KR20110079333A - 스택형 이미지 센서 - Google Patents

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.

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.

스택형 이미지 센서, 보색필터 패턴, 베이어 패턴, 전위장벽

Description

스택형 이미지 센서{Image sensor of tacked type}

실시예는 스택형 이미지 센서에 관한 것이다.

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.

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.

그러나, 이러한 경우 기판의 깊이에 따라 투과계수가 상이한 해당 색신호를 추출할 수는 있으나, 컬러필터의 조합이 적절하지 못한 경우 색재현성이 떨어져 비정상적인 신호가 발생된다.

도 1은 종래 스택형 이미지 센서에 사용되는 컬러필터의 베이어 패턴을 예시한 도면이고, 도 2는 컬러필터의 조합이 적절하지 못한 경우 신호가 왜곡되는 현상을 측정한 그래프이다.

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.

실시예는 이미지 센서의 집적도를 높임과 동시에 고감도 특성을 구현할 수 있는 스택형 이미지 센서를 제공한다.

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.

실시예에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

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.

첨부된 도면을 참조하여, 실시예에 따른 스택형 이미지 센서에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은 실시예에 따른 스택형 이미지 센서에 사용되는 필터 패턴의 컬러 스펙트럼을 측정한 그래프이다.

실시예에 따른 스택형 이미지 센서에 사용되는 필터 패턴은 보색필터 패턴으로서, 가령 흰색/청록색(White/Cyan)의 보색 필터 패턴이 사용될 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 보색 필터는 도 2와 비교하여 빛의 파장대역에 존재하는 왜곡된 색상 신호가 현저히 적음을 알 수 있다.

도 4는 실시예에 따른 스택형 이미지 센서에 사용되는 필터 패턴을 예시한 도면이다.

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.

도 5는 실시예에 따른 스택형 이미지 센서의 구성을 개략적으로 도시한 회로도이고, 도 6은 실시예에 따른 스택형 이미지 센서의 구성을 개략적으로 도시한 측단면도이다.

도 5 및 도 6에 도시된 것처럼, 실시예에 따른 스택형 이미지 센서는 2개의 포토 다이오드가 스택형 구조를 이루는 이미지 센서이다.

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.

상기 제1 포토다이오드(120) 및 상기 제2 포토다이오드(105) 사이에는 제1 전위장벽층(122)이 형성되어 상기 제1 스택과 상기 제2 스택을 분리시킨다.

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.

실시예에서, 상기 제1 도전형 불순물 이온은 P형 이온이고, 상기 제2 도전형 불순물 이온은 N형 이온인 것으로 한다.

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.

따라서, 상기 제1 전위장벽층(122)에 의하여 빛의 색상별 투과 깊이를 조절할 수 있다.

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.

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.

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.

상기 층간절연층(140) 위에는 상기 보색필터 패턴으로 이루어진 컬러필터층(150)이 형성되고, 상기 컬러필터층(150) 위에는 평탄화보호층(160)이 형성된다.

도 4를 통하여 예시한 것처럼, 상기 보색필터 패턴은 상기 컬러필터층(150) 상에서 다양한 패턴 어레이를 구성할 수 있다.

또한, 상기 평탄화보호층(160) 위에는 마이크로렌즈(170)가 형성된다.

도 7은 실시예에 따른 금속구조물(141, 142)의 간격을 조정한 경우 광전송효율을 시뮬레이션한 도면이다.

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.

따라서, 인접 픽셀 사이의 광간섭 현상을 최소화하여 이미지 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.

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.

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.

도 1은 종래 스택형 이미지 센서에 사용되는 컬러필터의 베이어 패턴을 예시한 도면.

도 2는 컬러필터의 조합이 적절하지 못한 경우 신호가 왜곡되는 현상을 측정한 그래프.

도 3은 실시예에 따른 스택형 이미지 센서에 사용되는 필터 패턴의 컬러 스펙트럼을 측정한 그래프.

도 4는 실시예에 따른 스택형 이미지 센서에 사용되는 필터 패턴을 예시한 도면.

도 5는 실시예에 따른 스택형 이미지 센서의 구성을 개략적으로 도시한 회로도.

도 6은 실시예에 따른 스택형 이미지 센서의 구성을 개략적으로 도시한 측단면도.

도 7은 실시예에 따른 금속구조물의 간격을 조정한 경우 광전송효율을 시뮬레이션한 도면.

Claims (10)

1. 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 포함하는 스택형 이미지 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 컬러필터층은

   흰색/청록색의 보색필터 패턴, 흰색/빨강색/청록색/녹색(White/Red/Cyan/Green)의 보색필터 패턴 중 하나 이상을 포함하는 스택형 이미지 센서.
3. 제1항에 있어서, 상기 보색필터 패턴은

   상기 컬러필터층 상에서 다양한 패턴 어레이 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 스택형 이미지 센서.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1 포토다이오드 및 상기 제2 포토다이오드 사이에 형성되어 상기 제1 스택 및 상기 제2 스택을 분리시키는 제1 전위장벽층을 더 포함하는 스택형 이미지 센서.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제1 포토다이오드 및 상기 제2 포토다이오드는 제2 도전형 불순물 이온이 주입되어 형성되고,

   상기 제1 전위장벽층은 제1 도전형 불순물 이온이 주입되어 형성된 것을 특징으로 하는 스택형 이미지 센서.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제1 도전형 불순물 이온은 P형 이온이고, 상기 제2 도전형 불순물 이온은 N형 이온인 것을 특징으로 하는 스택형 이미지 센서.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제1 포토다이오드는 상기 반도체 기판의 표면으로부터 0.01um 내지 2um의 깊이로 형성되고, 상기 제2 포토다이오드는 3um 내지 5um의 깊이로 형성된 것을 특징으로 하는 스택형 이미지 센서.
8. 제4항에 있어서,

   상기 제1 전위장벽층은 상기 반도체 기판의 표면으로부터 2um 내지 3um의 깊이로 형성된 것을 특징으로 하는 스택형 이미지 센서.
9. 제1항에 있어서,

   상기 제1 포토다이오드 및 상기 제2 포토다이오드의 인접된 단위셀 사이에 형성되어 스택별 단위셀을 이루도록 분리시키는 제2 전위장벽층을 더 포함하는 스택형 이미지 센서.
10. 제1항에 있어서, 상기 층간절연층은

    금속배선, 컨택 중 하나 이상을 포함하는 금속구조물을 포함하고,

    상기 금속구조물은 서로의 간격이 조정되어 광전송효율을 상승시키는 것을 특징으로 하는 스택형 이미지 센서.

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