KR20210058129A - 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는, 픽셀 어레이의 제1 방향을 따라 제1 픽셀과 교번적으로 배치되는 제1 그린 픽셀, 및 상기 제1 그린 픽셀과 다른 로우에서, 상기 제1 방향을 따라 제2 픽셀과 교번적으로 배치되는 제2 그린 픽셀을 포함하며, 상기 픽셀 어레이의 주변 영역에 포함된 제1 그린 픽셀을 둘러싸는 분리막은 제1 깊이를 갖고, 상기 픽셀 어레이의 주변 영역에 포함된 제2 그린 픽셀을 둘러싸는 분리막은 상기 제1 깊이와 다른 제2 깊이를 갖고, 상기 제1 그린 픽셀과 상기 제2 그린 픽셀 중 어느 하나, 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀은 각각 서로 다른 컬러의 광을 수광할 수 있다.
Description
본 발명은 서로 인접하는 픽셀들 간의 광학적 분리를 위한 분리막을 가진 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 빛에 반응하는 반도체의 성질을 이용하여 이미지를 캡쳐(capture)하는 장치이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 스마트폰, 디지털 카메라, 게임기기, 사물 인터넷(Internet of Things), 로봇, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
이미지 센서는 크게 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서와, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서로 구분될 수 있다. CCD 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서에 비해 잡음(noise)이 적고, 화질이 우수하다. 하지만, CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다. 또한, CMOS 이미지 센서는 신호 처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 용이하고 전력 소모가 매우 낮으며, CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가가 낮다. 최근에는 모바일 기기에 보다 적합한 특성으로 인하여 CMOS 이미지 센싱 장치가 많이 이용되고 있다.
본 발명의 기술적 사상은 그린 픽셀의 신호에 관련된 노이즈 발생을 최소화할 수 있는 이미지 센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 문서에 개시되는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서는, 픽셀 어레이의 제1 방향을 따라 제1 픽셀과 교번적으로 배치되는 제1 그린 픽셀, 및 상기 제1 그린 픽셀과 다른 로우에서, 상기 제1 방향을 따라 제2 픽셀과 교번적으로 배치되는 제2 그린 픽셀을 포함하며, 상기 픽셀 어레이의 주변 영역에 포함된 제1 그린 픽셀을 둘러싸는 분리막은 제1 깊이를 갖고, 상기 픽셀 어레이의 주변 영역에 포함된 제2 그린 픽셀을 둘러싸는 분리막은 상기 제1 깊이와 다른 제2 깊이를 갖고, 상기 제1 그린 픽셀과 상기 제2 그린 픽셀 중 어느 하나, 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀은 각각 서로 다른 컬러의 광을 수광할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서는, 베이어 패턴(bayer pattern)으로 배열되는 레드 컬러 필터, 블루 컬러 필터 및 그린 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터 어레이, 및 상기 레드 컬러 필터, 블루 컬러 필터 및 그린 컬러 필터 각각을 둘러싸는 형태로 배치되는 분리막이 형성되는 기판을 포함하며, 상기 컬러 필터 어레이의 주변 영역에 포함된 레드 컬러 필터에 제1 방향으로 인접한 그린 컬러 필터를 둘러싸는 분리막은 제1 깊이를 갖고, 상기 컬러 필터 어레이의 주변 영역에 포함된 블루 컬러 필터에 제1 방향으로 인접한 그린 컬러 필터를 둘러싸는 분리막은 상기 제1 깊이와 다른 제2 깊이를 가질 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시 예들에 따르면, 픽셀 어레이의 엣지에 가까운 영역에 배치되는 그린 픽셀에 의한 노이즈를 감소시킬 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이를 간략히 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 우측 영역을 간략히 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 제1 절단선에 따른 단면의 비교 예이다.
도 5는 도 3의 제1 절단선에 따른 단면의 일 예이다.
도 6은 도 3의 제2 절단선에 따른 단면의 비교 예이다.
도 7은 도 3의 제2 절단선에 따른 단면의 일 예이다.
도 8은 도 2의 상측 영역을 간략히 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 제3 절단선에 따른 단면의 비교 예이다.
도 10은 도 8의 제3 절단선에 따른 단면의 일 예이다.
도 11은 도 8의 제4 절단선에 따른 단면의 비교 예이다.
도 12는 도 8의 제4 절단선에 따른 단면의 일 예이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의해 GG ratio를 개선하는 예시를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이를 간략히 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 우측 영역을 간략히 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 제1 절단선에 따른 단면의 비교 예이다.
도 5는 도 3의 제1 절단선에 따른 단면의 일 예이다.
도 6은 도 3의 제2 절단선에 따른 단면의 비교 예이다.
도 7은 도 3의 제2 절단선에 따른 단면의 일 예이다.
도 8은 도 2의 상측 영역을 간략히 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 제3 절단선에 따른 단면의 비교 예이다.
도 10은 도 8의 제3 절단선에 따른 단면의 일 예이다.
도 11은 도 8의 제4 절단선에 따른 단면의 비교 예이다.
도 12는 도 8의 제4 절단선에 따른 단면의 일 예이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의해 GG ratio를 개선하는 예시를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀 어레이(pixel array, 110), 로우 디코더(row decoder, 120), 상관 이중 샘플러(Correlate Double Sampler; CDS, 130), 아날로그-디지털 컨버터(Analog-Digital Converter; ADC, 140), 출력 버퍼(output buffer, 150), 컬럼 디코더(column decoder, 160) 및 타이밍 컨트롤러(timing controller, 170) 를 포함할 수 있다. 여기서, 이미지 센서(100)의 각 구성은 예시적인 것에 불과하며, 필요에 따라 적어도 일부의 구성이 추가되거나 생략될 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 2차원으로 배열된 복수의 단위 픽셀들(Unit Pixels)을 포함할 수 있다. 복수의 단위 픽셀들은 각각 또는 적어도 2이상의 단위들이 적어도 하나의 소자를 공유하는 공유 픽셀(shared pixel) 단위로 광 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 로우 디코더(120)로부터 로우 선택 신호, 리셋 제어 신호 및 전송 제어 신호 등을 포함하는 구동 신호를 수신할 수 있으며, 구동 신호에 의하여 픽셀 어레이(110)는 구동될 수 있다.
예를 들어, 4-Tr 방식의 단위 픽셀은 포토 다이오드, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터 및 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다.
포토 다이오드는 입사광의 광량에 대응하는 광전하를 축적할 수 있다. 포토 다이오드의 일측은 소스 전압에 연결되고 타측은 전송 트랜지스터에 연결될 수 있다. 여기서, 소스 전압은 그라운드 전압(ground voltage)일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 포토 다이오드는 광전 변환 소자의 예시로서, 다른 실시예에 따라 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 핀형(pinned) 포토 다이오드 또는 이들의 조합으로 구현될 수도 있다.
전송 트랜지스터는 포토 다이오드와 플로팅 디퓨전(Floating Diffusion) 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 전송 트랜지스터는 전송 제어 신호에 응답하여 턴온(turn-on) 또는 턴오프(turn-off)될 수 있으며, 턴온된 전송 트랜지스터는 포토 다이오드에 축적된 광전하를 플로팅 디퓨전으로 전달할 수 있다.
플로팅 디퓨전은 전송 트랜지스터를 통해 전달되는 포토 다이오드의 광전하를 축적할 수 있다. 플로팅 디퓨전은 정션 커패시터(junction capacitor)로 모델링될 수 있다.
