JP2017098533A - イメージセンサ及びこれを含む電子装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】吸光効率及び感度を改善させた積層構造のイメージセンサ及びこれを含む電子装置を提供する。
【解決手段】本発明によるイメージセンサは、複数の光感知素子を含む半導体基板と、半導体基板の一面に位置して第１可視光を選択的に感知する光電素子と、複数の光感知素子に対応するように位置する複数のカラーフィルタと、を備え、複数のカラーフィルタは、第１可視光と異なる第２可視光を選択的に透過させる第１カラーフィルタと、第２可視光を含む第１混合光を透過させる第２カラーフィルタと、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、イメージセンサ及びこれを含む電子装置に関する。
デジタルカメラやカムコーダーなどには映像を撮影して電気的信号として貯蔵する撮像素子が使用され、撮像素子は入射する光を波長によって分解してそれぞれの成分を電気的信号に変換するイメージセンサを含む。
イメージセンサは日増しに小型化が要求されている。近来、イメージセンサの大きさを小さくするために積層構造のイメージセンサが研究されている。
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、吸光効率及び感度を改善させた積層構造のイメージセンサ及びこれを含む電子装置を提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様によるイメージセンサは、複数の光感知素子を含む半導体基板と、前記半導体基板の一面に位置して第１可視光を選択的に感知する光電素子と、前記複数の光感知素子に対応するように位置する複数のカラーフィルタと、を備え、前記複数のカラーフィルタは、前記第１可視光と異なる第２可視光を選択的に透過させる第１カラーフィルタと、前記第２可視光を含む第１混合光を透過させる第２カラーフィルタと、を含む。
前記複数のカラーフィルタは、少なくとも一つの前記第１カラーフィルタ及び少なくとも一つの前記第２カラーフィルタからなるカラーフィルタアレイを形成し、前記カラーフィルタアレイにおいて、前記第２カラーフィルタの個数は、前記第１カラーフィルタの個数と同一であるか又は多くあり得る。
前記光感知素子は、前記第１カラーフィルタに重畳して前記第２可視光を感知する第１光感知素子と、前記第２カラーフィルタにと重畳して前記第２可視光をむ第２混合光を感知する第２光感知素子と、を含み、前記第２混合光は、前記第１混合光と同一であるか又は異なり得る。
前記第２混合光は、前記第１混合光と同一であり、前記第１混合光及び前記第２混合光は、前記第１可視光を含まなくあり得る。
前記第１混合光及び前記第２混合光は、青色光と緑色光との混合光、又は赤色光と緑色光との混合光であり得る。
前記第１混合光は、前記第２混合光と異なり、前記第１混合光は、前記第１可視光を含み、前記第２混合光は、前記第１可視光を含まなくあり得る。
前記第１混合光及び前記第２混合光は、それぞれ緑色光を含み得る。
前記第１混合光は、赤色光、緑色光、及び青色光の混合光であり、前記第２混合光は、青色光と緑色光との混合光、又は赤色光と緑色光との混合光であり得る。
前記第２可視光は、青色光であり、前記第２混合光は、青色光と緑色光との混合光であり得る。
前記第２可視光は、赤色光であり、前記第２混合光は、赤色光と緑色光との混合光であり得る。
前記第１光感知素子及び前記第２光感知素子は、厚さが異なり得る。
前記第２光感知素子は、前記第１光感知素子より厚くあり得る。
前記第１可視光は、赤色光又は青色光であり得る。
前記第１可視光は、赤色光であり、前記第２可視光は、青色光であり得る。
前記第１可視光は、青色光であり、前記第２可視光は、赤色光であり得る。
前記第１混合光は、前記第１可視光を含む混合光であり得る。
前記第１混合光は、赤色光、緑色光、及び青色光の混合光であり得る。
前記第１混合光は、前記第１可視光を含まない混合光であり得る。
前記光電素子は、互いに対向する一対の電極と、前記一対の電極の間に位置して前記第１可視光を選択的に吸収する吸光層と、を含み得る。
上記目的を達成するためになされた一態様による電子装置は、前記イメージセンサを含む。
本発明によれば、吸光効率を高めた高感度イメージセンサを具現することができる。
一実施形態によるイメージセンサを示す断面図である。 他の実施形態によるイメージセンサを示す断面図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける単位カラーフィルタアレイの第１例を示す概略図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける単位カラーフィルタアレイの第２例を示す概略図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける単位カラーフィルタアレイの第３例を示す概略図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける単位カラーフィルタアレイの第４例を示す概略図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける光電素子及びカラーフィルタ層の配置の第１例を示す概略図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける光電素子及びカラーフィルタ層の配置の第２例を示す概略図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける光電素子及びカラーフィルタ層の配置の第３例を示す概略図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける光電素子及びカラーフィルタ層の配置の第４例を示す概略図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける光電素子及びカラーフィルタ層の配置の第５例を示す概略図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける光電素子及びカラーフィルタ層の配置の第６例を示す概略図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける光電素子及びカラーフィルタ層の配置の第７例を示す概略図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける光電素子及びカラーフィルタ層の配置の第８例を示す概略図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける光電素子及びカラーフィルタ層の配置の第９例を示す概略図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける光電素子及びカラーフィルタ層の配置の第１０例を示す概略図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける光電素子及びカラーフィルタ層の配置の第１１例を示す概略図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける光電素子及びカラーフィルタ層の配置の第１２例を示す概略図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける光電素子及びカラーフィルタ層の配置の第１３例を示す概略図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける光電素子及びカラーフィルタ層の配置の第１４例を示す概略図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける光電素子及びカラーフィルタ層の配置の第１５例を示す概略図である。 一実施形態によるイメージセンサにおける光電素子及びカラーフィルタ層の配置の第１６例を示す概略図である。 既存の断層構造のイメージセンサのカラーフィルタ層の配置の第１例を示す概略図である。 既存の断層構造のイメージセンサのカラーフィルタ層の配置の第２例を示す概略図である。
以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。しかし、本発明の実施形態は、様々な形態に具現され、ここで説明する実施形態に限定されない。
図面において様々な層及び領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。明細書全体に亘って類似の部分については同一図面符号を付けた。層、膜、領域、板などの部分が他の部分の“上”にあるという場合、これは他の部分の“直上”にある場合だけでなくその中間にまた他の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分の“直上”にあるという場合には中間に他の部分がないことを意味する。
以下、図面を参照して本実施形態によるイメージセンサを説明する。ここではイメージセンサの一例としてＣＭＯＳイメージセンサについて説明する。
図１は、一実施形態によるイメージセンサを示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態によるイメージセンサ２００は、光電素子３０と、複数の光感知素子（５０ａ、５０ｂ）、電荷貯蔵所５５、及び伝送トランジスタ（図示せず）を含む半導体基板１１０と、カラーフィルタ層７０とを含む。
光電素子３０は、光が入射する側に位置し、可視光線領域のうちの一部の第１可視光線領域の光（以下、‘第１可視光’という）を選択的に感知する。第１可視光は三原色（ｔｈｒｅｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｃｏｌｏｒｓ）の光のうちの一つである。
光電素子３０は、互いに対向する下部電極３１と上部電極３３、そして下部電極３１と上部電極３３との間に位置する吸光層３２を含む。
下部電極３１及び上部電極３３のうちのいずれか一つはアノード（ａｎｏｄｅ）であり、他の一つはカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）である。下部電極３１及び上部電極３３は両方とも透光電極である。透光電極は、例えばインジウムスズオキシド（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）、インジウム亜鉛オキシド（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ：ＩＺＯ）のような透明導電体で形成されるか、或いは数ナノメートル〜数十ナノメートル厚さの薄い厚さで形成された金属薄膜又は金属酸化物がドーピングされた数ナノメートル〜数十ナノメートル厚さの薄い厚さで形成された単一層又は複数層の金属薄膜である。
