KR102128467B1 - 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 영상 촬영 장치 - Google Patents

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Abstract

이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 영상 촬영 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 각각, 입사되는 빛의 양에 대응되는 이미지 신호를 출력하는 다수의 센싱 픽셀; 및 서로 인접하여 위치하고, 각각, 입사되는 빛의 위상 차를 초점 신호로 출력하는 적어도 한 쌍 이상의 초점 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이를 구비하고, 상기 초점 픽셀은 각각, 입사되는 빛 중 흡수하는 빛에 따른 전하를 축적하는 광 감지 소자를 포함하는 반도체층; 상기 반도체층의 제1 면 방향으로 형성되고 배선을 포함하는 배선층; 상기 반도체층의 제2 면 방향으로 제1 면이 형성되는 평탄층; 상기 평탄층 내에 형성되고, 입사되는 빛의 일부가 상기 광 감지 소자로 입사되는 것을 차단하는 차단층; 및 상기 평탄층의 제2 면 방향으로 형성되고 각각, 입사되는 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과 및 입사되는 빛을 상기 광 감지 소자로 포커싱하는 칼라 필터층 및 마이크로 렌즈층을 포함한다.

Description

이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 영상 촬영 장치 {IMAGE SENSOR AND IMAGE PHOTOGRAPH APPARATUS INCLUDING IMAGE SENSOR}
본 개시는 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 영상 촬영 장치에 관한 것으로, 구조가 간단하고 정확하고 빠른 동작을 수행할 수 있는 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 영상 촬영 장치에 관한 것이다.
스마트 폰, 디지털 카메라 등, 영상 촬영 장치가 생활 전반에서 사용되고 있다. 이에 따라, 영상 촬영 장치 또는 영상 촬영 장치에 포함되는 이미지 센서의 성능에 대한 요구가 높아지고 있다. 예를 들어, 영상 촬영 장치가 영상 촬영을 빠른 시간에 정확하게 수행하는 것이 요구된다. 또는, 영상 촬영 장치가 다양한 기능을 수행함에 따라, 영상 촬영 장치 또는 영상 촬영 장치에 포함되는 이미지 센서의 구조를 간단하게 구현할 것이 요구된다.
본 개시는 구조가 간단하고 정확하고 빠른 동작을 수행할 수 있는 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 영상 촬영 장치를 제공하는 것에 있다.
일 실시예에 따른 이미지 센서는, 각각, 입사되는 빛의 양에 대응되는 이미지 신호를 출력하는 다수의 센싱 픽셀; 및 서로 인접하여 위치하고, 각각, 입사되는 빛의 위상 차를 초점 신호로 출력하는 적어도 한 쌍 이상의 초점 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이를 구비하고, 상기 초점 픽셀은 각각, 입사되는 빛 중 흡수하는 빛에 따른 전하를 축적하는 광 감지 소자를 포함하는 반도체층; 상기 반도체층의 제1 면 방향으로 형성되고 배선을 포함하는 배선층; 상기 반도체층의 제2 면 방향으로 제1 면이 형성되는 평탄층; 상기 평탄층 내에 형성되고, 입사되는 빛의 일부가 상기 광 감지 소자로 입사되는 것을 차단하는 차단층; 및 상기 평탄층의 제2 면 방향으로 형성되고 각각, 입사되는 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과 및 입사되는 빛을 상기 광 감지 소자로 포커싱하는 칼라 필터층 및 마이크로 렌즈층을 포함한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 영상 촬영 장치에 의하면, 초점 픽셀과 센싱 픽셀을 동일한 픽셀 어레이에 구비하는 후면 조사형 구조의 이미지 센서에서, 초점 픽셀이 위상차를 검출하는데 요구되는 차단층의 위치를 반도체층과 컬러 필터층 사이에 위치시켜, 그 위치를 최적화함으로써, 구조를 간단히 하면서도 정확한 자동 초점 기능을 수행할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 초점 픽셀의 차단층의 기능을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1의 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서를 좀더 자세히 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 센싱 픽셀의 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 픽셀 어레이에서 픽셀의 패턴의 예를 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 8은 각각, 도 5의 (b)와 같이 배치되는 인접하는 초점 픽셀에 구비되는 차단층의 위치의 예를 나타내는 도면이다.
도 9a 내지 도 9e는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 1의 이미지 센서를 포함하는 카메라의 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서 칩을 나타내는 블럭도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 11의 이미지 센서 칩을 포함하는 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템 및 인터페이스를 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 예를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 2차원 매트릭스 형태로 배열된 다수의 픽셀(Px)을 포함하는 픽셀 어레이(ARY)를 구비한다. 이미지 센서(100)는 CMOS(Complimentary Metal Oxide Semicondutor)형 이미지 센서(CIS)일 수 있다. CIS는 이미지 센서에서 광 신호를 제어 또는 처리하는 제어 소자를 CMOS 제조 기술을 이용하여 제어함으로써, 제조 공정이 간단하고, 다수의 신호 처리 소자와 함께 하나의 칩(chip)으로 제조될 수 있다. 또한, 이미지 센서(100)는 후면 조사형(BSI: BackSide ILLumination) 이미지 센서일 수 있다. BSI 이미지 센서는 후술되는 배선층(120)이, 빛이 입사되는 방향으로, 반도체층(110)의 광 감지 소자(PD)의 아래에 위치하기 때문에, 입사되는 빛을 좀더 정확하게 센싱할 수 있다.
