KR102507474B1 - 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 단위 픽셀들; 및
상기 단위 픽셀들 상의 컬러 필터 어레이를 포함한다. 상기 컬러 필터 어레이는, 2 X 2 어레이로 배열된 두 개의 제1 컬러 필터들, 제2 컬러 필터 및 제3 컬러 필터를 포함하고, 각각의 상기 제1 컬러 필터들은 노란색 컬러 필터이고, 상기 제2 컬러 필터는 시안(Cyan) 컬러 필터이며, 상기 제3 컬러 필터는 적색 또는 녹색 컬러 필터이다.

Description

이미지 센서{Image sensor}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 씨모스(CMOS) 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시킨다. 최근들어 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대하고 있다.
이미지 센서로는 전하 결합 소자(CCD: Charge Coupled Device) 및 CMOS 이미지 센서가 있다. 이 중, CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고, 신호 처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하다. CMOS 이미지 센서는 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 또한, CMOS 이미지 센서는 CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 따라서, CMOS 이미지 센서는 기술 개발과 함께 고해상도가 구현 가능함에 따라 그 사용이 급격히 늘어나고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 향상된 광학적 특성을 갖는 이미지 센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 개념에 따른 이미지 센서는, 단위 픽셀들; 및 상기 단위 픽셀들 상의 컬러 필터 어레이를 포함할 수 있다. 상기 컬러 필터 어레이는, 2 X 2 어레이로 배열된 두 개의 제1 컬러 필터들, 제2 컬러 필터 및 제3 컬러 필터를 포함하고, 각각의 상기 제1 컬러 필터들은 노란색 컬러 필터이고, 상기 제2 컬러 필터는 시안(Cyan) 컬러 필터이며, 상기 제3 컬러 필터는 적색 또는 녹색 컬러 필터일 수 있다.
본 발명의 다른 개념에 따른 이미지 센서는, 아래의 2 X 2 어레이로 배열된 노란색 컬러 필터들(Y), 시안 컬러 필터(C) 및 적색 컬러 필터(R)를 갖는 컬러 필터 어레이를 포함할 수 있다.
Figure 112018002723850-pat00001
본 발명의 또 다른 개념에 따른 이미지 센서는, 광전 변환 소자들을 포함하는 반도체 기판; 및 상기 반도체 기판 상의 컬러 필터 어레이를 포함할 수 있다. 상기 컬러 필터 어레이는, 아래의 2 X 2 어레이로 배열된 제1 내지 제3 컬러 필터들을 포함하고,
Figure 112018002723850-pat00002
상기 제1 및 제2 컬러 필터들 각각은 보색 컬러 필터이고, 상기 제3 컬러 필터는 원색 컬러 필터일 수 있다.
본 발명에 따른 이미지 센서는, 적색, 녹색 및 청색으로 이루어진 원색 컬러 필터 어레이에 비해 픽셀 당 감도가 더 우수할 수 있다. 본 발명에 따른 이미지 센서는, 시안, 마젠타 및 노란색으로 이루어진 보색 컬러 필터 어레이에 비해 선명도가 더 우수할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 컬러 필터 어레이의 평면도들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 것으로, 각각 도 3의 I-I' 선 및 II-II' 선을 따라 자른 단면도들이다.
도 5a는 원색 컬러 필터 어레이의 광 투과 그래프를 나타낸 것이다.
도 5b는 보색 컬러 필터 어레이의 광 투과 그래프를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 컬러 필터 어레이의 광 투과 그래프를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 컬러 필터 어레이의 평면도들이다.
도 8a, 도 8b, 도 9a, 도 9b, 도 10a 및 도 10b는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도들이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서는 액티브 픽셀 센서 어레이(Active Pixel Sensor array; 1), 행 디코더(row decoder; 2), 행 드라이버(row driver; 3), 열 디코더(column decoder; 4), 타이밍 발생기(timing generator; 5), 상관 이중 샘플러(CDS: Correlated Double Sampler; 6), 아날로그 디지털 컨버터(ADC: Analog to Digital Converter; 7) 및 입출력 버퍼(I/O buffer; 8)를 포함할 수 있다.
액티브 픽셀 센서 어레이(1)는 2차원적으로 배열된 복수의 단위 픽셀들을 포함하며, 광 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있다. 액티브 픽셀 센서 어레이(1)는 행 드라이버(3)로부터 픽셀 선택 신호, 리셋 신호 및 전하 전송 신호와 같은 복수의 구동 신호들에 의해 구동될 수 있다. 또한, 변환된 전기적 신호는 상관 이중 샘플러(6)에 제공될 수 있다.
행 드라이버(3)는, 행 디코더(2)에서 디코딩된 결과에 따라 다수의 단위 픽셀들을 구동하기 위한 다수의 구동 신호들을 액티브 픽셀 센서 어레이(1)로 제공할 수 있다. 단위 픽셀들이 행렬 형태로 배열된 경우에는 각 행별로 구동 신호들이 제공될 수 있다.
타이밍 발생기(5)는 행 디코더(2) 및 열 디코더(4)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공할 수 있다.
상관 이중 샘플러(CDS; 6)는 액티브 픽셀 센서 어레이(1)에서 생성된 전기 신호를 수신하여 유지(hold) 및 샘플링할 수 있다. 상관 이중 샘플러(6)는 특정한 잡음 레벨(noise level)과 전기적 신호에 의한 신호 레벨을 이중으로 샘플링하여, 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이에 해당하는 차이 레벨을 출력할 수 있다.
아날로그 디지털 컨버터(ADC; 7)는 상관 이중 샘플러(6)에서 출력된 차이 레벨에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다.
입출력 버퍼(8)는 디지털 신호를 래치(latch)하고, 래치된 신호는 열 디코더(4)에서의 디코딩 결과에 따라 순차적으로 영상 신호 처리부(도면 미도시)로 디지털 신호를 출력할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 센서 어레이(1)는 복수의 단위 픽셀들(PX)을 포함하며, 단위 픽셀들(PX)은 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 각각의 단위 픽셀들(PX)은 전송 트랜지스터(TX)와 로직 트랜지스터들(RX, SX, DX)을 포함할 수 있다. 로직 트랜지스터들은 리셋 트랜지스터(RX), 선택 트랜지스터(SX), 및 드라이브 트랜지스터(DX)를 포함할 수 있다. 전송 트랜지스터(TX)는 전송 게이트(TG)를 포함할 수 있다. 각각의 단위 픽셀들(PX)은 광전 변환 소자(PD) 및 플로팅 확산 영역(FD)를 더 포함할 수 있다.
광전 변환 소자(PD)는 외부에서 입사된 빛의 양에 비례하여 광전하들을 생성 및 축적할 수 있다. 광전 변환 소자(PD)는 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 핀드 포토 다이오드 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 전송 트랜지스터(TX)는 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 전하를 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송할 수 있다. 플로팅 확산 영역(FD)은 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 전하를 전송 받아 누적적으로 저장할 수 있다. 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 광전하들의 양에 따라 드라이브 트랜지스터(DX)가 제어될 수 있다.
리셋 트랜지스터(RX)는 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하들을 주기적으로 리셋시킬 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)의 드레인 전극은 플로팅 확산 영역(FD)과 연결되며 소스 전극은 전원 전압(VDD)에 연결될 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)가 턴 온(turn-on)되면, 리셋 트랜지스터(RX)의 소스 전극과 연결된 전원 전압(VDD)이 플로팅 확산 영역(FD)으로 인가될 수 있다. 따라서, 리셋 트랜지스터(RX)가 턴 온되면, 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하들이 배출되어 플로팅 확산 영역(FD)이 리셋될 수 있다.
드라이브 트랜지스터(DX)는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 할 수 있다. 드라이브 트랜지스터(DX)는 플로팅 확산 영역(FD)에서의 전위 변화를 증폭하고, 이를 출력 라인(Vout)으로 출력할 수 있다.
선택 트랜지스터(SX)는 행 단위로 읽어낼 단위 픽셀들(PX)을 선택할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)가 턴 온될 때, 전원 전압(VDD)이 드라이브 트랜지스터(DX)의 드레인 전극으로 인가될수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 컬러 필터 어레이의 평면도들이다.
도 3을 참조하면, 액티브 픽셀 센서 어레이(1)는 컬러 필터 유닛들(FU)을 포함할 수 있다. 컬러 필터 유닛들(FU)은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)으로 2차원적으로 배열될 수 있다. 각각의 컬러 필터 유닛들(FU)은 2 X 2 어레이(two by two array)로 배열된 컬러 필터들(303)을 가질 수 있다. 다시 말하면, 각각의 컬러 필터 유닛들(FU)은 4개의 컬러 필터들(303)로 구성될 수 있다. 컬러 필터 유닛들(FU)의 컬러 필터들(303)은 복수 개의 단위 픽셀들 각각에 대응하여 배치될 수 있다.
컬러 필터 유닛들(FU) 각각은 제1 컬러 필터(303a), 제2 컬러 필터(303b) 및 제3 컬러 필터(303c)를 포함할 수 있다. 제1 컬러 필터(303a) 및 제2 컬러 필터(303b)는 보색 컬러 필터(Complementary Color Filter)일 수 있고, 제3 컬러 필터(303c)는 원색 컬러 필터(Primary Color Filter)일 수 있다. 예를 들어, 제1 컬러 필터(303a)는 노란색(Yellow) 컬러 필터일 수 있고, 제2 컬러 필터(303b)는 시안(Cyan) 컬러 필터일 수 있으며, 제3 컬러 필터(303c)는 적색(Red) 컬러 필터일 수 있다. 다시 말하면, 각각의 컬러 필터 유닛들(FU)은, 노란색(Y), 시안(C) 및 적색(R)이 아래와 같이 2 X 2 어레이로 배열될 수 있다.
Figure 112018002723850-pat00003
제1 컬러 필터(303a)는 가시광에서 노란색 광을 통과시키며, 제1 컬러 필터(303a)를 갖는 단위 픽셀은 노란색 광에 대응하는 광전자들을 생성할 수 있다. 제2 컬러 필터(303b)는 가시광에서 시안 광을 통과시키며, 제2 컬러 필터(303b)를 갖는 단위 픽셀은 시안 광에 대응하는 광전자들을 생성할 수 있다. 제3 컬러 필터(303c)는 가시광에서 적색 광을 통과시키며, 제3 컬러 필터(303c)를 갖는 단위 픽셀은 적색 광에 대응하는 광전자들을 생성할 수 있다.
하나의 컬러 필터 유닛(FU) 내에 두 개의 제1 컬러 필터들(303a)이 제공될 수 있다. 일 예로 제1 내지 제3 컬러 필터들(303a, 303b, 303c)은, 제1 컬러 필터들(303a)의 수가 제2 컬러 필터들(303b)의 수 또는 제3 컬러 필터들(303c)의 수보다 두 배 많은 베이어 패턴(bayer pattern) 방식으로 배열될 수 있다.
액티브 픽셀 센서 어레이(1) 내에서, 제1 컬러 필터들(303a)은 제3 방향(D3)으로 배열될 수 있다. 제3 방향(D3)은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2) 모두와 교차하는 방향일 수 있다. 다시 말하면, 제1 컬러 필터들(303a)은 제1 방향(D1) 또는 제2 방향(D2)으로 서로 인접하지 않을 수 있다. 액티브 픽셀 센서 어레이(1) 내에서, 제2 및 제3 컬러 필터들(303b, 303c)은 제3 방향(D3)을 따라 서로 교번적으로 배열될 수 있다. 제2 및 제3 컬러 필터들(303b, 303c) 각각은, 인접하는 제1 컬러 필터들(303a) 사이에 배치될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 것으로, 각각 도 3의 I-I' 선 및 II-II' 선을 따라 자른 단면도들이다.
도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는, 광전 변환층(10), 배선층(20), 및 광 투과층(30)을 포함할 수 있다. 광전 변환층(10)은 배선층(20)과 광 투과층(30) 사이에 개재될 수 있다. 광전 변환층(10)은, 반도체 기판(100) 및 반도체 기판(100) 내에 제공된 광전 변환 영역들(110)을 포함할 수 있다. 외부에서 입사된 광은 광전 변환 영역들(110)에서 전기적 신호로 변환될 수 있다.
반도체 기판(100)은 서로 대향하는 제1 면(100a; 또는 전면) 및 제2 면(100b; 또는 후면)을 가질 수 있다. 배선층(20)은 반도체 기판(100)의 제1 면(100a) 상에 배치될 수 있고, 광 투과층(30)은 반도체 기판(100)의 제2 면(100b) 상에 배치될 수 있다.
배선층(20)은 전송 트랜지스터들(TX), 로직 트랜지스터들(RX, SX, DX) 및 제1 및 제2 배선들(212, 213)을 포함할 수 있다. 전송 트랜지스터들(TX)은 광전 변환 영역들(110)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 및 제2 배선들(212, 213)은 비아들(VI)을 통해 전송 트랜지스터들(TX) 및 로직 트랜지스터들(RX, SX, DX)과 수직적으로 연결될 수 있다. 광전 변환 영역들(110)에서 변환된 전기적 신호는 배선층(20)에서 신호 처리될 수 있다. 제1 및 제2 배선들(212, 213)은, 반도체 기판(100)의 제1 면(100a) 상에 적층된 제1 및 제2 층간 절연막들(222, 223) 내에 각각 배치될 수 있다. 본 발명의 실시예들에서, 제1 및 제2 배선들(212, 213)의 배열은 광전 변환 영역들(110)의 배열과 관계없이 배치될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 배선들(212, 213)은 광전 변환 영역들(110)의 상부를 가로지를 수도 있다.
광 투과층(30)은 제1 내지 제3 컬러 필터들(303a, 303b, 303c) 및 마이크로 렌즈들(307)을 포함할 수 있다. 광 투과층(30)은 외부에서 입사되는 광을 집광 및 필터링하여, 광을 광전 변환층(10)으로 제공할 수 있다.
반도체 기판(100)은 제1 도전형(예를 들어, p형)의 벌크(bulk) 실리콘 기판 상에 상기 제1 도전형의 에피택시얼층이 형성된 기판일 수 있다. 이때 이미지 센서의 제조 공정상, 반도체 기판(100)에는 벌크 실리콘 기판이 제거되어 상기 제1 도전형의 에피택시얼층만 잔류할 수 있다. 다른 예로, 반도체 기판(100)은 상기 제1 도전형의 웰을 포함하는 벌크 반도체 기판일 수 있다. 또 다른 예로, 반도체 기판(100)은 제2 도전형(예를 들어, n형)의 에피택시얼층, 상기 제2 도전형의 벌크 실리콘 기판, 또는 SOI 기판 등 다양한 형태의 기판을 포함할 수 있다.
반도체 기판(100)은 제1 소자 분리막(101)에 의해 정의된 복수개의 단위 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 단위 픽셀들(PX)은 서로 교차하는 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)으로 2차원적으로 배열될 수 있다. 다시 말하면, 단위 픽셀들(PX)은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)을 따라 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 평면적 관점에서, 제1 소자 분리막(101)은 단위 픽셀들(PX) 각각을 완전히 둘러쌀 수 있다. 제1 소자 분리막(101)은 단위 픽셀들(PX) 각각으로 입사되는 입사광에 의해 생성된 광전하들이 랜덤 드리프트(random drift)에 의해 인접하는 단위 픽셀들(PX)로 입사되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 제1 소자 분리막(101)은 단위 픽셀들(PX)간의 크로스토크 현상을 방지할 수 있다.
제1 소자 분리막(101)은 반도체 기판(100; 예를 들어, 실리콘)보다 굴절률이 낮은 절연 물질을 포함할 수 있다. 제1 소자 분리막(101)은 하나 또는 복수 개의 절연막들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 소자 분리막(101)은 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화막 또는 실리콘 질화막을 포함할 수 있다.
수직적 관점에서, 제1 소자 분리막(101)은 반도체 기판(100)의 제1 면(100a)으로부터 제2 면(100b)을 향해 연장될 수 있다. 제1 소자 분리막(101)은 반도체 기판(100)을 관통할 수 있다. 다시 말하면, 제1 소자 분리막(101)의 깊이는 반도체 기판(100)의 수직적 두께와 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 소자 분리막(101)의 폭은 반도체 기판(100)의 제1 면(100a)에서 제2 면(100b)으로 갈수록 점차 감소할 수 있다. 예를 들어, 제1 면(100a)과 인접하는 제1 소자 분리막(101)은 제1 폭(W1)을 갖고, 제2 면(100b)과 인접하는 제1 소자 분리막(101)은 제2 폭(W2)을 가지며, 제1 폭(W1)은 제2 폭(W2)보다 클 수 있다.
각각의 광전 변환 영역들(110)이 각각의 단위 픽셀들(PX) 내에 배치될 수 있다. 광전 변환 영역들(110)은, 반도체 기판(100)과 반대인 제2 도전형(예를 들어, n형)의 불순물들로 도핑된 불순물 영역들일 수 있다. 일 예로, 광전 변환 영역들(110)은 반도체 기판(100)의 제2 면(100b)과 인접하고, 제1 면(100a)과 수직적으로 이격될 수 있다. 각각의 광전 변환 영역들(110)은, 제1 면(100a)에 인접한 제1 영역과 제2 면(100b)에 인접한 제2 영역 간에 불순물 농도 차이를 가질 수 있다. 이에 따라, 각각의 광전 변환 영역들(110)은 제1 면(100a)과 제2 면(100b) 사이에서 포텐셜 기울기를 가질 수 있다.
반도체 기판(100)과 광전 변환 영역들(110)은 포토다이오드들을 구성할 수 있다. 각각의 단위 픽셀들(PX) 내에서, 상기 제1 도전형의 반도체 기판(100)과 상기 제2 도전형의 광전 변환 영역(110)의 p-n 접합(p-n junction)에 의해 포토다이오드가 구성될 수 있다. 상기 포토다이오드를 구성하는 각각의 광전 변환 영역들(110)은, 입사광의 세기에 비례하여 광전하를 생성 및 축적할 수 있다.
반도체 기판(100)의 제1 면(100a)에 인접하여, 활성 패턴들을 정의하는 제2 소자 분리막(103)이 제공될 수 있다. 각각의 단위 픽셀들(PX)은 상기 활성 패턴들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 활성 패턴들은 플로팅 확산 영역(FD) 및 불순물 영역(DR)을 포함할 수 있다.
제2 소자 분리막(103)의 폭은 반도체 기판(100)의 제1 면(100a)에서 제2 면(100b)으로 갈수록 점차 감소할 수 있다. 제2 소자 분리막(103)의 깊이는 제1 소자 분리막(101)의 깊이보다 작을 수 있다. 제1 소자 분리막(101)은 제2 소자 분리막(103)의 일부와 수직적으로 중첩될 수 있다. 제2 소자 분리막(103)은 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화막 또는 실리콘 질화막을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 소자 분리막(101)과 제2 소자 분리막(103)은 서로 일체로 연결될 수 있다.
각각의 단위 픽셀들(PX)에 전송 트랜지스터(도 2의 TX)가 제공될 수 있다. 상기 전송 트랜지스터는 전송 게이트(TG) 및 플로팅 확산 영역(FD)을 포함할 수 있다. 전송 게이트(TG)는 반도체 기판(100) 내로 삽입된 하부 부분과, 상기 하부 부분과 연결되며 반도체 기판(100)의 제1 면(100a) 상으로 돌출된 상부 부분을 포함할 수 있다. 전송 게이트(TG)와 반도체 기판(100) 사이에 게이트 유전막(GI)이 개재될 수 있다. 플로팅 확산 영역(FD)은 반도체 기판(100)과 반대인 제2 도전형(예를 들어, n형)을 가질 수 있다.
각각의 단위 픽셀들(PX)에 드라이브 트랜지스터(도 2의 DX), 선택 트랜지스터(도 2의 SX) 및 리셋 트랜지스터(도 2의 RX)가 제공될 수 있다. 상기 드라이브 트랜지스터는 드라이브 게이트를 포함할 수 있고, 상기 선택 트랜지스터는 선택 게이트를 포함할 수 있으며, 상기 리셋 트랜지스터는 리셋 게이트를 포함할 수 있다. 각각의 상기 드라이브, 선택 및 리셋 게이트들 양 측의 상기 활성 패턴의 상부에 불순물 영역들(DR)이 제공될 수 있다. 예를 들어, 불순물 영역들(DR)은 반도체 기판(100)과 반대인 제2 도전형(예를 들어, n형)을 가질 수 있다.
반도체 기판(100)의 제2 면(100b) 상에 제1 내지 제3 컬러 필터들(303a, 303b, 303c) 및 마이크로 렌즈들(307)이 배치될 수 있다. 각각의 제1 내지 제3 컬러 필터들(303a, 303b, 303c)이 각각의 단위 픽셀들(PX) 상에 배치될 수 있다. 각각의 마이크로 렌즈들(307)이 각각의 제1 내지 제3 컬러 필터들(303a, 303b, 303c) 상에 배치될 수 있다. 반도체 기판(100)의 제2 면(100b)과 제1 내지 제3 컬러 필터들(303a, 303b, 303c) 사이에 제1 평탄막(301)이 배치될 수 있으며, 제1 내지 제3 컬러 필터들(303a, 303b, 303c)과 마이크로 렌즈들(307) 사이에 제2 평탄막(305)이 배치될 수 있다.
제1 컬러 필터(303a) 및 제2 컬러 필터(303b)는 보색 컬러 필터일 수 있고, 제3 컬러 필터(303c)는 원색 컬러 필터일 수 있다. 예를 들어, 제1 컬러 필터(303a)는 노란색(Yellow) 컬러 필터일 수 있고, 제2 컬러 필터(303b)는 시안(Cyan) 컬러 필터일 수 있으며, 제3 컬러 필터(303c)는 적색(Red) 컬러 필터일 수 있다.
마이크로 렌즈들(307)은 단위 픽셀들(PX)로 입사되는 빛을 집광시킬 수 있도록 볼록한 형태를 가질 수 있다. 각각의 마이크로 렌즈들(307)은 각각의 광전 변환 영역들(110)과 수직적으로 중첩될 수 있다.
도 5a는 원색 컬러 필터 어레이의 광 투과 그래프를 나타낸 것이다. 도 5a를 참조하면, 원색 컬러 필터 어레이는 적색(Red) 컬러 필터(RCF), 녹색(Green) 컬러 필터(GCF) 및 청색(Blue) 컬러 필터(BCF)를 포함할 수 있다. 청색 컬러 필터(BCF)는 약 450 nm 파장을 갖는 청색 광을 통과시킬 수 있다. 녹색 컬러 필터(GCF)는 약 530 nm의 파장을 갖는 녹색 광을 통과시킬 수 있다. 적색 컬러 필터(RCF)는 약 600 nm의 파장을 갖는 적색 광을 통과시킬 수 있다. 원색 컬러 필터 어레이는 적색, 녹색 및 청색으로 이루어진 3원색을 그대로 통과시키므로 상대적으로 우수한 선명도를 구현할 수 있다. 그러나, 픽셀 당 감도가 상대적으로 낮을 수 있다.
도 5b는 보색 컬러 필터 어레이의 광 투과 그래프를 나타낸 것이다. 도 5b를 참조하면, 보색 컬러 필터 어레이는, 시안 컬러 필터(CCF), 마젠타(Magenta) 컬러 필터(MCF) 및 노란색 컬러 필터(YCF)를 포함할 수 있다. 시안, 마젠타 및 노란색은 각각 앞서 3원색인 적색, 녹색 및 청색과 보색 관계일 수 있다. 시안 컬러 필터(CCF)는 약 400 nm 내지 약 550 nm의 파장을 갖는 시안 광을 통과시킬 수 있다. 노란색 컬러 필터(YCF)는 약 500 nm 내지 약 650 nm의 파장을 갖는 노란색 광을 통과시킬 수 있다. 마젠타 컬러 필터(MCF)는 약 450 nm의 파장 및 약 600 nm의 파장을 갖는 마젠타 광을 통과시킬 수 있다. 마젠타 컬러 필터(MCF)는 약 530 nm의 파장을 갖는 녹색 광을 통과시키지 않을 수 있다.
도 5a의 원색 컬러 필터 어레이와 비교하여, 도 5b의 보색 컬러 필터 어레이는 투과시키는 광의 파장 범위가 더 넓다. 따라서, 보색 컬러 필터 어레이는 원색 컬러 필터 어레이에 비해 픽셀 당 감도가 더 우수할 수 있다. 그러나, 보색 컬러 필터 어레이는 원색 컬러 필터 어레이에 비해 선명도가 더 낮을 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 컬러 필터 어레이의 광 투과 그래프를 나타낸 것이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 컬러 필터 어레이는 두 개의 보색 컬러 필터들(예를 들어, 시안 및 노란색) 및 한 개의 원색 컬러 필터(예를 들어, 적색)을 포함할 수 있다. 본 발명의 컬러 필터 어레이는 도 5a의 원색 컬러 필터 어레이에 비해 투과시키는 광의 파장 범위가 더 넓을 수 있다. 따라서, 본 발명의 컬러 필터 어레이는 원색 컬러 필터 어레이에 비해 픽셀 당 감도가 더 우수할 수 있다. 본 발명의 컬러 필터 어레이는 도 5b의 보색 컬러 필터 어레이에 비해 적색 광을 정확히 통과시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 컬러 필터 어레이는 보색 컬러 필터 어레이에 비해 선명도가 더 우수할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 컬러 필터 어레이의 평면도들이다. 본 실시예에서는, 앞서 도 3을 참조하여 설명한 것과 중복되는 기술적 특징에 대한 상세한 설명은 생략하고, 차이점에 대해 상세히 설명한다. 도 7을 참조하면, 컬러 필터 유닛들(FU) 각각은 제1 컬러 필터(303a), 제2 컬러 필터(303b) 및 제3 컬러 필터(303c)를 포함할 수 있다. 제3 컬러 필터(303c)는 녹색 컬러 필터일 수 있다.
도 8a, 도 8b, 도 9a, 도 9b, 도 10a 및 도 10b는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도들이다. 도 8a, 9a 및 10a는 도 3의 I-I' 선을 따라 자른 단면도들이고, 도 8b, 9b 및 10b는 도 3의 II-II' 선을 따라 자른 단면도들이다. 본 실시예들에서는, 앞서 도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한 것과 중복되는 기술적 특징에 대한 상세한 설명은 생략하고, 차이점에 대해 상세히 설명한다.
도 3, 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 제1 소자 분리막(101)의 폭은 제1 면(100a)에서 제2 면(100b)으로 갈수록 점차 증가할 수 있다. 제1 면(100a)과 인접하는 제1 소자 분리막(101)은 제1 폭(W1)을 갖고, 제2 면(100b)과 인접하는 제1 소자 분리막(101)은 제2 폭(W2)을 가지며, 제2 폭(W2)은 제1 폭(W1)보다 클 수 있다.
도 3, 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 제1 소자 분리막(101)의 폭은 깊이에 상관없이 일정하게 유지될 수 있다. 제1 면(100a)과 인접하는 제1 소자 분리막(101)은 제1 폭(W1)을 갖고, 제2 면(100b)과 인접하는 제1 소자 분리막(101)은 제2 폭(W2)을 가지며, 제1 폭(W1)과 제2 폭(W2)은 실질적으로 동일할 수 있다.
도 3, 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 광전 변환층(10)은, 반도체 기판(100) 및 반도체 기판(100) 내에 제공된 제1 및 제2 광전 변환 영역들(110a, 110b)을 포함할 수 있다. 외부에서 입사된 광은 제1 및 제2 광전 변환 영역들(110a, 110b)에서 전기적 신호로 변환될 수 있다. 한 쌍의 제1 광전 변환 영역(110a) 및 제2 광전 변환 영역(110b)이 각각의 단위 픽셀들(PX) 내에 제공될 수 있다. 각각의 제1 및 제2 광전 변환 영역들(110a, 110b)은, 반도체 기판(100)과 반대인 제2 도전형(예를 들어, n형)의 불순물들로 도핑된 불순물 영역일 수 있다.
각각의 제1 및 제2 광전 변환 영역들(110a, 110b)은 제1 면(100a)에 인접한 제1 영역과 제2 면(100b)에 인접한 제2 영역 간에 불순물 농도 차이를 가질 수 있다. 이에 따라, 각각의 제1 및 제2 광전 변환 영역들(110a, 110b)은 반도체 기판(100)의 제1 면(100a)과 제2 면(100b) 사이에서 포텐셜 기울기를 가질 수 있다.
반도체 기판(100)과 제1 및 제2 광전 변환 영역들(110a, 110b)은 한 쌍의 포토다이오드들을 구성할 수 있다. 각각의 단위 픽셀들(PX) 내에서, 제1 도전형의 반도체 기판(100)과 상기 제2 도전형의 제1 및 제2 광전 변환 영역들(110a, 110b)의 p-n 접합에 의해 상기 한 쌍의 포토다이오드들이 구성될 수 있다.
단위 픽셀들(PX) 각각에서, 제1 광전 변환 영역(110a)에서 출력되는 전기적 신호와 제2 광전 변환 영역(110b)에서 출력되는 전기적 신호는 위상차를 가질 수 있다. 본 실시예에 따른 이미지 센서는, 한 쌍의 제1 및 제2 광전 변환 영역들(110a, 110b)에서 출력된 전기적 신호의 위상차를 비교하여, 촬영 장치의 초점을 보정할 수 있다.
각각의 단위 픽셀들(PX) 내에서, 제3 소자 분리막(105)이 제1 및 제2 광전 변환 영역들(110a, 110b) 사이에 배치될 수 있다. 평면적 관점에서, 제3 소자 분리막(105)은 하나의 단위 픽셀(PX)을 가로지르며 제1 방향(D1)으로 연장되는 제1 부분(P1) 및 제2 방향(D2)으로 연장되는 제2 부분(P2)을 포함할 수 있다. 다시 말하면, 평면적 관점에서, 제3 소자 분리막(105)은 십자 형태(cross shape)를 가질 수 있다. 제3 소자 분리막(105)의 제1 부분(P1)은 제1 및 제2 광전 변환 영역들(110a, 110b) 사이에 배치될 수 있다. 제3 소자 분리막(105)의 제2 부분(P2)은 제1 및 제2 광전 변환 영역들(110a, 110b)을 가로지를 수 있다. 제3 소자 분리막(105)은 반도체 기판(100)의 제2 면(100b)에서 제1 면(100a)으로 연장될 수 있다. 제3 소자 분리막(105)은 반도체 기판(100)의 제1 면(100a)과 수직적으로 이격될 수 있다.
제1 소자 분리막(101)과 제3 소자 분리막(105)은 동시에 형성될 수 있다. 이에 따라, 제3 소자 분리막(105)은 제1 소자 분리막(101)과 동일한 절연 물질을 포함할 수 있다. 제3 소자 분리막(105)은 제1 소자 분리막(101)과 일체로 연결될 수 있다.
제3 소자 분리막(105)은 각각의 단위 픽셀들(PX)에서 제1 광전 변환 영역(110a)과 제2 광전 변환 영역(110b) 사이의 크로스토크를 방지할 수 있다. 이로서, 각각의 단위 픽셀들(PX)에서 전기적 신호의 위상차를 보다 정확히 검출할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 이미지 센서는 오토 포커싱(auto-focusing) 기능이 향상될 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명은 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수도 있다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

Claims (20)

  1. 단위 픽셀들; 및
    상기 단위 픽셀들 상의 컬러 필터 어레이를 포함하되,
    상기 컬러 필터 어레이는, 2 X 2 어레이로 배열된 두 개의 제1 컬러 필터들, 제2 컬러 필터 및 제3 컬러 필터를 포함하고,
    각각의 상기 제1 컬러 필터들은 노란색 컬러 필터이고,
    상기 제2 컬러 필터는 시안(Cyan) 컬러 필터이며,
    상기 제3 컬러 필터는 적색 컬러 필터인 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컬러 필터들 중 하나는 상기 제2 컬러 필터와 제1 방향으로 인접하고,
    상기 제1 컬러 필터들 중 다른 하나는 상기 제2 컬러 필터와 제2 방향으로 인접하며,
    상기 제1 컬러 필터들은, 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향 모두와 교차하는 제3 방향으로 서로 인접하는 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이는 복수개로 제공되고,
    상기 제1 내지 제3 컬러 필터들은 베이어 패턴 방식으로 배열되는 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 반도체 기판을 더 포함하되,
    상기 단위 픽셀들 각각은, 상기 반도체 기판 내의 광전 변환 영역을 포함하고,
    상기 컬러 필터 어레이는, 상기 반도체 기판의 상기 제1 면 상에 배치되는 이미지 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 제1 도전형을 갖고,
    상기 단위 픽셀들 각각의 상기 광전 변환 영역은, 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 갖는 이미지 센서.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 단위 픽셀들 각각은, 상기 반도체 기판의 상기 제2 면에 제공된 트랜지스터들을 더 포함하는 이미지 센서.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 반도체 기판 내에, 상기 단위 픽셀들을 정의하는 소자 분리막을 더 포함하는 이미지 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 면에 인접하는 상기 소자 분리막의 제1 폭은, 상기 제2 면에 인접하는 상기 소자 분리막의 제2 폭과 다른 이미지 센서.
  9. 아래의 2 X 2 어레이로 배열된 노란색 컬러 필터들(Y), 시안 컬러 필터(C) 및 적색 컬러 필터(R)를 갖는 컬러 필터 어레이를 포함하는 이미지 센서:
    Figure 112018002723850-pat00004
    .
  10. 제9항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이는 복수개로 제공되어, 2차원적으로 배열되는 이미지 센서.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이는 복수개로 제공되고,
    상기 노란색, 시안 및 적색 컬러 필터들은 베이어 패턴(bayer pattern) 방식으로 배열되는 이미지 센서.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이에 대응하여 2 X 2 어레이로 배열된 단위 픽셀들을 더 포함하되,
    상기 단위 픽셀들 각각은:
    광전 변환 소자;
    상기 광전 변환 소자에서 생성된 전하를 전송하는 전송 트랜지스터; 및
    상기 전하를 전송받는 플로팅 확산 영역을 포함하는 이미지 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 광전 변환 소자는 반도체 기판 내의 광전 변환 영역을 포함하고,
    상기 반도체 기판은 제1 도전형을 갖고,
    상기 광전 변환 영역은, 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 갖는 이미지 센서.
  14. 광전 변환 소자들을 포함하는 반도체 기판; 및
    상기 반도체 기판 상의 컬러 필터 어레이를 포함하되,
    상기 컬러 필터 어레이는, 아래의 2 X 2 어레이로 배열된 제1 내지 제3 컬러 필터들을 포함하고,
    Figure 112022083756715-pat00005

    각각의 상기 제1 컬러 필터들은 노란색 컬러 필터이고,
    상기 제2 컬러 필터는 시안 컬러 필터이며,
    상기 제3 컬러 필터는 적색 컬러 필터인 이미지 센서.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제14항에 있어서,
    상기 컬러 필터 어레이는 복수개로 제공되고,
    상기 제1 내지 제3 컬러 필터들은 베이어 패턴 방식으로 배열되는 이미지 센서.
  18. 제14항에 있어서,
    각각의 상기 제1 내지 제3 컬러 필터들은, 각각의 상기 광전 변환 소자들 상에 제공되는 이미지 센서.
  19. 제14항에 있어서,
    각각의 상기 제1 내지 제3 컬러 필터들은, 한 쌍의 상기 광전 변환 소자들 상에 제공되는 이미지 센서.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 광전 변환 소자들 각각은, 상기 반도체 기판 내의 광전 변환 영역을 포함하고,
    상기 반도체 기판은 제1 도전형을 갖고,
    상기 광전 변환 영역은, 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 갖는 이미지 센서.
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