KR20050122746A - 청색광감도를 향상시킬 수 있는 이미지센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 청색광에 대한 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지센서를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, RGB 3원색 중 어느 하나의 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소가 복수개 배열된 이미지센서에 있어서, B 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소의 평면 상의 크기가 G 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소의 평면 상의 크기 보다 큰 것을 특징으로 하는 이미지센서를 제공한다.
또한, 본 발명은, 행 1열에 배치된 G 색상의 제1 단위화소; 1행 2열에 배치된 R 색상의 제2 단위화소; 2행 1열에 배치된 B 색상의 제3 단위화소; 및 2행 2열에 배치된 G 색상의 제4 단위화소를 구비하며, 상기 제3 단위화소는 상기 제1 및 제4 단위화소에 비해 그 평면 상의 크기가 더 큰 것을 특징으로 하는 이미지센서를 제공한다.
Description
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로 특히, 청색 광감도를 향상시킬 수 있는 CMOS 이미지센서에 관한 것이다.
이미지센서는 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자이다. 이 중에서 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이다.
반면, CMOS(Complementary MOS; 이하 CMOS) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하며, 화소 수 만큼 MOS 트랜지스터를 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 있으며, 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있으며, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 "필팩터(Fill Factor)"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다.
도 1은 일반적인 CMOS 이미지센서의 수광 영역을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 고농도의 P(즉, P++)형 기판(10)과 P형 에피층(11, P-Epi)이 적층된 기판(이하 반도체층이라 함) 내부에 P형 불순물영역(17, 이하 P0영역이라 함)과 N형 불순물영역(15, 이하 n-영역이라 함)으로 이루어진 포토다이오드(PD)가 이온주입 등의 공정을 통해 형성되어 있으며, 포토다이오드(PD)의 일측에 접하는 필드절연막(12)이 반도체층에 국부적으로 형성되어 있으며, 포토다이오드의 타측에 그 일측이 접하는 반도체층 상에 게이트전극 패턴 즉, 트랜스퍼 게이트(Tx)가 형성되어 있으며, 게이트전극 패턴(Tx)의 타측에 접하는 고농도 N형(n+)의 플로팅 확산영역(18, FD)이 형성되어 있다.
여기서, 게이트전극 패턴(Tx)은 게이트절연막(13)과 폴리실리콘 또는 텅스텐 실리사이드 등이 단독 또는 적층된 구조의 게이트 전도막(14)과 그 측벽에 질화막, 산화막 또는 산화질화막 등으로 이루어진 스페이서(16)가 형성되어 있다.
부연하자면, 이미지센서 소자의 단위 화소는 수광영역인 포토다이오드와 포토다이오드에서 생성된 광전자를 플로팅 확산영역으로 전송할 수 있는 능력이 요구된다. 따라서, 통상의 CMOS 이미지센서는 포토다이오드의 N형 불순물영역(n-영역)을 트랜스퍼 게이트의 일측에 접하게 함으로써 트랜스퍼 게이트에 전원전압을 가하여 전하를 전송하는 동작을 하는 경우에 포토다이오드의 n-영역에 미치는 전위(Fringing field)를 커지게 하여 n-영역의 전하를 잘 끌어내어 전송할 수 있도록 하고 있다.
CMOS 이미지 센서는 각 단위화소 당 예컨대, 적,녹,청(Red, Green, Blue)의 색상 중 하나의 색상 만을 갖고, 이웃하는 단위화소에서 출력되는 색상등을 이용하여 해당 단위화소에 대한 RBG각 색상 정보를 보간(Interplation) 과정을 통해 구현하도록 한다.
따라서, 각 단위화소는 RGB 중 하나의 색상만을 입력받도록 RGB 하나의 칼라필터를 구비하고 있으며, 이들은 평면 상으로 일정한 배열 규칙을 갖는다. 한편, 이러한 칼라필터의 배열을 칼라필터 어레이(Colour Filter Array; 이하 CFA라 함)라 한다.
도 2는 종래기술에 따른 이미지센서의 단위화소의 배열을 도시한 평면도이다.
도 2를 참조하면, 6*5의 단위화소가 일정한 규칙을 갖고 이루어져 배열되어 있다.
사람이 인지하는 G 색상에서의 노이즈와 순수 G 색상의 구분이 어려운 점 등을 고려하여 일반적으로, 3원색 촬상 소자의 경우 R이나 B에 비해 G 색상의 두배의 단위화소를 소모한다.
따라서, 도 2의 배열에서 알 수 있듯이 G 색상을 갖는 단위화소는 R과 B 색상의 단위화소의 수를 합한 것과 같다.
한편, 전술한 도 1의 이미지센서는 칼라 특성에 있어서, B 색상(청색광)에 대한 감도(특성)가 R 및 G에 비해 열악하다. 이는 포토다이오드의 표면 근처에서의 재결합(Recombination)되는 전하의 양이 상대적으로 B 색상의 파장 대역에서 크기 때문으로, 포토다이오드와 마이크로렌즈 사이에는 각종 절연막과 평탄화층 등이 있어 그 사이의 거리가 길어진다. 따라서, R이나 G에 비해 짧은 파장을 갖는 청색광은 그 투과 깊이가 얕아 구조적인 특성 상 가장 취약하다고 할 수 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 청색광에 대한 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, RGB 3원색 중 어느 하나의 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소가 복수개 배열된 이미지센서에 있어서, B 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소의 평면 상의 크기가 G 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소의 평면 상의 크기 보다 큰 것을 특징으로 하는 이미지센서를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 행 1열에 배치된 G 색상의 제1 단위화소; 1행 2열에 배치된 R 색상의 제2 단위화소; 2행 1열에 배치된 B 색상의 제3 단위화소; 및 2행 2열에 배치된 G 색상의 제4 단위화소를 구비하며, 상기 제3 단위화소는 상기 제1 및 제4 단위화소에 비해 그 평면 상의 크기가 더 큰 것을 특징으로 하는 이미지센서를 제공한다.
본 발명은 이미지센서의 내부적인 소자 측면의 변형은 고려하지 않고, 단지 광을 집속하는 마이크로렌즈와 칼라필터를 평면 사에서 기하학적으로 변형하여 배치함으로써, 청색광에 대한 광감도를 높인다. 전술한 바와 같이, G 색상은 R이나 B에 비해 두배의 단위화소의 수를 가지고 있으나, 실제 G 색상은 R이나 B 색상에 비해 두배 정도까지의 수광 면적을 가질 필요는 없다.
따라서, 본 발명은 종래의 이미지센서의 배열에서 G 색상에 비해 B 색상에 해당하는 단위화소에서 광 집속을 위해 사용하는 마이크로렌즈와 칼라필터의 크기를 크게 함으로써, 청색 광감도를 높인다.
이 때, R 색상의 경우도 G 색상에 비해 크게 함으로서, G 색상의 남는 수광 면적을 효율적으로 하면서 상대적으로 취약한 B 색상과 더불어 R 색상의 광감도도 향상시킬 수 있다.
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 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 이미지센서 내부의 소자 변형없이 평면 상의 크기 배열 만을 변형시키므로써, B 색상에 대한 광감도를 증가시킨다.
이를 위해, RGB 3원색 중 어느 하나의 색상의 광을 수광하기 위한 단위 화소가 복수개 배열된 이미지센서의 화소 배열부 구조에서, B 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소의 평면 상의 크기를 G 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소의 평면 상의 크기 보다 크게 한다.
이 때, B 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소가 G 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소에 비해 칼라필터만 크게 하거나, 마이크로렌즈만을 크게 하거나, 둘 다를 크게 할 수 있다.
한편, R 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소의 평면 상의 크기를 G 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소의 평면 상의 크기 보다 크게하여 G 색상의 남는 수광 면적을 효율적으로 하면서 상대적으로 취약한 B 색상과 더불어 R 색상의 광감도도 향상시킬 수 있다.
이 때, R 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소가 G 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소에 비해 칼라필터만 크게 하거나, 마이크로렌즈만을 크게 하거나, 둘 다를 크게 할 수 있다.
R과 B 색상의 실리콘 기판에서의 흡수율은 1.1 : 0.7 정도로 효과를 얻기 위해서는 약 30% 정도의 면적 증가가 필요하다. 즉, 14%의 크기 확대가 필요하며, 한쪽 방향으로 7%씩 카진 마이크로렌즈는 거의 같은 R과 B의 감도를 얻을 수 있게 된다.
즉, 3㎛ × 3㎛의 단위화소 면적을 사용한다면, B 색상의 마이크로렌즈는 약 3.42㎛ × 3.42㎛의 마이크로렌즈로 변형되면, 약 30% 정도의 면적 증가 효과가 있고, 이는 마이크로렌즈에 의해 집속되어 B 색상의 단위화소의 광감도를 증가시키는 요인이 된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서의 단위화소 구조를 도시한 평면도이다.
도 3을 참조하면, 6*5의 단위화소가 일정한 규칙을 갖고 이루어져 배열되어 있으며, 총 30개의 단위화소 중 G 색상의 단위화소는 G1 ∼ G15의 15개이고, R 색상의 단위화소는 9개이며, B 색상의 단위화소는 6개이다.
1행과 3행 및 5행은 GRGRGR의 단위화소의 배열을 이루고, 2행과 4행은 BGBGBG의 단위화소의 배열을 이룬다.
B 색상의 단위화소(B1 ∼ B6)의 평면 상의 크기가 G 색상의 단위화소(G1 ∼ G15)의 평면 상의 크기 보다 크도록 배치되어 있다. 이 때, B 색상의 단위화소(B1 ∼ B6)가 G 색상의 단위화소(G1 ∼ G15)에 비해 칼라필터만 크게 하거나, 마이크로렌즈만을 크게 하거나, 둘 다를 크게 할 수 있다.
한편, R 색상의 단위화소(R1 ∼ R9)의 평면 상의 크기를 G 색상의 단위화소(G1 ∼ G15)의 평면 상의 크기 보다 크게하여 G 색상의 단위화소(G1 ∼ G15)에서 남는 수광 면적을 효율적으로 하면서 상대적으로 취약한 B 색상과 더불어 R 색상의 광감도도 향상시킬 수 있다.
이 때, R 색상의 단위화소(R1 ∼ R9)가 G 색상의 단위화소(G1 ∼ G15)에 비해 칼라필터만 크게 하거나, 마이크로렌즈만을 크게 하거나, 둘 다를 크게 할 수 있다.
한편, B 색상의 단위화소(B1 ∼ B6)가 R 색상의 단위화소(R1 ∼ R9)와 교차되는 면적은 데이타 베이스 상에서 챔버(Chamber) 즉, 모서리 따기를 실행하여 사로 겹치는 부분이 없도록 한다.
이 때, G 색상의 단위화소(G1 ∼ G15)의 마이크로렌즈는 3㎛ × 2.58㎛ 또는 2.58㎛ × 3㎛ 크기의 직사각형 형태로 되는데 실험 결과 별다른 문제가 발생하지 않았다.
아울러, 마이크로렌즈 형성을 위한 마스크 패터닝 공정시 마이크로렌즈 간의 간극의 제어 또한 기존의 방식과 동일하게 할 수 있다.
전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 종래의 이미지센서의 배열에서 G 색상에 비해 B 색상에 해당하는 단위화소에서 광 집속을 위해 사용하는 마이크로렌즈와 칼라필터의 크기를 크게 함으로써, 청색 광감도를 높일 수 있다.
B 색상은 R이나 G 색상에 비해 상대적으로 광감도가 낮으므로 특히, R 색상에 대해서는 65% ∼ 70% 정도 밖에 되지 않으나, 본 발명과 같이 B 색상의 단위화소의 마이크로렌즈의 크기를 크게 하였을 경우 시뮬레이션 결과 R 색상 대비 1.1:1.03 정도의 효율 증대를 보이며, 이로 인한 광 효율이 높아 상대적으로 어두운 조명에서의 발색이 개선됨을 실시예를 통해 알아 보았다.
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 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
예컨대, 본 발명은 칼라 색상을 구현하는 모든 촬상 소자에 응용이 가능한 구성이며, 특히 마이크로렌즈의 변형으로 각 색상의 감도 불균형을 효과적으로 해소할 수 있다.
상술한 본 발명은, 광감도가 상대적으로 취약한 B 색상의 광감도를 개선할 수 있어, 궁극적으로 이미지센서의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 CMOS 이미지센서의 수광 영역을 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는 종래기술에 따른 이미지센서의 단위화소의 배열을 도시한 평면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서의 단위화소 구조를 도시한 평면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
G1 ∼ G15 : G 색상의 단위화소
R1 ∼ R9 : R 색상의 단위화소
B1 ∼ B6 : B 색상의 단위화소
Claims (10)
- RGB 3원색 중 어느 하나의 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소가 복수개 배열된 이미지센서에 있어서,B 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소의 평면 상의 크기가 G 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소의 평면 상의 크기 보다 큰 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 B 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소는 상기 G 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소에 비해 마이크로렌즈 또는 칼라필터의 크기가 큰 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 B 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소는 상기 G 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소에 비해 평면 상에서 한 변의 길이가 7%씩 큰 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 R 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소는 상기 G 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소에 비해 평면 상의 크기 보다 큰 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 4 항에 있어서,상기 R 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소는 상기 G 색상의 광을 수광하기 위한 단위화소에 비해 마이크로렌즈 또는 칼라필터의 크기가 큰 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 1행 1열에 배치된 G 색상의 제1 단위화소;1행 2열에 배치된 R 색상의 제2 단위화소;2행 1열에 배치된 B 색상의 제3 단위화소; 및2행 2열에 배치된 G 색상의 제4 단위화소를 구비하며,상기 제3 단위화소는 상기 제1 및 제4 단위화소에 비해 그 평면 상의 크기가 더 큰 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 6 항에 있어서,상기 제3 단위화소는 상기 제1 및 제4 단위화소에 비해 마이크로렌즈 또는 칼라필터의 크기가 큰 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,상기 제3 단위화소는 상기 제1 및 제4 단위화소에 비해 평면 상에서 한 변의 길이가 7%씩 큰 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 6 항에 있어서,상기 제2 단위화소는 상기 제1 및 제4 단위화소에 비해 평면 상의 크기 보다 큰 것을 특징으로 하는 이미지센서.
- 제 9 항에 있어서,상기 제2 단위화소는 상기 제1 및 제4 단위화소에 비해 마이크로렌즈 또는 칼라필터의 크기가 큰 것을 특징으로 하는 이미지센서.
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| KR1020040048377A KR20050122746A (ko) | 2004-06-25 | 2004-06-25 | 청색광감도를 향상시킬 수 있는 이미지센서 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100728469B1 (ko) * | 2001-06-28 | 2007-06-13 | 매그나칩 반도체 유한회사 | 칼라 필터 어레이용 단위 화소 및 이를 이용한이미지센서의 보간 방법 |
| KR100829378B1 (ko) * | 2006-12-27 | 2008-05-13 | 동부일렉트로닉스 주식회사 | 이미지 센서 및 이의 제조 방법 |
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| KR101305457B1 (ko) * | 2013-07-19 | 2013-09-06 | (주)실리콘화일 | 이중 감지 기능을 가지는 기판 적층형 이미지 센서 |
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2004
- 2004-06-25 KR KR1020040048377A patent/KR20050122746A/ko not_active Application Discontinuation
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|---|---|---|---|---|
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