KR20180040308A - 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

이미지 센서가 개시된다. 이미지 센서는 반도체 기판 상에서 화소 분리막에 의해 한정되어 다수의 단위픽셀, 단위픽셀의 내부에서 변환 분리막에 의해 분리되고 입사광에 대응하는 광전하를 생성하는 다수의 광전 변환소자 및 기판의 배면 상에서 단위픽셀 별로 배치되고 입사광을 분할하여 각 광전 변환소자로 동일한 세기를 갖는 분할광을 공급하는 광 분할요소를 포함한다. 입사광의 경사각이나 파장에 상관없이 동일한 위상에서 AF 교차점을 형성하여 자동초점 정확도를 높일 수 있다.

Description

이미지 센서{Image sensor}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 단위픽셀에 다수의 광전변환 소자를 구비하는 씨모스(CMOS) 이미지 센서에 관한 것이다.
최근 이미지 센서의 초점을 자동으로 검출하는 자동초점 방식(auto focusing, AF)이 널리 활용되고 있다. 특히, 빠른 초점 검출속도라는 특성에 따라 위상차 자동초점(phase difference auto focusing, PAF) 기술에 대한 연구가 다양하게 이루어지고 있다. PAF에서는 촬영렌즈를 투과한 빛을 분할하여 서로 다른 초점검출 화소에서 검출하고 상기 검출신호가 동일한 위상에서 서로 같은 세기를 갖도록 초점 렌즈(focusing lens)를 자동으로 구동하여 초점거리를 조절한다.
일반적으로 자동초점 설정은 이미지 센서보다 훨씬 작은 크기를 갖는 별도의 AF 센서를 이용하거나 이미지 센서의 일부에 이미지 검출픽셀과 별도로 초점검출 픽셀을 배치하여 이미지 센서 내부의 AF 모듈을 이용하여 수행된다. 최근에는 상기 초점검출 픽셀 또는 상기 이미지 검출 픽셀의 전부를 한 쌍의 광전변환 소자로 구성하여 초점검출 속도를 높이는 듀얼 픽셀 이미지 센서가 제안되고 있다. 듀얼 픽셀 이미지 센서는 픽셀 단위로 위상차 자동초점 검출동작을 수행함으로써 초점 검출속도와 정확도를 현저하게 향상할 수 있다. 특히, 별도의 초점검출 픽셀 없이 모든 이미지 검출 픽셀을 듀얼 픽셀로 구성함으로써 이미지의 해상도 저하 없이 자동초점을 정확하고 신속하게 탐색할 수 있다.
이때, 자동초점은 듀얼 픽셀을 구성하는 한 쌍의 광전변환 소자로부터 검출되는 한 쌍의 이미지 신호의 세기(intensity)가 서로 일치하는 교차점(cross point)에서의 위상인 포커스 위상을 검출하고 입사광이 상기 포커스 위상을 유지하도록 포커스 렌즈를 조절하는 방식으로 수득된다.
그러나, 이미지 센서의 단위픽셀로 입사되는 입사광의 파장에 따라 이미지 센서로 흡수되는 광의 투과깊이가 상이하여 단위 색광별로 상기 포커스 위상이 상이하게 형성되어 자동초점의 정확도가 저하되고 이에 따라 설정된 초점에서 이미지의 색상 품질을 떨어뜨리는 원인이 되고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 다수의 광전변환 소자를 구비하는 단위픽셀의 상부에 입사광을 분할하는 광분할 요소를 배치하여 각 광전변환 소자로 균등하게 광량을 공급하는 이미지 센서를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판 상에서 화소 분리막에 의해 한정되는 다수의 단위픽셀, 상기 단위픽셀의 내부에서 변환 분리막에 의해 분리되고 입사광에 대응하는 광전하를 생성하는 다수의 광전 변환소자 및 상기 기판의 배면 상에서 상기 단위픽셀 별로 배치되고, 상기 입사광을 분할하여 상기 각 광전 변환소자로 동일한 세기를 갖는 분할광을 공급하는 광 분할요소(optical divide element)를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 화소 분리막에 의해 한정되고 매트릭스 형상으로 배열된 다수 단위픽셀의 내부에서 변환 분리막에 의해 분리되도록 각각 배치되고 입사광에 대응하는 광전하를 생성하는 다수의 광전 변환소자 및 상기 기판의 배면 상에서 상기 단위픽셀 별로 배치되어 상기 입사광을 동일한 세기를 갖는 분할광으로 분할하여 상기 각 광전 변환소자로 공급하는 광 분할요소(optical divide element)를 구비하는 픽셀 어레이, 및 상기 픽셀 어레이와 전기적으로 연결되어 상기 이미지 신호를 처리하여 이미지 데이터를 생성하는 이미지 신호 처리부를 포함한다.
본 발명에 의한 이미지 센서 및 이를 구비하는 촬상장치에 의하면, 다수의 광전 변환소자를 구비하는 단위픽셀의 입사점에 주변부보다 작은 굴절률을 갖는 광분할 요소를 배치하여 각 광전 변환소자로 동일한 세기를 갖는 분할광을 공급한다. 이에 따라, 상기 단위픽셀로 입사하는 입사광의 경사각이나 파장에 상관없이 단위픽셀의 각 광전 변환소자로부터 검출되는 이미지 신호들의 자동초점 교차점(AF cross point)에서의 위상각인 포커스 위상을 동일하게 조절할 수 있다. 이에 따라, 상기 이미지 센서의 자동초점 정확도를 높이고 수득되는 이미지의 칼라품질을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 이미지 센서(1000)를 나타내는 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서의 픽셀 어레이(PA)를 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 픽셀 어레이(PA)의 단위픽셀(P)을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 단위픽셀의 회로도이다.
도 5는 도 3에 도시된 단위픽셀을 I-I' 방향을 따라 절단한 단면도이다.
도 6a 내지 도 6e는 도 5에 도시된 광분할 요소의 다양한 실시예를 나타내는 도면들이다.
도 7a는 본 발명의 일실시예에 따라 도 5에 도시된 단위픽셀의 상부에 배치된 광분할 요소를 나타내는 평면도이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 광분할 요소의 변형 실시예를 나타내는 평면도이다.
도 8a는 단위 픽셀당 한 쌍의 포토 다이오드를 구비하는 종래의 듀얼 이미지 센서의 중앙부에 배치된 단위픽셀로 수직광이 입사하는 경우 각 포토 다이오드로 공급되는 광의 광경로를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 8b는 종래의 듀얼 이미지 센서의 주변부에 배치된 단위픽셀로 경사광이 입사하는 경우 포토 다이오드로 공급되는 광의 광경로를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 8c는 도 8b에 도시된 단위픽셀로부터 검출된 단위색광별 이미지 신호의 응답 특성(response characteristics)을 나타내는 그래프이다.
도 9a는 본 발명의 일실시예에 의한 광분할 요소를 구비하는 듀얼 이미지 센서의 주변부에 배치된 단위픽셀로 경사광이 입사하는 경우 포토 다이오드로 공급되는 분할광의 광경로를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 9b는 도 9a에 도시된 단위픽셀로부터 검출된 단위 색광별 이미지 신호의 응답 특성(response characteristics)을 나타내는 그래프이다.
