포토 다이오드의 상부에 형성된 상기 복수의 메탈 레이어 중 어느 하나는 표면 플라즈마 필터로 기능하도록 형성될 수 있다.
Description
본 발명은 표면 플라즈몬 필터와 폴리머 필터를 이용한 이미지 센서에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서는 광학 영상을 전기적인 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서로 구분할 수 있다.
CMOS 이미지 센서는 조사되는 빛을 감지하는 포토 다이오드(Photo Diode)와 감지된 빛을 전기적인 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부로 구성되며, 포토 다이오드의 수광량이 많을수록 이미지 센서의 광 감도 특성이 우수해진다.
광 감도 특성을 향상시키기 위해서 일반적으로 이미지 센서의 전체 면적 중에서 포토 다이오드가 차지하는 면적 비율(Full Factor)을 크게 하거나, 포토 다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 포토 다이오드로 집속시켜주는 기술이 사용된다.
전술한 집속 기술의 대표적인 예가 마이크로 렌즈를 형성하는 것인데, 이는 포토 다이오드의 상부에 광 투과율이 좋은 물질로 볼록형 마이크로 렌즈를 만들어 입사광의 경로를 굴절시켜 보다 많은 양의 빛이 포토다이오드 영역으로 조사되도록 하는 방법이다. 이렇게 함으로써, 마이크로 렌즈의 광축과 수평한 빛이 마이크로 렌즈에 의해 굴절되어 광축상의 일정 위치에서 그 초점이 형성된다.
도 1은 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서는 조사되는 빛을 감지하기 위한 포토 다이오드 영역(11)과, 그 포토다이오드 영역(11)에서의 광전 효과에 의해 발생된 전하가 모이는 전하 이동로인 수직전하전송 영역(VCCD)(12)과, 소자 영역을 정의하는 소자분리막(STI)(13)이 형성된 기판(10)과, 기판(10) 상부에 형성된 게이트 절연막(14)과, 게이트 절연막(14) 상부에 형성된 게이트 전극(15), 게이트 전극(15)을 가진 기판에 형성된 층간 절연막(16), 층간 절연막(16) 내에서 회로 배선을 위해 절연막을 사이에 두고 형성된 제1 내지 제3 메탈 레이어(M1 내지M3)와, 층간 절연막(16) 상부에 형성된 컬러 필터층(17)과, 컬러 필터층(17) 상부에 형성된 마이크로 렌즈(18)와, 마이크로 렌즈(18)와 수직 방향으로 소정의 이격 거리를 두고 형성된 적외선 컷오프 필터(19)로 구성된다.
이미지 센서로 입사되는 빛은 적외선(IR) 컷오프 필터(19)를 통과하여 적외선 성분이 배제된 영역만 입사하게 되며, 이렇게 입사한 빛 중에서 마이크로 렌즈(18)와 컬러필터(17)를 통과하여 선택된 밴드의 빛만이 포토 다이오드 영역(11)으로 입사된다. 컬러필터(17)와 포토 다이오드 영역(11)의 사이에는 회로 배선을 위해 절연막을 사이에 두고 순차 형성된 제1 내지 제3 메탈 레이어(M1 내지 M3)가 형성된다.
그러나 도시된 이미지 센서의 구성은 컬러 필터(17)를 사용하고 있어 적외선 영역의 투과율이 높은 단점이 있으므로, 이를 방지하기 위해 적외선 컷오프 필터(19)가 추가적으로 필요한 단점이 있고, 이로 인해 제조 비용이 상승하는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 방지하기 위해 한국등록특허 제10-0905230호(이미지 센서)는 금속 배선층을 나노 패턴을 가지도록 형성하여 광학적 필터로 사용하는 방안을 제시하고 있다.
그러나, 해당 한국등록특허 제10-0905230호는 규칙성이 있는 필터 어레이이의 중앙이 아닌 불규칙성이 발생한 변에서 빛 방출이 집중되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 별 모양의 메탈 레이어 내부 구조를 추가적으로 제시하고 있으나, 제시된 날카로운 모서리를 가지는 메탈 레이어 구조를 실현할 수 있는 공정이 현재까지 개발되지 못한 문제점이 있다.
또한 필터간의 격리 간격이 클수록 필터의 고유 파장 특성을 보장하기 어렵고 필터간의 격리 간격이 작을수록 크로스토크가 증가하는 문제점도 개선하지 못하고 있으며, 표면 플라즈몬 필터로 제작한 컬러필터가 색 구현이 용이하지 않은 문제점도 있다.
