KR102549621B1 - 반도체 장치 - Google Patents

반도체 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102549621B1
KR102549621B1 KR1020160113000A KR20160113000A KR102549621B1 KR 102549621 B1 KR102549621 B1 KR 102549621B1 KR 1020160113000 A KR1020160113000 A KR 1020160113000A KR 20160113000 A KR20160113000 A KR 20160113000A KR 102549621 B1 KR102549621 B1 KR 102549621B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
color
sensor
photodiode
light
node
Prior art date
Application number
KR1020160113000A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180026067A (ko
Inventor
진영구
권두원
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020160113000A priority Critical patent/KR102549621B1/ko
Priority to US15/450,451 priority patent/US10283554B2/en
Priority to CN201710780809.4A priority patent/CN107799540A/zh
Priority to CN201910171116.4A priority patent/CN109994496B/zh
Publication of KR20180026067A publication Critical patent/KR20180026067A/ko
Priority to US16/284,319 priority patent/US10707261B2/en
Priority to US16/284,361 priority patent/US10840292B2/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102549621B1 publication Critical patent/KR102549621B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14645—Colour imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14645—Colour imagers
    • H01L27/14647—Multicolour imagers having a stacked pixel-element structure, e.g. npn, npnpn or MQW elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14621—Colour filter arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627—Microlenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14634—Assemblies, i.e. Hybrid structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14636—Interconnect structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1464—Back illuminated imager structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14649—Infrared imagers
    • H01L27/1465—Infrared imagers of the hybrid type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14649—Infrared imagers
    • H01L27/14652—Multispectral infrared imagers, having a stacked pixel-element structure, e.g. npn, npnpn or MQW structures
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/10—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/10—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths
    • H04N23/11—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths for generating image signals from visible and infrared light wavelengths
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/20—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof for transforming only infrared radiation into image signals
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/30—Transforming light or analogous information into electric information
    • H04N5/33—Transforming infrared radiation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

반도체 장치가 제공된다. 반도체 장치는, 광을 집속하는 렌즈; 상기 렌즈에 의해 집속된 광에서 IR(Infra Red) 대역의 광을 감지하여 제1 전기 신호로 변환하는 IR 포토 다이오드와, 상기 제1 전기 신호가 인가되는 제1 노드를 포함하는 제1 센서; 및 상기 렌즈에 의해 집속된 광에서 컬러 대역의 광을 감지하여 제2 전기 신호로 변환하는 컬러 포토 다이오드와, 상기 제2 전기 신호가 인가되는 제2 노드를 포함하는 제2 센서를 포함하고, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드는 중간 접속부를 통해 전기적으로 서로 연결되고, 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서는 상기 중간 접속부를 통해 전기적으로 연결된 픽셀 회로를 공유한다.

Description

반도체 장치{SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 이미지 센싱 이용할 수 있는 반도체 장치에 관한 것이다.
디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라, 스마트폰, 포터블 컴퓨터 등에 사용되는 이미지 센서는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서, CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서 등을 포함한다. 이미지 센서(예컨대, 화소)는 화소 어레이 및 그 주변 회로를 포함하는 센싱 회로, 이미지 센서를 구동하는 로직 회로, 이미지 센싱 데이터를 저장하는 메모리 회로 등을 구비할 수 있다.
컬러 대역의 이미지와 IR(Infra Red) 대역의 이미지를 동시에 센싱할 수 있는 센싱 회로의 경우, IR 센싱 회로의 면적을 확보함과 동시에 센싱된 전기 신호를 처리하기 위한 픽셀 회로(pixel circuit)의 공간을 확보할 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 컬러 대역의 이미지와 IR(Infra Red) 대역의 이미지를 동시에 센싱하기 위한 이미지 센서의 사이즈를 감소시킬 수 있는 반도체 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치는, 광을 집속하는 렌즈; 상기 렌즈에 의해 집속된 광에서 IR(Infra Red) 대역의 광을 감지하여 제1 전기 신호로 변환하는 IR 포토 다이오드와, 상기 제1 전기 신호가 인가되는 제1 노드를 포함하는 제1 센서; 및 상기 렌즈에 의해 집속된 광에서 컬러 대역의 광을 감지하여 제2 전기 신호로 변환하는 컬러 포토 다이오드와, 상기 제2 전기 신호가 인가되는 제2 노드를 포함하는 제2 센서를 포함하고, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드는 중간 접속부를 통해 전기적으로 서로 연결되고, 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서는 상기 중간 접속부를 통해 전기적으로 연결된 픽셀 회로를 공유한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 장치는, 광을 집속하는 렌즈; 상기 렌즈에 의해 집속된 광에서 IR(Infra Red) 대역의 광을 감지하여 제1 전기 신호로 출력하는 제1 센서; 상기 렌즈에 의해 집속된 광에서 컬러 대역의 광을 감지하여 제2 전기 신호로 출력하는 제2 센서; 및 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서에 의해 공유되는 픽셀 회로를 포함하고, 상기 제1 센서, 상기 제2 센서 및 상기 픽셀 회로는 금속 접합부를 통해 전기적으로 연결된다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치는, 광을 집속하는 렌즈; 상기 렌즈에 의해 집속된 광에서 제1 컬러 대역의 광을 감지하여 제1 전기 신호로 출력하는 제1 센서; 상기 렌즈에 의해 집속된 광에서 제1 컬러 대역과 다른 제2 컬러 대역의 광을 감지하여 제2 전기 신호로 출력하는 제2 센서; 및 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서에 의해 공유되는 픽셀 회로를 포함하고, 상기 제1 센서, 상기 제2 센서 및 상기 픽셀 회로는 금속 접합부를 통해 전기적으로 연결된다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 도 2의 반도체 장치에 대한 A-A 단면을 나타낸 도면이다.
도 4는 픽셀 회로의 일례를 설명하기 위한 회로도이다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5b는 도 5a의 반도체 장치에 대한 B-B 단면을 나타낸 도면이다.
도 6a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6b는 도 6a의 반도체 장치에 대한 B-B 단면을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 도 7의 반도체 장치에 대한 C-C 단면을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 도 9의 반도체 장치에 대한 D-D 단면을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치(1)는 IR 센서(110), 컬러 센서(120), 중간 접속부(200) 및 픽셀 회로(300)을 포함할 수 있다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 반도체 장치(1)는 이미지 센서일 수 있다.
IR 센서(110)는, 예컨대 이미지 센서에 구비된 렌즈를 통해 집속된 광에서 IR(Infra Red) 대역의 광을 센싱한다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 렌즈는 마이크로렌즈를 포함할 수 있다.
구체적으로, IR 센서(110)는 하나 이상의 IR 포토 다이오드와, 플로팅 디퓨전 노드(floating diffusion, FD) 노드를 포함하고, 하나 이상의 IR 포토 다이오드는 렌즈를 통해 집속되는 광에서 IR 대역의 광을 감시하여 이를 전기 신호로 변환한다. 변환된 전기 신호는 FD 노드에 인가되고, 후술할 픽셀 회로에 전달되어 이미지 센싱 데이터로서 출력된다.
컬러 센서(120)는, 예컨대 이미지 센서에 구비된 렌즈를 통해 집속된 광에서 컬러 대역의 광을 센싱한다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 컬러 대역은 광은, 예를 들어 Red, Green, Blue 대역을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 몇몇의 실시예에서, 컬럭 대역은 흑백 대역을 포함할 수도 있다.
컬러 센서(120)는 하나 이상의 컬러 포토 다이오드와, 플로팅 디퓨전 노드(FD) 노드를 포함하고, 하나 이상의 컬러 포토 다이오드는 렌즈를 통해 집속되는 광에서 컬러 대역의 광을 감시하여 이를 전기 신호로 변환한다. 변환된 전기 신호는 FD 노드에 인가되고, 후술할 픽셀 회로에 전달되어 이미지 센싱 데이터로서 출력된다.
컬러 포토 다이오드가 원하는 대역의 컬러를 전기 신호로 변환하기 위해, 반도체 장치(1)는 컬러 센서(120)와 렌즈 사이에 컬러 필터를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 컬러 필터는 Bayer, RGB, RWB, RGBW, White 등의 컬러 필터를 포함할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.
IR 센서(110)의 IR 포토 다이오드에 의해 변환된 전기 신호와, 컬러 센서(120)의 컬러 포토 다이오드에 의해 변환된 전기 신호는 중간 접속부(200)를 통해 픽셀 회로(300)에 전달된다.
픽셀 회로(300)는 중간 접속부(200)를 통해 전달받은 전기 신호를 이미지 센싱 데이터로서 출력한다. 도 1에서 픽셀 회로(300)는 반도체 장치(1)에 포함되는 것으로 도시되었으나, 구현 목적에 따라 픽셀 회로(300)는 반도체 장치(1)의 외부에 배치될 수도 있다.
컬러 대역의 이미지와 IR 대역의 이미지를 동시에 센싱할 수 있는 센싱 회로의 경우, IR 센싱 회로의 면적을 확보함과 동시에 센싱된 전기 신호를 처리하기 위한 픽셀 회로(300)의 공간을 확보할 필요가 있다.
후술할 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, IR 센서(110)와 컬러 센서(120)는 서로 수직으로 적층되어 형성된다. 즉, IR 센서(110)와 컬러 센서(120)는 독립적인 레이어로 형성이 되기 때문에, IR 센서와 컬러 센서를 단일 레이어로 형성하는 경우보다 IR 센서(110), 즉 IR 센싱 회로의 면적을 더 확보할 수 있다. 이에 따라 IR 센싱의 품질을 향상시킬 수 있다.
더불어 IR 센서(110) 및 컬러 센서(120)는 중간 접속부(200)를 통해 픽셀 회로(300)를 공유한다. 따라서 반도체 장치(1)의 사이즈를 감소시킬 수도 있고, 반도체 장치(1)에 픽셀 회로(300)를 내장하기 위한 공간을 충분히 확보할 수 있다.
이하에서는 이와 같은 유리한 효과를 갖는 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치(2)는 IR 센서(110), 컬러 센서(120) 및 중간 접속부(200)를 포함한다.
IR 센서(110)는 앞서 설명한 바와 같이, IR 포토 다이오드를 통해 IR 대역의 광으로부터 변환된 전기 신호가 인가되는 FD 노드(201)를 포함한다.
컬러 센서(120)는 앞서 설명한 바와 같이, 컬러 포토 다이오드를 통해 컬러 대역의 광으로부터 변환된 전기 신호가 인가되는 FD 노드(202)를 포함한다.
FD 노드(201)와 FD 노드(202)는 중간 접속부(200)를 통해 전기적으로 서로 연결된다.
도 2에서, 컬러 센서(120)는 4 개의 픽셀을 가지고, IR 센서(110)는 4 개의 픽셀을 갖는 것으로 도시되었다. 본 실시예는, 컬러 센서(120)와 IR 센서(110)의 해상도(resolution)가 동일한 경우에 해당한다.
또한, 도 2에서 컬러 센서(120)의 4 개의 픽셀은 각각 1 개의 컬러 포토 다이오드를 포함한다. 그런데 본 실시예에서, 컬러 센서(120)의 각각의 픽셀은 후술할 컬러 필터의 1 개 픽셀에 대응한다. 다르게 말하면, 컬러 센서(120)의 각각의 픽셀은 후술할 1 개 렌즈에 대응한다. 이와 같은 컬러 센서(120)를 편의상 1PD 타입 컬러 센서로 지칭하도록 한다.
이와 유사하게, 도 2에서 IR 센서(110)의 4 개의 픽셀은 각각 1 개의 IR 포토 다이오드를 포함한다. 그런데 본 실시예에서, IR 센서(110)의 각각의 픽셀은 후술할 컬러 필터의 1 개 픽셀에 대응한다. 다르게 말하면, IR 센서(110)의 각각의 픽셀은 후술할 1 개 렌즈에 대응한다. 이와 같은 IR 센서(110)를 편의상 1PD 타입 IR 센서로 지칭하도록 한다.
도 3은 도 2의 반도체 장치에 대한 A-A 단면을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 도 2의 반도체 장치(2)는 IR 센서(110), 배선층(210, 220), 컬러 센서(120), 절연층(130), 컬러 필터(140a, 140b) 및 렌즈(150a, 150b)를 포함한다.
본 실시예에서, IR 센서(110)는 1PD 타입으로 구현된 IR 센서이다.
구체적으로, IR 센서(110)는 제1 IR 포토 다이오드(IR PD1) 및 제2 IR 포토 다이오드(IR PD2)를 포함하고, 제1 IR 포토 다이오드(IR PD1)는 컬러 필터(140a)에 대응하고, 제2 IR 포토 다이오드(IR PD2)는 컬러 필터(140b)에 대응한다. 다르게 말해서, 제1 IR 포토 다이오드(IR PD1)는 렌즈(150a)에 대응하고, 제2 IR 포토 다이오드(IR PD2)는 렌즈(150b)에 대응한다.
또한, IR 센서(110)는 제1 및 제2 IR 포토 다이오드(IR PD1, IR PD2)를 통해 IR 대역의 광으로부터 변환된 전기 신호가 인가되는 FD 노드(201)를 포함한다.
한편, 컬러 센서(120)는 1PD 타입으로 구현된 컬러 센서이다.
구체적으로, 컬러 센서(120)는 제1 컬러 포토 다이오드(PD1) 및 제2 컬러 포토 다이오드(PD2)를 포함하고, 제1 컬러 포토 다이오드(PD1)는 컬러 필터(140a)에 대응하고, 제2 컬러 포토 다이오드(PD2)는 컬러 필터(140b)에 대응한다. 다르게 말해서, 제1 컬러 포토 다이오드(PD1)는 렌즈(150a)에 대응하고, 제2 컬러 포토 다이오드(PD2)는 렌즈(150b)에 대응한다.
또한, 컬러 센서(120)는 제1 및 제2 컬러 포토 다이오드(PD1, PD2)를 통해 컬러 대역의 광으로부터 변환된 전기 신호가 인가되는 FD 노드(202)를 포함한다.
본 발명의 몇몇의 실시예에서, 제1 IR 포토 다이오드(IR PD1)는 제1 컬러 포토 다이오드(PD1)의 하부에 배치되고, 제2 IR 포토 다이오드(IR PD2)는 제2 컬러 포토 다이오드(PD2)의 하부에 배치될 수 있다.
도 2의 중간 접속부(200)를 구체적으로 살펴보면, 중간 접속부(200)는 도전성 연결부(203, 204)와 금속 접합부(205, 206)를 포함한다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 금속 접합부(205, 206)는 Cu-Cu 접합으로 형성될 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.
금속 접합부(205, 206) 주변에는 절연 물질을 포함하는 층(215, 225)이 형성되고, 도전성 연결부(203, 204) 주변에는 절연 물질을 포함하는 층(223)이 형성된다. 층(223)은 필요에 따라 트랜스미션 게이트(217, 227)를 포함할 수 있다.
FD 노드(201)와 FD 노드(202)는 도전성 연결부(203), 금속 접합부(205), 금속 접합부(206) 및 도전성 연결부(204)를 통해 전기적으로 서로 연결된다. 그리고 도전성 연결부(203, 204) 중 어느 하나와 픽셀 회로(300) 사이에도 도전성 연결(310)이 형성된다.
IR 센서(110)와 컬러 센서(120)는 수직적으로 적층된 독립적인 레이어로 형성이 되기 때문에, IR 센서와 컬러 센서를 단일 레이어로 형성하는 경우보다 IR 센서(110), 즉 IR 센싱 회로의 면적을 더 확보할 수 있다. 이에 따라 IR 센싱의 품질을 향상시킬 수 있다. 더불어 IR 센서(110) 및 컬러 센서(120)는 도전성 연결부(203), 금속 접합부(205), 금속 접합부(206) 및 도전성 연결부(204)를 포함하는 중간 접속부(200)를 통해 픽셀 회로(300)를 공유한다. 따라서 반도체 장치(2)의 사이즈를 감소시킬 수도 있고, 반도체 장치(2)에 픽셀 회로(300)를 내장하기 위한 공간을 충분히 확보할 수 있다.
도 4는 픽셀 회로의 일례를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4를 참조하면, 픽셀 회로(300)는 리셋 트랜지스터(TR1), 추적 트랜지스터(TR2) 및 선택 트랜지스터(TR3)를 포함할 수 있다.
도 3에서 설명한, 트랜스미션 게이트(217, 227)는 제1 및 제2 IR 포토 다이오드(IR PD1, IR PD2)와 제1 및 제2 컬러 포토 다이오드(PD1, PD2) 각각의 출력을 선택하여 전달하고, 상기 출력은 도전성 연결부(203, 204) 중 어느 하나와 픽셀 회로(300) 사이에 형성된 도전성 연결(310)을 통해 픽셀 회로(300)로 전달된다.
추적 트랜지스터(TR2)는 게이트에 인가되는 전기 신호에 따라, 광전 변환된 전기 신호를 드레인을 통해 출력(Vout)한다. 선택 트랜지스터(TR3)는 출력을 온/오프하기 위한 것이고, 리셋 트랜지스터(TR1)는 픽셀 회로(300)를 리셋하기 위한 것이다.
그러나 주목할 것은, 본 실시예에서 설명한 회로 구성은 픽셀 회로(300)를 구현하기 위한 일례에 불과할 뿐이며, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5a를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 장치(3)는 IR 센서(110), 컬러 센서(120) 및 중간 접속부(200)를 포함한다.
도 2에 도시된 실시예와 다른 점은, 도 2에서 컬러 센서(120)는 4 개의 픽셀을 가지고 IR 센서(110)는 4 개의 픽셀을 가졌으나, 도 5에서 컬러 센서(120)는 4 개의 픽셀을 가지고 IR 센서(110)는 1 개의 픽셀을 가진다는 점이다. 즉, 본 실시예는, 컬러 센서(120)와 IR 센서(110)의 해상도가 다른 경우에 해당한다.
도 5b는 도 5a의 반도체 장치에 대한 B-B 단면을 나타낸 도면이다.
도 5b를 참조하면, 도 5a의 반도체 장치(3)는 IR 센서(110), 배선층(210, 220), 컬러 센서(120), 절연층(130), 컬러 필터(140a, 140b) 및 렌즈(150a, 150b)를 포함한다.
본 실시예에서, 컬러 센서(120)는 1PD 타입으로 구현된 컬러 센서이다.
구체적으로, 컬러 센서(120)는 제1 컬러 포토 다이오드(PD1) 및 제2 컬러 포토 다이오드(PD2)를 포함하고, 제1 컬러 포토 다이오드(PD1)는 컬러 필터(140a)에 대응하고, 제2 컬러 포토 다이오드(PD2)는 컬러 필터(140b)에 대응한다. 다르게 말해서, 제1 컬러 포토 다이오드(PD1)는 렌즈(150a)에 대응하고, 제2 컬러 포토 다이오드(PD2)는 렌즈(150b)에 대응한다.
본 실시예에서, IR 센서(110)는 단일의 IR 포토 다이오드(IR PD)를 포함한다. 단일의 IR 포토 다이오드(IR PD)는 제1 컬러 포토 다이오드(PD1) 및 제2 컬러 포토 다이오드(PD2)의 하부에 수평 방향으로 연장되도록 배치될 수 있다. 그리고 단일의 IR 포토 다이오드(IR PD)는 렌즈(150a) 및 렌즈(150b)에 모두 대응한다.
도 5a의 중간 접속부(200)를 구체적으로 살펴보면, 도 2 및 도 3에서 설명한 바와 같이, 중간 접속부(200)는 도전성 연결부(203, 204)와 금속 접합부(205, 206)를 포함한다. 금속 접합부(205, 206) 주변에는 절연 물질을 포함하는 층(215, 225)이 형성되고, 도전성 연결부(203, 204) 주변에는 절연 물질을 포함하는 층(223)이 형성된다. 층(223)은 필요에 따라 트랜스미션 게이트(217, 227)를 포함할 수 있다.
FD 노드(201)와 FD 노드(202)는 도전성 연결부(203), 금속 접합부(205), 금속 접합부(206) 및 도전성 연결부(204)를 통해 전기적으로 서로 연결된다. 그리고 도전성 연결부(203, 204) 중 어느 하나와 픽셀 회로(300) 사이에도 도전성 연결(310)이 형성된다.
IR 센서(110)와 컬러 센서(120)는 수직적으로 적층된 독립적인 레이어로 형성이 되기 때문에, IR 센서와 컬러 센서를 단일 레이어로 형성하는 경우보다 IR 센서(110), 즉 IR 센싱 회로의 면적을 더 확보할 수 있다. 이에 따라 IR 센싱의 품질을 향상시킬 수 있다. 더불어 IR 센서(110) 및 컬러 센서(120)는 도전성 연결부(203), 금속 접합부(205), 금속 접합부(206) 및 도전성 연결부(204)를 포함하는 중간 접속부(200)를 통해 픽셀 회로(300)를 공유한다. 따라서 반도체 장치(3)의 사이즈를 감소시킬 수도 있고, 반도체 장치(3)에 픽셀 회로(300)를 내장하기 위한 공간을 충분히 확보할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 개념도이고, 도 6b는 도 6a의 반도체 장치에 대한 B'-B' 단면을 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b를 함께 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치(3')는 도 5a와 마찬가지로 IR 센서(110), 컬러 센서(120) 및 중간 접속부(200)를 포함하고, 컬러 센서(120)와 IR 센서(110)의 해상도가 다른 경우에 해당한다.
그러나 도 5a의 실시예와 다른 점은, 중간 접속부(200)와 접속되는 FD 노드(201)가 IR 센서(110)의 중간 영역에 위치하지 않고, 도 6a와 같이 IR 센서(110)모서리 영역에 위치할 수도 있다는 점이다.
이 경우, IR 센서(110)는 단일의 IR 포토 다이오드(IR PD)를 포함한다. 단일의 IR 포토 다이오드(IR PD)는 제2 컬러 포토 다이오드(PD2)의 하부에 수평 방향으로 연장되도록 배치될 수 있다. 그리고 단일의 IR 포토 다이오드(IR PD)는 렌즈(150b)에 대응할 수 있다.IR 센서(110)와 컬러 센서(120)는 수직적으로 적층된 독립적인 레이어로 형성이 되기 때문에, IR 센서와 컬러 센서를 단일 레이어로 형성하는 경우보다 IR 센서(110), 즉 IR 센싱 회로의 면적을 더 확보할 수 있다. 이에 따라 IR 센싱의 품질을 향상시킬 수 있다. 더불어 IR 센서(110) 및 컬러 센서(120)는 도전성 연결부(203), 금속 접합부(205), 금속 접합부(206) 및 도전성 연결부(204)를 포함하는 중간 접속부(200)를 통해 픽셀 회로(300)를 공유한다. 따라서 반도체 장치(3')의 사이즈를 감소시킬 수도 있고, 반도체 장치(3')에 픽셀 회로(300)를 내장하기 위한 공간을 충분히 확보할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치(4)는 IR 센서(110), 컬러 센서(120) 및 중간 접속부(200a, 200b)를 포함한다.
IR 센서(110)는 앞서 설명한 바와 같이, IR 포토 다이오드를 통해 IR 대역의 광으로부터 변환된 전기 신호가 인가되는 FD 노드(201a, 201b)를 포함한다.
컬러 센서(120)는 앞서 설명한 바와 같이, 컬러 포토 다이오드를 통해 컬러 대역의 광으로부터 변환된 전기 신호가 인가되는 FD 노드(202a, 202b)를 포함한다.
FD 노드(201a, 201b)와 FD 노드(202a, 202b)는 각각 중간 접속부(200a, 200b)를 통해 전기적으로 서로 연결된다.
도 7에서, 컬러 센서(120)는 8 개의 픽셀을 가지고, IR 센서(110)는 4 개의 픽셀을 갖는 것으로 도시되었다. 본 실시예는, 컬러 센서(120)와 IR 센서(110)의 해상도가 다른 경우에 해당한다.
또한, 도 7에서 컬러 센서(120)의 8 개의 픽셀은 각각 1 개의 컬러 포토 다이오드를 포함한다. 그런데 본 실시예에서, 컬러 센서(120)의 각각의 픽셀은 후술할 컬러 필터의 1 개 픽셀에 2 개씩 대응한다. 다르게 말하면, 컬러 센서(120)의 각각의 픽셀은 후술할 1 개 렌즈에 2 개씩 대응한다. 이와 같은 컬러 센서(120)를 편의상 2PD 타입 컬러 센서로 지칭하도록 한다.
한편, 도 7에서 IR 센서(110)는 IR 센서(110)의 각각의 픽셀은 후술할 1 개 렌즈에 대응하는 1PD 타입 IR 센서에 해당한다.
도 8은 도 7의 반도체 장치에 대한 C-C 단면을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 도 7의 반도체 장치(4)는 IR 센서(110), 배선층(210, 220), 컬러 센서(120), 절연층(130), 컬러 필터(140) 및 렌즈(150)를 포함한다.
본 실시예에서, 컬러 센서(120)는 2PD 타입으로 구현된 컬러 센서이다.
구체적으로, 컬러 센서(120)는 제1 컬러 포토 다이오드(PD1) 및 제2 컬러 포토 다이오드(PD2)를 포함하고, 제1 컬러 포토 다이오드(PD1) 및 제2 컬러 포토 다이오드(PD2)는 모두 컬러 필터(140)에 대응한다. 다르게 말해서, 제1 컬러 포토 다이오드(PD1) 및 제2 컬러 포토 다이오드(PD2)는 모두 렌즈(150)에 대응한다.
본 실시예에서, IR 센서(110)는 단일의 IR 포토 다이오드(IR PD)를 포함한다. 단일의 IR 포토 다이오드(IR PD)는 제1 컬러 포토 다이오드(PD1) 및 제2 컬러 포토 다이오드(IR PD2)의 하부에 수평 방향으로 연장되도록 배치될 수 있다. 그리고 단일의 IR 포토 다이오드(IR PD)는 렌즈(150)에 대응한다.
도 7의 중간 접속부(200)를 구체적으로 살펴보면, 도 2 및 도 3에서 설명한 바와 같이, 중간 접속부(200)는 도전성 연결부(203, 204)와 금속 접합부(205, 206)를 포함한다. 금속 접합부(205, 206) 주변에는 절연 물질을 포함하는 층(215, 225)이 형성되고, 도전성 연결부(203, 204) 주변에는 절연 물질을 포함하는 층(223)이 형성된다. 층(223)은 필요에 따라 트랜스미션 게이트(217, 227)를 포함할 수 있다.
FD 노드(201)와 FD 노드(202)는 도전성 연결부(203), 금속 접합부(205), 금속 접합부(206) 및 도전성 연결부(204)를 통해 전기적으로 서로 연결된다. 그리고 도전성 연결부(203, 204) 중 어느 하나와 픽셀 회로(300) 사이에도 도전성 연결(310)이 형성된다.
IR 센서(110)와 컬러 센서(120)는 수직적으로 적층된 독립적인 레이어로 형성이 되기 때문에, IR 센서와 컬러 센서를 단일 레이어로 형성하는 경우보다 IR 센서(110), 즉 IR 센싱 회로의 면적을 더 확보할 수 있다. 이에 따라 IR 센싱의 품질을 향상시킬 수 있다. 더불어 IR 센서(110) 및 컬러 센서(120)는 도전성 연결부(203), 금속 접합부(205), 금속 접합부(206) 및 도전성 연결부(204)를 포함하는 중간 접속부(200)를 통해 픽셀 회로(300)를 공유한다. 따라서 반도체 장치(4)의 사이즈를 감소시킬 수도 있고, 반도체 장치(4)에 픽셀 회로(300)를 내장하기 위한 공간을 충분히 확보할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 개념도이고, 도 10은 도 9의 반도체 장치에 대한 D-D 단면을 나타낸 도면이다.
본 실시예가 도 7 및 도 8과 다른 점은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치(5)는 IR 센서(110), 컬러 센서(120) 및 중간 접속부(200a 내지 200d)를 포함하는데, 이전 실시예에서는 중간 접속부(200a 내지 200d)가 컬러 센서(120)의 4개의 픽셀의 교차 점을 중심으로 형성되었다면, 본 실시예에서는 컬러 센서(120)의 2개의 픽셀의 교차 변의 중심에 형성되었다는 점이다. 이에 따라 도 10의 단면에는 제1 컬러 포토 다이오드(PD1), 제2 컬러 포토 다이오드(PD2) 및 단일의 IR 포토 다이오드(IR PD)의 단면이 나타나게 된다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치는 렌즈(150), IR 센서(110), 컬러 센서(120) 및 픽셀 회로(320)를 포함한다.
즉, 앞선 실시예들과 다른 점은, IR 센서(110)와 컬러 센서(120)에 의해 공유되는 픽셀 회로(320)가, IR 센서(110) 및 컬러 센서(120)와 함께 수직으로 적층되어 형성된다는 점이다.
특히 주목할 점은, IR 센서(110), 컬러 센서(120) 및 픽셀 회로(320)는 금속 접합부를 통해 전기적으로 연결된다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 금속 접합부는 Cu-Cu 접합으로 형성될 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 컬러 센서(120)와 IR 센서(110)는 금속 접합부(424, 114)를 통해 전기적으로 연결된다. 이 때, 금속 접합부(424)는 도전성 연결부(422a 내지 422c)를 통해 FD 노드(122)까지 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 금속 접합부(114)는 도전성 연결부(116, 412b, 412a)를 통해 FD 노드(112)까지 연결될 수 있다.
한편, IR 센서(110)와 픽셀 회로(320)는 금속 접합부(414, 334)를 통해 전기적으로 연결된다. 이 때, 금속 접합부(414)는 도전성 연결부(412a 내지 412c)를 통해 FD 노드(112)까지 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 금속 접합부(334)는 도전성 연결부(332)를 통해 FD 노드(322)까지 연결될 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치는 렌즈(150), 제1 컬러 센서(160), 제2 컬러 센서(170), 제3 컬러 센서(180) 및 픽셀 회로(320)를 포함한다.
즉, 앞선 실시예들과 다른 점은, 컬러 센서가 서로 적층되어 형성된 복수의 컬러 센서(160, 170, 180)를 포함한다는 점이다. 본 실시예에서는 컬러 센서의 개수를 3개로 도시하였으나, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.
특히 주목할 점은, 제1 컬러 센서(160), 제2 컬러 센서(170), 제3 컬러 센서(180) 및 픽셀 회로(320)는 금속 접합부를 통해 전기적으로 연결된다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 금속 접합부는 Cu-Cu 접합으로 형성될 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 제3 컬러 센서(180)와 제2 컬러 센서(170)는 금속 접합부(484, 174)를 통해 전기적으로 연결된다. 이 때, 금속 접합부(484)는 도전성 연결부(482a 내지 482c)를 통해 FD 노드(182)까지 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 금속 접합부(174)는 도전성 연결부(176, 472b, 472a)를 통해 FD 노드(172)까지 연결될 수 있다.
한편, 제2 컬러 센서(170)와 제1 컬러 센서(160)는 금속 접합부(474, 164)를 통해 전기적으로 연결된다. 이 때, 금속 접합부(474)는 도전성 연결부(472a 내지 472c)를 통해 FD 노드(172)까지 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 금속 접합부(164)는 도전성 연결부(166, 462b, 462a)를 통해 FD 노드(162)까지 연결될 수 있다.
한편, 제1 컬러 센서(160)와 픽셀 회로(320)는 금속 접합부(464, 334)를 통해 전기적으로 연결된다. 이 때, 금속 접합부(464)는 도전성 연결부(462a 내지 462c)를 통해 FD 노드(162)까지 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 금속 접합부(334)는 도전성 연결부(332)를 통해 FD 노드(322)까지 연결될 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치는 렌즈(150), IR 센서(110), 제1 컬러 센서(160), 제2 컬러 센서(170), 제3 컬러 센서(180) 및 픽셀 회로(320)를 포함한다.
즉, 앞선 실시예들과 다른 점은, IR 센서(110)와 제1 내지 제3 컬러 센서(160, 170, 180)에 의해 공유되는 픽셀 회로(320)가, IR 센서(110) 및 제1 내지 제3 컬러 센서(160, 170, 180)와 함께 수직으로 적층되어 형성된다는 점이다.
특히 주목할 점은, IR 센서(110), 제1 컬러 센서(160), 제2 컬러 센서(170), 제3 컬러 센서(180) 및 픽셀 회로(320)는 금속 접합부를 통해 전기적으로 연결된다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 금속 접합부는 Cu-Cu 접합으로 형성될 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 제3 컬러 센서(180)와 제2 컬러 센서(170)는 금속 접합부(484, 174)를 통해 전기적으로 연결된다. 이 때, 금속 접합부(484)는 도전성 연결부(482a 내지 482c)를 통해 FD 노드(182)까지 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 금속 접합부(174)는 도전성 연결부(176, 472b, 472a)를 통해 FD 노드(172)까지 연결될 수 있다.
한편, 제2 컬러 센서(170)와 제1 컬러 센서(160)는 금속 접합부(474, 164)를 통해 전기적으로 연결된다. 이 때, 금속 접합부(474)는 도전성 연결부(472a 내지 472c)를 통해 FD 노드(172)까지 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 금속 접합부(164)는 도전성 연결부(166, 462b, 462a)를 통해 FD 노드(162)까지 연결될 수 있다.
한편, 제1 컬러 센서(160)와 IR 센서(110)는 금속 접합부(464, 114)를 통해 전기적으로 연결된다. 이 때, 금속 접합부(464)는 도전성 연결부(462a 내지 462c)를 통해 FD 노드(162)까지 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 금속 접합부(114)는 도전성 연결부(116, 412b, 412a)를 통해 FD 노드(112)까지 연결될 수 있다.
한편, IR 센서(110)와 픽셀 회로(320)는 금속 접합부(414, 334)를 통해 전기적으로 연결된다. 이 때, 금속 접합부(414)는 도전성 연결부(412a 내지 412c)를 통해 FD 노드(112)까지 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 금속 접합부(334)는 도전성 연결부(332)를 통해 FD 노드(322)까지 연결될 수 있다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치는 렌즈(150), IR 센서(110), 제1 컬러 센서(160), 제2 컬러 센서(170) 및 제3 컬러 센서(180)를 포함하고, 픽셀 회로(320)는 반도체 장치 외부에 구현된다.
특히 주목할 점은, IR 센서(110), 제1 컬러 센서(160), 제2 컬러 센서(170) 및 제3 컬러 센서(180)는 금속 접합부를 통해 전기적으로 연결된다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 금속 접합부는 Cu-Cu 접합으로 형성될 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 제3 컬러 센서(180)와 제2 컬러 센서(170)는 금속 접합부(484, 174)를 통해 전기적으로 연결된다. 이 때, 금속 접합부(484)는 도전성 연결부(482a 내지 482c)를 통해 FD 노드(182)까지 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 금속 접합부(174)는 도전성 연결부(176, 472b, 472a)를 통해 FD 노드(172)까지 연결될 수 있다.
한편, 제2 컬러 센서(170)와 제1 컬러 센서(160)는 금속 접합부(474, 164)를 통해 전기적으로 연결된다. 이 때, 금속 접합부(474)는 도전성 연결부(472a 내지 472c)를 통해 FD 노드(172)까지 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 금속 접합부(164)는 도전성 연결부(166, 462b, 462a)를 통해 FD 노드(162)까지 연결될 수 있다.
한편, 제1 컬러 센서(160)와 IR 센서(110)는 금속 접합부(464, 414)를 통해 전기적으로 연결된다. 이 때, 금속 접합부(464)는 도전성 연결부(462a 내지 462c)를 통해 FD 노드(162)까지 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 금속 접합부(414)는 도전성 연결부(412)를 통해 FD 노드(112)까지 연결될 수 있다.
지금까지 설명한 도 11 내지 도 14의 실시예에서, IR 센서와 컬러 센서들은 구현 목적에 따라 1PD 타입으로 구현될 수도 있고, 2PD 타입으로 구현될 수도 있다.
또한 지금까지 설명한 다양한 실시예에서, 반도체 장치는 로직 회로, 메모리 회로 등을 더 포함할 수 있다. 로직 회로는 센싱 회로를 비롯한 이미지 센서의 동작을 제어하거나 외부와의 통신을 제어하는 회로들을 포함한다. 메모리 회로는 이미지 센성 데이터를 저장하는 회로들을 포함한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, IR 센서와 컬러 센서는 서로 수직으로 적층되어 형성된다. 즉, IR 센서와 컬러 센서는 독립적인 레이어로 형성이 되기 때문에, IR 센서와 컬러 센서를 단일 레이어로 형성하는 경우보다 IR 센싱 회로의 면적을 더 확보할 수 있다. 이에 따라 IR 센싱의 품질을 향상시킬 수 있다.
더불어 IR 센서 및 컬러 센서는 중간 접속부를 통해 픽셀 회로를 공유한다. 따라서 반도체 장치의 사이즈를 감소시킬 수도 있고, 반도체 장치에 픽셀 회로를 내장하기 위한 공간을 충분히 확보할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1, 2, 3, 4, 5: 반도체 장치 110: IR 센서
120, 160, 170, 180: 컬러 센서 200: 중간 접속부
300: 픽셀 회로

Claims (20)

  1. 광을 집속하는 렌즈;
    상기 렌즈에 의해 집속된 광에서 IR(Infra Red) 대역의 광을 감지하여 제1 전기 신호로 변환하는 IR 포토 다이오드와, 상기 제1 전기 신호가 인가되는 제1 노드를 포함하는 제1 센서; 및
    상기 렌즈에 의해 집속된 광에서 컬러 대역의 광을 감지하여 제2 전기 신호로 변환하는 컬러 포토 다이오드와, 상기 제2 전기 신호가 인가되는 제2 노드를 포함하는 제2 센서를 포함하고,
    상기 제1 노드와 상기 제2 노드는 중간 접속부를 통해 전기적으로 서로 연결되고,
    상기 제1 센서 및 상기 제2 센서는 상기 중간 접속부를 통해 전기적으로 연결된 하나의 픽셀 회로를 공유하고,
    상기 렌즈에 의해 집속되는 광에서 제1 컬러 대역의 광을 통과시키는 제1 컬러 필터와, 상기 제1 컬러 대역과 다른 제2 컬러 대역의 광을 통과시키는 제2 컬러 필터를 포함하고,
    상기 제2 센서의 컬러 포토 다이오드는,
    상기 제1 컬러 필터의 하부에 배치되고, 상기 제1 컬러 필터에 대응하는 제1 컬러 포토 다이오드; 및
    상기 제2 컬러 필터의 하부에 배치되고, 상기 제2 컬러 필터에 대응하는 제2 컬러 포토 다이오드를 포함하고,
    상기 IR 포토 다이오드는 상기 제1 및 제2 컬러 포토 다이오드의 하부에 배치되고,
    상기 제1 노드는 상기 IR 포토 다이오드로부터 수신되는 상기 제1 전기 신호를 상기 중간 접속부를 통해 상기 하나의 픽셀 회로로 출력하고,
    상기 제2 노드는 상기 제1 및 제2 컬러 포토 다이오드 각각으로부터 수신되는 상기 제2 전기 신호를 상기 중간 접속부를 통해 상기 하나의 픽셀 회로로 출력하는 반도체 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중간 접속부는 상기 제1 노드와 상기 제2 노드를 전기적으로 서로 연결시키기 위한 금속 접합부를 포함하는 반도체 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 센서의 IR 포토 다이오드는,
    상기 제1 컬러 포토 다이오드의 하부에 배치되고, 상기 제1 컬러 필터에 대응하는 제1 IR 포토 다이오드 및
    상기 제2 컬러 포토 다이오드의 하부에 배치되고, 상기 제2 컬러 필터에 대응하는 제2 IR 포토 다이오드를 포함하는 반도체 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 센서의 IR 포토 다이오드는,
    상기 제1 컬러 포토 다이오드 및 상기 제2 컬러 포토 다이오드의 하부에 수평 방향으로 연장되도록 배치되고, 상기 제1 컬러 필터 및 상기 제2 컬러 필터에 대응하는 단일 IR 포토 다이오드를 포함하는 반도체 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 회로는 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서와 적층 구조를 형성하는 반도체 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 픽셀 회로는 제3 노드를 포함하고,
    상기 제3 노드는 상기 중간 접속부를 통해 상기 제1 전기 신호 또는 상기 제2 전기 신호가 인가되는 반도체 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 센서는 서로 적층되고, 서로 다른 컬러 대역의 광을 감지하는 복수의 컬러 센서를 포함하는 반도체 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 센서 및 상기 제2 센서 중 적어도 하나의 동작을 제어할 수 있는 로직 회로를 더 포함하는 반도체 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 센서 및 상기 제2 센서 중 적어도 하나에 의해 센싱된 센싱 데이터를 저장할 수 있는 메모리 회로를 더 포함하는 반도체 장치.
  13. 광을 집속하는 렌즈;
    상기 렌즈에 의해 집속된 광에서 IR(Infra Red) 대역의 광을 감지하여 제1 노드를 통해 제1 전기 신호로 출력하는 제1 센서;
    상기 렌즈에 의해 집속된 광에서 컬러 대역의 광을 감지하여 제2 노드를 통해 제2 전기 신호로 출력하는 제2 센서; 및
    상기 제1 센서 및 상기 제2 센서에 의해 공유되는 하나의 픽셀 회로를 포함하고,
    상기 제1 센서, 상기 제2 센서 및 상기 픽셀 회로는 금속 접합부를 통해 전기적으로 연결되고,
    상기 제1 센서는 적어도 하나의 IR 포토 다이오드를 포함하고,
    상기 제2 센서는 제1 컬러 포토 다이오드 및 제2 컬러 포토 다이오드를 포함하고,
    상기 제1 센서는 상기 제1 및 제2 컬러 포토 다이오드의 하부에 배치되고,
    상기 제1 노드는 상기 IR 포토 다이오드로부터 수신되는 상기 제1 전기 신호를 상기 금속 접합부를 통해 상기 하나의 픽셀 회로로 출력하고,
    상기 제2 노드는 상기 제1 및 제2 컬러 포토 다이오드 각각으로부터 수신되는 상기 제2 전기 신호를 상기 금속 접합부를 통해 상기 하나의 픽셀 회로로 출력하는 반도체 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 금속 접합부는 Cu-Cu 접합을 포함하는 반도체 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 렌즈에 의해 집속되는 광에서 제1 컬러 대역의 광을 통과시키는 제1 컬러 필터와, 상기 제1 컬러 대역과 다른 제2 컬러 대역의 광을 통과시키는 제2 컬러 필터를 더 포함하고,
    상기 제2 센서의 컬러 포토 다이오드는,
    상기 제1 컬러 필터의 하부에 배치되고, 상기 제1 컬러 필터에 대응하는 상기 제1 컬러 포토 다이오드 및
    상기 제2 컬러 필터의 하부에 배치되고, 상기 제2 컬러 필터에 대응하는 상기 제2 컬러 포토 다이오드를 포함하는 반도체 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 렌즈에 의해 집속되는 광에서 제1 컬러 대역의 광을 통과시키는 제1 컬러 필터를 더 포함하고,
    상기 제2 센서의 컬러 포토 다이오드는,
    상기 제1 컬러 필터의 하부에 배치되고, 상기 제1 컬러 필터에 대응하는 상기 제1 및 제2 컬러 포토 다이오드를 포함하는 반도체 장치.
  17. 광을 집속하는 렌즈;
    상기 렌즈에 의해 집속된 광에서 제1 컬러 대역의 광을 감지하여 제1 노드를 통해 제1 전기 신호로 출력하는 제1 센서;
    상기 렌즈에 의해 집속된 광에서 제1 컬러 대역과 다른 제2 컬러 대역의 광을 감지하여 제2 노드를 통해 제2 전기 신호로 출력하는 제2 센서; 및
    상기 제1 센서 및 상기 제2 센서에 의해 공유되는 하나의 픽셀 회로를 포함하고,
    상기 제1 센서, 상기 제2 센서 및 상기 픽셀 회로는 금속 접합부를 통해 전기적으로 연결되고,
    상기 금속 접합부는 상기 제1 노드와 전기적으로 연결되어 상기 제1 센서의 상기 제1 전기 신호를 상기 픽셀 회로로 출력하고, 상기 제2 노드와 전기적으로 연결되어 상기 제2 센서의 상기 제2 전기 신호를 상기 하나의 픽셀 회로로 출력하며,
    상기 렌즈에 의해 집속되는 광에서 제1 컬러 대역의 광을 통과시키는 제1 컬러 필터와, 상기 제1 컬러 대역과 다른 제2 컬러 대역의 광을 통과시키는 제2 컬러 필터를 더 포함하고,
    상기 제2 센서의 컬러 포토 다이오드는,
    상기 제1 컬러 필터의 하부에 배치되고, 상기 제1 컬러 필터에 대응하여, 상기 제2 노드를 통해 상기 제2 전기 신호를 출력하는 제1 컬러 포토 다이오드 및
    상기 제2 컬러 필터의 하부에 배치되고, 상기 제2 컬러 필터에 대응하여, 상기 제2 노드를 통해 상기 제2 전기 신호를 출력하는 제2 컬러 포토 다이오드를 포함하는 반도체 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 금속 접합부는 Cu-Cu 접합을 포함하는 반도체 장치.
  19. 삭제
  20. 삭제
KR1020160113000A 2016-09-02 2016-09-02 반도체 장치 KR102549621B1 (ko)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160113000A KR102549621B1 (ko) 2016-09-02 2016-09-02 반도체 장치
US15/450,451 US10283554B2 (en) 2016-09-02 2017-03-06 Semiconductor devices including first sensor with infrared photodiode and second sensor with color photodiode
CN201710780809.4A CN107799540A (zh) 2016-09-02 2017-09-01 半导体器件
CN201910171116.4A CN109994496B (zh) 2016-09-02 2017-09-01 半导体器件
US16/284,319 US10707261B2 (en) 2016-09-02 2019-02-25 Semiconductor devices including infrared sensor with infrared photodiode and color sensor with color photodiode
US16/284,361 US10840292B2 (en) 2016-09-02 2019-02-25 Semiconductor devices including infrared sensor with infrared photodiode and color sensor with color photodiode

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160113000A KR102549621B1 (ko) 2016-09-02 2016-09-02 반도체 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180026067A KR20180026067A (ko) 2018-03-12
KR102549621B1 true KR102549621B1 (ko) 2023-06-28

Family

ID=61280796

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160113000A KR102549621B1 (ko) 2016-09-02 2016-09-02 반도체 장치

Country Status (3)

Country Link
US (3) US10283554B2 (ko)
KR (1) KR102549621B1 (ko)
CN (2) CN107799540A (ko)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018081946A (ja) * 2016-11-14 2018-05-24 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子機器
US12009379B2 (en) * 2017-05-01 2024-06-11 Visera Technologies Company Limited Image sensor
CN107195650B (zh) * 2017-06-13 2024-05-03 江苏城讯成联网络科技有限公司 多光谱摄像装置
US10468448B2 (en) * 2017-11-30 2019-11-05 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Ltd. Semiconductor image sensor and method for forming the same
US11742374B2 (en) 2018-10-05 2023-08-29 Sony Semiconductor Solutions Corporation Semiconductor device, method of manufacturing semiconductor device, and imaging element
CN111048535B (zh) * 2018-10-15 2022-06-07 联华电子股份有限公司 影像传感器
CN109141632A (zh) * 2018-11-06 2019-01-04 德淮半导体有限公司 像素单元、图像传感器及其制造方法以及成像装置
US11056519B2 (en) * 2019-02-25 2021-07-06 Canon Kabushiki Kaisha Photoelectric conversion device, imaging system, and mobile apparatus
JP2020141122A (ja) * 2019-02-25 2020-09-03 キヤノン株式会社 光電変換装置、撮像システム及び移動体
US10840190B1 (en) * 2019-05-16 2020-11-17 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Semiconductor structure and manufacturing method thereof
CN110190077A (zh) * 2019-05-27 2019-08-30 德淮半导体有限公司 背照式图像传感器、像素单元及其制备方法
CN110246858A (zh) * 2019-06-21 2019-09-17 芯盟科技有限公司 图像传感器及其形成方法
CN110650301B (zh) * 2019-10-14 2022-03-01 Oppo广东移动通信有限公司 图像传感器及成像方法、设备
CN211296854U (zh) * 2019-12-24 2020-08-18 清华大学 像素阵列及仿生视觉传感器
US11454546B2 (en) * 2020-05-27 2022-09-27 Samsung Electronics Co., Ltd. Hybrid visible/NIR and LWIR sensor with resistive microbolometer
CN114582904A (zh) * 2021-05-18 2022-06-03 友达光电股份有限公司 双感测装置
CN113764439B (zh) * 2021-09-08 2024-02-20 京东方科技集团股份有限公司 光电子集成基板及其制作方法、光电子集成电路

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5076679B2 (ja) 2007-06-28 2012-11-21 ソニー株式会社 固体撮像装置及びカメラモジュール
KR101475464B1 (ko) 2008-05-09 2014-12-22 삼성전자 주식회사 적층형 이미지 센서
KR101467509B1 (ko) * 2008-07-25 2014-12-01 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 이미지 센서 동작 방법
US8471939B2 (en) * 2008-08-01 2013-06-25 Omnivision Technologies, Inc. Image sensor having multiple sensing layers
JP5353200B2 (ja) 2008-11-20 2013-11-27 ソニー株式会社 固体撮像装置および撮像装置
TW201119019A (en) 2009-04-30 2011-06-01 Corning Inc CMOS image sensor on stacked semiconductor-on-insulator substrate and process for making same
KR20110134139A (ko) * 2010-06-08 2011-12-14 (주)실리콘화일 3차원 구조의 이미지센서의 제조방법
KR101794656B1 (ko) * 2010-08-20 2017-11-08 삼성디스플레이 주식회사 센서 어레이 기판, 이를 포함하는 표시장치 및 이의 제조 방법
KR101399338B1 (ko) * 2011-08-08 2014-05-30 (주)실리콘화일 이중 감지 기능을 가지는 기판 적층형 이미지 센서
JP2013070030A (ja) 2011-09-06 2013-04-18 Sony Corp 撮像素子、電子機器、並びに、情報処理装置
KR101334099B1 (ko) * 2011-11-17 2013-11-29 (주)실리콘화일 이중 감지 기능을 가지는 기판 적층형 이미지 센서
US9153565B2 (en) 2012-06-01 2015-10-06 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Image sensors with a high fill-factor
US8878325B2 (en) * 2012-07-31 2014-11-04 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Elevated photodiode with a stacked scheme
JP5604703B1 (ja) 2013-09-10 2014-10-15 弘一 関根 固体撮像装置
KR101530696B1 (ko) * 2013-10-04 2015-06-22 (주)실리콘화일 분광 특성이 개선된 이미지 센서
JP2015146364A (ja) * 2014-02-03 2015-08-13 ソニー株式会社 固体撮像素子、固体撮像素子の駆動方法、固体撮像素子の製造方法および電子機器
JP2015195235A (ja) * 2014-03-31 2015-11-05 ソニー株式会社 固体撮像素子、電子機器、および撮像方法
US20150287766A1 (en) * 2014-04-02 2015-10-08 Tae-Chan Kim Unit pixel of an image sensor and image sensor including the same
WO2016047282A1 (ja) * 2014-09-24 2016-03-31 ソニー株式会社 撮像素子、撮像装置および撮像素子の製造方法
CN107078138B (zh) * 2014-10-06 2020-12-18 索尼公司 固态摄像装置和电子设备
US20170237911A1 (en) * 2014-11-06 2017-08-17 Siliconfile Technologies Inc. Image sensor having improved spectral characteristics
US20160161332A1 (en) * 2014-12-09 2016-06-09 Stmicroelectronics (Research & Development) Limited Image sensor using pixels with combined rgb and ir sensing
KR20160100569A (ko) * 2015-02-16 2016-08-24 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치
US20170374306A1 (en) 2016-06-23 2017-12-28 Semiconductor Components Industries, Llc Image sensor system with an automatic focus function
US10504956B2 (en) * 2016-06-30 2019-12-10 Omnivision Technologies, Inc. Photogate for front-side-illuminated infrared image sensor and method of manufacturing the same
US10186535B2 (en) * 2016-09-19 2019-01-22 Semiconductor Components Industries, Llc Image sensors with stacked photodiodes

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180026067A (ko) 2018-03-12
US10283554B2 (en) 2019-05-07
US20190189672A1 (en) 2019-06-20
CN107799540A (zh) 2018-03-13
US20190189671A1 (en) 2019-06-20
US10840292B2 (en) 2020-11-17
CN109994496B (zh) 2023-07-07
US10707261B2 (en) 2020-07-07
US20180069046A1 (en) 2018-03-08
CN109994496A (zh) 2019-07-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102549621B1 (ko) 반도체 장치
US9515105B2 (en) Dual photodiode image pixels with preferential blooming path
US9699393B2 (en) Imaging systems for infrared and visible imaging with patterned infrared cutoff filters
US10432831B2 (en) Image sensor
CN109218635B (zh) 具有共享像素结构的图像传感器
JP2020017955A (ja) イメージセンサー
CN1893541B (zh) 包括有源像素传感器阵列的图像传感器及具有其的系统
JP2007020194A (ja) アクティブセンサーアレイを含むイメージセンサー
JP2007019521A (ja) アクティブピクセルセンサーアレイを含むイメージセンサー
KR20160008364A (ko) 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 영상 촬영 장치
CN109286762B (zh) 图像传感器
KR102486651B1 (ko) 이미지 센서
US10529763B2 (en) Imaging pixels with microlenses
KR102551862B1 (ko) 이미지 센서
US20220210353A1 (en) High dynamic range image sensors
US10163961B2 (en) Image sensor
US10424609B2 (en) Image sensor with reduced fixed pattern noise
US10522577B2 (en) Image sensor

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant