KR20220128698A - 이미지 센싱 장치 - Google Patents
이미지 센싱 장치 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20220128698A KR20220128698A KR1020210033101A KR20210033101A KR20220128698A KR 20220128698 A KR20220128698 A KR 20220128698A KR 1020210033101 A KR1020210033101 A KR 1020210033101A KR 20210033101 A KR20210033101 A KR 20210033101A KR 20220128698 A KR20220128698 A KR 20220128698A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- lens
- pixels
- photoelectric conversion
- image sensing
- sensing device
- Prior art date
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 42
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 26
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 71
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 20
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 14
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 7
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 28
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 17
- 238000003491 array Methods 0.000 description 10
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 9
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 8
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 8
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 6
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 6
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
- H01L27/14627—Microlenses
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/1462—Coatings
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/1462—Coatings
- H01L27/14621—Colour filter arrangements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/1463—Pixel isolation structures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
- H01L27/14645—Colour imagers
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/50—Control of the SSIS exposure
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
- H04N25/62—Detection or reduction of noise due to excess charges produced by the exposure, e.g. smear, blooming, ghost image, crosstalk or leakage between pixels
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/703—SSIS architectures incorporating pixels for producing signals other than image signals
- H04N25/704—Pixels specially adapted for focusing, e.g. phase difference pixel sets
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)
- Air Bags (AREA)
Abstract
본 발명은 이미지 센싱 장치에 관한 것으로, 크로스 토크 경로를 차단할 수 있도록 하는 기술이다. 이러한 본 발명은 각각이 광의 세기에 대응하는 광전하를 생성하여 축적하는 복수의 광전 변환 소자들을 포함하는 기판, 및 기판의 상측에 형성되어 복수의 광전 변환 소자들에 대응하는 복수의 렌즈들을 포함하고, 복수의 렌즈들 중 서로 접하게 배치되는 제 1렌즈와 제 2렌즈는 서로 다른 굴절율을 갖는다.
Description
본 발명은 이미지 센싱 장치에 관한 것으로, 서로 다른 굴절율을 갖는 마이크로 렌즈를 구성하는 기술이다.
이미지 센싱 장치는 빛에 반응하는 광 감지 반도체 물질의 성질을 이용하여 광학 이미지를 캡쳐(capture)하는 장치이다. 자동차, 의료, 컴퓨터 및 통신 등 산업의 발전에 따라 스마트폰, 디지털 카메라, 게임기기, 사물 인터넷(Internet of Things), 로봇, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등과 같은 다양한 분야에서 고성능(high-performance) 이미지 센싱 장치에 대한 수요가 증대되고 있다.
이미지 센싱 장치는 크게 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센싱 장치와, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센싱 장치로 구분될 수 있다. CCD 이미지 센싱 장치는 CMOS 이미지 센싱 장치에 비해 더 나은 이미지 품질을 제공하나, 더 큰 크기로 구현되고 더 많은 전력을 소비하는 경향이 있다. 반면에, CMOS 이미지 센싱 장치는 CCD 이미지 센싱 장치에 비해 더 작은 크기로 구현될 수 있고, 더 적은 전력을 소비한다. 또한, CMOS 이미지 센싱 장치는 CMOS 제조 기술을 이용하여 제조되므로, 광 감지 소자 및 신호 처리 회로를 단일 칩에 통합할 수 있으며, 이를 통해 저렴한 비용으로 소형의 이미지 센싱 장치를 생산할 수 있다. 이러한 이유로, CMOS 이미지 센싱 장치는 모바일 장치를 포함한 많은 애플리케이션을 위해 개발되고 있다.
본 발명의 실시예는 PDAF(Phase Detection Auto Focus) 픽셀에서 고굴절율을 갖는 마이크로 렌즈를 형성하여 크로스토크(cross talk)를 차단할 수 있도록 하는 이미지 센싱 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는, 각각이 광의 세기에 대응하는 광전하를 생성하여 축적하는 복수의 광전 변환 소자들을 포함하는 기판; 및 기판의 상측에 형성되어 복수의 광전 변환 소자들에 대응하는 복수의 렌즈들을 포함하고, 복수의 렌즈들 중 서로 접하게 배치되는 제 1렌즈와 제 2렌즈는 서로 다른 굴절율을 갖는다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는, 제 1픽셀에 오버랩 되도록 배치되며 제 1굴절율을 갖는 제 1렌즈; 및 복수의 제 2픽셀들에 오버랩 되도록 배치되며 제 2굴절율을 갖는 제 2렌즈를 포함하고, 제 2굴절율은 제 1굴절율 보다 높다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는, 복수의 픽셀들; 복수의 픽셀들의 상부에 형성되며 제 1굴절율을 갖는 제 1렌즈; 및 복수의 픽셀들의 상부에 형성되며 제 1굴절율과 다른 제 2굴절율을 갖는 제 2렌즈를 포함하며, 제 1렌즈와 상기 제 2렌즈는 서로 접하여 형성된다.
본 발명의 실시예는 인접 픽셀로 유입되는 크로스토크(cross talk)를 효과적으로 방지할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
아울러 본 발명의 실시예는 예시를 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치를 나타낸 블록도.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이에 대한 상세 도면.
도 3은 도 2의 픽셀 어레이에 입사되는 광의 일 예를 나타낸 도면.
도 4 및 도 5는 도 2에 도시된 단위 픽셀 어레이의 실시예들을 나타내는 평면도.
도 6은 도 4에 대응하는 픽셀 어레이의 단면도.
도 7 및 도 8은 도 2에 도시된 단위 픽셀 어레이의 다른 실시예들을 나타내는 평면도.
도 9는 도 7에 대응하는 픽셀 어레이의 단면도.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이에 대한 상세 도면.
도 3은 도 2의 픽셀 어레이에 입사되는 광의 일 예를 나타낸 도면.
도 4 및 도 5는 도 2에 도시된 단위 픽셀 어레이의 실시예들을 나타내는 평면도.
도 6은 도 4에 대응하는 픽셀 어레이의 단면도.
도 7 및 도 8은 도 2에 도시된 단위 픽셀 어레이의 다른 실시예들을 나타내는 평면도.
