KR100829378B1 - 이미지 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

이미지 센서 및 이의 제조 방법이 개시되어 있다. 이미지 센서는 매트릭스 형태로 배치된 픽셀 영역들을 갖는 제1 영역 및 상기 제1 영역의 주변에 배치된 제2 영역을 포함하는 반도체 기판, 상기 각 픽셀 영역에 배치된 포토 다이오드를 갖는 포토 다이오드 구조물, 상기 포토 다이오드 구조물 상에 배치되고 상기 각 픽셀 영역에 대응하여 형성되며, 광의 입사각에 대응하여 서로 다른 면적을 갖는 컬러필터들 및 상기 컬러필터들 상에 배치된 마이크로 렌즈를 포함한다.

Description

이미지 센서 및 이의 제조 방법{IMAGE SENSOR AND METHOD OF MANUFACTRUING THE SAME}
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 이미지 센서의 평면도이다.
도 2는 도 1의 I-I' 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 3는 도 2에 도시된 포토 다이오드 구조물 중 하나의 포토 다이오드 구조물을 도시한 평면도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 이미지 센서의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
본 발명은 이미지 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 크로스 토크를 억제하여 이미지의 품질을 향상시킨 이미지 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서는 반도체 기판상에 배치되어 입사광에 대응하는 전기적 신호를 발생하는 포토 다이오드들을 포함하는 포토 다이오드 구조물, 포토 다이오드 구조물 상에 배치되는 컬러필터들 및 컬러필터들 상에 배치된 마이크로 렌 즈를 포함한다.
즉, 이미지 센서는 마이크로 렌즈 및 컬러필터를 통해 입사된 광의 광량에 대응하여 포토 다이오드로부터 발생된 전자를 이용하여 영상 신호를 발생시킨다. 포토 다이오드에서 발생된 전자는 트랜지스터를 통해 데이터 저장 장치로 출력된다.
종래 이미지 센서는 각 포토 다이오드에 대응하여 컬러필터 및 마이크로 렌즈가 배치되어 있다. 종래 이미지 센서는 마이크로 렌즈의 평면적은 실질적으로 컬러필터의 평면적과 동일하다. 또한, 종래 이미지 센서의 마이크로 렌즈는 입사된 광을 집광하기 위해 볼록 렌즈 형상을 갖는다.
그러나, 종래 이미지 센서의 마이크로 렌즈 및 컬러필터의 면적이 동일하고, 마이크로 렌즈가 볼록 렌즈 형상을 갖기 때문에 마이크로 렌즈로 입사된 광은 마이크로 렌즈에서 굴절된 후 컬러필터를 통과한 후 인접한 포토 다이오드로 입사되어 크로스 토크가 발생 된다.
예를 들면, 녹색 컬러필터 상에 제1 마이크로 렌즈가 배치되고, 녹색 컬러필터 하부에 녹색 컬러필터에 대응하는 제1 포토 다이오드가 배치되고, 녹색 컬러필터와 인접한 청색 컬러필터 상에 제2 마이크로 렌즈가 배치되고, 청색 컬러필터 하부에 청색 컬러필터와 대응하는 제2 포토 다이오드가 배치될 경우, 제1 마이크로 렌즈에서 굴절된 입사광은 녹색 컬러필터를 통과한 후 청색 컬러필터와 대응하는 제2 포토 다이오드로 입사되어 크로스 토크가 발생 될 수 있다.
이와 같은 크로스 토크 현상은 이미지 센서의 중앙부보다는 이미지 센서의 픽셀 에지 쪽에서 빈번하게 발생 되며 이와 같은 크로스 토크 현상의 원인은 픽셀 에지 쪽으로 입사되는 광의 기울기가 이미지 센서의 중앙부로 입사되는 광의 기울기보다 크기 때문이다.
본 발명의 하나의 목적은 광 간섭에 따른 크로스 토크 현상을 제거하여 이미지의 품질을 향상시킨 이미지 센서를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 이미지 센서의 제조 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 하나의 목적을 구현하기 위한 이미지 센서는 매트릭스 형태로 배치된 픽셀 영역들을 갖는 제1 영역 및 상기 제1 영역의 주변에 배치된 제2 영역을 포함하는 반도체 기판, 상기 각 픽셀 영역에 배치된 포토 다이오드를 갖는 포토 다이오드 구조물, 상기 포토 다이오드 구조물 상에 배치되고 상기 각 픽셀 영역에 대응하여 형성되며, 광의 입사각에 대응하여 서로 다른 면적을 갖는 컬러필터들 및 상기 컬러필터들 상에 배치된 마이크로 렌즈를 포함한다.
본 발명의 다른 목적을 구현하기 위한 이미지 센서는 매트릭스 형태로 배치된 픽셀 영역들을 갖는 제1 영역 및 상기 제1 영역의 주변에 배치된 제2 영역을 포함하는 반도체 기판을 준비하는 단계, 상기 각 픽셀 영역에 포토 다이오드를 갖는 포토 다이오드 구조물을 형성하는 단계, 상기 포토 다이오드 구조물 상에 상기 각 픽셀 영역에 대응하여 형성되며, 광의 입사각에 대응하여 서로 다른 면적을 갖는 컬러필터들을 형성하는 단계 및 상기 컬러필터들 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서 및 이의 제조 방법에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 이미지 센서의 평면도이다. 도 2는 도 1의 I-I' 선을 따라 절단한 단면도이다. 도 3는 도 2에 도시된 포토 다이오드 구조물 중 하나의 포토 다이오드 구조물을 도시한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)는 복수개가 매트릭스 형상으로 배치된 픽셀 영역(Pixel region, PR)들을 갖는 제1 영역(FR) 및 제1 영역(FR)을 감싸는 제2 영역(SR)을 포함하는 반도체 기판(10)을 포함한다.
도 2를 참조하면, 각 픽셀 영역(PR)에는 제1 내지 제3 포토 다이오드 구조물(20, 30,40)로 이루어진 포토 다이오드 구조물(50)이 배치된다. 각 포토 다이오드 구조물(50)은 포토 다이오드(PD) 및 트랜지스터 구조물(TS)을 포함한다.
도 3을 참조하면, 포토 다이오드 구조물(50)에 포함된 각 트랜지스터 구조물(TS)은 공통적으로 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 리셋 트랜지스터(Rx), 셀렉트 트랜지스터(Sx) 및 억세스 트랜지스터(Ax)를 포함한다.
포토 다이오드(PD)에는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx) 및 리셋 트랜지스터(Rx)가 직렬로 접속된다. 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 소오스는 포토 다이오드(PD)와 접속 되고, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 드레인은 리셋 트랜지스터(Rx)의 소오스와 접속된다. 리셋 트랜지스터(Rx)의 드레인에는 전원 전압(Vdd)이 인가된다.
트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 드레인은 부유 확산층(FD, floating diffusion) 역할을 한다. 부유 확산층(FD)은 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 게이트에 접속된다. 셀렉트 트랜지스터(Sx) 및 억세스 트랜지스터(Ax)는 직렬로 접속된다. 즉, 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 소오스와 억세스 트랜지스터(Ax)의 드레인이 서로 접속된다. 억세스 트랜지스터(Ax)의 드레인 및 리셋 트랜지스터(Rx)의 소오스에는 전원 전압(Vdd)이 인가된다. 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 드레인은 출력단(Out)에 해당하고, 셀렉트 트랜지스터(Sx)의 게이트에는 선택 신호(Row)가 인가된다.
상술한 구조의 이미지 센서의 포토 다이오드 구조물(50)의 동작을 간략히 설명한다. 먼저, 리셋 트랜지스터(Rx)를 턴 온(turn on)시켜 부유 확산층(FD)의 전위를 상기 전원 전압(Vdd)과 동일하게 한 후에, 리셋 트랜지스터(Rx)를 턴 오프(turn off)시킨다. 이러한 동작을 리셋 동작이라 정의한다.
외부의 광이 포토 다이오드(PD)에 입사되면, 포토 다이오드(PD)내에 전자-홀 쌍(EHP; electron-hole pair)들이 생성되어 신호 전하들이 포토 다이오드(PD)내에 축적된다. 이어서, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)가 턴 온됨에 따라 포토 다이오드(PD)내 축적된 신호 전하들은 부유 확산층(FD)으로 출력되어 부유 확산층(FD)에 저장된다.
이에 따라, 부유 확산층(FD)의 전위는 포토 다이오드(PD)에서 출력된 전하의 전하량에 비례하여 변화되고, 이로 인해 억세스 트랜지스터(Ax)의 게이트의 전위가 변한다. 이때, 선택 신호(Row)에 의해 셀렉트 트랜지스터(Sx)가 턴 온되면, 데이타가 출력단(Out)으로 출력된다.
데이타가 출력된 후에, 포토 다이오드 구조물(20)은 다시 리셋 동작을 수행한다. 포토 다이오드(PD)를 포함하는 각 포토 다이오드 구조물(50)은 이러한 과정들을 반복하여 광을 전기적 신호로 변환시켜 출력한다.
다시 도 1을 참조하면, 반도체 기판(10) 상에 포토 다이오드 구조물(50)이 형성된 후, 반도체 기판(10) 상에는 포토 다이오드 구조물(50)을 덮는 절연막 구조물(60)이 형성된다. 절연막 구조물(60)은 배선 구조물(65)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 절연막 구조물(60)은 포토 다이오드 구조물(50)에 포함될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 포토 다이오드 구조물(50)의 절연막 구조물(60)상에는 컬러필터(70)들이 형성된다.
본 실시예에서, 컬러필터는 제1 컬러필터(74), 제 2 컬러필터(76) 및 제 3컬러필터(78)를 포함한다. 본 실시예에서, 제1 컬러필터(74)는 녹색 파장을 갖는 광을 통과시키는 녹색 컬러필터이고, 제2 컬러필터(76)는 청색 파장을 갖는 광을 통과시키는 청색 컬러필터이며, 제3 컬러필터(78)는 적색 파장을 갖는 광을 통과시키는 적색 컬러필터이다.
본 실시예에서, 제1 컬러필터(74)는 제1 포토 다이오드 구조물(20)과 대응하는 절연막 구조물(60) 상에 배치되고, 제2 컬러필터(76)는 제2 포토 다이오드 구조물(30)과 대응하는 절연막 구조물(60) 상에 배치되고, 제3 컬러필터(78)는 제3 포토 다이오드 구조물(40)과 대응하는 절연막 구조물(60) 상에 배치된다.
본 실시예에서, 제1 내지 제3 컬러필터(74,76,78)들은 입사광(79)의 입사 각도에 대응하여 서로 다른 평면적을 갖는다. 예를 들어, 각 컬러필터(70)들의 평면적은 도 1에 도시된 제1 영역(FR) 및 제2 영역(SR)의 경계로부터 제1 영역(FR)의 중앙부를 향할수록 점차 작아진다. 이는 제1 영역(FR)의 중앙부로 입사되는 광의 입사각이 제1 영역(FR) 및 제2 영역(SR)의 경계로 입사되는 광의 입사각과 다르기 때문이다.
본 실시예에서는 제3 컬러필터(78)는 제1 평면적을 갖고, 제2 컬러필터(76)는 제1 평면적보다 작은 제2 평면적을 갖고, 제1 컬러필터(74)는 제2 평면적 보다 작은 제3 평면적을 갖는다.
제1 내지 제3 컬러필터(74,76,78)들 상에는 각각 마이크로 렌즈(80)들이 배치된다.
본 실시예에서, 마이크로 렌즈(80)들은 제1 마이크로 렌즈(82), 제2 마이크로 렌즈(84) 및 제3 마이크로 렌즈(86)들을 포함한다. 본 실시예에서, 제1 마이크로 렌즈(82)는 제1 포토 다이오드 구조물(20) 및 제1 컬러필터(74)와 대응하며, 제2 마이크로 렌즈(84)는 제2 포토 다이오드 구조물(30) 및 제2 컬러필터(76)와 대응하며, 제3 마이크로 렌즈(86)는 제3 포토 다이오드 구조물(40) 및 제3 컬러필터(78)와 대응한다. 본 실시예에서, 제3 마이크로 렌즈(86)들의 평면적은 제3 컬러필터(78)보다 작게 형성된다.
본 실시예에서는 동일한 면적을 갖는 제1 내지 제3 마이크로 렌즈(82,84,86)들 하부에 서로 다른 면적으로 배치된 제1 내지 제3 컬러필터(72,74,76)들을 배치 함으로써, 제1 내지 제3 마이크로 렌즈(82,84,86) 및 제1 내지 제3 컬러필터(72,74,76)을 통과한 광이 해당 포토 다이오드 구조물로 입사되도록 하여 크로스 토크 현상을 방지할 수 있다.
구체적으로, 예를 들어, 제2 마이크로 렌즈(84)를 통과한 광은 제2 컬러필터(76)으로 입사된다. 이때, 제2 마이크로 렌즈(84)로 입사된 백색광은 제2 컬러필터(76)를 통과하면서 녹색광 만이 출력된다. 이때, 제2 컬러필터(76)를 통과한 녹색광의 대부분은 제2 포토 다이오드 구조물(30)로 입사되지만, 일부 녹색광은 제2 포토 다이오드 구조물(30)과 인접한 제3 포토 다이오드 구조물(40)로 입사하게 된다. 이때, 제3 포토 다이오드 구조물(40)을 향하는 녹색광은 제3 컬러필터(78)를 통과하게 되고, 녹색광은 제3 컬러필터(78)에서 흡수되기 때문에 제3 포토 다이오드 구조물(40)로는 녹색광이 입사되지 못하게 되어 크로스 토크가 방지된다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 이미지 센서의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 4를 참조하면, 복수개가 매트릭스 형상으로 배치된 픽셀 영역(Pixel region, PR)들을 갖는 제1 영역(FR) 및 제1 영역(FR)을 감싸는 제2 영역(SR)을 포함하는 반도체 기판(10)상에는 제1 내지 제3 포토 다이오드 구조물(20, 30,40)로 이루어진 포토 다이오드 구조물(50)이 형성된다. 각 포토 다이오드 구조물(50)은 포토 다이오드(PD) 및 트랜지스터 구조물(TS)을 포함한다.
반도체 기판(10) 상에 포토 다이오드(PD) 및 트랜지스터 구조물(TS)을 갖는 포토 다이오드 구조물(50)이 형성된 후, 반도체 기판(10) 상에는 포토 다이오드 구 조물(50)을 덮는 절연막 구조물(60)이 형성된다. 절연막 구조물(60)은 배선 구조물(65)을 포함할 수 있다.
포토 다이오드 구조물(50)의 절연막 구조물(60)상에는 컬러필터(70)들이 형성된다.
본 실시예에서, 컬러필터(70)는 제1 컬러필터(74), 제 2 컬러필터(76) 및 제 3컬러필터(78)를 포함한다.
본 실시예에서, 녹색 파장을 갖는 녹색광을 통과시키는 제1 컬러필터(74)는 제1 포토 다이오드 구조물(20)과 대응하는 절연막 구조물(60) 상에 형성되고, 청색 파장을 갖는 청색광을 통과시키는 제2 컬러필터(76)는 제2 포토 다이오드 구조물(30)과 대응하는 절연막 구조물(60) 상에 형성되고, 제3 컬러필터(78)는 제3 포토 다이오드 구조물(40)과 대응하는 절연막 구조물(60) 상에 형성된다.
본 실시예에서, 제1 내지 제3 컬러필터(74,76,78)들은 입사광(79)의 입사 각도에 대응하여 서로 다른 평면적을 갖도록 형성된다. 예를 들어, 각 컬러필터(70)들의 평면적은 도 1에 도시된 제1 영역(FR) 및 제2 영역(SR)의 경계로부터 제1 영역(FR)의 중앙부를 향할수록 점차 작아지도록 형성된다.
이는 제1 영역(FR)의 중앙부로 입사되는 광의 입사각이 제1 영역(FR) 및 제2 영역(SR)의 경계로 입사되는 광의 입사각과 다르기 때문이다.
본 실시예에서는 제3 컬러필터(78)는 제1 평면적을 갖고, 제2 컬러필터(76)는 제1 평면적보다 작은 제2 평면적을 갖고, 제3 컬러필터(78)는 제2 평면적 보다 작은 제3 평면적을 갖는다.
도 6을 참조하면, 제1 내지 제3 컬러필터(74,76,78)들 상에는 각각 마이크로 렌즈(80)들이 배치된다.
본 실시예에서, 마이크로 렌즈(80)들은 제1 마이크로 렌즈(82), 제2 마이크로 렌즈(84) 및 제3 마이크로 렌즈(86)들을 포함한다.
본 실시예에서, 제1 마이크로 렌즈(82)는 제1 포토 다이오드 구조물(20) 및 제1 컬러필터(74)와 대응하며, 제2 마이크로 렌즈(84)는 제2 포토 다이오드 구조물(30) 및 제2 컬러필터(76)와 대응하며, 제3 마이크로 렌즈(86)는 제3 포토 다이오드 구조물(40) 및 제3 컬러필터(78)와 대응한다. 본 실시예에서, 제3 마이크로 렌즈(86)들의 평면적은 제3 컬러필터(78)보다 작게 형성된다.
본 실시예에서는 동일한 면적을 갖는 제1 내지 제3 마이크로 렌즈(82,84,86)들 하부에 서로 다른 면적으로 형성된 제1 내지 제3 컬러필터(72,74,76)들을 형성함으로써, 제1 내지 제3 마이크로 렌즈(82,84,86) 및 제1 내지 제3 컬러필터(72,74,76)을 통과한 광이 해당 포토 다이오드 구조물로 입사되도록 하여 크로스 토크 현상을 방지할 수 있다.
구체적으로, 예를 들어, 제2 마이크로 렌즈(84)를 통과한 광은 제2 컬러필터(76)으로 입사된다. 이때, 제2 마이크로 렌즈(84)입사된 백색광은 제2 컬러필터(76)를 통과하면서 녹색광 만이 출력된다. 이때, 제2 컬러필터(76)를 통과한 녹색광의 대부분은 제2 포토 다이오드 구조물(30)로 입사되지만, 일부 녹색광은 제2 포토 다이오드 구조물(30)과 인접한 제3 포토 다이오드 구조물(40)로 입사하게 된다. 이때, 제3 포토 다이오드 구조물(40)을 향하는 녹색광은 제3 컬러필터(78)를 통과하게 되고, 녹색광은 제3 컬러필터(78)에서 흡수되기 때문에 제3 포토 다이오드 구조물(40)로는 녹색광이 입사되지 못하게 되어 크로스 토크가 방지된다.
이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면 광의 입사각에 대응하여 컬러필터의 면적을 서로 다르게 형성하여 마이크로 렌즈로부터 굴절된 광이 인접한 포토다이오드로 입사되는 것을 방지하여 크로스 토크가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 매트릭스 형태로 배치된 픽셀 영역들을 갖는 제1 영역 및 상기 제1 영역의 주변에 배치된 제2 영역을 포함하는 반도체 기판;
    상기 각 픽셀 영역에 배치된 포토 다이오드를 갖는 포토 다이오드 구조물;
    상기 포토 다이오드 구조물 상에 배치되고 상기 각 픽셀 영역에 대응하여 형성되며, 상기 제1 영역의 중앙부로부터 상기 제1 영역 및 제2 영역의 경계로 갈수록 면적이 증가 되도록 형성된 컬러필터들; 및
    상기 컬러필터들 상에 각각 대응되도록 형성된 마이크로 렌즈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 영역들의 경계 부분에 배치된 컬러필터의 평면적은 상기 마이크로 렌즈의 평면적 보다 큰 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈의 평면적 및 상기 각 픽셀 영역의 평면적은 동일한 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 각 픽셀 영역 및 각 마이크로 렌즈들의 형상 및 크기는 동일하고, 상기 컬러필터들의 면적은 상기 제1 및 제2 영역들의 경계로부터 상기 제1 영역의 중앙으로 갈수록 감소 되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 매트릭스 형태로 배치된 픽셀 영역들을 갖는 제1 영역 및 상기 제1 영역의 주변에 배치된 제2 영역을 포함하는 반도체 기판을 준비하는 단계;
    상기 각 픽셀 영역에 포토 다이오드를 갖는 포토 다이오드 구조물을 형성하는 단계;
    상기 포토 다이오드 구조물 상에 상기 각 픽셀 영역에 대응하여 형성되며, 상기 제1 영역의 중앙부로부터 상기 제1 영역 및 제2 영역의 경계로 갈수록 면적이 증가 되도록 컬러필터들을 형성하는 단계; 및
    상기 컬러필터들 상에 각각 대응되도록 마이크로 렌즈들을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 마이크로 렌즈들을 형성하는 단계에서 상기 마이크로렌즈들은 상호 간에 같은 평면적으로 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 영역의 경계에 배치된 상기 컬러필터의 평면적은 상기 마이크로렌즈의 평면적 보다 큰 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 제조 방법.
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