KR20000042457A - 균일한 광감도를 갖는 이미지센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집속렌즈 및 마이크로렌즈를 사용하여 집광력이 떨저지지 않으면서도 이미지센서 칩의 전 영역에서 균일한 광감도를 얻을 수 있는 이미지센서를 제공하고자 하는 것으로, 이를 위한 본 발명은, 단위화소어레이부를 갖는 이미지센서에 있어서, 상기 단위화소어레이부의 외곽영역에 존재하는 단위화소들의 구성요소중 광감지소자를 제외한 구성요소들이 상기 단위화소어레이부의 중앙부를 향하여 축소 배열된 것을 특징으로 한다.

Description

균일한 광감도를 갖는 이미지센서

본 발명은 이미지센서(image sensor)에 관한 것으로, 특히 어레이된 각 단위화소에서에서 균일한 광감도를 갖는 이미지센서에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 이중 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.

이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는바 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있는바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 광감지부분의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 "Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지부분으로 모아주는 집광기술이 많이 연구되고 있다. 한편, CMOS 이미지센서 장점중의 하나는 거의 메모리칩 크기로 완제품을 만들 수 있다는 것인데, 이러한 소형화를 위해서는 여러 난제가 존재하게 되는 바 그 중 하나가 집광기술이다.

도1은 집속렌즈와 이미지센서 칩의 단위화소어레이부를 함께 도시한 개략적인 도면이다. 도1을 참조하면, 이미지센서 칩의 단위화소어레이부(100)에 입사되는 빛은 집속렌즈(200)를 통해 입사되게 되는바, 그 중앙영역(a), 왼쪽에지영역(c) 및 오른쪽에지영역(b)에서 각각 빛이 입사되는 각도가 틀림을 보여준다.

도2a 및 도2b는 단위화소어레이부의 중앙영역(a) 및 오른쪽에지영역(b)에서 입사된 각 빛이 칩의 칼라필터(30)를 통과한 후 예컨대 포토다이오드와 같은 광감지소자(10)로 입사되는 칩 내부에서의 빛 경로를 도시한 것으로서, 도2a에 도시된 바와 같이, 중앙영역의 단위화소에서는 모든 빛이 광감지소자(10)로 전달되고 있으나, 도2b에 도시된 바와 같이, 오른쪽에지영역에서는 경사져 빛이 입사되기 때문에 광감지소자(10)를 벗어나는 경우가 발생하게 된다. 광차단막(20)은 보통 금속 배선의 역할을 함께 하며, 각 픽셀과 인접 픽셀을 분리하여 빛이 산란되어 서로 섞이는 것을 방지해 준다.

또한, 도3a 및 도3b는 칩의 칼라필터(30) 상에 형성된 마이크로렌즈(40)를 통과한 후 광감지소자(10)로 입사되는 경로를 도시한 것으로, 마이크로렌즈(40)가 형성되는 경우에는 도3b에 도시된 바와 같이 칩의 오른쪽에지영역에 있는 광감지소자(10)에서는 더욱더 빛이 벗어나게 된다.

이렇듯, 종래에는 집광을 위한 집속렌즈 및 마이크로렌즈를 사용함으로 인해서, 단위화소어레이부의 에지영역에서는 광감지소자가 제대로 빛을 입사받지 못하는 문제점이 있다. 따라서, 단위화소어레이부의 중앙영역 및 에지영역 사이에 광감도 차이가 발생하여 광감도의 균일도가 떨어지게 된다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 집속렌즈 및 마이크로렌즈를 사용하여 집광력이 떨어지지 않으면서도 이미지센서 칩의 전 영역에서 균일한 광감도를 얻을 수 있는 이미지센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 집속렌즈와 이미지센서 칩의 단위화소어레이부를 함께 도시한 개략적인 도면.

도2a, 도2b, 도3a 및 도3b는 단위화소어레이부의 중앙영역 및 오른쪽에지영역으로 입사된 각 빛이 종래기술에 따른 이미지센서 칩을 통과하여 광감지소자로 입사되는 상태를 도시한 개략적인 도면.

도4a 내지 도4c는 단위화소어레이부의 중앙영역, 오른쪽에지영역 및 왼쪽영역으로 입사된 각 빛이 본 발명에 따른 이미지센서 칩을 통과하여 광감지소자로 입사되는 상태를 도시한 개략적인 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20a, 20b, 20c : 광차단막

30a, 30b, 30c : 칼라필터

40a, 40b, 40c : 마이크로렌즈

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 단위화소어레이부를 갖는 이미지센서에 있어서, 상기 단위화소어레이부의 외곽영역에 존재하는 단위화소들의 구성요소중 광감지소자를 제외한 구성요소들이 상기 단위화소어레이부의 중앙부를 향하여 축소 배열된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도4a 내지 도4c는 본 발명에 따라 단위화소어레이부의 중앙영역(도4a), 왼쪽에지영역(도4c) 및 오른쪽에지영역(도4b)에서 이미센서를 구성하는 광차단막(20a, 20b, 20c)과 칼라필터(30a, 30b, 30c) 및 마이크로렌즈(40a, 40b, 40c)가 배열되는 정도를 도시한 것이다.

도4a를 참조하면, 단위화소어레이부의 중앙영역에서는 광감지소자(10)의 중심을 기판과 수직 방향으로 관통하는 기준가상선을 기준으로하여 왼쪽에 위치하는 광차단막과 오른쪽에 위치하는 광차단막이 서로 동일하게 거리를 두고 떨어져 배열되어 있음을 알 수 있다. 역시 칼라필터 및 마이크로렌즈도 기준가상선을 기준으로 동일한 거리를 두고 배열되어 있다.

도4b를 참조하면, 단위화소어레이부의 오른쪽에지영역에서는 기준가상선을 기준으로하여 왼쪽에 위치하는 각 구성요소(광차단막, 칼라필터 및 마이크로렌즈 등)와 오른쪽에 위치하는 각 구성요소가 서로 다른 거리를 두고 떨어져 배열되어 있는 바, 빛이 입사되는 각도가 기판과 예각을 이루는 방향쪽으로 각 구성요소들이 축소 배열되어 있다.

또한, 도4c를 참조하면, 단위화소어레이부의 왼쪽에지영역에서 역시 기준가상선을 기준으로하여 왼쪽에 위치하는 광감지소자를 제외한 구성요소 -즉 광차단막, 칼라필터 및 마이크로렌즈 등- 와 오른쪽에 위치하는 각 구성요소가 서로 다른 거리를 두고 떨어져 배열되어 있는 바, 빛이 입사되는 각도가 기판과 예각을 이루는 방향쪽으로 각 구성요소들이 축소 배열되어 있다.

이와 같이 본 발명은 소자 형성 시 나타나는 문제인 광감도의 불균일도를 개선하기 위하여 각 단위화소어레이부의 위치에 따라 광차단막, 칼라필터 그리고 마이크로렌즈를 축소배열하여 단위화소어레이의 외곽지역에도 빛이 각 단위화소의 광감지소자에 닿도록 하는 것으로, 단위화소어레이부의 중앙부쪽으로 외곽지역의 단위화소 구성요소(광감지소자를 제외한)들을 축소 배열하는 것을 그 특징으로 한다.

현재 반도체소자 제조 공정중 노광공정에 사용되는 노광 장비에는 한 필드내에서 축소 또는 확대할 수 있는 기능이 있기 때문에 이를 이용하면 본 발명의 축소배열 또는 확대배열이 가능하다. 즉, 각 구성요소 형성을 위한 노광 공정시 일정한 스케일(scale)값을 줄 경우 단위화소어레이 가운데서부터의 거리에 비례하여 비 정렬되어 배치된다. 그 스케일(scale) 값은 소자 각 구성요소의 높이, 사이즈 그리고 집속렌즈의 집속도 등에 의해 최적 조건을 결정한다. 그 스케일의 정도는 경우에 따라 다소 차이는 날 수 있지만 통상 최 외곽 단위화소의 비정렬 정도가 1㎛ 이상이므로 단순한 에러에 의한 비 정렬과는 확연히 구분된다.

본 실시예는 칼라필터를 사용한 경우에서 설명되었으나 칼라필터가 없는 흑백이미지센서에서도 본 발명은 적용될 수 있으며, 마이크로렌즈가 없는 경우에도 본 발명은 적용될 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른면, 단위화소어레이부의 에지영역에서 광감도를 항상시키며, 또한 단위화소어레이부의 중앙 및 에지 사이에서 광감도 차이가 발생되는 것을 방지하는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 단위화소어레이부, 광차단막, 칼라필터어레이 및 마이크로렌즈를 포함하는 이미지센서에 있어서,

   상기 단위화소어레이부의 외곽영역에 대응되는 상기 광차단막, 상기 칼라필터어레이 및 상기 마이크로렌즈가 각각 상기 단위화소어레이부의 중앙부를 향하여 축소 배열된 것을 특징으로 하는 이미지센서.