KR20060011429A - 시모스 이미지센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 랜즈와 포토다이오드 사이의 간결을 획기적으로 줄여서, 입력되는 빛의 대부분을 데이터로 사용할 수 있는 시모스 이미지 센서를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 마이크로렌즈,칼라필터, 포토다이오드를 각각 구비하는 단위화소의 어레이만을 구비하는 제1 칩; 및 상기 제1 칩에 구비되는 단위화소에 입력된 데이터를 처리하기 위한 로직/드라이버 회로를 구비하고 있는 제2 칩을 구비하는 시모스 이미지센서를 제공한다.
이미지센서, 칼라필터, 마이크로 랜즈, 포토다이오드.
Description
도1은 통상적인 시모스 이미지센서의 블럭구성도.
도2는 통상적인 시모스 이미지센서의 단위화소의 구성을 도시한 회로도.
도3은 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 단위화소의 단면도.
도4는 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 개념도.
도5는 종래기술에 의한 패키지 되었을 때의 시모스 이미지 센서.
도6은 본 발명에 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지 센서의 개념도.
도7은 본 발명에 의한 패키지 되었을 때의 시모스 이미지 센서.
도8은 도7에 도시된 시모스이미지 센서의 평면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
A : 포토다이오드 영역
B : 금속배선 영역
C : 칼라필터 어레이 영역
D : 마이크로 렌즈 영역
본 발명은 시모스 이미지센서의 제조방법에 관한 것으로, 특히 칼라필터의 표면거칠기를 감소시켜 입사광의 산란을 방지함으로써 소자특성을 향상시킨 발명이다.
일반적으로, 이미지센서는 광학 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 대표적인 이미지센서 소자로는 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)와 시모스 이미지센서를 들 수 있다.
그 중에서 전하결합소자는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 시모스 기술을 이용하여 화소(pixel)수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
시모스 이미지 센서는 현재 모바일 폰, PC 카메라 및 디지털 전자 기기기등에서 광범위하게 사용되는 디바이스이다. 종래에 많이 사용되었던 전하결합소자에 비해 시모스 이미지센서는 구동방식이 간편하며, 한 칩에 시그널 프로세스 회로를 집적할 수 있어서, 시스템 온 칩 구현을 할 수 있어서, 제품의 소형화를 가능하게 해주면, 제품의 저전력를 가능하게 해주는 등의 장점을 가지고 있다.
그러나, 시모스 이미지 센서는 구동회로가 한 칩에 집적이 되기 때문에, 구동회로를 이루는 다층의 금속배선이 빛을 받아들이게 되는 마이크로 렌즈와 빛이 도달하게 되는 포토다이오드 사이에 구비되어야 한다. 즉, 마이크로 렌즈와 포토다이오드 사이에 다른 많은 층들이 필수적으로 구비되어야 하는데, 이 때에 구비되는 많은 층들로 인해 입력되는 빛의 대부분이 손실되는 문제점을 가지고 있다.
도1은 통상적인 시모스 이미지센서의 블럭구성도이다.
도1을 참조하여 살펴보면 시모스 이미지센서는 다수의 단위화소가 어레이된 픽셀 어레이와, 상기 픽셀어레이에서 출력되는 아날로그신호를 디지털 신호로 전환하는 ADC 블럭과, ADC 블럭에서 출력되는 디지털값을 저장하는 라인버퍼와, 입력된 어드레스를 디코딩하여 픽셀어레이의 단위화소를 선택하기 위한 디코더/픽셀 드라이버와, 디코더/픽셀드라이버를 제어하기 위한 제어 레지스터 및 로직을 구비한다.
도2는 통상적인 시모스 이미지센서의 단위화소의 구성을 도시한 회로도이다.
도2는 통상의 시모스 이미지센서에서 1개의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS 트랜지스터로 구성된 단위화소(Unit Pixel)를 도시한 회로도로서, 빛을 받아 광전하를 생성하는 포토다이오드(100)와, 포토다이오드(100)에서 모아진 광전하를 플로팅확산영역(102)으로 운송하기 위한 트랜스퍼 트랜지스터(101)와, 원하는 값으로 플로팅 확산영역의 전위를 세팅하고 전하를 배출하여 플로팅 확산영역(102)를 리셋시키기 위한 리셋 트랜지스터 (103)와, 플로팅 확산영역의 전압이 게이트로 인가되어 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier) 역할을 하는 드라 이브 트랜지스터(104)와, 스위칭(Switching) 역할로 어드레싱(Addressing) 역할을 수행하는 셀렉트 트랜지스터(105)로 구성된다. 단위 화소 밖에는 출력신호(Output Signal)를 읽을 수 있도록 로드(load) 트랜지스터(106)가 형성되어 있다.
도3은 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 단위화소 단면도이다.
도3을 참조하여 살펴보면, 반도체 기판(11)에는 입사광을 이용하여 광전하를 생성하는 포토다이오드(13)가 도시되어 있으며, 이러한 포토다이오드(13)는 개개의 단위화소에 대응하여 구비되어 있다.
참고로, 도3에는 단위화소를 구성하는 각종 트랜지스터들은 도시되어 있지 않다. 그리고, 포토다이오드(13)가 구비된 반도체 기판(11)상에는 층간절연막(17)이 형성되어 있으며, 층간절연막(17)상에는 페시베이션막(23)이 구비되어 있다.
통상적으로 시모스 이미지센서에서는 3개 층 이상의 금속배선과 복수층의 금속층간 절연막이 사용되고 있는데, 도3에서는 이를 두개의 금속배선(15,21)과, 금속배선을 연결하는 콘택플로그(19)로 표시하였다.
시모스 이미지 센서는 렌즈를 통해 입사되는 빛이 포토다이오드(13) 부분에 많이 도달해야 이미지 센서의 감도가 증가한다. 따라서 포토다이오드(13)의 면적은 넓어야 하고, 마이크로 렌즈의 포커스 길이는 포토다이오드(13)의 빛이 잘 모이도록 맞춰야 한다.
그러나, 이미지 센서의 픽셀수가 증가함에 따라 포토다이오드의 영역은 감소하고 금속배선수가 증가함에 따라 마이크로 렌즈와 포토다이오드 사이의 간격이 점점 더 길어져 촛점이 포토다이오드에 있지 못하여, 포토다이오드에 도달하는 빛의 감도가 감소하는 문제점이 발생하게 되었다.
도4는 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 개념도이다.
도4를 참조하면, 전술한 종래기술에 의한 이미지 센서는 적층되는 순서대로 크게 포토다이오드 영역(A)와, 금속배선 영역(B)과, 칼라필터 어레이 영역(C)와, 마이크로 랜즈 영역(D)로 나눌 수 있다. 그런데, 금속 배선 영역(B)는 보통 3개층 이상의 금속배선이 형성되는데, 이는 시모스 이미지 센서의 각 단위 픽셀에 저장된 데이터를 처리하기 위한 드라이버 회로부의 금속배선이 구비되기 때문이다.
따라서 마이크로 렌즈에서 빛이 도달해야 하는 포토다이오드까지는 다수의 금속배선층과, 금속배선을 절연시키기 위한 다수의 층간절연막이 있으며, 칼라필터 어레이의 하단에는 페시베이션 막등이 형성되는 등 서로 다른 다양한 막을이 있는 관계로 마이크로 렌즈를 통과한 빛이 대부분 손실되고, 실제 포토다이오드까지 도달하는 부분은 매우 작게된다.
따라서 시모스 이미지 센서가 고집적화될 수록 하나의 포토다이오드는 더 작아 질 수 밖에 없는 현실에서 고성능 시모스 이미제 센서를 구현하기가 매우 어렵다.
도5는 종래기술에 의한 패키지 되었을 때의 시모스 이미지 센서를 나타낸다.
도5를 참조하여 살펴보면, 패키지 된 상태에서 빛이 글래스 원도우를 통과하여 시모스 이미지 센서에 도달하도록 되어 있다. 이 때 글래스 원도우를 통과한 빛의 대부분은 전술한 문제점에 의해 포토다이오드에 도달하여 데이터로 되지 못하고 마이크로 렌즈와 포토다이오드 사이에 있는 다른 층들에 의해 손실되는 문제점 이 있는 것이다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안한 것으로서, 마이크로 랜즈와 포토다이오드 사이의 간결을 획기적으로 줄여서, 입력되는 빛의 대부분을 데이터로 사용할 수 있는 시모스 이미지 센서를 제공함을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 마이크로렌즈,칼라필터,포토다이오드를 각각 구비하는 단위화소의 어레이만을 구비하는 제1 칩; 및 상기 제1 칩에 구비되는 단위화소에 입력된 데이터를 처리하기 위한 로직/드라이버 회로를 구비하고 있는 제2 칩을 구비하는 시모스 이미지센서를 제공한다.
본 발명은 두개의 칩을 이용하여 포토 다이오드 형성후 바로 칼라필터 어레이와 마이크로 렌즈를 형성시키는 이미지 센서 칩과, 이를 구동하는 드라이버 회로 및 기타 부가기능을 부여할 수 있는 로직 어레이로 구성되는 로직 칩으로 분리하여 제조한 후에 이미시 센서 칩과 로직 칩을 하나의 패드에 연결시킴으로서 포토다이오드와 마이크로 렌즈사이의 간격을 크게 줄일 수 있는 발명이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명 의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도6에 본 발명의 일시시예가 도시되어 있다.
먼저 본 발명의 시모스 이미지 센서는 2개의 칩으로 나누어 지는데, 제1 칩에는 포토다이오드와 칼라필터 어레이와 마이크로렌즈를 포함하는 단위화소의 어레이만을 제조하고, 나머지 제2 칩에서는 제1 칩에 구비되는 다수의 단위화소에 의해 입력되는 데이터를 처리하기 위한 로직/드라이버 회로를 구비하게 된다.
따라서 도6에 도시된 바와 같이, 제1 칩의 한 단위화소 단면도를 살펴보면, 포토다이오드가 있는 영역(A)에서 칼라필터가 있는 영역(C까지의 길이가 종래보다 크게 단축된다.
이 때 포토다이오드와 칼라필터의 사이에도 약간의 금속배선이 구비되는 영역(B')이 있게 되는데, 통상적으로 시모스 이미지센서의 한 단위화소는 4개의 트랜지스터가 필요하고 이 4개의 트랜지스터 각 노드를 연결하기 위한 약간의 금속배선이 필요한 것이다.
그러나, 각 단위화소에 입력된 데이터를 처리하기 위해 로직/드라이버 영역은 제2 칩에 따로 구비하게 되므로, 금속배선영역(B')이 종래의 금속배선영역보다 크게 줄어들게 되므로 칼라필터와 포토다이오드사이의 간격이 크게 줄어 들게 되는 것이다.
따라서 도6의 우측에 있는 블럭구성도와 같이
제1 칩에서는 단위화소의 어레이만 제조되므로, 단위화소를 형성하기 위한 면적이 종래보다 크게 증가되어 단위화소를 종래보다 많이 제조할 수 있다.
또한 고집적 고성능 이미제센서는 해상도가 증가할 수록 제조되는 단위화소의 수가 증가하여 하나의 단위화소의 크기나 디자인룰의 축소가 요구되는데, 본 발명에서는 단위화소를 제조하는 면적이 증가되므로 단위화소의 크기 및 디자인룰의 축소 요구를 완화시킬 수 있게 된다.
도7은 하나의 시모스 이미지 센서 패키지 안에 전술한 제1 칩과 제2 칩을 패키징한 것을 나타낸 블럭구성도이고, 도8는 도7에 도시된 시모스 이미지센서의 평면도다.
상단의 제1 칩은 마이크로 렌즈와 칼라필터와 포토다이오드를 포함하는 단위화소의 어레이만 형성된 부분이고, 하단의 제2 칩은 제1 칩에 구비된 단위화소에 입력된 데이터를 처리하기 위한 로직/드라이버 회로가 구비된 부분이다.
제1 칩과 제2 칩은 도시된 바와 같이, 한개의 패드에 더블 와이어 본딩(double wire bonding)으로 연결한다.
패키지는 도7과 같이 제1 칩과 제2칩을 적층하여 패키지 하게 되는데, 제2 칩은 제1 칩보다 넓게 제조한다. 또한, 제2 칩에 구비되는 로직/드라이버 회로에 의해 처리되는 데이터는 제2 칩의 가장차리에 배치되는 패드를 통해 입출력하게 된다.
제1 칩에 구비되는 단위화소들에 입력된 데이터를 출력하기 위해서 제1 칩은 패드를 가지고 있고, 제1 칩의 패드와 제2 칩의 패드는 제1 본딩와이어로 연결된다. 또한, 제2 칩의 패드는 패키징 된 데이터 입출력 핀과 제2 본딩와이어로 연결되어 있다.
제1 칩에 입력된 화상데이터는 제1 본딩와이어를 통해 제2 칩으로 전달되고, 제2 칩으로 전달된 데이터를 일정한 처리를 거친 다음, 제2 본딩와이어를 통해 패키징 핀을 경유하여 외부로 전달되는 것이다.
종래의 기술은 전술한 바와 같이, 하나의 칩에 포토다이오드를 형성한 후에 다층 금속배선과 다층 금속배선의 절연을 위한 다층의 절연막을 형성하는 공정을 진행한 후에 칼라필터와 마이크로 렌즈가 형성되었다.
따라서 포토다이오드에서 칼라필터 사이에 다수의 절연막이 이루어져 있어서, 센스빌리터 감소 및 디펙트 증가로 배드 픽셀이 증가하여 소자 특성이 열화되는 문제점을 지고 있었다.
그러나, 본 발명에 따른 시모스 이미지센서는 종래보다 광경로를 획기적으로 감소시켜 센스빌러티의 증가를 가져올 수 있으며, 단위화소 어레이의 최대화 및 단위화소의 크기 및 디자인룰의 축소 요구를 완화시킬 수 있으며, 단위화소의 에피션시(efficiency) 증가, 스케트링 이펙트(scattering effect)를 최소화하여 색감 향상을 크게 향상시켰다.
또한, 기술이 발달하여 시모스 이미지센서의 해상도가 높아지게 되면, 한 단위화소에 해당되는 면적은 계속해서 줄어들게 되어 시모스 이미지센서의 특성이 계속 열화되는 문제점을 가지고 있었으나 본 발명에 의해 한 단위화소에 해당되는 면적을 충분히 확보할 수 있되어, 단위화소의 사이즈를 크게 할 수 있어 포토다이오드를 충분히 크게 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의해서 다층의 금속배선공정과 후속 절연막 증착고정 및 평탄화공정등을 포토다이오드 위에서 진행하지 않음으로서 매우 민감한 디펙트 덴스티(defect density)를 획기적으로 제거할 수 있어 배드 화소의 수를 크게 줄일 수 있다.
또한, 포토다이오드위에서 칼라필터/마이크로 렌즈오의 직접 공정을 통하여 다수의 금속배선을 절연하기 위해 구비되는 다층 절연막을 통하여 가시광선이 통과할 때 발생되는 빛의 손실을 없앰으로서 센스빌러티를 최대화 할 수 있는 장점도 있다.
즉, 마이크로 렌즈로부터 포토다이오드까지의 구비되었던 다층 절연막으로 인해 상이한 성분의 절연막에 의해 야기되는 난반사(diffuse reflectance)현상을 없앨 수 있고, 또한 다층 절연막간에 상이한 굴절율로 인한 빛의 굴절 현상을 최소화 하여 포토다이오드로 입사되는 빛의 양을 극대화할 수 있다.
또한, 로직/드라이버가 형성되는 제2 칩에서는 오직 데이터 처리를 위한 로직부분 만 구비되므로, 종래에 하나의 칩에 단위화소 어레이를 동시에 제조하게 됨으로서 문제가 되었던 화소어레이의 열화 없이 SRAM, 플레쉬 메모리등의 다른 로직/메모리 소자의 탑재도 구현할 수 있다.
즉, 6층이상의 금속배선을 가지는 로직/드라이버부가 제 2칩에 따로 제조되므로 보다 안정적인 제조가 가능하며, 특히 하나의 칩에 단위화소 어레이를 같이 제조할 때는 구현하기 힘들었던 130nm 및 90nm 이하의 코어로직 기술을 제2 칩의 제조에 그대로 적용할 수 있게 된다.
이상에서 살펴본바와 같이 본 발명과 같이 시모스 이미지 센서를 제조하여 패키지하게 되면, 전술한 많은 장점으로 인해 차세대 시모스 이미지 센서의 개발을 앞당길 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명에 의해 시모스 이미지센서를 만들경우, 종래의 시모스 이미지센서보다 마이크로렌즈에서 포토다이오드에 이르는 광경로를 획기적으로 감소시켜, 단위화소의 센스빌러티를 크게 증가시킬 수 있다.
또한, 하나의 칩에 단위화소만 제조하게 되므로, 단위화소를 집적하는데 있어 공간적인 면에서 종래보다 여유가 있어서, 단위화소의 사이즈 및 디자이 룰의 축소요구가 완화될 수 있다.
또한, 단위화소의 에피션시(efficiency)증가, 스케트링 이펙트(scattering effect) 최소화로 인한 색감 향상이 가능해져 차세대 시모스 이미지센서의 개발을 보다 앞당길 수 있다.
Claims (3)
- 마이크로렌즈,칼라필터,포토다이오드를 각각 구비하는 단위화소의 어레이만을 구비하는 제1 칩과,상기 제1 칩에 구비되는 단위화소에 입력된 데이터를 처리하기 위한 로직/드라이버 회로를 구비하고 있는 제2 칩을 구비하는 시모스 이미지센서.
- 제 2 항에 있어서,상기 제1 칩보다 넓은 면적의 제2 칩 위에 상기 제1 칩이 적층되어 패키징되는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
- 제 2 항에 있어서,패키지된 상기 시모스 이미지센서는상기 제1 칩에 구비되는 단위화소에 입력된 데이터를 전달하기 위한 제1 패드;상기 제2 칩의 가장자리에 구비되며, 상기 제2 칩의 로직/드라이버 회로에 의해 처리된 데이터의 입출력을 위한 제2 패드;상기 제1 패드에서 상기 제2 패드로 연결된 제1 본딩와이어;상기 제2 패드에서 패키지 핀까지 연결된 제2 본딩와이어를 구비하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
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