리셋 트랜지스터는 드레인 전압과 플로팅 디퓨전 사이에 연결되고, 리셋 제어 신호에 응답하여 플로팅 디퓨전의 전위를 드레인 전압으로 리셋시킬 수 있다. 여기서, 드레인 전압은 전원 전압(power voltage)일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
드라이브 트랜지스터는 포토 다이오드들에 축적된 광전하를 전달받은 플로팅 디퓨전의 전기적 포텐셜의 변화를 증폭하여 선택 트랜지스터로 전달할 수 있다. 즉, 드라이브 트랜지스터는 소스 팔로워(source follower) 트랜지스터로 동작할 수 있다.
선택 트랜지스터는 로우 단위로 읽어 들일 픽셀을 선택하는 기능을 수행할 수 있다. 선택 트랜지스터는 로우 선택 신호에 따라 턴온되어 선택 트랜지스터의 드레인(즉, 소스 팔로워 트랜지스터의 소스)에 제공되는 플로팅 디퓨전의 전기적 포텐셜 변화에 대응하는 신호가 출력 전압으로서 출력될 수 있다.
선택 트랜지스터의 출력 전압은 기준 신호(리셋된 상태의 플로팅 디퓨전에 대응하는 신호)와 영상 신호(포토 다이오드로부터 전달된 광전하가 축적된 상태의 플로팅 디퓨전에 대응하는 신호)에 해당할 수 있다.
로우 디코더(120)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 픽셀 어레이(110)를 구동할 수 있다. 구체적으로, 로우 디코더(120)는 픽셀 어레이(110)의 적어도 하나의 로우를 선택할 수 있다. 로우 디코더(120)는 복수의 로우들 중 적어도 하나의 로우를 선택하기 위하여 로우 선택 신호를 생성할 수 있다. 그리고, 로우 디코더(120)는 선택된 적어도 하나의 로우에 대응하는 픽셀들에 대해 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호를 순차적으로 인에이블시킬 수 있다. 이에 따라, 선택된 로우의 픽셀들 각각으로부터 생성되는 아날로그 형태의 기준 신호와 영상 신호가 순차적으로 상관 이중 샘플러(130)로 전달될 수 있다. 여기서, 기준 신호와 영상 신호는 픽셀 신호로 통칭될 수 있다.
상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)로부터 복수의 컬럼 라인들 각각에 제공되는 기준 신호와 영상 신호를 순차적으로 샘플링 및 홀딩(sampling and holding)할 수 있다. 즉, 상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 기준 신호와 영상 신호의 레벨을 샘플링하고 홀딩할 수 있다.
상관 이중 샘플러(130)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 컬럼들 각각의 기준 신호와 영상 신호를 상관 이중 샘플링 신호로서 ADC(140)로 전달할 수 있다.
ADC(140)는 상관 이중 샘플러(130)로부터 출력되는 각각의 컬럼들에 대한 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. ADC(140)는 각각의 컬럼에 대한 상관 이중 샘플링 신호 및 타이밍 컨트롤러(170)로부터 제공되는 램프 신호(ramp signal)를 기반으로 디지털 형태의 영상 데이터를 생성할 수 있다.
ADC(140)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 복수의 컬럼 카운터들을 포함하고, 컬럼 카운터들을 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환시켜 영상 데이터를 생성할 수 있다. 다른 실시예에 따라, ADC(140)는 하나의 글로벌 카운터를 포함하고, 글로벌 카운터에서 제공되는 글로벌 코드를 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환시킬 수 있다.
출력 버퍼(150)는 ADC(140)에서 제공되는 각각의 컬럼 단위의 영상 데이터를 캡쳐하여 출력할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 ADC(140)에서 출력되는 영상 데이터를 일시 저장할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 이미지 센서(100)와 연결된 다른 장치 사이의 전송(또는 처리) 속도 차이를 보상해주는 인터페이스로서 동작할 수 있다.
컬럼 디코더(160)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어에 따라 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택하고, 선택된 출력 버퍼(150) 컬럼에 일시 저장된 영상 데이터가 순차적으로 출력될 수 있다. 구체적으로, 컬럼 디코더(160)는 타이밍 컨트롤러(170)로부터 어드레스 신호를 수신할 수 있으며, 컬럼 디코더(160)는 어드레스 신호를 기반으로 컬럼 선택 신호를 생성하여 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택함으로써, 선택된 출력 버퍼(150)의 컬럼으로부터 영상 데이터가 출력 신호(SO)로 출력되도록 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 로우 디코더(120), ADC(140), 출력 버퍼(150) 및 컬럼 디코더(160)를 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 이미지 센서(100)의 각 구성의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤을 위한 제어 신호, 및 로우 또는 컬럼을 선택하기 위한 어드레스 신호들을 로우 디코더(120), 컬럼 디코더(160), ADC(140) 및 출력 버퍼(150)에 제공할 수 있다. 실시예에 따라, 타이밍 컨트롤러(170)는 로직 제어회로(Logic control circuit), 위상 고정 루프(Phase Lock Loop, PLL) 회로, 타이밍 컨트롤 회로(timing control circuit) 및 통신 인터페이스 회로(communication interface circuit) 등을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이를 간략히 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 픽셀 어레이(110)는 복수 개의 로우들(rows)과 복수 개의 컬럼들(columns)로 구성된 매트릭스(matrix) 구조로 배열된 복수 개의 픽셀들을 포함할 수 있다.
복수 개의 픽셀들은 베이어 패턴(bayer pattern)으로 배열될 수 있으며, 임의의 2x2 픽셀 배열은 하나의 레드 픽셀(R), 하나의 블루 픽셀(B), 두개의 그린 픽셀들(Gr, Gb)을 포함할 수 있다. 그린 픽셀(Gr)은 픽셀 어레이(110)의 로우 방향(또는 제1 방향)으로 레드 픽셀(R)에 인접하는 그린 픽셀이고, 그린 픽셀(Gb)은 로우 방향(또는 제1 방향)으로 블루 픽셀(B)에 인접하는 그린 픽셀이다. 달리 표현하면, 픽셀 어레이(110)의 하나의 로우에서 로우 방향을 따라 레드 픽셀(R)과 그린 픽셀(Gr)은 교번적으로 배치될 수 있고, 다른 인접한 로우에서 로우 방향을 따라 블루 픽셀(B)과 그린 픽셀(Gb)은 교번적으로 배치될 수 있다. 본 개시에서 그린 픽셀(Gr)은 제1 그린 픽셀로, 그린 픽셀(Gb)은 제2 그린 픽셀로 정의될 수 있다. 또한, 레드 픽셀(R)은 제1 픽셀로, 블루 픽셀(B)은 제2 픽셀로 각각 정의될 수 있다. 후술되는 바와 같이, 제1 그린 픽셀과 제2 그린 픽셀 중 어느 하나, 제1 픽셀 및 제2 픽셀은 각각 서로 다른 컬러의 광을 수광할 수 있다.
레드 픽셀(R), 블루 픽셀(B), 및 그린 픽셀들(Gr, Gb)은 각 픽셀에 포함된 컬러 필터의 종류에 의해 구분될 수 있다. 즉, 레드 픽셀(R)에 포함된 컬러 필터는 레드 컬러에 대응하는 파장 대역을 필터링하여 통과시킴으로써 레드 컬러에 대응하는 광의 세기가 감지되도록 한다. 블루 픽셀(B)에 포함된 컬러 필터는 블루 컬러에 대응하는 파장 대역을 필터링하여 통과시킴으로써 블루 컬러에 대응하는 광의 세기가 감지되도록 한다. 그린 픽셀(Gr, Gb)에 포함된 컬러 필터는 그린 컬러에 대응하는 파장 대역을 필터링하여 통과시킴으로써 그린 컬러에 대응하는 광의 세기가 감지되도록 한다. 각 픽셀의 성격은 각 픽셀에 포함된 컬러 필터의 종류에 의해 구분되는 바, 픽셀 어레이(110)의 픽셀 배열은 컬러 필터 어레이(Color Filter Array; CFA)의 필터 배열과 실질적으로 동일할 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 중앙 영역(CT), 중앙 영역(CT)의 좌측에 위치한 좌측 영역(LF), 중앙 영역(CT)의 우측에 위치한 우측 영역(RT), 중앙 영역(CT)의 상측에 위치한 상측 영역(TP), 및 중앙 영역(CT)의 하측에 위치한 하측 영역(BT)으로 구분될 수 있다. 즉, 좌측 영역(LF), 우측 영역(RT), 상측 영역(TP), 및 하측 영역(BT)은 중앙 영역(CT)을 중심으로 한 상대적인 위치로 구별되는 영역일 수 있다.
중앙 영역(CT), 좌측 영역(LF), 우측 영역(RT), 상측 영역(TP), 및 하측 영역(BT) 각각에 포함되는 로우들 및 컬럼들의 개수는 임의로 결정될 수 있으며, 서로 인접하는 영역들은 연속적으로 배치되거나 일정 간격을 두고 배치될 수도 있다. 일 실시예에 따라, 좌측 영역(LF), 우측 영역(RT), 상측 영역(TP), 및 하측 영역(BT) 각각은 복수 개의 영역으로 나뉠 수도 있다.
픽셀 어레이(110)는 광축을 중심으로 정렬된 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 렌즈 모듈(미도시)을 통과한 입사광을 받아들여 입사광의 세기를 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 여기서, 중앙 영역(CT), 좌측 영역(LF), 우측 영역(RT), 상측 영역(TP), 및 하측 영역(BT)의 상대적인 위치의 차이로 인해 각 영역이 받아들이는 주광선(chief ray)의 방향이 상이할 수 있다. 즉, 광축은 픽셀 어레이(100)의 중심에 해당할 수 있고, 주광선은 광축을 중심으로 하는 동심원 방향으로 조사된다. 따라서, 좌측 영역(LF)에 대한 주광선은 픽셀 어레이(100)의 중심으로부터 좌측 방향으로, 우측 영역(RT)에 대한 주광선은 픽셀 어레이(100)의 중심으로부터 우측 방향으로, 상측 영역(TP)에 대한 주광선은 픽셀 어레이(100)의 중심으로부터 상측 방향으로, 및 하측 영역(BT)에 대한 주광선은 픽셀 어레이(100)의 중심으로부터 하측 방향으로 각각 조사된다.
도 3은 도 2의 우측 영역을 간략히 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 우측 영역(RT)은 4x4의 매트릭스 구조로 배열된 픽셀들을 포함할 수 있으며, 픽셀들은 베이어 패턴으로 배열될 수 있다. 도 3에는 4x4의 픽셀들만이 도시되었으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고 임의의 개수의 로우들과 컬럼들이 포함될 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 우측 영역(RT)에 대한 주광선의 방향은 픽셀 어레이(110)의 중심으로부터 우측을 향하는 방향이다. 이 경우, 그린 픽셀(Gr)을 둘러싸는 분리막(예컨대, 도 5의 232)의 깊이는 기준 깊이보다 더 큰 제1 깊이일 수 있다. 또한, 그린 픽셀(Gb)을 둘러싸는 분리막(예컨대, 도 7의 234)의 깊이는 기준 깊이보다 더 작은 제2 깊이일 수 있다.
도 3 내지 도 7에서는 우측 영역(RT)을 중심으로 설명하나, 마찬가지의 구조가 좌측 영역(LF)에 대해서도 적용될 수 있다.
도 3에서는 제1 깊이에 해당하는 분리막은 실선으로 표시되었고, 제2 깊이에 해당하는 분리막은 점선으로 표시되었다.
도 4는 도 3의 제1 절단선에 따른 단면의 비교 예이다.
도 4를 참조하면, 도 3의 우측 영역(RT)에 포함된 분리막의 깊이가 전부 기준 깊이(DTr)라 가정할 경우에 제1 절단선(A-A')에 따른 단면(200)이 도시되어 있다.
단면(200)은 기판(210), 포토 다이오드(220), 분리막(230), 컬러 필터(240), 그리드(250), 오버 코팅층(260) 및 마이크로 렌즈(270)를 포함할 수 있다.
기판(210)은 실리콘 기판으로서 내부에 포토 다이오드(220) 및 분리막(230)을 포함할 수 있다. 기판(210)은 P형으로 도핑된 P형 기판일 수 있다. 기판(210)의 하부면은 전면(front side)으로, 기판(210)의 상부면은 후면(back side)으로 정의될 수 있다. 따라서, 각 픽셀은 기판(210)의 후면을 통해 입사광을 수신하는 BSI(Back Side Illumination) 구조를 가질 수 있다.
포토 다이오드(220)는 N형 이온을 주입하는 이온 주입(ion implantation) 공정을 통해 N형 도핑 영역으로 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 포토다이오드(220)는 복수의 도핑 영역들이 적층된 형태로 형성될 수 있다. 이 경우 하부 도핑 영역은 N+형 이온이 주입되어 형성될 수 있고, 상부 도핑 영역은 N-형 이온이 주입되어 형성될 수 있다. 포토 다이오드(220)는 수광 효율을 나타내는 필 팩터(fill-factor)를 높이기 위해, 가능한 넓은 면적에 걸쳐 형성될 수 있다.
분리막(230)은 평면 상에서 볼 때 각 픽셀의 주변을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다. 또한, 분리막(230)은 DTI(Deep Trench Isolation) 공정을 통해 서로 인접하는 픽셀들 간의 전기적 분리 및 광학적 분리를 위해 기판(210)의 후면으로부터 소정 깊이만큼 수직으로 깊게 파인 형태를 가질 수 있다. 분리막(230)은 기판(210)의 후면에 대한 DTI 공정을 통해 형성됨에 따라 BDTI(Backside DTI)로 정의될 수 있다.
일 실시예에 따라, 분리막(230)은 측벽과 전극을 포함할 수 있다.
측벽은 기판(210)과 굴절률이 다른(즉, 반사율이 높은) 절연 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 측벽은 실리콘 산화막, 실리콘질화막 및 실리콘산화질화막 중 적어도 하나로 형성될 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 측벽은 각 픽셀 내부로 입사된 광이 인접하는 다른 픽셀로 투과하여 신호 대 잡음비를 저하시키는 광학적 크로스토크(optical crosstalk)를 방지할 수 있다.
전극은 측벽의 내부 영역에서 분리막(230)의 트렌치 영역을 충진하는 도전 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 전극은 폴리실리콘(polysilicon) 또는 불순물이 도핑된 폴리실리콘(doped polysilicon)으로 형성될 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 일 실시예에 따라, 전극은 외부(예컨대, 로우 디코더(120))로부터 음의 바이어스 전압을 인가받을 수 있다. 전극에 음의 바이어스 전압이 인가됨에 따라, 전극 내의 전자들이 측벽에 가까운 위치로 이동하고, 이로 인해 기판(210) 내의 정공들이 측벽의 계면으로 이동하여 축적(accumulation) 및 고정될 수 있다. 이처럼, 기판(210) 내의 정공들이 측벽의 계면에 축적 및 고정됨으로써, DTI 공정으로 인해 기판(210)의 표면에서 발생하는 디펙(defect) 전자들의 흐름, 즉 암전류(dark current)가 억제될 수 있다.