吸光層３２は第１可視光を選択的に吸収する。吸光層３２は、第１可視光を選択的に吸収し、第１可視光以外の光をそのまま通過させる。
一例として、第１可視光は、約６００ｎｍ超７００ｎｍ以下で最大吸収波長（λｍａｘ）を有する赤色光である。第１可視光は、上記範囲内で例えば約６３０ｎｍ〜６８０ｎｍで最大吸収波長を有する赤色光である。
一例として、第１可視光は、約４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満で最大吸収波長（λｍａｘ）を有する青色光である。第１可視光は、上記範囲内で例えば約４２０ｎｍ〜４８０ｎｍで最大吸収波長を有する青色光である。
一例として、第１可視光は、約５００ｎｍ〜６００ｎｍで最大吸収波長（λｍａｘ）を有する緑色光である。第１可視光は、上記範囲内で例えば約５２０ｎｍ〜５８０ｎｍで最大吸収波長を有する緑色光である。
吸光層３２はｐ型半導体及びｎ型半導体を含み、ｐ型半導体及びｎ型半導体はｐｎ接合（ｐｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を形成する。吸光層３２は、第１可視光を選択的に吸収してエキシトン（ｅｘｃｉｔｏｎ）を形成した後、生成されたエキシトンを正孔と電子とに分離し、分離された正孔は下部電極３１及び上部電極３３のうちの一つのアノード側に移動し、分離された電子は下部電極３１及び上部電極３３のうちの他の一つのカソード側に移動することによって光電効果を発揮する。分離された電子及び／又は正孔は電荷貯蔵所５５に集められる。
ｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも一つは第１可視光を選択的に吸収する。ｐ型半導体及びｎ型半導体は、それぞれ独立して有機物、無機物、又は有機物及び無機物を含む。ｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも一つは有機物を含む。
吸光層３２は単一層であるか又は複数層である。吸光層３２は、例えば真性層（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｌａｙｅｒ：Ｉ層）、ｐ型層／Ｉ層、Ｉ層／ｎ型層、ｐ型層／Ｉ層／ｎ型層、ｐ型層／ｎ型層などの多様な組み合わせである。
真性層（Ｉ層）はｐ型半導体とｎ型半導体とが約１：１００〜約１００：１の体積比で混合されて含まれる。ｐ型半導体とｎ型半導体とは、上記範囲内で例えば約１：５０〜５０：１の体積比で含まれ、上記範囲内で例えば約１：１０〜１０：１の体積比で含まれ、上記範囲内で例えば約１：１の体積比で含まれる。ｐ型半導体とｎ型半導体とが上記範囲の組成比を有することによって効果的なエキシトン生成及びｐｎ接合形成に有利である。
ｐ型層はｐ型半導体を含み、ｎ型層はｎ型半導体を含む。
吸光層３２は約１ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。吸光層３２は、上記範囲内で例えば約５ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有し、例えば約５ｎｍ〜２００ｎｍの厚さを有する。上記範囲の厚さを有することによって第１可視光を効果的に吸収し、正孔と電子を効果的に分離及び伝達することによって光電変換効率を効果的に改善することができる。
吸光層３２はイメージセンサ２００の全面（ｗｈｏｌｅ ｓｕｒｆａｃｅ）に形成される。これにより、イメージセンサ２００は、イメージセンサの全面で第１可視光を選択的に吸収し、光面積が増えて高い吸光効率を有する。
半導体基板１１０は、シリコン基板であり、第１光感知素子５０ａ、第２光感知素子５０ｂ、電荷貯蔵所５５、及び伝送トランジスタ（図示せず）が集積される。
第１光感知素子５０ａ及び第２光感知素子５０ｂは光ダイオード（ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）である。第１光感知素子５０ａ及び第２光感知素子５０ｂはそれぞれ光をセンシングし、センシングされた情報は伝送トランジスタによって伝達される。電荷貯蔵所５５は光電素子３０に電気的に連結され、電荷貯蔵所５５の情報は伝送トランジスタによって伝達される。
第１光感知素子５０ａ及び第２光感知素子５０ｂの上には金属配線（図示せず）及びパッド（図示せず）が形成される。金属配線及びパッドは信号遅延を減らすために低い比抵抗を有する金属、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、及びこれらの合金で形成されるが、これに限定されるものではない。しかし、上記構造に限定されず、金属配線及びパッドが第１光感知素子５０ａ及び第２光感知素子５０ｂの下部に配置され得る。
半導体基板１１０の上には下部絶縁層６０及び上部絶縁層８０が形成される。下部絶縁層６０及び上部絶縁層８０は、酸化ケイ素及び／又は窒化ケイ素のような無機絶縁物質、或いはＳｉＣ、ＳｉＣＯＨ、ＳｉＣＯ、及びＳｉＯＦのような低誘電率（ｌｏｗ Ｋ）物質で形成される。下部絶縁層６０及び上部絶縁層８０は電荷貯蔵所５５を露出するトレンチ（貫通口）８５を有する。トレンチ８５は充填材で満たされる。下部絶縁層６０及び上部絶縁層８０のうちの少なくとも一つは省略され得る。
カラーフィルタ層７０は行及び列に沿って反復的に配列された複数の単位カラーフィルタアレイ（ｕｎｉｔ ｃｏｌｏｒ ｆｉｌｔｅｒ ａｒｒａｙ）を含み、単位カラーフィルタアレイは、例えば２×２、３×３、４×４などの多様なマトリックス配列を有する。
単位カラーフィルタアレイは、三原色の光のうちの一つの単一光を透過させる少なくとも一つの第１カラーフィルタ７０ａと、三原色の光のうちの少なくとも二つの混合光（ｍｉｘｅｄ ｌｉｇｈｔ）を透過させる少なくとも一つの第２カラーフィルタ７０ｂを含む。
第１カラーフィルタ７０ａは、第１可視光と異なる第２可視光線領域の光（以下、‘第２可視光’という）を選択的に透過させ、例えば赤色光を選択的に透過させる赤色フィルタ、青色光を選択的に透過させる青色フィルタ、又は緑色光を選択的に透過させる緑色フィルタである。
一例として、第１可視光が赤色光である場合、第１カラーフィルタ７０ａは、約４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満で最大吸収波長（λｍａｘ）を有する青色光を選択的に透過させる青色フィルタであるか、又は約５００ｎｍ〜６００ｎｍで最大吸収波長（λｍａｘ）を有する緑色光を選択的に透過させる緑色フィルタである。
一例として、第１可視光が青色光である場合、第１カラーフィルタ７０ａは、約６００ｎｍ超７００ｎｍ以下で最大吸収波長（λｍａｘ）を有する赤色光を選択的に透過させる赤色フィルタであるか、又は約５００ｎｍ〜６００ｎｍで最大吸収波長（λｍａｘ）を有する緑色光を選択的に透過させる緑色フィルタである。
一例として、第１可視光が緑色光である場合、第１カラーフィルタ７０ａは、約４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満で最大吸収波長（λｍａｘ）を有する青色光を選択的に透過させる青色フィルタであるか、又は約６００ｎｍ超７００ｎｍ以下で最大吸収波長（λｍａｘ）を有する赤色光を選択的に透過させる赤色フィルタである。
第２カラーフィルタ７０ｂは、例えば青色光、緑色光、及び赤色光から選択される少なくとも二つの混合光を透過させ、例えば青色光と緑色光との混合光を透過させるシアンフィルタ（ｃｙａｎ ｆｉｌｔｅｒ）、赤色光と緑色光との混合光を透過させるイエローフィルタ（ｙｅｌｌｏｗ ｆｉｌｔｅｒ）、青色光と赤色光との混合光を透過させるマゼンタフィルタ（ｍａｇｅｎｔａ ｆｉｌｔｅｒ）、又は青色光、緑色光、及び赤色光の混合光を透過させる白色フィルタ（ｗｈｉｔｅ ｆｉｌｔｅｒ）である。
一例として、第２カラーフィルタ７０ｂは、第２可視光を含む混合光を透過させる。
一例として、第２カラーフィルタ７０ｂは、第２可視光を含み第１可視光を排除した混合光を透過させる。
一例として、第２カラーフィルタ７０ｂは、第１及び第２可視光と異なる第３可視光線領域の光（以下、‘第３可視光’という）と第２可視光との混合光を透過させる。
一例として、第２カラーフィルタ７０ｂは、第１可視光、第２可視光、及び第３可視光の混合光を透過させる。
一例として、第１可視光が赤色光であり、第２可視光が青色光であり、第３可視光が緑色光である場合、第２カラーフィルタ７０ｂは、青色光と緑色光との混合光を透過させるシアンフィルタである。
一例として、第１可視光が赤色光であり、第２可視光が青色光であり、第３可視光が緑色光である場合、第２カラーフィルタ７０ｂは、青色光、緑色光、及び赤色光の混合光を透過させる白色フィルタである。
一例として、第１可視光が赤色光であり、第２可視光が緑色光であり、第３可視光が青色光である場合、第２カラーフィルタ７０ｂは、青色光と緑色光との混合光を透過させるシアンフィルタである。
一例として、第１可視光が赤色光であり、第２可視光が緑色光であり、第３可視光が青色光である場合、第２カラーフィルタ７０ｂは、青色光、緑色光、及び赤色光の混合光を透過させる白色フィルタである。
一例として、第１可視光が青色光であり、第２可視光が赤色光であり、第３可視光が緑色光である場合、第２カラーフィルタ７０ｂは、赤色光と緑色光との混合光を透過させるイエローフィルタである。
一例として、第１可視光が青色光であり、第２可視光が赤色光であり、第３可視光が緑色光である場合、第２カラーフィルタ７０ｂは、赤色光、緑色光、及び青色光の混合光を透過させる白色フィルタである。
一例として、第１可視光が青色光であり、第２可視光が緑色光であり、第３可視光が赤色光である場合、第２カラーフィルタ７０ｂは、赤色光と緑色光との混合光を透過させるイエローフィルタである。
一例として、第１可視光が青色光であり、第２可視光が緑色光であり、第３可視光が赤色光である場合、第２カラーフィルタ７０ｂは、青色光、緑色光、及び赤色光の混合光を透過させる白色フィルタである。
一例として、第１可視光が緑色光であり、第２可視光が赤色光であり、第３可視光が青色光である場合、第２カラーフィルタ７０ｂは、赤色光と青色光との混合光を透過させるマゼンタフィルタである。
一例として、第１可視光が緑色光であり、第２可視光が赤色光であり、第３可視光が青色光である場合、第２カラーフィルタ７０ｂは、青色光、緑色光、及び赤色光の混合光を透過させる白色フィルタである。
単位カラーフィルタアレイは、少なくとも一つの第１カラーフィルタ７０ａ及び少なくとも一つの第２カラーフィルタ７０ｂを含み、第２カラーフィルタ７０ｂの個数が第１カラーフィルタ７０ａの個数と同一であるか又はそれより多い。このように、混合光を透過させる第２カラーフィルタ７０ｂの個数が単一光を透過させる第１カラーフィルタ７０ａの個数と同一であるか又はそれより多いことによって、低照度環境でもイメージセンサの感度及び輝度が急激に低下することを防止し、高感度及び高輝度特性を具現することができる。
図３〜図６は、それぞれ一実施形態によるイメージセンサにおける単位カラーフィルタアレイの多様な例（第１例〜第４例）を示す概略図である。
図３に示すように、第１例による単位カラーフィルタアレイは、２×２マトリックス形態であり、２つの第１カラーフィルタ７０ａ及び２つの第２カラーフィルタ７０ｂからなる。
図４に示すように、第２例による単位カラーフィルタアレイは、２×２マトリックス形態であり、１つの第１カラーフィルタ７０ａ及び３つの第２カラーフィルタ７０ｂからなる。
図５に示すように、第３例による単位カラーフィルタアレイは、３×３マトリックス形態であり、４つの第１カラーフィルタ７０ａ及び５つの第２カラーフィルタ７０ｂからなる。
図６に示すように、第４例による単位カラーフィルタアレイは、３×３マトリックス形態であり、３つの第１カラーフィルタ７０ａ及び６つの第２カラーフィルタ７０ｂからなる。
第１光感知素子５０ａは第１カラーフィルタ７０ａに重畳するように配置され、第２光感知素子５０ｂは第２カラーフィルタ７０ｂに重畳するように配置される。
第１光感知素子５０ａは光電素子３０及び第１カラーフィルタ７０ａを通過した光を感知する。即ち、入射光のうちの第１可視光は光電素子３０によって選択的に吸収され、光電素子３０を通過した第１可視光以外の光のうちの第１カラーフィルタ７０ａを通過した第２可視光が第１光感知素子５０ａによって感知される。
第２光感知素子５０ｂは光電素子３０及び第２カラーフィルタ７０ｂを通過した光を感知する。即ち、入射光のうちの第１可視光は光電素子３０によって選択的に吸収され、光電素子３０を通過した第１可視光以外の光のうちの第２カラーフィルタ７０ｂを通過した混合光が第２光感知素子５０ｂによって感知される。
第２光感知素子５０ｂが感知する混合光は、第２カラーフィルタ７０ｂが透過させる混合光と同一であるか又は異なる。
一例として、第２カラーフィルタ７０ｂが第１可視光を含む混合光を透過させる場合、第２光感知素子５０ｂが感知する混合光は、第２カラーフィルタ７０ｂが透過させる混合光と異なる。
例えば、光電素子３０によって吸収される第１可視光が赤色光であり、第２カラーフィルタ７０ｂが赤色光、緑色光、及び青色光を透過させる白色フィルタである場合、第２光感知素子５０ｂは、青色光と緑色光との混合光、即ちシアン光を感知する。
例えば、光電素子３０によって吸収される第１可視光が青色光であり、第２カラーフィルタ７０ｂが赤色光、緑色光、及び青色光を透過させる白色フィルタである場合、第２光感知素子５０ｂは、赤色光と緑色光との混合光、即ちイエロー光を感知する。
一例として、第２カラーフィルタ７０ｂが透過させる混合光が第１可視光を含まない混合光である場合、第２光感知素子５０ｂが感知する混合光は、第２カラーフィルタ７０ｂが透過させる混合光と同一である。
例えば、光電素子３０によって吸収される第１可視光が赤色光であり、第２カラーフィルタ７０ｂが青色光と緑色光との混合光を透過させるシアンフィルタである場合、第２光感知素子５０ｂは、青色光と緑色光との混合光、即ちシアン光を感知する。
例えば、光電素子３０によって吸収される第１可視光が青色光であり、第２カラーフィルタ７０ｂが赤色光と緑色光との混合光を透過させるイエローフィルタである場合、第２光感知素子５０ｂは、赤色光と緑色光との混合光、即ちイエロー光を感知する。
図７〜図２２は、それぞれ一実施形態によるイメージセンサにおける光電素子及びカラーフィルタ層の配置の例（第１例〜第１６例）を示す概略図である。図７〜図１４では２×２マトリックス形態の単位画素群を例として示し、図１５〜図２２では３×３マトリックス形態の単位画素群を例として示したが、これに限定されるものではない。
図７に示すように、第１例のイメージセンサは、全面に形成されて赤色光を選択的に吸収及び感知する赤色光電素子Ｒ、そして青色光を選択的に透過させる青色フィルタＢと青色光、赤色光、及び緑色光の混合光を透過させる白色フィルタＷとを２×２マトリックス形態に含むカラーフィルタ層７０を含む。青色フィルタＢの個数と白色フィルタＷの個数は同一である。この場合、青色フィルタＢに重畳するように位置する第１光感知素子５０ａは光電素子３０及び青色フィルタＢを通過した青色光を感知し、白色フィルタＷに重畳するように位置する第２光感知素子５０ｂは光電素子３０及び白色フィルタＷを通過した青色光と緑色光との混合光、即ちシアン光を感知する。
図８に示すように、第２例のイメージセンサは、全面に形成されて赤色光を選択的に吸収及び感知する赤色光電素子Ｒ、そして青色光を選択的に透過させる青色フィルタＢと青色光、赤色光、及び緑色光の混合光を透過させる白色フィルタＷとを２×２マトリックス形態に含むカラーフィルタ層７０を含む。白色フィルタＷの個数は青色フィルタＢの個数より多い。この場合、青色フィルタＢに重畳するように位置する第１光感知素子５０ａは光電素子３０及び青色フィルタＢを通過した青色光を感知し、白色フィルタＷに重畳するように位置する第２光感知素子５０ｂは光電素子３０及び白色フィルタＷを通過した青色光と緑色光との混合光、即ちシアン光を感知する。
図９に示すように、第３例のイメージセンサは、全面に形成されて赤色光を選択的に吸収及び感知する赤色光電素子Ｒ、そして青色光を選択的に透過させる青色フィルタＢ及び青色光と緑色光との混合光を透過させるシアンフィルタＣｙを２×２マトリックス形態に含むカラーフィルタ層７０を含む。青色フィルタＢの個数とシアンフィルタＣｙの個数は同一である。この場合、青色フィルタＢに重畳するように位置する第１光感知素子５０ａは光電素子３０及び青色フィルタＢを通過した青色光を感知し、シアンフィルタＣｙに重畳するように位置する第２光感知素子５０ｂは光電素子３０及びシアンフィルタＣｙを通過した青色光と緑色光との混合光、即ちシアン光を感知する。
図１０に示すように、第４例のイメージセンサは、全面に形成されて赤色光を選択的に吸収及び感知する赤色光電素子Ｒ、そして青色光を選択的に透過させる青色フィルタＢ及び青色光と緑色光との混合光を透過させるシアンフィルタＣｙを２×２マトリックス形態に含むカラーフィルタ層７０を含む。シアンフィルタＣｙの個数は青色フィルタＢの個数より多い。この場合、青色フィルタＢに重畳するように位置する第１光感知素子５０ａは光電素子３０及び青色フィルタＢを通過した青色光を感知し、シアンフィルタＣｙに重畳するように位置する第２光感知素子５０ｂは光電素子３０及びシアンフィルタＣｙを通過した青色光と緑色光との混合光、即ちシアン光を感知する。
図１１に示すように、第５例のイメージセンサは、全面に形成されて青色光を選択的に吸収及び感知する青色光電素子Ｂ、そして赤色光を選択的に透過させる赤色フィルタＲと青色光、赤色光、及び緑色光の混合光を透過させる白色フィルタＷとを２×２マトリックス形態に含むカラーフィルタ層７０を含む。赤色フィルタＲの個数と白色フィルタＷの個数は同一である。この場合、赤色フィルタＲに重畳するように位置する第１光感知素子５０ａは光電素子３０及び赤色フィルタＲを通過した赤色光を感知し、白色フィルタＷに重畳するように位置する第２光感知素子５０ｂは光電素子３０及び白色フィルタＷを通過した赤色光と緑色光との混合光、即ちイエロー光を感知する。
図１２に示すように、第６例のイメージセンサは、全面に形成されて青色光を選択的に吸収及び感知する青色光電素子Ｂ、そして赤色光を選択的に透過させる赤色フィルタＲと青色光、赤色光、及び緑色光の混合光を透過させる白色フィルタＷとを２×２マトリックス形態に含むカラーフィルタ層７０を含む。白色フィルタＷの個数は赤色フィルタＲの個数より多い。この場合、赤色フィルタＲに重畳するように位置する第１光感知素子５０ａは光電素子３０及び赤色フィルタＲを通過した赤色光を感知し、白色フィルタＷに重畳するように位置する第２光感知素子５０ｂは光電素子３０及び白色フィルタＷを通過した赤色光と緑色光との混合光、即ちイエロー光を感知する。
図１３に示すように、第７例のイメージセンサは、全面に形成されて青色光を選択的に吸収及び感知する青色光電素子Ｂ、そして赤色光を選択的に透過させる赤色フィルタＲ及び赤色光と緑色光との混合光を透過させるイエローフィルタＹを２×２マトリックス形態に含むカラーフィルタ層７０を含む。赤色フィルタＲの個数とイエローフィルタＹの個数は同一である。この場合、赤色フィルタＲに重畳するように位置する第１光感知素子５０ａは光電素子３０及び赤色フィルタＲを通過した赤色光を感知し、イエローフィルタＹに重畳するように位置する第２光感知素子５０ｂは光電素子３０及びイエローフィルタＹを通過した赤色光と緑色光との混合光、即ちイエロー光を感知する。
図１４に示すように、第８例のイメージセンサは、全面に形成されて青色光を選択的に吸収及び感知する青色光電素子Ｂ、そして赤色光を選択的に透過させる赤色フィルタＲ及び赤色光と緑色光との混合光を透過させるイエローフィルタＹを２×２マトリックス形態に含むカラーフィルタ層７０を含む。イエローフィルタＹの個数は赤色フィルタＲの個数より多い。この場合、赤色フィルタＲに重畳するように位置する第１光感知素子５０ａは光電素子３０及び赤色フィルタＲを通過した赤色光を感知し、イエローフィルタＹに重畳するように位置する第２光感知素子５０ｂは光電素子３０及びイエローフィルタＹを通過した赤色光と緑色光との混合光、即ちイエロー光を感知する。
図１５及び図１６に示すように、第９例及び第１０例のイメージセンサは、全面に形成されて赤色光を選択的に吸収及び感知する赤色光電素子Ｒ、そして青色光を選択的に透過させる青色フィルタＢと青色光、赤色光、及び緑色光の混合光を透過させる白色フィルタＷとを３×３マトリックス形態に含むカラーフィルタ層７０を含む。白色フィルタＷの個数は青色フィルタＢの個数より多い。この場合、青色フィルタＢに重畳するように位置する第１光感知素子５０ａは光電素子３０及び青色フィルタＢを通過した青色光を感知し、白色フィルタＷに重畳するように位置する第２光感知素子５０ｂは光電素子３０及び白色フィルタＷを通過した青色光と緑色光との混合光、即ちシアン光を感知する。
図１７及び図１８に示すように、第１１例及び第１２例のイメージセンサは、全面に形成されて赤色光を選択的に吸収及び感知する赤色光電素子Ｒ、そして青色光を選択的に透過させる青色フィルタＢ及び青色光と緑色光との混合光を透過させるシアンフィルタＣｙを３×３マトリックス形態に含むカラーフィルタ層７０を含む。シアンフィルタＣｙの個数は青色フィルタＢの個数より多い。この場合、青色フィルタＢに重畳するように位置する第１光感知素子５０ａは光電素子３０及び青色フィルタＢを通過した青色光を感知し、シアンフィルタＣｙに重畳するように位置する第２光感知素子５０ｂは光電素子３０及びシアンフィルタＣｙを通過した青色光と緑色光との混合光、即ちシアン光を感知する。
図１９及び図２０に示すように、第１３例及び第１４例のイメージセンサは、全面に形成されて青色光を選択的に吸収及び感知する青色光電素子Ｂ、そして赤色光を選択的に透過させる赤色フィルタＲと赤色光、緑色光、及び青色光の混合光を透過させる白色フィルタＷとを３×３マトリックス形態に含むカラーフィルタ層７０を含む。白色フィルタＷの個数は赤色フィルタＲの個数より多い。この場合、赤色フィルタＲに重畳するように位置する第１光感知素子５０ａは光電素子３０及び赤色フィルタＲを通過した赤色光を感知し、白色フィルタＷに重畳するように位置する第２光感知素子５０ｂは光電素子３０及び白色フィルタＷを通過した赤色光と緑色光との混合光、即ちイエロー光を感知する。
図２１及び図２２に示すように、第１５例及び第１６例のイメージセンサは、全面に形成されて青色光を選択的に吸収及び感知する青色光電素子Ｂ、そして赤色光を選択的に透過させる赤色フィルタＲ及び赤色光と緑色光との混合光を透過させるイエローフィルタＹを３×３マトリックス形態に含むカラーフィルタ層７０を含む。イエローフィルタＹの個数は赤色フィルタＲの個数より多い。この場合、赤色フィルタＲに重畳するように位置する第１光感知素子５０ａは光電素子３０及び赤色フィルタＲを通過した赤色光を感知し、イエローフィルタＹに重畳するように位置する第２光感知素子５０ｂは光電素子３０及びイエローフィルタＹを通過した赤色光と緑色光との混合光、即ちイエロー光を感知する。
本実施形態によるイメージセンサは、光感知素子と光電素子とが積層された構造を有することによってイメージセンサの面積を減らすことができ、これによりイメージセンサの小型化を具現することができる。
また、本実施形態によるイメージセンサは、混合光を透過させるカラーフィルタを含むことによってカラーフィルタによる光損失を減らして吸光効率を高めることができる。これにより、高感度イメージセンサを具現することができる。
図７〜図２２に示した本実施形態によるイメージセンサを既存の２×２及び３×３マトリックス形態の断層構造のイメージセンサと比較すると、吸光効率の改善程度を評価することができる。既存の２×２及び３×３マトリックス形態の断層構造のイメージセンサのカラーフィルタ層の配置の例（第１例及び第２例）を図２３及び図２４に示す。
吸光効率の相対的な比較を次のような方法で計算した。
１）単位画素に入射する入射光を１と仮定する。
２）赤色フィルタ、緑色フィルタ、及び青色フィルタのような単色フィルタは、入射光のうちの１／３のみを透過させるため、単位画素の光感知素子で感知される光を１／３と仮定する。
３）光電素子は赤色、緑色、又は青色光を選択的に吸収するため、光電素子で吸収される光を１／３と仮定する。
４）混合フィルタは光電素子で吸収された光を除いた２色又は３色を吸収するため、単位画素の光感知素子で感知される光を２／３と仮定する。即ち、第１可視光を吸収する光電素子と白色フィルタとが重畳する構造の場合、単位画素の光感知素子で感知される光は入射光のうちの第１可視光を除いた光であるため２／３と仮定する。同様に、第１可視光を吸収する光電素子と第１可視光を除いた混合光を透過する混合フィルタ、即ちシアンフィルタ又はイエローフィルタとが重畳する構造の場合、単位画素の光感知素子で感知される光は入射光のうちの２／３と仮定する。
５）基準例１、２の吸光効率を１００％として、相対的な比率で計算する。
計算結果は表１の通りである。
Figure 2017098533
表１に示すように、図７〜図２２に示した本実施形態によるイメージセンサは、基準例１、２による既存の断層構造のイメージセンサと比較して２倍以上の吸光効率に高められ、これから高感度イメージセンサの具現が期待される。
図２は、他の実施形態によるイメージセンサを示す断面図である。
図２に示すように、本実施形態によるイメージセンサ３００は、図１の実施形態と同様に、光電素子３０と、第１及び第２光感知素子（５０ａ、５０ｂ）、電荷貯蔵所５５、及び伝送トランジスタ（図示せず）を含む半導体基板１００と、カラーフィルタ層７０と、下部絶縁層６０及び上部絶縁層８０と、を含む。
しかし、本実施形態によるイメージセンサ３００は、図１の実施形態とは異なり、第１及び第２光感知素子（５０ａ、５０ｂ）が半導体基板１１０の表面から深い位置に形成される。第１光感知素子５０ａ及び第２光感知素子５０ｂは、積層深さに応じて可視光線領域のうちのそれぞれ異なる波長領域の光を感知するため、感知する波長領域によって第１光感知素子５０ａ及び第２光感知素子５０ｂの位置は多様に変更される。
以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
３０ 光電素子
３１ 下部電極
３２ 吸光層
３３ 上部電極
５０ａ 第１光感知素子
５０ｂ 第２光感知素子
５５ 電荷貯蔵所
６０ 下部絶縁層
７０ カラーフィルタ層
７０ａ 第１カラーフィルタ
７０ｂ 第２カラーフィルタ
８０ 上部絶縁層
８５ トレンチ（貫通口）
１１０ 半導体基板
２００、３００ イメージセンサ

Claims (20)

  1. 複数の光感知素子を含む半導体基板と、
    前記半導体基板の一面に位置して第１可視光を選択的に感知する光電素子と、
    前記複数の光感知素子に対応するように位置する複数のカラーフィルタと、を備え、
    前記複数のカラーフィルタは、
    前記第１可視光と異なる第２可視光を選択的に透過させる第１カラーフィルタと、
    前記第２可視光を含む第１混合光を透過させる第２カラーフィルタと、を含むことを特徴とするイメージセンサ。
  2. 前記複数のカラーフィルタは、少なくとも一つの前記第１カラーフィルタ及び少なくとも一つの前記第２カラーフィルタからなるカラーフィルタアレイを形成し、
    前記カラーフィルタアレイにおいて、前記第２カラーフィルタの個数は、前記第１カラーフィルタの個数と同一であるか又は多いことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  3. 前記光感知素子は、
    前記第１カラーフィルタに重畳して前記第２可視光を感知する第１光感知素子と、
    前記第２カラーフィルタに重畳して前記第２可視光を含む第２混合光を感知する第２光感知素子と、を含み、
    前記第２混合光は、前記第１混合光と同一であるか又は異なることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  4. 前記第２混合光は、前記第１混合光と同一であり、
    前記第１混合光及び前記第２混合光は、前記第１可視光を含まないことを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
  5. 前記第１混合光及び前記第２混合光は、青色光と緑色光との混合光、又は赤色光と緑色光との混合光であることを特徴とする請求項４に記載のイメージセンサ。
  6. 前記第１混合光は、前記第２混合光と異なり、
    前記第１混合光は、前記第１可視光を含み、
    前記第２混合光は、前記第１可視光を含まないことを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
  7. 前記第１混合光及び前記第２混合光は、それぞれ緑色光を含むことを特徴とする請求項６に記載のイメージセンサ。
  8. 前記第１混合光は、赤色光、緑色光、及び青色光の混合光であり、
    前記第２混合光は、青色光と緑色光との混合光、又は赤色光と緑色光との混合光であることを特徴とする請求項６に記載のイメージセンサ。
  9. 前記第２可視光は、青色光であり、
    前記第２混合光は、青色光と緑色光との混合光であることを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
  10. 前記第２可視光は、赤色光であり、
    前記第２混合光は、赤色光と緑色光との混合光であることを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
  11. 前記第１光感知素子及び前記第２光感知素子は、厚さが異なることを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
  12. 前記第２光感知素子は、前記第１光感知素子より厚いことを特徴とする請求項１１に記載のイメージセンサ。
  13. 前記第１可視光は、赤色光又は青色光であることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  14. 前記第１可視光は、赤色光であり、
    前記第２可視光は、青色光であることを特徴とする請求項１３に記載のイメージセンサ。
  15. 前記第１可視光は、青色光であり、
    前記第２可視光は、赤色光であることを特徴とする請求項１３に記載のイメージセンサ。
  16. 前記第１混合光は、前記第１可視光を含む混合光であることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  17. 前記第１混合光は、赤色光、緑色光、及び青色光の混合光であることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  18. 前記第１混合光は、前記第１可視光を含まない混合光であることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  19. 前記光電素子は、
    互いに対向する一対の電極と、
    前記一対の電極の間に位置して前記第１可視光を選択的に吸収する吸光層と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  20. 請求項１乃至１９のいずれか一項に記載のイメージセンサを含むことを特徴とする電子装置。

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