KR20060062461A - 적외선 필터가 내장된 이미지센서 - Google Patents

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KR20060062461A
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image sensor
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filter array
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정승만
박상종
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매그나칩 반도체 유한회사
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Abstract

본 발명은 별도의 젝외선 필터의 사용없이 적외선 필터 효과를 내면서도 제작 비용을 줄이면서 모듈의 크기를 줄일 수 있는 이미지센서를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 기판에 제공된 포토다이오드; 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부에 제공된 칼라필터 어레이; 상기 칼라필터 어레이 상에 제공되며, 적외선 필터링 기능을 수행하는 오버코팅 레이어; 및 상기 포토다이오드와 오버랩되도록 상기 오버코팅 레이어 상에 제공된 마이크로렌즈를 포함하는 이미지센서를 제공한다.
또한, 본 발명은, 기판에 제공된 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상부에서 복수의 절연막으로 둘러 쌓인 복수의 메탈라인; 상기 메탈라인 상에 제공되며, 적외선 필터링 기능을 수행하는 오버코팅 레이어; 상기 오버코팅 레이어 상에 제공된 칼라필터 어레이; 및 상기 포토다이오드와 오버랩되도록 상기 칼라필터 어레이 상에 제공된 마이크로렌즈를 포함하는 이미지센서를 제공한다.
이미지센서, 적외선 필터, LaB6, OCL, CFA, ML.

Description

적외선 필터가 내장된 이미지센서{IMAGE SENSOR BUILT-IN INFRA RED FILTER}
도 1은 RGB 색상이 모두 나타나도록 배열된 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소를 나타내는 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
SUB : 기판 Fox : 필드절연막
PMD : 메탈라인 형성 전 절연막 M1 ∼ M4 : 메탈라인
IMD1 ∼ IMD4 : 메탈라인 간 절연막 PL, LTO : 보호막
OCL1, OCL2 : 오버코팅 레이어 CFA : 칼라필터 어레이
ML : 마이크로렌즈
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로 특히, 적외선(IR; Infra Red) 필터가 센서 칩과 동시에 집적된 이미지센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
CMOS 이미지센서는 현재 모바일 폰(Mobile phone), PC(Personal Computer)용 카메라(Camera) 및 전자기기 등에서 광범위하게 사용되고 있는 디바이스(Device)이다. CMO 이미지센서는 기존에 이미지센서로 사용되던 CCD(Charge Coupled Device)에 비해 구동방식이 간편하며, 신호 처리 회로(Signal Processing Circuit)를 한 칩에 집적할 수 있어서 SOC(System On Chip)이 가능하므로 모듈의 소형화를 가능하게 한다.
또한, 기존에 셋-업(Set-up)된 CMOS 기술을 호환성 있게 사용할 수 있으므로 제조 단가를 낮출 수 있는 등 많은 장점을 가지고 있다.
한편, 이미지센서는 인간의 눈으로는 보이지 않는 적외선 영역의 빛에 대해서도 반응하는 특성이 있기 때문에 그러한 영역의 눈에 보이지 않는 광선을 걸러내야 화이트밸런스 등의 화질 조정에 문제가 발생하지 않는다. 따라서, 최외각 렌즈 표면에 녹색 빛을 띄는 적외선 필터를 사용한다.
한편, 이미지센서를 이용한 외부 디바이스에 장착되는 방식이므로, 최외각에 적외선 필터를 탑재하는 방식은 이미지센서 모듈 제작 비용을 크게 증가시켜 가격 경쟁력을 떨어뜨린다.
또한, 적외선 필터가 외부가 장착되므로 이미지센서 모듈의 크기를 증가시켜 그 응용 분야에 한계를 드러내게 한다.
아울러, 가시광선 영역의 빛이 반사 및 흡수되어 황 효율을 저하시킨다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 별도의 젝외선 필터의 사용없이 적외선 필터 효과를 내면서도 제작 비용을 줄이면서 모듈의 크기를 줄일 수 있는 이미지센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판에 제공된 포토다이오드; 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부에 제공된 칼라필터 어레이; 상기 칼라필터 어레이 상에 제공되며, 적외선 필터링 기능을 수행하는 오버코팅 레이어; 및 상기 포토다이오드와 오버랩되도록 상기 오버코팅 레이어 상에 제공된 마이크로렌즈를 포함하는 이미지센서를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판에 제공된 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상부에서 복수의 절연막으로 둘러 쌓인 복수의 메탈라인; 상기 메탈라인 상에 제공되며, 적외선 필터링 기능을 수행하는 오버코팅 레이어; 상기 오버코팅 레이어 상에 제공된 칼라필터 어레이; 및 상기 포토다이오드와 오버랩되도록 상기 칼라필터 어레이 상에 제공된 마이크로렌즈를 포함하는 이미지센서를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판에 제공된 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상부에서 복수의 절연막으로 둘러 쌓인 복수의 메탈라인; 상기 메탈라인 상에 제공된 제1오버코팅 레이어; 상기 제1오버코팅 레이어 상에 제공된 칼라필터 어레이; 상기 칼라필터 어레이 상에 제공된 제2오버코팅 레이어; 상 기 포토다이오드와 오버랩되도록 상기 제2오버코팅 레이어 상에 제공된 마이크로렌즈; 및 상기 마이크로렌즈 상에 평탄화되어 제공되며, 적외선 필터링 기능을 갖는 산화막을 포함하는 이미지센서를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판에 제공된 포토다이오드; 상기 포토다이오드 상부에 제공되며, 적외선 필터링 기능을 갖는 칼라필터 어레이; 및 상기 포토다이오드와 오버랩되도록 상기 칼라필터 어레이 상에 제공된 마이크로렌즈를 포함하는 이미지센서를 제공한다.
본 발명은 이미지센서 형성시 하부의 단차를 완화시키기 위해 사용하는 오버코팅 레이어(Over Coating Layer; 이하 OCL이라 함)에 적외선에 대한 필터링 기능을 갖는 LaB6를 첨가함으로써, 별도의 적외선 필터 없이 이미지센서가 적외선 필터링 기능을 갖도록 한다.
따라서, IR 필터를 이미지센서 칩의 외부에 장착하는 방식에 비해 그 제작 비용을 줄일 수 있으며, 이미지센서 모듈의 사이즈를 줄일 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.
도 1은 RGB 색상이 모두 나타나도록 배열된 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지센서의 단위화소를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 고농도의 P형(P++) 영역과 에피층(P-epi)이 적층된 구조를 갖는 기판(SUB)에 국부적으로 필드산화막(Fox)이 형성되어 있으며, 기판(SUB) 상에는 트랜스퍼 게이트(도시하지 않음)를 포함한 복수의 게이트전극이 형성되어 있으며, 예컨대, 트랜스퍼 게이트의 일측에 얼라인된 기판(SUB)의 표면 하부에 깊은 이온주입에 의한 N영 영역(도시하지 않음)과 기판(SUB)의 표면과 접하는 영역에 위치한 P형 영역(도시하지 않음)으로 이루어진 포토다이오드(이하 PD라 함)가 형성되어 있다. 도면에 도시되지는 않았지만, 이 경우 트랜스퍼 게이트의 타측에 얼라인된 기판(SUB)의 표면 하부에 이온주입에 의한 고농도 N형(N+)의 플로팅 확산영역이 형성된다.
PD 및 트랜스퍼 게이트가 형성된 전면에 메탈라인 형성 전 절연막(Pre-Metal Dielectric; 이하 PMD라 함)이 형성되어 있으며, PMD 상에 제1메탈라인(이하 M1이라 함)이 형성되어 있다.
M1 상에는 제1메탈라인 간 절연막(Inter-Metal Dielectric-1; 이하 IMD1이라 함)이 형성되어 있으며, IMD1 상에는 제2메탈라인(이하 M2라 함)이 형성되어 있다. M2 상에는 제2메탈라인 간 절연막(이하 IMD2라 함)이 형성되어 있으며, IMD2 상에는 제3메탈라인(이하 M3라 함)이 형성되어 있다. M3 상에는 제3메탈라인 간 절연막(이하 IMD3라 함)이 형성되어 있으며, IMD3 상에는 제4메탈라인(이하 M4라 함)이 형성되어 있다.
M1 ∼ M4은 전원라인 또는 신호라인과 단위화소 및 로직회로를 연결시키기 위한 것으로, PD 이외의 영역에 빛이 입사하는 것을 방지하기 위한 쉴드의 역할을 동시에 한다.
아울러, 여기서는 M4가 최종 메탈라인인 것으로 나타나 있으나, 이보다 제5 또는 제6 등 그 이상의 메탈라인을 포함하는 경우도 존재한다.
M4 상에는 하부 구조의 보호(Passivation)를 위한 보호막(Passivation Layer; 이하 PL이라 함)이 형성되어 있다. PL은 통상 질화막/산화막의 적층 구조를 이룬다.
PL 상에는 M4에 의해 발생된 하부의 단차를 극복하고 평탄화된 면을 얻어 후속 CFA 형성시 공정 마진을 높이기 위한 제1오버코팅 레이어(Over Coating Layer); 이하 OCL1이라 함)가 배치되어 있다.
OCL1 상에는 각 단위화소 별로 RGB 색상 구현을 위한 칼라필터 어레이(Color Filter Array; 이하 CFA라 함)가 형성되어 있다.
통상의 빛의 3원색인 R(Red)G(Green)B(Blue)를 사용하나, 이외에도 보색인 옐로우(Y; Yellow), 마젠타(Magenta; Mg), 시안(Cyan; Cy)을 사용할 수 있다.
CFA 상에는 막 평탄화를 이루어 마이크로렌즈 형성시 공정 마진 확보를 위한 제2오버코팅 레이어(이하 OCL2라 함)이 형성되어 있으며, OCL2 상에는 마이크로렌즈(Micro-Lens; 이하 ML이라 함)가 형성되어 있다.
ML 상에는 ML이 긁히거나 파손되는 것을 방지하기 위한 보호막(이하 LTO라 함)이 형성되어 있다. 입사된 빛은 마이크로렌즈(ML)에 의해 포커싱되어 포토다이오드(PD)로 입사한다.
LTO는 저온 방식에 의해 형성된 산화막(Low Temperature Oxide)를 뜻하는 것으로, 보호막 형성시 포토레지스트 물질로 이루어진 ML이 고온 공정에서는 변형될 수 있어 저온에서 증착한 산화막을 보호막으로 사용하므로 ML 상부의 보호막을 LTO라 칭한다.
상기한 구성은 종래의 CMOS 이미지센서와 동일한 구성처럼 보인다.
그러나, 본 발명에서는 OCL2가 적외선 필터링 기능을 갖도록 하였다. 즉, OCL2 형성시 LaB6를 OCL2 내부에 같이 혼합하여 OCL2가 적외선 필터의 역할을 동시헤 할 수 있도록 한다.
한편, OCL2 이외에 OCL1에 LaB6를 혼합하여 OCL1이 적외선 필터링 기능을 하도록 할 수 있다.
또한, CFA 내에 LaB6를 혼합하여 CFA가 광학 필터의 역할과 적외선 필터의 역할을 동시에 수행하도록 할 수 있다.
또한, ML 상부에 LaB6를 포함하는 평탄화된 산화막을 형성하여 적외선 필터를 구현할 수 있다.
전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 이미지센서 내에(OCL1, OCL2, CFA 또는 ML 상부)에 적외선 필터링 가능을 갖도록 함으로써, 이미지센서의 제작 비용을 감소시키고, 사이즈를 더욱 소형화할 수 있음을 실시예를 통해 알아보았다.
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.
상술한 본 발명은, 이미지센서의 제조 비용을 줄여 가격 경쟁력을 높이며, 소형화가 가능하게 하여 집적도를 높이는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 기판에 제공된 포토다이오드;
    상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부에 제공된 칼라필터 어레이;
    상기 칼라필터 어레이 상에 제공되며, 적외선 필터링 기능을 수행하는 오버코팅 레이어; 및
    상기 포토다이오드와 오버랩되도록 상기 오버코팅 레이어 상에 제공된 마이크로렌즈
    를 포함하는 이미지센서.
  2. 기판에 제공된 포토다이오드;
    상기 포토다이오드 상부에서 복수의 절연막으로 둘러 쌓인 복수의 메탈라인;
    상기 메탈라인 상에 제공되며, 적외선 필터링 기능을 수행하는 오버코팅 레이어;
    상기 오버코팅 레이어 상에 제공된 칼라필터 어레이; 및
    상기 포토다이오드와 오버랩되도록 상기 칼라필터 어레이 상에 제공된 마이크로렌즈
    를 포함하는 이미지센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 오버코팅 레이어는 LaB6가 혼합되어 적외선 필터링 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  4. 기판에 제공된 포토다이오드;
    상기 포토다이오드 상부에서 복수의 절연막으로 둘러 쌓인 복수의 메탈라인;
    상기 메탈라인 상에 제공된 제1오버코팅 레이어;
    상기 제1오버코팅 레이어 상에 제공된 칼라필터 어레이;
    상기 칼라필터 어레이 상에 제공된 제2오버코팅 레이어;
    상기 포토다이오드와 오버랩되도록 상기 제2오버코팅 레이어 상에 제공된 마이크로렌즈; 및
    상기 마이크로렌즈 상에 평탄화되어 제공되며, 적외선 필터링 기능을 갖는 산화막
    을 포함하는 이미지센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 산화막은 LaB6가 혼합되어 적외선 필터링 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  6. 기판에 제공된 포토다이오드;
    상기 포토다이오드 상부에 제공되며, 적외선 필터링 기능을 갖는 칼라필터 어레이; 및
    상기 포토다이오드와 오버랩되도록 상기 칼라필터 어레이 상에 제공된 마이크로렌즈
    를 포함하는 이미지센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 칼라필터 어레이는 LaB6가 혼합되어 적외선 필터링 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
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KR100968471B1 (ko) * 2008-04-10 2010-07-07 주식회사 에이디텍 실리콘 웨이퍼를 이용한 가시광 센서 및 이를 이용한반도체 집적회로 제조방법
US9035309B2 (en) 2010-02-05 2015-05-19 Samsung Electronics Co., Ltd. 3D CMOS image sensors, sensor systems including the same
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