KR20220084688A - 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서가 제공된다. 이미지 센서는 반도체 기판 내에 제공되어 복수의 픽셀 영역들을 정의하는 픽셀 분리 구조체; 상기 픽셀 영역들 각각에서, 상기 반도체 기판 내에 제공되는 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들; 및 상기 반도체 기판 상에서 상기 픽셀 영역들에 각각 대응하는 마이크로 렌즈들을 포함하되, 상기 반도체 기판은 상기 마이크로 렌즈를 향해 볼록한 곡면들을 가지며, 상기 반도체 기판은 상기 픽셀 영역들 각각의 상기 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들 사이에서 최소 두께를 갖고, 상기 픽셀 영역들의 경계에서 최대 두께를 가질 수 있다.
Description
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자동 초점(auto focusing) 기능을 제공하는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시킨다. 최근들어 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대하고 있다.
이미지 센서로는 전하 결합 소자(CCD: Charge Coupled Device) 및 CMOS 이미지 센서가 있다. 이 중, CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고, 신호 처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하다. CMOS 이미지 센서는 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 또한, CMOS 이미지 센서는 CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 따라서, CMOS 이미지 센서는 기술 개발과 함께 고해상도가 구현 가능함에 따라 그 사용이 급격히 늘어나고 있다.
본원 발명이 해결하고자 하는 과제는 보다 향상된 광학적 및 전기적 특성을 갖는 이미지 센서를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판 내에 제공되어 복수의 픽셀 영역들을 정의하는 픽셀 분리 구조체; 상기 픽셀 영역들 각각에서, 상기 반도체 기판 내에 제공되는 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들; 및 상기 반도체 기판 상에서 상기 픽셀 영역들에 각각 대응하는 마이크로 렌즈들을 포함하되, 상기 반도체 기판은 상기 마이크로 렌즈를 향해 볼록한 곡면들을 가지며, 상기 반도체 기판은 상기 픽셀 영역들 각각의 상기 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들 사이에서 최소 두께를 갖고, 상기 픽셀 영역들의 경계에서 최대 두께를 가질 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 전면 및 후면을 갖는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 내에 제공되어 픽셀 영역을 정의하는 픽셀 분리 구조체; 상기 픽셀 영역에 제공된 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들; 및 상 픽셀 영역에 대응하여 상기 반도체 기판의 상기 후면에 제공되는 마이크로 렌즈를 포함하되, 상기 반도체 기판의 상기 후면은 상기 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들에 각각 대응하는 제 1 및 제 2 곡면들을 가지며, 상기 제 1 및 제 2 곡면들은 서로 거울 대칭될 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 전면 및 후면을 갖는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 내에 제공되어 복수의 픽셀 영역들을 정의하는 픽셀 분리 구조체; 상기 픽셀 영역들 각각에서, 상기 반도체 기판 내에 제공되는 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들; 상기 반도체 기판 상에서 상기 픽셀 영역들에 각각 대응하는 마이크로 렌즈들; 상기 마이크로 렌즈들과 상기 반도체 기판의 상기 곡면들 사이에 제공되며, 상기 픽셀 영역들에 각각 대응하는 컬러 필터들; 상기 컬러 필터들 사이에 배치되는 격자 구조체; 및 상기 반도체 기판의 상기 전면 상에 제공되며 상기 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들과 연결되는 리드아웃 회로들을 포함하되, 상기 반도체 기판의 상기 후면은 상기 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들에 각각 대응하는 제 1 및 제 2 곡면들을 가지며, 상기 제 1 및 제 2 곡면들은 서로 거울 대칭될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 각 픽셀 영역에서, 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들 사이에 구조물이 없으므로, 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들 사이에서 난반사에 의한 크로스토크(crosstalk)를 줄일 수 있다.
또한, 제 1 방향으로 인접하는 픽셀 영역들 간의 크로스토크와 제 2 방향으로 인접하는 픽셀 영역들 간의 크로스토크의 차이를 줄일 수 있다. 이에 따라, 픽셀 영역들의 위치에 따라 노이즈(noise) 차이가 발생하는 것을 줄일 수 있다.
제 1 및 제 2 광전 변환 영역들에 대응하는 곡면들에 의해 입사광이 굴절각에 따라 입사 방향이 분리되어 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들로 입사될 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들에서 출력되는 신호들을 비교하여 위상차 정보를 획득함으로써 카메라 시스템의 렌즈의 위치를 조절하는 자동 초점 동작이 가능할 수 있다.
결론적으로, 본 발명의 실시예들에 따르면, 각 픽셀 영역에서 크로스토크 현상을 개선함과 동시에 자동 초점 동작 특성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 자동 초점 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 개략적인 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 컬러 필터 어레이의 평면도들이다.
도 6a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 일부를 나타내는 평면도이다.
도 6b 및 도 6c는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도로서, 도 6a의 A-A' 선을 따라 자른 단면이다.
도 6d는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 일부를 나타내는 사시도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀에서 포토다이오들 간의 광학적 분리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 8a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 일부를 나타내는 평면도이다.
도 8b 및 도 8c는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도로서, 도 8a의 B-b' 선 및 C-C'을 따라 자른 단면이다.
도 9a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 일부를 나타내는 평면도이다.
도 9b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도로서, 도 9a의 D-D' 선을 따라 자른 단면이다.
도 10a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 일부를 나타내는 평면도이다.
도 10b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도로서, 도 10a의 E-E' 선을 따라 자른 단면이다.
도 11a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 일부를 나타내는 평면도이다.
도 11b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도로서, 도 11a의 F-F' 선을 따라 자른 단면이다.
도 12a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 일부를 나타내는 평면도이다.
도 12b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도로서, 도 12a의 G-G' 선을 따라 자른 단면이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 자동 초점 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 개략적인 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 컬러 필터 어레이의 평면도들이다.
도 6a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 일부를 나타내는 평면도이다.
도 6b 및 도 6c는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도로서, 도 6a의 A-A' 선을 따라 자른 단면이다.
도 6d는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 일부를 나타내는 사시도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀에서 포토다이오들 간의 광학적 분리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 8a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 일부를 나타내는 평면도이다.
도 8b 및 도 8c는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도로서, 도 8a의 B-b' 선 및 C-C'을 따라 자른 단면이다.
도 9a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 일부를 나타내는 평면도이다.
도 9b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도로서, 도 9a의 D-D' 선을 따라 자른 단면이다.
도 10a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 일부를 나타내는 평면도이다.
도 10b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도로서, 도 10a의 E-E' 선을 따라 자른 단면이다.
도 11a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 일부를 나타내는 평면도이다.
도 11b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도로서, 도 11a의 F-F' 선을 따라 자른 단면이다.
도 12a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 일부를 나타내는 평면도이다.
도 12b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도로서, 도 12a의 G-G' 선을 따라 자른 단면이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도들이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 포함하는 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 시스템(1000)은 이미지 장치(1100) 및 이미지 신호 프로세서(ISP; Image Signal Processor)(1200)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미지 시스템(1000)은 스마트폰, 태블릿 PC, 디지털 카메라 등과 같이 외부로부터 객체에 대한 이미지 정보를 획득할 수 있는 다양한 전자 장치들 중 하나일 수 있다.
이미지 장치(1100)는 렌즈(1110), 이미지 센서(1), 및 액추에이터(1150)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(1)는 픽셀 어레이(PA) 및 프로세싱 회로(PC)를 포함할 수 있다.
렌즈(1110)는 외부 객체로부터 반사되어 입사되는 광(LS)을 수신할 수 있다. 렌즈(1110)는 입사되는 광(LS)을 픽셀 어레이(PA)로 집광시킬 수 있다. 렌즈(1110)는 액추에이터(1150)의 동작에 기초하여 이동할 수 있다. 렌즈(1110)의 이동에 따라 렌즈(1110)의 위치가 달라지는 경우, 렌즈(1110)의 초점 거리가 달라질 수 있다. 이에 따라, 객체에 대한 초점이 맞춰질 수 있다. 예를 들어, 액추에이터(1150)는 자동 초점 모터일 수 있다.
픽셀 어레이(PA)는 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 렌즈(1110)를 통해 픽셀 어레이(PA)로 전달되는 광(LS)은 광전 변환 소자를 통해 전기적 신호(ES)로 변환될 수 있다. 픽셀 어레이(PA)로부터 출력되는 전기적 신호(ES)는 프로세싱 회로(PC)로 제공될 수 있다.
프로세싱 회로(PC)는 아날로그 신호인 전기적 신호(ES)를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 이에 따라, 프로세싱 회로(PC)로부터 출력되는 이미지 데이터(IDAT)는 디지털 신호일 수 있다. 프로세싱 회로(PC)는 아날로그-디지털 변환뿐만 아니라 다양한 신호 처리를 수행할 수 있다. 예를 들어, 프로세싱 회로(PC)는 유효 신호 성분을 추출하기 위한 상관 이중 샘플링(CDS; correlated double sampling)을 수행할 수 있다.
프로세싱 회로(PC)는 전기적 신호(ES)로부터 다양한 신호 처리를 통해 생성된 이미지 데이터(IDAT)를 출력할 수 있다. 출력된 이미지 데이터(IDAT)는 이미지 신호 프로세서(1200)로 제공될 수 있다.
데이터 처리 회로(1210)는 이미지 데이터(IDAT)를 처리하여 출력 데이터(ODAT)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 데이터 처리 회로(1210)는 이미지 데이터(IDAT)에 대하여 렌즈 음영 보정(lens shading correction), 화이트 밸런스(white balance) 조절, 노이즈 제거(noise reduction), 샤프닝(sharpening), 감마 보정(gamma correction), 색 변환(color conversion) 등 다양한 데이터 처리 동작을 수행할 수 있다. 출력 데이터(ODAT)는 별도의 프로세서 또는 디스플레이 장치로 제공될 수 있다.
자동 초점(AF; autofocus) 컨트롤러(1220)는 픽셀 어레이(PA)의 픽셀들로 입사되는 광(LS)의 위상차를 검출하고, 검출된 위상차를 이용하여 자동 초점을 위한 제어 신호(CTRL)를 생성할 수 있다.
구체적으로, 자동 초점 컨트롤러(1220)는 자동 초점 대상인 객체의 이미지 데이터(IDAT)를 기반으로 디스패리티(disparity)를 산출할 수 있다. 디스패리티는 객체에 대하여 획득된 2개의 이미지 데이터(IDAT)의 좌표 차이를 나타낸다. 예를 들어, 자동 초점 컨트롤러(1220)는 객체에 대하여 획득된 좌측 이미지 데이터(IDAT) 및 우측 이미지 데이터(IDAT)를 비교하여 디스패리티를 산출할 수 있다. 자동 초점 컨트롤러(1220)는 산출된 디스패리티에 기초하여 자동 초점을 위한 렌즈의 이동 거리를 결정할 수 있다. 자동 초점 컨트롤러(1220)는 결정된 이동 거리에 대응하는 위치로 렌즈가 이동되도록 제어 신호(CTRL)를 생성할 수 있다. 생성된 제어 신호(CTRL)는 액추에이터(1150)로 제공될 수 있다. 이 경우, 액추에이터(1150)는 제어 신호(CTRL)에 응답하여 대응하는 위치로 렌즈(1110)를 이동시킬 수 있다. 즉, 제어 신호(CTRL)는 자동 초점 동작을 수행하기 위해 이미지 센서를 포함하는 이미지 장치(1100)의 렌즈(1110)의 위치를 조절하는 신호로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 렌즈(1110)를 통해 촬영되는 이미지의 다양한 영역에 대하여 위상차 검출 방식을 기반으로 자동 초점이 수행될 수 있다. 예를 들어, 이미지의 중심 영역에 대하여 자동 초점이 수행되거나, 또는 이미지의 주변 영역에 대하여 자동 초점이 수행될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따르면, 이미지의 전체 영역에 대하여 위상차 검출 방식을 기반으로 자동 초점이 수행될 수 있다. 따라서, 이미지의 중심 영역뿐만 아니라 주변 영역의 선예도(sharpness)가 향상될 수 있고, 주변 영역에 대하여 빠르게 초점이 맞춰질 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 자동 초점 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 액티브 픽셀 센서 어레이(APS)는 복수의 픽셀들(P)을 포함할 수 있다. 픽셀들(P) 각각은 적어도 2개의 광전 변환 소자들을 포함할 수 있다. 마이크로렌즈 어레이(MLA)는 픽셀들(P)에 각각 대응하는 마이크로 렌즈들(ML)을 포함할 수 있다.
렌즈(1110)는 객체(OB)에 의해 반사된 제1 및 제2 광들(LS1, LS2)을 수신할 수 있다. 제1 광(LS1)은 광축(OC)보다 위쪽의 동공(pupil)(P1)으로 수신되고, 제2 광(LS2)은 광축(OC)보다 아래쪽의 동공(P2)으로 수신될 수 있다. 즉, 제1 광(LS1)은 제 1 방향(즉, 동공(P1)이 위치하는 방향)에서 수집되는 객체(OB)의 이미지 정보를 포함하고 제 2 광(LS2)은 제 2 방향(즉, 동공(P2)이 위치하는 방향)에서 수집되는 객체(OB)의 이미지 정보를 포함할 수 있다. 객체(OB)에 대하여 렌즈(110)의 초점이 맞지 않는 경우, 제1 광(LS1)의 위상은 제2 광(LS2)의 위상과 다를 수 있다.
광들(LS1, LS2)은 렌즈(1110)를 통해 굴절되어 액티브 픽셀 센서 어레이(APS)의 객체(OB)의 위치에 대응하는 마이크로 렌즈(ML)로 전달될 수 있다. 마이크로 렌즈(ML)로 입사된 광들(LS1, LS2)은 마이크로 렌즈(ML)를 통해 굴절되어 대응하는 픽셀로 전달될 수 있다. 마이크로 렌즈(ML)로 입사되는 광들(LS1, LS2)은 각도에 따라 분리되어 픽셀(P)로 입사될 수 있다. 예를 들어, 제1 광(LS1)은 픽셀의 제1 광전 변환 소자로 입사되고, 제2 광(LS2)은 픽셀의 제2 광전 변환 소자로 입사될 수 있다.
이와 같이, 입사되는 각도에 따라 광들(LS1, LS2)이 구분되어 수신되는 경우, 서로 다른 방향에서 바라본 객체(OB)의 이미지 데이터가 생성될 수 있다. 이 경우, 생성된 이미지 데이터를 기반으로 디스패리티가 산출될 수 있고, 산출된 디스패리티를 기반으로 객체(OB)에 대한 위상차 검출(phase difference detection)을 통해 오토 포커싱(auto focusing) 동작이 수행될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 회로도이다.
도 3을 참조하면, 액티브 픽셀 센서 어레이(APS)는 복수 개의 단위 픽셀들(P)을 포함하며, 단위 픽셀들(P)은 행 방향 및 열 방향을 따라 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 단위 픽셀(P)은 제 1 및 제 2 광전 변환 소자들(PD1, PD2), 트랜스퍼 트랜지스터들(TX1, TX2)과 로직 트랜지스터들(RX, SX, DX)을 포함할 수 있다. 여기서, 로직 트랜지스터들은 리셋 트랜지스터(RX; reset transistor), 선택 트랜지스터(SX; selection transistor), 및 증폭 트랜지스터(AX)를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 트랜스퍼 트랜지스터들(TX1, TX2), 리셋 트랜지스터(RX), 및 선택 트랜지스터(SX)의 게이트 전극들은 구동 신호라인들(TG1, TG2, RG, SG)에 각각 연결될 수 있다.
제 1 트랜스퍼 트랜지스터(TX1)는 제 1 트랜스퍼 게이트(TG1) 및 제 1 광전 변환 소자(PD1)를 포함하고, 제 2 트랜스퍼 트랜지스터(TX2)은 제 2 트랜스퍼 게이트(TG2) 및 제 2 광전 변환 소자(PD2)를 포함한다. 그리고, 제 1 및 제 2 트랜스퍼 트랜지스터들(TX1, TX2)은 전하 검출 노드(FD; 즉, 플로팅 확산 영역(Floating Diffusion region))을 공유할 수 있다.
제 1 및 제 2 광전 변환 소자들(PD1, PD2)은 외부에서 입사된 빛의 양에 비례하여 광전하들을 생성 및 축적할 수 있다. 제 1 및 제 2 광전 변환 소자들(PD1, PD2)은 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode; PPD) 및 이들의 조합이 사용될 수 있다.
제 1 및 제 2 트랜스퍼 게이트들(TG1, TG2)은 제 1 및 제 2 광전 변환 소자들(PD1, PD2)에 축적된 전하를 전하 검출 노드(FD, 즉, 플로팅 확산 영역)으로 전송한다. 제 1 및 제 2 트랜스퍼 게이트들(TG1, TG2)에는 서로 상보적인 신호가 인가될 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 광전 변환 소자들(PD1, PD2) 중 어느 하나에서 전하 검출 노드(FD)로 전하들이 전송될 수 있다.
전하 검출 노드(FD)는 제 1 및 제 2 광전 변환 소자들(PD1, PD2)에서 생성된 전하를 전송 받아 누적적으로 저장한다. 전하 검출 노드(FD)에 축적된 광전하들의 양에 따라 증폭 트랜지스터(AX)가 제어될 수 있다.
리셋 트랜지스터(RX)는 전하 검출 노드(FD)에 축적된 전하들을 주기적으로 리셋시킬 수 있다. 상세하게, 리셋 트랜지스터(RX)의 드레인 전극은 전하 검출 노드(FD)와 연결되며 소오스 전극은 전원 전압(VDD)에 연결된다. 리셋 트랜지스터(RX)가 턴 온되면, 리셋 트랜지스터(RX)의 소오스 전극과 연결된 전원 전압(VDD)이 전하 검출 노드(FD)로 전달된다. 따라서, 리셋 트랜지스터(RX)가 턴 온(turn-on)시 전하 검출 노드(FD)에 축적된 전하들이 배출되어 전하 검출 노드(FD)가 리셋될 수 있다.
증폭 트랜지스터(AX)는 전하 저장 노드(FD)에서의 전위 변화를 증폭하고 선택 트랜지스터(SX)를 통해 증폭된 또는 픽셀 신호를 출력 라인(VOUT)으로 출력할 수 있다. 증폭 트랜지스터(AX)는 게이트 전극으로 입력되는 광 전하량에 비례하여 소오스-드레인 전류를 발생시키는 소오스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier)일 수 있다. 증폭 트랜지스터(AX)의 게이트 전극은 전하 저장 노드(FD)에 연결되며, 증폭 트랜지스터(AX)의 드레인은 전원 전압(VDD)에 연결되고, 증폭 트랜지스터(AX)의 소오스는 선택 트랜지스터(SX)의 드레인과 연결될 수 있다.
선택 트랜지스터(SX)는 행 단위로 읽어낼 단위 픽셀들(P)을 선택할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)가 턴 온될 때, 증폭 트랜지스터(AX)의 드레인 전극과 연결된 전원 전압(VDD)이 선택 트랜지스터(SX)의 드레인 전극으로 전달될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 개략적인 평면도이다.
도 4를 참조하면, 이미지 센서(1)는 액티브 픽셀 센서(APS: Active Pixel Sensor) 어레이 영역(R1) 및 패드 영역(R2)을 포함한다.
액티브 픽셀 센서 어레이 영역(R1)은 서로 교차하는 제 1 방향(D1) 및 제 2 방향(D2)을 따라 2차원적으로 배열된 복수 개의 단위 픽셀들(P)을 포함할 수 있다. 단위 픽셀들(P) 각각은 광전 변환 소자 및 독출 소자들을 포함할 수 있다. 액티브 픽셀 센서 어레이 영역(R1)의 단위 픽셀들(P) 각각에서 입사광(incident light)에 의해 발생된 전기적 신호가 출력될 수 있다.
액티브 픽셀 센서 어레이 영역(R1)은 중심 영역(CR) 및 중심 영역(CR)을 둘러싸는 에지 영역(ER)을 포함할 수 있다. 다시 말해, 에지 영역들(ER)이, 평면적 관점에서, 중심 영역의 상하 및 좌우에 배치될 수 있다.
픽셀 어레이 영역(R1)의 에지 영역들(ER)로 입사되는 입사광의 각도는 픽셀 어레이 영역(R1)의 중심 영역(CR)으로 입사되는 입사광의 각도와 다를 수 있다.
이에 더하여, 에지 영역(ER)은 빛이 입사되지 않는 차광 영역(미도시)을 포함할 수 있다. 차광 영역에는 빛이 입사되지 않는 기준 픽셀들이 제공되며, 기준 픽셀들에서 발생하는 기준 전하량을 기준으로 단위 픽셀들에서 센싱되는 전하량을 비교함으로써, 단위 픽셀들에서 감지되는 전기적 신호 크기를 산출할 수 있다.
패드 영역(R2)에 제어 신호들 및 광전 신호 등을 입출력하는데 이용되는 복수의 도전 패드들(CP)이 배치될 수 있다. 패드 영역(R2)은 외부 소자들과의 전기적 접속이 용이하도록, 평면적 관점에서, 액티브 픽셀 센서 어레이영역(R1)을 둘러쌀 수 있다. 도전 패드들(CP)은 단위 픽셀들(P)에서 발생한 전기적 신호를 외부 장치로 입출력할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 컬러 필터 어레이의 평면도들이다.
도 5a를 참조하면, 액티브 픽셀 센서 어레이(1)는 앞서 설명한 바와 같이 2차원적으로 배열되는 복수 개의 단위 픽셀들(P)을 포함하며, 단위 픽셀들(P) 각각에 대응하여 컬러 필터들이 배치될 수 있다.
단위 픽셀들(P) 각각은 적색(Red), 녹색(Green), 및 청색(Blue) 컬러 필터들(R, G, B) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 다시 말해, 단위 픽셀들(P)은 적색 컬러 필터(R)를 포함하는 적색 픽셀들, 청색 컬러 필터(B)를 포함하는 청색 픽셀들, 녹색 컬러 필터(G)를 포함하는 녹색 픽셀들을 포함할 수 있다. 적색 픽셀에서 적색 컬러 필터(R)는 가시광에서 적색 광을 통과시키며, 적색 픽셀의 광전 변환 소자는 적색 광에 대응하는 광전자들을 생성할 수 있다. 청색 픽셀에서 청색 컬러 필터(B)는 가시광에서 청색 광에 통과시키며, 청색 픽셀의 광전 변환 소자는 청색 광에 대응하는 광전자들을 생성할 수 있다. 녹색 픽셀의 녹색 컬러 필터(G)는 가시광에서 녹색 광에 통과시키며, 녹색 필터의 광전 변환 소자는 녹색 광에 대응하는 광전자들을 생성할 수 있다.
한편, 다른 예로, 액티브 픽셀 센서 어레이(1)의 단위 픽셀들(P)은 적색, 옐로우(Yellow), 및 청색 컬러 필터들을 포함할 수도 있다. 또 다른 예로, 액티브 픽셀 센서 어레이(1)의 단위 픽셀들(P)은 마젠타(magenta), 옐로우(yellow), 및 시안(cyan) 컬러 필터들을 포함할 수도 있다.
일 예로, 컬러 필터들(R, G, B)은 녹색 컬러 필터들(G)의 수가 적색 컬러 필터들(R)의 수 또는 청색 컬러 필터들(B)의 수보다 2배 많은 베이어 패턴(bayer pattern) 방식으로 배열될 수 있다. 베이어 패턴은 2 x 2 배열된 컬러 필터들(R, G, B)이 하나의 컬러 필터 그룹을 구성하며, 하나의 컬러 필터 그룹은 서로 대각선 방향에 배치되는 2개의 녹색 컬러 필터들(G)과, 서로 대각선 방향에 배치되는 청색 및 적색 컬러 필터들(R, B)을 포함할 수 있다. 즉, 적색 및 청색 컬러 필터들(R, B) 각각은 인접하는 녹색 컬러 필터들(G) 사이에 배치될 수 있다. 이러한 베이어 패턴 방식의 컬러 필터 그룹들은 제 1 방향(D1) 및 제 2 방향(D2)을 따라 반복적으로 배열될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 액티브 픽셀 센서 어레이(1)는 컬러 픽셀들 및 백색(white) 픽셀들을 포함할 수 있다. 컬러 픽셀들 각각은 적색, 녹색, 및 청색 컬러 필터들(R, G, B) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 백색 픽셀들은 백색을 필터링하는 백색 필터(W)를 포함할 수 있다.
적색, 녹색, 및 청색 컬러 필터들(R, G, B)과 백색 필터(W)가 일 방향을 따라 배열되어 하나의 필터 그룹을 구성할 수 있으며, 복수 개의 필터 그룹들이 제 1 방향(D1) 및 제 2 방향(D2)을 따라 반복적으로 배열될 수 있다. 일 예에서, 백색 필터(W)는 제 2 방향(D2)으로 녹색 컬러 필터들(G) 사이에 배치될 수 있다. 각각의 컬러 픽셀들 및 백색 픽셀에는 파장 대역이 서로 다른 광선들이 입사될 수 있다.
다른 예로, 액티브 픽셀 센서 어레이(1)는 백색(white) 픽셀들 대신 깊이 픽셀들을 포함할 수도 있으며, 깊이 픽셀들은 적외선을 필터링하는 적외선 필터를 포함할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 일부를 나타내는 평면도이다. 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도로서, 도 6a의 A-A' 선을 따라 자른 단면이다. 도 6d는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 일부를 나타내는 사시도이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 광전 변환층(10), 리드아웃 회로층(20), 및 광 투과층(30)을 포함할 수 있다. 광전 변환층(10)은, 수직적 관점에서, 리드아웃 회로층(20)과 광 투과층(30) 사이에 배치될 수 있다.
광전 변환층(10)은 반도체 기판(100) 및 반도체 기판(100) 내에 제공된 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b)을 포함한다. 반도체 기판(100)은 서로 대향하는 전면(또는 제 1 면; 100a) 및 후면(또는 제 2 면; 100b)을 가질 수 있다. 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b)은 제 1 도전형의 반도체 기판(100)과 반대인 제 2 도전형(예를 들어, n형)의 불순물들이 도핑된 불순물 영역들일 수 있다. 외부에서 입사된 광은 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b)에서 전기적 신호로 변환될 수 있다.
보다 상세하게, 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.
반도체 기판(100)은 픽셀 분리 구조체(101)에 의해 정의되는 복수 개의 픽셀 영역들(PR)을 포함할 수 있다. 복수 개의 픽셀 영역들(PR)은 서로 교차하는 제 1 방향(D1) 및 제 2 방향(D2)을 따라 매트릭스 형태로 배열될 수 있다.
픽셀 분리 구조체(101)는, 평면적 관점에서, 픽셀 영역들(PR) 각각을 둘러쌀 수 있다. 상세하게, 도 6d를 참조하면, 픽셀 분리 구조체(101)는 제 1 방향(D1)을 따라 서로 나란하게 연장되며 제 2 방향(D2)으로 서로 이격된 복수 개의 제 1 픽셀 격리부들(101a) 및 제 1 픽셀 격리부들(101a)을 가로질러 제 2 방향(D2)을 따라 서로 나란하게 연장되며 제 1 방향(D1)으로 서로 이격된 제 2 픽셀 격리부들(101b)을 포함할 수 있다. 각 픽셀 영역(PR)은 한 쌍의 제 1 픽셀 격리부들(101a) 및 한 쌍의 제 2 픽셀 격리부들(101b)에 의해 정의될 수 있다.
제 1 및 제 2 픽셀 격리부들(101a, 101b) 각각은 실질적으로 균일한 폭을 가질 수 있다. 제 1 픽셀 격리부들(101a) 간의 이격 거리는 제 2 픽셀 격리부들(101b) 간의 이격 거리와 실질적으로 동일할 수 있다.
픽셀 분리 구조체(101)는 반도체 기(100; 예를 들어, 실리콘)보다 굴절률이 낮은 절연 물질로 형성될 수 있으며, 하나 또는 복수 개의 절연막들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 픽셀 분리 구조체(101)는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 언도우프트 폴리실리콘막, 공기(air) 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 이러한 픽셀 분리 구조체(101)는 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.
픽셀 분리 구조체(101)는 반도체 기판(100)의 후면(100b)에서부터 전면(100a)으로 수직적으로 연장될 수 있으며, 반도체 기판(100)의 전면(100a)과 이격될 수 있다. 다른 예로, 픽셀 분리 구조체(101)는 반도체 기판(100)을 관통할 수 있다. 즉, 픽셀 분리 구조체(101)의 수직적 두께는 반도체 기판(100)의 수직적 두께와 실질적으로 동일할 수도 있다.
픽셀 분리 구조체(101)는 반도체 기판(100)의 후면(100b)과 인접한 제 1 폭이 반도체 기판(100)의 전면(100a)과 인접한 제 2 폭보다 클 수 있다. 그리고, 픽셀 분리 구조체(101)의 폭은 반도체 기판(100)의 후면(100b)에서 전면(100a)으로 갈수록 점차 감소할 수 있다.
제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b)이 픽셀 영역들(PR) 각각에 제공될 수 있다. 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b)은 제 1 도전형의 반도체 기판(100)과 반대인 제 2 도전형(예를 들어, n형)의 불순물들이 도핑된 불순물 영역일 수 있다. 제 1 도전형의 반도체 기판(100)과 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b)은 한 쌍의 포토다이오드들을 구성할 수 있다. 즉, 제 1 도전형의 반도체 기판(100)과 제 1 또는 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b)의 접합(junction)에 의해 포토다이오드가 형성될 수 있다. 포토다이오드를 구성하는 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b)은 입사광의 세기에 비례하여 광전하를 생성 및 축적할 수 있다.
한편, 도 6c에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b) 사이에 분리 불순물 영역(103)이 배치될 수도 있다. 분리 불순물 영역(103)은 반도체 기판(100)과 동일한 도전형(예를 들어, p형)의 불순물들을 반도체 기판(100) 내에 이온주입하여 형성될 수 있다. 분리 불순물 영역(103)은 전위 장벽(potential barrier)에 의해 입사광을 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b)로 분리 제공할 수 있다.
픽셀 영역들(PR) 각각에서, 제 1 광전 변환 영역(110a)에서 출력되는 전기적 신호와 제 2 광전 변환 영역(110b)에서 출력되는 전기적 신호는 위상차를 가질 수 있다. 그리고, 이미지 센서는 한 쌍의 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b)에서 출력된 전기적 신호의 위상차를 비교하여 대상물까지의 거리를 측정할 수 있고, 대상물에 대한 초점이 맞는지 여부, 초점이 어긋나 있는 정도 등을 판단하여 이미지 센서의 초점을 자동으로 보정할 수 있다.
실시예들에 따르면, 반도체 기판(100)의 후면(100b)은 볼록한 곡면들(CS1, CS2)을 가질 수 있다. 서로 인접하는 볼록한 곡면들(CS1, CS2)은 각 픽셀 영역(PR)의 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b) 사이에서 접점 또는 경계를 이룰 수 있다. 각 곡면(CS1, CS2)의 중심선 상에 픽셀 분리 구조체(101)가 배치될 수 있다.
보다 상세하게, 각각의 픽셀 영역들(PR)에서, 반도체 기판(100)은 제 1 곡면(CS1) 및 제 2 곡면(CS2)을 가질 수 있다. 제 1 곡면(CS1)과 제 2 곡면(CS2)은 실질적으로 동일한 곡률 반경을 가질 수 있다. 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)의 곡률반경은 반도체 기판(100)의 굴절률(n1)과 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)을 덮는 표면 절연막(310)의 굴절룰(n2)에 의해 결정될 수 있다. 제 1 곡면(CS1)과 제 2 곡면(CS2)은 각 픽셀 영역의 중심(PC)에서 만날 수 있다. 픽셀 영역의 중심(PC)이란, 한 쌍의 제 1 픽셀 격리부들(101a) 각각으로부터 동일거리에 위치하는 지점을 의미할 수 있다. 제 1 곡면(CS1)과 제 2 곡면(CS2)은 각 픽셀 영역의 중심(PC)을 기준으로 서로 대칭될 수 있다. 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)은 도 6d에 도시된 바와 같이 제 2 방향(D2)을 따라 연장될 수 있다.
반도체 기판(100)은 각 픽셀 영역의 중심(PC)에서 최소 제 1 두께(T1)를 가질 수 있으며, 픽셀 영역들(PR) 간의 경계(도 7a의 PB)에서 최대 제 2 두께(T2)를 가질 수 있다. 또한, 제 1 방향(D1)을 따라 각 픽셀 영역의 중심(PC)에서 픽셀 영역들(PR)의 경계(도 7a의 PB)로 갈수록 반도체 기판(100)의 두께가 증가할 수 있다.
실시예들에 따르면, 각 픽셀 영역(PR)에서, 제 1 곡면(CS1) 아래에 제 1 광전 변환 영역(110a)이 제공되고, 제 2 곡면(CS2) 아래에 제 2 광전 변환 영역(110b)이 제공될 수 있다. 각 픽셀 영역(PR)으로 입사되는 입사광은 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)에 의해 분리되어 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b)로 입사될 수 있다.
제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)은 반도체 기판(100)의 평탄한 후면 상에 볼록한 곡면을 갖는 마스크 패턴들을 형성한 후, 에치백(etch-back) 공정을 수행함으로써 형성될 수 있다. 여기서, 마스크 패턴들은 반도체 기판(100)의 평탄한 후면 상에 마스크막을 형성하고 마스크막에 대한 패터닝(patterning) 공정 및 리플로우(reflow) 공정을 수행함으로써 형성될 수 있다.
실시예들에서, 리드아웃 회로층(20)이 반도체 기판(100)의 전면(100a) 상에 배치될 수 있다. 리드아웃 회로층(20)은 광전 변환층(10)과 연결되는 리드아웃 회로들(예를 들어, MOS 트랜지스터들)을 포함할 수 있다. 광전 변환층(10)에서 변환된 전기적 신호는 리드아웃 회로층(20)에서 신호 처리될 수 있다.
보다 상세하게, 픽셀 영역들(PR) 각각에서, 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b) 사이에 확산 영역(FD)이 배치될 수 있다. 픽셀 영역들(PR) 각각에서 플로팅 확산 영역(FD)은 반도체 기판(100)의 전면(100a)으로 제 2 도전형의 불순물들을 이온주입하여 형성될 수 있다.
반도체 기판(100)의 전면(100a) 상에서, 제 1 광전 변환 영역(110a)과 플로팅 확산 영역(FD) 사이에 제 1 트랜스퍼 게이트 전극(TG1)이 배치될 수 있으며, 제 2 광전 변환 영역(110b)과 플로팅 확산 영역(FD) 사이에 제 2 트랜스퍼 게이트 전극(TG2)이 배치될 수 있다.
층간 절연막들(210)이 반도체 기판(100)의 전면(100a) 상에 적층될 수 있으며, 층간 절연막들(210)은 리드아웃 회로들을 구성하는 제 1 및 제 2 트랜스퍼 게이트 전극(TG1, TG2) 및 MOS 트랜지스터들을 덮을 수 있다. 층간 절연막들(210)은 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 및/또는 실리콘 산질화물을 포함할 수 있다.
층간 절연막들(210) 내에 리드아웃 회로들과 연결되는 배선 구조체(221, 222)가 배치될 수 있다. 배선 구조체(221, 222)는 금속 배선들(222) 및 이들을 연결하는 콘택 플러그들(221)을 포함할 수 있다.
광 투과층(30)은 반도체 기판(100)의 후면(100b) 상에 배치될 수 있다. 광 투과층(30)은 표면 절연막(310), 컬러 필터 어레이, 격자 구조체(320), 마이크로 렌즈 어레이를 포함할 수 있다.
표면 절연막(310)은 반도체 기판(100)의 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)을 균일한 두께로 덮을 수 있다. 즉, 표면 절연막(310)의 상면 및 하면은 곡면들을 가질 수 있다. 이와 달리, 표면 절연막(310)은 평탄한 상면을 가질 수도 있다. 표면 절연막(310)은 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물, 또는 하프늄 산화물로 이루어질 수 있다. 표면 절연막(310)은 단일막 또는 다중막일 수 있다.
컬러 필터 어레이는 표면 절연막(310)과 마이크로 렌즈 어레이 사이에 배치될 수 있다. 컬러 필터 어레이는 도 5a를 참조하여 설명한 것처럼, 적색 컬러 필터, 녹색, 및 청색의 컬러 필터들(330a, 330b)을 포함할 수 있다. 이와 달리, 컬러 필터 어레이는 시안(cyan), 마젠타(magenta), 또는 황색(yellow) 등과 같은 다른 컬러 필터들을 포함할 수도 있다. 또 다른 예로, 컬러 필터 어레이는, 도 5b를 참조하여 설명한 것처럼, 백색 필터를 포함할 수 있다. 컬러 필터들(330a, 330b)은 반도체 기판(100)의 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2) 사이를 채울 수 있으며, 실질적으로 평탄한 상면을 가질 수 있다.
컬러 필터들(330a, 330b) 사이에 격자 구조체(320)가 배치될 수 있다. 격자 구조체(320)는 픽셀 분리 구조체(101)와 유사하게, 평면적 관점에서 격자 형태를 가질 수 있다.
격자 구조체(320)는 도전 패턴 및/또는 저굴절 패턴을 포함할 수 있다. 차광 패턴은 예를 들어, 티타늄, 탄탈륨 또는 텅스텐과 같은 금속 물질을 포함할 수 있다. 저굴절 패턴은 차광 패턴보다 낮은 굴절율을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 저굴절 패턴은 유기 물질로 이루어질 수 있으며, 약 1.1 내지 1.3의 굴절률을 가질 수 있다. 예를 들어, 격자 구조체(320)는 실리카 나노 파티클들이 포함된 폴리머층일 수 있다.
마이크로 렌즈 어레이는 외부에서 입사되는 빛을 집광하는 복수 개의 마이크로 렌즈들(ML)을 포함할 수 있다. 마이크로 렌즈들(ML)은, 평면적 관점에서, 서로 교차하는 제 1 및 제 2 방향들(D1, D2)을 따라 2차원적으로 배열될 수 있다. 마이크로 렌즈들(ML)은 픽셀 영역들(PR)에 각각 제공될 수 있다. 마이크로 렌즈들(ML)은 입사되는 빛을 집광시킬 수 있도록 볼록한 형태를 가질 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀에서 포토다이오들 간의 광학적 분리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 각 픽셀 영역(PR)에서, 반도체 기판(100)은 서로 대칭되는 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)을 가질 수 있다. 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)은 실질적으로 동일한 곡률 반경을 가질 수 있으며, 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)의 접점, 즉, 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)의 경계는 각 픽셀 영역의 중심(PC)과 수직적으로 중첩될 수 있다. 픽셀 영역(PR)으로 입사되는 빛은 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)에서 굴절되어 제 1 또는 제 2 광전 변환 영역(110a, 110b)으로 입사될 수 있다.
제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)의 경계(PC)와 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2) 각각의 만곡중심을 통과하는 선에 대한 수직선 사이의 각도를 임계각(예를 들어, 22.2도)보다 크게 설정하면, 제 1 곡면(CS1)으로 입사되는 모든 각도의 빛은 제 1 광전 변환 영역(110a)으로 입사되고, 제 2 곡면(CS2)으로 입하되는 모든 각도의 빛은 제 2 광전 변환 영역(110b)으로 입사될 수 있다.
절연막(310)의 굴절률이 산화막 보다 높은 경우 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)에서 실리콘의 굴절각이 작아지지만, 절연막(310)과 컬러 필터(330a, 330b, 330c)와의 계면에서 굴절각이 커지고 실리콘 계면 곡면들(CS1, CS2)에의 입사 각도가 작아지므로, 각 곡면(CS1, CS2)의 접선 보다 큰 각도로 입사되는 빛은 해당하는 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2) 아래의 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b)로 입사될 수 있다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 제 1 각도(θ1)로 입사하는 빛은 제 2 곡면(CS2)의 법선에 대해 제 2 각도(θ2)로 굴절되어 제 2 광전 변환 영역(110b)으로 입사될 수 있다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 제 3 각도(θ3)로 입사되는 빛은 제 1 곡면(CS1)의 법선에 대해 제 4 각도(θ4)로 굴절되어 제 1 광전 변환 영역(110a)으로 입사될 수 있다.
이하 설명되는 실시예들에서, 앞서 설명된 실시예들과 실질적으로 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하며, 앞선 실시예와 차이점들에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 8a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 일부를 나타내는 평면도이다. 도 8b 및 도 8c는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도로서, 도 8a의 B-b' 선 및 C-C'을 따라 자른 단면이다.
도 8a, 도 8b, 및 도 8c를 참조하면, 제 1 내지 제 4 광전 변환 영역들(110a, 110b, 110c, 110d)이 픽셀 영역들(PR) 각각에 제공될 수 있다. 제 1 내지 제 4 광전 변환 영역들(110a, 110b, 110c, 110d)은 반도체 기판(100)과 반대인 제 2 도전형(예를 들어, n형)의 불순물들이 도핑된 불순물 영역일 수 있다. 제 1 내지 제 4 광전 변환 영역들(110a, 110b, 110c, 110d)은, 픽셀 영역들(PR) 각각에서, 제 1 방향(D1) 및 제 2 방향(D2)으로 서로 이격되어 배치될 수 있다.
각 픽셀 영역(PR)에서, 반도체 기판(100)은 모든 방향으로 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)을 가질 수 있으며, 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)은 픽셀의 중심점(PP)에서 만날 수 있다. 픽셀의 중심점(PP)은 제 1 픽셀 분리부들(101a)로부터 동일한 거리 및 제 2 픽셀 분리부들(101b)로부터 동일한 거리에 위치할 수 있다.
반도체 기판(100)은 픽셀의 중심점(PP)에서 최소 제 1 두께(T1)를 가질 수 있으며, 제 1 및 제 2 방향들(D1, D2)에서 픽셀 영역들(PR) 간의 경계에서 최대 제 2 두께(T2)를 가질 수 있다. 다시 말해, 제 1 및 제 2 픽셀 분리부들(101a, 101b)에서 최대 제 2 두께(T2)를 가질 수 있다. 또한, 모든 방향을 따라 픽셀의 중심점(PP)에서 픽셀 영역들(PR)의 경계로 갈수록 반도체 기판(100)의 두께가 증가할 수 있다.
도 9a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 일부를 나타내는 평면도이다. 도 9b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도로서, 도 9a의 D-D' 선을 따라 자른 단면이다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 반도체 기판(100)은 픽셀 분리 구조체(101)에 의해 정의되는 복수 개의 픽셀 영역들(PR) 및 적어도 하나의 자동초점 픽셀 영역(AFR)을 포함할 수 있다.
픽셀 분리 구조체(101)는 앞서 설명한 바와 같이, 제 1 방향(D1)을 따라 서로 나란하게 연장되며 제 2 방향(D2)으로 서로 이격된 복수 개의 제 1 픽셀 격리부들(101a) 및 제 1 픽셀 격리부들(101a)을 가로질러 제 2 방향(D2)을 따라 서로 나란하게 연장되며 제 1 방향(D1)으로 서로 이격된 제 2 픽셀 격리부들(101b)을 포함할 수 있다. 픽셀 분리 구조체(101)는 자동초점 픽셀 영역(AFR) 내에 제공되지 않을 수 있다.
복수 개의 픽셀 영역들(PR)은 서로 교차하는 제 1 방향(D1) 및 제 2 방향(D2)을 따라 2차원적으로 배열될 수 있으며, 평면적 관점에서 자동초점 픽셀 영역(AFR)을 둘러쌀 수 있다.
반도체 기판(100)은 자동초점 픽셀 영역(AFR)에서 서로 거울 대칭되는 제 1 곡면(CS1) 및 제 2 곡면(CS2)을 가질 수 있다. 제 1 곡면(CS1)과 제 2 곡면(CS2)은 자동초점 픽셀 영역(AFR)의 중심(PC)에서 만날 수 있다. 반도체 기판(100)은 각 픽셀 영역(PR)에서 실질적으로 평탄한 후면(100b)을 가질 수 있다.
광전 변환 영역들(110)이 픽셀 영역들(PR)에 각각 제공될 수 있다. 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b)이 자동초점 픽셀 영역(AFR)에 제공될 수 있다. 즉, 픽셀 영역들(PR) 각각에 하나의 광전 변환 영역(110)이 제공될 수 있으며, 자동초점 픽셀 영역(AFR)에 한 쌍의 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b)이 제공될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 제 1 광전 변환 영역(110a)은 제 1 곡면(CS1) 아래에 제공될 수 있으며, 제 2 광전 변환 영역(110b)은 제 2 곡면(CS2) 아래에 제공될 수 있다. 자동초점 픽셀 영역(AFR)에서, 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b) 사이에 앞서 도 6c를 참조하여 설명한 바와 같이, 분리 불순물 영역(103)이 제공될 수도 있다.
제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b) 각각의 면적은 광전 변환 영역(110)의 면적과 실질적으로 동일할 수 있다. 다시 말해, 자동초점 픽셀 영역(AFR)이 차지하는 면적은 각 픽셀 영역(PR)이 차지하는 면적의 약 2배일 수 있다.
제 1 마이크로 렌즈들(ML)이 픽셀 영역들(PR)에 각각 제공될 수 있으며, 제 2 마이크로 렌즈(ML)가 자동초점 픽셀 영역(AFR) 에 제공될 수 있다.
제 1 마이크로 렌즈(ML)는 제 1 및 제 2 방향들(D1, D2)에서 실질적으로 동일한 반경을 가질 수 있으며, 제 2 마이크로 렌즈(ML)는 제 1 및 제 2 방향들(D1, D2)에서 서로 다른 반경을 가질 수 있다. 제 1 마이크로 렌즈(ML)는 평면적 관점에서 실질적으로 원형일 수 있으며, 제 2 마이크로 렌즈(ML)는 평면적 관점에서 타원형일 수 있다.
도 10a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 일부를 나타내는 평면도이다. 도 10b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도로서, 도 10a의 E-E' 선을 따라 자른 단면이다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 반도체 기판(100)은 각 픽셀 영역(PR)에서 서로 거울 대칭되는 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)을 가질 수 있다. 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b)이 각 픽셀 영역(PR)에 제공될 수 있다.
픽셀 분리 구조체(101)는 제 1 방향(D1)으로 연장되는 제 1 픽셀 격리부들(101a), 제 2 방향(D2)으로 연장되는 제 2 픽셀 격리부들(101b), 및 제 1 픽셀 격리부들(101a)로부터 제 2 방향(D2)으로 돌출된 돌출부들(101P)을 포함할 수 있다. 여기서, 돌출부들(101P)은 각 픽셀 영역(PR)의 중심을 향해 제 2 방향(D2)으로 돌출될 수 있다. 픽셀 분리 구조체(101)의 돌출부들(101P)은 픽셀 영역들(PR) 각각에서 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b) 사이에 배치되며, 제 2 방향(D2)으로 돌출될 수 있다.
픽셀 분리 구조체(101)의 돌출부들(101P)은 픽셀 영역(PR)의 가장자리에서 입사광을 물리적으로 반사시킬 수 있으며, 전기적으로 포텐셜 배리어를 형성하기 어려운 부분을 분리할 수 있으므로, 픽셀 영역(PR)의 가장자리에서 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b) 간의 크로스토크를 줄일 수 있다.
도 11a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 일부를 나타내는 평면도이다. 도 11b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도로서, 도 11a의 F-F' 선을 따라 자른 단면이다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 광전 변환 영역들(110a, 110b, 110c, 110d) 이 각 픽셀 영역(PR)에 제공될 수 있다.
도 8a 및 도 8b를 참조하여 설명한 바와 같이, 각 픽셀 영역(PR)에서, 반도체 기판(100)은 모든 방향으로 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)을 가질 수 있으며, 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)은 픽셀 영역의 중심점(PP)에서 만날 수 있다. 반도체 기판(100)은 픽셀 영역의 중심점(PP)에서 최소 제 1 두께(T1)를 가질 수 있으며, 제 1 및 제 2 방향들(D1, D2)에서 픽셀 영역들(PR) 간의 경계에서 최대 제 2 두께(T2)를 가질 수 있다.
픽셀 분리 구조체(101)는 제 1 방향(D1)으로 연장되는 제 1 픽셀 격리부들(101a), 제 2 방향(D2)으로 연장되는 제 2 픽셀 격리부들(101b), 및 제 1 픽셀 격리부들(101a)로부터 제 2 방향(D2)으로 돌출된 제 1 돌출부들(101P1), 및 제 2 픽셀 격리부들(101b)로부터 제 1 방향(D1)으로 돌출된 제 2 돌출부들(101P2)을 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 및 제 2 돌출부들(101P1, 110P2)은 픽셀 영역들(PR) 각각의 중심점(PP)을 향해 국소적으로 돌출될 수 있다.
픽셀 분리 구조체(101)의 제 1 돌출부들(101P1)은 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b) 사이와 제 3 및 제 4 광전 변환 영역들(110c, 110d) 사이에 배치될 수 있다. 픽셀 분리 구조체(101)의 제 2 돌출부들(101P2)은 제 1 및 제 3 광전 변환 영역들(110a, 110c) 사이와 제 2 및 제 4 광전 변환 영역들(110b, 110d) 사이에 배치될 수 있다.
도 12a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이의 일부를 나타내는 평면도이다. 도 12b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 단면도로서, 도 12a의 G-G' 선을 따라 자른 단면이다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 액티브 픽셀 센서 어레이는 제 1 방향(D1) 및 제 2 방향(D2)을 따라 매트릭스 형태로 배열된 복수의 픽셀 영역들(PR1, PR2, PR3)을 포함할 수 있다. 복수 개의 픽셀 영역들(PR1, PR2, PR3)은 제 1 내지 제 3 픽셀 영역들(PR1, PR2, PR3)을 포함할 수 있으며, 제 1 내지 제 3 픽셀 영역들(PR1, PR2, PR3)각각으로 파장 대역이 서로 다른 빛이 입사될 수 있다.
실시예들에서, 제 2 픽셀 영역들(PR2) 각각은 제 1 방향(D1) 및 제 2 방향(D2)으로 제 1 및 제 3 픽셀 영역들(PR1, PR3)과 인접하게 배치될 수 있다. 제 2 픽셀 영역들(PR2)은 서로 사선 방향으로 배치될 수 있다.
제 2 픽셀 영역들(PR2)에 제 1 파장 대역의 광선이 입사될 수 있으며, 제 1 픽셀 영역(PR1)에 제 1 파장 대역보다 긴 제 2 파장 대역의 광선이 입사될 수 있다. 제 3 픽셀 영역(PR3)에 제 1 파장 대역보다 짧은 제 3 파장 대역의 광선이 입사될 수 있다. 예를 들어, 제 2 픽셀 영역들(PR2)로 녹색 광이 입사될 수 있으며, 제 1 픽셀 영역(PR1)으로 적색 광이 입사되고, 제 3 픽셀 영역(PR3)으로 청색 광이 입사될 수 있다.
제 1 내지 제 3 픽셀 영역들(PR1, PR2, PR3) 각각은 복수 개의 서브 픽셀 영역들(SP1, SP2, SP3)을 포함할 수 있다. 일 예로, 제 1 내지 제 3 픽셀 영역들(PR1, PR2, PR3) 각각은 2 X 2 배열된 서브 픽셀 영역들(SP1, SP2, SP3)을 포함할 수 있다. 이와 달리, 제 1 내지 제 3 픽셀 영역들(PR1, PR2, PR3) 각각은 3 X3 배열된 서브 픽셀 영역들(SP1, SP2, SP3) 또는 4 X 4 배열된 서브 픽셀 영역들(SP1, SP2, SP3)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 제 1 픽셀 영역들(PR1) 각각은 복수 개의 제 1 서브 픽셀 영역들(SP1)을 포함할 수 있으며, 제 2 픽셀 영역들(PR2) 각각은 복수 개의 제 2 서브 픽셀 영역들(SP2)을 포함할 수 있다. 제 3 픽셀 영역들(PR3) 각각은 복수 개의 제 3 서브 픽셀 영역들(SP3)을 포함할 수 있다.
제 1, 제 2, 및 제 3 서브 픽셀 영역들(SP1, SP2, SP3)은 동일한 사이즈를 가지며 픽셀 분리 구조체(101)에 의해 정의될 수 있다. 일 예로, 서로 인접하는 제 2 서브 픽셀 영역들(SP2) 사이에 적어도 2 개의 제 1 서브 픽셀 영역들(SP1) 또는 제 3 서브 픽셀 영역들(SP3)이 배치될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 제 1, 제 2, 및 제 3 서브 픽셀 영역들(SP1, SP2, SP3) 각각에서, 반도체 기판(100)은 서로 거울 대칭되는 제 1 곡면(CS1) 및 제 2 곡면(CS2)을 가질 수 있다. 또한, 제 1, 제 2, 및 제 3 서브 픽셀 영역들(SP1, SP2, SP3) 각각에 한 쌍의 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b)이 반도체 기판(100) 내에 제공될 수 있다.
제 1 픽셀 영역(PR1)의 제 1 서브 픽셀 영역들(SP1)에 제 1 컬러 필터들(330a)이 각각 제공될 수 있으며, 제 2 픽셀 영역(PR2)의 제 2 서브 픽셀 영역들(SP2)에 제 2 컬러 필터(330b)이 각각 제공될 수 있다. 마찬가지로, 제 3 픽셀 영역(PR3)의 제 3 서브 픽셀 영역들(SP3)에 제 3 컬러 필터들이 각각 제공될 수 있다. 제 1 내지 제 3 컬러 필터들은 적색, 녹색 또는 청색의 컬러 필터를 포함할 수 있다. 이와 달리, 제 1 내지 제 3 컬러 필터들은 마젠타(Mg; magenta), 옐로우(Y; yellow), 및 시안(Cy; cyan) 컬러 필터들을 포함할 수도 있다. 실시예들에서, 3 종류의 컬러 필터들이 제공되는 것으로 설명하였으나, 4 종류의 컬러필터들이 제공될 수도 있다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도들이다.
도 4 및 도 13을 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이, 액티브 픽셀 센서 어레이 영역(R1)은 중심 영역(CR) 및 중심 영역(CR)을 둘러싸는 에지 영역(ER)을 포함할 수 있다.
반도체 기판(100)은 중심 영역(CR) 및 에지 영역(ER)에서 복수의 픽셀 영역들(PR)을 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 픽셀 영역들(PR) 각각에서 반도체 기판(100)은 서로 거울 대칭되는 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)을 가질 수 있다.
중심 영역(CR)에서, 픽셀 영역의 중심(PC)은 마이크로 렌즈의 중심(LC)과 일치할 수 있다.
에지 영역(ER)에서 픽셀 영역의 중심(PC)은 마이크로 렌즈의 중심(LC)과 어긋나게 위치할 수 있다. 또한, 마이크로 렌즈의 중심(LC)은 컬러 필터의 중심(CC)과 어긋나게 위치할 수 있다.
즉, 각 픽셀 영역(PR)에서 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)의 접점과 마이크로 렌즈의 중심(LC)이 수직적으로 중첩하지 않을 수 있다. 일 예로, 에지 영역에서 마이크로 렌즈의 중심(LC)은 픽셀 영역들(PR)의 경계에 위치할 수도 있다.
마이크로 렌즈의 중심(LC)과 픽셀 영역의 중심(PC) 간의 거리는 에지 영역(ER)에서 중심 영역(CR)으로 갈수록 감소할 수 있다.
도 4 및 도 14를 참조하면, 이미지 센서는 센서 칩(1) 및 로직 칩(2)을 포함할 수 있다.
센서 칩(1)은 앞서 설명한 바와 같이, 광전 변환층(10), 리드아웃 회로층(20), 및 광 투과층(30)을 포함할 수 있다.
센서 칩(1)의 광전 변환층(10)은, 앞서 설명한 것처럼, 반도체 기판(100), 픽셀 영역들(PR)을 정의하는 픽셀 분리 구조체(101) 및 각 픽셀 영역(PR)에 제공되는 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b)을 포함할 수 있다.
반도체 기판(100)은 액티브 픽셀 센서 어레이 영역(R1), 패드 영역(R2) 및 이들 사이의 차광 영역(OB)을 포함할 수 있다.
액티브 픽셀 센서 어레이 영역(R1)에서 센서 칩(1)은 앞서 설명된 이미지 센서와 동일한 기술적 특징들을 포함할 수 있다. 즉, 픽셀 분리 구조체(101)에 의해 복수의 픽셀 영역들(PR)이 정의될 수 있으며, 각 픽셀 영역(PR)에서 반도체 기판(100)의 서로 거울 대칭되는 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)을 가질 수 있다.
차광 영역(OB)의 반도체 기판(100) 내에 픽셀 분리 구조체(101)가 제공될 수 있으며, 픽셀 분리 구조체(101)에 의해 기준 픽셀 영역(PR)이 정의될 수 있다. 기준 픽셀 영역(PR)에도, 픽셀 영역(PR)에서와 마찬가지로, 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b)이 제공될 수 있으며, 반도체 기판(100)은 서로 거울 대칭되는 제 1 및 제 2 곡면들(CS1, CS2)을 가질 수 있다.
표면 절연막(310)은 액티브 픽셀 센서 어레이 영역(R1)에서 차광 영역(OB) 및 패드 영역(R2)으로 연장될 수 있다. 차광 영역(OB)에서, 차광 패턴(530)이 표면 절연막(310) 상에 배치될 수 있다. 차광 패턴(530)은 차광 영역(OB)에 제공된 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들(110a, 110b)로 광이 입사되는 것을 차단할 수 있다.
콘택 패드(CT)가 차광 영역(OB)에서 반도체 기판(100)의 후면(100b) 상에 제공될 수 있다. 콘택 패드(CT)는 알루미늄을 포함할 수 있다. 픽셀 분리 구조체(101) 중 일부분은 차광 영역(OB)에서 콘택 플러그를 통해 콘택 패드(CT)와 연결될 수 있다.
차광 영역(OB)에서, 제 1 관통 도전 패턴(TSV1)이 반도체 기판(100)을 관통하여 리드아웃 회로층(20)의 금속 배선(222) 및 로직 칩(2)의 배선 구조체(511)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제 1 관통 도전 패턴(TSV1)은 서로 다른 레벨에 위치하는 제 1 바닥면 및 제 2 바닥면을 가질 수 있다. 제 1 관통 도전 패턴(510)의 내부에 절연 물질이 채워질 수 있다.
패드 영역(R2)에서, 반도체 기판(100)의 후면(100b)에 도전 패드들(CP)이 제공될 수 있다. 도전 패드들(CP)은 알루미늄, 구리, 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨, 또는 이들의 합금과 같은 금속을 포함할 수 있다. 이미지 센서의 실장 공정에서, 본딩 와이어가 도전 패드들(CP)에 본딩될 수 있다. 도전 패드들(CP)은 본딩 와이어를 통해 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있다.
픽셀 분리 구조체(101)가 패드 영역(R2)에 제공될 수 있으며, 도전 패드들(CP) 주위에 배치될 수 있다. 패드 영역(R2)에서, 제 2 관통 도전 패턴(TSV2)이 반도체 기판(100)을 관통하여 로직 칩(2)의 배선 구조체(511)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제 2 관통 도전 패턴(TSV2)은 반도체 기판(100)의 후면(100b) 상으로 연장되어 도전 패드들(CP)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제 2 관통 도전 패턴(TSV2)의 일부분이 도전 패드들(CP)의 바닥면 및 측벽을 덮을 수 있다. 제 2 관통 도전 패턴(520)의 내부에 절연 물질이 채워질 수 있다.
로직 칩(2)은 로직 반도체 기판(100)(500), 로직 회로들(TR), 로직 회로들과 연결되는 배선 구조체들(511), 및 로직 층간 절연막들(510)을 포함할 수 있다. 로직 층간 절연막들(510) 중 최상층막은 센서 칩(1)의 리드아웃 회로층(20)과 접합될 수 있다. 로직 칩(2)은 제 1 관통 도전 패턴(TSV1) 및 제 2 관통 도전 패턴(TSV2)을 통해 센서 칩(1)과 전기적으로 연결될 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 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 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (20)
- 반도체 기판 내에 제공되어 복수의 픽셀 영역들을 정의하는 픽셀 분리 구조체;
상기 픽셀 영역들 각각에서, 상기 반도체 기판 내에 제공되는 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들; 및
상기 반도체 기판 상에서 상기 픽셀 영역들에 각각 대응하는 마이크로 렌즈들을 포함하되,
상기 반도체 기판은 상기 마이크로 렌즈를 향해 볼록한 곡면들을 갖되,
상기 반도체 기판은 상기 픽셀 영역들 각각의 상기 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들 사이에서 최소 두께를 갖고, 상기 픽셀 영역들의 경계에서 최대 두께를 갖는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 각 픽셀 영역의 중심은 상기 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들 사이에 위치하고,
서로 인접하는 상기 곡면들의 접점은 상기 각 픽셀 영역의 중심에 위치하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 픽셀 영역들 각각에서, 상기 반도체 기판의 두께는 상기 각 픽셀 영역의 중심에서 상기 픽셀 영역들의 경계로 갈수로 점차 증가하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 픽셀 영역들 각각에서, 상기 마이크로 렌즈의 중심은 서로 인접하는 상기 곡면들의 접점 상에 위치하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 픽셀 분리 구조체는 서로 이격되어 제 1 방향으로 연장되는 제 1 픽셀 격리부들 및 상기 제 1 픽셀 격리부들을 가로지르며 서로 이격되어 제 2 방향으로 연장되는 제 2 픽셀 격리부들을 포함하되,
상기 픽셀 영역들 각각에서, 서로 인접하는 상기 곡면들의 접점은 한 쌍의 상기 제 1 픽셀 격리부들로부터 실질적으로 동일한 거리에 위치하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈들과 상기 반도체 기판의 상기 곡면들 사이에 제공되는 컬러 필터들을 더 포함하되,
상기 컬러 필터들은 상기 곡면들을 덮는 하면 및 평탄한 상면을 갖는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 픽셀 영역들 각각에서, 상기 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들 사이에 제공된 분리 불순물 영역을 더 포함하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 픽셀 분리 구조체는:
서로 이격되어 제 1 방향으로 연장되는 제 1 픽셀 분리부들; 및
상기 제 1 픽셀 분리부들을 가로지르며 서로 이격되어 제 2 방향으로 연장되는 제 2 픽셀 분리부들을 포함하되,
상기 픽셀 영역들 각각은 한 쌍의 상기 제 1 픽셀 분리부들과 한 쌍의 상기 제 2 픽셀 분리부들에 의해 정의되고,
상기 제 1 픽셀 분리부들은 상기 곡면들 각각의 중심에 제공되는 이미지 센서. - 제 8 항에 있어서,
상기 픽셀 분리 구조체는 상기 제 1 픽셀 분리부들 각각으로부터 상기 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들 사이로 상기 제 2 방향을 따라 국소적으로 돌출된 돌출부들을 더 포함하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 픽셀 영역들 각각에서, 상기 반도체 기판 내에 제공된 제 3 및 제 4 광전 변환 영역들을 더 포함하되,
상기 픽셀 영역들은 서로 교차하는 제 1 방향 및 제 2 방향을 따라 배열되고,
각각의 상기 픽셀 영역들에서 상기 반도체 기판의 두께는 상기 제 1 방향 및 상기 제 2 방향을 따라 점차 증가하는 이미지 센서. - 제 10 항에 있어서,
상기 픽셀 분리 구조체는:
서로 이격되어 제 1 방향으로 연장되는 제 1 픽셀 분리부들;
상기 제 1 픽셀 분리부들을 가로지르며 서로 이격되어 제 2 방향으로 연장되는 제 2 픽셀 분리부들;
상기 제 1 픽셀 분리부들 각각으로부터 상기 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들 사이와 상기 제 3 및 제 4 광전 변환 영역들 사이로 상기 제 2 방향을 따라 국소적으로 돌출된 제 1 돌출부들; 및
상기 제 2 픽셀 분리부들 각각으로부터 상기 제 1 및 제 3 광전 변환 영역들 사이와 상기 제 2 및 제 4 광전 변환 영역들 사이로 상기 제 1 방향을 따라 국소적으로 돌출된 제 2 돌출부들을 포함하는 이미지 센서. - 전면 및 후면을 갖는 반도체 기판;
상기 반도체 기판 내에 제공되어 픽셀 영역을 정의하는 픽셀 분리 구조체;
상기 픽셀 영역에 제공된 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들; 및
상 픽셀 영역에 대응하여 상기 반도체 기판의 상기 후면에 제공되는 마이크로 렌즈를 포함하되,
상기 반도체 기판의 상기 후면은 상기 상기 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들에 각각 대응하는 제 1 및 제 2 곡면들을 갖되,
상기 제 1 및 제 2 곡면들은 서로 거울 대칭되는 이미지 센서. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 곡면들은 실질적으로 동일한 곡률 반경을 갖는 이미지 센서. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 곡면들의 경계는 상기 픽셀 영역의 중심과 수직적으로 중첩되는 이미지 센서. - 제 12 항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈는 상기 제 1 및 제 2 곡면들과 중첩되는 이미지 센서. - 제 12 항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈의 중심은 상기 제 1 및 제 2 곡면들의 경계와 어긋나게 배치되는 이미지 센서. - 제 12 항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈와 상기 반도체 기판 사이에 제공되는 컬러 필터를 더 포함하되,
상기 컬러 필터의 중심은 상기 제 1 및 제 2 곡면들의 경계 및 상기 마이크로 렌즈의 중심과 어긋나게 배치되는 이미지 센서. - 전면 및 후면을 갖는 반도체 기판;
상기 반도체 기판 내에 제공되어 복수의 픽셀 영역들을 정의하는 픽셀 분리 구조체;
상기 픽셀 영역들 각각에서, 상기 반도체 기판 내에 제공되는 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들;
상기 반도체 기판 상에서 상기 픽셀 영역들에 각각 대응하는 마이크로 렌즈들;
상기 마이크로 렌즈들과 상기 반도체 기판의 상기 곡면들 사이에 제공되며, 상기 픽셀 영역들에 각각 대응하는 컬러 필터들;
상기 컬러 필터들 사이에 배치되는 격자 구조체; 및
상기 반도체 기판의 상기 전면 상에 제공되며 상기 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들과 연결되는 리드아웃 회로들을 포함하되,
상기 반도체 기판의 상기 후면은 상기 상기 제 1 및 제 2 광전 변환 영역들에 각각 대응하는 제 1 및 제 2 곡면들을 갖되,
상기 제 1 및 제 2 곡면들은 서로 거울 대칭되는 이미지 센서. - 제 18 항에 있어서,
상기 반도체 기판은 상기 각 픽셀 영역의 중심에서 최소 두께를 갖고, 상기 픽셀 영역들의 경계에서 최대 두께를 갖는 이미지 센서. - 제 18 항에 있어서,
상기 픽셀 분리 구조체는:
서로 이격되어 제 1 방향으로 연장되는 제 1 픽셀 분리부들; 및
상기 제 1 픽셀 분리부들을 가로지르며 서로 이격되어 제 2 방향으로 연장되는 제 2 픽셀 분리부들을 포함하되,
상기 픽셀 영역들 각각은 한 쌍의 상기 제 1 픽셀 분리부들과 한 쌍의 상기 제 2 픽셀 분리부들에 의해 정의되고,
상기 제 1 픽셀 분리부들은 상기 제 1 및 제 2 곡면들 각각의 중심에 제공되는 이미지 센서.
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