계속해서 도 1을 참조하면, 픽셀 어레이(ARY)의 픽셀(Px)은 각각, 센싱 픽셀(SPx) 및 초점 픽셀(FPx) 중 하나일 수 있다. 즉, 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 하나의 픽셀 어레이(ARY)를 통해, 이미지의 센싱 및 자동 초점(autofocus)을 함께 수행하는 이미지 센서이다. 센싱 픽셀(SPx)은 각각, 입사되는 빛의 양을 감지하여 대응되는 이미지 신호를 출력한다. 이미지 신호는 해당 센싱 픽셀(SPx)에 대한 이미지를 형성하는 신호로 사용된다. 센싱 픽셀(SPx)에 대한 좀더 자세한 설명은 후술된다.
초점 픽셀(FPx)은 각각, 인접하여 위치하는 초점 픽셀(FPx) 사이의 빛의 위상차에 대응되는 초점 신호를 출력한다. 초점 신호는 자동 초점 기능을 수행하기 위해, 이미지 센서(100)를 포함하는 영상 촬영 장치의 렌즈의 위치를 조절하는 신호로 사용된다. 초점 픽셀(FPx)은 센싱 픽셀(SPx)보다 적은 수로 구비될 수 있다. 초점 픽셀(FPx)은 픽셀 어레이(ARY)에서 센싱 픽셀(SPx)의 위치 및 개수에 대해 랜덤하게, 또는 센싱 픽셀(SPx)에 위치 및 개수에 대해 규칙적으로 구비될 수 있다.
도 1에서 초점 픽셀(FPx)의 개념적인 단면도가 도시된다. 일 실시예에 따른 초점 픽셀(FPx)은 반도체층(110), 배선층(120), 평탄층(130), 차단층(140), 컬러 필터층(150) 및 마이크로 렌즈층(160)을 포함할 수 있다. 반도체층(110)은, 예를 들어, 벌크(bulk) 기판, 에피텍셜(epitaxial) 기판 또는 SOI(silicon on insulator) 기판 중 어느 하나일 수 있다.
반도체층(110)은 광 감지 소자(PD)를 포함할 수 있다. 광 감지 소자(PD)는 포토다이오드일 수 있고, 포토다이오드는 마이크로 렌즈층(160), 컬러 필터층(150) 및 평탄층(130)을 통해서 입사된 빛을 흡수하여 전류를 발생시킬 수 있다. 광 감지 소자(PD)가 빛을 흡수하는 동안, 광 감지 소자(PD) 및 외부 사이의 전하 이동 경로가 차단된 경우, 광 감지 소자(PD)에 의해 발생된 전류에 따른 전하는 광 감지 소자(PD)에 축적될 수 있다. 광 감지 소자(PD)가 흡수하는 빛의 세기에 따라, 광 감지 소자(PD)가 축적하는 전하의 양은 증가하기 때문에, 광 감지 소자(PD)가 축적한 전하량을 통해서 흡수한 빛의 세기를 감지할 수 있다. 다만, 도시되지 아니하였으나, 반도체층(110)에는 초점 픽셀(FPx)에서 광 감지 소자(PD)에 축전된 전하를 전기적 신호로 센싱하거나 광 감지 소자(PD)에 축적된 전하를 리셋하는 등의 기능을 수행하는 트랜지스터들이 더 포함될 수 있다.
배선층(120)은 반도체층(110)은 일면과 접하여 구비되고, 전도성 물질로 구성된 복수의 배선을 포함할 수 있다. 배선층(120)을 통해, 광 감지 소자(PD)에 축적된 전하가 전기 신호로 외부로 출력될 수 있다. 평탄층(130), 컬러 필터층(150) 및 마이크로 렌즈층(160)은 반도체 층(110)의 타면상에 순서대로 적층되어 형성될 수 있다. 평탄층(130)은 차단층(140)를 포함할 수 있다. 차단층(140)은 후술되는 바와 같이, 광 감지 소자(PD)로 전달되는 빛의 일부를 차단하기 위해 구비되므로, 초점 픽셀(FPx)의 단면적, 예를 들어, 반도체층(110)의 단면적보다 적은 단면적으로 형성된다. 이에 따라, 차단층(140)에 의한 단차가 발생될 수 있다.
평탄층(130)은 차단층(140)에 의해, 단차가 발생되는 것을 방지하기 위해, 반도체층(110)과 컬러 필터층(150) 사이에 일정한 두께로 구비될 수 있다. 마이크로 렌즈층(160)은 입사되는 빛을 광 감지 소자(PD)로 포커싱 할 수 있다. 컬러 필터층(150)은 마이크로 렌즈층(160)을 통해서 입사된 빛을 통과시켜 필요한 파장의 빛만을 광 감지 소자(PD)로 입사시킬 수 있다.
차단층(140)은 마이크로 렌즈층(160) 및 컬러 필터층(150)을 통과하여 평탄층(130)으로 입사되는 빛의 일부가 광 감지 소자(PD)로 전달되는 것을 차단하기 위하여, 컬러 필터층(150) 및 반도체층(110) 사이에 형성되는 평탄층(130) 내에 형성될 수 있다. 이때, 차단층(140)은 평탄층(130)의 일 면에 이격하여 형성될 수 있다. 또는 차단층(140)은 평탄층(130)의 일 면에 접하여 형성될 수 있다.
마이크로 렌즈층(160) 및 컬러 필터층(150)을 통과하여 물질 층(130)으로 입사되는 빛 중 일부(10)는 물질 층(130)을 통과하여 반도체 층(110)으로 입사되어 마이크로 렌즈층(160) 및 컬러 필터층(150)을 통과하여 물질 층(130)으로 입사되는 빛 중 다른 일부(20)는 물질 층(130)에 포함된 차단층(140)에 의해 차단되어 반도체 층(110)으로 입사되지 않을 수 있다. 차단층(140)는 빛을 투과시키지 않는 물질을 포함할 수 있고, 예컨대 금속을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 초점 픽셀(FPx)은, 초점 픽셀(FPx)과 센싱 픽셀(SPx)을 동일한 픽셀 어레이에 구비하는 후면 조사형 구조의 이미지 센서에서, 차단층의 위치를 반도체층(110)과 컬러 필터층(150) 사이에 위치시켜, 그 위치를 최적화함으로써, 구조를 간단히 하면서도 정확한 자동 초점 기능을 수행할 수 있다.
도 2는 도 1의 초점 픽셀의 차단층의 기능을 설명하는 도면이다. 도 2는 초점 픽셀(FPx)의 기능을 좀더 용이하게 설명하기 위해, 인접하여 위치하는 제1 초점 픽셀(FPx1) 및 제2 초점 픽셀(FPx2)을 함께 도시한다. 도 2의 (a)를 참조하면, 이미지 센서(100)를 포함하는 영상 장치의 렌즈의, 피사체에 대한 초점이 맞은 상태이면, 이미지 센서(100)로 입사되는 빛의 위상이 동일하여, 차단층(140)에 의하여 일부의 빛이 차단되더라도, 제1 초점 픽셀(FPx1) 및 제2 초점 픽셀(FPx2)의 광 감지 소자(PD)에 흡수되는 빛의 양이 동일할 수 있다. 따라서, 각각, 제1 초점 픽셀(FPx1) 및 제2 초점 픽셀(FPx2)으로부터 출력되는 전기 신호, 예를 들어, 제1 출력 전압(Vout1) 및 제2 출력 전압(Vout2)이 동일할 수 있다.
반면, 도 2의 (b)를 참조하면, 이미지 센서(100)를 포함하는 영상 장치의 렌즈의, 피사체에 대한 초점이 맞은 상태이면, 이미지 센서(100)로 입사되는 빛의 위상차가 발생하여, 차단층(140)에 의해, 제1 초점 픽셀(FPx1) 및 제2 초점 픽셀(FPx2)의 광 감지 소자(PD)에 흡수되는 빛의 양이 상이할 수 있다. 따라서, 각각, 제1 초점 픽셀(FPx1) 및 제2 초점 픽셀(FPx2)으로부터 출력되는 전기 신호, 예를 들어, 제1 출력 전압(Vout1) 및 제2 출력 전압(Vout2)이 상이할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1의 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서를 좀더 자세히 나타내는 도면이다. 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(120), 로우 드라이버(140) 및 픽셀 신호 처리부(160)를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(120)는 좌우방향으로 균일하게 배치된 픽셀 어레이(120)는 복수개의 픽셀(Px)을 포함할 수 있다. 로우 드라이버(140)는 로우 신호(R_SIG)를 출력할 수 있고, 로우 신호(R_SIG)는 픽셀 어레이(120)에 입력될 수 있다. 로우 신호(R_SIG)는 복수개의 신호들을 포함할 수 있고, 복수개의 신호들은 픽셀 어레이(120)가 포함하는 각각의 픽셀(Px)을 제어할 수 있다.
픽셀 신호 처리부(160)는 픽셀 어레이(120)가 포함하는 적어도 하나의 픽셀(Px)이 출력하는 출력 전압(Vout)을 입력 받고, 출력 전압(Vout)의 크기를 측정할 수 있다. 행을 구성하는 복수개의 픽셀(Px)들은 동일한 로우 신호(R_SIG)를 공유할 수 있고, 열을 구성하는 복수개의 픽셀(Px)들은 각각의 출력 전압(Vout)이 출력되는 신호 라인을 공유할 수 있다.
전술한 바와 같이, 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(ARY)는 센싱 픽셀(SPx) 및 초점 픽셀(FPx)을 모두 포함한다. 픽셀 신호 처리부(160)는 초점 픽셀(FPx)의 위치에 대한 위치 정보를 저장할 수 있다. 이를 위해, 픽셀 신호 처리부(160)는 저장부(STU)를 포함할 수 있다. 그리고, 픽셀 신호 처리부(160)는 위치 정보에 근거하여, 인접하여 위치하는 초점 픽셀(FPx)들 사이의 출력 전압(Vout)을 비교한 비교 결과를 생성하는 비교부(CMU)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비교부(CMU)는 도 2의 제1 초점 픽셀(FPx1) 및 제2 초점 픽셀(FPx2)의 제1 출력 전압(Vout1) 및 제2 출력 전압(Vout2)을 비교한 비교 결과를 출력할 수 있다. 비교 결과는 이미지 센서(100)가 포함되는 영상 촬영 장치의 로직에 의해, 자동 초점 기능 수행에 사용될 수 있다.
다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 실시예에 따른 픽셀 신호 처리부(160)는 센싱 픽셀(SPX) 및 초점 픽셀(FPx)의 출력 전압(Vout)만을 출력하고, 초점 픽셀(FPx)의 위치, 및 인접하는 도 2의 제1 초점 픽셀(FPx1) 및 제2 초점 픽셀(FPx2)의 제1 출력 전압(Vout1) 및 제2 출력 전압(Vout2)의 차이의 비교 등은 이미지 센서(100)가 포함되는 영상 촬영 장치의 로직에 의해 수행될 수 있다.
도 4는 도 1의 센싱 픽셀의 예를 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 센싱 픽셀(SPx)은 반도체층(110), 배선층(120), 평탄층(130), 컬러 필터층(150) 및 마이크로 렌즈층(160)을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 센싱 픽셀(SPx)과 초점 픽셀(FPx)이 동일한 픽셀 어레이(ARY)에 포함되므로, 센싱 픽셀(SPx)의 반도체층(110), 배선층(120), 평탄층(130), 컬러 필터층(150) 및 마이크로 렌즈층(160)은 초점 픽셀(FPx)의 반도체층(110), 배선층(120), 평탄층(130), 컬러 필터층(150) 및 마이크로 렌즈층(160)과 동일한 물질 또는 동일한 크기로 구현될 수 있다. 따라서, 도 4의 센싱 픽셀(SPx)의 각 층에 대한 자세한 설명은 생략한다. 다만, 센싱 픽셀(SPx)은 정확한 빛의 입사량을 센싱해야 하므로, 초점 픽셀(FPx)과 달리, 차단층(140)을 포함하지 아니할 수 있다.
도 5는 도 1의 픽셀 어레이에서 픽셀의 패턴의 예를 나타내는 도면이다. 도 1 및 도 5의 (a)를 참조하면, 픽셀 어레이(ARY)의 각 픽셀(Px)은, 칼라 픽셀층(150)의 G(green) 필터가 R(red) 필터 및 B(blue) 필터 각각보다 2배 많이 구비하는 베이어 패턴(bayer pattern)으로 배치될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(ARY)의 각 픽셀(Px)은 비 베이어 패턴으로 구비될 수도 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해, 픽셀 어레이(ARY)의 각 픽셀(Px)은 베이어 패턴으로 구비되는 예에 한하여 설명한다.
도 1 및 도 5의 (b)를 참조하면, 베이어 패턴으로 구비되는 픽셀 어레이(ARY)에서 초점 픽셀(FPx)은 R 영역 또는 B 영역에 구비될 수 있다. 예를 들어, RGGB의 레이어 패턴에서 R 영역에 제1 초점 픽셀(FPx1)이 배치되고, B 영역에 제2 초점 픽셀(FPx2)이 배치될 수 있다. 전술한 바와 같이, 인접하여 위치하는 적어도 한 쌍의 초점 픽셀(FPx) 사이의 출력 전압 차이에 근거하여, 자동 초점 기능이 수행될 수 있다. 사람의 눈은 명도 차이에 민감하기 때문에, 명도와 관련된 G 영역보다 칼라와 관련된 R 영역 또는 B 영역에 초점 픽셀(FPx)을 배치함으로써, 센싱 픽셀(SPx)과 초점 픽셀(FPx)이 포함되는 픽셀 어레이(ARY)에서, 초점 픽셀(FPx)에 의한 이미지 센싱의 영향을 최소화할 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서 또는 이미지 센서를 포함하는 전자 장치에서 레이 아웃의 이슈 등에 따라, R 영역 또는 B 영역이 아닌 G 영역에 초점 픽셀(FPx)을 배치할 수도 있다.
도 6 내지 도 8은 각각, 도 5의 (b)와 같이 배치되는 인접하는 초점 픽셀에 구비되는 차단층의 위치의 예를 나타내는 도면이다. 도 6 내지 도 8에서 차단층의 위치를 좀더 명확하게 나타내기 위해, 초점 픽셀의 차단층 상부에 형성되는 물질은 도시하지 아니하였다. 먼저 도 6을 참조하면, 제1 초점 픽셀(FPx1) 및 제2 초점 픽셀(FPx2)의 차단층(140_1, 140_2)은 서로 인접하는 방향으로 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 6의 (a)와 같이, 제1 초점 픽셀(FPx1)의 차단층(140_1) 및 제2 초점 픽셀(FPx2)의 차단층(140_2)은 각 초점 픽셀 내에서, 제1 방향(x)으로 인접하는 영역에 구비될 수 있다. 또는, 도 6의 (b)와 같이, 제1 초점 픽셀(FPx1)의 차단층(140_1) 및 제2 초점 픽셀(FPx2)의 차단층(140_2)은 각 초점 픽셀 내에서, 제2 방향(y)으로 인접하는 영역에 구비될 수 있다.
다음으로, 도 7을 참조하면, 제1 초점 픽셀(FPx1) 및 제2 초점 픽셀(FPx2)의 차단층(140_1, 140_2)은 서로 이격하는 방향으로 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 7의 (a)와 같이, 제1 초점 픽셀(FPx1)의 차단층(140_1) 및 제2 초점 픽셀(FPx2)의 차단층(140_2)은 각 초점 픽셀 내에서, 제1 방향(x)으로 이격하는 영역에 구비될 수 있다. 또는, 도 7의 (b)와 같이, 제1 초점 픽셀(FPx1)의 차단층(140_1) 및 제2 초점 픽셀(FPx2)의 차단층(140_2)은 각 초점 픽셀 내에서, 제2 방향(y)으로 이격하는 영역에 구비될 수 있다.
도 6 및 도 7에서는 제1 초점 픽셀(FPx1)의 차단층(140_1) 및 제2 초점 픽셀(FPx2)의 차단층(140_2)이 구비되는 초점 픽셀의 일 면과 동일한 길이로 형성되는 예를 도시하였다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 8의 (a) 및 (b)를 참조하면, 제1 초점 픽셀(FPx1) 및 제2 초점 픽셀(FPx2)의 차단층(140_1, 140_2)은 구비되는 초점 픽셀의 일 면의 길이보다 짧게 구비될 수 있다.
도 9a 내지 도 9e는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타내는 도면이다. 도 1에서 설명한 바와 같이, 초점 픽셀(FPx)은 반도체층(110), 배선층(120), 평탄층(130), 차단층(140), 컬러 필터층(140) 및 렌즈층(150)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 단위 픽셀은 반도체층(110), 배선층(120), 차단층(140), 평탄층(130), 컬러 필터층(140) 및 렌즈층(150)의 순서로 형성될 수 있다. 이에 대하여 설명한다. 다만, 초점 픽셀(FPx)에서 광 감지 소자(PD)에 축전된 전하를 전기적 신호로 센싱하거나 광 감지 소자(PD)에 축적된 전하를 리셋하는 등의 기능을 수행하는 트랜지스터들의 제조에 대한 설명은 생략함을 알려둔다.
먼저, 도 9a를 참조하면, 제1 지지 기판(210) 상에 반도체 층(110)이 형성될 수 있다. 반도체 층(110)은 벌크 기판, 에피텍셜 기판 또는 SOI 기판 중 어느 하나일 수 있다. 제1 지지 기판(210)과 반도체 층(110)이 접하는 면을 반도체 층(110)의 제1 면(111)이라 지칭하고, 제1 면(111)과 대향하는 반도체 층(110)의 면을 제2 면(112)이라 지칭한다. 광 감지 소자(PD)는 반도체 층(110)의 제2 면(112)을 향하여 불순물을 주입함으로써 형성될 수 있다.
도 9b를 참조하면, 배선층(120)은 반도체층(110)의 제2 면(112) 상에 형성될 수 있다. 배선층(120)은 배선과 층간 절연막이 적층된 구조일 수 있다. 배선층(120) 상의 배선은 패터닝(patterning), 마스킹(masking) 및 에칭(etching)등의 과정을 통해 형성될 수 있다. 배선은 전도성 물질, 예컨대 금속 또는 적어도 2종류의 금속이 혼합된 합금막으로 형성될 수 있다. 층간 절연막은 절연 물질, 예컨대 산화 실리콘으로 형성될 수 있다. 배선의 형성 및 층간 절연막의 형성을 반복함으로써 다층 배선이 형성될 수 있다.
도 9b 및 9c를 참조하면, 제2 지지 기판(220)이 배선층(120) 접착되어 배선층(120)의 일면을 지지할 수 있다. 이 후, 제1 지지 기판(210) 및 제2 지지 기판(220)을 포함하는 다층 구조물을 상하 반전시켜 제1 지지 기판(210)이 제2 지지 기판(220) 보다 위에 위치시키고, 제1 지지 기판(210)은 제거될 수 있다. 예컨대, 제1 지지 기판(210)은 그라인더에 의해서 수십 ㎛ 두께까지 깎일 수 있고, 에칭 공정에 의해서 남은 부분에 제거될 수 있다.
도 9d를 참조하면, 반도체 층(110)의 제2 면(112) 상에 평탄층(130)이 형성될 수 있다. 평탄층(130)의 내부에 차단층(140)이 형성된다. 차단층(140)은 패터닝, 마스킹 및 에칭 등의 과정을 통해 형성될 수 있다. 차단층(140)이 형성된 이후 소정의 물질이 주입됨으로써 평탄층(130)이 형성될 수 있다. 또는, 차단층(140)이 형성된 후, 소정의 물질이 주입됨으로써 차단층(140)이 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 차단층(140)은 반도체 층(110)으로 입사하는 빛 중 일부를 차단하여, 흡수되는 것을 방지할 수 있다. 차단층(140)은 빛을 투과시키지 않는 물질을 포함할 수 있고, 예컨대 금속을 포함할 수 있다.
도 9e를 참조하면, 평탄층(130) 상부에 컬러 필터층(150)이 형성될 수 있다. 이후, 컬러 필터층(150) 상부에 렌즈층(150)이 형성될 수 있다. 마이크로 렌즈층(160)에 의해 빛이 초첨 픽셀(Px)의 광 감지 소자(PD)로 포커싱 할 수 있다. 컬러 필터층(150)은 마이크로 렌즈층(160)을 통하여 입사된 빛 중 필요한 파장의 빛을 통과시킬 수 있다. 마이크로 렌즈층(160)이 형성된 이후에는 마이크로 렌즈층(160)의 표면 잔류 물질을 제거하는 단계가 수행될 수 있다. 또한, 마이크로 렌즈층(160)의 형태를 유지시키기 위해 베이크 공정이 수행될 수 있다.
도 9a 내지 도 9e와 같은 제조 과정을 통해 제조되는 일 실시예에 따른 초점 픽셀(FPx)은, 초점 픽셀과 센싱 픽셀을 동일한 픽셀 어레이에 구비하고 후면 조사형 구조의 이미지 센서에서, 차단층의 위치를 최적화함으로써, 구조를 간단히 하면서도 정확한 자동 초점 기능을 수행할 수 있다. 도 9a 내지 도 9e는 초점 픽셀(FPx)에 대한 제조 과정을 나타내었으나, 전술한 바와 같이, 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(ARY)를 제조함에 있어, 초점 픽셀(FPx)과 센싱 픽셀(SPx)을 동시 공정으로 제조할 수 있다. 따라서, 도 4의 센싱 픽셀(SPx) 또한, 도 9a 내지 도 9e와 같은 제조 과정 중 차단층(140)을 형성하는 과정을 제외하고는 동일한 과정으로 제조될 수 있다.
도 10은 도 1의 이미지 센서를 포함하는 카메라의 예를 나타내는 도면이다. 도 1 및 도 10을 참조하면, 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 영상 촬영 장치에 포함될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 디지털 카메라에 포함될 수 있다. 일 실시예에 따른 영상 촬영 장치는, 자동 초점 기능을 수행하기 위한 자동 초점 센서(AF Sensor)가 별도로 구비되는 카메라(도 10의 (a))와 달리, 센싱 픽셀(SPx)과 초점 픽셀(FPx)이 이미지 센서(100)의 픽셀 어레이(ARY)에 포함된다(도 10의 (b)). 따라서, 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)를 포함하는 카메라는 도 10의 (b)에 도시되는 바와 같이, 별도의 자동 초점 센서를 구비하지 아니할 수 있다.
도 10의 (b)의 카메라는 렌즈로부터 입사되는 빛을 수신하여, 이미지 센서(100)의 적어도 한 쌍의 초점 픽셀(FPx)간의 출력 전압 차이에 근거하여, 카메라의 렌즈의 액추에이터(actuator)를 제어할 수 있다. 자동 초점 센서를 이미지 센서와 별도로 구비하는 도 10의 (a)의 카메라는, 카메라의 렌즈를 통해 전달되는 빛의 일부가 적어도 둘 이상의 자동 초점 센서로 입사되어, 각 자동 초점 센서 사이의 빛의 위상차에 근거하여 카메라의 렌즈의 액추에이터를 제어할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서 칩을 나타내는 블럭도이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 이미지 센서 칩(2100)은 픽셀 어레이(2110), 컨트롤러(2130), 로우 드라이버(2120) 및 픽셀 신호 처리부(2140)를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(2110)는 도 1의 픽셀 어레이(ARY)와 같이 2차원적으로 배열된 복수의 픽셀들을 포함할 수 있고, 각 픽셀은 광 감지 소자를 포함할 수 있다. 광 감지 소자는 빛을 흡수하여 전하를 생성하고, 생성된 전하에 따른 전기적 신호(출력 전압)는 수직 신호 라인을 통해서 픽셀 신호 처리부(2140)로 제공될 수 있다. 픽셀 어레이(2110)가 포함하는 픽셀들은 로우(row) 단위로 한번에 하나씩 출력 전압을 제공할 수 있고, 이에 따라 픽셀 어레이(2110)의 하나의 로우에 속하는 픽셀들은 로우 드라이버(2120)가 출력하는 선택 신호에 의해 동시에 활성화될 수 있다. 선택된 로우에 속하는 픽셀은 흡수한 빛에 따른 출력 전압을 대응하는 컬럼의 출력 라인에 제공할 수 있다.
픽셀 어레이(2110)는 도 1의 픽셀 어레이(ARY)와 같이, 센싱 픽셀(SPx)과 초점 픽셀(FPx)을 함께 포함할 수 있다. 이때, 초점 픽셀(FPx)은 차단층(140)을 반도체층(110)과 컬러 필터층(150) 사이의 평탄층(130) 내에 구비함으로써, BSI 센서인 경우에도, 빛의 위상차에 따른 정확한 출력 전압을 출력할 수 있다.
컨트롤러(2130)는 픽셀 어레이(2110)가 빛을 흡수하여 전하를 축적하게 하거나, 축적된 전하에 따른 전기적 신호를 픽셀 어레이(2110)의 외부로 출력하게 하도록, 로우 드라이버(2120)를 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러(2130)는 픽셀 어레이(2110)가 제공하는 출력 전압을 측정하도록, 픽셀 신호 처리부(2140)를 제어할 수 있다.
픽셀 신호 처리부(2140)는 상관 이중 샘플러(CDS)(2142), 아날로그-디지털 컨버터(ADC)(2144) 및 버퍼(2146)를 포함할 수 있다. 상관 이중 샘플러(2142)는 픽셀 어레이(2110)에서 제공한 출력 전압을 샘플링 및 홀드할 수 있다. 상관 이중 샘플러(2142)는 특정한 잡음 레벨과 생성된 출력 전압에 따른 레벨을 이중으로 샘플링하여, 그 차이에 해당하는 레벨을 출력할 수 있다. 또한, 상관 이중 샘플러(2142)는 램프 신호 생성기(2148)가 생성한 램프 신호를 입력받아 서로 비교하여 비교 결과를 출력할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(2144)는 상관 이중 샘플러(2142)로부터 수신하는 레벨에 대응하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 버퍼(2146)는 디지털 신호를 래치(latch)할 수 있고, 래치된 신호는 순차적으로 이미지 센서 칩(2100)의 외부로 출력되어 이미지 프로세서(미도시)로 전달될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 11의 이미지 센서 칩을 포함하는 시스템을 나타내는 블록도이다. 시스템(2200)은 이미지 데이터를 필요로 하는 컴퓨팅 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 차량 네비게이션, 비디오 폰, 경비 시스템 또는 움직임 검출 시스템 중 어느 하나 일 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 시스템(2200)은 중앙처리장치(또는 프로세서)(2210), 비휘발성 메모리(2220), 이미지 센서 칩(2230), 입출력 장치(2240) 및 RAM(2250)을 포함할 수 있다. 중앙처리장치(2210)는 버스(2260)를 통해서 비휘발성 메모리(2220), 이미지 센서 칩(2230), 입출력 장치(2240) 및 RAM(2250)과 통신할 수 있다. 이미지 센서 칩(2230)은 독립된 반도체 칩으로 구현될 수도 있고, 중앙처리장치(2210)와 결합하여 하나의 반도체 칩으로 구현될 수도 있다. 도 12에 도시된 시스템에 포함된 이미지 센서 칩(2230)은 본 발명의 일 실시예에 따라 이상에서 설명된 픽셀을 포함할 수 있다. 즉, 이미지 센서 칩(2230)은 도 1의 센싱 픽셀(SPx) 및 초점 픽셀(FPx)을 함께 포함하는 픽셀 어레이(ARY)를 구비하고, 초점 픽셀(FPx)은 차단층(140)을 반도체층(110)과 컬러 필터층(150) 사이의 평탄층(130) 내에 구비함으로써, BSI 센서인 경우에도, 빛의 위상차에 따른 정확한 출력 전압을 출력할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템 및 인터페이스를 나타낸다. 도 13을 참조하면, 전자 시스템(3000)은 MIPI(Mobile Industry Processor Interface)에 의한 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치, 예컨대 이동 전화기, PDA, PMP 또는 스마트 폰으로 구현될 수 있다. 전자 시스템(3000)은 어플리케이션 프로세서(3010), 이미지 센서 칩(3040) 및 디스플레이(3050)를 포함할 수 있다.
어플리케이션 프로세서(3010)에 구현된 CSI 호스트(3012)는 카메라 시리얼 인터페이스(camera serial interface; CSI)를 통하여 이미지 센서(3040)의 CSI 장치(3041)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, 상기 CSI 호스트(3012)에는 광 디시리얼라이저가 구현될 수 있고, CSI 장치(3041)에는 광 시리얼라이저가 구현될 수 있다. 어플리케이션 프로세서(3010)에 구현된 DSI 호스트(3011)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(display serial interface; DSI)를 통하여 디스플레이(3050)의 DSI 장치(3051)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, DSI 호스트(3011)에는 광 시리얼라이저가 구현될 수 있고, DSI 장치(3051)에는 광 디시리얼라이저가 구현될 수 있다.
전자 시스템(3000)은 어플리케이션 프로세서(3010)와 통신할 수 있는 RF 칩(3060)을 더 포함할 수 있다. 전자 시스템(3000)의 PHY(3013)와 RF 칩(3060)의 PHY(3061)는 MIPI DigRF에 따라 데이터를 주고받을 수 있다. 전자 시스템(3000)은 GPS(3020), 스토리지(3070), 마이크(3080), DRAM(3085) 및 스피커(3090)를 더 포함할 수 있으며, 상기 전자 시스템(3000)은 Wimax(3030), WLAN(3100) 및 UWB(3110) 등을 이용하여 통신할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이었으나, 이는 단지 본 개시를 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 본 개시에 의한 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 이미지 센서
ARY: 픽셀 어레이
Px: 픽셀
SPx: 센싱 픽셀
FPx: 초점 픽셀

Claims (10)

  1. 각각, 입사되는 빛의 양에 대응되는 이미지 신호를 출력하는 다수의 센싱 픽셀; 및
    서로 인접하여 위치하고, 각각, 입사되는 빛의 위상 차를 초점 신호로 출력하는 적어도 한 쌍 이상의 초점 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이를 구비하고,
    상기 초점 픽셀은 각각,
    입사되는 빛 중 흡수하는 빛에 따른 전하를 축적하는 광 감지 소자를 포함하는 반도체층;
    상기 반도체층의 제1 면 방향으로 형성되고 배선을 포함하는 배선층;
    상기 반도체층의 제2 면 방향으로 제1 면이 형성되는 평탄층;
    입사되는 빛의 일부가 상기 광 감지 소자로 입사되는 것을 차단하는 차단층; 및
    상기 평탄층의 제2 면 방향으로 형성되고 각각, 입사되는 빛을 파장에 따라 선택적으로 투과 및 입사되는 빛을 상기 광 감지 소자로 포커싱하는 칼라 필터층 및 마이크로 렌즈층을 포함하고,
    상기 픽셀 어레이는,
    제1 센싱 픽셀, 제2 센싱 픽셀, 제1 초점 픽셀 및 제2 초점 픽셀을 포함하는 픽셀 유닛을 적어도 하나 포함하고,
    상기 제1 초점 픽셀 및 상기 제2 초점 픽셀은 대각선으로 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 차단층은 금속을 포함하고,
    상기 차단층은 상기 평탄층 내부에 포함되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 픽셀 어레이는 베이어 패턴(Bayer Pattern)으로 형성되고,
    상기 초점 픽셀은 상기 베이어 패턴의 R(Red) 또는 B(Blue) 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 각 쌍의 초점 픽셀의 상기 차단층은 각각,
    포함되는 초점 픽셀 내에서, 제1 방향으로 서로 인접하게 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 각 쌍의 초점 픽셀의 상기 차단층은 각각,
    포함되는 초점 픽셀 내에서, 제1 방향으로 서로 이격하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 이미지 센서는,
    로우 신호를 상기 픽셀 어레이로 인가하고는 로우 드라이버; 및
    상기 로우 신호에 활성화되는 상기 센싱 픽셀 또는 상기 초점 픽셀로부터 상기 이미지 신호 또는 상기 초점 신호를 수신하여 신호 처리하는 픽셀 신호 처리부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 픽셀 신호 처리부는,
    상기 적어도 한 쌍 이상의 초점 픽셀의 위치를 나타내는 위치 정보를 저장하는 저장부; 및
    상기 위치 정보에 근거하여, 상기 각 쌍의 초점 픽셀로부터 출력되는 출력 전압을 비교하여 상기 초점 신호로 처리하는 비교부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 칩(chip)으로 구비되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 피사체로부터 반사되는 빛을 모으는 렌즈; 및
    상기 렌즈를 통해 입사되는 빛을 전기 신호로 출력하고, 포함하는 픽셀 어레이의 각 픽셀의 배선층이, 빛이 입사되는 방향으로, 광 감지 소자를 포함하는 반도체층의 하부면에 위치하는 후면 조사형 이미지 센서를 포함하고,
    상기 후면 조사형 이미지 센서의 픽셀 어레이는,
    각각, 입사되는 빛의 양에 대응되는 이미지 신호를 상기 전기 신호로 출력하는 다수의 센싱 픽셀; 및
    서로 인접하여 위치하고, 각각, 입사되는 빛의 위상 차에 대응되는 초점 신호를 상기 전기 신호로 출력하고, 상기 빛의 위상 차를 검출하기 위해 입사되는 빛의 일부가 상기 광 감지 소자로 입사되는 것을 차단하는 차단층을 상기 반도체층의 상부면에 구비하는, 적어도 한 쌍 이상의 초점 픽셀을 포함하고,
    상기 픽셀 어레이는,
    제1 센싱 픽셀, 제2 센싱 픽셀, 제1 초점 픽셀 및 제2 초점 픽셀을 포함하는 픽셀 유닛을 적어도 하나 포함하고,
    상기 제1 초점 픽셀에 포함된 제1 차단층 및 상기 제2 초점 픽셀에 포함된 제2 차단층은 대각선으로 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 영상 촬영 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 차단층은 상기 초점 픽셀의 단면보다 적은 면적으로 형성되고,
    상기 초점 픽셀은 각각, 상기 차단층에 의한 단차를 보상하는 평탄층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 촬영 장치.
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