KR20220162583A

KR20220162583A - 이미지 센서의 픽셀 어레이 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR20220162583A
Application number: KR1020210102325A
Authority: KR
Inventors: 금동민; 김태한; 김범석; 박준성; 이광희; 이윤기
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2021-06-01
Filing date: 2021-08-04
Publication date: 2022-12-08

Abstract

이미지 센서의 픽셀 어레이는, 복수의 픽셀 그룹들을 포함하고, 상기 복수의 픽셀 그룹들의 각각의 픽셀 그룹은 복수의 단위 픽셀들, 컬러 필터 및 복수의 마이크로 렌즈들을 포함한다. 상기 복수의 단위 픽셀들은 반도체 기판에 배치되는 광전 변환 소자들을 각각 포함하고 서로 인접한다. 상기 컬러 필터는 상기 복수의 단위 픽셀들에 의해 공유된다. 상기 복수의 마이크로 렌즈들은 상기 컬러 필터 상에 배치되고, 상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들에 입사광을 각각 집광하고, 서로 다른 사이즈들을 갖는다. 마이크로 렌즈들의 사이즈를 조절하여 단위 픽셀들의 센싱 감도 편차를 감소함으로써 이미지 센서에 의해 캡쳐되는 이미지의 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

이미지 센서의 픽셀 어레이 및 이의 제조 방법{Pixel array of image sensor and method of manufacturing the same}

본 발명은 반도체 집적 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 픽셀들 사이의 센싱 감도의 편차를 감소하는 이미지 센서의 픽셀 어레이 및 상기 픽셀 어레이의 제조 방법에 관한 것이다.

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.

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 픽셀의 소형화에 따라, 크로스토크(cross talk)에 의한 픽셀들의 센싱 감도의 편차가 증가하고 있다. 크로스토크는 마이크로 렌즈 및 컬러 필터를 통과하여 입사된 광이 해당 픽셀이 아닌 인접 픽셀로 전달되는 광학적(optical) 크로스토크와, 입사광에 의해 생성된 광전하가 인접 픽셀로 전달되는 전기적(electrical) 크로스토크로 구분할 수 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은, 픽셀들 사이의 센싱 감도의 편차를 감소하기 위한 마이크로 렌즈들을 포함하는 픽셀 어레이 및 상기 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 일 목적은, 픽셀들 사이의 센싱 감도의 편차를 감소하기 위한 마이크로 렌즈들을 포함하는 픽셀 어레이의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이는, 복수의 픽셀 그룹들을 포함하고, 상기 복수의 픽셀 그룹들의 각각의 픽셀 그룹은 복수의 단위 픽셀들, 컬러 필터 및 복수의 마이크로 렌즈들을 포함한다.

상기 복수의 단위 픽셀들은 반도체 기판에 배치되는 광전 변환 소자들을 각각 포함하고 서로 인접한다. 상기 컬러 필터는 상기 복수의 단위 픽셀들에 의해 공유된다. 상기 복수의 마이크로 렌즈들은 상기 컬러 필터 상에 배치되고, 상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들에 입사광을 각각 집광하고, 서로 다른 사이즈들을 갖는다.

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 포함하고 서로 인접하는 복수의 단위 픽셀들, 상기 복수의 단위 픽셀들에 의해 공유되는 컬러 필터 및 상기 컬러 필터 상에 배치되고, 상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들에 입사광을 각각 집광하고, 상기 복수의 단위 픽셀들의 센싱 감도들에 상응하는 사이즈들을 갖는 복수의 마이크로 렌즈들을 포함한다.

상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이의 제조 방법은, 단위 픽셀들 및 균일한 사이즈를 갖는 제1 마이크로 렌즈들을 포함하는 제1 픽셀 어레이를 이용하여 상기 단위 픽셀들의 센싱 감도들을 측정하는 단계, 상기 센싱 감도들에 상응하는 제2 마이크로 렌즈들의 사이즈들을 결정하는 단계 및 상기 단위 픽셀 및 상기 제2 마이크로 렌즈들을 포함하는 제2 픽셀 어레이를 제조하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이, 이미지 센서 및 픽셀 어레이의 제조 방법은 마이크로 렌즈들의 사이즈를 조절하여 단위 픽셀들의 센싱 감도 편차를 감소함으로써 이미지 센서에 의해 캡쳐되는 이미지의 품질을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함되는 픽셀 그룹의 레이아웃을 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1의 픽셀 그룹의 수직 구조의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 센싱 감도 편차의 감소를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a, 4b 및 4c는 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이의 제조 과정을 나타내는 도면들이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함되는 트렌치 구조체의 실시예들을 나타내는 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 일 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 센싱 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이의 레이아웃을 나타내는 평면도이다.
도 10a 내지 10e는 도 9의 픽셀 어레이에 포함되는 4*4 사이즈의 단위 패턴의 실시예들을 나타내는 평면도들이다.
도 11a 내지 11c는 도 9의 픽셀 어레이에 포함되는 8*8 사이즈의 단위 패턴의 실시예들을 나타내는 평면도들이다.
도 12는 도 9의 픽셀 어레이에 포함되는 6*6 사이즈의 단위 패턴의 실시예를 나타내는 평면도이다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이의 제조 방법을 위한 단위 픽셀들의 센싱 감도 측정의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 센싱 감도 편차의 감소를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 전자 장치의 블록도이다.
도 17은 도 16의 전자 장치에 포함되는 카메라 모듈을 나타내는 블록도이다.

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.

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.

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. 한편, 도면에는 도시의 편의상 마이크로 렌즈가 원형의 형태로 도시되지만, 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니며, 마이크로 렌즈는 사각형, 타원형 등과 같은 다양한 형태를 가질 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함되는 픽셀 그룹의 레이아웃을 나타내는 평면도이고, 도 2는 도 1의 픽셀 그룹의 수직 구조의 일 실시예를 나타내는 단면도이다. 도 2는 도 1의 A-A' 선을 따라 절단한 단면도이다. 도 1 및 2에는 도시의 편의상 픽셀 어레이에 포함되는 복수의 픽셀 그룹들 중에서 하나의 픽셀 그룹(PXG1, PXG2)에 상응하는 구조가 도시되어 있다.

도 1 및 2를 참조하면, 픽셀 어레이는 수직 방향(DR3)으로 반도체 기판(100), 배선층(200) 및 광 투과층(300)을 포함할 수 있다. BSI 구조의 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.

픽셀 그룹(PXG)은 복수의 단위 픽셀들(PX11, PX12, PX21, PX22, 즉 PX11~PX22), 트렌치 구조체들(400, 500) 및 복수의 마이크로 렌즈들(MLS11, MLS12, MLS21, MLS22, 즉 MLS11~MSL22)를 포함할 수 있다.

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 개수는 다양하게 결정될 수 있다. 즉 하나의 픽셀 그룹(PXG)에 포함되는 단위 픽셀들의 개수는 다양하게 결정될 수 있다.

복수의 단위 픽셀들(PX11~PX22)은 반도체 기판(100)에 배치되는 복수의 광전 변환 소자들(PD11, PD12, PD21, PD22, 즉 PD11~PD22)을 각각 포함하고 서로 인접할 수 있다. 외부에서 입사된 광은 광전 변환 소자들(PD11~PD22)에서 전기적 신호들로 변환될 수 있다.

트렌치 구조체들(400)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)은 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, 트렌치 구조체들(400)은 복수의 광전 변환 소자들(PD11, PD12, PD21, PD22)간의 크로스토크 현상을 방지할 수 있다.

광 투과층(300)은 컬러 필터(CF) 및 복수의 마이크로 렌즈들(MLS11~MLS22)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 복수의 단위 픽셀들(PX11~PX22)에 의해 공유되는 컬러 필터(CF)가 배치되고, 복수의 단위 픽셀들(PX11~PX22)에 각각 상응하는 복수의 마이크로 렌즈들(MLS11~MLS22)가 컬러 필터(CF) 상에 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 복수의 마이크로 렌즈들(MLS11~MLS22) 사이에 제 2 평탄막(320)이 배치될 수 있다.

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 복수의 단위 픽셀들(PX11~PX22)은 동일한 컬러에 해당하는 하나의 컬러 필터(CF)를 공유할 수 있다.

복수의 마이크로 렌즈들(MLS11~MLS22)은 복수의 단위 픽셀들(PX11~PX22)에 포함되는 광전 변환 소자들(PD11~PD22)에 입사광을 각각 집광할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따라서, 복수의 마이크로 렌즈들(MLS11~MLS22)은 복수의 단위 픽셀들(PX11~PX22)의 센싱 감도들에 상응하는 사이즈들을 갖는다.

일 실시예에서, 복수의 마이크로 렌즈들(MLS11~MLS22) 중 각각의 마이크로 렌즈의 사이즈는 복수의 단위 픽셀들(PX11~PX22 중 상기 각각의 마이크로 렌즈에 상응하는 각각의 단위 픽셀의 센싱 감도에 반비례할 수 있다.

일 실시예에서, 복수의 단위 픽셀들(PX11~PX22)의 그룹 평균 센싱 감도보다 작은 단위 픽셀에 상응하는 마이크로 렌즈의 사이즈는 복수의 마이크로 렌즈들(MLS11~MLS22)의 그룹 평균 사이즈보다 작고, 상기 평균 센싱 감도보다 큰 단위 픽셀에 상응하는 마이크로 렌즈의 사이즈는 상기 평균 사이즈보다 작을 수 있다.

예를 들어, 복수의 단위 픽셀들(PX11~PX22)은 제1 센싱 감도를 갖는 제1 단위 픽셀(PX11) 및 상기 제1 센싱 감도보다 작은 제2 센싱 감도를 갖는 제2 단위 픽셀(PX12)을 포함할 수 있다.

복수의 마이크로 렌즈들(MLS11~MLS12)은 제1 단위 픽셀(PX11)에 포함되는 제1 광전 변환 소자(PD11)에 입사광을 집광하는 제1 마이크로 렌즈(MLS11) 및 제2 단위 픽셀(PX12)에 포함되는 제2 광전 변환 소자(PD12)에 입사광을 집광하는 제2 마이크로 렌즈(MLS1를 포함할 수 있다.

이 경우, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 마이크로 렌즈(MLS11)의 사이즈(SZ11)는 제2 마이크로 렌즈(MLS12)의 사이즈(SZ12)보다 작을 수 있다.

복수의 단위 픽셀들(PX11~PX22)은 모두 동일한 사이즈를 갖는다. 다시 말해, 트렌치 구조체들(400)은 제1 수평 방향(DR1) 및 제2 수평 방향으로 각각 균일한 피치를 갖는 격자 형상으로 구현될 수 있다. 또한, 복수의 단위 픽셀들(PX11~PX22)은 모두 동일한 공정에 의해 동일한 공정 조건으로 형성될 수 있다. 따라서, 복수의 단위 픽셀들(PX11~PX22)은 이상적으로 모두 동일한 센싱 감도를 가져야 하지만, 공정 편차 등으로 인하여 단위 픽셀마다 서로 다른 센싱 감도를 가질 수 있다. 또한, 인접하는 다른 컬러 필터에 해당하는 픽셀 그룹들 사이의 크로스토크에 의해 각각의 픽셀 그룹 내의 단위 픽셀의 위치에 따라서 센싱 감도가 달라질 수 있다.

병합된(Merged) 컬러 필터 구조를 가지고 있는 제품에서 동일한 컬러 필터에 해당하는 단위 픽셀들의 센싱 감도는 이상적으로는 동일해야 하지만 주변에 위치한 다른 컬러 필터에 해당하는 단위 픽셀들로부터 받는 crosstalk 영향이 다르기 때문에 동일한 컬러 필터에 해당하는 단위 픽셀들이라고 하더라도 픽셀 간 센싱 감도 차이가 발생하게 되고, 이 차이가 클수록 화질 열화에 큰 영향을 미치게 된다.

본 발명의 실시예들에 따라서, 동일한 컬러 필터에 해당하는 단위 픽셀들 간의 센싱 감도 차이를 줄이기 위해 마이크로 렌즈들의 사이즈들을 조절하여 센싱 감도 차이를 보상할 수 있다. 도 1에는 도시 및 설명의 편의상 4개의 단위 픽셀들(PX11~PX2)이 동일한 컬러 필터(CF)를 공유하는 실시예를 도시하고 있으나 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다. 도 9 내지 12를 참조하여 설명하는 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 2개 이상의 단위 픽셀들이 동일한 컬러 필터를 공유하는 모든 컬러 필터 어레이에 적용될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이 마이크로 렌즈들의 사이즈를 조절하여 단위 픽셀들의 센싱 감도 편차를 감소함으로써 이미지 센서에 의해 캡쳐되는 이미지의 품질을 향상시킬 수 있다.

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.

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, 광전 변환 소자들(PD11~PD22)은 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.

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.

도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 센싱 감도의 조절을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 제1 단위 픽셀(PX11)은 제1 센싱 감도를 갖고 제2 단위 픽셀(PX12)은 상기 제1 센싱 감도보다 작은 제2 센싱 감도를 가질 수 있다. 이 경우, 제1 단위 픽셀(PX11)에 상응하는 제1 마이크로 렌즈(MLS11)의 제1 사이즈(SZ11)는 제2 단위 픽셀(PX12)에 상응하는 제2 마이크로 렌즈(MLS12)의 제2 사이즈(SZ12)보다 작게 구현될 수 있다.

이 경우, 상대적으로 작은 제1 사이즈(SZ11)의 제1 마이크로 렌즈(MLS11)에 의해 제1 광전 변환 소자(PD11)에 의해 집광되는 입사광의 세기는 상대적으로 큰 제2 사이즈(SZ12)의 제2 마이크로 렌즈(MLS12)에 의해 제2 광전 변환 소자(PD12)에 의해 집광되는 입사광의 세기보다 작게 된다. 따라서, 제1 단위 픽셀(PX11)의 제1 센싱 감도는 상대적으로 증가하게 되고 제2 단위 픽셀(PX12)의 제2 센싱 감도는 상대적으로 감소하게 되고, 결과적으로 제1 단위 픽셀(PX11) 및 제2 단위 픽셀(PX12)의 센싱 감도 편차가 감소될 수 있다.

도 4a, 4b 및 4c는 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이의 제조 과정을 나타내는 도면들이다. 이하 도 1 및 2와 중복되는 설명은 생략한다. 또한, 그 밖의 구성요소들은 당업자들에게 알려진 임의의 제조 과정들에 따라서 형성될 수 있고, 이하에서는 도 4a, 4b 및 4c를 참조하여 마이크로 렌즈들의 제조 과정만을 설명한다.

도 4a를 참조하면, 제2 평탄막(320) 상에 마이크로 렌즈들을 형성하기 위한 물질 층(330)을 형성한다. 물질 층(330)은 소정의 굴절률을 갖는 물질, 예를 들어, 폴리이미드, SiN, SiO2, SiON, HfOx, TiO2, AL2O3 등의 물질로 형성될 수 있다. 실시예들에 따라서, 제2 평탄막(320)은 생략될 수 있으며, 이 경우 물질 층(330)은 컬러 필터(CF) 상에 형성될 수 있다.

이후, 물질 층(330) 상에 전술한 바와 같은 센싱 감도들에 상응하는 사이즈들을 갖는 마스크 패턴들을 형성한다. 예를 들어, 제1 단위 픽셀(PX11)은 제1 센싱 감도를 갖고 제2 단위 픽셀(PX12)은 상기 제1 센싱 감도보다 작은 제2 센싱 감도를 가질 수 있다. 이 경우, 도 4a에 도시된 바와 같이, 제1 단위 픽셀(PX11)에 상응하는 제1 마스크 패턴(MPTT11)의 제1 사이즈(SZ11)는 제2 단위 픽셀(PX12)에 상응하는 제2 마스크 패턴(MPTT12)의 제2 사이즈(SZ12)보다 작게 구현될 수 있다.

마스크 패턴들(MPTT11, MPTT12)은 포토 공정을 통해 형성하고, 감광성 레지스트로 형성할 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 제1 마스크 패턴(MPTT11)은 제1 픽셀(PX11)에 대응하는 위치에 제2 마스크 패턴(MPTT12)은 제2 픽셀(PX12)에 대응하는 위치에, 서로 이격되도록 형성될 수 있다.

도 4b를 참조하면, 마스크 패턴들(MPTT11, MPTT12)을 형성한 후 리플로우 공정을 진행하여 리플로우 패턴들(RPTT11, RPTT12)을 형성한다. 리플로우 공정은, 예를 들어, 스텝퍼를 이용한 블랭크 노광, 및 열 공정을 진행하여 수행할 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 리플로우 공정을 통해 형성된 리플로우 패턴들(RPTT11, RPTT12)은 반구와 유사한 형태를 가지며 서로 공간적으로 이격될 수 있다.

도 4c를 참조하면, 리플로우 패턴들(RPTT11, RPTT12)을 마스크로 하여 에치백 공정을 수행하여 마이크로 렌즈들(MLS11, MLS12)을 형성한다. 에치백 공정은 리플로우 패턴들(RPTT11, RPTT12)이 완전히 제거될 때까지 수행될 수 있다. 이러한, 리플로우 패턴들(RPTT11, RPTT12)을 이용한 에치백 공정을 통해 마이크로 렌즈들(MLS11, MLS12)은 상부로 볼록한 구조를 가질 수 있다. 다시 말해서, 에치백 공정을 통해 리플로우 패턴들(RPTT11, RPTT12)의 형태가 물질 층(330)에 그대로 전사됨으로써, 리플로우 패턴들(RPTT11, RPTT12)과 유사한 형태의 마이크로 렌즈들(MLS11, MLS12)이 형성될 수 있다.

이와 같이, 단위 픽셀들(PX11, PX12)의 센싱 감도들에 상응하는 사이즈들(SZ11, SZ12)을 갖는 마스크 패턴들(MPTT11, MPTT12)을 형성하고, 이러한 마스크 패턴들(MPTT11, MPTT12)을 이용하여 리플로우 공정 및 에치백 공정을 수행하여 단위 픽셀들(PX11, PX12)의 센싱 감도들에 상응하는 사이즈들(SZ11, SZ12)을 갖는 마이크로 렌즈들(MLS11, MLS12)을 형성할 수 있다.

도 5a 및 5b는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이에 포함되는 트렌치 구조체의 실시예들을 나타내는 단면도들이다. 도 5a 및 5b는 도 1의 A-A' 선을 따라 절단한 단면도이다. 도 5a 및 5b에는 도시의 편의상 픽셀 어레이에 포함되는 복수의 픽셀 그룹들 중에서 하나의 픽셀 그룹(PXG1, PXG2)에 상응하는 구조가 도시되어 있다. 이하 도 1 및 2와 중복되는 설명을 생략한다.

트렌치 구조체들(400)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)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 언도우프트 폴리실리콘막, 공기(air) 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.

이러한 트렌치 구조체들(400)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.

일 실시예에서, 도 5a에 도시된 바와 같이, 트렌치 구조체들(400)의 각각은 트렌치의 양쪽의 측면들이 투명 유전체(410)로 코팅되고 상기 트렌치의 가운데 부분이 투명 유전체(410)와 다른 물질(420)로 채워질 수 있다. 예를 들어, 투명 유전체(410)는 산화물이고 가운데 물질(420)은 질화물일 수 있다. 즉 트렌치 구조체들(400)의 각각은 수평 방향으로 ONO(oxide-nitride-oxide) 구조를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 트렌치 구조체들(400)의 각각은 트렌치의 전부가 투명 유전체(410)로 채워질 수 있다.

일 실시예에서, 도 5b에 도시된 바와 같이, 트렌치 구조체들(400)의 각각은 반도체 기판(100)의 전면(100a)으로부터 수행되는 프론트 트렌치 공정에 의해 형성되는 상부 트렌치 구조체(400t) 및 반도체 기판(100)의 후면(100b)으로부터 수행되는 백 트렌치 공정에 의해 형성되는 하부 트렌치 구조체(400b)를 포함할 수 있다.

실시예에 따라서, 상부 트렌치 구조체(400t) 및 하부 트렌치 구조체(400b)는 서로 다른 구조 또는 서로 다른 조성을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상부 트렌치 구조체(400t)는 양쪽의 측면들이 투명 유전체(410)로 코팅되고 상기 트렌치의 가운데 부분이 투명 유전체(410)와 다른 물질(420)로 채워지고, 하부 트렌치 구조체(400b)는 전부 투명 유전체(410)로 채워질 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.

도 6을 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.

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 9 내지 12를 참조하여 후술하는 바와 같이 다양한 단위 패턴들이 제1 수평 방향(DR1) 및 제 수평 방향(DR2)으로 반복적으로 배열되는 구조를 가질 수 있다.

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.

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.

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.

칼럼 구동부(650)는 아날로그-디지털 변환부(640)로부터의 디지털 신호들을 출력 데이터(Dout)로서 순차적으로 출력할 수 있다.

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.

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.

도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 일 실시예를 나타내는 회로도이다.

도 7을 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.

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.

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.

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.

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.

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.

도 7에는 하나의 포토다이오드(PD)와 4개의 트랜지스터들(TX, RX, DX, SX)을 구비하는 단위 픽셀을 예시하고 있지만 본 발명에 따른 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다.

도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 센싱 동작을 나타내는 타이밍도이다.

도 8에는 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.

도 6 내지 8을 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

이후, 이미지 센서(600)는 다른 행들에 대해 상기 설명한 동작을 반복하면서 행 단위로 디지털 신호를 출력한다.

이상 본 발명의 이해를 돕기 위하여 도 6 내지 8을 참조하여 예시적인 이미지 센서의 구성 및 센싱 동작을 설명하였으나 본 발명의 실시예들이 이에 한정되는 것은 아니다.

도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이의 레이아웃을 나타내는 평면도이다.

도 9를 참조하면, 도 6의 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 컬러 필터를 공유하는 픽셀 그룹을 2개 이상 포함할 수 있다.

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.

이하 도 10a 내지 12를 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.

도 11a 내지 12에서, 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 픽셀들은 하나의 컬러 필터(CF)를 공유할 수 있다.

도 10a 내지 10e는 도 9의 픽셀 어레이에 포함되는 4*4 사이즈의 단위 패턴의 실시예들을 나타내는 평면도들이다.

도 10a 내지 10e를 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.

일 실시예에서, 도 10a의 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.

일 실시예에서, 도 10b의 단위 패턴(UPTT2)과 같이, 제1 내지 제4 픽셀 그룹들(PXG11~PXG22)의 각각은 4개의 백색 픽셀들(W)을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 도 10c의 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.

일 실시예에서, 도 10d의 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.

일 실시예에서, 도 10e의 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.

도 11a 내지 11c는 도 9의 픽셀 어레이에 포함되는 8*8 사이즈의 단위 패턴의 실시예들을 나타내는 평면도들이다.

도 11a를 참조하면, 8*8 사이즈의 단위 패턴(UPTT6)은 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 4개의 픽셀 행들 및 4개의 픽셀 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 16개의 단위 픽셀들을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 도 11a의 단위 패턴(UPTT6)과 같이, 제1 픽셀 그룹(PXG11)은 16개의 적색 픽셀들(R)을 포함하고, 제2 및 3 픽셀 그룹들(PXG12, PXG21)의 각각은 16개의 녹색 픽셀들(G)을 포함하고, 제 제4 픽셀 그룹(PXG22)은 16개의 청색 픽셀들(B)을 포함할 수 있다.

도 11b 및 11c를 참조하면, 8*8 사이즈의 단위 패턴들(UPTT7, UPTT8)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.

일 실시예에서, 도 11b의 단위 패턴(UPTT7)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.

일 실시예에서, 도 11c의 단위 패턴(UPTT8)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, 제3 및 제15 픽셀 그룹들(PXG21, PXG43)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, 제7 및 제11 픽셀 그룹들(PXG23, PXG41)의 각각은 4개의 청색 픽셀들(B)을 포함할 수 있다.

도 12는 도 9의 픽셀 어레이에 포함되는 6*6 사이즈의 단위 패턴의 실시예를 나타내는 평면도이다.

도 12를 참조하면, 6*6 사이즈의 단위 패턴(UPTT9)은 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 3개의 픽셀 행들 및 3개의 픽셀 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 9개의 단위 픽셀들을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 도 12의 단위 패턴(UPTT9)과 같이, 제1 픽셀 그룹(PXG11)은 9개의 적색 픽셀들(R)을 포함하고, 제2 및 3 픽셀 그룹들(PXG12, PXG21)의 각각은 9개의 녹색 픽셀들(G)을 포함하고, 제 제4 픽셀 그룹(PXG22)은 9개의 청색 픽셀들(B)을 포함할 수 있다.

도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이의 제조 방법을 나타내는 순서도이고, 도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이의 제조 방법을 위한 단위 픽셀들의 센싱 감도 측정의 일 실시예를 나타내는 도면이다.

도 13 및 14를 참조하면, 단위 픽셀들 및 균일한 사이즈를 갖는 제1 마이크로 렌즈들을 포함하는 제1 픽셀 어레이를 이용하여 상기 단위 픽셀들의 센싱 감도들을 측정한다(S100).

예를 들어, 도 14에 도시된 바와 같이, 면 광원(10)을 이용하여 일정한 조도를 갖는 입사광을 생성하고, 이미지 센서의 광학 렌즈 또는 모듈 렌즈(20)를 이용하여 제1 픽셀 어레이(30)에 균일한 세기의 입사광을 조사할 수 있다. 제1 픽셀 어레이(30)에 포함되는 마이크로 렌즈들(31) 및 단위 픽셀들(PX, 32)은 모두 균일한 사이즈를 갖는다.

상기 센싱 감도들에 상응하는 제2 마이크로 렌즈들의 사이즈들을 결정한다(S200).

일 실시예에서, 동일한 컬러의 단위 픽셀들의 컬러별 평균 센싱 감도를 결정하고, 상기 컬러별 평균 센싱 감도에 기초하여 마이크로 렌즈들의 사이즈들을 결정할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 평균 센싱 감도에 대한 상기 동일한 컬러의 각각의 단위 픽셀의 센싱 감도의 비율을 결정하고, 상기 비율에 반비례하도록 상기 각각의 단위 픽셀에 상응하는 각각의 마이크로 렌즈의 사이즈를 결정할 수 있다.

상기 단위 픽셀 및 상기 제2 마이크로 렌즈들을 포함하는 제2 픽셀 어레이를 제조한다(S300). 도 4a 내지 4c를 참조하여 전술한 바와 같이, 단위 픽셀들(32)의 센싱 감도들에 상응하는 사이즈들을 갖는 마스크 패턴들을 형성하고, 상기 마스크 패턴들을 이용하여 리플로우 공정 및 에치백 공정을 수행하여 상기 제2 마이크로 렌즈들을 형성할 수 있다.

도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 센싱 감도 편차의 감소를 나타내는 도면이다.

도 15에서 가로축은 픽셀 어레이 내에서의 동일한 컬러에 해당하는 픽셀 그룹들의 위치를 나타내고, 세로축은 동일한 컬러의 픽셀 그룹들의 전체 평균 센싱 감도에 대한 각각의 픽셀 그룹의 그룹 평균 센싱 감도의 비율 또는 동일한 컬러의 픽셀 그룹들에 상응하는 마이크로 렌즈들의 전체 평균 사이즈에 대한 각각의 픽셀 그룹의 그룹 평균 사이즈의 비율을 나타낸다.

도 15에는 균일한 사이즈를 갖는 제1 마이크로 렌즈들을 포함하는 제1 픽셀 어레이를 이용하여 측정된 그룹 평균 센싱 감도들을 나타내는 제1 센싱 감도 분포(51), 본 발명의 실시예들에 따라서 센싱 감도들에 상응하는 사이즈들을 갖는 제2 마이크로 렌즈들을 포함하는 제2 픽셀 어레이의 그룹 평균 사이즈들을 나타내는 사이즈 분포(52) 및 상기 제2 마이크로 렌즈들을 포함하는 제2 픽셀 어레이를 이용하여 측정된 그룹 평균 센싱 감도들을 나타내는 제2 센싱 감도 분포(53)가 도시되어 있다.

픽셀 어레이에 포하모디는 복수의 픽셀 그룹들은 상기 픽셀 어레이의 서로 다른 위치들에 배치되고 동일한 컬러의 컬러 필터들을 각각 포함하는 제1 픽셀 그룹 및 제2 픽셀 그룹을 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 픽셀 그룹은 도 15의 제1 센싱 감도 분포(51)의 왼쪽 부분에 위치하고, 상기 제2 픽셀 그룹은 도 15의 제1 센싱 감도 분포(51)의 왼쪽 부분에 위치할 수 있다.

이 경우, 상기 제1 픽셀 그룹에 포함되는 복수의 단위 픽셀들은 제1 그룹 평균 센싱 감도를 갖고, 상기 제2 픽셀 그룹에 포함되는 복수의 단위 픽셀들은 상기 제1 그룹 평균 센싱 감도보다 작은 제2 그룹 평균 센싱 감도를 갖는다.

도 15에 도시된 바와 같이, 제2 픽셀 어레이에 포함되는 마이크로 렌즈들의 사이즈 분포(52)는, 비율이 0인 수평선을 중심으로 제1 픽셀 어레이의 제1 센싱 감도 분포(51)와 대칭을 이룰 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 픽셀 그룹에 포함되는 복수의 마이크로 렌즈들의 제1 그룹 평균 사이즈는 상기 제2 픽셀 그룹에 포함되는 복수의 마이크로 렌즈들의 제2 평균 그룹 사이즈보다 작을 수 있다.

도 15에 도시된 바와 같이, 제2 픽셀 어레이의 제2 센싱 감도 분포(53)와 비교하여, 제2 픽셀 어레이의 제2 센싱 감도 분포(53)는 비율이 0인 수평선에 수렴하는 것을 알 수 있고, 결과적으로 제2 픽셀 어레이의 센싱 감도 편차가 감소할 수 있다.

도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 전자 장치의 블록도이고, 도 17은 도 16의 전자 장치에 포함되는 카메라 모듈을 나타내는 블록도이다.

도 16을 참조하면, 전자 장치(1000)는 카메라 모듈 그룹(1100), 애플리케이션 프로세서(1200), PMIC(1300) 및 외부 메모리(1400)를 포함할 수 있다.

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.

이하, 도 17을 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.

도 17을 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.

프리즘(1105)은 광 반사 물질의 반사면(1107)을 포함하여 외부로부터 입사되는 광(L)의 경로를 변형시킬 수 있다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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, 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.

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.

도 16 및 17을 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.

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.

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.

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.

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.

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.

다시 도 16을 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.

이미지 처리 장치(1210)는 복수의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c), 이미지 생성기(1214) 및 카메라 모듈 컨트롤러(1216)를 포함할 수 있다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이, 이미지 센서 및 픽셀 어레이의 제조 방법은 마이크로 렌즈들의 사이즈를 조절하여 단위 픽셀들의 센싱 감도 편차를 감소함으로써 이미지 센서에 의해 캡쳐되는 이미지의 품질을 향상시킬 수 있다.

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.

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.

Claims

복수의 픽셀 그룹들을 포함하고,
상기 복수의 픽셀 그룹들의 각각의 픽셀 그룹은,
반도체 기판에 배치되는 광전 변환 소자들을 각각 포함하고 서로 인접하는 복수의 단위 픽셀들;
상기 복수의 단위 픽셀들에 의해 공유되는 컬러 필터; 및
상기 컬러 필터 상에 배치되고, 상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들에 입사광을 각각 집광하고, 서로 다른 사이즈들을 갖는 복수의 마이크로 렌즈들을 포함하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 마이크로 렌즈들 중 각각의 마이크로 렌즈의 사이즈는 상기 복수의 단위 픽셀들 중 상기 각각의 마이크로 렌즈에 상응하는 각각의 단위 픽셀의 센싱 감도에 반비례하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 단위 픽셀들의 평균 센싱 감도보다 작은 단위 픽셀에 상응하는 마이크로 렌즈의 사이즈는 상기 복수의 마이크로 렌즈들의 평균 사이즈보다 크고,
상기 평균 센싱 감도보다 큰 단위 픽셀에 상응하는 마이크로 렌즈의 사이즈는 상기 평균 사이즈보다 작은 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 단위 픽셀들은 제1 센싱 감도를 갖는 제1 단위 픽셀 및 상기 제1 센싱 감도보다 작은 제2 센싱 감도를 갖는 제2 단위 픽셀을 포함하고,
상기 복수의 마이크로 렌즈들은 상기 제1 단위 픽셀에 포함되는 상기 광전 변환 소자에 입사광을 집광하는 제1 마이크로 렌즈 및 상기 제2 단위 픽셀에 포함되는 상기 광전 변환 소자에 입사광을 집광하는 제2 마이크로 렌즈를 포함하고,
상기 제1 마이크로 렌즈의 사이즈는 상기 제2 마이크로 렌즈의 사이즈보다 작은 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 픽셀 그룹들은 상기 픽셀 어레이의 서로 다른 위치들에 배치되고 동일한 컬러의 컬러 필터들을 각각 포함하는 제1 픽셀 그룹 및 제2 픽셀 그룹을 포함하고,
상기 제1 픽셀 그룹에 포함되는 상기 복수의 단위 픽셀들은 제1 그룹 평균 센싱 감도를 갖고, 상기 제2 픽셀 그룹에 포함되는 상기 복수의 단위 픽셀들은 상기 제1 그룹 평균 센싱 감도보다 작은 제2 그룹 평균 센싱 감도를 갖고,
상기 제1 픽셀 그룹에 포함되는 상기 복수의 마이크로 렌즈들의 제1 그룹 평균 사이즈는 상기 제2 픽셀 그룹에 포함되는 상기 복수의 마이크로 렌즈들의 제2 평균 그룹 사이즈보다 작은 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 단위 픽셀들은 모두 동일한 사이즈를 갖고,
상기 복수의 마이크로 렌즈들의 사이즈들은 상기 복수의 단위 픽셀들의 센싱 감도들에 각각 상응하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
제1 항에 있어서,
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 구조체들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
제7 항에 있어서,
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.
제8 항에 있어서,
상기 상부 트렌치 구조체 및 상기 하부 트렌치 구조체는 서로 다른 구조 또는 서로 다른 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
제1 항에 있어서,
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.
제10 항에 있어서,
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.
제11 항에 있어서,
상기 제1 픽셀 그룹은 4개의 적색 픽셀들을 포함하고,
상기 제2 및 제3 픽셀 그룹들의 각각은 4개의 녹색 픽셀들을 포함하고,
상기 제4 픽셀 그룹은 4개의 청색 픽셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
제10 항에 있어서,
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,
3개의 픽셀 행들 및 3개의 픽셀 열들의 매트릭스 형태로 배치되는 9개의 단위 픽셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
제13 항에 있어서,
상기 제1 픽셀 그룹은 9개의 적색 픽셀들을 포함하고,
상기 제2 및 제3 픽셀 그룹들의 각각은 9개의 녹색 픽셀들을 포함하고,
상기 제4 픽셀 그룹은 9개의 청색 픽셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
제10 항에 있어서,
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 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
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 포함하고,
상기 복수의 픽셀 그룹들의 각각의 픽셀 그룹은,
반도체 기판에 배치되는 광전 변환 소자들을 각각 포함하고 서로 인접하는 복수의 단위 픽셀들;
상기 복수의 단위 픽셀들에 의해 공유되는 컬러 필터; 및
상기 컬러 필터 상에 배치되고, 상기 복수의 단위 픽셀들에 포함되는 상기 광전 변환 소자들에 입사광을 각각 집광하고, 상기 복수의 단위 픽셀들의 센싱 감도들에 상응하는 사이즈들을 갖는 복수의 마이크로 렌즈들을 포함하는 이미지 센서.
제16 항에 있어서,
상기 복수의 마이크로 렌즈들 중 각각의 마이크로 렌즈의 사이즈는 상기 복수의 단위 픽셀들 중 상기 각각의 마이크로 렌즈에 상응하는 각각의 단위 픽셀의 센싱 감도에 반비례하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
단위 픽셀들 및 균일한 사이즈를 갖는 제1 마이크로 렌즈들을 포함하는 제1 픽셀 어레이를 이용하여 상기 단위 픽셀들의 센싱 감도들을 측정하는 단계; 및
상기 센싱 감도들에 상응하는 제2 마이크로 렌즈들의 사이즈들을 결정하는 단계; 및
상기 단위 픽셀 및 상기 제2 마이크로 렌즈들을 포함하는 제2 픽셀 어레이를 제조하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 픽셀 어레이의 제조 방법.
제18 항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈들의 상기 센싱 감도들에 상응하는 사이즈들을 결정하는 단계는,
동일한 컬러의 단위 픽셀들의 컬러별 평균 센싱 감도를 결정하는 단계; 및
상기 컬러별 평균 센싱 감도에 대한 상기 동일한 컬러의 각각의 단위 픽셀의 센싱 감도의 비율을 결정하는 단계; 및
상기 비율에 반비례하도록 상기 각각의 단위 픽셀에 상응하는 각각의 마이크로 렌즈의 사이즈를 결정하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 픽셀 어레이의 제조 방법.
제18 항에 있어서,
상기 제2 픽셀 어레이를 제조하는 단계는,
상기 센싱 감도들에 상응하는 사이즈들을 갖는 마스크 패턴들을 형성하는 단계;
상기 마스크 패턴들을 이용하여 리플로우 공정 및 에치백 공정을 수행하여 상기 제2 마이크로 렌즈들을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 어레이의 제조 방법.