본 발명은 일반적인 R, G, B 채널 뿐 아니라 IR(적외선 광)이나 UV(자외선 광) 또는 특정한 가시 광 파장 등의 부가적 채널을 포함한 4가지 이상의 채널을 구비할 수 있는 표면 플라즈몬 필터와 폴리머 필터를 이용한 이미지 센서를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 일반적인 컬러 센서와 색감이 동일할 뿐 아니라 동시에 적외선 광이나 자외선 광 또는 특정한 가시광 파장 등의 부가적 채널을 위한 필터의 집광 효율을 향상시킬 수 있는 표면 플라즈몬 필터와 폴리머 필터를 이용한 이미지 센서를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 일반적인 이미지 센서를 생산하는 반도체 공정에 의해 대량 생산이 가능한 표면 플라즈몬 필터와 폴리머 필터를 이용한 이미지 센서를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 이미지 센서에 있어서, 마이크로 렌즈; 하나 이상의 포토 다이오드가 형성되는 기판; 및 상기 마이크로 렌즈와 상기 기판 사이에 배치되고, 수직적으로 적층되도록 배치되는 복수의 메탈 레이어가 형성되는 층간 절연막을 포함하되, 소정의 채널로 지정된 포토 다이오드의 상부에 형성된 상기 복수의 메탈 레이어 중 어느 하나는 표면 플라즈마 필터로 기능하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서가 제공된다.
상기 복수의 메탈 레이어는, 조정 회로부와 전기적으로 연결되는 제1 메탈 레이어(M1); 상기 표면 플라즈마 필터로 기능하도록 격자형 구조로 구성되는 제2 메탈 레이어(M3); 및 상기 제1 메탈 레이어(M1)과 상기 제2 메탈 레이어(M3)가 전기적으로 연결되도록 비아(via) 또는 메탈 컨택(matal contact)으로 기능하는 제3 메탈 레이어(M2)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제3 메탈 레이어(M3)의 일측은 상기 제2 메탈 레이어의 격자형 구조의 홀(hole) 의 내부 둘레면 일측에 접촉된 상태로 관통 삽입되도록 배치되고, 상기 홀에 삽입된 상기 제3 메탈 레이어(M3)의 일측의 길이는 상기 제2 메탈 레이어(M2)의 두께보다 상대적으로 길게 형성될 수 있다.
상기 복수의 메탈 레이어는 적어도 상기 표면 플라즈마 필터로 기능하도록 격자형 구조로 구성되는 제2 메탈 레이어(M3)를 포함하되, 상기 제2 메탈 레이어(M2)의 일 영역은 타 영역에 비해 상대적으로 배선의 폭이 넓은 불규칙 영역으로 형성될 수도 있다. 또한 상기 복수의 메탈 레이어는, 조정 회로부와 전기적으로 연결되는 제1 메탈 레이어(M1); 및 상기 제1 메탈 레이어(M1)와 상기 제2 메탈 레이어(M3)가 전기적으로 연결되도록 비아(via) 또는 메탈 컨택(matal contact)으로 기능하는 제3 메탈 레이어(M2)를 더 포함할 수도 있다.
상기 마이크로 렌즈와 상기 표면 플라즈마 필터로 기능하는 메탈 레이어의 사이에는 폴리머 컬러 필터 및 전도성 폴리머층 중 하나 이상이 형성될 수 있다.
상기 조정 회로부는 상기 제1 메탈 레이어(M1)로 소정의 펄스 신호, 소정의 노이즈 신호 및 소정의 직류 전압 신호 중 하나 이상을 인가할 수 있다.
상기 조정 회로부와 상기 제1 메탈 레이어(M1) 사이에는 스위치가 개재(介在)될 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 일반적인 R, G, B 채널 뿐 아니라 IR(적외선 광)이나 UV(자외선 광) 또는 특정한 가시 광 파장 등의 부가적 채널을 포함한 4가지 이상의 채널을 구비할 수 있는 효과가 있다.
또한 일반적인 컬러 센서와 색감이 동일할 뿐 아니라 동시에 적외선 광이나 자외선 광 또는 특정한 가시광 파장 등의 부가적 채널을 위한 필터의 집광 효율을 향상시킬 수 있는 효과도 있다.
또한 일반적인 이미지 센서를 생산하는 반도체 공정에 의해 대량 생산이 가능한 효과도 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단면을 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 각 메탈 레이어의 구성 형상을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 필터의 구성 형상을 나타낸 도면.
