KR20210054629A - 이미지 센서 - Google Patents

이미지 센서 Download PDF

Info

Publication number
KR20210054629A
KR20210054629A KR1020190140188A KR20190140188A KR20210054629A KR 20210054629 A KR20210054629 A KR 20210054629A KR 1020190140188 A KR1020190140188 A KR 1020190140188A KR 20190140188 A KR20190140188 A KR 20190140188A KR 20210054629 A KR20210054629 A KR 20210054629A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pixel
photodiode
pixels
photodiodes
conductivity type
Prior art date
Application number
KR1020190140188A
Other languages
English (en)
Inventor
심은섭
이경호
최성수
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020190140188A priority Critical patent/KR20210054629A/ko
Priority to US16/848,208 priority patent/US11532654B2/en
Priority to CN202011034938.7A priority patent/CN112786631A/zh
Publication of KR20210054629A publication Critical patent/KR20210054629A/ko
Priority to US18/080,904 priority patent/US12087791B2/en

Links

Images

Classifications

    • H04N5/378—
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
    • H01L27/14605—Structural or functional details relating to the position of the pixel elements, e.g. smaller pixel elements in the center of the imager compared to pixel elements at the periphery
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H01L27/1461—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements characterised by the photosensitive area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H01L27/14612—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements involving a transistor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H01L27/14612—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements involving a transistor
    • H01L27/14616—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements involving a transistor characterised by the channel of the transistor, e.g. channel having a doping gradient
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1462—Coatings
    • H01L27/14621—Colour filter arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L27/14627—Microlenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1463—Pixel isolation structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14634—Assemblies, i.e. Hybrid structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14636—Interconnect structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14638—Structures specially adapted for transferring the charges across the imager perpendicular to the imaging plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14641—Electronic components shared by two or more pixel-elements, e.g. one amplifier shared by two pixel elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14645—Colour imagers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/1205—Multiplexed conversion systems
    • H03M1/123—Simultaneous, i.e. using one converter per channel but with common control or reference circuits for multiple converters
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/50—Analogue/digital converters with intermediate conversion to time interval
    • H03M1/56—Input signal compared with linear ramp
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/703—SSIS architectures incorporating pixels for producing signals other than image signals
    • H04N25/704—Pixels specially adapted for focusing, e.g. phase difference pixel sets
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/75—Circuitry for providing, modifying or processing image signals from the pixel array
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H04N25/772—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising A/D, V/T, V/F, I/T or I/F converters
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/78—Readout circuits for addressed sensors, e.g. output amplifiers or A/D converters
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/79—Arrangements of circuitry being divided between different or multiple substrates, chips or circuit boards, e.g. stacked image sensors
    • H04N5/36961—

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

본 발명의 이미지 센서는, 제1 픽셀들과 제2 픽셀들을 포함하고, 상기 제1 픽셀들과 상기 제2 픽셀들 각각은 마이크로렌즈, 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향 중에서 적어도 하나의 방향을 따라 배치된 복수의 포토다이오드들, 및 상기 복수의 포토다이오드들 각각에 대응하는 전송 트랜지스터를 포함하는 픽셀 어레이와, 상기 제1 픽셀들과 상기 제2 픽셀들로부터 리셋 전압과 픽셀 전압을 검출하고, 상기 리셋 전압과 상기 픽셀 전압의 차이를 아날로그 신호로서 출력하는 샘플링 회로와, 상기 아날로그 신호를 램프 전압과 비교하고, 비교 결과를 디지털 신호로 변환하여 이미지 데이터로서 출력하는 아날로그-디지털 컨버터와, 상기 이미지 데이터를 이용하여 이미지를 생성하는 신호 처리 회로를 포함하고, 상기 제1 픽셀들 각각은 상기 복수의 포토다이오드들을 분리하고, 상기 복수의 포토다이오드들과 다른 도전형을 갖는 제1 도전형의 웰을 포함하고, 상기 제2 픽셀들 각각은 상기 복수의 포토다이오드들을 분리하고, 상기 제1 도전형의 웰과 다른 도전형을 갖는 제2 도전형의 웰을 포함하고, 상기 제2 도전형의 웰의 전위 레벨은 상기 제1 도전형의 웰의 전위 레벨보다 높다.