도 9는 도 7에 대응하는 픽셀 어레이의 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예가 설명될 것이다. 그러나, 본 개시는 특정한 실시 예에 한정되지 않고, 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 개시의 실시 예는 본 개시를 통해 직간접적으로 인식될 수 있는 다양한 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치를 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센싱 장치(100)는 픽셀 어레이(pixel array, 110), 로우 드라이버(row driver, 120), 상관 이중 샘플러(Correlate Double Sampler; CDS, 130), 아날로그-디지털 컨버터(Analog-Digital Converter; ADC, 140), 출력 버퍼(output buffer, 150), 컬럼 드라이버(column driver, 160) 및 타이밍 컨트롤러(timing controller, 170)를 포함할 수 있다. 여기서, 이미지 센싱 장치(100)의 각 구성은 예시적인 것에 불과하며, 필요에 따라 적어도 일부의 구성이 추가되거나 생략될 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 복수의 로우들(rows) 및 복수의 컬럼들(columns)로 배열된 복수의 단위 픽셀들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 단위 픽셀들은 로우들 및 컬럼들을 포함하는 2차원 픽셀 어레이로 배열될 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 단위 이미지 픽셀들은 3차원 픽셀 어레이로 배열될 수 있다. 복수의 단위 픽셀들은 단위 픽셀 단위로 또는 픽셀 그룹 단위로 광 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있으며, 픽셀 그룹 내 단위 픽셀들은 적어도 특정 내부 회로를 공유할 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 로우 드라이버(120)로부터 로우 선택 신호, 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호 등을 포함하는 구동 신호를 수신할 수 있으며, 구동 신호에 의하여 픽셀 어레이(110)의 해당 단위 픽셀은 로우 선택 신호, 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호에 대응하는 동작을 수행하도록 활성화될 수 있다.
로우 드라이버(120)는 타이밍 컨트롤러(170)에 의해 공급되는 명령들 및 제어 신호들에 기초하여 해당 로우에 포함된 단위 픽셀들에 대해 특정 동작들을 수행하도록 픽셀 어레이(110)를 활성화할 수 있다. 일 실시예에서, 로우 드라이버(120)는 픽셀 어레이(110)의 적어도 하나의 로우에 배열된 적어도 하나의 단위 픽셀을 선택할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 복수의 로우들 중 적어도 하나의 로우를 선택하기 위하여 로우 선택 신호를 생성할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 선택된 적어도 하나의 로우에 대응하는 픽셀들에 대해 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호를 순차적으로 인에이블시킬 수 있다. 이에 따라, 선택된 로우의 픽셀들 각각으로부터 생성되는 아날로그 형태의 기준 신호와 영상 신호가 순차적으로 상관 이중 샘플러(130)로 전달될 수 있다. 여기서, 기준 신호는 단위 픽셀의 센싱 노드(예컨대, 플로팅 디퓨전 노드)가 리셋되었을 때 상관 이중 샘플러(130)로 제공되는 전기적 신호이고, 영상 신호는 단위 픽셀에 의해 생성된 광전하가 센싱 노드에 축적되었을 때 상관 이중 샘플러(130)로 제공되는 전기적 신호일 수 있다. 픽셀 고유의 리셋 노이즈(reset noise)를 나타내는 기준 신호와, 입사광의 세기를 나타내는 영상 신호는 픽셀 신호로 통칭될 수 있다.
CMOS 이미지 센서는 두 샘플들 사이의 차이를 제거하기 위해 픽셀 신호를 두 번 샘플링 함으로써, 고정 패턴 노이즈와 같은 픽셀의 원치 않는 오프셋 값을 제거할 수 있도록 상관 이중 샘플링을 이용할 수 있다. 일 예로, 상관 이중 샘플링은 입사광에 의해 생성된 광전하가 센싱 노드에 축적되기 전후로 획득된 픽셀 출력 전압들을 비교함으로써, 원치 않는 오프셋 값을 제거하여 오직 입사광에 기초하는 픽셀 출력 전압이 측정될 수 있다. 일 실시예에서, 상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)로부터 복수의 컬럼 라인들 각각에 제공되는 기준 신호와 영상 신호를 순차적으로 샘플링 및 홀딩(sampling and holding)할 수 있다. 즉, 상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 기준 신호와 영상 신호의 레벨을 샘플링하고 홀딩할 수 있다.
상관 이중 샘플러(130)는 타이밍 컨트롤러(170)로부터의 제어 신호에 기초하여 컬럼들 각각의 기준 신호와 영상 신호를 상관 이중 샘플링 신호로서 ADC(140)로 전달할 수 있다.
ADC(140)는 상관 이중 샘플러(130)로부터 출력되는 각 컬럼에 대한 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 일 실시예에서, ADC(140)는 램프 비교 타입(ramp-compare type) ADC로 구현될 수 있다. 램프 비교 타입 ADC는 시간에 따라 상승 또는 하강하는 램프 신호와 아날로그 픽셀 신호를 비교하는 비교 회로, 및 램프 신호가 아날로그 픽셀 신호에 매칭(matching)될 때까지 카운팅 동작을 수행하는 카운터를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, ADC(140)는 컬럼들 각각을 위한 상관 이중 샘플러(130)에 의해 생성된 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다.
ADC(140)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 복수의 컬럼 카운터들을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110)의 각 컬럼은 각 컬럼 카운터에 연결되며, 영상 데이터는 컬럼 카운터들을 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환함에 의해 생성될 수 있다. 다른 실시예에 따라, ADC(140)는 하나의 글로벌 카운터를 포함하고, 글로벌 카운터에서 제공되는 글로벌 코드를 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
출력 버퍼(150)는 ADC(140)에서 제공되는 각각의 컬럼 단위의 영상 데이터를 일시적으로 홀딩하여 출력할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어 신호에 기초하여 ADC(140)로부터 출력되는 영상 데이터를 일시 저장할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 이미지 센싱 장치(100)와 연결된 다른 장치 사이의 전송(또는 처리) 속도 차이를 보상해주는 인터페이스로서 동작할 수 있다.
컬럼 드라이버(160)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어 신호에 기초하여 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택하고, 출력 버퍼(150)의 선택된 컬럼에 일시 저장된 영상 데이터가 순차적으로 출력되도록 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 컬럼 드라이버(160)는 타이밍 컨트롤러(170)로부터 어드레스 신호를 수신할 수 있으며, 컬럼 드라이버(160)는 어드레스 신호를 기반으로 컬럼 선택 신호를 생성하여 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택함으로써, 출력 버퍼(150)의 선택된 컬럼으로부터 영상 데이터가 외부로 출력되도록 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 로우 드라이버(120), 상관 이중 샘플러(130), ADC(140), 출력 버퍼(150) 및 컬럼 드라이버(160) 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 이미지 센싱 장치(100)의 각 구성의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤을 위한 제어 신호, 및 로우 또는 컬럼을 선택하기 위한 어드레스 신호들을 로우 드라이버(120), 상관 이중 샘플러(130), ADC(140), 출력 버퍼(150) 및 컬럼 드라이버(160) 중 적어도 하나에 제공할 수 있다. 일 실시예에 따라, 타이밍 컨트롤러(170)는 로직 제어회로(Logic control circuit), 위상 고정 루프(Phase Lock Loop, PLL) 회로, 타이밍 컨트롤 회로(timing control circuit) 및 통신 인터페이스 회로(communication interface circuit) 등을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이(110)에 대한 상세 도면이다.
