KR20100057302A - 이미지 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서 및 이의 제조 방법이 제공된다. 이미지 센서는, 반도체 기판에 정의된 활성 영역 내에 형성된 다수의 광전 변환부들과, 각각이 상기 다수의 광전 변환부들 각각의 상부에 위치하고, 외부로부터 반도체 기판으로 입사되는 광이 다수의 광전 변환부들 각각으로 입사되도록 가이드하는 구조를 가지며, 각각이 서로 다른 폭을 갖는 다수의 광 가이드들을 포함한다.
CIS, 광 가이드(light-guide), 굴절율
Description
본 발명의 실시예는 이미지 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CMOS 이미지 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 CMOS 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
CMOS 이미지 센서는 외부로부터 조사되는 빛을 감지하는 포토 다이오드부와 감지된 빛을 전기적인 신호로 처리하여 데이터화하는 회로부로 구성될 수 있는데, 포토 다이오드부의 수광량이 많을수록 CMOS 이미지 센서의 광 감도(Photo Sensitivity) 특성이 양호해진다.
이러한 CMOS 이미지 센서는 반도체 기판에 형성된 다수의 포토 다이오드들과, 다수의 포토 다이오드들 각각에 대응되어 형성되어 특정 파장대의 빛을 통과시 키는 다수의 컬러 필터들 및 다수의 컬러 필터들 각각과 대응되어 형성된 다수의 렌즈들을 포함할 수 있다.
외부로부터 CMOS 이미지 센서로 입사된 빛은 다수의 렌즈들을 통하여 집속될 수 있고, 다수의 컬러 필터들을 통해 필터링될 수 있으며, 다수의 컬러 필터들 각각에 대응되어 구성된 다수의 포토 다이오드들에 입사될 수 있다.
CMOS 이미지 센서에는 다수의 컬러 필터와 다수의 포토 다이오드 사이에 광 가이드(light-guide)가 배치되어 있다. 광 가이드는 외부로부터 렌즈를 통하여 입사되어 다수의 컬러 필터 각각을 통과한 광을 다수의 컬러 필터 각각에 대응하는 다수의 포토 다이오드 각각에 입사되도록 인도하는 역할을 한다.
종래의 CMOS 이미지 센서에는 상술한 광 가이드가 컬러 필터의 종류(예컨대 적색, 녹색 및 청색 컬러 필터) 또는 외부로부터 입사되는 광의 파장에 관계없이 동일한 폭(width)(예컨대, 가로방향 길이)으로 형성되어 있다.
그러나, CMOS 이미지 센서의 모든 채널, 즉 적색, 녹색 및 청색 컬러 필터 별로 통과되는 광의 파장(wavelength)이 다르며, 이에 따라 종래의 광 가이드 구조에서는 CMOS 이미지 센서의 고효율을 얻을 수 없다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 고효율의 이미지 센서를 제공하고자 하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 이러한 이미지 센서의 제조 방법을 제공하고자 하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 반도체 기판에 정의된 활성 영역 내에 형성된 다수의 광전 변환부들과, 각각이 상기 다수의 광전 변환부들 각각의 상부에 위치하고, 외부로부터 반도체 기판으로 입사되는 광이 다수의 광전 변환부들 각각으로 입사되도록 가이드하는 구조를 가지며, 각각이 서로 다른 폭을 갖는 다수의 광 가이드들을 포함한다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법은, 반도체 기판에 정의된 활성 영역에 다수의 광전 변환부들을 각각 형성하는 단계 및 다수의 광전 변환부들 상부에 다수의 광전 변환부들 각각에 대응되도록 서로 다른 폭을 가지는 다수의 광 가이드들을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 및 이의 제조 방법은, 이미지 센서의 다수의 광 가이드들을 서로 다른 폭으로 형성함으로써, 외부로부터 입사되는 광에 대한 이미지 센서의 광 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시예에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서를 포함한다. 여기서, CCD는 CMOS 이미지 센서에 비해 잡음(noise)이 적고 화질이 우수하지만, 고전압을 요구하며 공정 단가가 비싸다. CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다. 또한, 신호 처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하며, CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 이미지 센서로 CMOS 이미지 센서를 예시하여 설명한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 그대로 CCD에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소(100)는 광전 변환부(110), 전하 검출부(120), 전하 전송부(130), 리셋부(140), 증폭부(150), 및 선택부(160)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 단위 화소(100)가 4개의 트랜지스터 구조로 이루어진 경우를 도시하고 있으나, N(N은 자연수, 예컨대, 3 또는 5개)의 트랜지스터 구조로 이루어질 수도 있다.
광전 변환부(110)는 입사광을 흡수하여, 광량에 대응하는 전하를 축적할 수 있다. 광전 변환부(110)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 및 이들의 조합이 가능하다.
전하 검출부(120)는 플로팅 확산 영역(FD; Floating Diffusion region)이 주로 사용될 수 있으며, 광전 변환부(110)에서 축적된 전하를 전송받을 수 있다. 전하 검출부(120)는 기생 커패시턴스를 갖고 있기 때문에, 전하가 누적적으로 저장될 수 있다. 전하 검출부(120)는 증폭부(150)의 게이트에 전기적으로 연결되어 있어, 증폭부(150)를 제어할 수 있다.
전하 전송부(130)는 광전 변환부(110)에서 전하 검출부(120)로 전하를 전송할 수 있다. 전하 전송부(130)는 일반적으로 1개의 트랜지스터로 이루어질 수 있으며, 전하 전송 신호(TG)에 의해 제어될 수 있다.
리셋부(140)는 전하 검출부(120)를 주기적으로 리셋시킬 수 있다. 리셋부(140)의 소스는 전하 검출부(120)에 연결되고, 드레인은 전원(Vdd)에 연결된다. 또한, 리셋부(140)는 리셋 신호(RST)에 응답하여 구동될 수 있다.
증폭부(150)는 단위 화소(100) 외부에 위치하는 정전류원(미도시)과 조합하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며, 전하 검출부(120)의 전압에 응답하여 변하는 전압이 수직 신호 라인(162)으로 출력될 수 있다. 소스는 선택부(160)의 드레인에 연결되고, 드레인은 전원(Vdd)에 연결된다.
선택부(160)는 행 단위로 읽어낼 단위 화소(100)를 선택할 수 있다. 선택부(160)는 선택 신호(ROW)에 응답하여 구동되고, 소스는 수직 신호 라인(162)에 연결된다.
또한, 전하 전송부(130), 리셋부(140), 선택부(160)의 구동 신호 라인(131, 141, 161)은 동일한 행에 포함된 단위 화소들이 동시에 구동되도록 행 방향(수평 방향)으로 연장될 수 있다.
이하 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 레이아웃도이고, 도 3은 도 2에 도시된 이미지 센서를 Ⅲ~Ⅲ' 및 Ⅲ'~Ⅲ''의 선으로 절단한 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 다수의 단위 화소가 매트릭스 형태로 배열되어 광학 영상을 전기 신호로 변환할 수 있다. 외부로부터 입사되는 광은 컬러 필터를 통과하여 광전 변환부(예컨대, 포토 다이오드)에 도달하므로, 소정 영역의 파장에 해당하는 입사광에 대응하여 전하가 축적될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에서는 도 2에서와 같이 베이어(Bayer) 형으로 컬러 필터를 배치할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(400)는 반도체 기판(101)에 형성된 다수의 채널들, 예컨대 제1 채널, 제2 채널 및 제3 채널을 포함할 수 있다.
제1 채널, 제2 채널 및 제3 채널 각각은 광전 변환부(110R, 110G, 110B), 광 가이드(330R, 330G, 330B) 및 컬러 필터(340R, 340G, 340B)를 포함할 수 있다.
예컨대, 제1 채널은 반도체 기판(101) 내에 형성된 제1 광전 변환부(110R), 상기 제1 광전 변환부(110R)의 상부에 대응되도록 형성된 제1 광 가이드(330R) 및 제1 광 가이드(330R) 상부에 제1 광전 변환부(110R) 또는 제1 광 가이드(330R)와 대응되도록 형성된 제1 컬러 필터(340R), 예컨대 적색(red) 컬러 필터를 포함할 수 있다.
제2 채널은 반도체 기판(101) 내에 형성된 제2 광전 변환부(110G), 상기 제2 광전 변환부(110G)의 상부에 대응되도록 형성된 제2 광 가이드(330G) 및 제2 광 가이드(330G) 상부에 제2 광전 변환부(110G) 또는 제2 광 가이드(330G)와 대응되도록 형성된 제2 컬러 필터(340G), 예컨대 녹색(green) 컬러 필터를 포함할 수 있다.
제3 채널은 반도체 기판(101) 내에 형성된 제3 광전 변환부(110B), 상기 제3 광전 변환부(110B)의 상부에 대응되도록 형성된 제3 광 가이드(330B) 및 제3 광 가이드(330B) 상부에 제3 광전 변환부(110B) 또는 제3 광 가이드(330B)와 대응되도록 형성된 제3 컬러 필터(340B), 예컨대 청색(blue) 컬러 필터를 포함할 수 있다.
제1 광전 변환부(110R), 제2 광전 변환부(110G) 및 제3 광전 변환부(110B)는 반도체 기판(101) 내에 형성된 소자 분리 영역(STI)에 의해 서로 분리될 수 있으며, 각각이 서로 인접되어 형성될 수 있다.
소자 분리 영역(STI)은 반도체 기판(101)에 형성되어 활성 영역을 정의할 수 있다. 소자 분리 영역(STI)에 의해 정의된 활성 영역에는 상술한 제1 채널, 제2 채널 및 제3 채널이 각각 형성될 수 있다. 소자 분리 영역(STI)은 예컨대, LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)방법을 이용한 FOX(Field OXide) 또는 STI(Shallow Trench Isolation)가 될 수 있다.
제1 광전 변환부(110R), 제2 광전 변환부(110G) 및 제3 광전 변환부(110B)는 소자 분리 영역(STI)에 의해 정의되는 반도체 기판(101)의 활성 영역 각각에 형성될 수 있으며, 외부로부터 입사되는 광 에너지를 흡수하여 발생하는 전하를 축적할 수 있다.
제1 광전 변환부(110R), 제2 광전 변환부(110G) 및 제3 광전 변환부(110B)는 N형의 포토 다이오드(112R, 112G)와 P+형의 피닝층(pinning layer)(114R, 114G)을 각각 포함할 수 있다.
제1 광전 변환부(110R), 제2 광전 변환부(110G) 및 제3 광전 변환부(110B) 상에는 각각 전하 전송부(130)가 형성될 수 있으며, 전하 검출부(120), 리셋부(140), 증폭부(150), 선택부(160)에 해당하는 각각의 트랜지스터들이 형성될 수 있다.
제1 광전 변환부(110R), 제2 광전 변환부(110G) 및 제3 광전 변환부(110B) 또는 각각의 전하 전송부(130)의 상부에는 반도체 기판(101)의 전면을 덮으며, 트랜지스터들이 형성되지 않은 빈 공간을 채우도록 하는 적어도 하나(또는, 한층)의 절연막 구조물(310)이 형성될 수 있다.
예컨대, 제1 광전 변환부(110R), 제2 광전 변환부(110G) 및 제3 광전 변환부(110B) 또는 각각의 전하 전송부(130)의 상부에는 반도체 기판(101)의 전면을 덮도록 층간 절연막(311)이 형성될 수 있다. 층간 절연막(311)은 산화막으로 이루어지거나 또는 산화막 및 질화막의 복합막으로 이루어질 수 있다.
층간 절연막(311) 상에는 배선 패턴(320)이 형성될 수 있다. 배선 패턴(320)은 단일층으로 형성될 수 있으며, 2층 또는 3층의 다층으로 형성될 수도 있다. 본 실시예에서는 하나의 예로써, 제1 배선 패턴(321) 및 제2 배선 패턴(323)을 포함하는 배선 패턴(320)이 도시되어 있다.
제1 배선 패턴(321)은 층간 절연막(311) 상에 형성될 수 있다. 제1 배선 패턴(321)은 예컨대, 알루미늄(Al), 텅스텐(W) 및 구리(Cu) 등으로 형성될 수 있으며, 주변 회로 영역에 형성될 수 있다.
여기서, 주변 회로 영역이라 함은 반도체 기판(101)에서 채널이 형성되지 않은 영역, 즉 제1 광전 변환부(110R), 제 광전 변환부(110R, 110G, 110B) 및 제3 광전 변환부(110B)가 형성되지 않은 영역일 수 있다. 제1 광전 변환부(110R), 제2 광전 변환부(110G) 및 제3 광전 변환부(110B)가 형성된 영역은 수광 영역이라 정의할 수 있다.
제1 배선 패턴(321)의 상부 또는 층간 절연막(311) 상에는 제1 금속층간 절연막(313)이 형성될 수 있다. 제1 금속층간 절연막(313)은 산화막으로 이루어지거나 또는 산화막 및 질화막의 복합막으로 형성될 수 있다.
제1 금속층간 절연막(313) 상에는 제2 배선 패턴(323)이 형성될 수 있다. 제2 배선 패턴(323)은 제1 배선 패턴(321)과 나란하게 형성될 수 있으며, 비아홀(미도시)을 통해 제1 배선 패턴(321)과 접속될 수 있다.
제2 배선 패턴(323)은 제1 배선 패턴(321)과 동일한 물질, 예컨대 알루미늄(Al), 텅스텐(W) 및 구리(Cu) 등으로 형성될 수 있다.
제2 배선 패턴(323)의 상부 또는 제1 금속층간 절연막(313)의 상부에는 제2 금속층간 절연막(315)이 형성될 수 있다. 제2 금속층간 절연막(315)은 제1 금속층 간 절연막(313)과 동일한 물질, 예컨대 산화막으로 이루어지거나 또는 산화막 및 질화막의 복합막으로 형성될 수 있다.
제1 금속층간 절연막(313)과 제2 금속층간 절연막(315)은 예컨대, FOX(Flowable OXide), HDP(High Density Plasma), TOSZ(Tonen SilaZene), SOG(Spin On Glass), USG(Undoped Silica Glass) 등으로 형성될 수 있다.
한편, 상술한 절연막 구조물(310), 즉 층간 절연막(311), 제1 금속층간 절연막(313) 및 제2 금속층간 절연막(315)의 소정 영역에는 광전 변환부들, 예컨대 제1 광전 변환부(110R), 제2 광전 변환부(110G) 및 제3 광전 변환부(110B)와 대응되도록 위치하는 다수의 개구부들(317R, 317G, 317B)이 형성될 수 있다.
다수의 개구부들(317R, 317G, 317B)은 제1 개구부(317R), 제2 개구부(317G) 및 제3 개구부(317B)를 포함할 수 있다.
제1 개구부(317R), 제2 개구부(317G) 및 제3 개구부(317B) 각각은 절연막 구조물(310), 예컨대 층간 절연막(311), 제1 금속층간 절연막(313) 및 제2 금속층간 절연막(315)을 소정의 깊이로 식각하여 형성할 수 있다. 여기서, 절연막 구조물(310)은 예컨대 습식 식각으로 식각될 수 있다.
제1 개구부(317R)는 제2 금속층간 절연막(315)으로부터 제1 광전 변환부(110R)의 상부, 예컨대 제1 광전 변환부(110R) 상부에 형성된 층간 절연막(311)의 일부 영역까지 연장되도록 식각되여 형성될 수 있다.
제2 개구부(317G)는 제2 금속층간 절연막(315)으로부터 제2 광전 변환부(110G)의 상부, 예컨대 제2 광전 변환부(110G) 상부에 형성된 층간 절연막(311) 의 일부 영역까지 연장되도록 식각되여 형성될 수 있다.
제3 개구부(317B)는 제2 금속층간 절연막(315)으로부터 제3 광전 변환부(110B)의 상부, 예컨대 제3 광전 변환부(110B) 상부에 형성된 층간 절연막(311)의 일부 영역까지 연장되도록 식각되어 형성될 수 있다.
즉, 제1 개구부(317R), 제2 개구부(317G) 및 제3 개구부(317B)는 각각의 광전 변환부, 예컨대 제1 광전 변환부(110R), 제2 광전 변환부(110G) 및 제3 광전 변환부(110B)의 상부에 형성된 층간 절연막(311)의 일부가 노출되도록 식각되어 형성될 수 있다.
제1 개구부(317R), 제2 개구부(317G) 및 제3 개구부(317B)는 서로 다른 폭(width), 예컨대 서로 다른 가로 방향 길이(d1, d2, d3)로 형성될 수 있다. 이에 따라, 후술될 광 가이드들(330R, 330G, 330B) 각각은 제1 개구부(317R)의 폭(d1), 제2 개구부(317G)의 폭(d2) 또는 제3 개구부(317B)의 폭(d3)에 따라 서로 다른 폭으로 형성될 수 있다.
예컨대, 제1 개구부(317R)의 폭(d1)은 제1 광 가이드(330R)의 폭(d1)과 동일할 수 있고, 제2 개구부(317G)의 폭(d2)은 제2 광 가이드(330G)의 폭(d2)과 동일할 수 있으며, 제3 개구부(317B)의 폭(d3)은 제3 광 가이드(330B)의 폭(d3)과 동일할 수 있다.
제1 개구부(317R), 제2 개구부(317G) 및 제3 개구부(317B) 각각의 폭(d1, d2, d3)은 외부로부터 입사되는 제1 입사광(A)의 파장 길이(wavelength) 또는 제1 입사광(A)이 후술될 다수의 컬러 필터들(340R, 340G, 340B) 각각을 통과한 후의 제 2 입사광(B)의 폭(beamwidth) 또는 다수의 광 가이드들(330R, 330G, 330B) 각각을 형성하는 물질, 예컨대 광 가이드 물질의 굴절율(refraction ratio; n)에 따라 달라질 수 있다.
하나의 예로써, 도 4a와 도 4b는 도 3에 도시된 광 가이드를 형성하는 물질의 굴절율에 따른 광 가이드의 폭과 광 효율에 대한 그래프를 도시하고 있다.
도 3 및 도 4a를 참조하면, 다수의 광 가이드들(330R, 330G, 330B) 각각을 형성하는 광 가이드 물질이 제1 굴절율(n1), 예컨대 대략 1.57의 제1 굴절율(n1)을 가지는 경우에, 최적의 광 효율을 위하여 제1 개구부(317R)의 폭(d1)(또는, 제1 광 가이드(330R)의 폭)은 대략 0.6㎛일 수 있다. 또, 제2 개구부(317G)의 폭(d2)(또는, 제2 광 가이드(330G)의 폭)은 대략 0.6㎛일 수 있다. 제3 개구부(317B)의 폭(d3)(또는, 제3 광 가이드(330B)의 폭)은 대략 0.8㎛일 수 있다.
도 3 및 도 4b를 참조하면, 다수의 광 가이드들(330R, 330G, 330B) 각각을 형성하는 광 가이드 물질이 제2 굴절율(n2), 예컨대 대략 1.68의 제2 굴절율(n2)을 가지는 물질일 경우에, 최적의 광 효율을 위하여 제1 개구부(317R)의 폭(d1)(또는, 제1 광 가이드(330R)의 폭)은 대략 0.4㎛일 수 있다. 또, 제2 개구부(317G)의 폭(d2)(또는, 제2 광 가이드(330G)의 폭)은 대략 0.8㎛일 수 있다. 제3 개구부(317B)의 폭(d3)(또는, 제3 광 가이드(330B)의 폭)은 대략 0.5㎛일 수 있다.
이와 같이, 다수의 광 가이드들(330R, 330G, 330B) 각각을 형성하는 광 가이드 물질의 굴절율에 따라 절연막 구조물(310)의 다수의 개구부들(317R, 317G, 317B)의 폭(d1, d2, d3)(또는, 다수의 광 가이드들(330R, 330G, 330B)의 폭)을 서 로 다르게 함으로써, 각각의 채널들에서 높은 광 효율을 얻을 수 있다.
도 3에서는 하나의 예로써, 도 4b에 도시된 제1 개구부(317R)의 폭(d1), 제2 개구부(317G)의 폭(d2) 및 제3 개구부(317B)의 폭(d3)으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 제한되지는 않는다.
도 4a 및 도 4b의 그래프의 X축은 다수의 개구부들(317R, 317G, 317B)(또는, 다수의 광 가이드들(330R, 330G, 330B))의 각각의 폭(d1, d2, d3)을 정의하고, Y축은 광 효율을 정의할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 다수의 광 가이드들(330R, 330G, 330B) 각각은 광전 변환부, 즉 제1 광전 변환부(110R), 제2 광전 변환부(110G) 및 제3 광전 변환부(110B)의 상부에 대응되도록 형성될 수 있다.
예컨대, 다수의 광 가이드들(330R, 330G, 330B)은 다수의 개구부들(317R, 317G, 317B)의 상부 또는 제2 금속층간 절연막(315)의 상부에 광 가이드 물질, 예컨대 옥사이드(oxide) 계열의 물질 등으로 소정의 광 가이드층(330)을 형성하는 것으로 이루어질 수 있다. 여기서, 광 가이드 물질은 상술한 절연막 구조물(310), 즉 층간 절연막(311), 제1 금속층간 절연막(313) 및 제2 금속층간 절연막(315)을 형성하는 물질보다 높은 굴절율을 가질 수 있다.
제1 광 가이드(330R), 제2 광 가이드(330G) 및 제3 광 가이드(330B)는 외부로부터 입사된 광, 예컨대 제1 입사광(A) 또는 제2 입사광(B)이 인접하는 광전 변환부들(110R, 110G, 110B)에 입사되지 않도록 상기 광을 적어도 한번 전반사할 수 있다.
예컨대, 제1 광 가이드(330R)는 외부로부터 제1 컬러 필터(340R)를 통과하여 입사되는 제2 입사광(B)을 제공받을 수 있으며, 제2 입사광(B)이 제1 광전 변환부(110R)로 입사되도록 제1 광 가이드(330R)의 내부에서 적어도 한번 전반사를 일으킬 수 있다.
제2 광 가이드(330G)는 제2 컬러 필터(340G)를 통과하여 입사되는 제2 입사광(B)이 제2 광전 변환부(110G)로 입사되도록 제2 광 가이드(330G)의 내부에서 적어도 한번 전반사를 일으킬 수 있으며, 제3 광 가이드(330B)는 제3 컬러 필터(340B)를 통과하여 입사되는 제2 입사광(B)이 제3 광전 변환부(110B)로 입사되도록 제3 광 가이드(330B)의 내부에서 적어도 한번 전반사를 일으킬 수 있다.
이는, 제1 광 가이드(330R), 제2 광 가이드(330G) 및 제3 광 가이드(330B)를 형성하는 광 가이드 물질이 인접하는 절연막 구조물(310)을 형성하는 물질보다 높은 굴절율을 가지기 때문이다.
다수의 광 가이드들(330R, 330G, 330B) 각각은 제2 금속층간 절연막(315) 상부에 소정의 두께로 도포된 광 가이드 물질이 다수의 개구부들, 즉 제1 개구부(317R), 제2 개구부(317G) 및 제3 개구부(317B)에 충진되도록 하여 형성될 수 있다.
다수의 광 가이드들(330R, 330G, 330B) 중에서 제1 광 가이드(330R)는, 광 가이드 물질이 제1 개구부(317R)에 충진되어 형성될 수 있다. 제1 광 가이드(330R)의 일면은 제1 광전 변환부(110R)에 인접될 수 있으며, 타면은 후술될 제1 컬러 필터(340R)에 인접될 수 있다. 즉, 제1 광 가이드(330R)는 외부로부터 제1 컬러 필 터(340R)를 통과한 제2 입사광(B)이 제1 광전 변환부(110R)로 입사되도록 인도하는 역할을 할 수 있다.
다수의 광 가이드들(330R, 330G, 330B) 중에서 제2 광 가이드(330G)는, 광 가이드 물질이 제2 개구부(317G)에 충진되어 형성될 수 있다. 제2 광 가이드(330G)의 일면은 제2 광전 변환부(110G)에 인접될 수 있으며, 타면은 후술될 제2 컬러 필터(340G)에 인접될 수 있다. 즉, 제2 광 가이드(330G)는 외부로부터 제2 컬러 필터(340G)를 통과한 제2 입사광(B)이 제2 광전 변환부(110G)로 입사되도록 인도하는 역할을 할 수 있다.
다수의 광 가이드들(330R, 330G, 330B) 중에서 제3 광 가이드(330B)는, 광 가이드 물질이 제3 개구부(317B)에 충진되어 형성될 수 있다. 제3 광 가이드(330B)의 일면은 제3 광전 변환부(110B)에 인접될 수 있으며, 타면은 후술될 제3 컬러 필터(340B)에 인접될 수 있다. 즉, 제3 광 가이드(330B)는 외부로부터 제3 컬러 필터(340B)를 통과한 제2 입사광(B)이 제3 광전 변환부(110B)로 입사되도록 인도하는 역할을 할 수 있다.
제1 광 가이드(330R), 제2 광 가이드(330G) 및 제3 광 가이드(330B)는 앞서 설명한 바와 같이, 서로 다른 폭(d1, d2, d3), 예컨대 다수의 개구부들(317R, 317G, 317B) 각각의 폭(d1, d2, d3)과 동일한 폭(d1, d2, d3)으로 형성될 수 있다.
다수의 광 가이드들(330R, 330G, 330B)의 상부 또는 광 가이드 층(330)의 상부에는 다수의 컬러 필터들(340R, 340G, 340B), 예컨대 적색, 녹색 및 청색의 컬러 필터들이 형성될 수 있다.
적색 컬러 필터(340R), 예컨대 제1 컬러 필터(340R)는 제1 광 가이드(330R)의 상부에 형성될 수 있다. 제1 컬러 필터(340R)는 제1 광 가이드(330R) 또는 제1 광전 변환부(110R)에 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
녹색 컬러 필터(340G), 예컨대 제2 컬러 필터(340G)는 제2 광 가이드(330G)의 상부에 형성될 수 있다. 제2 컬러 필터(340G)는 제2 광 가이드(330G) 또는 제2 광전 변환부(110G)에 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
청색 컬러 필터(340B), 예컨대 제3 컬러 필터(340B)는 제3 광 가이드(330B)의 상부에 형성될 수 있다. 제3 컬러 필터(340B)는 제3 광 가이드(330B) 또는 제3 광전 변환부(110B)에 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
제1 컬러 필터(340R), 제2 컬러 필터(340G) 및 제3 컬러 필터(340B)는 다수의 광 가이드들(330R, 330G, 330B)보다 큰 폭으로 형성될 수 있다.
다수의 컬러 필터들(340R, 340G, 340B)의 상부에는 패시베이션막(319)이 형성될 수 있다. 패시베이션막(319)은 하부의 구조물들, 예컨대 다수의 컬러 필터들(340R, 340G, 340B), 다수의 광전 변환부들(110R, 110G, 110B) 및 다수의 광 가이드들(330R, 330G, 330B)을 보호할 수 있으며, 외부로부터 입사되는 입사광, 예컨대 제1 입사광(A)이 잘 통과할 수 있는 물질로 형성될 수 있다.
패시베이션막(319) 상부에는 각각의 컬러 필터들(340R, 340G, 340B), 즉 제1 컬러 필터(340R), 제2 컬러 필터(340G) 및 제3 컬러 필터(340B)와 대응되도록 마이크로 렌즈(350)가 위치할 수 있다. 마이크로 렌즈(350)는 예컨대, TMR 계열의 수지 및 MFR 계열의 수지로 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 이미지 센싱 시스템을 나타내는 개략도이다.
이미지 센싱 시스템(500)은 예컨대, 컴퓨터 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 기계화된 시계 시스템, 네비게이션 시스템, 비디오폰, 감독 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감시 시스템, 이미지 안정화 시스템 등을 예시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 5를 참조하면, 이미지 센싱 시스템(500)의 한 종류인 컴퓨터 시스템은 버스(520), 중앙 정보 처리 장치(CPU)(510), 이미지 센서(400) 및 메모리(530)를 포함할 수 있다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 이미지 센싱 시스템(500)은 버스(520)에 접속되어 외부와 통신할 수 있는 인터페이스(미도시)를 더 포함할 수 있다. 여기서 인터페이스는 예컨대, I/O 인터페이스일 수 있으며, wireless 인터페이스일 수 있다.
CPU(510)는 이미지 센서(400)의 동작을 제어할 수 있는 제어 신호를 생성할 수 있으며, 버스(520)를 통해 이미지 센서(400)에 제어 신호를 제공할 수 있다.
이미지 센서(400)는 APS 어레이, 로우 드라이버 및 ADC를 포함하여 구성될 수 있으며, CPU(510)로부터 제공된 제어 신호에 따라 광을 감지하고, 이를 전기적 신호로 변환하여 영상 신호를 생성할 수 있다.
메모리(530)는 이미지 센서(400)로부터 출력되는 영상 신호를 버스(520)를 통해 제공받고, 이를 저장할 수 있다.
한편, 상기 이미지 센서(400)는 CPU(510), 메모리(530) 등과 함께 집적될 수 있으며, 경우에 따라서는 디지털 신호 처리 장치(Digital Signal Processor; DSP)가 함께 집적되거나, 또는 이미지 센서(400)만 별개의 칩에 집적될 수도 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 레이아웃도이고, 도 3은 도 2에 도시된 이미지 센서를 Ⅲ~Ⅲ' 및 Ⅲ'~Ⅲ''의 선으로 절단한 단면도이다.
도 4a와 도 4b는 도 3에 도시된 광 가이드를 형성하는 물질의 굴절율에 따른 광 가이드의 폭과 광 효율에 대한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 이미지 센싱 시스템을 나타내는 개략도이다.
Claims (18)
- 반도체 기판에 정의된 활성 영역 내에 형성된 다수의 광전 변환부들; 및외부로부터 상기 반도체 기판으로 입사되는 광이 상기 다수의 광전 변환부들 각각으로 입사되도록 가이드하기 위한 구조를 가지며, 각각이 서로 다른 폭을 갖는 다수의 광 가이드들을 포함하는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서,상기 다수의 광 가이드들 각각의 폭은 상기 다수의 광 가이드들을 형성하는 광 가이드 물질의 굴절율에 따라 결정되는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서,상기 다수의 광 가이드들 각각의 폭은 상기 외부로부터 입사되는 상기 광의 파장 길이 또는 상기 광의 폭 길이에 따라 결정되는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서,상기 다수의 광 가이드들은, 상기 외부로부터 하나의 광 가이드로 입사되는 상기 광이 인접하는 광전 변환부로 입사되지 않도록 상기 하나의 광 가이드 내부에서 적어도 한번 전반사되는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서, 상기 이미지 센서는,상기 다수의 광전 변환부들 상부에 적어도 하나의 층으로 형성되고, 상기 다수의 광전 변환부들 각각에 대응되는 영역에 서로 다른 폭을 가지는 다수의 개구부들이 형성된 절연막 구조물을 더 포함하고,상기 다수의 광 가이드들은 상기 다수의 개구부들 각각의 내부를 채워 형성되는 이미지 센서.
- 제5 항에 있어서,상기 다수의 광 가이드들을 형성하는 광 가이드 물질의 굴절율은 상기 절연막 구조물을 형성하는 물질의 굴절율보다 큰 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서,상기 다수의 광 가이드들은 옥사이드 계열의 물질로 형성되는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서, 상기 이미지 센서는,상기 다수의 광 가이드들 각각의 상부에 형성되며, 상기 외부로부터 입사되는 상기 광을 필터링하여 상기 다수의 광 가이드들 각각에 입사시키는 다수의 컬러 필터들을 더 포함하는 이미지 센서.
- 제8 항에 있어서, 상기 이미지 센서는,상기 다수의 컬러 필터들 각각의 상부에 위치하는 다수의 마이크로 렌즈를 더 포함하는 이미지 센서.
- 반도체 기판에 정의된 활성 영역에 다수의 광전 변환부들을 각각 형성하는 단계; 및상기 다수의 광전 변환부들 상부에 상기 다수의 광전 변환부들 각각에 대응되도록 서로 다른 폭을 가지는 다수의 광 가이드들을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제10 항에 있어서, 상기 서로 다른 폭을 가지는 다수의 광 가이드들을 형성하는 단계는,상기 다수의 광전 변환부들의 상부에 적어도 하나의 층을 갖는 절연막 구조물을 형성하는 단계;상기 다수의 광전 변환부들 각각에 대응되는 상기 절연막 구조물의 일부분에 서로 다른 폭을 가지는 다수의 개구부들을 형성하는 단계; 및상기 다수의 개구부들 각각에 광 가이드 물질을 충진하여 서로 다른 폭을 가지는 상기 다수의 광 가이드들을 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제11 항에 있어서, 상기 다수의 광전 변환부들 각각에 대응되는 상기 절연막 구조물의 일부분에 서로 다른 폭을 가지는 다수의 개구부들을 형성하는 단계는,상기 다수의 광 가이드들을 형성하는 상기 광 가이드 물질의 굴절율에 따라 서로 다른 폭을 가지는 상기 다수의 개구부들을 형성하는 단계인 이미지 센서의 제조 방법.
- 제12 항에 있어서,상기 광 가이드 물질은 상기 절연막 구조물의 물질보다 높은 굴절율을 가지는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제11 항에 있어서, 상기 다수의 광전 변환부들 각각에 대응되는 상기 절연막 구조물의 일부분에 서로 다른 폭을 가지는 다수의 개구부들을 형성하는 단계는,외부로부터 상기 반도체 기판으로 입사되는 광의 파장 길이 또는 상기 광의 폭 길이에 따라 서로 다른 폭을 가지는 상기 다수의 개구부들을 형성하는 단계인 이미지 센서의 제조 방법.
- 제11 항에 있어서, 상기 다수의 광전 변환부들 각각에 대응되는 상기 절연막 구조물의 일부분에 서로 다른 폭을 가지는 다수의 개구부들을 형성하는 단계는,상기 절연막 구조물의 상면으로부터 상기 다수의 광전 변환부들 각각의 상부까지 서로 다른 폭으로 상기 절연막 구조물을 식각하는 단계인 이미지 센서의 제조 방법.
- 제10 항에 있어서, 상기 이미지 센서의 제조 방법은,상기 다수의 광 가이드들 각각의 상부에 상기 외부로부터 입사되는 상기 광을 필터링하는 다수의 컬러 필터들을 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제10 항에 있어서, 상기 이미지 센서의 제조 방법은,상기 다수의 컬러 필터들 각각의 상부에 다수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 광을 감지하여 영상 신호를 생성하는 이미지 센서;상기 이미지 센서의 동작을 제어하기 위한 CPU; 및상기 CPU에 의해 제어된 상기 이미지 센서로부터 제공되는 상기 영상 신호를 저장하기 위한 메모리를 포함하는 이미지 센싱 시스템으로서,상기 이미지 센싱 시스템의 상기 이미지 센서는,반도체 기판에 정의된 활성 영역 내에 형성된 다수의 광전 변환부들; 및외부로부터 상기 반도체 기판으로 입사되는 광이 상기 다수의 광전 변환부들 각각으로 입사되도록 가이드하기 위한 구조를 가지며, 각각이 서로 다른 폭을 갖는 다수의 광 가이드들을 포함하는 이미지 센싱 시스템.
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