KR20170070693A - 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 기술적 사상에 의한 이미지 센서는, 제1 면 및 상기 제1 면과 대향하며 빛이 입사되는 제2 면을 포함하는 기판; 상기 기판 내에 형성된 반도체 광전 변환 소자; 상기 기판 내의 상기 제1 면과 상기 반도체 광전 변환 소자 사이에서, 상기 제1 면과 수직한 제1 방향으로 연장되는 게이트 전극; 및 상기 기판의 상기 제2 면 상에 적층되는 유기(organic) 광전 변환 소자;를 포함할 수 있다.

Description

이미지 센서{Image sensor}
본 발명의 기술적 사상은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 광전 변환부의 수광면의 필 팩터(fill factor)가 개선된 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 촬영된 화상을 전기적 신호로 변환할 수 있다. 이미지 센서는 화소 어레이로 이루어질 수 있고, 화소 어레이에 포함된 각각의 단위 화소는 광 감지 소자를 포함할 수 있다. 또한, 이미지 센서는 광 감지 소자뿐만 아니라 광 감지 소자를 제어하기 위한 트랜지스터 및 구동에 필요한 회로들을 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 광전 변환 소자의 수광 면적을 확장시킨 이미지 센서에 관한 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 이미지 센서는, 제1 면 및 상기 제1 면과 대향하며 빛이 입사되는 제2 면을 포함하는 기판; 상기 기판 내에 형성된 반도체 광전 변환 소자; 상기 기판 내의 상기 제1 면과 상기 반도체 광전 변환 소자 사이에서, 상기 제1 면과 수직한 제1 방향으로 연장되는 게이트 전극; 및 상기 기판의 상기 제2 면 상에 적층되는 유기(organic) 광전 변환 소자;를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 면은 제2 방향 및 제3 방향으로 연장되고, 상기 기판 내에 형성된 상기 게이트 전극이 상기 제1 방향으로 형성되는 제1 길이는, 상기 제2 또는 제3 방향으로 형성되는 제2 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 이미지 센서일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 기판 내의 상기 제1 면 상에서 상기 게이트 전극과 인접하고, 상기 게이트 전극과 전기적으로 연결되는 제1 플로팅 디퓨전(floating diffusion)을 더 포함하고, 상기 제1 플로팅 디퓨전은 반도체 광전 변환 소자와 상기 제1 방향으로 오버랩되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 면 상에 형성되는 화소 회로층과, 상기 기판을 관통하여 상기 유기 광전 변환 소자와 상기 화소 회로층을 전기적으로 연결하는 관통 배선을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 기판 내의 상기 제1 면 상에서 상기 관통 전극과 인접하고, 상기 관통 전극과 전기적으로 연결되는 제2 플로팅 디퓨전을 더 포함하고, 상기 제2 플로팅 디퓨전은 상기 유기 광전 변환 소자와 상기 제1 방향으로 오버랩되지 않는 것을 특징으로 하는 이미지 센서일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 기판 내에 배치된 복수의 화소 영역들을 분리하는 화소 분리부를 더 포함하고, 상기 관통 배선은 상기 화소 분리부 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 반도체 광전 변환 소자는 전자-정공 쌍(electron-hole pair) 중에서 전자를 발생시키고, 상기 유기 광전 변환 소자는 전자-정공 쌍 중에서 정공을 발생시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 기판과 상기 유기 광전 변환 소자 사이에 배치되는 컬러 필터층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 유기 광전 변환 소자는 입사광 중 제1 파장 대역의 광을 전기 신호로 변환하고, 상기 컬러 필터층은 상기 입사광 중 상기 유기 광전 변환 소자에 의해 전기 신호로 변환되지 않은 제2 파장 대역의 광을 통과시키고, 상기 반도체 광전 변환 소자는 상기 제2 파장 대역의 광을 전기 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 반도체 광전 변환 소자는 네 개의 트랜지스터를 통해 전기 신호로 추출되고, 상기 유기 광전 변환 소자는 세 개의 트랜지스터들을 통해 전기 신호로 추출되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서일 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 이미지 센서는, 제1 면 및 상기 제1 면과 대향하며 빛이 입사되는 제2 면, 및 복수의 화소 영역들을 포함하는 기판; 상기 기판 내의 복수의 화소 영역들 각각에 형성되는 반도체 광전 변환 소자들; 상기 기판 내의 상기 제1 면과 상기 반도체 광전 변환 소자들 사이에서, 상기 제1 면과 수직한 제1 방향으로 각각 연장되는 게이트 전극들; 상기 기판 내의 상기 제1 면 상에서 상기 게이트 전극들과 각각 인접하고, 상기 게이트 전극들과 각각 전기적으로 연결되는 제1 플로팅 디퓨전들; 상기 기판의 상기 제2 면 상에 형성되는 유기 광전 변환 소자들;을 포함하고, 상기 제1 플로팅 디퓨전들은 전기적으로 공유될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 면은 제2 방향 및 제3 방향으로 연장되고, 상기 기판 내에 형성된 상기 게이트 전극들이 상기 제1 방향으로 형성되는 제1 길이는, 상기 제2 또는 제3 방향으로 형성되는 제2 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 이미지 센서일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 면 상에 형성되는 화소 회로층과, 상기 기판을 관통하여 상기 유기 광전 변환 소자들과 상기 화소 회로층을 전기적으로 연결하는 관통 배선들; 및 상기 기판 내의 상기 제1 면 상에서 상기 관통 전극들과 각각 인접하고, 상기 관통 전극들과 각각 전기적으로 연결되는 제2 플로팅 디퓨전들;을 더 포함하고, 상기 제2 플로팅 디퓨전들은 전기적으로 공유되지 않는 것을 특징으로 하는 이미지 센서일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 기판 내에서 상기 복수의 화소 영역들을 분리하는 화소 분리부를 더 포함하고, 상기 관통 배선들은 상기 화소 분리부 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 반도체 광전 변환 소자들은 상기 복수의 화소 영역들 각각에 형성된 제1 반도체 광전 변환 소자 및 제2 반도체 광전 변환 소자를 포함하고, 상기 기판과 상기 유기 광전 변환 소자들 사이에서 상기 제1 및 제2 반도체 광전 변환 소자 상에 각각 배치되는 제1 컬러 필터층 및 제2 컬러 필터층을 더 포함하고, 상기 유기 광전 변환 소자들은 입사광 중 제1 파장 대역의 광을 전기 신호로 변환하고, 상기 제1 컬러 필터층은 상기 입사광 중 상기 유기 광전 변환 소자에 의해 전기 신호로 변환되지 않은 제2 파장 대역의 광을 통과시키고, 상기 제2 컬러 필터층은 상기 입사광 중 상기 유기 광전 변환 소자에 의해 전기 신호로 변환되지 않고, 상기 제2 파장 대역과는 다른 제3 파장 대역의 광을 통과시키고, 상기 제1 반도체 광전 변환 소자는 상기 제2 파장 대역의 광을 전기 신호로 변환시키고, 상기 제2 반도체 광전 변환 소자는 상기 제3 파장 대역의 광을 전기 신호로 변환시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서일 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 단위 화소를 포함하는 이미지 센서는, 적층형 광전 변환 소자를 포함할 수 있다. 이때, 하층에 형성되는 광전 변환 소자는 수광 면적을 축소시키지 않도록 수광면에 대해 수직 방향으로 연장되는 트랜스퍼 게이트 전극을 포함할 수 있다. 이에 따라, 광전 변환 소자에 대한 제어 가능성은 높이면서, 상기 광전 변환 소자의 수광 면적 또는 필 팩터(fill factor)를 넓게 확보할 수 있다.
또한, 적층형 광전 변환 소자 중 상층에 형성되는 광전 변환 소자는 트랜스퍼 게이트 전극을 수반하지 않는 유기 광전 변환 소자가 형성되어, 하층에 형성되는 광전 변환 소자의 수광 면적의 축소를 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소(pixel)를 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소를 나타내는 레이아웃이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소의 단면도로서, 도 2의 A-A 선 단면에 대응하는 구성을 예시한 것이다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소들의 어레이를 나타내는 레이아웃이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 적층형 광전 변환 소자의 효과를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소를 나타내는 회로도이다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소를 나타내는 레이아웃이다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소의 단면도로서, 도 7의 A-A 선 단면 및 B-B선 단면에 대응하는 구성을 예시한 단면도이다.
도 9a 내지 도 9i는 도 3에 예시된 단위 화소의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 도 9a 내지 도 9i는 도 2의 A-A 선 단면에 대응하는 구성을 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도 이다.
도 11은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 12는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템 및 인터페이스를 나타내는 블록도이다.
첨부 도면에 나타난 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명 개념의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 안되며, 제조 과정에서 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명 개념을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함한다” 또는 “갖는다” 등의 표현은 명세서에 기재된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 용어들은 기술 용어와 과학 용어를 포함하여 본 발명 개념이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 공통적으로 이해하고 있는 바와 동일한 의미를 지닌다. 또한, 통상적으로 사용되는, 사전에 정의된 바와 같은 용어들은 관련되는 기술의 맥락에서 이들이 의미하는 바와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의하지 않는 한 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 될 것임은 이해될 것이다.
