KR102491497B1 - 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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Abstract

복수의 광 감지 소자를 포함하는 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 일면에 위치하고 제1 색 및 제2 색의 혼합 광을 흡수하는 광전 변환 소자, 그리고 상기 광전 변환 소자의 일면에 위치하고 제3 색을 포함한 혼합 광을 선택적으로 투과하는 색 필터를 포함하는 이미지 센서 및 전자 장치에 관한 것이다.

Description

이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치{IMAGE SENSOR AND ELECTRONIC DEVICE INCLUDING THE SAME}
이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
디지털 카메라와 캠코더 등에는 영상을 촬영하여 전기적 신호로 저장하는 촬상 소자가 사용되고, 촬상 소자는 입사하는 빛을 파장에 따라 분해하여 각각의 성분을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서를 포함한다.
이미지 센서는 날이 갈수록 소형화가 요구되고 있다. 근래, 이미지 센서의 크기를 줄이기 위하여 적층 구조의 이미지 센서가 연구되고 있다.
일 구현예는 파장 선택성을 높여 감도를 개선할 수 있는 신규한 적층 구조의 이미지 센서를 제공한다.
다른 구현예는 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 복수의 광 감지 소자를 포함하는 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 일면에 위치하고 제1 색과 제2 색의 혼합 광을 흡수하는 광전 변환 소자, 그리고 상기 광전 변환 소자의 일면에 위치하고 제3 색을 포함한 혼합 광을 선택적으로 투과하는 색 필터를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
상기 색 필터는 제1 색과 제3 색의 혼합 광을 선택적으로 투과하는 제1 색 필터, 그리고 제2 색과 제3 색의 혼합 광을 선택적으로 투과하는 제2 색 필터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 색 필터는 상기 제1 색 필터와 상기 제2 색 필터를 포함할 수 있다.
상기 제1 색 필터와 상기 제2 색 필터는 행 및 열을 따라 교대로 배열되어 있을 수 있다.
상기 광전 변환 소자는 상기 제1 색 필터와 중첩하고 제1 색의 광을 변환하는 제1 광전 변환 소자, 그리고 상기 제2 색 필터와 중첩하고 제2 색의 광을 변환하는 제2 광전 변환 소자를 포함할 수 있다.
상기 광전 변환 소자는 상기 제1 색 필터와 중첩하고 제1 색의 광을 변환하는 제1 광전 변환 소자, 상기 제2 색 필터와 중첩하고 제2 색의 광을 변환하는 제2 광전 변환 소자, 그리고 상기 제1 색 필터 또는 상기 제2 색 필터와 중첩하지 않고 제1 색과 제2 색의 혼합 광을 변환하는 제3 광전 변환 소자를 포함할 수 있다.
상기 색 필터는 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 혼합 광을 투과하는 제3 색 필터를 더 포함할 수 있고, 상기 제3 색 필터는 상기 제1 색 필터 또는 상기 제2 색 필터와 이웃하게 배열되어 있을 수 있다.
상기 광전 변환 소자는 상기 제1 색 필터와 중첩하고 제1 색의 광을 변환하는 제1 광전 변환 소자, 상기 제2 색 필터와 중첩하고 제2 색의 광을 변환하는 제2 광전 변환 소자, 그리고 상기 제3 색 필터와 중첩하고 제1 색과 제2 색의 혼합 광을 변환하는 제3 광전 변환 소자를 포함할 수 있다.
상기 색 필터는 상기 제1 색 필터 또는 상기 제2 색 필터를 포함할 수 있다.
상기 제1 색 필터 또는 상기 제2 색 필터는 행 및 열을 따라 이격되어 배열될 수 있다.
상기 광전 변환 소자는 상기 제1 색 필터 또는 상기 제2 색 필터와 중첩하고 제1 색 또는 제2 색의 광을 변환하는 제4 광전 변환 소자, 그리고 상기 제1 색 필터 또는 상기 제2 색 필터와 중첩하지 않고 제1 색과 제2 색의 혼합 광을 변환하는 제5 광전 변환 소자를 포함할 수 있다.
상기 색 필터는 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 혼합 광을 투과하는 제3 색 필터를 더 포함할 수 있고, 상기 제1 색 필터 또는 상기 제2 색 필터와 상기 제3 색 필터는 행 및 열을 따라 교대로 배열될 수 있다.
상기 광전 변환 소자는 상기 제1 색 필터 또는 상기 제2 색 필터와 중첩하고 제1 색 또는 제2 색의 광을 변환하는 제4 광전 변환 소자, 그리고 상기 제3 색 필터와 중첩하고 제1 색과 제2 색의 혼합 광을 변환하는 제5 광전 변환 소자를 포함할 수 있다.
상기 광 감지 소자는 제3 색의 광을 감지할 수 있다.
상기 제1 색은 청색일 수 있고 상기 제2 색은 적색일 수 있고 상기 제3 색은 녹색일 수 있다.
상기 광전 변환 소자는 서로 마주하는 한 쌍의 전극, 그리고 상기 한 쌍의 전극 사이에 위치하고 제1 색을 선택적으로 흡수하는 흡광 물질과 제2 색을 선택적으로 흡수하는 흡광 물질을 포함하거나 제1 색과 제2 색을 선택적으로 흡수하는 흡광 물질을 포함하는 흡광층을 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 제1 색과 제2 색의 혼합 광을 흡수하는 광전 변환 소자, 그리고 상기 광전 변환 소자의 일면에 위치하고 제3 색의 광을 감지하는 광 감지 소자를 포함하고, 상기 광전 변환 소자는 제1 색의 광을 변환하는 제1 광전 변환 소자, 제2 색의 광을 변환하는 제2 광전 변환 소자, 그리고 제1 색과 제2 색의 혼합 광을 변환하는 제3 광전 변환 소자 중 적어도 둘을 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 광전 변환 소자의 다른 일면에 위치하는 색 필터를 더 포함할 수 있고, 상기 색 필터는 상기 제1 광전 변환 소자와 중첩하고 제1 색과 제3 색의 혼합 광을 선택적으로 투과하는 제1 색 필터, 그리고 상기 제2 광전 변환 소자와 중첩하고 제2 색과 제3 색의 혼합 광을 선택적으로 투과하는 제2 색 필터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 색 필터는 상기 제3 광전 변환 소자와 중첩하고 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 혼합 광을 투과하는 제3 색 필터를 더 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
고감도 이미지 센서를 구현할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 적층 구조를 보여주는 개략도이고,
도 2는 도 1의 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 3은 도 1의 이미지 센서에서 색 필터의 배열을 보여주는 개략도이고,
도 4는 다른 구현예에 따른 이미지 센서의 적층 구조를 보여주는 개략도이고,
도 5는 도 4의 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 6은 도 4의 이미지 센서에서 색 필터의 배열을 보여주는 개략도이고,
도 7은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서의 적층 구조를 보여주는 개략도이고,
도 8은 도 7의 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 9는 도 7의 이미지 센서에서 색 필터의 배열을 보여주는 개략도이고,
도 10은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서의 적층 구조를 보여주는 개략도이고,
도 11은 도 10의 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 12는 도 10의 이미지 센서에서 색 필터의 배열을 보여주는 개략도이고,
도 13은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서의 적층 구조를 보여주는 개략도이고,
도 14는 도 13의 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 15는 도 13의 이미지 센서에서 색 필터의 배열을 보여주는 개략도이다.
