KR101389790B1 - 이미지 센서 및 그 구동 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센서 및 그 구동 방법에 관한 것으로, 제 1 파장의 광 이외의 복수의 광을 수광하여 전하를 생성하는 제 1 광전 변환부와, 제 1 파장의 광을 수광하여 전하를 생성하는 제 2 광전 변환부를 포함하고, 제 1 광전 변환부와 제 2 광전 변환부의 적어도 일부는 수직 방향으로 이격되어 마련되는 이미지 센서 및 그 구동 방법이 제시된다.
Description
본 발명은 이미지 센서 및 그 구동 방법에 관한 것으로, 특히 상보성 금속 산화물 반도체(Complementary Metal Oxide Silicon : 이하, CMOS) 이미지 센서 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
CMOS 이미지 센서는 입사광을 전기 신호로 변환하는 광전 변환(photoelectric conversion) 소자를 포함하는 복수의 화소와 각 화소로부터의 전기 신호를 판독하는 MOS 트랜지스터를 포함한다. 이러한 CMOS 이미지 센서는 저전압 및 저소비 전력의 장점을 가지고 있고, 그에 따라 휴대 전화기용 카메라, 디지털 스틸 카메라 및 디지털 비디오 카메라 등으로 사용 범위가 넓어지고 있다.
CMOS 이미지 센서는 기판 내에 광전 변환 소자로서 포토 다이오드가 형성되고, 그 상부에 복수의 배선층이 형성된 절연층이 형성되며, 절연층 상부에 컬러 필터 및 마이크로 렌즈가 형성된다. 이때, 컬러 필터는 적색, 녹색 및 청색 컬러 필터가 화소마다 형성되며, 각각의 포토 다이오드에 수직하게 대응되도록 형성된다. 그에 따라 예를 들어 적색 컬러 필터는 적색 광을 투과하고, 그 하측의 포토 다이오드는 광량에 따른 전하를 생성하여 저장한다. 또한, 포토 다이오드에서 생성된 전하들은 전기 신호가 저장되는 전달 트랜지스터를 통하여 부유 확산(Floating Diffusion) 영역으로 흐르게 된다.
그런데, 이미지 센서가 소형화되고 그에 비해 화소가 많아짐에 따라 화소의 사이즈가 축소되고 있다. 화소의 사이즈가 축소됨에 따라 배선층 사이의 간격 또한 줄어들게 된다. 배선층 사이의 간격이 줄어들게 되면 컬러 필터로부터 포토 다이오드로 공급되는 광이 배선층에 충돌하여 유기되는 크로스토크(crosstalk) 현상이 발생된다. 크로스토크 현상이 발생되면 포토 다이오드로 공급되는 광의 양이 줄어들게 되고, 그에 따라 포토 다이오드에서 생성하는 전하의 양도 줄어들게 된다. 따라서, 이미지 센서의 감도가 저하되고 색선명도 특성이 열화되는 문제가 발생된다.
본 발명은 화소 사이즈를 축소하여도 크로스토크가 발생되지 않고, 그에 따라 감도 및 색선명도의 저하를 방지할 수 있는 이미지 센서 및 그 구동 방법을 제공한다.
본 발명은 동일 면적에서 화소 수를 증가시킬 수 있는 이미지 센서 및 그 구동 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 이미지 센서는 제 1 파장의 광 이외의 복수의 광을 수광하여 전하를 생성하는 제 1 광전 변환부; 및 상기 제 1 파장의 광을 수광하여 전하를 생성하는 제 2 광전 변환부를 포함하고, 상기 제 1 광전 변환부와 상기 제 2 광전 변환부의 적어도 일부는 수직 방향으로 이격되어 마련된다.
상기 제 1 광전 변환부는 기판 내의 소정 영역에 마련된다.
상기 제 1 광전 변환부와 이격되어 상기 기판 상에 마련된 복수의 제 1 독출 소자를 더 포함한다.
상기 제 1 광전 변환부 상에 형성된 광투과부; 상기 복수의 제 1 독출 소자 상에 형성된 절연층; 및 상기 광투과부 및 절연층 상에 형성된 컬러 필터를 포함한다.
상기 컬러 필터는 서로 다른 파장의 광을 수광하는 적어도 두 컬러 필터가 교대로 배치된다.
상기 제 2 광전 변환부는 상기 제 1 광전 변환부 및 상기 복수의 제 1 독출 소자와 소정 간격 이격되어 상기 기판 내에 마련된 전하 저장부; 상기 전하 저장부와 수직 방향으로 이격되어 상기 기판 상에 형성된 유기 수광부; 및 상기 전하 저장부와 유기 수광부 사이에 형성되어 이들을 연결하는 콘택을 포함한다.
상기 전하 저장부와 소정 간격 이격되어 상기 기판 상에 마련된 복수의 제 2 독출 소자를 더 포함한다.
상기 전하 저장부 및 상기 제 2 독출 소자가 마련된 상기 기판과 상기 유기 수광부 사이에 상기 절연층 및 상기 컬러 필터가 마련되고 상기 절연층 및 컬러 필터의 소정 영역에 상기 콘택이 형성된다.
상기 유기 수광부는 제 1 투명 전극, 유기물층 및 제 2 투명 전극이 적층 형성된다.
상기 유기 수광부는 상기 제 1 파장의 광을 수광하여 전하를 생성하고, 상기 전하 저장부는 상기 콘택을 통해 상기 전하를 저장한다.
