KR20060075296A - 시모스 이미지센서 및 그의 제조방법 - Google Patents

시모스 이미지센서 및 그의 제조방법 Download PDF

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KR20060075296A
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Abstract

본 발명은 이미지센서에 있어서, 외부에서 입사된 광원의 크기가 작더라도 가장자리에 있는 포토다이오드에도 광원에서 입사된 빛이 모두 제대로 전달되어 광원의 크기에 관계없이 실물과 같은 이미지를 표현할 수 있는 이미지 센서를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 다수의 포토다이오드; 광원에서 입력된 빛을 굴절시켜, 대응하는 포토다이오드에 전달하기 위해 배치된 다수의 마이크로 렌즈; 및 상기 다수의 포토다이오드중 가장자리에 구비된 포토다이오드와 그 포토다이오드에 대응하는 마이크로 렌즈의 사이에 배치되어, 마이크로 렌즈를 통해 입사된 빛을 한번 더 굴절시켜 하단의 포토다이오드를 전달하기 위한 적어도 하나이상 배치되는 보조 마이크로 렌즈를 구비하는 시모스 이미지센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 다수의 포토다이오드를 기판상에 형성하는 단계; 상기 다수의 포토다이오드중 가장자리에 형성된 포토다이오드의 상부에 보조 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 모든 포토다이오드에 대응하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 시모스 이미지센서의 제조방법을 제공한다.
반도체, 이미지센서, 포토다이오드, 마이크로렌즈, 점광원.

