KR20080106462A - 이미지 센서 광 실드 - Google Patents
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Abstract
각 픽셀 셀의 광센서 상의 불투명 물질의 복수의 분리된 블록을 포함하는 광실드부를 갖는 광실드를 사용하여 이미지 센서의 광 크로스톡을 감소하는 구조 및 방법에 관한 것이다. 상기 광 실드부는 상기 픽셀 셀과 관련된 포토센서에 광이 전달되도록 허용하는 간극을 갖는다. 블록들은 파장보다 짧은 거리만큼 서로 분리되어 있고, 이와 같이, 블록 사이에 생긴 공간은 비소망 영역으로의 입사광의 파장의 전달을 완화시킨다.
Description
본 발명은 일반적으로 이미지 센서용 광 실드에 관한 것이다.
이미저로 알려진 고상 이미지 센서는 (광양자, x-선 등과 같은) 특정 파장의 입사 방사선을 흡수하여, 흡수된 방사선에 대응하는 전기 신호를 발생한다. CCD(charge coupled devices), 포토 다이오드 어레이, 전하 주입 장치, 하이브리드 초점면 어레이, 및 보상 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서를 포함하는 다른 유형의 반도체 기반 이미지 센서가 있다.
CMOS 이미지 센서는 픽셀 셀의 초점면 어레이로 일반적으로 이루어진다. 픽셀 셀의 각각은, 기판의 하부에서 광발생된 전하를 축적하는 기판 위에 놓여져 있는 포토센서, 일반적으로 포토 게이트, 포토 컨덕터 또는 포토 다이오드를 포함한다. 판독 회로는 각 픽셀 셀에 접속되고, 기판에 형성된 적어도 출력 트랜지스터, 포토 센서에 인접한 기판 상에 형성되고, 출력 트랜지스터의 게이트에 접속된 전하 저장 영역, 일반적으로 플로팅 확산 영역을 포함한다. 이미지 센서는 기판의 하부로부터 플로팅 확산 영역으로 전하를 전송하는 트랜지스터 및 전하 전송 전에 소정의 전하 레벨로 그 영역을 리셋하는 일반적으로 트랜지스터등의 적어도 하나의 전자 장치를 또한 포함할 수 있다.
CMOS 이미지 센서에서, 픽셀 셀의 능동 소자는 필요한 기능을 행한다, 즉, (1) 양자의 전하로의 변환, (2) 이미지 전하의 축적, (3) 전하 증폭이 수반되는 플로팅 확산 영역으로의 전하의 전송, (4) 플로팅 확산 영역을 알려진 상태로 리셋, (5) 판독을 위해 픽셀 셀의 선택, (6) 픽셀 셀 전하를 나타내는 신호의 출력 및 증폭을 행한다. 초기의 전하 축적 영역으로부터 플로팅 확산 영역으로 움직일 때 광전하는 증폭될 수 있다. 플로팅 확산 영역에서 전하는 소스 폴로워 출력 트랜지스터에 의해 픽셀 셀 출력 전압으로 일반적으로 변환된다.
상기 서술된 유형의 CMOS 이미지 센서의 예는 예를 들면, 그 전체가 참고로 여기에 통합되어 있는, 마이크론 테크놀로지 인코퍼레이티드의 미국 특허 번호 6,140,630, 미국 특허 번호 6,376,868, 미국 특허 번호 6,310,366, 미국 특허 번호 6,326,652, 미국 특허 번호 6,204,524, 미국 특허 번호 6,333,205 등에 논의되는 것같이, 일반적으로 알려져 있다.
각 픽셀 셀의 포토센서는 포토센서에 충돌하는 광의 세기에 대응하는 신호를 생성한다. 이미지가 픽셀 셀의 어레이에 초점이 맞춰지면, 결합된 신호가, 예를 들면, 저장, 디스플레이, 프린트 및/또는 전송될 수 있는 이미지의 디지털 표시를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 포토센서로 향해진 모든 광이 반사되거나 또는 굴절되기 보다는 그 포토센서에 충돌하는 것이 중요하다. 광이 정확한 포토센서에 충돌하지 않으면, 픽셀 셀 사이에 광크로스톡이 발생할 수 있다.
광크로스톡은 고상 이미지 센서의 픽셀 셀 어레이에서 인접하는 포토센서 사이에 존재할 수 있다. 이상화된 포토센서, 포토 다이오드에서, 예를 들면, 광은 직 접 광을 받는 포토다이오드의 표면을 통해서만 들어간다. 그러나, 실제로, 인접하는 포토센서로 향해진 광도 예를 들면 포토센서 구조의 측면을 통해서 미광(stray light)의 형태로 포토 다이오드에 또한 들어간다. 픽셀 셀의 어레이내의 반사 및 굴절은 미광을 발생시키고, 이것을 광 크로스톡이라 칭한다.
광 크로스톡은 생성되는 이미지에 원하지 않는 결과를 가져올 수 있다. 이미지 센서 어레이의 픽셀 셀의 밀도가 증가하고, 따라서 픽셀 셀 크기가 감소되면서, 원하지 않는 결과는 더 분명해질 수 있다. 축소되는 픽셀 셀 크기는 각 픽셀 셀의 포토 센서에 입사광의 초점을 맞추는 것을 점점 어렵게 한다.
광크로스톡은 고상 이미지 센서에 의해 생성되는 이미지에서 블러(blur) 또는 콘트라스트의 감소로서 명백해질 수 있다. 본질적으로, 이미지 센서 어레이에서 광크로스톡은 공간 해상도를 열화시키고, 전체 감도를 감소시켜서, 색혼합을 야기시켜서, 칼라보정뒤에 이미지 노이즈가 생기게 한다. 상기 서술된 것같이, 픽셀 셀 및 센서 크기가 감소되면서 이미지 열화가 보다 분명해질 수 있다.
이미지 센서의 광 크로스톡을 감소시키는 방법의 하나는 광 실드를 사용하는 것이다. 일반적인 이미지 센서는, 픽셀 셀의 나머지를 광으로부터 차폐시키면서, 들어 오는 광에 포토 센서의 적어도 일부분에서 노출되는 간극을 제공하는 광실드를 포함한다. 이상적으로, 광실드는 인접하는 픽셀 셀의 수신된 광 신호를 차단하고, 광전류가 픽셀 셀의 비소망 위치에서 발생되는 것을 방지할 수 있어서, 더 적은 블루밍, 블러, 및 다른 불리한 효과를 가지고 더 높은 해상도의 이미지를 얻는다. 광실드는 픽셀 셀과 연관된 회로가 예를 들면, 방사 손상, 및 이 픽셀 셀의 출 력 신호의 일부로 회로에서 바람직하지 않게 변환될 수 있는 미광을 사용하는 것을 또한 방지할 수 있다.
종래 기술에서, 각종 백 엔드 폴리머 기반 광실드 물질이 사용되어 왔다. 그러나, 금속보다 큰 광차단 효과를 얻을 수 없었다. 이상적으로, 완전한 광 차단을 위해, 하나의 연속적인 금속층은 이미지 센서에서 광실드로서 사용된다. 광실드는 회로와 픽셀 셀과 결합된 포토센서 위에 일반적으로 형성된다. 광실드는 광이 포토 센서로 통과하도록 허용하는 간극을 또한 갖는다. 이미지 센서에 형성된 광실드의 예는, 그 전체가 여기에 참고로 통합되어 있는, 각각 마이크론 테크놀로지 인코퍼레이티드의 미국 특허 번호 6,611,013 및 미국 특허 번호 6,812,539에 제공된다.
그러나, 이미지 센서에서 금속 광차단 실드에 관련된 몇몇 바람직하지 않은 성질이 있다. 광실드는 이미지 센서의 금속 상호접속층(예를 들면, 금속(1), 금속(2) 또는 활용하면, 금속(3) 층)에 일반적으로 형성되었지만, 이 유형의 광실드 배열은 통상의 도전성 상호접속 목적(예를 들면, 이미지 센서용 도전성 접속)이라기 보다는 광실드에 금속층의 사용을 제한한다. 일반적으로, 전기 장치용 광실드로서 하나의 연속적인 금속 블록을 사용하는 것은, 그 센서의 구성 부품이 어떻게 전원 또는 시그널링을 실행하는지에 충돌을 가져올 수 있다. 또한, 포토센서로부터 떨어져 있는 상부 금속화층에서 광 실드를 가지므로 픽셀 셀에서 광 파이핑(piping) 및 광섀도잉(shadowing)을 증가시킬 수 있어서, 센서 기능에서 에러를 야기시킬 수 있다.
금속 광 실드를 갖는 다른 문제는 이미지 센서 위에 가해지는 스트레스량에 관한 것이다. 예를 들면, 양호한 광 차단을 얻기 위해 500Å 초과의 두께의 텅스텐 층을 필요로 한다. 큰 텅스텐 층을 적용하는 것은 현저한 스트레스를 장치에 가져오게 되어, 더 높은 암전류, 누설 전류를 가져올 수 있고, 최악의 경우에는, 심각한 프로세스 문제를 발생시키는 필름 박피(peel-off)를 발생할 수 있다. 따라서, 상기 단점을 갖지 않는 이미지 센서용 광실드가 소망되고 있다.
본 발명은 예를 들면, 각 픽셀 셀의 포토 센서 위에 복수의 불투명한 물질 블록을 포함하는 광실드부를 갖는 광실드를 사용하여, 광 크로스톡을 감소시키는 것같이 이미지 센서 성능을 개선하는 구조 및 방법을 제공한다. 픽셀 셀과 결합된 포토 센서로 광을 통과시키는 것을 허용하는 간극을 형성하기 위해 광실드부가 배열된다. 광실드부는, 또한 광을 차단하고자 하는 위치에서 입사광의 파장의 전체 또는 적어도 일부를 통과시키는 것을 방지하는 블록들 사이에 공간을 형성하기 위해 배열된다.
물질 블록으로 금속이 사용되는 광 실드에 있어서, 이것은 하나의 연속적인 금속 블록이 아니라, (광실드부 마다)작은 블록으로 구성되기 때문에, 본 발명의 광 실드의 예는 기판의 표면의 전체 네트 스트레스를 감소시킨다. 물질 블록은 임의의 형상이거나 크기일 수 있으므로, 광실드는 이미지 센서 위에 놓여질 수 있는 것에 제한되지 않는다. 광실드는 기판에 근접한 위치 또는 도전성 상호접속층(예를 들면, 금속(1) 층 이상)의 하나에 놓여질 수 있다. 광실드가 금속으로 형성되면, 다른 금속 레이아웃에 전기적인 접촉없이 놓여질 수 있다. 그러나, 다른 전기적 접속이 요구되면, 광실드의 일부를 형성하는 블록은 다른 금속 레이아웃에 연결될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 장점 및 특징은 본 발명의 각종 실시예들을 도시하는 다음의 상세한 설명 및 도면으로부터 보다 분명해진다.
도 1은 본 발명에 따라서 구성된 픽셀 셀과 광 실드의 부분 단면도이다.
도 2는 라인 2-2'를 통한 도 1의 픽셀 셀과 광 실드의 실시예를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따르는 CMOS 이미지 센서를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따라서 구성된, 적어도 하나의 CMOS 이미지 센서를 통합하는 프로세서 시스템을 나타낸다.
다음의 상세한 설명에서, 참조 부호가 첨부된 도면에 붙여져서, 도면의 일부를 형성하고, 본 발명이 실현될 수 있는 각종 실시예를 도시를 통해 나타낸다. 이들 실시예들은 본 기술에서 숙련된자가 본 발명을 만들어 사용할 수 있도록 충분히 상세하게 서술되어 있다. 다른 실시예들이 활용될 수 있고, 본 발명의 진의와 범위를 벗어나지 않으면, 사용되는 물질의 변화뿐 아니라, 구조적, 논리적, 및 전기적 변화가 행해질 수 있다. 또한, 특정 처리 단계가 서술되어 있고, 처리 단계의 특정 순서가 개시되어 있지만, 단계의 시퀀스는 여기에 설명된 것에 제한되지 않고, 특정 순서로 반드시 행해져야 하는 단계 또는 동작들을 제외하고는, 본 기술에서 알려진 것같이 변경될 수 있다.
용어 "웨이퍼" 및 "기판" 은 변경가능한 것으로, 실리콘, SOI(silicon on insulator), SOS(silicon on sapphire), 도핑 및 비도핑된 반도체, 베이스 반도체 기반 및 다른 반도체 구조에 의해 지지되는 실리콘의 에피택셜층을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 다음의 설명에서 "기판" 또는 "웨이퍼"에 대해 참조 부호를 붙일 때, 베이스 반도체 구조 또는 기반 또는 그 위에, 영역, 접합 또는 물질층을 형성하기 위해 이전 처리 단계가 활용될 수 있다. 또한, 반도체는 실리콘 기반일 필요는 없고, 실리콘-게르마늄, 게르마늄, 갈륨 비소, 또는 다른 주지의 반도체 물질에 기초할 수 있다.
용어 "픽셀" 또는 "픽셀 셀"은 포토 센서 및 전자기 방사가 전기 신호로 변환하는 트랜지스터를 포함하는 광소자 유닛 셀을 지칭한다. 본 발명은 하나의 픽셀 셀의 구조 및 제조를 참조하여 서술되었지만, 이것은 이미지 센서의 어레이의 복수의 픽셀 셀을 대표하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명은 CMOS 이미지 센서를 참조하여 아래에 서술되었지만, 본 발명은 픽셀 셀을 갖는 어떠한 고상 이미지 센서에 응용성을 갖는다. 그러므로, 다음의 상세한 설명은 제한하는 의미로 취해진 것은 아니고, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정된다.
도면을 참조하면, 도 1 및 2는 기판(10)의 도핑된 p형 영역(16) 및 그 위에 부분적으로 형성되어 있는 CMOS 픽셀 셀(12)에 도시된 본 발명의 실시예를 나타내며, 포토 센서(14), 전송 게이트(22), 리셋 게이트(28), 소스 폴로워 게이트(32), 로우 선택 게이트(36)를 포함한다. 포토 센서(14)는 n형 도전성 영역(18) 및 상기 n형 영역(18)위에 최상 p형 도전성 박층(20)을 포함한다. 전송 게이트(22)는 포토센서(14)에 의해 축적된 전하를 플로팅 확산 영역(24)으로 전기적으로 게이트하는 전송 트랜지스터의 일부를 형성한다. 상기 플로팅 확산 영역(24)에서 제1 컨덕터(26)는 예를 들면, 금속(1)(또는 제1 금속)층에 설치될 수 있는 도전성 상호접속층에서 도전성 경로(50)에 의해 접속된, 제2 컨덕터(34)를 통해 소스 폴로워 트랜지스터의 소스 폴로워 게이트(32)와 전기적으로 연결된다. 플로팅 확산 영역(24)을 전송 트랜지스터와 공유하는 것은 리셋 게이트(28)를 갖는 리셋 트랜지스터이다. 리셋 트랜지스터는 리셋 트랜지스터가 활성화되었을 때 플로팅 확산 영역(24)에 리셋 전압을 제공하는 컨덕터(30)를 갖는 소스/드레인 영역을 통해 전압원에 연결되어 있다.
도 1 및 도 2는 단일 픽셀 셀(12)에 대한 회로를 나타내고 있지만, 실제 사용에서는, 기판(10)에 형성되고, 로우 및 칼럼으로 배열된 M x N 어레이의 픽셀 셀이 있을 수 있고, 어레이의 픽셀 셀(12)은 본 기술에서 알려진 것같이, 로우 및 칼럼 선택 회로를 사용하여 억세스 된다. 도시된 픽셀 셀(12)은 섈로우 트렌치 분리 영역(42)에 의해 어레이의 다른 픽셀 셀로부터 옆으로 분리될 수 있다. 단순하게 하기 위해, 분리 영역(42)을 픽셀 셀(12)의 2측면을 따라서만 도시했지만, 실제로 트렌치 분리 영역은 픽셀 셀(12)의 전체 주변 주위에서 연장될 수 있다. 픽셀 셀(12)은 본 발명이 사용될 수 있는 일 실시예일 뿐이다. 픽셀 셀(12)의 구성 및 동작, 또는 CMOS 어레이에서 CMOS 픽셀 셀의 사용은 본 발명을 제한하고 있지 않다.
광실드(44)는 입사광의 적어도 일부가 픽셀 셀(12)의 어레이의 비소망 영역으로 통과하는 것을 방지하기 위해 기판(10) 위에 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예는, 도 1 및 2에 도시된 것같이, 포토 센서(14) 위에 형성된 광 실드(44)와 그 관련 회로를 각 픽셀 셀(12)에 제공한다. 광 실드(44)는 각 픽셀 셀(12)의 포토 센서(14)를 통해 광이 흐르는 것을 허용하는 간극(46)을 제공하기 위해 배열되고 공간이 떨어진 복수의 불투명 광실드부를 갖는다. 또한, 광실드(44)는 입사광의 전 체 또는 적어도 상당한 부분이 각 픽셀 셀(12)의 다른 영역 및 인접하는 픽셀 셀로 통과하는 것을 방지한다.
광실드(44)는 픽셀 셀(13) 당 복수의 불투명 물질 블록(45a, 45b, 45c, 45d, 45e, 45f, 45g, 45h, 45i, 45j, 45k, 45l, 45m)로 형성된 광실드부를 포함한다. 광실드(44) 물질은 WSix, W, TiN, Ti, Co, Cr, poly/WSix, Al, Ti/Al, TiSi2/Al, Ti/Al/TiN, Mo, Ta 또는 원하는 광차단성, 전기 및 물리적 특성을 갖는 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 텅스텐 등의 굴절 금속 물질은 더 높은 온도 내성을 가지므로, 텅스텐 광실드는 기판(10) 표면에 매우 근접한 위치에 적용될 수 있다. 알루미늄 광실드는 도전 상호 접속층(50)(즉, 금속(1) 층)에서 사용될 수 있고, 이것은 기판(10) 표면에 비교적 근접해 있다.
일 실시예에서, 광실드(44)는 픽셀 셀(12) 당 복수의 금속 물질 블록(45a, 45b, 45c, 45d, 45e, 45f, 45g, 45h, 45i, 45j, 45k, 45l, 45m)을 포함할 수 있다. 광실드로서 하나의 연속적인 금속 블록과 다르게, 광실드를 형성하기 위해 더 작은 금속 블록을 사용하여 실리콘 표면에 높은 스트레스를 방지한다. 금속을 더 작은 조각으로 부수어서 기판 위에 금속 스트레스의 양을 배분하므로, 전체의 네트 스트레스는 하나의 큰 연속적인 금속 블록의 광실드를 포함하는 것보다 더 적다. 금속 물질로 이루어지는 블록은 본 발명의 일 실시예일 뿐이라고 생각해야 한다. 물질 블록은 입사광의 파장의 적어도 일부가 통과하는 것을 방지하는 임의의 불투명 물질을 포함할 수 있다.
광실드(44)는 매우 얇을 수 있다. 예를 들면, 일반적인 금속 상호 접속 층과 비교하여, 약 1,000Å 내지 약 10,000Å 두께일 수 있고, 광실드(44)는 입사광(47c)의 적어도 일부가 통과하는 것을 방지하기에 충분할 두께(즉, 약 100Å 내지 약 3,000Å 두께)만이 필요하다. 이 범위내의 특정 두께는 광실드(44) 물질의 광흡수/반사 성질에 의해서 결정될 수 있다. 광 실드(44)에 충돌하는 광의 1% 미만이 하부 픽셀 셀(12)을 관통할 수 있는 것이 바람직하다.
복수의 물질 블록(45a, 45b, 45c, 45d, 45e, 45f, 45g, 45h, 45i, 45j, 45k, 45l, 45m)을 포함하는 광실드는, 입사광(47a)의 파장의 적어도 일부가 통과하는 것을 방지하기에 충분한 크기의 공간을 제공하는 제1 거리(43a)와, 광(47b)이 통과하기에 충분한 크기의 간극(46)을 제공하는 제2 거리(43b) 만큼 서로 블록이 분리되도록. 배열될 수 있다. 도시된 실시예에서, 광실드(44)의 물질 블록(45b, 45c, 45d)은 포토센서(14) 위의 간극(46)을 정의하는 제2 거리(43b)만큼 물질 블록(45a)으로부터 분리되도록 배열되어 있음으로써, 광(47b)이 포토센서(14)를 통과하는 것을 허용한다. 물질 블록(45b, 45c, 45d) 사이의 제1 거리(43a)는 입사광(47a)의 파장의 적어도 일부가 픽셀 셀(12)의 비소망 영역으로 통과하는 것을 방지한다. 물질 블록은 불투명하고, 각 물질 블록에 충돌하는 입사광(47c)의 1% 미만이 하부 픽셀 셀(12)(예를 들면, 물질 블록(45b))을 관통하는 것을 허용하기에 충분한 두께이다. 물질 블록(45b, 45c, 45d)은 입사광의 적어도 일부가 인접하는 픽셀 셀로 통과하는 것을 방지하도록 배열될 수 있다. 물질 블록이 도전성이면, 접지 회로에 의해 선택적으로 전기적으로 접지될 수 있음으로써, 하부 픽셀 셀(12) 회로 에 전기적 차폐를 제공할 수 있다. 개구(48)는 물질 블록(45e, 45f, 45g)에 설치되어 다양한 회로 접촉자(26, 30, 34, 40, 38)가 도전 상호접속층(50)과 하부 픽셀 회로, 예를 들면 22, 28, 32, 36 사이에 전기적으로 연결되게 한다.
[표 1] : 실리콘(Si) 기판의 표면 또는 내부의 광세기의 전자기 시뮬레이션
표 1은 (1) 포토센서 위에 불투명 물질 블록을 포함하는 광실드가 없는 포토센서, (2) 0.15 ㎛ 폭과 0.15 ㎛ 제1 거리(43a)를 갖는 알루미늄 물질 블록, (3) 0.3 ㎛ 폭과 0.4 ㎛ 제1 거리를 갖는 알루미늄 물질 블록을 비교하고 있다. 보여진 바와 같이, 금속 물질 블록을 포함하는 광실드를 사용하면 4 ~ 6 정도의 크기의 광세기 감소를 가져서, 이미지 센서에 대해 이상적이다.
도 2는 라인 2-2'을 따라 취한 도 1의 픽셀 셀(12)의 일부의 단면을 나타낸다. 도시된 것같이, 광투과 제1 유전층(52)이 픽셀 셀(12)의 트랜지스터 게이트, 예를 들면, 트랜지스터 게이트(22)의 레벨 위의 상부면을 갖는 픽셀 셀(12) 위에 설치될 수 있다. 광실드(44)는 제1 유전층(52) 위에 형성된다. 제1 유전층(52)과 유사한 광 투과 및 절연성을 갖는 제2 유전층(54)이 광실드(44) 위에(및 간극(46)내에) 형성될 수 있다. 도전성 상호접속층(50), 즉, 금속(1) 층은 제2 유전층(54) 위에 형성될 수 있고, 각종 층(54, 52, 44)을 통해 개구(48)에 설치된 하부 회로에 접촉자(예를 들면, 컨덕터(26))에 의해 접속될 수 있다. 추가의 유전, 도전성 상호 접속 또는 패시베이션, 칼라 필터 및 마이크로 렌즈 층이 도전성 상호접속층(50) 위에 형성될 수 있지만, 본 기술에서 주지된 것으로서 도시하지 않는다.
도 1 및 2에 도시된 것같이, 인접 물질 블록, 예를 들면, 45b와 45c, 45c와 45d, 45a와 45f, 45a와 45m, 45a와 45l, 45f와 45e, 45f와 45j, 45f와 45m, 45e와 45h, 45e와 45j, 45e와 45i, 45h와 45i, 45i와 45g, 45g와 45j, 45g와 45k, 45j와 45k, 45k와 45m, 45k와 45l, 45l와 45m이 제1 거리(43a) 만큼 서로 분리된다. 제1 거리(43a)는 입사광(47a)의 파장의 적어도 일부가 픽셀 셀로 통과하는 것을 방지하기에 충분한 크기의 공간을 한정한다. 제1 거리(43a)는 이미지 센서를 만들기 위해 사용되는 프로세스에 의해 결정된다. 제1 거리(43a)는 가시광(47a)의 파장보다 더 짧은 임의의 길이일 수 있다. 다른 실시예에서, 각각 칼라 필터(예를 들면, 적색, 녹색, 청색)와 결합되고, 그래서, 필터에 의해 통과된 광의 파장과 결합된 복수의 픽셀 셀(12)을 포함하는 픽셀 셀 어레이가 광의 관련된 파장에 기초하여 결정된 제1 거리(43a)를 가질 수 있으므로, 광의 파장의 적어도 일부가 차단될 수 있다.
본 기술에서 알려진 것같이, 광은 사람 눈에 보이는 파장(예를 들면, 가시광)으로 전자기 방사한다. 전파(wave transmission)는 전자기 이론에 의해 설명될 수 있다. 예를 들면, 면파가 패러데이 컵 전자기 실드를 만날 때 컵의 개구가 파장보다 작으면 회절한다. 전자기파의 이동성은 파장과 컵의 개구에 관계한다. 전자기 방사 세기는 다음과 같이 감소하고 
여기서, α는 컵개구 지름이고, λ는 파장이다. 컵의 개구가 파장보다 작으면, 파동 관통 비율이 현저하게 감소된다.
효과적인 광차폐를 위해, 바람직한 제1 거리(43a)는 약 0.4㎛이하여야 하고, 이것은 가시광의 파장의 약 1/4이다. 도 2에 도시된 것같이, 가시광(47a)이 인접한 물질 블록(예를 들면 광차단이 소망되는 45a, 45f) 사이의 개구에 닿을 때, 전자기파는 직선으로 진행하는 대신에 회절하여 파를 확산한다. 그 결과, 가시광(47a)의 적어도 일부가 인접한 물질 블록(45a, 45f) 사이의 개구를 통해 비소망 영역으로 통과할 수 없다.
도 3은 도 1 및 도 2에 관련하여 상기 서술된 방식으로 구성된 픽셀 셀(12)과 광 실드(44)를 통합하는 픽셀 셀 어레이(120)를 갖는 CMOS 이미지 센서(100)에 대한 블록도를 도시한다. 픽셀 셀 어레이(120)는 소정수의 칼럼 및 로우로 배열된 복수의 픽셀 셀(12)을 포함한다. 어레이(120)의 각 로우의 픽셀 셀(12)은 로우 선택 라인에 의해 동시에 전체 온으로 될 수 있고, 각 칼럼의 픽셀 셀(12)은 칼럼 선택 라인에 의해 출력 라인으로 선택적으로 출력된다. 복수의 로우 및 칼럼 라인이 전체 어레이(120)에 대해 제공된다. 로우 라인은 로우 어드레스 디코더(140)에 따라서 로우 드라이버(130)에 의해 선택적으로 활성화되고, 칼럼 선택 라인은 칼럼 어드레스 디코더(170)에 따라서 칼럼 드라이버(160)에 의해 선택적으로 활성화된다. 그래서, 로우와 칼럼 어드레스가 각 픽셀 셀(12)에 대해 제공된다.
CMOS 이미지 센서(100)는 픽셀 판독을 위해 적절한 로우와 칼럼 라인을 선택하기 위해 어드레스 디코더(140, 170)를 제어하는 제어 회로, 및 선택된 로우와 칼럼 라인의 구동 트랜지스터에 구동 전압을 인가하는 로우와 칼럼 드라이버 회로(130, 160)에 의해 동작된다. 메모리(175), 예를 들면, SRAM은 어레이(100) 및 제어 회로(150)와 통신할 수 있다. 시리얼라이저 모듈(180) 및 SFR(Special Function Register) 장치(185)는 제어 회로(120)와 각각 통신할 수 있다. 선택적으로, 국부화된 전원(190)은 이미지 센서(100)에 통합될 수 있다.
일반적으로, 광입력을 수신하여 전하를 발생할 때, 이미지 센서(100)에서 신호 흐름은 어레이(120)에서 시작한다. 신호는 판독회로 및 아날로그-디지털 변환 장치에 출력된다. 그리고 신호는 프로세서, 시리얼라이저에 전송되어, 이미지 센서로부터 외부 하드웨어로 신호가 출력될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따라서 구성된 광 실드(44)를 갖는 픽셀 셀(12)을 갖는 이미지 센서(100)를 포함하는 프로세서 시스템(200)을 도시한다. 프로세서 시스템(200)은 본 발명에 따라서 구성되고 동작되는 광실드(44)를 갖는 픽셀 셀(12)을 갖는 픽셀 어레이(200)를 포함하는 이미지 센서(100)를 활용하는 시스템의 일 예이다. 제한없이, 이러한 시스템은 카메라 시스템, 컴퓨터 시스템, 스캐너, 머신 비젼 시스템, 차량 네비게이션 시스템, 휴대폰 등을 포함할 수 있다.
프로세서 시스템(200), 예를 들면, 카메라 시스템은 버스(215)를 통해 I/O(입출력 장치)(210)와 통신하는 마이크로 프로세서등의 중앙 처리 장치(CPU)(205)를 일반적으로 포함한다. 이미지 센서(100)는 버스(215)를 통해 CPU(205)와 또한 통신한다. 프로세서 시스템(200)은 랜덤 액세스 메모리(RAM)(220)을 또한 포함하고, 버스(215)를 통해 CPU(205)와 통신하는 플래시 메모리 등의 착탈가능 메모리(225)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(100)는 단일 집적 회로 또는 프로세서 이외의 다른 칩상에 메모리 저장장치를 보유하거나 보유하지 않는, CPU, 디지털 신호 프로세서, 마이크로프로세서 등의 프로세서와 결합될 수 있다.
상기 서술된 프로세스 및 장치는 사용 및 생산될 수 있는 많은 바람직한 방법 및 일반 장치를 도시한다. 상기 설명 및 도면은 실시예를 도시하며, 본 발명의 목적, 특징 및 장점을 얻는다. 그러나, 본 발명은 상기 서술되고 도시된 실시예에만 엄격하게 제한되고자 의도된 것은 아니다. 다음 청구항들의 진의 및 범위에 해당되는, 본 발명의 임의의 변경은, 비록 현재는 예상치 못할지라도, 본 발명의 부분으로 고려되어야 한다.
Claims (42)
- 기판 상에서 지지되는 포토 센서; 및상기 포토센서 위에 형성되고, 상기 포토센서와 결합된 복수의 불투명한 물질 블록을 포함하고, 상기 복수의 물질 블록의 일부가 광 차단 영역을 한정하기 위해 배열되어 있고, 상기 물질 블록은 입사광의 파장 이하의 거리 만큼 상기 광 차단 영역에서 분리되어 있는 광실드를 포함하는, 이미지 센서.
- 청구항 1에 있어서,상기 거리는 약 0.4㎛ 이하인, 이미지 센서.
- 청구항 1에 있어서,상기 거리는 입사광의 파장의 적어도 일부가 통과하는 것을 방지하는, 이미지 센서.
- 청구항 1에 있어서,상기 물질 블록은 금속 물질을 포함하는, 이미지 센서.
- 청구항 1에 있어서,상기 물질 블록은, 입사광의 1% 미만이 통과하는 것을 허용하는 두께 및 물 질인, 이미지 센서.
- 기판 상에서 지지되는 포토 센서; 및상기 포토센서 위에 형성되고 상기 포토센서와 결합된 복수의 금속 물질 블록 및 상기 포토센서 위의 광투과 영역을 포함하고, 상기 물질 블록은 광 차단 영역을 한정하도록 배열되어 있고, 상기 물질 블록은 입사광의 파장의 적어도 일부가 통과하는 것을 방지하는 제1 거리만큼 분리되도록 광 차단 영역에서 배열되어 있고, 상기 물질 블록은 광이 상기 포토 센서로 통과하는 것을 허용하는 제2 거리 만큼 분리되도록 상기 광 투과 영역에서 배열되어 있는, 광 실드를 포함하는, 이미지 센서.
- 청구항 6에 있어서,상기 제1 거리는 입사광의 파장 이하인, 이미지 센서.
- 청구항 6에 있어서,상기 제1 거리는 약 0.4㎛ 이하인, 이미지 센서.
- 청구항 6에 있어서,상기 물질 블록은, 입사광의 1% 미만이 통과하는 것을 허용하는 두께 및 물질인, 이미지 센서.
- 기판 상에서 지지되는 포토 센서; 및상기 포토센서 위에 형성되고, 상기 포토센서와 결합된 복수의 불투명한 물질 블록 및 광 차단 영역을 포함하고, 상기 물질 블록은 광이 상기 포토센서로 통과하는 것을 허용하도록 상기 포토센서 위의 광 투과 영역을 한정하도록 배열되어 있고, 상기 물질 블록이 입사광의 파장 이하인 제1 거리만큼 분리되도록 상기 광 차단 영역에 배열되어 있는, 광실드를 포함하는, 이미지 센서.
- 청구항 10에 있어서,상기 제1 거리는 약 0.4㎛ 이하인, 이미지 센서.
- 청구항 10에 있어서,상기 제1 거리는 입사광의 파장의 적어도 일부가 통과하는 것을 방지하는, 이미지 센서.
- 청구항 10에 있어서,상기 물질 블록의 일부는, 광 투과 영역을 제공하는 제2 거리 만큼 분리되어 있는, 이미지 센서.
- 청구항 10에 있어서,상기 물질 블록은 상기 이미지 센서의 도전성 상호 접속층으로부터 분리되어 있고, 상기 도전성 상호 접속층에 전기 접촉을 제공하지 않는, 이미지 센서.
- 청구항 10에 있어서,상기 복수의 물질 블록의 적어도 하나는 상기 이미지 센서의 도전성 상호 접속층과 전기적 접촉을 갖는, 이미지 센서.
- 청구항 10에 있어서,상기 물질 블록은 금속 물질을 포함하는, 이미지 센서.
- 청구항 10에 있어서,상기 물질 블록은 텅스텐, 텅스텐 실리사이드, 티타늄, 질화 티타늄, 코발트, 크롬, 폴리실리콘-텅스텐 실리사이드, 알루미늄, 티타늄 실리사이드, 몰리브덴, 탄탈륨, 및 그 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하는, 이미지 센서.
- 청구항 10에 있어서,상기 물질 블록은 약 100Å 내지 약 3000Å 두께인, 이미지 센서.
- 청구항 10에 있어서,상기 물질 블록은 입사광의 1% 미만이 통과하는 것을 허용하는 두께 및 물질인, 이미지 센서.
- 복수의 픽셀 셀과 접촉하고, 각각의 픽셀은 포토센서를 갖는 어레이; 및상기 어레이의 픽셀 셀 위에 배열된 복수의 분리된 불투명 물질 블록을 포함하고,상기 물질 블록은 광이 픽셀 셀의 포토센서로 통과하는 것을 허용하도록 상기 포토센서 위의 간극(aperture)을 한정하고, 광 차단 영역을 한정하도록 배열되어 있고, 상기 물질 블록은 입사광의 파장 이하인 제1 거리만큼 분리되도록 상기 광 차단 영역에서 배열되어 있는, 이미지 센서.
- 청구항 20에 있어서,상기 제1 거리는 약 0.4㎛ 이하인, 이미지 센서.
- 청구항 20에 있어서,상기 제1 거리는 입사광의 파장의 적어도 일부가 통과하는 것을 방지하는, 이미지 센서.
- 청구항 20에 있어서,상기 물질 블록은 금속 물질을 포함하는, 이미지 센서.
- 청구항 20에 있어서,상기 물질 블록은 입사광의 1% 미만이 통과하는 것을 허용하는 두께 및 물질인, 이미지 센서.
- 프로세서; 및상기 프로세서와 통신하는 이미지 센서를 포함하고,상기 이미지 센서는,복수의 픽셀 셀을 갖고, 각각의 픽셀 셀이 기판 위에 지지되는 포토 센서를 포함하는 픽셀 셀 어레이;상기 포토 센서 위에 형성된 도전성 상호 접속층; 및상기 포토센서 위에 형성되고, 상기 포토센서와 결합된 복수의 불투명한 물질 블록을 포함하고, 상기 물질 블록은 광이 상기 포토센서로 통과하는 것을 허용하는 상기 포토센서 위의 광 투과 영역과, 광 차단 영역을 한정하도록 배열되어 있고, 상기 물질 블록은 입사광의 파장의 적어도 일부가 통과하는 것을 방지하기 위해 제1 거리 만큼 분리되도록 상기 광 차단 영역에서 배열되어 있는, 광실드를 포함하는, 이미지 센서 시스템.
- 청구항 25에 있어서,상기 제1 거리는 약 0.4㎛ 이하인, 이미지 센서 시스템.
- 청구항 25에 있어서,상기 제1 거리는 입사광의 파장 이하인, 이미지 센서 시스템.
- 청구항 25에 있어서,상기 물질 블록은 제2 거리 만큼 분리되어 상기 광 투과 영역에 배열되어 있는, 이미지 센서 시스템.
- 청구항 25에 있어서,상기 물질 블록은 금속 물질을 포함하는, 이미지 센서 시스템.
- 청구항 25에 있어서,상기 물질 블록은 입사광의 1% 미만이 통과하는 것을 허용하는 두께 및 물질인, 이미지 센서 시스템.
- 각 픽셀 셀이 포토 센서를 갖는 복수의 픽셀 셀과 접촉하는 어레이를 형성하는 단계; 및상기 포토 센서 위에 상기 포토 센서와 결합된 복수의 금속 물질 블록을 형성하는 단계로서, 상기 물질 블록은, 광차단 영역 및 상기 포토 센서 위의 광 투과 영역을 한정하기 위해 배열되어 있고, 상기 물질 블록은 입사광의 파장의 적어도 일부가 통과하는 것을 방지하기 위해 제1 거리 만큼 분리되도록 상기 광 차단 영역에서 배열되어 있고, 상기 물질 블록은 광이 상기 포토 센서로 통과하는 것을 허용하기 위해 제2 거리 만큼 분리되도록 상기 광 투과 영역에서 배열되어 있는, 복수의 물질 블록을 형성하는 단계를 포함하는, 이미지 센서 형성방법.
- 청구항 31에 있어서,상기 제1 거리는 약 0.4㎛ 이하인, 이미지 센서 형성방법.
- 청구항 31에 있어서,상기 제1 거리는 상기 입사광의 파장 이하인, 이미지 센서 형성방법.
- 청구항 31에 있어서,상기 물질 블록은 입사광의 1% 미만이 통과하는 것을 허용하는 두께 및 물질이고, 도전성 또는 절연성 물질일 수 있는, 이미지 센서 형성방법.
- 각 픽셀 셀이 포토 센서를 갖는 픽셀 셀의 어레이를 형성하는 단계;상기 포토 센서 위에 불투명 물질을 포함하는 광실드를 형성하는 단계; 및상기 포토 센서 위에 형성되고, 상기 포토 센서와 결합된 픽셀 셀 당 복수의 불투명 물질 블록을 형성하기 위해 광 실드를 패터닝하는 단계로서, 복수의 물질 블록은 광차단 영역을 한정하기 위해 배열되어 있고, 상기 물질 블록은 상기 입사 광의 파장이하인 제1 거리 만큼 상기 광 차단 영역에서 분리되어 있는, 광 실드를 패터닝하는 단계를 포함하는 이미지 센서 형성 방법.
- 청구항 35에 있어서,상기 포토 센서 위에 도전성 상호 접속층을 형성하는 동작을 더 포함하는, 이미지 센서 형성방법.
- 청구항 35에 있어서,광투과 영역을 한정하도록 배열되어 있는 물질 블록을 더 포함하고, 상기 물질 블록은 광이 상기 포토 센서로 통과하는 것을 허용하는 제2 거리 만큼 상기 광투과 영역에서 분리되어 있는, 이미지 센서 형성방법.
- 청구항 35에 있어서,상기 제1 거리는 약 0.4㎛ 이하인, 이미지 센서 형성방법.
- 청구항 35에 있어서,상기 광 실드를 형성하는 단계는 금속 물질을 증착하는 단계를 포함하는, 이미지 센서 형성방법.
- 청구항 35에 있어서,상기 광 실드를 형성하는 단계는, 텅스텐, 텅스텐 실리사이드, 티타늄, 질화 티타늄, 코발트, 크롬, 폴리실리콘-텅스텐 실리사이드, 알루미늄, 티타늄 실리사이드, 몰리브덴, 탄탈륨, 및 그 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질을 증착하는 단계를 포함하는, 이미지 센서 형성방법.
- 청구항 35에 있어서,상기 광 실드를 패터닝하는 단계는, 상기 물질 블록을 약 100Å 내지 약 3000Å 두께로 형성하는, 이미지 센서 형성방법.
- 청구항 35에 있어서,상기 물질 블록은 입사광의 1% 미만이 통과하는 것을 허용하는 두께 및 물질이고, 도전성 또는 절연성 물질일 수 있는, 이미지 센서 형성방법.
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