도 5a 및 도 5b는 각각 도 4의 표면 플라즈몬 필터를 이용한 이미지 센서의 단면을 나타낸 도면.
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단면을 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 각 메탈 레이어의 구성 형상을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 필터의 구성 형상을 나타낸 도면.
도 5a 및 도 5b는 각각 도 4의 표면 플라즈몬 필터를 이용한 이미지 센서의 단면을 나타낸 도면.
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면을 개략적으로 나타낸 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소 "위(on)" 또는 "상부"에 존재하는 것으로 또는 "위로(onto)" 확장되는 등으로 기술되는 경우, 그 요소는 다른 요소의 직접 위에 있거나 직접 위로 확장될 수 있고, 또는 중간의 개입 요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 하나의 요소가 다른 요소 "바로 위(directly on)"에 있거나 "바로 위로(directly onto)" 확장된다고 언급되는 경우, 다른 중간 요소들은 존재하지 않는다. 또한, 하나의 요소가 다른 요소에 "연결(connected)"되거나 "결합(coupled)"된다고 기술되는 경우, 그 요소는 다른 요소에 직접 연결되거나 직접 결합될 수 있고, 또는 중간의 개입 요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 하나의 요소가 다른 요소에 "직접 연결(directly connected)"되거나 "직접 결합(directly coupled)"된다고 기술되는 경우에는 다른 중간 요소가 존재하지 않는다.
"아래의(below)" 또는 "위의(above)" 또는 "상부의(upper)" 또는 "하부의(lower)" 또는 "수평의(horizontal)" 또는 "측면의(lateral)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적인 용어들은 여기에서 도면에 도시된 바와 같이 하나의 요소, 층 또는 영역의 다른 요소, 층 또는 영역에 대한 관계를 기술하는데 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면에 묘사된 방향(orientation)에 부가하여 장치의 다른 방향을 포괄하기 위한 의도를 갖는 것으로 이해되어야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 각 메탈 레이어의 구성 형상을 나타낸 도면이다. 참고로, 도 3은 후술될 제1 내지 제3 메탈 레이어의 구성 형태를 나타낸 도면이고, 특히 도 3의 (d)는 제1 내지 제3 메탈 레이어의 적층 형태를 예시한 도면이다. 도 2는 도 3의 (d)의 A-B 단면 형태를 간략히 예시한 도면이라 할 수 있다.
도 2를 참조하면, 이미지 센서는 실리콘 기판 내부에 형성되는 복수의 포토 다이오드 영역(140)과, 실리콘 기판의 상부에 형성되는 층간 절연막, 층간 절연막 내에서 회로 배선을 위해 형성되는 제1 내지 제3 메탈 레이어(M1 내지 M3)(125, 130, 135), 층간 절연막 상부에 각각 형성되는 전도성 폴리머층(120)과 폴리머 컬러 필터(115), 전도성 폴리머층(120)의 상부에 형성되는 마이크로 렌즈(110), 제1 메탈 레이어(M1)(125)에 전기적으로 연결되어 제3 메탈 레이어(M3)(135)의 동작 특성을 조정하기 위한 조정 회로부(150)를 포함하여 구성된다.
도시된 바와 같이, 이미지 센서에는 통상의 컬러 이미지를 획득하기 위한 채널에 대해서는 염료로 색을 구현하는 일반적인 폴리머 컬러 필터(115)가 형성되고, IR(적외선 광)이나 UV(자외선 광) 또는 특정한 가시 광 파장 등의 부가적 이미지가 획득되는 채널에 대해서는 표면 플라즈몬 필터(surface plasmon filter)가 형성되는 구조를 가진다. 물론, 도시되지는 않았으나 필요한 경우 표면 플라즈몬 필터의 상부에 폴리머 컬러 필터(예를 들어, 폴리머 컬러 필터(115) 등)가 추가적으로 형성될 수도 있음은 당연하다.
플라즈몬(plasmon)이란 금속 내에 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자를 말하며, 금속의 나노 입자에서는 플라즈몬이 표면에 국부적으로 존재하기 때문에 표면 플라즈몬이라 불리기도 한다.
특정 파장의 빛이 표면 플라즈몬 영역의 규칙성과 공진을 이룰 때 빛 에너지가 3차원으로부터 2차원으로 저장되고, 표면 플라즈몬 영역에 저장된 빛 에너지는 불규칙성이 발생하는 장소에서 2차원으로부터 3차원으로 방출된다고 알려져 있다.