본 발명의 다른 양태에 따른 이미지 센서는 제 1 파장의 광 이외의 광을 투과하여 전하를 생성하는 제 1 광전 변환부와 상기 전하를 독출하는 독출부가 각각 마련된 복수의 화소; 상기 제 1 파장의 광을 흡수하여 전하를 생성하는 제 2 광전 변환부를 포함하고, 상기 제 2 광전 변환부는 상기 적어도 두 화소 사이에 마련된 전하 저장부와, 상기 전하 저장부와 연결되며 상기 복수의 화소를 포함한 전체 상부에 마련된 유기 수광부를 포함한다.
상기 화소는, 상기 제 1 광전 변환부 및 이와 이격되어 복수의 제 1 독출 소자가 형성된 기판; 상기 제 1 광전 변환부 상에 형성된 광투과부; 상기 제 1 독출 소자 상에 형성되며 상기 광투과부 사이에 형성된 절연층; 및 상기 광투과부 및 절연층 상에 형성된 컬러 필터를 포함한다.
상기 제 2 광전 변환부는, 상기 제 1 광전 변환부와 이격되어 상기 기판 내에 형성된 전하 저장부; 상기 전하 저장부와 이격되어 상기 기판 상에 형성된 복수의 제 2 독출 소자; 상기 기판 상에 적층된 상기 절연층 및 컬러 필터 내에 형성되며 상기 전하 저장부와 연결되는 콘택; 및 상기 컬러 필터 상에 형성되어 상기 콘택과 연결되는 유기 수광부를 포함한다.
상기 유기 수광부는 상기 컬러 필터 상에 적층 형성된 제 1 투명 전극, 유기물층 및 제 2 투명 전극을 포함한다.
상기 제 1 투명 전극에 상기 제 2 투명 전극보다 고전위의 전압이 인가되어 상기 유기물층에서 생성된 엑시톤을 전자와 홀로 분리한다.
본 발명의 또다른 양태에 따른 이미지 센서의 구동 방법은 제 2 광전 변환부의 제 1 투명 전극에 제 1 전위의 전압을 인가하고 제 2 투명 전극에 상기 제 1 전위보다 낮은 제 2 전위의 전압을 인가하는 단계; 상기 제 1 투명 전극을 플로팅시켜 상기 제 1 투명 전극이 상기 제 1 전위를 유지하도록 하는 단계; 제 1 파장의 광을 흡수하여 전하를 생성하고, 이를 전하 저장부에 저장하는 단계; 상기 전하 저장부에 저장된 전하를 전하 검출부에 전달하는 단계; 및 상기 전하 검출부의 전위를 센싱하여 출력하는 단계를 포함한다.
상기 전하 저장부에 저장된 전하를 상기 전하 검출부에 전달하기 이전에 상기 전하 검출부를 리셋하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서는 컬러 필터를 통해 투과된 제 1 파장의 광 이외의 복수의 광에 따른 전하를 생성하는 제 1 광전 변환부와 제 1 파장의 광을 흡수하여 전하를 생성하는 제 2 광전 변환부가 수직 방향으로 이격되어 형성된다.
따라서, 모든 색의 광을 투과하여 전하를 생성하는 광전 변환부가 기판 내에 모두 형성되는 종래에 비해 동일 면적에서 화소의 수를 증가시킬 수 있고, 그에 따라 집적도를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 종래에는 녹색, 적색 및 청색을 구현하기 위해 단위 면적에 녹색 둘, 적색 하나 및 청색 하나의 화소가 필요하지만, 본 발명은 이들을 구현하기 위해 두 개의 화소가 필요하고, 그에 따라 약 100% 정도의 면적 마진을 증가시킬 수 있다.
또한, 종래에는 집적도를 증가시키기 위해 화소의 사이즈를 축소시키고 그에 따라 배선층 사이의 간격도 좁아지게 되어 크로스토크가 발생지만, 본 발명은 종래에 비해 약 100% 정도의 면적 마진을 가지므로 배선층 사이의 간격을 확보할 수 있어 크로스토크가 발생되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 개략도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 등가 회로도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 등가 회로도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 층 및 각 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 표현하였으며 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하도록 하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 하측 및 상측의 개략도이고, 도 2는 도 1의 A-A 라인 따라 절취한 단면도이며, 도 3은 도 1의 B-B 라인을 따라 절취한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는 제 1 광전 변환부(100A)와 독출부(100B)를 포함하는 복수의 화소(100)와, 일부가 적어도 두 화소(100) 사이에 마련되고 나머지가 복수의 화소(100) 상에 마련된 제 2 광전 변환부(200)를 포함한다. 제 1 광전 변환부(100A)는 제 1 파장의 광 이외의 복수의 파장의 광을 투과하여 그 광량에 따른 전하를 생성하여 저장한다. 예를 들어, 제 1 광전 변환부(100A)은 녹색 광을 제외한 적색, 청색 등의 광을 컬러 필터(R, B)를 통해 투과하고 전하를 생성한다. 독출부(100B)는 제 1 광전 변환부(100A)에서 생성된 전하를 독출하기 위한 플로팅 확산 영역(Floating Diffusion Region)과 복수의 제 1 독출 소자를 포함할 수 있다. 복수의 제 1 독출 소자는 전하 전송 소자, 선택 소자, 증폭 소자 및 리셋 소자를 포함할 수 있다. 또한, 제 2 광전 변환부(200)는 제 1 파장의 광을 흡수하여 그 광량에 따른 전하를 생성하여 저장한다. 예를 들어, 제 2 광전 변환부(200)는 녹색 광을 흡수하여 그 광량에 따른 전하를 생성하고 저장한다. 이러한 제 2 광전 변환부(200)는 제 1 파장의 광을 흡수하고 그 광량에 따른 전하를 생성하는 유기 수광부(200B)와, 유기 수광부(200B)로부터 생성된 전하를 저장하는 전하 저장부(200A)와, 전하 저장부(200A)에 저장된 전하를 독출하기 위한 플로팅 확산 영역과 복수의 제 2 독출 소자(미도시)를 포함할 수 있다. 여기서, 제 2 광전 변환부(200)는 하측 및 상측에 분리되어 마련되는데, 일부가 적어도 두 화소(100) 사이에 마련되고, 나머지가 복수의 화소(100)를 포함한 전체 상에 마련된다. 예를 들어, 전하 저장부(200A), 플로팅 확산 영역 및 제 2 독출 소자는 하측의 적어도 두 화소(100)에 마련되고, 유기 수광부(200B)는 상측의 컬러 필터(R, B) 상에 마련될 수 있다. 이때, 전하 저장부(200A), 플로팅 확산 영역 및 복수의 제 2 독출 소자는 화소(100)의 독출부(100B)의 일부에 형성되므로 제 1 광전 변환부(100A)의 면적을 감소시키지 않는다.
이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 구조를 도 2 및 도 3을 이용하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는 기판(110)과, 기판(110)의 소정 영역에 형성되어 복수의 영역을 구획하는 소자 분리 영역(120)과, 기판(100) 내의 소정 영역에 형성된 복수의 제 1 광전 변환부(130)와, 기판(100) 내의 소정 영역에 형성된 전하 저장부(140)와, 기판(110) 상의 소정 영역에 형성된 독출 소자(150a, 150b)와, 기판(110) 상에 형성되며 복수의 배선(M1, M2, M3)이 형성된 절연층(160)과, 절연층(160) 사이에 마련된 광투과부(170)와, 절연층(160) 및 광투과부(170) 상에 형성된 컬러 필터(180)와, 기판(110)으로부터 컬러 필터(180) 상에 형성된 유기 수광부(190)을 포함한다.
기판(110)은 제 1 도전형, 예를 들어 p형 기판을 이용할 수 있다. 또한, 도시하지는 않았으나, 기판(110) 상에 에피택셜층(epitaxial layer)이 형성되거나, 기판(110) 내에 복수의 웰(well)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 하부 실리콘 기판과, 하부 실리콘 기판 상에 형성된 매립 절연층과, 매립 절연층 상에 형성된 실리콘 반도체층을 포함하는 SOI(Silicon On Insulator) 기판이 사용될 수 있다.
기판(110) 내의 소정 영역에는 소자 분리 영역(120)이 형성되고, 소자 분리 영역(120)에 의해 액티브 영역이 정의된다. 소자 분리 영역(120)은 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 방법 또는 STI(Shallow Trench Isolation) 방법으로 형성될 수 있으며, 기판(110) 내의 소정 깊이로 형성될 수 있다. 이러한 소자 분리 영역(120)에 의해 도 1에 도시된 바와 같이 복수의 화소(100)가 확정될 수 있다. 또한, 소자 분리 영역(120)은 화소(100) 내에 제 1 광전 변환 영역(100A)와 독출 영역(100B)를 확정할 수도 있다. 즉, 복수의 화소(100) 각각은 제 1 광전 변환 영역(100A)과 독출 영역(100B)을 포함할 수 있다. 또한, 소자 분리 영역(120)은 적어도 두 화소(100) 사이의 영역에 마련되도록 하측의 제 2 광전 변환 영역(200A)을 확정할 수도 있다.
복수의 제 1 광전 변환부(130)는 기판(110) 내의 소정 영역에 형성된다. 즉, 복수의 제 1 광전 변환부(130)는 화소(100)의 제 1 광전 변환 영역(100A)의 적어도 일부에 형성되는데, 광의 투과량을 증가시키기 위해 제 1 광전 변환 영역(100A)의 전체 영역에 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 제 1 광전 변환부(130)는 컬러 필터(180)을 투과한 색의 광의 광량에 대응하는 전하를 생성 및 저장한다.이때, 후술하겠지만, 컬러 필터(180)는 제 1 광, 예를 들어 녹색 광을 제외한 복수의 광, 예를 들어 적색, 청색 등의 광을 투과한다. 따라서, 제 1 광전 변환부(130)는 적색, 청색 등의 광을 흡수하여 그 광량에 따른 전하를 생성하여 저장한다. 제 1 광전 변환부(130)는 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 포토 다이오드, 핀형(pinned) 포토 다이오드 또는 이들의 조합이 적용될 수 있다. 본 발명의 실시 예로 제 1 광전 변환부(130)는 포토 다이오드를 이용할 수 있고, 포토 다이오드는 기판(110) 내에 형성된 n+ 영역(132)과, n+ 영역(132) 내에 형성된 p+ 영역(134)을 포함할 수 있다. 즉, 제 1 광전 변환부(130)로서의 포토 다이오드는 pnp 접합 구조로 형성될 수 있다.
전하 저장부(140)는 제 1 광전 변환부(130)와 소정 간격 이격되어 기판(110) 내의 소정 영역에 형성된다. 전하 저장부(140)는 유기 수광부(190)와 전기적으로 연결되어 유기 수광부(190)에서 생성된 전하를 저장한다. 여기서, 전하 저장부(140)는 기판(110) 내에 n+ 영역으로 형성될 수 있다. 즉, 전하 저장부(140)는 제 1 광전 변환부(130)와는 다른 구조로 형성될 수 있다. 이는 제 1 광전 변환부(130)가 광을 흡수하여 전하를 생성 및 저장하는데 비해, 전하 저장부(140)는 제 2 광전 변환부(190)로부터 생성된 광을 저장하기 때문이다.
독출 소자(150a, 150b)는 기판(110) 상의 소정 영역에 형성된다. 즉, 독출 소자(150a)는 화소(100)의 독출 영역(100B)에 형성되고, 독출 소자(150b)은 제 2 광전 변환 영역(200)에 형성된다. 이러한 독출 소자(150a, 150b)는 전하 전송 소자, 선택 소자, 드라이브 소자 및 리셋 소자를 포함할 수 있다. 또한, 독출 소자(150a, 150b)는 트랜지스터 구조로 형성될 수 있다. 즉, 기판(110) 상의 소정 영역에 형성된 게이트 전극과, 게이트 전극 일측의 기판(110) 내에 형성된 접합 영역을 포함할 수 있다. 이때, 도 2 및 도 3에는 독출 소자(150a, 150b)로서 전하 전송 트랜지스터가 도시되었으며, 전하 전송 트랜지스터는 게이트 전극 일측에 제 1 광전 변환부(130)가 마련되고 타측에 접합 영역이 마련된다. 따라서, 독출 소자(150a)는 제 1 광전 변환부(130)에 저장된 전하를 전송한다. 또한, 독출 소자(150b)는 게이트 전극 일측에 전하 저장부(140)가 마련되고 타측에 접합 영역이 마련된다. 따라서, 독출 소자(150b)는 전하 저장부(140)에 저장된 전하를 전송한다. 또한, 독출 소자(150b)는 전하 저장부(140)를 통해 제 2 광전 변환부(190)에 소정의 전압을 공급할 수도 있다.
절연층(160)은 기판(110) 상에 형성되는데, 광이 투과되지 않는 영역의 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 즉, 절연층(160)은 독출 영역(100B) 및 제 2 광전 변환 영역(200)의 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 이러한 절연층(160)은 복수의 절연막이 적층되어 형성되며, 복수의 절연막 사이에 복수의 배선이 형성될 수 있다. 예를 들어, 절연층(160)은 제 1 절연막(160a)과, 제 1 절연막(160a) 상의 소정 영역에 형성된 제 1 배선(M1)과, 제 1 배선(M1)을 포함한 제 1 절연막(160a) 상에 형성된 제 2 절연막(160b)과, 제 2 절연막(160b) 상의 소정 영역에 형성된 제 2 배선(M2)과, 제 2 배선(M2)을 포함한 제 2 절연막(160b) 상에 형성된 제 3 절연막(160c)과, 제 3 절연막(160c) 상의 소정 영역에 형성된 제 3 배선(M3)과, 제 3 배선(M3)을 포함한 제 3 절연막(160c) 상에 형성된 제 4 절연막(160d)를 포함할 수 있다. 또한, 배선들(M1, M2, M3)은 서로 연결될 수 있는데, 이 경우 절연층(160)에는 배선들(M1, M2, M3)을 연결하는 콘택이 형성될 수 있다. 여기서, 절연층(160)은 실리콘 질화막, 실리콘 산화막의 적어도 어느 하나로 형성될 수 있고, 배선들(M1, M2, M3)은 금속을 포함한 도전 물질로 형성될 수 있다. 한편, 배선들(M1, M2, M3)은 단위 화소의 경계부인 소자 분리 영역(120)과 중첩되어 형성되거나 독출 영역(B)에 형성될 수 있다. 또한, 본 실시 예에서는 배선들(M1, M2, M3)이 각각 절연막들(160a, 160b, 160c) 상에 형성되어 있는 경우를 설명하였으나, 예를 들어 다마신 배선(damascene interconnection)으로 형성되어 각 절연막들(160a, 160b, 160c) 내에 형성될 수 있다.
한편, 절연층(160)이 광 투과율이 낮은 물질로 형성되는 경우 입사광이 제 1 광전 변환부(130)에 도달하는 것이 방해된다. 따라서, 절연층(160)의 소정 영역에 이미지 센서의 감도를 증가시키기 위해 광투과부(170)를 형성할 수 있다. 즉, 광투과부(170)는 제 1 광전 변환부(130)에 대응되는 영역에 형성될 수 있다. 이를 위해 제 1 광전 변환부(130)에 중첩되는 영역의 절연층(160)을 제거하여 캐비티(cavity)를 형성하고, 캐비티 내에 광투과 물질을 충전하여 광투과부(170)를 형성할 수 있다. 광투과부(170)는 유기 고분자 화합물로 형성될 수 있는데, 예를 들어 환 구조를 갖는 불소계 고분자(Cytop™) 또는 PMMA 계열의 고분자 등으로 형성될 수 있다. 또한, 광투과부(170)는 예를 들어, 폴리실록산 수지(polysiloxane resin) 또는 폴리실록산 수지와 티타늄 산화물로 형성될 수 있다. 한편, 광투과부(170)는 제 1 절연막(160a)의 일부까지 제거되어 형성될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 예를 들어 광투과부(170)는 제 1 절연막(160a)의 전부를 제거하여 기판(110)을 노출시키고 형성될 수도 있고, 제 1 절연막(160a)을 제외한 절연층(160) 내에 형성될 수도 있다. 또한, 광투과부(170)는 경사진 측벽과 평탄한 저면을 갖도록 형성될 수도 있고, 수직한 측벽과 오목 또는 볼록한 저면으로 갖도록 형성될 수도 있다.
컬러 필터(180)는 절연층(160) 및 광투과부(170) 상에 형성된다. 또한, 컬러 필터(180)의 하측 및 상측의 적어도 어느 하나에는 평탄화막(미도시)이 형성될 수 있다. 컬러 필터(180)는 제 1 파장의 광을 제외한 복의 파장의 광을 투과시킬 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터(180)는 녹색 광을 제외한 적색 및 청색 광을 투과시킬 수 있다. 따라서, 컬러 필터(180)는 적색 컬러 필터(182) 및 청색 컬러 필터(184)가 교대로 배치될 수 있다. 즉, 일 화소에는 적색 컬러 필터(182)가 형성되고 이와 인접하는 타 화소에는 청색 컬러 필터(184)가 형성될 수 있다. 적색 컬러 필터(182)를 통해 투과된 적색 광은 광 투과부(170)를 통해 제 1 광전 변환부(130)로 인가되고, 제 1 광전 변환부(130)는 적색 광을 그 광량에 따른 전하로 변환시킨다. 이와 마찬가지로, 청색 컬러 필터(184)를 통해 투과된 청색 광은 광 투과부(170)를 통해 제 1 광전 변환부(130)로 인가되고, 제 1 광전 변환부(130)는 청색 광을 그 광량에 따른 전하로 변환시킨다. 한편, 컬러 필터(180)는 적색 및 청색 컬러 필터(182, 184)에 한정되지 않고 청록색(cyan), 심홍색(magenta) 파장의 광을 투과시킬 수도 있다.
컬러 필터(180) 상에는 유기 수광부(190)가 형성된다. 즉, 유기 수광부(180)는 복수의 컬러 필터(180)를 포함한 전체 상부에 형성된다. 이러한 유기 수광부(190)는 제 1 투명 전극(192), 유기물층(194) 및 제 2 투명 전극(196)이 적층 형성된다. 유기물층(194)은 제 1 파장의 광, 예를 들어 녹색 광을 흡수하여 그 광량에 대응하는 전하를 생성한다. 이를 위해 유기물층(194)은 녹색 계열의 색소를 포함하는데, 예를 들어 로다민계 색소(rhodamine dry), 프탈로시아닌 유도체(phthalocyanines), 퀴나크리돈(quinacridon), 에오신(eosine) 및 메로시아닌계 색소(merocyanine dye)를 포함할 수 있다. 이러한 유기물층(194)은 녹색 광을 흡수하여 엑시톤을 생성하고 제 1 투명 전극(192) 및 제 2 투명 전극(196)을 통해 인가되는 전원에 의해 엑시톤이 전자와 홀로 분리된다. 즉, 제 1 투명 전극(192)에는 포지티브 전압이 인가되고 제 2 투명 전극(196)에는 네거티브 전압이 인가되어 유기물층(194)에서 생성된 엑시톤을 전자와 홀로 분리시킬 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 투명 전극(192, 196)은 광이 잘 투과될 수 있도록 투명 도전성 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어 ITO, IZO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 등을 이용하여 형성할 수 있다. 한편, 컬러 필터(170) 및 절연층(160)의 소정 영역에 제 1 투명 전극(192)과 전하 저장부(140)를 연결시키는 콘택(198)이 형성된다. 즉, 콘택(198)은 전하 저장부(140)를 노출시키도록 컬러 필터(180) 및 절연층(160)의 소정 영역에 콘택홀이 형성되고 금속 등의 도전 물질이 콘택홀에 매립되어 형성된다. 따라서, 전하 저장부(140)와 콘택(198)을 통해 연결된 제 1 투명 전극(192), 유기물층(194) 및 제 2 투명 전극(196)이 제 2 광전 변환부(200B)를 이루게 된다.
한편, 유기 수광부(190) 상에는 렌즈(미도시)가 형성될 수 있는데, 렌즈는 각 화소(100)마다 형성될 수 있다. 렌즈는 감광성 수지와 같은 유기 물질 또는 무기 물질로 이루어질 수 있다. 유기 물질로 렌즈를 형성하기 위해서는 예를 들어 제 2 투명 전극(196) 상에 유기 물질 패턴을 형성하고 열 공정을 수행하여 렌즈를 형성할 수 있다. 열 공정에 의해 유기 물질 패턴이 렌즈 형태로 변하게 된다. 또한, 렌즈 상에 보호막(미도시)이 형성될 수 있다. 보호막은 무기 산화물로 형성될 수 있다. 예를 들어, 보호막은 실리콘 산화막, 티타늄 산화막, 지르코늄 산화막(ZrO2), 헤프늄 산화막(HfO2)이 하나 또는 적층되어 형성될 수 있다. 특히, 보호막으로 실리콘 산화막의 일종인 저온 산화막(Low Temperature Oxide)을 이용할 수 있다. 저온 산화막은 약 100℃∼200℃의 저온에서 형성되기 때문에 열에 의한 하부 구조들의 손상(damage)을 줄일 수 있다. 뿐만 아니라, 저온 산화막은 비정질(amorphous)이기 때문에 거칠지 않고, 그에 따라 입사광의 반사, 굴절, 산란 등을 줄일 수 있다. 한편, 보호막은 렌즈가 유기 물질로 이루어진 경우 렌즈를 외부 충격으로부터 보호하는 역할을 한다. 뿐만 아니라. 이웃하는 렌즈 사이에는 약간의 공간이 있을 수 있는데, 보호막은 이러한 공간을 채우는 역할을 한다. 이웃하는 렌즈 사이의 공간을 채우면 입사광의 집광 능력을 높일 수 있다. 이웃하는 렌즈 사이의 공간으로 도달하는 입사광의 반사, 굴절, 산란 등을 줄일 수 있기 때문이다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는 녹색 이외의 복수의 광을 컬러 필터(180)를 통해 흡수하여 전하를 생성하는 제 1 광전 변환부(100A)와 녹색 광을 흡수하여 전하를 생성하는 제 2 광전 변환부(200)가 수직 방향으로 이격되어 형성된다. 즉, 제 2 광전 변환부(200)는 녹색 광을 흡수하여 전하를 생성하는 유기 수광부(190)가 컬러 필터(180) 상측에 형성되고, 유기 수광부(190)에서 생성된 전하를 저장하는 전하 저장부(140)가 포토 다이오드 등으로 형성되는 제 1 광전 변환부(100A)와 이격되어 기판(110) 내에 형성된다.
이렇게 제 1 광전 변환부(100A)와 제 2 광전 변환부(200)의 일부, 즉 유기 수광부(190)가 수직 방향으로 이격되어 형성되기 때문에 컬러 필터(180)를 통해 투과된 적색, 녹색 및 청색 광을 흡수하여 전하를 생성하는 광전 변환부가 기판(110) 내에 모두 형성되는 종래에 비해 동일 면적에서 화소의 수를 증가시킬 수 있고, 그에 따라 집적도를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 종래에는 녹색, 적색 및 청색을 구현하기 위해 단위 면적에 녹색 둘, 적색 하나, 청색 하나의 네 개의 화소가 필요하지만, 본 발명은 이들을 구현하기 위해 두 개의 화소가 필요하고, 그에 따라 약 100% 정도의 면적 마진을 증가시킬 수 있다.
또한, 종래에는 집적도를 증가시키기 위해 화소의 사이즈를 축소시키고 그에 따라 배선층 사이의 간격도 좁아지게 되어 크로스토크가 발생지만, 본 발명은 종래에 비해 약 100% 정도의 면적 마진을 가지므로 배선층 사이의 간격을 확보할 수 있어 크로스토크가 발생되지 않는다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 등가 회로도로서, 제 2 광전 변환부의 등가 회로도이다. 도 4에 도시된 바와 같이 제 2 광전 변환부(200), 전하 검출부(220), 전하 전송 소자(230), 리셋 소자(240), 증폭 소자(250) 및 선택 소자(260)를 포함한다. 여기서, 전하 검출부(220), 전하 전송 소자(230), 리셋 소자(240), 증폭 소자(250) 및 선택 소자(260)는 독출 소자이다.
제 2 광전 변환부(200)는 제 1 파장의 광, 예를 들어 녹색 광을 흡수하여 그 광량에 따른 전하를 생성하고 이를 저장한다. 제 2 광전 변환부(200)는 녹색 광을 흡수하여 전하를 생성하는 제 1 투명 전극(192), 유기물층(194) 및 제 2 투명 전극(196)과, 생성된 전하를 저장하는 전하 저장부(140)와, 전하 저장부(140)와 제 1 투명 전극(192)을 연결하는 콘택(198)을 포함한다. 따라서, 유기물층(194)이 녹색 광을 흡수하여 엑시톤을 생성하고, 엑시톤은 제 1 및 제 2 투명 전극(192, 194)의 전위차에 의해 전자 및 홀로 분리되며, 전자가 콘택(198)을 통해 전하 저장부(140)에 저장된다.
전하 검출부(220)는 플로팅 확산 영역(Floating Diffusion region)이 주로 이용되며, 제 2 광전 변환부(210)에서 저장된 전하를 전송받는다. 전하 검출부(220)는 기생 커패시턴스를 갖고 있기 때문에 전하가 누적적으로 저장된다. 전하 검출부(220)는 증폭 소자(250)의 게이트에 전기적으로 연결되어 있어 증폭 소자(250)를 제어한다.
전하 전송 소자(230)는 제 2 광전 변환부(210)에서 전하 검출부(220)로 전하를 전송한다. 전하 전송 소자(230)는 일반적으로 1개의 트랜지스터로 이루어지며, 전하 전송 신호(TG)에 의해 제어된다. 특히, 전하 전송 소자(230)는 제 2 광전 변환부(210)에 저장된 전하가 전하 검출부(220)로 모두 전송되는 것이 바람직하다. 즉, 제 2 광전 변환부(210)에 잔류하는 전하는 다음 읽기 동작시에 잔상으로 나타나며, 변환 이득(gain)의 감소 요인, 제 2 광전 변환부(210)의 전하 저장 용량의 감소 요인이 된다. 따라서, 전하 전송 소자(230)는 문턱 전압(Vth)이 0에 가까운 네이티브 트랜지스터(native transistor)를 이용하는 것이 바람직하다.
리셋 소자(240)는 전하 검출부(220)를 주기적으로 리셋시킨다. 리셋 소자(240)의 소오스는 전하 검출부(220)에 연결되고, 드레인은 전원 전압(Vdd) 단자에 연결된다. 또한, 리셋 소자(240)는 리셋 신호(RST)에 응답하여 구동된다. 이러한 리셋 소자(240) 또한 문턱 전압(Vth)이 0에 가까운 네이티브 트랜지스터(native transistor)를 이용하는 것이 바람직하다.
증폭 소자(250)는 소오스 팔로워(source follower)의 역할을 하며, 전하 검출부(220)의 전위에 응답하여 변하는 전압이 출력 라인(Vout)으로 출력된다. 증폭 소자(250)는 소오스가 선택 소자(260)의 드레인에 연결되고, 드레인은 전원 전압(Vdd) 단자에 연결된다.
선택 소자(260)는 행 단위로 읽어낼 단위 화소를 선택하는 역할을 한다. 선택 신호(ROW)에 응답하여 구동되고, 드레인이 출력 라인에 연결된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 구동 방법을 도 4의 등가 회로도 및 도 3의 단면도를 이용하여 제 2 광전 변환부(200)를 센싱하는 경우를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 리셋 소자(240)와 전하 전달 소자(220)을 턴온시켜 제 2 광전 변환부(200)에 전원 전압(Vdd)을 인가한다. 이때, 전원 전압(Vdd)은 도 3에 도시된 바와 같이 전하 저장부(140) 및 콘택(198)을 통해 제 1 투명 전극(192)에 인가된다. 이때, 제 1 투명 전극(192)와 대향되는 제 2 투명 전극(196)에는 접지 전압을 인가한다. 이렇게 제 1 투명 전극(192)에 전원 전압(Vdd)이 인가되고 제 2 투명 전극(196)에 접지 전압이 인가되면 유기물층(194)에 광이 수광되었을 때 생성되는 엑시톤이 전자와 홀로 분리시킬 수 있다.
이어서, 전하 전달 소자(220)를 턴오프시키고, 리셋 소자(240)를 턴온시킨다. 따라서, 전원 전압(Vdd)이 전하 검출부(220)에 공급되어 전하 검출부(220)가 리셋될 수 있다. 전하 검출부(220)에 전원 전압이 공급되어 리셋됨으로써 전하 검출부(220)에 잔류하는 생성된 전하를 제거할 수 있다. 즉, 전하 검출부(220)에는 이전 사이클에서 생성된 전하가 잔류할 수 있는데, 전하 검출부(220)에 잔류되는 이전 사이클의 전하는 현재 사이클의 전하에 더하여 전하 검출부(220)의 전위를 상승시키고, 그에 따라 현재 사이클의 전위보다 높은 전압이 센싱되기 때문에 원래의 색을 구현할 수 없는 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 전하 검출부(220)에 잔류하는 이전 사이클의 전하를 제거하기 위해 전하 검출부(220)에 전원 전압(Vdd)을 인가하여 리셋시킨다. 또한, 전하 전달 소자(220)를 턴오프시킴으로써 제 1 투명 전극(192)이 플로팅되고, 그에 따라 제 1 투명 전극(192)은 전원 전압(Vdd)의 전위를 유지하게 된다. 제 1 투명 전극(192)이 전원 전압(Vdd)의 전위를 유지하고 제 2 투명 전극(196)이 접지 전압의 전위를 유지함으로써 유기물층(194)에서 녹색 광을 수광하여 생성된 엑시톤이 전자와 홀로 분리된다. 또한, 유기물층(194)에서 생성된 전자는 전하 저장부(140)에 저장된다.
이어서, 리셋 소자(240)를 턴오프시키고, 전하 전달 소자(230)를 턴온시킨다. 따라서, 유기물층(194)에서 엑시톤의 분리에 의해 생성되어 전하 저장부(140)에 저장된 전자가 전하 검출부(220)로 이동하고, 그에 따라 전하 검출부(220)의 전위가 낮아지게 된다. 전하 검출부(220)의 전위가 낮아짐으로써 센싱 소자(250)를 통해 출력되는 출력 단자(Vout)의 전위도 낮아지게 된다.
그리고, 리셋 소자(240)와 전하 전달 소자(230)을 턴오프시킨다. 이렇게 함으로써 전하 검출부(220)가 전하 전달 소자(230)를 통해 전달받는 전위를 유지하게 되고, 그에 따라 센싱 소자(250)의 게이트에 일정한 전류가 흘러 출력 단자(Vout) 또한 일정하게 유지되어 그 전압을 읽어낸다.
상기의 구동 방법은 제 2 광전 변환부의 전하를 센싱하는 경우만을 설명하였다. 그러나, 제 1 광전 변환부의 전하를 센싱하는 경우는 제 2 광전 변환부에 전원 전압(Vdd)을 인가하는 것을 제외하고 동일하므로 그 설명을 생략한다. 즉, 도 4에 도시된 등가 회로와 동일하게 전하 검출부, 전하 전송 소자, 리셋 소자, 증폭 소자 및 선택 소자를 포함하는 독출 소자를 이용하여 제 1 광전 변환부에 저장된 전하를 센싱한다. 따라서, 전하 전달 소자 및 리셋 소자를 턴온시켜 제 2 광전 변환부에 전원 전압(Vdd)을 인가하는 것을 제외하고 제 1 광전 변환부의 구동 방법은 동일하다.
본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 화소 100A : 제 1 광전 변환부
100B : 독출부 200 : 제 2 광전 변환부
110 : 기판 120 : 소자 분리 영역
130 : 제 1 광전 변환부 140 : 전하 저장부
150 : 독출 소자 160 : 절연층
170 : 광투과부 180 : 컬러 필터
190 : 유기 수광부
100B : 독출부 200 : 제 2 광전 변환부
110 : 기판 120 : 소자 분리 영역
130 : 제 1 광전 변환부 140 : 전하 저장부
150 : 독출 소자 160 : 절연층
170 : 광투과부 180 : 컬러 필터
190 : 유기 수광부
Claims (17)
- 제 1 파장의 광 이외의 복수의 광을 수광하여 전하를 생성하는 제 1 광전 변환부;
상기 제 1 파장의 광을 수광하여 전하를 생성하는 제 2 광전 변환부;
상기 제 1 광전 변환부에 의해 생성된 전하를 독출하는 복수의 제 1 독출 소자; 및
상기 제 2 광전 변환부에 의해 생성된 전하를 독출하는 복수의 제 2 독출 소자를 포함하고,
상기 제 1 광전 변환부와 상기 제 2 광전 변환부의 적어도 일부는 수직 방향으로 이격되어 마련되는 이미지 센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 광전 변환부는 기판 내의 소정 영역에 마련되는 이미지 센서.
- 제 2 항에 있어서, 상기 복수의 제 1 독출 소자는 상기 제 1 광전 변환부와 이격되어 상기 기판 상에 마련된 이미지 센서.
- 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 광전 변환부 상에 형성된 광투과부;
상기 복수의 제 1 독출 소자 상에 형성된 절연층; 및
상기 광투과부 및 절연층 상에 형성된 컬러 필터를 포함하는 이미지 센서.
- 제 4 항에 있어서, 상기 컬러 필터는 서로 다른 파장의 광을 수광하는 적어도 두 컬러 필터가 교대로 배치된 이미지 센서.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 광전 변환부는 상기 제 1 광전 변환부 및 상기 복수의 제 1 독출 소자와 소정 간격 이격되어 상기 기판 내에 마련된 전하 저장부;
상기 전하 저장부와 수직 방향으로 이격되어 상기 컬러 필터 상에 형성된 유기 수광부; 및
상기 전하 저장부와 유기 수광부 사이에 형성되어 이들을 연결하는 콘택을 포함하는 이미지 센서.
- 제 6 항에 있어서, 상기 복수의 제 2 독출 소자는 상기 전하 저장부와 소정 간격 이격되어 상기 기판 상에 마련된 이미지 센서.
- 제 7 항에 있어서, 상기 전하 저장부 및 상기 제 2 독출 소자가 마련된 상기 기판과 상기 유기 수광부 사이에 상기 절연층 및 상기 컬러 필터가 마련되고 상기 절연층 및 컬러 필터의 소정 영역에 상기 콘택이 형성되는 이미지 센서.
- 제 8 항에 있어서, 상기 유기 수광부는 제 1 투명 전극, 유기물층 및 제 2 투명 전극이 적층 형성된 이미지 센서.
- 제 9 항에 있어서, 상기 유기 수광부는 상기 제 1 파장의 광을 수광하여 전하를 생성하고, 상기 전하 저장부는 상기 콘택을 통해 상기 전하를 저장하는 이미지 센서.
- 제 1 파장의 광 이외의 광을 수광하여 전하를 생성하는 제 1 광전 변환부와 상기 전하를 독출하는 제 1 독출 소자가 각각 마련된 복수의 화소; 및
상기 제 1 파장의 광을 수광하여 전하를 생성하는 제 2 광전 변환부를 포함하고,
상기 제 2 광전 변환부는 상기 적어도 두 화소 사이에 마련된 전하 저장부와, 상기 전하 저장부와 연결되어 상기 전하를 독출하는 복수의 제 2 독출 소자와, 상기 전하 저장부와 연결되며 상기 복수의 화소를 포함한 전체 상부에 마련된 유기 수광부와, 상기 전하 저장부와 유기 수광부를 연결시키는 콘택을 포함하는 이미지 센서. - 제 11 항에 있어서,
상기 화소는,
상기 제 1 광전 변환부 및 이와 이격되어 복수의 상기 제 1 독출 소자가 형성된 기판;
상기 제 1 광전 변환부 상에 형성된 광투과부;
상기 제 1 독출 소자 상에 형성되며 상기 광투과부 사이에 형성된 절연층; 및
상기 광투과부 및 절연층 상에 형성된 컬러 필터를 포함하는 이미지 센서.
- 제 12 항에 있어서,
상기 전하 저장부는 상기 제 1 광전 변환부와 이격되어 상기 기판 내에 형성되고, 상기 복수의 제 2 독출 소자는 상기 전하 저장부와 이격되어 상기 기판 상에 형성되며, 상기 콘택은 상기 기판 상에 적층된 상기 절연층 및 컬러 필터 내에 형성되고, 상기 유기 수광부는 상기 컬러 필터 상에 형성되어 상기 콘택과 연결되는 이미지 센서. - 제 13 항에 있어서,
상기 유기 수광부는 상기 컬러 필터 상에 적층 형성된 제 1 투명 전극, 유기물층 및 제 2 투명 전극을 포함하는 이미지 센서.
- 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 투명 전극에 상기 제 2 투명 전극보다 고전위의 전압이 인가되어 상기 유기물층에서 생성된 엑시톤을 전자와 홀로 분리하는 이미지 센서.
- 제 2 광전 변환부의 제 1 투명 전극에 제 1 전위의 전압을 인가하고 제 2 투명 전극에 상기 제 1 전위보다 낮은 제 2 전위의 전압을 인가하는 단계;
상기 제 1 투명 전극을 플로팅시켜 상기 제 1 투명 전극이 상기 제 1 전위를 유지하도록 하는 단계;
제 1 파장의 광을 수광하여 전하를 생성하고, 이를 전하 저장부에 저장하는 단계;
상기 전하 저장부에 저장된 전하를 전하 검출부에 전달하는 단계; 및
상기 전하 검출부의 전위를 센싱하여 출력하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 구동 방법. - 제 16 항에 있어서, 상기 전하 저장부에 저장된 전하를 상기 전하 검출부에 전달하기 이전에 상기 전하 검출부를 리셋하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 구동 방법.
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