KR102363433B1 - 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 이미지 센서는 단위 픽셀들을 갖는 기판을 포함할 수 있다. 상기 단위 픽셀들 각각은 상기 기판 내에 제공되는 복수의 광전 소자부들 및 복수의 저장 소자부들을 포함할 수 있다.

Description

이미지 센서{Image sensors}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스토리지 게이트를 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상(Optical image)을 전기신호로 변환하는 반도체 소자이다. 이미지 센서는 CCD(Charge coupled device) 형 및 CMOS(Complementary metal oxide semiconductor) 형으로 분류될 수 있다. 상기 CMOS 형 이미지 센서는 CIS(CMOS image sensor)라고 약칭된다. 상기 CIS는 2차원적으로 배열된 복수개의 픽셀들을 구비한다. 상기 픽셀들의 각각은 포토 다이오드(photodiode, PD)를 포함한다. 상기 포토다이오드는 입사되는 광을 전기 신호로 변환해주는 역할을 한다.
더 높은 동적 범위를 필요로 하는 애플리케이션들(applications)이 요구되면서, 픽셀의 기능적 동작들(예를 들어, 전자 셔터링(electronic shuttering))을 증가시키기 위해 추가 게이트들을 사용한다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 높은 해상도를 갖는 이미지 센서를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 피사체의 센싱 기능이 향상된 이미지 센서를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 이미지 센서가 제공될 수 있다. 이미지 센서는 단위 픽셀들을 갖는 기판을 포함하되, 상기 단위 픽셀들 각각은 상기 기판 내에 제공되는 복수의 광전 소자부들 및 복수의 저장 소자부들을 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 평면적 관점에서, 상기 광전 소자부들의 면적은 상기 저장 소자부들의 면적보다 클 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 광전 소자부들 및 상기 저장 소자부들 사이에 각각 제공되는 스토리지 게이트들; 상기 기판 내에서 상기 스토리지 게이트들의 일 측들에 각각 배치되는 부유 확산 영역들; 및 상기 저장 소자부들 및 상기 부유 확산 영역들 사이에 배치되는 트랜스퍼 게이트들을 더 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 저장 소자부들은 상기 광전 소자부들과 수평적으로 이격 배치될 수 있다.
실시예에 따르면, 평면적 관점에서, 상기 광전 소자부들은 상기 저장 소자부들과 각각 중첩될 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 기판은 하부 기판 및 상기 하부 기판 상의 상부 기판을 포함하며, 상기 저장 소자부들은 상기 하부 기판 내에 배치되며, 상기 광전 소자부들은 상기 상부 기판 내에 배치될 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 하부 기판 및 상기 상부 기판 사이에 제공되는 연결 구조체를 더 포함하되, 상기 연결 구조체는 상기 저장 소자부들 및 상기 광전 소자부들 사이에 각각 제공되는 스토리지 게이트들 및 상기 스토리지 게이트들의 채널 영역들을 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 채널 영역들은 평면적 관점에서 각각 원형의 형상을 가지고, 상기 스토리지 게이트들은: 상기 채널 영역들의 측벽들 상에서, 상기 채널 영역들의 상기 측벽들을 덮는 스토리지 게이트 전극들; 및 상기 채널 영역들 및 상기 스토리지 게이트 전극들 사이에 각각 개재된 스토리지 게이트 절연막들을 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 평면적 관점에서, 상기 광전 변환부들은 행들 및 열들을 따라 배열된 광전 소자 영역들을 구성하며, 상기 저장 소자부들은 상기 광전 소자 영역들 사이에서 행들 및 열들을 따라 배열된 저장 소자 영역들을 구성할 수 있다.
실시예에 따르면, 평면적 관점에서, 상기 광전 변환 영역들은 각각 팔각형의 형상을 가지며, 상기 저장 소자 영역들은 각각 사각형의 형상을 가질 수 있다.
실시예에 따르면, 평면적 관점에서, 상기 저장 소자 영역들의 엣지들은 각각 상기 광전 변환 영역들에 의해 둘러싸일 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 기판 상에서 상기 단위 픽셀들에 각각 제공되는 컬러 필터들; 및 상기 컬러 필터들 상의 마이크로렌즈들 더 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 평면적 관점에서, 상기 광전 소자부들은 상기 마이크로 렌즈들과 중첩되며, 상기 저장 소자부들은 상기 단위 픽셀들의 코너들에 대응되는 위치에 제공될 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 광전 소자부들의 개수는 상기 저장 소자부들의 개수와 동일할 수 있다.
본 발명에 따른 이미지 센서는 단위 픽셀들을 갖는 기판, 상기 단위 픽셀들 각각은 복수의 서브 픽셀들을 가지는 것; 및 상기 기판 상에서 상기 단위 픽셀들에 각각 제공되는 컬러 필터들을 포함하며, 상기 서브 픽셀들 각각은 광전 소자부 및 저장 소자부를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 서브 픽셀들 각각은: 상기 광전 소자부 및 상기 저장 소자부 사이에 제공되는 스토리지 게이트; 상기 기판 내에서 상기 스토리지 게이트의 일 측에 배치되는 부유 확산 영역; 및 상기 저장 소자부 및 상기 부유 확산 영역 사이에 배치되는 트랜스퍼 게이트를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 평면적 관점에서, 상기 광전 소자부는 상기 저장 소자부보다 큰 면적을 가질 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 기판 내에서 상기 단위 픽셀들 및 상기 서브 픽셀들을 정의하는 소자 분리 패턴을 더 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 평면적 관점에서, 상기 저장 소자부는 상기 광전 소자부의 측면 상에 배치될 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 광전 소자부는 상기 저장 소자부의 상면 상에 배치될 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 저장 소자부 및 상기 광전 소자부 사이에 개재되는 스토리지 게이트를 더 포함하되, 상기 스토리지 게이트의 채널 영역은 상기 저장 소자부 및 상기 광전 소자부 사이에서 제공되고, 원형의 단면을 가지며, 상기 스토리지 게이트는 상기 채널 영역의 측벽을 둘러싸며 제공될 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 단위 픽셀들 중 어느 하나에서, 상기 서브 픽셀들은 제1 서브 픽셀 및 제2 서브 픽셀을 포함하고, 평면적 관점에서, 상기 제1 서브 픽셀의 상기 광전 소자부 및 상기 제2 서브 픽셀의 상기 광전 소자부는 팔각형의 광전 소자 영역을 구성하며, 상기 광전 소자 영역은 상기 제1 서브 픽셀의 상기 저장 소자부 및 상기 제2 서브 픽셀의 상기 저장 소자부 사이에 제공될 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 각각의 컬러 필터들 상에 제공되는 마이크로렌즈를 더 포함하되, 상기 마이크로 렌즈는 상기 광전 소자부를 덮되, 상기 저장 소자부는 상기 마이크로렌즈에 의해 노출될 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 기판 및 상기 컬러 필터 사이에서, 상기 저장 소자부를 덮은 차광 패턴을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀들 각각은 복수의 광전 소자부들 및 복수의 저장 소자부들을 포함하여, 이미지 센서는 동작하는 피사체의 영상 신호를 양호하게 출력할 수 있다. 단위 픽셀들이 복수의 광전 소자부들을 포함하여, 이미지 센서는 촬상된 피사체의 이미지를 보정할 수 있다. 더불어, 피사체에 대한 3차원적 정보가 획득될 수 있다. 이미지 센서는 별도의 초점 검출용 픽셀들을 포함하지 않아, 해상도가 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 회로도이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 평면도이다.
도 2b는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타낸 것으로 도 2a의 Ⅰ영역을 확대 도시한 평면도이다.
도 2c는 도 2b를 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 자른 단면도이다.
도 3a는 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 평면도이다.
도 3b는 도 3a의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 자른 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 또 다른 실시예들에 다른 이미지 센서들의 단위 픽셀들을 각각 도시한 평면도들이다.
도 5a 및 도 5b는 또 다른 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀들을 각각 도시한 평면도들이다.
도 6a는 또 다른 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 도시한 평면도이다.
도 6b는 도 6a의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 자른 단면도이다.
