KR20220054143A - Pixel array and image sensor including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 집적 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 오토 포커싱 기능을 지원하는 픽셀 어레이 및 상기 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor integrated circuit, and more particularly, to a pixel array supporting an auto-focusing function, and an image sensor including the pixel array.
CMOS 이미지 센서는 상보형 금속산화반도체(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS)를 이용한 고체 촬상 소자이다. CMOS 이미지 센서는 고전압 아날로그 회로를 가지는 CCD 이미지 센서와 비교해 제조 단가가 낮고 소자의 크기가 작아서 소비 전력이 적다는 장점이 있어서, 스마트폰, 디지털 카메라 등의 휴대용 기기를 비롯한 가전 제품에 주로 CMOS 이미지 센서가 탑재되고 있다.A CMOS image sensor is a solid-state imaging device using a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS). CMOS image sensors have advantages of low manufacturing cost and low power consumption due to a small device size compared to CCD image sensors with high voltage analog circuits. is being mounted
CMOS 이미지 센서를 구성하는 픽셀 어레이(pixel array)는 각 픽셀마다 포토다이오드와 같은 광전 변환 소자를 포함한다. 상기 광전 변환 소자는 입사되는 빛의 양에 따라 가변되는 전기 신호를 생성하고 CMOS 이미지 센서는 상기 전기 신호를 처리하여 영상을 합성해낼 수 있다. 최근 고해상도 이미지에 대한 요구에 따라 CMOS 이미지 센서를 구성하는 픽셀은 보다 소형화될 것이 요구되고 있다. 이러한 소형화에 대한 요구가 커질수록, 입사되는 빛이 제대로 센싱되지 못하거나, 집적도가 커진 소자들 간의 간섭으로 인해 노이즈(noise)가 발생할 수 있다. CMOS 이미지 센서의 소형화에도 불구하고, 이미지 품질 향상, 부가 기능의 수행 등에 대한 요구가 커지고 있다.A pixel array constituting a CMOS image sensor includes a photoelectric conversion element such as a photodiode for each pixel. The photoelectric conversion element may generate an electric signal varying according to the amount of incident light, and the CMOS image sensor may process the electric signal to synthesize an image. According to the recent demand for high-resolution images, the pixels constituting the CMOS image sensor are required to be more miniaturized. As the demand for miniaturization increases, incident light may not be properly sensed or noise may be generated due to interference between devices with increased integration. Despite miniaturization of CMOS image sensors, demands for image quality improvement and additional functions are increasing.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은, 향상된 광학적 특성을 갖는 픽셀 어레이 및 상기 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a pixel array having improved optical characteristics and an image sensor including the pixel array.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이는 반도체 기판에 형성되는 이미지 센서의 픽셀 어레이로서 복수의 픽셀 그룹들을 포함한다. 상기 복수의 픽셀 그룹들의 각각의 픽셀 그룹은, 반도체 기판에 배치되는 광전 변환 소자들을 각각 포함하는 복수의 단위 픽셀들, 상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들을 전기적 및 광학적으로 격리하도록 상기 반도체 기판의 전면부터 후면까지 수직 방향으로 연장되어 상기 반도체 기판의 내부에 배치되는 트렌치 구조체들 및 상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들을 모두 덮도록 상기 반도체 기판의 상부 또는 하부에 배치되고 상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들에 입사광을 집광하는 공통 마이크로 렌즈를 포함한다.In order to achieve the above object, a pixel array according to embodiments of the present invention includes a plurality of pixel groups as a pixel array of an image sensor formed on a semiconductor substrate. Each pixel group of the plurality of pixel groups is configured to electrically and optically isolate a plurality of unit pixels each including photoelectric conversion elements disposed on a semiconductor substrate, and the photoelectric conversion elements included in the plurality of unit pixels. On the upper or lower portion of the semiconductor substrate so as to cover all of the photoelectric conversion elements included in the plurality of unit pixels and trench structures extending in the vertical direction from the front to the rear surface of the semiconductor substrate disposed inside the semiconductor substrate. and a common microlens configured to condense incident light to the photoelectric conversion elements included in the plurality of unit pixels.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이는 반도체 기판에 형성되는 이미지 센서의 픽셀 어레이로서 복수의 픽셀 그룹들을 포함한다. 상기 복수의 픽셀 그룹들의 각각의 픽셀 그룹은, 반도체 기판에 배치되는 광전 변환 소자들을 각각 포함하는 복수의 단위 픽셀들, 상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들을 전기적 및 광학적으로 격리하도록 상기 반도체 기판의 전면부터 후면까지 수직 방향으로 연장되어 상기 반도체 기판의 내부에 배치되는 트렌치 구조체들, 상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들을 모두 덮도록 상기 반도체 기판의 상부 또는 하부에 배치되고 상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들에 입사광을 집광하는 공통 마이크로 렌즈; 및In order to achieve the above object, a pixel array according to embodiments of the present invention includes a plurality of pixel groups as a pixel array of an image sensor formed on a semiconductor substrate. Each pixel group of the plurality of pixel groups is configured to electrically and optically isolate a plurality of unit pixels each including photoelectric conversion elements disposed on a semiconductor substrate, and the photoelectric conversion elements included in the plurality of unit pixels. Trench structures extending in a vertical direction from the front side to the back side of the semiconductor substrate and disposed inside the semiconductor substrate, and the photoelectric conversion elements included in the plurality of unit pixels are placed on the upper or lower portion of the semiconductor substrate to cover all of them. a common micro lens disposed and condensing incident light to the photoelectric conversion elements included in the plurality of unit pixels; and
상기 반도체 기판 및 상기 공통 마이크로 렌즈 사이에 배치되고 상기 각각의 픽셀 그룹에 포함되는 상기 복수의 픽셀들에 의해 공유되는 컬러 필터를 포함한다.and a color filter disposed between the semiconductor substrate and the common microlens and shared by the plurality of pixels included in each of the pixel groups.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는, 입사광에 의해 발생되는 광 전하들을 수집하여 센싱 동작을 수행하는 복수의 픽셀 그룹들을 포함하는 픽셀 어레이, 상기 픽셀 어레이를 행 단위로 구동하는 행 구동부 및 상기 픽셀 어레이 및 상기 행 구동부를 제어하는 제어부를 포함한다. 상기 복수의 픽셀 그룹들의 각각의 픽셀 그룹은, 반도체 기판에 배치되는 광전 변환 소자들을 각각 포함하는 복수의 단위 픽셀들, 상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들을 전기적 및 광학적으로 격리하도록 상기 반도체 기판의 전면부터 후면까지 수직 방향으로 연장되어 상기 반도체 기판의 내부에 배치되는 트렌치 구조체들 및 상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들을 모두 덮도록 상기 반도체 기판의 상부 또는 하부에 배치되고 상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들에 입사광을 집광하는 공통 마이크로 렌즈를 포함한다.In order to achieve the above object, an image sensor according to embodiments of the present invention includes a pixel array including a plurality of pixel groups configured to collect photocharges generated by incident light and perform a sensing operation, and the pixel array is arranged in a row. and a row driver that drives the unit, and a controller that controls the pixel array and the row driver. Each pixel group of the plurality of pixel groups is configured to electrically and optically isolate a plurality of unit pixels each including photoelectric conversion elements disposed on a semiconductor substrate, and the photoelectric conversion elements included in the plurality of unit pixels. On the upper or lower portion of the semiconductor substrate so as to cover all of the photoelectric conversion elements included in the plurality of unit pixels and trench structures extending in the vertical direction from the front to the rear surface of the semiconductor substrate disposed inside the semiconductor substrate. and a common microlens configured to condense incident light to the photoelectric conversion elements included in the plurality of unit pixels.
본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이 및 상기 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서는 마이크로 렌즈를 공유하는 복수의 단위 픽셀들 및 반도체 기판의 전면부터 후면까지 연장되는 트렌치 구조체를 포함하는 픽셀 그룹을 이용하여 오토 포커싱 기능을 구현하면서도 단위 픽셀들 사이의 크로스토크를 억제하여 이미지 품질을 향상시킬 수 있다.A pixel array and an image sensor including the pixel array according to embodiments of the present invention use a pixel group including a plurality of unit pixels sharing a microlens and a trench structure extending from the front to the rear of a semiconductor substrate. It is possible to improve image quality by suppressing crosstalk between unit pixels while implementing the auto-focusing function.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 그룹의 레이아웃을 나타내는 평면도이다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 그룹의 수직 구조의 실시예들을 나타내는 단면도들이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 그룹의 트렌치 구조체의 실시예들을 나타내는 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 일 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 센싱 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 플로팅 디퓨젼 영역의 공유 구조를 갖는 픽셀 그룹을 나타내는 회로도이다.
도 8은 도 7의 공유 구조의 레이아웃의 일 실시예를 나타내는 평면도이다.
도 9는 도 7의 공유 구조에서의 이득에 따른 동작의 실시예를 나타내는 타이밍도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 그룹의 레이아웃을 나타내는 평면도이다.
도 11a 및 11b는 도 10의 픽셀 그룹의 수직 구조의 실시예들을 나타내는 단면도들이다.
도 12는 도 7의 공유 구조를 채용한 픽셀 그룹들을 나타내는 평면도이다.
도 13a 내지 14b는 도 12의 픽셀 그룹들의 공통 플로팅 디퓨젼 영역들의 전기적인 연결의 실시예들을 나타내는 도면들이다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이의 레이아웃을 나타내는 평면도이다.
도 16a 내지 17b는 도 15의 픽셀 어레이에 포함되는 4*4 사이즈의 단위 패턴의 실시예들을 나타내는 평면도들이다.
도 18a 내지 18c는 도 15의 픽셀 어레이에 포함되는 8*8 사이즈의 단위 패턴의 실시예들을 나타내는 평면도들이다.
도 19a 및 19b는 도 15의 픽셀 어레이에 포함되는 픽셀 그룹 및 단위 픽셀이 혼합된 단위 패턴의 실시예들을 나타내는 평면도들이다.
도 20a 내지 20c는 도 15의 픽셀 어레이에 포함되는 서로 다른 사이즈의 픽셀 그룹들이 혼합된 단위 패턴의 실시예들을 나타내는 평면도들이다.
도 21은 본 발명의 실시예들에 따른 전자 장치의 블록도이다.
도 22는 도 21의 전자 장치에 포함되는 카메라 모듈을 나타내는 블록도이다.1 is a plan view illustrating a layout of a pixel group included in an image sensor according to embodiments of the present invention.
2A to 2D are cross-sectional views illustrating embodiments of a vertical structure of a pixel group included in an image sensor according to embodiments of the present invention.
3A and 3B are cross-sectional views illustrating embodiments of a trench structure of a pixel group included in an image sensor according to embodiments of the present invention.
4 is a block diagram illustrating an image sensor according to embodiments of the present invention.
5 is a circuit diagram illustrating an embodiment of a unit pixel included in an image sensor according to embodiments of the present invention.
6 is a timing diagram illustrating a sensing operation of an image sensor according to embodiments of the present invention.
7 is a circuit diagram illustrating a pixel group having a shared structure of a floating diffusion region included in an image sensor according to embodiments of the present invention.
8 is a plan view illustrating an embodiment of a layout of the shared structure of FIG. 7 .
9 is a timing diagram illustrating an embodiment of an operation according to a gain in the shared structure of FIG. 7 .
10 is a plan view illustrating a layout of a pixel group included in an image sensor according to embodiments of the present invention.
11A and 11B are cross-sectional views illustrating embodiments of a vertical structure of the pixel group of FIG. 10 .
12 is a plan view illustrating pixel groups employing the shared structure of FIG. 7 .
13A to 14B are diagrams illustrating embodiments of electrical connection of common floating diffusion regions of the pixel groups of FIG. 12 ;
15 is a plan view illustrating a layout of a pixel array according to embodiments of the present invention.
16A to 17B are plan views illustrating embodiments of a 4*4 size unit pattern included in the pixel array of FIG. 15 .
18A to 18C are plan views illustrating embodiments of a unit pattern having a size of 8*8 included in the pixel array of FIG. 15 .
19A and 19B are plan views illustrating embodiments of a unit pattern in which a pixel group and a unit pixel included in the pixel array of FIG. 15 are mixed.
20A to 20C are plan views illustrating exemplary unit patterns in which pixel groups of different sizes included in the pixel array of FIG. 15 are mixed.
21 is a block diagram of an electronic device according to embodiments of the present invention.
22 is a block diagram illustrating a camera module included in the electronic device of FIG. 21 .
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals are used for the same components in the drawings, and repeated descriptions of the same components are omitted.
이하, 반도체 기판의 전면 및 후면에 평행하면서 서로 교차하는 두 방향을 각각 제1 수평 방향(DR1) 및 제2 수평 방향(DR2)으로 정의하고, 반도체 기판의 전면 및 후면에 실질적으로 수직한 방향을 수직 방향(DR3)으로 정의한다. 제1 수평 방방(DR1)은 행 방향에 해당하고 제2 수평 방향(DR2)은 열 방향에 해당할 수 있다.Hereinafter, two directions parallel to and crossing the front and rear surfaces of the semiconductor substrate are defined as a first horizontal direction DR1 and a second horizontal direction DR2, respectively, and a direction substantially perpendicular to the front and rear surfaces of the semiconductor substrate is defined as It is defined in the vertical direction (DR3). The first horizontal direction DR1 may correspond to a row direction and the second horizontal direction DR2 may correspond to a column direction.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이는 반도체 기판에 형성되고 후술하는 바와 같은 복수의 픽셀 그룹들을 포함할 수 있다. 본 개시에서는 도시 및 설명의 편의상 입사광이 반도체 기판의 후면으로 입사하는 BSI(back-side illumination)에 상응하는 구조를 중심으로 설명하지만 본 발명의 실시예들이 BSI에 한정되는 것은 아니고, FSI(front-side illumination) 구조에도 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.The pixel array of the image sensor according to embodiments of the present invention may be formed on a semiconductor substrate and include a plurality of pixel groups as will be described later. In the present disclosure, for convenience of illustration and description, a structure corresponding to BSI (back-side illumination) in which incident light is incident to a rear surface of a semiconductor substrate is mainly described, but embodiments of the present invention are not limited to BSI, and FSI (front-side illumination). It will be understood that embodiments of the present invention may also be applied to side illumination) structures.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 그룹의 레이아웃을 나타내는 평면도이고, 도 2a 내지 2d는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 그룹의 수직 구조의 실시예들을 나타내는 단면도들이다. 도 2a는 도 1의 A-A' 선을 따라 절단한 단면도이고, 도 2b는 도 1의 B-B' 선을 따라 절단한 단면도이고, 도 2c는 도 1의 HLX 선을 따라 절단한 단면도이고, 도 2d는 도 1의 HLY 선을 따라 절단한 단면도이다.1 is a plan view illustrating a layout of a pixel group included in an image sensor according to embodiments of the present invention, and FIGS. 2A to 2D are an embodiment of a vertical structure of a pixel group included in an image sensor according to embodiments of the present invention Cross-sectional views showing examples. Fig. 2a is a cross-sectional view taken along line A-A' in Fig. 1, Fig. 2b is a cross-sectional view taken along line B-B' in Fig. 1, Fig. 2c is a cross-sectional view taken along line HLX of Fig. 1, and Fig. 2d is It is a cross-sectional view taken along the HLY line of FIG. 1 .