이하, 구현예들에 대하여 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 권리 범위는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
도면에서 본 구현예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하였다.
이하에서 '조합'이란 둘 이상의 혼합 및 둘 이상의 적층 구조를 포함한다.
이하 도면을 참고하여 일 구현예에 따른 이미지 센서를 설명한다. 여기서는 이미지 센서의 일 예로 CMOS 이미지 센서에 대하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 적층 구조를 보여주는 개략도이고, 도 2는 도 1의 이미지 센서를 도시한 단면도이고, 도 3은 도 1의 이미지 센서에서 색 필터의 배열을 보여주는 개략도이다.
일 구현예에 따른 이미지 센서(100)는 색 필터 층(70), 광전 변환 소자(30) 및 반도체 기판(110)을 포함한다.
색 필터 층(70)은 행 및 열을 따라 반복적으로 배열된 복수의 단위 색 필터 어레이(unit color filter array)를 포함하고, 단위 색 필터 어레이는 예컨대 2x2, 3x3, 4x4 등의 다양한 매트릭스 배열을 가질 수 있다.
색 필터 층(70)은 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 삼원색(three primary colors)의 광 중 둘의 혼합 광(mixed light)을 투과시킬 수 있는 색 필터를 포함할 수 있다.
색 필터 층(70)은 제1 색과 제3 색의 혼합 광을 선택적으로 투과하는 제1 색 필터(70a)와 제2 색과 제3 색의 혼합 광을 선택적으로 투과하는 제2 색 필터(70b)를 포함할 수 있고, 제1 색 필터(70a)와 제2 색 필터(70b)는 행 및 열을 따라 교대로 배열될 수 있다. 예컨대 제1 색 필터(70a)와 제2 색 필터(70b)는 각각 청색과 녹색의 혼합 광을 투과시키는 시안 필터(cyan fileter), 적색과 녹색의 혼합 광을 투과시키는 황색 필터(yellow filter) 또는 청색과 적색의 혼합 광을 투과시키는 마젠다 필터(magenda filter)일 수 있다.
제1 색 필터(70a)와 제2 색 필터(70b)는 제3 색의 광을 공통으로 투과시킬 수 있으며, 예컨대 제1 색 필터(70a)가 시안 필터이고 제2 색 필터(70b)가 황색 필터일 때 제1 색 필터(70a)와 제2 색 필터(70b)는 녹색 광을 공통으로 투과시킬 수 있다.
광전 변환 소자(30)는 색 필터 층(70)의 하부에 위치하고 색 필터 층(70)을 통과한 광 중 적어도 일부를 선택적으로 감지할 수 있다.
광전 변환 소자(30)는 서로 마주하는 하부 전극(31)과 상부 전극(33), 그리고 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 사이에 위치하는 흡광층(32)을 포함한다.
하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 어느 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)이다. 하부 전극(31)과 상부 전극(33)은 모두 투광 전극일 수 있으며, 투광 전극은 예컨대 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide, ITO), 인듐 아연 옥사이드(indium zinc oxide, IZO)와 같은 투명 도전체로 만들어지거나 수 나노미터 내지 수십 나노미터 두께의 얇은 두께로 형성된 금속 박막 또는 금속 산화물이 도핑된 수 나노미터 내지 수십 나노미터 두께의 얇은 두께로 형성된 단일 층 또는 복수 층의 금속 박막일 수 있다.
흡광층(32)은 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 삼원색의 광 중 제1 색 및 제2 색의 혼합 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 즉 흡광층(32)은 제1 색 및 제2 색의 혼합 광을 선택적으로 흡수하고 제3 색의 광을 그대로 통과시킬 수 있다.
흡광층(32)은 p형 반도체와 n형 반도체를 포함할 수 있으며, p형 반도체와 n형 반도체 중 적어도 하나는 제1 색 및 제2 색의 혼합 광을 선택적으로 흡수할 수 있는 흡광 물질일 수 있다. p형 반도체와 n형 반도체 중 적어도 하나는 예컨대 제1 색을 선택적으로 흡수하는 흡광 물질과 제2 색을 선택적으로 흡수하는 흡광 물질의 혼합물이거나 제1 색과 제2 색을 선택적으로 흡수하는 흡광 물질일 수 있다. 흡광 물질은 예컨대 유기물, 무기물 또는 유무기물일 수 있다. 일 예로, 적색 광을 선택적으로 흡수하는 흡광 물질은 금속 프탈로시아닌(metal phthalocyanine), 금속 산화물 프탈로시아닌 또는 그 유도체일 수 있으며, 예컨대 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine), 아연 프탈로시아닌(zinc phthalocyanine), 티타닐 프탈로시아닌(titanyl phthalocyanine) 또는 그 유도체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 청색 광을 선택적으로 흡수하는 흡광 물질은 플러렌 또는 플러렌 유도체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 녹색 광을 선택적으로 흡수하는 흡광 물질은 퀴나크리돈(quinacridone) 또는 그 유도체, 서브프탈로시아닌(subphthalocyanine) 또는 그 유도체, 티오펜 또는 그 유도체, 폴리티오펜 또는 그 유도체 또는 하기 화학식 1로 표현되는 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
흡광층(32)은 단일 층일 수도 있고 복수 층일 수도 있다. 흡광층(32)은 예컨대 진성층(intrinsic layer, I층), p형 층/I층, I층/n형 층, p형 층/I층/n형 층, p형 층/n형 층 등 다양한 조합일 수 있다.
진성층(I층)은 p형 반도체와 n형 반도체가 약 1:100 내지 약 100:1의 부피비로 혼합되어 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서 약 1:50 내지 50:1의 부피비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1:10 내지 10:1의 부피비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1:1의 부피비로 포함될 수 있다. p형 반도체와 n형 반도체가 상기 범위의 조성비를 가짐으로써 효과적인 엑시톤 생성 및 pn 접합 형성에 유리하다.
p형 층은 p형 반도체를 포함할 수 있고, n형 층은 n형 반도체를 포함할 수 있다.
흡광층(32)은 약 1nm 내지 500nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위 내에서 예컨대 약 5nm 내지 300nm의 두께를 가질 수 있고, 예컨대 약 5nm 내지 200nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위의 두께를 가짐으로써 광을 효과적으로 흡수하고 정공과 전자를 효과적으로 분리 및 전달함으로써 광전 변환 효율을 효과적으로 개선할 수 있다.
흡광층(32)은 제1 색 필터(70a) 및 제2 색 필터(70b)와 중첩하고 있으며, 제1 색 필터(70a)와 중첩하는 제1 흡광 영역(32a)과 제2 색 필터(70b)와 중첩하는 제2 흡광 영역(32b)을 포함한다.
제1 흡광 영역(32a)에는 제1 색 필터(70a)를 통과한 제1 색과 제3 색의 혼합 광이 유입될 수 있으며, 이 중 제1 색의 광을 선택적으로 흡수하고 제3 색의 광을 그대로 통과시킬 수 있다. 제2 흡광 영역(32b)에는 제2 색 필터(70b)를 통과한 제2 색과 제3 색의 혼합 광이 유입될 수 있으며, 이 중 제2 색의 광을 선택적으로 흡수하고 제3 색의 광을 그대로 통과시킬 수 있다.