분리막(230)의 깊이는 도 4의 비교 예에서 기준 깊이(DTr)일 수 있다. 여기서, 기준 깊이(DTr)는 입사광이 비교적 비스듬히 입사되지 않는 중앙 영역(CT) 전체에 형성되는 분리막(230)의 깊이일 수 있다. 즉, 기준 깊이(DTr)는 주광선이 광축 방향과 동일 또는 유사하게 입사되는 중앙 영역(CT)에서 픽셀 신호의 크로스토크, 암전류 등과 관련된 노이즈 특성을 최적화할 수 있도록 정해진 깊이일 수 있다.
컬러 필터(240)는 기판(210)의 상부에 형성될 수 있고, 특정 파장의 광(예컨대, 레드(Red), 그린(Green), 블루(Blue) 등)을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 실시예에 따라, 컬러 필터(240)의 하부에는 반사 방지층(미도시)이 형성될 수 있다.
그리드(250)는 서로 인접하는 컬러 필터들(240) 간의 광학적 크로스토크를 방지하기 위해 서로 인접하는 컬러 필터들(240) 사이에 형성될 수 있다. 그리드(250)는 광 흡수율이 높은 메탈 물질(예컨대, 텅스텐)로 구성될 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
오버 코팅층(260)는 컬러 필터(240)와 그리드(250)의 상부에 배치되어, 외부로부터 입사되는 광의 난반사를 방지하여 플레어 특성을 억제할 수 있다. 또한, 오버 코팅층(260)는 컬러 필터(240)와 그리드(250) 간의 단차를 보상함으로써 마이크로 렌즈(270)가 일정한 높이를 가질 수 있도록 할 수 있다.
마이크로 렌즈(270)는 오버 코팅층(260)의 상부에 형성될 수 있고, 입사광에 대한 집광력(light gathering power)을 높여 수광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 기준 깊이(DTr)를 갖는 분리막(230)은 기판(210)의 전면으로부터 일정 거리 이격되어 있으므로, 분리막(230)의 하부 영역에서 서로 인접하는 픽셀들 간에 광학적 크로스토크가 발생하게 된다.
즉, 레드 픽셀(R)의 레드 컬러 필터(240)를 통과한 누설광(A1)은 레드 픽셀(R)의 포토 다이오드(220)에 의해 흡수되지 않고, 분리막(230)의 하부를 거쳐 그린 픽셀(Gr)의 포토 다이오드(220)에 흡수될 수 있다.
또한, 그린 픽셀(Gr)의 그린 컬러 필터(240)를 통과한 누설광(B1)은 그린 픽셀(Gr)의 포토 다이오드(220)에 의해 흡수되지 않고, 분리막(230)의 하부를 거쳐 레드 픽셀(R)의 포토 다이오드(220)에 흡수될 수 있다.
누설광(A1)은 레드에 해당하는 파장을 갖는 광이고, 누설광(B1)은 그린에 해당하는 파장을 갖는 광이므로, 도 4에 도시된 바와 같이 동일한 입사각을 갖는 입사광에 대해 누설광(A1)의 도달 깊이가 누설광(B1)의 도달 깊이보다 더 깊게 된다.
주광선이 우측 방향으로 향하므로 그린 픽셀(Gr)에 영향을 미치는 누설광(A1, B1)은 레드 픽셀(R)로부터 넘어오거나 레드 픽셀(R)로 넘어가는 광 성분이다.
도 5는 도 3의 제1 절단선에 따른 단면의 일 예이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 도 3의 우측 영역(RT)에 포함된 그린 픽셀(Gr)을 둘러싸는 분리막의 깊이가 제1 깊이(DT1)인 경우에 제1 절단선(A-A')에 따른 단면(300)이 도시되어 있다.
단면(300)은 기판(210), 포토 다이오드(220), 분리막(232), 컬러 필터(240), 그리드(250), 오버 코팅층(260) 및 마이크로 렌즈(270)를 포함할 수 있다.
분리막(232)의 깊이를 제외하고는 도 4에서 설명된 단면(200)의 구조 및 재질과 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
분리막(232)의 제1 깊이(DT1)는 도 4에 도시된 분리막(230)의 기준 깊이(DTr)보다 더 깊다.
광학적 크로스토크를 방지하는 분리막(232)의 깊이가 증가됨에 따라, 누설광(A2)과 누설광(B2)은 도 4에서의 누설광(A1)과 누설광(B1)에 비해 각각 감소하게 된다. 또한, 상대적으로 도달 깊이가 더 깊은 레드에 해당하는 파장을 갖는 광인 누설광(A1)의 감소폭은 상대적으로 도달 깊이가 더 얕은 그린에 해당하는 파장을 갖는 광인 누설광(B1)의 감소폭보다 클 수 있다.
따라서, 도 4의 구조에 비해 도 5의 구조에서, 그린 픽셀(Gr)의 픽셀 신호에 영향을 미치는 누설광의 변화분을 수식적으로 나타내면 다음의 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
그린 픽셀(Gr)에 대한 누설광 성분 변화분=(A2-A1)-(B2-B1)
그린 픽셀(Gr)의 픽셀 신호는 포토 다이오드(220)에 흡수되는 광의 세기에 비례하므로, 그린 픽셀(Gr)의 픽셀 신호는 그린 픽셀(Gr)에 대한 누설광 성분 변화분에 상응하는 신호 변화분을 가질 수 있다.
누설광(A1)의 감소폭(A2-A1)은 누설광(B1)의 감소폭(B2-B1)보다 크므로, 그린 픽셀(Gr)에 대한 누설광 성분 변화분과 그린 픽셀(Gr)의 신호 변화분은 음수일 수 있다.
도 6은 도 3의 제2 절단선에 따른 단면의 비교 예이다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 도 3의 우측 영역(RT)에 포함된 분리막의 깊이가 전부 기준 깊이(DTr)라 가정할 경우에 제2 절단선(B-B')에 따른 단면(400)이 도시되어 있다.
단면(400)은 기판(210), 포토 다이오드(220), 분리막(230), 컬러 필터(240), 그리드(250), 오버 코팅층(260) 및 마이크로 렌즈(270)를 포함할 수 있다.
컬러 필터(240)의 종류를 제외하고는 도 4에서 설명된 단면(200)의 구조 및 재질과 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 기준 깊이(DTr)를 갖는 분리막(230)은 기판(210)의 전면으로부터 일정 거리 이격되어 있으므로, 분리막(230)의 하부 영역에서 서로 인접하는 픽셀들 간에 광학적 크로스토크가 발생하게 된다.
즉, 블루 픽셀(B)의 블루 컬러 필터(240)를 통과한 누설광(C1)은 블루 픽셀(B)의 포토 다이오드(220)에 의해 흡수되지 않고, 분리막(230)의 하부를 거쳐 그린 픽셀(Gb)의 포토 다이오드(220)에 흡수될 수 있다.
또한, 그린 픽셀(Gb)의 그린 컬러 필터(240)를 통과한 누설광(D1)은 그린 픽셀(Gb)의 포토 다이오드(220)에 의해 흡수되지 않고, 분리막(230)의 하부를 거쳐 블루 픽셀(B)의 포토 다이오드(220)에 흡수될 수 있다.
누설광(C1)은 블루에 해당하는 파장을 갖는 광이고, 누설광(D1)은 그린에 해당하는 파장을 갖는 광이므로, 도 6에 도시된 바와 같이 동일한 입사각을 갖는 입사광에 대해 누설광(D1)의 도달 깊이가 누설광(C1)의 도달 깊이보다 더 깊게 된다.
주광선이 우측 방향으로 향하므로 그린 픽셀(Gb)에 영향을 미치는 누설광(C1, D1)은 블루 픽셀(B)로부터 넘어오거나 블루 픽셀(B)로 넘어가는 광 성분이다.
도 7은 도 3의 제2 절단선에 따른 단면의 일 예이다.
도 4, 도 6 및 도 7을 참조하면, 도 3의 우측 영역(RT)에 포함된 그린 픽셀(Gb)을 둘러싸는 분리막의 깊이가 제2 깊이(DT2)인 경우에 제2 절단선(B-B')에 따른 단면(500)이 도시되어 있다.
단면(500)은 기판(210), 포토 다이오드(220), 분리막(234), 컬러 필터(240), 그리드(250), 오버 코팅층(260) 및 마이크로 렌즈(270)를 포함할 수 있다.
분리막(234)의 깊이와 컬러 필터(240)의 종류를 제외하고는 도 4에서 설명된 단면(200)의 구조 및 재질과 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
분리막(234)의 제2 깊이(DT2)는 도 6에 도시된 분리막(230)의 기준 깊이(DTr)보다 더 얕다.
광학적 크로스토크를 방지하는 분리막(234)의 깊이가 감소됨에 따라, 누설광(C2)과 누설광(D2)은 도 6에서의 누설광(C1)과 누설광(D1)에 비해 각각 증가하게 된다. 또한, 상대적으로 도달 깊이가 더 깊은 그린에 해당하는 파장을 갖는 광인 누설광(D2)의 증가폭은 상대적으로 도달 깊이가 더 얕은 블루에 해당하는 파장을 갖는 광인 누설광(C2)의 증가폭보다 클 수 있다.
따라서, 도 6의 구조에 비해 도 7의 구조에서, 그린 픽셀(Gb)의 픽셀 신호에 영향을 미치는 누설광의 변화분을 수식적으로 나타내면 다음의 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
그린 픽셀(Gb)에 대한 누설광 성분 변화분=(C2-C1)-(D2-D1)
그린 픽셀(Gb)의 픽셀 신호는 포토 다이오드(220)에 흡수되는 광의 세기에 비례하므로, 그린 픽셀(Gb)의 픽셀 신호는 그린 픽셀(Gb)에 대한 누설광 성분 변화분에 상응하는 신호 변화분을 가질 수 있다.
누설광(D1)의 증가폭(D2-D1)은 누설광(C1)의 증가폭(C2-C1)보다 크므로, 그린 픽셀(Gb)에 대한 누설광 성분 변화분과 그린 픽셀(Gb)의 신호 변화분은 음수일 수 있다.
도 5와 도 7에서 설명된 바와 같이, 픽셀 어레이(110)의 우측 영역(RT)에서는 그린 픽셀(Gr)을 둘러싸는 분리막(232)의 깊이를 증가시켜 그린 픽셀(Gr)의 신호 변화분을 음수로 조정할 수 있고, 그린 픽셀(Gb)을 둘러싸는 분리막(234)의 깊이를 감소시켜 그린 픽셀(Gb)의 신호 변화분을 음수로 조정할 수 있다.
이미지 센서(100)의 성능을 나타내는 지표 중 하나인 GG ratio(또는 GG difference)는 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
GG ratio = (Grsig-Gbsig)/((Grsig+Gbsig)/2)
여기서, Grsig과 Gbsig는 서로 인접하는 그린 픽셀(Gr)과 그린 픽셀(Gb) 각각의 픽셀 신호를 의미하며, 그 값이 클수록 그린 픽셀(Gr)과 그린 픽셀(Gb)의 픽셀 신호에 포함되는 노이즈가 증가한다고 볼 수 있다. 픽셀 어레이(110)의 우측 영역(RT)과 좌측 영역(LF)에서는 레드 픽셀(R)로부터 그린 픽셀(Gr)로 넘어가는 광이 우세함에 따라, 통상적으로 GG ratio는 양수로 나타나게 된다.
GG ratio와 이상적인 값 간의 편차가 큰 경우, 그린 픽셀(Gr)을 둘러싸는 분리막(232)의 깊이를 증가시켜 그린 픽셀(Gr)의 신호 변화분(△Grsig)을 음수로 조정하고, 그린 픽셀(Gb)을 둘러싸는 분리막(234)의 깊이를 감소시켜 그린 픽셀(Gb)의 신호 변화분(△Gbsig)을 음수로 조정하되, 그린 픽셀(Gr)의 신호 변화분(△Grsig)의 절대값을 그린 픽셀(Gb)의 신호 변화분(△Gbsig)의 절대값보다 크도록 할 수 있다. 예를 들어, 그린 픽셀(Gr)의 신호 변화분(△Grsig)의 절대값은 제1 깊이(DT1)와 기준 깊이(DTr) 간의 차에 연관되는 값이고, 그린 픽셀(Gb)의 신호 변화분(△Gbsig)의 절대값은 제2 깊이(DT2)와 기준 깊이(DTr) 간의 차에 연관되는 값이므로, 제1 깊이(DT1)와 제2 깊이(DT2)는 그린 픽셀(Gr)의 신호 변화분(△Grsig)의 절대값이 그린 픽셀(Gb)의 신호 변화분(△Gbsig)의 절대값보다 커지도록 실험적으로 결정될 수 있다.
GG ratio 측면 만을 고려한다면, 그린 픽셀(Gb)을 둘러싸는 분리막(234)의 깊이를 함께 증가시켜 그린 픽셀(Gb)의 신호 변화분(△Gbsig)을 양수로 조정하는 것이 보다 유리할 수 있으나, 이는 그린 픽셀의 수광 효율을 감소시켜 그린 픽셀의 픽셀 신호 특성(예컨대, 감도)을 오히려 악화시킬 수 있으므로, 그린 픽셀(Gb)을 둘러싸는 분리막(234)의 깊이는 감소시키는 것이 전체적인 픽셀 신호 특성 면에서 유리할 수 있다.
도 8은 도 2의 상측 영역을 간략히 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 상측 영역(TP)은 4x4의 매트릭스 구조로 배열된 픽셀들을 포함할 수 있으며, 픽셀들은 베이어 패턴으로 배열될 수 있다. 즉, 임의의 2x2 픽셀 배열은 하나의 레드 픽셀(R), 하나의 블루 픽셀(B), 두개의 그린 픽셀들(Gr, Gb)을 포함할 수 있다. 그린 픽셀(Gr)은 로우 방향으로 레드 픽셀(R)에 인접하는 그린 픽셀이고, 그린 픽셀(Gb)은 로우 방향으로 블루 픽셀(B)에 인접하는 그린 픽셀이다.
앞서 설명된 바와 같이, 상측 영역(TP)에 대한 주광선의 방향은 픽셀 어레이(110)의 중심으로부터 상측을 향하는 방향이다. 이 경우, 그린 픽셀(Gr)을 둘러싸는 분리막(예컨대, 도 10의 236)의 깊이는 기준 깊이보다 더 큰 제3 깊이일 수 있다. 또한, 그린 픽셀(Gb)을 둘러싸는 분리막(예컨대, 도 12의 238)의 깊이는 기준 깊이보다 더 작은 제4 깊이일 수 있다.
도 8 내지 도 12에서는 상측 영역(TP)을 중심으로 설명하나, 마찬가지의 구조가 하측 영역(BT)에 대해서도 적용될 수 있다.
도 8에서는 제3 깊이에 해당하는 분리막은 실선으로 표시되었고, 제4 깊이에 해당하는 분리막은 점선으로 표시되었다.
도 9는 도 8의 제3 절단선에 따른 단면의 비교 예이다.
도 9를 참조하면, 도 8의 상측 영역(TP)에 포함된 분리막의 깊이가 전부 기준 깊이(DTr)라 가정할 경우에 제3 절단선(C-C')에 따른 단면(600)이 도시되어 있다.
단면(600)은 기판(210), 포토 다이오드(220), 분리막(230), 컬러 필터(240), 그리드(250), 오버 코팅층(260) 및 마이크로 렌즈(270)를 포함할 수 있다.
컬러 필터(240)의 종류를 제외하고는 도 4에서 설명된 단면(200)의 구조 및 재질과 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
분리막(230)의 깊이는 도 9의 비교 예에서 기준 깊이(DTr)일 수 있다. 여기서, 기준 깊이(DTr)는 입사광이 비교적 비스듬히 입사되지 않는 중앙 영역(CT) 전체에 형성되는 분리막(230)의 깊이일 수 있다. 즉, 기준 깊이(DTr)는 주광선이 광축 방향과 동일 또는 유사하게 입사되는 중앙 영역(CT)에서 픽셀 신호의 크로스토크, 암전류 등과 관련된 노이즈 특성을 최적화할 수 있도록 정해진 깊이일 수 있다.
기준 깊이(DTr)를 갖는 분리막(230)은 기판(210)의 전면으로부터 일정 거리 이격되어 있으므로, 분리막(230)의 하부 영역에서 서로 인접하는 픽셀들 간에 광학적 크로스토크가 발생하게 된다.
즉, 블루 픽셀(B)의 블루 컬러 필터(240)를 통과한 누설광(E1)은 블루 픽셀(B)의 포토 다이오드(220)에 의해 흡수되지 않고, 분리막(230)의 하부를 거쳐 그린 픽셀(Gr)의 포토 다이오드(220)에 흡수될 수 있다.
또한, 그린 픽셀(Gr)의 그린 컬러 필터(240)를 통과한 누설광(F1)은 그린 픽셀(Gr)의 포토 다이오드(220)에 의해 흡수되지 않고, 분리막(230)의 하부를 거쳐 블루 픽셀(B)의 포토 다이오드(220)에 흡수될 수 있다.
누설광(E1)은 블루에 해당하는 파장을 갖는 광이고, 누설광(F1)은 그린에 해당하는 파장을 갖는 광이므로, 도 9에 도시된 바와 같이 동일한 입사각을 갖는 입사광에 대해 누설광(F1)의 도달 깊이가 누설광(E1)의 도달 깊이보다 더 깊게 된다.
주광선이 상측 방향으로 향하므로 그린 픽셀(Gr)에 영향을 미치는 누설광(E1, F1)은 블루 픽셀(B)로부터 넘어오거나 블루 픽셀(B)로 넘어가는 광 성분이다.
도 10은 도 8의 제3 절단선에 따른 단면의 일 예이다.
도 8 및 도 10을 참조하면, 도 8의 상측 영역(TP)에 포함된 그린 픽셀(Gr)을 둘러싸는 분리막의 깊이가 제3 깊이(DT3)인 경우에 제3 절단선(C-C')에 따른 단면(700)이 도시되어 있다.
단면(700)은 기판(210), 포토 다이오드(220), 분리막(236), 컬러 필터(240), 그리드(250), 오버 코팅층(260) 및 마이크로 렌즈(270)를 포함할 수 있다.
분리막(236)의 깊이를 제외하고는 도 9에서 설명된 단면(600)의 구조 및 재질과 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
분리막(236)의 제3 깊이(DT3)는 도 9에 도시된 분리막(230)의 기준 깊이(DTr)보다 더 깊다.
광학적 크로스토크를 방지하는 분리막(236)의 깊이가 증가됨에 따라, 누설광(E2)과 누설광(E2)은 도 9에서의 누설광(E1)과 누설광(F1)에 비해 각각 감소하게 된다. 또한, 상대적으로 도달 깊이가 더 깊은 그린에 해당하는 파장을 갖는 광인 누설광(F1)의 감소폭은 상대적으로 도달 깊이가 더 얕은 블루에 해당하는 파장을 갖는 광인 누설광(E1)의 감소폭보다 클 수 있다.
따라서, 도 9의 구조에 비해 도 10의 구조에서, 그린 픽셀(Gr)의 픽셀 신호에 영향을 미치는 누설광의 변화분을 수식적으로 나타내면 다음의 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
그린 픽셀(Gr)에 대한 누설광 성분 변화분=(E2-E1)-(F2-F1)
그린 픽셀(Gr)의 픽셀 신호는 포토 다이오드(220)에 흡수되는 광의 세기에 비례하므로, 그린 픽셀(Gr)의 픽셀 신호는 그린 픽셀(Gr)에 대한 누설광 성분 변화분에 상응하는 신호 변화분을 가질 수 있다.
누설광(F1)의 감소폭(F2-F1)은 누설광(E1)의 감소폭(E2-E1)보다 크므로, 그린 픽셀(Gr)에 대한 누설광 성분 변화분과 그린 픽셀(Gr)의 신호 변화분은 양수일 수 있다.
도 11은 도 8의 제4 절단선에 따른 단면의 비교 예이다.
도 8 및 도 11을 참조하면, 도 8의 상측 영역(TP)에 포함된 분리막의 깊이가 전부 기준 깊이(DTr)라 가정할 경우에 제4 절단선(D-D')에 따른 단면(800)이 도시되어 있다.
단면(800)은 기판(210), 포토 다이오드(220), 분리막(230), 컬러 필터(240), 그리드(250), 오버 코팅층(260) 및 마이크로 렌즈(270)를 포함할 수 있다.
컬러 필터(240)의 종류를 제외하고는 도 4에서 설명된 단면(200)의 구조 및 재질과 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 11에 도시된 바와 같이, 기준 깊이(DTr)를 갖는 분리막(230)은 기판(210)의 전면으로부터 일정 거리 이격되어 있으므로, 분리막(230)의 하부 영역에서 서로 인접하는 픽셀들 간에 광학적 크로스토크가 발생하게 된다.
즉, 레드 픽셀(R)의 레드 컬러 필터(240)를 통과한 누설광(G1)은 레드 픽셀(R)의 포토 다이오드(220)에 의해 흡수되지 않고, 분리막(230)의 하부를 거쳐 그린 픽셀(Gb)의 포토 다이오드(220)에 흡수될 수 있다.
또한, 그린 픽셀(Gb)의 그린 컬러 필터(240)를 통과한 누설광(H1)은 그린 픽셀(Gb)의 포토 다이오드(220)에 의해 흡수되지 않고, 분리막(230)의 하부를 거쳐 레드 픽셀(R)의 포토 다이오드(220)에 흡수될 수 있다.
누설광(G1)은 레드에 해당하는 파장을 갖는 광이고, 누설광(H1)은 그린에 해당하는 파장을 갖는 광이므로, 도 11에 도시된 바와 같이 동일한 입사각을 갖는 입사광에 대해 누설광(G1)의 도달 깊이가 누설광(H1)의 도달 깊이보다 더 깊게 된다.
주광선이 상측 방향으로 향하므로 그린 픽셀(Gb)에 영향을 미치는 누설광(G1, F1)은 레드 픽셀(R)로부터 넘어오거나 레드 픽셀(R)로 넘어가는 광 성분이다.
도 12는 도 8의 제4 절단선에 따른 단면의 일 예이다.
도 9, 도 11 및 도 12를 참조하면, 도 8의 상측 영역(TP)에 포함된 그린 픽셀(Gb)을 둘러싸는 분리막의 깊이가 제4 깊이(DT4)인 경우에 제4 절단선(D-D')에 따른 단면(900)이 도시되어 있다.
단면(900)은 기판(210), 포토 다이오드(220), 분리막(238), 컬러 필터(240), 그리드(250), 오버 코팅층(260) 및 마이크로 렌즈(270)를 포함할 수 있다.
분리막(238)의 깊이와 컬러 필터(240)의 종류를 제외하고는 도 4에서 설명된 단면(200)의 구조 및 재질과 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
분리막(238)의 제4 깊이(DT4)는 도 11에 도시된 분리막(230)의 기준 깊이(DTr)보다 더 얕다.
광학적 크로스토크를 방지하는 분리막(234)의 깊이가 감소됨에 따라, 누설광(G2)과 누설광(H2)은 도 11에서의 누설광(G1)과 누설광(H1)에 비해 각각 증가하게 된다. 또한, 상대적으로 도달 깊이가 더 깊은 레드에 해당하는 파장을 갖는 광인 누설광(G2)의 증가폭은 상대적으로 도달 깊이가 더 얕은 그린에 해당하는 파장을 갖는 광인 누설광(H2)의 증가폭보다 클 수 있다.
따라서, 도 11의 구조에 비해 도 12의 구조에서, 그린 픽셀(Gb)의 픽셀 신호에 영향을 미치는 누설광의 변화분을 수식적으로 나타내면 다음의 수학식 5와 같다.
[수학식 5]
그린 픽셀(Gb)에 대한 누설광 성분 변화분=(G2-G1)-(H2-H1)
그린 픽셀(Gb)의 픽셀 신호는 포토 다이오드(220)에 흡수되는 광의 세기에 비례하므로, 그린 픽셀(Gb)의 픽셀 신호는 그린 픽셀(Gb)에 대한 누설광 성분 변화분에 상응하는 신호 변화분을 가질 수 있다.
누설광(G1)의 증가폭(G2-G1)은 누설광(H1)의 증가폭(H2-F1)보다 크므로, 그린 픽셀(Gb)에 대한 누설광 성분 변화분과 그린 픽셀(Gb)의 신호 변화분은 양수일 수 있다.
도 10과 도 12에서 설명된 바와 같이, 픽셀 어레이(110)의 상측 영역(TP)에서는 그린 픽셀(Gr)을 둘러싸는 분리막(236)의 깊이를 증가시켜 그린 픽셀(Gr)의 신호 변화분을 양수로 조정할 수 있고, 그린 픽셀(Gb)을 둘러싸는 분리막(238)의 깊이를 감소시켜 그린 픽셀(Gb)의 신호 변화분을 양수로 조정할 수 있다.
픽셀 어레이(110)의 상측 영역(TP)과 하측 영역(BT)에서는 레드 픽셀(R)로부터 그린 픽셀(Gb)로 넘어가는 광이 우세함에 따라, 통상적으로 GG ratio는 음수로 나타나게 된다.
GG ratio와 이상적인 값 간의 편차가 큰 경우, 그린 픽셀(Gr)을 둘러싸는 분리막(236)의 깊이를 증가시켜 그린 픽셀(Gr)의 신호 변화분(△Grsig)을 양수로 조정하고, 그린 픽셀(Gb)을 둘러싸는 분리막(238)의 깊이를 감소시켜 그린 픽셀(Gb)의 신호 변화분(△Gbsig)을 양수로 조정하되, 그린 픽셀(Gr)의 신호 변화분(△Grsig)의 절대값을 그린 픽셀(Gb)의 신호 변화분(△Gbsig)의 절대값보다 크도록 할 수 있다. 예를 들어, 그린 픽셀(Gr)의 신호 변화분(△Grsig)의 절대값은 제3 깊이(DT3)와 기준 깊이(DTr) 간의 차에 연관되는 값이고, 그린 픽셀(Gb)의 신호 변화분(△Gbsig)의 절대값은 제4 깊이(DT4)와 기준 깊이(DTr) 간의 차에 연관되는 값이므로, 제3 깊이(DT3)와 제4 깊이(DT4)는 그린 픽셀(Gr)의 신호 변화분(△Grsig)의 절대값이 그린 픽셀(Gb)의 신호 변화분(△Gbsig)의 절대값보다 커지도록 실험적으로 결정될 수 있다.
GG ratio 측면 만을 고려한다면, 그린 픽셀(Gb)을 둘러싸는 분리막(238)의 깊이를 함께 증가시켜 그린 픽셀(Gb)의 신호 변화분(△Gbsig)을 음수로 조정하는 것이 보다 유리할 수 있으나, 이는 그린 픽셀의 수광 효율을 감소시켜 그린 픽셀의 픽셀 신호 특성(예컨대, 감도)을 오히려 악화시킬 수 있으므로, 그린 픽셀(Gb)을 둘러싸는 분리막(238)의 깊이는 감소시키는 것이 전체적인 픽셀 신호 특성 면에서 유리할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의해 GG ratio를 개선하는 예시를 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 좌측의 그림은 픽셀 어레이(110)에 포함된 분리막의 깊이가 전부 기준 깊이(DTr)로 동일한 경우, 각 영역 별 GG ratio를 나타낸 것이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 픽셀 어레이(110)에서 컬럼의 개수가 로우의 개수보다 많은 경우, 좌측 영역은 제1 및 제2 좌측 영역(LF1, LF2)으로 구분되고 우측 영역은 제1 및 제2 우측 영역(RT1, RT2)으로 구분될 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 베이어 패턴의 배열 특성 및 주광선의 방향에 따라, 상측 및 하측 영역(TP, BT)의 GG ratio는 음수인 -6으로 나타날 수 있다. 또한, 좌측 및 우측 영역(LF1, LF2, RT1, RT2)의 GG ratio는 양수(+6, +10)로 나타날 수 있으며, 보다 픽셀 어레이(110)의 엣지에 가까워질수록 GG ratio의 절대값은 커지게 된다(+6 -> +10)
우측의 그림은 일 실시예에 따라 픽셀 어레이(110)에 포함된 분리막의 깊이를 조정한 상태에서 각 영역 별 GG ratio를 나타낸 것이다.
좌측 및 우측 영역(LF1, LF2, RT1, RT2)에서는, 그린 픽셀(Gr)을 둘러싸는 분리막(232)의 깊이를 증가시켜 그린 픽셀(Gr)의 신호 변화분(△Grsig)을 음수로 조정하고, 그린 픽셀(Gb)을 둘러싸는 분리막(234)의 깊이를 감소시켜 그린 픽셀(Gb)의 신호 변화분(△Gbsig)을 음수로 조정하되, 그린 픽셀(Gr)의 신호 변화분(△Grsig)의 절대값을 그린 픽셀(Gb)의 신호 변화분(△Gbsig)의 절대값보다 크도록 할 수 있다. 이때, 픽셀 어레이(110)의 엣지에 상대적으로 가까운 좌측 및 우측 영역(LF1, RT2)에서의 그린 픽셀(Gr)과 그린 픽셀(Gb)의 깊이는 픽셀 어레이(110)의 엣지에 상대적으로 먼 좌측 및 우측 영역(LF2, RT1)에서의 그린 픽셀(Gr)과 그린 픽셀(Gb)의 깊이와 상이할 수 있다. 이는 픽셀 어레이(110)의 엣지에 상대적으로 가까운 좌측 및 우측 영역(LF1, RT2)에서 GG ratio의 절대값이 더 크므로, GG ratio의 변화폭을 더 크게 하기 위함이다. 예를 들어, 그린 픽셀(Gr)과 그린 픽셀(Gb)의 주변의 분리막의 깊이는 좌측 및 우측 영역(LF2, RT1)보다 좌측 및 우측 영역(LF1, RT2)에서 더 깊을 수 있다.