도 7a는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 평면도이다.
도 7b는 도 7a의 Ⅰ' 영역을 확대 도시한 평면도이다.
도 7c는 도 7b의 Ⅳ-Ⅳ'선을따라 자른 단면도이다.
도 8a는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타낸 평면도이다.
도 8b는 도 8a의 Ⅳ-Ⅳ'선을 따라 자른 단면도다.
도 9a는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 평면도이다.
도 9b 및 도 9c는 또 다른 실시예들에 단위 픽셀들을 나타낸 평면도들이다.
도 9d는 도 9b의 Ⅴ-Ⅴ'선을 따라 자른 단면도이다
도 10a는 본 발명의 실시예들에 따른 씨모스 이미지 센서가 적용되는 프로세서 기반 시스템을 나타내는 개략적 블록도이다.
도 10b는 본 발명의 실시예들에 따른 씨모스 이미지 센서가 적용되는 전자 장치를 나타내는 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 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. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 5개의 NMOS 트랜지스터들을 포함하는 단위 픽셀의 서브 픽셀들(Px) 각각은 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광전 변환 소자(10)와, 광전 변환 소자(10)에 입사된 광 신호를 독출하는 독출 소자들을 포함할 수 있다. 독출 소자들은 리셋(reset) 소자(20), 증폭 소자(30) 및 선택(select) 소자(40)를 포함할 수 있다.
광전 변환 소자(10)는 입사광에 대응하는 전하를 생성 및 축적할 수 있다. 광전 변환 소자(10)는 광전 변환부(PD)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광전 변환 소자(10)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode: PPD) 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
광전 변환 소자(10)는 스토리지 게이트(SG)와 연결될 수 있다. 스토리지 게이트(SG)는 상기 광전 변환 소자(10)에 생성 및 축적된 전하를 제1 검출 소자(30)로 전달할 수 있다. 스토리지 게이트(SG)는 제2 검출 소자(40)로 전달하는 트랜스퍼 소자(50)와 연결된다.
저장 소자부(SD)는 광전 변환 소자(10)에서 축적된 전하를 전송받을 수 있다. 저장 소자부(SD)는 광전 변환 소자(10)보다 더 큰 전하 저장 능력을 가질 수 있다. 상기 광전 변환 소자(10)에서 생성 및 축적된 전하가 저장 소자부(SD)로 한번에 전송될 수 있다.
저장 소자부(SD)에 축적된 전하는 상기 트랜스퍼 소자(50)을 통하여, 제1 검출 소자(10)로 전송될 수 있다. 일 예로, 트랜스퍼 소자(50)는 트랜스퍼 게이트(TG)일 수 있다. 상기 제1 검출 소자(10)는 부유 확산 영역(FD: Floating Diffusion region)일 수 있다. 제1 검출 소자(10)는 저장 소자부(SD)보다 더 큰 전하 저장 능력을 가져, 전하를 누적적으로 저장할 수 있다. 상기 저장 소자부(SD)에 저장된 전하가 상기 제1 검출 소자(10)로 한번에 전송될 수 있다. 상기 광전 변환 소자(10)에서 생성된 전하가 상기 저장 소자부(SD)를 통해 상기 제1 검출 소자(10)로 한번에 전송되어, 순차적으로 전하가 전송될 때 전송시간의 지연으로 인해 발생될 수 있는 이미지 왜곡의 문제점을 해결할 수 있다. 상기 제1 검출 소자(10)는 증폭 소자(30)와 전기적으로 연결되어 있어, 상기 증폭 소자(30)를 제어할 수 있다.
리셋 소자(20)는 제1 검출 소자(10)를 주기적으로 리셋시킬 수 있다. 상기 리셋 소자(20)의 소오스는 상기 제1 검출 소자(10)와 연결되며, 드레인은 전압(VDD)에 연결될 수 있다. 그리고 상기 리셋 소자(20)는 리셋 신호(RX(i))에 의해 제공되는 바이어스에 의해 구동될 수 있다. 상기 리셋 신호(RX(i))에 의해 제공되는 바이어스에 의해, 상기 리셋 소자(20)가 턴 온되면, 상기 리셋 소자(20)의 드레인과 연결된 전원 전압(VDD)이 상기 제1 검출 소자(10)로 전달될 수 있다. 따라서, 상기 리셋 소자(20)가 턴 온시, 상기 제1 검출 소자(10)를 리셋시킬 수 있다.
상기 증폭 소자(30)는 서브 픽셀들(Px) 외부에 위치하는 정전류원(미도시)과 조합하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며, 상기 제1 검출 소자(10)의 전기적 포텐셜의 변화를 증폭하고 이를 출력 라인(Vout)으로 출력할 수 있다.
도면 상으로 도시하지 않았지만, 상기 리셋 소자(20)와 상기 증폭 소자(30) 사이에 엑티브 콘택(미도시)이 배치될 수 있다. 엑티브 콘택은 단위 픽셀에 전압을 걸어줄 수 있다.
상기 선택 소자(40)는 행 단위로 읽어낼 상기 단위 픽셀를 선택하는 역할을 할 수 있다. 상기 선택 소자(40)는 행 선택 라인(SEL(i))에 의해 제공되는 바이어스에 의해 구동되며, 상기 선택 소자(40)가 턴 온되면, 상기 증폭 소자(30)의 드레인과 연결된 전원 전압이 상기 선택 소자(40)의 드레인으로 전달될 수 있다.
그리고, 스토리지 소자(20), 트랜스퍼 소자(50), 리셋 소자(20), 및 선택 소자(40)의 구동 신호 라인들(TX(i), TX(ii), RX(i), SEL(i))은 동일한 행에 포함된 단위 픽셀들이 동시에 구동되도록 행 방향(수평 방향)으로 연장될 수 있다.
서브 픽셀들(Px)은 단위 픽셀에 복수로 제공될 수있다. 리셋 트랜지스터(Rx), 상기 선택 트랜지스터(Sx) 및 상기 억세스 트랜지스터(Ax)는 이웃하는 서브 픽셀들(Px)에 의해 서로 공유될 수 있으며, 이에 의해 집적도가 향상될 수 있다.
도 2a는 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 평면도이다. 도 2b는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타낸 것으로 도 2a의 Ⅰ영역을 확대 도시한 평면도이다. 도 2c는 도 2b의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 자른 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 이미지 센서(1)의 기판(100)은 단위 픽셀들(P)을 가질 수 있다. 단위 픽셀들(P) 각각은 전기적 신호를 출력할 수 있다. 단위 픽셀들(P) 각각은 복수의 서브 픽셀들(Px1, Px2)을 포함할 수 있다. 단위 픽셀들(P) 및 서브 픽셀들(Px1, Px2)은 소자 분리 패턴(200)에 의해 정의될 수 있다. 단위 픽셀들(P)은 독출 소자들(도 1에서 20, 30, 40)을 각각 포함하거나, 독출 소자들을 서로 공유할 수 있다. 이하, 도 2c를 참조하여, 이미지 센서(1)의 구조 및 기능에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 여기에서, 단수의 단위 픽셀(P) 및 서브 픽셀(Px)에 관하여 서술하기로 한다.
기판(100)은 서로 마주 보는 제1 면(102a) 및 제2 면(102b)을 가질 수 있다. 제1 면(102a)은 기판(100)의 전면이고, 제2 면(102b)은 기판(100)의 후면일 수 있다. 예를 들어, 기판(100)은 반도체 기판 또는 SOI(Silicon on insulator) 기판일 수 있다. 기판(100)은 P형 불순물을 포함할 수 있다. 이미지 센서(1)의 각 서브 픽셀(Px)은 소자 분리 패턴(200), 광전 변환부(PD), 스토리지 게이트(SG), 저장 소자부(SD), 트랜스퍼 게이트(TG), 부유 확산 영역(FD), 배선층(300), 및 차광 패턴(420)을 포함할 수 있다.
