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KR101608903B1 - 적외선 이미지 센서 - Google Patents

적외선 이미지 센서 Download PDF

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KR101608903B1
KR101608903B1 KR1020090110471A KR20090110471A KR101608903B1 KR 101608903 B1 KR101608903 B1 KR 101608903B1 KR 1020090110471 A KR1020090110471 A KR 1020090110471A KR 20090110471 A KR20090110471 A KR 20090110471A KR 101608903 B1 KR101608903 B1 KR 101608903B1
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infrared
photodiode
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depth
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조경래
조현민
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삼성전자주식회사
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Abstract

적외선을 감지할 수 있는 이미지 센서가 제공된다. 이미지 센서는 빛을 받아 광전하들을 축적하는 광전 변환 소자 및 광전 변환 소자 상부에서, 제 1 파장 대역을 갖는 빛을 제 1 파장 대역보다 짧은 제 2 파장 대역을 갖는 빛으로 변환시켜 상기 광전 변환 소자로 제공하는 파장 변환층을 포함한다.
적외선, 파장 변환층, 감도

Description

적외선 이미지 센서{Infrared image sensor}
본 발명은 3차원 영상을 구현하기 위한 적외선 이미지 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 감도가 보다 향상된 적외선 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시킨다. 최근들어 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대하고 있다.
CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고, 신호 처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하다. CMOS 이미지 센서는 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 또한, CMOS 이미지 센서는 CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 따라서, CMOS 이미지 센서는 기술 개발과 함께 고해상도가 구현 가능함에 따라 그 사용이 급격히 늘어나고 있다.
본원 발명이 해결하고자 하는 과제는 감도를 향상시킬 수 있는 적외선 이미지 센서를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 빛을 받아 광전하들을 축적하는 광전 변환 소자 및 광전 변환 소자 상부에서, 제 1 파장 대역을 갖는 빛을 제 1 파장 대역보다 짧은 제 2 파장 대역을 갖는 빛으로 변환시켜 상기 광전 변환 소자로 제공하는 파장 변환층을 포함한다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 적외선 픽셀 영역 및 가시광선 픽셀 영역들을 포함하는 반도체 기판, 적외선 및 가시광선 픽셀 영역들 각각에 형성되며, 빛을 받아 광전하들을 축적하는 광전 변환 소자들, 적외선 픽셀 영역에서, 제 1 파장 대역을 갖는 빛을 상기 제 1 파장 대역보다 짧은 제 2 파장 대역을 갖는 빛으로 변환시켜 광전 변환 소자로 제공하는 파장 변환층 및 가시광선 픽셀 영역들 상부에 배치되며, 적색, 녹색 및 청색 파장의 빛들을 각각 투과시키는 컬러필터층들을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 이미지 센서는, 파장 변환층을 이용함으로써, 장파장의 적외선을 단파장의 가시광선으로 변환시킬 수 있다. 적외선을 가 시광선으로 변환시킴으로써, 적외선이 반도체 기판으로 깊게 침투되어 손실되는 것을 줄일 수 있다. 따라서, 적외선 이미지 센서의 감도가 향상될 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 이미지 센서의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 적외선 이미지 센서는 픽셀 센서 어레이(Pixel Sensor Array; 10), 행 디코더(row decoder; 20), 행 드라이버(row driver; 30), 열 디코더(column decoder; 40), 타이밍 발생기(timing generator; 50), 상관 이중 샘플러(CDS: Correlated Double Sampler; 60), 아날로그 디지털 컨버터(ADC: Analog to Digital Converter; 70) 및 입출력 버퍼(I/O buffer; 80)를 포함한다.
픽셀 센서 어레이(10)는 2차원적으로 배열된 복수의 단위 픽셀들을 포함하며, 광 신호를 전기적 신호로 변환한다. 픽셀 센서 어레이(10)는 행 드라이버(50)로부터 픽셀 선택 신호, 리셋 신호 및 전하 전송 신호와 같은 복수의 구동 신호들에 의해 구동될 수 있다. 또한, 변환된 전기적 신호는 상관 이중 샘플러(50)에 제공된다.
행 드라이버(30)는 행 디코더(20)에서 디코딩된 결과에 따라 다수의 단위 픽셀들을 구동하기 위한 다수의 구동 신호들을 픽셀 센서 어레이(10)로 제공한다. 단위 픽셀들이 행렬 형태로 배열된 경우에는 각 행별로 구동 신호들이 제공될 수 있다.
타이밍 발생기(50)는 행 디코더(20) 및 열 디코더(40)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공한다.
상관 이중 샘플러(60)는 픽셀 센서 어레이(10)에서 생성된 전기 신호를 수신하여 유지(hold) 및 샘플링한다. 상관 이중 샘플러(60)는 특정한 잡음 레벨(noise level)과 전기적 신호에 의한 신호 레벨을 이중으로 샘플링하여, 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이에 해당하는 차이 레벨을 출력한다.
아날로그 디지털 컨버터(70)는 상관 이중 샘플러(60)에서 출력된 차이 레벨에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
입출력 버퍼부(80)는 디지털 신호를 래치(latch)하고, 래치된 신호는 열 디코더(40)에서의 디코딩 결과에 따라 순차적으로 영상 신호 처리부(도면 미도시)로 디지털 신호를 출력한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 센서 어레이의 평면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 센서 어레이의 단면도로서, 상기 도 2의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 자른 단면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 센서 어레이(10)는 적외선을 감지하는 단위 픽셀(PIR)들로 구성될 수 있다.
픽셀 센서 어레이(10)는 복수의 단위 픽셀(PIR)들, 마이크로 렌즈(160)들, 파장 변환층(180) 및 광 필터층(190)을 포함한다.
단위 픽셀(PIR)들은 이차원적인 매트릭스 형태로 배열되며, 각 단위 픽셀(PIR)들은 빛을 받아 광전하를 생성 및 축적하는 광전 변환 소자(110)와, 광전 변환 소자(110)로부터 전달받은 전기적 신호를 독출하는 로직 소자(미도시)를 포함한 다. 로직 소자는 리셋(reset) 소자, 증폭 소자 및 선택(select) 소자를 포함할 수 있다.
구체적으로, 광전 변환 소자(110) 및 로직 소자가 반도체 기판(100) 상에 형성된다. 광전 변환 소자(110) 및 로직 소자는 CMOS 공정 기술을 이용하여 형성될 수 있다.
반도체 기판(100)은 n형 또는 p형의 도전형을 갖는 반도체 기판(100)이 사용되거나, 벌크(bulk) 기판 상에 p형 또는 n형 에피택시얼층이 형성된 에피택시얼 기판이 사용될 수 있다. 반도체 기판(100) 내에는 활성 영역과 필드 영역을 구분하기 위한 소자 분리막(102)이 형성될 수 있으며, 광전 변환 소자(110) 및 로직 소자가 반도체 기판(100)의 활성 영역에 형성될 수 있다. 또한, 반도체 기판(100) 내에는 딥 웰(deep well; 미도시)이 형성될 수 있다. 딥 웰은 반도체 기판(100)의 깊은 곳에서 생성된 전하들이 광전 변환 소자(110)로 흘러 들어가지 않도록 포텐셜 배리어(potential barrier)를 형성하고, 전하와 홀의 재결합(recombination) 현상을 증가시켜 전하들의 랜덤 드리프트(random drift)에 의한 화소간 크로스토크(cross-talk)를 감소시키는 크로스토크 배리어 역할을 할 수 있다.
광전 변환 소자(110)는 입사광(incident light)을 흡수하여 광량에 대응하는 전하를 축적한다. 광전 변환 소자(110)로는 포토다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 핀드(pinned) 포토다이오드 또는 이들의 조합이 이용될 수 있으며, 본 발명의 실시예들에서는 핀드 포토다이오드가 예시된다. 또한, 광전 변환 소자(110)는 축적된 광전하를 플로팅 확산 영역(120)으로 전달하는 전하 전송 소자(130a, 130b)와 연결(coupling)된다.
보다 상세하게, 포토다이오드(110)는 반도체 기판(100) 내에 불순물을 도핑하여 형성된 불순물 영역일 수 있다. 포토다이오드(110)는 N형 불순물 영역(112)과 P형 불순물 영역(114)을 포함할 수 있다. N형 불순물 영역(112)은 반도체 기판(100) 내에 깊게 형성되며, P형 불순물 영역(114)은 N형 불순물 영역(114)의 표면에 얕게 형성된다. 이러한 포토다이오드(110)는 반도체 기판(100)의 표면으로부터 약 1㎛ 내지 10㎛ 깊이에 걸쳐 형성될 수 있다.
여기서, N형 불순물 영역(112)은 입사광을 흡수하여 광전하를 축적하며, P형 불순물 영역(114)은 반도체 기판(100)의 표면에서 열적으로 생성된 전하-전공 쌍(EHP: Electron-Hole Pair)의 생성을 줄임으로써 암전류를 방지한다. 여기서, 암전류는 실리콘의 댕글링 결함이나, 에칭 스트레스 등에 의한 반도체 기판(100)의 표면 손상으로 인해 발생될 수 있다.
반도체 기판(100) 내에는 포토다이오드(110)와 이격된 플로팅 확산 영역들(120a, 120b)이 형성된다. 플로팅 확산 영역들(120a, 120b) 또한, 반도체 기판(100) 내에 불순물을 도핑하여 형성된 불순물 영역일 수 있다. 이러한 플로팅 확산 영역(120)은 저농도 및 고농도 불순물 영역으로 이루어질 수 있다. 즉, 플로팅 확산 영역(120)은 LDD(Lightly Doped Drain) 구조를 갖거나, DDD(Double Doped Drain) 구조를 가질 수 있다.
플로팅 확산 영역들(120a, 120b)은 포토다이오드(110)에 축적된 광전하를 전하 전송 소자(130a, 130b)를 통해 전송 받는다. 플로팅 확산 영역들(120a, 120b) 은 기생 커패시턴스를 갖고 있기 때문에, 전하가 누적적으로 저장될 수 있다. 플로팅 확산 영역들(120a, 120b)에 저장되는 전하들에 의해 플로팅 확산 영역들(120a, 120b)에서의 전위가 변화될 수 있다. 이에 따라, 플로팅 확산 영역들(120a, 120b)에서의 전위 변화를 통해 광전하의 양이 검출될 수 있다.
플로팅 확산 영역들(120a, 120b)과 포토다이오드(110) 사이의 반도체 기판(100) 상에는 전하 전송 소자들(130a, 130b)이 배치될 수 있다. 전하 전송 소자들(130a, 130b)은 트랜지스터의 게이트 전극일 수 있다. 즉, 플로팅 확산 영역들(120a, 120b)과 포토다이오드(110) 사이의 반도체 기판(100) 상에는 전하 전송 게이트 전극들(130a, 130b)이 형성된다.
전하 전송 게이트 전극들(130a, 130b)은 포토다이오드(110)에 축적된 광전하를 플로팅 확산 영역들(120a, 120b)로 전달한다. 전하 전송 게이트 전극들(130a, 130b)은 반도체 기판(100) 상의 게이트 절연막과 게이트 절연막 상의 게이트 도전 패턴 게이트 도전 패턴 양측의 스페이서를 포함한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 포토다이오드(110)의 양측에 전하 전송 게이트 전극들(130a, 130b) 및 플로팅 확산 영역들(120a, 120b)들이 배치될 수 있다. 즉, 두 개의 전하 전송 게이트 전극들(130a, 130b)이 하나의 포토다이오드(110)를 공유하도록 배치될 수 있다. 상세하게, 포토다이오드(110)의 일측 부분에서 제 1 전하전송 게이트 전극(130a)과 제 1 플로팅 확산 영역(120a)이 형성될 수 있으며, 포토다이오드(110)의 타측 부분에서 제 2 전하전송 게이트 전극(130b)과 제 2 플로팅 확산 영역(120b)이 형성될 수 있다.
광전 변환 소자들(110) 및 로직 소자들이 형성된 반도체 기판(100) 상부에는 복수의 절연층들(140)이 형성된다. 광전 변환 소자들(110) 상부에 형성되는 절연층들(140)은 빛의 투과율을 향상시키기 위해 투과율이 높은 절연 물질로 형성될 수 있다. 그리고, 각각의 절연층들(140)은 소자들의 전기적인 라우팅 및/또는 차광 기능을 위한 배선층들(150)을 포함할 수 있다. 또한, 절연층들(140)은 포토다이오드(110) 상부의 빛 투과율을 향상시키기 위한 광투과부(미도시)를 포함할 수 있다.
배선층들(150)은 콘택(미도시)을 통해 하부의 로직소자들이나 다른 배선들과 연결될 수 있다. 배선층들(150)은 텅스텐(W) 또는 구리(Cu)와 같은 금속 물질로 형성될 수 있다. 배선층들(150)은 포토다이오드(110)들이 형성된 영역을 제외한 영역에 형성될 수 있다. 즉, 배선층들(150)은 각 단위 픽셀들(PIR)의 전하 전송 게이트 전극들(130a, 130b), 플로팅 확산 영역들(120a, 120b) 및 로직 소자들 상부에 형성될 수 있으며, 빛이 로직 소자들이 형성된 영역으로 입사되는 것을 차단할 수 있다.
복수의 절연층들(140) 및 배선층들(150) 상에는 각각의 광전 변환 소자들(110)에 대응하여 마이크로 렌즈(160)들이 형성될 수 있다. 마이크로 렌즈(160)는 열경화성 수지로 형성될 수 있으며, 소정의 곡률 반경을 가질 수 있다. 마이크로 렌즈(160)의 곡률 반경은 각 단위 픽셀들(PIR)로 입사되는 빛의 파장에 따라 달라질 수 있다. 이러한 마이크로 렌즈(160)는 광전 변환 소자(110) 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 변경시켜 광전 변환 소자(110)로 빛을 집광시킨다.
한편, 외부에서 입사되는 빛은 파장 범위에 따라 포토다이오드(110)에 입사되는 깊이가 달라지며, 파장이 길수록 포토다이오드(110)보다 깊은 반도체 기판(100) 부분까지 침투될 수 있다. 약 750nm 내지 1000nm의 파장범위를 갖는 적외선은 반도체 기판(100)의 수십 ㎛의 깊이까지 침투할 수 있다. 즉, 포토다이오드(110)가 반도체 기판(100)에서 수 ㎛의 깊이 내에 형성될 경우, 적외선은 포토다이오드(110)보다 더 깊은 반도체 기판(100) 영역에 침투될 수 있다. 반도체 기판(100)의 깊은 영역으로 침투된 빛은 손실될 수 있으며, 포토다이오드(110)에 입사되는 빛의 양이 감소된다. 그러므로, 포토다이오드(110)는 이미지 센서에 입사되는 빛의 양보다 적은 양의 빛을 수광하므로, 포토다이오드(110)에 축적되는 광전하들이 감소된다. 따라서, 이미지 센서의 광전 변환 효율이 떨어질 수 있으며, 이미지 센서의 감도(sensitivity)가 저하될 수 있다.
반면, 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 제 1 파장대역의 빛(LIR)을 제 1 파장대역보다 짧은 제 2 파장대역의 빛(LVR)으로 변환시키는 파장 변환층(180)을 이용함으로써, 이미지 센서의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
상세히 설명하면, 광전 변환 소자들(110)의 상부에 파장 변환층(180)이 배치된다. 또한, 파장 변환층(180)은 마이크로 렌즈(160)들의 상부 또는 하부에 배치될 수 있다. 마이크로 렌즈(160)들과 파장 변환층(180) 사이에는 평탄화층(170)이 형성될 수 있다. 또한, 파장 변환층(180)은 포토다이오드(110)들 상부의 절연층들(140) 내에 형성될 수도 있다.
파장 변환층(180)은 적외선 파장대역의 빛(LIR)을 가시광선 파장대역의 빛(LVR)으로 변환시키는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 파장변환층은, ZnSe 나노결정들이 도핑된 유리(glass)로 형성될 수 있다.
파장 변환층(180)에서 빛의 파장 변환 범위는 파장 변환층(180)을 이루는 원소들의 함량 비율에 따라 결정될 수 있다. 구체적으로, 외부에서 입사된 적외선(LIR)은 파장 변환층(180)을 통과함으로써 가시광선(LVR)으로 변환될 수 있다. 예를 들어, 파장 변환층(180)은 약 750nm 내지 1000nm의 파장범위를 갖는 적외선(LIR)을 약 440nm 내지 500nm의 파장 범위를 갖는 청색광(LVR)으로 변환시킬 수 있다. 또한, 파장 변환층(180)은 약 750nm 내지 1000nm의 파장범위를 갖는 적외선(LIR)을 약 520nm 내지 570nm의 파장 범위를 갖는 녹색광(LVR)으로 변환시킬 수 있다. 또한, 파장 변환층(180)은 약 750nm 내지 1000nm의 파장범위를 갖는 적외선(LIR)을 약 630nm 내지 700nm의 파장 범위를 갖는 적색광(LVR)으로 변환시킬 수도 있다.
파장 변환층(180) 상에는 광 필터층(190)이 배치될 수 있으며, 광 필터층(190)과 파장 변환층(180) 사이에 평탄화층(170)이 형성될 수 있다. 이미지 센서로 입사되는 빛은 넓은 파장 범위를 가지므로, 광 필터층(190)은 선택된 파장 범위의 빛만을 투과시킨다. 광 필터층(190)은 적외선 단위 픽셀(PIR)들에서 입사광(L)을 필터링하여 적외선만(LIR)을 파장 변환층(180)으로 투과시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 적외선 단위 픽셀(PIR)들로 이루어진 픽셀 센서 어레이(10)에서, 외부 입사광(L)이 광 필터층(190), 파장 변환층(180) 및 마이크로 렌즈(160)를 통과하여 포토다이오드(110)로 입사될 수 있다. 이미지 센서의 외부에서 입사되는 광(L)은 자외선, 가시광선 및 적외선을 포함한다. 입사광은 광 필터층(190)을 통과함으로써, 적외선(LIR)만이 파장 변환층(180)에 선택적으로 입사될 수 있다. 그리고, 적외선(LIR)은 파장 변환층(180)을 통과함으로써 가시광선(LVR-)으로 변환될 수 있다. 가시광선(LVR-)은 마이크로 렌즈(160)를 통해 반도체 기판(100) 내의 포토다이오드(110)에 집광될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가시광선은 반도체 기판(100)으로의 침투 깊이가 적외선의 침투 깊이 보다 짧으므로, 적외선(LIR)을 가시광선(LVR)으로 변환시켜 감지함으로써, 빛이 포토다이오드(110) 이외의 반도체 기판(100) 내로 침투하여 손실되는 것을 줄일 수 있다. 따라서, 입사되는 적외선에 의해 생성되는 광전하들의 양이 증가될 수 있다. 그러므로, 적외선 이미지 센서의 광전 변환 효율 및 감도를 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀 센서 어레이의 평면도이다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀 센서 어레이의 단면도로서, 상기 도 4의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 자른 단면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 센서 어 레이(10)는 적외선을 감지하는 적외선 픽셀들(infrared pixel; PIR)과, 가시광선을 감지하는 가시광선 픽셀들(PG, PB, PR)로 구성될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 센서 어레이(10)는 적외선 픽셀(PIR), 적색 픽셀(red pixel, PR), 녹색 픽셀(green pixel, PG,) 및 청색 픽셀(blue pixel; PB)을 포함할 수 있다. 즉, 각각의 단위 픽셀들(PIR, PG, PB, PR)에는 파장 대역이 서로 다른 광선들이 입사될 수 있다. 즉, 반도체 기판(200)은 적외선 픽셀 영역(PIR), 적색 픽셀 영역(PR), 녹색 픽셀 영역(PG,) 및 청색 픽셀 영역(PB)을 포함할 수 있다.
단위 픽셀들(PIR, PG, PB, PR)은 소자분리막(202)에 의해 활성 영역이 정의 될 수 있다. 단위 픽셀들(PIR, PG, PB, PR) 각각은 반도체 기판(200) 내에 광전 변환 소자(210)를 포함한다. 광전 변환 소자(210)는 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, n형 불순물 영역(112)과 p형 불순물 영역(114)으로 이루어진 포토다이오드일 수 있다. 또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 반도체 기판(200)에는 각 픽셀들 별로 전하 전송 소자 및 로직 소자들이 형성된다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 포토다이오드들(110)은 모두 반도체 기판(200) 표면으로부터 실질적으로 동일한 깊이에 걸쳐 형성될 수 있다. 즉, 적외선 픽셀들(PIR) 및 가시광선 픽셀들(PG, PB, PR) 각각의 포토다이오드들(210)은 실질적으로 동일한 깊이에 형성될 수 있다.
반도체 기판(200) 상에는, 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 복수의 절연층들(240) 및 복수의 배선층들(250)이 형성된다. 배선층들(250)은 포토다이오드가 형성된 영역 이외의 영역으로 빛이 입사되는 것을 차단할 수 있다.
복수의 절연층들(240) 및 배선층들(250) 상에는, 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 각각의 단위 픽셀들(PIR, PG, PB, PR)에 대응하는 마이크로 렌즈(260)들이 형성될 수 있다. 각 단위 픽셀들(PIR, PG, PB, PR)로 입사되는 빛은 마이크로 렌즈(260)에 의해 광전 변환 소자(210)로 집광될 수 있다. 각 단위 픽셀들(PIR, PG, PB, PR)에 입사되는 빛들은 파장 대역에 따라 침투 깊이가 서로 다르므로, 단위 픽셀들(PIR, PG, PB, PR) 각각에 형성된 마이크로 렌즈들(260)의 곡률 반경들이 서로 다를 수 있다.
한편, 적외선 픽셀(PIR)은 광전 변환층(110) 상부에 파장 변환층(280) 및 제 1 광 필터(290a)를 포함하며, 적색, 녹색, 청색 픽셀들(PG, PB, PR)은 각각 컬러 필터층들(285G, 285B, 285R) 및 제 2 광 필터(290b)를 포함한다.
적외선 픽셀(PIR)의 파장 변환층(280)은, 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 파장대역 빛(LIR; 즉, 적외선)을 제 1 파장대역보다 짧은 제 2 파장대역 빛(LVR; 즉, 가시광선)으로 변환시킬 수 있다.
컬러 필터층들(285G, 285B, 285R)은 입체 컬러 영상을 얻기 위해, 각 픽셀 들 별로 특정 색의 광을 투과시킨다. 컬러 필터층들(285G, 285B, 285R)은 해당 픽셀들(PG, PB, PR)에 따라 적색, 녹색 및 청색의 컬러 필터층을 가질 수 있다. 가시광선 픽셀들(PG, PB, PR)에서 적색 컬러필터층(285R)은 가시광선(LVR)을 필터링하여 적색광(LR)을 투과시킬 수 있다. 또한, 녹색 컬러필터층(285G)은 가시광선(LVR)을 필터링하여 녹색광(LG)을 투과시킬 수 있으며, 청색 컬러필터층(285B)은 가시광선(LVR)을 필터링하여 청색광(LB)을 투과시킬 수 있다.
파장 변환층(280) 및 컬러 필터층들(285G, 285B, 285R)은 동일한 레벨에 배치되거나, 서로 다른 레벨에 배치될 수 있다. 또한, 파장 변환층(280) 및 컬러 필터층들(285G, 285B, 285R)은 마이크로 렌즈(260)의 상부 또는 하부에 배치될 수 있다.
적외선 픽셀(PIR)의 제 1 광 필터(290a)는 파장 변환층(280)의 상부에 배치되며, 외부에서 입사된 빛을 필터링하여 적외선(LIR)만 적외선 픽셀(P-IR)로 투과시킨다. 즉, 제 1 광 필터(290a)는 입사광에서의 가시광선 및 자외선을 차단할 수 있다.
적색, 녹색, 청색 픽셀들(PG, PB, PR)의 제 2 광 필터(290b)는 컬러필터층들(285G, 285B, 285R) 상부에 배치되며, 외부에서 입사된 빛(L)을 필터링하여 가시광선(LVR)만을 컬러 필터층들(285G, 285B, 285R)로 투과시킨다. 즉, 제 2 광 필 터(290b)는 적외선 및 자외선을 차단할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 픽셀 센서 어레이의 단면도로서, 상기 도 4의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 자른 단면이다.
도 6을 참조하면, 적외선 픽셀(PIR) 및 가시광선 픽셀들(PG, PB, PR) 각각에 형성된 광전 변환 소자들(210), 즉, 포토다이오드들(210)은 반도체 기판(200)에서 서로 다른 깊이들(dR, dG, dB)을 갖도록 형성될 수 있다. 여기서, 포토다이오(210)의 깊이는 반도체 기판(200)의 표면과 포토다이오드(210)의 바닥면 사이의 거리를 말한다. 즉, 반도체 기판(200)의 표면과 포토다이오드들(210)의 바닥면들 사이의 거리들이 서로 다를 수 있다.
상세히 설명하면, 빛의 파장이 길수록 반도체 기판(200)에서의 침투 깊이(penetration depth)가 깊으므로, 비교적 긴 파장 대역의 빛이 입사되는 포토다이오드(210)는 반도체 기판(200) 내에 불순물을 깊게 도핑하여 형성될 수 있다. 즉, 가시광선에서 적색광의 파장이 녹색광 및 청색광의 파장보다 길으므로, 적색 픽셀(PR)의 포토다이오드(210)가 반도체 기판(200) 내에 가장 깊게 형성될 수 있다. 그리고, 청색광의 파장이 녹색광 및 적색광의 파장보다 짧으므로, 청색 픽셀(PB)의 포토다이오드(210)가 반도체 기판(200) 내에 가장 얕게 형성될 수 있다. 다시 말해, 적색 픽셀(PR), 녹색 픽셀(PG), 청색 픽셀(PB)의 순으로 포토다이오드(210)들의 깊이들이 감소될 수 있다. (즉, dR > dG > dB)
또한, 적외선 픽셀(PIR)의 포토다이오드(210)의 깊이는 적색, 녹색 및 청색 픽셀들(PG, PB, PR) 중 어느 하나에 형성된 포토다이오드(210)의 깊이와 실질적으로 동일할 수 있다. 적외선 픽셀(PIR)에서 포토다이오드(210)의 깊이는 가장 깊게 형성되는 적색 픽셀(PR)에서 포토다이오드(210)의 깊이보다 작고, 가장 얕게 형성되는 청색 픽셀(PB)에서 포토다이오드(210)의 깊이보다 클 수 있다.
다시 말해, 파장 변환층(280)이 적외선 파장대역을 청색광 파장대역으로 변환시키는 물질로 형성된 경우, 적외선 픽셀(PIR)에서 포토다이오드(210)의 깊이는 청색 픽셀(PB)에서 포토다이오드(210)의 깊이와 실질적으로 동일할 수 있다. 또한, 파장 변환층(280)이 적외선 파장대역을 적색광 파장대역으로 변환시키는 물질로 형성된 경우, 적외선 픽셀(PIR)에서 포토다이오드(210)의 깊이는 적색 픽셀(PB)에서 포토다이오드(210)의 깊이와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 이미지 센서를 이용한 광학적 깊이 검출 장치의 개념도이다.
도 7을 참조하면, 광학적 깊이 검출 장치(1000)는 대상 물체(object; 1001)에 빛을 조사하고, 대상 물체(1001)로부터 반사되는 빛을 감지함으로써 대상 물체(1001)의 광학적 깊이(optical depth)를 검출할 수 있다.
구체적으로, 광학적 깊이 검출 장치(1000)는 대상 물체(1001)에 빛을 조사하는 광원(1100), 대상물체로부터 반사된 빛을 감지하는 이미지 센서(1200) 및 광 원(1100)과 이미지 센서(1200)에 동기화된 펄스를 제공하는 타이밍 제어부(1300)를 포함한다.
이미지 센서(1200)는 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 이미지 센서(1200)로서, 대상 물체(1001)에서 반사되는 적외선을 감지하여, 대상 물체(1001)에 대한 광학적 깊이 정보(optical depth information)를 출력할 수 있다. 이와 같이 적외선 이미지 센서(1200)에서 얻어진 광학적 깊이 정보는 적외선 카메라와 같이, 3차원 영상을 구현하는데 이용될 수 있다. 또한, 적외선 픽셀들 및 가시광선 픽셀들을 포함하는 적외선 이미지 센서(1200)를 이용함으로써, 3차원 컬러 영상을 구현할 수도 있다.
도 2 및 도 6을 참조하여 보다 상세히 설명하면, 광학적 깊이 검출 장치(1000)는 광원(1100)으로부터 대상물체로 빛을 조사한다. 광원(1100)에서 조사되는 빛은 타이밍 제어부(1300)에 의해 펄스화된 광신호를 출력한다. 이와 동시에 타이밍 제어부(1300)는 이미지 센서(1200)의 제 1 전하 전송 게이트 전극(130a)에 광신호화 동기화된 펄스 신호를 제공한다. 또한, 타이밍 제어부(1300)는 제 1 전하 전송 게이트 전극(130a)에 인가되는 펄스 신호와 180도의 위상차를 갖는 신호를 제 2 전하 전송 게이트 전극(130b)에 제공한다.
대상 물체(1001)에 반사된 빛은 적외선 이미지 센서(1200)로 입사된다. 반사된 빛은, 광원(1100)에서 제공된 광신호보다 시간이 지연된 펄스 형태로 포토다이오드(110)에 입사될 수 있다. 또한, 반사된 빛은 광 필터(190)에 의해 적외선만이 이미지 센서로 입사될 수 있으며, 적외선은 파장 변환층(180)에 의해 가시광선 으로 변환되어 포토다이오드(110)로 입사될 수 있다.
반사된 빛에 의해 포토다이오드(110)에 축적된 광전하들은 제 1 및 제 2 전하 전송 게이트 전극(130a, 130b)에 의해 제 1 및 2 플로팅 확산 영역들(120a, 120b)로 전달되어, 제 1 및 제 2 플로팅 확산 영역들(120a, 120b)에 저장될 수 있다.
한편, 제 1 및 제 2 전하 전송 게이트 전극(130a, 130b)에 제공되는 펄스 신호들의 위상이 다르므로, 제 1 및 제 2 플로팅 확산 영역들(120a, 120b)에 저장되는 전하량이 다를 수 있다. 그러므로, 반사된 빛의 펄스 신호와 제 1 전하 전송 게이트 전극(130a)에 인가된 펄스 신호가 중첩되는 시간 동안 제 1 플로팅 확산 영역(120a)에서 측정되는 전위와, 반사된 빛의 펄스 신호와 제 2 전하 전송 게이트 전극(130b)에 인가된 펄스 신호가 중첩되는 시간 동안 제 2 플로팅 확산 영역(120b)에서 측정되는 전위 사이의 차이를 통해, 광원(1100)과 대상 물체(1001) 사이의 거리(D)가 측정될 수 있다. 즉, 이미지 센서(1200)에서 대상 물체(1001)의 광학적 깊이 정보가 출력될 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 이미지 센서의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 센서 어레이의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 센서 어레이의 단면도로서, 상기 도 2의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 자른 단면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀 센서 어레이의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀 센서 어레이의 단면도로서, 상기 도 4의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 자른 단면이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 이미지 센서를 포함하는 적외선 검출 장치의 개념도이다.

Claims (10)

  1. 적외선 픽셀 영역 및 가시광선 픽셀 영역들을 포함하는 반도체 기판;
    상기 적외선 픽셀 영역 및 상기 가시광선 픽셀 영역들 각각에 형성되며, 빛을 받아 광전하들을 축적하는 광전 변환 소자들;
    상기 적외선 픽셀 영역에서, 제 1 파장 대역을 갖는 빛을 상기 제 1 파장 대역보다 짧은 제 2 파장 대역을 갖는 빛으로 변환시켜 상기 광전 변환 소자로 제공하는 파장 변환층; 및
    상기 가시광선 픽셀 영역들 상부에 배치되며, 적색, 녹색 및 청색 파장의 빛들을 각각 투과시키는 컬러필터층들을 포함하는 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 변환층은 적외선 파장대역의 빛을 가시광선 파장대역의 빛으로 변환시키는 물질들 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 이미지 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 파장 변환층은 ZnSe 나노 결정들이 도핑된 유리로 이루어진 이미지 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전 변환 소자는 반도체 기판 내에 불순물을 도핑하여 형성된 포토다이오드들인 이미지 센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 적외선 픽셀 영역에서 상기 포토다이오드의 깊이는 상기 가시광선 픽셀 영역들에서 상기 포토다이오드들의 깊이들과 실질적으로 동일한 이미지 센서.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 가시광선 픽셀 영역들은 제 1 컬러 픽셀 영역, 제 2 컬러 픽셀 영역, 및 제 3 컬러 픽셀 영역을 포함하며,
    상기 제 1 내지 제 3 컬러 픽셀 영역들 각각에 형성된 상기 포토다이오드들은 상기 반도체 기판의 표면으로부터의 깊이들이 서로 다른 이미지 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 컬러 픽셀 영역에서 상기 포토다이오드의 상기 깊이는 상기 제 2 및 제 3 컬러 픽셀 영역들에서 상기 포토다이오드들의 상기 깊이들 보다 크고,
    상기 제 3 컬러 픽셀 영역의 상기 포토다이오드의 상기 깊이는 상기 제 1 및 제 2 컬러 픽셀 영역들의 상기 포토다이오드들의 상기 깊이들 보다 작으며,
    상기 적외선 픽셀 영역에서 상기 포토다이오드의 깊이는, 상기 제 1 컬러 픽셀 영역에서 상기 포토다이오드의 상기 깊이보다 작고 상기 제 3 컬러 픽셀 영역의 상기 포토다이오드의 상기 깊이보다 큰 이미지 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 적외선 픽셀 영역은 상기 파장 변환층 상부에서 적외선 파장대역의 빛을 선택적으로 투과시키는 제 1 광 필터를 더 포함하는 이미지 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 가시광선 픽셀 영역들은 상기 컬러필터층들 상부에서 가시광선 파장대역의 빛을 선택적으로 투과시키는 제 2 광 필터를 더 포함하는 이미지 센서.
  10. 대상 물체에 빛을 조사하고, 상기 대상 물체로부터 반사되는 빛을 검출하여, 상기 대상 물체의 광학적 깊이를 측정하는 광학적 깊이 측정 장치로서,
    상기 대상 물체로 적외선을 방출하는 광원;
    상기 대상 물체로부터 반사된 상기 적외선을 가시광선으로 변환시키는 파장 변환층과, 상기 파장 변환층에서 변환된 빛을 받아 광전하들을 축적하는 광전 변환 소자를 포함하는 이미지 센서; 및
    상기 광원 및 상기 이미지 센서로 펄스 신호를 제공하는 타이밍 제어부를 포함하는 광학적 깊이 측정 장치.
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