KR20050121414A - 씨모스 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 씨모스 이미지 센서에 관한 것으로, 포토다이오드 및 금속 회로와 상기 금속 회로간 절연을 위한 층간 절연막들로 구성되는 하부층과, 상기 하부층 상부에 형성된 R, G, B 컬러필터 어레이와, 상기 컬러필터 어레이 상부에 형성된 오버 코팅층과, 상기 오버 코팅층 상부에 형성된 마이크로 렌즈와, 상기 하부층과 컬러필터 어레이 사이에 형성되며 상기 마이크로 렌즈보다 큰 곡률을 갖는 미소렌즈들로 구성된 미소렌즈 어레이를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 포토다이오드 상부 구조물의 높이가 높은 경우에도 큰 곡률을 갖는(긴 초점거리를 갖는) 미소렌즈 어레이에 의해 포토다이오드로 집광이 원활하게 이루어지게 되므로 집광도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

씨모스 이미지 센서{CMOS Image Sensor}
본 발명은 이미지 센서(Image sensor)에 관한 것으로 특히, 집광도를 향상시키기에 적합한 씨모스 이미지 센서에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 전하 결합 소자(Charge Coupled Device : 이하, CCD라 약칭한다), 씨모스 이미지 센서(CMOS image sensor) 등이 있다.
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 CMOS라 한다) 이미지 센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
상기 CCD는 구동 방식이 복잡하고 전력 소모가 많으며, 마스크 공정 수가 많아서 공정이 복잡하고, 시그날 프로세싱(signal processing) 회로를 CCD 칩(chip) 내에 구현할 수 없어 온 칩(one chip)화가 곤란하다는 등의 여러 단점이 있는 바, 이러한 단점을 극복하기 위하여 서브-마이크론(sub-micron) CMOS 제조기술을 이용한 CMOS 이미지 센서의 개발에 많은 연구가 집중되고 있다.
CMOS 이미지 센서에 사용되는 픽셀(Pixel)은 여러 종류가 있으나, 그 중 대표적으로 상용화된 픽셀의 종류로는 3개의 기본 트랜지스터와 하나의 포토 다이오드로 구성된 3-T(3-Transistor) 구조의 픽셀과, 4개의 기본 트랜지스터와 하나의 포토 다이오드로 구성된 4-T(4-Transistor) 구조의 픽셀들이 있다.
도 1은 일반적인 4-T CMOS 이미지센서의 단위화소를 나타낸 회로도이다.
도면에 도시하는 바와 같이, 4-T CMOS 이미지 센서의 단위 화소는 광감지 수단인 포토다이오드(PD)와, 4개의 NMOS 트랜지스터(Tx, Rx, Dx, Sx)로 이루어진다.
4개의 NMOS트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토다이오드(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅 센싱 노드(Floating sensing node)로 운송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 신호검출을 위해 상기 플로팅 센싱 노드에 저장되어 있는 전하를 배출하는 역할을 하고, 드라이브 트랜지스터(Dx)는 소스 팔로워(Source Follower)로서 역할하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 스위칭(Switching) 및 어드레싱(Addressing)을 위한 것이다.
그리고, DC gate는 트랜지스터의 게이트 전위를 항상 일정한 전압으로 인가하여 일정 전류만 흐르도록 하는 부하 트랜지스터이고, VDD는 구동 전원전압, VSS는 그라운드 전압, output는 단위 픽셀의 출력 전압이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 도면이다.
종래의 씨모스 이미지 센서는 도 2에 도시하는 바와 같이, 반도체 기판(11)에 트랜치 분리 기술로 형성된 STI막(12)이 필드 영역과 활성영역을 정의하고 있고, 상기 STI막(12) 사이 활성영역의 반도체 기판(11)에는 입사광을 받아 전하를 축적하는 포토다이오드(PD)가 형성되어 있다.
그리고, 단위 화소를 구성하는 금속 회로들(M1)(M2)(M3)이 형성되어 있고, 상기 금속 회로들(M1)(M2)(M3)간을 층간 절연하기 위한 층간 절연막(13)(14)(15)(16)이 형성되어 있다.
전술한 바와 같이, 이미지 센서의 단위 화소는 포토다이오드를 비롯하여 신호처리를 위한 여러 개의 트랜지스터로 구성되는데, 상기 금속 회로들(M1)(M2)(M3)은 이러한 단위화소를 구성하는 것으로, 상기 포토다이오드(PD)로 입사하는 광을 막지 않도록 배치한다.
상기 층간 절연막(16)상에는 상기 포토다이오드(PD) 및 금속 회로들(M1)(M2)(M3)을 외부의 수분이나 스크래치로부터 보호하기 위한 보호막(17)이 형성되어 있고, 상기 보호막(17)상에는 단차 극복 및 접착성(adhesion)을 좋게 하기 위한 목적으로 평탄층(18)이 형성되어 있다.
그리고, 상기 평탄층(18) 위에는 단위 화소의 포토다이오드(PD) 상부에 적색(red), 녹색(green), 청색(blue)으로 염색된 포토레지스트(Photoresist)를 재료로 하는 컬러 필터 어레이(19)가 형성되어 있고, 상기 컬러 필터 어레이(19)상에는 단차 극복 및 마이크로렌즈의 균일한 제조 및 포커스 길이 조절을 목적으로 하는 오버 코팅(Over coating)층(20)이 형성되어 있으며, 상기 오버 코팅층(20) 위에는 각 컬러 필터에 광을 집약시켜주기 위한 돔(dome) 형태의 마이크로렌즈(21)가 형성되어 있다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술은 다음과 같은 문제점이 있다.
기술이 발전하고 소비자는 나날이 보다 나은 제품 즉, 고해상도, 고품질의 센서를 요구함에 따라 소자의 크기가 점점 작아져 가는 추세이고, 이에 따라 디자인 룰(design rule)이 작아지어 CMOS 이미지 센서의 단위 화소 크기도 점자 줄어들고 있다.
따라서, 포토다이오드(PD) 상부에 형성된 층간절연막들과 금속 배선들 등으로 인해 포토다이오드의 크기에 비해 상부 구조물의 높이가 높아지고, 마이크로렌즈(21)로부터 포토다이오드(PD)까지의 거리도 점차 늘어나게 되어 포토다이오드(PD)에 초점을 맞출 수 있는 마이크로렌즈 제작이 점점 어려워지고 있다.
그리고, 마이크로렌즈 초점 거리에 비해 포토다이오드로부터 마이크로렌즈까지의 거리가 멀기 때문에 마이크로렌즈에 의해 굴절된 빛이 포토다이오드에 이르지 못하고 손실되는 경우가 많이 발생하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 집광도를 향상시킬 수 있는 씨모스 이미지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 화소 사이즈 축소에 따른 집광도 저하를 현상을 방지하므로써 이미지 센서의 집적화에 기여할 수 있는 씨모스 이미지 센서를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서는 포토다이오드 및 금속 회로와 상기 금속 회로간 절연을 위한 층간 절연막들로 구성되는 하부층과, 상기 하부층 상부에 형성된 R, G, B 컬러필터 어레이와, 상기 컬러필터 어레이 상부에 형성된 오버 코팅층과, 상기 오버 코팅층 상부에 형성된 마이크로 렌즈와, 상기 하부층과 컬러필터 어레이 사이에 형성되며 상기 마이크로 렌즈보다 큰 곡률을 갖는 미소렌즈들로 구성된 미소렌즈 어레이를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
도 3은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 도면으로, 컬러 필터 어레이(41) 아래에 마이크로렌즈(42)보다 곡률이 큰(초점 거리가 긴) 미소 렌즈들로 구성된 미소 렌즈 어레이(39)를 구비한다.
상기 미소 렌즈 어레이(39)는 노광 장비에서 사용되는 플라이 아이 렌즈(fly eye lens)와 동일한 역할을 하는 것으로, 광원으로부터 나온 광을 균일한 면광원으로 확산시켜주고 일정한 크기로 집속시켜주는 기능을 한다.
한편, 상기 미소 렌즈 어레이(39)의 미소렌즈들은 상기 마이크로렌즈(43)보다 초점 거리가 길기 때문에 빛이 포토다이오드(PD)까지 원활하게 전달될 수 있게 한다.
이러한 미소 렌즈 어레이(39)를 구비하는 본 발명은 반도체 기판(31)에 형성되어 필드 영역과 활성영역을 정의하고 있는 STI막(32)과, 상기 STI막(32) 사이 활성영역의 반도체 기판(31)에는 입사광을 받아 전하를 축적하는 포토다이오드(PD)와, 단위 화소를 구성하는 금속 회로들(M1)(M2)(M3), 상기 금속 회로들(M1)(M2)(M3)간을 층간 절연하기 위한 층간 절연막(33)(34)(35)(36)으로 하부층이 형성되어 있다.
이러한 하부층상에는 상기 포토다이오드(PD) 및 금속 회로들(M1)(M2)(M3)을 외부의 수분이나 스크래치로부터 보호하기 위한 보호막(37)이 형성되어 있고, 상기 보호막(37)상에는 단차 극복 및 접착성(adhesion)을 좋게 하기 위한 목적으로 제 1 평탄층(38)이 형성되어 있다.
상기 제 1 평탄층(38)상에는 상부의 마이크로렌즈(43)보다 큰 곡률을 갖는 미소 렌즈들로 구성된 미소 렌즈 어레이(39)가 형성되어 있고, 상기 미소 렌즈 어레이(39)는 제 2 평탄층(40)에 의해 덮여져 있다.
상기 제 2 평탄층(40)상에는 적색(red), 녹색(green), 청색(blue)으로 염색된 포토레지스트를 재료로 하는 컬러 필터 어레이(41)가 형성되어 있고, 상기 컬러 필터 어레이(41)상에는 단차 극복 및 마이크로렌즈의 균일한 제조 및 포커스 길이 조절을 목적으로 하는 오버 코팅(Over coating)층(42)이 형성되어 있으며, 상기 오버 코팅층(42) 위에는 각 컬러 필터에 광을 집약시켜주기 위하여 상기 미소 렌즈 어레이(39)의 미소렌즈 보다 작은 곡률을 갖는 마이크로렌즈(43)가 형성되어 있다.
이러한 본 발명에서는 빛이 입사되면 마이크로렌즈(43)를 통해 1차로 집광되고 컬러 필터 어레이(41)를 통과한 다음 초점 거리가 긴 미소 렌즈 어레이(39)에 의해 다시 한번 집광되어 포토다이오드(PD)까지 원활하게 전달되게 된다.
상기 미소 렌즈 어레이(39)가 플라이 아이 렌즈와 동일한 기능을 하므로 빛이 상기 미소 렌즈 어레이(39)를 통과하면 균일한 면광원으로 확산되게 되고, 일정한 크기로 집속되게 되므로 포토다이오드(PD)에 균일한 빛이 전달되게 되게 된다.
상기와 같은 본 발명의 씨모스 이미지 센서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 초점 거리가 긴 미소 렌즈 어레이를 통해 빛이 포토다이오드까지 원활하게 전달 될 수 있으므로 집광도가 향상되게 된다.
둘째, 초점 거리가 긴 미소 렌즈 어레이를 구비하여 픽셀 사이즈가 감소하여 포토다이오드 상부 구조물의 높이가 증가하는 경우에도 포토다이오드까지 빛을 전달할 수 있으므로 고집적 소자 제조가 가능해진다.
셋째, 미소 렌즈 어레이가 플라이 아이 렌즈와 같은 기능을 하므로 포토다이오드로 전달되는 빛의 균일성을 향상시킬 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구범위에 의해서 정해져야 한다.
도 1은 일반적인 4-T CMOS 이미지센서의 단위화소를 나타낸 회로도
도 2는 종래 기술에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 도면
도 3은 본 발명에 따른 씨모스 이미지 센서를 나타낸 도면
**도면의 주요 부분에 대한 부호 설명**
31 : 반도체 기판 32 : STI막
PD : 포토다이오드 M1, M2, M3 : 금속 회로들
33, 34, 35, 36 : 층간 절연막 37 : 보호막
38 : 제 1 평탄층 39 : 미소 렌즈 어레이
40 : 제 2 평탄층 41 : 컬러 필터 어레이
42 : 오버 코팅층 43 : 마이크로렌즈

Claims (3)

  1. 포토다이오드 및 금속 회로와 상기 금속 회로간 절연을 위한 층간 절연막들로 구성되는 하부층과,
    상기 하부층 상부에 형성된 R, G, B 컬러필터 어레이와,
    상기 컬러필터 어레이 상부에 형성된 오버 코팅층과,
    상기 오버 코팅층 상부에 형성된 마이크로 렌즈와,
    상기 하부층과 컬러필터 어레이 사이에 형성되며 상기 마이크로 렌즈보다 큰 곡률을 갖는 미소렌즈들로 구성된 미소렌즈 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 하부층과 컬러필터 어레이 사이 형성되며 상기 포토다이오드 및 금속회로를 보호하기 위한 보호막과, 상기 보호막 상부에 형성된 제 1 평탄층을 더 포함하고, 상기 제 1 평탄층 상부에 상기 미소렌즈 어레이가 형성되는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 미소렌즈 어레이를 덮는 제 2 평탄화층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서.
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