도 1 내지 2d를 참조하면, 픽셀 어레이는 수직 방향(DR3)으로 반도체 기판(100), 배선층(200) 및 광 투과층(300)을 포함할 수 있다. BSI 구정의 경우, 반도체 기판(100)은 배선층(200)과 광 투과층(300) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판(100)은 서로 대향하는 제 전면(100a) 및 제 후면(100b)을 가질 수 있으며, 배선층(200)이 반도체 기판(100)의 전면(100a)의 위에 배치되며, 광 투과층(300)이 반도체 기판(100)의 후면(100b) 아래에 배치될 수 있다. 1 to 2D , the pixel array may include the
픽셀 그룹(PXG)은 복수의 단위 픽셀들(PX11, PX12, PX21, PX22, 즉 PX11~PX22), 트렌치 구조체들(400, 500) 및 공통 마이크로 렌즈(CMLS)를 포함할 수 있다. 픽셀 그룹(PXG)은 픽셀 그룹(PXG)의 중심(CP)을 지나고 제1 수평 방향(DR1)으로 신장되는 제1 수평 라인(HLX)에 대하여 대칭을 이룰 수 있다. 또한, 픽셀 그룹(PXG)은 중심(CP)을 지나고 제1 수평 라인(HLX)과 수직한 제2 수평 라인(HLY)에 대하여 대칭을 이룰 수 있다. 실시예에 따라서, 픽셀 그룹(PXG)은 픽셀 그룹(PXG)의 중심(CP)을 지나고 수직 방향(DR3)으로 신장되는 수직 라인(VLZ)에 대하여 대칭을 이룰 수도 있다.The pixel group PXG may include a plurality of unit pixels PX11 , PX12 , PX21 , and PX22 , that is, PX11 to PX22 ,
도 1에는 도시 및 설명의 편의상 2개의 픽셀 행들(PR1, PR2) 및 2개의 픽셀 열들(PC1, PC2)의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 단위 픽셀들(PX11~PX22)을 포함하는 픽셀 그룹(PXG)이 도시되어 있으나, 하나의 그룹 행(GR)에 상응하는 픽셀 행들의 개수 및 하나의 그룹 열(GC)에 상응하는 픽셀 열들의 개수, 즉 하나의 픽셀 그룹(PXG)에 포함되는 단위 픽셀들의 개수는 다양하게 결정될 수 있다.1 shows a pixel group PXG including four unit pixels PX11 to PX22 arranged in a matrix of two pixel rows PR1 and PR2 and two pixel columns PC1 and PC2 for convenience of illustration and description. ) is shown, the number of pixel rows corresponding to one group row GR and the number of pixel columns corresponding to one group column GC, that is, the number of unit pixels included in one pixel group PXG. The number may be variously determined.
복수의 단위 픽셀들(PX11~PX22)은 반도체 기판(100)에 배치되는 복수의 광전 변환 소자들(PD11, PD12, PD21, PD22, 즉 PD11~PD22)을 각각 포함할 수 있다. 외부에서 입사된 광은 광전 변환 소자들(PD11~PD22)에서 전기적 신호들로 변환될 수 있다. The plurality of unit pixels PX11 to PX22 may each include a plurality of photoelectric conversion elements PD11 , PD12 , PD21 , and PD22 , that is, PD11 to PD22 disposed on the
트렌치 구조체들(400, 500)은 복수의 단위 픽셀들(PX11~PX22)에 포함되는 광전 변환 소자들(PD11~PD22)을 전기적 및 광학적으로 격리하도록 반도체 기판(100)의 전면(100a)부터 후면(100b)까지 수직 방향(DR3)으로 연장되어 반도체 기판(100)의 내부에 배치될 수 있다. 트렌치 구조체들(400, 500)은, 각각의 픽셀 그룹(PXG) 및 인접하는 픽셀 그룹들을 격리하는 인터-그룹 트렌치 구조체들(400) 및 각각의 픽셀 그룹(PXG)에 포함되는 복수의 픽셀 그룹들(PXG11~PXG44)을 서로 격리하는 인터-픽셀 트렌치 구조체들(500)을 포함할 수 있다.The
인터-픽셀 트렌치 구조체들(500)은 제1 인터-픽셀 트렌치 구조체(500x) 및 제2 인터-픽셀 트렌치 구조체(500y)를 포함할 수 있다. 제1 인터-픽셀 트렌치 구조체(500x)는 제1 수평 방향(DR1)으로 양쪽에 배치되는 인터-그룹 트렌치 구조체들(400)과 연결되도록 제1 수평 방향(DR1)으로 연장되고 반도체 기판(100)의 전면(100a)부터 후면(100b)까지 수직 방향(DR3)으로 연장될 수 있다. 제2 인터-픽셀 트렌치 구조체(500y)는 제1 수평 방향(DR1)과 수직한 제2 수평 방향(DR2)으로 양쪽에 배치되는 인터-그룹 트렌치 구조체들(400)과 연결되도록 제2 수평 방향(DR2)으로 연장되고 반도체 기판(100)의 전면(100a)부터 후면(100b)까지 수직 방향(DR3)으로 연장될 수 있다.The
인터-픽셀 트렌치 구조체(500)는 복수의 광전 변환 소자들(PD11, PD12, PD21, PD22) 각각으로 입사되는 입사광 및 입사광에 의해 생성된 광 전하들이 인접하는 단위 픽셀들로 입사되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 인터-픽셀 트렌치 구조체(500)는 복수의 광전 변환 소자들(PD11, PD12, PD21, PD22)간의 크로스토크 현상을 방지할 수 있다. 또한 인터-그룹 트렌치 구조체(400)는 각각의 픽셀 그룹(PXG) 및 인접하는 픽셀 그룹들 사이의 크로스토크 현상을 방지할 수 있다.The
광 투과층(300)은 컬러 필터(CF) 및 공통 마이크로 렌즈(CMLS)를 포함할 수 있다. 광 투과층(300)은 외부에서 입사되는 광을 집광 및 필터링하여 반도체 기판(100)으로 제공할 수 있다. 반도체 기판(100)의 후면(100b) 상에 컬러 필터(CF) 및 공통 마이크로 렌즈(CMLS)가 배치될 수 있다. 또한, 반도체 기판(100)의 제 후면(100b)과 컬러 필터(CF) 사이에 제 1 평탄막(310)이 배치될 수 있으며, 컬러 필터(CF) 및 공통 마이크로 렌즈(CMLS) 사이에 제 2 평탄막(320)이 배치될 수 있다.The
컬러 필터(CF)는 적색, 녹색 또는 청색의 컬러 필터를 포함할 수 있다. 이와 달리, 컬러 필터들은 시안(cyan), 마젠타(magenta) 또는 황색(yellow) 등과 같은 다른 컬러 필터를 포함할 수 있다. 각각의 픽셀 그룹(PXG)에 포함되는 단위 픽셀들이 동일한 컬러에 해당하는 경우 각각의 픽셀 그룹(PXG)에 포함되는 단위 픽셀들은 하나의 컬러 필터(CF)를 공유할 수 있다.The color filter CF may include a red, green, or blue color filter. Alternatively, the color filters may include other color filters such as cyan, magenta or yellow. When the unit pixels included in each pixel group PXG have the same color, the unit pixels included in each pixel group PXG may share one color filter CF.
공통 마이크로 렌즈(CMLS)는 복수의 단위 픽셀들(PX11~PX22)에 포함되는 광전 변환 소자들(PD11~PD22)을 모두 덮도록 반도체 기판(100)의 상부 또는 하부에 배치되고 복수의 단위 픽셀들(PX11~PX22)에 포함되는 광전 변환 소자들(PD11~PD22)에 입사광을 집광할 수 있다.The common microlens CMLS is disposed above or below the
배선층(200)은 복수의 광전 변환 소자들(PD11, PD12, PD21, PD22)과 전기적으로 연결되는 로직 트랜지스터들 및 상기 로직 트랜지스터들에 연결되는 배선들을 포함할 수 있다. 복수의 광전 변환 소자들(PD11, PD12, PD21, PD22)에서 변환된 전기적 신호는 배선층(200)에서 신호 처리될 수 있다. 상기 배선들은 층간 절연막들을 개재하여 적층될 수 있으며, 배선들의 배열은 복수의 광전 변환 소자들(PD11, PD12, PD21, PD22)의 배열과 관계없이 배치될 수 있다. 즉, 상기 배선들은 복수의 광전 변환 소자들(PD11, PD12, PD21, PD22)의 상부를 가로지를 수도 있다. The
반도체 기판(100)은 제 1 도전형(예를 들어, p형) 벌크(bulk) 실리콘 기판 상에 제 1 도전형 에피택셜층이 형성된 기판일 수 있으며, 이미지 센서의 제조 공정상 벌크 실리콘 기판이 제거되어 p형 에피택셜층만 잔류하는 기판일 수 있다. 또한, 반도체 기판(100)은 제 1 도전형의 웰을 포함하는 벌크 반도체 기판일 수 있다. 이와 달리, 반도체 기판(100)은 n형 에피택셜층, 벌크 실리콘 기판, SOI 기판 등 다양한 형태의 기판이 적용될 수 있다. 반도체 기판(100)에는 적어도 하나의 플로팅 디퓨젼 영역이 형성되고, 반도체 기판(100)의 전면(100a) 상에서, 광전 변환 소자들(PD11~PD22)의 각각과 플로팅 디퓨젼 영역 사이에 전송 게이트들이 형성될 수 있다. 광전 변환 소자들(PD11~PD22)은 반도체 기판(100)과 반대인 제 2 도전형(예를 들어, n형)의 불순물들이 도핑된 불순물 영역일 수 있다. 일 예에서, 광전 변환 소자들(PD11~PD22)은 반도체 기판(100)의 제 전면(100a)과 인접하고, 후면(100b)과 이격될 수 있다. 보다 상세하게, 광변자들은 제 2 도전형(예를 들어, n형)의 불순물들을 반도체 기판(100)의 전면(100a)으로 이온주입하여 형성될 수 있다. 광전 변환 소자들(PD11~PD22)은 전면(100a)에 인접한 영역과 후면(100b)에 인접한 영역 간에 불순물 농도 차이를 가질 수 있으며, 이에 따라, 반도체 기판(100)의 전면(100a)과 후면(100b) 사이에 포텐셜 기울기를 가질 수 있다. The
제 1 도전형의 반도체 기판(100)과 광전 변환 소자들(PD11~PD22)의 각각은 한 쌍의 포토다이오드들을 구성할 수 있다. 즉, 제 1 도전형의 반도체 기판(100)과 광전 변환 소자들(PD11~PD22)의 각각의 접합(junction)에 의해 포토다이오드가 형성될 수 있다. 포토다이오드를 구성하는 광전 변환 소자들(PD11~PD22)은 입사광의 세기에 비례하여 광 전하를 생성 및 축적할 수 있다. 이에 더하여, 포토다이오드는 광변자들의 표면에 p형 불순물이 얕게 도핑된 p형 불순물 영역(미도시)을 더 포함할 수 있다.Each of the
이미지 센서의 포커싱이 이루어지지 않은 경우 공통 마이크로 렌즈(CMLS)에 의해 집광된 입사광은 광전 변환 소자들(PD11~PD22)에 불균일하게 입사되고 따라서 광전 변환 소자들(PD11~PD22)에서 출력되는 전기적 신호들은 불균일하게 된다. 이미지 센서는 각각의 픽셀 그룹(PXG)에 포함되는 픽셀 그룹들(PXG11~PXG44)의 광전 변환 소자들(PD11~PD22)로부터 출력되는 전기적 신호들의 차이에 기초하여 이미지 센서를 포함하는 촬영 장치의 초점을 보정하는 오토 포커싱 기능을 수행할 수 있다. When the image sensor is not focused, the incident light collected by the common microlens CMLS is non-uniformly incident on the photoelectric conversion elements PD11 to PD22, and thus an electrical signal output from the photoelectric conversion elements PD11 to PD22. will become non-uniform. The image sensor is a focus of a photographing device including an image sensor based on a difference between electrical signals output from the photoelectric conversion elements PD11 to PD22 of the pixel groups PXG11 to PXG44 included in each pixel group PXG It is possible to perform an auto-focusing function to correct
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이 및 상기 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서는 마이크로 렌즈를 공유하는 복수의 단위 픽셀들 및 반도체 기판의 전면부터 후면까지 연장되는 트렌치 구조체를 포함하는 픽셀 그룹을 이용하여 오토 포커싱 기능을 구현하면서도 단위 픽셀들 사이의 크로스토크를 억제하여 이미지 품질을 향상시킬 수 있다.As described above, the pixel array and the image sensor including the pixel array according to embodiments of the present invention include a plurality of unit pixels sharing a microlens and a pixel group including a trench structure extending from the front to the rear of the semiconductor substrate. It is possible to improve image quality by suppressing crosstalk between unit pixels while implementing the auto-focusing function using
도 3a 및 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 그룹의 트렌치 구조체의 실시예들을 나타내는 단면도들이다. 도 3a 및 3b는 도 1의 A-A' 선을 따라 절단한 단면도이다. 도 1의 B-B'선을 따라 절단한 수직 구조는 도 3a 및 3b의 수직 구조와 실질적으로 동일하다. 이하 도 1 내지 2d와 중복되는 설명을 생략한다.3A and 3B are cross-sectional views illustrating embodiments of a trench structure of a pixel group included in an image sensor according to embodiments of the present invention. 3A and 3B are cross-sectional views taken along line A-A' of FIG. 1 . The vertical structure cut along the line B-B' of FIG. 1 is substantially the same as the vertical structure of FIGS. 3A and 3B . Hereinafter, descriptions overlapping those of FIGS. 1 to 2D will be omitted.
트렌치 구조체들(400, 500)은 반도체 기판(100; 예를 들어, 실리콘)보다 굴절률이 낮은 절연 물질로 형성될 수 있으며, 하나 또는 복수 개의 절연막들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 트렌치 구조체들(400, 500)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 언도우프트 폴리실리콘막, 공기(air) 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 이러한 트렌치 구조체들(400, 500)은 반도체 기판(100)의 전면(100a) 및/또는 후면(100b)을 패터닝하여 깊은 트렌치를 형성한 후, 깊은 트렌치 내에 절연 물질을 매립하여 형성될 수 있다. The
전술한 바와 같이, 트렌치 구조체들(400, 500)은 복수의 단위 픽셀들(PX11~PX22)에 포함되는 광전 변환 소자들(PD11~PD22)을 전기적 및 광학적으로 격리하도록 반도체 기판(100)의 전면(100a)부터 후면(100b)까지 수직 방향(DR3)으로 연장되어 반도체 기판(100)의 내부에 배치될 수 있다.As described above, the
일 실시예에서, 도 3a에 도시된 바와 같이, 트렌치 구조체들(400, 500)의 각각은 트렌치의 양쪽의 측면들이 투명 유전체(410, 510)로 코팅되고 상기 트렌치의 가운데 부분이 투명 유전체(410, 510)와 다른 물질(420, 520)로 채워질 수 있다. 예를 들어, 투명 유전체(410, 510)는 산화물이고 가운데 물질(420, 520)은 질화물일 수 있다. 즉 트렌치 구조체들(400, 500)의 각각은 수평 방향으로 ONO(oxide-nitride-oxide) 구조를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 트렌치 구조체들(400, 500)의 각각은 트렌치의 전부가 투명 유전체(420, 520)로 채워질 수 있다.In one embodiment, as shown in FIG. 3A , each of the
일 실시예에서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 트렌치 구조체들(400, 500)의 각각은 반도체 기판(100)의 전면(100a)으로부터 수행되는 프론트 트렌치 공정에 의해 형성되는 상부 트렌치 구조체(400t, 500t) 및 반도체 기판(100)의 후면(100b)으로부터 수행되는 백 트렌치 공정에 의해 형성되는 하부 트렌치 구조체(400b, 500b)를 포함할 수 있다.In one embodiment, as shown in FIG. 3B , each of the
실시예에 따라서, 상부 트렌치 구조체(400t, 500t) 및 하부 트렌치 구조체(400b, 500b)는 서로 다른 구조 또는 서로 다른 조성을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상부 트렌치 구조체(400t, 500t)는 양쪽의 측면들이 투명 유전체(410, 510)로 코팅되고 상기 트렌치의 가운데 부분이 투명 유전체(410, 510)와 다른 물질(420, 520)로 채워지고, 하부 트렌치 구조체(400b, 500b)는 전부 투명 유전체(410, 510)로 채워질 수 있다.According to an embodiment, the
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.4 is a block diagram illustrating an image sensor according to embodiments of the present invention.
도 4를 참조하면, 이미지 센서(600)는 픽셀 어레이(pixel array)(620), 행 구동부(row driver)(630), 아날로그-디지털 변환(Analog-to-Digital Conversion; ADC)부(640), 칼럼 구동부(column driver)(650), 제어부(controller)(660) 및 기준 전압 발생기(REF)(670)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4 , the
픽셀 어레이(620)는 칼럼 라인(COL)들에 각각 결합되고, 입사광을 감지하여 칼럼 라인(COL)들을 통하여 아날로그 신호들을 발생하는 복수의 픽셀(700)들을 포함한다. 복수의 픽셀들은 복수의 행들과 복수의 열들로 이루어진 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 픽셀 어레이(620)는 도 16a 내지 20c를 참조하여 후술하는 바와 같이 다양한 단위 패턴들이 제1 수평 방향(DR1) 및 제 수평 방향(DR2)으로 반복적으로 배열되는 구조를 가질 수 있다.The
행 구동부(630)는 픽셀 어레이(620)의 각 행에 연결되고, 상기 각 행을 구동하는 구동 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 행 구동부(630)는 픽셀 어레이(620)에 포함되는 상기 복수의 픽셀들을 행 단위로 구동할 수 있다. The
아날로그-디지털 변환부(640)는 픽셀 어레이(620)의 각 칼럼(column, 열)에 연결되고, 픽셀 어레이(620)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 아날로그-디지털 변환부(640)는 복수의 아날로그-디지털 컨버터(641)들을 포함하며, 각 칼럼 라인(COL)마다 출력되는 아날로그 신호들을 병렬로(즉, 동시에) 디지털 신호들로 변환하는 칼럼 ADC를 수행할 수 있다. The analog-to-
실시예에 따라서, 아날로그-디지털 변환부(640)는 유효 신호 성분을 추출하기 위한 하나의 상관 이중 샘플링(correlated double sampling; CDS)부를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 상관 이중 샘플링부는 리셋 성분을 나타내는 아날로그 리셋 신호와 이미지 성분을 나타내는 아날로그 이미지 신호의 차이에 기초하여 상기 유효 이미지 성분을 추출하는 아날로그 더블 샘플링(Analog Double Sampling)을 수행할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 상관 이중 샘플링부는 상기 아날로그 리셋 신호와 상기 아날로그 이미지 신호를 디지털 신호들로 각각 변환한 후 상기 유효 이미지 성분으로서 두 개의 디지털 신호의 차이를 추출하는 디지털 더블 샘플링(Digital Double Sampling)을 수행할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 상관 이중 샘플링부는 상기 아날로그 더블 샘플링 및 상기 디지털 더블 샘플링을 모두 수행하는 듀얼 상관 이중 샘플링을 수행할 수 있다. According to an embodiment, the analog-to-
칼럼 구동부(650)는 아날로그-디지털 변환부(640)로부터의 디지털 신호들을 출력 데이터(Dout)로서 순차적으로 출력할 수 있다. The
제어부(660)는 행 구동부(630), 아날로그-디지털 변환부(640), 칼럼 구동부(650) 및 기준 신호 생성부(670)를 제어할 수 있다. 제어부(660)는 행 구동부(630), 아날로그-디지털 변환부(640), 칼럼 구동부(650) 및 기준 신호 생성부(670)의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤 신호 등과 같은 제어 신호들을 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 제어부(660)는 로직 제어 회로, 위상 고정 루프(Phase Lock Loop; PLL) 회로, 타이밍 제어 회로 및 통신 인터페이스 회로 등을 포함할 수 있다. The
기준 신호 생성부(670)는 점진적으로 증가하거나 감소하는 전압 레벨을 갖는 기준 신호 또는 램프 신호를 발생하여 아날로그-디지털 변환부(640)에 제공할 수 있다.The
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 일 실시예를 나타내는 회로도이다.5 is a circuit diagram illustrating an embodiment of a unit pixel included in an image sensor according to embodiments of the present invention.
도 5를 참조하면, 단위 픽셀(700a)은, 광변 전환 소자로서 포토다이오드(PD)를 포함하고, 데이터 독출을 위한 전송 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 드라이브 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5 , the
예를 들어, 포토다이오드(PD)는 p형 반도체 기판에 형성되는 n형 영역을 포함할 수 있으며, 상기 n형 영역과 상기 p형 기판이 p-n 접합 포토다이오드일 수 있다. 포토다이오드(PD)는 외부로부터 광(예를 들어, 가시광선 또는 적외선)을 수신하고, 수신된 광에 기초하여 광 전하(Photo Charge)를 생성한다. For example, the photodiode PD may include an n-type region formed on a p-type semiconductor substrate, and the n-type region and the p-type substrate may be a p-n junction photodiode. The photodiode PD receives light (eg, visible light or infrared light) from the outside, and generates a photo charge based on the received light.
실시예에 따라, 단위 픽셀(700a)은 포토다이오드(PD)와 함께, 또는 포토다이오드(PD)를 대신하여 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 핀드 포토 다이오드 등을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the
포토다이오드(PD)에서 생성된 광 전하는 전송 트랜지스터(TX)를 통하여 플로팅 디퓨전 영역(FD)으로 전송된다. 예를 들어, 전송 제어 신호(TG)가 제1 레벨(예컨대, 하이 레벨)을 가질 때에 전송 트랜지스터(TX)가 턴온되고, 포토다이오드(PD)에서 생성된 광 전하는 턴온된 전송 트랜지스터(TX)를 통하여 플로팅 디퓨전 영역(FD)으로 전송될 수 있다.The photocharge generated by the photodiode PD is transferred to the floating diffusion region FD through the transfer transistor TX. For example, when the transfer control signal TG has a first level (eg, a high level), the transfer transistor TX is turned on, and photocharges generated in the photodiode PD cause the turned-on transfer transistor TX to be turned on. through the floating diffusion area FD.
드라이브 트랜지스터(DX)는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower buffer Amplifier) 역할을 하여 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 충전된 전하에 대응하는 신호를 증폭할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 상기 증폭된 신호, 즉 픽셀 신호(Vpix)를 컬럼 라인(COL)에 전송할 수 있다. The drive transistor DX may serve as a source follower buffer amplifier to amplify a signal corresponding to charges charged in the floating diffusion region FD. The selection transistor SX may transmit the amplified signal, that is, the pixel signal Vpix, to the column line COL in response to the selection signal SEL.
플로팅 디퓨전 영역(FD)은 리셋 트랜지스터(RX)에 의해 리셋될 수 있다. 예를 들어, 리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 신호(RS)에 응답하여 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 저장되어 있는 광 전하를 상관 이중 샘플링(CDS: Correlated Double Sampling) 동작을 위한 일정한 주기로서 방전시킬 수 있다.The floating diffusion region FD may be reset by the reset transistor RX. For example, the reset transistor RX may discharge the photocharge stored in the floating diffusion region FD in response to the reset signal RS as a constant cycle for a correlated double sampling (CDS) operation. there is.
도 5에서는 하나의 포토다이오드(PD)와 4개의 트랜지스터들(TX, RX, DX, SX)을 구비하는 단위 픽셀을 예시하고 있지만 본 발명에 따른 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다.5 illustrates a unit pixel including one photodiode PD and four transistors TX, RX, DX, and SX, but embodiments according to the present invention are not limited thereto.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 센싱 동작을 나타내는 타이밍도이다.6 is a timing diagram illustrating a sensing operation of an image sensor according to embodiments of the present invention.
도 6에는 1개의 픽셀에 대한 센싱 동작에 상응하는 수행되는 센싱 구간(tRPR)이 도시되어 있다. 이러한 센싱 동작은 동일한 전송 제어 신호(TG)에 상응하는 복수의 픽셀들에 대하여 병렬적으로 동시에 수행될 수 있다.6 illustrates a sensing period tRPR that is performed corresponding to a sensing operation for one pixel. Such a sensing operation may be simultaneously performed in parallel with respect to a plurality of pixels corresponding to the same transmission control signal TG.
도 4 내지 6을 참조하면, 시간 t1에서, 행 구동부(630)는 논리 하이 레벨로 활성화된 행 선택 신호(SEL)를 픽셀 어레이(620)에 제공하여 픽셀 어레이(620)에 포함되는 복수의 픽셀 행들 중에서 하나의 픽셀 행을 선택한다. 4 to 6 , at time t1 , the
시간 t2에서, 행 구동부(630)는 상기 선택된 픽셀 행에 리셋 제어 신호(RS)를 제공하고, 제어부(660)는 논리 하이 레벨을 갖는 업-다운 제어 신호(UD)를 아날로그-디지털 컨버터(641)에 포함되는 복수의 카운터들에 제공한다. 이 때 픽셀 어레이(620)가 출력하는 픽셀 신호(Vpix)는 리셋 성분을 나타내는 제1 아날로그 신호가 된다.At time t2, the
시간 t3에서, 제어부(660)는 논리 하이 레벨을 갖는 카운트 인에이블 신호(CNT_EN)를 기준 신호 생성부(670)에 제공하고, 기준 신호 생성부(670)는 기준 신호(Vref)의 전압 레벨을 일정한 크기의 기울기(a)로 감소시키기 시작한다. 또한 제어부(660)는 복수의 카운터들에 카운트 클럭 신호(CLKC)를 제공하고, 복수의 카운터들 각각은 카운트 클럭 신호(CLKC)에 동기되어 다운 카운팅 동작을 개시한다.At time t3, the
시간 t4에서, 기준 신호(Vref)와 픽셀 신호(Vpix)의 전압 레벨이 동일하게 되고, 아날로그-디지털 컨버터(641)에 포함되는 비교기에서 출력되는 비교 신호(CMP)는 논리 로우 레벨로 천이하여 다운 카운팅 동작이 종료된다. 이 때 카운터에는 리셋 성분(Vrst)에 해당하는 카운팅값(-2)이 저장된다.At time t4, the voltage levels of the reference signal Vref and the pixel signal Vpix become the same, and the comparison signal CMP output from the comparator included in the analog-to-
시간 t5에서, 카운트 인에이블 신호(CNT_EN)가 논리 로우 레벨로 비활성화되면, 기준 신호 생성부(70)는 디스에이블된다. 시간 t3에서 시간 t5의 구간은 리셋 성분(Vrst)을 카운팅하기 위한 최대 구간을 나타내며 이미지 센서의 특성에 따라 적절한 클럭 사이클의 개수에 해당하도록 설정될 수 있다.At time t5, when the count enable signal CNT_EN is inactivated to a logic low level, the reference signal generator 70 is disabled. A section from time t3 to time t5 represents a maximum section for counting the reset component Vrst and may be set to correspond to an appropriate number of clock cycles according to characteristics of the image sensor.
시간 t6에서, 행 구동부(630)는 상기 선택된 픽셀 행에 전송 제어 신호(TG)를 제공하고, 제어부(660)는 논리 로우 레벨을 갖는 업-다운 제어 신호(UD)를 카운터들에 제공한다. 이 때 픽셀 어레이(620)가 출력하는 픽셀 신호(Vpix)는 상기 입사광에 따른 이미지 성분을 나타내는 제2 아날로그 신호가 된다.At time t6, the
시간 t7에서, 제어부(660)는 다시 논리 하이 레벨을 갖는 카운트 인에이블 신호(CNT_EN)를 기준 신호 생성부(670)에 제공하고, 기준 신호 생성부(670)는 기준 전압(Vref)의 전압 레벨을 시간 t3에서와 동일한 크기의 기울기(a)로 감소시키기 시작한다. 또한 제어부(660)는 카운터들에 카운트 클럭 신호(CLKC)를 제공하고, 카운터들 각각은 카운트 클럭 신호(CLKC)에 동기되어 업 카운팅 동작을 개시한다.At time t7, the
시간 t8에서, 기준 신호(Vref)와 픽셀 신호(Vpix)의 전압 레벨이 동일하게 되고, 비교기에서 출력되는 비교 신호(CMP)는 논리 로우 레벨로 천이하여 업 카운팅 동작이 종료된다. 최종적으로 카운터에는 리셋 성분(Vrst=2)을 나타내는 제1 아날로그 신호와 입사광에 따른 이미지 성분(Vrst+Vsig=17)을 나타내는 제2 아날로그 신호의 차이에 상응하는 디지털 값(Vsig=15)이 저장되고 디지털 값(Vsig=15)은 상기 입사광의 유효 성분을 나타내는 디지털 신호(DS)로서 출력된다.At time t8, the voltage levels of the reference signal Vref and the pixel signal Vpix become the same, and the comparison signal CMP output from the comparator transitions to a logic low level, thereby ending the up-counting operation. Finally, the counter stores a digital value (Vsig=15) corresponding to the difference between the first analog signal representing the reset component (Vrst=2) and the second analog signal representing the image component (Vrst+Vsig=17) according to the incident light. and a digital value (Vsig=15) is output as a digital signal DS representing an effective component of the incident light.
시간 t9에서, 카운트 인에이블 신호(CNT_EN)가 논리 로우 레벨로 비활성화되면, 기준 신호 생성부(670)는 디스에이블된다. 시간 t7에서 시간 t9의 구간은 이미지 성분(Vrst+Vsig)을 카운팅하기 위한 최대 구간을 나타내며 이미지 센서의 특성에 따라 적절한 클럭 사이클의 개수에 해당하도록 설정될 수 있다.At time t9, when the count enable signal CNT_EN is inactivated to a logic low level, the
시간 t10에서, 행 구동부(630)는 논리 로우 레벨로 비활성화된 행 선택 신호(SEL)를 픽셀 어레이(620)에 제공하여 상기 선택된 픽셀 행의 선택을 해제한다. 또한, 카운터들 각각은 저장된 카운팅값을 리셋한다.At time t10 , the
이후, 이미지 센서(600)는 다른 행들에 대해 상기 설명한 동작을 반복하면서 행 단위로 디지털 신호를 출력한다.Thereafter, the
이상 본 발명의 이해를 돕기 위하여 도 4 내지 6을 참조하여 예시적인 이미지 센서의 구성 및 센싱 동작을 설명하였으나 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다.The configuration and sensing operation of an exemplary image sensor have been described above with reference to FIGS. 4 to 6 to help the understanding of the present invention, but embodiments of the present invention are not limited thereto.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 플로팅 디퓨젼 영역의 공유 구조를 갖는 픽셀 그룹을 나타내는 회로도이고, 도 8은 도 7의 공유 구조의 레이아웃의 일 실시예를 나타내는 평면도이다. 도 7 및 9에는 하나의 공통 플로팅 디퓨젼 영역(CFD)에 4개의 픽셀들이 연결되는 공유 구조를 갖는 픽셀 그룹을 도시하고 있다.7 is a circuit diagram illustrating a pixel group having a shared structure of a floating diffusion region included in an image sensor according to embodiments of the present invention, and FIG. 8 is a plan view illustrating an embodiment of a layout of the shared structure of FIG. . 7 and 9 illustrate a pixel group having a shared structure in which four pixels are connected to one common floating diffusion region CFD.
도 4 및 6을 참조하면, 픽셀 그룹(PXG)은 공통 플로팅 디퓨젼 영역(CFD), 제1 픽셀(PX1), 제2 픽셀(PX2), 제3 픽셀(PX3), 제4 픽셀(PX4) 및 독출 회로(800)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라서, 픽셀 그룹(PXG)은 아날로그-디지털 변환 유닛(ADC)(810)을 더 포함할 수 있다. 제1 픽셀(PX1), 제2 픽셀(PX2), 제3 픽셀(PX3) 및 제4 픽셀(PX4)은 공통 플로팅 디퓨젼 영역(CFD)에 공통으로 연결된다. 이미지 센서의 픽셀 어레이에는 도 7 및 8에 도시된 바와 같은 픽셀 그룹(PXG)이 제1 수평 방향(DR1) 및 제2 수평 방향(DR2)으로 반복적으로 배치될 수 있다.4 and 6 , the pixel group PXG includes a common floating diffusion area CFD, a first pixel PX1 , a second pixel PX2 , a third pixel PX3 , and a fourth pixel PX4 . and a
픽셀 그룹(PXG)에 제공되는 제어 신호들(TG1, TG2, TG3, TG4, RS, DCG)은 행 방향(X)의 배선들(MW)을 통하여 도 4의 행 구동부(630)로부터 전송될 수 있다. The control signals TG1, TG2, TG3, TG4, RS, and DCG provided to the pixel group PXG may be transmitted from the
제1 픽셀(PX1)은 제1 포토다이오드(PD1) 및 제1 전송 트랜지스터(TX1)를 포함할 수 있다. 제2 픽셀(PX2)은 제2 포토다이오드(PD2) 및 제2 전송 트랜지스터(TX2)를 포함할 수 있다. 제3 픽셀(PX3)은 제3 포토다이오드(PD3) 및 제3 전송 트랜지스터(TX3)를 포함할 수 있다. 제4 픽셀(PX4)은 제4 포토다이오드(PD4) 및 제4 전송 트랜지스터(TX4)를 포함할 수 있다. 도 8에서 G1, G2, G3 및 G4는 제1 내지 제4 전송 트랜지스터들(TX1, TX2, TX3, TX4)의 전송 게이트들을 각각 나타낸다.The first pixel PX1 may include a first photodiode PD1 and a first transfer transistor TX1 . The second pixel PX2 may include a second photodiode PD2 and a second transfer transistor TX2 . The third pixel PX3 may include a third photodiode PD3 and a third transfer transistor TX3 . The fourth pixel PX4 may include a fourth photodiode PD4 and a fourth transfer transistor TX4. In FIG. 8 , G1 , G2 , G3 , and G4 indicate transfer gates of the first to fourth transfer transistors TX1 , TX2 , TX3 and TX4 , respectively.
