KR20030070998A - 칼라 구현용 시모스 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 본 발명은 칼라 구현용 이미지 센서는 적색, 청색, 녹색 칼라 필터 물질로 이루어진 픽셀과 상기 3가지색과 다른 색을 갖는 적어도 하나 이상의 칼라 픽셀을 조합하여 배열하고, 배열된 픽셀들을 이용하여 칼라와 조도를 구현함으로써, 배열된 모든 픽셀들에 대하여 전체적으로 감도를 개선시키고, 특히 광의 세기가 적은 환경(저조도 환경)에서 약 3럭스(Lux) 이상의 저조도 감도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 어두운 환경(저조도 환경)에서는 양질의 화상을 구현하고 픽셀의 출력을 얻기 위한 칼라 구현용 시모스 이미지 센서에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 외부로부터의 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광감지 소자 상부에 칼라 필터가 어레이 되어 있다. 칼라 필터 어레이(CFA : Color Filter Array)는 레드(Red), 그린(Green)및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어진다.
또한, 이미지 센서는 빛을 감지하는 광 감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있는바, 광 감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광 감지 부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 광 감도를 높여주기 위하여 광 감지 부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광 감지 부분으로 모아주는 집광 기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지센서는 칼리필터 상에 마이크로렌즈(microlens)를 형성하는 방법을 사용하고 있다.
이하, 각 픽셀의 상부에 칼라필터를 어레이하는 방법은 도 1과 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 칼라 구현용 이미지 센서의 픽셀 어레이 구조를 나타내는 평면도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 칼라 구현용 이미지 센서의 구조를 나타내는 단면도이다.
각 픽셀을 어레이하는 방법은 적색 칼라필터 물질을 먼저 코팅한 후 노광 및 현상에 의해 패터닝하고, 청색 칼라필터 물질을 코팅하고 노광 및 현상에 의해 패터닝한 다음, 녹색 칼라필터 물질을 코팅하고 노광 및 현상에 의해 패터닝하는 공정으로 이루어지며, 도 1에 도시된 바와 같이, 적색(R), 녹색(G), 청색(B)이 가로 세로 3개의 픽셀 단위로 적색과 청색이 두 개씩 그리고 녹색이 5개로 구성된다.
종래의 RGB 3색의 칼라 픽셀 배열에 의한 각각의 픽셀에 대한 칼라 구현하는 것은 아래의 수학식 1과 같다.
B=2G+2R+4DB
G=2R+2B+4DG
여기서 D는 대각선(Diagonal)의 약자로 기준 픽셀의 대각선 방향에 대한 픽셀을 나타낸다.
상기의 수학식 1에 대해서 설명하면, 칼라 픽셀의 배열에 있어서 R 픽셀의 경우는 이웃하는 두 개의 B 픽셀의 데이터와 이웃하는 두 개의 G픽셀 데이터와 대각선으로 이웃하는 4개의 R픽셀 데이터의 정보로부터 내삽하여 칼라를 결정하게 되고, 칼라 센서의 배열에 있어서 B 픽셀의 경우는 이웃하는 두 개의 G 픽셀의 데이터와 이웃하는 두 개의 R 픽셀 데이터와 대각선으로 이웃하는 4개의 B 픽셀 데이터의 정보로부터 내삽하여 칼라를 결정하게 되고, 칼라 센서의 배열에 있어서 G 픽셀의 경우는 이웃하는 두 개의 R 픽셀의 데이터와 이웃하는 두 개의 B 픽셀 데이터와 대각선으로 이웃하는 4개의 B 픽셀 데이터의 정보로부터 내삽하여 칼라를 결정한다.
상기와 같은 칼라 픽셀을 이용하는 종래의 이미지 센서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(10) 상에 형성된 포토 다이오드(12), 실리콘 기판(10)의 상부에 형성된 절연막(14), 절연막(14)의 상부에 임의의 칼라필터 물질을 코팅한 후 노광 및 현상에 의한 패터닝 공정에 의해서 생성된 칼라픽셀(16a, 16b, 16c, 16d)로 구성된다.
포토 다이오드(12)는 절연막(14)을 통해 실리콘 기판(10)에 조사된 광을 전자로 바꾸어 주는데, 투과되는 빛의 양의 정도에 따라 생성된 전자의 양도 증가되어 이미지 센서의 특성을 결정한다. 외부에서 조사되는 광은 절연막(14) 및 칼라필터(16a, 16b, 16c, 16d)를 거치면서 약간의 광 흡수가 이루어져 투과도가 떨어진다.
그러나, 칼라 구현을 위한 절연막(14)의 상부에 형성되는 칼라픽셀(16a, 16b, 16c, 16d)은 흑백 픽셀에 비하여 전체적으로 감도가 약하고, 이에 따라 칼라 구현용 이미지 센서는 광의 세기가 약한 저조도 환경에서 빛의 감도가 치명적으로감소되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기본적인 칼라 픽셀과 기본적인 칼라 이외의 색을 갖는 픽셀을 조합하여 배열함으로써 저조도 환경에서 픽셀의 출력을 발생할 수 있고 광 감도를 개선시킬 수 있는 칼라 구현용 시모스 이미지 센서를 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 칼라를 구현하는 이미지 센서에 있어서, 적색, 청색, 녹색 칼라 필터 물질로 이루어진 픽셀과 상기 3가지색과 다른 색을 갖는 적어도 하나 이상의 칼라 픽셀을 조합하여 배열하고 상기 배열된 픽셀들을 이용하여 칼라를 구현한다.
본 발명은, 칼라를 구현하는 이미지 센서에 있어서, 소정의 공정이 완료된 기판 상부에 형성되는 포토 다이오드와, 상기 기판의 상부에 형성되는 절연막과, 상기 절연막의 상부에 적색, 청색, 녹색 칼라필터 물질을 코팅한 후 노광 및 현상에 의해서 생성된 칼라픽셀과 상기 3가지 색 이외의 색을 갖는 픽셀로 이루어진다.
도 1은 종래 기술에 따른 칼라 구현용 이미지 센서의 픽셀 어레이 구조를 나타내는 평면도이고,
도 2는 종래 기술에 따른 칼라 구현용 이미지 센서의 구조를 나타내는 단면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 칼라 구현용 시모스 이미지 센서의 픽셀 배열 형태를 개략적으로 나타내는 단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 칼라 구현용 시모스 이미지 센서를 개략적으로 나타내는 단면도이고,
도 5는 칼라 픽셀들에 대한 광 감도를 나타내는 그래프이다.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
10, 100 : 실리콘 기판
12, 101, 포토 다이오드
14, 102 : 절연막
16a, 16b, 16c, 16d, 103a, 103c : 칼라 픽셀
103b, 103d : 화이트 픽셀
본 발명의 실시 예는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 기술 분야의 숙련자라면 이 실시 예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 칼라 구현용 시모스 이미지 센서의 픽셀 배열 형태를개략적으로 나타내는 단면도이다.
본 발명의 시모스 이미지 센서에 배치되는 픽셀들은, 도 3에 도시된 바와 같이, RGB에 W(White)를 추가하여 구성하는데, RGB 및 W를 가로 세로 3×3 내에 적절히 배치되어 구성된다. RGBW의 픽셀 배치에 대해 더욱 상세하게 설명하면, G(Green : 녹색) 픽셀의 상하좌우로 B(Blue : 파란색)와 R(Red : 적색)이 이웃하게 배열되고 대각선 방향으로 4개의 W(White : 백색)가 배열되며, B 픽셀의 상하 좌우에는 W와G가 이웃하게 배열되고 대각선 방향으로 4개의 R이 배열되며, R 픽셀의 상하 좌우로 G와 W가 이웃하게 배열되고 R 픽셀의 대각선 방향으로 B가 배열되며, W 픽셀의 상하 좌우로 B와 R이 이웃하게 배열되고 W 픽셀의 대각선 방향으로 4개의 G가 배열된다.
이때, W 픽셀은 칼라 필터의 물질이 형성되지 않은 채로 구성되므로 다른 픽셀(RGB)의 경우처럼 광 투과에 따른 손실이 발생되지 않기 때문에, RGBW로 이루어진 시모스 이미지 센서는 종래의 RGB 픽셀로 이루어진 시모스 이미지 센서보다 광의 조사에 의한 출력을 높일 수 있다.
RGBW의 4색 조합을 이용하여 각각의 픽셀의 조도와 칼라 표현을 설명하면, 수학식 2와 같이, R 픽셀의 조도와 칼라 구현은 이웃하는 두 개의 G 픽셀과 W 픽셀 및 대각선 방향으로 구성되는 4개의 B 픽셀에 대한 데이터를 내삽시켜 표현하며, B 픽셀의 조도와 칼라 구현은 이웃하는 두 개의 B 픽셀과 G 픽셀 및 대각선 방향의 R 픽셀에 대한 데이터를 내삽시켜 표현하고, G 픽셀의 조도와 칼라 구현은 이웃하는 두 개의 B 픽셀과 G 픽셀 및 대각선 방향의 4개의 W 픽셀에 대한 데이터를 내삽시켜 표현하며, W 픽셀의 조도와 칼라 구현은 이웃하는 두 개의 B 픽셀과 R 픽셀 및 대각선 방향의 G 픽셀에 대한 데이터를 내삽시켜 표현한다.
B=2W+2G+4DR
G=2B+2R+4DW
W=2B+2R+4DG
상기와 같은 시모스 이미지 센서에 배열되는 픽셀들의 구조는 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 칼라 구현용 시모스 이미지 센서를 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 5는 칼라 픽셀들에 대한 광 감도를 나타내는 그래프이다.
이에 도시된 바와 같이, RBGW 픽셀로 구성된 시모스 이미지 센서는 실리콘 기판(100)의 상부에 형성되며 각 RBGW 픽셀을 구성하는 포토 다이오드(101), 실리콘 기판(100)의 상부에 형성되는 절연막(102), 절연막(102)의 상부에 RGB 칼라필터 물질을 코팅한 후 노광 및 현상에 의해서 생성된 칼라픽셀(103a) 및 W 픽셀(103b)로 구성된다.
W 픽셀(103b)은 칼라필터 물질이 형성되지 않은 채로 구성되어 다른 칼라 픽셀(103a, 예를 들면 RGB 픽셀)들처럼 칼라필터 물질에 따른 광 투과 손실이 발생되지 않기 때문에, 도 5에 도시된 바와 같이, 저조도 환경에서 광의 조사에 따른 이미지 센서의 출력 감도가 민감하다. 이로 인하여 칼라픽셀(103a, 103c) 및 W픽셀(103b, 103d)로 이루어진 이미지 센서는 모든 픽셀에 대해서 감도를 높일 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 시모스 이미지 센서는 적색, 청색, 녹색 칼라 필터 물질로 이루어진 픽셀과 3가지 칼라와 다른 색을 갖는 픽셀을 조합하여 배열하고, 배열된 픽셀들을 이용하여 칼라와 조도를 구현함으로써, 배열된 모든 픽셀들에 대하여 전체적으로 감도를 개선시키고, 특히 광의 세기가 적은 환경(저조도 환경)에서 약 3럭스(Lux) 이상의 저조도 감도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (6)
- 칼라를 구현하는 이미지 센서에 있어서,적색, 청색, 녹색 칼라 필터 물질로 이루어진 픽셀과 상기 3가지색과 다른 색을 갖는 적어도 하나 이상의 칼라 픽셀을 조합하여 배열하고 상기 배열된 픽셀들을 이용하여 칼라를 구현하는 것을 특징으로 하는 칼라 구현용 시모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 픽셀들은,상기 녹색 픽셀의 상하좌우로 청색 및 적색 픽셀이 이웃하게 배열되고 대각선 방향으로 4개의 상기 다른 칼라 픽셀이 배열되고, 상기 청색 픽셀의 상하좌우로 상기 다른 칼라 픽셀과 녹색 픽셀이 이웃하게 배열되고 대각선 방향으로 4개의 적색 픽셀이 배열되고, 상기 적색 픽셀의 상하좌우로 상기 녹색 및 다른 칼라 픽셀 이웃하게 배열되고 대각선 방향으로 4개의 상기 청색 픽셀이 배열되고, 상기 다른 칼라 픽셀의 상하좌우로 상기 청색 및 적색 픽셀이 이웃하게 배열되고 대각선 방향으로 4개의 상기 녹색 픽셀이 배열되는 것을 특징으로 하는 칼라 구현용 시모스 이미지 센서.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 다른 칼라 픽셀은,상기 화이트 또는 상기 칼라 필터 물질이 없는 것을 특징으로 하는 칼라 구현용 시모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 픽셀들은,가로와 세로 방향으로 연속적으로 3×3의 매트릭스 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 칼라 구현용 시모스 이미지 센서.
- 칼라를 구현하는 이미지 센서에 있어서,소정의 공정이 완료된 기판 상부에 형성되는 포토 다이오드와,상기 기판의 상부에 형성되는 절연막과,상기 절연막의 상부에 적색, 청색, 녹색 칼라필터 물질을 코팅한 후 노광 및 현상에 의해서 생성된 칼라픽셀과 상기 3가지 색이외의 색을 갖는 픽셀로 이루어진 것을 특징으로 하는 칼라 구현용 시모스 이미지 센서.
- 제 5 항에 있어서,상기 3가지 색 이외의 색을 갖는 픽셀에는,상기 칼라필터 물질이 코팅되지 않는 것을 특징으로 하는 칼라 구현용 시모스 이미지 센서.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |