JP7290418B2 - イメージセンサー - Google Patents

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Description

本発明は、イメージセンサーに関し、より詳しくはＣＭＯＳイメージセンサーに関する。
イメージセンサーは光学映像を電気信号に変換する。最近、コンピュータ産業及び通信産業の発達に応じてデジタルカメラ、カムコーダー、ＰＣＳ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）、ゲーム機器、警備用カメラ、医療用マイクロカメラ等の多様な分野で性能が向上されたイメージセンサーの需要が増大している。
イメージセンサーとしては電荷結合素子（ＣＣＤ：Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）及びＣＭＯＳイメージセンサーがある。この中で、ＣＭＯＳイメージセンサーは駆動方式が簡単であり、信号処理回路を単一チップに集積できるので、製品の小型化が可能である。また、ＣＭＯＳイメージセンサーは電力消費が非常に少ないので、バッテリー容量に制限がある製品に適用が容易である。また、ＣＭＯＳイメージセンサーの製造プロセスはＣＭＯＳプロセス技術と互換性があるため、製造単価を低減することができる。したがって、ＣＭＯＳイメージセンサーは技術開発に伴い高解像度が達成可能であるので、その使用が急激に増加している。
米国特許第７９９０４４５号明細書
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、向上した光学的特性を有するイメージセンサー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ーは、単位ピクセルと、前記単位ピクセル上のカラーフィルターアレイと、を備え、前記カラーフィルターアレイは、２×２アレイに配列された２つの第１カラーフィルター、第２カラーフィルター、及び第３カラーフィルターを含み、前記２つの第１カラーフィルターの各々は黄色カラーフィルターであり、前記第２カラーフィルターはシアン（Ｃｙａｎ）カラーフィルターであり、前記第３カラーフィルターは赤色又は緑色カラーフィルターであることを特徴とする。
上記目的を達成するためになされた本発明の他の態様によるイメージセンサーは、下記の数１に示す２×２アレイに配列された２つの黄色カラーフィルター、シアンカラーフィルター、及び赤色カラーフィルターを有するカラーフィルターアレイを含むことを特徴とする。
Figure 0007290418000001
 ここで、Ｙは２つの黄色カラーフィルターの１つを示し、Ｃはシアンカラーフィルターを示し、Ｒは赤色カラーフィルターを示す。
上記目的を達成するためになされた本発明のさらに他の態様によるイメージセンサーは、光電変換素子を含む半導体基板と、前記半導体基板上のカラーフィルターアレイを備え、前記カラーフィルターアレイは、下記の数２に示す２×２アレイに配列された２つの第１カラーフィルター、第２カラーフィルター、乃び第３カラーフィルターを含み、
Figure 0007290418000002
 前記２つの第１カラーフィルター及び第２カラーフィルターの各々は補色カラーフィルターであり、前記第３カラーフィルターは原色カラーフィルターであり得る。
本発明によれば、赤色、緑色、及び青色からなる原色カラーフィルターアレイに比べてピクセル当たりの感度がより優秀なイメージセンサーを提供することができる。また、シアン、マゼンタ、及び黄色からなる補色カラーフィルターアレイに比べて鮮明度がより優秀なイメージセンサーを提供することができる。
本発明の一実施形態によるイメージセンサーを示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサーのアクティブピクセルセンサーアレイの回路図である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサーのカラーフィルターアレイを示す平面図である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサーを示す図であり、図３のＩ－Ｉ’線に沿って切断した断面図である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサーを示す図であり、図３のＩＩ－ＩＩ’線に沿って切断した断面図である。 原色カラーフィルターアレイの光透過率のグラフを示す図である。 補色カラーフィルターアレイの光透過率のグラフを示す図である。 本発明の一実施形態によるカラーフィルターアレイの光透過率のグラフを示す図である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサーのカラーフィルターアレイを示す平面図である。 本発明の他の実施形態によるイメージセンサー示す断面図であり、図３のＩ－Ｉ’線に沿って切断した断面図である。 本発明の他の実施形態によるイメージセンサーの断面図であり、図３のＩＩ－ＩＩ’線に沿って切断した断面図である。 本発明のさらに他の実施形態によるイメージセンサーの断面図であり、図３のＩ－Ｉ’線に沿って切断した断面図である。 本発明のさらに他の実施形態によるイメージセンサーの断面図であり、図３のＩＩ－ＩＩ’線に沿って切断した断面図である。 本発明のその他の実施形態によるイメージセンサーの断面図であり、図３のＩ－Ｉ’線に沿って切断した断面図である。 本発明のその他の実施形態によるイメージセンサーの断面図であり、図３のＩＩ－ＩＩ’線に沿って切断した断面図である。
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。
図１は、本発明の一実施形態によるイメージセンサーを示すブロック図である。
図１を参照すると、イメージセンサーは、アクティブピクセルセンサーアレイ（Ａｃｔｉｖｅ Ｐｉｘｅｌ Ｓｅｎｓｏｒ ａｒｒａｙ）１、行デコーダー（ｒｏｗ ｄｅｃｏｄｅｒ）２、行ドライバー（ｒｏｗ ｄｒｉｖｅｒ）３、列デコーダー（ｃｏｌｕｍｎ ｄｅｃｏｄｅｒ）４、タイミング発生器（ｔｉｍｉｎｇ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）５、相関二重サンプラー（ＣＤＳ：Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｅｒ）６、アナログデジタルコンバーター（ＡＤＣ：Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）７、及び入出力バッファ（Ｉ／Ｏ ｂｕｆｆｅｒ）８を含む。
アクティブピクセルセンサーアレイ１は、２次元的に配列された複数の単位ピクセルを含み、光信号を電気信号に変換する。アクティブピクセルセンサーアレイ１は、行ドライバー３が生成及び／又は提供するピクセル選択信号、リセット信号、及び電荷伝送信号などの複数の駆動信号によって駆動される。また、変換された電気信号は相関二重サンプラー６に提供される。
行ドライバー３は、行デコーダー２でデコーディングされた結果に応じて、多数の単位ピクセルを駆動するための多数の駆動信号をアクティブピクセルセンサーアレイ１に提供する。単位ピクセルが行列形状に配列された場合、各行別に駆動信号が提供される。
タイミング発生器５は、行デコーダー２及び列デコーダー４にタイミング（ｔｉｍｉｎｇ）信号及び制御信号を提供する。
相関二重サンプラー（ＣＤＳ）６は、アクティブピクセルセンサーアレイ１で生成された電気信号を受信して保持（ｈｏｌｄ）及びサンプリングする。相関二重サンプラー６は、特定の雑音レベル（ｎｏｉｓｅ ｌｅｖｅｌ）と電気信号の信号レベルとを二重にサンプリングして、雑音レベルと信号レベルとの差に対応する差レベルを出力する。
アナログデジタルコンバーター（ＡＤＣ）７は、相関二重サンプラー６から出力された差レベルに対応するアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。
入出力バッファ８は、デジタル信号をラッチ（ｌａｔｃｈ）し、ラッチされたデジタル信号を列デコーダー４でのデコーディング結果に応じて順次に映像信号処理部（図示せず）に出力する。
図２は、本発明の一実施形態によるイメージセンサーのアクティブピクセルセンサーアレイの回路図である。
図１及び図２を参照すると、アクティブピクセルセンサーアレイ１は複数の単位ピクセルＰＸを含み、単位ピクセルＰＸはマトリックス状に配列される。各々の単位ピクセルＰＸは、伝送トランジスタＴＸとロジックトランジスタ（ＲＸ、ＳＸ、ＤＸ）とを含む。ロジックトランジスタは、リセットトランジスタＲＸ、選択トランジスタＳＸ、及びドライブトランジスタＤＸを含む。伝送トランジスタＴＸは伝送ゲートＴＧを含む。各々の単位ピクセルＰＸは、光電変換素子ＰＤ及びフローティング拡散領域ＦＤをさらに含む。
光電変換素子ＰＤは、外部から入射した光の量に比例して光電荷を生成及び蓄積する。光電変換素子ＰＤは、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトゲート、ピンフォトダイオード（ｐｉｎｎｅｄ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、及びこれらの組み合わせを含む。伝送トランジスタＴＸは、光電変換素子ＰＤで生成された電荷をフローティング拡散領域ＦＤに伝送する。フローティング拡散領域ＦＤは、光電変換素子ＰＤで生成された電荷を受信して蓄積する。フローティング拡散領域ＦＤに蓄積された光電荷の量に応じてドライブトランジスタＤＸが制御される。
リセットトランジスタＲＸは、フローティング拡散領域ＦＤに蓄積された電荷を周期的にリセットする。リセットトランジスタＲＸのドレーン電極はフローティング拡散領域ＦＤに連結され、ソース電極は電源電圧ＶＤＤに連結される。リセットトランジスタＲＸがターンオン（ｔｕｒｎ－ｏｎ）されると、リセットトランジスタＲＸのソース電極に連結された電源電圧ＶＤＤがフローティング拡散領域ＦＤに印加される。したがって、リセットトランジスタＲＸがターンオンされると、フローティング拡散領域ＦＤに蓄積された電荷が排出されてフローティング拡散領域ＦＤがリセットされる。
ドライブトランジスタＤＸは、ソースフォロワバッファ増幅器（ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ ｂｕｆｆｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の役割を果たす。ドライブトランジスタＤＸはフローティング拡散領域ＦＤの電位変化を増幅し、この増幅された電位変化を出力ライン（ＶＯＵＴ）に出力する。
選択トランジスタＳＸは、行単位に読み出される単位ピクセルＰＸを選択する。選択トランジスタＳＸがターンオンされると、電源電圧ＶＤＤがドライブトランジスタＤＸのドレーン電極に印加される。
図３は、本発明の一実施形態によるイメージセンサーのカラーフィルターアレイを示す平面図である。
図３を参照すると、アクティブピクセルセンサーアレイ１は、カラーフィルターユニットＦＵ（即ち、カラーフィルターのグループ）を含む。カラーフィルターユニットＦＵは、第１方向Ｄ１（即ち、列方向）及び第２方向Ｄ２（即ち、行方向）に２次元配列される。各々のカラーフィルターユニットＦＵは、２×２アレイ（ｔｗｏ ｂｙ ｔｗｏ ａｒｒａｙ）に配列されたカラーフィルター３０３を含む。また、各々のカラーフィルターユニットＦＵは、４つのカラーフィルター３０３で構成される。カラーフィルターユニットＦＵのカラーフィルター３０３は複数の単位ピクセルの各々に対応して配置される。
カラーフィルターユニットＦＵの各々は、第１カラーフィルター３０３ａ、第２カラーフィルター３０３ｂ、及び第３カラーフィルター３０３ｃを含む。第１カラーフィルター３０３ａ及び第２カラーフィルター３０３ｂは補色カラーフィルター（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｃｏｌｏｒ Ｆｉｌｔｅｒ）であり、第３カラーフィルター３０３ｃは原色カラーフィルター（Ｐｒｉｍａｒｙ Ｃｏｌｏｒ Ｆｉｌｔｅｒ）である。例えば、第１カラーフィルター３０３ａは黄色（Ｙｅｌｌｏｗ）カラーフィルターであり、第２カラーフィルター３０３ｂはシアン（Ｃｙａｎ）カラーフィルターであり、第３カラーフィルター３０３ｃは赤色（Ｒｅｄ）カラーフィルターである。また、各々のカラーフィルターユニットＦＵは、黄色（Ｙ）、シアン（Ｃ）、及び赤色（Ｒ）が下記の数１に示すように２×２アレイに配列される。
Figure 0007290418000003
第１カラーフィルター３０３ａは可視光の中で黄色光を通過させ、第１カラーフィルター３０３ａを有する単位ピクセルは黄色光に対応する光電荷を生成する。第２カラーフィルター３０３ｂは可視光の中でシアン光を通過させ、第２カラーフィルター３０３ｂを有する単位ピクセルはシアン光に対応する光電荷を生成する。第３カラーフィルター３０３ｃは可視光の中で赤色光を通過させ、第３カラーフィルター３０３ｃを有する単位ピクセルは赤色光に対応する光電荷を生成する。
１つのカラーフィルターユニットＦＵ内に２つの第１カラーフィルター３０３ａが提供される。一例として、第１～第３カラーフィルター（３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ）は、第１カラーフィルター３０３ａの数が、第２カラーフィルター３０３ｂの数又は第３カラーフィルター３０３ｃの数よりも２倍多いベイヤーパターン（ｂａｙｅｒ ｐａｔｔｅｒｎ）方式で配列される。
アクティブピクセルセンサーアレイ１内で、第１カラーフィルター３０３ａは第３方向Ｄ３に配列される。第３方向Ｄ３は第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２の両方と交差する方向である。また、第１カラーフィルター３０３ａは第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２のいずれにも隣接しない。アクティブピクセルセンサーアレイ１内で、第２及び第３カラーフィルター（３０３ｂ、３０３ｃ）は第３方向Ｄ３に沿って互いに交互に配列される。第２及び第３カラーフィルター（３０３ｂ、３０３ｃ）の各々は、隣接する第１カラーフィルター３０３ａの間に配置される。
図４Ａ及び図４Ｂは本発明の一実施形態によるイメージセンサーを示す図であり、各々図３のＩ－Ｉ’線及びＩＩ－ＩＩ’線に沿って切断した断面図である。
図３、図４Ａ、及び図４Ｂを参照すると、本発明の一実施形態によるイメージセンサーは、光電変換層１０、配線層２０、及び光透過層３０を含む。光電変換層１０は、配線層２０と光透過層３０との間に介在される。光電変換層１０は、半導体基板１００及び半導体基板１００内に提供された光電変換領域１１０を含む。外部から入射した光は光電変換領域１１０で電気信号に変換される。
半導体基板１００は、互いに対向する第１面１００ａ（又は前面）及び第２面１００ｂ（又は後面）を有する。配線層２０は半導体基板１００の第１面１００ａ上に配置され、光透過層３０は半導体基板１００の第２面１００ｂ上に配置される。
配線層２０は、伝送トランジスタＴＸ、ロジックトランジスタ（ＲＸ、ＳＸ、ＤＸ）、並びに第１及び第２配線（２１２、２１３）を含む。伝送トランジスタＴＸは光電変換領域１１０に電気的に連結される。第１及び第２配線（２１２、２１３）はビアＶＩを通じて伝送トランジスタＴＸ及びロジックトランジスタ（ＲＸ、ＳＸ、ＤＸ）と垂直に連結される。光電変換領域１１０で変換された電気信号は配線層２０で信号処理される。第１及び第２配線（２１２、２１３）は、半導体基板１００の第１面１００ａ上に積層された第１及び第２層間絶縁膜（２２２、２２３）内に各々配置される。本発明の一実施形態で、第１及び第２配線（２１２、２１３）の配列は光電変換領域１１０の配列に拘わらず、配置される。即ち、第１及び第２配線（２１２、２１３）は光電変換領域１１０の上部を横切ってもよい。
光透過層３０は、第１～第３カラーフィルター（３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ）、及びマイクロレンズ３０７を含む。光透過層３０は外部から入射される光を集光及びフィルターリングして、光を光電変換層１０に提供する。
半導体基板１００は、第１導電形（例えば、ｐ形）のバルク（ｂｕｌｋ）シリコン基板上に第１導電形のエピタキシャル層が形成された基板である。イメージセンサーの製造工程の中で、半導体基板１００からバルクシリコン基板が除去されて第１導電形のエピタキシャル層のみが残留する。他の例として、半導体基板１００は第１導電形のウェルを含むバルク半導体基板であってもよい。その他の例として、半導体基板１００は第２導電形（例えば、ｎ形）のエピタキシャル層、第２導電形のバルクシリコン基板、又はＳＯＩ基板等の多様な形態の基板を含む。
半導体基板１００は、第１素子分離膜１０１によって定義された複数の単位ピクセルＰＸを含む。単位ピクセルＰＸは、互いに交差する第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２に２次元的に配列される。また、単位ピクセルＰＸは、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２に沿ってマトリックス状に配列される。平面視で、第１素子分離膜１０１は単位ピクセルＰＸの各々を完全に囲む。第１素子分離膜１０１は、単位ピクセルＰＸの各々に入射した入射光によって生成された光電荷がランダムドリフト（ｒａｎｄｏｍ ｄｒｉｆｔ）によって隣接する単位ピクセルＰＸに入射することを防止する。即ち、第１素子分離膜１０１は、単位ピクセルＰＸ間のクロストーク現象を防止する。
第１素子分離膜１０１は、半導体基板１００（例えば、シリコン）よりも屈折率が低い絶縁物質を含む。第１素子分離膜１０１は１つ又は複数の絶縁膜を含む。例えば、第１素子分離膜１０１は、シリコン酸化膜、シリコン酸化窒化膜、又はシリコン窒化膜を含む。
断面で見ると、第１素子分離膜１０１は、半導体基板１００の第１面１００ａから第２面１００ｂに向かって延長される。第１素子分離膜１０１は半導体基板１００を貫通する。また、第１素子分離膜１０１の深さは半導体基板１００の垂直厚さと実質的に同一である。第１素子分離膜１０１の幅は半導体基板１００の第１面１００ａから第２面１００ｂに向かって、徐々に減少する。例えば、第１面１００ａに隣接する第１素子分離膜１０１は第１幅Ｗ１を有し、第２面１００ｂに隣接する第１素子分離膜１０１は第２幅Ｗ２を有し、第１幅Ｗ１は第２幅Ｗ２より大きい。
各々の光電変換領域１１０が各々の単位ピクセルＰＸ内に配置される。光電変換領域１１０は、半導体基板１００と反対導電形である第２導電形（例えば、ｎ形）の不純物でドーピングされた不純物領域である。一例として、光電変換領域１１０は半導体基板１００の第２面１００ｂに隣接し、第１面１００ａから垂直に離隔される。各々の光電変換領域１１０は、第１面１００ａに隣接する第１領域と第２面１００ｂに隣接する第２領域との間に不純物濃度の差を有する。したがって、各々の光電変換領域１１０は第１面１００ａと第２面１００ｂとの間でポテンシャル勾配を有する。
半導体基板１００と光電変換領域１１０とはフォトダイオードを構成する。各々の単位ピクセルＰＸ内で、第１導電形の半導体基板１００と第２導電形の光電変換領域１１０との間のｐ－ｎ接合（ｐ－ｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）によってフォトダイオードが構成される。フォトダイオードを構成する各々の光電変換領域１１０は、入射光の強さに比例して光電荷を生成及び蓄積する。
半導体基板１００の第１面１００ａに隣接して、活性パターンを定義する第２素子分離膜１０３が提供される。各々の単位ピクセルＰＸは活性パターンを含む。例えば、活性パターンは、フローティング拡散領域ＦＤ及び不純物領域ＤＲを含む。
第２素子分離膜１０３の幅は、半導体基板１００の第１面１００ａから第２面１００ｂに向かって、徐々に減少する。第２素子分離膜１０３の深さは、第１素子分離膜１０１の深さよりも小さい。第１素子分離膜１０１は第２素子分離膜１０３の一部と垂直方向に重畳される。第２素子分離膜１０３は、シリコン酸化膜、シリコン酸化窒化膜、又はシリコン窒化膜を含む。一例として、第１素子分離膜１０１と第２素子分離膜１０３とは互いに一体に連結される。
各々の単位ピクセルＰＸに伝送トランジスタ（図２のＴＸ）が提供される。伝送トランジスタは、伝送ゲートＴＧ及びフローティング拡散領域ＦＤを含む。伝送ゲートＴＧは、半導体基板１００内に挿入された下部部分と、下部部分に連結されて半導体基板１００の第１面１００ａ上に突出した上部部分とを含む。伝送ゲートＴＧと半導体基板１００との間にゲート誘電膜ＧＩが介在される。フローティング拡散領域ＦＤは半導体基板１００と反対導電形である第２導電形（例えば、ｎ形）を有する。
各々の単位ピクセルＰＸに、ドライブトランジスタ（図２のＤＸ）、選択トランジスタ（図２のＳＸ）、及びリセットトランジスタ（図２のＲＸ）が提供される。ドライブトランジスタはドライブゲートを含み、選択トランジスタは選択ゲートを含み、リセットトランジスタはリセットゲートを含む。各々のドライブゲート、選択ゲート、及びリセットゲートの両側の活性パターンの上部に不純物領域ＤＲが提供される。例えば、不純物領域ＤＲは、半導体基板１００と反対導電形である第２導電形（例えば、ｎ形）を有する。
半導体基板１００の第２面１００ｂ上に第１～第３カラーフィルター（３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ）、及びマイクロレンズ３０７が配置される。各々の第１～第３カラーフィルター（３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ）が各々の単位ピクセルＰＸ上に配置される。各々のマイクロレンズ３０７が各々の第１～第３カラーフィルター（３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ）上に配置される。半導体基板１００の第２面１００ｂと第１～第３カラーフィルター（３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ）との間に第１平坦化膜３０１が配置され、第１～第３カラーフィルター（３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ）とマイクロレンズ３０７との間に第２平坦化膜３０５が配置される。
第１カラーフィルター３０３ａ及び第２カラーフィルター３０３ｂは補色カラーフィルターであり、第３カラーフィルター３０３ｃは原色カラーフィルターである。例えば、第１カラーフィルター３０３ａは黄色（Ｙｅｌｌｏｗ）カラーフィルターであり、第２カラーフィルター３０３ｂはシアン（Ｃｙａｎ）カラーフィルターであり、第３カラーフィルター３０３ｃは赤色（Ｒｅｄ）カラーフィルターである。
マイクロレンズ３０７は、単位ピクセルＰＸに入射される光を集光するように凸形状を有する。各々のマイクロレンズ３０７は各々の光電変換領域１１０と垂直に重畳される。
図５Ａは、原色カラーフィルターアレイの光透過率のグラフを示す図である。図５Ａを参照すると、原色カラーフィルターアレイは、赤色（Ｒｅｄ）カラーフィルター（ＲＣＦ）、緑色（Ｇｒｅｅｎ）カラーフィルター（ＧＣＦ）、及び青色（Ｂｌｕｅ）カラーフィルター（ＢＣＦ）を含む。青色カラーフィルター（ＢＣＦ）は約４５０ｎｍの波長を有する青色光を通過させる。緑色カラーフィルター（ＧＣＦ）は約５３０ｎｍの波長を有する緑色光を通過させる。赤色カラーフィルター（ＲＣＦ）は約６００ｎｍの波長を有する赤色光を通過させる。原色カラーフィルターアレイは、赤色、緑色、及び青色からなる３原色をそのまま通過させるので、相対的に優れた鮮明度（ｓｈａｒｐｎｅｓｓ）を達成することができる。しかし、ピクセル当たりの感度は相対的に低い。
図５Ｂは、補色カラーフィルターアレイの光透過率のグラフを示す図である。図５Ｂを参照すると、補色カラーフィルターアレイは、シアンカラーフィルター（ＣＣＦ）、マゼンタ（Ｍａｇｅｎｔａ）カラーフィルター（ＭＣＦ）、及び黄色カラーフィルター（ＹＣＦ）を含む。シアン、マゼンタ、及び黄色は、各々に対応する３原色である赤色、緑色、及び青色と補色関係にある。シアンカラーフィルター（ＣＣＦ）は、約４００ｎｍ～約５５０ｎｍの波長を有するシアン光を通過させる。黄色カラーフィルター（ＹＣＦ）は、約５００ｎｍ～約６５０ｎｍの波長を有する黄色光を通過させる。マゼンタカラーフィルター（ＭＣＦ）は、約４５０ｎｍ～約６００ｎｍの波長を有するマゼンタ光を通過させる。マゼンタカラーフィルター（ＭＣＦ）は、約５３０ｎｍの波長を有する緑色光を通過させない。
図５Ａの原色カラーフィルターアレイと比較して、図５Ｂの補色カラーフィルターアレイは透過させる光の波長範囲がより広い。したがって、補色カラーフィルターアレイは、原色カラーフィルターアレイに比べてピクセル当たり感度がより優秀である。しかし、補色カラーフィルターアレイは原色カラーフィルターアレイに比べて鮮明度がより低い。
図６は、本発明の一実施形態によるカラーフィルターアレイの光透過率のグラフを示す図である。図６を参照すると、本発明の一実施形態によるカラーフィルターアレイは、２つの補色カラーフィルター（例えば、シアン及び黄色）及び１つの原色カラーフィルター（例えば、赤色）を含む。本発明の一実施形態によるカラーフィルターアレイは図５Ａの原色カラーフィルターアレイに比べて透過させる光の波長範囲がより広い。したがって、本発明の一実施形態によるカラーフィルターアレイは、原色カラーフィルターアレイに比べてピクセル当たり感度がより優秀である。本発明の一実施形態によるカラーフィルターアレイは、図５Ｂの補色カラーフィルターアレイに比べて赤色光を正確に通過させる。したがって、本発明の一実施形態によるカラーフィルターアレイは補色カラーフィルターアレイに比べて鮮明度がより優秀である。
図７は、本発明の一実施形態によるイメージセンサーのカラーフィルターアレイを示す平面図である。本実施形態では、先に図３を参照して説明したことと重複する技術的特徴の詳細な説明は省略し、差異点について詳細に説明する。図７を参照すると、カラーフィルターユニットＦＵの各々は、第１カラーフィルター３０３ａ、第２カラーフィルター３０３ｂ、及び第３カラーフィルター３０３ｃを含む。第３カラーフィルター３０３ｃは緑色カラーフィルターである。
図８Ａ、図８Ｂ、図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａ、及び図１０Ｂは、本発明の多様な実施形態によるイメージセンサーを示す断面図である。図８Ａ、図９Ａ、及び図１０Ａは、図３のＩ－Ｉ’線に沿って切断した断面図であり、図８Ｂ、図９Ｂ、及び図１０Ｂは、図３のＩＩ－ＩＩ’線に沿って切断した断面図である。本実施形態では、先に図３、図４Ａ、及び図４Ｂを参照して説明したことと重複する技術的特徴の詳細な説明は省略し、差異点について詳細に説明する。
図３、図８Ａ、及び図８Ｂを参照すると、第１素子分離膜１０１の幅は第１面１００ａから第２面１００ｂに向かって、徐々に増加する。第１面１００ａに隣接する第１素子分離膜１０１は第１幅Ｗ１を有し、第２面１００ｂに隣接する第１素子分離膜１０１は第２幅Ｗ２を有し、第２幅Ｗ２は第１幅Ｗ１よりも大きい。
図３、図９Ａ、及び図９Ｂを参照すると、第１素子分離膜１０１の幅は深さに関係なく、一定に維持される。第１面１００ａに隣接する第１素子分離膜１０１は第１幅Ｗ１を有し、第２面１００ｂに隣接する第１素子分離膜１０１は第２幅Ｗ２を有し、第１幅Ｗ１と第２幅Ｗ２とは実質的に同一である。
図３、図１０Ａ、及び図１０Ｂを参照すると、光電変換層１０は、半導体基板１００及び半導体基板１００内に提供された第１及び第２光電変換領域（１１０ａ、１１０ｂ）を含む。外部から入射された光は第１及び第２光電変換領域（１１０ａ、１１０ｂ）で電気信号に変換される。一対の第１光電変換領域１１０ａ及び第２光電変換領域１１０ｂが各々の単位ピクセルＰＸ内に提供される。各々の第１及び第２光電変換領域（１１０ａ、１１０ｂ）は、半導体基板１００と反対導電形である第２導電形（例えば、ｎ形）の不純物でドーピングされた不純物領域である。
各々の第１及び第２光電変換領域（１１０ａ、１１０ｂ）は、第１面１００ａに隣接する第１領域と第２面１００ｂに隣接する第２領域との間に不純物濃度の差を有する。したがって、各々の第１及び第２光電変換領域（１１０ａ、１１０ｂ）は半導体基板１００の第１面１００ａと第２面１００ｂとの間でポテンシャル勾配を有する。
半導体基板１００と第１及び第２光電変換領域（１１０ａ、１１０ｂ）とは一対のフォトダイオードを構成する。各々の単位ピクセルＰＸ内で、第１導電形の半導体基板１００と第２導電形の第１及び第２光電変換領域（１１０ａ、１１０ｂ）との間のｐ－ｎ接合によって一対のフォトダイオードが構成される。
単位ピクセルＰＸの各々で、第１光電変換領域１１０ａから出力される電気信号と第２光電変換領域１１０ｂから出力される電気信号は位相差を有する。本実施形態によるイメージセンサーは、一対の第１及び第２光電変換領域（１１０ａ、１１０ｂ）から出力された電気信号の位相差を比較して、撮影装置の焦点を補正する。
各々の単位ピクセルＰＸ内で、第３素子分離膜１０５が第１及び第２光電変換領域（１１０ａ、１１０ｂ）の間に配置される。平面視で、第３素子分離膜１０５は、１つの単位ピクセルＰＸを横切って、第１方向Ｄ１に延長される第１部分Ｐ１及び第２方向Ｄ２に延長される第２部分Ｐ２を含む。また、平面視で、第３素子分離膜１０５は、十字形状（ｃｒｏｓｓ ｓｈａｐｅ）を有する。第３素子分離膜１０５の第１部分Ｐ１は、第１光電変換領域１１０ａと第２光電変換領域１１０ｂとの間に配置される。第３素子分離膜１０５の第２部分Ｐ２は、第１及び第２光電変換領域（１１０ａ、１１０ｂ）を横切る。第３素子分離膜１０５は、半導体基板１００の第２面１００ｂから第１面１００ａに向かって延長される。第３素子分離膜１０５は、半導体基板１００の第１面１００ａから垂直に離隔される。
第１素子分離膜１０１と第３素子分離膜１０５とは同時に形成される。したがって、第３素子分離膜１０５は第１素子分離膜１０１と同一の絶縁物質を含む。第３素子分離膜１０５は第１素子分離膜１０１と一体に連結される。
第３素子分離膜１０５は、各々の単位ピクセルＰＸで第１光電変換領域１１０ａと第２光電変換領域１１０ｂとの間のクロストークを防止する。これにより、各々の単位ピクセルＰＸで電気信号の位相差をより正確に検出することができる。したがって、本実施形態によるイメージセンサーは、オートフォーカス（ａｕｔｏ－ｆｏｃｕｓｉｎｇ）機能が向上する。
以上、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明したが、本発明はその技術思想や必須の特徴を変更することなく、他の具体的な形態で実施され得る。したがって、以上で記載した実施形態はすべての面で例示的なものであって、本発明を限定するものではない。
１ アクティブピクセルセンサーアレイ
２ 行デコーダー
３ 行ドライバー
４ 列デコーダー
５ タイミング発生器
６ 相関二重サンプラー（ＣＤＳ）
７ アナログデジタルコンバーター（ＡＤＣ）
８ 入出力バッファ
１０ 光電変換層
２０ 配線層
３０ 光透過層
１００ 半導体基板
１００ａ 第１面
１００ｂ 第２面
１０１、１０３、１０５ （第１、第２、第３）素子分離膜
１１０ 光電変換領域
１１０ａ 第１光電変換領域
１１０ｂ 第２光電変換領域
２１２ 第１配線
２１３ 第２配線
２２１ 層間絶縁膜
２２２ 第１層間絶縁膜
２２３ 第２層間絶縁膜
３０１ 第１平坦化膜
３０３ カラーフィルター
３０３ａ 第１カラーフィルター
３０３ｂ 第２カラーフィルター
３０３ｃ 第３カラーフィルター
３０５ 第２平坦化膜
３０７ マイクロレンズ
ＤＲ 不純物領域
ＤＸ ドライブトランジスタ
ＦＤ フローティング拡散領域
ＦＵ カラーフィルターユニット
ＧＩ ゲート誘電膜
ＰＸ 単位ピクセル
ＲＸ リセットトランジスタ
ＳＸ 選択トランジスタ
ＴＧ 伝送ゲート
ＴＸ 伝送トランジスタ
ＶＩ ビア
Ｗ１ 第１幅
Ｗ２ 第２幅

Claims (20)

  1. 単位ピクセルと、
    前記単位ピクセル上のカラーフィルターアレイと、を備え、
    前記カラーフィルターアレイは、２×２アレイに配列された２つの第１カラーフィルター、第２カラーフィルター、及び第３カラーフィルターを含み、
    前記２つの第１カラーフィルターの各々は黄色カラーフィルターであり、
    前記第２カラーフィルターはシアン（Ｃｙａｎ）カラーフィルターであり、
    前記第３カラーフィルターは赤色カラーフィルターであることを特徴とするイメージセンサー。
  2. 前記２つの第１カラーフィルターの中の１つは、前記第２カラーフィルターと第１方向に隣接し、
    前記２つの第１カラーフィルターの中の他の１つは、前記第２カラーフィルターと第２方向に隣接し、
    前記２つの第１カラーフィルターは、前記第１方向及び前記第２方向の両方と交差する第３方向に互いに隣接することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
  3. 前記カラーフィルターアレイは、複数で提供され、
    前記第１乃至第３カラーフィルターは、ベイヤーパターン方式で配列されることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
  4. 第１面及び前記第１面に対向する第２面を有する半導体基板をさらに含み、
    前記単位ピクセルの各々は、前記半導体基板内の光電変換領域を含み、
    前記カラーフィルターアレイは、前記半導体基板の前記第１面上に配置されることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
  5. 前記半導体基板は、第１導電形を有し、
    前記単位ピクセルの各々の前記光電変換領域は、前記第１導電形とは異なる第２導電形を有することを特徴とする請求項４に記載のイメージセンサー。
  6. 前記単位ピクセルの各々は、前記半導体基板の前記第２面に提供されたトランジスタをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のイメージセンサー。
  7. 前記半導体基板内に、前記単位ピクセルを定義する素子分離膜をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のイメージセンサー。
  8. 前記第１面に隣接する前記素子分離膜の第１幅は、前記第２面に隣接する前記素子分離膜の第２幅とは異なることを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサー。
  9. 下記の数１に示す２×２アレイに配列された２つの黄色カラーフィルター、シアンカラーフィルター、及び赤色カラーフィルターを有するカラーフィルターアレイを含むことを特徴とするイメージセンサー。
    Figure 0007290418000004
     ここで、Ｙは黄色カラーフィルターを示し、Ｃはシアンカラーフィルターを示し、Ｒは赤色カラーフィルターを示す。
  10. 前記カラーフィルターアレイは、複数が提供されて、２次元的に配列されることを特徴とする請求項９に記載のイメージセンサー。
  11. 前記カラーフィルターアレイは、複数が提供されて、
    前記黄色カラーフィルター、シアンカラーフィルター、及び赤色カラーフィルターは、ベイヤーパターン（ｂａｙｅｒ ｐａｔｔｅｒｎ）方式に配列されることを特徴とする請求項９に記載のイメージセンサー。
  12. 前記カラーフィルターアレイに対応して２×２アレイに配列された単位ピクセルをさらに含み、
    前記単位ピクセルの各々は、
    光電変換素子と、
    前記光電変換素子で生成された電荷を伝送する伝送トランジスタと、
    前記電荷を受信するフローティング拡散領域と、を含むことを特徴とする請求項９に記載のイメージセンサー。
  13. 前記光電変換素子は、半導体基板内の光電変換領域を含み、
    前記半導体基板は、第１導電形を有し、
    前記光電変換領域は、前記第１導電形と異なる第２導電形を有することを特徴とする請求項１２に記載のイメージセンサー。
  14. 光電変換素子を含む半導体基板と、
    前記半導体基板上のカラーフィルターアレイと、を備え、
    前記カラーフィルターアレイは、下記の数２に示す２×２アレイに配列された２つの第１カラーフィルター、第２カラーフィルター、及び第３カラーフィルターを含み、
    Figure 0007290418000005
     前記２つの第１カラーフィルター及び第２カラーフィルターの各々は、補色カラーフィルターであり、
    前記第３カラーフィルターは、赤色カラーフィルターであることを特徴とするイメージセンサー。
  15. 前記第２カラーフィルターの色相と前記第３カラーフィルターの色相とは互いに補色関係であることを特徴とする請求項１４に記載のイメージセンサー。
  16. 前記２つの第１カラーフィルターの各々は、黄色カラーフィルターであり、
    前記第２カラーフィルターは、シアンカラーフィルターであることを特徴とする請求項１４に記載のイメージセンサー。
  17. 前記カラーフィルターアレイは、複数に提供され、
    前記第１乃至第３カラーフィルターは、ベイヤーパターン方式に配列されることを特徴とする請求項１４に記載のイメージセンサー。
  18. 各々の前記第１乃至第３カラーフィルターは、各々の前記光電変換素子上に提供されることを特徴とする請求項１４に記載のイメージセンサー。
  19. 各々の前記第１乃至第３カラーフィルターは、一対の前記光電変換素子上に提供されることを特徴とする請求項１４に記載のイメージセンサー。
  20. 前記光電変換素子の各々は、前記半導体基板内の光電変換領域を含み、
    前記半導体基板は、第１導電形を有し、
    前記光電変換領域は、前記第１導電形と異なる第２導電形を有することを特徴とする請求項１４に記載のイメージセンサー。
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