즉, 금속과 유전체의 계면에 형성되는 표면 플라즈몬 영역에서는 음(-, negative)의 유전상수가 유도되는 것으로 알려져 있으며, 규칙성이 있는 표면 플라즈몬 영역으로 입사되는 빛 중에서 파장이 표면 플라즈몬의 규칙성과 일치하는 성분은 2차원 표면 플라즈몬 영역에 가두고 나머지 성분은 반사하게 된다. 예를 들어, 구리나 금 등의 많은 금속에서는 플라즈마 진동수가 자외선 대역이므로 대부분의 가시 광선을 반사하여 반짝이는(반사 특성이 우수한) 특성을 가지게 되며, 특정 진동수 대역의 빛은 에너지 대에 흡수되어 그 빛과 대비되는 다른 대역의 빛이 금속의 색상을 결정하게 된다.
이는, 빛과 필터의 규칙성이 일치하면 상부에서 필터로 입사되는 빛이 저장(흡수)되고, 불규칙성이 발생되는 시간 또는/및 장소에서는 빛이 반사(방출)되는 것으로 정리될 수 있다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 본 실시예에 따른 이미지 센서는 표면 플라즈몬 영역의 규칙성을 필요한 시점 및/또는 위치에서 의도적으로 깨뜨릴 수 있도록 구성되고 동작된다.
도 2를 참조하면, 제1 메탈 레이어(M1)(125)와 제3 메탈 레이어(M3)(135)는 이미지 센서를 형성하기 위한 메탈 라인(metal line)을 형성하기 위한 레이어의 마스크(mask)를 나타내고, 제2 메탈 레이어(130)는 적층된 메탈 레이어 사이를 수직으로 연결하는 비아(via) 또는 메탈 컨택(matal contact)으로 지칭되는 레이어의 마스크를 나타낸다. 참조로, 전술한 바와 같이 본 명세서에서 이용되는 제1, 제2 등의 용어는 각 구성 요소들을 한정하기 위한 용어가 아니며, 단지 각 구성 요소들을 구분하기 위해 사용되는 용어임에 유의하여야 한다.
여기서, 제3 메탈 레이어(M3)(135)는 나노 구조를 갖도록 형성되어 광학적 필터 역할을 하는 표면 플라즈몬 필터로 기능하고, 제1 메탈 레이어(M1)(125)와 제2 메탈 레이어(M2)(130)는 조정 회로부(150)와 전기적으로 연결되어 표면 플라즈몬 필터의 동작을 조정하는 전극으로 기능한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 메탈 레이어(M2)(130)는 제3 메탈 레이어(M3)(135)의 구조를 이용하여 배치됨으로써, 제2 메탈 레이어(M2)(130)와 제3 메탈 레이어(M3)(135)는 공정 한계보다 작은 구조물을 형성(self-aligned)할 수 있고, 또한 제2 메탈 레이어(M2)(130)와 제3 메탈 레이어(M3)(135)는 상호간에 오정렬되도록 배치되는(miss-aligned) 특징을 가진다.
그리고, 제3 메탈 레이어(M3)(135)와 제2 메탈 레이어(M2)(130)의 정렬 관계, 즉 제2 메탈 레이어(M2)(130)의 일측이 제3 메탈 레이어(M3)(135)의 격자 형상 내부(즉, 홀(hole))의 일측 둘레면에 접촉되도록 삽입되고, 그 일측의 단부가 제3 메탈 레이어(M3)(135)의 깊이보다 더 깊게 돌출(즉, 수직적 불규칙성 형성)되는 정렬 관계로 인해 하부에 첨단(尖端) 영역이 형성되고, 해당 영역이 표면 플라즈몬 필터가 형성하는 2차원이 가장 불규칙해지는 영역이 된다. 즉, 제2 메탈 레이어(M2)(130)와 제3 메탈 레이어(M3)(135)의 오정렬에 의해 첨단 영역이 발생되고, 그 첨단 영역에서 2차원의 불규칙성이 가장 크게 된다.
이와 같이 제2 메탈 레이어(M2)(130)를 이용하여 포토 다이오드 영역(140)의 상부를 벗어나지 않는 영역에 불규칙성을 형성할 수 있고, 따라서 이미지 센서의 집광 능력이 향상될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 표면 플라즈몬 필터로 기능하는 제3 메탈 레이어(M3)(135)의 상태(즉, 규칙 상태, 불규칙 상태) 조정을 위해 제1 메탈 레이어(M1)(125)는 조정 회로부(150)(예를 들어, -5V부터 +5V까지의 노이즈 발생 회로, 펄스 발생 회로, 직류 전압 회로 등 중 하나 이상)와 전기적으로 연결된다.