Description

시모스 이미지센서 및 그의 제조방법{CMOS IMAGE SENSOR AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
도1은 통상적인 시모스 이미지센서의 블럭구성도.
도2는 통상적인 시모스 이미지센서의 단위화소의 구성을 도시한 회로도.
도3은 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 단면도.
도4는 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 문제점을 나타내는 도면.
도5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서를 나타내는 단면도.
도6a 내지 도6e은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법을 나타내는 공정단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
21 : 기판 22 : 포토다이오드
23 : 빛의 경로 24 : 바디영역
25 : 보조 마이크로 렌즈 27 : 점광원
29 : 마이크로 렌즈 28 : 평탄화막
본 발명은 시모스 이미지센서에 관한 것으로, 특히 점광원에 의해 마이크로 렌즈를 통과한 빛이 하단의 포토다이오드에 더 많이 모일 수 있도록 하는 시모스 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 장치중 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 모스 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 순차적으로 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
도1은 통상적인 시모스 이미지센서의 블럭구성도이다.
도1을 참조하여 살펴보면, 통상적인 시모스 이미지센서는 다수의 단위화소가 어레이된 픽셀 어레이와, 상기 픽셀어레이에서 출력되는 아날로그신호를 디지털 신호로 전환하는 ADC 블럭과, ADC 블럭에서 출력되는 디지털값을 저장하는 라인버퍼 와, 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 드라이브 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 하는 로드(load) 트랜지스터(106)가 형성되어 있다.
도3은 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 단면도이다.
도3에 도시된 바와 같이, 광원(16)에서 입사된 빛은 각 마이크로렌즈(15)를 통과하여 하단에 있는 포토다이오드에 의해 입사된 빛에 대응하는 정보가 이미지 센서의 내부회로에 전달된다.
이 때 광원의 크기가 클 경우에는 이미지센서에 구비된 모든 마이크로 렌즈에 일직선으로 빛이 입사되기 때문에 그 하단에 마이크로 렌즈에 대응하여 구비된 모든 포토다이오드에 빛을 전달하는 것이 가능하다.
그러나, 점광원과 같은 특이한 경우에는 이미지센서가 구비하는 마이크로 렌즈중 가장자리에 있는 마이크로 렌즈로는 빛이 일적선으로 입사되지 않는다.
따라서 가장자리에 있는 마이크로 렌즈를 통과하는 빛은 그 하단에 있는 포토다이오드에 전달되지 못하는 문제점이 생기게 된다.
도4는 종래기술에 의한 시모스 이미지센서의 문제점을 나타내는 도면이다.
도4에 도시된 바와 같이, 점광원같은 광원에 의해 입사된 빛이 가장자리에 있는 마이크로 렌즈에 입사되는 경우는 그 하단에 있는 포토다이오드에 전달되지 못하고 바깥으로 벗어나게 된다.
따라서 이렇게 되면 외부에서 입사된 빛에 대응하여 이미지를 형성할 때에 바깥부분은 제대로 표현하기가 매우 어려워지는 것이다.
본 발명은 이미지센서에 있어서, 외부에서 입사된 광원의 크기가 작더라도 가장자리에 있는 포토다이오드에도 광원에서 입사된 빛이 모두 제대로 전달되어 광원의 크기에 관계없이 실물과 같은 이미지를 표현할 수 있는 이미지 센서를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은 다수의 포토다이오드; 광원에서 입력된 빛을 굴절시켜, 대응하는 포토다이오드에 전달하기 위해 배치된 다수의 마이크로 렌즈; 및 상기 다수의 포토다이오드중 가장자리에 구비된 포토다이오드와 그 포토다이오드에 대응하는 마이크로 렌즈의 사이에 배치되어, 마이크로 렌즈를 통해 입사된 빛을 한번 더 굴절시켜 하단의 포토다이오드를 전달하기 위한 적어도 하나이상 배치되는 보조 마이크로 렌즈를 구비하는 시모스 이미지센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 다수의 포토다이오드를 기판상에 형성하는 단계; 상기 다수의 포토다이오드중 가장자리에 형성된 포토다이오드의 상부에 보조 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및 상기 모든 포토다이오드에 대응하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 시모스 이미지센서의 제조방법을 제공한다.
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 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서를 나타내는 단면도이다.
도5를 참조하여 살펴보면, 본 실시예에 따른 시모스 이미지센서는 다수의 포토다이오드(22)와, 광원에서 입력된 빛을 굴절시켜, 대응하는 포토다이오드에 전달하기 위해 배치된 다수의 마이크로 렌즈(29)와, 다수의 포토다이오드중 가장자리에 구비된 포토다이오드와 그 포토다이오드에 대응하는 마이크로 렌즈의 사이에 배치되어, 마이크로 렌즈를 통해 입사된 빛을 한 번 더 굴절시켜 하단의 포토다이오드 를 전달하기 위한 적어도 하나이상 배치되는 보조 마이크로 렌즈(25)를 구비한다.
여기서 보조 마이크로 렌즈(25)는 그 상부에 배치된 마이크로 렌즈(29)와 같은 형태의 사이즈로 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 실시예에 따른 시모스 이미지센서는 포토다이오드에 각각 대응하며, 마이크로 렌즈(20)와 포토다이오드(22) 사이에 다수의 칼라필터(미도시)를 더 구비한다.
따라서 도5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 시모스 이미지센서는 가장자리에 있는 마이크로 렌즈의 하단에는 보조 마이크로 렌즈를 추가로 배치시킴으로서, 점광원같이 광원의 크기가 매우 작아서 시모스이미지 센서의 가장자리에 배치된 마이크로 렌즈에 입사된 빛을 한번 더 굴절시켜 하단에 대응하는 포토다이오드로 전달하게 된다.
따라서 종래에 광원의 크기가 작아 가장자리에 있는 마이크로 렌즈에 입사되는 각이 너무 높아서 마이크로 렌즈를 통과한 빛이 그 하단에 있는 포토다이오드에 집속되지 못하는 문제점을 해결할 수 잇다.
따라서 본 실시예에 따른 시모스 이미지센서는 광원의 크기에 관계없이 물제가 가지고 있는 경계부분의 상의 정확하게 이미지로 제공할 수 있다.
도6a 내지 도6e은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법을 나타내는 공정단면도이다.
도6a에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 시모스 이미지센서의 제조방법은 먼저 포토다이오드(미도시)와 바디영역(24,포토다이오드 상부에 다층의 배선과 층간절연막이 형성되는 영역)을 완성한다.
통상적으로 바디영역과 마이크로 렌즈사이에는 칼라필터가 배치되며, 바디영역의 제조가 끝난 이후에는 칼라필터가 제조되는데, 여기서는 생략하였다.
이어서 바디영역상에 사다리꼴 형태의 렌즈패턴(25a)을 가장자리에 형성된 포토다이오드의 상부에 형성한다.
여기서 가장자리에 배치된 포토다이오드라는 것을 꼭 가장 최외각 바깥쪽 일열의 포토다이오드만을 말하는 것은 아니며, 점광원에 의해 입사각이 크게 입력된 빛에 대해서 포토다이오드에 집광하기 힘든 위치에 있는 모든 포토다이오드를 말한다.
렌즈패턴(25a)은 후속 열공정으로 마이크로 렌즈로 형성될 부분이며, 감광막등의 물질로 형성된다.
이어서 도6b에 도시된 바와 같이, 열공정을 진행하여 사다리꼴 형태의 렌즈패턴(25a)으로 보조 마이크로 렌즈(25)를 형성한다. 이 때 감광막으로 형성된 렌즈패턴(25a)은 고온 열공정에서 표면장력에 의해 렌즈모양을 가지게 된다.
이어서 도6c에 도시된 바와 같이, 보조 마이크로 렌즈(25)가 형성된 상태에서 소위 OCL(Over Coating layer)층이라고 하는 평탄화막(28)을 형성한다.
이어서 도6d에 도시된 바와 같이, 감광막 같은 렌즈물질을 이용해서 사다리꼴 형태의 렌즈패턴(30)을 하단에 형성된 모든 포토다이오드에 대응하여 형성한다.
이어서 도6e에 도시된 바와 같이, 고온 열공정을 통해 사다리꼴 형태의 렌즈패턴(30)을 마이크로 렌즈로 형성한다.
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 발명에서와 같이 다수 배치된 마이크로 렌즈의 가장자리에는 하단에 보조 마이크로 렌즈를 추가로 배치시킴으로서, 점광원 같이 광원의 크기가 작아서 가장자리의 마이크로 렌즈에 입사되는 빛의 각도가 커더라도 하단의 보조 마이크로 렌즈가 한번 더 빛을 굴절시키기 때문에 가장자리에 배치된 포토다이오드에도 충분히 빛이 집광될 수 있다.
따라서 실물의 크기에 관계없이 경계면을 정확하게 한 이미지를 구현할 수 있는 것이다.

Claims (7)

  1. 다수의 포토다이오드;
    광원에서 입력된 빛을 굴절시켜, 대응하는 포토다이오드에 전달하기 위해 배치된 다수의 마이크로 렌즈; 및
    상기 다수의 포토다이오드중 가장자리에 구비된 포토다이오드와 그 포토다이오드에 대응하는 마이크로 렌즈의 사이에 배치되어, 마이크로 렌즈를 통해 입사된 빛을 한번 더 굴절시켜 하단의 포토다이오드를 전달하기 위한 적어도 하나이상 배치되는 보조 마이크로 렌즈
    를 구비하는 시모스 이미지센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 포토다이오드에 각각 대응하며, 상기 마이크로 렌즈와 포토다이오드 사이에 다수의 칼라필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조 마이크로 렌즈는 그 상부에 배치된 마이크로 렌즈와 같은 형태의 사이즈로 배치되는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서.
  4. 다수의 포토다이오드를 기판상에 형성하는 단계;
    상기 다수의 포토다이오드중 가장자리에 형성된 포토다이오드의 상부에 보조 마이크로 렌즈를 형성하는 단계; 및
    상기 모든 포토다이오드에 대응하여 마이크로 렌즈를 형성하는 단계
    를 포함하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 보조 마이크로 렌즈가 형성된 기판상에 평탄화막을 형성하여 평탄화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 보조 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는
    보조 마이크로 렌즈가 형성된 영역에 렌즈물질을 이용하여 사다리꼴 형태의 렌즈패턴을 형성하는 단계; 및
    열공정을 통해 상기 렌즈패턴으로 상기 보조 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는
    마이크로 렌즈가 형성된 영역에 렌즈물질을 이용하여 사다리꼴 형태의 렌즈패턴을 형성하는 단계; 및
    열공정을 통해 상기 렌즈패턴으로 상기 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시모스 이미지센서의 제조방법.
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CN102522415A (zh) * 2011-12-22 2012-06-27 上海宏力半导体制造有限公司 Cmos图像传感器及其制作方法

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