KR102375989B1 - 화소 사이의 신호 차이를 보상하는 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

이미지 센서는 인접하여 배치된 2 개 이상의 위상차 검출 화소, 복수 개의 일반 화소들, 2 개 이상의 주변 화소들을 구비할 수 있다. 복수 개의 일반 화소들은 위상차 검출 화소와 이격되어 형성되고, 2 개 이상의 주변 화소들은 각각 위상차 검출 화소와 인접하여 형성된 제1 주변 화소, 제2 주변 화소일 수 있다. 제1 주변 화소와 제2 주변 화소의 광 차단막의 폭은 일반 화소의 광 차단막의 폭과 다를 수 있다.

Description

화소 사이의 신호 차이를 보상하는 이미지 센서{IMAGE SENSOR FOR COMPENSATING SIGNAL DIFFERENCE BETWEEN PIXELS}
본 개시는 화소 사이의 신호 차이를 보상하는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 획득한 영상의 대비를 분석하여 초점을 자동으로 맞추는 위상차 검출 자동 초점 기능(Phase-Difference Detection Autofocus, PDAF)을 가질 수 있다. 이미지 센서에서 화소 일부를 위상차 검출용 화소로 치환하는 방식이 이용될 수 있다. 위상차 검출용 화소는 위상차 검출 센서를 포함하므로, 촬상용 화소와 입사광의 투과량이 다를 수 있고, 이에 따라 주변 화소의 투광량에도 영향을 미치는 경우가 있다. 위상차 검출용 화소 주변의 촬상용 화소와 다른 촬상용 화소의 투광량 차이로 인한 신호 차이에 의해, 화질 저하가 발생할 수 있다.
본 개시에 따른 실시예들의 과제는 위상차 검출 화소에 인접하여 배치된 주변 화소의 신호 변화를 보상하는 단위 화소 어레이를 포함하는 이미지 센서를 제공하는 데 있다.
본 개시에 따른 실시예들의 이미지 센서는 인접하여 배치된 2 개 이상의 위상차 검출 화소; 상기 위상차 검출 화소와 이격되어 형성된 복수 개의 일반 화소들; 상기 위상차 검출 화소, 상기 일반 화소 사이에서 상기 위상차 검출 화소와 인접하여 형성된 제1 주변 화소, 제2 주변 화소; 상기 일반 화소에 배치되고 제1 폭을 갖는 제1 광 차단막; 상기 위상차 검출 화소와 상기 제1 주변 화소 사이에서 상기 제1 주변 화소 내측으로 연장되어 형성되고, 상기 제1 폭과 다른 제2 폭을 갖는 제2 광 차단막; 및 상기 위상차 검출 화소와 상기 제2 주변 화소 사이에서 상기 제2 주변 화소 내측으로 연장되어 형성되고, 상기 제1 폭과 다른 제3 폭을 갖는 제3 광 차단막;을 구비할 수 있다.
본 개시에 따른 실시예들의 이미지 센서는 인접하여 배치된 2 개 이상의 위상차 검출 화소; 상기 위상차 검출 화소와 이격되어 형성된 복수 개의 일반 화소들; 상기 위상차 검출 화소, 상기 일반 화소 사이에서 상기 위상차 검출 화소와 인접하여 형성된 제1 주변 화소, 제2 주변 화소; 상기 일반 화소에 배치되고 제1 폭을 갖는 제1 광 차단막; 인접하여 형성된 다른 화소와의 사이에서 각각 상기 제1 주변 화소 내측으로 연장되어 형성되고, 상기 제1 폭과 다른 제2 폭을 갖는 제2 광 차단막; 및 인접하여 형성된 다른 화소와의 사이에서 각각 상기 제2 주변 화소 내측으로 연장되어 형성되고, 상기 제1 폭과 다른 제3 폭을 갖는 제3 광 차단막;을 구비할 수 있다.
본 개시에 따른 실시예들의 이미지 센서는 복수 개의 화소를 포함하는 단위 화소 어레이를 구비하되, 인접하여 배치된 2 개 이상의 위상차 검출 화소; 상기 위상차 검출 화소와 이격되어 형성되고, 제1 폭의 광 차단막을 구비하는 복수 개의 일반 화소들; 및 상기 위상차 검출 화소와 인접하여 형성된 주변 화소를 포함하고, 상기 주변 화소는 인접한 상기 위상차 검출 화소, 인접한 상기 일반 화소 및 인접한 다른 주변 화소와의 경계 중 어느 하나 이상에서 상기 제1 폭과 다른 폭의 광 차단막을 구비하는 2 개 이상의 주변 화소들;을 구비할 수 있다.
본 개시에 따른 실시예들에 의하면, 위상차 검출 화소의 주변 화소와 일반 화소의 신호 차이를 보상할 수 있어, 이미지 열화를 방지할 수 있다.
또한, 다양한 실시예들에 의하면, 주변 화소의 수광율에 영향을 미치지 않으면서 마이크로 렌즈의 크기를 조절하여 초점 조절 기능을 향상시킬 수 있다.
도 1, 3, 4, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 20, 24 내지 33, 37, 42은 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소 어레이를 보여주는 도면이다.
도 2, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 21 내지 23, 34 내지 36, 38 내지 41, 43 내지 48은 단위 화소 어레이의 단면 구조를 보여주는 도면이다.
도 49 내지 도 54는 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 55는 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소의 등가 회로도이다.
씨모스 이미지 센서는 입사광에 대해 광전 변환을 수행하여 전압 신호를 생성하는 단위 화소 어레이 및 이러한 전압 신호를 처리하여 출력하는 로직 회로를 포함할 수 있다. 단위 화소 어레이는 사각 형상의 단위 화소가 격자 형으로 배열되어 형성될 수 있다.
씨모스 이미지 센서의 단위 화소 어레이는 포토 다이오드를 포함하는 광전 변환층의 상부에 컬러 필터층과 마이크로 렌즈층을 포함할 수 있다. 마이크로 렌즈층을 통해 집광된 입사광은 컬러 필터층을 통해 일정 영역의 주파수의 광학 신호만을 광전 변환층으로 통과시킨다. 광전 변환층은 포토 다이오드(Photo Diode) 등의 광감지 소자를 포함하는 기판일 수 있다. 광감지 소자는 각 주파수 영역에 대한 광학 신호의 세기를 구하고 이로부터 컬러 이미지 데이터(R, G, B 데이터)를 얻는다.
씨모스 이미지 센서는 위상차 검출 방식의 자동 초점(Phase-Difference Detection Auto Focusing) 기능을 가질 수 있다. 씨모스 이미지 센서의 단위 화소 중 일부는 자동 초점 기능을 위한 위상차 검출 화소(Phase-Difference Detection Pixel for Auto Focusing)일 수 있다. 위상차 검출 화소와 인접한 촬상용 화소를 주변 화소라 한다. 위상차 검출 화소와 인접하지 않은 촬상용 화소를 일반 화소라 한다. 위상차 검출 화소는 전체 화소 수의 1/16, 1/32, 1/64 등의 비율로 분포될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 개시에 따른 실시예들의 이미지 센서의 단위 화소 어레이를 설명한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소 어레이를 보여주는 도면이다. 도 2는 도 1의 I-I' 선에 따른 단위 화소 어레이의 단면 구조를 보여주는 도면이다.
본 개시에서 단위 화소 어레이의 실시예를 포함하는 도면은 단위 화소 어레이 중 5×5 화소를 갖는 부분을 기준으로 설명하나, 다른 화소 수로 이루어진 실시예에도 적용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 단위 화소 어레이의 일부 화소는 위상차 검출 화소(AF)일 수 있다. 인접한 2개의 화소가 1 쌍의 위상차 검출 화소(AF1, AF2)가 될 수 있다. 1 쌍의 위상차 검출 화소는 1 개의 변을 공통으로 포함하도록 인접할 수 있으며, 격자형 화소 어레이에서, 서로 상하 또는 좌우로 이웃하여 배치될 수 있다. 2 개의 인접한 화소 중 하나를 제1 위상차 검출 화소(AF1, 111)라 하고, 다른 하나를 제2 위상차 검출 화소(AF2, 112)라 한다.
제1 위상차 검출 화소(111), 제2 위상차 검출 화소(112) 중 어느 하나와 인접 배치된 촬상용 화소는 주변 화소이다. 주변 화소는 제1, 제2 위상차 검출 화소(111, 112)와 1 개의 변이 접하도록 배치될 수 있다. 주변 화소는 제1, 제2 위상차 검출 화소(111, 112)의 좌, 우, 상, 하에 배치된 화소일 수 있다. 도시된 실시예에서, 제1 위상차 검출 화소(111)의 좌측에 배치된 주변 화소는 좌측 주변 화소(121)이고, 제2 위상차 검출 화소(112)의 우측에 배치된 주변 화소는 우측 주변 화소(122)이다.
