KR20090084134A - 스택 구조의 씨모스 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
스택 구조의 씨모스 이미지 센서는 제1 씨모스 이미지 센서 및 제1 씨모스 이미지 센서와 스택 구조로 접합된 제2 씨모스 이미지 센서를 포함한다. 따라서, 스택 구조의 씨모스 이미지 센서는 두 개 이상의 씨모스 이미지 센서를 스택 구조로 접합함으로써 포토다이오드의 캐패시티의 한계를 극복하여 입사된 빛의 손실을 줄이고 감도를 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 씨모스(complementary metal-oxide semiconductor, CMOS) 이미지 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 두 개 이상의 씨모스 이미지 센서를 스택 구조로 접합한 스택 구조의 씨모스 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서란 광학 영상을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 크게 전하결합소자(charged coupled device, CCD) 이미지 센서와 씨모스 이미지 센서로 구분된다.
전압결합소자 이미지 센서는 빛에 의해 발생한 전자를 그대로 게이트 펄스를 이용하여 출력부까지 이동시키므로, 도중에 외부 잡음에 의해 전압이 변화하더라도 전자의 수는 변함이 없어서 잡음이 출력 신호에 영향을 주지 않는다. 또한, 하나의 출력 회로를 모든 화소의 신호가 거쳐 가므로 화소 간에 출력 신호의 오프셋이 비교적 작다. 그러나 전하결합소자 이미지 센서는 전력 소모가 크며 마스크 공정의 수가 많아서 생산 비용이 크다는 등의 단점이 있다.
씨모스 이미지 센서는 빛에 의해 발생한 전자를 각 화소 내에서 전압으로 변 환한 후에 여러 씨모스 스위치를 이용하여 출력한다. 즉, 씨모스 이미지 센서의 각 화소는 빛을 포토 다이오드(photo diode)를 이용하여 광전자로 변환하고, 축적된 전하량을 전압 신호로 바꾸어서 출력하는 방식을 이용한다. 또한, 각 화소는 2~4 개의 모스(metal oxide semiconductor, MOS) 트랜지스터를 포함하고, 이러한 모스 트랜지스터들을 이용하여 출력을 검출하는 스위칭 방식을 이용한다. 이러한 씨모스 이미지 센서는 전력 소모가 적고, 마스크 공정의 수가 적어 공정이 단순하며, 다양한 신호처리 회로와 함께 하나의 칩에 집적할 수 있는 장점이 있어, 최근에 활발히 연구되고 있다.
도 1은 일반적인 씨모스 이미지 센서를 나타내는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 씨모스 이미지 센서(10)는 리셋 트랜지스터(11), 플로팅 확산(floating diffusion) 노드(12), 소스 폴로워(source follower) 트랜지스터(13), 셀렉트(select) 트랜지스터(14), 트랜스퍼 트랜지스터(15) 및 포토다이오드(16)를 포함한다.
리셋 트랜지스터(11)는 게이트에 리셋 신호(RX)가 인가되고, 제1 단자는 플로팅 확산 노드(12)에 연결되며, 제2 단자는 전원 단자(VDD)에 연결된다. 소스 폴로워 트랜지스터(13)는 게이트가 플로팅 확산 노드(12)에 연결되고, 제1 단자는 셀렉트 트랜지스터(14)의 제2 단자에 연결되며, 제2 단자는 전원 단자(VDD)에 연결된다. 셀렉트 트랜지스터(14)는 게이트에 칼럼 선택 신호(CS)가 입력되고, 제1 단자는 출력단(OUT)에 연결되며, 제2 단자가 소스 폴로워 트랜지스터(13)의 제1 단자에 연결된다. 트랜스퍼 트랜지스터(15)는 게이트에 트랜스퍼 신호(TX)가 입력되고, 제 1 단자에 포토다이오드(16)가 연결되며, 제2 단자에 플로팅 확산 노드(12)가 연결되어 포토다이오드(16)에 의해 축적된 전하를 플로팅 확산 노드(12)로 전달한다. 포토다이오드(16)는 트랜스퍼 트랜지스터(15)와 접지 단자(GND) 사이에 위치하여 광전변환을 수행한다. 바이어스 트랜지스터(17)는 게이트에 바이어스 전압(Vb)이 인가되고, 제1 단자는 출력단(OUT)에 연결되며, 제2 단자는 접지 단자(GND)에 연결된다.
씨모스 이미지 센서(10)의 동작을 살펴보면, 포토다이오드(16)에 외부에서 입사되는 빛에 의하여 전하들이 축적되고, 축적된 전하들은 트랜스퍼 트랜지스터(15)의 게이트에 트랜스퍼 신호(TX)가 입력되어 트랜스퍼 트랜지스터(15)가 턴온되면 플로팅 확산 노드(12)로 전달된다. 이때, 리셋 트랜지스터(11)는 턴오프 상태를 유지하고 플로팅 확산 노드(12)에 축적된 전하에 의하여 플로팅 확산 노드(12)의 전위 및 소스 폴로워 트랜지스터(13)의 게이트 전위가 변하게 된다. 소스 폴로워 트랜지스터(13)의 게이트 전위의 변화는 소스 폴로워 트랜지스터(13)의 제1 단자 또는 셀렉트 트랜지스터(14)의 제2 단자의 바이어스를 변화시키고, 셀렉트 트랜지스터(14)의 게이트에 칼럼 선택 신호(CS)가 입력되면 포토다이오드(16)에서 생성되어 축적된 전하에 상응하는 전압이 출력단(OUT)으로 출력된다. 또한, 포토다이오드(16)에서 생성되는 전하에 의한 신호 레벨이 검출된 이후에는 리셋 신호(RX)에 의하여 리셋 트랜지스터(11)가 턴온 상태로 바뀌게 되면서 센싱 과정은 초기화된다.
도 2는 일반적인 씨모스 이미지 센서의 공정 단면도이다.
도 2를 참조하면, 씨모스 이미지 센서(20)는 p형 반도체 기판(21)의 소자의 격리 영역에 소자 격리층(22a, 22b)이 형성됨으로써 활성 영역이 정의된다. 도 2에는 편의상 하나의 픽셀 만이 도시되어 있다. 먼저, p형 반도체 기판(21)에 포토다이오드의 n 및 p 영역(23, 24)이 형성된다. 이러한 포토다이오드의 n영역(23) 및 포토다이오드의 p 영역(24)과 일정 거리만큼 이격된 위치에, 축적된 전하를 센싱하기 위한 플로팅 확산 노드로서 역할하는 제1 n+ 영역(25)이 형성된다. 포토다이오드의 n 및 p 영역(23, 24)과 제1 n+ 영역(25)의 사이의 기판(21)의 상부에 트랜스퍼 게이트(26)가 형성되고, 제1 n+ 영역(25)과 제2 n+ 영역(27) 사이의 기판(21)의 상부에 리셋 게이트(28)가 형성된다. 제2 n+ 영역(27)과 제3 n+ 영역(29)의 사이의 기판(21)의 상부에 소스 폴로워 트랜지스터의 게이트(30)가 형성되고, 제3 n+ 영역(29)과 제4 n+ 영역(31)의 사이의 기판(21)의 상부에 셀렉트 게이트(32)가 형성된다. 또한, 실시예에 따라 제4 n+ 영역(31)과 제5 n+ 영역(33)의 사이의 기판(21)의 상부에는 바이어스 게이트(34)가 형성될 수 있다. 트랜스퍼 게이트(26)에는 트랜스퍼 신호(TX)가 입력되고, 리셋 게이트(28)에는 리셋 신호(RX)가 입력되며, 소스 폴로워 트랜지스터의 게이트(30)는 플로팅 확산 노드로서 역할하는 제1 n+ 영역(25)과 연결된다. 또한, 셀렉트 게이트(32)에는 칼럼 선택 신호(CS)가 입력되고, 바이어스 게이트(34)에는 바이어스 전압(Vb)이 입력된다. 단, 설명의 편의를 위하여 게이트들(26, 28, 30, 32, 34)과 기판(21) 사이의 절연층의 도시는 생략하였다.
종래에는 씨모스 이미지 센서를 형성하기 위하여 웨이퍼 전면에서 빛을 수광하는 방식의 씨모스 이미지 센서가 제조되었으나, 빛을 수광하는 포토다이오드 상 부에 회로가 형성되어 있고, 광원에서부터 렌즈를 통해 빛이 포토다이오드에 도달하기까지 높이(height)가 높으며, 막질이 많아서 입사된 빛이 손실되어 감도가 상대적으로 작았다. 이에 최근에는 웨이퍼 후면에서 빛을 수광하는 방식의 씨모스 이미지 센서가 제조되고 있으나, 하나의 포토다이오드의 캐패시티(capacity)에는 한계가 있기 때문에 비교적 작은 세기의 빛에 대해서도 광전자가 포화되어 이미지 센서의 감도가 제한되는 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 두 개 이상의 씨모스 이미지 센서를 스택 구조로 접합함으로써 포토다이오드의 캐패시티의 한계에 따른 빛의 손실을 줄여 감도를 향상시키고, 각각의 씨모스 이미지 센서의 특징을 선택적으로 사용하거나 또는 두 개 이상의 특성 모두를 사용하게 함으로써 적용되는 용도의 다양성을 확보할 수 있는 스택 구조의 씨모스 이미지 센서를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 구조의 씨모스 이미지 센서는 제1 씨모스 이미지 센서, 및 상기 제1 씨모스 이미지 센서와 스택 구조로 접합된 제2 씨모스 이미지 센서를 포함한다.
실시예에 따라, 상기 제1 씨모스 이미지 센서와 상기 제2 씨모스 이미지 센서는 광학적으로 빛의 투과가 가능한 광학 투과 접착부를 매개로 접합될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 스택 구조의 씨모스 이미지 센서는 상기 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서의 동작 또는 비동작 여부를 제어할 수 있는 모드 제어 유닛을 더 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 모드 제어 유닛은 상기 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서 각각의 동작 또는 비동작에 따라 상기 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서 중에서 하나의 센서를 동작시키는 싱글 동작 모드 및 상기 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서 모 두를 동작시키는 듀얼 동작 모드 중에서 하나의 동작 모드를 선택할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 씨모스 이미지 센서와 상기 제2 씨모스 이미지 센서는 서로 다른 수광 방식의 씨모스 이미지 센서일 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 씨모스 이미지 센서와 상기 제2 씨모스 이미지 센서가 서로 다른 수광 방식의 씨모스 이미지 센서인 경우에, 상기 제1 씨모스 이미지 센서는 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서이고, 상기 제2 씨모스 이미지 센서는 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서일 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 씨모스 이미지 센서와 상기 제2 씨모스 이미지 센서가 서로 다른 수광 방식의 씨모스 이미지 센서인 경우에, 상기 제1 씨모스 이미지 센서는 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서이고, 상기 제2 씨모스 이미지 센서는 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서일 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 씨모스 이미지 센서와 상기 제2 씨모스 이미지 센서는 서로 같은 수광 방식의 씨모스 이미지 센서일 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 씨모스 이미지 센서와 상기 제2 씨모스 이미지 센서가 서로 같은 수광 방식의 씨모스 이미지 센서인 경우에, 상기 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서는 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서일 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 씨모스 이미지 센서와 상기 제2 씨모스 이미지 센서가 서로 같은 수광 방식의 씨모스 이미지 센서인 경우에, 상기 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서는 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 스택 구조의 씨모스 이미지 센서는 두 개 이상의 씨모스 이미지 센서를 스택 구조로 접합함으로써 각각의 씨모스 이미지 센서의 특징을 선택적으로 사용하거나 또는 두 개 이상의 특성 모두를 사용하게 할 수 있어 적용되는 용도의 다양성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 스택 구조의 씨모스 이미지 센서는 포토다이오드의 캐패시티의 한계를 극복함으로써 입사된 빛의 손실을 줄이고, 고감도 및 고 신호 대 노이즈 비율(signal to noise ration, SNR)의 특징을 가질 수 있다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들이 이러한 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들 어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 구조의 씨모스 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 스택 구조의 씨모스 이미지 센서(100)는 제1 씨모스 이미지 센서(120), 제2 씨모스 이미지 센서(140)를 포함한다. 일 실시예에서, 이미지 센서(100)는 모드 제어 유닛(160)을 더 포함할 수 있다. 제1 씨모스 이미지 센서(120)와 제2 씨모스 이미지 센서(140)는 광학 투과 접착부(180)에 의해 스택 구조로 접합될 수 있다.
제1 씨모스 이미지 센서(120)는 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서 또는 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서일 수 있으며, 제2 씨모스 이미지 센서(140)와 스택 구조로 접합된다. 또한, 제2 씨모스 이미지 센서(140)도 웨이퍼 전면 수광 방식 또는 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서일 수 있으며, 제1 씨모스 이미지 센서(120)와 스택 구조로 접합된다. 도 3에서 상부의 이미지 센서를 제1 씨모스 이미지 센서(120)라 하고, 하부의 이미지 센서를 제2 씨모스 이미지 센서(140)로 하여 설명하기로 한다. 따라서 제1 씨모스 이미지 센서(120)와 제2 씨모스 이미지 센서(140)는 같은 수광 방식의 씨모스 이미지 센서일 수도 있고, 서로 다른 수광 방식의 씨모스 이미지 센서일 수도 있다. 이하, 설명에서는 제1 씨모스 이미지 센서(120)와 제2 씨모스 이미지 센서(140)가 서로 다른 수광 방식의 씨모스 이미지 센서로 접합된 것을 중심으로 설명하도록 한다.
모드 제어 유닛(160)은 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서(120, 140)의 동작 또는 비동작 여부를 제어할 수 있다. 모드 제어 유닛(160)은 스택 구조의 씨모스 이미지 센서(100)가 사용되는 용도 및 요구되는 조건에 따라서 즉, 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서(120, 140) 각각의 동작 필요성에 따라 싱글 동작 모드와 듀얼 동작 모드 중에서 하나의 동작 모드를 선택하도록 구성된다. 여기서, 싱글 동작 모드는 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서(120, 140) 중에서 하나의 센서만을 동작시키는 모드이고, 듀얼 동작 모드는 상기 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서(120, 140) 모두를 동작시키는 모드이다. 모드 제어 유닛(160)은 스택 구조의 씨모스 이미지 센서(100)가 고감도의 동작이 필요한 경우에는 듀얼 동작 모드로 동작하도록 제어하고, 스택 구조의 씨모스 이미지 센서(100)가 저감도의 동작만으로도 충분한 경우에는 싱글 동작 모드로 동작하도록 제어한다. 구체적으로 모드 제어 유닛(160)은 싱글 동작 모드에서 제1 씨모스 이미지 센서(120)만을 동작시키기 위해서는 제1 씨모스 이미지 센서 인에이블 신호(ES1)를 제1 씨모스 이미지 센서(120)에 출력하고, 제2 씨모스 이미지 센서(140)에는 제2 씨모스 이미지 센서 인에이블 신호(ES2)를 출력하지 않는다. 마찬가지로 제2 씨모스 이미지 센서(140)만을 동작시키기 위해서는 제2 씨모스 이미지 센서 인에이블 신호(ES2)를 제2 씨모스 이미지 센서(140)에 출력하고, 제1 씨모스 이미지 센서(120)에는 제1 씨모스 이미지 센서 인에이블 신호(ES1)를 출력하지 않는다. 반면에, 듀얼 동작 모드에서는 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서(120, 140)에 각각 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서 신호(ES1, ES2)를 출력하여 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서(120, 140)가 동시에 동작하도록 함으로써 스택 구조의 씨모스 이미지 센서(100)로 입사하는 빛의 손실을 줄여 스택 구조의 씨모스 이미지 센서(100)를 고감도의 센서로 동작하게 한다. 예를 들어, 상부에 위치한 제1 또는 제2 씨모스 이미지 센서(120, 140)에서 적외선 차단 필터(IR cutting filter)를 사용하지 않을 경우에는 스택 구조의 씨모스 이미지 센서(100)는 적외선 센서로 사용이 가능하며, 조도가 낮은 경우에도 고감도의 센싱을 가능하게 한다. 모드 제어 유닛(160)이 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서 신호(ES1, ES2)를 선택적으로 출력함으로써 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서(120, 140)의 동작을 각각 제어하도록 구성되는 것은 하나의 실시예로서, 설계 변경 등에 의하여 모드 제어 유닛(160)의 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서(120, 140)를 제어하는 구성은 다양하게 변경될 수 있다.
광학 투과 접착부(180)는 제1 씨모스 이미지 센서(120)와 제2 씨모스 이미지 센서(140)를 스택 구조로 접합할 수 있는 물질로서 빛의 투과율이 비교적 높은 접착제가 이용될 수 있다. 즉, 일반적인 무기접착제를 사용할 수도 있고, 자동차 앞유리의 이중 유리 스킴(scheme)을 사용할 수도 있다. 이는 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서(120, 140)를 스택 구조로 접합하기 위한 것으로서, 전기적인 통로가 필요하지 않고 광학적인 통로만 필요하기 때문이다. 일반적으로 포토다이오드는 캐패시 티의 한계가 있기 때문에 입사되는 빛의 양이 많다고 하더라도 공정, 센서 사이즈 및 반도체 특성 등의 한계로 인해 씨모스 이미지 센서로 입사되는 빛을 모두 광전 변환하여 사용할 수가 없다. 따라서, 본 발명은 이러한 광학 투과 접착부(180)를 이용하여 씨모스 이미지 센서를 스택 구조로 접합함으로써 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서(120, 140) 각각에 형성된 포토다이오드를 모두 이용함으로써 입사되는 빛의 손실을 줄이고 고감도의 이미지 센싱을 가능하게 할 수 있다. 도 3에서는 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서(120, 140), 즉 두 개의 이미지 센서가 스택 구조로 접합된 것이 도시되었지만, 이는 하나의 실시예로서 세 개 이상의 씨모스 이미지 센서들이 광학 투과 접착부를 이용하여 연속적인 스택 구조로 접합될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 구조의 씨모스 이미지 센서를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 스택 구조의 씨모스 이미지 센서(200)는 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(220) 및 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(240)를 포함한다. 또한, 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(220)는 마이크로렌즈(280)를 포함하며, 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(220)와 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(240)는 광학 투과 접착부(260)에 의해 스택 구조로 접합될 수 있다. 이때, A 방향은 스택 구조의 씨모스 이미지 센서(200)의 상부에 위치한 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(220)의 하부에서 상부로의 방향을 나타내고, B 방향은 스택 구조의 씨모스 이미지 센서(200)의 하부에 위치한 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(240)의 하부에서 상부로의 방향을 나타낸다.
스택 구조의 씨모스 이미지 센서(200)의 상부에는 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(220)가 위치한다. 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(220)를 살펴보면, 기판(221) 상에는 활성 영역과 필드 영역을 구분하는 소자 분리막(222)이 형성되어 있으며, 활성 영역에는 수광되는 빛을 광전 변환하는 포토다이오드 등을 포함하는 단위 화소(223)가 형성되어 있다. 일반적으로 씨모스 이미지 센서의 단위 화소(223)는 도 1에서 설명한 바와 같이, 한 개의 포토다이오드와 복수개의 트랜지스터들을 포함하여 구성된다.
단위 화소(223)가 형성된 기판(221) 상부에는 절연막(224)이 형성되고, 절연막(224)에는 다층의 금속 배선이 형성된다. 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 다층의 금속 배선을 포함하여 하나의 절연막(224)으로 도시하였다. 또한, 절연막(224)의 상부에는 최종 금속 배선(225)이 형성되며, 그 상부에 소자를 보호하기 위한 보호막(226)이 형성된다. 보호막(226)의 상부에는 특정 파장대의 광을 통과시키는 컬러 필터층(227)이 형성되는데, 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어질 수 있다. 이러한 컬러 필터층(227)의 형성에는 물질(예를 들어, 염색된 포토레지스트)을 도포하고, 마스크를 이용하여 패터닝하는 방식이 이용된다. 컬러 필터층(227)의 상부에는 평탄막(228)이 형성되며, 평탄막(228)의 상부에는 일정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성된 마이크로 렌즈(280)가 형성된다.
스택 구조의 씨모스 이미지 센서(200)의 하부에는 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(240)가 위치한다. 상부에 위치한 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(220)와 하부에 위치한 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(240)는 광학 투과 접착부(260)에 의하여 스택 구조로 접합된다. 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(240)를 살펴보면, 기판(241) 상부에 활성 영역과 필드 영역을 구분하는 소자 분리막(242)이 형성되고, 활성 영역에 수광되는 빛을 광전 변환하는 포토다이오드 등을 포함하는 단위 화소(243)가 형성된다.
단위 화소(243)가 형성된 기판(241)의 상부에는 절연막(244)이 형성되고, 절연막(244)에는 다층의 금속 배선이 형성된다. 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 다층의 금속 배선을 포함한 하나의 절연막(244)으로 도시하였다. 또한, 절연막(244)의 상부에는 최종 금속 배선(245) 등이 형성되고, 그 상부에는 소자를 보호하기 위한 보호막(246)이 형성된다. 여기서, 보호막(246)의 두께는 상부에 위치한 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(220)의 보호막(226) 두께보다 두껍게 형성시킬 수 있으며, 투과율이 떨어지는 질화막 계열의 물질도 사용 가능하다. 이로써 소자의 신뢰성 및 결함 치유성을 향상될 수 있다.
마이크로 렌즈(280)로부터 입사되는 빛은 스택 구조의 씨모스 이미지 센서(200)의 상부에 위치한 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(220)에 포함된 단위 화소(223)의 포토다이오드에 수광되어 광전 변환되고, 스택 구조의 씨모스 이미지 센서(200)의 하부에 위치한 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(240)에 포함된 단위 화소(243)의 포토다이오드에도 수광되어 광전 변환된다. 즉, 본 발명의 스택 구조의 씨모스 이미지 센서(200)는 실질적으로 서로 다른 씨모 스 이미지 센서(220, 240)에 각각 포함된 단위 화소(223, 243)의 포토다이오드들을 이용하는 것이므로 포토다이오드의 캐패시티 한계에 따른 입사광의 손실이 줄어들어 센서의 감도가 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스택 구조의 씨모스 이미지 센서를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 스택 구조의 씨모스 이미지 센서(300)는 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(340) 및 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(320)를 포함한다. 또한, 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(340)는 마이크로렌즈(380)를 포함하며, 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(340)와 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(320)는 광학 투과 접착부(360)에 의해 스택 구조로 접합될 수 있다. 이때, A 방향은 스택 구조의 씨모스 이미지 센서(200)의 상부에 위치한 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(340)의 하부에서 상부로의 방향을 나타내고, B 방향은 스택 구조의 씨모스 이미지 센서(300)의 하부에 위치한 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(320)의 하부에서 상부로의 방향을 나타낸다.
스택 구조의 씨모스 이미지 센서(300)의 상부에는 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(340)가 위치한다. 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(340)를 살펴보면, 기판(341) 상부에 활성 영역과 필드 영역을 구분하는 소자 분리막(342)이 형성되고, 활성 영역에 수광되는 빛을 광전 변환하는 포토다이오드 등을 포함하는 단위 화소(343)가 형성된다. 일반적으로 씨모스 이미지 센서의 단위 화소(343)는 도 1에서 설명한 바와 같이 한 개의 포토다이오드와 복수개의 트랜지스터들을 포함하여 구성된다.
단위 화소(343)가 형성된 기판(341) 상부에는 절연막(344)이 형성되고, 절연막(344)에는 다층의 금속 배선이 형성된다. 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 다층의 금속 배선을 포함한 하나의 절연막(344)으로 도시하였다. 또한, 절연막(344)의 상부에는 최종 금속 배선(345) 등이 형성되고, 그 상부에는 소자를 보호하기 위한 보호막(346)이 형성된다. 기판(341)의 하부에는 특정 파장대의 광을 통과시키는 컬러 필터층(347)이 형성되는데, 레드(Red), 그린(Green) 및 블루(Blue)의 3가지 칼라로 이루어지거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라로 이루어질 수 있다. 이러한 컬러 필터층(347)의 형성에는 물질(예를 들어, 염색된 포토레지스트)을 도포하고, 마스크를 이용하여 패터닝하는 방식이 이용된다. 컬러 필터층(347)의 하부에는 평탄막(348)이 형성되며, 평탄막(348) 하부에는 일정 곡률을 갖는 볼록 형태로 구성된 마이크로 렌즈(380)가 형성된다.
스택 구조의 씨모스 이미지 센서(300)의 상부에 위치한 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(340)와 하부에 위치한 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(320)는 광학 투과 접착부(360)에 의하여 스택 구조로 접합된다. 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(320)를 살펴보면, 기판(321) 상에는 활성 영역과 필드 영역을 구분하는 소자 분리막(322)이 형성되어 있으며, 활성 영역에는 수광되는 빛을 광전 변환하는 포토다이오드 등을 포함하는 단위 화소(323)가 형성되어 있다.
단위 화소(323)가 형성된 기판(321) 상부에는 절연막(324)이 형성되고, 절연막(324)에는 다층의 금속 배선이 형성된다. 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 다층의 금속 배선을 포함한 하나의 절연막(324)으로 표시하였다. 또한, 절연막(324)의 상부에는 최종 금속 배선(325)이 형성되며, 그 상부에 소자를 보호하기 위한 보호막(326)이 형성된다. 이후, 광학 투과 접착부(360)에 의하여 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(320)는 상부에 위치한 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(340)에 스택 구조로 접합된다.
마이크로 렌즈(380)로부터 입사된 빛은 스택 구조의 씨모스 이미지 센서(300)의 상부에 위치한 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(340)에 포함된 단위 화소(343)의 포토다이오드에 수광되어 광전 변환되고, 스택 구조의 씨모스 이미지 센서(300)의 하부에 위치한 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서(320)에 포함된 단위 화소(323)의 포토다이오드에도 수광되어 광전 변환된다. 즉, 본 발명의 스택 구조의 씨모스 이미지 센서(300)는 실질적으로 서로 다른 씨모스 이미지 센서(320, 340)에 각각 포함된 단위 화소(323, 343)의 포토다이오드들을 이용하는 것이므로 포토다이오드의 캐패시티 한계에 따른 입사광의 손실이 줄어들어 센서의 감도가 향상될 수 있다.
이상, 서로 다른 수광 방식의 씨모스 이미지 센서를 이용하는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 언급한 바와 같이 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서는 같은 수광 방식의 씨모스 이미지 센서일 수 있다. 즉, 실시예에 따라 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서 모두가 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서일 수 있으 며, 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서 모두가 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서일 수도 있다. 또한, 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명된 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서 각각의 구조는 예시적인 것으로서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 수정 및 변경될 수 있다.
본 발명에 따르면, 스택 구조의 씨모스 이미지 센서는 두 개 이상의 씨모스 이미지 센서를 스택 구조로 접합함으로써 각각의 씨모스 이미지 센서의 특징을 선택적으로 사용하거나 또는 두 개 이상의 특성 모두를 사용하게 할 수 있어 적용되는 용도의 다양성을 확보할 수 있으며, 포토다이오드의 캐패시티 한계에 따른 빛의 손실을 줄임으로써 고감도 및 고 신호 대 노이즈 비율(signal to noise ration, SNR)의 특징을 가질 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 스택 구조의 씨모스 이미지 센서는 영상 장치 등에 적용이 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 씨모스 이미지 센서를 나타내는 회로도이다.
도 2는 일반적인 씨모스 이미지 센서의 공정 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 구조의 씨모스 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스택 구조의 씨모스 이미지 센서를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스택 구조의 씨모스 이미지 센서를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
120: 제1 씨모스 이미지 센서 140: 제2 씨모스 이미지 센서
160: 모드 제어 유닛 180: 광학 투과 접착부
Claims (10)
- 제1 씨모스 이미지 센서; 및상기 제1 씨모스 이미지 센서와 스택 구조로 접합된 제2 씨모스 이미지 센서를 포함하는 스택 구조의 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제1 씨모스 이미지 센서와 상기 제2 씨모스 이미지 센서는 광학적으로 빛의 투과가 가능한 광학 투과 접착부를 매개로 접합되는 것을 특징으로 하는 스택 구조의 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서의 동작 또는 비동작 여부를 제어할 수 있는 모드 제어 유닛을 더 포함하는 스택 구조의 씨모스 이미지 센서.
- 제 3 항에 있어서, 상기 모드 제어 유닛은 상기 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서 각각의 동작 또는 비동작에 따라 상기 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서 중에서 하나의 센서를 동작시키는 싱글 동작 모드 및 상기 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서 모두를 동작시키는 듀얼 동작 모드 중에서 하나의 동작 모드를 선택하는 것을 특징으로 하는 스택 구조의 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제1 씨모스 이미지 센서와 상기 제2 씨모스 이미지 센서는 서로 다른 수광 방식의 씨모스 이미지 센서인 것을 특징으로 하는 스택 구조의 씨모스 이미지 센서.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제1 씨모스 이미지 센서는 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서이고, 상기 제2 씨모스 이미지 센서는 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서인 것을 특징으로 하는 스택 구조의 씨모스 이미지 센서.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제1 씨모스 이미지 센서는 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서이고, 상기 제2 씨모스 이미지 센서는 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서인 것을 특징으로 하는 스택 구조의 씨모스 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제1 씨모스 이미지 센서와 상기 제2 씨모스 이미지 센서는 서로 같은 수광 방식의 씨모스 이미지 센서인 것을 특징으로 하는 스택 구조의 씨모스 이미지 센서.
- 제 8 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서는 웨이퍼 전면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서인 것을 특징으로 하는 스택 구조의 씨모스 이미지 센서.
- 제 8 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 씨모스 이미지 센서는 웨이퍼 후면 수광 방식의 씨모스 이미지 센서인 것을 특징으로 하는 스택 구조의 씨모스 이미지 센서.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101402750B1 (ko) * | 2012-09-26 | 2014-06-11 | (주)실리콘화일 | 3차원 구조를 가지는 이미지센서의 분리형 단위화소 |
| US9277146B2 (en) | 2013-08-12 | 2016-03-01 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensor, method of operating the same, and system including the image sensor |
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- 2008-01-31 KR KR1020080010133A patent/KR20090084134A/ko not_active Application Discontinuation
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|---|---|---|---|---|
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