하부 전극(31), 제1 흡광 영역(32a) 및 상부 전극(33)은 제1 광전 변환 소자(30a)를 형성할 수 있고, 제1 흡광 영역(32a)에서 흡수된 제1 색의 광으로부터 엑시톤(exciton)을 형성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하고 분리된 정공은 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하고 분리된 전자 및/또는 정공은 전하 저장소(55a)에 모아져 광전변환효과를 낼 수 있다. 제1 광전 변환 소자(30a)는 제1 색의 광의 신호를 얻을 수 있다.
하부 전극(31), 제2 흡광 영역(32b) 및 상부 전극(33)은 제2 광전 변환 소자(30b)를 형성할 수 있고, 제2 흡광 영역(32b)에서 흡수된 제2 색의 광으로부터 엑시톤을 형성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하고 분리된 정공은 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하고 분리된 전자 및/또는 정공은 전하 저장소(55b)에 모아져 광전변환효과를 낼 수 있다. 제2 광전 변환 소자(30b)는 제2 색의 광의 신호를 얻을 수 있다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 광 감지 소자(50), 전하 저장소(55a, 55b) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다.
광 감지 소자(50)는 광 다이오드(photodiode)일 수 있다. 광 감지 소자(50)는 광을 센싱하고 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 전하 저장소(55a)는 제1 광전 변환 소자(30a)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55a)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 전하 저장소(55b)는 제2 광전 변환 소자(30b)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55b)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다.
광 감지 소자(50)는 제1 색 필터(70a) 및 제1 광전 변환 소자(30a)를 통과한 광 또는 제2 색 필터(70b) 및 제2 광전 변환 소자(30b)를 통과한 광을 감지할 수 있다. 즉 광 감지 소자(50)는 제3 색의 광을 감지할 수 있다.
구체적으로, 제1 색, 제2 색 및 제3 색을 포함하는 가시광 중 제1 색 및 제3 색의 혼합 광이 제1 색 필터(70a)를 통과하고 그 중 제1 색의 광이 제1 흡광 영역(32a)에 선택적으로 흡수되므로, 광 감지 소자(50)는 제3 색의 광을 감지할 수 있다. 마찬가지로 제1 색, 제2 색 및 제3 색을 포함하는 가시광 중 제2 색 및 제3 색의 혼합 광이 제2 색 필터(70b)를 통과하고 그 중 제2 색의 광이 제2 흡광 영역(32b)에 선택적으로 흡수되므로, 광 감지 소자(50)는 제3 색의 광을 감지할 수 있다.
일 예로, 제1 색은 청색이고 제2 색은 적색이고 제3 색은 녹색일 수 있다. 이 경우, 제1 색 필터(70a)가 시안 필터이고 제2 색 필터(70b)가 황색 필터이고 흡광층(32)이 적색과 청색의 혼합 광을 흡수하는 경우, 광 감지 소자(50)는 녹색 광을 감지할 수 있다.
일 예로, 제1 색은 적색이고 제2 색은 녹색이고 제3 색은 청색일 수 있다. 이 경우 제1 색 필터(70a)가 마젠다 필터이고 제2 색 필터(70b)가 시안 필터이고 흡광층(32)이 적색과 녹색의 혼합 광을 흡수하는 경우, 광 감지 소자(50)는 청색 광을 감지할 수 있다.
일 예로, 제1 색은 녹색이고 제2 색은 청색이고 제3 색은 적색일 수 있다. 이 경우 제1 색 필터(70a)가 황색 필터이고 제2 색 필터(70b)가 마젠다 필터이고 흡광층(32)이 녹색과 청색의 혼합 광을 흡수하는 경우, 광 감지 소자(50)는 적색 광을 감지할 수 있다.
광 감지 소자(50) 위에는 금속 배선(도시하지 않음) 및 패드(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 금속 배선 및 패드는 신호 지연을 줄이기 위하여 낮은 비저항을 가지는 금속, 예컨대 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag) 및 이들의 합금으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나 상기 구조에 한정되지 않고, 금속 배선 및 패드가 광 감지 소자(50)의 하부에 위치할 수도 있다.
반도체 기판(110)과 광전 변환 소자(30) 사이에는 절연층(60)이 형성되어 있다. 절연층(60)은 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질로 만들어질 수 있다. 절연층(60)은 전하 저장소(55a, 55b)를 드러내는 트렌치(65)를 가질 수 있다. 트렌치(65)는 충전재로 채워져 있을 수 있다.
색 필터 층(70) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 본 구현예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판(110) 위에 광전 변환 소자(30)가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 면적을 줄일 수 있고 이에 따라 이미지 센서의 소형화를 구현할 수 있다.
또한 본 구현예에 따른 이미지 센서는 혼합 광을 투과시킬 수 있는 색 필터를 포함함으로써 색 필터에 의한 광 손실을 줄여 흡광 효율을 높일 수 있다.
또한 본 구현예에 따른 이미지 센서는 광전 변환 소자에 흡수되는 광 및 광 감지 소자에서 감지되는 광의 파장 선택성을 높임으로써 이미지 센서의 크로스토크를 줄일 수 있다.
또한 본 구현예에 따른 이미지 센서는 색 필터 층을 상부에 배치함으로써 광전 변환 소자와 반도체 기판 사이의 간격을 줄일 수 있고 이에 따라 공정성을 개선하고 전류 손실을 줄일 수 있다.
이하 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 설명한다.
도 4는 다른 구현예에 따른 이미지 센서의 적층 구조를 보여주는 개략도이고, 도 5는 도 4의 이미지 센서를 도시한 단면도이고, 도 6은 도 4의 이미지 센서에서 색 필터의 배열을 보여주는 개략도이다.
본 구현예에 따른 이미지 센서(200)는 전술한 구현예와 마찬가지로 색 필터 층(70), 광전 변환 소자(30) 및 반도체 기판(110)을 포함한다.
색 필터 층(70)은 행 및 열을 따라 반복적으로 배열된 복수의 단위 색 필터 어레이를 포함하고, 단위 색 필터 어레이는 예컨대 2x2, 3x3, 4x4 등의 다양한 매트릭스 배열을 가질 수 있다.
색 필터 층(70)은 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 삼원색의 광 중 둘의 혼합 광을 투과시킬 수 있는 색 필터를 포함할 수 있다. 색 필터 층(70)은 제1 색과 제3 색의 혼합 광을 선택적으로 투과하는 제1 색 필터(70a)와 제2 색과 제3 색의 혼합 광을 선택적으로 투과하는 제2 색 필터(70b)를 포함할 수 있다.
그러나 본 구현예에 따른 이미지 센서(200)는 전술한 구현예와 달리 단위 색 필터 어레이의 매트릭스 배열 중 색 필터가 없는 영역을 포함한다. 즉, 단위 색 필터 어레이는 제1 색과 제3 색의 혼합 광을 선택적으로 투과하는 제1 색 필터(70a)와 제2 색과 제3 색의 혼합 광을 선택적으로 투과하는 제2 색 필터(70b)을 포함하며 제1 색 필터(70a)와 제2 색 필터(70b)는 행 및 열을 따라 이격되어 배열될 수 있다.
