KR101648353B1 - 거리 센서를 포함하는 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
거리 센서를 포함하는 이미지 센서가 제공된다. 상기 이미지 센서는 가시광 인식 영역과 비가시광 인식 영역을 포함하는 기판과, 비가시광 인식 영역에 형성되는 제1 도전형의 제1 웰 및 제2 웰과, 제1 웰 및 제2 웰에 각각 전압을 인가하는 제1 게이트 및 제2 게이트를 포함하되, 제1 게이트 및 제2 게이트에는 서로 위상이 반대인 전압이 인가된다.
이미지 센서, 거리 센서, 적외선
Description
본 발명은 거리 센서를 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시킨다. 최근 들어 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대하고 있다.
특히, MOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다. 또한, 신호 처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하며, MOS 공정 기술을 호환하여 이용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 따라서, MOS 이미지 센서는 기술 개발과 함께 고해상도가 구현 가능함에 따라 그 이용이 급격히 늘어나고 있다.
이미지 센서는 물체의 평면적 화상 정보만을 인식할 수 있으며, 이미지 센서와 물체 사이의 거리를 인식할 수 없어, 주로 물체의 2차원 영상을 인식하는 소자이다. 그러나, 최근 3차원 영상에 관심이 높아짐에 따라, 물체의 3차원 형상을 인식할 수 있는 이미지 센서에 관한 관심이 높아지고 있다. 따라서, 2차원 이미지의 각 픽셀의 거리 정보를 함께 인식할 수 있는 이미지 센서의 개발이 필요하게 되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 물체의 이미지 정보와 함께 거리 정보를 함께 인식할 수 있는 거리 센서를 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 거리 센서를 포함하는 이미지 센서의 일 태양은 가시광 인식 영역과 비가시광 인식 영역을 포함하는 기판과, 상기 비가시광 인식 영역에 형성되는 제1 도전형의 제1 웰 및 제2 웰과, 상기 제1 웰 및 상기 제2 웰에 각각 전압을 인가하는 제1 게이트 및 제2 게이트를 포함하되, 상기 제1 게이트 및 상기 제2 게이트에는 서로 위상이 반대인 전압이 인가된다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 거리 센서를 포함하는 이미지 센서의 다른 태양은, 기판과, 상기 기판 상 또는 내에 형성되며 제1 신호에 의해 구동되는 제1 게이트과, 상기 기판 상 또는 내에 형성되며 상기 제1 신호와 반대 위상의 제2 신호에 의해 구동되는 제2 게이트와, 상기 제1 게이트와 중첩하는 제1 도전형의 제1웰과, 상기 제2 게이트와 중첩하는 제1 도전형의 제2웰과, 상기 기판 내에 형성되는 제1 도전형의 제3웰을 포함한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.
본 명세서에서 이용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 이용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 그리고, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또, 이하 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 이용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 이용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 개략도인 평면도 및 단면도를 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이고, 발명의 범주를 제한하기 위한 것은 아니다.
도 1 및 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 센서를 포함하는 이미지 센서를 설명하기 위한 도면들이다. 구체적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 컬러 필터 및 블랙 필터의 배치도이고, 도 2a는 도 1의 컬러 필터 및 불랙 필터의 단위 영역을 확대한 배치도이다.
도 1 및 도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 다수의 단위 화소가 매트릭스 형태로 배열되어 있으며, 하나의 단위 화소에는 하나의 컬러 필터(R, G, B, W) 또는 블랙 필터(140a, 140b)가 대응되도록 배치된다. 도 1에는 적색, 녹색 및 청색의 원색(primary color)을 사용하는 컬러 필터(R, G, B)를 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 노랑색, 녹색, 마젠타색(magenta), 청록색(cyan)의 보색(complementary color)를 사용하는 컬러 필터가 사용될 수 있다.
적색 컬러 필터(R), 녹색 컬러 필터(G) 및 청색 컬러 필터(B)의 각 하부에는 단위 화소가 대응된다. 각 컬러 필터(R, G, B)는 해당 색상에 상응하는 파장의 빛 만을 투과시킨다. 예를 들면, 적색 컬러 필터(R)는 적색광만을 투과시키며, 적색광 은 적색 컬러 필터(R)에 중첩된 단위 화소로 입사된다. 다만, 각 컬러 필터(R, G, B)는 가시광선 영역 중 해당 색상에 상응하는 파장의 빛뿐만 아니라, 비가시광선 영역의 빛이 일부 투과될 수 있다.
적색 컬러 필터(R), 녹색 컬러 필터(G) 및 청색 컬러 필터(B)를 통해 입시된 빛은 이미지 정보로 변환된다. 각 컬러 필터(R, G, B)와 중첩되는 영역은 가시광 인식 영역(I)이 되며, 이미지 인식 영역이 된다. 이와 같은, 가시광 인식 영역(I)을 백색 컬러 필터(W)를 포함할 수 있다. 백색 컬러 필터(W)는 백색 가시광을 투과시키는 필터로서, 가시광 인식 영역(I)으로 입사되는 빛의 양을 증가시켜, 감도를 증가시킬 수 있다.