Description

이미지 센서{IMAGE SENSOR}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 빛을 받아들여 전기 신호를 생성하는 반도체 기반의 센서로서, 복수의 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이와, 픽셀 어레이를 구동하고 이미지를 생성하기 위한 로직 회로 등을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들은 외부의 빛에 반응하여 전하를 생성하는 포토 다이오드 및 포토 다이오드가 생성한 전하를 전기 신호로 변환하는 픽셀 회로 등을 포함할 수 있다. 이미지 센서는 사진이나 동영상을 촬영하기 위한 카메라 이외에, 스마트폰, 태블릿 PC, 랩톱 컴퓨터, 텔레비전, 자동차 등에 폭넓게 적용될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제 중 하나는, 이미지의 품질을 개선시킬 수 있는 이미지 센서를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는, 제1 픽셀들과 제2 픽셀들을 포함하고, 상기 제1 픽셀들과 상기 제2 픽셀들 각각은 마이크로렌즈, 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향 중에서 적어도 하나의 방향을 따라 배치된 복수의 포토다이오드들, 및 상기 복수의 포토다이오드들 각각에 대응하는 전송 트랜지스터를 포함하는 픽셀 어레이와, 상기 제1 픽셀들과 상기 제2 픽셀들로부터 리셋 전압과 픽셀 전압을 검출하고, 상기 리셋 전압과 상기 픽셀 전압의 차이를 아날로그 신호로서 출력하는 샘플링 회로와, 상기 아날로그 신호를 램프 전압과 비교하고, 비교 결과를 디지털 신호로 변환하여 이미지 데이터로서 출력하는 아날로그-디지털 컨버터와, 상기 이미지 데이터를 이용하여 이미지를 생성하는 신호 처리 회로를 포함하고, 상기 제1 픽셀들 각각은 상기 복수의 포토다이오드들을 분리하고, 상기 복수의 포토다이오드들과 다른 도전형을 갖는 제1 도전형의 웰을 포함하고, 상기 제2 픽셀들 각각은 상기 복수의 포토다이오드들을 분리하고, 상기 제1 도전형의 웰과 다른 도전형을 갖는 제2 도전형의 웰을 포함하고, 상기 제2 도전형의 웰의 전위 레벨은 상기 제1 도전형의 웰의 전위 레벨보다 높다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는, 제1 픽셀과 제2 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이와, 상기 제1 픽셀과 상기 제2 픽셀로부터 픽셀 신호를 수신하고, 상기 픽셀신호를 이용하여 이미지를 생성하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 제1 픽셀은 하나의 마이크로렌즈 하부에 배치되는 제1 포토다이오드와 제2 포토다이오드를 포함하고, 상기 제2 픽셀은 하나의 마이크로렌즈 하부에 배치되는 제3 포토다이오드와 제4 포토다이오드를 포함하고, 노출시간 동안 상기 제1 포토다이오드 내에 집적된 전자의 개수와 상기 제2 포토다이오드 내에 집적된 전자의 개수의 합이 선형성을 갖는 제1 구간에서 상기 제1 포토다이오드와 상기 제2 포토다이오드가 출력할 수 있는 전자들의 최대 개수는 제1 최대 전하 저장 용량이고, 상기 노출시간 동안 상기 제3 포토다이오드 내에 집적된 전자의 개수와 상기 제4 포토다이오드 내에 집적된 전자의 개수의 합이 선형성을 갖는 제2 구간에서 상기 제3 포토다이오드와 상기 제4 포토다이오드가 출력할 수 있는 전자들의 최대 개수는 제2 최대 전하 저장 용량이고, 상기 제2 최대 전하 저장 용량은 상기 제1 최대 전하 저장 용량보다 크다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는, 제1 픽셀과 제2 픽셀을 포함하고, 상기 제1 픽셀과 상기 제2 픽셀 각각은 마이크로렌즈, 복수의 포토다이오드들, 및 상기 복수의 포토다이오드들 각각에 대응하고 상기 복수의 포토다이오드들 각각과 플로팅 확산 영역을 연결하는 전송 트랜지스터를 포함하는 픽셀 어레이와, 상기 제1 픽셀과 상기 제2 픽셀로부터 픽셀 신호를 수신하고, 상기 픽셀 신호를 이용하여 이미지를 생성하는 컨트롤러를 포함하고, 노출시간 동안 상기 복수의 포토다이오드들로 기준 조도 이상의 빛이 입사될 경우 상기 제1 픽셀은 상기 복수의 포토다이오드들과 상기 플로팅 확산 영역 사이의 제1 통로를 통해 상기 복수의 포토다이오드들에서 생성된 전하들 중 적어도 일부가 상기 플로팅 확산 영역으로 이동하고, 상기 노출시간 동안 상기 복수의 포토다이오드들로 기준 조도 이상의 빛이 입사될 경우 상기 제2 픽셀은 어느 하나의 포토다이오드와 다른 하나의 포토다이오드 사이의 제2 통로를 통해 상기 어느 하나의 포토다이오드에서 생성된 전하들 중 적어도 일부가 상기 다른 하나의 포토다이오드로 이동한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 이미지 센서의 픽셀 어레이가 상대적으로 COB 레벨이 높은 픽셀과 상대적으로 COB 레벨이 낮은 픽셀을 모두 포함할 수 있다. 따라서, 각 픽셀의 최대 전하 저장 용량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 픽셀의 최대 전하 저장 용량이 증가하므로 이미지의 품질이 개선될 수 있다.
또한, 고조도 환경에서 신호 대　잡음비가 개선될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명이 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 도면들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀을 간단하게 나타낸 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 픽셀의 단면도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 픽셀의 평면도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 집적 모드에서 이미지 센서의 전위 레벨을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 픽셀에서 빛의 양에 따른 출력 신호를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 픽셀의 평면도를 나타낸다.
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 집적 모드에서 이미지 센서의 전위 레벨을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 픽셀에서 빛의 양에 따른 출력 신호를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀을 간단하게 나타낸 회로도이다.
도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 픽셀의 평면도를 나타낸다.
도 15a 내지 도 15e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이의 일부를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 16a와 도 16b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이의 일부를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 17a와 도 17b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이의 일부를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 기기를 간단하게 나타낸 블록도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(110), 로우 드라이버(120), 리드아웃 회로(130), 타이밍 컨트롤러(140), 및 신호 처리 회로(150)를 포함할 수 있다. 로우 드라이버(120), 리드아웃 회로(130), 타이밍 컨트롤러(140), 및 신호 처리 회로(150)는 컨트롤러에 포함될 수 있다.
이미지 센서(100)는 외부에서 수신한 빛을 전기 신호로 변환하여 이미지 데이터를 생성할 수 있다. 이미지 센서(100)에 포함되는 픽셀 어레이(110)는 복수의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있으며, 복수의 픽셀들(PX)은 빛을 받아들여 전하를 생성하는 광전 소자, 예를 들어 포토 다이오드(Photo Diode, PD)를 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(PX)은 제1 방향으로 연장되는 복수의 로우(row) 라인들 및 제2 방향으로 연장되는 복수의 칼럼(column) 라인들과 연결될 수 있다. 일 실시 예에서, 복수의 픽셀들(PX) 각각은 둘 이상의 포토 다이오드들을 포함할 수도 있다. 픽셀들(PX) 각각이 여러 색상의 빛에 대응하는 픽셀 신호를 생성하거나, 또는 자동 초점(Auto Focus) 기능을 제공하기 위한 목적으로 복수의 픽셀들(PX) 각각에 둘 이상의 포토 다이오드들이 포함될 수 있다.
한편 복수의 픽셀들(PX) 각각은 포토 다이오드들이 생성하는 전하로부터 픽셀 신호를 생성하기 위한 픽셀 회로를 포함할 수 있다. 일 실시 예로, 픽셀 회로는 전송 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 및 플로팅 확산 영역 등을 포함할 수 있다. 픽셀 회로는 복수의 픽셀들(PX) 각각으로부터 리셋 전압과 픽셀 전압을 검출하고, 그 차이를 계산함으로써 픽셀 신호를 획득할 수 있다. 픽셀 전압은, 복수의 픽셀들(PX) 각각에 포함된 포토 다이오드들에서 생성된 전하가 반영된 전압일 수 있다.
복수의 픽셀들(PX)이 둘 이상의 포토 다이오드들을 갖는 경우, 복수의 픽셀들(PX) 각각은 둘 이상의 포토 다이오드들 각각에서 생성된 전하를 처리하기 위한 픽셀 회로를 포함할 수 있다. 즉, 실시예에 따라서 픽셀 회로는 전송 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 및 리셋 트랜지스터 중 적어도 하나를 2개 이상 포함할 수 있다.
로우 드라이버(120)는 픽셀 어레이(110)를 로우 단위로 구동할 수 있다.복수의 로우 드라이버(120)는 로우 라인들에 구동 신호를 입력하여 픽셀 어레이(110)를 구동할 수 있다. 예를 들어, 구동 신호는 픽셀 회로의 전송 트랜지스터를 제어하는 전송 제어 신호(TG), 리셋 트랜지스터를 제어하는 리셋 제어 신호(RS), 선택 트랜지스터를 제어하는 선택 제어 신호(SEL) 등을 포함할 수 있다. 일례로 로우 드라이버(120)는 복수의 로우 라인들을 순차적으로 구동할 수 있다.
리드아웃 회로(130)는 램프 신호 생성기(131), 샘플링 회로(132), 아날로그-디지털 컨버터(Analog-to-Digital Converter, ADC; 133), 및 버퍼(134)를 포함할 수 있다. 샘플링 회로(132)는 복수의 칼럼 라인들을 통해 픽셀들(PX)과 연결되는 복수의 샘플러들을 포함할 수 있으며, 일 실시 예에서 샘플러는 상관 이중 샘플러(Correlated Double Sampler, CDS)일 수 있다. 샘플러는, 복수의 로우 라인들 중에서 로우 드라이버(120)가 구동하는 선택 로우 라인에 연결된 픽셀들(PX)로부터 리셋 전압 및 픽셀 전압을 검출할 수 있다. 샘플러들은 리셋 전압과 픽셀 전압의 차이를 아날로그 신호로 출력할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(133)는 아날로그 신호를 램프 전압(VRMP)과 비교하고, 비교 결과를 디지털 신호로 변환하여 이미지 데이터(LSB)로서 출력할 수 있다. 이미지 데이터(LSB)는 리셋 전압과 픽셀 전압의 차이가 클수록 증가하는 값을 가질 수 있다. 따라서, 이미지 데이터(LSB)는 포토 다이오드가 수신하는 빛의 양이 클수록 증가하는 값을 가질 수 있다.
버퍼(134)는 아날로그-디지털 컨버터(133)로부터 수신한 이미지 데이터(LSB)를 임시로 저장할 수 있다.
로우 드라이버(120), 및 리드아웃 회로(130)는 타이밍 컨트롤러(140)에 의해 제어될 수 있다. 타이밍 컨트롤러(140)는 로우 드라이버(120), 및 리드아웃 회로(130)의 동작 타이밍을 제어할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 타이밍 컨트롤러(140)의 제어에 따라 로우 단위로 픽셀 어레이(110)의 동작을 제어할 수 있다.
신호 처리 회로(150)는 버퍼(134)로부터 전송된 이미지 데이터(LSB)를 이용하여 이미지를 생성할 수 있다. 신호 처리 회로(150)는 이미지 데이터(LSB)를 처리하고, 처리된 이미지 데이터를 이미지로서 출력할 수 있다. 예컨대, 신호 처리 회로(150)는 픽셀들(PX)로부터 출력된 픽셀 신호드에 상응하는 이미지 데이터(LSB)를 보간(interpolation)하고, 보간된 이미지 데이터를 생성할 수 있다.
이미지 센서(100)는 신호 처리 회로(150)가 이미지 데이터(LSB)를 처리하기 전에 포토 다이오드들로부터 출력된 픽셀 신호들을 이용하여 배드 픽셀 정정(bad pixel correction(BPC))를 수행할 수 있다.
또한, 이미지 센서(100)는 신호 처리 회로(150)가 이미지 데이터(LSB)를 처리하기 전에 포토 다이오드들로부터 출력된 픽셀 신호들을 이용하여 디스패리티(disparity)를 계산하고 자동 초점 기능을 수행할 수 있다. 이미지 센서(100)는 디스패리티를 계산하기 위해 노이즈 감소 등을 수행할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 도면들이다.
우선 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미징 장치(10)는 제1 레이어(11), 제1 레이어(11)의 하부에 마련되는 제2 레이어(12) 및 제2 레이어(12)의 하부에 마련되는 제3 레이어(13) 등을 포함할 수 있다. 제1 레이어(11)와 제2 레이어(12) 및 제3 레이어(13)는 서로 수직하는 방향에서 적층될 수 있다. 일 실시 예에서, 제1 레이어(11)와 제2 레이어(12)는 웨이퍼 레벨에서 서로 적층되고, 제3 레이어(13)는 칩 레벨에서 제2 레이어(12)의 하부에 부착될 수 있다. 제1 내지 제3 레이어들(11-13)은 하나의 반도체 패키지로 제공될 수 있다.
제1 레이어(11)는 복수의 픽셀들(PX)이 마련되는 센싱 영역(SA)과, 센싱 영역(SA) 주변에 마련되는 제1 패드 영역(PA1)을 포함할 수 있다. 제1 패드 영역(PA1)에는 복수의 상부 패드들(PAD)이 포함되며, 복수의 상부 패드들(PAD)은 비아(VIA) 등을 통해 제2 레이어(12)의 제2 패드 영역(PA2)에 마련된 패드들 및 컨트롤 로직(LC)과 연결될 수 있다.
