KR20060077709A - 시모스 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 중심영역과 주변영역의 적색픽셀 상의 마이크로 렌즈의 크기를 다르게 하여 균일한 특성을 얻고 레드디쉬(red dish) 현상을 제거한 시모스 이미지 센서에 관한 것으로, 반도체 기판 상에 내부 마이크로 렌즈를 설치하여 광의 집적효과를 개선한 반도체 시모스 이미지 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 중심영역과 주변영역을 가지는 반도체 기판 상에 적색, 녹색, 그리고 청색의 광감지소자가 형성되고, 광감지소자 상에 층간절연막, 금속배선, 그리고 소자보호막과 상기 소자보호막 상에 제 1 컬러필터, 제 2 컬러필터, 제 3 컬러필터와 상기 제 1 컬러필터, 제 2 컬러필터, 제 3 컬러필터 상에 각각 형성된 마이크로 렌즈를 가지는 시모스 이미지 센서에 있어서, 상기 중심영역의 제 1 컬러필터 상에 형성된 마이크로 렌즈가 상기 주변영역의 제 1 컬러필터 상에 형성된 상기 마이크로 렌즈보다 작은 것을 특징으로 한다.
시모스 이미지 센서, 주변영역, 중심영역, 레드디쉬, 굴절률
Description
도 1은 종래 기술의 시모스 이미지 센서의 단면도 및 평면도
도 2는 이미지 센서의 입사화각을 보여주는 광학계의 모듈(module)
도 3은 개략적인 시야각의 정도를 나타낸 모식도
도 4는 이미지 센서의 픽셀 포맷(pixel format)별 스트레이(stray) 정도
도 5는 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 단면도 및 평면도
도 6은 이미지 센서의 픽셀의 배열
도 7은 입사파장에 따른 굴절률의 차이
도 8은 이미지 영역의 위치별 출력차이
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
30 : 제 1 적색컬러필터 31 : 제 1 녹색컬러필터
32 : 제 1 청색컬러필터 35 : 제 2 적색컬러필터
36 : 제 2 녹색컬러필터 37 : 제 3 청색컬러필터
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 중심영역과 주변영역의 적색픽 셀 상의 마이크로 렌즈의 크기를 다르게 하여 균일한 특성을 얻고 레드디쉬(red dish) 현상을 제거한 시모스 이미지 센서에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 개별 모스(MOS : metal-oxide-silicon) 캐패시터(capacitor)가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 이중결합소자(CCD : charge coupled device)와 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로에 사용하는 시모스(CMOS)기술을 이용하여 화소 수 만큼 모스 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용한 시모스(CMOS : complementary MOS) 이미지 센서가 있다.
그리고 피사체의 정보를 전기적인 신호로 변환하는 시모스 이미지 센서는 포토다이오드가 들어있는 시그널 처리 칩들로 구성되어 있으며, 칩 하나에 증폭기(Amplifier), 아날로그/디지털 변환기(A/D converter), 내부 전압 발생기(Internal voltage generator), 타이밍 제너레이터(Timing generator) 그리고 디지털 로직(Digital logic) 등이 결합되기도 하는데, 이는 공간과 전력 그리고 비용절감에 큰 장점을 갖고 있다. 이중결합소자(CCD)가 전문공정을 통하여 제조하지만, 시모스 이미지 센서는 이중결합소자보다 가격이 저렴한 실리콘웨이퍼(silicon Wafer)의 식각 공정을 통하여 대량생산이 가능하며, 집적도에서도 장점이 있다.
이러한 결과, 시모스 이미지 센서는 디지털 카메라, 스마트 폰, 피디에이(PDA), 노트북, 보안카메라, 바코드 탐지기, 완구 용품 등으로 응용분야가 확장되 고 있다.
그런데 시모스 이미지 센서의 광감도(Light sensitivity)를 향상시키기 위해이미지 센서에서 광감지 부분이 차지하는 필 팩터(Fill Factor)를 크게 하려고 시도하고 있지만, 신호 처리를 위한 로직 회로 부분으로 인해 면적이 제한되어 이러한 노력에는 한계가 있다.
따라서 입사광의 감도를 높여주기 위하여 광감지 소자(Photo Diode) 이외의 영역으로 입사하는 광의 경로를 변경하여 광감지 소자 부분으로 집광하는 마이크로 렌즈 형성 기술이다.
이동전화(mobile phone)용도의 이미지 센서의 경우, 뷰잉 앵글(viewing angle)에 맞도록 콤팩트 모듈(compact module)을 제조하게 되는데, 뷰잉 앵글은 사람의 시야각과 유사한 55도 정도의 입사화각을 가지도록 형성이 된다.
