KR20120107755A - 이미지 센서의 픽셀 어레이 및 이미지 센서의 픽셀 어레이 제조 방법 - Google Patents

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이신욱
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Abstract

이미지 센서의 픽셀 어레이는 제1 도전형의 차단 영역, 제2 도전형의 제1 포토다이오드 및 제2 도전형의 제2 포토다이오드를 포함한다. 제1 포토다이오드는 제1 도전형의 반도체 기판 내에 형성되고, 제1 파장의 광을 전기적인 신호로 변환한다. 차단 영역은 반도체 기판 내에 제1 포토다이오드의 하부에 형성되고, 제1 도전형의 불순물이 상기 반도체 기판보다 높은 농도로 도핑된다. 제2 포토다이오드는 반도체 기판 내에 제1 포토다이오드에 인접하여 형성되고, 제1 포토다이오드보다 큰 높이를 가지며, 제2 파장의 광을 전기적인 신호로 변환한다.

Description

이미지 센서의 픽셀 어레이 및 이미지 센서의 픽셀 어레이 제조 방법{PIXEL ARRAY OF AN IMAGE SENSOR AND METHOD OF MANUFACTURING A PIXEL ARRAY OF AN IMAGE SENSOR}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 컬러 픽셀들 및 거리 픽셀들을 포함하는 이미지 센서의 픽셀 어레이 및 상기 픽셀 어레이의 제조 방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 영상(Image) 또는 거리(Distance, Depth) 정보를 포함하는 광 신호를 전기적인 신호로 변환하는 장치이다. 정밀하면서도 정확하게 원하는 정보를 제공하기 위하여 이미지 센서에 대한 연구가 진행 중이며, 특히, 영상 정보뿐만 아니라 거리 정보를 제공하는 3차원 이미지 센서(3D Image Sensor)에 대한 연구 및 개발이 최근 활발하게 진행되고 있다.
본 발명의 일 목적은 양자 효율(Quantum Efficiency; QE)을 향상시킬 수 있고 크로스토크(Crosstalk)를 감소시킬 수 있는 이미지 센서의 픽셀 어레이를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 양자 효율을 향상시킬 수 있고 크로스토크를 감소시킬 수 있는 이미지 센서의 픽셀 어레이 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이는 제2 도전형의 제1 포토다이오드, 제1 도전형의 차단 영역, 및 상기 제2 도전형의 제2 포토다이오드를 포함한다. 상기 제1 포토다이오드는 상기 제1 도전형의 반도체 기판 내에 형성되고, 제1 파장의 광을 전기적인 신호로 변환한다. 상기 차단 영역은 상기 반도체 기판 내에 상기 제1 포토다이오드의 하부에 형성되고, 상기 제1 도전형의 불순물이 상기 반도체 기판보다 높은 농도로 도핑된다. 상기 제2 포토다이오드는 상기 반도체 기판 내에 상기 제1 포토다이오드에 인접하여 형성되고, 상기 제1 포토다이오드보다 큰 높이를 가지며, 제2 파장의 광을 전기적인 신호로 변환한다.
일 실시예에서, 상기 차단 영역은, 상기 제2 파장의 광에 의해 생성된 광 전하가 상기 제1 포토다이오드에 유입되는 것을 차단할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 파장의 광은 가시광선이고, 상기 제2 파장의 광은 적외선일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 포토다이오드는, 상기 가시광선에 의해 생성된 광 전하를 수집하는 컬러 포토다이오드이고, 상기 제2 포토다이오드는, 상기 적외선에 의해 생성된 광 전하를 수집하는 거리 포토다이오드일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 포토다이오드는 상기 제2 도전형의 불순물이 상기 제1 포토다이오드보다 높은 농도로 도핑될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 포토다이오드는 상기 제1 포토다이오드보다 큰 면적을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 도전형은 P형이고, 상기 제2 도전형은 N형일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 픽셀 어레이는, 상기 제1 포토다이오드의 상부에 형성된 적외선 차단 필터 및 컬러 필터, 및 상기 제2 포토다이오드의 상부에 형성된 적외선 패스 필터를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 적외선 차단 필터는 적외선을 차단하고, 상기 컬러 필터는 가시광선 중 상기 컬러 필터에 상응하는 파장을 가진 광을 투과하며, 상기 적외선 패스 필터는 상기 적외선을 투과할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이 제조 방법에서, P형의 반도체 기판 내에 P형의 불순물이 상기 반도체 기판보다 높은 농도로 도핑된 P형의 차단 영역이 형성된다. 상기 반도체 기판 내에 상기 차단 영역의 상부에 N형의 제1 포토다이오드가 형성된다. 상기 반도체 기판 내에 상기 제1 포토다이오드에 인접하여 상기 제1 포토다이오드보다 큰 높이를 가지는 N형의 제2 포토다이오드가 형성된다.
일 실시예에서, 상기 차단 영역 및 상기 제1 포토다이오드에 상응하는 반도체 기판 영역을 개방하기 위한 제1 이온주입 마스크가 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 차단 영역 및 상기 제1 포토다이오드는 상기 제1 이온주입 마스크를 이용한 이온주입 공정에 의해 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 포토다이오드에 상응하는 반도체 기판 영역을 개방하기 위한 제2 이온주입 마스크가 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 포토다이오드는 상기 제2 이온주입 마스크를 이용한 이온주입 공정에 의해 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 포토다이오드는 상기 제1 포토다이오드보다 큰 면적을 가지도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이 및 이미지 센서의 픽셀 어레이 제조 방법은 거리 픽셀의 포토다이오드가 컬러 픽셀의 포토다이오드보다 큰 높이를 가지도록 형성되어 상기 거리 픽셀의 양자 효율이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이 및 이미지 센서의 픽셀 어레이 제조 방법은 컬러 픽셀의 포토다이오드의 하부에 차단 영역이 형성되어 거리 픽셀과 상기 컬러 픽셀 사이의 크로스토크가 감소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1의 I-II 선을 따라 절단한 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이를 나타내는 단면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이에 포함된 단위 픽셀의 예들을 나타내는 회로도들이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에서 거리 정보를 계산하는 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 차단 영역의 존재 여부 및 컬러 포토다이오드와 거리 포토다이오드의 높이 차 존재 여부에 따른 양자 효율 및 크로스토크에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 픽셀 어레이를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7은 도 1의 I-II 선을 따라 절단한 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀 어레이를 나타내는 단면도이다.
도 8a 내지 도 8f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 7의 픽셀 어레이를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 10은 도 9의 III-IV 선을 따라 절단한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 픽셀 어레이를 나타내는 단면도이다.
도 11a 내지 도 11e는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 10의 픽셀 어레이를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 12는 도 9의 III-IV 선을 따라 절단한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 픽셀 어레이를 나타내는 단면도이다.
도 13a 내지 도 13f는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 12의 픽셀 어레이를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 카메라에 응용한 예를 나타내는 블록도이다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 컴퓨팅 시스템에 응용한 예를 나타내는 블록도이다.
도 17은 도 16의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일하거나 유사한 참조 부호를 사용한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 1을 참조하면, 픽셀 어레이(100)는 컬러 영상 정보를 제공하는 컬러 픽셀들(R, G, B) 및 거리 정보를 제공하는 거리 픽셀(Z)을 포함한다. 예를 들어, 픽셀 어레이(100)에서, 레드 픽셀(R), 그린 픽셀(G), 블루 픽셀(B) 및 거리 픽셀(Z)을 포함하는 픽셀 패턴(105)이 반복적으로 배치될 수 있다.
각 컬러 픽셀(R, G, B)은 가시광선에 의해 생성된 전자-정공 쌍(Electron-Hole Pair; EHP) 중 전자를 수집하는 제1 포토다이오드 및 상기 제1 포토다이오드의 하부에 형성된 차단 영역을 포함할 수 있다. 상기 차단 영역은 적외선(또는 근적외선)에 의해 생성된 전자가 상기 제1 포토다이오드에 유입되는 것을 차단할 수 있다. 이에 따라, 컬러 픽셀들(R, G, B)과 거리 픽셀들(Z) 사이의 크로스토크(Crosstalk), 특히 적외선(또는 근적외선)에 의해 발생되는 컬러 픽셀들(R, G, B)에 대한 크로스토크가 감소될 수 있다.
또한, 각 거리 픽셀(Z)은 상기 제1 포토다이오드보다 큰 높이를 가지는 제2 포토다이오드를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 제2 포토다이오드에서 전자-정공 쌍이 상기 가시광선보다 긴 파장을 가지는 상기 적외선(또는 근적외선)에 의해 효율적으로 생성될 수 있다. 이에 따라, 거리 픽셀(Z)의 양자 효율(Quantum Efficiency; QE)이 향상될 수 있다.
실시예에 따라, 컬러 픽셀들(R, G, B)에는 컬러 필터들이 형성되고, 거리 픽셀(Z)에는 적외선(또는 근적외선) 필터가 형성될 수 있다. 예를 들어, 레드 픽셀(R)에는 레드 필터가 형성되고, 그린 픽셀(G)에는 그린 필터가 형성되며, 블루 픽셀(B)에는 블루 필터가 형성되고, 거리 픽셀(Z)에는 적외선(또는 근적외선) 패스 필터가 형성될 수 있다. 또한, 컬러 픽셀들(R, G, B)에는 적외선(또는 근적외선) 차단(Cut) 필터가 더욱 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(100)에서, 각 컬러 픽셀(R, G, B)의 포토다이오드 하부에 차단 영역이 형성되고, 각 거리 픽셀(Z)의 포토다이오드가 각 컬러 픽셀(R, G, B)의 포토다이오드보다 큰 높이를 가짐으로써, 컬러 픽셀들(R, G, B)과 거리 픽셀들(Z) 사이의 크로스토크가 감소되고, 거리 픽셀들(Z)의 양자 효율이 향상될 수 있다.
한편, 도 1에는 각 컬러 픽셀(R, G, B)과 실질적으로 동일한 면적을 가지는, “작은 Z 픽셀(Small Z Pixel)”이라 불릴 수 있는, 거리 픽셀(Z)이 도시되어 있으나, 실시예에 따라, 각 컬러 픽셀(R, G, B)의 사이즈와 각 거리 픽셀(Z)의 사이즈는 다를 수 있다. 예를 들어, 픽셀 어레이(100)는 각 컬러 픽셀(R, G, B)보다 큰 면적을 가지는, “큰 Z 픽셀(Large Z Pixel)”이라 불릴 수 있는, 거리 픽셀들을 포함할 수 있다. 또한, 도 1에는 컬러 픽셀들(R, G, B)과 거리 픽셀들(Z)의 개수 비가 3:1인 예가 도시되어 있으나, 실시예에 따라, 픽셀 어레이(100)는 다양한 개수 비의 컬러 픽셀들(R, G, B) 및 거리 픽셀들(Z)을 포함할 수 있다. 게다가, 도 1에는 레드 픽셀들(R), 그린 픽셀들(G) 및 블루 픽셀들(B)의 개수 비가 1:1:1인 예가 도시되어 있으나, 실시예에 따라, 픽셀 어레이(100)는 다양한 개수 비의 레드 픽셀들(R), 그린 픽셀들(G) 및 블루 픽셀들(B)을 포함할 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 각 컬러 픽셀(R, G, B) 또는 거리 픽셀(Z)은 포토다이오드와 함께, 또는 상기 포토다이오드를 대신하여 포토 트랜지스터(Photo-transistor), 포토 게이트(Photo-gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo-Diode; PPD) 등을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 I-II 선을 따라 절단한 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이를 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 픽셀 어레이(100a)는 반도체 기판(110a) 내에 형성된 제1 포토다이오드(120a), 차단 영역(130a) 및 제2 포토다이오드(130a)를 포함한다. 제1 포토다이오드(120a) 및 차단 영역(130a)은 도 1의 컬러 픽셀(R, G, B)에 포함되고, 제2 포토다이오드(130a)는 도 1의 거리 픽셀(Z)에 포함될 수 있다.
반도체 기판(110a)은 에피택셜(Epitaxial) 공정을 통해 P형의 벌크 실리콘 기판 상에 형성된 P형의 에피택셜 기판을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 에피택셜 기판은 실리콘 소스 가스 등을 이용하여 상기 벌크 실리콘 기판과 실질적으로 동일한 결정 구조로 성장될 수 있다.
제1 포토다이오드(120a)는 반도체 기판(110a) 내에 형성되고, 제1 파장의 광을 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 파장의 광은 가시광선(VIS)에 상응하고, 제1 포토다이오드(120a)는 가시광선(VIS)에 의해 생성된 전자-정공 쌍 중 전자를 수집하는 N형의 컬러 포토다이오드일 수 있다. 또한, 제1 포토다이오드(120a)는 N형의 불순물을 이용한 이온주입 공정에 의해 형성된 N형의 웰(Well)에 상응할 수 있다.
제2 포토다이오드(140a)는 반도체 기판(110a) 내에 제1 포토다이오드(120a)에 인접하여 형성되고, 제2 파장의 광을 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 파장의 광은 적외선(IR)에 상응하고, 제2 포토다이오드(140a)는 적외선(IR)에 의해 생성된 전자-정공 쌍 중 전자를 수집하는 N형의 거리 포토다이오드일 수 있다. 또한, 제2 포토다이오드(140a)는 N형의 불순물을 이용한 이온주입 공정에 의해 형성된 N형의 웰에 상응할 수 있다.
제2 포토다이오드(140a)는 제1 포토다이오드(120a)보다 큰 높이를 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 포토다이오드(140a)는 반도체 기판(110a)에 N형의 불순물이 제1 포토다이오드(120a)보다 높은 가속 에너지로 주입되어 제1 포토다이오드(120a)보다 깊게 형성될 수 있다. 따라서, 제2 포토다이오드(140a)에서 전자-정공 쌍이 가시광선(VIS)보다 긴 파장을 가지는 적외선(IR)에 의해 효율적으로 생성될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(100a)에서, 제2 포토다이오드(140a)를 포함하는 거리 픽셀의 양자 효율이 향상될 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 제2 포토다이오드(140a)는 N형의 불순물이 제1 포토다이오드(120a)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다. 이에 따라, 제2 포토다이오드(140a)를 포함하는 거리 픽셀의 양자 효율이 더욱 향상될 수 있다. 한편, 도 2에는 제2 포토다이오드(140a)의 상부 영역과 하부 영역이 실질적으로 동일한 면적을 가지는 예가 도시되어 있으나, 실시예에 따라, 제2 포토다이오드(140a)의 하부 영역은 상부 영역보다 큰 면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 포토다이오드(140a)의 하부 영역은 차단 영역(130a) 하부의 반도체 기판 영역의 적어도 일부분을 포함할 수 있다.
차단 영역(130a)은 반도체 기판(110a) 내에 제1 포토다이오드(120a)의 하부에 형성된다. 예를 들어, 차단 영역(130a)은 높은 도즈(Dose)의 P형 불순물을 이용한 이온주입 공정에 의해 형성된 P형의 웰에 상응할 수 있다. 즉, 차단 영역(130a)은 상기 P형의 불순물이 반도체 기판(110a)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다.
차단 영역(130a)은 적외선(IR)에 의해 생성된 광 전하(예를 들어, 전자-정공 쌍 중 전자)가 제1 포토다이오드(120a)에 유입되는 것을 차단할 수 있다. 예를 들어, 차단 영역(130a)은 거리 픽셀에 입사된 적외선(IR)에 의해 제2 포토다이오드(140a)에서 생성된 전자가 제1 포토다이오드(120a)에 유입되는 것을 차단할 수 있다. 또한, 차단 영역(130a)은 적외선(IR) 차단 필터(170a)에 의해 차단되지 않고 컬러 픽셀에 입사된 적외선(IR)에 의해 생성된 광 전하가 제1 포토다이오드(120a)에 유입되는 것을 차단할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(100a)에서, 제1 포토다이오드(120a)를 포함하는 컬러 픽셀과 제2 포토다이오드(140a)를 포함하는 거리 픽셀 사이의 크로스토크, 특히 적외선(IR)에 의해 발생되는 상기 컬러 픽셀에 대한 크로스토크가 감소될 수 있다.
픽셀 어레이(100a)는 반도체 기판(110a) 상에 형성된 절연층(150a)을 더 포함할 수 있다. 절연층(150a)에는 제1 포토다이오드(120a) 또는 제2 포토다이오드(140a)에서 생성된 전기적인 신호를 독출하기 위한 게이트들이 형성될 수 있다. 이러한 게이트들은 상기 전기적인 신호를 전송, 증폭 또는 출력할 수 있다. 또한, 절연층(150a)에는 다층의 금속 배선들이 배치될 수 있다. 이러한 금속 배선들은 콘택이나 플러그를 통해 상기 게이트들에 전기적으로 연결되거나, 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들어, 반도체 기판(110a) 상에는, 제1 포토다이오드(120a) 또는 제2 포토다이오드(140a)로부터 플로팅 확산(Floating Diffusion; FD) 노드에 광 전하들을 전송하는 전송 게이트(Transfer Gate), 상기 플로팅 확산 노드를 방전하는 리셋 게이트(Reset Gate), 상기 플로팅 확산 노드의 전압을 증폭하는 드라이브 게이트(Drive Gate), 선택 신호에 응답하여 상기 증폭된 전압을 출력하는 선택 게이트(Select Gate) 등이 형성될 수 있다. 한편, 각 포토다이오드(120a, 140a)와 상기 게이트들은 단위 픽셀을 구성할 수 있다. 예를 들어, 상기 단위 픽셀은 1-트랜지스터 구조, 3-트랜지스터 구조, 4-트랜지스터 구조, 5-트랜지스터 구조, 6-트랜지스터 구조 등을 가질 수 있다. 또한, 상기 단위 픽셀은 일부 트랜지스터들을 공유하는 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 픽셀 어레이(100a)는 제1 포토다이오드(120a)의 상부에 형성된 컬러 필터(160a)와 적외선 차단 필터(IR Cut Filter, 170a), 및 제2 포토다이오드(140a)의 상부에 형성된 적외선 패스 필터(IR Pass Filter, 180a)를 더 포함할 수 있다. 컬러 필터(160a)는 가시광선(VIS) 중 컬러 필터(160a)에 상응하는 파장을 가진 광(예를 들어, 청색 광)을 투과하고, 적외선 차단 필터(170a)는 적외선(IR)을 차단할 수 있다. 이에 따라, 제1 포토다이오드(120a)에는, 적외선(IR)이 차단되고, 컬러 필터(160a)에 상응하는 청색 광이 입사될 수 있다. 또한, 적외선 패스 필터(180a)는 적외선(IR)을 투과할 수 있다. 이에 따라, 제2 포토다이오드(140a)에는, 가시광선(VIS)이 차단되고, 적외선(IR)이 입사될 수 있다. 한편, 도 2에는 절연층(150a) 상에 적외선 차단 필터(170a)가 형성되고, 적외선 차단 필터(170a) 상에 컬러 필터(160a)가 형성된 예가 도시되어 있으나, 실시예에 따라, 절연층(150a) 상에 컬러 필터(160a)가 형성되고, 컬러 필터(160a) 상에 적외선 차단 필터(170a)가 형성될 수 있다.
다른 실시예에서, 픽셀 어레이(100a)는 제1 포토다이오드(120a)의 상부 및 제2 포토다이오드(140a)의 상부에 형성된 글로벌 필터(Global Filter, 미도시), 제1 포토다이오드(120a)의 상부에 형성된 컬러 필터(160a), 및 제2 포토다이오드(140a)의 상부에 형성된 블랙 필터(Black Filter, 미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 글로벌 필터는 가시광선(VIS) 및 적외선(IR)을 투과할 수 있다. 예를 들어, 상기 글로벌 필터는 가시광선(VIS)과 적외선(IR)만을 투과하는 듀얼 밴드 패스 필터(Dual Band Pass Filter)일 수 있다. 컬러 필터(160a)는 가시광선(VIS) 중 컬러 필터(160a)에 상응하는 파장을 가진 광(예를 들어, 청색 광)을 투과할 수 있다. 상기 글로벌 필터 및 컬러 필터(160a)에 의해, 제1 포토다이오드(120a)에는, 적외선(IR)이 차단되고, 컬러 필터(160a)에 상응하는 청색 광이 입사될 수 있다. 또한, 상기 블랙 필터는 가시광선(VIS)을 차단할 수 있다. 예를 들어, 상기 블랙 필터는 레드 필터 및 블루 필터를 적층하여 형성될 수 있다. 상기 글로벌 필터 및 상기 블랙 필터에 의해, 제2 포토다이오드(140a)에는, 가시광선(VIS)이 차단되고, 적외선(IR)이 입사될 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 픽셀 어레이(100a)는 제1 포토다이오드(120a)에 가시광선(VIS)이 입사되고, 제2 포토다이오드(140a)에 적외선(IR)이 입사되도록 하는 다양한 방식의 필터들을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(100a)에서, 제2 포토다이오드(140a)가 제1 포토다이오드(120a)보다 큰 높이를 가짐으로써, 제2 포토다이오드(140a)를 포함하는 거리 픽셀의 양자 효율이 향상될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(100a)에서, 제1 포토다이오드(120a)의 하부에 차단 영역(130a)이 형성됨으로써, 컬러 픽셀과 거리 픽셀 사이의 크로스토크가 감소될 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이에 포함된 단위 픽셀의 예들을 나타내는 회로도들이다. 도 3a 내지 도 3d에 도시된 단위 픽셀(200a, 200b, 200c, 200d)은 컬러 포토다이오드를 포함하는 컬러 픽셀이거나, 거리 포토다이오드를 포함하는 거리 픽셀일 수 있다.
도 3a를 참조하면, 단위 픽셀(200a)은, 광 감지 소자(Photo Sensitive Device)로서 포토다이오드(PD)를 포함하고, 독출 회로(Readout Circuit)로서 전송 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다.
포토다이오드(PD)는 외부로부터 광(예를 들어, 가시광선 또는 적외선)을 수신하고, 수신된 광에 기초하여 광 전하(Photo Charge)를 생성한다. 실시예에 따라, 단위 픽셀(200a)은 포토다이오드(PD)와 함께, 또는 포토다이오드(PD)를 대신하여 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 핀드 포토 다이오드 등을 포함할 수 있다.
포토다이오드(PD)에서 생성된 광 전하는 전송 트랜지스터(TX)를 통하여 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전송된다. 예를 들어, 전송 제어 신호(TG)가 제1 레벨(예컨대, 하이 레벨)을 가질 때에 전송 트랜지스터(TX)가 턴온되고, 포토다이오드(PD)에서 생성된 광 전하는 턴온된 전송 트랜지스터(TX)를 통하여 플로팅 디퓨전 노드(FD)로 전송될 수 있다.
드라이브 트랜지스터(DX)는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower buffer Amplifier) 역할을 하여 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 충전된 전하에 대응하는 신호를 증폭할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 상기 증폭된 신호를 컬럼 라인(COL)에 전송할 수 있다. 플로팅 디퓨전 노드(FD)는 리셋 트랜지스터(RX)에 의해 리셋될 수 있다. 예를 들어, 리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 신호(RS)에 응답하여 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 저장되어 있는 광 전하를 CDS 동작을 위한 일정한 주기로 방전시킬 수 있다.
도 3a에서는 하나의 포토다이오드(PD)와 4개의 모스 트랜지스터들(TX, RX, DX, SX)을 구비하는 단위 픽셀을 예시하고 있지만 본 발명에 따른 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 단위 픽셀의 다른 실시예가 도 3b 내지 도 3d에 도시된다.
도 3b를 참조하면, 단위 픽셀(200b)은, 광 감지 소자로서 포토다이오드(PD)를 포함하고, 독출 회로로서 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다. 즉, 단위 픽셀(200b)은 3-트랜지스터 구조를 가질 수 있다.
도 3c를 참조하면, 단위 픽셀(200c)은 광 감지 소자로서 포토다이오드(PD)를 포함하고, 독출 회로로서 전송 트랜지스터(TX), 게이트 트랜지스터(GX), 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다. 즉, 단위 픽셀(200c)은 5-트랜지스터 구조를 가질 수 있다. 게이트 트랜지스터(GX)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 전송 제어 신호(TG)를 전송 트랜지스터(TX)에 선택적으로 인가할 수 있다.
도 3d를 참조하면, 단위 픽셀(200d)은 광 감지 소자로서 포토다이오드(PD)를 포함하고, 독출 회로로서 포토 트랜지스터(PX)(또는 포토 게이트), 전송 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다. 즉, 단위 픽셀(200d)은 5-트랜지스터 구조를 가질 수 있다. 또한, 단위 픽셀(200d)은 게이트 트랜지스터(GX) 또는 바이어스 트랜지스터를 더 포함하는 6-트랜지스터 구조를 가질 수 있다. 포토 트랜지스터(PX)는 포토 게이트 신호(PG)에 응답하여 온/오프될 수 있다. 포토 트랜지스터(PX)가 온 상태일 때, 포토다이오드(PD)는 입사되는 빛을 감지하여 광 전하를 생성할 수 있다. 반면, 포토 트랜지스터(PX)가 오프 상태일 때, 포토다이오드(PD)는 입사되는 빛을 감지하지 않을 수 있다.
한편, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같은 다양한 형태의 단위 픽셀은 전술한 바와 같이 각 픽셀들이 독립적인 구조를 가질 수도 있고, 적어도 하나의 구성 요소를 서로 공유할 수 있다. 예를 들어, 도 3a의 단위 픽셀(200a)에서 2개 또는 4개의 픽셀들 각각이 포토다이오드(PD)와 전송 트랜지스터(TX)만을 포함하고, 나머지 구성요소들은 상기 픽셀들에 의해 공유되며, 상기 픽셀들은 타이밍 콘트롤에 의해 독립적으로 동작할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에서 거리 정보를 계산하는 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 거리 픽셀을 포함하는 이미지 센서(600)는 광(예를 들어, 적외선 또는 근적외선)을 변조하여 변조 광(ML)을 방출하는 광원 모듈(640)을 포함할 수 있다. 변조 광(ML)은 피사체(660)에서 반사되어 수신 광(RL)으로서 상기 거리 픽셀에 입사될 수 있다. 도 4에는 광원 모듈(640)을 포함하는 이미지 센서(600)에서 상기 거리 픽셀에 입사된 수신 광(RL)에 기초하여 피사체(660)까지의 거리를 계산하는 예가 도시되어 있다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 광원 모듈에서 방출된 변조 광(ML)은 주기적으로 변동하는 세기를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 변조 광(ML)의 세기(즉, 단위 면적당 광자의 수)는 사인 파의 형태를 가질 수 있다.
변조 광(ML)은 피사체에서 반사되어 수신 광(RL)으로서 거리 픽셀(Z)을 포함하는 픽셀 어레이(100)에 입사된다. 픽셀 어레이(100)는 수신 광(RL)을 주기적으로 샘플링할 수 있다. 실시예에 따라, 픽셀 어레이(100)는 수신 광(RL)의 각 주기(즉, 변조 광(ML)의 주기)마다 180 도의 위상 차를 가지는 두 개의 샘플링 포인트들, 각각 90 도의 위상 차를 가지는 네 개의 샘플링 포인트들, 또는 그 이상의 샘플링 포인트들에서 수신 광(RL)을 샘플링할 수 있다. 예를 들어, 픽셀 어레이(100)는 매 주기 마다 변조 광(ML)의 90 도, 180 도, 270도 및 360도의 위상들에서 수신 광(RL)의 샘플들(A0, A1, A2, A3)을 추출할 수 있다.
수신 광(RL)은 추가적인 배경 광, 노이즈 등에 의해 상기 광원 모듈에서 방출된 변조 광(ML)의 오프셋과 다른 오프셋(B)을 가질 수 있다. 수신 광(RL)의 오프셋(B)은 [수학식 1]과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, A0는 변조 광(ML)의 90 도의 위상에서 샘플링된 수신 광(RL)의 세기를 나타내고, A1은 변조 광(ML)의 180 도의 위상에서 샘플링된 수신 광(RL)의 세기를 나타내며, A2는 변조 광(ML)의 270 도의 위상에서 샘플링된 수신 광(RL)의 세기를 나타내고, A3는 변조 광(ML)의 360 도의 위상에서 샘플링된 수신 광(RL)의 세기를 나타낸다.
수신 광(RL)은 광 손실에 의해 상기 광원 모듈에서 방출된 변조 광(ML)의 진폭(Amplitude)보다 작은 진폭(A)을 가질 수 있다. 수신 광(RL)의 진폭(A)은 [수학식 2]와 같이 계산될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
픽셀 어레이(100)에 포함된 거리 픽셀들 각각에 대한 수신 광(RL)의 진폭(A)에 기초하여 상기 피사체에 대한 흑백 영상 정보가 제공될 수 있다.
수신 광(RL)은 변조 광(ML)에 대하여 이미지 센서로부터 상기 피사체까지의 거리의 두 배에 상응하는 위상 차(φ)만큼 지연된다. 변조 광(ML)에 대한 수신 광(RL)의 위상 차(φ)는 [수학식 3]과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
변조 광(ML)에 대한 수신 광(RL)의 위상 차(φ)는 광의 비행 시간(Time-Of-Flight; TOF)에 상응한다. 상기 이미지 센서로부터 상기 피사체까지의 거리는 수학식 “R = c * TOF / 2”(여기서, R은 상기 피사체까지의 거리를 나타내고, c는 빛의 속도를 나타낸다)을 이용하여 계산될 수 있다. 또한, 상기 이미지 센서로부터 상기 피사체의 거리는 수신 광(RL)의 위상 차(φ)를 이용하여 [수학식 4]와 같이 계산될 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00004
여기서, f는 변조 주파수, 즉 변조 광(ML)(또는 수신 광(RL))의 주파수를 나타낸다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이(100)를 포함하는 이미지 센서는 광원 모듈에서 방출된 변조 광(ML)을 이용하여 피사체에 대한 거리 정보를 획득할 수 있다. 도 4에는 사인 파의 형태를 가지도록 변조된 변조 광(ML)을 이용한 예가 도시되어 있으나, 실시예에 따라, 이미지 센서는 다양한 형태의 변조 광(ML)을 이용할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서는 복수의 펄스들을 포함하는 펄스 파를 가지도록 변조된 변조 광(ML)을 이용할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 변조 광(ML)의 세기의 파형, 거리 픽셀의 구조 등에 따라 다양한 방식으로 거리 정보를 추출할 수 있다.
도 5는 차단 영역의 존재 여부 및 컬러 포토다이오드와 거리 포토다이오드의 높이 차 존재 여부에 따른 양자 효율 및 크로스토크에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 5에서, 첫 번째 컬럼은 차단 영역의 존재 여부를 나타내고, 두 번째 컬럼은 컬러 포토다이오드와 거리 포토다이오드의 높이 차 존재 여부를 나타내며, 세 번째 컬럼은 거리 픽셀의 양자 효율을 나타내고, 네 번째 컬럼은 적외선에 의한 컬러 픽셀의 크로스토크를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 컬러 픽셀에 차단 영역이 형성되지 않고, 거리 포토다이오드가 컬러 포토다이오드와 실질적으로 동일한 높이를 가지는 경우, 거리 픽셀의 양자 효율은 약 0.27이고, 컬러 픽셀의 크로스토크는 약 0.26이다. 또한, 컬러 픽셀에 차단 영역이 형성되고, 거리 포토다이오드가 컬러 포토다이오드와 실질적으로 동일한 높이를 가지는 경우, 거리 픽셀의 양자 효율은 약 0.40이고, 컬러 픽셀의 크로스토크는 약 0.02이다. 또한, 컬러 픽셀에 차단 영역이 형성되지 않고, 거리 포토다이오드가 컬러 포토다이오드보다 큰 높이를 가지는 경우, 거리 픽셀의 양자 효율은 약 0.37이고, 컬러 픽셀의 크로스토크는 약 0.03이다. 또한, 컬러 픽셀에 차단 영역이 형성되고, 거리 포토다이오드가 컬러 포토다이오드보다 큰 높이를 가지는 경우, 거리 픽셀의 양자 효율은 약 0.41이고, 컬러 픽셀의 크로스토크는 약 0.00이다.
이와 같이, 컬러 픽셀에 차단 영역이 형성되지 않고, 거리 포토다이오드가 컬러 포토다이오드보다 큰 높이를 가지는 경우, 거리 픽셀의 양자 효율이 향상되고, 컬러 픽셀의 크로스토크가 감소될 수 있다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 픽셀 어레이를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6a를 참조하면, 반도체 기판(110a) 상에 제1 이온주입 마스크(125a)가 형성된다. 예를 들어, 반도체 기판(110a)은 에피택셜 공정을 통해 P형의 벌크 실리콘 기판 상에 형성된 P형의 에피택셜 기판을 포함할 수 있다. 상기 에피택셜 기판은 실리콘 소스 가스 등을 이용하여 상기 벌크 실리콘 기판과 실질적으로 동일한 결정 구조로 성장될 수 있다. 예를 들어, 상기 에피택셜 기판을 형성하기 위한 실리콘 소스 가스는 실란(silane), DCS(dichlorosilane), TCS(trichlorosilane), HCS(hexachlorosilane), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제1 이온주입 마스크(125a)는 컬러 픽셀들에 상응하는 개구부들을 포함한다. 이에 따라, 제1 이온주입 마스크(125a)는 상기 컬러 픽셀들의 차단 영역들(130a) 및 컬러 포토다이오드들(120a)을 개방할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 제1 이온주입 마스크(125a)를 이용한 이온주입 공정에 의해 반도체 기판(110a) 내에 차단 영역들(130a)이 형성된다. 차단 영역들(130a)은 높은 도즈(Dose)의 P형 불순물을 이용한 이온주입 공정에 의해 형성된 P형의 웰들일 수 있다. 즉, 차단 영역들(130a)은 P형의 불순물이 반도체 기판(110a)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다.
도 6c를 참조하면, 제1 이온주입 마스크(125a)를 이용한 이온주입 공정에 의해 반도체 기판(110a) 내에 차단 영역들(130a)의 상부에 컬러 포토다이오드들(120a)이 형성된다. 컬러 포토다이오드들(120a)은 N형의 불순물을 이용한 이온주입 공정에 의해 형성된 N형의 웰들일 수 있다.
도 6d를 참조하면, 제1 이온주입 마스크(125a)가 제거되고, 반도체 기판(110a) 상에 제2 이온주입 마스크(145a)가 형성된다. 제2 이온주입 마스크(145a)는 거리 픽셀들에 상응하는 개구부들을 포함한다. 이에 따라, 제2 이온주입 마스크(145a)는 상기 거리 픽셀들의 거리 포토다이오드들(140a)을 개방할 수 있다.
도 6e를 참조하면, 제2 이온주입 마스크(145a)를 이용한 이온주입 공정에 의해 반도체 기판(110a) 내에 컬러 포토다이오드들(120a) 사이에 거리 포토다이오드들(140a)이 형성된다. 거리 포토다이오드들(140a)은 N형의 불순물을 이용한 이온주입 공정에 의해 형성된 N형의 웰들일 수 있다.
거리 포토다이오드들(140a)은 컬러 포토다이오드들(120a)보다 큰 높이를 가지도록 형성된다. 예를 들어, 거리 포토다이오드들(140a)은 반도체 기판(110a)에 N형의 불순물이 컬러 포토다이오드들(120a)보다 높은 가속 에너지로 주입되어 컬러 포토다이오드들(120a)보다 깊게 형성될 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 거리 포토다이오드들(140a)는 N형의 불순물이 컬러 포토다이오드들(120a)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다. 한편, 도 6e에는 거리 포토다이오드들(140a)의 상부 영역과 하부 영역이 실질적으로 동일한 면적을 가지는 예가 도시되어 있으나, 실시예에 따라, 거리 포토다이오드들(140a)의 하부 영역은 상부 영역보다 큰 면적을 가질 수 있다.
또한, 컬러 포토다이오드들(120a)과 거리 포토다이오드들(140a) 사이에는 반도체 기판(110)의 표면에서 내부로 소자 분리 영역들이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 소자 분리 영역들은 STI(shallow trench isolation) 공정 또는 LOCOS(local oxidation of silicon) 공정을 통해 형성된 필드 산화막일 수 있다.
한편, 도 6a 내지 도 6e에는 컬러 픽셀이 형성된 후 거리 픽셀이 형성된 예가 도시되어 있으나, 실시예에 따라, 상기 거리 픽셀이 형성된 후 상기 컬러 픽셀이 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판(110a) 상에 제2 이온주입 마스크(145a)가 형성되고, 제2 이온주입 마스크(145a)를 이용한 이온주입 공정에 의해 거리 포토다이오드들(140a)이 형성될 수 있다. 그 후, 반도체 기판(110a) 상에 제1 이온주입 마스크(125a)가 형성되고, 제1 이온주입 마스크(125a)를 이용한 이온주입 공정에 의해 차단 영역들(130a) 및 컬러 포토다이오드들(120a)이 형성될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 반도체 기판(110a) 상에 절연층(150a)이 형성될 수 있다. 절연층(150a)은 유동성을 갖는 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 절연층(150a)은 HDP(High Density Plasma) 산화물, TOSZ(Tonen SilaZene), SOG(Spin On Glass), USG(Undoped Silica Glass) 등을 사용하여 형성될 수 있다.
절연층(150a)에는 게이트들 및 다층의 금속 배선들이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 게이트들은 반도체 기판(110a) 상에 게이트 절연막 및 게이트 도전막을 적층한 후, 적층된 게이트 절연막 및 게이트 도전막을 패터닝하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 금속 배선들은 구리, 텅스텐, 티타늄, 알루미늄 등과 같은 금속을 포함하는 도전층을 적층하고 패터닝하는 방식으로 형성될 수 있다. 상기 게이트 절연막은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 산질화물(SiOxNy), 실리콘 질화물(SiNx), 게르마늄 산질화물(GeOxNy), 게르마늄 실리콘 산화물(GeSixOy) 또는 고유전율을 갖는 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 한편, 이러한 고유전율 물질로는 하프늄 산화물(HfOx), 지르코늄 산화물(ZrOx), 알루미늄 산화물(AlOx), 탄탈륨 산화물(TaOx), 하프늄 실리케이트(HfSix), 지르코늄 실리케이트(ZrSix) 등을 들 수 있다. 또한, 상기 게이트 절연막은 전술한 물질들 중에서 2 이상의 선택된 물질로 이루어진 다층 구조로 형성될 수 있으며, 상기 게이트 도전막은 폴리실리콘, 금속 및/또는 금속 화합물을 사용하여 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 절연층(150a)은 반도체 기판(110a) 내에 광전 변환이 일어나지 않는 영역인 차광 영역(Optical Black Area)으로 광이 입사되는 것을 방지하기 위한 차광막(Optical Shielding Layer)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 절연층(150a) 상에 컬러 필터(160a), 적외선 차단 필터(170a) 및 적외선 패스 필터(180a)가 형성될 수 있다. 컬러 필터(160a) 및 적외선 차단 필터(170a)는 컬러 포토다이오드들(120a)의 상부에 형성되고, 적외선 패스 필터(180a)는 거리 포토다이오드들(140a)의 상부에 형성될 수 있다.
컬러 필터(160a)는 염색 공정, 안료 분산 공정, 인쇄 공정 등을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터(160a)는 염색된 포토레지스트 등의 감광성 물질을 도포하고, 노광 및 현상 공정을 수행하여 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 적외선 차단 필터(170a)는 굴절율이 서로 다른 2가지 물질이 주기적으로 배열된 포토닉 크리스탈(photonic crystal) 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 적외선 차단 필터(170a)는 실리콘 산화물의 필러(Pillar)들이 반복적으로 배치된 제1 패턴 및 상기 제1 패턴 사이의 공간을 채우는 실리콘 물질의 제2 패턴을 포함할 수 있다. 즉, 적외선 차단 필터(170a)는 실리콘 매트릭스 내에 실리콘 산화물의 필러들이 주기적으로 배열되어 형성될 수 있다. 상기 제1 패턴의 높이, 간격 등을 조절함으로써, 적외선 차단 필터(170a)의 투과 또는 흡수되는 광의 파장 및 투과율이 조절될 수 있다. 일 실시예에서, 적외선 패스 필터(180a)는 서로 다른 굴절율을 갖는 2가지 물질막이 교번하여 반복적으로 적층되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 적외선 패스 필터(180a)은 실리콘막 및 실리콘 산화막이 교번하여 반복적으로 적층된 다층막 구조를 가질 수 있다. 상기 실리콘막은 폴리실리콘, 비정질 실리콘 또는 단결정 실리콘을 포함할 수 있다.
한편, 도 2에는 절연층(150a) 상에 적외선 차단 필터(170a)가 형성되고, 적외선 차단 필터(170a) 상에 컬러 필터(160a)가 형성된 예가 도시되어 있으나, 실시예에 따라, 절연층(150a) 상에 컬러 필터(160a)가 형성되고, 컬러 필터(160a) 상에 적외선 차단 필터(170a)가 형성될 수 있다.
다른 실시예에서, 절연층(150a) 상에 컬러 필터(160a) 및 블랙 필터가 형성되고, 컬러 필터(160a) 및 상기 블랙 필터의 상부에 글로벌 필터가 형성될 수 있다. 컬러 필터(160a)는 컬러 포토다이오드들(120a)의 상부에 형성되고, 상기 블랙 필터는 거리 포토다이오드들(140a)의 상부에 형성되며, 상기 글로벌 필터는 컬러 포토다이오드들(120a) 및 거리 포토다이오드들(140a)의 상부에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 블랙 필터는 컬러 포토다이오드들(120a)의 상부에 레드 필터 및 블루 필터를 형성함으로써 형성될 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 상기 글로벌 필터는 실리콘 산화물 및 티타늄 질화물을 서로 다른 두께로 교번하여 반복적으로 적층함으로써 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(100a)는 상술한 방식 외에 다양한 방식으로 형성된 필터들을 포함할 수 있다.
도 7은 도 1의 I-II 선을 따라 절단한 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀 어레이를 나타내는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 픽셀 어레이(100b)는 반도체 기판(110b) 내에 형성된 제1 포토다이오드(120b), 차단 영역(130b) 및 제2 포토다이오드(130b)를 포함한다. 제1 포토다이오드(120b) 및 차단 영역(130b)은 도 1의 컬러 픽셀(R, G, B)에 포함되고, 제2 포토다이오드(130b)는 도 1의 거리 픽셀(Z)에 포함될 수 있다. 도 7의 픽셀 어레이(100b)는, 도 2의 픽셀 어레이(100a)와 달리, 반도체 기판(110b)의 후면(BACK)으로부터 가시광선(VIS) 및 적외선(IR)을 수광할 수 있다.
제1 포토다이오드(120b)는 반도체 기판(110b) 내에 형성되고, 가시광선(VIS)을 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 제1 포토다이오드(120b)는 N형의 불순물을 이용한 이온주입 공정에 의해 형성된 N형의 웰에 상응할 수 있다.
제2 포토다이오드(140b)는 반도체 기판(110b) 내에 제1 포토다이오드(120b)에 인접하여 형성되고, 적외선(IR)을 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 제2 포토다이오드(140b)는 N형의 불순물을 이용한 이온주입 공정에 의해 형성된 N형의 웰에 상응할 수 있다. 제2 포토다이오드(140b)는 제1 포토다이오드(120b)보다 큰 높이를 가질 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서(100b)에서, 제2 포토다이오드(140b)를 포함하는 거리 픽셀의 양자 효율이 향상될 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 제2 포토다이오드(140b)는 N형의 불순물이 제1 포토다이오드(120b)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다. 이에 따라, 제2 포토다이오드(140b)를 포함하는 거리 픽셀의 양자 효율이 더욱 향상될 수 있다.
차단 영역(130b)은 반도체 기판(110b) 내에 제1 포토다이오드(120b)의 하부에 형성된다. 차단 영역(130b)은 P형의 불순물이 반도체 기판(110b)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다. 차단 영역(130b)은 적외선(IR)에 의해 생성된 광 전하(예를 들어, 전자-정공 쌍 중 전자)가 제1 포토다이오드(120b)에 유입되는 것을 차단할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서(100b)에서, 적외선(IR)에 의해 발생되는 컬러 픽셀에 대한 크로스토크가 감소될 수 있다.
픽셀 어레이(100b)는 반도체 기판(110b)의 전면(FRONT) 상에 형성된 절연층(150b)을 더 포함할 수 있다. 절연층(150b)에는 제1 포토다이오드(120b) 또는 제2 포토다이오드(140b)에서 생성된 전기적인 신호를 독출하기 위한 게이트들이 형성될 수 있다. 또한, 절연층(150b)에는 다층의 금속 배선들이 배치될 수 있다. 이와 같이, 상기 게이트들 및 상기 금속 배선들이 반도체 기판(110b)의 전면(FRONT) 상에 형성되고, 제1 포토다이오드(120b) 및 제2 포토다이오드(140b)가 가시광선(VIS) 및 적외선(IR)을 반도체 기판(110b)의 후면(BACK)으로부터 수광하므로, 제1 포토다이오드(120b) 및 제2 포토다이오드(140b)의 양자 효율이 향상될 수 있다.
일 실시예에서, 픽셀 어레이(100b)는 제1 포토다이오드(120b)의 상부에 형성된 컬러 필터(160b)와 적외선 차단 필터(170b), 및 제2 포토다이오드(140b)의 상부에 형성된 적외선 패스 필터(180b)를 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 픽셀 어레이(100b)는 제1 포토다이오드(120b)의 상부 및 제2 포토다이오드(140b)의 상부에 형성된 글로벌 필터(미도시), 제1 포토다이오드(120b)의 상부에 형성된 컬러 필터(160b), 및 제2 포토다이오드(140b)의 상부에 형성된 블랙 필터를 더 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 픽셀 어레이(100b)는 상술한 필터들 외에도 다양한 필터들을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(100b)에서, 제2 포토다이오드(140b)가 제1 포토다이오드(120b)보다 큰 높이를 가짐으로써, 제2 포토다이오드(140b)를 포함하는 거리 픽셀의 양자 효율이 향상될 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(100b)에서, 제1 포토다이오드(120b)의 하부에 차단 영역(130b)이 형성됨으로써, 컬러 픽셀과 거리 픽셀 사이의 크로스토크가 감소될 수 있다.
도 8a 내지 도 8f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 7의 픽셀 어레이를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8a를 참조하면, 반도체 기판(110b)의 전면(FRONT) 상에 절연층(150b)이 형성된다. 예를 들어, 반도체 기판(110b)은 에피택셜 공정을 통해 P형의 벌크 실리콘 기판 상에 형성된 P형의 에피택셜 기판을 포함할 수 있다. 절연층(150b)은 HDP 산화물, TOSZ, SOG, USG 등과 같은 유동성을 갖는 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 절연층(150b)에는 게이트들 및 다층의 금속 배선들이 형성될 수 있다.
반도체 기판(110b)에서 상기 벌크 실리콘 기판의 적어도 일부는 그라인딩(Grinding)에 의해 제거될 수 있다. 예를 들어, 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정을 통해 상기 벌크 실리콘 기판이 그 후면으로부터 소정의 두께만큼 제거할 수 있다. 일 실시예에서, 반도체 기판(110b)은 상기 벌크 실리콘 기판이 제거되어 상기 에피택셜 기판만을 포함할 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 반도체 기판(110b)의 후면(BACK)에 대하여 오염을 제거하기 위하여 습식 식각 공정이 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 반도체 기판(110b)의 후면(BACK) 상에 댕글링 본드와 같은 표면 결함을 제거하기 위하여 p형의 불순물이 높게 도핑된 계면부가 형성될 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 상기 계면부 상에는 입사광이 반도체 기판(110b)의 후면(BACK)에서 반사되는 것을 방지하는 반사 방지층(anti-reflection layer; ARL)이 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 절연층(150b) 상에 접착층이 형성되고, 상기 접착층은 절연층(150b) 및 반도체 기판(110b)을 추가적인 반도체 기판에 접착시킬 수 있다. 이에 따라, 반도체 기판(110b)은 상기 추가적인 반도체 기판에 의해 지지될 수 있다.
도 8b를 참조하면, 반도체 기판(110b)의 후면(BACK) 상에 제1 이온주입 마스크(125b)가 형성된다. 제1 이온주입 마스크(125b)는 컬러 픽셀들에 상응하는 개구부들을 포함한다. 이에 따라, 제1 이온주입 마스크(125b)는 상기 컬러 픽셀들의 차단 영역들(130b) 및 컬러 포토다이오드들(120b)을 개방할 수 있다.
도 8c를 참조하면, 제1 이온주입 마스크(125b)를 이용한 이온주입 공정에 의해 반도체 기판(110b) 내에 차단 영역들(130b)이 형성된다. 차단 영역들(130b)은 높은 도즈의 P형 불순물을 이용한 이온주입 공정에 의해 형성된 P형의 웰들일 수 있다. 즉, 차단 영역들(130b)은 P형의 불순물이 반도체 기판(110b)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다.
도 8d를 참조하면, 제1 이온주입 마스크(125b)를 이용한 이온주입 공정에 의해 반도체 기판(110b) 내에 차단 영역들(130b)의 상부에 컬러 포토다이오드들(120b)이 형성된다. 컬러 포토다이오드들(120b)은 N형의 불순물을 이용한 이온주입 공정에 의해 형성된 N형의 웰들일 수 있다.
도 8e를 참조하면, 제1 이온주입 마스크(125b)가 제거되고, 반도체 기판(110b)의 후면(BACK) 상에 제2 이온주입 마스크(145b)가 형성된다. 제2 이온주입 마스크(145b)는 거리 픽셀들에 상응하는 개구부들을 포함한다. 이에 따라, 제2 이온주입 마스크(145b)는 상기 거리 픽셀들의 거리 포토다이오드들(140b)을 개방할 수 있다.
도 8f를 참조하면, 제2 이온주입 마스크(145b)를 이용한 이온주입 공정에 의해 반도체 기판(110b) 내에 컬러 포토다이오드들(120b) 사이에 거리 포토다이오드들(140b)이 형성된다. 거리 포토다이오드들(140b)은 N형의 불순물을 이용한 이온주입 공정에 의해 형성된 N형의 웰들일 수 있다. 거리 포토다이오드들(140b)은 컬러 포토다이오드들(120b)보다 큰 높이를 가지도록 형성된다. 일 실시예에서, 거리 포토다이오드들(140b)는 N형의 불순물이 컬러 포토다이오드들(120b)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다.
한편, 도 8a 내지 도 8f에는 컬러 픽셀이 형성된 후 거리 픽셀이 형성된 예가 도시되어 있으나, 실시예에 따라, 상기 거리 픽셀이 형성된 후 상기 컬러 픽셀이 형성될 수 있다.
다시 도 7을 참조하면, 제2 이온주입 마스크(145b)가 제거되고, 반도체 기판(110b)의 후면(BACK) 상에 필터들이 형성된다. 일 실시예에서, 반도체 기판(110b)의 후면(BACK) 상에 컬러 필터(160b), 적외선 차단 필터(170b) 및 적외선 패스 필터(180b)가 형성될 수 있다. 컬러 필터(160b) 및 적외선 차단 필터(170b)는 컬러 포토다이오드들(120b)의 상부에 형성되고, 적외선 패스 필터(180b)는 거리 포토다이오드들(140b)의 상부에 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 반도체 기판(110b)의 후면(BACK) 상에 컬러 필터(160b) 및 블랙 필터가 형성되고, 컬러 필터(160b) 및 상기 블랙 필터의 상부에 글로벌 필터가 형성될 수 있다. 컬러 필터(160b)는 컬러 포토다이오드들(120b)의 상부에 형성되고, 상기 블랙 필터는 거리 포토다이오드들(140b)의 상부에 형성되며, 상기 글로벌 필터는 컬러 포토다이오드들(120a) 및 거리 포토다이오드들(140b)의 상부에 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀 어레이(100b)는 상술한 방식 외에 다양한 방식으로 형성된 필터들을 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 9를 참조하면, 픽셀 어레이(300)는 컬러 영상 정보를 제공하는 컬러 픽셀들(R, G, B) 및 거리 정보를 제공하는 거리 픽셀(Z)을 포함한다. 예를 들어, 픽셀 어레이(300)에서, 레드 픽셀(R), 그린 픽셀(G), 블루 픽셀(B) 및 거리 픽셀(Z)을 포함하는 픽셀 패턴(305)이 반복적으로 배치될 수 있다.
각 컬러 픽셀(R, G, B)은 가시광선에 의해 생성된 전자-정공 쌍 중 전자를 수집하는 제1 포토다이오드 및 상기 제1 포토다이오드의 하부에 형성된 차단 영역을 포함할 수 있다. 상기 차단 영역은 적외선(또는 근적외선)에 의해 생성된 전자가 상기 제1 포토다이오드에 유입되는 것을 차단할 수 있다. 이에 따라, 컬러 픽셀들(R, G, B)과 거리 픽셀들(Z) 사이의 크로스토크, 특히 적외선(또는 근적외선)에 의해 발생되는 컬러 픽셀들(R, G, B)에 대한 크로스토크가 감소될 수 있다.
각 거리 픽셀(Z)은 상기 제1 포토다이오드보다 큰 높이를 가지는 제2 포토다이오드를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 제2 포토다이오드에서 전자-정공 쌍이 상기 가시광선보다 긴 파장을 가지는 상기 적외선(또는 근적외선)에 의해 효율적으로 생성될 수 있다. 이에 따라, 거리 픽셀(Z)의 양자 효율이 향상될 수 있다.
또한, 각 거리 픽셀(Z)은 각 컬러 픽셀(R, G, B)보다 큰 면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 각 거리 픽셀(Z)은 각 컬러 픽셀(R, G, B)의 약 4배의 면적을 가질 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이(300)에 포함된 거리 픽셀들(Z)의 신호 대 잡음 비(Signal-to-Noise Ratio; SNR)가 향상될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(300)에서, 각 컬러 픽셀(R, G, B)의 포토다이오드 하부에 차단 영역이 형성되고, 각 거리 픽셀(Z)의 포토다이오드가 각 컬러 픽셀(R, G, B)의 포토다이오드보다 큰 높이를 가짐으로써, 컬러 픽셀들(R, G, B)과 거리 픽셀들(Z) 사이의 크로스토크가 감소되고, 거리 픽셀들(Z)의 양자 효율이 향상될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(300)에서, 각 거리 픽셀(Z)이 각 컬러 픽셀(R, G, B)보다 큰 면적을 가짐으로써, 거리 픽셀들(Z)의 신호 대 잡음 비가 향상될 수 있다.
도 10은 도 9의 III-IV 선을 따라 절단한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 픽셀 어레이를 나타내는 단면도이다.
도 10을 참조하면, 픽셀 어레이(300a)는 반도체 기판(310a) 내에 형성된 제1 포토다이오드(320a), 차단 영역(330a) 및 제2 포토다이오드(330a)를 포함한다. 제1 포토다이오드(320a) 및 차단 영역(330a)은 도 9의 컬러 픽셀(R, G, B)에 포함되고, 제2 포토다이오드(330a)는 도 9의 거리 픽셀(Z)에 포함될 수 있다. 도 10의 픽셀 어레이(300a)는, 도 2의 픽셀 어레이(100a)와 비교하여, 제1 포토다이오드(320a)보다 큰 면적을 가지는 제2 포토다이오드(330a)를 포함할 수 있다.
제1 포토다이오드(320a)는 반도체 기판(310a) 내에 형성되고, 가시광선(VIS)을 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 제1 포토다이오드(320a)는 N형의 불순물을 이용한 이온주입 공정에 의해 형성된 N형의 웰에 상응할 수 있다.
제2 포토다이오드(340a)는 반도체 기판(310a) 내에 제1 포토다이오드(320a)에 인접하여 형성되고, 적외선(IR)을 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 제2 포토다이오드(340a)는 N형의 불순물을 이용한 이온주입 공정에 의해 형성된 N형의 웰에 상응할 수 있다. 제2 포토다이오드(340a)는 제1 포토다이오드(320a)보다 큰 높이를 가질 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(300a)에서, 제2 포토다이오드(340a)를 포함하는 거리 픽셀의 양자 효율이 향상될 수 있다. 일 실시예에서, 제2 포토다이오드(340a)는 N형의 불순물이 제1 포토다이오드(320a)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다. 이에 따라, 제2 포토다이오드(340a)를 포함하는 거리 픽셀의 양자 효율이 더욱 향상될 수 있다.
제2 포토다이오드(340a)는 제1 포토다이오드(320a)보다 큰 면적을 가질 수 있다. 실시예에 따라, 제2 포토다이오드(340a)와 제1 포토다이오드(320a)의 면적 비는 다양할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 픽셀 어레이(300a)에서, 제2 포토다이오드(340a)가 제1 포토다이오드(320a)보다 큰 면적을 가짐으로써, 제2 포토다이오드(340a)를 포함하는 거리 픽셀의 신호 대 잡음 비가 향상될 수 있다.
차단 영역(330a)은 반도체 기판(310a) 내에 제1 포토다이오드(320a)의 하부에 형성된다. 차단 영역(330a)은 P형의 불순물이 반도체 기판(310a)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다. 차단 영역(330b)은 적외선(IR)에 의해 생성된 광 전하(예를 들어, 전자-정공 쌍 중 전자)가 제1 포토다이오드(320b)에 유입되는 것을 차단할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(300a)에서, 적외선(IR)에 의해 발생되는 컬러 픽셀에 대한 크로스토크가 감소될 수 있다.
픽셀 어레이(300a)는 반도체 기판(310a) 상에 형성된 절연층(350a)을 더 포함할 수 있다. 절연층(350a)에는 게이트들 및 다층의 금속 배선들이 형성될 수 있다. 또한, 픽셀 어레이(300a)는 반도체 기판(310a) 상에 형성된 필터들(360a, 370a, 380a)을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 픽셀 어레이(300a)는 제1 포토다이오드(320a)의 상부에 형성된 컬러 필터(360a)와 적외선 차단 필터(370a), 및 제2 포토다이오드(340a)의 상부에 형성된 적외선 패스 필터(380a)를 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 픽셀 어레이(300a)는 제1 포토다이오드(320a)의 상부 및 제2 포토다이오드(340a)의 상부에 형성된 글로벌 필터(미도시), 제1 포토다이오드(320a)의 상부에 형성된 컬러 필터(360a), 및 제2 포토다이오드(340a)의 상부에 형성된 블랙 필터(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(300a)에서, 제2 포토다이오드(340a)가 제1 포토다이오드(320a)보다 큰 높이를 가짐으로써, 제2 포토다이오드(340a)를 포함하는 거리 픽셀의 양자 효율이 향상될 수 있다. 또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(300a)에서, 제1 포토다이오드(320a)의 하부에 차단 영역(330a)이 형성됨으로써, 컬러 픽셀과 거리 픽셀 사이의 크로스토크가 감소될 수 있다. 게다가, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(300a)에서, 제2 포토다이오드(340a)가 제1 포토다이오드(320a)보다 큰 면적을 가짐으로써, 거리 픽셀의 신호 대 잡음 비가 향상될 수 있다.
도 11a 내지 도 11e는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 10의 픽셀 어레이를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 11a를 참조하면, 반도체 기판(310a) 상에 제1 이온주입 마스크(325a)가 형성된다. 제1 이온주입 마스크(325a)는 컬러 픽셀들에 상응하는 개구부들을 포함한다. 이에 따라, 제1 이온주입 마스크(325a)는 상기 컬러 픽셀들의 차단 영역들(330a) 및 컬러 포토다이오드들(320a)을 개방할 수 있다.
도 11b를 참조하면, 제1 이온주입 마스크(325a)를 이용한 이온주입 공정에 의해 반도체 기판(310a) 내에 차단 영역들(330a)이 형성된다. 차단 영역들(330a)은 P형의 불순물이 반도체 기판(110a)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다.
도 11c를 참조하면, 제1 이온주입 마스크(325a)를 이용한 이온주입 공정에 의해 반도체 기판(310a) 내에 차단 영역들(330a)의 상부에 컬러 포토다이오드들(320a)이 형성된다. 컬러 포토다이오드들(320a)은 N형의 불순물을 이용한 이온주입 공정에 의해 형성된 N형의 웰들일 수 있다.
도 11d를 참조하면, 제1 이온주입 마스크(325a)가 제거되고, 반도체 기판(310a) 상에 제2 이온주입 마스크(345a)가 형성된다. 제2 이온주입 마스크(345a)는 거리 픽셀들에 상응하는 개구부들을 포함한다. 이에 따라, 제2 이온주입 마스크(345a)는 상기 거리 픽셀들의 거리 포토다이오드들(340a)을 개방할 수 있다.
도 11e를 참조하면, 제2 이온주입 마스크(345a)를 이용한 이온주입 공정에 의해 반도체 기판(310a) 내에 컬러 포토다이오드들(320a) 사이에 거리 포토다이오드들(340a)이 형성된다. 거리 포토다이오드들(340a)은 N형의 불순물을 이용한 이온주입 공정에 의해 형성된 N형의 웰들일 수 있다.
거리 포토다이오드들(340a)은 컬러 포토다이오드들(320a)보다 큰 높이를 가지도록 형성된다. 일 실시예에서, 거리 포토다이오드들(340a)는 N형의 불순물이 컬러 포토다이오드들(320a)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다.
또한, 거리 포토다이오드(340a)는 컬러 포토다이오드(320a)보다 큰 면적을 가지도록 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 거리 포토다이오드(340a)와 컬러 포토다이오드(320a)의 면적 비는 다양할 수 있다.
다시 도 10을 참조하면, 반도체 기판(310a) 상에 절연층(350a)이 형성될 수 있다. 절연층(350a)은 HDP 산화물, TOSZ, SOG, USG 등과 같이 유동성을 갖는 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 절연층(350a)에는 게이트들 및 다층의 금속 배선들이 형성될 수 있다.
절연층(350a) 상에 필터들(160a, 170a, 180a)이 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 절연층(350a) 상에 컬러 필터(360a), 적외선 차단 필터(370a) 및 적외선 패스 필터(380a)가 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 절연층(350a) 상에 컬러 필터(360a) 및 블랙 필터가 형성되고, 컬러 필터(360a) 및 상기 블랙 필터의 상부에 글로벌 필터가 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 픽셀 어레이(300a)는 상술한 방식 외에 다양한 방식으로 형성된 필터들을 포함할 수 있다.
도 12는 도 9의 III-IV 선을 따라 절단한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 픽셀 어레이를 나타내는 단면도이다.
도 12를 참조하면, 픽셀 어레이(300b)는 반도체 기판(310b) 내에 형성된 제1 포토다이오드(320b), 차단 영역(330b) 및 제2 포토다이오드(330b)를 포함한다. 제1 포토다이오드(320b) 및 차단 영역(330b)은 도 9의 컬러 픽셀(R, G, B)에 포함되고, 제2 포토다이오드(330b)는 도 9의 거리 픽셀(Z)에 포함될 수 있다. 도 12의 픽셀 어레이(300b)는, 도 10의 픽셀 어레이(300a)와 달리, 반도체 기판(310b)의 후면(BACK)으로부터 가시광선(VIS) 및 적외선(IR)을 수광할 수 있다.
제1 포토다이오드(320b)는 반도체 기판(310b) 내에 형성되고, 가시광선(VIS)을 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 제1 포토다이오드(320b)는 N형의 불순물을 이용한 이온주입 공정에 의해 형성된 N형의 웰에 상응할 수 있다.
제2 포토다이오드(340b)는 반도체 기판(310b) 내에 제1 포토다이오드(320b)에 인접하여 형성되고, 적외선(IR)을 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 제2 포토다이오드(340b)는 N형의 불순물을 이용한 이온주입 공정에 의해 형성된 N형의 웰에 상응할 수 있다. 제2 포토다이오드(340b)는 제1 포토다이오드(320b)보다 큰 높이를 가질 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(300b)에서, 제2 포토다이오드(340b)를 포함하는 거리 픽셀의 양자 효율이 향상될 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 제2 포토다이오드(340b)는 N형의 불순물이 제1 포토다이오드(320b)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다. 이에 따라, 제2 포토다이오드(340b)를 포함하는 거리 픽셀의 양자 효율이 더욱 향상될 수 있다.
제2 포토다이오드(340b)는 제1 포토다이오드(320b)보다 큰 면적을 가질 수 있다. 실시예에 따라, 제2 포토다이오드(340b)와 제1 포토다이오드(320b)의 면적 비는 다양할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 픽셀 어레이(300b)에서, 제2 포토다이오드(340b)가 제1 포토다이오드(320b)보다 큰 면적을 가짐으로써, 제2 포토다이오드(340b)를 포함하는 거리 픽셀의 신호 대 잡음 비가 향상될 수 있다.
차단 영역(330b)은 반도체 기판(310b) 내에 제1 포토다이오드(320b)의 하부에 형성된다. 차단 영역(330b)은 P형의 불순물이 반도체 기판(310b)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다. 차단 영역(330b)은 적외선(IR)에 의해 생성된 광 전하(예를 들어, 전자-정공 쌍 중 전자)가 제1 포토다이오드(320b)에 유입되는 것을 차단할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(300b)에서, 적외선(IR)에 의해 발생되는 컬러 픽셀에 대한 크로스토크가 감소될 수 있다.
픽셀 어레이(300b)는 반도체 기판(310b)의 전면(FRONT) 상에 형성된 절연층(350b)을 더 포함할 수 있다. 절연층(350b)에는 게이트들 및 다층의 금속 배선들이 형성될 수 있다. 이와 같이, 상기 게이트들 및 상기 금속 배선들이 반도체 기판(310b)의 전면(FRONT) 상에 형성되고, 제1 포토다이오드(320b) 및 제2 포토다이오드(340b)가 가시광선(VIS) 및 적외선(IR)을 반도체 기판(310b)의 후면(BACK)으로부터 수광하므로, 제1 포토다이오드(320b) 및 제2 포토다이오드(340b)의 양자 효율이 향상될 수 있다.
일 실시예에서, 픽셀 어레이(300b)는 제1 포토다이오드(320b)의 상부에 형성된 컬러 필터(360b)와 적외선 차단 필터(370b), 및 제2 포토다이오드(340b)의 상부에 형성된 적외선 패스 필터(380b)를 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 픽셀 어레이(300b)는 글로벌 필터(미도시), 컬러 필터(360b), 및 블랙 필터를 더 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 픽셀 어레이(300b)는 상술한 필터들 외에도 다양한 필터들을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(300b)에서, 제2 포토다이오드(340b)가 제1 포토다이오드(320b)보다 큰 높이를 가짐으로써, 제2 포토다이오드(340b)를 포함하는 거리 픽셀의 양자 효율이 향상될 수 있다. 또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(300b)에서, 제1 포토다이오드(320b)의 하부에 차단 영역(330b)이 형성됨으로써, 컬러 픽셀과 거리 픽셀 사이의 크로스토크가 감소될 수 있다. 게다가, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(300b)에서, 제2 포토다이오드(340b)가 제1 포토다이오드(320b)보다 큰 면적을 가짐으로써, 거리 픽셀의 신호 대 잡음 비가 향상될 수 있다.
도 13a 내지 도 13f는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 12의 픽셀 어레이를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 13a를 참조하면, 반도체 기판(310b)의 전면(FRONT) 상에 절연층(350b)이 형성된다. 예를 들어, 반도체 기판(310b)은 에피택셜 공정을 통해 P형의 벌크 실리콘 기판 상에 형성된 P형의 에피택셜 기판을 포함할 수 있다. 절연층(350b)은 HDP 산화물, TOSZ, SOG, USG 등과 같은 유동성을 갖는 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 절연층(350b)에는 게이트들 및 다층의 금속 배선들이 형성될 수 있다.
반도체 기판(310b)에서 상기 벌크 실리콘 기판의 적어도 일부는 그라인딩(Grinding)에 의해 제거될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 벌크 실리콘 기판이 제거된 반도체 기판(310b)의 후면(BACK) 상에 표면 결함을 제거하기 위하여 계면부가 형성될 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 상기 계면부 상에는 입사광이 반도체 기판(310b)의 후면(BACK)에서 반사되는 것을 방지하는 반사 방지층이 형성될 수 있다.
도 13b를 참조하면, 반도체 기판(310b)의 후면(BACK) 상에 제1 이온주입 마스크(325b)가 형성된다. 제1 이온주입 마스크(325b)는 컬러 픽셀들에 상응하는 개구부들을 포함한다. 이에 따라, 제1 이온주입 마스크(325b)는 상기 컬러 픽셀들의 차단 영역들(330b) 및 컬러 포토다이오드들(320b)을 개방할 수 있다.
도 13c를 참조하면, 제1 이온주입 마스크(325b)를 이용한 이온주입 공정에 의해 반도체 기판(310b) 내에 차단 영역들(330b)이 형성된다. 차단 영역들(330b)은 P형의 불순물이 반도체 기판(310b)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다.
도 13d를 참조하면, 제1 이온주입 마스크(325b)를 이용한 이온주입 공정에 의해 반도체 기판(310b) 내에 차단 영역들(330b)의 상부에 컬러 포토다이오드들(320b)이 형성된다. 컬러 포토다이오드들(320b)은 N형의 불순물을 이용한 이온주입 공정에 의해 형성된 N형의 웰들일 수 있다.
도 13e를 참조하면, 제1 이온주입 마스크(325b)가 제거되고, 반도체 기판(310b)의 후면(BACK) 상에 제2 이온주입 마스크(345b)가 형성된다. 제2 이온주입 마스크(345b)는 거리 픽셀들에 상응하는 개구부들을 포함한다. 이에 따라, 제2 이온주입 마스크(345b)는 상기 거리 픽셀들의 거리 포토다이오드들(340b)을 개방할 수 있다.
도 13f를 참조하면, 제2 이온주입 마스크(345b)를 이용한 이온주입 공정에 의해 반도체 기판(310b) 내에 컬러 포토다이오드들(320b) 사이에 거리 포토다이오드들(340b)이 형성된다. 거리 포토다이오드들(340b)은 N형의 불순물을 이용한 이온주입 공정에 의해 형성된 N형의 웰들일 수 있다. 거리 포토다이오드들(340b)은 컬러 포토다이오드들(320b)보다 큰 높이를 가지도록 형성된다. 일 실시예에서, 거리 포토다이오드들(340b)는 N형의 불순물이 컬러 포토다이오드들(120b)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다.
또한, 거리 포토다이오드(340b)는 컬러 포토다이오드(320b)보다 큰 면적을 가지도록 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 거리 포토다이오드(340b)와 컬러 포토다이오드(320b)의 면적 비는 다양할 수 있다.
다시 도 12를 참조하면, 제2 이온주입 마스크(345b)가 제거되고, 반도체 기판(310b)의 후면(BACK) 상에 필터들이 형성된다. 일 실시예에서, 반도체 기판(310b)의 후면(BACK) 상에 컬러 필터(360b), 적외선 차단 필터(370b) 및 적외선 패스 필터(380b)가 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 반도체 기판(310b)의 후면(BACK) 상에 컬러 필터(360b) 및 블랙 필터가 형성되고, 컬러 필터(360b) 및 상기 블랙 필터의 상부에 글로벌 필터가 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 픽셀 어레이(300b)는 상술한 방식 외에 다양한 방식으로 형성된 필터들을 포함할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 14를 참조하면, 이미지 센서(600)는 픽셀 어레이(610), 아날로그-디지털 변환(Analog-to-Digital Conversion; ADC)부(620), 디지털 신호 처리(Digital Signal Processing; DSP)부(630), 광원 모듈(640) 및 제어부(650)를 포함한다.
픽셀 어레이(610)는 컬러 영상 정보를 제공하는 컬러 픽셀들 및 거리 정보를 제공하는 거리 픽셀들을 포함한다. 즉, 이미지 센서(600)는 상기 컬러 영상 정보 및 상기 거리 정보를 제공하는 3차원 이미지 센서일 수 있다. 상기 거리 픽셀들에 포함된 거리 포토다이오드들은 상기 컬러 픽셀들에 포함된 컬러 포토다이오드들보다 큰 높이를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 컬러 포토다이오드들이 적외선(또는 근적외선)을 효율적으로 수광하여 상기 거리 픽셀들의 양자 효율이 향상될 수 있다. 또한, 상기 컬러 포토다이오드들의 하부에 차단 영역들이 형성된다. 이에 따라, 상기 차단 영역들이 상기 적외선에 의해 생성된 광 전하가 상기 컬러 포토다이오드들에 유입되는 것을 차단하여 상기 컬러 픽셀들에 대한 크로스토크가 감소될 수 있다.
ADC부(620)는 픽셀 어레이(610)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 실시예에 따라, ADC부(620)는 각 컬럼 라인마다 연결된 아날로그-디지털 변환기를 이용하여 아날로그 신호들을 병렬로 변환하는 컬럼 ADC를 수행하거나, 단일한 아날로그-디지털 변환기를 이용하여 상기 아날로그 신호들을 순차적으로 변환하는 단일 ADC를 수행할 수 있다.
실시예에 따라, ADC부(620)는 유효 신호 성분을 추출하기 위한 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling; CDS)부를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 CDS부는 리셋 성분을 나타내는 아날로그 리셋 신호와 신호 성분을 나타내는 아날로그 데이터 신호의 차이에 기초하여 상기 유효 신호 성분을 추출하는 아날로그 더블 샘플링(Analog Double Sampling)을 수행할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 CDS부는 상기 아날로그 리셋 신호와 상기 아날로그 데이터 신호를 디지털 신호들로 각각 변환한 후 상기 유효 신호 성분으로서 두 개의 디지털 신호의 차이를 추출하는 디지털 더블 샘플링(Digital Double Sampling)을 수행할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 CDS부는 상기 아날로그 더블 샘플링 및 상기 디지털 더블 샘플링을 모두 수행하는 듀얼 상관 이중 샘플링을 수행할 수 있다.
DSP부(630)는 ADC부(620)로부터 출력된 디지털 이미지 신호를 수신하고, 상기 디지털 이미지 신호에 대하여 이미지 데이터 처리를 수행할 수 있다. 예를 들어, DSP부(630)는 이미지 보간(Image Interpolation), 색 보정(Color Correction), 화이트 밸런스(White Balance), 감마 보정(Gamma Correction), 색 변환(Color Conversion) 등을 수행할 수 있다. 한편, 도 14에는 DSP부(630)가 이미지 센서(600)에 포함된 예가 도시되어 있으나, 실시예에 따라, DSP부(630)는 이미지 센서(600)의 외부에 위치할 수 있다.
광원 모듈(640)은 소정의 파장을 가진 변조 광(ML)(예를 들어, 적외선 또는 근적외선)을 방출할 수 있다. 광원 모듈(640)은 광원(641) 및 렌즈(643)를 포함할 수 있다. 광원(641)은 제어부(650)에 의해 세기가 주기적으로 변하도록 변조된 변조 광(ML)을 출력할 수 있다. 광원 모듈(640)에서 방출된 변조 광(ML)은 피사체(660)에서 반사되고, 수신 광(RL)으로서 픽셀 어레이(610)에 입사될 수 있다. 픽셀 어레이(610)에 포함된 거리 픽셀들은 수신 광(RL)에 기초하여 거리 정보를 제공할 수 있다.
예를 들어, 변조 광(ML)의 세기는 연속적인 펄스들을 가지는 펄스 파, 사인 파, 코사인 파 등과 같은 형태를 가지도록 변조될 수 있다. 실시예에 따라, 광원(641)은 발광 다이오드(light emitting diode, LED), 레이저 다이오드 등으로 구현될 수 있다. 렌즈(643)는 광원(641)에서 방출된 변조 광(ML)을 피사체(660)에 집중시킬 수 있다. 실시예에 따라, 렌즈(643)는 변조 광(ML)의 확산각을 조절할 수 있다. 예를 들어, 광원(641)과 렌즈(643)의 간격이 제어부(650)에 의해 제어되어 변조 광(ML)의 확산각이 조절될 수 있다.
제어부(650)는 픽셀 어레이(610), ADC부(620), DSP부(630) 및 광원 모듈(640)을 제어할 수 있다. 제어부(650)는 픽셀 어레이(610), ADC부(620), DSP부(630) 및 광원 모듈(640)의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤 신호 등과 같은 제어 신호들을 공급할 수 있다. 일 실시예에서, 제어부(650)는 로직 제어 회로, 위상 고정 루프(Phase Lock Loop; PLL) 회로, 타이밍 제어 회로 및 통신 인터페이스 회로 등을 포함할 수 있다.
도 14에 도시되지는 않았지만, 이미지 센서(600)는 픽셀 어레이(610) 내의 로우 라인을 선택하는 로우 디코더 및 선택된 로우 라인을 활성화시키는 로우 드라이버를 더 포함할 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 이미지 센서(600)는 ADC부(620)에 포함된 복수의 아날로그-디지털 변환기들 중 하나를 선택하는 컬럼 디코더 및 선택된 아날로그-디지털 변환기의 출력을 DSP부(630) 또는 외부의 호스트(미도시)에 제공하기 위한 컬럼 드라이버를 더 포함할 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 카메라에 응용한 예를 나타내는 블록도이다.
도 15를 참조하면, 카메라(800)는 수광 렌즈(810), 이미지 센서(820), 모터부(830) 및 엔진부(840)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(820)는 이미지 센서 칩(821) 및 광원 모듈(823)을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 이미지 센서 칩(821) 및 광원 모듈(823)은 각각 별도의 장치로 구현되거나, 광원 모듈(823) 중 적어도 일부의 구성이 이미지 센서 칩(821)에 포함되도록 구현될 수 있다. 또한 수광 렌즈(810)는 이미지 센서(820)의 일부 구성 요소로서 포함될 수도 있다.
수광 렌즈(810)는 이미지 센서 칩(821)의 수광 영역(예를 들어, 거리 픽셀들 및/또는 컬러 픽셀들)으로 입사광을 집광시킬 수 있다. 이미지 센서 칩(821)은 수광 렌즈(810)를 통하여 입사된 가시광선 또는 적외선에 기초하여 거리 정보 및/또는 컬러 영상 정보를 포함하는 데이터(DATA1)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서 칩(821)에서 생성되는 데이터(DATA1)는 광원 모듈(823)에서 방출된 적외선 또는 근적외선을 이용하여 생성된 거리 데이터 및 외부 가시광선을 이용하여 생성된 베이어 패턴의 RGB 데이터(RGB)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 이미지 센서 칩(821)은 상기 거리 정보 및 상기 컬러 영상 정보를 제공하는 3차원 이미지 센서 칩일 수 있다.
이미지 센서 칩(821)은 상기 거리 정보 및 상기 컬러 영상 정보를 제공하도록 거리 픽셀들 및 컬러 픽셀을 포함한다. 상기 거리 픽셀들에 포함된 거리 포토다이오드들은 상기 컬러 픽셀들에 포함된 컬러 포토다이오드들보다 큰 높이를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 컬러 포토다이오드들이 적외선(또는 근적외선)을 효율적으로 수광하여 상기 거리 픽셀들의 양자 효율이 향상될 수 있다. 또한, 상기 컬러 포토다이오드들의 하부에 차단 영역들이 형성된다. 이에 따라, 상기 차단 영역들이 상기 적외선에 의해 생성된 광 전하가 상기 컬러 포토다이오드들에 유입되는 것을 차단하여 상기 컬러 픽셀들에 대한 크로스토크가 감소될 수 있다.
이미지 센서 칩(821)은 클록 신호(CLK)에 기초하여 데이터(DATA1)를 엔진부(840)에 제공할 수 있다. 실시예에 따라, 이미지 센서 칩(821)은 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 및/또는 CSI(Camera Serial Interface)를 통하여 엔진부(840)와 인터페이싱할 수 있다.
모터부(830)는 엔진부(840)로부터 수신된 제어 신호(CTRL)에 응답하여 수광 렌즈(810)의 포커스를 조절하거나, 셔터링(Shuttering)을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 광원 모듈(823)에서, 광원과 렌즈의 상대적 위치는 모터부(830) 또는 이미지 센서 칩(821)에 의해 제어될 수 있다.
엔진부(840)는 이미지 센서(820) 및 모터부(830)를 제어한다. 또한, 엔진부(840)는 이미지 센서 칩(821)으로부터 수신된 데이터(DATA1)를 처리할 수 있다. 예를 들어, 엔진부(840)는 이미지 센서 칩(821)으로부터 수신된 데이터(DATA1)에 기초하여 입체 컬러 데이터를 생성할 수 있다. 다른 예에서, 엔진부(840)는 데이터(DATA1)에 포함된 상기 RGB 데이터에 기초하여 휘도 성분, 상기 휘도 성분과 청색 성분의 차, 및 휘도 성분과 적색 성분의 차를 포함하는 YUV 데이터를 생성하거나, 압축 데이터, 예를 들어 JPEG(Joint Photography Experts Group) 데이터를 생성할 수 있다. 엔진부(840)는 호스트/어플리케이션(850)에 연결될 수 있으며, 엔진부(840)는 마스터 클록(MCLK)에 기초하여 데이터(DATA2)를 호스트/어플리케이션(850)에 제공할 수 있다. 또한, 엔진부(840)는 SPI(Serial Peripheral Interface) 및/또는 I2C(Inter Integrated Circuit)를 통하여 호스트/어플리케이션(850)과 인터페이싱할 수 있다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 컴퓨팅 시스템에 응용한 예를 나타내는 블록도이다.
도 16을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1000)은 프로세서(1010), 메모리 장치(1020), 저장 장치(1030), 입출력 장치(1040), 파워 서플라이(1050) 및 이미지 센서(1060)를 포함할 수 있다. 한편, 도 16에 도시되지는 않았지만, 컴퓨팅 시스템(1000)은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트(port)들을 더 포함할 수 있다.
프로세서(1010)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서(1010)는 마이크로프로세서(micro-processor), 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)일 수 있다. 프로세서(1010)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus)를 통하여 메모리 장치(1020), 저장 장치(1030) 및 입출력 장치(1040)와 통신을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서(1010)는 주변 구성요소 상호연결(Peripheral Component Interconnect; PCI) 버스와 같은 확장 버스에 더욱 연결될 수 있다. 메모리 장치(1020)는 컴퓨팅 시스템(1000)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(1020)는 DRAM(Dynamic Random Access Memory), SRAM(Static Random Access Memory), 모바일 DRAM 등과 같은 휘발성 메모리로 구현되거나, EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래시 메모리(Flash Memory), PRAM(Phase Change Random Access Memory), RRAM(Resistance Random Access Memory), NFGM(Nano Floating Gate Memory), PoRAM(Polymer Random Access Memory), MRAM(Magnetic Random Access Memory), FRAM(Ferroelectric Random Access Memory) PRAM(Phase Change Random Access Memory), RRAM(Resistance Random Access Memory), NFGM(Nano Floating Gate Memory), PoRAM(Polymer Random Access Memory), MRAM(Magnetic Random Access Memory), FRAM(Ferroelectric Random Access Memory) 등과 같은 비휘발성 메모리로 구현될 수 있다. 저장 장치(1030)는 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive), 하드 디스크 드라이브(hard disk drive), 씨디롬(CD-ROM) 등을 포함할 수 있다. 입출력 장치(1040)는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 파워 서플라이(1050)는 컴퓨팅 시스템(1000)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.
이미지 센서(1060)는 상기 버스들 또는 다른 통신 링크를 통해서 프로세서(1010)와 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 상술한 바와 같이, 이미지 센서(1060)는 거리 정보 및 컬러 영상 정보를 제공하는 3차원 이미지 센서일 수 있다. 이미지 센서(1060)는 상기 거리 정보 및 상기 컬러 영상 정보를 제공하도록 거리 픽셀들 및 컬러 픽셀을 포함한다. 상기 거리 픽셀들에 포함된 거리 포토다이오드들은 상기 컬러 픽셀들에 포함된 컬러 포토다이오드들보다 큰 높이를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 컬러 포토다이오드들이 적외선(또는 근적외선)을 효율적으로 수광하여 상기 거리 픽셀들의 양자 효율이 향상될 수 있다. 또한, 상기 컬러 포토다이오드들의 하부에 차단 영역들이 형성된다. 이에 따라, 상기 차단 영역들이 상기 적외선에 의해 생성된 광 전하가 상기 컬러 포토다이오드들에 유입되는 것을 차단하여 상기 컬러 픽셀들에 대한 크로스토크가 감소될 수 있다. 실시예에 따라, 이미지 센서(1060)는 프로세서(1010)와 함께 하나의 칩에 집적될 수도 있고, 서로 다른 칩에 각각 집적될 수도 있다.
이미지 센서(1600)는 다양한 형태들의 패키지로 구현될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(1060)의 적어도 일부의 구성들은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline(TSOP), Thin Quad Flatpack(TQFP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등과 같은 패키지들을 이용하여 실장될 수 있다.
한편, 컴퓨팅 시스템(1000)은 이미지 센서를 이용하는 모든 컴퓨팅 시스템으로 해석되어야 할 것이다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(1000)은 휴대폰(Mobile Phone), 스마트 폰(Smart Phone), 개인 정보 단말기(personal digital assistant; PDA), 휴대형 멀티미디어 플레이어(portable multimedia player; PMP), 디지털 카메라(Digital Camera), 개인용 컴퓨터(Personal Computer; PC), 서버 컴퓨터(Server Computer), 워크스테이션(Workstation), 노트북(Laptop), 디지털 TV(Digital Television), 셋-탑 박스(Set-Top Box), 음악 재생기(Music Player), 휴대용 게임 콘솔(Portable Game Console), 네비게이션(Navigation) 시스템 등을 포함할 수 있다.
도 17은 도 16의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 16을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1100)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치로 구현될 수 있고, 어플리케이션 프로세서(1110), 이미지 센서(1140) 및 디스플레이(1150) 등을 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(1110)의 CSI 호스트(1112)는 카메라 시리얼 인터페이스(Camera Serial Interface; CSI)를 통하여 이미지 센서(1140)의 CSI 장치(1141)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, CSI 호스트(1112)는 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있고, CSI 장치(1141)는 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(1110)의 DSI 호스트(1111)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(Display Serial Interface; DSI)를 통하여 디스플레이(1150)의 DSI 장치(1151)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, DSI 호스트(1111)는 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있고, DSI 장치(1151)는 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다. 나아가, 컴퓨팅 시스템(1100)은 어플리케이션 프로세서(1110)와 통신을 수행할 수 있는 알에프(Radio Frequency; RF) 칩(1160)을 더 포함할 수 있다. 컴퓨팅 시스템(1100)의 PHY(1113)와 RF 칩(1160)의 PHY(1161)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) DigRF에 따라 데이터 송수신을 수행할 수 있다. 또한, 어플리케이션 프로세서(1110)는 PHY(1161)의 MIPI DigRF에 따른 데이터 송수신을 제어하는 DigRF MASTER(1114)를 더 포함할 수 있다. 한편, 컴퓨팅 시스템(1100)은 지피에스(Global Positioning System; GPS)(1120), 스토리지(1170), 마이크(1180), 디램(Dynamic Random Access Memory; DRAM)(1185) 및 스피커(1190)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 시스템(1100)은 초광대역(Ultra WideBand; UWB)(1210), 무선 랜(Wireless Local Area Network; WLAN)(1220) 및 와이맥스(Worldwide Interoperability for Microwave Access; WIMAX)(1230) 등을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 다만, 컴퓨팅 시스템(1100)의 구조 및 인터페이스는 하나의 예시로서 이에 한정되는 것이 아니다.
본 발명은 이미지 센서 및 이를 포함하는 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 휴대폰, 스마트 폰, 개인 정보 단말기, 휴대형 멀티미디어 플레이어, 디지털 카메라, 컴퓨터, 노트북, 음악 재생기, 휴대용 게임 콘솔, 네비게이션 시스템, 비디오 폰, 감시 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감지 시스템, 이미지 안정화 시스템, 얼굴 인식 보안 시스템 등에 유용하게 이용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.
100, 100a, 100b, 300, 300a, 300b: 픽셀 어레이
120a, 120b, 320a, 320b: 컬러 포토다이오드
130a, 130b, 330a, 330b: 차단 영역
140a, 140b, 340a, 340b: 거리 포토다이오드

Claims (10)

  1. 제1 도전형의 반도체 기판 내에 형성되고, 제1 파장의 광을 전기적인 신호로 변환하는 제2 도전형의 제1 포토다이오드;
    상기 반도체 기판 내에 상기 제1 포토다이오드의 하부에 형성되고, 상기 제1 도전형의 불순물이 상기 반도체 기판보다 높은 농도로 도핑된 상기 제1 도전형의 차단 영역; 및
    상기 반도체 기판 내에 상기 제1 포토다이오드에 인접하여 형성되고, 상기 제1 포토다이오드보다 큰 높이를 가지며, 제2 파장의 광을 전기적인 신호로 변환하는 상기 제2 도전형의 제2 포토다이오드를 포함하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 차단 영역은,
    상기 제2 파장의 광에 의해 생성된 광 전하가 상기 제1 포토다이오드에 유입되는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 파장의 광은 가시광선이고, 상기 제2 파장의 광은 적외선인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 포토다이오드는, 상기 가시광선에 의해 생성된 광 전하를 수집하는 컬러 포토다이오드이고,
    상기 제2 포토다이오드는, 상기 적외선에 의해 생성된 광 전하를 수집하는 거리 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 포토다이오드는 상기 제2 도전형의 불순물이 상기 제1 포토다이오드보다 높은 농도로 도핑된 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 포토다이오드는 상기 제1 포토다이오드보다 큰 면적을 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 도전형은 P형이고, 상기 제2 도전형은 N형인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 포토다이오드의 상부에 형성된 적외선 차단 필터 및 컬러 필터; 및
    상기 제2 포토다이오드의 상부에 형성된 적외선 패스 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 적외선 차단 필터는 적외선을 차단하고,
    상기 컬러 필터는 가시광선 중 상기 컬러 필터에 상응하는 파장을 가진 광을 투과하며,
    상기 적외선 패스 필터는 상기 적외선을 투과하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  10. P형의 반도체 기판 내에 P형의 불순물이 상기 반도체 기판보다 높은 농도로 도핑된 P형의 차단 영역을 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판 내에 상기 차단 영역의 상부에 N형의 제1 포토다이오드를 형성하는 단계; 및
    상기 반도체 기판 내에 상기 제1 포토다이오드에 인접하여 상기 제1 포토다이오드보다 큰 높이를 가지는 N형의 제2 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 픽셀 어레이 제조 방법.
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