KR20110069889A - 다수의 감지층들을 갖는 이미지 센서와 이의 동작 및 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서(20)는 제 1 어레이의 픽셀들을 갖는 제 1 센서층(101), 및 제 2 어레이의 픽셀들을 갖는 제 2 센서층(102)을 포함한다. 각각의 픽셀들은 광학적 중심을 갖는다. 상기 제 1 센서층은 상기 제 2 센서층 상부에 적층되어, 미리 결정된 패턴을 형성하기 위해 상기 제 1 어레이의 픽셀들의 광학적 중심들이 상기 제 2 어레이의 광학적 중심들로부터 오프셋된다.
Description
본 발명은 일반적으로 이미지 센서들에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 다수의 감지층(sensing layer)들을 갖는 이미지 센서에 관한 것이다.
전형적인 이미지 센서는 입사광에 응답하여 전하를 수집하기 위한 감광성 영역(photosensitive area)을 포함하는 이미지 감지부를 갖는다. 전형적으로, 이러한 이미지 센서들은 종종 일정한 패턴의 행들 및 열들로 배열되는 다수의 감광성 픽셀들을 포함한다. 각각의 픽셀은 이미지가 어레이 상에 포커싱될 때 그 픽셀 상에 충돌하는 광의 세기에 대응하는 신호를 생성하는 포토다이오드와 같은 광센서(photosensor)를 포함한다.
이미지 센서의 한가지 형태는 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 이미지 센서로서, 여기서 이미지 감지부는 전하를 수집하기 위한 포토다이오드, 및 포토다이오드로부터의 전하를 플로팅 확산부(floating diffusion)와 같은 전하-대-전압 변환 기기로 전달하기 위한 전달 게이트(transfer gate)를 포함한다. 일반적으로, 이미지 센서를 위한 제어 회로 및 상기 감지부는 단일 물질층 내에서 제조된다.
이미지 센서에 제공되는 픽셀들의 수를 증가시키기 위한 노력으로서, 픽셀 크기는 감소되어왔다. 보다 작은 픽셀들로 이동하는 장점은 고정된 광학적 포맷(optical format)에 대해 이미지의 해상도를 증가시킨다는 점이다. 구체적으로, 보다 작은 픽셀들은 보다 양호한 변조 전달 함수(modulation transfer function: MTF)를 가지며, 이에 따라 미세한 줄무늬의 셔츠 상의 라인들과 같은, 이미지에서의 미세한 세부사항들을 구별할 수 있다.
그러나, CMOS 프로세스들을 이용하여 제조된 픽셀들은 보다 작은 치수들로 스케일링(scale)되기 때문에, 이러한 픽셀들을 이용한 이미저(imager)들의 몇가지 성능 특성들은 저하될 수 있다. 특히, 광학적 감도(OS)는 빨리 저하된다. 이는 조리개(aperture) 크기를 감소시킴으로써 양자 효율(QE)이 저하되고 픽셀 면적이 또한 축소되기 때문이다. OS는 QE와 픽셀 면적의 곱(product)에 좌우되기 때문에, OS는 이 둘다에 의해 부정적인 영향을 받는다.
따라서, 개선된 이미지 센서 구조가 필요하다.
이미지 센서의 실시예들이 제시되며, 여기서 이미지 센서는 제 1 어레이의 픽셀들을 갖는 제 1 센서층, 및 제 2 어레이의 픽셀들을 갖는 제 2 센서층을 포함한다. 각각의 픽셀들은 광학적 중심(optical center)을 갖는다. 광학적 중심은 본 발명에 따른 일 실시예에서 픽셀의 중심이다. 제 1 센서층은 제 1 어레이의 픽셀들의 광학적 중심들이 제 2 어레이의 광학적 중심들로부터 오프셋되어 미리 결정된 패턴을 형성하도록 제 2 센서층 상부에 적층된다.
본 발명은 개선된 이미지 센서 구조를 제공하는 장점을 갖는다.
본 발명의 실시예들은 이하의 도면들을 참조로 보다 양호하게 이해된다. 도면들의 엘리먼트들은 서로에 대해 실제 크기로 도시될 필요는 없다. 유사한 참조번호들은 대응하는 유사한 부분들을 지칭한다.
도 1은 디지털 카메라의 일 실시예의 양상들을 도시하는 블록도이다.
도 2는 이미지 센서를 위한 비-공유(non-shared) 픽셀의 부분들을 도시하는 개략도이다.
도 3은 이미지 센서를 위한 4-공유(4-shared) 픽셀의 일 실시예의 부분들을 도시하는 개략도이다.
도 4는 2개의 감지층들을 갖는 이미지 센서의 일 실시예를 개념적으로 도시한다.
도 5는 2개의 감지층들을 갖는 이미지 센서의 일 실시예의 양상들을 개념적으로 도시하는 측면도이다.
도 6은 y-방향에 비해 x-방향에서 보다 작은 픽셀 피치를 갖는 제 1 센서층의 일 실시예의 부분들을 도시하는 최상부도이다.
도 7은 y-방향에 비해 x-방향에서 보다 큰 픽셀 피치를 갖는 제 2 센서층의 일 실시예의 부분들을 도시하는 최상부도이다.
도 8은 도 6 및 도 7에서 도시된 제 1 및 제 2 센서층을 위한 픽셀들의 광학적 중심들의 정렬 위치들의 최상부이다.
도 9는 베이어(Bayer) 컬러 필터 어레이에서 사용되는 컬러 필터들의 패턴을 개념적으로 도시한다.
도 10은 도 5 및 도 6에서 각각 도시된 제 1 및 제 2 센서층의 오버레이(overlay), 및 그러한 오버레이를 위해 사용된 컬러 필터 어레이의 일 실시예를 도시한다.
도 11a는 각각의 열에 대해 광학적 중심들이 스태거(stagger)되는 제 1 센서층을 위한 픽셀들의 광학적 중심들의 정렬 위치들의 최상부도이다.
도 11b는 각각의 행에 대해 광학적 중심들이 스태거되는 제 2 센서층에 대한 픽셀들의 광학적 중심들의 정렬 위치들의 최상부도이다.
도 11c는 제 1 및 제 2 센서층의 광학적 중심들이 사각형 어레이를 형성하는 것을 도시하는, 도 11a 및 11b의 오버레이의 최상부도이다.
도 12a는 제 1 센서에 대한 픽셀들의 광학적 중심들의 정렬 위치들의 최상부도이다.
도 12b는 제 2 센서층에 대한 픽셀들의 광학적 중심들의 정렬 위치들의 최상부도이다.
도 12c는 제 1 및 제 2 센서층의 광학적 중심들이 조밀하게 충진된(close-packed) 2D 어레이를 형성하는 것을 도시하는, 도 12a 및 12b의 오버레이의 최상부도이다.
도 13은 센서층들 사이의 잠재적인 오정렬을 도시한다.
도 14는 정렬 구조물을 포함하는 센서층의 최상부도이다.
도 1은 디지털 카메라의 일 실시예의 양상들을 도시하는 블록도이다.
도 2는 이미지 센서를 위한 비-공유(non-shared) 픽셀의 부분들을 도시하는 개략도이다.
도 3은 이미지 센서를 위한 4-공유(4-shared) 픽셀의 일 실시예의 부분들을 도시하는 개략도이다.
도 4는 2개의 감지층들을 갖는 이미지 센서의 일 실시예를 개념적으로 도시한다.
도 5는 2개의 감지층들을 갖는 이미지 센서의 일 실시예의 양상들을 개념적으로 도시하는 측면도이다.
도 6은 y-방향에 비해 x-방향에서 보다 작은 픽셀 피치를 갖는 제 1 센서층의 일 실시예의 부분들을 도시하는 최상부도이다.
도 7은 y-방향에 비해 x-방향에서 보다 큰 픽셀 피치를 갖는 제 2 센서층의 일 실시예의 부분들을 도시하는 최상부도이다.
도 8은 도 6 및 도 7에서 도시된 제 1 및 제 2 센서층을 위한 픽셀들의 광학적 중심들의 정렬 위치들의 최상부이다.
도 9는 베이어(Bayer) 컬러 필터 어레이에서 사용되는 컬러 필터들의 패턴을 개념적으로 도시한다.
도 10은 도 5 및 도 6에서 각각 도시된 제 1 및 제 2 센서층의 오버레이(overlay), 및 그러한 오버레이를 위해 사용된 컬러 필터 어레이의 일 실시예를 도시한다.
도 11a는 각각의 열에 대해 광학적 중심들이 스태거(stagger)되는 제 1 센서층을 위한 픽셀들의 광학적 중심들의 정렬 위치들의 최상부도이다.
도 11b는 각각의 행에 대해 광학적 중심들이 스태거되는 제 2 센서층에 대한 픽셀들의 광학적 중심들의 정렬 위치들의 최상부도이다.
도 11c는 제 1 및 제 2 센서층의 광학적 중심들이 사각형 어레이를 형성하는 것을 도시하는, 도 11a 및 11b의 오버레이의 최상부도이다.
도 12a는 제 1 센서에 대한 픽셀들의 광학적 중심들의 정렬 위치들의 최상부도이다.
도 12b는 제 2 센서층에 대한 픽셀들의 광학적 중심들의 정렬 위치들의 최상부도이다.
도 12c는 제 1 및 제 2 센서층의 광학적 중심들이 조밀하게 충진된(close-packed) 2D 어레이를 형성하는 것을 도시하는, 도 12a 및 12b의 오버레이의 최상부도이다.
도 13은 센서층들 사이의 잠재적인 오정렬을 도시한다.
도 14는 정렬 구조물을 포함하는 센서층의 최상부도이다.
이하의 상세한 설명에서, 본 명세서의 일부를 형성하고 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예들의 예시로서 도시되는 첨부된 도면들을 참조한다. 이와 관련하여, "최상부", "바닥부", "전면", "후면", "리딩(leading)", "트레일링(trailing)" 등과 같은 방향성(directional) 용어는 상술되는 도면(들)의 방위(orientation)를 참조로 사용된다. 본 발명의 실시예들의 컴포넌트들은 다수의 상이한 방위들로 위치될 수 있기 때문에, 방향성 용어는 예시를 목적으로 사용되며 제한적인 방식이 아니다. 다른 실시예들이 사용될 수 있고 구조적 또는 논리적 변경들이 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 이루어질 수 있다는 점을 이해한다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 제한적인 관점으로 이루어져서는 안되며 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위에 의해 정의된다.
이제 도 1을 참조하면, 본 개시물의 양상들을 구현하는 디지털 카메라로서 도시된 이미지 캡쳐 장치의 블록도가 도시된다. 디지털 카메라가 도시되고 설명되지만, 본 발명은 이미지 캡쳐 장치들의 다른 타입들에 명확하게 적용가능하다. 제시된 카메라에서, 대상 장면(subject scene)으로부터의 광(10)은 이미징 스테이지(11)에 입력되고, 여기서 광은 렌즈(12)에 의해 포커싱되어 이미지 센서(20) 상에 이미지를 형성한다. 이미지 센서(20)는 각각의 화상 엘리먼트(픽셀)에 대해 입사광을 전기 신호로 변환한다. 일부 실시예들에서, 이미지 센서(20)는 능동 픽셀 센서(APS) 타입이다(APS 장치들은 종종 상보형 금속 산화물 반도체 프로세스에서 이들을 제조하는 능력 때문에 CMOS 센서들로 지칭된다).
센서(20)에 도달하는 광의 양은 광학적 경로에 삽입된 하나 이상의 중성 밀도(neutral density: ND) 필터들을 포함하는 조리개 및 중성 밀도(ND) 필터 블록(13)를 가변하는 조리개(iris) 블록(14)에 의해 조정된다. 또한, 전체 광 레벨을 조정하는 것은 셔터 블록(18)이 개방되는 시간이다. 노출 제어기 블록(40)은 휘도 센서 블록(16)에 의해 계측되는 바와 같은 장면에서 이용가능한 광의 양에 응답하고 이러한 조정 모든 3개의 이러한 조정 함수들을 제어한다.
특정 카메라 구성의 본 설명은 통상의 당업자에게 익숙할 것이며, 많은 변화들 및 부가적인 특징들이 존재한다는 점은 통상의 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 오토포커스(autofocus) 시스템이 부가되거나, 또는 렌즈가 분리가능하고 교환가능하다. 본 개시물은 유사한 기능이 대안적인 컴포넌트들에 의해 제공되는 디지털 카메라들의 다양한 타입들에 적용된다는 점을 이해할 것이다. 예를 들어, 디지털 카메라는 상대적으로 간단한 포인트 및 샷(shoot) 디지털 카메라이고, 여기서 셔터(18)는 보다 복잡한 촛점 평면 배열 대신에 상대적으로 간단한 이동식 블레이드(movable blade) 셔터 또는 이와 유사한 것이다. 본 발명의 양상들은 또한 모바일 폰 및 자동차들과 같은 비-카메라 장치들에 포함된 이미징 컴포넌트들 상에서 실시될 수 있다.
이미지 센서(20)로부터의 아날로그 신호는 아날로그 신호 처리기(22)에 의해 처리되고 아날로그 대 디지털(A/D) 컨버터(24)에 인가된다. 타이밍 발생기(26)는 행들 및 픽셀들을 선택하기 위한 다양한 클록킹 신호들을 생성하고 A/D 컨버터(24) 및 아날로그 신호 처리기(22)의 동작을 동기화한다. 이미지 센서 스테이지(28)는 이미지 센서(20), 아날로그 신호 처리기(22), A/D 컨버터(24), 및 타이밍 발생기(26)를 포함한다. 이미지 센서 스테이지(28)의 컴포넌트들은 개별적으로 제조된 집적회로들일 수 있거나, 또는 이들은 CMOS 이미지 센서들로 통상적으로 구현되기 때문에 단일 집적회로로서 제조될 수 있다. A/D 컨버터(24)로부터의 디지털 픽셀 값들의 결과적인 스트림(stream)은 디지털 신호 처리기(DSP)(36)와 연동되는 메모리(32) 내에 저장된다.
디지털 신호 처리기(36)는 시스템 제어기(50) 및 노출 제어기(40)와 더불어, 도시된 실시예의 3개의 프로세서들 또는 제어기들 중 하나이다. 다수의 제어기들 및 프로세서들 중에서 카메라 기능 제어의 이러한 분할(partitioning)은 통상적이지만, 이러한 제어기들 또는 프로세서들은 본 발명의 애플리케이션 및 카메라의 기능 동작에 영향을 주지 않으면서 다양한 방식들로 조합된다. 이러한 제어기들 또는 프로세서들은 하나 이상의 디지털 신호 처리기 장치들, 마이크로컨트롤러들, 프로그램가능 로직 디바이스들, 또는 다른 디지털 로직 회로들을 포함한다. 그러한 제어기들 또는 프로세서들의 조합이 설명되었지만, 요구된 모든 기능들을 수행하기 위해 하나의 제어기 또는 프로세서가 지정될 수 있다는 점은 명백하다. 이러한 모든 변형예들은 동일한 기능을 수행할 수 있고 본 발명의 범주 내에 속하며, "처리 스테이지(processing stage)"란 용어는 예를 들어, 도 1의 처리 스테이지(38)에서처럼, 하나의 단계 내에서 이러한 모든 기능을 포함하기 위해 필요한 것으로 사용될 것이다.
도시된 실시예에서, DSP(36)는 프로그램 메모리(54) 내에 영구적으로 저장되어 이미지 캡쳐 동안 실행을 위해 메모리(32)에 복사되는 소프트웨어 프로그램에 따라 자신의 메모리(32) 내의 디지털 이미지 데이터를 조작한다. DSP(36)는 이미지 처리를 실시하기 위해 필요한 소프트웨어를 실행한다. 메모리(32)는 SDRAM과 같은 임의의 타입의 랜덤 액세스 메모리를 포함한다. 어드레스 및 데이터 신호들을 위한 경로를 포함하는 버스(30)는 DSP(36)를 이와 관련된 메모리(32), A/D 컨버터(24) 및 다른 관련된 장치들에 연결한다.
시스템 제어기(50)는 플래시 EEPROM 또는 다른 비휘발성 메모리를 포함할 수 있는 프로그램 메모리(54) 내에 저장된 소프트웨어 프로그램을 기반으로 카메라의 전체 동작을 제어한다. 이러한 메모리는 또한 카메라가 턴오프될 때 보존되어야 하는 이미지 센서 보정(calibration) 데이터, 사용자 세팅 선택들 및 다른 데이터를 저장하기 위해 사용될 수 있다. 시스템 제어기(50)는 이전에 설명된 바와 같은 렌즈(12), ND 필터(13), 조리개(14) 및 셔터(18)를 동작시키도록 노출 제어기(40)에 명령하고, 이미지 센서(20) 및 연관된 엘리먼트들을 동작시키도록 타이밍 발생기(26)에 명령하며, 캡쳐된 이미지 데이터를 처리하도록 DSP(36)에 명령함으로써, 이미지 캡쳐의 시퀀스를 제어한다. 이미지가 캡쳐 및 처리된 후에, 메모리(32) 내에 저장된 최종 이미지 파일은 인터페이스(57)를 통해 호스트 컴퓨터로 전달되고, 착탈식 메모리 카드(64) 또는 다른 저장 장치에 저장되며, 사용자를 위해 이미지 디스플레이(88) 상에 디스플레이된다.
버스(52)는 어드레스, 데이터 및 제어 신호들을 위한 경로를 포함하며, DSP(36), 프로그램 메모리(54), 시스템 메모리(56), 호스트 인터페이스(57), 메모리 카드 인터페이스(60) 및 다른 관련 장치들에 시스템 제어기(50)를 연결한다. 호스트 인터페이스(57)는 디스플레이, 저장, 조작 또는 프린팅을 위해 이미지 데이터의 전달을 위한 개인용 컴퓨터(PC) 또는 다른 호스트 컴퓨터에 대한 고속 연결을 제공한다. 이러한 인터페이스는 IEEE1394 또는 USB2.0 시리얼 인터페이스 또는 임의의 다른 적절한 디지털 인터페이스이다. 메모리 카드(64)는 전형적으로 소켓(62) 내에 삽입되어 메모리 카드 인터페이스(60)를 통해 시스템 제어기(50)에 연결되는 컴팩트 플래시(CF)이다. 사용되는 다른 타입들의 저장장치는 예를 들어, PC-카드들, 멀티미디어 카드들(MMC), 또는 보안 디지털(SD) 카드들을 포함한다.
처리된 이미지들은 시스템 제어기(56) 내의 디스플레이 버퍼에 복사되고 비디오 인코더(80)를 통해 연속적으로 판독되어 비디오 신호를 생성한다. 이러한 신호는 외부 모니터 상에 디스플레이를 위해 카메라로부터 직접 출력되거나, 또는 디스플레이 제어기(82)에 의해 처리되어 이미지 디스플레이(88) 상에 표현된다(presented). 이러한 디스플레이는 전형적으로 능동 매트릭스 컬러 액정 디스플레이(LCD)이지만, 다른 타입들의 디스플레이들 또한 사용된다.
뷰파인더(viewfinder) 디스플레이(70), 노출 디스플레이(72), 상태 디스플레이(76) 및 이미지 디스플레이(88), 및 사용자 입력들(74)의 임의의 조합 또는 전부를 포함하는 사용자 인터페이스는 노출 제어기(40) 및 시스템 제어기(50)에서 실행되는 소프트웨어 프로그램들의 조합에 의해 제어된다. 사용자 입력들(74)은 전형적으로 버튼들, 로커 스위치들, 조이스틱들, 회전식 다이얼들 또는 터치스크린들의 몇몇 조합을 포함한다. 노출 제어기(40)는 광 미터링, 노출 모드, 오토포커스 및 다른 노출 기능들을 동작시킨다. 시스템 제어기(50)는 하나 이상의 디스플레이들, 예를 들어 이미지 디스플레이(88) 상에서 표현되는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 관리한다. GUI는 전형적으로 다양한 옵션 선택들을 위한 메뉴들 및 캡쳐된 이미지들을 검사하기 위한 리뷰 모드들을 포함한다.
노출 제어기(40)는 노출 모드, 렌즈 조리개, 노출 시간(셔터 속도), 및 노출 인덱스 또는 ISO 속도 레이팅(speed rating)을 선택하는 사용자 입력들을 수용하고, 이에 따라 후속적인 캡쳐들을 위해 렌즈 및 셔터에 명령한다. 휘도 센서(16)는 장면의 휘도를 측정하고 사용자가 ISO 속도 레이팅을 수동으로 설정할 때 참조하기 위한 노출 미터 기능을 제공하기 위해 사용된다. 이 경우, 사용자가 하나 이상의 세팅들을 변경함에 따라, 뷰파인더 디스플레이(70) 상에 표현되는 광 미터 표시기(light meter indicator)는 이미지가 과대 노출(overexposed) 또는 노출 부족(underexposed)인 정도를 사용자에게 알려준다. 자동 노출 모드에서, 사용자는 하나의 세팅을 변경하고 노출 제어기(40)는 정확한 노출을 유지하기 위해 다른 세팅을 자동으로 변경한다. 예를 들어, 사용자가 렌즈 조리개를 감소시킬 때 주어진 ISO 속도 레이팅에서, 노출 제어기(40)는 동일한 전체 노출을 유지하기 위해 노출 시간을 자동으로 증가시킨다.
도 1에 도시된 이미지 센서(20)는 각 픽셀에서의 입사광을 측정되는 전기 신호로 변환하는 방식을 제공하는 기판 상에 제조된 감광성 픽셀들의 어레이를 포함한다. 센서가 광에 노출됨에 따라, 자유 전자들은 각 픽셀의 전자 구조물 내에서 발생 및 캡쳐된다. "웨이퍼" 및 "기판"이란 용어들은 실리콘-온-절연체(SOI) 또는 실리콘-온-사파이어(SOS) 기술, 도핑 및 언도핑된 반도체들, 베이스 반도체 파운데이션(foundation), 및 다른 반도체 구조물들을 포함하는 것으로 이해된다. 더욱이, 이하의 설명에서 "웨이퍼" 또는 "기판"을 참조할 때, 이전의 프로세스 단계들은 베이스 반도체 구조물 또는 파운데이션 위에 또는 내부에 영역들 또는 접합부들을 형성하기 위해 사용되었을 수 있다. 또한, 반도체는 실리콘-기질일 필요는 없지만, 실리콘-게르마늄, 게르마늄, 또는 갈륨 비소 기질일 수 있다.
도 2는 이미지 센서(20)의 비-공유 픽셀(100)의 일 실시예의 부분들을 도시하는 개략도이다. 픽셀(100)은 포토다이오드(130)와 같은 광검출기, 및 전달 게이트(132)와 같은 전달 기기를 포함한다. 광검출기(130)는 입사광에 응답하여 전하를 수집하고, 전달 게이트(132)는 광검출기(130)로부터의 전하를 플로팅 확산 감지 노드(134)와 같은 전하-대-전압 기기로 전달하도록 기능하며, 상기 플로팅 확산 감지 노드(134)는 광검출기(130)로부터 전하를 수신하여 전하를 전압 신호로 변환한다. 리셋 게이트 트랜지스터(136) 및 소스 팔로워 증폭기 트랜지스터(138)는 전압 소스(VDD)에 연결된 이들의 드레인들을 갖는다. 행 선택 트랜지스터(140)는 소스 팔로워 트랜지스터(138)의 소스에 연결된 자신의 드레인 및 출력 라인(142)에 연결된 자신의 소스를 갖는다. 리셋 게이트(136)의 소스 및 소스 팔로워(138)의 게이트는 플로팅 확산부(134)에 연결된다.
도 3은 이미지 센서(20)의 4-공유 픽셀 구조물을 사용하는 일 실시예의 부분들을 도시하는 개략도이다. 4-공유 구조물에서, 4-포토다이오드들에 수집되는 광-유도된 전하는 단일 플로팅 확산부(134)로의 4-전달 게이트들(132) 중 하나에 의해 제어된다. 4-포토다이오드들(130), 전달 게이트들(132), 플로팅 확산부(134), 및 판독 트랜지스터들(136, 138, 140)은 일반적으로 픽셀 커넬(pixel kernel)로서 지칭된다. 다른 실시예들에서, 비-공유, 2-공유, 4-공유, 또는 N-공유와 같은 다른 커넬 구성들이 사용된다. 본 명세서에서 제시된 일부 실시예들은 2개의 감지층들 각각에 대해 4-공유 아키텍쳐를 사용한다.
도 4에서, 이미지 센서(20)는 다수의 센서층들을 포함하며, 각각의 센서층은 픽셀들의 어레이를 갖는다. 예를 들어, 도 4에 도시된 실시예는 제 1 및 제 2 센서층(101, 102)을 포함하며, 제 3 또는 부가적인 층들(103)은 파선들로 표시된다. 각각의 층은 픽셀들(111, 112, 113)의 대응하는 어레이를 갖는다.
제 1 센서층(111)은 미리 선택된 제 1 범위의 파장들을 갖는 광을 수집하기 위한 유효 두께 T1을 갖고, 제 2 센서층은 미리 선택된 제 2 범위의 파장들을 갖는 광을 수집하기 위한 유효 두께 T2를 갖는다. 층(103) 등과 같은 부가적인 감지층들을 갖는 실시예들에서, 미리 선택된 부가적인 범위들의 파장들을 수집하기 위한 대응하는 유효 두께들을 갖는다.
일반적인 실리콘 웨이퍼들, 실리콘 온 절연체(SOI) 웨이퍼들 또는 실리콘 온 사파이어(SOS) 웨이퍼들은 센서층들(101, 102) 등의 제조를 위한 모든 적절한 물질들이다. 픽셀 어레이들을 어드레싱 및 판독하기 위한 지원 회로는 전형적으로 픽셀들(111, 112)의 어레이 외부의 감지층들 상에 있다. 다른 구성에서, 지원 회로는 부가적인 기판 상에 제조되고, 가장 낮은 감지층 아래에 부착되며, 전기적 상호연결부들을 통하여 감지층들에 전기적으로 연결된다.
도 5는 2개의 감지층들(101, 102)을 갖는 이미지 센서의 일 실시예의 추가적인 양상들을 도시하는 단면도이다. 각각의 센서층들(101, 102)은 "유효 두께" T1 및 T2 각각의 반도체 부분(144)을 포함한다. 최상부층(101)의 반도체 부분(144)이 실리콘인 경우, T1은 전형적으로 0.4㎛ 내지 2.5㎛이다. 이러한 두께 범위는 많은 양의 적색 광(>25%)이 제 2 센서층(102)으로 통과되도록 허용하면서, 청색 및 녹색 가시성 대역들로부터 많은 광을 흡수하도록 설정된다. T2의 "유효 두께"는 일반적으로 T1 보다 더 크고, 전형적으로 2.5㎛ 내지 10㎛이며, 적색 광을 흡수하도록 설계된다. T2의 바닥부 엣지는 일반적으로 수집 깊이(collection depth)(146)로서 지칭된다. 부가적인 감지층들을 사용하는 일부 실시예들에서, 각각의 부가층은 대응하는 범위들의 파장들을 흡수하기 위한 추가적인 유효 두께를 갖는다.
판독 시에, 포토다이오드(130)에 수집되는 광전하는 전달 게이트(132)에 펄스를 인가함으로써 플로팅 확산부(134)로 이동된다. 소스 팔로워 트랜지스터(138)의 게이트에서 생성된 전압 신호는 열 라인들을 통하여 지원 회로로 전달된다. 컬러 필터 어레이(CFA)(120)는 제 1 센서층(101) 상부에 배치되고, 마이크로렌즈(122)는 일부 실시예들에서 CFA(120)와 마이크로렌즈(122) 사이에 이격층(124)을 갖도록 CFA(120) 상부에 형성된다. 도시된 단면에서, 픽셀 피치는 제 2 감지층(102)과 비교하여 제 1 감지층(101)에 대한 픽셀 피치의 절반이다.
도 6 및 도 7은 각각 제 1 및 제 2 감지층(101, 102)의 부분들을 도시하는 최상부도들이다. 도 6을 참조하면, 제 1 어레이(111)는 제 1 방향(y 또는 수평 방향)(152)에서 제 1 공간 피치(150), 및 제 2 방향(x 또는 수직 방향)(156)에서 제 2 공간 피치(154)를 갖는다. 도시된 실시예에서, 제 1 방향(152)은 일반적으로 제 2 방향(156)에 수직이다. 본 개시물에서, "피치(pitch)"란 용어는 일반적으로 하나의 픽셀 상의 포인트와 인접한 픽셀 상의 대응하는 포인트 사이의 거리를 지칭한다. 제 1 어레이(111)에서, 제 1 공간 피치(150)는 제 2 공간 피치(154)보다 더 크다.
도 7은 제 2 어레이(112)를 도시하며, 여기서 제 2 방향(156)의 픽셀들(100)의 제 2 공간 피치(154)는 제 1 방향(152)의 제 1 공간 피치(150)보다 더 크다.
도 8은 제 1 층(101)의 포토다이오드들(130)의 일부의 광학적 중심들(160) 및 제 2 층(102)의 포토다이오드들(130)의 광학적 중심들(162)의 오버레이를 도시한다. 다크 블랙 사각형(166)은 컬러 재구성(color reconstruction)을 위한 유효 2×2 픽셀 커넬을 마킹한다. 광학적 중심들(160, 162)은 2×2 블록(166) 내의 서브스퀘어(subsquare)들의 중심들에 있지 않지만, 반복 단위의 주기는 동일한 치수의 2×2 베이어(Bayer) 커넬과 동일하다.
각각의 이미지는 상이한 방향에서 양호한 변조 전달 함수(MTF) 성능을 갖는다. 최종 이미지는 각각의 개별 이미지들보다 더 높은 MTF를 갖는다. 각 이미지에 대한 유효 픽셀 면적은 등가적인 MTF 성능을 갖는 단일 감지층으로 생성된 이미지보다 더 넓다. 따라서, 광학적 감도(OS) 또한 더 크다.
도 5에 도시된 실시예와 같은 일부 실시예들에서, 이미지 센서(20)는 노출된 광이 실리콘층(114)의 후면 표면을 향하여 투영되는 후면 조사방식(back illuminated) 센서이다. 픽셀들(100)은 기판의 대향 측면 상에 위치되고, 기판은 기판의 후면을 향하여 투영된 광이 픽셀들(100)에 도달할 수 있도록 충분히 얇다.
제 2 감지층(102)에서 포토다이오드들(130)에 의해 수집된 광을 극대화하기 위해, 제 1 감지층과 제 2 감지층 둘다를 위한 금속 배선(116)의 레이아웃은 제 2 감지층(102)을 위한 포토다이오드들(130) 위의 조리개(aperture)(비-금속 영역)를 극대화해야 한다. 실제로, 조리개들은 보다 적은 금속 배선들이 포토다이오드 신호를 판독하기 위해 요구되기 때문에 비-공유 설계들에 비해 N-공유 설계들에서 더 크다.
컬러 이미지를 생성하기 위해, 이미지 센서에서 픽셀들의 어레이는 전형적으로 이들 상부에 배치된 컬러 필터들의 패턴을 갖는다. 도 9는 단일 감지층의 이미저들을 위해 일반적으로 사용되는 적색, 녹색 및 청색 컬러 필터들의 패턴을 도시한다. 이러한 특정 패턴은 참조로 포함되는 미국특허번호 제3,971,065호에 제시된 바와 같이 이의 발명자 Bryce Bayer 이후에 베이어(Bayer) 컬러 필터 어레이(CFA)로서 일반적으로 공지되어 있다. 결과적으로, 각각의 픽셀은 이 경우 적색, 녹색 또는 청색 광에 대해 우세한 감도를 갖는 특정 컬러 광응답(photoresponse)을 갖는다.
도 10은 도 5에 도시된 실시예와 같이, 2개의 감지층들을 갖는 이미저를 위한 CFA 패턴의 일 실시예의 일 예를 도시한다. 베이어 패턴과 달리, 황색 및 자홍색(magenta) 필터들은 적색 광이 적색 광에 주로 감응하는 제 2 픽셀 어레이(112)로 통과되도록 허용하면서, 최상부 픽셀 어레이(111)에 대한 청색(자홍색) 및 녹색(황색) 스펙트럼 대역들로부터 광을 분리시키기 위해 요구된다. 2개의 감지층들 때문에, 컬러 이미지 재구성(166)에 대한 픽셀 커넬은 베이어 컬러 커넬보다 더 작다. 또한, 광 감도는 베이어 컬러 커넬의 광 감도보다 훨씬 더 크다.
도 11은 광학적 중심들의 오버레이가 사각형 격자를 형성하는 일 실시예를 도시한다. 도 11a는 각 열에서 광학적 중심들이 스태거되는 제 1 감지층(101)에 대한 픽셀들의 광학적 중심들의 정렬 위치들의 최상부도이다. 도 11b는 각 행이 스태거되는 제 2 센서층에 대한 최상부도이다. 도 11c는 사각형 격자의 형태(formation) 및 오버레이를 도시한다. 또한, 다크 블랙 사각형(166)은 컬러 재구성을 위한 유효 2×2 픽셀 커넬을 마킹한다.
유사하게, 도 12는 광학적 중심들의 오버레이가 조밀하게 충진된(close-packed) 격자를 형성하는 일 실시예를 도시한다. 도 12a는 광학적 중심들이 사각형 그리드를 형성하는 제 1 센서층에 대한 픽셀들의 광학적 중심들의 정렬 위치들의 최상부도이다. 도 12b는 제 2 센서층에 대한 동일한 사각형 그리드를 도시한다. 도 12c는 오프셋을 갖는 2개의 그리드들을 오버레이하는 것이 조밀하게 충진된 격자를 제공하는 것을 도시한다. 또한, 다크 블랙 사각형(166)은 컬러 재구성을 위한 유효 2×2 픽셀 커넬을 마킹한다.
도 5-8에 도시된 이미지 센서(20)와 같은 다층 구조물의 제조에서의 문제는 웨이퍼-대-웨이퍼 본딩 스테이지 동안의 오정렬이다. 도 13은 제 1 층(101)과 제 2 층(102) 사이에 그러한 잠재적인 오정렬(170)의 일 예를 도시한다. 이미지들에서의 오정렬은 오정렬이 인지된 경우 용이하게 교정될 수 있다. 따라서, 일부 실시예들은 센서층들 중 하나 상에, 예를 들어 제 1 층(101) 상에 버니어(vernier)들 또는 다른 정렬 마크를 포함한다. 도 14는 그러한 정렬 구조물의 일 예를 도시한다. 제 1 센서층(101)은 금속층들(116) 중 하나를 통하는 개구들(172)을 포함한다. 이러한 정렬 구조물들은 전형적으로 이미지 센서(20)의 하나 이상의 코너들에 배치된다. 제조 후에, 오정렬은 균일한 광으로 이미지 센서를 조명함으로써 측정된다. 제 1 센서층(101)에서 개구들(170)을 통하여 나오는 광은 제 2 층(102)의 제 2 픽셀 어레이(112)의 일부분에 의해 이미징된다. 정렬 구조물 아래의 이미지의 분석은 이미지 센서를 보정하기 위해 사용될 수 있는 오프셋 및 회전 오정렬 정보를 제공한다.
본 발명은 이의 특정한 바람직한 실시예들을 특히 참조하여 상세히 설명되었지만, 다양한 변형예들 및 변경들이 본 발명의 사상과 범주를 벗어남이 없이 달성될 수 있다는 점을 이해할 것이다.
10: 광
11: 이미징 스테이지
12: 렌즈
13: ND 필터 블록
14: 조리개 블록
16: 휘도 센서 블록
18: 셔터 블록
20: 이미지 센서
22: 아날로그 신호 처리기
24: 아날로그 대 디지털(A/D) 컨버터
26: 타이밍 발생기
28: 이미지 센서 스테이지
30: 버스
32: 메모리
36: 디지털 신호 처리기(DSP)
38: 처리 스테이지
40: 노출 제어기
50: 시스템 제어기
52: 버스
54: 프로그램 메모리
56: 시스템 메모리
57: 호스트 인터페이스
60: 메모리 카드 인터페이스
62: 소켓
64: 메모리 카드
70: 뷰파인더 디스플레이
72: 노출 디스플레이
74: 사용자 입력들
76: 상태 디스플레이
80: 비디오 인코더
82: 디스플레이 제어기
88: 이미지 디스플레이
100: 픽셀
101: 제 1 감지층
102: 제 2 감지층
111: 제 1 픽셀 어레이
112: 제 2 픽셀 어레이
114: 기판
116: 금속층들
120: 컬러 필터 어레이(CFA)
122: 마이크로렌즈
124: 이격층
130: 포토다이오드
132: 전달 게이트
134: 플로팅 확산부
136: 리셋 게이트 트랜지스터
138: 소스 팔로워 트랜지스터
140: 행 선택 트랜지스터
142: 출력 라인
144: 반도체층
146: 포토다이오드 전하 수집 깊이
150: 제 1 공간 피치
152: 제 1 방향
154: 제 2 공간 피치
156: 제 2 방향
160: 포토다이오드 광학적 중심
162: 포토다이오드 광학적 중심
164: 픽셀 커넬
166: 컬러 이미지 재구성을 위한 픽셀 커넬
170: 오정렬
172: 정렬 개구들
VDD: 전압 소스
11: 이미징 스테이지
12: 렌즈
13: ND 필터 블록
14: 조리개 블록
16: 휘도 센서 블록
18: 셔터 블록
20: 이미지 센서
22: 아날로그 신호 처리기
24: 아날로그 대 디지털(A/D) 컨버터
26: 타이밍 발생기
28: 이미지 센서 스테이지
30: 버스
32: 메모리
36: 디지털 신호 처리기(DSP)
38: 처리 스테이지
40: 노출 제어기
50: 시스템 제어기
52: 버스
54: 프로그램 메모리
56: 시스템 메모리
57: 호스트 인터페이스
60: 메모리 카드 인터페이스
62: 소켓
64: 메모리 카드
70: 뷰파인더 디스플레이
72: 노출 디스플레이
74: 사용자 입력들
76: 상태 디스플레이
80: 비디오 인코더
82: 디스플레이 제어기
88: 이미지 디스플레이
100: 픽셀
101: 제 1 감지층
102: 제 2 감지층
111: 제 1 픽셀 어레이
112: 제 2 픽셀 어레이
114: 기판
116: 금속층들
120: 컬러 필터 어레이(CFA)
122: 마이크로렌즈
124: 이격층
130: 포토다이오드
132: 전달 게이트
134: 플로팅 확산부
136: 리셋 게이트 트랜지스터
138: 소스 팔로워 트랜지스터
140: 행 선택 트랜지스터
142: 출력 라인
144: 반도체층
146: 포토다이오드 전하 수집 깊이
150: 제 1 공간 피치
152: 제 1 방향
154: 제 2 공간 피치
156: 제 2 방향
160: 포토다이오드 광학적 중심
162: 포토다이오드 광학적 중심
164: 픽셀 커넬
166: 컬러 이미지 재구성을 위한 픽셀 커넬
170: 오정렬
172: 정렬 개구들
VDD: 전압 소스
Claims (23)
- 이미지 센서로서,
제 1 어레이의 픽셀들을 갖는 제 1 센서층;
제 2 어레이의 픽셀들을 갖는 제 2 센서층
을 포함하고, 각각의 상기 픽셀들은 광학적 중심(optical center)을 가지며,
상기 제 1 센서층은 미리 결정된 패턴을 형성하기 위해 상기 제 1 어레이의 픽셀들의 광학적 중심들이 상기 제 2 어레이의 광학적 중심들로부터 오프셋되도록 상기 제 2 센서층 상부에 적층되는,
이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 어레이의 픽셀들은 제 1 방향에서 제 1 공간 피치(spatial pitch) 및 제 2 방향에서 제 2 공간 피치를 갖고, 상기 제 1 공간 피치는 상기 제 2 공간 피치보다 더 크며,
상기 제 2 어레이의 픽셀들은 상기 제 1 방향에서 제 1 공간 피치 및 상기 제 2 방향에서 제 2 공간 피치를 갖고, 상기 제 2 공간 피치는 상기 제 1 공간 피치보다 더 큰,
이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
각각의 픽셀은 입사광에 응답하여 전하를 수집하기 위한 광검출기, 전하-대-전압 변환 기기(mechanism), 및 상기 광검출기로부터 상기 전하-대-전압 변환 기기로 전하를 선택적으로 전달하기 위한 전달 게이트(transfer gate)를 포함하는,
이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 센서층과 상기 제 2 센서층 사이의 상기 오프셋 및 회전 오정렬(rotational misalignment)을 측정하기 위한 정렬 구조물을 더 포함하는,
이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
각각의 픽셀은 입사광에 응답하여 전하를 수집하기 위한 광검출기를 포함하고, 다수의 광검출기들은 공통의 전하-대-전압 기기에 연결되는,
이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 센서층 상부에 배치된 컬러 필터 어레이를 더 포함하는,
이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 이미지 센서는 후면 조사방식(back illuminated) 센서인,
이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
제 3 어레이의 픽셀들을 갖는 제 3 센서층을 더 포함하고, 상기 제 3 어레이의 픽셀들의 광학적 중심들은 상기 제 1 및 제 2 센서층의 상기 광학적 중심들로부터 오프셋되는,
이미지 센서. - 제 8 항에 있어서,
제 3 어레이의 픽셀들을 갖는 제 3 센서층을 더 포함하고, 상기 제 3 어레이는 제 3 방향에서 제 3 공간 피치를 갖는,
이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 센서층 각각은 각각 미리 선택된 제 1 및 제 2 범위의 파장들을 갖는 광을 수집하기 위해 각각 제 1 및 제 2 유효 두께를 갖는,
이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 어레이의 픽셀들은 상기 미리 결정된 패턴이 사각형 격자(square lattice)가 되도록 배열되는,
이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 어레이의 픽셀들은 상기 미리 결정된 패턴이 조밀하게 충진된(close-packed) 격자가 되도록 배열되는,
이미지 센서. - 이미지 감지 방법으로서,
제 1 어레이의 픽셀들을 갖는 제 1 센서층을 제공하는 단계;
제 2 어레이의 픽셀들을 갖는 제 2 센서층을 제공하는 단계 ― 각각의 상기 픽셀들은 광학적 중심을 갖고, 상기 제 1 센서층은 미리 결정된 패턴을 형성하기 위해 상기 제 1 어레이의 픽셀들의 광학적 중심들이 상기 제 2 어레이의 광학적 중심들로부터 오프셋되도록 상기 제 2 센서층 상부에 적층됨 ―;
각각 상기 제 1 및 제 2 센서층에 의해 제 1 및 제 2 이미지를 캡쳐하는 단계; 및
상기 제 1 및 제 2 이미지를 최종 이미지로 조합하는 단계
를 포함하는 이미지 감지 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 제 1 어레이는 제 1 방향에서 제 1 공간 피치 및 제 2 방향에서 제 2 공간 피치를 갖고, 상기 제 1 공간 피치는 상기 제 2 공간 피치보다 더 크며,
상기 제 2 어레이는 상기 제 1 방향에서 제 1 공간 피치 및 상기 제 2 방향에서 제 2 공간 피치를 갖고, 상기 제 2 공간 피치는 상기 제 1 공간 피치보다 더 큰,
이미지 감지 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 제 1 센서층과 상기 제 2 센서층 사이의 상기 오프셋 및 회전 오정렬을 측정하기 위한 정렬 구조물을 제공하는 단계를 더 포함하는,
이미지 감지 방법. - 제 13 항에 있어서,
제 3 어레이의 픽셀들을 갖는 제 3 센서층을 제공하는 단계를 더 포함하는,
이미지 감지 방법. - 이미지 센서를 제조하는 방법으로서,
제 1 센서층 상에 제 1 어레이의 픽셀들을 형성하는 단계;
제 2 센서층 상에 제 2 어레이의 픽셀들을 형성하는 단계; 및
미리 결정된 패턴을 형성하기 위해 상기 제 1 어레이의 픽셀들의 광학적 중심들이 상기 제 2 어레이의 광학적 중심들로부터 오프셋되도록 상기 제 2 센서층 상부에 상기 제 1 센서층을 적층하는 단계
를 포함하는 이미지 센서를 제조하는 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 제 1 센서층 상부에 컬러 필터 어레이를 형성하는 단계를 더 포함하는,
이미지 센서를 제조하는 방법. - 제 17 항에 있어서,
제 3 어레이의 픽셀들을 갖는 제 3 센서층을 형성하는 단계; 및
상기 제 3 어레이의 픽셀들의 광학적 중심들이 상기 제 1 및 제 2 어레이의 상기 광학적 중심들로부터 오프셋되도록 상기 제 1, 제 2 및 제 3 센서층을 적층하는 단계를 더 포함하는,
이미지 센서를 제조하는 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 제 1 어레이의 픽셀들은 제 1 방향에서 제 1 공간 피치 및 제 2 방향에서 제 2 공간 피치를 갖고, 상기 제 1 공간 피치는 상기 제 2 공간 피치보다 더 크며,
상기 제 2 어레이의 픽셀들은 상기 제 1 방향에서 제 1 공간 피치 및 상기 제 2 방향에서 제 2 공간 피치를 갖고, 상기 제 2 공간 피치는 상기 제 1 공간 피치보다 더 큰,
이미지 센서를 제조하는 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 제 1 센서층 내에 개구를 형성하는 단계;
상기 제 1 센서층 내의 상기 개구를 통하여 나오는 광에 의해 생성되는 이미지를 상기 제 2 센서층에 의해 캡쳐하는 단계; 및
상기 제 1 센서층과 상기 제 2 센서층 사이의 오정렬을 측정하기 위해 상기 캡쳐된 이미지를 사용하는 단계를 더 포함하는,
이미지 센서를 제조하는 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 어레이의 픽셀들은 상기 미리 결정된 패턴이 사각형 격자가 되도록 배열되는,
이미지 센서를 제조하는 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 어레이의 픽셀들은 상기 미리 결정된 패턴이 조밀하게 충진된(close-packed) 격자가 되도록 배열되는,
이미지 센서를 제조하는 방법.
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