복수의 픽셀들(PX) 각각은 빛을 받아들여 전하를 생성하는 포토 다이오드와, 포토 다이오드가 생성한 전하를 처리하는 픽셀 회로 등을 포함할 수 있다. 픽셀 회로는 포토 다이오드가 생성한 전하에 대응하는 전압을 출력하기 위한 복수의 트랜지스터들을 포함할 수 있다.
제2 레이어(12)는 컨트롤 로직(LC)을 제공하는 복수의 소자들을 포함할 수 있다. 컨트롤 로직(LC)에 포함되는 복수의 소자들은, 제1 레이어(11)에 마련된 픽셀 회로를 구동하기 위한 회로들, 예를 들어 로우 드라이버, 칼럼 드라이버, 및 타이밍 컨트롤러 등을 제공할 수 있다. 컨트롤 로직(LC)에 포함되는 복수의 소자들은 제1 및 제2 패드 영역들(PA1, PA2)을 통해 픽셀 회로와 연결될 수 있다. 컨트롤 로직(LC)은 복수의 픽셀들(PX)로부터 리셋 전압 및 픽셀 전압을 획득하여 픽셀 신호를 생성할 수 있다.
일 실시 예에서, 복수의 픽셀들(PX) 중 적어도 하나는 동일한 레벨에 배치되는 복수의 포토 다이오드들을 포함할 수 있다. 복수의 포토 다이오드들 각각의 전하로부터 생성된 픽셀 신호들은 서로 위상차를 가질 수 있으며, 컨트롤 로직(LC)은 하나의 픽셀(PX)에 포함된 복수의 포토 다이오드들로부터 생성한 픽셀 신호들의 위상차에 기초하여 자동 초점 기능을 제공할 수 있다.
제2 레이어(12)의 하부에 마련되는 제3 레이어(13)는 메모리 칩(MC)과 더미 칩(DC), 및 메모리 칩(MC)과 더미 칩(DC)을 밀봉하는 보호층(EN)을 포함할 수 있다. 메모리 칩(MC)은 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM) 또는 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM)일 수 있으며, 더미 칩(DC)은 데이터를 실제로 저장하는 기능은 갖지 않을 수 있다. 메모리 칩(MC)은 범프에 의해 제2 레이어(12)의 컨트롤 로직(LC)에 포함된 소자들 중 적어도 일부와 전기적으로 연결될 수 있으며, 자동 초점 기능을 제공하는 데에 필요한 정보를 저장할 수 있다. 일 실시 예에서 상기 범프는 마이크로 범프일 수 있다.
다음으로 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미징 장치(20)는 제1 레이어(21)와 제2 레이어(22)를 포함할 수 있다. 제1 레이어(21)는 복수의 픽셀들(PX)이 마련되는 센싱 영역(SA)과, 복수의 픽셀들(PX)을 구동하기 위한 소자들이 마련되는 컨트롤 로직(LC), 및 센싱 영역(SA)과 컨트롤 로직(LC)의 주변에 마련되는 제1 패드 영역(PA1)을 포함할 수 있다. 제1 패드 영역(PA1)에는 복수의 상부 패드들(PAD)이 포함되며, 복수의 상부 패드들(PAD)은 비아(VIA) 등을 통해 제2 레이어(22)에 마련된 메모리 칩(MC)과 연결될 수 있다. 제2 레이어(22)는 메모리 칩(MC)과 더미 칩(DC), 및 메모리 칩(MC)과 더미 칩(DC)을 밀봉하는 보호층(EN)을 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(PA)는 복수의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(PX)은 복수의 로우 라인들(ROW1-ROWm: ROW)과 복수의 칼럼 라인들(COL1-COLn: COL)에 연결될 수 있다. 이미지 센서는 복수의 픽셀들(PX)을 복수의 로우 라인들(ROW) 단위로 구동할 수 있다. 일례로, 복수의 로우 라인들(ROW) 중에서 선택 구동 라인을 구동하고 선택 구동 라인에 연결된 픽셀들(PX)로부터 리셋 전압과 픽셀 전압을 읽어오는 데에 필요한 시간은, 하나의 수평 주기로 정의될 수 있다. 이미지 센서는 복수의 로우 라인들(ROW)을 순차적으로 구동하는 롤링 셔터 방식으로 동작할 수 있다.
한편, 이미지 센서의 프레임 주기(FT)는, 픽셀 어레이(PA)에 포함되는 모든 픽셀들로부터 리셋 전압과 픽셀 전압을 읽어오는 데에 필요한 시간들로 정의될 수 있다. 일례로, 프레임 주기(FT)는 복수의 로우 라인들(ROW)의 개수와 수평 주기의 곱과 같거나, 그보다 클 수 있다. 이미지 센서의 프레임 주기(FT)가 짧을수록, 이미지 센서는 같은 시간 동안 더 많은 개수의 이미지 프레임을 생성할 수 있다.
포토 다이오드는 빛에 반응하여 전자 또는 홀을 주 전하 캐리어로 생성할 수 있다. 본 명세서에서는 포토 다이오드가 빛에 반응하여 전자를 주 전하 캐리어로 생성하는 경우를 가정하여 설명하기로 한다.
이하, 도 5 내지 도 9를 참조하여 2PD 픽셀의 제1 실시 예를 설명한다. 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀을 간단하게 나타낸 회로도이다.
도 5를 참조하면, 이미지 센서에 포함되는 픽셀은 2개의 포토 다이오드들(PD1, PD2) 및 픽셀 회로를 포함할 수 있다. 상기 픽셀 회로는 2개의 포토 다이오드들(PD1, PD2)이 생성한 전자를 처리하여 전기 신호를 출력할 수 있다. 일례로 픽셀 회로는 2개의 전송 트랜지스터(TX1, TX2), 리셋 트랜지스터(RX), 구동 트랜지스터(DX), 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다. 제1 전송 트랜지스터(TX1)는 제1 포토 다이오드(PD1)에 연결될 수 있고, 제2 전송 트랜지스터(TX2)는 제2 포토 다이오드(PD2)에 연결될 수 있다.
리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 제어 신호(RS)에 의해 턴-온 및 턴-오프되며, 리셋 트랜지스터(RX)가 턴-온되면 플로팅 확산 영역(FD)의 전압이 전원 전압(VDD)으로 리셋될 수 있다. 플로팅 확산 영역(FD)의 전압이 리셋되면, 선택 트랜지스터(SX)가 선택 제어 신호(SEL)에 의해 턴-온되어 리셋 전압이 칼럼 라인(COL)으로 출력될 수 있다.
리셋 전압이 칼럼 라인(COL)으로 출력된 후 제1 전송 트랜지스터(TX1)가 턴-온되면, 제1 포토 다이오드(PD1)가 빛에 노출되어 생성한 전자가 플로팅 확신 영역(FD)으로 이동할 수 있다. 구동 트랜지스터(DX)는 플로팅 확산 영역(FD)의 전압을 증폭하는 소스-팔로워 증폭기로 동작할 수 있으며, 선택 트랜지스터(SX)가 선택 제어 신호(SEL)에 의해 턴-온되면 포토 다이오드(PD)가 생성한 전자에 대응하는 제1 픽셀 전압이 칼럼 라인(COL)으로 출력될 수 있다.
제1 픽셀 전압이 칼럼 라인(COL)으로 출력된 후 제2 전송 트랜지스터(TX2)가 턴-온되면, 제2 포토 다이오드(PD2)가 빛에 노출되어 생성한 전자가 플로팅 확신 영역(FD)으로 이동할 수 있다. 구동 트랜지스터(DX)는 플로팅 확산 영역(FD)의 전압을 증폭하는 소스-팔로워 증폭기로 동작할 수 있으며, 선택 트랜지스터(SX)가 선택 제어 신호(SEL)에 의해 턴-온되면 포토 다이오드(PD)가 생성한 전자에 대응하는 제2 픽셀 전압이 칼럼 라인(COL)으로 출력될 수 있다.
리셋 전압과 픽셀 전압 각각은, 칼럼 라인(COL)에 연결된 샘플링 회로에 의해 검출될 수 있다. 샘플링 회로는 리셋 전압을 입력받는 제1 입력단 및 제1 픽셀 전압과 제2 픽셀 전압 각각을 입력받는 제2 입력단을 갖는 샘플러를 복수 개 포함할 수 있다.
샘플러는 제1 입력단으로 입력되는 리셋 전압과, 제2 입력단으로 입력되는 제1 픽셀 전압을 비교할 수 있다. 샘플러의 출력단에는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)가 연결될 수 있으며, 아날로그-디지털 컨버터는 리셋 전압과 제1 픽셀 전압의 비교 결과에 대응하는 제1 이미지 데이터를 출력할 수 있다.
샘플러는 제1 입력단으로 입력되는 리셋 전압과, 제2 입력단으로 입력되는 제2 픽셀 전압을 비교할 수 있다. 샘플러의 출력단에는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)가 연결될 수 있으며, 아날로그-디지털 컨버터는 리셋 전압과 제2 픽셀 전압의 비교 결과에 대응하는 제2 이미지 데이터를 출력할 수 있다.
신호 처리 회로는 제1 이미지 데이터와 제2 이미지 데이터를 이용하여 이미지를 생성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 픽셀의 단면도를 나타낸다. 도 6은 2개의 포토다이오드들(PD1과 PD2, 또는 PD1'과 PD2')을 포함하는 픽셀의 단면도를 나타낸다.
픽셀 어레이(200)의 각 픽셀(PX1, PX2)은 2개의 포토다이오드들(PD1과 PD2, 및 PD1'과 PD2')을 포함할 수 있다. 제1 픽셀(PX1)은 제1 포토다이오드(PD1)와 제2 포토다이오드(PD2)를 포함할 수 있고, 제2 픽셀(PX2)은 제3 포토다이오드(PD1')와 제4 포토다이오드(P2')를 포함할 수 있다.
각 픽셀(PX1, PX2)은 2개의 포토다이오드들 상에 컬러 필터(color filter)가 형성될 수 있다. 각 픽셀(PX1, PX2)은 컬러 필터 상에 마이크로렌즈(microlens)가 형성될 수 있다.
실리콘 기판(silicon substrate) 내부에 2개의 포토다이오드들(PD1과 PD2, 및 PD1'와 PD2')이 형성되고, DTI(deep trench isolation)가 2개의 포토다이오드들(PD1과 PD2, 및 PD1'과 PD2') 사이에 형성될 수 있다. 예컨대, 2개의 포토다이오드들(PD1과 PD2, 및 PD1'과 PD2') 사이에는 인-픽셀(in-pixel) DTI가 형성되고, 픽셀들 사이에는 인터-픽셀(inter-pixel DTI)가 형성될 수 있다.
2개의 포토다이오드들(PD1과 PD2, 또는 PD1'와 PD2')과 컬러 필터 사이에 형성된 회로 영역에는 메탈 와이어링(metal wiring), 멀티 레이어 와이어링(multi layer wiring), 또는 와이어링 레이어들(wiring layers)이 형성될 수 있다. 마이크로렌즈와 컬러 필터 사이에 렌즈 버퍼(lens buffer) 또는 평탄화 레이어 (planarization layer)가 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 픽셀의 평면도를 나타낸다.
도 7은 도 6에서 Z 방향으로 바라본 픽셀의 X-Y 평면을 나타낸다. 픽셀(300)은 제1 포토 다이오드(PD1), 제2 포토 다이오드(PD2), 제1 도전형의 웰(R1), 제1 전송 트랜지스터(TX1), 및 제2 전송 트랜지스터(TX2)를 포함할 수 있다.
제1 포토 다이오드(PD1)와 제2 포토 다이오드(PD2) 각각은 반도체 기판에제1 도전형(예컨대, n형)의 불순물들을 이온 주입하여 형성될 수 있다.
제1 도전형의 웰(R1)은 반도체 기판에 제2 도전형(예컨대, p형)의 불순물을 이온 주입하여 형성될 수 있다. 픽셀은 제1 포토 다이오드(PD1)와 제2 포토 다이오드(PD2)가 하나의 플로팅 확산 영역(FD)을 공유하는 구조를 가질 수 있다.
제1 전송 트랜지스터(TX1)는 제1 포토 다이오드(PD1)와 연결될 수 있다. 제1 전송 트랜지스터(TX1)가 턴 온 됨 에 따라 제1 포토 다이오드(PD1)가 빛에 노출되어 생성한 전자가 플로팅 확산 영역(FD)에 축적될 수 있다.
제2 전송 트랜지스터(TX2)는 제2 포토 다이오드(PD2)와 연결될 수 있다. 제2 전송 트랜지스터(TX2)가 턴 온 됨에 따라 제2 포토 다이오드(PD2)가 빛에 노출되어 생성한 전자가 플로팅 확산 영역(FD)에 축적될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 집적 모드에서 이미지 센서의 전위 레벨을 나타내는 도면이다. 도 8은 포토다이오드들(PD1, PD2)에 전자를 집적(integration)하는 광 집적 모드에서 이미지 센서의 전위 레벨을 나타낸다. 제1 통로(P1)는 포토다이오드들(PD1, PD2)에 전자를 집적하는 동안, 포화된 포토다이오드에서 추가로 생성된 전자들이 이동하는 통로를 나타낼 수 있다.
도 7과 도 8을 함께 참조하면, 포토다이오드들(PD1, PD2)은 제1 도전형의 웰(R1)에 의해 서로 분리될 수 있다. 포토다이오드들(PD1, PD2)과 반대의 도전형을 갖는 제1 도전형의 웰(R1)은 포토다이오드들(PD1, PD2) 사이에 포텐셜 배리어(potential barrier)를 제공할 수 있다. 즉, 제1 도전형의 웰(R1)에 의해 포토다이오드들(PD1, PD2)에 포텐셜 웰(potential well)이 형성될 수 있다.
이미지 센서의 동작 시 제1 도전형의 웰(R1)의 전위 레벨과 포토다이오드의 전위 레벨 차이에 의해 제1 도전형의 웰(R1)과 포토다이오드 사이에 제1 포텐셜 베리어(PB1)가 제공될 수 있다.
광 집적 모드에서 제1 도전형의 웰(R1)은 제2 전위 레벨(V2)을 가질 수 있다. 광 집적 모드에서 전송 트랜지스터가 턴 오프 상태일 때 상기 전송 트랜지스터의 게이트 전극 아래의 채널 영역은 제1 전위 레벨(V1)을 가질 수 있다. 제1 전위 레벨(V1)은 제2 전위 레벨(V2)보다 높을 수 있다. 전위 레벨이 낮을수록 전자의 에너지가 높을 수 있다.
포토다이오드의 전위 레벨과 전송 트랜지스터의 게이트 전극 아래의 채널 영역의 전위 레벨 차이에 의해 포토다이오드와 플로팅 확산 영역 사이의 제2 포텐셜 배리어(PB2)가 제공될 수 있다. 제2 포텐셜 배리어(PB2)는 제1 포텐셜 배리어(PB1)보다 낮을 수 있다. 이와 같은 포텐셜 배리어들(PB1, PB2)에 의해 포토다이오드들에 포텐셜 웰이 형성될 수 있으며, 광 집적 모드 동안 포토다이오드로 입사된 빛에 의해 포토다이오드들 내에 전자들이 접적될 수 있다.
광 집적 모드 동안 포토다이오드들로 기준 조도 이상의 빛이 입사될 경우 포토다이오드들은 포화되며, 최대 전하 저장 용량(full well capacitiy) 이상의 전자들이 생성될 수 있다. 이에 따라, 포화된 포토다이오드에서 추가로 생성된 전자들은 상기 포토 다이오드와 플로팅 확산 영역 사이의 제1 통로(P1)를 통해 상기 플로팅 확산 영역으로 이동할 수 있다. 제1 통로(P1)를 통해 상기 플로팅 확산 영역으로 이동하는 전자들은 상기 포토다이오드에 연결된 전송 트랜지스터를 턴 온 시키지 않은 상태에서 발생하는 누설 전자들일 수 있다. 플로팅 확산 영역으로 이동한 전자들은 픽셀들의 리셋 동작에 의해 배출될 수 있다. 따라서 신호의 손실이 발생할 수 있다.
제1 포토다이오드(PD1)에 집적된 전자들은 제1 이미지 데이터(예컨대, 왼쪽 이미지 데이터)를 생성할 수 있고, 제2 포토다이오드(PD2)에 집적된 전자들은 제2 이미지 데이터(예컨대, 오른쪽 이미지 데이터)를 생성할 수 있다. 이미지 센서는 제1 이미지 데이터와 제2 이미지 데이터를 합하여 이미지를 출력할 수 있다.
제1 포토다이오드(PD1)와 제2 포토다이오드(PD2)의 초점이 맞지 않으면 제1 포토다이오드(PD1)와 제2 포토다이오드(PD2) 중에서 어느 하나의 포토다이오드로 빛이 더 많이 들어올 수 있다. 예컨대 제1 포토다이오드(PD1)에 빛이 더 많이 들어오면 제1 포토다이오드(PD1)에 전자들이 집적되는 속도가 더 빠를 수 있다. 따라서, 제1 포토다이오드(PD1)가 먼저 포화될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 픽셀에서 빛의 양에 따른 출력 신호를 나타낸다.