도 2를 참조하면, 픽셀 어레이(110)는 복수의 단위 픽셀 어레이들(P_CR,P_ER1,P_ER2,P_ER3,P_ER4)을 포함할 수 있다.
단위 픽셀 어레이(P_CR)는 평면 상에서 광축(optical axis; OA)을 기준으로 하여 중앙 영역(center region)에 배치될 수 있다. 여기서, 광축(OA)은 픽셀 어레이(110) 상부에 있는 렌즈 모듈(후술함)의 중심으로 입사되는 광의 축을 나타낼 수 있다. 그리고, 중앙 영역은 광축(OA)이 지나는 영역을 나타낼 수 있다. 단위 픽셀 어레이(P_CR)는 미리 정해진 개수의 로우들과 컬럼들에 해당하는 픽셀들을 포함할 수 있다.
그리고, 복수의 단위 픽셀 어레이들(P_ER1~P_ER4)은 평면 상에서 광축(optical axis; OA)을 기준으로 하여 에지 영역(edge region)에 배치될 수 있다. 복수의 단위 픽셀 어레이들(P_ER1~P_ER4)은 단위 픽셀 어레이(P_CR)를 둘러싸도록 배치될 수 있으며, 단위 픽셀 어레이(P_CR)에 위치한 픽셀들을 제외한 나머지 픽셀들을 포함할 수 있다.
도 2에서는 단위 픽셀 어레이들(P_ER1~P_ER4)이 단위 픽셀 어레이(P_CR)를 둘러싸는 형태로 형성되는 경우를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 도 2에서 각 단위 픽셀 어레이들(P_CR,P_ER1~P_ER4)은 사각형으로 예시되어 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
도 3은 도 2의 픽셀 어레이(110)에 입사되는 광의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 도 2의 픽셀 어레이(110)를 광축(OA)을 포함하는 임의의 절단면에 따른 단면이 도시되어 있다. 픽셀 어레이(110)는 광축(OA)이 포함된 중앙 영역(CR), 중앙 영역(CR)의 일측(즉, 좌측)에 배치된 제 1에지 영역(ER1), 및 중앙 영역(CR)의 타측(즉, 우측)에 배치된 제 2에지 영역(ER2)으로 구분될 수 있다. 여기서, 중앙 영역(CR)은 도 2의 단위 픽셀 어레이(P_CR)가 포함되는 영역일 수 있다. 또한, 제 1에지 영역(ER1)은 도 2의 단위 픽셀 어레이(P_ER1)가 포함되는 영역이고, 제 2에지 영역(ER2)은 도 2의 단위 픽셀 어레이(P_ER2)가 포함되는 영역일 수 있다.
렌즈 모듈(LM)을 통과하여 중앙 영역(CR)으로 입사되는 주광선(chief ray, CR1)은 픽셀 어레이(110)의 상면에 대해 수직(또는 수직에 근사한 방향)으로 입사될 수 있다. 즉, 중앙 영역(CR)으로 입사되는 주광선의 입사각은 0도(또는 0에 근사한 각도)일 수 있다.
그러나, 제 1에지 영역(ER1)과 제 2에지 영역(ER2)으로 입사되는 주광선(CR2, CR3)은 픽셀 어레이(110)의 상면에 대해 비스듬하게 입사될 수 있다. 즉, 제 1에지 영역(ER1)으로 입사되는 주광선(CR2)과, 제 2에지 영역(ER2)으로 입사되는 주광선(CR3)의 입사각은 일정 각도(0보다 크고 90보다 작은 각도)에 해당할 수 있다. 여기서, 일정 각도는 픽셀 어레이(110)의 크기, 렌즈 모듈(LM)의 곡률, 및 렌즈 모듈(LM)과 픽셀 어레이(110) 간의 거리 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 주광선들(CR1~CR3)의 입사각은 광축(OA)으로부터 픽셀 어레이(110)의 양 끝으로 갈수록 점진적으로 증가할 수 있다.
도 4 및 도 5는 도 2에 도시된 픽셀 어레이(110)에서 중앙 영역(CR)에 배치된 단위 픽셀 어레이(P_CR)의 실시예들을 나타내는 평면도이다. 도 4에 도시된 단위 픽셀 어레이(P_CR_1)와 도 5에 도시된 단위 픽셀 어레이(P_CR_2)는 픽셀들(P1~P16)이 4개의 로우들과 4개의 컬럼들로 구성된 4×4 매트릭스로 배치된 구조를 나타낼 수 있다. 설명의 편의상, 단위 픽셀 어레이(P_CR_1,PCR_2)는 16개의 픽셀들(P1~P16)을 포함하는 것으로 도시되었으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 16개의 픽셀들(P1~P16)이 로우 방향 및 컬럼 방향 각각을 따라 반복적으로 배열될 수 있다.
도 4를 참조하면, 4×4 픽셀(16 픽셀)(P1~P16) 구조에서 제 1픽셀들(14 픽셀)(P1,P4~P16)은 이미지를 검출하기 위한 픽셀일 수 있다. 그리고, 4×4 픽셀(16 픽셀)(P1~P16) 구조에서 제 2픽셀들(2 픽셀)(P2,P3)은 자동 초점을 위한 위상차를 검출하는데 사용될 수 있다.
즉, 위상 검출(phase detection)을 통해 오토 포커싱(auto focusing) 동작을 수행하기 위한 위상 검출용 제 2픽셀들(P2,P3)이 한 쌍(1×2 픽셀)으로 이루어진 구조를 페어드(Paired) PDAF(Phase Detection Auto Focus) 구조로 정의할 수 있다. 위상 검출을 통한 오토 포커싱 동작이란, 한 쌍의 픽셀(P2,P3) 중 좌측의 픽셀(P2)에 의해 생성되는 제 1이미지와 우측의 픽셀(P3)에 의해 생성되는 제 2이미지 간의 위상 차를 검출하고 검출된 위상차로부터 렌즈의 이동 거리를 산출하여 렌즈의 위치를 조정함으로써, 초점이 맞는 이미지를 획득하는 것을 말한다.
단위 픽셀 어레이(P_CR_1)의 렌즈들(L1~L15)는 광전 변환 소자(후술함)에 대해 입사광을 보다 효율적으로 입사시키기 위해 형성될 수 있다. 제 1픽셀들(P1,P4~P16)과 오버랩 되도록 배치되는 제 1렌즈들(L1,L3~L15)은 제 2렌즈(L2)보다 낮은 굴절율을 가질 수 있다. 그리고, 제 2렌즈(L2)는 제 2픽셀들(P2,P3), 즉 2개의 픽셀들(P2,P3)과 오버랩 되도록 배치될 수 있다. 이에, 제 2픽셀들(P2,P3)과 대응되는 제 2렌즈(L2)는 제 1렌즈들(L1,L3~L15)과 그 크기가 다를 수 있다. 제 2렌즈(L2)는 제 1렌즈들(L1,L3~L15)보다 높은 굴절율을 갖는 고굴절 렌즈일 수 있다.
도 5를 참조하면, 4×4 픽셀(16 픽셀)(P1~P16) 구조에서 제 1픽셀들(12 픽셀)(P1,P4~P9,P12~P16)은 이미지를 검출하기 위한 픽셀일 수 있다. 그리고, 4×4 픽셀(16 픽셀)(P1~P16) 구조에서 중앙에 배치된 제 2픽셀들(4 픽셀)(P2,P3,P10,P11)은 자동 초점을 위한 위상차를 검출하는데 사용될 수 있다. 즉, 위상 검출(phase detection)을 통해 오토 포커싱(auto focusing) 동작을 수행하기 위한 위상 검출용 제 2픽셀들(P2,P3,P10,P11)이 네 개(2×2 픽셀)로 이루어진 구조를 4-커플드(4-Coupled) PDAF(Phase Detection Auto Focus) 구조로 정의할 수 있다. 4-커플드(4-Coupled) PDAF(Phase Detection Auto Focus) 구조에서는, 4개의 픽셀들(P2,P3,P10,P11) 중 좌측의 픽셀들(P2,P10)에 의해 생성되는 이미지와 우측의 픽셀들(P3,P11)에 의해 생성되는 이미지 간의 위상 차를 검출하여 로오 방향의 위상차를 구하고, 상측의 픽셀들(P2,P3)에 의해 생성되는 이미지와 하측의 픽셀들(P10,P11)에 의해 생성되는 이미지 간의 위상 차를 검출하여 컬럼 방향의 위상차를 구함으로써 보다 정확한 오토 포커싱 동작을 수행할 수 있다.
단위 픽셀 어레이(P_CR_1)의 렌즈들(L20~L32)는 광전 변환 소자(후술함)에 대해 입사광을 보다 효율적으로 입사시키기 위해 형성될 수 있다. 제 1픽셀들(P1,P4~P9,P12~P16)과 오버랩 되도록 배치되는 제 1렌즈들(L20,L22~L32)은 제 2렌즈(L21)보다 낮은 굴절율을 가질 수 있다. 그리고, 제 2렌즈(L21)는 제 2픽셀들(P2,P3,P10,P11), 즉 4개의 픽셀들(P2,P3,P10,P11)과 오버랩 되도록 배치될 수 있다. 이에, 제 2픽셀들(P2,P3,P10,P11)과 대응되는 제 2렌즈(L21)는 제 1렌즈들(L20,L22~L32)과 그 크기가 다를 수 있다. 제 2렌즈(L21)는 제 1렌즈들(L20,L22~L32)보다 높은 굴절율을 갖는 고굴절 렌즈일 수 있다.
도 6은 도 4 및 도 5에 대응하는 단위 픽셀 어레이(P_CR_1,P_CR_2)의 단면도이다. 도 6을 참조하면, 도 4에 도시된 절단선(A-A')을 따라 제 1렌즈들(L1,L3~L15), 제 2렌즈(L2) 및 도 5에 도시된 절단선(B-B')을 따라 제 1렌즈들(L20,L22~L32), 제 2렌즈(L21)에 대응하는 픽셀들(P1~P4)을 절단한 단면도가 도시되어 있다. 도 6의 실시예에서는 도 4의 단위 픽셀 어레이(P_CR_1)에 대한 단면을 일 예로 도시하기로 한다.
단위 픽셀 어레이(P_CR_1)는 제 1렌즈들(L1,L3), 제 2렌즈(L2), 광학 필터들(114a,114b,114c), 광학 그리드 구조들(115a,115b,115c,115d), 평탄층(116), 소자 분리막들(117a,117b,117c,117d,117e), 기판(118) 및 광전 변환 소자들(119a,119b,119c,119d)을 포함할 수 있다.
여기서, 제 1렌즈들(L1,L3)과 제 2렌즈(L2)는 서로 접(콘택)하게 형성되며 마이크로 렌즈(또는 온 칩 렌즈들)를 포함할 수 있다. 제 1렌즈들(L1,L3)과 제 2렌즈(L2)는 입사광(LT1)이 픽셀들(P1~P4)의 광전변환소자(119a~119d)에 효율적으로 입사되도록 입사광(LT1)을 가이드(guide)할 수 있다. 중앙 영역(CR)에 포함된 복수의 픽셀들(P1~P4) 각각에 입사되는 입사광(LT1)은 기판(118)의 상면에 대해 수직으로 입사될 수 있다. 즉, 입사광(LT1)은 제 1렌즈들(L1,L3)과 제 2렌즈(L2)의 중심을 지나면서 광축(OA)에 평행하게 입사될 수 있다. 입사광(LT1)은 입사각이 0도(또는 0도에 근사한 값)에 해당하므로, 제 1렌즈들(L1,L3)과 제 2렌즈(L2)을 통과한 입사광(LT1)은 0도(또는 0도에 근사한 값)의 굴절각을 가지면서 광전 변환 소자들(119a~119d)로 전달될 수 있다.
제 1렌즈들(L1,L3)과 제 2렌즈(L2)는 광학 필터들(114a~114c)의 상부에 반구형으로 형성될 수 있다. 즉, 광학 필터(114a)의 상부에 제 1렌즈(L1)가 형성되고, 광학 필터(114b)의 상부에 제 2렌즈(L2)가 형성되며, 광학 필터(114c)의 상부에 제 1렌즈(L)가 형성될 수 있다.
실시예에 따라, 제 1렌즈들(L1,L3)과 제 2렌즈(L2)의 상부에는 외부로부터 입사되는 광의 난반사를 방지하여 플레어 특성을 억제할 수 있는 코팅층(미도시)이 추가로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1렌즈들(L1,L3)과 제 2렌즈(L2)의 상부 표면에는 제 1렌즈들(L1,L3), 제 2렌즈(L2)와 다른 굴절율을 가지는 물질로 이루어진 코팅층(코팅막)이 감싸질 수 있다. 코팅층은 옥사이드 물질을 포함할 수 있다.
또한, 제 2렌즈(L2)를 기준으로 하여 좌측 사이드에 형성된 제 1렌즈(L1)는 픽셀(P1)과 대응될 수 있다. 그리고, 제 2렌즈(L2)를 기준으로 하여 우측 사이드에 형성된 제 1렌즈(L3)는 픽셀(P4)과 대응될 수 있다. 또한, 제 1렌즈들(L1,L3)의 센터에 형성된 픽셀들(P2,P3)에 대응하는 제 2렌즈(L2)는 고굴절율을 갖는 고굴절 렌즈일 수 있다. 예를 들어, 제 1렌즈들(L1,L3)이 제 1굴절율을 갖는다고 가정하면, 제 2렌즈(L2)는 제 2굴절율을 가질 수 있다. 여기서, 제 2굴절율은 제 1굴절율 보다 높은 굴절 계수를 갖는다.
제 2렌즈(L2)는 두 개의 위상차 검출용 제 2픽셀들(P2,P3)에 의해 공유될 수 있다. 일 예로, 제 2픽셀(P2)에 포함된 광전 변환 소자(119b)와 제 2픽셀(P3)에 포함된 광전 변환 소자(119c)는 동일한 제 2렌즈(L2)로부터 수광할 수 있다. 다르게 말하면, 제 2픽셀들(P2,P3)은 서로 인접하여 배치될 수 있으며, 제 2렌즈(L2)가 제 2픽셀들(P2,P3)을 덮도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치(100)에 의하면, 제 1렌즈들(L1,L3)과 제 2렌즈(L2) 중 PDAF(Phase Detection Auto Focus)(즉, 위상차 검출)용 제 2픽셀들(P2,P3)에 대응하는 제 2렌즈(L2)를 제 1렌즈들(L1,L3) 보다 높은 굴절 계수를 갖도록 형성하여, 입사광(LT1)을 반사시켜 크로스 토크(Cross talk) 경로를 차단시킴으로써 집광 효율을 향상시킬 수 있다.
픽셀의 사이즈가 점점 미세화 되면서 빛의 회절 현상으로 인해 입사광(LT1)의 퍼짐 정도가 점점 커져 타겟으로 하는 제 2픽셀(P2,P3)과 인접한 제 1픽셀들(P1,P4)에 까지 입사광(LT1) 이외의 광이 유입될 수 있다. 즉, 도 6의 제 2렌즈(L2)를 고굴절 렌즈로 형성하지 않고 제 1렌즈들(L1,L3)과 동일한 굴절율을 갖도록 형성하는 경우, 제 2픽셀들(P2,P3)로 입사되는 입사광(LT1) 이외의 광이 인접한 제 1픽셀들(P1,P4)로 유입될 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예는, 제 2렌즈(L2)를 고굴절 렌즈로 형성하여 제 1렌즈들(L1,L3) 보다 높은 굴절율을 갖도록 함으로써, 제 2픽셀(P2,P3)로 입사되는 주광선 이외의 회절 광이 인접한 제 1픽셀들(P1,P4)로 유입되지 않을 수 있다.
단위 픽셀 어레이(P_CR_1)에 포함된 광학 필터들(114a~114c)은 복수의 로우들과 복수의 컬럼들을 포함하는 매트릭스로 배열된 픽셀들(P1~P4)에 대응하여 배치됨으로써, 광학 필터 어레이를 구성할 수 있다. 광학 필터들(114a~114c) 각각은 기판(118)의 상부에서 서로 인접하는 광학 그리드 구조들(115a~115d) 사이에 형성될 수 있다. 광학 필터들(114a~114c)은 투과 파장 대역의 광(예컨대, 레드(Red), 그린(Green), 블루(Blue), 마젠타(Magenta), 옐로우(Yellow), 사이언(Cyan), 적외선(infrared) 등)을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 여기서, 투과 파장 대역은 해당 광학 필터가 선택적으로 투과시키려는 광에 대응하는 파장 대역을 의미할 수 있다. 예를 들어, 광학 필터들(114a~114c) 각각은 특정 컬러에 대응하는 유색의 감광성 물질을 포함하거나, 교번적으로 배치된 박막층들을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 제 1픽셀(P1)에 포함된 광학 필터(114a)는 레드 컬러의 광을 흡수할 수 있고, 제 1픽셀(P4)에 포함된 광학필터(114c)는 그린 컬러의 광을 흡수할 수 있다. 또한, 제 2픽셀들(P2,P3)에 포함된 광학필터(114b)는 그린 컬러의 광을 흡수할 수 있다. 즉, 제 2렌즈(L2)를 공유하는 각각의 제 2픽셀들(P2,P3)은 동일한 컬러를 갖는 광학 필터(114b)를 포함할 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예에서 제 2픽셀들(P2,P3)에 포함되는 광학 필터(114b)의 컬러는 제한되지 않는다.
광학 그리드 구조들(115a~115d)은 광학 필터들(114a~114c)에 입사되는 광이 인접한 픽셀로 이동하는 것을 방지하여 광학적 크로스토크를 최소화할 수 있다. 광학 그리드 구조들(115a~115d)은 광학 필터들(114a~114c) 사이에 형성될 수 있다. 두 개의 제 2픽셀들(P2,P3)들은 동일한 컬러로 형성된 광학 필터(114b)와 하나의 제 2렌즈(L2)를 포함할 수 있다. 그러므로, 제 2렌즈(L2)가 형성되는 광학 필터(114b) 내에는 광학 그리드 구조가 형성되지 않을 수 있다.
평탄층(116)은 광학 필터들(114a~114c)과 기판(118) 사이에 형성될 수 있다. 평탄층(116)은 제 1렌즈들(L1,L3) 및 제 2렌즈(L2)와 광학 필터들(114a~114c)을 통해 입사하는 입사광이 반사되는 것을 방지할 수 있다.
기판(118)은 서로 반대측에 위치하는 상부면과 하부면을 포함할 수 있다. 기판(118)의 하부면과 상부면은 각각 전면(front-side)과 후면(back-side)으로 정의될 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 기판(118)은 예를 들어, P형 또는 N형 벌크(bulk) 기판, P형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층(epitaxial layer)이 성장된 기판, 또는 N형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층이 성장된 기판일 수 있다.
기판(118)은 입사광을 전하로 변환하고, 그에 상응하는 전기 신호를 생성하기 위해 단위화소들을 포함할 수 있다. 이를 위하여, 단위 화소들은 광전변환소자(119) 및 복수의 트랜지스터들(미도시)을 포함할 수 있다.
광전 변환 소자들(119a~119d)은 각 픽셀들(P1~P4)마다 독립적으로 배치될 수 있고, 입사광의 세기에 대응하여 광전하(photocharge)를 생성 및 축적할 수 있다.
광전 변환 소자들(119a~119d)은 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 핀형(pinned) 광전 변환 소자 또는 이들의 조합으로 구현될 수도 있다. 광전 변환 소자들(119a~119d)이 포토 다이오드로 구현되는 경우, N형 이온을 주입하는 이온 주입(ion implantation) 공정을 통해 N형 도핑 영역으로 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 광전 변환 소자들(119a~119d)은 복수의 도핑 영역들이 적층된 형태로 형성될 수 있다. 이 경우 하부 도핑 영역은 N+형 이온이 주입되어 형성될 수 있고, 상부 도핑 영역은 N-형 이온이 주입되어 형성될 수 있다. 광전 변환 소자들(119a~119d)은 수광 효율을 나타내는 필 팩터(fill-factor)를 높이기 위해, 가능한 넓은 면적에 걸쳐 형성될 수 있다.
광전 변환 소자들(119a~119d)에 축적된 광전하는 광전 변환 소자들(119a~119d)에 연결된 리드아웃(readout) 회로를 통해 픽셀 신호로 변환되어 컬럼 라인으로 출력될 수 있다. 일 실시예에 따라, 씨모스 이미지 센서에서 단위 화소가 4-트랜지스터 구조를 갖는 경우, 리드아웃 회로는 플로팅 디퓨전 노드, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 소스팔로워 트랜지스터 및 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다.
여기서, 플로팅 디퓨전 노드는 광전 변환 소자들(119a~119d)로부터 광전하를 전달받아 축적하는 영역일 수 있다. 전송 트랜지스터는 로우 드라이버(120)로부터 공급되는 전송 신호에 응답하여 광전 변환 소자들(119a~119d)에 축적된 광전하를 플로팅 디퓨전 노드로 전달할 수 있다. 리셋 트랜지스터는 로우 드라이버(120)로부터 공급되는 픽셀 리셋 신호에 응답하여 플로팅 디퓨전 노드를 리셋 전압(예컨대, 전원 전압)으로 리셋 시킬 수 있다. 소스팔로워 트랜지스터는 게이트에 연결된 플로팅 디퓨전 노드의 전위를 전기 신호로 변환하여 선택 트랜지스터로 전달할 수 있다. 선택 트랜지스터는 로우 드라이버(120)로부터 공급되는 로우 선택 신호에 응답하여 소스팔로워 트랜지스터로부터 출력되는 전기 신호를 픽셀 신호로서 컬럼 라인으로 출력할 수 있다.
일 실시예에 따라, 서로 인접하는 픽셀들(P1~P4) 각각의 광전 변환 소자들(119a~119d) 사이에는 전기적 분리 및 광학적 분리를 위해 소자 분리막들(117a~117e)이 형성될 수 있다. 소자 분리막들(117a~117e)은 광전 변환 소자들(119a~119d)의 좌우에서 트렌치 공정(trench process)을 통해 수직으로 깊게 파인 DTI(deep trench isolation) 구조를 형성할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 위상차 검출용 제 2픽셀들(P2,P3)에 대응하는 제 2렌즈(L2)를 고굴절율을 갖는 고굴절 렌즈로 형성하여 인접 픽셀로 빛이 투과되는 것을 최소화시킴으로써 크로스 토크를 줄일 수 있도록 한다.
도 7 및 도 8은 도 2에 도시된 픽셀 어레이(110)에서 에지 영역(ER1)에 배치된 단위 픽셀 어레이(P_ER1_1,P_ER1_2)의 실시예들을 나타내는 평면도이다.
도 7 및 도 8에 도시된 단위 픽셀 어레이(P_ER1_1,P_ER1_2)의 픽셀들(P1~P16)은 도 4 및 도 5의 구조와 동일하므로, 도 7 및 도 8의 실시예에서 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 도 7 및 도 8의 실시예에서 에지 영역(ER1)에 대한 구조를 일 예로 설명하나, 에지 영역(ER2)에 대한 구조는 광축(OA)을 기준으로 에지 영역(ER1)에 대한 구조와 서로 대칭인 바, 자세한 설명을 생략하기로 한다.
도 7의 실시예에서, 단위 픽셀 어레이(P_ER1_1)의 제 1렌즈들(L1,L3~L15) 및 제 2렌즈(L2)는 픽셀들(P1~P16)의 각각의 중심선을 기준으로 하여 우측으로 쉬프트(Shift) 될 수 있다. 예를 들어, 제 2렌즈(L2)는 제 2픽셀(P2,P3)을 중심으로 우측으로 쉬프트 되어 제 2렌즈(L2)의 우측 일부 영역이 픽셀(P4)의 일부 영역과 오버랩 되도록 배치될 수 있다.
그리고, 도 8의 실시예에서, 단위 픽셀 어레이(P_ER1_2)의 제 1렌즈들(L20,L22~L32) 및 제 2렌즈(L21)는 픽셀들(P1~P16) 각각의 중심선을 기준으로 하여 우측으로 쉬프트(Shift) 될 수 있다. 예를 들어, 제 2렌즈(L21)는 단위 픽셀(P2,P3,P10,P11)을 중심으로 우측으로 쉬프트 되어 제 2렌즈(L21)의 우측 일부 영역이 픽셀(P4,P12)의 일부 영역과 오버랩 되도록 배치될 수 있다.
도 9는 도 7 및 도 8에 대응하는 단위 픽셀 어레이(P_ER1_1,P_ER1_2)의 단면도이다. 도 9를 참조하면, 도 7에 도시된 절단선(C-C')을 따라 제 1렌즈들(L1,L3~L15), 제 2렌즈(L2) 및 도 8에 도시된 절단선(D-D')을 따라 제 1렌즈들(L20,L22~L32), 제 2렌즈(L21)에 대응하는 픽셀들(P1~P4)을 절단한 단면도가 도시되어 있다. 도 9의 실시예에서는 도 7의 단위 픽셀 어레이(P_ER1_1)에 대한 단면을 일 예로 도시하기로 한다.
단위 픽셀 어레이(P_ER1_1)에서 각 픽셀들(P1,P2,P3,P4)에 포함된 구성들은 도 6을 참조하여 이미 설명된 바, 도 6의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 9를 참조하면, 에지 영역(ER1)에서 쉐이딩 편차(Shading variations)를 개선하기 위해, 각 광전 변환 소자(119a~119d)의 중심축을 기준으로 하여 광학 그리드 구조들(115a~115d), 광학 필터들(114a~114c) 및 렌즈들(L1~L3)이 우측 수평 방향으로 쉬프트(Shift)될 수 있다. 즉, 광학 그리드 구조들(115a~115d), 광학 필터들(114a~114c) 및 렌즈들(L1~L3)이 광전 변환 소자들(119a~119d)와 얼라인 되지 않고 해당 단위 픽셀(P1~P4)의 CRA(Chief ray angle)에 대응되게 소정의 간격만큼씩 픽셀 어레이(110)의 중심 방향으로 쉬프트 될 수 있다.