따라서 입사화각에 맞도록 이미지 센서에 온 칩(on chip)방식으로 형성되는 컬러필터(color filter) 및 마이크로 렌즈(micro lens) 공정에서, 이미지 센싱 영역의 중심쪽으로 쉬링킹(shrinking)하여 비스듬히 입사하는 광이 광전변환부에 집속이 되도록 형성을 하게 된다. 이때 이미지 센서의 중심에는 수직광이 입사하기 때문에 가시파장 전영역의 빛이 광감지소자에 무리 없이 집속이 된다.
그러나 마이크로 렌즈의 에지(edge)는 비스듬히 입사하는 광의 파장별 굴절율의 차이로 인하여 각 컬러 픽셀(color pixel)별 집속효율이 다르게 되어 중심영역과 주변영역의 출력차이로 인한 래드 디쉬(reddish)현상이 나타난다.
이를 상세하게 설명하면, 이미지 센서의 소형화, 다(多)화소 회로의 변화에 따라 단위 면적당 더 많은 화소를 만들고 있으며 화소 크기가 작아짐에 따라 상부에 원칩(one-chip)으로 형성하는 컬러필터 및 마이크로 렌즈의 크기 또한 작아진다. 단위화소 크기가 작아짐에 따라 빛을 받아들이는 광감지 소자 영역의 축소에 따라 감도는 줄어들게 된다.
따라서 줄어드는 감도를 보상하기 위해서는 더 많은 빛을 받아들여야 하는데, 그렇게 하기 위해선 개구부를 늘리는 방법과 상부에 집광 마이크로 렌즈를 형성하는 방법 등이 있는데 개구부는 대부분 금속배선으로 형성되어 있고, 금속배선은 광차폐막(optical shield) 역할을 하게 되는데, 입사하는 화상의 입사각도가 커짐에 따라 개구율을 늘려야 하며 이는 금속배선의 기능 저하를 가져온다.
그리고 회부화상의 균일한 재현을 위해서 이미지 센서의 중심영역과 주변영역의 균일한 입력이 요구된다. 균일한 입력을 위해서 주변영역의 상부 집광 마이크로 렌즈는 이미지 센서의 중심영역으로 일정거리로 쉬링크(shrink)시켜서 형성을 하게 되는 데, 이는 마스크(mask)의 가격 상승을 초래하고, 광경로(optical path)를 이동하기 때문에 더 많은 차폐금속(shield metal)의 개구를 요구한다.
이때 이미지 센서의 중심영역의 경우 수직광이 입사하기 때문에 가시파장 전영역의 빛이 광감지 소자에 무리 없이 집속이 되지만, 주변영역은 비스듬히 입사하는 광의 파장별 굴절율의 차이로 인하여 각 컬러픽셀(color pixel)별로 집속효율이 다르게 되어, 상대적으로 사람의 비시감도 기준은 휘도에 가장 큰 영향을 미치는 녹색(green color) 기준으로 형성이 되기 때문에 적색(red color)의 경우 굴절율의 상대적인 낮은 영향으로 광감지 소자에 집속효율이 가장 많아지게 된다.
따라서 이와 같은 영향으로 이미지 센서의 중심영역과 주변영역의 컬러별 출력차이로 인하여 중심영역의 적색출력의 상대적인 증가로 인하여 레드디쉬 문제가 발생한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 시모스 이미지 센서에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술의 시모스 이미지 센서의 단면도 및 평면도이다.
도 1에서와 같이, 이미지 센서의 중심영역에 제 1 적색 컬러 필터(red color filter)(10)와 인접하여 제 1 녹색 컬러 필터(green color filter)(11)가 형성되고, 제 1 녹색 컬러 필터(11)와 인접하여 제 1 청색 컬러 필터(blue color filter)(12)가 형성되고, 제 1 적색 컬러 필터(10), 제 1 녹색 컬러 필터(11), 그리고 제 1 청색 컬러 필터(12) 상에 마이크로 렌즈(13)가 설치된다.
그리고 이미지 센서의 주변영역에 제 2 적색 컬러 필터(red color filter)(14)와 인접하여 제 2 녹색 컬러 필터(green color filter)(15)가 형성되고, 제 2 녹색 컬러 필터(15)와 인접하여 제 2 청색 컬러 필터(blue color filter)(16)가 형성되고, 제 2 적색 컬러 필터(14), 제 2 녹색 컬러 필터(15), 그리고 제 2 청색 컬러 필터(16) 상에 마이크로 렌즈(17)가 설치된다.
여기서 중심영역의 제 1 적색 컬러 필터(10)와 주변영역의 제 2 적색 컬러 필터(14)의 마이크로 렌즈는 동일한 크기로 형성된다.
종래 기술에서 광학적 문제는 다음과 같이 설명할 수 있다.
도 2는 이미지 센서의 입사화각을 보여주는 광학계의 모듈(module)이다.
일반적으로 시야각(angle of view)은 사람이 육안으로 색깔을 감지할 수 있는 시야각인 55??기준으로 약간 더 넓은 55~65?? 정도의 시야각을 가지도록 설계를 한다.
이렇게 경사진 각을 가지고 입사하는 화상은 소자(device)의 축소에 따라 더욱 예민하게 광전변환부로의 입사에 어려움을 주고 있으며 이는 소자의 고화소, 소형화에 기능은 부가되고, 성능은 우수하게 제조하는 추세이기 때문에 공정적으로 촛점거리(focal length)층은 다른 층과 같이 축소되는 것과는 달리 늘어나는 방향이기 때문에 더욱 집광을 어렵게 한다.
도 3은 개략적인 시야각의 정도를 나타낸 모식도이다. 내부의 이미지 센서의 중심영역 이외의 주변영역은 ~30??에 가까운 경사진 각도로 외부의 화상이 입사하게 된다. 경사지게 입사하는 외부화상을 손실없이 광전변환부인 광감지소자에 집속하기 위해서는 하부의 집광 렌즈를 이미지 센서의 중심영역으로 적당량 이동하여야만 가능하게 된다. 이 부분에서 적당량 이동하기 위해서는 입사하는 각도에 맞도록 쉬링크되어야 한다. 따라서 이미지 센서의 대각선(diagonal)의 입사각도에 맞도록 이미지 센서의 중심영역으로 1 ~ 3um 이동함으로써 광전변환부에서 집속이 가능하게 된다.
도 4는 이미지 센서의 픽셀 포맷(pixel format)별 스트레이(stray) 정도이다. 화소수가 증가됨에 따라 대각선 방향으로 집광에서 벗어나는 정도가 많아지는 것을 볼 수 있으며, 이로 인한 집광을 위해서는 넓은 개구를 요구하게 되며, 이는 소자의 구현을 불가능하게 할 수 있다.
이와 같은 종래 기술의 시모스 이미지 센서는 다음과 같은 문제가 있다.
이미지 센서의 중심영역과 주변영역의 적색 컬러 필터를 동일한 크기로 형성하기 때문에 중심영역의 경우 수직광이 입사하기 때문에 가시파장 전영역의 빛이 광감지 소자에 무리 없이 집속이 되지만, 주변영역은 비스듬히 입사하는 광의 파장별 굴절율의 차이로 인하여 각 컬러픽셀(color pixel)별로 집속효율이 다르게 되어, 상대적으로 사람의 비시감도 기준은 휘도에 가장 큰 영향을 미치는 녹색(green color) 기준으로 형성이 되기 때문에 적색(red color)의 경우 굴절율의 상대적인 낮은 영향으로 광감지 소자에 집속효율이 가장 많아지게 되고, 이로 인해 중심영역과 주변영역의 컬러별 출력차이로 인하여 중심영역의 적색출력의 상대적인 증가로 인하여 레드디쉬 문제가 발생한다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 시모스 이미지 센서에 대한 문제를 해결하기 위한 것으로, 컬러별 집광렌즈의 크기를 다르게 형성하여 집속효율의 차이를 제거하는 시모스 이미지 센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서는 중심영역과 주변영역을 가지는 반도체 기판 상에 적색, 녹색, 그리고 청색의 광감지소자가 형성되고, 광감지소자 상에 층간절연막, 금속배선, 그리고 소자보호막과 상기 소자보호막 상에 제 1 컬러필터, 제 2 컬러필터, 제 3 컬러필터와 상기 제 1 컬러필터, 제 2 컬러필터, 제 3 컬러필터 상에 각각 형성된 마이크로 렌즈를 가지는 시 모스 이미지 센서에 있어서, 상기 중심영역의 제 1 컬러필터 상에 형성된 마이크로 렌즈가 상기 주변영역의 제 1 컬러필터 상에 형성된 상기 마이크로 렌즈보다 작은 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서에 있어서, 제 1 컬러필터, 제 2 컬러필터, 제 3 컬러필터는 각각 적색 컬러필터, 녹색컬러필터, 청색컬러필터인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서에 있어서, 상기 중심영역의 제 1 컬러필터 상에 형성된 마이크로 렌즈가 상기 주변영역의 제 1 컬러필터 상에 형성된 상기 마이크로 렌즈의 크기 차이는 5 % 이내 인 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서의 단면도 및 평면도이다.
반도체 기판 상에 적색, 녹색, 그리고 청색등과 같은 다수의 광감지소자(도시하지 않음)가 형성되고, 광감지소자 상에 층간절연막(도시하지 않음), 금속배선(도시하지 않음), 그리고 최종적으로 소자보호막(도시하지 않음)을 형성한 후에 컬퍼필터와 마이크로 렌즈를 다음과 같이 설치한다.
이미지 센서의 중심영역에 제 1 적색 컬러 필터(red color filter)(30)와 인접하여 제 1 녹색 컬러 필터(green color filter)(31)가 형성되고, 제 1 녹색 컬러 필터(31)와 인접하여 제 1 청색 컬러 필터(blue color filter)(32)가 형성되고, 제 1 적색 컬러 필터(30) 상에 적색 컬러 필터의 마이크로 렌즈(33)와 제 1 녹색 컬러 필터(31)와 제 1 청색 컬러 필터(32) 상에 서로 크기가 같은 녹색 및 청색 컬러 필터의 마이크로 렌즈(34)가 설치된다. 그리고 이미지 센서의 주변영역에 제 2 적색 컬러 필터(red color filter)(35)와 인접하여 제 2 녹색 컬러 필터(green color filter)(36)가 형성되고, 제 2 녹색 컬러 필터(36)와 인접하여 제 2 청색 컬러 필터(blue color filter)(37)가 형성되고, 제 2 적색 컬러 필터(35), 제 2 녹색 컬러 필터(36), 그리고 제 2 청색 컬러 필터(37) 상에 각각 적색, 녹색, 그리고 청색의 마이크로 렌즈(38)가 설치된다.
여기서 중심영역의 적색 컬러 필터의 마이크로 렌즈(33)는 주변영역의 적색 컬러 필터(35)의 마이크로 렌즈(38)보다 작은 크기로 형성되고, 이 크기의 차이는 5 % 이내이다.
도 6은 이미지 센서의 픽셀의 배열이다. 이미지 센서의 중심영역에서 적색 컬러 필터 상의 마이크로 렌즈(33)가 주변영역의 적색 컬러 필터 상의 마이크로 렌즈(38) 보다 작은 크기로 형성되는 것을 보여준다. 도 7은 입사파장에 따른 굴절률의 차이이다. 여기서 적색이 상대적으로 녹색 또는 청색보다 굴절률이 작다는 것을 알 수 있다. 도 8은 이미지 영역의 위치별 출력차이이다. 주변영역이 중심영역보다 상대적으로 출력이 적은 것을 알 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 시모스 이미지 센서는 다음과 같은 효과가 있다.
중심영역의 적색 픽셀의 마이크로 렌즈를 주변영역보다 작게 형성하여, 적색픽셀의 상대적으로 낮은 굴절율에 의한 굴절효과 저하로 광감지소자의 집속효과 저 하를 방지하여 이미지 센서의 균일한 특성을 얻도록 한다. DSP에서 신호처리시 중심영역의 적색 신호를 상대적으로 줄여서 다이나믹 범위(dynamic range)의 축소를 방지하는 효과가 발생되어 고품위의 컬러구현 및 감도가 높은 이미지 센서의 구현이 가능하게 된다.
Claims (3)
- 중심영역과 주변영역을 가지는 반도체 기판 상에 적색, 녹색, 그리고 청색의 광감지소자가 형성되고, 광감지소자 상에 층간절연막, 금속배선, 그리고 소자보호막과 상기 소자보호막 상에 제 1 컬러필터, 제 2 컬러필터, 제 3 컬러필터와 상기 제 1 컬러필터, 제 2 컬러필터, 제 3 컬러필터 상에 각각 형성된 마이크로 렌즈를 가지는 시모스 이미지 센서에 있어서,상기 중심영역의 제 1 컬러필터 상에 형성된 마이크로 렌즈가 상기 주변영역의 제 1 컬러필터 상에 형성된 상기 마이크로 렌즈보다 작은 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서, 제 1 컬러필터, 제 2 컬러필터, 제 3 컬러필터는 각각 적색 컬러필터, 녹색컬러필터, 청색컬러필터인 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 중심영역의 제 1 컬러필터 상에 형성된 마이크로 렌즈가 상기 주변영역의 제 1 컬러필터 상에 형성된 상기 마이크로 렌즈의 크기 차이는 5 % 이내 인 것을 특징으로 하는 시모스 이미지 센서.
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