소자 분리 패턴(200)은 기판(100) 내에서 단위 픽셀(P) 및 서브 픽셀(Px)을 정의할 수 있다. 일 예로, 소자 분리 패턴(200)은 기판(100)을 관통하여, 기판(100)의 제1 면(102a) 및 제2 면(102b)을 연결할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 소자 분리 패턴(200)은 깊은 트렌치 분리(Deep Trench Isolation)막일 수 있다. 예를 들어, 소자 분리 패턴(200)은 트렌치 또는 비아 내에 제공된 절연 물질을 포함할 수 있다. 이 경우, 소자 분리 패턴(200)은 기판(100)보다 낮은 굴절률을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 다른 예로, 소자 분리 패턴(200)은 기판(100) 내의 도핑된 불순물 영역일 수 있다.
광전 변환부(PD)가 기판(100) 내에 배치될 수 있다. 광전 변환부(PD)는 제1 불순물 영역(111) 및 제2 불순물 영역(112)을 포함할 수 있다. 제1 불순물 영역(111)은 기판(100)의 제1 면(102a)에 인접하여 제공될 수 있다. 예를 들어, 제1 불순물 영역(111)은 p형 불순물이 도핑된 영역일 수 있다. 제2 불순물 영역(112)은 기판(100)의 제1 면(102a)으로부터 깊게 제공되고, 예를 들어, n형 불순물이 도핑된 영역일 수 있다.
스토리지 게이트(SG)는 기판(100)의 제1 면(102a) 상에 제공될 수 있다. 스토리지 게이트(SG)는 광전 변환부(PD)의 일 측에 배치될 수 있다. 스토리지 게이트(SG)는 스토리지 게이트 전극(SGe) 및 스토리지 게이트 절연막(SGi)을 포함할 수 있다. 스토리지 게이트(SG)는 기판(100)의 제1 면(102a) 상에 배치되는 플랫형(flat-type) 구조를 가질 수 있다. 다른 예로, 스토리지 게이트(SG)는 기판(100)의 제1 면(102a) 상에서 기판(100) 내로 연장되는 매립형 구조를 가질 수 있다.
저장 소자부(SD)가 기판(100) 내에서 스토리지 게이트(SG)의 일 측에 제공되어, 광전 변환부(PD)와 수평적으로 이격 배치될 수 있다. 스토리지 게이트(SG)는 광전 변환부(PD) 및 저장 소자부(SD) 사이에 제공되어, 광전 변환부(PD)에서 생성 및 축적된 전하를 저장 소자부(SD)로 전달할 수 있다. 저장 소자부(SD)는 스토리지 게이트(SG)로부터 전달받은 전하를 저장할 수 있다. 저장 소자부(SD)는 광전 변환부(PD)보다 큰 전하 저장 능력을 가질 수 있다. 저장 소자부(SD)는 제1 도핑 영역(121) 및 제2 도핑 영역(122)을 포함할 수 있다. 제2 도핑 영역(122)은 기판(100)의 제1 면(102a)으로부터 깊게 형성될 수 있다. 제2 도핑 영역(122)은 제1 불순물 영역(111)과 동일한 도전형의 불순물, 예를 들어, p형 불순물을 포함할 수 있다. 제1 도핑 영역(121)은 기판(100)의 제1 면(102a)에 인접할 수 있다. 제1 도핑 영역(121)은 제2 도핑 영역(122)과 다른 도전형의 불순물, 예를 들어, n형 불순물을 포함할 수 있다.
트랜스퍼 게이트(TG)가 기판(100)의 제1 면(102a) 상에서, 스토리지 게이트(SG)와 이격 배치될 수 있다. 트랜스퍼 게이트(TG)는 플랫형(flat-type) 구조 또는 매립형 구조를 가질 수 있다.
부유 확산 영역(FD)은 기판(100) 내에서 기판(100)의 제1 면(102a)에 인접하여 제공될 수 있다. 부유 확산 영역(FD)은 저장 소자부(SD)의 일 측에 배치될 수 있다. 일 예로, 부유 확산 영역(FD)은 n형 불순물이 도핑된 영역일 수 있다. 트랜스퍼 게이트(TG)는 저장 소자부(SD) 및 부유 확산 영역(FD) 사이에 제공되어, 저장 소자부(SD)에 저장된 전하를 부유 확산 영역(FD)으로 전달할 수 있다. 부유 확산 영역(FD)은 저장 소자부(SD)보다 큰 전하 저장 능력을 가질 수 있다. 저장 소자부(SD)가 제공됨에 따라, 광전 변환부(PD)에서 생성 및 축적된 전하가 부유 확산 영역(FD)으로 한번에 전달될 수 있다. 실시예의 이미지 센서(1)의 촬상 시, 피사체가 움직이더라도, 전하의 전송 시간 지연으로 인한 이미지의 왜곡이 방지/감소될 수 있다.
기판(100)의 제1 면(102a) 상에 배선층(300)이 배치될 수 있다. 배선층(300)은 층간 절연막들(310) 및 배선들(320)을 포함할 수 있다. 다른 예로, 배선층(300)은 기판(100)의 제2 면(102b) 상에 배치될 수 있다.
버퍼막(400)이 기판(100)의 제2 면(102b) 상에 배치될 수 있다. 버퍼막(400)은 평탄화막, 반사 방지막, 또는 보호막과 같은 역할을 할 수 있다. 그리드 패턴(410)은 버퍼막(400) 내에서 소자 분리 패턴(200) 상에 제공되어, 소자 분리 패턴(200)과 수직적으로 중첩될 수 있다. 다른 예로, 그리드 패턴(410)은 생략될 수 있다.
차광 패턴(420)이 기판(100)의 제1 면(102a) 상에 배치될 수 있다. 차광 패턴(420)은 버퍼막(400) 내에 제공될 수 있다. 차광 패턴(420)은 저장 소자부(SD)의 상면을 덮되, 광전 변환부(PD)를 덮지 않을 수 있다. 차광 패턴(420)은 금속을 포함할 수 있다. 차광 패턴(420)은 기판(100)의 제2 면(102b)으로부터 광이 저장 소자부(SD)에 입사되는 것을 막을 수 있다. 이에 따라, 저장 소자부(SD)에 저장된 전하의 신호가 입사된 광에 의해 영향을 받는 현상이 방지/감소될 수 있다.
도 2c를 도 2a와 함께 참조하면, 컬러 필터(CF) 및 마이크로렌즈(ML)가 버퍼막(400) 상에서 각 단위 픽셀(P)에 배치될 수 있다. 컬러 필터(CF)는 매트릭스 형태로 배열된 컬러 필터 어레이에 포함될 수 있다. 일 예로, 컬러 필터(CF)는 레드 필터, 그린 필터 및 블루 필터를 포함하는 베이어 패턴(Bayer pattern)을 가질 수 있다. 다른 예에서, 컬러 필터(CF)는 옐로우 필터, 마젠타 필터 및 시안 필터를 포함할 수 있다.
도 2b와 같이, 단위 픽셀(P)은 복수의 광전 변환부들(PD)을 포함하고, 동일한 단위 픽셀(P)에 포함된 광전 변환부들(PD)은 컬러 필터(CF) 및 마이크로렌즈(ML)를 공유할 수 있다. 어느 하나의 단위 픽셀(P)에서 출력되는 전기적 신호는 동일한 색의 광에 대한 전기적 신호일 수 있다.
서브 픽셀(Px)은 광전 변환부(PD) 및 저장 소자부(SD)를 포함할 수 있다. 평면적 관점에서, 광전 변환부(PD)는 저장 소자부(SD)보다 큰 면적을 가질 수 있다. 광전 변환부(PD)의 풀 웰 용량(full well capacity, FWC)이 증가되어, 이미지 센서(1)의 화질이 향상될 수 있다. 다른 예로, 도 2c에 도시된 광전 변환부(PD)의 높이가 증가하여, 광전 변환부(PD)에서 광전하가 생성돠는 부피가 증가될 수 있다. 서브 픽셀(Px)이 저장 소자부(SD)를 포함함에도 불구하고, 광전 변환부(PD)의 풀 웰 용량의 감소 현상이 방지/개선될 수 있다.
이하, 이미지 센서의 초점 보정 기능에 대하여 설명한다.
도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(1)는 별도의 초점 검출용 픽셀(미도시)을 포함하지 않을 수 있다. 여기에서, 초점 검출용 픽셀은 단위 픽셀(P)의 초점을 보정하는 기능을 수행하되, 피사체의 이미지를 출력하지 않는 픽셀일 수 있다. 초점 검출용 픽셀의 수가 증가하면, 전기적 신호를 출력하는 단위 픽셀(P)의 수가 감소할 수 있다. 이미지 센서(1)는 초점 검출용 픽셀을 포함하지 않아, 해상도가 향상될 수 있다. 이하, 어느 하나의 단위 픽셀(P)에 관하여 설명한다.
도 2b와 같이, 단위 픽셀(P)에서, 광전 변환부들(PD)은 평면적 관점에서 서로 이격 배치되어, 광전 변환부들(PD)에 입사되는 광들은 각각 서로 다른 위상들을 가질 수 있다. 광전 변환부들(PD)에서 획득된 이미지의 위상차를 비교하여, 촬상된 이미지의 초점이 보정될 수 있다. 이미지 센서(1)는 피사체의 3차원적 정보(3D depth information)을 얻을 수 있다. 본 발명에 따르면, 단위 픽셀(P)이 복수의 광전 변환부들(PD)을 포함하여, 별도의 초점 검출용 픽셀 없이도, 이미지 센서(1)가 피사체의 초점 보정 기능을 수행할 수 있다.
단위 픽셀(P)에서, 광전 변환부들(PD)이 서로 이격되어 배치될수록, 광전 변환부들(PD)에 입사되는 광들의 위상차가 증가될 수 있다. 실시예에 따르면, 광전 변환부들(PD)은 서로 대각선 방향에 배치되어, 광전 변환부들(PD)이 서로 인접하여 배치된 경우보다 광전 변환부들(PD)에 입사되는 광들이 큰 위상차를 가질 수 있다. 예를 들어, 광전 변환부들(PD)은 저장 소자부들(SD)과 인접 배치될 수 있다. 광전 변환부들(PD)의 측면들 상에 저장 소자부들(SD)이 배치될 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서(1)는 더욱 향상된 초점 보정 기능을 구현할 수 있다. 그러나, 광전 변환부들(PD)의 평면적 배치는 이에 한정되지 않는다.
도 2d는 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 것으로, 도 2b의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 자른 단면에 대응된다. 이하, 앞서 설명한 바와 중복되는 내용은 생략한다.
도 2d를 도 2b와 함께 참조하면, 이미지 센서의 서브 픽셀(Px)은 소자 분리 패턴(200), 광전 변환부(PD), 스토리지 게이트(SG), 저장 소자부(SD), 트랜스퍼 게이트(TG), 부유 확산 영역(FD), 배선층(300), 및 차광 패턴(420)을 포함할 수 있다. 기판(100), 소자 분리 패턴(200), 광전 변환부(PD), 스토리지 게이트(SG), 저장 소자부(SD), 트랜스퍼 게이트(TG), 부유 확산 영역(FD), 배선층(300), 차광 패턴(420), 컬러 필터(CF), 및 마이크로렌즈(ML)는 앞서 도 2c에서 설명한 바와 같다. 예를 들어, 차광 패턴(420)은 기판(100)의 제2 면(102b) 상에서 제공되며, 저장 소자부(SD)를 덮을 수 있다. 차광 패턴(420)은 저장 소자부(SD)에 광이 입사되는 것을 방지할 수 있다. 컬러 필터(CF) 및 마이크로렌즈(ML)가 기판(100)의 제2 면(102b) 상에 배치될 수 있다.
소자 분리막(250)이 기판(100)의 제2 면(102b)으로부터 리세스된 트렌치 내에 배치될 수 있다. 소자 분리막(250)은 기판(100) 내에서 광전 변환부(PD) 및 저장 소자부(SD) 사이에 배치될 수 있다. 소자 분리막(250)은 기판(100)보다 굴절률이 낮은 절연물질을 포함할 수 있다. 화살표로 도시된 바와 같이, 기판(100)의 제2 면(102b)에서 광전 변환부(PD)로 입사된 광이 소자 분리막(250)에 의해 전반사되어, 저장 소자부(SD)에 광이 입사되는 것이 방지/감소될 수 있다. 소자 분리막(250)의 바닥면은 기판(100)의 제1 면(102a)과 이격 배치되어, 광전 변환부(PD)에서 축적된 전하가 기판(100)을 통해 저장 소자부(SD)로 이동할 수 있다.
보조 차광 패턴(350)이 기판(100)의 제1 면(102a) 상에 제공되어, 저장 소자부(SD)의 하면을 덮을 수 있다. 보조 차광 패턴(350)은 배선들(320)보다 기판(100)의 제1 면(102a)에 인접하게 배치될 수 있다. 광전 변환부(PD)로 입사된 광은 광전 변환부(PD)를 투과하여 배선들(320)에 의해 반사될 수 있다. 보조 차광 패턴(350)은 배선들(320)에 의해 반사된 광이 기판(100)의 제1 면(102a)으로부터 저장 소자부(SD)에 재입사되는 것을 방지할 수 있다. 일 예로, 보조 차광 패턴(350)은 금속을 포함할 수 있다.
다른 예로, 소자 분리막(250) 또는 보조 차광 패턴(350) 중에서 어느 하나는 생략될 수 있다.
도 3a는 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 평면도로, 도 2a의 Ⅰ영역을 확대 도시한 평면에 대응된다. 도 3b는 도 3a의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 자른 단면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 이미지 센서의 서브 픽셀(Px)은 소자 분리 패턴(200), 광전 변환부(PD), 스토리지 게이트(SG), 저장 소자부(SD), 트랜스퍼 게이트(TG), 부유 확산 영역(FD), 배선층(300), 및 차광 패턴(420)을 포함할 수 있다. 컬러 필터(CF) 및 마이크로렌즈(ML)가 기판(100)의 제2 면(102b) 상에 배치될 수 있다. 기판(100), 소자 분리 패턴(200), 광전 변환부(PD), 셔텨 게이트, 저장 소자부(SD), 트랜스퍼 게이트(TG), 부유 확산 영역(FD), 배선층(300), 차광 패턴(420), 컬러 필터(CF), 및 마이크로렌즈(ML)는 앞서 도 2c에서 설명한 바와 같다.
제1 버퍼막(401)이 기판(100)의 제2 면(102b) 상에 배치될 수 있다. 제1 버퍼막(401)은 앞서 도 2c에서 설명한 버퍼막(400)과 동일할 수 있다. 예를 들어, 버퍼막(400)은 그리드 패턴(410) 및 차광 패턴(420)을 포함할 수 있다. 제2 버퍼막(402)이 제1 버퍼막(401) 상에 배치될 수 있다. 일 예로, 제2 버퍼막(402)은 평탄화막으로 기능할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 서브 마이크로렌즈(MLs)는 각 서브 픽셀(Px)에서 광전 변환부(PD)상에 배치될 수 있다. 평면적 관점에서, 서브 마이크로렌즈(MLs)는 광전 변환부(PD)와 중첩될 수 있다. 도 3b를 참조하면, 서브 마이크로렌즈(MLs)가 기판(100)의 제2 면(102b) 상에서 제2 버퍼막(402) 내에 제공될 수 있다. 서브 마이크로렌즈(MLs)가 광전 변환부(PD)를 덮어, 광전 변환부(PD)의 수광량이 증가될 수 있다. 다른 예로, 제2 버퍼막(402) 및 서브 마이크로렌즈(MLs)는 기판(100) 및 제1 버퍼막(401) 사이에 제공될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 또 다른 실시예들에 다른 이미지 센서들의 단위 픽셀들을 각각 도시한 평면도들로, 도 2a의 Ⅰ영역을 확대 도시한 평면들에 대응된다. 이하, 앞서 설명한 바와 중복되는 내용은 생략한다. 본 실시예에서, 복수의 서브 픽셀들에 대하여 기술한다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 소자 분리 패턴(200)은 단위 픽셀(P) 및 서브 픽셀들(Px)을 정의할 수 있다. 평면적 관점에서, 단위 픽셀(P) 및 서브 픽셀들(Px)의 형상은 다양할 수 있다. 예를 들어, 단위 픽셀(P)은 도 4a 에 도시된 바와 같은 원형의 형상, 도 4b와 같은 마름모꼴 형상, 또는 도 4c와 같은 팔면체 형상을 가질 수 있다. 그러나 단위 픽셀들(P)의 형상은 이에 제한되지 않고, 다양할 수 있다. 더불어, 서브 픽셀들(Px)의 평면적 형상은 다양할 수 있다.
서브 픽셀들(Px) 각각은 광전 변환부(PD) 및 저장 소자부(SD)를 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 광전 변환부(PD)의 면적은 저장 소자부(SD)의 면적보다 클 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 하나의 단위 픽셀(P)에서, 서브 픽셀들(Px) 중 어느 하나의 광전 변환부(PD)는 서브 픽셀들(Px) 중 다른 하나의 광전 변환부(PD)와 이격될 수 있다. 예를 들어, 서브 픽셀들(Px) 중 어느 하나의 광전 변환부(PD)의 측면 상에 서브 픽셀들(Px) 중 다른 하나의 저장 소자부(SD)가 배치될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 또 다른 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀들을 각각 도시한 평면도들로, 도 2의 Ⅰ영역을 확대 도시한 평면들에 대응된다. 이하, 앞서 설명한 바와 중복되는 내용은 생략한다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 소자 분리 패턴(200)은 단위 픽셀(P) 및 서브 픽셀들(Px)을 정의할 수 있다 단위 픽셀(P)은 복수의 서브 픽셀들(Px)을 포함하되, 그 개수는 다양할 수 있다. 예를 들어, 단위 픽셀(P)은 도 5a와 같이 4개의 서브 픽셀들(Px)을 가지거나, 도 5b 와 같이 9개의 서브 픽셀들(Px)을 가질 수 있다.
도 6a는 또 다른 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 도시한 평면도로, 도 2a의 Ⅰ영역을 확대 도시한 평면에 대응된다. 도 6b는 도 6a의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 자른 단면도이다. 이하, 앞서 설명한 바와 중복되는 내용은 생략한다.
도 6a를 참조하면, 이미지 센서의 기판(100)은 단위 픽셀(P)을 가질 수 있다. 단위 픽셀(P)은 복수의 서브 픽셀들(Px)을 포함할 수 있다. 서브 픽셀들(Px) 각각은 광전 변환부(PD) 및 저장 소자부(SD)를 가질 수 있다. 단위 픽셀(P) 및 서브 픽셀들(Px)은 소자 분리 패턴(200)에 의해 정의될 수 있다. 이하, 본 실시예에서 단수의 단위 픽셀(P) 및 단수의 서브 픽셀(Px)에 대하여 설명한다.
마이크로렌즈(ML)가 기판(100)의 단위 픽셀(P)에 제공될 수 있다. 마이크로렌즈(ML)는 단위 픽셀(P)의 광전 변환부(PD)를 덮을 수 있다. 평면적 관점에서, 광전 변환부(PD)는 마이크로렌즈(ML)와 중첩될 수 있다. 광전 변환부(PD)가 마이크로렌즈(ML)와 중첩되는 면적이 증가하여, 광전 변환부(PD)에 입사되는 수광량이 더욱 증가될 수 있다.
저장 소자부(SD)는 단위 픽셀(P)의 코너에 대응되는 위치에 배치될 수 있다. 마이크로렌즈(ML)는 저장 소자부(SD)들의 적어도 일부를 덮지 않을 수 있다. 예를 들어, 평면적 관점에서, 저장 소자부(SD)의 적어도 일부는 마이크로렌즈(ML)와 중첩되지 않을 수 있다. 광전 변환부(PD)의 면적은 저장 소자부(SD)의 면적보다 클 수 있다.
도 6b를 참조하면, 이미지 센서의 서브 픽셀들(Px) 각각은 소자 분리 패턴(200), 광전 변환부(PD), 스토리지 게이트(SG), 저장 소자부(SD), 트랜스퍼 게이트(TG), 부유 확산 영역(FD), 배선층(300), 차광 패턴(420), 및 마이크로렌즈(ML)를 포함할 수 있다. 기판(100), 소자 분리 패턴(200), 광전 변환부(PD), 스토리지 게이트(SG), 저장 소자부(SD), 트랜스퍼 게이트(TG), 부유 확산 영역(FD), 배선층(300), 차광 패턴(420), 및 컬러 필터(CF)는 앞서 도 2c에서 설명한 바와 같다.
도 7a는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 평면도이다. 도 7b는 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타낸 것으로 도 7a의 Ⅰ'선 확대 도시한 평면도이다. 도 7c는 도 7b의 Ⅳ-Ⅳ'선을 따라 자른 단면도이다. 이하, 앞서 설명한 바와 중복되는 내용은 생략한다.
도 7a 및 도 7b 를 참조하면, 이미지 센서는 단위 픽셀(P)을 가질 수 있다. 단위 픽셀(P)은 복수의 서브 픽셀들(Px)을 포함할 수 있다. 서브 픽셀들(Px) 각각은 수직적으로 적층된 저장 소자부(SD) 및 광전 변환부(PD)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 복수의 서브 픽셀들(Px)에 대하여 기술한다.
도 7b 및 도 7c 를 참조하면, 이미지 센서는 하부 기판(101) 및 하부 기판(101) 상의 상부 기판(102)을 포함할 수 있다. 상부 기판(102)은 반도체 물질 또는 SOI(Silicon on insulator)를 포함할 수 있다. 상부 기판(102)은 서로 대향되는 제1 면(102a) 및 제2 면(102b)을 가질 수 있다. 상부 기판(102)의 제1 면(102a)은 전면이고, 제2 면(102b)은 후면일 수 있다. 버퍼막(400)이 상부 기판(102)의 제2 면(102b) 상에 배치될 수 있다. 컬러 필터(CF) 및 마이크로렌즈(ML)가 버퍼막(400) 상에서 각 단위 픽셀(P)에 배치될 수 있다. 그리드 패턴(410)이 버퍼막(400) 내에 제공될 수 있다.
상부 소자 분리 패턴(202)은 상부 기판(102) 내에서 단위 픽셀(P) 및 서브 픽셀들(Px)을 정의할 수 있다. 일 예로, 상부 소자 분리 패턴(202)은 상부 기판(102)을 관통할 수 있다. 상부 소자 분리 패턴(202)은 앞서 도 2c에서 설명한 바와 같은 깊은 트렌치 분리(Deep Trench Isolation)막 또는 도핑된 불순물 영역일 수 있다.
광전 변환부들(PD)이 상부 기판(102) 내에서 서브 픽셀들(Px)에 각각 제공될 수 있다 광전 변환부들(PD)은 서로 옆으로 배치될 수 있다. 상부 소자 분리 패턴(202)이 광전 변환부들(PD)의 측벽과 접하여, 광전 변환부들(PD)의 풀 웰 용량(FWC)이 향상될 수 있다.
스토리지 게이트들(SG)이 상부 기판(102) 내에서 상부 기판(102)의 제2 면(102b)에 인접하여 배치될 수 있다. 상부 절연부들(152)이 상부 기판(102)에 제공될 수 있다. 스토리지 게이트들(SG)는 상부 절연부들(152) 내에 배치될 수 있다. 스토리지 게이트들(SG)이 상부 기판(102) 내에 배치되는 것으로 도시되었으나, 이와 달리 하부 기판(101) 내에 배치될 수 있다.
하부 기판(101)이 상부 기판(102)의 제1 면(102a) 상에 배치될 수 있다 하부 기판(101)은 반도체 물질 또는 SOI(Silicon on insulator)를 포함할 수 있다. 하부 기판(101)은 서로 대향되는 제1 면(101a) 및 제2 면(101b)을 가질 수 있다.
하부 소자 분리 패턴(201)이 하부 기판(101) 내에서 단위 픽셀(P) 및 서브 픽셀들(Px)을 정의할 수 있다. 하부 소자 분리 패턴(201)은 도핑된 불순물 영역 또는 깊은 트렌치 분리(Deep Trench Isolation)막일 수 있다.
