KR100967651B1 - 씨모스 이미지 센서 소자 및 그 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 씨모스 이미지 센서 소자 및 그 형성 방법에 관한 것으로, 빨강, 녹색, 파랑에 대해 1:2:1의 비율을 갖는 CFA중 2개의 녹색 컬러필터에서 1 지역을 모든 빛이 투과되는 백색 컬러필터로 대치함으로써, 기존에서와 같이 포토 다이오드에 입사되는 전체 광량이 줄어들게 되어 CIS의 감도가 떨어지게 되는 문제점을 해결할 수 있다. 또한, CFA중 2개의 녹색 컬러필터에서 1 지역을 모든 빛이 투과되는 백색 컬러필터로 대치하여 효율적인 휘도성분을 제공할 뿐만 아니라 포토 다이오드에 입사되는 광량이 증가하기 때문에 빛의 감도가 뛰어나 저조도 상태에서도 원활하게 촬영할 수 있다.

마이크로 렌즈, 컬러필터, CIS

Description

씨모스 이미지 센서 소자 및 그 형성 방법{CMOS IMAGE SENSOR DEVICE AND ITS FORMATING METHOD}

본 발명은 씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor, 이하, CIS라 함) 소자 및 그 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 컬러 필터 어레이(Color Filter Array, 이하, CFA라 함)중 2개의 녹색(Green) 컬러필터에서 1 지역을 모든 빛이 투과되는 백색(Write) 컬러필터로 대치하여 CIS 감도를 최적화시킬 수 있는 소자 및 그 형성 방법에 관한 것이다.

주지된 바와 같이 이미지 센서는 1차원 또는 2차원 이상의 광학 정보를 전기적 신호로 변환하는 장치로서, 크게 촬상관과 고체 촬상 소자로 분류된다. 여기서, 촬상관은 텔레비전을 중심으로 하여 화상처리기술을 구사하는 계측, 제어, 인식 등의 분야에서 널리 상용되면서 그 응용 기술이 발전된다.

그리고, 이미지 센서는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor, 이하, MOS라 함)형과 CCD(Charge Coupled Device, 이하 CCD라 함)형의 2종류가 있다. 이중 CMOS형 이미지 센서는 CMOS 제조 기술을 이용하여 광학적 이미지를 전기적 신 호로 변환시키는 소자로서, 픽셀 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이를 이용하여 순차적인 출력으로 검출하는 스위칭 방식을 채용하고 있다. 즉 CMOS형 이미지 센서는 CCD형 이미지 센서에 비하여 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝 방식의 구현이 가능하며, 신호처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 호환성의 CMOS 기술을 사용하므로 제조 단가를 낮출 수 있고, 전력 소모 또한 크게 낮다는 여러 가지 장점을 지니고 있다.

이러한 CMOS형 이미지 센서는 컬러 구현을 위해 빨강(red), 녹색(green), 파랑(blue) 등으로 구현된 CFA를 사용한다. 도 1은 종래 기술에 따른 베이어(Bayer) 형태의 CFA 패턴을 도시한 도면으로서, 일반적인 컬러 영상은 빨강, 녹색, 파랑의 삼원색으로 구성되지만, 대부분의 CCD 또는 CMOS 이미지센서는 각 픽셀 위치에서 삼원색 중 하나의 성분만을 출력한다.

선행 특허인 베이어(B. E. Bayer)의 "컬러 이미징 어레이(Color Imaging Array, 미국특허번호 제3,971,065호, 1976)"는 포토센시티비 셀(photosensitive cell)의 특수한 배치 형태에 대한 기술로 인간의 시각 시스템(human visual system)이 휘도 성분에 대해서 가장 높은 분해능을 가지는 특성을 고려하여 녹색 성분을 가진 컬러 필터를 전체 포토셀의 50%가 되도록 배치하고 나머지 적색과 파랑은 반복 교차 형태로 배치하고 있다.

그러나, 상기한 바와 같이 동작되는 종래 기술에서 각 필터별의 투과 특성(spectral response)을 가시광선의 범위에서 나태낼 수 있는데, 도 2에 도시된 가시광선의 범위에서 각 필터별의 투과 특성을 나타낸 도면을 참조하면, 파랑 컬러필터를 사용한 픽셀에는 짧은 파장을 가지는 가시광선 만이 통과하고 녹색 및 적색에 해당하는 빛은 통과하지 못하기 때문에, 전체 빛의 1/3만이 파랑 컬러필터를 통과하는 것으로, 이는 녹색 컬러필터 또는 적색 컬러필터에 있어서도 마찬가지이다. 이와 같이 종래 컬러필터 각각의 픽셀에는 입사되는 광의 1/3만이 투과될 수 있기 때문에 포토 다이오드에 입사되는 전체 광량이 줄어들게 되고, 이로 인해 CIS의 감도가 떨어지게 되는 문제점이 있다.

이에, 본 발명의 기술적 과제는 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출한 것으로, 빨강, 녹색, 파랑에 대해 1:2:1의 비율을 갖는 CFA중 2개의 녹색 컬러필터에서 1 지역을 모든 빛이 투과되는 백색 컬러필터로 대치하여 그 감도를 최적화시킬 수 있는 CIS 소자 및 그 형성 방법을 제공한다.

본 발명은 포토 다이오드를 포함하는 로직부분이 형성된 반도체 기판상에 컬러필터 어레이를 구비하는 CMOS 이미지 센서 소자로서, 컬러필터 어레이는 백색컬러필터를 포함한다.

상기 백색컬러필터는, 입사광을 필터링하지 않고 모든 빛을 투과시키는 것을 특징으로 한다.

상기 백색컬러필터는, 컬러가 들어가지 않은 모든 포트 레지스트(photo resist) 계열의 물질인 것을 특징으로 한다.

상기 백색컬러필터는, 컬러가 들어가지 않은 모든 옥사이드(oxide) 계열의 물질인 것을 특징으로 한다.

상기 컬러 필터 어레이는, 빨강, 녹색, 파랑에 대해 1:2:1의 비율 중 2개의 녹색(G) 컬러필터에서 1 지역을 백색(W) 컬러필터로 대치한 패턴의 배치를 반복적으로 실시하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 백색 컬러필터의 색 구현은, 8개의 픽셀로부터 빨강, 녹색, 파랑 컬러필터의 색세기 정보가 내삽되고, 내삽된 빨강, 녹색, 파랑 컬러필터의 평균 색세기 정보를 모두 더한 후 실측된 백색 컬러필터의 세기를 곱하여 보간하는 것을 특징으로 한다.

상기 컬러 필터 어레이내 빨강 컬러필터의 색 구현은, 빨강, 녹색, 파랑 컬러필터의 색세기 정보가 내삽되고, 내삽된 빨강, 녹색, 파랑 컬러필터의 평균 색세기 정보를 모두 더한 후 내삽된 백색 컬러필터의 세기를 곱하여 보간하는 것을 특징으로 한다.

상기 컬러 필터 어레이내 녹색 컬러필터의 색 구현은, 녹색, 빨강, 파랑 컬러필터의 색세기 정보가 내삽되고, 내삽된 녹색, 빨강, 파랑 컬러필터의 평균 색세기 정보를 모두 더한 후 내삽된 백색 컬러필터의 세기를 곱하여 보간하는 것을 특 징으로 한다.

상기 컬러 필터 어레이내 파랑 컬러필터의 색 구현은, 파랑, 빨강, 녹색 컬러필터의 색세기 정보가 내삽되고, 내삽된 파랑, 빨강, 녹색 컬러필터의 평균 색세기 정보를 모두 더한 후 내삽된 백색 컬러필터의 세기를 곱하여 보간하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 CIS 소자의 형성 방법은, 로직 부분이 형성된 반도체 기판 상에 백색컬러필터가 포함된 컬러 필터 어레이를 형성하는 단계와, 형성된 컬러 필터 어레이 상에 유기체 물질을 형성하는 단계와, 유기체 물질 상부에 빛을 집속하기 위한 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.

상기 컬러 필터 어레이에 포함된 백색컬러필터는, 컬러가 들어가지 않은 모든 포트 레지스트 계열의 물질 혹은 옥사이드 계열의 물질인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 빨강, 녹색, 파랑에 대해 1:2:1의 비율을 갖는 CFA중 2개의 녹색 컬러필터에서 1 지역을 모든 빛이 투과되는 백색 컬러필터로 대치함으로써, 기존에서와 같이 포토 다이오드에 입사되는 전체 광량이 줄어들게 되어 CIS의 감도가 떨어지게 되는 문제점을 해결할 수 있다.

또한, 본 발명은 CFA중 2개의 녹색 컬러필터에서 1 지역을 모든 빛이 투과되는 백색 컬러필터로 대치하여 효율적인 휘도성분을 제공할 뿐만 아니라 포토 다이오드에 입사되는 광량이 증가하기 때문에 빛의 감도가 뛰어나 저조도 상태에서도 원활하게 촬영할 수 있는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CIS 소자의 형성 방법에 대한 각 공정별 수직 단면도이다.

즉, 도 3a를 참조하면, 반도체 공정 과정을 통해 반도체 기판에 포토 다이오드(301)를 포함하는 로직 부분 상부에 금속 배선간의 절연과 외부의 수분이나 스크래치로부터 소자를 보호하기 위한 보호막으로서 산화막(303) 및 질화막(305)을 순차적으로 형성한다.

다음에, 질화막(305) 상부에 형성된 단차를 극복하고 양호한 접착력(adhesion)을 확보하기 위해 일 예로, 도 3b에 도시된 바와 같이 평탄화층(307)을 형성한다.

이어서, 평탄화층(307) 상부에 일 예로, 도 3c에 도시된 바와 같이 빨강, 녹색, 파랑의 CFA(309)를 형성한다. 이때, CFA(309)는 빨강, 녹색, 파랑에 대해 1:2:1의 비율을 갖는 기존 CFA중 2개의 녹색(G) 컬러필터에서 도 4에 도시된 CFA 패턴에서와 같이 1 지역을 모든 빛이 투과되는 백색(W) 컬러필터(S1)로 대치한 패턴으로 이루어져 있으며, 이 패턴의 배치를 도시된 바와 같이 반복적으로 실시한다. 여기서, 백색(W) 컬러필터(S1)는 입사광을 필터링(filtering)하지 않고 모든 빛을 투과시키고 컬러가 들어가지 않은 모든 포트 레지스트(photo resist) 계열의 물질 혹은 옥사이드(oxide) 계열의 물질이 될 수 있다.

다음으로, CFA(309) 상부에 평탄화를 위한 유기체 물질(311)을 일 예로, 도 3d에 도시된 바와 같이 형성한다.

마지막으로, 형성된 유기체 물질(311) 상부에 도 3e에 도시된 바와 같이 각 포트 다이오드(301) 상에 빛을 집속하기 위한 일정폭의 마이크로 렌즈(313)를 형성한다.

이때, 도 4를 참조하면서 백색 컬러필터(S1)의 색을 구현하는 보간법과 나머지 빨강, 녹색, 파랑 컬러필터의 색을 구현하는 보간법에 대하여 실시할 수 있다.

먼저 백색(W2) 컬러필터(S1)의 색을 구현하는 보간법을 도 4에서의 S2 블록을 통해 살펴보면, 주변 8개의 픽셀로부터 빨강, 녹색, 파랑 컬러필터의 색세기 정보를 내삽하여 얻을 수 있는데, 이 내삽되어 얻은 빨강, 녹색, 파랑 컬러필터의 평균 색세기 정보를 모두 더한 후 실측된 백색(W2) 컬러필터의 세기를 곱하면 실제 색과 근접한 값을 얻을 수 있다. 여기서, 백색(W2) 컬러필터의 세기를 곱하는 것은 백색(W2) 컬러필터의 세기가 필터링을 하지 않은 감도가 높은 세기 정보이기 때문에 실제 색과 근접한 값의 감도를 최대로 증가시킬 수 있는 것이다.

즉, 녹색 컬러필터의 평균 색세기(g)는 (G1+G2+G3+G4)/4 이고, 파랑 컬러필터의 평균 색세기(b)는 (B1+B2)/2 이며, 빨강 컬러필터의 평균 색세기(r)는 (R1+R3)/2 이며, 백색(W2) 컬러필터(S1)의 세기(Intensity)는 (W2(I))임에 따라 S2블록에서의 W2의 색 구현은 (r+g+b)×W2(I)가 된다.

이어서 나머지 빨강, 녹색, 파랑 컬러필터 중 예컨대, 녹색(G3) 컬러필터의 색을 구현하는 보간법을 도 4에서의 S3 블록을 통해 살펴보면, 녹색 컬러필터의 평균 색세기(g)는 G3/1이고, 파랑 컬러필터의 평균 색세기(b)는 (B1+B3)/2 이며, 빨강 컬러필터의 평균 색세기(r)는 (R3+R4)/2 이며, 백색 컬러필터의 세기(W(I))는 (W1+W2+W3+W4)/4 임에 따라 S3블록에서의 G3의 색 구현은 (r+g+b)×W(I)가 된다. 그리고 나머지 빨강과 파랑 컬러필터도 상술한 녹색 컬러필터의 보간법을 활용하여 색을 구현할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 빨강, 녹색, 파랑에 대해 1:2:1의 비율을 갖는 CFA중 2개의 녹색 컬러필터에서 1 지역을 모든 빛이 투과되는 백색 컬러필터로 대치함으로써, 효율적인 휘도성분을 제공할 뿐만 아니라 포토 다이오드에 입사되는 광량이 증가하기 때문에 빛의 감도가 뛰어나 저조도 상태에서도 원활하게 촬영할 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 베이어 형태의 CFA 패턴을 도시한 도면,

도 2는 가시광선의 범위에서 각 필터별의 투과 특성을 나타낸 도면,

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CIS 소자의 형성 방법에 대한 각 공정별 수직 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 CFA 패턴을 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

301 : 포토 다이오드 303 : 산화막

305 : 질화막 307 : 평탄화층

309 : 컬러 필터 어레이 311 : 유기체 물질

313 : 마이크로 렌즈

Claims (11)

1. 포토 다이오드를 포함하는 로직부분이 형성된 반도체 기판상에 컬러필터 어레이를 구비하는 CMOS 이미지 센서 소자로서,

   상기 컬러필터 어레이는 백색컬러필터를 포함하고, 상기 백색 컬러필터의 색 구현은, 주변 8개의 픽셀로부터 빨강, 녹색, 파랑 컬러필터의 색세기 정보가 내삽되고, 상기 내삽된 빨강, 녹색, 파랑 컬러필터의 평균 색세기 정보를 모두 더한 후 실측된 백색 컬러필터의 세기를 곱하여 보간하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서 소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 백색컬러필터는, 입사광을 필터링하지 않고 모든 빛을 투과시키는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서 소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 백색컬러필터는, 컬러가 들어가지 않은 모든 포트 레지스트(photo resist) 계열의 물질인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서 소자.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 백색컬러필터는, 컬러가 들어가지 않은 모든 옥사이드(oxide) 계열의 물질인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서 소자.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 컬러 필터 어레이는, 빨강, 녹색, 파랑에 대해 1:2:1의 비율 중 2개의 녹색(G) 컬러필터에서 1 지역을 백색(W) 컬러필터로 대치한 패턴의 배치를 반복적으로 실시하여 이루어진 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서 소자.
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 컬러 필터 어레이내 빨강 컬러필터의 색 구현은, 빨강, 녹색, 파랑 컬러필터의 색세기 정보가 내삽되고, 상기 내삽된 빨강, 녹색, 파랑 컬러필터의 평균 색세기 정보를 모두 더한 후 상기 내삽된 백색 컬러필터의 세기를 곱하여 보간하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서 소자.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 컬러 필터 어레이내 녹색 컬러필터의 색 구현은, 녹색, 빨강, 파랑 컬러필터의 색세기 정보가 내삽되고, 상기 내삽된 녹색, 빨강, 파랑 컬러필터의 평균 색세기 정보를 모두 더한 후 상기 내삽된 백색 컬러필터의 세기를 곱하여 보간하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서 소자.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 컬러 필터 어레이내 파랑 컬러필터의 색 구현은, 파랑, 빨강, 녹색 컬러필터의 색세기 정보가 내삽되고, 상기 내삽된 파랑, 빨강, 녹색 컬러필터의 평균 색세기 정보를 모두 더한 후 상기 내삽된 백색 컬러필터의 세기를 곱하여 보간하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서 소자.
10. 로직 부분이 형성된 반도체 기판 상에 백색컬러필터가 포함된 컬러 필터 어레이를 형성하는 단계와,

    상기 형성된 컬러 필터 어레이 상에 유기체 물질을 형성하는 단계와,

    상기 유기체 물질 상부에 빛을 집속하기 위한 마이크로 렌즈를 형성하는 단계

    를 포함하며, 상기 백색 컬러필터의 색 구현은, 주변 8개의 픽셀로부터 빨강, 녹색, 파랑 컬러필터의 색세기 정보가 내삽되고, 상기 내삽된 빨강, 녹색, 파랑 컬러필터의 평균 색세기 정보를 모두 더한 후 실측된 백색 컬러필터의 세기를 곱하여 보간을 통해 구현하는 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서 소자의 형성 방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 컬러 필터 어레이에 포함된 백색컬러필터는, 컬러가 들어가지 않은 모든 포트 레지스트 계열의 물질 혹은 옥사이드 계열의 물질인 것을 특징으로 하는 씨모스 이미지 센서 소자의 형성 방법.

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