KR20200119672A - 공유 픽셀들을 포함하는 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 개시의 일 실시예에 따른 공유 픽셀들을 포함하는 이미지 센서가 개시된다. 이미지 센서는, 기판 상에 배치되는 광 감지 소자를 각각 포함하는 복수의 서브 픽셀 영역들로 구성되는 제1 공유 픽셀 영역, 및 제1 공유 픽셀 영역을 정의하는 제1 소자 분리막을 포함하고, 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 광 감지 소자들은 제1 플로팅 디퓨젼 영역에 연결되고, 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 복수의 서브 픽셀 영역들 중 제1 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제1 서브 픽셀 영역 및 제2 서브 픽셀 영역은 제1 픽셀 그룹 영역을 구성하고, 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 복수의 서브 픽셀 영역들 중 제1 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제3 서브 픽셀 영역 및 제4 서브 픽셀 영역은 제2 픽셀 그룹 영역을 구성하고, 제1 픽셀 그룹 영역은 제1 도전형 불순물로 도핑된 제1 웰 영역을 공유하고, 제2 픽셀 그룹 영역은 제1 웰 영역과 이격되고 상기 제1 도전형 불순물로 도핑되는 제2 웰 영역을 공유할 수 있다.
Description
본 발명의 기술적 사상은 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 포토다이오드(photodiode)를 포함 공유 픽셀이 구비된 이미지 센서에 관한 것이다.
화상을 촬영하여 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서는 디지털 카메라, 휴대전화용 카메라 및 휴대용 캠코더와 같은 일반 소비자용 전자기기뿐만 아니라, 자동차, 보안장치 및 로봇에 장착되는 카메라에도 사용된다.
이미지 센서는 해상도를 높이기 위하여 픽셀의 크기가 지속적으로 감소되고 있으며, 픽셀 사이즈 감소에 따라 소자 분리막의 패턴 및 픽셀 내부의 도핑된 웰 패턴이 균일하게 형성되지 어려운 문제가 있다. 또한, 픽셀 사이즈 감소에도 불구하고 이미지의 화질을 충분히 확보할 필요가 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 풀 웰 용량이 증가되고 소자 분리막의 패턴 및 픽셀 내부의 도핑된 웰 패턴이 균일하게 형성될 수 있는 이미지 센서를 제공하는 데에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, 기판 상에 배치되는 광 감지 소자를 각각 포함하는 복수의 서브 픽셀 영역들로 구성되는 제1 공유 픽셀 영역, 및 제1 공유 픽셀 영역을 정의하는 제1 소자 분리막을 포함하고, 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 광 감지 소자들은 제1 플로팅 디퓨젼 영역에 연결되고, 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 복수의 서브 픽셀 영역들 중 제1 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제1 서브 픽셀 영역 및 제2 서브 픽셀 영역은 제1 픽셀 그룹 영역을 구성하고, 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 복수의 서브 픽셀 영역들 중 제1 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제3 서브 픽셀 영역 및 제4 서브 픽셀 영역은 제2 픽셀 그룹 영역을 구성하고, 제1 픽셀 그룹 영역은 제1 도전형 불순물로 도핑된 제1 웰 영역을 공유하고, 제2 픽셀 그룹 영역은 제1 웰 영역과 이격되고 상기 제1 도전형 불순물로 도핑되는 제2 웰 영역을 공유할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, 기판 상에 배치되는 광 감지 소자를 각각 포함하는 복수의 서브 픽셀 영역들로 구성되는 제1 공유 픽셀 영역, 제1 공유 픽셀 영역을 정의하는 제1 소자 분리막, 및 제1 공유 픽셀 영역의 내부에서 형성되는 제2 소자 분리막을 포함하고, 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 광 감지 소자들은 제1 플로팅 디퓨젼 영역에 연결되고, 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 복수의 서브 픽셀 영역들 중 제1 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제1 서브 픽셀 영역 및 제2 서브 픽셀 영역은 제1 픽셀 그룹 영역을 구성하고, 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 복수의 서브 픽셀 영역들 중 제1 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제3 서브 픽셀 영역 및 제4 서브 픽셀 영역은 제2 픽셀 그룹 영역을 구성하고, 제1 픽셀 그룹 영역 및 제2 픽셀 그룹 영역은 각각 제1 소자 분리막 및 제2 소자 분리막이 형성하는 폐곡면에 의해 정의될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는, 기판 상에 배치되는 광 감지 소자를 각각 포함하는 복수의 서브 픽셀 영역들로 구성되는 제1 공유 픽셀 영역, 및 제1 공유 픽셀 영역을 정의하는 소자 분리막을 포함하고, 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 광 감지 소자들은 제1 플로팅 디퓨젼 영역에 연결되고, 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 복수의 서브 픽셀 영역들 중 제1 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제1 서브 픽셀 영역 및 제2 서브 픽셀 영역은 제1 픽셀 그룹 영역을 구성하고, 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 상기 복수의 서브 픽셀 영역들 중 제1 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제3 서브 픽셀 영역 및 제4 서브 픽셀 영역은 제2 픽셀 그룹 영역을 구성하고, 제1 픽셀 그룹 영역 및 제2 픽셀 그룹 영역 각각의 중심 영역을 둘러싸는 바운더리 영역에 P형 불순물로 도핑된 웰 영역이 형성되고, 웰 영역은 상기 제1 픽셀 그룹 영역 및 상기 제2 픽셀 그룹 영역 각각의 상기 중심 영역과 이격될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 이미지 센서는 공유 픽셀에 포함된 제1 셀 그룹 및 제2 셀 그룹 단위로 픽셀 신호를 생성한다. 이 때, 하나의 셀 그룹이 형성되는 서브 픽셀 영역들은 불순물로 도핑된 웰 영역을 공유함으로써, 풀 웰 용량이 증가될 수 있고, 웰 영역 패턴의 크기가 증가되어 웰 영역 패턴이 균일하게 형성될 수 있다. 또한, 하나의 셀 그룹이 형성되는 서브 픽셀 영역들의 내부에 소자 분리막이 형성되지 않음으로써, 소자 분리막으로 인하여 발생되는 광 산란을 방지할 수 있고 광 수광 영역이 증가될 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 디지털 촬상 장치의 예시적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2의 픽셀 어레이에 포함된 제1 공유 픽셀 및 제2 공유 픽셀에 대한 회로도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면이다.
도 5a은 도 4의 X1-X2 단면도이고, 도 5b은 도 4의 Y1-Y2 단면도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면으로, 도 4의 X1-X2 단면도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면이다.
도 9a은 도 8의 X3-X4 단면도이고, 도 9b은 도 8의 Y3-Y4 단면도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면이다.
도 11a은 도 10의 X5-X6 단면도이고, 도 11b은 도 10의 Y5-Y6 단면도이다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2의 픽셀 어레이에 포함된 제1 공유 픽셀 및 제2 공유 픽셀에 대한 회로도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면이다.
도 5a은 도 4의 X1-X2 단면도이고, 도 5b은 도 4의 Y1-Y2 단면도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면으로, 도 4의 X1-X2 단면도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면이다.
도 9a은 도 8의 X3-X4 단면도이고, 도 9b은 도 8의 Y3-Y4 단면도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면이다.
도 11a은 도 10의 X5-X6 단면도이고, 도 11b은 도 10의 Y5-Y6 단면도이다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 디지털 촬상 장치(1000)의 예시적인 구조를 나타낸 도면으로서, 디지털 촬상 장치(1000)가 AF(Auto-Focus) 기능을 수행하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
본 개시의 일 실시예에 따른 디지털 촬상 장치(1000)는 촬상부(1100), 이미지 센서(100) 및 프로세서(1200)를 포함할 수 있다. 디지털 촬상 장치(1000)는 초점 검출 기능을 구비할 수 있다.
디지털 촬상 장치(1000)의 전체 동작은 프로세서(1200)에 의해 제어될 수 있다. 프로세서(1200)는 렌즈 구동부(1120), 조리개 구동부(1140), 제어부(120) 등에 각 구성 요소의 동작을 위한 제어 신호를 제공할 수 있다.
촬상부(1100)는 광을 수신하는 구성 요소로서, 렌즈(1110), 렌즈 구동부(1120), 조리개(1130), 조리개 구동부(1140)를 포함할 수 있다. 렌즈(1110)는 복수의 렌즈들을 구비할 수 있다.
렌즈 구동부(1120)는 프로세서(1200)와 초점 검출에 관한 정보를 통신할 수 있고, 프로세서(1200)에서 제공된 제어 신호에 따라 렌즈(1110)의 위치를 조절할 수 있다. 렌즈 구동부(1120)는 렌즈(1110)를 객체(2000)로부터의 거리가 증가하는 방향 또는 감소하는 방향으로 이동시킬 수 있다. 이로써, 렌즈(1110)와 객체(2000) 사이의 거리가 조절될 수 있다. 렌즈(1110)의 위치에 따라 객체(2000)에 대한 초점이 맞거나 흐려질 수 있다.
예를 들어, 렌즈(1110)와 객체(2000) 사이의 거리가 상대적으로 가까운 경우, 렌즈(1110)는 객체(2000)에 대한 초점을 맞추기 위한 초점 위치(In-focus Position)에서 벗어나 있을 수 있고, 이미지 센서(100)에 촬상된 이미지들 사이에 위상 차가 발생할 수 있다. 렌즈 구동부(1120)는 프로세서(1200)에서 제공된 제어 신호에 기초하여, 렌즈(1110)를 객체(2000)로부터의 거리가 증가하는 방향으로 이동시킬 수 있다.
또는, 렌즈(1110)와 객체(2000) 사이의 거리가 상대적으로 먼 경우, 렌즈(1110)는 초점 위치에서 벗어나 있을 수 있고, 이미지 센서(100)에 맺힌 이미지들 사이에 위상 차가 발생할 수 있다. 렌즈 구동부(1120)는 프로세서(1200)에서 제공된 제어 신호에 기초하여, 렌즈(1110)를 객체(2000)로부터의 거리가 감소하는 방향으로 이동시킬 수 있다.
이미지 센서(100)는 입사되는 광을 이미지 신호로 변환할 수 있다. 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(110), 제어부(120) 및 신호 처리부(130)를 포함할 수 있다. 렌즈(1110) 및 조리개(1130)를 투과한 광학 신호는 픽셀 어레이(110)의 수광면에 이르러 피사체의 상을 결상할 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 광학 신호를 전기 신호로 변환하는 CIS(Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor)일 수 있다. 이와 같은 픽셀 어레이(110)는 제어부(120)에 의해 감도 등이 조절될 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 AF 기능 또는 거리 측정 기능을 수행하기 위한 공유 픽셀들(Shared Pixels)을 포함할 수 있다.
프로세서(1200)는 신호 처리부(130)로부터 제1 픽셀 정보 및 제2 픽셀 정보를 수신하여 위상차 연산을 수행할 수 있고, 위상차 연산은 복수의 공유 픽셀들 픽셀 신호의 상관 연산을 실시하여 구할 수 있다. 프로세서(1200)는 위상차 연산 결과로 초점의 위치, 초점의 방향 또는 객체(2000)와 이미지 센서(100) 사이의 거리 등을 구할 수 있다. 프로세서(1200)는 위상차 연산 결과를 기초로 하여, 렌즈(1110)의 위치를 이동시키기 위해 렌즈 구동부(1120)로 제어 신호를 출력할 수 있다.
프로세서(1200)는 입력된 신호에 대해 노이즈를 저감하고, 감마 보정(Gamma Correction), 색필터 배열보간(color filter array interpolation), 색 매트릭스(color matrix), 색보정(color correction), 색 향상(color enhancement) 등의 화질 개선을 위한 이미지 신호 처리를 수행할 수 있다. 또한, 화질 개선을 위한 이미지 신호 처리를 하여 생성한 이미지 데이터를 압축 처리하여 이미지 파일을 생성할 수 있으며, 또는 상기 이미지 파일로부터 이미지 데이터를 복원할 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(110), 제어부(120), 신호 처리부(130), 로우 드라이버(140) 및 신호 독출부(150)를 포함할 수 있다. 신호 독출부(150)는 상관 이중 샘플러(Correlated-Double Sampling, 이하 CDS; 151), 아날로그-디지털 컨버터(Analog-Digital Converter, 이하 ADC; 153) 및 버퍼(155)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 제1 내지 제4 공유 픽셀(SPX1~SPX4)을 포함한 복수의 공유 픽셀들(SPX)을 포함할 수 있다. 복수의 공유 픽셀들(SPX)은 객체에 대응하는 이미지 신호들을 생성할 수 있다. 제1 공유 픽셀(SPX1) 및 제2 공유 픽셀(SPX2)에 대응하는 예시적인 회로는 도 3에서 후술하겠다.
공유 픽셀들(SPX) 각각은 대응하는 제1 내지 제n 컬럼 출력 라인(CLO_0~CLO_n-1)을 통해 픽셀 신호를 CDS(151)으로 출력할 수 있다. 예를 들어, 제1 공유 픽셀(SPX1) 및 제3 공유 픽셀(SPX3)은 제1 컬럼 출력 라인(CLO_0)과 연결되어 CDS(151)에 픽셀 신호를 제공할 수 있다. 제2 공유 픽셀(SPX2) 및 제4 공유 픽셀(SPX4)은 제2 컬럼 출력 라인(CLO_1)과 연결되어 CDS(151)에 픽셀 신호를 제공할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 제1 내지 제4 공유 픽셀(SPX1~SPX4) 각각은 서로 다른 컬럼 출력 라인에 연결될 수도 있따.
일 실시예에서, 제1 내지 제4 공유 픽셀(SPX1~SPX4) 각각은 위상 검출 픽셀일 수 있고, 제1 내지 제4 공유 픽셀(SPX1~SPX4)은 영상들 사이의 위상 차를 산출하기 위해 이용되는 위상 신호들을 생성할 수 있다. 제1 내지 제4 공유 픽셀(SPX1~SPX4)은 객체에 대한 초점을 맞추기 위해 이용될 수 있다. 위상 신호들은 이미지 센서(100)에 맺힌 이미지들의 위치들에 관한 정보를 포함할 수 있고, 위상 신호들은 이미지들 사이의 위상 차들을 산출하기 위해 이용될 수 있다. 산출된 위상 차들에 기초하여, 렌즈(1110, 도 1)의 초점 위치가 산출될 수 있다. 예를 들어, 위상 차를 0으로 만드는 렌즈(1110, 도 1)의 위치가 초점 위치일 수 있다.
제1 내지 제4 공유 픽셀(SPX1~SPX4)은 객체에 대한 초점 맞춤뿐만 아니라, 객체(2000)와 이미지 센서(100) 사이의 거리 측정에도 이용될 수 있다. 객체(2000)와 이미지 센서(100) 사이의 거리를 측정하기 위하여, 이미지 센서(100)에 맺힌 이미지들 사이의 위상 차들, 렌즈(1110)와 이미지 센서(100) 사이의 거리, 렌즈(1110)의 크기, 렌즈(1110)의 초점 위치 등과 같은 추가의 정보들이 참조될 수 있다.
각각의 공유 픽셀들(SPX)은 복수의 서브 픽셀을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 내지 제4 공유 픽셀(SPX1~SPX4) 각각은 4개의 서브 픽셀을 포함할 수 있다. 복수의 서브 픽셀 각각은 대응되는 광 감지 소자를 포함할 수 있고, 복수의 서브 픽셀 각각에 포함된 광 감지 소자는 광을 흡수하여 전하를 생성할 수 있다. 예를 들어, 광 감지 소자는 포토 다이오드일 수 있다.
제1 공유 픽셀(SPX1)은 복수의 포토 다이오드들 및 제1 공유 픽셀(SPX1)의 포토 다이오드들이 공유된 제1 플로팅 확산 영역을 포함할 수 있다. 제1 공유 픽셀(SPX1)에 대한 설명과 동일하게 제2 내지 제4 공유 픽셀(SPX2~SPX4) 각각은 복수의 포토 다이오드들 및 포토 다이오드들이 공유된 플로팅 확산 영역을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 내지 제4 공유 픽셀(SPX1~SPX4) 각각은 제1 픽셀 그룹(PXG11, PXG21, PXG31, PXG41) 및 제2 픽셀 그룹(PXG12, PXG22, PXG32, PXG42)을 포함할 수 있다. 이하의 제1 공유 픽셀(SPX1)의 제1 픽셀 그룹(PXG11) 및 제2 픽셀 그룹(PXG12)에 대한 설명은 제2 내지 제4 공유 픽셀(SPX2~SPX4) 각각의 제1 픽셀 그룹(PXG21, PXG31, PXG41) 및 제2 픽셀 그룹(PXG22, PXG32, PXG42)에도 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 공유 픽셀(SPX1)의 제1 픽셀 그룹(PXG11) 및 제2 픽셀 그룹(PXG12)은 제1 방향으로 나란하게 배치되는 서브 픽셀들을 각각 포함하고, 제1 공유 픽셀(SPX1)의 제1 픽셀 그룹(PXG11) 및 제2 픽셀 그룹(PXG12)은 서로 제2 방향으로 나란하게 배치될 수 있다. 제1 공유 픽셀(SPX1)의 제1 픽셀 그룹(PXG11)으로부터 출력되는 제1 픽셀 신호 및 제1 공유 픽셀(SPX1)의 제2 픽셀 그룹(PXG12)으로부터 출력되는 제2 픽셀 신호에 기초하여, 제2 방향의 AF 기능을 수행할 수 있다.
또는 일 실시예에서, 제1 공유 픽셀(SPX1)의 제1 픽셀 그룹(PXG11) 및 제2 픽셀 그룹(PXG12)은 제2 방향으로 나란하게 배치되는 서브 픽셀들을 각각 포함하고, 제1 공유 픽셀(SPX1)의 제1 픽셀 그룹(PXG11) 및 제2 픽셀 그룹(PXG12)은 서로 제1 방향으로 나란하게 배치될 수도 있다. 제1 공유 픽셀(SPX1)의 제1 픽셀 그룹(PXG11)으로부터 출력되는 제1 픽셀 신호 및 제2 공유 픽셀(SPX2)의 제2 픽셀 그룹(PXG12)으로부터 출력되는 제2 픽셀 신호에 기초하여, 제1 방향의 AF 기능을 수행할 수도 있다.
일 실시예에서, 제1 공유 픽셀(SPX1)에 포함된 제1 픽셀 그룹(PXG11)이 형성되는 서브 픽셀 영역들은 제1 도전형 불순물(예를 들어, n형 불순물)로 도핑된 제1 웰 영역을 서로 공유할 수 있고, 제1 공유 픽셀(SPX1)에 포함된 제2 픽셀 그룹(PXG12)이 형성되는 서브 픽셀 영역들은 제1 도전형 불순물로 도핑된 제1 웰 영역을 서로 공유할 수 있다. 따라서, 서브 픽셀 영역의 크기가 미세화 되더라도 제1 웰 영역은 하나의 픽셀 그룹(예를 들어, PXG11 또는 PXG12)이 형성되는 서브 픽셀 영역들에 걸쳐서 형성되므로 제1 웰 영역의 패턴의 크기가 상대적으로 증가될 수 있다. 이미지 센서(100)는 제1 웰 영역의 패턴이 균일하게 형성될 수 있다. 또한, 이미지 센서(100)는 하나의 픽셀 그룹이 형성되는 서브 픽셀 영역들이 제1 웰 영역을 공유하도록 형성됨으로써, 광 감지 소자의 풀 웰 용량(full well capacity, FWC)이 증가될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 공유 픽셀(SPX1)에 포함된 제1 픽셀 그룹(PXG11)이 형성되는 서브 픽셀 영역들 사이에는 소자 분리막이 배치되지 않을 수 있고, 제1 공유 픽셀(SPX1)에 포함된 제2 픽셀 그룹(PXG12)이 형성되는 서브 픽셀 영역들 사이에는 소자 분리막이 배치되지 않을 수 있다. 즉, 폐곡선을 이루는 소자 분리막의 내부에는 적어도 2개의 서브 픽셀 영역들이 형성될 수 있다. 따라서, 이미지 센서(100)는 하나의 픽셀 그룹(예를 들어, PXG11 또는 PXG12)이 형성되는 서브 픽셀 영역들 사이에 소자 분리막이 개재되지 않음으로써, 소자 분리막으로 인하여 빛이 산란되는 것이 방지되고 광 수용 영역이 증가될 수 있다.
제어부(120)는 픽셀 어레이(110)가 광을 흡수하여 전하를 축적하게 하거나, 축적된 전하를 임시로 저장하게 하고, 저장된 전하에 따른 전기적 신호를 픽셀 어레이(110)의 외부로 출력하게 하도록, 로우 드라이버(140)를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 픽셀 어레이(110)가 제공하는 픽셀 신호의 레벨을 측정하도록, 신호 독출부(150)를 제어할 수 있다.
로우 드라이버(140)는 픽셀 어레이(110)를 제어하기 위한 신호들(RSs, TSs, SELSs)을 생성하고, 복수의 공유 픽셀들(SPX)에 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 로우 드라이버(140)는 AF 기능 또는 거리 측정 기능을 수행할지 여부에 기초하여, 제1 내지 제4 공유 픽셀(SPX1~SPX4)에 제공되는 리셋 제어 신호들(RSs), 전송 제어 신호들(TSs), 선택 신호들(SELSs)의 활성화 및 비활성화 타이밍을 결정할 수 있다.
CDS(151)는 픽셀 어레이(110)에서 제공한 픽셀 신호를 샘플링 및 홀드할 수 있다. CDS(151)는 특정한 노이즈의 레벨과 픽셀 신호에 따른 레벨을 이중으로 샘플링하여, 그 차이에 해당하는 레벨을 출력할 수 있다. 또한, CDS(151)는 램프 신호 생성기(157)가 생성한 램프 신호를 입력 받아 서로 비교하여 비교 결과를 출력할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(153)는 CDS(151)로부터 수신하는 레벨에 대응하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 버퍼(155)는 디지털 신호를 래치(latch)할 수 있고, 래치된 신호는 순차적으로 신호 처리부(130) 또는 이미지 센서(100)의 외부로 출력될 수 있다.
신호 처리부(130)는 수신되는 제1 내지 제4 공유 픽셀(SPX1~SPX4)의 픽셀 신호에 기초하여, 신호 처리를 수행할 수 있다. 예를 들어, 신호 처리부(130)는 노이즈 저감 처리, 게인 조정, 파형 정형화 처리, 보간 처리, 화이트밸런스 처리, 감마 처리, 에지 강조 처리, 등을 수행할 수 있다. 또한, 신호 처리부(130)는 AF 동작 시에 신호 처리된 정보를 프로세서(1200)로 출력하여, AF 동작을 위한 위상차 연산을 수행하도록 할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 신호 처리부(130)는 이미지 센서(100) 외부의 프로세서(1200, 도 1)에 구비될 수도 있다.
도 3은 도 2의 픽셀 어레이에 포함된 제1 공유 픽셀 및 제2 공유 픽셀에 대한 회로도이다. 도 3에는 2개의 공유 픽셀, 제1 공유 픽셀(SPX1) 및 제2 공유 픽셀(SPX2)이 도시되어 있으나, 제1 공유 픽셀(SPX1) 및 제2 공유 픽셀(SPX2) 이외의 공유 픽셀들의 회로도 도 3에 도시된 제1 공유 픽셀(SPX1) 및 제2 공유 픽셀(SPX2)의 회로와 동일하게 구성될 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 제1 공유 픽셀(SPX1)에 대해서 설명하나, 제1 공유 픽셀(SPX1)에 대한 설명은 제2 공유 픽셀(SPX2) 및 다른 공유 픽셀들에도 동일하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 제1 공유 픽셀(SPX1)에 형성되는 복수의 광 감지 소자들(PD11~PD14), 복수의 전송 트랜지스터들(TX11~TX14), 선택 트랜지스터(SX1) 및 드라이브 트랜지스터(DX1) 및 리셋 트랜지스터(RX1) 각각에 대한 설명은, 제2 공유 픽셀(SPX2)의 복수의 광 감지 소자들(PD21~PD24), 복수의 전송 트랜지스터들(TX21~TX24), 선택 트랜지스터(SX2) 및 드라이브 트랜지스터(DX2) 및 리셋 트랜지스터(RX2) 각각에 적용될 수 있다.
제1 공유 픽셀(SPX1)은 복수의 광 감지 소자들(PD11~PD14), 복수의 전송 트랜지스터들(TX11~TX14), 선택 트랜지스터(SX1) 및 드라이브 트랜지스터(DX1) 및 리셋 트랜지스터(RX1)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 리셋 트랜지스터(RX1), 드라이브 트랜지스터(DX1) 및 선택 트랜지스터(SX1) 중 적어도 하나가 생략될 수 있다. 본 도면에서는 제1 공유 픽셀(SPX1)이 4개의 광 감지 소자들(PD11~PD14) 및 4개의 전송 트랜지스터들(TX11~TX14)을 포함하는 것으로 도시하였으나, 본 개시는 이에 한정되지 않으며, 제1 공유 픽셀(SPX1)에 포함되는 광 감지 소자의 수 및 전송 트랜지스터의 수는 실시예에 따라 변경될 수 있다.
광 감지 소자들(PD11~PD14) 각각은 광의 세기에 따라 가변되는 광 전하를 생성할 수 있다. 예를 들어, 광 감지 소자들(PD11~PD14) 각각은 P-N 접합 다이오드로서, 입사된 광량에 비례하여 전하, 즉, 음의 전하인 전자와 양의 전하인 정공을 생성할 수 있다. 광 감지 소자들(PD11~PD14) 각각은 광전 변환 소자의 예로서, 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode(PPD)) 및 이들의 조합 중에서 적어도 하나일 수 있다.
전송 트랜지스터들(TX11~TX14) 각각은 전송 제어 신호(예를 들어, 도 2의 TSs)에 따라, 상기 생성된 광 전하를 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)으로 각각 전송할 수 있다. 전송 트랜지스터들(TX11~TX14) 각각이 턴-온(turn-on)되면, 제1 공유 픽셀(SPX1)에 포함된 광 감지 소자들(PD11~PD14) 각각에서 생성된 광 전하는 하나의 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)에 전송될 수 있고, 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)에 누적되어 저장될 수 있다.
리셋 트랜지스터(RX1)는 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)에 축적된 전하들을 주기적으로 리셋시킬 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX1)의 드레인 전극은 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)과 연결되며 소스 전극은 전원 전압(Vpix)에 연결될 수 있다. 리셋 제어 신호(예를 들어, 도 2의 RSs)에 따라 리셋 트랜지스터(RX1)가 턴-온되면, 리셋 트랜지스터(RX1)의 소스 전극과 연결된 전원 전압(Vpix)이 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)로 전달된다. 리셋 트랜지스터(RX1)가 턴-온될 때 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)에 축적된 전하들이 배출되어 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)이 리셋될 수 있다.
플로팅 디퓨젼 영역(FD1)에 축적된 광 전하들의 양에 따라 드라이브 트랜지스터(DX1)가 제어될 수 있다. 드라이브 트랜지스터(DX1)는 버퍼 증폭기(buffer amplifier)로서 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)에 충전된 전하에 따른 신호를 버퍼링할 수 있다. 드라이브 트랜지스터(DX1)는 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD)에서의 전위 변화를 증폭하고 이를 제1 컬럼 출력 라인(CLO_0)으로 픽셀 신호(Vout)로서 출력할 수 있다.
선택 트랜지스터(SX1)는 드레인 단자가 드라이브 트랜지스터(DX1)의 소스 단자에 연결되고, 선택 신호(예를 들어, 도 2의 SELSs)에 응답하여, 제1 컬럼 출력 라인(CLO_0)을 통해 CDS(예를 들어, 도 2의 151)로 픽셀 신호(Vout)를 출력할 수 있다.
제1 공유 픽셀(SPX1)을 구성하는 서브 픽셀들 각각은, 대응하는 광 감지 소자(예를 들어, 광 감지 소자들(PD11~PD14) 중 하나)를 포함할 수 있고, 대응하는 전송 트랜지스터(예를 들어, 전송 트랜지스터들(TX11~TX14) 중 하나)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 공유 픽셀(SPX1)을 구성하는 제1 서브 픽셀은 제1 광 감지 소자(PD11) 및 제1 전송 트랜지스터(TX11)를 포함하고, 제1 공유 픽셀(SPX1)을 구성하는 제2 서브 픽셀은 제2 광 감지 소자(PD12) 및 제2 전송 트랜지스터(TX12)를 포함하고, 제1 공유 픽셀(SPX1)을 구성하는 제3 서브 픽셀은 제3 광 감지 소자(PD13) 및 제3 전송 트랜지스터(TX13)를 포함하고, 제1 공유 픽셀(SPX1)을 구성하는 제4 서브 픽셀은 제4 광 감지 소자(PD14) 및 제4 전송 트랜지스터(TX14)를 포함할 수 있다.
제1 공유 픽셀(SPX1)을 구성하는 서브 픽셀들은 하나의 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)을 공유할 수 있다. 제1 공유 픽셀(SPX1)의 공유의 개념은 복수의 광 감지 소자들(PD1~PD4)이 하나의 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)을 공유한다는 의미뿐만 아니라, 전송 트랜지스터들(TX1~TX4)을 제외한 트랜지스터들(RX1, DX1, SX1)을 공유한다는 의미를 포함할 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면으로, 도 2의 픽셀 어레이에 포함되는 제1 픽셀 어레이(110a)의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 4에서 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1~SP4) 각각은 대응하는 공유 픽셀(예를 들어, 도 2의 SPX1~SPX4)이 형성되는 적어도 일부 영역을 의미할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 그룹 픽셀 영역(PG11~PG41, PG12~PG42)각각은 대응하는 그룹 픽셀(예를 들어, 도 2의 PXG11, PXG21, PXG31, PXG41, PXG12, PXG22, PXG32, PXG42)이 형성되는 적어도 일부 영역을 의미할 수 있고, 복수의 서브 픽셀 영역들(PX11~PX14, PX21~PX24, PX31~PX34, PX41~PX44) 각각은 서브 픽셀이 형성되는 적어도 일부 영역을 의미할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 픽셀 어레이(110a)는 로우 방향(예를 들어, 제1 방향(X)) 및 칼럼 방향(예를 들어, 제2 방향(Y))에 따라 배치되는 복수의 서브 픽셀 영역들(PX11~PX14, PX21~PX24, PX31~PX34, PX41~PX44)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 하나의 공유 픽셀 영역은 2개의 로우들 및 2개의 칼럼들에 배치되는 4개의 서브 픽셀 영역들을 포함하는 단위로 정의될 수 있다. 따라서, 하나의 공유 픽셀 영역은 4개의 서브 픽셀 영역들 각각에 형성되는 4개의 광 감지 소자들을 포함할 수 있다.
제1 픽셀 어레이(110a)는 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1~SP4)을 포함할 수 있다. 제1 픽셀 어레이(110a)는 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1~SP4)이 다양한 컬러를 센싱할 수 있도록 컬러 필터를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 컬러 필터는 레드(R), 그린(G) 및 블루(B)를 센싱하는 필터들을 포함할 수 있고, 하나의 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1~SP4) 각각은 동일한 컬러 필터가 배치된 서브 픽셀 영역들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1~SP4)은 베이어 패턴(Bayer pattern)에 대응되도록 제1 픽셀 어레이(110a)에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 공유 픽셀 영역(SP1) 및 제4 공유 픽셀 영역(SP4)은 그린(G) 컬러 필터를 구비하는 서브 픽셀 영역들(PX11~PX14, PX41~PX44)을 포함할 수 있고, 제2 공유 픽셀 영역(SP2)은 레드(R) 컬러 필터를 포함하는 서브 픽셀 영역들(PX21~PX24)을 포함할 수 있고, 제3 공유 픽셀 영역(SP3)은 블루(B) 컬러 필터를 포함하는 서브 픽셀들(PX31~PX34)을 포함할 수 있다.
다만, 이는 일 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 제1 픽셀 어레이(110a)는 다양한 종류의 컬러 필터들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터는 옐로우(yellow), 사이언(Cyan) 및 마젠타(Magenta) 컬러를 센싱하기 위한 필터들을 포함할 수 있다. 또는, 컬러 필터는 레드, 그린, 블루 및 화이트 컬러를 센싱하는 필터들을 포함할 수도 있다. 또한, 제1 픽셀 어레이(110a)는 더 많은 공유 픽셀 영역들을 포함할 수 있고, 각각의 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1~SP4)의 배치는 다양하게 구현될 수 있는 바, 본 발명은 도 4에 한정되지 않음은 분명하다.
일 실시예에서, 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1~SP4) 각각에는 제1 픽셀 그룹 영역(PG11, PG21, PG31, PG41) 및 제2 픽셀 그룹 영역(PG12, PG22, PG32, PG42)이 형성될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 제1 공유 픽셀 영역(SP1)에 대해서 설명하나, 제1 공유 픽셀 영역(SP1)에 대한 설명은 제2 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP2~SP4)에도 동일하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 제1 공유 픽셀 영역(SP1)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG11)에 대한 설명은 제2 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP2~SP4)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG21, PG31, PG41) 각각에 적용될 수 있고, 제1 공유 픽셀 영역(SP1)의 제2 픽셀 그룹 영역(PG12)에 대한 설명은, 제2 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP2~SP4)의 제2 픽셀 그룹 영역(PG22, PG32, PG42) 각각에 적용될 수 있다.
제1 공유 픽셀 영역(SP1)은 제1 로우에 배치되는 제1 서브 픽셀 영역(PX11) 및 제2 서브 픽셀 영역(PX12)로 구성되는 제1 픽셀 그룹 영역(PG11)을 포함하고, 제2 로우에 배치되는 제3 서브 픽셀 영역(PX13) 및 제4 서브 픽셀 영역(PX14)로 구성되는 제2 픽셀 그룹 영역(PG12)을 포함할 수 있다. 제1 공유 픽셀 영역(SP1)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG11) 및 제2 픽셀 그룹 영역(PG12)은 칼럼 방향인 제2 방향(Y)으로 나란하게 배치될 수 있다.
제1 서브 픽셀 영역(PX11) 및 제2 서브 픽셀 영역(PX12)은 제1 도전형 불순물(예를 들어, n형 불순물)로 도핑된 제1 웰 영역(NW_X)을 서로 공유할 수 있다. 또한, 제3 서브 픽셀 영역(PX13) 및 제4 서브 픽셀 영역(PX14)은 제1 도전형 불순물로 도핑된 제1 웰 영역(NW_X)을 서로 공유할 수 있다. 제1 픽셀 그룹 영역(PG11)에 형성되는 제1 웰 영역(NW_X)과 제2 픽셀 그룹 영역(PG12)에 형성되는 제1 웰 영역(NW_X)은 서로 이격될 수 있다. 하나의 픽셀 그룹에 포함된 서브 픽셀들이 제1 웰 영역(NW_X)을 서로 공유하도록 형성됨으로써, 제1 픽셀 그룹 영역(PG11) 및 제2 픽셀 그룹 영역(PG12) 각각의 풀 웰 용량이 증가될 수 있다. 또한, 이미지 센서를 제조함에 있어서, 제1 웰 영역(NW_X)의 패턴의 크기가 상대적으로 증가되어 제1 웰 영역(NW_X)의 패턴이 균일하게 형성될 수 있다.
이미지 센서가 AF 기능 또는 거리 측정 기능을 수행할 때, 제1 픽셀 그룹 영역(PG11)을 구성하는 제1 서브 픽셀 영역(PX11) 및 제2 서브 픽셀 영역(PX12) 각각의 전송 트랜지스터(TX11, TX12)는 함께 턴-온될 수 있다. 제1 서브 픽셀 영역(PX11)의 광 감지 소자(PD11) 및 제2 서브 픽셀 영역(PX12)의 광 감지 소자(PD12)에서 생성된 광 전하가 제1 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)에 전송될 수 있고, 상기 광 전하에 대응되는 제1 픽셀 신호(Vout1)가 제1 칼럼 출력 라인(CLO_0)으로 출력될 수 있다.
또한, 이미지 센서가 AF 기능 또는 거리 측정 기능을 수행할 때, 제2 픽셀 그룹 영역(PG12)을 구성하는 제3 서브 픽셀 영역(PX13) 및 제4 서브 픽셀 영역(PX14) 각각의 전송 트랜지스터(TX13, TX14)는 함께 턴-온될 수 있다. 제3 서브 픽셀 영역(PX13)의 광 감지 소자(PD13) 및 제4 서브 픽셀 영역(PX14)의 광 감지 소자(PD14)에서 생성된 광 전하가 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)에 전송될 수 있고, 상기 광 전하에 대응되는 제2 픽셀 신호(Vout2)가 제1 칼럼 출력 라인(CLO_0)으로 출력될 수 있다.
일 실시 예에서, 프로세서(예를 들어, 도 1의 1200)는 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1~SP4)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG11, PG21, PG31, PG41) 각각에서 출력되는 제1 픽셀 신호(Vout1)에 대응되는 제1 픽셀 정보를 수신할 수 있고, 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1~SP4)의 제2 픽셀 그룹 영역(PG12, PG22, PG32, PG42) 각각에서 출력되는 제2 픽셀 신호(Vout2)에 대응되는 제2 픽셀 정보를 수신할 수 있다. 프로세서(1200)는 제1 픽셀 정보 및 제2 픽셀 정보를 이용하여, 칼럼 방향인 제2 방향(Y)의 AF 동작 또는 제2 방향(Y)의 거리 측정 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 프로세서(1200)는 아래의 수식 1을 통해 도출된 제1 정보(UI) 및 제2 정보(DI)를 이용하여 위상차를 계산할 수 있고, 제2 방향(Y)의 AF 동작 또는 제2 방향(Y)의 거리 측정 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제1 정보(UI) 및 제2 정보(DI)는 본 도면에서 상하 정보를 의미할 수 있다.
[수식 1]
UI=f(Vout_1_PG11,Vout_1_PG21,Vout_1_PG31,Vout_1_PG41)
DI=f(Vout_2_PG12,Vout_2_PG22,Vout_2_PG32,Vout_2_PG42)
이 때, Vout_1_PG11는 제1 공유 픽셀 영역(SP1)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG11)에서 출력된 제1 픽셀 신호, Vout_1_PG21는 제2 공유 픽셀 영역(SP2)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG21)에서 출력된 제1 픽셀 신호, Vout_1_PG31는 제3 공유 픽셀 영역(SP3)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG31)에서 출력된 제1 픽셀 신호, Vout_1_PG41는 제4 공유 픽셀 영역(SP4)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG41)에서 출력된 제1 픽셀 신호일 수 있다. 또한, Vout_2_PG12는 제1 공유 픽셀 영역(SP1)의 제2 픽셀 그룹 영역(PG12)에서 출력된 제2 픽셀 신호, Vout_2_PG22는 제2 공유 픽셀 영역(SP2)의 제2 픽셀 그룹 영역(PG22)에서 출력된 제2 픽셀 신호, Vout_2_PG32는 제3 공유 픽셀 영역(SP3)의 제2 픽셀 그룹 영역(PG32)에서 출력된 제2 픽셀 신호, Vout_2_PG42는 제4 공유 픽셀 영역(SP4)의 제2 픽셀 그룹 영역(PG42)에서 출력된 제2 픽셀 신호일 수 있다. 제1 정보(UI) 및 제2 정보(DI)를 도출하기 위한 함수(f)는 다양하게 구성될 수 있다.
프로세서(1200)는 서브 픽셀 단위로 출력되는 픽셀 신호들 각각을 이용하여 제2 방향(Y)의 AF 동작 또는 제2 방향(Y)의 거리 측정 동작을 수행하지 않고, 그룹 픽셀 단위로 출력되는 픽셀 신호들을 이용하여 제2 방향(Y)의 AF 동작 또는 제2 방향(Y)의 거리 측정 동작을 수행할 수 있다. 제2 방향(Y)의 AF 동작 또는 제2 방향(Y)의 거리 측정 동작을 위한 프로세서(1200)의 계산량이 감소될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면으로, 도 5a은 도 4의 X1-X2 단면도이고, 도 5b은 도 4의 Y1-Y2 단면도이다.
도 4, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 복수의 서브 픽셀 영역들(PX11~PX14, PX21~PX24, PX31~PX34, PX41~PX44)이 형성되는 반도체 기판(111)이 제공될 수 있다. 반도체 기판(111)은 서로 대향하는 제1 면(111f) 및 제2 면(111b)을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 면(111f)은 반도체 기판(111)의 전면이고, 제2 면(111b)은 반도체 기판(111)의 후면일 수 있다. 제1 면(111f) 상에는 회로들이 배치되고, 제2 면(111b)으로 빛이 입사될 수 있다.
일 실시예에서, 반도체 기판(111)은 제2 도전형(예를 들어, p형)으로 도핑된 실리콘 에피택셜 층일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 도 5a 및 도 5b에는 광 감지 소자가 형성되는 광 감지 영역에 대해서 도시 하였으나, 전송 트랜지스터 등이 더 형성될 수 있다.
반도체 기판(111) 내에는 광 감지 영역(113)이 배치될 수 있다. 복수의 서브 픽셀 영역들(PX11~PX14, PX21~PX24, PX31~PX34, PX41~PX44)이 각각 형성되는 서브 픽셀 영역에는 하나의 광 감지 영역(113)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 공유 픽셀 영역(SP1)의 제1 서브 픽셀 영역(PX11), 제2 서브 픽셀 영역(PX12), 제3 서브 픽셀 영역(PX13) 및 제4 서브 픽셀 영역(PX14)에는 각각 하나의 광 감지 영역(113)이 형성될 수 있다. 광 감지 영역(113)은 평면적 관점에서, 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y)을 따라 매트릭스 형태로 배열될 수 있다.
광 감지 영역(113)은 제1 도전형(예를 들어, n형)의 불순물을 반도체 기판(111)에 이온 주입하여 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 도전형의 광 감지 영역(113)과 제2 도전형의 반도체 기판(111)의 접합(junction)에 의해 광 감지 소자, 즉, 포토 다이오드가 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며 제2 도전형으로 도핑된 다른 구성과 제1 도전형의 광 감지 영역(113)의 접합으로 광 감지 소자가 형성될 수도 있다.
광 감지 영역(113) 상에는 제1 도전형의 제1 웰 영역(NW_X)이 형성될 수 있다. 제1 웰 영역(NW_X)은 제1 도전형의 불순물을 반도체 기판(111)에 이온 주입하여 형성될 수 있다. 이 때, 제1 웰 영역(NW_X)의 도핑 농도는 광 감지 영역(113)의 도핑 농도보다 낮을 수 있다. 광 감지 영역(113)은 제1 웰 영역(NW_X)으로부터 전하를 공급받을 수 있으므로, 풀 웰 용량이 증가될 수 있다.
제1 웰 영역(NW_X)은 동일한 픽셀 그룹 영역에 포함되는 서브 픽셀 영역에 걸쳐서 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 공유 픽셀 영역(SP1)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG11)에 포함되는 제1 서브 픽셀 영역(PX11) 및 제2 서브 픽셀 영역(PX12)에는 하나의 제1 웰 영역(NW_X)이 형성될 수 있다. 서로 다른 픽셀 그룹에 포함되는 서브 픽셀 영역에는 각각 서로 이격되는 제1 웰 영역(NW_X)을 포함할 수 있다. 제1 웰 영역(NW_X)을 통해 제1 서브 픽셀 영역(PX11)에서 생성된 전하 및 제2 서브 픽셀 영역(PX12)에서 생성된 전하가 서로 이동할 수 있다.
분리 불순물 층(115)은 반도체 기판(111) 내에 제2 도전형의 불순물을 이온 주입하여 형성될 수 있다. 분리 불순물 층(115)에서 제2 도전형 불순물의 농도는 반도체 기판(111) 내의 제2 도전형 불순물 농도보다 클 수 있다. 분리 불순물 층(115)은 제1 방향(X)으로 연장되는 제1 부분들 및 제2 방향(Y)으로 연장되는 제2 부분들을 포함할 수 있고, 예를 들어, 분리 불순물 층(115)은 격자 형태로 형성될 수 있다.
분리 불순물 층(115)은 광 감지 영역(113)을 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 제1 방향(X)으로 인접하는 광 감지 영역(113) 사이에 분리 불순물 층(115)이 형성될 수 있고, 제2 방향(Y)으로 인접하는 광 감지 영역(113) 사이에 분리 불순물 층(115)이 형성될 수 있다.
광 감지 영역(113)과 반대의 도전형을 갖는 분리 불순물 층(115)은 광 감지 영역(113) 사이에 포텐셜 배리어(potential barrier)를 제공할 수 있다. 즉, 분리 불순물 층(115)에 의해 광 감지 영역(113)에 포텐셜 웰(potential well)이 형성될 수 있다. 광 감지 영역(113)은 분리 불순물 층(115)에 의해 서로 분리될 수 있다.
반도체 기판(111) 내에는 제1 소자 분리막(117_1) 및 제2 소자 분리막(117_2)이 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 소자 분리막(117_1) 및 제2 소자 분리막(117_2)은 반도체 기판(111)의 제2 면(111b)으로부터 수직으로 연장되도록 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 소자 분리막(117_1) 및 제2 소자 분리막(117_2)은 반도체 기판(111)의 제1 면(111f)으로부터 수직으로 연장되도록 형성될 수도 있다. 제1 소자 분리막(117_1) 및 제2 소자 분리막(117_2)의 형상과 제조 공정은 다양하게 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 소자 분리막(117_1)은 제2 소자 분리막(117_2)에 비해 넓은 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 소자 분리막(117_1)은 제2 소자 분리막(117_2)보다 깊게 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 제1 소자 분리막(117_1) 및 제2 소자 분리막(117_2)은 서로 형상이 동일할 수 있고, 동일한 공정을 통해 형성될 수 있다.
제1 소자 분리막(117_1) 및 제2 소자 분리막(117_2)은 반도체 기판(111)보다 굴절율이 낮은 절연 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 소자 분리막(117_1) 및 제2 소자 분리막(117_2)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 언도프트 폴리실리콘(undoped polysilicon), 공기(air) 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
제1 소자 분리막(117_1) 및 제2 소자 분리막(117_2)은 각각의 서브 픽셀 영역들로 입사되는 입사광을 굴절시킬 수 있다. 제1 소자 분리막(117_1) 및 제2 소자 분리막(117_2)은 입사광에 의해 생성된 광전하들이 랜덤 드리프트(random drift)에 의해 인접한 서브 픽셀 영역으로 이동하는 것을 방지할 수 있다.
제1 소자 분리막(117_1)은 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1~SP4) 각각을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 즉, 제1 소자 분리막(117_1)에 의하여 하나의 공유 픽셀 영역이 정의될 수 있다. 예를 들어, 제1 공유 픽셀 영역(SP1) 및 제2 공유 픽셀 영역(SP2) 사이에 제2 방향(Y)으로 연장되는 제1 소자 분리막(117_1)이 형성될 수 있고, 제1 공유 픽셀 영역(SP1) 및 제3 공유 픽셀 영역(SP3) 사이에 제1 방향(X)으로 연장되는 제1 소자 분리막(117_1)이 형성될 수 있다.
제2 소자 분리막(117_2)은 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1~SP4) 내부에 형성될 수 있다. 제2 소자 분리막(117_2)은 서로 다른 서브 픽셀 영역 사이에 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 공유 픽셀 영역(SP1)의 제1 서브 픽셀 영역(PX11)과 제1 공유 픽셀 영역(SP1)의 제2 서브 픽셀 영역(PX12) 사이에 제2 방향(Y)으로 연장되는 제2 소자 분리막(117_2)이 형성될 수 있고, 제1 공유 픽셀 영역(SP1)의 제1 서브 픽셀 영역(PX11)과 제1 공유 픽셀 영역(SP1)의 제3 서브 픽셀 영역(PX13) 사이에 제1 방향(X)으로 연장되는 제2 소자 분리막(117_2)이 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 동일한 픽셀 그룹에 포함되는 서브 픽셀 영역들 사이에는 제2 소자 분리막(117_2)이 형성되지 않을 수도 있고, 서로 다른 픽셀 그룹에 포함되는 서브 픽셀 영역 사이에 제2 소자 분리막(117_2)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 공유 픽셀 영역(SP1)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG11)에 포함되는 제1 서브 픽셀 영역(PX11) 및 제2 서브 픽셀 영역(PX12) 각각이 형성되는 서브 픽셀 영역 사이에는 제2 소자 분리막(117_2)이 형성되지 않을 수도 있다.
반도체 기판(111)의 제2 면(111b) 상에는 컬러 필터층(GCF, RCF, BCF) 및 마이크로 렌즈(ML)가 배치될 수 있다. 제1 공유 픽셀 영역 및 제4 공유 픽셀 영역에는 그린 컬러 필터층(GCF)이 배치되고, 제2 공유 픽셀 영역에는 레드 컬러 필터층(RCF)이 배치되고, 제3 공유 픽셀 영역에는 블루 컬러 필터층(BCF)이 배치될 수 있다. 즉, 동일한 공유 픽셀 영역에 포함되는 서브 픽셀 영역들에는 동일한 컬러 필터층이 배치될 수 있다.
컬러 필터층(GCF, RCF, BCF) 및 마이크로 렌즈(ML) 각각은 서브 픽셀 영역에 대응되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 각각의 서브 픽셀 영역들은 서로 다른 마이크로 렌즈(ML)를 포함할 수 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면으로, 도 4의 X1-X2 단면도이다. 도 6에서는 도 5a에서와 동일한 부호에 대해 중복 설명이 생략된다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 반도체 기판(111)의 제2 면(111b) 상에는 컬러 필터층(GCF, RCF, BCF) 및 마이크로 렌즈(ML')가 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로 렌즈(ML')는 하나의 픽셀 그룹 영역에 대응되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 공유 픽셀 영역(SP1)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG11)에 하나의 마이크로 렌즈(ML')가 배치될 수 있고, 제1 공유 픽셀 영역(SP1)의 제2 픽셀 그룹 영역(PG12)에 하나의 마이크로 렌즈(ML')가 배치될 수 있다. 이 때, 제1 공유 픽셀 영역(SP1)의 제2 픽셀 그룹 영역(PG12)에는 제1 픽셀 그룹 영역(PG11)의 마이크로 렌즈와 다른 하나의 마이크로 렌즈(ML')가 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 마이크로 렌즈(ML')는 하나의 공유 픽셀 영역에 대응되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1~SP4) 각각에 하나의 마이크로 렌즈(ML')가 배치될 수도 있다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면으로, 도 2의 픽셀 어레이에 포함되는 제2 픽셀 어레이(110b)의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 제2 픽셀 어레이(110b)는 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1b~SP4b)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1b~SP4b) 각각은 동일한 컬러 필터가 배치된 서브 픽셀 영역들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1b~SP4b) 각각에는 제1 픽셀 그룹 영역(PG11b, PG21b, PG31b, PG41b) 및 제2 픽셀 그룹 영역(PG12b, PG22b, PG32b, PG42b)이 형성될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 제1 공유 픽셀 영역(SP1b)에 대해서 설명하나, 제1 공유 픽셀 영역(SP1b)에 대한 설명은 제2 공유 픽셀 영역(SP2b) 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP4b)에도 동일하게 적용될 수 있다.
제1 공유 픽셀 영역(SP1b)은 제1 칼럼에 배치되는 제1 서브 픽셀 영역(PX11b) 및 제3 서브 픽셀 영역(PX13b)로 구성되는 제1 픽셀 그룹 영역(PG11b)을 포함하고, 제2 칼럼에 배치되는 제2 서브 픽셀 영역(PX12b) 및 제4 서브 픽셀 영역(PX14b)로 구성되는 제2 픽셀 그룹 영역(PG12b)을 포함할 수 있다. 제1 공유 픽셀 영역(SP1b)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG11b) 및 제2 픽셀 그룹 영역(PG12b)은 로우 방향인 제1 방향(X)으로 나란하게 배치될 수 있다.
제1 서브 픽셀 영역(PX11b) 및 제3 서브 픽셀 영역(PX13b)은 제1 도전형 불순물(예를 들어, n형 불순물)로 도핑된 제1 웰 영역(NW_Y)을 서로 공유할 수 있다. 또한, 제2 서브 픽셀 영역(PX12b) 및 제4 서브 픽셀 영역(PX14b)은 제1 도전형 불순물로 도핑된 제1 웰 영역(NW_Y)을 서로 공유할 수 있다. 제1 픽셀 그룹 영역(PG11b)에 형성되는 제1 웰 영역(NW_Y)과 제2 픽셀 그룹 영역(PG12b)에 형성되는 제1 웰 영역(NW_Y)은 서로 이격될 수 있다. 따라서, 하나의 픽셀 그룹 영역(PG11b, PG12b)에 포함된 서브 픽셀들이 제1 웰 영역(NW_Y)을 서로 공유하도록 형성됨으로써, 제1 픽셀 그룹 영역(PG11b) 및 제2 픽셀 그룹 영역(PG12b) 각각의 풀 웰 용량이 증가될 수 있다.
이미지 센서가 AF 기능 또는 거리 측정 기능을 수행할 때, 제1 픽셀 그룹 영역(PG11b)을 구성하는 제1 서브 픽셀 영역(PX11b) 및 제3 서브 픽셀 영역(PX13b) 각각의 전송 트랜지스터(TX11, TX13)는 함께 턴-온될 수 있다. 제1 서브 픽셀 영역(PX11b)의 광 감지 소자(PD11) 및 제3 서브 픽셀 영역(PX13b)의 광 감지 소자(PD13)에서 생성된 광 전하가 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)에 전송될 수 있고, 상기 광 전하에 대응되는 제1 픽셀 신호(예를 들어, 도 3의 Vout1)가 제1 칼럼 출력 라인(예를 들어, 도 3의 CLO_0)으로 출력될 수 있다.
또한, 이미지 센서가 AF 기능 또는 거리 측정 기능을 수행할 때, 제2 픽셀 그룹 영역(PG12b)을 구성하는 제2 서브 픽셀 영역(PX12b) 및 제4 서브 픽셀 영역(PX14b) 각각의 전송 트랜지스터(TX12, TX14)는 함께 턴-온될 수 있다. 제2 서브 픽셀 영역(PX12b)의 광 감지 소자(PD12) 및 제4 서브 픽셀 영역(PX14b)의 광 감지 소자(PD14)에서 생성된 광 전하가 플로팅 디퓨젼 영역(FD1)에 전송될 수 있고, 상기 광 전하에 대응되는 제2 픽셀 신호(예를 들어, 도 3의 Vout2)가 제1 칼럼 출력 라인(CLO_0)으로 출력될 수 있다.
일 실시예예서, 프로세서(예를 들어, 도 1의 1200)는 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1b~SP4b)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG11b, PG21b, PG31b, PG41b) 각각에서 출력되는 제1 픽셀 신호(Vout1)에 대응되는 제1 픽셀 정보를 수신할 수 있고, 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1b~SP4b)의 제2 픽셀 그룹 영역(PG12b, PG22b, PG32b, PG42b) 각각에서 출력되는 제2 픽셀 신호(Vout2)에 대응되는 제2 픽셀 정보를 수신할 수 있다. 프로세서(1200)는 제1 픽셀 정보 및 제2 픽셀 정보를 이용하여, 로우 방향인 제1 방향(X)의 AF 동작 또는 제1 방향(X)의 거리 측정 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 프로세서(1200)는 아래의 수식 2를 통해 도출된 제3 정보(LI) 및 제4 정보(RI)를 이용하여 위상차를 계산할 수 있고, 제1 방향(X)의 AF 동작 또는 제1 방향(X)의 거리 측정 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제3 정보(LI) 및 제4 정보(RI)는 본 도면에서 좌우 정보를 의미할 수 있다.
[수식 2]
LI=f(Vout_1_PG11b,Vout_1_PG21b,Vout_1_PG31b,Vout_1_PG41b)
RI=f(Vout_2_PG12b,Vout_2_PG22b,Vout_2_PG32b,Vout_2_PG42b)
이 때, Vout_1_PG11b는 제1 공유 픽셀 영역(SP1b)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG11b)에서 출력된 제1 픽셀 신호, Vout_1_PG21b는 제2 공유 픽셀 영역(SP2b)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG21b)에서 출력된 제1 픽셀 신호, Vout_1_PG31b는 제3 공유 픽셀 영역(SP3b)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG31b)에서 출력된 제1 픽셀 신호, Vout_1_PG41b는 제4 공유 픽셀 영역(SP4b)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG41b)에서 출력된 제1 픽셀 신호일 수 있다. 또한, Vout_2_PG12b는 제1 공유 픽셀 영역(SP1b)의 제2 픽셀 그룹 영역(PG12b)에서 출력된 제2 픽셀 신호, Vout_2_PG22b는 제2 공유 픽셀 영역(SP2b)의 제2 픽셀 그룹 영역(PG22b)에서 출력된 제2 픽셀 신호, Vout_2_PG32b는 제3 공유 픽셀 영역(SP3b)의 제2 픽셀 그룹 영역(PG32b)에서 출력된 제2 픽셀 신호, Vout_2_PG42b는 제4 공유 픽셀 영역(SP4b)의 제2 픽셀 그룹 영역(PG42b)에서 출력된 제2 픽셀 신호일 수 있다. 제3 정보(LI) 및 제4 정보(RI)를 도출하기 위한 함수(f)는 다양하게 구성될 수 있다.
프로세서(1200)는 서브 픽셀 단위로 출력되는 픽셀 신호들 각각을 이용하여 제1 방향(X)의 AF 동작 또는 제1 방향(X)의 거리 측정 동작을 수행하지 않고, 그룹 픽셀 단위로 출력되는 픽셀 신호들을 이용하여 제1 방향(X)의 AF 동작 또는 제1 방향(X)의 거리 측정 동작을 수행할 수 있다. 제1 방향(X)의 AF 동작 또는 제1 방향(X)의 거리 측정 동작을 위한 프로세서(1200)의 계산량이 감소될 수 있다.
일 실시예에서, 이미지 센서의 픽셀 어레이(예를 들어, 도 2의 110)는 도 4의 제1 픽셀 어레이(110a) 및 도 7의 제2 픽셀 어레이(110b)를 모두 포함할 수 있고, 이미지 센서는 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y) 모두의 AF 기능 또는 거리 측정 기능을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 본 개시에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이는 인접하게 배치되는 제1 픽셀 어레이(110a) 및 제2 픽셀 어레이(110b)를 포함할 수 있다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면으로, 도 2의 픽셀 어레이에 포함되는 제3 픽셀 어레이(110c)의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 9a 및 도 9b는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면으로, 도 9a은 도 8의 X3-X4 단면도이고, 도 9b은 도 8의 Y3-Y4 단면도이다. 도 9a 및 도 9b에 대한 설명에서는 도 5a 및 도 5b에서와 동일한 부호에 대해 도 5a 및 도 5b에 대한 설명과 중복 설명이 생략된다.
도 8, 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 제3 픽셀 어레이(110c)는 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1c~SP4c)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1c~SP4c) 각각은 동일한 컬러 필터가 배치된 서브 픽셀 영역들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1c~SP4c) 각각에는 제1 픽셀 그룹 영역(PG11c, PG21c, PG31c, PG41c) 및 제2 픽셀 그룹 영역(PG12c, PG22c, PG32c, PG42c)이 형성될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 제1 공유 픽셀 영역(SP1c)에 대해서 설명하나, 제1 공유 픽셀 영역(SP1c)에 대한 설명은 제2 공유 픽셀 영역(SP2c) 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP4c)에도 동일하게 적용될 수 있다.
제1 공유 픽셀 영역(SP1c)은 제1 로우에 배치되는 제1 서브 픽셀 영역(PX11c) 및 제2 서브 픽셀 영역(PX12c)로 구성되는 제1 픽셀 그룹 영역(PG11c)을 포함하고, 제2 로우에 배치되는 제3 서브 픽셀 영역(PX13c) 및 제4 서브 픽셀 영역(PX14c)로 구성되는 제2 픽셀 그룹 영역(PG12c)을 포함할 수 있다. 제1 공유 픽셀 영역(SP1c)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG11c) 및 제2 픽셀 그룹 영역(PG12c)은 칼럼 방향인 제2 방향(Y)으로 나란하게 배치될 수 있다. 따라서, 프로세서(예를 들어, 도 1의 1200)는 제1 픽셀 그룹 영역(PG11c)에서 출력되는 제1 픽셀 신호(예를 들어, 도 3의 Vout1) 및 제2 픽셀 그룹 영역(PG12c)에서 출력되는 제2 픽셀 신호(예를 들어, 도 3의 Vout2)에 기초하여, 제2 방향(Y)의 AF 동작을 수행할 수 있다.
분리 불순물 층(115) 상에 제2 도전형(예를 들어, p형)의 제2 웰 영역(PW_X)이 형성될 수 있다. 제2 웰 영역(PW_X)은 제2 도전형 불순물을 반도체 기판(111)에 이온 주입하여 형성될 수 있다. 이 때, 제2 웰 영역(PW_X)의 도핑 농도는 분리 불순물 층(115)의 도핑 농도보다 낮을 수 있다.
제2 웰 영역(PW_X)은 제1 픽셀 그룹 영역(PG11c) 및 제2 픽셀 그룹 영역(PG12c) 각각을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 즉, 제2 웰 영역(PW_X)은 제1 픽셀 그룹 영역(PG11c) 및 제2 픽셀 그룹 영역(PG12c)의 중심 영역을 둘러싸는 바운더리 영역에 형성될 수 있고, 제1 픽셀 그룹 영역(PG11c) 및 제2 픽셀 그룹 영역(PG12c)의 중심 영역과 이격될 수 있다. 즉, 제1 픽셀 그룹 영역(PG11c) 및 제2 픽셀 그룹 영역(PG12c)의 중심 영역에는 제2 웰 영역(PW_X)이 형성되지 않을 수 있다.
일 실시예에서, 광 감지 영역(113) 상에는 제1 도전형의 제1 웰 영역(예를 들어, 도 5a의 NW_X)이 더 형성될 수 있다. 제1 웰 영역은 동일한 픽셀 그룹 영역에 포함되는 서브 픽셀 영역에 걸쳐서 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 공유 픽셀 영역(SP1c)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG11c)에 포함되는 제1 서브 픽셀 영역(PX11c) 및 제2 서브 픽셀 영역(PX12c)에 하나의 제1 웰 영역이 형성될 수 있다.
도 8, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 달리, 제1 공유 픽셀 영역(SP1c)은 제1 칼럼에 배치되는 제1 서브 픽셀 영역(PX11c) 및 제3 서브 픽셀 영역(PX13c)로 구성되는 제1 픽셀 그룹 영역을 포함하고, 제2 칼럼에 배치되는 제2 서브 픽셀 영역(PX12c) 및 제4 서브 픽셀 영역(PX14c)로 구성되는 제2 픽셀 그룹 영역을 포함할 수도 있다. 이 때, 제1 공유 픽셀 영역(SP1c)의 제1 픽셀 그룹 영역 및 제2 픽셀 그룹 영역은 로우 방향인 제1 방향(X)으로 나란하게 배치될 수 있다. 이러한 경우, 프로세서(1200)는 제1 픽셀 그룹 영역에서 출력되는 제1 픽셀 신호(예를 들어, 도 3의 Vout1) 및 제2 픽셀 그룹 영역에서 출력되는 제2 픽셀 신호(예를 들어, 도 3의 Vout2)에 기초하여, 제1 방향(X)의 AF 동작을 수행할 수 있다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면으로, 도 2의 픽셀 어레이에 포함되는 제4 픽셀 어레이(110d)의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 11a 및 도 11b는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면으로, 도 11a은 도 10의 X5-X6 단면도이고, 도 11b은 도 10의 Y5-Y6 단면도이다. 도 11a 및 도 11b에 대한 설명에서는 도 5a 및 도 5b에서와 동일한 부호에 대해 도 5a 및 도 5b에 대한 설명과 중복 설명이 생략된다.
도 10, 도 11a 및 도 11b를 참조하면, 제4 픽셀 어레이(110d)는 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1d~SP4d)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1d~SP4d) 각각은 동일한 컬러 필터가 배치된 서브 픽셀 영역들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1d~SP4d) 각각에는 제1 픽셀 그룹 영역(PG11d, PG21d, PG31d, PG41d) 및 제2 픽셀 그룹 영역(PG12d, PG22d, PG32d, PG42d)이 형성될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 제1 공유 픽셀 영역(SP1d)에 대해서 설명하나, 제1 공유 픽셀 영역(SP1d)에 대한 설명은 제2 공유 픽셀 영역(SP2d) 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP4d)에도 동일하게 적용될 수 있다.
제1 공유 픽셀 영역(SP1d)은 제1 로우에 배치되는 제1 서브 픽셀 영역(PX11d) 및 제2 서브 픽셀 영역(PX12d)로 구성되는 제1 픽셀 그룹 영역(PG11d)을 포함하고, 제2 로우에 배치되는 제3 서브 픽셀 영역(PX13d) 및 제4 서브 픽셀 영역(PX14d)로 구성되는 제2 픽셀 그룹 영역(PG12d)을 포함할 수 있다. 제1 공유 픽셀 영역(SP1d)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG11d) 및 제2 픽셀 그룹 영역(PG12d)은 칼럼 방향인 제2 방향(Y)으로 나란하게 배치될 수 있다.
반도체 기판(111) 내에는 제1 소자 분리막(117_1) 및 제2 소자 분리막(117_2X)이 형성될 수 있다. 제1 소자 분리막(117_1)은 제1 공유 픽셀 영역(SP1d)을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 즉, 제1 소자 분리막(117_1)에 의하여 하나의 공유 픽셀 영역이 정의될 수 있다.
제2 소자 분리막(117_2X)은 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1d~SP4d)의 내부에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 픽셀 그룹 영역(PG11d)과 제2 픽셀 그룹 영역(PG12d) 사이에는 제1 방향(X)으로 연장되는 제2 소자 분리막(117_2X)이 형성될 수 있다. 제1 픽셀 그룹 영역(PG11d)의 내부와 제2 픽셀 그룹 영역(PG12d)의 내부, 예를 들어 중심 영역에는 제2 소자 분리막(117_2X)이 형성되지 않을 수 있다. 즉, 제1 소자 분리막(117_1) 및 제2 소자 분리막(117_2X)이 형성하는 폐곡면 내부에는 적어도 2개의 서브 픽셀 영역(예를 들어, 제1 서브 픽셀 영역(PX11d) 및 제2 서브 픽셀 영역(PX12d))이 배치될 수 있다.
제4 픽셀 어레이(110d)는 픽셀 그룹 영역 내부, 즉, 중심 영역에는 제2 소자 분리막(117_2X)이 형성되지 않으므로, 제2 소자 분리막(117_2X)에 의해 발생되는 광 산란이 방지될 수 있다. 또한, 하나의 픽셀 그룹 영역(예를 들어, PG11d)에 포함된 서브 픽셀 영역들(예를 들어, PX11d, PX12d)의 광 수광 영역이 증가될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 소자 분리막(117_1)은 제2 소자 분리막(117_2X)에 비해 넓은 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 제1 소자 분리막(117_1)의 제1 폭(w1)은 제2 소자 분리막(117_2X)의 제2 폭(w2)보다 넓게 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 소자 분리막(117_1)은 제2 소자 분리막(117_2X)보다 깊게 형성될 수 있다. 즉, 반도체 기판(111)의 일측면(예를 들어, 111b)으로부터 제1 소자 분리막(117_1)의 제1 깊이(d1)는 제2 소자 분리막(117_2X)의 제2 깊이(d2)보다 깊을 수 있다. 공유 픽셀 영역들 사이에 형성되는 제1 소자 분리막(117_1)의 제1 폭(w1)을 상대적으로 넓게 형성하고, 제1 소자 분리막(117_1)의 제1 깊이(d1)를 상대적으로 깊게 형성함으로써, 공유 픽셀 영역들 사이에 발생할 수 있는 크로스 토크(cross talk)를 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 광 감지 영역(113) 상에는 제1 도전형의 제1 웰 영역(예를 들어, 도 5a의 NW_X)이 더 형성될 수 있다. 제1 웰 영역은 동일한 픽셀 그룹 영역에 포함되는 서브 픽셀 영역에 걸쳐서 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 공유 픽셀 영역(SP1d)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG11d)에 포함되는 제1 서브 픽셀 영역(PX11d) 및 제2 서브 픽셀 영역(PX12d)에 하나의 제1 웰 영역(NW_X 이 형성될 수 있다. 또한, 분리 불순물 층(115) 상에 제2 도전형의 제2 웰 영역(예를 들어, 도 9b의 PW_X)이 더 형성될 수도 있다. 제2 웰 영역(PW_X)은 제1 픽셀 그룹 영역(PG11d) 및 제2 픽셀 그룹 영역(PG12d) 각각을 둘러싸도록 형성될 수 있다.
일 실시예예서, 프로세서(예를 들어, 도 1의 1200)는 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1d~SP4d)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG11d, PG21d, PG31d, PG41d) 각각에서 출력되는 제1 픽셀 신호(Vout1)에 대응되는 제1 픽셀 정보를 수신할 수 있고, 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1d~SP4d)의 제2 픽셀 그룹 영역(PG12d, PG22d, PG32d, PG42d) 각각에서 출력되는 제2 픽셀 신호(Vout2)에 대응되는 제2 픽셀 정보를 수신할 수 있다. 프로세서(1200)는 제1 픽셀 정보 및 제2 픽셀 정보를 이용하여, 칼럼 방향인 제2 방향(Y)의 AF 동작 또는 제2 방향(Y)의 거리 측정 동작을 수행할 수 있다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 대한 도면으로, 도 2의 픽셀 어레이에 포함되는 제5 픽셀 어레이(110e)의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 제5 픽셀 어레이(110e)는 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1e~SP4e)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1e~SP4e) 각각은 동일한 컬러 필터가 배치된 서브 픽셀 영역들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1e~SP4e) 각각에는 제1 픽셀 그룹 영역(PG11e, PG21e, PG31e, PG41e) 및 제2 픽셀 그룹 영역(PG12e, PG22e, PG32e, PG42e)이 형성될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 제1 공유 픽셀 영역(SP1e)에 대해서 설명하나, 제1 공유 픽셀 영역(SP1e)에 대한 설명은 제2 공유 픽셀 영역(SP2e) 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP4e)에도 동일하게 적용될 수 있다.
제1 공유 픽셀 영역(SP1e)은 제1 칼럼에 배치되는 제1 서브 픽셀 영역(PX11e) 및 제3 서브 픽셀 영역(PX13e)로 구성되는 제1 픽셀 그룹 영역(PG11e)을 포함하고, 제2 칼럼에 배치되는 제2 서브 픽셀 영역(PX12e) 및 제4 서브 픽셀 영역(PX14e)로 구성되는 제2 픽셀 그룹 영역(PG12e)을 포함할 수 있다. 제1 공유 픽셀 영역(SP1e)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG11e) 및 제2 픽셀 그룹 영역(PG12e)은 로우 방향인 제1 방향(X)으로 나란하게 배치될 수 있다.
제5 픽셀 어레이(110e)에는 제1 소자 분리막(117_1) 및 제2 소자 분리막(117_2Y)이 형성될 수 있다. 제2 소자 분리막(117_2Y)은 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1e~SP4e)의 내부에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 픽셀 그룹 영역(PG11e)과 제2 픽셀 그룹 영역(PG12e) 사이에는 제2 방향(Y)으로 연장되는 제2 소자 분리막(117_2Y)이 형성될 수 있다. 제1 픽셀 그룹 영역(PG11e)의 중심 영역과 제2 픽셀 그룹 영역(PG12e)의 중심 영역에는 제2 소자 분리막(117_2Y)이 형성되지 않을 수 있다. 즉, 제1 소자 분리막(117_1) 및 제2 소자 분리막(117_2Y)이 형성하는 폐곡면 내부에는 적어도 2개의 서브 픽셀 영역(예를 들어, 제1 서브 픽셀 영역(PX11e) 및 제3 서브 픽셀 영역(PX13e))이 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 소자 분리막(117_1)은 제2 소자 분리막(117_2Y)에 비해 넓은 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 소자 분리막(117_1)은 제2 소자 분리막(117_2Y)보다 깊게 형성될 수 있다.
일 실시예예서, 프로세서(예를 들어, 도 1의 1200)는 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1e~SP4e)의 제1 픽셀 그룹 영역(PG11e, PG21e, PG31e, PG41e) 각각에서 출력되는 제1 픽셀 신호(Vout1)에 대응되는 제1 픽셀 정보를 수신할 수 있고, 제1 내지 제4 공유 픽셀 영역(SP1e~SP4e)의 제2 픽셀 그룹 영역(PG12e, PG22e, PG32e, PG42e) 각각에서 출력되는 제2 픽셀 신호(Vout2)에 대응되는 제2 픽셀 정보를 수신할 수 있다. 프로세서(1200)는 제1 픽셀 정보 및 제2 픽셀 정보를 이용하여, 로우 방향인 제1 방향(X)의 AF 동작 또는 제1 방향(X)의 거리 측정 동작을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 이미지 센서의 픽셀 어레이(예를 들어, 도 2의 110)은 도 10의 제4 픽셀 어레이(110d) 및 도 12의 제5 픽셀 어레이(110e)를 모두 포함할 수 있다. 따라서, 이미지 센서는 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y) 모두의 AF 기능을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 이미지 센서의 픽셀 어레이(110)는 인접하게 배치되는 제4 픽셀 어레이(110d) 및 제5 픽셀 어레이(110e)를 포함할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 이미지 센서
110: 픽셀 어레이
120: 제어부
130: 신호 처리부
140: 로우 드라이버
150: 신호 독출부
110: 픽셀 어레이
120: 제어부
130: 신호 처리부
140: 로우 드라이버
150: 신호 독출부
Claims (10)
- 기판 상에 배치되는 광 감지 소자를 각각 포함하는 복수의 서브 픽셀 영역들로 구성되는 제1 공유 픽셀 영역; 및
상기 제1 공유 픽셀 영역을 정의하는 제1 소자 분리막;을 포함하고,
상기 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 광 감지 소자들은 제1 플로팅 디퓨젼 영역에 연결되고,
상기 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 상기 복수의 서브 픽셀 영역들 중 제1 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제1 서브 픽셀 영역 및 제2 서브 픽셀 영역은 제1 픽셀 그룹 영역을 구성하고, 상기 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 상기 복수의 서브 픽셀 영역들 중 상기 제1 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제3 서브 픽셀 영역 및 제4 서브 픽셀 영역은 제2 픽셀 그룹 영역을 구성하고,
상기 제1 픽셀 그룹 영역은 제1 도전형 불순물로 도핑된 제1 웰 영역을 공유하고, 상기 제2 픽셀 그룹 영역은 상기 제1 웰 영역과 이격되고 상기 제1 도전형 불순물로 도핑되는 제2 웰 영역을 공유하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 기판 상에 배치되는 광 감지 소자를 각각 포함하는 복수의 서브 픽셀 영역들로 구성되는 제2 공유 픽셀 영역을 더 포함하고,
상기 제2 공유 픽셀 영역에 포함된 광 감지 소자들은 제2 플로팅 디퓨젼 영역에 연결되고,
상기 제2 공유 픽셀 영역에 포함된 상기 복수의 서브 픽셀 영역들 중 제2 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제5 서브 픽셀 영역 및 제6 서브 픽셀 영역은 제3 픽셀 그룹 영역을 구성하고, 상기 제2 공유 픽셀 영역에 포함된 상기 복수의 서브 픽셀 영역들 중 상기 제2 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제7 서브 픽셀 영역 및 제8 서브 픽셀 영역은 제4 픽셀 그룹 영역을 구성하고,
상기 제3 픽셀 그룹 영역은 제1 도전형 불순물로 도핑된 제3 웰 영역을 공유하고, 상기 제4 픽셀 그룹 영역은 상기 제3 웰 영역과 이격되고 상기 제1 도전형 불순물로 도핑되는 제4 웰 영역을 공유하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 상기 복수의 서브 픽셀 영역들 상에 마이크로 렌즈가 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 공유 픽셀 영역 상에 하나의 마이크로 렌즈가 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 기판 상에 배치되는 광 감지 소자를 각각 포함하는 복수의 서브 픽셀 영역들로 구성되는 제1 공유 픽셀 영역;
상기 제1 공유 픽셀 영역을 정의하는 제1 소자 분리막; 및
상기 제1 공유 픽셀 영역의 내부에서 형성되는 제2 소자 분리막;을 포함하고,
상기 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 광 감지 소자들은 제1 플로팅 디퓨젼 영역에 연결되고,
상기 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 상기 복수의 서브 픽셀 영역들 중 제1 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제1 서브 픽셀 영역 및 제2 서브 픽셀 영역은 제1 픽셀 그룹 영역을 구성하고, 상기 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 상기 복수의 서브 픽셀 영역들 중 상기 제1 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제3 서브 픽셀 영역 및 제4 서브 픽셀 영역은 제2 픽셀 그룹 영역을 구성하고,
상기 제1 픽셀 그룹 영역 및 상기 제2 픽셀 그룹 영역은 각각 상기 제1 소자 분리막 및 상기 제2 소자 분리막이 형성하는 폐곡면에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제5항에 있어서,
상기 제1 소자 분리막의 폭은 상기 제2 소자 분리막의 폭보다 넓은 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제5항에 있어서,
상기 기판의 일측면으로부터의 상기 제1 소자 분리막의 깊이는 상기 기판의 일측면으로부터의 상기 제2 소자 분리막의 깊이보다 깊은 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제5항에 있어서,
상기 기판 상에 배치되는 광 감지 소자를 각각 포함하는 복수의 서브 픽셀 영역들로 구성되는 제2 공유 픽셀 영역을 더 포함하고,
상기 제2 공유 픽셀 영역에 포함된 광 감지 소자들은 제2 플로팅 디퓨젼 영역에 연결되고,
상기 제2 공유 픽셀 영역에 포함된 상기 복수의 서브 픽셀 영역들 중 제2 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제5 서브 픽셀 영역 및 제6 서브 픽셀 영역은 제3 픽셀 그룹 영역을 구성하고, 상기 제2 공유 픽셀 영역에 포함된 상기 복수의 서브 픽셀 영역들 중 상기 제2 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제7 서브 픽셀 영역 및 제8 서브 픽셀 영역은 제4 픽셀 그룹 영역을 구성하고,
상기 제3 픽셀 그룹 영역 및 상기 제4 픽셀 그룹 영역은 각각 상기 제1 소자 분리막 및 상기 제2 소자 분리막이 형성하는 폐곡면에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 기판 상에 배치되는 광 감지 소자를 각각 포함하는 복수의 서브 픽셀 영역들로 구성되는 제1 공유 픽셀 영역; 및
상기 제1 공유 픽셀 영역을 정의하는 소자 분리막;을 포함하고,
상기 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 광 감지 소자들은 제1 플로팅 디퓨젼 영역에 연결되고,
상기 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 상기 복수의 서브 픽셀 영역들 중 제1 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제1 서브 픽셀 영역 및 제2 서브 픽셀 영역은 제1 픽셀 그룹 영역을 구성하고, 상기 제1 공유 픽셀 영역에 포함된 상기 복수의 서브 픽셀 영역들 중 상기 제1 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제3 서브 픽셀 영역 및 제4 서브 픽셀 영역은 제2 픽셀 그룹 영역을 구성하고,
상기 제1 픽셀 그룹 영역 및 상기 제2 픽셀 그룹 영역 각각의 중심 영역을 둘러싸는 바운더리 영역에 P형 불순물로 도핑된 웰 영역이 형성되고,
상기 웰 영역은 상기 제1 픽셀 그룹 영역 및 상기 제2 픽셀 그룹 영역 각각의 상기 중심 영역과 이격되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제9 항에 있어서,
상기 기판 상에 배치되는 광 감지 소자를 각각 포함하는 복수의 서브 픽셀 영역들로 구성되는 제2 공유 픽셀 영역을 더 포함하고,
상기 제2 공유 픽셀 영역에 포함된 광 감지 소자들은 제1 플로팅 디퓨젼 영역에 연결되고,
상기 제2 공유 픽셀 영역에 포함된 상기 복수의 서브 픽셀 영역들 중 제2 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제5 서브 픽셀 영역 및 제6 서브 픽셀 영역은 제3 픽셀 그룹 영역을 구성하고, 상기 제2 공유 픽셀 영역에 포함된 상기 복수의 서브 픽셀 영역들 중 상기 제2 방향으로 서로 나란하게 배치되는 제7 서브 픽셀 영역 및 제8 서브 픽셀 영역은 제4 픽셀 그룹 영역을 구성하고,
상기 제3 픽셀 그룹 영역 및 상기 제4 픽셀 그룹 영역 각각의 중심 영역을 둘러싸는 바운더리 영역에 P형 불순물로 도핑된 웰 영역이 형성되고,
상기 웰 영역은 상기 제3 픽셀 그룹 영역 및 상기 제4 픽셀 그룹 영역 각각의 상기 중심 영역과 이격되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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