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KR102431210B1 - 위상차 검출 픽셀을 구비한 이미지 센서 - Google Patents

위상차 검출 픽셀을 구비한 이미지 센서 Download PDF

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KR102431210B1
KR102431210B1 KR1020170096347A KR20170096347A KR102431210B1 KR 102431210 B1 KR102431210 B1 KR 102431210B1 KR 1020170096347 A KR1020170096347 A KR 1020170096347A KR 20170096347 A KR20170096347 A KR 20170096347A KR 102431210 B1 KR102431210 B1 KR 102431210B1
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Abstract

본 기술은 이미지 센서에 관한 것으로, 실시예에 따른 이미지 센서는 편심된 오픈부를 갖는 위상차 검출 픽셀; 및 상기 위상차 검출 픽셀을 둘러싸는 복수의 이미징 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 이미징 픽셀들 중 상기 오픈부가 편심된 제1방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제1픽셀 및 상기 제1픽셀과 동일한 컬러를 센싱하는 이미징 픽셀들은 상기 제1픽셀과 다른 컬러를 센싱하는 이미징 픽셀들의 수광면적보다 작은 수광면적을 가질 수 있다.

Description

위상차 검출 픽셀을 구비한 이미지 센서{IMAGE SENSOR HAVING PHASE DIFFERENCE DETECTION PIXEL}
본 발명은 반도체 장치 제조 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 위상차 검출 픽셀(phase difference detection pixel)을 구비한 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 집적도 및 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
본 발명의 실시예는 성능이 향상된 이미지 센서를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 편심된 오픈부를 갖는 위상차 검출 픽셀; 및 상기 위상차 검출 픽셀을 둘러싸는 복수의 이미징 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 이미징 픽셀들 중 상기 오픈부가 편심된 제1방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제1픽셀 및 상기 제1픽셀과 동일한 컬러를 센싱하는 이미징 픽셀들은 상기 제1픽셀과 다른 컬러를 센싱하는 이미징 픽셀들의 수광면적보다 작은 수광면적을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 적어도 상기 위상차 검출 픽셀의 광전변환소자와 상기 제1픽셀의 광전변환소자 사이에 삽입된 광차단막을 더 포함할 수 있다. 상기 광차단막은 상기 제1픽셀의 광전변환소자 측벽 일부를 둘러싸거나, 또는 상기 제1픽셀의 광전변환소자 측벽 전체를 둘러쌀 수 있다. 상기 광차단막은 상기 위상차 검출 픽셀의 광전변환소자 측벽 일부를 둘러싸거나, 또는 상기 위상차 검출 픽셀의 광전변환소자 측벽 전체를 둘러쌀 수 있다.
상기 복수의 픽셀들 중 상기 제1픽셀과 동일한 컬러를 센싱하는 이미징 픽셀들은 상기 제1방향의 정반대인 제2방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제2픽셀을 포함할 수 있다. 상기 제1픽셀의 수광면적은 상기 제2픽셀의 수광면적과 동일하거나, 또는 상기 제1픽셀의 수광면적이 상기 제2픽셀의 수광면적보다 작을 수 있다. 상기 복수의 픽셀들 중 상기 제1픽셀과 동일한 컬러를 센싱하는 이미징 픽셀들은 상기 제1방향의 정반대인 제2방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제2픽셀, 상기 제1방향과 교차하는 제3방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제3픽셀 및 상기 제3방향의 정반대인 제4방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제4픽셀을 포함할 수 있다. 상기 제1픽셀 내지 상기 제4픽셀의 수광면적은 모두 동일할 수 있다. 상기 제1픽셀의 수광면적이 가장 작고, 상기 제2픽셀 내지 상기 제4픽셀의 수광면적은 서로 동일할 수 있다. 상기 제1픽셀의 수광면적이 가장 작고, 상기 제2픽셀의 수광면적이 가장 크며, 상기 제3픽셀의 수광면적과 상기 제4픽셀의 수광면적은 동일할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 픽셀들 각각에 대응하는 광전변환소자들을 포함하는 기판; 상기 복수의 픽셀들 경계를 따라 상기 기판상에 형성된 그리드패턴; 상기 복수의 픽셀들 중 제1픽셀의 광전변환소자와 중첩되도록 상기 기판상에 형성되고, 상기 그리드패턴에 접하며, 편심된 제1오픈부를 갖는 위상차패턴; 상기 제1오픈부가 편심된 방향으로 상기 제1픽셀에 인접한 제2픽셀의 광전변환소자와 중첩되도록 상기 기판상에 형성되고, 상기 그리드패턴에 접하며, 제2오픈부를 갖는 차광패턴; 및 적어도 상기 제1픽셀의 광전변환소자와 상기 제2픽셀의 광전변환소자 사이에 형성된 광차단막을 포함할 수 있다.
상기 차광패턴은 링타입의 형태를 가지며, 균일한 선폭을 갖거나, 또는 상기 제1픽셀에 인접한 부분이 상대적으로 더 큰 선폭을 가질 수 있다. 상기 광차단막은 상기 그리드패턴이 형성된 기판 표면에 접할 수 있다. 상기 광차단막은 상기 기판에 형성된 트렌치에 매립된 형태를 가질 수 있다. 상기 광차단막은 상기 제2픽셀의 광전변환소자 측벽 일부를 둘러싸거나, 또는 상기 제2픽셀의 광전변환소자 측벽 전체를 둘러쌀 수 있다. 상기 광차단막은 상기 제1픽셀의 광전변환소자 측벽 일부를 둘러싸거나, 또는 상기 제1픽셀의 광전변환소자 측벽 전체를 둘러쌀 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 편심된 오픈부를 갖는 위상차 검출 픽셀 및 상기 위상차 검출 픽셀들을 둘러싸는 복수의 이미징 픽셀들 각각에 대응하는 광전변환소자들을 포함하는 기판; 상기 위상차 검출 픽셀 및 상기 복수의 이미징 픽셀들 경계를 따라 상기 기판상에 형성된 그리드패턴; 상기 복수의 이미징 픽셀들 중 상기 오픈부가 편심된 제1방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제1픽셀의 광전변환소자와 중첩되도록 상기 기판상에 형성되고 상기 그리드패턴에 접하며 제1오픈부를 갖는 제1차광패턴; 및 적어도 상기 위상차 검출 픽셀의 광전변환소자와 상기 제1픽셀의 광전변환소자 사이에 형성된 광차단막을 포함할 수 있고, 상기 복수의 이미징 픽셀들 중 상기 제1픽셀에 대응하는 상기 제1오픈부의 면적은 나머지 이미징 픽셀들의 수광면적보다 작을 수 있다.
상기 제1차광패턴은 링타입의 형태를 가지며, 균일한 선폭을 갖거나, 또는 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 부분이 상대적으로 더 큰 선폭을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 상기 위상차 검출 픽셀을 둘러싸는 복수의 이미징 픽셀들 중 상기 제1방향의 정반대인 제2방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제2픽셀의 광전변환소자와 중첩되도록 상기 기판상에 형성되고 상기 그리드패턴에 접하며 제2오픈부를 갖는 제2차광패턴; 상기 제1방향과 교차하는 제3방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제3픽셀의 광전변환소자와 중첩되도록 상기 기판상에 형성되고 상기 그리드패턴에 접하며 제3오픈부를 갖는 제3차광패턴; 및 상기 제3방향의 정반대인 제4방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제4픽셀의 광전변환소자와 중첩되도록 상기 기판상에 형성되고 상기 그리드패턴에 접하며 제4오픈부를 갖는 제4차광패턴을 더 포함할 수 있고, 상기 복수의 이미징 픽셀들 중 상기 제2픽셀 내지 상기 제4픽셀 각각에 대응하는 상기 제2오픈부의 면적 내지 상기 제4오픈부의 면적은 나머지 이미징 픽셀들의 수광면적보다 작을 수 있다. 상기 제2차광패턴 내지 상기 제4차광패턴은 링타입의 형태를 가지며, 균일한 선폭을 갖거나, 또는 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 부분이 상대적으로 더 큰 선폭을 가질 수 있다. 상기 제1오픈부 내지 상기 제4오픈부의 면적은 모두 동일할 수 있다. 상기 제1오픈부의 면적이 가장 작고, 상기 제2오픈부 내지 상기 제4오픈부의 면적은 서로 동일할 수 있다. 상기 제1오픈부의 면적이 가장 작고, 상기 제2오픈부의 면적이 가장 크며, 상기 제3오픈부 면적과 상기 제4오픈부의 면적은 동일할 수 있다. 상기 제1픽셀 내지 상기 제4픽셀은 동일한 컬러를 센싱할 수 있다.
상기 광차단막은 상기 기판에 형성된 트렌치에 매립된 형태를 가질 수 있다. 상기 광차단막은 상기 제1픽셀의 광전변환소자 측벽 일부를 둘러싸거나, 또는 상기 제1픽셀의 광전변환소자 측벽 전체를 둘러쌀 수 있다. 상기 광차단막은 상기 위상차 검출 픽셀의 광전변환소자 측벽 일부를 둘러싸거나, 또는 상기 위상차 검출 픽셀의 광전변환소자 측벽 전체를 둘러쌀 수 있다.
상술한 과제의 해결 수단을 바탕으로 하는 본 기술은 위상차 검출 픽셀에 인접한 이미징 픽셀의 수광면적을 제어하는 차광패턴을 형성함으로써, 광학적 크로스토크에 기인한 특성 열화를 방지할 수 있다.
또한, 위상차 검출 픽셀의 광전변환소자와 이미징 픽셀의 광전변환소자 사이에 트렌치에 매립된 형태를 갖는 광차단막을 형성함으로써, 광학적 크로스토크에 기인한 특성 열화를 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 도면.
도 3a 및 도 3b는 실시예들에 따른 이미지 센서에서 차광패턴의 변형예들을 도시한 평면도.
도 4a 및 도 4e는 실시예들에 따른 이미지 센서에서 광차단막의 변형예들을 도시한 평면도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 블럭도.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치를 간략히 도시한 도면.
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도면은 반드시 일정한 비율로 도시된 것이라 할 수 없으며, 몇몇 예시들에서, 실시예의 특징을 명확히 보여주기 위하여 도면에 도시된 구조물 중 적어도 일부의 비례는 과장될 수도 있다. 도면 또는 상세한 설명에 둘 이상의 층을 갖는 다층 구조물이 개시된 경우, 도시된 것과 같은 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 특정 실시예를 반영할 뿐이어서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 달라질 수도 있다. 또한, 다층 구조물의 도면 또는 상세한 설명은 특정 다층 구조물에 존재하는 모든 층들을 반영하지 않을 수도 있다(예를 들어, 도시된 두 개의 층 사이에 하나 이상의 추가 층이 존재할 수도 있다). 예컨대, 도면 또는 상세한 설명의 다층 구조물에서 제1층이 제2층 상에 있거나 또는 기판상에 있는 경우, 제1층이 제2층 상에 직접 형성되거나 또는 기판상에 직접 형성될 수 있음을 나타낼 뿐만 아니라, 하나 이상의 다른 층이 제1층과 제2층 사이 또는 제1층과 기판 사이에 존재하는 경우도 나타낼 수 있다.
후술하는 본 발명의 실시예는 복수의 이미징 픽셀들(imaging pixels) 및 복수의 위상차 검출 픽셀들(phase difference detection pixels)을 포함하는 이미지 센서에서 이미징 픽셀과 위상차 검출 픽셀 사이에서 발생하는 광학적 크로스토크(Optical crosstalk)를 방지할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것이다. 여기서, 이미징 픽셀은 피사체를 컬러 이미지로 구현하기 위한 것이고, 위상차 검출 픽셀은 오토 포커싱(auto focusing) 및 3차원 이미지(three-dimensional image)를 구현하기 위한 것이다.
이미징 픽셀과 위상차 검출 픽셀 사이에서 발생하는 광학적 크로스토크는 위상차 검출 픽셀에서 인접한 이미징 픽셀들로 입사광이 유입되어 위상차 검출 픽셀에 인접한 이미징 픽셀들이 다른 이미징 픽셀들보다 밝게 인식되는 문제점을 유발할 수 있다. 이를 해결하기 위해, 픽셀 어레이 전 영역에 걸쳐 트렌치 분리구조물(Trench isolation structure) 예컨대, STI(Shallow Trench Isolation) 또는 DTI(Deep Trench Isolation)를 형성하는 방법이 도입되었다. 그러나, 트렌치 분리구조물은 트렌치를 형성하는 과정에서 필연적으로 트렌치 표면에 결함들(defects)이 생성되고, 트렌치 표면에 생성된 결함들이 암전류(Dark current)와 같은 누설전류(Leakage current)의 소스로 작용하여 이미지 센서의 특성을 열화시키는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 실시예는 이미징 픽셀과 위상차 검출 픽셀 사이에서 발생하는 광학적 크로스토크를 방지할 수 있는 방법을 제공한다. 이를 위해, 실시예에 따른 이미지 센서는 편심된 오픈부를 갖는 위상차패턴을 포함하는 위상차 검출 픽셀 및 위상차 검출 픽셀을 둘러싸는 복수의 이미징 픽셀들을 포함할 수 있고, 복수의 이미징 픽셀들 중 오픈부가 편심된 방향으로 위상차 검출 픽셀에 인접한 이미징 픽셀의 수광면적이 다른 이미징 픽셀들의 수광면적보다 작을 수 있다. 구체적으로, 오픈부가 편심된 방향으로 위상차 검출 픽셀에 인접한 이미징 픽셀은 광전변환소자와 중첩되는 차광패턴을 포함하고, 차광패턴은 입사광량을 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 도면이다. 구체적으로, 도 1은 픽셀 어레이의 일부를 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 I-I'절취선을 따라 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 픽셀들(110)이 매트릭스 구조로 배열된 픽셀 어레이(100)를 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(110)은 복수의 이미징 픽셀들 및 복수의 위상차 검출 픽셀들을 포함할 수 있다. 복수의 위상차 검출 픽셀들은 픽셀 어레이(100) 내에서 규칙적 또는 불규칙적으로 분산 배치될 수 있다.
픽셀 어레이(100)에서 복수의 이미징 픽셀들은 베이어 패턴(Bayer pattern)으로 배열될 수 있다. 여기서, 베이어 패턴은 레드픽셀(R-PX), 그린픽셀(G-PX) 및 블루픽셀(B-PX)이 반복 배열된 형태일 수 있다. 픽셀 어레이(100)에서 복수의 위상차 검출 픽셀들 개수는 복수의 이미징 픽셀들의 개수보다 작을 수 있으며, 복수의 이미징 픽셀들 중 일부가 위상차 검출 픽셀들로 대체된 형태를 가질 수 있다. 따라서, 하나의 위상차 검출 픽셀을 복수의 이미징 픽셀들이 둘러싸는 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 복수의 위상차 검출 픽셀들은 블루픽셀(B-PX)을 대체하는 형태를 가질 수 있다. 즉, 복수의 위상차 검출 픽셀들 각각은 블루필터(B)를 구비할 수 있다. 여기서, 위상차 검출 픽셀로서 블루픽셀(B-PX)을 사용하는 것은 컬러 쉐이딩(Color shading)에 기인한 특성 열화를 방지할 수 있고, 위상차 검출 픽셀에 대한 보간처리(Interpolation process)가 용이하기 때문이다. 참고로, 레드픽셀(R-PX)은 블루픽셀(B-PX) 및 그린픽셀(G-PX)보다 컬러 쉐이딩 특성이 열악하다는 단점이 있다. 그리고, 픽셀 어레이(100)에서 어느 하나의 그린픽셀(G-PX)을 기준으로 어느 하나의 그린픽셀(G-PX)과 인접한 다른 그린픽셀(G-PX)들은 사선방향에 위치하기 때문에 그린픽셀(G-PX)을 위상차 검출 픽셀로 사용하는 경우 보간처리가 매우 어렵다는 단점이 있다.
한편, 제1실시예에서는 복수의 이미징 픽셀들이 베이어 패턴으로 배열된 경우를 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지는 않는다. 도면에 도시하지는 않았지만 변형예로서, 위상차 검출 픽셀들은 블루픽셀(B-PX) 대신에 적어도 가시광대역을 센싱하는 화이트 픽셀(White pixel, 미도시)로 대체될 수도 있다. 즉, 위상차 검출 픽셀들은 컬러필터를 구비하지 않을 수도 있다. 또 다른 변형예로서, 복수의 이미징 픽셀들은 레드픽셀(R-PX), 그린픽셀(G-PX), 블루픽셀(B-PX) 및 화이트 픽셀이 반복 배열된 형태를 가질 수도 있다. 이 경우, 복수의 위상차 검출 픽셀들은 화이트 픽셀을 대체하는 형태를 가질 수 있다.
제1실시예에 따른 이미지 센서에서 복수의 픽셀들(110) 각각은 광전변환소자(PD)를 포함할 수 있으며, 인접한 광전변환소자(PD)는 소자분리구조물(Device isolation structure)에 의해 분리될 수 있다. 여기서, 광전변환소자(PD) 및 소자분리구조물은 기판(200)에 형성된 것일 수 있다.
기판(200)은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 반도체 기판은 단결정 태(Single crystal state)일 수 있으며, 실리콘 함유 물질을 포함할 수 있다. 그리고, 기판(200)은 씨닝공정(thinning process)을 통해 박막화된 것일 수 있다. 예를 들어, 기판(200)은 박막화된 단결정의 벌크 실리콘 기판일 수 있다.
복수의 픽셀들(110) 각각에 대응하도록 기판(200)에 형성된 광전변환소자(PD)는 포토다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate) 및 이들의 조합 중에서 적어도 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 광전변환소자(PD)는 포토다이오드를 포함할 수 있다. 구체적으로, 광전변환소자(PD)는 유기 또는 무기 포토다이오드 중 어느 하나로 구성되거나, 또는 유기 포토다이오드와 무기 포토다이오드가 적층된 형태로 구성될 수도 있다.
인접한 광전변환소자(PD) 사이를 분리하는 소자분리구조물은 불순물영역(202)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 소자분리구조물은 픽셀 어레이(100)에 대응하도록 기판(200)에 형성된 웰(well)을 포함할 수 있다. 웰의 도전형은 P형일 수 있으며, 광전변환소자(PD)는 웰 내부에 형성된 것일 수 있다. 따라서, 복수의 광전변환소자(PD)들은 불순물영역(202)에 의해 전기적으로 분리될 수 있다. 참고로, 소자분리구조물로서 STI(Shallow Trench Isolation) 또는 DTI(Deep Trench Isolation)와 같은 트렌치 분리구조물(Trench isolation structure)을 사용할 수도 있다. 그러나, 트렌치 분리구조물은 기판(200)에 트렌치를 형성하는 과정에서 필연적으로 트렌치 표면에 결함들(defects)이 생성되고, 트렌치 표면에 생성된 결함들이 암전류 소스로 작용하여 이미지 센서의 특성을 열화시키는 단점이 있다. 하지만, 제1실시예와 같이 소자분리구조물로서 불순물영역(202)을 사용하면, 트렌치 분리구조물에 기인한 특성 열화를 원천적으로 방지할 수 있다. 한편, 설명의 편의를 위해, 도 2에서는 기판(200) 전체에 불순물영역(202)이 형성된 경우를 예시하였다.
제1실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 픽셀들(110) 경계를 따라 기판(200)상에 형성된 그리드패턴(204), 복수의 픽셀들(110) 각각에 대응하도록 기판(200)상에 형성된 복수의 컬러필터들(R, G, B) 및 복수의 픽셀들(110) 각각에 대응하도록 복수의 컬러필터들(R, G, B) 상에 형성된 집광소자(206)를 포함할 수 있다.
그리드패턴(204)은 인접한 픽셀들(110) 사이의 광학적 소자분리 즉, 광학적 크로스토크를 방지하기 위한 것이다. 그리드패턴(204)은 광전변환소자(PD)의 수광면 또는 입사면에 대응하는 기판(200) 표면상에 형성될 수 있다. 이는, 광전변환소자(PD)와 그리드패턴(204)을 인접하게 형성하여 광학적 크로스토크를 보다 효과적으로 방지하기 위함이다. 그리드패턴(204)은 복수의 픽셀들(110) 경계를 따라 형성됨에 따라 평면형상(Planar shape)이 메쉬형태(Mesh shape)를 가질 수 있다. 그리드패턴(204)은 형성위치에 관계없이 일정한 두께 및 선폭을 가질 수 있다. 따라서, 그리드패턴(204)이 복수의 픽셀들(110) 각각에 제공하는 개구부(204A)의 면적은 동일할 수 있다. 다시 말해, 그리드패턴(204)이 복수의 픽셀들(110) 각각에 제공하는 수광면적은 동일할 수 있다. 그리드패턴(204)은 차광물질 또는 흡광물질을 포함할 수 있다. 차광물질은 빛을 반사키는 물질을 지칭할 수 있으며, 금속성물질을 포함할 수 있다. 흡광물질은 빛을 흡수하는 물질을 지칭할 수 있으며, 탄화실리콘(SiC), 블랙컬러를 갖는 유기물질등을 포함할 수 있다.
복수의 컬러필터들(R, G, B)은 복수의 픽셀들(110) 각각에 대응하도록 기판(200)상에 형성되고, 복수의 컬러필터들(R, G, B) 각각의 가장자리는 그리드패턴(204) 상에 형성될 수 있다. 즉, 복수의 컬러필터들(R, G, B)과 기판(200) 사이에 그리드패턴(204)이 위치할 수 있다. 복수의 픽셀들(110) 각각에 대응하는 복수의 컬러필터들(R, G, B) 각각의 면적은 동일할 수 있으며, 그리드패턴(204)이 제공하는 개구부(204A)의 면적보다 클 수 있다. 복수의 컬러필터들(R, G, B) 각각은 레드필터(red filter), 그린필터(green filter), 블루필터(blue filter), 사이언필터(cyan filter), 옐로우필터(yellow filter), 마젠타필터(magenta filter), 화이트필터(white filter), 블랙필터(black filter), 적외선차단필터(IR cutoff filter) 및 이들의 조합 중 적어도 어느 하나의 단층 또는 둘 이상의 다층 필터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 컬러필터들(R, G, B)은 레드필터(R), 그린필터(G) 및 블루필터(B)를 포함할 수 있다. 집광소자(206)는 디지털 렌즈(digital lens) 또는 반구형 렌즈(hemispherical lens)를 포함할 수 있다.
제1실시예에 따른 이미지 센서에서 복수의 픽셀들(110) 중 어느 하나의 픽셀 예컨대, 제5픽셀(PX5)은 위상차 검출 픽셀일 수 있다. 제5픽셀(PX5)은 광전변환소자(PD)와 중첩되도록 기판(200)상에 형성되고, 그리드패턴(204)에 접하며, 편심된(eccentrically) 오픈부(208A)를 갖는 위상차패턴(208)을 포함할 수 있다. 편심된 오픈부(208A)는 광전변환소자(PD)의 광축을 기준으로 오픈부(208A)가 어느 일방향으로 치우친 형태를 지칭할 수 있다. 제5픽셀(PX5)은 블루필터(B)를 포함하거나, 또는 컬러필터를 구비하지 않을 수 있다. 제5픽셀(PX5)이 블루필터(B)를 포함하는 경우, 블루필터(B)는 오픈부(208A)를 갭필하고 위상차패턴(208)을 덮는 형태를 가질 수 있다. 제5픽셀(PX5)이 별도의 컬러필터를 구비하지 않는 경우, 집광소자(206)가 컬러필터 형성영역을 갭필하는 형태를 가질 수 있다. 위상차패턴(208)은 그리드패턴(204)과 동일 레벨에 형성된 것일 수 있다. 위상차패턴(208)은 그리드패턴(204) 형성공정시 함께 형성된 것일 수 있으며, 동일한 물질로 구성될 수 있다. 참고로, 이하의 설명에서 제1방향(D1)은 오픈부(208A)가 편심된 방향이고, 제2방향(D2)은 제1오픈부(210A)가 편심된 방향의 정반대 방향이다. 그리고, 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)은 제1오픈부(210A)가 편심된 방향과 교차하는 방향이고, 제4방향(D4)은 제3방향(D3)의 정반대 방향이다. 예를 들어, 제1방향(D1), 제2방향(D2), 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)은 각각 우측방향, 좌측방향, 상측방향 및 하측방향일 수 있다.
오픈부(208A)가 편심된 방향 즉, 제1방향(D1)으로 제5픽셀(PX5)과 인접한 제1픽셀(PX1)은 이미징 픽셀일 수 있다. 제1픽셀(PX1)은 그린필터(G)를 포함할 수 있다. 이는, 위상차 검출 픽셀에 대한 후속 보간처리를 용이하게 진행하기 위함이다.
위상차 검출 픽셀에 인접한 이미징 픽셀들은 위상차 검출 픽셀로부터 의도치 않게 유입되는 입사광에 의해 특성이 열화될 수 있다. 특히, 위상차 검출 픽셀의 수광영역 즉, 위상차패턴(208)의 편심된 오픈부(208A)와 마주하는 면적이 큰 이미징 픽셀일수록 광학적 크로스토크에 기인한 특성 열화가 심화될 수 있다. 따라서, 이를 방지하고자 제1실시예에 따른 이미지 센서는 위상차 검출 픽셀을 둘러싸는 복수의 이미징 픽셀들 중 제1방향(D1)으로 위상차 검출 픽셀에 인접한 이미징 픽셀즉, 제1픽셀(PX1)의 수광면적을 나머지 이미징 픽셀들의 수광면적보다 작게 형성할 수 있다. 여기서, 제1픽셀(PX1)의 수광면적을 나머지 이미징 픽셀들의 수광면적보다 작게 형성하는 것은 위상차 검출 픽셀에 인접한 이미징 픽셀들 중 오픈부(208A)가 편심된 제1방향(D1)으로 인접한 제1픽셀(PX1)이 위상차 검출 픽셀에 기인한 광학적 크로스토크의 영향을 가장 많이 받기 때문이다.
제1픽셀(PX1)은 제1차광패턴(210)을 포함할 수 있다. 제1차광패턴은 기설정된 수광면적보다 작은 수광면적을 갖도록 제1오픈부(210A)를 포함할 수 있다. 제1오픈부(210A)의 면적이 제1픽셀(PX1)의 수광면적일 수 있으며, 기설정된 수광면적은 그리드패턴(204)의 개구부(204A) 면적일 수 있다. 제1차광패턴(210)은 제1픽셀(PX1)의 광전변환소자(PD)와 중첩되도록 기판(200)상에 형성될 수 있고, 그리드패턴(204)에 접할 수 있다. 제1차광패턴(210)은 링타입(ring type)의 형태를 가질 수 있으며, 균일한 선폭을 가질 수 있다. 제1차광패턴(210)은 그리드패턴(204)과 동일 레벨에 형성될 것일 수 있다. 제1차광패턴(210)은 그리드패턴(204) 형성공정시 함께 형성된 것일 수 있으며, 동일한 물질을 포함할 수 있다. 즉, 제1차광패턴(210)은 차광물질 또는 흡광물질을 포함할 수 있다.
한편, 제1실시예에서는 제1차광패턴(210)이 균일한 선폭을 갖는 경우를 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1차광패턴(210)은 제5픽셀(PX5)에 인접한 제1영역이 그렇지않은 제2영역보다 상대적으로 더 큰 선폭을 가질 수 있다. 일례로, 도 3a를 참조하면, 제5픽셀(PX5)에 인접한 제1영역의 제1차광패턴(210)이 상대적으로 더 큰 선폭을 갖고, 제5픽셀(PX5)에 인접한 영역을 제외한 나머지 제2영역에서의 제1차광패턴(210) 선폭은 균일할 수 있다. 다른 일례로, 도 3b를 참조하면, 제5픽셀(PX5)에 가장 인접한 영역과 제5픽셀(PX5)로부터 가장 먼 영역이 상대적으로 더 큰 선폭을 가질 수도 있다.
제1실시예에 따른 이미지 센서는 제5픽셀(PX5)과 제1픽셀(PX1) 사이의 광학적 크로스토크를 보다 효과적으로 방지하기 위해 적어도 제5픽셀(PX5)의 광전변환소자(PD)와 제1픽셀(PX1)의 광전변환소자(PD) 사이에 형성된 광차단막(250)을 포함할 수 있다. 광차단막(250)은 차광물질 또는 흡광물질을 포함할 수 있다. 광차단막(250)은 기판(200)에 형성된 트렌치(252)에 매립된 형태를 가질 수 있다. 트렌치(252)는 제5픽셀(PX5)의 광전변환소자(PD)와 제1픽셀(PX1)의 광전변환소자(PD) 사이에 형성될 수 있고, 트렌치(252)의 저면은 광전변환소자(PD)의 저면보다 높을 수 있다. 즉, 기판(200) 표면 예컨대, 수광면 또는 입사면을 기준으로 광차단막(250)의 높이는 광전변환소자(PD)의 높이보다 작을 수 있다. 이는, 광차단막(250)이 광학적 크로스토크를 방지하기 위해 트렌치(252)를 사용하더라도 트렌치(252) 표면의 결함들에 기인한 특성 열화를 최소화시키기 위함이다. 트렌치(252)의 입구는 수광면 또는 입사면에 대응하는 기판(200) 표면에 형성될 수 있다. 즉, 광차단막(250)은 수광면 또는 입사면에 대응하는 기판(200) 표면에 접할 수 있다. 따라서, 광차단막(250)은 그리드패턴(204)과 접하거나, 또는 그리드패턴(204)과 인접하게 위치할 수 있다.
평면상에서 광차단막(250)은 장축 및 단축을 갖는 바타입(bar type)의 형태를 가질 수 있다. 광차단막(250)의 장축은 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 광차단막(250)의 양측 끝단은 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)으로 제5픽셀(PX5) 및 제1픽셀(PX1)과 인접한 픽셀들(110) 사이로 확장될 수 있다.
평면상에서 위상차패턴(208)의 편심된 오픈부(208A)도 장축 및 단축을 갖는 바타입의 형태를 가질 수 있고, 편심된 오픈부(208A)의 장축도 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 여기서, 제5픽셀(PX5)과 제1픽셀(PX1) 사이의 광학적 크로스토크를 보다 효과적으로 방지하기 위해 광차단막(250)의 장축 길이는 오픈부(208A)의 장축 길이보다 길 수 있다. 즉, 광차단막(250)의 양측 끝단은 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)으로 제5픽셀(PX5) 및 제1픽셀(PX1)과 인접한 픽셀들(110) 사이에 위치할 수 있다. 따라서, 광차단막(250)의 양측 끝단은 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)으로 제5픽셀(PX5) 및 제1픽셀(PX1)과 인접한 픽셀들(110)의 광전변환소자(PD) 측벽 일부에 접할 수 있다.
한편, 제1실시예에서는 광차단막(250)이 제1픽셀(PX1)과 제5픽셀(PX5) 사이에 바타입의 형태로 형성된 경우를 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 도 4a 내지 도 4e에 도시된 바와 같이, 제1픽셀(PX1)의 광전변환소자(PD)와 제5픽셀(PX5)의 광전변환소자(PD) 사이에 형성된 광차단막(250)은 제1픽셀(PX1)의 광전변환소자(PD) 측벽 일부를 둘러싸거나, 또는 제1픽셀(PX1)의 광전변환소자(PD) 측벽 전체를 둘러싸도록 연장될 수 있다. 또한, 광차단막(250)은 제5픽셀(PX5)의 광전변환소자(PD) 측벽 일부를 둘러싸거나, 또는 제5픽셀(PX5)의 광전변환소자(PD) 측벽 전체를 둘러싸도록 연장될 수 있다.
일례로, 도 4a를 참조하면, 광차단막(250)은 제1픽셀(PX1)의 광전변환소자(PD) 양측에 형성되어 제1픽셀(PX1)의 광전변환소자(PD) 측벽 일부를 둘러싸도록 연장된 형태를 가질 수도 있다. 다른 일례로, 도 4b를 참조하면, 광차단막(250)은 편심된 오픈부(208A)에 대응하는 제5픽셀(PX5)의 광전변환소자(PD) 측벽 일부를 둘러싸도록 연장된 형태를 가질 수도 있다. 또 다른 일례로, 도 4c를 참조하면, 광차단막(250)은 도 4a 및 도 4b에 도시된 광차단막(250)이 결합된 형태를 가질 수도 있다. 즉, 광차단막(250)은 제1픽셀(PX1)의 광전변환소자(PD) 양측에 형성되어 제1픽셀(PX1)의 광전변환소자(PD) 측벽 일부를 둘러싸도록 연장됨과 동시에 편심된 오픈부(208A)에 대응하는 제5픽셀(PX5)의 광전변환소자(PD) 측벽 일부를 둘러싸도록 연장된 형태를 가질 수도 있다. 또 다른 일례로, 도 4d를 참조하면, 광차단막(250)은 제5픽셀(PX5)의 광전변환소자(PD) 측벽 전체를 둘러싸도록 연장된 형태를 가질 수도 있다. 또 다른 일례로, 도 4e를 참조하면, 광차단막(250)은 제1픽셀(PX1)의 광전변환소자(PD) 측벽 전체 및 제5픽셀(PX5)의 광전변환소자(PD) 측벽 전체를 둘러싸도록 연장된 형태를 가질 수도 있다.
상술한 바와 같이, 제1실시예에 따른 이미지 센서는 위상차 검출 픽셀에 인접한 이미징 픽셀의 수광면적을 제어하는 차광패턴을 형성함으로써, 광학적 크로스토크에 기인한 특성 열화를 방지할 수 있다.
또한, 제1실시예에 따른 이미지 센서는 위상차 검출 픽셀의 광전변환소자(PD)와 이미징 픽셀의 광전변환소자(PD) 사이에 트렌치(252)에 매립된 형태를 갖는 광차단막(250)을 형성함으로써, 광학적 크로스토크에 기인한 특성 열화를 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 아울러, 광차단막(250)을 위한 트렌치(252)를 위상차 검출 픽셀과 이미징 픽셀 사이의 일부 영역에만 형성함으로써, 트렌치(252)에 기인한 특성 열화를 최소화할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 도면이다. 구체적으로, 도 5는 픽셀 어레이의 일부를 도시한 평면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 I-I'절취선을 따라 도시한 단면도이다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 제1실시예에 따른 이미지 센서와의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다. 아울러, 제1실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 이미지 센서는 편심된 오픈부(208A)를 갖는 위상차 검출 픽셀 및 위상차 검출 픽셀을 둘러싸는 복수의 이미징 픽셀들을 포함할 수 있다. 복수의 이미징 픽셀들 중 오픈부(208A)가 편심된 방향으로 위상차 검출 픽셀에 인접한 제1픽셀(PX1) 및 제1픽셀(PX1)과 동일한 컬러를 센싱하는 이미징 픽셀들은 제1픽셀(PX1)과 다른 컬러를 센싱하는 이미징 픽셀들의 수광면적보다 작은 수광면적을 가질 수 있다.
제2실시예에 따른 이미지 센서에서 복수의 픽셀들(110) 중 어느 하나의 픽셀 예컨대, 제5픽셀(PX5)은 위상차 검출 픽셀일 수 있다. 제5픽셀(PX5)은 광전변환소자(PD)와 중첩되도록 기판(200)상에 형성되고, 그리드패턴(204)에 접하며, 편심된(eccentrically) 오픈부(208A)를 갖는 위상차패턴(208)을 포함할 수 있다. 편심된 오픈부(208A)는 광전변환소자(PD)의 광축을 기준으로 오픈부(208A)가 어느 일방향으로 치우친 형태를 지칭할 수 있다. 제5픽셀(PX5)은 블루필터(B)를 포함하거나, 또는 컬러필터를 구비하지 않을 수 있다. 제5픽셀(PX5)이 블루필터(B)를 포함하는 경우, 블루필터(B)는 오픈부(208A)를 갭필하고 위상차패턴(208)을 덮는 형태를 가질 수 있다. 제5픽셀(PX5)이 별도의 컬러필터를 구비하지 않는 경우, 집광소자(206)가 컬러필터 형성영역을 갭필하는 형태를 가질 수 있다. 위상차패턴(208)은 그리드패턴(204)과 동일 레벨에 형성된 것일 수 있다. 위상차패턴(208)은 그리드패턴(204) 형성공정시 함께 형성된 것일 수 있으며, 동일한 물질로 구성될 수 있다. 참고로, 이하의 설명에서 제1방향(D1)은 오픈부(208A)가 편심된 방향이고, 제2방향(D2)은 제1오픈부(210A)가 편심된 방향의 정반대 방향이다. 그리고, 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)은 제1오픈부(210A)가 편심된 방향과 교차하는 방향이고, 제4방향(D4)은 제3방향(D3)의 정반대 방향이다. 예를 들어, 제1방향(D1), 제2방향(D2), 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)은 각각 우측방향, 좌측방향, 상측방향 및 하측방향일 수 있다.
제1방향(D1), 제2방향(D2), 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)으로 각각 제5픽셀(PX5)과 인접한 제1픽셀(PX1), 제2픽셀(PX2), 제3픽셀(PX3) 및 제4픽셀(PX4)은 이미징 픽셀들일 수 있다. 제1픽셀(PX1) 내지 제4픽셀(PX4)은 동일한 컬러를 센싱할 수 있다. 즉, 제1픽셀(PX1) 내지 제4픽셀(PX4)은 동일한 색상의 컬러필터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1픽셀(PX1) 내지 제4픽셀(PX4)은 그린필터(G)를 포함할 수 있다. 이는, 위상차 검출 픽셀에 대한 후속 보간처리를 용이하게 진행하기 위함이다.
위상차 검출 픽셀에 인접한 이미징 픽셀들은 위상차 검출 픽셀로부터 의도치 않게 유입되는 입사광에 의해 특성이 열화될 수 있다. 특히, 위상차 검출 픽셀의 수광영역 즉, 위상차패턴(208)의 편심된 오픈부(208A)와 마주하는 면적이 큰 이미징 픽셀일수록 광학적 크로스토크에 기인한 특성 열화가 심화될 수 있다. 따라서, 이를 방지하고자 제2실시예에 따른 이미지 센서는 위상차 검출 픽셀에 인접한 복수의 이미징 픽셀들 중 제1방향(D1) 내지 제4방향(D4)으로 제5픽셀(PX5)에 인접한 제1픽셀(PX1) 내지 제4픽셀(PX4)의 수광면적을 나머지 이미징 픽셀들의 수광면적보다 작게 형성할 수 있다. 여기서, 제1픽셀(PX1) 내지 제4픽셀(PX4)의 수광면적을 나머지 이미징 픽셀들의 수광면적보다 작게 형성하는 것은 위상차 검출 픽셀을 기준으로 사선방향에 위치하는 나머지 이미징 픽셀들보다 제1픽셀(PX1) 내지 제4픽셀(PX4)이 위상차 검출 픽셀에 기인한 광학적 크로스토크의 영향을 받기 때문이다.
제1픽셀(PX1) 내지 제4픽셀(PX4) 각각은 제1차광패턴(210) 내지 제4차광패턴(240)을 포함할 수 있다. 제1차광패턴(210) 내지 제4차광패턴(240) 각각은 기설정된 수광면적보다 작은 수광면적을 갖도록 제1오픈부(210A) 내지 제4오픈부(240A)를 포함할 수 있다. 제1오픈부(210A) 내지 제4오픈부(240A) 각각의 면적이 제1픽셀(PX1) 내지 제4픽셀(PX4) 각각의 수광면적일 수 있으며, 기설정된 수광면적은 그리드패턴(204)의 개구부(204A) 면적일 수 있다. 제1차광패턴(210) 내지 제4차광패턴(240)은 링타입(ring type)의 형태를 가질 수 있다. 제1차광패턴(210) 내지 제4차광패턴(240) 각각은 균일한 선폭을 갖거나, 또는 제5픽셀(PX5)에 인접한 영역이 그렇지않은 영역보다 상대적으로 더 큰 선폭을 가질 수 있다. 즉, 제1차광패턴(210) 내지 제4차광패턴(240) 각각은 서로 동일한 형태를 갖거나, 또는 서로 다른 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1차광패턴(210) 내지 제4차광패턴(240) 각각은 도 5에 도시된 형태 이외에도 도 3a 및 도 3b에 도시된 형태를 가질 수도 있다. 제1차광패턴(210) 내지 제4차광패턴(240) 그리드패턴(204)과 동일 레벨에 형성될 것일 수 있다. 제1차광패턴(210) 내지 제4차광패턴(240) 그리드패턴(204) 형성공정시 함께 형성된 것일 수 있으며, 동일한 물질을 포함할 수 있다. 즉, 제1차광패턴(210) 내지 제4차광패턴(240) 차광물질 또는 흡광물질을 포함할 수 있다.
제1차광패턴(210)은 제1픽셀(PX1)의 광전변환소자(PD)와 중첩되도록 기판(200)상에 형성되고, 그리드패턴(204)에 접하며, 제1오픈부(210A)를 가질 수 있다. 제1오픈부(210A)의 면적이 제1픽셀(PX1)의 수광면적일 수 있으며, 제1오픈부(210A)의 면적은 기설정된 수광면적보다 작을 수 있다. 제2차광패턴(220)은 제2픽셀(PX2)의 광전변환소자(PD)와 중첩되도록 기판(200)상에 형성되고, 그리드패턴(204)에 접하며, 제2오픈부(220A)를 가질 수 있다. 제2오픈부(220A)의 면적이 제2픽셀(PX2)의 수광면적일 수 있으며, 제2오픈부(220A)의 면적은 기설정된 수광면적보다 작을 수 있다. 제3차광패턴(230)은 제3픽셀(PX3)의 광전변환소자(PD)와 중첩되도록 기판(200)상에 형성되고, 그리드패턴(204)에 접하며, 제3오픈부(230A)를 가질 수 있다. 제3오픈부(230A)의 면적이 제3픽셀(PX3)의 수광면적일 수 있으며, 제3오픈부(230A)의 면적은 기설정된 수광면적보다 작을 수 있다. 제4차광패턴(240)은 제4픽셀(PX4)의 광전변환소자(PD)와 중첩되도록 기판(200)상에 형성되고, 그리드패턴(204)에 접하며, 제4오픈부(240A)를 가질 수 있다. 제4오픈부(240A)의 면적이 제4픽셀(PX4)의 수광면적일 수 있으며, 제4오픈부(240A)의 면적은 기설정된 수광면적보다 작을 수 있다. 제4오픈부(240A)의 면적은 제3오픈부(230A)의 면적과 동일할 수 있다.
제1오픈부(210A) 내지 제4오픈부(240A)는 모두 동일한 면적을 가질 수 있다. 또한, 제1오픈부(210A)의 면적이 가장 작고, 제2오픈부(220A) 내지 제4오픈부(240A)의 면적은 서로 동일할 수 있다. 또한, 제1오픈부(210A)의 면적이 가장 작고, 제2오픈부(220A)의 면적이 가장 크며, 제3오픈부(230A)의 면적과 제4오픈부(240A)의 면적은 서로 동일할 수 있다. 제1오픈부(210A) 내지 제4오픈부(240A)의 면적이 서로 상이한 것은 제5픽셀(PX5)의 수광영역 즉, 위상차패턴(208)의 편심된 오픈부(208A) 위치에 따라 제5픽셀(PX5)로부터 제1픽셀(PX1) 내지 제4픽셀(PX4)로 유입되는 입사광량이 서로 상이하기 때문이다. 따라서, 제1오픈부(210A) 내지 제4오픈부(240A)의 면적을 조절하여 동일한 컬러를 센싱하는 제1픽셀(PX1) 내지 제4픽셀(PX4) 출력신호의 크기를 비슷하게 가져갈 수 있다. 참고로, 제5픽셀(PX5)에 인접하고, 동일한 컬러를 센싱하는 제1픽셀(PX1) 내지 제4픽셀(PX4) 출력신호의 크기가 비슷할수록 제5픽셀(PX5)에 대한 보간처리 특성을 향상시킬 수 있다.
한편, 제1오픈부(210A) 내지 제4오픈부(240A)가 모두 동일한 면적을 갖는 경우, 제5픽셀(PX5)로부터 제1픽셀(PX1) 내지 제4픽셀(PX4)로 유입되는 입사광량의 차이를 상쇄시키기 위해 제1차광패턴(210) 내지 제4차광패턴(240)은 서로 다른 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 제2차광패턴(220) 내지 제4차광패턴(240)은 동일한 형태를 갖고, 제1차광패턴(210)은 이들과 상이한 형태를 가질 수도 있다. 구체적으로, 제1차광패턴(210) 내지 제4차광패턴(240)은 링타입의 형태를 갖되, 제2차광패턴(220) 내지 제4차광패턴(240)은 균일한 선폭을 갖고, 제1차광패턴(210)은 제5픽셀(PX5)에 인접한 영역이 그렇지 않는 영역보다 상대적으로 더 큰 선폭을 가질 수 있다.
제2실시예에 따른 이미지 센서는 제5픽셀(PX5)에 기인한 광학적 크로스토크를 보다 효과적으로 방지하기 위해 적어도 제5픽셀(PX5)의 광전변환소자(PD)와 제1픽셀(PX1)의 광전변환소자(PD) 사이에 형성된 광차단막(250)을 포함할 수 있다. 제5픽셀(PX5)의 광전변환소자(PD)와 제1픽셀(PX1)의 광전변환소자(PD) 사이에 광차단막(250)을 형성하는 것은 제1픽셀(PX1)이 제5픽셀(PX5)에 기인한 광학적 크로스토크의 영향을 가장 많이 받기 때문이다.
광차단막(250)은 차광물질 또는 흡광물질을 포함할 수 있다. 광차단막(250)은 기판(200)에 형성된 트렌치(252)에 매립된 형태를 가질 수 있다. 트렌치(252)는 제5픽셀(PX5)의 광전변환소자(PD)와 제1픽셀(PX1)의 광전변환소자(PD) 사이에 형성될 수 있고, 트렌치(252)의 저면은 광전변환소자(PD)의 저면보다 높을 수 있다. 즉, 기판(200) 표면 예컨대, 수광면을 기준으로 광차단막(250)의 높이는 광전변환소자(PD)의 높이보다 작을 수 있다. 이는, 광차단막(250)이 트렌치(252)를 사용하더라도 트렌치(252) 표면의 결함에 기인한 특성 열화를 최소화시키기 위함이다. 트렌치(252)의 입구는 수광면 또는 입사면에 대응하는 기판(200) 표면에 형성될 수 있다. 즉, 광차단막(250)은 수광면 또는 입사면에 대응하는 기판(200) 표면에 접할 수 있다. 따라서, 광차단막(250)은 그리드패턴(204)과 접하거나, 또는 그리드패턴(204)과 인접하게 위치할 수 있다.
평면상에서 광차단막(250)은 장축 및 단축을 갖는 바타입(bar type)의 형태를 가질 수 있다. 광차단막(250)의 장축은 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 광차단막(250)의 양측 끝단은 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)으로 제5픽셀(PX5) 및 제1픽셀(PX1)과 인접한 픽셀들(110) 사이로 확장될 수 있다.
평면상에서 위상차패턴(208)의 편심된 오픈부(208A)도 장축 및 단축을 갖는 바타입의 형태를 가질 수 있고, 편심된 오픈부(208A)의 장축도 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 여기서, 제5픽셀(PX5)과 제1픽셀(PX1) 사이의 광학적 크로스토크를 보다 효과적으로 방지하기 위해 광차단막(250)의 장축 길이는 오픈부(208A)의 장축 길이보다 길 수 있다. 즉, 광차단막(250)의 양측 끝단은 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)으로 제5픽셀(PX5) 및 제1픽셀(PX1)과 인접한 픽셀들(110) 사이에 위치할 수 있다. 따라서, 광차단막(250)의 양측 끝단은 제3방향(D3) 및 제4방향(D4)으로 제5픽셀(PX5) 및 제1픽셀(PX1)과 인접한 픽셀들(110)의 광전변환소자(PD) 측벽 일부에 접할 수 있다.
한편, 제2실시예에서는 광차단막(250)이 제1픽셀(PX1)과 제5픽셀(PX5) 사이에 바타입의 형태로 형성된 경우를 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 도 4a 내지 도 4e에 도시된 바와 같이, 제1픽셀(PX1)의 광전변환소자(PD)와 제5픽셀(PX5)의 광전변환소자(PD) 사이에 형성된 광차단막(250)은 제1픽셀(PX1)의 광전변환소자(PD) 측벽 일부를 둘러싸거나, 또는 제1픽셀(PX1)의 광전변환소자(PD) 측벽 전체를 둘러싸도록 연장될 수 있다. 또한, 광차단막(250)은 제5픽셀(PX5)의 광전변환소자(PD) 측벽 일부를 둘러싸거나, 또는 제5픽셀(PX5)의 광전변환소자(PD) 측벽 전체를 둘러싸도록 연장될 수 있다.
상술한 바와 같이, 제2실시예에 따른 이미지 센서는 위상차 검출 픽셀에 인접한 이미징 픽셀의 수광면적을 제어하는 차광패턴을 형성함으로써, 광학적 크로스토크에 기인한 특성 열화를 방지할 수 있다.
또한, 제2실시예에 따른 이미지 센서는 위상차 검출 픽셀의 광전변환소자(PD)와 이미징 픽셀의 광전변환소자(PD) 사이에 트렌치(252)에 매립된 형태를 갖는 광차단막(250)을 형성함으로써, 광학적 크로스토크에 기인한 특성 열화를 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 아울러, 광차단막(250)을 위한 트렌치(252)를 위상차 검출 픽셀과 이미징 픽셀 사이의 일부 영역에만 형성함으로써, 트렌치(252)에 기인한 특성 열화를 최소화할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 픽셀(110)들이 매트릭스 구조로 배열된 픽셀 어레이(pixel array, 100), 상관 이중 샘플링(correlated double sampling, CDS, 120), 아날로그-디지털 컨버터(analog digital converter, ADC, 130), 버퍼(Buffer, 140), 로우 드라이버(row driver, 150), 타이밍 제너레이터(timing generator, 160), 제어 레지스터(control register, 170) 및 램프 신호 제너레이터(ramp signal generator, 180)를 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(110)들은 복수의 이미징 픽셀들 및 복수의 위상차 검출 픽셀들을 포함할 수 있다.
타이밍 제너레이터(160)는 로우 드라이버(150), 상관 이중 샘플링(120), 아날로그-디지털 컨버터(130) 및 램프 신호 제너레이터(180) 각각의 동작을 제어하기 위한 하나 이상의 제어 신호를 생성할 수 있다. 제어 레지스터(170)는 램프 신호 제너레이터(180), 타이밍 제너레이터(160) 및 버퍼(140) 각각의 동작을 제어하기 위한 하나 이상의 제어 신호를 생성할 수 있다.
로우 드라이버(150)는 픽셀 어레이(100)를 로우라인(row line) 단위로 구동할 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(150)는 복수의 로우라인(row line)들 중에서 어느 하나의 로우라인(row line)을 선택할 수 있는 선택 신호를 생성할 수 있다. 복수의 픽셀(110)들 각각은 입사광을 감지하여 이미지 리셋 신호와 이미지 신호를 컬럼라인(column line)을 통해 상관 이중 샘플링(120)으로 출력할 수 있다. 상관 이중 샘플링(120)은 수신된 이미지 리셋 신호와 이미지 신호 각각에 대하여 샘플링을 수행할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(130)는 램프 신호 제너레이터(180)로부터 출력된 램프 신호와 상관 이중 샘플링(120)으로부터 출력되는 샘플링 신호를 서로 비교하여 비교 신호를 출력할 수 있다. 타이밍 제너레이터(160)로부터 제공되는 클럭 신호에 따라 비교 신호의 레벨 전이(transition) 시간을 카운트하고, 카운트 값을 버퍼(140)로 출력할 수 있다. 램프 신호 제너레이터(180)는 타이밍 제너레이터(160)의 제어 하에 동작할 수 있다.
버퍼(140)는 아날로그-디지털 컨버터(130)로부터 출력된 복수의 디지털 신호 각각을 저장한 후 이들 각각을 감지 증폭하여 출력할 수 있다. 따라서, 버퍼(140)는 메모리(미도시)와 감지증폭기(미도시)를 포함할 수 있다. 메모리는 카운트 값을 저장하기 위한 것이며, 카운트 값은 복수의 픽셀(110)들로부터 출력된 신호에 연관된 카운트 값을 의미한다. 감지증폭기는 메모리로부터 출력되는 각각의 카운트 값을 감지하여 증폭할 수 있다.
상술한 실시예에 따른 이미지 센서는 다양한 전자장치 또는 시스템에 이용될 수 있다. 이하에서는, 도 8을 참조하여 카메라에 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 적용한 경우를 예시하여 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치를 간략히 도시한 도면이다.
도 8을 참조하여, 실시예들에 따른 이미지 센서를 구비한 전자장치는 정지영상 또는 동영상을 촬영할 수 있는 카메라일 수 있다. 전자장치는 광학 시스템(910, 또는, 광학 렌즈), 셔터 유닛(911), 이미지 센서(900) 및 셔터 유닛(911)을 제어/구동하는 구동부(913) 및 신호 처리부(912)를 포함할 수 있다.
광학 시스템(910)은 피사체로부터의 이미지 광(입사광)을 이미지 센서(900)의 픽셀 어레이(도 1, 및 도 5의 도면부호 '100' 참조)로 안내한다. 광학 시스템(910)은 복수의 광학 렌즈로 구성될 수 있다. 셔터 유닛(911)은 이미지 센서(900)에 대한 광 조사 기간 및 차폐 기간을 제어한다. 구동부(913)는 이미지 센서(900)의 전송 동작과 셔터 유닛(911)의 셔터 동작을 제어한다. 신호 처리부(912)는 이미지 센서(900)로부터 출력된 신호에 관해 다양한 종류의 신호 처리를 수행한다. 신호 처리 후의 이미지 신호(Dout)는 메모리 등의 저장 매체에 저장되거나, 모니터 등에 출력된다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내의 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 픽셀 어레이 PD : 광전변환소자
200 : 기판 202 : 불순물영역
204 : 그리드패턴 204A : 개구부
206 : 집광소자 208 : 위상차패턴
208A : 편심된 오픈부 210 : 제1차광패턴
210A : 제1오픈부 220 : 제2차광패턴
220A : 제2오픈부 230 : 제3차광패턴
230A : 제3오픈부 240 : 제4차광패턴
240A : 제4오픈부 250 : 광차단막
252 : 트렌치 PX1 : 제1픽셀(이미징 픽셀)
PX2 : 제2픽셀(이미징 픽셀) PX3 : 제3픽셀(이미징 픽셀)
PX4 : 제4픽셀(이미징 픽셀) PX5 :제5픽셀(위상차 검출 픽셀)

Claims (27)

  1. 편심된 오픈부를 갖는 위상차 검출 픽셀; 및
    상기 위상차 검출 픽셀을 둘러싸는 복수의 이미징 픽셀들을 포함하고,
    상기 복수의 이미징 픽셀들은:
    상기 오픈부가 편심된 제1방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제1픽셀;
    상기 제1방향과 정반대인 제2방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제2픽셀;
    상기 제1방향 및 상기 제2방향과 직교하는 제3방향으로 상기 위상차 검출 픽셀과 인접한 제3픽셀;
    상기 제3방향과 정반대인 제4방향으로 상기 위상차 검출 픽셀과 인접한 제4픽셀; 및
    상기 위상차 검출 픽셀을 기준으로 사선방향에 위치하는 나머지 이미징 픽셀들을 포함하고,
    상기 제1픽셀 및 상기 제2픽셀은 상기 위상차 검출 픽셀을 기준으로 상기 사선방향에 위치하는 상기 나머지 이미징 픽셀들의 수광면적보다 작은 수광면적을 갖는 이미지 센서.
  2. ◈청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1항에 있어서,
    상기 위상차 검출 픽셀은 기판 내에 형성된 광전변환소자를 포함하고,
    상기 제1픽셀은 상기 기판 내에 형성된 광전변환소자를 포함하고, 및
    상기 기판 내에 형성되고, 및 상기 위상차 검출 픽셀의 상기 광전변환소자와 상기 제1픽셀의 상기 광전변환소자 사이에 삽입된 광차단막을 더 포함하는 이미지 센서.
  3. ◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제2항에 있어서,
    상기 광차단막은 상기 제1픽셀의 상기 광전변환소자 측벽 일부를 둘러싸거나, 또는 상기 제1픽셀의 상기 광전변환소자 측벽 전체를 둘러싸는 이미지 센서.
  4. ◈청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제3항에 있어서,
    상기 광차단막은 상기 위상차 검출 픽셀의 상기 광전변환소자 측벽 일부를 둘러싸거나, 또는 상기 위상차 검출 픽셀의 상기 광전변환소자 측벽 전체를 둘러싸는 이미지 센서.
  5. 삭제
  6. ◈청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1항에 있어서,
    상기 제1픽셀의 수광면적은 상기 제2픽셀의 수광면적과 동일하거나, 또는 상기 제1픽셀의 수광면적이 상기 제2픽셀의 수광면적보다 작은 이미지 센서.
  7. 편심된 오픈부를 갖는 위상차 검출 픽셀; 및
    상기 위상차 검출 픽셀을 둘러싸는 복수의 이미징 픽셀들을 포함하고,
    상기 복수의 이미징 픽셀들은:
    상기 오픈부가 편심된 제1방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제1픽셀;
    상기 제1방향의 정반대인 제2방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제2픽셀;
    상기 제1방향 및 상기 제2방향과 직교하는 제3방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제3픽셀;
    상기 제3방향의 정반대인 제4방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제4픽셀; 및
    상기 위상차 검출 픽셀의 사선방향에 위치하는 나머지 이미징 픽셀들을 포함하고,
    상기 제1픽셀, 상기 제2픽셀, 상기 제3픽셀, 및 상기 제4픽셀은 동일한 제1컬러를 센싱하고,
    상기 나머지 이미징 픽셀들은 상기 제1컬러와 다른 제2컬러를 센싱하고, 및
    상기 제1픽셀, 상기 제2픽셀, 상기 제3픽셀, 및 상기 제4픽셀은 상기 나머지 이미징 픽셀들의 수광면적보다 작은 수광면적을 갖는 이미지 센서.
  8. ◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제7항에 있어서,
    상기 제1픽셀 내지 상기 제4픽셀의 수광면적은 모두 동일한 이미지 센서.
  9. ◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제7항에 있어서,
    상기 제1픽셀의 수광면적이 가장 작고, 상기 제2픽셀 내지 상기 제4픽셀의 수광면적은 서로 동일한 이미지 센서.
  10. ◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제7항에 있어서,
    상기 제1픽셀의 수광면적이 가장 작고, 상기 제2픽셀의 수광면적이 가장 크며, 상기 제3픽셀의 수광면적과 상기 제4픽셀의 수광면적은 동일한 이미지 센서.
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  17. 편심된 제1오픈부를 갖는 위상차 검출 픽셀 및 상기 위상차 검출 픽셀들을 둘러싸는 복수의 이미징 픽셀들 각각에 대응하는 광전변환소자들을 포함하는 기판;
    상기 위상차 검출 픽셀 및 상기 복수의 이미징 픽셀들 경계를 따라 상기 기판상에 형성된 그리드패턴;
    상기 위상차 검출 픽셀을 둘러싸는 상기 복수의 이미징 픽셀들 중 상기 오픈부가 편심된 제1방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제1픽셀 및 상기 제1픽셀의 광전변환소자와 중첩되도록 상기 기판상에 형성되고 상기 그리드패턴에 접하며 제2오픈부를 갖는 제1차광패턴;
    상기 위상차 검출 픽셀을 둘러싸는 복수의 이미징 픽셀들 중 상기 제1방향의 정반대인 제2방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제2픽셀 및 상기 제2픽셀의 광전변환소자와 중첩되도록 상기 기판상에 형성되고 상기 그리드패턴에 접하며 제3오픈부를 갖는 제2차광패턴;
    상기 위상차 검출 픽셀을 둘러싸는 복수의 이미징 픽셀들 중 상기 제1방향 및 상기 제2방향과 직교하는 제3방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제3픽셀 및 상기 제3픽셀의 광전변환소자와 중첩되도록 상기 기판상에 형성되고 상기 그리드패턴에 접하며 제4오픈부를 갖는 제3차광패턴;
    상기 위상차 검출 픽셀을 둘러싸는 복수의 이미징 픽셀들 중 상기 제3방향의 정반대인 제4방향으로 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 제4픽셀 및 상기 제4픽셀의 광전변환소자와 중첩되도록 상기 기판상에 형성되고 상기 그리드패턴에 접하며 제5오픈부를 갖는 제4차광패턴; 및
    상기 위상차 검출 픽셀을 둘러싸는 복수의 이미징 픽셀들 중 상기 위상차 검출 픽셀을 기준으로 사선방향에 위하는 나머지 이미징 픽셀들; 및상기 위상차 검출 픽셀의 광전변환소자와 상기 제1픽셀의 광전변환소자 사이에 형성된 광차단막을 포함하고,
    상기 제1픽셀 내지 제4픽셀에 각각 대응하는 상기 제2오픈부 내지 제5오픈부의 수광면적들은 상기 나머지 이미징 픽셀들의 수광면적들보다 작은 이미지 센서.
  18. ◈청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제17항에 있어서,
    상기 제1차광패턴은 링타입의 형태를 가지며, 균일한 선폭을 갖거나, 또는 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 부분이 상대적으로 더 큰 선폭을 갖는 이미지 센서.
  19. 삭제
  20. ◈청구항 20은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제17항에 있어서,
    상기 제2차광패턴 내지 상기 제4차광패턴은 링타입의 형태를 가지며, 균일한 선폭을 갖거나, 또는 상기 위상차 검출 픽셀에 인접한 부분이 상대적으로 더 큰 선폭을 갖는 이미지 센서.
  21. ◈청구항 21은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제17항에 있어서,
    상기 제1오픈부 내지 상기 제4오픈부의 면적은 모두 동일한 이미지 센서.
  22. ◈청구항 22은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제17항에 있어서,
    상기 제1오픈부의 면적이 가장 작고, 상기 제2오픈부 내지 상기 제4오픈부의 면적은 서로 동일한 이미지 센서.
  23. ◈청구항 23은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제17항에 있어서,
    상기 제1오픈부의 면적이 가장 작고, 상기 제2오픈부의 면적이 가장 크며, 상기 제3오픈부 면적과 상기 제4오픈부의 면적은 동일한 이미지 센서.
  24. ◈청구항 24은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제17항에 있어서,
    상기 제1픽셀 내지 상기 제4픽셀은 동일한 컬러를 센싱하는 이미지 센서.
  25. ◈청구항 25은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제17항에 있어서,
    상기 광차단막은 상기 기판에 형성된 트렌치에 매립된 형태를 갖는 이미지 센서.
  26. ◈청구항 26은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제17항에 있어서,
    상기 광차단막은 상기 제1픽셀의 광전변환소자 측벽 일부를 둘러싸거나, 또는 상기 제1픽셀의 광전변환소자 측벽 전체를 둘러싸는 이미지 센서.
  27. ◈청구항 27은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제26항에 있어서,
    상기 광차단막은 상기 위상차 검출 픽셀의 광전변환소자 측벽 일부를 둘러싸거나, 또는 상기 위상차 검출 픽셀의 광전변환소자 측벽 전체를 둘러싸는 이미지 센서.
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