도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 간략히 설명하도록 한다. 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려졌으므로, 본 발명 개념은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소(pixel)(100)를 나타내는 회로도이다. 이미지 센서의 화소 어레이가 포함하는 각각의 단위 화소는 광전 변환 소자(PD1, PD2)가 변환한 전기적 신호를 증폭하는 구성을 포함할 수 있다. 즉, 상기 단위 화소(100)는 광전 변환 소자(PD1, PD2), 트랜스퍼 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX1, RX2), 소스 팔로워 트랜지스터(SF1, SF2) 및 선택 트랜지스터(AX1, AX2)를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서의 단위 화소(100)는 제1 광전 신호 발생부(S1) 및 제2 광전 신호 발생부(S2)를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 광전 신호 발생부(S1, S2)는 각각 제1 및 제2 광전 변환 소자(PD1, PD2)를 구비할 수 있다. 이 때, 상기 제1 및 제2 광전 변환 소자(PD1, PD2)는 각각 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 소자들일 수 있다. 또한, 상기 제1 광전 신호 발생부(S1)는 상기 제1 광전 변환 소자(PD1)와 전기적으로 연결된 트랜스퍼 트랜지스터(TX)를 구비하는 4T 구조일 수 있다. 반면, 상기 제2 광전 신호 발생부(S2)는 상기 제2 광전 변환 소자(PD2)와 연결된 트랜스퍼 트랜지스터를 구비하지 않는 3T 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 광전 신호 발생부(S1)는 제1 광전 변환 소자(PD1), 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor)(TX), 제1 소스 팔로워 트랜지스터(source follower transistor) (SX1), 제1 리셋 트랜지스터(reset transistor)(RX1), 및 제1 선택 트랜지스터(selection transistor)(AX1)를 포함할 수 있다. 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX), 제1 소스 팔로워 트랜지스터(SX1), 제1 리셋 트랜지스터(RX1), 및 제1 선택 트랜지스터(AX1)는 각각 트랜스퍼 게이트(TG), 제1 소스 팔로워 게이트(SF1), 제1 리셋 게이트(RG1) 및 제1 선택 게이트(SEL1)을 포함할 수 있다.
상기 제1 광전 변환 소자(PD1)는 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX)의 소스와 연결될 수 있다. 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX)의 드레인은 제1 플로팅 디퓨전(Floating Diffusion)(FD1)일 수 있다. 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)은 상기 제1 리셋 트랜지스터(RX1)의 소스일 수 있다. 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)은 상기 제1 소스 팔로워 트랜지스터(SX1)의 제1 소스 팔로워 게이트(SF1)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제1 소스 팔로워 트랜지스터(SX1)는 상기 제1 선택 트랜지스터(AX1)에 연결된다. 상기 제1 리셋 트랜지스터(RX1), 상기 제1 소스 팔로워 트랜지스터(SX1) 및 상기 제1 선택 트랜지스터(AX1)는 이웃하는 화소들에 의해 서로 공유될 수 있으며, 이에 의해 집적도가 향상될 수 있다. 이에 대해서는 도 6을 참조하여 후술하도록 한다.
상기 제1 광전 변환 소자(PD1)는 N형 불순물 영역과 P형 불순물 영역을 포함하는 포토 다이오드일 수 있다. 상기 제1 광전 변환 소자(PD1)는 역방향 바이어스 상태에서 입력되는 빛의 세기에 따라서 광전류(photocurrent)가 선형적으로 증가하는 특징을 가지는 광 감지 소자일 수 있다. 즉, 상기 제1 광전 변환 소자(PD1)가 빛에 노출되고 전기적으로 외부와 차단되는(floating) 경우 전자가 축적될 수 있다. 전자가 축적됨에 따라 상기 제1 광전 변환 소자(PD1)의 캐소드(cathode) 전압이 감소할 수 있으며, 감소된 전압을 측정함으로써 상기 제1 광전 변환 소자(PD1)가 흡수한 빛의 세기를 감지할 수 있다. 이와 같은 전자의 축적은 생성된 광전류에 의한 충전된 캐패시터의 방전 과정과 유사할 수 있다.
상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX)는 상기 트랜스퍼 게이트(TG)의 전압에 따라 상기 제1 광전 변환 소자(PD1)를 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)과 연결시키거나 차단시킬 수 있다. 상기 제1 광전 변환 소자(PD1)가 빛에 응답하여 전자를 축적하는 동안, 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX)는 턴-오프(turn-off)되어 상기 제1 광전 변환 소자(PD1)와 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)을 전기적으로 차단시킬 수 있다. 상기 제1 광전 변환 소자(PD1)가 빛의 흡수를 종료하면, 상기 제1 광전 변환 소자(PD1)에 축적된 전자에 의한 전압 변화를 출력하기 위하여 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX)는 턴-온(turn-on)되어 상기 제1 광전 변환 소자(PD1)의 변화된 전압이 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)으로 전달될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 광전 변환 소자(PD1)의 변화된 전압이 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 전달되기 전에, 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)은 리셋될 수 있다. 즉, 빛이 차단된 상태에서 상기 제1 리셋 트랜지스터(RX1)의 드레인과 상기 제1 소스 팔로워 트랜지스터(SX1)의 드레인에 제1 전원 전압(VDD1)을 인가하고 상기 제1 리셋 트랜지스터(RX1)를 턴-온시켜 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 잔류하는 전하들을 방출시킬 수 있다. 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)의 리셋 전압은 상기 제1 소스-팔로워 트랜지스터(SX1)를 거쳐 증폭되고, 상기 제1 선택 트랜지스터(AX1)가 턴-온되면 외부로 출력될 수 있다. 제1 플로팅 디퓨전(FD1)의 리셋 전압에 대응되는 아날로그 전압은 외부의 리드 회로(미도시)로 전송될 수 있다.
이후 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)의 리셋 전압의 출력이 완료되면, 상기 제1 리셋 트랜지스터(RX1)는 턴-오프되고, 상기 트랜스퍼 트랜지스터(TX)가 턴-온되면서 상기 제1 광전 변환 소자(PD1)가 축적한 전하에 의해 변화된 전압은 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)으로 전달될 수 있다. 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)의 변화된 전압은 상기 제1 소스 팔로워 트랜지스터(SX1) 및 상기 제1 선택 트랜지스터(AX1)를 거쳐서 외부로 출력될 수 있다. 출력된 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)의 전압 변화에 대응되는 제1 아날로그 전압(V1out)은 외부의 리드 회로(미도시)로 전송될 수 있다. 이 때, 리셋 전압과 상기 제1 광전 변환 소자(PD1)로 인한 전압을 수신하는 순서는 변경될 수 있다.
리드 회로는 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)의 리셋 전압과 상기 제1 광전 변환 소자(PD1)로 인한 전압을 수신하여 양 전압의 차이를 통해서 상기 제1 광전 변환 소자(PD1)가 감지한 빛의 양을 계산할 수 있다.
상기 제2 광전 신호 발생부(S2)는 유기 광전 변환 소자를 포함할 수 있으며, 이에 따라 제2 광전 변환 소자(PD2)에 연결된 트랜스퍼 트랜지스터를 구비하지 않는다는 점에서 상기 제1 광전 신호 발생부(S1)와 차이가 있을 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 광전 신호 발생부(S2)는 제2 광전 변환 소자(PD2), 제2 소스 팔로워 트랜지스터(SX2), 제2 리셋 트랜지스터(RX2), 및 제2 선택 트랜지스터(AX2)를 포함할 수 있다. 제2 소스 팔로워 트랜지스터(SX2), 제2 리셋 트랜지스터(RX2), 및 제2 선택 트랜지스터(AX2)는 각각 제2 소스 팔로워 게이트(SF2), 제2 리셋 게이트(RG2) 및 제2 선택 게이트(SEL2)를 포함할 수 있다.
상기 제2 광전 변환 소자(PD2)는 독립적으로 전압 바이어스가 인가될 수 있도록 제어 전압(Vvs)과 연결될 수 있다. 또한 상기 제2 광전 변환 소자(PD2)는 제2 플로팅 디퓨전(FD2)과 연결될 수 있다. 상기 제2 플로팅 디퓨전(FD2)은 상기 제2 리셋 트랜지스터(RX2)의 소스일 수 있다. 상기 제2 플로팅 디퓨전(FD2)은 상기 제2 소스 팔로워 트랜지스터(SX2)의 제2 소스 팔로워 게이트(SF2)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제2 소스 팔로워 트랜지스터(SX2)는 상기 제2 선택 트랜지스터(AX2)에 연결된다.
상기 제1 광전 변환 소자(PD1)는 유기 광전 변환 소자일 수 있다. 상기 제2 광전 변환 소자(PD2)는 상기 제1 광전 변환 소자(PD1)와 마찬가지로 광 감지 소자일 수 있다. 즉, 상기 제2 광전 변환 소자(PD2)는 빛에 노출되고 전기적으로 외부와 차단되는 경우 전자가 축적될 수 있으며, 이에 따라 흡수한 빛의 세기를 감지할 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 광전 변환 소자(PD2)의 변화된 전압이 상기 제2 플로팅 디퓨전(FD2)에 전달되기 전에, 상기 제2 플로팅 디퓨전(FD2)은 리셋될 수 있다. 즉, 빛이 차단된 상태에서 상기 제2 리셋 트랜지스터(RX2)의 드레인은 제2 전원 전압(VDD2)이 인가되고, 상기 제2 소스 팔로워 트랜지스터(SX2)의 드레인은 제1 전원 전압(VDD1)이 인가될 수 있다. 이후, 상기 제2 리셋 트랜지스터(RX2)를 턴-온시켜 상기 제2 플로팅 디퓨전(FD2)에 잔류하는 전하들을 방출시킬 수 있다. 상기 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 리셋 전압은 상기 제2 소스-팔로워 트랜지스터(SX2)를 거쳐 증폭되고, 상기 제2 선택 트랜지스터(AX2)가 턴-온되면 외부로 출력될 수 있다. 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 리셋 전압에 대응되는 아날로그 전압은 외부의 리드 회로(미도시)로 전송될 수 있다.
이후, 상기 제2 광전 변환 소자(PD2)가 축적한 전하에 의해 변화된 전압은 상기 제2 플로팅 디퓨전(FD2)로 전달될 수 있다. 상기 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 변화된 전압은 상기 제2 소스 팔로워 트랜지스터(SX2) 및 상기 제2 선택 트랜지스터(AX2)을 거쳐서 외부로 출력될 수 있다. 출력된 상기 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 전압 변화에 대응되는 제2 아날로그 전압(V2out)은 외부의 리드 회로(미도시)로 전송될 수 있다.
리드 회로는 상기 제2 플로팅 디퓨전(FD2)의 리셋 전압과 상기 제2 광전 변환 소자(PD2)로 인한 전압을 수신하여 양 전압의 차이를 통해서 상기 제2 광전 변환 소자(PD2)가 감지한 빛의 양을 계산할 수 있다.
상기 단위 화소(100)는 서로 다른 파장을 갖는 빛을 각각 감지하는 제1 및 제2 광전 변환 소자(PD1, PD2)들을 적층된 구조로 구비함으로써, 단위 화소(100)의 면적이 축소될 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서는 다양한 파장의 빛을 높은 해상도로 보다 정확하게 감지할 수 있으므로 성능이 향상될 수 있다.
다만, 적층형 광전 변화 소자(PD1, PD2)들은 각각의 광전 변환 소자(PD1, PD2)와 연결되는 배선들로 인해 수광 면적이 좁혀질 수 있다. 특히, 적층형 광전 변환 소자(PD1, PD2)들 중 하층에 형성되는 제1 광전 변환 소자(PD1)의 수광 면적의 축소가 문제될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 단위 화소(100)는, 적층형 광전 변환 소자(PD1, PD2) 중 상층에 형성되는 제2 광전 변환 소자(PD2)는 트랜스퍼 게이트 전극을 수반하지 않는 유기 광전 변환 소자일 수 있다. 이에 따라, 트랜스퍼 게이트 전극의 형성에 따른 적층형 광전 변환 소자(PD1, PD2) 중 하층에 형성되는 제1 광전 변환 소자(PD1)의 수광 면적의 축소를 억제할 수 있다.
또한, 적층형 광전 변환 소자(PD1, PD2) 중 하층에 형성되는 제1 광전 변환 소자(PD1)는 상기 제2 광전 변환 소자(PD2)의 수광 면적을 축소시키지 않도록 수광면에 대해 수직 방향으로 연장되는 트랜스퍼 게이트 전극(TG)을 포함할 수 있다. 트랜스퍼 트랜지스터(TX)를 포함함에 따라 제1 광전 변환 소자(PD1)에 대한 제어 가능성은 높이면서, 상기 제1 광전 변환 소자(PD1)의 수광 면적 또는 필 팩터(fill factor)를 넓게 확보할 수 있다.
이에 따라, 수광 면적이 넓게 확보된 적층형 광전 변환 소자(PD1, PD2)를 포함하는 단위 화소(100)는 높은 화소 집적도를 가질 수 있으며, 보다 정확한 빛의 감지가 가능하므로 이미지 센서의 성능이 향상될 수 있다. 상세한 구조에 대해서는 도 2 및 도 3을 참조하여 후술하도록 한다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소(100a)를 나타내는 레이아웃이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소(100a)의 단면도로서, 도 2의 A-A 선 단면에 대응하는 구성을 예시한 것이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 면(S1) 및 상기 제1 면(S1)과 대향하며 빛이 입사되는 제2 면(S2)을 포함하는 기판(101), 상기 기판(101) 내에 형성된 반도체 광전 변환 소자(PD1), 상기 기판(101) 내의 상기 제1 면(S1)과 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1) 사이에서, 상기 제1 면(S1)과 수직한 제1 방향(Y방향)으로 연장되는 게이트 전극(TG1), 및 상기 기판(101)의 상기 제2 면(S2) 상에 형성된 컬러 필터층(CF1), 상기 컬러 필터층(CF1) 상에 적층되는 유기(organic) 광전 변환 소자(PD2), 상기 기판(101)의 상기 제1 면(S1) 상에 형성되는 화소 회로층(105), 및 상기 유기 광전 변환 소자(PD2) 상에 형성되는 마이크로 렌즈층(125)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 기판(101)은 실리콘 등의 반도체 웨이퍼, 벌크(bulk) 기판, 에피택시얼(epitaxial) 기판, SOI(Silicon on insulator) 기판 등일 수 있다. 상기 기판(101)은 서로 대향하는 제1 면(S1)과 제2 면(S2)을 포함할 수 있으며, 상기 제2 면(S2)으로는 빛이 입사될 수 있다. 또한, 상기 기판(101), 상기 제1 면(S1), 및 상기 제2 면(S2)은 제2 방향(X방향) 및 제3 방향(Z방향)으로 연장될 수 있다.
상기 기판(101) 내에는 반도체 광전 변환 소자(PD1)가 형성될 수 있다. 상기 기판(101)은 P형 불순물들이 도핑된 반도체 기판일 수 있으며, 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)는 이온 주입 공정을 기초로 상기 기판(101)에 도핑된 불순물과 다른 타입의 불순물, 예를 들어 N형 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다. 즉, 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)는 포토 다이오드일 수 있다.
일부 실시예들에서, P형 기판(101)에 N형 불순물이 도핑되어 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)가 형성된 경우에, 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)는 전자-정공 쌍 중에서 전자를 수집할 수 있다. 다른 실시예들에서, N형 기판(101)에 P형 불순물이 도핑되어 상기 반도체 광전 변환 소자(PD2)가 형성된 경우에, 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)는 전자-정공 쌍 중에서 정공을 수집할 수 있다.
상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)는 마이크로 렌즈층(125) 및 컬러 필터층(CF1)을 통해 입사된 빛을 흡수하여 광전류를 발생시킬 수 있다. 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)을 포함하는 트랜스퍼 트랜지스터에 의해 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)에 축적된 전하의 이동 경로가 확보 또는 차단될 수 있다. 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)에 의해 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)와 외부와의 전하 이동 경로가 차단된 경우, 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)가 흡수하는 빛의 세기에 따라, 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)가 축적하는 전하의 양은 증가할 수 있다. 이후, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)을 포함하는 트랜스퍼 트랜지스터에 의해 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)와 외부와의 전하 이동 경로가 확보되면, 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)가 축적한 전하량을 전달받은 외부 회로에 의해 흡수한 빛의 세기를 감지할 수 있다.
상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)은 상기 기판(101) 내의 상기 제1 면(S1)과 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1) 사이에서, 상기 제1 면(S1)과 수직한 제1 방향(Y방향)으로 연장될 수 있다. 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)은 상기 기판(101)의 상기 제1 면(S1)으로부터 상기 기판(101) 내부로 제1 방향(Y방향)으로 연장될 수 있다. 이에 따라, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)은 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)의 수광면의 연장 방향(X방향 및 Z방향)과 수직한 방향으로 오버랩될 수 있다.
이 때, 상기 기판(101) 내에 형성된 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)이 상기 제1 방향(Y방향)으로 연장되는 제1 길이(L1)는, 상기 제2 또는 제3 방향(X방향 또는 Y 방향)으로 연장되는 제2 길이(L2)보다 길 수 있다. 상기 기판(101) 내에 형성된 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)의 외벽은 게이트 유전막(113)에 감싸지도록 형성될 수 있다.
일반적으로 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)은 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)의 수광면의 연장 방향(X방향 및 Z방향)과 동일하게 나란히 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)의 수광 면적을 확보하는데 어려움이 있을 수 있다.
반면, 본 발명의 기술적 사상에 의한 단위 화소(100a)에 포함되는 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)은 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)의 수광면의 연장 방향과 수직한 방향으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)의 수광면의 연장 방향으로 점유하는 면적이 없어지므로, 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)가 수광 면적을 넓게 확보할 수 있다.
한편, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)은 상기 기판(101)의 상기 제1 면(S1)으로부터 상기 기판(101) 내부로 연장되는 함몰부와, 상기 제1 면(S1) 상에 돌출되어 형성된 돌출부를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)의 돌출부는 상기 기판(101)의 상기 제1 면(S1) 상에 형성된 화소 회로층(105)에 의해 둘러싸이도록 형성될 수 있다.
상기 기판(101) 내의 상기 제1 면(S1) 상에는 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)과 인접하고, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)과 전기적으로 연결되는 제1 플로팅 디퓨전(floating diffusion)(FD1)이 형성될 수 있다. 이 때, 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)은 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)와 상기 제1 방향(Y방향)으로 오버랩될 수 있다. 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)은 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)로부터 축적된 전하를 전달받는 영역으로서, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)에의 게이트 전압 인가에 의해 전하 이동 경로가 확보될 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)은 상기 기판(101)의 상기 제1 면(S1)과 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)의 수광면과 수직 방향으로 형성되므로, 상기 전하 이동 경로는 수광면과 수직 방향으로 형성될 수 있다.
상기 기판(101)의 상기 제2 면(S2) 상에는 절연층(119)이 형성될 수 있다. 상기 절연층(119)은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 산질화물(SiOxNy), 실리콘 질화물(SiNx), 게르마늄 산질화물(GeOxNy), 게르마늄 실리콘 산화물(GeSixOy) 또는 고유전율을 갖는 물질을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 절연층(119)의 내부에는 컬러 필터층(CF1)이 형성될 수 있다. 상기 컬러 필터층(CF1)은 입사하는 빛 중 특정 파장 대역의 빛만을 통과시킬 수 있다. 상기 컬러 필터층(CF1)은 녹색, 적색, 청색 중 어느 하나의 빛만을 통과시킬 수 있다. 상기 컬러 필터층(CF1)의 하부에 배치된 반도체 광전 변환 소자(PD1)는 상기 컬러 필터층(CF1)이 통과시킨 특정 파장 대역의 빛을 감지하여 전기 신호를 발생시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 유기 광전 변환 소자(PD2)는 입사된 빛 중 제1 파장 대역의 빛, 예를 들어 녹색광을 전기 신호로 변환할 수 있다. 이 때, 상기 컬러 필터층(CF1)은 입사된 빛 중 상기 유기 광전 변환 소자(PD2)에 의해 전기 신호로 변환되지 않은 제2 파장 대역의 빛, 예를 들어 적색광을 통과시킬 수 있다. 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)는 상기 제2 파장 대역의 빛, 예를 들어 적색광을 전기 신호로 변환할 수 있다. 즉, 적층형 광전 변환 소자(PD1, PD2)는 평면형 광전 변환 소자에 비해 동일한 면적에서 복수의 색성분을 감지할 수 있다. 상세한 설명은 도 4a 및 도 4b를 참조하여 후술하도록 한다.
상기 절연층(119) 상에는 유기 광전 변환 소자(PD2)가 적층될 수 있다.
상기 유기 광전 변환 소자(PD2)는 유기 반도체, 양자점(quantum dot), 칼코게나이드(chalcogenide) 등과 같은 비실리콘(non-Si) 물질 또는 비정질 실리콘(a-Si) 물질을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 유기 광전 변환 소자(PD2)의 상하부에는 제1 전극(121) 및 제2 전극(123)이 형성될 수 있다. 상기 제1 전극(121)은 상기 절연층(119) 상에 형성되고, 상기 유기 광전 변환 소자(PD2)은 상기 제1 전극(121) 상에 형성되며, 상기 제2 전극(123)은 상기 유기 광전 변환 소자(PD2) 상에 형성될 수 있다. 상기 제1 전극(121)에는 제1 전압이 인가되고, 상기 제2 전극(123)에는 제2 전압이 인가될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 전압의 레벨이 제2 전압의 레벨보다 큰 경우에, 예를 들어 제1 전압이 양의 전압이고 제2 전압이 음의 전압인 경우에, 상기 유기 광전 변환 소자(PD2)은 전자-정공 쌍 중에서 전자를 수집할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 전압의 레벨이 제2 전압의 레벨보다 작은 경우에, 예를 들어 제1 전압이 음의 전압이고 제2 전압이 양의 전압인 경우에, 상기 유기 광전 변환 소자(PD2)은 전자-정공 쌍 중에서 정공을 수집할 수 있다. 즉, 상기 제1 및 제2 전극 중 어느 하나는 도 1의 제어 전압(Vvs)이 인가되도록 구성될 수 있다.
상기 제1 전극(121), 상기 유기 광전 변환 소자(PD2), 및 상기 제2 전극(123) 상에는 마이크로 렌즈(125)가 형성될 수 있다. 상기 마이크로 렌즈(125)는 상기 단위 화소(100a)로 입사하는 빛이 상기 유기 광전 변환 소자(PD2) 및 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)들에 집광될 수 있도록 빛의 경로를 조절할 수 있다.
상기 유기 광전 변환 소자(PD2)는 상기 기판(101) 및 상기 절연층(119)을 관통하는 관통 배선(115)에 의해 상기 기판(101)의 상기 제1 면(S1) 상에 형성된 화소 회로층(105)에 연결될 수 있다.
한편, 상기 기판(101) 내의 상기 제1 면(S1) 상에, 상기 관통 전극(115)과 인접하고, 상기 관통 전극(115)과 전기적으로 연결되는 제2 플로팅 디퓨전(FD2)이 형성될 수 있다. 상기 관통 전극(115)은 상기 화소 회로층(105)에 형성된 컨택들(TC, F2C) 및 배선(M2)에 의해 상기 제2 플로팅 디퓨전(FD2)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 때, 상기 제2 플로팅 디퓨전(FD2)과 상기 유기 광전 변환 소자(PD2)는 상기 제1 방향(Y방향)으로 오버랩되지 않을 수 있다. 상기 제1 및 제2 플로팅 디퓨전(FD1, FD2)은 소자 분리막(STI)에 의해 전기적으로 분리될 수 있다.
상기 관통 배선(115)은 절연층(117)에 의해 둘러싸여 상기 기판(101)과 절연될 수 있다. 상기 관통 배선(115) 및 상기 절연층(117)은 상기 기판(101) 내에 배치된 복수의 화소 영역들을 분리하는 화소 분리부(118)를 구성할 수 있다. 상기 화소 분리부(118)는 상기 기판(101)의 상기 제1 면(S1)으로부터 상기 제2 면(S2)까지 형성된 깊은 트렌치 소자 분리 구조(deep trench isolation: DTI)일 수 있다. 상기 관통 배선(115)은 상기 유기 광전 변환 소자(PD2)의 하부에 형성된 제1 전극(121)에 연결될 수 있다. 상기 기판(101)에서는 화소 분리부(118)에 의해 화소 영역(R1)을 정의할 수 있다. 도 4를 함께 참조하면, 상기 화소 분리부(118)는 평면상 그물망 구조를 가질 수 있다.
상기 관통 배선(115)은 상기 유기 광전 변환 소자(PD2)의 광전 변환 신호를 화소 회로층(105)에 전달하기 위하여 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어 상기 관통 배선(115)은 텅스텐, 알루미늄, 구리 또는 도핑된 실리콘 또는 금속과 도핑된 실리콘을 조합하여 형성될 수 있다. 상기 관통 배선(115)을 감싸는 상기 절연층(117)은 기판(101)과의 전기적 절연을 위해 절연성 물질로 이루어질 수 있다.
상기 기판(101)의 상기 제1 면(S1) 상에는 화소 회로층(105)이 형성될 수 있다. 상기 기판(101) 내에 형성된 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)의 일부는 상기 화소 회로층(105)에 형성될 수 있다. 또한, 상기 화소 회로층(105)은 상기 기판(101)을 관통하여 형성된 관통 배선(115)을 통해 상기 유기 광전 변환 소자(PD2)와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 화소 회로층(105)는 상기 유기 광전 변환 소자(PD2) 및 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)를 제어할 수 있는 트랜지스터 또는 배선들을 포함할 수 있다. 즉, 상기 화소 회로층(105)는 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)과 연결된 컨택(F1C) 및 이와 연결된 배선(M1)들을 포함할 수 있다. 또한, 상기 화소 회로층(105)는 상기 제2 플로팅 디퓨젼(FD2)과 연결된 컨택(F2C), 상기 관통 배선(115)과 연결된 컨택(TC), 및 배선(M2)을 포함할 수 있다. 도시되지는 않았으나, 도 1에서 전술한 바와 같이, 상기 화소 회로층(105)은 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)를 구동시키는 트랜스퍼 트랜지스터(TX)의 일부, 제1 리셋 트랜지스터(RX1), 제1 소스-팔로워 트랜지스터(SX1), 및 제1 선택 트랜지스터(AX1) 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 화소 회로층(105)은 상기 유기 광전 변환 소자(PD2)를 구동시키는 제2 리셋 트랜지스터(RX2), 제2 소스-팔로워 트랜지스터(SX2), 및 제2 선택 트랜지스터(AX2) 등을 포함할 수 있다.
이와 같이, 단위 화소(100a)의 화소 영역(R1)은 적층형 광전 변환 소자(PD1, PD2)를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 기판(101)은 상기 적층형 광전 변환 소자(PD1, PD2) 중 상층에 배치된 유기 광전 변환 소자(PD2)의 전기적 연결에 필요한 구조들이 배치되는 제1 영역(R2)과, 하층에 배치된 반도체 광전 변환 소자(PD1)의 구동에 필요한 구조들이 배치되는 제2 영역(R3)으로 구분될 수 있다. 하층에 배치된 반도체 광전 변환 소자(PD1)는 상기 제2 영역(R2)으로 인해 수광 면적의 확보가 어려울 수 있다.
그러나, 본 발명의 기술적 사상에 의하면, 상층에 형성되는 유기 광전 변환 소자(PD2)는 트랜스퍼 게이트 전극을 수반하지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 영역(R2)은 상대적으로 좁은 영역만을 차지할 수 있으며, 상기 제3 영역(R3)이 비교적 넓게 확보될 수 있다. 즉, 상기 적층형 광전 변환 소자(PD1, PD2) 중 하층에 형성되는 반도체 광전 변환 소자(PD1)의 수광 면적이 넓게 확보될 수 있다.
또한, 적층형 광전 변환 소자(PD1, PD2) 중 하층에 형성되는 반도체 광전 변환 소자(PD1)는 수광면에 대해 수직 방향으로 연장되는 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)을 포함할 수 있다. 연장되는 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)을 포함함에 따라 반도체 광전 변환 소자(PD1)에 대한 제어 가능성은 높이면서, 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)의 수광 면적을 넓게 확보할 수 있다.
이에 따라, 수광 면적이 넓게 확보된 적층형 광전 변환 소자(PD1, PD2)를 포함하는 단위 화소는 보다 정확한 빛의 감지가 가능하므로 이미지 센서의 성능이 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소들의 어레이(1000)를 나타내는 레이아웃이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 화소 분리부(118)에 의해 화소 영역(R1)이 정의될 수 있다. 상기 화소 분리부(118)는 평면상 그물망 구조를 가질 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 적층형 광전 변환 소자의 효과를 나타내는 도면이다. 좌측 도면은 일반적인 평면형 광전 변환 소자이고, 우측 도면은 적층형 광전 변환 소자를 나타낸 것이다.
도 5a의 좌측 도면을 참조하면, 컬러 필터층(1010)은 베이어(Bayer) 패턴으로 구성된 복수개의 컬러 필터층들, 예를 들어 적색 필터층, 녹색 필터층, 및 청색 필터층을 포함할 수 있다. 베이어 패턴은 50% 녹색, 25% 적색, 25% 청색으로 구성된 패턴으로서, 좌측 도면과 같이 사각형을 이루는 인접한 4개의 컬러 필터층들은 2개의 녹색 필터층(G), 1개의 적색 필터층(R) 및 1개의 청색 필터층(B)을 포함할 수 있다.
상기 컬러 필터층(1010)의 상기 녹색 필터층(G), 상기 적색 필터층(R) 및 상기 청색 필터층(B) 각각은 입사한 빛 중 녹색 성분, 적색 성분, 및 적색 성분만을 각각 통과시킬 수 있다. 또한, 각 단위 화소는 빛의 하나의 색성분만을 감지할 수 있다. 상기 컬러 필터층(1010)의 하부에 배치된 광전 변환 소자에는 빛의 하나의 색성분만이 입사하고, 광전 변환 소자는 하나의 색성분을 전기 신호로 변환하게 된다. 이후, 서로 인접한 광전 변환 소자에서 각각 검출된 색성분들을 보간(interpolation)하여 이미지를 구성할 수 있다. 즉, 하나의 단위 화소에서 빛의 색을 정확하게 감지하기 위해서는 녹색, 적색, 및 청색 필터층 및 상기 각 필터층의 하부에 평면적으로 배치되는 적어도 4개의 광전 변환 소자가 하나의 단위 화소로 구성되어야 한다.
반면, 우측 도면을 참조하면, 빛의 녹색 성분을 전기 신호로 변환하는 제1 광전 변환 소자(1020), 예를 들어 유기 광전 변환 소자가 적색 및 청색 필터층(1030) 상에 적층될 수 있다. 상기 제1 광전 변환 소자(1020)를 통과하는 빛 중 녹색 성분은 상기 제1 광전 변환 소자(1020)에 의해 전기 신호로 변환될 수 있다. 또한 상기 빛 중 녹색 성분을 제외한 나머지 색성분은 그대로 적색 및 청색 필터층(1030)을 통과하게 된다. 상기 적색 및 청색 필터층(1030) 아래에 배치된 제2 광전 변환 소자에는 적색 및 청색 성분의 빛이 입사하게 된다. 제2 광전 변환 소자는 각각 적색 및 청색 성분을 전기 신호로 변환할 수 있다. 이와 같은 적층형 광전 변환 소자를 포함하는 단위 화소는, 4개의 광전 변환 소자가 서로 적층된 구조를 가지면서 하나의 단위 화소를 구성하므로, 평면형 광전 변환 소자를 포함하는 단위 화소보다 평면적으로 점유 면적이 작을 수 있다. 이에 따라, 단위 화소의 면적을 줄일 수 있고, 서로 인접한 광전 변환 소자와의 색성분들의 보간 정도를 낮추어 더욱 선명한 이미지를 얻을 수 있다.
도 5a에서는 제1 광전 변환 소자(1020)가 빛의 녹색 성분을 전기 신호로 변환하고, 상기 제1 광전 변환 소자(1020)의 하부에 적색 및 청색 필터층(1030)이 배치된 것으로 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 유기 광전 변환 소자(1020)는 녹색 성분이 아닌 다른 색 성분을 전기 신호로 변환할 수 있으며, 상기 적색 및 청색 컬러 필터층(1030)은 다른 색성분의 컬러 필터층일 수 있다.
도 5b를 참조하면, 제1 픽셀 어레이(2010)는 하나의 단위 픽셀에 하나의 광전 변환 소자가 배치되고, 광전 변환 소자 상에 베이어 패턴이 배치된 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 픽셀 어레이(2010)에서는 하나의 화소에서 빛의 하나의 색성분만이 전기적 신호로 변환될 수 있다.
반면, 제2 픽셀 어레이(2020)는 하나의 단위 픽셀에 제1 광전 변환 소자와 제2 광전 변환 소자가 적층된 구조를 가질 수 있다. 따라서, 상기 제2 픽셀 어레이(2020)에서는 하나의 단위 화소에서 빛의 복수의 색성분들이 전기적 신호로 변환될 수 있다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소(200)를 나타내는 회로도이다. 도 6의 단위 화소(200)는 도 1의 단위 화소(100)와 유사하나, 두 개의 화소 영역(R4, R5)에 각각 형성된 광전 변환 소자(PD1, PD2)가 제1 플로팅 디퓨전(FD1)을 공유하고, 각각 서로 다른 색성분을 통과시키는 제1 및 제2 컬러 필터층(CF1, CF2)을 포함함에 따라 모든 색을 감지해낼 수 있는 차이가 있다.
도 6을 참조하면, 상기 단위 화소(100)는 제1 내지 제4 광전 신호 발생부(S3, S4, S5, S6)를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 광전 신호 발생부(S1, S2)는 상기 제1 및 제2 광전 변환 소자(PD1, PD2)와 각각 전기적으로 연결된 트랜스퍼 트랜지스터(TX1, TX2)를 구비하는 4T 구조일 수 있다. 반면, 상기 제3 및 제4 광전 신호 발생부(S3, S4)는 상기 제3 및 제4 광전 변환 소자(PD3, PD4)와 각각 연결된 트랜스퍼 트랜지스터를 구비하지 않는 3T 구조일 수 있다.
상기 제1 및 제2 광전 신호 발생부(S3, S4)는 각각 제1 및 제2 광전 변환 소자(PD1, PD2)를 구비할 수 있다. 이 때, 상기 제1 및 제2 광전 변환 소자(PD1, PD2)는 각각 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 소자들일 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 광전 신호 발생부(S3, S4)는 각각 제1 및 제2 트랜스퍼 트랜지스터(TX1, TX2)를 구비할 수 있다. 상기 제1 및 제2 트랜스퍼 트랜지스터(TX1, TX2) 각각의 드레인은 제1 플로팅 디퓨전(FD1)일 수 있다. 이 때, 상기 제1 및 제2 광전 신호 발생부(S3, S4)는 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)을 통해 제1 소스 팔로워 트랜지스터(SX1), 제1 리셋 트랜지스터(RX1), 및 제1 선택 트랜지스터(AX1)를 공유할 수 있다.
상기 제1 및 제2 트랜스퍼 트랜지스터(TX1, TX2)는 상기 제1 및 제2 트랜스퍼 게이트(TG1, TG2)의 전압에 따라 상기 제1 및 제2 광전 변환 소자(PD1, PD2)를 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)과 연결시키거나 차단시킬 수 있다.
상기 제1 및 제2 광전 변환 소자(PD1, PD2)으로 입사된 빛은 광전 변환에 의해 상기 제1 및 제2 광전 변환 소자(PD1, PD2)내에서 전하로 축적될 수 있다. 상기 제1 및 제2 광전 변환 소자(PD1, PD2)에 축적된 전하가 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)에 전달되면, 상기 제1 소스 팔로워 트랜지스터(SX1) 및 상기 제1 선택 트랜지스터(AX1)을 거쳐서 외부로 출력될 수 있다. 즉, 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)의 전압 변화에 대응되는 제1 아날로그 전압(V1out)은 외부의 리드 회로(미도시)로 전송될 수 있다. 상세한 설명은 도 1에서 전술한 바와 같다.
상기 제3 및 제4 광전 신호 발생부(S5, S6)는 각각 제3 및 제4 광전 변환 소자(PD3, PD4)를 구비할 수 있다. 이 때, 상기 제3 및 제4 광전 변환 소자(PD3, PD4)는 각각 서로 같은 파장의 빛을 감지하는 소자들일 수 있다. 또한, 상기 제3 및 제4 광전 신호 발생부(S5, S6)는 모두 트랜스퍼 트랜지스터를 구비하지 않을 수 있다. 상기 제3 및 제4 광전 신호 발생부(S5, S6)는 각각 독립적인 소스 팔로워 트랜지스터(SX2, SX3), 리셋 트랜지스터(RX2, RX3), 및 선택 트랜지스터(AX2, AX3)를 포함할 수 있다.
상기 제3 및 제4 광전 신호 발생부(S3, S4)는 트랜스퍼 트랜지스터를 구비하지 않는다는 점에서 상기 제1 및 제2 광전 신호 발생부(S1, S2)와 차이가 있을 수 있다. 상기 제3 및 제4 광전 신호 발생부(S3, S4)에 각각 포함되는 상기 제3 및 제4 광전 변환 소자(PD3, PD4)는 유기 광전 변환 소자일 수 있다.
상기 제3 및 제4 광전 변환 소자(PD3, PD4)는 독립적으로 전압 바이어스가 인가될 수 있도록 각각 제1 및 제2 제어 전압(Vvs1, Vvs2)과 연결될 수 있다. 또한 상기 제3 및 제4 광전 변환 소자(PD3, PD4)는 제2 및 제3 플로팅 디퓨전(FD2, FD3)과 각각 연결될 수 있다. 상기 제2 플로팅 디퓨전(FD2)은 상기 제2 리셋 트랜지스터(RX2)의 소스일 수 있다. 상기 제2 플로팅 디퓨전(FD2)은 상기 제2 소스 팔로워 트랜지스터(SX2)의 제2 소스 팔로워 게이트(SF2)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제2 소스 팔로워 트랜지스터(SX2)는 상기 제2 선택 트랜지스터(AX2)에 연결된다. 마찬가지로, 상기 제3 플로팅 디퓨전(FD3)은 상기 제3 리셋 트랜지스터(RX3)의 소스일 수 있다. 상기 제3 플로팅 디퓨전(FD3)은 상기 제3 소스 팔로워 트랜지스터(SX3)의 제3 소스 팔로워 게이트(SF3)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제3 소스 팔로워 트랜지스터(SX3)는 상기 제3 선택 트랜지스터(AX3)에 연결된다.
상기 제2 및 제3 리셋 트랜지스터(RX2, RX3)의 드레인은 각각 제2 및 제3 전원 전압(VDD2, VDD3)이 인가되고, 상기 제2 및 제3 소스 팔로워 트랜지스터(SX2)의 드레인은 제1 전원 전압(VDD1)이 인가될 수 있다.
상기 제3 및 제4 광전 변환 소자(PD3, PD4)에 빛이 입사되면 상기 제3 및 제4 광전 변환 소자(PD3, PD4)내에 각각 전하가 축적될 수 있다. 상기 제3 및 제4 광전 변환 소자(PD3, PD4)에 축적된 전하가 각각 상기 제3 및 제4 플로팅 디퓨전(FD3, FD4)에 전달되면, 각각 상기 제3 및 제4 소스 팔로워 트랜지스터(SX2, SX3) 및 상기 제3 및 제4 선택 트랜지스터(AX2, AX3)을 거쳐서 외부로 출력될 수 있다. 즉, 상기 제2 및 제3 플로팅 디퓨전(FD2, FD3)의 전압 변화에 대응되는 제2 및 제3 아날로그 전압(V2out, V3out)은 외부의 리드 회로(미도시)로 전송될 수 있다.
상기 단위 화소(200)는 서로 다른 파장을 갖는 빛을 각각 감지하는 제1 및 제3 광전 변환 소자(PD1, PD3)들을 포함하는 적층형 광전 변환 소자와, 이와 인접하는 제2 및 제4 광전 변화 소자(PD2, PD4)들을 포함하는 적층형 광전 변환 소자를 구비할 수 있다. 이 때, 상기 제1 내지 제4 광전 변환 소자(PD1, PD2, PD3, PD4)가 빛의 녹색, 적색, 청색을 각각 감지할 경우, 점유 면적이 축소된 단위 화소(200)가 제공될 수 있다. 이에 따라, 다양한 파장의 빛을 높은 해상도로 보다 정확하게 감지할 수 있으므로 이미지 센서의 성능이 향상될 수 있다.
다만, 각각의 광전 변환 소자(PD1, PD2, PD3, PD4)와 연결되는 배선들로 인해 수광 면적이 좁혀질 수 있다. 특히, 적층형 광전 변환 소자(PD1, PD2, PD3, PD4)들 중 하층에 형성되는 광전 변환 소자의 수광 면적의 축소가 문제될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 단위 화소(200)는, 적층형 광전 변환 소자(PD1, PD2, PD3, PD4) 중 상층에 형성되는 제3 및 제4 광전 변환 소자(PD3, PD4)가 트랜스퍼 게이트 전극을 수반하지 않는 유기 광전 변환 소자일 수 있다. 이에 따라, 트랜스퍼 게이트 전극을 형성에 따른 적층형 광전 변환 소자(PD1, PD2, PD3, PD4) 중 하층에 형성되는 제1 및 제2 광전 변환 소자(PD1, PD2)의 수광 면적의 축소를 억제할 수 있다.
또한, 적층형 광전 변환 소자(PD1, PD2, PD3, PD4) 중 하층에 형성되는 제1 및 제2 광전 변환 소자(PD1, PD2)는 상기 제2 광전 변환 소자(PD2)의 수광 면적을 축소시키지 않도록 수광면에 대해 수직 방향으로 연장되는 제1 및 제2 트랜스퍼 게이트 전극(TG1, TG2)을 포함할 수 있다. 단위 화소(200)는 제1 및 제2 트랜스퍼 트랜지스터(TX1, TX2)를 포함함에 따라 제1 및 제2 광전 변환 소자(PD1, PD2) 각각에 대한 제어 가능성은 높이면서, 상기 제1 및 제2 광전 변환 소자(PD1, PD2)의 수광 면적 또는 필 팩터를 넓게 확보할 수 있다. 상세한 설명은 도 7 및 도 8을 참조하여 후술하도록 한다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소(200a)를 나타내는 레이아웃이다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 화소(200a)의 단면도로서, 도 7의 A-A 선 단면 및 B-B선 단면에 대응하는 구성을 예시한 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 단위 화소(200a)는 제1 면(S1) 및 상기 제1 면(S1)과 대향하며 빛이 입사되는 제2 면(S2)을 포함하는 기판(101), 상기 기판(101) 내의 두 개의 화소 영역(R4, R5)에 각각 형성된 제1 및 제2 반도체 광전 변환 소자(PD1, PD2), 상기 상기 제1 면(S1)과 상기 제1 및 제2 반도체 광전 변환 소자(PD1, PD2) 사이의 상기 두 개의 화소 영역(R4, R5) 내에서, 상기 제1 면(S1)과 수직한 제1 방향(Y방향)으로 각각 연장되는 제1 및 제2 트랜스퍼 게이트 전극(TG1, TG2), 및 상기 두 개의 화소 영역(R4, R5)의 상기 제2 면(S2) 상에 형성된 제1 및 제2 컬러 필터층(CF1, CF2), 상기 제1 및 제2 컬러 필터층(PD1, PD2) 상에 적층되는 제1 및 제2 유기 광전 변환 소자(PD3, PD4), 상기 기판(101)의 상기 제1 면(S1) 상에 형성되는 화소 회로층(105), 및 상기 제1 및 제2 유기 광전 변환 소자(PD3, PD4) 상에 각각 형성되는 마이크로 렌즈층(125)을 포함할 수 있다.
상기 기판(101), 상기 제1 면(S1), 및 상기 제2 면(S2)은 제2 방향(X방향) 및 제3 방향(Z방향)으로 연장될 수 있다. 상기 기판(101)은 P형 불순물들이 도핑된 반도체 기판일 수 있으며, 상기 제1 및 제2 반도체 광전 변환 소자(PD1, PD2)는 상기 기판(101)에 도핑된 불순물과 다른 타입의 불순물, 예를 들어 N형 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다. 다만, 상기 제1 및 제2 반도체 광전 변환 소자(PD1, P2)는 서로 다른 불순물을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 반도체 광전 변환 소자(PD1, PD2)는 마이크로 렌즈층(125) 및 제1 및 제2 컬러 필터층(CF1, CF2)을 통해 각각 입사된 빛을 흡수하여 광전류를 발생시킬 수 있다. 이 때, 상기 제1 및 제2 컬러 필터층(CF1, CF2)은 입사된 빛 중 서로 다른 파장 대역의 빛을 통과시킬 수 있다.
상기 제1 및 제2 트랜스퍼 게이트 전극(TG1, TG2)은 상기 기판(101) 내의 상기 제1 면(S1)과 상기 제1 및 제2 반도체 광전 변환 소자(PD1, PD2) 사이에서, 상기 제1 면(S1)과 수직한 제1 방향(Y방향)으로 각각 연장되도록 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 및 제2 트랜스퍼 게이트 전극(TG1, TG2)가 상기 제1 및 제2 반도체 광전 변환 소자(PD1, PD2)의 수광면의 연장 방향으로 점유하는 면적이 없어지므로, 상기 제1 및 제2 반도체 광전 변환 소자(PD1, PD2)는 수광 면적을 넓게 확보할 수 있다.
상기 기판(101) 내의 상기 제1 면(S1) 상에는 상기 제1 및 제2 트랜스퍼 게이트 전극(TG1, TG2)과 각각 인접하고, 상기 제1 및 제2 트랜스퍼 게이트 전극(TG1, TG2)과 전기적으로 연결되는 제1 플로팅 디퓨전(FD1)들이 형성될 수 있다. 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)들은 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)로부터 축적된 전하를 전달받는 영역일 수 있다. 상기 두 개의 화소 영역(R4, R5)에 각각 형성된 제1 플로팅 디퓨전(FD1)들은, 상기 제1 플로팅 디퓨전(FD1)들과 각각 연결된 컨택(F1C1, F1C2) 및 제1 배선(M1)을 통해 전기적으로 공유될 수 있다.
상기 기판(101)의 상기 제2 면(S2) 상에는 절연층(119)이 형성될 수 있다. 상기 절연층(119)의 내부에는 상기 제1 및 제2 컬러 필터층(CF1, CF2)이 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 컬러 필터층(CF1, CF2)은 입사하는 빛 중 특정 파장 대역의 빛만을 통과시킬 수 있다. 이 때, 상기 제1 및 제2 컬러 필터층(CF1, CF2)은 서로 다른 파장 대역의 빛을 통과시키도록 선택될 수 있다. 상기 제1 및 제2 컬러 필터층(CF1, CF2)의 하부에 각각 배치된 제1 및 제2 반도체 광전 변환 소자(PD1, PD2)는 상기 제1 및 제2 컬러 필터층(CF1, CF2)이 각각 통과시킨 특정 파장 대역의 빛을 감지하여 전기 신호를 발생시킬 수 있다.
상기 절연층(119) 상에는 제1 및 제2 유기 광전 변환 소자(PD3, PD4)가 적층될 수 있다. 제1 및 제2 유기 광전 변환 소자(PD3, PD4)의 상하부에는 제1 전극(121) 및 제2 전극(123)이 형성될 수 있다.
상기 제1 반도체 광전 변환 소자(PD1) 상에는 제1 컬러 필터층(CF1) 및 상기 제1 유기 광전 변환 소자(PD3)가 배치될 수 있다. 또한, 상기 제2 반도체 광전 변환 소자(PD2) 상에는 제2 컬러 필터층(CF2) 및 상기 제2 유기 광전 변환 소자(PD3)가 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 및 제2 유기 광전 변환 소자(PD3, PD4)는 녹색광에 대해 반응하여 전기 신호로 변환할 수 있다. 이 때, 상기 제1 및 제2 컬러 필터층(CF1, CF2)은 입사된 빛 중 상기 제1 및 제2 유기 광전 변환 소자(PD3, DP4)에 의해 전기 신호로 변환되지 않은 파장 대역을 통과시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 컬러 필터층(CF1)이 적색광을 통과시키는 경우, 상기 제1 반도체 광전 변환 소자(PD1)은 적색광의 빛의 세기를 감지하여 전기 신호를 발생시킬 수 있다. 또한, 상기 제2 컬러 필터층(CF2)이 청색광을 통과시키는 경우, 상기 제2 반도체 광전 변환 소자(PD2)는 청색광의 빛의 세기를 감지하여 전기 신호를 발생시킬 수 있다. 즉, 복수의 적층형 광전 변환 소자(PD1, PD2, PD3, PD4)는 평면형 광전 변환 소자에 비해 작은 면적에서 모든 색을 정확하게 감지할 수 있으므로, 이미지 센서의 집적도를 높일 수 있다.
상기 제1 및 제2 유기 광전 변환 소자(PD3, PD4)는 상기 기판(101) 및 상기 절연층(119)을 관통하는 관통 배선(115)들에 의해 상기 기판(101)의 상기 제1 면(S1) 상에 형성된 화소 회로층(105)에 각각 연결될 수 있다.
상기 기판(101) 내의 상기 제1 면(S1) 상에는 상기 두 개의 화소 영역(R4, R5)에 제2 및 제3 플로팅 디퓨전(FD2, FD3)이 각각 형성될 수 있다. 상기 제2 및 제3 플로팅 디퓨전(FD2, FD3)은 상기 두 개의 화소 영역(R4, R5)에 각각 형성된 상기 관통 전극(115)들과 각각 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 관통 전극(115)들은 상기 화소 회로층(105)에 형성된 컨택들(TC1, F2C1, TC2, F2C2) 및 배선들(M2)을 통해 상기 제2 및 제3 플로팅 디퓨전(FD2, FD3)과 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 다만, 상기 제2 및 제3 플로팅 디퓨전(FD2, FD3) 상호간은 전기적으로 연결되지 않을 수 있다. 상기 관통 배선(115)들은 절연층(117)에 의해 둘러싸일 수 있다. 또한 상기 관통 배선(115)과 상기 절연층(117)은 상기 기판(101) 내에 배치된 복수의 화소 영역들을 분리하는 화소 분리부(118)를 구성할 수 있다.
상기 화소 회로층(105)는 상기 제1 및 제2 유기 광전 변환 소자(PD3, PD4) 및 상기 제1 및 제2 반도체 광전 변환 소자(PD1, PD2)를 제어할 수 있는 트랜지스터 또는 배선들을 포함할 수 있다. 도시되지는 않았으나, 도 6에서 전술한 바와 같이, 상기 화소 회로층(105)은 상기 제1 및 제2 반도체 광전 변환 소자(PD1, PD2)를 구동시키는 제1 및 제2 트랜스퍼 트랜지스터(TX1, TX2)의 일부, 제1 리셋 트랜지스터(RX1), 제1 소스-팔로워 트랜지스터(SX1), 및 제1 선택 트랜지스터(AX1) 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 화소 회로층(105)은 상기 제1 및 제2 유기 광전 변환 소자(PD3, PD4)를 구동시키는 제2 및 제3 리셋 트랜지스터(RX2, RX3), 제2 및 제3 소스-팔로워 트랜지스터(SX2, SX3), 및 제2 및 제3 선택 트랜지스터(AX2, AX3) 등을 포함할 수 있다.
이와 같이, 상기 단위 화소(200a)는 두 개의 화소 영역(R4, R5)에 각각 형성된 제1 및 제2 광전 변환 소자(PD1, PD2)가 제1 플로팅 디퓨전(FD1)을 공유하는 구조를 포함할 수 있다. 또한, 상기 단위 화소(200a)는 상기 제1 및 제2 광전 변환 소자(PD1, PD2)와 상기 제1 및 제2 유기 광전 변환 소자(PD3, PD4)의 적층형 광전 변환 구조 및 서로 다른 색성분을 통과시키는 제1 및 제2 컬러 필터층(CF1, CF2)을 포함함에 따라, 미세한 단위 화소를 가지면서 상대적으로 넓은 수광 면적을 확보할 수 있다.
도 9a 내지 도 9i는 도 3에 예시된 단위 화소(100a)의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 도 9a 내지 도 9i는 도 2의 A-A 선 단면에 대응하는 구성을 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
도 9a를 참조하면, 서로 대향되는 제1 면(S1)과 제2 면(S2)을 가지는 기판(101)을 준비한다. 상기 기판(101)에는 P형의 불순물이 도핑될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기판(101)에 이온 주입 공정을 진행하여 반도체 광전 변환 소자(PD1)와 웰 영역(미도시)을 형성할 수 있다. 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)는 N형의 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. 상기 반도체 광전 변환 소자(PD1)는 후속 공정에서 화소 분리부(118)를 형성한 후에 진행될 수도 있다. 상기 제1 면(S1) 상에 제1 마스크 패턴(102)을 형성한다. 상기 제1 마스크 패턴(102)을 식각 마스크로 이용하여 상기 제1 면(S1)에 인접한 상기 기판(101)을 식각하여 제1 깊이(D1)의 제 1 트렌치(T1)를 형성한다.
도 9b를 참조하면, 상기 제1 트렌치(T1)를 채우는 절연막을 형성하고 평탄화 식각 공정을 진행하여 상기 제1 면(S1)을 노출시키고 얕은 소자 분리막(STI)을 형성한다.
도 9c를 참조하면, 상기 제1 면(S1)을 덮으며 화소 영역(R1)을 정의하는 제2 마스크 패턴(103)을 형성한다. 상기 제2 마스크 패턴(103)을 식각 마스크로 이용하여 상기 얕은 소자 분리막(STI)과 상기 기판(101)을 식각하여 제2 깊이(D2)의 제2 트렌치(T2)를 형성한다.
도 9d를 참조하면, 상기 제2 마스크 패턴(103)을 제거한 후에, 상기 제2 트렌치(T2)의 측벽과 바닥을 덮도록 컨포멀하게 절연층(p117)을 형성할 수 있다. 그리고 도전층(p115)을 이용하여 상기 제2 트렌치(T2)를 채운다. 이후, 평탄화 식각 공정을 진행하여 상기 제1 면(S1)을 노출시킬 수 있다. 이로써 상기 제2 트렌치(T2) 안에 예비 화소 분리부(p118)가 형성될 수 있다.
도 9e 및 도 9f를 참조하면, 상기 제1 면(S1) 상에 제3 깊이(D3)의 제3 트렌치(T3)를 형성할 수 있다. 상기 제3 트렌치(T3)의 측벽과 바닥을 덮도록 게이트 절연막(113)과 트랜스퍼 게이트 전극 물질(111)을 형성할 수 있다.
도 9g를 참조하면, 트랜스퍼 게이트 전극(TG)이 형성되도록 상기 게이트 절연막(113)과 상기 트랜스퍼 게이트 전극 물질(111)을 식각할 수 있다. 이후, 상기 트랜스퍼 게이트 전극(TG)과 인접한 영역에 제1 플로팅 게이트(FD1), 예비 관통 배선(115)과 인접한 영역 제2 플로팅 게이트(FD2), 및 접지 영역을 형성하기 위한 이온 주입 공정을 수행할 수 있다.
도 9h를 참조하면, 상기 제1 면(S1) 상에 컨택(TC, T1C, T2C), 배선들(M1), 층간 절연막들(105)을 형성하여 화소 회로층을 형성한다.
도 9i를 참조하면, 상기 기판(101)을 뒤집어 상기 제2 면(S2)이 위를 향하도록 한다. 그라인딩 또는 CMP(chemicla mechanical polishing) 공정을 진행하여 상기 제2 면(S2)에 인접한 상기 기판(101)을 일정한 두께만큼 제거하여, 도전층(p115) 및 절연층(p117)을 노출시킬 수 있다.
이후, 도 3을 참조하면, 상기 제2 면(S1) 상에 절연층(119), 상기 절연층(119) 내의 컬러 필터층(CF1)을 형성할 수 있다. 이후, 상기 도전층(p115)과 연결되도록 상기 절연층(119)을 관통하는 배선을 형성하여 도 3의 관통 배선(115)을 형성할 수 있다. 이후, 상기 절연층(115) 및 상기 관통 배선(115) 상에 제1 전극(121), 유기 광전 변환 소자(PD2), 제2 전극(123), 및 마이크로 렌즈층(125)를 형성하여 단위 화소(100a)를 제조할 수 있다.
도 10은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 10을 참조하면, 이미지 센서(2100)는 화소 어레이(2110), 컨트롤러(2130), 로우 드라이버(2120) 및 픽셀 신호 처리부(2140)를 포함할 수 있다. 화소 어레이(2110)는 이상에서 설명된 본 발명의 예시적 실시예들에 따른 도 1 내지 도 3, 및 도 6 내지 도 8의 단위 화소(100, 100a, 200, 200a), 또는 도 4의 화소 어레이(1000)를 포함할 수 있다. 즉, 단위 화소는 유기 광전 변환 소자 및 반도체 광전 변환 소자를 포함할 수 있다. 이에 따라 이미지를 출력하기 위한 단위 화소의 크기를 작게 할 수 있으며, 더욱 선명한 이미지를 출력할 수 있게 된다.
화소 어레이(2110)는 2차원적으로 배열된 복수의 단위 화소들을 포함할 수 있고, 각 단위 화소는 광 감지 소자를 포함할 수 있다. 광 감지 소자는 빛을 흡수하여 전하를 생성하고, 생성된 전하에 따른 전기적 신호(출력 전압)는 수직 신호 라인을 통해서 픽셀 신호 처리부(2140)로 제공될 수 있다. 화소 어레이(2110) 가 포함하는 단위 화소들은 로우(row) 단위로 한번에 하나씩 출력 전압을 제공할 수 있고, 이에 따라 화소 어레이(2110)의 하나의 로우에 속하는 단위 화소들은 로우 드라이버(2120)가 출력하는 선택 신호에 의해 동시에 활성화될 수 있다. 선택된 로우에 속하는 단위 화소는 흡수한 빛에 따른 출력 전압을 대응하는 컬럼의 출력 라인에 제공할 수 있다.
컨트롤러(2130)는 화소 어레이(2110)가 빛을 흡수하여 전하를 축적하게 하거나, 축적된 전하를 임시로 저장하게 하고, 저장된 전하에 따른 전기적 신호를 화소 어레이(2110)의 외부로 출력하게 하도록, 로우 드라이버(2120)를 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러(2130)는 화소 어레이(2110)가 제공하는 출력 전압을 측정하도록, 픽셀 신호 처리부(2140)를 제어할 수 있다.
픽셀 신호 처리부(2140)는 상관 이중 샘플러(CDS)(2142), 아날로그-디지털 컨버터(ADC)(2144) 및 버퍼(2146)를 포함할 수 있다. 상관 이중 샘플러(2142)는 화소 어레이(2110)에서 제공한 출력 전압을 샘플링 및 홀드할 수 있다. 상관 이중 샘플러(2142)는 특정한 잡음 레벨과 생성된 출력 전압에 따른 레벨을 이중으로 샘플링하여, 그 차이에 해당하는 레벨을 출력할 수 있다. 또한, 상관 이중 샘플러(2142)는 램프 신호 생성기(2148)가 생성한 램프 신호를 입력받아 서로 비교하여 비교 결과를 출력할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(2144)는 상관 이중 샘플러(2142)로부터 수신하는 레벨에 대응하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 버퍼(2146)는 디지털 신호를 래치(latch)할 수 있고,래치된 신호는 순차적으로 이미지 센서(2100)의 외부로 출력되어 이미지 프로세서(미도시)로 전달될 수 있다.
도 11은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 11을 참조하면, 시스템(2200)은 이미지 데이터를 필요로 하는 컴퓨팅 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 차량 네비게이션, 비디오 폰, 경비 시스템 또는 움직임 검출 시스템 중 어느 하나 일 수 있다.
시스템(2200)은 중앙처리장치(또는 프로세서)(2210), 비휘발성 메모리(2220), 이미지 센서(2230), 입출력 장치(2240) 및 RAM(2250)을 포함할 수 있다. 중앙처리장치(2210)는 버스(2260)를 통해서 비휘발성 메모리(2220), 이미지 센서(2230), 입출력 장치(2240) 및 RAM(2250)과 통신할 수 있다. 이미지 센서(2240)는 독립된 반도체 칩으로 구현될 수도 있고, 중앙처리장치(2210)와 결합하여 하나의 반도체 칩으로 구현될 수도 있다. 도 11에 도시된 시스템에 포함된 이미지 센서(2230)는 이상에서 설명된 본 발명의 예시적 실시예들에 따른 도 1 내지 도 3, 및 도 6 내지 도 8의 단위 화소(100, 100a, 200, 200a), 또는 도 4의 화소 어레이(1000)를 포함할 수 있다.
도 12는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템 및 인터페이스를 나타내는 블록도이다.
도 12를 참조하면, 전자시스템(3000)은 mipi 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치, 예컨대 이동 전화기, PDA, PMP 또는 스마트 폰으로 구현될 수 있다. 상기 전자 시스템(3000)은 어플리케이션 프로세서(3010), 이미지 센서(3040) 및 디스플레이(3050)를 포함할 수 있다.
어플리케이션 프로세서(3010)에 구현된 CSI 호스트(3012)는 카메라 시리얼 인터페이스(camera serial interface; CSI)를 통하여 이미지 센서(3040)의 CSI 장치(3041)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, 상기 CSI 호스트(3012)에는 광 디시리얼라이저가 구현될 수 있고, CSI 장치(3041)에는 광 시리얼라이저가 구현될 수 있다.
어플리케이션 프로세서(3010)에 구현된 DSI 호스트(3011)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(display serial interface; DSI)를 통하여 디스플레이(3050)의 DSI 장치(3051)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, DSI 호스트(3011)에는 광 시리얼라이저가 구현될 수 있고, DSI 장치(3051)에는 광 디시리얼라이저가 구현될 수 있다. 광을 이용하는 상기 장치는 이상에서 설명된 본 발명의 예시적 실시예들에 따른 도 1 내지 도 3, 및 도 6 내지 도 8의 단위 화소(100, 100a, 200, 200a), 또는 도 4의 화소 어레이(1000)를 포함할 수 있다.
전자 시스템(3000)은 어플리케이션 프로세서(3010)와 통신할 수 있는 RF 칩(3060)을 더 포함할 수 있다. 전자 시스템(3000)의 PHY(3013)와 RF 칩(3060)의 PHY(3061)는 MIPI DigRF에 따라 데이터를 주고받을 수 있다.
전자 시스템(3000)은 GPS(3020), 스토리지(3070), 마이크(3080), DRAM(3085) 및 스피커(3090)를 더 포함할 수 있으며, 상기 전자 시스템(3000)은 Wimax(3030), WLAN(3100) 및 UWB(3110) 등을 이용하여 통신할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.
PD1, PD2, PD3, PD4: 광전 변환 소자, TG1, TG2: 트랜스퍼 게이트, FD1, FD2, FD3: 플로팅 게이트, CF1, CF2: 컬러 필터층, 115: 관통 배선

Claims (10)

  1. 제1 면 및 상기 제1 면과 대향하며 빛이 입사되는 제2 면을 포함하는 기판;
    상기 기판 내에 형성된 반도체 광전 변환 소자;
    상기 기판 내의 상기 제1 면과 상기 반도체 광전 변환 소자 사이에서, 상기 제1 면과 수직한 제1 방향으로 연장되는 게이트 전극; 및
    상기 기판의 상기 제2 면 상에 적층되는 유기(organic) 광전 변환 소자;를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 면은 제2 방향 및 제3 방향으로 연장되고,
    상기 기판 내에 형성된 상기 게이트 전극이 상기 제1 방향으로 형성되는 제1 길이는, 상기 제2 또는 제3 방향으로 형성되는 제2 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 기판 내의 상기 제1 면 상에서 상기 게이트 전극과 인접하고, 상기 게이트 전극과 전기적으로 연결되는 제1 플로팅 디퓨전(floating diffusion)을 더 포함하고,
    상기 제1 플로팅 디퓨전은 반도체 광전 변환 소자와 상기 제1 방향으로 오버랩되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 제1 면 상에 형성되는 화소 회로층과, 상기 기판을 관통하여 상기 유기 광전 변환 소자와 상기 화소 회로층을 전기적으로 연결하는 관통 배선을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 기판 내의 상기 제1 면 상에서 상기 관통 전극과 인접하고, 상기 관통 전극과 전기적으로 연결되는 제2 플로팅 디퓨전을 더 포함하고,
    상기 제2 플로팅 디퓨전은 상기 유기 광전 변환 소자와 상기 제1 방향으로 오버랩되지 않는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제4 항에 있어서, 상기 기판 내에 배치된 복수의 화소 영역들을 분리하는 화소 분리부를 더 포함하고,
    상기 관통 배선은 상기 화소 분리부 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 기판과 상기 유기 광전 변환 소자 사이에 배치되는 컬러 필터층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 제1 면 및 상기 제1 면과 대향하며 빛이 입사되는 제2 면, 및 복수의 화소 영역들을 포함하는 기판;
    상기 기판 내의 복수의 화소 영역들 각각에 형성되는 반도체 광전 변환 소자들;
    상기 기판 내의 상기 제1 면과 상기 반도체 광전 변환 소자들 사이에서, 상기 제1 면과 수직한 제1 방향으로 각각 연장되는 게이트 전극들;
    상기 기판 내의 상기 제1 면 상에서 상기 게이트 전극들과 각각 인접하고, 상기 게이트 전극들과 각각 전기적으로 연결되는 제1 플로팅 디퓨전들;
    상기 기판의 상기 제2 면 상에 형성되는 유기 광전 변환 소자들;을 포함하고,
    상기 제1 플로팅 디퓨전들은 전기적으로 공유되는 이미지 센서.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 제1 면 상에 형성되는 화소 회로층과, 상기 기판을 관통하여 상기 유기 광전 변환 소자들과 상기 화소 회로층을 전기적으로 연결하는 관통 배선들; 및
    상기 기판 내의 상기 제1 면 상에서 상기 관통 전극들과 각각 인접하고, 상기 관통 전극들과 각각 전기적으로 연결되는 제2 플로팅 디퓨전들;을 더 포함하고,
    상기 제2 플로팅 디퓨전들은 전기적으로 공유되지 않는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  10. 제8 항에 있어서, 상기 반도체 광전 변환 소자들은 상기 복수의 화소 영역들 각각에 형성된 제1 반도체 광전 변환 소자 및 제2 반도체 광전 변환 소자를 포함하고,
    상기 기판과 상기 유기 광전 변환 소자들 사이에서 상기 제1 및 제2 반도체 광전 변환 소자 상에 각각 배치되는 제1 컬러 필터층 및 제2 컬러 필터층을 더 포함하고,
    상기 유기 광전 변환 소자들은 입사광 중 제1 파장 대역의 광을 전기 신호로 변환하고,
    상기 제1 컬러 필터층은 상기 입사광 중 상기 유기 광전 변환 소자에 의해 전기 신호로 변환되지 않은 제2 파장 대역의 광을 통과시키고,
    상기 제2 컬러 필터층은 상기 입사광 중 상기 유기 광전 변환 소자에 의해 전기 신호로 변환되지 않고, 상기 제2 파장 대역과는 다른 제3 파장 대역의 광을 통과시키고,
    상기 제1 반도체 광전 변환 소자는 상기 제2 파장 대역의 광을 전기 신호로 변환시키고,
    상기 제2 반도체 광전 변환 소자는 상기 제3 파장 대역의 광을 전기 신호로 변환시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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