KR20090047588A - 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서에서 금속 배선층을 나노 패턴을 갖도록 형성하여 광학적 필터로 사용하는 기술에 관한 것이다. 발명에 의한 이미지 센서는 각 소자 간의 연결을 위한 메탈 레이어를 포함하는 구조의 광학필터용 메탈레이어를 형성함으로써, 마이크로 렌즈와 포토다이오드 사이의 간격이 줄어들어 빛의 손실이 줄어들고 이에 의해 이미지 센서의 감도가 향상된다. 또한, 상기와 같은 광학필터용 메탈레이어를 사용함으로써, 광학적 크로스토크가 억제되고, 입사광을 모아주고 적외선 파장대에서 빛을 흡수하는 특성을 가지게 되어 컬러필터와 적외선 컷오프 필터를 대체할 수 있어 이미지센서를 사용하기 위한 보조적인 광학 장치가 필요하지 않다.
이미지센서, 광학적 필터, 포토다이오드, 금속 나노필터
Description
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 금속 배선층을 나노 패턴을 갖도록 형성하여 광학적 필터로 사용할 수 있도록 한 이미지 센서에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서는 광학 영상을 전기적인 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 크게 CCD(CCD: Charge Coupled Device) 이미지 센서 소자와, 씨모스(CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서 소자로 나눌 수 있다.
상기 CMOS 이미지 센서는 조사되는 빛을 감지하는 포토다이오드부와 감지된 빛을 전기적인 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부로 구성되는데, 상기 포토다이오드이 수광량이 많을수록 상기 이미지 센서의 광 감도 특성이 양호해 진다.
광 감도를 높이기 위해서 이미지 센서의 전체 면적 중에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(Full Factor)을 크게 하거나, 포토다이오드 이외의 영역으로 입사되는 광의 경로를 변경하여 그 포토다이오드로 집속시켜주는 기술이 사용된다.
상기 집속 기술의 대표적인 예가 마이크로 렌즈를 형성하는 것인데, 이는 포 토다이오드 상부에 광투과율이 좋은 물질로 통상적으로 볼록형 마이크로 렌즈를 만들어 입사광의 경로를 굴절시켜 보다 많은 양의 빛이 포토다이오드 영역으로 조사되도록 하는 방법이다. 이렇게 함으로써, 마이크로 렌즈의 광축과 수평한 빛이 마이크로 렌즈에 의해 굴절되어 광축상의 일정 위치에서 그 초점이 형성되어 진다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도로서 이에 도시한 바와 같이, 조사되는 빛을 감지하는 포토다이오드 영역(11)과, 그 포토다이오드 영역(11)에서의 광전효과에 의해 발생된 전하가 모여지는 전하 이동로인 수직전하전송 영역(VCCD)(12)과, 소자 영역을 정의하는 소자분리막(STI)(13)이 형성된 기판(10)과; 상기 기판(10) 상에 형성된 게이트 절연막(14)과; 상기 게이트 절연막(14) 상에 형성된 게이트 전극(15)과; 상기 게이트 전극(15)을 가진 기판에 형성된 층간절연막(16)과; 상기 층간절연막(16) 내에서 회로 배선을 위해 절연막을 사이에 두고 형성된 제1-3 메탈 레이어(M1-M3)와; 상기 층간절연막(16) 상에 형성된 컬러필터층(17)과; 상기 컬러필터층(17) 상에 형성된 마이크로 렌즈(18)와; 상기 마이크로 렌즈(18)와 수직 방향으로 소정의 이격 거리를 두고 형성된 적외선 컷오프 필터(19)로 구성된다.
이미지 센서로 입사되는 빛은 적외선(IR) 컷오프 필터(19)를 통과하여 적외선 성분이 배제된 영역만 입사하게 되며, 이렇게 입사한 빛 중에서 마이크로 렌즈(18)와 컬러필터(17)를 통과하여 선택된 밴드의 빛만이 포토다이오드 영역(11)으 로 입사된다. 상기 컬러필터(17)와 포토다이오드 영역(11)의 사이에는 회로 배선을 위해 절연막을 사이에 두고 순차 형성된 제1-3 메탈 레이어(M1-M3)가 형성되어 있다. 상기 포토다이오드 영역(11)에서 실리콘을 사용한 경우 이 포토다이오드 영역(11)에서 감광하는 파장대는 350～1100 ㎚이다.
따라서, 사람이 보는 컬러를 구현하는 경우, 일반적으로 컬러필터(17)는 포트레지스트(PR: Photoresist)에 염료를 섞어서 일정한 밴드(예를 들어, 녹색 컬러필터인 경우 중심 파장이 542 ㎚이고, 밴드 폭은 약 100 ㎚)에서 투과가 일어나도록 설계한다.
그러나, 위와 같은 컬러필터(17)를 사용하는 경우, 적외선 영역(700～1100 ㎚)에 대하여 투과율이 높은 단점이 있다. 따라서, 상기 적외선 대의 파장이 포토다이오드 영역(11)으로 유입되는 것을 방지하기 위하여 적외선 컷오프 필터(19)를 사용하게 된다.
컬러 포트레지스트를 제작하는 경우, 포트레지스트와의 섞임과 포토레지스트 상태에서의 도포의 문제 등으로 일반적인 염료 중에서 선택된 일부만이 사용된다. 따라서, 컬러 포트레지스트의 투과 스펙트럼을 조절하는 것은 상당히 어렵다. 또한, 컬러 포트레지스트는 색의 순도를 높이기 위해서는 두께가 증가되어야 하며, 이것은 마이크로 렌즈(18)와 포토다이오드 영역(11) 사이의 간격을 멀게 하고 투과율을 감소시켜 감도를 낮추는 중요한 요인이다.
상기와 같은 이유로 인하여 증가된 마이크로 렌즈(18)와 포토다이오드 영역(11) 사이의 간격은 빛의 손실을 초래하여 감도를 낮추는 요인이 되며, 입사된 빛이 인접한 포토다이오드 영역(11)으로 들어가 광학적 크로스토크를 일으키는 요인이 된다.
이와 같이 종래의 이미지 센서에 있어서는 선택된 밴드의 빛만을 포토다이오드 영역으로 입사시키기 위해 컬러필터를 사용하게 되어 있는데, 그 컬러필터가 적외선 영역에 대하여 투과율이 높은 단점이 있어 부득이 적외선 컷오프 필터를 사용하게 되어 있었다. 이로 인하여 비용이 상승되고 설치 공간을 확보해야 하는 등의 어려움이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 각 소자간의 전기적 연결을 위해 형성된 메탈 레이어에 적당한 나노 패턴을 형성하여 컬러필터와 적외선 컷오프 필터를 대체할 수 있도록 하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 조사되는 빛을 감지하는 포토다이오드 영역의 상부에 형성된 층간절연막 내에서 회로 배선을 위해 절연막을 사이에 두고 형성된 복수개의 메탈 레이어 중 적어도 하나 이상의 메탈 레이어에 나노 구조를 갖도록 형성되어 광학적 금속 나노필터 역할을 하는 광학필터용 메탈레이어를 형성하여 컬러필터와 적외선 컷오프 필터를 대체하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 이미지 센서는 각 소자 간의 연결을 위한 메탈 레이어를 포함하는 구조의 광학필터용 메탈레이어를 형성함으로써, 마이크로 렌즈와 포토다이오드의 간격이 줄어들어 빛의 손실이 줄어들고 이에 의해 이미지 센서의 감도가 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 광학필터용 메탈레이어를 형성하는 것에 의해 광학적 크로스토크가 억제되는 효과가 있고, 입사광을 모아주고 적외선(IR) 파장대에서 빛을 흡수하는 특성을 가지게 되어 컬러필터와 적외선 컷오프 필터를 대체할 수 있어 이미지센서를 사용하기 위한 보조적인 광학 장치가 필요하지 않게 되는 효과가 있다.
또한, 광학필터용 메탈레이어의 나노 구조를 변경함으로써 원하는 밴드와 밴드폭을 갖는 광학적 금속 나노필터를 구현할 수 있으므로, 컬러의 순도를 높이거나 이미지 센서의 제조 원가를 낮출 수 있으며, 바이오센서 등의 다양한 분야에 적용할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도로서 이에 도시한 바와 같이, 조사되는 빛을 감지하는 포토다이오드 영역(21)과, 그 포토다이오드 영역(21)에서의 광전효과에 의해 발생된 전하가 모여지는 전하 이동로인 수직전하전송 영역(VCCD)(22)과, 소자 영역을 정의하는 소자분리막(STI)(23)이 형성된 기판(20)과; 상기 기판(20) 상에 형성된 게이트 절연막(24)과; 상기 게이트 절연막(24) 상에 형성된 게이트 전극(25)과; 상기 게이트 전극(25)을 가진 기판에 형성된 층간절연막(26)과; 상기 층간절연막(26) 내에서 회로 배선을 위해 절연막을 사이에 두고 형성된 제1-3 메탈 레이어(M1-M3)와; 상기 제3메탈레이어(M3)의 연장선상에 형성되고, 나노 구조를 갖도록 형성되어 광학적 필터 역할을 하는 광학필터용 메탈레이어(27)와; 상기 광학필터용 메탈레이어(27) 상에 형성된 마이크로 렌즈(28)로 구성한다.
이미지 센서로 입사되는 빛은 마이크로렌즈(28)와 나노 구조를 갖도록 설계되어 광학적 금속 나노필터의 역할을 하는 광학필터용 메탈레이어(27)를 차례로 통 과하여 선택된 밴드의 빛만이 포토다이오드 영역(21)으로 입사된다. 상기 나노 구조의 광학필터용 메탈레이어(27)는 도 2에서와 같이 단층의 메탈 레이어에 적용이 가능하며, 다층의 메탈레이어에 적용하는 경우 컬러의 순도를 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 광학필터용 메탈레이어(27)가 광학적 필터의 역할을 하는 논리적 근거에 대해 설명하면 다음과 같다.
일반적으로, 금속 박막에 빛이 입사하는 경우 금속 내부의 전자는 빛이 입사하는 방향과 수직인 전기장을 따라서 이동하게 된다. 이와 같이 이동한 전자에 의하여 빛은 감쇄되므로 입사한 빛은 일정한 침투 깊이(Lp: penetration depth) 이상을 투과할 수 없다. 즉, 빛은 금속 내부에서 exp(-x/L)의 형태로 감소하게 된다.
따라서, 가시 광은 약 100 ㎚ 이상의 두께를 갖는 금속 박막을 투과할 수 없다. 그러나, 수백 ㎚의 두께를 갖는 금속 박막이 파장보다 작은 패턴을 갖는 경우, 비정상적으로 빛이 투과됨이 알려져 있다. 금속 박막이 입사하는 파장보다 작은 나노구조를 갖는 경우의 투과 특성에 관한 연구는 광학이나 바이오, 포토닉스(photonics) 등에서 중요하게 연구되고 있는 주제이다.
Ag 층을 사용한 메탈 나노 패턴(metal nano pattern)이 광학적 필터의 역할을 할 수 있음은 많이 알려져 있다.[Nature, William L. Barnes, Vol. 424,(2003), p824] 이와 같은 메탈 나노 패턴의 장점은 금속의 나노구조를 조절하여 특정한 밴드에서의 빛만을 투과시키거나 흡수하도록 조절할 수 있다는 것이다. 또한, 일정한 패턴을 갖도록 함으로써 투과된 빛이 집속되게 할 수 있다.
따라서, 상기 광학필터용 메탈레이어(27)가 나노 구조를 갖도록 형성함으로 써 별도의 컬러필터를 사용하지 않고도 이를 통해 광학적 금속 나노필터로 사용할 수 있게 된다.
상기 나노 구조를 갖는 광학필터용 메탈레이어(27)의 두께는 약 100～500 ㎚ 정도가 바람직하며, 이 두께는 투과시킬 파장의 밴드 폭에 의하여 결정된다. 즉, 투과시킬 파장의 밴드폭이 넓은 경우 상기 광학필터용 메탈레이어(27)의 층을 얇게 형성하는 것이 바람직하며, 좁은 경우에는 그 광학필터용 메탈레이어(27)의 층을 두껍게 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광학필터용 메탈레이어(27)의 재질은 Al, Ag, Au, Pt, Cu 등과 같이 전도성이 높은 전이 금속으로 선정하는 것이 바람직하다. 도 3은 상기 광학필터용 메탈레이어(27)의 나노 구조를 나타낸 것이다.
여기서, 상기 광학필터용 메탈레이어(27) 내의 주기적인 패턴의 거리(a)는 투과시킬 파장에 의해 결정되며, 이는 투과시킬 빛의 파장보다 작아야 한다. 또한, 열린 구간의 거리(L)는 투과율을 결정하므로 패턴 형성이 가능한 최대의 크기를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어서 금속 배선의 폭의 한계가 90 ㎚인 경우, L= a-90 ㎚와 같은 방법으로 결정될 수 있다.
상기 광학필터용 메탈레이어(27)에서의 금속 나노패턴에 의한 빛의 투과 원리는 도 6을 사용하여 설명할 수 있다.
즉, 빛이 상기 광학필터용 메탈레이어(27)의 금속 나노구조체에 입사하는 경우, 이 금속 표면의 전자는 입사파의 전기장에 의하여 이동하며, 이동되는 전자는 금속의 나노구조의 형태를 따라 이동하게 되는데, 이를 표면 플라즈몬(surface plasmon)이라 한다.
이와 같은 원리에 의해 상기 광학필터용 메탈레이어(27)에서의 금속 나노구조의 모서리 부분에서 강한 방사(radiation)를 하게 되므로, 그 광학필터용 메탈레이어(27)의 나노구조와 입사하는 빛이 매칭되는 경우 강한 공진(resonance)에 의한 투과 파(transmitted light)가 발생하게 된다.
따라서, 상기 광학필터용 메탈레이어(27) 내부의 전자의 운동이 많이 꺽이는 형태일 때 투과는 강하게 일어난다. 그러므로, 상기 광학필터용 메탈레이어(27)의 나노 구조는 도 3과 같은 격자형 구조보다는 도 4와 같은 별 모양의 구조를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광학필터용 메탈레이어(27)에서 투과되는 빛의 중심 파장 λc는 대략 다음의 [수학식 1]로 결정된다.
여기서, εm은 금속의 실수 유전율이며, εd는 매질의 실수 유전율이다. 상기 광학필터용 메탈레이어(27)로 Al을 사용하고, 매질로 글래스(glass)를 사용하는 경우, 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue)의 파장을 투과시키기 위한 Al 층의 두께는 대략 100～500 ㎚ 정도가 바람직하며, 주기적인 격자 거리는 적색용 필터로 사용되는 경우 a～480 ㎚, 녹색용 필터로 사용되는 경우 a～430 ㎚, 청색용 필터로 사용되는 경우 a～350 ㎚의 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 광학필터용 메탈레이어(27)의 금속 패턴이 도 3과 같은 경우 일정한 밴드에서 투과가 일어나게 되며, 이에 반대되는 보색 필터 즉, 일정한 밴드를 흡수하고 이외의 파장대를 투과하는 필터는 도 5와 같은 형태로 제작될 수 있다.
상기 광학필터용 메탈레이어(27)의 표면에서 일어나는 반사를 줄이기 위해서는 도 7과 같이 일측이 뾰족한 금속구조를 갖는 것이 바람직하다. 도 7과 같은 구조에 입사하는 빛은 금속의 모서리 부분에서 반사하게 되어 나노구조를 갖는 금속 층 사이로 재입사하게 되므로 평면의 구조를 갖는 도 6의 경우보다 낮은 반사율을 가지게 된다.
한편, 도 8은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 각 소자 간의 전기적 연결을 위해 사용되는 제1-3 메탈 레이어(M1-M3) 중 복수개에 광학필터용 메탈레이어(27A),(27B),(27C)를 형성하였다. 이렇게 함으로써 단층의 광학필터용 메탈레이어를 사용하는 것에 비하여 색의 순도를 높일 수 있게 된다.
도 1은 종래 기술에 의한 씨모스 이미지 센서를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 이미지 센서의 단면도.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 의한 광학용 메탈레이어의 주기적인 패턴의 예시도.
도 6은 광학필터용 메탈레이어에서의 금속 나노패턴에 의한 빛의 투과 원리를 나타낸 설명도.
도 7은 광학필터용 메탈레이어의 표면에서 일어나는 반사를 줄이기 위한 나노 구조의 예시도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도.
***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***
20 : 기판 21 : 포토다이오드 영역
22 : 수직전하전송 영역 23 : 소자분리막
24 : 게이트 절연막 25 : 게이트 전극
26 : 층간절연막 27 : 광학필터용 메탈레이어
28 : 마이크로 렌즈
Claims (11)
- 조사되는 빛을 감지하는 포토다이오드 영역과, 이 영역에서의 광전효과에 의해 발생된 전하가 모여지는 전하 이동로인 수직전하전송 영역과, 소자 영역을 정의하는 소자분리막이 형성된 기판;상기 기판 상에 순차 형성된 게이트 절연막과, 게이트 전극;상기 게이트 전극을 가진 기판에 형성된 층간절연막;상기 층간절연막 내에서 회로 배선을 위해 절연막을 사이에 두고 형성된 메탈 레이어;상기 메탈레이어의 연장선상에 나노 구조를 갖도록 형성되어 광학적 필터 역할을 하는 광학필터용 메탈레이어; 및상기 광학필터용 메탈레이어 상에 형성된 마이크로 렌즈를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 메탈 레이어는 수직 방향으로 소정의 간격을 두고 복수개 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 광학필터용 메탈레이어는 컬러의 순도를 높이기 위해 다층으로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 광학필터용 메탈레이어의 두께는 약 100～500 ㎚인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 광학필터용 메탈레이어는 전도성이 높은 전이 금속인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 광학필터용 메탈레이어의 재질은 Al, Ag, Au, Pt, Cu 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 광학필터용 메탈레이어는 주기적인 패턴 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제7항에 있어서, 상기 주기적인 패턴의 거리는 투과시킬 파장에 의해 결정되고, 투과시킬 빛의 파장보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제7항에 있어서, 상기 주기적인 패턴의 열린 구간의 거리는 패턴 형성이 가능한 범위 내에서 최대의 크기로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제7항에 있어서, 상기 주기적인 패턴은 열린 격자나 닫힌 격자인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 광학필터용 메탈레이어는 표면에서 일어나는 빛의 반사를 줄이기 위하여 적어도 일측이 뾰족한 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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