KR102514047B1 - 복수의 기능이 통합된 이미지 센서 및 이를 포함하는 이미지 센서 모듈 - Google Patents

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Abstract

이미지 센서는 수직으로 오버랩되도록 배치된 제1 센서 픽셀 및 제2 센서 픽셀을 포함한다. 제1 센서 픽셀은 제1 신호 발생 회로부와 상기 제1 신호 발생 회로부에 연결되는 제1 광전 변환부를 포함하고, 제1 파장의 광으로부터 제1 정보를 생성하도록 구성된다. 제2 센서 픽셀은 제2 신호 발생 회로부와 상기 제2 신호 발생 회로부에 연결된 제2 광전 변환부를 포함하고, 제2 파장의 광으로부터 제2 정보를 생성하도록 구성된다. 상기 제1 광전 변환부의 제1 점유 면적과 상기 제2 광전 변환부의 제2 점유 면적은 서로 다르다. 이미지 센서 모듈은 상기 이미지 센서와, 감지 대상물에 광을 조사하기 위한 광원과, 감지 대상물로부터 반사되는 광을 선택적으로 통과시키는 듀얼 밴드 패스 필터를 포함한다.

Description

복수의 기능이 통합된 이미지 센서 및 이를 포함하는 이미지 센서 모듈 {Image sensor with multiple functionalities and image sensor module having the same}
본 발명의 기술적 사상은 이미지 센서 및 이를 포함하는 이미지 센서 모듈에 관한 것으로, 특히 복수의 기능이 통합된 이미지 센서 및 이를 포함하는 이미지 센서 모듈에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 장치이다. 최근, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다. 특히, 모바일 기기와 같은 전자 장치에서 이미지 센서의 모듈 수가 증가함에 따라 다양한 기능을 가지는 복수의 센서들을 하나의 이미지 센서로 통합하는 기술이 요구되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 서로 다른 기능을 가지는 복수의 센서들을 하나의 이미지 센서로 통합하여 복수의 기능이 통합된 구조를 가지면서 한정된 단위 면적 내에서 감도(sensitivity)를 향상시킬 수 있는 구조를 가지는 이미지 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 서로 다른 기능을 가지는 복수의 센서들이 하나의 이미지 센서로 통합된 구조에서 한정된 단위 면적 내에서 감도가 향상된 복수의 정보들을 얻을 수 있는 이미지 센서 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 이미지 센서는 수평 방향으로 연장하는 기판과, 상기 기판 상의 제1 레벨에 형성된 제1 신호 발생 회로부와, 상기 제1 신호 발생 회로부에 연결되는 제1 광전 변환부를 포함하고, 제1 파장의 광으로부터 얻어지는 제1 신호로부터 제1 정보를 생성하도록 구성된 제1 센서 픽셀과, 상기 기판 상의 상기 제1 레벨에 형성된 제2 신호 발생 회로부와, 상기 제2 신호 발생 회로부에 연결되고 상기 제1 광전 변환부와 수직으로 오버랩되도록 배치된 제2 광전 변환부를 포함하고, 제2 파장의 광으로부터 얻어지는 제2 신호로부터 상기 제1 정보와 다른 제2 정보를 생성하도록 구성된 제2 센서 픽셀을 포함하고, 상기 수평 방향에서 상기 제1 광전 변환부의 제1 점유 면적과 상기 제2 광전 변환부의 제2 점유 면적은 서로 다르다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 양태에 따른 이미지 센서는 제1 피치로 반복 배치되고, 각각 제1 포토다이오드를 포함하는 복수의 제1 센서 픽셀과, 상기 복수의 제1 센서 픽셀과 수직으로 오버랩되는 위치에서 상기 제1 피치와 다른 제2 피치로 반복 배치되고, 각각 제2 포토다이오드를 포함하는 복수의 제2 센서 픽셀과, 상기 복수의 제1 센서 픽셀 및 상기 복수의 제2 센서 픽셀에 의해 공유되고, 상기 제1 포토다이오드 및 상기 제2 포토다이오드와 수직으로 오버랩되도록 배치된 신호 발생 회로부를 포함한다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 이미지 센서 모듈은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서와, 감지 대상물에 광을 조사하기 위한 광원과, 상기 감지 대상물로부터 반사되는 광 중 근적외선 영역에서 선택되는 제1 파장의 광 및 제2 파장의 광을 선택적으로 통과시키는 듀얼 밴드 패스 필터(dual band pass filter)를 포함하고, 상기 이미지 센서에서 상기 제1 포토다이오드보다 상기 제2 포토다이오드가 상기 듀얼 밴드 패스 필터에 더 가까이 배치되고, 상기 제2 포토다이오드는 상기 제1 파장의 광 및 상기 제2 파장의 광 중에서 선택되는 하나의 광은 흡수하고 선택되지 않은 다른 하나의 광은 통과시키도록 구성된 유기 포토다이오드로 이루어진다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 이미지 센서 및 이미지 센서 모듈에 따르면, 서로 다른 기능을 가지는 복수의 센서들이 하나로 통합된 구조의 이미지 센서를 구현하는 데 있어서 픽셀 공간의 낭비를 최소화하여 이미지 센서의 집적도를 향상시킬 수 있으며, 제한된 단위 면적 내에서 감도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 예에 따른 이미지 센서의 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 예에 따른 이미지 센서의 개략적인 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 기술적 사상에 의한 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 개략적인 사시도이고, 도 4b는 도 4a에 예시한 이미지 센서에 포함된 신호 발생 회로부의 개략적인 평면도이고, 도 4c는 도 4a에 예시한 이미지 센서에 포함된 제1 센서 픽셀의 개략적인 평면도이고, 도 4d는 도 4a에 예시한 이미지 센서에 포함된 복수의 제2 광전 변환부의 개략적인 평면도이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의한 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 개략적인 사시도이다.
도 6a는 본 발명의 기술적 사상에 의한 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 개략적인 사시도이고, 도 6b는 도 6a에 예시한 이미지 센서에 포함된 신호 발생 회로부의 개략적인 평면도이고, 도 6c는 도 6a에 예시한 이미지 센서에 포함된 복수의 제1 센서 픽셀의 개략적인 평면도이고, 도 6d는 도 6a에 예시한 이미지 센서에 포함된 제2 광전 변환부의 개략적인 평면도이다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상에 의한 또 다른 예에 따른 이미지 센서의 개략적인 사시도이다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서의 제1 센서 픽셀의 예시적인 회로도이다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서의 제2 센서 픽셀의 예시적인 회로도이다.
도 10은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서의 제1 센서 픽셀의 다른 예시적인 회로도이다.
도 11은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서의 제1 센서 픽셀의 또 다른 예시적인 회로도이다.
도 12는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에서 구현 가능한 단위 픽셀 유니트를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서의 주요 구성들을 도시한 단면도이다.
도 14a 내지 도 14e는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
도 15는 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 주요 구성들을 도시한 단면도이다.
도 16a는 본 발명의 기술적 사상에 의한 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 주요 구성들을 도시한 단면도이다. 도 16b는 도 16a에 예시한 이미지 센서의 제1 광전 변환부를 구성하는 제1 포토다이오드의 개략적인 평면도이다. 도 16c는 도 16a에 예시한 이미지 센서에서 1 개의 제1 광전 변환부 위에 배치되는 4 개의 제2 광전 변환부를 구성하는 4 개의 하부 전극의 개략적인 평면도이다.
도 17은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서의 제1 센서 픽셀의 또 다른 예시적인 회로도이다.
도 18은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서 모듈의 블록도이다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서 모듈에 포함된 광원에서 발광되는 광을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 20은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서 모듈에 포함된 이미지 센서의 예시적인 픽셀 어레이를 설명하기 위한 도면들이다.
도 21은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서 모듈의 예시적인 구현 예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)는 서로 수직으로 오버랩되도록 배치된 제1 센서 픽셀(20) 및 제2 센서 픽셀(40)을 포함한다.
제1 센서 픽셀(20)은 제1 신호 발생 회로부(12)와 상기 제1 신호 발생 회로부(12)에 연결되는 제1 광전 변환부(22)를 포함한다. 제1 센서 픽셀(20)은 제1 파장의 광으로부터 얻어지는 제1 신호로부터 제1 정보를 생성하도록 구성된다.
제2 센서 픽셀(40)은 제2 신호 발생 회로부(14)와 상기 제2 신호 발생 회로부(14)에 연결되고 유기 막으로 이루어지는 제2 광전 변환부(42)를 포함한다. 제2 센서 픽셀(40)은 상기 제1 파장과 다른 제2 파장의 광으로부터 얻어지는 제2 신호로부터 상기 제1 정보와 다른 제2 정보를 생성하도록 구성된다. 제2 광전 변환부(42)는 제1 광전 변환부(22)와 수직으로 오버랩되도록 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 파장 및 상기 제2 파장은 각각 근적외선 영역에서 선택되는 서로 다른 파장일 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 파장 및 상기 제2 파장은 약 810 nm 및 약 940 nm 중에서 선택되는 서로 다른 파장일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 센서 픽셀(20)은 약 940 nm 파장의 광으로부터 제1 감지 대상물의 깊이 정보를 생성하도록 구성되고, 제2 센서 픽셀(40)은 약 810 nm 파장의 광으로부터 제2 감지 대상물의 홍채 정보를 생성하도록 구성될 수 있다.
제1 신호 발생 회로부(12) 및 제2 신호 발생 회로부(14)는 신호 발생 회로부(10)를 구성할 수 있다. 신호 발생 회로부(10) 중 일부인 제1 신호 발생 회로부(12)는 제1 센서 픽셀(20)을 구성하고, 신호 발생 회로부(10) 중 다른 일부인 제2 신호 발생 회로부(14)는 제2 센서 픽셀(40)을 구성할 수 있다.
신호 발생 회로부(10), 제1 광전 변환부(22), 및 제2 광전 변환부(42)는 서로 다른 레벨에 형성되고 서로 수직으로 오버랩되도록 배치될 수 있다.
신호 발생 회로부(10)는 제1 광전 변환부(22)가 배치되는 레벨 및 제2 광전 변환부(42)가 배치되는 레벨과는 다른 레벨에 형성될 수 있다. 제1 신호 발생 회로부(12)는 제1 광전 변환부(22)와 수직으로 오버랩되도록 배치되고, 제2 신호 발생 회로부(14)는 제2 광전 변환부(42)와 수직으로 오버랩되도록 배치될 수 있다. 제1 신호 발생 회로부(12) 및 제2 신호 발생 회로부(14)는 제1 광전 변환부(22)로부터 대략 동일한 수직 거리만큼 이격된 동일한 동일 레벨에 배치될 수 있다.
수평 방향에서, 제1 센서 픽셀(20)의 점유 면적과 제2 센서 픽셀(40)의 점유 면적은 서로 다르고, 제1 센서 픽셀(20)에 포함된 제1 광전 변환부(22)의 점유 면적과 제2 센서 픽셀(40)에 포함된 제2 광전 변환부(42)의 점유 면적은 서로 다르다.
도 2는 도 1에 예시한 이미지 센서(100)의 구성을 가지는 일 예에 따른 이미지 센서(100A)의 개략적인 사시도이다.
도 2를 참조하면, 제1 센서 픽셀(20) 및 제2 센서 픽셀(40)의 크기는 다를 수 있다. 도 2에 예시한 바와 같이, 제1 센서 픽셀(20)의 제1 광전 변환부(22)는 X 방향 폭(W1X) 및 Y 방향 폭(W1Y)을 가지고, 제2 센서 픽셀(40)의 제2 광전 변환부(42)는 X 방향 폭(W2X) 및 Y 방향 폭(W2Y)을 가질 수 있다. 제2 광전 변환부(42)의 X 방향 폭(W2X) 및 Y 방향 폭(W2Y)은 제1 광전 변환부(22)의 X 방향 폭(W1X) 및 Y 방향 폭(W1Y)보다 더 작을 수 있다. 이에 따라, X-Y 평면을 따르는 임의의 수평 방향에서, 제2 광전 변환부(42)의 점유 면적은 제1 광전 변환부(22)의 점유 면적보다 더 작을 수 있다.
수평 방향에서 신호 발생 회로부(10)의 점유 면적은 제1 광전 변환부(22)가 차지하는 점유 면적의 범위 내에 포함될 수 있다. 신호 발생 회로부(10)에서, 제1 신호 발생 회로부(12)는 제1 광전 변환부(22)의 아래에서 제1 광전 변환부(22)와 수직으로 오버랩되는 위치에 배치될 수 있다. 제1 신호 발생 회로부(12)는 제1 광전 변환부(22)가 차지하는 수평 방향의 점유 면적 이내의 범위의 점유 면적을 가질 수 있다. 제2 신호 발생 회로부(14)는 제1 광전 변환부(22) 및 제2 광전 변환부(42)의 아래에서 제2 광전 변환부(42)와 수직으로 오버랩되는 위치에 배치될 수 있다. 제2 신호 발생 회로부(14)는 제2 광전 변환부(42)가 차지하는 수평 방향의 점유 면적 이내의 범위의 점유 면적을 가질 수 있다. 이에 따라, X-Y 평면을 따르는 임의의 수평 방향에서, 제2 센서 픽셀(40)의 점유 면적은 제1 센서 픽셀(20)의 점유 면적보다 더 작을 수 있다.
도 3은 도 1에 예시한 이미지 센서(100)의 구성을 가지는 다른 예에 따른 이미지 센서(100B)의 개략적인 사시도이다.
도 3을 참조하면, 이미지 센서(100B)는 도 2에 예시한 이미지 센서(100A)와 대체로 동일한 구성을 가진다. 단, 신호 발생 회로부(10)를 구성하는 제1 신호 발생 회로부(12) 및 제2 신호 발생 회로부(14)는 제1 광전 변환부(22)와 수직으로 오버랩되도록 제1 광전 변환부(22)의 상부에 배치될 수 있다. 특히, 신호 발생 회로부(10)에 포함된 제2 신호 발생 회로부(14)는 제1 광전 변환부(22)와 제2 광전 변환부(42)와의 사이에 개재될 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 도 1에 예시한 이미지 센서(100)의 구성을 가지는 또 다른 예에 따른 이미지 센서(100C)를 설명하기 위한 도면들로서, 도 4a는 이미지 센서(100C)의 개략적인 사시도이고, 도 4b는 이미지 센서(100C)에 포함된 신호 발생 회로부(10A)의 개략적인 평면도이고, 도 4c는 이미지 센서(100C)에 포함된 제1 센서 픽셀(20)의 개략적인 평면도이고, 도 4d는 이미지 센서(100C)에 포함된 복수의 제2 광전 변환부(42)의 개략적인 평면도이다.
도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 1 개의 제1 광전 변환부(22) 위에 4 개의 제2 광전 변환부(42)가 배치될 수 있으며, 상기 4 개의 제2 광전 변환부(42)는 각각 상기 1 개의 제1 광전 변환부(22)와 수직으로 오버랩될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 광전 변환부(22)의 X 방향 폭(W1X) 및 Y 방향 폭(W1Y)은 각각 제2 광전 변환부(42)의 X 방향 폭(W2X) 및 Y 방향 폭(W2Y)의 약 2 배이고, 1 개의 제1 광전 변환부(22)의 점유 면적은 1 개의 제2 광전 변환부(42)의 점유 면적의 약 4 배 일 수 있다.
도 4b에 예시한 신호 발생 회로부(10A)는 도 1의 신호 발생 회로부(10)를 구성할 수 있다. 신호 발생 회로부(10A)는 제1 광전 변환부(22)를 사이에 두고 4 개의 제2 광전 변환부(42)와 이격되도록 배치될 수 있다.
도 4b에 예시한 바와 같이, 신호 발생 회로부(10A)는 1 개의 제1 신호 발생 회로부(12A)와, 4 개의 제2 신호 발생 회로부(14A)를 포함할 수 있다. 상기 4 개의 제2 신호 발생 회로부(14A)는 1 개의 제1 신호 발생 회로부(12A)와 동일 레벨에 형성될 수 있다. 상기 4 개의 제2 신호 발생 회로부(14A)는 1 개의 제1 광전 변환부(22)를 관통하여 연장되는 4 개의 관통 전극(46)을 통해 상기 4 개의 제2 광전 변환부(42A)에 하나씩 대응하여 연결될 수 있다. 제1 신호 발생 회로부(12A) 및 제2 신호 발생 회로부(14A)는 각각 도 1에 예시한 제1 신호 발생 회로부(12) 및 제2 신호 발생 회로부(14)에 대응할 수 있다.
도 4b에 예시한 1 개의 제1 신호 발생 회로부(12A)와 도 4a 및 도 4c에 예시한 제1 광전 변환부(22)는 1 개의 제1 센서 픽셀(20)을 구성할 수 있다. 도 4b에 예시한 4 개의 제2 신호 발생 회로부(14A)와 도 4a 및 도 4d에 예시한 4 개의 제2 광전 변환부(42)는 4 개의 제2 센서 픽셀(40)을 구성할 수 있다.
도 4c에 예시한 바와 같이, 제1 광전 변환부(22)에는 4 개의 관통 전극(46)이 관통하는 4 개의 관통 홀(26H)이 형성될 수 있다.
도 4d에는 4 개의 제2 광전 변환부(42) 중 관통 전극(46)이 배치되는 위치가 점선으로 표시되어 있다.
도 5는 도 1에 예시한 이미지 센서(100)의 구성을 가지는 또 다른 예에 따른 이미지 센서(100D)의 개략적인 사시도이다.
도 5를 참조하면, 이미지 센서(100D)는 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 설명한 이미지 센서(100C)와 대체로 동일한 구성을 가진다. 단, 신호 발생 회로부(10A)는 제1 광전 변환부(22)와 수직으로 오버랩되도록 제1 광전 변환부(22)의 상부에 배치될 수 있다. 신호 발생 회로부(10A)는 1 개의 제1 광전 변환부(22)와 4 개의 제2 광전 변환부(42)와의 사이에 개재될 수 있다. 특히, 신호 발생 회로부(10A)에 포함된 4 개의 제2 신호 발생 회로부(14A)(도 4b 참조)는 4 개의 제2 광전 변환부(42)에 하나씩 대응하여 연결될 수 있고, 각각 대응하는 제2 광전 변환부(42)와 수직으로 오버랩되도록 배치될 수 있다. 이 때, 도 4b 내지 도 4d를 참조하여 설명한 4 개의 관통 전극(46) 및 4 개의 관통 홀(26H)은 생략될 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 도 1에 예시한 이미지 센서(100)의 구성을 가지는 또 다른 예에 따른 이미지 센서(100E)를 설명하기 위한 도면들로서, 도 6a는 이미지 센서(100E)의 개략적인 사시도이고, 도 6b는 이미지 센서(100E)에 포함된 신호 발생 회로부(10B)의 개략적인 평면도이고, 도 6c는 이미지 센서(100E)에 포함된 복수의 제1 센서 픽셀(20)의 개략적인 평면도이고, 도 6d는 이미지 센서(100E)에 포함된 제2 광전 변환부(42)의 개략적인 평면도이다.
도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 이미지 센서(100E)는 4 개의 제1 광전 변환부(22) 위에 1 개의 제2 광전 변환부(42)가 배치될 수 있으며, 상기 4 개의 제1 광전 변환부(22)는 각각 상기 1 개의 제2 광전 변환부(42)와 수직으로 오버랩될 수 있다.
X-Y 평면을 따르는 임의의 수평 방향에서, 1 개의 제1 광전 변환부(22)의 점유 면적은 1 개의 제2 광전 변환부(42)의 점유 면적보다 더 작을 수 있다.
이미지 센서(100E)에서, 제1 광전 변환부(22)는 X 방향 폭(W1X') 및 Y 방향 폭(W1Y')을 가지고, 제2 광전 변환부(42)는 X 방향 폭(W2X') 및 Y 방향 폭(W2Y')을 가질 수 있다. 제2 광전 변환부(42)의 X 방향 폭(W2X') 및 Y 방향 폭(W2Y')은 제1 광전 변환부(22)의 X 방향 폭(W1X') 및 Y 방향 폭(W1Y')보다 더 클 수 있다.
신호 발생 회로부(10B)는 4 개의 제1 광전 변환부(22) 및 1 개의 제2 광전 변환부(42)와 수직으로 오버랩되도록 상기 4 개의 제1 광전 변환부(22)의 하부에 배치될 수 있다. 수평 방향에서 신호 발생 회로부(10B)의 점유 면적은 제2 광전 변환부(42)가 차지하는 점유 면적의 범위 내에 포함될 수 있으며, 1 개의 제1 광전 변환부(22)의 점유 면적보다 더 큰 점유 면적을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 제2 광전 변환부(42)의 X 방향 폭(W2X') 및 Y 방향 폭(W2Y')은 제1 광전 변환부(22)의 X 방향 폭(W1X') 및 Y 방향 폭(W1Y')의 약 2 배이고, 1 개의 제2 광전 변환부(42)의 점유 면적은 1 개의 제1 광전 변환부(22)의 점유 면적의 약 4 배 일 수 있다.
신호 발생 회로부(10B)는 도 1의 신호 발생 회로부(10)를 구성할 수 있다. 신호 발생 회로부(10B)는 4 개의 제1 광전 변환부(22)를 사이에 두고 1 개의 제2 광전 변환부(42)와 이격되도록 배치될 수 있다.
도 6b에 예시한 바와 같이, 신호 발생 회로부(10B)는 4 개의 제1 신호 발생 회로부(12B)와, 1 개의 제2 신호 발생 회로부(14B)를 포함할 수 있다. 상기 1 개의 제2 신호 발생 회로부(14B)는 4 개의 제1 신호 발생 회로부(12B)와 동일 레벨에 형성될 수 있다. 상기 1 개의 제2 신호 발생 회로부(14B)는 4 개의 제1 광전 변환부(22)가 형성되는 레벨의 절연층(도시 생략)을 관통하여 연장되는 관통 전극(48)을 통해 1 개의 제2 광전 변환부(42)에 연결될 수 있다. 제1 신호 발생 회로부(12B) 및 제2 신호 발생 회로부(14B)는 각각 도 1에 예시한 제1 신호 발생 회로부(12) 및 제2 신호 발생 회로부(14)에 대응할 수 있다.
도 6b에 예시한 4 개의 제1 신호 발생 회로부(12B)와 도 6a 및 도 6c에 예시한 4 개의 제1 광전 변환부(22)는 4 개의 제1 센서 픽셀(20)을 구성할 수 있다. 도 6b에 예시한 1 개의 제2 신호 발생 회로부(14B)와 도 6a 및 도 6d에 예시한 1 개의 제2 광전 변환부(42)는 1 개의 제2 센서 픽셀(40)을 구성할 수 있다.
도 6c에 예시한 바와 같이, 4 개의 제1 광전 변환부(22)가 만나는 대략 중앙부에는 관통 전극(48)이 관통하는 관통 홀(28H)이 형성될 수 있다.
도 6d에는 제2 광전 변환부(42) 중 관통 전극(48)이 배치되는 위치가 점선으로 표시되어 있다.
도 7은 도 1에 예시한 이미지 센서(100)의 구성을 가지는 또 다른 예에 따른 이미지 센서(100F)의 개략적인 사시도이다.
도 7을 참조하면, 이미지 센서(100F)는 도 6a 내지 도 6d를 참조하여 설명한 이미지 센서(100E)와 대체로 동일한 구성을 가진다. 단, 신호 발생 회로부(10B)는 4 개의 제1 광전 변환부(22)와 수직으로 오버랩되도록 4 개의 제1 광전 변환부(22)의 상부에 배치될 수 있다. 신호 발생 회로부(10B)는 4 개의 제1 광전 변환부(22)와 1 개의 제2 광전 변환부(42)와의 사이에 개재될 수 있다. 특히, 신호 발생 회로부(10B)에 포함된 4 개의 제1 신호 발생 회로부(12B)(도 6b 참조)는 4 개의 제1 광전 변환부(22)에 하나씩 대응하여 연결될 수 있고, 각각 대응하는 제1 광전 변환부(22)와 수직으로 오버랩되도록 배치될 수 있다. 이 때, 도 6b 내지 도 6d를 참조하여 설명한 관통 전극(48) 및 관통 홀(28H)은 생략될 수 있다.
도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F)는 칼라 필터를 포함하지 않을 수 있다.
도 8은 도 1에 예시한 제1 센서 픽셀(20)의 예시적인 회로도이다.
도 1 및 도 8을 참조하면, 제1 센서 픽셀(20)의 제1 광전 변환부(22)는 제1 포토다이오드(PD1)를 포함할 수 있다. 제1 포토다이오드(PD1)는 외부로부터 근적외선의 광을 수신하고, 수신된 광에 기초하여 광 전하를 생성할 수 있다. 제1 포토다이오드(PD1)는 약 940 nm 파장의 광을 감지할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 포토다이오드(PD1)는 p 형 반도체 기판에 형성된 n 형 불순물 확산 영역으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 제1 포토다이오드(PD1)는 n 형 불순물 확산 영역과 p 형 불순물 확산 영역에 의해 형성되는 p-n 접합 포토다이오드로 이루어질 수 있다. 다른 일부 실시예들에서, 제1 포토다이오드(PD1)는 양자점 광 흡수층으로 이루어질 수 있다. 상기 양자점 광 흡수층에 대한 보다 상세한 구성은 도 16a 및 도 16b를 참조하여 후술한다.
제1 센서 픽셀(20)은 제1 포토다이오드(PD1)에서 변환된 전기적 신호를 증폭하는 제1 신호 발생 회로부(12)를 포함할 수 있다. 제1 신호 발생 회로부(12)는 트랜스퍼 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX1), 드라이브 트랜지스터(DX1), 및 선택 트랜지스터(SX1)를 포함할 수 있다. 도 8에는 제1 신호 발생 회로부(12)가 4 개의 트랜지스터를 포함하는 4T 구조인 경우를 예시하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 제1 신호 발생 회로부(12)는 3 개의 트랜지스터를 포함하는 3T 구조, 5 개의 트랜지스터를 포함하는 5T 구조, 또는 6 개의 트랜지스터를 포함하는 6T 구조 등 다양한 회로 구성을 가질 수 있다.
제1 포토다이오드(PD1)는 트랜스퍼 트랜지스터(TX)의 소스와 연결될 수 있다. 제1 포토다이오드(PD1)에서 생성된 광 전하는 트랜스퍼 트랜지스터(TX)를 통하여 플로팅 디퓨전 노드(FD1)로 전송될 수 있다.
트랜스퍼 트랜지스터(TX)는 트랜스퍼 게이트(TG)의 전압에 따라 제1 포토다이오드(PD1)를 플로팅 디퓨전 노드(FD1)와 연결시키거나 차단시킬 수 있다. 제1 포토다이오드(PD1)가 빛에 응답하여 전자를 축적하는 동안, 트랜스퍼 트랜지스터(TX)는 턴-오프(turn-off)되어 제1 포토다이오드(PD1)와 플로팅 디퓨전 노드(FD1)를 전기적으로 차단시킬 수 있다. 제1 포토다이오드(PD1)가 빛의 흡수를 종료하면, 제1 포토다이오드(PD1)에 축적된 전자에 의한 전압 변화를 출력하기 위하여 트랜스퍼 트랜지스터(TX)는 턴-온(turn-on)되고 제1 포토다이오드(PD1)에서 생성된 광 전하가 턴온된 트랜스퍼 트랜지스터(TX)를 통하여 플로팅 디퓨전 노드(FD1)로 전송되어 제1 포토다이오드(PD1)의 변화된 전압이 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 전달될 수 있다.
제1 포토다이오드(PD1)의 변화된 전압이 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 전달되기 전에 플로팅 디퓨전 노드(FD1)는 리셋 트랜지스터(RX1)에 의해 리셋될 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX1)는 리셋 신호(RS1)에 응답하여 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 저장되어 있는 광 전하를 일정한 주기로 방출시킬 수 있다. 즉, 빛이 차단된 상태에서 리셋 트랜지스터(RX1)의 드레인과 드라이브 트랜지스터(DX1)의 드레인에 제1 전원 전압(VDD1)을 인가하고, 리셋 트랜지스터(RX1)를 턴-온시켜 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 잔류하는 전하들을 방출시킬 수 있다.
플로팅 디퓨전 노드(FD1)의 리셋 전압의 출력이 완료되면, 리셋 트랜지스터(RX1)는 턴-오프되고, 트랜스퍼 트랜지스터(TX)가 턴-온되면서 제1 포토다이오드(PD1)에 축적된 전하에 의해 변화된 전압은 플로팅 디퓨전 노드(FD1)로 전달될 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FD1)의 변화된 전압은 드라이브 트랜지스터(DX1) 및 선택 트랜지스터(SX1)를 거쳐 외부로 출력될 수 있다. 드라이브 트랜지스터(DX1)는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier)(SF1) 역할을 하여 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 충전된 전하에 대응하는 신호를 증폭할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX1)는 선택 신호(SEL1)에 응답하여 상기 증폭된 신호를 아날로그 데이터 신호(V1out)로서 전송할 수 있다.
도 9는 도 1에 예시한 제2 센서 픽셀(40)의 예시적인 회로도이다.
도 1 및 도 9를 참조하면, 제2 센서 픽셀(40)의 제2 광전 변환부(42)는 제2 포토다이오드(PD2)를 포함할 수 있다. 제2 포토다이오드(PD2)는 외부로부터 근적외선의 광을 수신하고, 수신된 광에 기초하여 광 전하를 생성할 수 있다. 제2 포토다이오드(PD2)는 약 810 nm 파장의 광을 감지할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 포토다이오드(PD2)는 유기 막으로 이루어질 수 있다. 상기 유기 막에 대한 보다 상세한 구성은 도 13을 참조하여 후술한다.
제2 센서 픽셀(40)의 제2 신호 발생 회로부(14)는 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하지 않을 수 있다. 제2 신호 발생 회로부(14)는 드라이브 트랜지스터(DX2), 리셋 트랜지스터(RX2), 및 선택 트랜지스터(SX2)를 포함할 수 있다.
제2 포토다이오드(PD2)는 독립적으로 전압 바이어스가 인가될 수 있도록 제어 전압(Vvs)과 연결될 수 있다. 또한, 제2 포토다이오드(PD2)는 플로팅 디퓨전 노드(FD2)과 연결될 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FD2)는 리셋 트랜지스터(RX2)의 소스일 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FD2)는 드라이브 트랜지스터(DX2)의 소스 팔로워 게이트(SF2)와 전기적으로 연결될 수 있다. 드라이브 트랜지스터(DX2)는 선택 트랜지스터(SX2)에 연결될 수 있다.
제2 포토다이오드(PD2)는 빛에 노출되고 전기적으로 외부와 차단되는 경우 전하가 축적될 수 있으며, 이에 따라 흡수한 빛의 세기를 감지할 수 있다. 구체적으로, 제2 포토다이오드(PD2)의 변화된 전압이 플로팅 디퓨전 노드(FD2)에 전달되기 전에, 플로팅 디퓨전 노드(FD2)는 리셋될 수 있다. 즉, 빛이 차단된 상태에서 리셋 트랜지스터(RX2)의 드레인에 제2 전원 전압(VDD2)이 인가되고, 드라이브 트랜지스터(DX2)의 드레인에 제1 전원 전압(VDD1)이 인가될 수 있다. 그 후, 리셋 트랜지스터(RX2)를 턴-온시켜 플로팅 디퓨전 노드(FD2)에 잔류하는 전하들을 방출시킬 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FD2)의 리셋 전압은 드라이브 트랜지스터(DX2)를 거쳐 증폭되고, 선택 트랜지스터(SX2)가 턴-온되면 외부로 출력될 수 있다.
제2 포토다이오드(PD2)에 축적된 전하에 의해 변화된 전압은 플로팅 디퓨전 노드(FD2)로 전달될 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FD2)의 변화된 전압은 드라이브 트랜지스터(DX2) 및 선택 트랜지스터(SX2)을 거쳐서 외부로 출력될 수 있다. 출력된 플로팅 디퓨전 노드(FD2)의 전압 변화에 대응되는 제2 아날로그 전압(V2out)은 외부의 리드아웃 회로(도시 생략)로 전송될 수 있다.
도 10은 도 1에 예시한 제1 센서 픽셀(20)의 다른 예시적인 회로도이다.
도 1 및 도 10을 참조하면, 제1 센서 픽셀(20)의 회로 구성은 1 개의 리셋 트랜지스터(RX1), 1 개의 드라이브 트랜지스터(DX1), 및 1 개의 선택 트랜지스터(SX1)가 2 개의 제1 포토다이오드(PD1A, PD1B) 및 2 개의 트랜스퍼 트랜지스터(TX1, TX2)에 의해 공유되는 다중 공유 픽셀 아키텍쳐(multi-shared pixel architecture)로 구성될 수 있다. 이에 따라, 제1 센서 픽셀(20)에서는 1 개의 공유 픽셀 면적으로 2 개의 단위 픽셀에 대응하는 정보를 얻을 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 제1 센서 픽셀(20)은 2 개의 제1 포토다이오드(PD1A, PD1B)와, 상기 2 개의 제1 포토다이오드(PD1A, PD1B) 각각에 하나씩 전기적으로 연결된 2 개의 트랜스퍼 트랜지스터(TX1, TX2)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 2 개의 제1 포토다이오드(PD1A, PD1B)는 각각 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 소자들일 수 있다.
제1 센서 픽셀(20)에서, 플로팅 디퓨전 노드(FD1)을 통해 드라이브 트랜지스터(DX1), 리셋 트랜지스터(RX1), 및 선택 트랜지스터(SX1)가 2 개의 제1 포토다이오드(PD1A, PD1B) 및 2 개의 트랜스퍼 트랜지스터(TX1, TX2)에 의해 공유될 수 있다.
트랜스퍼 트랜지스터(TX1, TX2)는 트랜스퍼 게이트(TG1, TG2)의 전압에 따라 2 개의 제1 포토다이오드(PD1A, PD1B) 각각을 플로팅 디퓨전 노드(FD1)와 연결시키거나 차단시킬 수 있다.
제1 포토다이오드(PD1A, PD1B)로 입사된 빛은 광전 변환에 의해 제1 포토다이오드(PD1A, PD1B) 내에 전하로 축적될 수 있다. 제1 포토다이오드(PD1A, PD1B)에 축적된 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 전달되면, 드라이브 트랜지스터(DX1) 및 선택 트랜지스터(SX1)를 거쳐 제1 아날로그 전압(V1out)으로서 외부로 출력될 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FD1)의 전압 변화에 대응되는 제1 아날로그 전압(V1out)은 외부의 리드아웃 회로(도시 생략)로 전송될 수 있다.
도 11은 도 1에 예시한 제1 센서 픽셀(20)의 또 다른 예시적인 회로도이다.
도 1 및 도 11을 참조하면, 제1 센서 픽셀(20)의 회로 구성은 1 개의 리셋 트랜지스터(RX1), 1 개의 드라이브 트랜지스터(DX1), 및 1 개의 선택 트랜지스터(SX1)가 4 개의 제1 포토다이오드(PD1A, PD1B, PD1C, PD1D) 및 4 개의 트랜스퍼 트랜지스터(TX1, TX2, TX3, RX4)에 의해 공유되는 다중 공유 픽셀 아키텍쳐로 구성될 수 있다. 이에 따라, 제1 센서 픽셀(20)에서는 1 개의 공유 픽셀 면적으로 4 개의 단위 픽셀에 대응하는 정보를 얻을 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 제1 센서 픽셀(20)은 4 개의 제1 포토다이오드(PD1A, PD1B, PD1C, PD1D)와 상기 4 개의 제1 포토다이오드(PD1A, PD1B, PD1C, PD1D) 각각에 하나씩 전기적으로 연결된 4 개의 트랜스퍼 트랜지스터(TX1, TX2, TX3, TX4)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 4 개의 제1 포토다이오드(PD1A, PD1B, PD1C, PD1D)는 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 포토다이오드들을 포함할 수 있다.
제1 센서 픽셀(20)에서, 플로팅 디퓨전 노드(FD1)를 통해 드라이브 트랜지스터(DX1), 리셋 트랜지스터(RX1), 및 선택 트랜지스터(SX1)가 4 개의 제1 포토다이오드(PD1A, PD1B, PD1C, PD1D) 및 4 개의 트랜스퍼 트랜지스터(TX1, TX2, TX3, TX4)에 의해 공유될 수 있다.
트랜스퍼 트랜지스터(TX1, TX2, TX3, TX4)는 트랜스퍼 게이트(TG1, TG2, TG3, TG4)의 전압에 따라 4 개의 제1 포토다이오드(PD1A, PD1B, PD1C, PD1D) 각각을 플로팅 디퓨전 노드(FD1)와 연결시키거나 차단시킬 수 있다.
제1 포토다이오드(PD1A, PD1B, PD1C, PD1D)로 입사된 빛은 광전 변환에 의해 제1 포토다이오드(PD1A, PD1B, PD1C, PD1D) 내에 전하로 축적될 수 있다. 제1 포토다이오드(PD1A, PD1B, PD1C, PD1D)에 축적된 전하가 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 전달되면, 드라이브 트랜지스터(DX1) 및 선택 트랜지스터(SX1)를 거쳐 제1 아날로그 전압(V1out)으로서 외부로 출력될 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FD1)의 전압 변화에 대응되는 제1 아날로그 전압(V1out)은 외부의 리드아웃 회로(도시 생략)로 전송될 수 있다.
도 10 및 도 11에는 각각 1 개의 리셋 트랜지스터(RX1), 1 개의 드라이브 트랜지스터(DX1), 및 1 개의 선택 트랜지스터(SX1)를 2 개 또는 4 개의 제1 포토다이오드가 공유하는 구조에 대하여만 예시하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이들에 한정되지 않는다. 예를 들면, 1 개의 리셋 트랜지스터(RX1), 1 개의 드라이브 트랜지스터(DX1), 및 1 개의 선택 트랜지스터(SX1)를 공유하는 포토다이오드의 수는 2 이상의 정수의 범위 내에서 제한 없이 선택될 수 있다.
도 8 및 도 11의 회로 구성들을 예로 들어 설명한 제1 센서 픽셀(20) 및 제2 센서 픽셀(40)의 구성은 도 2 내지 도 7을 참조하여 설명한 이미지 센서(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F)에 대하여도 동일하게 적용될 수 있다.
도 12는 도 1 내지 도 11을 참조하여 설명한 이미지 센서(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F)에서 구현 가능한 단위 픽셀 유니트(80)를 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 단위 픽셀 유니트(80)는 제1 층(1F)과 제2 층(2F)을 포함하는 X2 구조 또는 광학 스택 구조(optical stack structure)로 이루어질 수 있다.
하부의 제1 층(1F)은 도 1에 예시한 제1 센서 픽셀(20)에 의해 구현될 수 있으며, 2 개의 레드(R) 단위 픽셀과, 2 개의 블루(B) 단위 픽셀로 이루어질 수 있다. 상부의 제2 층(2F)은 도 1에 예시한 제2 센서 픽셀(40)에 의해 구현될 수 있으며, 4 개의 그린(G) 단위 픽셀로 이루어질 수 있다.
도 1 내지 도 12를 참조하여 설명한 이미지 센서(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F)는 근적외선 영역에서 선택되는 서로 다른 2 개 파장의 광들을 각각 감지하는 제1 포토다이오드(PD1) 및 제2 포토다이오드(PD2)를 구비하는 광학 스택 구조에서, 제1 센서 픽셀(20)의 제1 점유 면적과 제2 센서 픽셀(40)의 제2 점유 면적을 서로 다르게 하여 1 개의 제1 센서 픽셀(20)과 복수의 제2 센서 픽셀(40)이 하나의 픽셀 유니트를 이루거나, 또는 복수의 제1 센서 픽셀(20)과 1 개의 제2 센서 픽셀(40)이 하나의 픽셀 유니트를 이루도록 구성함으로써, 이미지 센서(100)의 제한된 단위 면적 내에서 감도를 향상시킬 수 있으며, 서로 다른 기능을 가지는 복수의 센서들이 하나로 통합된 구조의 이미지 센서를 구현하는 데 있어서 픽셀 공간의 낭비를 최소화할 수 있고, 주어진 면적 내에서 이미지 센서의 집적도를 향상시킬 수 있다.
도 13은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 이미지 센서(200)의 주요 구성들을 도시한 단면도이다.
도 13에 예시한 이미지 센서(200)의 단면 구성은 도 4a에 예시한 이미지 센서(100C)의 Q - Q' 선 단면에 대응하는 부분의 예시적인 구성에 해당할 수 있다.
도 13을 참조하면, 이미지 센서(200)는 기판(210)을 포함한다. 기판(210)은 수평 방향으로 연장하는 주면(210F)을 가질 수 있다. 기판(210)은 반도체 기판, 예를 들면 p 형 실리콘 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
기판(210)에는 복수의 소자 분리막(212)이 배치될 수 있다. 또한, 기판(210) 내에서 복수의 소자 분리막(212)에 의해 한정되는 활성 영역 내에 제1 포토다이오드(PD11)가 형성될 수 있다. 제1 포토다이오드(PD11)는 예를 들면 도 8에 예시한 제1 포토다이오드(PD1)에 대응할 수 있다.
제1 포토다이오드(PD11)는 제1 불순물 영역(214A)과 제2 불순물 영역(214B)을 포함할 수 있다. 제1 불순물 영역(214A)은 제2 불순물 영역(214B)보다 기판(210)의 주면(210F)으로부터 더 깊은 위치에 형성될 수 있다. 제1 불순물 영역(214A) 및 제2 불순물 영역(214B)은 서로 다른 도전형 영역일 수 있다. 예를 들면, 제1 불순물 영역(214A)은 n 형 불순물 확산 영역이고, 제2 불순물 영역(214B)은 p 형 불순물 확산 영역일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 포토다이오드(PD11)는 적색 빛 또는 청색 빛을 감지할 수 있다. 기판(210) 내에 형성된 제1 포토다이오드(PD11)는 제1 광전 변환부(22)를 구성할 수 있다.
플로팅 디퓨전 영역(206)이 기판(210) 내에 배치될 수 있다. 플로팅 디퓨전 영역(206)은 n 형 불순물 확산 영역일 수 있다.
기판(210)의 주면(210F) 상에는 신호 발생 회로부(10A)가 배치될 수 있다. 신호 발생 회로부(10A) 및 제2 광전 변환부(42)는 기판(210)을 사이에 두고 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 신호 발생 회로부(10A)는 배선 구조물(220)을 포함할 수 있다. 배선 구조물(220)은 제1 센서 픽셀(20)을 구성하는 제1 신호 발생 회로부(12A)(도 4b 참조)와, 제2 센서 픽셀(40)을 구성하는 제2 신호 발생 회로부(14A)(도 4b 참조)를 포함할 수 있다.
제1 광전 변환부(22)의 제1 포토다이오드(PD11)는 제1 센서 픽셀(20)을 구성하는 제1 신호 발생 회로부(12A)에 연결될 수 있다.
배선 구조물(220)은 복수의 배선(222)과, 복수의 배선(222)을 상호 절연하는 층간절연막(224)을 포함할 수 있다. 복수의 배선(222)은 금속, 예를 들면 구리(Cu), 알루미늄(Al), 또는 텅스텐(W)으로 이루어질 수 있다. 층간절연막(224)은 산화막, 질화막, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
배선 구조물(220)은 제1 콘택홀(H1)과, 제1 콘택홀(H1)의 내벽을 덮는 제1 절연막(226)과, 제1 콘택홀(H1) 내에서 제1 절연막(226)으로 포위되는 제1 비아 콘택(228)을 포함할 수 있다. 제1 절연막(226)은 산화막 또는 질화막으로 이루어질 수 있다. 제1 비아 콘택(228)은 금속, 예를 들면 Cu, Al, 또는 W으로 이루어질 수 있다.
배선 구조물(220)은 제1 비아 콘택(228)에 연결된 도전성 버퍼층(229)을 더 포함할 수 있다. 도전성 버퍼층(229)은 제1 비아 콘택(228)을 통해 플로팅 디퓨전 영역(206)에 전기적으로 연결될 수 있다. 도전성 버퍼층(229)은 Cu, Al, W, 또는 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 이미지 센서(200)는 배선 구조물(220)에 접착된 지지막(230)을 포함할 수 있다. 지지막(230)은 연마 공정을 통해 얇아진 기판(210)의 강도를 보강하기 위하여 사용될 수 있다. 지지막(230)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 또는 반도체 막으로 이루어질 수 있다.
기판(210)에는 기판(210)의 두께 방향을 따라 기판(210)을 관통하여 연장되는 제2 콘택홀(H2)이 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 콘택홀(H2)은 소자 분리막(212)을 관통하도록 형성될 수 있다. 제2 콘택홀(H2)의 내벽은 절연막(242)으로 덮일 수 있다. 이미지 센서(200)는 제2 콘택홀(H2) 내부 공간을 따라 기판(210)을 관통하도록 연장되는 관통 전극(246)을 포함할 수 있다. 제2 콘택홀(H2) 내에서 관통 전극(246)은 절연막(242)으로 포위될 수 있다. 관통 전극(246)은 기판(210)의 주면(210F)의 반대측 표면인 배면(210B)으로부터 도전성 버퍼층(229)까지 연장될 수 있다. 관통 전극(246)은 도 4b 및 도 4d에 예시한 관통 전극(46)에 대응할 수 있다. 절연막(242)은 산화물 또는 질화물로 이루어질 수 있다. 관통 전극(246)은 Cu, Al, 또는 W으로 이루어질 수 있으나, 상기 예시한 물질들에 한정되는 것은 아니다.
기판(210)의 배면(210B) 상에는 제2 광전 변환부(42)가 배치될 수 있다. 제2 광전 변환부(42)는 기판(210)의 배면(210B) 위에 적층된 절연 구조(250)와, 절연 구조(250)를 관통하여 연장되고 관통 전극(246)에 연결되는 도전성 스터드(252)를 포함할 수 있다. 도전성 스터드(252)는 W 또는 Al로 이루어질 수 있다.
제2 광전 변환부(42)는 기판(210)의 배면(210B) 상에서 절연 구조(250) 위에 형성된 제2 포토다이오드(PD21)를 포함할 수 있다. 제2 포토다이오드(PD21)는 예를 들면 도 9에 예시한 제2 포토다이오드(PD2)에 대응할 수 있다. 제2 포토다이오드(PD21)는 제1 포토다이오드(PD11)와 수직으로 오버랩되도록 배치될 수 있다.
제2 포토다이오드(PD21)의 저면은 복수의 하부 전극(254)으로 덮이고, 제2 포토다이오드(PD21)의 상면은 상부 전극(256)으로 덮일 수 있다. 복수의 하부 전극(254) 각각은 도전성 스터드(252)를 통해 관통 전극(246)에 연결될 수 있다. 제2 포토다이오드(PD21)는 하부 전극(254)과, 도전성 스터드(252)와, 관통 전극(246)을 통해 제2 센서 픽셀(40)을 구성하는 제2 신호 발생 회로부(14A)(도 4b 참조)에 연결될 수 있다.
복수의 하부 전극(254)은 하나의 제2 센서 픽셀(40)(도 4a 참조) 마다 하나씩 대응하여 배치될 수 있다. 복수의 제2 센서 픽셀(40)은 1 개의 상부 전극(256)을 공유할 수 있다.
제2 포토다이오드(PD21)는 근적외선 영역에서 선택되는 특정 파장의 광에 의해 광전 변화를 일으키는 유기 막으로 구성되는 유기 포토다이오드로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 포토다이오드(PD21)는 약 810 nm 파장의 광을 흡수하도록 구성될 수 있다. 제2 포토다이오드(PD21)는 전자-정공 쌍 중에서 정공을 수집할 수 있다. 상기 유기 막은 유기 반도체 물질막으로 이루어질 수 있다.
제2 포토다이오드(PD21)는 p 형 반도체 물질과 n 형 반도체 물질이 pn 접합(pn flat junction) 또는 벌크 이종 접합(bulk heterojunction)을 형성하는 유기 막으로 이루어질 수 있다. 상기 유기 막은 단일 막 또는 다중 막으로 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 p 형 반도체 물질은 N,N-디메틸-퀴나크리돈(N,N'-dimethyl-quinacridone, DMQA) 및 그 유도체, 디인데노페릴렌(diindenoperylene), 디벤조{[f,f']-4,4',7,7'-테트라페닐}디인데노[1,2,3-cd:1',2',3'-lm]페릴렌(dibenzo{[f,f']-4,4',7,7'-tetraphenyl}diindeno[1,2,3-cd:1',2',3'-lm]perylene) 등으로부터 선택되는 화합물을 포함할 수 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다. 상기 n 형 반도체 물질은 디시아노비닐-터티오펜(dicyanovinyl-terthiophene, DCV3T) 및 그 유도체, 페릴렌 디이미드(perylene diimide), 프탈로시아닌 및 그 유도체, 서브프탈로시아닌 및 그 유도체, 보론 디피로메텐(boron dipyrromethene) 및 그 유도체 등으로부터 선택되는 화합물을 포함할 수 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다.
제2 포토다이오드(PD21)는 진성층(intrinsic layer, I 층), p 형 층/I 층, I 층/n 형 층, p 형 층/I 층/n 형 층, p 형 층/n 형 층 등과 같은 다양한 조합으로부터 선택되는 구성을 가질 수 있다. 상기 진성층(I 층)은 상기 p 형 반도체 화합물과 상기 n 형 반도체 화합물이 약 1:100 내지 약 100:1의 비율로 혼합된 층으로 이루어질 수 있다. 상기 p 형 층은 상기 p 형 반도체 화합물을 포함할 수 있다. 상기 n 형 층은 상기 n 형 반도체 화합물을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제2 포토다이오드(PD21)는 약 1 ∼ 500 ㎚의 두께를 가질 수 있다. 제2 포토다이오드(PD21)는 빛을 효과적으로 흡수하고 정공과 전자를 효과적으로 분리 및 전달함으로써 광전 변환 효율을 효과적으로 개선할 수 있는 두께를 가질 수 있다.
복수의 하부 전극(254)과 상부 전극(256)은 각각 투명 도전층으로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 하부 전극(254) 및 상부 전극(256)은 각각 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), ZnO, SnO2, ATO(antimony-doped tin oxide), AZO(aluminum-doped zinc oxide), GZO(gallium-doped zinc oxide), TiO2, 또는 FTO(fluorine-doped tin oxide)로 이루어질 수 있다.
상부 전극(256) 상에는 복수의 마이크로렌즈(270)가 형성되어 있다. 복수의 마이크로렌즈(270)는 하나의 제2 센서 픽셀(40)마다 하나씩 형성될 수 있다. 마이크로렌즈(270)는 제2 포토다이오드(PD21) 위에 배치되어 외부로부터 입사되는 광을 집광하고 제2 포토다이오드(PD21)로 입사시키도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상부 전극(256)과 마이크로렌즈(270)와의 사이에 보호층(260)이 개재될 수 있다. 보호층(260)은 투명한 절연 물질로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 보호층(262)은 서로 다른 굴절률(refractive index)을 가지는 복수의 절연막을 포함할 수 있다. 예를 들면, 보호층(260)은 실리콘 산화막, 알루미늄 산화막, 실리콘 산질화막, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
도 13에 예시한 이미지 센서(200)는 칼라 필터를 포함하지 않을 수 있다. 도 13에 예시한 이미지 센서(200)에서, 제2 포토다이오드(PD21)는 복수의 마이크로렌즈(270)를 통해 제2 포토다이오드(PD21)에 입사되는 광, 예를 들면 근적외선 영역의 광 중 약 940 nm 파장의 광은 통과시키고 약 810 nm 파장의 광은 흡수하도록 구성될 수 있다. 제1 포토다이오드(PD11)는 제2 포토다이오드(PD21)를 통과한 약 940 nm 파장의 광을 흡수하도록 구성될 수 있다.
도 13에 예시한 이미지 센서(200)에서, 제1 포토다이오드(PD11)를 포함하는 제1 센서 픽셀(20)은 약 940 nm 파장의 광으로부터 제1 감지 대상물의 깊이 정보를 생성하도록 구성되고, 제2 포토다이오드(PD21)를 포함하는 제2 센서 픽셀(40)은 약 810 nm 파장의 광으로부터 제2 감지 대상물의 홍채 정보를 생성하도록 구성될 수 있다.
도 14a 내지 도 14e는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 도 14a 내지 도 14e를 참조하여 도 13에 예시한 이미지 센서(200)의 제조 방법을 예로 들어 설명한다.
도 14a를 참조하면, 소자 분리막(212)에 의해 활성 영역이 정의된 기판(210)을 준비한다. 기판(210)의 활성 영역에 제1 포토다이오드(PD11) 및 복수의 플로팅 디퓨전 영역(206)을 형성한다.
제1 포토다이오드(PD11)는 제1 불순물 영역(214A)과 제2 불순물 영역(214B)을 포함할 수 있다. 제1 불순물 영역(214A)은 기판(210)의 주면(210F)으로부터 비교적 깊은 깊이 영역에 형성되고, 제2 불순물 영역(214B)은 주면(210F)으로부터 비교적 얕은 깊이 영역에 형성될 수 있다. 제1 불순물 영역(214A) 및 제2 불순물 영역(214B)은 서로 다른 도전형을 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 불순물 영역(214A)은 n 형 불순물 확산 영역이고, 제2 불순물 영역(214B)은 p 형 불순물 확산 영역일 수 있다.
플로팅 디퓨전 영역(206)은 기판(210)의 활성 영역에서 제1 포토다이오드(PD11)와 이격된 위치에 형성될 수 있다. 플로팅 디퓨전 영역(206)은 n 형 불순물 확산 영역일 수 있다.
도 14b를 참조하면, 기판(210)의 주면(210F) 위에 배선 구조물(220)을 형성한다. 배선 구조물(220)은 제1 센서 픽셀(20)을 구성하는 제1 신호 발생 회로부(12A)(도 4b 참조)와, 제2 센서 픽셀(40)을 구성하는 제2 신호 발생 회로부(14A)(도 4b 참조)를 구비하는 신호 발생 회로부(10A)를 포함하도록 형성될 수 있다.
그 후, 배선 구조물(220) 위에 지지막(230)을 접착할 수 있다. 지지막(230)은 도 14c를 참조하여 후술하는 연마 공정을 통해 얇아지는 기판(210)의 강도를 보강하기 위하여 사용될 수 있다.
도 14c를 참조하면, 배선 구조물(220)이 기판(210)의 하측에 배치되고, 기판의 배면(210B)이 상부를 향하도록 기판(210)을 뒤집은 후, 기판(210)의 배면(210B)으로부터 기판(210)을 일부 두께(T1)만큼 제거하여 기판(210)의 두께를 감소시킨다.
도 14d를 참조하면, 기판(210)의 배면(210B)으로부터 주면(210F)까지 기판(210)을 관통하고 층간절연막(224)의 일부를 관통하여 도전성 버퍼층(229)까지 연장되는 제2 콘택홀(H2)을 형성한 후, 제2 콘택홀(H2)의 내벽을 덮는 절연막(242)을 형성하고, 절연막(242)에 의해 한정되는 제2 콘택홀(H2) 내에 관통 전극(246)을 형성한다.
도 14e를 참조하면, 기판(210)의 배면(210B) 위에 절연 구조(250)와, 절연 구조(250)를 관통하는 도전성 스터드(252)를 형성하고, 절연 구조(250) 및 도전성 스터드(252) 위에 복수의 하부 전극(254), 제2 포토다이오드(PD21), 상부 전극(256), 보호층(260), 및 복수의 마이크로렌즈(270)를 차례로 형성한다.
제2 포토다이오드(PD21)를 형성하기 위하여 스핀 코팅 공정 또는 증발 증착 공정을 이용할 수 있다. 제2 포토다이오드(PD21)는 약 1 ∼ 500 ㎚의 두께로 형성될 수 있다.
도 15는 본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 실시예에 따른 이미지 센서(300)의 주요 구성들을 도시한 단면도이다.
도 15에 예시한 이미지 센서(300)는 도 5에 예시한 이미지 센서(100D)의 단면 구성은 도 5에 예시한 이미지 센서(100D)의 R - R' 선 단면에 대응하는 부분의 예시적인 구성에 해당할 수 있다.
도 15를 참조하면, 이미지 센서(300)는 기판(310)을 포함한다. 기판(310)은 수평 방향으로 연장하는 주면(310F)을 가질 수 있다. 기판(310)은 반도체 기판, 예를 들면 p 형 실리콘 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
기판(310)에는 복수의 소자 분리막(312)이 배치될 수 있다. 또한, 기판(310) 내에서 복수의 소자 분리막(312)에 의해 한정되는 활성 영역 내에 제1 포토다이오드(PD12)가 형성될 수 있다. 제1 포토다이오드(PD12)에 대한 보다 상세한 구성은 도 13을 참조하여 제1 포토다이오드(PD11)에 대하여 설명한 바와 대체로 동일하다. 제1 포토다이오드(PD12)는 제1 광전 변환부(22)를 구성할 수 있다.
플로팅 디퓨전 영역(306)이 기판(310) 내에 배치될 수 있다. 플로팅 디퓨전 영역(306)은 n 형 불순물 확산 영역일 수 있다.
기판(310)의 주면(310F) 상에 신호 발생 회로부(10A)가 배치될 수 있다. 신호 발생 회로부(10A)는 배선 구조물(320)을 포함할 수 있다. 배선 구조물(320)은 제1 센서 픽셀(20)을 구성하는 제1 신호 발생 회로부(12A)(도 4b 참조)와, 제2 센서 픽셀(40)을 구성하는 제2 신호 발생 회로부(14A)(도 4b 참조)를 포함할 수 있다.
배선 구조물(320)은 복수의 배선(322)과, 복수의 배선(322)을 상호 절연하는 층간절연막(324)을 포함할 수 있다. 복수의 배선(322)은 금속, 예를 들면 Cu, Al, 또는 W으로 이루어질 수 있다. 층간절연막(324)은 산화막, 질화막, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
복수의 배선(322)은 도전성 버퍼(322B)와, 도전성 버퍼(322B)를 통해 플로팅 디퓨전 영역(306)에 연결되는 비아 콘택(322A)을 포함할 수 있다. 도전성 버퍼(322B)는 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 도전성 버퍼(322B)는 금속 일함수와 실리콘 일함수 사이의 일함수를 갖는 물질로 형성할 수 있다. 도전성 버퍼(322B)에 의해 기판(310)과 배선 구조물(320)과의 사이의 양호한 오믹 콘택이 제공될 수 있다.
배선 구조물(320) 위에 제2 광전 변환부(42)가 배치될 수 있다. 제2 광전 변환부(42)는 기판(310)의 주면(310F)과 대면하는 절연 구조(250)와, 절연 구조(250)를 관통하여 배선 구조물(320)의 복수의 배선(322)에 연결되는 도전성 스터드(252)를 포함할 수 있다.
제2 광전 변환부(42)는 절연 구조(250) 위에 형성된 제2 포토다이오드(PD21)를 포함할 수 있다. 제2 포토다이오드(PD21)는 제1 포토다이오드(PD12)와 수직으로 오버랩되도록 배치될 수 있다. 제2 광전 변환부(42)는 신호 발생 회로부(10A)를 사이에 두고 기판(310)으로부터 이격되도록 배치될 수 있다. 이미지 센서(300)의 제2 광전 변환부(42)의 보다 상세한 구성은 도 13을 참조하여 설명한 바와 대체로 동일하다.
도 15에 예시한 이미지 센서(300)를 제조하기 위하여, 먼저 소자 분리막(312)에 의해 활성 영역이 정의된 기판(310)을 준비한 후, 기판(310)의 활성 영역에 제1 포토다이오드(PD12) 및 복수의 플로팅 디퓨전 영역(306)을 형성하고, 기판(310)의 주면(310F) 위에 배선 구조물(320)을 형성할 수 있다. 그 후, 도 14e를 참조하여 설명한 바와 유사한 방법으로 제2 광전 변환부(42)를 형성할 수 있다. 제2 광전 변환부(42)를 형성하는 데 있어서, 도전성 스터드(252)는 복수의 배선(322) 중에서 선택되는 어느 하나의 배선에 연결되도록 형성될 수 있다.
도 16a는 본 발명의 기술적 사상에 의한 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(400)의 주요 구성들을 도시한 단면도이다.
도 16a에 예시한 이미지 센서(400)의 단면 구성은 도 4a에 예시한 이미지 센서(100C)의 Q - Q' 선 단면에 대응하는 부분의 다른 예시적인 구성에 해당할 수 있다. 도 16a에 예시한 이미지 센서(400)는 도 13에 예시한 이미지 센서(200)와 대체로 동일한 구성을 가진다. 단, 이미지 센서(400)는 도 13에 예시한 제1 포토다이오드(PD11) 대신 양자점(quantum dot) 광 흡수층으로 이루어지는 제1 포토다이오드(PD13)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 양자점 광 흡수층은 복수의 양자점을 포함할 수 있다. 상기 복수의 양자점은 원자가 수 백 내지 수 천 개가 모인 입자들로서, 양자(quantum)를 나노미터(nm) 단위로 합성시킨 양자점 반도체 결정일 수 있다. 예를 들면, 상기 양자점 반도체 결정은 PbO, PbSe, PbS, PbSO3, PbSO4, InSe, CdSe, CdTe, CdS, InP, InSe, ZnO, ZnSe, ZnS, InAs, GaAs, EuS, CdTeSe/CdZnS, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있으나, 상기 예시한 바에 한정되는 것은 아니다. 상기 복수의 양자점은 각각 약 1 ∼ 20 nm의 크기를 가질 수 있다. 상기 양자점 광 흡수층으로 이루어지는 제1 포토다이오드(PD13)는 약 940 nm의 파장의 광을 흡수할 수 있다.
제1 포토다이오드(PD13)의 저면은 하부 전극(462)으로 덮이고, 제1 포토다이오드(PD13)의 상면은 상부 전극(466)으로 덮일 수 있다. 제1 포토다이오드(PD13)는 하부 전극(462), 도전성 스터드(472), 및 기판(210)을 관통하는 관통 전극(446)을 통해 신호 발생 회로부(10A)의 제1 신호 발생 회로부(12A)(도 4b 참조)에 연결될 수 있다. 도전성 스터드(472)는 절연막(474)으로 포위될 수 있다. 관통 전극(446)은 절연막(442)으로 포위될 수 있다. 하부 전극(462) 및 상부 전극(466)의 구성 물질은 도 13을 참조하여 하부 전극(254) 및 상부 전극(256)에 대하여 설명한 바와 대체로 동일하다.
제2 포토다이오드(PD21)는 하부 전극(254), 도전성 스터드(252), 및 기판(210)을 관통하는 관통 전극(246)을 통해 신호 발생 회로부(10A)의 제2 신호 발생 회로부(14A)(도 4b 참조)에 연결될 수 있다. 도전성 스터드(452)는 절연막(456)으로 포위될 수 있다. 도전성 스터드(452)는 절연막(456)을 사이에 두고 제1 포토다이오드(PD13), 하부 전극(462), 및 상부 전극(466)으로부터 이격될 수 있다.
도 16b는 도 16a에 예시한 이미지 센서(400)의 제1 광전 변환부(22)를 구성하는 제1 포토다이오드(PD13)의 개략적인 평면도이다.
도 16c는 도 16a에 예시한 이미지 센서(400)에서 1 개의 제1 광전 변환부(22) 위에 배치되는 4 개의 제2 광전 변환부(42)를 구성하는 4 개의 하부 전극(254)의 개략적인 평면도이다.
도 16b 및 도 16c에는 이해를 돕기 위하여 제2 광전 변환부(42)의 하부 전극(254)에 각각 하나씩 연결되는 복수의 관통 전극(246)의 위치와, 제1 광전 변환부(22)에서 하부 전극(462)을 통해 제1 포토다이오드(PD13)에 연결되는 관통 전극(446)의 위치가 점선으로 표시되어 있다.
도 16a에 예시한 이미지 센서(400)를 제조하기 위하여 도 14a 내지 도 14e를 참조하여 설명한 방법을 이용할 수 있다. 단, 도 14a를 참조하여 설명한 제1 포토다이오드(PD11)의 형성 공정은 생략되고, 도 4d를 참조하여 설명한 공정에서 복수의 관통 전극(246)을 형성할 때 제1 포토다이오드(PD13)에 연결하기 위한 관통 전극(446)을 함께 형성할 수 있다. 또한, 도 14e를 참조하여 설명한 공정에서, 도전성 스터드(252), 복수의 하부 전극(254), 제2 포토다이오드(PD21), 및 상부 전극(256)을 형성하기 전에, 절연막(474)으로 포위되는 도전성 스터드(472), 하부 전극(462), 제1 포토다이오드(PD13), 및 상부 전극(466)을 차례로 형성하는 공정을 더 포함할 수 있다. 제1 포토다이오드(PD13)를 형성하기 위하여 증착 및 건식 식각 공정을 이용할 수 있다. 제1 포토다이오드(PD13)는 하부 전극(462) 및 도전성 스터드(472)를 통해 관통 전극(446)에 연결되도록 형성될 수 있다. 관통 전극(446)은 신호 발생 회로부(10A)에 포함된 도전성 버퍼층(229)을 통해 플로팅 디퓨전 영역(206)에 연결될 수 있다. 기판(210)에 형성된 복수의 플로팅 디퓨전 영역(206) 중 관통 전극(446)이 연결되는 플로팅 디퓨전 영역(206)은 신호 발생 회로부(10A)의 제1 신호 발생 회로부(12A)(도 4b 참조)를 구성할 수 있으며, 도 8에 예시한 플로팅 디퓨전 노드(FD1)에 대응할 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 16a에 예시한 이미지 센서(400)에서, 제1 포토다이오드(PD13)를 구비하는 제1 센서 픽셀(20)은 3 개의 트랜지스터를 포함하는 3T 구조의 회로 구성을 가질 수 있다. 이 때, 필요에 따라 제1 센서 픽셀(20)에서 발생하는 열 노이즈(thermal noise) 및 이로 인한 kTC 노이즈를 제어하기 위하여 피드백 리셋 (feedback reset) 루프를 포함할 수 있다.
도 17은 피드백 라인(492) 및 연산 증폭기(490)를 포함하는 피드백 리셋 루프를 이용하여 kTC 노이즈를 제어하는 제1 센서 픽셀(20)의 예시적인 회로도이다.
도 17에 예시한 회로 구성에서, 연산 증폭기(490) 및 피드백 라인(492)을 이용함으로써, 연산 증폭기(490)의 이득(gain)에 의해 kTC 노이즈가 감소될 수 있다. 연산 증폭기(490)는 기준 전압(Vref_rst) 라인에 연결된 포지티브(+) 입력 단자와 픽셀 출력 라인(494)에 연결된 네가티브(-) 입력 단자를 포함할 수 있다. 연산 증폭기(490)는 포지티브 입력 단자로 입력된 기준 전압(Vref_rst)과 픽셀 출력 라인(494)으로부터 네가티브 입력 단자로 입력된 전압 간의 비교에 따라 전압을 출력할 수 있다.
도 17에 예시한 제1 센서 픽셀(20)의 회로 구성은 단지 이해를 돕기 위한 예시에 불과한 것으로서, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형 및 변경이 가능하다.
도 18은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서 모듈(1000)의 블록도이다.
도 18을 참조하면, 이미지 센서 모듈(1000)은 제어부(1100), 광원(1200), 이미지 센서(1300), 듀얼 밴드 패스 필터(1400), 및 신호 처리부(1500)를 포함할 수 있다.
제어부(1100)는 광원(1200)과, 이미지 센서(1300)에 포함된 복수의 픽셀 각각의 동작을 제어할 수 있다. 광원(1200)은 광원 제어신호(LC)에 따라 감지 대상물(1600)에 펄스 광(L_tr) 즉, 온(ON)/오프(OFF) 타이밍이 제어된 광을 조사할 수 있다. 광원(1200)은 감지 대상물(1600)에 근적외선 영역에서 선택되는 파장의 광을 조사할 수 있다. 감지 대상물(1600)에 주기적으로 조사되는 펄스 광(L_tr)은 감지 대상물(1600)에서 반사될 수 있다.
도 19a 및 도 19b는 광원(1200)에서 발광되는 광을 설명하기 위한 그래프들이다.
일부 실시예들에서, 광원(1200)은 도 19a에 예시한 바와 같이 서로 다른 파장의 광을 조사하기 위한 제1 광원 및 제2 광원을 포함할 수 있다. 상기 제1 광원은 감지 대상물(1600)에 제1 파장(λ1)의 광을 조사하도록 구성되고, 상기 제2 광원은 감지 대상물(1600)에 제2 파장(λ2)의 광을 조사하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제1 파장(λ1)은 약 810 nm이고, 제2 파장(λ2)은 약 940 nm일 수 있다.
상기 제1 광원 및 제2 광원은 각각 LED (light emitting diode), LD (laser diode), OLED (organic light-emitting diode), 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
일부 실시예들에서, 광원(1200)은 제1 파장(λ1)의 광 및 제2 파장(λ2)의 광을 선택적으로 조사하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제어부(1100)로부터의 광원 제어신호(LC)에 따라 상기 제1 광원으로부터 제1 파장(λ1)의 광을 조사하는 시간과 상기 제2 광원으로부터 제2 파장(λ2)의 광을 조사하는 시간이 독립적으로 제어될 수 있다.
다른 일부 실시예들에서, 광원(1200)은 서로 다른 파장의 광들을 선택적으로 조사하기 위한 1 개의 광원을 포함할 수 있다. 상기 1 개의 광원은 감지 대상물(1600)에 제1 파장(λ1)의 광 및 제2 파장(λ2)의 광 중에서 선택되는 하나의 광을 선택적으로 조사할 수 있다.
또 다른 일부 실시예들에서, 광원(1200)은 도 19b에 예시한 바와 같이 서로 다른 파장인 제1 파장(λ1) 및 제2 파장(λ2)을 포함하는 비교적 넓은 파장 범위의 광을 조사하는 1 개의 광원으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 광원(1200)은 약 810 nm 파장의 광 및 약 940 nm 파장의 광을 포함하는 비교적 넓은 범위의 근적외선 영역의 광을 조사하는 1 개의 광원으로 이루어질 수 있다. 상기 1 개의 광원은 LED, LD, OLED, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원(1200)은 근적외선 영역에서 선택되는 약 700 ∼ 1100 nm 범위의 파장을 가지는 광을 조사하도록 구성될 수 있다.
이미지 센서(1300)는 복수의 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이를 포함할 수 있다. 이미지 센서(1300)에서는 복수의 픽셀에 포함된 복수의 제1 센서 픽셀(20)(도 1 참조)을 이용하여 약 940 nm 파장의 광으로부터 감지 대상물(1600)의 깊이 정보를 생성하고, 상기 복수의 픽셀에 포함된 복수의 제2 센서 픽셀(40)(도 1 참조)을 이용하여 약 810 nm 파장의 광으로부터 제2 감지 대상물의 홍채 정보를 생성할 수 있다.
도 20은 도 18의 이미지 센서(1300)를 구성하는 예시적인 픽셀 어레이를 설명하기 위한 도면들이다.
도 20을 참조하면, 이미지 센서(1300)의 픽셀 어레이는 상호 수직으로 오버랩되도록 배치된 신호 발생 회로 어레이(1310), 제1 광전 변환부 어레이(1322), 및 제2 광전 변환부 어레이(1342)를 포함할 수 있다.
신호 발생 회로 어레이(1310)는 행 방향 및 열 방향을 따라 2 차원 매트릭스 형태로 배열되는 복수의 신호 발생 회로부(10)를 포함할 수 있다.
제1 광전 변환부 어레이(1322)는 깊이 정보를 제공하기 위한 복수의 깊이 픽셀을 구성하는 것으로서, 행 방향 및 열 방향을 따라 2 차원 매트릭스 형태로 배열되는 복수의 제1 광전 변환부(22)를 포함할 수 있다.
제2 광전 변환부 어레이(1342)는 홍채 정보를 제공하기 위한 복수의 홍채 픽셀을 구성하는 것으로서, 행 방향 및 열 방향을 따라 2 차원 매트릭스 형태로 배열되는 복수의 제2 광전 변환부(42)를 포함할 수 있다.
도 20에 예시한 바와 같이, 복수의 신호 발생 회로부(10) 및 제1 광전 변환부 어레이(1322)는 각각 행 방향 및 열 방향을 따라 제1 피치(P1)로 반복 배치될 수 있다. 복수의 제2 광전 변환부(42)는 행 방향 및 열 방향을 따라 제1 피치(P1)보다 더 작은 제2 피치(P2)로 반복 배치될 수 있다. 예를 들면, 제1 피치(P1)는 제2 피치(P2)의 약 2 배일 수 있다.
그러나, 도 20의 구성은 예시에 불과한 것으로, 본 발명의 기술적 사상이 도 20에 예시한 바에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 6a 내지 도 6d와 도 7을 참조하여 설명한 이미지 센서(100E, 100F)의 구성으로부터 알 수 있는 바와 같이, 복수의 제1 광전 변환부(22)가 복수의 제2 광전 변환부(42)보다 더 작은 피치로 반복 배치될 수도 있다.
이미지 센서(1300)는 예를 들면 도 1 내지 도 17을 참조하여 설명한 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 200, 300, 400), 또는 이들로부터 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양하게 변형 및 변경된 구조를 가지는 이미지 센서의 특징적 구성을 포함할 수 있다.
다시 도 18을 참조하면, 이미지 센서(1300)는 감지 대상물(1600)로부터 반사된 광(L_rf)을 듀얼 밴드 패스 필터(1400)를 통해 수광할 수 있다.
듀얼 밴드 패스 필터(1400)는 감지 대상물(1600)로부터 반사된 광(L_rf) 중 근적외선 영역에서 선택되는 제1 파장의 광 및 제2 파장의 광을 선택적으로 통과시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 파장의 광 및 상기 제2 파장의 광은 각각 약 810 nm 및 약 940 nm 중에서 선택되는 서로 다른 파장일 수 있다.
도 20에 예시한 이미지 센서(1300)에서, 제2 광전 변환부 어레이(1342)는 제1 광전 변환부 어레이(1322)보다 듀얼 밴드 패스 필터(1400)(도 18 참조)에 더 가까이 배치될 수 있다.
홍채 픽셀의 제2 광전 변환부 어레이(1342)에 포함된 복수의 제2 포토다이오드는 예를 들면 도 13, 도 15, 및 도 16a에 예시한 제2 포토다이오드(PD21)로 이루어질 수 있다. 제2 광전 변환부 어레이(1342)에 포함된 복수의 제2 포토다이오드는 각각 듀얼 밴드 패스 필터(1400)를 통과한 상기 제1 파장의 광 및 제2 파장의 광 중에서 선택되는 하나의 광은 흡수하고 선택되지 않은 다른 하나의 광은 통과시킬 수 있다. 예를 들면, 듀얼 밴드 패스 필터(1400)는 감지 대상물(1600)로부터 반사된 광(L_rf) 중 약 810 nm 파장의 광과 약 940 nm 파장의 광을 통과시킬 수 있으며, 제2 광전 변환부 어레이(1342)에 포함된 복수의 제2 포토다이오드는 약 810 nm 파장의 광은 흡수하고 약 940 nm 파장의 광은 통과시킬 수 있다. 이미지 센서(1300)에 포함된 복수의 제2 센서 픽셀(40)(도 1 참조)은 각각 홍채 픽셀일 수 있다. 복수의 제2 센서 픽셀(40)에서는 제2 광전 변환부 어레이(1342)에 포함된 복수의 제2 포토다이오드에서 약 810 nm 파장의 광으로부터 얻어지는 전기 신호를 이용하여 감지 대상물(1600)의 홍채 정보를 생성할 수 있다.
제1 광전 변환부 어레이(1322)에 포함된 복수의 제1 포토다이오드는 예를 들면 도 13에 예시한 제1 포토다이오드(PD11), 도 15에 예시한 제1 포토다이오드(PD12), 또는 도 16a에 예시한 제1 포토다이오드(PD13)로 이루어질 수 있다. 제1 광전 변환부 어레이(1322)에 포함된 복수의 제1 포토다이오드는 각각 제2 광전 변환부 어레이(1342)에 포함된 복수의 제2 포토다이오드를 통과한 약 940 nm 파장의 광을 흡수할 수 있다. 이미지 센서(1300)에 포함된 복수의 제1 센서 픽셀(20)(도 1 참조)은 각각 깊이 픽셀일 수 있으며, 제1 광전 변환부 어레이(1322)에 포함된 복수의 제1 포토다이오드에서 약 940 nm 파장의 광으로부터 얻어지는 전기 신호를 이용하여 감지 대상물(1600)의 깊이 정보를 생성할 수 있다. 제1 광전 변환부 어레이(1322)에 포함된 복수의 제1 센서 픽셀(20)(도 1 참조)은 복수의 제1 포토다이오드를 이용하여 감지 대상물(1600)로부터 반사되어 돌아오는 펄스 광의 양에 따라 광 전하를 생성할 수 있다. 제1 광전 변환부 어레이(1322)에서는 광원(1200)으로부터 조사된 펄스 광이 감지 대상물(1600)로부터 반사되어 돌아오는 펄스 광의 지연 시간을 측정하고, 상기 펄스 광의 조사 시점과 감지 시점의 차이, 즉 TOF(Time of Flight)로부터 감지 대상물(1600)까지의 거리, 즉 깊이를 산출할 수 있다. 이미지 센서 모듈(1000)에서는 제1 광전 변환부 어레이(1322)에서 산출한 정보들을 이용하여 3 차원 이미지 영상 정보를 얻을 수 있다.
다시 도 18을 참조하면, 제어부(1100)는 광원(1200) 및 이미지 센서(1300)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어부(1100)는 광원(1200)의 광원 제어 신호(LC)와, 이미지 센서(1300)에 포함된 픽셀 어레이를 제어하기 위한 픽셀 어레이 제어 신호(DC)를 생성하여, 광원(1200) 및 이미지 센서(1300)의 동작을 제어할 수 있다.
이미지 센서(1300)는 감지 대상물(1600)로부터 반사된 광(L_rf) 중에서 선택된 파장의 광, 예를 들면 약 810 nm 파장의 광 및 약 940 nm 파장의 광을 듀얼 밴드 패스 필터(1400)를 통해 받아들여 제어부(1100)로부터 수신된 픽셀 어레이 제어 신호(DC)에 따라 전하 신호(Vout)를 출력할 수 있다.
신호 처리부(1500)는 이미지 센서(1300)로부터 수신된 전하 신호(Vout)를 기초로 깊이 정보(DD) 및 홍채 정보(ID)를 출력할 수 있다.
도 21은 도 18을 참조하여 설명한 이미지 센서 모듈(1000)의 예시적인 구현 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 21을 참조하여, 도 13에 예시한 이미지 센서(200)를 포함하는 이미지 센서 모듈(1000A)에 대하여 설명한다.
도 21을 참조하면, 이미지 센서 모듈(1000A)에서, 광원(1200)은 감지 대상물(1600)에 약 810 nm 파장의 제1 광(L1) 및 약 940 nm 파장의 제2 광(L2)을 포함하는 광을 조사할 수 있다. 제1 광(L1) 및 제2 광(L2)은 감지 대상물(1600)로부터 반사되어 듀얼 밴드 패스 필터(1400)를 통해 이미지 센서(200)에 포함된 복수의 마이크로렌즈(270)를 통해 제2 포토다이오드(PD21)에 입사될 수 있다. 제2 포토다이오드(PD21)에서는 약 810 nm 파장의 제1 광(L1)은 흡수하고 약 940 nm 파장의 제2 광(L2)은 통과시킬 수 있다. 제2 센서 픽셀(40)은 제1 광(L1)을 이용하여 감지 대상물(1600)의 홍채 정보를 생성할 수 있다.
제2 포토다이오드(PD21)를 통과한 약 940 nm 파장의 제2 광(L2)은 제1 포토다이오드(PD11)에서 흡수되고, 제1 센서 픽셀(20)은 제2 광(L2)을 이용하여 감지 대상물(1600)의 깊이 정보를 생성할 수 있다.
도 21을 참조하여 이미지 센서 모듈(1000A)에서 제1 센서 픽셀(20)은 약 940 nm 파장의 광으로부터 얻어지는 전기 신호를 이용하여 감지 대상물(1600)의 깊이 정보를 생성하는 깊이 픽셀을 구성하고, 복수의 제2 센서 픽셀(40)은 각각 약 810 nm 파장의 광으로부터 얻어지는 전기 신호를 이용하여 감지 대상물(1600)의 홍채 정보를 생성하는 홍채 센서를 구성할 수 있다.
그러나, 도 21에 예시한 구성은 단지 이해를 돕기 위한 예시에 불과한 것으로서, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형 및 변경이 가능하다. 예를 들면, 도 1 내지 도 11을 참조하여 설명한 이미지 센서(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F)에서, 제1 센서 픽셀(20)을 약 810 nm 파장의 광으로부터 얻어지는 전기 신호를 이용하여 감지 대상물(1600)의 홍채 정보를 생성하도록 형성하고, 제2 센서 픽셀(40)을 약 940 nm 파장의 광으로부터 얻어지는 전기 신호를 이용하여 감지 대상물(1600)의 깊이 정보를 생성하도록 구성할 수도 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
10: 신호 발생 회로부, 12: 제1 신호 발생 회로부, 14: 제2 신호 발생 회로부, 20: 제1 센서 픽셀, 22: 제1 광전 변환부, 40: 제2 센서 픽셀, 42: 제2 광전 변환부, 1200: 광원, 1400: 듀얼 밴드 패스 필터.

Claims (20)

  1. 수평 방향으로 연장하는 기판과,
    상기 기판 상의 제1 레벨에 형성된 제1 신호 발생 회로부와, 상기 제1 신호 발생 회로부에 연결되는 제1 광전 변환부를 포함하고, 제1 파장의 광으로부터 얻어지는 제1 신호로부터 제1 정보를 생성하도록 구성된 제1 센서 픽셀과,
    상기 기판 상의 상기 제1 레벨에 형성된 제2 신호 발생 회로부와, 상기 제2 신호 발생 회로부에 연결되고 상기 제1 광전 변환부와 수직으로 오버랩되도록 배치된 제2 광전 변환부를 포함하고, 제2 파장의 광으로부터 얻어지는 제2 신호로부터 상기 제1 정보와 다른 제2 정보를 생성하도록 구성된 제2 센서 픽셀을 포함하고,
    상기 수평 방향에서 상기 제1 광전 변환부의 제1 점유 면적은 상기 제2 광전 변환부의 제2 점유 면적보다 더 크고,
    상기 제1 센서 픽셀은 약 940 nm 파장의 광으로부터 제1 감지 대상물의 깊이 정보를 생성하도록 구성되고,
    상기 제2 센서 픽셀은 약 810 nm 파장의 광으로부터 제2 감지 대상물의 홍채 정보를 생성하도록 구성되고,
    상기 제2 광전 변환부는 상기 기판을 수직 방향으로 관통하는 관통 전극을 통해 상기 제2 신호 발생 회로부에 연결된 이미지 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 신호 발생 회로부 및 상기 제2 신호 발생 회로부는 각각 상기 기판을 사이에 두고 상기 제2 광전 변환부로부터 이격되어 있는 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광전 변환부는 복수의 제1 포토다이오드를 포함하고, 상기 복수의 제1 포토다이오드는 1 개의 제1 신호 발생 회로부에 연결되어 있는 구조를 가지는 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광전 변환부는 제2 포토다이오드를 포함하고, 상기 제2 포토다이오드는 외부로부터 상기 제2 포토다이오드에 입사되는 광 중 상기 제1 파장의 광은 통과시키고 상기 제2 파장의 광은 흡수하도록 구성된 이미지 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광전 변환부는 유기 막으로 이루어지는 제2 포토다이오드를 포함하는 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광전 변환부는 상기 기판 내에 형성되어 있는 제1 포토다이오드를 포함하는 이미지 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광전 변환부는 양자점(quantum dot) 광 흡수층으로 이루어지는 제1 포토다이오드를 포함하는 이미지 센서.
  10. 제1 피치로 반복 배치되고, 각각 제1 포토다이오드를 포함하는 복수의 제1 센서 픽셀과,
    상기 복수의 제1 센서 픽셀과 수직으로 오버랩되는 위치에서 상기 제1 피치와 다른 제2 피치로 반복 배치되고, 각각 제2 포토다이오드를 포함하는 복수의 제2 센서 픽셀과,
    상기 복수의 제1 센서 픽셀 및 상기 복수의 제2 센서 픽셀에 의해 공유되고, 상기 제1 포토다이오드 및 상기 제2 포토다이오드와 수직으로 오버랩되도록 배치된 신호 발생 회로부를 포함하고,
    상기 복수의 제1 센서 픽셀은 각각 근적외선 영역에서 선택되는 제1 파장의 광을 이용하여 감지 대상물의 깊이 정보를 생성하도록 구성되고,
    상기 복수의 제2 센서 픽셀은 각각 근적외선 영역에서 선택되고 상기 제1 파장보다 더 작은 제2 파장의 광을 이용하여 감지 대상물의 홍채 정보를 생성하도록 구성된 이미지 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 제1 센서 픽셀은 각각 제1 수평 방향에서 제1 폭을 가지는 제1 광전 변환부를 포함하고,
    상기 복수의 제2 센서 픽셀은 각각 상기 제1 수평 방향에서 상기 제1 폭과 다른 제2 폭을 가지는 제2 광전 변환부를 포함하는 이미지 센서.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 포토다이오드는 상기 신호 발생 회로부와 상기 제2 포토다이오드와의 사이에 개재되어 있는 이미지 센서.
  13. 삭제
  14. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 제2 센서 픽셀과 상기 신호 발생 회로부와의 사이에 개재된 기판을 더 포함하고,
    상기 복수의 제1 센서 픽셀 각각에 포함된 제1 포토다이오드는 상기 기판 내에 형성된 불순물 확산 영역으로 이루어지고,
    상기 복수의 제2 센서 픽셀 각각에 포함된 제2 포토다이오드는 상기 기판 위에 형성된 유기 막으로 이루어지는 이미지 센서.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제1 피치는 상기 제2 피치보다 더 크고,
    상기 복수의 제1 센서 픽셀 중에서 선택되는 하나의 제1 센서 픽셀은 복수의 제2 센서 픽셀과 수직으로 오버랩되어 있는 이미지 센서.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 제1 피치는 상기 제2 피치보다 더 작고,
    상기 복수의 제2 센서 픽셀 중에서 선택되는 하나의 제2 센서 픽셀은 복수의 제1 센서 픽셀과 수직으로 오버랩되어 있는 이미지 센서.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 제1 센서 픽셀은 각각 하나의 제1 신호 발생 회로부와, 상기 제1 신호 발생 회로부에 연결된 복수의 제1 포토다이오드를 포함하는 이미지 센서.
  18. 제10항에 따른 이미지 센서와,
    감지 대상물에 광을 조사하기 위한 광원과,
    상기 감지 대상물로부터 반사되는 광 중 근적외선 영역에서 선택되는 제1 파장의 광 및 제2 파장의 광을 선택적으로 통과시키는 듀얼 밴드 패스 필터(dual band pass filter)를 포함하고,
    상기 이미지 센서에서 상기 제1 포토다이오드보다 상기 제2 포토다이오드가 상기 듀얼 밴드 패스 필터에 더 가까이 배치되고, 상기 제2 포토다이오드는 상기 제1 파장의 광 및 상기 제2 파장의 광 중에서 선택되는 하나의 광은 흡수하고 선택되지 않은 다른 하나의 광은 통과시키도록 구성된 유기 포토다이오드로 이루어지는 이미지 센서 모듈.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 이미지 센서에서, 상기 복수의 제1 센서 픽셀은 각각 940 nm 파장의 광으로부터 얻어지는 전기 신호를 이용하여 깊이 정보를 생성하기 위한 깊이 픽셀이고, 상기 복수의 제2 센서 픽셀은 각각 810 nm 파장의 광으로부터 얻어지는 전기 신호를 이용하여 홍채 정보를 생성하기 위한 홍채 픽셀인 이미지 센서 모듈.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 이미지 센서에서, 상기 복수의 제1 센서 픽셀은 각각 810 nm 파장의 광으로부터 얻어지는 전기 신호를 이용하여 홍채 정보를 생성하기 위한 홍채 픽셀이고, 상기 복수의 제2 센서 픽셀은 각각 940 nm 파장의 광으로부터 얻어지는 전기 신호를 이용하여 깊이 정보를 생성하기 위한 깊이 픽셀인 이미지 센서 모듈.
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