KR20100064699A - 후면 조명 구조의 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
후면 조명 구조의 이미지 센서가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 실리콘 기판 표면에 투명 전극 또는 금속층을 형성하고 투명 전극 또는 금속층에 양의 바이어스 전압 또는 음의 바이어스 전압이 인가됨으로써, 실리콘 기판 포면에서 발생하는 암전류가 억제될 수 있다.
암전류, 후면 조명, 이미지 센서, 바이어스, 금속층
Description
본 발명에 따른 실시예는 이미지 센서에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 실리콘 기판의 상부 표면에서의 암전류 발생을 억제할 수 있는 후면 조명 구조의 이미지 센서에 관한 것이다.
일반적으로 사용되는 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device)형 이미지 센서 또는 CMOS형 이미지 센서(CIS)를 포함할 수 있다. 상기 이미지 센서는 2차원 매트릭스 형태로 배열된 다수의 픽셀들을 포함할 수 있고, 각각의 픽셀은 빛 에너지로부터 이미지 신호를 출력할 수 있다. 또한, 각각의 픽셀은 포토다이오드를 통하여 입사되는 빛의 양에 상응하는 광 전하를 축적하여 축적된 광 전하에 기초하는 픽셀 신호를 출력할 수 있다.
상기 이미지 센서에 포함된 실리콘 기판의 표면(Si surface)에서는 결함(defect), 댕글링 결합(dangling bond) 또는 불순물들에 의해서 암전류(dark current)가 발생할 수 있으며, 상기 암전류는 이미지 센서에 있어서 상당한 노이즈로 작용할 수 있기 때문에 상기 암전류를 억제할 수 있는 방법이 마련되어야 한다.
특히, 후면 조명용(Back-side illuminated) 이미지 센서는 일반적인 이미지 센서에 비해 실리콘 기판의 표면적이 더 크기 때문에, 기판의 상부 표면에서 발생할 수 있는 암전류의 발생량이 더 증가할 수 있다. 따라서, 암전류를 효율적으로 억제시킬 수 있는 이미지 센서의 구조 또는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 발명에 따른 실시예는 상기의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명에 따른 실시예의 목적은 실리콘 기판의 표면에서 발생하는 암전류를 억제함으로써 선명한 이미지를 제공할 수 있는 후면 조명 구조의 이미지 센서를 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 후면 조명 구조의 이미지 센서는, 제1 타입을 갖는 반도체 물질에 의해 각각이 격리되는 다수의 광전변환소자들을 포함하는 기판; 및 상기 기판 위에 형성되고, 양의 바이어스 전압 또는 음의 바이어스 전압 중 어느 하나가 인가되는 투명 전극층을 포함할 수 있다.
상기 후면 조명 구조의 이미지 센서는, 상기 투명 전극층의 아래에 형성되는 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 투명 전극층은, 산화 물질 또는 고분자 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 투명 전극층은, APS(active pixel sensor) 영역 전면에 단일 패턴으로 형성될 수 있다.
상기 투명 전극층은, 각각의 픽셀에 대응하는 다수의 투명 전극들을 포함할 수 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 후면 조명 구조의 이미지 센서는, 제1 타입을 갖는 반도체 물질에 의해 각각이 격리되는 다수의 광전변환소자들을 포함하는 기판; 상기 기판 위에 형성되는 절연층; 및 상기 절연층의 상부 또는 하부 중 어느 하나에 각각이 서로 이격되어 형성되는 다수의 금속층들을 포함할 수 있다.
상기 다수의 금속층들이 상기 절연층의 상부에 형성되어 상기 기판과 절연되면 상기 다수의 금속층들 각각에는 음의 바이어스 전압이 인가될 수 있다.
상기 다수의 금속층들이 상기 절연층의 하부에 형성되어 상기 기판과 전기 접합되면 상기 다수의 금속층들 각각에는 양의 바이어스 전압이 인가될 수 있다.
상기 후면 조명 구조의 이미지 센서는, 제1 전원 전압(VSS) 및 상기 제1 전원 전압보다 높은 제2 전원 전압(VDD)에 의해 구동되고, 상기 음의 바이어스 전압은 상기 제1 전원 전압(VSS)보다 낮고 상기 양의 바이어스 전압은 상기 제2 전원 전압(VDD)보다 높을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는, 실리콘 기판의 표면에서 발생할 수 있는 암전류의 발생을 억제하고 광전변환소자들 사이의 블루밍 현상을 억제함으로써 선명한 이미지를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는, 픽셀 간에 발생할 수 있는 광학적 크로스토크를 방지하여 선명한 이미지를 제공할 수 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 달성하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도 면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조해야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 조명 구조를 갖는 이미지 센서에 포함된 픽셀 어레이(10)의 단면도를 나타낸다. 이하에서, 구체적인 언급이 없을 경우에, '이미지 센서'는 '후면 조명 구조의 이미지 센서'와 상호 교환적으로 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 어레이(10)는 마이크로 렌즈(11), 다수의 컬러 필터들(12), 투명 전극층(13), 다수의 광전변환소자들(15)이 포함된 기판(14), 및 배선패턴영역(16)을 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 광전변환소자(15)는 포토다이오드(PD; photodiode), 포토트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 중 어느 하나이거나 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 마이크로 렌즈(11)에서 외부로부터 입사되는 빛이 집광되면, 상기 컬러 필터(12)는 상기 마이크로 렌즈(11)를 통하여 집광된 빛에 대하여 레드, 그린 및 블루 중 어느 하나의 컬러에 상응하는 필터링 동작을 수행할 수 있다.
상기 기판(14)은 각각이 서로 격리된 다수의 광전변환소자들(15)을 포함할 수 있으며, 상기 다수의 광전변환소자들(15) 각각은 입사되는 빛에 기초하여 전자 를 발생할 수 있다. 예컨대, 상기 기판(14)은 p 타입의 웰(p-type well)들을 포함하고 상기 다수의 광전변환소자들(15) 각각은 n 타입으로 도핑될 수 있으며, 따라서 상기 다수의 광전변환소자들(15) 각각이 상기 p 타입의 웰들에 의해 서로 절연 또는 격리될 수 있다.
상기 배선패턴영역(16)은 다수의 금속 라인들(16-1) 및 IMD(inter-metal dielectric)(16-2)를 포함할 수 있으며, 상기 다수의 금속 라인들(16-1)에 의해서 상기 픽셀 어레이(10)의 센싱 동작에 필요한 전기 배선이 형성될 수 있다. 또는, 실시예에 따라, 상기 다수의 금속 라인들(16-1)은 상기 광전변환소자(15)를 통과하여 입사되는 빛을 다시 상기 광전변환소자(15)로 반사하는 역할을 수행할 수도 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(10)는, 상기 기판(14) 위에 형성되는 투명 전극층(13)을 포함할 수 있다. 상기 투명 전극층(13)은 투명 전도성 물질로서 ITO(Indium Tin Oxide), Zn0(Zinc Oxide) 등의 산화 물질, 또는 고분자 물질을 포함할 수 있다.
상기 기판(14)과 상기 컬러 필터층(12)의 사이에 상기 투명 전극층(13)을 삽입하고 삽입된 상기 투명 전극층(13)에 음의 바이어스 전압 또는 양의 바이어스 전압을 인가함으로써, 상기 기판(14)의 상부 표면에서 발생할 수 있는 암전류가 억제될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 투명 전극층(13)은 APS(active pixel sensor) 영역 전면에 단일 패턴(single pattern)으로 형성될 수 있다. 이 경우에, 상기 투명 전극 층(13)이 상기 APS 영역 전면을 커버하면서 소정의 패드(PAD)와 연결될 수 있다.
또는, 실시예에 따라, 상기 투명 전극층(13)은 각각의 픽셀에 대응하는 다중 패턴들(multiple patterns)로 형성될 수도 있다. 상기 투명 전극층(13)이 픽셀 단위로 패터닝 되었을 때에 픽셀 별로 각각 바이어스 전압이 인가될 수 있다. 상기 바이어스 전압은 패드에서 직접 인가될 수 있고, 또는 외부에서 전압이 생성되어 생성된 전압이 인가될 수도 있다.
상기 투명 전극층(13)에 양의 바이어스 전압 또는 음의 바이어스 전압을 인가함으로써 상기 기판(14)의 상부 표면에서 발생할 수 있는 암전류가 효율적으로 제거되는 구체적인 방법에 대해서는 도 2a 및 도 2b에서 상술하기로 한다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 후면 조명 구조를 갖는 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함된 기판 상부 표면에 음(-)의 바이어스 전압을 인가할 경우의 포텐셜 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 1 및 도 2a를 참고하면, 도 2a는 상기 투명 전극층(13)에 음의 바이어스 전압을 인가하였을 때에 상기 기판(14)의 절단면(a에서 b 경로)에 대한 포텐셜 그래프를 나타낸다.
도 2a에서, 점선은 상기 픽셀 어레이가 투명 전극층을 포함하지 않는 경우에 대한 포텐셜 그래프를 나타내고, 실선은 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 어레이(10)가 상기 투명 전극층(13)을 포함하는 경우에 대한 포텐셜 그래프를 나타낸다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 기판(14)의 상부에 형성된 투명 전극층(13)에 음의 바이어스 전압을 인가할 경우에 상기 기판(14)의 상부 표면에서의 포텐셜 이 증가하게 되어 정공(hole)이 상기 기판(14)의 상부 표면에 축적될 수 있다.
따라서, 전자의 농도(예컨대, n)와 정공의 농도(예컨대, p)의 곱이 일정해야하는 반도체 법칙에 따라(n*p=ni2, 여기서, ni는 진성 캐리어 농도), 상기 기판(14)의 상부 표면에서 정공의 밀도가 증가하게 되면 결과적으로 상기 기판(14)의 상부 표면에서의 전자 발생이 매우 억제될 수 있다.
상기 기판(14)의 상부 표면에서 발생할 수 있는 정공의 양은 상기 투명 전극층(13)에 인가되는 음의 바이어스 전압에 기초하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 투명 전극층(13)에 인가되는 음의 바이어스 전압은, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 전압들 중 더 낮은 구동 전압(예컨대, VSS)보다 더 낮을 수 있다. 예컨대, VSS가 0V일 때 상기 음의 바이어스 전압은 -0.8V 이하일 수 있다.
상술한 바와 같이, 기판(14) 상부에 형성된 암전류 발생 억제 수단(예컨대, 투명 금속층(13))에 음의 바이어스 전압을 인가함으로써 상기 기판(14) 상부에서의 전자 발생을 억제시킬 수 있으며, 그 결과 기판(14) 상부에서의 암전류의 발생이 억제될 수 있다.
이러한 실시예에서는, 상기 광전변환소자(15)와 상기 투명 전극층(13) 사이에 위치하는 p 타입 반도체 물질의 두께를 얇게 구현할 수 있으며, 따라서 블루 감도 저하가 거의 발생하지 않는다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 후면 조명 구조를 갖는 이미지 센서의 픽 셀 어레이에 포함된 기판 상부에 양의 바이어스 전압을 인가할 경우의 포텐셜 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 1 및 도 2b를 참고하면, 도 2b는 상기 투명 전극층(13)에 양의 바이어스 전압을 인가하였을 때에 상기 기판(14)의 절단면(a에서 b 경로)에 대한 포텐셜 그래프를 나타낸다.
또한, 점선은 상기 픽셀 어레이가 투명 전극층을 포함하지 않는 경우에 대한 포텐셜 그래프를 나타내고, 실선은 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 어레이(10)가 상기 투명 전극층(13)을 포함하는 경우에 대한 포텐셜 그래프를 나타낸다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 기판(14)의 상부 표면에 형성된 상기 투명 전극층(13)에 양의 바이어스 전압을 인가할 경우에 상기 기판(14)의 상부 표면 부근의 포텐셜이 감소할 수 있다. 따라서, 상기 기판(14)의 상부 표면에서 발생하는 전자들이 광전변환소자(15) 방향으로 유입되지 않고 더 낮은 포텐셜을 갖는 상기 기판(14) 상부 표면의 외부 영역으로 드레인됨으로써, 상기 기판(14)에서 발생할 수 있는 암전류가 억제될 수 있다.
또한, 상기 투명 전극층(13)에 인가되는 양의 바이어스 전압은, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 전압들 중 더 높은 구동 전압(예컨대, VDD)보다 더 높을 수 있다.
따라서, n 타입으로 도핑된 광전변환소자(15)보다 더 낮은 포텐셜을 갖도록 상기 투명 전극층(13)에 양의 바이어스 전압을 인가함으로써, 상기 기판(14)의 표면에서 발생하는 전자가 상기 광전변환소자(15)로 유입되지 않도록 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 기판(14) 상부에 형성된 암전류 발생 억제 수단(예컨대, 투명 금속층(13))에 양의 바이어스 전압을 인가함으로써 상기 기판(14) 상부에서 발생하는 전자를 드레인시킬 수 있으며, 그 결과 기판(14) 상부에서의 암전류의 발생이 억제될 수 있다.
이러한 실시예에서, 상기 투명 전극층(13)에 인가되는 양의 바이어스 전압은 이미지 센서 내부의 전원 전압 등을 승압함으로써 용이하게 생성할 수 있기 때문에, 픽셀 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서를 구현하기가 용이하다는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 후면 조명 구조를 갖는 이미지 센서의 픽셀 어레이의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 도 3에 도시된 픽셀 어레이(10)는 상기 기판(14)과 상기 투명 금속층(13) 사이에 절연층(17)을 더 포함할 수 있다. 상기 투명 금속층(13)에 양 또는 음의 바이어스 전압이 인가되고 상기 투명 금속층(13)에 상기 기판(14)이 직접 접촉될 경우에, 상기 기판(14)의 상부 영역 중에서 상기 바이어스 전압에 의해 포텐셜이 변화하는 깊이(depth)가 기설정된 깊이를 초과할 수도 있다.
이러한 경우에는 상기 기판(14)의 상부 표면에서 발생하는 암전류를 효과적으로 제거하기가 어려울 수 있으며, 따라서 상기 기판(14)의 위에 절연층(17)을 추가적으로 형성함으로써 상기 기판(14)의 상부 표면 영역에서는 좀더 날카로운 포텐셜 곡선이 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀 어레이(10)는 상기 기판(14)과 상기 투명 금속층(13) 사이에 상기 절연층(17)을 더 포함할 수 있고, 다른 부재들은 도 1에 도시된 부재들과 실질적으로 동일하므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
도 4은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 후면 조명 구조를 갖는 이미지 센서의 픽셀 어레이(20)의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 어레이(20)는 기판(24), 절연층(28), 및 다수의 금속층들(29)을 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 마이크로 렌즈(21), 컬러 필터(22), 광전변환소자(25), 배선패턴영역(26), 금속 라인(26-1), 및 IMD(26-2)는 도 1 및 도 3에 도시된 부재들과 실질적으로 동일하므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 기판(24)의 위에 절연층(28)이 형성되고, 상기 다수의 금속층들(29)은 상기 절연층(28)의 상부에 각각이 서로 이격되어 형성될 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 금속층들(29) 각각의 상부에는 상기 컬러 필터(22)가 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 금속층들(29) 각각은 다수의 광전변환소자들(25) 사이에 대응하는 영역에 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 상기 절연층(28)은 SiO2를 포함할 수 있다.
상기 픽셀 어레이(20)를 형성하기 위하여, 상기 기판(24) 위에 상기 절연 층(28)이 적층되고 마스크 트랜치 패턴을 통해서 상기 절연층(28)에 다수의 트랜치 홀들이 형성된 후에, 형성된 다수의 트랜치 홀들에 상기 금속층(29)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 다수의 금속층들(29) 각각에 음의 바이어스 전압을 인가함으로써 상기 기판(24)의 상부 표면의 포텐셜이 증가될 수 있고, 그 결과 상기 기판(24)의 상부 표면에서의 전자 발생이 억제될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 픽셀 어레이(20)의 구조로부터 도 2a에 도시된 그래프와 실질적으로 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 각 금속층(29)의 폭(w)은 실시예에 따라 가변될 수 있다. 실시예에 따라, 상기 각 금속층(29)의 폭(w)은 상기 기판(24)으로부터 상기 마이크로 렌즈(21)까지의 높이(h), 상기 마이크로 렌즈(21)의 곡률(r), 또는 메인 렌즈(미도시)의 CRA(Chief Ray Angle) 중 적어도 하나에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 각 금속층(29)의 폭을 적절하게 구현함으로써 인접한 픽셀로의 사광(oblique incident light)이 차단될 수 있고, 따라서 픽셀 간의 광학적 크로스 토그(optical crosstalk)가 상당히 방지될 수 있다.
도 5은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 후면 조명 구조를 갖는 이미지 센서의 픽셀 어레이(30)의 단면도이다.
도 5에 도시된 마이크로 렌즈(31), 컬러 필터(32), 광전변환소자(35), 배선패턴영역(36), 금속 라인(36-1), 및 IMD(36-2)는 도 1 및 도 3에 도시된 부재들과 실질적으로 동일하므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 기판(34)의 위에 다수의 금속층들(39)이 형 성되고, 상기 기판(34) 및 상기 다수의 금속층들(39)의 상부에 절연층(38)이 형성될 수 있다. 따라서, 도 4에서의 금속층(29)이 컬러 필터(22)와 접촉함에 반해, 도 5에서의 금속층(39)은 기판(34)과 접촉할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 절연층(38)은 PL(planarization)층 일 수 있다. 상기 픽셀 어레이(30)를 형성하기 위하여, 상기 기판(34) 위에 금속층(39)이 적층되고 적층된 금속층(39)을 도 5에 도시된 바와 같이 에칭(etching)할 수 있다. 서로 이격된 다수의 금속층들(39)이 형성된 이후에, 상기 기판(34) 및 상기 다수의 금속층들(39)의 상부에 상기 절연층(38)이 적층될 수 있다.
또한, 상기 다수의 금속층들(39) 각각에 양의 바이어스 전압을 인가함으로써 상기 기판(34)의 상부 표면의 포텐셜을 감소시킬 수 있고, 그 결과 상기 기판(34)의 상부 표면에서 발생하는 전자들이 드레인될 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 픽셀 어레이(30)의 구조로부터 도 2b에 도시된 그래프와 실질적으로 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 4의 실시예와 유사하게, 상기 각 금속층(39)의 폭은 상기 기판(34)으로부터 상기 마이크로 렌즈(31)까지의 높이, 상기 마이크로 렌즈(31)의 곡률, 또는 메인 렌즈(미도시)의 CRA 중 적어도 하나에 기초하여 결정될 수 있다. 또한, 상기 각 금속층(39)의 폭을 적절하게 구현함으로써 인접한 픽셀로의 사광이 차단될 수 있고, 따라서 픽셀 간의 광학적 크로스 토크가 방지될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 후면 조명 구조를 갖는 이미지 센서의 픽셀 어레이의 평면도이다. 도 6a 및 도 6b에서는 금속층(29 및 30) 구조의 용이한 이해를 위하여, 상기 금속층(29 및 39)과 광전변환소자(25 및 35)만을 도시하였다.
도 1 내지 도 6b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 어레이(20 및 30)에 포함된 금속층(29 및 39)은, 도 6a에 도시된 바와 같이 다수의 광전변환소자들(25 및 35)이 배열된 제1 방향 및 제2 방향 모두의 방향으로 형성될 수 있고, 또는 도 6b에 도시된 바와 같이 상기 다수의 광전변환소자들(25 및 35)이 배열된 방향 중 어느 하나의 방향으로만 형성될 수도 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 후면 조명 구조를 갖는 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀(40)의 회로도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 도 7에 도시된 픽셀은 4개의 트랜지스터를 포함할 수 있다.
도 7을 참조하면, 단위 픽셀(40)은 포토다이오드(44), 플로팅 디퓨전(floating diffusion) 영역(46), 및 다수의 트랜지스터들(41, 42, 45, 및 47)을 포함할 수 있다.
상기 포토다이오드(44)는 외부로부터 입사되는 빛에 응답하여 광전자를 생성할 수 있으며, 트랜스퍼 트랜지스터(Transfer TR, 45)는 전송 신호(TG)에 응답하여 상기 포토다이오드(44)에서 생성된 상기 광전자를 상기 플로팅 디퓨전 영역(46)으로 전송할 수 있다.
리셋 트랜지스터(Reset TR, 47)는 리셋 신호(RG)에 응답하여 상기 플로팅 디퓨젼 영역(46)을 소정의 전압(예컨대, VDD)으로 리셋할 수 있다.
드라이브 트랜지스터(Drive TR, 41)는 상기 플로팅 디퓨전 영역(46)의 전압 레벨에 응답하여 가변되는 전압을 수직 신호 라인(43)을 통하여 출력할 수 있다. 선택 트랜지스터(Selection TR, 42)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 픽셀 신호를 출력할 단위 픽셀을 선택할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서(100)의 개략적인 블록도이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 광전변환부(110) 및 이미지 프로세서(130)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 광전변환부(110) 및 상기 이미지 프로세서(130) 각각은 별도의 칩 또는 모듈 단위로 구현될 수 있다.
상기 광전변환부(110)는 입사되는 빛에 기초하여 피사체에 대한 이미지 신호를 생성할 수 있다. 상기 광전변환부(110)는 픽셀 어레이(111), 로우 디코더(112), 로우 드라이버(113), 상관 이중 샘플링 블록(CDS, 114), 출력 버퍼(115), 컬럼 드라이버(116), 컬럼 디코더(117), 타이밍 생성기(118), 컨트롤 레지스터 블록(119), 및 램프 신호 생성기(120)를 포함할 수 있다.
상기 픽셀 어레이(111)는 도 1, 도 3, 도 5, 및 도 6에 도시된 픽셀 어레이(10, 20, 및 30)를 포함할 수 있으며, 각각이 다수의 로우 라인들 및 다수의 컬럼 라인들과 접속되는 매트릭스 형태를 갖는 다수의 픽셀들을 포함할 수 있다.
다수의 픽셀들 각각은 레드 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 레드 픽셀, 그린 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 그린 픽셀, 및 블루 스펙트럼 영역의 빛을 전기 신호로 변환하기 위한 블루 픽셀을 포함할 수 있다. 또한, 도 1, 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 다수의 픽셀들 각각의 상부에는 특정 스펙트럼 영역의 빛을 선택적으로 투과시키기 위한 각각의 컬러 필터(12, 22, 및 32)가 배치될 수 있다.
상기 로우 디코더(112)는 상기 타이밍 생성기(118)에서 발생된 로우 제어 신호(예컨대, 어드레스 신호)를 디코딩하고, 상기 로우 드라이버(113)는 디코딩된 로우 제어 신호에 응답하여 상기 픽셀 어레이(111)를 구성하는 로우 라인들(미도시) 중에서 적어도 어느 하나의 로우 라인을 선택할 수 있다.
상기 상관 이중 샘플링 블록(114)은 상기 픽셀 어레이(111)를 구성하는 컬럼 라인들(미도시) 중에서 어느 하나의 컬럼 라인에 접속된 단위 픽셀로부터 출력되는 픽셀 신호에 대해 상관 이중 샘플링(correlated double sampling)을 수행하여 샘플링 신호(미도시)를 생성하고, 샘플링 신호와 램프 신호(Vramp)를 비교하여 비교 결과에 따른 디지털 신호를 출력할 수 있다.
상기 출력 버퍼(115)는 상기 컬럼 드라이버(116)에서 출력되는 컬럼 제어 신호(예컨대, 어드레스 신호)에 응답하여 상기 상관 이중 샘플링 블록(114)에서 출력되는 신호들을 버퍼링하여 출력할 수 있다.
상기 컬럼 드라이버(116)는 상기 컬럼 디코더(117)에서 출력되는 디코딩된 제어 신호(예컨대, 어드레스 신호)에 응답하여 상기 픽셀 어레이(111)의 컬럼 라인들 중에서 적어도 어느 하나의 컬럼 라인을 선택적으로 활성화시킬 수 있다. 상기 컬럼 디코더(117)는 상기 타이밍 생성기(118)에서 발생된 컬럼 제어신호(예컨대, 어드레스 신호)를 디코딩할 수 있다.
상기 타이밍 생성기(118)는 상기 컨트롤 레지스터 블록(119)에서 출력되는 명령에 기초하여 상기 픽셀 어레이(111), 상기 로우 디코더(112), 상기 출력 버퍼(115), 상기 컬럼 디코더(117) 및 상기 램프 신호 생성기(120) 중에서 적어도 하나의 동작을 제어하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다.
상기 컨트롤 레지스터 블록(119)은 상기 광전변환부(110)를 구성하는 요소들을 제어하기 위한 각종 명령을 생성할 수 있다. 상기 램프 신호 발생기(120)는 상기 컨트롤 레지스터 블록(119)으로부터 출력된 명령에 응답하여 상기 상관 이중 샘플링 블록(114)에 램프 신호(Vramp)를 출력할 수 있다. 상기 이미지 프로세서(130)는 상기 광전변환부(110)로부터 출력되는 픽셀 신호들에 기초하여 피사체에 대한 이미지를 생성할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서(100)가 포함된 반도체 시스템(1)의 개략적인 블록도이다. 도 9을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 시스템(1)은 시스템 버스(700)에 접속된 이미지 센서(100), 메모리 장치(200), 및 프로세서(300)를 포함할 수 있다.
상기 프로세서(300)는 상기 이미지 센서(100) 및 메모리 장치(200)의 동작을 제어하기 위한 제어 신호들을 생성할 수 있다. 상기 이미지 센서(100)는 피사체에 대한 이미지를 생성할 수 있고, 상기 메모리 장치(200)는 상기 이미지 센서(100)에서 생성된 상기 이미지를 저장할 수 있다.
실시예에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치(1)가 휴대용 어플리케이션으로 구현되는 경우에, 상기 반도체 장치(1)는 상기 이미지 센서(100), 상기 메모리 장치(200), 및 상기 프로세서(300)에 동작 전원을 공급하기 위한 배터 리(600)를 더 포함할 수 있다.
이때, 휴대용 어플리케이션은 휴대용 컴퓨터(portable computer), 디지털 카메라(digital camera), PDA(personal digital assistance), 휴대 전화기(cellular telephone), MP3 플레이어, PMP(portable multimedia device), 차량자동항법장치(automotive navigation system), 메모리 카드(memory card), 또는 전자 사전 등을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 시스템(1)은 외부의 데이터 처리 장치와 데이터를 주고 받을 수 있도록 하는 인터페이스, 예컨대 입/출력 장치들(400)을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 시스템(1)이 무선 시스템인 경우, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 시스템(1)은 무선 인터페이스(500)를 더 포함할 수 있다. 상기 무선 시스템은 PDA, 휴대용 컴퓨터, 무선 전화기, 페이저, 디지털 카메라와 같은 무선 장치, RFID 리더, 또는 RFID 시스템일 수 있다. 또한, 상기 무선 시스템은 WLAN(Wireless Local Area Network) 시스템 또는 WPAN(Wireless Personal Area Network) 시스템일 수 있다. 또한, 상기 무선 시스템은 이동 전화 네트워크(Cellular Network)일 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 조명 구조를 갖는 이미지 센서의 픽셀 어레이의 단면도.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 후면 조명 구조를 갖는 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함된 기판 상부에 음의 바이어스 전압을 인가할 경우의 포텐셜 변화를 설명하기 위한 그래프.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 후면 조명 구조를 갖는 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함된 기판 상부에 양의 바이어스 전압을 인가할 경우의 포텐셜 변화를 설명하기 위한 그래프.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 후면 조명 구조를 갖는 이미지 센서의 픽셀 어레이의 단면도.
도 4은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 후면 조명 구조를 갖는 이미지 센서의 픽셀 어레이의 단면도.
도 5은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 후면 조명 구조를 갖는 이미지 센서의 픽셀 어레이의 단면도.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 후면 조명 구조를 갖는 이미지 센서의 픽셀 어레이의 평면도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 후면 조명 구조를 갖는 이미지 센서에 포함 된 단위 픽셀의 회로도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 블록도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서가 포함된 반도체 시스템의 개략적인 블록도.
Claims (10)
- 제1 타입을 갖는 반도체 물질에 의해 각각이 격리되는 다수의 광전변환소자들을 포함하는 기판; 및상기 기판 위에 형성되고, 양의 바이어스 전압 또는 음의 바이어스 전압 중 어느 하나가 인가되는 투명 전극층을 포함하는 후면 조명 구조의 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 후면 조명 구조의 이미지 센서는,상기 투명 전극층의 아래에 형성되는 절연층을 더 포함하는 후면 조명 구조의 이미지 센서.
- 제2항에 있어서, 상기 투명 전극층은,산화 물질 또는 고분자 물질 중 적어도 하나를 포함하는 후면 조명 구조의 이미지 센서.
- 제3항에 있어서, 상기 투명 전극층은,APS(active pixel sensor) 영역 전면에 단일 패턴으로 형성되는 후면 조명 구조의 이미지 센서.
- 제3항에 있어서, 상기 투명 전극층은,각각의 픽셀에 대응하는 다수의 투명 전극들을 포함하는 후면 조명 구조의 이미지 센서.
- 제1 타입을 갖는 반도체 물질에 의해 각각이 격리되는 다수의 광전변환소자들을 포함하는 기판;상기 기판 위에 형성되는 절연층; 및상기 절연층의 상부 또는 하부 중 어느 하나에 각각이 서로 이격되어 형성되는 다수의 금속층들을 포함하는 후면 조명 구조의 이미지 센서.
- 제6항에 있어서,상기 다수의 금속층들이 상기 절연층의 상부에 형성되어 상기 기판과 절연되면 상기 다수의 금속층들 각각에는 음의 바이어스 전압이 인가되는 후면 조명 구조의 이미지 센서.
- 제6항에 있어서,상기 다수의 금속층들이 상기 절연층의 하부에 형성되어 상기 기판과 전기 접합되면 상기 다수의 금속층들 각각에는 양의 바이어스 전압이 인가되는 후면 조명 구조의 이미지 센서.
- 제6항에 있어서,상기 후면 조명 구조의 이미지 센서는, 제1 전원 전압(VSS) 및 상기 제1 전원 전압보다 높은 제2 전원 전압(VDD)에 의해 구동되고,상기 음의 바이어스 전압은 상기 제1 전원 전압(VSS)보다 낮고 상기 양의 바이어스 전압은 상기 제2 전원 전압(VDD)보다 높은 후면 조명 구조의 이미지 센서.
- 제1항 또는 제6항에 따른 후면 조명 구조의 이미지 센서를 포함하는 반도체 시스템.
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