제1 색 필터(70a)와 제2 색 필터(70b)는 제3 색의 광을 공통으로 투과시킬 수 있으며, 예컨대 제1 색 필터(70a)가 시안 필터이고 제2 색 필터(70b)가 황색 필터일 때 제1 색 필터(70a)와 제2 색 필터(70b)는 녹색 광을 공통으로 투과시킬 수 있다.
광전 변환 소자(30)는 색 필터 층(70)의 하부에 위치하고 색 필터 층(70)을 통과한 광 중 적어도 일부를 선택적으로 감지할 수 있다.
광전 변환 소자(30)는 서로 마주하는 하부 전극(31)과 상부 전극(33), 그리고 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 사이에 위치하는 흡광층(32)을 포함한다.
흡광층(32)은 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 삼원색의 광 중 제1 색 및 제2 색의 혼합 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 즉 흡광층(32)은 제1 색 및 제2 색의 혼합 광을 선택적으로 흡수하고 제3 색의 광을 그대로 통과시킬 수 있다.
흡광층(32)은 제1 색 필터(70a)와 중첩하는 제1 흡광 영역(32a), 제2 색 필터(70b)와 중첩하는 제2 흡광 영역(32b), 그리고 제1 색 필터(70a) 또는 제2 색 필터(70b)와 중첩하지 않는 제3 흡광 영역(32c)을 포함한다.
제1 흡광 영역(32a)에는 제1 색 필터(70a)를 통과한 제1 색과 제3 색의 혼합 광이 유입될 수 있으며, 이 중 제1 색의 광을 선택적으로 흡수하고 제3 색의 광을 그대로 통과시킬 수 있다. 제2 흡광 영역(32b)에는 제2 색 필터(70b)를 통과한 제2 색과 제3 색의 혼합 광이 유입될 수 있으며, 이 중 제2 색의 광을 선택적으로 흡수하고 제3 색의 광을 그대로 통과시킬 수 있다. 제3 흡광 영역(32c)에는 입사 광이 그대로 유입될 수 있으며, 이 중 제1 색과 제2 색의 혼합 광을 선택적으로 흡수하고 제3 색의 광을 그대로 통과시킬 수 있다.
하부 전극(31), 제1 흡광 영역(32a) 및 상부 전극(33)은 제1 광전 변환 소자(30a)를 형성할 수 있고, 제1 흡광 영역(32a)에서 흡수된 제1 색의 광으로부터 엑시톤을 형성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하고 분리된 정공은 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하고 분리된 전자 및/또는 정공은 전하 저장소(55a)에 모아져 광전변환효과를 낼 수 있다. 제1 광전 변환 소자(30a)는 제1 색의 광의 신호를 얻을 수 있다.
하부 전극(31), 제2 흡광 영역(32b) 및 상부 전극(33)은 제2 광전 변환 소자(30b)를 형성할 수 있고, 제2 흡광 영역(32b)에서 흡수된 제2 색의 광으로부터 엑시톤을 형성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하고 분리된 정공은 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하고 분리된 전자 및/또는 정공은 전하 저장소(55b)에 모아져 광전변환효과를 낼 수 있다. 제2 광전 변환 소자(30b)는 제2 색의 광의 신호를 얻을 수 있다.
하부 전극(31), 제3 흡광 영역(32c) 및 상부 전극(33)은 제3 광전 변환 소자(30c)를 형성할 수 있고, 제3 흡광 영역(32c)에서 흡수된 제1 색 및 제2 색의 혼합광으로부터 엑시톤을 형성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하고 분리된 정공은 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하고 분리된 전자 및/또는 정공은 전하 저장소(55c)에 모아져 광전변환효과를 낼 수 있다. 제3 광전 변환 소자(30c)는 제1 색 및 제2 색의 광의 신호를 얻을 수 있다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 광 감지 소자(50), 전하 저장소(55a, 55b, 55c) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다.
광 감지 소자(50)는 광 다이오드일 수 있다. 광 감지 소자(50)는 광을 센싱하고 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 전하 저장소(55a)는 제1 광전 변환 소자(30a)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55a)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 전하 저장소(55b)는 제2 광전 변환 소자(30b)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55b)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 전하 저장소(55c)는 제3 광전 변환 소자(30c)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55c)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다.
광 감지 소자(50)는 제1 색 필터(70a) 및 제1 광전 변환 소자(30a)를 통과한 광, 제2 색 필터(70b) 및 제2 광전 변환 소자(30b)를 통과한 광 또는 제3 광전 변환 소자(30c)를 통과한 광을 감지할 수 있다. 즉 광 감지 소자(50)는 제3 색의 광을 감지할 수 있다.
구체적으로, 제1 색, 제2 색 및 제3 색을 포함하는 가시광 중 제1 색 및 제3 색의 혼합 광이 제1 색 필터(70a)를 통과하고 그 중 제1 색의 광이 제1 흡광 영역(32a)에 선택적으로 흡수되므로, 광 감지 소자(50)는 제3 색의 광을 감지할 수 있다. 마찬가지로 제1 색, 제2 색 및 제3 색을 포함하는 가시광 중 제2 색 및 제3 색의 혼합 광이 제2 색 필터(70b)를 통과하고 그 중 제2 색의 광이 제2 흡광 영역(32b)에 선택적으로 흡수되므로, 광 감지 소자(50)는 제3 색의 광을 감지할 수 있다. 마찬가지로 제1 색, 제2 색 및 제3 색을 포함하는 가시광이 제3 광전 변환 소자(30c)에 다다르고 이 중 제1 색 및 제2 색의 광이 제3 흡광 영역(32c)에 선택적으로 흡수되므로, 광 감지 소자(50)는 제3 색의 광을 감지할 수 있다.
광 감지 소자(50) 위에는 금속 배선(도시하지 않음) 및 패드(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 그러나 상기 구조에 한정되지 않고, 금속 배선 및 패드가 광 감지 소자(50)의 하부에 위치할 수도 있다.
반도체 기판(110)과 광전 변환 소자(30) 사이에는 절연층(60)이 형성되어 있다. 절연층(60)은 전하 저장소(55a, 55b, 55c)를 드러내는 트렌치(65)를 가질 수 있다.
이와 같이 본 구현예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판(110) 위에 광전 변환 소자(30)가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 면적을 줄일 수 있고 이에 따라 이미지 센서의 소형화를 구현할 수 있다.
또한 본 구현예에 따른 이미지 센서는 혼합 광을 투과시킬 수 있는 색 필터를 포함함으로써 색 필터에 의한 광 손실을 줄여 흡광 효율을 높일 수 있다. 더욱이 본 구현예에 따른 이미지 센서는 색 필터를 배치하지 않은 영역을 포함함으로써 색 필터에 의한 광 손실을 더욱 줄여 흡광 효율을 더욱 높일 수 있다.
또한 본 구현예에 따른 이미지 센서는 광전 변환 소자에 흡수되는 광 및 광 감지 소자에서 감지되는 광의 파장 선택성을 높임으로써 이미지 센서의 크로스토크를 줄일 수 있다.
또한 본 구현예에 따른 이미지 센서는 색 필터 층을 상부에 배치함으로써 광전 변환 소자와 반도체 기판 사이의 간격을 줄일 수 있고 이에 따라 공정성을 개선하고 전류 손실을 줄일 수 있다.
이하 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 설명한다.
도 7은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서의 적층 구조를 보여주는 개략도이고, 도 8은 도 7의 이미지 센서를 도시한 단면도이고, 도 9는 도 7의 이미지 센서에서 색 필터의 배열을 보여주는 개략도이다.
본 구현예에 따른 이미지 센서(300)는 전술한 구현예와 마찬가지로 색 필터 층(70), 광전 변환 소자(30) 및 반도체 기판(110)을 포함한다.
색 필터 층(70)은 행 및 열을 따라 반복적으로 배열된 복수의 단위 색 필터 어레이를 포함하고, 단위 색 필터 어레이는 예컨대 2x2, 3x3, 4x4 등의 다양한 매트릭스 배열을 가질 수 있다.
색 필터 층(70)은 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 삼원색의 광 중 둘의 혼합 광을 투과시킬 수 있는 색 필터를 포함할 수 있다. 색 필터 층(70)은 제1 색과 제3 색의 혼합 광을 선택적으로 투과하는 제1 색 필터(70a)와 제2 색과 제3 색의 혼합 광을 선택적으로 투과하는 제2 색 필터(70b)를 포함할 수 있다. 제1 색 필터(70a)와 제2 색 필터(70b)는 행 및 열을 따라 이격되게 배열될 수 있다.
그러나 본 구현예에 따른 이미지 센서(300)는 전술한 구현예와 달리 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 혼합 광을 투과하는 제3 색 필터(70c)를 더 포함할 수 있다. 제3 색 필터(70c)는 예컨대 백색 필터일 수 있다. 제3 색 필터(70c)는 제1 색 필터(70a) 및/또는 제2 색 필터(70b)와 이웃하게 배치될 수 있으며, 제3 색 필터(70c)의 개수는 제1 색 필터(70a) 또는 제2 색 필터(70b)의 개수와 같거나 그보다 많을 수 있다.
제1 색 필터(70a), 제2 색 필터(70b) 및 제3 색 필터(70c)는 제3 색의 광을 공통으로 투과시킬 수 있으며, 예컨대 제1 색 필터(70a)가 시안 필터이고 제2 색 필터(70b)가 황색 필터이고 제3 색 필터(70c)가 백색 필터일 때 제1 색 필터(70a), 제2 색 필터(70b) 및 제3 색 필터(70c)는 녹색 광을 공통으로 투과시킬 수 있다.
광전 변환 소자(30)는 색 필터 층(70)의 하부에 위치하고 색 필터 층(70)을 통과한 광 중 적어도 일부를 선택적으로 감지할 수 있다.
광전 변환 소자(30)는 서로 마주하는 하부 전극(31)과 상부 전극(33), 그리고 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 사이에 위치하는 흡광층(32)을 포함한다.
흡광층(32)은 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 삼원색의 광 중 제1 색 및 제2 색의 혼합 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 즉 흡광층(32)은 제1 색 및 제2 색의 혼합 광을 선택적으로 흡수하고 제3 색의 광을 그대로 통과시킬 수 있다.
흡광층(32)은 제1 색 필터(70a)와 중첩하는 제1 흡광 영역(32a), 제2 색 필터(70b)와 중첩하는 제2 흡광 영역(32b), 그리고 제3 색 필터(70c)와 중첩하는 제3 흡광 영역(32c)을 포함한다.
제1 흡광 영역(32a)에는 제1 색 필터(70a)를 통과한 제1 색과 제3 색의 혼합 광이 유입될 수 있으며, 이 중 제1 색의 광을 선택적으로 흡수하고 제3 색의 광을 그대로 통과시킬 수 있다. 제2 흡광 영역(32b)에는 제2 색 필터(70b)를 통과한 제2 색과 제3 색의 혼합 광이 유입될 수 있으며, 이 중 제2 색의 광을 선택적으로 흡수하고 제3 색의 광을 그대로 통과시킬 수 있다. 제3 흡광 영역(32c)에는 제3 색 필터(70c)를 통과한 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 혼합 광이 유입될 수 있으며, 이 중 제1 색과 제2 색의 혼합 광을 선택적으로 흡수하고 제3 색의 광을 그대로 통과시킬 수 있다.
하부 전극(31), 제1 흡광 영역(32a) 및 상부 전극(33)은 제1 광전 변환 소자(30a)를 형성할 수 있고, 제1 흡광 영역(32a)에서 흡수된 제1 색의 광으로부터 엑시톤을 형성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하고 분리된 정공은 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하고 분리된 전자 및/또는 정공은 전하 저장소(55a)에 모아져 광전변환효과를 낼 수 있다. 제1 광전 변환 소자(30a)는 제1 색의 광의 신호를 얻을 수 있다.
하부 전극(31), 제2 흡광 영역(32b) 및 상부 전극(33)은 제2 광전 변환 소자(30b)를 형성할 수 있고, 제2 흡광 영역(32b)에서 흡수된 제2 색의 광으로부터 엑시톤을 형성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하고 분리된 정공은 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하고 분리된 전자 및/또는 정공은 전하 저장소(55b)에 모아져 광전변환효과를 낼 수 있다. 제2 광전 변환 소자(30b)는 제2 색의 광의 신호를 얻을 수 있다.
하부 전극(31), 제3 흡광 영역(32c) 및 상부 전극(33)은 제3 광전 변환 소자(30c)를 형성할 수 있고, 제3 흡광 영역(32c)에서 흡수된 제1 색 및 제2 색의 혼합광으로부터 엑시톤을 형성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하고 분리된 정공은 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하고 분리된 전자 및/또는 정공은 전하 저장소(55c)에 모아져 광전변환효과를 낼 수 있다. 제3 광전 변환 소자(30c)는 제1 색 및 제2 색의 광의 신호를 얻을 수 있다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 광 감지 소자(50), 전하 저장소(55a, 55b, 55c) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다.
광 감지 소자(50)는 광 다이오드일 수 있다. 광 감지 소자(50)는 광을 센싱하고 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 전하 저장소(55a)는 제1 광전 변환 소자(30a)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55a)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 전하 저장소(55b)는 제2 광전 변환 소자(30b)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55b)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 전하 저장소(55c)는 제3 광전 변환 소자(30c)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55c)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다.
광 감지 소자(50)는 제1 색 필터(70a) 및 제1 광전 변환 소자(30a)를 통과한 광, 제2 색 필터(70b) 및 제2 광전 변환 소자(30b)를 통과한 광 또는 제3 색 필터(70c) 및 제3 광전 변환 소자(30c)를 통과한 광을 감지할 수 있다. 즉 광 감지 소자(50)는 제3 색의 광을 감지할 수 있다.
구체적으로, 제1 색, 제2 색 및 제3 색을 포함하는 가시광 중 제1 색 및 제3 색의 혼합 광이 제1 색 필터(70a)를 통과하고 그 중 제1 색의 광이 제1 흡광 영역(32a)에 선택적으로 흡수되므로, 광 감지 소자(50)는 제3 색의 광을 감지할 수 있다. 마찬가지로 제1 색, 제2 색 및 제3 색을 포함하는 가시광 중 제2 색 및 제3 색의 혼합 광이 제2 색 필터(70b)를 통과하고 그 중 제2 색의 광이 제2 흡광 영역(32b)에 선택적으로 흡수되므로, 광 감지 소자(50)는 제3 색의 광을 감지할 수 있다. 마찬가지로 제1 색, 제2 색 및 제3 색을 포함하는 가시광 중 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 혼합 광이 제3 색 필터(70c)를 통과하고 그 중 제1 색 및 제2 색의 광이 제3 흡광 영역(32c)에 선택적으로 흡수되므로, 광 감지 소자(50)는 제3 색의 광을 감지할 수 있다.
광 감지 소자(50) 위에는 금속 배선(도시하지 않음) 및 패드(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 그러나 상기 구조에 한정되지 않고, 금속 배선 및 패드가 광 감지 소자(50)의 하부에 위치할 수도 있다.
반도체 기판(110)과 광전 변환 소자(30) 사이에는 절연층(60)이 형성되어 있다. 절연층(60)은 전하 저장소(55a, 55b, 55c)를 드러내는 트렌치(65)를 가질 수 있다.
이와 같이 본 구현예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판(110) 위에 광전 변환 소자(30)가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 면적을 줄일 수 있고 이에 따라 이미지 센서의 소형화를 구현할 수 있다.
또한 본 구현예에 따른 이미지 센서는 혼합 광을 투과시킬 수 있는 색 필터를 포함함으로써 색 필터에 의한 광 손실을 줄여 흡광 효율을 높일 수 있다. 더욱이 본 구현예에 따른 이미지 센서는 삼원색을 모두 통과할 수 있는 색 필터, 즉 백색 필터를 포함함으로써 광 손실을 더욱 줄여 흡광 효율을 더욱 높일 수 있다.
또한 본 구현예에 따른 이미지 센서는 삼원색을 모두 통과할 수 있는 색 필터, 즉 백색 필터를 포함함으로써 저조도 환경에서도 이미지 센서의 감도 및 휘도가 급격히 저하되는 것을 방지하고 고감도 및 고휘도 특성을 구현할 수 있다.
또한 본 구현예에 따른 이미지 센서는 삼원색을 모두 통과할 수 있는 색 필터, 즉 백색 필터를 포함함으로써 가시광선 영역에서 파장에 따른 광 투과도의 세기를 원하는 조건에 따라 조절할 수 있다.
또한 본 구현예에 따른 이미지 센서는 광전 변환 소자에 흡수되는 광 및 광 감지 소자에서 감지되는 광의 파장 선택성을 높임으로써 이미지센서의 크로스토크를 줄일 수 있다.
또한 본 구현예에 따른 이미지 센서는 색 필터 층을 상부에 배치함으로써 광전 변환 소자와 반도체 기판 사이의 간격을 줄일 수 있고 이에 따라 공정성을 개선하고 전류 손실을 줄일 수 있다.
이하 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 설명한다.
도 10은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서의 적층 구조를 보여주는 개략도이고, 도 11은 도 10의 이미지 센서를 도시한 단면도이고, 도 12는 도 10의 이미지 센서에서 색 필터의 배열을 보여주는 개략도이다.
본 구현예에 따른 이미지 센서(400)는 전술한 구현예와 마찬가지로 색 필터 층(70), 광전 변환 소자(30) 및 반도체 기판(110)을 포함한다.
색 필터 층(70)은 행 및 열을 따라 반복적으로 배열된 복수의 단위 색 필터 어레이를 포함하고, 단위 색 필터 어레이는 예컨대 2x2, 3x3, 4x4 등의 다양한 매트릭스 배열을 가질 수 있다.
색 필터 층(70)은 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 삼원색의 광 중 둘의 혼합 광을 투과시킬 수 있는 색 필터를 포함할 수 있다. 색 필터 층(70)은 제1 색과 제3 색의 혼합 광 또는 제2 색과 제3 색의 혼합 광을 선택적으로 투과하는 제4 색 필터(70d)와 색 필터가 없는 영역을 포함할 수 있다. 제4 색 필터(70d)와 색 필터가 없는 영역은 행 및 열을 따라 교대로 배열될 수 있다. 제4 색 필터(70d)는 예컨대 시안 필터, 황색 필터 또는 마젠다 필터일 수 있다.
광전 변환 소자(30)는 색 필터 층(70)의 하부에 위치하고 색 필터 층(70)을 통과한 광 중 적어도 일부를 선택적으로 감지할 수 있다.
광전 변환 소자(30)는 서로 마주하는 하부 전극(31)과 상부 전극(33), 그리고 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 사이에 위치하는 흡광층(32)을 포함한다.
흡광층(32)은 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 삼원색의 광 중 제1 색 및 제2 색의 혼합 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 즉 흡광층(32)은 제1 색 및 제2 색의 혼합 광을 선택적으로 흡수하고 제3 색의 광을 그대로 통과시킬 수 있다.
흡광층(32)은 제4 색 필터(70d)와 중첩하는 제4 흡광 영역(32d) 및 제4 색 필터(70d)와 중첩하지 않는 제5 흡광 영역 (32e)을 포함한다.
제4 흡광 영역(32d)에는 제4 색 필터(70d)를 통과한 제1 색과 제3 색의 혼합 광 또는 제2 색과 제3 색의 혼합 광이 유입될 수 있으며, 이 중 제1 색 또는 제2 색의 광을 선택적으로 흡수하고 제3 색의 광을 그대로 통과시킬 수 있다. 제5 흡광 영역(32e)에는 입사 광이 그대로 유입될 수 있으며, 이 중 제1 색과 제2 색의 혼합 광을 선택적으로 흡수하고 제3 색의 광을 그대로 통과시킬 수 있다.
하부 전극(31), 제4 흡광 영역(32d) 및 상부 전극(33)은 제4 광전 변환 소자(30d)를 형성할 수 있고, 제4 흡광 영역(32d)에서 흡수된 제1 색 또는 제2 색의 광으로부터 엑시톤을 형성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하고 분리된 정공은 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하고 분리된 전자 및/또는 정공은 전하 저장소(55d)에 모아져 광전 변환 효과를 낼 수 있다. 제4 광전 변환 소자(30d)는 제1 색 또는 제2 색의 광의 신호를 얻을 수 있다.
하부 전극(31), 제5 흡광 영역(32e) 및 상부 전극(33)은 제5 광전 변환 소자(30e)를 형성할 수 있고, 제5 흡광 영역(32e)에서 흡수된 제1 색 및 제2 색의 혼합광으로부터 엑시톤을 형성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하고 분리된 정공은 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하고 분리된 전자 및/또는 정공은 전하 저장소(55e)에 모아져 광전변환효과를 낼 수 있다. 제5 광전 변환 소자(30e)는 제1 색 및 제2 색의 광의 신호를 얻을 수 있다. 제4 광전 변환 소자(30d)와 제5 광전 변환 소자(30e)의 신호 차이로 제2 색 또는 제1 색의 광의 신호를 얻을 수 있다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 광 감지 소자(50), 전하 저장소(55d, 55e) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다.
광 감지 소자(50)는 광 다이오드일 수 있다. 광 감지 소자(50)는 광을 센싱하고 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 전하 저장소(55d)는 제4 광전 변환 소자(30d)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55d)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 전하 저장소(55e)는 제5 광전 변환 소자(30e)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55e)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다.
광 감지 소자(50)는 제4 색 필터(70d) 및 제4 광전 변환 소자(30d)를 통과한 광 또는 제5 광전 변환 소자(30e)를 통과한 광을 감지할 수 있다. 즉 광 감지 소자(50)는 제3 색의 광을 감지할 수 있다.
구체적으로, 제1 색, 제2 색 및 제3 색을 포함하는 가시광 중 제1 색과 제3 색의 혼합 광 또는 제2 색과 제3 색의 혼합 광이 제4 색 필터(70d)를 통과하고 그 중 제1 색 또는 제2 색의 광이 제4 흡광 영역(32d)에 선택적으로 흡수되므로, 광 감지 소자(50)는 제3 색의 광을 감지할 수 있다. 마찬가지로 제1 색, 제2 색 및 제3 색을 포함하는 가시광이 제5 광전 변환 소자(30e)에 다다르고 이 중 제1 색 및 제2 색의 광이 제5 흡광 영역(32e)에 선택적으로 흡수되므로, 광 감지 소자(50)는 제3 색의 광을 감지할 수 있다.
이와 같이 본 구현예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판(110) 위에 광전 변환 소자(30)가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 면적을 줄일 수 있고 이에 따라 이미지 센서의 소형화를 구현할 수 있다.
또한 본 구현예에 따른 이미지 센서는 혼합 광을 투과시킬 수 있는 색 필터를 포함함으로써 색 필터에 의한 광 손실을 줄여 흡광 효율을 높일 수 있다. 더욱이 본 구현예에 따른 이미지 센서는 색 필터를 배치하지 않은 영역을 포함함으로써 색 필터에 의한 광 손실을 더욱 줄여 흡광 효율을 더욱 높일 수 있다.
또한 본 구현예에 따른 이미지 센서는 광전 변환 소자에 흡수되는 광 및 광 감지 소자에서 감지되는 광의 파장 선택성을 높임으로써 크로스토크를 줄일 수 있다.
또한 본 구현예에 따른 이미지 센서는 색 필터 층을 상부에 배치함으로써 광전 변환 소자와 반도체 기판 사이의 간격을 줄일 수 있고 이에 따라 공정성을 개선하고 전류 손실을 줄일 수 있다.
이하 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 설명한다.
도 13은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서의 적층 구조를 보여주는 개략도이고, 도 14는 도 13의 이미지 센서를 도시한 단면도이고, 도 15는 도 13의 이미지 센서에서 색 필터의 배열을 보여주는 개략도이다.
본 구현예에 따른 이미지 센서(500)는 전술한 구현예와 마찬가지로 색 필터 층(70), 광전 변환 소자(30) 및 반도체 기판(110)을 포함한다.
색 필터 층(70)은 행 및 열을 따라 반복적으로 배열된 복수의 단위 색 필터 어레이를 포함하고, 단위 색 필터 어레이는 예컨대 2x2, 3x3, 4x4 등의 다양한 매트릭스 배열을 가질 수 있다.
색 필터 층(70)은 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 삼원색의 광 중 둘의 혼합 광을 투과시킬 수 있는 색 필터를 포함할 수 있다. 색 필터 층(70)은 제1 색과 제3 색의 혼합 광 또는 제2 색과 제3 색의 혼합 광을 선택적으로 투과하는 제4 색 필터(70d)와 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 혼합 광을 투과시킬 수 있는 제5 색 필터(70e)를 포함할 수 있다. 제4 색 필터(70d)와 제5 색 필터(70e)는 행 및 열을 따라 교대로 배열될 수 있다. 제4 색 필터(70d)는 예컨대 시안 필터, 황색 필터 또는 마젠다 필터일 수 있고, 제5 색 필터(70e)는 예컨대 백색 필터일 수 있다.
광전 변환 소자(30)는 색 필터 층(70)의 하부에 위치하고 색 필터 층(70)을 통과한 광 중 적어도 일부를 선택적으로 감지할 수 있다.
광전 변환 소자(30)는 서로 마주하는 하부 전극(31)과 상부 전극(33), 그리고 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 사이에 위치하는 흡광층(32)을 포함한다.
흡광층(32)은 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 삼원색의 광 중 제1 색 및 제2 색의 혼합 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 즉 흡광층(32)은 제1 색 및 제2 색의 혼합 광을 선택적으로 흡수하고 제3 색의 광을 그대로 통과시킬 수 있다.
흡광층(32)은 제4 색 필터(70d)와 중첩하는 제4 흡광 영역(32d) 및 제5 색 필터(70e)와 중첩하는 제5 흡광 영역(32e)을 포함한다.
제4 흡광 영역(32d)에는 제4 색 필터(70d)를 통과한 제1 색과 제3 색의 혼합 광 또는 제2 색과 제3 색의 혼합 광이 유입될 수 있으며, 이 중 제1 색 또는 제2 색의 광을 선택적으로 흡수하고 제3 색의 광을 그대로 통과시킬 수 있다. 제5 흡광 영역(32e)에는 제5 색 필터(70e)를 통과한 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 혼합 광이 유입될 수 있으며, 이 중 제1 색과 제2 색의 광을 선택적으로 흡수하고 제3 색의 광을 그대로 통과시킬 수 있다.
하부 전극(31), 제4 흡광 영역(32d) 및 상부 전극(33)은 제4 광전 변환 소자(30d)를 형성할 수 있고, 제4 흡광 영역(32d)에서 흡수된 제1 색 또는 제2 색의 광으로부터 엑시톤을 형성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하고 분리된 정공은 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하고 분리된 전자 및/또는 정공은 전하 저장소(55a)에 모아져 광전변환효과를 낼 수 있다. 제4 광전 변환 소자(30d)는 제1 색 또는 제2 색의 광의 신호를 얻을 수 있다.
하부 전극(31), 제5 흡광 영역(32e) 및 상부 전극(33)은 제5 광전 변환 소자(30e)를 형성할 수 있고, 제5 흡광 영역(32e)에서 흡수된 제1 색 및 제2 색의 혼합광으로부터 엑시톤을 형성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하고 분리된 정공은 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 하부 전극(31)과 상부 전극(33) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하고 분리된 전자 및/또는 정공은 전하 저장소(55e)에 모아져 광전변환효과를 낼 수 있다. 제5 광전 변환 소자(30e)는 제1 색 및 제2 색의 광의 신호를 얻을 수 있다. 제4 광전 변환 소자(30d)와 제5 광전 변환 소자(30e)의 신호 차이로 제2 색 또는 제1 색의 광의 신호를 얻을 수 있다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 광 감지 소자(50), 전하 저장소(55d, 55e) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다.
광 감지 소자(50)는 광 다이오드일 수 있다. 광 감지 소자(50)는 광을 센싱하고 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 전하 저장소(55d)는 제4 광전 변환 소자(30d)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55d)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 전하 저장소(55e)는 제5 광전 변환 소자(30e)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55e)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다.
광 감지 소자(50)는 제4 색 필터(70d) 및 제4 광전 변환 소자(30d)를 통과한 광 또는 제5 광전 변환 소자(30e)를 통과한 광을 감지할 수 있다. 즉 광 감지 소자(50)는 제3 색의 광을 감지할 수 있다.
구체적으로, 제1 색, 제2 색 및 제3 색을 포함하는 가시광 중 제1 색과 제3 색의 혼합 광 또는 제2 색과 제3 색의 혼합 광이 제4 색 필터(70d)를 통과하고 그 중 제1 색 또는 제2 색의 광이 제4 흡광 영역(32d)에 선택적으로 흡수되므로, 광 감지 소자(50)는 제3 색의 광을 감지할 수 있다. 마찬가지로 제1 색, 제2 색 및 제3 색을 포함하는 가시광이 제5 광전 변환 소자(30e)에 다다르고 이 중 제1 색 및 제2 색의 광이 제5 흡광 영역(32e)에 선택적으로 흡수되므로, 광 감지 소자(50)는 제3 색의 광을 감지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
30: 광전 변환 소자
31: 하부 전극
32: 흡광층
33: 상부 전극
50: 광 감지 소자
60: 절연층
65: 관통구
110: 반도체 기판

Claims (20)

  1. 복수의 광 감지 소자를 포함하는 반도체 기판,
    상기 반도체 기판의 일면에 위치하고 제1 색과 제2 색의 혼합 광을 흡수하는 광전 변환 소자, 그리고
    상기 광전 변환 소자의 일면에 위치하고 제3 색을 포함한 혼합 광을 선택적으로 투과하는 색 필터
    를 포함하고,
    상기 제1 색, 상기 제2 색 및 상기 제3 색은 서로 다르고 각각 삼원색 중 하나인 이미지 센서.
  2. 제1항에서,
    상기 색 필터는
    제1 색과 제3 색의 혼합 광을 선택적으로 투과하는 제1 색 필터, 그리고
    제2 색과 제3 색의 혼합 광을 선택적으로 투과하는 제2 색 필터
    중 적어도 하나를 포함하는 이미지 센서.

  3. 제2항에서,
    상기 색 필터는 상기 제1 색 필터와 상기 제2 색 필터를 포함하는 이미지 센서.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 색 필터와 상기 제2 색 필터는 행 및 열을 따라 교대로 배열되어 있는 이미지 센서.
  5. 제4항에서,
    상기 광전 변환 소자는
    상기 제1 색 필터와 중첩하고 제1 색의 광을 변환하는 제1 광전 변환 소자, 그리고
    상기 제2 색 필터와 중첩하고 제2 색의 광을 변환하는 제2 광전 변환 소자
    를 포함하는 이미지 센서.
  6. 제3항에서,
    상기 광전 변환 소자는
    상기 제1 색 필터와 중첩하고 제1 색의 광을 변환하는 제1 광전 변환 소자,
    상기 제2 색 필터와 중첩하고 제2 색의 광을 변환하는 제2 광전 변환 소자, 그리고
    상기 제1 색 필터 또는 상기 제2 색 필터와 중첩하지 않고 제1 색과 제2 색의 혼합 광을 변환하는 제3 광전 변환 소자
    를 포함하는 이미지 센서.
  7. 제3항에서,
    상기 색 필터는 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 혼합 광을 투과하는 제3 색 필터를 더 포함하고,
    상기 제3 색 필터는 상기 제1 색 필터 또는 상기 제2 색 필터와 이웃하게 배열되어 있는 이미지 센서.
  8. 제7항에서,
    상기 광전 변환 소자는
    상기 제1 색 필터와 중첩하고 제1 색의 광을 변환하는 제1 광전 변환 소자,
    상기 제2 색 필터와 중첩하고 제2 색의 광을 변환하는 제2 광전 변환 소자, 그리고
    상기 제3 색 필터와 중첩하고 제1 색과 제2 색의 혼합 광을 변환하는 제3 광전 변환 소자
    을 포함하는 이미지 센서.
  9. 제2항에서,
    상기 색 필터는 상기 제1 색 필터 또는 상기 제2 색 필터를 포함하는 이미지 센서.
  10. 제9항에서,
    상기 제1 색 필터 또는 상기 제2 색 필터는 행 및 열을 따라 이격되어 배열되어 있는 이미지 센서.
  11. 제10항에서,
    상기 광전 변환 소자는
    상기 제1 색 필터 또는 상기 제2 색 필터와 중첩하고 제1 색 또는 제2 색의 광을 변환하는 제4 광전 변환 소자, 그리고
    상기 제1 색 필터 또는 상기 제2 색 필터와 중첩하지 않고 제1 색과 제2 색의 혼합 광을 변환하는 제5 광전 변환 소자
    를 포함하는 이미지 센서.
  12. 제9항에서,
    상기 색 필터는 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 혼합 광을 투과하는 제3 색 필터를 더 포함하고,
    상기 제1 색 필터 또는 상기 제2 색 필터와 상기 제3 색 필터는 행 및 열을 따라 교대로 배열되어 있는 이미지 센서.
  13. 제12항에서,
    상기 광전 변환 소자는
    상기 제1 색 필터 또는 상기 제2 색 필터와 중첩하고 제1 색 또는 제2 색의 광을 변환하는 제4 광전 변환 소자, 그리고
    상기 제3 색 필터와 중첩하고 제1 색과 제2 색의 혼합 광을 변환하는 제5 광전 변환 소자
    를 포함하는 이미지 센서.
  14. 제1항에서,
    상기 광 감지 소자는 제3 색의 광을 감지하는 이미지 센서.
  15. 제1항에서,
    상기 제1 색은 청색이고
    상기 제2 색은 적색이고
    상기 제3 색은 녹색인
    이미지 센서.
  16. 제1항에서,
    상기 광전 변환 소자는
    서로 마주하는 한 쌍의 전극, 그리고
    상기 한 쌍의 전극 사이에 위치하고 제1 색을 선택적으로 흡수하는 흡광 물질과 제2 색을 선택적으로 흡수하는 흡광 물질을 포함하거나 제1 색과 제2 색을 선택적으로 흡수하는 흡광 물질을 포함하는 흡광층
    을 포함하는 이미지 센서.
  17. 제1 색과 제2 색의 혼합 광을 흡수하는 광전 변환 소자,
    상기 광전 변환 소자의 일면에 위치하고 제3 색의 광을 감지하는 광 감지 소자
    를 포함하고,
    상기 광전 변환 소자는
    제1 색의 광을 변환하는 제1 광전 변환 소자,
    제2 색의 광을 변환하는 제2 광전 변환 소자, 그리고
    제1 색과 제2 색의 혼합 광을 변환하는 제3 광전 변환 소자
    중 적어도 둘을 포함하고,
    상기 제1 색, 상기 제2 색 및 상기 제3 색은 서로 다르고 각각 삼원색 중 하나인 이미지 센서.
  18. 제17항에서,
    상기 광전 변환 소자의 다른 일면에 위치하는 색 필터를 더 포함하고,
    상기 색 필터는
    상기 제1 광전 변환 소자와 중첩하고 제1 색과 제3 색의 혼합 광을 선택적으로 투과하는 제1 색 필터, 그리고
    상기 제2 광전 변환 소자와 중첩하고 제2 색과 제3 색의 혼합 광을 선택적으로 투과하는 제2 색 필터
    중 적어도 하나를 포함하는 이미지 센서.
  19. 제18항에서,
    상기 색 필터는
    상기 제3 광전 변환 소자와 중첩하고 제1 색, 제2 색 및 제3 색의 혼합 광을 투과하는 제3 색 필터를 더 포함하는 이미지 센서.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치.


KR1020150169035A 2015-11-30 2015-11-30 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 KR102491497B1 (ko)

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