쉬프트 되는 정도는 광학 그리드 구조들(115a~115d), 광학 필터들(114a~114c) 및 렌즈들(L1~L3)이 서로 다를 수 있다. 도 9에서와 같이 광학 필터들(114a~114c)이 광학 그리드 구조들(115a~115d)에 비해 더 많이 쉬프트될 수 있다. 그리고, 렌즈들(L1~L3)이 광학 필터들(114a~114c)에 비해 더 많이 쉬프트될 수 있다.
에지 영역(ER1)에서는 픽셀들(P1~P4)로 입사되는 입사광(LT2)이 기판(118)의 상면에 대해 비스듬히 입사될 수 있다. 입사광(LT2)이 각 픽셀들(P1~P4)의 렌즈들(L1~L3) 중심선을 기준으로 좌측을 향해 입사될 수 있는데, 이는 입사광(LT2)에 대한 집광 및 필터링이 효과적으로 수행되도록 하기 위함이다.
에지 영역(ER1)에서 광학 그리드 구조들(115a~115d), 광학 필터들(114a~114c) 및 렌즈들(L1~L3)이 픽셀 어레이(110)의 중심 방향(즉, 광축(OA) 방향)을 향하여 쉬프트 됨으로써 렌즈 모듈(LM)을 통해 굴절된 빛 중에서 CRA 값이 작은 빛들을 수신할 수 있다. 이에 따라, 에지 영역(ER1)에 배치된 단위 픽셀 어레이(P_ER1_1)는 CRA 값이 작은 빛들을 수신함으로써 픽셀 어레이(110)의 에지 영역(ER1)에 위치함에도 불구하고 수광량을 최적화할 수 있다.
픽셀의 사이즈가 점점 미세화 되면서 빛의 회절 현상으로 인해 입사광(LT2)의 퍼짐 정도가 점점 커져 타겟으로 하는 제 2픽셀들(P2,P3)과 인접한 제 1픽셀(P1)에 까지 입사광(LT2)이 유입될 수 있다. 즉, 도 9의 제 2렌즈(L2)를 고굴절 렌즈로 형성하지 않고 제 1렌즈들(L1,L3)와 동일한 굴절율을 갖도록 형성하는 경우, 제 2픽셀들(P2,P3)로 입사되는 입사광(LT2)이 점선과 같이 제 2픽셀들(P2,P3)을 향해 굴절되지 않고 인접한 제 1픽셀(P1)로 유입될 수 있다. 이러한 경우 신호 대 잡음비를 저하시키는 광학적 크로스토크(optical crosstalk)가 발생할 수 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는, 제 2렌즈(L2)를 고굴절 렌즈로 형성하여 제 1렌즈들(L1,L3) 보다 높은 굴절율을 갖도록 함으로써, 제 2픽셀들(P2,P3)로 입사되는 입사광(LT2)이 실선과 같이 제 2픽셀들(P2,P3)로 반사됨으로써 인접한 제 1픽셀(P1)로 유입되지 않을 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예는 위상차 검출용 제 2픽셀들(P2,P3)에 대응하는 제 2렌즈(L2)를 고굴절율을 갖는 렌즈로 형성하여 인접 픽셀로 빛이 투과되는 것을 최소화시킴으로써 크로스 토크를 줄일 수 있도록 한다.
Claims (20)
- 각각이 광의 세기에 대응하는 광전하를 생성하여 축적하는 복수의 광전 변환 소자들을 포함하는 기판; 및
상기 기판의 상측에 형성되어 상기 복수의 광전 변환 소자들에 대응하는 복수의 렌즈를 포함하고,
상기 복수의 렌즈 중 서로 접하게 배치되는 제 1렌즈와 제 2렌즈는 서로 다른 굴절율을 갖는 이미지 센싱 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1렌즈는 이미지를 검출하기 위한 이미지 검출용 제 1픽셀에 오버랩 되도록 배치되고,
상기 제 2렌즈는 오토 포커싱 동작을 수행하기 위한 위상 검출용 제 2픽셀들에 오버랩 되도록 배치되는 이미지 센싱 장치. - 제 2항에 있어서, 상기 제 2렌즈는
2개의 상기 제 2픽셀들에 오버랩 되도록 배치되는 이미지 센싱 장치. - 제 2항에 있어서, 상기 제 2렌즈는
4개의 상기 제 2픽셀들에 오버랩 되도록 배치되는 이미지 센싱 장치. - 제 1항에 있어서, 상기 기판은
상기 제 1렌즈 및 상기 제 2렌즈의 하부와 상기 기판 사이에 형성되는 광학 필터들;
상기 광학 필터들에 입사되는 광이 인접한 픽셀로 이동하는 것을 방지하는 광학 그리드 구조들;
상기 기판과 상기 광학 필터들 사이에 형성되어 입사광의 반사를 방지하는 평탄층;
상기 제 1렌즈에 대응하도록 배치되는 제 1광전 변환 소자;
상기 제 2렌즈에 대응하도록 배치되는 제 2광전 변환 소자 및 제 3광전 변환 소자; 및
상기 제 1광 변환 소자, 상기 제 2광전 변환 소자 및 상기 제 3광전 변환 소자 사이에 각각 형성되는 소자 분리막들을 더 포함하는 이미지 센싱 장치. - 제 5항에 있어서,
상기 제 1렌즈와 상기 제 2렌즈는 상기 제 1광전 변환 소자, 상기 제 2광전 변환 소자 및 상기 제 3광전 변환 소자를 기준으로 하여 일정 방향으로 쉬프트 되어 배치되는 이미지 센싱 장치. - 제 1픽셀에 오버랩 되도록 배치되며 제 1굴절율을 갖는 제 1렌즈; 및
복수의 제 2픽셀들에 오버랩 되도록 배치되며 제 2굴절율을 갖는 제 2렌즈를 포함하고,
상기 제 2굴절율은 상기 제 1굴절율 보다 높은 이미지 센싱 장치. - 제 7항에 있어서,
상기 제 1픽셀은 이미지를 검출하기 위한 이미지 검출용 픽셀이고,
상기 복수의 제 2픽셀들은 오토 포커싱 동작을 수행하기 위한 위상 검출용 픽셀인 이미지 센싱 장치. - 제 7항에 있어서, 상기 제 2렌즈는
2개의 제 2픽셀들에 오버랩 되도록 배치되는 이미지 센싱 장치. - 제 7항에 있어서, 상기 제 2렌즈는
4개의 제 2픽셀들에 오버랩 되도록 배치되는 이미지 센싱 장치. - 제 7항에 있어서,
상기 제 1렌즈와 상기 제 2렌즈는 서로 접하게 형성되는 이미지 센싱 장치. - 제 7항에 있어서,
상기 제 1픽셀 및 상기 복수의 제 2픽셀들을 포함하는 단위 픽셀 어레이는 평면 상에서 렌즈 모듈의 광축을 기준으로 하여 중앙 영역에 배치되는 이미지 센싱 장치. - 제 7항에 있어서,
상기 제 1렌즈 및 상기 제 2렌즈의 하부와 기판 사이에 형성되는 광학 필터들;
상기 광학 필터들에 입사되는 광이 인접한 픽셀로 이동하는 것을 방지하는 광학 그리드 구조들;
상기 제 1픽셀 및 상기 복수의 제 2픽셀마다 독립적으로 배치되는 광전 변환 소자들;
상기 기판과 상기 광학 필터들 사이에 형성되어 입사광의 반사를 방지하는 평탄층; 및
상기 광전 변환 소자들 사이에 형성된 소자 분리막들을 더 포함하는 이미지 센싱 장치. - 제 13항에 있어서,
상기 제 2렌즈의 하부에 배치되는 광학 필터들은 동일한 컬러를 갖는 이미지 센싱 장치. - 복수의 픽셀들;
상기 복수의 픽셀들의 상부에 형성되며 제 1굴절율을 갖는 제 1렌즈; 및
상기 복수의 픽셀들의 상부에 형성되며 상기 제 1굴절율과 다른 제 2굴절율을 갖는 제 2렌즈를 포함하며,
상기 제 1렌즈와 상기 제 2렌즈는 서로 접하여 형성되는 이미지 센싱 장치. - 제 15항에 있어서,
상기 제 1렌즈와 상기 제 2렌즈는 상기 복수의 픽셀들 각각의 중심선을 기준으로 하여 일정 방향으로 쉬프트 되어 배치되는 이미지 센싱 장치. - 제 16항에 있어서,
상기 복수의 픽셀들을 포함하는 단위 픽셀 어레이는
평면 상에서 렌즈 모듈의 광축이 지나는 중앙영역을 기준으로 하여 상기 중앙 영역을 둘러싸는 에지 영역에 배치되는 이미지 센싱 장치. - 제 15항에 있어서, 상기 복수의 픽셀들은
상기 제 1렌즈 및 상기 제 2렌즈의 하부와 기판 사이에 형성되는 광학 필터들;
상기 광학 필터들에 입사되는 광이 인접한 픽셀로 이동하는 것을 방지하는 광학 그리드 구조들;
상기 제 1픽셀 및 상기 복수의 제 2픽셀마다 독립적으로 배치되는 광전 변환 소자들;
상기 기판과 상기 광학 필터들 사이에 형성되어 입사광의 반사를 방지하는 평탄층; 및
상기 광전 변환 소자들 사이에 형성된 소자 분리막들을 포함하는 이미지 센싱 장치. - 제 18항에 있어서, 상기 광학 그리드 구조들은
상기 광전 변환 소자들을 기준으로 하여 일정 방향으로 쉬프트 되는 이미지 센싱 장치. - 제 19항에 있어서, 상기 광학 필터들은
상기 광학 그리드 구조들을 기준으로 하여 일정 방향으로 쉬프트 되는 이미지 센싱 장치.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210033101A KR20220128698A (ko) | 2021-03-15 | 2021-03-15 | 이미지 센싱 장치 |
| CN202111298254.2A CN115086582A (zh) | 2021-03-15 | 2021-11-04 | 图像感测装置 |
| US17/522,615 US20220293659A1 (en) | 2021-03-15 | 2021-11-09 | Image sensing device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210033101A KR20220128698A (ko) | 2021-03-15 | 2021-03-15 | 이미지 센싱 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220128698A true KR20220128698A (ko) | 2022-09-22 |
Family
ID=83194058
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210033101A KR20220128698A (ko) | 2021-03-15 | 2021-03-15 | 이미지 센싱 장치 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20220293659A1 (ko) |
| KR (1) | KR20220128698A (ko) |
| CN (1) | CN115086582A (ko) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220139740A (ko) * | 2021-04-08 | 2022-10-17 | 삼성전자주식회사 | 오토 포커스 픽셀을 포함하는 이미지 센서 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013021168A (ja) * | 2011-07-12 | 2013-01-31 | Sony Corp | 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、電子機器 |
| KR20160008364A (ko) * | 2014-07-14 | 2016-01-22 | 삼성전자주식회사 | 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 영상 촬영 장치 |
| KR102375989B1 (ko) * | 2017-08-10 | 2022-03-18 | 삼성전자주식회사 | 화소 사이의 신호 차이를 보상하는 이미지 센서 |
-
2021
- 2021-03-15 KR KR1020210033101A patent/KR20220128698A/ko unknown
- 2021-11-04 CN CN202111298254.2A patent/CN115086582A/zh active Pending
- 2021-11-09 US US17/522,615 patent/US20220293659A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20220293659A1 (en) | 2022-09-15 |
| CN115086582A (zh) | 2022-09-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102437162B1 (ko) | 이미지 센서 | |
| KR102577844B1 (ko) | 이미지 센서 | |
| US11955497B2 (en) | Image sensor | |
| US8772892B2 (en) | Solid state imaging device | |
| US10707253B2 (en) | Image sensor | |
| KR102570048B1 (ko) | 이미지 센서 | |
| WO2008100402A2 (en) | Microlenses for irregular pixels | |
| KR20220128698A (ko) | 이미지 센싱 장치 | |
| US20230187461A1 (en) | Image sensing device | |
| US11659293B2 (en) | Image sensing device for sensing high dynamic range images including air layer | |
| US11637137B2 (en) | Pixel group and pixel array of image sensor | |
| KR20220090079A (ko) | 이미지 센싱 장치 | |
| KR20220105850A (ko) | 이미지 센싱 장치 | |
| CN102569327A (zh) | 内置菲涅耳透镜的图像传感器及其制造方法 | |
| US11869913B2 (en) | Pixel array of image sensor and method of manufacturing the same | |
| US20240313023A1 (en) | Image sensing device | |
| US11889217B2 (en) | Image sensor including auto-focus pixels | |
| CN114339096B (zh) | 图像感测装置 | |
| US20220181371A1 (en) | Image sensing device | |
| KR20220085542A (ko) | 이미지 센싱 장치 | |
| US20230075346A1 (en) | Image sensing device | |
| KR102396031B1 (ko) | 이미지 센서 및 이를 구비하는 전자장치 |