KR20110001255A - 이미지 센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다. 이 이미지 센서는 적어도 하나의 수광 소자 및 수광 소자의 상부에 배치된 적어도 하나의 필터를 구비하고, 필터는 주기적으로 배열된 홀 들을 포함하고, 특정 파장의 빛을 투과시키거나 차단시키는 포토닉 크리스탈을 포함하는 것을 특징으로 한다. 그러므로, 일반적인 이미지 센서보다 더 얇게 제조될 수 있어 입사광과 포토 다이오드간의 거리를 단축시키므로 광 감도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 입사하는 빛의 충분한 량을 포토 다이이드로 집광시킬 수 있고, 광 감도를 획기적으로 향상시키며, 칼라 겹침 영역이 최소화되어 칼러 파장 대역의 광 감도 및 광학 크로스토크 특성을 향상시킬 수 있고, 포토닉 크리스탈 구조를 이용하여 포토닉 밴드 갭를 형성하고, 원하는 빛의 파장 범위 조절을 통하여 색상을 재현하고, 최소 선폭이 적용되는 미세 이미지 센서에 적용될 수도 있는 효과를 갖는다.
이미지 센서(image sensor), 포토닉 크리스탈(photonic crystal), 홀(hole)
Description
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 특히 컬러 필터와 마이크로 렌즈 대신에 포토닉 크리스탈을 채용한 이미지 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
통상적으로 이미지 센서는 마이크로 렌즈(미도시)를 통하여 포토 다이오드(미도시) 중앙으로 입사광의 초점을 맞추며, 청색(B:Blue), 녹색(G:Green) 및 적색(R:Red)의 칼라 필터 어레이(미도시)를 통해 각각의 특정 칼라만을 해당하는 포토 다이오드로 전달한다.
도 1 (a) 및 (b)는 원색 필터와 보색 필터를 개략적으로 나타낸다.
칼라 필터 어레이에서 각 칼라 필터는 일반적으로 도 1 (a)에 도시된 바와 같이 빛의 삼원색인 B, G 및 R로 구성되는 원색 필터와 도 1 (b)에 도시된 바와 같이 빛의 이차색인 옐로우(Y:Yellow), 마젠타(M:Magenta) 및 시안(C:Cyan)으로 구성되어 있는 보색 필터를 사용한다. 즉, 도 1 (a)에 도시된 R, G 및 B는 적색, 녹색 및 청색의 파장 대역의 빛이 투과되는 영역을 각각 나타내고, 도 1 (b)에 도시된 Y, M, C 및 G는 옐로우(Y:Yellow), 마젠타(M:Magenta) 및 시안(C:Cyan)의 파장 대 역의 빛이 투과되는 영역을 각각 나타낸다.
도 1 (a)에 도시된 원색 필터의 경우에는 일반적으로 색 재현 능력이 뛰어나지만 감도가 떨어지는 반면에, 도 1 (b)에 도시된 보색 필터는 통과되는 광량이 2배에 가까워서 빛에 대한 감도는 뛰어나지만 색 재현 능력이 떨어진다.
도 2 (a) 내지 (c)들은 B, G 및 R 각각의 파장에 대한 투과 특성을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
일반적인 이미지 센서의 경우, 칼라 필터가 도 1 (a)에 도시된 바와 같이 B-G 및 G-R 순으로 배열 되어 있기 때문에 빛의 간섭 현상이 발생한다. 또한, 칼라 필터의 물질 특성상 자신의 색은 투과시키고, 나머지 색들은 차단시켜야 함에도 불구하고, 도 2 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이, 일반적인 이미지 센서는 통과시키는 파장 대의 빛도 어느 정도 흡수를 하여 손실을 보게 될 뿐만 아니라 차단시켜야 하는 소량의 빛도 투과시켜 공간 크로스 토크(crosstalk)를 발생시킨다.
도 3은 일반적인 칼라 필터의 크로스 토크를 설명하기 위한 그래프로서, 횡축은 파장(wavelength)을 ㎚의 단위로 나타내며, 종축은 투과율(transmittance)을 퍼센트(%) 단위로 나타낸다.
B, G 및 R 칼라 필터의 특성은 도 3에 도시된 바와 같으며, 물질의 특성상 B-G 및 G-R 사이의 광학 크로스토크(2 및 4)는 항상 존재한다.
또한, 일반적인 이미지 센서는 필터 물질에 의한 오염으로 인해 빛의 파장 범위에 대해 투과율 또는 흡수율이 광범위하게 분포하고 있어서 정확한 칼라 또는 파장 대의 빛을 선택적으로 통과 시키지 못하는 문제점도 갖는다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 마이크로 렌즈와 칼라 필터의 역할을 모두 수행할 수 있는 포토닉 크리스탈의 공진 구조를 이용하여 광학 크로스토크를 획기적으로 개선시키는 등 광학 특성을 향상시킨 이미지 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 이미지 센서는, 적어도 하나의 수광 소자 및 상기 수광 소자의 상부에 배치된 적어도 하나의 필터로 구성되고, 상기 필터는 주기적으로 배열된 홀 들을 포함하고, 특정 파장의 빛을 투과시키거나 차단시키는 포토닉 크리스탈을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 이미지 센서는, 반도체 기판에 적어도 하나의 수광 소자를 형성하는 단계와, 상기 수광 소자의 상부에 층간 절연막과 금속 라인을 형성하는 단계 및 상기 층간 절연막의 상부에 다수개의 홀들을 갖고, 특정 파장의 빛을 투과시키거나 차단시키는 포토닉 크리스탈을 형성하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 이미지 센서 및 그의 제조 방법은
주기적으로 배열된 홀을 갖는 포토닉 크리스탈의 공진 구조를 이용하여, 마이크로 렌즈와 칼라 필터의 효과를 모두 수행할 수 있기 때문에 일반적인 이미지 센서보다 더 얇게 제조될 수 있으며, 컬러 필터 어레이와 마이크로 렌즈 사이에 위치하는 오버 코팅층이 필요성도 제거하므로 이미지 센서를 더욱 얇게 제조할 수 있도록 하여, 입사광과 포토 다이오드간의 거리를 단축시키므로 광 감도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 일반적인 이미지 센서에서 마이크로 렌즈와 칼러 필터 어레이 간의 배열 쉬프트 방법을 적용하지 않아도 주변 화소에서 각도를 가지고 입사하는 빛의 충분한 량을 포토 다이이드로 집광시킬 수 있고,
가시 광선 및 적외선 대역 중 적어도 하나를 차단하는 포토닉 밴드 갭 구조를 형성하고, B, G 및 R 칼라 파장을 공진시킬 수 있는 공진 시스템을 통해 포토닉 밴드 갭 내에 분포하는 R, G 및 B 칼라 특성을 구현하고, 칼라 특성은 공진 시스템에 의해 Q값이 커지므로 광 감도를 획기적으로 향상시키며, 칼라 겹침 영역이 최소화되어 칼러 파장 대역의 광 감도 및 광학 크로스토크 특성을 향상시킬 수 있고,
포토닉 크리스탈 구조를 이용하여 포토닉 밴드 갭를 형성하고, 원하는 빛의 파장 범위 조절을 통하여 색상을 재현하고, 최소 선폭이 적용되는 미세 이미지 센서에 적용될 수도 있는 효과를 갖는다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 이미지 센서를 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 4 (a) 및 (b)는 일반적인 시모스(CMOS:Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서 및 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서의 단위 회소의 단면도들을 각각 나타낸다.
도 4 (a)에 도시된 일반적인 CMOS 이미지 센서는 반도체 기판(10) 상에 국부적으로 필드 산화막(12)이 형성되어 있으며, 반도체 기판(10) 상에 트랜스퍼 게이트(미도시)를 포함한 복수의 게이트 전극이 형성되어 있다. 즉, 트랜스퍼 게이트의 일측이 얼라인된 반도체 기판(10)의 표면 하부에 깊은 이온 주입에 의한 N형 영역(미도시)과 반도체 기판(10)의 표면과 접하는 영역에 위치한 P형 영역으로 이루어진 포토 다이오드(14, 이하 PD라 한다)가 형성되어 있다. PD(14) 및 트랜스퍼 게이트가 형성된 상부에는 적층 구조를 이루는 복수의 금속 라인(metal line)(18)과 복수의 절연막(16)이 혼합된 구조가 형성되어 있다.
복수의 금속 라인(18)은 전원 라인 또는 신호 라인과 단위 화소 및 로직 회로를 접속시키기 위한 것으로서, PD(14) 이외의 영역에 빛이 입사하는 것을 방지하기 위한 쉴드(shield)의 역할을 동시에 한다.
복수의 금속 라인(18)과 복수의 절연막(16)이 혼합된 구조 상에는 금속 라인의 형성에 따른 단차 발생을 줄이기 위한 제1 오버 코팅층(over coating layer)(20)이 형성되어 있다. 제1 오버 코팅층(20)의 상부에는 각 단위 화소 별로 R, G 및 B 또는 Y, M 및 C 색상 구현을 위한 컬러 필터 어레이(CFA:Color Filter Array)(22)가 형성되어 있다. 또한, CFA(22)의 상부에는 CFA(22)의 형성에 따라 발생된 단차를 줄여 마이크로 렌즈(26)를 형성할 때 공정 마진을 확보하기 위한 제2 오버 코팅층(24)이 형성되어 있으며, 제2 오버 코팅층(24)의 상부에는 마이크로 렌즈(26)가 형성되어 있다. 이와 같은 구조를 통해, 이미지 센서로 입사된 빛은 마이크로 렌즈(26)에 의해 포커싱되어 PD(14)로 입사될 수 있다.
한편, 도 4 (b)에 도시된 본 발명에 의한 이미지 센서는 마이크로 렌즈(26), 제2 오버 코팅층(24) 및 CFA(22) 대신에 포토닉 크리스탈(photonic crystal)을 포함하는 필터(40, 42 및 44)를 갖는 것을 제외하면 도 4 (a)에 도시된 일반적인 이미지 센서와 동일하다. 따라서, 도 4 (b)에 도시된 본 발명에 의한 이미지 센서에서 다른 부분만을 중점적으로 살펴본다. 즉, 도 4 (b)에 도시된 수광 소자(14)는 도 4 (a)에 도시된 PD(14)에 해당하므로 동일한 참조 부호를 사용하였다.
도 4 (b)에 도시된 본 발명에 의한 이미지 센서는 제1 오버 코팅층(20)의 상부에 적어도 하나의 필터들(40, 42 및 44)을 포함하고 있다. 각 필터(40, 42 또는 44)는 주기적으로 배열된 홀(hole)들을 포함하며, 특정 파장의 빛을 투과시키거나 차단시키는 포토닉 크리스탈을 포함한다. 여기서, 포토닉 크리스탈이란, 적당한 유전율을 가진 유전체가 주기적으로 배열된 구조를 의미한다. 도 4 (b)에 도시된 영역(54)에 형성된 포토닉 크리스탈(40)은 청색(B) 또는 시안(C:Cyan)의 파장 대역의 빛을 투과시키고, 영역(52)에 형성된 포토닉 크리스탈(42)은 녹색(G) 또는 마젠타(M)의 파장 대역의 빛을 투과시키고, 영역(50)에 형성된 포토닉 크리스탈(44)은 적색(R) 또는 옐로우(Y)의 파장 대역의 빛을 투과시킨다. 각 포토닉 크리스탈(40, 42 및 44)은 전술한 바와 같이 해당하는 빛을 투과시키는 반면, 다른 빛은 차단시킨다. 예를 들어, 각 포토닉 크리스탈(40, 42 및 44)에서 차단되는 특정 파장의 빛은 가시광선 및 적외선 영역 중 적어도 하나에 속할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 의한 이미지 센서는 포토닉 크리스탈(40, 42 및 44)을 이용하여 적외선 영역 범위의 파장을 갖는 빛을 차단할 수 있기 때문에, 일반적인 이미지 센서의 모듈 렌즈내의 적외선(IR) 필터의 필요성을 제거할 수 있다.
도 5 (a) 및 (b)는 도 4 (b)에 도시된 포토닉 크리스탈(40, 42 및 44)의 본 발명의 실시예에 의한 사시도 및 그(40, 42 및 44)의 특성을 보이는 그래프를 각각 나타내는 도면이다. 도 5 (b)에 도시된 그래프에서, 횡축은 파수 벡터를 나타내고, 종축은 fa/c를 나타낸다. 여기서, f는 주파수를 나타내고, a는 각 홀(61)들의 중심간 거리를 나타내고, r은 홀(61)의 반지름을 각각 나타낸다.
도 4 (b)에 도시된 포토닉 크리스탈(40, 42 및 44)은 도 5 (a)에 도시된 바와 같이 다수 개의 홀(61)들을 갖는다. 여기서, 홀(61)은 기둥 모양일 수 있다. 따라서, 도 5 (a)에 도시된 포토닉 크리스탈을 a-a'를 따라 절취한 단면도 역시 도 5 (a)에 도시된 포토닉 크리스탈과 동일한 모습이다.
또한, 각 홀(61)에는 공기가 채워질 수도 있고, 포토닉 크리스탈과 다른 유전율을 갖는 물질이 채워질 수도 있다.
도 5 (b)를 참조하면, 포토닉 크리스탈에 빛이 입사되면 특정 주파수 범위에서 빛이 통과하지 못하는 차단 영역(63)이 발생한다. 이 차단 영역(63)을 포토닉 밴드 갭(PBG:Photonic Band Gap)이라 한다. 이 때, 포토닉 밴드 갭(63)의 범위 및 그 범위의 시작 부분과 끝나는 부분은 유전체 물질의 종류 즉, 포토닉 크리스탈의 유전율, 홀(61)의 반지름(r) 및 홀(61)들간의 간격(a)에 의해 설정될 수 있다.
도 5 (a)에 도시된 포토닉 크리스탈의 홀(61)은 원형이지만, 본 발명은 이에 국한되지 않고 다양한 모양의 홀을 가질 수도 있다.
도 6 (a) 내지 (c)들은 도 5 (a)에 도시된 각 홀(61)의 모양과 배열 구조에 대한 본 발명의 실시예들이다.
본 발명에 일 실시예에 의하면, 도 6 (a)에 도시된 포토닉 크리스탈(70 또는 80)의 홀(72 또는 82)은 도 5 (a)에 도시된 바와 같이 원형이다. 이 경우, 포토닉 크리스탈(70)에서 홀(72)들의 중심을 서로 연결한 격자 모양이 사각형이지만, 포토닉 크리스탈(80)에서 홀(82)들의 중심을 서로 연결한 격자 모양은 삼각형이다. 이와 같이, 포토닉 크리스탈들(70 및 80)은 서로 원형의 홀(72 및 82)을 같는다는 점에서는 동일하지만, 홀들(72 및 82)의 배열 즉, 격자 모양이 서로 다름을 알 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 도 6 (b)에 도시된 포토닉 크리스탈(90 또는 100)의 홀(92 또는 102)은 도 5 (a)에 도시된 바와 달리 사각형일 수 있다. 이 경우, 포토닉 크리스탈(90)에서 홀(92)들의 중심을 서로 연결한 격자 모양은 사각형이지만, 포토닉 크리스탈(100)에서 홀(102)들의 중심을 서로 연결한 격자 모양은 삼각형이다. 이와 같이, 포토닉 크리스탈들(90 및 100)은 서로 사각형의 홀을 같는다는 점에서는 동일하지만 홀들(92 및 102)의 배열 즉, 격자 모양은 서로 다름을 알 수 있다. 이 때, 도 5 (b)에 도시된 그래프의 종축에 표시된 a는 각 사각형(92 또는 102)의 중심들간의 거리를 나타내고, 도 5 (b)에 도시된 r은 각 사각형(92 또는 102)이 정사각형일 때, 정사각형의 한 변 길이의 절반을 나타낸다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 도 6 (c)에 도시된 포토닉 크리스탈(110 또는 120)의 홀은 도 5 (a)에 도시된 바와 달리 삼각형이다. 이 경우, 포토닉 크리스탈(110)에서 홀(112)들의 중심을 서로 연결한 격자 모양은 사 각형이지만, 포토닉 크리스탈(120)에서 홀(122)들의 중심을 서로 연결한 격자 모양은 삼각형이다. 이와 같이, 포토닉 크리스탈들(110 및 120)은 서로 사각형의 홀을 같는다는 점에서는 동일하지만 홀들(112 및 122)의 배열 즉, 격자 모양이 서로 다름을 알 수 있다. 이 때, 도 5 (b)에 도시된 그래프의 종축에 표시된 a는 각 삼각형(112 또는 122)의 중심들간의 거리를 나타내고, r은 각 삼각형(112 또는 122)이 정사각형일 때, 정삼각형의 중심으로부터 각 꼭지점까지의 길이를 나타낸다.
전술한 바와 같이, 도 6 (a) 내지 (c)에 도시된 홀들은 서로 격자 모양으로 배열되어 있음을 알 수 있다.
도 7 (a) 및 (b)는 도 4 (b)에 도시된 포토닉 크리스탈(40, 42 및 44)의 본 발명의 실시예에 의한 사시도 및 그(40, 42 및 44)의 특성을 보이는 그래프를 각각 나타내는 도면이다.
도 4 (b)에 도시된 포토닉 크리스탈(40, 42 및 44)은 도 7 (a)에 도시된 바와 같이 다수 개의 홀(65)들을 가질 수도 있다. 따라서, 도 7 (a)에 도시된 포토닉 크리스탈(40, 42 및 44)을 A-A'를 따라 절취한 단면도 역시 도 7 (a)에 도시된 포토닉 크리스탈과 동일한 모습이다. 예를 들어, 각 홀(65)에는 공기가 채워질 수도 있고, 포토닉 크리스탈과 다른 유전율을 갖는 물질이 채워질 수도 있다.
도 7 (b)를 참조하면, 포토닉 크리스탈에 빛이 입사되면 특정 주파수 범위에서 빛이 통과하지 못하는 차단 영역(빗금쳐 있지 않은 영역)(66)이 발생한다. 이 영역(66)은 포토닉 밴드 갭(PBG)에 해당한다. 이 때, 포토닉 밴드 갭(66)의 범위 및 그 범위의 시작 부분과 끝나는 부분은 유전체 물질의 종류 즉, 포토닉 크리스탈 의 유전율, 홀(65)의 반지름(r) 및 홀(65)들간의 간격(a)에 의해 설정될 수 있다.
도 8 (a) 내지 (c)들은 도 7 (a)에 도시된 바와 같이 포토닉 크리스탈이 디펙트(defect) 영역을 가질 때, 그 포토닉 크리스탈의 평면도를 각각 나타낸다.
도 8 (a) 내지 (c)에 도시된 포토닉 크리스탈은 홀(65)들의 주기적인 배열을 약간 깨뜨리는 디펙트가 생성된 영역인 디펙트 영역을 갖는다. 즉, 디펙트 영역이란, 홀(65)의 형성이 생략되어 있는 영역을 의미한다. 도 4 (b)에서 포토닉 크리스탈(40, 42 및 44)은 각각 디펙트 영역들(64, 62 및 60)을 갖는다.
디펙트 영역에 의해, 포토닉 밴드 갭 중의 에너지에 대응하는 파장 범위 중, 디펙트 준위의 에너지에 대응하는 파장의 광만이 그 결함의 위치에 존재 가능하게 된다. 이 결함을 선 형상으로 나타나면 광 도파로가 형성되고, 점 현상으로 나타나면 광 공진기가 생성된다.
예를 들면, 도 8 (a)에 도시된 포토닉 크리스탈은 중심에서 한 개의 홀이 형성되지 않고 생략되어 있다. 이러한 홀의 생략은 도 4 (b)의 디펙트 영역(64)에 해당할 수 있다. 도 8 (b)에 도시된 포토닉 크리스탈은 중심에서 두 개의 홀들이 형성되지 않고 생략되어 있다. 이러한 홀의 생략은 도 4 (b)의 디펙트 영역(62)에 해당할 수 있다. 도 8 (c)에 도시된 포토닉 크리스탈은 중심에서 5개의 홀들이 형성되지 않고 생략되어 있다. 이러한 홀의 생략은 도 4 (b)의 디펙트 영역(60)에 해당할 수 있다. 도 8 (a)에 도시된 포토닉 크리스탈의 특징은 도 7 (b)에 도시된 그래프를 통해 알 수 있다.
도 7 (a), 도 8 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이 홀(65)의 주기를 깨트리는 디펙트 모드를 생성함으로써 포토닉 밴드 갭 내에 공진 파장 대역을 형성 할 수 있다. 이는 생략되는 홀의 개수에 따라, 포토닉 크리스탈이 가시 광선 영역에서 원하는 B, G 및 R 파장 대역을 투과시킬 수 있음을 의미한다. 또한, 이러한 공진 파장은 공진기의 성능을 나타내는 Q 값을 높게 할 수 있으며, 공진기의 Q값이 클수록 파장 분해능이 높아지고 공진 파장 이외의 파장의 광이 분합파 되는 확률이 작아지기 때문에, 분합파의 정밀도가 양호하게 된다. 즉, 포토닉 밴드 갭을 갖는 포토닉 크리스탈에 의해, 주기성을 깨뜨리는 공진 시스템에 의해서 도 1 (a)에 도시된 R, G 및 B 원색 필터와 도 1 (b)에 도시된 Y, M 및 C 보색 필터의 칼라 특성을 재현할 수 있다.
도 9는 본 발명에 의한 포토닉 밴드 갭(PBG) 내에 분포하는 B, G 및 R 파장 대역을 나타내는 그래프로서, 횡축은 파장을 ㎚ 단위로 나타내고, 종축은 투과율을 퍼센트(%) 단위로 나타낸다.
도 9를 참조하면, 점선(206)의 포토닉 밴드 갭(PBG)은 적외선 영역을 차단하는 효과를 나타내며, 도 8 (a) 내지 (c)에 도시된 공진 구조를 통해서 B, G 및 R 파장에 대한 칼라 특성을 재현 할 수 있다. 청색(B)(200)과 녹색(G)(202)의 사이의 겹침 영역(300) 및 녹색(202)과 적색(204) 사이의 겹침 영역(302)을 최소화하여 광학 크로스토크의 향상을 기대 할 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 그래프를 참조하면 크로스토크 영역은 투과율이 대략 45%인 경우에 발생하는 것에 반하여, 도 9에 도시된 그래프를 참조하면 크로스토크 영역은 투과율이 30%인 경우에 발생한다.
본 발명에 의하면, 포토닉 크리스탈에 의해 특정 파장의 빛이 차단되는 포토 닉 밴드 갭(PBG)의 범위, 포토닉 밴드 갭의 최소값 즉, 그(PBG)의 범위가 시작하는 부분 및 포토닉 밴드 갭의 최대값 즉, 그(PBG)의 범위가 끝나는 부분 중 적어도 하나는 포토닉 크리스탈이 갖는 홀들 간의 간격(a), 홀의 중심으로부터 외곽까지의 거리(r) 및 포토닉 크리스탈의 유전율에 의해 결정될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 포토닉 밴드 갭의 주파수(f)는 거리(r), 홀들간의 거리에 해당하는 격자 상수(a) 및 포토닉 크리스탈의 두께(d) 중 적어도 하나에 의해 결정된다. 게다가, 포토닉 크리스탈에서 투과시키거나 차단시키는 빛의 특정 파장은 도 8 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이 생략된 홀의 개수에 따라 결정될 수 있다.
본 발명에 의하면, 포토닉 크리스탈에서, 생략된 홀의 개수와 그 포토닉 크리스탈에서 투과되는 빛의 특정 파장은 비례한다. 따라서, 도 4 (b)에 도시된 바와 같이 R, G 및 B를 투과시키는 영역들(50, 52 및 54)에 형성된 포토닉 크리스탈(44, 42 및 40)에서 생략된 홀의 개수는 서로 다르다. 즉, R을 투과시키는 영역(50)에 형성된 포토닉 크리스탈(44)에서 생략된 홀의 개수가 제일 많고, G를 투과시키는 영역(52)에 형성된 포토닉 크리스탈(42)에서 생략된 홀의 개수가 그 다음으로 많고, B를 투과시키는 영역(54)에 형성된 포토닉 크리스탈(40)에서 생략된 홀의 개수가 제일 적음을 알 수 있다.
도 4 (a)에 도시된 이미지 센서에서 컬러 필터 어레이(22)와 마이크로 렌즈(26)의 역할들을 도 4 (b)에 도시된 이미지 센서의 포토닉 크리스탈(40, 42 및 44)만으로 수행할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 이미지 센서의 제조 방법을 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 4 (b)를 참조하면, 반도체 기판(10)에 필드 산화막(12)과 적어도 하나의 수광 소자인 포토 다이오드(14)를 형성한다. 이후, 수광 소자(14)의 상부에 층간 절연막(16)과 금속 라인(18)을 형성한다. 이후, 층간 절연막(16)의 상부에 제1 오버 코팅층(20)을 형성한다.
이후, 제1 오버 코팅층(20)의 상부에 각 영역별(50, 52 및 54)로 다른 디펙트 영역(60, 62 및 64)을 가지며, 다수 개의 홀들을 갖고, 특정 파장의 빛을 투과시키거나 차단시키는 포토닉 크리스탈(44, 42 및 40)을 각각 형성한다.
여기서, 포토닉 크리스탈(44, 42 및 40)은 다음과 같이 형성될 수 있다.
먼저, 포토닉 크리스탈 물질을 제1 오버 코팅층(20)의 상부에 적층한다. 본 발명에 의하면, 포토닉 크리스탈 물질은 갈륨 아세닉(GaAs)일 수 있다. 이후, 포토닉 크리스탈 물질의 상부에 홀들이 형성될 영역을 노출시키는 감광막 마스크(미도시)를 형성한다. 여기서, 감광막 마스크를 이용하여 포토닉 크리스탈 물질을 식각하여, 영역별(50, 52 및 54)로 다른 디펙트 영역(60, 62 및 64)을 갖도록, 다수개의 홀들을 형성한다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
도 1 (a) 및 (b)는 원색 필터와 보색 필터를 개략적으로 나타낸다.
도 2 (a) 내지 (c)들은 B, G 및 R 각각의 파장에 대한 투과 특성을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도 3은 일반적인 칼라 필터의 크로스 토크를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4 (a) 및 (b)는 일반적인 시모스 이미지 센서 및 본 발명에 의한 CMOS 이미지 센서의 단위 회소의 단면도들을 각각 나타낸다.
도 5 (a) 및 (b)는 도 4 (b)에 도시된 포토닉 크리스탈의 본 발명의 실시예에 의한 사시도 및 그의 특성을 보이는 그래프를 각각 나타내는 도면이다.
도 6 (a) 내지 (c)들은 도 5 (a)에 도시된 각 홀의 모양과 배열 구조에 대한 본 발명의 실시예들이다.
도 7 (a) 및 (b)는 도 4 (b)에 도시된 포토닉 크리스탈의 본 발명의 실시예에 의한 사시도 및 그의 특성을 보이는 그래프를 각각 나타내는 도면이다.
도 8 (a) 내지 (c)들은 도 7 (a)에 도시된 바와 같이 포토닉 크리스탈이 디펙트 영역을 가질 때, 그 포토닉 크리스탈의 평면도들을 나타낸다.
도 9는 본 발명에 의한 포토닉 밴드 갭 내에 분포하는 B, G 및 R 파장 대역을 나타내는 그래프를 나타낸다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
40, 42, 44, 70, 80, 90, 100, 110, 120: 포토닉 크리스탈
61, 65, 72, 82, 92, 102, 112, 122: 홀
Claims (16)
- 적어도 하나의 수광 소자; 및상기 수광 소자의 상부에 배치된 적어도 하나의 필터를 구비하고,상기 필터는주기적으로 배열된 홀 들을 포함하고, 특정 파장의 빛을 투과시키거나 차단시키는 포토닉 크리스탈을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서, 상기 차단되는 특정 파장의 빛은 가시광선 및 적외선 영역중 적어도 하나에 속하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서, 상기 홀에는 공기가 채워지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서, 상기 홀에는 상기 포토닉 크리스탈과 다른 유전율을 갖는 물질이 채워지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서, 상기 홀은 원형, 사각형 또는 삼각형 모양인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서, 상기 포토닉 크리스탈은 상기 주기적인 배열을 깨뜨리는 디펙트 영역을 갖고, 상기 디펙트 영역에는 상기 홀의 형성이 생략되어 있는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1 항 또는 제6 항에 있어서, 상기 특정 파장의 빛이 차단되는 포토닉 밴드 갭의 범위, 상기 포토닉 밴드 갭의 최소값 및 상기 포토닉 밴드 갭의 최대값 중 적어도 하나는 상기 홀들 간의 간격, 상기 홀의 중심으로부터 외곽까지의 거리 및 상기 포토닉 크리스탈의 유전율에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제7 항에 있어서, 상기 포토닉 밴드 갭의 주파수는상기 거리, 상기 홀들간의 거리에 해당하는 격자 상수 및 포토닉 크리스탈의 두께 중 적어도 하나에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제8 항에 있어서, 상기 생략된 홀의 개수에 따라 상기 특정 파장이 결정되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서, 상기 홀들은 정사각형 또는 정삼각형 형태의 격자 모양으로 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제6 항에 있어서, 상기 생략된 홀의 개수와 상기 투과되는 상기 빛의 상기 특정 파장은 비례하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서, 상기 홀들은 서로 격자 모양으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1 항에 있어서, 상기 홀은 기둥 모양인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 반도체 기판에 적어도 하나의 수광 소자를 형성하는 단계;상기 수광 소자의 상부에 층간 절연막과 금속 라인을 형성하는 단계; 및상기 층간 절연막의 상부에 다수개의 홀들을 갖고, 특정 파장의 빛을 투과시키거나 차단시키는 포토닉 크리스탈을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
- 제14 항에 있어서, 상기 포토닉 크리스탈을 형성하는 단계는상기 포토닉 크리스탈 물질을 상기 층간 절연막의 상부에 적층하는 단계;상기 포토닉 크리스탈 물질의 상부에 상기 홀들이 형성될 영역을 노출시키는 마스크를 형성하는 단계; 및상기 마스크를 이용하여 상기 포토닉 크리스탈 물질을 식각하여, 상기 홀들을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제15 항에 있어서, 상기 포토닉 크리스탈 물질은 갈륨 아세닉(GaAs)인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| WO2014121559A1 (zh) * | 2013-02-05 | 2014-08-14 | 北京京东方光电科技有限公司 | 光子晶体、彩膜基板、显示面板及显示装置 |
| CN105093679A (zh) * | 2015-08-20 | 2015-11-25 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种显示基板及其制备方法、显示面板和显示装置 |
| US9455290B2 (en) | 2013-11-06 | 2016-09-27 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensor including a photonic crystal, an operating method thereof, and a data processing system including the image sensor |
-
2009
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