이때, 제1 메탈 레이어(M1)(125)와 조정 회로부(150)는 스위치를 통해 연결되고, 스위치 조작을 통해 전기적 신호(예를 들어, 노이즈, 펄스, 직류 전압 등 중 하나 이상)를 인가하는 시간을 제어함으로써 표면 플라즈몬 필터의 규칙성을 의도적으로 무너뜨리는 시간을 조정할 수 있다. 여기서, 표면 플라즈몬 필터가 불규칙하다는 의미는 예를 들어 노이즈 인가, 펄스 인가, 직류 전압 인가 등의 원인으로 인해 고유한 규칙성에 따른 고유한 진동수가 적용되지 않는다는 의미이다.
스위치 조작이 없는 시간 동안은 앞서 설명한 수직적 불규칙성이 발생된 국부적 영역인 첨단 영역 이외에는 규칙성이 유지되므로 감도가 높지만, 적절한 전압이나 노이즈, 펄스 등을 인가하면 표면 플라즈몬 필터의 불규칙성이 증가된다.
즉, 스위치 조작에 의해 제1 메탈 레이어(M1)(125)를 통해 제3 메탈 레이어에 전기적 신호가 공급되면 표면 플라즈몬 필터를 둘러싼 2차원의 표면 플라즈몬 영역에 불규칙적인 파문이 발생되어 규칙성이 제거된다. 다만, 표면 플라즈몬 영역의 불규칙성이 극대화되는 전기적 신호는 실험적 통계적으로 결정되어야 할 것이다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 이미지 센서는 표면 플라즈몬 필터에 전기적 신호를 인가하기 위한 스위치 조작에 의해 표면 플라스몬 영역의 규칙성을 의도적으로 무너뜨리는 시간을 조정할 수 있고, 해당 시간에서 적외선광, 자외선광 또는 특정한 가시 광 파장 등이 흡수되지 않고 모두 반사되도록 하는 기능 및/또는 감도 조절 기능을 구비하는 특징을 가진다. 예를 들어 표면 플라즈몬 영역이 완전한 불규칙성을 가질 때 감도가 0%(전반사 상태)일 수 있고, 완전한 규칙성일 때 감도가 100%(완전 흡수) 상태일 수 있다.
전술한 기능에 의해 일반적인 가시광 이미지의 채도가 증가될 수 있고, 또한 전술한 기능은 글로벌 셔터 기능(즉, 이미지 센서에 존재하는 모든 픽셀이 동시에 노광되는 기능)으로도 활용될 수 있다. 아울러, 발광 다이오드와 동기화시켜 사용한다면 발광 다이오드의 빛이 피사체에 반사되어 되돌아오는 빛의 비행 왕복 시간을 측정함으로써 피사체와의 거리 측정 및 입체 영상 획득에 활용할 수도 있다.
도 2에 도시되지는 않았으나, 이미지 센서가 포토 다이오드 영역(140)에서의 광전효과에 의해 발생된 전하가 모여지는 전하 이동로인 수직 전하 전송 영역(VCCD), 소자 영역을 정의하는 소자분리막(STI), 실리콘 기판 상부에 형성되는 게이트 절연막 등이 더 포함될 수 있음은 당연하다. 다만, 이들 각각의 기능 및 용도는 당업자에게 자명하므로 이들에 대한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 필터의 구성 형상을 나타낸 도면이고, 도 5a 및 도 5b는 각각 도 4의 표면 플라즈몬 필터를 이용한 이미지 센서의 단면을 나타낸 도면이다.
도 4는 앞서 도 3을 참조하여 설명한 표면 플라즈몬 필터로 기능하는 제3 메탈 레이어(M3)(135)의 구성 변형예를 나타낸 것으로, 제3 메탈 레이어(M3)(135)의 일 영역을 배선의 폭이 상대적으로 넓은 불규칙 영역(320)으로 형성하여 표면 플라즈몬 필터가 평면적 불규칙성(참고로, 도 2 내지 3의 경우는 수직적 불규칙성을 가짐)을 가지도록 한 것이다.
이 경우, 불규칙 영역(300)에서 집중적으로 빛 방출이 발생되어 이미지 센서의 집광 효과가 향상될 수 있다.
이와 같이 구성된 제3 메탈 레이어(M3)(135)는 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 통상적인 이미지 센서의 제조 공정에 따라 하나의 메탈 레이어를 형성하게 된다.
다만, 도 5b에 도시된 바와 같이 제1 메탈 레이어(M1)(125)가 조정 회로부(150)와 전기적으로 연결되지 않도록 구성될 수 있으며, 이 경우 표면 플라즈몬 필터의 감조 조절 기능은 활용되지 않을 수 있다.
도 5b에는 제2 메탈 레이어(M2)(130)가 형성되지 않는 경우가 예시되었으나, 필요시 제2 메탈 레이어(M2)(130)가 더 형성될 수도 있음은 당연하다.
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 앞서 도 2 내지 도 5b를 참조하여 설명한 이미지 센서의 구성과 달리 제1 메탈 레이어(M1)(125)와 제3 메탈 레이어(M3)(135)를 각각 형성하기 위한 공정 순서를 변경한 경우를 나타낸다.
제1 메탈 레이어(M1)(125)와 제3 메탈 레이어(M3)(135)의 형성을 위한 공정 순서를 변경하더라도 앞서 설명한 이미지 센서의 기능 및 동작 특성과 차이를 가지지 않으므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 이미지 센서는 일반적인 반도에 공정에 의해 형성되는 요소들로 구성되며, 일반적인 R, G, B 채널 뿐 아니라 IR(적외선 광)이나 UV(자외선 광) 또는 특정한 가시 광 파장 등의 부가적 채널을 포함한 4가지 이상의 채널을 구비하도록 하기 위해 특별한 공정을 추가적으로 수행하지 않는 특징을 가진다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 마이크로 렌즈 115 : 폴리머 컬러필터
120 : 전도성 폴리머층 125 : 제1 메탈 레이어(M1)
130 : 제2 메탈 레이어(M2) 135 : 제3 메탈 레이어(M3)
140 : 포토 다이오드 150 : 조정 회로부
120 : 전도성 폴리머층 125 : 제1 메탈 레이어(M1)
130 : 제2 메탈 레이어(M2) 135 : 제3 메탈 레이어(M3)
140 : 포토 다이오드 150 : 조정 회로부
Claims (7)
- 이미지 센서에 있어서,
마이크로 렌즈;
하나 이상의 포토 다이오드가 형성되는 기판; 및
상기 마이크로 렌즈와 상기 기판 사이에 배치되고, 수직적으로 적층되도록 배치되는 복수의 메탈 레이어가 형성되는 층간 절연막을 포함하되,
소정의 채널로 지정된 포토 다이오드의 상부에 형성된 상기 복수의 메탈 레이어 중 어느 하나는 표면 플라즈마 필터로 기능하도록 형성되고,
상기 복수의 메탈 레이어는,
조정 회로부와 전기적으로 연결되는 제1 메탈 레이어(M1);
상기 표면 플라즈마 필터로 기능하도록 격자형 구조로 구성되는 제2 메탈 레이어(M2); 및
상기 제1 메탈 레이어(M1)과 상기 제2 메탈 레이어(M2)가 전기적으로 연결되도록 비아(via) 또는 메탈 컨택(matal contact)으로 기능하는 제3 메탈 레이어(M3)를 포함하되,
상기 제3 메탈 레이어(M3)의 일측은 상기 제2 메탈 레이어의 격자형 구조의 홀(hole)의 내부 둘레면 일측에 접촉된 상태로 관통 삽입되도록 배치되고, 상기 홀에 삽입된 상기 제3 메탈 레이어(M3)의 일측의 길이는 상기 제2 메탈 레이어(M2)의 두께보다 상대적으로 긴 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제2 메탈 레이어(M2)의 일 영역은 타 영역에 비해 상대적으로 배선의 폭이 넓은 불규칙 영역으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈와 상기 표면 플라즈마 필터로 기능하는 메탈 레이어의 사이에는 폴리머 컬러 필터 및 전도성 폴리머층 중 하나 이상이 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 조정 회로부는 상기 제1 메탈 레이어(M1)로 소정의 펄스 신호, 소정의 노이즈 신호 및 소정의 직류 전압 신호 중 하나 이상을 인가하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제6항에 있어서,
상기 조정 회로부와 상기 제1 메탈 레이어(M1) 사이에는 스위치가 개재(介在)되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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