한편, 이미지 센서(1)는 컬러 필터(R, G, B, W) 사이에 배치되는 블랙 필터(140a, 140b)를 포함한다. 블랙 필터(140a, 140b)는 가시광선 영역을 차단하고 비가시광선 영역만을 투과시킨다. 비가시광선 영역은 예를 들어, 가시광선보다 파장이 긴 적외선일 수 있다. 이때, 블랙 필터(140a, 140b)는 특정 파장(예를 들어, 850nm)의 빛만을 투과시키는 일종의 cut off 필터일 수 있다.
블랙 필터(140a, 140b)는 복수 개의 단위 화소에 중첩되도록 형성될 수 있다. 블랙 필터(140a, 140b)를 통하여 입사되는 빛은 각 이미지의 거리 정보를 인식할 수 있도록 한다. 즉, 블랙 필터(140a, 140b)와 중첩되는 영역은 비가시광 인식 영역(II)이 되며, 거리 인식 영역이 된다. 블랙 필터(140a, 140b)를 통하여 입사되는 빛을 이용하여 거리 정보를 얻는 과정에 대해서는 구체적으로 후술한다.
이미지 센서(1)는 이미지 인식 영역과 거리 인식 영역을 포함하는 다수의 단 위 영역(10)을 포함한다. 단위 영역(10)은 거리 인식을 위한 화소의 기본 단위가 될 수 있다. 즉, 단위 영역(10) 내부의 거리 인식 영역은 동일한 거리 데이터 값이 입력될 수 있다.
한편, 단위 영역(10)은 다수의 컬러 필터(R, G, B, W)를 포함할 수 있다. 즉, 단위 영역(10)은 이미지 인식을 위한 다수의 화소를 포함하며, 단위 영역(10) 내부의 이미지 인식 영역은 서로 다른 이미지 데이터 값이 입력될 수 있다.
다시 말하면, 이미지 인식 영역의 기본 단위 면적과 거리 인식 영역의 기본 단위 면적이 서로 다르게 형성될 수 있다. 예를 들면, 단위 영역(10) 내부의 각 단위 화소들은 동일한 거리 데이터를 갖고 있으나, 각 단위 화소들은 서로 다른 이미지 데이터를 포함할 수 있다. 물론, 단위 영역(10) 내부의 거리 데이터는 보정을 통하여 각 단위 화소에 서로 다른 거리 데이터로 변환될 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 두 개의 블랙 필터(140a, 140b) 사이에는 복수의 컬러 필터(R, G, B, W)가 배치될 수 있다. 블랙 필터(140a, 140b)는 다수의 갈래로 분지된 형태인 래이크(rake) 형상으로 형성될 수 있다. 이와 같이, 래이크 형상으로 형성된 블랙 필터(140a, 140b)는 각 분지가 서로 엇갈려 배치될 수 있다. 이러한 블랙 필터(140a, 140b)는 필요에 따라 각 컬러 필터(R, G, B, W) 마다 하나씩 형성될 수 도 있다.
도 2b 및 도 2c는 도 2a의 단위 영역의 변형 실시예를 도시한 배치도이다.
먼저 도 2b를 참조하면, 이미지 센서(1)는 스파이럴(spiral) 형상으로 서로 맞물려 있는 두 개의 블랙 필터(141a, 141b)를 포함한다. 여기서, 스파이럴 형상이 라 함은, 중심을 향하여 반지름이 점차 줄어드는 원형으로 형성된 것뿐만 아니라, 도 2b에 도시된 바와 같이 중심을 향하는 사각형으로 형성될 수 있다.
도 2c를 참조하면, 블랙 필터(140a, 140b)는 다수의 갈래로 분지된 형태인 래이크(rake) 형상으로 형성될 수 있다. 이와 같이, 래이크 형상으로 형성된 블랙 필터(140a, 140b)는 각 분지가 서로 엇갈려 배치될 수 있다. 이때, 블랙 필터(140a, 140b) 사이에 배치된 컬러 필터(R, G, B)는 적색, 녹색 및 청색 필터를 각각 포함할 수 있으며, 도 2a에 도시된 백색 필터는 생략될 수 있다. 즉, 이미지 센서(1)로 입사되는 입사광의 광량이 충분한 경우에는 백색 필터는 포함되지 않을 수 있다.
도 2a 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)를 상세히 설명한다. 도 3은 도 1의 이미지 센서를 I-I'선으로 절단한 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 가시광 인식 영역(I)과 비가시광 인식 영역(II)이 정의된 기판(101)을 포함한다. 가시광 인식 영역(I)은 다수의 단위 화소를 포함하고 있어, 가시광을 인식할 수 있다. 가시광 인식 영역(I)에는 각 화소별로 적색광, 녹색광, 청색광 및 백색광이 입사될 수 있다. 전술한 바와 같이, 가시광 인식 영역(I)에서 백색광 입사 영역은 제외될 수 있으며, 원색광을 사용하지 않고 보색광을 사용할 수 있다.
비가시광 인식 영역(II)은 가시광 인식 영역(I) 사이에 형성될 수 있으며, 가시광보다 파장이 긴 적외선 계열의 비가시광을 인식할 수 있다. 가시광 인식 영역(I)과 비가시광 인식 영역(II)은 필요에 따라 적절한 비율로 형성될 수 있다. 비 가시광 인식 영역(II)은 비가시광 중 특정 파장(예를 들면, 850nm)를 갖는 빛만을 인식할 수 있다. 예를 들어, 특정 파장을 갖는 모듈레이티드(modulated)된 빛을 사용하는 경우, 물체와의 거리가 용이하고 정확하게 측정될 수 있다.
비가시광 인식 영역(II)의 기판(101) 내에는 제1 도전형(예를 들어, N형)의 제1 웰(123a)및 제2 웰(123b)이 형성된다. 제1 웰(123a) 및 제2 웰(123b)은 서로 이격되어 형성되며, 광전하가 모이는 전하 저장 영역이 된다. 제1 웰(123a) 및 제2 웰(123b)에는 비가시광에 의해 발생된 광전하가 모이며, 이를 이용하여 물체의 거리를 측정하게 된다.
제1 웰(123a) 및 제2 웰(123b) 상에는 각각 제1 게이트(122a) 및 제2 게이트(122b)가 형성된다. 제1 게이트(122a) 및 제2 게이트(122b)는 서로 이격되어 형성되며, 각각 서로 다른 위상의 전압이 인가된다. 예를 들면, 제1 게이트(122a)와 제2 게이트(122b)에 인가되는 전압은 서로 180°의 위상차가 발생될 수 있다.
제1 게이트(122a) 및 제2 게이트(122b)는 기판(101)에 제2 도전형(예를 들어, P형)이 도핑되어 형성될 수 있다. 이와 같은 제1 게이트(122a) 및 제2 게이트(122b)는 블랙 필터(140a, 140b)와 중첩되도록 형성될 수 있다. 또한, 제1 게이트(122a) 및 제2 게이트(122b)의 하부에 형성된 제1 웰(123a) 및 제2 웰(123b)도 블랙 필터(140a, 140b)와 중첩되도록 형성된다.
제1 게이트(122a) 및 제2 게이트(122b) 사이에는 광전 변환 소자(110R, 110G), 예를 들면, 포토 다이오드가 형성된다.
광전 변환 소자(110R, 110G)는 가시광 인식 영역(I)의 기판(101) 내에 형성 된다. 가시광 인식 영역(I) 내의 기판(101)에는 광전 변환 소자(110R, 110G)와 전하 전송 소자의 게이트, 리셋 소자의 게이트, 드라이브 소자의 게이트 등으로 사용되는 다수의 게이트(미도시)가 형성될 수 있다. 또한, 기판(101)은 여러가지 종류의 기판이 사용 가능하나, 예를 들어, P형 또는 N형 벌크 기판을 사용하거나, P형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피층을 성장시켜 사용하거나, N형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피층을 성장시켜 사용할 수도 있다. 또한, 반도체 기판 이외에도 유기(organic) 플라스틱 기판과 같은 기판도 사용할 수 있다. 이와 같은 기판(101)은 비가시광 인식 영역(II)으로 입사되는 적외광의 파장을 고려하여 10㎛ 이상의 두께로 형성될 수 있다.
광전 변환 소자(110R, 110G)는 기판(101)의 상부 영역에 형성된 피닝층(112R, 112G)과 그 하부에 형성된 제3 웰(114R, 114G)을 포함한다. 피닝층(112R, 112G)은 기판(101)의 상부 영역에서 열적으로 생성된 EHP(Electron-Hole Pair)를 줄임으로써 암전류를 줄일 수 있으며, 제3 웰(114R, 114G)은 컬러 필터(R, G, B, W)를 통하여 입사된 빛에 의해 발생되는 광전하가 축적된다.
제3 웰(114R, 114G)은 비가시광 인식 영역(II)에 형성된 제1 웰(123a) 및 제2 웰(123b) 사이에 형성될 수 있다. 제3 웰(114R, 114G)은 제1 웰(123a) 및 제2 웰(123b)과 같은 제1 도전형 불순물로 도핑되어 형성될 수 있다. 제3 웰(114R, 114G)은 중첩되는 컬러 필터(R, G, B, W)의 색상에 따라 그 두께가 달라질 수 있다. 예를 들면, 가시광 중 파장이 상대적으로 긴 적색광이 입사되는 영역의 경우, 제3 웰(114R, 114G)의 깊이를 두껍게 형성할 수 있고, 가시광 중 파장이 상대적으 로 짧은 청색광이 입사되는 영역의 경우, 제3 웰(114R, 114G)의 깊이를 얕게 형성할 수 있다.
한편, 제3 웰(114R, 114G)은 제2 도전형의 제1 배리어막(118R, 118G)에 의해 둘러싸여 있다. 제1 배리어막(118R, 118G)은 기판(101)의 하부 깊은 곳에서 발생되는 광전하가 제3 웰(114R, 114G)로 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다. 기판(101)의 하부 깊은 곳에서 발생되는 광전하는 일반적으로 가시광보다 파장이 긴 적외광에 의해 발생된 것으로서, 주로 거리를 측정하기 위해 사용되는 광전하가 대부분이다. 따라서, 기판(101)의 하부 깊은 곳에서 발생되는 광전하가 제3 웰(114R, 114G)로 유입되는 것을 방지하고, 제1 웰(123a)과 제2 웰(123b)로 이동할 수 있도록, 제1 배리어막(118R, 118G)은 광전하를 차단과 동시에 가이드하는 역할을 함께 한다.
기판(101)의 하부 영역에는 깊은 웰(deep well: 105)이 형성될 수 있다. 깊은 웰(105)은 기판(101)의 하부 영역의 깊은 곳에서 생성된 전하들의 이동을 막기 위한 일종의 포텐셜 배리어(potential barrier)를 형성할 수 있으며, 전하와 홀의 재결합(recombination) 현상을 증가시키는 역할을 할 수 있다.
기판(101) 상에는 예를 들어, 실리콘 산화막 등으로 형성된 버퍼막(130)이 형성될 수 있다. 버퍼막(130) 상에는 컬러 필터(R, G)와 블랙 필터(140a, 140b)가 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 컬러 필터(R, G)는 가시광 인식 영역(I) 내의 제3 웰(114R, 114G)과 중첩되도록 형성되며, 블랙 필터(140a, 140b)는 비가시광 인식 영역(II) 내의 제1 웰(123a) 및 제2 웰(123b)과 중첩되도록 형성될 수 있다. 한 편, 블랙 필터(140a, 140b)는 제1 게이트(122a) 및 제2 게이트(122b)와도 중첩되도록 형성된다.
컬러 필터(R, G)와 블랙 필터(140a, 140b) 상에는 마이크로 렌즈(150)가 형성될 수 있다.
이하, 도 4a 및 도 4b를 참조하여, 기판(101)의 종방향 포텐셜을 설명한다.
도 4a는 도 3의 a-a' 선을 따라 도시한 포텐셜도이고, 도 4b는 도 3의 b-b'선을 따라 도시한 포텐셜도이다.
먼저 도 4a를 참조하면, a-a' 선은 제1 게이트(122a) 또는 제2 게이트(122b)를 통과하는 비가시광 인식 영역(II) 내의 종방향 절개선이다.
제1 게이트(122a) 및 제2 게이트(122b)에 전압이 인가되었을 때, 비가시광 인식 영역(II)의 포텐셜은 기울기가 발생된다. 따라서, 기판(101)의 하부 깊은 곳에서 발생되는 광전하는 제1 웰(123a) 또는 제2 웰(123b)을 향하여 쉽게 이동할 수 있다. 특히, 높은 전압이 인가되는 게이트(122a, 122b)의 포텐셜 기울기가 보다 급격하게 기울어짐을 알 수 있다. 즉, 제1 게이트(122a)와 제2 게이트(122b) 중에서 높은 전압이 인가되는 게이트를 향하여 광전하가 집중될 수 있음을 알 수 있다.
다음으로 도 4b를 참조하면, b-b' 선은 광전 변환 소자(110R, 110G)를 통과하는 가시광 인식 영역(I) 내의 종방향 절개선이다.
가시광 인식 영역(I) 내의 광전 변환 소자(110R, 110G)에는 별도의 전압이 인가되지 않는다. 그러나, 가시광 인식 영역(I) 내의 포텐셜을 보면, 기판(101)의 하부 영역에서 급격한 포텐셜의 기울기를 갖고 있음을 알 수 있다. 따라서, 기 판(101)의 하부 영역에서 발생된 광전하는 광전 변환 소자(110R, 110G)를 향하여 이동하게 된다. 이때, 광전 변환 소자(110R, 110G)로 인동된 광전하는 제1 배리어막(118R, 118G)에 의해 형성된 포텐셜 배리어(barrier)를 넘지 못하게 된다. 이와 같이, 제1 배리어막(118R, 118G)에 의해 차단된 광전하는 비가시광 인식 영역(II)의 제1 웰(123a) 및 제2 웰(123b)을 향하여 이동하게 된다.
기판(101)의 하부 깊은 곳에서 발생된 광전하는 대부분 비가시광에 의해 발생된 것으로서, 제1 배리어막(118R, 118G)은 가시광 인식 영역(I) 내의 제1 웰(123a) 및 제2 웰(123b)로 유입되는 것을 방지한다.