도 9의 X-축은 유효집적시간(effective integration time(EIT))과 조도의 곱을 나타내고, Y-축은 픽셀이 출력하는 신호를 나타낸다. 도 9의 X-축은 노출 시간을 의미할 수 있다. 제1 신호(a)는 제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수를 의미할 수 있고, 제2 신호(b)는 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수를 의미할 수 있다. 제3 신호(c)는 제1 신호(a)와 제2 신호(b)의 합 즉, 제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수(a)와 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수(b)의 합을 의미할 수 있다.
도 8과 도 9를 함께 참조하면, 광 집적 모드의 제1 구간(D1)에서, 빛의 량이 증가함에 따라 제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수(a)와 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수(b)가 증가할 수 있다.
제1 포토다이오드(PD1)와 제2 포토다이오드(PD2)의 초점이 맞지 않아 제1 포토다이오드(PD1)에 빛이 더 많이 들어올 수 있다. 이 경우 제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수(a)가 증가하는 속도는 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수(b)가 증가하는 속도보다 더 빠를 수 있다.
따라서, 제1 포토다이오드(PD1)가 먼저 포화될 수 있다. 제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수(a)와 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수(b)의 합(c)은 제1 구간(D1)에서 제1 기울기를 가지고 선형적으로(linearly) 증가할 수 있다.
제1 포토다이오드(PD1)가 포화된 후 광 집적 모드의 제2 구간(D2)에서, 제1 포토다이오드(PD1) 가 포화되므로, 제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수(a)는 증가하지 않을 수 있다. 반면, 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수(b)가 증가할 수 있다.
제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수(a)와 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수(b)의 합(c)은 제2 구간(D2)에서 제2 기울기를 가지고 선형적으로(linearly) 증가할 수 있다. 제2 기울기는 제1 기울기보다 작을 수 있다.
따라서, 광 집적 모드의 전체 구간에서 제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수(a)와 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수(b)의 합(c)은 비선형성(nonlinearity)을 가질 수 있다.
픽셀의 최대 전하 저장 용량(full well capacity; FWC1)은 제3 신호(c)가 선형성(linearity)을 갖는 제1 구간(D1)에서 제1 포토다이오드(PD1)와 제2 포토다이오드(PD2)가 출력할 수 있는 전자들의 최대 개수일 수 있다.
이하에서는 도 10 내지 도 12를 참조하여 2PD 픽셀의 제2 실시 예를 설명한다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 픽셀의 평면도를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 픽셀(400)은 제1 방향(예컨대, Y 방향)을 따라 배치된 제1 포토 다이오드(PD1)와 제2 포토 다이오드(PD2)를 포함할 수 있다.
도 10의 픽셀(400)은 도 7의 픽셀(300)과 다르게, 제1 포토 다이오드(PD1)와 제2 포토 다이오드(PD2)를 분리하는 제2 도전형의 웰(R2)을 더 포함할 수 있다. 제2 도전형의 웰(R2)은 반도체 기판에 제2 도전형(예컨대, n형)의 불순물을 이온주입하여 형성될 수 있다.
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 집적 모드에서 이미지 센서의 전위 레벨을 나타내는 도면이다. 도 11a 내지 도 11c는 포토다이오드들(PD1, PD2)에 전자를 집적하는 광 집적 모드에서 이미지 센서의 전위 레벨을 나타낸다. 제2 통로(P2)는 포토다이오드들(PD1, PD2)에 전자를 집적하는 동안, 포화된 포토다이오드에서 추가로 생성된 전자들이 이동하는 통로를 나타낼 수 있다.
도 10과 도 11a을 함께 참조하면, 포토다이오드들(PD1, PD2)은 제2 도전형의 웰(R2)에 의해 서로 분리될 수 있다. 제2 도전형의 웰(R2)은 포토다이오드들(PD1, PD2) 사이에 포텐셜 배리어(potential barrier)를 제공할 수 있다. 즉, 제2 도전형의 웰(R2)에 의해 포토다이오드들(PD1, PD2)에 포텐셜 웰(potential well)이 형성될 수 있다.
이미지 센서의 동작 시 제2 도전형의 웰(R2)의 전위 레벨과 포토다이오드의 전위 레벨 차이에 의해 제2 도전형의 웰(R2)과 포토다이오드 사이에 제3 포텐셜 베리어(PB3)가 제공될 수 있다.
광 집적 모드에서 제2 도전형의 웰(R2)은 제3 전위 레벨(V3)을 가질 수 있다. 실시 예에 따라, 제2 도전형의 웰(R2)의 제3 전위 레벨(V3)은 제2 도전형의 웰(R2)의 도핑 농도에 따라 달라질 수 있다. 실시 예에 따라, 제2 도전형의 웰(R2)의 제3 전위 레벨(V3)은 제2 도전형의 웰(R2)의 제2 방향(예컨대, X 방향)으로의 폭에 따라 달라질 수 있다.
광 집적 모드에서 전송 트랜지스터가 턴 오프 상태 일 때 상기 전송 트랜지스터의 게이트 전극 아래의 채널 영역은 제1 전위 레벨(V1)을 가질 수 있다. 제3 전위 레벨(V3)은 제1 전위 레벨(V1)보다 높을 수 있다. 전위 레벨이 낮을수록 전자의 에너지가 높을 수 있다.
포토다이오드의 전위 레벨과 전송 트랜지스터의 게이트 전극 아래의 채널 영역의 전위 레벨 차이에 의해 포토다이오드와 플로팅 확산 영역 사이의 제2 포텐셜 배리어(PB2)가 제공될 수 있다. 제3 포텐셜 배리어(PB3)는 제2 포텐셜 배리어(PB2)보다 낮을 수 있다. 이와 같은 포텐셜 배리어들(PB2, PB3)에 의해 포토다이오드들에 포텐셜 웰이 형성될 수 있으며, 광 집적 모드 동안 포토다이오드로 입사된 빛에 의해 포토다이오드들 내에 전자들이 접적될 수 있다.
광 집적 모드 동안 포토다이오드들로 기준 조도 이상의 빛이 입사될 경우 포토다이오드들의 최대 전하 저장 용량(full well capacitiy) 이상의 전자들이 생성될 수 있다. 이에 따라, 포화된 어느 하나의 포토다이오드(예컨대, 제1 포토 다이오드(PD1))에서 추가로 생성된 전자들이 포토 다이오드들 사이의 제2 통로(P2)를 통해 다른 하나의 포토다이오드(예컨대, 제2 포토다이오드(PD2))로 이동할 수 있다. 따라서 신호의 손실이 발생하지 않을 수 있다.
제1 포토다이오드(PD1)에 집적된 전자들은 제1 이미지 데이터(예컨대, 왼쪽 이미지 데이터)를 생성할 수 있고, 제2 포토다이오드(PD2)에 집적된 전자들은 제2 이미지 데이터(예컨대, 오른쪽 이미지 데이터)를 생성할 수 있다. 이미지 센서는 제1 이미지 데이터와 제2 이미지 데이터를 합하여 이미지를 출력할 수 있다.
제1 포토다이오드(PD1)와 제2 포토다이오드(PD2)의 초점이 맞지 않으면 제1 포토다이오드(PD1)와 제2 포토다이오드(PD2) 중에서 어느 하나의 포토다이오드로 빛이 더 많이 들어올 수 있다. 예컨대 제1 포토다이오드(PD1)에 빛이 더 많이 들어오면 제1 포토다이오드(PD1)에서 전하들이 생성되는 속도가 더 빠를 수 있다. 제1 포토다이오드(PD1)에서 생성된 전하들이 제3 전위 레벨(V3) 이상 채워지면 제1 포토다이오드(PD1)에서 생성된 전하들이 제2 통로(P2)를 통해 제2 포토 다이오드(PD2)로 이동할 수 있다. 따라서, 제1 포토다이오드(PD1)에 집적된 전자들과 제2 포토 다이오드(PD2)에 집적된 전자들이 혼합될 수 있다.
도 11b를 참조하면, 제1 포토다이오드(PD1)에서 이동한 전자들과 제2 포토 다이오드(PD2)에서 이동한 전자들로 인해 제2 포토 다이오드(PD2)에 전자들이 제3 전위 레벨(V3)까지 채워질 수 있다. 도 11c를 참조하면, 제2 포토 다이오드(PD2)에 전자들이 제3 전위 레벨(V3) 이상 채워지면 제1 포토다이오드(PD1)에 집적된 전자들과 제2 포토 다이오드(PD2)에 집적된 전자들이 증가할 수 있다.
이미지 센서가 제1 이미지 데이터(예컨대, 왼쪽 이미지 데이터)를 생성하기 위해 제1 픽셀 전압을 리드할 때, 픽셀에 집적된 전하들 중에서 S 영역의 전하들이 배출될 수 있다. 따라서, 제2 포토 다이오드(PD2)에 전자들이 제3 전위 레벨(V3) 이상 채워지면 제1 포토다이오드(PD1)에 집적된 전자들이 증가한다고 볼 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 픽셀에서 빛의 양에 따른 출력 신호를 나타낸다.
도 12의 X-축은 유효집적시간(effective integration time(EIT))과 조도의 곱을 나타내고, Y-축은 픽셀이 출력하는 신호를 나타낸다. 도 12의 X-축은 노출 시간을 의미할 수 있다. 제1 신호(a')는 제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수를 의미할 수 있고, 제2 신호(b')는 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수를 의미할 수 있다. 제3 신호(c')는 제1 신호(a')와 제2 신호(b)의 합 즉, 제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수(a')와 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수(b')의 합을 의미할 수 있다.
제3 신호(c')가 제1 기울기를 가지고 선형적으로 증가하는 구간은 제1 시간(D1), 제2 시간(D2), 및 제3 시간(D3)을 포함할 수 있다.
도 11a와 도 12를 함께 참조하면, 광 집적 모드의 제1 시간(D1)에서, 빛의 량이 증가함에 따라 제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수(a')와 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수(b')가 증가할 수 있다.
제1 포토다이오드(PD1)와 제2 포토다이오드(PD2)의 초점이 맞지 않아 제1 포토다이오드(PD1)에 빛이 더 많이 들어올 수 있다. 이 경우 제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수(a')가 증가하는 속도는 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수(b')가 증가하는 속도보다 더 빠를 수 있다.
따라서, 제1 포토다이오드(PD1)가 먼저 포화될 수 있다. 제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수(a')와 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수(b')의 합(c')은 제1 시간(D1) 동안 제1 기울기를 가지고 선형적으로 증가할 수 있다.
도 11b와 도 12를 함께 참조하면, 제1 포토다이오드(PD1)가 포화된 후 광집적 모드의 제2 시간(D2)동안, 포화된 제1 포토다이오드(PD1)에서 추가로 생성된 전자들이 제2 포토다이오드(PD2)로 이동할 수 있다. 따라서, 제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수(a')는 증가하지 않을 수 있다. 반면 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수(b')가 증가할 수 있다.
제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수(a')와 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수(b')의 합(c')은 제2 시간(D2) 동안 제2 기울기를 가지고 선형적으로 증가할 수 있다. 제2 기울기와 제1 기울기는 동일할 수 있다.
따라서, 광 집적 모드의 제1 시간(D1)과 제2 시간(D2) 동안 제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수(a')와 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수(b')의 합(c')은 선형성을 가질 수 있다.
도 11c와 도 12를 함께 참조하면, 제2 포토다이오드(PD2)가 포화된 후 광 집적 모드의 제3 시간(D3) 동안, 제1 포토다이오드(PD1)와 제2 포토다이오드(PD2)에 집적된 전자의 개수가 증가할 수 있다. 제1 포토다이오드(PD1)와 제2 포토다이오드(PD2)에 집적된 전자의 개수가 증가하는 것은 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수(b')는 증가하지 않고, 제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수(a')가 증가하는 것을 의미할 수도 있다. 왜냐하면 이미지 센서가 제1 이미지 데이터(예컨대, 왼쪽 이미지 데이터)를 생성하기 위해 제1 픽셀 전압을 리드할 때, 픽셀에 집적된 전하들 중에서 S 영역의 전하들이 배출되기 때문이다.
제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수(a')와 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수(b')의 합(c')은 제3 시간(D3) 동안 제3 기울기를 가지고 선형적으로 증가할 수 있다. 제3 기울기와 제1 기울기는 동일할 수 있다.
따라서, 광 집적 모드의 제1 시간(D1), 제2 시간(D2), 및 제3 시간(D3) 동안 제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수(a')와 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수(b')의 합(c')은 선형성을 가질 수 있다.
제1 포토다이오드(PD1)와 제2 포토다이오드(PD2)가 포화된 후 광 집적 모드의 제4 시간(D4) 동안, 제1 포토다이오드(PD1) 내에 집적된 전자의 개수(a)와 제2 포토다이오드(PD2) 내에 집적된 전자의 개수(b)는 증가하지 않을 수 있다.
픽셀의 최대 전하 저장 용량(full well capacity; FWC2)은 제3 신호(c)가 선형성을 갖는 제1 시간(D1), 제2 시간(D2), 및 제3 시간(D3) 동안 픽셀이 출력할 수 있는 전자들의 최대 개수일 수 있다.
도 12에서 제3 신호(c)가 선형성을 갖는 제2 구간(D1, D2, 및 D3)은 도 9에서 제3 신호(c)가 선형성을 갖는 제1 구간(D1)보다 길 수 있다. 즉, 도 12의 최대 전하 저장 용량(FWC2)은 도 9의 최대 전하 저장 용량(FWC1)보다 클 수 있다.
한편, 도 11a에서 제2 도전형의 웰(R2)의 제3 전위 레벨(V3)은 도 8에서 제1 도전형의 웰(R1)의 제1 전위 레벨(V1)보다 높을 수 있다. 따라서, 도 11a의 픽셀은 COB 레벨이 상대적으로 낮은 구조를 가질 수 있고, 도 8의 픽셀은 COB 레벨이 상대적으로 높은 구조를 가질 수 있다. 여기서, COB는 전하 오버플로우 장벽(charge overflow barrier)을 의미할 수 있다.
COB 레벨이 상대적으로 낮은 구조를 가지는 픽셀의 최대 전하 저장 용량은 COB 레벨이 상대적으로 높은 구조를 가지는 픽셀의 최대 전하 저장 용량보다 클 수 있다.
따라서, 픽셀 어레이의 모든 픽셀들이 COB 레벨이 상대적으로 낮은 구조를 가지도록 이미지 센서를 설계할 수 있다. 그러나, 픽셀이 소형화됨에 따라 산포 조절이 어려운 문제점이 있다.
또한, COB 레벨이 상대적으로 낮은 구조를 가지는 픽셀은 제1 포토다이오드(PD1)에서 생성된 전자가 COB 레벨 이상 채워지면, 제1 포토다이오드(PD1)에 집적된 전자들과 제2 포토 다이오드(PD2)에 집적된 전자들이 혼합될 수 있다. 따라서, COB 레벨이 상대적으로 낮은 구조를 가지는 픽셀은 아날로그 이득이 1배인 저이득 상태(또는 상대적으로 고조도 환경)에서는 자동초점용으로 사용할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이는 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀과 COB 레벨이 상대적으로 낮은 픽셀을 모두 포함할 수 있다.
이하에서는 도 13과 도 14를 참조하여 4PD 픽셀의 실시 예를 설명한다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀을 간단하게 나타낸 회로도이다.
도 13의 픽셀은 도 5의 픽셀과 다르게, 4개의 포토 다이오드들(PD1-PD4) 및 픽셀 회로를 포함할 수 있다. 상기 픽셀 회로는 4개의 포토 다이오드들(PD1- PD4)이 생성한 전자를 처리하여 전기 신호를 출력할 수 있다. 일례로 픽셀 회로는 4개의 전송 트랜지스터(TX1-TX4), 리셋 트랜지스터(RX), 구동 트랜지스터(DX), 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다. 제1 전송 트랜지스터(TX1)는 제1 포토 다이오드(PD1)에 연결될 수 있고, 제2 전송 트랜지스터(TX2)는 제2 포토 다이오드(PD2)에 연결될 수 있다. 제3 전송 트랜지스터(TX3)는 제3 포토 다이오드(PD3)에 연결될 수 있고, 제4 전송 트랜지스터(TX4)는 제4 포토 다이오드(PD4)에 연결될 수 있다.
도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 픽셀의 평면도를 나타낸다.
도 14a를 참조하면, 픽셀(500a)은 제1 내지 제4 포토 다이오드들(PD1-PD4), 제1 도전형의 웰(R1), 4개의 제2 도전형의 웰들(R2-R5), 제1 내지 제4 전송 트랜지스터들(TX1-TX4), 및 플로팅 확산 영역(FD)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 포토 다이오드들(PD1-PD4)은 제1 방향(예컨대, Y방향) 및 제1 방향(예컨대, Y방향)에 수직인 제2 방향(예컨대, X 방향) 중에서 어느 하나의 방향을 따라 배치될 수 있다.
제1 내지 제4 포토 다이오드들(PD1-PD4) 각각은 반도체 기판에 제1 도전형(예컨대, n형)의 불순물들을 이온 주입하여 형성될 수 있다.
제1 도전형의 웰(R1)은 반도체 기판에 제2 도전형(예컨대, p형)의 불순물을 이온 주입하여 형성될 수 있다. 픽셀은 제1 내지 제4 포토 다이오드들(PD1-PD4)이 하나의 플로팅 확산 영역(FD)을 공유하는 구조를 가질 수 있다.
4개의 제2 도전형의 웰들(R2-R5)은 반도체 기판에 제2 도전형(예컨대, n형)의 불순물을 이온주입하여 형성될 수 있다. 제2 도전형의 웰(R2)은 제1 포토 다이오드(PD1)와 제2 포토 다이오드(PD2)를 분리할 수 있다. 제2 도전형의 웰(R3)은 제1 포토 다이오드(PD1)와 제3 포토 다이오드(PD3)를 분리할 수 있다. 제2 도전형의 웰(R4)은 제3 포토 다이오드(PD3)와 제4 포토 다이오드(PD4)를 분리할 수 있다. 제2 도전형의 웰(R5)은 제4 포토 다이오드(PD4)와 제2 포토 다이오드(PD2)를 분리할 수 있다.
제1 전송 트랜지스터(TX1)는 제1 포토 다이오드(PD1)와 연결될 수 있다. 제1 전송 트랜지스터(TX1)가 턴 온 됨 에 따라 제1 포토 다이오드(PD1)가 빛에 노출되어 생성한 전자가 플로팅 확산 영역(FD)에 축적될 수 있다.
제2 전송 트랜지스터(TX2)는 제2 포토 다이오드(PD2)와 연결될 수 있다. 제2 전송 트랜지스터(TX2)가 턴 온 됨에 따라 제2 포토 다이오드(PD2)가 빛에 노출되어 생성한 전자가 플로팅 확산 영역(FD)에 축적될 수 있다.
제3 전송 트랜지스터(TX3)는 제3 포토 다이오드(PD3)와 연결될 수 있다. 제3 전송 트랜지스터(TX3)가 턴 온 됨에 따라 제3 포토 다이오드(PD3)가 빛에 노출되어 생성한 전자가 플로팅 확산 영역(FD)에 축적될 수 있다.
제4 전송 트랜지스터(TX4)는 제4 포토 다이오드(PD4)와 연결될 수 있다. 제4 전송 트랜지스터(TX4)가 턴 온 됨에 따라 제4 포토 다이오드(PD4)가 빛에 노출되어 생성한 전자가 플로팅 확산 영역(FD)에 축적될 수 있다.
도 14b의 픽셀(500b)은 도 14a의 픽셀(500a)과 다르게 3개의 제2 도전형의 웰들(R2-R4)을 포함할 수 있다. 제2 도전형의 웰(R2)은 제1 포토 다이오드(PD1)와 제2 포토 다이오드(PD2)를 분리할 수 있고, 제2 도전형의 웰(R3)은 제1 포토 다이오드(PD1)와 제3 포토 다이오드(PD3)를 분리할 수 있고, 제2 도전형의 웰(R4)은 제3 포토 다이오드(PD3)와 제4 포토 다이오드(PD4)를 분리할 수 있다.
도 14c의 픽셀(500c)은 도 14a의 픽셀(500a)과 다르게 2개의 제2 도전형의 웰들(R2, R4)을 포함할 수 있다. 제2 도전형의 웰(R2)은 제1 포토 다이오드(PD1)와 제2 포토 다이오드(PD2)를 분리할 수 있고, 제2 도전형의 웰(R4)은 제3 포토 다이오드(PD3)와 제4 포토 다이오드(PD4)를 분리할 수 있다.
도 15a 내지 도 15e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이의 일부를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 15a 내지 도 15e는 8*8개의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 나타낸다. 8*8개의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이는 복수의 픽셀들(R, G, B)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(R, G, B) 각각은 복수의 포토다이오드들을 포함할 수 있다. R은 레드 픽셀(red pixel)을 의미하고, G는 그린 픽셀(green pixel)을 의미하고, B는 블루 픽셀(blue pixel)을 의미할 수 있다. 각 픽셀(R, G, B)의 상부에는 대응되는 마이크로렌즈가 형성될 수 있다. 각 픽셀(R, G, B)의 구조는 도 5 내지 도 14를 참조하여 설명된 픽셀의 구조와 실질적으로 동일할 수 있다.
이미지 센서의 전체 픽셀 어레이는 8*8개의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이가 반복적으로 배열되어 형성될 수 있다.
도 15a를 참조하면, 8*8개의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이(600a)는 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀(PX1)과 COB 레벨이 상대적으로 낮은 픽셀(PX2)을 포함할 수 있다. 8*8개의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이는 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀(PX1)이 한 개 존재할 수 있다.
도 15b를 참조하면, 8*8개의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이(600b)는 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀(PX1)과 COB 레벨이 상대적으로 낮은 픽셀(PX2)을 포함할 수 있다. 8*8개의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이는 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀(PX1)이 두 개 존재할 수 있다.
도 15c를 참조하면, 8*8개의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이(600c)는 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀(PX1)과 COB 레벨이 상대적으로 낮은 픽셀(PX2)을 포함할 수 있다. 8*8개의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이는 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀(PX1)이 네 개 존재할 수 있다.
도 15d를 참조하면, 8*8개의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이(600d)는 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀(PX1)과 COB 레벨이 상대적으로 낮은 픽셀(PX2)을 포함할 수 있다. 8*8개의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이는 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀(PX1)이 여덟 개 존재할 수 있다.
도 15e를 참조하면, 8*8개의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이(600e)는 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀(PX1)과 COB 레벨이 상대적으로 낮은 픽셀(PX2)을 포함할 수 있다. 8*8개의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이는 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀(PX1)이 열여섯 개 존재할 수 있다.
도 15a 내지 도 15b를 참조하여 설명한 바와 같이 이미지 센서의 전체 픽셀 어레이에서 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀(PX1)과 COB 레벨이 상대적으로 낮은 픽셀(PX2)이 규칙적으로 배열될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 이미지 센서의 전체 픽셀 어레이에서 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀(PX1)과 COB 레벨이 상대적으로 낮은 픽셀(PX2)이 랜덤하게 배치될 수도 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는 어레이는 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀(PX1)과 COB 레벨이 상대적으로 낮은 픽셀(PX2)을 포함할 수 있다. 아날로그 이득이 2배 이상인 고이득 상태(또는 상대적으로 저조도 환경)에서는 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀(PX1)과 COB 레벨이 상대적으로 낮은 픽셀(PX2) 모두 자동초점용과 이미지 생성용으로 사용할 수 있다.
예컨대, COB 레벨이 상대적으로 낮은 픽셀(PX2)은 COB 레벨이 픽셀의 전체 전위 레벨의 50% 이상일 경우에는 아날로그 이득이 2배 이상부터 자동초점용으로 사용될 수 있다. COB 레벨이 상대적으로 낮은 픽셀(PX2)은 COB 레벨이 픽셀의 전체 레벨의 25%일 경우에는 아날로그 이득이 4배 이상부터 COB 자동초점용으로 사용될 수 있다.
그러나, 아날로그 이득이 1배인 저이득 상태(또는 상대적으로 고조도 환경)에서는 COB 레벨이 상대적으로 낮은 픽셀(PX2)은 자동초점용으로 사용할 수 없고 이미지 생성용으로 사용할 수 있다. COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀(PX1)은 자동초점용으로 사용할 수 있다. COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀(PX1)을 이미지 생성용으로 사용하기 위해서는 BPC를 수행하여야 한다.
따라서, 아날로그 이득이 1배인 저이득 상태(또는 상대적으로 고조도 환경)에서, 이미지 센서의 전체 픽셀 어레이에서 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀들(PX1)의 개수가 많을수록 자동초점 기능이 개선될 수 있다. 또한, 이미지 센서의 전체 픽셀 어레이에서 COB 레벨이 상대적으로 낮은 픽셀들(PX2)의 개수가 많을수록 이미지의 품질이 개선될 수 있다.
실시 예에 따라 이미지 센서의 전체 픽셀 어레이에서 COB 레벨이 상대적으로 낮은 픽셀의 개수 대비 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀의 개수의 비율은 0 초과 25% 이하의 범위를 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시 예에 따라 이미지 센서의 전체 픽셀 어레이에서 COB 레벨이 상대적으로 낮은 픽셀의 개수 대비 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀의 개수의 비율이 95% 이상일 때 상기 이미지 센서는 저조도 환경에서만 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는 픽셀 어레이에 포함된 모든 픽셀이 하나의 마이크로 렌즈 하부에 두 개의 포토 다이오드를 배치할 수 있다. 이미지 센서는 두 개의 포토 다이오드들 각각의 출력 차이를 이용하여 자동초점 기능을 수행할 수 있다.
그러나, 이미지 센서가 위상 차이를 감지하기 위한 전용 픽셀을 배치하여 자동초점 기능을 수행하는 경우가 있다. 이 경우 픽셀의 반을 금속 박막으로 차폐하고, 금속 박막으로 좌측이 차폐된 픽셀과 우측이 차폐된 픽셀로부터 감지된 한쌍의 위상차를 이용할 수 있다. 그러나, 어느 하나의 픽셀의 금속 박막에 의해 반사되는 신호에 의해서 주변 픽셀에 간섭을 줄 수 있다. 따라서, 노이즈가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는 두 개의 포토 다이오드들 각각의 출력 차이를 이용하여 자동초점 기능을 수행할 수 있으므로 크로스토크(cross talk)가 발생하지 않는다.
또한, 일부 픽셀들만 하나의 마이크로 렌즈 하부에 두 개의 포토 다이오드를 배치시켜 자동초점 기능을 수행하는 경우가 있다. 이 경우에 픽셀마다 마이크로 렌즈의 가로 세로 길이가 다를 수 있다. 따라서, 이미지 센서가 광학적으로 모양이 서로 다를 수 있다. 이로 인해 어느 하나의 픽셀의 마이크로렌즈에서 반사되는 신호에 의해서 주변 픽셀에 간섭을 줄 수 있다. 따라서 노이즈가 발생할 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는 포토 다이오드들을분리시키는 웰의 도핑 농도와 도핑 구조의 차이를 이용하여 자동초점 기능을 수행하므로 크로스토크(cross talk)가 발생하지 않는다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는 고조도 환경에서 신호 대　잡음비(signal-to-noise ratio(SNR))가 개선될 수 있다.
도 16a와 도 16b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이의 일부를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 16a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(700a)는 복수의 컬러 필터들(CF1-CF4) 중에서 하나를 공유하는 둘 이상의 픽셀들이 적어도 하나의 플로팅 확산 영역을 공유할 수 있다.
예컨대, 제1 컬러 필터(CF1)에 2*2개의 청색 픽셀들(M, S, L, M)이 하나의 그룹을 이룰 수 있다. 제2 컬러 필터(CF2)에 2*2개의 녹색 픽셀들(M, S, L, M)이 하나의 그룹을 이룰 수 있다. 제3 컬러 필터(CF3)에 2*2개의 녹색 픽셀들(M, S, L, M)이 하나의 그룹을 이룰 수 있다. 제4 컬러 필터(CF4)에 2*2개의 적색 픽셀들(M, S, L, M)이 하나의 그룹을 이룰 수 있다.
도 16a에서, M은 제1 픽셀(PX1)과 제4 픽셀(PX4) 중에서 어느 하나를 의미할 수 있고, S는 제2 픽셀(PX2)을 의미할 수 있고, L은 제3 픽셀(PX3)을 의미할 수 있다. L, M, S는 픽셀에 포함된 포토 다이오드가 빛에 노출되는 노출 시간의 길이에 따라 분류할 수 있다. 예컨대, L은 긴-노출 이미지 신호(long-exposure image signal)를 생성할 수 있는 포토다이오드를 포함하는 픽셀일 수 있다. M은 중간-노출 이미지 신호(middle-exposure image signal)를 생성할 수 있는 포토다이오드를 포함하는 픽셀일 수 있다. S는 짧은-노출 이미지 신호(short-exposure image signal)를 생성할 수 있는 포토다이오드를 포함하는 픽셀일 수 있다.
이미지 센서는 서로 다른 노출 시간에서 획득한 픽셀 신호들을 이용하여 하나의 이미지를 생성할 수 있다. 실시 예에 따라 서로 동일한 노출 시간에서 획득한 픽셀 신호들을 이용하여 하나의 이미지를 생성할 수 있다.
각 픽셀(PX1-PX4)이 두 개의 포토 다이오드들을 포함할 수 있다. 이 경우, 하나의 컬러 필터를 공유하는 2*2개의 픽셀들(PX1-PX4) 중에서 적어도 하나의 픽셀은 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀일 수 있다. 상기 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀은 별도의 플로팅 확산 영역을 포함할 수 있다. 나머지 픽셀들은 적어도 하나의 플로팅 확산 영역을 공유할 수 있다.
상기한 바와 같이, 상대적으로 저조도 환경에서는 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀이 이미지 생성용으로 사용할 수 있는 반면, 상대적으로 고조도 환경에서는 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀을 이미지 생성용으로 사용하기 위해서는 BPC를 수행하여야 한다. 따라서, 하나의 컬러 필터를 공유하는 2*2개의 픽셀들(PX1-PX4) 중에서 짧은-노출 이미지 신호를 생성할 수 있는 포토다이오드를 포함하는 픽셀이 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀일 수 있다.
예컨대, 제2 픽셀(PX2)이 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀일 경우, 제2 픽셀(PX2)은 제1 플로팅 확산 영역(FD1)을 포함할 수 있고, 제1 픽셀(PX1), 제3 픽셀(PX3), 및 제4 픽셀(PX4)은 제2 플로팅 확산 영역(FD2)을 공유할 수 있다. 제2 픽셀(PX2)은 제2 칼럼 라인(COL2)을 통해 리셋 전압과 픽셀 전압(OUT2)을 출력할 수 있다. 제1 픽셀(PX1), 제3 픽셀(PX3), 및 제4 픽셀(PX4)은 제1 칼럼 라인(COL1)을 통해 리셋 전압들의 평균값과 픽셀 전압들의 평균값(OUT1)을 출력할 수 있다.
도 16b는 도 16a와 다르게 4*4개의 픽셀들 중에서 적어도 하나의 픽셀이 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀일 수 있다. 이상적으로는 녹색 컬러 필터(CF2)에 포함된 픽셀들 중에서 적어도 하나의 픽셀이 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀일 수 있다. 왜냐하면, 4*4개의 픽셀들 중에서 녹색 컬러 필터(CF2)에 포함된 픽셀들의 수가 가장 많아서 BPC에 유리하기 때문이다.
예컨대, 제1 컬러 필터(CF1)를 공유하는 픽셀들(PX1-PX4) 중에서 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀이 없으면, 픽셀들(PX1-PX4)은 하나의 플로팅 확산 영역(FD)을 공유할 수 있다. 제2 컬러 필터(CF2)를 공유하는 픽셀들(PX1-PX4) 중에서 제2 픽셀(PX2)이 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀일 경우, 제2 픽셀(PX2)은 제1 플로팅 확산 영역(FD1)을 포함할 수 있고, 제1 픽셀(PX1), 제3 픽셀(PX3), 및 제4 픽셀(PX4)은 제2 플로팅 확산 영역(FD2)을 공유할 수 있다.
도 17a와 도 17b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이의 일부를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 17a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(800a)는 복수의 컬러 필터들(CF1-CF4) 중에서 하나를 공유하는 둘 이상의 픽셀들이 적어도 하나의 플로팅 확산 영역을 공유할 수 있다.
예컨대, 제1 컬러 필터(CF1)에 3*3개의 청색 픽셀들(L, S, M, … L, S, M)이 하나의 그룹을 이룰 수 있다. 제2 컬러 필터(CF2)에 2*2개의 녹색 픽셀들(L, S, M, … L, S, M)이 하나의 그룹을 이룰 수 있다. 제3 컬러 필터(CF3)에 2*2개의 녹색 픽셀들(L, S, M, … L, S, M)이 하나의 그룹을 이룰 수 있다. 제4 컬러 필터(CF4)에 2*2개의 적색 픽셀들(L, S, M, … L, S, M)이 하나의 그룹을 이룰 수 있다.
도 17a에서, L은 제1 픽셀(PX1), 제6 픽셀(PX6), 제8 픽셀(PX8) 중에서 어느 하나를 의미할 수 있고, S는 제2 픽셀(PX2), 제4 픽셀(PX4), 제9 픽셀(PX9)을 의미할 수 있고, M은 제3 픽셀(PX3), 제5 픽셀(PX5), 제7 픽셀(PX7)을 의미할 수 있다. L, M, S는 픽셀에 포함된 포토 다이오드가 빛에 노출되는 노출 시간의 길이에 따라 분류할 수 있다. 예컨대, L은 긴-노출 이미지 신호(long-exposure image signal)를 생성할 수 있는 포토다이오드를 포함하는 픽셀일 수 있다. M은 중간-노출 이미지 신호(middle-exposure image signal)를 생성할 수 있는 포토다이오드를 포함하는 픽셀일 수 있다. S는 짧은-노출 이미지 신호(short-exposure image signal)를 생성할 수 있는 포토다이오드를 포함하는 픽셀일 수 있다.
각 픽셀(PX1-PX4)이 두 개의 포토 다이오드들을 포함할 수 있다. 이 경우, 하나의 컬러 필터를 공유하는 3*3개의 픽셀들(PX1-PX4) 중에서 적어도 하나의 픽셀은 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀일 수 있다. 상기 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀은 별도의 플로팅 확산 영역을 가질 수 있다. 나머지 픽셀들은 적어도 하나의 플로팅 확산 영역을 공유할 수 있다.
상기한 바와 같이, 상대적으로 저조도 환경에서는 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀이 이미지 생성용으로 사용할 수 있는 반면, 상대적으로 고조도 환경에서는 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀을 이미지 생성용으로 사용하기 위해서는 BPC를 수행하여야 한다. 따라서, 하나의 컬러 필터를 공유하는 3*3개의 픽셀들(PX1-PX4) 중에서 짧은-노출 이미지 신호를 생성할 수 있는 포토다이오드를 포함하는 픽셀이 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀일 수 있다.
예컨대, 제4 픽셀(PX4)이 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀일 경우, 제4 픽셀(PX4)은 제2 플로팅 확산 영역(FD2)을 포함할 수 있고, 제1 픽셀(PX1), 제2 픽셀(PX2), 및 제3 픽셀(PX3)은 제1 플로팅 확산 영역(FD1)을 공유할 수 있다. 제5 픽셀(PX5)과 제6 픽셀(PX6)은 제3 플로팅 확산 영역(FD3)을 공유할 수 있고, 제7 픽셀(PX7), 제8 픽셀(PX8), 및 제9 픽셀(PX9)은 제4 플로팅 확산 영역(FD4)을 공유할 수 있다.
제4 픽셀(PX4)은 제2 칼럼 라인(COL2)을 통해 리셋 전압과 픽셀 전압(OUT2)을 출력할 수 있다. , 제1 픽셀(PX1), 제2 픽셀(PX2), 및 제3 픽셀(PX3)은 제1 칼럼 라인(COL1)을 통해 리셋 전압들의 평균값과 픽셀 전압들의 평균값(OUT1)을 출력할 수 있다. 제5 픽셀(PX5)과 제6 픽셀(PX6)은 제2 칼럼 라인(COL2)을 통해 리셋 전압들의 평균값과 픽셀 전압들의 평균값(OUT2)을 출력할 수 있고, 제7 픽셀(PX7), 제8 픽셀(PX8), 및 제9 픽셀(PX9)은 제3 칼럼 라인(COL3)을 통해 리셋 전압들의 평균값과 픽셀 전압들의 평균값(OUT3)을 출력할 수 있다.
도 17b는 도 17a와 다르게 6*6개의 픽셀들 중에서 적어도 하나의 픽셀이 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀일 수 있다. 이상적으로는 녹색 컬러 필터(CF2)에 포함된 픽셀들 중에서 적어도 하나의 픽셀이 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀일 수 있다. 왜냐하면, 4*4개의 픽셀들 중에서 녹색 컬러 필터(CF2)에 포함된 픽셀들의 수가 가장 많아서 BPC에 유리하기 때문이다.
본 명세서에서는 RGGB(red, green, green, blue)를 도시하고 설명하였으나, RYYB(red, yellow, yellow, blue)가 될 수도 있고, RGBW(red, green, blue, white)가 될 수도 있다. 또한, 픽셀 어레이에 포함된 전체 픽셀들의 수는 도 16과 도 17에 도시된 픽셀들의 수에 한정되지 않는다. 또한, RGBW(red, green, blue, white)의 경우에도 녹색 컬러 필터(CF2)에 포함된 픽셀들 중에서 적어도 하나의 픽셀이 COB 레벨이 상대적으로 높은 픽셀일 수 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 기기를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도 18에 도시한 실시 예에 따른 컴퓨터 장치(1000)는 디스플레이(1010), 센서부 (1020), 메모리(1030), 프로세서(1040), 및 포트(1050) 등을 포함할 수 있다. 이외에 컴퓨터 장치(1000)는 유무선 통신 장치, 전원 장치 등을 더 포함할 수 있다. 도 18에 도시된 구성 요소 가운데, 포트(1050)는 컴퓨터 장치(1000)가 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하기 위해 제공되는 장치일 수 있다. 컴퓨터 장치(1000)는 일반적인 데스크톱 컴퓨터나 랩톱 컴퓨터 외에 스마트폰, 태블릿 PC, 스마트 웨어러블 기기 등을 모두 포괄하는 개념일 수 있다.
프로세서(1040)는 특정 연산이나 명령어 및 태스크 등을 수행할 수 있다. 프로세서(1040)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 마이크로프로세서 유닛(MCU), 시스템 온 칩(SoC) 등일 수 있으며, 버스(1060)를 통해 디스플레이(1010), 센서부(1020), 메모리 장치(1030)는 물론, 포트(1050)에 연결된 다른 장치들과 통신할 수 있다.
메모리(1030)는 컴퓨터 장치(1000)의 동작에 필요한 데이터, 또는 멀티미디어 데이터 등을 저장하는 저장 매체일 수 있다. 메모리(1030)는 랜덤 액세스 메모리(RAM)와 같은 휘발성 메모리나, 또는 플래시 메모리 등과 같은 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 또한 메모리(1030)는 저장장치로서 솔리드 스테이트 드라이브(SSD), 하드 디스크 드라이브(HDD), 및 광학 드라이브(ODD) 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다. 입출력 장치(1020)는 사용자에게 제공되는 키보드, 마우스, 터치스크린 등과 같은 입력 장치 및 디스플레이, 오디오 출력부 등과 같은 출력 장치를 포함할 수 있다.
센서부(1020)는 이미지 센서, 자이로 센서, GPS 센서, 조도 센서 등의 다양한 센서들을 포함할 수 있다. 센서부(1020)에 포함되는 이미지 센서는, 도 1 내지 도 17을 참조하여 설명한 다양한 실시 예들에 따른 형태로 컴퓨터 장치(1000)에 채용될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100; 이미지 센서
110; 픽셀 어레이
120; 로우 드라이버
130; 리드아웃 회로
140; 타이밍 컨트롤러
150; 신호 처리 회로

Claims (10)

  1. 제1 픽셀들과 제2 픽셀들을 포함하고, 상기 제1 픽셀들과 상기 제2 픽셀들 각각은 마이크로렌즈, 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향 중에서 적어도 하나의 방향을 따라 배치된 복수의 포토다이오드들, 및 상기 복수의 포토다이오드들 각각에 대응하는 전송 트랜지스터를 포함하는 픽셀 어레이;
    상기 제1 픽셀들과 상기 제2 픽셀들로부터 리셋 전압과 픽셀 전압을 검출하고, 상기 리셋 전압과 상기 픽셀 전압의 차이를 아날로그 신호로서 출력하는 샘플링 회로;
    상기 아날로그 신호를 램프 전압과 비교하고, 비교 결과를 디지털 신호로 변환하여 이미지 데이터로서 출력하는 아날로그-디지털 컨버터; 및
    상기 이미지 데이터를 이용하여 이미지를 생성하는 신호 처리 회로;를 포함하고,
    상기 제1 픽셀들 각각은 상기 복수의 포토다이오드들을 분리하고, 상기 복수의 포토다이오드들과 다른 도전형을 갖는 제1 도전형의 웰을 포함하고,
    상기 제2 픽셀들 각각은 상기 복수의 포토다이오드들을 분리하고, 상기 제1 도전형의 웰과 다른 도전형을 갖는 제2 도전형의 웰을 포함하고,
    상기 제2 도전형의 웰의 전위 레벨은 상기 제1 도전형의 웰의 전위 레벨보다 높은 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    고조도 환경에서 상기 제2 픽셀들 각각을 이용하여 이미지를 생성하고, 상기 제1 픽셀들을 각각을 이용하여 자동 초점 기능을 수행하는 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 픽셀들의 개수 대비 상기 제1 픽셀들의 개수의 비율은 0 초과 25% 이하인 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전송 트랜지스터가 턴 오프 상태일 때 상기 전송 트랜지스터의 게이트 전극 아래의 채널 영역의 전위 레벨은, 상기 제2 도전형의 웰의 전위 레벨보다 낮은 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전형의 웰의 도핑 농도에 따라 상기 제2 도전형의 웰의 전위 레벨이 달라지는 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 포토다이오드들이 상기 제1 방향으로 배치될 때, 상기 제2 도전형의 웰의 상기 제2 방향으로의 폭에 따라 상기 제2 도전형의 웰의 전위 레벨이 달라지는 이미지 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 포토다이오드들은 빛에 반응하여 전자를 주 전하 캐리어(charge carrier)로 생성하고, 전위 레벨이 작을수록 상기 전자의 에너지가 증가하는 이미지 센서.
  8. 제1 픽셀과 제2 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이; 및
    상기 제1 픽셀과 상기 제2 픽셀로부터 픽셀 신호를 수신하고, 상기 픽셀 신호를 이용하여 이미지를 생성하는 컨트롤러;를 포함하고,
    상기 제1 픽셀은 하나의 마이크로렌즈 하부에 배치되는 제1 포토다이오드와 제2 포토다이오드를 포함하고,
    상기 제2 픽셀은 하나의 마이크로렌즈 하부에 배치되는 제3 포토다이오드와 제4 포토다이오드를 포함하고,
    노출시간 동안 상기 제1 포토다이오드 내에 집적된 전자의 개수와 상기 제2 포토다이오드 내에 집적된 전자의 개수의 합이 선형성을 갖는 제1 구간에서 상기 제1 포토다이오드와 상기 제2 포토다이오드가 출력할 수 있는 전자들의 최대 개수는 제1 최대 전하 저장 용량이고,
    상기 노출시간 동안 상기 제3 포토다이오드 내에 집적된 전자의 개수와 상기 제4 포토다이오드 내에 집적된 전자의 개수의 합이 선형성을 갖는 제2 구간에서 상기 제3 포토다이오드와 상기 제4 포토다이오드가 출력할 수 있는 전자들의 최대 개수는 제2 최대 전하 저장 용량이고,
    상기 제2 최대 전하 저장 용량은 상기 제1 최대 전하 저장 용량보다 큰 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 구간의 제1 시간 동안 상기 제3 포토다이오드 내에 집적된 전자의 개수와 상기 제4 포토다이오드 내에 집적된 전자의 개수는 증가하고,
    상기 제1 시간 이후 상기 제2 구간의 제2 시간 동안 상기 제3 포토다이오드 내에 집적된 전자의 개수는 증가하지 않고, 상기 제4 포토다이오드 내에 집적된 전자의 개수는 증가하고,
    상기 제2 시간 이후 상기 제2 구간의 제3 시간 동안 상기 제3 포토다이오드와 상기 제4 포토다이오드 내에 집적된 전자의 개수가 증가하는 이미지 센서.
  10. 제1 픽셀과 제2 픽셀을 포함하고, 상기 제1 픽셀과 상기 제2 픽셀 각각은 마이크로렌즈, 복수의 포토다이오드들, 및 상기 복수의 포토다이오드들 각각에 대응하고 상기 복수의 포토다이오드들 각각과 플로팅 확산 영역을 연결하는 전송 트랜지스터를 포함하는 픽셀 어레이; 및
    상기 제1 픽셀과 상기 제2 픽셀로부터 픽셀 신호를 수신하고, 상기 픽셀 신호를 이용하여 이미지를 생성하는 컨트롤러;를 포함하고,
    노출시간 동안 상기 복수의 포토다이오드들로 기준 조도 이상의 빛이 입사될 경우 상기 제1 픽셀은 상기 복수의 포토다이오드들과 상기 플로팅 확산 영역 사이의 제1 통로를 통해 상기 복수의 포토다이오드들에서 생성된 전하들 중 적어도 일부가 상기 플로팅 확산 영역으로 이동하고,
    상기 노출시간 동안 상기 복수의 포토다이오드들로 기준 조도 이상의 빛이 입사될 경우 상기 제2 픽셀은 어느 하나의 포토다이오드와 다른 하나의 포토다이오드 사이의 제2 통로를 통해 상기 어느 하나의 포토다이오드에서 생성된 전하들 중 적어도 일부가 상기 다른 하나의 포토다이오드로 이동하는 이미지 센서.
KR1020190140188A 2019-11-05 2019-11-05 이미지 센서 KR20210054629A (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190140188A KR20210054629A (ko) 2019-11-05 2019-11-05 이미지 센서
US16/848,208 US11532654B2 (en) 2019-11-05 2020-04-14 Image sensor
CN202011034938.7A CN112786631A (zh) 2019-11-05 2020-09-27 图像传感器
US18/080,904 US12087791B2 (en) 2019-11-05 2022-12-14 Image sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190140188A KR20210054629A (ko) 2019-11-05 2019-11-05 이미지 센서

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210054629A true KR20210054629A (ko) 2021-05-14

Family

ID=75687820

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190140188A KR20210054629A (ko) 2019-11-05 2019-11-05 이미지 센서

Country Status (3)

Country Link
US (2) US11532654B2 (ko)
KR (1) KR20210054629A (ko)
CN (1) CN112786631A (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12101554B2 (en) 2021-11-26 2024-09-24 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and apparatus for performing autofocusing using summed signals
US11979675B2 (en) * 2022-04-25 2024-05-07 Sony Semiconductor Solutions Corporation Image sensing device with event based vision sensor pixels and imaging pixels

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7605415B2 (en) * 2004-06-07 2009-10-20 Canon Kabushiki Kaisha Image pickup device comprising photoelectric conversation unit, floating diffusion region and guard ring
US10523860B2 (en) * 2016-05-12 2019-12-31 Canon Kabushiki Kaisha Focus detection device, control method thereof, and image capture apparatus
JP2019102494A (ja) * 2017-11-28 2019-06-24 キヤノン株式会社 光電変換装置およびその製造方法、機器
KR102614851B1 (ko) * 2018-07-23 2023-12-19 삼성전자주식회사 이미지 센서
KR20200117729A (ko) 2019-04-05 2020-10-14 삼성전자주식회사 이미지 센서
KR102716631B1 (ko) * 2019-12-05 2024-10-15 삼성전자주식회사 이미지 센서

Also Published As

Publication number Publication date
US20210134865A1 (en) 2021-05-06
US12087791B2 (en) 2024-09-10
CN112786631A (zh) 2021-05-11
US20230127821A1 (en) 2023-04-27
US11532654B2 (en) 2022-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107786822B (zh) 图像传感器
US11189651B2 (en) Image sensor
KR102716631B1 (ko) 이미지 센서
JP7080913B2 (ja) デジタルピクセルを含むイメージセンサ
JP7403972B2 (ja) イメージセンサ
JP2008546313A (ja) 選択的ビニング機構を備えたｃｍｏｓイメージセンサの画素
US12087791B2 (en) Image sensor
US11658193B2 (en) Image sensor
KR20210102644A (ko) 이미지 센서 및 이를 포함하는 이미지 장치
KR20200108132A (ko) 이미지 센서
US11552122B2 (en) Image sensor and operating method
JP6083977B2 (ja) 固体撮像装置および撮像装置
US11575846B2 (en) Image sensor configured to dynamically adjust conversion gain of a pixel in accordance with exposure time
KR20210151497A (ko) 이미지 센싱 장치
US20240022800A1 (en) Image sensor and electronic device including the same
US20240129649A1 (en) Image sensor
KR20240009044A (ko) Af 픽셀을 포함하는 이미지 센서
KR20240010387A (ko) 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination