KR20090055773A - 이미지 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자에 있어서, 특히 그늘 효과(shading effect) 개선을 위한 이미지 센서에 관한 것으로, 마이크로렌즈와, 픽셀 영역에 형성되며, 상기 마이크로렌즈를 통해 집광된 빛으로부터 서로 다른 전하 생성 능력을 갖는 다수 포토다이오드들로 구성되어, 단위 픽셀 영역에서 전체적으로 동일한 크기의 포토다이오드를 사용하는 것이 아니라 빛의 입사각을 고려하여 서로 다른 전하 생성 능력 즉, 서로 다른 크기를 갖는 포토다이오드를 사용함으로써, 그 단위 픽셀 영역에서 그의 가장자리로 갈수록 발생하던 그늘 효과(shading effect)를 효과적으로 없앨 수 있는 발명이다.

이미지 센서, 마이크로렌즈, 포토다이오드, 전하 생성 능력

Description

이미지 센서 {image sensor}

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 특히 그늘 효과(shading effect) 개선을 위한 이미지 센서에 관한 것이다.

이미지 센서(image sensor)는 광학적 이미지를 전기적 신호로 변형시키는 소자이다.

이미지 센서는 크게 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon) 이미지 센서와 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서로 구분될 수 있다.

CCD 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서에 비하여 광 감도(Photo sensitivity) 및 노이즈(noise)에 대한 특성이 우수하다. 그러나, 고집적화에 어려움이 있고, 전력 소모가 높다.

이에 반하여, CMOS 이미지 센서는 CCD 이미지 센서에 비하여 전체 공정이 단순하고, 고집적화에 적합하며, 전력 소모가 낮다.

최근에는 반도체 소자의 제조 기술이 고도로 발전함에 따라, CMOS 이미지 센서의 제조 기술 및 특성이 크게 향상되어 CMOS 이미지 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

통상적으로, CMOS 이미지 센서의 화소(pixel)는 빛을 받아들이는 포토다이오드와 포토다이오드로부터 입력된 영상신호들을 제어하는 CMOS 소자들을 구비한다.

포토다이오드는 컬러 필터를 통해 입사되는 광의 파장과 세기에 따라 전자(electron)-정공(hole) 쌍이 발생한다. 그리고 그 발생한 전자들의 양에 따라 출력신호를 변화시켜 출력한다. 그로써 이미지 감지가 가능하게 된다.

한편 종래의 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판 상에 포토다이오드가 형성되며, 그 포토다이오드에 빛을 집광하기 위한 마이크로렌즈를 포함하여 이루어진다.

포토다이오드는 입사되는 광량에 따른 전하를 생성하는 역할을 한다.

포토다이오드와 마이크로렌즈 사이에는 여러 층의 절연막, 필터 및 보호막 등이 형성될 수 있다.

현재 CMOS 이미지 센서 제품에서는 마이크로렌즈를 사용하여 분산되는 광원을 포토다이오드에 집광한다.

그리고 대부분 빛의 입사각과는 무관하게 동일한 크기의 포토다이오드가 사용된다. 여기서, 포토다이오드의 크기는 포토다이오드의 전하 생성 능력과 밀접한 관계가 있다. 즉, 포토다이오드의 크기가 크면 포토다이오드가 전하를 만들 수 있는 능력이 증가함을 나타낸다.

그러나 상기 언급된 바와 같이 종래 기술에서는 마이크로렌즈를 통과한 빛의 입사각을 고려하지 않은 채 모두 동일한 크기의 포토다이오드를 사용함으로써, 다음과 같은 문제가 발생하였다.

상세하면, 마이크로렌즈를 통과하는 빛의 입사각은 그 빛이 도달하는 픽셀 영역(pixel area)의 따라 달라진다. 즉, 픽셀 영역의 중앙에 도달하는 빛은 거의 입사각이 0도이지만 픽셀 영역의 가장자리에 도달하는 빛은 상대적으로 큰 입사각을 갖는다. 이는 픽셀 영역의 중앙과 가장자리의 빛의 입사각이 서로 다르다는 것을 의미하며, 특히 중앙에서 가장자리로 갈수록 빛의 입사각이 증가한다는 것을 의미한다. 그에 따라, 단위 픽셀 영역에서 그의 가장자리로 갈수록 그늘 효과(shading effect)가 발생하였다. 이러한 그늘 효과는 픽셀 영역의 가장자리에 형성되는 포토다이오드에서 중앙에 형성되는 포토다이오드에 비해 입사된 빛으로부터 더 많은 양의 전하를 생성해야 발생하지 않는다. 그러나 전하 생성 능력과 밀접히 관계하는 포토다이오드가 종래 기술에서는 빛의 입사각과는 무관하게 동일한 크기로 사용되었다.

상기한 그늘 효과의 발생으로 인하여 화면에서는 화면의 중앙에 비해 가장자리가 어둡게 나타내는 현상이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 점을 감안하여 안출한 것으로, 단위 픽셀 영역의 전체에서 빛의 입사각을 고려하여 서로 다른 전하 생성 능력을 발휘하도록 해주는 구조의 이미지 센서를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은, 마이크로렌즈를 통해 집광된 빛이 도달되는 위치마다 그 빛의 입사각에 대응하여 서로 다른 크기의 포토다이오드들을 마련한 이미지 센서를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서의 일 특징은, 마이크로렌즈와; 픽셀 영역에 형성되며, 상기 마이크로렌즈를 통해 집광된 빛으로부터 서로 다른 전하 생성 능력을 갖는 다수 포토다이오드들로 구성되는 것이다.

바람직하게, 상기 포토다이오드들은 상기 픽셀 영역의 중앙으로부터 방사상으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 방사상으로 형성되는 포토다이오드들 중에서 상기 픽셀 영역의 보다 중앙측에 형성되는 포토다이오드에 비해 전하 생성 능력이 보다 큰 포토다이오드를 보다 외곽측에 형성시킬 수 있다.

바람직하게, 상기 전하 생성 능력은 상기 포토다이오드의 크기와 비례한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서의 다른 특징은, 마이크로렌즈와; 상기 마이크로렌즈를 통해 집광된 빛이 도달되는 위치들에 형성되며, 상기 위치들에서의 상기 빛의 입사각에 대응하는 서로 다른 크기로 형성되는 다수 포토다이오드들로 구성되는 것이다.

바람직하게, 상기 다수 포토다이오드들은 상기 마이크로렌즈에 대응되는 단위 픽셀 영역에 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 단위 픽셀 영역에서 전체적으로 동일한 크기의 포토다이오드를 사용하는 것이 아니라 빛의 입사각을 고려하여 서로 다른 전하 생성 능력 즉, 서로 다른 크기를 갖는 포토다이오드를 사용함으로써, 그 단위 픽셀 영역에서 그의 가장자리로 갈수록 발생하던 그늘 효과(shading effect)를 효과적으로 없앨 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이미지 센서의 바람직한 실시 예를 자세히 설명한다.

본 발명에 따른 이미지 센서는 일 예로써 씨모스 이미지 센서일 수 있다. 그리고 이미지 센서는 반도체 기판 상에 형성되는 포토다이오드와, 그 포토다이오드에 빛을 집광하기 위한 마이크로렌즈, 그리고 포토다이오드와 마이크로렌즈 사이에 형성되는 여러 층의 절연막, 필터 및 보호막 등을 포함하여 구성된다.

도 1 내지 3은 마이크로렌즈를 통해 집광된 빛의 입사각에 대응하여 그 빛이 집중되는 영역을 각각 나타낸 도면들이다.

도 1은 입사각이 0도인 경우로써, 포토다이오드는 마이크로렌즈(1)를 통과한 빛으로부터 보다 좁은 면적에서 광전 효과를 발생시킬 수 있다.

도 2 또는 도 3은 입사각이 각각 α도와 β도인 경우로써(여기서, α＜β), 도 1의 경우에 비해 입사각이 큰 경우이다. 상기 입사각이 0도 보다 큰 경우에, 포 토다이오드는 마이크로렌즈(1)를 통과한 빛으로부터 보다 넓은 면적에서 광전 효과를 발생시켜야 한다. 이는 입사각이 0도인 경우에 비해 면적당 광 감도가 낮기 때문이다.

그에 따라, 픽셀 영역(3) 전체에서 입사각에 따라 빛의 입사량이 다르고 그 입사량이 다름에 따라 광 감도가 차이가 있으므로, 동일한 크기의 포토다이오드를 사용하는 경우에는 그늘 효과가 발생한다.

그에 따라, 본 발명에서는 픽셀 영역(3)의 가장자리에서 발생하는 그늘 효과를 개선하기 위하여, 마이크로렌즈(1)를 통해 집광된 빛으로부터 서로 다른 전하 생성 능력을 갖는 다수 포토다이오드들을 픽셀 영역(3)에 형성시킨다.

상기 서로 다른 전하 생성 능력을 갖는 포토다이오드를 형성시킨다는 것은 픽셀 영역(3)에 형성되는 포토다이오드들을 빛의 입사각에 대응하여 다양한 크기로 형성시킨다는 것과 상통할 수 있다.

도 1 내지 3에는 마이크로렌즈(1)를 통과한 빛의 입사각을 고려하여 픽셀 영역(3)에서 입사량이 집중됨에 따라 광도가 집중되는 영역(2)을 도시된다. 도 1 내지 3에서 알 수 있듯이, 입사각이 0도인 경우에 광도가 집중되는 영역(2)이 가장 작고, 입사각이 커질수록 광도가 집중되는 영역(2)이 점점 넓어진다.

도 4는 본 발명에 따른 이미지 센서에서 단위 픽셀 영역에 형성되는 포토다이오드의 구조를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에서는 입사각이 0도인 경우에 대응하여 광도가 집중되는 영역(2)이 가장 작고 입사각이 커질수록 광도가 집중되는 영역(2)이 점점 넓어진다.

그에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 포토다이오드들(4~6)은 픽셀 영역(3)의 중앙으로부터 방사상으로 형성된다.

특히, 방사상으로 형성되는 포토다이오드들(4~6) 중에서 픽셀 영역(3)의 보다 중앙측에 형성되는 포토다이오드(4)에 비해 크기가 큰 포토다이오드(5 또는 6)이 보다 외곽측에 형성된다. 여기서, 포토다이오드의 크기는 그 포토다이오드가 빛에 대해 전하를 생성할 수 있는 능력과 비례한다. 즉, 포토다이오드의 크기가 크면 포토다이오드가 전하를 만들 수 있는 능력이 증가한다.

요약하면, 본 발명에서는 단위 픽셀 영역(3)에서 단위 면적당 입사량이 큰 중앙측에 비해 단위 면적당 입사량이 작은 가장자리측으로 갈수록 단계적으로 포토다이오드들(4~6)의 크기를 증가시켜 형성한다.

상기한 본 발명에 따른 포토다이오드들(4~6)이 마이크로렌즈(1)를 통해 집광된 빛이 도달되는 위치들(2)에 형성된다고 할 때, 그 위치들(2)에서의 빛의 입사각이 다르므로, 본 발명에서는 그 입사각에 대응하는 서로 다른 크기의 다수 포토다이오드들(4~6)을 해당 위치에 형성시킨다.

이는 보다 가장자리측에 형성된 포토다이오드가 보다 작은 빛의 입사량에도 상대적으로 많은 전하를 발생하도록 하기 위함이다. 즉, 가장자리측에 형성된 포토다이오드의 전하 생성 능력을 증가시킨다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않 는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다.

그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시 예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1 내지 3은 마이크로렌즈를 통해 집광된 빛의 입사각에 대응하여 그 빛이 집중되는 영역을 각각 나타낸 도면들.

도 4는 본 발명에 따른 이미지 센서에서 단위 픽셀 영역에 형성되는 포토다이오드의 구조를 나타낸 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 마이크로렌즈 2 : 광도 집중 영역

3 : 픽셀 영역 4~6 : 포토다이오드

Claims (6)

1. 마이크로렌즈와;

   픽셀 영역에 형성되며, 상기 마이크로렌즈를 통해 집광된 빛으로부터 서로 다른 전하 생성 능력을 갖는 다수 포토다이오드들로 구성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 포토다이오드들은 상기 픽셀 영역의 중앙으로부터 방사상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 방사상으로 형성되는 포토다이오드들 중에서 상기 픽셀 영역의 보다 중앙측에 형성되는 포토다이오드에 비해 전하 생성 능력이 보다 큰 포토다이오드를 보다 외곽측에 형성시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전하 생성 능력은 상기 포토다이오드의 크기와 비례함을 특징으로 하는 이미지 센서.
5. 마이크로렌즈와;

   상기 마이크로렌즈를 통해 집광된 빛이 도달되는 위치들에 형성되며, 상기 위치들에서의 상기 빛의 입사각에 대응하는 서로 다른 크기로 형성되는 다수 포토 다이오드들로 구성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 다수 포토다이오드들은 상기 마이크로렌즈에 대응되는 단위 픽셀 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.

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