다만, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제1 배리어막(118R, 118G) 내측의 포텐셜 곡선은 큰 기울기를 갖게 되어, 기판(101)의 얕은 곳에서 발생되는 광전하는 쉽게 제3 웰(114R, 114G)로 저장될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 이미지 센서에 포함된 거리 센서에 전하가 저장되는 과정을 설명하기 위한 개략도이다.
먼저, 도 5a를 참조하면, 제2 게이트(122b)에 높은 전압(0.5V)가 인가되고 제1 게이트(122a)에 낮은 전압(0V)가 인가된 경우, 광전하는 제2 게이트(122b)의 하부의 제2 웰(123b)로 이동하게 된다. 이때, 제2 웰(123b)은 제2 게이트(122b)에 인가된 전압에 의해 확장 영역(123b')까지 확장될 수 있다.
구체적으로 설명하면, 적외광과 같이 가시광보다 파장이 긴 비가시광은 기판(101)의 하부 깊은 곳에서 흡수되어 광전화를 생성한다. 실제로 비가시광은 제1 게이트(122a) 및 제2 게이트(122b)의 하부 영역뿐만 아니라, 광전 변환 소자(110R, 110G)의 하부까지 도달되어 광전하를 생성할 수 있다. 이렇게 발생된 광전하는 포텐셜의 기울기를 따라 이동하게 된다. 이때, 높은 전압이 인가된 제2 게이트(122b)를 향하여 포텐셜의 기울기가 급격해지고, 따라서 광전하는 제2 게이트(122b)의 제2 웰(123b)에 저장된다.
다음으로 도 5b를 참조하면, 제1 게이트(122a)에 높은 전압(0.5V)가 인가되고, 제2 게이트(122b)에 낮은 전압(0V)이 인가된 경우, 광전하는 제1 게이트(122a)의 하부의 제1 웰(123a)로 이동하게 된다. 이때, 제1 웰(123a)은 제1 게이트(122a)에 인가된 전압에 의해 확장 영역(123a')까지 확장될 수 있다.
도 5a와 도 5b를 참조하면, 제1 게이트(122a)와 제2 게이트(122b)에 인가되는 전압에 따라 광전하기 제1 웰(123a) 또는 제2 웰(123b)에 저장될 수 있다. 실제로, 제1 게이트(122a)와 제2 게이트(122b)에는 서로 위상이 반대이고 모듈레이트된 빛과 동기된 펄스 파형의 전압이 인가됨에 따라, 제1 웰(123a)과 제2 웰(123b)에는 교대로 광전하가 저장된다. 이와 같이, 교대로 저장되는 광전하를 이용하여 거리를 인식하게 된다. 구체적인 거리 인식 방식은 구체적으로 후술한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 절단한 단면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 기판(101) 상에 제2 배리어막(135)을 더 포함하는 것을 제외하고는 실질적으로 도 3에 도시된 실시예와 실질적으로 동일하다.
제2 배리어막(135)은 제1 도전형(예를 들어, N형) 보다 불순물의 농도가 낮 은 N- 층으로 형성될 수 있다. 제2 배리어막(135)은 제1 게이트(122a)와 제2 게이트(122b)에 전압이 인가될 때, 게이트 게이트 사이에 누설 전류가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 이미지 및 거리 인식 과정을 설명하기 위한 개략도이다.
이미지 센서(1)는 단위 영역(10)을 기본 단위로 각 단위 영역(10)마다 거리 값을 측정할 수 있다. 각 단위 영역(10)은 이미지 센서(1)에 매트릭스 형태로 배열될 수 있다.
이미지 센서(1)는 물체(OJ)를 향하여 빛을 조사하는 광원(2)과 연결되어 있다. 광원(2)은 예를 들어, LED(light emitting device)와 같은 광원이 사용될 수 있으며, 광원(2)을 특정 파장의 빛을 조사할 수 있도록 필터를 포함할 수 있다.
광원(2)은 특정 파장(예를 들어, 850nm)을 갖는 모듈레이트된 빛일 수 있다. 즉, 특정 파장을 갖는 모듈레이트된 빛은 주기가 일정하여, 물체의 거리 또는 속도 등의 측정에 사용될 수 있다.
한편, 광원(2)은 이미지 센서(1)와 동기되어 빛을 조사한다. 즉, 광원(2)이 물체(OJ)를 향하여 빛을 조사하는 시간과 도착 시간 등을 측정하면, 이미지 센서(1)와 물체(OJ)와의 거리를 측정할 수 있게 된다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 거리 센서의 개략적인 단면도들이고, 도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서 의 거리 인식을 위한 모듈레이티드(modulated)된 빛의 출사광과 반사광의 파형도이다.
도 8a는 제1 게이트(122a) 및 제2 게이트(122b)가 P+ 불순물도 도핑되어 형성된 정션 게이트(junction gate) 방식으로 형성된 것을 나타낸다. 즉, 제1 게이트(122a) 및 제2 게이트(122b)에 전원이 인가되면, 제1 웰(123a) 및 제2 웰(123b)로 전하가 저장되어, 제1 전하 검출부(125a) 및 제2 전하 검출부(125b)로 전하가 이동한다.
한편, 도 8b는 제1 게이트(122a') 및 제2 게이트(122b')가 기판(101) 상에 패터닝되어 형성된 포토 게이트(photo gate) 방식으로 형성된 것을 나타낸다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 정션 게이트 또는 포토 게이트 방식으로 형성된 제1 게이트(122a') 및 제2 게이트(122b')를 포함할 수 있다.
제1 게이트(122a)는 광원(도 7의 2 참조)과 동기되어 있어, 광원(2)과 동일한 파형으로 제1 신호(H)가 인가된다. 이때, 제2 게이트(122b)는 제1 신호(H)와 위상이 반대인 제2 신호(L)가 인가된다.
도 9a를 참조하면, 광원(2)으로부터 출사되는 출사광(S_L)은 일정한 파형을 갖는 모듈레이트된 빛이다. 또한, 물체(OJ)로부터 반사된 반사광(R_L) 역시 동일한 파형을 갖는 빛이다. 다만, 출사광(S_L)과 반사광(R_L)은 물체(OJ)와의 거리에 다라 일종의 시간 지연(t) 또는 위상 지연이 발생하게 된다. 이와 같이, 출사광(S_L)과 반사광(R_L)의 시간 지연(t)를 검출하여, 물체(OJ)의 거리를 측정하게 된다.
도 9b를 참조하면, 제1 게이트(122a)에 입력되는 제1 신호(H)와 제2 게이트(122b)에 입력 되는 제2 신호(L)의 위상이 서로 반대가 된다. 이때, 제1 웰(123a) 및 제2 웰(123b)로 저장되는 광전하를 검출하면, 도 9b에 도시된 바와 같은 반사광(R_L)과 동일한 가상의 파형을 얻을 수 있다. 실제로 반사광(R_L)과 동일한 가상의 파형은 제1 웰(123a)과 제2 웰(123b)을 통하여 얻은 광전하값의 합으로 알 수 있게 된다.
구체적으로 설명하면, 실제로 제1 웰(123a)을 통하여 인식되는 광전하 값은 제1 게이트(122a)에 인가되는 제1 신호(H)와 중첩되는 반사광(R_L)의 값(A1)과 동일하며, 제2 웰(123b)을 통하여 인식되는 광전하 값은 제2 게이트(122b)에 인가되는 제2 신호(L)와 중첩되는 반사광(R_L)의 값(A2)과 동일하다. 즉, 제1 웰(123a)과 제2 웰(123b)을 통하여 인식되는 광전하 값의 합이 실제로 입사된 반사광(R_L)의 값과 동일하다.
이때, 제2 웰(123b)의 광전하 값을 제1 웰(123a)의 광전하 값으로 나눈 값은 물체(OJ)와 이미지 센서(1) 사이의 거리에 비례하게 된다. 이와 같은 방식으로 물체(OJ)의 거리값을 계산할 수 있다. 다만, 물체(OJ)의 거리값을 계산하는 방식은 이에 한정되지 않으며, 다양한 방식이 가능할 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 통해 인식하는 물체의 상대 좌표를 도시한 그래프이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서로 인식한 이미지의 사시도이다.
도 10은 물체(OJ)의 상대 죄표를 도시한 것으로서, 가로축은 물체(OJ)와 이 미지 센서(1)와의 거리를 나타낸 것이며, 세로축은 물체(OJ)의 높이를 나타낸 것이다.
도 11은 이미지 센서(1)를 통하여 인식된 도 10의 물체(OJ)의 이미지를 나타낸 것이다. 이미지는 물체(OJ)의 폭(d2)뿐만 아니라 깊이(d1) 정보까지 포함하고 있다. 이때, 물체(OJ)의 폭(d2)에 대한 정보는 실제 물체(OJ)의 폭(y2-y1)과 비례하며, 물체(OJ)의 깊이(d1)은 실제 물체(OJ)의 거리(x2-x1)에 비례한다.
이하에서는, 도 12 내지 도 16을 이용하여 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 이용한 장치를 설명한다. 도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 구현한 칩을 설명하기 위한 도면이고, 도 13 내지 도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 프로세서 기반 장치를 설명하기 위한 도면들이다. 도 13은 컴퓨터 장치를 나타내고, 도 14, 도 15는 카메라 장치를 나타내고, 도 16는 휴대폰 장치를 나타낸 것이다. 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 전술한 장치 이외에 다른 장치(예를 들어, 스캐너, 기계화된 시계 장치, 네비게이션 장치, 비디오폰, 감독 장치, 자동 포커스 장치, 추적 장치, 동작 감시 장치, 이미지 안정화 장치 등)에도 사용될 수 있음은 자명하다.
도 12을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 구현한 칩(200)은 광센싱 소자를 포함하는 픽셀들이 이차원적으로 배열되어 이루어진 센서 어레이(210), 타이밍 발생기(timing generator)(220), 로우 디코더(row decoder)(230), 로우 드라이버(row driver)(240), 상관 이중 샘플러(Correlated Double Sampler, CDS)(250), 아날로그 디지털 컨버터(Analog to Digital Converter, ADC)(260), 래치부(latch)(270), 컬럼 디코더(column decoder)(280) 등을 포함한다.
센서 어레이(210)는 2차원적으로 배열된 다수의 단위 픽셀들을 포함한다. 다수의 단위 픽셀들은 광학 영상을 전기적인 출력 신호로 변환하는 역할을 한다. 센서 어레이(210)는 로우 드라이버(240)로부터 행 선택 신호, 리셋 신호, 전하 전송 신호 등 다수의 구동 신호를 수신하여 구동된다. 또한, 변환된 전기적인 출력 신호는 수직 신호 라인을 통해서 상관 이중 샘플러(250)에 제공된다.
타이밍 발생기(220)는 로우 디코더(230) 및 컬럼 디코더(280)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공한다.
로우 드라이버(240)는 로우 디코더(230)에서 디코딩된 결과에 따라 다수의 단위 픽셀들을 구동하기 위한 다수의 구동 신호를 액티브 픽셀 센서 어레이(210)에 제공한다. 일반적으로 행렬 형태로 단위 픽셀이 배열된 경우에는 각 행별로 구동 신호를 제공한다.
상관 이중 샘플러(250)는 액티브 픽셀 센서 어레이(210)에 형성된 출력 신호를 수직 신호 라인을 통해 수신하여 유지(hold) 및 샘플링한다. 즉, 특정한 잡음 레벨(noise level)과, 상기 출력 신호에 의한 신호 레벨을 이중으로 샘플링하여, 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이에 해당하는 차이 레벨을 출력한다.
아날로그 디지털 컨버터(260)는 차이 레벨에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
래치부(270)는 디지털 신호를 래치(latch)하고, 래치된 신호는 컬럼 디코 더(280)에서 디코딩 결과에 따라 순차적으로 영상 신호 처리부(도면 미도시)로 출력된다.
도 12에 도시된 모든 기능 블록들은 원칩(one chip)으로 구성되어 있을 수도 있고, 여러 개의 칩으로 구성되어 있을 수도 있다. 예를 들어, 타이밍 발생기(220)는 별도의 하나의 칩으로 구성되고, 나머지 칩은 하나의 칩으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 설명된 칩들은 패키지 형태로 구현될 수 있다.
도 13을 참조하면, 컴퓨터 장치(300)은 버스(305)를 통해 입출력(I/O) 소자(330)와 커뮤니케이션할 수 있는 마이크로프로세서 등과 같은 중앙 정보 처리 장치(CPU)(320)를 포함한다. 이미지 센서(310)는 버스(305) 또는 다른 통신 링크를 통해서 장치와 커뮤니케이션할 수 있다. 또, 프로세서 기반 장치(300)은 버스(305)를 통해 CPU(320)와 커뮤니케이션할 수 있는 RAM(340) 및/또는 포트(360)을 더 포함할 수 있다. 포트(360)는 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 소자 등을 커플링하거나, 또 다른 장치와 데이터를 통신할 수 있는 포트일 수 있다. 이미지 센서(310)는 CPU, 디지털 신호 처리 장치(DSP) 또는 마이크로프로세서 등과 함께 집적될 수 있다. 또, 메모리가 함께 집적될 수도 있다. 물론 경우에 따라서는 프로세서와 별개의 칩에 집적될 수도 있다.
도 14를 참조하면, 카메라 장치(400)은 이미지 센서(413)가 회로 기판(411) 상에 본딩 와이를 통하여 실장되어 있는 이미지 센서 패키지(410)을 포함한다. 또한, 회로 기판(411) 상에는 하우징(420)이 부착되고, 하우징(420)은 회로 기판(411) 및 이미지 센서(413)를 외부 환경으로부터 보호한다.
하우징(420)에는 촬영하고자 하는 영상이 통과하는 경통부(421)가 형성되고, 경통부(421)의 외부를 향하는 외측 단부에는 보호 커버(422)가 설치되고, 경통부(421)의 내측 단부에는 적외선 차단 및 반사 방지 필터(423)가 장착될 수 있다. 또한, 경통부(421)의 내부에는 렌즈(424)가 장착되고, 경통부(421)의 나사산을 따라서 렌즈(424)가 이동될 수 있다.
도 15를 참조하면, 카메라 장치(500)는 관통 비아(through via)(572)를 이용한 이미지 센서 패키지(501)를 사용한다. 관통 비아(572)를 이용하면, 와이어 본딩을 이용하지 않고도 이미지 센서(570)와 회로 기판(560)이 전기적으로 접속할 수 있다. 여기서 설명되지 않은 부호인 520은 제1 렌즈이고, 540은 제2 렌즈이고, 526, 527은 렌즈 컴포넌트(lens component)이다. 또한, 505는 지지부(support member), 545는 어퍼쳐(aperture), 510, 530은 투명 기판, 550은 유리이다.
도 16을 참조하면, 핸드폰 시스템(450)의 소정 위치에 이미지 센서(452)가 부착되어 있다. 도 16에 도시된 위치와 다른 부분에 이미지 센서(452)가 부착될 수도 있음은 당업자에게 자명하다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 컬러 필터 및 블랙 필터의 배치도이다.
도 2a는 도 1의 컬러 필터 및 불랙 필터의 단위 영역을 확대한 배치도이다.
도 2b 및 도 2c는 도 2a의 단위 영역의 변형 실시예를 도시한 배치도이다.
도 3은 도 1의 이미지 센서를 I-I' 선으로 절단한 단면도이다.
도 4a는 도 3의 a-a' 선을 따라 도시한 포텐셜도이다.
도 4b는 도 3의 b-b' 선을 따라 도시한 포텐셜도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 이미지 센서에 포함된 거리 센서에 전하가 저장되는 과정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 절단한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 이미지 및 거리 인식 과정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 거리 센서의 개략적인 단면도들이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 거리 인식을 위한 모듈레이티드(modulated)된 빛의 출사광과 반사광의 파형도이다.
도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제1 게이트 및 제2 게이트의 동작에 따른 거리 인식 방법을 설명하기 위한 파형도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 통해 인식하는 물체의 상대 좌표를 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서로 인식한 이미지의 사시도이다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 구현한 칩을 설명하기 위한 도면이다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 프로세서 기반 장치를 설명하기 위한 도면들이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
1: 이미지 센서 110R, 110G: 광전 변환 소자
122a: 제1 게이트 122b: 제2 게이트
123a: 제1 웰 123b: 제2 웰
114R, 114G: 제3 웰 118R, 118G: 제1 배리어막
Claims (20)
- 가시광 인식 영역과 비가시광 인식 영역을 포함하는 기판;상기 비가시광 인식 영역에 형성되는 제1 도전형의 제1 웰 및 제2 웰;상기 제1 웰 및 상기 제2 웰에 각각 전압을 인가하는 제1 게이트 및 제2 게이트를 포함하되,상기 제1 게이트 및 상기 제2 게이트에는 서로 위상이 반대인 전압이 인가되고,상기 기판 내에 상기 제1 웰 및 상기 제2 웰 사이에 형성되는 제3 웰과,상기 제3 웰을 둘러싸는 제2 도전형의 제1 배리어막을 더 포함하는 거리 센서를 포함하는 이미지 센서.
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- 제 1항에 있어서,상기 기판 상에 상기 제1 도전형보다 불순물의 농도가 낮게 형성된 제2 배리어막을 더 포함하는 거리 센서를 포함하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 비가시광 인식 영역은 가시광선보다 파장이 긴 비가시광을 인식하는 거리 센서를 포함하는 이미지 센서.
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- 제 1항에 있어서,상기 가시광 인식 영역은 상기 비가시광 인식 영역 사이에 형성되는 거리 센서를 포함하는 이미지 센서.
- 제 7항에 있어서,상기 비가시광 인식 영역은 래이크(rake) 형상, 스파이럴(spiral) 형상인 거리 센서를 포함하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 제1 게이트 및 상기 제2 게이트는 제2 도전형의 불순물이 도핑된 거리 센서를 포함하는 이미지 센서.
- 제 1항에 있어서,상기 가시광 인식 영역과 상기 비가시광 인식 영역은 단위 영역을 형성하며, 상기 단위 영역은 하나의 상기 제1 게이트, 하나의 상기 제2 게이트, 복수의 적색 인식 영역, 복수의 녹색 인식 영역 및 복수의 청색 인식 영역을 포함하는 거리 센서를 포함하는 이미지 센서.
- 기판;상기 기판 상 또는 내에 형성되며 제1 신호에 의해 구동되는 제1 게이트;상기 기판 상 또는 내에 형성되며 상기 제1 신호와 반대 위상의 제2 신호에 의해 구동되는 제2 게이트;상기 제1 게이트와 중첩하는 제1 도전형의 제1웰;상기 제2 게이트와 중첩하는 제1 도전형의 제2웰; 및상기 기판 내에 형성되는 제1 도전형의 제3웰을 포함하고,상기 제1 게이트와 상기 제2 게이트는 래이크(rake) 형상을 가지며, 상기 제1 게이트와 상기 제2 게이트는 교대로 배치되는 거리 센서를 포함하는 이미지 센서.
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