KR20040060509A

KR20040060509A - Ｃｍｏｓ 이미지 센서

Info

Publication number: KR20040060509A
Application number: KR1020020087309A
Authority: KR
Inventors: 임근혁
Original assignee: 동부전자 주식회사
Priority date: 2002-12-30
Filing date: 2002-12-30
Publication date: 2004-07-06
Also published as: JP2004215264A; US20040135066A1; US7005627B2

Abstract

포토다이오드 어레이의 광감도를 개선한 CMOS 이미지 센서를 개시한다. 본 발명은 반도체 기판에 단위 픽셀간 분리를 위한 복수의 필드절연막과, 상기 복수의필드절연막간의 액티브영역 일정 간격으로 형성되며, 수광된 빛을 전기신호로 광전변환하는 포토다이오드 어레이와, 상기 포토다이오드 어레이 상부에 형성되며, 상기 수광된 빛을 상기 포토다이오드 어레이로 투과하는 광투과층과, 상기 수광된 빛의 균일한 투과를 위하여 상기 광투과층 상부에 형성된 평탄화층, 상기 평탄화층의 상부에 컬러 포토레지스터를 도포하여 형성한 컬러필터부와, 상기 컬러필터부의 상부에 형성되며, 상기 수광된 빛을 상기 포토다이오드 어레이로 집광하기 위해 소정의 굴절율을 갖는 마이크로 렌즈 어레이와, 상기 마이크로 렌즈 어레이 상부에 상기 상기 마이크로 렌즈 어레이의 굴절율보다 상대적으로 큰 재료로 형성된 적어도 하나 이상의 물질층을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＣＭＯＳ 이미지 센서{CMOS image sensor}

본 발명은 CMOS 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히, 포토다이오드 어레이의 광감도를 개선한 CMOS 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 피사체를 촬상하여 화상처리하기 위한 이미지 픽업 디바이스로는 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서 또는 CMOS 이미지 센서가 이용되고 있다. 상기 CMOS 이미지 센서는 CMOS 제조 공정에 의해 광을 감지하여 광전변화하기 위한 부분과 신호처리를 위한 논리 회로, 아날로그 회로 및 아날로그 디지털 변환 회로 등과 같은 주변 회로를 하나의 칩에 동시에 형성하는 것이 가능하며, 또한 저전압의 전원을 사용하기 때문에 전력소모가 작고, 이미지 품질면에서도 많은 연구가 이루어져 상기 CCD 이미지 센서에 비해 크게 뒤쳐지지 않는 장점을 갖고 있기 때문에 최근 개인용 컴퓨터, 모바일 폰 및 PDA에 접목되는 소형 카메라의 제조에 선호되고 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 CMOS 이미지 센서를 나타낸 단면도이다. 동도면에서 참조부호 1은 피사체의 촬상에 의해 빛을 수광하기 위한 렌즈를 나타낸다.

종래의 CMOS 이미지 센서는 반도체 기판(10)에 단위 픽셀간 분리를 위한 복수의 필드절연막(12)과, 수광된 빛을 전기신호로 광전변환하기 위해 필드절연막(12)간의 액티브영역에 형성된 포토다이오드 어레이(14)와, 복수의 층간절연막 및 소자보호막으로 이루어져 상기 수광된 빛을 투과하는 광투과층(16)과, 균일한 광투과를 위하여 광투과층(16) 상부에 형성된 평탄화층(18)과, 평탄화층(18) 상부에 컬러 포토레지스터로 형성된 컬러필터부(20)와, 상기 수광된빛을 포토다이오드 어레이(14)로 집광하기 위해 컬러필터부(20)의 상부에 형성된 마이크로 렌즈 어레이(22)로 구성된다. 상기 광투과층(16)은 적어도 하나 이상의 층간절연막과, 소자보호막을 포함한다.

도 2는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀(Unit Pixel)에서의 빛의 굴절을 나타낸 도면으로서, 소정의 경사각으로 입사하는 빛이 마이크로 렌즈 어레이(16)의 굴절율에 의해 한번 굴절된 후 컬러필터부(22)를 투과하여 포토다이오드 어레이(16)로 집광됨을 나타낸다.

상기와 같이 구성된 종래의 CMOS 이미지 센서에서는 패키징 후 마이크로 렌즈 어레이(16)가 어떤 장애물 없이 외부의 렌즈(10)로부터 빛을 직접 수광하여 집광동작을 하게 되는 데, 이 경우 포토다이오드 어레이(16)의 위치에 따라 빛의 입사각도가 달라진다. 예컨대, 상기 렌즈(1)를 통해 들어온 빛은 포토다이오드 어레이(16)의 중심부에 있어 마이크로 렌즈 어레이(24)에 직선으로 입사하고, 포토다이오드 어레이(16)의 중심부에서 떨어진 외곽부로 갈수록 마이크로 렌즈 어레이(24)에 입사되는 빛의 각도가 더욱 커지게 된다.

이 경우 포토 다이오드 어레이(16)의 중심부와 외곽부간의 수광률의 차이가 발생하여 포토 다이오드 어레이(16)의 위치에 따른 광감도의 변화를 초래할 수 있다. 이는 이미지 센서에서 빛을 받아 동작한 후 다시 이미지로 재현하는 데 있어 피사체의 정확한 이미지 검출을 어렵게 한다.

이러한 문제점을 극복하기 위해 종래의 CMOS 이미지 센서에서는 포토 다이오드 어레이(16)의 중심부의 간격이 외곽부로 갈수록 넓게 하여 다이오드 어레이(16)의 중심부와 외곽부간의 수광률의 차이를 보상하고 있다.

따라서, 상기 종래의 CMOS 이미지 센서에서는 포토다이오드 어레이(16)의 위치에 관계없이 광감도를 균일하게 하기 위해 렌즈(1)와 포토다이오드 어레이(16)간의 거리에 대한 정확한 계산과 그에 따른 포토다이오드 어레이(16)간의 간격의 조절에 대한 정밀한 설계가 요구된다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위해 마이크로 렌즈 어레이 위에 마이크로 렌즈 어레이의 굴절율과 다른 적어도 하나 이상의 물질층을 형성하여 포토 다이오드 어레이에 집광되는 빛의 양을 늘려줌으로써, 포토다이오드 어레이의 위치에 관계없이 광감도를 균일하게 하는 CMOS 이미지 센서를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 CMOS 이미지 센서를 나타낸 단면도.

도 2는 종래 기술에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀(Unit Pixel)에서의 빛의 굴절을 나타낸 도면.

도 3는 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서를 나타낸 단면도.

도 4은 본 발명에 적용된 스넬의 법칙을 설명하기 위한 도면.

도 5는 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀에서의 빛의 굴절을 나타낸 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호설명

100: 반도체 기판 102: 필드분리막

104: 포토다이오드 어레이 106: 광투과층

108: 평탄화층 110: 컬러필터부

112: 마이크로 렌즈 어레이 114,116: 물질층

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 CMOS 이미지 센서는 반도체 기판에 단위 픽셀간 분리를 위한 복수의 필드절연막; 상기 복수의필드절연막간의 액티브영역 일정 간격으로 형성되며, 수광된 빛을 전기신호로 광전변환하는 포토다이오드 어레이; 상기 포토다이오드 어레이 상부에 형성되며, 상기 수광된 빛을 상기 포토다이오드 어레이로 투과하는 광투과층; 상기 수광된 빛의 균일한 투과를 위하여 상기 광투과층 상부에 형성된 평탄화층; 상기 평탄화층의 상부에 컬러 포토레지스터를도포하여 형성한 컬러필터부; 상기 컬러필터부의 상부에 형성되며, 상기 수광된 빛을 상기 포토다이오드 어레이로 집광하기 위해 소정의 굴절율을 갖는 마이크로 렌즈 어레이; 및 상기 마이크로 렌즈 어레이 상부에 상기 상기 마이크로 렌즈 어레이의 굴절율보다 상대적으로 큰 재료로 형성된 적어도 하나 이상의 물질층을 구비하는 것을 특징으로 한다.

(실시예)

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하도록 한다.

도 3는 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서를 나타낸 단면도이다. 동도면에서 참조부호 1은 피사체의 촬상에 의해 빛을 수광하기 위한 렌즈를 나타낸다.

본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서는, 도 1 도시된 바와 같이, 반도체 기판(100)에 단위 픽셀간 분리를 위한 복수의 필드절연막(102)과, 복수의 필드절연막(102)간의 액티브영역에 형성되며, 수광된 빛을 전기신호로 광전변환하는 포토다이오드 어레이(104)와, 포토다이오드 어레이(104) 상부에 형성되며, 상기 수광된 빛을 포토다이오드 어레이(104)로 투과하는 광투과층(106)와, 상기 수광된 빛의 균일한 투과를 위하여 광투과층(106) 상부에 형성된 평탄화층(108), 평탄화층(108)의 상부에 컬러 포토레지스터를 도포하여 형성한 컬러필터부(110)와, 컬러필터부(110)의 상부에 형성되며, 상기 수광된 빛을 포토다이오드 어레이(104)로 집광하기 위해 소정의 굴절률을 갖는 마이크로 렌즈 어레이(112)와, 마이크로 렌즈 어레이(112) 상부에 마이크로 렌즈 어레이(112)의 굴절율보다 상대적으로 큰 재료로 형성된 적어도 하나 이상의 물질층(114,116)으로 구성된다.

상기 광투과층(106)은 적어도 하나 이상의 층간절연막과, 소자보호막을 포함하며, 상기 소자보호막은 산화막 및 질화막이 적어도 하나 이상의 층간절연막의 상부에 증착되어 형성될 수 있다.

상기 물질층(114,116)은 마이크로 렌즈 어레이(112)의 외부 노출을 차단함으로써 마이크로 렌즈 어레이(112)의 보호막으로서의 역할을 행하며, 마이크로 렌즈 어레이(112)로 입사되는 빛 중에 직선성분이 아닌 빛을 굴절시키며, 또한, 포토다이오드 어레이(104)로의 집광량을 늘리기 위해 서로 다른 굴절율을 갖는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명에 적용된 스넬의 법칙을 설명하기 위한 도면으로서, 서로 다른 매질에 빛이 입사할 경우 매질의 굴절률(n1,n2)에 따라 굴절각도(θ1,θ2)가 스넬의 법칙에 따라 달라짐을 나타낸다.

일반적으로, 스넬의 법칙은 아래의 수학식 1과 같이 표현된다.

여기서, n1과 n2는 각 매질의 굴절률이며, 공기의 굴절률은 1로 간주된다. 만일 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 빛이 입사할 경우 어떤 각도 이상으로 입사한다면 빛은 모두 반사를 일으키게 되는데, 이때의 각을 임계각(Critical angle)이라고 한다.

빛이 공기중에서 굴절률 n인 매질로 입사하는 경우 굴절률(n)과 임계각(θc)과의 관계는 아래의 수학식 2와 같이 표현된다.

상기 수학식 1 및 2에서 알 수 있는 바와 같이, 빛이 굴절하는 각도(θ2)는 빛이 입사하는 매질의 굴절률(n2)에 의해 크게 좌우된다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 마이크로 렌즈 어레이(112)의 상부에 마이크로 렌즈 어레이(112)의 굴절율보다 상대적으로 큰 재료로 물질층(114,116)을 형성함으로써, 물질층(114,116)에서 굴절된 빛을 마이크로 렌즈 어레이(112)에서 다시 굴절시킬수 있고, 이로 인해 포토다이오드 어레이(104)에 집광되는 빛의 양이 증가된다.

이 경우, 도 1에 나타낸 바와 같이, 집광지점을 포토다이오드 어레이와 일치시키 수 있으므로, 포토다이오드 어레이(104)의 중심부와 외곽부간의 광감도 차이가 줄어들게 됨으로써, 광감도의 저하 없이 포토다이오드 어레이(104)의 간격이 일정하게 배열될 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀(Unit Pixel)에서의 빛의 굴절을 나타낸 단면도로서, 외부의 렌즈(1)로부터 소정의 경사각으로 입사하는 빛이 외부 공기, 물질층(114,116) 및 마이크로 렌즈 어레이(112)의 굴절율의 차이에 의해 다단계로 굴절된 후 포토다이오드 어레이(102)에 집광됨을 나타낸다.

상기에서 본 발명의 특정 실시예가 설명 및 도시되었지만, 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명에 첨부된 특허청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.

이상에서와 같이, 본 발명은 빛의 굴절을 이용하여 컬러필터를 통과한 빛을 굴절시켜 포토다이오드 어레이에 집광되는 빛의 양을 늘려줌으로써, 포토다이오드 어레이의 위치에 관계없이 광감도를 균일하게 할 수 있으며, 이로 인해 선명한 이미지를 검출할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 포토 어레이의 간격을 일정하게 배열할 수 있으므로, 포토다이오드 어레이의 설계가 용이해지는 다른 효과가 있다.

또한, 본 발명은 마이크로 어레이 렌즈가 물질층으로 덮히게 되므로, 마이크로 어레이 렌즈의 표면이 외부로부터 보호받을 수 있는 또 다른 효과가 있다.

Claims

반도체 기판에 단위 픽셀간 분리를 위한 복수의 필드절연막;

상기 복수의필드절연막간의 액티브영역 일정 간격으로 형성되며, 수광된 빛을 전기신호로 광전변환하는 포토다이오드 어레이;

상기 포토다이오드 어레이 상부에 형성되며, 상기 수광된 빛을 상기 포토다이오드 어레이로 투과하는 광투과층;

상기 수광된 빛의 균일한 투과를 위하여 상기 광투과층 상부에 형성된 평탄화층;

상기 평탄화층의 상부에 컬러 포토레지스터를 도포하여 형성한 컬러필터부;

상기 컬러필터부의 상부에 형성되며, 상기 수광된 빛을 상기 포토다이오드 어레이로 집광하기 위해 소정의 굴절율을 갖는 마이크로 렌즈 어레이; 및

상기 마이크로 렌즈 어레이 상부에 상기 상기 마이크로 렌즈 어레이의 굴절율보다 상대적으로 큰 재료로 형성된 적어도 하나 이상의 물질층을 구비하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 적어도 하나 이상의 물질층은 서로 다른 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서.