도 10은 이미지 센서(1000)의 중앙부 단위픽셀(P)로 입사하는 수직광이 분할광으로 분할되는 것을 나타내는 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 이미지 센서의 좌측 주변부 단위픽셀로 입사하는 경사광이 분할광으로 분할되는 것을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
도 13은 도 12에 도시된 이미지 센서의 변형례를 나타내는 도면이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 이미지 센서(1000)를 나타내는 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서의 픽셀 어레이(PA)를 나타내는 평면도이다. 도 3은 도 2에 도시된 픽셀 어레이(PA)의 단위픽셀(P)을 나타내는 도면이고 도 4는 도 3에 도시된 단위픽셀의 회로도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 이미지 센서(1000)는 입사광을 전기신호로 변환하여 피사체에 관한 디지털 이미지 신호를 생성하는 다수의 단위픽셀(P)을 구비하는 픽셀 어레이(PA) 및 상기 이미지 신호를 처리하여 상기 피사체에 관한 이미지 데이터를 생성하는 이미지 신호 처리부(C)를 포함한다.
상기 픽셀 어레이(PA)는 다수의 단위픽셀(P)들이 매트릭스 형상으로 배열되고 행(row) 방향을 따라 배열되는 각 단위픽셀(P)들의 노출시간을 결정하여 이미지 신호를 생성하는 행방향 구동기(row driver) 및 열(column)방향을 따라 배열되는 각 단위픽셀(P)로부터 상기 이미지 신호를 선택적으로 추출하는 열방향 구동기(column driver)에 의해 상기 각 단위픽셀(P)에서 생성된 전기신호를 제어한다. 상기 행방향 구동기 및 열방향 구동기는 이미지 신호 처리부(C)를 구성한다.
상기 단위픽셀(P)은 입사되는 광에 반응하여 광전자를 생성하는 광전변환 소자(200)와 상기 행방향 구동기 및 열방향 구동기와 연결되고 상기 광전자를 검출하여 이미지 신호를 득출(reading out)하는 다수의 이미지 신호 검출소자를 구비한다. 상기 이미지 신호 검출소자는 전송 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 증폭 트랜지스터(SF) 및 선택 트랜지스터(SX)로 구성된다.
상기 단위픽셀(P)의 상부에는 개별적으로 칼라필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)가 배치되어 특정파장을 갖는 단위 색광별로 분리되어 상기 단위픽셀(P)로 입사된다. 본 실시예의 경우, 상기 칼라필터(CF)는 상기 픽셀 어레이(PA)의 상부에 베이어 패턴(bayer patter)으로 배치되어 상기 픽셀 어레이(PA)는 한 쌍의 녹색광(G)이 입사하는 단위픽셀과 적색광(R) 및 청색광(B)이 입사하는 단위색광이 입사하는 단위픽셀로 구성되는 2x2 매트릭스의 이미지 모자이크 픽셀(MP)의 행렬 형태로 배치된다.
상기 단위픽셀(P)은 각각 복수의 광전변환 소자(200)들을 구비하여 각각 이미지 검출뿐만 아니라 자동초점 동작까지 수행할 수 있다. 예를 들면, 상기 광전변환 소자(200)는 입사광에 대응하여 광전하를 생성하는 포토 다이오드(photo diode, PD), 포토 게이트(photo gate), 핀 포토 다이오드(pinned photo diode, PPD) 및 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
상기 광전변환 소자(200)의 각각은 서로 독립적으로 광전하를 생성함으로써 개별적인 이미지 신호를 생성한다. 이에 따라, 동일한 입사광이 각 단위픽셀(P)에서 서로 다른 위상으로 분리되어 각각 개별적으로 검출되는 이미지 신호의 세기가 일치하는 위상각을 검출함으로써 각 단위픽셀의 초점을 자동으로 검출할 수 있다. 따라서, 별도의 초점검출 센서 없이 이미지 센서(1000)만으로 초점을 검출함으로서 해상도 저하 없이 신속하게 이미지의 초점을 자동으로 검출할 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 광전변환 소자(200)는 상기 단위픽셀의 내부에서 변환 분리막(120)에 의해 전기적으로 분리되는 한 쌍의 포토 다이오드(PD1, PD2)로 구성된다. 따라서, 단위픽셀(P)로 입사한 광은 각각 제1 및 제2 포토 다이오드(PD1,PD2)로 공급되어 개별적으로 광전하를 생성한다.
제1 및 제2 포토 다이오드(PD1,PD2)에서 생성된 광전하는 각각 제1 및 제2 전송 트랜지스터(TX1, TX2)에 의해 확산영역(floating diffusion area, FD)으로 전송되어 누적적으로 저장된다.
상기 리셋 트랜지스터(RX)는 확산영역(FD)을 주기적으로 리셋시킬 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)의 소스 전극은 확산영역(FD)과 연결되고 드레인전극은 입력전원에 연결된다. 리셋 신호(RS)에 의해 제공되는 바이어스에 의해 리셋 트랜지스터(RX)가 작동(turn on)되면 상기 리셋 트랜지스터(RX)의 드레인 전극과 연결된 전원 전압(VDD)이 상기 확산영역(FD)으로 전달된다. 이에 따라, 상기 확산영역(FD)은 리셋된다.
상기 증폭 트랜지스터(SF)는 상기 단위픽셀(P)의 외부에 위치하는 정전류원(미도시)과 조합하여 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며 상기 확산영역(FD)의 전기적 포텐셜의 변화를 증폭한다.
상기 선택 트랜지스터(SX)는 행 단위로 읽어낼 상기 단위 픽셀을 선택하는 역할을 할 수 있다. 행 선택 라인(SEL)에 의해 제공되는 바이어스에 의해 선택 트랜지스터(SX)가 작동(turn on)되면 상기 증폭 트랜지스터(SX)의 드레인과 연결된 전원 전압이 상기 선택 트랜지스터(SX)의 드레인 전극으로 인가된다.
전송 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX) 및 선택 트랜지스터(SX)의 구동 신호 라인들(TG1. TG2, RS, SEL)은 동일한 행에 포함된 단위 픽셀(P)들이 동시에 구동되도록 행 방향(수평 방향)으로 연장된다.
도 5는 도 3에 도시된 단위픽셀을 I-I' 방향을 따라 절단한 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 상기 이미지 센서(1000)의 단위픽셀(P)은 화소 분리막(110)에 의해 한정되어 다수의 단위픽셀 영역(UPR)을 구비하는 반도체 기판(100)의 내부에 구비되고 단위픽셀(P)의 내부에서 변환 분리막(120)에 의해 분리되고 입사광에 대응하는 광전하를 생성하는 다수의 광전 변환소자(200)와 상기 단위픽셀(P) 별로 배치되고 상기 입사광을 분할하여 상기 각 광전 변환소자로 동일한 세기를 갖는 분할광을 공급하는 광분할 요소(optical divider,500)를 구비한다.
상기 기판(100)은 반도체 층을 구비하는 반도체 기판을 포함한다. 예를 들면, 상기 기판(100)은 불순물이 도핑된 실리콘 웨이퍼 또는 SOI(silicon on insulator, SOI) 기판을 포함하고 배선 구조물(300)이 배치되는 전면(101)과 상기 전면(101)에 대칭적인 후면(102)을 갖는다. 본 실시예의 경우, 상기 기판은 p형 불순물이 도핑된 반도체 기판으로 구성되고 상기 단위 픽셀(P)은 후면(102)에 마이크로 렌즈 (ML) 및 칼라필터(CF)가 배치되어 입사광이 후면(102)을 통하여 입사되는 후면 수광(backside illumination, BSI) 구조를 갖는다.
상기 화소 분리막(110)은 기판(100)을 구분하여 입사광에 대응하여 광전하를 생성하는 활성영역으로 단위픽셀 영역(unit pixel region, UPR)을 정의한다. 예를 들면, 상기 화소 분리막(110)은 상기 기판(100)을 관통하여 전면(101)과 후면(102)을 연결하는 관통 구조물로 제공된다. 그러나, 상기 화소 분리막(110)은 관통 구조물에만 한정되는 것이 아님은 자명하다.
본 실시예의 경우, 상기 화소 분리막(110)은 상기 기판(100)보다 작은 굴절률을 갖는 절연물질을 포함하는 깊은 트렌치 분리막(deep trench isolation (DTI) layer)으로 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 단위픽셀 영역(UPR)으로 입사된 광을 광전변환 소자(200)로 반사시킬 수 있다. 상기 화소분리막(110)은 질화물이나 불순물이 도핑된 폴리실리콘으로 형성될 수 있다.
상기 변환 분리막(120)은 상기 기판(100)의 배면(102)으로부터 광전변환 소자(200)보다 깊은 깊이를 갖도록 배치되어 깊은 트렌치 절연(DTI) 패턴으로 제공될 수 있다.
이때, 상기 변환 분리막(120)은 기판(100)보다 작은 굴절률을 갖는 물질로 형성되어 광전변환 소자(200)의 내부로 공급된 분할광이 인접한 광전변환 소자(200)로 공급되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 서로 인접한 다수의 광전변환 소자(200)는 광학적으로 서로 분리될 수 있다.
뿐만 아니라, 후술하는 광분할 요소(500)는 상기 변환 분리막(120)의 상부에 배치되고 상기 버퍼막(400)의 굴절률보다 작고 변환 분리막(120)의 굴절률보다는 작거나 같은 굴절률을 갖도록 구성된다. 즉, 상기 변환 분리막(120)은 상기 광분할 요소(500) 보다는 크거나 같고 상기 기판(100)보다는 작은 굴절률을 갖는 절연물질로 구성된다.
광분할 요소(500)와 변환 분리막(120)이 동일한 굴절률을 갖는 경우 상기 분할광은 각 광전변환 소자(200)로 직진하고, 광분할 요소(500)의 굴절률이 변환 분리막(120)의 굴절률보다 작은 경우 상기 분할광은 상기 기판(100)의 깊이 방향을 따라 굴절될 수 있다. 이에 따라, 각 광전변환 소자(200)의 깊이방향으로 공급되는 광량을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 변환 분리막(120)으로부터 각 광전변환 소자(200)로 광이 입사하는 경우, 상기 광전변환 소자(200)가 더 큰 굴절률을 가지므로 포토 다이오드(PD1,PD2)의 깊이방향보다는 폭방향으로 공급되는 광량을 높일 수 있다. 이에 따라, 상기 광전변환 소자(200)의 광전하 생성효율을 높일 수 있다.
상기 광전 변환소자(200)는 상기 단위픽셀 영역(UPR)의 내부에 다수 배치된다. 예를 들면, 상기 광전 변환소자(200)는 제1 불순물 영역(210)과 상기 제1 불순물 영역(210) 상에 배치된 제2 불순물 영역(220)을 구비하는 다이오드 구조물을 포함한다. 본 실시예의 경우, 상기 광전 변환소자(200)는 제1 방향(x)을 따라 변환 경계영역(CB)만큼 이격되도록 배치되는 제1 및 제2 포토 다이오드(PD1,PD2)를 포함한다. 그러나, 상기 이미지 센서(1000)의 구조와 특성에 따라 상기 광전 변환소자(200)는 3개 이상의 포토 다이오드로 구성될 수 있음은 자명하다. 예를 들면, 상기 광전 변환소자(200)는 제1 및 제2 방향(x,y)을 따라 정방형 매트릭스 형상으로 배치되는 제1 내지 제4 포토 다이오드로 구성될 수도 있다.
상기 제1 불순물 영역(210)은 기판(100)의 전면(101)에 인접하도록 배치되고 p형 불순물로 도핑된 영역이며, 제2 불순물 영역(220)은 기판(100)의 전면(101)으로부터 깊게 제공되고 n형 불순물이 도핑된 영역일 수 있다. 상기 전면(101)과 인접한 기판(100)의 내부에 확산영역(FD)이 배치된다. 상기 확산영역(FD)은 기판(100)과 상이한 도전형을 갖는 물질로 도핑된 도핑영역일 수 있다. 상기 확산영역(FD)은 n형 또는 p형 불순물로 도핑될 수 있다. 본 실시예의 경우, 상기 제2 불순물 영역(220)은 기판(100)의 후면(102)과 나란하게 배치되는 것을 개시하지만 후면(102)보다 낮게 배치되어 단위픽셀 영역(UPR)의 내부에 매립되는 형태로 제공될 수도 있다.
상기 기판(100)의 전면에 제1 및 제2 포토 다이오드(PD1,PD2)로부터 생성되는 광전하를 확산영역(FD)으로 전송하는 제1 및 제2 전송 게이트(TG1,TG2)가 배치된다. 상기 제1 및 제2 전송 게이트(TG1,TG2)는 상기 전송 트랜지스터(TX)를 형성하여 상기 리셋신호에 연동하여 상기 각 포토 다이오드(PD1,PD2)로부터 확산영역(FD)으로 광전하를 전송할 수 있는 전송신호를 선택적으로 인가한다.
본 실시예의 경우, 상기 전송 게이트(TG1,TG2)는 전면(101)으로부터 함몰되어 배치되는 리세스 게이트를 개시하지만, 상기 광전 변환소자(200)의 구조에 따라 플랫 타입(flat type)이나 매립 타입(buried type)의 게이트 구조물도 이용할 수 있음은 자명하다.
상기 확산 영역(FD)은 단위픽셀 영역(UPR) 내에서 제1 면(101)에 인접하여 배치된다. 예를 들면, 상기 확산 영역(FD)은 n형 불순물이 도핑된 웰 영역으로 제공될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 상기 단위픽셀 영역(UPR) 상에 광전하를 임시로 저장할 수 있는 전하 버퍼(미도시)를 더 배치하여 광전 변환소자(200)에서 생성 및 축적된 전하가 상기 전하 버퍼에 저장된 후 상기 확산영역(FD)으로 한꺼번에 전달되도록 구성할 수도 있다. 이에 따라, 광전하의 전송 시간 지연으로 인한 이미지의 왜곡을 방지할 수 있다.
상기 기판(100)의 제1 면(101) 상에 배선 구조물(300)이 배치될 수 있다. 배선 구조물(300)은 제1 면(101) 상에 배치된 전송 트랜지스터(TX)를 덮는 층간 절연막(310), 상기 층간 절연막(310) 상에 적층되는 다수의 배선간 절연막(320) 및 상기 배선간 절연막(320)의 상면에 배치되는 배선 구조물을 포함한다. 상기 배선 구조물(330)은 언급한 바와 같은 이미지 신호 검출소자들의 신호라인 및 상기 이미지 데이터 처리회로(C)와 연결되는 주변부 배선라인을 포함한다.
상기 기판(100)의 제2 면(102) 상에 버퍼막(400)이 배치된다. 상기 버퍼막(400)은 평탄화막, 반사 방지막 또는 보호막과 같은 다양한 막질이 단일막 또는 다층막의 형태로 배치될 수 있다. 본 실시예의 경우, 상기 버퍼막(400)은 반사 방지막을 구비하는 다층막의 형태로 제공된다.
상기 버퍼막(400)의 내부 또는 상면에 입사광을 분할하여 개별적으로 상기 다수의 광전 변환소자(200)로 공급하는 광분할 요소(500)가 배치된다. 이때, 상기 광분할 요소(500)는 상기 버퍼막(400)보다 작은 굴절률을 갖고 상기 광전 변환소자(200)들의 변환 경계영역(CB)에서 상기 버퍼막(400) 상에 배치된다.
도 6a 내지 도 6e는 도 5에 도시된 광분할 요소의 다양한 실시예를 나타내는 도면들이다.
상기 광분할 요소(500)는 상기 변환 경계영역(CB)을 따라 연장하는 선형 패턴 또는 상기 변환 경계영역(CB)을 따라 연장하는 라인 트렌치를 공기로 충진한 에어 트렌치로 구성될 수 있다.
일실시예로서, 도 6a에 도시된 바와 같이 상기 광분할 요소(500)는 상기 버퍼막(400)을 관통하여 하면은 상기 변환 분리막(120)과 접촉하고 상면은 상기 버퍼막(400)과 동일한 평면상에 위치하는 라인패턴(LP)으로 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 버퍼막(400)이 질화물로 구성되는 반사 방지막으로 구성되는 경우, 상기 라인패턴(LP)은 상기 반사 방지막을 관통하고 반사 방지막보다 작은 굴절률을 갖는 산화패턴으로 구성된다. 이에 따라, 상기 라인패턴(LP)은 반사 방지막의 내부에 배치된 빔 스플리터(beam splitter)로 기능할 수 있다.
특히, 상기 라인패턴(LP)은 도 6b에 도시된 바와 같이 상기 라인패턴(LP)의 내부에 공기로 충진된 보이드 공간인 에어 갭(AG)을 더 구비하여 상기 라인패턴(LP)의 굴절률을 반사 방지막의 굴절률 보다 더욱 작게 형성할 수 있다.
이와 달리, 상기 버퍼막(400)이 다층막으로 구성된 경우 상기 광분할 요소(500)는 상기 다층막을 구성하는 구성막의 적어도 어느 하나의 층에 배치되도록 구성할 수 있다.
예를 들면, 상기 버퍼막(400)이 상기 기판의 배면(102)에 형성된 반사 방지막(410), 평탄화막 (420) 및 보호막(430)으로 구성된 경우, 상기 라인패턴(LP)은 도 6c에 도시된 바와 같이 상기 변환 경계영역(CB)에 대응하는 평탄화막(420)을 따라 형성되거나 도 6d에 도시된 바와 같이 변환 경계영역(CB)에 대응하는 반사 방지막(410) 및 보호막(430)에 배치될 수도 있다. 이때, 상기 라인패턴(LP)의 구성은 버퍼막(400)을 구성하는 구성막의 개수와 물성 및 상기 광분리 요소(500)에 요구되는 굴절률의 크기에 따라 다양하게 배치될 수 있음은 자명하다.
이와 달리, 상기 광분할 요소(500)는 도 6e에 도시된 바와 같이 다층막으로 구성되는 상기 버퍼막(400)의 내부에서 상기 변환 경계영역(CB)을 따라 연장하는 라인 트렌치를 공기로 충진한 에어 트렌치(AT)로 구성할 수도 있다.
상기 광분할 요소(500)는 단위픽셀(P)로 공급되는 입사광을 분할함으로써 단위픽셀(P)을 구성하는 광전 변환소자인 각 포토 다이오드(PD1,PD2)는 광분할 요소(500)에 의해 분할된 광에 의해 개별적으로 활성화된다. 이에 따라, 상기 광분할 요소(500)는 각 포토 다이오드(PD1,PD2)에 대하여 개별적인 광 조사점으로 기능하게 된다.
본 실시예의 경우에서는 단위픽셀(P)에 배치되는 다수의 광전 변환소자(200)는 제1 방향(x)을 따라 이격되어 배치되는 한 쌍의 포토 다이오드(PD1,PD2)로 구성되어 광분할 요소(500)는 상기 한 쌍의 포토 다이오드(PD1,PD2) 사이의 변환 경계영역(CB) 상에서 제2 방향(y)을 따라 연장하는 라인패턴으로 제공된다. 그러나, 상기 광분할 요소(500)는 광전 변환소자(200)의 구성에 따라 다양하게 배치될 수 있음은 자명하다.
예를 들면, 상기 광전 변환소자(200)가 2x2 정방형 매트릭스 형으로 배치된 4개의 포토 다이오드로 제공되는 경우, 상기 광분할 요소(500)는 제1 방향(x)을 따라 포토 다이오드를 분리하는 횡방향 변환 경계영역을 따라 연장하는 횡방향 라인패턴과 제2 방향(y)을 따라 포토 다이오드를 분리하는 종방향의 변환 경계영역을 따라 연장하는 종방향 라인패턴이 서로 교차하는 메시 패턴(meshy pattern)으로 제공될 수도 있다.
도 7a는 본 발명의 일실시예에 따라 도 6a에 도시된 광분할 요소를 나타내는 평면도이며, 도 7b는 도 7a에 도시된 광분할 요소의 변형 실시예를 나타내는 평면도이다.
도 7a를 참조하면, 단위픽셀(P)의 상면을 덮는 버퍼막(400)의 하부에 제1 방향(x)을 따라 한 쌍의 포토 다이오드(PD1,PD2)가 배치되고 상기 광분할 요소(500)는 상기 포토 다이오드(PD1,PD2) 사이의 변환 경계영역(CB) 상부에서 제2 방향(y)을 따라 연장하는 라인패턴으로 제공된다.
상기 광분할 요소(500)는 버퍼막(400)보다 굴절률이 작은 물질로 구성되어 단위픽셀(P)로 입사하는 광을 분할하는 빔 스플리터(beam splitter)로 기능하고, 상기 광분할 요소(500)가 위치하는 영역은 단위픽셀(P)로 입사하는 광의 입사점을 포함하도록 위치한다. 따라서, 상기 단위픽셀(P)의 이미지 센서(1000)에서의 상대적인 위치에 따라 입사점은 변경될 수 있으므로 입사점의 변경에 따라 상기 광분할 요소(500)도 함께 천이될 수 있다.
광분할 요소가 구비되지 않은 종래의 이미지 센서의 변환 경계영역(CB)으로 경사광이 입사하는 경우, 경사광의 조사방향과 각 포토 다이오드(PD1,PD2)의 배치관계에 따라 공급되는 광량의 차이가 발생하므로 동일한 단위픽셀(P)의 각 포토 다이오드(PD1,PD2)에서 생성되는 광전하의 밀도는 달라질 수 있다.
그러나, 상기 광분할 요소(500)는 상기 변환 경계영역(CB)의 상부에서 단위픽셀(P)로 입사하는 경사광을 분할하여 각 포토 다이오드(PD1,PD2)로 공급되는 분할광을 형성한다. 이에 따라, 상기 분할광은 상기 광분할 요소(500)를 시점(starting point)으로 하고 각 포토 다이오드(PD1,PD2)를 투과하는 독립적인 광으로 취급할 수 있다.
따라서, 각 포토 다이오드(PD1,PD2)로 입사하는 분할광의 광량을 동일하게 설정한다면 입사광의 경사각과 무관하게 각 포토 다이오드(PD1, PD2)에서 생성되는 광전하의 밀도를 동일하게 유지할 수 있다.
이때, 상기 입사광의 경사각과 상기 단위픽셀(P) 내에서의 포토 다이오드(PD1,PD2)의 배치에 따라 상기 광분할 요소(500)의 위치와 형상을 변경함으로써 각 포토 다이오드(PD1,PD2)로 공급되는 분할광의 세기를 동일하게 조절할 수 있다. 각 단위픽셀(P)에서 분할광의 세기를 조절하여 각 포토 다이오드(PD1,PD2)에서 생성되는 광전하의 밀도를 균일하게 위상차 자동초점 검출의 정확도를 높일 수 있다.
도 7b를 참조하면, 광분할 요소(500)는 상기 포토 다이오드(PD1,PD2) 사이의 변환 경계영역(CB) 상에서 제2 방향(y)을 따라 연장하는 라인형상의 제1 분할기(501) 및 상기 포토 다이오드(PD1,PD2)의 상부에서 상기 제1 방향(x)을 따라 연장하는 제2 분할기(502)를 포함한다. 이에 따라, 상기 광분할 요소(500)는 단위픽셀(P)의 상면에서 포토 다이오드(PD1,PD2)의 경계영역을 연장하고 동시에 포토 다이오드(PD1,PD2)의 상부를 부분적으로 커버하는 교차패턴(cross pattern)으로 제공된다.
입사광이 제1 분할기(501)에 의해 분할되어 개별적으로 각 포토 다이오드(PD1,PD2)로 조사되면, 상기 제1 분할기(501)에서의 산란과정에 의해 포토 다이오드(PD1,PD2) 사이의 비대칭 크로스 토크(cross talk)에 의해 각 포토 다이오드(PD1,PD2)로부터 검출되는 이미지 신호들 사이의 간섭이나 노이즈가 증가할 수 있다. 상기 이미지 신호의 비대칭 크로스 토크는 경사광의 분할에 의한 분할광의 비대칭성에 기인한다. 이에 따라, 제1 분할기(501)와 수직한 방향으로 제2 분할기(502)를 배치하여 분할광을 각 포토 다이오드(PD1,PD2)로 재분할함으로써 크로스 토크의 대칭성을 높일 수 있다.
상기 버퍼막(400)상에 컬러 필터(CF) 및 마이크로 렌즈(ML)가 단위픽셀(P) 단위로 배치될 수 있다. 상기 컬러 필터(CF)는 매트릭스 형태로 배열된 컬러 필터 어레이에 포함될 수 있다. 본 실시예의 경우, 상기 컬러 필터(CF)는 레드 필터, 그린 필터 및 블루 필터를 포함하는 베이어 패턴(Bayer pattern)을 가질 수 있다. 이와 달리, 상기 컬러 필터(CF)는 옐로우 필터, 마젠타 필터 및 시안 필터를 구비할 수도 있다.
상기 단위픽셀(P)은 다수의 광전 변환소자(200)들을 포함하고 동일한 단위픽셀(P)에 포함된 광전 변환소자(200)들은 컬러 필터(CF) 및 마이크로렌즈(ML)를 공유한다. 따라서, 상기 단위픽셀(P)에서 검출되는 이미지 신호는 녹색, 적색 및 청색 중의 어느 하나의 칼라 이미지에 관한 전기적 신호이다.
이하, 본 발명의 일실시예에 의한 광분할 요소에 의한 이미지 신호의 교차점 위상을 일치시켜 위상차 자동초점(PAF)의 정확도를 개선하는 과정을 상세하게 설명한다.
도 8a는 단위 픽셀당 한 쌍의 포토 다이오드를 구비하는 종래의 듀얼 이미지 센서의 중앙부에 배치된 단위픽셀로 수직광이 입사하는 경우 각 포토 다이오드로 공급되는 광의 광경로를 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 8b는 종래의 듀얼 이미지 센서(1000)의 주변부에 배치된 단위픽셀로 경사광이 입사하는 경우 포토 다이오드로 공급되는 광의 광경로를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 8a 및 8b를 참조하면, 광학렌즈를 통하여 이미지 센서로 공급되는 광은 이미지 센서의 중앙부를 기준으로 피사체와의 초점을 조정한다. 따라서, 피사체와의 초점이 정확하게 설정된 경우 입사광은 이미지 센서의 중앙부에서는 이미지 센서에 대하여 실질적으로 수직하게 입사하고 주변부에서는 중앙부를 향하도록 경사지게 입사한다.
이때, 이미지 센서의 중앙부로 수직하게 입사하는 수직광(vertical beam, VB)과 경사지게 입사하는 경사광(slanted beam, SB)이 동일한 초점을 형성할 수 있도록 이미지 센서 주변부의 마이크로 렌즈(ML)와 칼라필터(CF)를 천이시켜 경사광(SB)의 입사점(incident point, I)을 조절한다. 따라서, 이미지 센서(1000)의 각 단위픽셀(P)에서의 광 입사점(I)은 상이할 수 있지만 피사체에 대한 이미지 센서의 초점은 단일하게 형성하기 위한 입사점(I)은 각 단위픽셀(P)에서 고유하게 특정된다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 이미지 센서의 중앙부로 수직하게 입사한 수직광(VB)은 포토 다이오드(PD1,PD2)의 경계영역 상부에 배치된 입사점(I)으로부터 균일하게 방사되어 각 포토 다이오드(PD1,PD2)로 동일한 광량을 공급한다. 이에 따라, 이미지 센서의 중앙부에 배치된 각 단위픽셀(P)의 이미지 신호 교차점(cross point)에서 포커스 위상의 편차는 크게 발생하지 않는다.
그러나, 도 8b에 도시된 바와 같이, 이미지 센서의 주변부로 경사지게 입사한 경사광(SB)은 포토 다이오드(PD1,PD2)의 경계영역 상부의 입사점(I)으로부터 상기 경사광(SB)의 진행방향을 따라 균일하게 방사되므로, 제2 포토 다이오드(PD2)보다 제1 포토 다이오드(PD1)로 더 많은 광량이 공급된다. 이에 따라, 제1 및 제2 포토 다이오드(PD1,PD2)로부터 검출되는 이미지 신호의 포커스 위상은 대응하는 중앙부 단위픽셀의 포커스 위상과 일치하지 않게 된다.
특히, 상기 경사광(SB)의 파장에 따라 단위픽셀(P)로 흡수되는 투과깊이가 달라지므로, 상기 모자이크 픽셀(MP)을 구성하는 레드, 그린 및 블루 단위픽셀(R,G,B)의 포커스 위상들의 편차가 커지게 된다.
가장 짧은 파장을 갖는 블루광(B)은 가장 짧은 투과깊이를 갖고 가장 긴 파장을 갖는 레드광(R)은 가장 큰 투과깊이를 갖는다. 이에 따라, 동일한 경사광(SB)이 상기 입사점(I)으로 조사되더라도 레드, 블루, 그린 단위픽셀(R,G,B)의 각 포토 다이오드로부터 검출되는 이미지 신호는 서로 다른 편차를 갖게 된다. 따라서, 레드, 블루, 그린 단위픽셀(R,G,B)의 각 이미지 신호 교차점의 위치도 달라지고 포커스 위상도 달라진다.
도 8c는 도 8b에 도시된 단위픽셀로부터 검출된 단위색광별 이미지 신호의 응답 특성(response characteristics)을 나타내는 그래프이다.
도 8c를 참조하면, 도 8b에 도시된 각 단위픽셀로부터 검출되는 이미지 신호의 포커스 위상은 단위픽셀로 입사되는 경사광(SB)의 파장과 투과깊이에 따라 서로 다르게 검출된다.
가장 큰 파장과 투과깊이를 갖는 적색광이 입사하는 레드 단위픽셀(R)의 이미지 신호 교차점(CR)에서의 레드 포커스 위상(P2)은 가장 작고 가장 짧은 파장과 투과깊이를 갖는 청색광이 입사하는 블루 단위픽셀(B)의 이미지 신호 교차점(CB)에서의 블루 포커스 위상(P1)이 가장 크게 검출된다. 적색광과 청색광 사이의 파장과 투과깊이를 갖는 녹색광이 입사하는 그린 단위픽셀(G)의 이미지 신호 교차점(CG)에서의 그린 포커스 위상(P0)은 레드 포커스 위상(P2)보다 크고 블루 포커스 위상(P1)보다 작은 값으로 검출된다. 이때, 각 이미지 신호 교차점에서의 이미지 신호의 세기는 투과깊이가 가장 작은 청색광이 가장 약하고 단위픽셀의 개수가 많은 녹색광이 가장 높게 검출된다.
따라서, 자동으로 초점이 설정된 경우에도 이미지 센서의 주변부에서는 각 단위픽셀의 포커스 위상이 일치하지 않아 이미지 센서로부터 수득되는 이미지의 색상품질을 저하시킨다.
도 9a는 본 발명의 일실시예에 의한 광분할 요소를 구비하는 듀얼 이미지 센서의 주변부에 배치된 단위픽셀로 경사광이 입사하는 경우 포토 다이오드로 공급되는 분할광의 광경로를 개념적으로 나타내는 도면이다. 도 9b는 도 9a에 도시된 단위픽셀로부터 검출된 단위 색광별 이미지 신호의 응답 특성(response characteristics)을 나타내는 그래프이다.
도 9a를 참조하면, 이미지 센서(1000)의 주변부로 경사지게 입사한 경사광(SB)은 포토 다이오드(PD1, PD2)의 변환 경계영역(CB) 상부의 입사점(I)을 포함하도록 배치된 광분할 요소(500)로부터 분할되어 제1 및 제2 포토 다이오드(PD1, PD2)로 동일한 광량을 공급하는 분할광(DB)을 형성한다.
이때, 상기 분할광(DB)은 제1 및 제2 포토 다이오드(PD1,PD2)로 동일한 광량을 공급하도록 물성과 구조가 조절된다. 즉, 상기 광분할 요소(500)는 입사점(I)으로 입사하는 경사광(SB)의 경사각을 고려하여 제1 및 제2 포토 다이오드(PD1,PD2)로 동일한 광량을 갖고 공급되도록 경사광(SB)을 분할한다.
이에 따라, 상기 분할광(DB)은 상기 광분할 요소(500)를 시점(starting point)으로 하여 제1 및 제2 포토 다이오드(PD1, PD2)를 향하여 개별적으로 진행하는 독립적인 광으로 취급할 수 있다. 예를 들면, 상기 광분할 요소(500)는 광을 양분하는 빔 스플리터로 구성하여 상기 경사광(SB)을 동일한 광량으로 분할한다. 이에 따라, 상기 분할광(DB)은 각 포토 다이오드로 동일한 광량을 공급할 수 있다.
동일한 파장을 갖는 광이 동일한 세기로 상기 광분할 요소(500)로부터 각 포토 다이오드를 향하여 개별적으로 조사되므로, 제1 및 제2 포토 다이오드(PD1,PD2)로부터 검출되는 이미지 신호는 실질적으로 동일한 세기를 갖게 된다. 따라서, 단일한 단위픽셀(P)로부터 검출되는 이미지 신호들의 세기편차를 실질적으로 제거할 수 있으므로, 각 포토 다이오드로부터 검출되는 이미지 신호들이 자동초점 교차점(AF cross point)은 동일한 위상에서 검출된다.
도 9b에 도시된 바와 같이, 레드, 그린 및 블루 단위픽셀(R,G,B)의 이미지 신호들의 AF 교차점(CR, CG, CB)에서 신호세기는 각각 상이할 수 있지만 각 AF 교차점에서의 포커스 위상(P)은 단일하게 검출된다.
따라서, 이미지 센서(1000)의 주변부에서 단위픽셀로 공급되는 광의 파장과 무관하게 단위픽셀의 자동검출 위상을 동일하게 검출하고 위상차 자동초점의 정확도를 현저하게 높일 수 있다.
선택적으로, 상기 광분할 요소(500)는 이미지 센서(1000)의 중앙부 단위픽셀(P)에도 배치될 수 있다.
중앙부 단위픽셀(P)에는 수직광(VB)이 공급되므로 경사광(SB)과 비교하여 각 포토 다이오드로 공급되는 광량의 차이는 크지 않다. 그러나, 상기 수직광(VB)을 인위적으로 양분하여 각 포토 다이오드(PD1,PD2)로 공급되는 광량을 동일하게 조절함으로써 각 포토 다이오드로 검출되는 이미지 신호의 편차를 의도적으로 제거할 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서(1000) 중앙부에서의 자동검출 정확도도 함께 높일 수 있다.
이에 따라, 상기 광분할 요소(500)는 이미지 센서(1000)의 중앙부로부터 주변부로 진행할수록 경사광(SB)의 경사각도와 진행방향에 따라 광학적 특성을 단계적으로 조절할 수 있다.
도 10은 이미지 센서(1000)의 중앙부 단위픽셀(P)로 입사하는 수직광이 분할광으로 분할되는 것을 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 광학렌즈를 통과한 광은 이미지 센서의 중앙부에 배치된 단위픽셀(P)의 입사점(I)으로 수직하게 수직광(VB)으로 입사하고, 상기 수직광(VB)은 입사점(I)에 배치된 광분할 요소(500)에 의해 분할광(DB)으로 분할되어 각 포토 다이오드(PD1,PD2)로 조사된다.
이때, 상기 광분할 요소(500)는 기하학적 중심(C)과 입사점(I)이 일치하도록 변환 경계영역(CB) 상에 배치되어 상기 수직광(VB)은 동일한 세기를 갖는 분할광(DB)으로 분할되어 각 포토 다이오드(PD1,PD2)로 공급된다.
이와 달리, 상기 입사점(I)으로 경사광이 입사하는 경우에는 경사광의 입사방향에 따라 각 포토 다이오드(PD1,PD2)로 동일한 광량이 공급되도록 상기 광분할 요소의 특성을 조절한다.
도 11a 및 도 11b는 이미지 센서의 좌측 주변부 단위픽셀로 입사하는 경사광이 분할광으로 분할되는 것을 나타내는 도면이다. 도 11a는 광분할 요소의 광학특성이 도 10과 동일한 경우의 분할광을 나타내는 도면이고, 도 11b는 광분할 요소의 광학특성을 조절하여 포토 다이오드로 동일한 광량이 조사되도록 조절한 경우의 도면이다.
도 11a를 참조하면, 우하방으로 진행하는 경사광(SB)이 상기 이미지 센서(1000)의 좌측 주변부 단위픽셀(P)로 입사하고 상기 광분할 요소(500)가 상기 변환 경계영역(CB)에서 도 9에 도시된 광분할 요소와 동일한 위치를 갖는 경우 단위픽셀(P) 내부에서 광분할 요소(500)의 광학적 특성은 동일하다. 따라서, 상기 경사광(SB)은 진행방향을 따라 동일한 세기로 분할되므로 제1 포토 다이오드(PD1) 보다는 광의 진행경로와 상대적으로 더욱 근접하게 위치하는 제2 포토 다이오드(PD2)로 상대적으로 더 많은 광량이 공급된다.
이에 따라, 도 10b에 도시된 바와 같이 상기 광분할 요소(500)를 제1 방향(x)을 따라 좌측으로 일정거리만큼 천이시켜 상기 입사점(I)이 기하학적 중심(C)의 좌측부에 배치되도록 조절한다. 이와 같은 광분할 요소(500)의 천이(shift)에 의해 각 포토 다이오드(PD1, PD2)로 동일한 세기를 갖는 분할광(DB)을 조사할 수 있다.
이때, 상기 광분할 요소(500)의 천이량은 공급되는 경사광(SB)의 경사각에 따라 달라질 수 있다. 이미지 센서(1000)의 중심부와 인접한 영역에서는 수직광(VB)을 기준으로 한 경사각이 크지 않으므로 광분할 요소(500)의 좌측 천이량은 상대적으로 작고 이미지 센서(1000)의 에지부에서는 경사각이 크므로 광분할 요소(500)의 천이량은 상대적으로 크게 설정한다.
상기 광분할 요소(500)의 천이량만으로 분할광(DB)의 세기를 동일하게 유지하기 어려운 경우에는 광분할 요소(500)의 물성이나 형상을 변경하여 분할광의 세기가 동일하도록 조절할 수 있다.
경사광이 이미지 센서(1000)의 우측 주변부 단위픽셀로 입사하는 경우, 상기 광분할 요소(500)를 제1 방향(x)을 따라 우측으로 일정거리만큼 천이시켜 입사점(I)이 기하학적 중심(C)의 우측부에 배치되도록 조절함으로써 동일한 광학적 효과를 달성할 수 있다. 이에 따라, 경사광이 우측 주변부 픽셀로 입사하는 경우에 대한 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
이에 따라, 상기 이미지 센서(1000)는 단일한 초점을 형성하도록 수직광(VB) 및 경사광(SB)을 각 단위픽셀(P)에 대응하는 입사점(I)으로 조사하고 상기 광분할 요소(500)는 대응하는 단위픽셀(P)의 입사점(I)에 각각 서로 다른 광학적 특성을 갖도록 배치되어 광의 진행방향과 경사각도에 따라각 포토 다이오드(PD1,PD2)로 동일한 세기로 광을 공급한다.
본 실시예에서는 후면 수광(back side illumination, BSI) 구조를 갖는 이미지 센서(1000)를 개시하고 있지만, 다수의 광전 변환소자를 구비하는 단위픽셀로 구성되는 듀얼 픽셀 이미지 센서라면 반드시 후면 수광 이미지 센서에만 적용되지 않음은 자명하다.
상술한 바와 같은 이미지 센서(1000)에 의하면, 다수의 광전 변환소자(200)를 구비하는 단위픽셀(P)의 입사점(I)에 주변부보다 작은 굴절률을 갖는 광분할 요소(500)를 배치하여 각 광전 변환소자(200)로 동일한 세기를 갖는 분할광을 공급한다. 이에 따라, 상기 단위픽셀(P)로 입사되는 입사광의 경사각이나 파장에 상관없이 단위픽셀의 각 광전 변환소자로부터 검출되는 이미지 신호들의 자동초점 교차점(AF cross point)에서의 위상각인 포커스 위상을 동일하게 조절할 수 있다. 이에 따라, 상기 이미지 센서의 자동초점 정확도를 높이고 수득되는 이미지의 칼라품질을 높일 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 의한 이미지 센서를 나타내는 단면도이고, 도 13은 도 12에 도시된 이미지 센서의 변형례를 나타내는 단면도이다. 도 12 및 도 13에 도시된 이미지 센서는 상기 화소 분리막(110)의 상부에 입사광을 상기 단위픽셀(P)로 반사하는 그리드 패턴(600)을 더 구비하는 것을 제외하고는 도 5에 도시된 이미지 센서와 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 5와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
도 12를 참조하면, 상기 버퍼막(400)을 관통하여 화소 분리막(110)과 접촉하고 경사광(SB)을 단위픽셀(P)로 반사하는 그리드 패턴(600)이 배치된다. 상기 그리드 패턴(600)은 단위픽셀(P)을 둘러싸는 라인패턴으로 제공되고 광을 차단하는 차광물질로 구성될 수 있다. 즉, 상기 버퍼막(400)의 상부에서 상기 단위픽셀(P)을 둘러싸는 폐곡선 형태의 라인패턴으로 제공될 수 있다.
상기 칼라필터(CF)들은 인접하는 그리드 패턴(600)에 걸치도록 배치되어 각 단위픽셀(P)별로 제공된다. 이에 따라, 상기 단위픽셀(P)로 특정한 파장을 갖는 광만 입사된다.
이때, 상기 칼라필터(CF)를 경유한 광(SB)이 기판(100)에 대하여 경사지게 입사하는 경우, 상기 칼라필터(CF)에 대응하는 단위픽셀과 인접한 단위픽셀로 입사하여 크로스 토크를 발생하고 이미지 신호의 감도를 저하 시킬 수 있다.
그러나, 상기 그리드 패턴(600)이 단위픽셀(P)의 상부에 배치되는 경우, 경사광(SB)이 칼라필터를 통과하여 인접 단위픽셀(P)로 입사하는 경우 상기 그리드 패턴(600)에 의해 반사되어 당해 단위픽셀(P)로 반사된다. 이에 따라, 인접한 단위픽셀(P) 사이의 크로스 토크와 이미지 신호의 감도저하를 방지할 수 있다.
상기 그리드 패턴(600)은 버퍼막(400)을 관통하여 배치되는 경우 뿐만 아니라 도 13에 도시된 바와 같이 버퍼막(400)의 상면에 배치되어 칼라필터(CF)만 구분하도록 배치될 수도 있다.
상술한 바와 같은 이미지 센서에 의하면, 다수의 광전 변환소자를 구비하는 단위픽셀의 입사점에 주변부보다 작은 굴절률을 갖는 광분할 요소를 배치하여 각 광전 변환소자로 동일한 세기를 갖는 분할광을 공급한다. 이에 따라, 상기 단위픽셀로 입사하는 입사광의 경사각이나 파장에 상관없이 단위픽셀의 각 광전 변환소자로부터 검출되는 이미지 신호들의 자동초점 교차점(AF cross point)에서의 위상각인 포커스 위상을 동일하게 조절할 수 있다. 이에 따라, 상기 이미지 센서의 자동초점 정확도를 높이고 수득되는 이미지의 칼라품질을 높일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 반도체 기판 상에서 화소 분리막에 의해 한정되는 다수의 단위픽셀
    상기 단위픽셀의 내부에서 변환 분리막에 의해 분리되고 입사광에 대응하는 광전하를 생성하는 다수의 광전 변환소자 및
    상기 기판의 배면 상에서 상기 단위픽셀 별로 배치되고, 상기 입사광을 분할하여 상기 각 광전 변환소자로 동일한 세기를 갖는 분할광을 공급하는 광 분할요소(optical divide element)를 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판의 배면 상에 배치된 버퍼막
    상기 버퍼막 상에 상기 단위픽셀 별로 배치되어 특정 파장을 갖는 색광만 선택적으로 투과시키는 칼라필터 및
    상기 칼라필터 상에 배치되는 마이크로 렌즈를 더 포함하고,
    상기 광 분할요소는 상기 버퍼막보다 작은 굴절률을 갖고 상기 광전 변환소자들의 변환 경계영역에 배치되는 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 광전 변환소자들은 상기 단위픽셀의 내부에서 제1 방향을 따라 이격되도록 배치되어 상기 기판에 의해 상기 변환 경계영역의 폭만큼 이격되는 한 쌍의 p-n 접합 다이오드를 포함하는 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서, 광 분할요소는 상기 제1 방향과 실질적으로 수직한 제2 방향을 따라 연장하고 상기 버퍼막과 동일한 상면을 갖도록 배치된 제2 라인패턴을 구비하는 이미지 센서.
  5. 제4항에 있어서, 상기 광 분할요소는 상기 광전 변환소자의 상부를 상기 제1 방향을 따라 연장하고 상기 버퍼막과 동일한 상면을 갖도록 배치되는 제1 라인패턴을 더 구비하여 상기 변환 경계영역에서 상기 제1 라인 패턴 및 제2 라인패턴이 서로 교차하는 크로스 패턴으로 제공되는 이미지 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 라인패턴은 내부에 배치된 에어 갭(air gap)을 더 구비하는 이미지 센서.
  7. 제4항에 있어서, 상기 버퍼막은 산화물을 포함하고 상기 광분할 요소는 질화물을 포함하는 이미지 센서.
  8. 제4항에 있어서, 상기 버퍼막은 다수의 구성막으로 구성된 다층막을포함하고 상기 광 분할요소는 상기 구성막 중의 어느 하나에 위치하는 이미지 센서.
  9. 제4항에 있어서, 상기 버퍼막은 다수의 구성막으로 구성된 다층막을포함하고 상기 광 분할요소는 상기 구성막 중의 최하부 및 최상부 구성막 에 위치하는 이미지 센서.
  10. 제4항에 있어서, 상기 버퍼막은 다수의 구성막으로 구성된 다층막을포함하고 상기 광 분할요소는 상기 다층막을 관통하여 상기 변환 분리막과 접촉하도록 위치하는 이미지 센서
  11. 제3항에 있어서, 상기 입사광은 상기 단위픽셀의 입사점으로 우하방으로 경사지게 입사하는 경우, 상기 광분할 요소는 기하학적 중심의 좌측부에 상기 입사점이 위치하는 이미지 센서.
  12. 제3항에 있어서, 상기 입사광은 상기 단위픽셀의 입사점으로 좌하방으로 경사지게 입사하는 경우, 상기 광분할 요소는 기하학적 중심의 우측부에 상기 입사점이 위치하는 이미지 센서.
  13. 제2항에 있어서, 상기 버퍼막은 다수의 구성막으로 구성된 다층막을포함하고 상기 광 분할요소는 상기 버퍼막의 내부에서 상기 제1 방향과 실질적으로 수직한 제2 방향을 따라 연장하는 라인형상을 갖고 내부에 공기가 충진된 에어 트렌치를 포함하는 이미지 센서.
  14. 제1항에 있어서, 상기 화소 분리막은 상기 기판보다 작은 굴절률을 갖는 절연물질로 구성되고, 상기 변환 분리막은 상기 광 분할요소보다는 크거나 같고 상기 기판 보다는 작은 굴절률을 갖는 절연물질로 구성되는 이미지 센서.
  15. 제1항에 있어서, 상기 화소 분리막과 부분적으로 중첩하고 상기 단위픽셀을 둘러싸도록 배치되어 상기 기판에 대하여 경사지게 조사되는 상기 입사광을 상기 단위픽셀로 반사하는 그리드 패턴(grid pattern)을 더 포함하는 이미지 센서.
  16. 화소 분리막에 의해 한정되고 매트릭스 형상으로 배열된 다수 단위픽셀의 내부에서 변환 분리막에 의해 분리되도록 각각 배치되고 입사광에 대응하는 광전하를 생성하는 다수의 광전 변환소자 및 상기 기판의 배면 상에서 상기 단위픽셀 별로 배치되어 상기 입사광을 동일한 세기를 갖는 분할광으로 분할하여 상기 각 광전 변환소자로 공급하는 광 분할요소(optical divide element)를 구비하는 픽셀 어레이 및
    상기 픽셀 어레이와 전기적으로 연결되어 상기 이미지 신호를 처리하여 이미지 데이터를 생성하는 이미지 신호 처리부를 포함하는 이미지 센서.
  17. 제16항에 있어서, 상기 기판의 배면 상에 배치된 버퍼막, 상기 버퍼막 상에 상기 단위 픽셀 별로 배치되어 특정 파장을 갖는 색광만 선택적으로 투과시키는 칼라필터 및 상기 칼라필터 상에 배치되는 마이크로 렌즈를 더 포함하고, 상기 광 분할요소는 상기 버퍼막보다 작은 굴절률을 갖고 상기 광전 변환소자들의 변환 경계영역에 배치되는 이미지 센서.
  18. 제17항에 있어서, 상기 광전 변환소자들은 상기 변환 경계영역의 폭만큼 이격되는 한 쌍의 p-n 접합 다이오드를 포함하고 상기 광 분할요소는 상기 버퍼막의 내부에서 상기 변환 경계영역을 따라 배치되는 라인패턴을 구비하는 이미지 센서.
  19. 제18항에 있어서, 상기 라인패턴은 내부에 배치된 에어 갭을 더 구비하는 이미지 센서.
  20. 제17항에 있어서, 상기 버퍼막은 다수의 구성막으로 구성된 다층막을포함하고 상기 광 분할요소는 상기 버퍼막의 내부에서 상기 변환 경계영역을 따라 연장하는 라인형상을 갖고 내부에 공기가 충진된 에어 트렌치를 포함하는 이미지 센서.
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