KR20050034368A - 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지센서에 관한 것이다. 본 발명에 의한 이미지센서는 기판에 형성된 광감지소자와, 광감지소자로 입사광을 집광하기 위한 집광렌즈 및 집광렌즈를 통과한 입사광이 광감지소자의 중심부를 향하도록 보정하는 위로 볼록한 보정렌즈를 포함한다.
본 발명에 의한 이미지센서에 따르면, 입사광이 광감지소자의 중심부를 향하도록 보정하는 위로 볼록한 보정렌즈를 구비함으로써 집광효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 마이크로렌즈의 배열을 개선하여 집광효율을 증대시킨 이미지센서에 관한 것이다.
이미지센서는 광을 감지하는 광감지소자 부분과 감지된 광을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직(logic)부분으로 구성되어 있다. 최근에는 고집적화에 의한 픽셀(pixel)의 크기의 축소에 따른 광감도의 저하가 문제되고 있다. 여기서, 픽셀이란 빛의 3원색 중의 하나를 감지하는 단위이다. 이를 해결하기 위해 칩상에 마이크로렌즈(microlens)를 형성하여 집광효율을 향상시키고 있다. 나아가, 이미지센서의 크기를 줄이기 위해 기존의 하나의 픽셀과 하나의 트랜지스터 세트의 구조에서 하나의 트랜지스터 세트를 여러 개의 픽셀이 공유하는 구조를 채용하고 있다.
도 1은 종래의 이미지센서의 단위픽셀 구조를 보여주는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 광감지소자인 포토다이오드(PD)와 4개의 트랜지스터를 하나의 세트로 하는 이미지센서의 단위화소를 보이고 있다. 4개의 트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 광감지소자(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산영역으로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 신호검출을 위해 상기 플로팅 확산영역에 저장되어 있는 전하를 배출한다. 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스 팔로워(Source follower)로서 역할을 하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 스위칭(Switching) 및 어드레싱(Addressing)을 위한 것이다. 도면에서 “Cf”는 플로팅 확산영역이 갖는 캐패시턴스를, “Cp”는 포토다이오드가 갖는 캐패시턴스를 각각 나타낸다.
한편, 종래의 이미지센서는 하나의 광감지소자(PD)에 3개 내지 4개의 트랜지스터가 결합되어 있었다. 그런데, 최근에는 트랜지스터의 면적을 줄여 광감지소자(PD)의 면적을 최대로 늘리기 위해 2개의 트랜지스터에 4개의 광감지소자(PD)를 공유하는 구조가 이용되고 있다. 즉, 1개의 드라이브 트랜지스터(Dx)가 2개의 광감지소자(PD)를 공유하는 형태를 취하고 있다. 이를 2 트랜지스터, 4 광감지소자 구조라고 한다. 실질적으로는 플로팅 확산영역이 직접 공유되지만 설명의 편의를 위해 광감지소자(PD)라고 칭하기로 한다.
도 2a는 2 트랜지스터, 4 광감지소자의 구조를 나타내는 평면도이고 도 2b는 도 2a의 절단선 B-B’에 따른 단면도이다. 도 2a 및 도 2b을 참조하면, 반도체 기판(10) 상에는 소자분리(14)된 광감지소자(12)와 트랜스퍼 트랜지스터(18)를 포함한 제1 절연막(20)이 구비된다. 제1 절연막(20) 상에는 입사광(32)을 차단하는 차단막 패턴(22)을 포함한 보호막(24)이 있다. 보호막(24) 상에는 칼라필터(26)와 평탄화를 위한 평탄화층(28)과 입사광(32)을 광감지소자(12)를 향하여 집광시키는 집광렌즈(30)가 순차적으로 위치한다.
도 3은 종래의 2 트랜지스터, 4 광감지소자 구조에 의해 집광되는 형태를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 입사광(32)은 집광렌즈(30)에서 집광되어 광감지소자(12)를 향한다. 광감지소자(12)는 주로 포토 다이오드로써 광학적 영상(opitcal image)을 전기적 신호로 변환시킨다. 광감지소자(12)에서 발생한 광전하(optical charge)는 트랜스퍼 트랜지스터(18)를 거쳐 로직부분으로 이송된다.
그런데, 2 트랜지스터, 4 광감지소자의 구조를 이루기 위해 광감지소자(12)가 칼라필터(26)에 대응하여 중심에 놓이지 않고 한 쪽 방향으로 편중되게 된다. 따라서, 도 2b 및 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 집광렌즈에 의해 집속된 광은 일부가 차단막 패턴에 의해 차단되거나 광감지소자의 중심부에서 벗어나 가장자리 부분에 편중되어 집속되기도 한다. 즉, 도 2에서 표시한 a와 같이 광감지소자의 중심부를 벗어나 트랜지스터 근처에 집속된다. 그 이유는 2 트랜지스터, 4 광감지소자의 구조를 이루기 위해 광감지소자(12)가 칼라필터(26)에 대응하여 중심에 놓이지 않고 한 쪽 방향으로 편중되기 때문이다. 만일, 입사광이 평탄화층의 표면에 대하여 수직으로 입사하지 않고 소정의 각으로 입사하는 경사광이면 광감지소자 이외의 다른 부분으로 집속되어 집광효율을 현저히 저하시킨다. 또한, 많은 양의 광이 차단막 패턴에 의해 차단됨으로써 집광효율의 손실이 매우 큰 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 입사광을 광감지소자의 중심부로 집속함으로써 집광효율을 향상시키는 이미지센서에 관한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 입사광을 광감지소자의 중심부로 집속함으로써 집광효율을 향상시키는 이미지센서의 제조방법에 관한 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 이미지센서는 기판에 형성된 광감지소자와, 상기 광감지소자로 입사광을 집광하기 위한 집광렌즈 및 상기 집광렌즈를 통과한 입사광이 상기 광감지소자의 중심부를 향하도록 보정하는 위로 볼록한 보정렌즈를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 보정렌즈의 장반경은 상기 집광렌즈의 장반경에 대하여 2의 배수이고, 상기 보정렌즈의 곡률반경은 상기 입사광이 상기 광감지소자의 중심부를 향하도록 설계된 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 보정렌즈는 실리콘나이트라이드(SiN), 실리콘옥시나이트라이드(SiON) 또는 이들의 결합일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 보정렌즈는 에치백 공정을 이용하여 형성할 수 있다.
본 발명에 의한 이미지 센서는 기판에 형성된 광감지소자 및 트랜지스터를 덮는 제1 절연막과, 상기 제1 절연막 상에서 상기 입사광을 차단하는 차단막 패턴을 포함하는 보호막과, 상기 보호막 상에 상기 입사광이 상기 광감지소자의 중심부를 향하도록 보정하는 위로 볼록한 보정렌즈를 포함하는 제2 절연막 및 상기 제2 절연막 상에 형성된 집광렌즈를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 절연막과 상기 집광렌즈사이에 칼라필터와 평탄화층을 더 구비할 수 있다..
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 의한 이미지센서를 도시한 단면도들이고, 도 5는 본 발명의 이미지센서에 의해 집광되는 형태를 나타낸 단면도이다.
도 4a를 참조하면, 반도체 기판(50) 상에는 소자분리(54)된 광감지소자(52)와 트랜스퍼 트랜지스터(58)를 포함한 제1 절연막(60)이 구비된다. 제1 절연막(60) 상에는 입사광(76)을 차단하는 차단막 패턴(62)을 포함한 보호막(64)이 있다. 보호막(64) 상에는 입사광(76)이 광감지소자(52)의 중심부를 향하도록 보정하는 위로 볼록한 보정렌즈(66)를 포함하는 제2 절연막(68)이 형성된다. 제2 절연막(68) 상에는 칼라필터(70)와 평탄화를 위한 평탄화층(72)과 입사광(76)을 광감지소자(52)를 향하여 집광시키는 집광렌즈(74)가 순차적으로 위치한다.
도 4b를 참조하면, 기본적인 구조는 도 4a와 동일하나 보정렌즈(66)가 집광렌즈(74)를 포함하는 제3 절연막(80) 상에 형성되는 점이 다르다.
이때, 보정렌즈(66)의 장반경은 집광렌즈(74)의 장반경과 동일하거나 약간 크게 할 수 있다. 또한, 트랜스퍼 트랜지스터(58)를 공유되는 광감지소자(52)에 대응하는 픽셀의 수에 따라 보정렌즈(66)의 장반경을 조절한다. 예를 들어, 두개의 트랜지스터(58)에 4개의 광감지소자(52)를 공유한다면, 보정렌즈(66)의 장반경은 집광렌즈(74)의 장반경에 대해 2의 배수가 되도록 설정할 수 있다. 즉, 2개의 집광렌즈(74)의 장반경과 동일하거나 4개의 집광렌즈(74)의 장반경과 동일하게 할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 2개의 집광렌즈(74)의 장반경과 동일하게 보정렌즈(66)의 장반경을 조절하였다.
또한, 보정렌즈(66)의 곡률반경은 입사광(76)이 광감지소자(52)의 중심부를 향하도록 설계되었다. 상세하게는, 보정렌즈(66)의 곡률반경은 집광렌즈(74)와 광감지소자(52)와의 거리, 집광렌즈(74)의 곡률 등에 의해 결정된다. 도 5의 b부분에서 나타낸 바와 같이, 입사광(76)은 한쪽으로 편중되지 않고 광감지소자(52)의 중심부에 집속된다. 따라서, 입사광(76)이 경사광이라고 할지라도 광감지소자(52)에서의 집광효율은 떨어지지 않는다. 나아가, 경사광에 의한 차단막 패턴(62)에 의한 차단도 크게 감소한다.
본 발명의 실시예들에 있어서 제1 절연막(60) 및 제2 절연막(68)은 산화막으로 굴절율이 1.45이고 칼라필터(70)의 굴절율은 1.55이다. 그리고 집광렌즈(74)의 굴절율은 산화막이나 칼라필터(70)보다 큰 실리콘나이트라이드(SiN), 실리콘옥시나이트라이드(SiON) 또는 이들의 결합으로 구성된다. 또한, 보정렌즈(66) 역시 실리콘나이트라이드(SiN), 실리콘옥시나이트라이드(SiON) 또는 이들의 결합으로 구성된다.
본 발명의 실시예에 있어서, 집광렌즈(74)는 마스크(미도시)에 의한 리플로우(reflow)공정을 이용하여 형성하였다. 또한, 보정렌즈(66)는 이방성식각공정으로 제조할 수 있고, 본 발명에서는 에치백(etch-back) 공정을 이용하였다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.
상술한 본 발명에 의한 이미지센서 및 그 제조방법에 따르면, 입사광을 광감지소자의 중심부로 향하도록 보정하는 위로 볼록한 보정렌즈를 구비함으로써 집광효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 이미지센서의 단위픽셀 구조를 보여주는 회로도이다.
도 2a는 2 트랜지스터, 4 광감지소자 구조를 나타내는 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 절단선 B-B’에 따른 단면도이다.
도 3은 종래의 2 트랜지스터, 4 광감지소자 구조에 의해 집광되는 형태를 나타낸 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의한 이미지센서를 도시한 단면도들이고, 도 5는 본 발명의 이미지센서에 의해 집광되는 형태를 나타낸 단면도이다.
Claims (7)
- 기판에 형성된 광감지소자;상기 광감지소자로 입사광을 집광하기 위한 집광렌즈; 및상기 집광렌즈를 통과하는 입사광이 상기 광감지소자의 중심부를 향하도록 보정하는 위로 볼록한 보정렌즈를 구비하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 보정렌즈의 장반경은 상기 집광렌즈의 장반경에 대해 2의 배수인 것을 특징으로 하는 이미지센서
- 제1항에 있어서, 상기 보정렌즈의 곡률반경은 상기 입사광이 상기 광감지소자의 중심부를 향하도록 설계된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제1항에 있어서, 상기 보정렌즈는 실리콘나이트라이드(SiN), 실리콘옥시나이트라이드(SiON) 또는 이들의 결합인 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제1항에 있어서, 상기 보정렌즈는 에치백 공정을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 기판에 형성된 광감지소자 및 트랜지스터를 덮는 제1 절연막;상기 제1 절연막 상에서 상기 입사광을 차단하는 차단막 패턴을 포함하는 보호막;상기 보호막 상에 상기 입사광이 상기 광감지소자의 중심부를 향하도록 보정하는 위로 볼록한 보정렌즈;상기 보정렌즈를 덮는 제2 절연막; 및상기 제2 절연막 상에 형성되어 상기 광감지소자로 상기 입사광을 집광하기 위한 집광렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제6항에 있어서, 상기 제2 절연막과 상기 집광렌즈 사이에 칼라필터와 평탄화층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100703376B1 (ko) * | 2005-05-10 | 2007-04-03 | 삼성전자주식회사 | 매설된 렌즈를 갖는 이미지 센서 및 그 제조 방법 |
| US9634058B2 (en) | 2013-02-25 | 2017-04-25 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensor and computing system having the same |
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2003
- 2003-10-09 KR KR1020030070268A patent/KR20050034368A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100703376B1 (ko) * | 2005-05-10 | 2007-04-03 | 삼성전자주식회사 | 매설된 렌즈를 갖는 이미지 센서 및 그 제조 방법 |
| US9634058B2 (en) | 2013-02-25 | 2017-04-25 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensor and computing system having the same |
| US10096634B2 (en) | 2013-02-25 | 2018-10-09 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensor and computing system having the same |
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