KR20170083783A - 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 기술은 이미지 센서에 관한 것으로, 실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 단위픽셀그룹; 및 상기 복수의 단위픽셀그룹 사이를 절연하기 위한 분리구조물을 포함할 수 있으며, 상기 분리구조물은, 기판상에 형성된 제1도전형의 도전층; 및 상기 도전층에 형성되고 상기 복수의 단위픽셀그룹 사이마다 배치된 제2도전형의 픽업영역을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 장치 제조 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
본 발명의 실시예는 성능이 향상된 이미지 센서를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 단위픽셀그룹; 및 상기 복수의 단위픽셀그룹 사이를 절연하기 위한 분리구조물을 포함할 수 있다. 상기 분리구조물은, 기판상에 형성된 제1도전형의 도전층; 및 상기 도전층에 형성되고 상기 복수의 단위픽셀그룹 사이마다 배치된 제2도전형의 픽업영역을 포함할 수 있다. 또한, 상기 분리구조물은, 상기 도전층에 형성되고, 저면에 상기 픽업영역이 접하는 소자분리막; 및 상기 소자분리막을 관통하여 상기 픽업영역에 연결된 플러그를 더 포함할 수 있다.
상기 픽업영역에는 접지전압보다 크고, 전원전압보다 같거나 작은 전압 범위 내에서 가변될 수 있는 양의 전압이 인가될 수 있다. 상기 복수의 단위픽셀그룹이 글로벌 셔터 방식으로 동작하는 경우 상기 픽업영역에는 인티그레이션 타임 동안 양의 전압이 인가될 수 있다. 상기 복수의 단위픽셀그룹이 롤링 셔터 방식으로 동작하는 경우 상기 픽업영역에는 항시 양의 전압이 인가될 수 있다. 상기 도전층은 상기 기판에 형성된 제1도전형의 웰 또는 상기 기판상에 형성된 제1도전형의 에피층을 포함할 수 있다. 상기 복수의 단위픽셀그룹 각각은, 입사광에 응답하여 광전하는 생성하고 하나의 플로팅디퓨전영역을 공유하는 복수의 광전변환소자를 포함하는 수광부; 및 상기 수광부에서 생성된 광전하에 대응하는 이미지 신호를 출력하는 출력부를 포함할 수 있다. 상기 픽업영역은 상기 수광부 사이마다 배치될 수 있다. 상기 픽업영역은 도트 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 단위픽셀그룹; 상기 복수의 단위픽셀그룹 사이를 절연하기 위한 분리구조물; 및 상기 분리구조물에 형성되고 상기 복수의 단위픽셀그룹 사이마다 배치된 제1도전형의 제1픽업영역을 포함할 수 있다. 상기 분리구조물은, 기판상에 형성된 제1도전형의 도전층; 및 상기 도전층에 형성되고 상기 복수의 단위픽셀그룹 사이마다 배치된 제2도전형의 제2픽업영역을 포함할 수 있다. 또한, 상기 분리구조물은, 상기 도전층에 형성되고, 저면에 상기 제1 및 제2픽업영역이 접하는 소자분리막; 상기 소자분리막을 관통하여 상기 제1픽업영역에 연결된 제1플러그; 및 상기 소자분리막을 관통하여 상기 제2픽업영역에 연결된 제2플러그를 더 포함할 수 있다.
상기 제2픽업영역에는 접지전압보다 크고, 전원전압보다 같거나 작은 전압 범위 내에서 가변될 수 있는 양의 전압이 인가될 수 있다. 상기 복수의 단위픽셀그룹이 글로벌 셔터 방식으로 동작하는 경우 상기 제2픽업영역에는 인티그레이션 타임 동안 양의 전압이 인가될 수 있다. 상기 복수의 단위픽셀그룹이 롤링 셔터 방식으로 동작하는 경우 상기 제2픽업영역에는 항시 양의 전압이 인가될 수 있다. 상기 제1픽업영역에는 접지전압이 인가될 수 있다. 상기 도전층은 상기 기판에 형성된 제1도전형의 웰 또는 상기 기판상에 형성된 제1도전형의 에피층을 포함할 수 있다. 상기 복수의 단위픽셀그룹 각각은, 입사광에 응답하여 광전하는 생성하고, 하나의 플로팅디퓨전영역을 공유하는 복수의 광전변환소자를 포함하는 수광부; 및 상기 수광부에서 생성된 광전하에 대응하는 이미지 신호를 출력하는 출력부를 포함할 수 있다. 상기 제1픽업영역은 상기 출력부 사이마다 배치될 수 있다. 상기 제2픽업영역은 상기 수광부 사이마다 배치될 수 있다. 상기 제1 및 제2픽업영역은 도트 형태를 가질 수 있다.
상술한 과제의 해결 수단을 바탕으로 하는 본 기술은 픽업영역을 구비함으로써, 블루밍 현상을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 블럭도.
도 2는 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 평면도.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 이미지 센서를 도 2에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 이미지 센서를 도 2에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도.
도 5는 도 2에 도시된 A-A'절취선에 대응하는 전위장벽을 간략히 도시한 그래프.
도 6은 본 발명의 제3 및 제4실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 평면도.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 이미지 센서를 도 6에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도.
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 이미지 센서를 도 6에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치를 간략히 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 평면도.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 이미지 센서를 도 2에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 이미지 센서를 도 2에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도.
도 5는 도 2에 도시된 A-A'절취선에 대응하는 전위장벽을 간략히 도시한 그래프.
도 6은 본 발명의 제3 및 제4실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 평면도.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 이미지 센서를 도 6에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도.
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 이미지 센서를 도 6에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치를 간략히 도시한 도면.
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도면은 반드시 일정한 비율로 도시된 것이라 할 수 없으며, 몇몇 예시들에서, 실시예의 특징을 명확히 보여주기 위하여 도면에 도시된 구조물 중 적어도 일부의 비례는 과장될 수도 있다. 도면 또는 상세한 설명에 둘 이상의 층을 갖는 다층 구조물이 개시된 경우, 도시된 것과 같은 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 특정 실시예를 반영할 뿐이어서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 달라질 수도 있다. 또한, 다층 구조물의 도면 또는 상세한 설명은 특정 다층 구조물에 존재하는 모든 층들을 반영하지 않을 수도 있다(예를 들어, 도시된 두 개의 층 사이에 하나 이상의 추가 층이 존재할 수도 있다). 예컨대, 도면 또는 상세한 설명의 다층 구조물에서 제1층이 제2층 상에 있거나 또는 기판상에 있는 경우, 제1층이 제2층 상에 직접 형성되거나 또는 기판상에 직접 형성될 수 있음을 나타낼 뿐만 아니라, 하나 이상의 다른 층이 제1층과 제2층 사이 또는 제1층과 기판 사이에 존재하는 경우도 나타낼 수 있다.
후술하는 본 발명의 실시예는 성능이 향상된 이미지 센서를 제공하기 위한 것이다. 여기서, 성능이 향상된 이미지 센서는 고화소 이미지를 제공할 수 있는 이미지 센서를 의미할 수 있다. 보다 구체적으로, 고화소 이미지를 제공하기 위해 이미지 센서의 집적도가 증가함에 따라 증가하는 블루밍(blooming) 현상을 억제할 수 있는 이미지 센서를 의미할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이미지 센서는 복수의 단위픽셀그룹(110)들이 매트릭스 구조로 배열된 픽셀 어레이(pixel array, 100), 상관 이중 샘플링(correlated double sampling, CDS, 120), 아날로그-디지털 컨버터(analog digital converter, ADC, 130), 버퍼(Buffer, 140), 로우 드라이버(row driver, 150), 타이밍 제너레이터(timing generator, 160), 제어 레지스터(control register, 170) 및 램프 신호 제너레이터(ramp signal generator, 180)를 포함할 수 있다.
타이밍 제너레이터(160)는 로우 드라이버(150), 상관 이중 샘플링(120), 아날로그-디지털 컨버터(130) 및 램프 신호 제너레이터(180) 각각의 동작을 제어하기 위한 하나 이상의 제어 신호를 생성한다. 제어 레지스터(170)는 램프 신호 제너레이터(180), 타이밍 제너레이터(160) 및 버퍼(140) 각각의 동작을 제어하기 위한 하나 이상의 제어 신호를 생성한다.
로우 드라이버(150)는 픽셀 어레이(100)를 로우라인(row line) 단위로 구동한다. 예컨대, 로우 드라이버(150)는 복수의 로우라인(row line)들 중에서 어느 하나의 로우라인(row line)을 선택할 수 있는 선택 신호를 생성할 수 있다. 복수의 로우라인(row line)들 각각에는 복수의 단위픽셀그룹(110)들과 연결된다. 그리고, 복수의 단위픽셀그룹(110)들 각각에는 하나의 로우라인(row line)이 연결된다.
복수의 단위픽셀그룹(110)들 각각은 입사광을 감지하여 이미지 리셋 신호와 이미지 신호를 컬럼라인(column line)을 통해 상관 이중 샘플링(120)으로 출력한다. 상관 이중 샘플링(120)은 수신된 이미지 리셋 신호와 이미지 신호 각각에 대하여 샘플링을 수행한다. 복수의 컬럼라인(column line)들 각각에는 복수의 단위픽셀그룹(110)들이 연결된다. 복수의 단위픽셀그룹(110)들 각각에는 하나의 컬럼라인(column line)이 연결된다. 아날로그-디지털 컨버터(130)는 램프 신호 제너레이터(180)로부터 출력된 램프 신호와 상관 이중 샘플링(120)으로부터 출력되는 샘플링 신호를 서로 비교하여 비교 신호를 출력한다. 타이밍 제너레이터(160)로부터 제공되는 클럭 신호에 따라 비교 신호의 레벨 전이(transition) 시간을 카운트하고, 카운트 값을 버퍼(140)로 출력한다. 램프 신호 제너레이터(180)는 타이밍 제너레이터(160)의 제어 하에 동작할 수 있다.
버퍼(140)는 아날로그-디지털 컨버터(130)로부터 출력된 복수의 디지털 신호 각각을 저장한 후 이들 각각을 감지 증폭하여 출력한다. 따라서, 버퍼(140)는 메모리(미도시)와 감지증폭기(미도시)를 포함할 수 있다. 메모리는 카운트 값을 저장하기 위한 것이며, 카운트 값은 복수의 단위픽셀그룹(110)들로부터 출력된 신호에 연관된 카운트 값을 의미한다. 감지증폭기는 메모리로부터 출력되는 각각의 카운트 값을 감지하여 증폭한다.
여기서, 고화소 이미지를 제공하기 위해서는 픽셀 어레이(100) 내 집적되는 픽셀수를 필연적으로 증가시켜야한다. 즉, 제한된 면적내에 더 많은 픽셀들을 배치해야되기 때문에 픽셀사이즈가 점차 감소하고 있으며, 감소하는 픽셀사이즈 내에서 최대한의 필펙터(fill factor)를 확보하기 위해 복수의 단위픽셀그룹(110) 각각이 공유 픽셀 구조를 갖는 이미지 센서가 도입되었다. 그러나, 픽셀사이즈가 감소할수록 블루밍 현상에 기인하여 이미지 품질이 저하되는 단점이 있다. 참고로, 블루밍 현상은 광전변환소자에서 생성된 광전하가 인접한 다른 광전변환소자로 유입되는 현상을 지칭한다.
따라서, 후술하는 본 발명의 실시예들은 블루밍 현상을 억제할 수 있는 이미지 센서에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 도면으로, 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 일부를 구체적으로 도시한 평면도이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 이미지 센서를 도 2에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 제1실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 단위픽셀그룹(110) 및 복수의 단위픽셀그룹(110) 사이를 절연하기 위한 분리구조물(210)을 포함할 수 있다.
제1실시예에 따른 이미지 센서에서 복수의 단위픽셀그룹(110) 각각은, 입사광에 응답하여 광전하를 생성하는 수광부(111) 및 수광부(111)에서 생성된 광전하에 대응하는 이미지 신호를 출력하는 출력부(113)를 포함할 수 있다.
수광부(111)는 하나의 플로팅디퓨전영역(FD)을 공유하는 적어도 하나 이상의 수광유닛을 포함할 수 있다. 각각의 수광유닛은 입사광에 응답하여 광전하를 생성하는 광전변환소자(PD, photoelectric conversion element) 및 전송신호에 응답하여 광전변환소자(PD)에서 생성된 광전하를 플로팅디퓨전영역(FD)으로 전달하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx, transfer transistor)를 포함할 수 있다. 광전변환소자(PD)는 포토다이오드(photodiode)를 포함할 수 있다. 제1실시예에서는 4개의 수광유닛이 하나의 플로팅디퓨전영역(FD)을 공유하는 경우를 예시하였으며, 4개의 수광유닛은 플로팅디퓨전영역(FD)을 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다.
출력부(113)는 로우라인을 통해 인가되는 선택신호에 응답하여 이미지 신호를 컬럼라인으로 출력할 수 있다. 출력부(113)는 리셋 트랜지스터(Rx, reset transistor), 소스 팔로워 트랜지스터(SFx, source follower transister) 및 선택 트랜지스터(Sx, selection transistor)를 포함할 수 있다. 복수의 단위픽셀그룹(110) 각각에서 출력부(113)는 컬럼방향으로 수광부(111)의 일측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1실시예에서는 컬럼방향으로 수광부(111)의 위쪽에 출력부(113)가 위치하는 경우를 예시하였다.
제1실시예에 따른 이미지 센서에서 분리구조물(210)은 복수의 단위픽셀그룹(110) 사이를 절연함과 동시에 복수의 단위픽셀그룹(110) 각각에서 광전변환소자(PD), 수광부(111) 및 출력부(113) 사이를 절연하는 역할도 수행할 수 있다. 분리구조물(210)은 기판(200)상에 형성된 제1도전형의 도전층(211) 및 도전층(211)에 형성되어 복수의 단위픽셀그룹(110) 사이마다 배치된 제2도전형의 픽업영역(212)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1도전형 및 제2도전형은 서로 상보적인 도전형일 수 있다. 예를 들어, 제1도전형은 P형일 수 있고, 제2도전형은 N형일 수 있다.
기판(200)은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 반도체 기판은 단결정 상태(Single crystal state)일 수 있으며, 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 즉, 기판(200)은 단결정의 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다.
제1도전형의 도전층(211)은 기판(200)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 즉, 도전층(211)은 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 구체적으로, 도전층(211)은 기판(200)에 형성된 제1도전형의 웰(211) 또는 기판(200)상에 형성된 제1도전형의 에피층을 포함할 수 있다. 제1실시예에서는 도전층(211)이 제1도전형의 웰(211) 즉, P형 웰(211)인 경우로서, 기판(200) 전체에 P형 웰(211)이 형성된 경우를 예시하였다. 따라서, '도전층'과 '웰'은 서로 동일한 도면부호 '211'을 사용하기로 한다.
여기서, 수광부(111)의 광전변환소자(PD)는 도전층(211)에 형성될 수 있고, 트랜스퍼 트랜지스터는 도전층(211) 상에 형성될 수 있다. 광전변환소자(PD)는 포토다이오드를 포함할 수 있고, 포토다이오드는 P형 불순물영역(201)과 N형 불순물영역(202)이 수직방향으로 적층된 형태를 가질 수 있다.
제2도전형의 픽업영역(212)은 블루밍 현상을 억제하는 역할을 수행하며, 복수의 단위픽셀그룹(110) 사이마다 배치될 수 있다. 픽업영역(212)은 도트 형상을 가질 수 있다. 블루밍 현상을 효과적으로 억제하기 위해 픽업영역(212)은 복수의 단위픽셀그룹(110) 각각의 수광부(111) 사이마다 배치될 수 있다. 즉, 픽업영역(212)은 인접한 광전변환소자(PD)들의 중심부에 위치할 수 있다. 이는, 별도의 레이아웃 변경없이 픽업영역(212)을 배치함과 동시에 최대한의 블루밍 현상 억제 효율을 얻기 위함이다. 그리고, 어느 한 방향 예컨대, 로우방향으로 픽업영역(212)과 플로팅디퓨전영역(FD)이 서로 번갈에 배치될 수 있다.
블루밍 현상을 보다 효과적으로 억제하기 위해 픽업영역(212)에는 접지전압(GND)보다 큰 양의 전압이 인가될 수 있다. 구체적으로, 픽업영역(212)에는 접지전압(GND)보다 크고, 전원전압(VDD)과 같거나 또는 전원전압(VDD)보다 작은 양의 전압이 인가될 수 있다. 여기서, 픽업영역(212)에 인가되는 전압은 상술한 양의 전압 범위 내에서 가변될 수 있다. 예를 들어, 픽업영역(212)에 인가되는 전압은 다크 이미지에서 발생하는 노이즈 신호에 기초하여 가변될 수 있다. 구체적으로, 노이즈 신호가 증가할수록 전원전압(VDD)의 레벨에 가까운 전압을 픽업영역(212)에 인가할 수 있다. 그리고, 픽업영역(212)에 전압이 인가되는 시점은 셔터 방식에 따라 상이할 수 있다. 구체적으로, 롤링 셔터 방식을 사용하는 경우에는 항시 픽업영역(212)에 소정의 전압을 인가할 수 있다. 반면에, 글로벌 셔터 방식을 사용하는 경우에는 항시 픽업영역(212)에 소정의 전압을 인가하거나, 또는 인티그레이션 타임(Integration Time) 동안에만 픽업영역(212)에 소정의 전압을 인가할 수 있다. 인티그레이션 타임 동안 픽업영역(212)에 인가되는 전압은 펄스형태로 제공될 수 있으며, 소비전력 측면에서 이점이 있다. 참고로, 인티그레이션 타임은 광전변환소자(PD)에 입사광을 조사하여 광전하를 생성하는 시간 즉, 광전변환소자(PD)가 입사광에 노출되는 시간을 의미한다.
상술한 바와 같이, 제1실시예에 따른 이미지 센서는 픽업영역(212)을 포함하는 분리구조물(210)을 구비함으로써, 블루밍 현상을 효과적으로 억제할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 이미지 센서를 도 2에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도이다. 설명의 편의를 위해 제1실시예와 동일한 도면부호를 사용하며, 동일한 구성에 대해 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 단위픽셀그룹(110) 및 복수의 단위픽셀그룹(110) 사이를 절연하기 위한 분리구조물(210)을 포함할 수 있다.
제2실시예에 따른 이미지 센서에서 분리구조물(210)은 제1실시예에 따른 분리구조물(210)과 더불어서 소자분리막(213) 및 소자분리막(213)을 관통하는 플러그(214)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 제2실시예에 따른 분리구조물(210)은 기판(200)상에 형성된 제1도전형의 도전층(211), 도전층(211)에 형성되어 복수의 단위픽셀그룹(110) 사이를 절연하는 소자분리막(213), 소자분리막(213) 아래 도전층(211)에 형성되어 복수의 단위픽셀그룹(110) 사이마다 배치된 제2도전형의 픽업영역(212) 및 소자분리막(213)을 관통하여 각각의 픽업영역(212)에 전기적으로 연결된 복수의 플러그(214)를 포함할 수 있다. 소자분리막(213)은 STI(Shallow Trench Isolation) 공정을 통해 형성된 것일 수 있다. 소자분리막(213)은 절연물질 예컨대, 산화물, 질화물 및 산화질화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 단일막 또는 둘 이상의 다중막일 수 있다. 소자분리막(213)을 관통하는 플러그(214)는 픽업영역(212)에 소정의 전압을 인가하기 위한 것으로, 픽업영역(212)과 중첩되는 기둥형태를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 제2실시예에 따른 이미지 센서는 픽업영역(212)을 포함하는 분리구조물(210)을 구비함으로써, 블루밍 현상을 효과적으로 억제할 수 있다.
이하에서는, 도 5를 참조하여 픽업영역(212)을 통해 블루밍 현상을 억제하는 원리에 대해 설명하기로 한다. 도 5는 도 2에 도시된 A-A'절취선에 대응하는 전위장벽을 간략히 도시한 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제1도전형의 도전층(211) 즉, P형 웰(211)에 둘러싸인 광전변환소자(PD)에는 광전자가 축적된다. 제2도전형의 픽업영역(212) 즉, N형 픽업영역(212)이 없는 경우에 P형 웰(211)에서의 전위장벽은 점선과 같이 나타낼 수 있으며, 광전변환소자(PD)에서 과도하게 생성된 광전하들이 P형 웰(211)의 전위장벽을 넘어 인접한 광전변환소자(PD)로 넘어가면서 블루밍 현상이 발생하게 된다.
그러나, 상술한 실시예들과 같이 N형 픽업영역(212)을 구비하는 경우, 광전변환소자(PD)에서 과도하게 생성된 광전하가 P형 웰(211)의 전위장벽을 넘어서더라도 N형 픽업영역(212)에 인가된 전압 예컨대, 전원전압(VDD)에 의해 제거됨에 따라 인접한 광전변환소자(PD)에 영향을 미치지 않게 된다.
아울러, N형 픽업영역(212)은 P형 웰(211)에서 발생되는 전하가 광전변환소자(PD)로 유입되면서 발생하는 암전류도 억제할 수 있다. 구체적으로, P형 웰(211)로 유입되는 입사광, 동작 온도 상승 등에 기인하여 P형 웰(211)에서 발생하는 소수 캐리어(minority carrier) 전자를 N형 픽업영역(212)을 통해 제거할 수 있다.
상술한 바와 같이, N형 픽업영역(212)의 블루밍 현상 억제 및 암전류 발생 억제에 기초하여 이미지 센서는 선명하고 뚜렷한 이미지 신호를 제공할 수 있다.
한편, 상술한 제1 및 제2실시예에서 양의 전압이 인가되는 픽업영역(212)을 통해 블루밍 현상을 억제하기 위해서는 제1도전형의 도전층(211) 예컨대, P형 웰(211)이 일정한 전압 레벨 예컨대, 접지전압(GND) 레벨을 유지해야만 한다. 통상적으로, P형 웰(211)에 제공되는 접지전압(GND)은 픽셀 어레이(100)의 최외각에서 공급되기 때문에 픽셀 어레이(100)의 에지 및 센서에서 P형 웰(211)의 전압 레벨이 서로 상이하여 특성이 열화될 수 있다. 따라서, 후술하는 본 발명의 제3 및 제4실시예에서는 블루밍 현상을 억제함과 동시에 픽셀 어레이(100)의 위치에 관계없이 P형 웰(211)의 전압 레벨을 일정하게 유지할 수 있는 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 제3 및 제4실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 도면으로, 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 일부를 구체적으로 도시한 평면도이다. 그리고, 도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 이미지 센서를 도 6에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도이다.
도 1, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 제3실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 단위픽셀그룹(110), 복수의 단위픽셀그룹(110) 사이를 절연하기 위한 분리구조물(210) 및 분리구조물(210)에 형성된 제1도전형의 제1픽업영역(220)을 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 단위픽셀그룹(110) 및 제2픽업영역(212)을 포함한 분리구조물(210)은 상술한 제1실시예와 실질적으로 동일하기 때문에 상세한 설명을 생략하기로 한다. 참고로, 제3실시예에서 제2픽업영역(212)은 제1실시예에서 픽업영역(212)과 실질적으로 동일한 것이다.
제3실시예에 따른 이미지 센서에서 제1도전형의 제1픽업영역(220)은 제1도전형의 도전층(211) 예컨대, P형 웰(211)이 픽셀 어레이(100)의 위치에 관계없이 일정한 전압 레벨을 유지하는 역할을 수행할 수 있다. 제1픽업영역(220)에는 항시 접지전압(GND)이 인가될 수 있다. 제1픽업영역(220)은 복수의 단위픽셀그룹(110) 사이마다 배치될 수 있으며, 도트 형상을 가질 수 있다. 여기서, 제2픽업영역(212)을 이용한 효과적인 블루밍 억제를 위해 제1픽업영역(220)은 출력부(113) 사이마다 배치될 수 있다. 따라서, 제1픽업영역(220)은 어느 한 방향 예컨대, 컬럼방향으로 제2픽업영역(212)과 번갈아 배치될 수 있다.
상술한 바와 같이, 제3실시예에 따른 이미지 센서는 제1 및 제2픽업영역(212, 220)을 구비함으로써, 블루밍 현상을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 이미지 센서를 도 6에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도이다.
도 1, 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제4실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 단위픽셀그룹(110), 복수의 단위픽셀그룹(110) 사이를 절연하기 위한 분리구조물(210) 및 분리구조물(210)에 형성된 제1도전형의 제1픽업영역(220)을 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 단위픽셀그룹(110) 및 분리구조물(210)은 상술한 제2실시예와 실질적으로 동일하기 때문에 상세한 설명을 생략하기로 한다. 참고로, 제4실시예에 따른 분리구조물(210)에서 소자분리막(213), 제2플러그(214) 및 제2픽업영역(212)은 각각 제2실시예에서 소자분리막(213), 플러그(214) 및 픽업영역(212)과 실질적으로 동일한 것이다.
제4실시예에 따른 이미지 센서에서 제1도전형의 제1픽업영역(220)은 제1도전형의 도전층(211) 예컨대, P형 웰(211)이 픽셀 어레이(100)의 위치에 관계없이 일정한 전압 레벨을 유지하는 역할을 수행할 수 있다. 제1픽업영역(220)에서는 소자분리막(213)을 관통하여 제1픽업영역(220)에 연결된 제1플러그(222)를 통해 항시 접지전압(GND)이 인가될 수 있다. 제1픽업영역(220)은 복수의 단위픽셀그룹(110) 사이마다 배치될 수 있으며, 도트 형상을 가질 수 있다. 여기서, 제2픽업영역(212)을 이용한 효과적인 블루밍 억제를 위해 제1픽업영역(220)은 출력부(113) 사이마다 배치될 수 있다. 따라서, 제1픽업영역(220)은 컬럼방향으로 제2픽업영역(212)과 번갈아 배치될 수 있다.
상술한 바와 같이, 제4실시예에 따른 이미지 센서는 제1 및 제2픽업영역(212, 220)을 구비함으로써, 블루밍 현상을 효과적으로 억제할 수 있다.
상술한 실시예들에 따른 이미지 센서는 다양한 전자장치 또는 시스템에 이용될 수 있다. 이하에서는, 도 9를 참조하여 카메라에 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 적용한 경우를 예시하여 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치를 간략히 도시한 도면이다.
도 9를 참조하여, 실시예들에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치는 정지영상 또는 동영상을 촬영할 수 있는 카메라일 수 있다. 전자장치는 광학 시스템(310, 또는, 광학 렌즈), 셔터 유닛(311), 이미지 센서(300) 및 셔터 유닛(311)을 제어/구동하는 구동부(313) 및 신호 처리부(312)를 포함할 수 있다.
광학 시스템(310)은 피사체로부터의 이미지 광(입사광)을 이미지 센서(300)의 픽셀 어레이(도 1의 도면부호 '100' 참조)로 안내한다. 광학 시스템(310)은 복수의 광학 렌즈로 구성될 수 있다. 셔터 유닛(311)은 이미지 센서(300)에 대한 광 조사 기간 및 차폐 기간을 제어한다. 구동부(313)는 이미지 센서(300)의 전송 동작과 셔터 유닛(311)의 셔터 동작을 제어한다. 신호 처리부(312)는 이미지 센서(300)로부터 출력된 신호에 관해 다양한 종류의 신호 처리를 수행한다. 신호 처리 후의 이미지 신호(Dout)는 메모리 등의 저장 매체에 저장되거나, 모니터 등에 출력된다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내의 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 단위픽셀그룹
111 : 수광부
113 : 출력부 210 : 분리구조물
211 : 도전층 212 : 픽업영역
PD : 광전변환소자 FD : 플로팅디퓨전영역
113 : 출력부 210 : 분리구조물
211 : 도전층 212 : 픽업영역
PD : 광전변환소자 FD : 플로팅디퓨전영역
Claims (20)
- 복수의 단위픽셀그룹; 및
상기 복수의 단위픽셀그룹 사이를 절연하기 위한 분리구조물을 포함하고,
상기 분리구조물은,
기판상에 형성된 제1도전형의 도전층; 및
상기 도전층에 형성되고 상기 복수의 단위픽셀그룹 사이마다 배치된 제2도전형의 픽업영역
을 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 분리구조물은,
상기 도전층에 형성되고, 저면에 상기 픽업영역이 접하는 소자분리막; 및
상기 소자분리막을 관통하여 상기 픽업영역에 연결된 플러그
를 더 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 픽업영역에는 접지전압보다 크고, 전원전압보다 같거나 작은 전압 범위 내에서 가변될 수 있는 양의 전압이 인가되는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 단위픽셀그룹이 글로벌 셔터 방식으로 동작하는 경우 상기 픽업영역에는 인티그레이션 타임 동안 양의 전압이 인가되는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 단위픽셀그룹이 롤링 셔터 방식으로 동작하는 경우 상기 픽업영역에는 항시 양의 전압이 인가되는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 도전층은 상기 기판에 형성된 제1도전형의 웰 또는 상기 기판상에 형성된 제1도전형의 에피층을 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 단위픽셀그룹 각각은,
입사광에 응답하여 광전하는 생성하고 하나의 플로팅디퓨전영역을 공유하는 복수의 광전변환소자를 포함하는 수광부; 및
상기 수광부에서 생성된 광전하에 대응하는 이미지 신호를 출력하는 출력부를 포함하는 이미지 센서.
- 제7항에 있어서,
상기 픽업영역은 상기 수광부 사이마다 배치되는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 픽업영역은 도트 형태를 갖는 이미지 센서.
- 복수의 단위픽셀그룹;
상기 복수의 단위픽셀그룹 사이를 절연하기 위한 분리구조물; 및
상기 분리구조물에 형성되고 상기 복수의 단위픽셀그룹 사이마다 배치된 제1도전형의 제1픽업영역을 포함하고,
상기 분리구조물은,
기판상에 형성된 제1도전형의 도전층; 및
상기 도전층에 형성되고 상기 복수의 단위픽셀그룹 사이마다 배치된 제2도전형의 제2픽업영역
을 포함하는 이미지 센서.
- 제10항에 있어서,
상기 분리구조물은,
상기 도전층에 형성되고, 저면에 상기 제1 및 제2픽업영역이 접하는 소자분리막;
상기 소자분리막을 관통하여 상기 제1픽업영역에 연결된 제1플러그; 및
상기 소자분리막을 관통하여 상기 제2픽업영역에 연결된 제2플러그
를 더 포함하는 이미지 센서.
- 제10항에 있어서,
상기 제2픽업영역에는 접지전압보다 크고, 전원전압보다 같거나 작은 전압 범위 내에서 가변될 수 있는 양의 전압이 인가되는 이미지 센서.
- 제10항에 있어서,
상기 복수의 단위픽셀그룹이 글로벌 셔터 방식으로 동작하는 경우 상기 제2픽업영역에는 인티그레이션 타임 동안 양의 전압이 인가되는 이미지 센서.
- 제10항에 있어서,
상기 복수의 단위픽셀그룹이 롤링 셔터 방식으로 동작하는 경우 상기 제2픽업영역에는 항시 양의 전압이 인가되는 이미지 센서.
- 제10항에 있어서,
상기 제1픽업영역에는 접지전압이 인가되는 이미지 센서.
- 제10항에 있어서,
상기 도전층은 상기 기판에 형성된 제1도전형의 웰 또는 상기 기판상에 형성된 제1도전형의 에피층을 포함하는 이미지 센서.
- 제10항에 있어서,
상기 복수의 단위픽셀그룹 각각은,
입사광에 응답하여 광전하는 생성하고, 하나의 플로팅디퓨전영역을 공유하는 복수의 광전변환소자를 포함하는 수광부; 및
상기 수광부에서 생성된 광전하에 대응하는 이미지 신호를 출력하는 출력부를 포함하는 이미지 센서.
- 제17항에 있어서,
상기 제1픽업영역은 상기 출력부 사이마다 배치되는 이미지 센서.
- 제17항에 있어서,
상기 제2픽업영역은 상기 수광부 사이마다 배치되는 이미지 센서.
- 제10항에 있어서,
상기 제1 및 제2픽업영역은 도트 형태를 갖는 이미지 센서.
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