KR102086893B1 - 가시광과 근적외광의 동시 감지가 가능한 단일 칩 이미지 센서 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하나의 이미지 센서에서 가시광과 근적외광을 동시에 감지하여 주간 및 야간에도 주변 사물을 높은 감도로 인식할 수 있도록 하는 가시광과 근적외광의 동시 감지가 가능한 단일 칩 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 가시광과 근적외광의 동시 감지가 가능한 단일 칩 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서(CIS)에 있어서, 실리콘(Si) 기판(100)에 가시광 수광부(112)와 NIR 수광부(113)를 포함하는 수광부(110)와 로직 및 신호처리부가 형성되고, 상기 실리콘 기판(100) 상부에 적외선 차단 필터(IR cut filter)(130)와 가시광 차단 필터(visible-ray cut filter)(135)가 나란히 배치되며, 상기 적외선 차단 필터(130) 및 가시광 차단 필터(135)의 상부에 컬러 필터(Color filter)(140)가 배치되고, 상기 컬러 필터(140) 상부에 평탄화층(150)이 형성되어, 평탄화층(150) 상부에 마이크로렌즈 어레이(170)가 배치되어 이루어져, 단일 칩 상에 이미지 센서와 근적외광 이미지 센서를 집적할 수 있으므로 제조 원가를 절감하고 컴팩트한 장치 구성이 가능하다.
본 발명에 따른 가시광과 근적외광의 동시 감지가 가능한 단일 칩 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서(CIS)에 있어서, 실리콘(Si) 기판(100)에 가시광 수광부(112)와 NIR 수광부(113)를 포함하는 수광부(110)와 로직 및 신호처리부가 형성되고, 상기 실리콘 기판(100) 상부에 적외선 차단 필터(IR cut filter)(130)와 가시광 차단 필터(visible-ray cut filter)(135)가 나란히 배치되며, 상기 적외선 차단 필터(130) 및 가시광 차단 필터(135)의 상부에 컬러 필터(Color filter)(140)가 배치되고, 상기 컬러 필터(140) 상부에 평탄화층(150)이 형성되어, 평탄화층(150) 상부에 마이크로렌즈 어레이(170)가 배치되어 이루어져, 단일 칩 상에 이미지 센서와 근적외광 이미지 센서를 집적할 수 있으므로 제조 원가를 절감하고 컴팩트한 장치 구성이 가능하다.
Description
본 발명은 이미지 센서 제조방법에 관한 것으로, 특히 하나의 이미지 센서에서 가시광과 근적외광을 동시에 감지하여 주간 및 야간에도 주변 사물을 높은 감도로 인식할 수 있도록 하는 가시광과 근적외광의 동시 감지가 가능한 단일 칩 이미지 센서 제조방법에 관한 것이다.
IoT(Internet of Things), AI(Artificial Intelligence), Big data, Cloud computing 등을 기반으로 하는 지능정보시스템이 빠른 속도로 발전하고 있으며, 이에 따라 지능정보시스템의 핵심이 되는 센서의 수요가 급증하고 있다.
특히, 스마트폰 등의 휴대용 통신기기에 주로 사용되던 "CMOS Image Sensor"(이하, "CIS"로 약칭한다)는 자율주행차, 전기차, 연료전지차 등의 차세대 자동차, 의료용, 산업용, 보안용, 감시용, 군사용, 로봇용, Machine vision용 등으로 그 시장이 급격히 확대되고 있다.
하지만, 실리콘(Si) 기판을 사용하는 일반적인 CIS는 약 1130nm 이상의 파장을 갖는 빛 흡수가 불가능하여 적외광 감지가 불가능하며, 이에 따라 자율주행차나 보안·감시용 등의 CIS는 야간에 보행자나 동물을 감지하기 어려운 문제점이 있었다.
한편, 현재 사용되고 있는 적외선 이미지 센서는 화합물 반도체 등의 재료를 사용하기 때문에 제작이 복잡하고 제작 비용이 많이 소요되는 문제점이 있었다.
본 발명은 종래 이미지 센서의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 자율주행차나 보안·감시용 등의 CIS에 있어서 하나의 이미지 센서로 가시광과 근적외광을 동시에 감지하도록 하여 주야간 연속 사용이 가능하며, 밤에도 주변 사물과 보행자를 높은 감도로 명확하게 인식할 수 있도록 하는 가시광과 근적외광의 동시 감지가 가능한 단일 칩 이미지 센서 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 화합물 반도체 등의 고가의 재료와 제조공정을 사용하지 않고, 로직 및 신호처리부 회로를 하나의 기판에서 동시에 공유하여 사용하여 실리콘 기판을 베이스로 단일 기판 위에 집적화된 이미지 센서를 제조하여 제조 공정 및 제조 비용을 절감할 수 있는 가시광과 근적외광의 동시 감지가 가능한 단일 칩 이미지 센서 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가시광과 근적외광의 동시 감지가 가능한 단일 칩 이미지 센서 제조방법은 가시광과 근적외광의 동시 감지가 가능한 단일 칩 이미지 센서 제조방법은 CMOS 이미지 센서(CIS)를 제조하는 방법에 있어서, 실리콘 기판에 가시광 수광부와 로직 및 신호처리부를 형성하는 단계와; 상기 실리콘 기판 상부에 적외선 차단 필터와 RGB 컬러 필터를 순차적으로 적층하는 단계와; 상기 컬러 필터의 상부에 유기광전 변환층의 상하부에 투명전극이 형성된 근적외광 수광부를 배치하고, 상기 근적외광 수광부의 상부에 마이크로렌즈 어레이를 배치하는 단계와; 상기 실리콘 기판의 상부에 배치되는 유기 광전 변환층은 하부 투명전극을 통하여 컬러 필터와 적외선 차단 필터 및 절연층을 관통하는 관통 배선을 통해 실리콘 기판에 형성된 전하 저장 영역에 연결하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
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본 발명에 따르면, 단일 칩 상에 가시광 이미지 센서와 근적외광(NIR) 이미지 센서를 집적할 수 있으므로 제조 원가를 절감하고 컴팩트(compact)한 장치 구성이 가능한 효과가 있다.
또한, 가시광 이미지 센서와 근적외광 이미지 센서를 통하여 주·야간에 주변 사물 및 보행자 등의 사람, 동물 등을 높은 감도로 명확하게 감지할 수 있어, 자율주행 자동차의 사고 방지 및 감시·보안·군사용 등으로 광범위하게 적용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 CIS 구조도,
도 2는 본 발명에 따른 CIS 구조의 픽셀 배치의 일례를 나타내는 배치도,
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 CIS 구조도,
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 픽셀 배치의 일례를 나타내는 배치도,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 하나의 픽셀에 대응하는 CMOS 로직 및 신호처리부의 등가 회로도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 CIS 구조의 픽셀 배치의 일례를 나타내는 배치도,
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 CIS 구조도,
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 픽셀 배치의 일례를 나타내는 배치도,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 하나의 픽셀에 대응하는 CMOS 로직 및 신호처리부의 등가 회로도를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 CIS 구조도이고, 도 2는 픽셀(화소) 배치의 일례를 나타내는 배치도이다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 CIS 구조에서는 RGB 픽셀과 IR(Infrared) 픽셀을 단일 칩 이미지 센서로 구현하여 가시광(RGB)과 근적외광(IR)의 동시 감지가 가능하도록 하고 있다.
이를 위해, 본 발명의 CIS 구조에서는, CMOS 공정으로 실리콘(Si) 기판(100)에 이미지 센서의 가시광 수광부(112)와 NIR 수광부(113)를 포함하는 수광부(100)와, 로직 및 신호처리부(도면에 미도시)를 형성하고, 실리콘 기판(100) 상부에 절연층(120)을 사이에 두고 적외선 차단 필터(IR cut filter)(130)와 가시광 차단 필터(visible-ray cut filter)(135)를 나란히 설치한다. 상기 가시광 수광부(112)와 NIR 수광부(113)는 PD(111)를 통해 빛을 수광하게 된다. 상기 절연층(120)에는 금속 배선(125) 및 Poly Si Gate(127)가 형성된다.
또한, 상기 적외선 차단 필터(130) 및 가시광 차단 필터(135)의 상부에 컬러 필터(Color filter)(140)를 배치하게 되는데, 이 컬러 필터(140)는 RGBW 컬러 필터로 RGB 픽셀은 적외선 차단 필터(130)의 상부에, W 픽셀은 가시광 차단 필터(135)의 상부에 배치되도록 한다.
상기 컬러 필터(140)의 상부에는 평탄화층(150)이 형성되고, 이 평탄화층(150) 상부에는 마이크로렌즈 어레이(microlens array)(170)가 배치된다. 상기 마이크로렌즈 어레이(170)에 형성된 각 마이크로렌즈는 각 픽셀에 대응하는 컬러 필터(140)에 대응되게 배치된다.
한편, 본 발명의 실시 예에서 NIR 수광부(113)는 실리콘(Si)에 비하여 근적외광 흡수율이 높은 화합물 반도체(예를 들면, Ge, GaAs, InGaAs, HgCdTe 등) 또는 블랙 실리콘(Black Si)으로 이루어질 수 있다.
상기 블랙 실리콘(Black Si)은 SF6 가스를 사용하는 RIE(Reactive Ion Etching, 반응성 이온 식각)에 의한 실리콘의 이방성 식각 또는 SF6 분위기에서 펨토초 레이저 조사에 의한 실리콘 표면 식각에 의하여 형성될 수 있다. 이러한 방법에 의하여 황(S)이 고농도로 도핑된 나노 구조의 표면을 갖는 블랙 실리콘(Black Si)이 형성되는데, 이러한 블랙 실리콘(Black Si)은 화합물 반도체에 비하여 저가의 공정으로 제작 가능하고, 가시광 뿐만 아니라 NIR 영역(Near-infrared, 근적외 영역)의 광 흡수율을 크게 높일 수 있다.
상기의 구조로 이루어진 CIS 구조에서, 마이크로렌즈 어레이(170)와 RGBW 컬러 필터(140)를 거쳐 실리콘 기판(100)에 형성된 PD(111)에 빛이 입사되면, PD(111)에 입사된 빛의 세기에 비례하는 수의 전자가 생성되고, 생성된 전자는 일반적인 4개의 트랜지스터를 갖는 4T 구조의 CIS와 마찬가지로 신호처리 과정을 거쳐서 디지털 전기 신호로 변환된다.
상기 도 1의 구조는 FSI(전면조사형) CIS의 구조를 예로 든 것이나, 이는 BSI(후면조사형) CIS에도 동일하게 적용 가능하다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 CIS 구조도이고, 도 4는 픽셀(화소) 배치의 일례를 나타낸 배치도이다.
도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에서는 가시광을 수광하는 RGB 픽셀과 근적외광을 수광하는 IR 수광 픽셀이 적층되는 구조로 이루어져 가시광(RGB)과 근적외광(IR)을 동시에 감지하도록 구성된다. 도 3에 도시된 CIS 구조도는 도 4의 픽셀 배치를 A-A' 면으로 절단한 단면도로서, IR 수광 픽셀의 면적은 RGB 가시광 수광 픽셀 면적의 4배가 되므로, 근적외광에 대하여 높은 감도를 얻을 수 있게 된다.
이를 위해, 본 발명의 CIS 구조에서는, CMOS 공정으로 실리콘(Si) 기판(100)에 이미지 센서의 가시광 수광부(112)와 로직 및 신호처리부(도면에 미도시)를 형성하고, 실리콘 기판(100) 상부에 절연층(120)을 사이에 두고 적외선 차단 필터(IR cut filter)(130)를 적층한 후, 적외선 차단 필터(130) 상부에 컬러 필터(Color filter)(140)를 배치하게 된다. 상기 컬러 필터(140)로 RGB 컬러 필터가 적용되는데, 이 RGB 컬러 필터(140)의 상부에 근적외광 수광부(160)를 배치한다. 상기 근적외광 수광부(160)는 상하부에 투명전극(161)이 형성된 유기광전 변환층(162)으로 구성되는데, 이 유기광전 변환층(162)의 상부에 위치한 투명전극(161) 상부에는 마이크로렌즈 어레이(170)가 각 픽셀에 대응되게 배치된다. 상기 절연층(120)에는 금속 배선(125) 및 Poly Si Gate(127)가 형성된다.
상기 컬러 필터의 상부에 배치되는 유기 광전 변환층(162)은 하부 투명전극(161)을 통하여, 컬러 필터(140) 및 적외선 차단 필터(130) 및 절연층(120)을 관통하는 관통 배선(126)을 통해, 실리콘 기판(100)에 형성된 전하 저장 영역(charge storage area)(115)과 서로 연결된다. 상기 전하 저장 영역에 저장된 전자는 로직 및 신호처리부와 연결된다.
상기 근적외광 수광부(160)를 형성하는 유기광전 변환층(162)은 파장 400∼700 nm의 가시광선은 선택적으로 투과하고, 그 이상의 긴 파장은 흡수하여 광전변환을 일으킬 수 있는 재료로 구성된다. 이러한 유기광전 변환층(162)은 광전지(photovoltaic) 방식 또는 광전류(photocurrent) 방식으로 광전 변환을 일으키게 되는데, 광전 변환에 의해 생성된 전자는 텅스텐(W) 또는 구리(Cu) 등의 재질로 이루어진 관통 배선(126)을 통하여 실리콘 기판(100)의 전하 저장 영역(115)으로 전달되어 축적된다.
본 발명의 실시 예에서 상기 유기광전 변환층(162)의 상하부에는 빛이 투과할 수 있는 투명전극(161)이 형성되는데, 이러한 투명 전극 재질로 ITO, IZO, ZnO, SnO2, AZO(Al-doped zinc oxide), GZO(Gallium-doped zinc oxide) 등이 사용될 수 있다. 이때, 하부 투명전극(161)에 바이어스(bias) 전압을 걸어 유기광전 변환층(162)에서 광전 변화를 통해 생성되는 전하가 관통 배선(126)을 통해 전하 저장 영역(115)으로 이동되기 쉽게 하는 것이 바람직하다.
상기 실리콘 기판(100)의 전하 저장 영역(115)에 축적된 전하는 일반적인 4T 구조의 CIS와 마찬가지로 신호처리 과정을 거쳐서 디지털 전기 신호로 변환된다.
상기 도 3의 구조는 FSI(전면조사형) CIS의 구조를 예로 든 것이나, 이는 BSI(후면조사형) CIS에도 동일하게 적용 가능하다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 하나의 픽셀에 대응하는 CMOS 로직 및 신호처리부의 등가 회로도를 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, CMOS 로직 및 신호처리부는 하나의 픽셀 즉, 광전 변환부에 해당하는 PD(111)와, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 리셋 트랜지스터 (Rx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 선택 트랜지스터(Sx)를 포함한다.
상기 PD(111))에 직류 전압을 인가한 상태에서 광이 입사하면, PD(111)에 전자가 생성된다.
상기 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 트랜스퍼 게이트(TG)의 전위 조절에 의해 PD(111)로부터 생성된 전하의 플로팅 확산 영역(FD, floating diffusion region)으로의 운송을 제어한다.
상기 리셋 트랜지스터(Rx)는 입력 전원(Vdd)을 리셋 게이트 라인(RG)을 통해 제어하여 플로팅 확산 영역(FD)의 전위를 리셋시킬 수 있다.
상기 드라이브 트렌지스터(Dx)는 소스 팔로우어(source follower) 증폭기 역할을 수행할 수 있다.
상기 선택 트랜지스터(Sx)는 선택 게이트 라인(SG)에 의해 단위 픽셀을 선택할 수 있는 스위칭 소자이다.
이에 따라 입력 전원(Vdd)은 드라이브 트랜지스터(Dx)와 선택 트랜지스터(Sx)를 거쳐서 출력 라인(OUT)으로 출력될 수 있다.
이러한 CMOS 로직 및 회로처리부는 도 1 및 도 2의 실시 예를 기준으로 설명된 것이나, 이는 유기 광전변환층이 추가되는 도 3 및 도 4의 실시 예에도 동일한 원리로 적용될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에서는 가시광을 감지하는 이미지 센서와 근적외광을 감지하는 이미지 센서를 하나의 칩 상에 구현하여, 하나의 CIS로 가시광과 근적외광을 동시에 감지하도록 함으로써, 낮뿐만 아니라 밤에도 주변 사물을 높은 감도로 인식할 수 있게 된다.
한편, 상술한 본 발명의 실시 예에서 컬러 필터(140)가 원색형인 R,G,B 컬러 필터 또는 R,G,B,W 컬러 필터인 것으로 설명하였지만, 이는 보색형인 C,M,Y 컬러 필터가 적용될 수도 있다. 또한, FSI 구조의 CIS 뿐만 아니라, BSI CIS 등 다른 구조의 CIS에도 동일 또는 유사하게 적용될 수 있음은 당연하다.
이와 같이, 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
100 : 실리콘 기판 110 : 수광부
111 : PD(Photodiode) 112 : 가시광 수광부
113 : NIR 수광부 115 : 전하 저장 영역
120 : 절연층 125 : 금속 배선
126 : 관통 배선 127 : Poly Si Gate
130 : 적외선 차단 필터 135 : 가시광 차단 필터
140 : 컬러 필터 150 : 평탄화층
160 : 근적외광 수광부 161 : 투명전극
162 : 유기광전 변환층 170 : 마이크로렌즈 어레이
111 : PD(Photodiode) 112 : 가시광 수광부
113 : NIR 수광부 115 : 전하 저장 영역
120 : 절연층 125 : 금속 배선
126 : 관통 배선 127 : Poly Si Gate
130 : 적외선 차단 필터 135 : 가시광 차단 필터
140 : 컬러 필터 150 : 평탄화층
160 : 근적외광 수광부 161 : 투명전극
162 : 유기광전 변환층 170 : 마이크로렌즈 어레이
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- CMOS 이미지 센서(CIS)를 제조하는 방법에 있어서,
(a) 실리콘(Si) 기판(100)에 가시광 수광부(112)와 로직 및 신호처리부를 형성하는 단계와;
(b) 상기 실리콘 기판(100) 상부에 적외선 차단 필터(IR cut filter)(130)와 RGB 컬러 필터(Color filter)(140)를 순차적으로 적층하는 단계와;
(c) 상기 컬러 필터(140)의 상부에 유기광전 변환층(162)의 상하부에 투명전극(161)이 형성된 근적외광 수광부(160)를 배치하고, 상기 근적외광 수광부(160)의 상부에 마이크로렌즈 어레이(170)를 배치하는 단계와;
(d) 상기 실리콘 기판(100)의 상부에 배치되는 유기 광전 변환층(162)은 하부 투명전극(161)을 통하여 컬러 필터(140)와 적외선 차단 필터(130) 및 절연층(120)을 관통하는 관통 배선(126)을 통해 실리콘 기판(100)에 형성된 전하 저장 영역(115)에 연결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광과 근적외광의 동시 감지가 가능한 단일 칩 이미지 센서 제조방법.
Priority Applications (1)
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| KR1020170182458A KR102086893B1 (ko) | 2017-12-28 | 2017-12-28 | 가시광과 근적외광의 동시 감지가 가능한 단일 칩 이미지 센서 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020170182458A KR102086893B1 (ko) | 2017-12-28 | 2017-12-28 | 가시광과 근적외광의 동시 감지가 가능한 단일 칩 이미지 센서 제조방법 |
Publications (2)
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| KR20190080174A KR20190080174A (ko) | 2019-07-08 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020170182458A KR102086893B1 (ko) | 2017-12-28 | 2017-12-28 | 가시광과 근적외광의 동시 감지가 가능한 단일 칩 이미지 센서 제조방법 |
Country Status (1)
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| KR (1) | KR102086893B1 (ko) |
Citations (2)
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| JP2010283271A (ja) * | 2009-06-08 | 2010-12-16 | Panasonic Corp | 固体撮像素子及び撮像装置 |
| JP2016143851A (ja) * | 2015-02-05 | 2016-08-08 | ソニー株式会社 | 固体撮像素子、および電子装置 |
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| KR20100018851A (ko) * | 2008-08-07 | 2010-02-18 | 삼성전자주식회사 | 적외선 차단 필터를 구비하는 시모스 이미지 센서 및 그제조방법 |
| KR20110140010A (ko) | 2010-06-24 | 2011-12-30 | 삼성전자주식회사 | 근적외광 신호를 이용한 이미지 센서 |
| KR102532598B1 (ko) * | 2016-02-24 | 2023-05-15 | 삼성전자주식회사 | 이미지 센서 및 그 제조 방법 |
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2017
- 2017-12-28 KR KR1020170182458A patent/KR102086893B1/ko active IP Right Grant
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| JP2016143851A (ja) * | 2015-02-05 | 2016-08-08 | ソニー株式会社 | 固体撮像素子、および電子装置 |
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| KR20190080174A (ko) | 2019-07-08 |
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