KR100494031B1 - 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화소의 중앙부분과 에지부분의 광감도 차이를 줄일 수 있는 이미지센서를 제공하기 위해, 일정간격으로 배치된 포토다이오드; 입사하는 광을 상기 포토다이오드로 집중시키기 위해 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부에 배치된 마이크로렌즈; 및 상기 포토다이오드와 상기 마이크로렌즈 사이에 배치된 칼라필터를 포함하며, 상기 마이크로렌즈는 화소영역의 에지부분이 중앙부분에 비해 크며, 에지부분에서의 마이크로렌즈가 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부에서 중앙부분으로 일정 간격만큼 각각 쉬프트되고, 상기 칼라필터는 상기 에지부분에서 상기 쉬프트된 마이크로렌즈에 의해 집광된 광을 통과시킬 수 있도록 중앙부분으로 소정의 간격으로 쉬프트된 것을 특징으로 하는 이미지센서를 제공한다.

또한, 본 발명은,일정간격으로 배치된 포토다이오드; 입사하는 광을 상기 포토다이오드로 집중시키기 위해 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부에 배치된 마이크로렌즈; 및 상기 포토다이오드와 상기 마이크로렌즈 사이에 배치된 칼라필터를 포함하며, 상기 마이크로렌즈는 에지부분에서 중앙부분으로 갈수록 점차 작아지며, 에지부분에서의 마이크로렌즈가 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부에서 중앙부분으로 소정의 간격만큼 각각 쉬프트되되, 중앙부분에서 에지부분으로 갈수록 그 쉬프트된 간격이 크며, 상기 칼라필터는 상기 쉬프트된 마이크로렌즈에 의해 집광된 광을 통과시킬 수 있도록 각기 다른 간격으로 쉬프트된 것을 특징으로 하는 이미지센서를 제공한다.

Description

광감도를 향상시킬 수 있는 이미지센서{Image sensor with improved light sensitivity}

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 화소의 에지와 중앙부분의 사광에 의한 광세기를 조절하여 광감도를 향상시킬 수 있는 이미지센서에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자이다.이중에서 전하결합소자(CCD : Charge Coupled Device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지센서는 제어회로(Control circuit) 및 신호처리회로(Signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수만큼 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.

이러한 다양한 이미지센서를 제조함에 있어서, 이미지센서의 감광도(Photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있으며, 그 중 하나가 집광기술이다. 예컨대, CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 포토다이오드와 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직회로부분으로 구성되어 있으며, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지센서 면적에서 포토다이오드의 면적이 차지하는 비율(이를 통상 Fill Factor"라 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 화소영역의 중앙부분(a-a')과 에지부분(b-b')에 광감지소자인 포토다이오드(PD)가 일정한 간격으로 배치되어 있으며, 포토다이오드(PD)와 오버랩되는 상부에는 마이크로렌즈(ML)가 배치되어 입사하는 광을 각 해당 포토다이오드(PD)에 집광시킨다.

'A'와 같은 평행광의 경우 중앙부분(a-a')이나 에지부분(b-b')에서의 감도 즉, 광세기의 차이가 없이 포토다이오드(PD)에 집중된다. 'B'와 같은 외부 렌즈에 의한 사광의 경우에서, 중앙부분(a-a')에서는 마이크로렌즈(ML)의 초점이 포토다이오드(PD)의 중앙부에 위치하나, 에지부분(b-b')에서는 마이크로렌즈(ML)의 초점이 포토다이오드(PD)의 중앙부에 위치하지 않고 'X' 와 같이 가장자리에 위치하게 되거나, 아예 포토다이오드(PD)로 들어가지 못하여 광감도를 떨어뜨리는 요인이 된다.

전술한 바와 같이 종래의 이미지센서에서는 화소의 중앙부분과 에지부분에서의 광세기 차이가 발생하여 전체적인 이미지센서의 광감도가 저하되는 문제점이 발생한다.

상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 사광에 의한 화소의 중앙부분과 에지부분의 광감도 차이를 줄일 수 있는 이미지센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 일정간격으로 배치된 포토다이오드; 입사하는 광을 상기 포토다이오드로 집중시키기 위해 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부에 배치된 마이크로렌즈; 및 상기 포토다이오드와 상기 마이크로렌즈 사이에 배치된 칼라필터를 포함하며, 상기 마이크로렌즈는 화소영역의 에지부분이 중앙부분에 비해 크며, 에지부분에서의 마이크로렌즈가 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부에서 중앙부분으로 일정 간격만큼 각각 쉬프트되고, 상기 칼라필터는 상기 에지부분에서 상기 쉬프트된 마이크로렌즈에 의해 집광된 광을 통과시킬 수 있도록 중앙부분으로 소정의 간격으로 쉬프트된 것을 특징으로 하는 이미지센서를 제공한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 일정간격으로 배치된 포토다이오드; 입사하는 광을 상기 포토다이오드로 집중시키기 위해 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부에 배치된 마이크로렌즈; 및 상기 포토다이오드와 상기 마이크로렌즈 사이에 배치된 칼라필터를 포함하며, 상기 마이크로렌즈는 에지부분에서 중앙부분으로 갈수록 점차 작아지며, 에지부분에서의 마이크로렌즈가 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부에서 중앙부분으로 소정의 간격만큼 각각 쉬프트되되, 중앙부분에서 에지부분으로 갈수록 그 쉬프트된 간격이 크며, 상기 칼라필터는 상기 쉬프트된 마이크로렌즈에 의해 집광된 광을 통과시킬 수 있도록 각기 다른 간격으로 쉬프트된 것을 특징으로 하는 이미지센서를 제공한다.

본 발명은 화소의 중앙부분에서의 마이크로렌즈의 크기를 에지부분의 마이크로렌즈에 비해 작게하여 중앙부분에서의 광감도를 떨어뜨리고, 에지부분의 마이크로렌즈를 중앙부분으로 일부 쉬프트시켜 포토다이오드의 중앙부로 초점을 갖도록 하여 광감도를 증가시켜 화소의 중앙부분과 에지부분의 광감도 차이를 최소화하여 이미지센서의 전체적인 광감도와 광특성을 향상시키며, 칼라필터 에지부분에서 마이크로렌즈에 의해 집광된 광을 통과시킬 수 있도록 마이크로렌즈를 중앙부분으로 소정의 간격으로 쉬프트시킴으로써, 에지부분에서의 광세기의 추가적인 보상 뿐만아니라, 색재현 특성을 향상시킨다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지센서를 도시한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 이미지센서는 일정간격으로 배치된 포토다이오드(PD)와, 입사하는 광을 포토다이오드(PD)로 집중시키기 위해 포토다이오드(PD)와 오버랩되는 상부에 배치된 마이크로렌즈(ML)를 포함하며, 마이크로렌즈(ML)는 화소영역의 에지부분(b-b')이 중앙부분(a-a')에 비해 크며, 에지부분(b-b')에서의 마이크로렌즈(ML)가 포토다이오드(PD)와 오버랩되는 상부에서 중앙부분(a-a')으로 일정 간격만큼 각각 쉬프트되어 있다.

여기서, 에지부분(b-b')의 마이크로렌즈(ML)는 해당하는 포토다이오드(PD)의 중앙에 초점이 형성될 수 있을 정도의 간격만큼 쉬프트(Shift)되어 있다.

한편, 마이크로렌즈(ML)의 사이즈를 중앙부분(a-a')에서의 'd'의 임계치수(Critical Dimension; 이하 CD라 함)에 비해 에지부분(b-b')에서의 'd''의 CD를 크게하는 것과, 에지부분(b-b')에서의 마이크로렌즈(ML)을 중앙부분(a-a')으로 소정 간격으로 쉬프트 시키는 것을 각각 단독으로 적용하였을 경우, 전술한 에지와 중앙부분의 광 밝기 차이를 만족할 만한 수준으로 맞출 수 없는 단점이 있으며, 특히 마이크로렌즈(ML)의 사이징 정도가 커짐으로 인해 고정패턴잡음(Fixed Pattern Noise; 이하 FPN이라 한)을 유발할 수 있는 단점이 커진다.

따라서, 본 발명에서는 사이징과 쉬프트 두가지를 동시에 적용하여 각각의 한계를 극복할 수 있을 뿐만이 아니라 고집적화에 따라 마이크로렌즈(ML)의 사이즈가 작아지더라도 이러한 CD의 한계를 극복할 수 있다. 즉, 중앙부분에서 에지부분으로의 마이크로렌즈(ML)의 CD 증가는 에지부분의 입사하는 광의 세기 증가를 보장할 뿐만아니라 마이크로렌즈(ML)의 쉬프트를 같이 적용함으로써 에지부분(b-b')에서 포토다이오드(PD)에 집광되는 광의 세기(Intensity)를 더욱 증가시킬 수 있다.더구나, 도 2에서 점선으로 표시된 포토다이오드(PD)와 마이크로렌즈(ML) 사이에 칼라필터(CFA)를 포함하는 구조에서는 칼라필터 또한 에지부분(b-b')에서 마이크로렌즈(ML)에 의해 집광된 광을 통과시킬 수 있도록 마이크로렌즈(ML)를 중앙부분으로 소정의 간격으로 쉬프트시킨다.

삭제

만일, 칼라필터(CFA)를 쉬프트시키지 않으면 쉬프트된 에지부분(b-b')의 포토다이오드(PD)에 입사하는 광은 인접하는 화소의 칼라필터(CFA)를 지나오게 됨으로써, 칼라 재현 특성의 열화를 가져오는 것과 동시에 에지부분(b-b')에서 포토다이오드(PD)로 도달하는 광의 세기를 저하시키게 된다.

따라서, 칼라필터(CFA)의 쉬프트는 에지부분(b-b')에서의 광세기의 추가적인 보상 뿐만아니라, 색재현 특성을 향상시킬 수 있다.

'A'와 같은 평행광의 경의 중앙부분(a-a')이나 에지부분(b-b')에서의 감도 즉, 광세기의 차이가 없이 포토다이오드(PD)에 집중된다. 'B'와 같은 외부 렌즈에 의한 사광의 경우에서, 중앙부분(a-a')에서는 마이크로렌즈(ML)의 초점이 포토다이오드(PD)의 중앙부에 위치하며, 에지부분(b-b')에서는 마이크로렌즈(ML)가 중앙부분으로 쉬프트되어 초점이 포토다이오드(PD)의 중앙부에 위치하여 광감도가 향상된다.

도 3은 본 발명의 이미지센서의 화소영역을 개략적으로 도시한 평면도이다.

도 3을 참조하면, 이미지센서 칩의 화소영역에서 전술한 사이징 및 쉬프트를 확인할 수 있다. 즉, 종래의 마이크로렌즈 사이즈인 'W3'에서 고집적화로 각 마이크로렌즈의 사이즈가 작아지더라도 중앙부분에서는 'W1', 에지부분은 'W2' 및 쉬프트를 병행하여(W1 ＜ W2 ＜ W3)로 함으로써, 중앙부분은 'W3'인 종래의 사이즈에 비해 그 광세기가 감소하고, 에지부분에서는 'W3'에서 'W2'로 감소하더라도 쉬프트와 중앙부분의 'W1'에 비해 큰 사이즈인 'W2'로 함으로써, 에지부분과 중앙부분의 사광에 의한 광감도를 비슷한 수준으로 맞출 수 있게 된다.

도 4는 화소영역을 마이크로렌즈의 크기와 쉬프트 정도를 화소의 위치에 따라 달리하기 위해 구분한 평면도이다.

도 4의 (a)에서는 화소영역을 중앙(P)과 에지(Q)의 두 영역으로 구분한 도 2의 배열을 따른 것이고, 도 4의 (b)는 'R', 'S', 'T'의 세 영역으로 구분한 것으로 도 4의 (a)에 비해서는 더 세분화된 것임을 알 수 있다.

이는 다수의 영역으로 새분화하거나 각각의 위치에 따라 그 사이즈와 쉬프트 정도를 달리할 수 있음을 의미하며, 이로 인해 보다 정확한 감도 조절을 할 수 있다.

즉, 이러한 구성을 갖는 이미지센서는, 일정간격으로 배치된 포토다이오드와, 입사하는 광을 포토다이오드로 집중시키기 위해 포토다이오드와 오버랩되는 상부에 배치된 마이크로렌즈를 포함하며, 마이크로렌즈는 에지부분에서 중앙부분으로 갈수록 점차 작아지며, 에지부분에서의 마이크로렌즈가 포토다이오드와 오버랩되는 상부에서 중앙부분으로 소정의 간격만큼 각각 쉬프트되되, 중앙부분에서 에지부분으로 갈수록 그 쉬프트된 간격이 크도록 한 것을 의미한다. 여기서도 마찬가지로,포토다이오드와 마이크로렌즈 사이에 배치된 칼라필터를 더 포함하며, 칼라필터가 쉬프트된 마이크로렌즈에 의해 집광된 광을 통과시킬 수 각기 다른 간격으로 쉬프트되며, 쉬프트된 마이크로렌즈는 해당하는 포토다이오드의 중앙에 초점이 형성될 수 있을 정도의 간격만큼 각각 쉬프트된다.

전술한 본 발명은 화소의 중앙부분에서의 마이크로렌즈의 크기를 에지부분의 마이크로렌즈에 비해 작게하여 중앙부분에서의 광감도를 떨어뜨리고, 에지부분의 마이크로렌즈를 중앙부분으로 일부 쉬프트시켜 포토다이오드의 중앙부로 초점을 갖도록 하여 광감도를 증가시켜 화소의 중앙부분과 에지부분의 광감도 차이를 최소화하여 이미지센서의 전체적인 광감도와 광특성을 향상시킬 수 있으며, 고집적화에 따른 소구경화에도 적절히 대응할수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 본 발명은, 사광에 의한 크로스토크를 방지함으로써, 궁극적으로 이미지센서의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 CMOS 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 CMOS 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도.

도 3은 본 발명의 이미지센서의 화소영역을 개략적으로 도시한 평면도.

도 4는 화소영역을 마이크로렌즈의 크기와 쉬프트 정도를 화소의 위치에 따라 달리하기 위해 구분한 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

PD : 포토다이오드 CFA : 칼라필터

ML : 마이크로렌즈

Claims (6)

1. 삭제
2. 일정간격으로 배치된 포토다이오드;

   입사하는 광을 상기 포토다이오드로 집중시키기 위해 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부에 배치된 마이크로렌즈; 및

   상기 포토다이오드와 상기 마이크로렌즈 사이에 배치된 칼라필터를 포함하며,

   상기 마이크로렌즈는 화소영역의 에지부분이 중앙부분에 비해 크며, 에지부분에서의 마이크로렌즈가 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부에서 중앙부분으로 일정 간격만큼 각각 쉬프트되고,

   상기 칼라필터는 상기 에지부분에서 상기 쉬프트된 마이크로렌즈에 의해 집광된 광을 통과시킬 수 있도록 중앙부분으로 소정의 간격으로 쉬프트된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 에지부분의 마이크로렌즈는 해당하는 상기 포토다이오드의 중앙에 초점이 형성될 수 있을 정도의 간격만큼 쉬프트 된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
4. 삭제
5. 일정간격으로 배치된 포토다이오드;

   입사하는 광을 상기 포토다이오드로 집중시키기 위해 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부에 배치된 마이크로렌즈; 및

   상기 포토다이오드와 상기 마이크로렌즈 사이에 배치된 칼라필터를 포함하며,

   상기 마이크로렌즈는 에지부분에서 중앙부분으로 갈수록 점차 작아지며, 에지부분에서의 마이크로렌즈가 상기 포토다이오드와 오버랩되는 상부에서 중앙부분으로 소정의 간격만큼 각각 쉬프트되되, 중앙부분에서 에지부분으로 갈수록 그 쉬프트된 간격이 크며,

   상기 칼라필터는 상기 쉬프트된 마이크로렌즈에 의해 집광된 광을 통과시킬 수 있도록 각기 다른 간격으로 쉬프트된 것을 특징으로 하는 이미지센서.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 쉬프트된 마이크로렌즈는 해당하는 상기 포토다이오드의 중앙에 초점이 형성될 수 있을 정도의 간격만큼 각각 쉬프트 된 것을 특징으로 하는 이미지센서.