저장 소자부들(SD)이 하부 기판(101) 내에서 서브 픽셀들(Px)에 각각 제공될 수 있다. 도 7b와 같이, 평면적 관점에서 저장 소자부들(SD)은 광전 변환부들(PD)과 중첩될 수 있다.
차광 패턴(420)이 하부 기판(101)의 제2 면(101b) 상에서 저장 소자부들(SD)을 덮을 수 있다. 다른 예로, 차광 패턴(420)은 생략될 수 있다. 이 경우, 상부 기판(102)의 제2 면(102b)에서 입사되는 광은 상부 기판(102) 내의 광전 변환부들(PD)에 의해 차광되어, 저장 소자부들(SD)에 입사되지 않을 수 있다.
부유 확산 영역들(FD)은 하부 기판(101) 내에 배치될 수 있다. 일 예로, 부유 확산 영역(FD)은 n형 불순물이 도핑된 영역일 수 있다. 부유 확산 영역들(FD)은 저장 소자부들(SD)의 일 측들에 배치될 수 있다. 여기에서, 저장 소자부들(SD) 일 측들은 하면 또는 측면을 포함할 수 있다. 하부 절연부들(151)이 하부 기판(101)에 제공될 수 있다. 트랜스퍼 게이트들(TG)이 하부 절연부들(151) 내에서 서브 픽셀들(Px)에 각각 제공될 수 있다. 트랜스퍼 게이트들(TG)은 저장 소자부들(SD) 및 부유 확산 영역들(FD) 사이에 각각 제공될 수 있다. 트랜스퍼 게이트들(TG)은 저장 소자부들(SD)의 측면들 상에 배치되는 것으로 도시되었으나, 이와 달리 하면들 상에 배치될 수 있다.
배선층(300)이 하부 기판(101)의 제1 면(101a) 상에 배치될 수 있다. 배선층(300)은 층간 절연막(310)들 및 배선들(320)을 포함할 수 있다.
다른 예로, 단위 픽셀(P)은 도 4a 내지 도 4c에서 설명한 바와 같은 형상을 가질 수 있다. 또 다른 예로, 단위 픽셀(P)에 포함된 서브 픽셀들(Px)의 개수는 도 5a 및 도 5b에서 설명한 바와 같이 다양할 수 있다.
도 8a는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀을 나타낸 것으로 도 7a의 Ⅰ' 영역을 확대 도시한 평면에 대응된다. 도 8b는 도 8a를 Ⅳ-Ⅳ' 선을 따라 자른 단면도다 이하, 앞서 설명한 바와 중복되는 내용은 생략한다.
도 8a 및 도 8b를 도 7a와 함께 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(P)은 복수의 서브 픽셀들(Px)을 포함할 수 있다. 상부 소자 분리 패턴(202)은 상부 기판(102) 내에서 단위 픽셀(P) 및 서브 픽셀들(Px)을 정의할 수 있다.
광전 변환부들(PD)이 상부 기판(102) 내에서 서브 픽셀들(Px)에 각각 제공될 수 있다 광전 변환부들(PD)은 서로 옆으로 배치될 수 있다. 상부 소자 분리 패턴(202)이 광전 변환부들(PD)의 측벽과 접할 수 있다. 광전 변환부들(PD)은 도 2c에서 설명한 바와 같은 제1 불순물 영역(111) 및 제2 불순물 영역(112)을 포함할 수 있다. 제1 불순물 영역(111)은 상부 기판(102)의 하면에 인접하여 배치될 수 있다. 일 예로, 제1 불순물 영역(111)은 p형 불순물을 포함할 수 있다. 제2 불순물 영역(112)은 상부 기판(102)의 제1 면(102a)으로부터 깊게 배치될 수 있다. 일 예로, 제2 불순물 영역(112)은 n형 불순물을 포함할 수 있다.
하부 기판(101)이 상부 기판(102)의 제1 면(102a) 상에 배치될 수 있다. 하부 소자 분리 패턴(201)이 하부 기판(101) 내에서 단위 픽셀(P) 및 서브 픽셀들(Px)을 정의할 수 있다. 저장 소자부들(SD)이 하부 기판(101) 내에서 서브 픽셀들(Px)에 각각 제공될 수 있다. 광전 변환부들(PD)은 저장 소자부들(SD)의 상면 상에 제공될 수 있다. 도 7a에 도시된 같이, 평면적 관점에서 광전 변환부들(PD)은 저장 소자부들(SD)과 중첩될 수 있다.
부유 확산 영역들(FD) 및 트랜스퍼 게이트들(TG)이 하부 기판(101) 내에서 서브 픽셀들(Px)에 각각 제공될 수 있다. 일 예로, 부유 확산 영역들(FD)은 n형 불순물이 도핑된 영역일 수 있다. 트랜스퍼 게이트들(TG)은 저장 소자부들(SD) 및 부유 확산 영역들(FD) 사이에 각각 제공될 수 있다. 트랜스퍼 게이트들(TG)은 하부 기판(101)의 하부 절연부(151) 내에 배치될 수 있다. 부유 확산 영역들(FD) 및 트랜스퍼 게이트들(TG)이 저장 소자부들(SD)의 하면들 상에 배치되는 것으로 도시되었으나, 이와 달리, 저장 소자부들(SD)의 측면들 상에 배치될 수 있다.
하부 기판(101) 및 상부 기판(102) 사이에 연결 구조체(103)가 개재될 수 있다. 일 예로, 연결 구조체(103)는 실리콘 산화물과 같은 절연 물질을 포함할 수 있다.
스토리지 게이트들(SG)이 연결 구조체(103) 내에서 서브 픽셀들(Px)에 각각 제공될 수 있다. 스토리지 게이트들(SG)이 광전 변환부들(PD) 및 저장 소자부들(SD) 사이에 각각 배치될 수 있다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 평면적 관점에서, 스토리지 게이트들(SG)은 광전 변환부들(PD) 및 저장 소자부들(SD)과 중첩될 수 있다.
스토리지 게이트들(SG)은 수직형 채널 구조를 가질 수 있다. 스토리지 게이트들(SG)의 채널 영역들(CH)이 연결 구조체(103) 내에 형성될 수 있다. 채널 영역들(CH)은 광전 변환부들(PD) 및 저장 소자부들(SD) 사이에 각각 제공될 수 있다. 도 8a와 같이, 평면적 관점에서, 채널 영역들(CH)은 광전 변환부들(PD) 및 저장 소자부들(SD)과 중첩되며, 원형의 형상을 가질 수 있다. 채널 영역들(CH)은 실리콘 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 채널 영역들(CH)은 p형 불순물이 도핑된 영역일 수 있다.
스토리지 게이트들(SG)은 스토리지 게이트 절연막들(SGi) 및 스토리지 게이트 전극들(SGe)을 각각 포함할 수 있다. 스토리지 게이트 전극들(SGe)이 채널 영역들(CH)의 측벽들 상에서 채널 영역들(CH)을 둘러싸며 각각 배치될 수 있다. 일 예로, 스토리지 게이트 전극들(SGe)은 폐루프의 형상을 가질 수 있다. 스토리지 게이트 전극들(SGe)은 도전 물질, 예를 들어, 폴리 실리콘 또는 금속을 포함할 수 있다. 스토리지 게이트 절연막들(SGi)은 채널 영역들(CH) 및 스토리지 게이트 전극들(SGe) 사이에 각각 개재될 수 있다. 스토리지 게이트 절연막들(SGi)은 절연물질, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 및/또는 실리콘 산화 질화물을 포함할 수 있다. 도 8b와 같이, 채널 영역들(CH)의 하면들 상에 드레인 영역들(DR)이 제공될 수 있다. 일 예로, 드레인 영역들(DR)은 n형 불순물이 도핑된 영역일 수 있다. 광전 변환부들(PD)의 제1 불순물 영역(111)은 제2 불순물 영역(112) 내로 일부 연장될 수 있다. 연장된 제1 불순물 영역(111)은 평면적 관점에서 상기 채널 영역들(CH)과 중첩될 수 있다. 연장된 제1 불순물 영역(111)은 상기 스토리지 게이트들(SG)의 소스 영역들(SR)의 역할을 할 수 있다. 광전 변환부들(PD)에서 생성 및 축적된 전하가 스토리지 게이트들(SG)에 의해 저장 소자부들(SD)로 전달될 수 있다
차광 패턴(420)이 연결 구조체(103) 내에서, 스토리지 게이트들(SG)의 채널 영역들(CH) 및 저장 소자부들(SD) 사이에 개재될 수 있다. 차광 패턴(420)은 저장 소자부들(SD)의 상면을 덮어, 저장 소자부들(SD)에 광이 입사되는 것을 막을 수 있다. 차광 패턴(420)은 금속과 같은 도전 물질을 포함할 수 있다. 차광 패턴(420)에 의해, 스토리지 게이트들(SG)의 채널 영역들(CH) 및 저장 소자부들(SD) 사이에 전하가 보다 용이하게 이동할 수 있다.
배선층(300)이 하부 기판(101)의 하면 상에 배치될 수 있다. 버퍼막(400), 그리드 패턴(410), 컬러 필터(CF), 및 마이크로렌즈(ML)가 상부 기판(102)의 제2 면(102b) 상에 배치될 수 있다.
도 9a는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 평면도이다. 도 9b 및 도 9c는 실시예들에 단위 픽셀들을 나타낸 것으로, 도 9a의 Ⅰ' 영역을 확대 도시한 평면도들이다. 도 9d는 도 9b의 Ⅴ-Ⅴ’선을 따라 자른 단면도이다. 본 실시예에서, 복수의 단위 픽셀들에 대하여 설명한다.
도 9a 내지 9c를 참조하면, 이미지 센서(3)는 단위 픽셀들(P)을 가질 수 있다. 단위 픽셀들(P) 각각은 복수의 서브 픽셀들, 예를 들어, 제1 서브 픽셀(Px1) 및 제2 서브 픽셀(Px2)을 포함할 수 있다. 제1 서브 픽셀(Px1)은 제1 광전 변환부(PD1) 및 제1 저장 소자부(SD1)를 포함하고, 제2 서브 픽셀(Px2)은 제2 광전 변환부(PD2) 및 제2 저장 소자부(SD2)를 포함할 수 있다. 광전 변환부들(PD1, PD2)은 저장 소자부들(SD1, SD2)과 수평적으로 배치될 수 있다. 소자 분리 패턴(200)이 단위 픽셀들(P) 및 서브 픽셀들(Px1, Px2)을 정의할 수 있다. 서브 픽셀들(Px1, Px2)은 다양하게 구획될 수 있다. 일 예로, 도 9b와 같이 제2 서브 픽셀(Px2)의 형상은 제1 서브 픽셀(Px1)의 형상에 좌우 비대칭일 수 있다. 다른 예로, 도 9c와 같이 제2 서브 픽셀(Px2)의 형상은 제1 서브 픽셀(Px1)에 좌우 대칭일 수 있다.
도 9a 내지 9c에 도시된 바와 같이, 각각의 단위 픽셀들(P)에서 광전 변환부들(PD1, PD2)은 서로 인접하여 배치될 수 있다. 평면적 관점에서, 각각의 단위 픽셀들(P)에서, 광전 변환부들(PD1, PD2)은 팔각형 형상의 광전 소자 영역(R1)을 이룰 수 있다. 광전 소자 영역(R1)은 복수로 제공될 수 있다. 광전 소자 영역들(R1)은 행들 및 열들을 따라 배열될 수 있다.
각각의 단위 픽셀들(P)에서, 저장 소자부들(SD1, SD2)은 서로 이격되어 배치될 수 있다. 단위 픽셀들(P) 중 어느 하나에서, 그 일 측(s1)에 제1 저장 소자부(SD1)가 배치되고, 타 측(s2)에 제2 저장 소자부(SD2)가 배치될 수 있다. 이 때, 타 측(s2)은 일 측(s1)과 대향될 수 있다. 저장 소자부들(SD1, SD2) 사이에 광전 변환부들(PD1, PD2)이 개재될 수 있다. 행 방향을 따라 인접한 두 단위 픽셀들(P)에서, 단위 픽셀들(P) 중 어느 하나의 제1 저장 소자부(SD1)는 단위 픽셀들(P) 중 다른 하나의 제2 저장 소자부(SD2)와 인접하여 배치될 수 있다. 상기 두 인접한 단위 픽셀들(P)의 제1 및 제2 저장 소자부들(SD1, SD2)은 사각형 형상의 저장 소자 영역(R2)을 이룰 수 있다. 이미지 센서(3)에서, 저장 소자 영역(R2)은 복수로 제공될 수 있다 상기 저장 소자 영역들(R2)은 행들 및 열들을 따라 배열될 수 있다. 저장 소자 영역들(R2)의 엣지들은 광전 소자 영역들(R1)에 의해 각각 둘러싸일 수 있다.
마이크로렌즈들(ML)은 단위 픽셀들(P)의 광전 소자 영역들(R1) 상에 각각 배치되어, 광전 소자 영역들(R1)을 덮을 수 있다. 마이크로렌즈들(ML)은 저장 소자 영역들(R2)을 덮지 않을 수 있다. 도 9b 및 도 9c에 도시된 바와 같이, 마이크로렌즈들(ML)은 광전 소자 영역들(R1)과 평면적 관점에서 중첩될 수 있다.
도 9d를 참조하면, 서브 픽셀들(Px1, Px2) 각각은 소자 분리 패턴(200), 광전 변환부(PD1 또는 PD2), 스토리지 게이트(SG), 저장 소자부(SD1 또는 SD2), 트랜스퍼 게이트(TG), 부유 확산 영역(FD), 배선층(300), 및 차광 패턴(420)을 포함할 수 있다. 기판(100), 소자 분리 패턴(200), 광전 변환부들(PD1 또는 PD2), 스토리지 게이트들(SG), 저장 소자부들(SD1 또는 SD2), 트랜스퍼 게이트들(TG), 부유 확산 영역들(FD), 배선층(300), 차광 패턴(420), 및 마이크로렌즈(ML)는 앞서 도 2c에서 설명한 바와 동일 또는 유사할 수 있다. 컬러 필터(CF)는 기판(100)의 제2 면(102b) 상에 배치되며, 저장 소자 영역들(R2)를 덮지 않을 수 있다. 마이크로렌즈(ML)가 컬러 필터(CF) 상에 배치될 수 있다.
다른 예로, 도 2d에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(3)는 소자 분리막(250) 및 보조 차광 패턴(350) 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 또 다른 예로, 이미지 센서(3)는 도 3a 및 도 3b와 같은 서브 마이크로렌즈(MLs)를 더 포함할 수 있다.
도 10a는 본 발명의 실시예들에 따른 씨모스 이미지 센서가 적용되는 프로세서 기반 시스템을 나타내는 개략적 블록도이다. 도 10b는 본 발명의 실시예들에 따른 씨모스 이미지 센서가 적용되는 전자 장치를 나타내는 도면이다. 상기 전자장치는 디지털 카메라 또는 모바일 장치일 수 있다.
도 10a를 참조하면, 프로세서 기반 시스템(1000)은 이미지 센싱부(1100), 프로세서(1200), 메모리(1300), 디스플레이(1400) 및 버스(1500)를 포함한다. 이미지 센싱부(1100)는 프로세서(1200)의 제어에 응답하여 외부의 영상 정보를 캡쳐(Capture)한다. 프로세서(1200)는 캡쳐된 영상정보를 버스(1500)를 통하여 메모리(1300)에 저장한다. 프로세서(1200)는 메모리(1300)에 저장된 영상정보를 디스플레이(1400)로 출력한다.
시스템(1000)은 컴퓨터 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 기계화된 시계 시스템, 네비게이션 시스템, 비디오폰, 감독 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감시 시스템, 이미지 안정화 시스템 등을 예시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 프로세서 기반 시스템(1000)이 모바일 장치에 적용되는 경우, 모바일 장치에 동작 전압을 공급하기 위한 배터리 추가적으로 제공될 수 있다.
도 10b는 본 발명의 실시예들에 따른 씨모스 이미지 센서가 적용되는 모바일(mobile phone) 폰(2000)을 도시한다. 다른 예로, 발명의 실시예들에 따른 씨모스 이미지 센서는 스마트 폰(smart phone), PDA(personal digital assistant), PMP(portable multimedia player), DMB(digital multimedia broadcast) 장치, GPS(global positioning system) 장치, 휴대용 게임기(handled gaming console), 포터블1portable) 컴퓨터, 웹 타블렛(1web tablet), 무선 전화기(wireless phone), 디지털 뮤직 플레이어(digital music player), 메모리 카드(memory card), 또는 정보를 무선환경에서 송신 및/또는 수신할 수 있는 모든 소자에 적용될 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 단위 픽셀들을 갖는 기판, 상기 단위 픽셀들 각각은 상기 기판 내에 제공되는 복수의 광전 소자부들 및 복수의 저장 소자부들을 포함하고;
    상기 단위 픽셀들 중 어느 하나의 단위 픽셀의 상기 기판 상에 제공된 마이크로 렌즈, 상기 마이크로렌즈의 하나의 돌출된 곡면 영역은 상기 하나의 단위 픽셀에 포함된 적어도 2개의 상기 광전 소자부들 및 적어도 2개의 상기 저장 소자부들과 수직적으로 중첩되고; 및
    상기 하나의 단위 픽셀의 상기 기판 내에서, 상기 적어도 2개의 저장 소자부들에 각각 인접하여 배치된 부유 확산 영역들을 포함하되,
    상기 적어도 2개의 저장 소자부들은 상기 적어도 2개의 상기 광전 소자부들에서 생성 및 축적된 전하를 전송받아, 상기 부유 확산 영역들로 전송하는 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    평면적 관점에서, 상기 광전 소자부들의 면적은 상기 저장 소자부들의 면적보다 큰 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광전 소자부들 및 상기 저장 소자부들 사이에 각각 제공되는 스토리지 게이트들; 및
    상기 저장 소자부들 및 상기 부유 확산 영역들 사이에 배치되는 트랜스퍼 게이트들을 더 포함하고,
    상기 부유 확산 영역들은 상기 기판 내에서 상기 스토리지 게이트들의 일 측들에 각각 배치되는 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 저장 소자부들은 상기 광전 소자부들과 수평적으로 이격 배치되는 이미지 센서.
  5. 단위 픽셀들을 갖는 기판을 포함하되,
    상기 단위 픽셀들 각각은 상기 기판 내에 제공되는 복수의 광전 소자부들 및 복수의 저장 소자부들을 포함하고,
    평면적 관점에서, 상기 광전 소자부들은 상기 저장 소자부들과 각각 중첩되는 이미지 센서.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 기판은 하부 기판 및 상기 하부 기판 상의 상부 기판을 포함하며,
    상기 저장 소자부들은 상기 하부 기판 내에 배치되며,
    상기 광전 소자부들은 상기 상부 기판 내에 배치되는 이미지 센서,
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 하부 기판 및 상기 상부 기판 사이에 제공되는 연결 구조체를 더 포함하되,
    상기 연결 구조체는 상기 저장 소자부들 및 상기 광전 소자부들 사이에 각각 제공되는 스토리지 게이트들 및 상기 스토리지 게이트들의 채널 영역들을 포함하는 이미지 센서.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 채널 영역들 각각은 평면적 관점에서 원형의 형상을 가지고,
    상기 스토리지 게이트들은:
    상기 채널 영역들의 측벽들 상에서, 상기 채널 영역들의 상기 측벽들을 덮는 스토리지 게이트 전극들; 및
    상기 채널 영역들 및 상기 스토리지 게이트 전극들 사이에 각각 개재된 스토리지 게이트 절연막들을 포함하는 이미지 센서.
  9. 제1 항에 있어서,
    평면적 관점에서, 상기 광전 변환부들은 행들 및 열들을 따라 배열된 광전 소자 영역들을 구성하며,
    상기 저장 소자부들은 상기 광전 소자 영역들 사이에서 행들 및 열들을 따라 배열된 저장 소자 영역들을 구성하는 이미지 센서.
  10. 제9 항에 있어서,
    평면적 관점에서, 상기 광전 소자 영역들은 각각 팔각형의 형상을 가지며,
    상기 저장 소자 영역들은 각각 사각형의 형상을 갖는 이미지 센서.
  11. 제10 항에 있어서,
    평면적 관점에서, 상기 저장 소자 영역들의 엣지들은 각각 상기 광전 소자 영역들에 의해 둘러싸인 이미지 센서.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 기판 상에서 상기 단위 픽셀들에 각각 제공되는 컬러 필터들을 더 포함하는 이미지 센서.
  13. 단위 픽셀들을 갖는 기판;
    상기 기판 상에서 상기 단위 픽셀들에 각각 제공되는 컬러 필터들; 및
    상기 컬러 필터들 상의 마이크로렌즈를 포함하되,
    상기 단위 픽셀들 각각은 상기 기판 내에 제공되는 복수의 광전 소자부들 및 복수의 저장 소자부들을 포함하고,
    평면적 관점에서, 상기 광전 소자부들은 상기 마이크로렌즈와 중첩되며,
    상기 저장 소자부들은 상기 단위 픽셀들의 코너들에 대응되는 위치에 제공되는 이미지 센서.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 광전 소자부들의 개수는 상기 저장 소자부들의 개수와 동일한 이미지 센서.
  15. 단위 픽셀들을 갖는 기판, 상기 단위 픽셀들 각각은 복수의 서브 픽셀들을 가지는 것;
    상기 기판 상에서 상기 단위 픽셀들에 각각 제공되는 컬러 필터들; 및
    상기 기판 내에서 상기 단위 픽셀들 및 상기 서브 픽셀들을 정의하는 소자 분리 패턴을 포함하며,
    상기 서브 픽셀들 각각은 광전 소자부 및 저장 소자부를 포함하는 이미지 센서.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 서브 픽셀들 각각은:
    상기 광전 소자부 및 상기 저장 소자부 사이에 제공되는 스토리지 게이트;
    상기 기판 내에서 상기 스토리지 게이트의 일 측에 배치되는 부유 확산 영역; 및
    상기 저장 소자부 및 상기 부유 확산 영역 사이에 배치되는 트랜스퍼 게이트를 더 포함하는 이미지 센서.
  17. 제15 항에 있어서,
    평면적 관점에서, 상기 광전 소자부는 상기 저장 소자부보다 큰 면적을 갖는 이미지 센서.
  18. 기판;
    상기 기판 내의 제1 광전 변환 영역;
    상기 기판 상에 또는 상기 기판 내에 제공되고, 상기 제1 광전 변환 영역에서 생성된 전기적 신호를 제1 부유 확산 영역으로 전달하도록 구성된 제1 트랜스퍼 게이트;
    상기 기판 내의 제2 광전 변환 영역;
    상기 기판 상에 또는 상기 기판 내에 제공되고, 상기 제2 광전 변환 영역에서 생성된 전기적 신호를 제2 부유 확산 영역으로 전달하도록 구성된 제2 트랜스퍼 게이트;
    상기 제1 광전 변환 영역 및 상기 제2 광전 변환 영역을 덮는 마이크로렌즈; 및
    상기 기판 내에 제공되고, 제1 부분 및 제2 부분을 포함하는 소자 분리 패턴을 포함하되,
    상기 제1 부유 확산 영역 및 상기 제2 부유 확산 영역은 상기 소자 분리 패턴의 상기 제1 부분에 의해 서로 분리되고,
    상기 소자 분리 패턴의 상기 제2 부분은 상기 기판 내에서 상기 단위 픽셀들을 정의하는 이미지 센서.
  19. 제15 항에 있어서,
    평면적 관점에서, 상기 저장 소자부는 상기 광전 소자부의 측면 상에 배치되는 이미지 센서.
  20. 제15 항에 있어서,
    상기 광전 소자부는 상기 저장 소자부의 상면 상에 배치되는 이미지 센서.
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