KR20110079333A - Stacked Image Sensor - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 스택형 이미지 센서는 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 상부에 형성되고, 제1 스택을 이루는 다수의 제1 포토다이오드; 상기 제1 포토다이오드 하부의 상기 반도체 기판에 형성되고, 제2 스택을 이루는 다수의 제2 포토다이오드; 상기 제1 포토다이오드 사이의 상기 반도체 기판 위에 형성된 다수의 트랜지스터; 상기 반도체 기판 위에 형성된 층간절연층; 및 상기 층간절연층 위에 형성되고 보색필터 패턴으로 이루어진 컬러필터층을 포함한다.Stacked image sensor according to the embodiment comprises a semiconductor substrate; A plurality of first photodiodes formed on the semiconductor substrate and forming a first stack; A plurality of second photodiodes formed on the semiconductor substrate below the first photodiode and forming a second stack; A plurality of transistors formed on the semiconductor substrate between the first photodiodes; An interlayer insulating layer formed on the semiconductor substrate; And a color filter layer formed on the interlayer insulating layer and formed of a complementary color filter pattern.
실시예에 의하면, 스택 구조의 포토다이오드 사이를 전위장벽층으로 구분하고, 다양한 어레이를 이루는 보색필터 패턴으로 컬러필터층을 구성하며, 층간절연층의 금속구조물의 간격을 조절함으로써 이미지 센서의 집적도를 높임과 동시에 고감도 특성을 구현할 수 있다.According to the embodiment, the photodiodes of the stacked structure are divided into potential barrier layers, the color filter layers are formed by complementary color filter patterns forming various arrays, and the integration degree of the image sensor is increased by adjusting the spacing of the metal structures of the interlayer insulating layers. At the same time, high sensitivity can be realized.
스택형 이미지 센서, 보색필터 패턴, 베이어 패턴, 전위장벽 Stacked image sensor, complementary color filter pattern, Bayer pattern, potential barrier
Description
실시예는 스택형 이미지 센서에 관한 것이다.Embodiments relate to stacked image sensors.
최근 고해상도를 위해 이미지 센서의 픽셀(Pixel) 크기가 점점 작아지고 있는 상황이며, 그 크기가 광학적 한계의 근방에 다다르고 있다. 이러한 상황에서 고감도를 유지하면서 고성능 픽셀 구조를 갖기 위한 여러 유사기술들이 제안되었다.Recently, pixel size of image sensor is getting smaller for high resolution, and the size is approaching the optical limit. In this situation, several similar technologies have been proposed to have a high performance pixel structure while maintaining high sensitivity.
특히 전위장벽 구조를 통해 스택형 포토다이오드를 4T 동작 방식 및 CDS 구조(scheme)에 적용하고, 각 층별로 존재하는 포토다이오드의 신호를 읽기 위한 정션(junction)이 필요치 않도록 하여 스케일 다운(scale down)이 가능하도록 한 2 포토다이오드 스택형 픽셀 구조가 개발되고 있다.In particular, through the potential barrier structure, the stacked photodiode is applied to the 4T operation method and the CDS scheme, and scale-down is performed by eliminating the need for the junction for reading the signal of the photodiode present in each layer. A two photodiode stacked pixel structure has been developed which makes this possible.
그러나, 이러한 경우 기판의 깊이에 따라 투과계수가 상이한 해당 색신호를 추출할 수는 있으나, 컬러필터의 조합이 적절하지 못한 경우 색재현성이 떨어져 비정상적인 신호가 발생된다.However, in this case, although the corresponding color signals having different transmission coefficients can be extracted depending on the depth of the substrate, when the combination of the color filters is not appropriate, color reproduction is poor and abnormal signals are generated.
도 1은 종래 스택형 이미지 센서에 사용되는 컬러필터의 베이어 패턴을 예시한 도면이고, 도 2는 컬러필터의 조합이 적절하지 못한 경우 신호가 왜곡되는 현상을 측정한 그래프이다.1 is a view illustrating a Bayer pattern of a color filter used in a conventional stacked image sensor, and FIG. 2 is a graph measuring a phenomenon in which a signal is distorted when a combination of color filters is not appropriate.
도 1과 같은 그린, 블루의 베이어 패턴은 스택형 이미지 센서 상에서는 색재현성이 저하되며, 도 2와 같이 0.46nm 근처의 블루 파장대역에 존재하는 레드 신호에 의하여 왜곡신호(A)가 발생됨을 알 수 있다.In the green and blue Bayer pattern as shown in FIG. 1, the color reproducibility is reduced on the stacked image sensor, and as shown in FIG. 2, the distortion signal A is generated by the red signal in the blue wavelength band of about 0.46 nm. have.
실시예는 이미지 센서의 집적도를 높임과 동시에 고감도 특성을 구현할 수 있는 스택형 이미지 센서를 제공한다.The embodiment provides a stackable image sensor capable of increasing integration of an image sensor and realizing high sensitivity.
실시예에 따른 스택형 이미지 센서는 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 상부에 형성되고, 제1 스택을 이루는 다수의 제1 포토다이오드; 상기 제1 포토다이오드 하부의 상기 반도체 기판에 형성되고, 제2 스택을 이루는 다수의 제2 포토다이오드; 상기 제1 포토다이오드 사이의 상기 반도체 기판 위에 형성된 다수의 트랜지스터; 상기 반도체 기판 위에 형성된 층간절연층; 및 상기 층간절연층 위에 형성되고 보색필터 패턴으로 이루어진 컬러필터층을 포함한다.Stacked image sensor according to the embodiment comprises a semiconductor substrate; A plurality of first photodiodes formed on the semiconductor substrate and forming a first stack; A plurality of second photodiodes formed on the semiconductor substrate below the first photodiode and forming a second stack; A plurality of transistors formed on the semiconductor substrate between the first photodiodes; An interlayer insulating layer formed on the semiconductor substrate; And a color filter layer formed on the interlayer insulating layer and formed of a complementary color filter pattern.
실시예에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.According to the embodiment, the following effects are obtained.
스택 구조의 포토다이오드 사이를 전위장벽층으로 구분하고, 다양한 어레이를 이루는 보색필터 패턴으로 컬러필터층을 구성하며, 층간절연층의 금속구조물의 간격을 조절함으로써 이미지 센서의 집적도를 높임과 동시에 고감도 특성을 구현할 수 있다.The photodiodes of the stacked structure are divided into potential barrier layers, and the color filter layers are composed of complementary color filter patterns forming various arrays. Can be implemented.
첨부된 도면을 참조하여, 실시예에 따른 스택형 이미지 센서에 대하여 상세히 설명한다.With reference to the accompanying drawings, a stack-type image sensor according to an embodiment will be described in detail.
도 3은 실시예에 따른 스택형 이미지 센서에 사용되는 필터 패턴의 컬러 스펙트럼을 측정한 그래프이다.3 is a graph measuring a color spectrum of a filter pattern used in a stacked image sensor according to an embodiment.
실시예에 따른 스택형 이미지 센서에 사용되는 필터 패턴은 보색필터 패턴으로서, 가령 흰색/청록색(White/Cyan)의 보색 필터 패턴이 사용될 수 있다.The filter pattern used in the stacked image sensor according to the embodiment may be a complementary color filter pattern. For example, a white / cyan complementary color filter pattern may be used.
도 3을 참조하면, 상기 보색 필터는 도 2와 비교하여 빛의 파장대역에 존재하는 왜곡된 색상 신호가 현저히 적음을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that the complementary color filter has significantly less distorted color signals present in the wavelength range of light than in FIG. 2.
도 4는 실시예에 따른 스택형 이미지 센서에 사용되는 필터 패턴을 예시한 도면이다.4 is a diagram illustrating a filter pattern used in the stacked image sensor according to the embodiment.
도 4의 (a)는 흰색/청록색의 보색필터 패턴을 예시한 것이고, (b)는 흰색/빨강색/청록색/녹색(White/Red/Cyan/Green)의 보색필터 패턴을 예시한 것이며, (c)는 흰색/빨강색/청록색/녹색의 보색필터 패턴이 4단 구조를 이룬 경우를 예시한 것이다.(A) of FIG. 4 illustrates a complementary color filter pattern of white / cyan, (b) illustrates a complementary color filter pattern of white / red / cyan / green. c) illustrates a case in which the complementary color filter patterns of white / red / cyan / green have a four-stage structure.
도 5는 실시예에 따른 스택형 이미지 센서의 구성을 개략적으로 도시한 회로도이고, 도 6은 실시예에 따른 스택형 이미지 센서의 구성을 개략적으로 도시한 측단면도이다.5 is a circuit diagram schematically showing a configuration of a stacked image sensor according to an embodiment, and FIG. 6 is a side cross-sectional view schematically showing the configuration of a stacked image sensor according to an embodiment.
도 5 및 도 6에 도시된 것처럼, 실시예에 따른 스택형 이미지 센서는 2개의 포토 다이오드가 스택형 구조를 이루는 이미지 센서이다.5 and 6, the stacked image sensor according to the embodiment is an image sensor in which two photodiodes form a stacked structure.
도 6을 참조하면, 반도체 기판(100)의 상부에 제1 스택을 이루는 다수의 제1 포토다이오드(120)가 형성되고, 그 하부에 제2 스택을 이루는 다수의 제2 포토다이오드(105)가 형성된다.Referring to FIG. 6, a plurality of
상기 제1 포토다이오드(120) 및 상기 제2 포토다이오드(105) 사이에는 제1 전위장벽층(122)이 형성되어 상기 제1 스택과 상기 제2 스택을 분리시킨다.A first
예를 들어, 상기 제1 포토다이오드(120) 및 상기 제2 포토다이오드(105)는 제2 도전형 불순물 이온이 주입되어 형성될 수 있고, 상기 제1 전위장벽층(122)은 제1 도전형 불순물 이온이 주입되어 형성될 수 있다.For example, the
실시예에서, 상기 제1 도전형 불순물 이온은 P형 이온이고, 상기 제2 도전형 불순물 이온은 N형 이온인 것으로 한다.In the embodiment, the first conductivity type impurity ions are P-type ions, and the second conductivity type impurity ions are N-type ions.
또한, 상기 제1 포토다이오드(120)는 상기 반도체 기판(100)의 표면으로부터 0.01um 내지 2um의 깊이로 형성될 수 있고, 상기 제1 전위장벽층(122)은 2um 내지 3um의 깊이로 형성될 수 있으며, 상기 제2 포토다이오드(105)는 3um 내지 5um의 깊이로 형성될 수 있다.In addition, the
따라서, 상기 제1 전위장벽층(122)에 의하여 빛의 색상별 투과 깊이를 조절할 수 있다.Therefore, the transmission depth for each color of light may be adjusted by the first
상기 제1 포토다이오드(120) 및 상기 제2 포토다이오드(105)의 인접된 단위셀 사이에는 제2 전위장벽층(110)이 형성되어 스택별 2개의 제1 포토다이오드(120) 및 제2 포토다이오드(105)들이 단위셀을 이루도록 분리시킨다.A second
상기 제1 포토다이오드(120)들 사이의 상기 반도체 기판(100) 위에는 다수의 트랜지스터(131 내지 134)가 형성되어, 각각 상기 제1 스택의 2개의 포토다이오드(120) 및 상기 제2 스택의 2개의 포토다이오드의 신호를 처리한다.A plurality of
상기 반도체 기판(100) 위에는 금속구조물(141, 142)을 포함하는 층간절연층(140)이 형성되는데, 상기 금소구조물(141, 142)은 다수 적층 구조의 금속배선(141) 및 컨택(142)을 포함할 수 있다.An
상기 층간절연층(140) 위에는 상기 보색필터 패턴으로 이루어진 컬러필터층(150)이 형성되고, 상기 컬러필터층(150) 위에는 평탄화보호층(160)이 형성된다.The
도 4를 통하여 예시한 것처럼, 상기 보색필터 패턴은 상기 컬러필터층(150) 상에서 다양한 패턴 어레이를 구성할 수 있다.As illustrated through FIG. 4, the complementary color filter pattern may configure various pattern arrays on the
또한, 상기 평탄화보호층(160) 위에는 마이크로렌즈(170)가 형성된다.In addition, the
도 7은 실시예에 따른 금속구조물(141, 142)의 간격을 조정한 경우 광전송효율을 시뮬레이션한 도면이다.FIG. 7 is a diagram simulating light transmission efficiency when the interval between the
실시예와 같이, 상기 제1 전위장벽층(122), 상기 보색필터 패턴의 컬러필터층(150) 구조를 이용함과 동시에 상기 금속구조물(141, 142)의 간격을 조절하면 수평적 광경로도 조정할 수 있다.As in the embodiment, by using the structure of the first
따라서, 인접 픽셀 사이의 광간섭 현상을 최소화하여 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.Therefore, it is possible to improve the sensitivity of the image sensor by minimizing light interference between adjacent pixels.
도 7과 같이 480nm 내지 580nm의 중파장 광, 580nm 내지 700nm의 장파장 광에 대하여 상기 금속구조물(141, 142)의 간격을 조절한 경우 광의 전송효율이 개선됨을 알 수 있다.As shown in FIG. 7, when the interval between the
이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발 명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although described above with reference to the embodiments are only examples and are not intended to limit the invention, those of ordinary skill in the art to which the present invention does not exemplify the above within the scope not departing from the essential characteristics of the present invention. It will be appreciated that many variations and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments of the present invention can be modified and implemented. And differences relating to such modifications and applications will have to be construed as being included in the scope of the invention defined in the appended claims.
도 1은 종래 스택형 이미지 센서에 사용되는 컬러필터의 베이어 패턴을 예시한 도면.1 is a diagram illustrating a Bayer pattern of a color filter used in a conventional stacked image sensor.
도 2는 컬러필터의 조합이 적절하지 못한 경우 신호가 왜곡되는 현상을 측정한 그래프.2 is a graph measuring a phenomenon in which a signal is distorted when a combination of color filters is not appropriate.
도 3은 실시예에 따른 스택형 이미지 센서에 사용되는 필터 패턴의 컬러 스펙트럼을 측정한 그래프.3 is a graph measuring a color spectrum of a filter pattern used in a stacked image sensor according to an embodiment.
도 4는 실시예에 따른 스택형 이미지 센서에 사용되는 필터 패턴을 예시한 도면.4 illustrates a filter pattern used in a stacked image sensor according to an embodiment.
도 5는 실시예에 따른 스택형 이미지 센서의 구성을 개략적으로 도시한 회로도.5 is a circuit diagram schematically illustrating a configuration of a stacked image sensor according to an embodiment.
도 6은 실시예에 따른 스택형 이미지 센서의 구성을 개략적으로 도시한 측단면도.6 is a side cross-sectional view schematically showing the configuration of a stacked image sensor according to the embodiment.
도 7은 실시예에 따른 금속구조물의 간격을 조정한 경우 광전송효율을 시뮬레이션한 도면.7 is a view simulating the optical transmission efficiency when adjusting the interval of the metal structure according to the embodiment.
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2009
- 2009-12-31 KR KR1020090136351A patent/KR20110079333A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
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US10979680B2 (en) | 2018-05-09 | 2021-04-13 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensors and electronic devices |
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