위상차 검출 화소와 주변 화소가 1 개의 변이 접하도록 배치된 경우, 양 화소가 접하는 변을 주변 화소의 인접 변이라 한다. 주변 화소는 위상차 검출 화소(111, 112)와 대각선으로 배치된 화소일 수도 있다. 주변 화소는 위상차 검출 화소(AF)의 영향으로 수광량이 변하는 위치의 화소로 정의될 수 있다.
일반 화소(130)는 위상차 검출 화소(AF)의 영향으로 인한 수광량 변화가 없는 위치의 화소로 정의될 수 있다. 예를 들어, 제1 위상차 검출 화소(111), 제2 위상차 검출 화소(112), 좌측 주변 화소(121), 우측 주변 화소(122)를 제외한 촬상용 화소는 일반 화소(130)이다.
도 2를 참조하면, 단위 화소 어레이는 컬러 필터층(100), 마이크로 렌즈층(200), 광전 변환층(300)을 포함할 수 있다. 광전 변환층(300)의 포토 다이오드는 각 화소 마다 1 개씩 대응될 수 있다. 광전 변화층(300)의 상부에는 컬러 필터층(100), 마이크로 렌즈층(200)이 적층될 수 있다.
컬러 필터층(100)은 컬러 필터 어레이를 이루며, 컬러 필터(140)와 광 차단막(150)을 포함할 수 있다. 컬러 필터 어레이는 R(적색), G(녹색), B(청색)로 구성되는 베이어(Bayer) 배열을 따를 수 있으며, 이에 제한되지 않고 다른 배열이 사용될 수도 있다. 베이어 배열에 따라 배열된 R, G, B 중 어느 하나가 제1 위상차 검출 화소(111), 제2 위상차 검출 화소(112)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 제1 위상차 검출 화소(111)가 B 필터를 포함하고, 제2 위상차 검출 화소(112)가 G 필터를 포함할 수 있다. 제1 위상차 검출 화소(111)와 제2 위상차 검출 화소(112)가 동일한 색 필터를 가질 수도 있으며, 예를 들어, 한 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112) 모두 G 필터를 가질 수도 있다. 컬러 필터 어레이는 보색계(예를 들면, 마젠타, 그린, 시안 및 옐로우를 이용하는 계)를 채용할 수도 있다.
인접하여 배치된 1 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112)는 동일한 컬러 필터(140)로서 G 필터를 사용할 수 있다. 제1, 제2 위상차 검출 화소(111, 112)가 모두 G 컬러 필터를 구비하는 경우, 컬러 필터층(100)의 결함 화소 교정(Defect Pixel Corrections)이 용이하다.
위상차 검출 화소(111, 112)에 포함되는 컬러 필터(140)는 색 구현의 목적 이외에도, 컬러 필터 어레이 제조 공정의 편의상 배치되는 것일 수도 있다. 예를 들어, 위상차 검출 화소(111, 112)에는 컬러 필터(140)가 없거나, W(화이트) 필터 또는 투명 필터가 배치될 수 있다. 위상차 검출 화소(111, 112)에 W(화이트) 필터를 사용하는 경우, 수광량이 증가될 수 있다. 위상차 검출 화소(111, 112)의 수광량 증가에 따라, 피사광이 산란, 분산되어 주변 화소의 수광량에도 영향을 미칠 수 있다. 1 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112) 상에 모두 G 필터가 배치된 경우에도, G 필터는 다른 컬러 필터보다 수광량이 크므로, 주변 화소의 수광량에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 위상차 검출 화소(111, 112)의 주변 화소(121, 122)는 같은 파장의 컬러 필터를 포함하는 일반 화소(130)에 비해 수광량이 증가할 수 있다. 수광량이 달라지면 주변 화소와 일반 화소(130)의 신호 크기도 달라져, 이미지가 열화될 우려가 있다.
광 차단막(150)은 각 화소로 입사된 광이 다른 화소의 광전 변환층(300)으로 전달되지 않도록 각 화소의 경계에 구비될 수 있다. 광 차단막(150)은 피사광이 컬러 필터(140)를 통과하여 광전 변환층(300)에 전달되지 못하도록 피사광을 차단할 수 있다. 광 차단막(150)은 예를 들면 불투명한 금속으로 이루어질 수 있다. 광 차단막(150)은 각 화소 사이의 경계를 따라 격자 형상으로 형성될 수 있다. 광 차단막(150)은 인접한 화소 사이의 경계에서 각 화소 방향으로 동일한 폭으로 형성될 수 있다. 광 차단막(150)은 패턴 공정에 의해 일체로 형성될 수 있다.
마이크로 렌즈층(200)은 컬러 필터층(100) 상부에 배치될 수 있으며, 마이크로 렌즈는 각 화소 마다 대응되어 배치될 수 있다. 도시된 실시예에서, 일반 화소(130)의 상부에는 화소의 상부와 동일한 면적의 하부를 갖는 마이크로 렌즈(203)가 배치될 수 있다. 좌측 주변 화소(121)와 우측 주변 화소(122)의 상부에는 각각 마이크로 렌즈(201)가 배치될 수 있다. 1 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112)의 상부에는 1 개의 마이크로 렌즈(202)가 배치될 수 있다. 인접한 위상차 검출 화소 사이에서 1 개의 마이크로 렌즈(202)가 공유되도록 할 수 있다. 1 쌍의 위상차 검출 화소 (111, 112)의 상부에 배치된 마이크로 렌즈(202)는 1 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112)의 상부 면적보다 크기가 작게 설정될 수 있다. 1 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112)의 주변 화소(121, 122) 상부의 마이크로 렌즈(201)는 위상차 검출 화소(111, 112)의 방향으로 확장된 크기를 가질 수 있다. 마이크로 렌즈(201, 202, 203)는 온 칩 렌즈(On Chip Lens)일 수 있다. 본 개시의 실시예에 따르면 공유 칩 렌즈(Shared on Chip Lens) 방식으로 위상차를 검출할 수 있다.
1 개의 마이크로 렌즈(202)를 통과한 광은 도 2에서 화살표로 표시한 바와 같이 제1 위상차 검출 화소(111)와 제2 위상차 검출 화소(112)를 각각 통과한 후, 각각의 광전 변환층(300)으로 입력될 수 있다. 1 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112) 각각의 광전 변환층(30)의 위상 차이를 검출하여, 이미지 센서의 촬상 렌즈의 위치를 이동시킴으로써 자동 초점 기능을 수행할 수 있다.
2 개의 화소에 대응되는 크기의 1 개의 마이크로 렌즈(202) 형성 시, 마이크로 렌즈(202)의 크기가 2 개의 마이크로 렌즈(203)의 크기에 정확하게 대응되지 않는 경우가 있다. 예를 들어, 도 2의 실시예와 같이, 마이크로 렌즈(202)의 평면 크기가 한 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112)의 상면 크기보다 작을 수 있다. 주변 화소(121, 122)의 마이크로 렌즈(201, 201)의 평면 크기는 주변 화소(121, 122)의 상면 크기보다 클 수 있다. 마이크로 렌즈(201, 202)의 크기 차이와 그에 따른 컬러 필터층(100) 상에서의 위치 차이로 인해, 주변 화소의 수광량이 커질 수 있다. 주변 화소(121, 122)와 일반 화소(130)의 신호가 달라져, 이미지가 열화 될 우려가 있다. 예를 들어, 도 2의 좌측 주변 화소(121)에 구비된 마이크로 렌즈(201)는 제1 위상차 검출 화소(111) 방향으로 돌출 배치되어 있다. 제1 위상차 검출 화소(111)의 좌측 상단으로 입사되는 광 중 일부는 점선의 화살표로 표시한 것처럼 마이크로 렌즈(201)를 통해 집광되어, 좌측 주변 화소(121)로 입사될 수 있다. 좌측 주변 화소(121)의 수광량은 일반 화소(130)의 수광량보다 커지게 되고, 동일한 컬러 필터를 갖는 화소 사이에 신호 차이가 발생할 수 있다.
위상차 검출 화소가 전체 화소 어레이의 가장자리측에 위치할 경우, 촬상 렌즈로부터의 광의 입사각이 커질 수 있다. 전체 화소 어레이의 가장자리부에 배치된 주변 화소의 경우, 마이크로 렌즈(201)의 크기가 위상차 검출 화소(111, 112) 측으로 확장될 수 있다. 주변 화소(120)의 마이크로 렌즈(201)의 위치도 위상차 검출 화소(111, 112) 측으로 이동될 수 있다. 이러한 구조에서는 주변 화소(120) 상의 마이크로 렌즈(201)의 크기, 위치, 촬상 렌즈를 통과하는 광의 입사각으로 인해, 주변 화소(120) 내의 수광량이 상당히 증가할 수 있다. 주변 화소(120)와 일반 화소(130)의 신호가 달라져, 이미지가 열화 될 우려가 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 위상차 검출 화소(111, 112)와의 경계인 인접 변에 배치된 광 차단막(150)의 폭을 증감시켜 주변 화소(120)의 수광량을 조절할 수 있다.
도 1을 참조하면, 5×5의 단위 화소 어레이에서 3행 2열의 화소와 3행 3열의 화소가 1 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112)이다. 3행 2열의 화소를 제1 위상차 검출 화소(111)라 하고, 3행 3열의 화소를 제2 위상차 검출 화소(112)라 한다. 제1 위상차 검출 화소(111)의 좌측인 3행 1열의 화소를 좌측 주변 화소(121)라 한다. 제2 위상차 검출 화소(112)의 우측인 3행 4열의 화소를 우측 주변 화소(122)라 한다. 좌측 주변 화소(121)는 B 필터를 포함하고, 우측 주변 화소(122)는 G 필터를 포함할 수 있다. 제1 위상차 검출 화소(111)와 제2 위상차 검출 화소(112)는 각각 G 필터를 포함할 수 있다. 제1 위상차 검출 화소(111)와 제2 위상차 검출 화소(112) 사이에는 광 차단막(150)이 배치되지 않을 수 있다.
위상차 검출 화소(111, 112)가 일반 화소(130)에 비해 수광량이 크거나 작은 경우, 주변 화소(121, 122) 중 일부의 광 차단막(150)의 폭을 증감시켜, 위상차 검출 화소(111, 112)에 의한 주변 화소(121,122)로의 수광량의 영향을 보상할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 좌측 주변 화소(121)와 우측 주변 화소(122) 각각에서 인접 변의 광 차단막(150)의 연장 폭을 조절할 수 있다. 각 화소의 형상을 정사각형으로 전제할 때, 주변 화소의 외곽을 구성하는 4 변 중, 위상차 검출 화소(111, 112)와 접하는 인접 변의 광 차단막(150)의 폭을 다른 화소 또는 다른 변에 배치된 광 차단막(150)의 폭에 비해 넓게 설정 할 수 있다. 광 차단막(150)의 폭이 커지면, 위상차 검출 화소(111, 112)에서 산란 또는 분산된 광이 인접한 주변 화소(121, 122)로 전달되는 것을 방지할 수 있다. 위상차 검출 화소(111, 112)로 입사한 광의 산란이나 분산에 의해 주변 화소(121, 122)의 수광량이 증가하는 것을 억제할 수 있다.
도 1의 I-I'선 단면도인 도 2를 참조하면, 일반 화소(130)와 위상차 검출 화소(111, 112)는 인접한 화소와의 경계로부터 각 화소 내로 연장된 광 차단막(150)의 폭(L1)이 일정할 수 있다. L1을 기준 폭이라 한다. 주변 화소(121, 122)의 광 차단막(150)의 폭은 기준 폭(L1)으로부터 증감하여 조절될 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 좌측 주변 화소(121)와 제1 위상차 검출 화소(111)의 경계인 인접 변을 기준으로 좌측 주변 화소(121) 방향으로 연장된 광 차단막(150)의 폭(L2)은 일반 화소(130)의 광 차단막(150)의 폭인 기준 폭(L1)보다 클 수 있다. 우측 주변 화소(122)와 제2 위상차 검출 화소(112)의 인접 변에서 우측 주변 화소(122)로 연장된 광 차단막(150)의 폭(L2) 역시 기준 폭(L1)보다 클 수 있다.
도 2를 참조하면, 좌측 주변 화소(121)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭이 기준 폭(L1)인 경우, 제1 위상차 검출 화소(111)에서 산란 또는 분산되는 광이 좌측 주변 화소(121)의 인접 변의 광 차단막(150)에 의해 차단되지 않을 수 있다. 제1 위상차 검출 화소(111)에서 산란 또는 분산된 광은 좌측 주변 화소(121)의 컬러 필터층(100) 내로 수광 될 수 있다. 좌측 주변 화소(121)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L2)이 기준 폭(L1)보다 커지면, 증가된 폭(L2-L1) 만큼의 광을 더 차단할 수 있으므로, 좌측 주변 화소(121)의 수광량을 감소시킬 수 있다. 좌측 주변 화소(121)와 동일한 파장을 통과시키는 일반 화소(130)가 도 1의 화소 어레이부의 3행 5열에 배치되어 있다. 3행 5열의 일반 화소(130)는 위상차 검출 화소(111, 112)의 영향을 받지 않는 것으로 전제한다. 좌측 주변 화소(121)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭을 조절하여, 3행 5열의 일반 화소(130)와 동일한 수광율을 갖도록 제어할 수 있다. 주변 화소(121, 122)와 일반 화소(130)의 수광율이 동일해지도록 제어됨으로써, 동일 파장을 갖는 화소의 신호 차이에 따른 이미지의 열화가 방지된다.
도 3, 도 4는 각각 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소 어레이의 마이크로 필름(201, 202, 203) 형상을 보여주는 도면이다.
마이크로 렌즈의 형상은 위상차 검출 화소(111, 112)의 배치나 마이크로 렌즈(201, 202, 203)의 재료, 어닐링 온도 등에 따라 차이가 있을 수 있다. 마이크로 렌즈의 형상에 의해 주변 화소의 수광율이 변할 수 있다. 예를 들어, 단위 화소 어레이에서 컬러 필터층(100)의 상부에는 마이크로 렌즈층(200)이 형성될 수 있다. 마이크로 렌즈층(200)에 포함되는 마이크로 렌즈(201, 202, 203)는 볼록부를 포함하는 다양한 형상일 수 있다. 인접한 1 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112)가 1 개의 마이크로 렌즈(202)를 공유하는 경우, 마이크로 렌즈(202)는 1 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112)의 형상에 따라 장방의 타원구의 일부 형상일 수 있다.
도 3을 참조하면, 1 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112)에 대응되는 마이크로 렌즈(202)는 타원형의 절단면을 가질 수 있다. 마이크로 렌즈의 재료가 되는 이산화규소(SiO2)의 표면 장력 등에 따라 타원의 장축, 단축 방향의 크기가 감소할 수 있다. 1 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112)의 상부에 배치되는 마이크로 렌즈(202)의 크기 변화에 따라, 주변 화소(121, 122)의 마이크로 렌즈(201, 201)의 인접 변 측으로의 크기가 증가할 수 있다.
도 4를 참조하면, 1 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112)의 상부에 형성되는 1 개의 마이크로 렌즈(202)는 인접한 화소 사이의 공간으로 크기가 확장되거나 위치가 이동될 수도 있다.
1 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112)의 상부에 형성되는 1 개의 마이크로 렌즈(202)는 장방향의 폭이 좁을수록 곡률이 커지므로, 자동 초점 특성이 향상될 수 있다. 위상차 검출 화소(111, 112)의 장방향의 주변 화소(121, 122)는 인접 변 방향으로 마이크로 렌즈(201, 201)의 크기가 확장될 수 있다. 마이크로 렌즈의 크기가 커질 경우, 수광량이 증가하므로, 인접 변의 광 차단막(150)의 폭을 증가시킬 수 있다. 인접 변의 광 차단막(150)의 폭은 일반 화소(130)의 광 차단막(150)의 폭인 기준 폭(L1)보다 넓게 설정될 수 있다.
이하, 본 개시의 일 실시예에 따른 설명에서, 도 1, 2와 대응되는 부분의 설명은 생략하며, 동일한 부호는 동일한 구성 또는 대응되는 구성을 지칭한다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소 어레이를 보여주는 도면이다. 도 6은 도 3의 I-I' 선에 따른 단위 화소 어레이의 단면 구조를 보여주는 도면이다.
도 5의 실시예는 제1 위상차 검출 화소(111)의 좌측에 배치된 좌측 주변 화소(121)와 제2 위상차 검출 화소(112)의 우측에 배치된 우측 주변 화소(122)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭이 서로 다르다는 점을 제외하고는 도 1의 실시예와 같다.
1 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112)의 좌우에 배치된 주변 화소(121, 122)는 서로 다른 파장의 컬러 필터(140)를 포함할 수 있다. 주변 화소에 포함된 컬러 필터의 파장에 따라, 주변 화소(121, 122)의 수광량도 달라질 수 있다. 도 5를 참조하면, 제1 위상차 검출 화소(111)의 좌측에 인접한 좌측 주변 화소(121)는 B 필터를 포함한다. 제2 위상차 검출 화소(112)의 우측에 인접한 우측 주변 화소(122)는 G 필터를 포함한다. B 필터는 G 필터에 비해 상대적으로 짧은 파장을 가지며, 수광량이 크다. B 필터를 포함하는 좌측 주변 화소(121)는 G 필터를 갖는 우측 주변 화소(122)에 비해 광 차단막(150)의 폭이 커질 수 있다.
도 6을 참조하면, 좌측 주변 화소(121)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L3)은 우측 주변 화소(122)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L4)보다 넓다. 각 주변 화소(121, 122)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L3, L4)은 각각 기준 폭(L1)보다 넓게 설정될 수 있다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소 어레이를 보여주는 도면이다. 도 8은 도 7의 II-II' 선에 따른 단위 화소 어레이의 단면 구조를 보여주는 도면이다.
도 7의 실시예는 주변 화소가 위상차 검출 화소(111, 112)의 상하에 배치된다는 점을 제외하고는 도 1의 실시예와 같다. 제1 위상차 검출 화소(111)의 상측인 2행 2열의 화소를 제1 상측 주변 화소(123)라 한다. 제1 위상차 검출 화소(111)의 하측인 4행 2열의 화소를 제1 하측 주변 화소(124)라 한다. 제2 위상차 검출 화소(112)의 상측인 2행 3열의 화소를 제2 상측 주변 화소(125)라 한다. 제2 위상차 검출 화소(112)의 하측인 4행 3열의 화소를 제2 하측 주변 화소(126)라 한다. 상측 주변 화소(123, 125)는 제1 상측 주변 화소(123)와 제2 상측 주변 화소(125)를 포함한다. 하측 주변 화소(124, 126)는 제1 하측 주변 화소(124)와 제2 하측 주변 화소(126)를 포함한다.
도 7, 도 8을 참조하면, 제1 상측 주변 화소(123), 제2 상측 주변 화소(125), 제1 하측 주변 화소(124), 제2 하측 주변 화소(126)는 위상차 검출 화소(111, 112)와의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L5)이 동일하다. 광 차단막(150)의 폭(L5)은 기준 폭(L1)보다 넓게 설정될 수 있다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소 어레이를 보여주는 도면이다. 도 10은 도 9의 II-II' 선에 따른 단위 화소 어레이의 단면 구조를 보여주는 도면이다.
도 9의 실시예는 1 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112)의 상하에 배치된 상측 주변 화소(123, 125)와 하측 주변 화소(124, 126)의 인접 변의 광 차단막의 폭이 서로 다르다는 점을 제외하고는 도 7의 실시예와 같다.
도 9, 도 10을 참조하면, 상측 주변 화소(123, 125)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L6)은 하측 주변 화소(124, 126)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L7)보다 좁다. 각 주변 화소(123, 124, 125, 126)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L6, L7)은 각각 기준 폭(L1)보다 넓게 설정될 수 있다. 제1 상측 주변 화소(123)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭과 제2 상측 주변 화소(125)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭은 서로 다르게 설정 될 수 있다. 제1 하측 주변 화소(124)의 인접 변의 광 차단막(!50)의 폭과 제2 하측 주변 화소(126)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭도 서로 다르게 설정 될 수 있다. 주변 화소의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭은 주변 화소마다 다르게 설정 될 수 있다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소 어레이를 보여주는 도면이다. 도 12는 도 11의 I-I' 선에 따른 단위 화소 어레이의 단면 구조를 보여주는 도면이다.
위상차 검출 화소(111, 112)의 구조나 그 상부에 배치되는 마이크로 렌즈의 형상, 위치 등에 의해 주변 화소의 수광율이 감소하는 경우가 있다. 예를 들어, 마이크로 렌즈의 크기를 줄여 곡률을 크게 하면 이미지 센서의 포커싱 기능이 향상된다. 마이크로 렌즈의 크기가 줄어들면, 주변 화소로의 광의 산란 빛 분산이 감소하여, 주변 화소의 수광율이 감소하는 경우가 있다.
주변 화소의 외곽을 구성하는 4 변 중, 위상차 검출 화소(111, 112)와 접하는 인접 변의 광 차단막(150)의 폭을 다른 화소 또는 다른 변에 배치된 광 차단막(!50)의 폭인 기준 폭(L1)에 비해 좁게 할 수 있다. 광 차단막(150)의 폭을 좁게 하면, 주변 화소 내로의 수광율을 높일 수 있다.
도 11을 참조하면, 좌측 주변 화소(121)와 우측 주변 화소(122)의 각각의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭을 감소시켜, 주변 화소 내로의 수광율을 높일 수 있다. B 필터를 갖는 좌측 주변 화소(121)와 동일한 파장을 통과시키는 일반 화소(130)가 3행 5열에 배치되어 있다. B 필터를 갖는 일반 화소(130)는 위상차 검출 화소(111, 112)의 영향을 받지 않는 것으로 전제한다. 광 차단막의 폭이 조절된 좌측 주변 화소(121)와 광 차단막의 폭이 조절되지 않은 일반 화소(130)의 수광율이 동일하게 조절될 수 있다. 주변 화소와 일반 화소(130)의 수광율이 동일해지도록 조절되어, 신호 차이에 따른 이미지의 열화가 방지된다.
도 11의 I-I'선 단면도인 도 12를 참조하면, 제1 위상차 검출 화소(111)와 좌측 주변 화소(121)의 경계인 인접 변을 기준으로 주변 화소 방향으로 연장된 광 차단막(150)의 폭(L8)은 다른 화소의 광 차단(150)막의 폭인 기준 폭(L1)보다 좁게 설정 될 수 있다. 제2 위상차 검출 화소(112)의 우측에 인접하고 G 필터를 포함하는 우측 주변 화소(122)도 제2 위상차 검출 화소(112)와의 경계인 인접 변에서 기준 폭(L1)보다 좁게 광 차단막(150)의 폭(L8)을 설정할 수 있다.
도 12에서, 좌측 주변 화소(121)는 인접 변의 광 차단막(150)의 폭이 점선으로 표시된 기준 폭(L1)인 경우, 제1 위상차 검출 화소(111)에서 산란 또는 분산되는 광이 광 차단막(150)에 의해 차단될 수 있다. 광 차단막(150)의 폭(L8)이 기준 폭(L1)보다 좁아지면, 감소된 폭(L1-L8) 만큼 피사광을 더 통과시킬 수 있으므로, 수광량을 증가시킬 수 있다. 위상차 검출 화소의 영향을 받지 않는 3행 5열의 일반 화소(130)와 좌측 주변 화소(121)는 동일한 신호 크기를 갖도록 광 차단막(150)의 폭(L8)이 설정 될 수 있다.
도 13은 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소 어레이를 보여주는 도면이다. 도 14는 도 13의 I-I' 선에 따른 단위 화소 어레이의 단면 구조를 보여주는 도면이다.
도 13의 실시예는 1 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112)의 좌우에 배치된 좌측 주변 화소(121)와 우측 주변 화소(122)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭이 서로 다르다는 점을 제외하고는 도 11의 실시예와 같다.
도 13, 도 14를 참조하면, 위상차 검출 화소(111, 112)로 인한 주변 화소의 수광율 감소를 보상하기 위해 좌측 주변 화소(121)와 우측 주변 화소(122)의 각 인접 변의 광 차단막(150)의 폭을 조절할 수 있다. 주변 화소의 수광율은 주변 화소 및 위상차 검출 화소에 포함되는 컬러 필터(140)의 파장, 위상차 검출 화소의 형상, 마이크로 렌즈의 형상 및 크기에 따라서 주변 화소 마다 다를 수 있다. 예를 들어, 좌측 주변 화소(121)의 수광율이 우측 주변 화소(122)의 수광율보다 더 많이 감소될 수 있다. 좌측 주변 화소(121)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L9)은 우측 주변 화소(122)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L10)보다 좁게 설정될 수 있다. 광 차단막(150)의 폭(L9, L10)은 각각 기준 폭(L1)보다 좁을 수 있다.
도 15는 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소 어레이를 보여주는 도면이다. 도 16은 도 15의 II-II' 선에 따른 단위 화소 어레이의 단면 구조를 보여주는 도면이다.
도 15의 실시예는 주변 화소가 위상차 검출 화소(111, 112)의 상하에 배치된다는 점을 제외하고는 도 11의 실시예와 같다. 제1 상측 주변 화소(123), 제2 상측 주변 화소(125), 제1 하측 주변 화소(124), 제2 하측 주변 화소(126)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭이 기준 폭(L1)보다 좁게 설정될 수 있다.
도 15의 II-II'선 단면도인 도 16을 참조하면, 제1 상측 주변 화소(123)와 제1 하측 주변 화소(124)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L11)은 동일할 수 있다. 광 차단막(150)의 폭(L11)은 기준 폭(L1)보다 좁을 수 있다. 제1 위상차 검출 화소(111)로부터 산란되어 제1 상측 주변 화소(123)와 제1 하측 주변 화소(124)로 입사되는 광을 화살표로 표시한다. 주변 화소의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭이 기준 폭(L1)인 경우, 산란광은 점선으로 표시한 기준 폭(L1)의 광 차단막(150)에 의해 차단될 수 있다. 제1 상측 주변 화소(123)와 제1 하측 주변 화소(124)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L11)을 기준 폭(L1)보다 좁게 설정함으로써, 산란광의 입사량을 증가시킬 수 있다. 제1 상측 주변 화소(123)와 제1 하측 주변 화소(124) 전체의 수광량이 증가될 수 있다. 제2 상측 주변 화소(125)와 제2 하측 주변 화소(126)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L11)도 기준 폭(L1)보다 좁게 설정될 수 있다.
도 17은 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소 어레이를 보여주는 도면이다. 도 18은 도 17의 II-II' 선에 따른 단위 화소 어레이의 단면 구조를 보여주는 도면이다.
도 17의 실시예는 상측 주변 화소와 하측 주변 화소의 인접 변의 광 차단막의 폭이 서로 다르다는 점을 제외하고는 도 15의 실시예와 같다.
도 17, 도 18을 참조하면, 상측 주변 화소의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L12)은 하측 주변 화소의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L13)보다 좁다. 각 주변 화소의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L12, L13)은 각각 기준 폭(L1)보다 좁게 설정될 수 있다. 각 주변 화소 마다 수광량 변화에 차이가 있으므로, 인접 변의 광 차단막(150)의 조절 폭 역시 주변 화소 마다 다르게 설정 될 수 있다.
도 19는 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소 어레이를 보여주는 도면이다.
위상차 검출 화소(111, 112)의 좌, 우, 상, 하에 배치된 6개의 화소가 주변 화소일 수 있다. 주변 화소는 위상차 검출 화소(111, 112)의 상, 하, 좌, 우에 인접 변을 갖고 배치된 화소 이외에도 위상차 검출 화소(111, 112)의 대각선 방향에 배치된 화소일 수도 있다. 위상차 검출 화소에 의해 수광량이 변하는 화소로서, 위상차 검출 화소의 특정 방향으로 연속하여 인접한 복 수개의 화소를 주변 화소로 할 수도 있다.
제1 위상차 검출 화소(111)의 좌, 상, 하에 배치된 주변 화소를 각각 좌측 주변 화소(121), 제1 상측 주변 화소(123), 제1 하측 주변 화소(124)라 한다. 제2 위상차 검출 화소(112)의 우, 상, 하에 배치된 주변 화소를 각각 우측 주변 화소(122), 제2 상측 주변 화소(125), 제2 하측 주변 화소(126)라 한다.
도 19를 참조하면, 주변 화소의 인접 변의 광 차단막의 폭은 인접 변을 따라 서로 다르게 설정될 수 있다. 예를 들어, 도 19와 같이 제1 상측 주변 화소(123)의 인접 변의 광 차단막(150)은 인접 변이 일방향을 따라서 연속적으로 증가하도록 설정 될 수 있다. 제1 하측 주변 화소(124)의 인접 변의 광 차단막(150)은 인접 변의 일측에서는 기준 폭보다 좁고, 타측에서는 기준 폭보다 넓어지도록 연속적으로 변하도록 설정될 수 있다.
인접하여 배치된 1 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112)의 길이 방향에 인접한 주변 화소의 수광율 변화가 다른 부분의 수광율 변화에 비해 클 수 있다. 예를 들어, 1 쌍의 위상차 검출 화소가 좌우로 인접 배치된 경우, 좌측 주변 화소(121), 우측 주변 화소(122)의 수광율 변화가 상측 주변 화소(123, 125), 하측 주변 화소(124, 126)의 수광율 변화보다 클 수 있다. 1 쌍의 위상차 검출 화소(111, 112)가 상하로 인접 배치된 경우, 상측 주변 화소(123, 125), 하측 주변 화소(124, 126)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭의 변화는 좌측 주변 화소(121), 우측 주변 화소(122)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭의 변화량보다 넓게 설정 될 수 있다. 광 차단막(150)의 폭의 변화는 기준 폭(L1)으로부터 상대적으로 증가 또는 감소되는 것을 의미한다.
도 20은 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소 어레이를 보여주는 도면이다. 도 21은 도 20의 I-I' 선에 따른 단위 화소 어레이의 단면 구조를 보여주는 도면이다. 도 22는 도 20의 II-II' 선에 따른 단위 화소 어레이의 단면 구조를 보여주는 도면이다. 도 23은 도 20의 III-III' 선에 따른 단위 화소 어레이의 단면 구조를 보여주는 도면이다.
도 20을 참조하면, 6개의 주변 화소 각각은 인접 변의 광 차단막(150)의 폭을 다른 변이나 다른 화소의 광 차단막(150)의 폭보다 넓거나 좁을 수 있다. 인접 변의 광 차단막(150)의 폭은 다른 인접 변의 광 차단막(150)의 폭과 서로 다르게 설정될 수 있다.
도 20의 I-I'선 단면도인 도 21을 참조하면, B 필터를 갖는 좌측 주변 화소(121)는 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L14)이 기준 폭(L1)보다 좁고, G 필터를 갖는 우측 주변 화소(122)는 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L15)이 기준 폭(L1)보다 넓다. 좌측 주변 화소(121)의 수광량은 증가하고, 우측 주변 화소(122)의 수광량은 감소하도록 조절할 수 있다. 인접 변의 광 차단막(150)의 폭을 조절함으로써, 좌측 주변 화소(121)의 수광량은 위상차 검출 화소의 영향을 받지 않는 도 20의 3행 5열의 일반 화소(130)의 수광량과 동일해지도록 보상될 수 있다.
도 20의 II-II'선 단면도인 도 22를 참조하면, R 필터를 갖는 제1 상측 주변 화소(123)와 제1 하측 주변 화소(124)는 인접 변의 광 차단막(150)의 폭이 각각 기준 폭(L1) 보다 넓을 수 있다. 동일한 R 필터를 포함하더라도, 마이크로 렌즈의 형상이나 크기 등 다른 조건에 따라 제1 상측 주변 화소(123)와 제1 하측 주변 화소(124)의 각각의 인접 변의 광 차단막의 폭(L16, L17)은 서로 다르게 설정될 수 있다.
도 20의 III-III'선 단면도인 도 23을 참조하면, 같은 G 필터를 포함하는 제2 상측 주변 화소(125)와 제2 하측 주변 화소(126)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L18, L19) 서로 다르게 설정될 수 있다. 광 차단막(150)의 폭(L18)은 기준 폭(L1)보다 넓고, 폭(L19)는 기준 폭(L1)보다 좁게 설정될 수 있다.
도 24 내지 도 33는 각각 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소 어레이를 보여주는 도면이다.
도 24을 참조하면, 도 1의 실시예와 같이 위상차 검출 화소(111, 112)의 좌, 우에 배치된 화소가 주변 화소(121, 122)일 수 있다. 주변 화소의 인접 변뿐만 아니라 4 변 전체의 광 차단막(150)의 폭이 조절될 수 있다. 도 24는 좌측 주변 화소(121)와 우측 주변 화소(122)의 광 차단막(150)의 폭이 동일하고, 기준 폭보다 큰 경우를 도시하고 있다. 주변 화소의 인접 변만이 아니라 4 변 전체의 광 차단막(150)의 폭을 동일하게 조절할 수 있다. 4 변 전체의 광 차단막(150)의 폭을 조절할 경우, 화소의 중앙부에 해당하는 개구 영역 방향으로 연장되는 광 차단막(150)의 폭을 감소시킬 수 있다. 인접 변의 광 차단막(150)의 폭만을 조절한 경우보다 수광율의 분산 특성이 향상될 수 있다.
도 25를 참조하면, 도 24의 실시예에서 좌측 주변 화소(121)와 우측 주변 화소(122)의 각 변의 광 차단막(150)의 폭이 서로 다르게 설정될 수 있다. 예를 들어, 도 25에서 B 필터를 갖는 좌측 주변 화소(121)의 4 변의 광 차단막(150)의 폭은 G 필터를 갖는 우측 주변 화소(122)의 4 변의 광 차단막(150)의 폭보다 작을 수 있다.
도 26, 도 27에서는 각각 제1 상측 주변 화소(123), 제1 하측 주변 화소(124), 제2 상측 주변 화소(125), 제2 하측 주변 화소(126)의 4 변의 광 차단막(150)의 폭이 조절된다. 도 26에서는 4개의 주변 화소의 광 차단막(150)의 폭이 모두 동일할 수 있다. 도 27에서는 제1 상측 주변 화소(123), 제2 상측 주변 화소(125)의 4 변의 광 차단막(150)의 폭과, 제1 하측 주변 화소(124), 제2 하측 주변 화소(126)의 4 변의 광 차단막(150)의 폭이 서로 다르게 설정될 수 있다. 본 개시는 이에 한정 되지 않고, 4개의 상측 주변 화소(123, 125), 하측 주변 화소(124, 126) 각각의 4 변의 광 차단막(150)의 폭이 모두 다르게 설정될 수도 있다.
도 28 내지 도 31은 각각 도 24 내지 도 27의 실시예에 대응되는 실시예로서, 주변 화소의 4 변의 광 차단막(150)의 폭이 기준 폭보다 작도록 설정될 수 있다.
도 32, 도 33은 각각 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소 어레이를 보여주는 도면이다.
위상차 검출 화소(111, 112)의 좌, 우, 상, 하에 배치된 6개의 화소가 주변 화소일 수 있다. 도시된 실시예에서 주변 화소는 각각 제1 위상차 검출 화소(111)의 좌, 상, 하에 배치된 주변 화소를 각각 좌측 주변 화소(121), 제1 상측 주변 화소(123), 제1 하측 주변 화소(124)라 한다. 제2 위상차 검출 화소(112)의 우, 상, 하에 배치된 주변 화소를 각각 우측 주변 화소(122), 제2 상측 주변 화소(125), 제2 하측 주변 화소(126)이다.
도 32를 참조하면, 6 개의 주변 화소 각각은 4 변의 광 차단막(150)을 다른 화소의 광 차단막(150)보다 넓거나 좁게 설정할 수 있다. 주변 화소의 4 변의 광 차단막(150)의 폭은 주변 화소 마다 서로 다르게 설정될 수 있다.
도 33을 참조하면, 1 개의 주변 화소의 4 변의 광 차단막(150)의 폭은 서로 다르게 설정될 수도 있다. 예를 들어, 도 33의 제1 상측 주변 화소(123)는 좌측 변과 상측 변의 광 차단막의 폭이 기준 폭보다 넓게 설정될 수 있다. 제1 상측 주변 화소(123)의 우측 변과 하측 변의 광 차단막(150)의 폭은 기준 폭보다 좁게 설정될 수 있다.
도 34 내지 도 36은 각각 도 32의 IV-IV' 선, V-V' 선, VI-VI' 선에 따른 단위 화소 어레이의 단면 구조를 보여주는 도면이다.
도 34를 참조하면, B 필터를 갖는 좌측 주변 화소(121)는 4 변의 광 차단막(150)의 폭(L20)이 기준 폭(L1)에 비해 좁고, G 필터를 갖는 우측 주변 화소(122)는 4 변의 광 차단막(150)의 폭(L21)이 기준 폭(L1)에 비해 넓다. 좌측 주변 화소(121)의 수광량은 증가하고, 우측 주변 화소(122)의 수광량은 감소할 수 있다. 주변 화소의 4 변의 광 차단막(150)의 폭을 기준 폭(L1)과 다르게 설정함으로써, 좌측 주변 화소(121)의 수광량은 위상차 검출 화소(111, 112)의 영향을 받지 않는 도 32의 3행 5열의 일반 화소(130)의 수광량과 동일해지도록 보상될 수 있다.
도 35를 참조하면, R 필터를 갖는 제1 상측 주변 화소(123)의 4 변의 광 차단막(150)의 폭(L22)은 기준 폭(L1)보다 좁다. 동일한 R 필터를 포함하는 제1 하측 주변 화소(124)의 4 변의 광 차단막(150)의 폭(L23)은 기준 폭(L1)보다 넓을 수 있다. 동일한 R 필터를 포함하더라도, 마이크로 렌즈의 형상이나 크기 등 다른 조건에 따라 제1 상측 주변 화소(123)와 제1 하측 주변 화소(124)의 각각의 4 변의 광 차단막(150)의 폭(L22, L23)은 서로 다르게 설정될 수 있다
도 36을 참조하면, 같은 G 필터를 포함하는 제2 상측 주변 화소(125)와 제2 하측 주변 화소(126)의 광 차단막(150)의 폭(L24, L25)도 서로 다르게 설정될 수 있다. 광 차단막(150)의 폭(L24)은 기준 폭(L1)보다 크고, 폭(L25)는 기준 폭(L1)보다 작게 설정될 수 있다.
도 37은 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소 어레이를 보여주는 도면이다.
인접하여 배치된 제1 위상차 검출 화소(111)와 제2 위상차 검출 화소(112)는 서로 공유하는 변이 없도록 이격 배치될 수 있다. 1 쌍을 이루는 제1 위상차 검출 화소(111)와 제2 위상차 검출 화소(112)에는 서로 대칭되는 방향으로 광 차단막(150)이 연장될 수 있다. 서로 대칭되는 위치에서 광을 수신하고, 제1, 2 위상차 검출 화소 사이의 위상 차이를 분석하여, 자동 초점 기능을 수행할 수 있다.
도 37을 참조하면, 2행 2열에는 제1 위상차 검출 화소(111)가 배치되고, 4행 4열에는 제2 위상차 검출 화소(112)가 배치될 수 있다. 제1 위상차 검출 화소(111)에는 제2 위상차 검출 화소(112)와 마주보는 방향인 우측 부분에 광 차단막(150)이 연장되어 형성될 수 있다. 제2 위상차 검출 화소(112)에는 제1 위상차 검출 화소(111)와 대칭되도록 좌측 부분에 광 차단막(150)이 연장될 수 있다. 제1, 제2 위상차 검출 화소(112)에서 광 차단막(150)이 배치되지 않은 부분은 개구부라 한다. 제1, 제2 위상차 검출 화소(112)의 개구부를 통해 수신한 광의 위상을 분석하여, 좌우 방향의 위상 차이를 검출할 수 있다. 도시하지는 않았으나, 제1, 제2 위상차 검출 화소(112)에서 광 차단막(150)이 각각 상, 하측 변으로부터 대칭되도록 연장될 수도 있다. 1 쌍의 위상차 검출 화소의 개구부를 통해 수신한 광의 위상을 분석하여, 상하 방향의 위상 차이를 검출할 수 있다.
제1 위상차 검출 화소(111)와 제2 위상차 검출 화소(112)는 컬러 필터(140)를 포함할 수 있다. 컬러 필터(140)는 R, G, B 중에 선택될 수 있으며, 제1, 제2 위상차 검출 화소(111, 112)는 동일한 컬러 필터(140)를 가질 수 있다. 예를 들어, 광 차단막(150)으로 인해 개구부의 크기가 작아지더라도 수광율이 제한되지 않도록, 비교적 수광율이 높은 G 필터를 사용할 수 있다. 위상차 검출 화소는 컬러 필터(140)를 포함하지 않거나, W(화이트) 필터 또는 투명 필터를 포함할 수도 있다.
제1 위상차 검출 화소(111)와 제2 위상차 검출 화소(112) 각각의 상, 하, 좌, 우에 배치된 화소를 주변 화소로 할 수 있다. 도시된 실시예에서 제1 위상차 검출 화소(111)의 주변 화소는 각각 좌측 주변 화소(121), 우측 주변 화소(122), 상측 주변 화소(123), 하측 주변 화소(124)이다. 제2 위상차 검출 화소(112)의 주변 화소는 각각 좌측 주변 화소(127), 우측 주변 화소(128), 상측 주변 화소(125), 하측 주변 화소(126)이다. 각각의 주변 화소는 인접 변의 광 차단막(150)의 폭이 기준 폭에 비해 좁거나 넓게 조절될 수 있다. 각 인접 변의 광 차단막(150)은 서로 다른 폭으로 설정될 수 있다.
도 38 내지 도 41은 각각 도 37의 VII-VII' 선, VIII-VIII' 선, IX-IX' 선, X-X' 선에 따른 단위 화소 어레이의 단면 구조를 보여주는 도면이다.
도 38, 도 39를 참조하면, 제1 위상차 검출 화소(111)의 우측에는 광 차단막(150)이 연장 형성될 수 있다. 제1 위상차 검출 화소(111) 내에 연장된 광 차단막(150)은 횡단면의 폭이 LS이고, 종단면의 폭이 LL로 설정될 수 있다. LL은 1 개 화소의 1 변의 길이에 대응되는 크기를 가질 수 있다.
도 38을 참조하면, 광 차단막의 폭(LS)은 기준 폭(L1)보다 넓게 설정될 수 있다. 제1 위상차 검출 화소(111)는 좌측에 형성된 개구부를 통해 입사광을 수광할 수 있다. 제1 위상차 검출 화소(111)의 좌측에 배치되고 G 필터를 갖는 좌측 주변 화소(121)는 제1 위상차 검출 화소(111)의 개구부에 가깝게 배치되어, 수광율이 커질 수 있다. 좌측 주변 화소(121)의 수광율이 일반 화소(130)의 수광율과 동일해지도록, 인접 변의 광 차단막의 폭(L26)을 기준 폭(L1)보다 넓게 설정할 수 있다. 제1 위상차 검출 화소(111)의 우측에 배치되고 G 필터를 갖는 우측 주변 화소(122)는 제1 위상차 검출 화소(111)의 개구부의 반대 방향에 배치되어 있어, 수광율이 작아질 수 있다. 우측 주변 화소(122)의 수광율이 일반 화소(130)의 수광율과 동일해지도록, 인접 변의 광 차단막의 폭(L27)을 기준 폭(L1)보다 좁게 설정할 수 있다.
도 39를 참조하면, 제1 위상차 검출 화소(111)의 상측 주변 화소(123)와 하측 주변 화소(124)는 같은 컬러 필터(140) G를 구비하지만, 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L28, L29)은 서로 다르게 설정될 수 있다. 좌측 주변 화소(121)의 광 차단막(150)의 폭(L28)은 기준 폭(L1)보다 좁게 설정되고, 우측 주변 화소(122)의 광 차단막(150)의 폭(L29)는 기준 폭(L1)보다 넓게 설정될 수 있다.
도 40을 참조하면, 제2 위상차 검출 화소(112)의 좌측에는 횡단면의 폭이 LS인 광 차단막(150)이 연장 형성될 수 있다. 제2 위상차 검출 화소(112)는 우측에 형성된 개구부를 통해 입사광을 수광할 수 있다. 제2 위상차 검출 화소(112)의 좌측, 우측에 각각 배치되고 G 필터를 갖는 좌측 주변 화소(121)와 우측 주변 화소(122)는 각각 서로 다른 인접 변의 광 차단막(150) 폭(L30, L31)이 서로 다르게 설정될 수 있다.
도 41을 참조하면, 제2 위상차 검출 화소(112)의 상측 주변 화소(125)와 하측 주변 화소(126)의 인접 변의 광 차단막(150)의 폭(L32, L33)도 서로 다르게 설정 될 수 있다.
도 42는 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소 어레이를 보여주는 도면이다.
도 42의 실시예는 주변 화소의 인접 변뿐만 아니라 4 변 전체의 광 차단막(150)의 폭이 조절될 수 있다는 점을 제외하면, 도 37의 실시예와 위상차 검출 화소(111, 112)의 위치 및 구조는 동일하다. 주변 화소의 인접 변만이 아니라 4 변 전체의 광 차단막(150)의 폭을 조절할 수 있다. 4 변 전체의 광 차단막(150)의 폭을 조절할 경우, 화소의 중앙부에 해당하는 개구 영역 방향으로 연장되는 광 차단막(150)의 폭을 감소시킬 수 있다. 인접 변의 광 차단막(150)의 폭만을 조절한 경우보다 수광율의 분산 특성이 향상될 수 있다.
도 42을 참조하면, 제1 위상차 검출 화소(111)와 제2 위상차 검출 화소(112)의 상, 하, 좌, 우의 화소를 주변 화소로 할 수 있다. 주변 화소는 인접한 위상차 검출 화소의 개구부 방향이나 수광율, 주변 화소에 포함된 컬러 필터(140)의 파장, 화소 상부에 배치되는 마이크로 렌즈의 크기와 형상 등에 따라 일반 화소(130)와 수광율이 달라질 수 있다. 각각의 주변 화소는 동일한 파장의 컬러 필터(140)를 포함하는 일반 화소(130)와 동일한 수광율을 갖도록 차광막(150)의 폭이 조절될 수 있다. 각 주변 화소의 4 변의 차광막(150)의 폭이 함께 조절될 수 있으며, 도시되지는 않았으나 4 변 각각의 조절 폭이 다르게 설정될 수 있다. 주변 화소의 4 변의 광 차단막(150)의 폭은 주변 화소 마다 서로 다르게 설정될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 주변 화소는 위상차 검출 화소(111, 112)의 상, 하, 좌, 우 이외에도 대각선 방향의 4 개의 화소를 더 포함할 수 있다. 도 42를 참조하면, 3행 3열의 B 필터를 갖는 화소는 제1 위상차 검출 화소(111)와 제2 위상차 검출 화소(112)에 공통되는 주변 화소가 될 수 있다. 2개 이상의 위상차 검출 화소에 의해 수광율에 영향을 받는 주변 화소의 경우에도, 동일한 컬러 필터(140)를 갖는 일반 화소(130)의 수광율과 동일하도록 광 차단막의 폭을 기준 폭으로부터 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 주변 화소는 인접한 위상차 검출 화소 이외에도 다른 주변 화소의 광 차단막(150) 폭이 조절됨에 따라 수광율에 영향을 받을 수 있다. 주변 화소의 광 차단막(150)의 폭은 인접한 위상차 검출 화소, 다른 주변 화소로 인한 전체적인 수광율의 변화에 따라 조절될 수 있다.
도 43 내지 도 46은 각각 도 42의 VII-VII' 선, VIII-VIII' 선, IX-IX' 선, X-X' 선에 따른 단위 화소 어레이의 단면 구조를 보여주는 도면이다.
도 43을 참조하면, 제1 위상차 검출 화소(111)의 좌측 주변 화소(121)의 4 변의 광 차단막(150)의 폭(L34)과 우측 주변 화소(122)의 4 변의 광 차단막(150)의 폭(L35)은 서로 다르게 설정될 수 있다. 좌측 주변 화소(121)의 광 차단막(150)의 폭(L43)은 기준 폭(L1)보다 넓고, 우측 주변 화소(122)의 광 차단막(150)의 폭(L35)은 기준 폭(L1)보다 좁게 설정될 수 있다.
도 44를 참조하면, 제1 위상차 검출 화소(111)의 상측 주변 화소(123)와 하측 주변 화소(124)의 각각의 4 변의 광 차단막(150)의 폭(L36, L37)은 서로 다르게 설정될 수 있다.
도 45을 참조하면, 제2 위상차 검출 화소(112)의 좌측 주변 화소(127)와 우측 주변 화소(128)의 4 변의 광 차단막(150)의 폭(L38, L39)은 서로 다르게 설정될 수 있다.
도 46을 참조하면, 제2 위상차 검출 화소(112)의 상측 주변 화소(125)와 하측 주변 화소(126)의 4 변의 광 차단막의 폭은 각각 L40, L41로 다르게 설정될 수 있다.
도시하지는 않았으나, 도 33의 실시예와 같이, 1 개의 주변 화소 내의 4 변의 각각의 광 차단막(150)의 폭을 다르게 설정할 수도 있다.
도 47, 도 48은 각각 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소 어레이의 단면 구조를 보여주는 도면이다.
단위 화소 어레이는 아래로부터 광전 변환층(300), 컬러 필터층(100), 마이크로 렌즈층(200)을 구비할 수 있다. 도 47, 도 48의 단위 화소 어레이는 포토 다이오드(310)의 후면이 마이크로 렌즈층(200)의 방향을 향하도록 배치되는 후면 수광(Backside Iluminated - BSI) 구조를 갖는다.
도 47를 참조하면, 광전 변환층(300)은 하단의 층간 절연층(320), 상단의 포토 다이오드(310)를 포함할 수 있다. 층간 절연층(320)에는 배선(321)이 포함되고, 포토 다이오드(310)는 화소 단위로 소자 분리막(311)에 의해 분리되어 있다. 소자 분리막(311)은 포토 다이오의 전면측과 후면측으로부터 형성된 트렌치를 매립한 FDTI(Frontside　Deep Trench Isolation)이다. 광전 변환층(300)의 상부에는 투광층(330)이 형성될 수 있다. 투광층(330)의 상부에는 광 차단막(150)과 컬러 필터(140)를 포함하는 컬러 필터층(100)이 형성될 수 있다. 컬러 필터(140)의 상부에는 평탄화층(160)이 형성될 수 있다. 컬러 필터층(100)의 상부에는 각 컬러 필터(140)에 대응되는 위치에 마이크로 렌즈(201, 202, 203)가 구비되는 마이크로 렌즈층(200)이 형성될 수 있다.
도 48의 실시예는 도 47의 실시예에 대응되고, 소자 분리막(311)이 포토 다이오드(310)의 후면측에서 전면측을 향해서 트랜치를 형성한 BDTI(Backside Deep Trench Isolation)이다.
도 49 내지 도 54는 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 도시된 실시예는 도 47에 도시된 FDTI 구조를 갖는 이미지 센서의 단위 화소 어레이를 제조하는 방법을 설명하고 있으나, 본 개시의 실시예는 이에 한정되지 않는다.
도 49를 참조하면, 기판에 포토 다이오드(310)와 소자 분리막(311)을 형성한다. 소자 분리막(311)은 기판의 전면에 인접하도록 형성되며 후면으로부터는 이격되어 형성된다.
도 50을 참조하면, 기판의 전면에 층간 절연층(320)을 형성하고, 층간 절연층(320)의 내부에 트랜지스터와 배선(321)을 형성한다. 포토 다이오드(310)를 포함하는 기판 상에 층간 절연층(320)을 형성함으로써, 광전 변환층(300)을 형성할 수 있다.
도 51을 참조하면, 층간 절연층(320)이 형성된 기판 후면에 대하여 백그라인딩 공정을 진행한다. 이때 소자 분리막(311)이 노출될 수 있다.
도 52를 참조하면, 층간 절연층(320)이 형성된 기판을 뒤집고, 백그라인딩된 후면에 투광층(330)을 형성한다. 투광층(330)은 단층 또는 다층일 수 있다. 예를 들어 투광층(330)은 Al2O3층, SiO2층, HfO층을 포함하는 3층 구조로 형성될 수 있다.
도 53을 참조하면, 투광층(330) 상부에는 광 차단막(150)이 형성될 수 있다. 광 차단막(150)은 화소의 특징에 따라 형성 유무, 폭 등이 달라질 수 있다.
도 54를 참조하면, 각 화소 마다 R, G, B, W 등의 컬러 필터(140)가 채워지고, 컬러 필터의 상단에는 평탄화층(160)이 형성된다. 이로써, 광 차단막(150), 컬러 필터(140), 평탄화층(160)을 포함하는 컬러 필터층(100)을 형성할 수 있다. 도시하지는 않았으나 컬러 필터층(100)을 형성한 후, 그 상부에는 각각의 화소에 대응되는 마이크로 렌즈층(200)을 형성할 수 있다.
도 55는 본 개시의 일 실시예에 따른 단위 화소의 등가 회로도이다.
도 55를 참조하면, 단위 화소의 광전 변환층(300) 각각은 광전 변환 영역(PD), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 소스 팔로워 트랜지스터(Sx), 리셋 트랜지스터(Rx), 및 선택 트랜지스터(Ax)를 포함할 수 있다.
트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 소스 팔로워 트랜지스터(Sx), 리셋 트랜지스터(Rx), 및 선택 트랜지스터(Ax)는 각각 트랜스퍼 게이트(TG), 소스 팔로워 게이트(SF), 리셋 게이트(RG) 및 선택 게이트(SEL)을 포함한다.
단위 화소의 트랜스퍼 게이트(TG)는 트랜스퍼 게이트 라인(TGL)에 전기적으로 연결될 수 있다. 단위 화소의 리셋 게이트(RG)는 리셋 게이트 라인(RGL)에 전기적으로 연결될 수 있다. 단위 화소의 선택 게이트(SEL)는 선택 게이트 라인(SELL)에 전기적으로 연결될 수 있다.
광전 변환 영역(PD)은 N형 불순물 영역과 P형 불순물 영역을 포함하는 포토 다이오드일 수 있다. 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 드레인은 부유 확산 영역(FD)으로 이해될 수 있다. 부유확산 영역(FD)은 상기 리셋 트랜지스터(Rx, Reset Transistor)의 소스일 수 있다. 부유확산 영역(FD)은 소스 팔로워 트랜지스터(Sx, Source Follower Transistor)의 소스 팔로워 게이트(SF)와 전기적으로 연결될 수 있다. 소스 팔로워 트랜지스터(Sx)는 선택 트랜지스터(Ax, Selection Transistor)에 연결될 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상에 따른 실시 예들을 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. 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해하여야 한다.
100 컬러 필터층
111 제1 위상차 검출 화소 112 제2 위상차 검출 화소
121, 127 좌측 주변 화소 122, 128 우측 주변 화소
123 (제1) 상측 주변 화소 124 (제1) 하측 주변 화소
125 (제2) 상측 주변 화소 126 (제2) 하측 주변 화소
130 일반 화소 140 컬러 필터 150 광 차단막
160 평탄화층
200 마이크로 렌즈층 201, 202, 203 마이크로 렌즈
300 광전 변환층 310 포토 다이오드 311 소자 분리층
320 층간 절연층 321 배선 330 투광층

Claims (10)

  1. 인접하여 배치된 제1 위상차 검출 화소 및 제2 위상차 검출 화소를 포함하는 2 개 이상의 위상차 검출 화소들;
    상기 위상차 검출 화소들과 이격되어 형성된 복수 개의 일반 화소들;
    상기 위상차 검출 화소들, 상기 일반 화소 사이에서 상기 위상차 검출 화소와 제1 방향으로 인접하여 형성된 제1 주변 화소, 제2 주변 화소;
    상기 일반 화소에 배치되고 제1 폭을 갖는 제1 광 차단막;
    상기 제1 위상차 검출 화소와 상기 제1 주변 화소 사이의 경계로부터 상기 제1 주변 화소 내측으로 연장되어 형성되고, 상기 제1 폭과 다른 제2 폭을 갖는 제2 광 차단막;
    상기 제2 위상차 검출 화소와 상기 제2 주변 화소 사이의 경계로부터 상기 제2 주변 화소 내측으로 연장되어 형성되고, 상기 제1 폭과 다른 제3 폭을 갖는 제3 광 차단막; 및
    상기 제1 위상차 검출 화소와 상기 제1 주변 화소 사이의 경계로부터 상기 제1 위상차 검출 화소 내측으로 연장되어 형성되고 상기 제1 폭과 동일한 제4 폭을 갖는 제4 광 차단막을 포함하며,
    상기 제4 광 차단막은 상기 일반 화소들 중 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 상기 제1 위상차 검출 화소와 인접하는 것의 광 차단막과 상기 제2 방향으로 정렬되는 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 이미지 센서는
    상기 제2 폭과 상기 제3 폭이 서로 같은 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 이미지 센서는
    상기 제2 폭과 상기 제3 폭이 서로 다른 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 이미지 센서는
    상기 제1 주변 화소, 상기 제2 주변 화소는 각각 상기 위상차 검출 화소의 좌측, 우측, 상측, 하측 중 어느 하나에 인접하여 배치되는 이미지 센서.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 이미지 센서는
    상기 제2 폭 또는 상기 제3 폭 중 어느 하나 이상이 연속적으로 넓어지거나 좁아지는 이미지 센서.
  6. 인접하여 배치된 제1 위상차 검출 화소 및 제2 위상차 검출 화소를 포함하는 2 개 이상의 위상차 검출 화소들;
    상기 위상차 검출 화소들과 이격되어 형성된 복수 개의 일반 화소들;
    상기 위상차 검출 화소들, 상기 일반 화소 사이에서 상기 위상차 검출 화소와 제1 방향으로 인접하여 형성된 제1 주변 화소, 제2 주변 화소;
    상기 일반 화소에 배치되고 제1 폭을 갖는 제1 광 차단막;
    인접하여 형성된 다른 화소와의 사이의 경계로부터 각각 상기 제1 주변 화소 내측으로 연장되어 형성되고, 상기 제1 폭과 다른 제2 폭을 갖는 제2 광 차단막;
    인접하여 형성된 다른 화소와의 사이의 경계로부터 각각 상기 제2 주변 화소 내측으로 연장되어 형성되고, 상기 제1 폭과 다른 제3 폭을 갖는 제3 광 차단막; 및
    상기 위상차 검출 화소와 상기 제1 주변 화소 사이의 경계로부터 상기 위상차 검출 화소 내측으로 연장되어 형성되고 상기 제1 폭과 동일한 제4 폭을 갖는 제4 광 차단막을 포함하며,
    상기 제4 광 차단막은 상기 일반 화소들 중 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 상기 제1 위상차 검출 화소와 인접하는 것의 광 차단막과 상기 제2 방향으로 정렬되는 이미지 센서.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 이미지 센서는
    상기 제2 폭과 상기 제3 폭이 서로 같은 이미지 센서.
  8. 제6 항에 있어서, 상기 이미지 센서는
    상기 제2 폭과 상기 제3 폭이 서로 다른 이미지 센서.
  9. 제6 항에 있어서, 상기 이미지 센서는
    상기 제1 주변 화소, 상기 제2 주변 화소가 각각 상기 위상차 검출 화소의 좌측, 우측, 상측, 하측 중 어느 하나에 인접하여 배치되는 이미지 센서.
  10. 제6 항에 있어서, 상기 이미지 센서는
    인접하여 형성된 다른 화소와의 사이에서 각각 상기 제1 주변 화소 내측으로 연장되어 형성되는 각각의 제2 광 차단막이 서로 다른 폭을 갖고,
    인접하여 형성된 다른 화소와의 사이에서 각각 상기 제2 주변 화소 내측으로 연장되어 형성되는 각각의 제3 광 차단막이 서로 다른 폭을 갖는 이미지 센서.
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