KR20160048646A - 단위 화소 및 이를 포함하는 지문인식센서 - Google Patents

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KR20160048646A
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박광수
남동욱
민병일
김현식
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주식회사 비욘드아이즈
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소는, 기판상에 형성되며 입사된 빛을 전기신호로 변환하는 단위 화소에 있어서, 광전 변화가 발생하는 수광부; 및 상기 수광부 상부에 상기 수광부에 수직에 가깝게 입사하는 빛을 검출하기 위한 광입사 경로를 형성하는 복수의 메탈 라인을 포함하며, 상기 광입사 경로의 높이가 상기 광입사 경로의 폭보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

단위 화소 및 이를 포함하는 지문인식센서{Unit pixel and image sensor for finger-print including the unit pixel}
본 발명은 지문인식센서에 사용되는 단위 화소에 관한 것이다.
이미지 센서는 빛을 전기 신호로 변환하는 센서이다. 대표적인 이미지 센서로 CMOS를 이용한 APS(Active Pixel Sensor), PPS(Passive Pixel Sensor)가 있다. 이러한 이미지 센서에 사용되는 포토 다이오드는 입사된 빛을 축적하여 전기 신호로 변환한다. 포토 다이오드로 입사되는 빛의 양을 증가시키기 위하여, 포토 다이오드의 상부에 마이크로 렌즈가 일반적으로 구비된다.
한편, 광학식 지문인식용 센서는 지문의 이미지를 촬영하여 전기 신호로 변환한다. 지문의 이미지 촬영을 위해서, 종래의 광학식 지문인식용 센서는 지문에 빛을 조사하여 반사시키는 광학계를 구비한다. 그러나, 반사 미러나 렌즈와 같은 광학계는 일반적으로 상당한 체적을 가지기 때문에, 광학식 지문인식용 센서를 구비한 지문 인식 장치는 소형화가 어렵다.
미국 등록특허 제5,726,443호
따라서, 본 발명의 실시예들은 소형화가 가능한 단위 화소 및 이를 포함하는 지문인식센서를 제공하고자 한다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소는, 기판상에 형성되며 입사된 빛을 전기신호로 변환하는 단위 화소에 있어서, 광전 변화가 발생하는 수광부; 및 상기 수광부 상부에 상기 수광부에 수직에 가깝게 입사하는 빛을 검출하기 위한 광입사 경로를 형성하는 복수의 메탈 라인을 포함하며, 상기 광입사 경로의 높이가 상기 광입사 경로의 폭보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소 및 이를 포함하는 지문인식센서는, 지문 이미지를 촬영하기 위한 광학계 및 입사되는 빛의 양을 증가시키기 위한 마이크로 렌즈가 필요하지 않으므로, 지문 인식 장치의 소형화를 가능하게 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소 및 이를 포함하는 지문인식센서는, 별도의 기구를 붙이는 방식이 아닌 단위 화소 자체적으로 접촉식 렌즈 효과를 구현하는 방식이므로 지문 인식 장치의 소형화를 가능하게 한다.
도 1은 단위 화소의 단면 구조를 설명하는 도면이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소의 단면 구조를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소에 포토 다이오드를 수광부로 사용한 구조를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소에 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터형 수광부를 사용한 구조를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4에 도시된 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터형 수광부의 회로도 및 동작 원리를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소의 측면 구조를 설명하는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 구조가 포함된 단위 화소의 구조를 설명하는 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 화소 보호층 상부에 직사각형 슬릿 구조가 형성된 단위 화소의 구조를 설명하는 도면이다.
도 9a 및 도9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 화소 보호층 상부에 정사각형 슬릿 구조가 형성된 단위 화소의 구조를 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 화소 보호층 상부의 단위체의 높이를 증가시킨 단위 화소의 구조를 설명하는 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소를 포함하는 지문인식센서를 설명하는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본 명세서 및 청구항에서 사용되는 단수 표현은, 달리 언급하지 않는 한 일반적으로 “하나 이상”을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 단위 화소의 단면 구조를 설명하는 도면이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 수광부가 포토 다이오드(110)인 일반적인 단위 화소(100)의 구조를 나타낸다. 마이크로 렌즈(140)는 빛의 입사각을 변경하여 입사되는 빛을 포토 다이오드(110)에 집광한다. 단위 화소(100)는 포토 다이오드(110)에 전원, 제어 신호를 공급하고, 포토 다이오드(110)로부터 데이터 신호를 수신하기 위한 메탈 라인(120, 130)을 포함한다. 메탈 라인(120, 130)은 포토 다이오드(110) 상부에 적층된다. 이 때, 수광 면적 확보를 위해 메탈 라인(120, 130)이 점유하는 공간은 최소화되어야 한다. 즉, 일반적인 로직 공정과 달리, 이미지 센서에 사용되는 단위 화소의 경우에는 메탈 라인의 수를 최소화하고 메탈 라인의 폭과 높이를 낮춰야만 광입사 경로가 단축될 수 있다. 광입사 경로가 단축되면, 이로 인해서 포토 다이오드(110)의 수광 효율은 증가될 수 있다.
도 1의 (b)를 참조하면, 수광부가 포토 다이오드(111)인 단위 화소(101)의 구조를 나타낸다. 도 1의 (a)에서 설명한 일반적인 단위 화소(100)와 달리, 도 1의 (b)에 도시된 단위 화소(101)는 마이크로 렌즈(140)을 포함하지 않고 있다. 도 1의 (b)에 도시된 단위 화소(101)는 메탈 라인에 의해 빛의 입사각도가 제한되어, 수광부는 일정 각도의 빛만을 검출할 수 있다. 여기서 수광부가 검출할 수 있는 빛의 각도는 복수의 메탈 라인(121, 131, 141)에 의해 결정된다. 또한, 입사되는 빛의 각도는 복수의 메탈 라인(121, 131, 141)에 의해 결정되는 직선(151a, 151b)과 칩 다이(Chip Die) 표면 사이의 각도보다 커야 한다. 다만, 포토 다이오드(111)가 빛을 검출하기 위해서는 빛이 들어오는 수광 면적은 어느 정도 확보되어야 한다.
도 1의 (c)를 참조하면, 수광부가 포토 다이오드(112)인 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소(102)의 구조를 나타낸다. 단위 화소(102)는 입사되는 빛의 각도를 결정하기 위해 형성되는 복수의 메탈 라인(122, 132, 142)을 포함한다. 칩 다이 표면으로 입사하는 빛 중 포토 다이오드(112)에 수직에 가깝게 입사되는 빛을 검출하기 위해, 복수의 메탈 라인(122, 132, 142) 중 적어도 어느 하나의 높이를 높이면, 광입사 경로의 높이가 높아질 수 있다. 여기서 수직에 가깝게 입사되는 빛은, 수광부(도 1의 (c)에서는 포토 다이오드, 112)에 실직적으로 수직으로 입사하는 빛을 포함한다. 실시예에 따라서, 각 메탈 라인(122, 132, 142)의 높이가 모두 높아지거나, 최상위 메탈 라인(142)의 높이만이 높아질 수 있다. 한편, 더미 메탈 또는 차광 특성을 갖는 물질을 수광부 상부에 추가로 증착하여 포토 다이오드(112)는 수직에 가깝게 입사되는 빛을 검출할 수 있다.
또한 포토 다이오드(112)의 감도를 높여 좁은 면적에서도 민감한 감도 특성이 유지된다면, 포토 다이오드(112) 상부의 광입사 경로의 폭(Width)은 좁을 수 있다. 여기서 광입사 경로는 빛이 진행할 수 있는 경로로, 칩 다이 표면으로 입사되는 빛은 메탈 라인(122, 132, 142)에 의해 경로가 제한되기 때문에 광입사 경로가 결정될 수 있다. 따라서, 일정한 입사각의 빛만이 수광부로 검출될 수 있다. 예를 들어, 광입사 경로의 높이(Height) 대비 폭 비율(H:W)은 10:1 내지 30:1 범위일 수 있다. 광입사 경로의 높이 대비 폭 비율(H:W)이 높을수록 포토 다이오드(112)가 칩 다이 표면으로부터 멀어지더라도 물체의 암영을 구분할 수 있게 된다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소의 단면 구조를 설명하는 도면이다.
도 2a를 참조하면, 단위 화소(200)는 수광부(210) 및 수광부(210)에 수직에 가깝게 입사하는 빛을 검출하기 위한 광입사 경로(220)를 형성하는 제1 내지 제6 메탈 라인(230, 240, 250, 260, 270, 280)을 포함한다.
수광부(210)는 포토 다이오드 또는 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터가 사용될 수 있다. 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터를 수광부(210)로 사용할 경우, 수광부(210)는 높은 광 감도 특성으로 인해 광입사 경로(220)의 폭이 좁은 경우, 적응 양의 빛으로도 선명한 이미지를 얻을 수 있다. 따라서, 수광부(210)가 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터인 경우 수광부(210)가 포토 다이오드인 경우보다 광입사 경로(220)의 폭이 좁을 수 있다. 구체적으로, 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터를 수광부(210)로 사용할 경우, 화소 피치(Pixel pitch) 대비 수광부(210)의 면적을 좁게 할 수 있고, 구조적으로 메탈 라인과 인접해야 하므로, 메탈 라인을 이용한 광입사 경로(220)의 폭은 더욱 좁아질 수 있다. 따라서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제6 메탈 라인(230, 240, 250, 260, 270, 280)을 이용하여 광입사 경로(220)의 높이를 증가시키면, 광입사 경로(220)가 좁고 긴 터널형으로 형성될 수 있다. 이에 따라 여러 각도로 들어오는 빛의 차단율이 증가하여 수광부(210)에 입사되는 광량은 감소하지만, 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터형 수광부(210)의 높은 광 감도특성으로 인해 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터형 수광부(210)를 사용하는 이미지 센서는 적은 광량에서도 선명한 이미지를 얻을 수 있다.
제1 내지 제6 메탈 라인(230, 240, 250, 260, 270, 280)은 전기 배선을 형성하는 제1 및 제2 메탈 라인(230, 240) 및 더미 메탈 라인인 제3 내지 제6 메탈 라인(250, 260, 270, 280)으로 구성된다. 제1 내지 제6 메탈 라인(230, 240, 250, 260, 270, 280)은 IMD(Inter Metal Dielectric)에 의해 상호간에 전기적으로 절연된다. 또한, 제1 내지 제6 메탈 라인(230, 240, 250, 260, 270, 280)에 의해 정의된 광입사 경로(220)도 IMD로 형성된다. 여기서, 광입사 경로(220)의 단면은 다각형, 원형 등과 같이 다양한 형태로 형성될 수 있다.
또한, 0.18um 반도체 공정을 예로 들면, 일반적으로 메탈 라인의 메탈은 6개까지 적층이 가능하며, 수광부(210) 표면으로부터 최대 7~10um 높이를 공정적으로는 구현할 수 있다. 다만, 수광부(210)는 일정량의 빛을 흡수해야 하므로 빛이 통과하는 광입사 경로(220)의 폭은 최소 약 1um 이상으로 제작할 수 밖에 없다. 따라서, 광입사 경로(220)의 높이 대비 폭의 최대 비율은 30:1일 수 있다. 다만, 이는 공정 기술에 의존하여 결정된 것으로, 공정 기술의 발전에 따라 광입사 경로(220)의 높이 대비 폭의 최대 비율이 높아질 수 있음은 물론이다.
제1 및 제2 메탈 라인(230, 240)은 복수의 메탈 라인 중 수광부(210)에 가장 근접하게 위치한다. 따라서, 하위 메탈 라인은 제1 및 제2 메탈 라인(230, 240)을 의미한다. 제1 및 제2 메탈 라인(230, 240)은 수광부(210)의 작동을 제어하는 수광부 제어 신호를 전달하고, 수광부(210)가 직진광을 검출하여 생성한 입사광 검출 신호를 전달하는 전기 배선을 형성한다. 일 실시예로, 제1 및 제2 메탈 라인(230, 240)은 수광부(210) 상부의 광입사 경로(220)를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 다른 실시예로, 제1 및 제2 메탈 라인(230, 240) 중 전기 배선을 형성하고, 메탈 라인이 수광부(210) 상부의 광입사 경로를 둘러싸도록 배치될 수도 있다. 제1 및 제2 메탈 라인(230, 240)에 의해 정의되는 광입사 경로의 단면은 다각형, 원형 등과 같이 다양한 형태로 형성될 수 있다.
제3 내지 제6 메탈 라인(250, 260, 270, 280)은 제1 및 제2 메탈 라인(230, 240)의 상부에 위치한다. 일 실시예로, 더미 메탈 라인인 제3 내지 제6 메탈 라인(250, 260, 270, 280)은 제1 및 제2 메탈 라인(230, 240)에 의해 형성된 광입사 경로(220)에 대응하는 위치에 형성된 개구를 포함하는 평판 형태로 형성될 수 있다. 제3 내지 제6 메탈 라인(250, 260, 270, 280)에 형성된 개구는 광입사 경로(220)를 정의할 수 있다. 개구는 다각형, 원형 등과 같이 다양한 형태로 형성될 수 있다. 한편, 또 다른 실시예로, 더미 메탈 라인은 도 2a에 도시된 바와 같이 반드시 복수일 필요는 없으며, 수광부(210)의 종류나 요구되는 광입사 경로(220)의 높이 대비 폭 비율에 따라 하나의 더미 메탈 라인만 제1 및 제2 메탈 라인(230, 240)의 상부에 위치할 수도 있다. 또한, 최상위 메탈 라인은 더미 메탈 라인 중 수광부(210)로부터 가장 멀리 위치하는 메탈 라인을 의미한다. 도 2a에서는 제6 메탈 라인(280)이 최상위 메탈 라인이 될 수 있다.
수광부(210)가 집광 가능한 최소 각도를 알 수 있는 직선(290a, 290b)은 제1 내지 제6 메탈 라인(230, 240, 250, 260, 270, 280)에 의해 결정된다. 또한, 입사되는 빛의 각도는 직선(290a, 290b)와 칩 다이 표면 사이의 각도보다 커야 한다. 따라서, 제1 내지 제6 메탈 라인(230, 240, 250, 260, 270, 280)을 이용하여 광입사 경로(220)의 높이를 높이면, 수광부(210)에서 집광할 수 있는 빛은 수광부(210)에 수직에 가깝게 입사하는 빛이 된다.
도 2b를 참조하면, 단위 화소(201)는 포토 다이오드 또는 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터로 구성될 수 있는 수광부(211) 및 수광부(211)에 수직에 가깝게 입사하는 빛을 검출하기 위한 광입사 경로(221)를 형성하는 제1 내지 제3 메탈 라인(231, 241, 251)을 포함한다.
시야각(261)은 제1 내지 제3 메탈 라인(231, 241, 251)에 의해 형성되는 광입사 경로(221)의 높이와 폭에 의해 결정된다. 시야각(261) 이내에 위치하는 물체는 인접 단위 화소(201a, 201b)와 겹치지 않는 범위 이내에서 명암이 구분될 수 있다.
도 2b에 나타난 포커스(Focus) 최대 높이보다 더 높은 부분에서 빛이 입사되면, 인접 단위 화소(201a, 201b)가 물체를 동일한 부분으로 볼 수 있으므로 지문, 패턴 등 접사한 물체의 명암을 구분할 수 없게 된다. 즉 물체의 명암을 구분할 수 있는 부분(271, 이하 포커싱 영역)의 왼쪽 부분(271a)에 물체가 있다면, 인접 단위 화소(201a) 및 단위 화소(201)로 모두 빛이 입사될 수 있고, 오른쪽 부분(271c)에 물체가 있다면, 인접 단위 화소(201b) 및 단위 화소(201)로 모두 빛이 입사될 수 있다. 또한, 포커싱 영역(271)의 위쪽 부분(271b)의 경우, 인접 단위 화소(201a, 201b)와 인접한 다른 단위 화소로 빛이 입사될 수 있다. 따라서, 포커싱 영역(271)이 결정된다. 도 2b에서 포커싱 영역(271)은 칩 다이 표면의 상부 부분으로부터 포커스 최대 높이(281)까지이며, 시야각(261)을 구성하는 직선으로 둘러 쌓인 다각형이 된다.
또한, 포커싱 영역(271) 내부의 물체 밝기는 수광부(211)에서 밝기의 평균 값으로 인식한다. 포커스 최대 높이(281) 이내에 물체가 있는 경우에는 항상 포커스가 맞게 형성되어 있으나, 포커스 최대 높이 이상에 물체가 위치하는 경우에는 상이 겹쳐 단위 화소(201)가 명암을 구분하지 못하게 된다. 여기서, 포커스 최대 높이(281)를 높여서 보다 높은 위치(긴 거리)의 물체를 식별하기 위해서는, 단위 화소(201, 201a, 201b)간 간격을 넓혀 중첩되는 영역이 보다 높은 위치에서 형성되도록 할 수 있다. 즉, 도 2b에 도시된 광입사 경로(221)의 높이와 폭에 의해 결정된 시야각(261)에 의해 수광부(211)는 다른 단위 화소와 겹치지 않는 범위 이내에서 물체의 명암을 구분할 수 있다.
도 2b에서는 수광부(211) 상부에 위치한 최상위 메탈 라인(251)의 높이를 증가시켜서 단위 화소(201)의 시야각(261)을 좁혔으나, 이외에도 다양한 방법으로 단위 화소의 기본 구조를 크게 변경하지 않으면서도 시야각을 좁힐 수 있다. 이하의 도면들을 참고하여 시야각을 좁힌 다양한 단위 화소의 구조를 살펴 본다.
도 2c를 참조하면, 단위 화소(202)는 포토 다이오드 또는 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터로 구성될 수 있는 수광부(212) 및 수광부(212)에 수직에 가깝게 입사하는 빛을 검출하기 위한 광입사 경로(222)를 형성하는 제1 내지 제4 메탈 라인(232, 242, 252, 262)을 포함한다. 도 2a 및 도 2b와 중복되는 설명은 생략하고, 차이점을 위주로 설명한다. 도 2c의 단위 화소(202)는 제1 내지 제4 메탈 라인(232, 242, 252, 262)의 높이가 모두 높여진 구조를 포함한다. 제1 내지 제4 메탈 라인(232, 242, 252, 262)의 높이가 모두 높아진다면, 광입사 경로(222)의 높이가 높아질 수 있다. 광입사 경로(222)의 높이를 높이면, 시야각(272)는 작아지게 되고 이에 따라 수광부(212)에서 집광할 수 있는 빛은 수광부(212)에 수직에 가깝게 입사하는 빛이 된다.
도 2d를 참조하면, 단위 화소(203)는 포토 다이오드 또는 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터로 구성될 수 있는 수광부(213) 및 수광부(213)에 수직에 가깝게 입사하는 빛을 검출하기 위한 광입사 경로(223)를 형성하는 제1 내지 제4 메탈 라인(233, 243, 253, 263)을 포함한다. 도 2a 및 도 2b와 중복되는 설명은 생략하고, 차이점을 위주로 설명한다.
수광부(213)에 수직에 가깝게 입사되는 빛을 검출하기 위해, 제1 내지 제4 메탈 라인(233, 243, 253, 263)은 계단형으로 형성되어 광입사 경로(223)가 비스듬히 형성될 수 있다. 이때, 광입사 경로(223)가 수직이 아닌 경사를 갖게 되면, 이종 물질(예를 들어, IMDSiO2)간의 굴절률 차이로 인하여 빛이 수광부(213)로 입사되지 않고 측면으로 입사되어 인접하는 다른 인접 단위 화소(203a, 203b)에 영향을 줄 수 있다. 이러한 문제를 예방하기 위하여, 굴절률 차이가 거의 없도록 레이어간 물질의 조성비를 변경할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서의 최종공정에서 칩 다이 표면으로부터 수광부(213) 표면까지 에칭하여 단일 물질로 채워 넣는 방식으로 광입사 경로 빛 손실을 최소화 할 수 있다.
도 2e를 참조하면, 단위 화소(204)는 포토 다이오드 또는 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터로 구성될 수 있는 수광부(214) 및 수광부(214)에 수직에 가깝게 입사하는 빛을 검출하기 위한 광입사 경로(224)를 형성하는 제1 내지 제3 메탈 라인(234, 244, 254)을 포함한다. 도 2a 및 도2b와 중복되는 설명은 생략하고, 차이점을 위주로 설명한다.
도 2e의 (a)를 참조하면, 광입사 경로(224)는 제1 내지 제3 메탈 라인(234, 244, 254)에 의해 형성될 수 있다. 제1 및 제2 메탈 라인(234, 244)은 수광부(214)로부터 가장 가까이 위치한다. 상기 살펴본 바와 같이, 제1 및 제2 메탈 라인(234, 244)은 수광부(214)의 작동을 제어하는 수광부 제어 신호를 전달하고, 수광부(214)가 빛을 검출하여 생성한 전기 신호를 전달하는 전기 배선을 형성할 수 있다. 이때, 제1 및 제2 메탈 라인(234, 244)을 형성하는데 있어, 수광부(214)와의 상호 작용을 위한 전기 배선을 형성 하는 부분 및 광입사 경로(224)를 형성하기 위한 부분을 제외하고 메탈 라인을 식각하는 공정을 진행할 수 있다. 이에 따라, 시야각(264)은 더욱 좁아질 수 있고, 수광부(214)는 더욱 수직에 가깝게 입사하는 빛만을 검출할 수 있다. 구체적으로 도 2e의 (b)를 통해 설명해 본다.
도 2e의 (b)는 도 2e의 (a)에 단위 화소(204)의 측면인 I-I' 부분을 위에서 바라본 도면이다. 제1 및 제2 메탈 라인(234, 244)는 광입사 경로(224)를 둘러싸며 수광부(214) 상부에 순서대로 적층될 수 있다. 이때, 도 2e의 (b)에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 메탈 라인(234, 244)은 폐쇄된 도넛 형태로 광입사 경로(224)를 둘러싸지 않아도 되며, 끊어져 형성될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 메탈 라인(234, 244) 내부에 위치하는 소스, 드레인, 게이트(234a, 244a 중 어느 하나)가 광입사 경로(224)를 조금 더 좁게 둘러싸는 구조로 제작될 수 있다. 이러한 구조는 제1 및 제2 메탈 라인(234, 244)을 제작하는 공정 중 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소에 포토 다이오드를 수광부로 사용한 구조를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 단위 화소(300)는 수광부(310) 및 수광부(310)에 수직에 가깝게 입사하는 빛을 검출하기 위한 광입사 경로(320)를 형성하는 제1 내지 제6 메탈 라인(330, 340, 350, 360, 370, 380)을 포함한다.
수광부(310)는 포토 다이오드로, 입사된 빛을 축적하여 전기 신호로 변화시킬 수 있다. 수광부(310)에 사용되는 포토 다이오드는 역바이어스형 PN 접합 포토 다이오드가 될 수 있다. 여기서, PN 접합 포토 다이오드는 폴리실리콘 또는 비정질 실리콘으로 PN 접합하여 형성될 수 있다. 포토 다이오드로 구성된 수광부(310)는 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터형 수광부에 비해 상대적으로 큰 광량이 요구되기 때문에, 광입사 경로(320)의 높이는 동일하지만 광입사 경로(320)의 폭은 증가되어야 한다. 광입사 경로(320)의 폭이 증가하면, 수광부(310)로 입사되는 광량은 증가된다. 따라서, 광전 변환 효율이 낮은 포토 다이오드를 사용하더라도 수광부는 충분한 광량을 흡수할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소에 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터형 수광부를 사용한 구조를 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 단위 화소(400)는 수광부(410) 및 수광부(410)에 수직에 가깝게 입사하는 빛을 검출하기 위한 광입사 경로(420)를 형성하는 제1 내지 제3 메탈 라인(430, 440, 450)을 포함한다.
수광부(410)는 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터형 수광 센서가 적용될 수 있다. 플로팅 게이트 구조의 트렌지스터형 수광 센서를 수광부(410)에 적용하면, 화소 피치(Pixel pitch) 대비 수광부(410)의 넓이는 작아질 수 있고, 구조적으로 수광부(410)와 하위 메탈 라인(430)이 인접해야 하므로, 메탈 라인(430, 440, 450)을 이용해 형성되는 광입사 경로(420)의 폭은 더욱 좁아질 수 있다. 따라서, 도 2a 내지 도 2e에서 설명한 방식을 이용해, 메탈 라인(430, 440, 450)의 높이가 높아지면서, 광입사 경로(420)는 좁고 긴 터널형으로 형성될 수 있다. 이에 따라 시야각(460)은 더욱 작아지게 되고, 포커스 최대 높이(470)가 증가되면서 직진성 빛을 더욱 많이 검출할 수 있게 된다. 또한, 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터형 수광 센서의 높은 광 감도특성으로 인해 수광부(410)는 적은 광량에서도 선명한 이미지를 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4에 도시된 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터형 수광부의 회로도 및 동작 원리를 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 단위 화소(500)는 빛을 광전 변환하여 픽셀 전류를 출력한다. 이를 위해, 단위 화소(500)는 입사된 빛을 광전 변환하는 수광부 역할을 하는 PMOS(510)와 PMOS(510)에 연결되어 스위치 역할을 하는 NMOS(520)로 구성된다. PMOS(510) 및 NMOS(520)는 일반적인 MOSFET 공정을 통해 구현될 수 있다.
단위 화소(500)의 동작은 다음과 같다. NMOS(520)와 동일한 기판상에 형성된 PMOS(510)의 소스에 전원전압 VDD를 인가하면, N-well과 p형 기판이 대면하는 모든 영역에서 PN접합면이 형성되고 역바이어스로 인해서 전기적으로 중성상태인 공핍영역이 두껍게 형성된다. 또한 전원전압은 PMOS(510)의 소스와 드레인 사이에 전계에 의해서 P채널이 유도된다. 이후, 수광부인 PMOS(510)로 빛이 입사되면, 광자가 플로팅 게이트와 공핍영역이 생성된 N-well의 하부 접합면에 입사되어 전자-정공쌍(EHP; Electron hole pair)이 생성된다. PMOS(510)의 플로팅 게이트에서는 분극 현상으로 인해 플로팅 게이트의 하부에 위치한 N-well, 즉, 드레인과 소스 사이에 P채널을 완성하게 된다. PMOS(510)와 연결된 NMOS(520)의 게이트에 전압이 인가되고 NMOS(520)에 형성된 소스와 드레인 사이에 채널이 형성되어 PMOS(510)에 형성된 신호 전하를 받아 입사광 검출 신호를 출력한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소의 측면 구조를 설명하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 단위 화소(600)는 광입사 경로(610)를 형성하는 제1 내지 제3 메탈 라인(620, 630, 640) 및 레이어(650)을 포함한다.
도 6에서, 단위 화소(600)는 2D 그리드(2D Grid) 형태로 배열된 화소 어레이(600a)를 구성한다. 여기서 2D 그리드 형태의 화소 어레이(600a)는 예시일 뿐, 화소 어레이(600a)는 슬릿 구조 등 다양한 형태로 배열될 수 있다.
도 2a 내지 도 2e에서 설명한 것과 같이 다양한 방식을 통해 단위 화소(600)는 수광부에 수직에 가깝게 입사하는 빛만을 검출할 수 있다. 또한, 도 6에서는 제1 내지 제3 메탈 라인(620, 630, 640)은 수직으로 배치되어 있으나, 도 2e의 (b)와 마찬가지로 광입사 경로(610)를 둘러싼 다양한 형태로 구성될 수 있다.
이때, 도 6에 나타난 것과 같이 최상위 메탈 라인(640)의 높이는 증가될 수 있다. 이외에도 제1 내지 제3 메탈 라인(620, 630, 640)의 높이가 선택적으로 증가될 수 있으며, 제1 내지 제3 메탈 라인(620, 630, 640)의 높이가 증가되면, 광입사 경로(610)의 폭은 일정한 채로 광입사 경로(610)의 높이가 커지기 때문에 시야각은 감소할 수 있다. 또한, 광입사 경로(610)의 높이 증가는 물체의 명암을 구분할 수 있는 포커스 최대 높이를 증가시킬 수 있다.
레이어(650)는 단위 화소(600)를 보호하기 위한 화소 보호층의 집합이다. 도 6에서는 레이어(650)는 화소 어레이(600a)의 형태와 동일하게 2D 그리드 형태로 제작된 것을 나타냈으나, 화소 보호층은 다양한 형태로 배열이 가능하다. 또한, 레이어(650)는 화소 어레이(600a)와 다른 형태의 배열로도 제작 가능하다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 구조가 포함된 단위 화소의 구조를 설명하는 도면이다.
도 7a를 참조하면, 단위 화소(700)는 수광부(710) 및 수광부(710)에 수직에 가깝게 입사하는 빛을 검출하기 위한 광입사 경로(720)를 형성하는 제1 내지 제3 메탈 라인(730, 740, 750)을 포함한다.
수광부(710)에 수직에 가깝게 입사하는 빛을 검출하기 위해서는, 도 7a에서는 최상위 메탈 라인(750)의 높이만이 높아진 것을 도시하였으나 각 메탈 라인(730, 740, 750)의 높이는 모두 높아지거나 선택적으로 높아질 수 있다. 메탈 라인(730, 740, 750)의 높이가 높아지면, 광입사 경로(720)의 높이가 높아지며, 이에 따라 시야각(760)은 좁아지게 된다. 시야각(760)을 좁히는 다른 방법으로 단위 화소(700)는 렌즈 구조를 더 포함할 수 있다.
렌즈 구조는 볼록 렌즈 구조 또는 오목 렌즈 구조를 사용할 수 있다. 여기서 볼록 렌즈 구조 또는 오목 렌즈 구조는 메탈 라인(730, 740, 750) 및 광입사 경로(720)를 형성하는 물질과 굴절률이 다른 물질을 사용하여 제작될 수 있다. 제작 방법에 대해서는 아래에서 구체적으로 설명하기로 한다.
도 7a의 (a)를 참조하면, 제1 메탈 라인(730) 하부에 볼록 렌즈 구조(770a)가 형성될 수 있다. 볼록 렌즈 구조(770a)가 제1 메탈 라인(730) 하부에 위치하기 때문에, 광입사 경로(720)를 통과한 빛이 수광부(710)에 수직에 가깝게 입사하도록 빛을 굴절시킬 수 있다.
또한, 도 2a에서 설명한 바와 같이 반도체 공정에 의해 얻을 수 있는 물리적인 광입사 경로(720)의 높이 대비 폭의 최대 비율은 MEMS 공정 제조기술에 의해 높아질 수 있다. 그러나 도 7a의 (a)와 같이 제1 메탈 라인(730) 하부에 형성된 볼록 렌즈 구조(770a)는 광입사 경로(720)를 통과한 빛을 수광부(710)에 수직에 가깝게 입사하도록 변경할 수 있으므로, 더 높은 곳에 위치하는 물체에 반사된 빛을 흡수할 수 있다. 따라서, 실질적으로 광입사 경로(720)의 높이 대비 폭의 비율은 예를 들어, 30:1 이상 일 수 있다. 이는 이하 도 7a의 (b) 및 (c)의 경우도 마찬가지이다.
도 7a의 (b)는 최상위 메탈 라인(750)의 상부에 형성된 오목 렌즈 구조(770b)를, 도 7a의 (c)는 수광부(710)와 제2 메탈 라인(740)의 하부 사이에 형성된 오목 렌즈 구조(770c)를 각각 도시하고 있다.
도 7a의 (b)에서 오목 렌즈 구조(770b)는 입사되는 빛의 경로를 변경하여 수광부(710)에 수직에 가깝게 입사되는 빛을 검출할 수 있게 한다.
또한, 도 7a의 (c)에서, 최상위 메탈 라인(750)은 외부에서 입사되는 빛의 입사각을 제한할 수 있으며, 오목 렌즈 구조(770c)는 광입사 경로(720)를 통과한 빛이 수직에 가깝게 수광부(710)에 입사될 수 있도록 할 수 있다.
즉, 도 7a의 (a) 내지 (c)에서 볼록 렌즈 구조(770a) 및 오목 렌즈 구조(770b, 770c)는 일반적인 이미지 센서에서 마이크로 렌즈를 사용하는 이유와 반대로, 빛의 입사 각도를 제한하여 수광부(710)가 수직에 가까운 빛만을 검출하도록 한다.
도 7b를 참조하면, 단위 화소(701)는 포토 다이오드 또는 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터로 구성될 수 있는 수광부(711) 및 수광부(711)에 수직에 가깝게 입사하는 빛을 검출하기 위한 광입사 경로(721)를 형성하는 복수의 메탈 라인(731, 741, 751, 761, 771, 781)을 포함한다.
복수의 메탈 라인(731, 741, 751, 761, 771, 781)은 수광부(711)에 전원 및 제어 신호를 공급하고, 수광부(711)로부터 데이터 신호를 수신할 수 있다. 복수의 메탈 라인(731, 741, 751, 761, 771, 781)은 수광부(711) 상부에 적층될 수 있다. 수광부(711)에 수직에 가깝게 입사하는 빛을 검출하기 위해서는, 각 복수의 메탈 라인(731, 741, 751, 761, 771, 781)의 높이는 모두 높아지거나, 최상위 메탈 라인(781)의 높이만이 높아질 수 있다.
도 7b의 (a)를 참조하면, 목 렌즈 구조(791a)가 최상위 메탈 라인(781) 상부에 위치하여 입사되는 빛의 각도를 조정해 수광부(711)에 수직에 가까운 빛을 입사할 수 있게 한다.
또한, 도 2a에서 설명한 바와 같이 반도체 공정에 의해 얻을 수 있는 물리적인 광입사 경로(721)의 높이 대비 폭의 최대 비율은 MEMS 공정 제조 기술에 의해 높아질 수 있다. 그러나, 도 7b의 (a)와 같이 최상위 메탈 라인(781) 에 형성된 오목 렌즈 구조(791a)에 의해 광입사 경로(721)를 통과한 빛을 수광부(711)에 수직에 가깝게 입사하도록 변경할 수 있으므로, 더 높은 곳에 위치하는 물체에 반사된 빛을 흡수할 수 있다. 따라서, 실질적으로 광입사 경로(721)의 높이 대비 폭의 비율은 예를 들어, 15:1일 수 있다. 이는 이하 도 7b의 (b) 및 (c)의 경우도 마찬가지이다.
도 7b의 (b)는 제4 메탈 라인(761) 사이에 형성된 볼록 렌즈 구조(791b)를, 도 7b의 (c)는 제3 메탈 라인(751)의 상부에 형성된 볼록 렌즈 구조(791d), 최상위 메탈 라인(781) 사이에 형성된 오목 렌즈 구조(791c), 제1 메탈 라인(731) 사이에 형성된 오목 렌즈 구조(791e)의 조합을 각각 도시하고 있다.
또한 도 7b의 (c)와 같이, 복수 개의 렌즈 구조를 조합하여 광입사 경로(721) 내부에 위치하는 특정 높이에 입사된 빛의 초점을 맞출 수 있다.
도 7b의 (a) 내지 (c)에서 볼록 렌즈 구조(791b, 791d) 및 오목 렌즈 구조(791a, 791c, 791e)는 일반적인 이미지 센서에서 마이크로 렌즈를 사용하는 이유와 반대로, 빛의 입사 각도를 제한하여 수광부(711)가 수직에 가까운 빛만을 검출하도록 한다.
도 7a 및 도 7b에 도시되는 렌즈 구조 구조는 메탈 라인을 형성하는 반도체 공정 중 제작될 수 있다. 구체적으로, 단위 화소(700)의 메탈 라인(730, 731, 740, 741, 750, 751, 761, 771, 781)을 형성하는 반도체 공정은 수광부(710, 711) 표면에서부터 칩 다이 표면까지 순차적으로 산화막을 형성하고, 상기 산화막의 소정 영역을 노출시키는 복수의 포토 레지스트를 사용해 순차적으로 산화막을 식각하면서 패턴을 만드는 것이다. 이때, 도 7a 및 도 7b에서 사용되는 렌즈 구조는 메탈 라인(730, 731, 740, 741, 750, 751, 761, 771, 781) 및 광입사 경로(720, 721)를 형성하는 물질과 다른 물질로 제작될 수 있어, 굴절률을 다르게 할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 화소 보호층 상부에 직사각형 슬릿 구조가 형성된 단위 화소의 구조를 설명하는 도면이다.
도 8a를 참조하면, 단위 화소(800)는 수광부(810), 광입사 경로(820)를 형성하는 제1 및 제2 메탈 라인(830, 840) 및 화소 보호층(850) 상부에 위치하는 제1 및 제2 단위체(860, 870)을 포함한다.
화소 보호층(850)은 단위 화소(800)를 보호하기 위한 물질로 구성될 수 있다. 제1 및 제2 단위체(860, 870)는 내부에 일정한 형상을 갖는 슬릿 구조가 형성될 수 있다. 도 8a에서는 직사각형상의 슬릿을 예시적으로 도시하고 있으나, 반드시 이에 한정된 것은 아니다.
도 8a에 나타난 직사각형의 슬릿은 최상위 단위체인 제2 단위체(870)에 형성된 것만이 도시되었으나, 제1 및 제2 단위체(860, 870)에 각각 형성될 수 있다. 한편, 제1 단위체(860)와 제2 단위체(870)의 높이인 H는 확장될 수 있다. H를 확장 시키는 방법은 상기 설명한 도 2a 및 도 2b의 방법을 사용할 수 있다.
도 8b를 참조하면, 제2 단위체(870)에 형성된 제2 직사각형 슬릿(870a)은 제1 단위체(860)에 형성된 제1 직사각형 슬릿(860a)과 서로 수직으로 교차할 수 있다. 두 슬릿이 교차하는 위치에는 빛이 통과할 수 있는 홀(880)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 슬릿의 폭이 1um라고 하면, 1um 정사각형 홀(880)이 교차하는 위치에 형성될 수 있다. 이와 같은 구조를 통하여 단위 화소(800)는 수광부(810)에 기울기를 가지고 입사되는 빛을 차단하고, 수직에 가깝게 입사되는 빛만 검출할 수 있다.
도 9a 및 도9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 화소 보호층 상부에 정사각형 슬릿 구조가 형성된 단위 화소의 구조를 설명하는 도면이다.
도 9a를 참조하면, 단위 화소(900)는 수광부(910), 광입사 경로(920)를 형성하는 제1 및 제2 메탈 라인(930, 940) 및 화소 보호층(950) 상부에 위치하는 제1 및 제2 단위체(960, 970)을 포함한다.
화소 보호층(950)은 단위 화소(900)를 보호하기 위한 물질로 구성될 수 있다. 제1 및 제2 단위체(960, 970)는 내부에 일정한 형상을 갖는 슬릿 구조가 형성될 수 있다. 도 9a에서는 정사각형상의 슬릿을 예시적으로 도시하고 있으나, 반드시 이에 한정된 것은 아니다. 또한, 도 9에서는 슬릿 구조는 제1 및 제2 단위체(960, 970)에 형성되어 있으나, 각각 형성되는 것뿐 아니라 하나의 단위체에만 형성될 수 있으며, 슬릿 구조가 형성된 단위체의 개수는 증가할 수 있다. 한편, 제1 단위체(960)와 제2 단위체(970)의 높이인 H는 확장될 수 있다. H를 확장 시키는 방법은 상기 설명한 도 2a 및 도 2b의 방법을 사용할 수 있다.
도 9b를 참조하면, 제1 단위체(960)에 형성된 제1 정사각형 슬릿 구조(960a)의 중심은 제2 단위체(970)에 형성된 제2 정사각형 슬릿 구조(970a)의 중심과 실질적으로 일치할 수 있다. 한편, 제1 단위체(960)에 형성된 제1 정사각형 슬릿 구조(960a)의 중심은 제2 단위체(970)에 형성된 제2 정사각형 슬릿 구조(970a)의 중심과 실질적으로 일치하지 않을 수도 있다. 한편, 제1 단위체(960)에 형성된 제1 정사각형 슬릿 구조(960a)의 중심은 제2 단위체(970)에 형성된 제2 정사각형 슬릿 구조(970a)의 중심과 실질적으로 일치하지만, 각각의 모서리는 일치하지 않을 수 있다. 제1 정사각형 슬릿 구조(960a) 및 제2 정사각형 슬릿 구조(970a)에 의해 빛이 통과할 수 있는 홀(980)이 형성될 수 있다. 이와 같은 구조를 통하여 단위 화소(900)는 수광부(910)에 기울기를 가지고 입사되는 빛을 차단하고 수직에 가깝게 입사되는 빛만 검출할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 화소 보호층 상부의 단위체의 높이를 증가시킨 단위 화소의 구조를 설명하는 도면이다.
도 10을 참조하면, 단위 화소(1000)는 수광부(1010), 수광부(1010)에 수직에 가깝게 입사하는 빛을 검출하기 위한 광입사 경로(1020)를 형성하는 복수의 메탈 라인(1030) 및 화소 보호층(1040) 상부에 형성되는 단위체(1050)를 포함한다.
광입사 경로(1020)의 높이를 증가시키기 위해, 화소 보호층(1040) 상부에 단위체(1050)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 단위 화소(1000)의 메탈 라인(1030) 공정 이후에 추가로 단위체(1050)를 형성하는 공정이 진행될 수 있다. 따라서, 칩 내부의 메탈 라인(1030)의 두께는 변경하지 않고도 단위 화소(1000)의 시야각(1060)은 좁혀질 수 있다. 이러한 방식은 상부에 단위체(1050)만을 추가하는 방식으로 단위 화소(1000)의 동작에 미치는 영향을 최소화할 수 있어 안정적이다. 추가된 단위체(1050)에 의해, 광입사 경로(1020)의 폭은 기존 단위 화소의 메탈 라인(1030)의 폭보다 좁게 된다. 따라서, 포커스 최대 높이는 보다 높아질 수 있다.
또한, 0.18um 반도체 공정을 예로 들면, 최상위 메탈 라인은 수광부로부터 최대 7~10um까지 위치할 수 있다. 즉, 공정적으로 구현이 가능한 메탈 라인의 최대 개수는 6개까지이다. 따라서, 광입사 경로의 높이 대비 폭의 비율이 제한적일 수밖에 없다. 이 비율을 보다 높이기 위해서 도 10과 같이 추가적 구조물이 사용될 수 있다. 예를 들어, 반도체 포토 리소그래피(Lithography)공정에 사용하는 포토 레지스트(Photo Resist)를 단위체로 사용할 수 있다. 여기서, 포토 레지스트는 컬러 필터(Color filter)와 유사한 성질을 갖는 물질로, 보색관계의 빛은 흡수하는 특징이 있다. 따라서, 화소 보호층(1040) 상부의 단위체로 BCF(Blue Color Filter)가 사용된다면, 단위체(1050)의 높이를 약 5um까지 높일 수 있고, 적색광을 입사하는 빛으로 이용하면, 입사광을 흡수할 수 있어 입사하는 빛의 각도를 줄일 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소를 포함하는 지문인식센서를 설명하는 도면이다.
도 11a를 참조하면, 지문인식센서는 화소 어레이가 형성되는 반도체 층(1100) 및 단위 화소를 보호하기 위한 화소 보호층(1110)을 포함한다.
지문인식센서는 손가락의 지문(1120)과 발광체가 발생하는 빛을 이용하여 지문을 획득할 수 있다. 이때, 발광체에서 발생되는 빛은 수광부에 수직에 가깝게 입사하는 빛뿐만이 아니라 기울기를 갖는 빛을 가질 수 있다. 그러나 지문인식센서가 선명한 지문의 이미지를 얻기 위해서는 지문인식센서는 기울기를 갖는 빛을 최대한 차단하고 수직에 가깝게 입사하는 빛만을 검출해야 한다. 따라서, 수광부에 수직에 가깝게 입사하는 빛만을 검출하기 위해, 지문인식센서에 포함되는 단위 화소로 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소를 사용할 수 있다.
반도체 층(1100)에 형성되는 화소 어레이는 상기에서 설명한 모든 단위 화소를 포함하여 배열될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 화소는 수광부에 수직에 가깝게 입사하는 빛을 검출하기 위해 광입사 경로의 높이 대비 폭의 비율을 변화시킨 것으로, 이에 따라 지문인식센서는 선명한 이미지를 검출할 수 있다.
화소 보호층(1110)은 상부에 지문(1120)이 직접 접촉할 수 있다. 화소 보호층(1110)은 반도체 증착 방식으로 Nitride 계열의 단단하고 굴절율이 높은 투명 물질을 이용할 수 있다.
도 11b를 참조하면, 지문인식센서는 화소 어레이가 형성되는 반도체층(1101) 및 화소 보호층(1111)을 포함한다. 도 11a와 중복되는 설명은 생략하고, 차이점을 위주로 설명한다.
도 11b의 레이어(1121)는 도 8a 및 도 8b, 도 9a 및 도 9b, 도 10에서 설명하는 단위체의 집합으로 형성될 수 있다. 레이어(1121)는 단위 화소의 메탈 공정 이후에 추가 공정을 통해 생성될 수 있다. 이에 따라, 단위 화소 어레이의 동작의 안정성을 보장할 수 있다. 또한, 레이어(1121)의 추가로 광입사 경로의 높이를 높여 시야각을 좁힐 수 있고, 포커스 최대높이가 높아져 검출하려는 더 멀리 떨어져 있는 물체(예를 들어, 지문)를 좀더 선명하게 인식할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (24)

  1. 기판상에 형성되며 입사된 빛을 전기신호로 변환하는 단위 화소에 있어서,
    광전 변화가 발생하는 수광부; 및
    상기 수광부 상부에 상기 수광부에 수직에 가깝게 입사하는 빛을 검출하기 위한 광입사 경로를 형성하는 복수의 메탈 라인을 포함하며,
    상기 광입사 경로의 높이가 상기 광입사 경로의 폭보다 크게 형성되는 단위 화소.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 메탈 라인 중 하위 메탈 라인 상부에 위치하며, 상기 광입사 경로를 형성하는 더미 메탈 라인을 더 포함하는 단위 화소.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 더미 메탈 라인은 복수개인 단위 화소.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 메탈 라인의 높이가 모두 높게 형성되는 단위 화소.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 메탈 라인의 높이가 모두 다르게 형성되는 단위 화소.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 메탈 라인 중 최상위 메탈 라인의 높이가 높게 형성되는 단위 화소.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 광입사 경로의 높이 대비 상기 광입사 경로의 폭 비율이 10:1 내지 30:1 범위인 것으로 하는 단위 화소.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 메탈 라인은 계단형으로 비스듬히 설계되는 단위 화소.
  9. 기판상에 형성되며 입사된 빛을 전기신호로 변환하는 단위 화소에 있어서,
    광전 변화가 발생하는 수광부;
    상기 수광부 상부에 상기 수광부에 수직에 가깝게 입사하는 빛을 검출하기 위한 광입사 경로를 형성하는 메탈 라인을 포함하는 복수의 메탈 라인; 및
    상기 광입사 경로에 위치하는 렌즈 구조를 포함하며,
    상기 광입사 경로의 높이가 상기 광입사 경로의 폭보다 크게 형성되는 단위 화소.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 렌즈 구조는 적어도 한 개 이상의 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈로 구성되는 단위 화소.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 렌즈 구조는 상기 광입사 경로 내에 특정 높이에서 상기 입사된 빛의 초점을 형성하게 하는 단위 화소.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 메탈 라인 중 하위 메탈 라인 상부에 위치하며, 상기 광입사 경로를 형성하는 더미 메탈 라인을 더 포함하는 단위 화소.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 더미 메탈 라인은 복수개인 단위 화소.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 메탈 라인의 높이가 모두 높게 형성되는 단위 화소.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 메탈 라인의 높이가 모두 다르게 형성되는 단위 화소.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 메탈 라인 중 최상위 메탈 라인의 높이가 높게 형성되는 단위 화소.
  17. 제12항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 광입사 경로의 높이 대비 상기 광입사 경로의 폭 비율이 10:1 내지 30:1 범위인 것으로 하는 단위 화소.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 메탈 라인 최상부에 위치하는 화소 보호층(Passivation layer);
    상기 화소 보호층 상부에 위치하며, 슬릿 구조를 형성하는 단위체를 더 포함하는 단위 화소.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 단위체의 높이를 높여 상기 광입사 경로의 높이 대비 상기 광입사 경로의 폭 비율이 10:1 내지 30:1 범위인 것으로 하는 단위 화소.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 단위체는 복수 개며,
    상기 슬릿 구조는 직사각형 또는 정사각형인 단위 화소.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 슬릿이 직사각형이면, 상기 복수 개의 단위체에 형성된 슬릿의 길이 방향은 수직으로 교차하는 단위 화소.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 슬릿이 정사각형이면, 상기 복수 개의 단위체에 형성된 슬릿의 중심은 일치하거나 일치하지 않는 단위 화소.
  23. 제1항 또는 제9항에 있어서,
    상기 수광부는 포토 다이오드 또는 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터인 것을 특징으로 하며,
    상기 수광부가 플로팅 게이트 구조의 트랜지스터인 경우, 상기 수광부가 포토 다이오드인 경우보다 상기 광입사 경로의 폭이 좁은 단위 화소.
  24. 제1항 내지 제6항, 제9항 내지 제16항, 제18항 내지 제22항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 단위 화소가 복수 개로 배열되어 형성되는 화소 어레이를 포함하는 지문인식센서.
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