도 13에서는 좌측 및 우측 영역이 각각 2개의 영역으로 구분되어 GG ratio가 개선되는 예시에 대해 설명하였으나, 3개 이상의 영역으로 구분되어 GG ratio가 개선될 수도 있다. 또한, 상측 및 하측 영역 역시 복수 개의 영역으로 구분되어 GG ratio가 단계적으로 개선될 수 있다.
도 13에 나타난 바와 같이, 좌측 및 우측 영역(LF1, RT2)에서는 GG ratio가 3만큼 감소하였고, 좌측 및 우측 영역(LF2, RT1)에서는 GG ratio가 2만큼 감소하였음을 알 수 있다.
마찬가지로, 상측 및 하측 영역(TP, BT)에서, 그린 픽셀(Gr)을 둘러싸는 분리막(236)의 깊이를 증가시켜 그린 픽셀(Gr)의 신호 변화분(△Grsig)을 양수로 조정하고, 그린 픽셀(Gb)을 둘러싸는 분리막(238)의 깊이를 감소시켜 그린 픽셀(Gb)의 신호 변화분(△Gbsig)을 양수로 조정하되, 그린 픽셀(Gr)의 신호 변화분(△Grsig)의 절대값을 그린 픽셀(Gb)의 신호 변화분(△Gbsig)의 절대값보다 크도록 할 수 있다.
도 13에 나타난 바와 같이, 상측 및 하측 영역(TP, BT)에서는 GG ratio가 2만큼 증가하였음을 알 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (19)
- 픽셀 어레이의 제1 방향을 따라 제1 픽셀과 교번적으로 배치되는 제1 그린 픽셀; 및
상기 제1 그린 픽셀과 다른 로우에서, 상기 제1 방향을 따라 제2 픽셀과 교번적으로 배치되는 제2 그린 픽셀을 포함하며,
상기 픽셀 어레이의 주변 영역에 포함된 제1 그린 픽셀을 둘러싸는 분리막은 제1 깊이를 갖고,
상기 픽셀 어레이의 주변 영역에 포함된 제2 그린 픽셀을 둘러싸는 분리막은 상기 제1 깊이와 다른 제2 깊이를 갖고,
상기 제1 그린 픽셀과 상기 제2 그린 픽셀 중 어느 하나, 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀은 각각 서로 다른 컬러의 광을 수광하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 깊이는 상기 제2 깊이보다 더 큰 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 픽셀은 레드 픽셀이고, 상기 제2 픽셀은 블루 픽셀이고,
상기 제1 픽셀, 상기 제2 픽셀, 상기 제1 그린 픽셀 및 상기 제2 그린 픽셀은 베이터 패턴(bayer pattern)을 구성하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 주변 영역은 상기 픽셀 어레이의 중앙 영역을 중심으로 상측, 하측, 좌측 및 우측에 각각 배치되는 상측 영역, 하측 영역, 좌측 영역 및 우측 영역을 포함하는 이미지 센서. - 제4항에 있어서,
상기 중앙 영역에 포함된 제1 그린 픽셀을 둘러싸는 분리막과, 상기 중앙 영역에 포함된 제2 그린 픽셀을 둘러싸는 분리막은 동일한 기준 깊이를 갖는 이미지 센서. - 제5항에 있어서,
상기 제1 깊이는 상기 기준 깊이보다 큰 이미지 센서. - 제5항에 있어서,
상기 제2 깊이는 상기 기준 깊이보다 작은 이미지 센서. - 제4항에 있어서,
상기 상측 영역, 상기 하측 영역, 상기 좌측 영역 및 상기 우측 영역 중 적어도 하나는 복수의 영역들로 구분되고,
상기 복수의 영역들 중 한 영역에 포함된 제1 그린 픽셀을 둘러싸는 분리막과, 다른 영역에 포함된 제1 그린 픽셀을 둘러싸는 분리막은 서로 다른 깊이를 갖는 이미지 센서. - 제4항에 있어서,
상기 상측 영역, 상기 하측 영역, 상기 좌측 영역 및 상기 우측 영역 중 적어도 하나는 복수의 영역들로 구분되고,
상기 복수의 영역들 중 한 영역에 포함된 제2 그린 픽셀을 둘러싸는 분리막과, 다른 영역에 포함된 제2 그린 픽셀을 둘러싸는 분리막은 서로 다른 깊이를 갖는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 픽셀, 상기 제2 픽셀, 상기 제1 그린 픽셀 및 상기 제2 그린 픽셀의 각각은,
기판;
상기 기판의 상부에 배치되어 레드 컬러, 블루 컬러 및 그린 컬러 중 어느 하나에 해당하는 광을 선택적으로 투과시키는 컬러 필터; 및
상기 기판의 내부에 배치되는 포토 다이오드를 포함하는 이미지 센서. - 제10항에 있어서,
상기 분리막은 상기 기판의 후면으로부터 소정 깊이만큼 수직으로 깊게 파인 형태를 가지는 BDTI(Backside Deep Trench Isolation)인 이미지 센서. - 제10항에 있어서,
상기 분리막은, 바이어스 전압을 인가받는 전극; 및 상기 전극을 감싸는 측벽을 포함하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 방향은 로우 방향인 이미지 센서. - 베이어 패턴(bayer pattern)으로 배열되는 레드 컬러 필터, 블루 컬러 필터 및 그린 컬러 필터를 포함하는 컬러 필터 어레이; 및
상기 레드 컬러 필터, 블루 컬러 필터 및 그린 컬러 필터 각각을 둘러싸는 형태로 배치되는 분리막이 형성되는 기판을 포함하며,
상기 컬러 필터 어레이의 주변 영역에 포함된 레드 컬러 필터에 제1 방향으로 인접한 그린 컬러 필터를 둘러싸는 분리막은 제1 깊이를 갖고,
상기 컬러 필터 어레이의 주변 영역에 포함된 블루 컬러 필터에 제1 방향으로 인접한 그린 컬러 필터를 둘러싸는 분리막은 상기 제1 깊이와 다른 제2 깊이를 갖는 이미지 센서. - 제14항에 있어서,
상기 제1 깊이는 상기 제2 깊이보다 더 큰 이미지 센서. - 제14항에 있어서,
상기 주변 영역은 상기 컬러 필터 어레이의 중앙 영역을 중심으로 상측, 하측, 좌측 및 우측에 각각 배치되는 상측 영역, 하측 영역, 좌측 영역 및 우측 영역을 포함하는 이미지 센서. - 제16항에 있어서,
상기 중앙 영역에 포함된 레드 컬러 필터에 제1 방향으로 인접한 그린 컬러 필터를 둘러싸는 분리막과, 상기 중앙 영역에 포함된 블루 컬러 필터에 제1 방향으로 인접한 그린 컬러 필터를 둘러싸는 분리막은 동일한 기준 깊이를 갖는 이미지 센서. - 제17항에 있어서,
상기 제1 깊이는 상기 기준 깊이보다 큰 이미지 센서. - 제17항에 있어서,
상기 제2 깊이는 상기 기준 깊이보다 작은 이미지 센서.
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