KR20050040027A - Cmos image sensor - Google Patents

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KR20050040027A
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임연섭
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매그나칩 반도체 유한회사
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    • H01L27/1462Coatings
    • H01L27/14621Colour filter arrangements

Abstract

본 발명은 블루 화소에서의 WBP 패일을 최소화하여 칼라특성을 향상시킬 수 있는 CMOS 이미지센서를 제공한다.The present invention provides a CMOS image sensor capable of improving color characteristics by minimizing WBP failure in a blue pixel.

본 발명은 레드, 그린 및 블루 화소영역이 정의되고 필드산화막에 의해 화소영역이 분리된 제 1 도전형 반도체 기판; 레드 및 그린 화소영역의 기판에 형성된 수광소자; 블루 화소영역의 기판에 형성된 블루 칼라필터; 블루 칼라필터를 덮도록 블루 화소영역에 형성된 난반사막; 기판 전면 상에 형성된 보호막; 및 수광소자에 대응하여 보호막 상부에 형성된 레드 및 그린 칼라필터를 포함하는 씨모스 이미지센서에 의해 달성될 수 있다. 여기서, 블루 칼라필터는 기판 내부에 형성된 제 1 도전형 불순물영역과, 기판 표면에 형성된 제 2 도전형 불순물영역으로 이루어지고, 난반사막은 질화막으로 이루어진다. The present invention provides a semiconductor device comprising: a first conductivity type semiconductor substrate in which red, green, and blue pixel regions are defined and in which pixel regions are separated by field oxide films; A light receiving element formed on a substrate in the red and green pixel regions; A blue color filter formed on the substrate of the blue pixel region; A diffuse reflection film formed in the blue pixel area to cover the blue color filter; A protective film formed on the front surface of the substrate; And it can be achieved by the CMOS image sensor including a red and green color filter formed on the protective film corresponding to the light receiving element. Here, the blue color filter is composed of a first conductivity type impurity region formed inside the substrate and a second conductivity type impurity region formed on the substrate surface, and the diffuse reflection film is formed of a nitride film.

Description

씨모스 이미지센서{CMOS IMAGE SENSOR} CMOS Image Sensor {CMOS IMAGE SENSOR}

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 칼라특성을 향상시킬 수 있는 CMOS 이미지센서에 관한 것이다.The present invention relates to an image sensor, and more particularly, to a CMOS image sensor capable of improving color characteristics.

일반적으로, 이미지센서(image sensor)는 광학영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 로직회로 부분으로 구성되어 있으며, 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지센서의 경우에는 CMOS 기술을 이용하여 화소 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한다. In general, an image sensor is a semiconductor device that converts an optical image into an electrical signal, and includes an optical sensing part that detects light and a logic circuit part that processes the detected light into an electrical signal to make data. In the case of a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor, a switching method of using a CMOS technology to make MOS transistors by the number of pixels and sequentially detecting the outputs using the same number of pixels is adopted.

이러한 이미지센서에서는 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서의 면적에서 광감지 부분의 면적이 차지하는 비율(fill factor)을 크게 하려는 노력을 진행하고 있으나, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서, 광감지 부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 변경하여 광감지 부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이 기술이 바로 마이크로 렌즈 형성 기술이다. 또한, 칼라 이미지를 구현하기 위한 이미지센서는 광감지 부분 상에 레드(Red; R), 그린(Green; G), 블루(Blue; B)의 3가지 칼라필터로 이루어진 칼라필터 어레이(Color Filter Array; CFA)가 구비된다.In order to increase the light sensitivity, these image sensors are making efforts to increase the fill factor of the area of the entire image sensor. However, since the logic circuit part cannot be removed, such an image sensor has a limited area. There is a limit to the effort. Accordingly, a light condensing technology that changes a path of light incident to an area other than the light sensing portion and collects the light into a light sensing portion has emerged, which is a microlens forming technique. In addition, the image sensor for implementing a color image is a color filter array consisting of three color filters (Red, R, Green, G, Blue; B) on the light sensing portion CFA).

도 1은 종래의 CMOS 이미지센서를 나타낸 단면도로서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 레드, 그린 및 블루 화소영역이 정의되고 P- 에피층이 형성된 P 반도체 기판(10)에 필드산화막(11)이 형성되어 화소영역이 분리되고, 각 화소영역의 기판 (10)에는 포토다이오드와 같은 수광소자(12A, 12B, 12C)가 형성되며, 그 상부에 보호막(13)이 형성된다. 보호막(13) 상부에는 각 수광소자(12A, 12B, 12C)에 대응하는 레드, 그린 및 블루 칼라필터(14A, 14B, 14C)가 배치되고, 그 상부에 오버코팅층(Over Coating Layer; OCL, 15)이 형성되며, OCL(15) 상에는 각 칼라필터(14A, 14B, 14C)에 대응하는 마이크로렌즈 (16A, 16B, 16C)가 배치된다.1 is a cross-sectional view of a conventional CMOS image sensor. As shown in FIG. 1, a field oxide film 11 is formed on a P + semiconductor substrate 10 in which red, green, and blue pixel regions are defined and a P epitaxial layer is formed. The light emitting elements 12A, 12B, and 12C, such as photodiodes, are formed on the substrate 10 of each pixel region, and a protective film 13 is formed thereon. Red, green, and blue color filters 14A, 14B, and 14C corresponding to the light receiving elements 12A, 12B, and 12C are disposed on the passivation layer 13, and an over coating layer (OCL, 15) is disposed thereon. ) Is formed, and microlenses 16A, 16B, 16C corresponding to each of the color filters 14A, 14B, 14C are disposed on the OCL 15.

그러나, 종래의 CMOS 이미지센서에서는 칼라필터의 안료 물질 사이즈 한계로 인하여 칼라특성을 나타내는 WBP(White Bad Pixel) 특성이 우수하지 못하다. 특히, 블루 칼라필터의 경우에는 안료 물질의 특성상 다른 칼라필터에 비해 높은 포토레지스트 잔류물 발생으로 인해 인접 화소에 영향을 미칠 가능성이 커서 블루 화소에서 다른 화소보다 거의 2배의 WBP 패일이 발생하기 때문에 이미지센서의 칼라특성은 더욱 더 저하된다. However, in the conventional CMOS image sensor, due to the pigment material size limitation of the color filter, the white bad pixel (WBP) characteristic of the color characteristics is not excellent. In particular, the blue color filter is more likely to affect adjacent pixels due to the higher photoresist residues than other color filters due to the characteristics of the pigment material, which causes almost twice as many WBP failures as other pixels in the blue pixel. The color characteristics of the image sensor are further degraded.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 블루 화소에서의 WBP 패일을 최소화하여 칼라특성을 향상시킬 수 있는 CMOS 이미지센서를 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention has been proposed to solve the above problems of the prior art, and an object thereof is to provide a CMOS image sensor capable of improving color characteristics by minimizing WBP failure in a blue pixel.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기의 본 발명의 목적은 레드, 그린 및 블루 화소영역이 정의되고 필드산화막에 의해 화소영역이 분리된 제 1 도전형 반도체 기판; 레드 및 그린 화소영역의 기판에 형성된 수광소자; 블루 화소영역의 기판에 형성된 블루 칼라필터; 블루 칼라필터를 덮도록 블루 화소영역에 형성된 난반사막; 기판 전면 상에 형성된 보호막; 및 수광소자에 대응하여 보호막 상부에 형성된 레드 및 그린 칼라필터를 포함하는 씨모스 이미지센서에 의해 달성될 수 있다.According to an aspect of the present invention for achieving the above technical problem, an object of the present invention is a first conductivity type semiconductor substrate in which the red, green and blue pixel region is defined and the pixel region is separated by a field oxide film; A light receiving element formed on a substrate in the red and green pixel regions; A blue color filter formed on the substrate of the blue pixel region; A diffuse reflection film formed in the blue pixel area to cover the blue color filter; A protective film formed on the front surface of the substrate; And it can be achieved by the CMOS image sensor including a red and green color filter formed on the protective film corresponding to the light receiving element.

여기서, 블루 칼라필터는 기판 내부에 형성된 제 1 도전형 불순물영역과, 기판 표면에 형성된 제 2 도전형 불순물영역으로 이루어지고, 제 2 도전형 불순물영역은 약 0.2㎛ 이내의 깊이를 갖는다.Here, the blue color filter includes a first conductivity type impurity region formed inside the substrate and a second conductivity type impurity region formed on the substrate surface, and the second conductivity type impurity region has a depth within about 0.2 μm.

또한, 난반사막은 질화막으로 이루어지고, 320㎛ 이하의 두께를 갖는다.The diffuse reflection film is made of a nitride film and has a thickness of 320 μm or less.

이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be introduced in order to enable those skilled in the art to more easily carry out the present invention.

도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지센서를 설명하기 위한 단면도이다.2 and 3 are cross-sectional views illustrating a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 CMOS 이미지센서는 레드, 그린 및 블루 화소영역이 정의되고 P- 에피층이 형성된 P 반도체 기판(20)에 필드산화막(21)이 형성되어 화소영역이 분리되고, 레드 및 그린 화소영역의 기판(20)에는 포토다이오드와 같은 수광소자(22A, 22B)가 형성되고, 블루 화소영역의 기판(20)에는 블루 칼라필터(23)가 형성된다. 여기서, 블루 칼라필터(23)는 도 3에 나타낸 바와 같이 기판(20) 내부에 형성되어 공핍(depletion) 영역으로 작용하는 P 불순물영역(23A)과, 기판(20) 표면에 형성되어 접합영역으로 작용하는 N- LDD 영역(23B)으로 이루어지고, 블루 파장 대역의 우수한 필터링을 위하여 접합영역은 0.2㎛ 이내의 깊이를 가지며 공핍영역도 이와 유사한 깊이를 갖는다. 또한, 블루 화소영역의 기판(20) 상에는 블루 칼라필터 (23)를 덮도록 질화막으로 이루어진 난반사(Anti Reflective Coating; ARC)막(24)이 형성된다. 이 난반사막(24)은 블루 파장 대역의 광을 증대시키고 레드 및 그린 광을 상쇄시켜 필터링을 극대화시키는 막으로서 320Å 이하의 두께를 갖는다. 난반사막(24)이 형성된 기판 전면 상에는 보호막(25)이 형성되고, 보호막(25) 상부에는 각 수광소자(22A, 22B)에 대응하는 레드 및 그린 칼라필터(26A, 26B)가 배치되고, 그 상부에 OCL(27)이 형성되며, OCL(27) 상에는 각 칼라필터 (26A, 26B, 23)에 대응하는 마이크로렌즈(28A, 28B, 28C)가 배치된다.As shown in FIG. 2, in the CMOS image sensor of the present invention, a field oxide film 21 is formed on a P + semiconductor substrate 20 in which red, green, and blue pixel regions are defined and a P epitaxial layer is formed, thereby separating the pixel regions. Light receiving elements 22A and 22B such as photodiodes are formed on the substrate 20 of the red and green pixel regions, and a blue color filter 23 is formed on the substrate 20 of the blue pixel region. Here, the blue color filter 23 is formed in the substrate 20 and acts as a depletion region as shown in FIG. 3, and a P + impurity region 23A and a junction region formed on the surface of the substrate 20. It consists of N - LDD region 23B, which acts as an N - LDD region. The junction region has a depth within 0.2 µm and the depletion region has a similar depth for excellent filtering of the blue wavelength band. In addition, an anti-reflective coating (ARC) film 24 made of a nitride film is formed on the substrate 20 in the blue pixel region to cover the blue color filter 23. The diffuse reflection film 24 has a thickness of 320 kHz or less as a film that amplifies the blue wavelength band light and cancels the red and green light to maximize filtering. A protective film 25 is formed on the entire surface of the substrate on which the diffuse reflection film 24 is formed, and red and green color filters 26A and 26B corresponding to the respective light receiving elements 22A and 22B are disposed on the protective film 25. An OCL 27 is formed on the upper side, and microlenses 28A, 28B, and 28C corresponding to the respective color filters 26A, 26B, and 23 are disposed on the OCL 27.

또한, 상술한 CMOS 이미지센서의 제조방법은 다음과 같다.In addition, the manufacturing method of the above-described CMOS image sensor is as follows.

먼저, 레드, 그린 및 블루 화소영역이 정의되고 P- 에피층이 형성된 P 반도체 기판(20)에 필드산화막(21)을 형성하여 화소영역을 분리시키고, 레드 및 그린 화소영역의 기판(20)에는 포토다이오드와 같은 통상의 수광소자(22A, 22B)를 형성한다. 그 다음, 블루 화소영역의 기판(20)으로 P 불순물이온을 주입하여 기판(20) 내부에 P 불순물영역(23A)을 형성하고, 다시 N- LDD 이온을 주입하여 기판(20) 표면에 N- LDD 영역(23B)을 형성하여 블루 칼라필터(23)를 형성한다. 여기서, P 불순물영역(23A)과 N- LDD 영역(23B)은 별도의 공정을 부가하는 것 없이 주변회로 및 로직회로의 PMOS 및 NMOS 트랜지스터의 접합영역 형성시 동시에 형성한다.First, a field oxide film 21 is formed on a P + semiconductor substrate 20 in which red, green, and blue pixel regions are defined and a P epitaxial layer is formed to separate pixel regions, and the substrate 20 of the red and green pixel regions is formed. The conventional light receiving elements 22A and 22B, such as a photodiode, are formed thereon. Next, P + impurity ions are implanted into the substrate 20 of the blue pixel region to form P + impurity regions 23A in the substrate 20, and then N - LDD ions are implanted to the surface of the substrate 20. The blue color filter 23 is formed by forming the N - LDD region 23B. Here, the P + impurity region 23A and the N - LDD region 23B are simultaneously formed at the time of forming the junction region of the PMOS and NMOS transistors of the peripheral circuit and the logic circuit without adding a separate process.

그 후, 기판 전면 상에 질화막을 증착하고 포토리소그라피 및 식각공정에 의해 블루 화소영역만을 덮도록 패터닝하여 난반사막(24)을 형성하고, 기판 전면 상에 보호막(25)을 형성한다. 그 다음, 보호막(25) 상부에 각 수광소자(22A, 22B)에 대응하는 레드 및 그린 칼라필터(26A, 26B)를 형성하고, 그 상부에 OCL(27)을 형성한 후 OCL(27) 상에 각 칼라필터(26A, 26B, 23)에 대응하는 마이크로렌즈(28A, 28B, 28C)를 형성한다.Thereafter, a nitride film is deposited on the entire surface of the substrate and patterned so as to cover only the blue pixel region by photolithography and etching processes to form a diffuse reflection film 24, and a protective film 25 is formed on the entire surface of the substrate. Then, the red and green color filters 26A and 26B corresponding to each of the light receiving elements 22A and 22B are formed on the passivation layer 25, and the OCL 27 is formed on the top of the OCL 27. The microlenses 28A, 28B, and 28C corresponding to the color filters 26A, 26B, and 23 are formed on the substrate.

상기 실시예에 의하면, 블루 칼라필터를 블루 안료 물질을 사용하는 것 없이 블루 화소 영역의 수광소자 구조를 변화시켜 불순물영역으로 이루어지도록 함으로써, 블루 화소에서 크게 발생되는 WBP 패일을 최소화할 수 있으므로 이미지센서의 칼라특성을 향상시킬 수 있게 된다.According to the above embodiment, the blue color filter is changed to the impurity region by changing the light-receiving element structure of the blue pixel region without using a blue pigment material, thereby minimizing the WBP failure generated in the blue pixel. It is possible to improve the color characteristics of the.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those of ordinary knowledge.

전술한 본 발명은 블루 화소에서의 WBP 패일을 최소화할 수 있으므로 이미지센서의 칼라특성을 향상시킬 수 있다. The present invention described above can minimize the WBP fail in the blue pixel, thereby improving the color characteristics of the image sensor.

도 1은 종래의 CMOS 이미지센서를 나타낸 단면도.1 is a cross-sectional view showing a conventional CMOS image sensor.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지센서를 나타낸 단면도.2 is a cross-sectional view showing a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 블루 화소영역을 나타낸 단면도.3 is a cross-sectional view illustrating a blue pixel area of a CMOS image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of symbols for main parts of drawing

20 : 반도체 기판 21 : 필드산화막20 semiconductor substrate 21 field oxide film

22A, 22B : 수광소자 23 : 블루 칼라필터22A, 22B: Light receiving element 23: Blue color filter

24 : 난반사막 25 : 보호막24: diffuse reflection 25: protective film

26A, 26B : 레드 및 그린 칼라필터26A, 26B: Red and Green Color Filters

27 : OCL 28A, 28B, 28C : 마이크로렌즈 27: OCL 28A, 28B, 28C: microlens

Claims (5)

레드, 그린 및 블루 화소영역이 정의되고 필드산화막에 의해 상기 화소영역이 분리된 제 1 도전형 반도체 기판;A first conductivity type semiconductor substrate having red, green, and blue pixel regions defined therein, wherein the pixel regions are separated by a field oxide film; 상기 레드 및 그린 화소영역의 기판에 형성된 수광소자;A light receiving element formed on a substrate of the red and green pixel regions; 상기 블루 화소영역의 기판에 형성된 블루 칼라필터;A blue color filter formed on the substrate of the blue pixel region; 상기 블루 칼라필터를 덮도록 블루 화소영역에 형성된 난반사막; A diffuse reflection film formed in the blue pixel area to cover the blue color filter; 상기 기판 전면 상에 형성된 보호막; 및 A protective film formed on an entire surface of the substrate; And 상기 수광소자에 대응하여 상기 보호막 상부에 형성된 레드 및 그린 칼라필터를 포함하는 씨모스 이미지센서. CMOS image sensor including a red and green color filter formed on the passivation layer corresponding to the light receiving element. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 블루 칼라필터는 상기 블루 화소영역의 기판 내부에 형성된 제 1 도전형 불순물영역과, 상기 기판 표면에 형성된 제 2 도전형 불순물영역으로 이루어진 것을 특징으로 씨모스 이미지센서. And the blue color filter comprises a first conductivity type impurity region formed inside the substrate of the blue pixel region and a second conductivity type impurity region formed on the substrate surface. 제 2 항에 있어서, The method of claim 2, 상기 제 2 도전형 불순물영역은 약 0.2㎛ 이내의 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서. And the second conductivity type impurity region has a depth within about 0.2 μm. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 난반사막은 질화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서. The diffuse reflection film is CMOS image sensor, characterized in that consisting of a nitride film. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, The method according to claim 1 or 4, 상기 난반사막은 320㎛ 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지센서. The diffuse reflection film CMOS image sensor, characterized in that having a thickness of less than 320㎛.
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