독출 회로(800)는 리셋 트랜지스터(RX), 이득 조절 트랜지스터(GX), 커패시터(Cdcg), 소스 폴로워 트랜지스터 또는 구동 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다. 도 7에는 설명의 편의상 각 픽셀이 하나의 트랜지스터를 포함하고 독출 회로가 3개의 트랜지스터들을 포함하는 구조를 예시하고 있으나, 다양한 다른 구성에 대해서도 본 발명의 실시예들이 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.The
리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 전압(VRST) 및 이득 조절 노드 사이(Ndcg)에 연결되고 리셋 신호(RS)에 응답하여 스위칭될 수 있다. 이득 조절 트랜지스터(GX)는 이득 조절 노드(Ndcg) 및 공통 플로팅 디퓨젼 노드(CFD) 사이에 연결되고 이득 조절 신호(DCG)에 응답하여 스위칭될 수 있다. 커패시터(Cdcg)는 리셋 전압(VRST) 및 이득 조절 노드(Ndcg) 사이에 리셋 트랜지스터(RX)와 병렬로 연결될 수 있다.The reset transistor RX is connected between the reset voltage VRST and the gain control node Ndcg and may be switched in response to the reset signal RS. The gain control transistor GX is connected between the gain control node Ndcg and the common floating diffusion node CFD and may be switched in response to the gain control signal DCG. The capacitor Cdcg may be connected in parallel with the reset transistor RX between the reset voltage VRST and the gain control node Ndcg.
도 9를 참조하여 설명하는 바와 같이, 이득 조절 트랜지스터(GX) 및 커패시터(Cdcg)를 이용하여, 서로 다른 이득을 구현할 수 있다.As described with reference to FIG. 9 , different gains may be implemented using the gain control transistor GX and the capacitor Cdcg.
도 9는 도 7의 공유 구조에서의 이득에 따른 동작의 실시예를 나타내는 타이밍도이다.9 is a timing diagram illustrating an embodiment of an operation according to a gain in the shared structure of FIG. 7 .
도7, 8 및 9를 참조하면, 공통 플로팅 디퓨젼 영역(CFD)을 리셋할 때, 리셋 트랜지스터(RX) 및 이득 조절 트랜지스터(GX)가 모두 턴온될 수 있다.7, 8 and 9 , when the common floating diffusion region CFD is reset, both the reset transistor RX and the gain control transistor GX may be turned on.
제1 이득(low gain)으로 공통 플로팅 디퓨젼 영역(CFD)의 전압을 독출할 때, 리셋 트랜지스터(RX)는 턴오프되고 이득 조절 트랜지스터(GX)는 턴온될 수 있다. 상기 제1 이득보다 높은 제2 이득(high gain)으로 공통 공통 플로팅 디퓨젼 영역(CFD)의 전압을 독출할 때, 리셋 트랜지스터(RX) 및 이득 조절 트랜지스터(GX)가 모두 턴오프될 수 있다.When the voltage of the common floating diffusion region CFD is read with a first gain (low gain), the reset transistor RX may be turned off and the gain control transistor GX may be turned on. When the voltage of the common common floating diffusion region CFD is read with a second gain higher than the first gain, both the reset transistor RX and the gain control transistor GX may be turned off.
픽셀 어레이로부터 출력되는 픽셀 신호(Vpix)는 주변광에 따라 증가하는 샷 노이즈(shot noise) 및 픽셀 어레이 내부의 회로 특성에 따라 발생하는 서킷 노이즈(circuit noise) 등을 포함할 수 있다. 전술한 이득 조절 트랜지스터(GX) 및 커패시터(Cdcg)를 이용하여 또는 픽셀 어레이 외부의 수단을 이용하여 이득을 증가시키는 경우에는 노이즈도 함께 증가하기 때문에 센싱 감도, 즉 신호 잡음 비(SNR, signal-to-noise ratio)의 증가가 미미하다. The pixel signal Vpix output from the pixel array may include shot noise that increases according to ambient light and circuit noise that occurs according to circuit characteristics inside the pixel array. When the gain is increased by using the aforementioned gain control transistor GX and capacitor Cdcg or by means outside the pixel array, since noise also increases, sensing sensitivity, that is, signal-to-noise ratio (SNR, signal-to-noise ratio) -noise ratio) is insignificant.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 그룹의 레이아웃을 나타내는 평면도이고, 도 11a 및 11b는 도 10의 픽셀 그룹의 수직 구조의 실시예들을 나타내는 단면도들이다. 도 11a 및 11b는 도 1의 HLX 선을 따라 절단한 단면도이다. 도 1의 HLY 선을 따라 절단한 수직 구조는 도 11a 및 11b의 수직 구조와 실질적으로 동일하다. 이하 도 1 내지 2d와 중복되는 설명을 생략한다.10 is a plan view illustrating a layout of a pixel group included in an image sensor according to embodiments of the present invention, and FIGS. 11A and 11B are cross-sectional views illustrating embodiments of a vertical structure of the pixel group of FIG. 10 . 11A and 11B are cross-sectional views taken along line HLX of FIG. 1 . The vertical structure cut along the HLY line of FIG. 1 is substantially the same as the vertical structure of FIGS. 11A and 11B . Hereinafter, descriptions overlapping those of FIGS. 1 to 2D will be omitted.
전술한 바와 같이, 인터-픽셀 트렌치 구조체들(501)은 제1 인터-픽셀 트렌치 구조체(501x) 및 제2 인터-픽셀 트렌치 구조체(501y)를 포함할 수 있다. 제1 인터-픽셀 트렌치 구조체(501x)는 제1 수평 방향(DR1)으로 양쪽에 배치되는 인터-그룹 트렌치 구조체들(400)과 연결되도록 제1 수평 방향(DR1)으로 연장되고 반도체 기판(100)의 전면(100a)부터 후면(100b)까지 수직 방향(DR3)으로 연장될 수 있다. 제2 인터-픽셀 트렌치 구조체(501y)는 제1 수평 방향(DR1)과 수직한 제2 수평 방향(DR2)으로 양쪽에 배치되는 인터-그룹 트렌치 구조체들(400)과 연결되도록 제2 수평 방향(DR2)으로 연장되고 반도체 기판(100)의 전면(100a)부터 후면(100b)까지 수직 방향(DR3)으로 연장될 수 있다.As described above, the
도 10을 참조하면, 픽셀 그룹(PXG4)에서, 제1 인터-픽셀 트렌치 구조체(501x) 및 제2 인터-픽셀 트렌치 구조체(501y)가 교차하는 교차 영역(CREG)에 대하여, 제1 인터-픽셀 트렌치 구조체(501x) 및 제2 인터-픽셀 트렌치(501y)의 교차 영역(CREG)에 상응하는 부분의 적어도 일부가 제거될 수 있다. 예를 들어, 제1 인터-픽셀 트렌치 구조체(501x) 및 제2 인터-픽셀 트렌치 구조체(501y)의 제거된 수평 방향의 길이 및 단위 픽셀의 폭의 비율은 0.15 내지 0.40 일 수 있다. 교차 영역(CREG)의 제거된 부분을 통하여 단위 픽셀 사이에 전자가 넘어갈 수 있고, 이는 제거된 길이 및 제조 공정에 따라 반도체 기판(100)에 형성되는 포텐셜 프로필에 의해 제어될 수 있다. Referring to FIG. 10 , in the pixel group PXG4 , with respect to the intersection region CREG where the first
일 실시예에서, 도 11a에 도시된 픽셀 그룹(PXG5)바와 같이, 제1 인터-픽셀 트렌치 구조체(501x) 및 제2 인터-픽셀 트렌치 구조체(501y)의 교차 영역(CREG)에 상응하는 부분이 반도체 기판(100)의 전면(100a)부터 후면(100b)까지 수직 방향(DR3)으로 모두 제거될 수 있다.In one embodiment, as shown in the pixel group PXG5 shown in FIG. 11A , a portion corresponding to the intersection region CREG of the first
일 실시예에서, 도 11b에 도시된 픽셀 그룹(PXG6)바와 같이, 제1 인터-픽셀 트렌치 구조체(501x) 및 제2 인터-픽셀 트렌치 구조체(501y)의 교차 영역(CREG)에 상응하는 부분이 반도체 기판(100)의 전면(100a)부터 일부만이 제거될 수 있다.In one embodiment, as shown in the pixel group PXG6 shown in FIG. 11B , a portion corresponding to the intersection region CREG of the first
교차 영역(CREG)의 제거된 부분에는 각각의 픽셀 그룹(PXG4)에 포함되는 복수의 단위 픽셀들(PX11~PX22)에 의해 공유되는 도 7 및 8을 참조하여 설명한 바와 같은 공통 플로팅 디퓨젼 영역(CFD)이 형성될 수 있다.In the removed portion of the intersection region CREG, a common floating diffusion region ( CFD) may be formed.
도 12는 도 7의 공유 구조를 채용한 픽셀 그룹들을 나타내는 평면도이다.12 is a plan view illustrating pixel groups adopting the shared structure of FIG. 7 .
도 12에 도시된 점원들은 전술한 바와 같이 복수의 픽셀들에 의해 공유되는 공통 마이크로 렌즈들(CMLS)을 나타낸다. 도 12에는 도시의 편의상 2개의 그룹 행들(GR1, GR2) 및 2개의 그룹 열들(GC1, GC2)의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 픽셀 그룹들(PXG11~PXG22)만이 도시되어 있으나, 이미지 센서의 픽셀 어레이에는 픽셀 그룹들이 제1 수평 방향(DR1) 및 제 수평 방향(DR2)으로 반복적으로 배열될 수 있다.The dotted circles shown in FIG. 12 represent common microlenses CMLS shared by a plurality of pixels as described above. For convenience of illustration, only the four pixel groups PXG11 to PXG22 arranged in a matrix of two group rows GR1 and GR2 and two group columns GC1 and GC2 are shown in FIG. 12 , but the pixels of the image sensor Pixel groups may be repeatedly arranged in the first horizontal direction DR1 and the second horizontal direction DR2 in the array.
도 12를 참조하면, 픽셀 그룹들(PXG11~PXG22)의 각각은 2개의 픽셀 행들과 2개의 픽셀 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 단위 픽셀들을 포함할 수 있다. 픽셀 그룹들(PXG11~PXG22)의 각각은 전술한 교차 영역에 배치되고 4개의 픽셀들에 의해 공유되는 공통 플로팅 디퓨젼 영역들(CFD11~CFD22)을 각각 포함할 수 있다.Referring to FIG. 12 , each of the pixel groups PXG11 to PXG22 may include four unit pixels arranged in a matrix of two pixel rows and two pixel columns. Each of the pixel groups PXG11 to PXG22 may include common floating diffusion regions CFD11 to CFD22 disposed in the aforementioned crossing region and shared by four pixels, respectively.
도 13a 내지 14b는 도 12의 픽셀 그룹들의 공통 플로팅 디퓨젼 영역들의 전기적인 연결의 실시예들을 나타내는 도면들이다. 도 13c는 도 13b의 C-C' 선을 따라 절단한 단면도이다.13A to 14B are diagrams illustrating embodiments of electrical connection of common floating diffusion regions of the pixel groups of FIG. 12 ; 13C is a cross-sectional view taken along line C-C' of FIG. 13B.
도 13a에 도시된 바와 같이, 2개의 그룹 행들(GR1, GR2) 및 2개의 그룹 열들(GC1, GC2)의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 픽셀 그룹들(PXG11~PXG22)의 4개의 공통 플로팅 디퓨젼 영역들(CFD11~CFD22)은 제1 도전 라인들(MLN1)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 도 13b에 도시된 바와 같이, 제1 도전 라인들(MLN1)은 적어도 하나의 제2 도전 라인(MLN2)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.As shown in FIG. 13A , four common floating diffusions of four pixel groups PXG11 to PXG22 are arranged in a matrix form of two group rows GR1 and GR2 and two group columns GC1 and GC2 . The regions CFD11 to CFD22 may be electrically connected to each other by the first conductive lines MLN1 . Also, as illustrated in FIG. 13B , the first conductive lines MLN1 may be electrically connected to each other by at least one second conductive line MLN2 .
도 13c를 참조하면, 제1 도전 라인들(MLN1) 및 제2 도전 라인들(MLN2)은 반도체 기판(100)의 전면(100a)의 상부, 즉 배선층(200)에 배치될 수 있고, 비아와 같은 수직 컨택들(VC)을 통하여 공통 플로팅 디퓨젼 영역들(CFD11~CFD22)과 전기적으로 연결될 수 있다. 도 13c에는 제1 도전 라인들(MLN1) 및 제2 도전 라인(MLN2)이 서로 다른 도전층에 배치되는 예를 도시하고 있으나, 실시예들에 따라서 제1 도전 라인들(MLN1) 및 제2 도전 라인(MLN2)은 동일한 도전층에 배치될 수도 있다.Referring to FIG. 13C , the first conductive lines MLN1 and the second conductive lines MLN2 may be disposed on the
공통 플로팅 디퓨젼 영역들(CFD11~CFD22)의 전기적인 연결은 다양하게 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 14a 및 14b에 도시된 바와 같이, 2개의 공통 플로팅 디퓨젼 영역들(CFD11, CFD12)이 하나의 제1 도전 라인(MLN1)에 의해 전기적으로 연결되고, 다른 2개의 공통 플로팅 디퓨젼 영역들(CFD21, CFD22)이 다른 하나의 제1 도전 라인(MLN1)에 의해 전기적으로 연결되고, 이러한 2개의 도전 라인들(MLN1)이 제2 도전 라인들(MLN2)에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다.Electrical connection of the common floating diffusion regions CFD11 to CFD22 may be implemented in various ways. For example, as shown in FIGS. 14A and 14B , two common floating diffusion regions CFD11 and CFD12 are electrically connected by one first conductive line MLN1 and the other two common floating diffusion regions CFD11 and CFD12 are electrically connected to each other as shown in FIGS. 14A and 14B . The fusion regions CFD21 and CFD22 may be electrically connected by another first conductive line MLN1 , and these two conductive lines MLN1 may be electrically connected by second conductive lines MLN2 . there is.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이의 레이아웃을 나타내는 평면도이다.15 is a plan view illustrating a layout of a pixel array according to embodiments of the present invention.
도 15를 참조하면, 도 4의 이미지 센서(600)에 포함되는 픽셀 어레이(620)는 제1 수평 방향(DR1) 및 제1 수평 방향(DR1)과 수직한 제2 수평 방향(DR2)으로 반복하여 배열되는 단위 패턴들(UPTT)로 분할될 수 있다. 단위 패턴들(UPTT)은 전술한 바와 같이 복수의 단위 픽셀들이 하나의 공통 마이크로 렌즈(CMLS)를 공유하는 픽셀 그룹을 2개 이상 포함할 수 있다.15 , the
일 실시예에서, 단위 패턴들(UPTT)은 모두 동일할 수 있다. 이 경우 각각의 단위 패턴(UPTT)은 더 작은 단위로 분할될 수 없는 최소 단위의 패턴에 해당한다. 다른 실시예에서, 단위 패턴들(UPTT)은 서로 다른 2개 이상의 패턴들을 포함할 수 있고, 서로 다른 패턴들이 제1 수평 방향(DR1) 및/또는 제2 수평 방향(DR2)으로 규칙적으로 배치될 수 있다.In an embodiment, all of the unit patterns UPTT may be the same. In this case, each unit pattern UPTT corresponds to a pattern of a minimum unit that cannot be divided into smaller units. In another embodiment, the unit patterns UPTT may include two or more different patterns, and the different patterns may be regularly arranged in the first horizontal direction DR1 and/or the second horizontal direction DR2. can
이하 도 16a 내지 20c를 참조하여 다양한 컬러 필터 배열 및 다양한 픽셀 그룹에 해당하는 단위 패턴의 실시예들을 설명한다. 실시예들에 따라서, 후술하는 패턴들을 제1 수평 방향(DR1) 및/또는 제2 수평 방향(DR2)으로 반전하거나 수직 방향(DR3)을 중심으로 90도 또는 180도만큼 회전할 수도 있다.Hereinafter, embodiments of various color filter arrangements and unit patterns corresponding to various pixel groups will be described with reference to FIGS. 16A to 20C . According to exemplary embodiments, patterns to be described later may be inverted in the first horizontal direction DR1 and/or the second horizontal direction DR2 or may be rotated by 90 degrees or 180 degrees about the vertical direction DR3.
도 16a 내지 20c에서, 적색 필터에 상응하는 단위 픽셀을 적색 픽셀(R), 녹색 필터에 상응하는 단위 픽셀을 녹색 픽셀(G), 청색 필터에 상응하는 단위 픽셀을 청색 픽셀(B), 황색 필터에 상응하는 단위 픽셀을 황색 픽셀(Y), 청록색 필터에 상응하는 단위 픽셀을 청록색 픽셀(C)이라 한다. 백색 픽셀(W)은 컬러 필터가 구비되지 않은 단위 픽셀에 해당한다. 픽셀 그룹(PXGij)에서 i는 그룹 행의 인덱스를, j는 그룹 열의 인텍스를 나타낸다. 각각의 픽셀 그룹(PXG)에 포함되는 단위 픽셀들이 동일한 컬러에 해당하는 경우 각각의 픽셀 그룹(PXG)에 포함되는 단위 픽셀들은 하나의 컬러 필터(CF)를 공유할 수 있다.16A to 20C , a unit pixel corresponding to a red filter is a red pixel (R), a unit pixel corresponding to a green filter is a green pixel (G), a unit pixel corresponding to a blue filter is a blue pixel (B), and a yellow filter is used. A unit pixel corresponding to , is referred to as a yellow pixel (Y), and a unit pixel corresponding to the cyan filter is referred to as a cyan pixel (C). The white pixel W corresponds to a unit pixel in which a color filter is not provided. In the pixel group PXGij, i denotes an index of a group row, and j denotes an index of a group column. When the unit pixels included in each pixel group PXG have the same color, the unit pixels included in each pixel group PXG may share one color filter CF.
도 16a 내지 17b는 도 15의 픽셀 어레이에 포함되는 4*4 사이즈의 단위 패턴의 실시예들을 나타내는 평면도들이다.16A to 17B are plan views illustrating embodiments of a 4*4 size unit pattern included in the pixel array of FIG. 15 .
도 16a 내지 17b를 참조하면, 4*4 사이즈의 단위 패턴들(UPTT1~UPTT7)의 각각은 2개의 그룹 행들(GR1, GR2) 및 2개의 그룹 열들(GC1, GC2)의 매트릭스 형태로 배치되는 제1 내지 제4 픽셀 그룹들(PXG11~PXG22)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 픽셀 그룹들(PXG11~PXG22)의 각각은 2개의 픽셀 행들 및 2개의 픽셀 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 단위 픽셀들을 포함할 수 있다.16A to 17B , each of the unit patterns UPTT1 to UPTT7 having a size of 4*4 is arranged in a matrix form of two group rows GR1 and GR2 and two group columns GC1 and GC2. It may include first to fourth pixel groups PXG11 to PXG22. Each of the first to fourth pixel groups PXG11 to PXG22 may include four unit pixels arranged in a matrix of two pixel rows and two pixel columns.
일 실시예에서, 도 16a의 단위 패턴(UPTT1)과 같이, 제1 픽셀 그룹(PXG11)은 4개의 적색 픽셀들(R)을 포함하고, 제2 및 제3 픽셀 그룹들(PXG12, PXG21)의 각각은 4개의 녹색 픽셀들(G)을 포함하고, 제4 픽셀 그룹(PXG22)은 4개의 청색 픽셀들(B)을 포함할 수 있다.In an embodiment, like the unit pattern UPTT1 of FIG. 16A , the first pixel group PXG11 includes four red pixels R, and the second and third pixel groups PXG12 and PXG21 Each may include four green pixels G, and the fourth pixel group PXG22 may include four blue pixels B.
일 실시예에서, 도 16b의 단위 패턴(UPTT2)과 같이, 제1 내지 제4 픽셀 그룹들(PXG11~PXG22)의 각각은 4개의 백색 픽셀들(W)을 포함할 수 있다.In an embodiment, like the unit pattern UPTT2 of FIG. 16B , each of the first to fourth pixel groups PXG11 to PXG22 may include four white pixels W. As shown in FIG.
일 실시예에서, 도 16c의 단위 패턴(UPTT3)과 같이, 제1 픽셀 그룹(PXG11)은 4개의 적색 픽셀들(R)을 포함하고, 제2 픽셀 그룹(PXG12)은 4개의 녹색 픽셀들(G)을 포함하고, 제3 픽셀 그룹(PXG21)은 4개의 백색 픽셀들(W)을 포함하고, 제4 픽셀 그룹(PXG22)은 4개의 청색 픽셀들(B)을 포함할 수 있다.In an embodiment, like the unit pattern UPTT3 of FIG. 16C , the first pixel group PXG11 includes four red pixels R, and the second pixel group PXG12 includes four green pixels ( G), the third pixel group PXG21 may include four white pixels W, and the fourth pixel group PXG22 may include four blue pixels B.
일 실시예에서, 도 16d의 단위 패턴(UPTT4)과 같이, 제1 픽셀 그룹(PXG11)은 4개의 적색 픽셀들(R)을 포함하고, 제2 및 제3 픽셀 그룹들(PXG12, PXG21)의 각각은 4개의 황색 픽셀들(Y)을 포함하고, 제4 픽셀 그룹(PXG22)은 4개의 청색 픽셀들(B)을 포함할 수 있다.In an embodiment, like the unit pattern UPTT4 of FIG. 16D , the first pixel group PXG11 includes four red pixels R, and the second and third pixel groups PXG12 and PXG21 Each may include four yellow pixels Y, and the fourth pixel group PXG22 may include four blue pixels B.
일 실시예에서, 도 16e의 단위 패턴(UPTT5)과 같이, 제1 픽셀 그룹(PXG11)은 4개의 적색 픽셀들(R)을 포함하고, 제2 및 제3 픽셀 그룹들(PX12, PX21)의 각각은 4개의 황색 픽셀들(Y)을 포함하고, 제4 픽셀 그룹(PXG22)은 4개의 청록색(cyan) 픽셀들(C)을 포함할 수 있다.In an embodiment, like the unit pattern UPTT5 of FIG. 16E , the first pixel group PXG11 includes four red pixels R, and the second and third pixel groups PX12 and PX21 Each may include four yellow pixels Y, and the fourth pixel group PXG22 may include four cyan pixels C. Referring to FIG.
일 실시예에서, 도 17a의 단위 패턴(UPTT6)과 같이, 제1 픽셀 그룹(PXG11)은 2개의 백색 픽셀들(W) 및 2개의 적색 픽셀들(R)을 포함하고, 제2 및 제3 픽셀 그룹들(PXG12, PXG21)의 각각은 2개의 백색 픽셀들(W) 및 2개의 녹색 픽셀들(G)을 포함하고, 제4 픽셀 그룹(PXG22)은 2개의 백색 픽셀들(W) 및 2개의 청색 픽셀들(B)을 포함할 수 있다.In an embodiment, like the unit pattern UPTT6 of FIG. 17A , the first pixel group PXG11 includes two white pixels W and two red pixels R, and the second and third Each of the pixel groups PXG12 and PXG21 includes two white pixels W and two green pixels G, and the fourth pixel group PXG22 includes two white pixels W and 2 It may include four blue pixels (B).
일 실시예에서, 도 17b의 단위 패턴(UPTT7)과 같이, 제1 및 제4 픽셀 그룹들(PXG11, PXG22)의 각각은 2개의 백색 픽셀들(W), 1개의 녹색 픽셀(G) 및 1개의 적색 픽셀(R)을 포함하고, 제2 및 제3 픽셀 그룹들(PXG12, PXG21)의 각각은 2개의 백색 픽셀들(W), 1개의 녹색 픽셀(G) 및 1개의 청색 픽셀(B)을 포함할 수 있다.In an embodiment, as in the unit pattern UPTT7 of FIG. 17B , each of the first and fourth pixel groups PXG11 and PXG22 includes two white pixels W, one green pixel G, and one 2 red pixels R, and each of the second and third pixel groups PXG12 and PXG21 includes two white pixels W, one green pixel G, and one blue pixel B may include
도 18a 내지 18c는 도 15의 픽셀 어레이에 포함되는 8*8 사이즈의 단위 패턴의 실시예들을 나타내는 평면도들이다.18A to 18C are plan views illustrating embodiments of a unit pattern having a size of 8*8 included in the pixel array of FIG. 15 .
도 18a 내지 18c를 참조하면, 8*8 사이즈의 단위 패턴들(UPTT8~UPTT10)의 각각은 제1 내지 제4 그룹 행들(GR1~GR4) 및 제1 내지 제4 그룹 열들(GC1~GC4)의 매트릭스 형태로 배치되는 제1 내지 제16 픽셀 그룹들(PXG11~PXG44)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 픽셀 그룹들(PXG11, PXG12, PXG21, PXG22)은 제1 그룹 행(GR1), 제2 그룹 행(GR2), 제1 그룹 열(GC1) 및 제2 그룹 열(GC2)의 매트릭스 형태로 배치된다. 제5 내지 제8 픽셀 그룹들(PXG13, PXG14, PXG23, PXG24)은 제1 그룹 행(GR1), 제2 그룹 행(GR2), 제3 그룹 열(GC3) 및 제4 그룹 열(GC4)의 매트릭스 형태로 배치된다. 제9 내지 제12 픽셀 그룹들(PXG31, PXG32, PXG41, PXG42)은 제3 그룹 행(GR3), 제4 그룹 행(GR4), 제1 그룹 열(GC1) 및 제2 그룹 열(GC2)의 매트릭스 형태로 배치된다. 제13 내지 제16 픽셀 그룹들(PXG33, PXG34, PXG43, PXG44)은 제3 그룹 행(GR3), 제4 그룹 행(GR4), 제3 그룹 열(GC3) 및 제4 그룹 열(GC4)의 매트릭스 형태로 배치된다. 제1 내지 제16 픽셀 그룹들(PXG11~PXG44)의 각각은 2개의 픽셀 행들 및 2개의 픽셀 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 단위 픽셀들을 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 18A to 18C , each of the unit patterns UPTT8 to UPTT10 having a size of 8*8 includes the first to fourth group rows GR1 to GR4 and the first to fourth group columns GC1 to GC4 . It may include first to sixteenth pixel groups PXG11 to PXG44 arranged in a matrix form. The first to fourth pixel groups PXG11 , PXG12 , PXG21 , and PXG22 are in the first group row GR1 , the second group row GR2 , the first group column GC1 , and the second group column GC2 . arranged in a matrix form. The fifth to eighth pixel groups PXG13 , PXG14 , PXG23 , and PXG24 are in the first group row GR1 , the second group row GR2 , the third group column GC3 , and the fourth group column GC4 . arranged in a matrix form. The ninth to twelfth pixel groups PXG31 , PXG32 , PXG41 , and PXG42 are of the third group row GR3 , the fourth group row GR4 , the first group column GC1 , and the second group column GC2 . arranged in a matrix form. The thirteenth to sixteenth pixel groups PXG33, PXG34, PXG43, and PXG44 are of the third group row GR3, the fourth group row GR4, the third group column GC3, and the fourth group column GC4. arranged in a matrix form. Each of the first to sixteenth pixel groups PXG11 to PXG44 may include four unit pixels arranged in a matrix of two pixel rows and two pixel columns.
일 실시예에서, 도 18a의 단위 패턴(UPTT8)과 같이, 제1 내지 제4 픽셀 그룹들(PXG11, PXG12, PXG21, PXG22)의 각각은 4개의 적색 픽셀들(R)을 포함하고, 제5 내지 제12 픽셀 그룹들(PXG13, PXG14, PXG23, PXG24, PXG31, PXG32, PXG41, PXG42)의 각각은 4개의 녹색 픽셀들(G)을 포함하고, 제13 내지 제16 픽셀 그룹들(PXG33, PXG34, PXG43, PXG44)의 각각은 4개의 청색 픽셀들(B)을 포함할 수 있다.In an embodiment, like the unit pattern UPTT8 of FIG. 18A , each of the first to fourth pixel groups PXG11 , PXG12 , PXG21 , and PXG22 includes four red pixels R, and a fifth Each of the thirteenth to twelfth pixel groups PXG13, PXG14, PXG23, PXG24, PXG31, PXG32, PXG41, and PXG42 includes four green pixels G, and the thirteenth to sixteenth pixel groups PXG33, PXG34 , PXG43, and PXG44 may each include four blue pixels (B).
일 실시예에서, 도 18b의 단위 패턴(UPTT9)과 같이, 제1, 제4, 제5, 제8, 제9, 제12, 제13 및 제16 픽셀 그룹들(PXG11, PXG22, PXG13, PXG24, PXG31, PXG42, PXG33, PXG44)의 각각은 4개의 백색 픽셀들(W)을 포함하고, 제2 및 제3 픽셀 그룹들(PXG12, PXG21)의 각각은 4개의 적색 픽셀들(R)을 포함하고, 제6, 제7, 제10 및 제11 픽셀 그룹들(PXG14, PXG23, PXG32, PXG41)의 각각은 4개의 녹색 픽셀들(G)을 포함하고, 제14 및 제15 픽셀 그룹들(PXG34, PXG43)의 각각은 4개의 청색 픽셀들(B)을 포함할 수 있다.In an embodiment, like the unit pattern UPTT9 of FIG. 18B , the first, fourth, fifth, eighth, ninth, twelfth, thirteenth, and sixteenth pixel groups PXG11, PXG22, PXG13, PXG24 , PXG31, PXG42, PXG33, and PXG44 each include four white pixels W, and each of the second and third pixel groups PXG12 and PXG21 includes four red pixels R and each of the sixth, seventh, tenth and eleventh pixel groups PXG14, PXG23, PXG32, and PXG41 includes four green pixels G, and the fourteenth and fifteenth pixel groups PXG34 , each of PXG43 may include four blue pixels (B).
일 실시예에서, 도 18c의 단위 패턴(UPTT10)과 같이, 제1, 제4, 제5, 제8, 제9, 제12, 제13 및 제16 픽셀 그룹들(PXG11, PXG22, PXG13, PXG24, PXG31, PXG42, PXG33, PXG44)의 각각은 4개의 백색 픽셀들(W)을 포함하고, 제2 및 제3 픽셀 그룹들(PXG12, PXG21)의 각각은 4개의 적색 픽셀들(R)을 포함하고, 제2, 제6, 제10 및 제14 픽셀 그룹들(PXG12, PXG14, PXG32, PXG34)의 각각은 4개의 녹색 픽셀들(G)을 포함하고, 제3 및 제15 픽셀 그룹들(PXG21, PXG43)의 각각은 4개의 적색 픽셀들(R)을 포함하고, 제7 및 제11 픽셀 그룹들(PXG23, PXG41)의 각각은 4개의 청색 픽셀들(B)을 포함할 수 있다.In an embodiment, like the unit pattern UPTT10 of FIG. 18C , the first, fourth, fifth, eighth, ninth, twelfth, thirteenth, and sixteenth pixel groups PXG11, PXG22, PXG13, PXG24 , PXG31, PXG42, PXG33, and PXG44 each include four white pixels W, and each of the second and third pixel groups PXG12 and PXG21 includes four red pixels R and each of the second, sixth, tenth and fourteenth pixel groups PXG12, PXG14, PXG32, and PXG34 includes four green pixels G, and the third and fifteenth pixel groups PXG21 , PXG43 may include four red pixels R, and each of the seventh and eleventh pixel groups PXG23 and PXG41 may include four blue pixels B.
도 19a 및 19b는 도 15의 픽셀 어레이에 포함되는 픽셀 그룹 및 단위 픽셀이 혼합된 단위 패턴의 실시예들을 나타내는 평면도들이다.19A and 19B are plan views illustrating embodiments of a unit pattern in which a pixel group and a unit pixel included in the pixel array of FIG. 15 are mixed.
도 19a 및 19b를 참조하면, 혼합 구조의 단위 패턴들(UPTT11, UPTT12)의 각각은 적어도 하나의 적색 픽셀 그룹(RPXG), 적어도 하나의 청색 픽셀 그룹(BPXG) 및 복수의 녹색 픽셀들(G)을 포함할 수 있다. 각각의 적색 픽셀 그룹(RPXG)은 2개의 픽셀 행들 및 2개의 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 적색 픽셀들(R)을 포함하고 하나의 공통 마이크로 렌즈(CMLS)에 의해 집광된다. 각각의 청색 픽셀 그룹(BPXG)은 2개의 픽셀 행들 및 2개의 픽셀 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 청색 픽셀들(B)을 포함하고 하나의 공통 마이크로 렌즈(CMLS)에 의해 집광된다. 복수의 녹색 픽셀들(G)은 각각의 마이크로 렌즈(SMLS)에 의해 집광된다.19A and 19B , each of the unit patterns UPTT11 and UPTT12 of the mixed structure includes at least one red pixel group RPXG, at least one blue pixel group BPXG, and a plurality of green pixels G may include Each red pixel group RPXG includes four red pixels R arranged in a matrix of two pixel rows and two columns and is focused by one common micro lens CMLS. Each blue pixel group BPXG includes four blue pixels B arranged in a matrix of two pixel rows and two pixel columns, and is focused by one common microlens CMLS. The plurality of green pixels G are focused by each micro lens SMLS.
일 실시예에서, 도 19a에 도시된 바와 같이, 단위 패턴(UPTT11)은 제1 그룹 행(GR1) 및 제1 그룹 열(GC1)에 배치되는 1개의 적색 픽셀 그룹(RPXG), 제2 그룹 행(GR2) 및 제2 그룹 열(GC2)에 배치되는 1개의 청색 픽셀 그룹(BPXG), 제1 그룹 행(GR1) 및 제2 그룹 열(GC2)의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 녹색 픽셀들(G)과 제2 그룹 행(GR2) 및 제1 그룹 열(CG1)의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 녹색 픽셀들(G)을 포함할 수 있다.In an embodiment, as shown in FIG. 19A , the unit pattern UPTT11 includes one red pixel group RPXG and a second group row disposed in the first group row GR1 and the first group column GC1 . One blue pixel group BPXG arranged in GR2 and second group column GC2, four green pixels arranged in a matrix of first group row GR1 and second group column GC2 ( It may include four green pixels G arranged in a matrix form of G) and the second group row GR2 and the first group column CG1 .
일 실시예에서, 도 19b에 도시된 바와 같이, 단위 패턴(UPTT12)은 제1 그룹 행(GR1), 제2 그룹 행(GR2), 제1 그룹 열(GC1) 및 제2 그룹 열(GC2)의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 적색 픽셀 그룹들(RPXG), 제3 그룹 행(GR3), 제4 그룹 행(GR4), 제3 그룹 열(GC3) 및 제4 그룹 열(GC4)의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 청색 픽셀 그룹들(BPXG), 제1 그룹 행(GR1), 제2 그룹 행(GR2), 제3 그룹 열(GC3) 및 제4 그룹 열(GC4)의 매트릭스 형태로 배치되는 16개의 녹색 픽셀들(G)과 제3 그룹 행(GR3), 제4 그룹 행(GR4), 제1 그룹 열(GC1) 및 제2 그룹 열(CG2)의 매트릭스 형태로 배치되는 16개의 녹색 픽셀들(G)을 포함할 수 있다.In an embodiment, as shown in FIG. 19B , the unit pattern UPTT12 includes a first group row GR1 , a second group row GR2 , a first group column GC1 , and a second group column GC2 . A matrix form of four red pixel groups RPXG, a third group row GR3, a fourth group row GR4, a third group column GC3, and a fourth group column GC4 arranged in a matrix form of The four blue pixel groups BPXG, the first group row GR1 , the second group row GR2 , the third group column GC3 , and the fourth group column GC4 are arranged as 16 green pixels G and 16 green pixels arranged in a matrix form of a third group row GR3 , a fourth group row GR4 , a first group column GC1 , and a second group column CG2 . They may include (G).
도 16a 및 18a의 단위 패턴들(UPTT1, UPTT8)과 비교하여, 도 19a 및 19b의 단위 패턴들(UPTT11, UPTT12)은 동일한 컬러 필터 어레이를 갖지만 공통 마이크로 렌즈(CMLS)에 의해 집광되는 녹색 픽셀 그룹들이 각각의 마이크로 렌즈(SMLS)에 의해 집광되는 녹색 픽셀들(G)로 대체된 배열을 갖는다. 이와 같이, 픽셀 그룹 및 단위 픽셀들의 비율 및 배열을 조절하여 오토 포커싱 성능 및 이미지 해상도를 적절히 조절할 수 있다.Compared to the unit patterns UPTT1 and UPTT8 of FIGS. 16A and 18A , the unit patterns UPTT11 and UPTT12 of FIGS. 19A and 19B have the same color filter array, but a group of green pixels focused by a common micro lens CMLS have an arrangement replaced by green pixels G focused by each micro lens SMLS. In this way, auto-focusing performance and image resolution may be appropriately adjusted by adjusting the ratio and arrangement of the pixel group and unit pixels.
도 20a 내지 20c는 도 15의 픽셀 어레이에 포함되는 서로 다른 사이즈의 픽셀 그룹들이 혼합된 단위 패턴의 실시예들을 나타내는 평면도들이다.20A to 20C are plan views illustrating exemplary unit patterns in which pixel groups of different sizes included in the pixel array of FIG. 15 are mixed.
도 20a 내지 20c를 참조하면, 혼합 구조의 단위 패턴들(UPTT13~UPTT14)의 각각은 적어도 하나의 적색 픽셀 그룹(RPXG), 적어도 하나의 청색 픽셀 그룹(BPXG), 적어도 하나의 행 녹색 픽셀 그룹(GPXG1) 및 적어도 하나의 열 녹색 픽셀 그룹(GPXG2)을 포함할 수 있다. 각각의 적색 픽셀 그룹(RPXG)은 2개의 픽셀 행들 및 2개의 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 적색 픽셀들(R)을 포함하고 하나의 공통 마이크로 렌즈(CMLS)에 의해 집광된다. 각각의 청색 픽셀 그룹(BPXG)은 2개의 픽셀 행들 및 2개의 픽셀 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 청색 픽셀들(B)을 포함하고 하나의 공통 마이크로 렌즈(CMLS)에 의해 집광된다. 각각의 행 녹색 픽셀 그룹(GPXG1)은 1개의 픽셀 행 및 2개의 픽셀 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 2개의 녹색 픽셀들(G)을 포함하고 제1 방향(DR1)으로 장축을 갖는 타원형의 하나의 공통 마이크로 렌즈(CMLS1)에 의해 집광된다. 각각의 열 녹색 픽셀 그룹(GPXG2)은 2개의 픽셀 행들 및 1개의 픽셀 열의 매트릭스 형태로 배치되는 2개의 녹색 픽셀들(G)을 포함하고 제2 방향(DR2)으로 장축을 갖는 타원형의 하나의 공통 마이크로 렌즈(CMLS2)에 의해 집광된다. 2개의 행 녹색 픽셀 그룹들(GPXG1)이 제2 방향(DR2)으로 인접하여 배치되어 하나의 쌍을 이루고 2개의 열 녹색 픽셀 그룹들(GPXG2)이 제1 방향(DR1)으로 인접하여 배치되어 하나의 쌍을 이룬다.20A to 20C , each of the unit patterns UPTT13 to UPTT14 of the mixed structure includes at least one red pixel group RPXG, at least one blue pixel group BPXG, and at least one row green pixel group ( GPXG1) and at least one column green pixel group GPXG2. Each red pixel group RPXG includes four red pixels R arranged in a matrix of two pixel rows and two columns and is focused by one common micro lens CMLS. Each blue pixel group BPXG includes four blue pixels B arranged in a matrix of two pixel rows and two pixel columns, and is focused by one common microlens CMLS. Each row green pixel group GPXG1 includes two green pixels G arranged in a matrix of one pixel row and two pixel columns, and has one elliptical shape having a long axis in the first direction DR1 . It is condensed by the common microlens CMLS1. Each column green pixel group GPXG2 includes two green pixels G arranged in a matrix of two pixel rows and one pixel column, and has one common elliptical shape having a long axis in the second direction DR2 . It is condensed by a micro lens (CMLS2). Two row green pixel groups GPXG1 are disposed adjacent to each other in the second direction DR2 to form a pair, and two column green pixel groups GPXG2 are disposed adjacent to each other in the first direction DR1 to form one pair of
일 실시예에서, 도 20a의 단위 패턴(UPTT13)과 같이, 행 녹색 픽셀 그룹들(GPXG1)의 2개의 쌍들이 대각선 방향으로 인접하여 배치되고, 열 녹색 픽셀 그룹들(GPXG2)의 2개의 쌍들이 대각선 방향으로 인접하여 배치될 수 있다.In one embodiment, as in the unit pattern UPTT13 of FIG. 20A , two pairs of row green pixel groups GPXG1 are arranged adjacently in a diagonal direction, and two pairs of column green pixel groups GPXG2 are They may be disposed adjacent to each other in a diagonal direction.
일 실시예에서, 도 20b의 단위 패턴(UPTT14)과 같이, 행 녹색 픽셀 그룹들(GPXG1)의 2개의 쌍들이 제1 수평 방향(DR1)으로 인접하여 배치되고, 열 녹색 픽셀 그룹들(GPXG2)의 2개의 쌍들이 제1 수평 방향(DR1)으로 인접하여 배치될 수 있다.In an embodiment, as in the unit pattern UPTT14 of FIG. 20B , two pairs of the row green pixel groups GPXG1 are disposed adjacent to each other in the first horizontal direction DR1 , and the column green pixel groups GPXG2 Two pairs of may be disposed adjacent to each other in the first horizontal direction DR1 .
일 실시예에서, 도 20c의 단위 패턴(UPTT15)과 같이, 행 녹색 픽셀 그룹들(GPXG1)의 2개의 쌍들이 제2 수평 방향(DR2)으로 인접하여 배치되고, 열 녹색 픽셀 그룹들(GPXG2)의 2개의 쌍들이 제2 수평 방향(DR2)으로 인접하여 배치될 수 있다.In an embodiment, as in the unit pattern UPTT15 of FIG. 20C , two pairs of row green pixel groups GPXG1 are disposed adjacent to each other in the second horizontal direction DR2 , and column green pixel groups GPXG2 Two pairs of , may be disposed adjacent to each other in the second horizontal direction DR2 .
도 16a 및 18a의 단위 패턴들(UPTT1, UPTT8)과 비교하여, 도 20a 내지 20c의 단위 패턴들(UPTT13~UPTT15)은 동일한 컬러 필터 어레이를 갖지만 4개의 녹색 픽셀들(G)에 의해 공유되는 공통 마이크로 렌즈(CMLS)가 2개의 녹색 픽셀들(G)에 의해 공유되는 더 작은 사이즈의 공통 마이크로 렌즈들(CMLS1, CMLS2)로 대체된 배열을 갖는다. 이와 같이, 다양한 사이즈의 공통 마이크로 렌즈들(CMLS, CMLS1, CMLS2)의 비율 및 배열을 조절하여 오토 포커싱 성능 및 이미지 해상도를 적절히 조절할 수 있다.Compared with the unit patterns UPTT1 and UPTT8 in FIGS. 16A and 18A , the unit patterns UPTT13 to UPTT15 in FIGS. 20A to 20C have the same color filter array, but are shared by the four green pixels G It has an arrangement in which the micro lens CMLS is replaced by common micro lenses CMLS1 and CMLS2 of smaller size shared by the two green pixels G. As described above, autofocusing performance and image resolution may be appropriately adjusted by adjusting the ratio and arrangement of the common microlenses CMLS, CMLS1, and CMLS2 of various sizes.
도 21은 본 발명의 실시예들에 따른 전자 장치의 블록도이고, 도 22는 도 21의 전자 장치에 포함되는 카메라 모듈을 나타내는 블록도이다.21 is a block diagram of an electronic device according to embodiments of the present disclosure, and FIG. 22 is a block diagram illustrating a camera module included in the electronic device of FIG. 21 .
도 21을 참조하면, 전자 장치(1000)는 카메라 모듈 그룹(1100), 애플리케이션 프로세서(1200), PMIC(1300) 및 외부 메모리(1400)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 21 , the
카메라 모듈 그룹(1100)은 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)을 포함할 수 있다. 비록 도면에는 3개의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)이 배치된 실시예가 도시되어 있으나, 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다. 몇몇 실시예에서, 카메라 모듈 그룹(1100)은 2개의 카메라 모듈만을 포함하도록 변형되어 실시될 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 카메라 모듈 그룹(1100)은 n개(n은 4 이상의 자연수)의 카메라 모듈을 포함하도록 변형되어 실시될 수도 있다.The
이하, 도 22를 참조하여, 카메라 모듈(1100b)의 상세 구성에 대해 보다 구체적으로 설명할 것이나, 이하의 설명은 실시예에 따라 다른 카메라 모듈들(1100a, 1100b)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.Hereinafter, a detailed configuration of the
도 22를 참조하면, 카메라 모듈(1100b)은 프리즘(1105), 광학 경로 폴딩 요소(Optical Path Folding Element, 이하, ˝OPFE˝)(1110), 액츄에이터(1130), 이미지 센싱 장치(1140) 및 저장부(1150)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 22 , the
프리즘(1105)은 광 반사 물질의 반사면(1107)을 포함하여 외부로부터 입사되는 광(L)의 경로를 변형시킬 수 있다. The
몇몇 실시예에서, 프리즘(1105)은 제1 방향(X)으로 입사되는 광(L)의 경로를 제1 방향(X)에 수직인 제2 방향(Y)으로 변경시킬 수 있다. 또한, 프리즘(1105)은 광 반사 물질의 반사면(1107)을 중심축(1106)을 중심으로 A방향으로 회전시키거나, 중심축(1106)을 B방향으로 회전시켜 제1 방향(X)으로 입사되는 광(L)의 경로를 수직인 제2 방향(Y)으로 변경시킬 수 있다. 이때, OPFE(1110)도 제1 방향(X)및 제2 방향(Y)과 수직인 제3 방향(Z)로 이동할 수 있다.In some embodiments, the
몇몇 실시예에서, 도시된 것과 같이, 프리즘(1105)의 A방향 최대 회전 각도는 플러스(+) A방향으로는 15도(degree)이하이고, 마이너스(-) A방향으로는 15도보다 클 수 있으나, 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다.In some embodiments, as shown, the maximum rotation angle of the
몇몇 실시예에서, 프리즘(1105)은 플러스(+) 또는 마이너스(-) B방향으로 20도 내외, 또는 10도에서 20도, 또는 15도에서 20도 사이로 움직일 수 있고, 여기서, 움직이는 각도는 플러스(+) 또는 마이너스(-) B방향으로 동일한 각도로 움직이거나, 1도 내외의 범위로 거의 유사한 각도까지 움직일 수 있다.In some embodiments, the
몇몇 실시예에서, 프리즘(1105)은 광 반사 물질의 반사면(1106)을 중심축(1106)의 연장 방향과 평행한 제3 방향(예를 들어, Z방향)으로 이동할 수 있다.In some embodiments, the
OPFE(1110)는 예를 들어 m(여기서, m은 자연수)개의 그룹으로 이루어진 광학 렌즈를 포함할 수 있다. m개의 렌즈는 제2 방향(Y)으로 이동하여 카메라 모듈(1100b)의 광학 줌 배율(optical zoom ratio)을 변경할 수 있다. 예를 들어, 카메라 모듈(1100b)의 기본 광학 줌 배율을 Z라고할 때, OPFE(1110)에 포함된 m개의 광학 렌즈를 이동시킬 경우, 카메라 모듈(1100b)의 광학 줌 배율은 3Z 또는 5Z 또는 5Z 이상의 광학 줌 배율로 변경될 수 있다.The
액츄에이터(1130)는 OPFE(1110) 또는 광학 렌즈(이하, 광학 렌즈로 지칭)를 특정 위치로 이동시킬 수 있다. 예를 들어 액츄에이터(1130)는 정확한 센싱을 위해 이미지 센서(1142)가 광학 렌즈의 초점 거리(focal length)에 위치하도록 광학 렌즈의 위치를 조정할 수 있다.The
이미지 센싱 장치(1140)는 이미지 센서(1142), 제어 로직(1144) 및 메모리(1146)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(1142)는 광학 렌즈를 통해 제공되는 광(L)을 이용하여 센싱 대상의 이미지를 센싱할 수 있다. 제어 로직(1144)은 카메라 모듈(1100b)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어 로직(1144)은 제어 신호 라인(CSLb)을 통해 제공된 제어 신호에 따라 카메라 모듈(1100b)의 동작을 제어할 수 있다. The
메모리(1146)는 캘리브레이션 데이터(1147)와 같은 카메라 모듈(1100b)의 동작에 필요한 정보를 저장할 수 있다. 캘리브레이션 데이터(1147)는 카메라 모듈(1100b)이 외부로부터 제공된 광(L)을 이용하여 이미지 데이터를 생성하는데 필요한 정보를 포함할 수 있다. 캘리브레이션 데이터(1147)는 예를 들어, 앞서 설명한 회전도(degree of rotation)에 관한 정보, 초점 거리(focal length)에 관한 정보, 광학 축(optical axis)에 관한 정보 등을 포함할 수 있다. 카메라 모듈(1100b)이 광학 렌즈의 위치에 따라 초점 거리가 변하는 멀티 스테이트(multi state) 카메라 형태로 구현될 경우, 캘리브레이션 데이터(1147)는 광학 렌즈의 각 위치별(또는 스테이트별) 초점 거리 값과 오토 포커싱(auto focusing)과 관련된 정보를 포함할 수 있다.The
저장부(1150)는 이미지 센서(1142)를 통해 센싱된 이미지 데이터를 저장할 수 있다. 저장부(1150)는 이미지 센싱 장치(1140)의 외부에 배치될 수 있으며, 이미지 센싱 장치(1140)를 구성하는 센서 칩과 스택된(stacked) 형태로 구현될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 저장부(1150)는 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)으로 구현될 수 있으나 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다.The
도 21 및 22를 참조하면, 몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각은 액추에이터(1130)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각은 그 내부에 포함된 액추에이터(1130)의 동작에 따른 서로 동일하거나 서로 다른 캘리브레이션 데이터(1147)를 포함할 수 있다. 21 and 22 , in some embodiments, each of the plurality of
몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 하나의 카메라 모듈(예를 들어, 1100b)은 앞서 설명한 프리즘(1105)과 OPFE(1110)를 포함하는 폴디드 렌즈(folded lens) 형태의 카메라 모듈이고, 나머지 카메라 모듈들(예를 들어, 1100a, 1100b)은 프리즘(1105)과 OPFE(1110)가 포함되지 않은 버티컬(vertical) 형태의 카메라 모듈일 수 있으나, 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다.In some embodiments, one camera module (eg, 1100b) of the plurality of
몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 하나의 카메라 모듈(예를 들어, 1100c)은 예를 들어, IR(Infrared Ray)을 이용하여 깊이(depth) 정보를 추출하는 버티컬 형태의 깊이 카메라(depth camera)일 수 있다. 이 경우, 애플리케이션 프로세서(1200)는 이러한 깊이 카메라로부터 제공받은 이미지 데이터와 다른 카메라 모듈(예를 들어, 1100a 또는 1100b)로부터 제공받은 이미지 데이터를 병합(merge)하여 3차원 깊이 이미지(3D depth image)를 생성할 수 있다.In some embodiments, one camera module (eg, 1100c) of the plurality of
몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 적어도 두 개의 카메라 모듈(예를 들어, 1100a, 1100b)은 서로 다른 관측 시야(Field of View, 시야각)를 가질 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 적어도 두 개의 카메라 모듈(예를 들어, 1100a, 1100b)의 광학 렌즈가 서로 다를 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In some embodiments, at least two camera modules (eg, 1100a, 1100b) among the plurality of
또한, 몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각의 시야각은 서로 다를 수 있다. 이 경우, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각에 포함된 광학 렌즈 역시 서로 다를 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Also, in some embodiments, a viewing angle of each of the plurality of
몇몇 실시예에서, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각은 서로 물리적으로 분리되어 배치될 수 있다. 즉, 하나의 이미지 센서(1142)의 센싱 영역을 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)이 분할하여 사용하는 것이 아니라, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각의 내부에 독립적인 이미지 센서(1142)가 배치될 수 있다.In some embodiments, each of the plurality of
다시 도 21을 참조하면, 애플리케이션 프로세서(1200)는 이미지 처리 장치(1210), 메모리 컨트롤러(1220), 내부 메모리(1230)를 포함할 수 있다. 애플리케이션 프로세서(1200)는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)과 분리되어 구현될 수 있다. 예를 들어, 애플리케이션 프로세서(1200)와 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)은 별도의 반도체 칩으로 서로 분리되어 구현될 수 있다.Referring back to FIG. 21 , the
이미지 처리 장치(1210)는 복수의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c), 이미지 생성기(1214) 및 카메라 모듈 컨트롤러(1216)를 포함할 수 있다.The
이미지 처리 장치(1210)는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)의 개수에 대응하는 개수의 복수의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)를 포함할 수 있다.The
각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)로부터 생성된 이미지 데이터는 서로 분리된 이미지 신호 라인(ISLa, ISLb, ISLc)을 통해 대응되는 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 카메라 모듈(1100a)로부터 생성된 이미지 데이터는 이미지 신호 라인(ISLa)을 통해 서브 이미지 프로세서(1212a)에 제공되고, 카메라 모듈(1100b)로부터 생성된 이미지 데이터는 이미지 신호 라인(ISLb)을 통해 서브 이미지 프로세서(1212b)에 제공되고, 카메라 모듈(1100c)로부터 생성된 이미지 데이터는 이미지 신호 라인(ISLc)을 통해 서브 이미지 프로세서(1212c)에 제공될 수 있다. 이러한 이미지 데이터 전송은 예를 들어, MIPI(Mobile Industry Processor Interface)에 기반한 카메라 직렬 인터페이스(CSI; Camera Serial Interface)를 이용하여 수행될 수 있으나, 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다. Image data generated from each of the
한편, 몇몇 실시예에서, 하나의 서브 이미지 프로세서가 복수의의 카메라 모듈에 대응되도록 배치될 수도 있다. 예를 들어, 서브 이미지 프로세서(1212a)와 서브 이미지 프로세서(1212c)가 도시된 것처럼 서로 분리되어 구현되는 것이 아니라 하나의 서브 이미지 프로세서로 통합되어 구현되고, 카메라 모듈(1100a)과 카메라 모듈(1100c)로부터 제공된 이미지 데이터는 선택 소자(예를 들어, 멀티플렉서) 등을 통해 선택된 후, 통합된 서브 이미지 프로세서에 제공될 수 있다.Meanwhile, in some embodiments, one sub-image processor may be disposed to correspond to a plurality of camera modules. For example, the
각각의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)에 제공된 이미지 데이터는 이미지 생성기(1214)에 제공될 수 있다. 이미지 생성기(1214)는 이미지 생성 정보(Generating Information) 또는 모드 신호(Mode Signal)에 따라 각각의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)로부터 제공된 이미지 데이터를 이용하여 출력 이미지를 생성할 수 있다.The image data provided to each of the
구체적으로, 이미지 생성기(1214)는 이미지 생성 정보 또는 모드 신호에 따라, 서로 다른 시야각을 갖는 카메라 모듈들(1100a, 1100b, 1100c)로부터 생성된 이미지 데이터 중 적어도 일부를 병합(merge)하여 출력 이미지를 생성할 수 있다. 또한, 이미지 생성기(1214)는 이미지 생성 정보 또는 모드 신호에 따라, 서로 다른 시야각을 갖는 카메라 모듈들(1100a, 1100b, 1100c)로부터 생성된 이미지 데이터 중 어느 하나를 선택하여 출력 이미지를 생성할 수 있다.Specifically, the
몇몇 실시예에서, 이미지 생성 정보는 줌 신호(zoom signal or zoom factor)를 포함할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 모드 신호는 예를 들어, 유저(user)로부터 선택된 모드에 기초한 신호일 수 있다.In some embodiments, the image generation information may include a zoom signal or zoom factor. Also, in some embodiments, the mode signal may be, for example, a signal based on a mode selected by a user.
이미지 생성 정보가 줌 신호(줌 팩터)이고, 각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)이 서로 다른 관측 시야(시야각)를 갖는 경우, 이미지 생성기(1214)는 줌 신호의 종류에 따라 서로 다른 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 줌 신호가 제1 신호일 경우, 카메라 모듈(1100a)로부터 출력된 이미지 데이터와 카메라 모듈(1100c)로부터 출력된 이미지 데이터를 병합한 후, 병합된 이미지 신호와 병합에 사용하지 않은 카메라 모듈(1100b)로부터 출력된 이미지 데이터를 이용하여, 출력 이미지를 생성할 수 있다. 만약, 줌 신호가 제1 신호와 다른 제2 신호일 경우, 이미지 생성기(1214)는 이러한 이미지 데이터 병합을 수행하지 않고, 각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)로부터 출력된 이미지 데이터 중 어느 하나를 선택하여 출력 이미지를 생성할 수 있다. 하지만 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 이미지 데이터를 처리하는 방법은 얼마든지 변형되어 실시될 수 있다.When the image generation information is a zoom signal (zoom factor) and each of the
몇몇 실시예에서, 이미지 생성기(1214)는 복수의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c) 중 적어도 하나로부터 노출 시간이 상이한 복수의 이미지 데이터를 수신하고, 복수의 이미지 데이터에 대하여 HDR(high dynamic range) 처리를 수행함으로써, 다이나믹 레인지가 증가된 병합된 이미지 데이터를 생성할 수 있다.In some embodiments, the
카메라 모듈 컨트롤러(1216)는 각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제어 신호를 제공할 수 있다. 카메라 모듈 컨트롤러(1216)로부터 생성된 제어 신호는 서로 분리된 제어 신호 라인(CSLa, CSLb, CSLc)를 통해 대응되는 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제공될 수 있다.The
복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 어느 하나는 줌 신호를 포함하는 이미지 생성 정보 또는 모드 신호에 따라 마스터(master) 카메라(예를 들어, 1100b)로 지정되고, 나머지 카메라 모듈들(예를 들어, 1100a, 1100c)은 슬레이브(slave) 카메라로 지정될 수 있다. 이러한 정보는 제어 신호에 포함되어, 서로 분리된 제어 신호 라인(CSLa, CSLb, CSLc)를 통해 대응되는 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제공될 수 있다.Any one of the plurality of camera modules (1100a, 1100b, 1100c) is designated as a master camera (eg, 1100b) according to image generation information or a mode signal including a zoom signal, and the remaining camera modules (eg, For example, 1100a and 1100c may be designated as slave cameras. Such information may be included in the control signal and provided to the corresponding
줌 팩터 또는 동작 모드 신호에 따라 마스터 및 슬레이브로서 동작하는 카메라 모듈이 변경될 수 있다. 예를 들어, 카메라 모듈(1100a)의 시야각이 카메라 모듈(1100b)의 시야각보다 넓고, 줌 팩터가 낮은 줌 배율을 나타낼 경우, 카메라 모듈(1100b)이 마스터로서 동작하고, 카메라 모듈(1100a)이 슬레이브로서 동작할 수 있다. 반대로, 줌 팩터가 높은 줌 배율을 나타낼 경우, 카메라 모듈(1100a)이 마스터로서 동작하고, 카메라 모듈(1100b)이 슬레이브로서 동작할 수 있다.A camera module operating as a master and a slave may be changed according to a zoom factor or an operation mode signal. For example, when the viewing angle of the
몇몇 실시예에서, 카메라 모듈 컨트롤러(1216)로부터 각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제공되는 제어 신호는 싱크 인에이블 신호(sync enable) 신호를 포함할 수 있다. 예를 들어, 카메라 모듈(1100b)이 마스터 카메라이고, 카메라 모듈들(1100a, 1100c)이 슬레이브 카메라인 경우, 카메라 모듈 컨트롤러(1216)는 카메라 모듈(1100b)에 싱크 인에이블 신호를 전송할 수 있다. 이러한 싱크 인에이블 신호를 제공받은 카메라 모듈(1100b)은 제공받은 싱크 인에이블 신호를 기초로 싱크 신호(sync signal)를 생성하고, 생성된 싱크 신호를 싱크 신호 라인(SSL)을 통해 카메라 모듈들(1100a, 1100c)에 제공할 수 있다. 카메라 모듈(1100b)과 카메라 모듈들(1100a, 1100c)은 이러한 싱크 신호에 동기화되어 이미지 데이터를 애플리케이션 프로세서(1200)에 전송할 수 있다.In some embodiments, the control signal provided from the
몇몇 실시예에서, 카메라 모듈 컨트롤러(1216)로부터 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제공되는 제어 신호는 모드 신호에 따른 모드 정보를 포함할 수 있다. 이러한 모드 정보에 기초하여 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)은 센싱 속도와 관련하여 제1 동작 모드 및 제2 동작 모드로 동작할 수 있다. In some embodiments, the control signal provided from the
복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)은 제1 동작 모드에서, 제1 속도로 이미지 신호를 생성(예를 들어, 제1 프레임 레이트의 이미지 신호를 생성)하여 이를 제1 속도보다 높은 제2 속도로 인코딩(예를 들어, 제1 프레임 레이트보다 높은 제2 프레임 레이트의 이미지 신호를 인코딩)하고, 인코딩된 이미지 신호를 애플리케이션 프로세서(1200)에 전송할 수 있다. 이때, 제2 속도는 제1 속도의 30배 이하일 수 있다. The plurality of
애플리케이션 프로세서(1200)는 수신된 이미지 신호, 다시 말해서 인코딩된 이미지 신호를 내부에 구비되는 메모리(1230) 또는 애플리케이션 프로세서(1200) 외부의 스토리지(1400)에 저장하고, 이후, 메모리(1230) 또는 스토리지(1400)로부터 인코딩된 이미지 신호를 독출하여 디코딩하고, 디코딩된 이미지 신호에 기초하여 생성되는 이미지 데이터를 디스플레이할 수 있다. 예컨대 이미지 처리 장치(1210)의 복수의 서브 프로세서들(1212a, 1212b, 1212c) 중 대응하는 서브 프로세서가 디코딩을 수행할 수 있으며, 또한 디코딩된 이미지 신호에 대하여 이미지 처리를 수행할 수 있다.The
복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)은 제2 동작 모드에서, 제1 속도보다 낮은 제3 속도로 이미지 신호를 생성(예를 들어, 제1 프레임 레이트보다 낮은 제3 프레임 레이트의 이미지 신호를 생성)하고, 이미지 신호를 애플리케이션 프로세서(1200)에 전송할 수 있다. 애플리케이션 프로세서(1200)에 제공되는 이미지 신호는 인코딩되지 않은 신호일 수 있다. 애플리케이션 프로세서(1200)는 수신되는 이미지 신호에 대하여 이미지 처리를 수행하거나 또는 이미지 신호를 메모리(1230) 또는 스토리지(1400)에 저장할 수 있다. The plurality of
PMIC(1300)는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각에 전력, 예컨대 전원 전압을 공급할 수 있다. 예를 들어, PMIC(1300)는 애플리케이션 프로세서(1200)의 제어 하에, 파워 신호 라인(PSLa)을 통해 카메라 모듈(1100a)에 제1 전력을 공급하고, 파워 신호 라인(PSLb)을 통해 카메라 모듈(1100b)에 제2 전력을 공급하고, 파워 신호 라인(PSLc)을 통해 카메라 모듈(1100c)에 제3 전력을 공급할 수 있다.The
PMIC(1300)는 애플리케이션 프로세서(1200)로부터의 전력 제어 신호(PCON)에 응답하여, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각에 대응하는 전력을 생성하고, 또한 전력의 레벨을 조정할 수 있다. 전력 제어 신호(PCON)는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)의 동작 모드 별 전력 조정 신호를 포함할 수 있다. 예를 들어, 동작 모드는 저전력 모드(low power mode)를 포함할 수 있으며, 이때, 전력 제어 신호(PCON)는 저전력 모드로 동작하는 카메라 모듈 및 설정되는 전력 레벨에 대한 정보를 포함할 수 있다. 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각에 제공되는 전력들의 레벨은 서로 동일하거나 또는 서로 상이할 수 있다. 또한, 전력의 레벨은 동적으로 변경될 수 있다.The
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이 및 상기 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서는 마이크로 렌즈를 공유하는 복수의 단위 픽셀들 및 반도체 기판의 전면부터 후면까지 연장되는 트렌치 구조체를 포함하는 픽셀 그룹을 이용하여 오토 포커싱 기능을 구현하면서도 단위 픽셀들 사이의 크로스토크를 억제하여 이미지 품질을 향상시킬 수 있다As described above, a pixel array and an image sensor including the pixel array according to embodiments of the present invention include a plurality of unit pixels sharing a microlens and a trench structure extending from the front to the rear of the semiconductor substrate. Image quality can be improved by suppressing crosstalk between unit pixels while implementing autofocusing using pixel groups.
본 발명의 실시예들은 이미지 센서를 포함하는 장치 및 시스템에 유용하게 이용될 수 있다. 특히 본 발명의 실시예들은 컴퓨터(computer), 노트북(laptop), 핸드폰(cellular phone), 스마트폰(smart phone), MP3 플레이어, 피디에이(Personal Digital Assistants; PDA), 피엠피(Portable Multimedia Player; PMP), 디지털 TV, 디지털 카메라, 포터블 게임 콘솔(portable game console), 네비게이션(navigation) 기기, 웨어러블(wearable) 기기, IoT(internet of things;) 기기, IoE(internet of everything:) 기기, e-북(e-book), VR(virtual reality) 기기, AR(augmented reality) 기기, 자율 주행 장치 등과 같은 전자 기기에 더욱 유용하게 적용될 수 있다.Embodiments of the present invention may be usefully used in devices and systems including an image sensor. In particular, embodiments of the present invention include a computer, a laptop, a cellular phone, a smart phone, an MP3 player, a personal digital assistant (PDA), and a portable multimedia player (PMP). , digital TV, digital camera, portable game console, navigation device, wearable device, IoT (internet of things;) device, IoE (internet of everything:) device, e-book ( e-book), virtual reality (VR) devices, augmented reality (AR) devices, and electronic devices such as autonomous driving devices.
상기에서는 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. you will understand that you can
Claims (20)
복수의 픽셀 그룹들을 포함하고,
상기 복수의 픽셀 그룹들의 각각의 픽셀 그룹은,
반도체 기판에 배치되는 광전 변환 소자들을 각각 포함하는 복수의 단위 픽셀들;
상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들을 전기적 및 광학적으로 격리하도록 상기 반도체 기판의 전면부터 후면까지 수직 방향으로 연장되어 상기 반도체 기판의 내부에 배치되는 트렌치 구조체들; 및
상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들을 모두 덮도록 상기 반도체 기판의 상부 또는 하부에 배치되고 상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들에 입사광을 집광하는 공통 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.A pixel array of an image sensor formed on a semiconductor substrate, the pixel array comprising:
comprising a plurality of pixel groups;
Each pixel group of the plurality of pixel groups,
a plurality of unit pixels each including photoelectric conversion elements disposed on a semiconductor substrate;
trench structures extending in a vertical direction from a front surface to a rear surface of the semiconductor substrate and disposed inside the semiconductor substrate to electrically and optically isolate the photoelectric conversion elements included in the plurality of unit pixels; and
a common microlens disposed above or below the semiconductor substrate to cover all the photoelectric conversion elements included in the plurality of unit pixels and condensing incident light to the photoelectric conversion elements included in the plurality of unit pixels; A pixel array of an image sensor comprising.
상기 트렌치 구조체들은,
상기 각각의 픽셀 그룹 및 인접하는 픽셀 그룹들을 격리하는 인터-그룹 트렌치 구조체들; 및
상기 각각의 픽셀 그룹에 포함되는 상기 복수의 픽셀들을 서로 격리하는 인터-픽셀 트렌치 구조체들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.According to claim 1,
The trench structures are
inter-group trench structures isolating each pixel group and adjacent pixel groups; and
and inter-pixel trench structures for isolating the plurality of pixels included in each pixel group from each other.
상기 인터-픽셀 트렌치 구조체들은,
제1 수평 방향으로 양쪽에 배치되는 인터-그룹 트렌치 구조체들과 연결되도록 상기 제1 수평 방향으로 연장되고 상기 반도체 기판의 전면부터 후면까지 수직 방향으로 연장되는 제1 인터-픽셀 트렌치 구조체; 및
상기 제1 수평 방향과 수직한 제2 수평 방향으로 양쪽에 배치되는 인터-그룹 트렌치 구조체들과 연결되도록 상기 제2 수평 방향으로 연장되고 상기 반도체 기판의 전면부터 후면까지 수직 방향으로 연장되는 제2 인터-픽셀 트렌치 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.3. The method of claim 2,
The inter-pixel trench structures are
a first inter-pixel trench structure extending in the first horizontal direction to be connected to inter-group trench structures disposed on both sides of the first inter-pixel trench structure in a vertical direction from a front surface to a rear surface of the semiconductor substrate; and
A second inter-group extending in the second horizontal direction to be connected to inter-group trench structures disposed on both sides in a second horizontal direction perpendicular to the first horizontal direction and extending in a vertical direction from the front surface to the rear surface of the semiconductor substrate - A pixel array of an image sensor, characterized in that it comprises a pixel trench structure.
상기 제1 인터-픽셀 트렌치 구조체 및 상기 제2 인터-픽셀 트렌치 구조체가 교차하는 교차 영역에 대하여, 상기 제1 인터-픽셀 트렌치 구조체 및 상기 제2 인터-픽셀 트렌치의 상기 교차 영역에 상응하는 부분의 적어도 일부가 제거된 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.4. The method of claim 3,
With respect to an intersection region where the first inter-pixel trench structure and the second inter-pixel trench structure intersect, a portion corresponding to the intersection region of the first inter-pixel trench structure and the second inter-pixel trench is formed. A pixel array of an image sensor, wherein at least a portion has been removed.
상기 제1 인터-픽셀 트렌치 구조체 및 상기 제2 인터-픽셀 트렌치 구조체의 상기 교차 영역에 상응하는 부분이 상기 반도체 기판의 전면부터 후면까지 상기 수직 방향으로 모두 제거된 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.5. The method of claim 4,
The pixel array of the image sensor according to claim 1 , wherein a portion corresponding to the crossing region of the first inter-pixel trench structure and the second inter-pixel trench structure is removed in the vertical direction from the front surface to the rear surface of the semiconductor substrate. .
상기 제1 인터-픽셀 트렌치 구조체 및 상기 제2 인터-픽셀 트렌치 구조체의 상기 교차 영역에 상응하는 부분이 상기 반도체 기판의 전면부터 일부만이 제거된 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.5. The method of claim 4,
The pixel array of the image sensor according to claim 1 , wherein a portion corresponding to the intersection region of the first inter-pixel trench structure and the second inter-pixel trench structure is removed from the front surface of the semiconductor substrate.
상기 각각의 픽셀 그룹은 2개의 픽셀 행들과 2개의 픽셀 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 단위 픽셀들을 포함하고,
상기 교차 영역에 상기 4개의 픽셀들에 의해 공유되는 공통 플로팅 디퓨젼 영역이 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.5. The method of claim 4,
Each pixel group includes four unit pixels arranged in a matrix of two pixel rows and two pixel columns,
and a common floating diffusion region shared by the four pixels is disposed in the crossing region.
상기 반도체 기판의 상부에 배치되고, 2개의 그룹 행들과 2개의 그룹 열들의 매트릭스 형태로 서로 인접하여 배치되는 4개의 픽셀 그룹들의 4개의 공통 플로팅 디퓨젼 영역들을 전기적으로 연결하는 도전 라인들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.8. The method of claim 7,
and conductive lines disposed on the semiconductor substrate and electrically connecting four common floating diffusion regions of four pixel groups disposed adjacent to each other in a matrix of two group rows and two group columns. The pixel array of the image sensor, characterized in that.
상기 트렌치 구조체들의 각각의 트렌치 구조체는,
트렌치의 전부가 투명 유전체로 채워진 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.According to claim 1,
Each trench structure of the trench structures,
A pixel array of an image sensor, characterized in that all of the trenches are filled with a transparent dielectric.
상기 트렌치 구조체들의 각각의 트렌치 구조체는,
트렌치의 양쪽의 측면들이 투명 유전체로 코팅되고 상기 트렌치의 가운데 부분이 상기 투명 유전체와 다른 물질로 채워진 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.According to claim 1,
Each trench structure of the trench structures,
A pixel array for an image sensor, wherein both sides of the trench are coated with a transparent dielectric and a middle portion of the trench is filled with a material different from the transparent dielectric.
상기 트렌치 구조체들의 각각의 트렌치 구조체는,
상기 반도체 기판의 전면으로부터 수행되는 프론트 트렌치 공정에 의해 형성되는 상부 트렌치 구조체; 및
상기 반도체 기판의 후면으로부터 수행되는 백 트렌치 공정에 의해 형성되는 하부 트렌치 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.According to claim 1,
Each trench structure of the trench structures,
an upper trench structure formed by a front trench process performed from the front surface of the semiconductor substrate; and
and a lower trench structure formed by a back trench process performed from the rear surface of the semiconductor substrate.
상기 상부 트렌치 구조체 및 상기 하부 트렌치 구조체는 서로 다른 구조 또는 서로 다른 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.12. The method of claim 11,
The pixel array of the image sensor, characterized in that the upper trench structure and the lower trench structure have different structures or different compositions.
상기 각각의 픽셀 그룹에 포함되는 상기 복수의 픽셀들은 하나의 컬러 필터를 공유하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.According to claim 1,
The pixel array of an image sensor, characterized in that the plurality of pixels included in each pixel group share one color filter.
상기 픽셀 어레이는 제1 수평 방향 및 상기 제1 수평 방향과 수직한 제2 수평 방향으로 반복하여 배열되는 단위 패턴들로 분할되고,
상기 단위 패턴들의 각각은 2개 이상의 상기 픽셀 그룹들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.According to claim 1,
the pixel array is divided into unit patterns repeatedly arranged in a first horizontal direction and a second horizontal direction perpendicular to the first horizontal direction;
and each of the unit patterns includes two or more of the pixel groups.
상기 단위 패턴은,
2개의 그룹 행들 및 2개의 그룹 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 제1 내지 제4 픽셀 그룹들을 포함하고,
상기 제1 내지 제4 픽셀 그룹들의 각각은,
2개의 픽셀 행들 및 2개의 픽셀 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 단위 픽셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.15. The method of claim 14,
The unit pattern is
first to fourth pixel groups arranged in a matrix form of two group rows and two group columns,
Each of the first to fourth pixel groups,
A pixel array of an image sensor comprising four unit pixels arranged in a matrix of two pixel rows and two pixel columns.
상기 단위 패턴은,
제1 그룹 행, 제2 그룹 행, 제1 그룹 열 및 제2 그룹 열의 매트릭스 형태로 배치되는 제1 내지 제4 픽셀 그룹들;
상기 제1 그룹 행, 상기 제2 그룹 행, 제3 그룹 열 및 제4 그룹 열의 매트릭스 형태로 배치되는 제5 내지 제8 픽셀 그룹들;
제3 그룹 행, 제4 그룹 행, 상기 제1 그룹 열 및 상기 제2 그룹 열의 매트릭스 형태로 배치되는 제9 내지 제12 픽셀 그룹들;
상기 제3 그룹 행, 상기 제3 그룹 행, 상기 제3 그룹 열 및 상기 제4 그룹 열의 매트릭스 형태로 배치되는 제13 내지 제16 픽셀 그룹들을 포함하고,
상기 제1 내지 제16 픽셀 그룹들의 각각은,
2개의 픽셀 행들 및 2개의 픽셀 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 단위 픽셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.15. The method of claim 14,
The unit pattern is
first to fourth pixel groups arranged in a matrix of a first group row, a second group row, a first group column, and a second group column;
fifth to eighth pixel groups arranged in a matrix of the first group row, the second group row, the third group column, and the fourth group column;
ninth to twelfth pixel groups arranged in a matrix form of a third group row, a fourth group row, the first group column, and the second group column;
thirteenth to sixteenth pixel groups arranged in a matrix of the third group row, the third group row, the third group column, and the fourth group column;
Each of the first to sixteenth pixel groups,
A pixel array of an image sensor comprising four unit pixels arranged in a matrix of two pixel rows and two pixel columns.
상기 단위 패턴은,
2개의 픽셀 행들 및 2개의 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 적색 픽셀들을 각각 포함하고 하나의 공통 마이크로 렌즈에 의해 각각 집광되는 적어도 하나의 적색 픽셀 그룹;
2개의 픽셀 행들 및 2개의 픽셀 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 청색 픽셀들을 각각 포함하고 하나의 공통 마이크로 렌즈에 의해 각각 집광되는 적어도 하나의 청색 픽셀 그룹; 및
각각의 마이크로 렌즈에 의해 집광되는 복수의 녹색 픽셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.15. The method of claim 14,
The unit pattern is
at least one group of red pixels each including four red pixels arranged in a matrix of two pixel rows and two columns and condensed by one common micro lens;
at least one blue pixel group each including four blue pixels arranged in a matrix form of two pixel rows and two pixel columns and condensed by one common micro lens; and
A pixel array of an image sensor comprising a plurality of green pixels focused by each micro lens.
상기 단위 패턴은,
2개의 픽셀 행들 및 2개의 픽셀 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 적색 픽셀들을 포함하고 하나의 공통 마이크로 렌즈에 의해 집광되는 하나의 적색 픽셀 그룹;
2개의 픽셀 행들 및 2개의 픽셀 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 4개의 청색 픽셀들을 포함하고 하나의 공통 마이크로 렌즈에 의해 집광되는 적어도 하나의 청색 픽셀 그룹;
1개의 픽셀 행 및 2개의 픽셀 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 2개의 녹색 픽셀들을 포함하고 하나의 공통 마이크로 렌즈에 의해 집광되는 적어도 하나의 행 녹색 픽셀 그룹; 및
2개의 픽셀 행들 및 1개의 픽셀 열의 매트릭스 형태로 배치되는 2개의 녹색 픽셀들을 포함하고 하나의 공통 마이크로 렌즈에 의해 집광되는 적어도 하나의 열 녹색 픽셀 그룹을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.15. The method of claim 14,
The unit pattern is
one red pixel group including four red pixels arranged in a matrix of two pixel rows and two pixel columns and condensed by one common micro lens;
at least one blue pixel group including four blue pixels arranged in a matrix of two pixel rows and two pixel columns and focused by one common micro lens;
at least one row green pixel group including two green pixels arranged in a matrix of one pixel row and two pixel columns and focused by one common micro lens; and
A pixel array of an image sensor, comprising: at least one column green pixel group, the group comprising two green pixels arranged in a matrix of two pixel rows and one pixel column, and focused by one common micro lens.
복수의 픽셀 그룹들을 포함하고,
상기 복수의 픽셀 그룹들의 각각의 픽셀 그룹은,
반도체 기판에 배치되는 광전 변환 소자들을 각각 포함하는 복수의 단위 픽셀들;
상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들을 전기적 및 광학적으로 격리하도록 상기 반도체 기판의 전면부터 후면까지 수직 방향으로 연장되어 상기 반도체 기판의 내부에 배치되는 트렌치 구조체들;
상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들을 모두 덮도록 상기 반도체 기판의 상부 또는 하부에 배치되고 상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들에 입사광을 집광하는 공통 마이크로 렌즈; 및
상기 반도체 기판 및 상기 공통 마이크로 렌즈 사이에 배치되고 상기 각각의 픽셀 그룹에 포함되는 상기 복수의 픽셀들에 의해 공유되는 컬러 필터를 포함하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.A pixel array of an image sensor formed on a semiconductor substrate, the pixel array comprising:
comprising a plurality of pixel groups;
Each pixel group of the plurality of pixel groups,
a plurality of unit pixels each including photoelectric conversion elements disposed on a semiconductor substrate;
trench structures extending in a vertical direction from a front surface to a rear surface of the semiconductor substrate and disposed inside the semiconductor substrate to electrically and optically isolate the photoelectric conversion elements included in the plurality of unit pixels;
a common microlens disposed above or below the semiconductor substrate to cover all the photoelectric conversion elements included in the plurality of unit pixels and condensing incident light to the photoelectric conversion elements included in the plurality of unit pixels; and
and a color filter disposed between the semiconductor substrate and the common microlens and shared by the plurality of pixels included in each of the pixel groups.
상기 픽셀 어레이를 행 단위로 구동하는 행 구동부; 및
상기 픽셀 어레이 및 상기 행 구동부를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 복수의 픽셀 그룹들의 각각의 픽셀 그룹은,
반도체 기판에 배치되는 광전 변환 소자들을 각각 포함하는 복수의 단위 픽셀들;
상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들을 전기적 및 광학적으로 격리하도록 상기 반도체 기판의 전면부터 후면까지 수직 방향으로 연장되어 상기 반도체 기판의 내부에 배치되는 트렌치 구조체들; 및
상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들을 모두 덮도록 상기 반도체 기판의 상부 또는 하부에 배치되고 상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들에 입사광을 집광하는 공통 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서.a pixel array including a plurality of pixel groups performing a sensing operation by collecting photocharges generated by incident light;
a row driver driving the pixel array in row units; and
a control unit for controlling the pixel array and the row driver;
Each pixel group of the plurality of pixel groups,
a plurality of unit pixels each including photoelectric conversion elements disposed on a semiconductor substrate;
trench structures extending in a vertical direction from a front surface to a rear surface of the semiconductor substrate and disposed inside the semiconductor substrate to electrically and optically isolate the photoelectric conversion elements included in the plurality of unit pixels; and
a common microlens disposed above or below the semiconductor substrate to cover all the photoelectric conversion elements included in the plurality of unit pixels and condensing incident light to the photoelectric conversion elements included in the plurality of unit pixels; Including image sensor.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination |