KR20120001338A - 포토 다이오드 내부에 굴절률이 다른 영역을 구비한 ｃｍｏｓ 이미지센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명이 해결하고자 하는 기술적과제는, 굴절률이 다른 부분을 포토다이오드 내부에 형성함으로써, 포토다이오드 내부로 빛을 모아주는 ＣＭＯＳ 이미지센서를 제공하는데 있다. 상기 기술적과제를 이루기 위한 본 발명의 일면에 따른 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서는, 빛을 수신하는 마이크로렌즈 및 포토다이오드를 구비한 ＣＭＯＳ 이미지센서를 구비한다. 상기 포토다이오드는 상기 마이크로렌즈에 의해 빛이 포커싱되는 부분을 포함한 제1부분과 상기 제1부분을 둘러쌓은 제2부분으로 구성되고, 제1부분을 구성하는 물질은 제2부분을 구성하는 물질보다 굴절률이 높다.
Description
본 발명은 ＣＭＯＳ 이미지센서에 관한 것으로, 특히 포토 다이오드 내부에 굴절률이 다른 영역을 구비한 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서 및 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서에 관한 것이다.
CMOS 이미지 센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시킨다. 최근 들어, 정보 통신 산업 발달과 전자 기기의 디지털화에 따라 디지털 카메라, 캠코더, 휴대폰, PCS(personal communication system), 게임기기, 경비용 카메라, 의료용 카메라 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 CMOS 이미지 센서들이 사용되고 있다. 반도체 제품의 고집적화가 가속됨에 따라 단위 셀 면적이 크게 감소하면서, 패턴의 선폭 및 패턴들의 간격이 현저하게 좁아지고 있다. 그리고 단위 셀 면적은 감소되나 디바이스에서 요구하는 전기적인 특성은 유지되어야 하고 저전력을 요구한다.
CMOS 이미지 센서의 증대된 해상도를 충족시키기 위해서 픽셀의 집적도를 증가시킬수록 단위 픽셀 당 광전 변환 소자, 예컨대 포토다이오드의 체적이 작아져서 감도(sensitivity)가 떨어진다.
일반적인 CMOS 이미지 센서인, 프런트사이드 일루미네이션(Front-side illumination) CMOS 이미지센서는 전면을 통하여 수광하는 구조를 가지기 때문에 두꺼운 층간 절연막을 통과하면서 많은 양의 빛이 흡수되거나 손실이 되어서 포토다이오드에 집광되는 최종량이 적고 특히 파장이 큰 적색광에서는 소모뿐 아니라 두꺼운 층간 절연막을 통과하면서 심한 굴절을 받아서 이웃하는 픽셀에 축적되는 광학적 크로스토크(optical crosstalk)가 많이 발생한다.
이러한 CMOS 이미지 센서가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해서 백사이드 일루미네이션 CMOS 이미지 센서가 제안되었다. 백사이드 일루미네이션 CMOS 이미지 센서는 칩의 상부로부터가 아니라 칩의 하부 즉 기판으로부터 빛을 수신하는 방식이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 굴절률이 다른 부분을 포토다이오드 내부에 형성함으로써, 포토다이오드 내부로 빛을 모아주는 ＣＭＯＳ 이미지센서를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 굴절률이 다른 부분을 포토다이오드 내부에 형성함으로써, 포토다이오드 내부로 빛을 모아주는 프런트 사이드 일루미네이션 CMOS 이미지 센서 및 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일면에 따른 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서는, 빛을 수신하는 마이크로렌즈 및 포토다이오드를 구비한 ＣＭＯＳ 이미지센서를 구비한다. 상기 포토다이오드는 상기 마이크로렌즈에 의해 빛이 포커싱되는 부분을 포함한 제1부분과 상기 제1부분을 둘러쌓은 제2부분으로 구성되고, 제1부분을 구성하는 물질은 제2부분을 구성하는 물질보다 굴절률이 높다.
바람직하게는, 상기 제1부분에 포커싱된 상기 빛은 상기 제1부분과 상기 제2부분 간의 경계면에서 전반사를 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 포토다이오드는 실리콘으로 구성되고, 상기 제1부분을 구성하는 물질은, 도핑이나 화합물 반도체 형성 공정을 통하여 상기 실리콘보다 큰 굴절률을 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 포토다이오드는 실리콘으로 구성되고, 상기 제2부분을 구성하는 물질은, 도핑이나 화합물 반도체 형성 공정을 통하여 상기 실리콘보다 작은 굴절률을 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1부분을 구성하는 물질은 실리콘-게르마늄(SiGe)이고, 상기 제2부분을 구성하는 물질은 실리콘(Si)일 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1부분을 구성하는 물질은 실리콘(Si)이고, 상기 제2부분을 구성하는 물질은 실리콘-카바이드(SiC)일 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1부분은 상기 포토다이오드의 중앙 부분에 형성되고, 상기 제2부분은 상기 제1부분의 상부면, 하부면, 및 측면을 둘러쌓고 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1부분은 상기 포토다이오드를 Z축 방향으로 관통해서 형성되고, 상기 제2부분은 상기 제1부분의 측면을 둘러쌓고 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 CMOS 이미지 센서는 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서일 수 있다.
바람직하게는, 상기 CMOS 이미지 센서는 프런트사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서일 수 있다.
상기 기술적과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 일면에 따른 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서는, 배선층, 상기 배선층 상부에 형성된 포토다이오드, 상기 포토다이오드 상부에 형성된 컬러필터, 및 상기 컬러필터 상부에 형성된 마이크로렌즈를 구비할 수 있다. 상기 포토다이오드는 상기 마이크로렌즈에 의해 빛이 포커싱되는 부분을 포함한 제1부분과 상기 제1부분을 둘러쌓은 제2부분으로 구성되고, 제1부분을 구성하는 물질은 제2부분을 구성하는 물질보다 굴절률이 높을 수 있다. 상기 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서는, 컬러필터 및 상기 포토다이오드 사이에 옥사이드층을 더 구비할 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 프런트사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서는, 기판, 상기 기판 상부에 형성된 포토다이오드, 상기 포토다이오드 상부에 형성된 배선층, 상기 배선층 상부에 형성된 컬러필터, 및 상기 컬러필터 상부에 형성된 마이크로렌즈를 구비할 수 있다. 상기 포토다이오드는 상기 마이크로렌즈에 의해 빛이 포커싱되는 부분을 포함한 제1부분과 상기 제1부분을 둘러쌓은 제2부분으로 구성되고, 제1부분을 구성하는 물질은 제2부분을 구성하는 물질보다 굴절률이 높을 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 ＣＭＯＳ 이미지센서는, 복수 개의 단위화소가 2차원으로 배열된 화소어레이, 상기 화소어레이에 배열된 단위화소들의 동작을 수평라인 단위로 제어하는 로우 디코더, 및 상기 화소어레이에 배열된 단위화소들의 동작을 수직라인 단위로 제어하는 컬럼 디코더를 구비할 수 있다. 상기 단위화소들 각각은, 빛을 수신하는 마이크로렌즈 및 포토다이오드를 구비하고, 상기 포토다이오드는 상기 마이크로렌즈에 의해 빛이 포커싱되는 부분을 포함한 제1부분과 상기 제1부분을 둘러쌓은 제2부분으로 구성되고, 제1부분을 구성하는 물질은 제2부분을 구성하는 물질보다 굴절률이 높을 수 있다.
본 발명은 파장이 큰 광자가 이웃하는 다른 포토다이오드(PD2)로 일부 넘어갈 때 굴절률이 차이나는 제1부분(A1)과 제2부분(B1)의 경계면에서 굴절 반사되어 경계를 넘지 못해 광학적 크로스토크가 개선되는 장점이 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서의 적층구조의 일실시예를 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 프런트사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서의 적층구조의 다른 일실시예를 나타낸다.
도 3은 굴절률이 다른 영역을 구비하지 않은 포토다이오드의 실시 예를 나타낸다.
도 4는 굴절률이 다른 영역을 구비한 포토다이오드의 실시 예를 나타낸다.
도 5는 ＣＭＯＳ 이미지센서를 구성하는 단위화소의 회로도이다.
도 6은 ＣＭＯＳ공정을 이용하여 생성시킨 단위화소의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 백사이드 일루미네이션 CMOS 이미지 센서의 적층구조의 다른 실시예를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 백사이드 일루미네이션 CMOS 이미지 센서의 적층구조의 또 다른 실시예를 나타낸다.
도 9는 ＣＭＯＳ 이미지센서의 구성을 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 프런트사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서의 적층구조의 다른 일실시예를 나타낸다.
도 3은 굴절률이 다른 영역을 구비하지 않은 포토다이오드의 실시 예를 나타낸다.
도 4는 굴절률이 다른 영역을 구비한 포토다이오드의 실시 예를 나타낸다.
도 5는 ＣＭＯＳ 이미지센서를 구성하는 단위화소의 회로도이다.
도 6은 ＣＭＯＳ공정을 이용하여 생성시킨 단위화소의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 백사이드 일루미네이션 CMOS 이미지 센서의 적층구조의 다른 실시예를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 백사이드 일루미네이션 CMOS 이미지 센서의 적층구조의 또 다른 실시예를 나타낸다.
도 9는 ＣＭＯＳ 이미지센서의 구성을 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명의 핵심 아이디어는 포토다이오드 내부에 굴절률이 다른 영역을 형성함으로써, 빛의 굴절을 이용하여 포토 다이오드 내부로 빛을 모아주는 것이다. 구체적으로, 포토다이오드 내부에서, 마이크로 렌즈에 의해 빛이 포커싱되는 영역의 물질을 그 주변 영역의 물질보다 굴절률을 높게 형성한다. 참고로, 유전율을 굴절률의 자승에 비례하므로, 본 명세서에서 굴절률을 높게 형성하는 것은 유전율을 높게 형성하는 것과 동일한 의미로 쓰인다. 이렇게 함으로써, 빛으로 대표되는 광자(Photon)가 이웃 포토다이오드로 더 이상 진행하지 않고, 해당 포토다이오드의 중앙부분으로 굴절되어 집속되도록 한다. 입사되는 대부분의 광자들이 포토다이오드의 중앙으로 굴절되어 집속되므로 이웃하는 포토다이오드의 근처에 집속되는 경우는 거의 발생하지 않게 된다. 이웃하는 포토다이오드와 인접하는 곳에 집속된 광자들은, 집속된 광자들을 전기신호로 변환하는 과정에서, 이웃하는 포토다이오드의 영역으로 전이될 수가 있다. 이러한 상황 즉 크로스토크(Cross-talk)가 발생하면 정확한 영상신호를 생성시킬 수가 없게 된다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서(100a, 100b)의 적층구조의 일실시예를 나타낸다.
도 1a에 도시된 적층구조는 ＣＭＯＳ 이미지센서를 구성하는 복수 개의 단위화소 중 2개를 나타낸다. 가장 하부에는 배선층(110)이 형성되어 있다. 배선층은 복수의 메탈층 및 상기 복수의 메탈층을 절연하기 위한 절연막층으로 구성될 수 있다. 배선층(110)의 상부에는 반도체 기판 상에 포토다이오드(PD1, PD2)가 형성되어 있다. 포토다이오드(PD1, PD2)는 광학적으로 제1부분(A1, A2) 및 제2부분(B1, B2)으로 구분된다. 하지만, 상기 설명한 본 발명의 핵심 아이디어를 만족하는 한, 굴절률이 다른 부분은 2 부분에 한정되지 않고 복수 개일 수 있다. 참고로, 도면에는 도시하지 않았지만, 전기적으로는 electron carrier에서는, P 타입 반도체 기판에 N 타입 포토다이오드(PD1, PD2)들이 생성될 수 있고, hole carrier에서는, N 타입 반도체 기판에 P 타입포토다이오드(PD1, PD2)들이 생성될 수 있다. 다시 도 1a를 참조하면, 제1부분(A1, A2)은 마이크로렌즈(140)에 의해 빛이 포커싱되는 부분을 적어도 구비한다. 제2부분(B1, B2)은 제1부분(A1, A2)을 둘러쌓은 영역이다. 제1부분(A1, A2)을 구성하는 물질은 제2부분(B1, B2)을 구성하는 물질보다 굴절률이 높다. 예컨대 제1부분(A1, A2)을 구성하는 물질은 실리콘(Si)일 수 있고, 제2부분(B1, B2)을 구성하는 물질은 실리콘-카바이드(SiC)일 수 있다. 실리콘의 굴절률은 약 3.5이고, 실리콘-카바이드(SiC)의 굴절률은 약 2.6이다. 제1부분(A1, A2)을 구성하는 물질은 실리콘-게르마늄(SiGe)일 수 있고, 제2부분(B1, B2)을 구성하는 물질은 실리콘(Si)일 수 있다. 포토다이오드(PD1, PD2)의 상부에는 절연층(120), 컬러 필터(130), 및 마이크로렌즈(Micro-lens)가 순서대로 적층된다. 절연층은 옥사이드 일 수 있다. 포토다이오드(PD1, PD2)들의 각 영역은 분리물질(ISO/TRAN)에 의해 구별된다.
도 1a에서는 일실시 예로서, 제1부분(A1, A2)이 직사각형으로 도시되었지만, 본 발명의 핵심 아이디어를 만족하는 한, 직사각형 모양에 한정되는 것은 아니다. 또한 도 1a에서는 일실 예로서, 제2부분(B1, B2)이 제1부분(A1, A2)의 상부면, 하부면, 및 측면을 둘러쌓은 것을 도시하였지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
예컨대 도 1b를 참조하면, 도 1b는 도 1a와 동일한 적층구조를 갖고 있지만, 포토다이오드(P1, P2)들의 광학적 구조가 다르다. 예컨대 제1부분(A1, A2)은 포토다이오드(PD1, PD2)들을 Z축 방향으로 관통하여 형성되었고, 제2부분(B1, B2)은 제1부분(A1, A2)의 측면을 둘러쌓고 형성되었다. 나아가, 제2부분(B1, B2)은 제1부분(A1, A2)의 측면 및 하부면을 둘러쌓고 형성되거나, 또는 측면 및 상부면을 둘러쌓고 형성될 수도 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 프런트사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서(200a, 200b)의 적층구조의 일실시예를 나타낸다.
도 2a에 도시된 적층구조는 ＣＭＯＳ 이미지센서를 구성하는 복수 개의 단위화소 중 2개를 나타낸다. 가장 하부에 반도체 기판(Substrate)(210)이 형성되어 있다. 반도체 기판(Substrate)의 상부에는 포토다이오드(PD1, PD2)가 형성되어 있다. 포토다이오드(PD1, PD2)는 광학적으로 제1부분(A1, A2) 및 제2부분(B1, B2)으로 구분된다. 제1부분(A1, A2)은 마이크로렌즈(140a)에 의해 빛이 포커싱되는 부분을 적어도 구비한다. 제2부분(B1, B2)은 제1부분(A1, A2)을 둘러쌓은 영역이다. 제1부분(A1, A2)을 구성하는 물질은 제2부분(B1, B2)을 구성하는 물질보다 굴절률이 높다. 예컨대 제1부분(A1, A2)을 구성하는 물질은 실리콘(Si)일 수 있고, 제2부분(B1, B2)을 구성하는 물질은 실리콘-카바이드(SiC)일 수 있다. 제1부분(A1, A2)을 구성하는 물질은 실리콘-게르마늄(SiGe)일 수 있고, 제2부분(B1, B2)을 구성하는 물질은 실리콘(Si)일 수 있다. 실리콘-게르마늄(SiGe)의 굴절률은 3.6이상이다. 포토다이오드(PD1, PD2)의 상부에는 배선층(110a), 컬러 필터(130a), 및 마이크로렌즈(140a)가 순서대로 적층된다. 포토다이오드(PD1, PD2)들의 각 영역은 분리물질(ISO/TRAN)(미도시)에 의해 구별된다.
도 2a에서는 일실시 예로서, 제1부분(A1, A2)이 직사각형으로 도시되었지만, 본 발명의 핵심 아이디어를 만족하는 한, 직사각형 모양에 한정되는 것은 아니다. 또한 도 1a에서는 일실 예로서, 제2부분(B1, B2)이 제1부분(A1, A2)의 상부면, 하부면, 및 측면을 둘러쌓은 것을 도시하였지만 이에 한정되는 것은 아니다.
예컨대 도 2b를 참조하면, 도 2b는 도 2a와 동일한 적층구조를 갖고 있지만, 포토다이오드(P1, P2)들의 광학적 구조가 다르다. 예컨대 제1부분(A1, A2)은 포토다이오드(PD1, PD2)들을 Z축 방향으로 관통하여 형성되었고, 제2부분(B1, B2)은 제1부분(A1, A2)의 측면을 둘러쌓고 형성되었다. 나아가, 제2부분(B1, B2)은 제1부분(A1, A2)의 측면 및 하부면을 둘러쌓고 형성되거나, 또는 측면 및 상부면을 둘러쌓고 형성될 수도 있다.
ＣＭＯＳ 이미지센서는 기본적으로 복수 개의 단위화소(unit picture element)를 구비하며, 복수 개의 단위화소들 각각에서 감지된 영상신호를 전기신호로 변환하는 기능을 수행한다. 각 단위화소 내에는 입사되는 영상신호를 감지하는 포토다이오드 그리고 포토다이오로부터 감지된 영상신호를 전기신호로 변환하는데 사용되는 복수 개의 모스트랜지스터를 구비한다.
도 1a, 1b 및 도 2a, 2b의 실시 예의 차이는,
도 1a, 1b는, 백사이드 일루미네이션(Back-side illumination) CＭＯＳ 이미지센서로서, 칩의 상부로부터가 아니라, 칩의 하부 즉 기판(substrate)으로부터 빛을 수신하는 방식이다. 즉, 이미지센서를 구성하는 포토다이오드 및 모스트랜지스터들을 모두 형성시킨 후, 빛을 최적으로 수신할 수 있을 정도의 두께로 칩의 하부를 연마(grinding)하고, 연마된 부분의 하부방향으로 컬러필터 및 마이크로렌즈를 더 형성시키는 것이다. 도 1a, 1b는 이러한 백사이드 일루미네이션(Back-side illumination) 구조를 갖고, 나아가 제1부분(A1, A2)이 제2부분(B1, B2) 보다 큰 굴절률을 갖도록 함으로써, 이웃 포토 다이오드로 빛이 진행되는 것을 막아 크로스토크 현상이 없는 CMOS 이미지 센서를 제공하는 것이다.
도 2a 및 도 2b는 프런트사이드 일루미네이션(Front-side illumination) CMOS 이미지센서로서, 포토다이오드 및 모스트랜지스터가 형성된 칩의 상부로부터 영상신호 즉 빛을 수신한다. 단위화소에는 포토다이오드뿐만 아니라 모스트랜지스터들이 형성되어 있기 때문에, 칩의 상부에서 볼 때 빛을 수신하는 포토다이오드의 면적이 단위화소 전체가 아닌 일부분이 할당될 수밖에 없다. 도 2a, 2b는 이러한 프런트사이드 일루미네이션(Back-side illumination) 구조를 갖고, 나아가 제1부분(A1, A2)을 구성하는 물질이 제2부분(B1, B2)을 구성하는 물질보다 큰 굴절률을 갖도록 함으로써, 이웃 포토 다이오드로 빛이 진행되는 것을 막아 크로스토크 현상이 없는 CMOS 이미지 센서를 제공하는 것이다.
이하에서는 본 발명의 효과를 발생시키는 광학적 원리에 대하여 설명한다.
도 3은 굴절률이 다른 영역을 구비하지 않은 포토다이오드의 실시 예를 나타낸다.
빛을 광자로 표현하면 도 3에는 모두 2개의 광자(a, b)가 하나의 포토다이오드(PD1)로 입사한다. 다른 포토다이오드(PD2)에도 빛은 입사될 수 있지만 설명의 편의상 하나의 포토다이오드(PD1)에만 입사되는 것으로 도시되었다. 예컨대 2개의 광자 중 1개의 광자(a)가 적색광이고, 나머지 1개의 광자(b)가 청색광이라고 한다. 상당수의 광자는 포토다이오드 영역 내에서 전자-전공 쌍(electron-hole pair)을 생성시키는데 사용될 수 있다. 하지만, 적색, 녹색, 청색의 3가지 색 중에서 청색광의 침투 깊이가 가장 짧으며 적색광의 침투 깊이가 가장 길다. 침투 깊이가 가장 긴 적색광은 나중에 광자들을 전기신호로 변환하는 과정에 이웃하는 포토다이오드로 이동할 수 있다. 이에 따라 도시된 바와 같이 이웃하는 포토다이오드에 노이즈 또는 광학적 크로스토크를 유발할 수 있다.
또한, 최근에는 고집적, 저전력 이동통신수단에 탑재할 수 있는 CMOS 이미지 센서에 대한 요구가 증가하고 있는 추세이다. 그러나 고집적, 저전력 컬러 이미지 센서에서는 단위픽셀의 크기가 종래의 절반 가까이로 감소한다.
이와 같이 단위픽셀의 크기기 감소함에 따라 투과심도(penetration depth)가 깊은 적색광에 의한 청색 픽셀과 녹색 픽셀에 대한 신호왜곡과 인접 픽셀 간의 전기적인 간섭을 해결하는 것이 가장 큰 관문으로 작용하고 있다.
도 4는 굴절률이 다른 영역을 구비한 포토다이오드의 실시 예를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 포토다이오드(PD1, PD2) 내부에 굴절률이 다른 두 매질이 존재한다. 즉 굴절률이 큰 물질로 구성된 제1부분(A1, A2) 및 굴절률이 작은 물질로 구성된 제2부분(B1, B2)이다. 도 3과의 비교를 명확히 하기 위해, 하나의 포토다이오드(PD1)를 기준으로 이웃 포토다이오드(PD2)와의 관계를 설명한다.
스넬의 굴절의 법칙에 의하면, 굴절률이 n1과 n2로서 서로 다른 두 매질이 맞닿아 있을 때 매질을 통과하는 빛의 경로는 매질마다 광속이 다르므로 휘게 되는데, 그 휜 정도를 빛의 입사 평면상에서 각도로 표시하면 θ1과 θ2가 된다. 이때 스넬의 법칙은 다음과 같이 정의된다.
또는
이를 기초로, 다시 도 4를 참조하면, 마이크로 렌즈에 의해 빛이 포커싱되는 부분을 포함하는 제1부분(A1)에 제2부분(B1)보다 상대적으로 굴절률이 큰 물질을 배치했을 경우, 제1부분(A1)에 집속된 광자들(a, b)의 경로는 제2부분(B1)으로 더 이상 진행하지 않고, 상대적으로 굴절률이 큰 제1부분(A1)으로 빛이 굴절되어 진행된다. 나아가, 광학적으로 밀한 매질로 구성된 제1부분(A1)에서 소한 매질로 구성된 제2부분(B1)으로 진행할 때, 특정 임계각보다 큰 입사각으로 입사한 광자는 굴절하지 않고 전반사될 수 있다.
이러한 현상은 상기에서 언급한 스넬의 굴절의 법칙에 의해서 야기되는 것으로, 이러한 원리를 적용한 본 발명의 CMOS 이미지 센서는 파장이 큰 광자가 이웃하는 다른 포토다이오드(PD2)로 일부 넘어갈 때 굴절률이 차이나는 제1부분(A1)과 제2부분(B1)의 경계면에서 굴절 반사되어 경계를 넘지 못해 광학적 크로스토크가 개선되는 효과를 얻을 수 있다.
도 5는 ＣＭＯＳ 이미지센서를 구성하는 단위화소의 회로도이다.
도 5를 참조하면, 단위화소는 빛을 감지하는 포토다이오드(PD), 포토다이오드(PD)에 집속된 광자들을 플로팅 확산영역(F/D)으로 전송하는 전송트랜지스터(M1), 플로팅 확산영역(F/D)을 리셋 시키는 리셋트랜지스터(M2), 플로팅 확산영역(F/D)에 전달된 광자들에 대응되는 전기신호를 생성하는 변환트랜지스터(M3) 및 단위화소에서 변환된 전기신호를 외부로 전달하는 선택트랜지스터(M4)를 구비한다.
전송트랜지스터(M1)는 전송제어신호(Tx), 리셋트랜지스터(M2)는 리셋제어신호(RE), 선택트랜지스터(M4)는 선택제어신호(Sx)에 의해 동작이 제어된다. 빛을 수신하는 방향에 따라 일반적인 ＣＭＯＳ 이미지센서와 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서를 구별할 수 있다. 즉, 일반적인 ＣＭＯＳ 이미지센서는 포토다이오드의 N형 전극으로 입사되는 빛(LIGHT1)을 수신하고, 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서는 P형 전극으로 입사되는 빛(LIGHT2)을 수신한다.
일반적인 프런트사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서의 경우 단위화소로 입사되는 빛이 모스트랜지스터 등에 의해 포토다이오드로 입사되는 것이 차단된다. 반면에 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서의 경우에는 단위화소 전체로 빛을 수신할 수 있기 때문에 빛을 수신하는 효율이 일반적인 ＣＭＯＳ 이미지센서에 비해 상대적으로 양호하다.
도 6은 ＣＭＯＳ공정을 이용하여 생성시킨 단위화소의 단면도이다.
도 6을 참조하면, ＣＭＯＳ공정을 이용하여 생성시킨 단위화소(600)는, P- 타입의 기판에 포토다이오드 및 모스트랜지스터를 구현시킨 것으로, 포토다이오드의 일 전극은 기판이고 다른 하나의 전극은 N+ 타입의 확산영역이다. 모스트랜지스터는 2개의 확산영역(N+) 사이에 형성된 게이트에 인가되는 신호에 의해 동작하는데, 게이트는 기판의 상부에 산화막(SiO2) 및 산화막 위에 형성시킨 다결정 실리콘(Poly-Silicon)으로 구현된다.
이 경우 빛(LIGHT1)이 포토다이오드의 N+ 확산영역(N+)으로 인가될 때 빛(LIGHT1)을 수신할 수 있는 면적에 비해, 빛(LIGHT2)이 포토다이오드의 P- 기판으로 인가될 때 빛(LIGHT2)을 수신할 수 있는 면적이 상대적으로 넓다는 것을 쉽게 알 수 있다. 본 발명은 빛(LIGHT2)이 포토다이오드의 P- 기판으로 인가될 때에 해당하는 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서에 대한 것이다.
이하에서는 본 발명의 일실시 예에 따른 굴절률이 다른 영역을 구비한 포토다이오드를 갖는 백사이드 일루미네이션 CMOS 이미지 센서를 생성하는 공정에 대해 설명한다. 다만 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7은 및 도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 백사이드 일루미네이션 CMOS 이미지 센서(700, 800)를 나타낸다. 도 7은 및 도 8은 제1부분(A1, A2)이 원형일 뿐, 도 1a 및 도 1b의 적층 구조와 동일하다.
일련의 공정을 거쳐서 웨이퍼의 일면에 포토다이오드 및 모스트랜지스터들을 형성시키고, 포토다이오드 및 모스트랜지스터들의 전기적 연결을 위한 메탈까지 완전하게 형성시킨다. 포토다이오드 및 모스트랜지스터들이 형성되는 부분이 웨이퍼의 상부라고 가정한다. 도 7 및 도 8에 도시된 백사이드 일루미네이션 CMOS 이미지 센서(700, 800)를 구성하는 복수 개의 층 중, 상기의 공정으로 형성되는 층은 포토다이오드(PD1, PD2), 배선층(110)이다.
상기의 공정이 완료된 다음, 웨이퍼의 하부를 연마하여 웨이퍼가 일정한 두께가 되도록 한다. 연마된 웨이퍼를 뒤 집으면, 가장 하부에 위치하였던 기판이 위로 향하게 된다. 이 후의 공정에서는 뒤집어진 웨이퍼의 상부 방향으로 컬러필터(130) 및 마이크로렌즈(140)를 형성시킨다. 포토다이오드를 형성하는 과정은 다음과 같다. 다만 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7을 참조하면, 포토다이오드(PD1, PD2)를 구성하는 실리콘의 제1부분(A1, A2)을 도핑이나 화합물 반도체 형성 등의 방법으로 고유전율(high refractive index)을 갖도록 하면 하나의 포토다이오드(PD1) 내부로 들어온 빛이 이웃하는 픽셀로 넘어가지 않도록 할 수 있다. 예컨대, 이 경우 제2부분(B1, B2)을 구성하는 물질은 그대로 실리콘(Si)이지만, 제1부분(A1, A2)을 구성하는 물질은 실리콘-게르마늄(SiGe)으로 형성될 수 있다. 도핑이나 화합물 반도체 형성 공정은 당업계에 알려진 통상적인 방법을 사용하므로 구체적인 설명은 생략한다. 광자의 전달 경로는 도 1a 및 도 1b에서 설명한 것과 같다. 포토다이오드(PD1)에서 제2부분(B1)을 구성하는 물질이 실리콘(n=3.5, n은 굴절률)이고, 제1부분(A1)은 상기 실리콘보다 굴절률이 큰 물질로 구성된다. 또한, 컬러필터의 굴절률은 1.6~1.9이고, 옥사이드층의 굴절률은 1.46일 수 있다. 따라서 스넬의 법칙에 의하여, 마이크로렌즈에 의해 집속된 광자(a, b)는 컬러필터와 옥사이드 층을 거쳐서, 제1부분(PD1)까지 진행한다. 그 다음에, 광자(a, b)는 밀한 매질에서 소한 매질로 나아갈 때, 그 진행방향이 포토다이오드(PD1)의 중앙 부분으로 꺾이게 된다.
도 8을 참조하면, 포토다이오드(PD1, PD2)를 구성하는 실리콘의 제2부분(B1, B2)를 도핑이나 화합물 반도체 형성 등의 방법으로 저유전율(low refractive index)를 갖도록 하면 하나의 포토다이오드(PD1) 내부로 들어온 빛이 이웃하는 픽셀로 넘어가지 않도록 할 수 있다. 예컨대, 이 경우 제1부분(A1, A2)의 물질은 그대로 Si이지만, 제2부분(B1, B2)의 물질은 SiC로 형성될 수 있다. 광자의 전달 경로는 도 7에서 설명한 것과 같다. 따라서 설명을 생략한다.
도 9는 ＣＭＯＳ 이미지센서의 구성을 나타낸다.
도 9를 참조하면, ＣＭＯＳ 이미지센서(900)는 로우 디코더(910), 컬럼 디코더(920), 화소어레이(930), 선택부(940) 및 버퍼(950)를 구비한다.
화소어레이(930)에는 복수 개의 단위화소가 2차원으로 배열되어 있다. 로우 디코더(910)는 화소어레이(930))에 배열된 단위화소들의 동작을 수평라인 단위로 제어한다. 컬럼디코더(920)는 선택부(940)를 제어하여 화소어레이(930)에 배열된 단위화소들의 동작을 수직라인 단위로 제어한다. 화소어레이(930)로부터 변환된 전기신호는 버퍼(950)를 통해 출력된다.
화소어레이(930)를 구성하는 단위화소가 도 1a, 1b, 2a, 2b, 7, 8에 도시된 형태를 가지는 경우 본 발명을 실시한 것이 될 것이다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
Claims (10)
- 빛을 수신하는 마이크로렌즈 및 포토다이오드를 구비한 ＣＭＯＳ 이미지센서로서,
상기 포토다이오드는 상기 마이크로렌즈에 의해 빛이 포커싱되는 부분을 포함한 제1부분과 상기 제1부분을 둘러쌓은 제2부분으로 구성되고,
제1부분을 구성하는 물질은 제2부분을 구성하는 물질보다 굴절률이 높은 것을 특징으로 하는 ＣＭＯＳ 이미지센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1부분에 포커싱된 상기 빛은 상기 제1부분과 상기 제2부분 간의 경계면에서 전반사를 하는 것을 특징으로 하는 ＣＭＯＳ 이미지센서. - 제1항에 있어서,
상기 포토다이오드는 실리콘으로 구성되고,
상기 제1부분을 구성하는 물질은, 도핑이나 화합물 반도체 형성 공정을 통하여 상기 실리콘보다 큰 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 ＣＭＯＳ 이미지센서. - 제1항에 있어서,
상기 포토다이오드는 실리콘으로 구성되고,
상기 제2부분을 구성하는 물질은, 도핑이나 화합물 반도체 형성 공정을 통하여 상기 실리콘보다 작은 굴절률을 갖는 것을 특징으로 ＣＭＯＳ 이미지센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1부분을 구성하는 물질은 실리콘-게르마늄(SiGe)이고,
상기 제2부분을 구성하는 물질은 실리콘(Si)인 것을 특징으로 하는 ＣＭＯＳ 이미지센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1부분을 구성하는 물질은 실리콘(Si)이고,
상기 제2부분을 구성하는 물질은 실리콘-카바이드(SiC)인 것을 특징으로 하는 ＣＭＯＳ 이미지센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1부분은 상기 포토다이오드의 중앙 부분에 형성되고, 상기 제2부분은 상기 제1부분의 상부면, 하부면, 및 측면을 둘러쌓고 형성된 것을 특징으로 하는 ＣＭＯＳ 이미지센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1부분은 상기 포토다이오드를 Z축 방향으로 관통해서 형성되고, 상기 제2부분은 상기 제1부분의 측면을 둘러쌓고 형성된 것을 특징으로 하는 ＣＭＯＳ 이미지센서. - 배선층;
상기 배선층 상부에 형성된 포토다이오드;
상기 포토다이오드 상부에 형성된 컬러필터; 및
상기 컬러필터 상부에 형성된 마이크로렌즈를 구비하며,
상기 포토다이오드는 상기 마이크로렌즈에 의해 빛이 포커싱되는 부분을 포함한 제1부분과 상기 제1부분을 둘러쌓은 제2부분으로 구성되고,
제1부분을 구성하는 물질은 제2부분을 구성하는 물질보다 굴절률이 높은 것을 특징으로 하는 백사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서. - 기판;
상기 기판 상부에 형성된 포토다이오드;
상기 포토다이오드 상부에 형성된 배선층;
상기 배선층 상부에 형성된 컬러필터; 및,
상기 컬러필터 상부에 형성된 마이크로렌즈를 구비하며,
상기 포토다이오드는 상기 마이크로렌즈에 의해 빛이 포커싱되는 부분을 포함한 제1부분과 상기 제1부분을 둘러쌓은 제2부분으로 구성되고,
제1부분을 구성하는 물질은 제2부분을 구성하는 물질보다 굴절률이 높은 것을 특징으로 하는 프런트사이드 일루미네이션 ＣＭＯＳ 이미지센서.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| KR1020100062077A KR20120001338A (ko) | 2010-06-29 | 2010-06-29 | 포토 다이오드 내부에 굴절률이 다른 영역을 구비한 ｃｍｏｓ 이미지센서 |
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